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문제 정의
- 있다. 이 연구에서는 디젤 자동차 SCR시스템용우레아 농도 센서로서 비교적 간편하고 경제성이 있는 전기전도도법을 선정하고자 한다.
- 이 연구의 목적은 백금전극을 이용하여 전기전도도법에 의한 우레아 농도를 측정할 수 있는 센서를 개발하는 것이다. 이를 위해 전극의 재질 및 도금법, 전극간의 거리, 전극의 표면적 등의 변화에 따른 우레아 농도계측 특성을 관찰한다.
제안 방법
- 이를 해결하기 위해 공급전원을 교류 전원으로 교체하여 공급하였다6). 1atm, 25C 에서 각 측정전극의 표면적과 측정전극간의 거리를 변화시켜 시간의 경과에 따른 전위차를 측정하였다. 이때, 휘트스톤 브릿지의 전위차는 1초 간격으로 데이터를 취득하였다.
- 입력전압은 교류 (AC) 10V와 50V이다. 데이터 수집기로 입력된 AC 전압을 측정하기 위해 Lab View에서 While Loop를 이용하여 교류전압의 최대 피크값을 계측하였다. 휘트스톤 브릿지는 10kQ 의 저항 3개와 6.
- 실험방법은 우레아 수용액, 전력 공급기, DC-AC 인버터, 휘트스톤브리지, 데이터 수집기를 소정의 위치에 놓은 다음 용기에 담긴 우레아 수용액에 휘트스톤 브리지에 연결된 전극을 삽입하여 휘트스톤 브릿지의 전위차를 측정한다. 직류 전원 공급 시에 측정전극의 양단에 이온화현상이 발생하여 기포 및 도금현상이 발생하였다.
- 전극의 형상은 봉재와 판재를 사용하였다. 우레아의 표준농도는 AdBlue(32.5wt%) 를 증류수로 소정의 비율로 희석하여 제조하였다.
- 전극 직경 2의 경우 우레아 수용액에 접촉되는 높이가 10이면 한 전극의 접촉면적은 약 66成 이다. 이를 기준으로 직경 3, 5, 6m 전극을 직경 2m 와 동일한 표면적을 갖게 높이를 변화시켜 전극을 제작하여 실험하였다. 실험결과 동일 우레아 수용액의 농도에서 4개의 전극의 전위차는 유사하게 나타나고 있다.
- 것이다. 이를 위해 전극의 재질 및 도금법, 전극간의 거리, 전극의 표면적 등의 변화에 따른 우레아 농도계측 특성을 관찰한다.
- 8은 시간의 경과에 따른 전위차의 변화를 나타내고 있다. 제작한 우레아 센서를 이용하여 우레아수용액(10, 20, 32.5 wt%)에 100시간동안 전위차 변화를 측정하였다. 그 결과 경과 시간에 따라서 전위차가 크게 변화하지 않음을 알 수 있으며, 10wt% 의수용액 측정 시 전위차는 3.
대상 데이터
- 6은 직경 2m의 은봉에 백금을 도금한 전극의 전극 간 거리 10m로 고정하고, 전극의 높이를 3, 5, 8, 10m 로 변경한 경우 우레아 농도에 따른 전위차를 나타내고 있다. 공급 전원은 AC 50V이다. 전극 접촉 높이(길이)가 길어지면 접촉면적이 증가하므로 저항이 작아져 휘트스톤 브릿지의 전위차가 높게 나타나고, 저농도와 고농도 차이의 전위차 값의 차는 작아진다.
- 99%, 95%)를 사용하였다. 그리고, 전기전도성을 향상시키기 위해 위의 순수물질에 백금을 전기도금하여 사용하였다6). 전극의 형상은 봉재와 판재를 사용하였다.
- 실험에 사용한 우레아 수용액은 AdBlue(32.5wt%, EUROx) 로 동결점(freezing point)은 -11℃이고, 20℃에서 밀도는 1.187-1.093kg/h 이다4, 5).
- 실험에 사용한 측정전극의 재료는 순수 은과 구리 (순도 99.99%, 95%)를 사용하였다. 그리고, 전기전도성을 향상시키기 위해 위의 순수물질에 백금을 전기도금하여 사용하였다6).
- 3은 전극의 재료에 따른 우레아 수용액의 전위차로 교류전원 공급 후 100초 동안 5가지의 전극재료에 대한 전위차 변화를 나타내고 있다. 실험은전극 직경 2mm, 노출 길이 10mm, 전극 간격 10mm 의 조건이다. 각 재료의 전위차를 보면 백금을 도금한 은봉 및 구리봉이 가장 높은 전위차를 나타내고 있으며, 경과시간에 따른 전위차의 변동폭이 다른 재료에 비해 크지 않고, 안정적임을 보여주고 있다.
- 이 연구에 사용한 실험 장치는 크게 농도 센서에 전원을 공급하는 전력 공급기, 직류전원을 교류전원으로 바꿔주는 DC-AC 인버터, 휘트스톤 브릿지, 휘트스톤 브릿지의 전압차를 측정하기 위한 데이터 수집기 (DAQ 6009USB, NI)로 구성되어 있다. 실험에 사용한 우레아 수용액은 AdBlue(32.
- 그리고, 전기전도성을 향상시키기 위해 위의 순수물질에 백금을 전기도금하여 사용하였다6). 전극의 형상은 봉재와 판재를 사용하였다. 우레아의 표준농도는 AdBlue(32.
- 설계할 수 있다. 지금까지의 실험결과에 의해서 실용을 위한 우레아 센서는 백금을 도금한 은봉의 재료를 선정하였고, 직경 3, 전극간의 거리 10mm 로 제작한다.
- 5wt% 로 제조하였다. 측정전극의 재료는 은봉에 백금을 도금한 재료를 사용하였으며, 전극 직경은 2rn, 전극간의 거리와 전극 길이는 각각 10의 경우이다. 공급 전원은 AC 10V이다.
데이터처리
- 우레의 농도는 휘트스톤 브릿지에서 측정된 전위차의 변화에 의해 계측된다. 그리고, 개발한 우레아 센서의 신뢰성은, 판형 (5mm x 5mm x 0.1mm(t)) 백금전극을 사용하는 전기 전도도계 (TOAODK, CM-30)와 비교하여 검정하였다.
성능/효과
- 1. 우레아의 농도를 측정하는 전극의 재료는 은봉에 백금을 도금한 재료가 다른 물질에 비해 센서의 전위차의 안정성이 우수한 특성을 보였다.
- 2. 우레아 농도 센서의 전위차는 전극간의 간극 (10mm) 이 일정하면 직경이나 길이보다 표면적의 영향이 지배적이다. 따라서, 전극제조 시 일정 표면적을 확보한다는 조건하에서 제조의 편의에 따라 전극의 직경과 높이를 선택하여 설계할 수 있다.
- 3. 우레아 농도 센서의 전위차는 전극의 면적에 비례하여 증가하지만, 접촉 전극의 면적이 작을수록 저농도 측과 고농도측의 전위차의 차이가 커진다.
- 4. 은봉에 백금을 코팅한 우레아 농도 센서는 100 시간의 내구에도 전위차의 변화량이 적고 안정적인경향을 나타내었다.
- 5. 은봉에 백금을 코팅한 우레아 농도 센서는 백금 판을 이용한 상용 전기전도도계의 우레아 농도 측정비 저항값과 동일한 경향을 보여 디젤자동차의 urea-SCR 시스템용으로 상용화될 가능성을 보여주었다.
- 실험은전극 직경 2mm, 노출 길이 10mm, 전극 간격 10mm 의 조건이다. 각 재료의 전위차를 보면 백금을 도금한 은봉 및 구리봉이 가장 높은 전위차를 나타내고 있으며, 경과시간에 따른 전위차의 변동폭이 다른 재료에 비해 크지 않고, 안정적임을 보여주고 있다. 순도가 낮은(95%) 구리 판재의 경우 전위차가 가장 낮으며, 다른 재료에 비해 전위차가 불안정함을 확인할 수 있다.
- 5 wt%)에 100시간동안 전위차 변화를 측정하였다. 그 결과 경과 시간에 따라서 전위차가 크게 변화하지 않음을 알 수 있으며, 10wt% 의수용액 측정 시 전위차는 3.88~4.38V로, 변화폭이고 농도의 수용액에 비해 크고, 전위차가 약간 증가하는 경향이 있는데 그 이유는 명확하지 않다. 20wt% 의 우레아 수용액은 4.
- 그러나 디젤엔진은 연소특성상 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)이다량 배출되며, 최근 강화된 자동차배출가스 규제를 만족시키기 위해서는 이들을 저감시켜야 한다1, 2). 디젤엔진에서 배출되는 PMe 커먼레일과 같은 고압연료분사방식과 대체 연료 등을 사용하여 엔진 자체에서 그 생성을 줄이고, 엔진에서 배출되는 PMe DPF (Diesel Particulate Filter)에 의하여 90% 이상저감이 가능하다. 한편, 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물질은 LNC(Lean NOx Catalyst), LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction) 기법을 이용하여 저감시키고 있다3).
- 따라서 전극재료는 판재보다는 환봉이 우레아의 전기전도도가 우수하다. 또한, 은봉에 백금을 도금한 전극은 경과 시간에 따라 일정한 전위차를 나타내고, 전기기전도도가 가장 높다. 따라서, 우레아 농도를 즉정하기 위한 전극의 재료는 은봉에 백금을 도금한 것이 최적임을 알 수 있다.
- 공급 전원은 AC 10V이다. 실험결과, 이 농도범위에서 우레아 수용액의 농도가 증가할수록 측정전극간의 전위차는 3 차 함수 (Y=36.377x3-28.861x2+7.7315x-0.1605, x:농도(%)) 형태로 상승하고 있다.
- 26V 의 전위차를 나타내었다. 우레아 수용액의 농도에 따라서 평균 4.06V(10wt%), 4.57V(20wt%), 5.00V (32.5wt%)의 전위차를 얻었으며, 이때 표준 편차 0.06, 표준오차 0.00이을 확인했다. 농도에 따라서 전위차의 변화는 DC-AC 변환기의 파형과 입력 직류전압의 변동이 ±1V로 변하기 때문으로 판단한다.
- 이상과 같이 상용 전기전도도계와 새로 개발한 은 봉에 백금을 코팅한 센서의 우레아 농도 변화에 따른 비저항값이 동일한 경향을 보였다는 것은 디젤자동차용 urea-SCR 시스템에 새로 개발한 은봉에 백금을 코팅한 센서가 우레아 농도 센서로서 충분히 상용화될 수 있음을 보여주고 있는 것이다.
- 따라서 우레아 수용액에 접촉되는 전극의 면적이 작아지면 휘트스톤 브릿지의 전위차는 낮지만 측정 오차범위를 줄일 수 있을 것이다. 저농도측과 고농도측의 전위차의 차이가 클수록 센서로서의 정확도는 높아지므로 전극 높이 3m 가 우레아 농도를 측정하는데 보다 유리할 것으로 판단한다.
- 4와 같이 3차함수 형태로 잘 나타나고 있으며, 전극간의 거리가 좁을수록 전위차의 값은 높게 나타나지만, 전극간 거리가 6, 8 에 비해 10 일 때의 농도변화에 따른 전위차의변화 값이 더욱 크게 나타나고 있다. 저농도측과 고농도측의 전위차의 차이가 클수록 센서로서의 정확도는 높일 수 있으므로 전극간 거리는 10가 우레아 농도를 측정하는데 보다 유리할 것으로 판단한다.
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