KR0120915Y1 - 가스센서의 감지특성 측정장치 - Google Patents

Abstract

발열장치에 의해 열이 가해져 여러단계의 온도환경하의 다수의 가스센서의 습도조정부에 여러단계의 습도를 가지는 환경하에서 다수의 가스센서의 저항변화를 동시에 측정하여 다수의 가스센서의 감도를 자동으로 측정한다.

Description

가스센서의 감지특성 측정장치

제1도는 가스센서 감지특성 측정장치의 결선도.

제2도는 반도체식 센서의 결선도.

제3도는 다수의 반도체식 센서와 측정장치의 결선도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100:가스 유입부 200:습도조정부

300:감지측정부 400:제어부

본 고안은 가스 센서의 감지특성측정장치에 관한 것으로, 특히 다수의 센서를 감도측정장치에 넣어 순차로 그리고 온도를 변화시키면서 센서의 가스 감지특성을 측정하는 가스센서의 감도측정장치에 관한 것이다.

종래에는 가스센서를 설치하고 특정한 가스(예, 수소, 메탄가스..)를 불어 넣어주면서 주입된 가스를 감지하는지 관찰해왔다. 가장 간단한 방식으로는 일정 농도의 수소 가스등의 용기(bomb)를 열고 그때 나오는 가스를 가스센서에 직접 닿게 하는 방식이 있었다. 이경우 측정하기는 쉬우나 정확한 농도관리가 불가능하였다. 그 후로는 센서를 밀폐된 상자에 넣고 가스를 주입시킨후 센서가 가스를 감지하는지 관찰하는 것이다. 이경우 정확한 값을 얻을 수는 있으며, 최종 제품을 넣고 실험하는 경우에는 유리하나, 개발 중인 제품의 중간측정을 통하여 최적 작동 조건(예, 온도, 가스에의 노출시간)을 찾는데는 부적합하다. 따라서 작동 온도등을 바꾸어 주는 기능을 주기 위하여 여러 온도에서 감도를 측정할 필요가 있다. 현재는 주로 튜브형 전기로에 가스센서 소자를 삽입하고 가스를 흘리면서 신호의 변화를 관찰하고 있다. 측정이 끝나면, 전기로의 온도를 변화시켜 또다른 온도에서 측정한다. 즉 가스가 바뀌면서 전도도가 변화하는 것을 시간 함수로 측정하는 방식으로써 가스센서 소자의 특성 측정에 매우 유리하다. 그러나 시간에 따라 변화하는 값을 측정자가 계속 기록하는 것이 번거로우므로, 펜 레코더등을 이용하기도 한다. 최근에는 좀더 발전하여 컴퓨터에 범용 인터페이스 보드(General purpose interface board:GPIB)를 연결하여서 데이터를 디지탈로 바꾸어 받고 있다.(Journal of Materials Science Letters, Vol. 13 P 719-722, 1994)

그러나, 상기의 기기는 실제 사용하면서 매우 유용했으나, 문제점이 있었다. 첫째 문제점은 가스의 유입량을 전자식으로 조정할수는 있었으나, 작업자가 직접 손으로 입력한 다음 다시 손으로 입력할때까지는 계속 그값을 유지하고 있었다. 따라서 가스의 종류를 바꾸거나 유량을 조정하기 위해선 작업자가 직접 해야 했다.

둘째 문제점으로는 가스 센서의 기능을 평가할때 건조된 가스만으로 실험할 수 밖에는 없었다는 것이다. 실제 가스센서가 설치될 현장은 대부분 습도의 변화가 있는 곳이다. 따라서 습도를 변화시켰을 때의 특성 평가가 필요하다. 상기 장치는 습도 변화를 줄 수 없는 단점을 가지고 있었다. 그리고 1회 측정시 1개의 시편만이 가능한 문제점이 있다. 전기로에 시편을 넣어 측정할 경우 스캐너를 사용하여 3개 이상의 세라믹 소자를 함께 측정할 수 있었다. 그러나 소자의 내장 발열체가 스스로 소자의 온도를 올려 주는 자체발열식 가스센서의 완성품은 여러개를 한꺼번에 측정하지 못하였다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 고안의 목적은 실제 상황과 같은 습도 환경하에서 가스센서 감지특성을 측정할 수 있고 완성품 센서 여러개를 한번에 측정할 수 있도록 발열모드에서 측정모드로의 전환을 다수의 센서에 대하여 한번에 동시에 해주고 데이터도 한번에 동시에 수신토록 하기 위하여 측정회로를 바꾸고 데이터 고밀도 스윗치 시스템을 부착한 다수의 가스센서 감지특성을 가지는 무인 측정장치를 제공하는데 있다.

제1도에 본 고안의 가스센서 감지특성 측정장치의 결선도를 도시하였다.

제1도에 대해 설명하면, 본 고안의 측정장치는 가스유입부(100), 습도 조정부(200), 감도측정부(300), 제어부(400)로 구성되어 있다.

가스 유입부(100)에는 1개의 공기 유입구(110)와 2개의 피검가스 유입구(111,112)가 있다. 유입구 다음단에는 레귤레이터(120,121,122)가 부착된다. 레귤레이터 바로 다음단에는 솔레노이드 밸브(130,131,132)로 개폐할 수 있게 한다. 솔레노이드 밸브는 제어부(400)의 릴레이보드(450)에 연결되어 개폐 명령을 받는다. 솔레노이드 밸브를 통과한 두개의 피검가스 라인은 합쳐져서 1개의 라인으로 된다. 여기서부터는 1개의 공기 라인과 1개의 피검가스 라인으로 구성된다. 피검가스와 공기를 혼합하므로써 원하는 농도를 만들기 위하여 분당최대유량이 200cc인 전자식 유량계(MFC, mass flow controller)를 이용하여 혼합한다. 이 전자식 유량계는 입출력 모두 가능한 제품이어야 하며, 0-5V의 아나로그 신호를 제어부(400)의 D/A 보드(430)로부터 받아 유량을 조정하며, 실제 통과하는 유량을 역시 0-5V의아나로그 신호로 제어부(400)의 A/D보드(420)로 보내준다. 본 장치에선 공기 또는 공기 밸런스로 200ppm정도까지 희석된 피검가스를 사용하므로 유량계는 질소 가스로 교정된 것을 사용하는 것이 편리하다.

100ppm의 혼합수소 가스를 만들기 위하여 공기를 밸런스로하여 200ppm으로 출하된 수소가스(112)와 순수한 공기(110)를 혼합할 경우, 공기측의 유량계(140)를 분당 50cc 흐르게 열어주고 동시에 수소측 유량계(14)를 50cc/min만큼 열어준다. 반면에 20ppm 정도의 저농도 혼합가스를 만들 경우 표 1에서와 같이 200ppm의 수소 가스는 분당 10cc를 흘려주어야 한다. 통상 전자식 유량계의 경우 최대 유량의 10%이내의 미세 조정은 오차가 크기 때문에, 이때는 미세조정용 유량계를 사용하는 것이 정확하다. 따라서 분당 10cc까지만 조정되는 전자식 유량계(142)를 분당 200cc까지 흘리는 유량계(144)와 병렬로 설치할 필요가 있다.

피검가스가 공기와 만나기 전에 가스 출구(150)가 있다. 이는 솔레노이드 밸브(151)로 개폐할 수 있다. 이의 기능은 피검가스를 교체하였을때, 먼저 흐르던 피검가스를 교체된 피검가스가 밀어내 앞서 측정하던 가스가 라인에 잔류하였다가, 공기와 혼합되는 것을 방지하기 위함이다. 여기의 솔레노이드 밸브 역시 제어부(400)의 릴레이보드(450)로부터 개폐 명령을 받는다. 공기 유량계(140)와 피검가스 유량계(142 또는 144)를 통과한 라인은 혼합기(160)에 들어간다. 혼합기의 앞쪽은 건조필터(161)가 있어 수분을 제거해준다.

습도 조정부(200)는 혼합된 가스에 수분을 공급하는 부분이다. 전원(220)을 발열부(230)에 넣으면 용기의 물(240)이 덮혀지고, 혼합가스라인(241)이 용기내로 혼합가스를 흘리고 이는 다시 용기 외부의 라인(242)과 연결된다. 만일 혼합가스가 수분을 흡수하지 않도록 할 경우 용기로 가는 밸브(212)를 잠그고, 통과하는 라인의 밸브(210)을 열어준다. 이두 밸브 역시 제어부(400)의 릴레이 보드(450)의 개폐 명령을 받는다.

감도측정부(300)는 가스센서의 가스 감도를 측정하는 부분이다. 반도체식 가스센서 히터(heater)로 고온 보존된 반도체(일반적으로 n형의 산화물 반도체)가 가연성 가스와 접촉되면 전기 저항이 변화(감소)하는 성질을 이용한 것이다.

제1도에 도시된 감도측정부(300)는 반도체식 센서의 감도를 측정하는 감도 측정부의 실시예이다.

습도 조정부(200)에서 연장되어온 감지대상 가스라인이 반응관(310)으로 연결되고, 반응관에는 센서(320)가 외부에서 끼워진다. 센서320)의 모양은 제2도에 표시한 바와같이 통상의 반도체 방식으로써 반도체 소자 양쪽에 발열선이 삽입되어 있는 형태로써, 가열시에는 직류전원 공급기(370)의 두단자(371,372)와 센서 양단의 두 전선(321,324)에 연결되고, 센서내 발열코일 간을 연결하는 두 전선(322,323)이 릴레이 보드로부터 개폐 명령을 받는 스위치(340)에 의해 접속된다. 발열이 어느 정도 진행되는지 온도센서(330)가 감지하여 제어부(400)의 A/D 보드(420)를 통하여 컴퓨터(410)에 보고되며, 컴퓨터로부터 릴레이 보드(450)을 통해 스윗치(340)의 개폐명령을 받는다. 이 스윗치가 끊어지면 센서의 발열 모드에서 측정모드로 전환된다. 이때 반도체 소자 양단의 두전선(321,324)은 릴레이보드(450)의 작용으로 직류전원 공급기(370)의 두단자(371,362)와 떨어지는 대신, 전류발생기(350)의 두 단자로부터 나온 두전선(351,352)과 접속된다. 동시에 직류전원 공급기는 릴레이 보드로부터 꺼짐 명령을 받는다. 이때 센서내 발열코일간을 연결했던 두전선(322,323)도 같은 시간 서로 떨어진다. 이렇게 되면 두전선(321과 324) 사이에는 전류발생기(350)에서 발생시키는 일정한 전류가 반도체 소자를 통해 흐른다. 이를 병렬 연결된 전압측정기(360)가 전압을 측정하여 제어부(400)의 GPIB 보드(440)를 통하여 컴퓨터(410)에 측정전압값을 보냄으로써 반도체 소자(328)의 저항변화를 구할 수 있게 한다. 반응관(310)의 한쪽에는 습도센서(380)가 부착되어 측정결과를 제어부(400)의 A/D 보드(420)를 통해 컴퓨터에 보고하고, 그 결과로부터 습도 조정부의 전원(220)에 릴레이보드(450)을 통하여 개폐 명령을 내리게 한다. 반응관내의 가스는 가스출구(390)을 통하여 외부로 배출된다.

2개 이상의 센서를 동시에 측정하기 위해선 제3도와 같은 회로가 구성되어야 한다. 센서에 발열용 전원을 공급하는 전원발생기(370)와 측정용 전류를 발생시키는 진류발생기(350)는 스윗치(355)로 선택되도록 병렬로 배열된다. 2개 이상의 센서(320)의 스윗치(340)이 발열/측정 모드변환을 할 수 있도록 배치되며, 측정시를 위하여 데이타 고밀도 스윗치 시스템(380)과 역시 스윗치(340)로 연결된 측정시 각 센서에 걸리는 전압을 측정할 전압계의 양(+)극은 각 센서 공통으로 연결되고 음(-)극은 각 센서에서 나온 마이너스 단자가 고밀도 스윗치시스템을 통해 한가닥으로 들어온다.

제어부(400)는 상기 장치의 각 부품을 원활하게 조정하는 기능을 수행한다. 486급 개인용 컴퓨터(410)에 아나로그 신호를 받아 컴퓨터에 디지탈 신호로 바꾸어 보고하는 A/D 보드(420), 컴퓨터의 디지탈 명령을 아나로그 신호로 바꾸어 각 부품을 동작하게 하는 D/A 보드(430), 전압측정기(350)와 전류 측정기(360)등 계측기와 연결되어 명령을 주고, 데이타를 받는 GPIB 보드(440), 컴퓨터의 명령을 D/A 보드를 통하여 on/off 신호로 각 스위치에 전달하는 릴레이 보드(450)로 구성되어 있다. 각 보드와의 연결을 원활하게 하기 위하여 보드와 부품사이에 와이어링 보드(wiring board)를 설치하기도 한다. 또한 각 부품의 동작 상태와 전원공급을 콘트롤하는 각종 표시소자와 스윗치는 콘트롤 판넬(460)에 집중시킨다.

본 고안의 측정장치의 작동을 위하여 제1도와 같이 연결된 상태에서 제어 판넬(460)의 전원을 켠다. 제어판넬의 전원을 켜면 컴퓨터(410) 및 모니터를 제외한 모든 기기에 전원이 연결된다. 그다음 컴퓨터를 켠다. 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브내에 측정을 위한 디렉토리(measure)에 들어가, 실행파일(measure.exe)을 작동시킨다. 실행 파일이 작동되면, 어떤 방식으로 측정할 것인가 하는 공정을 입력한다. 각 단계의 조건이 입력되면, 발열과 측정이 시작된다. 우선 가스의 농도 및 종류가 정해지고, 습도가 정해지면 측정부에 있는 센서에 가스가 닿게 된다. 측정부에선, 발열시엔 스윗치(350,340)가 동그라미가 칠해진 단자에 연결되어 센서소자에 전류가 흘러 발열케하고, 측정시에 상기 스윗치(355,340)가 동그라미가 칠해지지 않은 단자에 접속되어 전류발생기(350)에서 발생된 측정용 전류가 흐르고 그때의 전압이 고밀도 스윗치시스템을 통해 전압 측정기에 의해 읽혀진다.

다음과 같은 순서로 본 고안의 장치가 작동되는 실시예를 기술한다.

측정대상 센서(320)를 두개이상 다수로 설치하고 제3도와 같이 결선한다. 우선 공기를 분당 100cc 흘려 주면서 센서내의 발열전극을 이용하여 온도를 각각 섭씨 200도로 올린후 발열부의 전원을 차단하고, 1초, 5초, 10초, 30초, 60초 마다에 3회씩 전기저항 및 온도를 측정한 다음 다시 온도를 200도로 승온시킨 다음 50ppm의 CO 가스를 흘림과 동시에 스위치(340,355)를 이용하여 발열부의 전원을 차단하고 다수개 센서의 전도도 측정을 1, 5, 10, 30초 마다 3회씩 고밀도 스윗치 시스템을 이용하여 행한다. 이때 컴퓨터의 명령을 받고 난 후 바뀐 가스가 센서 소자에 도달하는 순간에 발열단계에서 측정단계로 전환되도록 가스의 유량과 라인의 길이에 따른 가스도달 시간을 미리 구해 놓아야 한다. CO 가스 50ppm에서의 측정이 끝나면, 100, 200ppm에서도 행한다. 그다음은 다시 공기를 흘리면서 10분간 원상복귀를 시킨다. 다시 가스를 수소 50ppm으로부터 200ppm까지 반복한다. 이렇게 200도에서의 측정이 끝나면, 250도, 300도에서도 같이 실시한다. 이와같이 하여, 다수개 센서 각각에 대하여 측정온도 측정가스의 종류 및 농도에 따른 센서의 전기저항 변화를 3차원 행렬 데이타로 만든다.

상기의 실시예에서는 습기를 제거한 가스를 이용하였으나, 실제 설치되는 곳에는 습기가 항상 있게 된다. 그러므로 상기 실시예의 완료후 습도를 60, 70, 80, 90, 95등으로 변화시켜가며 반복하여 완성품센서의 습도에 대한 영향을 관찰한다.

이상 설명한 바와같이 본 고안에 의해서 가스센서 완성품의 가스 감응특성을 정확히 측정할 수 있으며, 측정의 전과정을 무인화할 수 있다. 습도의 영향은 실제 현장에서 발생하는 가장 큰 문제점이므로 이를 자동화하여 측정하고 여기서 나온 데이타를 분석, 정리하여 실제 현장에 설치된 센서 교정시에 사용할 수 있다. 특히 1회 측정시 여러개의 센서 완성품을 동시에 측정하므로 시간과 측정용가스를 절약할 수 있으며, 최종 제품의 테스트시 샘플링 방식이 아니라 전부 검사할 수 있으므로 품질관리가 더욱 철저해진다.

Claims (4)

1. 가스센서의 감도 측정장치에 있어서, 공기유입구와 2개의 가스 유입구로부터 공기 및 가스를 받아들여 혼합하여 배출하는 가스 유입부와, 상기 가스 유입부로부터 혼합된 가스를 받아 수분을 공급하여 배출하는 습도조정부와, 반응관에 다수의 가스센서를 구비하고, 상기 습도 조정부로부터 상기 반응관에 혼합가스를 받아들여 발열 장치에 의해 상기 가스센서에 열을 가하고, 상기 다수의 가스센서의 저항 변화를 측정하는 감도 측정부와, 상기 각부를 제어하며, 상기 감도측정부로부터 가스센서의 저항 변화에 대한 신호를 받아 그 측정결과를 처리하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감지특성 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스유입부는 공기 유입구와 2개의 가스유입구로부터 공기와 가스를 받아들이고, 그 공기와 가스를 레귤레이터에 의해 그 압력을 조절하고, 상기 레귤레이터에서 배출되는 공기 및 가스를 솔레노이드 밸브로 제어하며, 상기 솔레노이드 밸브를 통과한 2개의 가스라인은 1개로 합쳐져 다시 상게 제어부에 의해 제어되는2개의 전자식 유량계에 유입되고, 상기 솔레노이드 밸브를 통과한 공기는 상기 제어부에 의해 제어되는 전자식 유량계에 유입되어 상기 3개의 전자식 유량계는 혼합기에 의해 혼합된후 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스센서의 감지특성 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 습도 조정부는 상기 가스 유입부의 혼합기로부터 혼합가스를 받아 상기 제어부에 의해 제어되는 2개의 솔레노이드 밸브를 통과하며 그중 하나의 솔레노이드에서 배출되는 혼합가스는 가습기를 통해 외부로 통하는 배출관에 연결되며 나머지 솔레노이드 밸브를 통과한 혼합가스는 직접 상기 배출관에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감지특성 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 감도측정부는 상기 습도 조정부에서 배출되는 가스를 받아들이는 반응관과, 상기 반응관에 설치되고 한쌍의 발열코일을 구비한 다수의 가스센서와, 상기 반응관의 습도를 감지하는 습도센서와, 상기 다수의 가스센서의 발열코일에 직류전기를 공급하는 직류전원과, 상기 다수의 가스센서에 전류를 공급하는 전류발생기와, 상기 다수의 가스센서에 인가된 전압을 측정하는 전압측정기와, 상기 다수의 가스센서를 가열하기 위해 상기 한쌍의 발열코일의 각각 한단자를 서로 연결하는 제1스윗치와 상기 제1스윗치에 의해 연결되는 단자를 제외한 상기 한쌍의 발열코일의 각 단자를 상기 직류전원에 연결하고, 상기 다수의 가스센서의 감도 측정시에, 상기 가스센서의 발열코일의 단자중 상기 제1스윗치에 의해 연결되는 단자를 제외한 나머지 단자를 상기 전류발생기에 연결하는 한쌍의 제2스윗치와 상기 다수의 제1스윗치와 상기 제2스윗치를 순차로 연결하는 고밀도 스윗치 시스템으로된 제3의 스윗치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감지특성 측정장치.