KR101303931B1 - Complexed structure having separation membrane used for sensing gas, gas-sensing apparatus comprising the same, method and apparatus for measuring gas concentration - Google Patents
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Abstract
변압기 절연유 열화를 실시간으로 모니터링하기 위한 가스 센서용 복합 분리막 구조체, 이를 포함하는 가스 센서 장치, 이를 이용한 가스 농도 측정 방법 및 장치이 제공된다. 절연유에 용존 되어 있는 여러 종류의 유중 가스 농도를 정량적 및 실시간으로 측정하여 변압기 상태의 이상 발생 및 변압기 내 어느 부분에 이상이 발생하고 있는지를 국부적으로 진단할 수 있고, 이에 따라 변압기 사고 발생을 조기에 예방하고, 또한 변압기 내 절연유의 잔류 수명 예측을 가능하게 할 수 있다.Provided are a composite membrane structure for a gas sensor for monitoring transformer insulation oil degradation in real time, a gas sensor device including the same, and a method and apparatus for measuring gas concentration using the same. By measuring quantitatively and in real time the concentrations of various types of gas in the oil, it is possible to locally diagnose the abnormality of the transformer and the part of the transformer. It is possible to prevent and also to predict the residual life of the insulating oil in the transformer.
Description
본 명세서는 가스 센서용 복합 분리막 구조체, 이를 포함하는 가스 센서 장치, 이를 이용한 가스 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 절연유가 사용되는 변압기와 같은 전력 설비의 절연유 열화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 가스 센서용 복합 분리막 구조체, 이를 포함하는 가스 센서 장치, 이를 이용한 가스 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. The present specification relates to a composite membrane structure for a gas sensor, a gas sensor device including the same, a method and a device for measuring a gas concentration using the same, and in detail, may monitor real-time deterioration of insulating oil of a power equipment such as a transformer using insulating oil. The present invention relates to a composite membrane structure for a gas sensor, a gas sensor device including the same, and a gas concentration measuring method and apparatus using the same.
전력 설비 중 변압기는 전력 공급에 매우 중요한 설비이다. 전력 기기의 갑작스런 고장 방지와 이에 따른 정전 방지는 물론, 전력 기기의 수명 예측과 함께 경제적인 전력 기기의 운영을 위하여, 변압기의 내부 이상 상태를 파악하고 사고를 미연에 방지할 수 있도록 변압기의 상태를 모니터링 할 수 있는 상태 진단 기술(condition monitoring technology)이 필요하다.Transformers are very important for power supply. In order to prevent sudden failure of a power device and prevent power failures as well as predict the life of the power device, and to operate the power device economically, the condition of the transformer can be identified so that the abnormal state of the transformer can be identified and the accident can be prevented in advance. There is a need for condition monitoring technology that can be monitored.
변압기 절연유에서 발생할 수 있는 내부 이상 상태 진단을 위하여 사용되고 있는 상태 진단 기술들로서, 유중 가스 분석법, 절연유 역율(power factor) 및 수분 측정법, 부분 방전(partial discharge) 측정법, 저압 서어지(low pressure surge) 시험법 등이 사용되고 있다.Condition diagnosis techniques used for diagnosing internal abnormalities that may occur in transformer insulating oils include gas analysis in oil, power factor and moisture measurement method, partial discharge measurement method, low pressure surge test. Law is used.
이 중에서 변압기 내부에서 발생하는 절연유 열화를 그 열화가 진행됨에 따라 측정할 수 있는 유중 가스 분석 방법이 기술적으로도 신뢰성이 높고, 실시간으로 적용하기 용이한 장점이 있어서 가장 많이 활용되고 있다. Among them, the oil-in-oil analysis method that can measure the degradation of the insulating oil generated in the transformer as the degradation thereof is technically reliable and has the advantage of being easy to apply in real time is most widely used.
유중 가스 분석법에 대하여 보다 상술하면 다음과 같다. More detailed description of the oil in gas analysis method is as follows.
변압기는 내부에 위치한 전기 코일의 사용에 따라 항상 일정한 열에너지를 받으며, 변압기 내부에서 국부적인 절연 파괴가 발생하는 경우 높은 온도의 부분 아크 방전이 발생하기도 한다.The transformer always receives constant thermal energy, depending on the use of an internally located electrical coil, and a high temperature partial arc discharge may occur in the event of local dielectric breakdown inside the transformer.
이러한 현상들에 수반하여, 탄화수소계인 절연유가 열분해(thermal decomposition) 되어 수소(H2), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4) 등과 같은 가스들이 발생하게 된다. 특히, 발열 부위에 절연지나 프레스-보드(press board) 또는 베이크라이트(bakelite) 등과 같은 절연재료가 있을 경우에는 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2) 등의 가스도 발생하게 된다. Along with these phenomena, hydrocarbon-based insulating oil is thermally decomposed to generate gases such as hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), and ethylene (C 2 H 4 ). do. In particular, when there is an insulating material such as an insulating paper, a press board, or bakelite at the heating portion, gas such as carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) is also generated.
참고로, 이들 유중 가스들 중 특히 수소, 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 프로판 등과 같은 가스들은 가연성(combustible)이 높으므로 변압기 안전 관리를 위한 진단에 있어서 매우 중요한 성분들이다. For reference, among these gaseous gases, especially gases such as hydrogen, methane, acetylene, ethylene, ethane, propane, etc. are highly combustible and thus very important components in diagnosis for transformer safety management.
이들 가스들은 대부분 절연유 내에 용해되는 특성 때문에, 이들 가스들을 추출하여 정량/정성적으로 분석함으로써, 변압기 내부의 이상 여부와 이상의 종류가 변압기의 어느 부분에서 국부적으로 발생하고 있는지를 진단하는 것이 가능하다.Since these gases are mostly dissolved in insulating oil, it is possible to diagnose whether there are any abnormalities in the transformer and in which part of the transformer locally by extracting these gases quantitatively and qualitatively.
절연유 중의 가스를 분석하기 위하여, 운전 중인 변압기에서 절연유 시료를 채취하여 실험 분석실로 운반하여 가스를 추출한 후, 가스분석기(Gas Chromatography)로 해당 가스를 분석하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. In order to analyze the gas in the insulating oil, a sample of the insulating oil is taken from the transformer in operation and transported to the experimental analysis chamber to extract the gas, the gas analysis (Gas Chromatography) to analyze the gas is most commonly used.
그러나, 이러한 실험실적 분석 방법은 표준 시료를 채취하는 과정에서 발생할 수 있는 제반 인적 에러 요소로 인하여 신뢰성이 떨어지며, 그 결과 분석에도 많은 시간이 소요된다.However, these laboratory analytical methods are not reliable due to all the human error factors that may occur in the process of taking a standard sample, and as a result, analysis takes a long time.
이에 최근에는 변압기 내외부에 직접 실시간 측정 장치를 설치하여 연속적으로 측정 및 감시를 수행하려는 시도가 이루어지고 있다. Recently, attempts have been made to continuously measure and monitor by installing a real-time measuring device directly inside and outside the transformer.
예컨대, 절연유 내에 용해되어 있는 유중 가스를 변압기 내부로부터 샘플링하기 위하여, 절연유 매체로부터 유중 가스를 걸러줄 수 있는 마이크로 필터 및 울트라 필터(ultra filtration filter) 소자가 사용될 수 있다. For example, in order to sample the gas in oil dissolved in the insulating oil from inside the transformer, a micro filter and an ultra filtration filter element capable of filtering the gas in oil from the insulating oil medium may be used.
그런데, 본 발명자들의 연구 결과, 이 경우 필터 전후로 차압(pressure difference)이 높게 걸리는 필터 소자를 통하여 절연유 내 용존 되어 있는 유중 가스를 추출하는 것이므로, 필터 후단에서 진공펌프를 이용하여 음압을 걸어 주어야 가스 샘플링을 행할 수 있다. However, as a result of the researches of the present inventors, in this case, since the oil in the oil dissolved in the insulating oil is extracted through the filter element having a high pressure difference before and after the filter, a negative pressure is applied to the rear end of the filter using a vacuum pump to sample the gas. Can be done.
그러나, 상대적으로 수명이 짧은 진공펌프를 감안할 때, 위와 같은 방법은 10년 내지 30년 이상의 오랜 수명을 보내야 할 변압기의 실시간 상태 진단 기술로서는 그리 현실적이지 않다는 것이 본 발명자들의 견해이다. However, in view of the relatively short life of the vacuum pump, it is the opinion of the present inventors that the above method is not very practical as a real-time state diagnosis technology of a transformer that has a long life of 10 to 30 years or more.
절연유 내에 용해되어 있는 유중 가스를 분석하기 위한 다른 구체적인 방법으로서, 특허 문헌 1에 절연유 중의 용존 가스를 오일/가스 분리막(oil/gas separation membrane)을 이용하여 추출 분리하고, 전기화학 가스 센서를 이용하여 센서에 반응하는 가스의 총 농도를 검출하여 변압기 내부의 이상을 진단하는 변압기 이상 감시 장치 및 방법이 제시되어 있다.As another specific method for analyzing the gas in the oil dissolved in the insulating oil, Patent Literature 1 extracts and separates the dissolved gas in the insulating oil using an oil / gas separation membrane, and uses an electrochemical gas sensor. A transformer fault monitoring apparatus and method for detecting a fault inside a transformer by detecting a total concentration of gas reacting to a sensor is disclosed.
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 상기 특허 문헌 1에는 분리막을 형성하는 방법과 효과가 구체적으로 기재되어 있지 않다. However, according to the results of the present inventors, Patent Document 1 does not specifically describe the method and effect of forming the separator.
한편, 산화주석, 산화텅스텐, 산화지르코늄 등의 금속 산화물로 이루어지는 반도체형 가스 센서는 가스 분위기에 반응하여 센서 소재의 전기적 특성이 변화하기 때문에 가스 성분의 농도를 정량적으로 측정할 수 있는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 참고로, 이러한 반도체형 가스 센서는 대기 환경 내에 오염된 가스들을 측정하기 하기 위하여 많이 사용되고 있다. On the other hand, semiconductor type gas sensors made of metal oxides such as tin oxide, tungsten oxide and zirconium oxide are generally known to be able to quantitatively measure the concentration of gas components because the electrical properties of the sensor material change in response to the gas atmosphere. have. For reference, such a semiconductor gas sensor is widely used to measure contaminated gases in an atmospheric environment.
그러나, 반도체 가스 센서 소자를 변압기 절연유 열화 측정을 위하여 절연유 매체와 직접 접촉하거나 혹은 절연유에서 발생하는 오일 증기(fume)와 직접 또는 간접적으로 접촉하게 되는 경우, 상기 오염물질들이 반도체 가스 센서 소자 표면을 오염시키는 결과, 잘못된 측정 결과를 얻게 될 가능성이 매우 높다. However, when the semiconductor gas sensor element is in direct contact with the insulating oil medium for measuring transformer oil deterioration or directly or indirectly with the oil vapor generated from the insulating oil, the contaminants contaminate the surface of the semiconductor gas sensor element. It is very likely that you will get incorrect measurement results.
특허 문헌 2, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에서는 상용 반도체 가스 센서를 사용하여 유중 가스들의 농도 검출을 수행하는 절연유 중 가스 분석 장치 및 분석방법과 절연유내 용존 가스 추출 및 분리 목적의 분리막이 선택적으로 사용될 수 있음이 개시되어 있다. In
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 위 특허 문헌들에도 역시 분리막을 형성하는 방법과 효과가 구체적으로 기재되어 있지 않다. However, according to the results of the present inventors, the above patent documents also do not specifically describe the method and effect of forming the separator.
또한, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 특허 문헌 2의 경우, 복수개의 가스 개별 농도를 구하기 위하여, 먼저 수소 농도를 구하고, 그 다음 일산화탄소 농도를 구하는 방식과 같이 순차적으로 연산하는데, 이러한 방법은 예컨대 수소와 같이 특정 가스만을 센싱할 수 있는 특수한 센서를 전제로 하므로, 실제 범용 반도체 가스 센서의 사용에는 맞지 않다.In addition, according to the results of the present inventors, in the case of
한편, 특허 문헌 5에서는 유체 내의 용존 가스를 분리하기 위한 용도로서, 두께가 1㎛ 내지 1,000㎛, 기공도(porosity)가 5% 내지 99% 정도인 다공성 PTFE 폴리머 물질을 사용을 제시하고 있으며, 다공성 표면을 얻기 위하여 상기 폴리머 물질 표면을 늘이기(stretching), 솔벤트 추출(solvent extraction) 혹은 주조(casting) 하는 방법을 구체적인 실시예로 제시하고 있다. Meanwhile,
또한, 특허 문헌 6에는 오일 매체 내의 용존 가스 성분을 추출하고 분리하고자 하는 목적으로, 두께가 1mm 내지 5mm, 기공(pore) 크기가 0.001mm 내지 0.1mm 정도인 다공성 형태의 폴리머 물질(poly(tetrafluoroethylene) 및 poly (tetrafluoroethylene-cohexafluoropropylene))을 제시하고 있으며, 오일/가스 분리막 재료의 다공성을 얻기 위하여 100W 내지 500W 정도의 출력 및 0.5Pa 내지 50 Pa 압력을 갖는 13.56MHz RF(radio frequency) 형태의 아르곤 가스나 질소 가스 레이저로 폴리머 재료를 10분 내지 30 분 정도 때려서(bombarding) 재료 표면에 구멍을 형성시키는 가공 방법을 구체적인 예로 제시하고 있다. In addition,
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 위 특허 문헌들의 방법들의 경우에도 분리막 전후에 압력 차이 발생이 불가피하게 될 소지가 충분하며, 특히 분리막은 가공과정이 복잡하고 재료 가공에 특수한 가공법을 요한다는 문제점이 있다.However, according to the results of the present inventors, even in the methods of the above patent documents, there is sufficient possibility that pressure difference occurs before and after the separation membrane, and in particular, the separation membrane has a complicated processing process and requires a special processing method for material processing. There is this.
본 발명의 구현예들에서는, 반도체 가스 센서와 함께 사용되는 절연유 및 용존 가스의 분리막을 포함하는 복합 분리막 구조체로서, 절연유는 통과하지 못하지만 유중 가스들은 통과할 수 있고, 전후의 압력차가 적으면서도, 기계적 강도가 저하되지 않고, 또한 절연유 매체 및 절연유 내 수분으로 인한 오염을 방지할 수 있는, 가스 센서용 복합 분리막 구조체 및 이를 포함하는 가스 센서 장치를 제공하고자 한다.In the embodiments of the present invention, a composite membrane structure including a separator of insulating oil and dissolved gas used in conjunction with a semiconductor gas sensor, wherein the insulating oil does not pass, but gas in oil can pass, and the pressure difference between front and rear is small, and The present invention provides a composite membrane structure for a gas sensor and a gas sensor device including the same, the strength of which is not deteriorated and which can prevent contamination due to the insulating oil medium and moisture in the insulating oil.
또한, 본 발명의 구현예들에서는, 특정 가스에만 반응하는 특정 반도체 가스 센서를 선정해야 하는 어려움이 없이도, 범용 반도체 가스 센서를 손쉽게 사용하여 가스의 각 종류별 농도를 신뢰성 높고 용이하게 측정할 수 있는 가스 농도 측정 방법 및 장치를 제공하고자 한다. In addition, in the embodiments of the present invention, without having to select a specific semiconductor gas sensor that reacts only to a specific gas, a gas that can be used to measure the concentration of each type of gas with high reliability and easily using a general-purpose semiconductor gas sensor It is intended to provide a method and apparatus for measuring concentration.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 구현예들에서는, 매쉬를 가지는 지지체; 상기 지지체 상에 위치하고 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층; 및 상기 다공성 물질의 코팅층에 위치하는 자기 조립 단분자막;을 포함하는 가스 센서용 복합 분리막 구조체를 제공한다.In order to solve the above problems, embodiments of the present invention, the support having a mesh; A coating layer of a porous material placed on the support and obtained by a sol-gel method; And a self-assembled monomolecular film positioned on the coating layer of the porous material.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자기 조립 단분자 막은 소유성(oleophobic) 및 소수성(hydrophobic)을 동시에 지니는 것이다.In an exemplary embodiment of the invention, the self-assembled monomolecular membrane is oleophobic and hydrophobic simultaneously.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 자기 조립 단분자 막은 불화 탄화수소계 실란으로 이루어진 것이다.In an exemplary embodiment of the invention, the self-assembled monomolecular membrane consists of a fluorinated hydrocarbon-based silane.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 매쉬를 가지는 지지체는 금속 또는 세라믹 지지체이다.In an exemplary embodiment of the invention, the support with the mesh is a metal or ceramic support.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질은 유기 금속 화합물 또는 세라믹이다.In an exemplary embodiment of the invention, the porous material obtained by the sol-gel method is an organometallic compound or a ceramic.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질은, 전구체로서, 메틸트리메톡시실란(methyl trimethoxi silane), 테트라메톡시실란(tetramethoxi silane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxi silane), 테트라에톡시실란(tetraethoxi silane), 메틸트리에톡시실란(methyl triethoxi silane), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxi silane), 페닐트리메톡시실란(phenyl trimethoxi silane), 디페닐디메톡시실란(diphenyldimethoxi silane), 페닐트리에톡시실란(phenyl triethoxi silane), 디페닐디에톡시실란(diphenyldiethoxi silane), 데실트리메톡시 실란(decyltrimethoxi silane) 및 이소부틸트리메톡시 실란(isobutyltrimethoxi)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 알콕시실란류 또는 M(OR)x [여기서, M은 금속 또는 준금속, R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기]로 표현되는 알콕시화합물의 단독 또는 혼합물을 이용하여 졸-겔 법으로 얻어지는 중합체 물질이다. In an exemplary embodiment of the present invention, the porous material obtained by the sol-gel method, as a precursor, methyl trimethoxy silane (methyl trimethoxi silane), tetramethoxy silane (tetramethoxi silane), dimethyldimethoxi (dimethyldimethoxi silane, tetraethoxysilane (tetraethoxi silane), methyl triethoxi silane (methyl triethoxi silane), dimethyldiethoxi silane, phenyl trimethoxyoxi silane, diphenyldimethoxysilane silane, phenyl triethoxi silane, diphenyldiethoxi silane, decyltrimethoxi silane, and isobutyltrimethoxi Alkoxy compounds represented by the above alkoxysilanes or M (OR) x [wherein M is a metal or metalloid, R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms] Or a polymer material obtained by the sol-gel method using a mixture.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 반도체 가스 센서; 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 상기 복합 분리막 구조체;를 포함하는 가스 센서 장치를 제공한다.Embodiments of the invention also include a semiconductor gas sensor; And the composite membrane structure spaced apart from the semiconductor gas sensor.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는, 상기 반도체 가스 센서와 상기 복합 분리막 구조체가 수용 또는 장착되는 하우징; 상기 반도체 가스 센서를 지지하는 하부 판; 상기 복합 분리막 구조체를 상부에서 덮는 상부 판;을 포함하는 것이고, 상기 하부 판과 상기 상부 판이 각각 상기 하우징과 체결되는 것이다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device may include: a housing in which the semiconductor gas sensor and the composite membrane structure are accommodated or mounted; A lower plate supporting the semiconductor gas sensor; And an upper plate covering the composite separator structure therefrom, wherein the lower plate and the upper plate are fastened to the housing, respectively.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는 하나의 상기 복합 분리막 구조체 및 상기 반도체 가스 센서가 두 개 이상 배열된 반도체 가스 센서 어레이를 포함하는 것이다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device includes a semiconductor gas sensor array in which one or more of the composite membrane structure and the semiconductor gas sensor are arranged.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는, 상기 반도체 가스 센서 어레이를 수용 또는 장착하는 제 1 하우징; 상기 복합 분리막 구조체를 수용 또는 장착하는 제 2 하우징; 상기 제 1 하우징의 하부에 체결되는 엔드 캡; 및 상기 제 2 하우징의 상부에 체결되는 어댑터;를 포함하고, 상기 제 1 하우징과 상기 제 2 하우징은 상호 체결되는 것이다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device comprises: a first housing for receiving or mounting the semiconductor gas sensor array; A second housing accommodating or mounting the composite membrane structure; An end cap fastened to the lower portion of the first housing; And an adapter fastened to an upper portion of the second housing, wherein the first housing and the second housing are fastened to each other.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는, 상기 복합 분리막 구조체의 일측 또는 양측에 위치하는 가스 시일용 패드를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device may further include a gas seal pad positioned on one side or both sides of the composite membrane structure.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는, 상기 하우징 내에 시일 부재를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device may further include a seal member in the housing.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는, 상기 제 1 하우징과 상기 엔드 캡을 연결하는 연결 부재를 추가로 구비할 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device may further include a connection member connecting the first housing and the end cap.
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 센서 장치는 변압기의 절연유에 접촉하거나 또는 절연유의 증기(fume)에 접촉하여 센싱을 수행하는 것이다.In exemplary embodiments of the present invention, the gas sensor device performs sensing by contacting the insulating oil of the transformer or the vapor of the insulating oil.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 하나 이상의 반도체 가스 센서로 절연유의 용존 가스를 센싱하여 센서 저항값(Rs)을 얻는 단계; 및 상기 얻어진 저항값(Rs)으로 부터 하기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻는 단계;를 포함하는 가스 농도 측정 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, there is also provided a method of sensing a dissolved gas of insulating oil with at least one semiconductor gas sensor to obtain a sensor resistance value Rs; And obtaining an individual gas concentration in the dissolved gas of the insulating oil from the obtained resistance value (Rs) by the following Equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
[G] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i, j=1~n)[G] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1 ~ n)
(상기 [수학식 1]에서 Ro는 청정한 공기 조건하에서 개별 가스의 농도를 고정하였을 때 측정된 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호, n은 총 측정되는 가스의 개수, G는 측정 대상이 되는 개별 가스의 농도, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스의 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다.)(In Equation 1, Ro is a sensor resistance value which is a constant measured when the concentration of the individual gas is fixed under clean air conditions, Rs / Ro is a sensor resistance ratio, and i is an individual semiconductor gas sensor used for gas concentration measurement. The number assigned to, j is the number assigned to the individual gas to be measured, n is the total number of gases to be measured, G is the concentration of the individual gas to be measured, [G] i is the individual gas to be measured The matrix consisting of the concentrations, k ij is the rate of change of the sensor resistance ratio according to the change of the gas concentration having the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, which is determined according to the gas of the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, or The constant corrected from this, [k ij ] -1 is the inverse matrix of the matrix consisting of k ij when i and j change from 1 to n, respectively, [Log (Rs / Ro)] i is i Changes from 1 to n For a matrix consisting of the logarithm of the sensor resistance ratio, a ij is a minimum sensor resistance ratio value to measure the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor having an i number, in a semiconductor gas sensor having an i number determined by the number j of the gas or the corrected constant value therefrom, Σa ij is the sum of the a ij if the change in the fixed and in each i and j is 1, the number of n, [Σa ij] i is the i Matrix consisting of ∑a ij when changing from 1 to n.)
본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 가스 농도 측정 방법은, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 상기 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치 중의 상기 반도체 가스 센서를 이용하는 것이다. In exemplary embodiments of the present invention, the gas concentration measuring method may use a semiconductor gas sensor in a gas sensor device including a semiconductor gas sensor and the composite membrane structure spaced apart from the semiconductor gas sensor.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 하나 이상의 반도체 가스 센서; 및 상기 반도체 가스 센서로부터 절연유의 용존 가스를 센싱하여 얻어지는 센서 저항값(Rs)으로부터 하기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻는 연산 장치;를 포함하는 가스 농도 측정 장치를 제공한다.Embodiments of the invention also include one or more semiconductor gas sensors; And a computing device for obtaining an individual gas concentration in the dissolved gas of the insulating oil from the sensor resistance value Rs obtained by sensing the dissolved gas of the insulating oil from the semiconductor gas sensor according to Equation 1 below. To provide.
[수학식 1][Equation 1]
[G] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i, j=1~n)[G] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1 ~ n)
(상기 [수학식 1]에서 Ro는 청정한 공기 조건하에서 개별 가스의 농도를 고정하였을 때 측정된 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호, n은 총 측정되는 가스의 개수, G는 측정 대상이 되는 개별 가스의 농도, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스의 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다.)(In Equation 1, Ro is a sensor resistance value which is a constant measured when the concentration of the individual gas is fixed under clean air conditions, Rs / Ro is a sensor resistance ratio, and i is an individual semiconductor gas sensor used for gas concentration measurement. The number assigned to, j is the number assigned to the individual gas to be measured, n is the total number of gases to be measured, G is the concentration of the individual gas to be measured, [G] i is the individual gas to be measured The matrix consisting of the concentrations, k ij is the rate of change of the sensor resistance ratio according to the change of the gas concentration having the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, which is determined according to the gas of the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, or The constant corrected from this, [k ij ] -1 is the inverse matrix of the matrix consisting of k ij when i and j change from 1 to n, respectively, [Log (Rs / Ro)] i is i Changes from 1 to n For a matrix consisting of the logarithm of the sensor resistance ratio, a ij is a minimum sensor resistance ratio value to measure the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor having an i number, in a semiconductor gas sensor having an i number determined by the number j of the gas or the corrected constant value therefrom, Σa ij is the sum of the a ij if the change in the fixed and in each i and j is 1, the number of n, [Σa ij] i is the i Matrix consisting of ∑a ij when changing from 1 to n.)
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 상기 가스 농도 측정 장치는, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 상기 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치를 더 포함하고, 상기 가스 센서 장치의 반도체 가스 센서로부터 센서 저항값(Rs)을 얻는 것이다.In exemplary embodiments of the present disclosure, the gas concentration measuring apparatus may further include a gas sensor device including a semiconductor gas sensor and the composite membrane structure spaced apart from the semiconductor gas sensor. The sensor resistance value Rs is obtained from the semiconductor gas sensor.
본 발명의 구현예들에 따른 복합 분리막 구조체는 절연유는 통과하지 못하지만 유중 가스들은 통과할 수 있으며, 여과 차압이 매우 적으면서도, 기계적 강도의 저하가 없다. 나아가, 절연유 매체 및 절연유 내 수분으로 인한 오염도 방지할 수 있다. In the composite membrane structure according to the embodiments of the present invention, the insulating oil does not pass, but the gas in the oil may pass, and while the filtration differential pressure is very small, there is no degradation in mechanical strength. Furthermore, contamination due to moisture in the insulating oil medium and the insulating oil can be prevented.
이러한 복합 분리막 구조체를 상용 반도체 가스 센서와 함께 사용하는 가스 센서 장치는, 변압기의 상부 또는 하부에 직접 부착할 수 있으므로, 센서의 적용이나 설치가 간단하고, 이에 따라 현장 적용이 편리하며, 매우 경제적이다. 그러므로, 해당 가스 센서 장치를 이용하는 경우, 절연유가 들어 있는 변압기에 별도의 용존 가스 추출을 위한 진공펌프와 같은 부대 기계 장치를 설치할 필요가 없게 된다. The gas sensor device using the composite membrane structure together with a commercially available semiconductor gas sensor can be directly attached to the upper or lower portion of the transformer, so that the application or installation of the sensor is simple, so that the field application is convenient and very economical. . Therefore, when using the gas sensor device, there is no need to install an auxiliary mechanical device such as a vacuum pump for extracting the dissolved gas in the transformer containing the insulating oil.
또한, 본 발명의 구현예들에 따른 가스 농도 측정 방법 및 장치는, 절연유 내에 혼합 용존 되어 있는 복수 종류의 가스 농도들을 그 종류별로 정량적으로 측정 시, 특정 가스에만 반응하는 특정 반도체 가스 센서를 선정해야 하는 어려움이 없이도, 범용 반도체 가스 센서를 손쉽게 사용하여 가스의 각 종류별 농도를 신뢰성 높고 용이하게 측정할 수 있다. In addition, the gas concentration measuring method and apparatus according to the embodiments of the present invention, when quantitatively measuring a plurality of types of gas concentrations mixed in the insulating oil for each type, it is necessary to select a specific semiconductor gas sensor that reacts only to a specific gas. Without difficulty, the concentration of each type of gas can be measured reliably and easily using a general-purpose semiconductor gas sensor.
이에 따라 운전 중인 변압기 내부에 이상 발생 여부 및 변압기 내 어느 부분에 이상이 발생하고 있는지를 조기에 현장에서 바로 검사할 수 있게 되고, 변압기 내 절연유의 잔류 수명의 예측이 가능하게 되므로, 변압기 파손 예방은 물론 변압기 정비를 경제적이며 신뢰성 높게 수행할 수 있다. As a result, it is possible to directly check on the spot whether an abnormality is occurring inside the transformer in operation and in which part within the transformer, and to predict the residual life of the insulating oil in the transformer. Of course, transformer maintenance can be performed economically and reliably.
도 1은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 복합 분리막 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 가스 센서 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 하나의 구현예에 따른 가스 센서 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 구현예에서 가스 센서 장치가 변압기에 장착된 예를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 구현예에서 사용되는 상용 반도체 가스 센서에서 혼합되어 있는 가스 종류 및 농도 조건별로 측정되는 센서 저항 측정비의 캘리브레이션을 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에서 형성된 다공성 물질 층의 분자 구조를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서, 복합 분리막 구조체의 효과를 평가하기 위하여 제작한 장치의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 전기 화학식 가스 센서를 사용하여 이산화탄소 농도 변화에 따른 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 8과 동일한 실험 조건 하에서, 복합 분리막 구조체를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우의 가스 측정 센서의 측정 전압을 비교하여 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view showing a composite membrane structure according to one embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a configuration of a gas sensor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing a configuration of a gas sensor device according to another embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating an example in which a gas sensor device is mounted to a transformer in one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exemplary graph showing a calibration of a sensor resistance measurement ratio measured for each kind of gas and concentration conditions mixed in a commercial semiconductor gas sensor used in one embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows the molecular structure of a porous material layer formed in one embodiment of the present invention.
7 is a schematic view showing the configuration of a device fabricated to evaluate the effect of the composite membrane structure in an embodiment of the present invention.
8 is a graph illustrating a gas measurement result according to a change in carbon dioxide concentration using an electrochemical gas sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph illustrating comparison of measured voltages of a gas measuring sensor with and without using a composite membrane structure under the same experimental conditions as in FIG. 8.
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 가스 센서용 복합 분리막 구조체, 이를 이용한 가스 센서 장치, 이를 이용한 가스 농도 측정 방법 및 장치에 대하여 상술한다. Hereinafter, a composite membrane structure for a gas sensor according to embodiments of the present invention, a gas sensor device using the same, and a gas concentration measuring method and apparatus using the same will be described in detail.
절연유가 사용될 수 있는 예컨대 변압기와 같은 전력 설비에서 절연유 열화의 정량적 실시간 모니터링을 위하여, 저가로 손쉽게 구할 수 있는 상용의 반도체 가스 센서를 활용하게 되는 것은, 기존의 상태 진단 기술을 획기적으로 대체하는 것으로서 상당한 경제적 가치를 가지는 것이다.The use of low-cost, readily available, commercially available semiconductor gas sensors for quantitative real-time monitoring of dielectric oil degradation in power equipment such as transformers, for example, where oil can be used, is a significant replacement for conventional condition diagnosis technology. It has economic value.
그런데, 절연유 내에 용존하는 유중 가스를 정량적으로 실시간 측정함에 있어서 상용의 반도체 가스 센서를 활용하려면, 상용의 반도체 가스 센서와 함께 용존 가스 추출 및 분리를 위한 분리막을 사용하여야 하는 것이 필수적이며, 바로 이 분리막은 탄화수소계 절연유 매체는 통과하지 못하지만 측정 대상이 되는 분자량이 적은 유중 가스들은 물리적으로 통과할 수 있는 것이어야 한다.However, in order to utilize a commercially available semiconductor gas sensor in quantitative real-time measurement of gas in dissolved oil in insulating oil, it is essential to use a separator for extracting and separating the dissolved gas together with a commercial semiconductor gas sensor. Silver hydrocarbon-based insulating oil medium cannot pass but low-molecular weight oils to be measured must be physically able to pass.
또한, 상기 분리막은, 별도의 음압 등을 걸어주어 분리막을 통과하는 매체의 흐름을 강제로 유도해야할 필요가 없도록, 변압기 내부의 절연유 매체와 직접 접촉하거나 또는 변압기 상부의 빈공간에 존재하는 유중 가스와 맞닿아 있는 분리막 전후의 압력 차이를 최소화해야 한다. In addition, the separator may be applied to the oil in the direct contact with the insulating oil medium inside the transformer or in the empty space above the transformer so that it is not necessary to force the flow of the medium passing through the separator by applying a separate negative pressure. The pressure difference before and after the separator should be minimized.
또한, 상기 분리막은 위와 같이 압력 차가 적은 경우라도 분리막의 기계적 강도를 보강하여 분리막의 내구성을 높여야 한다.In addition, the separator should increase the durability of the separator by reinforcing the mechanical strength of the separator even when the pressure difference is small.
나아가, 상기 분리막은 내구성 및 신뢰성의 측면에서 절연유 매체 및 절연유 내의 수분이 분리막 표면으로 물리적, 화학적으로 응착하여 오염시키는 것을 방지할 수 있어야 한다.Furthermore, the separator should be able to prevent the insulating oil medium and the moisture in the insulating oil from physically and chemically adhering to and contaminating the separator surface in terms of durability and reliability.
이에 본 발명자들은 반도체 가스 센서와 함께 사용되는 절연유 및 용존 가스의 분리막을 포함하는 복합 분리막 구조체로서, 미세한 크기를 갖는 격자형의 매쉬 망 표면 위에 다공성을 갖는 물질을 일차적으로 코팅한 후에 다시 그 표면 위에 두께가 매우 작고 절연유에서 발생하는 유중 가스들만 투과할 수 있을 정도로 미세한 기공을 갖는 물질을 최종적으로 코팅한 3층 구조의 복합 분리막 구조체를 제공한다.Accordingly, the present inventors have a composite membrane structure including a separator of insulating oil and dissolved gas used in conjunction with a semiconductor gas sensor, and after coating a porous material on the surface of a mesh mesh having a fine size first, and then again on the surface The present invention provides a composite membrane structure having a three-layered structure having a very small thickness and finally coating a material having pores small enough to penetrate only gases in oil generated from insulating oil.
도 1은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 복합 분리막 구조체를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a composite membrane structure according to one embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 구현예에 따른 복합 분리막 구조체(5)는 매쉬를 가지는 지지체(5a), 상기 지지체 상에 위치하고 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층(5b) 및 상기 다공성 물질의 코팅층에 위치하는 자기 조립 단분자막(5c)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the
먼저 상기 자기 조립 단분자막(self assembled mono layer)(5c)을 설명한다. 상기 자기 조립 단분자막(5c)는 헤드 그룹에 테일이 붙어 있고 상기 테일의 말단에 작용기가 붙어 있는 구조를 가지는 것이다. 이러한 자기 조립 단분자막은 두께가 예컨대 1㎛ 내지 10㎛ 수준으로 적고, 그 물질의 기공 크기는 나노 미터 수준(예컨대, 10nm 내지 50nm 수준)으로 매우 적은 크기의 다공성 표면을 가지므로, 분자량이 상대적으로 큰 절연유 매체는 투과하지 못하지만 절연유 내에 용존 되어 있는 유중 가스들은 투과시킬 수 있다. First, the self assembled
예시적인 구현예에서, 상기 자기 조립 단분자막은 소유성(oleophobic) 및 소수성(hydrophobic)을 동시에 지니는 것이다. 이와 같이 자기 조립 단분자막을 소유성 및 소수성으로 구성하는 경우 열화된 절연유 매체 및 절연유 내의 수분이 분리막 표면으로 물리적, 화학적으로 응착되어 오염시키는 것을 방지할 수 있다.In an exemplary embodiment, the self-assembled monolayer is one having oleophobic and hydrophobic at the same time. Thus, when the self-assembled monomolecular film is composed of oleophobic and hydrophobic, it is possible to prevent the deteriorated insulating oil medium and the moisture in the insulating oil from physically and chemically adhering to the separator surface and contaminating it.
소유성 및 소수성을 가지는 자기 조립 단분자막은 당해 기술 분야에 알려져 있으며, 소유성 및 소수성 자기 조립 단분자막의 비제한적인 예시는 불화 탄화수소계 실란을 포함한다. Oleophobic and hydrophobic self-assembled monolayers are known in the art, and non-limiting examples of oleophobic and hydrophobic self-assembled monolayers include fluorinated hydrocarbon-based silanes.
상기 불화 탄화수소계 실란으로서는 예컨대, 하이드로플루오르에테르(hydrofluoroether) 용매에 녹인 플루오로실란 폴리머(fluorosilane polymer)의 투명하고 저점성의 용액인 3M사의 Novec Coating EGC-1720 물질을 사용할 수 있다.As the fluorinated hydrocarbon silane, for example, 3M's Novec Coating EGC-1720 material, which is a transparent and low viscosity solution of a fluorosilane polymer dissolved in a hydrofluoroether solvent, may be used.
한편, 상기 자기 조립 단분자막 물질을 반도체 가스 센서 표면에 직접 코팅하는 경우 여러 가지 부적당한 문제점들이 존재한다. 일반적으로 상용 반도체 가스센서들은 센서 소자의 측정 감도를 높이기 위하여 센서 내에 열선을 내장하고 온도를 올려 가열하기 때문에 이와 같은 온도에 견디기 위해서는, 열선과 일정 거리를 이격하여 위치해야 한다. 또한, 두께가 매우 얇고 기계적 강도가 약한 자기 조립 단분자막 재료를 보강하는 것도 요구된다. On the other hand, there are various inadequate problems when the self-assembled monolayer material is directly coated on the semiconductor gas sensor surface. In general, commercial semiconductor gas sensors have a heating wire embedded in the sensor to increase the measurement sensitivity of the sensor element, and the temperature is heated to heat the temperature. It is also required to reinforce the self-assembled monomolecular film material having a very thin thickness and weak mechanical strength.
따라서, 상기 자기 조립 단분자막의 기계적 강도를 다음과 같이 보강하였다.Therefore, the mechanical strength of the self-assembled monomolecular film was reinforced as follows.
먼저 상기 자기 조립 단분자막(5c)의 최하부에 매쉬를 가지는 지지체(5a)를 형성하였다.First, a
예시적인 구현예에서, 상기 매쉬를 가지는 지지체는 금속 매쉬 망 또는 세라믹 매쉬 망이며, 제조 비용이 적게 들고 제조가 용이하다는 점에서 금속 매쉬 망을 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the support having the mesh is a metal mesh net or a ceramic mesh net, and a metal mesh net may be used in that the manufacturing cost is low and the manufacturing is easy.
비제한적인 예시에서, 상기 매쉬 간격은 가로 및 세로가 각각 1㎛ 내지 100㎛이고, 상기 지지체의 두께는 0.05mm 내지 1mm일 수 있다.In a non-limiting example, the mesh spacing may be 1 μm to 100 μm in the horizontal and vertical directions, respectively, and the thickness of the support may be 0.05 mm to 1 mm.
위와 같이 최하부에 매쉬를 가지는 지지체(5a)로 강도를 보강하는 경우에, 자기 조립 단분자막(5c)을 해당 지지체(5a)에 바로 형성하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라 추가적으로 강도를 보강할 필요성도 있다.In the case of reinforcing the strength with the
이에 상기 매쉬를 가지는 지지체(5a)와 상기 자기 조립 단분자막(5c)의 사이에 상기 지지체(5a) 표면에 위치하도록 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층(5b)을 형성한다. 이 코팅층(5b) 상에 앞서 설명한 바와 같이 자기 조립 단분자막(5c)을 코팅하는 것이다.Thus, a
상기 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층(5b)은 자기 조립 단분자막(5c)을 형성하기가 용이할 뿐만 아니라, 졸-겔 법에 의하여 형성되는 것 즉, 졸을 겔화하는 과정을 거쳐서 얻어진 다공성 물질을 이용하므로, 상기 자기 조립 단분자막(5c)의 미세한 기공보다는 큰 다공성을 가지게 된다.The
참고로, 졸-겔 법은 전구체로 콜로이드 상태(졸)를 만들고, 이 졸의 겔화 과정을 통해 액체상의 망상조직(겔)으로 변화시켜 무기질 망상조직을 만드는 과정을 의미하는 것으로서, 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다. For reference, the sol-gel method refers to a process of making a colloidal state (sol) with a precursor and converting it into a liquid network (gel) through the gelation process of the sol to form an inorganic network. It is well known.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질로서는, 전구체로서, 메틸트리메톡시실란(methyl trimethoxi silane), 테트라메톡시실란(tetramethoxi silane), 디메틸디메톡시실란(dimethyldimethoxi silane), 테트라에톡시실란(tetraethoxi silane), 메틸트리에톡시실란(methyl triethoxi silane), 디메틸디에톡시실란(dimethyldiethoxi silane), 페닐트리메톡시실란(phenyl trimethoxi silane), 디페닐디메톡시실란(diphenyldimethoxi silane), 페닐트리에톡시실란(phenyl triethoxi silane), 디페닐디에톡시실란(diphenyldiethoxi silane), 데실트리메톡시 실란(decyltrimethoxi silane) 및 이소부틸트리메톡시 실란(isobutyltrimethoxi)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 알콕시실란류 또는 M(OR)x [여기서, M은 예컨대 티타늄, 지르코늄, 니켈, 알루미늄, 납, 보론 등의 금속 또는 준금속, R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기]의 알콕시화합물의 단독 또는 혼합물을 이용하여 졸-겔 법으로 얻어지는 중합체 물질을 사용한다. 상기 중합체 물질을 사용하는 경우 내구성, 내열성 및/또는 접착성 등을 향상시킬 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the porous material obtained by the sol-gel method, as a precursor, methyl trimethoxy silane (methyl trimethoxi silane), tetramethoxy silane (tetramethoxi silane), dimethyldimethoxi silane, tetraethoxysilane (tetraethoxi silane), methyl triethoxi silane (methyl triethoxi silane), dimethyldiethoxi silane, phenyl trimethoxyoxi silane, diphenyldimethoxysilane silane, phenyl triethoxi silane, diphenyldiethoxi silane, decyltrimethoxi silane, and isobutyltrimethoxi Above alkoxysilanes or M (OR) x [wherein M is a metal or metalloid such as titanium, zirconium, nickel, aluminum, lead, boron, etc., R is The polymer substance obtained by the sol-gel method using the sole or mixture of the alkoxy compound of a C1-C10 alkyl group is used. When the polymer material is used, durability, heat resistance and / or adhesion may be improved.
비제한적인 예시에서, 상기 다공성 물질의 코팅층은 10nm 내지 1,000nm의 두께를 가질 수 있다.In a non-limiting example, the coating layer of the porous material may have a thickness of 10nm to 1,000nm.
다음으로, 상기한 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치에 대하여 설명한다.Next, a gas sensor device including the above composite membrane structure will be described.
도 2는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 가스 센서 장치의 구성을 나타내는 개략도로서, 도 2a는 가스 센서 장치의 부품 분해도를 나타내는 것이고, 도 2b는 도 2a에 나타난 부품들의 체결도를 나타내는 것이며, 도 2c는 도 2b의 체결도의 측단면도를 나타내는 것이다.2 is a schematic view showing the configuration of a gas sensor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2A shows an exploded view of parts of the gas sensor device, FIG. 2B shows a fastening view of the parts shown in FIG. 2A, FIG. 2C shows a side cross-sectional view of the fastening of FIG. 2B.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 구현예에 따른 가스 센서 장치는 반도체 가스 센서(1)와 복합 분리막 구조체(5)가 일정 간격 이격하여 형성된다. As shown in FIG. 2A, in the gas sensor device according to the exemplary embodiment of the present invention, the semiconductor gas sensor 1 and the
앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 상용 반도체 가스센서들은 센서 소자의 측정 감도를 높이기 위하여 센서 내에 열선을 내장하고 온도를 올려 가열하기 때문에, 복합 분리막 구조체(5)를 반도체 가스 센서(1)와 일정 간격 이격시킴으로써, 해당 센서 내의 열선과 복합 분리막 구조체(5) 사이에 거리를 두도록 할 수 있다.As described above, in general, since commercial semiconductor gas sensors have a heating wire embedded in the sensor and heated up to increase the measurement sensitivity of the sensor element, the
구체적으로, 상기 가스 센서 장치는, 상기 반도체 가스 센서(1)가 몸체 역할을 하는 예컨대 원통형의 하우징(2) 안에 수용(내장)되고, 상기 반도체 가스 센서(1)와 일정 간격 이격한 측정 장치 몸체(2)의 상단부에 복합 분리막 구조체(5)가 장착된다. 상기 반도체 가스 센서(1)는 하부 판(4)에 의하여 지지되고, 상기 복합 분리막 구조체(5)는 상부 판(3)에 의하여 덮힌다. 상기 상부 판(3) 및 하부 판(4)은 각각 체결 수단 예컨대 납작 접시 머리 볼트(8, 9) 에 의하여 하우징(2)과 체결된다(도 2b 체결도 및 도 2c 단면도 참조). Specifically, the gas sensor device is a measuring device body that is accommodated (built in) in a
상기 하우징(4) 내의 반도체 가스 센서(1) 상에는 시일을 위한 부재인 예컨대 오 링이 구비될 수 있다.On the semiconductor gas sensor 1 in the
또한, 상기 복합 분리막 구조체(5)의 일측 또는 양측에는 가스 시일용의 예컨대 실리콘 패드가 장착될 수 있다.In addition, one or both sides of the
한편, 복수의 반도체 가스 센서들을 사용하여 절연유 내에 용존 하는 여러 가지 종류의 유중 가스들을 동시에 측정하고자 하는 경우에, 도 2에 나타난 바와 같은 가스 센서 장치를 도 3과 같이 변형함으로써 효과적으로 절연유 내에 용존 하는 여러 가지 종류의 유중 가스들을 측정할 수 있다.On the other hand, when a plurality of types of gas in the oil dissolved in the insulating oil is to be measured at the same time using a plurality of semiconductor gas sensors, by modifying the gas sensor device as shown in Figure 2 as shown in FIG. Different kinds of gas in oil can be measured.
도 3은 본 발명의 다른 하나의 구현예에 따른 가스 센서 장치의 구성을 나타내는 개략도로서, 도 3a는 가스 센서 장치의 부품 분해도를 나타내는 것이고, 도 3b는 도 3a에 나타난 부품들의 체결도를 나타내는 것이며, 도 3c는 도 3b의 체결도의 측단면도를 나타내는 것이다.3 is a schematic view showing the configuration of a gas sensor device according to another embodiment of the present invention, Figure 3a is an exploded view of parts of the gas sensor device, Figure 3b is a fastening of the parts shown in Figure 3a 3C shows a side cross-sectional view of the fastening of FIG. 3B.
도 3에서는, 복수 개의 반도체 가스 센서를 배열하여 어레이(19) 형태로 묶고, 상기 센서의 어레이(19) 위에 한 개의 복합 분리막 구조체(21)를 위치시켜서 일체형 가스 측정 장치로 구성한 것이다. 여기서, 상기 복합 분리막 구조체(21)는 앞서 설명한 바와 같이, 매쉬를 가지는 지지체(21a), 상기 지지체(21a) 상에 형성된 졸-겔 법에 의한 다공성 물질의 코팅층(21b), 상기 다공성 물질의 코팅층(21b) 상에 형성된 자기 조립 분자막(21c)의 구조를 가지는 것이다.In FIG. 3, a plurality of semiconductor gas sensors are arranged and bundled into an
상기 가스 센서 장치는, 상기 복 수개의 반도체 가스 센서 어레이(19)를 수용(내장)하는 몸체인 제 1 하우징(15), 상기 복합 분리막 구조체가 장착되는 제 2 하우징(20), 상기 제 1 하우징(15)의 하부에 예컨대 나사 체결되는 엔드 캡(17), 상기 제 2 하우징(20)의 상부에 체결되는 어댑터(23)를 구비할 수 있다. 여기서 어댑터(23)는 변압기에 연결하기 위한 어댑터이다. The gas sensor device may include a
상기 엔드 캡(17)과 제 1 하우징(15) 사이에는 추가로 연결 부재인 커플 링(16)이 더 구비될 수 있다. 상기 커플 링(16)은 상기 제 1 하우징(15)과 상기 엔드 캡(17)에 각각 나사 체결될 수 있다.A
상기 제 1 하우징(15)과 상기 제 2 하우징(20)은 상호 나사 체결될 수 있다. 또한, 상기 제 2 하우징(20)과 어댑터(23)는 체결 수단 예컨대 납작 머리 볼트(24)에 의하여 체결될 수 있다. 그리고, 상기 어레이(19)도 체결 수단 예컨대 납작 머리 볼트(25)에 의하여 제 1 하우징 내에 고정될 수 있다.The
다음으로, 상기 가스 센서 장치를 변압기에 장착하여 가스 농도를 측정하는 예에 대하여 설명한다.Next, an example of measuring the gas concentration by attaching the gas sensor device to a transformer will be described.
도 4는 본 발명의 하나의 구현예에서 가스 센서 장치가 변압기에 장착된 예를 도시하는 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating an example in which a gas sensor device is mounted to a transformer in one embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가스 센서 장치는 변압기의 절연유에 접촉하거나 또는 절연유의 증기(fume)에 접촉하여 센싱을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 4, the gas sensor device may perform sensing by contacting the insulating oil of the transformer or the vapor of the insulating oil.
변압기의 절연유 또는 절연유의 증기(fume)로부터 센싱을 수행할 수 있다. Sensing can be carried out from the insulating oil of the transformer or from the vapor of the insulating oil.
구체적으로, 본 발명의 구현예들에 따른 가스 센서 장치(13, 13')는 변압기 본체(14) 상부 일측 또는 하부 일측에 장착할 수 있다.Specifically, the
절연유가 변압기(14) 내부의 상부 위치까지 채워지지 않아 일정하게 빈공간을 유지하게 되는데, 절연유 내에 용존되어 있는 유중 가스가 절연유와 유중가스 기체평형 조건에 따라 상기 공간에 존재하는 경우, 본 발명의 구현예들에 따른 가스 센서 장치(13)를 적용하기가 유리하다. 여기서, 변압기 본체(14) 상부 일측에 용존 가스 배출용 게이트 밸브(10)를 설치하고, 파이프 소켓(11) 및 오 링 시일(12)을 거쳐 그 후 가스 센서 장치(13)를 설치하여 절연유에 용존 되어 있는 유중 가스를 측정할 수 있다. Since the insulating oil is not filled to the upper position inside the
한편, 만일 변압기 본체(14) 내에 위의 경우에서와 같은 빈공간이 존재하지 않는 경우에는, 변압기 본체(14) 몸통 부분의 일측에 용존 가스 배출용 게이트 밸브(10')를 설치하고, 파이프 소켓(11') 및 오 링 시일(12')을 거쳐 그 후 가스 센서 장치(13')를 설치하여 절연유 매체와 직접 맞닿은 상태에서 절연유에 용존 되어 있는 유중 가스를 직접 측정할 수 있다.On the other hand, if the empty space as in the above case does not exist in the transformer
다음으로, 본 발명의 구현예들에 따른 가스 농도 측정 방법 및 장치를 상술한다.Next, a gas concentration measuring method and apparatus according to embodiments of the present invention will be described in detail.
절연유 내에 용존하는 유중 가스를 정량적으로 실시간 측정함에 있어서 상용의 반도체 가스 센서를 활용하려면, 특정 가스에만 반응하여 센서 출력 값을 나타내는 특정 반도체 가스 센서를 선정하여야 하는 어려움이 없어야 한다. 실제로 상용의 반도체 가스 센서들은 예컨대 수소 하나만에 반응하여 센서 출력 값을 나타내는 것이 아니라, 혼합되어 있는 용존 가스들에 모두 반응하여 하나의 센서 출력 값을 낸다. In order to utilize a commercially available semiconductor gas sensor in quantitative real-time measurement of gas in dissolved oil in insulating oil, there should be no difficulty in selecting a specific semiconductor gas sensor that represents a sensor output value in response to only a specific gas. Indeed, commercially available semiconductor gas sensors do not respond to hydrogen alone, for example, to provide a sensor output value, but instead to all mixed dissolved gases, one sensor output value is produced.
이와 같이 여러 종류의 가스 성분에 반응하여 센서 출력 값을 나타내는 범용 반도체 가스 센서를 사용할 수 있어야 가스 센서 장치가 경제적으로 될 수 있음은 물론이다. 또한, 이와 같은 범용 반도체 가스 센서를 사용하는 경우에, 가스의 각 종류별 농도를 신뢰성 높고 용이하게 측정할 수 있어야 한다.As such, a gas sensor device can be economically implemented only when a general-purpose semiconductor gas sensor capable of displaying a sensor output value in response to various kinds of gas components can be used. In addition, when using such a general-purpose semiconductor gas sensor, it should be possible to measure the concentration of each type of gas with high reliability and easy.
이에 본 발명의 구현예들에서는 절연유 내에 혼합된 가스를 측정하는 복수 개의 반도체 가스 센서에 의하여 각각 측정한 각 측정값을 기초로 하여 절연유에 용존 되어 있는 복수 성분의 혼합 가스 농도를 가스 종류별로 독립적으로 산출하도록 한다.Therefore, in the embodiments of the present invention, the concentration of the mixed gas of the plurality of components dissolved in the insulating oil is independently determined for each gas type based on each measured value measured by the plurality of semiconductor gas sensors measuring the gas mixed in the insulating oil. To calculate.
이를 위하여, 절연유 내에 복수 종류로 혼합하여 용존 되어 있는 가스 종류 숫자와 동일한 복수 개의 범용 가스 센서를 병행하여 사용하도록 하며, 사용된 복수 개의 가스 센서들의 센서 저항비와 가스 농도와의 비례 상수들로 구성이 되는 매트릭스의 역 매트릭스를 연산하여 절연유 내에 혼합하여 용존되어 있는 가스들의 종류 및 농도를 독립적으로 구하도록 할 수 있다.To this end, a plurality of general-purpose gas sensors having the same number of dissolved gas types are mixed in a plurality of types in the insulating oil and used in parallel, and consist of proportional constants of sensor resistance ratio and gas concentration of the plurality of used gas sensors. The inverse matrix of the matrix can be calculated and mixed in the insulating oil to independently determine the type and concentration of dissolved gases.
즉, 본 발명의 구현예들에서는, 하나 이상의 반도체 가스 센서로 절연유의 용존 가스를 센싱하여 센서 저항값(Rs)을 얻고, 이와 같이 얻어진 저항값(Rs)으로부터 하기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻도록 할 수 있다. That is, in the embodiments of the present invention, the sensor resistance value (Rs) is obtained by sensing the dissolved gas of the insulating oil with one or more semiconductor gas sensors, and the above-described equation (1) is obtained from the resistance value (Rs) thus obtained. It is possible to obtain the individual gas concentration in the dissolved gas of the insulating oil.
[수학식 1][Equation 1]
[G] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i, j=1~n)[G] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1 ~ n)
(상기 [수학식 1]에서 Ro는 청정한 공기 조건하에서 개별 가스의 농도를 예컨대 1000ppm으로 고정하였을 때 측정된 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호, n은 총 측정되는 가스의 개수, G는 측정 대상이 되는 개별 가스의 농도, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스의 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다)(In Equation 1, Ro is a sensor resistance value which is a constant measured when the concentration of an individual gas is fixed at 1000 ppm, for example, under clean air conditions, Rs / Ro is a sensor resistance ratio, and i is an individual used for measuring the gas concentration. The number assigned to the semiconductor gas sensor, j is the number assigned to the individual gas for which the gas concentration is to be measured, n is the total number of gases to be measured, G is the concentration of the individual gas to be measured, and [G] i is the measurement target. The matrix consisting of individual gas concentrations, k ij, is the rate of change of the sensor resistance ratio according to the gas concentration change having the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, and the gas number of the j number in the semiconductor gas sensor having the i number. The constant value, determined from or corrected from it, [k ij ] -1 is the inverse matrix of the matrix consisting of k ij when i and j vary from 1 to n, respectively, [Log (Rs / Ro)] i is in the 1 n i As a matrix, a ij is the minimum sensor resistance which can measure the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor having an i number ratio value consisting of the logarithm of the sensor resistance ratio in the case of changing the number, with i number In the semiconductor gas sensor, a constant value determined by or corrected from the gas of j number, ∑a ij is the sum of a ij when i is fixed and j changes from 1 to n, respectively, [∑a ij ] i is a matrix of ∑a ij where i changes from 1 to n)
참고로, 본 명세서에서 k ij 값, 또는 a ij 값은, 반도체 센서 제공자로부터 제공되는 반도체 센서에 따른 캘리브레이션 값(후술하는 도 5 참조)이다. 해당 값은 본 발명의 구현예들에 따라 반도체 센서를 사용하는 경우, 필요에 따라 후술하는 바와 같이 추가적으로 상기 캘리브레이션 값을 보정하여 얻어질 수도 있다. 따라서, k ij 값, 또는 a ij 값은 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값들이다. For reference, in the present specification, the k ij value or the a ij value is a calibration value according to a semiconductor sensor provided from a semiconductor sensor provider (see FIG. 5 to be described later). The value may be obtained by additionally correcting the calibration value, as described below, when using a semiconductor sensor according to embodiments of the present invention. Accordingly, the k ij value, or a ij value, are constant values determined or corrected according to the gas of the j number in the semiconductor gas sensor having the i number.
또한, Ro 값은 개별 가스의 농도를 고정 예컨대 청정한 공기 조건하에서 개별 가스의 농도를 1000ppm으로 고정하였을 때 측정된 알려진 센서 저항값 즉 센서 저항 상수값이다. In addition, the Ro value is a known sensor resistance value, that is, a sensor resistance constant value measured when the concentration of the individual gas is fixed, for example, when the concentration of the individual gas is fixed at 1000 ppm under clean air conditions.
예시적인 구현예들에서는 물론, 상기 가스 농도 측정 방법은, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 앞서 설명한 바와 같은 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치 중의 상기 반도체 가스 센서를 이용할 수 있다. In example embodiments, the gas concentration measuring method may use the semiconductor gas sensor in the gas sensor device including the semiconductor gas sensor and the composite separator structure as described above, which is spaced apart from the semiconductor gas sensor. .
또한, 본 발명의 구현예들에서는 하나 이상의 반도체 가스 센서, 상기 반도체 가스 센서로부터 절연유의 용존 가스를 센싱하여 얻어지는 센서 저항값(Rs)으로부터 상기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻는 연산 장치를 포함하는 가스 농도 측정 장치에 의하여, 절연유 내에 혼합되어 용존 되어 있는 가스들의 농도를 종류별로 정량적으로 각각 측정할 수 있다.In addition, in the embodiments of the present invention, at least one semiconductor gas sensor and a sensor resistance value (Rs) obtained by sensing the dissolved gas of the insulating oil from the semiconductor gas sensor, the individual of the dissolved gas of the insulating oil according to [Equation 1]. By the gas concentration measuring device including a computing device for obtaining the gas concentration, the concentration of the gases mixed and dissolved in the insulating oil can be quantitatively measured for each type.
상기 가스 농도 측정 장치에 있어서도, 예시적인 구현예들에서는, 상기 가스 농도 측정 장치가, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 상기 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치를 더 포함하도록 하되, 상기 가스 센서 장치의 반도체 가스 센서로부터 센서 저항값(Rs)을 얻도록 할 수 있음을 물론이다.Also in the gas concentration measuring apparatus, in the exemplary embodiments, the gas concentration measuring apparatus further comprises a gas sensor device including a semiconductor gas sensor and the composite membrane structure spaced apart from the semiconductor gas sensor. Of course, the sensor resistance value (Rs) can be obtained from the semiconductor gas sensor of the gas sensor device.
상기 [수학식 1]을 설명하기 위하여, 이해의 편의를 위하여, 예시로서, 센서의 개수를 5개로 하고(즉 i=1, 2, 3, 4, 5), 가스의 종류를 5 개(즉, j=1, 2, 3, 4, 5)로 한다. 본 발명의 구현예들의 방법은 이와 같이 반도체 가스 센서의 개수 i를 측정 대상 가스 개수 j와 동일하게 한다. In order to explain the above Equation 1, for the sake of understanding, the number of sensors is five (ie i = 1, 2, 3, 4, 5), and the type of gas is five (ie , j = 1, 2, 3, 4, 5). The method of the embodiments of the present invention thus makes the number i of the semiconductor gas sensors equal to the number j of objects to be measured.
이와 같은 5종의 가스는 예컨대, 변압기 절연유 내에 수소(H2), 이산화탄소(CO), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 메탄 (CH4) 가스가 혼합하여 용존 되어 있다고 가정하는 것이다. 또한, 이해의 편의를 위하여, 반도체 가스 센서로 각 가스 종류별 농도 조건에 따른 센서 출력 저항(Rs)이 예컨대 도 5에서와 같이 측정되는 상용 반도체 가스 센서를 사용한다고 가정한다. These five gases are dissolved in, for example, hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), and methane (CH 4 ) gases in a transformer insulating oil. It is assumed to exist. In addition, for convenience of understanding, it is assumed that a semiconductor gas sensor uses a commercially available semiconductor gas sensor in which the sensor output resistance Rs according to the concentration condition for each gas type is measured as shown in FIG. 5, for example.
도 5는 본 발명의 하나의 구현예에서 사용되는 상용 반도체 가스 센서에서 혼합되어 있는 가스 종류 및 농도 조건별로 측정되는 센서 저항 측정비의 캘리브레이션을 나타내는 예시적인 그래프이다. 도 5에서 x축은 농도(ppm)이고, y축은 센서 저항비(Rs/Ro)이다. 여기서, Ro는 예컨대 다른 측정 대상 가스가 없는 청정한 공기 조건 하에서 각 가스 종류별 농도가 1,000ppm으로 고정된 경우에 측정되는 센서 저항값을 나타내며, Rs는 임의의 가스 농도 조건에서 센서에서 측정한 저항값이다. 그러므로, Rs/Ro는 임의의 가스 농도 조건에서 센서에서 측정한 저항값을 청정한 공기 하에서 측정한 저항값과 상대적으로 비교한 센서 측정 저항비(resistance ratio)를 의미한다. 참고로, 이러한 센서 측정 저항비에 대한 농도 변화에 따른 그래프는 반도체 가스 센서를 구입하는 경우 반도체 가스 센서 제공사들에 의하여 캘리브레이션 데이터로서 통상적으로 제공되고 있다. 따라서, 본 발명의 구현예들에서 계산을 위하여 사용되는 Ro 값, k ij 값 또는 a ij 값은 이미 정해진 상수 값들이 된다.FIG. 5 is an exemplary graph showing a calibration of a sensor resistance measurement ratio measured for each kind of gas and concentration conditions mixed in a commercial semiconductor gas sensor used in one embodiment of the present invention. In FIG. 5, the x-axis is concentration (ppm) and the y-axis is sensor resistance ratio (Rs / Ro). Here, Ro represents a sensor resistance value measured when the concentration for each gas type is fixed at 1,000 ppm, for example, under a clean air condition in which no other gas is measured, and Rs is a resistance value measured by the sensor under an arbitrary gas concentration condition. . Therefore, Rs / Ro denotes a sensor measurement resistance ratio in which the resistance value measured by the sensor under a certain gas concentration condition is compared with the resistance value measured under clean air. For reference, a graph according to the concentration change with respect to the sensor measurement resistance ratio is typically provided as calibration data by semiconductor gas sensor providers when purchasing a semiconductor gas sensor. Thus, the Ro value, k ij value or a ij value used for the calculations in the embodiments of the present invention are already predetermined constant values.
절연유 내에 5 종류의 가스들이 혼합하여 용존 되어 있고, 이들 혼합 가스의 농도를 각각 측정하기 위하여 총 5 종류의 반도체 가스 센서를 사용한다면, 가스 센서들 중 하나의 가스 센서(S1)에서 5 종류의 가스들로부터 측정되는 센서 저항비(Rs/Ro)S1는 혼합되어 있는 각 가스 성분 및 농도 조건으로부터 측정되는 센서 저항비 값을 각각 선형적으로 더한 값으로서 다음 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.If five kinds of gases are mixed and dissolved in the insulating oil, and if a total of five kinds of semiconductor gas sensors are used to measure the concentration of each of these mixed gases, five kinds of gases are used in one gas sensor S1 of the gas sensors. The sensor resistance ratio (Rs / Ro) S1 measured from these sensors is linearly added to the sensor resistance ratio values measured from respective gas components and concentration conditions, which can be expressed by
[수학식 2]&Quot; (2) "
Log(Rs/Ro)s1=[k11log(H2,ppm)+a11]+[k12log(CO,ppm)+a12]+[k13log(C2H2,ppm)+a13]+[k14log(C2H4,ppm)+a14]+[k15log(CH4,ppm)+a15] Log (Rs / Ro) s1 = [k 11 log (H 2 , ppm) + a 11 ] + [k 12 log (CO, ppm) + a 12 ] + [k 13 log (C 2 H 2 , ppm) + a 13 ] + [k 14 log (C 2 H 4 , ppm) + a 14 ] + [k 15 log (CH 4 , ppm) + a 15 ]
상기 [수학식 2]에서 K11은 센서 1에서 수소 가스 농도[(H2, ppm)] 변화에 따른 센서저항비 변화율(직선의 기울기(slope))을 나타낸다.In
a11는 센서 1에서 수소 가스 농도[(H2, ppm)]를 측정할 수 있는 최소 log(센서저항비) 값을 나타낸다.a 11 represents the minimum log (sensor resistance ratio) value at which sensor 1 can measure the hydrogen gas concentration [(H 2 , ppm)].
K12은 센서 1에서 일산화탄소 가스 농도[(CO, ppm)] 변화에 따른 센서저항비 변화율을 나타낸다.K 12 represents the change rate of the sensor resistance ratio according to the change of the carbon monoxide gas concentration ((CO, ppm)] in the sensor 1.
a12는 센서 1에서 일산화탄소 가스 농도[(CO, ppm)]를 측정할 수 있는 최소 log(센서저항비) 값을 나타낸다.a 12 represents the minimum log (sensor resistance ratio) value at which sensor 1 can measure the carbon monoxide gas concentration [(CO, ppm)].
K13은 센서 1에서 아세틸렌 가스 농도[(C2H2, ppm)] 변화에 따른 센서저항비 변화율을 나타낸다.K 13 represents the change rate of the sensor resistance ratio according to the change in the acetylene gas concentration [(C 2 H 2 , ppm)] in the sensor 1.
a13는 센서 1에서 아세틸렌 가스 농도[(C2H2, ppm)]를 측정할 수 있는 최소 log(센서저항비) 값을 나타낸다.a 13 represents the minimum log (sensor resistance ratio) value at which sensor 1 can measure the acetylene gas concentration [(C 2 H 2 , ppm)].
K14은 센서 1에서 에틸렌 가스 농도[(C2H4, ppm)] 변화에 따른 센서저항비 변화율을 나타낸다.K 14 represents the change rate of the sensor resistance ratio according to the change of the ethylene gas concentration [(C 2 H 4 , ppm)] in the sensor 1.
a14는 센서 1에서 에틸렌 가스 농도[(C2H4, ppm)]를 측정할 수 있는 최소 log(센서저항비) 값을 나타낸다.a 14 represents the minimum log (sensor resistance ratio) value at which sensor 1 can measure the ethylene gas concentration [(C 2 H 4 , ppm)].
K15은 센서 1에서 메탄 가스 농도[(CH4, ppm)] 변화에 따른 센서저항비 변화율을 나타낸다.K 15 represents the change rate of the sensor resistance ratio according to the change of the methane gas concentration [(CH 4 , ppm)] in the sensor 1.
a15는 센서 1에서 메탄 가스 농도[(CH4, ppm)]를 측정할 수 있는 최소 log(센서저항비) 값을 나타낸다.a 15 represents the minimum log (sensor resistance ratio) value at which sensor 1 can measure the methane gas concentration [(CH 4 , ppm)].
참고로, 위 값들은 도 5에 도시된 바와 같이, 범용의 반도체 가스 센서 제공자로부터 제공된 센서 캘리브레이션 데이터로부터 상기 값들을 각각 얻을 수 있다. 만일 제공된 캘리브레이션 데이터에 위에 예시한 가스 종류가 명시되어 있지 않은 경우에는 관련된 가스 종류에 해당하는 k 값과 a 값을 제로로 하면 된다.For reference, as shown in FIG. 5, the above values may be respectively obtained from sensor calibration data provided from a general-purpose semiconductor gas sensor provider. If the type of gas exemplified above is not specified in the calibration data provided, the values of k and a corresponding to the relevant gas type may be zero.
상기 [수학식 2]와 같이, 다른 종류의 가스 센서 S2, S3, S4, S5 센서들에서 측정한 센서 저항비는 각각 하기 수학식들에서와 같이 표시할 수 있다.As shown in
[수학식 3]&Quot; (3) "
Log(Rs/Ro)s2=[k21log(H2,ppm)+a21]+[k22log(CO,ppm)+a22]+[k23log(C2H2,ppm)+a23]+[k24log(C2H4,ppm)+a24]+[k25log(CH4,ppm)+a25]Log (Rs / Ro) s2 = [k 21 log (H 2 , ppm) + a 21 ] + [k 22 log (CO, ppm) + a 22 ] + [k 23 log (C 2 H 2 , ppm) + a 23 ] + [k 24 log (C 2 H 4 , ppm) + a 24 ] + [k 25 log (CH 4 , ppm) + a 25 ]
[수학식 4]&Quot; (4) "
Log(Rs/Ro)s3=[k31log(H2,ppm)+a31]+[k32log(CO,ppm)+a32]+[k33log(C2H2,ppm)+a33]+[k34log(C2H4,ppm)+a34]+[k35log(CH4,ppm)+a35]Log (Rs / Ro) s3 = [k 31 log (H 2 , ppm) + a 31 ] + [k 32 log (CO, ppm) + a 32 ] + [k 33 log (C 2 H 2 , ppm) + a 33 ] + [k 34 log (C 2 H 4 , ppm) + a 34 ] + [k 35 log (CH 4 , ppm) + a 35 ]
[수학식 5]&Quot; (5) "
Log(Rs/Ro)s4=[k41log(H2,ppm)+a41]+[k42log(CO,ppm)+a42]+[k43log(C2H2,ppm)+a43]+[k44log(C2H4,ppm)+a44]+[k45log(CH4,ppm)+a45]Log (Rs / Ro) s4 = [k 41 log (H 2 , ppm) + a 41 ] + [k 42 log (CO, ppm) + a 42 ] + [k 43 log (C 2 H 2 , ppm) + a 43 ] + [k 44 log (C 2 H 4 , ppm) + a 44 ] + [k 45 log (CH 4 , ppm) + a 45 ]
[수학식 6]&Quot; (6) "
Log(Rs/Ro)s5=[k51log(H2,ppm)+a51]+[k52log(CO,ppm)+a52]+[k53log(C2H2,ppm)+a53]+[k54log(C2H4,ppm)+a54]+[k55log(CH4,ppm)+a55]Log (Rs / Ro) s5 = [k 51 log (H 2 , ppm) + a 51 ] + [k 52 log (CO, ppm) + a 52 ] + [k 53 log (C 2 H 2 , ppm) + a 53 ] + [k 54 log (C 2 H 4 , ppm) + a 54 ] + [k 55 log (CH 4 , ppm) + a 55 ]
이상의 수학식 2 내지 6은 다음과 같이 [수학식 7]의 매트릭스(Matrix) 형태로 정리하여 간단하게 나타낼 수 있다.
[수학식 7][Equation 7]
상기 [수학식 7]을 인덱스 부호를 사용하여 표시하면 [수학식 8]과 같다.
[수학식 8][Equation 8]
[Log(Rs/Ro)]s i = [kij][G(ppm)] i + [∑a ij ] i (i,j = 1..5) [Log (Rs / Ro)] s i = [k ij ] [G (ppm)] i + [∑a ij ] i (i, j = 1..5)
따라서, 절연유 내에 복합적으로 용존되어 있는 각 가스의 농도 ([G(ppm)] i, i=1,5)는 [수학식 9]와 같이 최종적으로 계산하여 구할 수 있게 된다. Therefore, the concentration of each gas ([G (ppm)] i, i = 1,5 ) which is dissolved in the insulating oil in a complex manner can be finally calculated and calculated as shown in [Equation 9].
[수학식 9]&Quot; (9) "
[G(ppm)] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i,j = 1..5) [G (ppm)] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1..5)
상기 [수학식 8] 및 [수학식 9]에서, 앞서 설명한 바와 같이, Ro는 청정한 공기 조건하에서 개별 가스의 농도를 예컨대 1000 ppm으로 고정하였을 때 측정되는 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호가 된다. 여기서, i=j=1~5이다. G는 개별 가스 농도(ppm 단위)이며, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ] 및 [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 5의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스 및 그 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 5의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 5의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 5의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다.In Equations 8 and 9, as described above, Ro is a sensor resistance value, Rs / Ro, which is a constant measured when the concentration of an individual gas is fixed at 1000 ppm, for example, under clean air conditions. The resistance ratio, i, is the number assigned to the individual semiconductor gas sensor used for the gas concentration measurement, and j is the number assigned to the individual gas for which the gas concentration measurement is desired. Here, i = j = 1-5. G is the individual gas concentration (in ppm), [G] i is a matrix composed of individual gas concentrations to be measured, and k ij is a sensor according to the gas concentration change having a j number in a semiconductor gas sensor having an i number. As the rate of change in the resistance ratio, the constant values, [k ij ] and [k ij ] −1 , determined from or corrected according to the gas of the j number in the semiconductor gas sensor having the i number, indicate that i and j are 1 to 5, respectively. Matrix consisting of k ij when changing to a number and its inverse matrix, [Log (Rs / Ro)] i is a matrix consisting of the logarithmic value of the sensor resistance ratio when i changes from 1 to 5, a ij is the minimum sensor resistance ratio value for measuring the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor with i number, and is a constant determined or corrected according to the gas of j number in the semiconductor gas sensor with i number. Value, ∑a ij is The sum of a ij when i is fixed and j changes from 1 to 5, respectively. [∑a ij ] i is a matrix consisting of ∑a ij when i changes from 1 to 5;
이와 같이, 절연유 내에 혼합하여 용존되어 있는 각 가스들의 농도는 가스 센서들의 센서 저항비와 가스 농도와의 비례상수들로 구성이 되는 매트릭스([k])의 역 매트릭스(Inverse Matrix, [k]-1)를 기본적으로 계산함으로서 구할 수 있다. In this way, the concentration of each of the gas that is dissolved by mixing in the insulating oil is the inverse of the matrix ([k]) which is composed of a proportional constant in the sensor resistance ratio and the gas concentration of the gas sensor matrix (Inverse Matrix, [k] - It can be found by basically calculating 1 ).
참고로, 상기 역 매트릭스는 가우스조단 소거법(GaussJordan elimination) 등과 같은 수학적 알고리즘을 사용하여 구하거나 또는 상용 소프트 웨어(예컨대 Matlab)를 사용하여 간단하게 연산할 수 있으며, 이러한 연산 방법 또는 소프트웨어는 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 본 발명의 구현예들의 연산 장치는 해당 소프트 웨어를 사용하는 프로세서 또는 컴퓨터를 포함할 수 있다. For reference, the inverse matrix may be obtained using a mathematical algorithm such as Gaussian elimination or simply calculated using commercial software (eg Matlab), and such a calculation method or software may be performed in the art. As is well known in the art, the computing device of embodiments of the present invention may include a processor or computer using the software.
한편, 만일 반도체 가스 센서 제공자로부터 제공된 캘리브레이션 데이터에 위에 예시한 가스 종류 이외의 부가적인 가스 종류가 존재하는 경우(즉, i=j > 5), 상기 [수학식 9]는 i=j를 그에 맞도록 수식을 확장하여 표시할 수 있다.On the other hand, if there is an additional gas type other than the gas type exemplified above in the calibration data provided from the semiconductor gas sensor provider (i.e., i = j> 5), Equation 9 matches i = j accordingly. The formula can be expanded to show
이와 같이 확장되어 i=j=1~n인 경우가 앞서 설명한 바와 같은 [수학식 1]이다.In this case, i = j = 1 to n is the equation [1] as described above.
이와 같이 가스 농도를 측정하는 방법 및 장치에서는, 절연유 내에 혼합 용존 되어 있는 복수 종류의 가스 농도들을 그 종류별로 정량적으로 측정 시, 특정 가스에만 반응하는 특정 반도체 가스 센서를 선정해야 하는 어려움이 없이도, 즉, 반도체 가스 센서 선정에 어떠한 제한성을 두지 않고도, 범용 반도체 가스 센서를 손쉽게 사용하여 가스의 각 종류별 농도를 신뢰성 높고 용이하게 측정할 수 있다. As described above, in the method and apparatus for measuring the gas concentration, there is no difficulty in selecting a specific semiconductor gas sensor that reacts only to a specific gas when quantitatively measuring a plurality of types of gas concentrations mixed and dissolved in the insulating oil. It is possible to measure the concentration of each type of gas reliably and easily by using a general-purpose semiconductor gas sensor easily, without placing any limitation on the selection of the semiconductor gas sensor.
이하 본 발명의 구현예들을 실시예들을 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예들은 예시적인 목적에서 기재하는 것이며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도하는 것이 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are described for illustrative purposes and are not intended to limit the scope of the invention.
복합 분리막 구조체 제조Composite Membrane Structure Manufacturing
본 발명의 하나의 실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같은 복합 분리막 구조체를 제조하였다. As one embodiment of the present invention, a composite membrane structure as shown in FIG. 1 was prepared.
우선, 매쉬(mesh)를 가지는 금속 망으로 두께가 0.1 mm, 매쉬의 크기가 가로 및 세로 각 4㎛ 크기를 가지는 스테인레스 재료의 조밀한 격자형의 매쉬 망(5a)을 사용하였다. First, a dense
상기 금속 매쉬 망(5a) 위에 오일 및 가스의 분리막 물질인 자기 조립 단분자막(5c)을 바로 코팅하면 기공의 크기가 매우 미세하고 조밀한 투과막을 얻을 수 없다. 따라서, 금속 매쉬 망(5a) 표면 위에 조박한 크기의 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질 코팅층(5b)을 일차적으로 형성하였다. If the self-assembled
이와 같은 다공성 물질 코팅층(5b) 형성 과정을 설명하면 예컨대 다음과 같다.The process of forming the porous
구체인 실리콘 알콕사이드가 가수분해되어 실리콘 수화물(silicon hydroxide)을 이루고, 이에 수반하여 생성된 분자 내의 하이드록시 그룹(-OH)이 서로 반응하면서 중합물인 졸을 형성하게 된다. 참고로, 상기 가수분해 반응은 다음과 같다.The silicon alkoxide, a sphere, is hydrolyzed to form a silicon hydroxide, whereby the hydroxyl groups (-OH) in the resulting molecules react with each other to form a polymerized sol. For reference, the hydrolysis reaction is as follows.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
=Si-OR + H2O -> =Si-OH + R-OH= Si-OR + H 2 O-> = Si-OH + R-OH
이때 축중합이 이루어지는 과정에서 반응 분위기에 따라 실리콘 산화물들이 3차원 구조로 연결되면서 겔화가 진행된다. 참고로, 상기 축중합 반응은 다음과 같다.At this time, the gelation proceeds as silicon oxides are connected in a three-dimensional structure depending on the reaction atmosphere during the condensation polymerization. For reference, the condensation polymerization reaction is as follows.
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
≡Si-OH + ≡Si-OH -> ≡Si-O-H + H2O ≡Si-OH + ≡Si-OH-> ≡Si-OH + H 2 O
≡Si-OH + ≡Si-OR -> ≡Si-O-H + ROH
≡Si-OH + ≡Si-OR-> ≡Si-OH + ROH
완전한 겔화는 제조된 유기변성 하이브리드 졸-겔 물질이 매쉬를 가지는 지지체 표면에 도포된 후 열처리 과정에서 진행되며, 겔화가 진행되는 과정에서 분자간의 3차원적 구조의 형성에 따라 자연적으로 형성되어 미세한 기공을 갖게 된다.Complete gelation is carried out during the heat treatment process after the prepared organic modified hybrid sol-gel material is applied to the surface of the support having a mesh, and is naturally formed according to the formation of the three-dimensional structure between molecules in the process of gelation, fine pores Will have
보다 구체적인 실시예로서 유기변성 하이브리드 졸-겔의 합성은 다음과 같이 진행된다. As a more specific embodiment, the synthesis of the organic modified hybrid sol-gel proceeds as follows.
실리콘계 알콕사이드 전구체로서 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxy Silane, MTMOS)과 테트라메톡시실란(Tetramethoxy silane, TEOS), 그리고 유기변성 실란 전구체로서 3-Methacryloxy propyl trimethoxy silane (MEMOS)을 각각 5:4:1의 몰 비로 혼합한 후, 같은 무게 비율의 메탄올 및 이소프로필알코올(IPA)의 혼합용액(1:1)과 함께 콘덴서 및 온도계를 장착한 3-넥 둥근 플라스크에 넣고 온도를 30℃ 정도로 조정한 후 30분간 막대 자석을 이용하여 계속 교반하였다. 그 다음 반응 촉매로서, 20g의 메탄올과 이소프로필알코올의 1:1 혼합용액에 98% 이상의 진한 인산으로 산농도(pH) 3 내지 4 정도가 되도록 조정된 탈이온수를 상기 실란 전구체와 2:1 (H2O:알콕사이드) 몰 비로 혼합한 촉매용액을 분액깔때기(dropping funnel)를 이용하여 천천히 적하시켜 넣은 다음, 계속 교반하면서 30℃의 온도를 유지한 상태에서 약 2시간 정도의 반응을 진행하여 완성하였다. 이에 따라 얻어지는 유기변성 하이브리드 분리막의 단위 분자 구조는 도 6에 도시되어 있다. Methyltrimethoxy Silane (MTMOS), tetramethoxy silane (TEOS) as the silicon-based alkoxide precursor, and 3-Methacryloxy propyl trimethoxy silane (MEMOS) as the organomodified silane precursor were 5: 4: 1 After mixing in a molar ratio, the mixture was mixed with a mixture of methanol and isopropyl alcohol (IPA) in the same weight ratio (1: 1) and placed in a three-necked round flask equipped with a condenser and a thermometer. Stirring was continued using a bar magnet for minutes. Then, as a reaction catalyst, deionized water adjusted to an acid concentration (pH) of about 3 to 4 with a concentrated phosphoric acid of 98% or more in a 1: 1 mixed solution of 20 g of methanol and isopropyl alcohol was added with the silane precursor to 2: 1 ( The catalyst solution mixed in a molar ratio of H 2 O: alkoxide) was slowly added dropwise using a dropping funnel, followed by a reaction for about 2 hours while maintaining the temperature of 30 ° C. under continuous stirring. It was. The unit molecular structure of the organic modified hybrid membrane thus obtained is shown in FIG. 6.
이와 같이 제조된 다공성 물질 코팅층(5b)의 표면 위에 오일을 비롯한 수분, 먼지 등의 불순물로부터의 오염 및 투과를 방지하면서, 또한 절연유 내 용존하는 유중 가스의 투과 분리성을 증대시키기 위하여 소유성과 소수성을 겸비한 불화 탄화수소계 실란(EGC-1720, 3M사에서 입수)으로 자기 조립 단분자막을 다시 코팅하여 복합 분리막 구조체를 제조하였다.
In order to prevent contamination and permeation from impurities such as oil, water, dust, and the like on the surface of the porous
복합 분리막 구조체의 평가Evaluation of Composite Membrane Structure
본 실시예에서의 복합 분리막 구조체의 효과를 검증하기 위하여 다음과 같은 시험을 수행하였다. In order to verify the effect of the composite membrane structure in this embodiment, the following test was performed.
도 7은 본 발명의 실시예에서, 복합 분리막 구조체의 효과를 평가하기 위하여 제작한 장치의 구성을 보여주는 개략도이다.7 is a schematic view showing the configuration of a device fabricated to evaluate the effect of the composite membrane structure in an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 일정한 체적을 갖는 투명한 밀폐형 아크릴 박스(26)에 이산화탄소 가스가 들어있는 압력용기(30)를 연결하고 압력 조절기(31)와 개폐 밸브(32)를 열어 박스(26) 내로 이산화탄소를 적정 농도로 주입하고 밸브(32)를 잠궜다. As shown in FIG. 7, a
상기 박스(26) 내에는 상기 제조한 복합 분리막 구조체를 반도체 이산화탄소 가스 센스(Hanwei Electronics Co., LTD 사 제품, 상품명 MG811)와 함께 도 2와 같이 조립한 가스 센서 장치를 구성하고(실시예 가스 센서 장치), 이에 대한 대비를 위하여, 동일한 가스 센서 장치에서 복합 분리막 구조체를 제외한 가스 센서 장치(비교예 가스 센서 장치)를 각각 27, 28의 위치에 조립하였다.In the
이후 박스에 부착된 또 다른 가스 배출용 개폐 밸브(33)를 미세하게 열어 밀폐된 박스 내의 이산화탄소의 농도가 서서히 감소하는 환경 조건 하에서 두 종류의 가스 센서 장치(27, 28)에서의 결과를 비교 측정하였다. Then, another gas
한편, 상기 시험 조건에서 이산화탄소 함량을 정량적으로 비교 측정하기 위하여, 상용으로 사용되는 전기 화학식 이산화탄소 가스 측정 센서(29)를 박스(26) 내에 같이 내장하고 시간 변화에 따라 감소하는 이산화탄소 함량을 측정하였다.On the other hand, in order to quantitatively compare and measure the carbon dioxide content under the test conditions, a commercially used electrochemical carbon dioxide
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, 전기 화학식 가스 센서를 사용하여 이산화탄소 농도 변화에 따른 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8에서 x축은 시간(초)이고, y축은 이산화탄소의 농도(ppm)이다.8 is a graph illustrating a gas measurement result according to a change in carbon dioxide concentration using an electrochemical gas sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 8, the x axis is time (seconds) and the y axis is carbon dioxide concentration (ppm).
도 8에 도시된 바와 같이, 박스(26) 내에 초기에 주입된 이산화탄소 가스 농도는 밸브(29)가 열리면서 시간 경과에 따라 서서히 감소하는 모습이 나타났다. As shown in FIG. 8, the concentration of carbon dioxide gas initially injected into the
도 9는 도 8과 동일한 실험 조건 하에서, 복합 분리막 구조체를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우의 가스 측정 센서의 측정 전압을 비교하여 나타내는 그래프이다. 도 9에서 x축은 시간(초)이고, y축은 센서 출력 전압(볼트)이다.FIG. 9 is a graph illustrating comparison of measured voltages of a gas measuring sensor with and without using a composite membrane structure under the same experimental conditions as in FIG. 8. In FIG. 9, the x axis is time (seconds) and the y axis is sensor output voltage (volts).
실시예의 가스 센서 장치의 경우 비교예의 가스 센서 장치에 비하여 상대적으로 조금 더 큰 출력 값을 나타냄을 알 수 있는데, 이는 복합 분리막 구조체가 일체형으로 조립되어 있는 가스 센서 장치에서의 이산화탄소 가스 함량 측정량이 실제 박스 내에 존재하는 이산화탄소 가스 함량보다 상대적으로 조금 작게 측정된 것을 의미한다. It can be seen that the gas sensor device of the embodiment shows a relatively larger output value than the gas sensor device of the comparative example, which means that the amount of carbon dioxide gas content measured in the gas sensor device in which the composite membrane structure is integrally assembled It means that it is measured a little smaller than the carbon dioxide gas content present in the.
이는 상기 분리막이 미세하기는 하지만 가스 측정에 있어서 일종의 저항 요인으로 작용함을 알 수 있지만, 시험한 이산화탄소 함량 전 범위에 걸쳐 고르고 균일하게 그리 크지 않은 영향을 미치고 있기 때문에, 상기 저항 효과를 미리 감안하여 복합 분리막 구조체가 함께 조립되어 있는 가스 센서 장치의 상용의 반도체 가스 센서들의 저항비 특성 캘리브레이션 데이터(k ij 값 또는 a ij 값)를 사용자가 이차적인 캘리브레이션 실험을 통하여 보정하여 해당 저항 요인을 제거하고 사용할 수 있다.Although the membrane is fine, it can be seen that it acts as a kind of resistance factor in gas measurement. However, since the membrane has an even and uniformly insignificant effect over the entire range of carbon dioxide content tested, the resistance effect is considered in advance. The resistance ratio characteristic calibration data (k ij value or a ij value) of the commercially available semiconductor gas sensors of the gas sensor device, in which the composite membrane structure is assembled together, is corrected by the user through a second calibration experiment to remove and use the resistance factor. Can be.
이상에서 예시적인 구현예들을 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 청구항에 기술되는 바와 같은 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 세부적 기술 내용의 다양한 변화가 가능하다는 것이 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to exemplary embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes in details can be made without departing from the scope of the invention as set forth in the claims. It can be understood.
1: 반도체 가스 센서 2: 하우징
3: 상부 판 4: 하부 판
5: 복합 분리막 구조체
5a: 매쉬를 가지는 지지체
5b: 졸-겔 법에 의한 다공성 물질 층
5c: 자기 조립 단분자막
6: 가스 시일용 패드 7: 오-링 시일 부재
8, 9: 납작 접시 머리 볼트
10, 10': 용존 가스 배출용 게이트 밸브
11, 11': 파이프 소켓
12, 12': 오-링 시일
13, 13': 가스 센서 장치
14: 변압기 본체 15: 제 1 하우징
16: 커플 링 17: 엔드 캡
18: 오-링 시일 부재 19: 반도체 가스 센서 어레이
20: 제 2 하우징 21: 가스 시일용 패드
22: 복합 분리막 구조체 22a: 매쉬를 가지는 지지체
22b: 졸-겔 법에 의하여 형성된 다공성 물질 층
22c: 자기 조립 단분자막 23: 어댑터
24, 25: 납작 접시 머리 볼트
26: 테스트용 박스
27: 복합 분리막 구조체가 조립되어 있는 가스 센서 장치
28: 복합 분리막 구조체가 조립되어 있지 않은 가스 센서 장치
29: 전기화학식 가스 측정 센서
30: 이산화탄소 압력 용기
31: 압력 조절 장치
32: 가스 주입용 개폐 밸브
33: 가스 배출용 개폐 밸브1: semiconductor gas sensor 2: housing
3: upper plate 4: lower plate
5: composite membrane structure
5a: support with mesh
5b: porous material layer by sol-gel method
5c: self-assembled monolayer
6: Pad for gas seal 7: O-ring seal member
8, 9: flat plate head bolt
10, 10 ': gate valve for dissolving gas
11, 11 ': pipe socket
12, 12 ': O-ring seal
13, 13 ': gas sensor device
14: transformer body 15: first housing
16: coupling 17: end cap
18: o-ring seal member 19: semiconductor gas sensor array
20: second housing 21: pad for gas seal
22: composite membrane structure 22a: support having a mesh
22b: porous material layer formed by sol-gel method
22c: self-assembled monolayer 23: adapter
24, 25: flat plate head bolt
26: test box
27: gas sensor device in which the composite membrane structure is assembled
28: Gas sensor device with no composite membrane structure assembled
29: Electrochemical Gas Measurement Sensor
30: carbon dioxide pressure vessel
31: pressure regulator
32: on-off valve for gas injection
33: on-off valve for gas discharge
Claims (4)
상기 얻어진 저항값(Rs)으로부터 하기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
[수학식 1]
[G] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i, j=1~n)
(상기 [수학식 1]에서 Ro는 개별 가스의 농도를 고정하였을 때 측정된 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호, n은 총 측정되는 가스의 개수, G는 측정 대상이 되는 개별 가스의 농도, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스의 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다.)Sensing the dissolved gas of the insulating oil with at least one semiconductor gas sensor to obtain a sensor resistance value Rs; And
Obtaining the individual gas concentration in the dissolved gas of the insulating oil from the obtained resistance value (Rs) by the following Equation (1).
[Equation 1]
[G] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1 ~ n)
(In [Equation 1], Ro is a sensor resistance value which is a constant measured when fixing the concentration of an individual gas, Rs / Ro is a sensor resistance ratio, i is a number assigned to an individual semiconductor gas sensor used for gas concentration measurement. where j is the number assigned to the individual gas to be measured, n is the total number of gases to be measured, G is the concentration of the individual gas to be measured, and [G] i is the individual gas concentration to be measured. K ij is the rate of change of the sensor resistance ratio according to the gas concentration change having the j number in the semiconductor gas sensor having the i number. The constant value [k ij ] -1 is the inverse matrix of the matrix consisting of k ij where i and j vary from 1 to n, respectively, and [Log (Rs / Ro)] i is i from 1 to n Of sensor resistance ratio As a matrix, a ij is the minimum sensor resistance which can measure the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor having an i number ratio value consisting geugap, determined by the gas in j number in the semiconductor gas sensor having an i number ∑a ij is the sum of a ij where i changes from 1 to n, and [∑a ij ] i changes i from 1 to n Is a matrix consisting of ∑a ij )
상기 가스 농도 측정 방법은, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치 중의 반도체 가스 센서를 이용하는 것이고,
상기 복합 분리막 구조체는 매쉬 구조를 가지는 지지체; 상기 지지체 상에 위치하고 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층; 및 상기 다공성 물질의 코팅층에 위치하는 자기 조립 단분자막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.The method of claim 1,
The gas concentration measuring method uses a semiconductor gas sensor in a gas sensor device including a semiconductor gas sensor and a composite separator structure positioned to be spaced apart from the semiconductor gas sensor.
The composite membrane structure is a support having a mesh structure; A coating layer of a porous material placed on the support and obtained by a sol-gel method; And a self-assembled monomolecular film positioned on the coating layer of the porous material.
상기 반도체 가스 센서로부터 절연유의 용존 가스를 센싱하여 얻어지는 센서 저항값(Rs)으로부터 하기 [수학식 1]에 의하여 상기 절연유의 용존 가스 중 개별 가스 농도를 얻는 연산 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
[수학식 1]
[G] i = [k ij ]-1[[Log(Rs/Ro)] i -[∑a ij ] i ] (i, j=1~n)
(상기 [수학식 1]에서 Ro는 개별 가스의 농도를 고정하였을 때 측정된 상수인 센서 저항값, Rs/Ro는 센서 저항비, i는 가스 농도 측정에 사용된 개별 반도체 가스 센서에 할당된 번호, j는 가스 농도 측정을 원하는 개별 가스에 할당된 번호, n은 총 측정되는 가스의 개수, G는 측정 대상이 되는 개별 가스의 농도, [G] i 는 측정 대상이 되는 개별 가스 농도들로 구성되는 매트릭스, k ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도 변화에 따른 센서 저항비의 변화율로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, [k ij ]-1 는 i 및 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 k ij 로 구성되는 매트릭스의 역매트릭스, [Log(Rs/Ro)] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 센서 저항비의 로그값으로 구성되는 매트릭스, a ij 는 i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호를 가지는 가스 농도를 측정할 수 있는 최소 센서저항비 값으로서, i 번호를 가지는 반도체 가스 센서에서 j 번호의 가스에 따라 정해지거나 이로부터 보정된 상수값, ∑a ij 는 i를 고정하고 j가 각각 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 a ij 의 합, [∑a ij ] i 는 i가 1에서 n의 숫자로 변화하는 경우의 ∑a ij 로 구성되는 매트릭스이다.)One or more semiconductor gas sensors; And
A computing device that obtains individual gas concentrations in the dissolved gas of the insulating oil according to Equation 1 below from a sensor resistance value Rs obtained by sensing the dissolved gas of the insulating oil from the semiconductor gas sensor. Concentration measuring device.
[Equation 1]
[G] i = [k ij ] -1 [[Log (Rs / Ro)] i- [∑a ij ] i ] (i, j = 1 ~ n)
(In [Equation 1], Ro is a sensor resistance value which is a constant measured when fixing the concentration of an individual gas, Rs / Ro is a sensor resistance ratio, i is a number assigned to an individual semiconductor gas sensor used for gas concentration measurement. where j is the number assigned to the individual gas to be measured, n is the total number of gases to be measured, G is the concentration of the individual gas to be measured, and [G] i is the individual gas concentration to be measured. K ij is the rate of change of the sensor resistance ratio according to the gas concentration change having the j number in the semiconductor gas sensor having the i number. The constant value [k ij ] -1 is the inverse matrix of the matrix consisting of k ij where i and j vary from 1 to n, respectively, and [Log (Rs / Ro)] i is i from 1 to n Of sensor resistance ratio As a matrix, a ij is the minimum sensor resistance which can measure the gas concentration with j number in the semiconductor gas sensor having an i number ratio value consisting geugap, determined by the gas in j number in the semiconductor gas sensor having an i number ∑a ij is the sum of a ij where j changes from 1 to n, and [∑a ij ] i is the value i changes from 1 to n Is a matrix consisting of ∑a ij )
상기 가스 농도 측정 장치는, 반도체 가스 센서 및 상기 반도체 가스 센서와 이격하여 위치하는 복합 분리막 구조체를 포함하는 가스 센서 장치를 포함하는 것이고,
상기 복합 분리막 구조체는 매쉬 구조를 가지는 지지체; 상기 지지체 상에 위치하고 졸-겔 법에 의하여 얻어지는 다공성 물질의 코팅층; 및 상기 다공성 물질의 코팅층에 위치하는 자기 조립 단분자막;을 포함하며,
상기 가스 센서 장치의 반도체 가스 센서로부터 센서 저항값(Rs)을 얻는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.The method of claim 3, wherein
The gas concentration measuring device includes a gas sensor device including a semiconductor gas sensor and a composite membrane structure spaced apart from the semiconductor gas sensor,
The composite membrane structure is a support having a mesh structure; A coating layer of a porous material placed on the support and obtained by a sol-gel method; And a self-assembled monomolecular film positioned on the coating layer of the porous material.
And a sensor resistance value (Rs) is obtained from the semiconductor gas sensor of the gas sensor device.
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