KR20170007604A - 먼지 구별 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

먼지 구별 장치 및 방법이 개시된다. 상기 먼지 구별 장치는, 광학방식에 의해 공기 중의 먼지를 감지하고, 감지 결과에 따라 제1 및 제 2 펄스신호를 출력하는 먼지센서; 상기 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 기 설정된 시간 단위로 측정하고, 상기 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 카운터; 및 상기 카운터에 의해 카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하고, 변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하며, 기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 연산부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

먼지 구별 장치 및 방법 {DUST CLASSIFICATION APPARATUS AND METHOD}
본 출원은 먼지 구별 장치 및 방법에 관한 것이다.
공기청정기 등에서 먼지 농도를 측정하기 위해 사용되는 먼지센서는 주로 광학방식을 사용하고 있다. 광학방식을 사용하는 먼지센서의 일 예는 발광소자와 수광소자를 포함하며, 광 경로 상의 먼지가 발광소자와 수광소자 사이의 빛을 산란 혹은 반사시켜 수광소자에 빛이 감지되면 출력을 Low로 바꾸는 방식을 사용한다.
한편, 미세먼지는 지름이 10㎛ 이하인 입자상 물질을 의미하는 것으로, 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5) 등으로 분류될 수 있다. 여기서, 미세먼지(PM10) 및 초미세먼지(PM2.5)는 각각 입자의 지름이 대략 10㎛ 및 2.5㎛ 이하인 입자상 물질의 질량 농도를 측정한 오염도를 의미한다.
기존의 미세먼지 감지장치는 단순히 특정 크기 이하의 미세먼지를 감지하는 기능을 제공할 뿐, 입자의 지름에 따른 미세먼지의 구별 기능을 제공하지 않는다.
이와 관련하여, 하기 선행기술문헌에 기재된 특허문헌 1은, 미세먼지 감지장치 및 이를 이용한 미세먼지 검출방법을 개시하고 있다.
한국공개특허 제2011-0013951호 (공개일: 2011.02.10.)
따라서, 당해 기술분야에서는 먼지 입자의 지름에 따라 먼지를 구별하기 위한 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 먼지 구별 장치를 제공한다. 상기 먼지 구별 장치는, 광학방식에 의해 공기 중의 먼지를 감지하고, 감지 결과에 따라 제1 및 제 2 펄스신호를 출력하는 먼지센서; 상기 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 기 설정된 시간 단위로 측정하고, 상기 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 카운터; 및 상기 카운터에 의해 카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하고, 변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하며, 기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 먼지 구별 방법을 제공한다. 상기 먼지 구별 방법은, 먼지센서에 의해 출력된 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 카운트하는 단계; 상기 카운트된 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 단계; 카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하는 단계; 변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하는 단계; 및 기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 먼지 입자의 지름에 따라 먼지의 구별이 가능해진다. 또한, 구별 결과를 기초로 사용자에게 보다 세분화된 오염도 정보를 제공하거나, 먼지의 특성에 맞게 공기청정기의 동작을 제어할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 구별 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 먼지센서의 출력 펄스폭의 측정 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 먼지 구별 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 구별 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 먼지 구별 장치(100)는 먼지센서(110), 카운터(120), 버퍼(130), 연산부(140) 및 출력부(150)를 포함할 수 있다.
먼지센서(110)는 광학방식을 사용하여 공기 중의 먼지를 감지할 수 있다. 예를 들어, 먼지센서(110)는 발광소자와 수광소자를 포함하며, 광 경로 상의 먼지가 발광소자와 수광소자 사이의 빛을 산란 혹은 반사시켜 수광소자에 빛이 감지되면 LOW 펄스를 출력하고, 먼지가 없으면 HIGH 펄스를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 먼지센서(110)는 일본의 신예이(Shinyei) 사에서 개발 및 상용화된 먼지센서(모델명: PPD42-60)를 사용할 수 있다.
이 경우, 먼지센서(110)는 2개의 출력 포트를 통해 2개의 신호(즉, P1 및 P2)를 출력할 수 있다. 여기서, P1(1㎛)은 저 농도에서는 측정이 불가능하고, P2(0.7㎛)는 저 농도에서 측정 가능하며 고 농도에서는 편차가 증가하는 특성을 가진다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 먼지의 농도에 따라 저 농도(예를 들어, 50㎍/㎥ 미만)에서는 P2를 이용하고, 고 농도(예를 들어, 50㎍/㎥ 이상)에서는 P1을 이용하여 먼지 구별을 수행할 수 있다.
또한, 먼지센서(110)는 정확한 동작을 위해 예열시간이 필요한 경우가 있다. 따라서, 먼지센서(110)에 전원이 인가된 후 초기 일정 시간(예를 들어, 10초) 동안의 출력신호는 무시할 수 있다. 또한, 먼지센서(110)의 전원 불안정으로 인해 먼지가 없는 경우에도 먼지가 있는 것으로 인식될 수 있으므로, 전원 불안정시의 출력신호는 무시할 수 있다.
한편, 도 1에서는 먼지 구별 장치(100)가 먼지센서(110)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 먼지 구별 장치(100)가 내부에 먼지센서(110)를 구비하지 않고, 상술한 바와 같은 먼지센서(110)의 출력 신호를 입력받아 후술하는 바와 같은 구성에 의해 먼지 구별을 수행할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 먼지센서의 출력 펄스폭의 측정 방식을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 먼지 입자의 크기가 대략 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭을 도출하여, LOW 펄스폭이 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭 미만인 경우 PM2.5(32, 32')로 구별하고, LOW 펄스폭이 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭 이상인 경우 PM10(31, 31', 31'')으로 구별할 수 있다.
이를 위해, 우선 먼지 입자의 크기가 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭을 도출할 수 있다. 이는, 반복적인 실험을 통해 먼지 입자의 크기가 각각 1㎛ 및 1.6㎛인 먼지 입자를 비산시켜 먼지센서의 출력 신호의 LOW 펄스폭을 측정하고, 측정 결과에 대한 통계적 계산을 거쳐 도출될 수 있다.
상술한 바와 같이 신예이(Shinyei) 사의 먼지센서를 사용할 경우, 먼지 입자의 크기가 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭은 대략 80ms 내지 150ms에 해당한다. 그러나, 먼지 입자의 크기가 2.5㎛에 해당하는 LOW 펄스폭은 반드시 이로 한정되는 것은 아니며, 실험 조건에 따라 달라질 수 있다.
다시 말해, 먼지센서의 출력 신호 중, P1은 대략 1.0 ㎛ 이상의 먼지를 감지하는 신호이고, P2는 대략 0.7 ㎛ 이상의 먼지를 감지하는 신호이므로, 우선 먼지의 농도와 기 정해진 농도(예를 들어, 50㎍/㎥)를 비교하여, 기 정해진 농도 이상인 경우 P1를 선택하고, 그렇지 않은 경우 P2를 선택할 수 있다.
이후, 선택된 신호의 LOW 펄스폭을 기 설정된 펄스폭(예를 들어, 120ms)과 비교하여, 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 구별하고, 그렇지 않은 경우 PM10으로 구별할 수 있다.
이와 같은 먼지 구별 과정은 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
1단계 (P1/P2 선정) 2단계 (PM2.5/PM10 구별)
50㎍/㎥ 미만 P2 선택 120ms 미만이면 PM2.5
120ms 이상이면 PM10
50㎍/㎥ 이상 P1 선택 120ms 미만이면 PM2.5
120ms 이상이면 PM10
카운터(120)는 먼지센서(110)의 2개의 출력 포트를 통한 각각의 출력 신호(즉, P1 및 P2)의 LOW 펄스폭을 기 설정된 시간 단위(예를 들어, 1sec)로 측정하고, LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭(예를 들어, 120ms) 미만이면 PM2.5로 카운트하고, LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭(예를 들어, 120ms) 이상이면 PM10으로 카운트할 수 있다.
버퍼(130)는 먼지센서(110)의 출력 신호를 기초로 먼지 구별을 수행하는 과정에서 카운터(120)에 의해 카운트된 값을 임시 저장할 수 있다.
연산부(140)는 카운터(120)에 의해 카운트된 값에 대해 단위 변환(즉, ㎍/㎥으로 변환)을 위한 연산을 수행할 수 있다.
이 경우, 연산부(140)에 의해 단위 변환된 값(즉, 농도값)이 50㎍/㎥ 미만이면 P2 값을 선택하고, 변환된 값이 50 ㎍/㎥ 이상이면 P1 값을 선택할 수 있다.
또한, 연산부(140)는 기 설정된 시간 단위(예를 들어, 1sec) 동안의 먼지센서(110)의 출력신호에 대한 확인이 완료되면, 기 정해진 시간(예를 들어, 30 sec)동안 버퍼(130)에 입력된 먼지 농도(㎍/㎥)값을 적산하여, PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도(㎍/㎥)를 계산할 수 있다. 이 경우, 버퍼(130)에서 가장 오래된 값은 버리고, 최근의 값을 추가하여 최근 30 sec 동안의 버퍼 값을 적산할 수 있다.
상술한 연산부(140)는 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등의 프로세서로 구현될 수 있다.
출력부(150)는 연산부(140)에 의해 계산된 총 먼지 농도 값을 기초로 결과를 출력할 수 있다.
예를 들어, 출력부(150)는 디스플레이 등으로 구현되어 총 먼지 농도(㎍/㎥)와 오염도 레벨 상관 관계를 기초로 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 오염도 레벨을 결정하여 출력할 수 있다.
또한, 출력부(150)는 총 먼지 농도(㎍/㎥) 또는 오염도 레벨을 공기청정기(미도시)의 제어부로 출력하여 공기청정기의 제어를 위해 사용되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 먼지 구별 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 우선 먼지센서에 전원이 인가된 후, 먼지센서의 각 출력 신호를 확인하여 LOW 펄스폭을 카운트하고, 카운트된 LOW 펄스폭을 기 설정된 펄스폭과 비교하여 PM2.5 또는 PM10으로 카운트할 수 있다(S410, S420). 이 경우, 1회의 먼지센서의 출력신호에 대한 확인은 기 설정된 시간(예를 들어, 1 sec) 동안 수행될 수 있으며, 이 시간 동안 1ms 주기마다 샘플링 및 체크하여 LOW 펄스폭을 카운트할 수 있다.
구체적으로, P2에 대해 1회의 확인(즉, 1 sec)이 완료되면, 1회 동안에 카운트된 LOW 펄스폭(P2_count)을 임시 버퍼(P2_PM10_count)에 저장할 수 있다(S411, S412).
이 경우, LOW 펄스폭(P2_count)이 기 설정된 펄스폭(예를 들어, 120ms) 미만인 경우 임시 버퍼(P2_PM2.5_count)에 저장할 수 있다(S413, S414).
이후, P2_count 값은 0으로 초기화한다(S415).
또한, P1에 대해서도 동일한 과정을 반복 수행할 수 있다(S421~S425).
이후, 카운트된 값을 기초로 단위 변환을 수행하고, 단위 변환된 값(PM10_㎍)이 50㎍/㎥ 미만이면(S431) P2를 선택하여 적산 버퍼(PM2.5_BUFF 및 PM10_BUFF)에 저장하고(S432), 50 ㎍/㎥ 이상이면 P1을 선택하여 적산 버퍼(PM2.5_BUFF 및 PM10_BUFF)에 저장한다(S433).
이후, 1회의 먼지센서의 출력신호에 대한 확인이 완료되면, 기 정해진 시간(예들 들어, 30 sec)동안의 적산 버퍼에 입력된 먼지 농도(㎍/㎥)값을 적산하여, PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도(㎍/㎥)를 계산할 수 있다(S434). 이 경우, 적산 버퍼에서 가장 오래된 값은 버리고, 최근의 값을 추가하여 최근 30 sec 동안의 버퍼 값을 적산할 수 있다.
이후, 계산된 총 먼지 농도 값을 기초로 결과를 출력할 수 있다(S435). 예를 들어, 계산된 총 먼지 농도(㎍/㎥)와 오염도 레벨 상관 관계를 기초로 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 오염도 레벨을 결정하여 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 먼지 입자의 지름에 따라 먼지를 구별할 수 있고, 구별 결과를 기초로 초미세먼지(PM2.5)와 미세먼지(PM10)의 오염도를 각각 디스플레이하거나, 먼지의 특성에 맞게 공기청정기의 동작을 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, PM2.5에 비해 PM의 오염도가 높을 경우, 먼지 입자가 비산하지 않고 바닥쪽에 많을 것으로 예상되므로, 공기청정기가 바닥 방향으로 먼지를 흡입하도록 제어할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
100: 먼지 구별 장치
110: 먼지 센서
120: 카운터
130: 버퍼
140: 연산부
150: 출력부

Claims (6)

  1. 광학방식에 의해 공기 중의 먼지를 감지하고, 감지 결과에 따라 제1 및 제 2 펄스신호를 출력하는 먼지센서;
    상기 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 기 설정된 시간 단위로 측정하고, 상기 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 카운터; 및
    상기 카운터에 의해 카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하고, 변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하며, 기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 연산부를 포함하는 먼지 구별 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카운터에 의해 카운트된 값과, 상기 연산부에 의해 선택된 먼지 농도값 및 총 먼지 농도를 저장하는 버퍼를 더 포함하는 먼지 구별 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부에 의해 계산된 상기 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 기초로 상기 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 오염도 레벨을 출력하는 출력부를 더 포함하는 먼지 구별 장치.
  4. 먼지센서에 의해 출력된 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 기 설정된 시간 단위로 측정하고, 상기 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 카운터; 및
    상기 카운터에 의해 카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하고, 변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하며, 기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 연산부를 포함하는 먼지 구별 장치.
  5. 먼지센서에 의해 출력된 제1 및 제2 펄스신호의 LOW 펄스폭을 카운트하는 단계;
    상기 카운트된 LOW 펄스폭이 기 설정된 펄스폭 미만이면 PM2.5로 카운트하고, 상기 LOW 펄스폭이 상기 기 설정된 펄스폭 이상이면 PM10으로 카운트하는 단계;
    카운트된 값을 기초로 먼지 농도값으로 변환하는 단계;
    변환된 먼지 농도값이 기 설정된 먼지 농도 이상인 경우 상기 제1 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하고, 상기 기 설정된 먼지 농도 미만인 경우 상기 제2 펄스신호의 먼지 농도값을 선택하는 단계; 및
    기 정해진 시간 동안 선택된 먼지 농도값을 적산하여 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 계산하는 단계를 포함하는 먼지 구별 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 총 먼지 농도를 기초로 상기 PM2.5 및 PM10 각각에 대한 오염도 레벨을 출력하는 단계를 더 포함하는 먼지 구별 방법.
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