KR102510773B1 - 광산란 미세먼지 측정장치 - Google Patents

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Abstract

"광산란 미세먼지 측정장치"가 개시된다. 본 발명에 의한 "광산란 미세먼지 측정장치"는 외부공기가 유입되는 유입구(111a)와, 미세먼지 농도가 측정된 측정공기가 배출되는 출구(113a)가 각각 구비된 케이싱(110)과; 상기 케이싱(110)의 내부에 상기 유입구(111a)와 상기 출구(113a)를 연결하며 상기 외부공기가 이동되는 공기이동유로(120)와; 상기 케이싱(110)의 외측에 구비되어 외부공기의 온도와 상대습도를 측정하는 외부온습도센서(140)를 포함한다.

Description

광산란 미세먼지 측정장치{Dust measuring device for measuring light scattering on particles}
본 발명은 미세먼지측정장치에 관한 것으로, 보다 자세히는 공기 중에 포함된 미세먼지 농도를 광산란미세먼지센서를 이용해 정확하게 측정할 수 있는 미세먼지측정장치에 관한 것이다.
공기 중의 미세먼지 농도를 측정하기 위해 광산란 방식 미세먼지 측정장치가 사용된다. 광산란 방식 미세먼지 측정장치는 미세먼지에 빛을 비추어 산란되는 광을 수신하여 미세먼지 농도를 측정하는 방식이다.
종래 광산란 미세먼지 측정장치의 일례가 등록특허 제10-2105253호에 개시된 바 있다. 개시된 종래 광산란 미세먼지 측정장치는 미세먼지에 의해 산란된 레이저를 검출하는 다수개의 센서가 마련되고, 기준시간 동안 측정된 값을 평균하여 미세먼지 농도를 측정한다.
그런데, 개시된 바와 같은 종래 광산란 미세먼지 측정장치는 미세먼지의 상대습도에 따라 측정오차가 커지는 단점이 있다.
공기 중의 상대습도가 높이지면 공기 중에 기화되어 있던 물분자가 미세먼지에 흡착하여 액상이 된다. 이렇게 액상 물분자와 합쳐진 미세먼지는 부피가 더 커지게 된다.
상대습도가 높을수록 물분자와 결합된 먼지 입자들의 부피는 더욱 커지게 되어 종래 광산란 미세먼지 측정장치는 초미세먼지를 미세먼지로 오인할 수 있으며, 부피가 커진 미세먼지는 큰 먼지로 간주되어 미세먼지로 측정되지 않게 된다.
이에 따라 종래 광산란 미세먼지 측정장치는 실시간 측정이 가능하고 크기가 작고 가격이 저렴하지만 상대습도에 따른 측정값의 정확도가 낮은 단점으로 사용량이 많지 않은 한계가 있었다.
또한, 히터를 장착한 미세먼지 측정장치는 유입구가 최상부에 배치되어 외부공기를 내부로 유입시키기 위해 별도의 진공펌프를 사용해야 하고 간접히팅 방식으로 상대습도를 낮추기 때문에 측정에 소요되는 시간과 에너지를 많이 사용하는 한계가 있었다.
또한, 미세먼지의 조성 성분에 따라서 공기중 수분을 흡습하는 상대습도 환경이 다르고, 장소에 따라 미세먼지의 종류가 다르므로, 상대습도를 알고 있더라도 미세먼지 양을 예측하여 보정할 수 없는 한계가 있다.
또한, 종래 광산란 미세먼지 측정장치는 유입구를 통해 유입되는 공기 중에 포함된 미세먼지가 정전기로 인해 유입구와 그 주변에 흡착되어 정확한 미세먼지 농도를 측정할 수 없는 문제가 있었다.
문헌 1. 대한민국특허청, 등록특허 제10-2103333호, "광산란 방식 미세먼지 측정시스템" 문헌 2. 대한민국특허청, 등록특허 제10-2105253호, "광산란 미세먼지 측정장치"
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 공기 중의 상대습도에 상관 없이 공기 중에 포함된 미세먼지 량을 광산란 방식으로 정확하게 측정할 수 있는 광산란 미세먼지 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유입구의 정전기 발생을 최소화하여 미세먼지 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 광산란 미세먼지 측정장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적은 외부공기 속 미세먼지 농도를 광산란방식으로 측정하는 광산란 미세먼지 측정장치에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 광산란 미세먼지 측정장치는, 외부공기가 유입되는 유입구(111a)와, 미세먼지 농도가 측정된 측정공기가 배출되는 출구(113a)가 각각 구비된 케이싱(110)과; 상기 케이싱(110)의 내부에 상기 유입구(111a)와 상기 출구(113a)를 연결하며 상기 외부공기가 이동되는 공기이동유로(120)와; 상기 케이싱(110)의 외측에 구비되어 외부공기의 온도와 상대습도를 측정하는 외부온습도센서(140)를 포함한다.
또한, 상기 유입구(111a) 측 공기이동유로(120) 상에 구비되는 히터(130)와; 상기 히터(130)와 상기 출구(113a) 사이의 공기이동유로(120) 상에 구비되어 상기 히터(130)를 경유하여 이동된 측정공기의 미세먼지 농도를 측정하는 광산란미세먼지센서(160)와; 상기 히터(130)와 상기 광산란미세먼지센서(160) 사이의 공기이동유로(120) 상에 구비되어 상기 측정공기의 온도와 상대습도를 측정하는 내부온습도센서(150)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광산란 미세먼지 측정장치는 외부공기의 상대습도가 높은 경우 외부공기를 히터에 의해 가열하여 상대습도를 낮춰 미세먼지 농도 측정의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 외부공기가 이동되는 이동로의 내벽면에 대전방지층을 형성하거나, 이동로를 대전방지 재료로 제작하여 종래 정전기에 의해 미세먼지가 유입로에 부착되어 미세먼지 측정 결과에 오차가 발생되던 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광산란 미세먼지 측정장치는 히터에서 광산란미세먼지센서에 이르는 센싱유로의 내벽면에 단열층을 형성하여 온도가 상승된 측정공기의 열손실을 최소화하여 미세농도 측정결과의 신뢰도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치의 측단면 구성을 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치의 정단면 구성을 도시한 정단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 광산란 미세먼지 측정장치의 공기이동유로의 다양한 변형예를 도시한 예시도,
도 8은 본 발명의 광산란 미세먼지 측정장치의 미세먼지 측정과정을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치(100)의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 광산란 미세먼지 측정장치(100)의 측단면구성을 도시한 측단면도이고, 도 3은 광산란 미세먼지 측정장치(100)의 정단면구성을 도시한 정단면도이고, 도 4는 광산란 미세먼지 측정장치(100)의 제어구조를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치(100)는 외부공기(A1)가 유입되는 유입구(111a)와 측정공기(A2)가 배출되는 출구(113a)가 각각 형성된 케이싱(110)과, 케이싱(110)의 내부에 유입구(111a)와 출구(113a)를 연결하게 형성되어 외부공기가 미세먼지 농도를 측정한 후 외부로 배출되도록 안내하는 공기이동유로(120)와, 유입구(111a) 측에 구비되는 히터(130)와, 케이싱(110)의 외부에 구비되어 외부공기의 온도와 상대습도를 측정하는 외부온습도센서(140)와, 히터(130)의 상부에 구비되어 히터(130)에 의해 가열된 측정공기(A2)의 온도와 상대습도를 측정하는 내부온습도센서(150)와, 내부온습도센서(150)와 출구(113a) 사이에 배치되어 측정공기(A2)의 미세먼지농도를 광산란방식으로 측정하는 광산란미세먼지센서(160)와, 외부온습도센서(140)에서 측정한 외부공기(A1)의 상대습도에 따라 히터(130)를 선택적으로 구동하여 외부공기(A1)의 상대습도가 낮아지게 하는 제어부(180)를 포함한다.
여기서, 외부공기(A1)는 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱(110)의 외부에서 유입구(111a)를 통해 유입되는 공기를 말하며, 외부온도(T1)와 외부상대습도(W1)을 갖는다.
측정공기(A2)는 광산란미세먼지센서(160)와 접촉하며 미세먼지농도가 측정되는 공기를 말하며, 내부온도(T2)와 내부상대습도(W2)를 갖는다.
측정공기(A2)는 외부공기(A1)의 상대습도에 따라 외부공기(A1)와 동일한 온도와 상대습도를 갖거나(T1=T2, W1=W2), 외부공기(A1)가 히터(130)에 의해 가열된 상태일 수 있다(T2>T1, W2<W1).
본 발명에 따른 광산란 미세먼지 측정장치(100)는 외부공기(A1)의 상대습도에 따라 히터(130)가 외부공기(A1)를 선택적으로 가열하여 외부공기(A1)의 상대습도를 낮춰 측정공기(A2)에 대한 미세먼지 측정 정확도를 향상시킨다.
케이싱(110)은 외부공기(A1)가 유입된 후 광산란미세먼지센서(160)에 의해 미세먼지 농도가 측정될 수 있게 각 구성들을 지지한다. 케이싱(110)은 유입구(111a)가 형성된 유입블럭(111)과, 출구(113a)가 형성된 출구블럭(113), 히터(130)가 수용된 히팅블럭(115), 광산란미세먼지센서(160)가 수용된 센싱블럭(117), 히팅블럭(115)과 센싱블럭(117) 사이에 구비되며 내부온습도센서(150)를 지지하는 스페이서(119)를 포함한다.
공기이동유로(120)는 케이싱(110)의 내부에 형성되어 유입구(111a)와 출구(113a) 사이를 폐경로로 연결한다. 공기이동유로(120)는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 유입구(111a)로 유입된 외부공기(A1)를 히팅블럭(115)으로 안내하는 유입유로(121)과, 히팅블럭(115)에 형성되어 외부공기(A1)가 히터(130)를 경유한 후 스페이서(119)로 이동되게 안내하는 히팅유로(123)와, 내부온습도센서(150)를 경유한 측정공기(A2)를 센싱블럭(117)의 입구로 안내하는 연결유로(124)와, 센싱블럭(117)에 형성되어 측정공기(A2)가 광산란미세먼지센서(160)를 경유하여 출구블럭(113)으로 이동되게 안내하는 센싱유로(125)와, 출구블럭(113)에 형성되어 센싱유로(125)를 경유한 측정공기(A2)를 출구(113a)로 안내하는 출구유로(127)를 포함한다.
유입블럭(111)은 케이싱(110)의 최하부에 배치되어 외부공기(A1)가 내부로 유입되게 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치(100)는 유입구(111a)가 하부에 위치되고 출구(113a)가 상부에 위치되는 구조를 갖는다. 그리고, 유입구(111a)에서 출구(113a)까지의 공기이동유로(120)를 따라 하부에서 상부로 순차적으로 히터(130), 내부온습도센서(150), 광산란미세먼지센서(160)가 구비된다.
이에 따라 강제적으로 내부에 음압을 형성하여 외부공기(A1)를 유입시키기 위한 많은 에너지를 소비하는 진공펌프와 같은 구동력이 없더라도 히터(130)에 의해 가열된 공기의 대류현상에 의해 자연스럽게 외부공기(A1)가 유입된 후 상부로 이동하여 히팅유로(115)로 이동될 수 있다.
히팅유로(115)로부터 출구(113a)까지의 경로에는 측정공기(A2)를 센싱블럭(117)을 통과하여 외부로 배출하기 위한 소형 공기유동팬(170)이 구비됨이 바람직하다. 소형 공기유동팬(170)은 센싱블럭(117)에 결합되어 측정공기(A2)가 외부로 배출될 수 있는 공기흐름을 만든다. 이 때, 공기유동팬(170)은 내부를 이동하는 측정공기(A)의 유량을 측정할 수 있는 유량계가 일체로 결합된 형태로 구비되는 것이 바람직하다.
도 2에 유입구(111a)는 유입블럭(111)의 정면에 형성되고, 유입유로(121)는 유입블럭(111)의 내부에 굴곡진 형태로 형성 히터(130)가 외부로 노출되지 않게 은폐한다. 통상 광산란 미세먼지 측정장치(100)는 야외에 설치되므로 유입유로(121)는 비나 눈 등이 내부로 유입되어 히터(130)에 닿지 않도록 굴곡진 형상 또는 상하로 구불구불한 복잡한 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명의 유입유로(121)는 유입구(111a)로 유입된 외부공기(A1)에 포함된 미세먼지가 정전기에 의해 내벽면에 부착되는 것을 방지하기 위해 유입유로(121)의 내벽면에 대전방지층(121a)이 형성된다.
대전방지층(121a)은 외부공기(A1)에 포함된 미세먼지가 정전기에 의해 유입유로(121)의 관로 내벽면에 부착되지 않도록 정전기가 발생되지 않는 대전방지기능이 있는 재료로 일정 두께 코팅하여 형성될 수 있다. 대전방지기능이 있는 재료는 기존에 공지된 다양한 재료가 사용될 수 있다.
대전방지층(121a)은 유입유로(121) 뿐만 아니라 히팅유로(123)와 연결유로(124) 및 센싱유로(125)에 걸쳐 모두 형성될 수 있다.
또한, 별도의 대전방지층(121a)을 형성하지 않고 유입블럭(111), 히팅블럭(115), 스페이서(119) 및 센싱블럭(117)을 대전방지가 가능한 재료로 제작할 수 있다.
히팅블럭(115)은 유입블럭(111)의 상부에 결합되며, 내부에 히터(130)를 수용한다. 히팅블럭(115)의 내부에는 히팅유로(123)가 유입유로(121) 및 연결유로(124)와 연통되게 형성된다. 히팅블럭(115)은 제2체결부재(115a)에 의해 유입블럭(111)에 결합된다.
히터(130)는 제어부(180)의 제어에 의해 선택적으로 동작되며 히팅유로(123)를 따라 이동되는 외부공기(A1)를 가열한다. 도 3에 도시된 바와 같이 히터(130)는 히팅유로(123)의 전체 폭에 대응되게 구비되어 히팅유로(123)를 따라 이동되는 외부공기(A1)와 접촉된다. 히터(130)는 히팅유로(123)의 폭을 따라 수회 권취된 열선코일로 구비되어 외부공기(A1)와의 접촉면적을 증대시켜 단시간에 외부공기(A1)를 가열한다.
히팅유로(123)의 폭은 히터(130)와 외부공기(A1)이 접촉면적을 최대화하기 위해 유입유로(121)와 동일하거나 더 넓게 형성된다. 히팅유로(123)의 폭이 유입유로(121)의 폭(W1) 보다 넓을 경우 외부공기(A1)의 유속이 느려져 히터(130)와의 접촉시간이 증대되어 보다 효율적인 히팅이 가능해질 수 있다.
스페이서(119)는 히팅블럭(115)과 센싱블럭(117) 사이에 배치되어 내부온습도센서(150)가 광산란미세먼지센서(160)과 이격되게 수용한다. 스페이서(119) 의 내부에는 연결유로(124)가 형성되고, 연결유로(124)의 내부에 내부온습도센서(150)가 배치된다.
스페이서(119)는 히팅유로(123)로부터 이동된 측정공기(A2)가 내부온습도센서(150)를 경유하여 센싱유로(125)로 이동될 때 내부온습도센서(150)가 광산란미세먼지센서(160)의 입구를 막아 공기의 원활한 흐름이 방해하는 것을 방지하기 위해 히팅블럭(115)과 센싱블럭(117) 사이에 위치된다.
외부온습도센서(140)는 도 2에 도시된 바와 같이 유입구(111a)의 일측에 구비되어 유입구(111a)로 유입되는 외부공기(A1)의 외부온도(T1)와 외부상대습도(W1)를 측정한다. 외부온습도센서(140)는 제어부(180)의 제어에 따라 외부온도 또는 외부상대습도 중 하나만 측정하거나, 둘다 측정할 수 있다.
내부온습도센서(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 히팅유로(123)와 센싱유로(125)의 경계영역에 배치되어 히터(130)를 경유한 측정공기(A2)의 내부온도(T2) 또는 내부상대습도(W2)를 측정한다.
도면에 도시되지 않았으나 외부온습도센서(140)와 내부온습도센서(150)는 각각 제어부(180)와 전기적으로 연결되어 측정한 외부온도와 외부상대습도, 내부온도와 내부상대습도를 제어부(180)로 전송한다.
센싱블럭(117)은 유입블럭(111)의 상부에 구비되며, 내부에 센싱유로(125)가 형성된다. 센싱유로(125)에는 광산란미세먼지센서(160)가 구비되어 센싱유로(125)를 따라 이동되는 측정공기(A2)에 포함된 미세먼지 농도를 측정한다.
여기서, 센싱유로(125)는 히터(130)에서 상대습도가 낮아지게 가열된 측정공기(A2)가 가열된 내부온도(T2)를 유지하며 광산란미세먼지센서(160)와 접촉될 수 있게 설계되는 것이 바람직하다.
이를 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센싱유로(125)는 도 3에 도시된 바와 같이 관로의 폭(d2)을 히팅유로(123)이 폭(d1) 보다 현저히 좁게 설계하여 센싱유로(125)를 따라 이동되는 측정공기(A2)의 유속을 빠르게 조절한다.
이에 의해 히터(130)에서 가열되며 내부온도(T2)로 상승된 측정공기(A2)가 내부온도를 유지한 상태로 빠르게 이동하여 광산란미세먼지센서(160)와 접촉되고, 보다 정확한 미세먼지 농도 측정값을 얻을 수 있다.
또한, 히팅블럭(115)과 스페이서(119) 및 센싱유로(125)의 내벽면에는 단열층(125a)이 형성되거나, 단열소재로 형성되어 측정공기(A2)의 열손실을 최소화하여 내부온도가 유지된 상태로 이동되게 한다.
또한, 센싱유로(125)는 측정공기(A2)의 열손실을 최소화한 상태로 빠르게 광산란미세먼지센서(160)와 측정공기(A2)가 접촉될 수 있도록 히터(130)와 광산란미세먼지센서(160)까지의 이동거리(ℓ)가 짧아지게 설계하는 것이 바람직하다.
광산란미세먼지센서(160) 이후의 센싱유로(125)의 폭은 더 이상 센싱 정확도와 관련이 없으므로 관로의 폭을 센싱블럭(117)의 폭에 맞게 조절한다. 그리고, 광산란미세먼지센서(160)와 접촉된 이후의 측정공기(A2)의 온도나 상대습도도 중요하지 않으므로 광산란미세먼지센서(160) 이후의 센싱유로(125)에는 단열층(125a)이 형성되지 않을 수 있다.
즉, 유입유로(121), 히팅유로(123), 연결유로(124), 센싱유로(125), 출구유로(127) 중 유입유로(121)와 히팅유로(123) 및 연결유로(124)는 대전방지 성능이 높게 설계되어야 하고, 히팅유로(123)와 연결유로(124)는 대전방지 성능 뿐만 아니라 단열성능까지 추가되게 설계되는 것이 바람직하다.
광산란미세먼지센서(160)는 센싱유로(125)의 내벽면에 결합되어 측정공기(A2)에 포함된 미세먼지를 측정한다. 여기서, 광산란미세먼지센서(160)에서 측정하는 미세먼지는 입자직경 2.5마이크론(㎛) 이하의 초미세먼지를 포함한다. 광산란미세먼지센서(160)에서 측정된 미세먼지 농도는 커넥터(181)을 통해 제어부(180)로 전송된다. 광산란미세먼지센서(160)는 공지된 다양한 형태로 구현될 수 있다.
출구블럭(113)은 센싱블럭(117)의 상부에 결합된다. 출구블럭(113)은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 제1체결부재(113b)를 이용해 센싱블럭(117)과 히팅블럭(115)에 고정결합된다.
출구블럭(113)에는 출구(113a)와, 센싱유로(125)와 연통된 출구유로(127)가 형성된다. 출구유로(127)는 측정공기(A2)를 출구(113a)로 안내한다.
출구(113a)는 유입구(111a)와 동일한 방향으로 형성되거나, 경우에 따라 반대방향으로 형성될 수 있다. 출구유로(127)는 비나 눈 등이 내부로 유입되는 것이 방지될 수 있도록 출구(113a)로부터 절곡된 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 공기이동유로(120)의 다양한 변형예들을 도시한 예시도들이다.
도 5는 공기이동유로(120)의 다양한 방향을 도시한 예시도들이다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기이동유로(120)는 하부에 형성된 유입구(111a)와, 상부에 형성된 출구(113a)를 가지며 외부공기가 하부에서 상부로 이동되게 구비된다.
경우에 따라. 공기이동유로(120a)는 유입구(111a)가 상부에 형성되고, 출구(113a)가 하부에 형성되어 외부공기가 상부에서 하부로 이동되며 미세먼지 농도가 측정되게 구비될 수 있다.
한편, 공기이동유로(120b)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 유입구(111a)가 일측면에 형성되고, 출구(113a)가 타측면에 형성되고 외부공기(A1)가 수평방향으로 이동되게 형성될 수도 있다.
여기서, 공기이동유로(120a,120b)의 공기이동방향에 상관없이 유입구(111a)에서 출구(113a)까지 히터(130), 내부온습도센서(150), 광산란미세먼지센서(160)의 순서로 순차적으로 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광산란 미세먼지 측정장치(100)는 하나의 유입구(111a)와 하나의 출구(113a)를 가지며, 유입구(111a)와 출구(113a)를 연결하는 하나의 공기이동유로(120)를 갖는다.
반면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 공기이동유로(120c)는 복수개의 유입구(111a,111a')를 갖게 형성될 수 있다. 복수개의 유입구(111a,111a')는 유입블럭(111)의 다양한 방향에서 형성될 수 있으며, 하나의 유입유로(121)로 병합되어 이동되거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 각각 독립적인 복수개의 히팅유로(123,123')를 따라 이동될 수 있다.
독립적인 복수개의 히팅유로(123,123')는 각각 독립적인 히터(130)와 내부온습도센서(150)를 포함할 수 있다.
독립적인 히팅유로(123,123')를 통해 히터(130)와 접촉된 측정공기(A2)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 센싱유로(125)가 하나로 병합되어 하나의 광산란미세먼지센서(160)에서 미세먼지 농도가 측정된 후 출구유로(127)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 도 7의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 독립적인 히팅유로(123,123')는 각각 각각의 센싱유로(125,125')와 연결될 수 있다.
이 때, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 각각의 센싱유로(125,125') 중 어느 하나에만 내부온습도센서(150)와 광산란미세먼지센서(160)가 구비될 수 있다. 또한, 도 7이 (b)에 도시된 바와 같이 각각의 센싱유로(125,125') 모두에 내부온습도센서(150)와 광산란미세먼지센서(160)가 구비될 수 있다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 어느 하나의 센싱유로(125,125')에만 광산란미세먼지센서(160)가 구비되는 경우 측정되는 공기의 량이 달라지므로 측정된 미세먼지 농도를 보정하는 과정이 추가된다.
또한, 각각의 센싱유로(125,125')를 경유한 측정공기(A2)는 하나의 출구유로(127)를 통해 배출되거나, 도면에 도시되지 않았으나 각각의 출구유로(127)와, 이에 연결된 복수개의 출구(113a)를 통해 개별적으로 배출될 수도 있다.
한편, 도 7의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 공기이동유로(120d,120e)는 하나의 히터(130)와 하나의 히팅유로(123)와, 분리된 복수개의 센싱유로(125,125')를 갖게 형성될 수도 있다.
또한, 도 5 내지 도 7에 도시된 모든 공기이동유로(120)가 유입구(111a)와 출구(113a)가 동일한 방향으로 도시되었으나, 이는 일례일 뿐이며 유입구(111a)와 출구(113a)의 방향이 반대로 배치될 수도 있다.
이 외에도 공기이동유로(120)는 유입구(111a)와 출구(113a)를 연결하며 폐경로로 외부공기가 히터(130), 내부온습도센서(150), 광산란미세먼지센서(160)를 순차적으로 경유하며 이동할 수 있는 범위에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.
제어부(180)는 외부온습도센서(140)에서 감지한 외부공기(A1)의 외부온도(T1) 또는 외부상대습도(W1)에 기초하여 측정공기(A2)의 내부온도(T2) 또는 내부상대습도(W2)를 일정하게 유지하여 광산란미세먼지센서(160)에서 측정하는 미세먼지 농도가 상대습도에 영향을 받지 않고 정확하게 측정될 수 있게 한다.
앞서 설명한 바와 같이 외기온도의 상대습도가 높으면 공기 중에 기화되어 있던 물분자가 미세먼지에 흡착되어 미세먼지의 부피가 커지게 되고, 광산란미세먼지센서(160)가 미세먼지를 큰 먼지로 오인하여 미세먼지 농도 측정 정확도가 떨어지게 된다.
이에 제어부(180)는 외부공기(A1)의 외부상대습도(W1)가 기설정된 목표상대습도(Wt) 보다 높을 경우 외부공기(A1)를 히터(130)에 의해 가열하여 측정공기(A2)의 내부상대습도(W2)가 목표상대습도(Wt)와 동일해지도록 히터(130)를 동작한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어부(180)는 목표상대습도(Wt)를 35%로 설정한다. 이는 여러 연구를 통하여 미세먼지의 입경이 커지는 지점이 30% 전후이며, 국가측정소 장치들이 대부분 조해상대습도를 35%로 설정해서 사용하는 것을 반영하여 결정하였다. 목표상대습도(Wt)는 상황에 따라 가변될 수 있다.
목표상대습도(Wt)가 설정되면, 제어부(180)는 히터(130)를 구동하여 히팅유로(123)와 연결유로(124)를 따라 이동되는 측정공기(A2)의 내부상대습도(W2)를 목표상대습도(Wt)까지 낮추도록 제어한다.
제어부(180)는 실시간으로 내부온습도센서(150)에서 측정한 내부상대습도(W2)가 목표상대습도(Wt) 보다 높으면 히터(130)의 전력을 더 증가시키고, 그렇지 않으면 더 감소시키는, 비례-적분-미분 제어(PID) 같은 제어 기법을 사용하여 내부상대습도(W2)가 목표상대습도(Wt)에 도달하게 제어한다.
여기서, 제어부(180)가 상술한 제어기법을 이용해 히터(130)를 동작시킬 경우, 히팅유로(123)와 연결유로(124)를 따라 이동되는 측정공기(A2)의 내부온도(T2)가 허용 가능한 안전온도를 초과할 수 있다.
이에 따라 제어부(180)는 다음 <수식 1>을 이용해 목표온도(Tt)를 산출하고, 산출한 목표온도(Tt)에 기초하여 히터(130)의 구동을 제어하여 측정공기(A2)의 내부온도가 안전온도를 초과하지 않도록 안전 제어를 수행한다.
<수식 1>
목표온도(Tt)= A ×237.3/(7.5-A)
단,
Figure 112022020086600-pat00001
이다.
여기서, T2는 내부온도, W2는 내부상대습도, Wt는 목표상대습도이다.
목표온도(Tt)가 산출되면, 제어부(180)는 히터(130)를 구동하여 히팅유로(123)를 통해 이동되는 외부공기(A1)가 가열되게 하고, 측정공기(A2)의 내부온도(T2)가 목표온도(Tt)에 도달하게 한다.
여기서, 관리자는 목표온도(Tt) 외에 안전온도를 추가로 설정한다. 안전온도는 과열로 광산란 미세먼지 측정장치를 오작동되게 하거나, 미세먼지 또는 초미세먼지의 화학적 조성변화를 발생시키지 않는 온도를 말한다.
제어부(180)는 내부온도(T2)가 <수식 1>에 의해 산출된 목표온도(Tt)가 되도록 PID 같은 자동제어 방법으로 히터(130)를 제어한다. 그런데, 산출된 목표온도(Tt)가 기설정된 안전온도를 초과하는 경우, 제어부(180)는 목표온도(Tt)를 안전온도로 변경하여 히터(130)를 제어한다.
이 과정에서 제어부(180)는 히터(130)를 구동시켜 측정한 내부온도(T2)가 안전온도를 초과하면 즉시 히터(130)로의 전원공급을 차단한다.
제어부(180)는 일정 시간 간격으로 <수식 1>에 의해 목표온도(Tt)를 주기적으로 갱신하여 히터(130)의 동작을 제어한다.
한편, 상술한 <수식 1>은 내부온도(T2)와 내부상대습도(W2), 목표상대습도(Wt)를 이용해 목표온도를 산출한다.
그러나, 경우에 따라 외부온습도센서(140)에서 측정한 외부온도(T1), 외부상대습도(W1)와 목표상대습도(Wt)를 이용해 목표온도를 산출할 수도 있다. 이 경우 아래 <수식 2>를 이용해 목표온도(Tt)를 산출할 수 있다.
<수식 2>
목표온도(Tt)= A ×237.3/(7.5-A)
단,
Figure 112022020086600-pat00002
이다.
여기서, T1은 외부온도, Tt는 목표온도, W1은 외부상대습도, Wt는 목표상대습도이다.
<수식 1>을 이용하여 목표온도(Tt)를 산출할 경우 외부온습도센서(140)에서 측정한 외부상대습도(W1)와 외부온도(T1)가 필요하지 않으므로, 외부온습도센서(140)가 필요치 않아 장비의 구성을 간소화할 수 있는 장점이 있다.
제어부(180)는 두 가지 방식 중 어느 하나를 선택적으로 사용하거나, 두 가지 방식을 호환하여 사용할 수 있다.
한편, 제어부(180)는 히터(130)를 동작시켜 측정공기(A2)의 내부온도를 목표온도로 가열한 경우, 광산란미세먼지센서(160)에서 측정된 미세먼지 농도를 보정한다.
히터(130)에 의해 가열되면 측정공기(A2)의 내부상대습도(W2)는 초기 외부상대습도(W1) 보다 낮아진다. 이에 따라 광산란미세먼지센서(160)로 유입되는 측정공기(A2)의 내부온도(T2)는 외부온도(T1) 보다 높아진다. 측정공기(A2)의 온도가 높아지면 측정공기(A2)의 부피는 외부공기(A1)의 부피 보다 증가하게 된다.
미세먼지 농도는 공기의 단위부피당 미세먼지의 무게로 측정되므로, 증가된 부피만큼 산출된 미세먼지 농도값을 보정하는 과정이 요구된다.
미세먼지 농도값의 보정은 아래 <수식 3>에 의해 진행된다.
<수식 3>
보정된 미세먼지 농도 = (광산란미세먼지센서에서 측정된 미세먼지 농도)×(273+내부온도)/(273+외부온도)
이러한 구성을 갖는 본 발명의 광산란 미세먼지 측정장치(100)를 이용한 미세먼지 측정과정을 도 1 내지 도 8를 참조하여 설명한다.
측정장소에 본 발명의 광산란 미세먼지 측정장치(100)가 설치된다. 케이싱(110)의 하부에 유입구(111a)가 위치되고, 상부에 출구(113a)가 위치된다.
케이싱(110)의 외부에 위치된 외부온습도센서(140)가 외부공기(A1)의 외부온도(T1)와 외부상대습도(W1)를 측정하고, 제어부(180)로 전송한다(S110). 제어부(180)는 전송된 외부상대습도(W1)가 기설정된 목표상대습도(Wt) 보다 낮은지 판단한다(S120).
외부상대습도(W1)가 기설정된 목표상대습도(Wt) 보다 낮은 경우 제어부(180)는 히터(130)로 전원공급을 차단하여 히터(130)는 동작되지 않는다(S130).
유입구(111a)를 통해 외부공기(A1)가 유입되고, 외부공기(A1)는 유입유로(121)를 따라 히팅유로(123)로 이동된다. 이 때, 유입유로(121)의 내벽면에는 대전방지층(121a)이 형성되어 미세먼지가 정전기에 의해 내벽면에 부착되는 것이 방지되고 유입구(111a)로 유입된 전량의 외부공기(A1)가 히팅유로(123)로 이동될 수 있다.
이에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 유입구(111a)로 유입된 외부공기(A1)는 유입유로(121)와 히팅유로(123)를 따라 이동되고, 가열되지 않은 상태로 내부온습도센서(150)를 거쳐 광산란미세먼지센서(160)로 유입된다.
광산란미세먼지센서(160)에서 가열되지 않은 외부공기(측정공기)의 미세먼지 농도를 측정하고, 제어부(180)로 측정된 미세먼지 농도를 전송한다(S170). 제어부(180)는 측정된 미세먼지농도를 외부로 출력한다.(S190).
한편, 외부상대습도(W1)가 기설정된 목표상대습도(Wt) 보다 높은 경우 제어부(180)는 외부상대습도가 목표상대습도가 되는 목표온도를 산출한다(S140). 목표온도는 앞서 설명한 <수식 1>에 의해 산출될 수 있다.
목표온도가 산출되면 제어부(180)는 히터(130)로 전원을 공급하여 히터(130)를 동작시킨다(S150). 히팅유로(123)로 유입된 외부공기(A1)는 히터(130)와 접촉되며 가열된다. 가열된 측정공기(A2)는 내부온습도센서(150)와 접촉되며 내부온도(T2) 또는 내부상대습도(W2)가 측정된다.
내부온습도센서(150)에서 측정된 내부온도(T2)가 목표온도(Tt)와 동일한 경우 센싱유로(125)로 공급되어 광산란미세먼지센서(160)와 접촉되며 미세먼지 농도가 측정된다(S170).
광산란미세먼지센서(160)에서 미세먼지 농도가 측정되면, 제어부(180)는 앞서 설명한 <수식 3>에 의해 미세먼지 농도를 보정하고(S180), 미세먼지농도를 출력한다(S190).
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 광산란 미세먼지 측정장치는 외부공기의 상대습도가 높은 경우 외부공기를 히터에 의해 가열하여 상대습도를 낮춰 미세먼지 농도 측정의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 외부공기가 유입되는 유입로의 내벽면에 대전방지층을 형성하여 종래 정전기에 의해 미세먼지가 유입로에 부착되어 미세먼지 측정 결과에 오차가 발생되던 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광산란 미세먼지 측정장치는 히터에서 광산란미세먼지센서에 이르는 센싱유로의 내벽면에 단열층을 형성하여 온도가 상승된 측정공기의 열손실을 최소화하여 미세농도 측정결과의 신뢰도를 확보할 수 있다.
이상 몇 가지의 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.
100 : 광산란 미세먼지 측정장치 110 : 케이싱
111 : 유입블럭 111a : 유입구
113 : 출구블럭 113a : 출구
113b : 제1체결부재 115 : 히팅블럭
115a : 제2체결부재 117 : 센싱블럭
119 : 스페이서 120 : 공기이동유로
121 : 유입유로 121a : 대전방지층
123 : 히팅유로 124 : 연결유로
125 : 센싱유로 125a : 단열층
127 : 출구유로 130 : 히터
140 : 외부온습도센서 150 : 내부온습도센서
160 : 광산란미세먼지센서 170 : 공기유동팬
180 : 제어부 181 : 커넥터
A1 : 외부공기
A2 : 측정공기
T1 : 외부온도
T2 : 내부온도
Tt : 목표온도
W1 : 외부상대습도
W2 : 내부상대습도
Wt : 목표상대습도

Claims (7)

  1. 외부공기가 유입되는 유입구(111a)와, 미세먼지 농도가 측정된 측정공기가 배출되는 출구(113a)가 구비된 케이싱(110)과;
    상기 유입구(111a)와 상기 출구(113a)를 연결하는 공기이동유로(120)와;
    유입된 상기 외부공기를 가열하는 히터(130)와;
    상기 히터(130)를 경유하여 이동된 측정공기의 미세먼지 농도를 측정하는 광산란미세먼지센서(160)와;
    상기 히터(130)와 상기 광산란미세먼지센서(160) 사이에 구비되어 상기 측정공기의 온도와 상대습도를 측정하는 내부온습도센서(150)와;
    상기 내부온습도센서(150)로부터 측정된 상기 온도와 상대습도에 대응하여 상기 히터(130)의 구동을 제어하는 제어부(180)를 포함하며,
    상기 외부공기의 유입구(111a)가 상기 케이싱(110)의 하부에 위치되고, 상기 측정공기의 출구(113a)가 상기 케이싱(110)의 상부에 위치되며,
    상기 케이싱(110)의 하부에서 상부 방향으로 상기 히터(130), 내부온습도센서(150) 및 광산란미세먼지센서(160)가 순차적으로 배치되며,
    상기 제어부(180)의 제어에 따른 상기 히터(130)의 가열에 의해 상기 공기이동유로(120) 내에서 대류현상이 발생되며, 상기 대류현상에 의해 공기가 상기 유입구(111a)를 통해 유입되어 하부에서 상부로 이동되며,
    상기 대류현상을 이용하면서 신속한 미세먼지 농도의 측정이 가능하도록 공기의 유속을 빠르게 조절하기 위해, 상기 내부온습도센서(150)에서 상기 광산란미세먼지센서(160)까지 이어지는 센싱유로(125)의 폭은 상기 히터(130)와 상기 내부온습도센서(150)까지 이어지는 히팅유로(123)의 폭보다 좁게 형성되며,
    상기 히팅유로(123)와 상기 센싱유로(125)의 내벽면에는 단열소재로 형성된 단열층(125a)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기이동유로(120) 상에는 상기 외부공기의 강제 이동을 위한 공기유동팬(170)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기이동유로(120)는 상기 히터(130)로부터 상기 출구(113a)로 이어지는 복수개의 내부분기유로를 포함하며,
    상기 내부분기유로 중 어느 하나에만 내부온습도센서(150)와 상기 광산란미세먼지센서(160)가 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기이동유로(120)는 상기 히터(130)로부터 상기 출구(113a)로 이어지는 복수개의 내부분기유로를 포함하며,
    상기 복수개의 내부분기유로는 각각 내부온습도센서(150)와 상기 광산란미세먼지센서(160)가 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기이동유로(120)는 상기 유입구(111a)로부터 상기 히터(130)까지 이어지는 유입유로(121)와, 상기 히터(130)와 상기 내부온습도센서(150)까지 이어지는 히팅유로(123)와, 상기 내부온습도센서(150)에서 상기 광산란미세먼지센서(160)까지 이어지는 센싱유로(125)와, 상기 광산란미세먼지센서(160)에서 상기 출구(113a)까지 이어지는 출구유로(127)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유입구(111a)로부터 상기 히터(130)까지 이어지는 유입유로(121)와 상기 히팅유로(123) 및 상기 센싱유로(125)의 표면에는 정전기방지 재료로 형성된 대전방지층(121a)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란 미세먼지 측정장치.
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