KR20220106374A - Pentane gas sensor device, signal processing circuit, sensor platform and monitoring system using it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 펜탄가스 센서 디바이스, 신호처리회로, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펜탄가스는 자동차 전장제품 개발에 많이 사용되는 폴리우레탄(PU) 제조에 필수적으로 활용되고, 폴리우레탄을 사용하는 산업용 제품 개발과 제품 수송에서 발생되는 폭발성이 높은 펜탄가스(C2H12)를 측정 및 모니터링 할 수 있도록 한 펜탄가스 센서 디바이스, 신호처리회로, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a pentane gas sensor device, a signal processing circuit, a sensor platform, and a monitoring system using the same. Pentane gas sensor device, signal processing circuit, sensor platform, and monitoring system using the same for measuring and monitoring highly explosive pentane gas (C 2 H 12 ) generated in industrial product development and product transportation using polyurethane. it's about
환경센서는 대기나 수질 등의 환경 변화를 감지하는 센서를 지칭하며, 환경분야에 많은 활용이 되는 가스센서는 대기오염, 자동차 배기, 토양 진단, 수질관리 등과 같은 분야에 적용되고 있다. The environmental sensor refers to a sensor that detects changes in the environment, such as air or water quality, and the gas sensor, which is widely used in the environmental field, is applied to fields such as air pollution, automobile exhaust, soil diagnosis, and water quality management.
환경센서 중 대기오염이나 자동차 배기 등의 공기질 관리를 위한 가스센서는 다양한 기술적 형태로 고안되고 활용되고 있으며, 센서가 활용되는 목표에 따라서 여러 가지 기술을 이용하여 개발되고 사용된다. 가스센서는 주로 전기화학식, 반도체식, 고체전해질 방식, 접촉연소식, 광학방식등의 기술이 적용되고 있으며, 각 기술마다 기술적 장단점, 차이점, 제조방법, 가격등의 차이를 보이고 있다. 가스센서에 적용되는 기술은 전기화학식이 주류를 이루고, IoT환경의 발전으로 말미암아 반도체 방식이 나노기술 발전으로 인한 양산성 해결과 선택성 향상 기술등 개선을 거듭하며 빠르게 적용되고 있는 실정이다. Among environmental sensors, gas sensors for air quality management such as air pollution or automobile exhaust are devised and utilized in various technological forms, and are developed and used using various technologies depending on the target for which the sensor is used. For gas sensors, technologies such as electrochemical, semiconductor, solid electrolyte, catalytic combustion, and optical methods are mainly applied. The technology applied to the gas sensor is predominantly electrochemical, and due to the development of the IoT environment, the semiconductor method is rapidly being applied while repeating improvements such as solving the mass productivity and improving the selectivity due to the development of nanotechnology.
가장 많은 시장을 가지고 있고, 넓은 응용이 가능한 전기화학식 가스센서과 반도체식은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정, 나노와 마이크로히터일체형 센서 구조와 나노 감지소재를 이용한 고감도는 빠른 반응시간, 안정성 및 수명 등 많은 장점이 있고, 펜탄가스를 목표로 한 가스감지에 다른 기술적 방식에 비하여 높은 장점이 있다.The electrochemical gas sensor that has the most market and can be applied to a wide range of applications is the MEMS (Micro Electro Mechanical System) process, and the high sensitivity using the nano and micro heater integrated sensor structure and nano sensing material has many advantages such as fast response time, stability and lifespan. There is an advantage, and there is a high advantage compared to other technical methods for gas detection targeting pentane gas.
그리고 반도체식 가스센서의 경우, 복합가스 환경인 PU제조 현장이나 수송현장에서 목표가스의 낮은 선택성으로 말미암아 펜탄가스 감지에 다소 부적절한 반면, 센서의 안정성은 갖고 있지만 감지 가스 범위가 넓어 목표가스를 정확하게 감지하는 데에는 부적절하다. And in the case of a semiconductor gas sensor, it is somewhat inappropriate for pentane gas detection due to the low selectivity of the target gas in the PU manufacturing site or transport site, which is a complex gas environment. inappropriate for doing
나노물질 기반 가스 센서 기술은 최근 금속 산화물 나노선, 탄소 나노튜브 및 그래핀을 보톰-업(bottom-up) 방식으로 합성하여 기판에 집적한 형태의 가스 센서가 국가 출연 연구소 및 대학에서 활발하게 진행되고 있으나, 산업화에 필수적인 양산성 및 균일성을 상용화 수준으로 달성한 기술 개발은 이루어지고 있지 않다.Nanomaterial-based gas sensor technology has recently been actively developed in state-funded research institutes and universities by synthesizing metal oxide nanowires, carbon nanotubes, and graphene in a bottom-up method and integrating them on a substrate. However, technology development that achieves mass productivity and uniformity essential for industrialization at the level of commercialization has not been developed.
최근에 환경오염에 대한 규제가 강화되고, 가스폭발로 인한 사고의 발생이 빈번하고 대형화되면서 각종 환경 유해성 가스를 측정하기 위한 계측 시스템의 필요성에 따라 가장 효율적인 기술 방식이 적용되고 활용된다. Recently, as regulations on environmental pollution have been strengthened, and accidents due to gas explosions are frequent and large, the most efficient technical method is applied and utilized according to the need for a measurement system for measuring various environmental harmful gases.
전기화학식 센서는 감지전극, 기준전극 및 반대 전극으로 구성되며, 전해질로 채워져 있다. CO, SO2, NO2, CO2 등의 유해가스를 선택적으로 측정할 수 있다. 이 센서의 작동원리는 감지전극에 도달한 가스는 전극 물질에 따라 특정 가스에 활성화된 산화 혹은 환원 반응을 일으킨다. 이 때 발생되는 전류 또는 전압을 반대전극으로 감지하여 센서 신호로 검출한다. 이 센서는 온도와 압력에 민감하여 일정 조건을 유지하는 것이 필요하다. 산소의 경우 탁월한 선택성과 안정성을 가지나 측정 가스의 종류에 따라 다른 가스에 의한 영향이 존재하여 필터가 필요한 단점이 있다. The electrochemical sensor consists of a sensing electrode, a reference electrode, and a counter electrode, and is filled with an electrolyte. It is possible to selectively measure harmful gases such as CO, SO 2 , NO 2 , and CO 2 . The operating principle of this sensor is that the gas reaching the sensing electrode causes an activated oxidation or reduction reaction with a specific gas depending on the electrode material. The current or voltage generated at this time is sensed with the opposite electrode and detected as a sensor signal. This sensor is sensitive to temperature and pressure, so it is necessary to maintain a constant condition. In the case of oxygen, it has excellent selectivity and stability, but there is an effect of other gases depending on the type of gas to be measured, so a filter is required.
반도체식 센서(semiconductor) 센서는 ZnO, SnO2 등 금속산화물 반도체 센서가 있으며, 반도체 표면의 화학반응에 따른 두 전극 사이의 저항 변화로 가스의 농도를 관측한다. 이 방식은 연소성 가스, NO2, CO에 대해 감도가 좋고, 반응이 빠른 특성이 있으며, 부식성 가스나 습도에 대해 안정적이고 생산비가 저렴한 것이 장점이다. 반면 선택성이 취약하고, 높은 동작 온도가 필요한 단점이 있다. 반도체식 센서의 한 종류인 MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)센서는 화학반응에 의해 FET (field effect transistor)의 변화를 이용하는 센서로서 MOS 센서에 얇은 금속촉매나 가스에 반응하는 고분자 박막을 추가한다. 이 센서는 대량으로 신뢰도가 높은 센서를 제작할 수 있는 장점이 있다. A semiconductor sensor includes a metal oxide semiconductor sensor such as ZnO and SnO2, and the concentration of gas is observed by a change in resistance between two electrodes according to a chemical reaction on the semiconductor surface. This method has good sensitivity to combustible gas, NO2, CO, quick reaction, stable against corrosive gas or humidity, and low production cost. On the other hand, there are disadvantages in that selectivity is weak and a high operating temperature is required. A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) sensor, a type of semiconductor sensor, is a sensor that uses a change in a field effect transistor (FET) by a chemical reaction. . This sensor has the advantage of being able to manufacture high-reliability sensors in large quantities.
센서와 센서 성능을 극대화하고, 다양한 기술 방식의 센서을 위한 신호처리기술이 필수적이다. 센서의 출력은 기술적 방식에 따라서, 저항, 전류, 전압의 다양한 방식으로 출력을 구성하고, 저항값은 수 오옴(ohm)에서 메가오옴, 전류도 pA(pico ampere)수준에서 uA(micro ampere)등의 매우 높은 편차의 출력을 발생하여, 이에 대한 대응 및 처리를 고민하지 않을 수 없다. 이를 대응하기 위한 주요 이슈는 센서와 회로, 시스템 기술을 개발하여 적용할 수 밖에 없다. 회로 기술은 센서로부터 수신된 신호를 명확하고, 다양한 변화량의 추이에 대한 정보를 유지하기 위해 잡음을 제거하는 기능, 소형 및 고성능 기능, 저전력 처리기능, 고감도의 정보를 디지털하는 기능, 다양한 응용분야에 적용하기 위한 지능화 방안등이 주요 기술 이슈이며, 회로의 최소화와 다양한 기능을 위하여 신호처리 회로를 ADC(analog to digital) 회로 블록을 내장한 ROIC(Read Out IC)로 구현하고 있다. 신호처리회로를 담당하는 ROIC는 저전력을 지원하고, 고성능으로 신호처리를 위한 방법을 포함하고, 향후 여러 가지 중요한 소프트웨어와 인공지능 알고리즘등을 처리하기 위해 MCU까지 통합되는 형태로 발전할 전망이다.Signal processing technology for maximizing sensors and sensor performance and for sensors of various technology methods is essential. The output of the sensor composes the output in various ways of resistance, current, and voltage depending on the technical method. It generates a very high deviation of output, so we have to think about how to deal with it and how to deal with it. The main issue to deal with this is to develop and apply sensor, circuit, and system technology. Circuit technology makes the signal received from the sensor clear, and has a function to remove noise to maintain information on the transition of various amounts of change, a small and high-performance function, a low-power processing function, a function to digitize high-sensitivity information, and various applications. The main technical issue is the intelligent method to apply, and the signal processing circuit is implemented as a ROIC (Read Out IC) with a built-in ADC (analog to digital) circuit block for circuit minimization and various functions. The ROIC in charge of the signal processing circuit supports low power, includes a method for signal processing with high performance, and is expected to develop into an integrated MCU to process various important software and artificial intelligence algorithms in the future.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 유해폭발가스인 펜탄가스에 대한 선제적이고 자동화된 대응이 가능하도록, 특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정이 가능한 펜탄가스 센서 디바이스와 신호처리회로인 센서용반도체를 고안하는데 목적이 있다. The present invention was devised to solve the above problems, and to enable a preemptive and automated response to pentane gas, which is a harmful explosive gas, a high sensitivity of 20% LEL (Low Explosive Limitation) level under a specific working environment, low concentration fine The purpose is to design a pentane gas sensor device that can measure and a semiconductor for the sensor, which is a signal processing circuit.
또한, 본 발명은 펜탄가스외에 메탄, 에탄올, 벤젠 등 제조사업장, 공장, 산업단지에서 발생하는 유해가스 감지하기 위하여 센서 + 센서용반도체 + 통신기능 + 인공지능기능을 포함한 센서 플랫폼 구조로써 PU제조에 적용하고, 폭발 가스감지가 가능한 센서시스템을 제공하는 데 목적이 있다. In addition, the present invention is a sensor platform structure including sensor + sensor semiconductor + communication function + artificial intelligence function to detect harmful gases generated in manufacturing plants, factories, industrial complexes, such as methane, ethanol, and benzene in addition to pentane gas. An object of the present invention is to provide a sensor system capable of detecting explosive gas.
또한, 본 발명은 기존의 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, 전기화학식 센서에 적용되는 최적의 센서 신호처리용 반도체와의 융합으로, 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석하고 예측하여 유해가스 폭발사고에 선제적으로 대응하는 통합 모니터링 시스템을 제공하는 데 목적이 있다. In addition, the present invention uses an electrochemical sensor technology that uses a solid electrolyte and a catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and is distinguished from the conventional semiconductor method, and is applied to the electrochemical sensor for optimal sensor signal processing semiconductor It aims to provide an integrated monitoring system that preemptively responds to hazardous gas explosion accidents by collecting, automatically analyzing, and predicting the output data of the pentane sensor in real time.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, The present invention is a means for achieving the above object,
특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정할 수 있도록 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출할 수 있도록 히터(heater), 기체유입구(gas inlet), 전하수집기, 감지전극, 고체전해질, 니켈메쉬(Ni mesh), 워터찬넬, 히터와이어, 전극와이어를 포함하는 펜탄센서 인 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스를 제공한다.YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through heterogeneous element doping such as barium for high-sensitivity, low-concentration micro-measurement of 20% LEL (Low Explosive Limitation) level under a specific working environment, nickel oxide (NiO) for catalyst electrode material, A heater, gas inlet, It provides a pentane gas sensor device, characterized in that it is a pentane sensor including a charge collector, a sensing electrode, a solid electrolyte, a nickel mesh (Ni mesh), a water channel, a heater wire, and an electrode wire.
본 발명의 히터는, 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대하는 것을 특징으로 한다.The heater of the present invention supplies sufficient thermal energy to the sensing electrode and the electrolyte to perform an oxidative dehydrogenation reaction of pentane (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H) for the detection of pentane gas in the working electrode. 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ), or by increasing carrier mobility in solid electrolyte It is characterized by increasing the degree.
본 발명의 기체유입구는, The gas inlet of the present invention,
검지 가스에 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기와 같이 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 펜탄센서의 내구성을 증대하는 것을 특징으로 한다.It is an entrance to the detection gas, and a fan is installed to facilitate the inflow, and a filter is installed to filter out substances that interfere with detection such as dust and moisture to increase the durability of the pentane sensor.
본 발명의 전하수집기는, 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정하는 것을 특징으로 한다.The charge collector of the present invention is positioned at the upper end of the electrolyte and the sensing electrode to measure the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
본 발명의 감지전극은, 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성하는 것을 특징으로 한다.The sensing electrode of the present invention has an oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction of pentane for detecting pentane gas. (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ) It is characterized in that the potential difference is generated.
본 발명의 고체전해질은, 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 발생시는 것을 특징으로 한다.The solid electrolyte of the present invention is characterized in that it generates a potential difference in the portion where conduction of ions generated by the two reactions and reactions occurring in the counter electrode occurs, thereby generating a current in the electrode wire and the signal processing semiconductor for the sensor.
본 발명의 니켈메쉬는, 상기 감지전극의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진하는 것을 특징으로 한다. The nickel mesh of the present invention, as a counter electrode of the sensing electrode, causes a reduction reaction of water (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2 - ), which is an oxidation-reduction conjugate reaction for the oxidation reaction of pentane. It is characterized in that the oxidation reaction is accelerated by supplying active oxygen ions (O 2 -) to the device.
본 발명의 워터찬넬은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급하는 것을 특징으로 한다.The water channel of the present invention is a passage for supplying moisture to cause a reduction reaction of water occurring in the nickel mesh, and it is characterized in that it supplies liquid or gaseous water.
본 발명의 히터와이어는, 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터에의 전력공급을 공급하는 것을 특징으로 한다.The heater wire of the present invention is characterized in that it supplies power to a heater that radiates heat energy with a resistive load.
본 발명의 전극와이어은, 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달하는 것을 특징으로 한다.The electrode wire of the present invention is characterized in that it transmits a potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로, The present invention is another means for achieving the above object,
펜탄가스를 측정하는 펜탄 센서와; 온도와 습도를 측정하는 온습도 센서와; 센서 방식에 따라서 상이한 출력(즉, 전류변화, 저항변화, 전압변화)을 수신하는 센서 신호 센싱 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화하는 신호감지부 및 ADC회로 블록을 구동하지 않고 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 저전력 모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도 모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체(ROIC)와; 센서용 신호반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈(RF, 블루투스)을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU(230)와; MCU의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼을 제공한다.a pentane sensor for measuring pentane gas; a temperature and humidity sensor for measuring temperature and humidity; Sensor signal sensing block, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing, low power/high resolution dual mode that receives different outputs (i.e., current change, resistance change, voltage change) according to the sensor method Multi-channel integrated signal processing process that can support multiple sensors while supporting and XDC (X-to-Digital Converter) low-power mode that can convert digital signals without driving a signal detection unit and ADC circuit block that minimizes current consumption A signal processing semiconductor (ROIC) for a sensor that supports a high-resolution mode capable of detecting gas in ppm/ppb units such as a low-noise signal detection unit and a high-resolution ADC for improved resolution; an
본 발명의 센서용 신호처리반도체는, 입력신호를 디지털화하여 저장하고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC회로 블럭)와 저전력(XDC기능), 고해상도(16bit ADC회로 블럭)의 기능을 수행의 수행이 가능하는 것을 특징으로 한다.The signal processing semiconductor for a sensor of the present invention digitizes and stores an input signal, and, depending on the mode, performs the functions of low resolution (8-bit ADC circuit block), low power (XDC function), and high resolution (16-bit ADC circuit block). characterized as possible.
본 발명의 센서용 신호처리반도체인 ROIC는 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고, IoT환경의 센서 동작은 수개월 및 수년간의 센서가 동작할 수 있도록 하며, 센서가 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고, 센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능을 제공하는 것을 특징으로 한다.The ROIC, which is a signal processing semiconductor for a sensor of the present invention, measures the number of adjustable modes for power and resolution, and the sensor operation in the IoT environment allows the sensor to operate for months and years, and the sensor operates with low power. It is characterized in that it provides a high-performance (high-resolution) function to increase the accuracy of the sensor.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로, The present invention is another means for achieving the above object,
펜탄가스를 측정하는 펜탄센서와 온도와 습도를 측정하는 온습도센서와 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 저전력모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체와 센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와 MCU의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 센서플랫폼; 및 펜탄센서, 온습도센서 및 실내외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 인공지능(Machine Learning, Deep Learning) 알고리즘 기반 예측하는 데이터 분석부와 처리/연산, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템을 제공한다. Pentane sensor to measure pentane gas, temperature and humidity sensor to measure temperature and humidity, and different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change) for each sensor Block, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing , XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using a signal detection unit and ADC that minimizes current consumption and multi-channel integrated signal processing process that can support multiple sensors while supporting low power/high resolution dual mode Low-power mode and resolution improvement. Low-noise signal detection unit, high-resolution ADC, etc. that support high-resolution mode capable of gas detection in ppm/ppb units, obtain data while controlling signal processing semiconductors for sensors and signal processing semiconductors for sensors. a sensor platform comprising an MCU controlling data transmission through the MCU and a wireless communication module receiving data transmission under the control of the MCU; and a data collection unit that seamlessly collects data such as pentane sensor, temperature and humidity sensor and indoor and outdoor environmental information, a data analysis unit that predicts data based on descriptive statistical analysis, time series analysis, and artificial intelligence (Machine Learning, Deep Learning) algorithms, and processing/calculation; It provides a monitoring system comprising a; a server comprising a data operation unit that performs analysis, streaming, and storage step by step to display statistical analysis results and model prediction results.
본 발명의 처리/연산은, 입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석 등에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과, 분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고, 처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치 등 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어지는 것을 특징으로 한다. The processing/computation of the present invention is to construct a storage processing system for input data (separate storage by year, month, day, hour, and minute) and receive rowdata in text form and perform calculation and analysis through normalization. The process of pre-processing so that it can be used, etc., and the process of saving the file in csv format for analysis and saving it as rdbms that can be used in the web or other programs are carried out, and after the process is carried out, every 5 minutes, It is characterized in that after statistical calculations such as 10-minute units, 1-hour unit averages, maximum values, minimum values, and the like, the calculation process is performed and stored in each statistical location.
본 발명의 분석은, 처리/연산을 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압 등과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석하는 것을 특징으로 한다.The analysis of the present invention analyzes the predictive degree of a similar environment based on the correlation analysis graph for each classification of pentane gas such as temperature, humidity, atmospheric pressure, etc. and the data accumulated by multiple correlation analysis through the correlation analysis function between each data that has been processed/calculated characterized in that
본 발명의 저장은, 센서 및 온도, 습도, 기압 등의 데이터가 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 특정 기간(예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를 특정한 시간의 간격(예. 1분, 5분, 30분 간격 등)을 두고 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 set를 구성한 후 파일(Pile)의 형태로 저장(또는 적재(matrix로 분리, 적재되어 cube 형태의 3 dimensional 데이터로 reshape됨))하는 것을 특징으로 한다.In the storage of the present invention, since the sensor and data such as temperature, humidity, and atmospheric pressure have properties of time series data whose values change depending on the surrounding environment over time, a specific period (eg, 30 minutes, 1 hour, 5 hours) while windowing the data at a specific time interval (eg, 1 minute, 5 minute, 30 minute interval, etc.) (or loading (separated and loaded into a matrix and reshaped into cube-shaped 3 dimensional data)).
본 발명은 지구온난화 규제 및 방지에 관한 국제 협약인 교토의정서의 일정에 따라, 폴리우레탄폼 제조에 광범위하게 사용되던 HFC가스(Hydroflourocarbon gas)는 사용이 금지되며 GWP(Global warming potential)가 낮고 경제성이 높은 펜탄가스로 대체되는 추세를 보임에 따라, 유해폭발가스인 펜탄가스의 누출 등의 사고에 대비한 높은 수준의 관리가 이루어질 수 있는 효과가 있다. According to the schedule of the Kyoto Protocol, which is an international agreement on the regulation and prevention of global warming, the use of HFC gas (Hydrofluorocarbon gas), which has been widely used in the manufacture of polyurethane foam, is prohibited, and the GWP (Global warming potential) is low and economical. As there is a trend of being replaced with high pentane gas, there is an effect that a high level of management can be made in preparation for accidents such as leakage of pentane gas, which is a harmful explosive gas.
또한, 본 발명은 펜탄가스외에 메탄, 에탄올, 벤젠 등 제조사업장, 공장, 산업단지에서 발생하는 유해가스 감지하기 위하여 센서 + 센서용반도체 + 통신기능 + 인공지능을 포함한 센서 구조로써 적용에 따른 가스감지가 가능함으로써 환경오염에 대한 규제가 강화되면서 각종 환경 유해성 가스를 측정이 용이한 효과가 있다.In addition, the present invention is a sensor structure including sensor + sensor semiconductor + communication function + artificial intelligence to detect harmful gases generated in manufacturing plants, factories, industrial complexes, such as methane, ethanol, and benzene in addition to pentane gas. Gas detection according to application As the regulation on environmental pollution is strengthened, there is an effect that it is easy to measure various environmental harmful gases.
본 발명의 모니터링 시스템이 저전력 모드 동작 시 센서부로부터 전송된 저해상도 센서 데이터의 품질 향상을 위한 압축센싱 기반 신호처리가 용이한 효과가 있다. When the monitoring system of the present invention operates in a low power mode, compression sensing-based signal processing for improving the quality of the low-resolution sensor data transmitted from the sensor unit is easily effected.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 저전력 상태에서는 다양한 종류의 센서 신호가 적응적으로 샘플링되어 원본 데이터량에 비해 매우 적은 크기의 데이터가 서버로 전송되고, 전송된 샘플링 데이터로부터 원본 신호에 근접한 고해상도 신호를 복원하기 위하여 센서들의 공간적 근접성과 시간적 일관성 및 샘플링 순서를 고려하여 신호의 연속성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. In addition, in the monitoring system of the present invention, in a low power state, various types of sensor signals are adaptively sampled, so that data of a very small size compared to the amount of original data is transmitted to the server, and a high-resolution signal close to the original signal is obtained from the transmitted sampling data. In order to restore the signal, the continuity of the signal can be maximized by considering the spatial proximity, temporal consistency, and sampling order of the sensors.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 기존의 광학방식, 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, metal-oxides와의 촉매작용을 통해 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석/예측하여 유해가스 사고에 선제적으로 대응하는 할 수 있는 효과가 있다. In addition, the monitoring system of the present invention is distinguished from the existing optical method and semiconductor method, and uses an electrochemical sensor technology using a solid electrolyte and a catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and catalyzes catalysis with metal-oxides. It has the effect of preemptively responding to harmful gas accidents by collecting the output data of the pentane sensor in real time and automatically analyzing/predicting it.
도 1은 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 촉매전극의 전도성을 나타낸 도면이며,
도 3은 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 고체전해질의 이온전도성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 펜탄가스 센서 디바이스를 포함하여 구성되는 센서플랫폼의 구성을 도시한 블록도이며,
도 5은 도 4에 도시된 센서플랫폼의 센서용 신호처리반도체 내부 RDC와 XDC는 저해상도, ADC는 고해상도용 블록을 도시한 도면이고,
도 6은 도 4에 도시된 ROIC, MCU 블럭을 상세하게 도시한 블록도이며,
도 7은 본 발명의 센서플랫폼을 이용하여 데이터의 파악, 분석하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
1 is a view showing the configuration of a pentane gas sensor device according to the present invention,
Figure 2 is a view showing the conductivity of the catalyst electrode in the pentane gas sensor device of Figure 1,
Figure 3 is a view showing the ionic conductivity of the solid electrolyte in the pentane gas sensor device of Figure 1,
4 is a block diagram showing the configuration of a sensor platform configured including the pentane gas sensor device of the present invention;
FIG. 5 is a diagram showing a block for high-resolution RDC and XDC inside the signal processing semiconductor for the sensor of the sensor platform shown in FIG. 4, and the ADC is for high resolution;
6 is a block diagram illustrating the ROIC and MCU blocks shown in FIG. 4 in detail;
7 is a diagram showing the configuration of a monitoring system for identifying and analyzing data using the sensor platform of the present invention.
이하, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. Hereinafter, it should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention, and the technical terms used in the present invention have a different meaning in particular in the present invention. Unless defined, it should be interpreted in the meaning generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, and should not be interpreted in an overly comprehensive sense or in an excessively reduced meaning.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.In addition, when the technical term used in the present invention is an incorrect technical term that does not accurately express the spirit of the present invention, it should be understood by being replaced with a technical term that can be correctly understood by those skilled in the art. In addition, general terms used in the present invention should be interpreted as defined in advance or according to the context before and after, and should not be interpreted in an excessively reduced meaning.
아울러, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는데, 예를 들어 "구성된다" 또는 "포함한 다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the singular expression used in the present invention includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. It should not be construed as necessarily including all of several steps, and it should be construed that some components or some steps may not be included, or additional components or steps may be further included.
이하, 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템을 설명한다.Hereinafter, a pentane gas sensor device, a sensor platform, and a monitoring system using the same according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스를 도 1 내지 3을 참조하여 상세하게 설명한다. A pentane gas sensor device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3 .
도 1은 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 촉매전극의 전도성을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 고체전해질의 이온전도성을 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing the configuration of a pentane gas sensor device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the conductivity of a catalyst electrode in the pentane gas sensor device of FIG. 1, and FIG. 3 is a view showing the pentane gas sensor device of FIG. A diagram showing the ionic conductivity of a solid electrolyte.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스(100)는 하우징(111), 히터(heater)(112), 기체유입구(gas inlet)(113), 전하수집기(charge collector)(114), 감지전극(sensing electrode)(115), 고체전해질(solid electorlyte)(116), 니켈메쉬(Ni mesh)(117), 워터찬넬(Water channel)(118), 히터와이어(Wire for heater)(119a), 전극와이어(Wire for electrode)(119b)를 포함하는 펜탄센서(110) 인 것을 특징으로 한다. The pentane
상기 하우징(111)은 내측에 공간이 형성되어 기체유입구가 상부에 형성되도록 하며, 히터(112), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118)이 내부에 설치되며, 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)의 결선이 이루어진다.The
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The
상기 기체유입구(113)는 검지 가스에 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The
또한, 상기 펜탄센서(110)는 특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정할 수 있도록 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다. In addition, the
그리고 이트리아 안정화 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ (ZrO2/Y2O3)) 기반의 고체전해질 소재 정보 수집 및 이온전도도 향상되고, 닥터블레이드 공정 (Doctor blade casting)을 통한 박막 형성 및 고온 소결되며, 페로브스카이트 구조 (La1.6Sr0.4NiO4, La2NiO4, Ce0.9Gd0.1O2 등) 기반 촉매 소재 선정 및 볼밀링 등을 통한 입자 제조가 용이하다.In addition, the solid electrolyte material information collection and ion conductivity based on Yttria Stabilized Zirconia (YSZ (ZrO 2 /Y 2 O 3 )) are improved, and a thin film is formed and sintered at high temperature through the doctor blade casting process. , It is easy to manufacture particles through selection of catalyst materials based on perovskite structure (La 1.6 Sr 0.4 NiO 4 , La 2 NiO 4 , Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 etc.) and ball milling.
또한, 스크린인쇄 (Screen printing)를 통한 전극 제작할 수 있으며, 양방향 이온(H+, O2-) 전도성을 갖는 펜탄 전기화학센서로 사용이 가능하다. In addition, electrodes can be manufactured through screen printing, and can be used as a pentane electrochemical sensor having bidirectional ion (H + , O 2 -) conductivity.
그리고 임피던스 분석법을 통한 고체 전해질 내 이온들의 전도도 특성 및 가스 크로마토그래피 분석을 통한 촉매 전극의 가스 반응성이 향상되는 이점이 있다.In addition, there is an advantage in that the conductivity characteristics of ions in the solid electrolyte through the impedance analysis method and the gas reactivity of the catalyst electrode through the gas chromatography analysis are improved.
또한, 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ 계 고체전해질 제조 및 이온 전도도가 향상되고, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black)등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성이 좋으며, 촉매 물질 복합체와 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출 특성 증대되는 효과를 가진다. In addition, YSZ-based solid electrolyte production and ionic conductivity are improved through doping with heterogeneous elements such as barium, and pentane gas reactivity through composite manufacturing by mixing materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black with the catalyst electrode material This is good, and it has the effect of increasing the pentane gas detection characteristics by adjusting the thickness of the catalyst material complex and the solid electrolyte layer.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스(100)를 이용하는 센서플랫폼(200)의 구성을 도 4, 5 및 6을 참조하여 상세하게 설명한다. The configuration of the
도 4는 본 발명의 펜탄가스 센서 디바이스를 포함하여 구성되는 센서플랫폼의 구성을 도시한 블록도이며, 도 5은 도 4에 도시된센서플랫폼의 센서용 신호처리반도체 내부 RDC와 XDC는 저해상도, ADC는 고해상도용 블록을 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 ROIC, MCU 블럭을 상세하게 도시한 블록도이다.4 is a block diagram showing the configuration of a sensor platform including the pentane gas sensor device of the present invention, and FIG. 5 is a signal processing semiconductor internal RDC and XDC for a sensor of the sensor platform shown in FIG. 4 are low-resolution, ADC is a diagram illustrating a block for high resolution, and FIG. 6 is a block diagram illustrating the ROIC and MCU blocks shown in FIG. 4 in detail.
본 발명에 따른 센서플랫폼은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서(110), 온도와 습도를 측정하는 온습도센서(210), 센서용 신호처리반도체(220), MCU(230)와; MCU(230)의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈(Wireless connectivity midule)(240)을 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensor platform according to the present invention includes a
상기 펜탄센서(110)는 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다.The
상기 펜탄센서(110)는 히터(112), 기체유입구(113), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118), 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)를 포함한다. The
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The
상기 기체유입구(113)는 검지 가스에 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The
상기 온습도센서(210)는 온도와 습도를 측정하여 센서용 신호처리반도체(220)로 인가한다.The temperature and
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 전력/고해상도 이중모드 동작을 위한 신호처리칩으로 펜탄센서로부터 인가되는 신호를 취득하고, 취득한 신호를 증폭한 후 필터링하여 신호의 변화 및 제어하여 MCU(230)로 인가한다.The
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 등 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화할 수 있는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 등 저전력모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원한다. The
특히, 센서용 신호처리반도체(220)는 입력신호를 디지털화하여 저장하는 것이 주 임무이고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능)의 기능을 수행의 수행이 가능하다. In particular, the main task of the
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 ROIC 동작 모드, 즉 ROIC가 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고, IoT환경의 센서 동작은 수개월 및 수년간의 센서가 동작할 수 있도록 하며, 이에 대응하기 위한 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고, 또한 센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능를 제공한다. The
그리고 센서용 신호처리반도체(220)는 저전력모드와 고성능모드를 제공하며, 논리 분석기를 이용하여 ROIC의 디지털 코드를 획득하고 스펙트럼 분석을 통한 해상도를 파악하고, 해상도는 펜탄센서의 결과 데이터를 분석을 정밀하게 하기위하여 비트수에 비례하여 해상도가 고해상도이므로 소모전력과 연산시간을 단축시켜 빠른 계산이 효율적으로 ROIC 해상도 형성한다. And the
또한, 멀티 미터로 전류를 직접 측정하여 동작별 소모 전류를 측정하며, 전류량은 소모전력과 비례하여, 전류(mA)의 최소화한다. In addition, the current is directly measured with a multimeter to measure the consumption current for each operation, and the amount of current is proportional to the power consumption, thereby minimizing the current (mA).
상기 MCU(230)는 센서용 신호처리반도체(220)를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈(240)을 통해 데이터를 송신을 제어한다.The
상기 MCU(230)는 센서 신호가 디지털화(digitized)된 센서 신호값를 받아서 메모리 저장, 저장된 디지털화(digitized)된 값을 RF를 통하여 송신, ADC모드의 제어와 digitized값의 센서값 저장, 센서모듈과 모듈내부의 칩 초기화 및 동작 제어한다.The
상기 무선통신모듈(240)은 MCU(230)의 제어을 받아 데이터를 송신한다. 상기 무선통신모듈은 드라이버 회로, 무선 통신 하드웨어로 구성되며, Wi-Fi, ZigBee 또는 Bluetooth 중 최소 한가지 기능을 가진다. 소형, 신뢰성, 저전력, 쉬운 통합성 특성을 구현한다.The
상기와 같이 구성되는 본 발명의 펜탄센서(110)는 전력소모를 최소화하기 위해서는 시스템의 동작을 저전력과 고해상도의 이중모드를 지원하게 하는 차별성이 있다. In order to minimize power consumption, the
그리고 전체 센서플랫폼의 전력소모를 최소화하기 위해서는 시스템의 동작을 저전력과 고해상도의 이중모드로 차별성을 있게 지원하게 한다.And in order to minimize the power consumption of the entire sensor platform, the operation of the system is differentiated by supporting the dual mode of low power and high resolution.
또한, 저전력 모드에서는 센서 어레이 중 한 개 또는 선택적으로만 동작시키고 ROIC와 모듈 또한 전력소모를 최소화하는 가운데 압축센싱 기법을 통해 실시간 모니터링시 시스템이 켜져있는 시간을 최소화하며, 저전력 모드에서 유해가스가 검출되는 경우에는 시스템이 고해상 모드로 전환하여 모든 가스센서 어레이를 동작시키고 ROIC 또한 고해상도 출력을 만들고 패턴인식을 통해 정확한 가스 종류와 양을 검출하여 선택도와 감도가 극대화될 수 있도록 한다.In addition, in the low power mode, only one or selectively of the sensor array is operated and the ROIC and module also minimize power consumption while minimizing the time the system is turned on during real-time monitoring through the compression sensing technique, and harmful gases are detected in the low power mode. In this case, the system switches to the high-resolution mode to operate all gas sensor arrays, and the ROIC also produces high-resolution output and detects the exact type and amount of gas through pattern recognition to maximize selectivity and sensitivity.
상기 센서플랫폼(200)은 생산공장의 각 디바이스 들과의 통신을 유지/확보하고, 각 디바이스로부터 데이타(DATA)를 수집하여 분석하는 단계를 거치고, 메시지 DATA들로 변환하고 추출하고 처리하여 소요된 에너지 데이타와 센서데이타의 기록들을 인공지능 툴에 필요한 개발환경을 제공할 수 있다.The
상기 센서플랫폼(200)은 두가지 형태의 플랫폼 기반의 제공할 수 있으며, 1. 생산공간의 고정형으로 설치하여 유해가스 감지와 대응을 폴리우레탄 생산위치에 장착하여 활용되는 형태의 고정플랫폼과, 2. IoT기반의 센서 모듈을 포함한여 스마트폰, 구글 글래스 등과 연동되는 이동형 플랫폼의 두가지 방식으로 제공할 수 있다. The
상기 두 가지 플랫폼은 공통 플랫폼을 공유할 수 있는 방식으로 이루어지며,생산원가와 제품화 기간을 단축하고, 각각의 경우에 따라 센서 모듈 및 통신 인터페이스 방법을 선택적으로 사용 가능하도록 하는 것이 바람직하다. It is preferable that the two platforms are made in a manner that can share a common platform, reduce production cost and product period, and selectively use a sensor module and a communication interface method according to each case.
즉, 모바일 플랫폼의 경우, 스마트폰에 직접 결합하여 사용할 경우는 통신 인터페이스 중에서 블루투스형식만 있으면 됨. 고정형 플랫폼의 경우, 무선 AP(Access Point)를 통해 광대역에 접속하는 경우는 무선 통신 모듈만 탑재되면 됨. 기본적으로 공통플랫폼은 공유하면서, 해당 설치 및 운용 특성에 맞도록 인터페이스를 선택하게 되며, 센서 제어용 칩은 이러한 모든 인터페이스를 지원하도록한다.In other words, in the case of a mobile platform, in the case of using it directly connected to a smartphone, only the Bluetooth type is required among the communication interfaces. In the case of a fixed platform, only a wireless communication module needs to be installed when accessing broadband through a wireless access point (AP). Basically, while sharing a common platform, an interface is selected to suit the installation and operation characteristics, and the sensor control chip supports all these interfaces.
본 발명에 따르는 모니터링 시스템은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서와 온도와 습도를 측정하는 온습도센서와 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 저전력모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와 MCU의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 센서플랫폼; 및 펜탄센서, 온습도센서 및 실내·외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측하는 데이터 분석부와 처리/연산, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 첨부된 도 7을 참고하여 설명한다.The monitoring system according to the present invention includes a pentane sensor for measuring pentane gas, a temperature and humidity sensor for measuring temperature and humidity, and a different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change) block, amplifier, filter, ADC (Analog-to- Digital Converter), controller signal processing, low-power/high-resolution dual mode, multi-channel integrated signal processing process that can support multiple types of sensors, and XDC (digital signal conversion without using a signal detector and ADC that minimizes current consumption) X-to-Digital Converter) Low-power mode and resolution enhancement Low-noise signal detection unit, high-resolution ADC, etc. It obtains data while controlling the signal processing semiconductor for sensors that supports the high-resolution mode capable of gas detection in ppm/ppb units, such as a wireless communication module. a sensor platform including a wireless communication module for transmitting data under the control of an MCU and an MCU controlling data transmission through the ; and a data collection unit that seamlessly collects data such as pentane sensor, temperature and humidity sensor and indoor/outdoor environmental information, a data analysis unit that predicts data based on descriptive statistical analysis, time series analysis and M/L, D/L algorithm, and processing/calculation; It is characterized in that it includes; a server comprising a data operation unit that performs analysis, streaming, and storage step by step to display statistical analysis results and model prediction results.
도 7은 본 발명의 센서플랫폼을 이용하여 데이터의 파악, 분석하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 도면이다.7 is a diagram showing the configuration of a monitoring system for identifying and analyzing data using the sensor platform of the present invention.
본 발명의 센서플랫폼을 이용한 모니터링 시스템은 센서플랫폼(200) 및 서버(300)를 포함한다.The monitoring system using the sensor platform of the present invention includes a
상기 센서플랫폼은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서(110), 온도와 습도를 측정하는 온습도센서(210), 센서용 신호처리반도체(220), MCU(230)와; MCU(230)의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈(Wireless connectivity midule)(240)을 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensor platform includes a
상기 펜탄센서(110)는 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다.The
상기 펜탄센서는 히터(112), 기체유입구(113), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118), 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)를 포함한다. The pentane sensor includes a
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The
상기 기체유입구(113)는 검지 가스에 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The
상기 온습도센서(210)는 온도와 습도를 측정하여 센서용 신호처리반도체(220)로 인가한다.The temperature and
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 전력/고해상도 이중모드 동작을 위한 신호처리칩으로 펜탄센서로부터 인가되는 신호를 취득하고, 취득한 신호를 증폭한 후 필터링하여 신호의 변화 및 제어하여 MCU(230)로 인가한다.The
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 등 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화할 수 있는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 등 저전력모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원한다. The
특히, 센서용 신호처리반도체(220)는 입력신호를 디지털화하여 저장하는 것이 주 임무이고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능)의 기능을 수행의 수행이 가능하다.In particular, the main task of the
상기 서버(300)는 데이터수집부(310), 데이터 분석부(320), 데이터운영부(330)를 포함한다. The
상기 데이터수집부(310)는 펜탄센서(110), 온습도센서(210) 및 실내·외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집을 담당하며, 상기 데이터 분석부(320)는 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측을 지원하고, 상기 데이터운영부(330)는 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이 한다. The
그리고 데이터운영부(330)는 처리/연산, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행한다. And the
상기 처리/연산은 입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석 등에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과 분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고, 처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치 등 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어진다. The above processing/operation is to construct a storage processing system for input data (separate storage in units of year, month, day, hour, and minute), receive rowdata in text form, normalize it, and use it for calculation, analysis, etc. The process of pre-processing so as to save the file in csv format for analysis and saving it as rdbms that can be used in the web or other programs is carried out. After statistical calculations such as the hourly average, maximum, and minimum values, the calculation process is performed and stored in each statistical location.
상기 분석은 처리/연산을 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압 등과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석한다. The analysis analyzes the prediction degree of a similar environment based on the correlation analysis graph for each classification of pentane gas such as temperature, humidity, atmospheric pressure, etc. through the correlation analysis function between each data that has been processed/calculated and the data accumulated by multiple correlation analysis.
상기 스트리밍은 분석과정을 거친 데이터를 실시간으로 데이터가 저장이 이루어지도록 전송한다. The streaming transmits the data that has undergone the analysis process so that the data is stored in real time.
상기 저장은 센서 및 온도, 습도, 기압 등의 데이터가 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 특정 기간(예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를 특정한 시간의 간격(예. 1분, 5분, 30분 간격 등)을 두고 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 set를 구성한 후 파일(Pile)의 형태로 저장(또는 적재(matrix로 분리, 적재되어 cube 형태의 3 dimensional 데이터로 reshape됨))한다. Since the storage has the property of time series data in which the values of sensors and data such as temperature, humidity, and atmospheric pressure change depending on the surrounding environment as time goes by, it is stored for a specific period (eg, for 30 minutes, 1 hour, 5 hours). While windowing data at specific time intervals (eg, 1 minute, 5 minute, 30 minute intervals, etc.), configure a data set that the model can learn and save (or load) in the form of a file (separated and loaded into a matrix and reshaped into cube-shaped 3 dimensional data)).
상기와 같이 구성되는 모니터링 시스템은 저전력 모드에서는 센서 어레이 중 한 개 또는 선택적으로만 동작시키고 ROIC와 모듈 또한 전력소모를 최소화하는 가운데 압축센싱 기법을 통해 실시간 모니터링시 시스템이 켜져 있는 시간을 최소화한다. The monitoring system configured as described above operates only one or selectively of the sensor arrays in the low power mode, and minimizes the time the system is turned on during real-time monitoring through the compression sensing technique while minimizing power consumption of the ROIC and the module.
그리고 저전력 모드에서 유해가스가 검출되는 경우에는 모니터링 시스템이 고해상 모드로 전환하여 모든 가스센서 어레이를 동작시키고, 로직(ROIC) 또한 고해상도 출력을 만들고 패턴인식을 통해 정확한 가스 종류와 양을 검출하여 선택도와 감도가 극대화된다. And when harmful gas is detected in the low-power mode, the monitoring system switches to the high-resolution mode to operate all gas sensor arrays, and the logic (ROIC) also creates a high-resolution output and detects the exact type and amount of gas through pattern recognition to improve selectivity and sensitivity is maximized.
또한, 상기 모니터링 시스템은 펜탄센서(110), 온습도센서(210)가 설치된 환경의 특성을 반영하여 다양한 형태의 학습 데이터를 구축하고, 머신 러닝(Machine Learning), 딥 러닝(Deep Learning) 알고리즘을 이용한 ‘예측 모델’ 개발이 가능한 분석 환경 지원하여 이상치, 결측치 제거 등 데이터 필터링(filtering)을 진행하고, 데이터 가공을 통한 학습용 데이터 구축하여 원본(raw) 데이터로부터 수집한 다양한 실내/외 환경인자(온도, 습도 기압 등)를 수집하고, 이를 시간 순서로 정렬하여 2-dimensional 데이터(2차원 tensor 또는 matrix 형태)로 구성한다.In addition, the monitoring system builds various types of learning data by reflecting the characteristics of the environment in which the
또한, 온습도센서(210)에 의한 온도, 습도, 기압 등의 데이터는 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 특정 기간 (예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를, 특정한 시간의 간격을 두고 (예. 1분, 5분, 30분 간격 등) 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 세트(set)를 구성한 후 파일(Pile)형태로 저장(또는 적재(matrix로 분리, 적재되어 cube 형태의 3 dimensional 데이터로 reshape됨))한다.In addition, since the data such as temperature, humidity, and atmospheric pressure by the temperature-
또한, 압축센싱기반 저해상도 센서 데이터 신호품질 향상 알고리즘을 다양한 응용분야의 접목이 가능하고, 펜탄가스의 거치형외에 수송 시 가스 감지 및 로그가능하다.In addition, the compression sensing-based low-resolution sensor data signal quality improvement algorithm can be applied to various application fields, and it is possible to detect and log gas during transport other than the stationary type of pentane gas.
또한, 모니터링 시스템이 저전력 모드 동작 시 센서부로부터 전송된 저해상도 센서 데이터의 품질 향상을 위한 압축센싱 기반 신호처리가 용이하고, 저전력 상태에서는 다양한 종류의 센서 신호가 적응적으로 샘플링되어 원본 데이터량에 비해 매우 적은 크기의 데이터가 서버로 전송되며, 전송된 샘플링 데이터로부터 원본 신호에 근접한 고해상도 신호를 복원하기 위하여 센서들의 공간적 근접성과 시간적 일관성 및 샘플링 순서를 고려하여 신호의 연속성을 극대화할 수 있다. In addition, when the monitoring system operates in the low power mode, it is easy to process signals based on compression sensing to improve the quality of the low-resolution sensor data transmitted from the sensor unit. Data of a very small size is transmitted to the server, and in order to restore a high-resolution signal close to the original signal from the transmitted sampling data, the continuity of the signal can be maximized by considering the spatial proximity, temporal consistency, and sampling order of sensors.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 기존의 광학방식, 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, metal-oxides와의 촉매작용을 통해 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석/예측하여 유해가스 사고에 선제적으로 대응하는 할 수 있다.In addition, the monitoring system of the present invention is distinguished from the existing optical method and semiconductor method, and uses an electrochemical sensor technology using a solid electrolyte and a catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and catalyzes catalysis with metal-oxides. Through this, it is possible to preemptively respond to harmful gas accidents by collecting the output data of the pentane sensor in real time and automatically analyzing/predicting it.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. While this specification contains numerous specific implementation details, these are not to be construed as limitations on the scope of any invention or claim, but rather as descriptions of features that may be specific to particular embodiments of particular inventions. should be understood
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 펜탄가스 센서 디바이스
110: 펜탄센서
111: 하우징
112: 히터
113: 기체유입구
114: 전하수집기
115: 감지전극
116: 고체전해질
117: 니켈메쉬
118: 워터찬넬
119a: 히터와이어
119b: 전극와이어
200: 센서플랫폼
210: 온습도센서
220: 센서용 신호처리반도체
230: MCU
240: 무선통신모듈
300: 서버
310: 데이터수집부
320: 데이터 분석부
330: 데이터운영부100: pentane gas sensor device 110: pentane sensor
111: housing 112: heater
113: gas inlet 114: charge collector
115: sensing electrode 116: solid electrolyte
117: nickel mesh 118: water channel
119a:
200: sensor platform 210: temperature and humidity sensor
220: signal processing semiconductor for sensor 230: MCU
240: wireless communication module 300: server
310: data collection unit 320: data analysis unit
330: data operation department
Claims (17)
YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through heterogeneous element doping such as barium for high-sensitivity, low-concentration micro-measurement of 20% LEL (Low Explosive Limitation) level under a specific working environment, nickel oxide (NiO) for catalyst electrode material, Housing, heater, gas inlet, charge collector, sensing electrode so that pentane gas reactivity through composite manufacturing by mixing materials such as carbon black, pentane gas reaction through catalyst material complex, and pentane gas detection through thickness adjustment of solid electrolyte layer , a solid electrolyte, a nickel mesh, a water channel, a heater wire, a pentane gas sensor device, characterized in that the pentane sensor comprising an electrode wire.
상기 히터는,
감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The heater is
Oxidative dehydrogenation reaction of pentane for detecting pentane gas at the working electrode by supplying sufficient thermal energy to the sensing electrode and electrolyte (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and accelerating an oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e − ) or increasing carrier mobility in a solid electrolyte to increase the sensitivity of the sensor pentane gas sensor device.
상기 기체유입구는,
검지 가스에 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기와 같이 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 펜탄센서의 내구성을 증대하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The gas inlet is
A pentane gas sensor device, characterized in that it is an entrance to the detection gas, a fan is installed to facilitate the inflow, and a filter is installed to filter out substances that interfere with detection such as dust and moisture to increase the durability of the pentane sensor.
상기 전하수집기(114)는,
전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The charge collector 114,
Pentane gas sensor device, characterized in that it is located on the upper end of the electrolyte and the sensing electrode to measure the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
상기 감지전극(115)은,
펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The sensing electrode 115 is
Pentane oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O) for detection of pentane gas 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ) Pentane gas sensor device, characterized in that for generating a potential difference.
상기 고체전해질(116)은,
두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 발생시는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The solid electrolyte 116 is
Pentane gas sensor device, characterized in that the electric current is generated in the electrode wire and the signal processing semiconductor for the sensor by generating a potential difference in the portion where conduction of ions generated by the two reactions and reactions occurring in the counter electrode occurs.
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The nickel mesh 117 is a counter electrode of the sensing electrode 115, and is a reduction reaction of water (H 2 O + 2e − → H 2 + O 2− ) and supply active oxygen ions (O 2 - ) to the device to accelerate the oxidation reaction.
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The water channel 118 is a passage for supplying moisture to cause a reduction reaction of water occurring in the nickel mesh, and a pentane gas sensor device, characterized in that it supplies liquid or gaseous water.
상기 히터와이어는,
저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The heater wire is
A pentane gas sensor device, characterized in that a power supply is supplied to a heater (112) that emits thermal energy to a resistive load.
상기 전극와이어은,
검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to claim 1,
The electrode wire is
A pentane gas sensor device, characterized in that it transmits a potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
온도와 습도를 측정하는 온습도센서와;
센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 저전력모드와 해상도 향상을 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm/ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체와;
센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와;
MCU의 제어을 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
a pentane sensor for measuring pentane gas;
a temperature and humidity sensor for measuring temperature and humidity;
Various sensors can be supported while supporting different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change) block, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing, and low power/high resolution dual mode for each sensor. XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using a signal detection unit and ADC that minimizes the channel integrated signal processing process and current consumption Low power mode and resolution improvement Low noise signal detection unit, high resolution ADC, etc. ppm/ppb a signal processing semiconductor for sensors supporting a high-resolution mode capable of unit gas detection;
an MCU for obtaining data while controlling a signal processing semiconductor for a sensor and controlling transmission of data through a wireless communication module;
A sensor platform comprising a wireless communication module that transmits data under the control of an MCU.
상기 센서용 신호처리반도체는,
입력신호를 디지털화하여 저장하고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능)의 기능을 수행의 수행이 가능하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
12. The method of claim 11,
The signal processing semiconductor for the sensor,
A sensor platform characterized in that it is possible to digitize and store the input signal and perform functions of low resolution (8-bit ADC function), low power, and high resolution (16-bit ADC function) depending on the mode.
상기 센서용 신호처리반도체는, ROIC가 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고,
IoT환경의 센서 동작은 수개월 및 수년간의 센서가 동작할 수 있도록 하며,
센서가 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고,
센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능를 제공하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
12. The method of claim 11,
The signal processing semiconductor for the sensor measures the number of modes that the ROIC can control for power and resolution,
The sensor operation in the IoT environment allows the sensor to operate for months and years,
Make the sensor operate with low power,
A sensor platform, characterized in that it provides a high-performance (high-resolution) function to increase the accuracy of the sensor.
펜탄센서, 온습도센서 및 실내·외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측하는 데이터 분석부와 처리/연산, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.
Pentane sensor to measure pentane gas, temperature and humidity sensor to measure temperature and humidity, and different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change) for each sensor Block, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing , XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using a signal detection unit and ADC that minimizes current consumption and multi-channel integrated signal processing process that can support multiple sensors while supporting low power/high resolution dual mode Low-power mode and resolution improvement. Low-noise signal detection unit, high-resolution ADC, etc. that support high-resolution mode capable of gas detection in ppm/ppb units, obtain data while controlling signal processing semiconductors for sensors and signal processing semiconductors for sensors. a sensor platform comprising an MCU controlling data transmission through the MCU and a wireless communication module receiving data transmission under the control of the MCU; and
Data collection unit that seamlessly collects data such as pentane sensor, temperature and humidity sensor and indoor/outdoor environment information, data analysis unit for technical statistical analysis, time series analysis, and M/L, D/L algorithm-based prediction and processing/operation, analysis , a server comprising a data operation unit that performs streaming and storage step by step to display statistical analysis results and model prediction results;
Monitoring system comprising a.
상기 처리/연산은,
입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석 등에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과,
분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고,
처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치 등 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.
15. The method of claim 14,
The processing/operation is
Establishment of storage processing system for input data (separate storage in units of year, month, day, hour, and minute) The process of receiving raw data in text form, normalizing it, and preprocessing it so that it can be used in calculations, analysis, etc. ,
The process of saving the file in csv format for analysis and saving it as rdbms that can be used in the web or other programs is performed,
A monitoring system, characterized in that after the processing process is performed, statistical calculations such as 5 minute units, 10 minute units, 1 hour units average, maximum value, minimum value, etc. are performed, and then the calculation process is performed to store the statistics in each statistical location.
상기 분석은,
처리/연산을 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압 등과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.
15. The method of claim 14,
The analysis is
Monitoring characterized in that it analyzes the predictive degree of a similar environment based on the correlation analysis graph for each classification of pentane gas such as temperature, humidity, atmospheric pressure, etc. through the correlation analysis function between each data that has been processed/calculated and the data accumulated by multiple correlation analysis system.
상기 저장은
센서 및 온도, 습도, 기압 등의 데이터가 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 특정 기간(예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를 특정한 시간의 간격(예. 1분, 5분, 30분 간격 등)을 두고 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 set를 구성한 후 파일(Pile)의 형태로 저장(또는 적재(matrix로 분리, 적재되어 cube 형태의 3 dimensional 데이터로 reshape됨))하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.15. The method of claim 14,
the storage is
Since sensor and data such as temperature, humidity, and barometric pressure have properties of time series data whose values change depending on the surrounding environment over time, data for a specific period (e.g., 30 minutes, 1 hour, 5 hours) is specified. While windowing at intervals of time (e.g., 1 minute, 5 minute, 30 minute interval, etc.), a data set that can be trained by the model is constructed and saved in the form of a file (or loaded as a matrix). A monitoring system characterized in that it is separated and loaded and reshaped into cube-shaped 3 dimensional data)).
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2021
- 2021-01-22 KR KR1020210009231A patent/KR102598339B1/en active IP Right Grant
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR102598339B1 (en) | 2023-11-06 |
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