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문제 정의
- 또한 암모니아의 농도가 다른 가스들에 비해 높기 때문에 가스 혼합시 암모니아의 영향을 받았을 경우가 존재한다. 이는 실험오차이며, 향후 실험을 통해 그 원인을 규명하고 개선하고자 한다.
제안 방법
- 1초 주기로 가스센서어레이 데이터와 시스템 내부의 온도, 습도 그리고 각 실험절차를 구분할 수 있는 상태변수를 하나의 레코드로 만들어 저장하였다.
- A-MFC와 B-MFC에는 단일악취가스, C-MFC에는 습기가 제거된 드라이에어를 연결하였다. A-MFC와 B-MFC에 연결된 단일악취가스가 혼합될 수 있도록 Mixture Chamber에 연결하였으며, 드라이에어는 습기제거필터(moisture trap)를 걸쳐 솔레노이드 벨브에 연결하였다.
- PCA 패턴분석 결과는 악취가스의 농도와 종류 구분을 위해 마커 (marker)들을 사용하여 표시하였다.
- Table 3과 4에 설정된 악취가스 측정을 위해 각 MFC에 악취가스를 연결하고, MFC readout 장비를 활용해 SCCM-(Standard Cubic Centimeter per Minutes) 값을 조정하여 악취가스 농도를 조절하였다.
- 가스센서들의 기준선 교정이 끝난 이후 Mixture Chamber 에 Gas1과 Gas2를 넣어 혼합되도록 하였다. 악취가스농도 설정과 가스센서들의 기준선 교정이 완료되고, 악취가스들이 충분히 혼합되었을 경우 가스센서어레이에 혼합된 악취 가스를 유입하여 데이터를 취득하였다.
- 다이아프램 정량펌프는 모터제어에 유리한 위상교정(phase correct) PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 구동하여[7] 유량세기에 반도체가스센서가 받는 영향을 줄이고자 하였다.
- 단일악취가스 농도는 5단계로 구분하여 설정하였으며, 복합악취가스는 Table 4에 설정된 악취가스의 종류와 농도별로 2개씩 혼합 하여 실험하였다.
- 마지막으로 Mixture Chamber에 유입되는 악취가스를 차단하여 가스센서들이 회복되도록 하였다.
- 본 연구에서는 악취패턴분석을 위하여 반도체가스센서 어레이를 사용하였으며, 악취패턴분석 시스템을 설계하고 구현하였다. 실험에서 측정된 악취가스 데이터들은 PCA기법을 이용하여 패턴분석을 하였다.
- 악취패턴분석 시스템은 가스센서 교정 알고리즘을 내장하고 있어 가스센서들의 기준선(baseline)을 교정 할 수 있다. 실험에서는 드라이에어를 사용하여 가스센서들의 기준선을 교정하였다.
- 실험은 환경조건 변화에 따른 영향을 최소화 하기 위해 실험실 내부에서 진행하였으며, 악취패턴분석 시스템에 장착된 온도 센서와 팬(fan)을 사용하여 시스템 내부 온도를 항상 40℃로 유지 하였다.
- 악취측정을 위해 악취패턴분석 시스템을 Fig. 2와 같이 구성했으며, MFC(Mass Flow Controller)를 사용하여 악취가스의 농도를 조절 하였다.
- 반도체가스센서는 고농도의 악취가스가 연속적으로 공급될 때 가스센서 표면에 흡착되어 있던 산소이온 농도가 고갈되어 더 이상 악취가스와 반응할 수 없는 포화상태가 된다[9]. 악취패턴분석 시스템에서는 드라이에어를 사용하여 가스센서들이 포화상태가 되지 않도록 하였다.
- 악취패턴분석 시스템은 악취가스와 드라이에어(dry air)를 선택 제어하기 위한 솔레노이드벨브(solenoid valve)와 가스센서어레이 내부에 유량의 세기를 제어하기 위해 다이아프램(diaphragm) 정량 펌프를 사용하였으며, 가스센서어레이를 시스템 내부에 설치하였다.
- 악취패턴분석을 위해 가스센서어레이를 이용하여 악취가스 데이터를 분석하였다.
- 악취는 지정악취와 복합악취로 나뉘며, 지정악취는 기기분석법을 통해 농도와 종류를 구별할 수 있다. 하지만 복합악취의 경우 2개 이상의 악취물질이 혼합되었기 때문에 희석배율(dilution ration)로 평가한다. 현재 악취 측정 시스템은 희석배율과 악취세기를 표시할 수 있지만 현장에서 발생하는 냄새가 방향(芳香)인지 취기(臭氣)인지 구분할 수 없다.
대상 데이터
- 가스센서어레이에는 FIGARO사의 TGS2600, TGS2602, TGS2610, TGS2611을 2개씩 사용하여[8] Fig. 1과 같이 가스챔버 (gas chamber)에 연결하였다. 악취가스는 챔버의 Gas Flow 방향에 따라 흐르도록 설정하였다.
- 가스센서들의 기준선 교정이 끝난 이후 Mixture Chamber 에 Gas1과 Gas2를 넣어 혼합되도록 하였다. 악취가스농도 설정과 가스센서들의 기준선 교정이 완료되고, 악취가스들이 충분히 혼합되었을 경우 가스센서어레이에 혼합된 악취 가스를 유입하여 데이터를 취득하였다.
- 악취가스는 암모니아(NH3), 메틸머캅탄(CH3SH), 황화수소 (H2S)들을 사용했으며, 농도와 종류별로 각각 혼합하여 실험을 진행 하였다. 또한 신뢰성 있는 실험 데이터를 획득하기 위해 Table 1과 같은 일련의 실험절차를 수행하였다.
- 관련 연구 [2]에서는 악취가스 판별을 위해 광센서 어레이를 구현하고 실험하였다. 이 연구에서는 광센서 어레이를 통해 악취가스를 구별할 수 있었으나 400 ppm이상의 아세톤(acetone)과 톨루엔 (toluene)등 고농도의 악취가스들을 사용하였다. 악취는 낮은 농도에서도 감지가 가능하며 아세톤의 경우 최소감지농도가 42 ppm이고, 톨루엔은 0.
- 패턴분석에서는 악취가스 주입 후 센서어레이가 포화 상태인 지점에서 5개의 데이터 레코드를 선택하여 사용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 악취패턴분석을 위하여 반도체가스센서 어레이를 사용하였으며, 악취패턴분석 시스템을 설계하고 구현하였다. 실험에서 측정된 악취가스 데이터들은 PCA기법을 이용하여 패턴분석을 하였다.
- 측정된 패턴데이터들은 메트렙(matlab)을 활용하여 PCA 분석을수행하였으며, 2차원 그래프로 표현하였다. 데이터들은 최고 고유값(eigen value)을 가지는 고유벡터(eigen vector) 2개를 취하여 제 1 주성분과 제 2 주성분으로 나타냈다.
성능/효과
- 3은 암모니아, 메틸머캅탄, 황화수소를 Table 3에 설정된 농도별로 실험하여 PCA 패턴분석을 한 결과이다. 마커들의 그룹들을 보면 오른쪽 하단에 암모니아, 왼쪽 하단에 황화수소, 왼쪽 상단에 메틸머캅탄이 구분되는 것을 확인할 수 있다.
- 분석한 결과, 실험에 사용된 단일악취가스들의 경우 각각의 패턴이 구분되는 것을 확인할 수 있었다. 반면 복합악취가스의 경우 메틸머캅탄과 황화수소가 혼합된 가스는 패턴 구분이 가능했으나, 암모니아와 메틸머캅탄 그리고 암모니아와 황화수소를 혼합한 가스의 패턴은 정확하게 분류되지 않았다.
후속연구
- 현재 악취 측정 시스템은 희석배율과 악취세기를 표시할 수 있지만 현장에서 발생하는 냄새가 방향(芳香)인지 취기(臭氣)인지 구분할 수 없다. 본 연구에서의 복합악취 및 단일악취 패턴분석에 대한 데이터베이스확보와 신뢰성이 향상되어 갈 경우 악취 측정 시스템뿐만 아니라 악취판별이 필요한 분야의 자료로 활용될 수 있다.
- 향후 신뢰도 높은 악취패턴분석을 위해 악취발생현장의 시료채취 및 패턴분석과 지속적인 단일악취가스의 혼합 실험을 통해 데이터베이스를 축적해야 하며, 악취패턴분석 시스템의 유량과 유속 제어, 그리고 항온과 항습 등 가스센서어레이의 안정화를 위한 대책을 연구해야 한다.
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