KR101662609B1 - 복수개의 챔버 내 배출 가스 농도의 동시 실시간 연속 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수 챔버를 갖는 배출 가스 농도 실시간 연속 모니터링 시스템을 이용하여 복수개의 벼 경작지 챔버들 내 특정 측정대상 가스 농도를 동시에 실시간으로 연속 모니터링을 수행하기 위한 것으로, 상기 복수의 챔버는 다수 개의 챔버 군으로 나뉘고, 각각의 챔버 군은 동일한 싸이클을 갖되 서로 다른 시간대에 챔버가 밀폐되어, 동일한 챔버 군 내의 배출 가스에 대해서는 동일한 시간대에 배출 가스 농도를 측정할 수 있고, 사용자 단말부를 통해 24시간 연속 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

복수개의 챔버 내 배출 가스 농도의 동시 실시간 연속 모니터링 시스템 {SIMULTANEOUS REAL-TIME CONTINUOUS MONITORING SYSTEM OF EMISSION GAS CONCENTRATIONS IN MUTLIPLE CHAMBERS}

본 발명은 다중채널 폐쇄경로형 분광측정 장치를 이용하여 복수개의 경작지 챔버 내 특정 가스 배출 농도를 동시에 실시간으로 연속으로 모니터링을 수행하기 위한 기술에 관한 것이다.

현재 기후변화를 일으키는 인위적인 원인으로 지목된 온실가스에 대한 국제적, 국가적 및 지역적 차원에서의 관리 방인들이 개발되고 이행되고 있다. 국제표준화기구(ISO)는 온실가스 배출 및 제거의 정량 및 보고를 위한 조칙 차원의 사용 규칙 및 지침, 온실가스 배출 감축 및 제거의 정량, 모니터링 및 보고를 위한 프로젝트 차원의 사용 규칙 및 지침, 온실가스 선언에 대한 타당성 평가 및 검증을 위한 사용규칙 및 지침들을 국제표준으로 제정하였다. 또한 이에 발맞춰 우리나라 정부는 상기 국제표준들을 한국산업규격(KS)으로 채택하여 제정하였다.

이러한 배경에서 기후변화를 일으키는 온실가스 배출 농도의 정확한 평가는 모든 기후변화 대응 연구의 초석이며, 신뢰성이 높은 온실가스 배출 농도의 평가는 모든 기후변화 예측 및 모델링 연구의 실질적인 기초자료로서 활용된다. 이뿐 아니라 기후변화 대응 기술개발, 온실가스 저감기술 개발, 저감정책 및 계획 수립 등 기후변화에 효율적으로 대응하려면 예외 없이 온실가스 발생량에 대한 실질적이고 신뢰성 높은 온실가스 모니터링 자료 확보가 필요하다.

벼 경작지에서 주로 발생하는 비 이산화탄소계 온실가스는 메탄과 아산화질소다. 벼재배는 농업분야(특히, 논)에서 가장 주된 온실가스 메탄배출 농도의 주요부분이며, 전 세계적으로 농업분야 온실가스 배출 농도의 양대 산맥(논과 밭)의 한 분야이다. 이 중 메탄은 현 대기 내 존재량의 5∼30 %가 농업분야 논토양에서 발생되므로, 벼논은 대기 중 메탄의 가장 중요한 개별 원천이며, 농업분야 온실가스 단일 배출 원으로 가장 중요한 부문으로 알려져 있다. 메탄은 저지대나 담수된 논에서 유기물이 혐기 분해되는 과정에서 발생하며, 대부분이 벼의 통기조직을 통해 대기 중으로 배출된다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 세계 연간 총 메탄 배출 농도는 535 Tg CH4/year(T = 1012)이며, 이 중에서 농업분야에서 발생하는 메탄 배출 농도는 60 ± 40 Tg으로 추정하였다. 이 같은 배출 농도 산정은 주로 미국, 스페인, 이탈리아, 중국, 인도, 호주, 일본 및 태국에 있는 논에서 나오는 메탄 배출의 현장 챔버방식 모니터링 측정치를 근거로 하였다. 현재 아시아 지역이 세계 논 메탄 배출 농도의 90 %를 차지하고 있으며, 아시아 국가 중 인도와 중국이 가장 많은 논 메탄 배출 농도 국가이다. 온실가스 의무감축국들(Annex I 국가들)은 현재 온실가스 배출 농도 산정, 보고, 검증체계(Monitoring, Report, and Verification)가 잘 갖추어져 있고, 배출 농도 산정방법과 산정결과의 정확성이 높다고 평가되고 있다. 하지만 농업분야의 온실가스 배출 농도의 정확한 측정과 결과의 검증은 여전히 어렵고 타 분야에 비해 상대적으로 불확실성이 크다고 알려져 있다. 이런 이유로 인해 유럽 배출권 거래시스템(EU-ETS)에서도 아직 농업분야의 온실가스 배출은 거래되지 않고 있다. 지금까지 농업분야에서는 온실가스 배출 농도 및 전망과 관련하여 UN기후변화협약에 의거한 대한민국 국가보고서(1998)와 기후변화협약에 의거한 제2차 대한민국 국가보고서(2003)에 이어 지난 2008년 IPCC 국제기구에 제출된 우리나라 온실가스 3차 국가보고서에서 농업분야 온실가스 배출 농도는 2005∼2020년까지 연평균 0.6 %씩 감소될 것으로 전망하고 있다.

우리나라의 경우에도 이 부분에서 가장 주요하며 우선적으로 온실가스 배출 농도 산정이 이루어지고 있는 상황이다. 현재 우리나라 농업분야 기후변화 대응 중장기 연구계획에 의하면 2010년부터 2014년까지 우리나라는 Tier 2 수준의 온실가스 고유 배출계수 개발과 Tier 2 수준의 농업분야 국가보고서 작성체계구축과 온실가스 배출 농도 검증 인증체계 구축을 추진 중에 있다. 이러한 국가 차원의 과제를 수행하기 위한 기반 기술로서, 온실가스 배출 농도 현장 모니터링 기술, 배출계수의 불확도 평가 기술, 온실가스 배출 농도 및 저감량 검증 기술 등이 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.

메탄배출 농도를 측정하는 방법으로서는 챔버법과 미기상법으로 크게 분류된다. 챔버법은 토양표면에 바닥이 없는 상자(챔버)를 설치하고 그 속의 기체농도 변동에서 플럭스를 산출하는 것이다. 챔버법은 낮은 비용, 손쉬운 사용, 그리고 처리 수준의 연구들과 공간 또는 시간에서의 일치성과 반복 측정을 요하는 연구들에 매우 유용하다.

현재 가장 선진화된 형태의 벼 경작지 현장 농작물에서 발생하는 온실가스 배출 농도를 측정하는 기술은 자동제어장치를 이용하여 자동개폐형 정적(static) 챔버로부터 주기적으로(1일 최대 8회) 공기 시료를 채취하여 시료 이송라인을 통해 벼 경작지현장 가스분석실 내의 가스크로마토그래피에 의해 메탄 농도를 비실시간, 비연속으로 분석하는 자동화 방식을 채택하고 있다. 다시 말해, 자동식 간헐 측정으로 즉, 측정을 연속으로하는 것이 아니고 간헐적인 측정을 자동화 한 것이다.

벼 경작지 현장 챔버 내부(예, 432 L)에서 포집된 가스(예, 총 0.3 L이 포집)가 가스크로마토그래프로 이송되어 분석컬럼에 사용(예, 가스크로마토그래프의 시료루프에 0.003 L만 사용됨)되고 외기로 버려진다. 포집된 가스시료의 양이 챔버 내부 용적에 비해 극히 작아서 혼합팬을 가동한다 하더라도 챔버 내부의 완벽한 혼합이 이루어지지 않는 이상 모집단을 대표하는 표본의 크기 비율(예, 전체 공기부피 중 0.07%만 시료포집되어 0.0007%만 분석에 소모됨)이 너무 작아 측정값의 대표성에 문제가 있다. 다시 말해, 0.3 L가 챔버 내부를 대표할 수 있는 평균농도 이어야 하지만 이에 대한 신뢰성을 확인할 방법이 없는 문제가 있다.

또한, 벼 경작지 현장 챔버가 개방되었을 때 최초 시간의 공기 시료를 채취 이송하여 1회 분석하고, 챔버 폐쇄 후 30분간 온실가스가 누적될 때가 기다린 후 공기시료를 채취하여 1회 분석하므로 이 농도차에 의한 배출 농도 측정의 반복성 확인이 불가능하다는 한계(예, 초기 농도가 일반 대기 수준과 차이가 발생되어 분석된 경우 분석기기의 교정상태가 불량인지, 혹은 이송라인의 세척상태가 불량인지, 혹은 챔버 상단 혹은 하단에 부착된 환기용 팬들의 구조적인 문제로 챔버 내 환기가 제대로 되지 않는 것인지 등 배출 농도 값의 신뢰성 파악이 어렵다.)가 있다. 이는, 분석을 여러 번 할 수 없기 때문에 한번 잘못 측정된 결과가 발생하게 되면 전체 배출 농도에 대한 신뢰성이 많이 떨어지기 때문이다. 이는 간헐 포집(채취)에서 발생되는 문제다. 다시 말해, 분석을 아무리 잘해도 채취한 것이 잘못되면 배출 농도 값의 신뢰성이 떨어지며, 문제가 발생되었을 때 그 시간대의 환경을 재현할 수 없다는 문제점이 있다.

또, 챔버로부터 공기시료를 이송하여 가스크로마토그래피로 분석할 때 근본적으로 시간차(수분 이상)가 발생하므로 비실시간, 비연속 측정이므로 현실적으로 매우 짧은 시간의 급격한 발생량(예, 순간적으로 높은 배출 농도)나 상대적으로 짧은 시간 동안(예, 메탄 측정의 경우 30분간)의 온실가스 배출 농도 변화의 양상을 현실적으로 실시간 연속적으로 파악하기 불가능한 문제점이 있다. 다시 말해, 채취를 잘 했다고 하더라도 채취된 상황에서의 실시간이 아니고 분석시간 이후에 나타난 결과를 보게 되며, 분석에 최소 5~10분 이상 걸리게 되므로 비 실시간적인 문제가 있다.

또한, 벼 경작지현장 가스분석실에서 운용하는 가스크로마토그래피 분석시스템을 연속적으로 운용하기 위해서는 여러 가지 종류의 고압 고순도 가스들(예, 질소, 헬륨, 수소, 공기 등) 등의 연속적인 소모와 교체로 인한 추가 비용이 필수적으로 소요되고 주기적인 고압가스 관리와 다양한 소모품 교체가 필요하다고 문제점이 있다. 다시 말해, 가스크로마토그래피를 사용하게 되면 장비를 운용하기 위해서 사용되는 소모성 가스들이 지속적으로 필요한 문제점이 있다. 이는 가스크로마토그래피가 컬럼을 써서 가스를 운반시켜 밀어내면서 측정을 하게 되는데 밀어내는 가스가 필요하고, 검출하기 위해 불꽃을 발생시키기 위한 수소가스도 항시 필요하기 때문이며, 이로 인해 많은 공간을 필요로 하고, 관리가 어려우며, 관리비용이 많이 들고, 가스로 인한 사고의 위험성이 항상 따른다.

아울러, 복수개의 챔버로부터 같은 시간 동안(예, 30분)의 가스시료를 동시에 포집해야 하므로 임시로 보관한 후에 이를 순차적으로 1대의 가스크로마토그래프로 분석하는 방법은 현실적으로 분석시간이 많이 소요되며 보관하는 동안 작은 부피(0.03 L)의 시료의 잠재적인 농도 변화로 인해 정확성이 저하될 수 있는 문제점이 있다. 다시 말해, 모든 챔버에 대하여 동일한 시간대의 샘플을 확보해야 하기 때문에 채집은 동시에 이루어지며, 측정은 순차적으로 하게 되므로 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0992876호에서는 농업용 온실가스 측정 장치 및 이를 이용한 온실가스 측정방법이 개시되어 있다.

한국등록특허 제10-0992876호

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자동개폐형 가스 플럭스 챔버를 이용하여 벼 경작지 현장의 벼 재배로 인해 발생되는 벼 경작지 현장의 메탄 가스를 채취하고, 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하여 채취된 시료의 가스 배출 농도를 연속적으로 실시간 모니터링할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 복수개 챔버들의 내부에서의 메탄 가스 배출 농도를 동시에 파악할 수 있는 기술을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 복수 챔버를 갖는 배출 가스 농도 실시간 연속 모니터링 시스템은 덮개, 팬, 시료채취구 및 시료환원구를 포함하는 복수의 챔버(100), 상기 복수의 챔버(100)와 연결되어 각 챔버(100)의 덮개와 팬을 제어하고, 온도 및 압력을 모니터링하는 챔버관리부(200), 각 챔버(100)의 시료채취구와 일측이 연결되는 제1 이송라인(150), 각 챔버(100)의 시료환원구와 일측이 연결되는 제2 이송라인(160), 가스입구 및 가스출구를 포함하고, 상기 가스입구가 상기 제1 이송라인(150)의 타측과 연결되어 상기 제1 이송라인(150)으로부터 유입된 가스의 성분을 분석하는 복수의 가스분광분석부(300), 상기 가스분광분석부(300)의 가스출구와 일측이 연결되며, 상기 가스분광분석부(300)로부터 배출된 가스의 유량을 측정하는 복수의 유량계(400), 흡입부 및 토출부를 포함하고, 상기 흡입부와 상기 유량계(400)의 타측이 연결되고, 상기 토출부와 상기 제2 이송라인(160)의 타측이 연결되는 복수의 펌프(500), 상기 챔버관리부(200) 및 복수의 가스분광분석부(300), 유량계(400) 및 펌프(500)와 연결되어, 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300) 및 유량계(400)로부터 전송된 정보를 관리하고, 각 펌프(500)를 제어하여 시료채취구로부터 시료환원구까지 연결된 유로상의 가스의 흐름을 제어하는 관리부(600); 및

상기 관리부(600)와 연결되며, 상기 관리부(600)에 제어명령을 전달하고, 상기 관리부(600)로부터 전달받은 정보를 실시간 모니터링 하는 사용자 단말부(700)를 포함하되, 상기 복수의 챔버(100)는 다수 개의 챔버 군으로 나뉘고, 각각의 챔버 군은 동일한 싸이클을 갖되 서로 다른 시간대에 챔버가 밀폐되어, 동일한 챔버 군 내의 배출 가스에 대해서는 동일한 시간대에 배출 가스 농도를 측정할 수 있고, 상기 사용자 단말부(700)를 통해 24시간 연속 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 챔버 내 가스 몰분율을 측정한 데이터를 이용하여 챔버를 밀폐한 시간 동안 가스배출 농도를 산정하고, 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 근거로 챔버의 밀폐 성능을 분석하고, 챔버를 열고 챔버 내 가스 몰분율이 대기중 몰분율과 유사하게 되는 시간을 근거로 팬의 성능을 분석하는 것을 특징으로 한다.

일정시간 각 챔버 군이 닫혀 있는 시간이 겹치도록 한 후 챔버를 닫고 있는 시간이 겹쳐지는 구간의 데이터를 분석하고, 챔버를 닫은 초기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량과 챔버를 닫은 말기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 비교하여 가스 배출 농도 측정의 신뢰성을 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치에 의하면, 챔버 내부의 가스시료를 챔버 내부 부피(예, 432 L) 대비 충분한 공기시료의 양(예, 1.5 L/min)을 연속 분석에 사용하고 다시 챔버 내부로 환원시킴으로서 실시간 시료의 대표성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 극히 짧은 측정주기(예, 1초에 10번 측정데이터 확보)로 인해 진정한 의미의 실시간 온라인 모니터링이 가능하여 온실가스 배출 농도 측정값의 정확성과 정밀성을 모두 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 가스분광측정 장치의 온라인 운용이 가능함으로써 가스크로마토그래피 분석시스템을 운용하기 위한 고압가스들의 소모가 불필요하여, 분석기기 운용 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 가스분광측정 장치의 교정주기에 따라 교정하는 것으로, 교정작업이 매번 필요한 가스크로마토그래프를 이용하는 방식보다 훨씬 간단하고 편리하게 측정이 가능하며 이로 인해 경비를 줄이고 측정 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

아울러, 복수개의 챔버로부터 동시에 가스를 이송하여 다중채널로 가스분광측정 장치를 이용하여 실시간 연속 동시 측정을 하면서 다시 시료를 챔버 내부로 회수되도록 함으로써 챔버 내부의 가스농도 변화를 없앨 수 있어 시료가스의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법에 의하면, 챔버 내 가스 몰분율의 변화하는 정도를 근거로 가스배출 농도 산정뿐 아니라 챔버의 밀폐 성능 분석 및 팬의 성능 분석도 가능한 효과가 있다.

아울러, 하루 24시간 연속 모니터링이 가능함으로써, 보다 신뢰성 높은 가스 배출 농도를 산정 할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치의 개념도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하고, 챔버로 가스 배출 농도 모사 챔버를 이용하여 미리 결정된 배출 농도의 가스를 챔버 내부에 분사하여 가스 배출 농도 모사 챔버 내부의 가스 농도를 보여주는 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하고, 챔버로 가스 배출 농도 모사 챔버를 이용하여 가스 배출 농도 모사 챔버의 리크를 검사하는 예를 보여주는 그래프
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법의 개념도

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치의 개념도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하고, 챔버로 가스 배출 농도 모사 챔버를 이용하여 미리 결정된 배출 농도의 가스를 챔버 내부에 분사하여 가스 배출 농도 모사 챔버 내부의 가스 농도를 보여주는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하고, 챔버로 가스 배출 농도 모사 챔버를 이용하여 가스 배출 농도 모사 챔버의 리크를 검사하는 예를 보여주는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법의 개념도이다.

이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 벼 경작지 현장에서 메탄가스 배출 농도를 모사하기 위한 용도로 사용하는 예를 들어 설명하도록 한다. 벼 경작지현장과 메탄가스를 예로 들었으나 어느 곳이라도 미지의 시료가스(CH₄, CO₂, N₂O, SF₆, HFCs, PFCs, CFCs 등)의 확인이 필요한 현장(벼 경작지, 초지, 산림, 중전기 분야, 반도체 제조 공정, LCD 제조 공정, 폐기물 매립지 등)에 설치된 챔버를 이용하는 분야에 사용될 수 있다.

벼 경작지 메탄 가스 배출 농도 측정을 목적으로 전 세계적으로 표준화된 기술로 사용되고 있는 정적 가스 플럭스 챔버법(static gas flux chamber)은 벼가 재배되는 토양표면에 바닥이 없는 야외챔버를 설치하고 그 속의 메탄 가스 농도 변동으로부터 배출 농도를 측정한다. 이러한 챔버법은 비교적 저렴한 비용, 손쉬운 사용, 그리고 다양한 처리에 대한 실험구와 대조구 간의 비교 연구, 공간 또는 시간에서의 일치성과 반복 측정을 요하는 농작물 시험 연구에 유용하다고 알려져 있다.

일반적으로 벼 경작지 현장에서 메탄 가스 배출 농도를 측정하기 위한 자동식 정적 가스 플럭스 챔버(automated static gas flux chamber)(야외챔버)방식은 자동식 정적 가스 플럭스 챔버를 벼 경작지 현장에 설치한 후, 벼 경작 시 발생되는 메탄 가스 시료를 자동식 정적 플럭스 챔버를 열어 놓은 상태에서 1번, 30분 동안 정적 플럭스 챔버를 폐쇄한 상태에서 다시 한 번, 총 2종의 미지의 메탄농도를 포함하는 공기 시료를 자동으로 포집한 후 자동 이송을 통해 이 벼 경작지 현장 분석실의 가스크로마토그래프(GC-FID)에 의해 메탄 농도를 측정하는 방식을 채택하고 있다.

이러한 자동식 메탄 가스 시료 포집 이송 분석 시스템(automated measurement system integrating capture, transport and analysis of methane gas sample)을 이용한 메탄 가스 배출 농도를 측정하는 방식은 벼 경작기간 동안 매일 복수개의 야외챔버로부터 챔버 당 1일 6회 내지 최대 8회 정도 미지의 메탄 배출 농도들에 대한 측정결과를 얻는 방식이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 챔버(100), 챔버관리부(200), 제1 이송라인(150), 제2 이송라인(160), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 관리부(600)를 포함하여 구성된다.

챔버(100)는 덮개, 팬, 시료채취구 및 시료환원구를 포함하여 구성된다.

야외 현장의 토양이나 농작물 등으로부터 배출되는 미지의 가스 배출 농도를 가스크로마토그래피에 의해 측정하는 방법은 챔버의 덮개를 열고 일정시간 경과 후 챔버 내부에서 측정하고자 하는 가스의 농도가 대기중 농도와 같아졌다는 가정하에 챔버 내부의 가스시료를 포집하여 제1 가스농도를 측정하고, 챔버의 덮개를 닫고 일정시간 경과 후 챔버 내부의 가스시료를 포집하여 제2 가스농도를 측정한 후, 제2 가스농도 측정값과 제1 가스농도 측정값의 차이와 챔버의 덮개를 닫은 후 챔버 내부의 가스시료를 포집하기까지의 시간을 근거로 가스 발생량을 측정하였다. 하지만 챔버를 닫은 후 시료를 포집하게 되면 미량이나마 챔버 내부의 가스 농도에 변화가 생길 수 있고, 이로 인해 연속적으로 가스를 포집하게 되면 포집된 가스의 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 챔버(100)는 상기 시료채취구 및 시료환원구를 포함하여 구성되며, 상기 시료채취구를 통해 가스시료를 채취하여 분석이 끝난 가스시료를 상기 시료환원구를 통해 상기 챔버(100)에 환원시킴으로써 상기 챔버(100) 내 가스 농도에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

챔버관리부(200)는 상기 챔버(100)와 연결되어 상기 챔버(100)의 덮개와 팬을 제어하고, 온도 및 압력을 모니터링 한다.

상기 챔버관리부(200)는 상기 챔버(100)의 덮개를 열고 상기 팬이 챔버 내부의 가스를 휘산시켜서 빠르게 대기중의 농도와 균일하게 만들어 주며, 일정시간 경과 후, 상기 챔버(100)의 덮개를 닫고 상기 팬이 챔버 내부의 가스 농도를 균일하게 만들어 준다. 상기 챔버(100)의 덮개를 열어두는 시간은 챔버 내부의 가스 농도가 대기중 농도에 도달하는 시점을 기준으로 결정할 수 있고, 상기 챔버(100)의 덮개를 닫아두는 시간은 가스 배출 농도를 측정하기에 적합한 시간을 미리 결정하여 운용할 수 있다. 일반적으로 30분 정도의 시간동안 상기 챔버(100)의 덮개를 닫아두는 것이 바람직하다.

또한, 상기 챔버관리부(200)는 가스 농도의 측정에 중요한 요인인 온도, 습도 및 압력을 모니터링 한다.

제1 이송라인(150)은 상기 시료채취구와 일측이 연결된다.

제2 이송라인(160)은 상기 시료환원구와 일측이 연결된다.

가스분광분석부(300)는 가스입구 및 가스출구를 포함하여 구성되며, 상기 가스입구가 상기 제1 이송라인(150)의 타측과 연결되며, 상기 제1 이송라인(150)으로부터 유입된 가스의 성분을 분석한다. 여기서, 상기 가스분광분석부(300)는 온라인 분광기기, 가스분광분석기(TDLAS: Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer) 등을 사용할 수 있다.

야외 현장의 토양이나 농작물 등으로부터 배출되는 미지의 가스 배출 농도를 가스크로마토그래피에 의해 측정하는 방법은 자동화된 플럭스 챔버 시스템이라고 하더라도 챔버 내 가스 배출 농도의 핵심 인자인 농도의 변화를 실시간으로 측정하는 것이 아니라 챔버의 덮개를 열은 후 한번, 닫은 후 한번씩 측정하는데 급급하고, 가스시료 채취에 소요되는 시간이외에도 해당 가스종의 가스분리컬럼 상의 체류시간 시간이 최소 수분이상 소요되므로 진정한 의미의 실시간이 되지 못하며, 복수개의 챔버 내 가스 플럭스 상황을 동시에 연속적으로 실시간 파악할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 기존의 가스크로마토그래피에 의존하던 방식에서 탈피하여 측정 대상의 챔버에 적합하도록 폐쇄경로형 가스분광분석기(예, CP-TDLAS: Closed Path Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer)를 사용함으로써, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결하였다.

전북 김제시 부랑면 신용리 국립농업과학원 관할 시험장을 예를 들어 설명하도록 한다. 벼 경작지 현장 챔버 내부(예, 432 L)에서 포집된 가스(예, 총 0.3 L이 포집)가 가스크로마토그래프로 이송되어 분석컬럼에 사용(예, 가스크로마토그래프의 시료루프에 0.003 L만 사용됨)되고 외기로 버려진다. 포집된 가스시료의 양이 챔버 내부 용적에 비해 극히 작아서 팬을 가동한다 하더라도 챔버 내부의 완벽한 혼합이 이루어지지 않는 이상 모집단을 대표하는 표본의 크기 비율(예, 전체 공기부피 중 0.07%만 시료포집되어 0.0007%만 분석에 소모됨)이 너무 작아 측정값의 대표성에 문제가 있다. 다시 말해, 0.3 L가 챔버 내부를 대표할 수 있는 평균농도 이어야 하지만 이에 대한 신뢰성을 확인할 방법이 없는 문제가 있다. 예를 들어, 하루 8번 측정하는 경우, 그 8번이 그날을 대표할 만한 값인지를 확인할 수 있어야 하는데 이를 확인할 방법이 없다. 또한 농도 분석에 사용된 가스시료도 너무 적어 대표성이 떨어지는 문제점이 있다. 이는 기존의 자동식 정적 챔버 내부의 메탄 가스 시료를 순차 적으로 혹은 동시에 포집 보관한 후 순차적으로 가스크로마토그래프로 시료 가스분석을 수행하는 방식으로, 근본적으로 비실시간 간헐측정으로 인해 발생되었던 문제점들 이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 벼 경작지 현장 챔버 내부의 가스시료를 가스분광분석부까지 이송할 때 챔버 내부 부피(예, 432 L) 대비 충분한 공기시료의 양(예, 1.9 L/min)을 연속 분석에 사용하고 분석에 사용된 가스는 다시 챔버 내부로 환원시킴으로서 실시간 시료의 대표성을 확보할 수 있다. 다시 말해, 가스크로마토그래피를 이용하게 되면 432 L 중 0.3 L채취하여 분석에 사용하므로 샘플 비율이 0.07%(시료의 대표성)로 매우 낮지만, 가스분광측정부(300)를 이용하게 되면 432 L 중 분당 약 2 L(2 L/min)의 시료를 30분동안 실시간으로 분석하기 때문에 60 L(13%)의 시료를 분석할 수 있음으로써, 약 200배 시료채취량이 증가시킴으로써 시료의 대표성에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 벼 경작지 현장 챔버가 개방되었을 때 최초 시간(챔버 개방 후 일정시간 경과 후)의 공기 시료를 채취 이송하여 1회 분석하고, 챔버 폐쇄 후 30분간 온실가스가 누적되는 것을 기다린 후 공기시료를 채취하여 1회 분석하므로 이 두 농도 차에 근거하여 가스 배출 농도를 측정할 경우, 측정의 반복성 확인이 불가능하다는 한계가 있다. 다시 말해, 문제가 발생되었을 때 그 시간대의 환경을 재현할 수 없다는 문제가 있다. 예를 들어, 초기 농도가 일반 대기 수준이상으로 분석된 경우, 그 시간대의 환경을 재현하여 다시 측정할 수 없는 문제가 있으며, 측정값이 잘못 나온 이유가 분석기기의 교정상태가 불량인지 혹은 이송라인의 세척상태가 불량인지, 혹은 챔버 상단 혹은 하단에 부착된 환기용 팬들의 구조적인 문제로 챔버 내 환기가 제대로 되지 않는 것인지 등을 확인할 수 없는 문제가 있고, 이로 인해 배출 농도 값의 신뢰성 파악이 어려운 문제가 있다.

또, 분석이 정상적으로 이루어 졌어도 시료의 포집이 잘못되면 배출 농도 값에 대한 신뢰성이 없다. 이는, 분석을 여러번 할 수 없기 때문에 시료의 포짐이나 측정을 한번이라도 잘못 하게 되면 배출 농도에 대한 신뢰성이 크게 떨어지게 된다. 이러한 문제가 발생되는 근본적인 이유는 시료를 간헐포집(채취)하기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 벼 경작지 현장분석실에서 챔버 내부의 온실가스 배출 상황을 파악할 수 있도록 극히 짧은 측정주기(예, 검출기의 성능에 의해 1초에 약 10개의 원데이터를 3초간 평균하여 산출된 평균 측정데이터 1개를 획득함)로 가스 농도를 측정함으로써 진정한 의미의 실시간 온라인 모니터링이 가능하도록 고안된 자동측정시스템으로 온실가스 배출 농도 측정값의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 측정 신뢰성에 대한 가장 기초적인 잣대로서 사용되는 측정결과의 정밀성 면에서 30분 동안 실시간으로 연속 모니터링하게 되므로, 경작지 현장측정분석실에서 3초에 1개의 데이터를 얻도록 설정했다면 30분 동안 총 600개의 데이터를 얻게 되므로, 가스크로마토그래프에 의한 오직 처음과 30분에서의 배출 농도 측정값은 겨우 2개의 데이터를 확보하는 것에 비해 약 12배 이상 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 단순히 30분간 최초와 최종 측정값들간의 변화량만 파악하는 것이 아니라 챔버 내 가스 배출 상황을 보다 면밀하고 모니터링 할 수 있다. 이는, 30분간 최초와 최종 측정값만 얻는 수준이 아니라 챔버 내 가스 농도의 연속적인 변화 상황과 추이를 모니터링 함으로써 가스 배출 농도 값을 상대적으로 적은 노력과 비용으로 벼 경작지 현장에서의 가스배출량 값의 신뢰성을 향상시키기 위함이다.

또, 챔버로부터 공기시료를 이송하여 가스크로마토그래피로 분석할 때, 근본적으로 시간차(수분 이상)가 발생하므로 비실시간, 비연속 측정이다. 그러므로 매우 짧은 시간의 급격한 발생량(예, 순간적으로 높은 배출 농도)나 상대적으로 짧은 시간 동안(예, 메탄 측정의 경우 30분간)의 온실가스 배출 농도 변화의 양상을 실시간 연속적으로 파악하기란 현실적으로 불가능한 문제가 있다. 다시 말해, 채취를 잘 했다고 하더라도 채취된 상황에서의 실시간이 아니고 분석시간 이후에 나타난 결과를 보게 된다. 분석에 최소 5~10분 이상 걸리게 되므로 비 실시간 적이며, 열고 한번 닫고 한번 측정했는데 결과가 비슷하면 어디에 문제가 있는지 알 수가 없다는 문제가 있다.

또한, 벼 경작지현장 가스분석실에서 운용하는 가스크로마토그래피 분석시스템을 연속적으로 운용하기 위해서는 여러 가지 종류의 고압 고순도 가스들(예, 질소, 헬륨, 수소, 공기 등) 등의 연속적인 소모와 주기적인 교체로 인한 추가 비용이 필수적으로 소요되고 다양한 소모품 교체도 필요하다. 다시 말해, 가스크로마토그래피를 사용하게 되면 장비를 운용하기 위해서 사용되는 소모성 가스들이 지속적으로 필요하다. 이는, 가스크로마토그래피는 컬럼을 써서 가스를 운반시켜 밀어내면서 측정을 하게 되는데, 밀어내는 가스가 필요하고, 검출하기 위해 불꽃을 발생시키기 위한 수소가 항시 필요하다. 이러한 가스들은 고압가스이므로 안전한 취급과 관리가 항시 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 가스크로마토그래피 분석시스템을 운용하기 위한 고압가스들의 소모가 불필요하여 분석기기 운용 비용 및 공간을 크게 절감할 수 있다.

복수개의 챔버에 대한 가스 농도를 측정하기 위해서는 복수개의 챔버로부터 동일 시간대의 샘플을 확보하기 위해, 같은 시간 동안(예, 30분)의 가스시료를 동시에 포집해야 한다. 가스크로마토그래피는 한 번에 하나의 시료씩 순차적으로 측정하여야 하므로 복수개의 챔버로부터 포집된 가스시료들을 임시로 보관한 후, 이를 순차적으로 1대의 가스크로마토그래프로 분석한다. 이는, 현실적으로 분석시간이 많이 소요되며 보관하는 동안 작은 부피(0.03 L)의 시료의 잠재적인 농도 변화로 인해 정확성이 저하될 수 있다. 다시 말해, 채집은 한 번에 하게 되고 분석은 순차적으로 하기 때문에 분석을 동시에 못한다는 점에서 측정의 정확성이 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 벼 경작지 현장분석실에서 표준가스 고압 실린더로 한번 교정하면 수 개월 동안 연속 사용이 가능하다. 또한, 정확한 측정값을 얻기 위해서 표준가스와의 비교를 통한 교정작업이 매번 필요한 가스크로마토그래프를 이용하는 방식보다 훨씬 간단하고 편리하게 측정이 가능하다. 다시 말해, 교정주기에 근거하여 교정수행을 실시하면 상기 가스분광분석부(300)의 신뢰성을 확보할 수 있으므로, 가스크로마토그래피를 이용한 배출 농도 측정에 필수적으로 사용되던 샘플백과 표준가스 실린더의 사용이 불필요하여 경비도 절감되고 가스 배출 농도에 대한 측정 신뢰성도 높아진다.

아울러, 챔버법에 의한 가스 배출 농도 측정에 있어서, 종래에 가스크로마토그래피를 이용할 경우 하루 8번 정도 측정이 가능하나 본원발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용하면 외부로의 가스 누출이 없을 경우 24시간 연속 모니터링 즉, 하루 종일 연속 측정도 가능하다. 그러나 일반적으로 벼 경작지현장에 설치되는 챔버의 경우 위쪽은 덮개로 막혀있고, 아래쪽이 흙과 물 등으로 막혀있다고는 하나 챔버 내의 가스 압력이 높아질 경우 챔버 내의 가스가 챔버 외부로 누출될 우려가 있으므로 적당한 시간 간격으로 챔버를 개방해 주는 것이 바람직하다.

일반적으로 20~60분 정도의 시간이 적당하며, 30분간 가스의 농도를 모니터링 하고 챔버를 개방할 경우, 메탄 플럭스를 최대 48번 얻을 수 있다. 즉, 하루 종일 연속 측정이 가능하므로 하루에 30분간 메탄 플럭스를 48번 얻을 수 있다.

유량계(400)는 상기 가스분광분석부(300)의 가스출구와 일측이 연결되며, 상기 가스분광분석부(300)로부터 배출된 가스의 유량을 측정한다. 여기서, 상기 유량계(400)는 시료 가스의 유량을 검출할 수 있는 질량유량계(MFM: Mass Flow Meter) 등이 사용될 수 있으며, 시료 가스의 질량유량을 조절하는 질량유량컨트롤러(MFC: Mass Flow Controller) 등이 사용될 수 있다.

펌프(500)는 흡입부 및 토출부를 포함하며, 상기 흡입부와 상기 유량계(400)의 타측이 연결되고, 상기 토출부와 상기 제2 이송라인(160)의 타측이 연결된다. 이는, 상기 챔버(100)로부터 제1 이송라인(150), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 제2 이송라인(160) 순으로 연결되며 다시 챔버(100)로 연결된 하나의 유동로를 통해 상기 가스분광분석부(300)에서 분석이 끝난 가스 시료를 챔버(100)로 환원시키기 위함이다.

관리부(600)는 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300), 상기 유량계(400), 상기 펌프와 연결되며(500), 상기 펌프를 제어하여 상기 시료채취구로부터 상기 시료환원구까지 연결된 유로상의 가스의 흐름을 제어하고, 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300) 및 유량계(400)로부터 전송된 정보를 관리한다. 다시 말해, 상기 관리부(600)를 이용하여 상기 챔버(100)의 덮개를 열고 닫는 주기 및 팬의 기동시간 등을 설정할 수 있으며, 설정된 정보를 바탕으로 상기 챔버관리부(200)에 제어신호를 전달할 수 있고, 상기 챔버관리부(200)에서 모니터링한 온도, 습도 및 압력 등의 정보를 전달 받을 수 있다. 또한, 상기 가스분광분석부(300)로부터 분석된 가스(메탄 가스 등)의 농도 및 상기 유량계(400)로부터 계측된 유량정보 등을 전달 받을 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 사용자 단말부(700)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

사용자 단말부(700)는 상기 관리부(600)와 연결되며, 상기 관리부(600)에 제어명령을 전달하고, 상기 관리부(600)로부터 전달받은 정보를 실시간 모니터링 한다. 여기서 상기 사용자 단말부(700)는 상기 관리부(600)에 제어명령을 전달할 수 있는 입력수단 및 상기 관리부(600)로부터 전달받은 정보를 디스플레이 하는 출력수단을 포함하여 구성될 수 있으며, 터치스크린 등을 이용하여 상기 입력수단 및 출력수단을 일체화 시켜 사용할 수도 있다.

일반적으로 자동식 정적 플럭스 챔버(automated static flux chamber)(야외챔버)방식은 챔버, 챔버를 제어하기 위한 수단 및 가스크로마토그래피가 현장 가스분석실에 설치되어 운영되고 있으며, 상기 가스크로마토그래피 및 이와 함께 운용되는 다른 장비를 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치로 용이하게 교체하기 위해 다음과 같이 하나의 하우징(800) 안에 어셈블리화 시켜 사용할 수 있다.(도 3 내지 도 6 참조)

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 관리부(600)가 하나의 하우징(800) 안에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 챔버를 제어하기 위한 수단을 제외한 다른 구성을 하나의 하우징(800) 안에 포함시키는 것으로 챔버를 제어하기 위한 수단과 연결 가능한 포트를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 포트를 통해 챔버를 제어하기 위한 수단과 통신이 이루어질 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 관리부(600)가 하나의 하우징(800) 안에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 상기 하우징(800) 안에 챔버를 제어하기 위한 수단인 상기 챔버관리부(200)를 더 포함시키는 것으로 상기 챔버(200)와 연결 가능한 포트를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 포트를 통해 상기 챔버(200)를 제어하기 위한 통신이 이루어질 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500), 관리부(600) 및 사용자 단말부(700)가 하나의 하우징(800) 안에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 챔버를 제어하기 위한 수단을 제외한 다른 구성 및 사용자 단말부(700)를 하나의 하우징(800) 안에 포함시키는 것으로 챔버를 제어하기 위한 수단과 연결 가능한 포트를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 포트를 통해 챔버를 제어하기 위한 수단과 통신이 이루어질 수 있고, 상기 사용자 단말부(700)를 이용하여 입출력이 가능하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치는 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500), 관리부(600) 및 사용자 단말부(700)가 하나의 하우징(800) 안에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 상기 하우징(800) 안에 챔버를 제어하기 위한 수단인 상기 챔버관리부(200) 및 사용자 단말부(700)를 더 포함시키는 것으로 상기 챔버(200)와 연결 가능한 포트를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 포트를 통해 상기 챔버(200)를 제어하기 위한 통신이 이루어질 수 있고, 상기 사용자 단말부(700)를 이용하여 입출력이 가능하다.

상기 하우징(800)은, 제1 이송라인 연결부(151) 및 제2 이송라인 연결부(161)를 포함하여 구성될 수 있다. 이는, 상기 하우징(800)으로 인해 상기 제1 이송라인(150)과 상기 가스분광분석부(300)와의 연결 및 제2 이송라인(160)과 상기 펌프(500)와의 연결이 어려우므로 제1 이송라인 연결부(151) 및 제2 이송라인 연결부(161)를 이용하여 상기 제1 이송라인(150) 및 제2 이송라인(160)을 연결시키기 용이하 할 수 있다.

제1 이송라인 연결부(151)는 상기 하우징(800) 일 측을 관통하여 형성되며, 일측이 상기 제1 이송라인(150)의 타측과 연결되고, 타측이 상기 가스분광분석부(300)와 연결된다.

제2 이송라인 연결부(161)는 상기 하우징(800) 일 측을 관통하여 형성되며, 일측이 상기 제2 이송라인(160)의 타측과 연결되고, 타측이 상기 펌프(500)와 연결된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치에 있어서, 상기 챔버(100)는 하나 또는 복수개로 구성될 수 있으며, 상기 챔버(100)가 복수개로 구성될 경우, 상기 챔버(100)의 수와 동일한 수의 상기 제1 이송라인(150), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 제2 이송라인(160)을 포함하여 구성되며, 상기 제1 이송라인(150), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 제2 이송라인(160) 순으로 연결되어 형성된 하나의 가스 유동로가 하나의 챔버와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치의 가스분광분석부(300)는 복수개의 챔버로부터 동시에 가스를 이송하여 가스분광분석부(300) 내부를 통과시켜 측정대상 가스시료와의 비접촉식으로 가스농도가 측정되고, 선택적으로 빠른 감응시간으로 실시간 연속 동시 측정을 할 수 있고, 측정에 사용된 가스 시료를 챔버 내부로 회수가 가능하다.

도 8은 가스 배출 농도 모사 챔버를 이용하여 미리 결정된 배출 농도의 가스를 챔버 내부에 분사하여 가스 배출 농도 모사 챔버 내부의 가스 농도를 보여주는 그래프이다. 여기서 가스 배출 농도 모사 챔버는 벼 경작지 현장에 설치한 가스 포집용 자동식 정적 플럭스 야외챔버(automated static flux chamber)와 유사한 특징을 가질 뿐만 아니라, 기지의 가스 배출 농도를 결정하여 모사하고, 이를 제어하기 위한 장치로서, 가스 투입이 가능하고, 틈새가 없으며, 부피의 변화가 없기 때문에 자동식 챔버법에 의한 벼 경작지 메탄 발생량 측정 신뢰성 평가 기술 개발을 위한 실험에 사용하기 적합하며, 벼 경작지 현장의 현장가스분석실에 직접 설치하여, 이를 이용하여 손쉽게 측정신뢰성을 정량적으로 검증할 수 있다.

도 8의 A구간은 가스 배출량 모사 챔버의 도어를 닫고, 미리 결정된 가스 배출량을 일정하게 유지하면서 가스를 분사한 구간이다. 이는, 가스 배출량과 모니터링 결과를 비교하여 측정결과의 신뢰성을 확인하기 위함이다. 다시 말해, A구간 동안 가스 배출량을 알기 때문에 측정결과와 비교하여 신뢰성을 확인할 수 있다.

도 8의 B구간은 가스의 분사를 중지한 구간으로 리크가 있는지 여부를 확인할 수 있다. 다시 말해, B구간 동안 농도 값의 변화가 없다면 가스 배출량 모사 챔버에 리크가 없어 밖으로 새는 가스가 없음을 보여준다.

도 8의 C~D구간은 모사챔버의 도어를 개방한 구간이다. C구간의 경사가 급하면 급할 수록 팬의 성능이 좋다는 것을 알 수 있다. 이는, 챔버 내부의 가스가 빠르게 휘산되어 대기중의 농도와 같아지는 시간이 빠른 것으로 판정할수 있다. 또, D구간은 대기중 농도가 일정한지의 확인 및 대기중 농도에 도달했는지를 확인할 수 있다. 이는, D구간동안 농도 값의 변화가 없는 것으로 확인 가능하다.

가스 배출량 모사 챔버를 예를들어 설명하였으나 벼 경작지에 설치하기 전의 벼 경작지 현장 챔버 등 모든 챔버에 적용 가능하다.

챔버법에 의한 가스 배출량의 측정은 처음농도(챔버 덮개를 열고 일정 시간 경과 후의 챔버 내 농도)와 나중농도(챔버 덮개를 닫고 일정 시간 경과 후의 챔버 내 농도)의 차이를 이용하여 측정한다.

종래에는 일반적으로 2시간 이상 덮개를 열어놓은 상태로 방치하고 2시간 이상 기다렸으니 챔버 내부의 가스 농도가 대기중 농도와 같을 것으로 가정하고 대기중 농도를 측정하였다. 그러나 챔버 덮개를 오래 열어두었음에도 불구하고 대기중 농도보다 높게 측정되는 경우가 종종 발생(예: 일반적인 대기중 농도가 2PPM 인 경우 5PPM 이상으로 나오는 경우 발생)되었다. 이러한 경우 측정된 농도가 대기중의 농도보다 높게 측정된 이유가 챔버상의 문제인지, 측정기기상의 문제인지, 가스 이송관의 문제인지 등을 알 수 없으며, 이에 대한 신뢰성 있는 검증이 필요며, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용하여 가스 배출량의 실시간 연속 모니터링으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광측정장치를 이용하고, 챔버로 가스 배출량 모사 챔버를 이용하여 가스 배출량 모사 챔버의 리크를 검사하는 예를 보여주는 그래프로 일정시간(30분 가량) 미리 결정된 배출량의 가스를 분사한 후 가스 분사를 중단하고 가스 배출량 모사 챔버 내부의 가스 농도를 모니터링 하여 리크가 없음을 보여주고 있다.

가스 배출량 모사 챔버를 예를들어 설명하였으나 벼 경작지에 설치하기 전의 벼 경작지 현장 챔버 등 모든 챔버에 적용 가능하다.

챔버(벼 경작지 현장 챔버, 가스 배출량 모사 챔버 등)를 이용하는 챔버법에 있어서, 챔버에 리크가 없다는 것을 전제로 모든 측정이 이루어지게 된다. 그러므로 챔버에 리크가 없음을 확인할 수 있는 리크검사도 중요하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄경로형 가스분광 측정장치를 이용하면 챔버의 리크검사도 가능하다.

인증표준물질 농도(CH4) (μmol/mol)	가스분광측정 농도 (μmol/mol)	계측기기 감응치
2.1013	1.989	0.947
10.1	10.135	1.003
20	20.266	1.013
30.1	30.759	1.022
39.5	40.537	1.026
50.9	52.392	1.029

표 1은 질소가스 기반으로 메탄가스의 농도가 다른 6종에 대한 검량선을 나타낸 것이다. 여기서, 검량선(Calibration Curve)이란 정량 분석에 사용되는 선도(線圖)로서, 농도를 알고 있는 각 종의 표준시료를 이용하여 분석 기기의 미터 지시도와 농도의 관계를 나타낸다. 다시 말해, 시료의 농도를 알려면 미리 시료를 기기에 걸어 미터의 지시도(指示度)를 보고 검량선과 비교하면 된다.

메탄 표준가스시료 6종(2.1013 μmol/mol ~ 50.9 μmol/mol)을 이용하여 각각의 표준물질에 대한 검량선을 측정한 결과이며, 장치의 교정수행을 실시한 예를 보여준다.

여기서 , 인증표준물질 농도는 가스의 정확한 농도를 의미한다. 또한, 지시농도는 계측기 상 표시되는 농도를 의미한다. 아울러 기기감응치는 계측기가 얼마만큼 정확하게 농도를 검출하는지 나타내며, 기기감응치가 일정하게 나온다면 인증표준물질 농도와 계측기 상의 농도와의 상관성이 높기 때문에 바람직하다.

측정횟수	6
평균(μmol/mol)	1.007
표준편차(μmol/mol)	0.031
표준불확도(μmol/mol)	0.013
상대표준불확도(%)	1.254

표 2은 표 1의 기기감응치를 근거로 산출된 값을 나타낸 것이다.

여기서, 표준불확도는

를 이용하여 구할 수 있다.

상대표준불확도는 평균대비 표준불확도를 말하며

를 이용하여 구할 수 있다.

신뢰의 수준을 약 95% 준다면, 위 표를 근거로 계측장치에 대한 신뢰성 즉, 반복 측정의 직선성에 대한 불확실성은 약 95% 신뢰의 수준에서 6%(2×상대표준불확도)라고 보면 된다.

다시 말해, ±6%안에 우리가 모르는 미지의 농도값이 들어온다고 보면 된다.

모르는 미지의 시료에 대한 몰분율 계산할 때, 기기 감응치를 구해서 농도로 환산할 수 있다.

x축이 인증표준물질 농도 농도, y축이 계측기 농도로 그래프를 그리면, 기울기는 평균값, 다시 말해, 교정곡선(검량선)이 되며, 계측기의 농도를 구하기 위해 계측기 농도와 교정곡선에 근거하여 계측기 농도를 인증표준물질 농도로 바꿀 수 있다.

메탄가스를 예로 들어 설명하자면, 질소가스 기본에 메탄가스를 넣은 가스시료를 질소 바탕 가스라고 하고, 질소와 산소를 대기와 유사한 혼합비로 혼합한 가스에 메탄가스를 넣은 가스시료를 인조 공기 바탕 가스라고 한다.

*가스크로마토그래프를 이용하는 경우에는 일반적으로 바탕가스 즉 주요 조성인 매질이 달라지면 분석대상 미량 성분의 농도 분석값에 편의를 유발시킬 수 있다. 때문에 분석하고자 하는 시료의 매질인 일반공기 조성과 유사한 인조 공기 바탕 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 레이저분광방식(예, TDLAS)의 가스측정은 메탄의 흡수 스펙트럼에 대해 선택성이 우수하므로 질소를 제외한 다른 공기성분들의 선택적 흡수파장대(20.9% 산소 760 nm, 400 ppm 이산화탄소 1570 nm, 일반 공기 중 수분 1390 nm)와 벼재배 경작지에서 발생하는 수준(대기 중 2 ppm 배출가스 100 ppm 미만) 의 메탄 농도 측정을 위해 선택된 흡수선 파장(메탄 1650 nm)에 유의한 간섭은 없기 때문에, 즉 흡수 스펙트럼이 겹치는 부분이 미미하므로 메탄 측정값에 대한 유의한 차이를 유발하지 않는다. 따라서, 상기 매질의 차이에 의한 영향은 거의 없으며 메탄 농도만 정확하다면 질소 바탕가스 혹은 인조공기 바탕가스 중 어떤 것을 사용해도 된다는 장점이 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법은

챔버(100), 챔버관리부(200), 제1 이송라인(150), 제2 이송라인(160), 가스분광분석부(300), 유량계(400), 펌프(500) 및 관리부(600)를 포함하는 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법에 있어서, 정보수집 단계(S10) 및 분석 단계(S20)를 포함하여 이루어진다.

정보수집 단계(S10)는 일정 시간동안 챔버를 밀폐시킨 후 일정 시간동안 챔버를 개방시키는 것을 한 싸이클로, 챔버 내에 해당되는 정보를 수집한다.

벼 경작지 현장 등에서 가스 배출량을 측정하기 위해서는 가스 배출 지역에 챔버(100)를 설치하고 상기 챔버(100)를 밀폐한 후 상기 챔버(100) 내의 가스 농도의 변화량을 근거로 가스 배출량을 측정할 수 있다. 하지만 지속적으로 가스가 배출된다고 하면 상기 챔버(100)를 밀폐 시켰을 때, 상기 챔버 내의 압력이 일정 이상 올라가면 상기 챔버(100)를 밀폐하고 있는 힘이 상기 챔버(100) 내부의 압력에 밀려 잠깐 씩 개방될 수 있다.

*이는, 가스 배출량을 측정하는데 있어서 신뢰성을 떨어트리는 문제로 작용하며, 이를 방지하기 위해 챔버가 수용할 수 있는 압력보다 낮은 압력에서 챔버를 개방하여 대기중 가스 성분과 유사하게 환기를 시키는 과정을 반복하여 측정하여야 한다.

분석 단계(S20)는 상기 정보수집단계(S10)에서 수집된 정보를 근거로 가스배출량을 모니터링 하여, 가스배출 농도 산정, 챔버의 밀폐 성능 분석 및 팬의 성능 분석 중 선택되는 적어도 어느 하나를 수행한다.

챔버 내 가스 몰분율을 측정한 데이터를 이용하여 챔버를 밀폐한 시간 동안 가스배출 농도를 산정할 수 있고, 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 근거로 챔버의 밀폐 성능을 분석(예: 챔버를 닫고 챔버 내의 메탄농도가 올라가다 어느 순간 떨어지고가 반복되면 챔버 덮개가 챔버 내 압력에 의해 열렸다 닫혔다가 반복된다는 판단 등)할 수 있으며, 챔버를 열고 챔버 내 가스 몰분율이 대기중 몰분율과 유사하게 되는 시간을 근거로 팬의 성능을 분석(챔버를 열고 일정시간 경과 후 챔버 내의 메탄농도가 대기중 농도보다 높으면 팬에 문제가 있다는 판단 등)할 수 있다.

이때, 상기 다중채널 분광측정 장치를 이용한 챔버 내부 가스 농도 모니터링 방법은 복수개의 챔버를 다수 개의 군으로 나누어, 각각의 챔버 군이 동일한 싸이클로 서로 다른 시간대에 챔버를 밀폐시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

예를 들어, 30분간 챔버를 닫고, 30분간 챔버를 개방하는 것을 한 사이클로 하고, 30개의 챔버를 두 개의 군으로 나누어 하나의 챔버군이 30분간 챔버를 닫고, 다른 하나의 챔버군이 교대로 챔버를 닫아 측정하게 된다면 동시에 측정 가능한 챔버의 수는 반감되지만 24시간 연속 모니터링이 가능하다.

이는, 하나의 군으로 일괄제어를 하게 되면 챔버를 개방하는 시간대에 발생되는 가스의 배출 농도를 측정할 수 없기 때문에 하루 24시간을 연속 모니터링 하기 위한 것이다.

또는, 30분간 챔버를 닫고, 30분간 챔버를 개방하는 것을 한 사이클로 하고, 30개의 챔버를 세 개의 군으로 나누어 20분 간격으로 각각의 챔버 군을 가동하면 각각 10분씩 다른 챔버군과 챔버를 닫는 구간이 겹쳐져 24시간 연속 모니터링이 가능하다.

챔버를 닫고있는 시간이 겹쳐지는 구간의 데이터를 분석하여 챔버를 닫은 초기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량과 챔버를 닫은 말기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 비교하여 이 두 변화량이 유사할 수록 가스 배출 농도 측정의 신뢰성이 높다고 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 챔버
150: 제1 이송라인
151: 제1 이송라인 연결부
160: 제2 이송라인
161: 제2 이송라인 연결부
200: 챔버관리부
300: 가스분광분석부
400: 유량계
500: 펌프
600: 관리부
700: 사용자 단말부
800: 하우징

Claims (3)

1. 덮개, 팬, 시료채취구 및 시료환원구를 포함하는 복수의 챔버(100);
   상기 복수의 챔버(100)와 연결되어 각 챔버(100)의 덮개와 팬을 제어하고, 온도 및 압력을 모니터링하는 챔버관리부(200);
   각 챔버(100)의 시료채취구와 일측이 연결되는 제1 이송라인(150);
   각 챔버(100)의 시료환원구와 일측이 연결되는 제2 이송라인(160);
   가스입구 및 가스출구를 포함하고, 상기 가스입구가 상기 제1 이송라인(150)의 타측과 연결되어 상기 제1 이송라인(150)으로부터 유입된 가스의 성분을 분석하는 복수의 가스분광분석부(300);
   상기 가스분광분석부(300)의 가스출구와 일측이 연결되며, 상기 가스분광분석부(300)로부터 배출된 가스의 유량을 측정하는 복수의 유량계(400);
   흡입부 및 토출부를 포함하고, 상기 흡입부와 상기 유량계(400)의 타측이 연결되고, 상기 토출부와 상기 제2 이송라인(160)의 타측이 연결되는 복수의 펌프(500);
   상기 챔버관리부(200) 및 복수의 가스분광분석부(300), 유량계(400) 및 펌프(500)와 연결되어, 상기 챔버관리부(200), 가스분광분석부(300) 및 유량계(400)로부터 전송된 정보를 관리하고, 각 펌프(500)를 제어하여 시료채취구로부터 시료환원구까지 연결된 유로상의 가스의 흐름을 제어하는 관리부(600); 및
   상기 관리부(600)와 연결되며, 상기 관리부(600)에 제어명령을 전달하고, 상기 관리부(600)로부터 전달받은 정보를 실시간 모니터링 하는 사용자 단말부(700); 를 포함하되,
   상기 복수의 챔버(100)는 다수 개의 챔버 군으로 나뉘고,
   각각의 챔버 군은 동일한 싸이클을 갖되 서로 다른 시간대에 챔버가 밀폐되어, 동일한 챔버 군 내의 배출 가스에 대해서는 동일한 시간대에 배출 가스 농도를 측정할 수 있고, 상기 사용자 단말부(700)를 통해 24시간 연속 모니터링이 가능하며,
   챔버 내 가스 몰분율을 측정한 데이터를 이용하여 챔버를 밀폐한 시간 동안 가스배출 농도를 산정하고, 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 근거로 챔버의 밀폐 성능을 분석하고, 챔버를 열고 챔버 내 가스 몰분율이 대기중 몰분율과 유사하게 되는 시간을 근거로 팬의 성능을 분석하며,
   일정시간 각 챔버 군이 닫혀 있는 시간이 겹치도록 한 후 챔버를 닫고 있는 시간이 겹쳐지는 구간의 데이터를 분석하고, 챔버를 닫은 초기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량과 챔버를 닫은 말기 시간 동안 챔버 내 가스 몰분율의 변화량을 비교하여 가스 배출 농도 측정의 신뢰성을 판단하는 것을 특징으로 하는,
   복수 챔버를 갖는 배출 가스 농도 실시간 연속 모니터링 시스템
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