KR20230168915A - 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치 및 수소가스 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 수소가스 센서 장치는, 온도를 측정하는 온도 센서; 습도를 측정하는 습도 센서; 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서; 상기 습도 센서를 가열할 수 있는 히터; 상기 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 센서의 측정값과 상기 습도 센서의 측정값에 따른 보정을 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 보정 연산부; 상기 습도 센서의 피독 가능성이 존재하면, 상기 히터를 가동시키는 히터 제어부; 및 상기 히터가 가동되는 동안 추정된 이슬점 값과 온도 센서 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 이슬점 연계 습도 계산부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 히터기능 습도 센서를 구비하며, 피독 열화 회복을 위해 히터가 인가되는 동안에도 수소농도 감지가 가능한 수소가스 센서 장치 및 수소가스 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석연료의 전망은 밝지 않다. 최근에는 중국, 인도와 같은 신규 거대 에너지 소비국의 등장으로 매장량에 기반한 사용 기한이 짧아질거라 예상된다. 이에 화석연료를 수소에너지로 대체하려는 연구가 세계적으로 이루어지고 있다.
이에 따른 에너지 수급 문제에 대한 각종 대체 에너지의 저장 매체로서 각광 받고 있는 것이 수소에너지이다.
수소는 청정 에너지원으로서 세계적으로 연구가 이루어지고 있고, 현재 연료전지, 내연기관 등 여러분야에서 활용되고 있으며, 수년 내로 연료전지 자동차, 발전동력 등의 분야에서 소비가 확대될 것으로 예상된다.
그러나, 수소는 인화점이 높고, 일정 농도 이상이 되면 폭발하는 성질이 있어 이를 다루는 과정에서 수소의 누설 여부를 감지할 수 있는 수소센서의 필요성이 중요시되고 있다.
한편, 화학물질 및/또는 방사성 생성물의 저장 시설, 지열 드릴링(geothermal drilling), 창고 부지 및 공업 탱크와 같은 시설은 저장된 제품에 관련된 수소 방출의 위험성에 놓일 수 있으며, 이러한 수소 방출은 폭발성이고, 인간에게 해로운 어떤 환경에 놓일 수 있다. 상술한 분야에서 위험성을 제어하고, 발생가능한 어떠한 수소 방출을 예방적으로 검출할 필요성도 존재한다.
특히, 수소에너지 사용분야로서 가장 광범위할 것을 예상되는 연료전기 전기자동차(FCEV)의 경우 에너지 효율 및 안정성을 높이기 위해서는 연료전지 스택에 장착된 수소센서에 크게 의존한다.
이에 따라 수소가스의 누출을 검사하는 수소 센서로서, 예컨대, 백금, 팔라듐과 같은 금속에 수소가 흡착되어 금속의 전기 전도도가 변화하는 것을 이용한 전기적 방법을 이용한 센서, 산화물 반도체형과 가스 MOSFET 등을 이용한 전기 화학적인 방법을 이용한 센서, 빛을 이용하여 수소 누출을 감지하는 광학적인 방법을 이용한 센서 등이 개발되어 있다.
이중, 가격대비 효율, 즉, 경제성이 우수한 열전도방식의 수소감지센서의 경우 대기중의 온도/습도 값에 따라서 대기 중 수소농도에 의한 열전도값이 달라지는 영향을 받게되는 바, 대기 온도/상대습도에 대한 열전도값을 보상하여 수소농도를 판별하는 방식으로 적용된다.
상기 열전도방식의 수소감지센서의 보상을 위해 적용되는 Automotive 상대습도 센서의 경우, 감습제를 적용한 방식이 일반적이며, 감습제를 사용하는 경우, 장기간 사용함에 따른 내구열화가 발생하게 되어 상대습도 측정에 영향을 주게 된다. 또한, VOC 등에 의해 감습제가 피독될 경우, 상대습도센서가 피독열화가 발생하게 될 수 있다.
특히, 자동차용 수소가스센서는 특정장착환경에서는 불가피하게 다량의 VOC가 포집이 되는 밀폐된 공간에 위치하게 되는데, 이때 종래의 습도 센서는 VOC에 피독이 발생하여 상대습도를 정확하게 측정할 수 없게된다.
VOC 피독된 습도 센서는 습도센서에 히터기능을 추가하게되면 다시 정상적으로 회복이 가능하다. 그래서 최근 히터기능이 포함된 습도 센서가 출시되고 있다. 다만 히터기능을 이용해서 VOC피독을 회복시키려면 최소 수초간, 길면 몇분동안 해당 장착위치의 수소농도 감지가 불가능하므로, 평소 사용영역에서 히트 기능을 지속적으로 사용할 수는 없다.
이에 히터기능의 습도 센서를 구비하는 수소가스센서의 경우에도 수소농도 감지를 지속적으로 하기 위한 방안이 필요하다.
도 1은 열전도 방식 수소센서 장치의 원리를 나타낸 측면도이다.
상술한 현상을 보다 구체적으로 살펴보면, 열전도방식의 수소가스센서의 경우, 대기온도(T)/대기상대습도(%RH)를 측정해서 보상/보정을 진행해야 한다. 상대습도의 경우 일반적으로 감습제를 사용하게 되고, 내구열화/VOC 열화가 발생할 수 있다. 해당 열화가 발생하면 습도 센서(15)는 상대 습도를 대기(%RH)보다 더 높게 측정하게 되며(%RH + α), 이 값으로 수소 센서(20)의 수소농도를 보정하면 실제보다 수소농도를 낮은 값(%vol - β)으로 측정하게 된다.
이에 열화가 발생한 감습제를 회복하기 위해 히터가 내장된 상대습도 센서를 사용할 수 있지만, 내구열화는 히터로 회복이 불가하고, VOC 피독만 히터로 회복이 가능하기 때문에 내구열화/VOC피독을 구분하지 않는 경우, 비효율적이며 오히려 불필요한 히팅 시간만 허비하게 된다. 즉, 히터가 인가되는 동안 수소농도 감지가 불가하므로, 회복도 되지 않는 내구열화 조건에서 불필요하게 히터를 사용해서 수소농도를 측정하지 못하는 상황이 발생된다.
본 발명은 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치에 있어서, 피독된 상대 습도 센서 회복을 위해 히터가 인가되는 중에도 지속적으로 수소농도를 감지할 수 있는 수소가스 측정 방법 및 수소가스 센서 장치를 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 수소농도 감지를 평소 사용영역에서 히트기능을 지속적으로 수행하기 위해 상대습도값을 이슬점 수식을 통해 산출해서 적용하는 수소가스 측정 방법 및 수소가스 센서 장치를 제공하고자 한다
본 발명의 일 측면에 따른 수소가스 센서 장치는, 온도를 측정하는 온도 센서; 습도를 측정하는 습도 센서; 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서; 상기 습도 센서를 가열할 수 있는 히터; 상기 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 센서의 측정값과 상기 습도 센서의 측정값에 따른 보정을 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 보정 연산부; 상기 습도 센서의 피독 가능성이 존재하면, 상기 히터를 가동시키는 히터 제어부; 및 상기 히터가 가동되는 동안 추정된 이슬점 값과 온도 센서 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 이슬점 연계 습도 계산부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 히터 제어부는, 상기 습도 센서 및 상기 수소 센서에 전원이 인가된 후 최초의 수소가스 측정값과 소정 기준값을 비교하여, 상기 수소 농도의 최초 측정값이 상기 기준값 보다 높지 않으면, VOC 피독 가능성이 존재한다고 판단할 수 있다.
여기서, 상기 소정 기준값을 저장하거나, 습도, 온도 등 측정된 값들을 저장/수집하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이슬점 연계 습도 계산부는, 상기 히터의 가동전의 소정 시간 동안의 이슬점값들의 평균으로 상기 추정된 이슬점 값을 적용할 수 있다.
여기서, 상기 이슬점 연계 습도 계산부는, Magnus formula 또는 온도/상대습도/이슬점 상관관계 그래프를 이용하여 상기 추정된 이슬점 값으로부터 상대 습도값을 역산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 수소가스 측정 방법은, 온도 및 습도 보상을 적용하며 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치에서 수행되며, 습도 센서의 피독 여부를 판단하는 단계; 상기 습도 센서가 피독되었다고 판단되면, 상기 습도 센서를 히팅하는 단계; 상기 습도 센서에 대한 히팅 중에는, 추정된 이슬점 값과 온도 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 단계; 및 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 측정값과 역산출된 상기 상대 습도값에 따른 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 히팅 시간이 경과하면, 히팅된 습도 센서로 습도 측정을 수행하는 단계; 및 상기 온도 센서 및 수소 센서의 측정값들 및 습도 측정값으로부터 열전도 방식으로 최종 보정된 수소가스 측정값을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 도시한 구현의 경우, 습도 센서의 피독 여부를 판단 방안으로서, 상기 수소가스 센서 장치에 전원이 인가된 후, 최초의 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 습도 센서의 피독 여부를 판단하는 단계에서는, 전원이 인가된후 최초로 획득된 상기 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들로부터 도출된 최초의 수소가스 측정값과 소정 기준값을 비교하여 기준값보다 크면 피독으로 추정할 수 있다.
여기서, 상기 상대 습도값을 역산출하는 단계에서는, 상기 히터의 가동전의 소정 시간 동안의 이슬점값들의 평균으로 상기 추정된 이슬점 값을 적용할 수 있다.
여기서, 상기 역산출된 상기 상대 습도값에 따른 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 단계에서는, Magnus formula 또는 온도/상대습도/이슬점 상관관계 그래프를 이용하여 상기 추정된 이슬점 값으로부터 상대 습도값을 역산출할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치 및/또는 수소가스 측정 방법을 실시하면, 습도센서가 피독열화가 발생하여 히터가 기능을 하는 동안에도 수소가스를 지속적으로 누설감지가 가능한 이점이 있다.
도 1은 열전도 방식 수소 센서 장치의 원리를 나타낸 측면도.
도 2는 상대습도에 따른 수소가스의 열전도율을 나타낸 그래프.
도 3은 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서와 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서를 구비한 수소 센서 장치의 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 히터기능 습도 센서와 추가 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 5는 자동차 주행중 상대 습도 실측정값의 패턴을 나타낸 그래프.
도 6은 온도/상대습도/이슬점 상관관계를 나타낸 3D 그래프.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 수소가스 측정 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 2는 상대습도에 따른 수소가스의 열전도율을 나타낸 그래프.
도 3은 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서와 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서를 구비한 수소 센서 장치의 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 히터기능 습도 센서와 추가 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 5는 자동차 주행중 상대 습도 실측정값의 패턴을 나타낸 그래프.
도 6은 온도/상대습도/이슬점 상관관계를 나타낸 3D 그래프.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 수소가스 측정 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 열전도방식의 수소가스 센서 장치에서의 상대 습도 보상 방안을 제시하기에 앞서, 열전도방식 수소가스 센서의 동작 원리 및 습도 센서의 내구열화 및 이에 유발되는 문제들에 대하여 살펴보겠다.
도 2는 상대습도에 따른 수소 가스의 열전도율을 나타낸 그래프이다.
열전도방식의 수소가스 센서의 경우, 대기온도/대기상대습도를 측정해서 보상/보정을 진행해야한다. 상대습도의 경우 일반적으로 감습제를 사용하게 되고, 내구열화/VOC 열화가 발생할 수 있다.
열전도방식 수소가스 센서의 상대습도 보상을 위해 적용된 상대습도센서의 내구열화가 용이하게 발생한다. 일반적으로 감습제가 적용된 상대습도센서는 연 0.5%RH의 내구열화가 발생하게 되며, 최대 15년 사용기간 중 7.5%RH의 상대습도 편차를 발생시키게 된다.
또한, VOC(휘발성 유기 화합물)에 의해 감습제가 피독되는 경우에도 일반적으로 상대습도를 대기보다 더 높게 측정하게 된다.
도 2와 같이 대기중 온도가 높아질 경우 상대습도에 따른 가스의 열전도율이 달라지게 되므로, 실제 대기중의 상대습도값을 보상하여 열전도율을 보정해야, 정확한 가스농도 측정이 가능하다.
하지만, 실제 대기중의 상대습도보다 높게 측정하는 경우가 발생하게 되면 열전도율을 빼기 방향으로 잘못 보상을 하게 되어,실제보다 열전도율을 낮게 측정하게 되는 문제가 발생하고, 이는 수소가스 측정에 있어서도, 실제 대기중의 수소가스 농도보다 더 낮게 출력하게 되는 문제를 유발한다.
도 3은 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서와 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서를 구비한 수소 센서 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서(10)와 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서(20)를 구비한 수소 센서 장치의 구성을 도시한다. MCU(40)에 대하여 도시한 ① 과정에서는 상기 MCU(40)는 온습도 센서로부터 대기 온도/대기 상대습도 정보를 습득하고, ② 과정에서는 온도/습도값 보상이 수행되고, ③ 과정에서는 온도/습도값 보상된 수소농도가 출력될 수 있다. 예컨대, ② 과정에서는 수소 센서(20)가 전달받은 온도/대기 상대습도를 이용하여 열전도율을 보정하여 수소농도 측정값을 출력하게 된다. 수소 센서(20)는 수소누출을 감지하는 센서로 일반적인 사용조건에서는 수소가 0%인 환경에 노출되게 된다.
그런데, 습도 센서(20)에 VOC에 의한 피독이 발생하면, 대기중의 상대습도 대비하여 더 높게 오측정을 하게된다(예: 대기중 상대습도가 50%RH인데, 55%RH로 잘못측정).
만약 VOC 피독이 발생되지 않은 기준(레퍼런스) 상대습도 센서가 있다면 습도 센서(20)가 현재 피독이 되었음를 알수 있지만, 동일 장착위치에서는 습도 센서가 몇개가 있든 전부 피독이 발생하므로, 레퍼런스로서의 의의가 떨어지게 된다. 즉, 현실적으로 VOC 피독 상황에서는 기준 습도센서로서 사용할 수 없는 바, 습도센서가 VOC 피독이 발생했다고 판단할 수 있는 간접 확인 방법이 필요하다.
먼저 습도 센서의 VOC 피독을 판단할 수 있는 간접 근거는 다음과 같다.
열전도량의 경우 대기중의 온도/상대습도에 따라 편차가 발생하게 되고, 이에 온도습도 센서에서 온도와 상대습도를 측정해서 수소센서에서 측정된 열전도값을 보상하게 된다.
하지만 동일 수소농도(%vol) 상태에서 상대습도를 실제보다 높은 방향(원인 : 내구열화 or VOC 피독)으로 잘못 측정하게 되어, 수소센서에 다른 값을 보정을 시키면, 수소센서는 실제 농도보다 더 낮은 값으로 측정하게 된다.
그래서, 수소누출센서의 동작 특성상 대부분의 작동조건이 수소0%VOL인 환경임을 감안하면, 소정 기준 보다 수소센서 값이 저하되는 경우 습도센서가 열화되었다고 간접 판정 가능하다.
VOC 피독에 의해 습도센서 열화 발생시, 습도센서에 내장된 히터기능을 이용하여 피독열화를 회복시킬 수 있는데, 단 내구열화 발생은 회복이 불가능하다.
습도센서의 히터기능을 사용하는 중에는 수소농도를 측정할 수 없는 상황이므로, 히터기능을 주기적으로 사용하는 것은 수소누출감지를 할 수 없는 상황이 발생하므로, 단순하게 주기적으로 사용하는 것을 지양하고자 한다.
이에 본 발명에서는 수소농도 감지를 지속적으로 하기 위해 상대습도값을 이슬점 수식을 통해 산출해서 적용하는 방안을 제시한다.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 수소가스 센서 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4에 도시한 수소가스 센서 장치는, 온도를 측정하는 온도 센서(110); 습도를 측정하는 습도 센서(120); 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서(130); 상기 습도 센서를 가열할 수 있는 히터(140); 상기 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 센서의 측정값과 상기 습도 센서의 측정값에 따른 보정을 수행하여 '수소가스 측정값'을 산출하는 보정 연산부(162); 상기 습도 센서(120)의 피독 가능성이 존재하면, 상기 히터(140)를 가동시키는 히터 제어부(164); 및 상기 히터가 가동되는 동안 기 측정된 이슬점 값과 온도 센서 측정값을 이용하여 상대습도값을 역산출하는 이슬점 연계 습도 계산부(168)를 포함할 수 있다.
상기 히터 제어부(164)는, 다양한 방법으로 상기 습도 센서(120)의 피독 가능성을 판단할 수 있다. 예컨대, 상기 히터 제어부(164)는, 상기 습도 센서(120) 및 상기 수소 센서(130)에 전원이 인가된 후 최초의 '수소가스 측정값'과 소정 기준값을 비교하여, 상기 수소 농도의 최초 측정값이 상기 기준값 보다 높지 않으면, VOC 피독 가능성이 존재하는 것으로 보아, 상기 히터(140)를 가동시킬 수 있다.
구현에 따라, 상기 수소가스 센서 장치(100)는, 상기 소정 기준값을 저장하거나, 습도, 온도 등 측정된 값들을 저장/수집하는 EEPROM 등의 저장부(166)를 더 포함할 수 있다.
상기 보정 연산부(162)가 산출하는 '수소가스 측정값'은 최종 측정값으로 변환되어 출력부(190)를 통해 외부로 출력될 수 있다.
도시한 수소가스 센서 장치(100)의 경우, 상기 보정 연산부(162), 상기 저장부(166) 및 상기 히터 제어부(164), 상기 이슬점 연계 습도 계산부(168)는, 단일 MCU(160)의 내부 연산 모듈로서 구현되었다.
상기 저장부(166)는 EEPROM(도면에서는 MCU 내장 EEPROM으로 구현됨) 등 상기 단일 MCU(160) 내부 또는 외부의 메모리로 구현될 수 있다.
상기 이슬점 연계 습도 계산부(168)는 피독의 의심되는 상태에서도 기 수집된 온도값들에 기반하여 산출된 직전의 과거 이슬점값들 이용하여, 습도를 예측하여 산출할 수 있다. 이를 위해 상기 저장부(166)는 기 수집된 온도값들과 습도값들 또는 이슬점 값들 등을 저장할 수 있다.
상기 이슬점 연계 습도 계산부(168)가 상대습도값을 이슬점 수식을 통해 산출하는 원리는 다음과 같다.
도 5는 자동차 주행중 상대 습도 실측정값의 패턴을 나타낸 그래프이다.
VOC피독이 발생한 경우, 상대습도 센서의 히터를 켜서, 습도 센서의 감습제에 피독된 voc를 제거하는 기능이 작동되는데, 히터기능이 동작하는 동안 대기중의 온도/상대습도를 측정할 수가 없기때문에, 수소농도 측정을 할수 없는 상황이 발생한다.
온도/상대습도값을 알면 대기 중의 이슬점을 계산할 수 있다. 상대습도 센서의 히터가 기능을 하더라도 대기중의 절대습도량/이슬점은 변동되지 않는다.
센서의 히터 때문에 대기온도가 일시적 상승한다면, 이슬점은 고정된 상태에서 상대습도값이 작아지게 된다.
상대습도센서의 히터기능이 동작하는 동안에는, 온도습도센서가 동작할 수 없으므로, 이슬점 연계 습도 계산부(168)는, 기 측정된 이슬점 값과, 수소가스 센서 장치에 내장된 대기온도 센서를 이용하여 상대습도값을 역산출한다.
이 경우 상기 보정 연산부(162)가 역산출된 상대습도 값을 이용하여 수소가스 센서의 열전도량을 온도/습도 보정하게 되면, 상대습도 센서의 히터기능이 동작하는 도중에도 수소가스를 감지할 수 있다.
다만, 자동차 동작환경에서는 상대습도 값이 주기적으로 변동될 가능성이 있으므로, 이슬점은 과거 10분간의 데이터를 가지고 평균을 내서 적용한다. 즉, 도 5에서 이슬점은 과거 10분간의 데이터를 가지고 평균을 내서 적용할 것일 수 있다.
이슬점 계산 수식은 하기 수학식 1에 따른 Magnus formula를 이용할 수 있다.
-45℃에서 60℃까지의 범위에서, Magnus 파라미터로서, β는 17.62이다. 참고로 상기 수학식 1의 산출 과정에서 매개되는 다른 Magnus 파라미터들로서, α는 6.112hPa, γ는 234.12℃이다.
도 6은 온도/상대습도/이슬점 상관관계를 나타낸 3D 그래프이다.
온도/상대습도/이슬점 상관관계에 대한 다양한 선행기술들을 적용할 수 있다. 예컨대, 다음 문헌에 설명된 도 6의 상관관계를 적용할 수 있다. : [Hardy98] Hardy B. Thunder Scientific Corporation, Albuquerque,NM,USA
The proceedings of the Third international Symposium on Humidity & Moisture, Teddington, London, England, April 1998
또는, 수소가스 센서 장치가 사용되는 필드의 실제 환경에서, 누적되어 조사/측정된 온도/상대습도/이슬점 자료들로부터, 도 6과 유사한 형태의 온도/상대습도/이슬점 상관관계 그래프를 획득하여, 이를 이용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 수소가스 측정 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 수소가스 측정 방법은, 온도 및 습도 보상을 적용하며 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치에서의 수소가스 측정 방법으로서,
습도 센서의 피독 여부를 판단하는 단계(S130); 상기 습도 센서가 피독되었다고 판단되면, 상기 습도 센서를 히팅하는 단계(S140); 상기 습도 센서에 대한 히팅 중에는, 추정된 이슬점 값과 온도 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 단계(S150); 및 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 측정값과 역산출된 상기 상대 습도값에 따른 수행하여 '수소가스 측정값'을 산출하는 단계(S155)를 포함할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 히팅 시간이 경과하면(S160), 히팅된 습도 센서로 습도 측정을 수행하는 단계(S170); 상기 온도 센서 및 수소 센서의 측정값들 및 습도 측정값으로부터 열전도 방식으로 최종 보정된 '수소가스 측정값'을 도출하는 단계(S180)를 더 포함할 수 있다.
도시한 구현의 경우, 습도 센서의 피독 여부를 판단 방안으로서, 상기 수소가스 센서 장치에 전원이 인가된 후(S110), 최초의 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들을 획득하는 단계(S120); 획득된 상기 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들로부터 도출된 최초의 '수소가스 측정값'과 소정 기준값(β)을 비교하여 기준값보다 크면 피독되어 비정상적으로 큰 값을 나타낸다고 추정할 수 있다.
다른 구현에서는 별도의 화학 센서를 이용하여 습도 센서의 피독 여부를 직접 확인할 수도 있다.
상기 S120 단계에서 상기 최초의 수소가스 측정값이 마이너스값으로 도출됨에 따라, 도시한 S130 단계에서의 기준값(β)과의 비교가 수행된다.
구현에 따라, 상기 S130 단계의 비교 결과, 상기 최초의 수소가스 측정값이 상기 기준값(β)과 0% 사이에 존재하면, 정상적인 값으로 간주하여 그대로 '수소가스 측정값'으로서 도출하거나, 상기 최초의 '수소가스 측정값'을 0% 농도에서 존재하는 옵셋으로서 처리할 수 있다.
상기 S130 단계에서 상기 기준값(β)은 -0.01% ~ -2.0% 이내에서 선정될 수 있다.
상기 S140 단계에서 히팅 시간은 10분으로 설정하였지만, 다른 구현에서는 1분 ~ 60분 이내에서 결정된 시간으로 장착위치의 VOC 피독물질에 대한 영향성을 고려하여 선정가능하다.
도시한 S130 단계에서 습도 센서가 VOC 피독되어 히팅이 필요하다고 판단되면, 히터 인가 전 10분간 계산된 이슬점(Dew point) 값들의 평균(dew point) 값을 산출하고(S135), 상기 습도 센서 히팅을 위한 히터를 가동시킨다(S140).
상기 S150 단계에서는 측정된 대기 온도값 및 추정된 이슬점 값(이슬점 평균값)을 이용하여 상대습도값을 계산한다. 이를 위해 도시한 바와 같이 히터 인가를 위한 S140 단계 이전에 10분간 계산된 이슬점(Dew point) 값들의 평균(dew point) 값을 산출하고, 상기 습도 센서를 히팅할 수 있다.
히터가 가동 중인 도시한 S150 단계에서는, 수소가스 센서 장치의 수소 센서(130)에 내장된 대기 온도 센서로 대기중 온도값을 측정한다. 다른 구현에서는 습도 센서(120)쪽의 온도 센서(110)를 그대로 이용할 수 있다. 전자의 경우는 일반적으로 수소 센서 제품에 온도 센서가 내장되는 경우를 감안한 경우로 보다 정확하지만, 온도 센서가 내장된 수소 센서 제품이 아닌 경우에는 적용할 수 없다.
도시한 S180 단계에서는, 열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서를 적용하여, 상기 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 센서의 측정값과 상기 상기 S150 단계에서 측정된 습도 측정값에 따른 보정을 수행하여 '수소가스 측정값'을 산출할 수 있다.
도시한 S155 단계에서는, 상기 S180 단계와 거의 동일한 과정으로 보정을 수행하여 '수소가스 측정값'을 산출하되, 다만, 상기 S150 단계에서 역산출한 상대 습도값을 적용한다.
도시한 S180 단계 및 S155 단계에서는, 일반적인 열전도 방식 수소센서 장치로서 대기 온도값 및 상대 습도값을 이용하여 수소 센서의 열전도량을 보정하여, '수소가스 측정값'을 산출하되, 습도 센서에 히터가 인가되는 동안은 상기 이슬점 평균값을 이용하여 계산된 상대습도값으로 보정을 수행하고, 습도 센서의 히터가 꺼지면, 다시 정상적으로 온도/습도센서를 이용하여 일반적인 형태로 보정을 수행한다.
구체적인 수치로 예시하면, 히터인가 전 온도 30도 / 상대습도 60%RH -> DEW POINT 22 평균치 계산된 상황에서, 히터인가 후 대기중 온도 40도로 상승되며, 동일 DEW POINT 22 기준 상대습도는 35%RH로 계산되는 바, 이를 적용하여 수소가스센서의 열전도량을 40도/35%RH로 보정할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 수소가스 측정 방법은 주행 중 on/off가 잦은 차량에 사용되기 위한 것인 바, 도시한 피독 여부 판단 방법에 있어서 전원 ON(S110)은 차량의 운행 개시, 운전자의 의도적인 차량의 일시 정지, 에너지 절감 알고리즘(예: 스탑앤고) 등에 의한 경우를 모두 포함할 수 있다. 또한, 도시한 이슬점 값 추정 방법에 있어서 평균을 적용하는 경우는 차량 운행들간 등에 의해 OFF된 구간이 소정 기준 간격 보다 짧다면, 해당 OFF된 구간을 제외하고 평균을 구할 수 있다. 한편, 비운행 기간이 상당히 길어서 이전 운행시의 이슬점과의 유사성이 의심스러운 경우에는, 외부(기상 서버 등)로부터 이슬점값을 전송받거나, 날짜와 외기 온도로부터 이슬점값을 추정할 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 수소가스 센서 장치 110 : 온도 센서
120 : 습도 센서 130 : 수소 센서
140 : 히터 160 : MCU
162 : 보정 연산부 164 : 히터 제어부
166 : 저장부 168 : 이슬점 연계 습도 계산부
120 : 습도 센서 130 : 수소 센서
140 : 히터 160 : MCU
162 : 보정 연산부 164 : 히터 제어부
166 : 저장부 168 : 이슬점 연계 습도 계산부
Claims (11)
- 온도를 측정하는 온도 센서;
습도를 측정하는 습도 센서;
열전도방식으로 수소가스 농도를 측정하는 수소 센서;
상기 습도 센서를 가열할 수 있는 히터;
상기 수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 센서의 측정값과 상기 습도 센서의 측정값에 따른 보정을 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 보정 연산부;
상기 습도 센서의 피독 가능성이 존재하면, 상기 히터를 가동시키는 히터 제어부; 및
상기 히터가 가동되는 동안 추정된 이슬점 값과 온도 센서 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 이슬점 연계 습도 계산부
를 포함하는 수소가스 센서 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 히터 제어부는,
상기 습도 센서 및 상기 수소 센서에 전원이 인가된 후 최초의 수소가스 측정값과 소정 기준값을 비교하여, 상기 수소 농도의 최초 측정값이 상기 기준값 보다 높지 않으면, VOC 피독 가능성이 존재한다고 판단하는 수소가스 센서 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 소정 기준값을 저장하거나, 습도, 온도 등 측정된 값들을 저장/수집하는 저장부
를 더 포함하는 수소가스 센서 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이슬점 연계 습도 계산부는,
상기 히터의 가동전의 소정 시간 동안의 이슬점값들의 평균으로 상기 추정된 이슬점 값을 적용하는 수소가스 센서 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이슬점 연계 습도 계산부는,
Magnus formula 또는 온도/상대습도/이슬점 상관관계 그래프를 이용하여 상기 추정된 이슬점 값으로부터 상대 습도값을 역산출하는 수소가스 센서 장치.
- 온도 및 습도 보상을 적용하며 히터기능 습도 센서를 구비한 수소가스 센서 장치에서 수행되며,
습도 센서의 피독 여부를 판단하는 단계;
상기 습도 센서가 피독되었다고 판단되면, 상기 습도 센서를 히팅하는 단계;
상기 습도 센서에 대한 히팅 중에는, 추정된 이슬점 값과 온도 측정값을 이용하여 상대 습도값을 역산출하는 단계; 및
수소 센서의 측정값에 대하여 상기 온도 측정값과 역산출된 상기 상대 습도값에 따른 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 단계
를 포함하는 수소가스 측정 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 히팅 시간이 경과하면, 히팅된 습도 센서로 습도 측정을 수행하는 단계; 및
상기 온도 센서 및 수소 센서의 측정값들 및 습도 측정값으로부터 열전도 방식으로 최종 보정된 수소가스 측정값을 도출하는 단계
를 더 포함하는 수소가스 측정 방법.
- 제6항에 있어서,
도시한 구현의 경우, 습도 센서의 피독 여부를 판단 방안으로서,
상기 수소가스 센서 장치에 전원이 인가된 후, 최초의 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들을 획득하는 단계
를 더 포함하는 수소가스 측정 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 습도 센서의 피독 여부를 판단하는 단계에서는,
전원이 인가된후 최초로 획득된 상기 온도 센서, 습도 센서 및 수소 센서 측정값들로부터 도출된 최초의 수소가스 측정값과 소정 기준값을 비교하여 기준값보다 크면 피독으로 추정하는 수소가스 측정 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 상대 습도값을 역산출하는 단계에서는,
상기 히터의 가동전의 소정 시간 동안의 이슬점값들의 평균으로 상기 추정된 이슬점 값을 적용하는 수소가스 측정 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 역산출된 상기 상대 습도값에 따른 수행하여 수소가스 측정값을 산출하는 단계에서는,
Magnus formula 또는 온도/상대습도/이슬점 상관관계 그래프를 이용하여 상기 추정된 이슬점 값으로부터 상대 습도값을 역산출하는 수소가스 측정 방법.
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