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문제 정의
- 센서 필름의 원리로서 관련 이론에 대한 수식을 간단하게 정리하여 기술한다. 그리고 액체누설 감지 필름 센서의 구조 및 동작에 대한 자세한 내용과 제어 방법에 대하여 기술한다.
- 그리고 이러한 센서는 응용 범위가 매우 광범위하다. 본 연구는 종래의 밴드 센서나 케이블 센서의 부정확성과 사용상의 불편함 등을 해소하고, 누수 지점을 정확하게 감지하여 알려주는 경보장치를 포함한 누수 감지 필름 센서의 기술 소개이다.
- 본 연구에서는 기존의 누수 감지 센서들을 필름의 형태로 개발하였다. 필름 센서는 누수의 위치를 정확하게 감지하고, 동시에 설치비용을 최소화한다.
- 본 연구의 액체누설 감지 시스템은 센서를 통하여 물이나 전도성 액체의 존재 유무를 확인하고 액체가 누설되는 지점을 정확하게 감지하여 신속하게 알려주는 경보 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 액체누설로 발생하는 치명적인 피해를 최소화하는 데 목적이 있다. 이 절에서는 센서 필름의 원리 및 구조와 감지 시스템의 동작을 기술한다.
제안 방법
- 4번 전도선은 마모 및 손상 등으로 인한 센서의 절단 여부만을 감지하는 선이다. 4번 전도선에 특정한 전압을 인가하고, 3번 전도선에서 인가한 전압에 대응하는 전압이 출력되는지의 여부를 감지하는 방식으로 테이프의 절단 여부를 판단한다.
- 누수 위치별로 시약을 달리하여 감지된 위치 값을 측정하였다. 실험에 이용한 화학액은 총 13 종류이다.
- 그리고 전도선의 저항 값은 최소화하는 것도 중요한 기술이다. 본 연구에서는 이들의 도선을 모두 전자인쇄방식으로 설치한다.
- 전류 값 변화에 영향 없이 정확한 계측 값을 얻는다. 본 연구에서는 좀 더 정확한 계측 값을 얻기 위하여 전압을 계측하는 방법을 사용한다. 또한 영점 체크 및 노이즈 보상 기능을 추가하여 계측 값의 정확도를 높일 수 있다.
- 본 연구의 액체누설 감지 필름 센서는 1번 전도선과 2번 저항선에 전원을 번갈아 공급하여준다. 그러므로 누설 발생 시 감지선의 저항 값 변화(누설 저항 RLEAK을 포함)에 대하여 각 방향에 대한 Rx와 Ry의 전압 값을 알 수 있다.
- 6은 실험 개념도이다. 실온 조건에서 센서 200 m를 실내 바닥에 설치하고, Acetic Acid, FeCl3, HCl, HF, HNO3, H2SO4, NaOH, NaOCl, NH3(NH3OH), H2O2, Acetone 등 총 13종의 화학액을 각각 1 ml를 이용하여 필름 센서의 0.0 m, 50.0 m, 100.0 m, 150.0 m, 200.0 m 지점에 투하하여 액체별 누설 발생 상황을 모의 실험하였다. 제어기의 표시부에 나타난 계측 값을 기록하여 액체별 누설 발생 지점 감지 정확도를 살펴보았다.
- 환경 변화에 따른 실험이다. 실험 항목으로는 열 충격, 내습성, 저온, 고온 실험을 진행하였다. 실험 결과, 모든 환경 변화 실험에서 누설 위치 감지 기능이 유지되었다.
- 앞 절에 소개한 센서를 사용하여 누설 위치 감지 실험과 액체별 누설 위치 감지 실험을 수행하였다. 누설 위치 감지실험은 누설 액체 대신에 별도의 저항 소자를 이용하였다.
- 액체누설 감지 필름 센서를 사용하여 누설 위치 감지의 정확도를 조사한다. Fig.
- 액체누설 감지 필름 센서를 사용하여 액체별 누수 위치 감지의 정확도를 측정하였다. Fig.
- 위치별로 접촉용 저항 값을 달리하여 감지된 누설 위치 값을 측정하였다. 총 6개의 지점에서 누수 위치를 측정하였다.
- 위치별로 화학액을 달리하여 감지된 누설 위치 값을 측정하였다. 총 13종의 화학액의 화학을 이용하였다.
- 1 m 단위까지 표시한다. 이 액체누설 감지 시스템을 이용하여 누설 위치 감지 실험 및 액체별 누설 위치 감지 실험을 진행하였다. 실험 결과, 감지 테이프의 길이 200 m에 대하여 누설 위치 감지의 오차 범위는 ±1m 이하이다.
- 접착층, 베이스 필름층, 전도성 라인층, 그리고 보호 필름층으로 구성된 액체누설 감지를 위한 필름형 센서를 개발하였다. 전도성 라인층에는 3개의 전도선과 1개의 저항선이 설치된다.
- 접착테이프 형태의 액체누설 감지 필름 센서를 제작하여 경보 장치를 포함한 감지 시스템을 개발하였다. 액체누설이 발생하여 전도성 라인층의 저항선과 전도선 사이에 액체가 접촉된다.
- 0 m 지점에 투하하여 액체별 누설 발생 상황을 모의 실험하였다. 제어기의 표시부에 나타난 계측 값을 기록하여 액체별 누설 발생 지점 감지 정확도를 살펴보았다. 실험 결과는 Table 2에 나타내었다.
- 종류가 다른 액체 또는 전도성을 고려하서 강제 접촉용 저항체의 저항은 0 Ω, 100 kΩ, 510 kΩ, 1,000 kΩ 4가지를 사용하였다.
- 추가 실험을 통해 액체누설 감지 필름 센서의 안정성을 검증하였다. 환경 변화에 따른 실험이다.
- 5는 누설 위치 감지 실험의 개념도이다. 필름 센서 200 m를 실내 바닥에 설치하고, 필름 센서의 30.0 m, 60.0 m, 90.0 m, 120.0 m, 150.0 m, 180.0 m 지점에 2번 저항선과 3번 전도선 간에 별도의 저항으로 강제로 접촉시켜 누설 발생 상황을 모의 실험하였다. 종류가 다른 액체 또는 전도성을 고려하서 강제 접촉용 저항체의 저항은 0 Ω, 100 kΩ, 510 kΩ, 1,000 kΩ 4가지를 사용하였다.
대상 데이터
- 총 13종의 화학액의 화학을 이용하였다. 누설 위치 측정 위치는 총 5개이다. 실험 결과 각각의 화학액별로 누설 위치 감지 평균 오차가 아세트산(Acetic Acid)은 0.
- 보호 필름은 전도선의 상부에 적층되어 전도선의 패턴을 외부로부터 보호하기 위한 층이다. 보호 필름의 재질은 PET, PE, PVC 또는 테프론 계열을 사용한다.
- 본 연구의 실험은 '(주)유민에쓰티'와 공동으로 수행하였으며, 교육과학기술부의 BK21사업의 연구비에 의하여 수행되었음.
- 본 연구의 액체누설 감지 센서는 감지선의 사용량을 최소화하여 4개를 사용한다. 또한, 감지선에 전원을 양방향으로 번갈아 인가함으로써 수분의 저항 값 증가 및 양극화를 방지하였다.
- 누수 위치별로 시약을 달리하여 감지된 위치 값을 측정하였다. 실험에 이용한 화학액은 총 13 종류이다. 아세트산(Acetic Acid)은 살균 능력이 있어 대장균이나 포도상구균과 같이 식중독을 일으키는 세균을 죽임으로써 음식의 부패가 진행되는 것을 막아 준다.
- 5와 같이 저항소자를 이용하여 2번 저항선과 3번 전도선을 단락시키는 방식의 단락 위치 감지 실험이다. 액체별 누설 위치 감지 실험은 다양한 종류의 전해성 액체를 이용하였다. 전해성 액체를 센서 테이프 위의 각각 다른 위치에 투하하여 누설을 감지하는 실험이다.
- 위치별로 화학액을 달리하여 감지된 누설 위치 값을 측정하였다. 총 13종의 화학액의 화학을 이용하였다. 누설 위치 측정 위치는 총 5개이다.
- 5 cm이다. 테이프 전체의 폭은 3.55 cm이다.
이론/모형
- 전자 인쇄(electronic printing)란 전자를 띤 가루 잉크와 판을 사용하여 정전기의 힘으로 인쇄하는 무압 인쇄 방식이다. 본 기술의 액체누설 감지 필름 센서는 전자 인쇄 방식 중 그라비어 인쇄(gravure printing) 방식을 이용한다. 그라비어 인쇄란 오목판 인쇄 중 사진 기술을 응용하여 화학적 부식 방법과 헤리오 전자 조각 및 레이저로 제판한 오목판을 이용 Rotary방식으로 인쇄하는 것이다.
성능/효과
- 그 결과 각각의 저항별 누설 위치 감지 평균오차가 0 kΩ은 0.41 m, 100 kΩ은 0.50 m, 510 kΩ은 0.53 m, 1,000 kΩ은 0.51 m으로 측정되었다.
- 실험 결과, 감지 테이프의 길이 200 m에 대하여 누설 위치 감지의 오차 범위는 ±1m 이하이다. 또한 열 충격, 내습성, 저온, 고온 실험에서 감지 기능이 정상적으로 유지되었다.
- 본 연구의 액체누설 감지 센서는 감지선의 사용량을 최소화하여 4개를 사용한다. 또한, 감지선에 전원을 양방향으로 번갈아 인가함으로써 수분의 저항 값 증가 및 양극화를 방지하였다. 그로 인해 기존의 센서에 비해 좀 더 안정적이고 정확한 감지를 할 수 있다.
- 누설 위치 측정 위치는 총 5개이다. 실험 결과 각각의 화학액별로 누설 위치 감지 평균 오차가 아세트산(Acetic Acid)은 0.21 m, 염화제이철(FeCl3)은 0.18 m, 염화수소(HCl)는 0.16 m, 플루오린화수소(HF)의 수용액은 0.24 m, 질산(HNO3)은 0.12 m, 황산(H2SO4)은 0.34 m, 수산화나트륨(NaOH)은 0.02 m, 차아염소산나트륨(NaOCl)은 0.06 m, 암모니아(NH3OH)는 0.14 m, 과산화수소(H2O2)는 0.05 m, 아세톤(Acetone)은 0.10 m으로 측정되었다. 모든 화학액에서 누설 위치 감지 오차 범위는 ±1 m 이내이다.
- 실험 결과, 감지 테이프의 길이 200 m에 대하여 누설 위치 감지의 오차 범위는 ±1m 이하이다.
- 실험 항목으로는 열 충격, 내습성, 저온, 고온 실험을 진행하였다. 실험 결과, 모든 환경 변화 실험에서 누설 위치 감지 기능이 유지되었다. 누설 위치 감지 오차 범위는 ±2 m 이하이다 [10].
- 이 시스템의 누설 위치 감지의 정확도는 액체의 종류나 저항의 크기에 무관하게 감지 테이프의 길이 200 m에 대하여 오차 범위가 ±1 m 이내로 감지되었다.
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