This article describes the characteristics of nondispersive infrared carbon dioxide gas sensor according to the temperatures and humidifies. In this researches, a thermopile sensor that included application-specific integrated circuit (ASIC) was used and the White-cell structure was implemented as a...
This article describes the characteristics of nondispersive infrared carbon dioxide gas sensor according to the temperatures and humidifies. In this researches, a thermopile sensor that included application-specific integrated circuit (ASIC) was used and the White-cell structure was implemented as an optical waveguide. The developed sensor modules were installed in gas chamber and then the temperature of gas chamber has been increased from 283 K to 313 K with 10K temperature step. In order to analyze the effects of humidity levels, the relative humidity levels were changed from 30 to 80%R.H. with small humidifier. Then, the characteristics of sensor modules were acquired with the increment of carbon dioxide concentrations from 0 to 2,000 ppm. When the initial voltages of sensors were compared before and after humidifying the chamber at constant temperature, the decrements of the output voltages of sensors are like these: 9mV (reference infrared sensor), 41 mV (carbon dioxide sensor), 2 mV (temperature sensor). With the increment of ambient temperature, the averaged output voltage of carbon dioxide sensor was increased 19 mV, however, when the humidity level was increased, it was decreased 14mV. Based upon the experimental results, the humidity effect could be alleviated by the increment of temperature, so the effects of humidity and temperature could be only compensated by the ambient temperature itself. The estimated carbon dioxide concentrations showed 10% large errors below 200 ppm, however, the errors of the estimations of carbon dioxide concentrations were less than ${\pm}5%$ from 400 to 2,000 ppm.
This article describes the characteristics of nondispersive infrared carbon dioxide gas sensor according to the temperatures and humidifies. In this researches, a thermopile sensor that included application-specific integrated circuit (ASIC) was used and the White-cell structure was implemented as an optical waveguide. The developed sensor modules were installed in gas chamber and then the temperature of gas chamber has been increased from 283 K to 313 K with 10K temperature step. In order to analyze the effects of humidity levels, the relative humidity levels were changed from 30 to 80%R.H. with small humidifier. Then, the characteristics of sensor modules were acquired with the increment of carbon dioxide concentrations from 0 to 2,000 ppm. When the initial voltages of sensors were compared before and after humidifying the chamber at constant temperature, the decrements of the output voltages of sensors are like these: 9mV (reference infrared sensor), 41 mV (carbon dioxide sensor), 2 mV (temperature sensor). With the increment of ambient temperature, the averaged output voltage of carbon dioxide sensor was increased 19 mV, however, when the humidity level was increased, it was decreased 14mV. Based upon the experimental results, the humidity effect could be alleviated by the increment of temperature, so the effects of humidity and temperature could be only compensated by the ambient temperature itself. The estimated carbon dioxide concentrations showed 10% large errors below 200 ppm, however, the errors of the estimations of carbon dioxide concentrations were less than ${\pm}5%$ from 400 to 2,000 ppm.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 광원과 써모파일 적외선 센서 및 WhiteCell구조[5,6]를 응용한 광학적 구조물을 사용하여 이산화탄소가스센서의 모듈을 제작하고, 온·습도의 변화에 따른 센서의 출력 특성을 분석하여 온도보상을 통한 가스농도 예측과 습도의 영향을 고찰·분석함으로써 가스농도 추정의 정확성을 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 총유기탄소 (Total Organic Carbon)의 측정을 위한 White-cell 구조를 응용한 이산화탄소 가스센서 모듈을 제작하여 온·습도에 따른 출력특성을 살펴보았다.
온도가 증가함에 따라 동일 가스농도 구간에서 센서 모듈의 전압 변화폭이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 이용하여 추세선을 도출하였고, 추세선의 정확성을 나타내는 결정계수인 R2이 0.957<R2<0.9971범위를 가짐에 따라 온도에 따른 보정함수의 인자들이 정확하다는 것을 반증하고 있으므로, 이들을 통해 온도 보정함수를 도출하여 추정농도를 구하고자 하였다.
제안 방법
또한광경로를길게하여센서의 감도를 향상시키고자White-Cell의 원리[5]를 이용한 광학적 구조물을 설계·제작하여 센서모듈을 시제작하였다.
1에 제시한 것과 같은 측정 시스템을 구성하였다. 먼저 센서 모듈을 항온 항습조 내부의 가스 챔버에 삽입 후 온도를 273 ~313 K까지 10 K간격으로 조절하여 출력전압 특성을 확인하였다. 온도 설정 후 센서 모듈을 열적 평형 상태에 도달시키기 위해 7시간 이상 대기하였다.
이때 온도센서의 출력전압의 변동이 ±5 mV 이내일 때, 가스 유량 컨트롤러(MFC)를 통하여 챔버 내에 이산화탄소 가스를 0 ~ 2000 ppm까지 200 ppm 단위로 10 step으로 나누어 공급하여 가스농도에 따른 센서모듈의 출력 특성 실험을 진행하였고[6, 11], 가스 챔버 내의 습도량과 이산화탄소 가스 농도는 다중 가스 분석기 (INNOVA-1312)에 의해 각각 g/m3, ppm단위의 정밀도로 측정 하였으며, 측정된 결과의 신뢰성 확보를 위해 동일한 실험을 10 회 실시하였다. 센서에서 출력되는 실험데이터는 메인 컴퓨터에 RS-485통신을 이용하여 저장하였으며, 실험 결과의 분석 시, 이론적인 예상결과와 실험시 발생될 수 있는 오류를 제거하여 최소 7회 측정 결과의 평균을 구하고, 이를 통해 온도 보정함수와 습도량에 따른 영향을 고찰하였다.
2와 같다. 온도의 증가에 따라 절대 습도량은 증가하는 양상을 나타내었으나, Fig. 2에 제시된 것과 같이 세 영역 (Region- A, B, C)에서 절대 습도량은 유사한 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었으며, 온도 및 습도 조건에서 센서 모듈의 출력 특성에의 영향을 살펴보기 위해 세 영역으로 분리 제시하였다.
이때 온도센서의 출력전압의 변동이 ±5 mV 이내일 때, 가스 유량 컨트롤러(MFC)를 통하여 챔버 내에 이산화탄소 가스를 0 ~ 2000 ppm까지 200 ppm 단위로 10 step으로 나누어 공급하여 가스농도에 따른 센서모듈의 출력 특성 실험을 진행하였고[6, 11], 가스 챔버 내의 습도량과 이산화탄소 가스 농도는 다중 가스 분석기 (INNOVA-1312)에 의해 각각 g/m3, ppm단위의 정밀도로 측정 하였으며, 측정된 결과의 신뢰성 확보를 위해 동일한 실험을 10 회 실시하였다.
온도 설정 후 센서 모듈을 열적 평형 상태에 도달시키기 위해 7시간 이상 대기하였다. 이후 고순도 질소로 챔버 안의 가스를 배출 시키고 1시간이상 대기함으로써 초기 가스농도를 0 ppm근처에 도달하도록 한 후 소형가습기로 상대습도 30, 50, 80%R.H로 조절하였다. 이때 온도센서의 출력전압의 변동이 ±5 mV 이내일 때, 가스 유량 컨트롤러(MFC)를 통하여 챔버 내에 이산화탄소 가스를 0 ~ 2000 ppm까지 200 ppm 단위로 10 step으로 나누어 공급하여 가스농도에 따른 센서모듈의 출력 특성 실험을 진행하였고[6, 11], 가스 챔버 내의 습도량과 이산화탄소 가스 농도는 다중 가스 분석기 (INNOVA-1312)에 의해 각각 g/m3, ppm단위의 정밀도로 측정 하였으며, 측정된 결과의 신뢰성 확보를 위해 동일한 실험을 10 회 실시하였다.
제시된 매개변수를 통한 이산화탄소 가스센서의 특성은 식(5)과 같은 함수로 정의 할 수 있으며, 이를 통해 온도 293K와 303K에서 온도만의 함수로 추정농도[11, 13]를 구한 값(Temp)과 상대습도(30, 50, 80%R.H)의 증가에 따른 추정농도에의 영향을 비교하여 Fig. 6에 제시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 적외선 광원으로는 0~10 µm의 연속광을 방사하는 IMPORTEC사의 INTX MILR17 900을 사용하였으며, 이산화탄소가스측정용적외선센서로는 HEIMANN SENSOR 사의 HIS A21 E4.26 G5600, 기준 적외선센서로 동일 제작사의 HIS A21 E3.91 G5600을사용하였다.
이론/모형
한편 디텍터에서 받는 적외선 에너지는 식(2) Beer-Lambert 법칙을 따르며[9], 흡수계수, 가스농도, 광 경로에 의해 영향을 받는다. 적외선 소스에서 디텍터까지 동일한 흡수계수, 동일한 농도일 때 거리가 길면 광량은 급격하게 줄어든다.
성능/효과
Fig. 6 a)에 제시된 결과 중 온도 293 K, 이산화탄소 가스농도 600 ppm에서 실제 농도 대비 상대습도(30, 50, 80 %R.H)에 따른 오차는 각각 -2.3, -11.3, -6.9%를 보였고, 온도함수로 구한 농도는 0.8%의 오차범위를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 303 K에서 온도 함수로 구한 농도는 200 ppm에서 최대 5.
Fig. 9과 Table 4에 제시한 바와 같이 313 K 200 ppm 범위에서 최대 9.1%오차를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 600 ppm 이상의 범위에서 실제농도와 비교 시 오차율이 평균적으로 ±5% 이하의 정확성을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
Region-A에서 절대습도량은 일정한 상태에서 가스 챔버의 온도가 증가함에 따라 초기전압은 평균적으로 약 19 mV증가하였고, Region-B, C에서도 절대습도량은 유사하나 온도가 증가함에 따라 이산화탄소 가스센서의 초기전압은 각각 최대 31 mV, 20 mV증가하였으며 가스농도에 따라 지수함수적으로 감소하는 특성을 나타냈고 온도가 증가할수록 전압변동폭이 더 커지는 것을 확인할 수 있다.
기준 적외선 센서와 온도 센서의 출력은 온도가 증가함에 따라 선형적인 출력특성을 보였으며, Table 1에 제시한 것과 같이 이산화탄소 가스센서는 283 K에서 303까지 출력전압이 평균적으로 18 mV씩 증가하였고, 313 K에서 5 mV정도 감소하는 출력 특성을 보였다. 또한, 습도를 조절하기 이전과 이후를 비교했을 때, 기준 센서는 최대 9 mV, 온도센서는 2 mV 정도의 변화를 보이며, Fig.
기준 적외선 센서와 온도 센서의 출력은 온도가 증가함에 따라 선형적인 출력특성을 보였으며, Table 1에 제시한 것과 같이 이산화탄소 가스센서는 283 K에서 303까지 출력전압이 평균적으로 18 mV씩 증가하였고, 313 K에서 5 mV정도 감소하는 출력 특성을 보였다. 또한, 습도를 조절하기 이전과 이후를 비교했을 때, 기준 센서는 최대 9 mV, 온도센서는 2 mV 정도의 변화를 보이며, Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 수증기 도입 전후의 출력전압은 한 점의 형태로 거의 유사하였으나, 이산화탄소 가스센서는 313 K 최대 41 mV 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.
5는 온·습도 조건 중 동일 온도에서 이산화 탄소 가스센서의 절대 습도량에 따른 영향을 나타낸다. 온도 293 K에서 이산화탄소 센서의 초기전압은 절대 습도량이 증가함에 따라 평균적으로 5.8 mV감소하였으며, 온도가 일정할 때 절대 습도량이 증가함에 따라 일정 폭을 가지고 지수함수 형태로 가스 농도가 증가함에 따라 출력전압이감소해 나감을 확인할 수 있었다.
온도와 습도의 변화는 둘 다 센서모듈의 출력전압에 민감한 양상을 나타내었는데, 이를 통하여 보상된 가스 농도의 예측은 온도에 의한 보상법이 습도에 의한 보상보다 더욱 정확히 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 가스 농도와 비교 시 오차율이 평균 ±5%이내의 정확한 센서모듈을 제시할 수 있었다.
4는 온·습도 조건 중 절대습도량이 유사한 영역에서 이산화탄소 가스센서의 온도 특성을 나타낸다. 이산화탄소 가스를 주입함에 따라 이산화탄소 가스센서의 출력전압은 가스농도에 의존해 감소하는 양상을 나타내었다.
절대 습도량이 증가함에 따라 디텍터에 도달하는 에너지 양이 감소하면서 이산화탄소 센서의 초기전압이 평균적으로 14 mV 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 또한, 온도가 증가함에 따라 이산화탄소 센서 초기전압이 평균적으로 19 mV 증가하는 특성을 나타내었다. 온도와 습도의 변화는 둘 다 센서모듈의 출력전압에 민감한 양상을 나타내었는데, 이를 통하여 보상된 가스 농도의 예측은 온도에 의한 보상법이 습도에 의한 보상보다 더욱 정확히 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 가스 농도와 비교 시 오차율이 평균 ±5%이내의 정확한 센서모듈을 제시할 수 있었다.
적외선 소스에서 디텍터까지 동일한 흡수계수, 동일한 농도일 때 거리가 길면 광량은 급격하게 줄어든다. 즉, 광 경로를 길게하면 경로상 존재하는 다량의 측정 대상가스의 적외선 흡수에 의해 디텍터에 도달하는 Id의 값이 초기값 I0에 비해 감소하기 때문에 미소량의 가스농도 변화에 대해 큰 적외선 광량이 변화함으로 인해 센서의 감도는 증가할 것을 예측할 수 있다.
235 g/m3으로 증가할 때 이산화탄소 센서의 초기전압이 27 mV 감소하는 양상을 나타내었다. 즉, 절대 습도량의 증가는 온도에 의한 변화와 반대로 센서 모듈 출력특성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절대 습도량에 비례하여 출력전압이 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 빛의 산란 때문이라고 판단되며, 빛의 산란은 어떤 매질을 직선경로로 통과하는 빛이 하나 이상의 불균일성 원인에 의해 경로를 벗어나는 현상을 가르키며, 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 큰 경우 산란을 일으키게 되고, 이를 미 산란(Mie scattering) 이라 한다.
8%의 오차범위를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 303 K에서 온도 함수로 구한 농도는 200 ppm에서 최대 5.2%의 오차범위를 가지는 것을 확인할 수 있었고, 온도 보상만으로도 실제농도와 평균 5%이내로 정확하게 농도를 추산할 수 있는 것을 나타내고 있음을 알 수 있었으며, 이들 결과를 종합적으로 분석하여 Table 3에 제시하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
총 유기 탄소(TOC)시스템의 기능은?
총 유기 탄소(TOC)시스템은 폐수의 샘플을 완전히 산화 반응 시켜서 발생하는 이산화탄소량을 측정하여 수중 탄소량을 역산한다[2]. 이와 같이 이산화탄소를 측정하기 위해 TOC 시스템에서는 비분산 적외선 방식[3]과 전도도법[4]을 이용한 센서를 사용하고 있다.
비분산 적외선 방식(NDIR)가스 센서의 장점은?
전도도법을 이용한 방식은 질소함유 유기화합물의 경우 검출을 못하며, 유기 할로겐화합물의 경우 실제 측정되는 값은 2배이상 과대 측정하는 것으로 알려져 있다. 반면 비분산 적외선 방식(NDIR)가스 센서는 광원에서 적외선이 방사되어 측정 대상가스의 농도에 따라 적외선이 흡수되고, 이에 따른 출력 단의 전압변동을 이용하기 때문에 높은 선택성과 감도가 우수하며, 장기 안정성과 높은 정확성 그리고 낮은 전력소비의 이점이 있다. 그러나 적외선 센서는 주변온도 및 습도의 변화에 따라 출력전압특성의 변화가 유발됨으로써 측정된 가스 농도의 온·습도 보상이 필수적이라고 할 수 있다.
비분산 적외선 가스센서의 출력 특성은 무엇에 따라 달라지는가?
비분산 적외선 가스센서는 광원, 광학적 구조물 그리고 광학적 필터를 부착한 디텍터로 구성이 되어있다. 이 가스센서의 출력 특성은 광원에서 방출되는 에너지와 매질 내의 적외선 흡수 및 디텍터에 입사되는 에너지양에 따라 출력특성이 주어지는데, 통상적으로 적외선 광원의 경우 0~10 μm의 연속광을 방사하는 제품을 사용하고 있다. 한편 대기 중에는 여러 가스분자들이 존재하는데, 특정가스들의 경우, 그들은 고유의 적외선 흡수 파장을 가지고 있다.
참고문헌 (13)
D.H. Han, J.Y. Choi, "Selection of the optimum organic matter index for surface water quality management", J. Environ. Policy, Vol. 10, pp. 61-80, 2011.
C.S. Kim, B.J. Lim, J.K. Lee, J.B. Lee, K.S. Choi, J.L. Kim, J.Y. Lee, "Study on the total organic carbon(TOC) analytical method in freshwater", Water Qual. Division Environ. Diagn. Res. department, 2005.
N. Kawasaki, K. Matsushige, K. Komatsu, A. Kohzu, F. Watanabe Nara, F. Ogishi, M. Yahata, H. Mikami, T. Goto, and A. I mai, "Fast and precise method for HPLC-size exclusion chromatography with UV and TOC(NDIR) detection: Importance of multiple detectors to evaluate the characteristics of dissolved organic matter", Water Res., Vol. 45, pp. 6240-6248, 2011.
B.C. Choi, K.Y. Kim, J.Y. Yang, H.N. Kim, "Dev-elopment of an urea sensor using electric conductivity method", J. Kor. Society for Power Sys. Eng., Vol. 15, pp. 55-60, 2011.
S.H. Yi, Y.H. Park, J.K. Lee, "Temperature dependency of non-dispersive infrared carbon dioxide gas sensor by using White-cell structure", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 25, no. 5, pp. 377-381, 2016.
E. Wagner, R. Dandliker, and K. Spenner, Sens.: vol. 6: Opt. sens., VCH press, chapter 12, pp.204, 1991.
R. Eisberg and R. Resnick, "Quantumn physics of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles", John Wiley & Sons, New York, pp. 1-25, 1985.
R.V. Maikala, "Modified Beer's law-historical perspec-tives and relevance in near-infrared monitoring of optical properties of human tissue", Inter. J. Ind. Ergonomics, Vol. 40, pp. 125-134, 2010.
J.M. Park, N.K. Min, S.Y. Kweon, and S.H. Yi, "Novel NDIR $CO_2$ sensor with two concave mirrors", Proc. Of APCOT2006, D-15, Singapore, June 25-28, 2006.
S.H. Yi, "Temperature dependency of non-dispersive infrared carbon dioxide gas sensor by using infrared sensor for compensation", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 25, no.2, pp. 1-7, 2016.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.