KR20170000916A

KR20170000916A - 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법

Info

Publication number: KR20170000916A
Application number: KR1020150090060A
Authority: KR
Inventors: 신용각
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2017-01-04
Also published as: JP2017009611A; US20160377489A1; CN106289559B; ES2705433T3; EP3109607A2; US10101217B2; KR101704222B1; JP6153646B2; EP3109607A3; EP3109607B1; CN106289559A

Abstract

본 발명은 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법에 관한 것으로, 열전대와 기준 접점 보상용 서미스터를 포함한 온도 측정 장치의 온도 드리프트를 보정하는 기준 접점 보상 방법에 있어서, 정전류원에 의해 상기 서미스터의 아날로그 전압을 획득하는 단계와, 상기 획득된 아날로그 전압을 디지털 카운트로 변환하는 단계와, 상기 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타낸 RT 테이블에서의 각 온도와 기설정된 상온의 기준온도의 온도 차이를 산출하는 단계와, 상기 산출된 온도 차이와 기설정된 보정 계수를 곱하여 보정 인자를 산출하는 단계와, 상기 기설정된 상온의 기준온도를 바탕으로 상기 변환된 디지털 카운트와 상기 산출된 보정 인자를 이용하여 보정된 디지털 카운트를 산출하는 단계와, 상기 보정된 디지털 카운트에 해당하는 서미스터의 온도를 이용하여 상기 기준접점보상을 통해 상기 열전대의 온도를 최종적으로 측정하는 단계를 포함함으로써, 온도 측정 장치가 주변 온도 변화에 따라 측정되는 온도 정밀도가 달라지지 않도록 함과 아울러 제작비용을 효과적으로 절감할 수 있다.

Description

열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법{METHOD FOR TEMPERATURE DRIFT COMPENSATION OF TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE USING THERMOCOUPLE}

본 발명은 열전대(Thermocouple)를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열전대를 이용한 온도 측정 장치는 불필요하게 발생하는 주위온도의 영향을 보상하기 위해 보상회로를 부가하여 제작되어 왔다. 이러한 보상회로는 입력단에 기준전압 발생회로를 부가하는 방법과, 온도센서와 멀티플렉서(Multiplexer)를 부가하는 방법으로 구현되는데, 특히 온도센서와 멀티플렉서를 이용하는 방법은 기준전압 발생회로를 부가하는 방법의 복잡성과 오차를 감축하기 위해 고안된 방법이다.

이러한 온도센서와 멀티플렉서를 이용하는 온도 측정 장치에 있어서, 온도 측정 장치의 설치 장소에 온도 변화가 일어날 경우 종래 기술에서는 온도 드리프트(drift)로 인해 온도 측정에 오차가 발생하는 문제점이 있다.

즉, 드리프트란 현상의 변화가 없는데 측정치가 변동하는 것으로 여러 가지 센서에서 관측되는 가장 큰 드리프트는 일반적으로 주위의 온도 변화 때문에 발생하며, 이를 '온도 드리프트'라 칭한다.

높은 정밀도를 유기하기 위해서는 온도 보상기능을 내장하거나, 센서 자체가 일정한 온도가 되도록 항온기 내에 설치하여야 한다. 상기 온도 드리프트와 함께 중요한 드리프트에는 사용하고 있는 소자의 경시변화 등에 기인하는 경시 드리프트가 있는데, 이것은 센서나 계기의 교정기간을 결정하는 데 있어서 중요한 요소이다.

한편, 상기 열전대는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하여 넓은 온도 범위를 측정하기 위한 장치로, 발전소, 제철소 등에서 사용하며, 내구성이 좋아 극한상황에서 많이 이용된다.

이러한 열전대를 이용한 온도 측정 장치는 상기 열전대에서 발생한 기전력을 이용하여 온도를 계측하는 장치로서, 여기에서 측정된 온도는 0℃를 기준으로 측정된 값이므로, 실제 열전대가 계측 장치에 연결되는 부근 온도를 측정하여 계측된 값에 더해주게 되는데, 이러한 보상을 기준 접점 보상(Reference Junction Compensation) 또는 냉 접점 보상(Cold Junction Compensation)이라 한다.

전통적으로 온도 드리프트 보정을 위해서는 별개의 온도 측정 회로를 온도 측정 장치에 구현하거나, 제품이 장착된 주변 온도를 일정하게 유지하는 방법을 사용해왔다.

그러나, 종래의 열전대를 이용한 온도 측정 장치는 온도 측정을 위해 기준 접점 보상 과정이 필수적이지만, 이 과정만으로는 온도 드리프트에 따른 오차를 보상하는 데 한계가 있다. 즉, 기준 접점 보상용 서미스터(Thermistor)에서 감지되는 외부적인 온도변화 요인과 내부적인 온도변화 요인이 일정한 비율로 전달되는 것이 아니기 때문이다.

따라서, 이러한 한계를 극복하기 위해 온도 드리프트를 바로잡을 수 있는 별도의 수단이 요구되는데, 이러한 수단은 통상 주변 온도변화를 감지할 수 있는 별도의 온도측정 소자를 필요로 하게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 온도측정 소자를 갖추지 않고 기준 접점 보상을 위한 서미스터를 이용하여 기준 접점 보상만을 통해 온도 드리프트를 보정함으로써, 온도 측정 장치가 주변 온도 변화에 따라 측정되는 온도 정밀도가 달라지지 않도록 함과 아울러 제작비용을 효과적으로 절감할 수 있도록 한 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 열전대와 기준 접점 보상용 서미스터를 포함한 온도 측정 장치의 온도 드리프트를 보정하는 기준 접점 보상 방법에 있어서, 정전류원에 의해 상기 서미스터의 아날로그 전압을 획득하는 단계; 상기 획득된 아날로그 전압을 디지털 카운트로 변환하는 단계; 상기 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타낸 RT 테이블에서의 각 온도와 기설정된 상온의 기준온도의 온도 차이를 산출하는 단계; 상기 산출된 온도 차이와 기설정된 보정 계수를 곱하여 보정 인자를 산출하는 단계; 상기 기설정된 상온의 기준온도를 바탕으로 상기 변환된 디지털 카운트와 상기 산출된 보정 인자를 이용하여 보정된 디지털 카운트를 산출하는 단계; 및 상기 보정된 디지털 카운트에 해당하는 서미스터의 온도를 이용하여 상기 기준 접점 보상을 통해 상기 열전대의 온도를 최종적으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법을 제공하는 것이다.

여기서, 상기 기설정된 상온의 기준온도는, 20℃ 내지 30℃ 범위로 이루어짐이 바람직하다.

바람직하게, 상기 기설정된 보정 계수는, 온도 드리프트의 차이에 비례하여 설정되며, 0.5 내지 1.5 범위로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 보정된 디지털 카운트는, 하기의 식 1에 의해 산출될 수 있다.

(식 1)

보정된 디지털 카운트 = 상기 변환된 디지털 카운트×(100＋보정 인자)％

바람직하게, 0℃보다 작은 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높고, 0℃보다 큰 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮을 경우, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 낮을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하고, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하며, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 동일할 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용할 수 있다.

바람직하게, 0℃보다 작은 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮고, 0℃보다 큰 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높을 경우, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 낮을 경우, 상기 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하고, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하며, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 동일할 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용할 수 있다.

바람직하게, 상기 기설정된 보정 계수는, 시행착오법(Trial and Error Method)을 통해 조정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법에 따르면, 별도의 온도측정 소자를 갖추지 않고 기준 접점 보상을 위한 서미스터를 이용하여 기준 접점 보상만을 통해 온도 드리프트를 보정함으로써, 온도 측정 장치가 주변 온도 변화에 따라 측정되는 온도 정밀도가 달라지지 않도록 함과 아울러 제작비용을 효과적으로 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 온도 드리프트 보정을 위한 추가적인 회로나 장치 없이 펌웨어 구현을 통해 온도 드리프트 현상을 바로잡을 수 있고, 비용 절감 효과와 함께 이미 하드웨어가 고정되어 있는 제품에서도 온도 드리프트 보정이 가능하며, 종래의 전통적인 방법의 단점을 보완하면서도 모듈 구현 비용을 절감할 수 있으며, 기존의 구성 복잡성을 제거하여 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법을 위한 효율적인 구성의 유용성을 제시할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 기준 접점 보상용 서미스터의 일반적인 저항-온도(R-T) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 전)를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 후)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.
도 7은 도 6의 보정 계수가 1.1일 때 단계별 실제 계산을 나타낸 표이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한, 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이며, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 기준 접점 보상용 서미스터의 일반적인 저항-온도(R-T) 특성을 나타낸 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치는, 크게 열전대(100), 입력모듈(200), 제어모듈(300) 및 출력모듈(400) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, 열전대(100)는 측온 대상체의 온도를 열기전력으로 변환하여, 전압신호로서 아날로그 전압 신호를 출력하는 기능을 수행하는 바, 서로 다른 물질이 고리 형태로 접합되어 이루어진다.

즉, 열전대(100)의 접합부 즉, 고온 접합부(Hot Junction)와 저온 접합부(Cold Junction) 간의 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한 것으로서, 원자로, 항공기, 동력 계통, 제철소 등의 여러 공정에서 온도를 감지하는 방법을 제공하며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 많은 응용 면에서 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있는 온도 측정 센서이다.

상기 제베크 효과는 서로 다른 두 금속으로 폐회로를 구성하고, 양 접점에 온도 차를 주었을 때 온도 차가 없으면 전위차가 없으나, 온도 차가 있을 때 양 접점에는 접촉 전위차 불평형이 발생하면서 저온 측 접합 점으로부터 고온 측으로 열전류가 이동하는 것을 말한다.

이러한 열전대(100)는 약 0.1 내지 1％ 정도의 정확도로 온도 측정이 가능하며, 출력을 측정하는 데 측정 계기가 간단하고 회로 상의 잡음이 덜 받는 낮은 임피던스를 갖는 센서이다. 또한, 열전대(100)는 역학적 유연성이 있어서, 여러 응용에 따라 형태를 적합하게 바꿀 수 있고 빠른 응답, 내구성, 회로의 절연 등을 고려하여 보통 소선의 형태로 만들어 사용하기도 한다.

상기와 같은 열전대(100)는 금속의 종류에 따라 여러 가지 타입으로 구분되고, 사용 한도 및 조건 등에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

입력모듈(200)은 측정 대상 온도 값에 대한 열전대(100)의 아날로그 전압 신호를 입력받아 디지털 전압 신호로 변환하는 모듈로서, 열전대(100)를 연결하는 입력단자(210)와, 기준 접점 보상(Reference Junction Compensation)을 위한 서미스터(220)와, 전류 출력을 발생시키는 정전류원(230)과, 아날로그 전압 신호를 디지털 값으로 변환하기 위한 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)와, 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)의 기준 전압 발생을 위한 기준 저항(250)과, 제어모듈(300)과의 절연을 위한 입력 절연부(260) 등을 포함하여 이루어진다.

이때, 입력 절연부(260)는 예컨대, 광 커플러(Opto Coupler)로 이루어짐이 바람직하며, 입력모듈(200)과 제어모듈(300)을 절연하는 기능을 수행한다. 즉, 입력 절연부(260)는 온도 측정 장치의 신뢰성을 위한 것으로, 입력모듈(200)과 제어모듈(300) 사이에서 노이즈(Noise), 서지 전류(Surge Current) 및 서지 전압(Surge Voltage) 등을 차단하는 임무를 수행한다.

한편, 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)의 기준 전압 입력단자(270)를 통해 인가되는 기준 전압(Reference Voltage)(V_ref)은 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)가 받아들일 수 있는 입력 신호의 범위를 결정한다.

다른 한편, 열전대(100)에서 발생하는 기전력은 수 ㎶에서 수십 mV의 크기로 이러한 아날로그 전압 신호를 디지털 값으로 변환하기 위해서는 입력 신호를 증폭해야 한다. 이러한 증폭회로가 도면에 도시되진 않았지만, 이는 일반적으로 입력단자(210)와 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240) 사이에 위치함이 바람직하며, 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240) 내부에 포함될 수도 있다.

제어모듈(300)은 입력모듈(200)에서 변환된 측정 온도값과 기설정된 목표값을 비교하여 PID(Proportional Integral Differential) 제어하는 모듈로서, 외부(예컨대, PLC CPU 등)로부터 기설정된 파라미터를 전달받는 인터페이스부(310)와, 입력모듈(200)에서 변환된 측정 온도값과 기설정된 목푯값으로 PID 제어를 수행하여 조정값을 연산하는 PID 연산부(320)와, 상기 기설정된 파라미터 및 조정값을 저장하는 메모리(330)와, 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 입력모듈(200)에 입력되는 신호의 종류를 판단하고, 상기 신호의 종류에 따라 입력모듈(200)이 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, PID 연산부(320)가 연산한 조정값 및 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 생성하고, 상기 PWM 제어 신호를 출력모듈(400)로 전달하여 출력모듈(400)이 상기 조정값을 외부로 출력하는 것을 제어하는 제어부(340) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, 인터페이스부(310)는 예컨대, PLC CPU와 데이터 통신을 수행하여 온도 측정 장치의 운전에 필요한 미리 설정된 파라미터들을 전달받는다. 이때, 상기 기설정된 파라미터에는 입력 파라미터, 제어 파라미터, 출력 파라미터 등이 있다.

상기 입력 파라미터에는 온도 측정 대상 장치의 입력 센서 타입에 관한 정보가 포함되어 있고, 상기 제어 파라미터는 PID 제어에 필요한 PID 설정 계수 등의 정보가 포함되어 있으며, 상기 출력 파라미터에는 가열 출력 또는 냉각 출력 등의 출력 종류에 관한 정보와, 아날로그 출력 또는 온/오프 출력 등의 출력 형태에 관한 정보가 포함되어 있다.

PID 연산부(320)는 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)에서 변환된 디지털 값 즉, 측정값과 기설정된 목푯값을 비교한 후, 측정값과 목푯값에 차이가 있는 경우, 측정값이 목푯값이 되도록 하는 조정값을 연산하는 PID 연산을 수행한다.

메모리(330)는 인터페이스부(310)가 전달받은 기설정된 파라미터들을 저장하고, PID 연산부(320)가 연산한 조정값을 저장한다.

제어부(340)는 인터페이스부(310)가 전달받은 기설정된 파라미터 중에서 입력 파라미터를 이용하여 입력모듈(200)에 입력되는 신호의 종류를 판단한다. 그리고, 제어부(340)는 입력모듈(200)에 입력되는 신호의 종류에 따라, 아날로그/디지털(A/D) 변환기(240)의 동작을 제어하는 A/D 변환 제어 신호를 발생한다.

또한, 제어부(340)는 상기 측정값과 목푯값을 비교하여 PID 연산을 수행하도록 PID 연산부(320)를 제어하고, PID 연산부(320)에서 연산된 조정값을 메모리(330)에 저장한다.

또한, 제어부(340)는 PID 연산부(320)의 조정값에 대한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 발생하여 출력모듈(400)에 전달한다. 이때, 상기 PWM 제어 신호에는 출력 종류에 관한 정보와 출력 형태에 관한 정보가 포함된다.

출력모듈(400)은 제어모듈(300)의 제어에 따라 상기 PID 제어의 결과값을 외부로 출력하는 모듈로서, 제어모듈(300)과 출력모듈(400)을 절연하는 출력 절연부(410)와, 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 연산 처리된 조정값을 외부로 출력하는 출력부(420) 등을 포함하여 이루어진다. 이때, 출력부(420)에는 냉각 출력을 위한 결선 및 가열 출력을 위한 결선이 형성된다.

이때, 출력 절연부(410)는 입력 절연부(260)와 마찬가지로 광 커플러(Opto Coupler)로 이루어짐이 바람직하며, 제어모듈(300)과 출력모듈(400)을 절연하는 기능을 하여 온도 제어 장치의 신뢰성을 확보한다.

또한, 출력부(400)는 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태에 관한 정보에 따라, 아날로그 출력 또는 온/오프 출력의 형태로 출력할 수 있고, PWM 제어 신호에 포함된 출력 종류에 대한 정보에 따라, 가열 출력을 위한 결선 또는 냉각 출력을 위한 결선으로 출력할 수 있다.

상기와 같이 구성된 열전대를 이용한 온도 측정 장치는, 기준 접점 보상을 위해 서미스터(220)에서 측정된 온도값을 이용한다. 부(-)의 온도 계수를 가지는 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 2단자 부품으로 부품의 표면 온도(Temperature) 변화에 상응하는 저항(Resistance) 변화를 수반하는 부품이다.

이러한 서미스터의 온도 변화는 외부적인 요인과 내부적인 요인에 의해 발생한다. 상기 외부적인 요인은 서미스터 주변의 온도 변화이며, 상기 내부적인 요인은 소자를 통과하는 전류로부터 생성되는 열에 의한 온도 변화로 이 두 요인의 조합이 서미스터의 온도 변화를 발생시키는 요인이 된다. 상기 NTC 서미스터는 망간, 니켈, 코발트, 동, 철 등과 같은 금속 산화물을 사용하여 제조한다.

또한, 상기 서미스터는 약 25℃를 기준으로 약 -3 내지 -6％/℃의 저항 변화를 보이며, 이러한 저항과 온도의 관계는 도 2에 도시된 바와 같이, 근사적인 지수형 커브를 따른다. 상기 NTC 서미스터의 커브를 표현하는 한 가지 방법은 고정된 온도에서 저항 대 온도 커브의 기울기를 측정하는 것으로, 정의에 의해 저항의 온도 계수(α)는 다음과 같은 식으로 주어진다.

여기서, T는 온도(℃ 또는 K), R은 온도 T에서의 저항이다.

도 2에 도시된 바와 같이, NTC 커브에서 가장 급격한 기울기를 보이는 구간은 저온 영역으로, 상기 NTC 서미스터의 구성 물질에 따라 차이는 있지만, 약 -40℃에서의 온도 계수는 약 -8％/℃만큼 높아진다. 그리고, NTC 커브의 평탄한 구간은 고온 영역에서 발생하며, 약 300℃에서는 약 1％/℃ 미만의 저항 변화가 나타난다.

이때, 온도 계수(α)는 NTC 커브의 상대 기울기를 비교하는데 사용될 수 있는데, 이것은 동일 온도에서 온도 계수(α)를 비교하는 데 중요한 요소가 된다. 즉, 온도 계수(α)는 동작 온도 범위에서 폭넓은 변화를 나타내므로, 서미스터 제조사에서는 이를 제시하여 사용자가 변동 가능한 온도 범위를 알 수 있도록 한다.

통상 서미스터의 저항값은 특정 온도에서 변동 가능한 저항 변동 범위의 중간값을 기준으로 결정한다. 기본적으로 저온 및 고온 구간에서 비선형적인 특성이 있는 서미스터는 상술한 외부적인 요인과 내부적인 요인에 의해 온도 변화를 감지하며, 이것은 실제 제작된 온도 제어기의 하드웨어 특성과 밀접한 관계를 맺게 된다.

따라서, 서미스터 제조사에서 제공하는 서미스터의 저항값을 기준으로 온도 보상을 시행하게 된다면, 주변 온도변화와 하드웨어 특성에 따라 변동할 수 있는 저항치 변화를 반영하지 못하여, 주변 온도에 따라 그 보상 오차가 달라지는 현상이 발생할 개연성이 높아진다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저, 사용자로부터 온도 제어에 필요한 파라미터를 전달받는다(S100). 그런 다음, 각 채널(Channel)에 연결된 열전대(100) 또는 기준 접점 보상을 위한 채널을 선택한다(S101).

상기 단계 S101에서 선택한 채널이 처음으로 열전대 변환을 수행하거나, 마지막 채널을 통해 열전대 변환이 이루어졌는지를 판단한다(S102). 만약, 열전대 변환이 처음 수행되거나, 마지막 채널을 통해 열전대 변환이 이루어졌다면, 기준 접점 보상을 위한 변환을 수행한다(S103 및 S104).

이후에, 열전대 채널의 변환을 수행한다(S105 내지 S107). 여기에서 변경된 기준 접점 디지털 카운트를 적용하여(S108), 기준 접점 보상된 최종 온도가 온도 드리프트에 보정된 특성을 보이도록 하는 것이 종래의 기술과의 가장 큰 차이점인데, 이는 후에 상술하기로 한다.

다음으로, 기준접점/열전대 디지털 카운트를 합산하고(S109), 합산된 카운트를 온도 테이블에서 검색한다(S110). 온도 계측의 마지막 단계로, 기준 접점 보상이 이루어진 온도를 제어부(340, 도 1 참조)로 전달한 후(S111), 온도 제어 모듈의 경우 PID 제어를 수행하거나(S112), 단순 계측 모듈일 경우 이 과정은 생략된다.

이에 상기 기준 접점 디지털 카운트 보정(S108)이 이루어지기 위해서는 보정된 기준 접점 테이블을 산출할 수 있어야 한다. 이것은 기준 접점 보상 과정에서 계측회로가 가지고 있는 온도 드리프트 보정을 함께 수행하기 위한 것으로, 별도의 온도 센서 내장 없이 기준 접점 보상만으로 온도 드리프트 보정을 함께 수행하기 위한 것이다.

먼저, 설계된 계측 회로의 온도 드리프트 특성을 파악하기 위해 항온 항습기와 같은 장치를 이용하여 일정한 계측 온도가 주변 온도 변화로 인해 어떠한 프로파일(Profile)로 나타나는지를 검출한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 전)를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 후)를 나타낸 그래프이다.

도 5a를 참조하면, 열전대(100, 도 1 참조)의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 전)는, 상온(25℃)에서 20℃의 온도를 계측하고 있으며, 주변 온도가 -10℃로 내려가자 측정 온도는 24℃로 높아지고, 주변 온도가 60℃로 올라가자 측정 온도는 16℃로 낮아진다.

즉, 실제 변동되는 온도 폭은 회로와 기구의 구조나 구성에 따라 달라지지만, 통상적으로는 이와 같은 프로파일(Profile)을 가지게 되며, 이상적인 경우 주위 온도의 변화와 무관하게 20℃의 계측 온도를 유지(도 5의 적색 점선)하게 된다.

한편, 도 5b를 참조하면, 열전대(100, 도 1 참조)의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화(보정 후)는, 본 발명의 일 실시예에 따라 보정된 기준 접점 온도 테이블을 적용한 것으로, 본 발명은 실제 계측된 온도가 최대한 이상적인 계측 값에 가까운 형태로 나타나도록 하는 것이다.

먼저, 기준 접점 보상에 적용되는 서미스터(220, 도 1 참조)의 저항값 오차는 전술한 도 2와 같이 표현되는데, 이를 통하여 전체 하드웨어에 대한 온도 드리프트 보정을 수행하기 위해서는 주변 온도가 저온인 구간에서는 저항값 변화를 일정 부분 삭감하여 반영하고, 고온인 구간에서는 저항값 변화를 일정 부분 추가하여 반영한다. 전술한 도 3에서는 도 2에 보인 Y축 저항 대신 A/D 변환 카운트를 대입하여 도시하였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이고, 도 7은 도 6의 보정 계수가 1.1일 때 단계별 실제 계산을 나타낸 표이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법은, 먼저, 서미스터 제조사에서 제공한 서미스터(220, 도 1 참조)의 RT(저항-온도) 테이블을 작성한다(S200).

이후에, 계측 회로에서 설계된 정전류원(230, 도 1 참조)에 의해 서미스터(220)에서 발생하는 아날로그 전압을 획득하여 계산한 후(S201), 상기 단계 S201에서 획득된 아날로그 전압을 A/D 변환기(240, 도 1 참조)에서 측정되는 디지털 카운트 값으로 변환한다(S202).

그런 다음, 상기 단계 S200에서 작성한 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타낸 RT 테이블에서의 각 온도와 기설정된 상온의 기준온도(바람직하게, 20℃ 내지 30℃ 범위)(더욱 바람직하게, 약 25℃ 정도)의 온도 차이를 산출한다(S203).

다음으로, 보정 계수를 결정(조정)하는 데(S204), 상기 보정 계수는 온도 드리프트의 차이에 비례하여 설정됨이 바람직하며, 약 0.5 내지 1.5 범위로 이루어질 수 있다.

이후에, 상기 단계 S203에서 산출된 온도 차이 절댓값과 상기 단계 S204에서 기설정된 보정 계수를 곱하여 보정 인자를 산출한다(S205).

그런 다음, 보정된 변환 카운트를 생성한다(S206). 즉, 상기 기설정된 상온의 기준온도를 바탕으로 상기 단계 S202에서 변환된 디지털 카운트와 상기 단계 S205에서 산출된 보정 인자를 이용하여 보정된 디지털 카운트를 산출한다.

이때, 상기 보정된 디지털 카운트는, 하기의 식 1에 의해 산출될 수 있다.

(식 1)

만약, 0℃보다 작은 온도(저온)에서 서미스터(220)의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높고, 0℃보다 큰 온도(고온)에서 서미스터(220)의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮을 경우, 서미스터(220)의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도(바람직하게, 20℃ 내지 30℃ 범위)(더욱 바람직하게, 약 25℃ 정도)보다 낮을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하고, 서미스터(220)의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하며, 서미스터(220)의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 같을 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용함이 바람직하다.

이후에, 주위 온도변화에 따른 계측 온도변화를 측정한 후(S207), 계측 온도 목표지 이내인지를 판단하여(S208), 계측 온도 목표치 이내가 아닐 경우 상기 단계 S204로 되돌아가 보정 계수를 조정한다.

마지막으로, 상기 단계 S206에서 보정된 디지털 카운트에 해당하는 서미스터의 온도를 이용하여 상기 기준 접점 보상을 통해 열전대(100)의 온도를 최종적으로 측정한다(도 4의 S109 내지 S110 참조).

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 적용된 열전대의 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 전술한 도 5에 도시된 바와 같이, 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 프로파일(Profile)이 저온(0℃ 이하)에서는 이상적인 계측 온도보다 높게 계측되고, 고온(0℃ 이상)에서는 이상적인 계측 온도보다 낮게 계측되는 하드웨어를 예시로 들어 기술하였지만, 본 발명의 일 실시예에서 보인 온도 프로파일(Profile)과는 정 반대의 경우도 발생할 수 있다.

즉, 주위 온도 변화에 따른 계측 온도 프로파일(Profile)이 저온(0℃ 이하)에서는 이상적인 계측 온도보다 낮게 계측되고, 고온(0℃ 이상)에서는 이상적인 계측 온도보다 높게 계측되는 경우, 전술한 도 6의 보정된 변환 카운트를 생성하는 단계(S206)에서 보정 인자의 부호가 상기 단계 S206에 보인 것과는 반대로 될 것이다.

예를 들면, 0℃보다 작은 온도(저온)에서 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮고, 0℃보다 큰 온도(고온)에서 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높을 경우, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도(바람직하게, 20℃ 내지 30℃ 범위)(더욱 바람직하게, 약 25℃ 정도)보다 낮을 경우, 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하고, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하며, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 같을 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 열전대를 이용한 온도 측정 장치에서, 기준 접점 보상에 필요한 서미스터를 이용하여, 기준 접점 보상뿐만 아니라 온도 드리프트까지 한 번에 보상하는 방법을 제시하고 있다.

아무리 정밀한 계측 회로라 할지라도 온도 드리프트에 따른 오차는 발생하게 되는데, 본 발명에서는 온도 드리프트에 따른 계측 온도의 프로파일(Profile)을 시험에 의해 추출하고, 그것을 기준 접점 보상 과정을 통해 바로잡음으로써 부가적인 부품이나 회로의 삽입 없이 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정을 가능케 하였다. 도 5를 통해 본 발명의 효과를 예시하였으며, 도 5b에서 이상적인 계측 온도에 근사한 결과를 나타낼 수 있음을 보였다.

또한, 본 발명에서는 종래의 열전대를 이용한 온도 측정 장치에서 수행되었던 계측 신호 처리 절차를 그대로 준수하였으며, 단지 도 4의 단계S108 과정에서 적용되는 기준 접점 보상 테이블만을 변경하였고, 도 6에서는 기준 접점 보상 테이블에 사용되는 카운트를 어떠한 절차에 의해 생성할 수 있는지를 보였다.

또한, 본 발명은 별도의 부품이나 하드웨어 변경을 요구하지 않으므로, 새로이 열전대를 이용한 온도 측정 장치를 설계하는 단계에서 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존에 만들어진 열전대를 이용한 온도 측정 장치에서도 시험을 통한 펌웨어 변경으로 온도 드리프트 보정 효과를 실현할 수 있다는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에서 가장 중요한 과정은, 도 6의 보정 계수 결정 과정(S204)으로 시행착오법(Trial and Error Method)을 통해 적절한 계수를 찾아낼 수 있다. 이렇게 결정된 보정 계수를 적용함으로써 주위 온도 변화에 강인한 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 구현이 가능하며, 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 주변 온도가 크게 변화하는 환경에서도 안정적인 계측을 가능케 하므로, 궁극적으로 열전대 신호 변환 품질을 높이는 효과가 있게 된다.

또한, 열전대(100)는 그 종류가 다양(예컨대, B, R, S, K, E, J, T, N 등)하여 센서별로 온도 드리프트의 영향이 다를 수 있으므로, 본 발명에서 제시한 방법을 통해 특정 열전대에 적합한 보정 카운트 테이블을 추출할 수도 있다.

또한, 통상 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 정밀도는 사용 가능한 온도구간에서 상온과 상온 외 온도구간으로 나눌 수밖에 없다. 따라서, 상온과 상온 외 온도구간의 정밀도를 나누어 표기하던가, 온도 계수를 별도로 표기하여 온도 드리프트에 의한 계측 오차가 얼마나 발생할 수 있는지를 사용자에게 제시하게 된다.

또한, 본 발명을 통해 상온 외 온도구간의 정밀도나 온도 계수를 향상할 수 있으며, 경우에 따라서는 상온 수준의 정밀도에 근접시키는 결과를 가져올 수도 있다. 만일 상온 외 온도구간 정밀도를 상온 수준으로 향상할 수 있다면, 이는 열전대를 이용한 온도 측정 장치를 사용하는 사용자에게 큰 이점이 될 것이다.

전술한 본 발명에 따른 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

100 : 열전대,
200 : 입력모듈,
300 : 제어모듈,
400 : 출력모듈

Claims

열전대와 기준 접점 보상용 서미스터를 포함한 온도 측정 장치의 온도 드리프트를 보정하는 기준 접점 보상 방법에 있어서,
정전류원에 의해 상기 서미스터의 아날로그 전압을 획득하는 단계;
상기 획득된 아날로그 전압을 디지털 카운트로 변환하는 단계;
상기 서미스터의 온도에 따른 저항값을 나타낸 RT 테이블에서의 각 온도와 기설정된 상온의 기준온도의 온도 차이를 산출하는 단계;
상기 산출된 온도 차이와 기설정된 보정 계수를 곱하여 보정 인자를 산출하는 단계;
상기 기설정된 상온의 기준온도를 바탕으로 상기 변환된 디지털 카운트와 상기 산출된 보정 인자를 이용하여 보정된 디지털 카운트를 산출하는 단계; 및
상기 보정된 디지털 카운트에 해당하는 서미스터의 온도를 이용하여 상기 기준 접점 보상을 통해 상기 열전대의 온도를 최종적으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 기설정된 상온의 기준온도는, 20℃ 내지 30℃ 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 기설정된 보정 계수는, 온도 드리프트의 차이에 비례하여 설정되며, 0.5 내지 1.5 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 보정된 디지털 카운트는, 하기의 식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
(식 1)
보정된 디지털 카운트 = 상기 변환된 디지털 카운트×(100＋보정 인자)％
제4 항에 있어서,
0℃보다 작은 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높고, 0℃보다 큰 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮을 경우,
상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 낮을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하고, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하며, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 같을 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용하는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
제4 항에 있어서,
0℃보다 작은 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 낮고, 0℃보다 큰 온도에서 상기 서미스터의 실제 계측온도가 이상적인 계측온도보다 높을 경우,
상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 낮을 경우, 상기 보정 인자는 양(＋)의 부호를 적용하고, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도보다 높을 경우, 상기 보정 인자는 음(―)의 부호를 적용하며, 상기 서미스터의 온도가 상기 기설정된 상온의 기준온도와 같을 경우, 상기 보정 인자는 '0'을 적용하는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 기설정된 보정 계수는, 시행착오법(Trial and Error Method)을 통해 조정하는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법.