KR100521302B1 - 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및실시간 입자 계수기 - Google Patents

응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및실시간 입자 계수기 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는, 응축 성장한 동일한 크기의 개개 입자 특히 초미세 입자가 각각 동일한 하전량을 보유하도록 하고, 하전량 또는 이로부터 측정된 전류와 측정 입자 특히 초미세 입자의 수농도가 비례하는 상관관계와 이에 따른 데이타 처리를 수행함을 기초로 하는, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기를 개시한다. 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기는, 종래와 달리, 간편하게 실시간으로 대기중 소망하는 입경 범위의 수농도를 비교적 정확하게 측정할 수 있고, 레이저등 광학계를 사용하지 않으므로, 이동시에도 광학계의 오염 염려가 없고, 따라서 이동에 대한 제약이 없으며, 또한, 소요 비용이 저렴하고, 구조나 운전이 간단하다는 효과를 달성하며, 더욱이 대기중 측정하고자 하는 입자 특히 초미세 입자의 입경 범위를 임의로 결정하고, 가스상 물질이 입자상으로 변환되지 않도록 함에 따라, 원하는 입경범위에 해당하는 입자상 물질만을 선별하여 정량적인 측정을 수행할 수 있게 되는 효과를 달성한다.

Description

응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기{REAL-TIME PARTICLE COUNTING METHOD AND REAL-TIME PARTICLE COUNTER USING CONDENSATION AND CHARGING METHOD}
본 발명은 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기에 관한 것으로, 상세하게는 응축과 하전 방법에 의해 특히 초미세 입자의 수농도를 실시간으로 측정할 수 있는, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 분리 입자란, 측정하고자 하는 입자의 입경 범위를 제어하기 위해, 유입되는 측정 대상 공기내의 입자들로부터 분리하여 제외하는 입자들로서, 일정 입경보다 크거나 또는 작은 것을 의미한다.
일반적으로 에어로졸(aerosol)은 공기 중에 부유하는 0.002 내지 100㎛ 크기의 고체 또는 액체 입자를 말하는 것으로, 일반적으로 그 형상은 비구형이고, 이들은 분진(dust), 안개(mist), 퓸(fume) 또는 스모그(smog) 등의 다양한 형태로 존재하며, 그 입자 크기는 기하학적 특성이나 입자의 광 산란 현상, 전기적 특성, 공기역학적 특성등을 이용하여 정의된다.
이와 같은 에어로졸은 에너지, 환경, 보건 등 다양한 분야에 관련되고, 산업 및 인체 건강에 지대한 영향을 미치므로, 그 크기와 특성에 대한 연구의 중요성이 점차 부각되고 있다.
특히 대도시 스모그, 에어로졸의 장거리 이동, 황사 또는 지구기후 변화 등의 문제를 정확하게 규명하기 위해서는 대기 에어로졸의 입경분포 또는 수농도와 같은 에어로졸에 대한 보다 상세한 정보가 필요하다. 따라서, 현재 에어로졸의 측정 추세는, 질량농도에서 수농도로, 조대입자에서 미세입자로(상기 질량농도의 경우 조대 입자가 중요하고, 수농도에서는 미세 입자가 중요하다), 총농도에서 입경별 농도로, 농도에서 화학적 조성 및 형상으로 점차 바뀌고 있는 실정이다.
한편, 환경기술의 발달과 정부의 꾸준한 환경정책에 힘입어, SO2, TSP등 주요 대기오염물질의 경우 1980년대에 비하여 큰 폭으로 감소하였지만, 상대적으로 인체에 더 유해한 물질로 알려진, 초미세 입자(ultrafine particle)와 오존 농도는 증가하였다.
상기 초미세 입자는, 예를 들어 공기역학적 입경이 2.5㎛ 이하(PM2.5)의 입자로서, 대기중 입자 개수의 90%이상을 차지하고, 응집(coagulation) 및 광화학반응을 통해 질량 농도의 대부분을 차지하는 미세 입자로 성장하게 된다.
서울의 경우, 이러한 초미세 입자에 의한 대기 오염이 71㎍/m3(2001년 기준)으로 OECD 국가 중 가장 나쁜 것으로 알려져 있고, 주 배출원인이 되는 경유 승용차가 2005년부터 보급되면 이로 인한 대기오염은 더욱 악화될 것으로 예상된다.
결국, 대기 환경분야의 광화학 스모그(photochemical smog), 시정(visibility), 대기화학반응 및 강우현상등을 규명하는데 있어서, 초미세 입자의 측정기술이 매우 중요하고, 그 이외에, 입자의 물리화학적 특성 분석, 반도체 분야, 나노산업분야의 입자 제어등 다양한 산업의 광범위한 응용분야에서도 그 중요성은 더욱 강조되고 있다.
초미세 입자를 포함하는 입자상 물질을 측정하는 여러 장비나 방법이 소개되고 실용화되어 있다.
먼저 임팩터를 이용하는 방법이 있는데, 임팩터(impactor)는 입자의 관성력을 이용하여 특정 크기 이상의 입자를 분리시키는 기기로, 임팩터 자체로는 주로 크기가 1㎛ 이상인 조대입자의 분류에 사용되었다. 앞서 설명한 바와 같이 최근 미세입자 분리의 필요성이 크게 대두되면서, 저압(low-pressure) 또는 미세 오리피스(micro-orifice)를 사용하여 미세입자를 분류할 수 있는, 상기 임팩터를 복수개 직렬로 연결하여 만든, 다단 임팩터 등을 사용하였고, 예로서 안더센(Andersen)사의 다단 임팩터(cascade impactor)가 이용되고 있다.
그 외 입자상 물질을 측정하는 다른 장비로는 MSP사의 WPS(wide range particle spectrometer), Met One 사의 CNC(condensation nulceus counter), TSI사의 SMPS(scanning mobility particle sizer)와 CPC(condensation particle counter), PMS사의 LPC(laser particle counter)와 Beta gauge등이 이용되고 있다.
이들중 초미세 입자를 실시간으로 측정하는 장비로 TSI사의 SMPS나 CPC가 널리 사용되고 있는데, SMPS는 Electrostatic Classifier(보통 Differential Mobility Analyzer라고 한다)와 응축핵 계수기(또는 Aerosol Electrometer)를 함께 사용하는 DMPS(Differential Mobility Particle Sizer)로부터 그 데이타 처리속도를 빠르게 한 것이고, CPC는 알코올의 기화과정에서 입자의 크기가 증가하는 원리를 이용하여 입자를 성장시킨 후 광학적으로 입자의 개수 농도를 측정하는 것이다.
그러나, 상기 SMPS나 CPC는 가격이 매우 비싸고 이동성이 나쁘기 때문에 일반적인 입자 모니터링 시스템으로 적용하기에는 적합하지 않고, 더욱이 CPC에 있어서 적절한 조치없이 측정 장비의 이동이 있을 경우, 광학계(optics)가 성장액인 부탄올(C4H9OH)에 오염되므로 장비 손상의 우려가 크다는 문제가 있다.
따라서, 구조가 간단하고, 간편하게 측정 또는 작동할 수 있으며, 가격이 저렴하고, 오염의 염려가 없어 이동성이 좋으면서, 짧은 시간내에 대기중 초미세 입자의 개수 농도를 비교적 정확하게 측정할 수 있는 방법 내지 장비가 예의 요구되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점과 요구를 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 대기중 입자 특히 초미세 입자 개수 농도를 실시간으로 측정하되, 그 측정이 간편하고, 소요 비용이 저렴하며, 비교적 정확하고, 광학계의 사용에 따른 제약이 없는, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대기중 입자 특히 초미세 입자 개수 농도를 실시간으로 측정하되, 구조가 간단하고, 이에 따라 장비 운전의 편이를 도모하며, 가격이 저렴하고, 기존의 광학계를 사용하는 경우의 문제인, 장비 이동의 어려움을 해결하고 이동시 광학계 오염을 피할 수 있는, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적의 다른 측면은 또한 대기중 측정을 소망하는 입경 범위에 있는 입자상의 물질을 선별하여 그 수농도를 정량적으로 측정하는 것이 가능한, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기에 관련된다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 유입공기내의 입자들로부터 분리 입자의 제거를 통해, 측정의 대상이 되는 입자의 입경 범위를 제어하는 단계(S1); 상기 분리 입자가 제거된 유입공기내의 입자들을 증기 응축 성장에 의해 일정크기로 성장시키는 단계(S3); 상기 일정 크기로 성장된 입자들에 각각 동일한 전하량이 부가되도록, 상기 입자들을 대전하는 단계(S4); 상기 입자들의 전하량을 측정하거나, 전하량 측정후 그 측정된 전하량으로부터 전류를 측정하는 단계(S5); 상기 측정된 전하량 또는 전류에 관한 데이타와, 입자들의 수농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 데이타와 대비하여, 입자들의 수농도를 산출하는 단계(S6);를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법에 의해 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적은, 입자 계수기(PC)에 있어서, 유입된 공기내의 입자들로부터 분리 입자를 제거하는 입경 범위 제어부(10); 상기 입경 범위 제어부(10)로부터 유입된 공기내의 입자들을, 증기 응축에 의해 일정한 크기로 성장시키는 입자 응축 성장부(30); 상기 입자 응축 성장부(30)로부터 유입된 공기내의 입자들에 동일한 전하량이 하전될 수 있도록, 상기 입자들을 대전하는 입자 하전부(40); 상기 하전된 입자들로부터 전하량을 측정하거나, 전하량을 측정하고 이로부터 전류를 측정하는 전하량 측정부(50); 상기 측정된 전하량 또는 전류와, 입자들의 개수 농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 데이타와 대비하여, 입자들의 수 농도를 측정하는 데이타 처리부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기에 의해 달성된다.
이하 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 하기 제시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 이는 본 발명의 개시를 완전하도록 함과 동시에 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해되어질 것이다.
본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 실시간 입자 계수기는, 기본적으로, 응축 성장한 동일한 크기의 개개 입자 특히 초미세 입자가 각각 동일한 하전량을 보유하도록 하고, 하전량 또는 이로부터 측정된 전류와 측정 입자 특히 초미세 입자의 수농도가 비례하는 상관관계를 제공함을 그 기술적 사상의 바탕으로 한다.
먼저, 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법을 상술한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법의 각 단계를 표시하는 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법은, 유입되는 대상 물질인 공기로부터 측정을 소망하는 입자의 입경 범위를 제어하도록 하고(S1), 이후 입경 범위가 제어된 여러 크기의 입자들을 증기의 응축에 의해 일정한 크기로 성장시킨다(S3). 이때, 상기 입경 범위 제어 단계(S1)와 상기 입자의 응축 성장 단계(S3) 사이에 가스상 물질을 제거하는 가스 분리 단계(S2)를 더 수행할 수 있다. 다음으로, 일정한 크기로 성장된 입자들이 각각 동일한 하전량을 갖도록 입자를 대전시키는 입자 하전 단계를 수행한다(S4). 그 후 하전된 입자의 전하량을 측정하거나 또는 측정된 전하량으로부터 전류를 측정하고(S5), 이와 같이 측정된 데이타를 바탕으로, 사전에 설정된 입자의 수농도와 전하량 또는 전류에 관한 상관관계 데이타와 대비함에 의해, 대상 물질내의 입자의 수농도를 실시간으로 측정하게 된다(S6).
우선, 상기 입경 범위 제어 단계(S1)는, 측정하고자 하는 입자의 입경범위 이외의 입자들을 분리하여 제거한다. 예를 들어 0.3~2.5㎛의 제1입경범위 사이의 입경을 선택하여 그보다 입경이 큰 입자를 제거하는 최대 분리 입경 제어를 거친다. 또한, 그 후, 예를 들어 0.005~0.05㎛의 제2입경범위 사이의 입경을 선택하여 그보다 입경이 작은 입자를 제거하는 최소 분리 입경 제어를 거친다.
한편, 입경 범위 제어시에는, 최대 분리 입경 제어만을 수행하고, 상기 최소 분리 입경 제어를 수행함이 없이, 아래에서 더욱 상술하는 바와 같이, 입자 응축 성장 단계(S3)에서 응축 온도의 조절만에 의해서도 최소 입자 크기를 제어할 수 있다.
이와 같은 상기 두가지 입경 범위 제어 방법에서는, 아래에서 상술하는 바와 같이, 그 유량의 제어도 각각 다른 방식으로 수행된다.
다음으로, 상기 가스 분리 단계(S2)는, 선택적으로 수행할 수 있는데, 가스상 물질을 분리하게 되면 가스상 물질이 입자상 물질로 변화되어 측정에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있게 되므로 바람직하다. 더욱이, 앞서 입경 범위 제어와 동시에 수행되어 입경 범위가 선별된 입자들의 수농도의 정량적인 측정을 가능하게 한다. 이때, 가스상 물질은 흡착에 의해 제거하도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 입자의 응축 성장 단계(S3)에서는, 선별된 입경 범위를 갖는 입자들 또는 가스상 물질이 제거된 선별된 입경 범위를 갖는 입자들을 일정한 크기로 성장시키도록 한다.
즉, 상기 S1 단계, 또는 상기 S1 및 상기 S2 단계를 거친 공기내의 입자들내에는, 여러 크기와 농도의 입자들이 존재하게 되는데, 그 입자의 크기나 농도에 상관없이, 입자를 일정크기로 성장시키도록 하기 위해, 먼저, 앞 단계를 거쳐 유입되는 공기를 상대적으로 낮은 온도인 35~40℃에서 포화되는 부탄올과 같은 알코올류의 포화증기가 채워진 기화부를 통과하도록 한다. 이어, 상기 기화부를 통과하여 유입되는 상대적으로 높은 온도의 공기를 약 8~ 15℃로 냉각시켜 과포화상태로 만드는 응축부를 통과하도록 한다. 통과하는 공기가 이와 같이 과포화 상태가 되면 입자 주위에서 응축이 발생하므로 입자는 직경이 수 마이크로미터로 성장하게 된다. 이때 상기 온도의 유지를 위해 정밀한 온도 제어가 이루어져야 한다.
한편, 앞서 언급된 바와 같이, S1 단계에서, 최대 분리 입경 제어만이 수행된 경우, 응축 온도의 조절에 의해 측정하고자 하는 대상 입자의 최소 입경을 제어할 수 있다. 즉, 응축부에서 냉각기의 온도를 변화시키면 응축이 발생하는 입자의 임계 크기 즉, 응축이 발생하는 입자의 최소 크기가 변하게 되는데, 결국, 임계 크기는 측정하고자 하는 대상 입자의 최소 입경이므로, 임계 크기에 해당하는 응축 온도를 설정하면 측정하려는 대상 입자의 최소 크기를 결정할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 입자 하전 단계(S4)는, 이온을 발생시켜 상기 성장된 입자를 대전하는 것으로, 이때, 각 입자들은 동일한 하전량을 갖도록 대전되어야 하고, 이를 위해 이온은 충분한 고농도, 즉 상기 성장한 입자들에 포화되어 하전될 수 있을 정도의 고농도로 발생되어야 한다.
다음으로, 상기 전하량 측정 단계(S5)에서는, 상기 하전된 입자들을 전도성 필터로 포집하고, 패러데이 케이지가 그 입자들의 전하량을 측정하며, 하전 입자의 전하량이 전도성 지지체와 내장된 극미량 전류계로 전달되어 전류가 측정되고, 입자가 제거된 나머지 깨끗한 공기는 통과한다.
다음으로, 상기 데이타 처리 단계(S6)에서는, 상기 측정된 전하량 또는 전류에 관한 데이타로부터, 이미 설정된 입자 수농도와 전하량 또는 전류에 관한 상관관계 데이타와 대비하여, 현재 측정되는 대상 공기중의 입자의 수농도를 산출하게 된다.
이와 같은 입자 계수 방법을 수행하는 경우, 입경 범위 제어, 선택적으로 가스상 물질 분리, 입자 응축 성장, 입자 하전, 전하량 또는 전류 측정의 각 단계에서, 각각에 유입되는 정격 유량(F)이 일치하도록 유량 제어를 수행한다. 이때, 최대 분리 입경 제어를 수행한 후 최소 분리 입자 제거를 수행하는 경우에는, 상기 최대 분리 입자 제거 이후 일부 유량(F1)이 최소 분리 입자 제거에 투입되고, 상기 유량(F1)은 최소 분리 입자 제어, 선택적으로 가스상 물질 분리, 입자 응축 성장, 입자 하전, 전하량 또는 전류 측정의 각 단계에 유입되는 정격 유량(F1)과 동일하게 되도록 유량 제어를 수행한다.
한편, 상기 최대 분리 입경 제어시 흡인되는 샘플링 유량은 샘플링 공간의 공기를 대표할 수 있도록 충분히 큰 값 예를 들어 10~30L/min로 하고, 반면, 최소 분리 입경 제어, 가스상 물질 분리, 입자 응축 성장, 전하량 측정 단계를 통과하는 유량은 상대적으로 적게, 예를 들어 0.2~5L/min로 하여 측정의 안정성을 높일 수 있다. 그리고, 샘플링 유량에서는 예를 들어 진공펌프와 같은 유량 흡인기에 의해 대기압의 0.5배 이하의 진공도를 유지할 수 있도록 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기에 대하여 상술한다.
도 2는 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 입자 계수기내의 입자 응축 성장부(30)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입자 계수기는, 측정하고자 하는 대상인 공기가 유입되고, 그 유입공기내의 입자들로부터, 분리 입자를 제거하는 입경 범위 제어부(10)와, 선택적으로, 입경 범위 제어부(10)와 입자 성장부(30) 사이에 상기 분리 입자가 제거된 유입 공기로부터 가스상 물질을 제거하는 가스 분리기(20)가 개설되고, 상기 입경 범위 제어부(10) 또는 상기 가스분리기(20)를 거쳐 유입된 공기내의 입자들을, 증기 응축에 의해 일정한 크기로 성장시키는 입자 응축 성장부(30)와, 상기 입자 응축 성장부(30)로부터 유입된 공기내의 입자들에 동일한 전하량이 하전될 수 있도록, 상기 입자들을 대전하는 입자 하전부(40)와, 상기 하전된 입자들로부터 전하량을 측정하거나, 전하량을 측정하고 이로부터 전류를 측정하는 전하량 측정부(50), 및 상기 측정된 전하량 또는 전류와, 입자들의 개수 농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 상관관계 데이타와 대비하여, 입자들의 수농도를 측정하는 데이타 처리부(60)를 구비하고, 그 측정을 위해 유입되는 공기의 유량을 제어하기 위한 유량 제어부(70)를 또한 구비한다.
우선, 상기 입경 범위 제어부(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 최대 분리 입경 제어기(11)만으로 구성될 수 있고, 이 경우, 하기 입자 응축 성장부(30)내의 응축 온도를 조절함에 의해 입자의 최소 크기를 제어할 수 있다.
한편, 상기 입경 범위 제어부(10)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 최대 분리 입경 제어기(11)를 구비하고, 이에 연결하여 최소 분리 입경 제어기(12)를 구비할 수 있다.
상기 최대 분리 입경 제어기(11)로는 예를 들어 사이클론이나 입구 임팩터를 사용할 수 있고, 상기 최소 분리 입경 제어기(12)로는 예를 들어 확산 스크린을 사용할 수 있다.
이와 같이 최대 분리 입경 제어기(11), 또는 최대 분리 입경 제어기(11) 및 최소 분리 입경 제어기(12)를 구비하는 경우에는, 하기하는 바와 같이 유량 제어부(70)의 구성을 달리하게 된다.
다음으로, 상기 가스 분리기(20)는 그 사용에 의해 가스상 물질이 입자상 물질로 변환되어 측정에 영향을 미치는 것을 방지하므로 개설함이 바람직한 것이고, 예를 들어 가스상 물질을 선별하여 흡착제거할 수 있는 디누더 가스 채취기를 사용한다.
다음으로, 상기 입자 응축 성장부(30)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 알코올류를 포화증기화하는 기화부(31)와 상기 기화부를 통과한 공기를 과포화상태로 만드는 응축부(32)로 구성되고, 상기 기화부(31)에는 그 온도를 일정범위 예를 들어 35~40℃에서 유지하도록 하는 온도 제어기(33)가 연결되고, 상기 응축부(32)에도 응축부의 온도를 일정 범위 예를 들어 8~15℃에서 유지하도록 하는 냉각기를 포함한 온도 제어기(34)가 연결된다. 앞서 설명한 바와 같이, 입경 분리 제어부(10)가 최대 분리 입경 제어기(11)만으로 구성되는 경우, 응축 성장부의 작동 조건 즉 응축 온도를 조절하여 측정 입자의 최소 분리 입경을 제어하도록 한다. 이때, 기화부(31)와 응축부(32)에는 예를 들어 부탄올과 같은 알코올류를 사용하도록 한다.
다음으로, 상기 입자 하전부(40)는, 코로나 방전이나 이온발생기를 연결하여 사용하도록 하고, 충분한 고농도로 이온을 발생시켜 일정한 크기로 성장된 입자들이 동일한 전하량을 갖도록 한다.
다음으로, 상기 전하량 측정부(50)는 전도성 필터를 갖는 패러데이 케이지(미도시) 및 내장되는 극미량 전류계(미도시)로 구성된다.
그리고, 상기 입자 응축 성장부(30), 입자 하전부(40), 전하량 측정부(50)는 통합된 시스템 본체(80)를 형성하도록 일체화하여 구성될 수 있다.
다음으로, 데이타 처리부(60)는 상기 측정된 전하량 또는 전류와, 입자들의 수농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 상관관계 데이타와 대비하여, 입자들의 수농도를 측정하는 프로세서로 구성되고, 측정 결과를 표시하는 표시부(미도시)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 유량 제어부(70)는 유량 제어기(71, 72)와 유량 흡인기(73)로 구성된다. 상기 유량 제어기(71, 72)는 임계 오리피스를 이용하여 원하는 유량을 설정할 수 있고, 상기 유량 흡인기(73)는 공기유량을 흡인할 수 있는 진공펌프를 사용할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 유량 제어부(70)는, 입경 범위 제어부(10)의 구성에 따라 그 구성을 달리할 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 입경 범위 제어부(10)가 최대 분리 입경 제어기(11) 및 최소 분리 입경 제어기(12)로 구성되는 경우, 상기 최소 분리 입경 제어기(11)로 유입되지 않는 나머지 일부 유량(F2)을 제어하는 유량 제어기(71)가 최대 분리 입경 제어기(11)에 직접 연결되고, 최소 분리 입경 제어기(12), 선택적으로 가스 분리기(20), 입자 응축 성장부(30), 입자 하전부(40), 전하량 측정부(50)의 일부 유량(F1)을 제어하는 유량 제어기(72)가 상기 전하량 측정부(50)에 연결되며, 상기 유량 제어기(71, 72)에는 유량(F)을 흡인하는 유량 흡인기(73)가 연결된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 입경 범위 제어부(10)가 최대 분리 입경 제어기(11)만으로 구성되는 경우, 최대 분리 입경 제어기(11), 선택적으로 가스 분리기(20), 입자 응축 성장부(30), 입자 하전부(40), 전하량 측정부(50)를 통과한 유량(F)을 제어하는 유량 제어기(72)가 상기 전하량 측정부(50)에 연결되고, 상기 유량 제어기(72)에는 유량(F)을 흡인하는 유량 흡인기(73)가 연결된다.
이와 같이, 입경 범위 제어부(10)에서, 최소 분리 입경 제어기(12)를 사용하지 않고, 응축 성장기의 작동조건을 변경하여 측정 입자의 분리입경을 제어하도록 한 경우에는, 한개의 유량 제어기(72)만을 사용할 수 있고, 이에 따라 그 구조를 더욱 단순화할 수 있게 된다.
상기 유량 흡인기(73)와 유량 제어기(71, 72)를 사용한 유량 분배는 각각 최대 분리 입경 제어기(11)와 최소 분리 입경 제어기(12)의 정격 유량에 맞추어 설정되어야 한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 최대 분리 입경 제어기(11)와 최소 분리 입경 제어기(12)를 사용하는 경우, 최대 분리 입경 제어기(11)의 정격 유량(F)은 직접 연결된 유량 제어기(71)가 설정하는 유량(F2)과 최소 분리 입경 제어기(12)에서 전하량 측정부(50)를 통과한 유량 제어기(72)가 설정하는 유량(F1)의 합이 된다. 그리고 최소 분리 입경 제어기(12), 선택적으로 가스 분리기(20), 입자 응축 성장부(30), 입자 하전부(40), 전하량 측정부(50)의 정격 유량(F1)은 모두 일치하도록 설계하고, 이때 정밀한 유량 제어기(71, 72)를 사용하여 제어한다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 최대 분리 입경 제어기(11)만을 사용하는 경우에는, 최대 분리 입경 제어기(11), 선택적으로 가스 분리기(20), 입자 응축 성장부(30), 입자 하전부(40), 전하량 측정부(50)의 정격 유량(F)은 모두 일치하도록 설계하고, 정밀한 유량 제어기(72)를 사용하여 제어한다.
본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법은, 종래와 대비할 때, 대기중 소망하는 입경 범위의 수농도를 간편하고, 저렴하며, 비교적 정확하게 실시간으로 측정할 수 있고, 또한, 광학계의 이용에 따른 제약이 없다는 효과를 달성한다. 그리고 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기는, 종래와 달리 레이저등 광학계를 사용하지 않으므로, 그 이동시에도 오염의 염려가 없고, 따라서 이동에 대한 제약이 없으며, 또한, 장비의 제작비가 저렴하고, 구조 및 운전이 간단하다는 효과를 달성한다. 더욱이 본 발명에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법 및 입자 계수기는, 대기중 측정하고자 하는 입자 특히 초미세 입자의 입경 범위를 임의로 결정하고, 가스상 물질이 입자상으로 변환되지 않도록 함에 따라, 원하는 입경범위에 해당하는 입자상 물질만을 선별하여 정량적인 측정을 수행할 수 있게 되는 효과를 달성한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법의 각 단계를 나타내는 흐름도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도,
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 응축과 하전 방법에 의한 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 입자 계수기내의 입자 응축 성장부의 구성을 나타내는 개략도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
10:입경 범위 제어부 11:최대 분리 입경 제어기
12:최소 분리 입경 제어기 20:가스 분리기
30:입자 응축 성장부 31:기화부
32:응축부 33:제1온도 제어기
34:제2온도 제어기 40:입자 하전부
50:전하량 측정부 60:데이타 처리부
70:유량 제어부 71:유량 제어기
72:유량 제어기 73:유량 흡인기
80:시스템 본체 F:유량
F1:일부 유량 F2:나머지 일부 유량

Claims (20)

  1. 유입공기내의 입자들로부터 분리 입자의 제거를 통해, 측정의 대상이 되는 입자의 입경 범위를 제어하는 단계(S1);
    상기 분리 입자가 제거된 유입공기내의 입자들을 증기 응축 성장에 의해 일정크기로 성장시키는 단계(S3);
    상기 일정 크기로 성장된 입자들에 각각 동일한 전하량이 부가되도록, 상기 입자들을 대전하는 단계(S4);
    상기 입자들의 전하량을 측정하거나, 전하량 측정후 그 측정된 전하량으로부터 전류를 측정하는 단계(S5); 및
    상기 측정된 전하량 또는 전류에 관한 데이타와, 입자들의 수농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 데이타와 대비하여, 입자들의 수농도를 산출하는 단계(S6);를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S1 단계와 상기 S3 단계사이에, 상기 분리 입자가 제거된 유입 공기로부터 가스상 물질을 제거하는 단계(S2);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 S2 단계는,
    상기 가스상 물질을 흡착에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S1 단계에서, 유입공기내의 입자들로부터, 소정 제1입경범위내의 선택된 입경값보다 큰 입경을 갖는 최대 분리 입자를 제거하고, 이후, 최대 분리 입자가 제거된 공기로부터, 소정 제2입경범위내의 선택된 입경값보다 작은 입경을 갖는 최소 분리 입자를 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 최대 분리 입자 제거 이후 일부 유량(F1)만이 최소 분리 입자 제거의 대상이 되도록 하고, 상기 일부 유량(F1)이 최소 분리 입자 제어 및 그 이후 상기 S5 단계에 이르는 각 단계에 유입되는 정격 유량(F1)과 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S1 단계에 유입되는 유량이 10~30 L/min이고, 상기 일부 유량(F1)이 0.2~5 L/min인 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S1 단계에서, 유입공기내의 입자들로부터, 소정 제1입경범위내의 선택된 입경값보다 큰 입경을 갖는 최대 분리 입자만을 제거하고, 이후, 상기 S3 단계에서, 응축이 발생하는 온도를 조절함에 의해 입자의 최소 크기를 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S1 내지 S5 단계의 각 단계에 유입되는 정격 유량(F)이 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수 방법은,
    상기 S5 단계에서 패러데이 케이지와 극미량 전류계를 사용하여 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수 방법.
  10. 입자 계수기에 있어서,
    유입된 공기내의 입자들로부터 분리 입자를 제거하는 입경 범위 제어부(10);
    상기 입경 범위 제어부(10)로부터 유입된 공기내의 입자들을, 증기 응축에 의해 일정한 크기로 성장시키는 입자 응축 성장부(30);
    상기 입자 응축 성장부(30)로부터 유입된 공기내의 입자들에 각각 동일한 전하량이 하전될 수 있도록, 상기 입자들을 대전하는 입자 하전부(40);
    상기 하전된 입자들로부터 전하량을 측정하거나, 전하량을 측정하고 이로부터 전류를 측정하는 전하량 측정부(50); 및
    상기 측정된 전하량 또는 전류와, 입자들의 개수 농도에 대응하여 있는 전하량 또는 전류에 관한 데이타와 대비하여, 입자들의 수 농도를 측정하는 데이타 처리부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    입경 범위 제어부(10)와 입자 성장부(30) 사이에 개설되고, 상기 분리 입자가 제거된 유입 공기로부터 가스상 물질을 제거하는 가스 분리기(20);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 분리기(20)는,
    디누더 가스 채취기인 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입경 범위 제어부(10)는,
    소정 제1입경범위내에 선택된 입경값보다 큰 입경을 갖는 최대 분리 입자를 분리하는 최대 분리 입경 제어기(11), 및 상기 최대 분리 입경 제어기(11)로부터 유출된 공기가 유입되고 소정 제2입경범위내의 선택된 입경값보다 작은 입경을 갖는 최소 분리 입자를 분리하는 최소 분리 입경 제어기(12)로 구성되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    상기 최대 분리 입경 제어기(11)에 직접 연결되고, 최소 분리 입경 제어기(11)로 유입되지 않는 나머지 일부 유량(F2)을 제어하는 유량 제어기(71),
    전하량 측정부(50)를 통과한 일부 유량(F1)을 제어하는 유량 제어기(72), 및
    상기 유량 제어기(71, 72)에 연결되어 유량(F)을 흡인하는 유량 흡인기(73)로 구성되는 유량 제어부(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  15. 제 10 항 내지 제 12항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    상기 입경 범위 제어부(10)가 소정 제1입경범위내에 선택된 입경값보다 큰 입경을 갖는 최대 분리 입자를 분리하는 최대 분리 입경 제어기(11)로 구성되고, 이후 입자 응축 성장부(30)의 응축 온도가 입자의 최소 크기가 제어되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    상기 전하량 측정부(50)를 통과한 유량(F)을 제어하는 유량 제어기(72) 및 상기 유량 제어기(72)에 연결되어 유량(F)을 흡인하는 유량 흡인기(73)로 구성되는 유량 제어부(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  17. 제 10 항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 응축 성장부(30)는,
    알코올류를 포화증기화하는 기화부(31), 및 상기 기화부(31)를 통과한 공기가 유입되어, 과포화되고, 이에 따라 입자들이 일정한 크기로 성장하는 응축부(32)로 구성되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 입자 응축 성장부(30)는,
    상기 기화부(31)에 그 소정 온도 유지를 위한 온도 제어기(33)가 개설되고, 상기 응축부(32)에 그 소정 온도 유지를 위한 온도 제어기(34)가 개설되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  19. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    상기 입자 응축 성장부(30), 상기 입자 하전부(40), 상기 전하량 측정부(50)가 일체화되어 구성되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
  20. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 계수기는,
    상기 전하량 측정부(50)가 패러데이 케이지(미도시) 및 극미량 전류계(미도시)로 구성되는 것을 특징으로 하는 응축과 하전 방법에 의한 실시간 입자 계수기.
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