KR101052035B1 - 바이오가스 부피 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오가스 부피 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오가스의 유입량에 따라 개폐유로를 달리하는 솔레노이드 밸브; 상기 솔레노이드 밸브로부터 유입되는 바이오가스압에 의해 유동되는 연속성의 유동성 액체를 수용한 U자 모양의 원통형 유리관; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 수용된 유동성 액체의 수위를 감지하는 수위센서; 및 상기 수위센서에서 발생되는 전기적 신호로부터 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 액체의 저수레벨을 측정하는 저수레벨 측정부를 포함하는 가스부피 측정 장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 본 발명에 의하면 바이오가스 부피의 절대량 및 발생 속도를 정확하고 간단하게 측정할 수 있으며, 또한 소용량의 가스 부피도 정확히 측정할 수 있는 이점이 있다.

솔레노이드 밸브, U자 모양의 원통형 유리관, 생물반응기, 가스부피측정, 자동가스측정장치

Description

바이오가스 부피 측정 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Measuring Volume of Biogas}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3방 솔레노이드 및 U자 모양의 원통형 유리관을 포함한 바이오가스 부피 측정 장치의 개략도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위센서가 작동하여 3방 솔레노이드가 개방된 상태를 나타내는 개략도; 및

도 3a 및 3b은 본 발명의 일 실시예에 따라 생물반응기에 3방 솔레노이드 밸브와 U자 모양의 원통형 유리관을 포함한 가스 부피 측정 장치를 장착한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 생물반응기로부터 발생한 바이오가스 유입

2 : 3방 솔레노이드 밸브(3-way solenoid valve)

3 : 가스포집주머니

4 : 3방 솔레노이드 밸브의 막힘 방향 표시

5 : 연결관

6: 고무마개

7 : U자 모양의 원통형 유리관

8 : 물

9 : 기름막

10 : 수위센서

11 : 자동수위 복원용 공기배출기

12 : 카운터

13 : 콘트롤러

14 : 전원

15 : 솔레노이드밸브 연결선

16 : 3방 솔레노이드밸브의 막힘 방향 표시

17 : 발생가스 부피 측정을 위한 U자 모양의 원통형 유리관의 지름 표시

18 : 발생가스 부피 측정을 위한 최고 수위와 최저 수위차 표시

본 발명은 바이오가스 부피 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생물반응기로부터 발생하는 가스부피를 솔레노이드 밸브 및 U자 모양의 원통형 유리관을 이용하여 자동으로 정확하게 측정하는 가스 부피 측정 장치 및 그 방법에 대한 것이다.

유기물의 처리 방법으로 혐기성 소화 방식이 널리 알려져 있다. 이 같은 혐기성 소화 과정에서는 바이오가스가 발생한다. 이 바이오가스는 유기물의 분해 정도를 나타내므로 공정의 운전 상태를 나타내는 중요한 분석 항목이다.

종전의 실험실 규모에서의 바이오가스의 측정 방법은 몇 가지가 있다. 가장 널리 알려진 방법이 가산 수위 측정 방법(acidulated water displacement system)이다. 즉, 생물반응기로부터 발생된 가스가 콜렉터(collector)로 포집되고, 이로 인해 콜렉터에 있는 산성염 용액(acidic salt solution)이 배기 콜렉터(displacement collectors)로 이동하면, 눈금으로 표시된 콜렉터 내부에 가스부피 변화가 발생함으로 인해 가스부피를 계산할 수 있다. 일정 가스부피를 측정 후 배기 콜렉터가 산성염 용액으로 모두 채워지면, 산성염 용액을 콜렉터로 원 위치시켜 연속해서 부피를 측정할 수 있게 한 방법이다. 그러나, 이 방법은 정확도가 높은 편이나 측정 방법이 매우 까다롭다는 단점이 있다.

다른 방법으로는 습식 가스를 이용한 측정 방법(wet gas test meter)으로, 이 방법에서는 분자체(molecular sieve)를 이용하여 가스 스트림으로부터 발생한 습식가스를 모두 포집한 후 분자체의 가스포집 전·후의 무게차를 측정하여 습식가스의 양을 계산하는 방법이다. 그러나, 이는 장비가 비싸다는 단점과 함께 바이오가스의 수율이 낮을 때에는 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.

상기 방식 이외에도, U자형 컬럼을 이용한 가스측정장치 (Meta-Alvarez, J., A. Mtz-Viturtia, et al.(1984). "A simple device to measure biogas production in laboratory scale digesters." Biotechnology letters 8(10): 719-720) (Veiga, M.C.,M. Soto, et al. (1990). "A new device for measurement and control of gas production by bench scale anaerobic digesters." Water Research 24(12): 1551-1554.) 등이 있는데, 이 또한 장치 제작이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

이에 본 발명자들은 상기한 종래 가스 측정 장치의 단점들을 보완 내지 해결하기 위해 예의 연구하던 중 솔레노이드 밸브 및 U자 모양의 원통형 유리관을 이용한 가스 부피 측정 장치가 대용량 뿐만 아니라 소용량의 가스 부피도 간단한 방법으로 정확하게 측정할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 간단한 장비와 방법으로도 생물반응기로부터 발생하는 바이오가스를 정확하고 간단하게 측정할 수 있는 가스 부피 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 바이오가스의 유입량에 따라 개폐유로를 달리하는 솔레노이드 밸브; 상기 솔레노이드 밸브로부터 유입되는 바이오가스압에 의해 유동되는 연속성의 유동성 액체를 수용한 U자 모양의 원통형 유리관; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 수용된 유동성 액체의 수위를 감지하는 수위센서; 및 상기 수위센서에서 발생되는 전기적 신호로부터 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 액체의 저수레벨을 측정하는 저수레벨 측정부를 포함하는 가스부피 측정 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 솔레노이드 밸브의 개폐를 통해 U자 모양의 원통형 유리관 내로 바이오가스를 유입시키는 단계; 및 상기 유입된 가스 부피를 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 유동성 액체의 수위차에 의해 측정하는 단계를 포함하는 가스 부피 측정 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 솔레노이드밸브 및 U자 모양의 원통형 유리관을 이용하여 생물반응기로부터 발생한 바이오가스의 부피를 측정하는 장치를 포함한다.

상기 가스부피 측정 장치는 바이오가스의 유입량에 따라 개폐유로를 달리하는 솔레노이드 밸브와; 상기 솔레노이드 밸브로부터 유입되는 가스의 압력에 의해 유동되는 연속성의 유동성 액체를 수용한 U자 모양의 원통형 유리관과; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 상기 유동성 액체의 수위를 감지하는 수위센서; 및 상기 수위센서에서 발생되는 전기적 신호로부터 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 액체의 저수레벨을 측정하는 저수레벨 측정부를 포함하여 구 성될 수 있다.

솔레노이드 밸브는 자기 코어가 있는 솔레노이드 및 오리피스(orifice)가 있 는 밸브 몸체로 구성될 수 있다. 상기 솔레노이드 밸브의 바람직한 구체예로는 3방향의 오리피스를 갖는 3방 솔레노이드 밸브 (3-way solenoid valve)일 수 있다. 오리피스를 통한 유체의 흐름은 솔레노이드에 전류를 통할 때(energized) 또는 전류가 통하지 않을 때(de-energized) 코어의 움직임에 의하여 닫히거나 열리면서 제어된다. 상기 솔레노이드 밸브는 저수레벨 측정부 중 콘트롤러에 의한 전기적 에너지를 물리적 에너지로 변환시켜 상기 솔레노이드 밸브의 막힘 방향을 조절하여 생물반응기로부터 발생한 바이오가스를 U자 모양의 원통형 유리관 내로 유입시키거나 외부로 배출시키는 기능을 담당한다. 본 발명의 바람직한 일 구성으로 3방 솔레노이드 밸브를 채용하는 경우, 그 오리피스 일단에 가스포집 주머니를 추가적으로 장착하여 상기 U자 모양의 원통형 유리관으로부터 배출되는 바이오가스를 포집할 수 있다.

상기 솔레노이드 밸브의 일단에 장착된 U자 모양의 원통형 유리관은 유리관 또는 그 밖의 투명한 관을 U자형으로 구부려 그 안에 연속성의 유동성 액체, 바람직하게는 물 또는 수은을 넣어 U자관의 일단을 측정하고자 하는 부분에 접속한 후 타단을 대기압으로 개방하여 대기압과의 차를 측정하거나 또는 다른 부분의 압력을 검지하여 그 차압을 측정하여 가스 부피를 측정할 수 있다. 상기 솔레노이드 밸브로부터 유입되는 가스압에 따라 U자관의 수위차가 발생된다. U자관 한쪽의 공기를 본 발명의 바람직한 일 구성에 따른 자동수위 복원용 공기배출기를 이용하여 일부 빼거나 넣어 줌으로써 상기 유체의 평형 수위를 자동으로 유지할 수 있게 한다. 이때, 상기 수위의 최고 및 최저값을 측정하기 위해 수위센서가 상기 유리관의 타 단에 장착된다.

상기 수위센서는 본 발명 분야에서 통상적으로 사용되는 수위 측정용 센서를 모두 사용할 수 있으나, 바람직하게는 대기압에 대한 보정이 필요없는 부력 변동량을 측정하는 부력추를 이용한 수위센서를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 원형의 소형 탄성판에 스트레인게이지 (straingage)를 부착하여 수압에 의한 스트레인게이지의 미세 변동량을 전기신호로 측정하는 스트레인게이지식 로드셀을 이용한 수위센서 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 가스부피 측정 장치의 바람직한 일 구성에 있어서, 상술한 바와 같이, 상기 솔레노이드 밸브의 오리피스 일단에 가스 포집 주머니가 추가적으로 장착될 수 있는데, 여기서 상기 가스 포집 주머니는 상기 솔레노이드 밸브의 오리피스 일단에 장착되는 것으로, 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내로 유입된 가스를 포집하기 위한 수단이다. 여기서, 상기 솔레노이드 밸브는 3 방향의 오리피스를 갖는 3방 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다.

본 발명의 가스부피 측정 장치에 있어서, 상기의 구성 이외에 U자 모양의 원통형 유리관 일단에 장착된 자동수위 복원용 공기 배출기; 및 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내의 적어도 한쪽 수면 위에 물의 증발을 막기 위한 기름막이 추가적으로 포함될 수 있다.

자동수위 복원용 공기 배출기는 상술한 바와 같이, 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내의 압력과 대기압 간 평형을 자동으로 유지시키기 위한 수단이다. 수위센서에 의해 물의 수위가 최고점에 도달되었음이 인식되는 경우 저수레벨 측정부가 솔레노이드 밸브의 막힘 방향을 조절하여 더 이상의 바이오가스의 유입을 차단한다. 이에 의해 U자 모양의 원통형 유리관 내로 유입되었던 바이오가스가 솔레노이드 밸브의 오리피스 일단에 장착된 본 발명의 바람직한 일 구성인 가스포집 주머니로 역류하여 포집된다. 이러한 바이오가스의 역류를 보조하기 위한 수단 중 하나가 U자관의 양쪽 수면을 대기압으로 유지하기 위한 상기 자동수위 복원용 공기 배출기일 수 있다.

기름막은 연속성의 유동성 유체, 특히 물과 비중차이로 인해 서로 접수되어 연속식으로 유동되며 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 적어도 한쪽 수면 위에 설치될 수 있다. U자관 일단의 수면 위에 서로 비중을 달리하고 연속성을 갖는 기름막이 설치되어 있으면 상기 U자관 일단의 물의 증발을 방지할 수 있다. 이에 의해 상기 기름막은 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내로 유입된 바이오가스 부피의 측정 오차를 보다 감소시킬 수 있게 한다.

저수레벨 측정부는 수위센서가 감지한 물의 수위를 표시하는 카운터; 및 상기 카운터의 수치에 따라 솔레노이드 밸브의 막힘 방향을 조절하는 콘트롤러로 구성될 수 있다. 상기 콘트롤러는 수위센서의 전기적 신호를 물리적 신호로 변환시켜 상기 솔레노이드 밸브의 막힘 방향을 작동시킨다.

또한, 본 발명은 생물반응기로부터 발생한 바이오가스의 부피를 측정하는 방법을 포함한다. 즉, 솔레노이드 밸브의 개폐를 통해 생물반응기로부터 발생하는 가스를 U자 모양의 원통형 유리관 내로 유입시킨 후, 상기 U자 모양의 원통형 유리 관 내 최저 및 최고 수위의 차를 감지하여 바이오가스의 부피를 측정할 수 있다.

상기 U자 모양의 원통형 유리관 속 물의 양은 생물반응기로부터 발생하는 바이오가스 부피의 발생 속도 및 양에 따라 달리할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3방 솔레노이드 및 U자 모양의 원통형 유리관을 포함한 바이오가스 부피 측정 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위센서가 작동하여 3방 솔레노이드가 개방된 상태를 나타내는 개략도이며, 도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따라 생물반응기에 3방 솔레노이드 밸브와 U자 모양의 원통형 유리관을 포함한 가스 부피 측정 장치를 장착한 사진을 각각 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3방 솔레노이드 밸브(3-way solenoid valve) 및 U자 모양의 원통형 유리관을 이용한 가스부피 측정장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3방 솔레노이드 밸브(3-way solenoid valve)(2)와 U자 모양의 원통형 유리관(7)을 이용한 소용량 가스부피 자 동 측정 장치의 개략도이다. 도 1에 보인 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3방 솔레노이드 밸브(2)는 자기 코어가 있는 솔레노이드 및 3 방향의 오리피스(orifice)가 있는 밸브 몸체로 구성되어 있다. 상기 밸브(2)의 막힘 방향은 솔레노이드 밸브 연결선(15)에 의해 콘트롤러(13)와 연결되며 이 콘트롤러(13)에 의해 상기 막힘방향(4,16)이 제어된다. 상기 3방 솔레노이드 밸브(2)는 연결관(5)에 의해 가스 유입 전 평형 수위를 보이는 U자 모양의 원통형 유리관(7)과 접속되며, 소정량의 가스를 포집하기 위한 가스포집주머니(3)와 접속된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 U자 모양의 원통형 유리관(7)은 상기 3방 솔레노이드 밸브(2)로부터 유입된 가스압에 의해 수위가 조절되는 물로 채워져 있다. 상기 U자 모양의 원통형 유리관(7)의 개구부 일단은 연결관(5)에 의해 관통된 고무마개(6)로 밀봉되어 있다. 상기 U자 모양의 원통형 유리관(7)의 개구부 타단은 자동수위 복원용 공기배출기(11) 및 상기 U자 모양의 원통형 유리관(7)과 소정거리 이격된 카운터(12)와 상기 유리관(7) 내에 위치한 수위센서(10) 연결선에 의해 관통된 고무마개(6)로 밀봉되어 있다. 상기 자동수위 복원용 공기배출기(11)가 구비된 U자관 일단에는 물의 고저 수위를 측정하기 위한 수위센서(10)가 수용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 수위센서(10)는 유입된 바이오가스압에 따른 물의 최고 및 최저 수위를 감지한다. 상기 수위센서(10)는 카운터(12)와 전기적 배선으로 연결되어 있어, U자관 내 수면의 최고 및 최저 수위차를 측정하여 그 값을 카운터(12)에 표지한다. 상기 카운터(12)에 표지되는 수치에 따라 상기 3방 솔레노이드 밸브(2)의 개폐를 조절하는 콘트롤러(13)와 또한 전기적으로 접속되어 있다. 상기 콘트롤러(13)는 상기 3방 솔레노이드 밸브(2)의 막힘 방향을 제어하기 위해 솔레노이드밸브 연결선(15)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 상기 U자 모양의 원통형 유리관(7)으로 유입된 바이오가스가 상기 유리관(7)의 최고 수위에 도달하였음을 수위센서(10)가 감지하게 되면 3방 솔레노이드 밸브(2)의 막힘방향(4,16)이 도 2에 보인 바와 같이 방향 16 으로 조절된다. 이는 상기 콘트롤러(13)의 전기적 신호에 의해 제어된다. 이때 상기 최고로 유입된 바이오가스는 도 2의 막힘방향(16)을 따라 상류하여 상기 3방 솔레노이드밸브(2)와 접속된 가스포집주머니(3)로 유입되어 포집된다.

상기 수위센서(10)로부터 수직 하방으로 소정 거리 이격된 U자관 타단의 수면에는 기름막(9)이 설치되어 있어서 상기 자동수위 복원용 공기배출기(11)를 통한 물의 증발을 방지하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 3방 솔레노이드 밸브(2), U자 모양의 원통형 유리관(7), 수위센서(10), 카운터(12), 콘트롤러(13) 등을 포함하여 구성된 가스부피 측정 장치의 작동원리를 살펴보면 다음과 같다.

생물반응기로부터 발생한 바이오가스(1)가 3방 솔레노이드 밸브(2)를 통과한 후 고무마개(6)로 밀봉한 U자 모양의 원통형 유리관(7)으로 유입이 되면 물(8)의 수위가 내려간다. 물이 최저 수위에 도달했을 때 U자 모양의 원통형 유리관(7)에서 반대편의 물의 수위가 수위센서를 작동시키고, 이로 인해 카운터(12)의 수치는 올라가고, 콘트롤러(13)에 의해 3방 솔레노이드 밸브(2)의 막힘 방향이 (4)에서 (16)으로 변한다. 이로 인해, 물(8)의 수위가 다시 평형을 찾게 되고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 발생된 가스가 가스포집주머니(3)로 들어가 생물반응기로부터 발생한 가스를 포집할 수 있게 하였다.

상기의 과정을 수회 반복하여 가스의 부피 및 발생 속도를 측정한다. 카운터(12)의 1 회를 나타내는 가스의 부피는 U자 모양의 원통형 유리관의 지름(17) 및 상기 U자관의 최고 수위와 최저 수위차(18)로부터 계산될 수 있다. 또한, 물(8)의 양을 조절하여 카운터(12)의 1 회의 부피 또한 조절할 수 있다. 이때, 자동수위복원용 공기배출기(11)를 통해 물의 증발 손실을 막기 위해 물(8) 표면에 기름막(9)을 설치하였다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 3방 솔레노이드 밸브 및 U자 모양의 원통형 유리관을 포함한 가스 부피 측정 장치는 바이오가스 부피의 절대량 및 발생 속도를 정확하고 간단하게 측정할 수 있으며, 또한 소용량의 가스 부피도 정확히 측정할 수 있는 이점을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 바이오가스의 유입량에 따라 개폐유로를 달리하는 솔레노이드 밸브; 상기 솔레노이드 밸브로부터 유입되는 바이오가스압에 의해 유동되는 연속성의 유동성 액체를 수용한 U자 모양의 원통형 유리관; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 일단에 장착된 자동수위 복원용 공기 배출기; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내의 적어도 한쪽 수면 위에 상기 유동성 액체의 증발을 막기 위한 기름막; 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 수용된 유동성 액체의 수위를 감지하는 수위센서; 및 상기 수위센서에서 발생되는 전기적 신호로부터 상기 U자 모양의 원통형 유리관 내 액체의 저수레벨을 측정하는 저수레벨 측정부를 포함하는 가스 부피 측정 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기의 구성 이외에 상기 솔레노이드 밸브의 오리피스 일단에 가스 포집 주머니가 추가적으로 장착됨을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 솔레노이드 밸브가 3방향의 오리피스를 갖는 3방 솔레노이드 밸브임을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유동성 액체가 물임을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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