DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle-2013.29.3.143
전용제어회로를 적용한 딥스틱게이지형 소형 엔진열화감지센서 개발
전상명†
호서대학교 기계공학부 자동차공학전공
Development of Dipstick-Gage-Type Small Sensor Equipped with Individual Control Circuit for Detecting Engine Oil Deterioration
Sang Myung Chun†
Department of Automotive Engineering, Hoseo University
(Received February 27, 2013 ; Revised March 31, 2013 ; Accepted April 2, 2013)
Abstracts In this study, several sensor parts used to obtain better signal stability are designed, a separate con- trol circuit for the sensor is developed, and the results obtained using this control circuit are analyzed. The capac- itances of the whole sensor system are measured using the control circuit connected to an improved flexible printed circuit board and an asymmetric dual sensor coated with a ceramic material. To realize good dis- crimination for a small change in the measured capacitance as the engine oil deteriorates, a commercial appli- cation-specific integrated circuit is installed on the control circuit as a capacitance-to-digital converter. The absolute error of a measured signal is found to be approximately 4fF.
Keywordscapacitance sensor(정전용량센서), engine oil deterioration(엔진오일열화), dipstick gage(딥스틱 게이지), PCB etched electrode(PCB 에칭 전극), FPCB wire(FPCB 전선), ASIC digital converter(ASIC 디 지털 변환기)
1. 서 론
본 논문에서는 본 저자의 오일열화감지센서에 대한 연구[1-4]를 바탕으로 개발된 딥스틱게이지형 소형오일 열화감지센서[5]의 정전용량 신호 값에 대한 안정성을 위해 최종개발과정에서 추가로 적용한 내용 및 전용제 어회로 개발에 대해 설명하고, 전용제어회로를 이용해 서 측정한 결과에 대해 분석하고자 한다.
본 저자의 연구[1]과 [2]에서는 오일필터 내부에 설 치된 동심원의 엔진오일열화감지센서에 대한 정전용량 값을 범용 임피던스 분석기로 측정하였으며, 연구[3]에 서는 오일필터형 엔진오일열화감지센서의 전용제어회로 및 오일교환모니터링시스템을 일체형으로 개발하였다.
여기서 전용제어회로의 정전용량 측정방법은 DC전압을 피측정 대상물(센서)에 인가 후 충방전 시간을 측정하 여 피측정물의 정전용량을 계산하는 방법을 사용하였다.
한편 문헌[4]에서는 딥스틱게이지형 엔진오일열화감지 센서에 대한 개념적 특허를 출원하였고, 최근 그 시작 품을 제작 후 임피던스 분석기를 사용하여 정전용량을 측정한 결과를 분석한 연구 논문[5]을 발표하였다. 이때 센서부는 대칭인 듀얼센서로 제작하였으며, FPCB는 센 서 신호전달용 도선이 있는 면의 반대쪽 면만 차폐한 것을 사용하였다.
본 오일열화상태 감지용 딥스틱게이지형 소형센서의 실물은 Fig. 1과 같다. 엔진오일의 열화정도를 감지하 는 비대칭 듀얼 센서부, 정전용량센서 및 온도센서 신 호를 전달하기 위한 FPCB 전선 및 철심(steel bar)에 나란히 연결된 FPCB의 파손을 방지하고 고정하기 위
†Corresponding author : [email protected]
한 수축튜브 등으로 구성된 도선 연결부, FPCB로부터 전달받은 신호를 분석 및 가공하기 위한 센싱제어부 (Sensor ASIC) 그리고 센싱 제어부로부터 가공되어진 신호를 전달하기 위한 마이크로컨트롤라(MCU), 마이 크로 컨트롤라에서 전달된 데이터를 원격에서 모니터 링 할 수 있도록 전송하는 블루투스(Bluetooth) 무선 송신 장치로 구성되어 있다.
본 논문의 전용제어회로는 적은 정전용량 신호를 감 지하여 엔진오일의 퇴화에 따른 정전용량의 변화를 세 밀하게 나타낼 수 있는 변별력 있는 신호제어장치를 만들기 위하여 Capacitance to Digital Converter로서 개발된 상용화된 ASIC (Application - Specific Integrated Circuit)을 사용하였다.
한편 본 센서는 기존 딥스틱게이지 유입구로 집어넣 어 엔진오일의 열화정도를 파악하므로 고객들이 별도 의 센서 설치 작업이 없이 쉽게 사용할 수 있다는 특 징이 있다.
2. 실 험
2-1. 센서부
센서부는 High Tg FR4 유전체 기판에 동박을 전 극과 접지로 사용하여 비 대칭의 두 개의 커패시터가 병렬로 구성되어 있는 형태이며, 엔진 오일의 유전상 수 측정에 사용된다. 또한, 엔진 오일의 유전상수 측정 시 오염 물질에 의해 단락 현상을 방지하기 위해 센서 전면에는 세라믹 코팅을 사용하며, 판형 전극 사이의 유체에 대한 유전상수(dielectric constant, r)는 센서 전극의 기본 매개 변수에 따라 다음의 식(1)과 같이 표현된다.
r = Cx(oil, air, etc.) (d/(o A)) (1) 여기서 각 부호는 다음을 의미한다.
이다.
초기 센서부 제작 시에는 대칭 듀얼 센서를 제작하 였으나 최종 센서부 제작 시에는 FPCB와 각 전극을 연결하기 위한 조립 작업의 용이성 때문에 비대칭 듀 얼 센서로 제작하였다. 따라서 각 센싱부위의 이론 정 전용량은 각각의 다른 간극을 적용하여 계산하며, 이 들을 병렬로 합산하면 전체 센서부의 이론 정전용량이 계산된다.
또한 문헌[5]에서 신호전달용 전선인 PCB를 한쪽 면(철심과 접하는 면)에는 각 전극의 신호를 전달하는 동 도선을 설치하고 반대편에는 전체 면에 동을 입혀 차폐(shield) 및 접지선으로 사용하던 것을 보다 나은 신호 안정화를 위해, 본 최종 제품에서는 동 도선이 설치된 면의 동선위에 전체적으로 차폐용 동을 다시 입혀 철심과의 불규칙 접촉으로 인해 심하게 일어나던 신호변동 현상과 철심과의 전기적 커플링이 일어나서 정전용량 값이 크게 증가 하던 현상을 안정되게 줄일 수 있었다.
2-2. 센싱 제어부
센서제어회로의 구성도는 Fig. 2와 같으며, Fig. 3과 같은 소형 PCB로 제작하여 게이지센서 손잡이 박스 내에 장착된다.
센서제어회로의 실물의 앞면과 뒷면은 Fig. 3과 같 으며, 그 구성은 다음과 같다. 전원은 차량 배터리(DC 12~36 V)를 DC Jack으로 연결하여 공급하며, 이 전압 을 Regulator를 통해 낮춰서(DC 3.3 V) 각 제어소자들 (OPAMP, Converter, MCU, Bluetooth 등)로 보낸다.
적은 정전용량 신호(18pF 이하)를 감지하여 엔진오일의 퇴화에 따른 정전용량의 변화를 세밀하게 나타낼 수 있 는 변별력 있는 신호제어장치를 만들기 위하여 Capacitance to Digital Converter로서 개발된 상용화된 ASIC (Application - Specific Integrated Circuit)을 사 용하였다. 측정범위를 증가시키기 위해 OPAMP를 센 서와 ASIC 사이에 적용한다. 본 ASIC의 사양은 다음 과 같다. 즉 OPAMP를 적용 후 정전용량 측정 범위 Fig. 1. Developed sensor shape.
는 0~18 pF이고, 유효분해능(effective resolution)은 소 수점 이하 5자리(5 decimal points), 즉 10 aF이며, 정 확도(accuracy)는 4fF, 절대 편차(absolute error)는
4 fF, 신호 선형성(signal linearity)은 0.01%, 노이즈 오프셋 편차(noise offset error)는 32aF이다.
온도는 별도로 부착한 RT 온도센서로 측정하였으며, 그 사양은 다음과 같다. 운전 및 동작 온도는 40oC~125oC이며, 분해능(resolution)은 1oC, 정확도 (accuracy)는 2oC이다. 또한 동작 공급 전압은 2.7 V~5.25 V이며, 소비 전류는 0.7 mA이다.
추가로 flash memory, USB interface, Li-polymer 재충전배터리를 제어부 박스 내부 PCB 하단에 장치될 수 있게 설계되어 있다.
2-3. 실험장치
공기 및 엔진오일에 대한 정전용량 측정은 세라믹 으로 코팅된 편심 듀얼센서를 전용제어회로에 연결하 여 측정하였다. 실험 장치는 Photo 1에 도시된 바와 같다. 상온에서의 공기 정전용량 측정은 온도 조절용 오일배스 내로 삽입한 수정(Quartz) 유리튜브에 센서 를 넣고 측정하였으며, 오일의 정전용량을 측정도 수 정 유리튜브 내에 오일을 넣어 측정 하였다.
3. 실험 결과
센서전용제어기 적용 시 공기에 대한 전체 센서시스 템의 측정값과 각 부위 별 정전용량 신호값을 50대 센서에 대해 측정한 평균값으로 Table 1의 상단부에 도시하였다.
전용제어기를 장착 후 수정제작된 센서로부터 측정 한 공기의 실 측정값은, 20oC 및 25oC에 센서부의 이 론 정전용량 값인 1.529438 pF 보다 약 1.83pF 큰 값인 3.359281pF 정도 나왔으며, 이는 센서시스템 제 작 시 적용되는 각 전기전자부품으로부터 발생되는 부 가적인 정전용량으로 인해 생긴 현상이다.
각 부위별 정전용량 값은 50개의 센서에 대해 측정 한 공기의 정전용량 값을 평균한 값이다. 그 결과 전 체 센서시스템의 측정값은 평균 3.359281 pF정도이고, 한 가지 신호에 대한 평균편차는 0.004 pF 이내에 있 었고, 각 센서별 편차는 0.12 pF이내에 있었다. 최종 설계된 전용제어보드(PCB)의 평균 정전용량 증가분은 평균 0.566694 pF 정도이며, 한 신호에 대한 평균편차 는 0.003 pF 이내이었고, 센서별 편차는 0.05 pF를 나타내었다. 또한 개선된 FPCB 전선에 대한 정전용량 증가분은 평균 0.471853 pF 정도이었으며, 한 가지 신호 에 대한 평균편차는 0.001pF이었고, 센서별 편차는
0.02 pF이었다.
나아가 코팅과 납땝 및 조립 오차로 인한 정전용량 증가분은 평균 0.791376 pF 정도인 것으로 파악되었다.
Fig. 2. Schematic drawing of sensor control circuit and transmitter part.
Fig. 3. Parts arrangement of sensor control circuit PC.
Photo 1. Capacitance measuring test rig.
이때 한 가지 신호에 대한 평균편차는 0.004 pF, 센서별 편차는 0.12 pF으로 보았다. 이는 전체 센서 시스템에서 나타난 편차 값과 같다고 보았다. 측정 유체에 상관없이 제어보드 및 FPCB로 인하여 증가 하는 정전용량 값은 공기노출에 대한 영향이 지배적 이고 그 편차가 비교적 적기 때문에 상기 Table 1 에 나타난 50대 센서에 대한 평균값을 고정하여 적 용하고자 한다.
Table 1의 하단에는 샘플 센서 3대에 대한 공기 및 오일에 대한 측정값을 도시하였다. 오일은 Oil- 01(SAE5W30 합성유)을 사용하였다. 각 센서는 높은 값(S72), 중간 값(S59) 및 낮은 값(S82) 레벨인 것을 골라 사용하였다. 중간 값 레벨인 S59에 대한 측정값 을 다음의 Fig. 4~Fig. 8에 도시하였다.
센서 S59로 측정한 공기 및 오일에 대한 센서시스 템의 측정값은 Fig. 4에 도시되었고, 공기에 대한 센서 시스템의 정전용량은 24oC에서 평균 3.370820 pF 정도 나왔고, 오일(Oil-01, SAE5W30 합성유)에 대해서는
5.630072 pF 정도 나왔다.
공기와 오일에 대한 센서시스템의 측정값에서 제어 보드, FPCB 및 코팅-납땜-조립오차 등에 의한 증가분 Air
@ avg. 21oC
3.359281pF
0.004pF:
신호평균편차
0.12pF:
센서별 편차
0.566694pF
0.003pF:
신호평균편차
0.05pF:
센서별 편차
0.471853pF
0.001pF:
신호 평균편차
0.02pF:
센서별 편차
2.320734pF
0.004pF:
신호 평균편차
0.12pF:
센서별 편차
0.791376pF
0.004pF:
신호 평균편차
0.12pF:
센서별 편차
1.529362pF
@ 20oC 1.529438pF
@ 25oC
Average (Each sensor
get 200 or 400 measured
data) Air in S72@
22oC 3.470625pF
0.566694pF
@ avg. 21oC
0.471853pF
@ avg. 21oC
2.432078pF 0.902716pF
1.529362pF
@ 20oC
High Level Air Capa.
Air in S59@
24oC 3.370820pF 2.332273pF 0.802835pF Middle Level
Air Capa.
Air in S82
@ 22oC 3.256547pF 2.218000pF 0.688638pF Low Level
Air Capa.
Oil-01 in S72
@ 22oC 5.830288pF
0.566694pF
@ avg. 21oC
0.471853pF
@ avg. 21oC
4.791741pF 1.906560pF
2.885181pF
@ 25oC
High Level Oil Capa.
Oil-01 in S59
@ 24oC 5.630072pF 4.591525pF 1.706344pF Middle Level
Oil Capa.
Oil-01 in S82
@ 21oC 5.504961pF 4.466414pF 1.581233pF Low Level
Oil Capa.
Fig. 4. Air and green Oil-01 capacitance of whole system to sensor S59.
을 제거한 값을 확대해서 이론치와 비교하여 도시한 것이 Fig. 5와 Fig. 6이다. 이론치와 비교하여 측정 편차가, 아래쪽으로는 간혹 약간 벗어난 면도 있으나, 전체적으로 4fF근처에 있음을 볼 수 있다.
전용제어기를 사용하여 신유와 사용유의 정전용량 값을 측정하여 비교한 것은 Fig. 7에 도시되었고, 이 에 상당하는 유전상수의 변화는 Fig. 8에 도시되었다.
사용유 샘플은 마일리지가 약 25만km 이상인 노후한 차량을 사용하여 채취하였으며, 차량의 오일소모가 많 아 2000 km마다 샘플 오일을 채취 후 신유를 보충하 여 가며 운행하였다. 초기에는 마일리지 증가에 따라 변화상태가 잘 나타났으나, 6000 km 이후에는 오일 보충량(총 오일량의 반 정도)이 많아 증가가 뚜렷하게 나타나지 않았다.
4. 결 론
본 연구에서는 전용제어회로로부터 측정된 센서시스 템의 각 부위 측정값을 이용하여 센서부에서 생성되는 정전용량 값을 얻을 수 있었으며, 또한 이에 대응되는 유전상수 값을 얻을 수 있었다. 나아가 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 정전용량 측정값에 대한 절대편차는 4 fF 정도인 것으로 나타났다.
2. 50대분의 센서를 측정한 결과 전체 센서시스템의
정전용량 측정값은 평균 3.359281 pF정도이고, 측정 신 호에 대한 평균편차는 0.004 pF 이내에 있었고, 각 센서별 편차는 0.12 pF 이내에 있었다.
Fig. 5. Air capacitance of sensing part on sensor S59.
Fig. 6. Green Oil-01 capacitance of sensing part on sensor S59.
Fig. 7. Green and used Oil-01 capacitance of sensing part on sensor S59.
Fig. 8. Green and used Oil-01 dielectric constant of sensing part on sensor S59.
0.02 pF이었다.
5. 코팅과 납땝 및 조립 오차로 인한 정전용량 증가 분은 평균 0.791376 pF 정도인 것으로 파악되었다. 이 때 신호에 대한 평균편차 및 센서별 편차는 최대편차 인 전체 센서시스템 측정치에 대한 편차와 같은 값인
0.004 pF와 0.12 pF로 보았다.
감사의 글
본 연구논문은 중소기업청에서 지원하는 2012년도 산학연공동기술개발사업(No. C0000909)의 연구수행으 로 인한 결과물임을 밝힙니다.
Oil Filter”, The Korean Society of Tribologists &
Lubrication Engineers, Vol. 24, No. 4, pp. 170-178, 2008.
3. Chun, S. M., “Development of an Engine Oil Quality Monitoring System”, Journal of the KSTLE, Vol. 27, No. 3, June 2011, pp. 125-133.
4. Chun, S. M., “Engine Oil Degradation Sensor of Dipstick Gage Type and Engine Oil Degradation Monitoring System Using the Same”, Patent Appli- cation Number 10-2011-0110947, The Korean Intel- lectual Property Office, 28 Oct., 2011.
5. Chun, S. M., “Development of a Dipstick-Gage-Type Small Engine-Oil- Deterioration Detection Sensor”, The Korean Society of Tribologists & Lubrication Engineers, Vol. 29, No. 2, pp. 77-84, 2013.
