KR101842799B1 - Ndir의 보정계수 산출방법 및 산출된 보정계수를 이용한 ndir의 가스농도 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NDIR과 GFC를 이용한 가스 농도 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NDIR의 보정계수 산출방법 및 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법에 관한 것이다. 이를 위해, NDIR의 보정계수 산출방법에 있어서, 기준농도의 분석대상가스(300)와 제 1 농도를 갖는 간섭가스(310)를 NDIR 가스셀(100)로 투입하는 단계; 고농도의 분석대상가스가 채워진 GFC(200)와 NDIR(100)을 이용하여 분석대상가스(300)의 농도를 측정하는 단계; 및 간섭가스의 간섭으로 인해 변동된 분석대상가스(300)의 측정농도와 기준농도를 대비하여 보정계수(K)를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 NDIR의 보정계수 산출방법이 제공된다.
Description
본 발명은 간섭가스가 존재하는 조건에서 보다 정확한 농도값을 산출할 수 있는 NDIR 측정법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NDIR의 보정계수 산출방법 및 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 화력발전소 또는 일반 보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등과 같이 사업장의 굴뚝에서는 복합유해물질이 포함된 가스가 대기 중으로 배출되고 있다. 따라서, 대기 배출원에서 발생하는 배출가스의 농도를 실시간으로 관리하기 위하여 모니터링 측정 장비의 개발이 꾸준히 지속되고 있다.
배출원에서 발생하는 복합유해물질의 농도를 연속적으로 측정하기 위해 ‘비분산적외선흡수법’으로 일컬어지는 NDIR(non-Dispersive InfraRed, 이하 "NDIR" 이라 함) 측정장치가 대표적으로 사용되고 있다. NDIR은 적외선(infrared, IR) 광원에서 방출되는 넓은 파장의 IR 복사선이 광학필터(Bandpass filter) (240)를 거치며 특정 IR 파장만이 통과되고, 이 IR은 불활성기체(질소, 아르곤)가 충진된 기준셀(Reference cell)과 시료가 흐르는 측정셀(Measurement cell)을 번갈아 통과하게 된다. 기준셀을 통과한 IR 파장은 변화 없이 그대로 통과되지만, 측정셀을 통과한 IR은 배출가스에 의해 흡수가 일어나게 된다. 이때 흡수된 IR의 차이를 검출기(Detector)가 검출하여 전기적 신호로 변환 및 증폭하는 과정으로 농도를 측정하게 된다.
이러한 전통적인 NDIR 측정방법은 간섭가스에 의한 오차를 보정하는데 한계가 있어, 최근에는 GFC(Gas Filter Correlation, 이하 "GFC"라 함)를 탑재하여 가스 간의 농도 간섭효과를 보상하는데 널리 사용된다. 화력발전소, 소각장, 화학공정시설 등과 같은 사업장에서는 다양한 성분의 가스가 배출되는데, 이 중 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 암모니아(NH3), 염화수소(HCl), 불화수소(HF), 메탄(CH4), 수증기(H20) 등이 주요 성분으로 볼 수 있다. 이러한 배출가스들은 각각의 고유 IR 흡수파장을 갖고 있는데, 이들 성분 중 몇몇 성분은 IR 흡수파장이 매우 근접하여 IR 흡수에 간섭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소(CO)의 IR 흡수파장은 4.6 μm, 이산화탄소(CO2)의 IR 흡수파장은 4.3 μm으로 매우 근접하며, 특히 수증기(H2O)는 2 ~ 10 μm 전역에 걸쳐 흡수파장을 갖고 있기 때문에 이들 성분이 공존할 경우 간섭효과로 인해 정확한 농도가 측정되지 않는다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 간섭가스간의 보상을 하기 위한 일환으로서 GFC가 사용되고 있는 추세이다.
그러나 GFC를 적용한 NDIR 장치에서도 간섭가스의 농도가 일정수준 이상 높아지면 측정이 제대로 이루어지지 않는다. 즉, 분석하고자 하는 성분(예, CO)이 NDIR 장치의 분석 가능한 농도범위 안에 존재하더라도 다른 간섭가스(예, CO2)의 농도가 고농도로 존재한다면 GFC를 이용하더라도 NDIR 장치의 측정값에는 오차가 발생하게 된다. 따라서 GFC를 적용한 NDIR만으로 배출가스의 농도를 정확히 측정하기에는 한계가 존재한다 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, GFC를 적용한 NDIR을 사용하더라도 간섭가스의 농도가 일정수준 이상 존재하여 간섭효과가 크다고 판단될 경우, 각 성분에 따른 보정계수를 적용한 Mode 방법을 적용하여 농도를 산출하는 것이다. 이를 위해 정확한 가스농도를 측정 할 수 있는 NDIR의 보정계수 산출방법 및 산출된 보정계수를 이용하여 NDIR의 가스농도 측정방법을 제시한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, NDIR의 보정계수 산출방법에 있어서
이미 농도를 알고 있는 기준농도의 분석대상가스(300)와 제 1 농도를 갖는 간섭가스(310)를 NDIR 가스셀(100)로 투입하는 단계; 고농도의 분석대상가스와 질소가 각각 채워진 가스필터를 갖는 GFC(200)를 이용하여 NDIR 가스셀(100)을 통과하는 분석대상가스(300)의 농도를 측정하는 단계; 및 간섭가스의 영향을 받은 분석대상가스(300)의 측정농도와 기준농도를 대비하여 보정계수(K)를 산출하는 단계; 보정계수 (K)를 적용하여 간섭가스 영향을 보정한 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 NDIR의 보정계수 산출방법에 의해 달성된다.
그리고, 분석대상가스(300)는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20 등에서 선택될 수 있다.
또한, 간섭가스(310)는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20 등에서 선택되되, 분석대상가스(300)와는 상이하다.
또한, 분석대상가스(300)는 일산화탄소(CO)일 수 있다.
또한, 기본 보정계수(k)는 간섭가스(310)의 종류별로 산출되지만, 이들 간섭가스들을 동시 적용한 통합개념의 보정계수 (K)를 산출할 수 있다.
또한, 분석대상가스(300)와 간섭가스(310)는 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등과 같은 사업장에서 배출되는 가스에서 선택된다.
또한, 산출단계에서 각 간섭가스에 의한 보정계수(k)는 ‘기준농도 / Non-GFC 측정농도’에 의해 산출된다. 여기서 Non-GFC 측정농도란 GFC가 없는 기본 NDIR의 측정농도를 말한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로서, NDIR의 가스농도 측정방법에 있어서, NDIR 가스셀(100)로 분석대상가스를 투입하는 단계; GFC(200)를 적용하여 NDIR 가스셀(100)의 분석대상가스의 농도를 측정하는 단계(S100); GFC 적용 없이 농도를 측정하는 단계; 두가지 방법으로 측정된 농도 간에 오차정도를 판단하는 단계; 만약 오차정도가 일정수준을 초과하지 않는다면 GFC를 이용한 측정농도를 출력하는 단계 (S160); 만약 고농도의 간섭가스의 존재로 오차정도가 일정수준을 초과한다면 보정계수(K)를 곱하여 산출농도를 출력하는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법에 의해 달성된다.
또한, 분석대상가스는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20 중에서 선택될 수 있다.
또한, 농도 산출단계(S140)에서, 모든 간섭가스의 영향을 고려한 보정계수(K)가 곱해진다.
또한, 측정가스는 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등과 같은 사업장으로부터 배출된 가스이고, 보정계수(K)는 배출된 가스의 농도범위에 따라 화력발전소용 보정계수(K1), 소각장용 보정계수(K2), 시멘트공장용 (K3), 제철공장용 보정계수(K4), 화학제품 제조시설용 보정계수(K5) 등 에서 선택된다. 더 나아가 배출된 가스의 농도범위에 따라서는 가령 화력발전소용 보정계수는 K1, K11, K111,...등으로 세부 분류가 가능하다.
또한, 화력발전소용 보정계수(K1), 소각장용 보정계수(K2), 시멘트공장용 (K3), 제철공장용 보정계수(K4), 화학제품 제조시설용 보정계수(K5) 등 에서 선택되는 보정계수(K)는 제어부(400) 또는 사용자의 입력에 의해 선택될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, GFC를 적용한 NDIR을 이용하더라도, 보정계수를 적용한 Mode 방법을 동시에 적용하면 다양한 농도대의 간섭가스 영향을 피하면서 분석대상가스의 정확한 농도를 산출할 수 있다.
따라서, 보다 넓은 농도 범위에서 정확한 농도 측정이 가능하고 이러한 농도의 산출이 복잡한 계산이나 연산시간을 요구하는 것이 아니므로 실시간으로 연속 감시하면서도 보정이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등 다양한 사업장을 고려한 분석대상가스와 각각의 간섭가스 별로 보정계수를 산출하므로 분석대상가스의 특성에 맞는 정확한 농도 측정이 가능하다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 분해사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 보정계수(K)를 산출하기 위해 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수(K)를 이용하여 가스농도를 보정하는 구성을 나타내는 블럭도,
도 4는 도 3중 보정부(500)의 내부 상세 블럭도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법을 나타내는 흐름도,
도 6은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화탄소(CO2)로 하였을 때, 이산화탄소(CO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화황(SO2)으로 하였을 때, 이산화황(SO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 일산화질소(NO)로 하였을 때, 일산화질소(NO)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화질소(NO2)로 하였을 때, 이산화질소(NO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 수증기(H2O)로 하였을 때, 수증기(H2O)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 11은 측정가스로부터 일산화탄소(CO)의 농도를 측정할 때 GFC가 없는 종래의 기본 측정방법 (Non correction), 종래의 보정방법(GFC-correction)과 본 발명의 보정방법 (Mode correction)을 대비하여 나타낸 그래프이다.
도 1은 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 분해사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 보정계수(K)를 산출하기 위해 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수(K)를 이용하여 가스농도를 보정하는 구성을 나타내는 블럭도,
도 4는 도 3중 보정부(500)의 내부 상세 블럭도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법을 나타내는 흐름도,
도 6은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화탄소(CO2)로 하였을 때, 이산화탄소(CO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화황(SO2)으로 하였을 때, 이산화황(SO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 일산화질소(NO)로 하였을 때, 일산화질소(NO)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화질소(NO2)로 하였을 때, 이산화질소(NO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 수증기(H2O)로 하였을 때, 수증기(H2O)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프,
도 11은 측정가스로부터 일산화탄소(CO)의 농도를 측정할 때 GFC가 없는 종래의 기본 측정방법 (Non correction), 종래의 보정방법(GFC-correction)과 본 발명의 보정방법 (Mode correction)을 대비하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
본 출원에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시예의
구성
도 1은 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 분해사시도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 보정계수(K)를 산출하기 위해 NDIR 가스셀(100) 및 GFC(200)의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수(K)를 이용하여 가스농도를 보정하는 구성을 나타내는 블럭도, 도 4는 도 3중 보정부(500)의 내부 상세 블럭도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법을 나타내는 흐름도, 도 6은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화탄소(CO2)로 하였을 때, 이산화탄소(CO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프, 도 7은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화황(SO2)으로 하였을 때, 이산화황(SO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프, 도 8은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 일산화질소(NO)로 하였을 때, 일산화질소(NO)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프, 도 9는 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화질소(NO2)로 하였을 때, 이산화질소(NO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프, 도 10은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 수증기(H2O)로 하였을 때, 수증기(H2O)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프, 도 11은 측정가스로부터 일산화탄소(CO)의 농도를 측정할 때 GFC가 없는 종래의 기본 측정방법 (Non correction), 종래의 보정방법(GFC-correction)과 본 발명의 보정방법 (Mode correction)을 대비하여 나타낸 그래프이다.
보정계수(K1)의 산정
이하에서는 상기와 같은 구성을 기초로 하여, 본 발명의 일실시예에 따른 화력발전소의 보정계수(K1)을 산정하는 방법 및 산정된 보정계수(K1)를 이용하여 배출가스의 농도를 보정하는 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 비록, 본 발명의 실시예에서는 화력발전소의 보정계수(K1)만을 설명하였으나, 같은 구성과 방법으로 소각장에 대한 보정, 시멘트 공장에 대한 보정, 제철공장에 대한 보정을 반복할 수 있다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 NDIR(100)과 GFC(200)를 이용하여 기준농도의 기준가스(300)와 제 1 농도를 갖는 간섭가스(310)를 NDIR(100)로 투입한다. 기준가스(300)는 50 ppm의 일산화탄소(CO)이고, 간섭가스(310)는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수증기(H20)중에서 선택하는데 이러한 간섭가스(310)는 오염원의 굴뚝에서 많이 관찰되기 때문이다. 간섭가스(310)는 선택된 기준가스를 제외하고 나머지 가스에 대해 각각 테스트한다.
그 다음, 기준가스(300)가 채워진 가스셀(230)을 가진 GFC(200)와 NDIR(100)을 이용하여 기준가스(300)의 농도를 측정한다. 50 ppm의 일산화탄소(CO)를 투입하였으므로 측정된 일산화탄소(CO)의 농도는 간섭가스(310)의 영향으로 50 ppm 이하이다. 이와 같은 실험을 각각의 간섭가스(310)에 대해 간섭가스(310)의 농도를 변화시켜 가면서 실험한 것이 도 6 내지 도 10이다.
화력발전소의 배출가스인 경우 통상 이산화탄소(CO2)는 0 ~ 30% 범위이고, 이산화황(SO2), NO 및 NO2는 0 ~ 1,000 ppm 범위이고, 수증기(H20)는 0 ~ 50 g/m3 범위에서 농도가 변한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화탄소(CO2)로 하였을 때, 이산화탄소(CO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 기준가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이하에서는 상기와 같은 구성을 기초로 하여, 본 발명의 일실시예에 따른 화력발전소의 보정계수(K1)을 산정하는 방법 및 산정된 보정계수(K1)를 이용하여 배출가스의 농도를 보정하는 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 비록, 본 발명의 실시예에서는 화력발전소의 보정계수(K1)만을 설명하였으나, 같은 구성과 방법으로 소각장에 대한 보정, 시멘트 공장에 대한 보정, 제철공장, 화학제품 제조시설 등에 대한 보정을 반복할 수 있다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 NDIR 가스셀(100)에 기준농도의 분석대상가스(300)와 제 1 농도를 갖는 간섭가스(310)를 NDIR 가스셀(100)로 투입한다. 분석대상가스(300)는 50 ppm의 일산화탄소(CO)이고, 간섭가스(310)는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수증기(H20) 등에서 선택하는데 이러한 간섭가스(310)는 오염원의 굴뚝에서 많이 관찰되기 때문이다. 간섭가스(310)는 선택된 분석대상가스를 제외하고 나머지 가스에 대해 각각 테스트한다.
그 다음, 분석대상가스(300)가 채워진 가스필터(230)를 갖는 GFC(200)를 이용하여 NDIR 가스셀(100)의 분석대상가스(300)의 농도를 측정한다. 50 ppm의 일산화탄소(CO)를 투입하였지만, 측정된 일산화탄소(CO)의 농도는 간섭가스(310)의 영향으로 GFC 보정을 하더라도 50 ppm보다 낮게 나타난다. 이와 같은 실험을 각각의 간섭가스(310)에 대해 간섭가스(310)의 농도를 변화시켜 가면서 실험한 것이 도 6 내지 도 10이다.
화력발전소의 배출가스인 경우 통상 이산화탄소(CO2)는 10 ~ 30% 범위이고, 이산화황(SO2) 10 ~ 1,000 ppm, NOx (NO+NO2)는 10 ~ 1,000 ppm 범위이고, 수증기(H20)는 20 ~ 100 g/m3 범위에서 농도가 변한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 분석대상가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화탄소(CO2)로 하였을 때, 이산화탄소(CO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 분석대상가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화황(SO2)으로 하였을 때, 이산화황(SO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 분석대상가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 일산화질소(NO)로 하였을 때, 일산화질소(NO)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 분석대상가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 이산화질소(NO2)로 하였을 때, 이산화질소(NO2)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에서, 도 2를 참조하여 GFC를 적용한 방법에서 분석대상가스를 일산화탄소(CO)로 하고, 간섭가스를 수증기(H2O)로 하였을 때, 수증기(H2O)의 농도 변화에 따른 일산화탄소(CO)의 간섭관계를 도시한 그래프이다.
도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 간섭가스(310)가 없는 경우(수평축의 0 ppm)에는 분석대상가스(300)가 입력될 때의 농도(50 ppm) 그대로 출력되고, 이는 간섭이 없다는 것을 입증하는 것이다. 반면, 간섭가스(310)의 농도가 증가할 수록(수평축의 원점에서 멀어질 수록) 간섭가스(310)가 분석대상가스(300)에 간섭을 일으켜 기준가스(300)의 농도가 낮게 측정된다. 이는 실제로 분석대상가스(300)의 농도가 낮아진다는 것을 의미하는 것이 아니라 간섭가스(310)가 분석대상가스(300)의 파장대에 간섭 현상을 일으키고 이로 인해 분석대상가스(300)의 농도가 실제보다 더 낮은 농도로 검출되기 때문에 발생하는 현상이다. 즉, 도 6 내지 도 10으로 부터 알 수 있는 바와 같이, GFC보정을 적용하더라도 간섭가스의 농도가 높아질 수록 간섭의 영향으로 정확한 농도 측정이 어렵고, 따라서 측정된 농도값에 대한 추가 보정이 필요하다는 것을 알 수 있다.
도 6의 이산화탄소(CO2)인 경우 0 ~ 3% 농도의 이산화탄소(CO2)는 CO의 농도에 중요한 영향을 끼치지 않는다. SO2 와 수증기의 경우 각각 0 ~ 100 ppm 및 0 ~ 20 g/m3 범위에서 중요한 영향을 끼치지 않는다. 반면, NO 와 NO2는 전체 테스트 범위에서 CO 농도에 중요한 영향을 나타낸다.
보정계수는 GFC 보정없이 간섭가스의 간섭으로 인해 변동된 분석대상가스(300)의 측정농도와 입력된 기준농도를 대비하여 보정계수(K)를 산출한다. 보다 구체적으로 보정계수(K1)는 분석대상가스(300)의 {기준농도 / Non-GFC 측정농도)에 의해 산출된다. 예를 들어, 간섭가스가 이산화탄소인 경우 k1(CO2) = (50 / 55) = 0.9 이다. 이와 같은 방식으로 각각의 간섭가스(310)에 대해 보정계수(k1)를 구한 것이 [표 1]이다. 참고로, 아래 [표 1]의 보정계수는 화력발전소의 조건으로 25℃에서 CO, CO2, NO, NO2, SO2 및 H2O의 농도는 각각 50 ppm, 16%, 200 ppm, 200 ppm, 200 ppm and 30 g/m3 의 기준으로 산출한 값이다.
| 간섭가스 | k1 CO2 | k1 SO2 | k1 NO | k1 NO2 | k1 H2O | K1 |
| 보정계수 | 0.909 | 0.972 | 0.959 | 0.963 | 0.91 | 0.743 |
이상과 같은 방법으로 개별 간섭가스에 해당하는 화력발전소의 보정계수(k1)를 [표 1]과 같이 구할 수 있다. 그러나 실제 화력발전소의 굴뚝에서는 각각의 개별간섭가스가 동시에 존재하여 간섭을 일으키기 때문에 실제 화력발전소의 보정계수는 아래 수식으로 계산할 수 있다.
따라서 보정계수(K1)는 화력발전소의 대표 보정계수가 되어 다양한 조건으로 배출되는 화력발전소의 배출가스에 대해 보정을 수행하게 된다.
소각장용 보정계수(K2)를 구하기 위해서는 소각장용 배출가스(25℃ 기준)에서 CO, CO2, NO, NO2, SO2 및 H2O의 농도를 각각 측정한 뒤, 위와 같은 방법으로 [표 1]과 유사한 보정계수(K2)를 구할 수 있다. 시멘트공장용 보정계수(K3), 제철공장용 보정계수(K4), 화학제품 제조시설 (K5) 등도 마찬가지 방법으로 구해진다.
보정계수(K1)를 이용한 농도 보정
이하에서는 상기와 같은 구해진 화력발전소의 보정계수(K1)를 이용하여 화력발전소에서 배출되는 가스의 농도를 보정하는 과정에 대해 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 도 3과 같이 NDIR 가스셀(100)로 화력발전소의 측정가스를 투입한다.그 다음, GFC(200)을 적용하여 NDIR가스셀(100)의 측정가스 중 분석대상가스(예 : 일산화탄소)의 농도를 측정한다(S100).
그 다음, GFC 보정없이 농도를 측정한 결과를 앞의 측정농도와 비교하여 두 측정값간의 오차수준을 판단한다. 두가지 방법으로 측정한 농도 값의 오차가 일정수준을 넘어선다면 이는 간섭가스의 측정농도가 일정 수준 이상으로 존재하기 때문에 GFC를 이용한 측정 값에도 많은 간섭을 일으키는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 간섭가스의 농도가 고농도 수준으로 존재하면 NDIR(100)과 GFC(200)만으로 대상가스의 농도 측정은 가능하나 정확한 값을 보장하지는 않는다.
그 다음, 만약 오차가 일정수준이상 존재하면, 보정부가 GFC 보정없이 측정된 농도에 전술한 방법에 따라 산출된 화력발전소의 보정계수(K1)를 곱하여 농도를 산출한다(S140). 즉, 일산화탄소의 측정된 농도에 [표 1]에서 구한 0.743을 곱한다. 이는 다양한 간섭가스의 영향으로 인해 낮게 측정된 농도를 0.743 배만큼 보정하는 것이다.
그러나, 만약 오차가 미비하다면, GFC를 적용한 측정농도를 그대로 출력한다(S160).
도 11은 NDIR 측정방법을 이용하여 측정가스로부터 일산화탄소(CO)의 농도를 측정할 때 종래의 측정방법 (Non-Correction), 종래의 보정방법 (GFC-Correction)과 본 발명의 보정방법 (Mode-Correction)을 대비하여 나타낸 그래프이다. 도 11에서 그래프의 높이가 50 ppm에 가까울수록 정확한 값을 나타낸다. 도 11에서 "Standard"는 분석대상가스의 기준농도(50 ppm)를 나타내며, "Non-Correction"은 GFC(200)없이 NDIR(100)만으로 측정된 값이고, "GFC-Correction"는 GFC(200) 보정을 적용한 NDIR 측정값이고, "Mode-Correction"는 본 발명에 따른 보정계수(K)로 보정된 값을 나타낸다.
참고로, MODE 방법이란 화력발전소용, 소각장용, 화학공정시설용, 시멘트 공장용 등 각 업장에 맞게 기산출된 보정계수를 곱해줌으로써 오차율을 보정해주는 농도측정 방법을 의미한다.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, "Non-Correction"이 "67.9 ppm"으로서 가장 부정확한 측정 농도를 나타내고, "GFC-Correction"는 "47.2"로서 근접한 농도를 나타내고, "Mode-Corrected"는 "50.42 ppm"으로서 "50 ppm"에 가장 근접한 정확한 농도값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정가스가 동작농도범위를 초과하는 경우, 본 발명의 보정계수(K)로 보정함으로서 정확한 농도값을 산출할 수 있음을 알 수 있다.
변형예
상술한 본 발명의 실시예 이외의 변형예로서 다음과 같은 변형 실시가 가능하다.
(1) 만약, GFC에 의한 보정값과 Mode법에 의한 보정값이 일정 범위내에서 유사한 보정값을 나타낸다면 준다면 (GFC-correction + Mode-correction)/2 와 같이 평균값을 취하여 보정하면 수정된 최종 농도값을 얻을 수 있다.
(2) 만약 GFC가 상기와 같은 통제범위를 많이 벗어난 경우에는 일단 GFC-correction과 Mode-correction을 비교하고 값의 차이가 큰 경우 Mode-correction만을 선정하여 보정을 진행한다. 그럼에도 불구하고 차이가 적더라도 역시 Mode-correction만을 선정한다. 즉 결론적으로 Mode-correction에 의해 최종 수정된 값을 보정값으로 인정한다.
(3) 만약 Mode-correction에 대한 정보가 없다면 즉 실제로 CO2와 같은 방해가스(간섭가스)가 현장에서 제 1 MODE (MODE 1, 즉 CO2 : 1,000 - 5,000 ppm)로 실험한 범위에 없는 20,000 ppm이 나타난 경우에는 일단 GFC-correction와 Mode-correction를 비교한다. 보정값의 차이가 큰 경우 GFC 보정값만을 선정하여 보정을 진행한다. 그럼에도 불구하고 차이가 적더라도 역시 GFC-correction만을 선정한다. 다시 말해 GFC에 의해 최종 수정된 값을 보정값으로 인정한다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
100 : NDIR 가스셀,
120 : 광원부,
130 : 적외선,
140 : 입구,
150 : 출구,
160 : 원통부,
200 : GFC,
210 : 디스크,
220 : 회전중심,
230 : 가스필터,
240 : 광학필터,
250 : 검출부,
260 : 개구부,
270 : 검출신호,
280 : 보정된 검출신호,
300 : 분석대상가스,
310 : 간섭가스,
330 : 배출가스,
340 : 측정가스,
350 : 배출가스,
400 : 제어부,
500 : 보정부,
510 : 모드선택부,
520 : 화력발전소 보정계수(K1),
530 : 소각장 보정계수(K2),
540 : 시멘트공장 보정계수(K3),
550 : 제철공장 보정계수(K4).
120 : 광원부,
130 : 적외선,
140 : 입구,
150 : 출구,
160 : 원통부,
200 : GFC,
210 : 디스크,
220 : 회전중심,
230 : 가스필터,
240 : 광학필터,
250 : 검출부,
260 : 개구부,
270 : 검출신호,
280 : 보정된 검출신호,
300 : 분석대상가스,
310 : 간섭가스,
330 : 배출가스,
340 : 측정가스,
350 : 배출가스,
400 : 제어부,
500 : 보정부,
510 : 모드선택부,
520 : 화력발전소 보정계수(K1),
530 : 소각장 보정계수(K2),
540 : 시멘트공장 보정계수(K3),
550 : 제철공장 보정계수(K4).
Claims (12)
- NDIR의 보정계수 산출방법에 있어서,
기준농도의 분석대상가스(300)와 제 1 농도를 갖는 간섭가스(310)를 NDIR 가스셀(100)로 투입하는 단계;
상기 분석대상가스(300)가 고농도로 채워진 가스필터(230)를 포함한 GFC(200)를 적용하여 상기 NDIR 가스셀(100)의 분석대상가스(300)를 측정하고, 상기 GFC 보정없이 상기 NDIR 가스셀(100)을 이용하여 상기 분석대상가스(300)의 농도를 측정하는 Non-GFC 농도 측정단계; 및
상기 간섭가스의 간섭으로 인해 변동된 상기 분석대상가스(300)의 측정농도와 상기 기준농도를 대비하여 보정계수(K)를 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 분석대상가스(300)는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20에서 선택되고, 상기 간섭가스(310)는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20에서 선택되되, 상기 분석대상가스(300)와는 상이하며,
상기 보정계수(K)는 상기 간섭가스(310)의 종류별로 산출되고,
상기 보정계수(K)를 산출하는 단계에서 상기 보정계수(K)는 개별 간섭가스의 보정계수(k)가 상기 기준농도 / 상기 Non-GFC 측정농도에 의해 산출되고,
상기 개별 간섭가스의 보정계수(k)를 모두 곱해줌으로서 상기 보정계수(K)를 산출하는 것을 특징으로 하는 NDIR의 보정계수 산출방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
기준가스(300)는 일산화탄소(CO)인 것을 특징으로 하는 NDIR의 보정계수 산출방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 분석대상가스(300)와 상기 간섭가스(310)는 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 중 하나에서 배출된 가스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 NDIR의 보정계수 산출방법. - 삭제
- NDIR의 가스농도 측정방법에 있어서,
NDIR 가스셀(100)로 측정가스를 투입하는 단계 (S50);
상기 NDIR 가스셀(100)과 GFC(200)를 이용하여 상기 분석대상가스의 농도를 측정하고(S100) 상기 NDIR 가스셀을 이용하여 GFC 보정없이 상기 분석대상가스의 농도를 측정하는 단계(S110);
상기 S100 단계의 농도와 상기 S110 단계의 농도의 차를 산출하는 단계 (S150);
상기 농도의 차가 일정범위를 초과하는지 여부를 판단하는 단계(S120);
만약 초과한다면, 보정부(500)가 상기 S110단계에서 측정한 농도에 제 1항 에 따라 산출된 보정계수(K)를 곱하여 농도를 산출하는 단계(S140); 및
만약 초과하지 않는다면 상기 S100단계에서 측정한 농도를 출력하는 단계 (S160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분석대상가스는 CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3, HCl, HF, H20 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 농도 산출단계(S140)에서,
선택된 상기 분석대상가스에 대응하는 상기 보정계수(K)가 곱해지는 것을 특징으로 하는 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 측정가스는 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 중 하나로 부터 배출된 가스이고,
상기 보정계수(K)는 상기 배출된 가스에 따라 화력발전소용 보정계수(K1), 소각장용 보정계수(K2), 시멘트공장용 보정계수(K3), 제철공장용 보정계수(K4), 화학제품 제조시설(K5), 반도체 제조시설(K6), 석유정제시설(K7), 일반보일러 시설 (K8) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 화력발전소용 보정계수(K1), 소각장용 보정계수(K2), 시멘트공장용 보정계수(K3), 제철공장용 보정계수(K4), 화학제품 제조시설(K5), 반도체 제조시설(K6), 석유정제시설(K7), 일반보일러시설(K8)중에서 선택되는 상기 보정계수(K)는 제어부(400) 또는 사용자의 입력에 의해 선택되는 것을 특징으로 하는 산출된 보정계수를 이용한 NDIR의 가스농도 측정방법.
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