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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 위치에서 실시간 측정 및 설치가 용이하고 소모성으로 활용 가능한 저가형 연기밀도 측정 장치를 개발하고자 한다. 개발된 저가형 장치는 광소멸법 원리가 동일하게 적용된 레이저 모듈(laser module), 포토셀(photocell) 그리고 아크릴 보드로 구성되었으며, 기존 표준장치에 비해 비용 측면에서 약 1/400(1만원 이하)에 해당 된다.
- 본 연구에서는 피난 안전설계 및 제연설비의 성능평가에 적합하도록 다양한 위치에서 실시간 측정 및 설치가 용이하고 소모성으로 활용 가능한 저가형 연기밀도 측정 장치가 개발되었다. 저가형 장치의 상대적 측정 정확도는 He-Ne 레이저와 포토디텍터 및 복잡한 광학필터로 구성된 표준장치와의 비교를 통해 평가되었다.
제안 방법
- 연기 발생장치를 이용하여 저가형 연기밀도 측정장치의 상대적 측정 정확도가 확인되었으나, 이 결과를 바탕으로 고체 폴리프로필렌 화염을 대상으로 재검증 실험이 수행 되었다. Figure 9(a)는 점화 이후의 시간에 따른 표준 및저가형 장치에 대한 수광부의 무차원 전압신호를 비교 · 도시한 결과이다.
- 연기 발생장치를 이용한 저가형 장치의 측정 정확도는 연기 발생 용액과 물의 희석량 변화를 통해 임으로 분류된 3단계의 연기농도 범위에 대하여 평가되었다. Figure 5는연기농도가 상대적으로 낮은 조건에서 표준 및 저가형 장치의 측정결과를 비교 · 도시한 것이다.
- 따라서 저가형 장치의 상대적 측정 정확도의 평가는 Figure 3의 사진에서와 같이연기 발생장치를 이용한 비화재조건(Test 1)에서 우선적으로 수행되었으며, 이후 폴리에틸렌(polyethylene) 화염 (Test 2)에 대하여 재검증 되었다. 연기 발생장치에서 연기의 농도는 연기 발생 용액과 물의 희석량 변화를 통해 조절되었으며, 총 10가지의 농도 조건에 대하여 5회의 반복 실험이 수행되었다. 실제 고체 가연물의 연기 발생을 위한 폴리에틸렌 화염실험을 위하여 정사각형 버너에 폴리에틸렌 펠릿(0.
- 이 장치의 상대적 측정 정확도는 He-Ne 레이저를 포함한 다양한 광학부품으로 구성된 고가의 표준장치와 비교 · 검토되었다.
- 저가형 연기밀도 측정장치는 단순히 레이저 모듈, 포토셀 그리고 아크릴 보드로 구성되었다. 이때 아크릴 보드는 표준장치의 디퓨저 및 ND 필터를 포함한 복잡한 광학부 품의 역할을 대신하며, 두 개의 수광부(P1과 P2 )의 설치를 통해 표준장치의 Band-pass 필터의 기능을 갖도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 다양한 위치에서 실시간 측정 및 설치가 용이하고 소모성으로 활용 가능한 저가형 연기밀도 측정 장치를 개발하고자 한다. 개발된 저가형 장치는 광소멸법 원리가 동일하게 적용된 레이저 모듈(laser module), 포토셀(photocell) 그리고 아크릴 보드로 구성되었으며, 기존 표준장치에 비해 비용 측면에서 약 1/400(1만원 이하)에 해당 된다. 이 장치의 상대적 측정 정확도는 He-Ne 레이저를 포함한 다양한 광학부품으로 구성된 고가의 표준장치와 비교 · 검토되었다.
- 그러나 이러한 결과를 통해 저가형 장치가 표준장치보다 우수한 성능을 갖는다는 결론을 도출하는 것은 상당한 주의가 요구된다. 즉 Figure 2에서 설명되었듯이, 본 연구에 적용된 표준 장치의 He-Ne 레이저는 632.8 nm의 빛을 제공하는 반면에 포토디텍터는 970 nm에서 최대의 반응도를 나타 내고 있다. 결과적으로 He-Ne 레이저가 갖는 파장대에서 포토디텍터는 상당히 감소된 반응도를 제공하며, 연기농도가 높은 영역에서는 충분한 출력신호를 제공하지 못하는 한계가 발생된다.
데이터처리
- 본 연구에서는 피난 안전설계 및 제연설비의 성능평가에 적합하도록 다양한 위치에서 실시간 측정 및 설치가 용이하고 소모성으로 활용 가능한 저가형 연기밀도 측정 장치가 개발되었다. 저가형 장치의 상대적 측정 정확도는 He-Ne 레이저와 포토디텍터 및 복잡한 광학필터로 구성된 표준장치와의 비교를 통해 평가되었다. 주요 결론은 다음 과 같다.
성능/효과
- 결론적으로 두 장치의 측정 성능의 비교가 가능한 범위 내에서 저가형 장치는 표준장치의 측정결과를 최대 ± 10% 범위 내에서 정확한 예측이 가능함을 알 수 있다.
- 결론적으로 본 연구에서 개발된 저가형 측정장치는 고가의 표준장치를 기준으로 1/400 의 비용으로 ± 10% 범위 내에서 연기밀도가 측정 가능한 우수한 성능을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
- 연기 발생장치를 이용한 실험결과와 가장 큰 차이는 화염에 의한 자발광으로 Band-pass 필터가 없는 저가형 장치의 포토셀 출력 신호가 크게 변화된 다는 것이다. 그 결과 화염에 의한 자발광 및 외부광을 측정하는 P2의 신호가 크게 증가되었음을 볼 수 있다. 그러나 P1-P2 의 차이값을 적용하여 화염 자발광에 의한 노이즈를 최소화시킴으로서, 저가형 장치는 표준장치의 결과를 매우 잘 예측하고 있다.
- 7 m−1 이하의 조건에서는 저가형 장치의 우수한 상대적 측정 정확도를 확인할 수 있다. 그러나 그 이상의 높은 연기농도의 조건에서는 표준장치의 낮은 측정결과로 인하여, 저가형 장치의 결과가 상대적으로 높은 OD를 제공하는 것으로 확인된다. 그러나 Figure 4(b)에서 논의된 바와 같이, 본 연구가 초기 화재에서의 피난 안전설계를 위한 연기밀도 측정장치 개발임을 고려할 때, 수광부의 선형성이 보장되는 범위 내에서 저가형 장치의 상대적 측정 정확도를 평가하는 것이 보다 중요하다 할 수 있다.
- 2 m−1 이하에서 작동된다고 보고된 바있다(16). 따라서 화재 초기단계의 피난안전설계를 위한 저가형 장치개발이라는 본 연구의 목적을 고려할 때, 본 실험의 장치구성은 적절히 이루어졌다고 평가될 수 있다.
- Figure 8은 Figures 5~7의 결과를 활용하여 표준장치와 저가형 장치에 의한 무차원 출력 전압과 OD를 직접적으로 비교 · 도시한 결과이다. 먼저 무차원 전압 신호를 살펴 보면, 저가형 장치는 표준장치의 결과를 매우 잘 예측하고있음을 볼 수 있다. 물론 연기농도가 매우 높은 조건에서의 전압은 거의 0에 가깝기 때문에 표준 및 저가형 장치에 의한 결과 차이가 확인되지 않는다.
- 6 m−1 까지 증가되는 중간 범위의 연기농도에 대한 측정 결과를 도시한 것이다. 부력에 의해 상승하는 연기 농도의 순간적인 변화를 포함하여 저가형 장치는 표준장치의 결과를 매우 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. Figure 7은 연기 발생장치를 이용하여 최대 발생 가능한 연기농도가 적용된 결과를 나타낸 것이다.
- 이 장치의 상대적 측정 정확도는 He-Ne 레이저를 포함한 다양한 광학부품으로 구성된 고가의 표준장치와 비교 · 검토되었다. 새로운 저가형 장치의 측정 정확도는 연기 발생장치를 이용한 비화재조건에서 수행되었으며, 최종 폴리에틸렌 가연물을 이용한 화재조건에서 재검토되었다.
- Figure 7은 연기 발생장치를 이용하여 최대 발생 가능한 연기농도가 적용된 결과를 나타낸 것이다. 약 10~30 s 구간에서 수광부의 출력 전압이 0에 근접하고 있으며, 무차원 전압신호의 경우에 저가형 장치는 표준장치를 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 연기밀도를 비교해보면, 저가형 장치의 결과가 표준장치에 비해 높은 값을 제시하고 있다.
- 연기농도의 조절이 용이한 연기 발생장치를 이용하여 단계별 연기농도에 따른 저가형 장치의 측정 정확도가 평가되었으며, OD = 1.7 m−1의 범위 내에서 표준장치를 기준 으로 ± 10%의 범위 내에서 연기밀도의 측정이 가능함을 확인하였다.
- 이에 저가형 장치의 상대적 측정 정확도가 평가될 수 있는 OD의 범위를 최대 1.7 m−1로 제한하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 폴리프로필렌 화염을 이용한 연기밀도 측정실험에서 저가형 장치는 화염 자발광에 의한 노이즈를 최소화 시킬 수있으며, 표준장치에 의한 측정값을 정성적 그리고 정량적 으로 매우 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 이를 통해 본연구에서 개발된 저가형 장치는 향후 다양한 화재실험에서 연기밀도 측정을 위해 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
후속연구
- 8 nm의 빛을 제공하는 반면에 포토디텍터는 970 nm에서 최대의 반응도를 나타 내고 있다. 결과적으로 He-Ne 레이저가 갖는 파장대에서 포토디텍터는 상당히 감소된 반응도를 제공하며, 연기농도가 높은 영역에서는 충분한 출력신호를 제공하지 못하는 한계가 발생된다. 반면에 저가형 장치의 레이저 모듈은650.
- 0 nm의 가시광선 파장대의 빛을 공급함을 고려할 때, 실제 각수광부에서 최대 반응도를 갖는 출력 신호강도의 차이가 발생될 수 있다. 이러한 차이가 연기밀도 측정결과에 미치는 영향은 실험결과의 분석 과정에서 다시 검토될 것이다.
- 폴리프로필렌 화염을 이용한 연기밀도 측정실험에서 저가형 장치는 화염 자발광에 의한 노이즈를 최소화 시킬 수있으며, 표준장치에 의한 측정값을 정성적 그리고 정량적 으로 매우 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 이를 통해 본연구에서 개발된 저가형 장치는 향후 다양한 화재실험에서 연기밀도 측정을 위해 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
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