KR20090131513A - 고감도 무전극 자외선 램프를 이용한 휘발성 유기화합물센서 - Google Patents
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Abstract
지금까지 개발된 접촉 연소식 센서나 전극 방전램프, 무선 주파수 자극램프 및 축류센서는 VOC나 독성가스 측정시 측정감도가 떨어지거나 반응속도가 느릴 뿐만 아니라 많은 양의 가스를 요구한다. 본 발명은 저주파 무선 주파수 자기장의 자극에 의해 생성된 UV를 이용하여 측정하고자 하는 VOC 또는 독성가스를 광 이온화시킨 후 이온화 입자의 대전에 의한 전기적인 특성 값 변화를 측정함으로써 VOC 또는 독성가스 등을 저농도인 ppb(parts per billion)로부터 10,000 ppm(parts per million)까지도 측정 가능하다.
VOC, 독성가스, 무전극, UV램프, 광 이온화, 아르곤.
Description
본 발명은 산업현장에서 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds)이나 독성가스 등의 농도를 측정하는 고감도 무전극 자외선(UV)램프를 이용한 휘발성 유기화합물(VOC) 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 저주파 무선 주파수 자기장의 자극에 의해 생성된 UV(ultraviolet)를 이용하여 측정하고자 하는 VOC 또는 독성가스를 광 이온화시킨 후 이온화 입자의 대전에 의한 전기적인 특성값 변화를 측정하여 VOC 또는 독성가스 등을 저농도인 ppb(parts per billion)로부터 10,000 ppm(parts per million)까지 측정 가능하도록 하는 고감도 무전극 UV램프를 이용한 VOC 센서에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 측정하고자 하는 VOC 또는 독성가스를 고감도 무전극 UV램프에 층류방식으로 유입시켜 VOC 또는 독성가스의 측정감도를 높일 수 있도록 개발된 센서에 관한 것이다.
산업현장에서는 제품 공정상 탱크나 밀폐공간이 있어 근로자들이 들어가기 전에 VOC나 독성가스의 존재 여부를 확인하고 작업한다. 이러한 밀폐공간에 VOC나 독성가스가 남아 있으면 화재나 폭발사고뿐만 아니라 질식사고도 일어날 수가 있다. 사람이 질식할 수 있는 농도는 ppm단위에서 일어나고 일부 벤젠과 같은 독성이 높은 물질은 노동부 허용기준치가 1ppm으로 되어 있기 때문에 ppb단위까지 측정되는 가스측정기가 요구되고 있다.
상기한 휘발성 유기화합물(VOC)이나 독성가스 등을 감지하기 위한 센서로는 접촉 연소식 센서나 전극 방전램프, 무선 주파수 자극램프, 축류 센서 등을 예로 들 수 있다.
먼저, 접촉 연소식 센서는 인화성 혼합물을 감지하는 측정기로 난융 비드를 형성하기 위해 측정하고자 하는 인화성 물질의 가스와의 접촉이 가능한 용기에 백금 코일을 내장하고, 상기 백금 코일에 전류를 가해 열을 발생시켜 측정하고자 하는 인화성 물질의 가스를 연소시키면서 백금 코일의 전기적 특성값 변화를 측정하는 센서인데, 이와 같은 원리를 이용하는 센서는 대한민국 특허공개 제10-1998-17721호(1998. 06. 05., 공개) 등에서 볼 수 있다.
상기 접촉 연소식 센서는 ppm 단위의 10,000배인 백분윤(%) 단위까지의 측정감도를 가지는데, 이는 휘발성 유기화합물이나 독성가스 등이 ppm 수준에서도 인체에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 백분율(%) 단위로 측정되는 접촉 연소식 센서를 사용할 경우 측정감도가 낮아 근로자의 건강을 보호하지 못하며 질식사나 폭발사고 등을 유발할 우려가 있다. 또한 접촉 연소식 센서는 다른 센서에 비해 반응시간과 회복시간이 상대적으로 길다.
또한 전극 방전램프는 도 1에 도시한 바와 같이 상방이 개방된 램프 하우 징(101) 내에 가스 화합물이 충진되고, 상기 램프 하우징(101)의 상부가 UV 렌즈(102)에 의해 밀봉되며, 상기 램프 하우징(101)의 하단부와 상기 UV 렌즈(102)의 저면에는 각각 양극(103)과 음극(104)이 설치되며, 상기 양극(103)과 음극(103) 사이의 공간에 미세관(105)이 설치된 구조를 갖는다. 상기 전극 방전램프는 전기 안정기(106)로부터 출력되는 높은 에너지를 지닌 전류가 전극(103)(104)을 통하여 램프 하우징(101) 내의 가스 화합물에 전도되거나 전극(103)(104)이 빛을 생성하기 위해 가스 화합물을 직접 자극해 광 이온화반응을 일으킨다.
하지만 전극 방전램프는 램프의 침전물에 의한 램프가 침식되고 램프 출력이 감소되며 무전극 램프에 비해 전력소모가 많으며 무선주파수에 의한 방해현상이 자주 일어난다.
또한 무선주파수 자극램프는 도 2에 도시한 바와 같이 하방이 개방된 램프 하우징(201) 내에 가스 화합물이 충진되고, 상기 램프 하우징(201)의 하부가 UV 렌즈(202)에 의해 밀봉되며, 상기 램프 하우징(201)의 외주면에 안테나 역할을 하는 무선주파수 코일(203)이 감긴 구조를 갖는다. 이에 따라 무선주파수 자극램프는 주파수 발생기(204)의 출력이 무선주파수 코일(203)에 가해지면 무선주파수 코일(203)이 감긴 램프 하우징(201) 내에서 글로우 방전이 일어나 고주파 여기 에너지를 받게 되므로 UV가 발생되어 광 이온화반응을 일으킨다.
하지만 무선주파수 자극램프는 소비전력이 높고 무선주파수에 의한 방해현상이 쉽게 일어나며 완벽하게 조율된 구동회로를 필요로 하기 때문에 고도의 정비수준을 요구한다.
또한, 축류 센서는 도3에 도시한 바와 같이 UV 램프(301)의 상부에 VOC나 독성가스의 흐름을 위한 내부공간을 갖는 원통 형상의 양극(302)이 배치되고, 상기 내부공간의 중앙부에 음극(303)이 배치된 구조를 갖는다.
따라서 축류 센서는 VOC나 독성가스가 양극(302)의 내부공간을 통해 수직방향으로 UV램프(301) 쪽으로 주입되고 광 이온화반응에 의해 생성된 이온화입자들이 수평방향으로 이동되어 많은 양의 VOC나 독성가스가 유입되어야 하므로 높은 전압을 요구하기 때문에 소비전력이 크고 회복시간이 많이 소요된다.
본 발명은 VOC나 독성가스의 농도를 ppb 또는 ppm 단위의 저농도까지 고감도로 측정하고 반응시간을 3초 정도로 줄여 작업자의 건강을 보호할 수 있도록 하는 고감도 무전극 UV 램프를 이용한 VOC 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 낮은 전압의 사용으로 소비전력을 줄이고 무전극 UV 램프의 침식을 방지하며 저주파 무선주파수에 의한 전자 방해현상이 발생하지 않도록 하는 고감도 무전극 UV 램프를 이용한 VOC 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 UV에 의한 VOC나 독성가스의 광 이온화 반응의 반응시간과 회복시간을 줄이고 광 이온화 반응과정에서 UV 렌즈에 오염물질이 축적되지 않도록 하는 한편 물 문자가 UV를 흡수하거나 확산시키지 않도록 하는 고감도 무전극 UV 램프를 이용한 VOC 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고감도 무전극 UV 램프를 이용한 VOC 센서는, 상방이 개방된 램프 하우징 내에 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물이 충진되고 상기 램프 하우징의 상방이 UV 렌즈에 의해 밀봉되며 상기 램프 하우징의 측방에 저주파 무선 주파수가 가해지는 전극이 대칭되게 배치되어, 저주파 무선 주파수 자기장에 의해 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물을 자극하여 UV를 방출시키는 UV 램프; 상기 UV 램프의 UV 렌즈에 접하는 샘플실이 상기 UV 램프의 상부에 배치되고 상기 샘플실의 측방에 VOC 또는 독성가스가 주입되는 주입구와 배출되는 배출구가 서로 반대방향을 향하도록 수평지게 형성되어, UV에 의해 VOC 또는 독성가스를 광 이온화시키는 광 이온화 반응수단; 및 상기 샘플실 내에는 UV에 의해 VOC 또는 독성가스가 광 이온화 반응을 일으키는 과정에서 생성된 이온화 입자의 대전에 의한 전류를 측정하는 양극과 음극을 포함하는 전류 측정수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 샘플실과 상기 주입구 및 상기 배출구가 상기 UV 램프의 상부에 배치되어, VOC 또는 독성가스가 상기 UV 렌즈를 향하지 않고 UV의 방출방향과 직각을 이루면서 주입된 후 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 UV 램프의 전극에 가해지는 저주파 무선 주파수는 20 Hz∼20 KHz의 저주파를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 고감도 VOC 센서는 광 이온화 방식을 이용하기 때문에 VOC나 독성가스를 ppb 또는 ppm 단위의 저농도까지 고감도로 측정할 수 있을뿐더러 15 초 정도의 반응시간을 갖는 접촉 연소식 센서와 달리 반응시간을 3초 정도로 줄일 수 있다. 즉, 종래의 접촉 연소식 센서는 폭발 하한치(LEL) 측정에 적합하고 본 발명의 고감도 VOC 센서는 근로자의 건강을 보호하기 위한 유해가스 측정에 적합하다.
또한 본 발명은 고감도 무전극 UV 램프는 무전극 UV 램프 내의 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물을 간접적으로 자극하기 때문에 전력 소모가 적고 램프 내부를 침식시키는 등의 손상을 일으키지 않는다. 또한 본 발명은 저주파 무선주파수 자기장에 의해 전력을 공급받기 때문에 기존의 전극 방전램프에 비해 무선주파수 방해현상과 전자 방해현상이 발생하지 않는다. 또한 본 발명은 VOC나 독성가스의 광 이온화 및 이온화에 따른 전기적인 특성값 변화의 수득이 무전극 UV 램프에 접하는 상부에서 이루어지기 때문에 샘플실의 크기를 최소화시킬 수 있으며 이로 인해 높은 전압을 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 소비전력이 낮다.
그리고 본 발명은 샘플실의 크기가 작아 반응시간이 빠르고 유입되는 VOC나 독성가스의 흐름이 직접 무전극 UV 램프 정면을 향하고 있지 않기 때문에 무전극 UV 램프의 상단부를 봉인할 수 있어 무전극 UV 램프의 반응시간과 회복시간을 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라 가스 흐름이 램프 정면을 향하는 경우에 비해 오염물질이 UV 렌즈에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 또한 본 발명은 무전극 UV 램프와 광 이온화 반응이 일어나는 공간 사이에 존재하는 물 분자는 자외선을 흡수하거나 확산시키는데 측정 대상이 되는 VOC나 독성가스의 광 이온화 반응이 일어나는 샘플실이 무전극 UV 램프에 접하는 상부에 있어 UV 광원과 가스 사이의 간격이 매우 가깝기 때문에 물 분자의 자외선 흡수 및 확산을 방지할 수 있다.
도4는 UV에 의한 VOC 또는 독성가스의 광 이온화반응을 설명하기 위한 것으로서 본 발명에 의한 고감도 VOC 센서는 VOC나 독성가스 등의 광 이온화 반응을 기본으로 한다.
도면에서와 같이 VOC나 독성가스 등을 주입하여 UV에 통과시키면, VOC나 독성가스가 UV의 에너지를 흡수하면서 이온화 반응이 일어난다. 이온화를 통해 음(-)으로 대전된 전자가 일시적으로 손실되고 양으로 대전된 전자가 형성된다. 이렇게 대전된 이온화 입자들이 전류를 생성하게 되는데, 이때 생성되는 전류가 VOC나 독성가스의 농도에 상응한다.
여기서 이온화 입자들에 의해 생성되는 전류는 매우 낮기 때문에 별도의 증폭수단에 의해 증폭해야 하는데, 이 전류 값은 VOC나 독성가스의 농도를 “ppm" 또는 ”ppb" 단위까지 표시할 수 있다.
이하, 도5 및 도6에 의해 본 발명의 고감도 VOC 센서의 구조를 설명한다.
본 발명의 VOC 센서는 UV 램프(10)와 광 이온화 반응수단과 전류 측정수단을 구비한 센싱부(11)로 구성된다.
상기 UV 램프(10)는 저주파 무선 주파수 자기장에 의해 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물을 자극하여 UV를 방출시키는 것으로서 상방이 개방된 램프 하우징(12) 내에 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물이 충진되어 있고, 이 램프 하우징(12)의 상방이 UV 렌즈(13)에 의해 밀봉되어 있으며, 이 램프 하우징(12)의 측방에는 저주파 무선 주파수가 가해지는 전극(14)이 대칭되게 배치되어 있는데, 이 전극(14)에는 20 Hz∼20 KHz의 저주파를 공급하는 무선 주파수 발생기(15)가 연결되어 있다.
상기 센싱부(11)는 UV 램프(10)의 UV 렌즈(13)에 접하는 샘플실(16)이 UV 램프(10)의 상부에 배치되어 있고, 이 샘플실(16)의 측방에는 VOC 또는 독성가스가 주입되는 주입구(17)와 배출되는 배출구(18)가 서로 반대방향을 향하도록 수평지게 형성되어 있다. 상기 샘플실(16) 내에는 UV에 의해 VOC 또는 독성가스가 광 이온화 반응을 일으키는 과정에서 생성된 이온화 입자의 대전에 의한 전류를 측정하는 양극(19)과 음극(20)을 포함하는 전류 측정수단이 구비되어 있다.
여기서 양극(19)은 UV 렌즈(13)에 근접되게 샘플실(16)의 바닥에 배치되고, 음극(20)은 양극(19)의 반대쪽에 위치한 샘플실(16)의 천정에 양극(19)과 대향되게 부착되는 것이 바람직하다. 물론, 양극(19)은 UV 램프(10)에서 방출되는 UV의 진행에 방해를 주지 않아야 한다.
특히, 센싱부(11)는 VOC 또는 독성가스가 UV 렌즈(13)를 향하지 않고 UV 램프(10)에서 방출되는 UV의 방출방향과 직각을 이루면서 진행할 수 있도록 하기 위해, 피측정대상인 VOC나 독성가스가 진행하는 샘플실(16)과 주입구(17) 및 배출구(18)의 위치 및 방향을 고려해야 한다.
여기서 주입구(17)나 배출구(18)를 통한 VOC나 독성가스의 흐름은 자연 흐름이 될 수도 있지만, 별도의 순환장치에 의해 강제로 이루어질 수도 있다.
상기한 구조의 고감도 VOC 센서에 VOC나 독성가스의 농도를 측정하는 과정을 보면, 전극(14)에 무선 주파수 발생기(15)의 20 Hz∼20 KHz의 저주파 무선 주파수 가 가해짐에 따라 저주파 무선 주파수 자기장이 형성되어 UV 램프(10) 내의 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물을 간접적으로 자극하게 된다.
자극에 의해 방출되는 UV는 UV 렌즈(13)를 통해 위쪽으로 진행하는데, 주입구(17)를 통해 주입되는 VOC나 독성가스가 샘플실(16)을 경유한 후 배출구(18)를 통해 배출되게 된다. 즉, VOC나 독성가스가 축류가 아닌 층류의 방법으로 UV 램프(10)를 가로질러 샘플실(16)로 주입되고, 여기에 UV 램프(10)에서 방출되는 UV가 90°의 각도로 올라온다.
UV의 에너지를 흡수한 VOC나 독성가스가 광 이온화되고, 이 과정에서 대전된 이온화 입자는 양극(19)과 음극(20)에 전달되어 두 전극(19)(20)에 의해 전류가 검출되게 된다. 이 전류 값에 의해 VOC나 독성가스의 농도가 얻어진다.
상술한 바와 같은 본 발명은 조선소, 석유화학공장, 항공산업, 군사용 등과 같은 수많은 분야의 산업현장에 적용할 수 있다. 즉, 조선소에서는 배를 건조하면서 선실 내부를 페인팅 작업할 때 톨루엔과 같은 VOC가 선실에 잔류하는 경우가 있고, 석유화학공장에서는 화학물질이 있는 탱크를 청소할 때 탱크 내에 독성가스가 잔류하는 경우가 있어, 본 발명의 고감도 VOC 센서를 적용하여 VOC나 독성가스를 ppm단위까지 측정하므로 작업자의 질식을 막을 수 있다.
또한 독성가스가 600 ppm 이하로 검출되어야 출입 가능한 항공기 연료탱크에 본 발명의 고감도 VOC 센서를 적용할 경우 항공기 연료탱크 내에서의 작업자의 안전을 도모할 수 있다. 그리고 본 발명의 고감도 VOC 센서는 사린, 머스타드 같은 테러 독가스를 ppb/ppm단위까지 감지할 수 있는 군사용으로도 적합하다.
앞의 상세한 설명에서 최적의 실시예들이 기재되었다. 여기서 특정하게 사용된 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용되는 것이지 의미 한정이나 특허등록청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도1은 기존에 개발된 전극 방전램프의 구성도이다.
도2는 기존에 개발된 무선주파수 자극램프의 구성도이다.
도3은 기존에 개발된 축류 센서의 구성도이다.
도4는 UV에 의한 VOC 또는 독성가스의 광 이온화반응을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 본 발명에 의한 고감도 무전극 UV램프를 이용한 VOC 센서의 구성도이다.
도6은 도5에 개시된 VOC 센서에서 UV에 의한 VOC 또는 독성가스의 광 이온화반응을 설명하기 위한 도면이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : UV 램프 11 : 센싱부
12 : 램프 하우징 13 : UV 렌즈
14 : 전극 15 : 무선 주파수 발생기
16 : 샘플실 17 : 주입구
18 : 배출구 19 : 양극
20 : 음극
Claims (3)
- 상방이 개방된 램프 하우징 내에 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물이 충진되고 상기 램프 하우징의 상방이 UV 렌즈에 의해 밀봉되며 상기 램프 하우징의 측방에 저주파 무선 주파수가 가해지는 전극이 대칭되게 배치되어, 저주파 무선 주파수 자기장에 의해 아르곤, 수소, 질소가스 혼합물을 자극하여 UV를 방출시키는 UV 램프;상기 UV 램프의 UV 렌즈에 접하는 샘플실이 상기 UV 램프의 상부에 배치되고 상기 샘플실의 측방에 VOC 또는 독성가스가 주입되는 주입구와 배출되는 배출구가 서로 반대방향을 향하도록 수평지게 형성되어, UV에 의해 VOC 또는 독성가스를 광 이온화시키는 광 이온화 반응수단; 및상기 샘플실 내에는 UV에 의해 VOC 또는 독성가스가 광 이온화 반응을 일으키는 과정에서 생성된 이온화 입자의 대전에 의한 전류를 측정하는 양극과 음극을 포함하는 전류 측정수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고감도 무전극 UV램프를 이용한 VOC 센서.
- 제1항에 있어서,상기 샘플실과 상기 주입구 및 상기 배출구가 상기 UV 램프의 상부에 배치되어, VOC 또는 독성가스가 상기 UV 렌즈를 향하지 않고 UV의 방출방향과 직각을 이루면서 주입된 후 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 고감도 무전극 UV램프를 이용한 VOC 센서.
- 제1항에 있어서,상기 UV 램프의 전극에 가해지는 저주파 무선 주파수는 20 Hz∼20 KHz의 저주파인 것을 특징으로 하는 고감도 무전극 UV램프를 이용한 VOC 센서.
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