KR101856956B1 - 혼합가스로부터 가스의 농도를 측정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2종의 혼합가스가 통과하는 배관 내에서 블로어 또는 컴프레서를 이용하여 농도센서 없이 가스의 농도를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 배관을 통해 혼합가스가 통과하는 경우, 블로어 또는 컴프레서를 가동하여 상부 스트림과 하부 스트림의 압력차가 변화하는 원리를 이용하여 블로어 또는 컴프레서의 상하부 스트림 간의 압력차 및 통과 유량을 측정함으로써 배관을 통과하는 혼합가스의 농도 비를 측정하는 방법을 제공한다.

Description

혼합가스로부터 가스의 농도를 측정하는 방법{Method for Measuring Concentration of Gas in Mixed Gases}
본 발명은 2종의 혼합가스가 통과하는 배관 내에서 블로어 또는 컴프레서를 이용하여 농도센서 없이 가스의 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
혼합 가스에서 각각의 가스의 농도를 측정함에 있어서, 종래에는 농도 센서를 사용하여 측정하였다. 상기 농도 센서는 형상에 따라 소결형과 박막형으로 구별되며, 가열방식에 따라 직접 가열형과 간접 가열형으로 구분할 수 있다. 한편, 반도체식 가스 센서는 각종 세라믹 분말에 귀금속 촉매를 혼합한 여러 가지 형상의 소자가 있지만 대부분 소결형이다.
소결형 센서는 산화물 분말에 소량의 물 등을 가해 혼합해서 만들어지는 감가스 페이스트를 전극 처리한 알루미나 기판에 도포나 스크린 인쇄 등으로 붙인 후, 건조하고 고온에서 소결하여 만든다. 이와 같은 센서의 특성은 제작 방법, 형상 등에도 크게 영향을 받기 때문에 여러 가지 형태의 센서가 제안되고 있다.
도 1은 종래 사용되어 온 소결형 센서의 대표적인 형상을 나타내는 것이다. 이중, (a)는 원통형 알루미나 기판을 사용하여 원통 내에 소자가열용 열선을 내장한 원통형 센서이고, (b)는 알루미나 평판을 사용하며, Au 전극을 형성하여 그 위에 감가스 재료를 인쇄하고, 동일 면 또는 반대 면에 RuO2 후막 저항체를 인쇄하여 발열체로 사용한 후막형 센서이다. 또한, (c)는 기판을 사용하지 않고 세라믹 분말을 디스크상으로 가압 성형하여 소결한 디스크형 센서이다.
그러나, 이들 센서의 대부분은 공기에 접촉하는 것만으로도 열화가 진행되는데, 이러한 현상은 측정기를 사용하지 않더라도 발생하며, 일정한 기간이 경과하면 사용이 불가능하게 된다.
한편, 안전용 가스 분석기에서 폭넓게 채택되고 있는 전기화학식 센서의 경우, 그 수명은 접촉한 공기에 포함된 해당 가스의 농도와 접촉 시간의 누적치로 나타나지만, 일반적인 환경에서 표 1과 같은 정도의 수명을 갖는다.
측정가스 센서 방식 수명 교체시기
산소 전기 화학식(갈바니 전지) 6개월~1년 매년
일산화탄소 정전위 전해식 2~3년 매2년
한편, 정도의 차이는 있지만, 모든 가스 센서는 주위 온도 및 습도의 변화에 민감하게 반응하고, 그 수명도 주위 환경에 따라 가감될 수 있으므로, 정상적인 환경 조건을 유지하려는 노력이 필요하다.
도 2는 온도, 습도가 변할 때 나타나는 전형적인 센서 저항의 변화를 나타내는 그래프이다. 이들 센서는 반도체 센서이기 때문에, 고온인 경우 센서 저항은 낮아지는 한편, 저온인 경우 센서 저항이 커지게 된다. 주위 환경이 고온 고습의 경우에는 온도 증가와 함께 수분인 H2O가 일종의 가스로 작용하기 때문에 고온 고습 상태의 초기에는 센서 저항이 상당히 낮아진다. 그러나 시간이 경과함에 따라 H2O 는 H 이온과 OH 이온으로 해리하기 때문에 센서 저항이 점차 커지게 된다. 또한, 고온 고습 상태에서 원래의 온도 습도 상태로 갑자기 복귀하게 되면, 고온 고습 상태에서 흡착된 OH 이온 때문에 초기에는 원래의 센서 저항 값보다 커져 있게 되며, 시간 경과 후 원래 저항 값을 찾게 된다.
고온 고습 상태가 저온 저습 상태보다 OH 이온의 평형 흡착 농도가 크기 때문에, 장시간의 고습 상태가 유지되는 경우에는 센서 저항의 증가를 가져 온다. 저온 저습의 경우는 고온 고습의 변화와 정반대의 변화를 나타낸다.
일반적인 사용 조건에서 H2O의 반응은 가스로서의 반응이 빠르기 때문에, 고온 다습한 환경에서 센서는 민감하고, 저온 건조한 날에는 둔해지게 된다. 또, 센서에 바람이 불게 되면 센서 표면 온도가 내려가기 때문에 센서 저항이 심하게 바뀌게 된다. 특히 갑자기 비바람이 불거나 차고 건조한 바람이 불게 되면, 센서 저항은 비상하게 커지게 된다. 비가 오기 전의 저기압 상태에는 센서 저항은 낮아지고, 비가 온 후 날이 화창하게 갠 때에는 센서 저항은 크게 높아진다. 이와 같이 반도체 센서는 계절이나 주위 환경의 변화에도 역시 저항값이 영향을 받아 변화하게 된다.
가스센서의 감도 또한, 온도 및 습도 등의 조건에 따라 변하게 된다. SnO2계 반도체식 가스 센서의 가스 감도에 대한 전형적인 경향을 도 3에 나타내었다. 가스감도는 가스 중의 센서 저항 Rs(gas)/대기 중의 센서저항 Rs(air)로 정의된다. 반응은 수초에서 수십 초 내에 이루어지며 저항은 급격히 저하한다. 각 가스에서의 저항변화율이 다르기 때문에 사용 목적에 따라 적절하게 설정하여 사용할 필요가 있다.
잡가스, 유해가스 등의 환기와 전자 레인지의 조리에는 낮은 저항 변화율 값으로, 가연성 가스는 저항 변화율이 매우 크기 때문에 높은 저항 변화율 값으로 설정한다. 저온 건조한 경우 센서의 저항 변화율 값은 고온 다습한 날의 저항 변화율보다 크지만 가스 중의 저항 값은 고온 고습한 날의 저항 값이 작다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 2 종류의 성분 가스가 혼합된 혼합가스로부터 농도 측정 센서를 사용하지 않고도 각 성분 가스 농도를 0~100%의 범위에서 실시간으로 측정할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 각 성분 가스의 농도를 측정함에 있어서, 혼합가스 내에 존재하는 미량의 수분이나 먼지 등에 대하여 영향을 받지 않고 측정할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명은 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제1 구현예에 따르면, 각 성분 가스별로 블로어 또는 컴프레서를 통과시켜, 각 성분 가스별로 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 성분 가스의 유량별 압력차를 측정하여 수학식 (1) 및 (2)의 성능 함수를 구하는 단계
Figure 112011104095117-pat00001
(상기 수학식 1에서, dP1은 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 제1 성분 가스의 압력차이고, Q1은 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 제1 성분 가스의 시간당 유량이며, F1은 dP1과 Q1의 관계로부터 나타나는 제1 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수를 나타낸다.)
Figure 112011104095117-pat00002
(상기 수학식 2에서, dP2는 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 제2 성분 가스의 압력차이고, Q2은 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 제2 성분 가스의 시간당 유량이며, F2은 dP2와 Q2의 관계로부터 나타나는 제2 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수를 나타낸다.), 상기 제1 및 제2 성분 가스가 혼합된 혼합가스를 상기 블로어 또는 컴프레서를 통과시키고, 상기 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 혼합가스의 시간당 유량 및 상기 블로어 또는 컴프레서의 통과에 따른 압력차를 측정하는 단계 및 상기 수학식 (1) 및 (2)와 상기 혼합가스의 시간당 유량 및 압력차를 사용하여 다음 수학식 (3) 및 (4)로부터 각 성분 가스의 농도를 계산하는 단계
Figure 112011104095117-pat00003
(상기 수학식 3에서 C1은 제1 성분 가스의 농도이고, dP는 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 혼합가스의 압력차이며, Q는 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 혼합가스의 시간당 유량이며, F1 및 F2는 상기 수학식 1 및 2로부터 얻어진 각 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수이다.)
Figure 112011104095117-pat00004
(수학식 4에서 C2는 가스 2의 농도이고, C1은 상기 수학식 3에서 계산한 가스 1의 농도이다.)를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제2 구현예로서, 상기 블로어 또는 컴프레서는 원심방식 또는 축류방식의 블로어 또는 컴프레서일 수 있다.
본 발명의 제3 구현예에 따르면, 상기 압력차는 블로어 또는 컴프레서의 상부와 하부에 압력계를 설치하여 측정할 수 있다.
본 발명의 제4 구현예에 따르면, 상기 각 성분 가스의 시간당 유량은 블로어 또는 컴프레서의 상부 또는 하부에 유량계를 설치하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 배관시스템에서 통상적으로 존재하는 블로어 또는 컴프레서를 활용하여 농도를 측정할 수 있게 됨으로써, 고가의 농도 센서의 사용이 불필요하다. 따라서, 기존의 농도센서가 요구하는 유지보수 및 센서 보호장치, 필터 등의 설치가 필요없어 효과적인 비용의 절감을 기대할 수 있다.
또한, 측정 환경에 따른 측정 결과의 차이가 없고, 비교적 간단하고 빠르게 2 종류의 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도비를 측정할 수 있다.
도 1은 종래 사용되어 온 소결형 센서의 대표적인 형상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 온도, 습도가 변할 때 나타나는 전형적인 센서 저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 SnO2계 반도체식 가스 센서의 가스 감도에 대한 전형적인 경향을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 혼합가스의 각 성분 가스별 농도를 측정하기 위한 배관구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 있어서, 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 각 성분 가스별 유량 및 압력차에 따른 블로어 또는 컴프레서의 성능 곡선을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 6 및 7은 실시예에서 배관을 통해 공급되는 수소의 유량(Q1)에 따른 블로어 상하의 압력 차이(dP1) 및 질소의 유량(Q2)에 따른 블로어 상하의 압력 차이(dP2)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예에 의해 측정된 수소농도의 값과 COSMOS 모델 XP-3110 수소농도 측정기를 사용하여 측정된 수소농도 값과의 차이를 비교하는 그래프이다.
본 발명은 농도센서 없이 배관을 통과하는 혼합가스의 농도비를 측정하는 방법을 제시한다.
즉, 본 발명은 배관을 통해 혼합가스가 통과하는 경우, 블로어 또는 컴프레서를 가동하여 상부 스트림과 하부 스트림의 압력차가 변화하는 원리를 이용함으로써 배관을 통과하는 혼합가스의 농도 비를 측정할 수 있다. 즉, 블로어 또는 컴프레서의 상하부 스트림 간의 압력차 및 통과 유량을 측정함으로써, 간단하게 혼합가스 내의 가스 농도를 계산할 수 있다.
이를 위해, 도 4에 나타낸 바와 같이 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부와 하부에 압력계(3, 5)를 각각 설치한다. 이와 같은 압력계(3, 5)에 의해 상기 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부 및 하부에서의 스트림의 압력차를 측정할 수 있다. 상기 블로어 또는 컴프레서(4)는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 원심 방식 또는 축류 방식을 적용할 수 있다.
또한, 상기 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부 또는 하부 배관(1, 6)에는 유량계(2)를 설치하여 상기 블로어 또는 컴프레서(4)를 통과하는 가스의 유량을 측정할 수 있다.
먼저, 상기와 같은 설비를 갖춘 배관(1, 6)을 통해 유량을 변화시키면서 제1 성분 가스를 통과시켜, 상기 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부(1) 및 하부(6)에서의 스트림의 압력차를 측정한 후, 제1 성분 가스 유량에 따른 압력차에 대한 성능 곡선을 구한다.
이와 같은 성능 곡선으로부터 제1 성분 가스에 대한 압력차의 유량에 대한 관계식을 구성할 수 있다. 즉, 제1 성분 가스에 대한 성능 함수는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011104095117-pat00005
상기 수학식 1에서, dP1은 제1 성분 가스가 블로어 또는 컴프레서(5)를 통과할 때에 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부 스트림 및 하부 스트림의 압력차이고, Q1은 제1 성분 가스가 블로어 또는 컴프레서(4)를 통과하는 시간당 유량이며, F1은 제1 성분 가스에 대한 dP1과 Q1의 관계로부터 얻어지는 제1 성분가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수이다.
다음으로, 상기 제1 성분 가스에 대한 것과 마찬가지로, 제2 성분 가스를 상기 배관(1, 6)을 통해 유량을 변화시켜가면서 통과시켜, 상기 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부 및 하부에서의 스트림의 압력차를 측정한 후, 제2 성분 가스 유량에 따른 압력차에 대한 성능 곡선을 구하고, 이에 의해 얻어진 성능 곡선으로부터 제2의 가스에 대하여 다음 식 (2)와 같은 성능 함수를 구한다.
Figure 112011104095117-pat00006
수학식 2에서 dP2는 제2 성분 가스가 블로어 또는 컴프레서(4)를 통과할 때에 블로어 또는 컴프레서의 상부 스트림과 하부 스트림의 압력차이고, Q2는 제2 성분 가스가 블로어 또는 컴프레서(4)를 통과하는 시간당 유량이며, F2는 제2 성분 가스에 대한 dP2와 Q2의 관계로부터 얻어지는 제2 성분가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수이다.
이와 같은 각 성분 가스에 대한 성능 함수는, 예를 들어, 1차, 2차 또는 3차 다항식 등으로 구성하여 각 차수의 계수를 최소 자승법으로 결정함으로써 구할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 얻어진 성능 함수를 이용함으로써 설비의 실제 운전에서 배관(1, 6)을 통과하는 2종의 기체로 된 혼합가스에 대한 유량(Q) 및 압력차(dP)를 측정한 후, 하기 수학식 3에 대입함으로써 제1의 성분 가스에 대한 농도를 구할 수 있다. 또한, 하기 수학식 4에 대입하여 가스 2의 농도를 구할 수 있다.
Figure 112011104095117-pat00007
상기 수학식 3에서 C1은 가스 1의 농도이고, dP는 혼합가스가 배관(1, 6)을 통과할 때에 블로어 또는 컴프레서(4)의 상부 스트림과 하부 스트림의 압력차이며, Q는 혼합가스가 블로어 또는 컴프레서(4)를 통과하는 시간당 유량이며, F1과 F2는 각각 상기 수학식 1과 상기 수학식 2로 주어진 각 성분가스에 대한 블로어 또는 컴프레서(4)의 성능함수를 나타낸다.
Figure 112011104095117-pat00008
상기 수학식 4에서 C2는 가스 2의 농도이고, C1은 상기 수학식 3에서 계산한 가스 1의 농도이다.
본 발명을 통해, 배관시스템에서 통상적으로 존재하는 블로어 또는 컴프레서(4)를 활용하여 농도를 측정할 수 있게 됨으로써, 고가의 농도센서를 사용하지 않고 비교적 간단하고 빠르게 2 종류의 혼합 가스에서의 각 성분 가스의 농도 비를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따를 경우, 기존의 농도 센서가 요구하는 유지보수 및 센서 보호장치, 필터 등의 설치가 필요없어, 효과적인 비용의 절감을 기대할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시에는 본 발명이 적용되는 일 예로서 이에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.
블로어가 설치된 배관에 수소를 공급하였다. 배관을 통해 공급되는 유량(Q1)에 따른 블로어 상하의 압력 차이(dP1)를 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
상기 도 6으로부터 배관에 공급된 수소에 대한 블로어의 성능함수를 1차 다항식으로 가정하여 다음 수학식 1과 같은 함수를 얻었다.
Figure 112011104095117-pat00009
상기와 동일한 방법으로 질소를 배관에 공급하여 유량(Q2)별 블로어 상하의 압력 차이(dP2)를 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
상기 도 7로부터 배관에 공급된 수소에 대한 블로어의 성능함수를 1차 다항식으로 가정하여 다음 수학식 2와 같은 함수를 얻었다.
Figure 112011104095117-pat00010
상기 수학식 1 및 2를 각각 다음 식 (3)에 대입하여 수소농도 C1에 대한 수학식을 구성하였다.
Figure 112011104095117-pat00011
검증을 위해 질소를 공급하는 상태에서 서서히 수소농도를 증가시키면서 블로어의 유량(Q)과 압력 차이(예)를 측정하고, 이를 수학식 (3)에 대입하여 농도를 구하였다.
측정의 정확도를 평가하기 위해 배관에 COSMOS 모델 XP-3110 수소농도 측정기를 사용하여 수소농도를 측정하고, 그 측정치를 상기 수학식 (3)으로 계산한 값과의 차이를 비교하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 계산식을 통해 구한 수소농도의 값은 상기 농도측정기를 사용하여 측정한 수소농도 값과 평균 6% 정도의 오차 범위 내에서 비교적 정확히 일치함을 확인하였다.
일부 영역에서 15% 정도의 오차를 나타내는 경우가 있으나, 압력계의 정밀도 향상 및 유량 안정성 확보에 따라 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 별도의 농도계 없이 측정할 수 있는 점을 감안할 때 획기적인 농도측정방법임이 분명하다.
1: 혼합가스가 유입되는 배관
2: 유량계
3, 5: 압력계
4: 블로어 또는 컴프레서
6: 혼합가스가 통과하여 배출되는 배관

Claims (4)

  1. 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법에 있어서,
    각 성분 가스별로 블로어 또는 컴프레서를 통과시켜, 각 성분 가스별로 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 성분 가스의 유량별 압력차를 측정하여 수학식 (1) 및 (2)의 성능 함수를 구하는 단계
    Figure 112011104095117-pat00012

    (상기 수학식 1에서, dP1은 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 제1 성분 가스의 압력차이고, Q1은 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 제1 성분 가스의 시간당 유량이며, F1은 dP1과 Q1의 관계로부터 나타나는 제1 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수를 나타낸다.)
    Figure 112011104095117-pat00013

    (상기 수학식 2에서, dP2는 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 제2 성분 가스의 압력차이고, Q2은 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 제2 성분 가스의 시간당 유량이며, F2은 dP2와 Q2의 관계로부터 나타나는 제2 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수를 나타낸다.);
    상기 제1 및 제2 성분 가스가 혼합된 혼합가스를 상기 블로어 또는 컴프레서를 통과시키고, 상기 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 혼합가스의 시간당 유량 및 상기 블로어 또는 컴프레서의 통과에 따른 압력차를 측정하는 단계; 및
    상기 수학식 (1) 및 (2)와 상기 혼합가스의 시간당 유량 및 압력차를 사용하여 다음 수학식 (3) 및 (4)로부터 각 성분 가스의 농도를 계산하는 단계
    Figure 112011104095117-pat00014

    (상기 수학식 3에서 C1은 제1 성분 가스의 농도이고, dP는 블로어 또는 컴프레서 통과 전후의 혼합가스의 압력차이며, Q는 블로어 또는 컴프레서를 통과하는 혼합가스의 시간당 유량이며, F1 및 F2는 상기 수학식 1 및 2로부터 얻어진 각 성분 가스에 대한 블로어 또는 컴프레서의 성능함수이다.)
    Figure 112011104095117-pat00015

    (수학식 4에서 C2는 가스 2의 농도이고, C1은 상기 수학식 3에서 계산한 가스 1의 농도이다.)
    를 포함하는 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 블로어 또는 컴프레서는 원심방식 또는 축류방식의 블로어 또는 컴프레서인 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압력차는 블로어 또는 컴프레서의 상부와 하부에 압력계를 설치하여 측정하는 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 각 성분 가스의 시간당 유량은 블로어 또는 컴프레서의 상부 또는 하부에 유량계를 설치하여 측정하는 2성분 혼합 가스로부터 각 성분 가스의 농도를 측정하는 방법.
KR1020110143819A 2011-12-27 2011-12-27 혼합가스로부터 가스의 농도를 측정하는 방법 KR101856956B1 (ko)

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