KR960013743B1 - 광도전성소자를 이용한 열선유속계의 설계 - Google Patents

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내용 없음.

Description

광도전성소자를 이용한 열선유속계의 설계

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 열선유속계의 개략적인 회로도이다.

제2도는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 열선유속계를 3차원유속을 측정하기 위하여 작용한 개략도이다.

제3도는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 열선유속계의 유용성을 나타내는 그래프이다.

제4도는 본 발명의 두번째 실시예에 따른 열선유속계의 개략적인 회로도이다.

제5도는 본 발명의 두번째 실시예에 따른 열선유속계의 효과를 예시하는 그래프이다.

제6도는 통상의 열선유속계의 온도보상을 위한 개략적인 회로도이다.

[산업상 이용분야]

본 발명은 열선유속계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열선유속계의 온도를 본상함과 아울러 출력의 감도를 좋게 하기 위하여 브릿지를 구성하는 4개의 저항중 하나로 광도전성 소자(photoconductive cell)를 사용하는 열선유속계에 관한 것이다.

열선유속계는 열선과 주위유체 사이의 대류열전달현상을 이용하여 유동속도로측정하는 장치로서 실험 유체역학분야, 전자제어 자동차용 공기유량계 등 그 응용분야가 매우 넓다.

열선유속계는 정온도형 열선유속계와 정전류형 열선유속계가 있으나, 현재는 부귀환제어 이론을 적용한 정온도형 열선유속계가 빠른 주파수 응답특성으로 비롯한 많은 장점이 있어 널리 사용되고 있다.

[종래기술의 설명]

온도보상을 위한 종래의 열선유속계의 회로도는 제6도에 개략적으로 도시되어 있고 이를 참조하여 설명한다. 정온도형 열선유속계는 휫스톤 브릿지와 브릿지의 저항을 일정한 관계에 있게 하는 직류 증폭기(DC AMP) 그리고 증폭기(DC AMP)에서 나온 출력전압(E0)을 검출하는 수단(미도시)으로 구성되어 있고, 증폭기(DC AMP)와 브릿지에 의해 일정한 저항을 가지게 되는 열선을 유동장에 설치하고 열선의 금속저항(R_w)은 자신의 온도와 일정한(선형적) 관계가 있는 것을 이용하는 것이다. 즉 유동자의 유속(U)이 변화하면, 유동장의 온도보다 높은 열선의 온도가 유체로서 열손실에 의해 변화하려 한다. 따라서 브릿지에 의해 규정된 저항을 유지하기 위하여, 다시 말해 정온도상태를 유지하기 위하여 열선에 흐르는 전류(I)는 달라진다. 이 전류(I)를 측정함으로써 유동장내의 속도를 측정할 수 있는 것이다.

한편, 대류열전달양은 유속(U)뿐 만이 아니라, 유체의 온도(T_a)에 의해서도 영향을 받기 때문에 온도변화에 무관하게 유속을 측정할 수 있게 하기 위하여 여러 온도 범위에 대하여 수행된 보정곡선을 이용하거나 온도보상이 필요하다. 전자제어 자동차용 공기유량계의 경우 대단히 넓은 온도 범위에서 동작하기 때문에 속도신호의 온도보정은 반드시 필요하다.

종래에 사용되는 온도보상 방법으로는 유체온도의 변도에 따라 유속계의 과열비를 조정하여 동일한 출력을 얻는 방법, 여러 온도에서 유속계의 보정곡선을 얻고 신호의 처리과정에서 속도신호를 얻는 방법, 과열비가 다른 두개의 열선유속계를 이용하여 유동의 온도와 속도 신호를 동시에 얻는 방법, 정전류형열선유속계의 출력을 이용하여 정온도형 열선유속계의 속도출력을 보상하는 방법 등이 있다.

현재 가장 일반적으로 사용되는 방법은 유속계의 브릿지에 열선과 대칭적으로 온도보상용 저항을 추가하여 열선이 위치하는 지점의 온도환경과 동일한 변화가 열선(R_w)과 온도보상용 저항(R3′)에 대칭적으로 나타나도록 하여 온도에 의한 변동을 상쇄시키는 것이다. 이러한 온도보상방법은 과열비 설정용 가변저항(R2)과 직렬로 연결되는 저항, 즉 열선에 대칭하는 저항(R3′)으로 온도에 따라 저항값이 선형적으로 변화하는 가는 백금선으로 대치하고 이를 유동장내에서 열선저항과 매우 근접한 위치에 두어 열선(R_w)과 동일한 유동조건을 받도록 한다. 또한 이에 직렬로 열선과 온도보상용 저항과의 온도저항계수의 다름을 상쇄하는 계수조정용 가변 저항(R3″)을 두어 유속계의 출력을 온도변화에 대하여 보상하도록 하는 것이다.

평형을 이루는 이들 저항들은 R1*R3=R2*Rw인 관계가 성립한다. 예를 들면, R1은 50Ω, R2는 5kΩ, R3는 500Ω, 그리고 R_w는 열선으로 보통 5Ω이다. 열선로는 텅스텐을 주로 사용하고 온도보상용 가변저항으로 백금을 많이 사용한다. 텅스텐과 백금의 온조저항계수의 값이 차이가 있으므로 상기 식에서 R3는 이를 조절하여 주는 별도의 계수조정용 가변저항(R3″)과 백금저항(R3′)을 포함한다.

그런데 온도 및 속도에 대한 보정곡선을 구하는 과정이 복잡할 뿐 만 아니라 백금선으로 약 500Ω 정도의 저항을 만들기 위해서는 백금선의 길이는 상당히 길게 되어 이것이 측정하고자 하는 유동장에 설치되는 경우에 유동장에 교란을 일으키게 되고, 더우기 2차원 이상의 유속을 측정하기 위한 2축 이상인 경우에는 열선과 근접한 위치에 같은 수의 온도보상용 저항을 설치하여 제작하여야 하므로 센서의 크기가 매우 커져서 정확한 유속의 측정에 어려움이 많게 한다.

한편, 온도변동이 없는 유동장의 유속을 측정하기 위한 통상의 정온도형 열선유속계(이 경우 제6도의 저항 즉, R1, R2, R_w는 고정저항이 되고 R3는 유동장에 들어가지 않는다.)를 살펴보면, 대류열전달을 이용한 아래식과 같은 관계를 이용하여 속고정저항(R1) 양단의 전류(I)를 전압(E^*)의 형태로 유속을 측정한다.

E² _w=h A_s(T_w-T_a)R_w(1)

여기에서 E_w는 열선에 걸리는 전압이다. h는 대류열전달계수이고 A_s는 열선의 표면적, T_w는 열선의 온도로서 정온도형 열선유속계의 특성상 저항이 일정하기 때문에 일정하다. T_a는 유동장의 온도이다.

따라서 출력전압은 h만의 함수가 되는 바, h=a+b U 여기서 a와 b는 계수이고 U는 유속이다. 즉 출력전압은 유속의 제곱근과 관계가 있다. 이러한 관계로 인하여 출력전압의 유속에 대한 기울기는 제5도에서 보는 바와 같이 점점 작아져서 출력전압에 대하여 유속을 정밀하게 유추하기가 쉽지 않다. 따라서 속도측정시에 부가적인 증폭기를 사용하여 감도를 향상시키거나 정밀한 전압측정을 해야만 유속 측정시의 오차가 줄어들게 되는 어려움이 있다.

[본 발명의 요약]

본 발명의 제1목적은 온도가 다른 또는 변화하는 유동장의 유속을 측정할 수 있는 열선유속계에 있어서 열선유속계의 온도보상을 보다 용이하게 함과 아울러 유동장의 교란을 최소할 수 있는 열선유속계를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 열선유속계의 출력전압의 감도 즉, 속도의 변화에 대한 출력의 변화율을 향상시킬 수 있는 열선유속계를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열선유속계는 종래의 온도보상용 센서 대신에 광도전성 소자로 제작된 온도보상용 센서를 사용하여 열선유속계의 브릿지 저항을 구성한다.

즉, 광도전성 소자를 열선유속계의 브릿지저항에 사용하여 그 저항값이 외부유체의 온도변화에 따라 적절한 값을 갖도록 광도전성 소자의 입력저항을 적절히 조정함으로써 유속계의 출력이 외부유체온도의 변화에 관계없이 속도에 의해서만 변화하도록 하는 회로를 구성하는 것이다.

또한 광도전성 소자를 열선유속계의 브릿지저항으로 사용함으로써 열선유속계의 출력을 광도전성 소자의 입력측에 되돌려서 속도의 증가에 따라 유속계의 출력의 변화가 더욱 크게 나타나게 하는 회로를 구성한다.

본 발명의 다른 목적과 특징, 장점은 관련된 도면과 실시예를 통한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

[실시예의 상세한 설명]

이하 본 발명에 따르는 열선유속계의 바람직한 실시예를 도면과 함께 설명한다.

광도전성 소자(photoconductive cell)는 빛의 조사로 도전율이 증가되는 소자로 셀레늄, 게르마늄, 황화납 등으로 만들어진 반도체 소자가 그 예이다. 즉, 반도체의 표면에 빛을 비추면, 저항이 낮아지는 성질을 이용하여 빛의 강약을 전류의 강약으로 변화하는 소자로서 적외선의 검출, 광통신, 온도측정, 사진기의 자동 조리개 등에 사용된다.

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 열선유속계의 회로도이다. 본 실시예에서는 입력되는 전압에 따라 저항이 변화하는 광도전성 소자(P)를 열선유속계 브릿지의 한쪽 저항으로 사용하여 유체온도의 변동이 없는 경우에는 기존의 정온도형 열선유속계와 동일하게 동작되도록 하고 유동에 온도의 변화가 있는 경우에는 변화에 따른 적절한 보상전압을 광도전성 소자에 가하여 그 저항값을 온도보상에 적합하게 변화시킴으로써 유속계의 출력이 오직 속도에 의해서만 변화하도록 하는 장치를 구성한다.

제1도에서 알 수 있듯이 유동장의 온도(Ta)는 온도검출기기 예를 들면 열전대(thermocouple)로 측정되어 계측기 내의 A-D 변환기(analog-to-digital converter)를 거쳐 온도 신호(T′ a)를 디지탈 신호로 바꾸고 이 신호가 컴퓨터로 들어가서 온도보상을 하기 위하여 광도전성소자(P)에 가해져야 되는 저항값에 해당하는 전압(V′₀)을 계산해 낸다. 이러한 계산은 어떤 유동온도에 대하여 온도와 온도저항계수의 효과가 나타나지 않도록 온도보상을 하는 것으로 이미 알려진 식에 의한다.

즉, R3=R30(1+α₃T_a)=R_w0(1+α_wT_a)가 되어야 한다. 여기서 아래첨자₀은 냉저항(0℃ 저항)을 나타내고 α₃와 α_w는 각각 온도보상용 저항(R3)과 열선(R_w)의 온도저항계수이다. 여기서 R3은 고정저항(R과 광도전성소자의 저항(R_cds)의 합성저항이다.

상기 컴퓨터에서 나온 전압신호(V′₀)는 계측기의 D-4 변환기(digital-to-analog converter)를 거쳐 광도전성 소자(P)의 입력측에 직렬로 연결된 저항(R4)을 통해 광도전성 소자(P)의 입력전압을 바꾼다. 상기 저항(R4)는 전류제한용 저항이다. 상기의 입력전압은 광도전성 소자의 저항(R_cds)을 변화시켜 소기의 목적을 달성할 수 있게 된다.

한편 광도전성 소자(P)는 고정저항(R)에 병렬로 연결되는 것이 바람직하다. 병렬로 연결하지 아니하고 직접 광도전성 소자를 온도보상용 저항으로 사용하는 경우에는 필요한 저항값을 얻기 위해 광도전성 소자(P)에 가해주는 전압은 정밀해야 하는 등 오차가 발생될 소지가 있다.

종래와 같이 백금선을 온도보상용 센서로 사용하는 경우에 백금선은 온도변화에 따라 그 저항값이 변하며 온도의 변화에 대한 저항값의 변화 즉, 온도저항계수가 고정되어 있다. 그러나 본 발명에 따른 실시예에 의해 광도전성 소자를 이용하여 온도보상을 수행하는 경우에는 상기에 설명한 바와 같은 경로를 거쳐 저항값 및 온도저항계수가 임의값을 갖도록 할 수 있어 열선과 온도보상저항의 온도저항계수는 달라서 이를 보정하기 위한 계수조정용 가변저항을 추가로 부착해야 하고 복잡한 보상과정을 거칠 필요가 없게 된다.

뿐만 아니라, 종래의 경우에는 백금선의 크기로 인하여 유동장이 교란되는 문제점이 있었으나, 온도측정을 위해 열전대와 같은 것을 사용하고 있으므로 유동장이 교란문제도 현저히 줄어든다.

본 발명의 이러한 효과는 교란이 문제가 되는 2축이상의 열선유속계에 적용할 경우에 보다 잘 알 수 있다. 제2도는 3측 열선유속계에 본 실시예를 적용한 예를 도시하고 있다. R_w1, R_w2, R_w3는 각 유속(u, v, w)을 측정하기 위한 열선의 저항을 가리킨다. 3축인 경우에도 하나의 열전대(TH)로만 온도정보를 검출하여 이를 각 브릿지(B1, B2, B3)의 공도전성 소자(P)에 온도보상용 전압의 형태로 가해주면 된다.

제3도는 본 실시예의 효과를 나타내는 그래프이다. 보정전압을 산출하기 위해서는 열선센서의 온도저항계수를 정확히 아는 것이 필요하다. 텅스텐 열선센서의 온도저항계수는 0.003에서 0.005까지로 알려져 있다. 본 실험에서는 0.004로 가정하고 실험을 수행한 결과 온도범위 30℃부터 80℃까지에 대하여 온도보상이 잘 이루어 진 것을 알 수 있다.

제4도와 제5도는 본 발명에 따른 두번째 실시예를 나타내는 도면으로서 열선유속계의 출력전압의 감도를 향상하기 위한 것이다. 온도의 변동이 없는 조건에서 사용되는 열선유속계이다. 종래의 정온도형 열선유속계와 다른 점은 열선의 반대쪽에 놓인 고정저항이 광도전성 소자로 대치되었으며 광도전성 소자의 입력전압을 유속계의 출력을 변화하는 데 사용하고 있다.

제4도의 간략화된 회로도를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 참조부호는 제1실시예와 동일하다. 유속계의 출력을 브릿지에 부귀환시키고 스위치(S)가 열린상태에서 입력전압(V_in)을 일정하게 유지하면 광도전성 소자의 저항(R3)이 일정하게 설정되므로 이 경우의 유속계의 작동은 기존의 정온도형 열선유속계와 동일하다. 그러나 제5도에서 보는 바와 같이 감도가 약하여 출력전압(E0)으로 정확히 유속을 아는 것은 쉬운 일이 아니다. 따라서 본 발명에서의 출력전압(E0)에 따라 일정한 함수로 광도전성 소자의 입력전압을 하강시킨다. 본 발명의 실시예에서는 저항 (R5)를 거쳐서 증폭기(0P)에 의해 최종의 전압은 R7(V_in-V_R5)/R6가 된다. 저항(R8)는 전류제한용 저항이다. 증폭기(0P)는 가산기로 작동한다. 저항(R5)는 클수록 전압강화의 효과가 있으나 과열을 고려하여 조정할 수 있다. 전압강하는 광도전성 소자의 성질에 의해 저항(R3)을 증가시킨다. 따라서 출력전압(E0)은 상승하게 되어 제5도에서 보는 바와 같이 감도가 좋아지게 된다.

제5도는 본 발명의 두번째 실시예에 따른 열선유속계와 종래의 열선유속계의 유속에 대한 검출전압을 비교하여 도시한 것이다. 도면에서 2/10과 3/10은 저항(R5)를 조정함으로써 얻어진 값으로 출력전압의 귀환비율을 나타낸 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이 열선유속계에 광도전성 소자를 사용한 본 발명으로 인하여 열선유속계의 온도보상이 손쉽게 이루어지게 됨은 물론 열선유속계의 출력전압의 감도가 향상되게 되었다.

Claims (4)

1. 열선센서를 포함하는 브릿지 저항과 증폭기 및 검출수단을 포함하여 유동장의 유체속도를 검출하는 열선유속계에 있어서, 상기 유동장에서 변화되는 온도 정보를 검출하는 온도측정수단과, 검출된 아날로그 온도 정보를 디지탈 신호로 변환시키는 A/D 변환수단과, 디지탈 신호로 변환된 온도 정보를 전압 신호로 변환시키는 저항변환수단과, 상기 변환된 전압 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 D/A 변환수단과, 상기 브릿지 회로를 구성하는 4개의 저항중 임의의 저항으로 구성되며, 고정 저항과 병렬로 접속되며 전류 제한용 저항을 통해 인가되는 유동장의 검출 온도 정보 전압에 따른 광량의 변화로 내부 저항 값이 변화되어 온도 보상을 실행시키는 광도전성 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 열선 유속계.
2. 제1항에 있어서, 상기 증폭기의 출력 전압을 변환시켜 상기 광도전성 소자의 입력측에 다시 가하기 위해 상기 출력 전압을 변환하는 수단을 더욱 포함하는 열선 유속계.
3. 제1항에 있어서, 상기 온도측정수단은 유동장에 구비하여 열전대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열선유속계.
4. 제1항에 있어서, 상기 저항변환수단으로 컴퓨터가 사용되며 검출되는 유동장의 온도 정보 변화에 따라 출력 전압 값을 조정하여 상기 광도전성 소자의 내부 저항 값을 조정하는 것을 특징으로 하는 열선유속계.