KR20180105814A - 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법 - Google Patents

히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법에 관한 것으로서, 특히 내부에 설치된 히터의 저항 또는 전류의 측정으로 출력 전압을 보정하는 보정방법에 관한 것이다. 본 발명은 전해질의 전지 반응식으로부터 가스센서 모듈의 출력 전압식을 유도하고 출력 전압식을 센서 온도에 따라 변화하는 변동 온도와 미지수 형태의 보정 계수에 대한 식으로 유도하는 제1 단계; 변동 온도를 가스센서 모듈 내에 형성된 히터의 전류값을 나타내는 히터 전류로 유도하고 출력 전압식을 히터 전류와 보정 계수로 유도하는 제2 단계; 및 적어도 두 지점 이상의 히터 전류에 따른 출력 전압을 측정하여 출력 전압식의 보정 계수를 산출하는 제3 단계;를 포함하고, 외부 온도와 무관하게 가스센서 모듈 내에서 측정되는 히터 전류의 변화로 출력 전압을 보정할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 히터 저항으로 온도를 보정하므로 별도의 온도계를 부착할 필요가 없고, 별도의 온도 측정 회로가 필요 없게 되어 비용 절감의 이점이 있다.

Description

히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법{TEMPERATURE CONPENSATION METHOD FOR CALIBRATING OF GAS SENSOR MODULE USING CHANGE OF HEATER CURRENT}
본 발명은 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법에 관한 것으로서, 특히 내부에 설치된 히터의 저항 또는 전류의 측정으로 출력 전압을 보정하는 보정방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로서 지구 온난화를 발생시키는 주원인으로, 환경 문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예를 위하여 이산화탄소 농도 조절의 필요성이 증가되고 있으며, 이에 따라 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로 광학적인 방법(NDIR 방식)이 있으며 이 방식은 이산화탄소가 특정 파장의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수 정도를 측정함으로써 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다. 또한 고체 전해질 또는 반도체식 가스센서도 존재하는데, 반도체식 가스센서의 감지원리는 세라믹(산화물) 반도체의 표면에서 대상가스가 흡착 또는 탈착됨에 따라 유도되는 현상(전기전도도 즉 저항의 변화 또는 열전도도의 변화)을 이용하는 것이다.
이와 관련, 종래의 한국공개특허 제10-2009-0083125호(나노 소자 가스센서를 이용하고 온도 보상이 가능한 가스측정 장치)는 온도에 따라 변화하는 가스 측정 장치 내의 저항 값 등을 정확하게 보상할 수 있으며, 온도 보상 정도 및 회로 오작동 여부를 확인할 수 있는 나노 소자 가스센서를 이용한 가스 측정 장치를 개시하고 있다.
다만, 종래의 기술은 가스센서 내 휘트스톤 브리지 등 아날로그 회로가 필요하고, 내부에서 직접 온도의 변화의 측정으로 보상이 이루어지기 때문에 고가의 온도 센서가 필수적으로 요구되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2009-0083125호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 내부의 온도 센서가 없이 온도 보정을 하는 가스센서 모듈의 보정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전해질의 전지 반응식으로부터 가스센서 모듈의 출력 전압식을 유도하고 출력 전압식을 센서 온도에 따라 변화하는 변동 온도와 미지수 형태의 보정 계수에 대한 식으로 유도하는 제1 단계; 변동 온도를 가스센서 모듈 내에 형성된 히터의 전류값을 나타내는 히터 전류로 유도하고 출력 전압식을 히터 전류와 보정 계수로 유도하는 제2 단계; 및 적어도 두 지점 이상의 히터 전류에 따른 출력 전압을 측정하여 출력 전압식의 보정 계수를 산출하는 제3 단계;를 포함하고, 외부 온도와 무관하게 가스센서 모듈 내에서 측정되는 히터 전류의 변화로 출력 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 제1 단계는, 전해질의 전지 반응식을 전극 반응 에너지(Gibbs energy) 식으로 표현하여 전극 반응 엔탈피 또는 엔트로피에 관한 식으로 유도할 수 있다.
바람직하게, 제2 단계는, 변동 온도에 따라 히터의 변동 저항을 유도하는 단계; 및 변동 저항을 이용하여 히터 전류와 출력 전압의 관계식을 유도하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제3 단계는, 보정 계수를 출력 전압식에 대입하여 최종 보정식을 산출하는 단계;를 포함하고, 최종 보정식을 통해 변동 온도에 따라 변화되는 히터 전류의 측정으로 변동되는 출력 전압을 보정할 수 있다.
바람직하게, 출력 전압은, 변동 온도에 따른 일차 선형 식으로 유도할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 히터 저항으로 온도를 보정하므로 별도의 온도계를 부착할 필요가 없어 비용 절감의 이점이 있다.
또한 본 발명은, 별도의 온도 측정 회로가 필요 없고, 히터 자체가 센서소자와 접촉하고 있으므로 센서의 온도 변화를 신속하게 관찰할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도 보정이 적용된 가스센서 모듈을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법의 순서도를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 챔버 내의 환경 조건을 설정하여 가스센서 모듈로 가스 측정을 하는 모습을 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 외부 온도에 따른 출력 전압을 나타낸다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따라 외부 온도를 시간에 따라 증가시키는 모습을 나타낸다.
도 3d는 본 발명의 실시예에 따라 외부 온도에 따라 히터의 소모 전류량을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 히터의 소모 전류 대비 가스센서 모듈의 출력 전압을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 외부 온도에 따른 가스센서 모듈의 출력 전압을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 출력 전압과 히터 전류로 보정한 이산화탄소의 농도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도 보정이 적용된 가스센서 모듈(1)을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 가스센서 모듈(1)은 감지전극(10), 기준전극, 전해질(30) 및 히터(70)를 포함할 수 있다.
고체전해질 가스센서는 고체 표면에 접촉한 가스에 의해 고체 내의 이온이 고체 전해질을 따라서 화학평형을 위해 이동하게 되고, 이때 발생하는 고체 양단의 전위차를 이용하여 접촉 가스의 농도를 측정할 수 있다.
고체 전해질 (Solid Electrolyte)은 고체 상태에서 이온의 이동에 의하여 전류를 통할 수 있는 물질을 일컫는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 산화지르코늄(Zirconia), 나트륨 b-알루미나(Na-b-alumina), 나시콘(NASICON), 리시콘(LISICON) 중 어느 하나가 될 수 있다.
감지전극(10)과 기준전극 사이에는 전해질(30)이 존재하게 되고, 측정기기, 수신기 등의 외부의 자극, 작용에 대해 반응하는 예민성 정도를 나타내는 감도로 표현될 수 있다. 특히 측정 가스의 농도 변화에 따른 기전력의 차이를 본 발명에서는 출력 전압으로 정의한다.
본 발명의 실시예에서는 측정 대상인 가스와 감지 물질 간의 화학 반응으로 인한 출력 전압의 변화를 감지해야 하는데, 동작 온도(Operating Temperature)는 감지 물질 분해 반응에 필요한 높은 온도가 필요하다. 이런 과정에서, 센서의 동작에 필요한 높은 온도를 동작 온도라고 정의하고, 이를 위해 히터(70)를 포함할 수 있다.
출력 전압은 감지전극(10)과 기준전극에서의 전기화학적 전위차로 정의될 수 있고, 기준전극(50)과 감지전극(10) 간의 전위차를 일컫는다.
또 다른 실시예에 따라 가스센서 모듈(1)은 히터부, 보정부 또는 제어부 등을 포함할 수 있으며, 히터부는 외부 온도에 따라 저항 또는 소모 전류가 변하는 장치를 포함할 수 있고, 보정부는 히터부의 저항 또는 소모 전류의 변화량에 따라 출력 전압의 변화량을 산출하여 보정 계수를 산출할 수 있으며, 제어부는 보정부의 보정 계수를 이용하여 외부 온도에 따라 보정된 출력 전압이 나타나도록 출력 전압을 조절할 수 있다.
가스센서 모듈(1)은 후술할 보정 방법에 의해 출력 전압을 보정할 수 있으며, 외부 온도와 무관하게 가스센서 모듈(1) 내에서 측정되는 히터(70) 전류의 변화로 출력 전압을 보정할 수 있다.
이하 상술한 가스센서 모듈(1) 내에 형성된 히터(70)의 저항 또는 전류 변화를 측정하여 가스센서 모듈(1)의 온도 보정방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히터(70) 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈(1)의 온도 보정방법의 순서도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 가스센서 모듈(1)의 온도 보정방법은 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계를 포함할 수 있다.
제1 단계(S10)는, 전해질(30)의 전지 반응식으로부터 가스센서 모듈(1)의 출력 전압식을 유도하고 상기 출력 전압식을 센서 온도에 따라 변화하는 변동 온도와 미지수 형태의 보정 계수에 대한 식으로 유도할 수 있다.
상술한 나시콘을 전해질(30)로 사용했을 때 일반적으로 도 1의 출력 전압 V는 아래와 같은 화학 반응식을 통해 나타날 수 있다.
감지전극: 2 Na, sensing + CO 2 + (1/2)O 2 = Na 2 CO 3
기준 전극: 2Na, reference + (1/2)O 2 = Na 2 O ,NASICON
전체 전극 반응: Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
제1 단계(S10)는, 전해질(30)의 전지 반응식을 전극 반응 에너지(Gibbs energy) 식으로 표현하여 전극 반응 엔탈피 또는 엔트로피에 관한 식으로 유도할 수 있다. 여기서 출력 전압은 [수학식 1]과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00001
(
Figure pat00002
: formation free energy,
Figure pat00003
: 전체 전극 반응의 반응 에너지,
Figure pat00004
: 이산화탄소 활동도/농도,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
Figure pat00007
: 전체 전극 반응 엔탈피 (온도에 거의 무관),
Figure pat00008
Figure pat00009
: 전체 전극 반응 엔트로피(온도 무관), T: 온도, R: 기체상수, F: 페러데이 상수, V: 출력전압)
위 수학식 1은 전해질(30)의 전지 반응식을 전극 반응 에너지 식으로 나타내고, 각각의 에너지 식을 깁스 자유에너지에 대한 식으로 표현한 것이다. 위 수학식 1에서 각 반응 엔탈피와 엔트로피는 가스센서에 영향을 미치는 온도에 대한 함수로 표현할 수 있다.
수학식 1에 나타나는 온도는 외부 온도에 따라 변동하는 히터(70)의 온도를 측정하여 얻을 수 있으나, 본 발명은 온도계를 필요로 하지 않기 때문에 수학식 1에서의 온도를 히터(70)의 전류나 저항 변화를 통해 얻을 수 있다.
수학식 1에서 출력 전압을 기준 온도와 변동 온도로 다시 표현하면,
Figure pat00010
Figure pat00011
위 식으로부터 전체 출력 전압은 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00012
(
Figure pat00013
: formation free energy,
Figure pat00014
: 전체 전극 반응의 반응 에너지,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
: 이산화탄소 활동도/농도,
Figure pat00017
Figure pat00018
: 전체 전극 반응 엔탈피 (온도에 거의 무관),
Figure pat00019
Figure pat00020
: 전체 전극 반응 엔트로피 (온도에 거의 무관), T: 센서 온도, R: 기체상수, F: 페러데이 상수, V: 센서출력전압, A: 기준온도에서 감도, B, B’,C’,D : 상수, T0 : 기준온도(특정한 외기온도(예: 23도)에서의 센서온도), V0 : 기준온도에서의 출력 전압, △V: 외기온도에 따른 출력 변화량)
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 챔버 내의 환경 조건을 설하여 가스센서 모듈(1)로 가스 측정을 하는 모습을 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 Chamber 부피: 150, Gas flow: 100 sccm, 습도 조절 : Wet Air / Dry Air 혼합, CO2 농도 조절 : Air / CO2-air balance 혼합, 외부 온도 조절 : Kanthal furnace, 온도계 : K-type TC로 설정할 수 있다.
제2 단계(S30)는, 변동 온도를 가스센서 모듈(1) 내에 형성된 히터(70)의 전류값을 나타내는 히터(70) 전류로 유도하고 출력 전압식을 히터(70) 전류와 보정 계수로 유도할 수 있다. 따라서 위 수학식 2에서 전항은 기준전압으로
Figure pat00021
가 되고, 후항은
Figure pat00022
가 될 수 있으며, 후항은 변동 온도로 유도될 수 있다.
도 3b, 3c, 3d는 본 발명의 실시예에 따라 외부 온도에 따른 출력 전압과 히터(70)의 소모 전류를 나타낸다. 도 3c와 같이 외부 온도를 실시예에 따라 25℃ 내지 75℃의 범위에서 온도를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 출력 전압은 도 3b와 같이 나타나고 도 3d와 같이 히터(70)의 소모 전류는 변동될 수 있다.
본 발명은 온도계를 사용하지 않고 출력 전압을 보정하기 위한 것으로, 수학식 2에서 변동 온도를 측정하기 위해 히터(70)에 대한 저항 또는 전류에 관한 식을 유도할 수 있다.
제2 단계(S30)는, 변동 온도에 따라 히터(70)의 변동 저항을 유도하는 단계; 및 변동 저항을 이용하여 히터(70) 전류와 출력 전압의 관계식을 유도하는 단계;를 포함할 수 있다.
변동 온도에 따라 히터(70)의 변동 저항을 유도하는 단계는, 수학식 3으로부터 유도될 수 있다. 일반적인 온도와 저항에 관한 식으로써, 가스센서 모듈(1)의 외부에서 발생하는 변동 온도에 따라 가스센서 모듈(1)의 내부에서 비저항의 변화가 일어남을 알 수 있고 이로써, 가스센서 모듈(1) 내 히터(70) 전류의 측정만으로 출력 전압을 예측할 수 있도록 유도할 수 있다.
Figure pat00023
(ρ: 비저항, T : 온도,
Figure pat00024
Figure pat00025
: temperature coefficient)
수학식 3을 바탕으로, 아래와 같이 수학식 4를 유도할 수 있다.
Figure pat00026
(α, 외기온도변화 조건하에서 거의 일정함, Iheater 의 변화량도 수 % 정도임, S : 형상계수)
Figure pat00027
(α, 외기온도변화 조건하에서 거의 일정함, Iheater 의 변화량도 수 % 정도임, D : 상수)
Figure pat00028
따라서, 히터(70)에서의 형상계수 및 히터(70) 소모전류를 계산하고, 옴의 법칙으로부터 수학식 5를 유도할 수 있다. 변동 온도와 히터(70) 전류 변화는 거의 선형이기 때문에, 출력 전압 또한 변동 온도에 따른 일차 선형 식으로 유도될 수 있다.
변동 저항을 이용하여 히터(70) 전류와 출력 전압의 관계식을 유도하는 단계는, 수학식 5를 수학식2에 대입하여 유도할 수 있다. 변동 온도와 변동 저항과의 관계 및 변동 저항과 히터(70) 전류와의 관계를 통해 수학식 2에서 출력 전압 값을 히터(70) 전류로 표현할 수 있게 된다. 따라서 출력 전압의 변동은 수학식 6과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00029
도 4, 5는 본 발명의 실시예에 따라 히터(70)의 소모 전류 대비 가스센서 모듈(1)의 출력 전압과 외부 온도 대비 출력 전압을 나타낸다. 도 4, 5를 참조하면 위 수학식 수학식 6의 출력을 명확하게 이해할 수 있다.
제3 단계(S50)는, 적어도 두 지점 이상의 히터(70) 전류에 따른 출력 전압을 측정하여 출력 전압식의 보정 계수를 산출할 수 있다. 제3 단계는, 보정 계수를 출력 전압식에 대입하여 최종 보정식을 산출하는 단계;를 포함하고, 최종 보정식을 통해 변동 온도에 따라 변화되는 히터(70) 전류의 측정으로 변동되는 출력 전압을 보정할 수 있다.
외부 온도의 변화로 인해 히터(70)의 소모 전류와 출력 전압은 선형 관계로 나타나게 된다. 수학식 6을 살펴보면 B'과 D는 2개의 이산화탄소 농도에서의 히터(70) 전류 대비 센서 출력 전압의 변화율이 될 수 있다.
Figure pat00030
(
Figure pat00031
Figure pat00032
, V: 소자 출력전압,
Figure pat00033
Figure pat00034
:히터 전류 소모량,
Figure pat00035
Figure pat00036
: 기준 전류, 기준 온도에서의 전류 소모량,
Figure pat00037
Figure pat00038
: 기준온도, 기준전류에서의 센서온도, A: 기준 온도(또는 기준전류)에서의 감도(약 -60mV/decade))
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 출력 전압과 히터 전류로 보정한 이산화탄소의 농도를 나타내고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 히터 전류로 보정한 이산화탄소의 농도를 나타낸다.
상술한 제1 단계 내지 제3 단계는 외부 온도와 무관하게 가스센서 모듈(1) 내에서 측정되는 히터(70) 전류의 변화로 출력 전압을 보정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 위 과정에서 기술된 보정 방법은 가스센서 모듈(1) 내부 또는 외부에서 일어날 수 있고, 이러한 계산을 가능하게 하는 모든 수단을 포함할 수 있다. 즉, 제어부 또는 메모리부 등을 통해 구현될 수 있고, 알고리즘이나 이러한 제어 명령이 포함된 프로그램도 포함할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 가스센서 모듈
10 : 감지전극 30 : 전해질
50 : 기준전극 70 : 히터

Claims (5)

  1. 전해질의 전지 반응식으로부터 가스센서 모듈의 출력 전압식을 유도하고 상기 출력 전압식을 센서 온도에 따라 변화하는 변동 온도와 미지수 형태의 보정 계수에 대한 식으로 유도하는 제1 단계;
    상기 변동 온도를 상기 가스센서 모듈 내에 형성된 히터의 전류값을 나타내는 히터 전류로 유도하고 상기 출력 전압식을 상기 히터 전류와 상기 보정 계수로 유도하는 제2 단계; 및
    적어도 두 지점 이상의 히터 전류에 따른 출력 전압을 측정하여 상기 출력 전압식의 보정 계수를 산출하는 제3 단계;를 포함하고,
    상기 외부 온도와 무관하게 상기 가스센서 모듈 내에서 측정되는 히터 전류의 변화로 상기 출력 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 전해질의 전지 반응식을 전극 반응 에너지(Gibbs energy) 식으로 표현하여 전극 반응 엔탈피 또는 엔트로피에 관한 식으로 유도하는 것을 특징으로 하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 변동 온도에 따라 상기 히터의 변동 저항을 유도하는 단계; 및
    상기 변동 저항을 이용하여 상기 히터 전류와 상기 출력 전압의 관계식을 유도하는 단계;를 포함하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 보정 계수를 상기 출력 전압식에 대입하여 최종 보정식을 산출하는 단계;를 포함하고,
    상기 최종 보정식을 통해 상기 변동 온도에 따라 변화되는 상기 히터 전류의 측정으로 변동되는 출력 전압을 보정할 수 있는 것을 특징으로 하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법.
  5. 제 1 항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 전압은,
    상기 변동 온도에 따른 일차 선형 식으로 유도되는 것을 특징으로 하는 히터 전류의 변화를 이용한 가스센서 모듈의 온도 보정방법.
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