KR0128549Y1 - 가스센서의 감도 측정장치 - Google Patents

Abstract

컴퓨터 프로그램에 의한 센서자체 가열모드와 측정모드가 자동전환되며 측정가스의 습도조절이 가능한 가스센서 감도 측정장치는 레귤레이터와 개폐용 솔레노이드밸브를 각각 거친 공기와 피검가스가 유량계를 거쳐 공통 배관을 통하여 건조필터가 설치된 혼합기에서 혼합되게 구성한 가스유입부(100)와, 상기 가스 유입부(100)의 혼합기에서 배출되는 혼합가스의 일부가 용기내의 수용액에서 용해되어 수분을 가지고 감도측정부로 전달되게하며 상기 용기를 가열하는 발열부를 가지는 습도조절부(200)와, 직류전원공급기에 의한 발열모드와 가스 감도측정모드를 전환하는 모드전환 스위칭을 가능케하는 온도센서와, 이 반도체 가스센서를 혼합가스에 노출시키기 위해 상기 습도조절부에 의해 습도가 조절된 혼합가스를 저장, 배출하는 반응관을 포함하는 감도측정부(300)와, 상기 가스유입부(100)의 유량계를 제어하고 유량신호를 입력하는 A/D변환기 및 D/A변환기와 상기 감도측정부(300)의 모드 전환 스위치를 제어하는 GPIB와 컴퓨터를 가지는 제어부(400)를 포함한다.

Description

가스센서의 감도 측정장치

제1도는 본 고안 감도측정장치의 구성도.

제2도는 본 고안 가스센서의 상세회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 가스 유입부 200 : 습도조절부

300 : 감도측정부 400 : 제어부

본 고안은 특정한 가스를 감지하는 가스감지센서의 감도를 측정하기 위한 감도측정 장치에 관한 것이다.

제조된 가스센서는 설계목적에 따른 고유의 특성을 만족하는지 여부를 알기위해 수소나 메탄가스 같은 특정가스를 불어넣어주면서 주입된 가스를 감지하는 능력을 관찰하게된다.

가장 간단한 방식으로는 일정농도의 수소가스등의 용기(bomb)를 열고 그때 나오는 가스를 가스 센서에 직접 닿게하는 방식이 있다. 이경우 간이로 측정하기는 쉬우나 정확한 농도관리가 불가능한 단점이 있다. 다른 방식으로서 센서를 밀폐된 상자에 넣고 가스를 주입시킨후 센서가 가스를 감지하는지를 관찰하는 것이다. 이경우 정확한 값을 얻을 수가 있어 최종 제품을 넣고 실험하는 경우에는 유리하나, 개발중인 제품의 중간측정을 통하여 최적 작동조건(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 가스 센서 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 가스 센서 소자의 특성 측정에 매우 유리하다. 그러나 시간에 따라 변화하는 값을 측정자가 계속 기록하는 것이 번거로우므로, 대개 펜 레코더등을 이용하기도 한다. 최근에는 좀더 발전하여 컴퓨터에 GPIB(general purpose interface board)보드를 꼽고 데이타를 디지탈로 바꾸어 받아 처리하는 기술이 제안된바 있다.[Journal of Materials Science Letters, vol. 13 p719-722, 1994].

그러나 이러한 기술에는 두가지 문제점이 있다. 첫번째로, 가스의 유입량을 전자식으로 조정할 수는 있게되나, 가스의 종류를 바꾸거나, 유량을 조정하기 위해선 작업자가 직접 수작업을 해야한다. 두번째 문제점으로는 가스 센서의 기능을 평가할때 건조된 가스만으로 실험할 수 밖에는 없다는 것이다. 실제 가스 센서가 설치될 현장은 대부분 습도의 변화가 있는 곳이다. 따라서 습도를 변화시켰을때의 특성 평가가 필요함에도 불구하고 상기 기술에서는 습도변화를 줄수 없는 단점을 가지고 있다.

본 고안은 상기한 기존의 기술이 가지고 있는 문제점들을 개선하기 위한 것으로, 가스센서 감도 측정장치의 가스 교체나 유입량 통제가 컴퓨터 프로그램에 의해 실행되게하고 또한 습도의 영향을 테스트할수 있도록 습도발생기와 습도계를 설치하여 이들의 상호 연계 동작에 따른 가스센서의 감도특성을 정확히 측정할 수 있게 한 가스센서의 감도 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 고안의 감지 감도 측정장치는 크게 가스 유입부(100), 습도조정부(200), 감도측정부(300)및 제어부(400)로 나뉘어져 있다.

가스 유입부(100)에는 1개의 공기 유입구(110)와 2개의 피검가스 유입구(111,112)가 있다. 각 유입구 다음단에는 레귤레이터(120,121,122)가 부착된다. 레귤레이터 바로 다음단에는 솔레노이드밸브(130, 131, 132)로 공기 및 가스를 개폐할 수 있게 한다. 각 솔레노이드 밸브(130,131,132)는 제어부(400)의 릴레이보드(450)에 연결되어 개폐명령을 받는다. 솔레노이드 밸브를 거친 두개의 피검가스 라인은 합쳐져서 1개의 라인으로 된다. 여기서 부터는 1개의 공기라인과 1개의 피검가스 라인으로 구성된다. 피검가스와 공기를 혼합하므로써 원하는 농도를 만들기 위하여 분당 최대 유량이 200㏄인 전자식 유량계(MFC, mass flow controller)(140,142,144)를 이용하여 혼합한다. 이 전자식 유량계는 입출력 모두 가능한 제품이어야 하며, 0-5V의 아나로그 신호를 제어부(400)의 D/A보드(430)로 부터 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 200ppm정도 까지 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, 공기 축의 유량계(140)를 분당 50㏄흐르게 열어주고, 동시에 수소측 유량계(144)를 50㏄/min만큼 열어준다. 반면에 20ppm정도의 저농도 혼합가스를 만들 경우 표 1에서와같이 200ppm의 수소가스는 분당 10㏄를 흘려주어야 한다. 통상 전자식 유량계의 경우 최대 유량의 10%이내의 미세조정은 오차가 크기때문에, 이때는 미세조정용 유량계를 사용하는 것이 정확하다. 따라서 분당 10㏄ 까지만 조정되는 전자식 유량계(142)를 분당 200㏄까지 흘리는 유량계(144)와 병렬로 설치하고 있다.

피검가스가 공기와 만나기전에 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)로 부터 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 제거해 준다.

습도 조정부(200)는 혼합된 가스에 수분을 공급하는 부분이다. 스위치(220)를 통하여 AC100V를 발열부(230)에 넣어 용기의 물(240)이 가열되게하고, 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 릴레이보드(450)의 개폐 명령을 받는다.

감도 측정부(300)는 센서의 가스 감도를 측정하는 부분이다. 감지대상 가스의 라인이 반응관(310)으로 연결되고, 반응관에는 센서(320)가 외부에서 끼워진다. 센서(320)는 제2도에 표시한 바와같이 통상의 반도체 방식으로써 반도체 소자(328) 양쪽에 발열선이 삽입되어 있는 형태로써 가열시에는 직류전원 공급기(370)의 두단자(371,372)와 센서 양단의 두전선(321,324)이 연결되고, 센서내 발열코일 간을 연결하는 두전선(322,323)이 릴레이 보드로부터 개폐명령을 받는 스위치(340)에 의해 접속된다. 발열이 어느정도 진행되면 온도센서(330)가 이를 감지하여 제어부(400)의 A/D보드(420)를 통하여 컴퓨터(410)에 보고되며, 컴퓨터로부터 릴레이 보드(450)을 통해 스위치(340)의 개폐명령을 받는다. 이 스위치가 끊어지면 센서의 발열 모드에서의 측정모드로 전환된다. 이때 반도체 소자 양단의 두전선(321,324)은 릴레이보드(450)의 작용으로 모드 변환 스위치(355,356)를 통하여 직류전원 공급기(370)의 두단자(371,362)와 떨어지는 대신, 전류발생기(350)의 두단자로부터 나온 두전선(351,352)과 접속된다. 동시에 직류전원 공급기는 릴레이 보드로부터 꺼짐명령을 받는다. 이때 센서내 발열코일 간을 연결했던 두전선(322,323)도 같은 시간 서로 떨어진다. 이렇게되면 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 GPIB보드(440)를 통하여 컴퓨터(410)에 보고하므로써, 반도체 소자(328)의 저항변화를 구할 수 있게한다. 반응관(310)의 한쪽에는 습도센서(380)가 부착되어 측정 결과를 제어부(400)의 A/D보드(420)를 통해 컴퓨터에 보고하고, 그 결과로부터 습도 조정부의 전원(220)에 릴레이보드(450)을 통하여 개폐 명령을 내리게한다. 반응관 내의 가스는 가스출구(390)를 통하여 외부로 배출된다.

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/D보드(420), 컴퓨터의 디지탈 명령을 아나로그 신호로 바꾸어 각 부품을 동작하게하는 D/A보드(430), 전압측정기(350)와 전류 측정기(360)등 계측기와 연결되어 명령을 주고, 데이타를 받는 GPIB 보드(440), 컴퓨터의 명령을 D/A보드를 통하여 온/오프 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 전원 공급을 콘트롤하는 각종 표시소자와 스위치는 콘트롤 판넬(460)에 집중시킨다.

이와같은 본 고안 장치의 작동을 위하여 제1도와같이 연결된 상태에서 콘트롤 판넬(460)의 전원을 켜면 컴퓨터(410)및 모니터를 제외한 모든 기기에 전원이 연결된다. 그다음 컴퓨터를 온시킨 다음 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브내에 측정을 위한 디렉토리(measure)에 들어가, 실행파일(measure.exe)을 작동시킨다. 실행파일이 작동되면, 어떤 방식으로 측정할 것인가 하는 공정을 입력한다. 각 단계의 조건이 입력되면, 측정이 시작된다.

측정순서는 다음과 같다.

우선공기를 분당 100㏄흘려주면서 센서내의 발열전극을 이용하여 온도를 각각 섭씨 200도로 올린후 발열부의 전원을 차단하고, 1초, 5초, 10초, 30초, 60초 마다에 3회씩 전기저항 및 온도를 측정한다. 다음 다시 온도를 200도로 승온시킨후 50ppm의 CO가스를 흘림과 동시에 발열부의 전원을 차단하고 전도도와 온도측정을 1,5,10,30초 마다 3회씩 행한다. 이때 컴퓨터와 명령을 받고난 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 50ppm으로 부터 200ppm까지 반복한다. 이렇게 200도에서의 측정이 끝나면, 250도, 300도에서도 똑같이 실시한다. 이와같이 하여, 측정온도, 측정가스의 종류및 농도에 따른 센서의 전기저항 변화를 3차원 행렬 데이타로 만든다.

한편 상기의 측정에서는 습기를 제거한 가스를 이용하였으나, 감도측정장치가 실제 설치되는 곳에는 늘 습기가 있게된다. 따라서 첫번째 측정 완료후 습도를 60,70,8 0,90,95등으로 변화시켜가며 두번째 측정을 반복한다. 이와같이 하여 완성품 센서및 센서 소자의 습도에 대한 영향을 관찰한다.

상기와같은 본 고안장치는 가스 센서 완성품의 가스 감응 특성을 정확히 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. 또한 본 고안은 전기로가 아닌 센서 자체 발열에 의한 온도 상승 모드와 감도측정모드가 주기적으로 바뀌는 가스 센서 측정기능이 얻어지게되며 온도 상승모드의 온도, 시간, 감도 측정 모드에서의 측정시간등은 제어부에서 자유로 조절할수 있다. 따라서 제작된 완성품 센서의 최적작동 조건을 찾는데 아주 유리하다.

Claims (1)

1. 양쪽에 발열선이 삽입된 가스센서의 감도를 측정하는 장치에 있어서, (1) 레귤레이터와 개폐용 솔레노이드밸브를 각각 거친 공기와 피검가스가 유량계를 거쳐 공통 배관을 통하여 건조필터가 설치된 혼합기에서 혼합되게 구성한 가스유입부(100); (2) 상기 가스유입부(100)의 혼합기에서 배출되는 혼합가스의 일부가 용기내의 수용액에서 용해되어 수분을 가지고 출력되게 하며, 상기 용기를 가열하는 발열부를 가지는 습도조절부(200); (3) ① 상기 습도조절부에 의해 습도가 조절된 혼합가스를 저장, 배출하고, 혼합가스에 노출되도록 상기 가스센서가 외부에서 삽입되며, 상기 가스센서의 온도를 측정하는 온도센서와 혼합가스의 습도를 측정하는 습도센서가 설치되는 반응관과, ② 상기 가스센서의 발열모드와 감도측정모드를 전환하는 모드전환 스위치와, ③ 발열모드에서 상기 가스센서의 발열선에 전원을 공급하는 직류전원공급기를 가지는 감도측정부(300); (4) ① 상기 가스유입부(100)의 유량신호를 입력하고 유량계를 제어하는 A/D변환기 및 D/A변환기와, ② 상기 감도측정부(300)의 모드전환 스위치를 제어하는 GPIB와, ③ 컴퓨터를 가지는 제어부(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 감도측정장치.