KR101453435B1 - 토양 매립형 가스 센서 시스템 - Google Patents

토양 매립형 가스 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토양 매립형 가스 센서 시스템에 관한 것으로, 내부가 중공된 쇄기 모양으로, 쇄기 하단에 다수의 가스 흡입구와, 상단에 하단의 유해가스를 배출하는 배출구가 형성된 하우징; 상기 하우징 내부 하단에 설치되는 것으로, 토양으로부터 상기 흡입구를 통해 흡입된 상기 유해가스의 농도를 검출하는 가스센서; 상기 하우징 내부에 밀착되어 상하 이동으로 상기 배출구를 개폐하는 배기용 이동마개; 상기 이동마개의 상하 이동을 구동하는 모터 또는 솔레노이드 장치; 및 상기 모터 또는 솔레노이드 장치 및 센서의 구동을 제어하고, 측정 데이터를 표시하는 제어 표시부를 포함한다.
이와 같은 본 발명은 간단한 구성으로, 토양에서 다량 배출되는 유해가스 적정량을 충분히 확보하고, 가스 농도 검출 및 측정을 위한 온도 및 습도를 제어하여 검출효율을 높이고, 유해가스의 포화상태로 인한 검출오류를 방지하기 위해 효과적인 가스 배출구조를 구비하여 안정적이고 정밀하게 유해가스를 검출하고 농도를 측정할 수 있는 장치를 제공한다.

Description

토양 매립형 가스 센서 시스템{landfill gas sensor system}
본 발명은 가스센서 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토양내에 발생하는 유해가스를 효과적으로 검출하기 위한 토양 매립형 가스 센서 시스템에 관한 것이다.
토양오염이란 지하에 침투한 오염 물질이 지질을 오염시키는 현상으로, 토양은 물론 지하수나 지하공기 등 지질 중에 존재하는 모든 것이 대상이 된다. 토양오염은 실태조사가 대기나 수질환경과 비교해 조사비용면으로나 제도면에서 어렵기 때문에, 오염발견이 늦어지는 경우가 많다. 그 결과 대부분의 경우, 정화비용과 기간이 많이 소요된다. 상기의 토양 오염을 정화하기 위한 방법으로서 크게 생물학적 방법과 세척법, 열탈착법, 그리고 고형화법 등이 이용되고 있다.
이러한 토양 오염 정화 방법 중 생물학적 처리 방법은, 오염된 토양에 대하여 강제적으로 공기를 주입하여 산소농도를 증대시킴으로써 미생물의 생분해능을 증진시키거나, 팽화제(bulking agent)로서 나무조각, 동식물 폐기물과 같은 유기성 물질을 혼합하여 공극과 유기물 함량을 증대시킨후 공기를 주입하여 오염물질을 분해시키는 방식을 사용하며, 통상의 생물학적 처리 방법에서는 오염 토양 내로 공기를 주입하는 수단이 필수적으로 적용되고 있다.
토양 오염을 정화하기 위한 바이오파일 시스템과 관련된 배경 기술로서 도면 제1도에 도시된 대한민국 등록특허공보 제10-0439742호의 토양 공극의 미세공기압 자동조절 방식에 의한 유류 및 유기물 오염토양의 지상 고층 야적식 정화 기술이 있다.
이 기술은 유류 또는 생분해성 유기물질로 오염된 토양을 비교적 좁은 부지에서 미생물의 분해반응을 통하여 빠른 시간 내에 고효율로 처리할 수 있는 유류 오염 토양의 지상복원장치 및 관리기술로서, 지상에 두터운 다층구조물로 야적된 오염토양에 대해 토양공극 중의 공기압을 미세하게 감지하여 공기 또는 고농도 산소를 토양속으로 가압하거나 토양으로부터 휘발성 물질을 감압 추출하도록 브로워를 주기적이며 반복적으로 작동하도록 하여 토양층의 공극간 암밀도를 조절함으로써 산소의 유동성을 증가시켜 미생물 대사활성을 극대화시키고 휘발성 물질을 회수하도록 하여 유류 및 유기물을 효과적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 오염된 토양의 처리가 진행된 정도를 파악할 수 없어 오염 토양의 정화 완료 시기를 판단하는 것이 불가능한 단점이 있다.
도 2는 종래의 토양 오염을 정화하기 위한 바이오파일 시스템을 나타낸 도면으로서, 대한민국 등록특허공보 제10-0978588호의 이동 설치가 가능한 오염토양 고층 야적식 정화장치 기술이 있다.
이 기술은 주유소, 저유소, 군사시설 등의 유류보관시설 등에서 배출된 유류에 의해 오염된 토양 및 화학물질에 의해 오염된 토양을 정화시키는 장치로서, 오염토양 적재함, 에어펌프, 분해제 송달펌프, 상기 에어펌프와 분해제 송달펌프를 배출관으로 연통된 다수개의 유공관, 온수순환펌프, 상기 온수순환펌프를 온수배출관으로 연결시킨 온수순환관, 감지센서, 상기 감지센서와 연결된 센서모니터링 원격통신 시스템, 상기 오염토양 적재함을 오염물 배출관으로 연통된 드레인 탱크로 구성된 이동 설치가 가능한 오염토양 고층 야적식 정화장치를 특징으로 한다.
그러나 이 기술은 상기 오염토양 적재함의 내부에 온도, 습도, 산소농도를 감지하는 감지센서를 설치하여 오염된 토양의 전체적인 감지가 곤란하고, 또한 오염된 토양의 처리가 진행된 정도를 파악할 수 없어 오염 토양의 정화 완료 시기를 판단하는 것이 불가능한 제약이 있다.
특히, 암모니아와 같은 토양내 가스는, 암모니아태 질소비료를 많이 사용했을 때와 현저하게 많이 사용한 유기질 질소비료의 분해에 의해 토양중에서 암모니아로 발생했을 때 토양반응이 중성∼알칼리성, 특히 토양 PH7.5이상이면 강한 일조로 인해 하우스내 온도가 급격히 올라가 암모니아의 가스화가 촉진되어 그 농도가 0.02%이상으로 높아지게 되며, 이와 같은 다량의 암모니아가스가 작물의 기공에서 잎속으로 들어가면 엽육세포가 괴사하므로 잎은 급격히 거므스름해져 시들게 하는 문제가 발생하므로, 토양내 암모니아 가스의 농도를 정확히 측정하고, 이를 계속적으로 모니터할 필요가 있다.
그러나, 종래의 가스센서로는 토양속에 삽입시켜, 가스를 확보할 공간이 없어 충분하고 적정한 가스를 획득할 수 없을 뿐만 아니라, 공간을 확보하여 가스를 획득한다고 하더라도, 가스압이 높아져 위험할 뿐만 아니라, 가스의 포화로 인해 정밀한 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 토양에서 다량 배출되는 유해가스 적정량을 충분히 확보하고, 검출효율을 높이고, 유해가스의 포화상태로 인한 검출오류를 방지하기 위해 효과적인 가스 측정 시스템을 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 특징은 내부가 중공된 쇄기 모양으로, 쇄기 하단에 다수의 가스 흡입구와, 상단에 하단의 유해가스를 배출하는 배출구가 형성된 하우징; 상기 하우징 내부 하단에 설치되는 것으로, 토양으로부터 상기 흡입구를 통해 흡입된 상기 유해가스의 농도를 검출하는 가스센서; 상기 하우징 내부에 밀착되어 상하 이동으로 상기 배출구를 개폐하는 배기용 이동마개; 상기 이동마개의 상하 이동을 구동하는 모터 또는 솔레노이드 장치; 및 상기 모터 또는 솔레노이드 장치 및 센서의 구동을 제어하고, 측정 데이터를 표시하는 제어 표시부를 포함한다.
여기서, 상기 유해가스는 암모니아가스인 것이 바람직하고, 상기 하우징 내부에 온도를 측정하기 위한 온도/습도 센서를 더 구비하는 것이 바람직하며, 상기 하우징 내부의 온도 및 습도를 제어하기 위한 히터를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 제어 표시부는, 상기 모터와 센서의 제어신호를 처리하는 신호처리부와, 상기 처리된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 상기 제어신호로부터 생성된 데이터를 표시하는 표시장치를 포함하는 것일 수 있다.
더하여, 상기 하우징은, 중공된 쇄기 모양의 제1 하우징과, 상기 제1 하우징에 삽입되는 중공된 쇄기 모양의 제2 하우징으로 형성된 2중 하우징인 것이 바람직하고, 상기 공기 배기용 이동마개는, 일정한 시간 간격으로 주기적으로 상하 이동하여, 상기 배기구를 개폐하는 것이 바람직하다.
이처럼 본 발명은 간단한 구성으로, 토양에서 다량 배출되는 유해가스 적정량을 충분히 확보하고, 가스 농도 검출 및 측정을 위한 온도 및 습도를 제어하여 검출효율을 높이고, 유해가스의 포화상태로 인한 검출오류를 방지하기 위해 효과적인 가스 배출구조를 구비하여 안정적이고 정밀하게 유해가스를 검출하고 농도를 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
도 1은 종래의 토양 오염을 정화하기 위한 바이오파일 시스템의 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 종래의 또 다른 토양 오염을 정화하기 위한 바이오파일 시스템을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토양 매립형 가스 센서 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토양 매립형 가스 센서 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서 시스템은, 내부가 중공된 쇄기 모양으로, 쇄기 하단에 다수의 가스 흡입구(250)와, 상단에 하단의 유해가스를 배출하는 배출구(150)가 형성된 하우징(100,200); 상기 하우징(100,200) 내부 하단에 설치되는 것으로, 토양으로부터 상기 흡입구(250)를 통해 흡입된 상기 유해가스의 농도를 검출하는 가스센서(600); 상기 하우징(100,200) 내부에 밀착되어 상하 이동으로 상기 배출구(150)를 개폐하는 공기 배기용 이동마개(300); 상기 이동마개(300)의 상하 이동을 구동하는 모터(350) 또는 솔레노이드 장치; 및 상기 모터(350) 또는 솔레노이드 장치 및 센서의 구동을 제어하고, 측정 데이터를 표시하는 제어 표시부(400)를 포함한다.
여기서 유해가스란 토양내 존재하는 가스로 과다 방출되는 경우 작물에 피해를 유발하는 가스를 말하는 것으로, 암모니아가스, 아질산가스, 에틸렌 등의 가스를 말한다.
보다 구체적으로 토양내에서의 유해가스 방출과 그 피해원인을 살펴보면, 토양내에 질소분이 지나치게 많아지면 토양의 수용능력이 떨어져 첫 번째로 가스가 발생하게 되고, 두 번째로 지온이 낮아지면 질산화성균의 활성이 떨어져 아질산에서 질산태질소로 바꾸어지는 기간이 길면 가스가 발생하게 되며 세 번째로 토양이 건조하면 분해속도가 늦어지므로 오랫동안 가스를 내품게 된다.
또한, 우리나라의 시설재배 시 가스 장해를 살펴보면 대략 20% 정도에 피해를 받고 있다. 시설내 가스 장해는 꼭 화학비료의 과다 사용에서만 생기는 것이 아니라 미숙유기물에 의해서 암모니아가스(NH3)와 아질산가스(NO2) 등이 발생되고, 난방기의 불연소 된 배기가스에 의해서 아황산가스(SO2)나 일산화탄소(CO), 엔틸렌가스(C2H4) 등의 가스가 피해를 주고 있다.
밀폐된 시설 내 과다의 화학비료 사용은 식재된 작물이 비료를 흡수할 수 있는 양보다 많이 주었을 때와 토양이 비료분의 흡착할 수 있는 양보다 많이 주었을 때를 말하며, 사용된 비료가 수분이 있으면 토양용액에 녹아 토양입자에 흡착이 되지만 수분이 없으면 바로 휘산 될 수도 있다. 토양이 비료를 흡착할 수 있는 능력을 염기치환용량(CEC)라고 하며 점질계 토양의 경우에는 이 염기 치환용량이 높아 비료 사용량이 다소 많더라도 별문제가 없으나 사질 토양의 경우에는 염기치환용량이 낮아 염류장해가 더 빨리 일어난다.
그리고, 다년간 연작을 하여 작물에 준 비료가 남아서 토양에 축적이 된 상태에서 과량의 화학비료를 사용하면 유해가스로 변하게 되는데 토양의 pH가 높을 경우에는 암모니아가스가 발생되고 pH가 5.0 이하로 낮을 경우에는 미생물의 활동이 미약해져서 아질산가스가 발생하게 된다. 시설재배의 경우 부숙이 덜 된 퇴비나 계분, 유박비료와 같은 유기질을 많이 사용하게 되면 유기물질이 부숙되는 과정에서 생기 암모니아가스가 모여서 토양이 알칼리화되면서 암모니아가스 발생을 하게 된다. 따라서 질소비료나 유기질의 무분별한 사용은 암모니아가스 발생을 초래하여 농작물에 장해를 유발시킨다.
또 한가지는 작물재배가 되고 있는 시설에서 토양을 검정하여 토양의 pH가 낮아서 작물이 제대로 자라지 못하고 있다고 진단이 내리면 우선 급한 마음에 작물이 자라고 있는 통로의 사이에 소석회, 입상생석회, 고토석회를 살포하게 디면 토양에 축정된 비료에 토양은 산성인데 살포한 비료가 알칼리성이므로 산과 알칼 리가 중화가 되면서 가스를 발생시켜 시설 내는 이상한 냄새를 풍기면 잎에 생기가 없고 더운물에 삶겨진 거 같이 된다. 이때 암모니아가스가 발생하게 된다.
이처럼 토양내 암모니아가스등과 같은 유해가스가 과다 방출되어 농작물에 피해를 주는 것을 미연에 방지하기 위해 본원 발명에서는 토양에 매립하여 유해가스등의 농도를 효과적으로 검출할 수 있는 장치를 제안한다.
본발명의 실시예에 따른 토양 매립형 가스 센서 시스템은, 일부가 토양에 매립된 중공된 쇄기형 하우징(100,200) 하부에 일정한 공간을 형성하여, 가스센서(600)를 통해 농도를 측정하고, 하우징(100,200) 상부에 설치된 제어 표시부(400)에 의해 측정된 데이터를 표시하는 장치로 구성된다.
본 발명의 실시예는 종래의 단순한 가스 센서와는 달리, 상기 하우징(100,200) 하단에 위치한 공간에 토양내에서 발생하는 가스가 유입될 수 있도록, 쇄기형 하우징(100,200) 하단 측면에 다수의 가스 흡입구(250)을 형성하고, 가스가 다량 유입되어 포화되는 경우 측정 오류 등의 발생을 방지하기 위해 하우징(100,200) 상단 측면에 가스 배출구(150)을 형성하되, 피스톤 형태의 배기용 이동마개(300)를 삽입 장착하여 상하 이동으로 상기 배출구(150)를 개폐하는 구조를 제안한다.
이와 같은 구조는 토양내에서 발생하는 유해가스를 효과적으로 유입시켜 획득하고, 획득한 유해가스를 적정한 온도와 습도에서 최적의 농도를 측정하기 위해, 상단부에 배출구(150)와 상기 배출구(150)를 개폐하는 배기용 이동마개(300)를 구비하여 주기적으로 상하 구동시키는 구조를 제안함으로써, 정밀하고 효과적으로 암모니아가스 등과 같은 유해가스를 실시간을 농도를 검출하고 측정할 수 있게 된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 하우징(100,200)은 중공된 2중의 쇄기형 구조로 하단은 토양에 매립하고 상단은 지상에 노출되는 구조이다. 토양 또는 지하에 매립되는 하단의 측면에는 다수의 유해가스 흡입구(250)가 형성되어 있기 때문에, 토양에서 유해가스가 발생되는 경우 기압이 낮은 하우징(100,200) 하단의 내부 공간으로 흡입구(250)을 통해 용이하게 유입되어 측정할 수 있는 가스의 양을 충분히 확보할 수 있게 된다.
하우징(100,200) 하단 내부 공간에는 유해가스를 검출하고 농도를 측정할 수 있는 가스센서(600)와, 온도/습도 센서(700) 및 히터(500)가 장착되어 있다. 가스의 농도를 검출하기 위해서는 적정한 온도와 습도를 유지해야 하므로, 하우징(100,200) 하단 내부 공간의 온도 및 습도를 상기 온도/습도 센서(700)를 통해 측정하고, 습도의 적정 범위의 70% 이하를 유지하기 위해 히터(500)를 통해 내부 온도를 조절하게 된다.
상기 유해가스 측정을 위한 내부공간 상부에는 피스톤 형태의 배기용 이동마개(300)가 삽입 장착되는데, 이는 하우징(100,200) 상단의 측면에 설치된 배출구(150)를 통해, 하단에 유해가스가 많이 유입되어 포화되는 경우 측정 오류 등 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 유해가스의 적정량을 외부로 배출하기 위한 개폐구조를 제안하기 위함이다.
즉, 상기 배기용 이동마개(300)가 배출구(150)를 사이에 두고 상하 피스톤 운동을 하게 되는 경우, 상부로 이동할 때는 배출구(150)가 열리게 되고 하부로 이동할 때는 닫히는 개폐구조를 형성하게 된다. 이와 같은 개폐구조의 구동은 배기용 이동마개(300) 상부에 연결된 모터(350) 또는 솔레노이드 장치에 의해 상기 배기용 이동마개(300)를 상하 구동시키게 되고, 상하 구동은 일정한 주기동안 반복적으로 구동시켜, 유해가스의 흡입구(250)를 통한 유입과 배출구(150)를 통한 배출로 적정한 양의 유해가스를 유지시켜 효과적이고 안정적이 검출 및 농도 측정을 수행할 수 있게 된다. 여기서 배기용 이동마개(300)는 배출구(150)의 효과적 개폐와 밀폐를 위해 플라스틱 또는 고무재질을 사용하는 것이 바람직하다.
하우징(100,200)의 최 상단부는 상기 센서들(600,700)과 모터(350)의 구동을 제어하고, 센서들(600,700)로부터 측정된 데이터를 표시하고 시스템의 제어 파라미터를 표시하는 제어 표시부(400)가 설치된다. 제어 표시부(400)는 상기 가스센서(600), 온도/습도 센서(700)로부터 수신된 신호를 증폭하는 신호증폭부(430)와, 증폭된 신호를 처리하는 장치로 마이크로프로세서를 포함하는 신호처리부(410)와, 상기 센서들(600,700)로부터 측정된 신호 데이터 및 구동 제어 데이터, 시스템 구동 제어 데이터를 표시하는 표시장치(450)로 구성된다. 여기서 표시장치는 소형 LCD 장치나 터치패널을 이용한 표시장치(450)를 사용하는 것도 가능하다.
이처럼 본 발명은 간단한 구성으로, 토양에서 다량 배출되는 유해가스 적정량을 충분히 확보하고, 가스 농도 검출 및 측정을 위한 온도 및 습도를 제어하여 검출효율을 높이고, 유해가스의 포화상태로 인한 검출오류를 방지하기 위해 효과적인 가스 배출구(150)조를 구비하여 안정적이고 정밀하게 유해가스를 검출하고 농도를 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100,200: 하우징, 150: 배출구, 300: 배기용 이동마개, 350: 히터,
400: 제어 표시부, 410: 신호처리부, 430: 신호증폭부, 450: 표시장치,
500: 히터, 600: 가스센서, 700: 온도/습도 센서

Claims (7)

  1. 내부가 중공된 쇄기 모양으로, 쇄기 하단에 다수의 가스 흡입구와, 상단에 하단의 유해가스를 배출하는 배출구가 형성된 하우징;
    상기 하우징 내부 하단에 설치되는 것으로, 토양으로부터 상기 흡입구를 통해 흡입된 상기 유해가스의 농도를 검출하는 가스센서;
    상기 하우징 내부에 밀착되어 상하 이동으로 상기 배출구를 개폐하는 배기용 이동마개;
    상기 이동마개의 상하 이동을 구동하는 모터 또는 솔레노이드 장치; 및
    상기 모터 또는 솔레노이드 장치 및 센서의 구동을 제어하고, 측정 데이터를 표시하는 제어 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유해가스는 암모니아가스인 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 온도를 측정하기 위한 온도/습도 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징 내부 및 상기 이동마개 하부에 설치되는 것으로, 상기 하우징 내부의 온도 및 습도를 제어하기 위한 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 표시부는,
    상기 모터와 센서의 제어신호를 처리하는 신호처리부와,
    상기 처리된 신호를 증폭하는 신호증폭부와,
    상기 제어신호로부터 생성된 데이터를 표시하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    중공된 쇄기 모양의 제1 하우징과,
    상기 제1 하우징에 삽입되는 중공된 쇄기 모양의 제2 하우징으로 형성된 2중 하우징인 것을 특징으로 하는 토양 매립형 가스 센서 시스템.






  7. 삭제
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