KR102379605B1 - 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기 - Google Patents
샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기 Download PDFInfo
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Abstract
본 출원 발명은 기존의 확산식 휴대용 가스 측정 센서는 최소한의 가스를 탐지하여 작업자의 안전을 확보하려는 장치이기 때문에 작업현장에 예상하지 못한 다른 가스가 있는 경우에는 알람이 울리지 않거나, 알람이 울리더라도 다른 가스가 있는 것으로 오판할 수 있는 문제가 있어왔다. 가스 경보가 울리는 경우에는 자동으로 측정 가스를 샘플링하여 추후에 분석할 수 있다면, 작업환경을 정확하게 측정하여 더욱 안전한 작업을 할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 위하여 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 상기 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서에서 가스가 측정되는 경우 자동으로 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
상기와 같은 수단에 의하여 휴대용 가스 측정기에 구비된 몇 개 않되는 한정되 가스측정 센서만으로 측정할 수 없는 가스의 발생을 실험실에서 측정할 수 있는 샘플링 수단을 제공하며, 지하공동구와 같이 GPS 신호를 수신할 수 없어, 위치를 알 수 없는 공간에서 위치를 알 수 있는 수단을 이용하여 샘플링 위치를 저장함으로써 지하공동구 및 그 통로 마다 다르게 발생할 수 있는 가스를 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
이를 위하여 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 상기 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서에서 가스가 측정되는 경우 자동으로 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
상기와 같은 수단에 의하여 휴대용 가스 측정기에 구비된 몇 개 않되는 한정되 가스측정 센서만으로 측정할 수 없는 가스의 발생을 실험실에서 측정할 수 있는 샘플링 수단을 제공하며, 지하공동구와 같이 GPS 신호를 수신할 수 없어, 위치를 알 수 없는 공간에서 위치를 알 수 있는 수단을 이용하여 샘플링 위치를 저장함으로써 지하공동구 및 그 통로 마다 다르게 발생할 수 있는 가스를 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
Description
본 출원 발명은 지하 공동구, 지하 챔버, 밀폐 식 창고를 비롯한 여러 시설에서 발생하는 가스 사고를 예방하기 위한 휴대용 가스 측정기에 관한 기술이다. 더욱 자세하게는 가스 샘플링 수단 등이 필요 없는 확산식 가스측정기에 가스 샘플링 수단을 더 구비하여, 측정대상 가스 이외의 가스가 발생하는지 등에 관한 실험을 추후에 실시할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 출원 이전의 선행기술로 휴대용 전기화학 가스 센서 또는 가연성 폭발 가스의 하한 감지 장치에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는 적어도 하나의 외부 표면 및 내부 공간을 포함하는 하우징; 및 적어도 하나의 함몰부가 적어도 하나의 외부 표면에 형성되고, 전기화학적 가스 센서 또는 가연성 LEL 가스 센서의 구성요소들을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성되며, 프로세싱 유닛은 하우징의 내부 공간에 배치되어 상기 전기화학 가스 센서 또는 가연성 LEL 가스 센서의 신호를 처리한다.
또 다른 선행기술로 하나의 측정 장치를 이용하여 복층 유리 사이의 불활성 가스 농도와 실내 공간의 유해 가스 농도를 선택적으로 측정할 수 있는 휴대용 복합 가스 농도 측정기가 개시되어 있다. 이 기술에서는 상부 유리와 하부 유리 사이의 중공층에 불활성 가스가 충전된 복층유리의 중공층에 특정 전압 이상의 고전압을 인가하는 고전압 발생부와, 대기상태의 실내공간상으로 적외선 광원을 출력하는 적외선 발생부, 상기 복층유리로부터 고전압에 의한 불활성 가스의 발광으로 발생되는 광의 광 강도와 파장 정보로 이루어지는 디지털화된 제1 측정 이미지를 출력하거나, 실내공간으로 출력된 적외선 광원이 유해가스에 의해 반사되어 수신되는 적외선 반사광의 광 강도와 파장정보로 이루어지는 디지털화된 제2 측정 이미지를 생성하는 이미지 센서, 측정 대상이 복층유리의 불활성 가스인지 또는 실내 유해가스인지를 판단하기 위한 공간 상태 값을 감지하여 출력하는 측정 공간 인식센서, 사용자 명령을 입력하기 위한 정보 입력부, 가스 농도를 표시출력하거나 상기 정보 입력부를 통해 입력된 사용자 명령에 해당하는 정보를 표시하는 디스플레이부 및 측정공간 인식센서를 통해 수신된 공간 상태 값을 근거로 현재 측정 대상이 복층유리의 불활성 가스인 경우에는 상기 고전압 발생부와 이미지 센서를 구동하여 이미지 센서로부터 수신된 제1 측정 이미지를 근거로 수신광의 발광 정도에 대응되는 불활성 가스의 농도를 산출하고, 현재 측정대상이 실내 유해가스인 경우에는 상기 적외선 발생부와 이미지 센서를 구동하여 이미지 센서로부터 수신된 제2 측정 이미지를 근거로 적외선 반사광의 유해가스 고유 파장별 발광 정도에 대응되는 유해가스 종류별 농도를 산출하며, 복층유리에 충전된 불활성 가스의 농도정보 또는 실내공간에 존재하는 유해가스 종류별 농도정보를 디스플레이부를 통해 표시하는 제어부를 포함한 기술이 개시되어 있다.
본 출원 발명은 기존의 확산식 휴대용 가스 측정 센서는 최소한의 가스를 탐지하여 작업자의 안전을 확보하려는 장치이기 때문에 작업현장에 예상하지 못한 다른 가스가 있는 경우에는 알람이 울리지 않거나, 알람이 울리더라도 다른 가스가 있는 것으로 오판할 수 있는 문제가 있어왔다. 그래서, 본 출원 발명은 가스 경보가 울리는 경우에 자동으로 가스를 샘플링하여 실험실에서 분석할 수 있는 수단을 제공함으로써, 작업환경의 가스 조성을 더욱 상세히 분석하여 안전한 작업을 할 수 있는 수단을 제공하는 것이다. 즉, 계절에 따라 또는 제조 공정의 변화에 따라 생성될 수 있는 다양한 가스에 대응할 수 있도록 현장에서 가스를 샘플링하여 실험실적으로 분석할 수 있는 수단을 기존의 휴대용 가스측정기에 부여함으로써 작업자의 안전을 더욱 보정할 필요가 있다.
본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,
전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 사용자가 필요한 경우에 가스 샘플을 채취하여 이를 실험실에서 가스성분을 분석할 수 있도록 가스를 샘플링할 수 있으며,
입구가 형성된 상기 가스통의 타단에는 가스펌프가 연결되어 상기 가스펌프의 동작에 의하여 상기 가스통에 음압이 발생하고, 상기 가스통 입구를 통하여 주변의 공기가 흡입되고, 상기 입구는 탄성부가 구비된 뚜껑으로 안쪽으로 막혀있어, 2 기압 이상의 압력에 의하여 안쪽으로 열리면서 가스 샘플이 흡입될 수 있도록 구성되며,
전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 사용자가 필요한 경우에 가스 샘플을 채취하여 이를 실험실에서 가스성분을 분석할 수 있도록 가스를 샘플링할 수 있으며,
입구가 형성된 상기 가스통의 타단에는 가스펌프가 연결되어 상기 가스펌프의 동작에 의하여 상기 가스통에 음압이 발생하고, 상기 가스통 입구를 통하여 주변의 공기가 흡입되고, 상기 입구는 탄성부가 구비된 뚜껑으로 안쪽으로 막혀있어, 2 기압 이상의 압력에 의하여 안쪽으로 열리면서 가스 샘플이 흡입될 수 있도록 구성되며,
GPS 센서, 자이로 센서 및 가속도 센서를 더 구비하여, 지하통로 및 지하 공동구에서도 출발위치로부터 상대적인 위치를 사용자의 걸음에 따라 상기 가속도 센서 값에 의하여 주기적으로 생성되는 가속도 값 중 가장 크게 변화되는 값을 이용하여 걸음을 세고, 상기 카운트된 걸음걸이 수에 보폭을 입력하여 이동 거리를 계산하고, 상기 자이로 센서는 이동물체의 회전방향을 측정하여 방향전환을 측정할 수 있어, 걸음수와 방향전환의 측정을 통하여 지하통로 및 지하 공동구에서 현재위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
또한, 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에는 RFID 리드/ 라이트기를 더 구비하고, 상기 가스통에 RFID가 부착된 경우 가스 샘플링 동작 시에 위치정보, 가스의 종류와 농도를 자동으로 기록하는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기는 통신수단을 구비하여 동일 작업군으로 묶인 작업자의 위치와 측정된 가스 정보를 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기의 디스플레이장치로 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
또한, 상기 가스통은 샘플링 후 교체하여 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
본 출원 발명은 상기와 같은 수단에 의하여 휴대용 가스측정센서에 한정된 종류와 수량의 가스센서만으로 측정할 수 없는 가스의 발생을 실험실에서 측정할 수 있도록 샘플링 수단을 제공하는 효과가 있다. 한편으로는 지하공동구와 같이 GPS 신호를 수신할 수 없어, 위치를 알 수 없는 공간에서 작업자의 위치를 자이로 센서와 가속도 센서를 이용하여 위치를 알 수 있는 수단을 제공함으로써 측정 가스를 샘플링한 위치를 함께 저장함으로써 위협적인 가스가 발견된 경우 그 위치를 쉽게 찾아 조치할 수 있는 수단을 제공한다.
도 1은 가연성 가스의 폭발이 일어나는 농도를 도시
도 2는 기존의 휴대용 가스측정기의 구성을 도시
도 3은 본 출원 발명의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 도시
도 2는 기존의 휴대용 가스측정기의 구성을 도시
도 3은 본 출원 발명의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 도시
본 출원 발명은 여러 가지 형태로 발생하는 가스 사고를 예방할 수 있는 휴대용 가스 측정 장치를 제공하고자 하는 것으로, 가스사고의 원인별 분류는 다음과 같다.
사용자 취급 부주의에 의한 사고 : 사용자가 가스 시설이나 용품, 기기 등을 취급 시에 조작 미숙 등으로 인하여 발생하는 사고; 및
공급자 취급부주의에 의한 사고 : 가스공급 또는 시공시 관련 법령 및 작업규칙을 준수하지 않아 발생하는 사고; 및
시설미비에 이한 사고 : 가스시설이 관련규정 또는 제조자의 사양에 적합하지 않게 설치되어 발생하는 사고(막음조치 미비, 부식·균열 등 포함)
다른 공사에 의하여 발생한 사고 : 매설된 가스시설물이 굴착공사 등 타공사로 인하여 손상이 발생한 사고; 및
제품노후나 고장에 의한 사고 : 가스용기, 기기, 용품 등의 노후 및 제조상의 결함 등으로 인하여 발생한 사고가 있다.
가스누출 사고의 형태에 의한 분류는 다음과 같다.
누출（湯出）사고 : 가스가 누출된 것으로써 화재 또는 폭발 등에 이르지 않는 것을 말한다.
폭발（爆發）사고 : 누출된 가스가 인화하여 폭발 또는 폭발 후 화재가 발생한 것을 말한다.
화재（火災）사고 : 누출된 가스가 인화하여 화재가 발생한 것으로 폭발 및 파열사고를 제외한 경우를 말한다.
중독（中毒）사고 : 가스연소기의 연소가스 또는 독성가스에 의하여 인적피해가 발생한 것을 말한다.
질식（산소결핍）사고 : 가스시설 등에서 산소의 부족으로 인한 인적피해가 발생한 것을 말한다.
파열（破S）사고 : 가스 시설，특정 설비，가스 용기，가스 용품 등이 물리적 또는 화학적인 현상 등에 의하여 파괴되는 것을 말한다.
다양한 가스 사고가 발생한 경우 사고의 정도에 따라 사고 등급을 분류하고 있는데, 그 등급은 다음과 같다.
1급 사고 : 사망자가 5명 이상，사망자 및 중상자가 10명 이상，사망자 및 부상자가 30명 이상，물적 손해의 피해액이 20억원 이상인 사고; 및
2급 사고 : 사망자가 1명 이상 4명 이하，중상자가 2명 이상 9명 이하，부상자가 6명 이상 29명 이하，물적 손해의 피해액이 10억원 이상 20억원 미만인 사고
3급 사고 : 1급사고 및 2급사고 이외의 가스사고〈개정 2019.12.30.>; 및
이동식부탄연소기 관련 사고〈개정 2019.12.30.〉: 이동식부탄연소기 및 고압가스용 납붙임 또는 접합용기 （이동식부탄연소기용 용접 용기 포함）를 보관·사용 중 발생한 가스 사고; 및
아차사고〈개정 2019.12.30.> : 제3조제1호가목에 따른 누출사고 중 인적·물적 피해를 수반하지 않는 사고로서 인명대피나 공급중단이 발생하지 않은 것을 말하며 가스사고 외 별도로 통계관리하는 사고; 및
기타사고〈개정 2019.12.30.> : 제3조제1호에 적용되지 않는 사고로 다음 각목에서 정한 것과 같으며 가스사고 외 별도로 통계관리하는 사고; 및
과열화재 : 가스를 연료로 하는 각종 연소기를 이용하는 과정에서 과열로 인하여 가연물에 인화되어 화재가 발생한 것; 및
교통사고 : 고압가스운반차량 이외의 차량 등이 가스시설을 손상시켜 발생한 사고; 및
고의사고 : 가스를 이용하여 방화，자해，가해，고의흡입 등의 목적으로 발생한 사고; 및
그 밖에 다른 법령에 적용되는 시설 등에서 발생한 사고가 있다.
이러한 사고를 예방하고, 관리하기 위하여 가스안전사고 대비용 검출 센서를 활용하고 있다. 본 출원 발명의 휴대용 가스 측정기가 한 종류에 해당한다.
상기의 가스안전 검출용 가스측정기는 가스안전을 위한 다양한 센서 및 검출기를 가스현장에서 주로 사용되고 있으며, 가스 검출기는 휴대용과 고정형 가스검출기로 크게 구분할 수 있다. 휴대용 검출기는 개인별로 지급되거나 작업 시에 작업자에게만 사용 후에 반환되는 방식으로 운용되는 것이 일반적이며, 고정형 가스검출기는 가스안전사고가 일어날 것으로 예상되는 장소나 누출 시에 인명사고를 포함한 대형 사고를 사전에 예방하기 위해 설치되고 있다. 휴대용 검출기와 고정형 검출기의 주요 검출대상은 가연성 가스, 독성 가스, 불활성 가스, 조연성 가스, 불연성 가스로 나눌 수 있으며 각각의 가스에 맞는 센서를 장착하여 검출기를 개발하고 있다.
대표적인 가스안전사고를 일으키는 가스와 그 가스의 반응 특성은 아래 표와 같다.
| 가스 종류 | 대표적인 가스 | 반응 특성 |
| 가연성 가스 | LNG, LPG, CH4, H2, i-C4H10(부탄) | 공기 중에 산소와 반응하여 연소하는 가스 |
| 독성 가스 | NH3, CO, CL2, COCL2(포스젠) VCM(클로로에틸렌) | 인체 허용 농도(TLV)가 200ppm 이하인 가스 |
| 불활성 가스 | He, Ar, Ne | 분자 구조가 안정되어있어 화학 반응을 하지 않는 가스 |
| 조연성 가스 | O2 | 연소하는 것을 도와주는 가스 |
| 불연성 가스 | N2, CO2, Freon | 전혀 연소하지 않는 가스 |
가스 안전사고와 관련되는 용어를 살펴보면, 다음과 같다.
폭발한계 : 가연성 가스가 폭발할 수 있는 한계를 지칭하며 최저농도와 최고농도로 구분하고 있다. 가연성 가스가 공기 중의 산소와 혼합되어 있는 경우, 혼합가스 조성에 따라 점화원에 의해 착화된다. 혼합가스의 연소 가능한 범위를 폭발 범위라 부르며 그 최저 농도를 폭발하한치(LEL-Lower Explosive Limit), 최고 농도를 폭발상한치(UEL-Upper Explosive Limit)이라고 한다. 가스의 농도가 폭발범위 안에 있을때 연소가 일어나며, 폭발범위 밖에서는 연소가 일어나지 않는다.
다음 표는 대표적인 가스의 폭발 범위이다.
| 가스명 | 폭발 범위 | 가스명 | 폭발 범위 |
| C2H2 (아세틸렌) |
2.5 ~ 81% | CH4 (메탄) |
5 ~ 15% |
| C2H4O (아세트알데하이드) |
3.0 ~ 80% | C3H8 (프로판) |
2.1 ~ 9.5% |
| H2 (수소) |
4.0 75 | C4H10 (부탄) |
1.8 ~ 8.4% |
| CO (일산화탄소) |
12.5 ~ 74% | NH3 (암모니아) |
15 ~ 28% |
| HCN (시안화수소) |
6 ~ 41% | CH3Br (브롬화메탄) |
13.5 ~ 14.5% |
| C2H4 (에틸렌) |
3.1 ~ 32% | H2S (황화수소) |
4.3 ~ 45% |
| C2H6 (에탄) |
3.0 ~ 12.5 | CS2 (이황화탄소) |
1.2 ~ 44% |
보통 가스 폭발을 검출하는 검출기는 LEL과 UEL을 기준으로 하여 측정범위를 표시하는 방법과 LEL을 기준으로 표시하는 방법으로 검출기의 측정범위를 설정하고 있다. 검출기의 측정범위를 LEL과 UEL를 포함하는 경우에 있어서의 프로판 가스의 측정범위를 기준으로 연소범위를 도 1에 도시하였다.
검출기의 측정범위는 상기의 방법과 달리 높은 수준의 가스 농도와 상관없이 낮은 농도에서 그 측정범위를 설정하는 방법이 있는데, 이 경우에는 검출기의 성능 및 현장에서의 관리 기준은 보다 엄격하게 적용하여 LEL보다 더욱 낮은 수준에서 관리할 때에 적용하고 있으며 이 기준의 인체 허용 농도를 포함하여 복합적으로 관리하여 설정하고 있다.
독성가스 기준(TVL-TWA, STEL):
TLV (Threshold Limit Value-인체허용농도), TWA (Time Weighted Average-시간가중평균노출기준) 유독 가스등이 공기 중에 존재하는 작업장에서, 1일 8시간, 주 40시간 정도 작업을 매일 계속하여도 건강에 이상이 없는 정도의 평균농도이다. 작업시간 중의 시간 가중농도 평균치를 나타내므로 일시적으로 이 기준 농도 보다 높은 농도에서 작업하는것은 허용 될 수 있다.
TLV-STEL(Short Time Exposure Limit)은 단시간에 있어서의 노출한계치로서 노동자가 15분간 연속하여 노출되어도 자극, 만성적인 조직변화, 작업능률의 실질적인 저하등을 초래하는 정도의 마취상태 등을 일으키지 않는 유해물질의 최고농도이다
상기의 농도는 미국의 산업안전위생 전문가회의(ACGIH ; American Conference of Govermental Industrial Hygenists) 및 노동안전위생국(OSHA; Occupational Safety & Health Administration)에서는 유해물질의 종류에 따른 각각의 TLV-TWA, TLV-STEL농도를 매년 채택하여 권장하고 있으며 세계 각국의 대부분이 이 농도를 준용하여 사용하고 있다.
따라서 독성가스 측정기는 TVL-TWA의 값을 정확하게 이해하고 이를 토대로 그 측정값을 관리하는 것이 필요하다. 아래는 다양한 가스의 TWA 기준이다.
| 물질명 | 화학식 | 인체 허용농도 (ppm) |
비중 (공기 =1) |
| Acetic Acid | CH3COOH | 10 | 2.07 |
| Ammonia N | NH3 | 25 | 0.6 |
| Arsine A | AsH3 | 0.1 | 2.7 |
| Boron Trifluoride B | BF3 | 3 | 2.38 |
| Carbon Monoxide C | CO | 25 | 0.968 |
| Chlorine | Cl2 | 1 | 2.49 |
| Fluorine | F2 | 1 | 1.312 |
| Hydrogen | H2 | - | 0.07 |
| Hydrogen Bromide | HBr | 3 | 2.812 |
| Hydrogen Bromide | HCl | 5 | 1.27 |
| Hydrogen Cyanide | HCN | 10 | 0.941 |
| Hydrogen Fluoride | HF | 3 | 0.7 |
| Hydrogen Sulfide | H2S | 10 | 1.19 |
| Nitric Acid H | HNO3 | 2 | 3.2 |
| Nitrogen Monoxide | NO | 25 | 1.53 |
| Nitrogen Dioxide N | NO2 | 3 | 1.58 |
| Oxygen | O2 | - | 1.11 |
| Ozone | O3 | 0.1 | 1.65 |
| Phosphine | PH3 | 0.3 | 1.18 |
| Silane | SiH4 | 5 | 5.9 |
| Silicon Tetrachloride | SiCl4 | 5 | 5.9 |
| Silicon Tetrafluoride | SiF4 | 5 | 3.61 |
| Sulfur Dioxide | SO2 | 2 | 2.26 |
| Sulfur Tetrafluoride | SF4 | 0.1 | |
| Difluoro Methane | CH2F2 | 1000 | 1.8 |
| Sulfur Hexafluoride | SF6 | 1000 | 5.6 |
| Nitrogen Trifuoride | NF3 | 10 | 2.46 |
| Nitrous Oxide | N2O | 50 | 1.53 |
| Carbon Dioxide | CO2 | 5,000 | 1.5 |
| Tetrafluoromethane | CF4 | - | 3.05 |
| Dichlorodifluoromethane | CCl2F2 | 1,000 | 4.2 |
| Tetraethoxy Silane (TEOS) | Si(OC2H5)4 | 10 | 0.936 |
| Difluoro Methane | CH2F2 | 1,000 | 1.8 |
| Methyl Ethyl Ketone | CH3OCH2CH3 | 200 | 2.5 |
상기와 같은 가스를 측정하는 방법은 다음과 같다.
1. 반도체식 가스센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 대부분으로, 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물 세라믹이 주로 사용된다. 기체성분이 반도체 표면에 흡착한다든지, 또는 미리 흡착해 있던 산소 등과 같은 흡착가스와 반응할 때 흡착 분자와 반도체 표면과의 사이에 전자의 교환이 일어나고 반도체의 도전율과 표면 전위 등이 변화한다. 또 고온이 되면 기상분자와의 상호작용은 반도체 내부에까지 진행되고 산화물 내부의 결함농도가 영향을 받아서 도전율이 변화하는 이를 이용하는 것인 반도체형 가스센서 검출 원리이다. 이러한 반도체 센서는 세라믹 반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 센서에 이용되고 있다. 대부분 유독가스와 가연성가스에 응답을 나타내어 감지할 수 있는 가스의 종류가 많고 센서 제작이 용이하고 검출회로의 구성이 간단하다는 특징이 있다. 그러나 감지하려는 가스만을 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스 센서는 적고 주로 범용 센서로 활용되고 있다.
2. 접촉 연소식 센서 : 반도체식센서가 기체와 고체간의 흡착 탈착으로 인한 전기전도도의 변화를 이용하는 것과 달리 접촉연소식 센서는 가연성가스와 산소와의 반응열 연소열을 전기신호로 변환하는 방식으로 수증기나 온도 습도 및 다른 잡가스의 영향을 적게 받기 때문에 가연성 가스경보기에 가장 많이 사용된다.
가연성 가스가 산소와 반응하면 반응열이 생긴다 접촉연소식 가스 센서는 이 반응열을 전기신호로 변환해서 감지하는 방식이다 금속의 경우 온도가 상승하면 저항 값은 커진다. 대부분의 가연성 가스는 탄화수소 계열이며 이들 가스가 완전히 산화되어 H2O와 CO2로 될 때 발열량은 가장 크다. 가스의 완전 산화는 저온에서는 일어나기 어렵고 일어나더라도 그 반응속도는 대단히 늦다 반응속도를 높이기 위해 완전 산화를 촉진하는 촉매를 사용하는데 완전산화반응을 하게 하기 위해서는 산소가 충분히 존재하여야 한다. 따라서 촉매표면의 산소가 과잉으로 되는 촉매가 바람직하며 촉매로는 P형 반도체세라믹과 등 Pd, Pt 등의 촉매가 완전산화반응에 효과적이다. 반응속도를 높이는 데는 촉매를 사용하는 것과 함께 반응계의 온도를 높이는 것도 효과적이다. 결국 접촉연소식 센서는 촉매를 균일하게 될수록 많이 담지할 수 있는 다공질 세라믹스를 담체로 하고 이 담체 속에 금속열선을 내장한다.
연소반응에 의하여 담체의 온도가 상승하고 담체내의 금속열선의 온도도 상승 한다.이에 따라 열선의 저항 값이 변화하는데 그 변화 값은 온도변화에 비례하고 가연성가스의 농도와 반응열에 비례한다. 따라서 접촉 연소식 센서를 열선이 내장되어 있어 열선식 센서라 부르기도 한다. 따라서, 측정 후에는 가스의 성분이 바뀌는 특징이 있다.
3. 전기화학식 센서를 이용한 가스측정방법은 가스별로 선택성이 있는 화학물질과 측정하고자 하는 가스와의 화학반응에서 발생되는 전기적인 신호를 변환하여 가스의 성분과 농도를 측정하는 방법이다. 전기화학식 센서는 산화(환원) 반응이 일어나는 검지 전극, 이와 동시에 환원(산화) 반응이 일어나는 대항 전극, 그리고 산화환원 반응과 함께 변화하는 전위를 감지하고 전위를 일정하게 유지하기 위한 참조 전극으로 구성된다. 이러한 전기화학식 센서는 가스 선택성이 높고, 비교적 빠른 응답성을 가지고 있다(보통 10초이하 / 흡착성 물질 2분 이내), 높은 고감도 특성과 낮은 가격이 장점이다.
고농도 시료에 대해서는 신호가 피독되어 회복이 늦고 재연성이 낮고, 유사 가스에 대해서 높은 간섭성을 가지고 있고, 흡착성이 높은 반응성 가스에 대해서 선택성이 낮고 수명이 2년 이내로 제한되는 단점이 있다.
앞에서 휴대용 가스 측정기의 필요성과 가스의 종류에 따른 위험성 및 폭발한계와 독성가스 기준, 그리고 가스 측정 방법 중 일부를 제시하였다.
도2는 본 출원 발명 이전의 가스측정 장치를 도시하고 있다. 주변의 가스가 확산되어 센서에 접촉하게되는 확산식 가스측정기이며, 사용자 설정 및 온/ 오프를 제거하는 입력버튼과 표시부 및 내부에 센서를 통하여 가스가 감지되면서 변화되는 전압 신호를 처리하는 신호처리 및 제어를 담당하는 연산제어를 구비하고 있다.
이 장치는 사용자가 허리 또는 헬멧 등에 휴대하면서 주변의 가연성, 독성 등의 가스를 검출하게 된다. 휘발성이 있는 기체의 감지를 위해서는 헬멧에 설치하고, 공기보다 무거운 가스를 측정하기 위해서는 허리 또는 발목에 센서를 설치할 수 있다. 이러한 휴대용 가스 측정기는 사용자가 휴대하면서 작업공간 또는 작업공간으로 이동하는 경로의 가연성 및/ 또는 독성 가스 등과 같이 사용자가 관심있는 가스를 측정한다. 그러나, 예상하지 못한 가스가 작업공간 또는 작업공간으로 이동하는 경로 상에 존재한다면, 어떠한 가스인지 모를 수 있다. 즉, 선택된 측정하고자 하는 가스만을 측정할 수 있을 뿐이며, 예상하지 못한 가스의 누출이 있는 경우에는 그 가스의 종류를 알아내거나, 가스 누출 자체를 감지하지 못할 수 있다.
도3은 이러한 문제를 해결하고자, 기존의 휴대용 가스 측정기에 가스통과 펌프를 구비하여 사용자가 필요한 경우에 가스 샘플을 채취하고 이를 실험실에서 실험을 통하여 가스 성분을 분석할 수 있다.
또한, 지하 공동구의 경우 GPS 신호를 측정할 수 없는 것이어서, 가스 샘플을 채취한 위치를 확인할 수 없다. 본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자, GPS 센서 이외에 자이로 센서와 가속도 센서를 더 구비하고 있다. 상기의 구성에 의하여 지하통로 및 지하 공동구에서도 출발위치로부터 상대적인 위치를 측정할 수 있다. 이렇게 함으로써 샘플 가스를 채취한 위치를 확인할 수 있도록 함으로써 상기 위치에서의 가스 누출이 있는지, 부식에 의한 가스 배출이 있는지 확인할 수 있는 수단을 제공한다.
이동거리는 사용자의 걸음에 따라 상기 가속도 센서 값에 의하여 주기적으로 생성되는 가속도 값 중 가장 크게 변화되는 값을 이용하여 걸음을 세고, 상기 카운트된 걸음걸이 수에 보폭을 입력하여 이동 거리를 계산할 수 있다. 또한, 자이로 스코프는 이동물체의 회전방향을 측정하여 알려주는 것으로 방향전환을 측정할 수 있으며, 상기 걸음수와 방향전환의 측정을 통하여 현재위치를 계산할 수 있다. 샘플 가스의 샘플링은 사용자의 수동 동작에 의하여 할 수 있으며, 측정하고자 하는 가스가 감지된 경우에는 가스 감지와 동시에 자동으로 가스를 샘플링하여 가스통에 저장한다. 이때 내장된 RFID read-write 장치를 이용하여 상기 가스통에 부착된 RFID에 위치 및 시간 정보 및 측정된 가스의 농도를 저장할 수 있다. 이렇게 함으로써 본 출원 발명의 휴대용 가스 측정기의 동작이 정확한지, 다른 가스에 의한 간섭은 없는지, 지하 공동구에 다른 가스가 존재하여 작업자의 안전을 위협할 수 있는지를 샘플을 실험실에서 정밀분석 함으로써 알 수 있는 효과가 있다.
도3의 (B)에 도시된 가스통 RFID 및 펌프의 구성은 다음과 같다. 입구가 형성된 가스통의 타단에는 가스펌프가 연결되어 상기 가스펌프의 동작에 의하여 상기 가스통에 음압이 발생하고, 상기 가스통 입구를 통하여 주변의 공기가 흡입된다. 상기 입구는 탄성부가 구비된 뚜껑 또는 고무 등으로 안쪽으로 막혀있어, 2 기압 이상의 압력에 의하여 안쪽으로 열리면서 공기가 흡입될 수 있도록 구성하였다.
본 출원 발명의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기는 상기 가스통을 교체할 수 있도록 구비되어, 여러 위치에서 다양한 가스 샘플을 채취할 수 있다.
본 출원 발명의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기는 고농도의 가스 알람부, 신호처를 위한 신호처리부 및 센서의 신호를 디지털로 변화시키는 아날로그 디지털 컨버터 및 설정값의 입력과 동작을 위한 입력버튼을 구비하고 있으며, 가스 측정에 사용하는 센서는 전기화학식 및 접촉 연소식 센서를 구비하고 있으나, 회로로 연결할 수 있는 센서라면 다른 형태의 가스 센서의 사용도 가능함은 물론이다. 또는 근거리 네트워크 또는 지하공동구 또는 지상의 시설에 설치된 WIFI가 구비된 경우 이를 이용하여 작업자들 사이의 위치정보와 가스감지 내용을 서로 공유할 수 있다. 즉 내장된 디스플레이를 통하여, 동일한 작업팀으로 묶인 작업자들의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기가 모두 네트워트로 연결되어 있어, 이동과 가스 팀지 내용을 상기 디스플레이를 통하여 확인할 수 있다. 한편 사고가 많이 나거나, 위험성이 높은 지역을 작업하거나 통과하는 작업자는 별도의 심박센서를 착용하여, 상기 네트워크 연결을 통하여 작업자의 안전을 상호 확인할 수 있도록 한다. 이는 휴대용 가스 측정기의 특성상 모든 가스를 측정할 수도 없고 선택성도 낮기 때문에 상기 휴대용 가스 측정기가 측정하지 못하는 독성 가스 또는 휴대용 가스 측정기가 위험하지 않다고 판단하지만, 작업자에게는 위험할 수 있는 높은 농도의 이산화탄소, 낮은 농도의 산소 조성을 가지는공기가 있는 지하시설을 통과할 수 있기 때문이다.
본 출원 발명의 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기는 전기화학식 센서와 접촉연소식 센서를 구비하며, CO(0 - 1,000ppm ), H2S(0 - 100ppm), O2(0 - 25%), CH4(0 - 100% LEL), CO2(0 - 5%Vol), VOC(0 - 1,000ppm) 가스를 측정한다. VOC는 유기연소가스를 의미한다. 앞서 설명한 것과 같이 상기 접촉 연소식 센서는 주변에 산소와 측정대상 가스가 촉매가 구비된 열선에서 반응하면서 상기 열선의 가스의 농도에 따라 저항 값이 변화되는 것을 측정하는 방식으로 주변에 산소 농도가 낮거나 산소가 없다면 가스를 측정 못하거나 잘못된 측정을 할 수 있다.
상기 확산식 휴대용 가스 측정기는 전기화학식 센서와 접촉연소식 센서에 산소센서를 구비하고, 상기 산소 센서의 측정값이 5% 이하로 낮은 경우, 산소의 부족으로 접촉연소식 센서의 측정값이 부정확할 수 있는 것이어서, 상기 확산식 휴대용 가스 측정기는 전기화학식 센서에 소형의 산소 붐베를 구비하여 상기 접촉연소식 센서에 산소를 공급할 수 있도록 함으로써 효과적으로 접촉연소식 가스 센서에서 가스를 측정할 수 있도록 한다.
상기 가스의 분출압력은 1.1 기압을 넘지 않도록 하며, 산소의 공급에 의하여 상기 접촉연소식 센서의 온도변화에 따라 측정전압의 변화가 없는 경우 상기 접촉연소식 센서로 측정할 수 있는 가연성 가스 등이 없는 것으로 판단한다.
상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에는 인체 감지 센서를 더 구비하여 상기 확산식 휴대용 가스측정기의 시작 버튼이 온되어 동작하고, 내부에 구비된 가속도 및 속도 측정 센서가 1회 이상 동작된 후에 인체 감지 센서의 동작이 시작되며, 이 후 상기 인체 감지센서에서 인체가 감지되지 않는 경우 사용자가 고의로 또는 실수로 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 휴대하지 않는 것으로 판단하여 사용자에게 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기의 위치를 알라고, 휴대하여 사용할 수 있도록 경고음과 빛을 깜빡이도록 동작할 수 있다.
본 출원 발명은 상기와 같은 작용효과를 나타내기 위하여 다음의 과제해결 수단을 제공한다.
전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 상기 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서에서 가스가 측정되는 경우 자동으로 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
또한, 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에는 RFID 리드/ 라이트기를 더 구비하고, 상기 가스통에 RFID가 부착된 경우 가스 샘플링 동작 시에 위치정보, 가스의 종류와 농도를 자동으로 기록하는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기는 통신수단을 구비하여 동일 작업군으로 묶인 작업자의 위치와 측정된 가스 정보를 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기의 디스플레이장치로 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
또한, 상기 가스통은 샘플링 후 교체하여 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기를 제공한다.
10 : 구형 휴대용 가스측정기
100: 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기
110 : 케이스
120 : 입력버튼
130 : 디스플레이
200 : 가스 샘플링부
210 : GPS 센서
220 : Gyro 센서
230 : ACC
240 : 가스통
241 : 가스통입구
242 : RFID
250 : 펌프
100: 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스 측정기
110 : 케이스
120 : 입력버튼
130 : 디스플레이
200 : 가스 샘플링부
210 : GPS 센서
220 : Gyro 센서
230 : ACC
240 : 가스통
241 : 가스통입구
242 : RFID
250 : 펌프
Claims (4)
- 전기화학센서 및/ 또는 접촉연소식센서를 이용하여 가스를 감지하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기에 있어서, 펌프와 가스통을 구비하여 사용자가 필요한 경우에 가스 샘플을 채취하여 이를 실험실에서 가스성분을 분석할 수 있도록 가스를 샘플링할 수 있으며,
입구가 형성된 상기 가스통의 타단에는 가스펌프가 연결되어 상기 가스펌프의 동작에 의하여 상기 가스통에 음압이 발생하고, 상기 가스통 입구를 통하여 주변의 공기가 흡입되고, 상기 입구는 탄성부가 구비된 뚜껑으로 안쪽으로 막혀있어, 2 기압 이상의 압력에 의하여 안쪽으로 열리면서 가스 샘플이 흡입될 수 있도록 구성되며,
GPS 센서, 자이로 센서 및 가속도 센서를 더 구비하여, 지하통로 및 지하 공동구에서도 출발위치로부터 상대적인 위치를 사용자의 걸음에 따라 상기 가속도 센서 값에 의하여 주기적으로 생성되는 가속도 값 중 가장 크게 변화되는 값을 이용하여 걸음을 세고, 상기 카운트된 걸음걸이 수에 보폭을 입력하여 이동 거리를 계산하고, 상기 자이로 센서는 이동물체의 회전방향을 측정하여 방향전환을 측정할 수 있어, 걸음수와 방향전환의 측정을 통하여 지하통로 및 지하 공동구에서 현재위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기. - 제1항에 있어서,
상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기는 통신수단을 구비하여 동일 작업군으로 묶인 작업자의 위치와 측정된 가스 정보를 상기 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기의 디스플레이장치로 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기. - 제2항에 있어서,
상기 가스통은 샘플링 후 교체하여 가스를 샘플링할 수 있는 것을 특징으로 하는 샘플링 수단을 구비한 확산식 휴대용 가스측정기.
- 삭제
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-
2021
- 2021-09-08 KR KR1020210119492A patent/KR102379605B1/ko active IP Right Grant
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