KR20200063999A - 액츄에이터를 갖는 주변 센서 - Google Patents

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파스칼 거너
대니얼 루에퍼
도미닉 니델베르거
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센시리온 에이지
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Abstract

센서 유닛은 주변 가스의 변량을 감지하기 위한 센서(3), 주변 가스를 센서(3)에 공급하기 위한 액츄에이터(4), 및 센서(3)에 의해 제공되는 측정 결과에 기여하는 하나 이상의 부품(7)을 포함한다. 센서 유닛의 추정기(9)는, 액츄에이터(4)의 제1 활성화 상태에 반응하여 센서(3)에 의해 제공되는 제1 측정 결과 및 제1 활성화 상태와는 다른 액츄에이터(4)의 제2 활성화 상태에 반응하여 센서(3)에 의해 제공되는 제2 측정 결과에 따라 하나 이상의 부품(7)의 기여가 없는 변량의 주변 값을 결정하도록 구성되어 있다.

Description

액츄에이터를 갖는 주변 센서{AMBIENT SENSOR WITH ACTUATOR}
본 발명은 주변 가스의 변량(variable)을 감지하기 위한 센서 및 액츄에이터를 갖는 센서 유닛에 관한 것이다. 본 발명의 추가 양태는 그러한 센서 유닛의 주변에 있는 가스의 변량의 주변 값을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
전자 장치에 통합되는 센서는 어디에나 존재하는데, 예컨대, 휴대 전화기, 웨어러블(wearable), IoT(internet of things) 장치 또는 통상적인 감지 장치에 존재한다. 센서는 주변, 특히 공기, 다른 가스, 에어로졸 또는 분산물과 같은 주변 가스의 다양한 물리적 양을 감지한다. 물리적 양은 습도, 온도, 가스의 농도, 또는 주변 가스 내 미립자의 농도 중의 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
그러한 센서의 측정 정확도와 신뢰성은 그 센서를 적어도 부분적으로 둘러싸는 전자 장치로 인한 방해를 받을 수 있다. 방해의 일반적인 원인은, 전자 장치의 부품에서 나오는 열 유동, 전자 장치의 재료로부터의 가스 방출 또는 가스 흡수 등 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 주변, 즉 전자 장치 외부의 물리적 양에 대한 정확하고 신뢰적인 값을 여전히 주기 위해 복잡한 보상 알고리즘이 개발되었다. 그러나, 이들 알고리즘의 성능은 제한되어 있다.
측정의 정확도와 신뢰성을 개선하기 위한 순수하게 알고리즘적인 접근 방안 외에도, 센서로 가는 또한 그로부터 멀어지는 주변 가스의 유동을 향상시키는 것이 이전에 제안되었다. 예컨대, US2014/0134053 A1에는 휴대용 전자 장치가 개시되어어 있는데, 이 장치는 하우징, 하우징 내부에 배치되고 적어도 하나의 피분석물의 특성을 측정하도록 되어 있는 화학 센서, 화학 센서를 분석될 가스에 노출시키기 위해 하우징의 개구에서 끝나는 덕트, 및 덕트 내부에서 유동을 발생시키는 액츄에이터를 갖는다.
본 발명의 목적은, 당해 물리적 양의 주변 값을 결정함에 있어 개선된 특성을 가지며 액츄에이터를 구비하는 센서 유닛을 제공하는 것이다.
물리적 양의 주변 값을 결정함에 있어서의 정확도와 신뢰성을 개선하는 과제는 청구항 1에 따른 센서 유닛 및 청구항 14에 따른 방법으로 해결된다. 센서 유닛은 예컨대, IoT 장치, 휴대 전화기, 웨어러블 또는 다른 센서 장치일 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 센서 유닛은 주변 가스의 변량을 감지하기 위한 센서, 및 주변 가스를 센서에 공급하기 위한 액츄에이터를 포함한다. 주변 가스의 공급은 주변 가스를 센서에 직접 공급하는 것을 포함하지만, 센서 근처의 주변 가스를 예컨대 확산과 같은 다른 과정의 도움으로 향상시키는 것도 포함한다. 주변 가스는 가스, 에어로졸 또는 분산물 중의 하나를 포함할 수 있고, 특히, 센서 유닛을 둘러싸는 주변 공기 또는 다른 주변 가스를 말하는 것일 수 있다. 센서에 의해 감지되고 측정될 물리적 양을 나타내는 변량의 예는 주변 가스의 습도, 온도, 가스 농도 또는 미립자 농도 중의 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 따라서, 센서는 또한 에어로졸과 같은 가스에 포함되어 있는 고형물 또는 액체를 검출하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 변량은 주변 공기 내의 미립자일 수 있고, 변량의 값은 그 미립자의 크기의 농도일 수 있다. 액츄에이터는 직접 또는 간접적인 액츄에이터일 수 있고, 예컨대, 팬, 펌프 또는 확성기 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 액츄에이터는 전기적으로 제어 가능하다. 본 발명은 또한 다른 목적을 위한 액츄에이터를 포함하는 장치, 예컨대, 팬을 갖는 공기 정화기에도 적용될 수 있다. 추가의 액츄에이터 장치는 US 2014/0134053 A1에 기재되어 있고, 이는 여기에 참조로 포함된다.
또한, 센서 유닛은 센서에 의해 제공되는 측정 결과에 기여하는 하나 이상의 부품을 포함하고, 그래서, 센서에 의해 제공되는 신호의 일부분은 주변이 아닌 이들 하나 이상의 부품으로부터 생기게 된다. 배경 기술 부분에서 논의한 바와 같이, 그러한 하나 이상의 부품은 예컨대 열 유동, 하나 이상의 부품의 재료의 가스 방출 또는 가스 흡수를 통해 센서의 측정을 방해할 수 있다. 이러한 이유로, 센서는 그러한 하나 이상의 부품의 방해를 받는 측정 결과를 제공하는 것으로 가정하는데, 즉 센서는 감지될 변량의 방해 받은 값을 제공하고, 주변의 변량의 방해 받지 않은 값은 알려지는 것이 바람직하고, 이 방해받지 않은 값을 이하에서 주변 값이라고 한다. 또한, 센서는 하나 이상의 부품의 기여가 없는 변량의 주변 값을 결정하기 위한 추정기를 포함한다. 주변 값은, 액츄에이터의 제1 활성화 상태에 반응하여 센서에 의해 제공되는 제1 측정 결과 및 액츄에이터의 제2 활성화 상태에 반응하여 센서에 의해 제공되는 제2 측정 결과에 의존하고, 제2 활성화 상태는 제1 활성화 상태와 다르다. 본 발명의 이점은, 본 발명은 변량의 주변 값의 개선된 결정, 즉 변량의 더 정확하고 더 신뢰적인 주변 값을 얻을 수 있게 한다는 것이다.
한 실시 형태에서, 제1 활성화 상태는 액츄에이터의 오프 상태이고, 제2 활성화 상태는 액츄에이터의 온 상태일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제1 활성화 상태는 액츄에이터의 저 전력 상태이고, 제2 활성화 상태는, 저 전력 상태에서 액츄에이터에 의해 소비되는 전력을 초과하는 액츄에이터의 고 전력 상태일 수 있다. 그래서, 제1 활성화 상태와 제2 활성화 상태는, 센서 쪽으로 그리고/또는 그로부터 멀어지는 방향으로 일어나거나 도움을 받는 주변 가스의 유동에 있어 바람직하게 상이하다. 이렇게 해서, 바람직하게는 액츄에이터의 제1 활성화 상태와 제2 활성화 상태 하에서 센서에 의해 감지되는 변량의 값이 다르다. 주변 가스 내의 변량의 주변 값 및 하나 이상의 부품의 기여가 제1 및 제2 측정 결과에 대해 같다는 조건 하에서, 변량의 주변 값이 구해질 수 있다.
게다가, 센서 유닛은 주변으로부터 들어오는 입구 및 주변으로 나가는 출구를 갖는 채널을 바람직하게 포함할 수 있고, 센서는 센서를 지나가는 주변 가스의 변량을 감지하기 위해 채널 안에 또는 채널에 배치된다. 액츄에이터는 주변 가스를 입구로부터 채널을 통해 출구에 공급하여 센서를 지나가게 하도록 유리하게 배치된다. 액츄에이터와 채널의 전형적인 배치에 대해서는, US 2014/0134053 A1의 설명을 다시 참조하면 되고, 이는 여기에 참조로 포함된다.
한 실시 형태에서, 추정기는 제1 및 제 2 측정 결과를 받기 위해 액츄에이터의 활성화 상태를 피동적으로 모니터링하고 또한 다른 실시 형태에서는 센서 유닛의 제어 유닛이 제1 및 제2 측정을 수행하기 위해 액츄에이터를 능동적으로 제어한다는 점에서 서로 다른 센서 유닛의 2개의 바람직한 실시 형태가 제안된다. 제1 실시 형태에서, 추정기는 액츄에이터의 활성화 상태를 모니터링하고 또한 대응하는 제2 활성화 상태가 대응하는 제1 활성화 상태로부터 최소 여유, 바람직하게는 최소 전력 여유 만큼 벗어나면 상기 제1 및 제 2 측정 결과로서 상기 센서에 의해 제공되는 2개의 측정 결과를 받도록 되어 있다. 특히, 추정기는, 추가적으로 대응하는 제1 측정과 대응하는 제2 측정 사이의 시간 간격이 임계값 보다 작은 경우에만 제1 및 제 2 측정 결과로서 상기 2개의 측정 결과를 받도록 되어 있다. 이와 관련하여 측정 결과를 받는 것은, 주변 값을 결정할 때 대응하는 측정 결과를 적용하는 것을 포함한다. 제2 실시 형태에서, 제어 유닛은 제1 및 제2 측정을 각각 수행하기 위해 액츄에이터를 제1 활성화 상태와 제2 활성화 상태로 전환시키도록 되어 있다. 특히, 제어 유닛은 정해진 시간 간격 내에서 또는 정해진 시점에서 액츄에이터를 제1 및 제2 활성화 상태로 전환시키도록 되어 있다.
시간 간격에 대한 조건은, 변량의 일정한 주변 값 및 측정 결과에 대한 하나 이상의 부품의 일정한 기여의 가정이 만족되는 것을 보장하도록 되어 있다. 이 가정은 또한 주변 값 및 하나 이상의 부품의 기여의 변화가 시간 간격 내에서 또는 정해진 시점 사이에서 정해진 범위 내에 유지되는 것으로 예상되면 만족된다고 생각될 수 있다.
추정기는 바람직하게는, 상기 액츄에이터의 제1 및 제2 활성화 상태 각각에 대해, 센서로부터 주변으로 가는 변량에 의해 나타내지는 물리적 양의 플럭스와 같은 하나 이상의 부품으로부터 센서로 가는 변량에 의해 나타내지는 물리적 양의 플럭스에 근거하여 하나 이상의 부품의 기여가 없는 변량의 주변 값을 결정하도록 구성된다. 특히, 추정기는, 연속 방정식(식 1)으로부터 도출되는 식을 풀어 하나 이상의 부품의 기여가 없는 변량의 주변 값을 결정하도록 구성되어 있고,
Figure pat00001
여기서, c는 관심 대상의 변량 또는 양, 예컨대, 질량 전달에 대해 종(species) 농도이거나 또는 열전달에 대해서는 열이며, j는 총 플럭스이고 R은 c에 대한 정미(net) 용적원(volumetric source)이다. 제1 및 제2 측정을 위해, 정상 상태를 가정할 수 있고, 즉
Figure pat00002
이고, 또한 고려 중인 용적, 즉 센서 주위의 작은 용적에 소스(source) 또는 싱크(sink)가 없다고 가정한다. 그래서, 연속 방정식은 식 2로 간단하게 된다:
Figure pat00003
간단하게 된 연속 방정식의 해는, 용적에 출입하는 총 플럭스(j)(확산 플럭스(jdiff)와 이송 플럭스(jadv)(대류 플럭스라고도 함)의 합)는 영(zero)이라는 것이다(식 3):
Figure pat00004
여기서, D는 확산율(확산 상수라고도 함), 예컨대, 질량 전달에 대해 질량 확산율이거나 또는 열전달에 대해서는 열 확산율이며, v는 양(c)이 움직이는 속도 장(field)이다. 센서에 의해 감지되는 변량, 예컨대, 온도(T), 또는 습도(cH20), 가스 농도(cgas) 또는 미립자 농도(cPM)와 같은 농도(c)에 따라, 총 플럭스에 대한 위의 식은 더 간단한 식으로 된다. 그리고, 센서의 제1 및 제2 측정 결과가 알려져 있고 또한 속도(v)와 확산율(D)에 의존하는 전달 및 확산 특성이 보정되었으면, 이 더 간단한 식을 사용하여, 주변에서의 변량의 주변 값을 얻을 수 있다.
센서 유닛의 일 실시 형태에서, 변량은 주변 공기의 온도이고, 센서는 온도 센서이며, 하나 이상의 부품은 전력 공급을 받으면 열을 방출하는 전자 부품을 포함한다. 그 경우, 열을 방출하는 부품으로부터 온도 센서로의 열 플럭스(주로 전도적인 열 플럭스임) 및 온도 센서로부터 주변으로의 열 플럭스(액츄에이터의 활성화 상태에 따라 주로 확산적이거나(예컨대, 액츄에이터 오프 상태) 또는 대류적임(예컨대, 액츄에이터 온 상태))에 대해, 위의 식 3은 식 4로 나타내질 수 있다.
Figure pat00005
열을 방출하는 적어도 하나의 부품의 온도(Theat), 온도 센서의 온도(TSHT), 주변의 온도(Tamb), 온도 센서로부터 주변으로의 열전달의 파라미터(αfan) 및 열을 방출하는 부품으로부터 온도 센서로의 열전달의 파라미터(β)로, 식 4는 식 5로 다시 나타내질 수 있다:
Figure pat00006
파라미터(β)는, 열을 방출하는 부품과 온도 센서 사이의 재료의 열전도율 또는 확산율에 의존하지만 액츄에이터에 의해 일어나는 대류 유동에는 독립적인 유효 파라미터이다. 파라미터(αfan)도 유효 파라미터이다. 액츄에이터, 예컨대, 팬이 오프 상태로 전환되면, αfan은 주로 온도 센서와 주변, 예컨대, 센서 유닛의 채널 및/또는 케이싱 안에 있는 공기 사이의 재료의 열 확산율에 주로 달려 있다. 액츄에이터가 온 상태로 전환되면, αfan은, 액츄에이터에 의해 온도 센서로 가는 또한 그로부터 멀어지는 주변 가스의 유동의 파라미터, 즉 식 3의 속도(v)에 주로 달려 있다. 그래서, αfan는 특히 액츄에이터의 온 또는 오프 상태 또는 저 전력 모드 또는 고 전력 모드 각각에 대해 상이한 값(αfan1, αfan2)을 갖는다.
적어도 2개의 측정이 액츄에이터의 제1 및 제2 활성화 상태 하에서 수행되고 또한 유효 파라미터(αfan1, αfan2, β)가 예컨대 보정 측정으로 알려져 있다면, 식 5을 식의 시스템으로서 풀어 주변 온도(Tamb)의 주변 값을 구할 수 있다. 액츄에이터의 상이한 활성화 상태에서 2개 이상의 측정을 수행하여, 식의 시스템에서 최적화 문제를 해결할 수 있고, 그 결과, 주변 온도의 훨씬 더 신뢰적인 주변 값을 얻을 수 있다.
센서 유닛의 다른 실시 형태에서, 변량은 주변 공기의 습도이고, 센서는 습도 센서이며, 하나 이상의 부품은 습기를 방출하거나 흡수하는 부품을 포함한다. 하나 이상의 부품은 특히 센서 유닛의 하우징의 부품을 포함한다.
센서 유닛의 또 다른 실시 형태에서, 변량은 주변 공기 내의 가스 농도이고, 센서는 감지될 가스에 민감한 가스 센서이며, 하나 이상의 부품은 센서가 민감해 하는 가스를 방출하거나 흡수하는 부품을 포함한다. 이들 하나 이상의 부품은 특히 센서 유닛의 하우징의 부품을 포함하고, 특히 가스 농도는 휘발성 유기 화합물의 농도이며, 가스 센서는 휘발성 유기 화합물에 민감하다. 유사한 센서는 미립자의 농도를 감지하는 센서를 포함할 수 있고, 위에서 설명한 도출이 또한 그에도 적용된다.
센서가 일반적으로 습도, 가스 농도, 또는 임의의 종의 농도(c)를 감지하는 실시 형태에서, 채널 자체 내부에 있는 주변 가스에서의 확산 과정에 따라, 액츄에이터가 오프 상태로 전화되면, 센서로의 또한 그 센서로부터의 전달 과정은 주로 확산적일 수 있다. 액츄에이터가 온 상태로 전환되면, 종의 전달은 주로 대류에 의해 일어난다. 마찬가지로, 식 3은 센서 주위의 작은 용적에서 유효하다(식 6):
Figure pat00007
열전달에 대한 식 5와 유사하게, 식 6은 유효 파라미터(αfan1, αfan2, β)의 항으로 다시 나타내 질 수 있다(식 7):
Figure pat00008
여기서, cSHT는 센서에 있는 종의 농도이고, camb는 주변에 있는 종의 농도이며, cmat는 센서 유닛의 부품으로부터 생긴 종의 농도이다. 농도(cmat)는 습도 측정의 경우에 흡수 과정으로 인한 것일 수 있고 또는 가스 농도 측정, 예컨대 VOC의 경우에는 가스 방출로 인한 것일 수 있다.
식 5에 대해 전술한 바와 같이, 식 7을 사용하여 액츄에이터의 상이한 활성화 상태 하에서 적어도 2개의 측정을 위한 식의 시스템을 구성할 수 있다. 유효 파라미터(αfan1, αfan2, β)는 보정 측정으로 알려져 있다고 가정할 수 있고 또는 충분한 측정이 행해진다면 식의 시스템으로부터 얻어질 수 있다.
다른 실시 형태에서, 본 발명의 기본 원리를 이용하여, 센서, 예컨대, 온도 센서의 자기 보정(self-calibration)을 수행할 수 있다. 센서 유닛의 시동 단계 동안에, TSHT = Tamb 인 것으로 가정하고, 그래서 시스템 파라미터, 즉 α 및 β와 같은 관련된 열전달 파라미터가 보정될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 센서 유닛의 추정기를 사용하여, 부품으로부터 생기는 방해 기여 및 다른 센서로부터 생기는 방해 기여, 예컨대, 가스 센서의 온도 의존성 사이의 교차 감도를 제거한다.
센서 유닛의 또 다른 실시 형태는 특히 채널 내의 상이한 위치에서 2개의 온도 센서를 포함한다. 유동이 다소의 열을 이송시키기 때문에, 두 온도 센서는 상이한 방식으로 부품의 방해적인 기여에 영향을 받을 수 있다. 그리고 이를 사용하여, 주변에서의 온도의 주변 값(Tamb)의 측정을 더 정확하고 더 신뢰성 있게 할 수 있다.
센서 유닛의 상이한 실시 형태 및 용례에 대한 추가 상세 내용은 도면에 대한 상세한 설명에 주어져 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 센서 유닛의 주변에 있는 가스의 변량의 주변 값)을 결정하기 위한 방법이 개시되며, 센서 유닛은, 변량을 감지하기 위한 센서, 주변 가스를 센서에 공급하기 위한 액츄에이터, 및 센서에 의해 제공되는 측정 결과에 기여하는 하나 이상의 부품을 포함한다. 본 방법은 액츄에이터의 제1 활성화 상태에 반응하여 제1 측정 결과를 받는 단계, 액츄에이터의 제2 활성화 상태에 반응하여 제2 측정 결과를 받는 단계, 및 제1 측정 결과와 제2 측정 결과에 따라 하나 이상의 부품의 기여가 없는 변량의 주변 값을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 컴퓨터 프로그램 요소는, 추정기의 처리 유닛에서 실행될 때 전술한 바와 같은 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함한다.
본 발명의 한 양태와 관련하여 설명되는 실시 형태는 하나 이상의 다른 양태와 관련해서도 개시되는 것으로 생각됨을 유의해야 한다. 다른 유리한 실시 형태는 종속 청구항 및 아래의 설명에 나와 있다.
위에서 규정된 실시 형태 및 본 발명의 추가 양태, 특징 및 이점은 또한 이하에서 설명될 실시 형태의 예로부터 알 수 있고 도면을 참조하여 설명된다. 도면에서,
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 유닛의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 온도의 주변 값을 구하기 위한 열전달 과정의 개략도이며,
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 상이한 가열 상태 및 액츄에이터의 상이한 활성화 상태에 달려 있는 피감지 온도의 다이어그램이고,
도 4는 본 발명의 일 양태에 따라 주변에서의 습도의 주변 값을 구하기 위한 수증기 전달 과정의 개략도이며, 그리고
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라 주변에서의 VOC 농도의 주변 값을 구하기 위한 휘발성 유기 화합물(VOC)의 전달 과정의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 유닛의 개략도를 나타낸다. 센서 유닛은 예컨대 IoT(internet of things) 장치, 휴대 전화기, 공기 정화기, 미립자 모듈 또는 다른 센서 장치일 수 있다. 센서 유닛은 하우징(1), 및 센서 유닛의 주변(6), 즉 센서 유닛 외부의 주변 가스에 연결되는 채널(2)을 포함한다. 적어도 하나의 센서(3)가 주변 가스의 변량을 측정한다. 센서(3)는 온도 센서(3a), 습도 센서(3b), 및 가스 센서(3c) 중의 하나 이상을 포함할 수 있고, 가스 센서는 예컨대 VOC의 농도를 감지한다. 센서 유닛은, 활성화되면 채널(2)을 통과하는 주변 가스의 유동(5)을 일으키는 액츄에이터(4), 예컨대, 팬(fan) 또는 압전 크리스탈을 더 포함한다. 액츄에이터(4)는 바람직하게 제어 가능한데, 예컨대, 전기적으로 제어 가능하다. 액츄에이터는 단지 2개의 활성화 상태, 즉 온 상태와 오프 상태를 가질 수 있고, 또는 적어도 온 상태, 예컨대, 저 전력 모드와 고 전력 모드로 제어 가능하다. 액츄에이터의 상이한 활성화 상태는 활성화 상태가 채널(2)에서 야기하는 주변 가스의 유동(5)에서 상이한데, 특히, 유동 속도(v)에서 상이하다. 상이한 활성화 상태는 또한 액츄에이터(4)에 의해 소비되는 전력의 양으로 특성화될 수 있고, 그 양은 바람직하게 측정되거나 제어될 수 있다.
또한, 센서 유닛은, 모두 이용 가능하다면, 센서(3a - 3c)의 측정을 방해하는 하나 이상의 부품을 포함한다. 이 부품은 센서(3a)에 전달되는 열을 방출하는 부품(7a)을 포함할 수 있고, 센서(3a)에 의한 변량의 측정값이 주변(6)에서의 그 변량의 주변 값과 다르게 할 수 있다. 그러한 부품(7a)은 전형적으로 마이크로제어기, RF 모듈, 전력 변환기, 디스플레이 또는 전력 공급부 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 부품(7a)으로부터 센서(3a)로의 열 전달은 열전도(8a), 복사 또는 가스에 의한 대류를 통해 이루어질 수 있고, 이 중의 열전도(8a)가 지배적인 과정인 것으로 생각된다. 습도 센서(3b)에 대해서는, 흡수 과정(8b)이 특히 유해하다. 센서 유닛의 재료(7b)(이 재료(7b)는 부품을 나타낼 수 있음)에는 물 또는 수증기가 흡수될 수 있으며, 그리고 그 센서 유닛의 재료는 물 또는 수증기를 방출할 수 있는데, 이는 센서(3b)에 도달하여 주변 습도의 틀린 측정 결과를 야기할 수 있다. 가스 센서(3c)에 대해서는, 센서 유닛의 부품 또는 재료(7c)의 가스 방출(8c)은 주변(6)에서의 진정한 가스 농도의 측정치를 부당하게 변화시킨다. 가스 방출은 부품 또는 재료로부터 가스 종(gas species)이 방출되는 것으로 이해된다.
센서 유닛은 또한 주변(6)에서 피감지 변량의 주변 값을 결정하는 추정기(9)를 포함한다. "주변 값"은, 센서 측정을 방해하는 부품(7a, 7b, 7c)의 기여가 없는 것을 의미한다. 이들 기여를 상쇄시키기 위해, 추정기(9)는 액츄에이터(4)의 상이한 활성화 상태에서 하나 이상의 센서(3a ∼ 3c)에 의해 제공되는 측정 결과, 특히 액츄에이터(4)의 제1 활성화 상태에 반응하여 센서(3)에 의해 제공되는 제1 측정 결과, 및 제1 활성화 상태와 다른 액츄에이터(4)의 제2 활성화 상태에 반응하여 센서(3)에 의해 제공되는 제2 측정 결과를 사용한다. 이리하여, 하나 이상의 부품(7a ∼ 7c)의 미지의 기여를 제거할 수 있다. 바람직하게는, 추정기(9)는 피측정 변량 및 상이한 활성화 상태에 대한 관련된 전달 파라미터의 값을 갖는 메모리를 포함한다. 전달 파라미터는 특히 보정 측정으로 알려진다.
액츄에이터(4)의 상이한 활성화 상태에서 센서(3a ∼ 3c)의 측정 결과를 얻기 위해, 추정기(9)는, 예컨대, 액츄에이터가 조정되는 전력 레벨로부터 측정되거나 취해질 수 있는 전력 수용량을 통해 액츄에이터(9)를 피동적으로 모니터링할 수 있 또한 특정한 활성화 상태에 대해서만, 즉 전력 수용량이 특정한 기준을 만족하는 경우에만 측정값을 받을 수 있다. 또는, 추정기(9)는 액츄에이터(4)를 능동적으로 제어할 수 있고, 측정 결과를 얻기 위해 액츄에이터를 미리 정해진 활성화 상태로 전환시킨다.
하나 이상의 센서(3a ∼ 3c)의 측정에 대한 부품(7a ∼ 7c) 중 하나 이상의 원치 않는 기여를 제거하기 위해, 액츄에이터(4)의 상이한 활성화 상태에서의 적어도 2개의 측정이 필요하다.
이하, 주변 온도의 측정(예 1), 주변 상대 습도의 측정(예 2), 주변 총 VOC 농도의 측정(예 3) 및 가스 센서의 감도(sensitivity)의 결정(예 4)을 위한 특정한 용례와 지배 방정식이 주어진다.
예 1: 주변 온도의 측정
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 주변 온도의 주변 값을 구하기 위한 열전달 과정의 개략도를 나타낸다. 주변(6)에서의 온도(Tamb)의 주변 값을 결정하는 것이 바람직하다. 그러나, 온도 센서(3a)는 값(TSHT)을 측정하고, 이 값은 Tamb 및 열을 방출하는 부품(7a)의 온도(Theat)에도 달려 있다. Theat는 알려져 있지 않지만 부품(7a)의 Theat 및 기여는 액츄에이터(4)의 변하는 활성화 상태(팬 상태라고도 함) 하에서 동일하게 유지된다고 가정한다. 또한 주변(6)에서의 온도(Tamb)는 상이한 팬 상태에서의 측정 동안에 일정하게 유지된다고 가정한다. 부품(7a)의 기여는 도 2에서 열 플럭스(flux)(8a)를 통해 나타나 있고, 그 열 플럭스는 대부분의 상황에 대해 주로 전도적인 것으로 가정할 수 있다. 부품(7a)(열원)으로부터 온도 센서(3a)로 가는 열 플럭스(8a)(
Figure pat00009
)에 의해, 피측정 온도(TSHT)는 Tamb 보다 높게 된다. 그래서, 열 플럭스(8a)는 온도 센서(3a) 주위의 작은 용적에 들어 있는 열의 양 및 그래서 온도(TSHT)에 긍정적으로 기여한다. 다른 한편, 열은 주로 대류 과정에 의해, 즉 주변 가스의 유동(5)에 의해 용적 밖으로 전달되고, 그리하여 온도(TSHT)가 낮아지게 된다. 이러한 기여는 부정적인 것이고 유동(5), 특히 그 유동의 속도(v)에 달려 있고, 이 속도는 액츄에이터(4)의 활성화 상태에 달려 있다: 액츄에이터(4)의 상이한 활성화 상태에 대해
Figure pat00010
이다.
예 1(도 2)의 상황은 다음과 같은 열 방정식으로 설명될 수 있다(식 8):
Figure pat00011
여기서 a0는 차원성의 이유로 상수이고, αfan 및 β는
Figure pat00012
및
Figure pat00013
에 대한 열전달 특성을 나타내는 상수 파라미터이다. 온 및 오프 팬 상태[1, 2]를 갖는 정상 상태에서 다음과 같은 식 9가 얻어지고,
Figure pat00014
또는, 2개의 팬 상태[1, 2](즉, 온 및 오프 상태)와 미리 특성화된 상수 파라미터(αfan1, αfan2, β)를 갖는 식의 시스템으로서 다음과 같은 식 10이 얻어진다:
Figure pat00015
Figure pat00016
팬이 온 및 오프 상태로 전환되어 있을 때 Tamb는 일정하게 유지되므로, 미지의
Figure pat00017
및 Tamb를 갖는 2개의 식이 얻어진다. 이 식 시스템을
Figure pat00018
에 대해 풀어 주변 온도(Tamb)를 얻을 수 있다(식 11)
Figure pat00019
또는 (식 12)
Figure pat00020
주어진 조건 하에서, 주변(6)에서의 온도(Tamb)는 상이한 팬 상태에서 온도 센서(3a)의 2개의 측정 결과로부터 결정될 수 있다(식 13):
Figure pat00021
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 상이한 가열 상태 및 액츄에이터, 즉 팬의 상이한 활성화 상태(온, 오프)에 의존하는 피감지 온도(TSHT)의 다이어그램을 나타낸다. 시계열의 피감지 온도(TSHT)는 통상적인 내부 가열 및 이어지는 더 많은 내부 가열에 대해 나타나 있고, 모든 측정은 일정한 주변 온도(Tamb)에서 행해진다. 처음에, 팬은 오프 상태이고, 피감지 온도(TSHT)는 일정한 값(TSHT1) 주위에서 변한다. 그런 다음, 팬은 온 상태로 전환되고, 그래서, 부품(7a)의 동등한 기여에서 온도 센서(3a)로터의 열전달이 향상되어 더 낮은 정상 상태(TSHT2)로 된다. 더 낮은 값(TSHT2)은 천이 기간 후에 도달되며, TSHT1 보다 온도차(△T) 만큼 낮다: TSHT2 = TSHT1 - △T_α. 팬이 다시 오프 상태로 전환되면, 피감지 온도(TSHT)는 다시 TSHT1로 올라가게 된다. 다이어그램의 제2 부분에는, 더 많은 내부 가열, 즉 부품(7a)의 더 큰 온도(Theat)가 있다. 더 많은 내부 가열로 인해, 여전히 일정한 Tamb에서 피감지 온도(TSHT)는 TSHT3의 값으로 증가하게 된다. 팬이 온 상태로 전환되면, TSHT는 TSHT4 = TSHT3 - △T_β로 떨어진다. 팬이 다시 오프 상태로 전환 되면, TSHT는 TSHT3 로 된다. △T는, 시간이 지나면서 변할 수 있는 내부 가열의 양에 따라, △T_α 및 △T_β로 본 예에 나타나 있는 바와 같이 변할 수 있다.
시계열의 피감지 온도(TSHT)로, 도 3은 액츄에이터(4)의 상이한 활성화 상태, 즉 상이한 팬 상태의 영향을 도시한다. 통상적인 내부 가열 및 더 많은 내부 가열에서, 팬이 온 상태로 전환되면, 피감지 온도(TSHT)는 △T 만큼 떨어진다. 일반적으로, 팬이 온 상태로 전환되면 TSHT는 Tamb 쪽으로 이동하게 되는데, 왜냐하면, 열교환이 대류 열전달, 즉 주변 가스의 유동에 의해 향상되기 때문이다. 미리 보정된 팬 상태에서, 온도차(△T)의 값을 사용하여, 전술한 바와 같은 주변 온도(Tamb)의 정확하고 신뢰적인 값을 추정할 수 있다.
예 2: 주변 상대 습도의 측정
도 4는 본 발명의 일 양태에 따라 주변에서의 습도의 주변 값을 구하기 위한 수증기 전달 과정의 개략도를 나타낸다. 센서 유닛의 재료 또는 부품(7b)에는 물 및/또는 수증기가 흡수되며 그리고/또는 그 재료 또는 부품은 물 및/또는 수증기를 방출한다. 그리하여, 채널(2) 및 습도 센서(3b)에서 수증기의 농도(cH2O), 즉 상대 습도에 대한 기여(cH2O,mat)가 있게 된다. 센서(3b)로 측정되는 습도 값(cH2O,SHT)은 주변(6)에서의 상대 습도(cH2O,amb) 및 흡수된/가스 방출된 습도(cH2O,mat)에 달려 있다. 다시, 플럭스, 이 경우, 흡수된/가스 방출된 수증기의 플럭스(jsoak) 및 플럭스(jamb)의 고려로 시작하면, 확산 방정식에 의해 다음과 같은 식(식 14)이 얻어진다:
Figure pat00022
여기서, b0는 차원 상수이고, α 및 β는 수증기 전달, 즉 습도 전달을 나타내는 상수 파라미터이며, 사전에 보정될 수 있다. 온 및 오프 팬 상태[1, 2]에서 식 14의 정상 상태 해로 다음과 같은 식 15가 얻어진다:
Figure pat00023
2개의 팬 상태[1, 2], 예컨대, 온 및 오프 상태에 의해, 미지의 두 파라미터(cH2O,mat, cH2O,amb)를 갖는 2개의 식(식 16)이 얻어진다:
Figure pat00024
Figure pat00025
이는 다시, 주변 값(cH2O,amb)은 피측정 습도 값(cH2O,SHT) 및 미리 보정된 파라미터(αfan1 ,αfan2, β)의 함수로 결정될 수 있음을 의미한다(식 17):
Figure pat00026
α 뿐만 아니라 β(습도 센서(3b) 쪽으로 가는 습도 플럭스(isoak)에 대해 특징적임)도 팬 상태에 의존할 수 있다. 이것이 특히 그러한 경우일 수 있는데, 왜냐하면, 팬이 온 상태로 전환될 때 수증기 또는 습도의 전달은 적어도 부분적으로 대류, 즉 유동에 영향을 받는다고 가정할 수 있기 때문이다. 그 경우, 2개의 상이한 값(β1, β2)이 위의 식 16에 각각 삽입되어야 한다. 그러나, 두 파라미터(β1, β2)는 미리 보정된 것으로 가정하기 때문에, 일반적인 원리와 해는 변하지 않는다. 설명되는 방법으로, 흡수/가스 방출 부품(7b)의 기여(cH2O,mat) 및 주변 습도(cH2O,amb)는 측정 동안에 일정하게 유지된다는 가정 하에서, 주변(6)에서의 주변 값(cH2O,amb)은 상이한 팬 상태에서 습도의 적어도 2개의 측정 결과(cH2O,SHT)로부터 결정될 수 있다.
예 3: 주변 총 휘발성 유기 화합물(tVOC) 농도의 측정
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라 주변(6)에서의 tVOC 농도의 주변 값을 구하기 위한 휘발성 유기 화합물(VOC)의 전달 과정의 개략도를 나타낸다. 피감지 농도(ctVOC,SGP)는, 주변(6)에서의 tVOC 농도의 주변 값(ctVOC,amb) 및 VOC를 방출하는 센서 유닛의 재료 또는 부품(7c)의 기여(ctVOC,outgas)에 달려 있다. VOC 센서(3a)로부터 오고 또한 그쪽으로 가는 VOC 종의 관련 플럭스는 다시 jamb 및 joutgas 로 각각 표시되어 있다. 전달 과정의 기본 원리는 예 2에서와 동일하며, 그래서 예 2의 모든 양태가 마찬가지로 적용된다.
따라서, VOC 종의 전달을 나타내는, 차원 상수(c0) 및 파라미터(α, β)를 갖는 확산 방정식은 다음과 같다(식 18):
Figure pat00027
식 18의 정상 상태 해는 식 19를 만족해야 한다.
Figure pat00028
2개의 팬 상태[1, 2], 예컨대, 온 및 오프 상태에 대해, 식 18에 의해, 미지의 두 파라미터를 갖는 2개의 식이 얻어진다(식 20):
Figure pat00029
Figure pat00030
식 시스템(식 20)을 풀어, 주변(6)에서의 tVOC 농도의 주변 값(ctVOC,amb)이 다음과 같은 측정 결과 및 파라미터의 함수로 결정될 수 있다(식 21):
Figure pat00031
예 1 ∼ 3의 적용과 유사하게, 본 발명의 센서 유닛과 방법은 다른 신호 및 센서, 특히, 다른 농도 측정, 예컨대, PM2.5와 같은 미립자 센서에 적용될 수 있다.
예 4: 가스 센서, 예컨대, 금속 산화물(MOX) 가스 센서의 감도(n)의 결정.
액츄에이터(4)의 상이한 작동 상태에서 센서(3)로 측정을 수행하는 본 발명의 원리를 또한 사용하여 MOX 센서의 감도(n)를 결정할 수 있다.
MOX 센서에서 전기 저항(R)과 국부적인 가스 농도(clocal)(예 3의 용어 해설에 따른 국부적인 가스 농도는 clocal = ctVOC,SGP) 사이의 관계는 다음과 같다(식 22):
Figure pat00032
여기서, n은 감도이고, a는 상수 파라미터이고, c는 주변에서의 가스 농도인데, 즉 예 3의 용어 해설에 따르면, c = ctVOC,amb 이고, cB는 장치의 하나 이상의 부품으로부터 생기는 가스의 농도, 즉 방해 농도인데, 즉 예 3의 용어 해설에 따르면, cB = ctVOC,outgas 이다. 감도(n)는 시간이 지나면서 변할 수 있기 때문에, 센서의 정확도와 신뢰성을 개선하기 위해서는 센서 작동 중에 감도(n)를 추정하는 것이 바람직하다.
주변 농도(c)가 충분히 작은 경우, 즉 영(c = 0)으로 가정할 수 있는 경우, 유효 농도(clocal)가 변하도록, 배경 농도(cB)는 액츄에이터(4)의 활성화 상태, 예컨대, 팬 속도에 의해 수정될 수 있다(식 23):
Figure pat00033
팬이 배경 농도를 인자(f)(미리 특성화되고 시간이 지나도 일정하게 유지됨) 만큼 낮추면, 식 24가 얻어진다:
Figure pat00034
가스 센서의 감도는 식 25로 결정될 수 있다:
Figure pat00035
추가 예: 본 발명의 기본 원리를 더 이용하여 온도 센서(3a)의 자기 보정(self-calibration)을 수행할 수 있다. 센서 유닛의 시동 단계 동안에, TSHT = Tamb 인 것으로 가정하고, 그래서 시스템 파라미터, 즉 α 및 β와 같은 관련된 열전달 파라미터가 보정될 수 있다.
추가 실시 형태에서, 도 1의 센서 유닛의 추정기(9)를 사용하여, 부품(7a ∼ 7c)으로부터 생기는 방해 기여(8a ∼ 8c) 및 다른 센서(3a ∼ 3c)로부터 생기는 방해 기여, 예컨대, tVOC 센서(3c)의 온도 의존성 사이의 교차 감도를 제거한다.
센서 유닛의 또 다른 실시 형태는 특히 채널(2) 내의 상이한 위치에서 2개의온도 센서(3a)를 포함한다. 유동(5)이 다소의 열을 이동시키기 때문에, 두 온도 센서(3a)는 상이한 방식으로 부품(7a)의 기여에 영향을 받을 수 있다. 그리고 이를 사용하여, 주변(6)에서의 온도의 주변 값(Tamb)의 측정을 더 정확하고 더 신뢰성 있게 할 수 있다.

Claims (20)

  1. 센서 유닛으로서,
    주변 가스의 변량을 감지하기 위한 센서(3),
    상기 주변 가스를 상기 센서(3)에 공급하기 위한 액츄에이터(4),
    상기 센서(3)에 의해 제공되는 측정 결과에 기여하는 하나 이상의 부품(7), 및
    상기 액츄에이터(4)의 제1 활성화 상태에 반응하여 상기 센서(3)에 의해 제공되는 제1 측정 결과 및 상기 제1 활성화 상태와는 다른 상기 액츄에이터(4)의 제2 활성화 상태에 반응하여 상기 센서(3)에 의해 제공되는 제2 측정 결과에 따라 상기 하나 이상의 부품(7)의 기여가 없는 상기 변량의 주변 값을 결정하기 위한 추정기(9)를 포함하는 센서 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추정기(9)는 상기 액츄에이터(3)의 활성화 상태를 모니터링하고 또한 대응하는 제2 활성화 상태가 대응하는 제1 활성화 상태로부터 최소 여유, 바람직하게는 최소 전력 여유 만큼 벗어나면 상기 제1 및 제 2 측정 결과로서 상기 센서(3)에 의해 제공되는 2개의 측정 결과를 받도록 되어 있는, 센서 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 추정기(9)는, 추가적으로 상기 대응하는 제1 측정과 상기 대응하는 제2 측정 사이의 시간 간격이 임계값 보다 작은 경우에만 상기 제1 및 제 2 측정 결과로서 상기 2개의 측정 결과를 받도록 되어 있는, 센서 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측정을 각각 수행하기 위해 상기 액츄에이터(4)를 상기 제1 활성화 상태와 제2 활성화 상태로 제어하도록 되어 있는 제어 유닛을 포함하는 센서 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 정해진 시간 간격 내에서 또는 정해진 시점에서 상기 액츄에이터(4)를 상기 제1 및 제2 활성화 상태로 제어하도록 되어 있는, 센서 유닛.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 시간 간격은, 상기 변량의 주변 값과 하나 이상의 부품(7)의 기여가 상기 시간 간격 내에서 변하지 않고 유지되는 것으로 예상되도록 또는 상기 시간 간격 내에서 정해진 범위 내에 유지되는 것으로 예상되도록 정해지는, 센서 유닛.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성화 상태는 상기 액츄에이터(4)의 오프 상태이고, 상기 제2 활성화 상태는 상기 액츄에이터(4)의 온 상태인, 센서 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성화 상태는 상기 액츄에이터(4)의 저 전력 상태이고, 상기 제2 활성화 상태는, 상기 저 전력 상태에서 액츄에이터(4)에 의해 소비되는 전력을 초과하는 액츄에이터(4)의 고 전력 상태인, 센서 유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 액츄에이터(4)는 적어도 상기 제1 및 제2 활성화 상태로 전기적으로 제어 가능한 액츄에이터이고,
    상기 액츄에이터는 팬(fan), 펌프 또는 확성기 중의 하나 이상을 포함하는, 센서 유닛.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 주변 가스는 가스, 에어로졸 또는 분산물 중의 하나를 포함하는, 센서 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주변 가스는 상기 센서 유닛을 둘러싸는 주변 공기인, 센서 유닛.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 주변(6)으로부터 들어오는 입구 및 주변으로 나가는 출구를 갖는 채널(2)을 포함하고,
    상기 센서(3)는 주변 가스의 변량을 감지하기 위해 상기 채널(2) 안에 또는 채널에 배치되며,
    상기 액츄에이터(4)는 상기 주변 가스를 상기 입구로부터 상기 채널(2)을 통해 상기 출구에 공급하여 센서(3)를 지나가게 하도록 배치되어 있는, 센서 유닛.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 변량은 상기 주변 공기의 온도(Tamb)이고,
    상기 센서(3)는 온도 센서이며,
    상기 하나 이상의 부품(7)은 전력 공급을 받으면 열을 방출하는 전자 부품을 포함하는, 센서 유닛.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 변량은 상기 주변 공기의 습도(cH2O,amb)이고,
    상기 센서(3)는 습도 센서이며,
    상기 하나 이상의 부품(7)은 습기를 방출하거나 흡수하는 부품을 포함하는, 센서 유닛.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 변량은 상기 주변 공기 내의 가스 농도(camb)이고,
    상기 센서(3)는 감지될 가스에 민감한 가스 센서이며,
    상기 하나 이상의 부품(7)은 상기 센서가 민감해 하는 가스를 방출하거나 흡수하는 부품을 포함하는, 센서 유닛.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 부품(7)은 상기 센서 유닛의 하우징(1)의 부품을 포함하는, 센서 유닛.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 가스 농도는 휘발성 유기 화합물의 농도(ctVOC,amb)이고, 상기 가스 센서는 상기 휘발성 유기 화합물에 민감하고,
    상기 가스 센서는 금속 산화물 가스 센서이고, 상기 추정기는 상기 제1 측정 결과 및 제2 측정 결과에 따라 상기 금속 산화물 가스 센서의 감도(sensitivity)를 결정하도록 구성되어 있는, 센서 유닛.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 추정기(9)는, 상기 액츄에이터(4)의 제1 및 제2 활성화 상태 각각에 대해, 상기 센서(3)로부터 상기 주변(6)으로 가는 변량의 플럭스(flux)와 동일한 상기 하나 이상의 부품(7)으로부터 센서(3)로 가는 변량의 플럭스에 근거하여 상기 하나 이상의 부품(7)의 기여(cmat)가 없는 변량의 주변 값(camb)을 결정하도록 구성되어 있고,
    상기 추정기(9)는, 아래의 식을 풀어 상기 하나 이상의 부품의 기여(cmat)가 없는 변량의 주변 값(camb)을 결정하도록 구성되어 있으며,
    Figure pat00036

    여기서, cSHT는 센서(3)에 의해 제공되는 측정 결과이고, α는 상기 센서(3)로부터 상기 주변(6)으로 가는 변량의 플럭스를 나타내는 파라미터이며, β는 하나 이상의 부품(7)으로부터 센서(3)로 가는 변량의 플럭스를 나타내는 파라미터인, 센서 유닛.
  19. 센서 유닛의 주변(6)에 있는 가스의 변량의 주변 값(camb)을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 센서 유닛은, 상기 변량을 감지하기 위한 센서(3), 주변 가스를 센서(3)에 공급하기 위한 액츄에이터(4), 및 상기 센서(3)에 의해 제공되는 측정 결과(cSHT)에 기여하는 하나 이상의 부품(7)을 포함하고,
    상기 액츄에이터(4)의 제1 활성화 상태에 반응하여 제1 측정 결과(cSHT1)를 받는 단계,
    상기 액츄에이터(4)의 제2 활성화 상태에 반응하여 제2 측정 결과(cSHT2)를 받는 단계, 및
    상기 제1 측정 결과(cSHT1)와 제2 측정 결과(cSHT2)에 따라 상기 하나 이상의 부품(7)의 기여(cmat)가 없는 변량의 주변 값(camb)을 결정하는 단계를 포함하는, 센서 유닛의 주변에 있는 가스의 변량의 주변 값을 결정하기 위한 방법.
  20. 추정기(9)의 처리 유닛에서 실행될 때 제19항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 요소.
KR1020190153261A 2018-11-27 2019-11-26 액츄에이터를 갖는 주변 센서 KR20200063999A (ko)

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