KR100831589B1

KR100831589B1 - 가스센서의 출력 특성 추출방법과 이를 이용한 가스농도측정장치 및 그 방법

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Publication number: KR100831589B1
Application number: KR1020070010847A
Authority: KR
Inventors: 김한수; 최일환; 김선태; 이익재
Original assignee: 주식회사 과학기술분석센타
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-05-23
Also published as: CN101236167B; CN101236167A

Abstract

본 발명은 가스센서의 출력 특성 추출방법과 이를 이용한 가스농도 측정장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가스센서의 출력전압 변동율 중에서 최대값을 색출하여 최대전압변동율(S)을 획득하는 가스센서의 출력 특성 추출방법과, 상기 최대전압변동율(S)을 이용하여 가스농도를 산출하는 가스농도 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 부하저항별, 가스센서 내부저항별 및 가스농도별로 부하저항 양단의 출력전압을 측정하고, 측정된 출력전압의 시간적 변동율을 산출하고, 산출된 변동율 중 최대값에 해당되는 최대전압변동율(S)을 획득하여 가스센서의 출력 특성데이터를 획득하는 과정과; 획득된 가스센서의 출력 특성데이터를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서 내부저항(R_S)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계를 획득하는 과정과; 상기 최대전압변동율(S)의 특성관계를 이용하여 가스농도를 측정하는 과정;을 포함하여 이루어진다.

상기 과정에 의한 본 발명은, 가스센서의 출력 특성을 가스가 주입되기 전/후의 출력전압 관계로 규정하지 않고 출력전압의 변동율을 이용하므로, 가변적인 출력전압의 초기값에 상관없이 가스센서의 출력 특성을 정확하게 설명할 수 있다. 또한, 본 발명은, 가스센서의 출력 특성을 규정짓는 주요 인자인 가스농도(C)와 가스센서 내부저항(R_S)으로 가스센서의 출력 특성을 표출하므로, 가스농도(C) 측정장 치 및 가스센서의 성능 평가에 있어서 유용하게 활용될 수 있다.

가스, 반도체, 가스센서, 농도측정, 성능평가

Description

가스센서의 출력 특성 추출방법과 이를 이용한 가스농도 측정장치 및 그 방법{Method for Extracting Property of Gas Sensor Output, and Device and Method for Measuring Gas Density Using It}

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 출력 특성을 추출하기 위한, 가스센서의 출력 특성데이터 측정시스템의 구성도.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 내부저항과 출력전압의 상관 관계를 도시하기 위한 전기회로의 간략 구성도.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서의 출력 특성 추출방법을 도시한 순서도.

도 4는 본 발명의 최대전압변동율과 출력전압 변동율과 출력전압의 상호 관계를 도시하는 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 최대전압변동율를 획득하기 위한 일예를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스센서 출력 특성데이터의 검증을 위한 그래프.

도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스농도 측정장치의 블록 구성도.

도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도.

도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스센서의 최대전압변동율 데이터 획득방법을 도시한 순서도.

도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 가스센서부 11 : 가스센서

12 : 가스챔버 20 : 센서연결도선

30 : 부하저항 측정부 31 : 부하저항(R_L)

32 : 출력전압(V_L) 40 : A/D변환부

100 : 가스센서 특성데이터 측정장치

110 : 측정데이터 수집부 120 : 데이터 처리부

130 : 산출데이터 출력부 140 : 데이터 저장부

150 : 키조작부

200 : 가스농도 측정장치 220 : 가스농도 산출 제어부

230 : 표시부 240 : 메모리

250 : 키입력부

본 발명은, 가스센서(11)의 출력 특성 중에서 최대 출력전압 변동율을 나타내는 최대전압변동율(S)을 측정하여, 상기 가스센서(11)의 출력 특성을 명확하게 추출하는 가스센서의 출력 특성 추출방법과; 가스센서(11)의 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 색출된 최대전압변동율(S)로부터 가스농도를 산출하여 그 결과값을 출력하는 가스농도 측정장치 및 그 방법;에 관한 것이다.

현대사회에서는 지속적인 산업화와 도시화로 인하여 환경오염원이 증대됨에 따라, 환경기술에 대한 꾸준한 연구와 환경산업시장에 대한 지속적인 투자가 이루어지고 있다. 이러한 상황에서, 환경오염원인 유해가스를 사전에 감지하고 예방하기 위한 다양한 반도체형 가스센서가, 여러 인자에 대응하도록 개선되어 왔다. 그와 더불어 개발된 가스센서에 대한 성능 평가 방법과 감지된 출력신호 데이터로부터 가스의 농도(C)를 추정할 수 있는 방법도 제시되어 왔다.

통상적으로 사용되는 반도체식 가스센서의 성능 평가는, 가스센서에 가스가 주입되기 전의 출력값인 전압(V_air) 또는 저항(R_air)과 가스가 주입된 후의 출력 전압(V_gas), 저항(R_gas) 또는 저항변화(R_x)의 비례산식으로서, 하기의 관계식으로 이루어진다.

[수학식 1]

또는

[수학식 2]

또는

[수학식 3]

또는

하지만, 종래의 상기 평가 방법은, 가스센서에 가스가 주입되기 전의 출력값(V_air, R_air)과 가스가 주입된 후의 출력값(V_gas, R_gas, R_x)의 단순한 비례식으로 가스센서의 성능을 평가하므로, 일반적으로 측정환경에 따라 변하게 되는 초기 출력 값으로 인하여 객관적으로 가스센서의 성능을 평가할 수 없었다. 또한, 가스센서의 제조 과정에서, 모든 가스센서가 일정한 저항값을 갖지 못함에 따라서, 가스센서마다 출력 특성이 다르게 나타나는 문제점이 있었다. 즉, 가스 주입 전·후의 출력값 비례식이 다양한 값으로 표출되어 통일된 성능 평가 방법을 적용할 수 없었다. 또한, 측정가스를 일정한 주기로 반복하여 주입하였을 경우에 가스센서의 출력값은 매 순간 다르게 표출되므로, 가스센서의 주요 필요조건인 감도 재현성이 현저히 감소하는 문제점이 있었다.

반도체식 가스센서의 출력 특성은, 가스센서의 초기 저항값(R_S)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하여 결정되지만, 종래의 방법에서는 출력 특성을 상기 주요 인자(R_S, C)로서 명확하게 설명하지 못하였다. 상기 초기 저항값(R_S)은 제조단계에서 알 수 있는 값이므로, 가스센서의 전기적인 출력신호를 해석함으로서 주입 된 가스 농도(C)를 추정할 수 있음에도, 출력 특성에 대한 명확한 정의가 없어 가스 농도(C)를 추정하는 데도 많은 어려움이 발생하였다.

따라서 본 발명의 목적은, 가스센서의 내부저항(R_S)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하여 정의되는 가스센서의 출력 특성을, 가스센서의 출력신호에서 획득하는 가스센서의 출력 특성 추출방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 정의된 가스센서 출력 특성관계를 이용하여, 가스농도를 정밀하게 측정할 수 있는 가스농도 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

다수의 가스센서(11)에 대한 각각의 내부저항값(R_S)을 측정하고, 상기 다수의 가스센서(11)에 연결되는 부하저항(31)값을 지정하는 단계와; 서로 다른 농도(C₁~C_N)를 갖는 측정용 표준가스를 순차적으로 주입하며, 각 가스센서(11)별로 측정되는 출력전압(32)의 변동율을 표준가스별로 일정 시간동안 산출하고, 일정 시간동안 산출된 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(S₁~S_N)을 각 가스센서(11)별로 색출하는 단계와; 색출된 가스센서(11)별 최대전압변동 율(S₁~S_N)과 측정된 가스센서(11)별 내부저항값(R_S)과 표준가스의 농도(C₁~C_N)를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서(11) 내부저항값(R_S)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계식을 정의하는 단계;를 포함하는 가스센서의 출력 특성 추출과정과,

하나의 가스센서(11)를 구비하여 구성되는 가스농도 측정장치(200)에 있어서, 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계와; 가스센서(11)에 의해 변하는 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)을 소정의 시간 동안 측정하는 단계와; 상기 출력전압(32)의 전압변동율을 상기 소정의 시간 동안 산출하는 단계와; 상기 소정의 시간 동안 산출된 전압변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계와; 상기 가스센서의 특성데이터 획득과정에서 정의된 특성관계식에서 농도(C)를 산출하는 단계와; 산출된 상기 가스농도(C)를 출력하는 단계;를 포함하는 가스농도 측정과정으로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 및 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서(11)의 출력 특성관계를 획득하기 위한, 가스센서의 출력 특성데이터 측정시스템의 구성도이다.

도 1을 참조한 가스센서(11)의 출력 특성데이터 측정시스템은, 가스를 감지하기 위해서 가스를 임시 담아두는 가스챔버(12)와, 상기 가스챔버(12)에 가스를 주입하는 가스주입장치와, 상기 가스챔버(12)에 설치되는 다수의 반도체식 가스센서(11)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와; 상기 가스센서(11)들에서 인출되어 외부로 연결되는 센서연결도선(20)과; 상기 센서연결도선(20)을 통하여 전달되는 상기 가스센서(11)의 신호를 해독 및 산출하여 상기 가스센서의 특성데이터를 측정하는 가스센서 특성데이터 측정장치(100)로 구성된다.

상기 가스센서 특성데이터 측정장치(100)는, 상기 센서연결도선(20)을 통하여 상기 가스센서(11)들 내부저항(R_S)에 직렬로 연결되는 부하저항(31)을 구비하고, 상기 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)를 측정하는 부하저항 측정부(30)와; 측정된 아날로그 출력전압(32) 신호를 샘플링하여 디지털 출력전압(32) 데이터로 변환하는 A/D변환부(40)와; 상기 출력전압(32) 데이터를 가스가 주입되는 주기 동안 수집하는 측정데이터 수집부(110)와; 수집이 완료된 출력전압(32) 데이터에서 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하고, 색출된 최대전압변동율(S)과 주입된 가스농도(C)와 가스센서 내 부저항(R_S)의 상관 관계로 형성되는 출력관계식을 완성하기 위한 특성상수(a, b, d)를 획득하는 데이터 처리부(120)와; 상기 출력전압(32) 데이터와 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)과 특성상수(a, b, d) 등을 출력하는 산출데이터 출력부(130)와; 상기 부하저항(31)의 지정과 출력관계식의 특성상수(a, b, d)를 획득하는 과정에서 제어 입력신호를 입력하기 위한 키조작부(150)와; 상기 출력전압(32) 데이터와 부하저항(31)과 특성상수(a, b, d)를 저장하는 상기 데이터 저장부(140)와; 특성데이터 측정장치(100)의 전원을 공급하는 전원공급부(160);를 포함하여 구성된다.

도 2는 도 1의 시스템 구성에서, 가스센서(11) 내부저항(R_S)과 출력전압(32)의 상관 관계를 도시하기 위한 전기회로의 간략 구성도이다.

도 2를 참조하면, 전원공급부(160)의 +전원(1) 및 -전원(2)에는, 가스센서부(10)의 가스챔버(12)에 설치되는 가스센서(11)와 부하저항 측정부(30)에 설치되는 부하저항(R_L, 31)이 직렬로 연결되고, 상기 부하저항 측정부(30)에서 상기 부하저항(R_L, 31) 양단의 출력전압(V_L, 32)이 측정되어 A/D변환부(40)로 전달된다. 상기 가스센서(11)는, 가스가 주입되기 전의 저항값인 고유의 내부저항값(R_S)를 갖는다.

상기 도 1과 도 2에 있어서, 상기 데이터 처리부(120)에서 적용되는 가스센서의 특성관계식은 다음과 같다.

[수학식 4]

상기 특성관계식에, a, b 및 d는 특성상수, S는 최대전압변동율, C는 가스의 농도, R_S는 가스센서(11) 내부저항값을 나타낸다.

상기 수학식 4를 참조하면, 상기 특성상수(a, b, d)는, 측정되어 알고 있는 가스센서 내부저항값(R_S)과 표준가스로서 그 농도를 알고 있는 가스농도(C)를 입력신호로 하고, 출력전압(V_L, 32) 데이터에서 산출 및 색출되는 최대전전압변동율(S)을 출력신호로 하여 결정된다. 따라서, 다수의 가스센서 내부저항값(R_S) 데이터와, 각각의 상기 가스센서 내부저항값(R_S)에 대응하는 다수의 가스농도(C) 데이터와, 상기 가스센서 내부저항값(R_S)과 가스농도(C)의 조합으로 이루어지는 최대전압변동율(S) 데이터가 있어야만, 상기 특성상수(a, b, d)가 결정된다. 바람직하게, 가스챔버(12)에 서로 다른 내부저항값(R_S)를 갖는 다수의 가스센서(11)를 설치하고, 서로 다른 농도를 갖는 가스를 순차적으로 상기 가스챔버(12)에 주입하여, 최대전압변동율(S) 데이터를 얻을 수 있다.

상기 가스센서부(10)에 포함되는 가스챔버(12)와 가스주입장치는, 일반적으로 사용되는 회분식(batch-type)반응기 또는 연속식(continuous-type)반응기 등으 로 구현될 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 가스주입장치와 가스센서와, 가스센서(11)의 히터부는 공지된 기술임으로 본 설명에서는 생략한다.

도 3은 도 1의 시스템을 이용한, 가스센서(11)의 출력 특성 추출방법을 도시한 순서도이다.

도 3에 따른 가스센서(11)의 출력 특성 추출방법은,

다수의 가스센서(11)에 대한 각각의 내부저항값(R_S)을 측정하여 저장하는 단계(S111)와; 가스센서(11)의 출력 특성을 얻기 위해 사용될 N개의 표준가스 농도값(C₁~C_N)을 선택하고 일련번호(n)에 따라 주입 순서를 정하여 저장하고, 사용될 M개의 부하저항값(R_L1~R_LM)을 선택하고 일련번호(n)에 따라 지정할 순서를 정하여 저장하는 단계(S112);로 이루어지는 가스센서 주요인자 지정단계(S110);

저항값(R_L1~R_LM)의 부하저항을 순차적으로 적용하기 위한 초기화 지정단계(S120);

m번째 부하저항(R_Lm)을 지정하는 단계(S130);

농도값(C₁~C_N)을 갖는 표준가스를 순차적으로 적용하기 위한 초기화 지정단계(S141)와; n번째 표준가스를 가스챔버(12)에 주입하는 단계(S142)와; 각 가스센서(11)별 출력전압(32)을 측정하여 디지털 데이터로 변환하고 저장하는 과정을, 주입된 표준가스에 대해 충분한 출력특성을 얻도록 가스센서(11)의 반응 시간을 감안 하여 결정되는 시간 동안 반복하는 단계(S143)와; 각 가스센서(11)별로 상기 시간 동안의 출력전압(32) 변동율을 산출하는 단계(S144)와; 산출된 출력전압(32) 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(S_n)을 색출하고, 각 가스센서(11)별로 색출된 상기 최대전압변동율(S_n)을 저장하는 단계(S145)와; 주입된 n번째 표준가스가 마지막번째(N)가 아니면 다음 표준가스를 주입하는 상기 (S142)단계를 반복하고, 준비된 모든 표준가스에 대한 최대전압변동율(S₁~S_N)를 색출하였으면, 다음 단계로 넘어가는 단계(S146, S147);를 포함하여 이루어지는 최대전압변동율(S₁~S_N) 획득단계(S140);

지정된 m번째 부하저항(R_Lm)이 마지막번째(M)가 아니면 다음 부하저항(R_Lm ₊₁)을 지정하여 최대전압변동율(S₁~S_N) 획득단계(S140)를 실행하고, 지정된 m번째 부하저항(R_Lm)이 마지막번째(M)이면 다음 단계로 넘어가는 단계(S150, S151);

부하저항(R_L1~R_LM)별 및 표준가스의 농도(C₁~C_N)별로 획득된 가스센서(11)별 최대전압변동율(S₁~S_N)과, 가스센서(11)별 내부저항값(R_S)을 데이터 테이블로 완성하여 정리하는 단계(S160);

부하저항(R_L1~R_LM)별로 정리된 가스농도(C₁~C_N)와, 가스센서 내부저항값(R_S)들과, 상기 가스농도(C₁~C_N) 및 가스센서 내부저항값(R_S)에 대응되는 최대전압변동 율(S₁~S_N)를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서(11) 내부저항값(R_S)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계식(수학식 4)에서, 부하저항(R_L1~R_LM)별 특성상수(a, b, d)를 획득하는 단계(S170);

상기 (S160)단계의 데이터 테이블과 상기 (S170)단계의 부하저항(R_L1~R_LM)별 특성상수(a, b, d)를 이용하여, 가스센서의 출력특성으로 정의하고, 성능을 평가하고, 가스농도 측정장치로 활용하는 단계(S180);를 포함하여 이루어진다.

상기 (S140)단계에서 획득되는 최대전압변동율(S₁~S_N)은, 출력전압(V_L)의 변동율 중에서 최대값으로 선택되므로, 불안정한 초기 출력전압(V_L)에 상관없이 반복 측정에서도 일정한 값을 갖는다. 따라서, 초기 출력값에 영향을 받는 종래의 수학식 1, 수학식 2 또는 수학식 3 들이, 가스센서의 정확한 출력특성을 나타내지 못하는 반면에, 본 발명에 의한 최대전압변동율(S)는 초기 출력전압(V_L)에 상관없이 가스센서의 전기적 출력특성을 정확하게 나타낸다.

하기의 표 1은, 황화수소(H₂S)를 주입하여 3개의 가스센서로 측정된 데이터 테이블이고, 표 2는 측정된 표 1의 데이터 테이블을 이용하여 특성관계식(수학식 4)을 완성한 것이다.

[표 1]

가스센서	내부저항(R_S, ㏁)	부하저항(R_L, ㏀)	가스농도(C, ppm)	최대전압변동율(S)
센서 1 (S-A1)	7.82	10	3	0.78
			6	1.34
			12	2.98
			18	4.31
		30	3	1.60
			6	1.87
			12	2.66
			18	3.36
		60	3	1.32
			6	1.77
			12	2.35
			18	2.76
센서 2 (S-A2)	15.75	10	3	2.00
			6	4.64
			12	11.74
			18	19.42
		30	3	4.56
			6	9.82
			12	19.63
			18	29.58
		60	3	4.78
			6	9.10
			12	16.84
			18	23.38
센서 3 (S-A3)	9.56	10	3	0.74
			6	1.58
			12	3.85
			18	5.44
		30	3	1.63
			6	2.18
			12	4.03
			18	4.32
		60	3	1.63
			6	1.94
			12	2.93
			18	3.67

[표 2]

부하저항(R_L, ㏀)	특성관계식	결정계수(r²)
10		0.988
30		0.997
60		0.997

표 2의 특성관계식은, 일반적으로 사용되는 다중회귀분석 방법에 표 1의 데 이터를 적용하여 얻은 결과이다.

도 4는 출력전압(V_L, 32)와 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)의 관계를 도시하기 위한 그래프이다. 좌측 그래프는, 회분식 반응기(상부 그래프)와 연속식 반응기(하부 그래프)에서 가스챔버(12) 내에 가스를 주입하여, 부하저항 측정부(30)에 설치된 부하저항(R_L, 31) 양단의 출력전압(V_L, 32)의 변화를 가스 주입 시간(T)동안 측정하여 얻은 값을 도시한 것이다. 우측 그래프는, 측정된 출력전압(V_L, 32)의 그래프상 기울기를 산출하여 얻은 출력전압 변동율을 도시한 것이다. 이때, 우측 그래프에서 출력전압 변동율의 최대값이 최대전압변동율(S)를 나타낸다.

도 5는, 부하저항 측정부(30)의 부하저항(R_L, 31)를 10㏀으로 지정하고, 회분식 반응기에 농도 6ppm의 황화수소(H₂S)를 주입하여 측정된 출력전압(V_L, 32)과 상기 출력전압(V_L, 32)을 기초로 하여 산출된 출력전압 변동율과 최대전압변동율(S)을 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 가스가 주입된 후에 가스센서(11)가 반응하는 속도를 나타내는 출력전압 변동율은, 초기 일정 시간동안 급격하게 증가하는 것을 알 수 있으며, 최대전압변동율(S)도 이때에 나타난다.

도 6은 상기 표 1과 표 2의 결과에서 얻은 특성관계식의 검증 결과를 나타내 는 그래프이다. 도 6의 횡축은 주입된 실제 가스의 농도값을 나타내고, 종축은 표 2의 특성관계식에서 최대전압변동율(S)과 가스센서 내부저항(R_S)를 대입하여 역으로 산출하여 추정한 농도값이다. 도 6에 따르면, 측정하여 얻은 최대전압변동율(S)과 가스센서 내부저항(R_S)값을 특성관계식에 대입하여 얻은 농도는, 실제로 주입된 가스의 농도를 근소한 오차로서 추정됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 특성관계식은, 가스센서의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 가스센서의 내부저항(R_S)과 주입된 가스농도(C) 정보를 명확하게 설명한다. 또한, 가스센서의 최대전압변동율(S)은 가스센서의 전기적 출력특성을 정확하게 표출하므로, 가스센서의 성능 평가도 다른 요인에 관계없이 정확하게 이루어질 수 있다.

도 7는 본 발명의 제 1실시예에 따른 도 1과 도 3에 의해 획득된 가스센서(11)의 특성데이터를 활용한 가스농도 측정장치의 블록 구성도이다.

도 7을 참조한 가스농도 측정장치는, 가스를 감지하기 위해서 가스를 임시 담아두는 가스챔버(12)와, 상기 가스챔버(12)에 가스를 주입하는 가스주입장치와, 상기 가스챔버(12)에 설치되는 다수의 반도체식 가스센서(11)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와; 상기 가스센서(11)에 직렬로 연결되는 부하저항(31)을 구비하고, 상기 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)를 측정하는 부하저항 측정부(30)와; 상기 부하저항(31)값, 상기 부하저항(31)에 따라 결정된 특성상수(a, b, d)값, 상기 가스센서(11)의 내부저항값(R_S), 및 특성관계식(수학식 4)에 대한 정보를 저장하고 측정된 데이터를 저장하는 메모리(240)와; 측정된 아날로그 출력전압(32) 신호를 샘플링하여 디지털 출력전압(32) 데이터로 변환하는 A/D변환부(40)와; 측정된 출력전압(32) 데이터에서 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하고, 상기 최대전압변동율(S)과 상기 메모리(240)에 저장된 내부저항값(R_S)과 특성상수(a, b, d)값을 특성관계식(수학식 4)에 대입하여 주입된 가스농도(C)를 산출하는 가스농도 산출 제어부(220)와; 산출된 가스농도(C)를 출력하는 표시부(230)와; 가스를 주입하고 상기 가스농도 산출 제어부(220)를 제어하기 위한 신호를 입력받는 키입력부(250);를 포함하여 구성된다.

도 8은 본 발명의 제 1실시예에 다른 도 7의 구성으로 가스의 농도를 측정하는 가스농도 측정방법을 도시한 순서도이다.

도 8에 따른, 가스농도 측정방법은, 가스센서부(10)에 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계(S210)와; 부하저항(R_L) 양단의 출력전압(V_L)을 측정하고, 디지털 데이터로 변환하는 단계(S220)와; 측정된 상기 출력전압(V_L)의 변동율을 산출하는 단계(S230)와; 가스가 주입되는 동안 산출되는 출력전압 변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)를 색출하는 단계(S240)와; 상기 최대전압변동율(S)과 상기 메모리(240)에 저장된 내부저항값(R_S)과 특성상수(a, b, d)값으로 부터 특성관계식(수학식 4)을 이용하여 주입된 가스농도(C)를 산출하는 단계(S250)와; 산출된 가스농도(C)를 표시부(230)에 출력하는 단계(S260);를 포함하여 이루어진다.

도 7의 메모리(240)에 저장되는 내부저항값(R_S)과 특성상수(a, b, d)값과 부하저항(R_L)은, 가스센서부(10)에 설치된 가스센서(11)의 특성을 나타내는 데이터이며, 도 3의 가스센서(11) 출력 특성데이터 측정방법에서 획득된 것이다. 또한, 도 7의 (S250)단계에서 상기 내부저항값(R_S)과 특성상수(a, b, d)값은 특성관계식(수학식 4)의 고정 상수로 이용된다.

도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법을 도시한 순서도이다.

도 9의 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법은, 도 1의 구성을 이용하여 수행될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 데이터 처리부(120)는 특성상수(a, b, d)를 얻기 위한 산출과정을 수행하지 않고, 색출된 최대전압변동율(S)을 표준가스의 농도(C)에 대응시켜 데이터 저장부(140)에 저장하기만 한다.

도 9에 따른 가스센서의 최대전압변동율(S) 데이터 획득방법은, 데이터 획득을 위해 사용될 표준가스의 농도값(C₁~C_N)을 저장하고, 부하저항값(R_L)을 지정하고 저장하는 단계(S310)와; 표준가스에 일련번호(n)를 지정하고, 상기 일련번호(n)를 1로 초기화하는 단계(S321)와; n번째 표준가스를 가스챔버(12)에 주입하는 단계(S322)와; 출력전압(32)을 측정하여 디지털 데이터로 변환하여 저장하는 과정을, 주입된 표준가스에 대해 충분한 출력특성을 얻도록 가스센서(11)의 반응 시간을 감안하여 결정되는 시간 동안 반복하는 단계(S323)와; 상기 시간 동안의 출력전압(32) 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압(32) 변동율 중에서 최대값을 나타내는 표준가스별 최대전압변동율(S_n)을 색출하는 단계(S324)와; 색출된 상기 최대전압변동율(S_n)을 저장하는 단계(S325)와; 주입된 n번째 표준가스가 마지막번째(N)가 아니면 다음 표준가스를 주입하는 상기 (S322)단계를 반복하고, 준비된 모든 표준가스에 대한 최대전압변동율(S₁~S_N)를 색출하였으면, 다음 단계로 넘어가는 단계(S326, S327)와; 표준가스의 농도값(C₁~C_N)에 대응하는 최대전압변동율(S₁~S_N)의 데이터 테이블을 완성하는 단계(S330);를 포함하여 이루어진다.

상기 (S330)에서 완성된 데이터 테이블은, 상기 가스센서(11)를 이용한 가스농도 측정장치에 활용된다.

상기 (S310)단계에서 지정된 부하저항값(R_L)은, 그 값에 따라 최대전압변동율(S₁~S_N)의 값을 변화시키므로, 가스농도 측정장치에서 사용되는 부하저항값(R_L)과 동일하게 설정되어야 한다. 만약, 가스농도 측정장치에서 부하저항값(R_L)이 다수개로 지정될 경우에는, 그에 대응하는 최대전압변동율(S₁~S_N)을 얻어야만 한다.

도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 가스농도 측정방법을 도시한 순서도이 다. 도 10의 가스농도 측정방법은, 도 7의 구성을 이용하여 수행될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 가스농도 산출 제어부(220)는, 특성관계식(수학식 4)을 활용하지 않고, 메모리(240)에 저장된 농도값(C₁~C_N)에 대응하는 최대전압변동율(S₁~S_N)의 데이터 테이블을 활용한다.

도 10에 따른 가스농도 측정방법은, 가스센서부(10)에 측정하고자 하는 가스를 주입하는 단계(S410)와; 부하저항(R_L) 양단의 출력전압(V_L)을 측정하고, 디지털 데이터로 변환하는 단계(S420)와; 측정된 상기 출력전압(V_L)의 변동율을 산출하는 단계(S430)와; 가스가 주입되는 동안 산출되는 출력전압 변동율 중에서 최대값을 나타내는 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계(S440)와; 색출된 상기 최대전압변동율(S)값이 메모리(240)에 저장된 데이터 테이블에 있는지 확인하는 단계(S450)와; 상기 (S450)단계에서 상기 최대전압변동율(S)값이 상기 데이터 테이블에 있으면, 그에 대응하는 가스농도(C)값을 불러오는 단계(S461); 상기 (S450)단계에서 상기 최대전압변동율(S)값이 상기 데이터 테이블에 없으면, 상기 최대전압변동율(S)값 전/후의 최대전압변동율값과 가스농도값을 각각 불러들이고(S460), 불러들인 데이터를 이용하여 보간법으로 상기 최대전압변동율(S)값에 대응하는 가스농도(C)를 산출하는 단계(S470); 상기 (S461) 또는 상기 (S470)에서 얻은 가스농도(C)를 출력하는 단계(S480);를 포함하여 이루어진다.

상기 (S470)단계에서 사용되는 보간법은, 메모리(240)에 저장된 데이터 테이 블에 원하는 값이 없을 경우에, 저장된 데이터 중에서 가장 근접한 전/후의 데이터를 이용하여, 그 사이에 있고 상기 최대전압변동율(S)값에 대응하는 가스농도(C)값을 추정하는 방법으로서, 일반적인 알려진 수치해석 방법으로 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명은, 가스센서의 내부저항(R_S)과 주입된 가스 농도(C)를 주요 인자로 하는 가스센서 출력전압 변동율을 측정하여, 가스센서의 출력 특성을 객관적으로 명확하게 설명할 수 있다.

또한, 본 발명은, 가스센서의 가변적인 초기 출력값에 구애받지 않고, 가스센서의 출력 특성을 설명할 수 있다.

또한, 본 발명은, 가스센서의 주요 정보를 포함하며 초기 출력값에 구애받지 않는 출력전압 변동율을 측정하므로서, 정확한 가스센서 성능평가에 유용하게 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 가스센서의 내부저항(R_S)과 가스농도(C)로 설명되는 출력특성을 이용하여, 가스농도를 정확하게 측정할 수 있다.

Claims

가스센서(11)와 가스챔버(12)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와;

상기 가스센서(11)에 직렬로 연결되는 부하저항(R_L, 31) 양단의 출력전압(V_L)을 측정하고, 상기 출력전압(V_L)의 시간적 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값을 색출하여 최대전압변동율(S)을 획득하는, 가스센서 특성데이터 측정장치(100);를 이용하여 상기 가스센서(11)의 출력 특성을 추출하는 방법에 있어서,

가스를 일정 시간 동안 주입하는 단계(S142);

가스가 주입된 시간 동안 변하는 출력전압(V_L)을 측정하는 단계(S143);

출력전압의 시간적 변동율을 산출하는 단계(S144);

산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계(S145);

로 이루어지는 가스센서의 출력 특성 추출방법.
제 1항에 있어서,

다수의 가스센서에 대한 내부저항(R_S)을 측정하는 단계(S111);

상기 다수의 가스센서에 서로 다른 농도를 갖는 다수의 표준가스를 순차적으 로 주입하여, 상기 최대전압변동율(S) 획득과정(S142, S143, S144, S145)을 반복하는 단계(S140);

상기 (S140)단계에서 획득된 최대전압변동율 데이터와, 상기 다수의 가스센서 내부저항 데이터와, 상기 다수의 표준가스 농도 데이터를 이용하여, 가스농도(C)와 가스센서 내부저항(R_S)으로 표출되는 최대전압변동율(S)의 특성관계식을 획득하는 단계(S170);

를 더 포함하여 이루어지는 가스센서의 출력 특성 추출방법.
제 2항에 있어서,

상기 특성관계식은 수학식

으로 정의되고, 상기 수학식의 특성상수(a, b, d)는 상기 (S170)단계에서 결정되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 출력 특성 추출방법.
제 3항에 있어서,

상기 특성관계식의 특성상수(a, b, d)는,

부하저항(R_L, 31)의 크기에 따라 다르게 산출되는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 출력 특성 추출방법.
가스센서(11)에 연결되는 부하저항(R_L) 양단의 출력전압(V_L) 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하여, 가스농도를 산출하는 가스농도 측정장치에 있어서,

가스가 주입되는 가스챔버(12)와, 상기 가스챔버(12)에 가스를 주입하는 가스주입장치와, 상기 가스챔버(12)에 설치되는 가스센서(11)를 포함하여 구성되는 가스센서부(10)와;

상기 가스센서(11)에 직렬로 연결되는 부하저항(31)을 구비하고, 상기 부하저항(31) 양단의 출력전압(32)을 측정하는 부하저항 측정부(30)와;

상기 부하저항(31)값과, 상기 가스센서(11) 내부저항값(R_S)과, 상기 부하저항(31)에 따라 결정되는 가스센서(11)의 특성관계식에 대한 특성상수값을, 저장하는 메모리(240)와;

측정된 아날로그 출력전압(32) 신호를 샘플링하여 디지털 출력전압 데이터로 변환하는 A/D변환부(40)와;

상기 디지털 출력전압 데이터에서 출력전압 변동율을 산출하고, 산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)를 색출하고, 상기 최대전압변동율(S)과 상기 내부저항값(R_S)을 상기 특성관계식에 대입하여, 주입된 가스농도(C)를 산출하는 가스농도 산출 제어부(220)와;

산출된 가스농도(C)를 출력하는 표시부(230)와;

가스를 주입하고 상기 가스농도 산출 제어부(220)를 제어하기 위한 신호를 입력하기 위한 키입력부(250)를 포함하여 구성되는 가스농도 측정장치.
제 5항에 있어서,

상기 특성관계식은 수학식

으로 이루어지며, 상기 수학식에서 특성상수(a, b, d)는, 서로 다른 가스센서(11) 내부저항(R_S)과 서로 다른 가스농도(C)에 따라 변하는 최대전압변동율(S)을 측정하여 얻은 데이터에서, 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 가스농도 측정장치.
주입된 가스에 반응한 가스센서(11)의 내부저항(R_S)값이 변함에 따라, 상기 가스센서(11)에 직렬로 연결된 부하저항 양단의 출력전압(32)을 측정하여, 가스농도(C)를 산출하는 가스농도 측정방법에 있어서,

측정할 가스를 일정 시간 동안 주입하는 단계(S210);

가스가 주입된 시간 동안 변하는 출력전압(32)을 측정하는 단계(S220);

출력전압(32)의 시간적 변동율을 산출하는 단계(S230);

산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계(S240);

제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 가스센서의 출력 특성 추출방법을 통해 도출된 특성관계식에, 상기 최대전압변동율(S)과 가스센서 내부저항(R_S)값과 특성상수(a, b, d)값을 대입하여 가스농도(C)를 산출하는 단계(S250);

산출된 가스농도(C)를 출력하는 단계(S260);

를 포함하여 이루어지는 가스농도 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 특성관계식은 수학식

으로 이루어지며, 상기 수학식의 특성상수(a, b, d)는 서로 다른 가스센서(11) 내부저항(R_S)과 서로 다른 가스농도(C)에 따라 변하는 최대전압변동율(S)을 측정하여 얻은 데이터에서 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 가스농도 측정방법.
다수의 서로 다른 가스농도(C)에 대응되는 각각의 최대전압변동율(S)값으로 이루진 데이터 테이블을 이용하며, 주입된 가스에 반응한 가스센서(11)의 내부저항(R_S)값이 변함에 따라, 상기 가스센서(11)에 직렬로 연결된 부하저항 양단의 출력전압(32)을 측정하여, 가스농도(C)를 산출하는 가스농도 측정방법에 있어서,

측정할 가스를 일정 시간 동안 주입하는 단계(S410);

가스가 주입된 시간 동안 출력전압(32)을 측정하는 단계(S420);

출력전압(32)의 시간적 변동율을 산출하는 단계(S430);

산출된 출력전압 변동율 중에서 최대값인 최대전압변동율(S)을 색출하는 단계(S440);

색출된 최대전압변동율(S)의 값이 상기 최대전압변동율(S) 데이터 테이블에 포함되어 있는지 여부를 검사하는 단계(S450);

상기 (S450)단계에서, 색출된 최대전압변동율(S)의 값이 상기 최대전압변동율(S) 데이터 테이블에 포함되어 있으면, 그에 대응하는 가스농도(C)값을 호출하는 단계(461);

호출된 가스농도(C)값을 출력하는 단계(S480);

를 포함하여 이루어지는 가스농도 측정방법.
제 9항에 있어서,

상기 상기 (S450)단계에서, 색출된 최대전압변동율(S)의 값이 상기 최대전압변동율(S) 데이터 테이블에 포함되어 있지 않으면,

상기 최대전압변동율(S)값 전/후의 최대전압변동율값과 가스농도값을 각각 호출하는 단계(S460);

호출된 데이터를 이용하여 보간법으로 상기 최대전압변동율(S)값에 대응하는 가스농도(C)를 산출하는 단계(S470);

를 더 포함하여 이루어지는 가스농도 측정방법.