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문제 정의
- 본 논문에서는 비분산 적외선(infrared) 가스 센서를 사용하여 LNG(liquified natural gas)와 LPG(liquified petroleum gas)의 가스누출을 검지할 수 있는 내구성이 강한 방폭형 가스누출검지기를 개발하고 그 측정정확도 향상을 위한 알고리즘을 제시하고자 한다[5].
- 본 연구에서는 국내최초로 적외선가스센서를 이용하여 방폭형 휴대용 가연성가스 누출검지기의 회로와 기구를 개발하였다. 가스측정 정확도 향상을 위하여 센서입출력 응답곡선을 최적으로 근사하는 보정곡선을 선형회귀함수를 이용하여 구하였고, 오차가 큰 부분은 구간별 선형함수를 다르게 도출하여 적용하였다.
- 실제로 가스의 농도를 측정하기 위해서는 보정곡선의 대한 역함수를 구하여 센서출력에 대응하는 미지의 가스농도(%)를 산출하여 LCD 표시해주어야 한다. 정확도를 개선하기 위하여 본 논문에서는 다음과 같은 알고리즘을 제안하고자 한다.
- 또한 외산제품과 가스측정 정확도를 비교하였을 때 세계 수준에 도달하였음을 실험을 통하여 보였다. 향후 방폭인증(Ex d ib ⅡB T4)을 획득 후 국내·외에 보급을 통하여 검사 효율과 신뢰를 향상시키고 가스사고 예방에 힘쓰고자 한다.
제안 방법
- 22. Experiments to measure methanes with a developed gas leak detector.
- 본 연구에서는 배터리는 가스누출검지기의 최대 소모 에너지 량을 계산하여 소모전류를 250mA 이하로 제한하는 구조로 설계하였다. Fig. 6과 같이 본질안전방폭구조를 구현하기 위하여 배터리 셀에 퓨즈(fuse), 저항기(resistor) 및 보호회로를 추가하였다. 퓨즈의 사양은 250mA/125V이며, KS C IEC 60127규격에 적합하게 정격전류(In)의 1.
- 25%씩 증가하도록 제조한 표준가스 8종을 사용하여 실험을 실시하였다. 가스가 존재하지 않을 경우 가스농도 0%를 포함하여 9구간으로 나누어서 주입하여 센서의 출력을 조사하였고, 보정곡선도 도출하였다. Fig.
- 가스 센서의 전원 및 신호 핀 5개는 특수 가공 소켓을 사용하여 납땜이 없는 구조로 연결되도록 하였다. 가스센서와 흡입펌프를 결합하는 보조기구는 POM 재질을 사용하여 절연이 되도록 제작하였다. 흡입펌프는 가동시 진동에 의한 볼트 풀림현상이 없도록 견고하게 제작하였다.
- 본 연구에서는 국내최초로 적외선가스센서를 이용하여 방폭형 휴대용 가연성가스 누출검지기의 회로와 기구를 개발하였다. 가스측정 정확도 향상을 위하여 센서입출력 응답곡선을 최적으로 근사하는 보정곡선을 선형회귀함수를 이용하여 구하였고, 오차가 큰 부분은 구간별 선형함수를 다르게 도출하여 적용하였다. 실제 가스측정을 위하여 3개 구간별 근사전달함수에 대한 역함수를 구하였으며, 기준 시료로 실측하지 못한 미지의 부분을 보간을 통하여 농도를 산출하기 위하여 라그랑지(Lagrange) 2차 보간 다항식을 구간별로 각각 적용하였다.
- 4의 왼쪽 그림과 같이 결합기구물의 가스유로는 혼합가스를 흡입펌프(diaphragm pump)로 강제흡입을 하여 센서의 검지부 주위를 일정시간 머무른 후 지나가도록 내부공간이 확보하여 검지가 용이하도록 설계하였다. 검출된 가스는 외부로 무리 없이 배출될 수 있는 구조로 제작하였다. 흡입펌프는 인덕턴스가 낮은 SP 100EC(Germany)를 사용하였다.
- 4의 오른쪽 그림은 가스 센서와 흡입펌프를 결합한 실물을 보여주고 있다. 결합가스흡입부의 흡입봉은 절연을 위해 알루미늄 재질을 사용하였고, 낙하시 파손되지 않도록 충분한 내구성을 갖도록 제작하였다.
- 7은 리튬이온 충전배터리를 보호하기 위한 PCM블록의 상세하게 나타낸 회로이다. 또한 배터리팩 전체는 연기, 불꽃, 폭발, 전지액 누설을 방지하기 위하여 2차적 보호를 위해 에폭시 수지(epoxy resin)로 몰딩(molding)을 하였다. Fig.
- 리튬이온 충전 셀의 안전성을 시험하기 위하여 완충된 10개의 시료를 준비하여 양(positive) 전극과 음(negative) 전극을 50mΩ이하의 전선으로 연결하여 단락(short)시킨 후 2.5시간 동안 완전 방전시키는 시험을 실시하였다.
- 그러나 PCM회로만으로는 본질안전 방폭인증에 적합하지 않으므로 본질안전 배터리의 설계는 가스누출검지기에서 소모하는 최대 에너지 량에 따라 설계를 하여야 한다. 본 연구에서는 배터리는 가스누출검지기의 최대 소모 에너지 량을 계산하여 소모전류를 250mA 이하로 제한하는 구조로 설계하였다. Fig.
- 가스측정 정확도 향상을 위하여 센서입출력 응답곡선을 최적으로 근사하는 보정곡선을 선형회귀함수를 이용하여 구하였고, 오차가 큰 부분은 구간별 선형함수를 다르게 도출하여 적용하였다. 실제 가스측정을 위하여 3개 구간별 근사전달함수에 대한 역함수를 구하였으며, 기준 시료로 실측하지 못한 미지의 부분을 보간을 통하여 농도를 산출하기 위하여 라그랑지(Lagrange) 2차 보간 다항식을 구간별로 각각 적용하였다. 본 연구에서 개발한 제품은 기존 접촉연소식이나 전기화학식 가스누출검지기에 비해 정확도가 높고 내구성을 5년으로 개선시켰다.
- 7V, 2,000mAh 용량의 제품이다. 위험지역에서 배터리를 교체할 수 없도록 배터리를 수납함에 넣고 장착하는 2중 구조로 제작하였고, 낙하 시에는 검지기와 배터리가 분리되어 탈착되지 않도록 너트로 고정할 수 있도록 하였다. 검지기에는 폭발성분위기에서의 배터리 교환에 대한 경고 문구를 표시하였다.
- 17과 같이 가스 셀이 2중으로 제작된 가스센서를 사용하며, 가스를 통과시키는 활성 셀과 통과시키지 않는 기준 셀로 구성되어 있다. 초전효과(pyro-electric effect)를 이용하여 각각의 셀을 통과한 빛의 세기에 따라 저항의 값이 변하고 저항에 변화에 따른 전압을 측정 및 비교하여 그 차이를 가스농도의 값으로 산출하였다.
- 0mm pitch)/FPC 커넥터를 사용하여 연결하였다. 컬러 LCD의 FPC(flexible printed circuit) 기판의 패턴을 보호하기 위하여 신호선 사이에 안전배리어회로(Safety barrier circuit)를 그림과 같이 저항과 듀얼 제너다이오드 사용하여 설계하여 삽입하였다(Fig. 11). Fig.
대상 데이터
- 2의 가스센서의 핀과 연결되는 필터링과 증폭을 위한 가스신호를 측정하는 회로도이다. 메탄가스의 흡수스펙트럼 중심 영역은 약 1.65㎛, 3.2㎛의 파장대역이며 본 논문에는 3.2㎛를 이용하고 적외선 광원(IR source)은 램프를 이용한다.
- 본 논문에서는 Fig. 17과 같이 가스 셀이 2중으로 제작된 가스센서를 사용하며, 가스를 통과시키는 활성 셀과 통과시키지 않는 기준 셀로 구성되어 있다. 초전효과(pyro-electric effect)를 이용하여 각각의 셀을 통과한 빛의 세기에 따라 저항의 값이 변하고 저항에 변화에 따른 전압을 측정 및 비교하여 그 차이를 가스농도의 값으로 산출하였다.
- 본 연구에서 사용한 메탄시료는 표준물질제조기관인 한국가스안전공사에서 [0.5~2.25 %vol] 구간에서 Table 7 입력과 같이 0.25%씩 증가하도록 제조한 표준가스 8종을 사용하여 실험을 실시하였다. 가스가 존재하지 않을 경우 가스농도 0%를 포함하여 9구간으로 나누어서 주입하여 센서의 출력을 조사하였고, 보정곡선도 도출하였다.
- 본 연구에서 사용한 배터리는 삼성(SDI)에서 제조한 리튬이온 충전 셀로써 3.7V, 2,000mAh 용량의 제품이다. 위험지역에서 배터리를 교체할 수 없도록 배터리를 수납함에 넣고 장착하는 2중 구조로 제작하였고, 낙하 시에는 검지기와 배터리가 분리되어 탈착되지 않도록 너트로 고정할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서 사용한 적외선 가스센서는 영국 (Dynament)에서 제조된 내압방폭(flame proof enclosure "d") 규격(Ex d ⅡC)에 대한 인증품이며, LNG (CH4)와 LPG(C3H8)를 동시에 측정할 수 있다.
- 본 연구에서는 Color LCD모듈 PT0242432(Palm Technology, Taiwan)를 사용하였다. Fig.
- 7배가 흐를 때 차단되어야 한다. 저항기는 칩 저항기보다 전력이 큰 0.62Ω, 0.25W용을 사용하였다.
- 적외선 가스검지기의 입출력 특성을 산출하기 위하여 한국가스안전공사 품질검사팀에서 불확도±2% 이하로 제조된 8종 농도의 표준용 메탄가스를 사용하여 실험을 하였다.
- )를 동시에 측정할 수 있다. 적외선 가스센서의 모델은 MSH-P-HC3VP이며, 듀얼모드의 초전기적(pyro-electric) 검출방식을 이용하여 제작되었고 사양은 표 Table 1과 같고, 외관은 Fig. 2와 같다.
- 검출된 가스는 외부로 무리 없이 배출될 수 있는 구조로 제작하였다. 흡입펌프는 인덕턴스가 낮은 SP 100EC(Germany)를 사용하였다. 가스 센서의 전원 및 신호 핀 5개는 특수 가공 소켓을 사용하여 납땜이 없는 구조로 연결되도록 하였다.
데이터처리
- 본 논문에서는 교정곡선의 도출을 위하여 모수를 추정한 추정량 중에서 가장 작은 분산을 가지는 최소자승법(the method of least squares)을 이용하여 직선의 방정식을 구하였다. 센서출력의 모든 데이터에 대한 특성 방정식을 식 6과 같이 세우고 선형회귀(linear regression) 함수를 이용하여 직선의 기울기(m)와 y축의 절편(c)을 구하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 교정곡선의 도출을 위하여 모수를 추정한 추정량 중에서 가장 작은 분산을 가지는 최소자승법(the method of least squares)을 이용하여 직선의 방정식을 구하였다. 센서출력의 모든 데이터에 대한 특성 방정식을 식 6과 같이 세우고 선형회귀(linear regression) 함수를 이용하여 직선의 기울기(m)와 y축의 절편(c)을 구하였다.
- 비분산적외선(non dispersive infrared) 방식을 이용한 가스센서의 농도 측정은 기본적으로 Beer Lambert의 법칙을 따른다.[12, 13] Fig.
성능/효과
- 본 연구에서 개발한 제품은 기존 접촉연소식이나 전기화학식 가스누출검지기에 비해 정확도가 높고 내구성을 5년으로 개선시켰다. 또한 외산제품과 가스측정 정확도를 비교하였을 때 세계 수준에 도달하였음을 실험을 통하여 보였다. 향후 방폭인증(Ex d ib ⅡB T4)을 획득 후 국내·외에 보급을 통하여 검사 효율과 신뢰를 향상시키고 가스사고 예방에 힘쓰고자 한다.
- 24는 해외제품과 본 연구에서 개발한 초기 제품에 대한 성능시험 결과를 그래프로 도시하고 있다. 본 연구에서 개발한 적외선 가연성가스검지기가 표준가스의 곡선(curve)을 해외 우수제품(Canada)과 거의 동일한 수준으로 근사하고 있으므로 타 외산장비보다는 가스를 측정하는 정확도가 우수함을 알 수 있다. 본 연구의 시제품은 센서수명이 10만 시간이므로 검지회로 및 기구를 고려할 때 기기의 내구성은 약 5년 정도 보장된다.
- 실제 가스측정을 위하여 3개 구간별 근사전달함수에 대한 역함수를 구하였으며, 기준 시료로 실측하지 못한 미지의 부분을 보간을 통하여 농도를 산출하기 위하여 라그랑지(Lagrange) 2차 보간 다항식을 구간별로 각각 적용하였다. 본 연구에서 개발한 제품은 기존 접촉연소식이나 전기화학식 가스누출검지기에 비해 정확도가 높고 내구성을 5년으로 개선시켰다. 또한 외산제품과 가스측정 정확도를 비교하였을 때 세계 수준에 도달하였음을 실험을 통하여 보였다.
- 본 연구에서 개발한 적외선 가연성가스검지기가 표준가스의 곡선(curve)을 해외 우수제품(Canada)과 거의 동일한 수준으로 근사하고 있으므로 타 외산장비보다는 가스를 측정하는 정확도가 우수함을 알 수 있다. 본 연구의 시제품은 센서수명이 10만 시간이므로 검지회로 및 기구를 고려할 때 기기의 내구성은 약 5년 정도 보장된다. 기존 접촉연소식이나 전기화학식의 수명 최대 3년에 비하여 센서교체를 번거롭게 하지 않아도 되는 장점이 있다.
- 05%증가하는 50종류의 메탄가스의 농도를 입력하였을 때 검지되는 농도에 대한 모의실험의 결과를 도식화한 것이다. 제안된 가스검지 방정식은 구간별로 센서의 입출력 특성을 반영하여 선형에 근접하는 것을 알 수 있다.
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