KR20090093360A - 가스 센서 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 농도에 의한 전압 변화를 직접 출력하는 가스 센서 회로에 대한 것으로서 적외선 센서(100)로부터의 신호에서 최대 전압(V₀)을 클리핑하여 전압차(ΔV)만을 출력하도록 하여 그 출력 신호를 받은 산출 회로에서는 최대 전압(V₀)를 참조할 필요없이 단지 가스 센서 회로 내에서의 증폭률만을 참조하여 가스 농도를 검출할 수 있도록 한다.

Description

가스 센서 회로{Gas sensor circuit}

본 발명은 가스 센서로부터의 신호를 산출회로로 출력하기 전 신호를 1차 처리하는 가스 센서 회로에 대한 것으로서 특히 가스 농도에 의한 전압 변화를 직접 출력하는 가스 센서 회로에 대한 것이다.

가스 농도를 측정하는 방법에는 비분산 적외선 방식과 고체 전해질(solid electrolyte)방식이 있다.

고체 전해질 센서가 비분산 가스 센서에 비해 더 저렴하지만, 장기 안정성, 높은 정확도, 저전력 소비 등과 같은 면에서는 비분산 가스 센서가 더 유리하다. 또한 비분산 가스 센서는 목표 가스가 특정 파장에서 적외선을 흡수한다는 물리적 센싱 원리를 이용하기 때문에 선택도와 감도가 좋다.

적외선은 파장이 0.75㎛~1㎜ 범위에 속하는 전자기파로, 흔히 열선이라 불린다. 이러한 적외선은 그 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문에, 물질에 적외선이 부딪히면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문에 강한 열을 발산한다.

특히, 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있다. 따라서, 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응과정 또는 분자구조를 정밀하게 추정하는 수단으로 사용한다. 이것을 적외선 분광분석이라 한다.

본 발명과 관련된 비분산 적외선 가스 센서는 이와 같은 적외선의 특성을 이용하여 시료 중 특정 가스의 농도를 측정할 수 있는 정량분석 기기이다.

비분산 적외선 센서의 광학적 특성을 살펴보면 다음과 같다.

시험 가스를 통과하도록 적외선을 방사하는 적외선 광원과, 시험 가스를 통과한 적외선 중 특정 파장 대의 것만을 선택적으로 감지하여 광량을 특정하기 위한 적외선 센서(IR Detector)와, 광원으로부터 방사된 적외선 광이 기기 외부로 누출되거나 산란 또는 분산되는 것을 방지하기 위하여 밀폐된 반사경을 포함하는 광학 챔버(Optical Chamber)로 구성된다.

일반적으로, 광은 광 경로 상에서 회절, 반사, 굴절 및 흡수에 의해서 광 강도가 감소 혹은 증가하게 된다. 입사광이 광 경로를 통과함에 따라 광 강도는 광 경로 상의 가스에 의해 흡수되어 광 강도는 감소하게 된다.

즉, 광학적 가스 센서에서, 적외선 강도의 감소는 Beer-Lambert의 법칙에 의해 설명될 수 있다. 광학 챔버 내의 가스농도(J)가 균일하고 적외선이 일정 길이의 광 경로(L)를 통과할 때, 최종 광 강도(I)는 가스 흡수 계수(k), 광 경로(L)의 길이와 초기 광 강도(I₀)의 함수로 나타낼 수 있다.

I = I₀ㆍe^{- kJL (x)}

[수학식 1]에서 보는 바와 같이, 최종 광 강도(I)는 초기 광 강도(I₀) 및 측정 대상 가스의 흡수계수(k)가 일정한 경우, 광 경로 상의 가스농도(J)와 광 경로(L)의 길이에 비례한다.

그리고, 예를 들어 [수학식 1]에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않은 경우, 즉, J = 0인 경우, 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 된다.

I = I₀

따라서, 특정 대상 가스가 없는 상태이고 가스 농도가 J인 경우에, 광 강도 차는 [수학식 3]에 제시되는 바와 같다.

ΔI = I₀ㆍ(1 - e^{- kJL (x)})

또한, 일반적인 적외선 센서는 광 강도에 비례한 미소 전압을 그 출력으로 나타내므로, 가스 존재 유무에 따른 센서의 출력차는 아래의 [수학식 4]와 같이 표현된다.

ΔⅤ= αㆍΔI = αㆍ[I₀ㆍ(1 - e^{- kJL (x)})]

(여기서, α는 비례상수)

이때, 저농도에서 고농도의 광범위한 측정 범위를 갖는 광학적 가스 센서를 제작하기 위해서는 첫째, 광 경로(L)가 큰 광학 챔버를 형성하거나, 둘째, 적외선을 검출할 수 있는 하한 광 강도가 작은 적외선 센서를 사용하거나, 셋째, 포화 광 강도가 크나 적외선 광원에서 방사되는 초기 광 강도(I₀)보다 약간 작은 값을 갖는 적외선 센서를 사용하여야 한다.

그러나 광 경로(L)를 크게 하는 데에는 한계가 있으므로 실질적으로 고농도 가스를 측정하더라도 ΔⅤ의 변화량은 크지 않으며, 저농도 가스인 경우에는 ΔⅤ의 변화량이 매우 미세하여 거의 초기 광 강도(I₀)에 가까운 전압이 가스 센서에서 출력된다. 이러한 가스 센서에 결합되는 종래의 가스 센서 회로는 단순히 가스 센서로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 증폭 회로의 역할만을 수행하는 것이 대부분이었다. 따라서 종래의 가스 센서 회로로부터 출력된 신호를 받은 산출회로는 신호 처리시 V₀에 가까운 신호를 증폭하여 사용하며, 미세한 신호 변화를 검출하기 위해 신호를 크게 증폭하게 되면 불필요하게 전압값이 커져 전력을 낭비하게 된다.

아울러 종래의 가스 센서 회로에서 출력되는 신호는 최대 전압(V₀)에서 ΔⅤ를 뺀 것(V = V₀ - ΔⅤ)이므로 산출 회로에서는 가스 농도에 의한 전압 변화값인 ΔⅤ의 계산을 위해 V₀를 참조하여야 한다(ΔⅤ = V - V₀). 이는 산출 회로의 설계를 복잡하게 할 뿐더러 설계상의 유연성을 해치게 되는 문제점이 있다.

또한, 가스 챔버 내 가스의 온도 변동은 신호에서 노이즈로 작용하므로 증폭시 이에 따른 노이즈가 커지게 되며, 이러한 노이즈를 감안하여 산출 회로에서 가스 농도를 산출하도록 하는 것은 매우 비효율적이다.

본 발명의 목적은 불필요한 전압 범위를 제거하여 실질적으로 가스 농도와 직접 연관되는 신호만을 출력하는 가스 센서 회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 산출 회로에서 신호를 처리함에 있어 저농도의 가스 농도 신호라도 가스 농도를 정확하게 산출할 수 있는 신호를 출력하는 가스 센서 회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스 농도 산출 회로에서 최대 전압을 참조할 필요가 없도록 하여 그 가스 농도 산출 회로의 구성을 간단하게 되도록 하고 산출 회로의 구성에 유연성을 부여할 수 있는 신호를 출력하는 가스 센서 회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 출력 신호에서 온도에 의한 노이즈를 감소시켜 산출 회로의 구성을 더욱 간단하게 할 수 있는 가스 센서 회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적은 가스의 농도를 전기 신호로 변환하는 가스 센서 회로에 있어서, 적외선 광원으로부터 방출된 적외선을 수광하는 적외선 센서 및 상기 적외선 센서와 연결되어, 입력되는 신호를 그 신호의 최대 전압값으로 클리핑하는 클리핑부를 포함하는 가스 센서 회로에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 가스 센서 회로에 있어서 클리핑부는 상기 신호 최대 전압값을 생성하는 최대 전압 발생 수단 및 상기 최대 전압 발생 수단에서 발생된 최대 전압값를 참조하여 입력된 상기 신호를 클리핑하는 클리핑 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가스 센서 회로는 적외선 센서와 클리핑부 사이에 적외선 센서로부터 받은 신호를 증폭하여 상기 클리핑부로 출력하는 증폭부를 더 포함하는 것이 바람직하며, 그 증폭부는 적어도 하나 이상의 증폭 회로를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 증폭부에는 상기 신호에서 직류 성분을 차단하는 직류 차단부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 가스 센서 회로는 이산화탄소의 농도를 전기 신호로 변환하는 것일 수 있으며, 이때 신호의 최대 전압값이란 이산화탄소가 검지되지 않는 상태에서 클리핑부로 입력되는 신호의 최대 전압값인 것을 말한다.

본 발명에 따른 가스 센서 회로에서 출력되는 신호는 불필요한 전압 범위를 제거하여 실질적으로 가스 농도와 직접 연관되는 신호이므로 산출 회로의 전력 낭비를 줄일 수 있으며, 저농도의 가스 농도 신호라도 산출 회로에서 가스 농도를 정확하게 산출할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스 센서 회로는 최대 전압을 참조할 필요가 없는 신호를 출력하여 산출 회로의 구성을 간단하게 하고, 그 회로 구성에 있어서도 유연성을 갖도록 하는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 가스 센서 회로는 출력 신호에서 온도에 의한 노이즈를 감소시켜 산출 회로의 구성을 더욱 간단하게 할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 회로를 포함하는 전체적인 가스 센서의 개념도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 회로의 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

100: 적외선 센서 200: 증폭부

210: 제1증폭부 220: 직류 차단부

230: 제2증폭부 300: 클리핑부

310: 클리핑 수단 320: 최대 전압 출력 수단

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 회로를 포함하는 전체적인 가스 센서의 개념도이다.

광원에서 발생된 적외선 광은 광학 챔버를 지나 가스 센서(적외선 센서)에 도달하게 된다. 광학 챔버는 광원에서 방사된 적외선이 가스 센서에 도달하기까지 가스와 충돌하여 일부 적외선이 흡수되고, 나머지 적외선은 그 내부를 계속 진행하는 광 통로 역할을 한다. 적외선이 시험 가스를 통과하여 이동하는 광 경로(Optical path)가 길수록 가스에 의한 흡수량이 커진다. 그에 따라 가스 센서가 측정하는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있다.

예를 들어, 도 1의 광학 챔버도 그와 같은 구성의 광학 챔버의 예이며, 미국특허 제5,341,214호에는 광원에서 방출되는 광이 튜브형 광 도파관(Optical path tube)내에서 다수의 반사를 일으켜 광 경로가 도파관의 물리적 길이보다 길어지는 기술이 제시되었다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-494103호는 광 경로를 최대화하기 위하여 마주보는 2개의 오목 반사경으로 광학 챔버를 형성하는 기술이 제시된 바 있다.

적외선 센서는 열전대(thermopile)를 사용하며, 전면부에 측정 대상 가스에서 흡수율이 높고, 다른 요소에 의한 간섭을 배제할 수 있는 파장 범위로 적외선 광을 필터링할 수 있는 필터가 배치된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 회로의 개념도이다. 본 실시예에서는 가스 센서인 적외선 센서(100)로부터의 신호에서 최대 전압(V₀)을 클리핑하여 가스 농도에 따른 전압차(ΔV) 신호만을 출력하며, 그 출력 신호를 받은 산출 회로에서는 최대 전압(V₀)을 참조할 필요없이 단지 가스 센서 회로 내에서의 증폭률만을 참조하여 가스 농도를 검출할 수 있게 된다.

가스 농도에 의한 전압차(ΔV) 신호는 실질적으로 크지 않으므로 가스 센서로부터의 신호 자체를 단지 증폭하여 산출 회로로 출력하게 되면 산출 회로에서는 그 신호를 증폭하는 과정에서 의미없이 큰 신호를 증폭하게 되어 전력을 낭비하게 된다. 특히 저농도의 가스 농도를 정확히 측정하고자 할 때 전압차(ΔV)가 작아 정확한 산출을 위해 여러 번 증폭이 이루어져야 하므로 산출 회로에서 전체적으로 처리해야 하는 전압 범위가 더욱 커지게 된다.

본 발명에 따른 가스 센서 회로는 이러한 문제점을 해결하기 위해 어느 정도 증폭된 전압차(ΔV) 신호만을 산출 회로로 출력하므로 산출 회로에서의 전력 낭비를 줄일 수 있고, 저농도의 가스 농도도 정확하게 산출할 수 있게 된다.

본 실시예의 가스 센서 회로는 적외선 센서(100), 증폭부(200), 클리핑부(300)로 구성되며, 처리된 신호는 내부 회로에 함께 형성되거나 외부 단자에 연결된 산출 회로로 출력된다. 신호는 클리핑부(300)에서 최대 전압(V₀)에 의해 클리핑되기 전에 증폭부(200)에서 먼저 증폭이 이루어지며, 증폭부(200)는 제1증폭부(210)와 제2증폭부(230)를 포함한다. 제1증폭부(210)와 제2증폭부(230) 사이에는 커패시터와 저항으로 이루어지는 직류 차단부(DC blocking, 220)가 위치하며, 이러한 직류 차단부(220)에 의해 적외선 센서(100)에서 함께 검출될 수 있는 온도 신호와 같은 저주파 신호를 차단할 수 있다.

클리핑부(300)는 측정 대상 가스가 없는 상태에서 그 클리핑부(300)에 입력되는 최대 전압(V₀)과 같은 전압을 생성하는 최대 전압 발생 수단(320)과 최대 전압 발생 수단(320)에서 발생된 최대 전압을 참조하여 입력된 신호를 클리핑하는 클리핑 수단(310)으로 구성된다. 이렇게 구성된 클리핑부(300)에서 출력된 신호는 그 자체로서 가스 농도에 의한 전압차(ΔV)가 되는 것이므로 증폭부(200)에서 증폭되는 증폭률만을 참조하게 된다면 그 전압차(ΔV) 신호만으로 가스 농도를 산출할 수 있게 된다. 따라서 클리핑부(300)와 연결되는 산출 회로는 간단하게 구성될 수 있게 된다.

이러한 가스 센서 회로는 통상 이산화탄소의 농도를 측정하는 것에 사용될 수 있으나, 다른 가스 농도를 검출하는 가스 센서에도 사용될 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

1. 가스의 농도를 전기 신호로 변환하는 가스 센서 회로에 있어서,

   적외선 광원으로부터 방출된 적외선을 수광하는 적외선 센서; 및

   상기 적외선 센서와 연결되어, 입력되는 신호를 그 신호의 최대 전압값으로 클리핑하는 클리핑부

   를 포함하는 가스 센서 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 클리핑부는,

   상기 신호 최대 전압값을 생성하는 최대 전압 발생 수단; 및

   상기 최대 전압 발생 수단에서 발생된 최대 전압값를 참조하여 입력된 상기 신호를 클리핑하는 클리핑 수단

   을 포함하는 가스 센서 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 적외선 센서와 상기 클리핑부 사이에 적외선 센서로부터 받은 신호를 증폭하여 상기 클리핑부로 출력하는 증폭부를 더 포함하는 가스 센서 회로.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 증폭부는 하나 이상의 증폭 회로를 포함하는 가스 센서 회로.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 증폭부는 상기 신호에서 직류 성분을 차단하는 직류 차단부를 포함하는 가스 센서 회로.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가스는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 가스 센서 회로.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 신호의 최대 전압값은 상기 이산화탄소가 검지되지 않는 상태에서 상기 클리핑부로 입력되는 신호의 최대 전압값인 것을 특징으로 하는 가스 센서 회로.