KR20190071406A - 정전용량 방식 pm 센서의 정확성 향상 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스 내의 PM이 전극부에 퇴적되면 퇴적량에 따른 전기적 특성 변화에 의해 정전용량 값이 변화하는 PM 센서의 측정 정확도를 높여 DPF의 고장 여부를 정확하게 판정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 전극간 저항값에 따라 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 유동적으로 변동시켜, 전극간 저항값이 정전용량 측정에 미치는 영향을 제거하고자 한다. 즉, 정전용량 측정시 먼저 전극간 저항값을 측정하여 특정 범위 이상이면 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 낮추어 정전용량 측정의 정확성 및 신뢰성을 향상시키고, 특정 범위 이하이면 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 높여 정전용량 측정의 응답속도를 향상시킨다.

Description

정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법 및 장치 {Method and apparatus for improving precision of capacitance-based PM sensor}

본 발명은 배기가스 내의 PM이 전극부에 퇴적되면 퇴적량에 따른 전기적 특성 변화에 의해 정전용량 값이 변화하는 PM 센서의 측정 정확도를 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

내연기관의 배기통로에 설치되어 배기가스 내의 PM(Particulate Matter, 입자형 물질)을 포집하는 DPF(Diesel Particulate Filter)의 고장여부를 판정하기 위해, DPF보다 배기하류 측에 배치되어 한 쌍 이상의 전극부를 가지며 배기가스 내의 PM이 상기 전극부에 퇴적되면 퇴적량에 따른 전기적 특성 변화에 의해 정전용량값이 변화하는 PM센서가 사용된다. PM센서 전극의 정전용량을 측정하기 위해 제어기는 교류신호를 전극으로 인가하여 커패시터의 충/방전 양을 이용해 정전용량 값을 측정한다.

일반적으로 PM센서의 정전용량은 도 1과 같이 정전용량 측정장치를 사용하여 측정한다. 정전용량 측정장치는 특정 주파수의 AC 신호(12)를 전극(14)에 의해 형성되는 커패시터 C에 인가하여, AC 신호(12)가 HIGH 상태일 때는 커패시터 C가 충전상태가 되고, AC 신호가 LOW 상태일 때는 방전상태가 되어 이 방전상태일 때 커패시터 C에 저장되어 있는 전하가 정전용량 측정장치(10)로 이동한다. 정전용량 측정장치(10)는 이 전하량으로부터 정전용량을 측정한다. 구체적으로, 도 2와 같이 PM 센서(11)의 센싱 전극(14) 간에 PM이 퇴적될수록 PM 퇴적물이 도전체 역할을 하여 커패시터를 형성하는 전극의 면적이 증대되는 효과로 인해 정전용량 값이 증가한다. 따라서 PM센서(11)의 정전용량 값을 측정함으로써 DPF 후단의 배기가스 내의 PM양을 감지할 수 있게 된다.

그러나 도 1에서와 같이 퇴적되는 PM퇴적물(16)에 의해서 PM 센싱 전극(14) 사이에 커패시터 C와 직렬로 등가 직렬저항(ESR) Rs가 생기게 되는데, 이 값은 작게는 수 kΩ에서 크게는 수 MΩ이 된다. 이 직렬저항 Rs 성분은 결국 RC 회로를 형성하게 되어 정전용량 측정시 과소측정 되는 원인이 된다. 직렬저항 Rs 성분은 PM퇴적물(16)의 양이 클수록 작다.

PM 퇴적물에 의해 발생하는 직렬저항 성분(R_S)으로 인한 RC 시정수의 변화에 의하여 수식

과 같이 충/방전 시간이 증가한다. 일례로 아래 표와 같이 일정량의 PM이 퇴적되었을 때 PM센서(11)의 직렬저항 성분(ESR)과 정전용량으로 인하여 시정수가 약 40us가 된다.

이러한 PM센서를 AC신호의 주파수가 120kHz(주기 8.3us)인 상기 정전용량 측정장치(10)로 측정할 경우에는 정전용량이 과소측정되어 결국 정확한 PM양을 감지할 수 없다. 상기 PM센서와 같이 시정수가 40us인 PM센서의 정전용량 측정을 위해서는 인가하는 AC신호의 주파수를 낮춰서 약 5kHz 이하(주기: 200us)의 주파수를 가지는 AC 신호를 사용해 정전용량을 측정하여야 한다.

이와 같이 전극 사이에 퇴적되는 PM 양에 따라 전극간 저항값이 크게 변동하기 때문에 정확한 정전용량 값을 측정할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 배기가스 내에 노출되는 정전용량 방식 PM 센서의 전극부에 PM이 퇴적됨에 따른 전기적 특성 변화에 의한 측정 오차를 줄여 측정정확도를 높혀서 DPF의 고장 여부를 정확하게 판정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로, 전극간 저항값에 따라 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 유동적으로 변동시킴으로써, 전극간 저항값이 정전용량 측정에 미치는 영향을 제거하도록 한다. 즉, 정전용량 측정시 먼저 전극간 저항값을 측정하여 특정 범위 이상이면 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 낮추어 정전용량 측정의 정확성 및 신뢰성을 향상시키고, 특정 범위 이하이면 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 높여 정전용량 측정의 응답속도를 향상시킨다.

배경기술 항목에서 설명한 것과 같이, PM퇴적량이 많아서 직렬저항값이 작을 때는 RC 시정수가 작게 되어 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 높여서 응답속도를 높게 유지하면서 측정을 수행한다. RC 시정수가 작으면 커패시터의 충방전 속도가 빠르므로 정전용량 측정용 교류신호의 주파수가 높아도 충방전이 그에 따라 빠르게 작용하게 되므로 문제없이 정확한 정전용량 측정이 가능해지는 것이다.

본 발명의 과제해결 수단의 개념은, 1) PM퇴적량이 많아 전극 사이의 직렬저항이 작으면 RC 시정수가 작아 빠르게 충방전해도 정전용량 측정에 문제가 없으므로 측정용 교류신호의 주파수를 높이고, 2) PM퇴적량이 적어서 전극 사이의 직렬저항이 커지면 RC 시정수가 커서 충방전 속도를 낮추도록 교류신호의 주파수를 낮춰야 제대로 정전용량을 측정할 수 있다는 것이다.

구체적으로 본 발명의 구성 및 작용을 살펴본다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 정전용량 측정용 교류신호를 사용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 정전용량을 측정하기 전에 PM센서의 전극간 저항값을 측정하여 저항측정값을 취득하는 단계, 상기 저항측정값에 따라 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계, 상기 변경된 주파수의 정전용량 측정용 교류신호를 이용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 단계를 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, PM센서의 전극간 저항값을 측정하여 저항측정값을 취득하는 수단, 상기 저항측정값에 따라 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 수단, 상기 변경된 주파수의 정전용량 측정용 교류신호를 이용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 수단을 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 장치가 제공된다.

한 실시예에서 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계 또는 수단은, 상기 저항측정값을 사전설정된 저항기준값과 비교하여, 비교 결과, 저항측정값이 저항기준값보다 작으면 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 것이 바람직하다.

다른 실시예에서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계 또는 수단은, 상기 저항측정값을, 다른 값으로 사전설정된 다수의 저항기준값들과 순차적으로 비교하되, 작은 값의 저항기준값부터 점차 높은 값의 저항기준값까지 순차적으로 비교하고, 상기 저항측정값이 저항기준값보다 작으면, 저항측정값이 저항기준값보다 작은 경우를 위해 사전설정된 정전용량 측정용 교류신호의 주파수로 변경하고, 상기 저항측정값이 저항기준값보다 작지 않으면, 이 저항측정값을 상기 비교된 저항기준값보다 더 큰 값으로 사전설정된 다른 저항기준값과 다시 비교하는 것이 바람직하다.

또다른 실시에에서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계 또는 수단은, 상기 저항측정값에 해당되는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수값을 사전에 구성된 룩업테이블에서 조견하여, 상기 룩업테이블에서 조견된 주파수값으로 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 설정하는 것이 바람직하다.

이상에서 소개한 본 발명 사상의 구성 및 작용은 이하에서 도면과 함께 설명하는 발명의 상세한 설명에 의해 보다 더 명확해질 것이다.

종래 기술에 따르면 PM 센서의 전극 사이에 퇴적된 PM 양에 따라 생성되는 직렬 저항 성분에 의해 전극간 저항값이 변동되어 정확한 정전용량값을 측정할 수 없었으나, 본 발명에 따르면 전극간 저항값에 따라 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 유동적으로 변경시킴으로써, 생성된 저항값의 정전용량 측정에 미치는 영향을 제거하여 측정 정확도와 신뢰도를 높이는 효과가 있다.

도 1은 정전용량 측정장치를 사용한 PM 센서 정전용량 측정 방법의 개요도
도 2는 도 1의 경우의 문제점 설명도
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 측정방법의 제1실시예
도 4는 본 발명에 따른 정전용량 측정방법의 제2실시예

도 3은 본 발명에 따른 정전용량 측정방법의 제1실시예이다.

여기서, 전제할 것은, PM센서(11)의 전극(14) 간의 저항측정값은 R로 표기하고, 사전에 설정해 놓은 저항기준값은 Ra, Rb, Rc, ... 로 표기한다. 여기서 Ra<Rb<Rc<... 이며, 저항기준값의 설정 개수는 도 3에서는 세 개만 보였지만, 이는 임의적이다.

또한, PM센서(11)의 전극(14) 간의 정전용량 C를 측정하기 위하여 인가하는 교류신호의 주파수를 저항 측정값 R에 따라 변경설정하는데, 이렇게 변경설정하는 주파수를 fa, fb, fc, ...로 표기한다(여기서, fa>fb>fc>... 임).

도 3의 절차를 설명한다.

먼저, 도 2에 나타낸 PM센서(11)의 전극(14) 간의 정전용량 C를 측정하기 전에 먼저 전극간 저항값 R(즉, 도 2의 Rs)을 측정한다(100). 도 1에 나타낸 정전용량 측정장치(10)의 측정용 교류신호 발생부와 정전용량 측정부(미도시) 이외에 저항측정부(미도시)를 구성하여 전극간 저항값을 측정할 수 있다.

그리고 이 저항측정값 R을 사전설정해놓은 저항기준값 Ra와 비교한다(102). 저항측정값과 저항기준값의 비교는 OP 앰프 또는 반도체 스위칭 소자로 구성된Comparator 회로 또는 마이크로프로그래밍에 의하여 기능을 수행하는 마이크로컴퓨터 등에 의해 구현할 수 있다.

비교결과 R이 Ra보다 작으면 전극(14) 간의 PM 퇴적량이 많은 상태를 의미한다. 이때에는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 높여서 이 Ra값에 상응하는 PM 퇴적량에 대응하여 설정된 주파수 fa로 변경한다(104). 즉, 도전성을 띠는 PM이 많이 퇴적되어 있는 상태이므로, 그에 따라 직렬저항 성분의 값이 작기 때문에 RC시정수도 작아지게 되고, 따라서 높은 주파수 fa를 사용하여도 정확한 측정이 가능한 것이다. 이때의 주파수값 fa는 실험치 내지는 경험치 데이터로 설정할 수 있다. 단, 위에서 언급한 것과 같이 fa>fb>fc>... 이며, fa가 가장 큰 주파수값으로 설정된다.

이렇게 변경된 주파수 fa의 교류신호를 측정신호로 사용하여 정전용량을 측정한다(106). 그리고 측정된 정전용량값을 ECU로 전송하여(108) ECU에서 후속 처리를 하도록 한다. ECU에서는 이 정전용량값으로부터 DPF(Diesel Particulate Filter)의 고장여부를 판정하는 태스크를 처리하거나, 다른 자동차 제어 등에 이용할 수 있을 것이다.

다시 102 단계로 돌아가, 만일 저항측정값 R을 저항기준값 Ra와 비교한 결과 R이 Ra보다 작지 않으면(즉, 크거나 같으면), Ra보다 큰 값으로 사전설정해 놓은 저항기준값 Rb보다 저항측정값 R이 더 작은지 다시 비교한다(110).

비교결과 R이 Rb보다 작으면 전극(14) 간에 인가하는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 낮추어 Rb값에 상응하는 PM 퇴적량에 대응하여 설정된 주파수 fb로 변경한다(112). Ra보다 더 저항값이 큰 경우이므로 Rb에 상응하는 정도로 RC시정수가 커지므로 주파수를 더 낮추어야 정확한 측정이 가능해지기 때문이다.

이 주파수 fb의 교류신호를 측정신호로 사용하여 정전용량을 측정한다(114). 그리고 측정된 정전용량값을 ECU로 전송하여(116) ECU에서 후속 처리를 하도록 한다.

다시 110 단계로 돌아가, 만일 저항측정값을 저항기준값 Rb와 비교한 결과 R이 Rb보다 작지 않으면(즉, 크거나 같으면), Rb보다 큰 값으로 사전설정해 놓은 저항기준값 Rc와 다시 비교하여 이보다 저항측정값 R이 더 작은지 비교한다(118).

비교결과 R이 Rc보다 작으면 전극(14) 간에 인가하는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 더 낮추어 Rc값에 상응하는 PM 퇴적량에 대응하여 설정된 주파수 fc로 변경한다(120). 위와 마찬가지로, Rb보다 Rc가 더 큰 경우이므로 그만큼 RC시정수가 커지므로 주파수를 더 낮추어야 정확한 측정이 가능해지기 때문이다.

이 주파수 fc의 교류신호를 측정신호로 사용하여 정전용량을 측정한다(122). 그리고 측정된 정전용량값을 ECU로 전송하여(124) ECU에서 후속 처리를 하도록 한다.

이상의 방식으로 PM센서(11)의 전극(14) 간에 퇴적된 PM 양에 상응하는 저항값에 따라 사전설정된 상이한 주파수의 교류신호를 이용하여 정전용량을 측정함으로써, 직렬저항 성분을 고려한 정확한 정전용량 측정이 가능해진다. 즉, 측정된 전극간 저항값에 따라 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하여서 전극간 저항값이 정전용량 측정에 미치는 영향을 제거하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 정전용량 측정방법의 제2실시예이다. 도 3의 실시예에서는 다수의 저항기준값을 설정해 놓고 저항측정값과 작은 값부터 차례로 비교하였지만, 도 4의 실시예에에서는 정전용량의 측정 전에 측정한 저항값의 절대값을 사전에 구성해 놓은 룩업테이블에서 조견하여 해당 값에 상응하는 절대값의 주파수를 갖는 교류신호를 이용한다. 저항값의 절대값으로 룩업테이블을 검색하는 데에 연산 부담이 있지만, 저항값의 변화에 추종하도록 주파수를 변경시킬 수 있게 되어서 리니어한 정전용량 측정값을 얻을 수 있게 된다.

도 4를 참조하면, 먼저, PM센서(11)의 전극(14) 간의 정전용량 C를 측정하기 전에 전극간 저항값 R(즉, 도 2의 Rs)을 측정한다(200).

측정한 저항값으로 룩업테이블(20)을 검색하여 이 저항값에 상응하는 교류 측정신호 주파수를 조견하여(202), 이 주파수를 측정신호의 주파수로 설정한다(206).

그리고 이 설정된 주파수의 교류 측정신호를 이용하여 PM센서(11)의 전극(14) 간의 정전용량 C를 측정하고(208), 측정된 정전용량값을 ECU로 전송하여(210) ECU에서 후속 처리를 하도록 한다.

이 실시예에서 룩업테이블(20)은 다양한 실험치에 기반하여 사전에 구성해 놓을 수 있다. 또는 이론적 근거에 의한 추정치에 실험치를 반영한 보정데이터로써 구성해 놓을 수 있다.

이상에서, 본 발명을 구체적인 실시예와 실시 형태로 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이러한 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 이하의 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.

10: 정전용량 측정장치, 11: PM센서, 12: AC 신호, 14: 전극, 16: PM 퇴적물, 20: 룩업테이블, Rs: 등가 직렬저항(ESR), R: 저항측정값, Ra, Rb, Rc: 저항기준값, fa, fb, fc: 교류신호의 설정 주파수,

Claims (8)

1. 정전용량 측정용 교류신호를 사용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 방법에 있어서,
   상기 정전용량을 측정하기 전에 PM센서의 전극간 저항값을 측정하여 저항측정값을 취득하는 단계,
   상기 저항측정값에 따라 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계,
   상기 변경된 주파수의 정전용량 측정용 교류신호를 이용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 단계를 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계는
   상기 저항측정값을 사전설정된 저항기준값과 비교하는 단계와,
   비교 결과, 저항측정값이 저항기준값보다 작으면 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계를 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계는
   상기 저항측정값을, 다른 값으로 사전설정된 다수의 저항기준값들과 순차적으로 비교하되, 작은 값의 저항기준값부터 점차 높은 값의 저항기준값까지 순차적으로 비교하는 단계,
   상기 저항측정값이 저항기준값보다 작으면, 저항측정값이 저항기준값보다 작은 경우를 위해 사전설정된 정전용량 측정용 교류신호의 주파수로 변경하고, 상기 저항측정값이 저항기준값보다 작지 않으면, 이 저항측정값을 상기 비교된 저항기준값보다 더 큰 값으로 사전설정된 다른 저항기준값과 다시 비교하는 단계를 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 단계는
   상기 저항측정값에 해당되는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수값을 사전에 구성된 룩업테이블에서 조견하는 단계,
   상기 룩업테이블에서 조견된 주파수값으로 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 설정하는 단계를 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 방법.
5. 정전용량 측정용 교류신호를 사용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 장치에 있어서,
   PM센서의 전극간 저항값을 측정하여 저항측정값을 취득하는 수단,
   상기 저항측정값에 따라 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 수단,
   상기 변경된 주파수의 정전용량 측정용 교류신호를 이용하여 PM센서의 전극간 정전용량을 측정하는 수단을 포함하는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 수단은
   상기 저항측정값을 사전설정된 저항기준값과 비교하여, 저항측정값이 저항기준값보다 작으면 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하도록 구성되는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 수단은
   상기 저항측정값을, 다른 값으로 사전설정된 다수의 저항기준값들과 순차적으로 비교하되, 작은 값의 저항기준값부터 점차 높은 값의 저항기준값까지 순차적으로 비교하여,
   상기 저항측정값이 저항기준값보다 작으면, 저항측정값이 저항기준값보다 작은 경우를 위해 사전설정된 정전용량 측정용 교류신호의 주파수로 변경하고,
   상기 저항측정값이 저항기준값보다 작지 않으면, 이 저항측정값을 상기 비교된 저항기준값보다 더 큰 값으로 사전설정된 다른 저항기준값과 다시 비교하도록 구성되는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 변경하는 수단은
   상기 저항측정값에 해당되는 정전용량 측정용 교류신호의 주파수값을 사전에 구성된 룩업테이블에서 조견하여,
   상기 룩업테이블에서 조견된 주파수값으로 상기 정전용량 측정용 교류신호의 주파수를 설정하도록 구성되는 정전용량 방식 PM 센서의 정확성 향상 장치.
   
   
   
   

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