KR101551289B1 - 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 상기한 목적을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치는, 서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제1 입자 측정부와, 마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제2 입자 측정부와, 공기를 흡입하여 상기 제1 및 제2 입자 측정부로 분배하고 배출하는 흡입부와 배출부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 입자 측정부에서 측정된 입자는 입자의 입경에 따른 부피의 대수 정규 분포도로 각각 환산되고, 상기 대수 정규 분포도는 중첩되어 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도로 구한다.
Description
본 발명은 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 서브마이크론 크기와 마이크론 크기의 미세 입자를 정확하게 측정할 수 있는 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법에 관한 것이다.
미세 입자가 호흡기를 통하여 인체로 들어가는 경우, 코나 기관지에서 걸러지지 않고 폐까지 도달한 미세 입자는 폐기능을 약화시키거나 심혈관계 질병을 유발할 수 있다.
일 예로, 입경이 2.5 μm 이하의 미세 입자인 PM2.5는 10 μg/m3 증가할 때마다, 사망률은 7 %, 심혈관 및 호흡계 사망률은 12 %씩 증가한다는 연구결과가 발표된 바 있다.
우리나라 대기환경기준은 대기 중 부유하고 있는 입자상 물질로 입경이 10 μm 이하인 입자들인 PM10의 총 질량농도를 기준으로 하고 있으나, 최근 PM2.5의 질량농도가 인체 건강과 더 밀접한 상관관계를 가진다고 알려짐에 따라, PM2 .5의 대기환경기준이 신설되어 시행될 예정이다.
더 나아가, 최근 극심한 스모그로 인하여 미세 입자 오염도가 악화되는 사례들이 보도되면서, 미세 입자의 측정 장치 및 측정 방법에 대한 관심이 높아지고, 연구가 많이 시도되고 있다.
미세 입자의 농도를 실시간으로 측정하는 장비로는 베타선 흡수 원리를 이용하는 베타게이지와 검출 소자의 고유 진동주파수 변화를 이용하는 대기 분진 농도 측정기 등이 있으나, 고가이면서 장비의 크기가 커서 미세 입자의 질량농도를 측정하기 위한 장치로 사용하는데 어려움이 있다.
광학계를 이용한 미세 입자 측정기의 일 예로 광학적 입자 계수기(OPC; Optical Particle Counter)는 PM10을 비롯하여 PM2.5, PM1 등의 질량농도를 산출할 수 있지만, 광학계로 탐지하기 어려운 0.3 μm 이하의 서브마이크론 크기의 입자의 질량농도를 측정하지 못하기 때문에, 서브마이크론 크기의 입자들의 기여율이 높을수록 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 서브마이크론 크기의 입자 표면을 (-)전하로 하전시킨 후 트랩 전압에 따라 저감되는 하전량의 측정값의 차이로부터 입자의 평균 크기 및 총 개수농도를 환산해주는 장치가 개발되었고, 대표적인 예로 특허문헌 1과 특허문헌 2가 있다.
특허문헌 1 및 2의 경우, 흡입유량이 매우 적고, 수천만원 이상의 높은 제조 비용으로 인하여 일반적인 장비로 사용되는데 어려움이 있다. 그리고 단일 채널 모델의 경우 질량농도 정보를 얻기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저렴한 가격이면서도 정확하게 미세 입자를 측정할 수 있는 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 영역, 즉 더욱 작은 크기의 미세 입자를 측정할 수 있는 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 다양한 장치들에 통합되어 활용될 수 있는 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 목적을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치는, 서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제1 입자 측정부와, 마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제2 입자 측정부와, 공기를 흡입하여 상기 제1 및 제2 입자 측정부로 분배하고 배출하는 흡입부와 배출부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 입자 측정부에서 측정된 입자는 입자의 입경에 따른 부피의 대수 정규 분포도로 각각 환산되고, 상기 대수 정규 분포도는 중첩되어 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도로 환산된다.
상기 제1 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이하의 입자이고, 상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이상의 입자일 수 있다.
상기 흡입부는 측정하고자 하는 크기 영역보다 큰 입자를 제거하는 입자 제거 유닛과, 상기 제1 및 제2 입자 측정부로 각각 입자를 분배하는 분배 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 10 μm 이하의 입자일 수 있다.
상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 2.5 μm 이하의 입자일 수 있다.
상기 제1 입자 측정부는, 측정하고자 하는 크기 영역의 입자를 분리하는 입자 분리 유닛, 분리된 입자를 대전시키는 하전 유닛, 하전된 입자의 통과를 제어하는 입자 제어 유닛, 및 통과가 제어된 입자의 하전량을 측정하는 하전량 측정 유닛을 포함할 수 있다.
상기 입자 제어 유닛은, 간격이 점차 작아지도록 단계적으로 배치되어, 잔여 이온과 입자의 크기에 따라 입자들을 부착시키는 하나 이상의 트랩, 상기 트랩을 통과한 입자들을 내부에 형성된 필터에 부착시키는 패러데이 케이지를 포함할 수 있다.
상기 제2 입자 측정부는, 광학계 모듈 또는 전기적 다단 임팩터일 수 있다.
상기 제2 입자 측정부는, 상기 입자가 포함된 공기 내에서 광을 산란시키기 위한 광 산란 유닛, 광을 발생시키는 광 유닛, 및 산란된 광을 측정하는 광 센서 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제2 입자 측정부에 의해 측정된 입자 분포는, 하나 이상의 구간으로 나누어 측정되며, 각 구간의 산술 평균 입경 또는 기하 평균 입경을 대표값으로 한 대수 정규 분포 그래프로 환산될 수 있다.
상기 배출부는 공기 내에 포함된 입자를 제거하는 입자 필터와 공기를 외부로 배출하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
상기 제1 입자 측정부에서 배출된 공기는 상기 제2 입자 측정부에 공급되어 보호 공기로서 유입될 수 있다.
상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부에 연결되어, 질량농도에 관한 정보를 처리하는 정보 처리부를 더 포함하고, 상기 정보 처리부는, 상기 제1 및 제2 입자 측정부로부터의 정보를 통하여 질량농도를 분석하는 정보 분석 유닛과 상기 질량농도에 대한 정보를 외부로 전송하는 무선 통신 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부 사이에 형성된 제1 유량 조절 장치와 상기 배출부에 형성된 제2 유량 조절 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 입자 측정 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치로 미세 입자의 농도를 측정하며, 상기 제1 입자 측정부에서 서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계, 상기 제2 입자 측정부에서 마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계 및 상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부에서 환산된 대수 정규 분포도를 중첩하고, 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도를 구하는 단계를 포함한다.
본 발명은 대기 및 실내 환경에서 호흡에 의해 인체 내에 침투하여 건강에 해로운 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 PM2.5 또는 PM10과 같은 미세 입자의 질량농도를 측정할 수 있는 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 측정 방법을 제공할 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 측정 방법은, 광학계 모듈 또는 전류계 모듈에 의한 측정범위의 한계를 상호 보완하여 미세 입자의 질량농도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 무선통신이 가능한 모듈과 통합됨으로써, 공조기 및 공기청정기 등과 같은 미세 입자 저감장치를 구동시키는 제어 장치에 대한 제어변수로 활용되어, 건강한 실내공기 확보를 가능하게 할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치의 흡입부, 제1 입자 측정부, 제2 입자 측정부 및 배출부를 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치의 정보 처리부를 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 입자 측정부를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 입자 측정부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 입자 측정부에서 미세 입자의 질량농도를 추정하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 개수에 따른 미세 입자의 대수 정규 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 채널의 대표값에 따른 미세 입자 개수농도의 대수 정규 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치의 흡입부, 제1 입자 측정부, 제2 입자 측정부 및 배출부를 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치의 정보 처리부를 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 입자 측정부를 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 입자 측정부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 입자 측정부에서 미세 입자의 질량농도를 추정하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 개수에 따른 미세 입자의 대수 정규 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 채널의 대표값에 따른 미세 입자 개수농도의 대수 정규 분포를 나타내는 그래프이다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 개시된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에 있어서 '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서(미도시)로 구현될 수 있다.
이하, 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치는, 공기를 흡입하여 분배하여 공급하는 흡입부(10), 서브마이크론 크기의 입자를 측정하는 제1 입자 측정부(20), 마이크론 크기의 입자를 측정하는 제2 입자 측정부(30), 상기 제1 입자 측정부(20)와 제2 입자 측정부(30)에서 측정된 입자가 포함된 공기를 배출하는 배출부(40) 및 상기 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30)에서 측정된 정보를 통하여 공기에 포함된 미세 입자의 질량농도 정보를 도출하는 정보 처리부(50)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1.0 μm 이하인 서브마이크론 크기의 입자는 하전량 분포를 통하여 대수 정규 분포로 환산하고, 1.0 μm 이상의 마이크론 크기의 입자는 광학계 모듈 또는 전기적 다단 임팩터를 통하여 입자분급 히스토그램으로 대수 정규 분포로 환산할 수 있다. 이를 통하여, 서브마이크론 크기의 입자의 질량농도와 마이크론 크기의 입자의 질량농도를 통합함으로써 일 예로 2.5 μm 또는 10 μm 이하의 미세 입자의 질량농도를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치의 원리를 설명하는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기와 실내 환경 내에서 미세 입자의 질량농도를 측정하기 위하여, 미세 입자의 크기에 따른 분포를 대수 정규 이산형 분포로 가정하여 측정한다. 대수 정규 이산형 분포 그래프에서, 가로축은 입자 직경(D)(μm)을 로그 스케일로 표현한 것이고, 세로축은 부피(△V/△logD)에 해당한다.
따라서 도 1b에서 dpn는 기하 평균 입경이고, σn은 대수 정규 분포도의 기하 표준 편차이고, Nn은 측정된 공기에 포함된 입자의 총 개수농도를 의미한다.
도 1b의 (a)는 서브마이크론 크기 영역의 미세 입자의 대수 정규 분포도이며, 제1 입자 측정부(20)를 통하여 입자의 하전량 분포를 측정하여 도출된다.
도 1b의 (b)는 마이크론 크기 영역의 미세 입자의 대수 정규 분포도이며, 제2 입자 측정부(30)를 통하여 얻게 되는 입자분급 히스토그램으로부터 도출된다.
도 1b의 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 서브마이크론 영역의 대수 정규 분포(그래프 (a))와 마이크론 영역의 대수 정규 분포(그래프 (b))를 합산하고, 균일 밀도의 입자로 가정하여 질량농도를 환산함으로써 원하는 영역의 미세 입자의 질량농도(즉, PM1, PM2.5 및 PM10)를 도출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실선 화살표는 공기의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 신호의 흐름을 나타낸다.
공기의 흐름을 살펴보면, 흡입부(10)는 공기를 흡입하여 제1 입자 측정부(20)와 제2 입자 측정부(30)로 분배하여 공급한다. 그리고 제1 입자 측정부(20)를 통과한 후 입자가 모두 제거된 공기는 제2 입자 측정부(30)에 보호 공기로 공급된다. 제2 입자 측정부(30)는 흡입부(10)로부터 공급된 공기와 제1 입자 측정부(20)로부터 공급된 보호 공기를 배출부(40)를 통하여 외부로 배출한다.
또한, 신호의 흐름을 살펴보면, 정보 처리부(50)는 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30)로부터 측정된 데이터를 통하여 측정된 공기의 미세 입자의 질량농도를 산출해 낸다.
또한, 전원 공급부(미도시)가 제1 입자 측정부(20), 제2 입자 측정부(30), 배출부(40) 및 정보 처리부(50)에 연결되도록 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
흡입부(10)는 공기를 흡입하여 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30)로 분배하기 위한 구성이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡입부(10)는 특정 크기 이상의 입자를 제거하는 입자 제거 유닛(11)과 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30)로 공기를 분배하기 위한 분배 유닛(13)을 포함할 수 있다.
제1 입자 측정부(20)는 서브마이크론 크기의 입자를 측정하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전류계 모듈이 이에 사용될 수 있다. 제1 입자 측정부(20)는 서브마이크론 입자를 분리하는 입자 분리 유닛(21), 코로나 방전원리를 이용하여 고농도의 이온을 발생시켜 입자 표면에 부착되게 함으로써 입자를 단일 극성으로 하전시키는 하전 유닛(23), 여분의 이온을 전기력에 의해 이동시켜 벽면에 부착시키고, 하전된 입자의 크기에 따라 전기 이동도의 차이를 이용하여 입자 통과율을 결정하여 하전된 입자의 통과를 제어하는 입자 제어 유닛(25) 및 입자의 하전량을 측정하는 하전량 측정 유닛(27)을 포함한다.
제1 입자 측정부(20)에 유입된 공기는 입자 분리 유닛(21), 하전 유닛(23), 입자 제어 유닛(25) 및 하전량 측정 유닛(27)을 순서대로 거쳐 배출된다.
제2 입자 측정부(30)는 마이크론 크기의 입자를 측정하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 광학적 입자 계수기와 같은 광학계 모듈 또는 전기적 다단 임팩터가 이에 사용될 수 있다.
제2 입자 측정부(30)는 에어로졸과 보호공기가 유입되어 공기 내에 광을 산란시키기 위한 챔버 형태의 광 산란 유닛(31)과, 레이저와 같은 광을 발생시키는 광 유닛(35)을 포함하고, 산란된 광을 측정하기 위한 광 센서 유닛(33)을 포함한다.
상기 보호 공기는 레이저 다이오드와 같은 광 유닛에서 나온 광이 집속되는 영역으로 에어로졸을 집속시키는 데에 사용될 수 있다. 상기 광 유닛(35)으로 650 내지 850 nm의 파장이 사용될 수 있고, 레이저 다이오드의 파워는 대략 500 mW로 사용될 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 입자 측정부(20)의 하류 방향으로 제1 입자 측정부(20)에서 배출되는 총 공기량을 조절하기 위한 제1 유량 조절 장치(61)가 미세 입자 측정 장치에 배치될 수 있다. 또한, 제2 입자 측정부(30)의 하류 방향에 배치되어 제2 입자 측정부(30)에서 배출되는 총 공기량을 조절하기 위한 제2 유량 조절 장치(63)가 미세 입자 측정 장치에 배치될 수 있다.
도 2의 실시예의 경우, 제1 유량 조절 장치(61)는 제1 입자 측정부(20)와 분리하여 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 제1 입자 측정부(20)에 포함된 상태로 제공될 수도 있다. 또한, 제2 유량 조절 장치(63)는 배출부(40)에 포함된 상태로 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 제2 입자 측정부(30)에 포함된 상태로 제공될 수도 있다.
배출부(40)는 제2 입자 측정부(30)의 하류 방향에 배치되어, 유입된 공기를 배출하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 입자 필터(41)와 진공 펌프(43)를 포함할 수 있다. 입자 필터(41)의 일 예로 헤파(High Efficiency Particulate Air, HEPA) 필터가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 입자들을 제거하여 공기를 배출하기 위한 다양한 필터가 이에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 처리부(50)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 정보 처리부(50)는 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30)로부터 데이터를 획득하여 미세 입자의 질량농도를 도출하는 정보 분석 유닛(51), 측정된 미세 입자 질량농도 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스(53)를 포함할 수 있다.
또한, 정보 처리부(50)는 측정된 미세 입자 질량농도에 대한 정보를 외부에 송신하거나, 외부로부터의 미세 입자 측정 장치를 구동시키기 위한 사용자의 입력 정보를 수신하기 위한 무선 통신 유닛(57)을 더 포함할 수 있다.
그리고 무선 통신 유닛(57), 정보 분석 유닛(51), 제1 및 제2 입자 측정부(20, 30), 흡입부(10) 및 배출부(40)는 제어 유닛(55)에 연결되어, 제어 유닛(55)이 이들을 각각 제어하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 입자 측정 장치는 공기 관리 시스템으로 사용될 수 있다. 측정된 미세 입자의 질량농도는 무선 통신 유닛(57)을 통하여 관리 서버(미도시)에 송신될 수 있다. 관리 서버에서 기 설정된 수준 이상으로 오염되었다고 판단하는 경우, 공기청정기와 같은 미세 입자 제거 장치들을 작동시키거나 사용자에게 스피커 또는 디스플레이를 통하여 소리 또는 시각적 이미지로 알려줄 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 입자 측정부(20)의 입자 제어 유닛(25)을 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제1 입자 측정부(20)의 입자 제어 유닛(25)은 이온 트랩 전극봉과 그에 대응하는 벽면으로 구성된 트랩(212, 213, 214)과, 트랩을 통과한 미세 입자들을 걸러내기 위한 필터(215)와 이를 포함하는 패러데이 케이지(217)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 1.0 μm 이하의 입자의 경우 전류계 모듈에서 3단계의 트랩 간극 차이에 따른 전류 측정값 차이로부터 수치 계산을 통하여 입자 크기 분포 패턴을 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 트랩(212, 213, 214)은 간격이 점차 작아지도록 단계적으로 배치하도록 구성된다. 즉, 폭이 가장 큰 제1 트랩(212), 상기 제1 트랩(212)의 폭보다 작은 제2 트랩(213), 상기 제2 트랩(213)보다 폭이 작은 제3 트랩(214)으로 구성될 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 트랩의 개수는 증감될 수 있음은 물론이다.
제1 트랩(212)에서는 하전 유닛(23)을 통과하면서 미세 입자 표면에 부착되지 않고 남은 여분의 이온(+)들을 제거한다. 그리고 나서, 제2 트랩(213)에서는 크기가 가장 작은 미세 입자를 부착시켜 미세 입자 표면의 전하에 의한 전류 I1을 전류계로 측정한다. 이후, 제3 트랩(214)에서는 제2 트랩(213)에 부착되는 미세 입자보다 큰 미세 입자를 부착시켜 미세 입자 표면의 전하에 의한 전류 I2를 전류계로 측정한다. 그리고 나서, 트랩들을 통과한 나머지의 미세 입자들을 패러데이 케이지(217)에서 필터(215)에 부착시켜 제2 및 제3 트랩(213, 214)에 부착되는 미세 입자들보다 큰 미세 입자들 표면의 전하에 의한 전류 I3를 전류계로 측정한다.
이렇게 측정된 전류 값 I1, I2, I3를 통하여, 각각의 전류 비 I1/I2, I1/I3 및 I2/I3를 계산할 수 있다. 전류 비는 총 개수농도에 무관한 특징을 가지므로, 전류 비를 이용하여, 미세 입자들의 평균입경(dp1), 표준편차(σ1)를 도출한 후, 전류 측정값을 이용하여 총 개수농도(N1)를 구할 수 있다. 평균입경(dp1), 표준편차(σ1) 및 총 개수농도(N1) 값을 구함으로써, 1.0 μm 이하의 서브마이크론 크기의 미세 입자의 대수 정규 분포를 도출할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 입자 측정부(30)를 구체적으로 나타내는 도면이다. 1.0 μm 이상의 미세 입자 측정을 위해서는 광학계 모듈을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 사용될 수 있는 미세 입자를 측정하기 위한 다양한 모듈이 사용될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에 따르면, 도 4b를 참조하면, 제2 입자 측정부(30)는 내부에 광 산란을 유도하는 하우징(311), 상기 하우징(311)으로 미세 입자를 포함하는 공기의 흐름을 형성하는 흡입구 및 배출구, 하우징(311) 내부에 레이저와 같은 광원을 공급하기 위한 레이저와 렌즈를 포함하는 광학 장치들로 구성된 광 유닛(315)을 포함한다. 그리고 하우징(311) 내부의 산란된 광을 감지하는 포토 디텍터(313)를 더 구비하고, 레이저 빔과 같은 광원으로부터 광을 흡수하기 위한 빔 덤프(beam dump)(317)를 더 구비할 수 있다.
제2 입자 측정부(30)를 통하여 얻은 입자분급 히스토그램을 이용하여 1.0 μm 이상의 미세 입자의 평균입경(dp2), 표준편차(σ2) 그리고 총 개수농도(N2)를 산출함으로써 마이크론 영역의 미세 입자의 대수 정규 분포 그래프를 도출할 수 있다.
한편, 도 1b의 그래프 (a) 및 (b)에 도시된 것과 같이 두 개의 대수 정규 분포 그래프의 입경 분포가 겹쳐지는 부분(점선)이 생길 수 있다. 이 경우, 두 개의 대수 정규 분포를 중첩시켜 최종적인 크기 분포를 얻은 후 단일 밀도를 가지는 구형의 입자로 가정하여 질량농도로 환산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 구체적인 실시예에 따르면 흡입부(10)는 입자 흡입 유닛(101)과 분배 유닛(103)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 흡입 유닛(101)은 입자를 흡입하여 약 15 μm 이상의 거대입자를 제거할 수 있다. 상기 분배 유닛(103)은 제1 입자 측정부(20)와 제2 입자 측정부(30)로 흡입된 유량을 분배하는 유량 분배기(flow splitter)일 수 있다.
상기 제1 입자 측정부(20)는 서브마이크론 크기의 미세 입자의 질량농도를 측정하기 위한 구성으로, 입자 분리 유닛(201), 하전 유닛(203), 입자 제어 유닛(205, 207) 및 하전량 측정 유닛(208)을 포함할 수 있다.
상기 입자 분리 유닛(201)은 1.0 μm 이상의 입자를 제거하기 위한 구성으로, 일 실시예에 따르면 임팩터 또는 싸이클론일 수 있다. 상기 하전 유닛(203)은 단일 극성으로 입자를 하전시키기 위한 구성으로, 일 실시예에 따르면 에어로졸 하전기가 이에 사용될 수 있다.
상기 입자 제어 유닛(205, 207)은 입자의 통과를 제어하기 위한 구성으로, 트랩(205)과 필터를 내부에 포함하고 있는 패러데이 케이지(207)를 포함할 수 있다. 트랩(205)은 잔여 이온을 제거하고 입자를 그 크기에 따라 분리하며, 패러데이 케이지(207)와 함께 대전된 입자 표면의 하전량을 측정하기 위한 것이다.
상기 하전량 측정 유닛(208)은 패러데이 케이지(207)와 트랩(205)에 전기적으로 연결되어, 입자의 하전량을 측정하기 위한 구성으로 일 예로 전류계가 사용될 수 있다.
측정된 입자의 전류는 정보 분석 유닛(501)으로 전달되어 입자의 대수 정규 분포 추정을 통하여 서브마이크론 크기의 입자의 질량농도를 도출할 수 있다.
한편, 패러데이 케이지(207)의 하류측 방향에는 제1 유량 조절 장치(601)가 연결될 수 있다. 패러데이 케이지(207)에서 방출되는 공기를 조절하여, 제2 입자 측정부(30)에 보호 공기로 공급하기 위한 구성으로, 일 실시예에 따르면 유량조절용 오리피스가 사용될 수 있다.
또한, 제1 입자 측정부(20)의 패러데이 케이지(207)로부터의 공기와 흡입부(10)의 분배 유닛(103)에서 분배된 공기는 합쳐져서 제2 입자 측정부(30)로 유입될 수 있다. 도 5의 실시예의 경우, 5 L/분의 공기가 흡입부(101)를 통하여 유입되는 경우, 분배 유닛(103)을 통하여 제1 입자 측정부(20)로 4 L/분의 공기가 에어로졸의 형태로 유입되고, 제2 입자 측정부(30)로 1 L/분의 공기가 에어로졸 형태로 유입될 수 있다. 제1 입자 측정부(20)에서 입자 질량농도 측정과정에서 입자가 제거된 공기는 보호 공기로서 제2 입자 측정부(30)에 유입될 수 있으며, 그에 따라, 제2 입자 측정부(30)에는 총 5 L/분의 공기가 유입될 수 있다.
제2 입자 측정부(30)는 광 산란 유닛(301), 광 유닛(305) 및 광 센서 유닛(303)을 포함할 수 있다.
상기 광 산란 유닛(301)은 광을 산란시키기 위한 챔버일 수 있으며, 상기 광 센서 유닛(303)은 산란된 광을 감지하기 위한 구성으로, 일 예로 포토 디텍터(313)(도 4b 참조)일 수 있다. 상기 광 유닛(305)은 광 산란 유닛(301)에 산란광을 제공하기 위한 구성으로, 일 예로 레이저 다이오드일 수 있다.
상기 광 센서 유닛(303)에서 측정된 산란광에 대한 신호는 측정 주기 시간 동안 정보 분석 유닛(501)으로 전달되어 입자분급 히스토그램을 통해 대수 정규 분포로 추정된 후 마이크론 크기의 미세 입자에 대한 질량농도 정보를 도출하도록 형성될 수 있다. 상기 측정 주기는 가변적이며, 일 예로 5분이 될 수 있다.
상기 정보 분석 유닛(501)으로 전달된 서브마이크론 크기의 미세 입자 질량농도 정보와 마이크론 크기의 미세 입자 질량농도 정보는, 상기 정보 분석 유닛(501)에서 통합되어, 기 설정된 크기 이하의 미세 입자의 질량농도를 정확하게 도출해 낼 수 있다.
위와 같이 산출된 미세 입자의 질량농도에 대한 정보는, 무선 통신 모듈(507)에 의해 외부에 형성된 서버 등에 전달될 수 있다.
상기 제2 입자 측정부(30)의 하류에는 배출부(40)가 연결되는데, 배출부(40)에는 제2 유량 조절 장치(603)와 입자필터(401), 그리고 진공펌프(403)가 포함된다. 일 실시예에 따르면 제2 유량 조절 장치(603)로 유량조절용 오리피스가 사용되거나, 또는 밸브(402)가 제2 유량 조절 장치의 역할을 수행하도록 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 입자 측정부(20)에서 측정된 전류 값에 기초하여, 서브마이크론 크기의 미세 입자의 대수 정규 분포를 도출하는 과정을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 전류계로부터 입자 크기에 따른 전류값 I1, I2 및 I3을 얻는다(S1). 전류 값들로부터 전류 비 I1/I2(=ε1a), I1/I3(=ε2a) 및 I2/I3(=ε3a)를 산출한다(S2).
전류가 측정되는 각 단(도 4a의 실시예의 경우 제2 트랩(213), 제3 트랩(214) 및 필터(215))에 부착된 미세 입자의 하전량 총합을 나타내는 전류 값 Ii(i=1, 2, 3)는 N(미세 입자의 총 개수농도), e(전자의 단위 전하량 = 1.6 ㅧ 10??19 C), nj(j번째 크기 입자 1개당 평균 전자수), Q(통과 유량), fj(j번째 크기 입자의 표준화된 대수 정규 분포도), Pi,j(i번째 전류 측정단에 부착되는 j번째 크기 입자의 비율)를 이용하여 아래 식에 의해 계산할 수 있다.
여기서 Pi,j와 nj는 크기와 개수농도를 알고 있는 표준입자를 이용하여 제1 입자 측정부에 대한 성능곡선으로부터 미리 획득해 놓을 수 있는 상수이다. 전류 비 값에 기초하여 dp (미세 입자의 기하 평균입경) 및 σ(기하 표준 편차) 값을 가정하면(S3), 표준화된 대수 정규 분포에 의해 fj가 결정되므로 전류 비 I1/I2(=ε1b), I1/I3(=ε2b) 및 I2/I3(=ε3b)를 구할 수 있다. 그리고 나서, 가정 전류 비(ε1b, ε2b, ε3b)와 실제 측정된 전류 비(ε1a, ε2a, ε3a)를 비교하여, 전류 비 오차가 기준치 미만이 되는 dp와 σ를 서브마이크론 크기의 미세 입자의 대수 정규 분포 값으로 결정할 수 있다. 구체적인 전류 비 오차는 아래와 같은 식으로 표현될 수 있으며, 일 실시예에 따르면 전류 비 오차에 대한 기준치는 10-9이 될 수 있다.
전류 비 오차 = 
< 10-9
즉, 전류 비 오차가 기준치 미만을 만족하는 경우 dp와 σ가 결정되나(S5), 전류 비 오차가 기준치 이상인 경우 다시 dp와 σ를 가정(S3)하여 기준치 미만의 오차값을 얻을 때까지 반복하게 된다(S4).
한편, dp와 σ가 결정되면(S5), N (미세 입자의 총 개수농도)을 가정하고(S6) 상기 전류 계산식을 이용하여 가정 전류 값 I1b, I2b, I3b를 구하고 실제 측정된 전류 값 I1a, I2a, I3a와의 오차를 확인하면서(S7), N을 결정하게 된다(S8). 구체적인 전류 값의 오차는 아래와 같은 식으로 표현될 수 있으며, 일 실시예에 따르면 전류 값 오차의 기준치는 10-30이 될 수 있다.
전류 값 오차 = 
<10-30
전류 값 오차가 기준치 미만인 경우 가정된 N 값으로 N 값이 결정(S8)되고, 전류 값 오차가 기준치 이상인 경우 다시 N 값을 가정하여(S6), 전류 값 오차가 기준치 미만이 될 때까지 위 과정을 반복하게 된다.
위와 같은 과정에 따라, dp, σ 및 N을 도출하여 미세 입자의 대수 정규 분포도를 구할 수 있고, 부피와 입경에 대한 대수 정규 분포도를 통하여 단일 밀도를 가지는 구형 입자로 가정하여 질량농도로 환산하여, 서브마이크론 크기 입자의 질량농도를 구할 수 있다.
한편, 위와 같은 계산을 위해 정보 처리부(50)는 비휘발성 반도체 기억장치(EPROM; erasable programmable read only memory)와 같은 정보 처리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 입자 질량농도의 정확도를 높이기 위하여 제2 입자 측정부(30)에서는 최소한의 채널 개수로 실제와 가장 근사한 입경분포를 추적할 수 있다.
제2 입자 측정부(30)로 사용될 수 있는 광학계 모듈로 측정하는 입자 크기의 범위는 반드시 이에 제한되는 것은 아니나 대략 1 내지 12 μm일 수 있다. PM10과 PM2.5의 미세 입자를 측정하기 위해 최대값이 12 μm일 수 있다. 또한, 서브마이크론 영역의 제1 입자 측정부(20)와 중첩되는 최소값은 1 μm일 수 있다.
광학계 모듈이 측정할 수 있는 크기 범위의 입자들을 최적의 채널로 결정하여 제품의 제조 단가를 낮추면서도, 제품의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자 측정 장치로, 미세 입자의 농도를 측정하는 미세 입자 측정 방법은, 상기 제1 입자 측정부에서 서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계, 상기 제2 입자 측정부에서 마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계 및 상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부에서 환산된 대수 정규 분포도를 중첩하고, 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도를 구한다.
상기 제1 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이하의 입자이고, 상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이상의 입자일 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 입자 측정부에서 PM10의 경우 대략 10 μm 이하까지의 입자를 측정할 수 있고, PM2.5의 경우 대략 2.5 μm 이하까지의 입자를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 미세 입자 측정에 있어서, 제2 입자 측정부의 입자 분포를 어떻게 대수 정규 분포로 환산하느냐에 따라 정확도가 달라질 수 있다.
즉, 입자 분포의 구간의 범위와 개수를 어떻게 설정하느냐 또는 대표값을 어떻게 설정하느냐에 따라 정확도가 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 입자 측정부에 의해 측정된 입자 분포는, 하나 이상의 구간으로 나누어 측정되며, 각 구간의 산술 평균 입경 또는 기하 평균 입경을 대표값으로 한 대수 정규 분포 그래프로 환산될 수 있다.
이하, 실시예 1 및 실시예 2를 참조하여 보다 구체적으로 알아보자.
표 1과 도 7은 각각 입자의 크기 구간을 3개(ⓑ), 4개(ⓒ), 5개(ⓓ) 및 13개(ⓐ)의 채널로 나누어 수치해석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
1 μm 내지 12 μm 범위의 미세 입자의 질량농도를 산출하였으며, 3개, 4개 및 5개의 경우 본 발명의 실시예에 따른 제2 입자 측정부(도 4b 참조)로 가정하였고, 13개 채널의 경우 미세 입자 측정에 널리 쓰이는 더스트 모니터(Dust monitor)(독일의 그림사(Grimm Corp.))를 사용하여 측정하였다.
| 채널 개수 | PM10 | PM2 .5 | ||
| 농도(μg/m3) | 오차(%) | 농도(μg/m3) | 오차(%) | |
| 3 | 76 | 10.6 | 12 | 14.3 |
| 4 | 77 | 9.3 | 12 | 14.3 |
| 5 | 78 | 8.2 | 13 | 7.1 |
| 13 | 85 | - | 14 | - |
위 표 1과 도 7을 참조하면, 13개(ⓐ)의 채널을 사용할 때와 비교했을 때 5개(ⓓ)의 채널을 사용하였을 때와 가장 비슷한 입경분포를 추정할 수 있었다. 즉, 오차가 10% 이하의 값을 추정할 수 있었다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계 모듈을 사용하는 제2 입자 측정부(30)에서 3 내지 5개의 채널, 바람직하게는 5개의 채널을 사용하는 경우 10개 이상의 채널을 적용했을 때와 비슷한 정확도로 미세 입자의 질량농도를 구할 수 있는 것을 알 수 있다.
실시예 1을 참조하여 볼 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제2 입자 측정부(30)의 산출 값을 3 내지 5개의 구간(채널)으로 나누어 산출하는 경우, 정확도가 높은 값을 산출할 수 있다. 3개 미만의 구간으로 나누는 경우 오차가 10% 이상으로 커져 정확도가 떨어지게 되며, 5개 초과의 구간으로 나누는 경우 구간이 지나치게 많아지므로 고도의 장비가 필요하거나 산술 과정이 복잡해지게 된다.
한편, 각 채널(구간)에서 측정된 값을, 어떠한 값을 기준으로 대수 정규 분포 값을 구하느냐에 따라 측정값의 정확도가 달라질 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 5개의 구간으로 나누어 측정한 경우, 각 구간(채널)의 최소값과 최대값은 아래와 같이 나누어질 수 있다.
| 채널 | 최소(μm) | 최대(μm) |
| 1 | 0.9 | 1.51 |
| 2 | 1.51 | 2.54 |
| 3 | 2.54 | 4.26 |
| 4 | 4.26 | 7.15 |
| 5 | 7.15 | 12.0 |
도 8은 각 구간에서 측정된 값(raw count)을, 각 구간의 최소값(시작점)을 기준으로 도출한 대수 정규 분포(ⓔ), 각 구간의 최대값(끝점)을 기준으로 한 대수 정규 분포(ⓕ), 각 구간의 시작점과 끝점의 각각 기하 평균 및 산술 평균을 대표값으로 하여 도출한 대수 정규 분포(ⓖ, ⓗ)를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 각 구간의 시작점과 끝점을 기준으로 도출한 대수 정규 분포보다는, 산술 및 기하 평균을 대표값으로 하여 도출된 대수 정규 분포가 실제 측정된 값(raw count)과 가장 비슷한 추정치를 얻는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 입경의 구간을 나누어 대수 정규 분포를 추정하는 방식으로 입경의 질량농도를 구하기 때문에, 기존의 광학계 모듈보다 저렴하지만, 이와 유사하거나 우수한 성능을 가지게 할 수 있다.
10: 흡입부
11: 입자 제거 유닛
13: 분배 유닛
20: 제1 입자 측정부
21: 입자 분리 유닛
23: 하전 유닛
25: 입자 제어 유닛
27: 하전량 측정 유닛
30: 제2 입자 측정부
31: 광 산란 유닛
33: 광 센서 유닛
35: 광 유닛
40: 배출부
41: 입자 필터
43: 진공 펌프
50: 정보 처리부
11: 입자 제거 유닛
13: 분배 유닛
20: 제1 입자 측정부
21: 입자 분리 유닛
23: 하전 유닛
25: 입자 제어 유닛
27: 하전량 측정 유닛
30: 제2 입자 측정부
31: 광 산란 유닛
33: 광 센서 유닛
35: 광 유닛
40: 배출부
41: 입자 필터
43: 진공 펌프
50: 정보 처리부
Claims (15)
- 미세 입자의 농도를 측정하는 미세 입자 측정 장치로서,
서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제1 입자 측정부와,
마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하는 제2 입자 측정부와,
공기를 흡입하여 상기 제1 및 제2 입자 측정부로 분배하고 배출하는 흡입부와 배출부를 포함하고,
상기 제1 및 제2 입자 측정부에서 측정된 입자는 입자의 입경에 따른 부피의 대수 정규 분포도로 각각 환산되고, 상기 대수 정규 분포도는 중첩되어 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도로 환산되며,
상기 제1 입자 측정부는, 측정하고자 하는 크기 영역의 입자를 분리하는 입자 분리 유닛, 분리된 입자를 대전시키는 하전 유닛, 하전된 입자의 통과를 제어하는 입자 제어 유닛, 및 통과가 제어된 입자의 하전량을 측정하는 하전량 측정 유닛을 포함하고,
상기 입자 제어 유닛은, 간격이 점차 작아지도록 단계적으로 배치되어, 잔여 이온과 입자의 크기에 따라 입자들을 부착시키는 하나 이상의 트랩, 상기 트랩을 통과한 입자들을 내부에 형성된 필터에 부착시키는 패러데이 케이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이하의 입자이고, 상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 1.0 μm 이상의 입자인 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 흡입부는 측정하고자 하는 크기 영역보다 큰 입자를 제거하는 입자 제거 유닛과, 상기 제1 및 제2 입자 측정부로 각각 입자를 분배하는 분배 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 10 μm 이하의 입자인 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 입자 측정부에서 측정하는 입자는 2.5 μm 이하의 입자인 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 입자 측정부는, 광학계 모듈 또는 전기적 다단 임팩터인 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 입자 측정부는,
상기 입자가 포함된 공기 내에서 광을 산란시키기 위한 광 산란 유닛,
광을 발생시키는 광 유닛, 및
산란된 광을 측정하는 광 센서 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 입자 측정부에 의해 측정된 입자 분포는,
하나 이상의 구간으로 나누어 측정되며,
각 구간의 산술 평균 입경 또는 기하 평균 입경을 대표값으로 한 대수 정규 분포 그래프로 환산되는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 배출부는 공기 내에 포함된 입자를 제거하는 입자 필터와 공기를 외부로 배출하는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 입자 측정부에서 배출된 공기는 상기 제2 입자 측정부에 공급되어 보호 공기로서 유입되는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부에 연결되어, 질량농도에 관한 정보를 처리하는 정보 처리부를 더 포함하고,
상기 정보 처리부는, 상기 제1 및 제2 입자 측정부로부터의 정보를 통하여 질량농도를 분석하는 정보 분석 유닛과 상기 질량농도에 대한 정보를 외부로 전송하는 무선 통신 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부 사이에 형성된 제1 유량 조절 장치와 상기 배출부에 형성된 제2 유량 조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항, 및 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 미세 입자 측정 장치로, 미세 입자의 농도를 측정하는 미세 입자 측정 방법으로서,
상기 제1 입자 측정부에서 서브마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계;
상기 제2 입자 측정부에서 마이크론 크기의 입자의 분포를 측정하여 대수 정규 분포도로 환산하는 단계; 및
상기 제1 입자 측정부와 제2 입자 측정부에서 환산된 대수 정규 분포도를 중첩하고, 단일 밀도를 갖는 구형 입자로 가정하여 질량농도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140061639A KR101551289B1 (ko) | 2014-05-22 | 2014-05-22 | 미세 입자 측정 장치 및 이를 이용한 미세 입자 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101551289B1 true KR101551289B1 (ko) | 2015-09-09 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR101551289B1 (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101912240B1 (ko) * | 2018-03-28 | 2018-10-26 | 주식회사 과학기술분석센타 | 미세먼지 측정 장치 |
| CN110691963A (zh) * | 2017-04-20 | 2020-01-14 | Lg电子株式会社 | 灰尘测量设备和方法 |
| KR20200089116A (ko) * | 2019-01-16 | 2020-07-24 | 건국대학교 산학협력단 | 연속적인 미세먼지 분석을 위한 수직형 듀얼 디졸베이터 및 그 동작방법 |
| US11112363B2 (en) | 2019-08-05 | 2021-09-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for measuring particulate matter |
| KR20220041971A (ko) * | 2020-09-25 | 2022-04-04 | 연세대학교 산학협력단 | 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터 |
| KR20220127395A (ko) * | 2021-03-10 | 2022-09-20 | 주식회사 전진엠에스 | 선박 내 블랙카본 측정 장치 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040444B1 (ko) * | 2008-09-04 | 2011-06-09 | 연세대학교 산학협력단 | 서브마이크론 입자의 실시간 크기분포 측정을 위한다중채널형 확산하전기 및 이를 이용한 서브마이크론입자의 실시간 크기분포 측정방법 |
-
2014
- 2014-05-22 KR KR1020140061639A patent/KR101551289B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101040444B1 (ko) * | 2008-09-04 | 2011-06-09 | 연세대학교 산학협력단 | 서브마이크론 입자의 실시간 크기분포 측정을 위한다중채널형 확산하전기 및 이를 이용한 서브마이크론입자의 실시간 크기분포 측정방법 |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110691963A (zh) * | 2017-04-20 | 2020-01-14 | Lg电子株式会社 | 灰尘测量设备和方法 |
| EP3614124A4 (en) * | 2017-04-20 | 2020-12-23 | LG Electronics Inc. -1- | DEVICE AND METHOD FOR DUST MEASUREMENT |
| US11099112B2 (en) | 2017-04-20 | 2021-08-24 | Lg Ei.Fctronics Inc. | Dust measurement device and method |
| KR101912240B1 (ko) * | 2018-03-28 | 2018-10-26 | 주식회사 과학기술분석센타 | 미세먼지 측정 장치 |
| KR20200089116A (ko) * | 2019-01-16 | 2020-07-24 | 건국대학교 산학협력단 | 연속적인 미세먼지 분석을 위한 수직형 듀얼 디졸베이터 및 그 동작방법 |
| KR102184500B1 (ko) * | 2019-01-16 | 2020-11-30 | 건국대학교 산학협력단 | 연속적인 미세먼지 분석을 위한 수직형 듀얼 디졸베이터 및 그 동작방법 |
| US11112363B2 (en) | 2019-08-05 | 2021-09-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for measuring particulate matter |
| KR20220041971A (ko) * | 2020-09-25 | 2022-04-04 | 연세대학교 산학협력단 | 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터 |
| KR102522280B1 (ko) * | 2020-09-25 | 2023-04-18 | 연세대학교 산학협력단 | 매미날개구조 생체모방 나노스파이크 충돌판이 적용된 전기적 임팩터 |
| KR20220127395A (ko) * | 2021-03-10 | 2022-09-20 | 주식회사 전진엠에스 | 선박 내 블랙카본 측정 장치 |
| KR102556940B1 (ko) | 2021-03-10 | 2023-07-20 | 주식회사 전진엠에스 | 선박 내 블랙카본 측정 장치 |
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