KR101138357B1 - 질소 산화물 가스센서 제어장치 - Google Patents
질소 산화물 가스센서 제어장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101138357B1 KR101138357B1 KR1020090015566A KR20090015566A KR101138357B1 KR 101138357 B1 KR101138357 B1 KR 101138357B1 KR 1020090015566 A KR1020090015566 A KR 1020090015566A KR 20090015566 A KR20090015566 A KR 20090015566A KR 101138357 B1 KR101138357 B1 KR 101138357B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- heater
- gas sensor
- oxygen
- oxygen cell
- concentration
- Prior art date
Links
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 164
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 159
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 155
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 154
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 149
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 39
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- -1 oxygen ion Chemical class 0.000 description 6
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910002089 NOx Inorganic materials 0.000 description 3
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 102100031102 C-C motif chemokine 4 Human genes 0.000 description 1
- 101100054773 Caenorhabditis elegans act-2 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HODRFAVLXIFVTR-RKDXNWHRSA-N tevenel Chemical compound NS(=O)(=O)C1=CC=C([C@@H](O)[C@@H](CO)NC(=O)C(Cl)Cl)C=C1 HODRFAVLXIFVTR-RKDXNWHRSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/409—Oxygen concentration cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
- G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0037—NOx
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 질소 산화물 가스센서 제어장치에 관한 것으로, 고체 전해질에서발생한 전위차를 감지하여 질소 산화물 가스의 농도를 측정하는 가스센서와, 상기 가스센서 주변의 산소 농도를 감지하는 산소셀과, 상기 가스센서 주변 온도를 일정하게 유지시키는 히터와, 상기 히터에 인가되는 전압 및 상기 히터에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 상기 히터의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항을 사용하여 상기 가스센서 주변의 온도를 판단하는 온도 측정부와, 상기 가스센서에서 감지한 전위차 및 상기 산소셀에서 감지한 산소 농도를 사용하여 질소 산화물 가스 농도를 계산하고, 상기 산소셀을 제어하는 산소셀 제어신호 및 상기 히터를 제어하는 히터 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀을 제어하는 산소셀 제어부를 포함하는 가스센서 제어장치를 제공하여 질소산화물의 농도를 정확히 측정할 수 있게 한다.
Description
본 발명의 질소 산화물 가스센서 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소 산화물의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 질소 산화물 가스센서 제어장치에 관한 것이다.
질소산화물 가스는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 아산화질소(N2O)를 포함하여 NOx로서 표시한다. 이 중 일산화질소 및 이산화질소가 질소산화물 가스의 대부분을 차지하며 이들은 대기오염원으로 작용하여 그 농도를 측정하여 배출량을 적절히 제어하도록 할 필요가 있다.
따라서 질소산화물 가스의 농도를 측정할 수 있는 가스센서에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 또한 가스센서 자체의 성능 뿐만아니라 상기 가스센서에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요소를 컨트롤하여 가스센서의 측정 결과에 대한 신뢰도를 높이려는 노력이 이루어지고 있다. 일 예로 가스센서 주변의 온도에 따라서 가스센서에서 측정되는 질소산화물 가스의 농도 값이 변할 수 있기 때문에, 가스센서 주변에 히터를 구비하여 이를 제어하기도 한다.
그러나 기존의 가스센서 제어장치에서는 종래 사용되는 가스센서, 히터 등을 단순히 연결하여 사용하는 것에 그쳤기 때문에 질소산화물 가스의 농도를 효과적으로 측정하지 못하는 문제점이 있었다.
예를 들어, 기존의 가스센서에서 질소산화물의 농도를 측정하는 방법 중, 평형전위를 이용하는 방법에서는 고체 상태의 질산염을 감지전극으로 형성하는데 상기 감지전극의 녹는점이 낮아 고온의 가스에 대하여 적용하기 어려운 문제가 있었다. 질소산화물의 농도를 측정하는 다른 방법으로 제한 전류 방식 및 혼합 전위 방식이 있는데, 이 경우 산소 농도를 조절해야할 뿐만 아니라 일산화질소를 이산화질소로 또는 이산화질소를 일산화질소로 변환해야하 하는 문제가 존재하였다.
한편, 수정 혼합 전위 방식은 일산화질소와 이산화질소를 어느 하나로 변환해야하는 문제는 없었으나 온도에 대한 민감도가 높아서 정밀하게 센서를 제어하여야 하였다. 그러나 기존의 제한 전류 방식 또는 혼합 전위 방식 가스센서 제어를 위한 시스템에서는 비록 주변 온도를 일정하게 유지시키기 위한 히터를 구비하고 있었으나 상기 가스센서들이 온도 변화에 민감하지 않았기 때문에 정밀한 제어를 필요로 하지 않았다. 따라서 수정 혼합전위 방식의 가스센서 주변 온도의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 수단을 필요로 하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 질소산화물의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 가스센서 제어장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 고체 전해질에서 발생한 전위차를 감지하여 질소 산화물 가스의 농도를 측정하는 가스센서와, 상기 가스센서 주변의 산소 농도를 감지하는 산소셀과, 상기 가스센서 주변 온도를 일정하게 유지시키는 히터와, 상기 히터에 인가되는 전압 및 상기 히터에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 상기 히터의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항을 사용하여 상기 가스센서 주변의 온도를 판단하는 온도 측정부와, 상기 가스센서에서 감지한 전위차 및 상기 산소셀에서 감지한 산소 농도를 사용하여 질소 산화물 가스 농도를 계산하고, 상기 산소셀을 제어하는 산소셀 제어신호 및 상기 히터를 제어하는 히터 제어신호를 생성하는 제어부와, 상기 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀을 제어하는 산소셀 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 전위차, 상기 산소 농도, 및 상기 질소 산화물 가스 농도 값의 관계에 대한 데이터 시트로부터 상기 질소 산화물 가스 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제어장치를 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징은 상기 가스센서 제어장치가 상기 히터 제어신호에 따라서 상기 히터를 구동하며, 전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비하는 히터 구동부를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 측정부는, 상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 히터에 인가되는 전압의 크기를 측정하는 전압 측정부 및 상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 스위칭 소자가 ON 되었을 때 흐르는 전류로부터 상기 히터에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로 상기 히터는 전압이 인가되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며, 상기 전압 측정부는 상기 제1 전극 및 제2 전극 양단에 인가되는 전압을 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로 상기 온도 측정부는 상기 계산한 히터의 저항의 오프셋을 조절하는 오프셋 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로 상기 가스센서는 상기 고체 전해질에 전류를 공급하는 전류 인가부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 특징으로 상기 가스센서 제어장치는 상기 측정한 가스 농도 및 온도에 대한 데이터를 외부 장치로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 고체 전해질에서 발생한 전위차를 감지하여 질소 산화물 가스의 농도를 측정하는 가스센서와, 상기 가스센서 주변의 산소 농도를 일정하게 유지시키는 산소셀과, 상기 가스센서 주변 온도를 일정하게 유지시키는 히터와, 상기 히터에 인가되는 전압 및 상기 히터에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 상기 히터의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항을 사용하여 상기 가스센서 주변의 온도를 판단하는 온도 측정부와, 상기 가스센서에서 감지한 전위차를 사용하여 질소 산화물 가스 농도를 계산하고, 상기 산소셀을 제어하는 산소셀 제어신호 및 상기 히터를 제어하는 히터 제어신호를 생성하는 제어부와, 상기 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀에 일정한 전압을 인가하는 산소셀 제어부를 포함하고, 상기 온도 측정부는 상기 계산한 히터의 저항의 오프셋을 조절하는 오프셋 조절부를 포함하는 가스센서 제어장치를 제공한다.
이러한 본 발명의 다른 특징은 상기 가스센서 제어장치가 상기 히터 제어신호에 따라서 상기 히터를 구동하며, 전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비하는 히터 구동부를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 측정부는, 상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 히터에 인가되는 전압의 크기를 측정하는 전압 측정부 및 상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 스위칭 소자가 ON 되었을 때 흐르는 전류로부터 상기 히터에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로 상기 히터는 전압이 인가되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며, 상기 전압 측정부는 상기 제1 전극 및 제2 전극 양단에 인가되는 전압을 측정할 수 있다.
삭제
본 발명의 또 다른 특징으로 상기 가스센서는 상기 고체 전해질에 전류를 공급하는 전류 인가부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 특징으로 상기 가스센서 제어장치는 상기 측정한 가스 농도 및 온도에 대한 데이터를 외부 장치로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 히터의 온도 측정이 더욱 정확해지며, 산소 농도에 의한 영향을 감안할 수 있게되어 가스센서에서 질소산화물의 농도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
(제1실시예)
도 1은 본 발명에 따른 가스센서 제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)는 가스센서(10), 센서 구동부(11), 전압 측정부(12), 히터(20), 히터 구동부(21), 온도 측정부(22), 제어부(30), 통신부(40), 전원부(50), 메모리(60), 산소셀(70) 및 산소셀 제어부(71)를 포함할 수 있다.
가스센서(10)는 자동차 등의 연소실에서 배출된 배기가스 등으로부터 질소산화물 가스의 농도를 측정한다. 질소산화물에 의하여 고체전해질에서 발생하는 전류로 인한 전위차를 감지하여 질소산화물의 농도를 측정할 수 있다.
센서 구동부(11)는 상기 가스센서(10)에 전류를 인가한다. 상기 가스센서(10)에 전류를 인가함으로 인하여 질소산화물의 농도를 더욱 정확하게 측정할 수 있게 된다.
전압 측정부(12)는 상기 가스센서(10)의 고체전해질에 발생하는 전위차를 감지한다. 상기 전위차를 감지함으로 인하여 질소산화물의 농도를 계산할 수 있게 된다.
상기 가스센서(10)에 대한 자세한 내용은 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
산소셀(70)은 상기 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 측정한다. 이러한 산소셀의 구성은 특허출원 제2008-0096090호의 구성에 따를 수 있다. 산소셀 제어부(71)는 상기 산소셀(70)을 구동 및 제어하는 부분이다.
가스센서(10)는 질소 산화물 가스의 농도가 일정하더라도 주변의 산소 농도에 따라서 그 측정값이 가변적이다. 따라서 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 일정하게 유지시키거나, 혹은 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 측정하여 이를 질소 산화물 가스의 농도 계산에 반영하여 더욱 정확한 질소 산화물 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다.
따라서 상기 산소셀(70) 및 상기 산소셀 제어부(71)를 사용하여 질소 산화물의 농도를 더욱 정밀하게 측정하는 것이 가능한데, 본 실시예에서는 산소셀(71)에서 산소 농도를 감지하는 방법을 포함한다.
상기 산소셀(70)에서 산소 분압을 측정하는 방법에는 두 가지가 있다. 한 가지는 산소셀(70)에서 제1 영역(예를 들면, 측정부)의 산소 분압과 제2 영역(예를 들면, 기준부)의 산소 분압 차이로 발생하는 기전력을 측정하는 방식이다. 다른 하나는 산소셀(70)에 구비된 두 개 이상의 귀금속 전극에 일정 크기 이상의 전압을 인가하고, 이로 인하여 발생하는 한계 전류를 측정하는 방식이다.
상기 두 가지 방식에 의하여 측정한 산소의 농도에 대한 데이터를 후술할 제어부(30)에 인가하고, 상기 제어부(30)는 상기 산소의 농도에 대한 데이터 및 가스센서(10)에서 감지한 전위차를 사용하여 질소 산화물 가스의 농도를 정확하게 계산할 수 있다.
따라서 산소 분압 차이로 발생하는 기전력을 측정하는 산소셀(70)을 구비하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 측정하는 장치를 포함할 수 있다. 즉, 상기 산소셀 제어부(71)는 산소 농도를 계산하는 역할을 수행할 수 있다.
반면에 전압을 인가하여 발생하는 한계 전류를 측정하는 산소셀을 구비하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 인가하는 장치 및 전류를 측정하는 장치를 포함할 수 있다. 즉, 상기 산소셀 제어부(71)는 산소셀을 구동하고 산소 농도를 계산하는 역할을 수행할 수 있다.
히터는(20)는 가스센서 주변의 온도가 일정하게 유지하도록 열을 발생시킨다. 상기 히터(20)로는 PTC 타입의 히터가 사용될 수 있다. PTC 타입의 히터는 온도가 상승하면 저항이 급격히 커지는 소자이다. 상기 히터(20)는 Al2O3 적층체 내부에 Pt를 인쇄하여 사용하는 것도 가능할 것이다. 이러한 히터(20)의 종류는 예시적인 것으로 상기 설명한 것에 한정되지 않으며, 상기 히터(20)의 종류는 다양하게 선택 가능할 것이다.
또한 상기 히터(20)는 그 자체로 온도센서로서의 역할을 수행할 수 있다. 이러한 온도센서로서의 역할은 후술할 온도 측정부(22)에서 히터(20)의 저항을 측정함으로 인하여 이루어질 수 있다. 도 2를 참조하면, 기존에는 전류가 인가되는 배선과 열을 발생시키는 발열부가 모두 Pt에 의하여 형성되었으나, 온도에 따른 상기 히터(20)의 저항을 좀 더 정확하게 측정하기 위하여 상기 히터(20)의 각 부분을 서로 다른 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 배선(a,c)은 저항값이 낮은 Ag나 Au로 형성하고 발열부(b)는 종전과 같이 Pt로 형성할 수 있다. 혹은 배선(a,c)은 저저항 Pt로 형성하고 발열부(b)는 일반 Pt로 형성하는 것도 가능하다. 상기 배선부 및 발열부의 물질은 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
종래에 배선의 저항값을 2x1Ω 이라고 하고 발열부의 저항값을 5Ω으로 할 경우 온도 변화 ΔT에 대하여 저항값은 2x1Ω + 5(1+Δr)Ω 와 같이 변한다. 결과적으로 온도 변화에 의한 저항값의 변화량은
{2x1Ω + 5(1+Δr)Ω}/7Ω = 1 +Δr/7 이다.
한편, 도 2와 같이 배선(a,c)을 저저항 물질로 형성하는 경우, 배선(ac,)의 저항값을 2x0.5Ω라고 하는 경우, 온도 변화가 ΔT로 동일하다면 온도에 따른 저항값의 변화량은
{2x0.5Ω + 5(1+Δr)Ω}/6Ω = 1 + 5Δr/6 이다.
즉, 배선(a,c)을 저저항 물질로 형성하는 경우가 온도에 따른 저항값의 변화량이 커지게 되며, 이는 온도 측정부(22)에서 정확한 저항값의 변화를 감지하게 하여 히터의 정밀한 온도 제어가 가능하게 한다. 여기서 상기 저항값들은 예시적인 것으로 실제 저항값은 배선 및 발열부를 형성하는 물질에 따라서 다르게 나타날 수 있다.
히터 구동부(21)는 후술할 제어부(30)로부터 히터 제어신호를 인가받아 상기 히터(20)를 구동한다. 상기 히터(20)를 구동하여 가스센서(10) 주변의 온도를 제어하기 위하여 PWM 방식의 구동신호를 사용할 수 있다. 히터에 공급되는 전류는 정전류 제어방식과 PWM 제어방식으로 제어될 수 있다. 여기서 PWM 제어방식은 전체 구 간 중 high 신호가 인가되는 비율, 즉 Duty 값에 의하여 히터를 제어하는 방법이다. 이러한 히터 구동부(21)는 스위칭 동작을 위한 트랜지스터를 포함할 수 있다.
온도 측정부(22)는 가스센서 주변의 온도를 측정한다. 가스센서에서 질소산화물의 농도를 측정하는 경우 주변 온도에 의하여 결과값이 영향을 받을 수 있으며, 가스센서 주변의 온도를 일정하게 유지시킬 때 질소산화물의 농도의 측정에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. 따라서 온도 측정부(22)는 가스센서(10) 주변의 온도를 감지하여 상기 히터(20)를 제어하는데 필요한 값을 출력한다. 온도를 측정하는 방법에는 다양한 기술이 존재하는데, 그 한가지 예로 히터(20)의 저항값을 측정하는 것에 의하여 온도를 측정할 수 있다. 히터(20)에 인가되는 전압의 크기와 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 히터의 저항을 계산할 수 있는데, 상기 히터의 저항은 온도에 따라서 변하는 특성을 지니기 때문에 상기 계산한 저항값을 사용하여 가스센서 주변의 온도를 판단할 수 있게 된다. 이처럼 히터(20)의 저항값을 측정하여 가스센서 주변 온도를 측정하기 위하여 상기 온도 측정부(22)는 전압 측정부(22-1) 및 전류 측정부(22-2)를 포함할 수 있다. 상기 온도 측정부(22)에 대하여는 도 3을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
제어부(30)는 가스센서 제어장치(100)의 각 부분을 제어하는 곳으로, 가스센서(10)에서 감지한 전위차 및 산소셀(70)에서 감지한 산소 농도를 사용하여 질소산화물의 농도를 계산할 수 있다. 한편, 상기 제어부(30)는 고체 전해질의 전위차, 산소 농도, 및 질소 산화물 가스의 농도 값의 관계에 대한 데이터 시트를 테이블 형식으로 후술할 메모리(60)에 저장할 수 있다. 상기 데이터 시트를 참조하는 것에 의하여 빠른 시간내에 질소 산화물 가스의 농도 계산이 가능하다.
또한 상기 제어부(30)는 상기 히터(20)를 제어하기위한 히터 제어신호를 생성하여 상기 히터 구동부(21)로 출력할 수 있다. 또한 산소셀 제어부(71)를 더 포함하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)를 제어하기 위한 산소셀 제어신호를 생성하여 상기 산소셀 제어부(71)로 출력할 수 있다. 상기 히터 제어신호는 상기 온도 측정부(22)에서 측정한 전류 및 전압 값을 사용하여 생성된 것으로, 상기 히터가 가스센서 주변의 온도를 일정하게 유지시키도록 하는 제어신호일 수 있다. 또한 상기 산소셀 제어신호는 상기 산소셀 제어부(71)가 상기 산소셀(70)에 전압을 인가하도록 하는 제어신호, 상기 산소셀 제어부(71)에서 감지한 산소 농도에 대한 데이터를 호출하는 제어신호 등일 수 있다. 상기 제어부(30)는, 예를 들어 자동차용 8비트 마이크로 컨트롤러인 XC888이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
통신부(40)는 상기 가스센서(10), 온도 측정부(22) 등에서 계산한 질소산화물의 농도 및 온도에 대한 데이터를 외부 장치로 전송한다. 상기 통신부(40)는 엔진 ECU(electronic control unit)와의 CAN(controller area network) 통신을 위한 CAN 통신 드라이버일 수 있다. 또한 상기 통신부(40)는 컴퓨터 등과 연결하여 데이터를 주고받기 위한 RS232 인터페이스일 수도 있다.
전원부(50)는 가스센서 제어장치(100)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 상기 전원부(50)는 8~32V의 직류 전압을 외부로부터 입력받을 수 있으며, 가스센서 제어장치(100)의 내부 회로에서 사용하는 5V의 전압으로 변환하기 위한 전원 레귤레이터 IC를 포함할 수 있다. 상기 전원부(50)의 내부에는 차량의 액츄에이터 등에 서 발생되어 전원에 유입되는 서지 전압 및 과도 전압을 억제하기 위하여 차량용 TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드를 사용하여 내부 회로를 보호할 수 있다. 또한 상기 레귤레이터의 출력단에는 주파수 특성이 우수한 탄탈 콘덴서를 사용하여 전원 전압의 리플을 최소화할 수도 있다.
메모리(60)는 본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)의 제어를 위한 알고리즘 등을 저장한다. 또한 고체 전해질의 전위차, 산소 농도, 및 질소 산화물 가스의 농도 값의 관계에 대한 데이터 시트를 테이블 형식으로 후술할 메모리(60)에 저장할 수 있다. 상기 메모리(60)는 Flash Rom이 사용될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 저장매체가 사용될 수 있을 것이다.
한편, 도시하지는 않았으나, 가스센서 제어장치(100)에서 측정된 히터(20)의 저항이나 질소산화물의 농도 등의 데이터를 외부로 출력하여 DAQ 등의 장비로 모니터링 할 수 있도록 아날로그 출력회로를 더 포함할 수 있다. 상기 데이터는 전압 형태로 출력될 수 있으며, 아날로그 형태로 출력하기 위하여 DAC(digital-analog converter)가 사용될 수 있다.
이하, 상기 설명한 본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)의 동작에 대하여 설명하도록 한다.
제어부(30)는 히터 제어신호를 생성하여 히터 구동부(21)에 인가한다. 상기 히터 제어신호는 상기 히터 구동부(21)가 가스센서(10) 주변의 온도를 목표 온도가 되도록 히터(20)를 구동하게 하는 신호이다. 예를 들어, 온도 측정부(22)에서 측정한 가스센서(10) 주변의 온도가 650℃이고 설정된 온도가 700℃이면, 상기 히 터(20)에서 더 많은 열이 발생하도록 하는 히터 제어신호를 상기 히터 구동부(21)에 인가한다. 상기 히터 제어시호를 인가받은 히터 구동부(21)는 히터(20)에 인가되는 히터 구동신호의 Duty를 조절하여 히터(20)에서 발생하는 열을 조절한다. 이러한 Duty 조절은 히터 구동신호를 스위칭 소자에 인가하고, 상기 스위칭 소자의 ON/OFF 동작에 의하여 제어되는 것일 수 있다.
한편, 상기 히터(20)에 의하여 생성되는 열은 가스센서(10) 주변을 가열시킨다. 이러한 가열로 인한 가스센서(10) 주변의 온도는 온도 측정부(22)에서 상기 히터(20)의 저항을 측정함으로 인하여 판단할 수 있다. 이는 히터(20)의 저항이 온도에 의하여 변하는 특성을 가지고 있기 때문이다. 상기 히터(20)에 인가되는 전압의 크기와 상기 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 옴의 법칙을 사용함으로 인하여 상기 히터(20)의 저항을 계산할 수 있다.
이와 같이 계산한 히터(20)의 저항으로부터 온도를 판단하고, 상기 온도가 미리 설정된 값으로 유지될 수 있도록 피드백시킨다.
제어부(30)는 산소셀 제어신호를 생성하여 산소셀 제어부(71)가 산소셀(70)를 제어하도록 한다. 상기 제어에 의하여 산소셀(70)은 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 측정할 수 있게 된다.
가스센서(10)는 고체전해질 사이의 전위차를 감지하여 질소산화물의 농도를 측정한다. 이 때, 제어부(30)는 상기 가스센서(10) 및 전압 측정부(12)를 통하여 감지한 전위차를 사용하여 질소 산화물의 농도를 계산할 때 산소셀(70)에서 감지한 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 고려할 수 있다. 상기 전위차가 주변의 산소 농 도에 의하여 가변적이기 때문이다.
상기 온도 및 질소산화물의 농도는 통신부(40)를 통하여 외부로 전송될 수도 있을 것이다.
이와 같이, 가스센서(10), 온도 측정부(22), 히터(20), 산소셀(70), 산소셀제어부(71) 및 제어부(30)를 구비하는 가스센서 제어장치(100)는 가스센서(10)에서의 측정 결과에 영향을 미칠 수 있는 요인, 예를 들어 온도 및 산소 농도의 변화를 차단하거나 그 영향을 계산에 반영하여 질소산화물의 농도를 정확하게 측정할 수 있게 한다.
한편, 도시하지는 않았으나, 가스센서(10) 주변의 온도를 측정하기 위하여 히터(20) 자체의 저항을 측정하는 방법 이외에 별도의 온도 센서를 구비하는 것도 가능할 것이다. 예를 들어, 상기 히터(20)의 저항보다 저항값이 더 크고 온도에 민감한 재료를 사용한 온도 센서가 사용될 수 있다.
(제2실시예)
본 실시예에서는 산소셀(70) 및 산소셀 제어부(71)를 사용하여 질소 산화물 가스의 농도를 정밀하게 측정하는 다른 방법에 대하여 설명한다. 제1실시예와 동일한 구성을 가지므로 도 1을 참조하여 본 실시예에 대하여 설명하며, 동일한 기능을 가지는 구성에 대하여는 설명을 생략하도록 한다.
본 실시예에 따른 산소셀(70)은 일정한 전압을 인가받아 산소를 펌핑인 또는 펌핑아웃 한다. 이로 인하여 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 일정하게 유지시킨다.
산소셀 제어부(71)는 상기 산소셀(70)에 일정한 전압을 인가한다. 따라서 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 인가하는 장치를 포함할 수 있다. 상기 산소셀 제어부(71)는 제어부(30)로부터 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀(70)을 제어할 수 있을 것이다.
제어부(30)는 제1실시예와 마찬가지로 가스센서 제어장치(100)의 각 부분을 제어하는 곳으로, 가스센서(10)에서 감지한 전위차를 사용하여 질소산화물의 농도를 계산할 수 있다.
또한 상기 제어부(30)는 상기 히터(20)를 제어하기위한 히터 제어신호를 생성하여 상기 히터 구동부(21)로 출력할 수 있다. 또한 산소셀 제어부(71)를 더 포함하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)를 제어하기 위한 산소셀 제어신호를 생성하여 상기 산소셀 제어부(71)로 출력할 수 있다. 상기 히터 제어신호는 상기 온도 측정부(22)에서 측정한 전류 및 전압 값을 사용하여 생성된 것으로, 상기 히터가 가스센서 주변의 온도를 일정하게 유지시키도록 하는 제어신호일 수 있다. 또한 상기 산소셀 제어신호는 상기 산소셀 제어부(71)가 상기 산소셀(70)에 전압을 인가하도록 하는 제어신호, 상기 가스센서(10) 주변의 산소 분압을 일정하게 유지시키도록 하는 제어신호, 상기 산소셀 제어부(71)에서 감지한 산소 농도에 대한 데이터를 호출하는 제어신호 등일 수 있다.
본 실시예에서는 가스센서(10) 주변의 산소 농도가 산소셀(70)에 의하여 일정하게 유지되기 때문에 가스센서(10)에서 발생하는 전위차, 산소 농도 및 질소 산화물 가스의 농도 사이의 관계에 대한 데이터 시트를 구비할 필요가 없다는 장점이 있다.
이와 같이, 가스센서(10), 온도 측정부(22), 히터(20), 산소셀(70), 산소셀제어부(71) 및 제어부(30)를 구비하는 가스센서 제어장치(100)는 가스센서(10)에서의 측정 결과에 영향을 미칠 수 있는 요인, 예를 들어 온도 및 산소 농도의 변화를 차단하거나 그 영향을 계산에 반영하여 질소산화물의 농도를 정확하게 측정할 수 있게 한다.
상기 제1실시예 및 제2실시예는 가스센서 제어장치(100)에 동시에 적용될 수도 있으며, 반드시 어느 하나의 기능만을 가지는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)는 산소셀(70) 및 산소셀 제어부(71)를 사용하여 산소 농도를 측정함과 동시에 산소 농도가 일정하게 유지되도록 하는 기능을 동시에 수행할 수도 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 및 온도 측정부를 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 히터(20)에 인가되는 전류의 흐름을 제어하기 위하여 가스센서 제어장치(10)는 스위칭 소자(SW1)를 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 소자(SW1)는 히터 구동부(21)로부터 인가되는 히터 구동신호(CSh)에 따라서 ON/OFF가 제어된다. 상기 스위칭 소자(SW1)는 FET 등의 트랜지스터를 사용할 수 있다. 또한 상기 스위칭 소자에 적절한 전압이 인가되도록 하기 위하여 저항들(R11, R12)이 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 히터 구동신호(CSh)에 의하여 스위칭 소자(SW1)가 ON되면, 스위 칭 소자(SW1)에 전류가 흐르게 되며, 이로 인하여 히터(20)가 작동하게 된다. 상기 히터(20)에서 발생되는 열은 PWM 방식의 히터 구동신호(CSh)의 Duty에 따라서 결정될 것이다. 즉, 히터(20)에 흐르는 전류의 평균전류에 의하여 결정될 것이다.
상기 히터(20)는 전압이 인가되기 위한 양의 전극과 음의 전극을 구비하고 있다. 상기 양의 전극 및 음의 전극에는 외부 배터리 또는 전원부로부터 공급되는 전압이 인가된다. 또한 히터에 필요한 전압을 인가하기 위하여 인덕터(L41)이나 커패시터(C41, C42), 다이오드(D41) 등이 구비될 수 있다.
한편, 상기 히터(20)의 저항을 측정하기 위한 온도 측정부(22)가 상기 히터(20)와 연결될 수 있는데, 상기 온도 측정부(22)는 전압 측정부(22-1)와 전류 측정부(22-2)로 이루어질 수 있다.
전압 측정부(22-1)는 상기 히터(20) 및 스위칭 소자(SW1)와 연결되어, 상기 히터 구동신호(CSh)에 의하여 히터가 구동되는 동안 히터상기 히터의 양의 전극 및 음의 전극 양단의 전압을 측정한다. 상기 전압의 측정을 위하여 여러개의 저항, 커패시터 및 인덕터 등이 사용될 수 있으며, 연산 증폭기(Amp3)가 사용될 수 있다. 상기 히터(20)의 양 단자에 인가되는 전압은 전압 측정부(22-1)에 의하여 증폭되어 제어부(30)로 인가될 수 있다.
또한 전류 측정부(22-2)는 상기 스위칭 소자(SW1)와 연결되어 상기 히터 구동신호(CSh)에 의하여 스위칭 소자(SW1)가 ON 되었을 때 흐르는 전류의 크기를 측정한다. 즉, 상기 스위칭 소자(SW1)와 그라운드 사이에 션트 저항(Rs)를 연결시키고, 전류가 흐를 때 상기 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압의 크기를 측정하여 히 터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정할 수 있다. 상기 전류 측정부(22-2)는 상기 션트 저항(Rs)에 걸리는 전압의 크기를 측정하기 위하여 저항, 커패시터 및 인덕터 등이 사용될 수 있으며, 연산 증폭기(Amp2)가 사용될 수 있다. 상기 션트 저항(Rs)의 양 단자에 인가되는 전압은 전류 측정부(22-2)에 의하여 증폭되어 제어부(30)로 인가될 수 있으며, 상기 제어부(30)는 상기 인가된 전압값을 사용하여 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 계산할 수 있을 것이다.
본 실시예에서는 션트 저항(Rs)가 스위칭 소자(SW1)의 일 단자와 그라운드 사이에 연결되는 구성에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 히터(20)에 흐르는 전류를 측정하기 위하여 션트 저항(Rs)를 임의의 위치에 놓이도록 하고, 상기 션트 저항(Rs)의 양단에 걸리는 전압을 측정함으로 인하여 상기 전류의 크기를 측정할 수 있을 것이다. 상기 션트 저항(Rs)은 히터(20)의 입력단에 구비될 수도 있으며, 혹은 출력단에 구비될 수도 있을 것이다.
이와 같이, 전압 측정부(22-1) 및 전류 측정부(22-2)를 사용하여 히터(20)에 흐르는 전류와 상기 히터(20)에 인가되는 전압의 크기를 정확히 측정할 수 있게되어 가스센서(10) 주변의 온도 측정이 더욱 정확하게 이루어질 수 있다.
이하 도 4를 참조하여 가스센서(10)에 대하여 좀 더 자세히 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서(10)를 나타내는 도면이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질소산화물 가스센서(10)는 산소이온 전도성 고체전해질(13)과, 이 고체전해질(13)에 접하는 제1막(16) 및 제2막(17)과, 전류 인가부(18) 및 전압 측정부(19)를 포함한다.
산소이온 전도성 고체전해질(13)은 고온에서 산소이온의 전도가 가능한 것으로 안정화 지르코니아, CeO2 또는 ThO2로 구비될 수 있다.
이러한 고체전해질(13)의 제1영역(14)에는 제1막(16)이 접하고, 제2영역(15)에는 제2막(17)이 접하도록 한다.
상기 제1막(16) 및 제2막(17)은 이들에 전원이 인가되었을 때에 질소산화물과 산소에 대해 반응성을 갖는 물질로 형성하는 데, 제1막(16)은 p형 반도체 금속산화물로 구비하고, 제2막(17)은 다른 p형 반도체 금속산화물로 구비한다.
상기 제1막(16) 및 제2막(17), 예컨대 CuO, NiO, CoO, Cr2O3, Cu2O, MoO2, Ag2O, Bi2O3, Pr2O3, MnO, NiO?YSZ, LaCoO3 및 2CuO?Cr2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어 상기 제1막(16)은 이러한 p형 반도체 금속산화물들 중 NiO를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제2막(17)은 CuO 나 LaCoO3로 형성하는 것이 바람직하다.
도 4에서 볼 때, 제1영역(14)과 제2영역(15)은 고체전해질(13)에 있어 서로 대향된 영역이나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 고체전해질(13)의 동일 평면 상의 다른 영역에 위치할 수도 있다. 다만, 상기 제1영역(14)과 제2영역(15)은 서로 중첩되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 제1막(16)과 제2막(17)은 전류 인가부(18)의 제1노드 및 제2노드에 각각 전기적으로 연결되어 일정한 전류가 인가되도록 한다. 이 때, 제1막(16) 상에는 제1전극이 형성되도록 하고, 제1전극이 제1노드에 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 제2막(17) 상에도 제2전극이 형성되도록 하고, 제2전극이 제2노드에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1전극 및 제2전극은 전기전도성 금속으로 형성하는 것이 바람직한 데, 더욱 바람직하게는 부식환경에서 견딜 수 있도록 귀금속으로 형성하도록 한다. 귀금속으로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금으로부터 선택된 적어도 하나가 적용 가능한 데, 바람직하게는 금이나 백금이 적용 가능하다.
상기 전류 인가부(18)에서 공급되는 전류는 2.5uA 내외의 아주 미세한 정전류일 수 있다. 또한 이와 같은 미세한 전류를 제공하기 위하여 상기 전류 인가부(18)는 Current Source 회로가 필요하며, 10uA 이하의 미소전류 공급을 위하여 정밀한 기준 전압을 제공할 수 있는 Voltage Source 및 고성능의 연산증폭기를 더 포함할 수 있다. 이러한 전류 인가부(18)는 센서 구동부(11)의 일 실시예일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어, 상기 제1막(16)은 양의 전극으로, 제2막(17)은 음의 전극으로 사용할 수 있다.
양의 전극인 제1막(16)과 고체 전해질(13) 사이 계면으로는 산소이온이 산소가스로 변환하는 애노딕 반응이 일어나고, 동시에 NO가스가 존재할 경우 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이 NO에 의한 애노딕 반응이 일어나 일정한 전류를 흘려주기 위한 전압의 크기를 감소시킨다. 이 때, 제1막(16)에는 애노딕 분극이 가해졌으므로 NO에 대한 반응은 크고 NO2에 대한 반응은 감소된다.
음의 전극인 제2막(17)과 고체 전해질(13) 사이 계면으로는 산소가스가 산소이온으로 변환하는 캐소딕 반응이 일어나고, 동시에 NO2가스가 존재할 경우 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이 NO2에 의한 캐소딕 반응이 일어나 일정한 전류를 흘려주기 위한 전압의 크기를 감소시킨다. 이 때, 제2막(17)에는 캐소딕 분극이 가해졌으므로 NO2에 대한 반응은 크고 NO에 대한 반응은 감소된다.
이처럼 본 발명에 따르면 NO와 NO2의 혼합가스가 존재할 경우 두 가지 가스 모두에 대한 측정 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 제1노드 및 제2노드에는 전압 측정부(19)가 연결되어 제1노드 및 제2노드 사이의 전위차를 측정한다.
상기와 같은 구조에서 고온 상태에서 질소산화물 혼합가스에 제1막(16) 및 제2막(17)이 노출되면 질소산화물 가스 내의 이산화질소 및 일산화질소의 농도에 따라 전위차가 변화되면서 이산화질소 와 일산화질소의 농도 합을 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 전류 인가부(18) 및 전압 측정부(19)가 가스센서(10) 의 일부를 이루는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 전류 인가부(18)는 센서 구동부(11)의 일부일 수 있으며, 전압 측정부(19)는 도 1에서의 전압 측정부(12)와 동일한 것일 수도 있으며, 또는 제어부(30)의 일부일 수도 있다.
본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)에 구비된 가스센서(10)는 산소셀(70)을 더 포함할 수 있다. 본 발명은 이러한 산소셀에 대한 특허출원 제2008-0096090호에 개시된 내용을 포함하며, 산소셀(70)의 구성에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 가스센서 제어장치(100)는 가스센서(10)가 상기 산소셀(70)을 더 구비하는 경우, 상기 산소셀의 구동 및 제어를 위한 산소셀 제어부(71)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 산소셀(70)이 산소 분압 차이로 발생하는 기전력을 측정하는 방식에 의하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 측정하는 장치를 포함할 수 있다.
반면에, 상기 산소셀(70)이 전압을 인가하여 발생하는 한계 전류를 측정하는 방식에 의하는 경우, 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 인가하는 장치 및 전류를 측정하는 장치를 포함할 수 있다.
또한 상기 산소셀(70)이 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 일정하게 유지하는 경우에도 상기 산소셀 제어부(71)는 전압을 인가하는 장치를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 온도센서에서 감지되는 히터의 오프셋 저항값을 조절하는 모습을 나타내는 도면이다.
온도에 따른 저항 특성은 물질에 따라 고유한 것으로 히터에서 사용되는 물질 또한 온도에 따라서 고유의 저항 특성을 갖게 된다. 그러나 히터 자체 또는 외부적인 요인에 의하여 측정된 저항값으로부터 추측한 온도가 실제 온도와 차이가 생기는 경우가 있다. 도 5의 왼쪽 그래프를 살펴보면, 가로축은 시간, 세로축은 저항값을 나타낸다. 여기서 실제 가스센서 주변의 온도에 부합하는 저항값은 점선으로 표시된 R0가 되어야 하나, 실제로는 그보다 큰 값으로 나타날 수 있다. 혹은 도 5와 달리 R0보다 작은 값으로 나타날 수도 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 히터의 저항을 측정함에 있어서, 히터 구동신호(CSh)가 스위칭 소자(SW1)를 OFF 시키는 기간에는 측정된 전류가 0이어야 한다. 그러나 회로설계상의 문제 등 하드웨어적인 구성에 의하여 일정한 값이 측정되게 된다. 이로 인하여 최종적으로 측정되는 히터(20)의 저항값에도 일정한 오프셋 값이 발생하게 된다. 따라서 측정되는 저항값에 존재하는 히터 저항의 오프셋 값을 조절하기 위하여 온도센서는 오프셋 조절부를 더 포함할 수 있다. 상기 오프셋 조절부에서는 도 5의 우측 그래프와 같이 측정되는 저항값을 인위적으로 조절하여 실제 온도에 부합하는 저항값이 측정되도록 할 수 있다. 즉, 하드웨어적인 구성에 의하여 발생하는 오프셋을 소프트웨어적인 방법으로 제거할 수 있을 것이다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 히터의 온도 측정이 더욱 정확해지며, 따라서 가스센서에서 질소산화물의 농도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 된다. 또한 온도 측정시 발생할 수 있는 히터 저항의 시프트를 측정되는 저항값의 오 프셋을 조절하여 줌으로써 신뢰도 있는 질소산화물 농도의 측정이 가능하게 된다.
상기 발명의 상세한 설명과 도면은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가스센서 제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 및 온도센서를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 온도센서에서 감지되는 히터의 오프셋 저항값을 조절하는 모습을 나타내는 도면이다.
<부호의 설명>
10: 가스센서 11: 센서 구동부
12: 전압 측정부 13: 고체 전해질
14: 제1영역 15: 제2영역
16: 제1막 17: 제2막
18: 전류 인가부 19: 전압 측정부
20: 히터 21: 히터 구동부
22: 온도 측정부 22-1: 전압 측정부
22-2: 전류 측정부 30: 제어부
40: 통신부 50: 전원부
60: 메모리 70: 산소셀
71: 산소셀 제어부 a,c: 배선
b: 발열부
Claims (10)
- 고체 전해질에서 발생한 전위차를 감지하여 질소 산화물 가스의 농도를 측정하는 가스센서(10);상기 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 감지하는 산소셀(70);상기 가스센서(10) 주변 온도를 일정하게 유지시키는 히터(20);상기 히터(20)에 인가되는 전압 및 상기 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 상기 히터(20)의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항을 사용하여 상기 가스센서(10) 주변의 온도를 판단하는 온도 측정부(22);상기 가스센서(10)에서 감지한 전위차 및 상기 산소셀(70)에서 감지한 산소 농도를 사용하여 질소 산화물 가스 농도를 계산하고, 상기 산소셀(70)을 제어하는 산소셀 제어신호 및 상기 히터(20)를 제어하는 히터 제어신호를 생성하는 제어부(30); 및상기 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀(70)을 제어하는 산소셀 제어부(71)를 포함하며,상기 제어부(30)는 상기 전위차, 상기 산소 농도, 및 상기 질소 산화물 가스 농도 값의 관계에 대한 데이터 시트로부터 상기 질소 산화물 가스 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 히터 제어신호에 따라서 상기 히터(20)를 구동하며, 전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비하는 히터 구동부(21)를 더 포함하며,상기 온도 측정부(22)는,상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 히터(20)에 인가되는 전압의 크기를 측정하는 전압 측정부(22-1); 및상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 스위칭 소자가 ON 되었을 때 흐르는 전류로부터 상기 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부(22-2)를 포함하는 가스센서 제어장치.
- 제2항에 있어서,상기 히터(20)는 전압이 인가되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며,상기 전압 측정부(22-1)는 상기 제1 전극 및 제2 전극 양단에 인가되는 전압을 측정하는 가스센서 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 온도 측정부(22)는 상기 계산한 히터(20)의 저항의 오프셋을 조절하는 오프셋 조절부를 포함하는 가스센서 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 가스센서(10)는 상기 고체 전해질에 전류를 공급하는 전류 인가부(18)를 더 포함하는 가스센서 제어장치.
- 고체 전해질에서 발생한 전위차를 감지하여 질소 산화물 가스의 농도를 측정하는 가스센서(10);상기 가스센서(10) 주변의 산소 농도를 일정하게 유지하는 산소셀(70);상기 가스센서(10) 주변 온도를 일정하게 유지시키는 히터(20);상기 히터(20)에 인가되는 전압 및 상기 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하여 상기 히터(20)의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항을 사용하여 상기 가스센서(10) 주변의 온도를 판단하는 온도 측정부(22);상기 가스센서(10)에서 감지한 전위차를 사용하여 질소 산화물 가스 농도를 계산하고, 상기 산소셀(70)을 제어하는 산소셀 제어신호 및 상기 히터(20)를 제어하는 히터 제어신호를 생성하는 제어부(30); 및상기 산소셀 제어신호를 인가받아 상기 산소셀(70)에 일정한 전압을 인가하는 산소셀 제어부(71)를 포함하고,상기 온도 측정부(22)는 상기 계산한 히터(20)의 저항의 오프셋을 조절하는 오프셋 조절부를 포함하는 가스센서 제어장치.
- 제6항에 있어서,상기 히터 제어신호에 따라서 상기 히터(20)를 구동하며, 전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비하는 히터 구동부(21)를 더 포함하며,상기 온도 측정부(22)는,상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 히터(20)에 인가되는 전압의 크기를 측정하는 전압 측정부(22-1); 및상기 스위칭 소자에 연결되어 상기 스위칭 소자가 ON 되었을 때 흐르는 전류로부터 상기 히터(20)에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부(22-2)를 포함하는 가스센서 제어장치.
- 제7항에 있어서,상기 히터(20)는 전압이 인가되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하며,상기 전압 측정부는 상기 제1 전극 및 제2 전극 양단에 인가되는 전압을 측정하는 가스센서 제어장치.
- 삭제
- 제6항에 있어서,상기 가스센서(10)는 상기 고체 전해질에 전류를 공급하는 전류 인가부(18)를 더 포함하는 가스센서 제어장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090015566A KR101138357B1 (ko) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 질소 산화물 가스센서 제어장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090015566A KR101138357B1 (ko) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 질소 산화물 가스센서 제어장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100096610A KR20100096610A (ko) | 2010-09-02 |
| KR101138357B1 true KR101138357B1 (ko) | 2012-04-26 |
Family
ID=43004117
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090015566A KR101138357B1 (ko) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 질소 산화물 가스센서 제어장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101138357B1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8265881B1 (en) | 2011-10-07 | 2012-09-11 | H2Scan Corporation | Techniques for calculating gas concentrations in a fluid environment |
| KR101708079B1 (ko) * | 2012-12-31 | 2017-02-20 | 중부대학교 산학협력단 | 블루투스모듈을 이용한 전력측정 제어시스템 |
| US9870885B2 (en) | 2014-05-12 | 2018-01-16 | Cooper Technologies Company | Vacuum loss detection |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19990007223A (ko) * | 1997-06-23 | 1999-01-25 | 오구치 구니히코 | 가스 센서 |
| JP2001221770A (ja) | 2000-02-08 | 2001-08-17 | Riken Corp | 複合ガスセンサ |
| JP2001305099A (ja) * | 2000-04-25 | 2001-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ガスセンサ |
| JP2009036608A (ja) | 2007-08-01 | 2009-02-19 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガスセンサ |
-
2009
- 2009-02-25 KR KR1020090015566A patent/KR101138357B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19990007223A (ko) * | 1997-06-23 | 1999-01-25 | 오구치 구니히코 | 가스 센서 |
| JP2001221770A (ja) | 2000-02-08 | 2001-08-17 | Riken Corp | 複合ガスセンサ |
| JP2001305099A (ja) * | 2000-04-25 | 2001-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ガスセンサ |
| JP2009036608A (ja) | 2007-08-01 | 2009-02-19 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガスセンサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20100096610A (ko) | 2010-09-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7980116B2 (en) | Hydrogen gas sensor | |
| JPH0560052B2 (ko) | ||
| US20110257897A1 (en) | Combustible gas detection apparatus and combustible gas sensor control method | |
| JP5074358B2 (ja) | ガスセンサ制御装置、及び窒素酸化物濃度検出方法 | |
| US9518954B2 (en) | Gas sensor control device | |
| JP4974304B2 (ja) | センサ制御装置 | |
| JP4241737B2 (ja) | ガス濃度センサのヒータ制御装置 | |
| US7445698B2 (en) | Gas concentration detecting apparatus | |
| US20160305898A1 (en) | Arrangement and method for measuring and controlling the heating temperature in a semiconductor gas sensor | |
| US7028530B2 (en) | Gas detector | |
| KR101138357B1 (ko) | 질소 산화물 가스센서 제어장치 | |
| JP2000081413A (ja) | ガス濃度検出装置 | |
| JP2020067432A (ja) | 二酸化炭素検出装置 | |
| US9769877B2 (en) | Heater control apparatus for gas sensor | |
| JP4671253B2 (ja) | 可燃性ガス濃度測定装置 | |
| WO2017195556A1 (ja) | ガスセンサ | |
| US20190107505A1 (en) | Sensor control device and sensor unit | |
| JP2010008121A (ja) | センサ出力処理装置及びセンサ出力処理システム | |
| JP3736445B2 (ja) | 内燃機関のガス濃度検出装置 | |
| JP3736444B2 (ja) | 内燃機関のガス濃度検出装置 | |
| JP3736443B2 (ja) | 内燃機関のガス濃度検出装置 | |
| US7862697B2 (en) | Sensor control device | |
| JPH10260158A (ja) | 排気ガス中の被検出成分濃度の測定方法及び装置 | |
| JP2008309641A (ja) | ガス濃度検出装置 | |
| US10156545B1 (en) | Method of sensor conditioning for improving signal output stability for mixed gas measurements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150312 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160311 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170403 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180403 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190401 Year of fee payment: 8 |