KR20230096713A - 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법 - Google Patents

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KR20230096713A
KR20230096713A KR1020210186484A KR20210186484A KR20230096713A KR 20230096713 A KR20230096713 A KR 20230096713A KR 1020210186484 A KR1020210186484 A KR 1020210186484A KR 20210186484 A KR20210186484 A KR 20210186484A KR 20230096713 A KR20230096713 A KR 20230096713A
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이순재
김재현
곽호연
김주희
배민서
곽은지
김민경
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치는, 시험용 가스 센서에 의해 측정되는 가스를 수용하는 가스 챔버부, 상기 가스 챔버부의 일측에 연통되게 연결되고 설정 농도의 표준 가스 또는 상기 표준 가스를 함유하지 않는 배경 가스 중 적어도 하나를 선택적으로 공급하는 가스 공급부, 상기 가스 챔버부의 타측에 연통되게 연결되고 상기 가스 챔버부에 수용된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부, 및 상기 가스 챔버부에 설치된 상기 시험용 가스 센서의 측정 결과를 분석하여 상기 시험용 가스 센서의 성능을 검정 및 교정하는 센서 교정부를 포함할 수 있다.

Description

시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법 {CALIBRATION APPARATUS AND CALIBRATION METHOD FOR TESTING GAS SENSOR}
본 발명은 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 시험용 가스 센서의 측정 성능을 정확하게 검정한 후 측정 성능의 오차를 효율적으로 교정할 수 있고, 특히 저농도 구간에서 시험용 가스 센서의 측정 신뢰도를 확보할 수 있는 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 저농도 기체에 해당하는 대기, 공기, 실내 공기, 가스 등의 농도를 모니터링하기 위해 사용되는 가스 센서는 농도가 알려진 표준 가스의 농도 측정값을 이용하여 검정 및 교정 작업을 실시하고 있다.
그런데, 저농도 기체에 대한 가스 센서의 측정값이 측정 구간에 따라 비선형적 특성을 나타낼 수 있으므로, 하나의 지점에서 이루어진 교정(calibration) 결과를 통해서 저농도 구간 전체에 대한 측정 신뢰도를 확보하는 것은 현실적으로 매우 어려운 실정이다.
또한, 다수의 가스 센서를 서로 다른 위치에서 교정하는 경우에는, 가스 센서의 농도 측정 위치에 따른 가스 농도의 차이로 인하여 가스 센서들 간의 측정 신뢰도에 문제를 초래하고, 가스 센서들 간의 정밀도 차이를 고려한 검정 및 교정 작업에 어려움이 있다.
한편, 대기 농도 수준의 저농도로 형성된 표준 가스를 제조하는 것은 매우 어려운 실정이다. 특히, 최근 국내에서는 1 μmol/mol 수준의 표준 가스에 대한 제조가 완료된 것으로 보고되고 있지만, 대기 농도 수준의 저농도 표준 가스는 아직까지 부재한 상황으로 파악되고 있다.
저농도의 표준 가스는 제조가 어려워 가스 센서의 검정에 사용되기 어렵기 때문에, 저농도 범위의 가스에 대한 센서의 성능 검정을 위하여 기존의 표준 가스를 원하는 수준의 농도로 희석하는 장치가 별도로 사용되고 있다.
따라서, 가스 센서를 저농도 구간에서 정밀하게 검정한 후 측정 성능의 오차를 원활하게 교정하여 가스 센서의 측정 신뢰도를 확보하기 위한 기술 개발의 필요성이 증가되고 있다. 관련 선행기술문헌으로는 한국등록특허 제10-1984671호 (발명의 명칭: 가스 검지기의 센서의 출력 특성을 자동으로 교정하는 방법, 등록일: 2019.05.27), 및 한국공개특허 제10-2010-0024674호 (발명의 명칭: 가스측정기 멀티 교정시스템, 공개일: 2010.03.08)가 있다.
한국등록특허 제10-1984671호 (2019.05.27 등록) 한국공개특허 제10-2010-0024674호 (2010.03.08 공개)
본 발명의 실시예는, 저농도 구간과 고농도 구간에서 시험용 가스 센서의 측정 성능을 정확하게 검정하여 측정 성능의 오차를 효율적으로 교정할 수 있고, 대기 농도 수준의 가스에 대한 시험용 가스 센서의 측정 신뢰도를 확보할 수 있는 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 복수개의 시험용 가스 센서를 동시에 검정 및 교정하여 시험용 가스 센서들의 교정 효율을 극대화시킬 수 있고, 시험용 가스 센서들로 공급되는 가스를 교반 혼합하여 시험용 가스 센서들의 검정 작업을 균일한 농도의 환경에서 안정적으로 실시할 수 있는 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 기존에 사용되는 표준 가스를 단계적으로 유입 및 희석하는 방법으로 대기 농도 수준의 저농도 가스를 간편하게 형성하여 저농도 구간에 대한 시험용 가스 센서의 검정 및 교정을 원활하게 실시할 수 있는 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 시험용 가스 센서에 의해 측정되는 가스를 수용하는 가스 챔버부, 상기 가스 챔버부의 일측에 연통되게 연결되고 설정 농도의 표준 가스 또는 상기 표준 가스를 함유하지 않는 배경 가스 중 적어도 하나를 선택적으로 공급하는 가스 공급부, 상기 가스 챔버부의 타측에 연통되게 연결되고 상기 가스 챔버부에 수용된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부, 및 상기 가스 챔버부에 설치된 상기 시험용 가스 센서의 측정 결과를 분석하여 상기 시험용 가스 센서의 성능을 검정 및 교정하는 센서 교정부를 포함하는 시험용 가스 센서의 교정 장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 센서 교정부는, 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 미리 설정된 제1 농도에 도달되면 상기 시험용 가스 센서의 제1 측정값을 획득할 수 있고, 상기 가스 공급부에 의해 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 상기 제1 농도보다 증가 또는 감소되면 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 미리 설정된 측정 간격에 따라 획득할 수 있다.
상기 측정 간격은, 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가 또는 감소시키는 반감기마다 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하도록 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 공급부는, 상기 표준 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 증가 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 높은 고농도로 형성할 수 있고, 상기 배경 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 감소 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 낮은 저농도로 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 챔버부는, 상기 시험용 가스 센서에 의해 측정되는 가스를 수용하는 가스 챔버, 상기 가스 챔버의 일 부위에 관통되게 형성되고 상기 가스 공급부에서 공급되는 상기 표준 가스가 유입되는 표준가스 유입구, 상기 가스 챔버의 다른 부위에 관통되게 형성되고 상기 가스 공급부에서 공급되는 상기 배경 가스가 유입되는 배경가스 유입구, 상기 가스 챔버의 또 다른 부위에 관통되게 형성되고 상기 가스 챔버에서 배출되는 가스가 유출되는 가스 유출구, 및 상기 시험용 가스 센서를 착탈 가능하게 설치하도록 상기 가스 챔버에 마련된 센서 설치 포트를 포함할 수 있다.
상기 센서 설치 포트는, 복수개의 상기 시험용 가스 센서를 동시에 검정하여 교정하도록 상기 가스 챔버의 복수 위치에 각각 형성될 수 있다. 여기서, 상기 센서 설치 포트들 중 어느 하나에는, 상기 시험용 가스 센서들의 검정 및 교정에 활용되기 위한 기준 측정값을 제공하는 기준 가스 센서가 설치될 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 공급부는, 상기 표준 가스를 상기 표준가스 유입구로 공급하는 표준가스 챔버, 상기 표준 가스의 공급을 조절하도록 상기 표준가스 챔버와 상기 표준가스 유입구를 연결하는 경로에 배치되는 표준가스 유량제어기, 상기 배경 가스를 상기 배경가스 유입구로 공급하는 배경가스 챔버, 및 상기 배경 가스의 공급을 조절하도록 상기 배경가스 챔버와 상기 배경가스 유입구를 연결하는 경로에 배치되는 배경가스 유량제어기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 배출부는, 상기 가스 유출구를 통한 가스의 배출을 조절하도록 상기 가스 유출구에서 외부로 연장된 경로에 배치되는 배출가스 유량제어기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치는, 상기 가스 챔버부에 수용된 가스를 균일하게 혼합시키도록 상기 가스 챔버부의 내부에 마련된 가스 혼합부를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 혼합부는 상기 가스 챔버부의 내부를 강제로 대류시키기 위한 교반 팬을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 가스 공급부가 가스 챔버부에 배경 가스를 공급함과 아울러 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계, 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부에 상기 배경 가스 대신에 표준 가스를 공급함과 아울러 상기 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증가시키는 단계, 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 상기 표준 가스의 농도를 기준으로 1/2에 해당하는 제1 농도에 도달하면 상기 가스 공급부와 상기 가스 배출부의 작동을 중단시킨 후 센서 교정부가 상기 가스 챔버부에 설치된 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계, 및 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부에 상기 표준 가스 또는 상기 배경 가스를 공급함과 아울러 상기 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계, 상기 센서 교정부가 미리 설정된 측정 간격에 따라 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계, 및 상기 센서 교정부가 상기 시험용 가스 센서의 측정 결과를 분석하여 상기 시험용 가스 센서의 성능을 검정 및 교정하는 단계를 포함하는 시험용 가스 센서의 교정 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계에서는, 상기 가스 공급부가 상기 표준 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 증가 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 높은 고농도로 형성할 수 있고, 상기 배경 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 감소 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 낮은 저농도로 형성할 수 있다.
이때, 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계에서는, 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가 또는 감소시키는 반감기에 대응되는 상기 측정 간격에 따라 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득할 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계에서는, 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 선형적으로 증감시키거나, 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 측정 간격에 따라 단계적으로 증감시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 방법은, 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계 이전에 실시하고 상기 가스 챔버부의 내부에 마련된 가스 혼합부를 작동시켜 상기 가스 챔버부의 가스를 균일하게 혼합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 방법은, 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계 및 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증가시키는 단계의 사이에 실시하고 상기 센서 교정부가 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하여 상기 시험용 가스 센서에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 저농도 구간과 고농도 구간에서 시험용 가스 센서의 측정 성능을 정확하게 검정하여 측정 성능의 오차를 효율적으로 교정할 수 있고, 대기 농도 수준의 가스에 대한 시험용 가스 센서의 측정 신뢰도를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 가스 공급부의 농도 증가 모드 및 농도 감소 모드를 통해 가스 챔버부에 수용된 가스 농도를 간편하게 단계적으로 증감시킬 경우, 센서 교정부가 시험용 가스 센서의 측정값을 측정 간격에 따라 획득함으로써 시험용 가스 센서의 측정값 및 가스 챔버부의 가스 농도 간의 정량적 관계를 도출할 수 있고, 이를 이용하여 시험용 가스 센서의 교정 작업이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 단수개의 가스 챔버부에 복수개의 센서 설치 포트를 마련하여 복수개의 시험용 가스 센서의 검정 및 교정을 동시에 수행하므로, 다수의 시험용 가스 센서를 단수개의 가스 챔버부에서 동시에 검정 및 교정할 수 있고, 시험용 가스 센서들의 측정값을 비교하여 시험용 가스 센서의 교정 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 가스 챔버부를 비반응성 재료로 형성한 구조이므로 가스 공급부에서 공급되는 표준 가스 또는 배경 가스 중 적어도 하나가 가스 챔버부에 일부 흡수되거나 가스 챔버부에 비정상적으로 반응하는 문제를 미연에 방지할 수 있고, 가스 챔버부에 표준 가스 또는 배경 가스를 공급함과 동시에 가스 혼합부가 가스 챔버부의 내부를 강제적으로 교반 혼합시키는 구조이므로 시험용 가스 센서들의 검정 작업 및 교정 작업을 동일한 가스 농도 환경에서 안정적으로 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 기존에 제조 가능한 표준 가스를 가스 챔버부에 유입시켜 가스 챔버부의 가스 농도를 단계적으로 증가시키거나 표준 가스가 유입된 가스 챔버부에 배경 가스를 유입 희석시켜 가스 챔버부의 가스 농도를 단계적으로 감소시키므로, 가스 챔버부의 가스 농도를 표준 가스 이하로 간단하게 만들 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 가스 챔버부의 가스 농도를 대기 농도 수준의 저농도로 간단하고 정확하게 형성할 수 있으므로, 표준 가스를 대기 농도 수준의 저농도로 만들기 위한 별도의 외부 장치를 추가적으로 사용할 필요성이 없고, 그에 따라 교정 장치의 제조 비용을 대폭 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치 및 교정 방법은, 가스 챔버부의 가스 농도가 제1 농도에 도달될 때까지 표준 가스를 가스 챔버부에 유입시킨 후 배경 가스를 가스 챔버부에 유입 희석시키므로, 가스 챔버부의 가스 농도를 기존에 사용되는 표준 가스보다 현저하게 낮은 저농도로 간편하게 만들 수 있고, 그로 인하여 가스 챔버부의 가스 농도를 대기 농도 수준으로 단계적으로 감소시키면서 시험용 가스 센서의 측정 성능을 저농도 구간에서 간편하게 검정 및 교정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치를 나타낸 작동 상태도이다.
도 5는 도 3에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치에서 시험용 가스 센서들의 측정값에 대한 예시를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 2 내지 도 4에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치를 이용한 교정 방법에서 가스 챔버부의 가스 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6에 도시된 가스 챔버부의 가스 농도 변화에 따른 시험용 가스 센서의 측정 방식을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치에 대한 변형 예가 도시된 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)를 나타낸 작동 상태도이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)에 대한 변형 예가 도시된 도면이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)는, 가스 챔버부(110), 가스 공급부(120), 가스 배출부(130), 센서 교정부(140) 및 가스 혼합부(150)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)는, 대기 농도 수준 이하의 저농도 가스를 측정하기 위한 시험용 가스 센서(10)를 검정 및 교정하기 위한 장치이다. 상기와 같은 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)는, 복수개의 시험용 가스 센서(10)를 단수개의 가스 챔버부(110)에 설치하여 시험용 가스 센서(10)들의 검증과 교정을 동시에 실시하되, 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 가스 농도(Ct)의 변화에 따라 단계적으로 획득 및 분석하여 시험용 가스 센서(10)들의 측정 오차를 정확하게 보정할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)에서는, 가스 공급부(120)가 공급하는 표준 가스(Cstd) 및 배경 가스(Cbk)에 의해서 가스 챔버부(110)에 수용되는 가스 농도(Ct)가 다양하게 변경될 수 있다. 여기서, 표준 가스(Cstd)는 미리 설정된 농도로 제조되는 가스로써 시험용 가스 센서(10)에 의해 농도가 측정될 수 있다. 그리고, 배경 가스(Cbk)는 표준 가스(Cstd)를 포함하지 않게 제조되는 가스로써 시험용 가스 센서(10)의 검정 및 교정시 표준 가스(Cstd)를 희석하기 위해 사용될 수 있다.
상기와 같은 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)는, 배경 가스(Cbk)로 표준 가스(Cstd)를 희석하여 표준 가스 이하의 저농도 가스를 대기 농도 수준으로 만들 수 있고, 해당 저농도 가스를 측정한 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 이용하여 대기 농도 수준의 저농도 구간에서 시험용 가스 센서(10)의 측정 성능을 정확하게 검정하고 측정 오차를 보정할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 표준 가스(Cstd)와 배경 가스(Cbk)의 혼합 비율에 따라 선형적으로 변화시킬 수 있고, 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 미리 설정된 측정 간격으로 복수개를 획득하여 시험용 가스 센서(10)들의 검정과 교정을 위한 다양한 시계열 데이터를 활용할 수 있다.
도 1 내지 도 4, 도 8을 참조하면, 본 실시예의 가스 챔버부(110)는, 시험용 가스 센서(10)에 의해 측정되는 가스를 수용하는 장치이다. 가스 챔버부(110)의 일측에는 유입구(112, 113)가 연통되게 마련되어 가스 공급부(120)에서 공급되는 표준 가스(Cstd) 및 배경 가스(Cbk)가 유입될 수 있고, 가스 챔버부(110)의 타측에는 유출구(114)가 연통되게 마련되어 가스 배출부(130)로 배출되는 배출 가스(Gex)가 유출될 수 있다.
예를 들면, 가스 챔버부(110)는 가스 챔버(111), 표준가스 유입구(112), 배경가스 유입구(113), 가스 유출구(114) 및 센서 설치 포트(115)를 포함할 수 있다.
여기서, 가스 챔버(111)는 시험용 가스 센서(10)에 의해 측정되는 가스를 수용하도록 내부가 중공된 박스 형상으로 마련될 수 있다. 상기와 같은 가스 챔버(111)는 표준 가스(Cstd)나 배경 가스(Cbk)와 반응하지 않는 비반응성 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 가스 공급부(120)가 가스 챔버(111)의 내부에 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk)를 공급한 경우, 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk) 중 적어도 하나가 가스 챔버(111)에 일부 흡수되거나 가스 챔버(111)와의 접촉시 화학 반응에 따라 성분이 변화되는 문제가 미연에 방지될 수 있다.
그리고, 표준가스 유입구(112)는 가스 챔버(111)의 일 부위에 관통되게 형성될 수 있다. 표준가스 유입구(112)는 가스 공급부(120)에서 공급되는 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)의 내부로 유입시킬 수 있다.
또한, 배경가스 유입구(113)는 가스 챔버(111)의 다른 부위에 관통되게 형성될 수 있다. 배경가스 유입구(113)는 가스 공급부(120)에서 공급되는 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)의 내부로 유입시킬 수 있다.
또한, 가스 유출구(114)는 가스 챔버(111)의 또 다른 부위에 관통되게 형성될 수 있다. 가스 유출구(114)는 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 외부로 유출시킬 수 있다.
상기와 같은 표준가스 유입구(112)와 배경가스 유입구(113) 및 가스 유출구(114)는 가스 챔버(111)의 다양한 부위에 배치할 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는 가스의 유출입 효율 및 가스 혼합부(150)와 센서 설치 포트(115)의 위치를 고려하여 표준가스 유입구(112)와 배경가스 유입구(113) 및 가스 유출구(114)가 가스 챔버(111)의 상부에 배치하는 것으로 설명한다.
또한, 센서 설치 포트(115)는 시험용 가스 센서(10)를 착탈 가능하게 설치하는 구조로 형성될 수 있다. 센서 설치 포트(115)는 가스 챔버(111)의 복수 위치에 각각 마련될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 센서 설치 포트(115)가 가스 챔버(111)의 하부 측면에 복수개가 배치되는 것으로 설명한다.
일례로, 센서 설치 포트(115)는 가스 챔버(111)의 하부 측면에 둘레를 따라 복수개가 1열로 이격되게 배치될 수 있다. 따라서, 복수개의 시험용 가스 센서(10)는 단수개의 가스 챔버(111)에 마련된 센서 설치 포트(115)들에 모두 설치될 수 있고, 그로 인하여 한 번의 검정 작업 및 교정 작업에 의해 동시에 측정 성능의 검정 및 교정이 진행될 수 있다.
시험용 가스 센서(10)는 센서 설치 포트(115)에 관통되게 삽입 고정되는 구조로 설치될 수 있다. 즉, 시험용 가스 센서(10)의 일단부는 센서 설치 포트(115)에 삽입 관통되어 가스 챔버(111)의 내부에 위치될 수 있고, 시험용 가스 센서(10)의 타단부는 센서 설치 포트(115)에 삽입되지 않아 가스 챔버(111)의 외부에 위치될 수 있다. 이때, 센서 설치 포트(115)들과 가스 챔버(111) 사이에는, 센서 설치 포트(115)들의 설치 위치에서 가스의 누출을 방지하는 포트 실링부재(116)가 배치될 수 있다.
한편, 도 8에는 가스 챔버부(110')의 센서 설치 포트(115)를 배치하는 패턴을 변화시킨 본 실시예의 변형 예가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 가스 챔버부(110')의 센서 설치 포트(115)는 가스 챔버(111)의 하부 측면에 둘레를 따라 복수개가 2열로 이격되게 배치될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 센서 설치 포트(115)는 가스 챔버(111)에 3열 이상의 열로 배치되거나 가스 챔버(111)의 상부 또는 바닥면에 배치될 수도 있다.
상기와 같은 센서 설치 포트(115)들 중 적어도 하나에는 시험용 가스 센서(10)들의 검정 및 교정에 활용되기 위한 기준 측정값을 제공하는 기준 가스 센서(20)가 설치될 수 있다. 기준 가스 센서(20)는 센서의 측정 성능에 대한 검정과 교정이 완료된 센서에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서는 기준 가스 센서(20)의 기준 측정값을 시험용 가스 센서(10)들의 측정값과 함께 획득한 후 해당 측정값들을 기준 측정값에 비교하여 측정 성능의 검정 및 오차 보정을 실시할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 가스 공급부(120)는, 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk) 중 적어도 하나를 가스 챔버(111)에 선택적으로 공급하는 장치이다. 상기와 같은 가스 공급부(120)는 호스 또는 파이프 등으로 마련된 가스 라인(123, 127)을 통해 가스 챔버(111)의 상부에 연통되게 연결될 수 있다.
가스 공급부(120)는, 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)의 내부에 공급하는 표준가스 공급부(120a), 및 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)의 내부에 공급하는 배경가스 공급부(120b)로 제공될 수 있다. 이때, 가스 공급부(120)는, 표준가스 공급부(120a)에 의해 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 공급하는 농도 증가 모드 및 배경가스 공급부(120b)에 의해 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)에 공급하는 농도 감소 모드 중 어느 하나의 모드로 작동될 수 있다.
본 실시예의 가스 공급부(120)는 농도 증가 모드와 농도 감소 모드로 적절하게 작동하여 가스 챔버(111)에 수용된 가스 농도(Ct)를 제1 농도(C1)로 설정할 수 있다. 상기와 같은 제1 농도(C1)는 표준 가스(Cstd)의 농도에 대해 1/2에 해당하는 농도이다. 그런 다음에, 본 실시예의 가스 공급부(120)는, 농도 증가 모드를 통해 가스 챔버(111)에 수용된 가스 농도(Ct)를 제1 농도(C1)보다 높은 고농도로 점차 증가시키거나, 농도 감소 모드를 통해 가스 챔버(111)에 수용된 가스 농도(Ct)를 제1 농도(C1)보다 낮은 저농도로 점차 감소시킬 수 있다.
일례로, 표준가스 공급부(120a)는, 표준 가스(Cstd)를 표준가스 유입구(112)로 공급하는 표준가스 챔버(122), 표준가스 챔버(122)에서 표준가스 유입구(112)로 표준 가스(Cstd)를 안내하는 표준가스 라인(123), 및 표준 가스(Cstd)의 공급을 조절하도록 표준가스 챔버(122)와 표준가스 유입구(112)에 연결된 표준가스 라인(123)에 배치되는 표준가스 유량제어기(124)를 포함할 수 있다.
또한, 배경가스 공급부(120b)는, 배경 가스(Cbk)를 배경가스 유입구(113)로 공급하는 배경가스 챔버(126), 배경가스 챔버(126)에서 배경가스 유입구(113)로 배경 가스(Cbk)를 안내하는 배경가스 라인(127), 및 배경 가스(Cbk)의 공급을 조절하도록 배경가스 챔버(126)와 배경가스 유입구(113)에 연결된 배경가스 라인(127)에 배치되는 배경가스 유량제어기(128)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 가스 배출부(130)는, 가스 챔버부(110)에 수용된 가스를 외부로 배출하는 장치이다. 상기와 같은 가스 배출부(130)는 호스 또는 파이프 등으로 마련된 가스 라인(134)을 통해 가스 챔버(111)의 상부에 연통되게 연결될 수 있다. 이때, 가스 배출부(130)를 통해 배출되는 배출 가스(Cex)는, 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 공급하기 이전에 가스 챔버(111)로 공급된 배경 가스(Cbk)이거나, 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 공급한 이후에 배경 가스(Cbk)를 희석시킨 혼합 가스이다.
일례로, 가스 배출부(130)는, 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 가스 유출구(114)에서 외부로 안내하는 배출가스 라인(132), 및 가스 유출구(114)를 통한 배출 가스(Cex)의 배출을 조절하도록 가스 유출구(114)에 연결된 배출가스 라인(132)에 배치되는 배출가스 유량제어기(134)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4, 도 7을 참조하면, 본 실시예의 센서 교정부(140)는 가스 챔버부(110)에 설치된 시험용 가스 센서(10)들의 측정 결과를 분석하여 시험용 가스 센서(10)들의 측정 성능을 검정 및 교정하는 장치이다. 따라서, 센서 교정부(140)는 시험용 가스 센서(10)의 측정 결과를 실시간으로 전달 받도록 시험용 가스 센서(10)들에 유선 또는 무선 중 어느 한 방식으로 신호 전달 가능하게 연결될 수 있다.
예를 들면, 센서 교정부(140)는, 가스 공급부(120)에 의해 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 미리 설정된 제1 농도(C1)에 도달되면 시험용 가스 센서(10)들의 제1 측정값을 획득할 수 있다. 그런 다음에, 센서 교정부(140)는, 가스 공급부(120)에 의해 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)보다 증가 또는 감소되면 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 미리 설정된 측정 간격에 따라 획득할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시험용 가스 센서(10)들의 측정 간격은, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가시키거나 감소시키는 반감기마다 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 획득하도록 설정될 수 있다.
구체적으로, 도 7의 고농도 구간에서는, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 표준 가스(Cstd)의 1/2 농도에 대응하는 제1 농도(C1)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제1 측정값을 획득할 수 있고, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에서 제1 농도(C1)의 1/2 농도만큼 증가된 제2 농도(C2)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제2 측정값을 획득할 수 있으며, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제2 농도(C2)에서 제2 농도(C2)의 1/2 농도만큼 증가된 제3 농도(C3)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제3 측정값을 획득할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 증가시키면서 센서 교정부(140)가 반감기마다 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 연속적으로 획득할 수 있다.
반면에, 도 7의 저농도 구간에서는, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 표준 가스(Cstd)의 1/2 농도에 대응하는 제1 농도(C1)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제1 측정값을 획득할 수 있고, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에서 제1 농도(C1)의 1/2 농도만큼 감소된 제2 농도(C2)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제2 측정값을 획득할 수 있으며, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제2 농도(C2)에서 제2 농도(C2)의 1/2 농도만큼 감소된 제3 농도(C3)에 도달될 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)들의 제3 측정값을 획득할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 감소시키면서 센서 교정부(140)가 반감기마다 시험용 가스 센서(10)들의 측정값을 연속적으로 획득할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 가스 혼합부(150)는 가스 챔버부(110)의 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 균일하게 혼합시키는 장치이다. 가스 혼합부(150)는 가스 챔버(111)의 내부에 강제적으로 교반하는 구조로 마련될 수 있다. 따라서, 가스 챔버(111)의 가스 농도는 가스 혼합부(150)에 의해 신속하게 혼합되면서 가스 챔버(111)의 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
예를 들면, 가스 혼합부(150)는 교반 팬(152) 및 팬 구동부(154)를 포함할 수 있다.
교반 팬(152)은 가스 챔버(111)의 내부에 배치되되, 가스 챔버(111)의 상부에 회전 가능하게 마련될 수 있다. 상기와 같은 교반 팬(152)은 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk)의 공급시 가스 챔버(111)의 내부를 교반시켜 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 강제로 대류시킬 수 있다.
팬 구동부(154)는 교반 팬(152)의 회전력을 제공하도록 교반 팬(152)의 회전축에 연결될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 팬 구동부(154)가 가스 챔버(111)의 상부 외측면에 설치된 것으로 설명하지만, 이에 한정된 것은 아니며 가스 챔버(111)의 상부 내측면에 설치되거나 또는 별도의 동력 전달 부재를 이용하여 가스 챔버(111)의 상부를 제외한 다른 부위에 설치되는 것도 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)을 이용하여 시험용 가스 센서의 교정 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 도 3에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)에서 시험용 가스 센서(10)들의 측정값에 대한 예시를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 2 내지 도 4에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)를 이용한 교정 방법에서 가스 챔버부(110)의 가스 농도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7은 도 6에 도시된 가스 챔버부(110)의 가스 농도 변화에 따른 시험용 가스 센서(10)의 측정 방식을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 방법은, 가스 공급부(120)가 가스 챔버부(110)에 배경 가스(Cbk)를 공급함과 아울러 가스 배출부(130)가 가스 챔버부(110)의 가스를 배출함으로써 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 설정하는 단계(도 2와 도 3 및 도 5 참조), 가스 공급부(120)가 가스 챔버부(110)에 배경 가스(Cbk) 대신에 표준 가스(Cstd)를 공급함과 아울러 가스 배출부(130)가 가스 챔버부(110)의 가스를 배출함으로써 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증가시키는 단계(도 4와 도 6 및 도 7 참조), 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)가 표준 가스(Cstd)의 농도를 기준으로 1/2에 해당하는 제1 농도(C1)에 도달하면 가스 공급부(120)와 가스 배출부(130)의 작동을 중단시킨 후 센서 교정부(140)가 가스 챔버부(110)에 설치된 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계(도 4와 도 6 및 도 7 참조), 및 가스 공급부(120)가 가스 챔버부(110)에 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk)를 공급함과 아울러 가스 배출부(130)가 가스 챔버부(110)의 가스를 배출함으로써 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계(도 4와 도 6 및 도 7 참조), 센서 교정부(140)가 미리 설정된 측정 간격에 따라 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계(도 6 및 도 7 참조), 및 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)의 측정 결과를 분석하여 시험용 가스 센서(10)의 성능을 검정 및 교정하는 단계를 포함한다.
도 2와 도 3 및 도 5를 참조하면, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 설정하는 단계에서는, 배경가스 공급부(120b)가 가스 챔버부(110)의 가스 챔버(111)에 배경 가스(Cbk)를 공급한다.
상기와 같은 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 설정하는 단계는, 시험용 가스 센서(10)의 검정과 교정을 수행하기 위한 초기 단계 및 준비 단계에 해당한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배경가스 공급부(120b)와 표준가스 공급부(120a)는 배경 가스(Cbk) 또는 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버부(110)의 가스 챔버(111)에 공급하지 않고, 가스 배출부(130)는 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 외부로 배출하지 않는다. 도 2의 초기 단계에서는 가스 챔버(111)의 초기 가스 농도(Co)가 대기 농도(Catm)와 같아진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배경가스 공급부(120b)는 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버부(110)의 가스 챔버(111)에 공급함과 아울러 가스 배출부(130)는 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 외부로 배출한다. 도 3의 준비 단계에서는 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)에 공급하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도에 근접하게 만든다.
구체적으로, 아래의 수학식 1과 같이 일정 부피(V)를 갖는 가스 챔버(111)에 수용된 가스 농도(Ct)는 시간(t)에 따라 감소하여 배경 가스(Cbk)의 농도에 근접한다. 참고로, Q는 배경가스 공급부(120b)에서 가스 챔버(111)에 공급되는 배경 가스(Cbk)의 공급량이다.
Figure pat00001
아래의 수학식 2와 같은 반감기(t1/2)의 10배 시간 동안에 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)의 내부에 충분히 퍼징(purging)함으로써 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 초기 가스 농도(Ct)에서 대기 농도(Catm)의 1/1000 이하로 희석한다.
Figure pat00002
도 4와 도 6 및 도 7를 참조하면, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증가시키는 단계에서는, 배경가스 공급부(120b)의 작동을 정지시키고, 표준가스 공급부(120a)를 작동시켜 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 공급하며, 가스 배출부(130)는 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 외부로 배출한다.
상기와 같은 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증가시키는 단계는, 시험용 가스 센서(10)의 검정과 교정을 수행하기 위한 운영 단계에 해당한다.
한편, 배경가스 공급부(120b)의 작동을 중단한 상태에서 표준가스 공급부(120a)에 의해 표준 가스(Cstd)가 가스 챔버(111)에 공급되면, 아래의 수학식 3과 같이 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)는 시간(t)에 따라 증가하고, 결국에는 표준 가스(Cstd)의 농도에 근접한다. 상기와 같은 수학식 3을 이용하면, 가스 챔버(111)의 이론적인 가스 농도(Ct)를 시간(t)에 따라 도출할 수 있다.
Figure pat00003
도 4와 도 6 및 도 7를 참조하면, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달하면 센서 교정부(140)가 가스 챔버부(110)에 설치된 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계에서는, 가스 챔버(111)의 제1 농도(C1)에서 측정되는 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득한다.
상기와 같은 제1 농도(C1)에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계도, 이전 단계와 마찬가지로 시험용 가스 센서(10)의 검정과 교정을 수행하기 위한 운영 단계에 해당한다.
즉, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증가시키는 단계에서는 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 표준 가스(Cstd)의 농도에 근접하는 방향으로 증가시키지만, 제1 농도(C1)에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계에서는 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달할 때 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)의 제1 측정값을 획득한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 수학식 3에 의해 도출된 가스 챔버(111)의 이론적인 가스 농도(Ct)가 표준 가스(Cstd)의 1/2 농도에 해당하는 제1 농도(C1)에 도달하면, 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)의 제1 측정값을 획득한다.
상기와 같은 가스 챔버(111)의 제1 농도(C1)는, 시험용 가스 센서(10)가 측정하고자 하는 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 저농도 구간과 고농도 구간으로 구분하는 기준 농도로 사용한다. 즉, 제1 농도(C1)를 기준으로 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 증가시키거나 감소시키면서 시험용 가스 센서(10)의 검정 작업과 교정 작업을 수행한다.
도 4와 도 6 및 도 7를 참조하면, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계에서는, 표준가스 공급부(120a)가 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 공급하는 농도 증가 모드 및 배경가스 공급부(120b)가 배경 가스(Cbk)를 가스 챔버(111)에 공급하는 농도 감소 모드 중 어느 하나의 모드로 가스 공급부(120)를 작동한다.
상기와 같은 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계도, 이전 단계와 마찬가지로 시험용 가스 센서(10)의 검정과 교정을 수행하기 위한 운영 단계에 해당한다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계에서는, 이전 단계에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달하면 가스 공급부(120)를 농도 증가 모드로 작동시켜 제1 농도(C1)보다 높은 고농도 구간에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 표준 가스(Cstd)의 농도로 근접시키거나, 또는 이전 단계에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달하면 가스 공급부(120)를 농도 감소 모드로 작동시켜 제1 농도(C1)보다 낮은 저농도 구간에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 근접시킨다.
즉, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계에서는, 표준 가스(Cstd) 또는 배경 가스(Cbk)의 공급을 조절함에 따라 제1 농도(C1)를 기준으로 고농도 구간 또는 저농도 구간에 대한 센서의 교정 작업을 선택적으로 모두 실시할 수 있다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 전술한 수학식 3에 따라 이론적으로 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)는 초기 가스 농도(Co)에서 점차 증가하여 표준 가스(Cstd)의 농도에 곡선 형상으로 근접한다. 상기와 같이 가스 챔버(111)에 표준 가스(Cstd)를 연속적으로 주입하면, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 시간이 지남에 따라 증가하여 이론적으로 표준 가스(Cstd)의 농도에 도달하는 것이 일반적이다.
하지만, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달되면, 배기가스 공급부(120)의 작동을 중단한 상태에서 표준가스 공급부(120a)의 작동과 정지를 반복적으로 실시하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 측정 간격에 따라 단계적으로 증가시킨다. 고농도 구역의 교정 작업은, 반감기 동안에 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 주입하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달하면, 표준가스 공급부(120a)와 가스 배출부(130)의 작동을 소정 시간동안 중단하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 일정하게 유지하고, 그 상태에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 확인한다. 그런 다음에, 표준가스 공급부(120a)와 가스 배출부(130)를 다시 작동시켜 다시 반감기 동안에 표준 가스(Cstd)를 주입하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제2 농도(C2)로 증가하면, 표준가스 공급부(120a)와 가스 배출부(130)의 작동을 소정 시간동안 중단하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 일정하게 유지하고, 그 상태에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 확인한다. 이런 과정을 반감기 동안에 반복함으로써, 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 가스 농도(Ct)의 증가에 따라 다수 획득하여 고농도 구역에 대한 시험용 가스 센서(10)의 교정을 위한 데이터를 구축한다.
또한, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달되면, 표준가스 공급부(120a)의 작동을 중단한 상태에서 배기가스 공급부(120)의 작동과 정지를 반복적으로 실시하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 측정 간격에 따라 단계적으로 감소시킨다. 저농도 구역의 교정 작업은, 반감기 동안에 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버(111)에 주입하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달하면, 표준가스 공급부(120a)와 가스 배출부(130)의 작동을 소정 시간동안 중단하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 일정하게 유지하고, 그 상태에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 확인한다. 그런 다음에, 배기가스 공급부(120)와 가스 배출부(130)를 작동시켜 반감기 동안에 배경 가스(Cbk)를 주입하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제2 농도(C2)로 감소하면, 배경가스 공급부(120b)와 가스 배출부(130)의 작동을 소정 시간동안 중단하여 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 일정하게 유지하고, 그 상태에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 확인한다. 이런 과정을 반감기 동안에 반복함으로써, 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 가스 농도(Ct)의 감소에 따라 다수 획득하여 저농도 구역에 대한 시험용 가스 센서(10)의 교정을 위한 데이터를 구축한다.
참고로, 본 실시예에서는 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증감시키는 단계에서 가스 공급부(120)가 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 반감기에 대응하는 측정 간격에 따라 계단 형상으로 증감시키는 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 가스 공급부(120)가 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 반감기에 대응하는 측정 간격에 따라 선 형상으로 증감시킬 수도 있다. 즉, 표준가스 공급부(120a)는, 표준 가스(Cstd)를 연속 주입(continuous injection) 방식으로 가스 챔버(111)에 주입하거나, 표준 가스(Cstd)를 계단(step wise) 방식으로 가스 챔버(111)에 주입될 수 있다.
도 6 및 도 7를 참조하면, 측정 간격에 따라 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계에서는, 표준 가스(Cstd)의 농도에 대한 반감기에 해당하는 측정 간격에 따라 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 다수 획득할 수 있다.
즉, 가스 공급부(120)는 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가시키거나 감소시키는 반감기 방식로 표준 가스(Cstd)와 배경 가스(Cbk)를 공급한다.
상기와 같은 측정 간격에 따라 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하는 단계도, 이전 단계와 마찬가지로 시험용 가스 센서(10)의 검정과 교정을 수행하기 위한 운영 단계에 해당한다.
여기서, 센서 교정부(140)는, 이전 단계에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달한 상태에서 가스 공급부(120)를 농도 증가 모드로 작동시켜 제1 농도(C1)보다 높은 고농도 구간에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 측정 간격마다 획득한다.
또한, 센서 교정부(140)는, 이전 단계에서 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)가 제1 농도(C1)에 도달한 상태에서 가스 공급부(120)를 농도 감소 모드로 작동시켜 제1 농도(C1)보다 낮은 저농도 구간에서 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 측정 간격마다 획득한다.
도 8을 참조하면, 시험용 가스 센서(10)의 성능을 검정 및 교정하는 단계에서는, 전술한 수학식 3으로부터 도출된 시간(t)에 따른 이론적인 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 앞서 측정된 시험용 가스 센서(10)의 측정값들과 비교하여 시험용 가스 센서(10)의 측정 성능을 검정하고, 시험용 가스 센서(10)의 성능 오차를 적절하게 보정하여 시험용 가스 센서(10)의 측정 성능을 교정한다.
이하에서는, 도 8에 도시된 시험용 가스 센서의 교정 장치(100)를 기준으로 계단 주입 방식과 연속 주입 방식의 교정 절차를 구체적으로 설명한다.
여기서, 계단 주입 방식에 대한 교정 절차를 구체적으로 설명하면, 첫 번째 단계의 목표 농도(예컨대 제1 농도)를 설정하고, 가스 챔버(111) 내의 공기교환율(AER, air exchange rates)을 일정하게 유지하면 가스 챔버(111)에 대한 표준 가스(Cstd)의 농도를 첫 번째 목표농도로 조성하며, 기준 가스 센서(20)를 통해 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 측정하고, 검정 및 교정하고자 하는 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 기준 가스 센서(20)의 측정값에 맞춰 교정하며, 다음 단계의 목표 농도를 설정한 후 앞서의 과정을 반복한다. 특히, 교정(calibration)하고자 하는 측정값의 측정 포인트 수에 따라 목표 농도를 설정하는 과정을 반복한다.
그리고, 연속 주입 방식에 대한 교정 절차를 구체적으로 설명하면, 목표농도 설정하고, 표준 가스(Cstd) 및 배경 가스(Cbk)의 유량을 설정하여 가스 챔버(111)의 내부로 연속 주입하며, 가스 챔버(111)에 설치된 기준 가스 센서(20)를 통해 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 시간(t)에 따른 시계열 기준곡선으로 도출하고, 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 시계열 기준곡선에 맞춰서 교정한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 방법은, 가스 챔버부(110)의 내부에 마련된 가스 혼합부(150)를 작동시켜 가스 챔버부(110)의 가스를 균일하게 혼합시키는 단계(도 2와 도 3 참조)를 더 포함할 수 있다.
가스 챔버부(110)의 가스를 균일하게 혼합시키는 단계(도 2와 도 3 참조)는, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 설정하는 단계 이전에 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 가스 혼합부(150)는 가스 공급부(120)에서 공급되는 배경 가스(Cbk) 또는 표준 가스(Cstd)를 가스 챔버부(110)의 내부에서 잘 섞어줄 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시험용 가스 센서의 교정 방법은, 센서 교정부(140)가 시험용 가스 센서(10)의 측정값을 획득하여 시험용 가스 센서(10)에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계(도 2와 도 5 참조)를 더 포함할 수 있다.
시험용 가스 센서(10)에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계(도 2와 도 5 참조)는, 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 설정하는 단계 및 가스 챔버부(110)의 가스 농도(Ct)를 증가시키는 단계의 사이에 실시하는 것이 바람직하다.
즉, 시험용 가스 센서(10)에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계(도 2와 도 5 참조)는 시험용 가스 센서(10)의 검정 및 교정을 위한 준비 단계에 해당하며, 센서의 감지 범위를 확인하기 위한 단계이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시험용 가스 센서(10)에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계(도 2와 도 5 참조)에서는, 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)를 배경 가스(Cbk)의 농도로 만든 상태에서 시험용 가스 센서(10)의 이론적 측정값 및 실제 측정갑을 비교하여 시험용 가스 센서(10)의 감지 범위를 확인할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 전술한 수학식 1에 따라 이론적으로 가스 챔버(111)의 가스 농도(Ct)는 대기 농도(Catm)로부터 점차 감소하여 배경 가스(Cbk)의 농도 에 근접한다.
하지만, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 시험용 가스 센서(10)들에는 센서 성능에 따라 저농도 구간에서 가스 챔버(111)에 수용된 가스를 감지하지 못할 수 있다. 상기와 같이 저농도 구간에서 가스를 감지하지 못하는 시험용 가스 센서(10)는, 저농도 구간에 대한 측정 한계(low detect limit)를 가진 것으로 판단하되, 센서 불량 또는 교정 불가로 판정하여 검정 작업과 교정 작업에서 제외시키는 것도 가능하다.
또한, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 시험용 가스 센서(10)들에는 일정 수준의 가스 농도(Cso)에 대한 신호가 지속적으로 발생할 수도 있다. 상기와 같이 일정 수준의 가스 농도(Cso)에 대한 신호가 지속적으로 발생하면, 해당 시험용 가스 센서(10)의 측정값에서 일정 수준의 가스 농도(Cso)를 차감시키는 오차 보정을 통하여 도 5의 (a)에 도시된 이론적 모델의 측정값에 근사시키는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 시험용 가스 센서의 교정 장치
110: 가스 챔버부
111: 가스 챔버
115: 센서 설치 포트
120: 가스 공급부
120a: 표준가스 공급부
120b: 배경가스 공급부
130: 가스 배출부
140: 센서 교정부
150: 가스 혼합부
10: 시험용 가스 센서
20: 기준 가스 센서
Cstd: 표준 가스
Cbk: 배경 가스
Ct: 가스 챔버의 가스 농도

Claims (15)

  1. 가스, 대기, 공기 등의 모니터링에 사용되는 시험용 가스 센서에 의해 측정되는 가스를 수용하는 가스 챔버부;
    상기 가스 챔버부의 일측에 연통되게 연결되고, 설정 농도의 표준 가스 또는 상기 표준 가스를 함유하지 않는 배경 가스 중 적어도 하나를 선택적으로 공급하는 가스 공급부;
    상기 가스 챔버부의 타측에 연통되게 연결되고, 상기 가스 챔버부에 수용된 가스를 외부로 배출하는 가스 배출부; 및
    상기 가스 챔버부에 설치된 상기 시험용 가스 센서의 측정 결과를 분석하여 상기 시험용 가스 센서의 성능을 검정 및 교정하는 센서 교정부;
    를 포함하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 교정부는,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도가 미리 설정된 제1 농도에 도달되면 상기 시험용 가스 센서의 제1 측정값을 획득하고,
    상기 가스 공급부에 의해 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 상기 제1 농도보다 증가 또는 감소되면 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 미리 설정된 측정 간격에 따라 획득하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 간격은,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도가 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가 또는 감소시키는 반감기마다 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급부는,
    상기 표준 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 증가 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 높은 고농도로 형성하고,
    상기 배경 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 감소 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 낮은 저농도로 형성하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 챔버부는,
    상기 시험용 가스 센서에 의해 측정되는 가스를 수용하는 가스 챔버;
    상기 가스 챔버의 일 부위에 관통되게 형성되고, 상기 가스 공급부에서 공급되는 상기 표준 가스가 유입되는 표준가스 유입구;
    상기 가스 챔버의 다른 부위에 관통되게 형성되고, 상기 가스 공급부에서 공급되는 상기 배경 가스가 유입되는 배경가스 유입구;
    상기 가스 챔버의 또 다른 부위에 관통되게 형성되고, 상기 가스 챔버에서 배출되는 가스가 유출되는 가스 유출구; 및
    상기 시험용 가스 센서를 착탈 가능하게 설치하도록 상기 가스 챔버에 마련된 센서 설치 포트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서 설치 포트는,
    복수개의 상기 시험용 가스 센서를 동시에 검정하여 교정하도록 상기 가스 챔버의 복수 위치에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서 설치 포트들 중 어느 하나에는,
    상기 시험용 가스 센서들의 검정 및 교정에 활용되기 위한 기준 측정값을 제공하는 기준 가스 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 가스 공급부는,
    상기 표준 가스를 상기 표준가스 유입구로 공급하는 표준가스 챔버;
    상기 표준 가스의 공급을 조절하도록 상기 표준가스 챔버와 상기 표준가스 유입구를 연결하는 경로에 배치되는 표준가스 유량제어기;
    상기 배경 가스를 상기 배경가스 유입구로 공급하는 배경가스 챔버; 및
    상기 배경 가스의 공급을 조절하도록 상기 배경가스 챔버와 상기 배경가스 유입구를 연결하는 경로에 배치되는 배경가스 유량제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 가스 배출부는,
    상기 가스 유출구를 통한 가스의 배출을 조절하도록 상기 가스 유출구에서 외부로 연장된 경로에 배치되는 배출가스 유량제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 챔버부에 수용된 가스를 균일하게 혼합시키도록 상기 가스 챔버부의 내부에 마련된 가스 혼합부;를 더 포함하고,
    상기 가스 혼합부는 상기 가스 챔버부의 내부를 강제로 대류시키기 위한 교반 팬을 구비한 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 장치.
  11. 가스 공급부가 가스 챔버부에 배경 가스를 공급함과 아울러 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계;
    상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부에 상기 배경 가스 대신에 표준 가스를 공급함과 아울러 상기 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증가시키는 단계;
    상기 가스 챔버부의 가스 농도가 상기 표준 가스의 농도를 기준으로 1/2에 해당하는 제1 농도에 도달하면, 상기 가스 공급부와 상기 가스 배출부의 작동을 중단시킨 후 센서 교정부가 상기 가스 챔버부에 설치된 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계; 및
    상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부에 상기 표준 가스 또는 상기 배경 가스를 공급함과 아울러 상기 가스 배출부가 상기 가스 챔버부의 가스를 배출함으로써 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계;
    상기 센서 교정부가 미리 설정된 측정 간격에 따라 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계; 및
    상기 센서 교정부가 상기 시험용 가스 센서의 측정 결과를 분석하여 상기 시험용 가스 센서의 성능을 검정 및 교정하는 단계;
    를 포함하는 시험용 가스 센서의 교정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계에서는, 상기 가스 공급부가 상기 표준 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 증가 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 높은 고농도로 형성하고, 상기 배경 가스를 상기 가스 챔버부에 공급하는 농도 감소 모드를 통해 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 제1 농도보다 낮은 저농도로 형성하며,
    상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 단계에서는, 상기 가스 챔버부의 가스 농도가 이전의 측정 시점보다 1/2의 비율로 증가 또는 감소시키는 반감기에 대응되는 상기 측정 간격에 따라 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증감시키는 단계에서는, 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 선형적으로 증감시키거나, 상기 가스 공급부가 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 측정 간격에 따라 단계적으로 증감시키는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계 이전에 실시하고, 상기 가스 챔버부의 내부에 마련된 가스 혼합부를 작동시켜 상기 가스 챔버부의 가스를 균일하게 혼합시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 가스 챔버부의 가스 농도를 상기 배경 가스의 농도로 설정하는 단계 및 상기 가스 챔버부의 가스 농도를 증가시키는 단계의 사이에 실시하고, 상기 센서 교정부가 상기 시험용 가스 센서의 측정값을 획득하여 상기 시험용 가스 센서에 대한 저농도 구간의 측정 오차를 교정하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 가스 센서의 교정 방법.
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