KR20050004648A - 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘 및 이를이용한 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감지전극, 전해질, 기준전극으로 구성되고, 양전극사이에 생기는 전압(기전력)으로부터 Nernst 식에 의해 화학원소의 양을 측정하는 전기 화학식 기전력형 센서에 있어서 제조상 불가피하게 발생되는 감지전극과 기준전극의 불균일성 때문에, 센서마다 약간씩 서로 다른 초기값을 보이고 이 값은 온도에 따라서도 변하게 되는 문제를 해결하기 위한 것으로, 센서 소자마다 보이는 서로 다른 불균일 특성을 제조시 기준온도에서 측정된 한 개의 대표 기준 초기값으로부터 센서의 측정온도 변화에 따른 불균일 특성의 변화를 예측하고 이 대표 기준 초기값을 초기에 측정장치에 입력시켜 자동적으로 측정온도에 따른 초기값의 변화를 보정해주도록 함으로써 정확한 화학원소의 양을 얻도록 하는 것이다.

이러한 본 발명은 센서가 고장이 나거나 수명이 다하여 교환 될 때마다, 센서 제조사에서 측정되어 표기된 센서의 대표 기준 초기값을 측정 장치에 입력하여 실제 측정시 발생되는 측정온도의 임의적인 변화에 관계없이 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 하는 것이다.

Description

전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘 및 이를 이용한 측정 장치{a}

본 발명은 전기 화학식 기전력 센서를 이용하여 화학원소의 양을 측정함에 있어서, 전기 화학식 기전력 센서의 감지전극과 기준전극의 불균일성 때문에 발생하는 불균일 특성을 개별 센서에서 측정된 한 개의 대표 기준 초기값을 초기에 인위적으로 입력하여 측정온도 변화에 따른 초기 값의 변화를 자동적으로 보정하여정확한 화학 양 측정값을 얻을 수 있도록 하는 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기 화학식 기전력 센서는 도 1 과 같이 고체 전해질(1)의 양면에 감지전극(2)과 기준전극(3)이 접촉되어 있는 구조로 이루어지며, 감지전극(2)과 기준전극(3) 면에 존재하는 화학량의 차이에 비례하는 기전력이 발생하는 원리로 작동된다.

따라서 원리적으로는 양 감지전극(2)과 기준전극(3)에서의 화학량이 같을 경우 "0" V의 기전력을 보여야 되나 실제 제작된 센서들의 경우, 약 10~20 ㎷ 내외에서 서로 다른 기전력을 보이고 이 값들이 온도에 따라서도 변화하고 있으며, 이는 감지전극(2)과 기준전극(3)의 제조상 발생되는 전극형상이나 전극과 전해질의 접촉 불균일성의 차이 때문인 것이다.

이와 같은 초기값의 발생은 실제 측정값에서 적게는 수십% 많게는 몇 배의 측정오차를 유발하기 때문에 상용제품의 경우, 정밀한 제작공정을 통하여 초기값이 "0" V가 되도록 하거나 제작된 센서 중에 초기값이 "0" V인 센서만 골라서 사용하고 있으며, 양자의 경우 모두 필연적으로 생산 비용의 증가를 가져오게 된다.

이같이 전기화학식 기전력 센서에 있어서 큰 문제점 중의 하나는 개별 센서 소자들의 감도(화학원소 양의 변화에 따른 기전력의 변화량)는 동일하지만 같은 화학량에 대해 나타나는 센서들의 절대 기전력 신호 값이 동일하지 않다는 것이다. 예를 들어 여러 가지 센서에 대해 화학 양에 따른 기전력을 일정한 온도, 700℃에서 측정하면 도 2 와 같은 신호변화 모양을 보인다. 즉 700℃에서 가스의 농도의로그함수 값에 따른 기전력의 변화량(감도)은 모든 센서들에 대해 같은 값을 가지나 그 기전력(전압)의 절대 값은 센서마다 서로 다르고 모두 이론값(Nernst 식)에서 벗어남을 알 수 있다.

따라서 센서의 절대 신호 값의 편차가 존재 할 경우, 이를 보정해 주지 않으면 최종 측정값의 오차를 유발시키게 되어 부정확한 측정값을 얻게 되고, 이러한 문제 때문에 센서를 자주 교체해서 사용해야 하는 단기 사용용(준 일회용) 전기화학식 기전력 센서에 맞는 측정시스템 장치를 만드는 것이 불가능하다.

일반적인 전기 화학식 기전력 센서가 가지는 초기신호 값의 임의성 문제를 해결하는 방법으로 정밀한 센서 제조공정을 확립하여 "0" V의 초기값을 보이도록 센서를 만들거나, 제작된 센서들 중에 "0" V 초기값을 보이는 센서를 선택적으로 발췌하는 등의 센서 자체를 개선해서 해결하는 방안을 선택하여 사용하고 있으나, 본 발명은 자연 발생적인 초기 신호 값의 차이를 인정하고 이 차이를 측정 시스템에서 보정 알고리즘을 통하여 보완해주도록 함으로써 정확한 화학양 측정을 얻을 수 있도록 하는 것이다.

이러한 본 발명은 전기화학식 기전력 센서의 초기 기전력 전압 값의 차이에 기인한 측정오차를 없애기 위하여 하나 이상의 온도에서 측정된 센서의 초기 기전력 값을 측정 시스템에 입력하고, 시스템 내부에서는 이를 이용하여 예측된 초기 기전력 값의 온도에 따른 변화로부터 센서의 실제 측정온도에서 실험으로 측정된 기전력 값을 보정하여 초기 기전력 값이 이론값인 "0" V에 해당되는 센서로 측정시 나타나는 화학성분의 압력(농도)을 계산해 주도록 함으로써 이루어진다.

도 1 은 전기 화학식 기전력 센서의 구성도

도 2 는 전기 화학식 기전력 센서의 화학 농도 변화에 따른 기전력의 변화를 나타낸 표

도 3 은 전기 화학식 기전력 센서의 측정온도 변화에 따른 초기값(Eo)변화를 나타낸 표

도 4 는 본 발명 측정장치의 기전력 보정을 수반한 측정값 산출 알고리즘

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 전해질 2 : 감지전극

3 : 기준전극 4 : 기준물질

고체 전해질(1)의 양면에 감지전극(2)과 기준전극(3)이 접촉되어 있는 구조로 이루어지고, 감지전극(2)과 기준전극(3) 면에 존재하는 화학량의 차이에 비례하는 기전력이 발생하는 원리로 작동되는 전기화학식 기전력 센서에 있어서, 기전력(E)과 화학원소의 농도(Pgas)와의 관계는 도 2 에서 보는 바와 같이 다음과 같은 Nernst 식에 의해 표현된다.

(1)

여기서 E는 측정된 기전력이고 R은 기체상수, T는 절대온도(K), F는 패러데이 상수, n은 감지원소에 따라 정해지는 자연수 상수, Eo는 센서의 불균일성에서 오는 초기 값 상수이며 Pgas는 측정하고자 하는 화학원소의 농도이다.

따라서 화학원소의 농도는 아래식과 같이 변환되며

(2)

상기된 식 (2)로 부터 측정된 기전력 값(E)과 초기값(Eo) 그리고 측정온도(T)를 알면 화학원소의 농도를 계산할 수 있다.

그러나 기전력(E) 값이나 온도(T)는 측정장치에서 측정되어 정확히 정의되어지지만 초기 값인 Eo는 전술된 바와 같이 각 센서마다 제조공정에 따라 서로 다른 임의의 값을 보이게 되며, 더구나 Eo는 도 3 에서 보는 바와 같이 측정온도에 따라 변하는 특성을 보이고 있다.

만약 센서가 일정한 온도에서만 사용될 경우에는 그 사용온도에서의 초기 값만 알면 식 (2)로 부터 화학원소의 농도를 쉽게 계산할 수 있지만 실제의 경우와 같이 측정 온도가 항상 변할 수 있는 상황에서는 온도변화에 따른 초기 값의 변화 차이만큼의 측정오차는 피할 수 없다.

그러나 도 3에서 보는 바와 같이 각 센서들의 초기 값(Eo)의 온도 변화 특성은 절대값은 다르나 그 모양은 거의 동일함을 알 수 있으며, 이로 인하여 온도에 따른 Eo 값의 함수를 실험적으로 아래와 같이 표현 할 수 있다.

(3)

여기서 f(T)는 온도에 따른 초기 값의 모양을 정의하는 함수이고 E는 특정센서가 갖는 함수모양의 변위 값이다.

즉 함수의 모양이 동일하기 때문에 어떤 기준온도, To에서의 센서의 초기 값, Eo(To)를 알면 f(To)를 구할 수 있기 때문에 변위 값 ΔE를 계산할 수 있으므로, 결국 센서의 초기 값의 온도에 따른 변화식 (2)를 함수적으로 완벽하게 구현 할 수 있게 된다.

따라서 사용하고자 하는 센서의 특성을 대표하는 실험식 함수, f(T)의 모양을 실험적으로 구하여 측정장치에 미리 입력시켜 놓고 해당센서가 갖는 개별 변위 값 ΔE를 사용 전에 수동으로 측정 장치에 입력하면 자동적으로 식 (3)이 정의 되고, 이를 식 (2)에 대입하면 측정된 기전력(E)로부터 화학원소의 농도(압력)가 쉽게 산출되어진다.

이를 도식적으로 표현하면 도 4 와 같이 온도센서와 화학센서를 이용하여 온도(T)와 기전력(E)을 측정하여 측정장치에 제공하면 측정 장치 내에서 사용자가 초기에 입력해 놓은 ΔE 값으로부터 Eo(T)값을 계산하고 이 값들을 식 (2)에 대입하여 최종 측정값을 산출해 주게 된다.

이러한 본 발명의 알고리즘을 이용한 측정 기기의 적용은 특히 소모성(준 일회용) 센서를 사용해야 하는 전기화학식 기전력형 센서를 이용한 화학양의 측정분야에 유리한 것으로, 그 이유는 기존에는 소모성 센서의 제작 시에도 앞에서 언급한 센서마다의 절대 기전력 초기값의 편차로 인하여 실용화가 어려웠으나 본 발명에서 제안하는 방법에 의하면 쉽게 기존의 문제를 해결할 수 있기 때문이다.

또한 센서 수명이 다하여 교환하여야 하는 경우도 측정 장치를 제작회사에 보내서 센서를 보정하는 작업을 필요로 하지 않고, 사용자가 직접 새 센서를 측정 장치에 교환, 설치한 후 그에 필요한 ΔE 값을 수동으로 입력하여 간단히 사용할 수 있는 것으로, 사용이 간편한 이점과 함께 온도 변화에 따른 오차를 줄여 정확한 측정값을 얻을 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 전기화학식 기전력 센서에서 전해질 막의 양편에 설치된 감지전극과 기준전극사이의 화학원소의 압력(농도 혹은 활동도) 차이가 없을 경우 전극의 양단에서 측정된 기전력이 이론값인 "0" V가 나타나지 않고, 전극의 불균일성에 기인한 비정상적인 초기 기전력 전압 값을 보이는 전기 화학식 기전력 센서를 사용함에 있어서,

   상기된 초기 기전력 전압 값의 차이에 기인한 측정오차를 없애기 위하여 하나 이상의 온도에서 측정된 센서의 초기 기전력 값을 측정 시스템에 입력하고 시스템 내부에서는 이를 이용하여 예측된 초기 기전력 값의 온도에 따른 변화로부터 센서의 실제 측정온도에서 실험으로 측정된 기전력 값을 보정하여 초기 기전력 값이 이론값인 "0" V에 해당되는 센서로 측정시 나타나는 화학성분의 압력(농도)을 계산해 주도록 하는 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘.
2. 제1항에 있어서, 각 개별 센서의 온도특성으로 대별되는 초기값을 정의하기 위해, 특정온도에서 특정한 양의 화학원소의 존재 하에 측정된 센서의 기전력을 바탕으로 만들어진 한개 이상의 대표 기준값을 센서를 측정장치에 설치 시 측정시스템에 사용자가 수동으로 입력하는 것을 특징으로 하는 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘.
3. 제1항에 있어서, 센서들의 초기 기전력 값(Eo)의 온도에 따른 일반적인 변화모양이 함수형태(f(T))로 시스템의 프로그램에 미리 입력되어 있고, 특정센서에 대해서 한개 이상의 주어진 온도에서 측정된 특정 초기 기전력 값을 프로그램에 대입하여 초기 기전력의 특정함수 즉 프로그램 된 함수의 절대값의 변위 값(ΔE)을 구함으로써 온도 변화에 따른 초기 기전력 값의 변화를 계산해 주는 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘.
4. 전기화학식 기전력 센서에서 전해질 막의 양편에 설치된 감지전극과 기준전극사이의 화학원소의 압력(농도 혹은 활동도) 차이가 없을 경우 전극의 양단에서 측정된 기전력이 이론값인 "0" V가 나타나지 않고, 전극의 불균일성에 기인한 비정상적인 초기 기전력 전압 값을 보이는 전기 화학식 기전력 센서를 사용하는 측정창치에 있어서,

   상기 전기 화학식 기전력 센서에서 기전력 값과 온도를 동시에 측정하여 측정된 온도를 하기된 Nernst 식에 대입하도록 구성된 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘을 이용한 측정 장치.

   Nernst 식 :

   여기서 E는 측정된 기전력, R은 기체상수, T는 절대온도(K), F는 패러데이 상수, n은 감지원소에 따라 정해지는 자연수 상수, Eo는 센서의 불균일성에서 오는 초기 값 상수, Pgas는 측정하고자 하는 화학원소의 농도이다.
5. 제4항에 있어서, 측정온도가 미리 정해진 특정 온도이상으로 도달할 경우에만 측정값을 계산하게 구성된 전기화학식 기전력 센서의 신호보정 알고리즘을 이용한 측정 장치.