KR20220078500A - 열 센서 장치의 오류 검출 - Google Patents
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Abstract
열 센서 장치는, 유체의 열전달 거동에 기초하여 유체의 유체 파라미터를 결정하도록 구성된다. 센서 장치는 하나 또는 그 이상의 히터, 및 상기 히터에 공급되는 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 센서 오류를 검출하기 위해, 센서 장치는 2개의 작동 모드로 작동된다. 동일한 유체 파라미터의 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)은 2개의 모드에서 결정된다. 오류 인디케이터 값(F)은 제1 값과 제2 값을 비교함으로써 유도된다. 제1 작동 모드는 정상-상태 모드일 수 있고, 상기 제1 값(cstatic)은 히터에 공급되는 히터 전력에 대한 센서 장치의 정상-상태 응답에 기초하며, 제2 작동 모드는 동적 모드일 수 있고, 제2 값(cdynamic)은 과도 응답에 기초한다.
Description
본 발명은 유체의 열전달 거동에 기초하여, 열 센서 장치와 열 접촉하는 유체의 유체 파라미터를 결정하기 위한 열 센서 장치에 관한 것이며, 상기 열 센서 장치는 열 센서 장치의 오류를 검출하기 위한 방법을 실시하도록 구성된 프로세싱 회로를 포함한다. 또한, 본 발명은 대응하는 오류 검출 방법에 관한 것이다.
종래 기술로부터, 히터 및 하나 또는 그 이상의 온도 센서를 포함하는 열 센서 장치를 사용하여, 유체의 유속, 열전도율 및/또는 그 비열용량(specific heat capacity)과 같은, 유체의 하나 또는 그 이상의 유체 파라미터를 결정하는 것이 알려져 있다. 히터 및 온도 센서는 얇은 멤브레인 상에(예를 들어, US 7188519B2호 참조) 또는 기판의 개구 또는 리세스에 걸쳐 있는 별도의 브릿지 상에(예를 들어, EP 3367087A2호 참조) 배치될 수 있다. 센서 장치가 유체에 노출되고, 히터에 히터 전력이 제공되어, 히터 전력에 대한 온도 센서의 응답이 측정된다. 히터와 온도 센서 사이의 열전달은, 유체를 통한 열전달에 영향을 받는다. 이런 방식으로, 유체 파라미터가 결정될 수 있다. 히터 전력이 히터에 공급될 동안, 히터의 저항을 모니터링함으로써, 유체 파라미터를 결정하는 것도 알려져 있다(예를 들어, US 6,079,253호 참조). 이 경우에는, 히터 자체가 본질적으로 히터 온도에 대해 온도 센서로서 동작하며, 따라서 별도의 온도 센서에 대한 필요성을 제거한다.
열 센서 장치를 사용하여 유체 파라미터를 결정하기 위한 2가지 종류의 방법이 알려져 있다. 첫 번째 방법에서는, 히터가 일정한 전력 또는 전압으로 가열되거나, 또는 일정한 온도로 가열되고, 일단 정상 상태에 도달되었을 때, 센서 장치의 결과적인 응답이 결정된다. 그 후, 측정된 정상-상태 응답으로부터, 하나 또는 그 이상의 유체 파라미터가 결정된다. 예를 들어, US 7188519B2호에서는, 히터의 대향측에 배치된 2개의 온도 센서를 사용하여, 유체의 유량 및 열전도율이 "정상-상태 방법"에 의해 결정된다. 또 다른 예로서, EP 3367087A2호에서는, 다수의 상이한 측정 온도에서의 정상-상태 측정으로부터, 유체의 열전도율 및 비열용량이 제로 유동에서 결정된다.
두 번째 방법에서는, 시간에 따라 예를 들어 주기적으로 변동하는 가열력(heating power)으로 히터가 작동되고, 상기 가열력과 센서 장치의 응답 사이의 시간 지연(time lag) 또는 위상차(phase difference)가 결정된다. 측정된 시간 지연 또는 위상차는 유체의 열전달 특성에 따르며, 이를 기반으로 하여, 하나 또는 그 이상의 유체 파라미터가 결정된다. US 6079253A호 및 US 6019505A호에 예가 제공되어 있다.
2개의 상이한 유체 파라미터를 결정하기 위해, 정상-상태 측정값과 동적 측정값을 조합하는 것도 알려져 있다. 예를 들어, US 4944035A호는 유체의 열전도율과 비열용량 모두를 결정하기 위한 방법을 개시하고 있다. 온도 센서에서 과도 변화(transient change) 및 정상-상태 온도 변화 모두가 발생하는 레벨 및 지속시간으로, 전기 에너지의 펄스가 히터에 인가된다. 정상-상태 센서 온도에서의 센서 출력과 열전도율 사이의 알려진 관계에 기초하여, 유체의 열전도율이 결정된다. 열전도율, 센서의 과도 온도 변화 중 센서 출력의 변화율, 및 비열용량 사이의 알려진 관계에 기초하여, 유체의 비열용량이 결정된다.
전술한 타입의 열 센서 장치는 때로는 안전-관련 응용 분야에, 예를 들어 수소 가스와 같은 가연성 또는 폭발성 유체의 누설 검출을 위한 의료 시스템이나 장치에 사용된다. 이러한 응용 분야에서는, 과도한 센서 드리프트(sensor drift)를 포함하여 센서 오류가 안정적으로 검출되도록 하는 조치가 취해져야만 한다.
안전-관련 시스템은, 종종 IEC 61508과 같은 "안전 무결성 기준(Safety Integrity Level)(SIL)" 표준에 따라 인증되어야만 한다. 이러한 표준을 충족시키기 위해, 시스템 시동 시 뿐만 아니라 시스템 작동 중 일정한 간격으로, 시스템의 자체 테스트를 실시할 필요가 있다.
US 7644613B2호는 장치를 모니터링하고 그리고 오작동이 있는 경우 오류 신호를 생성하기 위해 자체-테스트 유닛이 설치된 열 흐름 센서를 개시하고 있다. 상기 자체-테스트 유닛은, 예를 들어 히터 및 온도 센서를 운반하는 멤브레인의 무결성을 모니터링할 수 있으며, 또는 장치의 다양한 작동 파라미터를 모니터링할 수 있다. 자체-테스트 장치가 심각한 오작동을 검출할 수도 있지만, 일부 감지하기 힘든 오류는 간과될 수도 있다.
US 20200200580A1호는 열 파라미터의 과도 거동(transient behavior)이 분석되는, 열 센서 장치의 오염을 검출하기 위한 방법을 개시하고 있다. 이런 분석에 기초하여, 오염 신호가 결정된다. 이런 방법이 오염을 검출하는 데 매우 유용하지만, 다른 종류의 오작동은 검출하지 못할 수 있다.
본 발명의 목적은, 유체의 열전달 거동에 기초하여, 유체의 적어도 하나의 유체 파라미터를 결정하기 위한 열 센서 장치를 제공하는 것이며, 상기 열 센서 장치는 결정된 유체 파라미터의 정확도를 손상시킬 수 있는 센서 오류를 신뢰성 있게 검출하도록 구성된다.
이런 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 추가의 실시예가 종속항에 기재되어 있다.
따라서 본 발명은 열 센서 장치와 열 접촉하는 유체(예를 들어, 액체 또는 가스)의 유체 파라미터를 결정하기 위한 열 센서 장치를 제공하며, 상기 유체 파라미터의 결정은 유체의 열전달 거동에 기초한다. 상기 열 센서 장치는 이하의 수단을 포함한다:
하나 또는 그 이상의 히터;
상기 하나 또는 그 이상의 히터에 공급된 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단; 및
상기 응답에 기초하여 유체 파라미터의 적어도 하나의 값을 결정하기 위해, 하나 또는 그 이상의 히터에 히터 전력을 공급하고, 그리고 상기 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 프로세싱하기 위한 프로세싱 회로.
본 발명에 따라, 프로세싱 회로는 열 센서 장치의 오류를 검출하기 위한 방법을 실시하도록 구성된다. 상기 방법은 이하의 단계를 포함한다:
a) 유체 파라미터의 제1 값을 결정하기 위해, 열 센서 장치를 제1 작동 모드로 작동시키는 단계;
b) 유체 파라미터의 제2 값을 결정하기 위해, 열 센서 장치를 제2 작동 모드로 작동시키는 단계; 및
c) 유체 파라미터의 제1 값과 제2 값의 비교에 기초하여, 오류 인디케이터 값을 유도하는 단계.
열 센서 장치를 2개의 상이한 작동 모드로 작동시킴으로써, 동일한 유체 파라미터의 2개의 독립적인 결정이 실시된다. 허용할 수 없는 드리프트 또는 오염물을 포함하는 센서 오류는, 일반적으로 유체 파라미터의 2개의 결과 값에 상이하게 영향을 끼칠 것이다. 상기 2개의 값을 비교함으로써, 센서 오류가 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 그리고 적절한 조치가 취해질 수 있다.
개략적으로 전술한 바와 같이, 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답은 히터와는 별개인 하나 또는 그 이상의 온도 센서로, 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터 자체의 저항을 측정함으로써 결정될 수 있으며, 이에 따라 히터는 그 자체 온도 센서로서 동작한다. 따라서 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단은, 히터와는 별개인 하나 또는 그 이상의 온도 센서, 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터의 저항을 측정하기 위한 회로를 포함할 수 있으며, 상기 저항은 히터 온도를 나타낸다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 작동 모드는 정상-상태 모드이며, 상기 정상-상태 모드는,
- 상기 하나 또는 그 이상의 히터 중 적어도 하나에 히터 전력을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력에 대한 센서 장치의(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 온도 센서의 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터의 저항의) 정상-상태 응답을 획득하는 단계; 및
- 측정된 정상-상태 응답에 기초하여, 유체 파라미터의 제1 값을 결정하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 제1 모드에서, 히터 전력은 하나 또는 그 이상의 온도 센서에서의 정상-상태 온도 또는 하나 또는 그 이상의 히터의 정상-상태 저항을 설정하기에 충분히 긴 시간 주기 동안, 일정한 전력이나 일정한 전압으로 공급될 수 있다. 히터 전력 또는 전압이 "일정(constant)"하다는 것은, 온도 센서의 응답 시간에 비해 짧은 타임 스케일(time scale)에서의 급격한 변화를 배제하지 않으며; 예를 들어, 일정한 히터 전력 또는 일정한 전압은, 펄스 폭 변조와 같은 확립된 기술에 의해 제공될 수 있으며, 이는 특정의 평균 전압 레벨을 이루기 위해 히터 전압을 2진 방식으로 온 및 오프(off)로 빠르게 절환하는 것을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 히터 전력은 히터 온도 또는 저항이 일정하도록 능동적으로 조절된다. 결과적인 정상-상태 온도가 측정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 또는 그 이상의 히터의 및/또는 하나 또는 그 이상의 온도 센서의 주어진 정상-상태 온도를 설정하는 데 필요한 전압 또는 전력 레벨이 측정될 수 있으며, 그리고/또는 하나 또는 그 이상의 히터의 주어진 저항을 설정하는 데 필요한 전압 또는 전력 레벨이 측정될 수 있다. 그 후, 유체 파라미터의 제1 값이 이들 측정값들 중 하나 또는 그 이상에 기초하여 결정될 수 있다. 특히, 이는 종래 기술로부터 알려진 임의의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
제2 작동 모드는 동적 모드일 수 있으며, 상기 동적 모드는,
- 하나 또는 그 이상의 히터 중 적어도 하나에 시변(time-variable) 히터 전력을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력에 대한 센서 장치의(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 온도 센서의 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터의 저항의)의 과도 응답, 특히 변하는 히터 전력과 과도 응답 사이의 시간 지연 또는 위상 변이를 측정하는 단계; 및
- 측정된 과도 응답에 기초하여, 유체 파라미터의 제2 값을 결정하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 제2 작동 모드에서, 히터 전력은 주기적으로 변할 수 있어서, 하나 또는 그 이상의 온도 센서에 의해 측정된 온도의 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터의 저항의 주기적 응답을 유발시킨다. 그 후, 히터 전력과 상기 측정된 온도 및/또는 저항 사이의 하나 또는 그 이상의 시간 지연 또는 위상 변이가, 결정될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 히터 전력은 일부 비주기적인 방식으로 시간에 따라 변하고, 그리고 이 변화에 대한 과도 응답이 측정된다. 예를 들어, 히터 전력이 갑자기 온 또는 오프로 절환된 후, 온도 및/또는 저항이 특정 임계값에 도달되었을 때까지의 상승 시간 또는 하강 시간이 측정될 수 있으며, 또는 짧고 강렬한 히터 펄스에 대한 과도 응답이 측정될 수 있다. 이들 응답으로부터, 유체 파라미터의 제2 값이 결정된다. 다시 말하지만, 이는 종래 기술로부터 알려진 임의의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
제1 작동 모드가 정상-상태 모드이고 그리고 제2 모드가 동적 모드인 경우라면, 특히 민감하고 신뢰할 수 있는 방식으로 센서 오류가 검출될 수 있다. 특히, 정상-상태 모드는 일반적으로 동적 모드보다 센서 구조의 열전도율의 변화를 유발시키는 센서 오류에 더욱 민감하다. 이와는 달리, 동적 모드는 일반적으로 정상-상태 모드보다 센서 구조의 비열용량의 변화를 유발시키는 센서 오류에 더욱 민감하다. 이에 따라, 동일한 유체 파라미터의 정상-상태 모드에 의한 그리고 동적 모드에 의한 결정을 비교함으로써, 센서 오류가 검출될 수 있다. 예를 들어, 히터 상의 오염은 센서 장치의 총 열용량을 약간만 증가시키는 반면에, 히터로부터의 열 분산을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 오염은 그 자체를 정상-상태 모드에 의해 결정된 제1 값의 상당한 변화로 나타날 수 있지만, 동적 모드에 의해 결정된 제2 값에는 훨씬 적은 영향을 끼칠 것이다. 또 다른 예로서, 프로세싱 회로는 기준 주파수에서 클록 신호를 공급하기 위한 발진기(oscillator)를 포함할 수 있으며, 프로세싱 회로는 기준 주파수에 대해 동적 모드에서 과도 응답을 측정하도록 구성될 수 있다. 그러면 발진기의 드리프트는 동적 모드에 의해 결정된 제2 값의 변경을 유발시키지만, 정상-상태 모드에 의해 결정된 제1 값에는 영향을 끼치지는 않을 것이다.
후자의 예에 있어서, 프로세싱 회로는 클록 신호를 외부 회로에 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 주어진 오류 인디케이터 값의 서로 다른 원인들 사이의 차이를 구별할 수 있게 한다. 예를 들어, 클록 신호의 주파수가 동일하게 유지될 동안 오류 인디케이터 값이 변하면, 발진기의 오류가 배제될 수 있다.
유체 파라미터는, 유체의 특성과 연관되어 있고 그리고 전술한 타입의 열 센서로 결정할 수 있게 하는 임의의 파라미터일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 유체 파라미터는 열전도율, 비열용량 또는 열확산율과 같은 유체의 조성에 의존하는 재료 파라미터일 수 있거나, 또는 유체의 이들 열전달 특성들 중 적어도 하나와 상관되는 임의의 다른 재료 파라미터일 수 있다. 예를 들어, 유체는 적어도 2개의 알려진 구성 성분의 혼합물일 수 있으며, 또한 재료 파라미터는 상기 혼합물의 혼합비 또는 상기 혼합물의 구성 성분들 중 하나의 농도일 수 있다. 특히, 재료 파라미터는 알려진 캐리어 가스와의 혼합물에서 관심 있는 일부 가스의 농도, 예를 들어 공기 중의 수소 농도, 공기 중의 연료 농도, 또는 캐리어 가스와의 혼합물에서의, 특히 산소-함유 가스와의 혼합물에서의 의료 가스의 농도일 수 있다. 또 다른 예로서, 유체는 가연성 가스일 수 있고, 재료 파라미터는 발열량, 웨버 지수(Wobbe index) 또는 메탄가(methane number)와 같은, 가스의 연소-관련 파라미터일 수 있다. 연소-관련 파라미터는 가스의 열전달 특성과 상관된 것으로 알려져 있으며, 그리고 전술한 타입의 열 센서를 사용하여, 연소-관련 파라미터를 결정하기 위한 다양한 방법이 종래 기술로부터 알려져 있다. 다른 실시예에 있어서, 유체 파라미터는 유체와 연관된 물리적 파라미터, 특히 열 센서 장치를 지나가는 유체의 유속일 수 있다.
프로세싱 회로는 적어도 하나의 룩업 테이블이 저장되는 메모리를 포함할 수 있으며, 상기 룩업 테이블은 적어도 하나의 측정된 양을 유체 파라미터와 상관시킨다. 상기 측정된 양은, 예를 들어 온도값, 상이한 온도값들의 평균, 온도차, 온도 비율, 저항값, 상이한 저항값들의 평균, 저항 차이, 저항 비율, 시간 지연, 위상차 등일 수 있다. 룩업 테이블에 저장된 값은 유체 파라미터의 알려진 값을 갖는 유체를 사용하는 보정 절차에 의해 미리 결정될 수 있다.
특히 간단한 실시예에 있어서, 오류 인디케이터 값은 유체 파라미터의 제1 값과 제2 값의 차이 또는 비율일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 오류 인디케이터 값은 일부 다른 방식으로 상기 차이 또는 비율과 상관되는 값이다. 예를 들어, 오류 인디케이터 값은 상기 차이 또는 비율로부터 연산되거나 또는 그 값이 상기 차이 또는 비율에 따라 일부 다른 방식으로 설정되는 값일 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 프로세싱 회로는 적어도 하나의 보조 센서 요소로부터 유체의 주위 온도, 압력 및/또는 (유체가 가스인 경우) 습도와 같은 적어도 하나의 보조 파라미터를 획득하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열 센서 장치 자체는 보조 센서 요소를 포함할 수 있으며, 또는 보조 센서 요소가 센서 장치로부터 분리될 수 있다. 프로세싱 회로는 재료 파라미터의 제1 및 제2 값의 결정 시 상기 획득한 보조 파라미터를 고려하도록 구성될 수 있다. 특히, 프로세싱 회로는 유체의 온도 변화, 그 압력 변화 및/또는 그 습도 변화를 보상하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로는 일부 표준 온도, 표준 압력 및/또는 표준 습도에 대한 유체 파라미터의 제1 및 제2 값을 결정하도록 구성될 수 있으며, 이는 측정 중 실제 온도, 압력, 및 습도와는 상이할 수 있다. 제1 및 제2 값과 상기 획득한 보조 파라미터의 상관 관계가 상이하다면, 즉 제1 및 제2 작동 모드에서 보상되지 않은 측정값이 유체의 온도, 압력 및/또는 습도의 변화에 대해 상이한 감도를 나타내고, 이에 따라 상기 보상된 제1 및 제2 값을 계산할 동안 상이한 온도, 압력 및/또는 습도 보상이 적용될 필요가 있다면, 유리하다. 이런 방식으로, 프로세싱 회로에 의해 구현되는 방법은, 유체의 열전달 거동을 특징화하는 데 사용되는 히터 및 온도 센서를 포함하는 오류뿐만 아니라, 보조 센서 요소의 오류에도 민감해질 수 있다.
종종 센서 오류는 갑자기 발생하지 않지만, 그러나 어느 시점에서 센서가 교체되어야만 하는 레벨에 도달할 때까지는 점진적으로 누적된다. 이러한 상황을 수용하고 그리고 예측되는 유지보수를 가능하게 하기 위해, 프로세싱 회로는 이하의 단계를 실시하도록 구성될 수 있다.
다수의 상이한 시간에 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계; 및
상이한 시간의 오류 인디케이터 값에 기초하여, 나중에 예측되는 오류 인디케이터 값을 외삽하는 단계, 또는 상기 오류 인디케이터 값이 임계값에 도달할 때까지 예측된 시간 간격을 결정하는 단계.
이를 구현하기 위해, 프로세싱 장치는 상이한 시간에 획득한 다수의 오류 인디케이터 값을 저장하도록 구성된 메모리를 포함할 수 있으며, 프로세싱 회로는 이하의 단계를 실시하도록 구성될 수 있다.
현재 오류 인디케이터 값을 메모리에 저장하는 단계;
이전에 저장된 오류 인디케이터 값을 메모리로부터 검색하는 단계.
다른 실시예에 있어서, 프로세싱 장치는 새로운 오류 인디케이터 값이 상기 외삽 또는 예측을 실시하도록 결정될 때마다, "즉시(on the fly)" 업데이트되는 변수를 유지할 수 있다.
프로세싱 회로는 센서 장치의 인터페이스를 통해 외부 회로에 오류 인디케이터 값을 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스는 유선 또는 무선 접속을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 오류 인디케이터 값 자체를 출력하는 것에 추가하여, 이로부터 유도되는 파라미터가 출력될 수 있다. 특히, 출력된 파라미터는 불린(Boolean) 알람 인디케이터 값일 수 있다. 예를 들어, 오류 인디케이터가 사전 설정된 임계값을 초과하거나 또는 오류 인디케이터가 갑작스러운 상승과 같은 비정상적인 거동을 나타낸다면, 알람 인디케이터 값은 "트루(True)"로 설정될 수 있다. 열 센서 장치는, 오류 파라미터 또는 이로부터 유도되는 파라미터를 출력하기 위한 전용의 출력 콘택(contact)을 포함할 수 있다. 이는 본 발명에 의해 구현된 오류 검출 메커니즘의 신뢰성을 증가시킨다.
센서 장치의 2개의 작동 모드는, 동일하거나 또는 상이한 온도 센서를 적용할 수 있는, 동일하거나 또는 상이한 히터를 사용하여 실시될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 프로세싱 회로는 제1 작동 모드와 제2 작동 모드 모두에서 동일한 히터 또는 히터들에 히터 전력을 공급하도록 구성되며, 및/또는 프로세싱 회로는 제1 작동 모드와 제2 작동 모드 모두에서 히터 전력에 대해 동일한 온도 센서 또는 온도 센서들의 응답을 측정하도록 구성된다.
유리한 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 히터, 하나 또는 그 이상의 온도 센서(적용 가능한 경우), 선택적으로 하나 또는 그 이상의 보조 센서(적용 가능한 경우), 및 프로세싱 회로의 적어도 일부는, 공통의 실리콘 칩 상에 집적된다. 특히, 하나 또는 그 이상의 히터에 대한 적어도 드라이버 회로, 및 적용 가능한 경우 하나 또는 그 이상의 온도 센서에 대한 판독 회로는, 히터 및 센서 또한 구현되는 동일한 칩 상에서 유리하게 구현된다. 유체 파라미터의 제1 및 제2 값과 그리고 외부 회로의 오류 인디케이터 값을 유도하기 위한 알고리즘의 일부 또는 전부를 구현하는 것이 가능하지만, 이들 알고리즘도 히터 및 센서와 동일한 칩 상에서 구현되는 것이 바람직하다.
본 발명은 히터 및/또는 온도 센서가 패터닝된 폴리실리콘층에 의해 구현되는 열 센서 장치에 특히 가치가 있는데, 그 이유는 폴리실리콘이 바람직하지 않은 에이징 특성을 가질 수 있어서, 센서 품질의 면밀한 모니터링을 필요로 할 수 있기 때문이다.
또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 히터, 상기 하나 또는 그 이상의 히터에 공급된 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단, 및 상기 응답에 기초하여 센서 장치와 열 접촉하는 유체의 유체 파라미터의 적어도 하나의 값을 결정하기 위해, 히터 전력을 공급하고 그리고 상기 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 프로세싱하기 위한 프로세싱 회로를 포함하는, 열 센서 장치의 오작동을 검출하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 이하의 단계를 포함한다:
a) 유체 파라미터의 제1 값을 결정하기 위해, 열 센서 장치를 제1 작동 모드로 작동시키는 단계;
b) 유체 파라미터의 제2 값을 결정하기 위해, 열 센서 장치를 제2 작동 모드로 작동시키는 단계; 및
c) 유체 파라미터의 제1 값과 제2 값의 비교에 기초하여, 오류 인디케이터 값을 유도하는 단계.
본 발명에 따른 장치와 동일한 고려사항이 본 발명의 방법에도 적용된다. 특히, 상기 제1 작동 모드는 정상-상태 모드일 수 있으며, 상기 정상-상태 모드는,
- 하나 또는 그 이상의 히터 중 적어도 하나에 히터 전력을 공급하는 단계;
- 히터 전력에 대한 하나 또는 그 이상의 온도 센서 중 적어도 하나의 정상-상태 응답을 측정하는 단계; 및
- 측정된 정상-상태 응답에 기초하여, 유체 파라미터의 제1 값을 결정하는 단계를 포함하며;
상기 제2 작동 모드는 동적 모드일 수 있으며, 상기 동적 모드는,
- 하나 또는 그 이상의 히터 중 적어도 하나에 히터 전력을 공급하는 단계;
- 히터 전력에 대한 하나 또는 그 이상의 온도 센서 중 적어도 하나의 과도 응답, 특히 히터 전력과 과도 응답 사이의 시간 지연 또는 위상 변이를 측정하는 단계; 및
- 측정된 과도 응답에 기초하여, 유체 파라미터의 제2 값을 결정하는 단계를 포함한다:
상기 방법은 적어도 하나의 보조 파라미터, 예를 들어 유체의 주변 온도, 압력 및/또는 습도를 측정하는 단계를 포함할 수 있으며, 측정된 보조 파라미터는 유체 파라미터의 제1 및 제2 값의 결정 시 고려될 수 있고, 상기 제1 값은 제2 값과는 달리 측정된 보조 파라미터와는 상이한 상관 관계를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 이하에 기재되어 있으며, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위한 것이며 이를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 종래 기술로부터 알려진 열 센서 장치의 제1 실시예를 개략적인 평면도로 도시하고 있다.
도 2는 제1 실시예의 열 센서 장치의 센서 요소의 일부를 개략적인 사시도로 도시하고 있다.
도 3은 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 열 센서 장치의 제2 실시예를 개략적인 스케치로 도시하고 있다.
도 4는 본 발명을 구현하는 데 사용될 수 있는 프로세싱 회로의 실시예의 개략적인 블록도를 도시하고 있다.
도 5a는 열 센서 장치의 제1 정상-상태 작동 모드를 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 5b는 열 센서 장치의 제2 동적 작동 모드를 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 6은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 온도에 대한 수소 농도 신호의 변화 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 7은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 상대습도에 대한 수소 농도 신호의 변화 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 8은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 압력에 대한 수소 농도 신호의 변화의 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 일련의 단계를 예시하는 흐름도를 도시하고 있다.
도 2는 제1 실시예의 열 센서 장치의 센서 요소의 일부를 개략적인 사시도로 도시하고 있다.
도 3은 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 열 센서 장치의 제2 실시예를 개략적인 스케치로 도시하고 있다.
도 4는 본 발명을 구현하는 데 사용될 수 있는 프로세싱 회로의 실시예의 개략적인 블록도를 도시하고 있다.
도 5a는 열 센서 장치의 제1 정상-상태 작동 모드를 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 5b는 열 센서 장치의 제2 동적 작동 모드를 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 6은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 온도에 대한 수소 농도 신호의 변화 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 7은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 상대습도에 대한 수소 농도 신호의 변화 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 8은 정상-상태 및 동적 모드에서의 측정을 위해 압력에 대한 수소 농도 신호의 변화의 의존성을 예시하는 다이어그램을 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 일련의 단계를 예시하는 흐름도를 도시하고 있다.
멤브레인을 구비한 열 센서 장치
도 1 및 2는 제1 실시예에 따른 열 센서 장치(1)를 도시하고 있다. 이러한 센서 장치의 설정이 US 7188519B2호에 개시되어 있다.
열 센서 장치(1)는 공통의 실리콘 칩(11) 상에 집적된 마이크로 열 센서 요소(10) 및 프로세싱 회로(50)를 포함한다. 흐름 센서(1)를 외부 회로와 인터페이스하기 위해, 콘택 패드(contact pad)(51)가 제공된다. 도 2는 센서 요소(10)의 일부를 사시도로 도시하고 있다.
실리콘 칩은 유전체층, 금속층, 및 폴리실리콘층의 스택을 포함한다. 프로세싱 회로는 CMOS 프로세스에 의해 이런 층 스택에 형성된다. 센서 요소(10)를 생성하기 위해, 저항성 히터(21), 제1 온도 센서(31), 및 제2 온도 센서(32)가 층 스택에 또는 층 스택 상에 형성된다. 히터(21) 및 온도 센서(31, 32)의 영역에서, 얇은 유전체 멤브레인(13)이 남아 있도록, 개구 또는 리세스(12)가 하방으로부터 실리콘 칩(11) 내로 에칭되며, 상기 멤브레인은 개구 또는 리세스(12)에 걸쳐 있다. 히터(21) 및 각각의 온도 센서(31, 32)의 적어도 일부는, 멤브레인에 또는 멤브레인 상에 배치된다. 본 예에 있어서, 각각의 온도 센서(31, 32)는 열전퇴(thermopile)로 구성되며, 한 세트의 접합부가 상기 멤브레인 상에 배치되고, 다른 세트의 접합부가 주변의 벌크 칩 재료 상에 배치된다. 그 대신에, 저항 온도 센서와 같은 또 다른 타입의 온도 센서가 사용될 수 있다.
센서 요소(10)는 프로세싱 회로(50)에 접속된다. 프로세싱 회로는 히터(21)에 히터 전류를 제공하며, 그리고 온도 센서(31, 32)를 판독한다. 또한, 프로세싱 회로는 히터(21)의 저항을 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 멤브레인을 둘러싸는 실리콘 칩(11)의 벌크 재료의 온도를 결정하기 위해, 기준 온도 센서(41)가 프로세싱 회로(50)에 접속된다. 열평형에 있어서, 이 온도는 주변 유체의 주변 온도와 거의 같을 것이다. 유체의 압력을 감지하기 위한 압력 센서 또는 유체의 상대습도를 감지하기 위한 상대습도 센서처럼, 추가의 보조 파라미터를 결정하기 위해, 추가 보조 센서가 프로세싱 회로(50)에 접속될 수 있다.
브릿지를 구비한 열 센서 장치
도 3은 제2 실시예에 따른 열 센서 장치를 개략적인 방식으로 도시하고 있다. 이러한 센서 장치의 설정이 EP 3367087A2호에 개시되어 있다.
제1 실시예에서처럼, 열 센서 장치는 프로세싱 회로(50)에 접속된 마이크로열 센서 요소(10)를 포함한다. 다시, 센서 요소(10)를 생성하기 위해, 개구 또는 리세스(12)가 실리콘 칩(11)에 형성되었다. 그러나 일체형 멤브레인 대신에, 다수의 브릿지가 상기 개구 또는 리세스(12)에 걸쳐 있으며, 상기 브릿지는 공극(void)에 의해 분리된다. 제1 실시예의 멤브레인과 유사하게, 각각의 브릿지는 실리콘 칩(11) 상의 층 스택으로부터 패터닝된 다수의 유전체층, 금속층 및/또는 폴리실리콘층에 의해 형성될 수 있다.
본 예에서는, 5개의 브릿지가 제공된다. 브릿지 중 3개는 히터 브릿지이며, 히터(21, 22, 23)를 각각 운반한다. 프로세싱 회로(50)는 히터에 히터 전류(Ih1, Ih2, Ih3)를 각각 공급한다. 히터 브릿지는 결과적인 히터 온도(Th1, Th2, Th3)를 각각 측정하기 위해, 히터 온도 센서(33, 34, 35)를 운반한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로세싱 회로는 히터 온도를 결정하기 위해, 각각의 히터 요소(21, 22, 23)의 저항을 결정하도록 구성될 수 있다. 다른 2개의 브릿지는 감지 브릿지이며, 온도(Tm1, Tm2)를 측정하기 위해 온도 센서(31, 32)를 운반한다. 각각의 감지 브릿지는 2개의 히터 브릿지 사이에 배치된다. 본 예에서는 3개의 히터 브릿지 및 2개의 감지 브릿지가 제공되었지만, 다른 개수의 히터 및 감지 브릿지가 제공될 수 있다. 예를 들어, 오직 하나의 단일 히터 브릿지 및 오직 하나의 단일 센서 브릿지가 제공될 수 있다. 또한, 본 예에서는 모든 브릿지가 서로 동일한 거리를 갖고 있지만, 이들 거리 또한 동일하지 않을 수 있다.
제1 실시예에서처럼, 주변 유체의 주변 온도를 나타내는 기준 온도(Tref)를 결정하기 위한 기준 온도 센서(41)는, 프로세싱 회로(50)에 접속된다. 또한, 유체의 압력 파라미터(p)를 결정하기 위한 압력 센서(42) 및 유체의 습도 파라미터(RH)를 결정하기 위한 상대습도 센서(43)가 프로세싱 회로에 접속된다. 온도 센서, 압력 센서, 및 습도 센서는 센서 요소(10)와는 달리 동일한 칩 상에 또는 상이한 칩 상에 제공될 수 있다.
프로세싱 회로
도 4는 제1 또는 제2 실시예의 프로세싱 회로(50)의 가능한 실시예의 블록도를, 매우 개략적인 방식으로 도시하고 있다. 프로세싱 회로는 프로세서(μP)(501), 비휘발성(예를 들어, 플래시 ROM) 메모리(502), 및 휘발성(RAM) 메모리(506)를 포함한다. 프로세서(μP)는 버스(510)를 통해 메모리 장치(502, 506)와 통신한다. 비휘발성 메모리(502)는 특히 다수의 룩업 테이블(LUT)을 저장하며, 이러한 룩업 테이블(503, 504)은 2개만 도시되어 있다. 비휘발성 메모리(202)는 프로세서(μP)에서의 실행을 위해 기계-실행 가능한 프로그램(Prog)(505)을 추가로 저장한다. 장치 인터페이스(IF)(507)를 통해, 프로세싱 회로(50)는 히터 요소(21-23)를 구동하고, 그리고 다양한 집적된 또는 외부 센서(31-35 및 41-43)와 통신한다. 유선 또는 무선 입력/출력 인터페이스 I/O(208)는, 외부 세계와의 통신을 가능하게 한다. 발진기(Osc)(509)는 주파수(fclock)를 갖는 클록 신호를 프로세서(501)에 제공한다. 발진기는, 클록 신호가 외부 회로에 의해 직접 판독되는 것을 허용하는 출력 콘택을 가질 수 있다. 전용의 알람 콘택(511)은, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 불린 알람 인디케이터 값을 나타내는 2진값의 출력을 가능하게 한다.
프로세싱 회로(50)는 감지 요소(10)와 동일한 실리콘 칩 상에 완전히 집적될 수 있으며, 또는 프로세싱 회로(50)의 적어도 일부는 감지 요소(10)와는 별도로 구현될 수 있다.
작동
작동 시, 센서 요소(10)는 관심 유체에 노출된다. 프로세싱 회로는 히터(21-23)에 히터 전력을 제공하며, 그리고 온도 센서(31-35)의 결과적인 온도 및/또는 히터(21-23)의 결과적인 저항을 측정한다. 프로세싱 회로는 또한 보조 센서(41-43)를 사용하여, 기준 온도(Tref), 압력 파라미터(p), 및 습도 파라미터(RH)를 측정한다.
프로세싱 회로는, 도 5a 및 5b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 2개의 사이한 작동 모드를 실시한다.
제1 작동 모드
제1 작동 모드는 도 5a에 도시된 바와 같이 정상-상태 모드이다. 히터 전력은 온(on)으로 절환되며, 온도 센서(31-35)에 의해 측정된 온도 및/또는 히터(21-23)의 저항이 정상 상태에 도달하기에 충분히 오랜 시간 동안 제공되어, 이들 온도 및/또는 저항이 측정된다.
예를 들어, 제1 실시예에서는, 히터 전력[P(t)]이 히터(21)에 인가될 수 있다. 초기에는, 히터 전력이 0 이다. 어느 시점에서 히터 전력이 온으로 절환되어, 값(Pm)으로 일정하게 유지된다. 온도 센서(31, 32)에서의 결과적인 온도가 측정된다. 이들 온도로부터, 선형 조합이, 예를 들어, 그 총합이 형성될 수 있다. 도 5a에서는, 이 총합이 Ts(T)로서 표기되어 있다. 상기 총합은 정상-상태 값에 도달할 때까지 시간이 지남에 따라 변할 것이다. 도 5a에서는, 히터 전력이 온으로 절환되기 전 및 절환된 후, 상기 총합의 정상-상태 값들 사이의 차이가 ΔTs 로서 표기되어 있다.
마찬가지로, 제2 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 히터(21-23)에 일정한 전력이 인가될 수 있으며, 온도 센서(31-35) 및/또는 히터 저항의 정상-상태 응답이 측정될 수 있다. 측정된 값의 조합이 다시 형성될 수 있다. 이들 조합 또는, 보다 일반적으로 말하면, 중간값은 물론 단순한 총합보다 더욱 복합적일 수 있다. 두 실시예에 있어서, 소정의 전력을 인가하는 대신에, 소정의 전압 또는 전류가 인가될 수 있으며, 또는 소정의 히터 온도를 획득하기 위해 히터 전력이 조절될 수 있다.
측정된 값으로부터 및/또는 중간값으로부터, 프로세싱 회로(50)는 관심 유체와 연관된 유체 파라미터의 제1 값을 결정한다. 이를 위해, 프로세싱 회로는 하나 또는 그 이상의 룩업 테이블을 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1 실시예에 있어서, 룩업 테이블(503)은 ΔTs 를 관심 유체의 열전도율과 상관시킬 수 있다. 이런 상관 관계는 보정 측정에 의해 미리 결정되었을 수 있다. 룩업 테이블(503)을 사용하여, 프로세싱 회로(50)는 유체의 열전도율에 대한 제1 값을 결정할 수 있고, 제1 값은 ΔTs 의 측정된 값에 기초한다.
제2 작동 모드
제2 작동 모드는 도 5b에 도시된 바와 같이 동적 모드이다. 히터 전력은 시간의 함수로서 변한다. 온도 센서(31-35)의 및/또는 히터(21-23)의 저항의 과도 응답이 측정된다.
예를 들어, 제1 실시예에서는, 히터 전력[P(t)]이 히터(21)에 다시 인가될 수 있다. 제2 작동 모드에서는, 히터 전력[P(t)]이 주기적으로, 본 예에서는 사인파형으로 변한다. 이제 온도 센서(31, 32)로부터의 총합 신호[Ts(t)]의 과도 응답이 측정된다. 도 5b에 있어서, 이 과도 응답은 그래프의 그 진폭이 히터 전력[P(t)]의 진폭과 동일하도록 정규화되었다. 시간 지연(Δt) 또는, 동등하게는, 히터 전력[P(t)]과 상기 총합 신호[Ts(t)] 사이의 위상차가 결정된다.
제2 실시예에 있어서, 히터 전력과 온도 센서 또는 히터 저항의 응답 사이의 하나 또는 그 이상의 시간 지연 또는 위상차가 마찬가지로 결정될 수 있다.
측정된 시간 지연 또는 위상차로부터 및/또는 이로부터 계산된 중간값으로부터, 프로세싱 회로(50)는 유체 파라미터의 제2 값을 결정한다. 이를 위해, 프로세싱 회로는 하나 또는 그 이상의 추가의 룩업 테이블을 사용할 수 있다.
예를 들어, 제1 실시예에 있어서, 룩업 테이블(504)은 시간 지연(Δt)을 열전도율과 상관시킬 수 있다. 다시, 이런 상관 관계는 보정 측정에 의해 미리 결정되었을 수 있다. 룩업 테이블(504)을 사용하여, 프로세싱 회로(50)는 유체의 열전도율에 대한 제2 값을 결정할 수 있고, 상기 제2 값은 Δt 의 측정된 값에 기초한다.
농도 또는 혼합비의 결정
유체가 알려진 구성 성분의 혼합물이라면, 유체의 열전도율에 대한 지식은 유체의 혼합비에 대한, 또는 동등하게는 유체의 구성 성분들 중 하나의 농도에 대한 추론이 가능하다.
예를 들어, 유체가 수소와 공기의 혼합물이라면, 수소의 열전도율에 대한 지식은, 수소의 열전도율이 공기의 열전도율보다 훨씬 크기 때문에, 수소 농도에 대한 추론을 허용한다.
보조 파라미터에 대한 교정
프로세싱 회로는, 유체의 주변 온도, 압력 및/또는 습도와 같은 보조 파라미터의 변동에 대해, 유체 파라미터의 제1 및 제2 값을 교정할 수 있다.
예를 들어, 프로세싱 회로는, 보조 센서(41-43)에 의해 결정되는 바와 같이 보조 파라미터의 표준 조건으로부터의 보조 편차에 대해, 센서 장치의 제1 및 제2 작동 모드에 의해 결정되는 바와 같이 유체의 열전도율의 제1 및 제2 값을 교정할 수 있다. 이런 방식으로, 프로세싱 회로는 표준 조건에서 제1 및 제2 열전도율 값을 결정할 수 있다.
또 다른 예로서, 프로세싱 회로가 혼합물의 구성 성분의 농도를 결정하는 경우라면, 열전도율과 농도 사이의 정확한 상관 관계는 표준 조건에서만 알려질 수 있으며, 이에 따라 표준 조건으로부터 보조 파라미터의 편차에 대한 제1 및 제2 값의 교정은, 농도의 충분히 정확한 값을 획득하기 위한 전제 조건일 수 있다.
이는 도 6 내지 8을 참조하여 보다 상세히 설명된다. 도 6은 온도 교정이 적용되지 않는 경우에, 제1 및 제2 작동 모드에 의해 결정되는 바와 같이, 온도에 대한 수소와 공기의 혼합물에서의 겉보기 수소 농도의 의존성을 도시하고 있다. 점선은 제1 작동 모드(정상 상태)에 의해 결정되는 바와 같은 교정되지 않은 겉보기 수소 농도값의 온도 의존성을 나타내는 반면에, 실선은 제2 작동 모드에 의해 결정되는 바와 같은 교정되지 않은 겉보기 수소 농도값의 온도 의존성을 나타내고 있다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 두 작동 모드에 의해 결정된 교정되지 않은 겉보기 농도값은 온도에 크게 의존한다. 예를 들어, 장치가 25℃에서 보정되었고 그리고 진정한 수소 농도가 0 %mol 이라면, 제1 작동 모드를 사용한 0℃에서의 측정은 약 2%의 겉보기 수소 농도를 산출할 것이다. 이는 허용될 수 없으며, 이에 따라 교정["온도 보상(temperature compensation")]이 필요할 수 있다.
또한, 도 6에서 볼 수 있듯이, 온도에 대한 겉보기 농도값의 의존성은 제1 및 제2 작동 모드에서 상이하다. 이에 따라, 제1 및 제2 작동 모드에 의해 결정된 값에 서로 다른 교정들["보상들(compensations)"]이 적용되어야 한다.
유사하게, 결정된 수소 농도값 또한 상대습도 및 압력에 의존한다. 다시, 의존성은 제1 및 제2 작동 모드에 대해 상이하며, 이에 따라 제1 및 제2 모드에 의해 결정된 값에 상이한 교정들["보상들(compensations)"]이 적용되어야 한다.
평균값의 결정
프로세싱 회로(50)는 유체 파라미터의 제1 및 제2 값의 평균값을 계산하고, 그리고 I/O 인터페이스(508)를 통해 외부 회로에 평균값을 출력할 수 있다.
오류 인디케이터 값의 결정
개략적으로 전술한 바와 같이, 프로세싱 회로는 관심 유체와 연관된 동일한 유체 파라미터의 제1 및 제2 값을 결정하며, 상기 제1 값은 정상-상태 작동 모드에 의해 결정되는 반면에, 제2 값은 동적 작동 모드에 의해 결정된다. 이론적으로, 이들 값은 동일해야 한다. 이에 따라, 이들 값 사이의 실질적인 편차는 드리프트 또는 오염물과 같은 센서 오류를 나타낸다.
이는 프로세싱 회로가 오류 인디케이터 값을 계산할 가능성을 열어준다. 가장 간단한 경우에, 오류 인디케이터 값은 단순히 제1 값과 제2 값 사이의 차이이거나, 또는 이 차이의 절대값이다. 그러나 오류 인디케이터 값은 이들 값의 더욱 복합적인 함수일 수도 있다.
예를 들어, 제1 값과 제2 값이 농도값인 경우라면, 오류 인디케이터 값은 이들 농도값들 간 차이의 절대값일 수 있다.
오류 인디케이터 값은 센서 요소(10)의 오류를 반영할 뿐만 아니라, 유체 파라미터의 제1 및 제2 값에 적용되는 상이한 교정 때문에 보조 센서(41-43)의 오작동도 반영할 것이라는 점을 인식해야만 한다. 이는 센서 요소(10)의 오류와 보조 센서(41-43)의 오류 사이를 구별하는 것이 가능하지 않을 수 있기 때문에 언뜻 보기에는 불리하게 보일 수 있지만, 이는 실제로 안전-관련 응용 분야에서는 이점이 된다. 센서 장치의 임의의 오류는, 그 원인과는 관계없이, 오류 인디케이터 값에 의해 반영될 것이다. 이에 따라, 오류 인디케이터 값을 모니터링하면, 고장 원인과는 관계없이, 매우 신뢰할 수 있는 고장 검출을 가능하게 한다. 일단 고장이 검출되었다면, 센서 장치의 교체와 같은 적절한 조치가 취해질 수 있다.
알람 인디케이터 값의 결정
프로세싱 회로는, 오류 인디케이터 값을 모니터링하고, 오류 인디케이터 값이 특정 기준을 충족한다면, 알람 인디케이터를 알람값으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 일단 오류 인디케이터 값이 소정의 임계값을 초과했다면, 또는 오류 인디케이터 값이 후속의 결정들 사이에서 예상했던 것보다 더욱 빠르게 증가하기 시작했다면, 알람 인디케이터는 불린 변수일 수 있으며, 그 값은 "트루(True)"로 설정된다. 프로세싱 회로는 전용의 알람 콘택(511)을 통해 알람 인디케이터 값을 출력할 수 있다.
예측 유지보수
프로세싱 회로(50)는 상이한 시간에 오류 인디케이터 값을 모니터링하고, 그리고 흐름 인디케이터의 예상되는 미래의 값을 외삽하거나, 또는 과거의 값을 사용하여 예측 고장 시간을 예측할 수 있다. 이를 위해, ROM(502)은 과거의 오류 인디케이터 값을 저장하도록 예약된 메모리 부분을 포함할 수 있으며, 그리고 프로세싱 회로는 이러한 과거의 값을 판독하고, 이들을 가장 최근의 값과 함께 사용하여, 외삽 또는 예측을 실시할 수 있다. 프로세싱 회로는 외삽되는 미래의 값 또는 예측되는 고장 시간을, I/O 인터페이스(508)를 통해, 외부 회로에 출력할 수 있다.
흐름도
전술한 센서 장치의 작동이 도 9에 흐름도로서 요약되어 있다. 상기 예에서처럼, 센서 장치에 의해 결정되는 유체 파라미터는 가스 혼합물의 구성 성분의 농도인 것으로 가정한다.
단계(301)에서, 센서 요소(10)는 가스 혼합물에 노출된다. 단계(302)에서, 센서 장치는 농도의 제1 값(cstatic)을 결정하기 위해 정상-상태 측정을 실시하도록 작동된다. 단계(303)에서, 센서 장치는 농도의 제2 값(cdynamic)을 결정하기 위해 동적 측정을 실시하도록 작동된다. 각각의 단계(302, 303)는 전술한 바와 같이 보조 센서(41-43)를 사용하여 표준 조건으로부터의 편차에 대한 적절한 교정을 포함한다. 단계(304)에서, 평균 농도 cav = (cstatic + cdynamic)/2 가 계산된다. 단계(305)에서, 오류 인디케이터 F = │cstatic + cdynamic│가 계산된다. 단계(306)에서, 추가의 프로세싱을 위해, 평균 농도 및 오류 인디케이터가 I/O 인터페이스를 통해 외부 회로에 출력된다. 결정 단계(307)에서는, 오류 인디케이터(F)가 임계값(Fcrit)을 초과했는지의 여부가 체크된다. 긍정적으로, 그에 따라 알람 인디케이터 값을 설정함으로써, 알람이 트리거된다. 단계(308)에서, 현재 오류 인디케이터 값이 메모리에 저장된다. 단계(309)에서, 과거의 흐름 인디케이터 값이 메모리로부터 검색되어, 예상 잔여 수명(예측 고장 시간)이 계산된다. 단계(310)에서는, 예상 수명이 I/O 인터페이스(508)를 통해 출력된다.
변형
본 발명의 바람직한 실시예가 기재되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 가능함을 인식해야 한다.
특히, 본 발명은 농도 또는 혼합비의 결정의 예로서 설명되었지만, 열 센서 장치는 유체와 연관된 물리적 파라미터, 특히 그 유속뿐만 아니라, 유체의 조성물과 연관된 다른 재료 파라미터를 포함하는, 다른 유체 파라미터를 결정하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 열 센서 장치의 전술한 예에 제한되지 않는다. 본 발명은 적어도 하나의 히터, 및 상기 히터에 인가되는 히터 전력에 대한 응답을 결정하기 위한 수단을 포함하는, 임의의 열 센서 장치에 적용 가능하다.
상기 실시예에서는 전체 프로세싱 회로가 히터 및 온도 센서와 동일한 실리콘 칩 상에 집적되어 있는 것으로 가정했지만, 프로세싱 회로의 일부 기능은 예를 들어 외부 하드웨어 상에서 실행되는 소프트웨어의 형태로 외부적으로 구현될 수도 있다. 특히, 온-칩 제어 회로는 히터를 위한 드라이버, 및 온도 센서 및/또는 저항값을 위한 판독 회로만 구현하는 반면에, 추가의 모든 계산은 외부 회로에서 실시된다.
1: 열 센서
501: 마이크로프로세서
10: 센서 요소 502: ROM
11: 실리콘 칩 503: 룩업 테이블
12: 개구 또는 리세스 504: 룩업 테이블
13: 멤브레인 505: 프로그램 데이터
21-23: 히터 506: RAM
31-35: 온도 센서 507: 장치 인터페이스
41: 기준 온도 센서 508: I/O 인터페이스
42: 압력 센서 509: 클록
43: 습도 센서 510: 버스
50: 프로세싱 회로 511 알람 콘택
51: 콘택 패드
10: 센서 요소 502: ROM
11: 실리콘 칩 503: 룩업 테이블
12: 개구 또는 리세스 504: 룩업 테이블
13: 멤브레인 505: 프로그램 데이터
21-23: 히터 506: RAM
31-35: 온도 센서 507: 장치 인터페이스
41: 기준 온도 센서 508: I/O 인터페이스
42: 압력 센서 509: 클록
43: 습도 센서 510: 버스
50: 프로세싱 회로 511 알람 콘택
51: 콘택 패드
Claims (15)
- 유체의 열전달 거동에 기초하여 열 센서 장치와 열 접촉하는 유체와 연관된 유체 파라미터를 결정하기 위한 열 센서 장치로서,
하나 또는 그 이상의 히터(21-23);
상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23)에 공급되는 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단; 및
상기 응답에 기초하여, 유체 파라미터의 적어도 하나의 값을 결정하기 위해, 히터 전력을 공급하고 또한 상기 센서 장치의 응답을 프로세싱하기 위한 프로세싱 회로(50)를 포함하고,
상기 프로세싱 회로는 하기의 단계들을 포함하는 열 센서 장치의 오류를 검출하기 위한 방법을 실시하도록 구성된 것을 특징으로 하는 열 센서 장치:
a) 상기 유체 파라미터의 제1 값(cstatic)을 결정하기 위해, 상기 열 센서 장치를 제1 작동 모드로 작동시키는 단계;
b) 상기 유체 파라미터의 제2 값(cdynamic)을 결정하기 위해, 상기 열 센서 장치를 제2 작동 모드로 작동시키는 단계; 및
c) 상기 유체 파라미터의 상기 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)의 비교에 기초하여, 오류 인디케이터 값(F)을 유도하는 단계. - 제1항에 있어서,
상기 제1 작동 모드는 정상-상태 모드이며, 상기 정상-상태 모드는
- 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23) 중 적어도 하나에 히터 전력(P)을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력(P)에 대한 상기 센서 장치의 정상-상태 응답(ΔTs)을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 정상-상태 응답(ΔTs)에 기초하여, 상기 유체 파라미터의 제1 값(cstatic)을 결정하는 단계를 포함하며,
상기 제2 작동 모드는 동적 모드이며, 상기 동적 모드는
- 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23) 중 적어도 하나에 시변 히터 전력(P)을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력(P)에 대한 상기 센서 장치의 과도 응답, 특히 상기 히터 전력과 상기 과도 응답 사이의 시간 지연(Δt) 또는 위상 변이를 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 과도 응답에 기초하여, 상기 유체 파라미터의 상기 제2 값(cdynamic)을 결정하는 단계를 포함하는, 열 센서 장치. - 제2항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 기준 주파수(fclock)에서 클록 신호를 공급하기 위한 발진기(509)를 포함하고,
상기 프로세싱 회로는 상기 기준 주파수(fclock)에 대해 상기 제2 작동 모드에서 상기 과도 응답을 측정하도록 구성되며,
상기 프로세싱 회로(50)는 상기 클록 신호를 출력하도록 구성되는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 상기 수단은 하나 또는 그 이상의 온도 센서(31-35)를 포함하고, 그리고/또는 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 상기 수단은 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23)의 저항을 측정하기 위한 회로를 포함하는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 파라미터는 유체의 열전도율, 비열용량, 및 열확산율 중 적어도 하나와 상관되는 재료 파라미터이고,
특히, 상기 유체는 적어도 2개의 구성 성분의 혼합물이고, 상기 유체 파라미터는 상기 혼합물의 혼합비이거나 또는 상기 혼합물의 구성 성분 중 하나의 농도인, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오류 인디케이터 값(F)은 상기 유체 파라미터의 상기 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)의 차이 또는 비율과 상관되는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세싱 회로(50)는 적어도 하나의 보조 센서 요소(41-43)로부터 상기 적어도 하나의 보조 파라미터, 특히 유체의 주변 온도(Tref), 압력(p) 및/또는 습도(RH)를 획득하도록 구성되며,
상기 프로세싱 회로(50)는 상기 유체 파라미터의 상기 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)의 결정 시 상기 보조 파라미터를 고려하도록 구성되며, 상기 제1 값(cstatic)은 상기 제2 값(cdynamic)과는 달리 상기 보조 파라미터와는 상이한 상관 관계를 갖는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는, 다수의 상이한 시간에 단계(a) 내지 단계(c)를 반복하는 단계; 및 상이한 시간에 상기 오류 인디케이터 값(F)에 기초하여, 예측된 오류 인디케이터 값을 나중에 외삽하는 단계, 또는 상기 오류 인디케이터 값(F)이 임계값에 도달할 때까지 예측된 시간 간격을 결정하는 단계를 실시하도록 구성되는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 상기 오류 인디케이터 값(F) 또는 이로부터 유도된 파라미터, 특히 불린 알람 인디케이터 값을 출력하도록 구성되는, 열 센서 장치. - 제9항에 있어서,
상기 오류 파라미터(F) 또는 이로부터 유도된 파라미터를 출력하기 위한 전용의 콘택(511)을 포함하는, 열 센서 장치. - 제2항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 상기 제1 작동 모드와 상기 제2 작동 모드 모두에서 상기 동일한 히터 또는 히터들(21-23)에 히터 전력(P)을 공급하도록 구성되며, 및/또는
상기 프로세싱 회로는 상기 제1 작동 모드와 상기 제2 작동 모드 모두에서 동일한 온도 센서 또는 온도 센서들(31-35)의 응답을 측정하도록 구성되는, 열 센서 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 이상의 히터 및 상기 프로세싱 회로의 적어도 일부는, 공통의 실리콘 칩 상에 집적되는, 열 센서 장치. - 하나 또는 그 이상의 히터(21-23), 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23)에 공급되는 히터 전력에 대한 센서 장치의 응답을 결정하기 위한 수단, 및 상기 응답에 기초하여, 상기 센서 장치와 열 접촉하는 유체의 유체 파라미터의 적어도 하나의 값을 결정하기 위해, 히터 전력을 공급하고 그리고 히터 전력에 대한 상기 센서 장치의 응답을 처리하기 위한 프로세싱 회로(50)를 포함하는, 열 센서 장치의 오류를 검출하기 위한 방법으로서:
a) 상기 유체 파라미터의 제1 값(cstatic)을 결정하기 위해, 상기 열 센서 장치를 제1 작동 모드로 작동시키는 단계;
b) 상기 유체 파라미터의 제2 값(cdynamic)을 결정하기 위해, 상기 열 센서 장치를 제2 작동 모드로 작동시키는 단계; 및
c) 상기 유체 파라미터의 상기 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)의 비교에 기초하여, 오류 인디케이터 값(F)을 유도하는 단계를 포함하는, 열 센서 장치의 오류 검출 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 작동 모드는 정상-상태 모드이며, 상기 정상-상태 모드는,
- 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23) 중 적어도 하나에 히터 전력(P)을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력(P)에 대한 상기 센서 장치의 정상-상태 응답(ΔTs)을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 정상-상태 응답(ΔTs)에 기초하여, 상기 유체 파라미터의 상기 제1 값(cstatic)을 결정하는 단계를 포함하며,
상기 제2 작동 모드는 동적 모드이며, 상기 동적 모드는,
- 상기 하나 또는 그 이상의 히터(21-23) 중 적어도 하나에 히터 전력(P)을 공급하는 단계;
- 상기 히터 전력(P)에 대한 상기 센서 장치의 과도 응답, 특히 상기 히터 전력과 상기 과도 응답 사이의 시간 지연(Δt) 또는 위상 변이를 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 과도 응답에 기초하여, 상기 유체 파라미터의 상기 제2 값(cdynamic)을 결정하는 단계를 포함하는, 열 센서 장치의 오류 검출 방법. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
적어도 하나의 보조 파라미터, 특히 유체의 주변 온도(Tref), 압력(p) 및/또는 습도(RH)를 측정하는 단계를 포함하며,
상기 유체 파라미터의 상기 제1 및 제2 값(cstatic, cdynamic)의 결정 시 상기 보조 파라미터가 고려되며, 상기 제1 값(cstatic)은 상기 제2 값(cdynamic)과는 다른 상기 보조 파라미터와의 상관 관계를 갖는, 열 센서 장치의 오류 검출 방법.
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2021
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