KR101377531B1

KR101377531B1 - 스마트 압력센서 모듈

Info

Publication number: KR101377531B1
Application number: KR1020130099559A
Authority: KR
Inventors: 한윤종; 문상의; 김중래; 이동환
Original assignee: 몬트롤 주식회사
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2014-03-25
Anticipated expiration: 2033-08-22

Abstract

본 발명에서는 기존의 압력센서가 사용용도에 따라 제조사가 서로 상이하고, 제품의 규격이 달라, 각 압력센서의 특성 값을 고려하여 분석해야하므로, 외부제어서버에 설치된 서버에 부하가 걸리고, 제조사 폐업으로 인해 압력센서의 관리가 어려운 문제점과, 기존 압력센서의 압력-출력특성이 경시변동을 일으키고, 이것에 의해 유량·압력 등의 제어 정밀도가 악화되고, 센서보정수단을 별도로 설치하는 경우에 유량·압력 제어장치의 제조비용의 상승을 초래하는 문제점을 개선하고자 일자형몸체부(100), 압력입력부(Pressure Input Port)(200), 압력소자(300), 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400), 증폭보드(Amplifier Board)(500), 메인제어보드(600), 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700), 외부연결컨넥터부(800)로 구성됨으로서, 일자형몸체부 내부에 환형상의 와이어 본딩보드, 증폭보드, 메인제어보드, 전원 레귤레이팅 보드를 형성시킴으로서 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 RS232통신을 통해 표준화데이터 방식으로 외부제어서버로 송신시킬 수 있고, 압력소자와 무선통신 모듈을 하나의 규격으로 통합함으로써, 압력소자에서 측정된 값이 무선통신 모듈을 통해 외부제어서버로 전송될 때 외부제어서버에서 별도의 특성 값을 적용하지 않더라도 압력소자에 의해 검출된 값을 그대로 이용할 수 있어 외부제어서버의 과부하를 줄일 수 있으며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시킬 수 있고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시킬 수 있어, 압력소자 내의 경시변화에 의해 생기는 영점 드리프트를 소거시킬 수 있어, 압력소자의 압력 검출 정밀도를 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있는 스마트 압력센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

스마트 압력센서 모듈{THE MOUDULE OF SMART PRESSURE SENSOR}

본 발명은 공압시스템 및 유압시스템에 호환성있게 적용시킬 수 있고, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시킬 수 있으며, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시킬 수 있는 스마트 압력센서 모듈에 관한 것이다.

압력센서는 각종 압력을 측정하는 데 이용되는 측정기구의 일종이다.

압력센서는 자동차, 화학설비, 반도체 제조설비 등에서, 유체가 통과하는 유로 또는 밸브측에 설치되어 유체의 압력을 측정하는 데 주로 많이 이용되며, 예컨대 자동차의 매니폴드 압력, 엔진 유압, 연료전지 차량의 수소가스 또는 공기의 압력, 소음기 내의 배기가스 압력, 그외 기타 일반 산업용 압력계 등에 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 고정밀도로 측정하는 데 사용된다.

이러한 압력센서는 유체가 유입되는 압력도입구 및 압력도입구에 근접하여 설치된 압력소자로 구성되고, 압력소자는 반도체칩 또는 스트레인게이지 등과 같이 다양한 소자로 구성될 수 있다.

하지만, 압력센서는 그 사용용도에 따라 제조사가 서로 상이하고, 또한 같은 사용용도의 압력센서라 하더라도 제조사에 따라 제품의 규격이 달라, 각각의 압력센서에 의해 측정된 값이 외부제어서버에 전달될 때 외부제어서버에서 해당 측정값을 분석하는 경우 각 압력센서의 특성 값을 고려하여 분석하여야 한다.

이러한 경우 외부제어서버에 설치된 서버에 부하가 걸리고, 특성 값이 상이함으로 인하여 검출된 값이 달라 관리자의 인위적인 판단에 오류가 발생하기도 한다.

또한, 압력센서를 제조한 제조사가 폐업한 경우, 각각의 제조사별 압력센서의 규격이 달라 폐업한 해당 제조사가 제조한 압력센서를 다른 업체에서 수리할 수 없는 경우가 발생하여 압력센서의 관리가 어려운 문제점이 있었다.

그리고, 기존 압력센서의 압력-출력특성이 경시변동을 일으키고, 이것에 의해 유량·압력 등의 제어 정밀도가 악화되고, 센서보정수단을 별도로 설치하는 경우에 유량·압력 제어장치의 제조비용의 상승을 초래하는 문제점이 있었다.

등록특허공보 제10-0974404호(2010년08월05일 공고)

상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 일자형몸체부 내부에 환형상의 와이어 본딩보드, 증폭보드, 메인제어보드, 전원 레귤레이팅 보드를 형성시킴으로서 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 RS232통신을 통해 표준화데이터 방식으로 외부제어서버로 송신시킬 수 있고, 압력소자와 무선통신 모듈을 하나의 규격으로 통합함으로써, 압력소자에서 측정된 값이 무선통신 모듈을 통해 외부제어서버로 전송될 때 외부제어서버에서 별도의 특성 값을 적용하지 않더라도 압력소자에 의해 검출된 값을 그대로 이용할 수 있어 외부제어서버의 과부하를 줄일 수 있으며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시킬 수 있고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시킬 수 있어, 압력소자 내의 경시변화에 의해 생기는 영점 드리프트를 소거시킬 수 있어, 압력소자의 압력 검출 정밀도를 향상시킬 수 있는 스마트 압력센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈은,

일자형상으로 형성되고, 내부에 중공부가 형성되어, 외부로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 일자형몸체부(100)와,

일자형몸체부의 헤드부상에 형성되어, 외부압력측정기기와 연결되고, 외부압력측정기기로부터 전달받은 압력을 압력소자쪽으로 인입시키는 압력입력부(Pressure Input Port)(200)와,

일자형몸체부의 내부공간에 상단에 위치되어 압력입력부를 통해 전달받은 압력에 따른 저항의 변화를 측정해서 와이어 본딩보드를 통해 증폭보드로 전달시키는 압력소자(300)와,

압력소자를 중앙부위에 위치시키고, 원형판형상으로 형성되어 압력소자를 지지하면서, 압력소자와 알루미늄 와이어로 연결시킨 후, 압력소자에서 측정된 압력에 따른 저항의 변화를 전기적신호로 변환시켜 증폭보드로 전달시키는 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400)와,

와이어 본딩보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 와이어 본딩보드로부터 전달된 압력소자의 전기적신호를 증폭시키고, 필터링시킨 후, 처리 가능한 전압 레벨로 변환시키는 증폭보드(Amplifier Board)(500)와,

증폭보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 증폭보드에서 나오는 신호를 ADC(Analog to Digital Converting)한 후, 통신을 통하여 데이터를 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 교정(Sesor self Calibration)제어시키는 메인제어보드(600)와,

메인제어보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 각 기기에 전원을 공급시키고, 디지털 신호 및 아날로그 신호처리에 필요한 전압레벨을 변환시켜 메인제어보드에 전달시키는 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)와,

전원 레귤레이팅 보드 하단에 위치되고, 압력소자, 와이어 본딩보드, 증폭보드, 메인제어보드, 전원 레귤레이팅 보드를 내부공간에 수용시키도록 "ㅗ"자형상으로 형성되어 외부 컨넥터와 직접적으로 연결되어 일자형몸체부가 외압에 의해 흔들리지 않도록 지지하는 외부연결컨넥터부(800)로 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 RS232통신을 통해 표준화데이터 방식으로 외부제어서버로 송신시킬 수 있으며, 외부제어서버에서 별도의 특성 값을 적용하지 않더라도 압력소자에 의해 검출된 값을 그대로 이용할 수 있어 외부제어서버 내에 설치된 서버의 과부하를 줄일 수 있고, 공압시스템 및 유압시스템에 널리 적용시킬 수 있어, 호환성이 우수하며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시킬 수 있고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시킬 수 있어, 압력소자 내의 경시변화에 의해 생기는 영점 드리프트를 소거시킬 수 있어, 압력소자의 압력 검출 정밀도를 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈(1)의 외부 형상을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈(1)의 내부 구성요소를 도시한 내부단면도,
도 3은 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈(1)의 내부 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 압력소자의 구성요소를 도시한 내부 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 압력소자에 연결된 휘스톤 브릿지회로의 구성을 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 증폭보드의 구성요소를 도시한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 메인제어보드의 구성요소를 도시한 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 메인제어부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 9는 본 발명에 따른 전원 레귤레이팅보드의 구성요소를 도시한 회로도,
도 10은 본 발명에 따른 압력소자를 통해 압력에 따른 저항의 변화를 측정하는 것을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 메인제어보드를 통해 통신을 통하여 데이터를 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 영점보정 명령신호와 게인보정 명령신호를 수신받고, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정 명령신호를 수신받는 것을 도시한 일실시예도,
도 12는 본 발명에 따른 영점보정모드의 구체적인 동작과정을 도시한 순서도,
도 13은 본 발명에 따른 게인보정모드의 구체적인 동작과정을 도시한 순서도,
도 14는 본 발명에 따른 센서자가보정모드의 구체적인 동작과정을 도시한 순서도.

먼저, 본 발명에서 설명되는 IEEE 1451표준에 관해 설명한다.

상기 IEEE 1451 표준은 1993년 9월부터 표준화 작업이 시작되었으며, 현재 IEEE1451.0~IEEE 1451.6까지 표준안이 출판되었거나 작업중에 있다. 표준의 제목은 'A Smart Tranducer Interface for Sensors and Actuators"로서, 네트워크와 트랜스듀서간에 표준 인터페이스를 규정한다. 즉, 센서나 구동소자 업체는 연결된 네크워크의 종류나 연결 구조에 상관없이 오직 표준 인터페이스만 제공하면 되고, 네트워크 입장에서는 연결된 트랜스듀서의 종류에 상관없이 공통 인터페이스를 통해 정보를 취득하고 제어할 수 있게 하자는 데 있다.

본 발명에서는 IEEE 1451 표준들에서 트랜스듀서 들을 네트워크에 연결하는 프로세서로 NCAP(Network Capable Application Processor) IC인 ATmega8A-AU를 채택하여 기본적인 네트워크 연결 및 트랜스듀서 버스 인터페이스 기능제공과 동시에 NCAP 자체적인 데이터처리에 무리가 없도록 구성된다.

이하, 본 발명에 따른 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈(1)의 외부 형상을 도시한 사시도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈(1)의 내부 구성요소를 도시한 내부단면도에 관한 것으로, 이는 일자형몸체부(100), 압력입력부(Pressure Input Port)(200), 압력소자(300), 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400), 증폭보드(Amplifier Board)(500), 메인제어보드(600), 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700), 외부연결컨넥터부(800)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 일자형몸체부(100)에 관해 설명한다.

상기 일자형몸체부(100)는 일자형상으로 형성되고, 내부에 중공부가 형성되어, 외부로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 역할을 한다.

이는 일자형상으로 형성되고, 헤드부상에 압력입력부가 "ㅗ"자 형상으로 형성되고, 압력입력부 하단의 내부방향으로 압력소자(300), 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400), 증폭보드(Amplifier Board)(500), 메인제어보드(600), 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)가 순차적으로 형성되며, 하단부에 외부연결컨넥터부가 형성된다.

상기 일자형몸체부는 SUS재질로 이루어진다.

상기 일자형몸체부는 내부 중앙에 보드 지지축(110)이 형성되어, 환형상으로 이루어진 증폭보드(Amplifier Board)(500), 메인제어보드(600), 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)의 중심홀을 관통시키면서 외압에 의해 흔들리지 않도록 지지하는 역할을 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 압력입력부(Pressure Input Port)(200)에 관해 설명한다.

상기 압력입력부(Pressure Input Port)(200)는 일자형몸체부의 헤드부상에 형성되어, 외부압력측정기기와 연결되고, 외부압력측정기기로부터 전달받은 압력을 압력소자쪽으로 인입시키는 역할을 한다.

이는 일측에 개봉되고, 정면도방향에서 바라봤을 때 "ㅗ"자 형상으로 형성된다.

그리고, 내부 압력유입구(210)는 도 2에서 도시한 바와 같이, 일자형상으로 형성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 압력소자(300)에 관해 설명한다.

상기 압력소자(300)는 일자형몸체부의 내부공간 상단에 위치되어 압력입력부를 통해 전달받은 압력에 따른 저항의 변화를 측정해서 와이어 본딩보드를 통해 증폭보드로 전달시키는 역할을 한다.

이는 도 4에 도시한 바와 같이, 다이어프램과 저항으로 구성된다.

상기 다이어프램(diaphragm)은 탄성이 있는 ?은 막의 칸막이 판 형상으로 형성되어, 압력입력부를 통해 압력이 전달되면 저항쪽으로 호형구조로 휘어지는 역할을 한다. 이는 천연고무, 합성고무, 금속판으로 이루어진다.

상기 저항은 압력에 따라 다이어프램이 호형구조로 휘어지는 특성을 저항의 변화로 측정하는 역할을 한다.

상기 압력소자는 휘스톤 브릿지회로를 구성하여 사용한다.

접착된 압력소자가 스트레인 ε를 받은 경우에 발생하는 저항치 변화는 극히 작다.

일예로, 게이지율(변형률)이 2인 압력소자에 1000×10^e-6의 스트레인(1m 길이의 재료가 1mm 변화됐을 때의 스트레인이고, 강재의 경우는 약 21kg/mm²의 응력에 상당)이 주어졌을 경우에 저항치는 120ω의 압력소자이고 r은 0.24ω에 지나지 않는다.

이렇게 작은 저항치변화를 효율적으로 잘 전기신호로 전환시키기 위해 압력소자는 휘스톤 브릿지회로에 넣어서 사용한다.

이 경우 휘스톤브릿지회로를 구성함에 있어서, 온도에의 영점이동을 제거하기도 하고, 측정하고 싶은 신호만을 얻을 수 있도록 구성된다.

이때, 휘스톤브릿지회로이 출력전압은 통상 극히 작기 때문에 증폭보드에서 1000~10000배로 증폭시켜야 읽을 수가 있다.

본 발명에 따른 압력소자에 가해지는 압력이 0일 때의 센서 출력을 영점 출력이라고 말하고, 이 영점이, 온도변화에 의해 변동하는 것을 영점 출력의 온도 드리프트라고 칭한다.

또한, 가압시의 센서 출력의 온도에 의한 변동을 스팬 출력의 온도드리프트라고 칭하고, 정확한 센서 출력을 얻기 위해서는 영점 출력의 온도 드리프트와 스팬 출력의 온도 드리프트 양자의 조정이 필요하게 된다.

예컨대, 현재 압력소자의 영점 출력의 온도 드리프트가 없고, 그 영점 전압이 0(V)인 것으로 가정한다. 그리고, 이 압력소자에 절대압력이 1.0(×102㎪A) 즉 1atm의 가스압이 가해졌을 때의 압력소자의 출력전압이 20㎷인 것으로 가정한다.

이 상태에서 가스 온도를 변화시킨 경우, 당연히 그 출력전압은 20㎷로부터 변화한다. 이 변동이 상술한 스팬 출력의 온도 드리프트이다.

실제로는, 영점 출력의 온도 드리프트가 있기 때문에, 임의 압력에 있어서의 스팬 출력의 온도 드리프트에는 영점 전압의 변동분(영점 출력 드리프트)이 가산되어 출현하게 된다.

이와 같이, 상류측 압력(P1) 및/또는 하류측 압력(P2)을 측정하면서 오리피스 통과 유량을 제어하는 압력식 유량 제어장치등에서는, 압력소자의 출력전압에 영점 출력의 온도 드리프트와 스팬 출력의 온도 드리프트라는 온도 변동 특성이 포함되기 때문에, 그 출력전압을 직접 압력으로 변환하면, 압력(P1,P2)에 오차가 포함되게 된다.

그 때문에, 본 특허에서는 상기 온도 변동에 의한 압력소자의 영점 출력의 온도 드리프트 및/또는 스팬 출력의 온도 드리프트를 메인제어보드에 의해 자동 보정하여, 공압시스템 및 유압시스템에서의 유체 압력이나 압력제어, 유량제어를 보다 정확하게 행할 수 있도록 구성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400)에 관해 설명한다.

상기 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400)는 압력소자를 중앙부위에 위치시키고, 원형판형상으로 형성되어 압력소자를 지지하면서, 압력소자와 알루미늄 와이어로 연결시킨 후, 압력소자에서 측정된 압력에 따른 저항의 변화를 전기적신호로 변환시켜 증폭보드로 전달시키는 역할을 한다.

이는 보드 단자에 금과 크롬으로 도금 처리하여 압력소자와 제1 알루미늄 와이어(410)로 연결시키도록 형성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 증폭보드(Amplifier Board)(500)에 관해 설명한다.

상기 증폭보드(Amplifier Board)(500)는 와이어 본딩보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 와이어 본딩보드로부터 전달된 압력소자의 전기적신호를 증폭시키고, 필터링시킨 후, 처리 가능한 전압 레벨로 변환시키는 역할을 한다.

이는 도 6에 도시한 바와 같이, ADC(Analog to Digital Converter)부(510), 제1-9핀보드컨넥터부(520), 듀얼디지털제어형포텐시어미터부(530)로 구성된다.

상기 ADC(Analog to Digital Converter)부(510)는 와이어 본딩모드로부터 전달된 압력소자의 아날로그 신호를 디지털신호로 변환시키는 역할을 한다.

이는 빠르고, 저전력의 16비트 ADC인 AD7680ARJZ로 구성된다.

즉, VIN단자에 와이어본딩모드가 연결되어 압력소자의 저항변화에 따른 전기적신호가 아날로그신호로 입력되고, CS단자와 SCLK단자에 9핀보드컨넥터부가 연결되어 데이터 요청신호가 입력되면 SDATA단자를 통해 압력소자의 디지털신호가 출력된다.

상기 제1-9핀보드컨넥터부(520)는 보드 표면상에 형성되어 듀얼디지털제어형포텐시어미터부로부터 시리얼데이터신호(SDA : Serial DAta)가 입력되면 AD컨버터부를 통해 디지털신호로 변환된 압력소자의 전기적 신호를 듀얼디지털제어형포텐시어미터부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 듀얼디지털제어형포텐시어미터부(530)는 두개의 포텐시어미터를 통해 입력된 압력소자의 디지털 신호를 증폭시켜 제2 와이퍼 터미널 단자를 통해 메인제어보드로 전달시키는 역할을 한다.

이는 저항과 CMOS 스위치로 이루어진 X95820로 구성된다.

즉, 와이어들의 위치는 2개의 버스 인터페이스를 통해 사용자에 의해 조절된다.

각각의 포텐시어미터는 휘발성의 와이퍼 레지스터와 비 휘발성의 초기값 레지스터로 구성되고, 사용자에 의해 다이렉트로 씌여지고 읽어지도록 프로그램된다.

즉, 제1 OP앰프의 (+)단자에 제1 와이퍼 터미널단자(RW0)를 인가시키고, 제1 OP앰프의 (-)단자에 제1 하이(High)터미널 단자(RH0)를 인가시키며, 제1 로우(Low) 터미널 단자(RL0)를 그라운드 연결시켜 하나의 포텐시어미터가 구성되고,

제2 OP앰프의 (+)단자에 제2 와이퍼 터미널단자(RW1)를 인가시키고, 제2 OP앰프의 (-)단자에 제1 하이(High)터미널 단자(RH1)를 인가시키며, 제2 로우(Low) 터미널 단자(RL0)를 그라운드 연결시켜 또 하나의 포텐시어미터가 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 증폭보드는 메인제어보드와 연결되도록 와 제2 알루미늄 와이어(500a)가 보드표면상에 형성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 메인제어보드(600)에 관해 설명한다.

상기 메인제어보드(600)는 증폭보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 증폭보드에서 나오는 신호를 ADC(Analog to Digital Converting)한 후, 통신을 통하여 데이터를 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 교정(Sesor self Calibration)제어시키는 역할을 한다.

이는 도 7에 도시한 바와 같이, 제2-9핀보드컨넥터부(610), RS232트랜시버통신부(620), 제3- 9핀보드컨넥터부(630), 메인제어부(640)로 구성된다.

상기 제2-9핀보드컨넥터부(610)는 보드 표면상에 형성되어 메인제어부로부터 직렬데이터 신호(MOSI : Master Out Slave In)가 입력되면 증폭보드를 통해 증폭된 압력소자의 전기적 신호를 메인제어부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 RS232트랜시버통신부(620)는 메인제어부로부터 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 전달받아 RS232통신을 통해 표준화데이터 방식으로 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호를 메인제어부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 제3- 9핀보드컨넥터부(630)는 보드 표면상에 형성되어 메인제어부로부터 송신신호(TX)가 입력되면 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 수신받아 RS232트랜시버통신부로 전달시키고, 메인제어부로부터 수신신호(RX)가 입력되면 RS232트랜시버통신부를 통해 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호를 수신받아 메인제어부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 메인제어부(640)는 제2-9핀보드컨넥터부, RS232트랜시버통신부, 제3- 9핀보드컨넥터부와 연결되어, 압력소자의 전기적신호를 수신받아 ADC(Analog to Digital Converting)한 후, 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환시켜 RS232트랜시버통신부를 통해 외부제어서버로 송신시키도록 제어시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시키는 역할을 한다.

이는 도 8에 도시한 바와 같이, 영점보정모드(641), 게인보정모드(642), 센서자가보정모드(643)로 구성된다.

상기 영점보정모드(641)는 압력소자의 전기적인 신호를 입력받아 센서 출력 전압이 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 압력소자의 작동조건을 판정하여, 센서 출력 전압이 설정값보다 크고 또한 압력소자의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때, D/A 변환기를 통해서 센서 출력 전압과 동일한 전압을 갖는 역극성인 영점 보정용 전압을 증폭보드의 증폭기의 오프셋 단자에 전달시켜, 압력소자의 경시 영점 드리프트를 소거하는 역할을 한다.

상기 게인보정모드(642)는 압력소자의 감지데이터 추정값으로부터 메인제어부에서 설정된 목표데이터 설정값을 감산하여 얻어지는 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 연산시킨 후, 게인(G)을 설정해서 목표데이터 설정값으로 보정하는 역할을 한다.

상기 센서자가보정모드(643)는 TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 전송된 센서 자가 보정 명령신호가 입력되면, 압력소자의 1차 영점보정값 변경과 2차 게인값 변경을 실시한 후, 공장출하시 상태의 센싱데이터 근사값에 위치되도록 압력소자에 자가보정값(Self Calibration Value)을 적용시켜 자가보정(Self Calibration)시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 메인제어부는 내부에 EEPROM 메모리가 구성되어 IEEE 1451 기반 TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)를 구현시키도록 구성된다.

여기서, TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)는 EEPROM에 저장하는 방식으로, Virtual TEDS 라 불리는 파일 형태의 제공하고, 제조사에서 제공하는 센서나 액츄에이터에 대한 고유의 특성을 제공하는 특성을 가진다.

상기 TEDS 구조는 베이직 TEDS와, 스탠다드 템플레이트 TEDS와, 사용자 데이터로 구성된다.

본 발명에 따른 메인제어보드는 전원레귤레이팅보드와 연결되도록 제3 알루미늄 와이어(600a)가 보드표면상에 형성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)에 관해 설명한다.

상기 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)는 메인제어보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 각 기기에 전원을 공급시키고, 디지털 신호 및 아날로그 신호처리에 필요한 전압레벨을 변환시켜 메인제어보드에 전달시키는 역할을 한다.

이는 도 9에 도시한 바와 같이, 외부전원을 인가받아 1A 출력전류, 1.3V이하 전압을 통해 구동되면서 3.3V~3.45V의 레귤레이터 전압을 출력시키는 전원레귤레이터부가 포함되어 구성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 외부연결컨넥터부(800)에 관해 설명한다.

상기 외부연결컨넥터부(800)는 전원 레귤레이팅 보드 하단에 위치되고, 압력소자, 와이어 본딩보드, 증폭보드, 메인제어보드, 전원 레귤레이팅 보드를 내부공간에 수용시키도록 "ㅗ"자형상으로 형성되어 외부 컨넥터와 직접적으로 연결되어 일자형몸체부가 외압에 의해 흔들리지 않도록 지지하는 역할을 한다.

이는 나사산이 형성되어 외부 컨넥터와 나사조임결합되도록 구성된다.

이하, 본 발명에 따른 스마트 압력센서 모듈의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

먼저, 압력입력부(Pressure Input Port)를 통해 외부압력측정기기와 연결시킨다.

다음으로, 외부연결컨넥터부를 통해 "ㅗ"자형상으로 형성되어 외부 컨넥터와 직접적으로 연결시킨다.

다음으로, 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)에서 디지털 신호 및 아날로그 신호처리에 필요한 전압레벨을 변환시켜 메인제어보드에 전달시킨다.

다음으로, 압력입력부(Pressure Input Port)에서 외부압력측정기기로부터 전달받은 압력을 압력소자쪽으로 인입시킨다.

다음으로, 압력소자에서 압력입력부를 통해 전달받은 압력에 따른 저항의 변화를 측정해서 와이어 본딩보드를 통해 증폭보드로 전달시킨다.

다음으로, 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)를 통해 압력소자에서 측정된 압력에 따른 저항의 변화를 전기적신호로 변환시켜 증폭보드로 전달시킨다.

다음으로, 증폭보드(Amplifier Board)에서 와이어 본딩보드로부터 전달된 압력소자의 전기적신호를 증폭시키고, 필터링시킨 후, 처리 가능한 전압 레벨로 변환시킨다.

다음으로, 메인제어보드에서 압력소자의 전기적신호를 수신받아 ADC(Analog to Digital Converting)한 후, 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환시켜 RS232트랜시버통신부를 통해 외부제어서버로 송신시키도록 제어시킨다.

끝으로, 메인제어보드에서 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시킨다.

이하, 본 발명에 따른 메인제어부를 통해 영점보정모드(641), 게인보정모드(642), 센서자가보정모드(643)의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

[영점보정모드(641)의 동작과정]

먼저, 도 12에서 도시한 바와 같이, 영점보정모드 커맨드(명령)신호를 수신받는다(S10).

이어서, EEPROM으로부터 영점보정값(Zero Offset Value)을 읽어들인다(S11).

이어서, 영점 데이터를 증폭보드로 시리얼 전송시킨다(S12).

이어서, 사용자로부터 설정된 새로운 영점 데이터를 기다린다(S13).

이어서, 새로운 영점데이터가 수신되었는지 여부를 체크한다(S14).

이어서, 새로운 영점데이터가 수신되면, 메인제어부의 영점보정값을 변경시킨다(S15).

이어서, 압력소자로부터 측정된 센서 측정값을 외부 제어 서버로 송신시킨다(S16).

이어서, 내부의 EEPROM에 새로운 영점보정값을 저장시킬지 여부에 관한 커맨드(명령)신호를 기다린다(S17).

이때, 커맨드(명령)신호가 없으면, 다시 새로운 영점 데이터가 수신되었는지 여부를 체크한다.

끝으로, 커맨드(명령)신호가 입력되면, 새로운 영점보정값을 EEPROM에 저장시킨다(S18).

[ 게인보정모드(642)의 동작과정]

먼저, 도 13에서 도시한 바와 같이, 게인보정모드 커맨드(명령)신호를 수신받는다(S20).

이어서, EEPROM으로부터 게인보정값(Gain Offset Value)을 읽어들인다(S21).

이어서, 게인 데이터를 증폭보드로 시리얼 전송시킨다(S22).

이어서, 사용자로부터 설정된 새로운 게인 데이터를 기다린다(S23).

이어서, 새로운 게인데이터가 수신되었는지 여부를 체크한다(S24).

이어서, 새로운 게인데이터가 수신되면, 메인제어부의 게인보정값을 변경시킨다(S25).

이어서, 압력소자로부터 측정된 센서 측정값을 외부 제어 서버로 송신시킨다(S26).

이어서, 내부의 EEPROM에 새로운 게인보정값을 저장시킬지 여부에 관한 커맨드(명령)신호를 기다린다(S27).

이때, 커맨드(명령)신호가 없으면, 다시 새로운 게인 데이터가 수신되었는지 여부를 체크한다.

끝으로, 커맨드(명령)신호가 입력되면, 새로운 게인보정값을 EEPROM에 저장시킨다(S28).

[ 센서자가보정모드(643)의 동작과정]

먼저, 도 14에 도시한 바와 같이, 센서자가보정모드 커맨드(명령)신호를 수신받는다(S30).

이어서, EEPROM으로부터 센서보정 데이터(0bar 기준)를 읽어들인다(S31).

이어서, 센서보정 데이터를 압력소자로 시리얼 전송시킨다(S32).

이어서, 보정스타트 커맨드(명령)신호를 대기한다(S33).

이어서, 보정스타트 커맨드(명령) 수신을 시작한다(S34).

이어서, 1차 영점보정값 변경을 실시한다(S35).

이어서, 0값과 근사의 최적의 영점보정값을 탐색한다(S36).

이어서, EEPROM에 영점보정값을 저장시킨다(S37).

이어서, 2차 게인값 변경을 실시한다(S38).

이어서, 공장출하시의 압력소자 센싱데이터를 비교한다(S39).

이어서, 공장출하시의 센싱데이터에 근사값을 탐색한다(S40).

이어서, 자가보정값(Self Calibration Value)을 EEPROM에 저장시킨다(S41).

이어서, 새로운 자가보정값(Self Calibration Value)을 압력소자에 시리얼 전송시킨다(S42).

이어서, 압력소자에서 메인제어부로부터 전송된 새로운 자가보정값(Self Calibration Value)을 적용시킨다(S43).

끝으로, 압력소자에서 자가보정값(Self Calibration Value)을 적용시켜 센싱한 후, 센서데이터 값을 메인제어부로 전송시킨다(S44).

1 : 스마트 압력센서 모듈 100 : 일자형몸체부
200 : 압력입력부 300 : 압력소자
400 : 와이어본딩보드 500 : 증폭보드
600 : 메인제어보드 700 : 전원레귤레이팅보드
800 : 외부연결컨넥터부

Claims

일자형상으로 형성되고, 내부에 중공부가 형성되어, 외부로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 일자형몸체부(100)와,
일자형몸체부의 헤드부상에 형성되어, 외부압력측정기기와 연결되고, 외부압력측정기기로부터 전달받은 압력을 압력소자쪽으로 인입시키는 압력입력부(Pressure Input Port)(200)와,
일자형몸체부의 내부공간에 상단에 위치되어 압력입력부를 통해 전달받은 압력에 따른 저항의 변화를 측정해서 와이어 본딩보드를 통해 증폭보드로 전달시키는 압력소자(300)와,
압력소자를 중앙부위에 위치시키고, 원형판형상으로 형성되어 압력소자를 지지하면서, 압력소자와 알루미늄 와이어로 연결시킨 후, 압력소자에서 측정된 압력에 따른 저항의 변화를 전기적신호로 변환시켜 증폭보드로 전달시키는 와이어 본딩보드(Wire Bonding Board)(400)와,
와이어 본딩보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 와이어 본딩보드로부터 전달된 압력소자의 전기적신호를 증폭시키고, 필터링시킨 후, 처리 가능한 전압 레벨로 변환시키는 증폭보드(Amplifier Board)(500)와,
증폭보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 증폭보드에서 나오는 ADC(Analog to Digital Converting)한 디지털 신호를 통신을 통하여 데이터를 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 교정(Sesor self Calibration)제어시키는 메인제어보드(600)와,
메인제어보드 하단에 위치되고, 환형상으로 형성되어 각 기기에 전원을 공급시키고, 디지털 신호 및 아날로그 신호처리에 필요한 전압레벨을 변환시켜 메인제어보드에 전달시키는 전원 레귤레이팅 보드(Power & Regulating Board)(700)와,
전원 레귤레이팅 보드 하단에 위치되고, 압력소자, 와이어 본딩보드, 증폭보드, 메인제어보드, 전원 레귤레이팅 보드를 내부공간에 수용시키도록 "ㅗ"자형상으로 형성되어 외부 컨넥터와 직접적으로 연결되어 일자형몸체부가 외압에 의해 흔들리지 않도록 지지하는 외부연결컨넥터부(800)로 구성되는 스마트 압력센서 모듈에 있어서,
상기 메인제어보드(600)는
보드 표면상에 형성되어 메인제어부로부터 직렬데이터 신호(MOSI : Master Out Slave In)가 입력되면 증폭보드를 통해 증폭된 압력소자의 전기적 신호를 메인제어부로 전달시키는 제2-9핀보드컨넥터부(610)와,
메인제어부로부터 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 전달받아 RS232통신을 통해 표준화데이터 방식으로 외부제어서버로 송신시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호를 메인제어부로 전달시키는 RS232트랜시버통신부(620)와,
보드 표면상에 형성되어 메인제어부로부터 송신신호(TX)가 입력되면 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환된 압력소자의 감지데이터를 수신받아 RS232트랜시버통신부로 전달시키고, 메인제어부로부터 수신신호(RX)가 입력되면 RS232트랜시버통신부를 통해 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호를 수신받아 메인제어부로 전달시키는 제3- 9핀보드컨넥터부(630)와,
제2-9핀보드컨넥터부, RS232트랜시버통신부, 제3- 9핀보드컨넥터부와 연결되어, ADC(Analog to Digital Converting)한 압력소자의 전기적신호를 수신받은 후, 표준화데이터(IEEE 1541.x)로 변환시켜 RS232트랜시버통신부를 통해 외부제어서버로 송신시키도록 제어시키고, 외부제어서버로부터 수신받은 제어신호에 따라 증폭보드의 영점(Zero Offeset)보정 및 게인(Gain) 보정시키며, TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 센서 자가 보정(Sesor self Calibration)제어시키는 메인제어부(640)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 압력센서 모듈.
제1항에 있어서, 상기 증폭보드(Amplifier Board)(500)는
와이어 본딩모드로부터 전달된 압력소자의 아날로그 신호를 디지털신호로 변환시키는 ADC(Analog to Digital Converter)부(510)와,
보드 표면상에 형성되어 듀얼디지털제어형포텐시어미터부로부터 시리얼데이터신호(SDA : Serial DAta)가 입력되면 AD컨버터부를 통해 디지털신호로 변환된 압력소자의 전기적 신호를 듀얼디지털제어형포텐시어미터부로 전달시키는 제1-9핀보드컨넥터부(520)와,
두개의 포텐시어미터를 통해 입력된 압력소자의 디지털 신호를 증폭시켜 제2 와이퍼 터미널 단자를 통해 메인제어보드로 전달시키는 듀얼디지털제어형포텐시어미터부(530)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 압력센서 모듈.
제2항에 있어서, 상기 듀얼디지털제어형포텐시어미터부(530)는
제1 OP앰프의 (+)단자에 제1 와이퍼 터미널단자(RW0)를 인가시키고, 제1 OP앰프의 (-)단자에 제1 하이(High)터미널 단자(RH0)를 인가시키며, 제1 로우(Low) 터미널 단자(RL0)를 그라운드 연결시켜 하나의 포텐시어미터가 구성되고,
제2 OP앰프의 (+)단자에 제2 와이퍼 터미널단자(RW1)를 인가시키고, 제2 OP앰프의 (-)단자에 제1 하이(High)터미널 단자(RH1)를 인가시키며, 제2 로우(Low) 터미널 단자(RL0)를 그라운드 연결시켜 또 하나의 포텐시어미터가 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 압력센서 모듈.
삭제
제1항에 있어서, 상기 메인제어부(640)는
압력소자의 전기적인 신호를 입력받아 센서 출력 전압이 설정값보다 큰지의 여부를 판정하고, 압력소자의 작동조건을 판정하여, 센서 출력 전압이 설정값보다 크고 또한 압력소자의 작동조건이 미리 설정한 작동조건하에 있을 때, D/A 변환기를 통해서 센서 출력 전압과 동일한 전압을 갖는 역극성인 영점 보정용 전압을 증폭보드의 증폭기의 오프셋 단자에 전달시켜, 압력소자의 경시 영점 드리프트를 소거하는 영점보정모드(641)와,
압력소자의 감지데이터 추정값으로부터 메인제어부에서 설정된 목표데이터 설정값을 감산하여 얻어지는 편차에 게인(G)을 승산하여 도출된 보정값(Tfeedforward)을 연산시킨 후, 게인(G)을 설정해서 목표데이터 설정값으로 보정하는 게인보정모드(642)와,
TEDS(IEEE 1451)프로토콜을 통하여 전송된 센서 자가 보정 명령신호가 입력되면, 압력소자의 1차 영점보정값 변경과 2차 게인값 변경을 실시한 후, 공장출하시 상태의 센싱데이터 근사값에 위치되도록 압력소자에 자가보정값(Self Calibration Value)을 적용시켜 자가보정(Self Calibration)시키는 센서자가보정모드(643)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 압력센서 모듈.