WO2016093447A1

WO2016093447A1 - 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치

Info

Publication number: WO2016093447A1
Application number: PCT/KR2015/005414
Authority: WO
Inventors: 김현호; 이재용; 황병한
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN106716106B; CN106716106A; KR101646685B1; KR20160070474A

Abstract

본 발명은 여과지를 자동으로 교체하며 미세먼지 농도를 연속 측정하거나 또는 교정용 분동을 이용하여 자동으로 교정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 관한 것으로서, 여과지가 안착되는 복수개의 농도측정용 여과지 홀더(60) 및 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 분동용 여과지 홀더(60a)를 홀더 안착판(50)에 안착하고, 홀더 안착판(50)을 회동시켜 여과지 홀더(60, 60a)를 교체하며 진동관(10)의 자유단(11)에 장착한다.

Description

마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치

본 발명은 여과지를 자동으로 교체하며 미세먼지 농도를 연속 측정하거나 또는 교정용 분동을 이용하여 자동으로 교정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 관한 것이다.

대기중의 부유 먼지는 그 입경이 보통 0.1㎛ 내지 100㎛ 크기를 갖는 다분산 분포를 하고 있을 뿐만 아니라 다양한 종류의 화학적 조성을 갖는 미립자로서, 특히, 미세먼지의 경우에 인체에 직접 및 간접적으로 영향을 주고, 동식물 피해, 시정악화 등과 같은 피해를 주기도 하므로 대기화학분야에서 다양한 연구 대상이 되고 있으며, 이에, 미세먼지에 대해 대기환경기준항목을 설정하여 대기환경 개선을 위해 측정 조사하고 관리한다.

초기에는 TSP(total suspended particulate)를 관리 항목으로 도입하였으나, 보건학적 차원이 강조되면서 미세먼지, 즉, PM10(입경 10㎛ 이하)을 관리 항목으로 추가 도입하였고, 최근 인체에 미치는 영향이 더욱 큰 PM2.5(입경 2.5㎛ 이하)에 관한 관리의 중요성이 대두됨에 따라 PM10과 병행하여 PM2.5을 관리 항목으로 도입하였다. 나아가, PM1에 대한 관리 문제도 대두되고 있다.

이러한, PM10, PM2.5 또는 PN1의 미세먼지를 관리하기 위해서 미세먼지 측정장치가 사용된다.

미세먼지 측정 방법의 대표적인 예로서 여과지법, 베타선흡수법(Beta-ray Attenuation Method : BAM), 및 마이크로밸런스법(Tapered Element Oscillation Microbalance Mass Measurement Method : TEOM)이 있으며, 이들 방법 중에 마이크로밸런스법(TEOM)은 미세먼지 농도를 연속 자동적으로 측정할 수 있고 중량을 직접적인 방법으로 측정할 수 있는 유일한 방법이다.

도 1은 종래 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치의 예시도이다.

마이크로밸런스법(TEOM)은 미국 등록특허 4391338 및 일본 등록특허 제3354217호에 개시한 바와 같이 일반적으로 축방향의 직경이 상부로 갈수록 증가하는 테이퍼 형상을 가지며 하단을 고정 구속하는 고정단(12)으로 하고 상단을 자유단(11)으로 한 진동관(10)을 이용한다. 진동관(10)의 자유단(11)에는 여과지(70)를 안착한 여과지 홀더(60)가 장착되어서, 샘플라인(30)을 통해 공급받는 샘플 공기가 여과지(70)를 통과하며 여과된 후 진동관(10)의 자유단(11)을 통해 진동관(10)의 내부 중공(13)으로 배출되게 한다. 일반적으로, 진동관(10)의 내부중공은 흡기펌프에 연결된 벤트라인(40)에 연통되어서, 샘플공기의 공기 흐름을 발생시키다.

이에, 샘플 공기를 여과지(70)로 여과함에 따라 여과지(70)로 여과된 미세먼지가 증가하므로, 진동관(10)의 공명에 의한 고유 진동주파수가 미세먼지의 포집량 증가에 따른 질량 증가에 의해 점차 낮아지고, 고유 진동주파수와 질량 간의 상관관계로 미세먼지의 질량 변화량을 모니터링하여서 미세먼지의 포집 추이, 포집 누적량 및 대기중 미세먼지 농도를 측정할 수 있다.

또한, 진동관(10), 여과지 홀더(60), 여과지(70) 등의 구조적 및 재질적 특성에 따라 고유 진동주파수와 질량 간의 상관관계를 결정하는 계수의 값이 변동하므로, 분동으로 사용할 여과지 홀더를 진동관의 자유단에 장착한 후 고유 진동주파수를 측정하여 계수를 획득함으로써, 교정하였다.

하지만, 교정 또는 미세먼지 포집 측정을 위한 여과지 홀더는 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하여야함에 따라 그동안 개시된 미세먼지 측정장치는 수동으로 장착하도록 구성되었다.

이에, 교정의 오차가 심하여 국내에서는 현재 PM2.5 자동측정기를 형식인증에서 배재한 상황이다. 또한, 미세먼지가 여과지에 일정량 이상으로 쌓이면 미세먼지 측정 동작을 자동으로 멈추게 함에 따라 실제 운용에 있어서는 장치 운영 담당자가 일정시간마다 임의로 여과지를 수동 교체하게 하였으며, 이에, 연속 자동 측정의 불편함과 단일 여과지에 과량의 미세먼지 포집에 의한 측정 데이터의 신뢰성이 담보되지 않는 경우가 발생 할 수 있다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) US 4391338 A 1983.07.05.

(특허문헌 2) JP 3354217 B2 2002.09.27.

따라서, 본 발명은 분동용 여과지 홀더를 자동으로 장착하여 교정하고, 적절한 시점에 자동으로 여과지를 교체하며 미세먼지 농도를 연속 측정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 테이퍼 형상 중공 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하는 여과지 홀더(60)에 샘플라인(30)의 단부를 마주하게 하고, 샘플라인(30)을 통해 공급받는 샘플 공기를 여과지 홀더(60)의 여과지에 통과시켜 여과한 후 자유단(11)을 통해 진동관(10)의 내부 중공으로 배출되게 하며, 컨트롤러(200)에 의해 진동관(10)를 진동시킨 후 고유 진동주파수의 변동을 측정함으로써 여과지로 포집한 미세먼지의 질량을 측정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 있어서, 여과지가 안착되어 미세먼지를 포집하고 질량 측정하기 위한 농도측정용 여과지 홀더(60)와 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 분동용 여과지 홀더(60a)를 안착한 홀더 안착판(50); 및 컨트롤러(200)의 제어에 따라 홀더 안착판(50)을 움직여 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)으로 이동시킨 후 자유단(11)에 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하여 질량변환 계수를 교정하게 하고, 농도측정용 여과지 홀더(60)를 자유단(11)으로 이동시킨 후 자유단(11)에 장착하여 미세 먼지의 질량을 측정하게 하는 스텝모터(120);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 분동용 여과지 홀더(60a)에는 여과지가 안착되지 아니하고, 상기 컨트롤러(200)는 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)에 장착한 상태에서 측정한 고유 진동주파수와 농도측정용 여과지 홀더(60)를 자유단(11)에 장착한 상태에서 측정한 고유 진동주파수와 여과지의 질량으로부터 질량변환 계수를 획득함을 특징으로 한다.

상기 농도측정용 여과지 홀더(60)는 홀더 안착판(50)에 복수개로 안착되고, 상기 컨트롤러(200)는 스텝모터(120)를 제어하여 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60)를 순차적으로 자유단(11)에 장착함으로써, 미세 먼지의 질량 측정을 위한 여과지를 교체하며 미세먼지를 포집 및 질량 측정함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 테이퍼 형상 중공 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하는 여과지 홀더(60)에 샘플라인(30)의 단부를 마주하게 하고, 샘플라인(30)을 통해 공급받는 샘플 공기를 여과지 홀더(60)의 여과지에 통과시켜 여과한 후 자유단(11)을 통해 진동관(10)의 내부 중공으로 배출되게 하며, 컨트롤러(200)에 의해 진동관(10)를 진동시킨 후 고유 진동주파수의 변동을 측정함으로써 여과지로 포집한 미세먼지의 질량을 측정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 있어서, 여과지가 안착되어 미세먼지를 포집하고 질량 측정하기 위한 농도측정용 여과지 홀더(60)를 복수개로 안착한 홀더 안착판(50); 및 상기 컨트롤러(200)의 제어에 따라 홀더 안착판(50)을 움직여 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60)를 순차적으로 진동관(10)의 자유단(11)에 장착함으로써, 미세 먼지의 질량 측정을 위한 여과지를 교체하는 스텝모터(120);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 홀더 안착판(50)에 안착하는 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60) 중에 적어도 어느 하나는 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 분동용 여과지 홀더(60a)이고, 상기 컨트롤러(200)는 스텝모터(120)를 제어하여 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)으로 이동시킨 후 자유단(11)에 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하여 질량변환 계수를 교정하고, 이후, 여과지를 교체하며 미세먼지의 질량을 측정함을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러(200)는 미리 설정된 주기마다 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)에 장착하여 질량변환 계수를 교정함을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러(200)는 미세먼지의 질량이 미리 설정된 양을 초과하거나 또는 고유 진동주파수가 미리 설정된 값 미만으로 될 시에 여과지를 교체하도록 제어함을 특징으로 한다.

상기 진동관(10)은 서보모터(140)에 의해 상하로 이동가능한 상하이동블록(200)에 고정되고, 여과지 홀더는 여과지를 안착하는 상면의 중심을 관통하여 하부로 연장되는 중공의 슬리브(60)를 저면에 구비하여, 진동관(10)의 자유단(11)을 슬리브(60)에 삽입함으로서 여과지 홀더를 자유단(11)에 장착하게 하며, 상기 컨트롤러(200)는 서보모터(140) 및 스텝모터(120)를 제어하여 자유단(11)의 상부로 이동한 여과지 홀더를 슬리브(60)에 자유단(11)을 삽입하며 홀더 안착판(50)으로부터 들어올린 후, 미세먼지의 포집 또는 질량을 측정하고, 자유단(11)을 하강시켜 슬리브(60)로부터 빼냄으로써 여과지 홀더를 홀더 안착판(50)에 안착한 후 홀더 안착판(50)을 움직여 여과지를 교체함을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러(200)는 서보모터(140)를 제어하여 자유단(11)을 상승시킴으로써 여과지 홀더를 들어올려 샘플라인(30)의 단부를 여과지로 밀착하며 덮게 한 상태에서 샘플 공기를 여과지로 포집하고, 여과지 홀더를 샘플라인(30)의 단부와 홀더 안착판(50) 사이에 떠 있게 한 상태에서 고유 진동주파수의 측정에 의한 미세먼지의 질량을 측정함을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 복수의 여과지 홀더를 홀더 안착판에 안착하여, 진동관의 자유단에 장착하는 여과지 홀더를 교체 가능하게 함으로써, 여과지를 안착한 농도측정용 여과지 홀더를 수동으로 교체하지 아니하더라도 농도측정용 여과지 홀더를 순차적으로 이동 장착하여 연속 측정이 가능하고, 교정이 필요한 일정 기간마다 분동용 여과지 홀더를 이동 장착하여 자동으로 교정함으로써, 미세먼지 농도를 정확한 값으로 측정할 수 있다.

도 1은 종래 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치의 예시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치의 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치를 종방향으로 절단한 단면 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치를 횡방향으로 절단한 단면 사시도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치의 부분 분해 사시도.

도 6은 도 5에서 홀더 안착판(50)이 설치된 부위의 분리된 상태에서 여과지 홀더 및 여과지를 분리한 사시도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에서 여과지를 교체할 시의 종방향 절단 단면도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에서 여과지로 미세먼지를 포집할 시의 종방향 절단 단면도.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에서 여과지에 포집된 미세먼지의 질량 변화를 측정할 시의 종방향 절단 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2는 사시도이고, 도 3은 종방향으로 절단한 단면 사시도이고, 도 4는 횡방향으로 절단한 단면 사시도이고, 도 5는 부분 분해 사시도이고, 도 6은 도 5에서 홀더 안착판(50)이 설치된 부위의 분리된 상태에서 여과지 홀더 및 여과지를 분리한 사시도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치는 여과지 홀더(50)를 장착할 진동관(10), 진동관(10)의 고유 진동주파수를 측정하기 위한 진동주파수 측정수단(20), 샘플공기를 공급하는 샘플라인(30), 여과한 샘플공기를 배출하는 벤트라인(40), 및 복수의 여과지 홀더(60, 60a)를 안착한 홀더 안착판(50)을 받침대(100)에 설치하고, 컨트롤러(200)에 의해 제어되어 여과지 교체 동작, 미세먼지 포집동작, 미세먼지 질량 변화 측정동작 및 교정 동작을 자동으로 수행하게 구성된다.

이를 위해서 상기 받침대(100)는 지지블록(110), 가이드블록(130), 상하이동블록(150)을 포함하여 구성된다.

상기 상하이동블록(150)은 상부로 갈수록 직경이 감소하는 테이퍼 형상의 중공관으로 구성된 진동관(10)을 수직으로 세워 진동관(10)의 하부 고정단(12)을 상면에 고정한 블록이며, 진동관(10)의 내부 중공(13)을 벤트라인(40)과 연통시키는 내부 통로(151)를 구비한다. 여기서, 내부 통로(151)는 상기 벤트라인(40)에 이어진다.

상기 가이드블록(130)은 상기 상하이동블록(150)을 상하로 이동할 수 있게 가이드하며, 컨트롤러(200)에 의해 제어되는 서보모터(140)가 장착되어 있어서, 서보모터(140)에 의해 상하이동블록(150)을 상하로 이동시키게 한다.

상기 지지블록(110)은 진동주파수 측정수단(20), 샘플라인(30), 홀더 안착판(50) 및 홀더 안착판(50)에 움직임(본 발명의 구체적인 실시예에서 따르면 회전)을 가하는 스텝모터(120)을 장착하게 구성되고, 상하이동블록(150)의 상부에 배치되며, 샘플라인(50)의 단부, 즉, 샘플공기가 토출되는 단부를 진동관(10)의 자유단(11)과 연직방향으로 상호 마주하게 하고, 홀더 안착판(50)의 움직임(회전)에 의해서 홀더 안착판(50)에 안착한 복수의 여과지 홀더(60, 60a)를 진동관(10)의 자유단(11)과 샘플라인(30)의 단부 사이에 순차적으로 위치시킬 수 있게 한다.

구체적으로 살펴보면, 상기 지지블록(110)에는 하부에서 진동관(10)을 상부로 삽입하되 진동관(10)의 외주면과 간격을 갖게 하여 여유있게 진동관(10)을 삽입함으로써 진동관(10)의 상하이동 및 진동을 자유롭게 한 진동관 삽입구(113); 진동관 삽입구(113)의 연직방향 상부에 조성되되 진동관 삽입구(113)의 상부 끝단과의 사이에 여유공간을 갖게 조성되어 상부에서 샘플라인(30)을 삽입함에 따라 샘플라인(30)의 하단이 여유공간을 사이에 두고 진동관(10)의 자유단(11)과 마주하게 하는 샘플라인 삽입구(112); 여유공간보다는 낮은 높이에서 폭방향 양면에 조성하여 각각 진동관 삽입구(113)와 연통되게 한 진동소자 삽입구(114) 및 진동센서 삽입구(115); 및 홀더 안착판(50)에 안착한 적어도 1개의 여과지 홀더(60)를 샘플라인 삽입구(112)의 하단과 진동관 삽입구(113)의 상단 사이의 여유공간에 배치되도록 홀더 안착판(50)을 전면에서 삽입하게 하되 상하로 간격을 갖게 하여 홀더 안착판(50)을 여유있게 움직일 수 있게 하고(회전할 수 있게 하고) 홀더 안착판(50)의 움직임(회전)에 의해서 홀더 안착판(50)에 안착한 복수의 여과지 홀더(60, 60a)를 샘플라인 삽입구(112)의 하단과 진동관 삽입구(113)의 상단 사이의 여유공간에 순차적으로 배치되게 하는 안착판 삽입구(111);를 구비한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 여과지 홀더(60, 60a)는 여과지(70)를 삽입 안착하는 여과지 안착홈(62)을 상면에 구비하고, 저면에는 중공관 형상의 슬리브(61)를 구비하되, 여과지 안착홈(62)의 바닥 중심이 관통되어 슬리브(61)의 내부 중공에 연통되도록 구비한다. 여기서, 슬리브(61)는 진동관(10)의 자유단(11)이 삽입되는 곳이므로, 진동관(10)의 유리관으로 사용할 경우 삽입과정에서 파손의 우려가 있다. 이에, 슬리브(61)의 하부 내주면에는 삽입하는 자유단(11)의 외주면 감싸는 패드(11a)를 구비한다. 이러한 패드(11a)는 자유단(11)에 고정하여도 되며, 자유단(11)을 슬리브(61)에 삽입한 상태를 안정적으로 유지하는 역할도 한다.

그리고, 상기 홀더 안착판(50)은 상하로 개구되되 여과지 홀더(60, 60a)의 저면 테두리를 걸쳐지게 안착하는 단턱이 조성된 안착홀(51)을 상면 중심에서 등반경 위치에 방사상으로 복수개 구비한 원판형으로 형성된다. 여과지 홀더(60, 60a)를 각각의 안착홀(51)에 하나씩 안착하면, 각각의 여과지 홀더의 슬리브(61)는 안착홀(51)에 삽입되어 하부로 노출된다.

이와 같이 구성되는 홀더 안착판(50)은 진동관 삽입구(113) 및 샘플라인 삽입구(112)을 잇는 연직방향 선과 평행한 수직축을 중심축으로 하여 수평면상에 놓이고, 진동관 삽입구(113)과 샘플라인 삽입구(112) 사이의 여유공간에 어느 하나의 안착홀(51)이 있게 되도록 지지블록(110)에 장착되어서, 컨트롤러(200)에 의해 제어되어 인접 안착홀(51)이 이루는 중심각만큼 스텝모터(120)에 의해 회전할 때마다, 진동관 삽입구(113)과 샘플라인 삽입구(112) 사이의 여유공간, 즉, 진동관(10)의 자유단(11)과 샘플라인(30)의 하단 사이에 위치하는 안착홀(51)이 순차적으로 바뀌게 된다. 다시 말해서, 홀더 안착판(50)에 방사상으로 안착한 복수의 여과지 홀더(60, 60a)를 순차적으로 바꿔가며 진동관(10)의 자유단(11)과 샘플라인(30)의 하단 사이로 이동시키게 된다.

이러한 홀더 안착판(50)를 일부분 삽입하여 회전할 수 있게 하는 안착판 삽입구(111)는 홀더 안착판(50)의 두께보다 약간 큰 상하 높이를 갖는다.

홀더 안착판(50)에 안착되는 복수의 여과지 홀더(60, 60a)는 여과지(70)가 안착되어 미세먼지를 포집하고 농도 측정할 수 있게 하는 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60)와, 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 적어도 1개의 분동용 여과지 홀더(60a)로 구분된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 분동용 여과지 홀더(60a)에는 여과지(70)를 안착하지 아니하여서, 여과지가 안착된 농도측정용 여과지 홀더(60)보다 여과지(70)의 질량만큼 그 질량이 작으며, 이러한 질량 차이를 이용하여 후술하는 바와 같이 컨트롤러(200)에서 질량변환 계수를 획득한다.

그리고, 홀더 안착판(50) 및 샘플라인(30)을 지지블록(110)에 설치하고, 상하이동블록(150)의 상면에 입설식으로 고정한 진동관(10)의 상부를 진동관 삽입구(113)에 삽입함으로써, 샘플라인(30)의 하부 단부와 진동관(10)의 상부 자유단(11)이 상하 연직방향으로 마주하게 되고, 그 사이의 여유공간에는 홀더 안착판(50)의 회전에 의해 순차적으로 교체되는 여과지 홀더(60, 60a)가 배치된다.

또한, 샘플라인(30)의 하부 단부와 진동관(10)의 상부 자유단(11) 사이의 여유공간에 홀더 안착판(50)에 안착된 상태로 배치되는 여과지 홀더(60, 60a)는 상하이동블록(150)의 상하 이동에 따라 진동관(10)의 자유단(11)을 여과지 홀더(60, 60a)의 슬리브(61)에 삽입하여 홀더 안착판(50)으로부터 들어올림으로써 샘플라인(30)의 단부에 닿지 않을 정도로 떠 있는 상태로 할 수 있고, 여과지 홀더(60, 60a) 중에 여과지(70)가 안착된 농도측정용 여과지 홀더(60)의 경우 더욱 들어올려서 샘플라인(30)의 단부를 여과지(70)로 밀착하며 막듯이 덮게 할 수 있다. 또한, 여과지 홀더(60, 60a)는 진동관(10)을 하강시켜서 홀더 안착판(50)의 안착홀(51)에 안착되며 자유단(11)을 슬리브(61)로부터 빠지게 할 수 있다. 이때, 홀더 안착판(54)을 회전시키면 진동관(10)에 걸리지 아니하고 회전시킬 수 있다.

한편, 샘플라인 삽입구(112)에는 샘플라인(30)의 단부가 하단에 이를 때까지 샘플라인(30)을 삽입하여 고정하며, 하단에는 샘플라인(30)의 단부를 에워싸는 오링(116)이 구비된다. 이에, 여과지(70)로 샘플라인(30)의 단부를 막듯이 덮은 상태에서, 오링(116)이 여과지 홀더(60)의 테두리 또는 여과지(70)의 테두리에 밀착시키게 할 수 있으므로, 샘플라인(30)에서 여과지(70)를 통과하고 여과지 홀더(60)의 슬리브(61)를 통과하여 진동관(10)의 내부 중공에 이르는 샘플공기의 이동 경로를 실링(sealing)할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 진동주파수 측정수단(20)은 진동관(10)의 상부에 진동을 가하는 진동소자(21), 진동관(10)의 상부에서 진동소자(21)에 의해 진동이 가해지는 부위에 장착되어 진동소자(21)에 의한 진동을 받게 하는 진동추(22), 및 진동관(10)의 고유 진동주파수를 검출하는 진동센서(23)로 구성된다. 여기서, 진동소자(21) 및 진동센서(23)는 예를 들면 일본 등록특허 제3354217호에서 사용한 피에조 압전소자로 구성하여서, 진동센서(23)로 감지하는 주파수의 진동을 증폭하여 진동소자(21)로 진동관(10)에 가함으로써 공명에 의한 고유 진동주파수를 일으켜 그 고유 진동주파수를 검출할 수 있다.

이와 같이 구성되는 진동주파수 측정수단(20)에서 진동소자(21) 및 진동센서(23)는 진동소자 삽입구(114) 및 진동센서 삽입구(115)를 통해 폭방향 양측면에서 지지블록(110)을 관통하여서 단부를 진동관 삽입구(113)에 삽입한 진동관(10)을 사이에 두고 상호 마주하게 하고, 마주하는 부위의 진동관(10)에 진동추(22)를 고정함으로써 진동주파수 측정수단(20)으로 고유 진동주파수를 검출할 수 있다.

컨트롤러(200)는 케이블(210)에 의해서 진동소자(21), 진동센서(23), 스텝모터(120) 및 서보모터(140)와 전기신호적으로 연결되어 교정 동작, 미세먼지 포집동작, 미세먼지 질량 변화 측정동작 및 여과지 교체 동작을 수행하도록 제어한다. 이를 위해서, 컨트롤러(200)는 각 동작의 수행을 위한 프로그램에 따라 케이블(210)로 연결된 구성요소를 제어하는 마이컴을 구비하는 장치로 구성된다.

그리고, 컨트롤러(200)는 홀더 안착판(50)에서 농도측정용 여과지 홀더(60) 및 분동용 여과지 홀더(60a)의 안착 위치 정보가 설정되어 있고, 농도측정용 여과지 홀더(60)의 경우 순번에 따라 안착 위치 정보가 설정되어 있어서, 교정동작할 시에 분동용 여과지 홀더(60a)를 진동관(10)의 자유단(11)으로 이동시켜 자유단(11)에 장착한 후 상기 교정 동작을 수행할 수 있고, 농도측정용 여과지 홀더(60)를 순번에 따라 진동관(10)의 자유단(11)으로 이동시켜 자유단(11)에 장착한 상태에서 상기 미세먼지 포집동작 및 미세먼지 질량 변화 측정동작을 수행한 이후 여과지 교체 동작를 수행할 수 있다.

먼저, 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정은 테이퍼 소자의 질량이 테이퍼 소자의 고유 진동주파수(f)의 제곱에 반비례하는 원리를 이용한 것으로서, 이에 따르면, 여과지(70)에 포집되는 미세먼지의 질량 변화량(△m)은 다음의 수학식 1로 산출된다.

수학식 1

여기서, △m은 포집된 미세먼지의 질량 변화량이고, f₀는 △m의 질량 변화량이 발생하기 이전에 측정한 진동주파수이고, f는 △m의 질량 변화량이 발생한 이후에 측정한 진동주파수이고, k는 질량 m 과 진동주파수의 제곱의 역수 1/f²간의 상관관계를 나타내는 계수인 질량변환 계수이다.

질량변환 계수 k는 테이퍼 소자인 진동관(10)의 자유단(11)에 서로 다른 질량의 여과지 홀더를 각각 장착하여 측정한 진동주파수를 상기 수학식 1에 대입함으로써 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 여과지(70)를 안착한 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60)와 여과지(70)를 안착하지 아니한 적어도 1개의 분동용 여과지 홀더(60a)를 홀더 안착판(50)에 안착하였으므로, 여과지를 안착하지 아니한 분동용 여과지 홀더(60a)를 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하여 진동주파수를 측정하고, 미세먼지를 포집하기 이전 또는 미세먼지의 포집 측정에 사용하지 아니한 농도측정용 여과지 홀더(60)를 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하여 진동주파수를 측정함으로써, 다음의 수학식 2에 의해 질량변환 계수 k를 얻을 수 있다. 여기서, 얻는 질량변환 계수 k를 이용하여 미세먼지의 포집 질량 변화량을 산출하는데 사용하게 된다.

수학식 2

여기서, M은 여과지(70)의 질량이고, f₁는 여과지(70)를 안착한 농도측정용 여과지 홀더(60)를 자유단(11)에 장착하여 측정한 진동주파수이고, f₂는 여과지(70)를 안착하지 아니한 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)에 장착하여 측정한 진동주파수이므로, 여과지(70)의 질량만큼의 질량변화량에 대한 주파수 변동으로부터 질량변환 계수(k)를 얻을 수 있다. 물론, 여과지(70)의 질량은 컨트롤러(200)에 입력 설정되어 있어야 한다.

질량변환 계수 k는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치를 장기간 가동할 시에 미세하게 변동하며, 이러한 질량변환 계수 k를 주기적으로 획득하여 미세먼지 농도의 측정에 사용하게 하는 것을 교정(calibration)이라고 한다.

이하, 컨트롤러(200)에 의한 제어동작을 설명한다.

컨트롤러(200)는 미리 설정된 주기마다 스텝모터(120)를 제어하여 홀더 안착판(50)을 회전시킴으로써 분동용 여과지 홀더(60a)를 진동관(10)의 자유단(11)의 상부에 배치되도록 이동시킨 후 자유단(11)에 장착하고, 진동주파수 측정수단(20)으로 진동관(10)을 진동시켜 고유 진동주파수를 측정함으로써 교정 동작을 수행한다.

여기서, 미세먼지를 포집하지 아니한 농도측정용 여과지 홀더(60)를 자유단(11)으로 이동시켜 장착한 후 측정한 고유 진동주파수를 이용하여야만 교정 동작이 이루어질 수 있지만, 여과지를 교체한 시점에 측정하는 고유 진동주파수에 의해서도 교정 동작이 이루어지므로, 편의상 분동용 여과지 홀더(60a)를 장착하여 고유 진동주파수를 측정함으로 교정 동작이 수행되는 것으로 설명한다.

교정 동작을 수행한 이후에 컨트롤러(200)는 미세먼지를 포집하지 아니한 여과지가 안착된 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60)를 순차적으로 진동관(10)의 자유단(11)으로 이동시켜 자유단(11)에 장착하여 여과지를 교체하면서 벤트라인(40)을 통해 샘플공기를 흡입하여 미세 먼지를 포집하고 포집한 미세먼지의 질량변화량을 측정한다.

여과지 교체, 미세먼지 포집 및 미세먼지 질량 변화 측정에 대해서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 7은 여과지를 교체할 시의 종방향 절단 단면도이고,

도 8은 여과지로 미세먼지를 포집할 시의 종방향 절단 단면도이고,

도 9는 여과지에 포집된 미세먼지의 질량변화량을 측정할 시의 종방향 절단 단면도이다.

도 7을 참조하면 여과지 교체 동작은 서보모터(140)를 제어하여 상하이동블록(150)을 하강시킴으로써 진동관(10)의 자유단(11)이 농도측정용 여과지 홀더(60)의 슬리브(61)에 걸리지 않게 한 상태로 한 후, 교체할 여과지(70)가 안착된 농도측정용 여과지 홀더(60)를 진동관(10)의 자유단(11)의 상부에 위치하도록 스텝모터(120)를 제어하여 홀더 안착판(50)을 회전시키는 순서로 이루어진다.

이후, 상하이동블록(150)의 상승에 의해 진동관(10)을 상승시킴으로써 농도측정용 여과지 홀더(60)의 슬리브(61)에 자유단(11)이 삽입되면서 농도측정용 여과지 홀더(60)를 홀더 안착판(50)으로부터 들어올리게 함으로써 자유단(11)에 장착되게 한다.

이와 같은 여과지 교체 동작은 분동용 여과지 홀더(60a)를 자유단(11)에 장착할 시에도 동일하게 적용된다.

도 8을 참조하면 미세먼지 포집 동작은 농도측정용 여과지 홀더(60)를 자유단(11)에 장착한 상태에서 상하이동블록(150)의 상승에 의해 진동관(10)을 더욱 상승시킴으로써, 농도측정용 여과지 홀더(60)에 안착한 여과지(70)로 샘플라인(30)의 하부 단부를 막듯이 밀착시키고, 이후, 벤트라인(40)을 통해 흡기함으로써, 샘플라인(30)을 통해 흡기되는 샘플공기가 여과지(70)에 여과된 후 슬리브(61), 진동관(10) 및 벤트라인(40)을 통해 배출되게 함으로써, 미세먼지를 여과지로 포집되게 하는 순서로 이루어진다.

이와 같이 여과지를 교체한 후 미세먼지를 포집하는 중에 미리 설정된 시간 간격으로 미세먼지 질량 변화 측정동작을 수행한다.

도 9를 참조하면 포집한 미세먼지 질량 변화 측정동작은 벤트라인(40)을 통한 흡기 동작을 멈추게 한 상태에서, 상하이동블록(150)의 하강에 의해 여과지 홀더(60)를 하강시켜서, 샘플홀더(50)의 단부와 홀더 안착판(50) 사이에 떠 있게 하고, 이후, 진동주파수 측정수단(20)으로 고유 진동주파수를 측정하는 순서로 이루어진다. 고유 진동주파수를 측정한 이후에는 상하이동블록(150)의 상승에 의해 여과지 홀더(60)를 상승시켜 도 8에 도시한 미세먼지 포집 동작 상태로 전환한 후 미세먼지를 포집한다.

그리고, 컨트롤러는 미리 설정된 시간 간격마다 측정한 고유 진동주파수를 상기 수학식 1에 대입하여 고유 진동주파수의 변동에 따른 미세먼지 포집량의 변화량 추이 및 포집 누적량을 획득하고, 벤트라인(40)으로 흡기하는 샘플공기의 유량에 근거하여 대기중 미세먼지의 농도를 산출한다.

이와 같이 미리 설정된 시간 간격으로 포집 미세먼지의 질량변화량을 측정하면서 미세먼지를 포집하면, 포집 미세먼지의 양이 증가하여 여과지의 포집 능력이 감소하게 되므로, 여과지를 교체하여야 한다.

이에, 컨트롤러(200)는 미세먼지의 포집 누적량이 미리 설정된 양을 초과하거나 또는 고유 진동주파수가 미리 설정된 값 미만으로 될 시에, 여과지를 교체하도록 제어한다. 여기서, 고유 진동주파수는 미세먼지의 포집 누적량이 증가할 수록 점차 감소하므로, 반복실험에 의해 미세먼지 포집 능력이 적정 능력 수준이하로 되는 시점의 진동주파수로 획득하여서, 획득한 진동주파수를 상기한 미리 설정된 값으로 설정하거나 또는 대응되는 미세먼지 포집 누적량에 대한 미리 설정된 양으로 설정하면 된다.

여과지 교체 동작은 상하이동블록(150)의 하강에 의해 진동관(10)을 하강시킴으로써 자유단(11)이 농도측정용 여과지 홀더(60)의 슬리브(61)로부터 빠지면서 농도측정용 여과지 홀더(60)가 홀더 안착판(50)에 안착되게 하며, 이에, 자유단(11)이 농도측정용 여과지 홀더(60) 및 홀더 안착판(50)에 걸리지 아니하게 하고, 이후, 상기 도 8을 참조하여 설명한 바의 순서를 따른다.

또한, 분동용 여과지 홀더(60a)를 농도측정용 여과지 홀더(60)로 교체 장착할 때와, 농도측정용 여과지 홀더(60)를 분동용 여과지 홀더(60a)로 교체할 때에도 여과지 교체 동작과 동일하게 이루어진다.

또한, 분동용 여과지 홀더(60a)를 진동관(10)의 자유단(11)에 안착한 상태에서 진동주파수를 측정하여 교정 동작을 수행할 시에는 도 8에 도시한 상태, 즉, 상하이동블록(150)의 상승에 의해 진동관(10)을 상승시켜 분동용 여과지 홀더(60a)가 샘플라인(30)의 하부 단부와 홀더 안착판(50)의 사이에 떠 있게 한 상태에서 진동주파수 측정수단(20)으로 고유 진동주파수를 측정한다. 고유 진동주파수를 측정한 이후에는 상하이동블록(150)의 하강에 의해 진동관(10)을 하강시켜 분동용 여과지 홀더(60a)를 홀더 안착판(50)에 안착하고, 이후, 홀더 안착판(50)을 회전시켜 농도측정용 여과지 홀더(60)을 진동관(10)의 자유단(11)에 장착하고 미세머지 포집 및 측정 동작을 수행한다.

앞서 설명하였듯이, 교정 동작은 미세먼지가 포집되지 아니한 여과지가 안착된 농도측정용 여과지 홀더(60)를 진동관(10)의 자유단(11)에 장착한 상태에서 측정한 고유 진동주파수가 있어야 하므로, 분동용 여과지 홀더(60a)를 장착하여 고유 진동주파수를 측정한 이후 미세먼지가 포집되지 아니한 여과지를 안착한 최초 농도측정용 여과지 홀더(60)를 장착한 시점에서 고유 진동주파수를 측정한다. 이에, 상기 수학식 2에 의해 질량변환 계수 k를 얻고, 이후, 미세먼지를 포집하는 중에 미리 설정된 시간 간격으로 질량 변화량을 측정할 시에 질량변환 계수의 교정값 k를 사용하여 질량 변화량을 측정한다.

한편, 벤트라인(40)에 연결되는 흡입펌프 및 흡입하는 샘플공기의 유량 조절수단(또는 샘플공기 흡입량 측정수단)은 샘플공기의 흡기 및 농도 측정에 필요한 자명한 구성요소이므로 도면에 도시하지 아니하였음에 유의해야 한다.

또한, 지지블록(110)에서 샘플라인(30)이 삽입되는 샘플라인 삽입구(112)가 형성된 부위에는 히터를 설치하여 샘플라인(30)을 가열함으로써, 샘플공기의 습기에 의한 여과지(70)의 수분을 증발되게 할 수 있다. 이는, 수분을 증발시켜 미세먼지의 질량을 정확하게 측정하기 위함이다.

또한, 흡기되는 샘플공기에 섞인 미세먼지의 최대 입경을 입경분리장치에 의해 제한하여서, PM10, PM2.5 및 PM1 중에 어느 하나의 미세먼지 농도를 측정하도록 구성할 수도 있다.

또한, 복수의 농도측정용 여과지 홀더(60) 중에 어느 하나를 지정하여 교정 전용으로 사용하게 하는 것도 가능하다. 이 경우에 교정 동작은 상기한 분동용 여과지 홀더(60a)를 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하는 동작과 상기한 바와 같이 복수의 농측정용 여과지 홀더(60) 중에 지정한 교정 전용 여과지 홀더를 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하는 동작과, 상기 수학식 2에 의한 질량변환 계수 k를 산출하는 동작을 포함한다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

[부호의 설명]

10 : 진동관 11 : 자유단 12 : 고정단 13 : 내부 중공

20 : 진동주파수 측정수단 21 : 진동소자

22 : 진동추 23 : 진동센서

30 : 샘플라인 40 : 벤트라인

50 : 홀더 안착판 51 : 안착홀

60 : 농도측정용 여과지 홀더 60a : 분동용 여과지 홀더

61 : 슬리브 62 : 여과지 안착홈

70 : 여과지

100 : 받침대

110 : 지지블록 111 : 안착판 삽입구

112 : 샘플라인 삽입구 113 : 진동관 삽입구

114 : 진동소자 삽입구 115 : 진동센서 삽입구

116 : 오링

120 : 스텝모터 130 : 가이드블록 140 : 서보모터

150 : 상하이동블록 151 : 내부 통로

200 : 컨트롤러 210 : 케이블

Claims

테이퍼 형상 중공 진동관의 자유단에 장착하는 여과지 홀더에 샘플라인의 단부를 마주하게 하고, 샘플라인을 통해 공급받는 샘플 공기를 여과지 홀더의 여과지에 통과시켜 여과한 후 자유단을 통해 진동관의 내부 중공으로 배출되게 하며, 컨트롤러에 의해 진동관를 진동시킨 후 고유 진동주파수의 변동을 측정함으로써 여과지로 포집한 미세먼지의 질량을 측정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 있어서,

여과지가 안착되어 미세먼지를 포집하고 질량 측정하기 위한 농도측정용 여과지 홀더와 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 분동용 여과지 홀더를 안착한 홀더 안착판; 및

컨트롤러의 제어에 따라 홀더 안착판을 움직여 분동용 여과지 홀더를 자유단으로 이동시킨 후 자유단에 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하여 질량변환 계수를 교정하게 하고, 농도측정용 여과지 홀더를 자유단으로 이동시킨 후 자유단에 장착하여 미세 먼지의 질량을 측정하게 하는 스텝모터;

를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 분동용 여과지 홀더에는 여과지가 안착되지 아니하고,

상기 컨트롤러는 분동용 여과지 홀더를 자유단에 장착한 상태에서 측정한 고유 진동주파수와 농도측정용 여과지 홀더를 자유단에 장착한 상태에서 측정한 고유 진동주파수와 여과지의 질량으로부터 질량변환 계수를 획득함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 2항에 있어서,

상기 농도측정용 여과지 홀더는 홀더 안착판에 복수개로 안착되고,

상기 컨트롤러는 스텝모터를 제어하여 복수의 농도측정용 여과지 홀더를 순차적으로 자유단에 장착함으로써, 미세 먼지의 질량 측정을 위한 여과지를 교체하며 미세먼지를 포집 및 질량 측정함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
테이퍼 형상 중공 진동관의 자유단에 장착하는 여과지 홀더에 샘플라인의 단부를 마주하게 하고, 샘플라인을 통해 공급받는 샘플 공기를 여과지 홀더의 여과지에 통과시켜 여과한 후 자유단을 통해 진동관의 내부 중공으로 배출되게 하며, 컨트롤러에 의해 진동관를 진동시킨 후 고유 진동주파수의 변동을 측정함으로써 여과지로 포집한 미세먼지의 질량을 측정하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치에 있어서,

여과지가 안착되어 미세먼지를 포집하고 질량 측정하기 위한 농도측정용 여과지 홀더를 복수개로 안착한 홀더 안착판; 및

상기 컨트롤러의 제어에 따라 홀더 안착판을 움직여 복수의 농도측정용 여과지 홀더를 순차적으로 진동관의 자유단에 장착함으로써, 미세 먼지의 질량 측정을 위한 여과지를 교체하는 스텝모터;

를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 4항에 있어서,

상기 홀더 안착판에 안착하는 복수의 농도측정용 여과지 홀더 중에 적어도 어느 하나는 미세먼지의 질량과 진동주파수 간의 상관관계 계수인 질량변환 계수를 획득하기 위한 분동용 여과지 홀더이고,

상기 컨트롤러는 스텝모터를 제어하여 분동용 여과지 홀더를 자유단으로 이동시킨 후 자유단에 장착한 상태에서 고유 진동주파수를 측정하여 질량변환 계수를 교정하고, 이후, 여과지를 교체하며 미세먼지의 질량을 측정함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 3항 또는 제 5항에 있어서,

상기 컨트롤러는 미리 설정된 주기마다 분동용 여과지 홀더를 자유단에 장착하여 질량변환 계수를 교정함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 3항 내지 제 5항 중에 어느 하나의 항에 있어서,

상기 컨트롤러는 미세먼지의 질량이 미리 설정된 양을 초과하거나 또는 고유 진동주파수가 미리 설정된 값 미만으로 될 시에 여과지를 교체하도록 제어함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 1항 내지 제 5항 중에 어느 하나의 항에 있어서,

상기 진동관은 서보모터에 의해 상하로 이동가능한 상하이동블록에 고정되고,

여과지 홀더는 여과지를 안착하는 상면의 중심을 관통하여 하부로 연장되는 중공의 슬리브를 저면에 구비하여, 진동관의 자유단을 슬리브에 삽입함으로서 여과지 홀더를 자유단에 장착하게 하며,

상기 컨트롤러는 서보모터 및 스텝모터를 제어하여 자유단의 상부로 이동한 여과지 홀더를 슬리브에 자유단을 삽입하며 홀더 안착판으로부터 들어올린 후, 미세먼지의 포집 또는 질량을 측정하고, 자유단을 하강시켜 슬리브로부터 빼냄으로써 여과지 홀더를 홀더 안착판에 안착한 후 홀더 안착판을 움직여 여과지를 교체함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 8항에 있어서,

상기 컨트롤러는 서보모터를 제어하여 자유단을 상승시킴으로써 여과지 홀더를 들어올려 샘플라인의 단부를 여과지로 밀착하며 덮게 한 상태에서 샘플 공기를 여과지로 포집하고, 여과지 홀더를 샘플라인의 단부와 홀더 안착판 사이에 떠 있게 한 상태에서 고유 진동주파수의 측정에 의한 미세먼지의 질량을 측정함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 9항에 있어서,

샘플라인의 단부를 에워싸는 오링이 구비되어, 샘플 공기를 여과지로 여과하여 미세먼지를 포집할 시에 여과지 홀더의 테두리 또는 여과지의 테두리에 오링을 밀착시켜 실링함을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.
제 8항에 있어서,

상기 홀더 안착판은 여과지 홀더의 저면 테두리를 안착하고 상하가 개구된 안착홀을 상면 중심에서 등반경 위치에 방사상으로 복수개 구비하고, 각 안착홀에 여과지 홀더를 안착하게 한 원판형으로 형성되고, 스텝모터에 의한 회전에 의해 복수의 여과지 홀더를 순차적으로 진동관의 자유단으로 이동시키게 됨을 특징으로 하는 마이크로밸런스 기반 미세먼지 측정장치.