KR20180136369A - 센서 어셈블리 작동 방법 및 이에 적합한 센서 어셈블리 - Google Patents

Abstract

센서 어셈블리 작동 방법 및 이에 적합한 센서 어셈블리. 본 발명은 특히 라디오존데 내 상대 습도 검출에 적합한 센서 어셈블리 작동 방법 및 이에 적합한 센서 어셈블리에 관한 것이다. 상기 센서 어셈블리는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함하고, 상기 습도 센서는 적어도 때때로 가열된다. 습도 센서는 0℃ 아래의 온도 범위에서 소정의 습도 한계값부터 가열요소에 의해서 적어도 때때로 가열되고, 상기 습도 한계값은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정된다.

Description

센서 어셈블리 작동 방법 및 이에 적합한 센서 어셈블리{METHOD FOR OPERATING SENSOR ASSEMBLY AND SENSOR ASSEMBLY SUITABLE THEREFOR}

본 발명은 센서 어셈블리 작동 방법 및 이에 적합한 센서 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 센서 어셈블리는 라디오존데 내 습도 측정에 적합하다.

EP 0 801 302 A1 은 종래기술에 따른 습도 측정 방법 및 장치를 개시하며, 해당 장치는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함한다. 특히 고습도 범위에서의 측정 결과 변조를 방지하기 위하여 상기 문헌에서는 일정한 습도 한계값 도달 시 가열요소로 습도 센서를 가열하는 방법, 즉, 높아진 온도에서 작동하는 방법을 제안하고 있다.

이러한 접근 방법이 일반적인 습도 측정에서는 만족할 만한 해결 방법이 되지만, 해당 장치를 라디오존데에 사용할 경우 특정한 문제가 존재한다.

상기한 바와 같은 라디오존데는 일반적으로 헬륨과 수소로 채워진 풍선과, 이 풍선에 GPS 유닛 및 다양한 기후 파라미터를 계측 기술적으로 검출하는 센서 어셈블리가 장착되어 구성된다. 풍선이 날고 있는 대기 영역의 온도 및 상대 습도 등이 상기 센서 어셈블리를 통해서 파악될 수 있다. 이때 충분히 큰 거리를 두고 상기 센서 어셈블리를 풍선 아래에 매달아 풍선이 때때로 측정에 영향을 주는 것을 방지한다. 상승 중에 온도, 상대 습도 및 존데의 위치 등 센서 어셈블리에 의해 생성된 측정 데이터는 지속적으로 지상 기지국에 전송되어 이 측정 데이터를 적절히 평가함으로써 상대 습도, 온도, 풍속 및 풍향에 대한 고도 프로파일 등이 수집될 수 있다. 이러한 라디오존데의 최대 상승 높이는 30 km 를 넘을 수 있으며, 일반적인 상승 높이는 15 km 에서 20 km 사이이다.

이러한 라디오존데는 온도 및 습도 상태가 심하게 변화하는 대기층을 통과할 경우 특히 습도 측정 시 문제가 발생한다. 이에 따라 열대성 지역에서는 30℃ 의 온도 및 최대 95%rH 의 상대 습도가 나타날 수 있으며, 반면 예를 들어 높은 대기층 등에서는 온도가 -80℃까지 나타날 수 있고 수분 함량이 거의 없을 수도 있다.

라디오존데에서 오류 발생의 최대 원인 중 하나로서 응결 발생 가능성 및 그에 따른 센서 어셈블리의 센서 장치 응결 문제가 알려져 있다. 때때로 발생하는 응결은 보통 습도 측정 시 측정 오류를 일으킨다. 이러한 응결 상태는 해당 대기층을 벗어난 이후에도 더 길게 계속될 수 있다. 이에 따라 간섭 및 그에 따른 측정결과의 변조 역시 더 긴 시간 지속될 수 있다.

기타 다양한 접근 방법과 더불어 센서 시스템을 가열하는 방법도 습도 측정 시 응결 및 그로 인해 발생하는 측정 오류를 방지하는 수단이 된다.

예를 들어 WO 2014/128348 A1에서는 응결 방지를 위하여 습도 측정용 센서 시스템을 지속적으로 가열하는 방법이 제안된다. 그러나 지속적으로 가열할 경우 습도 측정 센서 장치의 민감도 및 측정 정확도가 떨어진다. 또한, 지속적으로 가열하기 위해서는 필요한 전력이 증가하며, 배터리에 기반한 라디오존데 에너지 공급도 문제가 된다.

앞서 언급한 EP 0 801 302 A1에 공지된 가열 방법 역시 특히 매우 낮은 온도에서는 습도 측정용 센서 시스템의 응결을 확실하게 방지하는데 적합하지 않다. 그 이유는 상기한 온도의 경우 세계기상기구(World Metrological Organization, WMO)의 정의에 따른 75%의 범위에서는 가열 작동이 이루어지도록 설정된 습도 한계값에 도달하지 않기 때문이다. 보통 이미 그 전에 시스템이 응결된다.

본 발명의 과제는 낮은 온도에서도 응결로 인한 측정 오류를 방지할 수 있는 센서 어셈블리 작동 방법 및 그에 따른 습도 측정용 센서 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 상기한 과제는 청구항 1항의 특징을 포함하는 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예는 청구항 1항의 종속항에 실시된 방법에 의해서 도출된다.

또한, 상기한 과제는 청구항 10항의 특징을 포함하는 센서 어셈블리에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 센서 어셈블리의 바람직한 실시예는 청구항 10항의 종속항에 실시된 방법에 의해서 도출된다.

본 발명에 따른 방법은 센서 어셈블리 작동 방법으로서, 특히 라디오존데 내 상대 습도를 검출하는 방법이다. 상기 센서 어셈블리는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함하고, 상기 습도 센서는 적어도 때때로 가열된다. 상기 습도 센서는 0℃ 아래의 온도 범위에서 소정의 습도 한계값부터 상기 가열요소에 의해 적어도 때때로 가열되고, 상기 습도 한계값은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정된다.

이때, 상기 습도 한계값은 0℃ 아래의 온도 범위에서 상대 습도의 기준 정의에 기초하여 일정한 습도 한계값으로 결정되며, 상기 상대 습도는 하기 식에 따라 주어진다.

여기서,

U_i 는 얼음에 대한 기준 정의에 따른 상대 습도,

e 는 실제 수증기 분압,

e_i(t) 는 얼음 표면에 대한 포화 시 수증기 분압,

U_w 는 물에 대한, 세계기상기구(WMO)의 정의에 따른 상대 습도,

e_w(t) 는 물 표면에 대한 포화 시 수증기 분압이다.

상기 습도 한계값은 60% ≤ U_i,한계 ≤90%의 범위에서 결정될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 습도 한계값은 U_i,한계 = 75% 에 따라 결정된다.

또한, 제1 습도 한계값과 제2 습도 한계값 사이의 소정의 범위에서 상기 습도 센서는 일정한 가열 출력을 가진 가열요소에 의해 가열되며, 상기 습도 한계값 각각은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정될 수 있다.

여기서 상기 제1 습도 한계값은 85% ≤ U_{i,한계 _1} ≤ 95% 의 범위에서 결정되고, 상기 제2 습도 한계값은 65% ≤ U_{i,한계 _2} ≤ 75% 의 범위에서 결정될 수 있다.

또는, 상기 습도 센서는 상기 습도 한계값에 도달한 이후부터 습도 센서의 상대 습도가 일정하게 나타나도록 조절되는 방식으로 상기 가열요소에 의해 가열될 수 있다.

상기 습도 센서의 국지적인 온도는 습도 한계값 수준의 일정한 상대 습도가 나타나도록 조절될 수 있다.

0℃ 보다 높은 온도 범위에서 소정의 습도 한계값부터 습도 센서가 가열요소에 의해 적어도 때때로 가열되고, 상기 습도 한계값은 물에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 어셈블리는 특히 라디오존데 내 상대 습도 검출에 적합하다. 상기 센서 어셈블리는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함하고, 상기 습도 센서는 상기 가열요소에 영향을 주는 제어부에 의해서 적어도 때때로 가열될 수 있다. 상기 제어부는 0℃ 보다 아래인 온도 범위에서 소정의 습도 한계값부터 상기 습도 센서를 상기 가열요소에 의해 적어도 때때로 가열하도록 형성되며, 상기 습도 한계값은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정된다.

상기 습도 센서는 습도에 민감한 폴리머가 그 사이에 배치되는 두 개의 전극을 포함하고 두 전극 중 하나는 습도 투과성으로 형성되는 평판 컨덴서로 형성될 수 있다.

또한, 상기 온도 센서 및 상기 가열요소는 결합 유닛으로 형성되고, 상기 습도 센서를 가열하기 위하여 측정 전류가 상기 제어부에 의해 가변될 수 있다.

이를 위하여 상기 습도 센서는 센서 기판의 일 측에 배치되고, 여기에 이웃하여 온도 센서 및 가열요소로 구성된 결합 유닛이 배치될 수 있다.

또한, 습도 센서는 센서 기판의 일 측에 배치되고, 여기에 이웃하여 가열요소가 배치될 수 있으며, 센서 기판의 맞은 편 측에는 NCT 요소로 형성되고 열전도 접착제에 의해 상기 센서 기판에 고정되는 온도 센서가 배치될 수 있다.

상기 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소는 박막 기술로 실리콘으로 형성되고 절연층을 구비하는 센서 기판에 장착될 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 낮은 온도에서도 습도 센서의 응결을 확실히 방지할 수 있다. 동시에, 본 발명에 따른 방법과는 달리 훨씬 더 많은 전력을 필요로 했을 지속적인 가열 단계가 필요하지 않는다. 또한, 필요에 따라 수행되는 가열 작동이 습도 측정에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 센서 어셈블리는 라디오존데에서의 사용에 특히 적합하다.

본 발명의 기타 세부사항 및 장점들은 아래에 제공되는 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 습도 센서 어셈블리의 실시예에 관한 상세한 설명에서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 라디오존데의 개략도이다.
도 2는 도 1의 라디오존데의 센서 시스템 유닛의 확대도이다.
도 3은 종래기술에 따라 센서 어셈블리를 가열하는 경우 온도와 상대 습도 간의 관계를 도시한다.
도 4a, 4b는 각각 본 발명에 따라 센서 어셈블리를 가열하는 경우 온도와 상대 습도 간의 관계를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 제1 실시예의 부분 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 센서 어셈블리의 부분 평면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 제2 실시예의 부분 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 센서 어셈블리의 부분 평면도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 제3 실시예의 부분 단면도이다.
도 7b도 7a의 센서 어셈블리의 부분 평면도이다.
도 8 및 도 9는 각각 제어부와 연결되는 또다른 센서 어셈블리 변형예의 블록 회로도의 단순 개략도이다.

도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 방법을 상세히 설명하기에 앞서 먼저 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 주요 적용 분야 및 본 발명에 따른 센서 어셈블리를 포함하는 라디오존데의 기본적인 구조를 설명한다.

도 1은 헬륨 또는 수소로 채워진 풍선(10) 및 풍선에 매달아지고, 센서 시스템 유닛(30)을 포함하는 전자부품 유닛(20)으로 구성되는 라디오존데의 단순 개략도이다. 전자부품 유닛(20)은 상세히 도시하지 않은 다양한 구성요소를 포함한다. 예를 들면 위치 파악용 GPS 유닛, 데이터를 지상 기지국에 전송하는 송신 모듈, 전력 공급용 배터리 및 제어부 등이 그 예이다. 이때 제어부는 센서 어셈블리에 의해 검출된 데이터를 지상 기지국에 전달하기 전에 가공하는 역할을 수행할 수 있으며, 그 밖에, 후술할 센서 시스템 유닛(30)의 구성요소인 센서 어셈블리의 구성요소들이 제어부에 의해 가열된다.

상기 센서 시스템 유닛(30)은 도 2에 확대 도면으로 마찬가지로 개략적으로 도시된다. 도면에 도시되어 있듯이 상기 센서 시스템 유닛(30)은 지지체(31)에 배치되는 다수의 측정 요소, 즉, 주변 대기 온도(t_gas)를 측정하는 기체 온도 센서(32) 및 주변 습도를 측정하는 센서 어셈블리(33)를 포함한다. 도 2에는 센서 어셈블리(33)의 개별적인 구성요소를 도시하지 않았다. 실질적으로 상기 센서 어셈블리(33)는 습도 센서, 센서 어셈블리의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 응결 방지를 위하여 습도 센서를 적어도 때때로 가열하는 가열요소를 포함한다. 센서 어셈블리(33)의 구성요소들은 일반적으로 적절한 센서 기판 상에 배치된다. 센서 어셈블리(33)의 기타 세부사항들에 대해서는 본 발명에 따른 방법의 설명과 관련하여 실시예에 대한 아래의 설명을 참고한다.

이하에서는 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 방법을 설명한다. 우선 상대 습도의 다양한 정의와 관련하여 몇 가지 관계를 설명한다.

열역학에서 기체의 상대 습도(U_w)는 일반적으로 기체 온도(t)에서 포화(e_w(t))(포화 수증기 분압)시 수증기 분압에 대한 기체 내 현재 수증기 분압(e)의 비율로 정의되며, %로 표시한다.

여기서, U_w 는 상대 습도,

e 는 현재 수증기 분압,

e_w(t)는 온도(t)에서 물에 대한 포화 수증기 분압이다.

이때 온도(t) > 0℃ 의 범위에서는 상기한 수식 (1)에 따른 상대 습도(U_w)의 정의가 한 가지만 존재한다. 왜냐하면 물에 대한 포화 시 포화 상태 내지 포화 수증기 분압(e_w(t))이 한 가지만 존재하기 때문이다.

부(負)의 온도 범위인 t < 0℃ 의 경우, 즉, 앞서 언급한 라디오존데에서의 응결 문제가 발생할 수 있는 온도 범위에서는 다른 양상이 나타난다. 이 경우, 물에 대한 포화(e_w(t)) 및 얼음에 대한 포화(e_i(t))에 대하여 차이가 나는 수증기 분압으로 인하여 상대 습도에 대하여 두 가지 서로 다른 정의가 존재한다.

하나는 이른바 상대 습도의 "세계기상기구(WMO: World Metrological Organization) 정의"로, 열역학적인 측면에 특히 관심을 둔 정의이다. 이는 아래 관계식에 따라 주어지며 상기한 수학식 1과 동일하다.

이때, U_w 는 세계기상기구(WMO)의 정의에 따른 상대 습도,

e 는 현재 수증기 분압,

e_w(t) 는 온도(t)에서의 물에 대한 포화 수증기 분압이다.

이에 따라 WMO 정의에 따른 상대 습도는 온도 범위 전체에 적용되는데, 즉, 정(正)의 온도는 물론 부(負)의 온도(t)에도 적용된다. 상대 습도에 대한 WMO 정의는 주로 기상학에서 사용된다.

상기한 상대 습도 정의 외에, t < 0℃ 의 부의 온도에서의 이른바 상대 습도의 "기준 정의"가 존재하는데, 이하에서는 상대 습도의 "기술적 정의"라고도 칭한다. t > 0℃ 인 온도 범위에서는 위에서 언급한 바와 같이 상대 습도의 기준 정의가 상대 습도의 WMO 정의와 동일한 반면, 기준 정의에 따른 상대 습도는 부의 온도 범위 t < 0℃ 에서 하기 식에 따라 주어지며,

여기서, Ui 는 기준 정의에 따른 상대 습도,

e 는 현재 수증기 분압,

ei(t) 는 온도(t)에서의 얼음에 대한 포화 수증기 분압이다.

따라서, 온도 범위 t < 0℃ 에서는 하기 식도 적용된다:

이때, U_i 는 기준 정의에 따른 상대 습도,

U_w 는 WMO 정의에 따른 상대 습도,

e_w(t) 는 온도(t)에서의 물에 대한 포화 수증기 분압,

e_i(t) 는 온도(t)에서의 얼음에 대한 포화 수증기 분압이다.

상대 습도에 대해 서로 다른 두 가지 정의가 존재하는 이유는, 기술적인 환경에서는 얼음에 대한 포화 상태가 초과되는 경우가 전혀 없기 때문이다. 여기서 얼음 포화는 최대값을 나타내므로, 기준 정의에 따른 상대 습도는 일반적으로 0-100% 범위로 나타난다.

기술적인 환경에서 얼음 포화를 가능한 최대값으로 사용하여 WMO 정의에 따른 상대 습도를 측정할 경우, 부(負)의 온도 t < 0℃ 에서는 얼음 및 물에 대한 포화 수증기 분압의 비율로부터 아래와 같이 다음 식에 따라 최대 상대 습도(U_{w .max})가 나온다.

여기서, U_{w .max} 는 응결 시 WMO 정의에 따른 상대 습도,

e_i(t) 는 온도(t)에서의 얼음에 대한 포화 수증기 분압,

e_w(t) 는 온도(t)에서의 물에 대한 포화 수증기 분압이다.

아래 표에는 응결 시 t < 0℃ 범위의 몇몇 부의 온도에 대하여 WMO 정의에 따라 결정되는 최대 상대 습도(U_{w .max})가 예시적으로 나와 있다.

표에 나와 있듯이, 기술적인 시스템에서는 예를 들어 온도(t) = -40℃ 에서 WMO 정의에 따른 최대 상대 습도 U_{w .max} = 67.46% 가 검출된다. 반면 기준 정의에 따른 상대 습도(U_i)는 100%이다.

또한, 상기 표에 따르면 대략 -30℃ 아래의 부의 온도(t)에서는 WMO 정의에 따른 최대 상대 습도(U_{w .max})가 대략 75%를 더 이상 초과하지 않는 것을 알 수 있다. 상기에서 언급한 EP 0 801 302 A1에 따른 센서 어셈블리에서 습도 센서를 때때로 가열하는 경우, 가열 작동 개시를 위해서 마련되는 습도 한계값 75%에 도달하지 못하고, 그 결과 센서 어셈블리의 응결 및 그에 수반되는 바람직하지 않은 현상이 초래된다.

이러한 관계는 EP 0 801 302 A1에 따른 가열 방법에서 도 3에서도 알 수 있다. 이 도면에는 WMO 정의에 따른 다양한 습도 한계값이 온도(t)에 따라 기재되어 있다. 도시된 곡선은 습도 한계값(U_w,한계)을 나타내며, 이 한계값부터 습도 센서의 가열이 이루어진다. 파선으로 표시한 곡선은 0℃ 아래에서 응결이 나타나기 시작하는 습도 한계값(U_w.max)을 나타낸다. 점선으로 나타낸 곡선은 열역학 최대 수분 함량에 대한 습도 한계값 U_w = 100%를 나타내고, 전체 온도 범위에서 100%이다. 가열 조절에 대한 습도 한계값(U_w,한계)을 포함하는 곡선과 응결 발생에 대한 습도 한계값(U_w,max)을 포함하는 곡선의 교차점에 의해 결정되고 대략 -30℃인 온도(t) 아래에서는, 습도 한계값이 WMO 정의에 기초하여 확정되는 경우, 가열 개시를 위한 75%의 습도 한계값에 더 이상 도달할 수 없다. 이미 그 전에 센서 어셈블리가 응결되는 것이 그 결과이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 습도 센서가 적어도 때때로 가열요소에서 가열되기 시작하는 0℃ 아래의 온도 범위의 습도 한계값을 WMO 정의에 따라 결정하지 않고, 상기에서 설명한 수학식 2 및 수학식 3에 따른 상대 습도의 기준 정의에 따라 결정한다. 이는, 그에 따라 가열 작동을 위한 습도 한계값(U_i,한계)이 본 발명에 따라 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로서 결정 및 확정된다는 것을 의미한다.

해당 습도 한계값은 0℃ 아래의 온도 범위에서 일정한 습도 한계값(U_i,한계)으로서 60% ≤ U_i,한계 ≤ 90%의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들어 습도 한계값 U_i,한계 = 75% 인 것이 적절하다.

0℃ 보다 높은 온도 범위에서는, EP 0 801 302 A1에 따른 방법과 유사하게, 소정의 습도 한계값(U_w,한계)부터 가열요소를 이용하여 습도 센서를 적어도 때때로 가열하며, 이때 상기 습도 한계값은 물에 대한 포화에 대한 한계 습도로서 결정되는데, 즉, 상기한 온도 범위에서 동일한 WMO 정의 및 기준 정의에 따른 상대 습도에 따라 결정된다.

이에 해당되는 본 발명에 따른 방법에서의 관계들은 도 4a 및 도 4b의 도면에 도시된다. 이는 -100℃ 내지 +60℃ 사이의 온도 범위에서 기준 정의(도 4a) 및 WMO 정의(도 4b)에 따른 상대 습도에 기초한 다양한 습도 한계값들을 나타낸다.

도 4a에 도시된 바와 같이 습도 한계값(U_i,한계)은 0℃ 아래의 온도 범위에서 상대 습도의 기준 정의에 따라 U_i,한계 = 75% 으로 결정되는데, 즉, 얼음에 대한 포화에 대한 일정한 한계 습도로 결정된다. 습도 한계값(U_i,한계) = 75%에 도달하면서부터 상기 습도 센서는 가열요소에 의해 적어도 때때로 가열된다. 적절한 가열 방법에 대해서는 하기의 설명을 참조한다. 이에 따라, 도 4a에 분명히 도시된 바와 같이, 종래 기술과는 달리 매우 낮은 온도(t)에서도 어떠한 경우든지 응결이 나타나는 상기 습도 한계값(U_i,max)에 도달하기 전에 습도 센서가 가열되어 습도 센서의 응결이 확실하게 방지될 수 있다.

도 4b에는 비교를 위해서 해당 온도 범위에 대하여 동일한 습도 한계값 U_w.max, U_w 및 U_w = 100%가 도시된다. 그러나 이 경우 각각의 한계값은 WMO 습도 정의에 기초한 것으로, 도 3과 유사하다. 이때 0℃ 이상에서의 양상이 종래 기술과 동일한 반면, 본 발명에 따라 기준 정의에 기초하여 결정된 습도 한계값(U_w.한계)은 내지는 도면에서 t < 0℃인 부의 온도 범위에 서 항상 응결에 대한 습도 한계값(U_w.max) 아래에 존재한다. 이것은, 응결이 발생하기 전에 습도 센서의 가열이 개시되어 적절한 대응 가열을 통해서 습도 센서의 응결이 확실하게 방지될 수 있다는 것을 보장한다는 것을 의미한다. 기준 정의에 따라 결정된 습도 한계값 U_i,한계 = 75%에서 이에 대응되는 WMO 정의에 따른 상대 습도는 다음과 같다:

여기서, U_w 는 WMO 정의에 따른 상대 습도,

U_i,한계는 가열에 대한 기준 정의에 따른 습도 한계값,

e_i(t) 는 온도(t)에서의 얼음에 대한 포화 수증기 분압,

e_w(t) 는 온도(t)에서의 물에 대한 포화 수증기 분압이다.

따라서 기준 정의에 따라 일정하게 그리고 U_i,한계 = 75%에 따라 결정되는 습도 센서의 가열에 대한 습도 한계값(U_i,한계)이 제공된다. 그러나 상기 습도 한계값은 도 4b의 왼쪽 하단에 도시된 바와 같이 WMO에 따른 습도 정의에서 t < 0℃인 부의 온도 범위에서 온도(t)에 따라 달라진다.

이와 같은 방식으로 습도 센서는 실질적으로 기준 정의에 따른 상대 습도 75%보다 더 높게 측정되는 경우가 없게 된다. 따라서, 기준 정의에 따른 상대 습도 100%부터 나타나는 응결이 확실하게 방지될 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 습도 센서에 의한 습도 측정이 이전처럼 상대 습도의 WMO 정의에 따라 이루어진다는 점을 언급하고자 한다. 본 발명에서는 단지 습도 센서 가열을 위해서만 기준 정의에 기초하여 습도 한계값(U_i,한계)이 도출된다.

마지막으로 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 다양한 실시예를 도 5 내지 9를 참조하여 설명하기 전에, 이하에서는 적절한 센서 어셈블리 가열 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따라 결정된 습도 한계값(U_i,한계)을 이용한 적절한 가열 방법의 제1 실시예는 정적인 가열 방법이라 칭한다. 이때 습도 센서는 제1 습도 한계값(U_{i, 한계_1})이 초과될 때 가열요소에 의해서 일정한 가열 출력으로 가열되고, 또 다른, 제2 습도 한계값(U_{i,한계_2})이 초과될 때 다시 가열이 중단된다. 상기 두 습도 한계값(U_{i,한계_1}, U_{i,한계 _ 2})은 앞서 설명한 바와 같이 상대 습도의 기준 정의에 따라 결정되는데, 즉, 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정된다. 상기한 가열 방법의 가능한 실시예에서, 상기 두 습도 한계값(U_{i,한계 _1}, U_{i,한계 _2}) 사이의 범위에서 습도 센서가 일정한 가열 출력으로 가열되며, 상기 두 습도 한계값은 다음의 범위에서 선택된다.

85% ≤ U_{i,한계 _1} ≤95%

65% ≤ U_{i,한계 _2} ≤75%

본 발명에 따라 결정된 습도 한계값(U_i,한계)을 이용한 적절한 가열 방법의 제2 실시예는 동적인 가열 방법이라 칭한다. 이 방법에서는 습도 한계값(U_i,한계)에 도달한 이후부터 습도 센서가 가열요소에 의해 조절 상태로 가열되는데, 습도 센서의 국지적인 온도는 습도 센서에서 일관된 혹은 일정한 상대 습도가 나타나도록 조절된다. 이때 습도 한계값(U_i,한계) 수준에서 일정한 상대 습도가 조절되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 센서 어셈블리의 세 가지 실시예를 설명한다. 도면들은 각각 각각의 센서 어셈블리의 일부의 단면도 및 평면도이다. 도면에는 전자 제어부를 도시하지 않았다.

본 발명에 따른 센서 어셈블리는 각각 하나의 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함한다. 이때 온도 센서를 이용하여 센서 어셈블리의 국지적인 온도가 결정되며, 가열요소는 습도 센서를 적어도 때때로 가열하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 센서 어셈블리에 대하여 습도 센서로는 박막 기술에서 센서 기판에 배치되는 용량성 습도 센서가 고려된다. 습도 센서는 습도에 따라 일정한 방식으로 변하는 용량을 가지면서 평판 컨덴서의 두 전극 사이에 유전체로서 배치되는 습도 민감성 물질을 포함한다. 상기 두 전극 중 하나는 습도 투과성으로 형성된다. 습도 민감성 물질로는 특히 폴리머, 예를 들어 폴리이미드가 매우 적합하다.

센서 어셈블리에서 센서 기판으로는 전기 전도성이 없으면서 소정의 열적 특성이 있는 절연체가 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위해 예를 들어 유리, Al₂O₃, AlN 또는 Be₂O₃ 와 같은 세라믹 물질 등이 고려된다. 실리콘의 열적 특성에 기반하여 실리콘을 기판 물질로 사용할 수도 있다. 그러나 이 경우 센서를 가공하기 전에 전기 절연층이 장착되어야 한다.

각각의 센서 기판에는 센서 어셈블리의 다양한 구성요소의 구성에 필요한 층 내지 물질이 단계별로 장착되고 구성된다. 이때 해당 층들은 일반적으로 패시브(passive) 형태로 형성되고 예를 들어 절연체로서 소정의 유전적 특성을 가지거나(습도 민감성 물질) 또는 그러나 소정의 옴(ohmic) 특성 내지 솔더링 특성 (금속층) 등을 가진다.

이하에서 설명할 본 발명의 센서 어셈블리의 세 가지 실시예 각각에는 이러한 습도 센서의 기본 구조가 구비된다. 그러나 이 지점에서 근본적으로 본 발명의 범위 내에서 습도 센서의 기타 다른 변형예도 존재한다는 점을 언급하고자 한다. 기타 가능한 실시예들은 상세한 설명 말미에서 간략히 설명할 것이다.

본 발명에 따른 센서 어셈블리의 다양한 실시예는 실질적으로 용량성 습도 센서를 포함하는 센서 기판 상에 배치되는 온도 센서와 가열요소의 형성 구조 및/또는 배치에서 차이가 난다.

도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b 에 도시된 센서 어셈블리 변형예들은 온도 센서를 동시에 가열요소로 사용하도록 구성되어 있고, 도 7a 및 도 7b 에 따른 변형예에서는 온도 센서와 가열요소가 센서 기판에 별도의 구성요소로서 구비된다. 이하에서 설명하는 모든 센서 어셈블리 변형예들에서 공통적인 사항은, 온도 센서 및 가열요소가 각각 동일하게 박막 기술로 실시되고 온도에 따라 달라지는 소정의 저항 특성을 가지는 물질로 형성된다는 점이다.

도 5a 및 도 5b에 따른 센서 어셈블리(133)의 실시예에서, 습도 센서(133.1) 및 온도 센서 및 가열요소로 구성된 결합 유닛(133.2)은 센서 기판(133.0)의 같은 측에 배치된다. 구체적으로, 상기 습도 센서(133.1)는 전기 절연성 절연층(133.3)에 의해 분리된 상태로 온도 센서 및 가열요소로 구성된 상기 결합 유닛(133.2)의 상부에 배치된다. 컨택 연결부(133.4)에 의해서 상기 습도 센서(133.1)가 전기적으로 컨택되고, 컨택 연결부(133.5)에 의해서 온도센서 및 가열요소로 구성된 상기 결합 유닛(133.2)이 전기적으로 컨택되고, 미도시한 제어부에 각각 연결된다.

도 6a 및 도 6b에 따른 센서 어셈블리(233)의 실시예에서는 중첩 배치되는 대신 습도 센서(233.1)가 센서 기판(233.1) 상에 중심 또는 중앙에 배치되고, 온도 센서 및 가열요소로 구성된 결합 유닛(233.2)이 상기 센서 기판 상에 상기 습도 센서(233.1) 주위에 배치된다. 온도 센서 및 가열요소로 구성된 결합 유닛(233.2)의 상부에는 전기적으로 절연성인 절연층(233.3)이 구비되며, 습도 센서(233.1) 및 습도 센서에 포함된 습도 투과성 리드 전극은 상기 절연층으로 덮이지 않는다. 부재번호(233.4)는 습도 센서(233.1)의 컨택 연결부를 나타내고, 부재번호(233.5)는 온도 센서 및 가열요소로 구성된 결합 유닛(233.2)의 컨택 연결부를 나타내며, 이들에 의해서 구성요소들이 미도시한 제어부에 연결된다.

상기한 두 실시예에서는 온도 센서 및 가열요소로 구성된 상기 결합 유닛(133.2, 233.2)에서 센서 어셈블리(133, 233)의 국지적인 온도를 측정하는 역할을 하는 각각의 온도 센서가 동시에 습도 센서(133.1, 233.1)를 가열하는데도 사용된다. 이를 위하여 요구되는 가열 출력 및 사용된 가열 방법에 따라 온도 센서를 흐르는 측정 전류가 달라지거나 높아진다. 그러면 이로 인해 발생하는 온도 센서의 자기 발열은 응결을 방지하기 위하여 습도 센서(133.1, 233.1)를 목표한 대로 가열하는 역할을 한다.

도 8을 참조하면, 이와 같이 구성된 센서 어셈블리(433)는 라디오존데에서 후속 배치되는 제어부(450)에 연결될 수 있다. 이때 상기 제어부(450)로 습도 센서(433.1)의 측정값(C)이 전달된다. 온도 센서 및 가열요소로 구성되는 결합 유닛(433.2)은 센서 어셈블리(433)의 국지적인 온도에 대한 측정값(tloc)을 상기 제어부에 전달하고, 제어부는 측정 전류(I)에 의해서 경우에 따라 필요한 가열을 위하여 온도 센서와 가열요소로 구성된 결합 유닛(433.2)에 영향을 준다. 이때 앞서 설명한 두 가지 가열 방법(정적, 동적인 방법)이 사용될 수 있다. 정적인 가열 방법의 경우 측정 전류(I)를 인가함으로써 가열 장치의 전원을 켜거나 끌 수 있다. 동적인 가열 방법을 사용하는 경우 측정 전류(I)의 소정의 변화에 의해서 가열 출력 및 그에 따라 온도(tloc)에 의해서 국지적인 센서의 습도가 조절될 수 있다.

도 8에는 또한 주변환경 대기 온도(t_gas)를 측정하는 역할을 하지만 본 발명에서 의미가 없는, 라디오존데의 센서 시스템 유닛의 기체 온도 센서(432)가 도시되어 있다.

도 7a 및 도 7b에는 제3 실시예에 따른 센서 어셈블리(333)가 도시된다. 여기서는 온도 센서(333.2b) 및 가열요소(333.2a)가 별도의 구성요소로 센서 기판(333.0)에 배치되는데, 즉, 서로 다른 측에 배치된다. 센서 기판(333.0)의 상면에는 중앙에 배치된 습도 센서(333.1)에 이웃하여 가열요소(333.2a)가 배치된다. 상기 가열요소(333.2a)는 또한 절연층(333.3)으로 덮이며, 반면 용량성 습도 센서(333.1)의 영역, 특히 센서의 습도 투과성 리드 전극은 공간이 자유로운 상태로 유지된다. 상기 센서 기판(333.0)의 하면에는 중앙에 온도 센서(333.2b)가 배치된다. 여기서 상기 온도 센서(333.2b)는 열전도 접착제(333.7)에 의해서 센서 기판(333.0)의 하면에 고정되는 NTC 요소(Negative Temperature Coefficient Thermistor)로 형성된다. 또한, 습도 센서(333.1)용 컨택 연결부(333.4) 외에 가열요소(333.2a) 및 온도 센서(333.2b)용 별도의 컨택 연결부(333.5, 333.6)가 구비된다. 상기한 컨택 연결부(333.4, 333.5, 333.6)에 의해서 여러 구성요소가 후속 배치되는 - 도 7a 및 도 7b에 도시되지 않은 - 제어부에 연결된다.

도 9를 참조하면, 위와 같이 형성된 센서 어셈블리(533)는 라디오존데에서 후속 배치되는 제어부(550)에 연결될 수 있다. 여기서도 상기 제어부(550)로 습도 센서(533.1)의 측정값(C)이 전달된다. 또한, 센서 어셈블리(533)의 국지적인 온도에 대하여 온도 센서(533.2a)의 측정값(C)이 제어부(550)에 전달되도록 구성된다. 또한, 상기 제어부(550)는 가열전류(I)에 의해서, 경우에 따라 필요한 가열을 위하여 가열요소(533.2b)에 영향을 준다. 여기서도 앞서 설명한 두 가지 가열 방법(정적 및 동적 방법)이 사용될 수 있다. 정적인 가열 방법을 사용하는 경우 크기가 크고 차이가 나는 가열 전류 사이에 가열 전류(I)를 인가함으로써 가열 장치의 전원을 켜거나 끌 수 있다. 동적인 가열 방법을 사용하는 경우 가열 전류의 소정의 변동 및 그에 따라 온도(t_loc)에 의해서 국지적인 센서 습도가 조절될 수 있다.

또한, 도 9에도 추가적으로 주변환경 대기 온도(t_gas)를 측정하지만 본 발명에서 의미는 없는, 라디오존데의 센서 시스템 유닛의 기체 온도 센서(532)가 도시되어 있다.

물론 상기한 실시예들 외에도 본 발명의 범위 내에서 다른 실시예가 존재한다.

따라서, 예를 들면 용량성 습도 센서의 변형예가 있을 수 있다. 평판형 컨덴서 구조 대신 이른바 인터디지털 구조 또는 메사 구조를 가지는 표유전계 컨덴서가 사용될 수 있다. 또한 저항성 습도 센서를 사용하는 것을 고려할 수도 있다.

상기한 바와 같이, 실리콘을 센서 기판 물질로 사용할 수 있으며, 이 경우 온도 센서와 가열요소는 반도체 기술로 실리콘으로 실시될 수도 있고, 이 경우 습도 센서는 박막 기술로 센서 기판 상에 가공될 수 있다. 이 경우 더 나아가 신호 처리용 회로 및/또는 제어부를 센서 기판에 집적하는 것도 가능하다.

또한, 센서 기판으로 얇은 멤브래인 상에 센서 어셈블리의 구성요소들을 배치할 수도 있으며, 이에 따라 요구되는 가열 출력의 감소 및 그에 따라 측정 시 실질적으로 더 짧은 시간 상수가 구현될 수 있다.

또한, 도 7a 및 7b에 도시된 실시예를 온도 센서를 센서 기판의 하면에 가공하도록 변형시킬 수도 있다.

Claims (15)

1. 센서 어셈블리 작동 방법, 특히 라디오존데 내 상대 습도를 검출하는 작동 방법으로서, 상기 센서 어셈블리는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함하고 상기 습도 센서는 적어도 때때로 가열되며,
   습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)는 0℃ 아래의 온도 범위에서 소정의 습도 한계값(U_i,한계)부터 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)에 의해서 적어도 때때로 가열되고, 상기 습도 한계값(U_i,한계)은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 습도 한계값(U_i,한계)은 0℃ 아래의 온도 범위에서 상대 습도(U_i)의 기준 정의에 기초하여 일정한 습도 한계값(U_i,한계)으로 결정되며, 상기 상대 습도는
   수식

   

   에 따라 주어지고,
   이때, U_i 는 얼음에 대한 기준 정의에 따른 상대 습도,
   e 는 실제 수증기 분압,
   e_i(t) 는 얼음 표면에 대한 포화 시 수증기 분압,
   U_w 는 물에 대한 세계기상기구(WMO)의 정의에 따른 상대 습도,
   e_w(t) 는 물 표면에 대한 포화 시 수증기 분압인 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 습도 한계값(U_i,한계)은 60% ≤ U_i,한계 ≤90% 의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 습도 한계값(U_i,한계)은 U_i,한계 = 75% 에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
   제1 습도 한계값(U_{i,한계_1})과 제2 습도 한계값(U_{i,한계 _2}) 사이의 소정의 범위에서 상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)가 일정한 가열 출력을 가진 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)에 의해 가열되며, 상기 습도 한계값(U_{i,한계 _1}, U_{i,한계 _2}) 각각은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 습도 한계값(U_{i,한계_1})은 85% ≤ U_{i,한계 _1} ≤95%의 범위에서 결정되고, 상기 제2 습도 한계값(U_{i,한계_2})은 65% ≤ U_{i,한계 _2}≤ 75% 의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
   상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)는 상기 습도 한계값(U_i,한계)에 도달한 이후부터 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1 533.1)의 상대 습도가 일정하게 나타나도록 조절되는 방식으로 상기 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)의 국지적인 온도는 습도 한계값(U_i,한계) 수준의 일정한 상대 습도가 나타나도록 조절되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
9. 제1항에 있어서,
   0℃ 보다 높은 온도 범위에서 소정의 습도 한계값(U_w,한계)부터 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)가 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)에 의해 적어도 때때로 가열되고, 상기 습도 한계값(U_w,한계)은 물에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정되는 것을 특징으로 하는,
   센서 어셈블리 작동 방법.
10. 특히 라디오존데 내 상대 습도 검출 용 센서 어셈블리로서, 상기 센서 어셈블리는 습도 센서, 온도 센서 및 가열요소를 포함하고, 상기 습도 센서는 상기 가열요소에 영향을 주는 제어부에 의해서 적어도 때때로 가열될 수 있고,
    상기 제어부(450, 550)는 0℃ 보다 아래의 온도 범위에서 소정의 습도 한계값(U_i,한계)부터 상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)를 상기 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)에 의해 적어도 때때로 가열하도록 형성되며, 상기 습도 한계값(U_i,한계)은 얼음에 대한 포화에 대한 한계 습도로 결정되는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.
11. 제10항에 있어서,
    상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)는 습도에 민감한 폴리머가 그 사이에 배치되는 두 개의 전극을 포함하고 두 전극 중 하나는 습도 투과성으로 형성되는 평판 컨덴서로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.
12. 제10항에 있어서,
    상기 온도 센서(133.2, 233.2, 433.2) 및 상기 가열요소(133.2, 233.2, 433.2)는 결합 유닛으로 형성되고, 상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1)를 가열하기 위하여 측정 전류가 상기 제어부(450; 550)에 의해 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 습도 센서(133.1, 233.1)는 센서 기판(133.0, 233.0, 333.0)의 일 측에 배치되고, 여기에 이웃하여 온도 센서(133.2, 233.2, 333.2) 및 가열요소(133.2, 233.2, 433.2)로 구성된 결합 유닛이 배치되는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.
14. 제11항에 있어서,
    습도 센서(333.1)는 센서 기판(333.0)의 일 측에 배치되고, 여기에 이웃하여 가열요소(333.2b)가 배치되며,
    센서 기판(333.0)의 맞은 편 측에는 NCT 요소로 형성되고 열전도 접착제(333.7)에 의해 상기 센서 기판(333.0)에 고정되는 온도 센서(333.2a)가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.
15. 제10항에 있어서,
    상기 습도 센서(133.1, 233.1, 333.1, 433.1, 533.1), 온도 센서(133.2, 233.2, 333.2b, 433.2, 533.2b) 및 가열요소(133.2, 233.2, 333.2a, 433.2, 533.2a)는 박막 기술로 실리콘으로 형성된 센서 기판(133.0, 233.0, 333.0) 상에 장착되며, 상기 센서 기판은 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    센서 어셈블리.

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