KR19990047483A - 가스누설측정 및 경보장치 - Google Patents

가스누설측정 및 경보장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저농도의 가스를 감지할수 있을 뿐만 아니라 원하는 특정종류 가스만을 선택적으로 정확하게 감지해냄으로써 오동작이 없이 작동되는 가스누설측정 및 경보장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 가스에 대해 반응이 각각 다른 적어도 2개 이상의 어레이형의 산화물 반도체 가스센서로 형성되는 센서부와, 상기 센서부의 출력을 처리하여 감지가스 출력패턴으로 생성한후 저장된 가스패턴과 비교하여 감지가스에 대한 데이타를 구하는 신호처리부와, 상기 신호처리부의 데이타에 상응하는 정보를 표시하는 표시부를 구비함을 특징으로 하고 있다.

Description

가스누설측정 및 경보장치
본 발명은 LNG, LPG 등의 폭발성 가스누설을 오동작 없이 측정하고 경보할수 있도록한 가스누설측정 및 경보장치에 관한 것이다.
종래의 가스누설측정 경보장치는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 가스와 반응하여 전기적 신호를 발생하는 센서부(10)와, 센서부(10)의 출력을 디지털로 변환하는 A/D 변환기와 센서부(10)의 구동전원을 공급하도록 아날로그로 변환하는 D/A 변환기를 가지는 신호변환부(11)와, 신호변환부(11)의 출력을 처리하여 감지 데이터를 생성함과 동시에 제어신호를 공급하는 CPU로 형성되는 제어부(12)와, 상기 CPU로 부터 출력되는 데이터에 상응하는 정보를 표시하는 표시부(13)로 구성되어 있다.
상기 센서부(10)에 이용되는 센서는 크게 두 종류로 분류되며, 그 한 종류는 산화물 반도체를 감지재료로 사용한 반도체식(Semiconductor type 또는 저항식Resistive type)이고, 다른 종류는 팔라듐(Pd, Palladium)이나 백금(Pt, Platinum) 등의 촉매담체를 이용한 접촉연속식(Pellistor type)이다.
반도체식 가스센서는 산화물 반도체인 감지부의 표면에 흡착되어 있는 산소이온(O-, O2 -)이 대기중의 환원성 가스(R)와 만나면 화학식 1과 같이 화학 반응하여 전자를 생성시키게 되고, 이것으로 인하여 산화물 반도체내의 전자농도가 변화됨에 따라 산화물 반도체의 저항이 변화되는 것을 간단한 전기회로를 이용하여 검출하는 방식으로서, 감지재료의 적절한 선택으로 저농도의 가스도 검출할수 있는 고감도 성능을 얻을수 있으나, 감지원리로 부터 알수 있는 바와 같이 환원성 가스에 모두 반응하게 되어 원하는 특정종류 가스만을 선택적으로 감지해낼수 없다는 문제점이 있었다.
O-+R→RO+e-또는 O2-+R→RO+2e-
이에 대하여 접촉연속식 가스센서는 촉매가 있는 감지셀(Sensing cell)과 촉매가 없는 기준셀(Reference cell)의 쌍으로 형성된 감지부를 가지고 있어, LNG, LPG와 같은 가연성 가스가 약 300-500℃로 가열되어 있는 감지셀 표면의 촉매에 닿으면, 연소반응이 일어나고 온도상승이 생기며 그로 인해 금속저항체(통상 백금 또는 그 합금)으로 제작된 히터에 흐르는 전류가 연소반응이 없는 기준셀에 비해 상대적으로 감소하게 된다.
이와 같은 가스의 연소열에 의한 히터의 전류변화를 감지하므로써 일정농도 이상의 가스유무를 감지할수 있으나, 통상의 접촉연소식 가스센서는 반도체식 가스센서에 비하여 상대적으로 저농도의 가스에 대해서는 감지가 어렵고, 촉매의 열화에 의해 감도가 저하된다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 저농도의 가스를 감지할수 있을 뿐만 아니라 원하는 특정종류 가스만을 선택적으로 정확하게 감지해냄으로써 오동작이 없이 작동되는 가스누설측정 및 경보장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 가스누설측정 및 경보장치의 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도,
도 2는 본 발명의 가스누설측정 및 보정장치의 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도,
도 3a-도 3e는 본 발명의 센서부를 나타낸 평면도 및 단면도,
도 4는 LNG, LPG 감지를 위한 학습실험의 예를 나타낸 표이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20 : 센서부 30 : 기판
11, 21 : 신호 변환부 31 : 히터
12, 22 : 제어부 32, 35, 38 : 절연층
13, 24 : 표시부 33 : 감지전극
23 : 신호처리부 34, 37, 39 : 감지막
36 : 촉매층
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 가스누설측정 및 경보장치는 가스에 대해 반응이 각각 다른 적어도 2개 이상의 어레이형의 산화물 반도체 가스센서로 형성되는 센서부와, 상기 센서부의 출력을 처리하여 감지가스 출력패턴으로 생성한후 저장된 가스패턴과 비교하여 감지가스에 대한 데이타를 구하는 신호처리부와, 상기 신호처리부의 데이타에 상응하는 정보를 표시하는 표시부를 구비함을 특징으로 하고 있다.
이하, 첨부도면에 근거하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 가스누설측정 및 경보장치는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 가스에 대해 반응이 각각 다른 4개의 어레이형의 산화물 반도체 가스센서(S1-S4)로 형성되는 센서부(20)와, 상기 센서부(20)의 각 산화물 반도체 가스센서(S1-S4)의 출력을 디지털로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 센서부(20)의 각 산화물 반도체 가스센서(S1-S4)의 구동전원을 공급하도록 아날로그로 변환하는 D/A 변환기를 가지는 신호변환부(21)와 신호처리 및 제어신호를 출력하는 CPU, 시스템 운영 프로그램이 저장된 RAM과 뉴럴 네트워크 운영 프로그램이 들어 있는 ROM을 가지는 제어부(22)로 형성되는 신호처리부(23)와, 상기 신호처리 제어부(23)에서 출력되는 데이타에 따라 정보를 표시하는 표시부(24)로 구성되어 있다.
상기 센서부(20)의 각 산화물 반도체 가스센서(S1-S4) 어레이는 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 4개의 가스센서(S1-S4)를 기판의 중앙부에 배치하고 각 가스센서(S1-S4)와 연결되는 5개의 전극패드(P1-P5)를 기판의 가장자리에 위치하는 패턴으로 형성되어 있다.
그리고 각 어레이를 형성하는 각 가스센서를 도시한 도 3b-도 3e 단면도에서와 같이, 가스센서(S1)는 기판(30)상에 순차적으로 형성되는 히터(31), 절연층(32), 감지전극(33), 감지막(34), 절연층인 실리카(SiO2)층(35)및 Pd 촉매층(36)으로 형성되어 있고, 상기 감지막(34)의 조성은 90-99.9wt%SnO2+0.1-10wt%Pd로 되어 있으며, 상기 히터(31)나 감지전극(33)은 백금(Pt) 또는 금(Au) 등의 전도성 금속재료의 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄방법으로 형성한후 건조(50-300℃) 및 열처리(약 800-1200℃)를 행하여 형성한 것이다.
그리고 상기 감지막(34)은 상기 조성의 페이스트를 인쇄하여 약 400-900℃로 열처리하여 형성한 것이며, 상기 절연층(32)은 고온에서 안정한 세라믹을 사용하여 형성한다.
또한, 가스센서(S2)는 Pd(팔라듐) 촉매층(36) 대신에 Pt(백금) 촉매층(37)을 사용하는 것이외에는 가스센서(S1)와 동일하며, 가스센서(S3)는 Pd 촉매층(36)이 없고, 절연층을 실리카(SiO2)층(35) 대신에 백금 첨가된 실리카층(38)으로 사용하는 것 이외에는 가스센서(S1)의 구성과 동일하다. 그리고 가스센서(S4)는 Pd 촉매층(36)과 절연층인 실리카층(35)이 없을 뿐만아니라 감지막(38)은 80-99wt%SnO2+0.5- 10wt%V2O5+0.5-10wt%ThO2+0.1-10wt% Pd 조성으로 형성되어 있는 점이 다르고 그 이외에는 가스센서(S1)와 동일하다.
따라서 이들 가스센서(S1-S4)는 LPG나 LNG 등의 가연성 가스에 대하여 각각 다르게 반응한다.
상기 신호처리부(23)는 그의 ROM에 감지하고자 하는 가스의 종류와 농도에 대하여 미리 학습과정을 통해 얻어진 센서의 신호패턴을 메모리에 저장하여 데이타 베이스한다.
예를들면, 도 5에 도시된 바와 같이 LNG, LPG 등의 가스들을 선별적으로 감지하기 위한 가스의 종류와 농도에 대한 데이타 베이스를 만든다. LNG, LPG는 탄화수소계 가스들로서 메탄, 이소부탄, 수소 등이 주성분이므로 이러한 가스들의 폭발 농도에서의 센서출력신호 패턴에 대한 학습을 하여야 하고 더불어 폭발성 가스 이외의 생활가스들, 예를들어 일산화탄소, 알콜류 등에 대해서도 출력신호 패턴을 기억시켜 두면 훨씬 더 정확한 가스판별이 이루어질수 있다.
많은 수의 가스패턴을 학습시킬수록 오동작은 낮아지겠지만 메모리 용량이나 학습에 소요되는 기간, 경비 등을 고려하여 적정 학습량을 설정하여야 한다.
그리고 상기 표시부(24)는 LED나 부저의 어느 하나나 또는 LED 및 부저가 결합되게 필요에 따라 선택하여 구성한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 가스누설측정 및 경보장치의 작동에 대하여 설명하면, 먼저 센서부(20)의 각 산화물 반도체 가스센서(S1-S4)는 주변에 존재하는 가스종류와 농도에 따라 반응하여 각각 상이한 출력신호를 발생한후 신호변환부(21)의 A/D 변환기를 통하여 디지털로 변환되어 특정패턴으로 출력되고 CPU에서는 이들 출력신호 패턴을 입력하여 미리 저장되어 있는 패턴들과 비교하여 가장 유사한 패턴모양을 ROM 저장되어 있는 뉴럴 네트워크를 통해 찾아내어, 최종적으로 선택된 패턴의 가스종류와 농도를 판별하여 표시부(24)로 보내면, 표시부(24)는 이들 데이터를 표시함으로써 사용자가 알수 있도록 한다.
이러한 일련의 신호처리작업들은 적절한 시간 간격을 갖고 계속적으로 반복할수 있도록 하므로써 경보체제를 유지 할수가 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에서는 가스누설 경보기에 대한 것을 예로하고 있으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고 센서감지재료를 다른 배기가스 등을 감지할수 있는 것으로 대체하므로써 다양한 다른 가스감지 시스템에도 적용할수 있으며, 학습과정을 거쳐 데이타 베이스를 작성하므로써 자동차 배기가스 분석기를 비롯한 탄화수소계 가스의 유무 또는 농도를 측정하는 시스템에도 적용할수 있다.
이상과 같이 본 발명의 가스누설측정 및 경보장치는 종래 하나의 센서신호에 의존하여 경보레벨을 설정하여 운영하던 것에 비해, 가스에 각기 다른 반응을 하는 여러개의 센서의 신호를 이용하되 그 신호의 절대치가 아니라 신호들간의 상대치 즉 신호패턴을 판단의 기준으로 하기 때문에 오동작을 획기적으로 낮출수 있으며, 또한 그의 시스템이 미리 학습되어진 가스들에 대하여서만 정확히 감지할수 있도록 구성되어 있으므로 가스누설 경보기 외에도 센서감지재료의 적정한 선택 및 제조에 의해 다양한 가스감지 시스템에도 적용할수 있으며, 특히 자동차 배기가스 분석기를 비롯한 탄화수소 가스의 유무 또는 농도를 측정하고자 하는 시스템에도 모두 학습과정만 거치면 그대로 적용하여 사용할수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 가스에 대해 반응이 각각 다른 적어도 2개 이상의 어레이형의 산화물 반도체 가스센서로 형성되는 센서부와,
    상기 센서부의 출력을 처리하여 감지가스 출력패턴으로 생성한후, 저장된 가스패턴과 비교하여 감지가스에 대한 데이타를 구하는 신호처리부와,
    상기 신호처리부의 데이타에 상응하는 정보를 표시하는 표시부를 구비함을 특징으로 하는 가스누설측정 및 경보장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이형의 산화물 반도체 가스센서는, 90-99.9wt%SnO2+0.1-10wt%Pd 조성의 감지막과 이 감지막위에 순차 형성된 실리카 절연층 및 팔라듐 촉매층을 가지는 제 1 가스센서와, 90-99.9wt%SnO2+0.1-10wt%Pd 조성의 감지막과 이 감지막위에 순차 형성된 실리카절연층과 백금촉매층을 가지는 제 2 가스센서와, 90-99.9wt% SnO2+0.1-10wt%Pd 조성의 감지막과 이 감지막위에 형성된 백금이 첨가된 실리카층을 가지는 제 3 가스센서와, 90-99.9wt%SnO2+0.5-10wt%V2O5+0.5-10wt%ThO2+0.1-10wt%Pd 조성의 감지막을 가지는 제 4 가스센서로 구성됨을 특징으로 하는 가스누설측정 및 경보장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리 제어부는 아날로그에서 디지털로, 그리고 디지털에서 아날로그로 각각 신호변환을 행하는 신호변환부와, 시스템 운영 프로그램을 저장한 RAM, 뉴럴 네트워크 운영 프로그램이 들어 있는 ROM 및 신호처리 및 제어신호를 출력하는 CPU로 형성하는 제어부로 구성됨을 특징으로 하는 가스누설측정 및 경보장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리부의 데이타는 가스종류 및 농도에 대한 데이타임을 특징으로 하는 가스누설측정 및 경보장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 표시부는 부저, LED 또는 부저 및 LED중의 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 가스누설측정 및 경보장치.
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