KR900003169B1 - 홀효과를 이용한 산소감지시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

홀효과를 이용한 산소감소시스템

제 1 도는 본 발명에 따른 산소감지기를 명확히 나타내기 위한 산소감지기의 일부절개사시도.

제 2 도는 제 1 도에 도시된 장치와 결합되어 사용되는 홀 효과감지기의 사시도.

제 3 도는 본 발명에서의 2개의 전자석사용을 도시해 놓은 도면.

제 4 도는 본 발명에 따른 회로의 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 튜브 15 : 양단이 막힌 튜브

20 : 전자석 22 : 전류원

24 : 자계분로 26 : 외측자계

30 : 감지기 30' : 감지기

35 : 감지기 36 : 외측자계

38 : 자계분로 40 : 회로부

42 : 가변전원류 46 : 배선

48 : 배선 50 : 전자석

60 : 제어회로 62 : 라인

64 : 라인 70 : 차동증폭기

72 : 라인 74 : 라인

80 : 차동증폭기 84 : 라인

90 : 차동증폭기 92 : 출력선

110 : 감지기몸체 112 : 제 1단자

114 : 제 2단자 116 : 제 2리이드선

118 : 제 1리이드선 120 : 화살표

본 발명은 개스감지기에 관한 것으로, 특히 산소의 상자특성(paramagnetic property)과 홀효과(Hall effect)를 이용하여 개스중의 산소량을 결정하도록 된 유용한 산소감지기에 관한 것이다.

여리가지 개스중에 포함되어 있는 산소의 농도를 측정하는 것은 매우 중요하여, 일례로 산소감지기를 사용하여 연소과정중의 연소개스에 포함되어 있는 산소의 농도를 감지하는 것은 연소효율을 결정하는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.

현재 널리 사용되고 있는 산소감지기로서는 습식화학셀이나 산화지르코늄감지기, 상자성체분석기 및 자기동력분석기(magnetodymamic analyzer)등을 들수 있는데, 여기서 상기 습식화학셀은 그 수명이 짧고, 또 산소농도측정을 여러번 반복해야 하며, 상기 산화지르코늄감지기는 연소개스구성물에 의해 쉽게 부식됨과 더불어 높은 작동온도가 필요하고, 또 그 제조가 난해하며, 상기 상자성체분석기는 산소의 상자성체특성을 이용하여 열전도성 측정이나 압력측정으로부터 산소의 농도를 추정하도록 된 것이기 때문에 그 장치의 상태와 온도 및 용적개스구성 등의 영향을 받게 되어 부정확하고, 상기 자기동력분석기는 자기장을 통과하는 샘플개스의 이동에 의한 힘을 측정하여 자화율을 산출하도록 되어 있지만, 이는 선형성이나 진동(vibration) 및 충격저항에 의해 야기되는 낮은 동력으로 인해 자화율의 산출이 제한을 받게 된다.

본 발명에 따른 산소측정방법은 상술한 종래의 산소측정방법과는 달리 선형 홀효과감지기를 사용하여 개스의 자화율을 직접 측정함으로써 열전도성이나 온도에 영향을 받지 않고 운반되는 개스구성을 오차가 적게 측정할 수 있게 된다.

잘 알려져 있듯이 홀효과감지기에 의한 측정전위에 장애를 끼치는 것은 실온에서 산소의 자화율에 비해 43%의 자화율을 갖는 일산화질소(NO)를 들수 있지만(표 참조), 일반적인 혼합개스수송관속에서의 산소에 대한 일산화질소의 상대적인 부피는 1/ 20 이하이므로 산소감지기(홀효과감지기)의 측정오차는 특정 범위이내로 축소되게 되고, 더우기 고온에서의 분석기의 주의 깊은 조작은 이러한 측정오차를 더욱 줄이게 된다. 그리고, 그 측정오차가 0으로 상쇄되면 일산화질소 농도에 기인하는 측정오차를 제거할 수 있게 된다. 여기서 상기 산소감지기는 고체상태이고 무접점이므로, 수명이 길고 선형성을 가지며, 또한 종래의 산소감지기에 비하여 뛰어난 충격저항을 가지게 된다.

본 발명에 따른 산소감지기는 홀효과를 이용하여 직접 산소의 상자성체의 영향을 측정하게 된다.

상자성은 어떠한 물질에 가해진 자기장이 그 물질의 전자궤도배열에 의해 증가되는 특성으로, 이 상자성 물질의 도자율(導磁率)은 빈공간보다 약간 크다. 따라서 이러한 상자성을 지닌 상자성체는 반자성체의 특성, 즉 반자성체는 그것에 가해지는 자장을 약간 감소시키고, 또 빈공간의 도자율보다 약간 작은 도자율을 가진다는 특성과 대조되는 특성을 갖게된다. 또 이 때문에 개스관에서 나오는 대부분의 개스나 또는 기타 다른 개스에 비해 상대적으로 높은 자화율을 갖는 산소의 상자성특성은 측정도구로서 유용하게 된다.

[표 1] 산소=100, 질소=0일때의 상대자화율

홀효과는 리본형상의 도체가 그 리본에 흐르는 전류를 가로지르는 방향의 자기장에 놓여 있을때, 그 자기장의 방향과 전류에 의한 전하의 흐름방향에 수직인 방향으로 전기장이 나타나는 현상을 이르는 것으로, 이러한 홀효과는 테스트할 개스내에 포함되어 있는 산소의 존재에 의한 자기장의 변화를 측정하는 홀효과감지기에 사용할 수 있다. 또 이때 상기 테스트될 개스는 그 공칭자속밀도가 알려진 전자석의 코어나 영구자석 사이로 공급하게 된다.

홀효과출력(P_H)은 자속밀도(B)에 비례하고, 또 전자석에 의한 자속은 도자율(μ)과 코일의 잠긴수(n), 코일을 통해 흐르는 전류(I) 및 코일의 반지름(r)의 항으로 표시될 수 있으므로 홀효과출력은 다음식으로 표시되게 된다.

여기서, 코일의 반지름(r) 및 감긴 수(n)는 상수이고, 코일을 통해 전류(I)는 원하는 대로 조절할 수 있으므로, 홀효과출력에 비례하는 자속에 영향을 미치는 변수는 자기장내에 존재하는 물질에 따른 도자율(μ)이다. 전자석의 코어나 또는 영구자석의 사이를 통하여 산소가 포함되어 있는 샘플개스를 통과시킬 때, 그 도자율이나 자화율을 알고 있는 개스의 구성은 그 자속을 변화시킴으로써 계산할 수 있는데, 이때 개스의 자화율이나 도자율은 다음 식으로 표시된다.

여기서 X는 자화율, μ는 개스의 도자율, μo는 체적의 도자율을 나타낸다.

또 혼합개스의 체적자화율은 그 구성농도에 비례하고 온도에 반비례하는데, 일산화질소의 체적자화율은 60.3 × 10^-9이고, 질소는 -9.39 × 10^-9이며, 수소는 -0.165 × 10^-9, 이산화탄소는 -0.78 × 10^-9, 메탄은 -1.67 × 10^-9, 프로판은 -1.88 × 10^-9의 체적자화율을 갖는 반면 산소의 체적자화율은 141.3 × 10^-9이므로 다른 연소개스보다 산소로 채워진 경우에 전자석코어는 높은 자속밀도를 나타내게 된다. 상기한 체적자화율에서 알수 있는 바와같이 일산화질소는 산소량측정에 있어서, 가장 큰 장애요소이지만, 이는 앞에서 이미 설명한 바와같이 연소개스중의 산소농도측정에 있어서는 그리 큰 오차를 발생시키지 않는다.

100% O₂가 100% N₂로 바뀌는 경우의 자기장의 변화는 그 주어진 자기장의 절대치에 비례하여 아주 작다.

B α μ 이고,

O₂=(141.3 × 10^-9+1)

N₂=(-0.39 × 10^-9+1)이므로

이다.

그러나 매우 강한 자기장이 가해지게 되면, 자속밀도(B)의 절대변화는 아주 크게 된다. 즉,

이므로, 자기장(H)이 매우 커서 예컨대 H =10⁶인 경우에는 △B =1.4 =0.000014%B이다.

그런데 홀효과감지기로 산소의 농도를 정확히 측정하기 위해서는 스팬(span)은 △B와 같게 되고, 또 B공칭에서는 0으로 상쇄되어야 하는데, 이것은 제 1의 자석(μB)에 대향되는 자기장을 갖춤과 더불어, O₂농도에 영향을 받지 않는 제 2의 자석을 추가함으로써 이룰 수 있게 된다.

더욱이 상기 제 2의 자석은 상기 제 1의 자석과 유사한 전자석을 이용할때 전력공급기에 의한 온도변화에 기인하는 자기변화를 상쇄하는데도 사용될 수 있다. 또한 펄싱(pulsing)은 자기유압계에서와 같이 잘못된 자기삼투(magnetic permenance)를 상쇄시키게 된다.

본 발명의 제 1목적은 그 값을 아는 공칭자속밀도를 갖는 전자석에 값을 아는 전류를 공급하여 그 코어에 자기장을 발생시키고, 그 전자석의 코어에 개스를 공급하여, 그 개스중의 산소농도에 비례하여 변화하는 전자석의 자속밀도변화를 측정함으로써 개수중의 산소농도를 검출하는 방법을 제공함에 있다.

또, 본 발명의 제 2목적은 개스에 포함된 산소농도의 상자성 특성으로부터 나타나느 홀효과출력을 홀효과 감지기를 이용하여 측정함으로써 자속밀도의 변화를 측정하는 방법을 제공함에 있다.

또, 본 발명의 제 3목적은 코어를 갖춘 전자석과, 이 코어에 개스를 공급하기 위한 공급장치, 상기 전자석과 함께 작용하여 전자석에 의해 발생된 자기장의 자속밀도를 측정하는 자속측정장치를 갖추고, 통과되는 개스중의 산소량에 비례한 자속밀도의 변화를 측정함으로써 개수중의 산소농도를 측정하는 산소감지기를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 제 4목적은 구조가 간단하고 제작이 용이하며 경제적인 산소감지기를 제공함에 있다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명을 상세히 설명한다.

제 1 도는 튜브(10)를 통해 전자석(20)의 코어로 공급되는 가스에 포함된 산소(O₂)의 농도로 측정하기 위한 산소감지기를 도시해 놓은 도면으로, 전자석(20)은 전류공급수단(22)에 의해 전류가 공급되는 많은 양의 코일을 포함하고 있고, 또 튜브(10)는 그 값을 알고 있는 도자율을 갖는 물질로 이루어졌으며, 자기장의 자속밀도(B)는 전자석(20)에 의해 화살표방향으로 발생되게 된다.

전자석(20) 코일내의 홀효과감지기(30)는 전자석(20)에 의한 자속밀도(B)를 측정하기 위해 제공되는데, 튜브(10)내의 개스에 포함되는 산소의 농도가 변화하게 되면 그 자속밀도는 변화되기 때문에 회로부(40)를 이용하여 그 산소농도를 측정할 수 있게 된다.

제 1 도에서 일점쇄선으로 도시해 놓은 감지기(30')는 본 발명 몇몇 실시예에서 사용되게 되는 제 2전자석에 제공되는 추가적인 것으로서, 이는 최대 자속밀도를 얻기 위한 최적의 위치에 설치되게 된다.

제 2 도에 도시된 바와 같이 감지기(30)는 그 몸체(110)가 평평하면서 직사각형이고, 실리콘과 같은 반도체 물질로 되어 있으며, 전류(I)는 제 1리이드선(118)에서 제 2리이드선(116)의 방향으로 감지기를 통해 흐르고, 화살표(120)로 표시된 자속밀도(B)는 평평한 면에 수직방향으로 감지기(30)를 통과하게 되는데, 이때 감지기(30)에 의해 그 물리적인 변화가 감지되게 된다. 또 자기장은 전류(I)와 상호작용을 하여 전류(I)와 자속밀도(B) 모두에 직각인 제 1단자(112)와 제 2단자(114) 사이로 전압을 발생시키게 되는데, 이 전압은 전류(I)와 자속밀도(B)의 곱에 비례하게 된다.

제 3 도는 본 발명의 일실시예로서 2개의 전자석(20, 50)을 이용한 경우를 도시해 놓은 도면으로, 본 실시예에는 제 2 도에 도시된 바와같은 감지기를 같은 장소나 또는 유사한 장소에 동일한 수로 설치한 것이다.

즉, 전자석(20)의 코어는 튜브(10)를 통해 들어온 개스에 포함된 산소농도를 측정할 수 있도록 튜브(10)에 설치되고, 전자석(50)의 코어는 알고 있는 표준개스로 차 있는 양단이 막힌 튜브(15)에 설치되어 있다.

또한, 상기 전자석(50)의 코어내에서 그 값을 알고 있는 자기도자율을 갖는 다른 물질을 채워 놓을 수도 있지만, 전자석(20, 50)은 가능한한 동일한 것을 선택함으로써 산소의 상자성과 관계없는 모든 요인들을 측정절차로부터 분리시키는 것이 필요하다. 또 여기서 상기 전자석(20, 50)은 동일한 전류원(22)으로부터 동일한 전류를 공급받게 된다.

홀효과감지기(30, 35)는 실질적으로 동일한 구조를 갖는 전자석(20, 50)의 자기장내에 설치되고, 또 전자석(50)내에는 주코일의 자기장을 보충하거나 저하시키기 위한 보조코일이 설치되어 있는데, 이는 산소(O₂)가 없는 상태에서 1쌍의 전자석감지기를 상호 평형되게 하기 위한 것이고, 또 가변전류원(42)은 이러한 조정을 효과적으로 수행하도록 하기 위한 것이다.

자계분로(24, 38)는 각각의 전자석(20, 50)으로부터의 외측자계(26), (36)을 수용하게 되는데, 이것은 알고 있는 조건으로 외측자기통로를 한정하게 된다. 그리고 측정되어질 개스는 튜브(10)를 통해 흐르게 되고, 양단이 막힌 튜브(15)에는 O₂이외의 개스가 담겨지게 된다.

회로부(40)는 양 감지기(30)(35)에 접속되어 2개코어의 자속밀도 차이를 측정하게 되는데, 모든 요소(factor)들이 일정하게 유지될때 측정코일에서 산소농도를 나타내는 신호가 측정되게 된다.

또한, 상기 회로부(40)는 제 4 도에 블록도로 도시해 놓은 바와같이, 4개의 배선에 의해 각 감지기에 연결되는데, 여기서 2개의 선은 전류용으로 사용되고, 2개의 선은 유도전압측정용으로 사용되는 것이다.

제 4 도에서 감지기(30, 35)는 제어회로(60)에 의해 발생되는 전류에 의해 구동되고, 또 이 전류는 제어회로(60)에 의해 각각 일정한 크기와 방향으로 유지되며, 라인(62)은 제 3 도의 측정감지기(30)에 전류를 공급하고, 라인(64)은 제 3 도의 기준감지기(35)에 전류를 공급하며, 라인(72)은 차동증폭기(70)에 유도된 홀효과전압을 공급한다. 그리고 상기 차동증폭기(70)는 라인(72) 사이의 전압차에 비례하는 전압을 라인(74)에 공급하게 되고, 같은 방식으로 차동증폭기(80)는 기준감지기(35)에 유도된 홀전압으로부터 얻어진 라인(82) 사이의 전압차에 비례하는 전압을 라인(84)으로 공급하게 된다. 따라서 산소(O₂) 신호는 라인(74)과 라인(84) 사이의 전압차에 비례하게 된다.

그리고 차동증폭기(90)는 차동증폭기(70, 80)와 유사한 것으로서, 이는 라인(74)과 라인(84)으로 인가된 산소(O₂)와 관련된 신호를 추출하여 출력선(92)으로 출력시키게 된다.

여기서, 상기 차동증폭기(70) (80) (90)로는 아날로그장치 AD 522 또는 버어브라운 3626과 같은 증폭기를 사용할 수 있고, 또 전류원에 따라 단일 실리콘칩이나 하이브리드회로기판상에 3중접합과 트래킹증폭을 사용함으로써 보다 개선된 정밀도를 얻을 수 있다. 그리고 홀효과감지기에 사용되는 전류는 직류성분이지만, 증폭기는 직류를 사용할 경우 불안전하고 대역폭이 한정되므로, 감지기와 증폭기용 전류로서 사인파전류를 사용하는 교류방식을 사용하게 되는데, 이러한 사인파전류나 교류는 보다 높은 작동감도를 제공하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않은 범위내에서 여러가지로 변형시켜 실시할 수 있다.

Claims (5)

1. 제 1코어를 갖춘 제 1전자석(20)과, 이 제 1전자석(20)과 실질적으로 동일함과 더불어 제 2코어를 갖춘 제 2전자석(50), 상기 제 2코어내에 배치되는 그 도자율을 아는 물질, 상기 제 1전자석(20)을 통해 그 값을 아는 전류를 흘려줌으로써 상기 제 1코어에서 알고 있는 공칭 자속밀도를 갖는 자기장을 발생시킴과 더불어 상기 제 2전자석(50)에 접속되어 그 제 2전자석(50)에 전류를 공급함으로써 상기 제 2전자석(50)의 제 2코어에서 상기 제 1전자석(20)의 경우와 실질적으로 동일한 공칭자속밀도가 발생되도록 하는 수단(40), 상기 제 1코어를 통해서 개스를 흘려주는 수단(10), 상기 제 1코어내의 최대 자속밀도를 얻기 위한 위치에 설치된 제 1홀효과센서(30), 상기 제 2코어내의 최대자속밀도를 얻기 위한 위치에 설치된 제 2홀효과센서(35), 상기 제 2전자석(50)에 접속되어 개스중에 산소가 없는 상태에서 상기 제 1 및 제 2 코어에서의 자기장이 평형상태로 되도록 그 제 2전자석(50)에 가변전류를 공급하는 보조코일 및, 상기 제 1 및 제 2홀효과감지기(30, 35)에 접속되어 개수중의 산소농도에 비례하는 제 1 및 제 2코어 사이의 자속밀도의 변화를 측정하는 측정수단(70, 80, 90)을 포함하는 구성으로 되어 개수중의 산소농도를 측정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 산소감지시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2홀효과감지기(30, 35)에 접속된 측정수단(70, 80, 90)이 상기 제 2 코어의 공칭자속밀도에 대한 상기 제 1 코어의 자속밀도의 변화를 측정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 산소감지시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 홀효과감지기(30, 35)는 그 홀효과감지기(30, 35)에 유도된 홀효과전압에 대응하는 신호를 출력시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 산소감지시스템.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2홀효과감지기(30, 35)에 접속된 측정수단(70, 80, 90)은 상기 제 1홀효과감지기(30)에 접속되어 그 제 1홀효과감지기(30)에 유도된 홀효과전압에 대응하는 제 1신호를 인가받는 제 1차동증폭기(70)와, 상기 제 2홀효과감지기(35)에 접속되어 그 제 2홀효과감지기(35)에 유도된 홀효과전압에 대응하는 제 2신호를 인가받는 제 2차동증폭기(80) 및, 제 1 및 제 2신호를 인가받아 그 제 1 및 제 2신호의 차에 대응하는 신호를 개스중의 산소농도에 비례하는 출력신호로서 출력하는 제 3차동증폭기(90)로 구성된 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 산소감지시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2전자석(20, 50)을 통해서 전류를 흘려주는 수단(40)이 펄스화됨으로써 상기 제 1 및 제 2전자석의 도자율을 최소화 하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 산소감지시스템.

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