KR102223882B1 - 미량가스 탐지가 용이한 미세누출감지 가스탐지장치 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 가스탐지장치에 관한 것으로, 구체적으로 미량의 특정가스를 탐지할 수 있도록 설계된 제어부와 표시수단을 구비한 표시장치에 관한 것이다.
본원 발명은 작동온도 및 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부; 상기 탐지부를 가열하는 가열수단; 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값을 전류 또는 전압으로 변환하는 출력하는 출력부; 상기 출력부에서 출력되는 전류값에 대응하는 가스농도값으로 산출하는 제어부; 상기 제어부에 의해서 산출된 가스농도값을 표시하는 표시수단;을 포함하는 가스탐지장치로서, 소정 시점의 가스농도값을 기준값인 0로 설정하고 그 이후의 가스농도를 상대적인 값으로 마이너스로 표시할 수 있도록 한 것이다.

Description

미량가스 탐지가 용이한 미세누출감지 가스탐지장치{AN APPARATUS FOR DETECTING LOW AMOUNT OF GAS LEAK}

본원 발명은 가스탐지장치에 관한 것으로, 구체적으로 미량의 특정가스를 탐지할 수 있도록 설계된 제어부와 표시수단을 구비한 가스탐지장치에 관한 것이다.

반도체식 가스센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며 대부분 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물(세라믹스)이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 금속원자가 과잉(산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다.

즉, 대표적인 금속산화물 반도체인 SnO₂세라믹스는 산소원자가 부족한 oxygen vacancy(Vo)형태로서, 외부로부터 열에너지가 가해지면 전자주게 (donor)로 작용하는 oxygen vacancy의 전자가 전도대(conduction band Ec)로 이동하여 캐리어로 작용하는 n-type 반도체의 특성을 나타낸다. 가스센서는 가스 분자가 산소정공(oxygen vacancy: 산소 원자가 있을 자리에 빠져 있는 구조) 결함 부분에 달라붙는 것이 주된 감지 메커니즘으로서, 접촉되는 가스농도에 따라서 저항값 즉, 전기전도도가 가변된다. 세라믹반도체 가스센서는 고체의 표면과 기체와의 반응을 이용하는 것으로 가스센서의 가스민감성은 기체가 흡착하는 속도와 흡착되는 기체의 선택성에 관한 것으로서 센서의 동작온도, 촉매성분과 양, 센서주위의 분위기에 의해서도 크게 영향을 받는다.

특히 세라믹반도체의 동작온도는 전도대로 이동하는 캐리어의 개수와 이동도를 변화시켜 전기전도도를 변화시키고 또한 가스흡착능력을 변화시키기 때문에 센서특성을 변화시키는 매우 민감한 요인으로 작용하기 때문에, 가스센서로 주로 활용되는 SnO₂세라믹스는 도 1에서 도시된 바와 같이, 가열히터(heater)에 의해서 가열된다.
통상적인 가스탐지장치에 사용되는 탐지센서는 흡착되는 가스의 종류 및 양 뿐만 아니라, 작동되는 온도, 기타 습도 및 다양한 탐지센서 주위의 분위기에 따라서 탐지센서의 특성, 즉 저항값이 변화된다. 통상적인 탐지센서는 온도와 가스량에 의해서 가장 영향을 많이 받는데, 센서의 종류에 따라 다르기는 하지만, 가열되어 온도가 올라가면서 저항값이 점차 올라가면서 반대로 전기전도도는 낮아지게 된다. 그리고 탐지센서에 가스가 흡착되면 저항값이 낮아지게 되어 전기전도도가 높아지게 된다.

따라서 비록 검출가스가 전혀 없는 깨끗한 공기 분위기 하에서 가스탐지장치의 스위치를 ON시키더라도 처음에는 탐지센서가 가열되지 않은 상태이므로 가변저항의 저항이 낮고 전기전도도는 높아 표시수단에는 매우 높은 값이 표시되지만, 점차 탐지센서가 가열되면서 저항이 높아지고 전기전도도가 낮아지면서 전기전도도가 0이 되기까지는 너무 오랜 시간을 기다려야 하므로 통상적인 가스탐지장치는 스위치가 ON되고 자동으로 3분 후의 가스민감도, 즉 가변저항의 저항값에 기초한 전기전도도에 의해서 표시수단의 표시값을 0이 되도록 설계되어 있거나, 사용자가 별도로 구비된 영점수단을 조작하여 표시수단에 0이 표시되도록 할 수 있다. 사용자는 가스누출을 탐지해야 하는 배관이 위치한 장소로 이동하여 가스탐지를 시도하게 된다. 하지만 시간이 지남에 따라서 가열에 의해서 탐지센서의 온도가 최적의 온도에 근접함에 따라서 전기전도도는 좀 더 향상된다. 그러나 이미 영점에 의해서 기준값이 0로 표시수단에 표시된 이상, 그 이후에 전기전도도는 0보다 더 높은 값만을 표시수단에 표시하게 되므로, 더 향상된 탐지센서의 감도와 영점의 기준이 된 감도 사이에 오차가 발생하기 때문에 향상된 탐지센서의 가스민감도에 의한 측정값은 기준값 0에 미치지 못하게 되므로, 표시수단을 통해서 표시되지 못하게 되는 문제가 있다.

이러한 문제로 인해서 이미 영점조정된 가스탐지장치는 기준값 이상의 값만 표시장치에 표시할 수 잇게 되므로 미량의 검출가스는 표시수단에 표시할 수 없는 한계를 가지고 있다.

이에 본원 발명의 발명자는 가스를 탐지하는 센서는 그 후각능력(가스 민감도)이 작동 후 시간이 흐르면서 온도에 따라서 점차 변화되는 특성이 있고 이로 인해서 미량의 가스를 탐지할 수 없는 문제점을 인식하고, 이점을 감안하여 미량의 가스도 탐지해 낼 수 있는 가스탐지장치를 착안하게 되었다.

선행문헌 : 한국공개특허공보 10-2017-0039399 (2017.04.11. 공개)

본원 발명은 미량의 누출된 가스를 감지해 낼 수 있도록 하는 미세누수감지 가스탐지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본원 발명의 가스탐지장치는,

흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부; 상기 탐지부를 가열하는 가열수단; 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값을 전류 또는 전압으로 변환하는 출력하는 출력부; 상기 출력부에서 출력되는 전류값에 대응하는 가스농도값으로 산출하는 제어부; 상기 제어부에 의해서 산출된 가스농도값을 표시하는 표시수단;을 포함하는 가스탐지장치에 있어서,

누출가스가 전혀 없는 공기(AIR) 분위기 상태에서 영점수단에 의해서 상기 제어부는 소정시간 T₀ 의 기준농도값(C₀)을 기준값 0로 설정하고, 소정시간 T₀ 이후 소정시간 T₁ 의 측정농도값 (C₀)을 마이너스로 표시수단에 표시하는 것이다

본원 발명은 가스센서의 가스탐지능력인 가스민감도, 즉 가변저항으로 된 센서저항값(Rs)은 다양한 조건에 의해서 변화되는 점을 감안하여, 누출가스가 없는 공기상태에서 특정시점 T₀ 에서 가스탐지능력에 기초하여 측정된 측정값 C₀ 을 영점에 의해서 기준값인 0로 설정하되, T₀ 이후 소정시간 T₁ 에 가스센서의 변화된 가스탐지능력에 기초한 측정값 C₁을 마이너스값으로 표시수단에 표시하도록 함으로써 측정값 C₀과 측정값 C₁ 사이에서 측정되는 미량의 가스에 대해서도 표시장치를 통해서 표시할 수 있도록 한 것이다.

본원 발명은 수도배관의 누수탐지현장에서 적용될 때 아주 미세하게 간헐적으로 발생하는 가스의 누출(leak)을 감지할 수 있게 되어서 배관의 미세한 누수 위치도 용이하게 탐지할 수 있는 것이다.

도 1은 본원발명에 따른 가스탐지장치에 대한 개략도이다.
도 2는 본원 발명에 사용되는 센서구조를 도시한 도면이다.
도 3는 본원 발명에 사용되는 측정회로이다.
도 4은 가스센서의 가열시간에 대한 저항변화 그래프이다.
도 5는 가스센서의 가스탐지에 의한 저항변화그래프이다.
도 6는 본원 발명에 따른 가스탐지장치이며, 표시부는 측정가스농도값을 마이너스값으로 표시한 사례를 도시한 도면이다.

이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예들은 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록 설명하는 것으로 이해되어야 하며, 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 하며, 본 발명을 이에 한정하는 것으로 이해되어서는 안될 것이다.

이하, 도 1, 2에 따라서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본원 발명의 가스탐지장치는 흡착되는 온도와 가스의 농도에 따라 가변되는 저항을 구비한 탐지부(10); 상기 탐지부를 가열하는 가열부(20); 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값의 변화를 전류 또는 전압의 변화량으로 출력하고, 상기 출력된 전류 또는 전압의 변화량을 대응하는 가스농도값으로 산출하는 제어부(30); 상기 제어부에 의해서 산출된 가스농도값을 표시하는 표시부(40);를 포함한다.

본원 발명은 탐지부(10)는 바람직하게 반도체세라믹스로 제조되는 것이고, 도 1의 구조와 같이 반도체세라믹스는 가열부(heater, 20)에 의해서 지지되면서 가열된다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 가열부의 리드선(1, 4)과 탐지부의 리드선(2, 3)은 각각서 측정회로로 연결되며, 탐지부는 주위의 가스농도에 따라서 저항값이 변화되면서 자연히 저항값에 따른 전류 또는 전압의 변화가 발생하게 되고, 제어부는 이러한 전류 또는 전압의 변화값을 측정하고 이를 가스의 농도로 산출하게 된다.

도 3은 측정회로를 도시한 도면으로서, 가열수단(R_H)과 가스의 농도에 의해서 탐지부의 저항값(Rs)이 변화된다. 회로전압(Vc)은 탐지부에 의해서 저항이 발생하도록 탐지부의 두 전극에 연결된다. 탐지부의 가변저항(Rs)과 로드저항(R_L)은 서로 직렬로 연결된다. 탐지부에 의한 압력강하(Vc-V_RL)량은 R_L에 의한 전압의 강하량(V_RL)에 의해서 간접적으로 측정된다. 즉, 탐지부의 저항은 아래와 같은 식에 의해서 얻어진다.

Rs : R_L = (Vc-V_RL) : V_RL

즉, Rs = (Vc-V_RL)/V_RL x R_L

도 4를 참고하면, 가열수단(heater)에 의해서 가열되는 탐지부의 가변저항은 스위치 on 이후에 3분시간이 지나면 가열온도에 의해서 저항값이 더 이상 크게 변화되지 않기 때문에 3분정도 지점을 기준으로 영점을 정하게 된다. 그때의 가변저항의 저항값에 기초하여 누출가스가 없는 공기(air) 상태의 측정값을 0로 표시한다. 그러나 센서의 특성상 탐지부는 여전히 가열시간이 흐를수록 저항이 조금씩 변화되는 것을 알 수 있다. 그러므로 3분이나 또는 소정의 시간에 설정된 저항값을 기준으로 영점을 정하게 되면, 그보다 낮은 가스농도에 대해서는 아무런 반응을 나타낼 수 없게 된다. 따라서 본원 발명에서는 영점조정시 탐지부의 저항값을 기준으로 0을 출력하도록 하고, 그 이후에 변화되는 저항값에 따라서 마이너스로 산출하여 처리해준다.

통상적으로 누출가스가 없는 공기상태에서 사용자가 장치를 ON 시킨 후 3분이 지나면, 측정값이 0에 가까워지기 전에 영점수단에 의해서 측정값 C₀을 기준값인 0으로 표시장치에 표시하기도 하지만, 사용자가 장치를 ON시킨 후에 사용자의 의도에 따라 영점수단(50)에 의해서 측정값 C₀을 기준값인 0으로 설정해줄 수 있도록 한다

바람직하게, 상기 제어부는 상기 탐지부가 소정의 시점 T₀에서 탐지부의 저항값 R₀값과 전기전도도를 기준으로 측정되는 측정값 C₀을 영점수단에 의해서 0을 표시수단에 표시하고, 가열수단에 의한 지속적인 가열에 의해 탐지부의 저항값이 시점 T₁에 R₁으로 변화됨에 따라서 전기전도도가 T₀ 에서의 전기전도도보다 더 낮아진 경우, 변화된 전기전도도를 기준으로 측정되는 측정값 C₁을 마이너스로 표시수단에 표시하여, 가스검출시에 측정값이 C₁과 C₀사이에 있더라도 이를 표시수단에 마이너스 값으로 표시하는 것이 가능하게 된다.

도 5에서 같이 탐지부에 접촉되는 가스의 농도에 따라서 탐지부의 저항값이 변화가 발생한다. 즉, 에탄올 가스가 감지됨에 따라서 저항값이 떨어지는 것을 알 수 있다. 가스의 접촉에 의해서 탐지부의 저항값이 저하되고 전기전도도가 향상됨에 따라서 전류량이 증가된다.

도 6은 본원 발명의 가스탐지장치의 예시도를 표현한 것으로서, 표시부가 구비된 제어장치가 도시되어 있고, 상기 제어장치는 가열부와 탐지부가 내장된 센서장치가 케이블로서 연결되어 있다. 또한 상기 제어장치의 케이스 내면에는 제어부가 구비되며 상기 케이스 외면에는 온오프 스위치와 영점수단인 영점버튼이 구비된다. 상기 표시부에는 수소가스의 농도가 %단위로 표시되되 마이너스값으로 표시되어 있다. 가스의 농도는 %단위 또는 PPM단위로 표시되는 것도 가능하다.

마이너스 값으로 표시되는 가스농도값으로 인해서 아주 미량의 가스가 검출되는 경우 전기전도도가 좋아짐에 따라서 측정되는 농도값이 상승하게 되고, 이러한 검출가스 농도의 변화가 표시수단에 의해서 표시되기 때문에 사용자의 관찰이 용이하게 된다. 반면, 영점이 맞춰져서 0으로 표시되는 소정 시점에서 가스농도값을 0이상으로만 표시되는 경우, 그 이후에 가변저항의 저항값이 더 높아짐에 따라서 미량의 가스에 의한 저항감소 효과를 상쇄하게 되는 경우에는 미량의 가스를 검출할 수 없는 문제를 가지게 되는데, 본원 발명은 이러한 문제를 간단하게 해결할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정의 제어방법 및 표시방법을 포함하는 "가스탐지장치"를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 탐지부
11 : 금속캡, 12 : 가우즈, 13 : 리드핀, 14 : 리드선, 15 : 기판
16 : 센서부재, 17 : 전극
20 : 히터부
30 : 제어부
40 : 표시부
50 : 영점수단

Claims (2)

1. 작동온도 및 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부;
   상기 탐지부를 가열하는 가열수단;
   상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값을 전류 또는 전압으로 변환하여 출력하는 출력부;
   상기 출력부에서 출력되는 전류값에 대응하는 가스농도값으로 산출하는 제어부;
   상기 제어부에 의해서 산출된 가스농도값을 표시하는 표시수단;을 포함하는 가스탐지장치에 있어서,
   
   상기 제어부는,
   노출가스가 없는 공기 분위기 하에서 스위치를 ON시킨 후, 시점 T₀에서 탐지부의 저항값 R₀ 에 의한 측정값 C₀을 영점수단에 의해 0으로 하여 표시수단에 의해서 표시하고,
   소정의 시점 T₁에서 탐지부의 저항값 R₁ 에 의한 측정값 C₁을 표시수단에 마이너스로 표시하여,
   
   측정값 C₀과 측정값C₁ 사이에서 측정되는 미량의 가스에 대해서도 표시장치를 통해서 표시할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가스탐지장치.
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