KR102022081B1 - 수소가스 누출 감시 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수 개의 센서부를 통하여 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하여 누적하고, 누적된 저항값을 검출시간에 따른 저항변화율로 연산하며, 각 센서부의 저항변화율을 하나의 평균변화율로 연산하는 것을 특징으로 하는 저항변화율을 이용한 수소가스 누출 감시 시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 수소가스 누출 감시 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하여 누적하고, 누적된 저항값을 검출시간에 따른 저항변화율로 연산하여 수소가스의 누출을 감시하는 기술에 관한 것이다.
수소에너지는 수소 형태로 에너지를 저장하고, 연료로 사용 가능한 대체에너지로서, 연소시켜도 산소와 결합하여 물로 변하기 때문에 환경오염의 우려가 없는 에너지이다.
또한 수소에너지는 산업용뿐만 아니라 개인용 수소 자동차 또는 가정용 연료전지 등 다양한 분야에서 사용되고, 화석연료의 고갈과 저탄소 청정 에너지의 필요성에 의해 각광받는 에너지이며, 수소의 끓는점이 영하 252.9℃의 극저온이기 때문에 고압으로 압축하여 보관된다.
최근에는 수소가 인화점이 높고, 일정 농도 이상이 되면 폭발하는 성질이 있으므로, 수소의 누설을 검출하는 수소 누설 검지센서가 개발되고 있다.
특허문헌 1은 수소 누설 검지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 반도체 제조기술을 적용된 수소 누설 검지센서가 전압 측정 방식으로 수소가스를 검출한다.
그러나 특허문헌 1은 MEMS 반도체 제조기술이 적용되고, 전압 측정 방식으로 구동되는 수소 누설 검지센서의 제조단가가 고가인 문제점이 있다.
특허문헌 2는 탄화수소 검출 단말기를 이용한 가스누출 검출 및 보수시스템에 관한 것으로서, 탄화수소 검출 단말기를 이용하여 탄화수소의 누출을 감시한다.
그러나 특허문헌들은 검출 센서의 센싱 민감도를 향상시키는 구체적인 수단이 없고, 수소가스 또는 탄화수소 계열의 가스에 대한 검출 정확도를 향상시키는 구체적인 수단이 없으며, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구별하여 검출하지 못하는 문제점이 있다.
일반적으로 사업현장, 대학교 또는 연구소 등 현장에서 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 사용하므로, 현장에서는 가스 누출이 발생하면 어느 가스의 누출인지 신속하게 구별되어야 하고, 빠른 시간 내에 추후 대응조치가 이루어져야 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 실리콘 기판 상부에 형성된 유전체 구조물 및 유전체 구조물 상부에 형성된 2개의 전극을 포함하여 전기저항 측정방식으로 동작하는 수소가스 검출장치를 제공한다.
본 발명은 복수 개의 센서부를 사용하여 센싱 민감도를 향상시키고, 각 센서부에서 측정된 저항값의 저항변화율을 평균변화율로 연산하여 수소가스의 누출을 정확하게 판별하고자 한다.
본 발명은 수소접촉 면적이 서로 다른 복수 개의 센서부로 이루어진 센서 어레이부를 제공하고자 한다.
본 발명은 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석하고, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 저항변화율을 이용한 수소가스 누출 감시 시스템은 수소가스 검출장치를 포함하고, 상기 수소가스 검출장치는 가스 진행방향으로 소정의 간격마다 배치되고, 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하는 복수 개의 센서부로 이루어진 센서 어레이부; 각 센서부의 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율로 연산하고, 각 센서부의 저항변화율을 하나의 평균변화율로 연산하는 연산부 및 상기 검출 시간간격을 제어하는 제어부를 포함하여, 저항변화율을 이용하여 수소가스의 누출을 감시하는 것을 특징으로 한다.
상기 연산부는 산술평균, 조화평균 및 기화평균 중 하나의 연산법을 사용하여 평균변화율을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석하고, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수소가스 검출장치는 제어부의 판별 정보를 수소가스 감시서버 또는 이동통신 단말기로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 센서부는 실리콘 기판 상부에 형성된 유전체 구조물 및 유전체 구조물 상부에 형성된 2개의 전극을 포함하여 전기저항 측정방식으로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 실리콘 기판 상부에 형성된 유전체 구조물 및 유전체 구조물 상부에 형성된 2개의 전극을 포함하여 전기저항 측정방식으로 동작하는 수소가스 검출장치를 제공하여, MEMS 반도체 제조기술이 적용된 종래의 수소 누설 검지센서보다 제조단가를 감소시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
본 발명은 수소접촉 면적이 서로 다른 복수 개의 센서부로 이루어진 센서 어레이부를 제공하여 수소접촉 면적에 따른 센싱 민감도를 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
본 발명은 복수 개의 센서부를 사용하여 센싱 민감도를 향상시킬 수 있고, 단순히 저항값을 수소가스 농도값으로 환산하지 않고, 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율로 연산함으로써, 수소가스의 누출을 더욱 정확하게 판별할 수 있으며, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석함으로써, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수소가스 누출 감시 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 수소가스 검출장치를 상세하게 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 센서 어레이부 및 연산부의 구성을 도시한 예이다.
도 4는 유전체 구조물 기반의 센서부를 도시한 예이다.
도 2는 도 1의 수소가스 검출장치를 상세하게 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 센서 어레이부 및 연산부의 구성을 도시한 예이다.
도 4는 유전체 구조물 기반의 센서부를 도시한 예이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 수소가스 누출 감시 시스템을 도시한 블록도로서, 수소가스 누출 감시 시스템은 수소가스 검출장치(100), 수소가스 감시서버(200) 및 이동통신 단말기(300)를 포함한다.
수소가스 검출장치(100)는 수소가스 누출의 위험이 있는 장소에 배치되어 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하고, 검출 시간간격으로 누적된 저항값을 저항변화율로 연산하여 수소가스의 누출을 실시간으로 판별하며, 판별 정보를 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 수소가스 감시서버(200) 또는 이동통신 단말기(300)로 전송한다.
판별 정보는 수소가스의 누출 유무, 수소가스의 농도 및 수소가스 검출장치(100)의 식별 정보 중 하나 이상을 포함한다. 수소가스의 농도는 저항변화율을 환산하여 % 또는 ppm 단위로 나타낸다.
수소가스 감시서버(200)는 수소가스 검출장치(100)는 판별 정보를 수신하여 이동통신 단말기(300)로 전달할 수 있고, 이동통신 단말기(300)에서 판별 정보를 확인할 수 있는 인터페이스가 구동되기 위해 인터페이스 구동과 관련된 수소가스 감시 애플리케이션을 이동통신 단말기(300)에게 제공할 수 있다.
이동통신 단말기(300)는 수소에너지를 사용하는 사용자 또는 수소에너지를 관리하는 관리자의 단말기로서, 수소가스 감시 애플리케이션을 통하여 판별 정보를 표시할 수 있고, 수소가스 누출과 관련된 판별 정보이면 알람을 제공할 수 있다.
도 2는 도 1의 수소가스 검출장치를 상세하게 도시한 블록도로서, 수소가스 검출장치(100)는 센서 어레이부(110), 연산부(120), 통신부(130), 표시부(140), 메모리(150), 전원부(160) 및 제어부(170) 중 하나 이상을 포함한다.
센서 어레이부(110)는 가스 진행방향으로 소정의 간격마다 배치되고, 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하는 복수 개의 센서부로 이루어진다. 제어부(170)는 검출 시간간격을 제어한다.
연산부(120)는 각 센서부의 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율로 연산하고, 각 센서부의 저항변화율을 하나의 평균변화율로 연산한다.
도 3은 도 2의 센서 어레이부 및 연산부의 구성을 도시한 예로서, 센서 어레이부(110)는 복수 개의 센서부로 이루어지고, 복수 개의 센서부는 가스 진행방향으로 소정의 간격마다 배치된다.
센서 어레이부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 5개의 센서부(R1, R2, R3, R4, R5)로 구성될 수 있고, 다양한 개수로 센서부로 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 센서부는 수소가스의 흡착과 탈착 반응에 의해 저항값을 검출한다.
센서 어레이부(110)는 센서부의 개수를 많이 구성할수록 센싱 민감도를 향상시킬 수 있다. 센서 어레이부(110)는 복수 개의 센서부의 수소접촉 면적이 서로 동일할 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 수소접촉 면적(A, 2A, 3A, 4A, 5A)이 서로 다를 수 있다.
복수 개의 센서부의 수소접촉 면적이 동일하여도 센싱 민감도를 향상시킬 수 있으나, 복수 개의 센서부의 수소접촉 면적이 서로 다르면 센싱 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
센서부는 단위 면적의 크기에 따라 미미하거나 대량의 수소가스의 누출량을 정확하게 검출하지 못할 수 있다. 예를 들어 복수 개의 센서부의 수소접촉 면적이 동일하면 모든 센서부가 수소가스의 누출량을 정확하게 검출하지 못할 수 있고, 복수 개의 센서부의 수소접촉 면적이 서로 다르면 일부 센서부만 수소가스의 누출량을 정확하게 검출하지 못할 수 있다.
본 발명은 복수 개의 센서부의 수소접촉 면적을 서로 다르게 하여 수소접촉 면적당 저항변화율의 표본오차를 감소시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 4는 유전체 구조물 기반의 센서부를 도시한 예로서, 센서 어레이부(110)에서 각각의 센서부는 실리콘 기판(111) 상부에 형성된 유전체 구조물(112) 및 유전체 구조물(112) 상부에 형성된 2개의 전극(113)을 포함하여 전기저항 측정방식으로 동작한다. 유전체 구조물은 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)일 수 있다.
본 발명은 제조공정이 단순하고, 전기저항 측정방식으로 동작하는 센서 어레이부(110)를 제공하여 MEMS 반도체 제조기술이 적용된 종래의 수소 누설 검지센서보다 제조단가를 감소시킬 수 있고, 종래의 금속 구조물을 대체하여 유전체 구조물로 제조할 수 있다. 종래의 금속 구조물은 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다.
예를 들어 종래에는 나노 유전체 구조물 소재가 아닌 금속 구조물이기 때문에 포토리소그래피 및 E-beam 공정이 필요한 반면, 본 발명은 상기 공정이 불필요하여 제조시간 및 제조단가를 감소시킬 수 있다.
연산부(120)는 각 센서부의 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율로 연산하고, 각 센서부의 저항변화율을 하나의 평균변화율로 연산한다.
예를 들어 제1 센서부(R1)는 도 3에 도시된 바와 같이 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값(R1(1), R1(2), R1(3), …)을 검출하고, 나머지 센서부(R2, R3, R4, R5)도 수소가스의 저항값을 검출하며, 연산부(120)는 각 센서부의 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율(ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4, ΔR5)을 연산하고, 각 센서부의 저항변화율(ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4, ΔR5)을 하나의 평균변화율(ΔR)로 연산한다.
R1의 초기값은 R1(initial)이고, 나중값은 R1(after)이면, R1의 저항변화율(ΔR1)은 [수식 1~3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 1]
[수식 2]
[수식 3]
연산부(120)는 산술평균, 조화평균 및 기화평균 중 하나의 연산법을 사용하여 평균변화율(ΔR)을 연산할 수 있다. [수식 4]는 산술평균을 이용한 평균변화율이고, [수식 5]는 조화평균을 이용한 평균변화율이며, [수식 6]은 기화평균을 이용한 평균변환율이다. n은 1 이상의 자연수이다.
[수식 4]
[수식 5]
[수식 6]
본 발명은 복수 개의 센서부를 사용하여 센싱 민감도를 향상시킬 수 있고, 단순히 저항값을 수소가스 농도값으로 환산하지 않고, 저항값을 누적하여 검출시간에 따른 저항변화율로 연산함으로써, 수소가스의 누출을 더욱 정확하게 판별할 수 있다.
본 발명은 저항에 대한 변화율뿐만 아니라 전압 또는 전기용량에 대한 변화율을 측정하여 수소가스의 농도를 환산할 수 있다.
제어부(170)는 평균변화율(ΔR)을 수소가스 농도 단위인 % 또는 ppm으로 환산하고, 수소가스의 누출 여부를 판별하여 판별 정보를 생성한다. 표시부(140)는 판별 정보를 표시하고, 통신부(130)는 판별 정보를 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 수소가스 감시서버(200) 또는 이동통신 단말기(300)로 전송한다.
제어부(170)는 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석하고, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별한다.
예를 들어 수소 농도 10,000ppm 변화시 평균변화율이 0.24%로 측정되면 수소가스임을 구별할 수 있고, 0.06%로 측정되면 탄화수소 계열 가스인 메탄가스(CH4)임을 구별할 수 있다.
수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율은 반복적인 실험과 분자 구조에 의해 정할 수 있다.
본 발명은 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석함으로써, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별할 수 있다.
메모리(150)는 검출값, 연산값 및 기준값을 저장하고, 전원부(160)는 휴대형 배터리 또는 충전식 배터리로서 각 소자의 동작을 위한 전원을 공급한다.
통신부(130)는 판별 정보를 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 수소가스 감시서버(200) 또는 이동통신 단말기(300)로 전송하고, 표시부(140)는 판별 정보를 표시한다.
판별 정보는 수소가스의 누출 유무, 수소가스의 농도 및 수소가스 검출장치(100)의 식별 정보 중 하나 이상을 포함한다. 수소가스의 농도는 저항변화율을 환산하여 % 또는 ppm 단위로 나타낸다.
수소가스 감시서버(200)는 수소가스 검출장치(100)는 판별 정보를 수신하여 이동통신 단말기(300)로 전달할 수 있고, 이동통신 단말기(300)에서 판별 정보를 확인할 수 있는 인터페이스가 구동되기 위해 인터페이스 구동과 관련된 수소가스 감시 애플리케이션을 이동통신 단말기(300)에게 제공할 수 있다.
이동통신 단말기(300)는 수소에너지를 사용하는 사용자 또는 수소에너지를 관리하는 관리자의 단말기로서, 수소가스 감시 애플리케이션을 통하여 판별 정보를 표시할 수 있고, 수소가스 누출과 관련된 판별 정보이면 알람을 제공할 수 있다.
이동통신 단말기(300)는 애플리케이션을 실행하면 블루투스 활성화 상태를 점검하고, 비활성화 상태이면 활성화 여부를 제공하는 다이얼로그를 출력할 수 있다.
100: 수소가스 검출장치 110: 센서 어레이부
120: 연산부 130: 통신부
140: 표시부 150: 메모리
160: 전원부 170: 제어부
200: 수소가스 감시서버 300: 이동통신 단말기
120: 연산부 130: 통신부
140: 표시부 150: 메모리
160: 전원부 170: 제어부
200: 수소가스 감시서버 300: 이동통신 단말기
Claims (5)
- 수소가스 검출장치를 포함하는 수소가스 누출 감시 시스템에 있어서,
상기 수소가스 검출장치는,
가스 진행방향으로 소정의 간격마다 배치되고, 검출 시간간격으로 수소가스의 저항값을 검출하는 복수 개의 센서부로 이루어진 센서 어레이부;
상기 검출 시간간격으로 검출된 각 센서부의 저항값을 통해 저항변화율을 연산하고, 각 센서부의 저항변화율을 하나의 평균변화율로 연산하는 연산부 및
상기 검출 시간간격을 제어하는 제어부를 포함하여, 저항변화율을 이용하여 수소가스의 누출을 감시하고,
각 센서부의 수소접촉 면적은 서로 다르며,
상기 저항변화율의 연산은 [수식 1], [수식 2] 또는 [수식 3]을 이용하고, 평균변화율의 연산은 [수식 4], [수식 5] 또는 [수식 6]을 이용하며,
상기 제어부는 수소가스와 탄화수소 계열의 가스에 대한 기준변화율을 참조하여 평균변화율을 분석하고, 수소가스와 탄화수소 계열의 가스를 구분하여 판별하는 것을 특징으로 하는 저항변화율을 이용한 수소가스 누출 감시 시스템.
[수식 1]
[수식 2]
[수식 3]
[수식 4]
[수식 5]
[수식 6]
(여기서, R1은 제1 센서부의 저항값이고, R1(initial)은 R1의 초기값이며, R1(after)은 R1의 나중값이고, ΔR1은 R1의 저항변화율며, ΔR은 평균변화율이고, n은 1이상의 자연수임) - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 수소가스 검출장치는 제어부의 판별 정보를 수소가스 감시서버 또는 이동통신 단말기로 전송하는 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항변화율을 이용한 수소가스 누출 감시 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 센서부는 실리콘 기판 상부에 형성된 유전체 구조물 및 유전체 구조물 상부에 형성된 2개의 전극을 포함하여 전기저항 측정방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 저항변화율을 이용한 수소가스 누출 감시 시스템.
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| KR1020170082220A KR102022081B1 (ko) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | 수소가스 누출 감시 시스템 |
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