KR20050047079A - 공용 기준 레그를 갖는 가변 저항기 센서 - Google Patents

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KR20050047079A KR1020057001009A KR20057001009A KR20050047079A KR 20050047079 A KR20050047079 A KR 20050047079A KR 1020057001009 A KR1020057001009 A KR 1020057001009A KR 20057001009 A KR20057001009 A KR 20057001009A KR 20050047079 A KR20050047079 A KR 20050047079A
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존 마이클 룰르
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셀레리티 그룹 아이엔씨
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Abstract

제1 가변 저항기를 갖는 제1 저항 브리지 회로와 및 제2 가변 저항기를 갖는 제2 저항 브리지 회로를 포함하는 저항 브리지 센서 회로를 개시한다. 제1 및 제2 저항 브리지 회로는 제1 및 제2 가변 저항기들의 저항을 설정하는 공용 기준 레그의 적어도 일부분을 공유한다. 공용 기준 레그 또는 공용 기준 레그의 일부분은 제1 및 제2 저항 브리지 회로에 교대로 스위칭 가능하게 연결된다.

Description

공용 기준 레그를 갖는 가변 저항기 센서{VARIABLE RESISTANCE SENSOR WITH COMMON REFERENCE LEG}
본 발명은 저항 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유체의 질량 유량치(mass flow rate)를 감지할 수 있고, 공용 기준 레그(common reference leg)의 적어도 일부분을 공유하는 개별적인 상향스트림(upstream) 및 하향스트림(downstream) 회로를 갖는, 질량 유량 센서(mass flow sensor)에 관한 것이다.
질량 유량 센서는 가스나 기타 유체의 질량 유량치를 측정하는 넓고 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 질량 유량 센서가 사용되는 애플리케이션들 중의 한 가지는 질량 유량 제어기(mass flow controller)이다. 종래의 질량 유량 제어기에 있어서, 주요 유체 흐름 경로에서의 유체 흐름의 질량 유량치는, 질량 유량 센서의 일부분을 형성하는 일반적으로 더 작은 관로(conduit)를 통해 흐르는 유체의 일부에 대한 질량 유량치에 기초하여 조절 또는 제어되었다. 주요 유체 흐름 경로와 센서의 관로에서 모두 층류(laminar flow)를 가정하면, 주요 유체 흐름 경로를 흐르는 유체의 질량 유량치는 센서의 관로를 통해서 흐르는 유체의 질량 유량치에 기초하여 결정(및 조절 또는 제어)될 수 있다.
전통적으로 정전류 질량 유량 센서(constant current mass flow sensor) 및 정온 질량 유량 센서(constant temperature mass flow sensor)의 두 가지 다른 형태의 질량 유량 센서가 사용되어 왔다. 정전류 질량 유량 센서의 예는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 유체는 화살표(X) 방향을 따라 센서 파이프(sensor pipe) 또는 관로 내를 흐른다. 큰 열 저항 계수(temperature coefficient of resistance)를 갖는 가열 저항기들 또는 "코일들(R1 및 R2)"은 각각 하향스트림의 센서 관로와 상향스트림 상의 센서 관로 부분에 배치되고, 정전류 전원(901)으로부터 정전류(I)가 공급된다. 코일들(R1 및 R2)을 통해 흐르는 정전류(I)의 결과로, 코일을 통해서 전압들(V1 및 V2)이 발생한다. 전압들(V1 및 V2)의 전압차(V1-V2)는 차동증폭기(902)로부터 얻어지는데, 증폭기(902)의 출력은 센서 관로를 통하는 유체의 유량치와 비례한다.
유량치가 0인 경우에는 도 1의 회로는 코일(R1)의 저항값(및 따라서 온도)은 코일(R2)의 저항값(및 온도)과 동일하게 되고 증폭기(902)의 출력은 0이 된다. 유체가 센서 관로를 내에서 흐르면 코일(R2)에 의해 생성되어 유체로 전달된 열은 R1으로 흐르게 된다. 이런 유체 흐름의 결과로 코일(R2)의 온도는 감소하고 코일(R1 )의 온도는 증가한다. 각각의 이 저항기들을 지나면서 발생되는 전압의 감소는 그 온도에 비례하기 때문에 전압(V1)은 유체 유량치의 증가와 함께 증가하고, 전압(V2)은 감소하는데, 이 전압의 차이가 센서 관로를 흐르는 유체의 질량 유량치와 비례하게 된다.
정전류 질량 유량 센서의 장점은 넓은 범위의 온도에서 작동할 수 있고, 비교적으로 설계가 간단하며, 센서 관로를 통과하는 유체 주위의 온도의 변화에 민감하다는 것이다. 센서 관로를 통과하는 유체 주위의 온도가 변화하면, 각각의 코일(R1 및 R2)의 저항도 변화하게 된다. 그러나 코일(R1 및 R2)의 온도(즉, 저항)가 유체의 유량치의 변화에 반응하여 안정화되기까지는 비교적 많은 시간이 소요된다.
질량 유량 센서의 다른 형태로 많이 사용이 되는 것은 정온 질량 유량 센서로 그 예가 도 2 내지 도 4에서 도시되어 있다. 도 2의 정온 질량 유량 센서에 도시된 바와 같이, 가열 저항기들 또는 "코일들"(R1A 및 R1B)은 각각 화살표(X) 방향으로 유체가 흐르는 센서관로의 하향스트림 및 상향스트림 부분 주위에 배치되어 있다. 도 1의 정전류 질량 유량 센서에서와 같이, 각각의 하향스트림 및 상향스트림의 코일(R1A 및 R1B)은 큰 열저항 계수를 가진다. 각각의 코일(R1A 및 R1B)의 저항(및 따라서 온도)은 개별적이고 독립된 회로에 의해서, 각각 저항기(R2A, R3A, R4A 및 R2B, R3B, R4B)의 값에 의해서 정해진 미리 결정된 같은 값으로 고정된다. 제어 회로는 센서 관로를 통하여 흐르는 유체 유량치와는 무관하게 미리 결정된 같은 값의 저항(및 따라서 온도)으로 각각의 코일(R1A 및 R1B)을 유지하기 위해 제공된다.
유체의 흐름이 없는 경우에는 도 2의 회로는 하향스트림 및 상향스트림 각각의 코일(R1A 및 R1B)의 저항(및 온도)이 미리 결정된 같은 값으로 설정되며, 회로의 출력은 0이 된다. 센서 관로내에 유체가 흐르게 되면, 상향스트림의 코일(R1B)의 열이 R1A로 전달된다. 그 결과, 상향스트림의 코일(R1B)을 같은 온도로 유지하는데 필요한 에너지 보다 하향스트림의 코일(R1A)을 정해진 같은 온도로 유지하는 것에 더 적은 에너지가 필요하게 된다. 각각의 코일(R1A 및 R1B)을 미리 결정된 온도로 유지하는데 필요한 에너지의 차이가 측정되어지고, 그 차이는 센서 관로를 통하는 유체 흐름의 질량 유량치와 비례한다.
도 2와 관련하여 설명된 정온 질량 유량 센서는 또한 비교적 설계하기가 쉽다. 더욱이, 도 2의 회로는 도 1에 설명된 정 전류 질량 유량 센서보다 센서 관로를 통하는 유체의 질량 유량치의 변화에 응답하여 더욱 빠르게 안정화 된다. 그러나 각각의 코일(R1A 및 R1B)이 센서 관로를 통하는 유체 주위의 온도와 무관하게 미리 결정된 온도로 설정되고 유지되기 때문에, 센서 관로내에 흐르는 유체 주위의 온도가 상승을 할 경우 문제가 발생한다. 특히, 센서 관로내에 흐르는 유체 주위 온도가 상향스트림 및 하향스트림 코일에 의해 유지되는 미리 결정된 온도에 접근할 때 회로는 유체의 유량치의 차이를 인식할 수 없게 되며, 유체의 주위 온도가 이런 미리 결정된 온도를 넘어서 상승할 때 센서는 작동을 할 수 없게 된다.
이런 단점을 극복하기 위해서 수많은 대체 정온 질량 유량 센서가 제공 되었다. 예를 들어, 도 3의 회로는 가스나 유체의 주변 온도의 변화에 적어도 어느 정도 응답할 수 있는 정온 질량 유량 센서를 제공한다. 다시 한번, R1B 및 R2B는 큰 열저항 계수를 가지는 하향스트림 및 상향스트림 온도 감지 코일이다. 그러나 도 2의 회로에서와 같이 미리 결정된 일정한 값의 코일의 온도를 유지하는 것보다, 도 3의 회로는 센서 관로를 흐르는 유체 주위의 온도 이상이 되는 온도에서 센서 코일들(R1B 및 R2B)의 온도를 유지한다. 이것은 저항계수가 하향스트림 및 상향스트림 회로 각각에 있는 센서 코일들(R1B 및 R2B)의 저항계수와 비슷한 추가적인 코일(R 3B 및 R4B)을 삽입함으로써 가능하다. 유체의 주위 온도가 변화함에 따라서, 온도 설정 저항기(R5B 및 R6B)에 직렬 부가된 코일 저항(R3B 및 R4B)은 상향스트림 및 하향스트림의 저항 코일이 센서 관로를 통하여 흐르는 유체 주위 온도 이상으로 유지되는 온도로 온도를 올린다. 도 2의 회로에서와 같이, 코일들(R1B 및 R2B)의 온도를 같은 온도로 유지하기 위해서 각각의 하향스트림 및 상향스트림 회로에 의해 공급되는 에너지의 차이는 센서 관로를 통하는 유체의 질량 유량치와 비례한다.
당해 분야에서 통상의 지식을 갖춘 자라면 이해를 할 수 있듯이, 도 3의 회로를 올바르게 작동시키기 위해서는 하향스트림의 회로의 각 소자의 값과 열적 특성이 그에 대응하는 상향스트림의 회로의 소자의 그것과 부합하여야 하는 것이 중요하다. 따라서 하향스트림 및 상향스트림의 코일(R1B 및 R2B)의 저항은 같은 값을 가져야 하고, 같은 열저항 계수를 가져야 한다. 또한, 저항기(R3B)는 저항기(R4B)와 같은 값과 같은(이상적으로는 큰) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R5B)는 저항기(R6B)와 같은 값과 같은(이상적으로는 0) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R7B)는 저항기(R10B)와 같은 값과 같은(이상적으로는 0) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R9B)는 저항기(R8B)와 같은 값과 같은(이상적으로는 0) 열저항계수를 가져야 하고, 증폭기들(911 및 912)은 같은 동작특성과 온도특성을 갖고 있어야 한다.
저항기들(R3B 및 R4B)의 부가에도 불구하고, 도 3의 회로의 문제는 센서 관로내에 흐르는 유체 주위의 온도가 상승을 할 경우 유체 주위의 온도에 대한 상향스트림 및 하향스트림 코일 온도 사이의 비례적인 차이가 점점 작아지기 때문에 센서가 더 부정확해지는 것이다. 더욱이, 한 온도에서의 센서의 캘리브레이션이 어떠한 보상회로 없이 당연히 다른 주위 온도에서 사용되는 것을 허용하는 것은 아니라는 점에서 드리프트(drift)로 인한 문제가 있다.
몇 가지 전술한 문제점을 해결하기 위해서 미국 특허 제 5,401,912 호는 도 4에서 예로 도시된 정온 상승(주위보다 높은) 질량 유량 센서(constant temperature rise (above ambient) mass flow sensor)를 제안하였다. 도 4의 회로는 상향스트림 및 하향스트림 센서 코일(R2 및 R1)을 센서 관로내를 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은, 미리 결정된 값으로 유지하도록 작동한다. 도 4의 회로는 도 2에서 본질적으로 0의 열저항계수를 갖는 고정된 값의 저항기들(R3A 및 R3B)이 각각 크고 특정한 열저항계수를 갖는 저항기들(R5 및 R6)로 대체된 것을 제외하고는 도 2와 동일하다. 이런 변경의 결과, 도 4의 회로는 센서 관로내를 흐르는 유체의 주위 온도를 넘어선 일정한 온도 상승을 유지할 수 있다고 일러진다. 따라서 도 4에 도시된 질량 유량 센서와 같은 것은, 정온 차(주위보다 높은)(constant temperature difference (over ambient)) 또는 정온 상승(주위보다 높은) 질량 유량 센서(constant temperature rise (over ambient) mass flow sensor)로 불린다.
전술한 각각의 정온 질량 유량치 센서는 상향스트림 및 하향스트림 코일의 온도를 특정한 값 또는 센서 관로내를 흐르는 유체의 주위 온도 이상의 특정 값으로 정하기 위해서, 개별적이고 독립적인 상향스트림 및 하향스트림 회로를 이용한다. 이런 회로들의 단점은 상향스트림 및 하향스트림 회로에서 대응하는 회로 소자들(예를 들어서, 저항기들, 코일들 및 증폭기들)의 엄밀한 정합을 요구한다는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전류 질량 유량 센서를 도시한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 정온 질량 유량 센서를 도시한 도면.
도 3은 종래 기술에 따른 유체의 주위 온도의 변화에 응답할 수 있는 정온 질량 유량 센서를 도시한 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 유체의 주위 온도의 변화에 응답할 수 있는 또 다른 정온 질량 유량 센서를 도시한 도면.
도 5는 공용 기준 레그를 공유하는 상향스트림 및 하향스트림의 저항 브리지 회로를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 정온 질량 유량 센서의 도식적인 개략도.
도 6은 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 공용 기준 레그가 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정온 질량 유량 센서의 도식적인 개략도.
도 7은 도 6에 따른 정온 질량 유량 센서의 대표적인 구현예를 설명하는 도식적인 상세도.
도 8은 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 공용 기준 레그가 있는 정온 질량 유량 센서의 또 다른 대표적인 구현예를 설명하는 도식적인 상세도.
도 9a는 공용 기준 레그의 오직 일부만을 공유하는 상향스트림 및 하향스트림의 저항 브리지 회로가 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정온 질량 유량 센서의 도식적인 개략도.
도 9b는 도 9a에 따른 정온 질량 유량 센서의 하나의 대표적인 구현예를 설명하는 도식적인 상세도.
도 10은 질량 유량 센서를 통한 흐름의 방향과 대칭 독립된 범위를 갖는 유량 신호를 제공하기 위한 도 5 내지 도 9의 어떤 실시예에도 사용될 수 있는 유량 센서 증폭기 회로의 도식적인 상세도.
도 11은 도 5 내지 도 9의 어떤 실시예에도 사용될 수 있는 가변 출력 전원공급기의 도식적인 상세도.
본 발명의 한 태양에 따라, 제1 가변 저항기를 갖는 제1 저항 브리지 회로(resistive bridge circuit) 및 제2 가변 저항기를 갖는 제2 저항 브리지 회로를 포함하는 센서를 제공한다. 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 저항 브리지 회로는 제1 및 제2 가변 저항기들의 저항을 설정하는 공용 기준 레그를 공유한다. 공용 기준 레그는 교대로 스위칭 가능하게 제1 및 제2 저항 브리지 회로 중의 한 가지와 연결된다. 또 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 저항 브리지 회로는 제1 및 제2 가변 저항기들의 저항을 설정하는 기준 레그의 오직 일부분만을 공유한다. 이 실시예에 있어서, 제1 및 제2 가변 저항기들의 저항을 설정하는 공용 기준 레그의 일부는 교대로 스위칭 가능하게 제1 및 제2 저항 브리지 회로 중의 한 가지와 연결된다.
한 실시예에 따르면, 센서는 제1 회로, 제2 회로, 전압 분할기(voltage divider) 및 적어도 하나의 스위치를 포함한다. 제1 회로는 물리적 특성의 변화에 응답하여 변하는 제1 저항을 갖는 제1 저항기를 포함한다. 제2 회로는 물리적 특성의 변화에 응답하여 변하는 제2 저항을 갖는 제2 저항기를 포함한다. 상기 적어도 하나의 스위치는 제1의 상태와 제2의 상태를 갖는다. 상기 스위치의 제1 상태는 제1 저항기의 저항을 설정하기 위해 전압 분할기를 제1 회로에 전기적으로 연결하고, 상기 스위치의 제2 상태는 제2 저항기의 저항을 설정하기 위해 전압 분할기를 제2 회로에 전기적으로 연결한다.
다른 실시예에 따르면, 센서는 각각 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 갖는 제1 증폭기와 제2 증폭기, 제1 저항기, 제2 저항기 및 전압 분할기를 포함한다. 제1 저항기는 제1 증폭기의 출력과 기준 터미널 사이에 제1 가변 저항과 전기적으로 직렬로 연결되고, 여기서 제1 저항기는 제1 증폭기의 제1 입력과 제1 증폭기의 출력 사이에 전기적으로 연결되며, 제1 가변 저항기는 제1 저항기와 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된다. 제2 저항기는 제2 증폭기의 출력과 기준 터미널 사이에 제2 가변 저항기와 전기적으로 직렬로 연결되고, 여기서 제2 저항기는 제2 증폭기의 제1 입력과 제2 증폭기의 출력 사이에 전기적으로 연결되며, 제2 가변 저항기는 제2 저항기와 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된다. 전압 분할기는 제1 증폭기의 출력 및 제2 증폭기의 출력 중 하나와 스위칭 가능하게 연결된 입력과, 제1 증폭기의 제2 입력과 제2 증폭기의 제2 입력 중 하나와 스위칭 가능하게 연결된 출력을 갖는다. 전압 분할기의 출력은, 전압 분할기의 입력이 제1 증폭기의 출력에 연결되고 전압분할기의 출력이 제1 증폭기의 제2 입력과 연결된 때에 제1 가변 저항기의 저항을 설정하고, 전압분할기의 입력이 제2 증폭기의 출력과 연결되고 전압분할기의 출력이 제2 증폭기의 제2 입력과 연결된 때에 제2 가변 저항기의 저항을 설정한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 브리지 회로 쌍과 함께 사용하는 방법이 제공된다. 각각의 브리지 회로는 고정된 저항기와 가변저항기를 포함하는 센서 레그와, 가변 저항기의 저항을 설정하는 기준 레그를 갖는다. 이 방법은 가변 저항기의 저항을 정합(matching)시키기 위해 제1 및 제2 회로 사이의 기준 레그의 적어도 일부를 공유하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라 유체의 유량치를 측정하는 유량 센서가 제공된다. 유량 센서는, 제1 가변 저항기, 제1 방향으로 유체가 흐를 때에 제1 가변 저항기의 하향스트림에 배치된 제2 가변 저항기, 제1 가변 저항기에 전달되는 전력을 나타내는 제1 신호를 제공하기 위해 제1 가변저항기에 전기적으로 연결된 제1 회로, 제2 가변 저항기에 전달되는 전력을 나타내는 제2 신호를 제공하기 위해 제2 가변저항기에 전기적으로 연결된 제2 회로, 제1 신호와 제2 신호를 수신하여 제1 및 제2 신호 사이의 차이를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 제3 회로를 포함한다. 유체의 흐름이 제1 방향인 때에 출력 신호의 범위는 유체 흐름이 제1 방향과 반대인 제2 방향인 때의 출력 신호의 범위와 대칭적이다.
본 발명의 추가적인 태양에 따라, 유체의 유량치를 측정하는 유량 센서가 제공된다. 유량 센서는 제1 가변 저항기, 제2 가변 저항기, 제1 회로, 제2 회로, 제3 회로 및 전원공급기 회로를 포함한다. 제1 회로는 제1 가변 저항기에 전달되는 전력을 나타내는 제1 신호를 제공하기 위해 제1 가변 저항기와 전기적으로 연결된다. 제2 회로는 제2 가변 저항기에 전달되는 전력을 나타내는 제2 신호를 제공하기 위해 제2 가변 저항기에 전기적으로 연결된다. 제3 회로는 제1 및 제2 신호를 수신하고, 제1 및 제2 신호의 차이를 나타내는 출력 신호를 제공한다. 전압 공급기 회로는 유체의 유량치에 의존하여 제1 및 제2 회로 중 적어도 하나에 가변 양의 전력을 공급하기 위해서 제1 및 제2 회로 중에 적어도 하나와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 한층 더 발전된 태양에 따라, 유량 센서에서 높은 유량 상태를 감지하는 방법이 제공된다. 이 방법은 유량 센서의 현재의 작동 온도에서 예상된 0의 유량 신호를 결정하는 단계, 예상된 0의 유량 신호에 기초한 임계점(threshold)을 결정하는 단계, 유량 센서의 현재의 작동 온도에서 유량 센서에 의해 측정되는 실제 유량 신호를 결정하는 단계, 유량 센서에 의해 측정되는 실제 유량 신호와 임계점을 비교하는 단계 및 실제 유량 신호가 임계점을 초과한 때에 높은 유량 상태가 존재하는지를 결정하는 단계들들 포함한다.
본 발명의 예시적이고, 제한적이지 않은 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 예의 방식으로 설명한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면과 함께 연계하여 읽어야 하는 이하의 상세한 설명을 통해서 더욱 완벽하게 이해될 수 있을 것이다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다수의 서로 다른 질량 유량 센서를 설명한다. 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8의 각각에서 참조 부호(RU)는 상향스트림 코일 또는 저항기를 나타내고, 참조 부호(RD)는 하향스트림 코일 또는 저항기를 나타낸다. 종래 기술의 센서 회로에서와 같이 코일들(RU 및 RD)은 유체가 흐르는 센서관로(도시되지 않음) 주위로 서로 떨어진 위치들에 배치되어 있다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이 유체라는 용어는 고체, 액체, 가스 상태의 임의의 물질 또는 물질들의 조합을 포함한다.
각각의 코일(RU 및 RD)은 크고, 실질적으로 동일한 열저항 계수를 가지며, 각각의 코일(RU 및 RD)의 저항이 온도에 따라 변한다. 비록, 상향스트림 및 하향스트림 코일들(RU 및 RD)이 본 명세서에서 "코일"이라고 언급 되어 있지만, 본 발명이 그렇게 제한되는 것이 아님을 이해해야 한다. 예를 들어, 상향스트림 및 하향스트림 코일은 센서 관로의 외부에 감을 필요는 없으며, 센서 관로의 외부에 단순히 부착된 열 감응 저항기(heat sensitive resistor)로 된 것이어도 된다. 이러한 열 감응 저항기는 코일 형태일 필요는 없으며, 대신에 구불구불한 모양이나 리본모양이어도 된다. 더욱이 상향스트림 및 하향스트림 코일은 센서 관로의 외부에 배치될 필요가 없으며, 공기와 같은 어떤 유체에 있어서는 코일은 센서 관로의 내부에 배치될 수도 있다. 또한, 비록 본 발명의 실시예들이 질량 유량 센서의 관점에서 설명되어 있지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 태양들은 저항 브리지 회로의 레그 저항의 변화가 저항에 따라서 변하는 특성의 변화를 나타내는 다른 애플리케이션에서도 사용될 수 있다.
비록 본 발명의 실시예들에 따른 질량 유량 센서가 상향스트림 및 하향스트림 코일의 온도와 저항을 같은 값으로 설정하기 위해서 분리된 상향스트림 및 하향스트림 저항 브리지 회로를 사용하고 있지만, 상향스트림 및 하향스트림 회로는 공용 기준 레그의 적어도 일부를 공유한다. 그 결과, 본 발명의 실시예들은 도 2 내지 도 4에서의 분리된 상향스트림 및 하향스트림 회로에서 요구되는 소자의 값 및 특성의 엄밀한 정합을 필요로 하지 않는다. 나아가 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 공용 기준 레그의 일부분을 공유하는 실시예에 있어서, 상향스트림 및 하향스트림의 코일이 정해지는 저항의 범위는 주위 온도의 넓은 범위에 적응시키기 위해서 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 질량 유량 센서의 단순화된 개략도를 도시한다. 센서 회로는 저항 값 및 따라서 각각의 상향스트림의 코일(RU) 및 하향스트림의 코일(RD) 온도를 설정하기 위해 사용된 상향스트림의 저항 브리지 회로(10) 및 하향스트림의 저항브리지 회로(20)를 포함한다. 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)는, 도 5에서 도시된 실시예에 있어서 직렬로 연결된 저항기들(R1 및 R2)을 포함하는 공용 기준 레그(30)를 공유한다.
상향스트림 회로(10)는 제1 증폭기(U1) 및 제1 증폭기(U1)의 출력과 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결되어 있는 제1 저항기(RUR)와 제1 가변 저항기(RU)(상향스트림 코일)의 직렬연결을 포함한다. 제1 증폭기(U1)의 출력과 제1 증폭기(U1)의 반전(-)입력 사이에 전기적으로 연결된 것은 저항기(RU2) 및 캐패시터(CU2)의 직렬연결이다. 제1 저항기(RUR) 및 제1 가변저항기(RU)의 중간 지점과 제1 증폭기(U 1)의 반전 입력 사이에 전기적으로 연결된 것은 또 다른 저항기(RU1)이다. 비교적 큰 값의 캐패시터(CU1)는 제1 증폭기(U1)의 비반전(+) 입력과 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결되어 있다. 캐패시터(CU1)는 공용 기준 레그(30)가 하향스트림 회로(20)에 전기적으로 연결된 때에 제1 증폭기(U1)의 비반전 입력에 있는 전압을 유지한다.
하향스트림 회로(20)는 상향스트림 회로(10)와 유사하다. 하향스트림 회로(20)는 제2 증폭기(U2) 및 제2 증폭기(U2)의 출력과 기준 터미널 사이에 연결되어 있는 제2 가변 저항기(RD)와 직렬 연결된 제2 저항기(RDR)의 직렬연결을 포함한다. 제2 증폭기의 반전(-)입력은 제2 저항기(RDR)와 제2 가변저항기(RD)의 직렬연결의 중간 지점에 저항기(RD1)를 통해 전기적으로 연결되어 있고, 캐패시터(CD2)와 직렬연결된 저항기(RD2)는 제2 증폭기(U2)의 출력 및 제2 증폭기(U2)의 반전입력 사이에 전기적으로 연결되어 있다. 제2 증폭기(U2)의 비반전(+)입력은 기준 터미널에 연결된 큰 값의 캐패시터(CD1)와 전기적으로 연결되어 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 회로는 각각의 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)와 스위칭 가능하게 연결 되어 있는 제2 저항기(R2)와 전기적으로 직렬 연결된 제1 저항기(R1)를 포함하는 공용 기준 레그(30)를 더 포함한다. 공용 기준 레그(R1 및 R2)는 상향스트림 코일(RU)과 하향스트림 코일(RD)이 설정되는 저항 값을 정하여 전압분할기로서 기능한다. 스위치들(1A 및 2A)은 직렬연결(R1 및 R2)에 의해 형성된 전압 분할기의 입력 및 제1, 제2 증폭기(U1 및 U2)의 출력 사이에 각각 연결된다. 각각의 스위치(1B 및 2B)는 전압 분할기의 출력과 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2)의 비반전 입력에 각각 연결된다. 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)는 연결되어 작동을 하므로, 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)는 동시에 열리거나 닫힌다.
작동을 하는 동안 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B )가 교대로 열리거나 닫히면서 공용 기준 레그(30)를 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)중의 한 가지와 연결한다. 공용 기준 레그가 상향스트림 회로에 연결이 되지 않는 시간 구간동안 (즉 스위치(1A 및 1B)가 열릴 경우), 캐패시터(CU1)는 제1 증폭기(U 1)의 비반전 입력의 전압 수준을 유지한다. 유사하게, 공용 기준 레그가 하향스트림 회로에 연결이 되지 않는 시간 구간동안 (즉 스위치(2A 및 2B)가 열릴 경우), 캐패시터(C D1)는 제2 증폭기(U2)의 비반전 입력 터미널의 전압 수준을 유지한다.
작동에 있어서, 센서 회로는 공용 기준 레그를 공유하는 2개의 정온 구동회로처럼 움직인다. 스위치 1 및 스위치 2는 기준 레그(30)((R1 및 R2))를 교대로 상향스트림 및 하향스트림 회로와 연결시키기 위해 빠르게 스위칭된다. CU1 및 CD1은 그에 대응하는 스위치가 열릴 경우에 표본 추출된 참조 피드백을 유지한다. 제1 증폭기(U1)는 (RU)/(RUR) = (R2)/(R1)이 되도록 서보 제어(servo)한다. 제2 증폭기(U2)는 (RD)/(RDR) = (R2)/(R1)이 되도록 서보 제어(servo)한다. 다른 증폭기들(도 5에 도시되지 않음)은 제1 저항기(RUR)와 제1 가변 저항기(RU)의 직렬연결 및 제2 저항기(RDR)와 제2 가변 저항기(RD)의 직렬연결 사이의 상향스트림 및 하향스트림의 전압 수준(VU 및 VD)을 잡아낸다. 전압 수준(VU 및 VD)은 상향스트림 및 하향스트림 코일(RU 및 RD)이 배치되어 있는 곳 또는 그 주위의 관로를 통하는 유체의 유량치를 나타내는 신호를 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이하에 더 상세히 논의되는 바와 같이 비록 전압수준(VU 및 VD)의 다른 비교가 대신 사용될 수도 있지만, 하나의 실시예에 있어서, VU-VD/VD의 비는 유체의 유량치를 나타내는 신호를 제공한다. 도 5에서 설명된 다른 소자 즉, (RU1), (RU2), (CU2), (RD1 ), (RD2) 및 (CD2)는 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2)를 안정화 하는데 사용된다.
상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)가 동일한 소자를 포함하는 공용 기준 레그(30)를 공유하고 있기 때문에 도 5의 센서회로는 이런 소자들의 엄밀한 정합을 필요로 하지 않는다는 것을 알아야한다. 즉, 상향스트림 및 하향스트림 회로 모두가 기준 레그의 같은 구성 부품을 공유하기 때문에 소자들은 필연적으로 정합하게 된다. 따라서, 도 5의 회로에 있어서 비록 RUR의 RDR에 대한 비율이 안정적이어야 하고 저항(RUR 및 RDR)이 되도록이면 같은 값을 가져야 하지만, 동일하게 정합될 필요는 없는 것이다. 도 5의 개략도에 있어서 스위치(1 및 2)는 공용 기준 레그에 의해 형성된 전압 분할기가 안정화 될 기회를 가진 후에야 닫혀야 하는 것을 알아야 한다. 비록 도 5에 도시된 센서 회로가 스위칭 노이즈가 있는 경우에도 당해 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 공지된 바와 같이, 예를 들어 전압 수준(VU 및 VD)(AD변환기(A to D converters)가 사용되는 부분의)을 수신하는 AD변환기(도시되지 않음)의 나이키스트(nyquist) 비 또는 그 이하의 주파수 적절한 주파수와 같은, 스위치를 스위칭 함으로써 적절하게 이 스위칭 노이즈를 제어할 수 있다.
나아가 도 5의 단순화된 개략도가 센서 회로의 작동을 기능적으로 도시하고 있지만, 이 회로는 다양한 방법으로 변경될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 상향스트림 및 하향스트림의 코일에 적절한 양의 전류를 흘려보내기 위해서는 고출력 증폭기가 필요할 수 있다. 대안으로, 제1 및 제2 증폭기 (U1 및 U2)의 출력은 적절한 양의 전류를 흘려 보내기 위해서 고출력 트랜지스터와 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱이 본 발명은 네 개의 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)를 사용하는 것으로 제한되지 않고 더 적은 수의 스위치가 사용될 수 있다. 나아가 다양한 구현에 있어서 R1 및 R2에 의해 형성된 공용 기준 레그(30)는 프로그램 가능한 전압 분할기로 대체될 수 있음을 알아야 한다. 따라서 프로그램 가능한 전압 분할기의 적절한 제어를 통해서 프로그램 가능한 온도 상승 센서 구동기가 제공될 수 있다. 이제 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 유량 센서의 일 실시예를 도 6과 관련하여 설명한다.
도 6은 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2) 각각의 출력에 고출력 트랜지스터(60, 61)가 제공된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질량 유량 센서를 도시한다. 도 6의 회로는 또한 전압 신호(VU 및 VD)의 더 큰 범위를 제공하기 위해서 사용될 수 있는 증폭기 또는 레인지(range) 회로(40)를 포함한다. 도 6에 도시된 실시예에 있어서 전압 신호(VU 및 VD)는 AD변환기(50)로 제공된다.
도 5의 실시예와는 대조적으로, 도 6의 센서는 스위치(A)와 스위치(B)의 단지 2개의 스위치만을 포함하는데, 이것들은 공용 기준 레그(30)(저항(R1 및 R2)에 의해 형성된)를 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)중의 한 가지에 스위칭 가능하게 연결하기위해 사용된다. 비록 다른 때에는 하향스트림 회로(20)에 연결될 수 있지만, 도 6에 도시된 위치에 있어서 스위치(A 및 B)는 모두 상향스트림회로(10)와 연결되어 있다.
공용 기준 레그(30)를 형성하는 고정된 전압 분할기를 갖는 도 5의 센서 회로와 더 대조하면, 도 6의 회로는 프로그램 가능한 전압 분할기를 갖는다는 것이다. 구체적으로, 도 6에서 도시된 것과 같이 온도 신호는 전압 분할기의 출력과 기준 터미널 사이의 하나 이상의 저항기들을 연결하는 제 3의 스위치(C)에 제공된다. 스위치(C)가 닫힌 상태에 있는 경우(즉, 참조 부호(R2' 및 R2'')의 저항기들 사이의 중간 위치에 연결된), 전압 분할기의 출력에 의해 제공된 전압은 R2'/(R1+R2')에 비례하고, 스위치(C)가 열린 상태에 있는 경우 또는 캐패시터(C D1)에 연결된 경우에는 전압 분할기의 출력은 (R2'+R2'')/(R1+R2'+R 2'')와 비례하게 된다. 펄스 폭 변조 신호(pulse width modulated signal)를 스위치(C)에 제공하여, 주파수 및 펄스 폭 변조 신호의 지속 시간으로 분할비를 조정하면서, 상기 두개의 값 사이에 있는 전압 분할기로부터의 출력 전압이 주어질 수 있다. 도 5와 관련해서 상기 설명된 실시예에서와 같이, 비록 RUR의 RDR에 대한 비가 안정적이어야 하고 저항(RUR 및 RDR)이 되도록이면 같은 값을 가져야 하지만, 동일하게 정합될 필요는 없다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질량 유량 센서의 대표적인 하나의 예의 도식적인 개략도를 도시한다. 도 7에 있어서, 도 5 및 도 6과 관련해서 상기에 서술한 것과 유사한 기능을 수행하는 회로의 부분은 동일한 참조 부호로 나타내었다. 예를 들어, 도 7에서 제1 증폭기(U1)는 증폭기(U53-A), 캐패시터(C71), 저항기(R159), 트랜지스터(Q1) 및 저항기(R153)의 조합으로 형성된다. 하향스트림 증폭기(U2)는 유사하게 증폭기(U53-B), 캐패시터(C105), 저항기(R160), 트랜지스터(Q2), 저항기(R163) 및 저항기(R154)의 조합으로 형성된다.
도 7에서, 저항기(RUR)는 얻고자 하는 정확한 저항값을 얻기 위해서 비슷한 값을 가진 다수의 저항기들의 병렬연결에 의해서 형성되며, 대응하는 저항기(RDR)도 그러하다. 이런 저항기들을 제공하는 다른 방법도 가능하다는 것과 본 발명의 실시예들은 도시된 특정한 구현에 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다.
도 7에서의 공용 기준 레그는 다시 R1 및 R2의 직렬연결로 형성된다. 그러나, 도 7의 개략도에서 전압 분할기의 출력은 넓은 범위의 값을 제공하기 위해 설정될 수 있다. 구체적으로, 트랜지스터(Q3)에 전달되는 저항 대충 조정 신호(coarse resistance adjustment signal)(PWM_ICOARSE)와 트랜지스터(Q4)에 전달되는 저항 미세 조정 신호(fine resistance adjustment signal)(PWM_IFINE)에 기초해서, 저항기(R2)를 위한 저항 값의 범위가 제공된다. 그리하여, 주파수와 지속 시간의 관점 적절하게 트랜지스터들(Q3 및 Q4)에 제공되는 대충 조정과 미세 조정 신호를 변조함으로써, 저항값의 범위는 제공될 것이다.
스위치(1A 및 2A)는 저항(R1 및 R2)의 직렬연결에 의해 형성되는 전압 분할기의 입력을 상향스트림 및 하향스트림 회로 중의 한 가지에 연결하는데 사용되며, 스위치(1B 및 2B)는 전압 분할기의 출력을 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U 2)중 하나의 비반전(+) 입력에 연결하는데 사용된다. 스위치(1B)가 닫혀있는 시간 주기 동안, 캐패시터(CU1)는 VU의 값까지 충전이 되며, 스위치(2B)가 닫혀있는 주기 시간 동안에는 캐패시터(CD1)가 (VD)의 값까지 충전이 된다. 전압 분할기의 입력을 제1 및 제2 증폭기 중의 한 가지의 출력에 선택적으로 연결하는 신호와 관련하여, 지연이 된 표본 추출 신호를 제공함으로써, 상향스트림과 하향스트림 전압 수준(VU 및 VD)의 표본 추출하기에 앞서서 전압 분할기는 안정화하기 위한 시간을 소요한다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 질량 유량 센서의 또 다른 대표적인 구현의 예에 대한 도식적인 개략도를 도시한다. 도 8에서, 도 5, 도6 및 도7과 관련해서 상기에 설명한 것과 유사한 기능을 수행하는 회로의 부분은 같은 참조 부호로 나타내었다. 예를 들어, 도 8에서 제1 증폭기(U1)는 증폭기(U53-A), 캐패시터 (C71), 저항기(R159), 캐패시터(C146), 트랜지스터(Q1) 및 저항기(R153)의 조합으로 형성된다. 하향스트림 증폭기(U2)는 유사하게 증폭기(U53-B), 캐패시터(C105), 저항기(R160), 캐패시터(C147), 트랜지스터(Q2), 저항기(R154)의 조합으로 형성된다. 도 7의 실시예에서와 같이, 트랜지스터들(Q1 및 Q2)은 상향스트림과 하향스트림 코일(RU 및 RD)의 각각에 충분한 전류를 제공하기 위해서 사용되었다. 도 8에서, 각각의 저항기(RUR 및 RDR)는 도 7에서와 비슷한 방식으로 얻고자 하는 정확한 저항 값을 얻기 위해서 비슷한 값을 가진 다수의 저항기들의 병렬연결에 의해서 형성된다. 이런 저항기들을 제공하는 다른 방법도 가능하다는 것과 본 발명의 실시예들은 도시된 특정한 구현에 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다.
도 7의 실시예와 비슷한 방식으로, 도 8의 공용 기준 레그(30)는 넓은 범위의 저항 값과 그에 따른 분할비를 제공하기 위해 사용될 수 있는 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함한다. 그러나 도 7에서의 실시예와 대조하여, 도 7에서는 프로그램 가능한 전압 분할기의 출력은 개별적인 트랜지스터(Q3 및 Q4)에 공급되는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호(PWM_ICOARSE 및 PWM_IFINE)에 따라서 변화하였으나, 그 대신에 한 개의 복합 디지털-아날로그(D/A) 변환기 회로가 사용된다. 도 8에서, D/A 변환기 회로는 U50-B, U4, U13-1 및 C109를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서 U4는 전압 수준을 전류로 변환하는 16비트의 복합 디지털-아날로그(D/A) 변환기이다. 전류는 D/A변환기(U4)의 출력과 결합된 증폭기(U13-A)의 사용을 통해서 가변 출력 전압으로 변환된다. D/A 변환기 회로는 R27, R139, R166 및 버퍼증폭기(U50-A)를 포함하는 단일 기준 분할기를 공급한다. 표본 유지 회로(sample and hold circuit) (U32-A, R155, 및 C111(CU1); U32-B, R156 및 C112(CD1)) 각각이 프로그램 가능한 전압 분할기의 출력과 스위칭 가능하게 연결된다. 도 5 및 도 6을 참조하여, 저항기(R1)는 R166과 대응될 수 있고 저항기(R2)는 R139, R27 및 D/A 변환기 회로의 조합과 대응 될 수 있다.
도 8의 실시예는 도 7의 실시예에서와 같이 각 실시예가 상향스트림 및 하향스트림 회로 사이에 완전하게 공유된 공용 기준 레그(30)를 포함하는 점에서 많은 동일한 장점을 함께 공유한다는 것을 알아야 한다. 상향스트림의 동일한 직렬 저항기들(R168 내지 R171) 및 하향스트림의 동일한 직렬저항기들(R172 내지 R175)이 주어지면, 두 실시예 모두 상향스트림 및 하향스트림 코일 저항 사이의 아주 정교한 정합을 제공한다. 그러나 도 8의 실시예은 도 7의 실시예보다 현저하게 빠르다. 예를 들어, 한 실시예에 있어서 도 7의 구현은 대략 110ms의 보상 상승 시간(compensated rise time)(유체 펄스의 상승 에지(edge)의 2%부터 98%까지 측정한 것)을 나타내지만, 2% 지점이 유체 펄스의 상승 에지로부터 대략 30ms정도 지연된 것을 알아야 한다. 이 지연은 도 7의 표본 유지 회로(즉, U32-A, R155 및 C111(CU1); U32-B, R156 및 C112(CD1))에 포함되는 대략 50㎲정도의 시상수를 갖는 RC 필터의 시상수 때문이라고 생각되어 진다. 반면에, 도 8의 실시예는 대략 100ms의 보상 상승 시간(유체 펄스의 상승 에지(edge)의 2%부터 98%까지 측정한 것)을 나타내지만, 유체 펄스의 상승 에지로터 2%지점까지 실질적으로 덜 지연된다. 지연에 있어서의 이런 감소는 도 8의 실시예에서 표본 유지 회로(즉, U32-A, R155 및 C111(CU1); U32-B, R156 및 C112(CD1))에 포함되는 대략 0.33㎲ 정도의 시상수를 갖는 RC 필터의 시상수의 감소에 기인하는 것이라고 생각되어진다. 비록 도 8의 실시예가 명백하게 도 7의 실시예보다 빠르지만, 도 7의 실시예는 도 8의 실시예에 대한 저렴한 대체를 가능하게 한다. 더욱이 도 7의 실시예에서의 응답 시간은 여전히 종래의 질량 유량 센서의 응답 시간보다 대략 두 배 정도 빠르다는 사실을 알아야 한다.
도 9a 및 도 9b는 기준 레그의 오직 일부만이 상향스트림 및 하향스트림 회로(10, 20)의 양쪽에 공용된 본 발명의 또 다른 형태에 따른 질량 유량 센서를 도시한다. 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8의 각각에 있어서와 같이, 참조 부호(RU)는 상향스트림 코일 또는 저항기를 나타내고 참조 부로(RD)는 하향스트림 코일 또는 저항기를 나타낸다. 전술하였듯이, 예를 들어 코일(RU 및 RD)은 유체가 흐르는 센서 관로(도시되지 않음) 둘레에 서로 떨어진 위치에 배치 될 수 있고, 코일(RU 및 RD) 각각은 크고 실질적으로 동일한 열저항계수를 가지며, 코일(RU 및 RD) 각각의 저항은 온도에 따라서 변한다. 다시 한번 언급하지만, 비록 상향스트림 및 하향스트림의 코일이 "코일"이라고 언급되어 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것음 아님을 알아야 한다. 더욱이, 비록 본 발명의 실시예들이 질량 유량 센서의 관점에서 설명되어 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 본 발명의 태양들은 저항 브리지 회로의 레그 저항의 변화가 저항에 따라서 변하는 특성의 변화를 나타내는 다른 애플리케이션에서도 사용될 수 있다.
도 9a는 개별적인 상향스트림과 하향스트림 회로 사이에 기준 레그의 오직 일부만이 공유된 질량 유량 센서의 단순화된 개략도를 도시한다. 센서는 저항을 설정하고 따라서 상향스트림 코일(RU) 및 하향스트림 코일(RD) 각각의 온도를 설정하기 위해 사용되는 상향스트림 저항 브리지 회로(10) 및 하향스트림 저항 브리지 회로(20)를 포함한다.
상향스트림 회로(10)는 제1 증폭기(U1) 및 제1 증폭기(U1)의 출력과 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제1 저항기(RUR)와 제1 가변 저항기(RU)(상향스트림 코일)의 직렬연결을 포함한다. 캐패시터(CU2) 및 저항기(RU2)의 직렬연결은 제1 증폭기(U1)의 출력과 제1 증폭기(U1)의 반전(-) 입력 사이에 전기적으로 연결된다. 또 다른 저항기(RU1)는 제1 저항기(RUR)와 제1 가변 저항기(RU)의 중간지점과 제1 증폭기(U1)의 반전 입력사이에 전기적으로 연결된다. 비교적 큰 값의 캐패시터(CU1)는 제1 증폭기(U1)의 비반전(+) 입력과 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된다. 저항기(R2U)는 제1 증폭기(U1)의 비반전(+)입력과 기준 터미널 사이에 캐패시터(C U1)와 병렬로 연결된다. 저항기(R2U)는 상향스트림 회로(10)의 기준 레그의 일부분을 형성한다.
하향스트림 회로(20)는 상향스트림 회로(10)와 유사하다. 하향스트림 회로(20)는 제2 증폭기(U2) 및 제2 증폭기(U2)의 출력과 기준 터미널 사이에 연결된 제2 가변 저항기(RD)(하향스트림 코일)와 직렬연결된 제2 저항기(RDR)의 직렬연결을 포함한다. 제2 증폭기(U2)의 반전(-)입력은 직렬 연결된 제2 저항기(RDR)와 제2 가변 저항기(RD)의 직렬연결의 중간지점에 저항기(RD1)를 통해서 연결되고, 저항기(RD2 )와 직렬인 캐패시터(CD2)는 제2 증폭기(U2)의 출력과 제2 증폭기(U2)의 반전(-) 입력 사이에 전기적으로 연결된다. 제2 증폭기(U2)의 비반전(+)입력은 기준 터미널에 연결된 큰 값의 캐패시터(CD1)에 전기적으로 연결되고, 저항기(R2D)는 제2 증폭기(U2 )의 비반전(+) 입력과 기준 터미널 사이의 캐패시터(CD1)와 병렬로 연결된다. 저항기(R2D)는 하향스트림 회로(20)의 기준 레그의 일부를 형성한다.
도 9a에서 도시된 바와 같이, 회로는 각각의 스위치(1A 및 2A)를 거쳐서 스위칭 가능하게 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20) 중의 한 가지와 연결이 되는 공용 저항기(R1)를 더 포함한다. 공용 저항기(R1)는 각각의 상향스트림 및 하향스트림 회로(10 및 20)의 기준 레그를 형성하기 위해 스위치(1B 및 2B)를 통해서 저항기(R2U 또는 R2D) 중의 한 가지와 전기적으로 직렬 연결된다. R1과 R2U 및 R2D 중의 한 가지와의 직렬연결에 의해 형성된 기준 레그는 상향스트림 코일(RU) 및 하향스트림 코일(RD)이 설정되는 저항 값을 설정하여 전압 분할기로서 기능한다. 도시된 바와 같이, 스위치(1A 및 2A)는 R1과 R2U 및 R2D 중 한 가지와의 직렬연결에 의해 형성된 전압 분할기의 입력과 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2) 출력 사이에 각각 연결된다. 각각의 스위치(1B 및 2B)는 전압 분할기의 출력과 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2)의 비반전 입력에 각각 연결된다. 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)는 연결되어 작동을 하므로, 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)는 동시에 열리거나 닫힌다.
작동을 하는 동안 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)는 교대로 열리고 닫히면서 공용 저항기(R1)를 상향스트림과 하향스트림 회로(10 및 20)중의 한 가지와 연결한다. 공용 저항기(R1)가 상향스트림 회로(10)와 연결되지 않은 시간 구간 동안(예를 들어 스위치(1A 및 1B)가 열릴 때), 캐패시터(CU1)는 제1 증폭기(U 1)의 비반전 입력에서의 전압 수준을 유지한다. 유사하게, 공용 저항기(R1)가 하향스트림 회로(20)와 연결되지 않은 시간 구간 동안(예를 들어 스위치(2A 및 2B)가 열릴때), 캐패시터(CD1)는 제2 증폭기(U2)의 비반전입력 터미널의 전압 수준을 유지한다.
작동 중에, 센서는 기준 레그의 일부를 공유하는 2개의 정온 구동회로와 같이 행동한다. 스위치(1 및 2)는 기준 레그(R1과 R2U 및 R2D 중의 한 가지)를 상향스트림과 하향스트림 회로에 교대로 연결하도록 빠르게 스위칭된다. CU1 및 CD1은 그에 대응하는 스위치가 열릴 경우 표본 기준 피드백을 유지한다. 제1 증폭기(U1)는 RU/RUR = R2U/R1이 되도록 서보 제어한다. 제2 증폭기(U2 )는 RD/RDR = R2D/R1이 되도록 서보 제어한다. 다른 증폭기(도 9a에는 도시되지 않음)는 제1 저항기(RUR)와 제1 가변 저항기(RU)의 직렬연결사이와 제2 저항기(RDR)와 제2 가변 저항기(RD)의 직렬연결 사이의 상향스트림 및 하향스트림 전압 수준(VU 및 VD)을 잡아낸다. 그러면, 전압 수준(VU 및 VD)은 상향스트림과 하향스트림 코일(RU 및 RD)이 배치된 곳이나 그 주변의 관로를 통하는 유체의 유량치를 나타내는 신호를 제공하는데 사용된다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서 (VU-VD)/VD 또는 (VU-VD )/VU의 비는 유체의 유량치를 나타내는 신호를 제공하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 아래 더욱 상세하게 설명을 하지만, 전압 수준(VU 및 VD)은 유체의 유량치를 제공하지만, 유체의 유량치를 나타낼 뿐 아니라, 유체의 흐름 방향과 대칭 독립(예를 들어 상향스트림 코일에서부터 하향스트림 코일까지, 또는 하향스트림 코일에서 상향스트림 코일까지)인 범위를 갖는 신호를 제공하는, (VU-VD)/(VU+VD)의 비를 제공하도록 조합될 수 있다. 도 9a에 도시한 나머지 소자, 즉 RU1, RU2, CU2, RD1, RD2 및 CD2는 제1 및 제2 증폭기(U1 및 U2)를 안정화하는데 사용된다.
도 9a의 회로는 실제로 기능적이며, 다른 방법으로 수정될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 고출력 증폭기는 상향스트림 및 하향스트림 코일에 흐르는 전류의 적절한 양을 제공하는데 사용될 수 있다. 대신에, 제1 및 제2 증폭기의 출력은 적절한 양의 전류를 제공하기 위해서 큰 출력 트랜지스터에 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱이 이 실시예는 네 개의 스위치(1A 및 1B) 및 스위치(2A 및 2B)를 사용하는 것으로 제한되는 것이 아니고 더 적은 스위치가 사용될 수 있다. 또한 다양한 구현에 있어서, R1과 R2U 및 R2D 중의 한 가지에 의해 형성되는 기준 레그는 프로그램 가능한 전압 분할기로 대체될 수 있다. 따라서 프로그램 가능한 전압 구동기(programmable temperature rise sensor)를 적절히 제어하여, 프로그램 가능한 온도 상승 센서 분할기를 제공할 수 있다. 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 유량 센서의 실시예가 이제 도 9b와 관련해서 서술된다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따라서 개별적인 상향스트림 및 하향스트림 회로가 오직 기준 레그의 일부만을 공유하는 질량 유량 센서의 구현의 대표적인 예의 개략도를 도시한다. 도 9b에 있어서, 도9a와 관련해서 상기에서 설명한 것과 비슷한 기능을 수행하는 회로의 일부는 같은 참조 부호로 나타내었다. 예를 들어, 도 9b에서 제1 증폭기(U1)는 증폭기(U53-A), 캐패시터(C71), 저항기(R159) 및 캐패시터(C146), 트랜지스터(Q1) 및 저항(R153)의 조합으로 형성될 수 있다. 하향스트림 증폭기(U2)는 유사하게 증폭기(U50-A), 캐패시터(C105), 저항기(R160) 및 캐패시터(C147), 트랜지스터(Q2) 및 저항기(R154)의 조합으로 형성될 수 있다. 도7 및 도8의 실시예에 있어서 트랜지스터(Q1 및 Q2)는 상향스트림 및 하향스트림 코일(RU 및 RD) 각각에 충분한 전류를 제공하기 위해서 사용된다.
도 9b에서, 각각의 저항기(RUR 및 RDR)는 다시 도7 및 도 8에서와 비슷한 방식으로 얻고자 하는 정확한 저항 값을 얻기 위해서 비슷한 값을 가진 다수의 저항기들의 병렬연결에 의해서 형성된다. 그러나 이런 저항기들을 제공하는 다른 방법도 가능하다는 것과 본 발명의 실시예는 도시된 특정한 구현에 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다.
도 9b의 실시예에 있어서, 각각의 상향스트림 및 하향스트림 회로와 공용인 공유된 저항기(R1)는, 저항 값의 범위 및 그에 따른 분할 비를 허용하기 위해서 상향스트림 및 하향스트림 회로의 R2U 및 R2D의 조합으로 프로그램 가능한 전압 분할기를 형성하도록 사용되는 가변저항기이다. 예를 들어, 도 9b의 실시예에 따라 제공될 수 있는 기준 레그 분할 비는 대략 0.770에서 0.834까지 변화한다. 도시된 실시예에서, 공용 저항기(R1)는 U4, U13-A, U13-B, C109 및 저항기(R110 및 R113)를 포함하는 복합 디지털 아날로그(D/A) 변환기 회로를 포함한다. U4는 전압 수준을 전류로 변환하는 16비트 복합 D/A 변환기이다. D/A 변환기에 의해서 제공되는 전류는 증폭기(U13-A 및 U13-B) 및 저항(R110 및 R113)의 사용을 통해서 가변 출력 전압으로 변환된다. 공유된 공용 저항기(R1)는 선택 스위치에 연결되고, 이 스위치는 공용 저항기(R1)를 상향스트림 및 하향스트림 구동 신호(예를 들어, (Q1 및 Q2)의 에미터에서의 구동 전압 신호, 이하에서는 "구동 전압"이라고 함)에 교대로 연결하는 한 쌍의 스위치(U6-A 및 U6B)로 도시되어 있다. 캐패시터(C107)는 구동 신호의 상향스트림 및 하향스트림 소스(source) 사이에서 스위칭할 때 협전압 스파이크(narrow voltage spike)를 제거하는데 사용된다.
상술된 도 5 내지 도 8의 각각의 실시예와 대조적으로, 각각의 도 9b의 상향스트림 및 하향스트림 회로는 또한 기준 레그의 그 고유의 일부를 포함한다. 상향스트림 회로에서 이 기준 레그의 부분(도 9a에서, R2U로 표시)은 저항기(R166, R139 및 R27)를 포함하고, 하향스트림 회로에서 이 기준 레그의 부분(도 9a에서, R2D로 표시)은 저항기(R127, R136 및 R114)를 포함한다. 각각의 이 기준 레그 부분은 각각의 표본 유지 회로(상향스트림의 (U32-A, R155, C111(CU1) 및 U53B); 하향스트림의 (U32-B, R156, C112(CD1) 및 U50-B))에 의해서 공용 저항기(R1)에 스위칭 가능하게 연결된다. 이전의 실시예에서와 같이, 기준 레그가 상향스트림 회로에 연결이 되지 않는 시간 구간 동안(즉, 스위치(1A 및 1B)가 열릴 경우), 유지 캐패시터(CU1)(C11)는 제1 증폭기(U1)의 비반전 입력의 전압 수준을 유지한다. 이와 유사하게, 공용 기준 레그가 하향스트림 회로에 연결이 되지 않는 시간 구간 동안 (즉, 스위치(2A 및 2B)가 열릴 경우), 유지 캐패시터(CD1)는 제2 증폭기(U2 )의 비반전 입력 터미널의 전압 수준을 유지한다.
각각의 상향스트림 및 하향스트림 센서 코일(RU 및 RD)이 브리지 회로의 하나의 레그임을 돌이켜 보건대, 도 9b의 센서 회로는 다음과 같은 방식으로 작동한다. 연관된 상향스트림 및 하향스트림 구동 증폭기(U1 및 U2)는 구동 전압을 브리지로 변화시킴으로서 연관된 센서 코일(RU 및 RD)의 저항(및 그에 따른 온도)을 제어한다. 증가하는 구동 전압은 센서 코일을 통하는 전류를 증가시키고, 센서 코일을 웜업(warm-up)시키게 된다. 각각의 브리지는 온도 의존 분할 비를 제공하는 기준 레그((R1 및 R2U)의 직렬 결합 또는 (R1 및 R2D)의 직렬 결합)와 리드(lead)(RC)를 더한 센서 코일 및 직렬 저항기(RS)(즉, RUR 또는 RDR)로 구성된 센서레그를 포함한다. 상향스트림 회로(10)에서, 센서 레그는 그 리드를 더한 상향스트림 코일(RU)과 저항기(RUR)로 구성되며, 하향스트림 회로에서 센서 그 레그는 그 리드를 더한 하향스트림 코일(RD)과 저항기(RDR)로 구성된다. 센서 레그는 RC/(RC +RS)의 분할비를 가지며, 구동 증폭기는 그 분할비를 R1 및 R2U의 직렬 결합 또는 R1 및 R 2D의 직렬 결합에 의해 형성되는 기준 레그의 분할비와 정합하도록 시도하면서 계속적으로 서보 제어한다. D/A 변환기 회로(U4, U13-A, U13-B, C109, R110 및 R113)는 각각의 구동 전압의 프로그램 가능한 부분을 그 부분의 표본 유지 회로(상향스트림의 U32-A, R155, C111 및 U53B; 하향스트림의 U32-B, R156, C112 및 U50-B)에 공급한다.
도9b에 도시된 저항 값을 갖는 이상적인 회로와 이상적인 증폭기 등을 가정하면, D/A 변환기가 0으로 설정된 때에 U13-B의 출력에서의 전압은 0이다. 따라서 두 표본 유지 회로 모두 그 출력 값(상향스트림의 U53-B 및 하향스트림의 U50-B)에서 0V를 나타낸다. 각각의 구동 증폭기(U1 및 U2)의 비반전(+) 입력은 대응하는 구동 전압의 0.77032배를 나태내고, 리드를 더한 센서 코일의 저항을 대응하는 RS의 3.3539배로 서보 제어한다. D/A 변환기가 1로 설정될 때에, 각각의 표본 유지 회로의 출력의 전압은 대응하는 구동 전압과 같게 된다. 각각의 구동 증폭기(U1 및 U2)의 비반전(+) 입력은 대응하는 구동 전압의 0.83398배를 보이고, 리드를 더한 센서 코일의 저항을 대응하는 RS의 5.0235배로 서보 제어한다. D/A의 중간 설정은 D/A의 설정에 선형적으로 비례하는 중간적인, 리드를 더한 센서코일 저항을 제공한다.
도 9b의 센서 구동 회로는 종래의 센서 구동회로보다 다수의 장점을 제공한다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 구동 전압이 변할 때에, 구동 증폭기(U1 및 U2)의 비반전(+)입력에서의 전압은 즉시 최종적인 변화의 대부분을 보인다. D/A가 0으로 설정되면, 전체 변화가 즉시 보이고, D/A가 1.0으로 설정되면, 총 변화의 92%(0.77032/0.83398)가 즉시 보인다. 나머지 8%는 변화가 표본 유지 회로를 통하여 전달되면서 다음의 수백 마이크로초 후에 나타난다. 더욱이, 구동 증폭기(U1 및 U2)의 비반전 입력이 구동 전압의 변화를 거의 즉시 보이기 때문에, 부정적인 영향을 주는 응답 시간 없이 각각의 표본 유지 회로에서 시상수를 증가시킬 수 있다. 현재의 실시예에 있어서, 표본 유지 회로의 시상수는 40㎲정도로 증가하여 왔으나, 이런 값은 더 증가할 것이라고 생각되어진다. 표본 유지 회로에서 시상수를 증가시킴으로써, 기준 레그의 고주파 노이즈가 표본 유지 회로에 강하게 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 이것은 다시, 신호(VU 및 VD)에 의해 형성되는 결과물인 유량 신호에서 노이즈 수준을 철저하게 줄인다. 또한, 표본 스위치(예를 들어 스위치(1B 및 2B)가 열릴 때에 유지 캐패시터(즉, CU1 및 CD1)의 남아있는 임의의 잔류 노이즈는 더 이상 구동 증폭기의 비반전(+) 입력에서의 전압에 강하게 영향을 미치지 않는다. 구체적으로, 도 9b에 도시된 소자의 값에서는 유지 캐패시터의 1mV의 오류는 구동증폭기의 비반전(+)입력에서의 64㎶의 오류보다 작게 된다. 이것은 또한 결과적인 유량 신호의 노이즈 수준을 실질적으로 줄이는데 도움이 된다.
도 9b의 실시예의 대표적인 예를 처음 테스트함에 있어서, 대략 60ms의 보상 상승 시간(유체 펄스의 상승 에지(edge)의 2%부터 98%까지 측정한 것)은 지나친 구동 지연 없이 반복적으로 얻어졌다. 더욱이, 도 9b에 도시된 구현이 질량 유량 제어기에 포함될 경우에, 원하는 최종 값의 2% 범위 내인 100에서 130ms의 설정시간이 얻어졌다. 상기 결과는 대략 종래의 질량 유량 제어기의 1/8에 해당하는 설정 시간에 해당한다는 것을 알아야 한다.
도 9b에 도시된 실시예로 돌아가서, 이 실시예는 이전에 자세히 서술하지 않은 몇 개의 소자를 포함한다. 예를 들어, 저항기(R159 및 R160)는 시동을 하는 동안, 및 구동 증폭기(U1 및 U2)의 출력이 충분한 양 만큼 센서 공급 전원((Q1) 및 (Q2)의 컬렉터에서)을 초과할 때의 오버플로우(overflow) 상태인 동안의 출력 트랜지스터(Q1 및 Q2)에서 트랜지스터의 베이스 전류를 제한하기 위해 제공된다. 백투백(back to back) 다이오드(CR14 및 CR15)는 만약 구동 증폭기(U53-A 및 U50-A)(U1 및 U2)의 출력이 어떠한 이유이던 음의 값의 공급레일로 된다면, Q1 및 Q2의 베이스-에미터 접합의 손상을 방지한다. 캐패시터(C146 및 C147)는 현재에는 사용되지 않으나, 장래에 변경을 구현할 때에 사용될 수 있다. 저항기(R153 및 R154)는 증폭기의 오프셋이 구동 증폭기의 음의 전압으로의 구동을 막기 위해 시작할 때 적은 양의 센서 전류를 제공한다. U33 및 U34는 단일 펄스열(PWM_FLOW)을 스위치(1A, 2A, 1B 및 2B) (U6 및 U32)를 구동하는 데 사용되는 적절한 위상 신호 USelect, USample 및 DSample로 변환한다.
저항기(R140 및 R141) 및 캐패시터(C124 및 C125)는 특정 환경 하에서 빠른 응답을 제공하도록 사용된다. 특히, 저항기(R27 및 R114)가 직접 그라운드에 연결된 초기의 표준에 있어서, 회로는 안정화되기 어렵고, 구동 보상 회로(상향스트림의 C71, C106, R22 및 R20 ; 하향스트림의 C105, C108, R57 및 R21)에서 매우 낮은 AC 이득을 필요로 한다. 높은 AC 이득(R27/R20 및 R114/R21)을 사용하는 것은 180도 위상에서 벗어난 레일투레일(rail to rail)을 때리는 양쪽의 구동 증폭기와의 발진을 만들어낸다. 저항기(R140 및 R141) 및 캐패시터(C124 및 C125)를 부가하여 구동 전압의 최종 변화가 구동 증폭기의 비반전(+) 입력에서 즉시 나타나는 것을 방지한다. 도시된 값과 D/A를 0으로 설정하여, 최종 변화의 대략 98.5%를 즉시 나타나게 하고, 남은 1.5%는 500us 이하의 시상수로 도달하게 한다. 이 비반전(+) 입력 신호에서의 아주 사소한 지연은 구동기를 불안전하게 하지 않으면서 따라서 유량의 변화에 아주 빠르게 응답하도록 하여, 구동 증폭기의 아주 높은 AC 이득을 가능하게 한다.
도 9b에 도시된 구체적인 구성요소의 값은 질량 유량 센서의 얻고자 하는 작동 특징 및 작동을 하도록 하는 조건의 범위에 대해 특정되었다는 것을 알아야 한다. 따라서, 다른 유량치 및/또는 다른 작동 조건을 위해 설계된 센서에 있어서, 도 9b에 나타낸 구성요소 값은 그에 따라서 조정되어야 한다는 것을 알아야 한다. 또한, 도 9b에 나타낸 구현에 대한 다른 변화는 쉽게 상상될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 저렴한 비용의 구을 위해 도 9b의 복합 D/A 변환기 회로(U4, U13A, U13-B, C109 및 저항기(R110 및 R130)을 포함하는)는, 펄스 폭 변조 제어 신호가 전압 분할기에 의해 제공되는 출력 전압을 변화하는데 사용되는 도 7의 변환기 회로와 비슷한 D/A 변환기 회로로 대체될 수 있다.
각각의 도 5 내지 도 9b의 실시예에 있어서, 비록 RUR의 RDR에 대한 비가 안정적이어야 하고, 저항(RUR 및 RDR)이 되도록이면 같은 값을 가져야 하지만, 동일하게 정합될 필요는 없다. 따라서 상기의 도 5 내지 도 9b에 따라 설명한 각각의 실시예는 도 2 내지 도4의 회로에서 요구하는 바와 같이 구성요소 값 및 특징을 엄밀히 정합시킬 필요가 없다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 증폭기 회로는 센서에 의해 제공되는 제1 및 제2 신호를 증폭하는데 제공된다. 증폭기 회로는 센서의 방향이 대칭 독립인 범위를 갖는 출력 신호를 제공한다. 유리하게는, 본 발명의 이런 태양은 상기 도 5 내지 도 9와 관련하여 설명된 각각의 실시예에서 사용될 수 있다.
다시 도 5 내지 도 9를 참조하면, 비록 상향스트림 및 하향스트림 코일(RU 및 RD)이 구축과정 및 전기적, 열적 특성에서 비슷하지만, 센서 회로의 작동은 흐름 방향에 의존하여 달라질 수 있다는 것을 알아야 한다. 즉, 유량을 검출하는데 사용되는 상향스트림 및 하향스트림 전압 수준(VU 및 VD)의 특정한 조합에 따라서, 센서 구동은 흐름의 방향이 역으로 되거나 "상향스트림" 코일이 "하향스트림" 코일로 사용되거나 그 반대의 경우에 해당하는 때에 매우 다르게 작동할 수 있다. 예를 들어, 질량 유량 센서를 통하는 유체의 유량치를 나타내는 유량 신호가 다음의 식으로 계산될 수 있고,
유량 = K*(VU-VD)/VD
유량 신호의 범위는 코일(RU 및 RD)중 어느 것이 상향스트림 코일로 사용이 되었는지 또는 하향스트림 코일로 사용 되었는지에 따라 달라질 수 있다. 비록, 이 유량 신호가 주위 온도에 대해 무관(제1 추정에 대해)하더라도(온도 의존 유체와 센서의 물질의 열적 특성은 무시), 상향스트림 및 하향스트림 코일에 공급되는 전원은 유량의 함수에 따라 변화한다. 그 결과, 유체의 질량 유량치가 수학식 1에 의해 계산될 때, 결과적인 유량 신호는 매우 비대칭적이고, 실질적으로 한 방향에서 다른 경우보다 더 큰(예를 들어 흐름이 상향스트림 코일에서 하향스트림 코일일 때) 선형 범위를 갖는다.
그러나 본 발명의 발전된 태양에 기초하여, 수학식 1에 따라 유체의 질량 유량치를 계산하기 보다는 유량치는 대신에 다음과 같이 계산될 수 있다.
유량 = K*(VU-VD)/(VU+VD)
상기의 유체 유량치의 정의는 또한 (온도 의존 유체와 센서 물질의 열적 특성을 무시하면) 온도와 무관하다. 그러나 (VU-VD) 및 (VU+VD) 모두가 유량의 대칭적인 함수이기 때문에, 유량 신호는 또한 대칭적이다. 이 대칭성은 센서 구동 회로가 어떤 방향에서든 동일하게 잘 수행될 수 있도록 한다. 따라서 센서를 "상향스트림" 코일(RU)이 "하향스트림" 코일(RD)의 하향스트림으로 향하게 되는 역방향으로 사용하여야 할 경우, 센서를 물리적으로 바꾸거나 흐름의 방향이 역으로 된 것을 보상하기 위해 전자회로를 변경할 필요가 없다. 대신에, 센서 회로에 의해 제공되는 출력 신호는 출력 신호를 처리하는 디지털 신호 처리장치(digital signal processor)(도시되지 않음)내에서 단순히 바꿀 수 있다. 유량의 대칭 함수인 유량치의 또 다른 정의는 상향스트림과 하향스트림 전압 사이의 차이, 즉 VU-VD이다. 특정 실시예에 있어서, 유량치에 대한 이런 후자의 정의가, 어떤 코일이 다른 것의 상향스트림의 방향으로 되어 있는지와 무관하면서 노이즈에 덜 민감하고 더 낮은 주위 온도에서 증가된 민감성을 제공하기 때문에 상기에서 언급한 두 식보다 더 선호된다.
도 10을 참조하면, 이제 센서의 방향과 대칭 독립인 범위를 갖는 출력 신호를 제공하는 증폭기 회로가 설명된다. 증폭기 회로는 각각이 센서 회로로부터 출력 신호(VU 및 VD)를 수신하는 증폭기(U30 및 U17-B) 쌍을 포함한다. 증폭기 회로는 K1*(VU-VD)와 같은 차동 계산자 신호(differential numerator signal)(부호"DELTAV+" 및 "DELTAV-"로 표시된 신호들 사이의 차)를 제공한다. 이 차동 계산자 신호는 이 신호를 질량 유량 제어기(도시되지 않음)의 디지털 신호 처리장치(DSP)에 의한 후속 처리를 해 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기(ADC)의 차동 신호 입력에도 인가 될 수 있다. 증폭기 회로는 또한 K2*(VU+VD)와 동일한 단일 종단 공통 신호(single-ended denominator signal)("VD+VU"로 표시됨)를 제공하고, 이것은 A/D 변환기(ADC)의 단일 종단 기준 입력에 인가될 수 있다. A/D 변환기의 출력은 따라서 질량 유량 제어기의 DSP에 의해 더 처리될 수 있는 K*(VU-VD)/(VU+V D)와 동일한 디지털 출력 신호를 제공한다.
도 10의 증폭기 회로는, 이 회로들 각각이 상향스트림 및 하향스트림 코일을 통하는 전압을 나타내는 센서 출력 신호(VU 및 VD)를 제공할 수 있기 때문에 상기의 도 5 내지 도 9와 관련하여 설명된 센서 회로의 어떠한 실시예에도 사용 될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 있어서, 회로의 오른쪽 아래 부분의 "유량 센서 증폭기"라고 표시된 것은 센서의 방향과 대칭 독립인 범위를 갖는 유량 신호를 제공하기 위해 도 10에 도시된 증폭기 회로로 대체될 수 있다. 더욱이, 그 다른 증폭기 회로는 본 발명이 이에 제한되지 않기 때문에 도 10에서 나타낸 구현과 다르게 사용될 수도 있다는 것을 알아야 한다. 실제로, 증폭기 회로의 출력이 상향스트림과 하향스트림 코일에 제공된 전압(또는 전류)의 차이를 나타내는 신호를 제공하고, 센서를 통하는 유체의 흐름 방향과 무관한 이 신호들의 어떤 조합이 그 차이를 검출하는데 사용되는 한, 유량 신호의 범위는 센서의 방향과 대칭 독립일 것이다. 센서 방향과 독립인 유량 신호의 대칭이 요구 되지 않으면, (VU-VD)/VU 및 (V U-VD)/VD를 포함한 다양한 센서 출력 신호(VU 및 VD)의 조합이 사용될 수 있다.
본 발명의 발전된 태양에 따라, 가변 출력 전압 공급기는 센서 회로에 의해 사용되는 전력의 양을 조절할 수 있도록 제공된다. 가변 출력 전원 공급기가 질량 유량 센서 회로와 사용되는 하나의 실시예에 따르면, 가변 출력 전원 공급기는 검출된 유량치에 응답하여 변화하는 출력을 공급할 수 있어서, 낮은 유량치에서보다 높은 유량치에서 더 많은 전력이 질량 유량 센서 회로에 제공된다. 종래의 질량 유량 센서 회로에서는 낮은 유량치에서 질량 유량 센서에 공급되는 전력의 50%정도가 버려졌음을 알아야 한다. 또 다른 실시예에 따르면, 가변 출력 전원 공급기는 매우 높은 유량치에서 가변 출력 전원 공급기에 의해 공급되는 전력의 양이 지나치게 증가하는 것을 방지할 수 있고, 질량 유량 센서 회로와 연관된 제어 시스템에서 위상의 역전과 잠재적인 래치업(latch-up)을 방지할 수 있다. 유리하게는, 이런 태양들 모두가 단일한 가변 출력 전원 공급기에 포함될 수 있다. 이제 이러한 실시예를 도 11과 관련해서 설명한다.
가변 출력 전원 공급기(1100)는 가변 출력 전압을 공급하는 부분적으로 고립된 스위칭 전원(switching power supply)(1110)을 포함하고, 제어 회로(1120)("7V Control"로 표시)에 의해 제어된다. 부분적으로 고립된 스위칭 전원(1110)의 양의 출력("+7V"로 표시된 신호)은 센서 구동 회로 트랜지스터(즉, 도 7, 도 8 및 도 9b의 트랜지스터(Q1 및 Q2)) 양쪽에 전원을 공급한다. 유량센서로부터의 복귀 전류는 "CABLE_SENSE"선(도 8 및 도 9b의 센서의 핀(3))을 통해서 부분적으로 고립된 스위칭 전원(1110)으로 되돌아 흐른다. 센서 공용 지점(도 8 및 도 9b의 센서의 핀(9))으로의 분리된 리드선은 가변 출력 전원 공급기(1100)에 접지 기준(ground reference)을 제공한다.
가변 출력 전원 공급기(1100)는 가장 큰 센서 구동 전압(상향스트림이나 하향스트림 센서 코일 전압(VU 또는 VD)이 아니라, 이전에 상기에서 양쪽의 구동 트랜지스터(Q1 및 Q2)의 에미터에서의 전압으로 정의된)보다 1V 큰 전압을 "+7V"선에 공급한다. 이것은 양쪽 트랜지스터의 포화를 방지하기 위한 충분한 구동전류를 제공하지만 구동 트랜지스터 내에서 많은 전력을 소비하지 않게 하는 두 구동 트랜지스터(도 7, 도8 및 도 9b의 (Q1 및 Q2)) 상의 컬렉터와 에미터 사이(VCE)의 최소값 1V의 차를 제공한다.
잠시동안 (U8-A) 및 이중 다이오드(CR6)의 오른쪽 반의 작동을 무시하면, 이중 다이오드(CR5) 및 저항기(R60)는 가장 높은 "구동 전압"보다 대략 하나의 다이오드 강하분만큼 감소된 전압(CR5의 핀3에서)을 생성한다. CR6의 핀(3)에서 대략 가장 높은 "구동 전압"과 동일한 전압을 제공하기 위해 이중 다이오드(CR6)의 왼쪽 반과 저항기(R59)는 이 하나의 다이오드 강하분만큼 옮긴다(translate). 그러면, 증폭기(U8-B) 및 그와 연관된 수동 구성 요소는 CR6의 핀(3)에서의 전압보다 1V 더 큰 출력 전압을 ("+7V"선에) 제공하기 위해 상기 전압을 옮긴다.
따라서 가변 출력 전원 공급기는, 센서 구동 회로의 실제 전력 소모에 응답하여 센서회로에 전달되는 필요한 만큼의 공급 전원을 올리거나 낮추면서, 센서 회로의 적합한 작동을 위해서 필요한 것보다 아주 조금 더 큰 출력 전압을 공급한다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 이런 태양이 도 7, 도 8 및 도 9b의 각각의 센서 회로에 적용될 수 있다는 것과, 전력 소비가 하나의 고려사항일 때에 다른 센서 회로와 함께 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 실제로, 전력 소비가 가장 큰 문제이고 비용이 문제되지 않을 경우, 상향스트림과 하향스트림 양쪽의 센서 회로에 단일 출력 전압을 공급하기보다는 분리된 전원 공급 회로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상향스트림 센서 구동 회로는 독자적인 가변 출력 전원 공급기를 가질 수 있고, 하향스트림 센서 구동 회로는 독자적인 가변 출력 전원 공급기를 가질 수 있으며, 각각은 도 11과 관련하여 상기에 설명된 것과 유사할 것이다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 가변 출력 전원 공급기는 또한 가변 출력 전원 공급기에 의해 공급되는 전력의 양이 아주 높은 유량치에서의 지나치게 증가하는 것을 방지할 수 있게 하고, 질량 유량 센서 회로와 연관된 제어 시스템에서 위상의 역전과 잠재적인 래치업을 방지할 수 있다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 높은 유량치에서, 센서를 통하는 유체 흐름은 너무 빨라서 적절히 가열되기 어렵고, 그 때문에 상향스트림 및 하향스트림 센서 코일 양쪽에서부터 전력을 흡수한다. 이것은 두 가지 악영향을 미친다. 우선, 유량치는 증가하면서 센서 회로의 출력은 감소하기 시작하고, 보정하지 않으면 대부분의 제어 시스템에서의 역 위상을 만들고 뒤이은 래치업을 초래한다. 둘째로, 센서 회로 전력 소모는 높은 유량치에서 극적으로 증가하고, 어떤 경우에는 0의 유량 전력 소모에 비교하여 두 배가 넘는다. 센서 회로의 출력이 아주 높은 유량치에서 감소하고, 이것이 거의 즉시 일어나기 때문에, 단지 센서 회로의 출력을 관찰하는 것만으로는 일반적으로 높은 유량 상태를 감지하는 것이 불가능하다.
본 발명의 태양에 따라, 질량 유량 센서에서 높은 유량 상태를 감지하는 방법을 제공한다. 이 방법은 현재 작동 온도에서의 예상되는 0의 유량 신호를 계산하는 단계, 예상되는 0의 유량 신호에 기초한 임계점을 계산하는 단계, 실제 유량 신호를 임계점과 비교하는 단계 및 실제 유량 신호가 임계점을 넘어섰을 때 높은 유량 상태을 감지하는 단계들을 포함한다. 이 방법은 마이크로프로세서(microprocessor)로 구현될 수 있고, 이것은 유리하게는 질량 유량 센서를 포함하는 질량 유량 제어기에서 사용되는 것과 동일한 마이크로프로세서일 수 있다.
하나의 실시예에 따라, 예상되는 0의 유량 신호는 상향스트림 및 하향스트림 코일 전압(VU 및 VD)의 합에 상수 K를 곱한 것에 따라 계산된다. 즉, 0의 유량과 현재 작동온도에서,
예상되는 0의 유량 = K*(VU+VD);
임계점은 예상되는 0의 유량 신호에 상수(일반적으로 1.05에서 1.10)를 곱하여 결정된다. 임계점과 실제 유량 신호(K*(VU+VD))를 비교한 것에 기초하여, 높은 유량 상태가 존재하는지가 결정된다. 높은 유량 상태가 존재한다고 결정이 되면, 가변 출력 전원 공급기의 +7V 선에 의해 공급되는 센서 공급 전압이 지나치게 증가하지 못하게 된다. 또한, 높은 유량 상태가 존재한다고 결정되면, 지시된 센서 회로 출력은 인위적으로 높은(흐름 방향에 따라 양수 또는 음수) 값으로 설정이 되어 연관된 제어 시스템(일반적으로 적분기(I), 비례 적분기(PI), 비례적분 미분제어(PID), 리드래그(LL) 및 이득 리드래그(GLL) 등 마이크로프로세서에 의해 구현된 제어 시스템, 예를 들어 마이크로프로세서 질량 유량 제어기)의 래치업을 막는다. 마이크로프로세서는 가변 출력 전원 공급기에 의해 센서 회로에 공급되는 공급 전압을 제한하기 위해서 펄스폭 변조 신호(도 11의 (PWM_SUPPLY))로 변환되는 디지털 출력 신호를 제공한다.
도 11에 도시된 실시예에 있어서 PWM(pulse width modulator)(펄스 폭 변조기, 도시되지 않음)은 저항기(R37) 및 캐패시터(C35)를 포함하는 RC 필터를 구동하는데 사용된다. 실제 유량 신호(K*(VU+VD))가 임계점 보다 이하의 값일 때마다 마이크로프로세서에 의해 공급되는 출력은 가능한 최대값으로 설정된다. 이 출력은 PWM에 제공되고 PWM의 출력(PWM_SUPPLY)은 증폭기(U8-A)의 출력을 높이고, 이중 다이오드(CR6)의 오른쪽 반을 역 편향(reverse-biasing)시키고, 부분적으로 고립된 스위칭 전원(1110)을 정상적으로 작동하도록 한다. 그러나 실제 유량 신호(K*(VU+VD))가 임계값을 초과할 때마다 마이크로프로세서의 출력은 비례해서 감소한다. 출력이 떨어지면, 증폭기(U8-A)의 출력에서의 전압도 떨어진다. 어떤 순간에 이중 다이오드(CR6)의 오른쪽 반이 켜지고, CR6의 핀(3)에서의 전압을 정상 값 이하로 감소시키며, 따라서 부분적으로 고립된 스위칭 전원(1110)의 출력을 감소시킨다. 이것은 실제 유량 신호 K*(VU+VD)가 더 증가하는 것을 막고 인위적으로 센서를 식히고, 실질적으로 센서 구동 전력 소비를 그렇지 않았을 경우 이하로 줄인다.
센서를 통하는 유량이 감소하면, 센서는 백업을 웜(warm)하고(왜냐하면, 센서에 제공되는 이용 가능한 전력이 정상 작동에서 요구되는 것보다 크기 때문에) 실제 유량 신호(K*(VU+VD))는 결국 임계점 이하로 떨어진다. 마이크로프로세서는 다시 출력을 정상의 높은 값으로 복귀시키고, 부분적으로 고립된 스위칭 전원(1110)이 정상 작동을 재가동시키도록 한다.
비록 이 실시예는 펄스 폭 변조기와 관련하여 설명이 되었지만, 다른 회로 소자가 대신 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어 PWM을 마이크로프로세서의 디지털 출력 신호를 아날로그 값으로 바꾸는 D/A 변환기로 사용하는 대신에, 다른 종류의 D/A 변환기가 사용될 수 있다. 더욱이, 비록 설명된 실시예가 센서 회로에 제공되는 전압을 제한하고 있지만, 대신에 공급 전류를 제한하는 것도 가능하다. 또한, 비교를 위한 토대로 VU+VD의 조합을 사용하는 것보다 대신에 각각 또는 양쪽의 센서에 제공되는 구동 전압 또는 각각 또는 양쪽의 센서에 제공되는 센서 전류 등과 같은 다른 신호를 관찰할 수 있다. 이와 관련하여, 이 신호가 이미 도 10에 도시된 유량 센서 증폭기의 출력으로부터 이용가능하기 때문에 VU+VD의 조합이 사용되었으나, 신호의 다른 조합도 대신 사용될 수 있다.
비록 본 발명의 실시예들이 특히 반도체 제조 과정에 아주 적합한 질량 유량 센서와 관련하여 설명이 되었지만, 본 발명의 실시예들은 다른 애플리케이션이나 프로세스에서도 사용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 연소실로 전달되는 가솔린이나 디젤 연료나 공기와 같은 유체의 양을 측정하는 자동차 애플리케이션에 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 다른 센서나 감지 회로에서 사용될 수 있기 때문에 본 발명의 실시예들이 질량 유량 센서에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 저항 브리지 회로 레그의 저항 값의 변화가 저항에 따라 변화하는 특성의 변화를 나타내는 열선 풍속계나 다른 애플리케이션에 곧 사용될 수 있다.
발명의 몇 가지 실시예들에 대해서 자세히 설명을 하였지만, 발명이 속하는 분야의 당업자는 다양한 변경 및 개선을 용이하게 도출해 낼 것이다. 이러한 변경이나 개선은 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 특히, 비록 본 명세서에서 설명한 많은 실시예들이 시스템 소자나 방법 단계의 특정한 조합을 포함하지만, 그 소자나 단계는 다른 방식으로 조합될 수 있음을 알아야 한다. 따라서 하나의 실시예에만 관련하여 논의한 소자, 방법 및 형상은 다른 실시예에서 제외되는 것은 아니다. 따라서 상술한 설명은 단지 예에 해당하며 한정적이지 않다. 발명은 이하의 청구항 및 그에 균등한 범위에 의해 정의된 것에 의해서만 한정된다.

Claims (53)

  1. 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 갖는 제1 증폭기;
    상기 제1 증폭기의 출력과 기준 터미널(reference terminal) 사이에 제1 가변저항기와 전기적으로 직렬 연결된 제1 저항기 - 상기 제1 저항기는 상기 제1 증폭기의 제1 입력과 상기 제1 증폭기의 출력 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 가변 저항기는 상기 제1 저항기와 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결됨 -;
    제1 입력, 제2 입력 및 출력을 갖는 제2 증폭기;
    상기 제2 증폭기의 출력과 상기 기준 터미널 사이에 제2 가변저항기와 전기적으로 직렬 연결된 제2 저항기 - 상기 제2 저항기는 상기 제2 증폭기의 제1 입력과 상기 제2 증폭기의 출력 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 가변 저항기는 상기 제2 저항기와 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결됨 -;
    상기 제1 증폭기의 출력 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 하나와 스위칭 가능하게 연결된 입력 및 상기 제1 증폭기의 제2 입력 및 상기 제2 증폭기의 제2 입력 중 하나와 스위칭 가능하게 연결된 출력을 갖는 전압 분할기(voltage divider) - 상기 전압분할기의 출력은, 상기 전압분할기의 입력이 상기 제1 증폭기의 출력과 연결되고 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제1 증폭기의 제2 입력과 연결되는 경우에 상기 제1 가변 저항기의 저항을 설정하고, 상기 전압 분할기의 입력이 상기 제2 증폭기의 출력과 연결되고 상기 전압분할기의 출력이 상기 제2 증폭기의 제2 입력과 연결되는 경우에 상기 제2 가변 저항기의 저항을 설정함 -
    를 포함하는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전압 분할기는 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 전압 분할기는 상기 전압 분할기의 출력 및 상기 기준 터미널 사이에 연결된 다수의 저항기를 포함하고, 상기 전압 분할기의 출력 전압은 상기 전압 분할기의 출력 및 상기 기준 터미널 사이에 상기 다수의 저항기들 중 어느 것이 연결되어 있는지에 기초하여 변경될 수 있는 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력 전압은 상기 전압 분할기의 출력과 상기 기준 터미널 사이에 각각의 상기 다수 저항기가 연결된 시간의 양에 기초하여 더 변화될 수 있는 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 전압 분할기는 상기 전압분할기의 출력을 설정하는 출력을 갖는 디지털 아날로그 변환기(digital to analog converter)회로를 포함하는 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 디지털 아날로그 변환기 회로는,
    가변 양의 전류를 제공하는 출력을 갖는 디지털 아날로그 변환기; 및
    상기 디지털 아날로그 변환기의 출력에 전기적으로 연결된 입력, 및 상기 아날로그 디지털 변환기 회로의 출력을 형성하고 상기 전류의 가변 양에 기초하여 가변 출력 전압을 제공하는 출력을 갖는 증폭기 회로
    를 포함하는 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제2 증폭기의 제2 입력과 연결되면 상기 제1증폭기의 제2 입력의 전압 수준을 유지하는, 상기 제1 증폭기의 제2 입력 및 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제1 캐패시터를 더 포함하는 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제1 증폭기의 제2 입력과 연결되면 상기 제2 증폭기의 제2 입력의 전압 수준을 유지하는, 상기 제2 증폭기의 제2 입력 및 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제2 캐패시터를 더 포함하는 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 증폭기의 제2 입력은 열린 상태와 닫힌 상태를 갖는 각각의 제1 스위치 및 제2 스위치와 각각 연결되고, 상기 제1 및 상기 제2 증폭기의 상기 제2 입력에서 전압 수준이 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 닫힌 상태일 때 표본 추출되는 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 스위치는 상기 전압 분할기의 입력이 상기 제1 증폭기의 출력에 연결되고 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제1 증폭기의 제2 입력에 연결된 후에 상기 제1 스위치를 상기 닫힌 상태로 스위칭하는 제1 스위칭 신호를 수신하는 센서.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제2 스위치는 상기 전압 분할기의 입력이 상기 제2 증폭기의 출력에 연결되고 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제2 증폭기의 제2 입력에 연결된 후에 상기 제2 스위치를 상기 닫힌 상태로 스위칭하는 제2 스위칭 신호를 수신하는 센서.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 질량 유량 센서인 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 질량 유량 센서는 질량 유량 제어기 내에 포함되는 센서.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전압 분할기는,
    상기 전압 분할기의 입력 및 출력 사이에 전기적으로 연결된 제3 저항기 - 상기 제3 저항기는 상기 제1증폭기의 출력 및 상기 제2 증폭기의 출력 중 하나에 스위칭 가능하게 연결됨 -;
    상기 제1 증폭기의 제2 입력과 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제4 저항기; 및
    상기 제2 증폭기의 제2 입력과 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제5 저항기;
    를 포함하는 센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제2 증폭기의 제2 입력과 연결되면 상기 제1 증폭기의 제2 입력의 전압 수준을 유지하는, 상기 제1 증폭기의 제2 입력 및 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제1 캐패시터를 더 포함하는 센서.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력이 상기 제1 증폭기의 제2 입력과 연결되면 상기 제2 증폭기의 제2 입력의 전압 수준을 유지하는, 상기 제2 증폭기의 제2 입력 및 상기 기준 터미널 사이에 전기적으로 연결된 제2 캐패시터를 더 포함하는 센서.
  17. 물리적 특성의 변화에 응답하여 변하는 제1 저항을 갖는 제1 저항기를 포함하는 제1 회로;
    물리적 특성의 변화에 응답하여 변하는 제2 저항을 갖는 제2 저항기를 포함하는 제2 회로;
    전압 분할기; 및
    제1 상태 및 제2 상태를 갖는 적어도 하나의 스위치 - 상기 적어도 하나의 스위치의 상기 제1 상태는 상기 제1 저항기의 저항을 설정하기 위해 상기 전압 분할기를 상기 제1 회로에 전기적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 스위치의 상기 제2 상태는 상기 제2 저항기의 저항을 설정하기 위해 상기 전압 분할기를 상기 제2 회로에 전기적으로 연결함 -
    를 포함하는 센서.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 전압 분할기는 입력과 출력을 가지고, 상기 적어도 하나의 스위치는 각각 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태를 갖는 적어도 하나의 제1 스위치 및 적어도 하나의 제2 스위치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제1 스위치는 상기 적어도 하나의 제1 스위치가 상기 제1 상태이면 상기 전압 분할기의 입력을 상기 제1 회로에 전기적으로 연결하고 상기 적어도 하나의 제1 스위치가 상기 제2 상태이면 상기 전압 분할기의 입력을 상기 제2 회로에 전기적으로 연결하며, 상기 적어도 하나의 제2 스위치는 상기 적어도 하나의 제2 스위치가 상기 제1 상태이면 상기 전압 분할기의 출력을 상기 제1 회로와 전기적으로 연결하고 적어도 하나의 상기 제2 스위치가 상기 제2 상태이면 상기 전압 분할기의 출력을 상기 제2 회로에 전기적으로 연결하는 센서.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 전압 분할기는 프로그램 가능한 전압 분할기를 포함하는 센서.
  20. 제19항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 전압 분할기의 출력은 상기 제1 및 상기 제2 저항기가 설정되는 저항으로 저항을 변경하도록 조정될 수 있는 센서.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 전압 분할기는 상기 전압 분할기의 출력과 기준 터미널 사이에 연결된 복수의 저항기들을 포함하고, 상기 전압 분할기의 출력 전압은 상기 전압 분할기의 출력과 상기 기준 터미널의 사이에 복수의 저항기들 중 어느 것이 연결되었는지에 기초하여 변경될 수 있는 센서.
  22. 제21항에 있어서, 상기 전압 분할기의 출력 전압은, 상기 전압 분할기의 출력과 상기 기준 터미널 사이에 각각의 상기 복수의 저항들이 연결된 시간의 양에 기초하여 더 변경될 수 있는 센서.
  23. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 전압 분할기는 상기 전압 분할기의 출력을 설정하는 출력을 갖는 디지털 아날로그 변환기 회로를 포함하는 센서.
  24. 제23항에 있어서, 상기 디지털 아날로그 변환기 회로는,
    가변 양의 전류를 제공하는 출력을 갖는 디지털 아날로그 변환기; 및
    상기 디지털 아날로그 변환기의 출력에 전기적으로 연결된 입력, 및 상기 아날로그 디지털 변환기 회로의 출력을 형성하고 가변 양의 전류에 기초한 가변 출력 전압을 제공하는 출력을 갖는 증폭기 회로
    를 포함하는 센서.
  25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1스위치와 상기 적어도 하나의 제2스위치가 상기 제2 상태에 있으면 상기 제1 저항기의 저항을 유지하는, 상기 제1 회로에 전기적으로 연결된 제1 유지 캐패시터; 및
    상기 적어도 하나의 제1스위치와 상기 적어도 하나의 제2스위치가 상기 제1 상태에 있으면 상기 제2 저항기의 저항을 유지하는, 상기 제2 회로에 전기적으로 연결된 제2 유지 캐패시터
    를 더 포함하는 센서.
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 스위치는, 상기 적어도 하나의 제1스위치가 상기 제1 상태로 스위칭 된 후 상기 적어도 하나의 제2스위치를 상기 제1 상태로 스위칭하는 스위칭 신호를 수신하는 센서.
  27. 제26항에 있어서, 상기 스위칭 신호는 상기 적어도 하나의 제1스위치가 상기 제2상태로 스위칭 된 후 상기 적어도 하나의 제2 스위치를 상기 제2 상태로 스위칭하는 센서.
  28. 제17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서 상기 전압 분할기는 상기 제1 및 상기 제2 회로 사이에 공유된 센서.
  29. 제17항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 분할기의 오직 일부만이 상기 제1 및 상기 제2 회로 사이에 공유된 센서.
  30. 고정 저항기와 가변 저항기를 포함하는 센서 레그 및 가변 저항기의 저항을 설정하는 기준 레그를 각각 갖는 한 쌍의 브리지 회로와 함께 사용하기 위한 방법에 있어서,
    상기 가변 저항기의 저항을 정합시키기 위해 상기 제1 및 상기 제2 회로 사이에 적어도 일부의 상기 기준 레그를 공유하는 단계
    를 포함하는 방법
  31. 제30항에 있어서, 상기 공유하는 단계는
    상기 기준 레그의 상기 공유 부분을 서로 다른 시간에 각각 상기 브리지 회로 쌍에 스위칭 가능하게 연결하는 단계
    를 포함하는 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 기준 레그는 고정된 부분 및 가변 부분을 포함하고, 상기 공유 단계는
    상기 가변 저항기의 저항을 부합시키기 위해 상기 제1 및 상기 제2 회로 사이에 상기 기준 레그의 상기 가변 부분을 공유하는 단계
    를 포함하는 방법.
  33. 제30항에 있어서, 상기 기준 레그는 고정된 부분 및 가변 부분을 포함하고, 상기 공유하는 단계는
    상기 가변 저항기의 저항을 정합시키기 위해 상기 제1 및 상기 제2 회로 사이에 상기 기준 레그의 상기 가변 부분과 상기 기준 레그의 상기 고정 부분 모두를 공유하는 단계
    를 포함하는 방법.
  34. 유체의 유량치를 측정하는 유량센서에 있어서,
    제1 가변 저항기;
    상기 유체의 흐름이 제1 방향인 때 상기 제1 가변 저항기의 하향스트림에 배치된 제2 가변 저항기;
    상기 제1 가변 저항기에 제공되는 전력을 나타내는 제1 신호를 제공하기 위해 상기 제1 가변 저항기와 전기적으로 연결된 제1 회로;
    상기 제2 가변 저항기에 제공되는 전력을 나타내는 제2 신호를 제공하기 위해 상기 제2 가변 저항기와 전기적으로 연결된 제2 회로; 및
    상기 제1 및 상기 제2 신호를 수신하고, 상기 제1 및 상기 제2 신호 사이의 차이를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 제3 회로를 포함하고,
    상기 유체의 흐름이 제1 방향이면 상기 출력 신호의 범위는 상기 유체의 흐름이 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향일 때의 출력 신호의 범위와 대칭인 유량 센서.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제3 회로는
    상기 제1 및 상기 제2 신호의 차이를 나타내는 제3 신호를 제공하기 위한 제1 증폭기 회로;
    상기 제1 및 상기 제2 신호의 합을 나타내는 제4 신호를 제공하기 위한 제2 증폭기 회로;
    상기 제3 신호 및 상기 제4 신호를 수신하고, 분할된 신호를 제공하기 위해 상기 제3 신호를 상기 제4신호로 나누며, 상기 분할된 신호를 상기 출력 신호로 제공하는 변환기 회로
    를 포함하는 유량 센서.
  36. 제34항에 있어서, 상기 변환기 회로는 상기 제3 신호를 수신하기 위한 차동 입력 및 상기 제4 신호를 수신하기 위한 기준 입력을 갖는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 유량 센서.
  37. 유체의 유량치를 측정하는 유량센서에 있어서,
    제1 가변 저항기;
    제2 가변 저항기;
    상기 제1 가변 저항기에 제공되는 전력을 나타내는 제1 신호를 제공하기 위해 상기 제1 가변 저항기와 전기적으로 연결된 제1 회로;
    상기 제2 가변 저항기에 제공되는 전력을 나타내는 제2 신호를 제공하기 위해 상기 제2 가변 저항기와 전기적으로 연결된 제2 회로;
    상기 제1 및 상기 제2 신호를 수신하고, 상기 제1 및 상기 제2 신호들 사이의 차이를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 제3 회로; 및
    상기 유체의 유량치에 의존하여 상기 제1 및 상기 제2 회로 중 적어도 하나에 가변 양의 전력을 공급하기 위해 상기 제1 및 상기 제2 회로 중 적어도 한 회로와 전기적으로 연결된 전원 공급기 회로
    를 포함하는 유량 센서.
  38. 제37항에 있어서, 상기 전원 공급기 회로는, 상기 유체의 유량치에 의존하여 각각의 상기 제1 및 상기 제2 회로에 가변 양의 전력을 공급하기 위해 각각의 상기 제1 및 상기 제2 회로에 전기적으로 연결되는 유량 센서.
  39. 제37항에 있어서, 상기 전원 공급기 회로는 낮은 유량치에서 상기 제1 및 상기 제2 회로중의 적어도 한 회로에 공급되는 가변 양의 전력을 감소시키고, 높은 유량치에서는 상기 제1 및 상기 제2 회로중의 적어도 한 회로에 공급되는 가변 양의 전력을 증가시키는 유량 센서.
  40. 유량 센서에서 높은 유량 상태를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 유량 센서의 현재 작동 온도에서의 예상되는 0의 유량 신호를 결정하는 단계;
    상기 예상되는 0의 유량 신호에 기초하여 임계점을 결정하는 단계;
    상기 유량 센서의 현재 작동 온도에서 상기 유량 센서에 의해 측정되는 실제 유량 신호를 결정하는 단계;
    상기 유량 센서에 의해 측정되는 상기 실제 유량 신호를 상기 임계점과 비교하는 단계; 및
    상기 실제 유량 신호가 상기 임계점을 초과할 때 높은 유량 상태의 존재를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 유량 센서의 상향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제1 출력 신호를 제공하는 상향스트림 회로 및 상기 유량 센서의 하향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제2 출력 신호를 제공하는 하향스트림 회로를 포함하며, 상기 예상되는 0의 유량 신호를 결정하는 단계는 상기 유량 센서의 현재 작동 온도 및 0의 유량치에서 상기 제1 및 상기 제2 출력 신호의 합을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 임계점을 결정하는 단계는 상기 예상되는 0의 유량 신호에 상수를 곱하는 단계를 포함하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 실제 유량 신호를 결정하는 단계는 상기 유량 센서의 현재 작동 온도 및 현재 유량치에서 상기 제1 및 상기 제2 출력 신호의 합을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  44. 제41항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상향스트림 코일 및 상기 하향스트림 코일에 공급되는 전력의 양이 상기 높은 유량 상태의 존재를 결정하는 단계에 응답하여 지나치게 증가하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  45. 제44항에 있어서, 상기 방지하는 단계는 상기 상향스트림 코일 및 상기 하향스트림 코일에 공급되는 전력의 양을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 전력의 양을 조절하는 단계는 상기 상향스트림 코일 및 상기 하향스트림 코일에 공급되는 전압을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  47. 제41항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호 사이의 차이에 기초한 센서 출력 신호를 제공하며, 상기 방법은 상기 높은 유량 상태가 존재하는 지를 결정하는 상기 단계에 응답하여 상기 센서 출력 신호를 높은 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  48. 제40항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 유량 센서의 상향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제1 출력 신호를 제공하는 상향스트림 회로 및 상기 유량 센서의 하향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제2 출력 신호를 제공하는 하향스트림 회로를 포함하며, 상기 방법은 상기 높은 유량 상태가 존재하는 지를 결정하는 상기 단계에 응답하여 상기 상향스트림 코일 및 상기 하향스트림 코일에 공급되는 전력의 양이 지나치게 증가하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호 사이의 차이에 기초한 센서 출력 신호를 제공하며, 상기 방법은 상기 높은 유량 상태가 존재하는 지를 결정하는 상기 단계에 응답하여 상기 센서 출력 신호를 높은 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  50. 제40항에 있어서, 상기 유량 센서는 상기 유량 센서의 상향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제1 출력 신호를 제공하는 상향스트림 회로 및 상기 유량 센서의 하향스트림 코일에 공급되는 전력을 나타내는 제2 출력 신호를 제공하는 하향스트림 회로를 포함고, 상기 유량 센서는 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호 사이의 차이에 기초한 센서 출력 신호를 제공하며, 상기 방법은 상기 높은 유량 상태가 존재하는 지를 결정하는 상기 단계에 응답하여 상기 센서 출력 신호를 높은 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  51. 제47항, 제49항 및 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 높은 값은 상기 유량 센서를 통하는 유체의 흐름 방향에 의존하는 방법.
  52. 제40항에 있어서, 상기 예상되는 0의 유량 신호 및 상기 실제 유량 신호는 상기 유량 센서의 현재 작동 온도에서의 각각의 0의 유량치 및 현재 유량치에서 상기 유량 센서에 공급되는 전력의 총 합을 나타내는 방법.
  53. 제17항 내지 29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 관로의 내부를 흐르는 유체의 유량치를 감지하는 유량 센서이고, 상기 센서는
    상기 유체의 유량치에 의존하여 상기 제1 및 상기 제2 회로 중 적어도 한 회로에 가변 양의 전력을 공급하기 위해 상기 제1 및 상기 제2 회로 중 적어도 한 회로와 전기적으로 연결된 전원 공급기 회로
    를 포함하는 센서.
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