KR20080090005A - 열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보상 회로가 가지게 되는 온도 드리프트(drift)를 상쇄시킬 수 있고 온도 측정 장치를 소형화할 수 있으며 제작비용을 저렴하게 구현할 수 있는 열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 방법을 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 장치는 열전대로부터의 아날로그 측온 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 아날로그 디지털 변환기에 상기 열전대의 주위온도를 측정하여 아날로그 보상 전압 신호로서 변환하여 제공하는 냉 접합 보상 기, 상기 냉 접합 보상 기의 온도에 따른 드리프트(drift) 효과를 상쇄하는 기준전압을 제공하기 위해서, 상기 냉 접합 보상 기에 직렬로 접속되는 정밀기준저항, 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된 상기 열전대가 측정한 상기 측온 전압 신호와, 상기 냉 접합 보상 기가 측정한 보상 전압 신호를 근거로 상기 측온 대상 체의 온도를 연산하여 결정하는 프로세서를 포함하여 구성된다.
열전대, 온도 측정

Description

열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 그 방법{A TEMPERATURE MEASURING APPARATUS USING A THERMOCOUPLE AND A METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 장치의 구성을 보여주는 블록 도이고,
도 2는 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 방법을 보여주는 흐름도이다.
*도면의 주요부에 대한 부호의 설명
101: 측온 대상 체 102: 열전대
103: 냉 접합 보상기 104: 기준저항
105: 아날로그 디지털 변환기 105a: 정전류 원
105b: 멀티플렉서 105c: 계측용 증폭기
105d: 시그마 델타 아날로그 디지털 변환부
106: 마이크로 프로세서
본 발명은 열전대(Thermocouple)를 이용하는 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
열전대를 이용한 온도 측정 장치는 불필요하게 발생하는 주위온도의 영향을 보상하기 위해 보상회로를 부가하여 제작되어 왔다. 이러한 보상 회로는 입력단에 기준전압 발생회로를 부가하는 방법과, 온도센서와 멀티플렉서를 부가하는 방법으로 구현되는데, 특히 온도센서와 멀티플렉서를 이용하는 방법은 기준전압 발생회로를 부가하는 방법의 복잡성과 오차를 감축하기 위해 고안된 방법이다.
이러한 온도센서와 멀티플렉서를 이용하는 온도 측정 장치에 있어서, 온도 측정 장치의 설치 장소에 온도 변화가 일어날 경우 종래기술에서는 온도 드리프트(drift)로 인해 온도 측정에 오차가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 온도센서와 멀티플렉서를 이용하는 온도 측정 장치에 있어서, 신호 증폭 부와 멀티플렉서를 아날로그 디지털 변환기의 전단 회로에 독립적으로 구성하여 온도 측정 장치의 전체 크기가 커지고 제작비용이 상승하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 보상 회로가 가지게 되는 온도 드리프트를 상쇄시킬 수 있고 온도 측정 장치를 소형화할 수 있으며 제작비용을 저렴하게 구현할 수 있는 열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 목적은, 측온 대상 체의 온도를 열기전력으로 변환하여, 전압신호로서 아날로그 측온 전압신호를 출력하는 열전대;
상기 열전대의 출력단에 접속되어, 상기 열전대로부터의 아날로그 측온 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기;
상기 아날로그 디지털 변환기에 접속되어, 상기 아날로그 디지털 변환기에 상기 열전대의 주위온도를 측정하여 아날로그 보상 전압 신호로서 변환하여 제공하는 냉 접합 보상 기, 여기서 상기 아날로그 디지털 변환기는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 디지털 보상 전압 신호로 변환하고;
상기 냉 접합 보상 기의 온도에 따른 드리프트(drift) 효과를 상쇄하는 기준전압을 제공하기 위해서, 상기 냉 접합 보상 기에 직렬로 접속되는 정밀기준저항;
상기 아날로그 디지털 변환기의 출력단에 접속되어, 상기 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된 상기 열전대가 측정한 상기 측온 전압 신호와, 상기 냉 접합 보상 기가 측정한 보상 전압 신호를 근거로 상기 측온 대상 체의 온도를 연산하여 결정하는 프로세서;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
상기 본 발명의 목적은, 열전대를 이용하여 온도를 측정하는 방법에 있어서,
온도측정 대상 체의 온도를 열전대를 이용하여 열기전력으로 변환하여 측온 전압 치를 얻는 단계;
상기 열전대의 주위 온도에 따른 보상 전압을 상기 냉 접합 보상 기의
주위 온도에 따른 전압변화를 이용하여 얻는 단계;
상기 냉 접합 보상 기에 직렬접속되는 정밀 기준저항을 이용하여, 상기 냉 접합 보상 기의 온도 드리프트(drift)를 상쇄하는 단계;
상기 보상 전압을 대비하여 미리 결정된 주위온도로 프로세서를 이용하여 환산하는 단계;
환산된 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표에 의해서 전압으로 프로세서를 이용하여 환산하는 단계;
상기 측온 전압 치를 얻는 단계에서 얻은 측온 전압 치에 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표에 의해서 전압으로 환산한 값을 가산하는 단계; 및
상기 전압으로 환산한 값을 규격 전압 대비 온도 변환표를 기준으로 온도로 환산하여 최종적으로 온도측정 대상 체의 온도를 결정하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 열전대를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성과 작용효과는 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 장치의 구성을 블록 도로서 보여주는 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 장치는, 열전대(102)와, 아날로그 디지털 변환기(105), 냉 접합 보상 기(Cold Junction Compensator)(103), 정밀 기준 저항(104) 및 마이크로 프로세서(106)을 포함하여 구성된다.
부호 101은 온도 측정의 대상이 되는 물체인 측온 대상 체이며, 열전대(102)는 측온 대상 체(101)의 온도를 열기전력으로 변환하여, 전압신호로서 아날로그 측온 전압신호(VTC)를 출력한다.
아날로그 디지털 변환기(105)는 열전대(102)의 출력단에 그의 제 1 아날로그 입력단(AIN1+, AIN1-)이 접속되어, 열전대(102)로부터의 아날로그 측온 전압 신호(VTC)를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
아날로그 디지털 변환기(105)는 열전대(102)로부터의 측온 전압 신호(VTC)의 입력과, 냉 접합 보상 기(103)로부터의 아날로그 보상 전압 신호의 입력과, 상기 정밀 기준저항(104)으로부터의 기준 전압을 입력을 제공받기 위해서 다채널 입력을 갖는 다채널 아날로그 디지털 변환기로 구성된다.
냉 접합 보상 기(103)는 아날로그 디지털 변환기(105)의 제 2 아날로그 입력단(AIN2+, AIN2-)에 접속되어, 아날로그 디지털 변환기(105)에 열전대(102)의 주위온도를 측정하여 아날로그 보상 전압 신호로서 변환하여 제공한다. 그러면, 아날로그 디지털 변환기(105)는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 디지털 보상 전압 신호로 변환하여 출력한다.
정밀 기준저항(104)은 냉 접합 보상 기(103)에 직렬로 접속되어, 냉 접합 보상 기(103)의 온도에 따른 드리프트(drift) 효과를 상쇄하는 기준전압을 상기 아날로그 디지털 변환기(105)의 기준전압 입력단{REFIN(+), REFIN(-)}에 제공한다. 더욱 구체적으로, 정밀 기준저항(104)은 아날로그 디지털 변환기(105)의 기준 전압을 발생시켜 제공하는 수단이므로, 그 저항치가 정밀하게 측정된 저항이 이용된다. 상기 냉 접합 보상 기(103)의 온도 드리프트 특성 즉 온도에 따라 저항이 변하는 특성에 대해서, 정밀 기준저항(104)은 정 전류 원에 상기 냉 접합 보상기(103)와 함께 직렬로 접속되어 같이 온도에 따라 저항치가 드리프트 됨으로써, 냉 접합 보상 기(103)의 온도에 따른 드리프트(drift) 효과가 상쇄된다는 것이다.
마이크로 프로세서(106)는 개인용 컴퓨터 등 다른 프로그램에 따라 입력 값을 연산 및 처리할 수 있는 프로세서로 치환가능하며, 아날로그 디지털 변환기(105)의 출력단에 접속된다. 마이크로 프로세서(106)는 아날로그 디지털 변환기(105)에 의해 디지털 신호로 변환된 열전대(102)가 측정한 측온 전압 신호(VTC)와, 냉 접합 보상 기(103)가 측정한 보상 전압 신호를 근거로 측온 대상 체(101)의 온도를 연산하여 결정한다.
상기 아날로그 디지털 변환기(105)는 그 내부에 정 전류 원(105a)과, 멀티플렉서(multiplexer)(105b)와, 계측용 증폭기(105c)와, 아날로그 디지털 변환부(105d)를 포함하여 구성된다. 즉, 아날로그 디지털 변환기(105)는 정 전류 원(105a)과, 멀티플렉서(multiplexer)(105b)와, 계측용 증폭기(105c)와, 아날로그 디지털 변환부(105d)의 기능을 갖는 원 칩(one chip) 회로로 구성될 수 있으며, 따라서 회로가 간단해지고 크기가 소형화될 수 있으며 제작비용 또한 저렴하게 제작가능한 효과가 있다.
정 전류 원(105a)는 정 정류 출력단(IOUT)을 통해서 냉 접합 보상 기(103) 및 정밀 기준저항(104)에 접속되어 이들에 정 전류를 공급한다. 따라서 정 전류 원(105a)으로부터 공급되는 공통의 정 전류에 의해서 서로 직렬 접속된 냉 접합 보상 기(103)와 정밀 기준저항(104)의 온도에 따른 전압 특성이 주위온도 변화에 따라 같이 드립프트되어 상쇄될 수 있게 된다.
멀티플렉서(multiplexer)(105b)는 열전대(102)로부터의 아날로그 측온 전압신호(VTC)와 냉 접합 보상 기(103)로부터의 상기 아날로그 보상 전압 신호를 하나씩 차례로 선택하여 출력한다.
계측용 증폭기(105c)는 멀티플렉서(105b)의 출력단에 접속되어, 멀티플렉서(105b)가 출력하는 아날로그 측온 전압신호(VTC) 또는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 증폭하여 출력한다. 열기전력에 의해 발생하는 전압신호는 일반적으로 100 mV(밀리 볼트)이하의 미세 신호이므로, 이러한 미세 신호의 증폭이 필요하다.
아날로그 디지털 변환부(105d)는 계측용 증폭기(105c)의 출력단에 접속되어, 계측용 증폭기(105c)가 출력하는 증폭된 아날로그 측온 전압신호(VTC) 또는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
아날로그 디지털 변환부(105d)는 아날로그 신호를 정확하게 고속으로 디지털 신호로 변환시키고 잡음에 강한 특성이 있는 시그마 델타 아날로그 디지털 변환부(Sigma Delta Analog Digital Converter)로 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 열전대를 이용하는 온도측정 방법과 상기 온도 측정 장치의 동작을 흐름도로서 보여주는 도 2와 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에 있어서, 먼저 단계(201)에서 온도측정 대상 체(도 1의 부호 101 참조)의 온도를 열전대(도 1의 부호 102)를 이용하여 열기전력으로 변환하여 측온 전압 치 즉, 측온 전압 신호(VTC)를 얻는다.
다음 단계(202)에서, 도 1의 마이크로 프로세서(106)를 이용하여 측온 전압 치 즉, 측온 전압 신호(VTC)를 저장한다.
다음 단계(203)에서 냉 접합 보상 기(103)에 의해서 주위 온도에 따른 보상 전압을 검출하여 이를 계측용 증폭기(105c)를 이용하여 증폭하고 아날로그 디지털 변환부(105d)를 이용하여 디지털 값으로 변환하여 마이크로 프로세서(106)에 입력한다.
상기 단계(203)는 열전대(102)의 주위 온도에 따른 보상 전압을 냉 접합 보상 기(103)의 주위 온도에 따른 전압변화를 이용하여 얻는 단계와, 냉 접합 보상 기(103)에 직렬접속되는 정밀 기준저항(104)을 이용하여, 냉 접합 보상 기(103)의 온도 드리프트(drift)를 상쇄하는 단계를 세부 단계로서 내포한다.
다음, 단계(204)에서 냉 접합 보상 기(103)에 의해 검출한 보상 전압을 아날로그 디지털 변환부(105d)를 이용하여 디지털 값으로 변환하여 마이크로 프로세서(106)에 의해 저장한다.
다음, 단계(205)에서 상기 보상 전압을 대비하여 미리 결정된 주위온도로 마이크로 프로세서(106)를 이용하여 환산한다.
다음, 단계(206)에서 환산된 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표(미 도시)에 의해서 전압으로 마이크로 프로세서(106)를 이용해서 환산한다.
다음, 단계(207)에서 마이크로 프로세서(106)는 상기 측온 전압 치(VTC)를 얻는 단계(201)에서 얻은 측온 전압 치(VTC)에 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표에 의해서 전압으로 환산한 값을 가산한다.
다음, 단계(208, 209)에서 마이크로 프로세서(106)는 상기 전압으로 환산한 값을 미리 결정된 규격 전압 대비 온도 변환표를 기준으로 온도로 환산하여 최종적으로 온도측정 대상 체의 온도를 결정한다. 즉, 마이크로 프로세서(106)는 단계(208)에서 온도측정 대상 체의 온도를 각기 다른 표현방법 예를 들어 단계(208)에서 섭씨(℃)로 환산하여 결정한다면 단계(209)에서는 예를 들어 화씨(℉)로 환산하여 결정한다.
본 발명에 따라서, 상술한 바와 같이 보상 회로가 가지게 되는 온도 드리프트(drift)를 상쇄시킬 수 있고 온도 측정 장치를 소형화할 수 있으며 제작비용을 저렴하게 구현할 수 있는 열전대를 이용하는 온도측정 장치 및 그 방법을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 측온 대상 체의 온도를 열기전력으로 변환하여, 전압신호로서 아날로그 측온 전압신호를 출력하는 열전대;
    상기 열전대의 출력단에 접속되어, 상기 열전대로부터의 아날로그 측온 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기;
    상기 아날로그 디지털 변환기에 접속되어, 상기 아날로그 디지털 변환기에 상기 열전대의 주위온도를 측정하여 아날로그 보상 전압 신호로서 변환하여 제공하는 냉 접합 보상 기, 여기서 상기 아날로그 디지털 변환기는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 디지털 보상 전압 신호로 변환하고;
    상기 냉 접합 보상 기의 온도에 따른 드리프트(drift) 효과를 상쇄하는 기준전압을 제공하기 위해서, 상기 냉 접합 보상 기에 직렬로 접속되는 정밀기준저항;
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력단에 접속되어, 상기 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된 상기 열전대가 측정한 상기 측온 전압 신호와, 상기 냉 접합 보상 기가 측정한 보상 전압 신호를 근거로 상기 측온 대상 체의 온도를 연산하여 결정하는 프로세서;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용하는 온도측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환기는,
    상기 냉 접합 보상 기 및 상기 정밀기준저항에 정 전류를 공급하는 정 전류 원;
    상기 열전대로부터의 아날로그 측온 전압신호와 상기 냉 접합 보상 기로부터의 상기 아날로그 보상 전압 신호를 하나씩 선택하여 출력하는 멀티플렉서;
    상기 멀티플렉서의 출력단에 접속되어, 상기 멀티플렉서가 출력하는 아날로그 측온 전압신호 또는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 증폭하여 출력하는 계측용 증폭기;
    상기 계측용 증폭기의 출력단에 접속되어, 상기 계측용 증폭기가 출력하는 증폭된 상기 아날로그 측온 전압신호 또는 상기 아날로그 보상 전압 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용하는 온도측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환부는 아날로그 신호를 정확하게 고속으로 디지털 신호로 변환시키고 잡음에 강한 시그마 델타 아날로그 디지털 변환부인 것을 특징으로 하는 열전대를 이용하는 온도측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환기는 상기 열전대로부터의 측온 전압 신호의 입력과, 상기 냉 접합 보상기로부터의 아날로그 보상 전압 신호의 입력과, 상기 정밀 기준저항으로부터의 기준 전압을 입력을 제공받기 위해서 다채널 입력을 갖는 다채널 아날로그 디지털 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용하는 온도측정 장치.
  5. 열전대를 이용하여 온도를 측정하는 방법에 있어서,
    온도측정 대상 체의 온도를 열전대를 이용하여 열기전력으로 변환하여 측온 전압 치를 얻는 단계;
    상기 열전대의 주위 온도에 따른 보상 전압을 상기 냉 접합 보상 기의
    주위 온도에 따른 전압변화를 이용하여 얻는 단계;
    상기 냉 접합 보상 기에 직렬접속되는 정밀 기준저항을 이용하여, 상기 냉 접합 보상 기의 온도 드리프트(drift)를 상쇄하는 단계;
    상기 보상 전압을 대비하여 미리 결정된 주위온도로 프로세서를 이용하여 환산하는 단계;
    환산된 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표에 의해서 전압으로 프로세서를 이용하여 환산하는 단계;
    상기 측온 전압 치를 얻는 단계에서 얻은 측온 전압 치에 상기 주위온도를 미리 결정된 열기전력 대비 온도 변환표에 의해서 전압으로 환산한 값을 가산하는 단계; 및
    상기 전압으로 환산한 값을 규격 전압 대비 온도 변환표를 기준으로 온도로 환산하여 최종적으로 온도측정 대상 체의 온도를 결정하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대를 이용하여 온도를 측정하는 방법.
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