KR102229395B1 - 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법 - Google Patents
컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광산란법에 의한 미세먼지 측정시 컴프레서 방식 제습을 통하여 습도에 의한 측정값의 오차를 보정할 수 있는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광산란법에 의한 미세먼지 측정시 컴프레서 방식 제습을 통하여 습도에 의한 측정값의 오차를 보정할 수 있는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법에 관한 것이다.
미세먼지는 호흡기 및 심혈관계 질환을 유발하는 유해한 오염물질로서, 최근들어 미세먼지가 심각한 환경 문제로 대두됨에 따라 공기중 미세먼지를 자동으로 측정하는 장치에 대한 수요 또한 늘어나고 있다. 미세먼지 측정법에는 중량법, 베타선법 및 광산란법 등이 있는데, 현재 우리나라의 국가대기질 미세먼지 측정은 중량법과 베타선법에 의한다. 상기 중량법과 베타선법은 모두 정확도가 높지만 24시간 먼지를 포집(중량법)하거나 방사선 계열의 위험성(베타선법) 때문에 실내공기의 미세먼지를 측정하기에는 어려움이 있다.
한편, 미세먼지는 크게 국가, 도시, 지역 단위로 나뉘어서 계측 및 기록되지만 현대인의 생활에 직접적으로 영향을 미치는 실내공간에 대한 측정은 간이측정기에 의존한다. 간이측정기는 일반적으로 휴대가 가능하여 다양한 공간에서의 계측이 가능하다. 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 미세먼지 간이측정기는 광산란 방식을 사용한다. 광산란 방식은 가시광선 계열의 광원을 조사한 후 미세먼지에 의하여 발생하는 광의 산란 혹은 감쇠의 정도를 측정함에 의해 미세먼지 농도를 측정한다. 이러한 광산란 방식은 장시간 간편하게 미세먼지 농도의 측정이 가능하기는 하지만 전자기파를 이용한 방식이기 때문에 환경적인 요인에 크게 영향을 받는다는 단점을 가지고 있다. 특히 대기중의 습도는 광산란 방식으로 얻은 미세먼지 농도값에 매우 큰 오차를 불러일으킬 수 있으며, 실내공간에서는 가습기 사용 등 다양한 조건의 습도 변하기 때문에 간이측정기의 신뢰도는 더욱 떨어진다. 연구 결과에 따르면, 광산란법에 의한 미세먼지 농도 측정 결과는 습도가 증가할 수록 실제 미세먼지 농도 보다 더 높게 측정되는 것으로 나타났으며, 특히, 상대습도가 50%를 초과하는 경우에 그 오차가 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 대기 중의 수분 입자로부터 광산란이 일어남에 따라 수분 입자를 미세먼지로 오인하고, 미세먼지가 수분에 흡착되어 입자 크기 및 광산란에 변화를 일으키기 때문인 것으로 나타났다.
대한민국 등록특허 제10-2147163호 및 제10-2147164호에는 이와 같은 습도에 따른 미세먼지 측정값 오류를 해소하기 위하여 제습부를 구비하여 미세먼지와 습기를 분리한 후 미세먼지 농도를 측정하는 장치가 제안되었다. 그러나, 상기 등록특허들은 상대습도 변화에 따른 미세먼지 농도 측정값 오차 변화를 고려하지 않고 일률적으로 제습을 시행하는 방식으로, 측정값이 부정확하고 제습부의 상시 가동으로 인한 에너지 소모량이 많아 효율적이지 못하며 고장이 빈번하게 발생할 수 있다는 단점을 갖는다. 이에, 상대습도 변화에 따른 미세먼지 농도 측정값 오차 변화를 고려하여 정확한 측정값을 얻을 수 있으며 에너지 소모량이 상대적으로 적은 미세먼지 자동 측정 장치가 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 광산란법에 의한 종래의 미세먼지 자동 측정 장치의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 상대습도 변화에 따라 제습을 수행하여 습도에 따른 미세먼지 측정값 오차를 보정하고, 다중 센서와 레퍼런스 센서를 이용하여 센서 고장 또는 오류에 의한 측정값 오차를 줄임으로써 보다 정밀한 측정이 가능한 하고, 간헐적인 제습 수행으로 인해 상기 제습 기술에 비해 상대적으로 에너지 소모량이 적은 미세먼지 자동 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치는, 전방측에 외부 공기가 유입될 수 있는 흡기구(11)가 형성되고, 후방측에 상기 흡기구(11)를 통하여 케이싱 내부로 유입된 공기가 외부로 다시 배출될 수 있도록 배기구(16)가 형성된 케이싱(10)과; 상기 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기를 냉각하여 제습하기 위한 것으로, 냉매를 압축시키기 위한 압축기(21)와, 상기 압축기(21)에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기(22)와, 상기 응축기(22)로부터 나온 고온 고압의 냉매를 감압 팽창시키기 위한 팽창밸브(23)와, 상기 응축기(22)의 전방측에 배치되고 팽창밸브(23)를 통과하여 감압 팽창된 냉매를 증발시키기 위한 증발기(24) 및 상기 응축기(22)의 후방측에 배치되며 외부 공기가 흡기구(11)를 통하여 유입되고 배기구(16)를 통해 배출되도록 흡입 및 송풍력을 발생시키기 위한 팬(25)을 포함하는 제습모듈(20)과; 상기 제습모듈(20)의 전방측에 배치되어 흡기구(11)를 통해 유입된 공기의 미세먼지 농도를 상시 측정하기 위한 광산란 방식의 제1미세먼지센서(30)와; 상기 제습모듈(20)의 전방측에 배치되어 흡기구(11)를 통해 유입된 공기의 상대습도를 측정하기 위한 제1온습도센서(40)와; 상기 제습모듈(20)의 후방측에 배치되어 상기 제습모듈(20)에 의해 제습된 공기의 미세먼지 농도를 측정하기 위한 광산란 방식의 제2미세먼지센서(50)와; 상기 제1온습도센서(40)로부터 측정된 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만인 경우 상기 제1미세먼지센서(30)에 의해 측정된 미세먼지 농도값을 출력하고, 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우에는 제습모듈(20)을 가동하고 상기 제2미세먼지센서(50)에 의해 측정된 미세먼지 농도값을 출력하는 제어부(100)를 포함한다.
여기서, 상기 제1미세먼지센서(30)와 제2미세먼지센서(50)는 각각 3개의 광산란 방식 미세먼지 센서로 구성되며, 상기 제어부(100)는 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만인 경우 상기 3개의 제1미세먼지센서(30)로부터 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균값을 미세먼지 농도값으로 출력하고, 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우 상기 3개의 제2미세먼지센서(50)로부터 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균값을 미세먼지 농도값으로 출력한다.
그리고, 상기 제습모듈(20)의 전방측 및 후방측에는 각각 미리 정해진 일정한 주기 마다 작동되는 제1레퍼런스센서(32)와 제2레퍼런스센서(52)가 추가로 구비되고, 상기 제어부(100)는 상기 제1미세먼지센서(30)의 측정값과 제1레퍼런스센서(32)의 측정값에 차이가 있는 경우 제1미세먼지센서(30)를 제1레퍼런스센서(32)로 보정하고, 상기 제2미세먼지센서(50)의 측정값과 제2레퍼런스센서(52)의 측정값에 차이가 있는 경우 제2미세먼지센서(50)를 제2레퍼런스센서(52)로 보정한다.
그리고, 상기 제어부(100)는, 일정 기간 동안 시간별로 중량법과 베타선법에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균을 산출하여 농도기준값으로 저장하고; 일정 기간 동안 시간별로 제2미세먼지센서(50) 측정값을 농도측정값으로 저장하고;
시간별로 농도기준값과 농도측정값을 1:1 매칭하고; 각 농도 기준값과 농도측정값들 중 동일한 시간에 측정된 농도기준값과 농도측정값 사이의 차이를 계산하여 개별편차값으로 산출하고; 시간별로 산출된 다수의 개별편차값들의 평균값을 계산하여 평균편차값으로 산출하여 저장하며; 제2미세먼지센서(50) 측정값에 상기 평균편차값을 가산하여 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력한다.
또한, 본 발명에 따른 미세먼지 측정 방법은, 상기 제1미세먼지센서(30)로 유입 공기의 미세먼지 농도를 측정하는 단계와; 유입 공기의 상대습도를 측정하는 단계와; 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만이면 상기 제1미세먼지센서(30)로 측정된 미세먼지 농도를 미세먼지 측정값으로 출력하는 단계와; 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우 제습모듈(20)을 작동시키는 단계와; 상기 제습모듈(20) 작동 후 제2미세먼지센서(50)로 제습된 공기의 미세먼지 농도를 측정하는 단계와; 상기 제습모듈(20)에 의해 제습된 공기의 상대습도를 측정하는 단계와; 제습 공기의 상대습도가 습도기준값 미만인 경우 제2미세먼지센서(50)에서 측정된 미세먼지 농도값을 출력하는 단계를 포함한다.
여기서, 일정 기간 동안 시간별로 중량법과 베타선법에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균을 산출하여 농도기준값으로 저장하는 단계와; 일정 기간 동안 시간별로 제2미세먼지센서(50) 측정값을 농도측정값으로 저장하는 단계와; 시간별로 농도기준값과 농도측정값을 1:1 매칭하는 단계와; 각 농도 기준값과 농도측정값들 중 동일한 시간에 측정된 농도기준값과 농도측정값 사이의 차이를 계산하여 개별편차값으로 산출하는 단계와; 시간별로 산출된 다수의 개별편차값들의 평균값을 계산하여 평균편차값으로 산출하여 저장하는 단계와; 제2미세먼지센서(50) 측정값에 상기 평균편차값을 가산하여 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력하는 단계를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상대습도 변화에 따라 제습을 수행하여 습도에 따른 측정값 오차를 보정하고, 다중 센서와 레퍼런스 센서를 이용하여 센서 고장 또는 오류에 의한 측정값 오차를 줄임으로써 보다 정밀한 측정이 가능하고, 간헐적인 제습 수행으로 인해 상대적으로 에너지 소모량이 적고, 실시간으로 실내 미세먼지를 자동 측정할 수 있다는 탁월한 장점을 갖는다.
도 1 은 본 발명에 따른 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치의 외부 사시도,
도 2 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전방측(a) 및 후방측(b) 일부 분해도,
도 3 은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 측단면도,
도 4 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제어 계통도,
도 5 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제1실시예에 따른 미세먼지 농도 측정 알고리즘 순서도,
도 6 은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제2실시예에 따른 미세먼지 농도 측정 알고리즘 순서도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전방측(a) 및 후방측(b) 일부 분해도,
도 3 은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 측단면도,
도 4 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제어 계통도,
도 5 는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제1실시예에 따른 미세먼지 농도 측정 알고리즘 순서도,
도 6 은 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 제2실시예에 따른 미세먼지 농도 측정 알고리즘 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면과 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치는 케이싱(10), 제습모듈(20), 제1미세먼지센서(30), 제2미세먼지센서(50) 및 제어부(100)를 포함한다.
케이싱(10)은 내부에 후술하는 제습모듈(20), 제1미세먼지센서(30) 및 제2미세먼지센서(50) 등을 내장하는 외부 하우징이다. 상기 케이싱(10)은 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 하부 중앙에 지면에 지지될 수 있도록 구성된 지지부(18)와, 상기 지지부(18)의 상측에 구비된 후술하는 제습모듈(20)을 상부에서 덮는 상부커버(14)와, 상기 지지부(18) 및 제습모듈(20)을 외측에서 커버하는 다수의 측면커버(15)들로 분리 구성될 수 있다. 필요에 따라 상기 케이싱(10)은 일체형 함체로 구성될 수도 있고, 일부가 개구된 함체 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 지지부(18)의 일측, 예컨대 전방측에는 오목하게 만곡된 수용부가 형성되어 후술하는 증발기(24)에서 냉각 제습에 의해 발생하는 물이 낙하되어 저장되는 집수통이 삽입 결합되도록 구성되고, 지지부(18)의 타측, 예컨대 후방측에도 오목하게 만곡된 수용부가 형성되어 후술하는 압축기(21)가 수용 설치될 수 있도록 구성된다. 한편, 케이싱(10)의 전방측에는 외부 공기가 유입될 수 있는 흡기구(11)가 형성되고, 상기 상부커버(14)의 후방 일측에는 흡기구(11)를 통하여 케이싱 내부로 유입된 공기가 외부로 다시 배출될 수 있도록 배기구(16)가 형성된다. 그리고, 상기 상부커버(14)의 일측에는 전원 온오프 및 기타 작동 선택을 위한 각종 버튼 및 미세먼지 측정값, 현재 온도 및 습도, 기타 작동 상태 등을 표시하기 위한 디스플레이(19)가 구비된다. 그리고, 상기 상부커버(14)의 내측에는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전체 작동을 제어하는 제어부(100)가 내장된다.
상기 케이싱(10)의 내측 상부 중앙, 즉, 내측 지지부(18) 상측에는 제습모듈(20)이 구비된다. 상기 제습모듈(20)은 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기를 냉각하여 제습하기 위한 것으로, 신속한 제습 효과를 달성할 수 있는 컴프레서 방식의 제습모듈이다. 컴프레서 방식 제습모듈(20)은 압축기에 의해 냉매를 고압 토출 및 순환시켜 제습을 수행하는 방식으로, 냉매를 압축시키기 위한 압축기(21)와, 상기 압축기(21)에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기(22)와, 상기 응축기(22)로부터 나온 고온 고압의 냉매를 증발하기 쉬운 상태로 감압 팽창시키기 위한 팽창밸브(23)와, 팽창밸브(23)를 통과하여 감압 팽창된 냉매를 증발시키기 위한 증발기(24) 및 외부 공기가 흡기구(11)를 통하여 유입되고 배기구(16)를 통해 배출되도록 흡입 및 송풍력을 발생시키기 위한 팬(25)을 포함한다. 여기서, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 전면 흡기구(11) 측에 증발기(24)가 구비되고, 상기 증발기(24) 후방측에 인접하게 응축기(22)가 구비되며, 상기 응축기(22)의 후방측 배기구(16)와 인접한 위치에 팬(25)이 구비된다. 이에 따라, 팬(25)이 작동되면 흡입력에 의해 습한 외부 공기가 전면의 흡기구(11)를 통해 유입되고 증발기(24)를 거쳐 냉각 및 제습된 후 응축기(22)에서 다시 데워져 건조한 공기로 변환되고 상측 배기구(16)를 통하여 외부로 배출된다. 여기서, 도 2 의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 팬(25) 주변에는 건조 공기가 사방으로 퍼지는 것을 막고 배기구(16) 측으로 이동되도록 유도하기 위한 공기유도부재가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 공기유도부재는 팬을 둘러싸는 벽체를 포함하고 일측이 배기구(16)측을 향하여 개구되어 배기구와 연통되도록 구성된다. 한편, 상기 증발기(24)를 통과하면서 공기 중에 포함되었던 수분은 응축되어 하측의 집수통으로 낙하 저장된다.
다시, 도 2 및 도 3 을 참조하면, 상기 케이싱(10)의 전방측 내부, 즉, 상기 제습모듈(20)의 증발기(24) 전방측에는 제1미세먼지센서(30)가 구비된다. 상기 제1미세먼지센서(30)는 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기 중의 미세먼지 농도를 측정하는 센서로서 광산란 방식으로 미세먼지의 농도를 측정하며, 1개의 센서로 PM1.0, PM2.5 및 PM10 등을 동시에 측정할 수 있는 통합 센서로 구성된다. 한편, 본 발명에서는 센서의 오작동이나 에러 발생 등을 줄이고 신뢰성 향상을 위해 도시되지는 않았으나 상기 제1미세먼지센서(30)를 3개 구비한 3중 센서 방식을 도입하고, 추가적으로 도 4 에 도시된 바와 같이 1개의 제1레퍼런스센서(32)를 더 구비할 수도 있다. 이에 따라, 1개의 제1미세먼지센서(30)의 측정값을 미세먼지 농도값으로 출력할 수도 있고, 3중 센서 방식을 통하여 3개의 제1미세먼지센서(30)에서 측정된 미세먼지 농도값을 제어부(100)에서 전달받아 이들의 평균값을 최종 미세먼지 농도값으로 출력할 수도 있다. 이를 통해 센서의 오류로 인한 데이터의 산포를 방지할 수 있다. 한편, 제1미세먼지센서(30)는 미세먼지 농도의 상시 측정을 위해 상시 가동되는데, 장기간 사용시 센서 표면에 오염물질이 흡착됨에 따라 측정값의 오차가 심하게 발생하기도 하고 기타 손상이나 고장에 의해 측정값에 오류가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 상기 제1레퍼런스센서(32)를 미리 정해진 일정 주기마다 작동시켜 제1레퍼런스센서(32)의 측정값과 제1미세먼지센서(30)의 측정값에 차이가 있는 경우 각 제1미세먼지센서(30)를 제1레퍼런스센서(32)로 보정(제1미세먼지센서(30)의 측정값이 제1레퍼런스센서(32)와 일치되도록 조정)하고, 제1레퍼런스센서(32)에서 측정된 미세먼지 농도값을 기준값으로 하여 1개의 제1미세먼지센서(30)에서 측정된 미세먼지 농도 또는 3개의 제1미세먼지센서(30)에서 측정된 미세먼지 농도의 평균값이 기준값과 정해진 범위 이상 차이가 발생하는 경우 제어부(100)에서 해당 제1미세먼지센서(30)의 오류로 판단하여 해당 측정값을 배제하고, 이를 디스플레이(150)에 표시하거나 별도의 알람장치 등을 통하여 알림으로써 센서의 수리 또는 교체가 가능하도록 한다. 상기 제1미세먼지센서(30)와 제1레퍼런스센서(32)는 케이싱(10)의 내부 전방측, 즉, 증발기(24)의 전방측에 별도의 브라켓 등을 이용하여 설치되며, 흡기구(11)을 통하여 유입된 공기의 이동 경로 상에 배치되는 것이 바람직하며, 제어부(100)와 무선 또는 유선으로 연결되어 측정값이 제어부(100)로 실시간으로 전송되도록 구성된다. 또한, 추가적으로 상기 케이싱이 내부 전방측에는 제1온습도센서(40)가 구비되어 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기의 온도와 상대습도를 측정할 수 있도록 구성된다.
한편, 상기 케이싱(10)의 후방측 내부, 즉, 상기 제습모듈(20)의 팬(25) 주변, 보다 구체적으로는 상기 팬(25)을 둘러싸는 공기유도부재(27)에 의해 형성된 공간부에는 제2미세먼지센서(50)가 구비된다. 상기 제2미세먼지센서(50)는 제1미세먼지센서(30)와 동일한 광산란 상기 제습모듈(20)을 통과하여 제습이 수행된 건조한 공기의 미세먼지를 측정한다. 상기 제2미세먼지센서(50)는 제1미세먼지센서(30)와 마찬가지로 오직 1개만 구비될 수도 있고, 3개의 제2미세먼지센서(50)와 1개의 제2레퍼런스센서(52)를 구비할 수도 있다. 이에 따라, 1개의 제2미세먼지센서(50)의 측정값 또는 3개의 제2미세먼지센서(50)의 측정값의 평균값이 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력되고, 제2레퍼런스센서(52)는 제1레퍼런스센서(32)와 마찬가지로 미리 설정된 시간 주기마다 가동되어 기준값을 제공한다. 상기 제2미세먼지센서(50)와 제2레퍼런스센서(52)는 케이싱(10)의 내부 후방측, 보다 구체적으로는 상기 공기유도부재(27)의 공간부 내측에 별도의 브라켓 등을 이용하여 설치되며, 팬(25)으로부터 토출된 공기가 배기구(16)로 향하는 공기의 이동 경로 상에 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제2미세먼지센서(50)와 제2레퍼런스센서(52)는 제어부(100)와 무선 또는 유선으로 연결되어 측정값이 제어부(100)로 실시간으로 전송되도록 구성된다. 또한, 추가적으로 상기 케이싱(10)의 내부 후방측에는 제2온습도센서(60)가 구비되어 제습모듈(20)에서 제습된 후 팬(25)을 통해 배출되는 공기의 온도와 상대습도를 측정할 수 있도록 구성된다.
상기 케이싱(10)의 내부 전방측에서의 미세먼지 농도 측정은 상시적으로 수행되며, 케이싱(10)의 내부 후방측에서의 미세먼지 농도 측정은 간헐적으로 수행되는 것이 바람직하다.
즉, 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기의 미세먼지 농도는 습도에 관계없이 제1미세먼지센서(30)에서 실시간으로 측정된다. 이때, 상기 제1레퍼런스센서(32)는 위에서 언급한 바와 같이 미리 정해진 시간 주기마다 미세먼지 농도를 측정한다. 여기서, 상기 제1온습도센서(40)에 의해 측정된 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만인 경우에는, 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기는 케이싱(10) 내부 전방측에서 제1미세먼지센서(30)에 의해 미세먼지 농도가 측정된 후 다시 흡기구(11)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 상기 제1온습도센서(40)에 의해 측정된 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우에는 제습모듈(20)이 가동되어 흡기구(11)를 통해 유입된 습한 공기가 증발기(24)에서 냉각되어 제습이 수행되고 응축기(22)를 통과하면서 건조된 후 팬(25)을 통하여 토출된다. 토출된 건조 공기는 케이싱(10)의 내부 후방측에 구비된 제2미세먼지센서(40)에 의해 미세먼지 농도가 측정된다. 즉, 상기 제2미세먼지센서(50)는 제1온습도센서(40)에 의해 측정된 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우에만 제습모듈(20) 모듈과 함께 작동되도록 제어되는 것이 바람직하다. 그리고, 상대습도가 다시 습도기준값 미만으로 하강하면 상기 제습모듈(20)은 정지하고 제2미세먼지센서(50)의 작동도 정지된다. 한편, 상기 케이싱(10)의 내부 후방측에는 추가적으로 제2온습도센서(60)가 구비되어 제습모듈(20)을 통과한 공기의 온도와 상대습도를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 후술하는 제어부(100)는 제습후 제2온습도센서(60)에서 측정된 공기의 습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우에는 해당 시점에 제2미세먼지센서(50)에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값은 제외하고, 제2온습도센서(60)에서 측정된 공기의 습도가 미리 설정된 습도기준값 미만인 경우에 제2미세먼지센서(50)에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값만을 출력하도록 구성된다. 이때, 상기 제2레퍼런스센서(52)는 위에서 언급한 바와 같이 미리 정해진 시간 주기마다 미세먼지 농도를 측정하거나, 제2미세먼지센서(50)의 작동시 일정 시간 동안만 작동되도록 구성될 수 있다.
도 4 에는 본 발명에 따른 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치의 제어 계통도가 도시되고, 도 5 에는 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 바람직한 제1실시예에 따른 작동 순서도가 도시된다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(100)는 제어모듈(110), 연산모듈(120), 통신모듈(130) 및 메모리(140)를 포함한다. 제어모듈(110)은 제1온습도센서(40), 제2온습도센서(60), 제1미세먼지센서(30), 제1레퍼런스센서(32), 제2미세먼지센서(50), 제2레퍼런스센서(52), 제습모듈(20) 및 디스플레이(19) 등 본 발명에 따른 미세먼지 자동 측정 장치의 전체 구성의 작동을 제어한다. 그리고, 연산모듈(120)은 후술하는 바와 같이 상기 제1미세먼지센서(30) 및 제2미세먼지센서(50)로부터 전달받은 미세먼지 농도 측정값을 기초로 후술하는 바와 같이 타 측정 장치의 측정 데이터와 본 발명에 따른 측정 장치 데이터 간의 상관관계 또는 습도와 농도 관계식, 보정된 습도에서의 농도표준값, 보정습도에서의 실측정값 등의 산출 등 각종 연산을 수행하여 최총 출력값을 결정한다. 통신모듈(130)은 제1미세먼지센서(30), 제2미세먼지센서(50), 제1레퍼런스센서(32), 제2레퍼런스센서(52), 제1온습도센서(40), 제2온습도센서(60)로부터 전달되는 측정값 데이터들을 수신하고, 제어부(100)의 제어명령을 각 센서 및 제습모듈(20)과 같은 각 구성부들에 전달하며, 원격의 단말기 또는 클라우드 시스템과의 통신을 가능하게 하는 모듈로서 유선 또는 무선 송수신부를 포함한다. 또한, 메모리(140)는 상기 제1미세먼지센서(30) 및 제2미세먼지센서(50)로부터 전달받은 미세먼지 농도 측정값을 저장하며, 미리 설정된 각종 기준값과 연산모듈(120)에서 산출된 각종 수치 데이터 등을 저장한다. 이러한 제어부(100)의 연산 및 제어 방법에 대해 이하에서 도 5 를 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 내부 전방측에서는 제1미세먼지센서(30)로 실시간 미세먼지 농도가 상시 측정(S120)된다. 위에서 언급한 바와 같이 상기 제1미세먼지센서(30)는 단일 센서로 구성될 수도 있고 3중 센서로 구성될 수도 있다. 도 5 및 이하에서는 특히 3중 센서인 경우에 대해 설명한다. 각 제1미세먼지센서(30)로부터 측정된 미세먼지 농도 측정값은 실시간으로 제어부(100)로 전송되고, 제어부(100)의 연산모듈(120)에서는 3개의 제1미세먼지센서(30)로부터 전달된 각 미세먼지 농도 측정값의 평균값을 산출하여 디스플레이(150)에 출력(S130)한다. 이러한 작동은 미세먼지 측정 장치의 OFF시까지 계속적으로 반복된다. 이와 동시에, 케이싱(10)의 내부 전방측에서는 제1온습도센서(40)에 의해 흡기구(11)로 유입된 공기의 상대습도가 측정되고(S100), 측정된 유입 공기의 상대습도 측정값은 제어부(100)로 전송된다. 상기 제어부(100)의 연산모듈(120)에서는 상기 제1온습도센서(40)로부터 유입 공기의 상대습도 측정값을 전달받아 이를 미리 설정된 습도기준값과 비교 연산(S110)한다.
여기서, 상기 습도기준값은 습도에 따라 미세먼지 농도 측정값이 크게 변하는 구간의 특정 습도값 또는 범위로 정의될 수 있으며 반복적인 실험에 의해 경험적으로 설정될 수 있다. 논문 "대기 습도가 광 산란 미세먼지 측정에 미치는 영향(Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.20,No.1)"에 따르면, 가습기를 작동하여 인위적으로 주위환경의 상대습도를 변화시키면서 광산란법에 의해 미세먼지 농도를 측정한 결과 상대습도 약 50% 부근에서부터 미세먼지 농도 측정값이 농도에 따라 선형적으로 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이, 상대습도의 변화에 따라 미세먼지 농도 측정값이 급격하게 변화하기 시작하는 습도값 또는 습도 범위(예컨대, 여기서는 50%)를 습도기준값으로 미리 설정하고 상기 제1온습도센서(40)로부터 전송된 유입 공기의 상대습도와 비교한다.
다시 도 5 를 참조하면, 제1온습도센서(40)에 의해 측정된 유입 공기의 상대습도가 습도기준값 보다 작은 경우에는 미세먼지 농도 측정값이 습도의 영향을 많이 받지 않는 경우이므로 3개의 제1미세먼지센서(30)에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균값이 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력된다(S120,S130). 구체적으로, 상기 3개의 제1미세먼지센서(30)에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값은 실시간으로 제어부(100)로 전송되고, 제어부(100)의 연산모듈(120)에서는 3개의 제1미세먼지센서(30)로부터 전달된 각 미세먼지 농도 측정값의 평균값을 산출하여 디스플레이(19)에 출력한다.
한편, 유입 공기의 상대습도 측정값이 습도기준값 이상인 경우에는 미세먼지 농도 측정값이 습도에 의해 영향을 많이 받는 구간이므로, 도 5 에 도시된 바와 같이, 제어부(100)의 제어모듈(110)은 케이싱(10) 내부 중앙에 구비된 제습모듈(20)을 작동(S140)시킨다. 구체적으로, 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(100)는 팬(25)을 작동시켜 흡입력 및 송풍력을 발생시킴으로써 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기가 후방측으로 이동하여 제습모듈(20)을 통과되도록 하며, 이와 동시에 압축기(21)를 작동시켜 냉매가 고압으로 토출되면서 응축기(22), 팽창밸브(23) 및 증발기(24)를 통해 순환되도록 한다. 이에 따라, 습한 공기인 유입 공기는 증발기(24)에서 냉각 제습된 후 응축기(22)에서 건조되고 팬(25)을 통해 송풍되어 배기구(16)를 통해 외부로 배출된다. 이때, 상기 케이싱(10)의 내부 후방측에서는 제2미세먼지센서(50)에 의해 제습모듈(20)을 통과한 제습 공기의 미세먼지 농도가 측정된다. 제2미세먼지센서(50)가 3중 센서인 경우 3개의 제2미세먼지센서(50)로 미세먼지 농도가 측정되고(S150), 측정값은 제어부(100)로 전달된다. 그리고, 제2온습도센서(60)에서 제습 공기의 상대습도가 측정(S160)된다. 측정된 제습 공기의 상대습도 측정값은 제어부(100)에 전달되고, 제어부(100)의 연산모듈(120)에서는 수신된 제습 공기의 상대습도 측정값과 미리 설정된 습도기준값을 비교 연산(S170)한다. 비교 결과, 제습 공기의 상대습도가 습도기준값 이상인 경우에는 제2미세먼지센서(50)로 측정된 미세먼지 농도 측정값을 버리고 계속 제습을 실시하면서 상대습도를 측정하고 습도기준값과 비교한다. 어느 시점에 제습 공기의 상대습도가 습도기준값 미만으로 떨어지는 경우, 제어부(100)의 연산모듈(120)은 3개의 제2미세먼지센서(50) 측정값의 평균값을 산출하고, 산출된 평균값은 디스플레이(19)에 출력(S180)된다. 즉, 디스플레이(19)에는 3개의 제1미세먼지센서(30) 측정값의 평균값과 3개의 제2미세먼지센서(50) 측정값의 평균값이 함께 표시된다. 이와 같은 방법으로, 대기의 상대습도가 습도기준값 미만인 경우에는 3개의 제1미세먼지센서(30) 측정값의 평균값을 최종 미세먼지 농도값으로 산출하고, 상대습도가 습도기준값 이상인 경우에는 제습후 3개의 제2미세먼지센서(50) 측정값의 평균값을 최종 미세 먼지 농도값으로 산출함에 따라, 습도에 의한 측정 오류를 최소화 할 수 있다.
한편, 위에서 상대습도가 습도기준값 이상인 경우 제습을 통하여 보정된 미세먼지 농도를 산출하였으나, 제습시 물분자에 흡착된 미세먼지가 함께 제거되기 때문에 제습후 측정된 미세먼지 농도는 실제 미세먼지 농도 보다 낮을 것으로 추정할 수 있다. 따라서, 실제 미세먼지 농도는 습도 보정이 이루어지지 않은 측정값, 즉, 3개의 제1미세먼지센서(30) 측정값의 평균값 보다는 작고, 제습후 습도 보정된 측정값, 즉, 3개의 제2미세먼지센서(50) 측정값의 평균값 보다는 크다고 할 수 있다.
이와 같이 3개의 제1미세먼지센서(30) 측정값의 평균값과 3개의 제2미세먼지센서(50) 측정값의 평균값 사이의 값으로 추정되는 실제 미세먼지 농도를 보다 정밀하게 산출하기 위하여, 본 발명의 제2실시예에서는 광산란 방식 센서로 측정된 미세먼지 농도 측정값 데이터와 다른 방식 센서로 측정된 미세먼지 농도 측정값 데이터를 비교하여 상관관계를 도출하고, 도출된 상관관계를 기초로 광산란 방식 센서로 측정된 데이터를 보정하는 방법을 창안하였다. 예컨대, 현재 국가대기질 측정시에는 중량법과 베타선법에 의한 측정 방법으로 미세먼지 농도를 측정하는바, 상기 중량법과 베타선법에 의한 측정 방법은 위에서도 언급한 바와 같이 정확도는 높으나 실내 미세먼지 농도 측정에는 적합하지 않다. 이에, 현재 국가대기질 특정을 위해 야외에 설치된 중량법 및 베타선법에 의한 미세먼지 측정기와 동일한 위치에 본 발명에 따른 습도 보정 기능을 구비하는 광산란법에 의한 미세먼지 측정 장치를 함께 비치하고, 일정 기간, 예컨대, 수개월 또는 수년 동안 각 측정 장치에서 측정된 미세먼지 농도 측정값 데이터를 제어부(100)의 메모리(140)에 미리 데이터베이스화 한다. 그리고, 상기 제어부(100)의 연산모듈(120)에서는 저장된 세 종류의 데이터를 비교 분석하여 본 발명에 따른 습도 보정 기능을 구비하는 광산란법에 의한 미세먼지 측정 장치에 의해 습도 보정된 미세먼지 농도 측정값을 재보정한다. 예컨대, 제어부(100)의 연산모듈(120)은 시간별로 중량법과 베타선법에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균값을 산출하여 '농도기준값'으로 저장(S200)하고, 역시 시간별로 본 발명에 따른 미세먼지 농도 측정값, 즉, 3개의 제2미세먼지센서(40) 측정값의 평균값을 '농도측정값'으로 저장(S210)하고, 시간별 농도기준값과 농도측정값을 1:1 매칭(S220)시킨후, 각 농도기준값과 농도측정값들 중 동일한 시간에 측정된 농도기준값과 농도측정값 사이의 차이를 계산하여 '개별편차값'을 산출(S230)하고, 이와 같은 방법으로 특정 시간별로 산출된 다수의 개별편차값들의 평균값을 계산하여 '평균편차값'을 산출하여 저장(S240)한다. 따라서, 이후부터는 본 발명에 따른 미세먼지 측정 장치에서 습도 보정에 의해 측정된 미세먼지 측정값에서 상기와 같이 산출된 평균편차값을 가산하여 보정함으로써 최종적인 미세먼지 농도 측정값을 산출하여 출력(S250)한다. 이와 같이, 습도 보정된 미세먼지 농도 측정값을 다시 정밀한 센서에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값과의 편차를 고려하여 재보정함으로써 보다 정밀한 측정 결과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10 : 케이싱 11 : 흡기구
12 : 집수통 14 : 상부커버
15 : 측면커버 16 : 배기구
18 : 지지부 19 : 디스플레이
20 : 제습모듈 21 : 압축기
22 : 응축기 23 : 팽창밸브
24 : 증발기 25 : 팬
27 : 공기유도부재 30 : 제1미세먼지센서
32 : 제1레퍼런스센서 40 : 제1온습도센서
50 : 제2미세먼지센서 52 : 제2레퍼런스센서
60 : 제2온습도센서 100 : 제어부
110 : 제어모듈 120 : 연산모듈
130 : 통신모듈 140 : 메모리
12 : 집수통 14 : 상부커버
15 : 측면커버 16 : 배기구
18 : 지지부 19 : 디스플레이
20 : 제습모듈 21 : 압축기
22 : 응축기 23 : 팽창밸브
24 : 증발기 25 : 팬
27 : 공기유도부재 30 : 제1미세먼지센서
32 : 제1레퍼런스센서 40 : 제1온습도센서
50 : 제2미세먼지센서 52 : 제2레퍼런스센서
60 : 제2온습도센서 100 : 제어부
110 : 제어모듈 120 : 연산모듈
130 : 통신모듈 140 : 메모리
Claims (6)
- 전방측에 외부 공기가 유입될 수 있는 흡기구(11)가 형성되고, 후방측에 상기 흡기구(11)를 통하여 케이싱 내부로 유입된 공기가 외부로 다시 배출될 수 있도록 배기구(16)가 형성된 케이싱(10)과;
상기 흡기구(11)를 통하여 유입된 공기를 냉각하여 제습하기 위한 것으로, 냉매를 압축시키기 위한 압축기(21)와, 상기 압축기(21)에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기(22)와, 상기 응축기(22)로부터 나온 고온 고압의 냉매를 감압 팽창시키기 위한 팽창밸브(23)와, 상기 응축기(22)의 전방측에 배치되고 팽창밸브(23)를 통과하여 감압 팽창된 냉매를 증발시키기 위한 증발기(24) 및 상기 응축기(22)의 후방측에 배치되며 외부 공기가 흡기구(11)를 통하여 유입되고 배기구(16)를 통해 배출되도록 흡입 및 송풍력을 발생시키기 위한 팬(25)을 포함하는 제습모듈(20)과;
상기 제습모듈(20)의 전방측에 배치되어 흡기구(11)를 통해 유입된 공기의 미세먼지 농도를 상시 측정하기 위한 광산란 방식의 제1미세먼지센서(30)와;
상기 제습모듈(20)의 전방측에 배치되어 흡기구(11)를 통해 유입된 공기의 상대습도를 측정하기 위한 제1온습도센서(40)와;
상기 제습모듈(20)의 후방측에 배치되어 상기 제습모듈(20)에 의해 제습된 공기의 미세먼지 농도를 측정하기 위한 광산란 방식의 제2미세먼지센서(50)와;
상기 제1온습도센서(40)로부터 측정된 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만인 경우 상기 제1미세먼지센서(30)에 의해 측정된 미세먼지 농도값을 출력하고, 유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우에는 제습모듈(20)을 가동하고 상기 제2미세먼지센서(50)에 의해 측정된 미세먼지 농도값을 출력하는 제어부(100)를 포함하고;
상기 제어부(100)는,
일정 기간 동안 시간별로 중량법과 베타선법에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균을 산출하여 농도기준값으로 저장하고;
일정 기간 동안 시간별로 제2미세먼지센서(50) 측정값을 농도측정값으로 저장하고;
시간별로 농도기준값과 농도측정값을 1:1 매칭하고;
각 농도 기준값과 농도측정값들 중 동일한 시간에 측정된 농도기준값과 농도측정값 사이의 차이를 계산하여 개별편차값으로 산출하고;
시간별로 산출된 다수의 개별편차값들의 평균값을 계산하여 평균편차값으로 산출하여 저장하며;
제2미세먼지센서(50) 측정값에 상기 평균편차값을 가산하여 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제습모듈(20)의 전방측 및 후방측에는 각각 미리 정해진 일정한 주기 마다 작동되는 제1레퍼런스센서(32)와 제2레퍼런스센서(52)가 추가로 구비되고, 상기 제어부(100)는 상기 제1미세먼지센서(30)의 측정값과 제1레퍼런스센서(32)의 측정값에 차이가 있는 경우 제1미세먼지센서(30)를 제1레퍼런스센서(32)로 보정하고, 상기 제2미세먼지센서(50)의 측정값과 제2레퍼런스센서(52)의 측정값에 차이가 있는 경우 제2미세먼지센서(50)를 제2레퍼런스센서(52)로 보정하는 것을 특징으로 하는 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치. - 삭제
- 제 1 항에 따른 미세먼지 자동 측정 장치를 이용한 미세먼지 측정 방법으로서,
상기 제1미세먼지센서(30)로 유입 공기의 미세먼지 농도를 측정하는 단계와;
유입 공기의 상대습도를 측정하는 단계와;
유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 미만이면 상기 제1미세먼지센서(30)로 측정된 미세먼지 농도를 미세먼지 측정값으로 출력하는 단계와;
유입 공기의 상대습도가 미리 설정된 습도기준값 이상인 경우 제습모듈(20)을 작동시키는 단계와;
상기 제습모듈(20) 작동 후 제2미세먼지센서(50)로 제습된 공기의 미세먼지 농도를 측정하는 단계와;
상기 제습모듈(20)에 의해 제습된 공기의 상대습도를 측정하는 단계와;
제습 공기의 상대습도가 습도기준값 미만인 경우 제2미세먼지센서(50)에서 측정된 미세먼지 농도값을 출력하는 단계와;
일정 기간 동안 시간별로 중량법과 베타선법에 의해 측정된 미세먼지 농도 측정값의 평균을 산출하여 농도기준값으로 저장하는 단계와;
일정 기간 동안 시간별로 제2미세먼지센서(50) 측정값을 농도측정값으로 저장하는 단계와;
시간별로 농도기준값과 농도측정값을 1:1 매칭하는 단계와;
각 농도 기준값과 농도측정값들 중 동일한 시간에 측정된 농도기준값과 농도측정값 사이의 차이를 계산하여 개별편차값으로 산출하는 단계와;
시간별로 산출된 다수의 개별편차값들의 평균값을 계산하여 평균편차값으로 산출하여 저장하는 단계와;
제2미세먼지센서(50) 측정값에 상기 평균편차값을 가산하여 최종 미세먼지 농도 측정값으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정 방법. - 삭제
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| KR1020210004748A KR102229395B1 (ko) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법 |
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| KR1020210004748A KR102229395B1 (ko) | 2021-01-13 | 2021-01-13 | 컴프레서 방식 제습을 통한 습도 보정 기능을 구비하는 미세먼지 자동 측정 장치 및 이를 이용한 미세먼지 측정 방법 |
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| KR20230079764A (ko) * | 2021-11-29 | 2023-06-07 | 주식회사 필라스크리에이션 | 광산란방식 미세먼지측정기의 측정값 오류 보상방법 |
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