KR20140030621A - 우레아 농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

선택적 촉매 저감(Selective Catalytic Reduction: SCR) 시스템에서 정전용량 방식으로 우레아 농도를 측정함으로써, 우레아 농도 측정 센서의 구조를 단순화할 수 있도록 한 우레아 농도 측정장치가 개시된다.
개시된 우레아 농도 측정장치는, 우레아가 저장된 우레아 탱크와; 상기 우레아 탱크의 임의 위치에 설치되고, 우레아 농도의 변화에 따라 변화되는 정전용량을 측정하여 우레아의 농도 측정값으로 출력하는 우레아 농도 센서를 포함하고, 상기 우레아 농도 센서는, 우레아 농도의 변화에 따라 변화하는 정전용량을 측정하기 위한 복수의 극판을 포함하고, 농도에 따라 전위차가 변화되는 것을 이용하여 정전용량을 측정하게 된다.

Description

우레아 농도 측정장치{Apparatus for measuring of urea density}

본 발명은 우레아(urea) 농도 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선택적촉매저감(Selective Catalytic Reduction: SCR) 시스템에서 정전용량 방식으로 우레아 농도를 측정함으로써, 우레아 농도 측정 센서의 구조를 단순화할 수 있도록 한 우레아 농도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에는 NOx가 포함되어 있으며, 이는 심각한 대기오염을 유발하는 원인이 되어 왔다. 따라서 이러한 NOx를 제거하기 위한 방법이 다양하게 제안되고 있으며, 그 중 하나가 촉매적 환원방법이다.

촉매적 환원방법의 대표적인 것이 SCR 시스템이며, 이러한 SCR 시스템은 요소수(UREA, CO(NH2)2)를 환원제로 사용하여 SCR 촉매에 공급하도록 하는 것으로서, NOx가 효과적으로 감소하는 것으로 알려져 있다.

SCR 시스템은 통상적으로 디젤엔진, SCR 촉매, 환원제 분사장치, 환원제 압송펌프, 환원제 보관탱크, 보관탱크 내부의 환원제 수위를 감지하는 수위 센서 및 각종 센서가 구비된 제어장치, 엔진제어장치와 같은 장치들로 구성되어 있다.

이러한 SCR 시스템은 배출가스 상류에 우레아를 분무하여 NOx성분과 우레아가 선택적으로 반응하여, NOx를 N2와 H2O로 환원시키도록 되어 있으며, Ammonia slip이 발생하지 않도록 적절한 양의 우레아를 분무하는 것이 필요하다.

또한, 환원제인 요소수(우레아)가 사용되지 않고, 물과 같은 이물질이나 불순물 등이 섞인 불량 요소수를 환원제로 사용하는 경우 SCR 시스템이 NOx를 정화시킬 수 없게 되어, 결과적으로 대기오염에 심각한 영향을 주게 된다.

결론적으로, 우레아의 농도가 최적인 상태를 유지하여야만 SCR 시스템의 효율이 최상이 되며, 이를 위해서는 우레아의 농도를 측정하는 것이 매우 중요하다 할 것이다.

우레아의 농도를 측정하는 종래의 방법은 열전도 차를 이용하여 우레아 농도를 측정하는 방식과 초음파를 이용하여 우레아 농도를 측정하는 방식이 있다.

열전도 차를 이용하여 우레아 농도를 측정하는 종래 우레아 농도 측정장치(이하, "종래기술 1"이라 약칭함)가 도 1에 개시된다.

개시된 종래기술 1은 우레아 탱크(10)에 우레아 레벨 측정 센서와 온도를 측정하는 온도 센서(11)가 구비되며, EURO6 에미션(emission)부터 우레아 농도를 측정하기 위한 우레아 농도센서(12)가 구비된다. 도 1에서 참조부호 13은 히터 필름을 나타낸다.

이와 같이 구성된 종래기술 1은 우레아 농도센서(12)에서 열전도 차를 이용하여 우레아 농도를 측정하게 된다. 열전도 차를 이용한 우레아 농도 측정 방식에는 기존의 열전효과를 이용한 유체의 열전도도를 측정하는 원리를 이용한 방식으로 센서칩의 제작에 아주 높은 정밀도를 요구한다. 왜냐하면, 열원이 되는 히터 필름(13)의 특성이 일정해야 하며 온도 차를 측정하기 위한 온도센서(11) 또한 높은 정밀성이 필요하기 때문이다. 특히, 온도 변화에 안정적인 특성을 보여야만 정확한 열전도의 차를 측정해 낼 수 있다.

초음파를 이용하여 우레아 농도를 측정하는 종래 우레아 농도 측정장치(이하, "종래기술 2"라 약칭함)가 도 2에 개시된다.

개시된 종래기술 2는 우레아 탱크(20)에 우레아 농도를 초음파로 측정하기 위한 우레아 농도센서(21)가 구비된다. 그리고 우레아 농도센서(21)의 내부에는 고정된 거리만큼 이격되어 초음파를 발신하고 반사된 초음파를 수신하는 초음파 발신수단과, 초음파를 반사시키는 초음파 반사수단을 구비한다.

이와 같이 구성된 종래기술 2는 우레아 농도센서(21)의 초음파 발신수단에서 초음파를 발신하고, 초음파 반사수단을 통해 반사된 초음파를 수신하여, 음속을 계산하는 방식으로 우레아 농도를 측정하게 된다. 여기서 음속(Speed Of Sound: SOS)은 거리/시간으로 계산할 수 있다.

즉, 초음파를 이용한 측정 방식의 원리는 이미 1880년대 고안되어 1920년대 선박 등에 응용되었던 방식으로, 우레아 농도를 측정하는 원리는 측정구간의 음속을 계산하여 우레아 농도 변화를 측정하게 된다.

그러나 상기와 같은 종래기술 1은 단순히 높은 서모 파워를 얻기 위해 저렴한 단가의 회로를 구성했을 경우 오히려 측정대상의 우레아 온도 변화의 영향을 민감하게 받을 수 있기 때문에 신뢰도를 높이기 위해서 고가의 회로와 재질을 선택해서 제작해야하는 단점이 있었다.

또한, 상기와 같은 종래기술 2는 초음파 방식의 센서 구조가 복잡하다는 단점이 있으며, 반사파를 수신하는 데 우레아 내 기포에 의해 반사되는 음속 값이 부정확해지는 문제점을 유발하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술들에서 발생하는 제반 문제점들을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선택적 촉매저감(Selective Catalytic Reduction: SCR) 시스템에서 정전용량 방식으로 우레아 농도를 측정함으로써, 우레아 농도 측정 센서의 구조를 단순화할 수 있도록 한 우레아 농도 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 우레아 농도 측정장치의 구조와 측정 회로를 단순화하여 저가이면서 우레아 농도 측정 효과를 증대시킬 수 있도록 한 우레아 농도 측정장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 우레아 농도 측정장치는,

우레아가 저장된 우레아 탱크와;

상기 우레아 탱크의 임의 위치에 설치되고, 우레아 농도의 변화에 따라 변화되는 정전용량을 측정하여 우레아의 농도 측정값으로 출력하는 우레아 농도 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 우레아 농도 센서는,

우레아 농도의 변화에 따라 변화하는 정전용량을 측정하기 위한 복수의 극판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 우레아 농도 센서는,

농도에 따라 전위차가 변화되는 것을 이용하여 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 우레아 농도 센서는 온도변화에 따라 우레아 이온의 전기전도도가 달라지는 특성을 보정하기 위해, 측정된 정전용량 값을 온도에 따라 보정하는 측정값 보정회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 선택적 촉매저감(Selective Catalytic Reduction: SCR) 시스템에서 정전용량 방식으로 우레아 농도를 측정함으로써, 우레아 농도 측정 센서의 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 우레아 농도 측정장치의 구조와 측정 회로를 단순화할 수 있어, 저가이면서 우레아 농도 측정 효과를 증대시킬 수 있는 우레아 농도 측정센서를 제공해주는 장점이 있다.

도 1은 종래 열전도 차를 이용한 우레아 농도 측정장치의 개략 구성도이고,
도 2는 종래 초음파를 이용한 우레아 농도 측정장치의 개략 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 우레아 농도 측정장치의 개략 구성도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 우레아 농도 측정장치의 개략 구성도로서, 우레아 탱크(110), 우레아 농도 센서(111)로 구성된다.

우레아 탱크(110)는 우레아(urea)가 저장되는 탱크를 의미하고, 우레아 농도 센서(111)는 상기 우레아 탱크(110)의 임의 위치(특히, 하부)에 설치되고, 우레아 농도의 변화에 따라 변화되는 정전용량을 측정하여 우레아의 농도 측정값으로 출력하는 역할을 한다.

이러한 우레아 농도 센서(111)는 우레아 농도의 변화에 따라 변화하는 정전용량을 측정하기 위한 복수의 극판(111a, 111b)을 포함하고, 농도에 따라 전위차가 변화되는 것을 이용하여 정전용량을 측정하게 된다.

바람직하게 상기 우레아 농도 센서(111)는 도면에는 도시하지 않았지만, 온도변화에 따라 우레아 이온의 전기전도도가 달라지는 특성을 보정하기 위해, 측정된 정전용량 값을 온도에 따라 보정하는 측정값 보정회로가 내부에 구비된다.

상기에서 전기전도도(conductivity)는 전기가 잘 통하는 정도를 나타내는 것으로서, 1개의 물질이 전류를 흐르게 하는 능력을 나타내는 단위이다. 전기전도도의 측정은 두 개의 특수 전극 판을 사용하여 전류를 흘려보내 측정하며, 전기전도도는 물속에 함유된 용존 고형물질(TDS, Total Dissolved Solids)의 양과 밀접한 관계를 갖는다. 물속에 전하를 띤 이온이 많을수록 물의 전기전도도는 커진다. 즉, 용액내에서 이온농도가 증가할수록 용액의 전기전도도는 증가하기 때문에 전기전도도는 물속에 존재하는 이온농도의 지시 인자이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 정전용량 방식의 우레아 농도 측정장치는, 도 3에 도시한 바와 같이, 우레아 농도 센서(111)를 우레아 탱크(110)의 하부(바닥면)에 설치한다.

이후 우레아 농도 센서(111)를 이용하여 우레아 탱크(110)에 저장된 우레아의 농도를 정전용량(electrostatic capacity) 측정방식으로 측정한다. 여기서 우레아 이온의 이동 즉, 전기전도도의 값이 우레와 농도와 관계가 있음을 주지한 전기전도도의 설명에 의해 알 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 우레아 농도와 전기전도도의 관계를 이용하여 두 극판(111a, 111b) 사이의 정전용량을 측정하게 된다.

예컨대, 우레아의 농도변화에 따라 전위차가 변화되기 때문에 정전용량을 측정할 수 있으며, 이러한 정전용량 측정값을 기반으로 우레아 농도를 평가하게 된다. 주지한 정전용량이란, 저항, 인덕턴스와 함께 회로가 지닌 세 주요 속성 중 하나로서, 커패시터 또는 회로의 어떤 부분이 그 맡은 전압에 따라 거기에 전하를 쌓아두는 능력을 파라미터 C로써 양적으로 표현한 것을 말한다(단위 F). 정전기를 축적하는 능력을 나타내는 것으로, 두 전극(111a, 111b)에 각각 정부(正負)의 전하 Q를 주어졌을 때, 이 전극(극판) 사이의 전위차가 V인 경우 정전용량 C는 아래의 수학식 1과 같다.

또한, 본 발명의 우레아 농도 센서(111)는 정전용량을 측정하기 위한 두 극판(111a, 111b)과, 측정된 정전용량을 전압으로 출력하기 위한 회로 등을 포함한 기구물을 포함하기 때문에, 기존 열전도 차를 이용한 우레아 농도 센서나 초음파를 이용한 우레아 농도 센서에 비해 센서 구조를 단순화할 수 있다.

여기서 물에는 수소 이온과 수산이온이 존재하며, 이들 이온은 온도변화에 따라 전기전도도가 달라지는 특성이 있기 때문에, 우레아 농도 센서에 적용할 경우에는 온도에 대한 보정이 필요하다. 예컨대, 온도가 높은 물은 수중 염류의 활동이 활발해져 이온의 확산속도가 빨라지기 때문에 동일한 TDS(유기물, 무기물, ion, silt 등 수중에 용해되어 있는 총 고형물의 농도)라 하더라도 전기전도율이 높게 측정되고, 온도가 낮은 물은 반대로 전기전도율이 낮게 측정되므로, 온도에 대한 보정이 필요하다.

따라서 본 발명에서는 우레아 농도 센서(111) 내부에 측정값 보정회로를 구비하고, 온도센서를 통해 우레아 온도를 측정하고, 그 측정한 온도에 따라 측정된 정전용량 값을 보정하게 된다. 여기서 온도에 따라 측정된 정전용량 값을 보정하는 방식은, 미리 온도에 따라 정전용량 값을 보정하기 위한 보정 값을 가중치로 테이블로 설정해 놓고, 온도가 측정되면 그 측정된 온도에 대응하는 가중치를 테이블로부터 추출한다. 이후 측정된 정전용량 값에 상기 가중치를 적용하여 측정된 정전용량 값을 보정 하게 된다.

이렇게 보정된 정전용량 값은 우레아 농도 값으로 출력되고, 이후 우레아 농도 평가장치(또는, 분석장치)에서 측정된 정전용량 값을 우레아 농도를 판별하기 위한 기설정된 기준치와 비교하여, 우레아 농도를 평가하게 된다.

여기서 우레아 농도를 평가하는 방법은 통상의 정전용량을 측정하고, 이러한 정전용량 값을 이용하여 우레아 농도를 판별하는 방법을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

110… 우레아 탱크
111… 우레아 농도 센서
111a, 111b… 극판

Claims (4)

1. 우레아가 저장된 우레아 탱크와;
   상기 우레아 탱크의 임의 위치에 설치되고, 우레아 농도의 변화에 따라 변화되는 정전용량을 측정하여 우레아의 농도 측정값으로 출력하는 우레아 농도 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 농도 측정장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 우레아 농도 센서는,
   우레아 농도의 변화에 따라 변화하는 정전용량을 측정하기 위한 복수의 극판을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 농도 측정장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 우레아 농도 센서는,
   농도에 따라 전위차가 변화되는 것을 이용하여 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 우레아 농도 측정장치.
   
4. 청구항 2에 있어서, 상기 우레아 농도 센서는 온도변화에 따라 우레아 이온의 전기전도도가 달라지는 특성을 보정하기 위해, 측정된 정전용량 값을 온도에 따라 보정하는 측정값 보정회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 농도 측정장치.
   

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