KR0120916Y1 - 가스센서의 감도 측정장치 - Google Patents

Abstract

다수의 가스센서를 여러단계의 온도와 습도를 구비한 환경하에서 고밀도 스윗치 시스템으로 직류전원, 전류측정기를 연결하여 각 센서의 전도도를 측정하여 가스센서의 감도를 측정한다.

Description

가스센서의 감도 측정장치

제1도는 가스센서의 감도 측정장치의 결선도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100:가스유입부 200:습도조정부

300:감도측정부 400:제어부

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

종래에는 가스센서를 설치하고 특정한 가스(예:수소, 메탄가스)를 불어넣어주면서 주입된 가스를 감지하는지 관찰해왔다. 가장 간단한 방식으로는 일정농도의 수소 가스등의 용기(bomb)을 열고 그때 나오는 가스를 가스센서에 직접 닿게하는 방식이 있다.

이경우 측정하기는 쉬우나 정확한 농도관리가 불가능하였다. 그후로는 센서를 밀폐된 상자에 넣고 가스를 주입시킨 후, 센서가 가스를 감지하는지 관찰하는 것이다. 이 경우 정확한 값을 얻을 수는 있고 최종제품을 넣고 실험하는 경우에는 유리하지만 개발중인 제품의 중간측정을 통하여 최적작동조건(예:온도, 가스에의 노출시간)을 찾는데는 부적합하다.

따라서, 작동온도등을 바꾸어주는 기능을 주기 위하여 여러온도에서 감도를 측정할 필요가 있다. 현재는 주로 튜브형 전기로에 가스센서소자를 삽입하고 가스를 흘리면서 신호의 변화를 관찰하고 있다.

측정이 끝나면, 전기로의 온도를 변화시켜 또다른 온도에서 측정한다. 즉 가스가 바뀌면서 전도도가 변화하는 것을 시간 함수로 측정하는 방식으로서 가스센서 소자의 특성 측정에 매우 유리하다. 그러나, 시간에 따라 변화하는 값을 측정자가 계속 기록하는 것이 번거로우므로, 펜 레코더등을 이용하기도 한다. 최근에는 좀 더 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, 몇가지 문제점이 있었다. 첫째는 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 매회 1개의 소자만을 측정할 수 밖에 없었다. 소자제작이 2주만에 약 60여개가 완성되는데, 이를 24시간에 1개씩 측정하므로 60일이 소요된다. 가급적 빠른 시간안에 측정을 완료하고 문제점을 파악한 후 다음계획을 수립하여야 하므로 여러개의 시편을 한꺼번에 측정할 필요성이 대두되었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 다수의 가스센서를 1회에 함께 측정할 수 있는 가스센서의 감도측정장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 가스센서의 감도를 측정하면서 실제 상황과 같은 습도환경하에서 측정할 수 있는 가스센서의 감도측정장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 의한 장치는 기존의 측정기기를 그대로 이용하고, 추가로 가스의 교체나 유입량을 컴퓨터에 프로그램하여 조정할 수 있도록 한다.

또한 습도의 영향을 테스트할 수 있도록, 습도발생기 및 습도계를 추가로 설치하여, 위 두가지 기능이 상호 연계하여 작용하도록 한다. 그리고 여러개의 센서를 동시에 측정할 수 있도록 전기로 내에 시편 여러개를 넣고 전선으로 접속한 다음, 그 전선을 모두 모아 고밀도 스위치 시스템(high density switch system, keithley model 7001)에 연결하고 여기서 나온 출력단자를 직류전원 및 전류측정기에 연결한다.

이하, 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 가스 감도측정장치의 결선도이다. 제1도에 대해 설명하면, 가스유입부(100), 습도조정부(200), 감도측정부(300), 제어부(400)등 네 부위로 구성된다.

가스 유입부(100)에는 1개의 공기 유입구(110)과 2개의 피검가스 유입구(111,112)가 있다. 각 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 0-5V의 아나로그 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(144)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 미세조정은 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. 이 두 밸브 역시 제어부(400)의 릴레이 보드(450)의 개폐 명령을 받는다.

감도측정부(300)는 센서의 가스 감도를 측정하는 부분이다. 여러개의 센서용 소자(320,321)를 한번에 측정할 수 있도록 전기로(310)내에 시편 여러개를 넣고 전선으로 접속한 다음, 그 전선을 모두 모아 고밀도 스위치 시스템(high density switch system, keithley model 7001; 380)에 연결하고, 여기서 나온 출력단자를 전원발생기(330) 및 전류측정기(340)에 연결하였다. 이 고밀도 스위치시스템(380)은 GPIB 케이블을 통하여 제어부(400)의 GPIB 보드(440)을 통해 컴퓨터(410)의 명령을 받는다. 전기로의 온도조절을 위하여 발열체(360)가 전기로 콘트롤러(350) 및 RS232C 보드(351)를 통하여 컴퓨터(410)와 연결되도록 설치한다. 전기로의 온도측정을 위하여 열전대(370)를 빙점유지용 얼음통(371)을 통과시켜 콘트롤러(350)에 연결한다.

제어부(400)는 상기 장치의 각 부품을 원활하게 조정하는 기능을 수행한다. 486급 개인용 컴퓨터(410)에 아나로그 신호를 받아 컴퓨터에 디지탈 신호로 바꾸어 출력하는 A/D 보드(420), 컴퓨터의 디지탈 명령을 아나로그 신호로 바꾸어 각 부품을 동작하게 하는 아날로그신호를 출력하는 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)으로 구성되어 있다. 각 보드와의 연결을 원활하게 하기 위하여 보드와 부품사이에 와이어링 보드(wiring board)를 설치하기도 한다. 또한 각 부품의 동작 상태와 전원공급을 제어하는 각종 표시소자와 스위치는 제어 판넬(460)에 집중시킨다. 상기 모든 동작은 GPIB 보드에 명령을 내릴 수 있는 컴퓨터언어인 BASIC, C, Pascal 등으로 짜여진 프로그램(470)으로 운용한다.

본 고안의 일실시예가 제1도와 같이 연결된 상태에서 실시되며, 제어판넬(460)의 전원을 켜면 컴퓨터(410) 및 모니터를 제외한 모든기기에 전원이 연결된다. 그 다음 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, 측정이 시작된다. 전기로내에서 복수개의 센서소자의 전도도를 측정온도와 가스의 종류 및 감도에 따라 측정한다. 이는 공기를 분당 100cc 흘려주면서, 전기로의 온도를 200도로 고정시킨 후 직류전원(330)와 전류측정기(340)로 전도도를 30초마다 측정한다. 이때 센서소자가 여러개이므로 각각의 측정순서 및 측정시간 안배 프로그램(470)은 고밀도 스윗치 시스템(380)을 통하여 진행된다. 즉 1번 소자 측정후, 2번 소자를 측정하고, 다음은 3번 등으로 정해진 순서에 의하여 모두 측정하여 기록된다. 어느 정도 안정된 값이 얻어지는 10분 후 50ppm의 CO 가스를 흘려주면서 계속 30초마다 여러개의 소자저항을 순서대로 측정한다. 15분간 측정후 100ppm, 200ppm에서도 각각 15분간씩 측정한다. CO 가스의 영향을 측정하고, 나서 다시 공기를 20분간 흘려준 후 수소가스의 영향을 CO 가스와 동일하게 측정한다. 200도에서의 측정이 완료되면, 250, 300도에서의 측정도 같은 방법으로 실시한다.

이와같이 하여 측정온도, 측정가스의 종류 및 농도에 따른 복수개 센서소자의 전기저항 변화를 3차원 행렬데이터로 만든다. 이 데이터를 이용하여 가스센서(320,321)의 감도특성을 측정한다.

상기의 실시예에서는 습기를 제거한 가스를 이용하였으나, 실제 설치되는 곳에는 늘 습기가 있게 된다. 그러므로 상기 실시예의 완료후, 또다른 실시예로서 습도조정부(200)의 밸브(212)를 열고, 밸브(210)을 잠궈서 습도를 60, 70, 80, 90, 95등으로 변화시켜가며 복수개 센서소자의 측정을 반복한다. 이와같이 센서소자의 습도에 대한 영향을 관찰한다.

이상 설명한 바와같이, 본 고안에 의하면 여러개의 가스센서용 소자의 가스감응 특성을 한꺼번에 측정할 수 있으며, 측정의 전과정을 무인화할 수 있다. 특히 습도의 영향은 실제 현장에서 발생하는 가장 큰 문제점이므로 이를 자동화하여 측정하고 여기서 나온 데이타를 분석, 정리하여 실제 현장에 설치된 센서 교정시에 사용할 수 있다. 1개가 아닌 여러개를 1회에 측정하므로 소요되는 시간은 물론이고, 사용되는 가스 및 전기로 유지전력등을 절감하는 부수적인 효과를 얻었다.

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, 전기로에 다수의 가스센서를 구비하고, 상기 습도 조정부로부터 상기 전기로에 혼합가스를 받아들여 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 감도측정장치.
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 제어되는 2개의 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 감도측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 습도 조정부는 상기 가스 유입부의 혼합기로부터 혼합가스를 받아 상기 제어부에 의해 제어되는 2개의 솔레노이드 밸브를 통과하며 그중 하나의 솔레노이드 밸브에서 배출되는 혼합가스는 가습기를 통해 외부로 통하는 배출관에 연결되며 나머지 솔레노이드 밸브를 통과한 혼합가스는 직접 상기 배출관에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감도측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 감도측정부는 상기 습도조정부로부터 배출되는 가스를 받아들이는 전기로와, 상기 전기로에 공급되는 전기를 제어하는 전기로 콘트롤러와, 상기 전기로의 온도를 측정하여 상기 전기로 콘트롤러에 출력하는 온도센서와, 상기 전기로에 넣어진 센서에 전기를 공급하는 직류전원과, 상기 전기로에 넣어진 센서의 전류를 측정하는 전류측정기와, 상기 전기로에 넣어진 다수의 가스센서와 연결된 다수의 전기선을 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 직류전원 및 전류측정기에 연결하는 고밀도 스윗치 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감도측정장치.