KR20030075241A - Temperature control system for heater without sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 센서가 필요없는 히터용 온도 제어시스템과 그의 온도 제어방식에 관한 것으로, 기구적 접촉식 외부센서를 장착하지 않고 온도변화에 의해 선형적으로 변화하는 히터의 비 저항계를 이용한 도체의 저항변화를 검출함으로써 정확한 히터의 온도를 산출하고, 이에 따라 히터의 인가 전원을 제어함으로써 항상 요구 온도를 유지할 수 있도록 하는 센서가 필요없는 히터용 온도제어시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature control system for a heater that does not require a sensor, and a temperature control method thereof, wherein a resistance change of a conductor using a resistivity meter of a heater that is linearly changed by temperature change without a mechanical contact type external sensor installed. The present invention relates to a temperature control system for a heater that does not require a sensor that calculates an accurate temperature of a heater by detecting a temperature and accordingly controls an applied power supply of the heater so that a required temperature can be maintained at all times.
일반적으로 임의온도에서 열적 안정성을 요구받는 히터는 임의설정된 온도 범위내에서 가열되도록 하기 위하여 온도조절장치를 구비하고 있는데, 이를 위하여 정확한 온도의 측정이 필요로 하며 대개는 도 4에서와 같은 열전대(Thermo-couple)에 의한 온도감지방식을 채택하고 있으며 이에 의해 감지된 온도를 기준으로 온도를 조절하고 있다.In general, a heater that requires thermal stability at an arbitrary temperature is provided with a temperature control device to be heated within a predetermined temperature range. For this purpose, an accurate temperature measurement is required, and a thermocouple (Thermo) as shown in FIG. It adopts the temperature sensing method by -couple) and adjusts the temperature based on the detected temperature.
열전대에 의해 검지되고, 검지된 온도를 바탕으로 온도를 조절하는 방식은 대개의 경우 on/off 스위칭 방식으로서, 히터 가열시 단속적인 오버슈트(Over-shoot)가 발생되므로 온도의 증감이 일정치 않고 진폭이 큰 단점이 있다. (도 6 참조)The method of detecting temperature by thermocouple and adjusting the temperature based on the detected temperature is usually on / off switching method, and the temperature is not constant because the intermittent overshoot occurs when the heater is heated. It has a big disadvantage. (See Figure 6)
또한, 히터가 작고 매우 국소적인 작업을 하는 정밀한 장치일 경우에는, 열전대가 상대적으로 큰 부피를 차지하게되므로 설치작업이 매우 어렵고 히터의 이동이나 히터에 의해 작업이 이루어지는 경우와 같이 장치내에서 구성체로 사용될 경우 주변장치에 의한 간섭현상이 발생되기 쉬울 뿐만 아니라, 열전대가 소용량의 열원을 가지는 히터에 사용될 경우에는 열전대 자체적인 열전도 및 열전대 결합부위에서 발생하는 대류현상에 의해 온도측정편차가 크게 발생되며, 고온에서 장기간 사용시 열전대 자체의 산화(酸化)가 발생, 열전대 수명에 한계성이 있고, 고온용 히터에 열전대를 설치할 경우 특수한 기구적 방법에 의해 부착하거나 세라믹 소재와 같은 특수본드를 사용해 부착하여야 하며, 특히 소용량의 고온히터에서는 기구적 방법이 부적절하므로 어쩔 수 없이 특수본드를 사용하여 부착하여야 하는데, 특수본드의 사용은 기구적 충격 및 열충격에 대해 매우 취약하므로 부착 내구성 및 정밀온도제어의 문제가 잔존하여 궁극적으로 히터를 이용한 작업상의 작업 품질을 기대키가 어려워진다.In addition, if the heater is a small, precise device that performs very local work, the thermocouple occupies a relatively large volume, so installation work is very difficult, and it is difficult to install the device in the device such as when the heater is moved or the work is performed by the heater. When used, it is not only easy to cause interference by peripheral devices, but when thermocouples are used in heaters with a small amount of heat source, the temperature measurement deviation is largely generated due to the thermocouple's own heat conduction and convection occurring at the thermocouple coupling site. Long-term use at high temperature may cause oxidation of the thermocouple itself and limit the thermocouple life.When installing a thermocouple on a high temperature heater, it must be attached by a special mechanical method or by using a special bond such as a ceramic material. In high temperature heaters with small capacity, the mechanical method is inadequate. Inevitably, it is necessary to attach using special bond, but the use of special bond is very vulnerable to mechanical shock and thermal shock, so problems of attachment durability and precise temperature control remain and ultimately work quality of work using heater is expected. The keys become difficult
본 발명의 목적은, 온도측정방식 및 이에 의한 온도제어시스템으로서 열전대에 의한 접촉식 온도제어방식을 이용하는 대신에, 히터의 온도에 따른 선형적 비 저항계 특성을 이용해 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출하여 히터의 온도를 측정하고 이를 피드백 제어함으로써 일정범위 내에서 안정된 온도제어가 이뤄지도록 한다. 온도에 따른 선형적 비 저항 특성을 갖는 소재로는 대표적으로 텅스텐, 티타늄등을 들 수 있으며, 온도를 제어하는 온도구간이 상대적으로 좁을 경우에는 온도에 따른 비 저항 특성이 비교적 선형적이지 못한 소재로 구성된 히터도 일정오차 범위내에서는 제어가 가능하다.An object of the present invention is to detect the resistance change according to the conductor temperature by using a linear resistivity characteristic according to the temperature of the heater, instead of using a thermocouple contact temperature control method as a temperature measuring method and a temperature control system thereby. By measuring the temperature of the heater and feedback control it ensures a stable temperature control within a certain range. Representative materials having linear resistivity characteristics according to temperature include tungsten and titanium, and in the case where the temperature range controlling the temperature is relatively narrow, the resistivity characteristic according to temperature is relatively nonlinear. The configured heater can also be controlled within a certain error range.
즉, 본 발명에서는 히터의 비 저항계를 이용한 온도측정을 수행함에 있어 기준저항을 배치하고, PWM 신호방식을 적용하여 PWM출력의 OFF 구간동안 기준저항에 회로의 경로를 거치게 함으로써, 기준저항의 자체발열이 일어나지 않도록 최저 전압을 인가하여 온도측정을 수행함으로써, 안정된 온도측정 및 제어가 가능하도록 한다.That is, in the present invention, in performing the temperature measurement using the resistivity meter of the heater, the reference resistor is placed, and the PWM signal method is applied to pass the circuit path to the reference resistor during the OFF period of the PWM output, thereby self-heating the reference resistor. In order to prevent this from happening, temperature measurement is performed by applying the lowest voltage, thereby enabling stable temperature measurement and control.
또한, 히터의 비 저항계를 이용한 온도를 제어함에 있어서, PWM 출력의 ON 구간동안 히터가열 회로의 효율을 높이기 위해 기준저항의 회로경로를 차단하고, 일정시간동안 히터를 직접적으로 최대용량만큼 순간 가열시킴으로써, 전류의 손실 및 기준저항의 발열을 방지하고 안정된 온도제어가 가능하도록 한다.In addition, in controlling the temperature using the resistivity meter of the heater, in order to increase the efficiency of the heater heating circuit during the ON period of the PWM output, the circuit path of the reference resistance is cut off, and the heater is directly heated by the maximum capacity for a predetermined time. It prevents current loss and heat generation of reference resistance and enables stable temperature control.
도 1은 본 발명에 따른 온도제어시스템을 개략적으로 도시한 구성도,1 is a configuration diagram schematically showing a temperature control system according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 제어흐름을 도시한 제어동작도,2 is a control operation diagram showing a control flow according to the present invention,
도 3은 본 발명이 적용되는 히터에서의 온도에 대한 비 저항 특성 예시도,3 is an exemplary resistivity characteristic with respect to temperature in a heater to which the present invention is applied;
도 4는 종래기술에 따른 히터 및 온도제어시스템을 개략적으로 도시한 전기회로도,4 is an electrical circuit diagram schematically showing a heater and a temperature control system according to the prior art;
도 5는 본 발명에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도,5 is a characteristic diagram showing a time-current, temperature change of the heater according to the present invention,
도 6은 종래기술에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도.Figure 6 is a characteristic diagram showing the current, temperature change with respect to the time of the heater according to the prior art.
*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 ; 히터 2 ; 히터저항One ; Heater 2; Heater resistance
3 ; 기준저항 4 ; 히터전압 측정용 A/D변환기3; Reference resistance 4; A / D converter for heater voltage measurement
5 ; 전류검출용 A/D변환기6 ; 전압 및 전류 제어회로5; A / D converter 6 for current detection; Voltage and current control circuit
7 ; CPU8 ; 입력장치7; CPU8; Input device
9 ; 표시장치9; Display
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 온도제어기의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 온도제어기의 제어흐름을 도시한 제어동작도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 히터에서의 온도에 대한 비저항 특성예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 히터의 시간대비 전류, 온도변화를 도시한 특성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a temperature controller according to the present invention, Figure 2 is a control operation diagram showing the control flow of the temperature controller according to the present invention, Figure 3 is a heater applied to the present invention Figure 7 is an exemplary resistivity characteristic for the temperature of, Figure 5 is a characteristic diagram showing the current, temperature change over time of the heater according to the present invention.
먼저 도 1에서 보면, 히터저항(2)에 전류가 흐를때에 발생되는 저항열을 이용한 히터에 있어서, 온도변화에 거의 영향을 받지 않을 정도로 상기 히터저항(2)에 비해 상대적으로 큰 저항값을 갖는 기준저항(3)이 상기 히터저항(2)에 직렬로 연결되고, 상기 기준저항(3)과 히터저항(2)의 사이에는 전압 및 전류제어회로(6)가 연결되고, 상기 기준저항(3)의 양단에 연결된 전류검출용 A/D 변환앰프(5)와 상기 히터저항(2)의 양단에 연결된 히터 측정용 A/D 변환기(4)는 상기 전압 및 전류 제어회로(6)와 연결된 CPU 주회로(7)에 각각 연결됨으로써, PWM 출력의 OFF 구간동안에는 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 거치도록 제어함으로써(A 루프) 상기 기준저항(3)이 발열되지 않도록 최소 전압을 인가하여 히터(1)의 온도를 측정하고, PWM 출력의 ON 구간동안에는 히터가열회로의 효율을 향상시키기 위해 상기 기준저항(3)의 회로 경로를 차단하도록 제어함으로써(B 루프) 상기 히터(1)가 집중적으로 순간 가열되도록 함을 특징으로 한다.First, as shown in FIG. 1, in a heater using resistance heat generated when a current flows in the heater resistance 2, a resistance value relatively large compared to the heater resistance 2 is hardly affected by a change in temperature. The reference resistor 3 having is connected in series with the heater resistor 2, and the voltage and current control circuit 6 is connected between the reference resistor 3 and the heater resistor 2, and the reference resistor ( A / D conversion amplifier 5 for current detection connected to both ends of 3) and A / D converter 4 for heater measurement connected to both ends of the heater resistor 2 are connected to the voltage and current control circuit 6. By connecting to the CPU main circuit (7), by controlling the circuit path of the reference resistor (3) during the OFF period of the PWM output (A loop) by applying a minimum voltage so that the reference resistor (3) does not generate heat The temperature of the heater 1 is measured and the heater heating circuit during the ON period of the PWM output. It is characterized in that the heater 1 is concentrated instantaneously by controlling to block the circuit path of the reference resistor 3 to improve the efficiency of the (B loop).
즉, 본 발명에서는 히터의 비 저항계를 이용하여 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출함으로써 히터(1)의 온도를 측정하고, 그 온도가 일정범위 내에서 유지되도록 한다.That is, in the present invention, the temperature of the heater 1 is measured by detecting the resistance change according to the conductor temperature using the specific resistance of the heater, and the temperature is maintained within a certain range.
도 1에서 보면, A 루프를 통해 기준저항(3)에 흐르는 전압 먼저 측정하고, 상기 전압값에 의해 전류를 산출해서 히터저항(2)의 저항값을 계산한 다음 이 값과 전압변화에 따른 온도관계를 추정함으로써, 상기 CPU 주회로(7)에서는 적정온도의 도달여부를 판단하게되며, 가열이 필요한 경우에는 A 루프에서 B 루프로 전환되어 상기 히터(1)의 가열을 B 루프를 통해 순간적으로 가열되도록 하고, 다시 A 루프로 전환하여 온도측정과정을 반복하도록 제어한다.In Fig. 1, the voltage flowing through the A loop through the reference resistor 3 is measured first, the current is calculated from the voltage value, and the resistance value of the heater resistor 2 is calculated. By estimating the relationship, the CPU main circuit 7 determines whether the proper temperature is reached, and when heating is required, it is switched from the A loop to the B loop to instantly heat the heater 1 through the B loop. Allow to heat, then switch back to A loop and control to repeat the temperature measurement process.
히터(1)의 온도 측정방법에 대해 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.The temperature measuring method of the heater 1 will be described in detail as follows.
본원발명에서는 기준저항(3) Rref가 히터저항(2) Rh보다 훨씬 큰 값이므로 (Rref》Rh), 기준저항(3) Rref는 온도변화에 관계없이 거의 일정한 값을 유지하는데, 이때 기준저항(3)인 Rref와 전위차 Vref는 측정값에 의해 알고 있으므로 기준저항(3)에 흐르는 전류값(I= Vref/ Rref)을 계산할 수 있다.In the present invention, since the reference resistance (3) R ref is much larger than the heater resistance (2) R h (R ref 》 R h ), the reference resistance (3) R ref maintains a substantially constant value regardless of temperature change. At this time, since R ref and the potential difference V ref, which are the reference resistors 3, are known from the measured values, the current value I = V ref / R ref flowing through the reference resistor 3 can be calculated.
또한, 인가되는 전체전압(Vtotal)과 기준저항(3)의 전압(Vref)은 측정값에 의해 이미 알고 있으므로 히터저항(2)의 전압(Vh=Vtotal- Vref)을 계산할 수 있으며, 이 값에 의해 히터저항(2)의 저항(Rh=Vh/ I)을 계산할 수 있다.In addition, since the applied voltage (V total ) and the voltage (V ref ) of the reference resistor (3) are already known from the measured values, the voltage (V h = V total -V ref ) of the heater resistor (2) can be calculated. Based on this value, the resistance (R h = V h / I) of the heater resistor 2 can be calculated.
이와 같이 히터저항(2)의 저항값이 계산되면, 도 3에서와 같은 비 저항(Rh/ Rref)와 온도 특성 그래프 또는 별도로 측정되는 기준수치값을 통하여 히터(1)의 온도를 구할 수 있으며, 이 값은 CPU 주회로(7)를 거쳐 표시장치(9)에서 디스플레이되며, 이 값이 설정온도보다 낮을 경우에는 A 루프에서 B 루프로 전환되어 상기 히터(1)의 가열을 B 루프를 통해 순간적으로 가열되도록 하고, 다시 A 루프로 전환하여 온도측정과정을 반복하도록 제어한다.When the resistance value of the heater resistor 2 is calculated as described above, the temperature of the heater 1 can be obtained through the specific resistance (R h / R ref ) and the temperature characteristic graph as shown in FIG. 3 or the reference value measured separately. This value is displayed on the display device 9 via the CPU main circuit 7, and when the value is lower than the set temperature, the value is switched from the A loop to the B loop so that the heater 1 is heated to the B loop. To be heated instantaneously, and then switch back to the A loop to control the temperature measurement process to repeat.
따라서, 저전압을 통하여 도 2와 같은 반복된 온도제어 흐름을 나타내게된다. 즉, 제어출력 구간을 PWM 주기의 95 Duty Cycle을 이용하고, 제어출력의 OFF 구간인 출력 통제구간 동안 온도측정을 수행함으로써 안정된 온도 검출이 가능토록 한다.Accordingly, the repeated temperature control flow as shown in FIG. 2 is shown through the low voltage. That is, by using the 95 duty cycle of the PWM period as the control output section, and performing the temperature measurement during the output control section, which is the OFF section of the control output, the stable temperature detection is possible.
본 발명은 PID 피드백 제어에 의해 온도 추종성이 우수하며, PWM 신호모듈을 사용, 제어량을 디지털신호로 세분화하여 통제함으로써 실제어출력은 연속적인 형태로 나타나기 때문에 단속적인 ON/OFF 방식 보다 안정되고 세밀한 레벨제어가 가능케 된다. (도 5 참조)The present invention has excellent temperature followability by PID feedback control, and by using PWM signal module to control the control amount by dividing it into digital signal, the actual fish output appears in continuous form, so it is more stable and detailed level than the intermittent ON / OFF method. Control is possible. (See Figure 5)
또한, 주 전원을 이용하여 히터 저항값 및 히터 온도를 측정하게되므로 온도센서를 별도로 부착할 필요가 없고, 외부 센서를 필요로 하지 않으므로 공간적, 환경적인 제약을 받지 않게 될 뿐만 아니라, 별도의 센서 교환없이도 반영구적으로 사용할 수 있는 것이다.In addition, since the heater resistance value and the heater temperature are measured using the main power supply, there is no need to attach a temperature sensor separately, and the external sensor is not required, so it is not subject to spatial and environmental constraints, and separate sensor replacement It can be used semi-permanently without.
본 발명에서 사용된 PWM(Pulse Width Modulation)제어방식에서는 단위시간당 펄스의 간격 변화를 제어하고자하는 전원목표치의 레벨량으로 변화시켜 출력 제어함으로써 안정된 레벨링 제어가 가능케 된다.In the PWM (Pulse Width Modulation) control method used in the present invention, a stable leveling control is possible by controlling the output of the power target value to be controlled by changing the change in the interval of pulses per unit time.
즉, 디지털방식에 의한 실시간 제어신호를 아날로그출력으로 전환하여 제어함으로써 부드러운 레벨 제어가 가능하며, ON/OFF 스위칭 제어방식보다 전원량을 지속적으로 안정되게 통제할 수 있으므로 보다 세밀한 온도제어가 가능할 뿐만 아니라, ON/OFF 시의 열충격이 없으므로 히터 수명이 절대적으로 양호해진다.In other words, by switching the digital real-time control signal to an analog output, smooth level control is possible, and more precise temperature control is possible because the amount of power can be continuously and stably controlled than the ON / OFF switching control method. Heater life is absolutely good because there is no thermal shock at ON / OFF.
이상 설명드린 바와 같이 본 발명에서는, 온도제어장치로서 열전대에의한 접촉식 센서에 의한 온도제어방식을 이용하는 대신에, 히터의 비 저항계에 의해 도체 온도에 따른 저항 변화를 검출하여 히터의 온도를 측정하고 이를 피드백제어 함으로써 일정범위 내에서 안정된 온도제어가 이뤄지도록 한다.As described above, in the present invention, instead of using the temperature control method by the contact sensor by the thermocouple as the temperature control device, the resistance change according to the conductor temperature is detected by the resistivity meter of the heater to measure the temperature of the heater. And by feedback control, stable temperature control is achieved within a certain range.
즉, 본 발명에서는 히터(1)의 비 저항계를 이용한 온도측정을 수행함에 있어 기준저항(3)을 배치하고, PWM 신호방식을 적용하여 PWM 출력이 OFF 구간동안 기준저항(3)에 회로의 경로를 거치게 함으로써, 기준저항의 자체발열이 일어나지 않도록 최저 전압을 인가하여 온도측정을 수행함으로써, 안정된 온도측정 및 제어가 가능하도록 한다.That is, in the present invention, in performing the temperature measurement using the resistivity meter of the heater 1, the reference resistor 3 is disposed, and the PWM signal is applied to the path of the circuit to the reference resistor 3 during the OFF period. By passing through, by performing the temperature measurement by applying the lowest voltage so that self-heating of the reference resistance does not occur, it is possible to enable stable temperature measurement and control.
또한, 히터(1)의 비 저항계를 이용한 온도를 제어함에 있어서, PWM 출력의 ON 구간동안 히터가열 회로의 효율을 높이기 위해 기준저항(3)의 회로경로를 차단하고, 일정시간동안 히터(1)를 직접적으로 최대용량만큼 순간 가열시킴으로써, 전류의 손실 및 기준저항의 발열을 방지하고 안정된 온도제어가 가능하도록 한다.In addition, in controlling the temperature using the resistivity meter of the heater 1, in order to increase the efficiency of the heater heating circuit during the ON period of the PWM output, the circuit path of the reference resistor 3 is cut off and the heater 1 is maintained for a predetermined time. Direct heating by the maximum capacity directly prevents the loss of current and the heat generation of the reference resistance and enables stable temperature control.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 온도센서를 별도 부착할 필요가 없으므로 그 구조가 단순하고 협소한 공간에도 설치 가능할 뿐만 아니라, PWM 제어방식을 채택하여 레벨 제어가 가능하게 하고 기존 ON-OFF 스위칭방식에 비해 히터의 열충격이 절대적으로 감소되며, PID 제어방식을 채택함으로써 실시간 온도제어가 가능하고 실시간으로 제어 온도를 표시할 수 있게된다.In addition, in the present invention, since the temperature sensor does not need to be separately attached, the structure is simple and can be installed in a narrow space, and also adopts a PWM control method to enable level control and a heater compared to the existing ON-OFF switching method. The thermal shock of is absolutely reduced, and by adopting PID control method, real time temperature control is possible and control temperature can be displayed in real time.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120511 Year of fee payment: 9 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |