[논문]휴대용 다중 가스측정 장비 개발 및 평가

장희중; 김응식; 박종열

doi:10.5762/kais.2019.20.3.483

휴대용 다중 가스측정 장비 개발 및 평가
Development and Evaluation of Portable Multiple Gas Meter 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.3, 2019년, pp.483 - 490

장희중 (LG전자 L&A연구센터) , 김응식 (호서대학교 안전소방학부) , 박종열 (호서대학교 안전환경기술융합대학원)

초록
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화재 발생으로 인한 피해 및 영향에 관해 국내에서의 연구는 미비한 상태이다. 따라서 화재 발생에 따른 연기 농도를 측정하기 위한 기기를 개발함으로 연기가 주변 지역으로 확산될 경우의 농도를 측정하고자 한다. 본 논문에서 제안한 공기질 측정 시스템은 기존의 측정기와는 달리 CO, CO2, NOx VOCs, NH3 등 총 5가지의 가스를 동시에 측정할 수 있고, 센서보호 알고리즘을 통해 높은 내구 수명을 갖는다. 또한, 모니터링 프로그램을 통해 실시간 가스 변화량을 측정하는 시스템을 구성하였다. 상용 가스 분석기와의 비교를 통해 가스농도 측정의 신뢰성을 확보하였으며, 실내 및 실외 화재실험을 통해 발화점 주변에 존재하는 가스농도 평가를 실시하여 신뢰성이 높은 데이터를 얻을 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Assessing the effect of forest fires and measuring the gas concentration around a fire has received little attention. Therefore, the concentrations of various gases in areas surrounding a fire need to be measured by the development of a suitable device. Unlike conventional portable devices, the AQS (Air Quality System) proposed in this paper is a portable instrument that measures five types of gases simultaneously, including CO, CO2, NOx, VOCs, and NH3, and has high durability through sensor protection algorithms. A PC-based program with an AQS connection was developed to monitor the real-time changes in the gas concentration. The reliability of the developed device was proven through a comparison of the results with other commercial gas analyzers. Measurements of the concentration due to indoor and outdoor fires were performed around a fire area to review the applicability and the predicted results were obtained.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Various gas sensor for measurement.
그림 Fig. 1. Air quality system schematic
그림 Fig. 2. Air quality system artwork (Up-Front, Down-Back)
그림 Fig. 3. Air quaility system schematic(Power part)
그림 Fig. 4. Sensor schematic(CO&NOx, NH3 Part)
그림 Fig. 5. Sensor schematic(CO2 Part)
그림 Fig. 6. Sensor schematic(VOCs Part)
그림 Fig. 7. Air quality system proto sample ass’y
그림 Fig. 8. AQS in gas measurement chamber
그림 Fig. 9. Environment of gas measurement system
그림 Fig. 10. Dry and wet fuel(leaves, etc.)
그림 Fig. 11. Indoor gas measurement
그림 Fig. 12. Indoor gas measurement data
그림 Fig. 13. Installation of AQS on the vehicle
그림 Fig. 14. Smoke difference before and after a fire
그림 Fig. 15. Outdoor gas measurement data
그림 Fig. 16. Spiral driving for gas assessment
그림 Fig. 17. Results of spiral driving test

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 화재 발생 시 생성되는 유해 연소가스 12가지 중 사회적 이슈 및 생활에 있어 직·간접적으로 영향성이 큰 5가지의 유해가스(질소산화물, 일 산화탄소, 암모니아. 이산화탄소, 휘발성 유기화합물)에 관한 실시간 가스농도 측정 장비를 개발함으로 화재 발생 시 주변의 연기농도 측정을 하고자 한다.
그 이유는 화재 발생이라는 특성상 연기측정 및 분석보다는 위험 요소에 따른 대피 등이 가장 최우선적인 요소이기 때문이었다. 본 논문의 목적은 산림화재 발생 시 주변에 노출되는 연소가스의 농도를 측정하기 위한 휴대용 가스측정기의 개발이다. 기존의 측정기는 다수의 가스측정을 위하여 다수의 기기를 휴대해야 하며, 주기적으로 센서를 교체하는 불편함이 있다.
연기의 농도 평가 진행 시 동일한 조건에 대한 실험을 총 3차례 진행하여 연기 발생량에 대한 정량적인 평가를 진행함으로 측정 데이터의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 재실험 시 챔버에서 진행한 동일한 방법으로 초기조건을 설정하였다.

제안 방법

1) 5가지 가스(CO, CO2, NO2, NH3, VOCs등)를 동시에 측정하기 위해 휴대용 공기질 측정 시스템을 개발하였으며, 센서의 수명을 연장하기 위한 히터 알고리즘을 개발하였다.
공기질 측정 시스템(AQS, Air Quality System)의 구성은 다음과 같다. CO 및 NOx 센서(MiCS-4515, Micro Chemical System), NH3 센서(MiCS-5914, Micro Chemical System), CO2 센서(COZIR, GSS), VOCs 센서(SP3S-AQ2, FIS)를 사용하여 농도를 측정하고, 데이터는 고속 연산이 가능한 32Bit CPU (ARM Cortex-M3, EFM32TG222)로 처리하였다.[6] 실내외 설치를 위해 후면에 자석을 설치하여 탈·부착을 편리하게 하였고, 센서의 특성보정 및 내구성 향상을 위한 알고리즘을 구현하여 장기적인 신뢰성을 목표로 개발하였다.
CO 및 NOx와 NH3 가스측정용 센서는 가스농도 측정을 위하여 히터를 사용하여 센서 표면을 가열하는데, 개발된 기기에서는 퍼지 로직을 이용한 히터 제어 알고리즘으로 센서의 내구성을 향상시켰다. 이것은 가스에 노출되기 전의 상태를 초기값으로 하여 현재값과의 차이와 변화율을 입력으로 퍼지 제어량을 추출하고, 이 값에 현재 PWM 듀티비를 고려하여 새로운 목표 PWM 듀티 비를 설정하여 제어하는 방식이다.
DC-DC 컨버터 및 노이즈 필터 등을 설계하여 불안정한 입력 전원에도 안정적으로 동작할 수 설계하였으며, 편의성을 높여 DC 9∼18V를 입력받을 수 있게 구성하였다.
VOCs(REA, PHOCHECK Tiger)를 이용하며, CO(300EU), CO2(360EM), NOx(200E), NH3(201E)는 TELEDYNE의 가스 분석기로 가스농도 초기값 설정 및 농도별 평가를 진행하였다. 각 상용 가스 분석기는 검·교정용 가스를 통해 보정을 하였으며, 가스 분석기와 공기질 측정 시스템 간의 가스농도 편차 검토 시 최대편차 5%, 평균 약 3% 이내의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
[6] 실내외 설치를 위해 후면에 자석을 설치하여 탈·부착을 편리하게 하였고, 센서의 특성보정 및 내구성 향상을 위한 알고리즘을 구현하여 장기적인 신뢰성을 목표로 개발하였다.
공기질 측정 시스템의 측정 위치는 30cm 간격으로 변화시켜가며, 연기의 농도를 측정하였다.[7] 실험 공간 에는 Fig. 9와 같이 공기질 측정 시스템 외 상용 가스 측정기기를 추가적으로 설치하여 공기질 측정 시스템과의 연기 농도의 편차를 검토하였다.
가스농도 측정 외에도 주변 온도 및 습도를 측정하기 위해 센서 및 회로를 적용함으로 주변 환경 변화를 함께 측정할 수 있도록 하였다. 기존의 상용화된 휴대용 가스 측정기와 비교하면 다음과 같은 특징들이 있다.
첫 번째로 실내에 산림화재를 모사하여 연기 농도를 각 높이에 따라 측정하였다. 각 센서별로 한계 측정농도와 화재 진행에 따라 농도 분포의 변화를 고려하여 설치 위치를 선정하였다. 두 번째로 실외 산림화재를 위한 평가로 공기질 측정 시스템을 차량 전면부에 설치하고 풀 (Pool) 화재형태로 산림화재를 축소화하여 가스농도를 측정하였다.
공기질 측정 시스템은 전원부, 입력부, 출력부, 센서부 등으로 구성되었으며, 이외에도 실내외의 온·습도 측정도 함께 수행한다.
공기질 측정 시스템을 이용한 연기측정 방법으로 산불 발생상황을 두고 크게 2가지로 분류하여 평가하였다. 첫 번째로 실내에 산림화재를 모사하여 연기 농도를 각 높이에 따라 측정하였다.
공기질 측정 시스템의 신뢰성을 검토하기 위해 가스 농도 평가를 위한 별도의 챔버를 구성하였으며, 상용 가스 분석기를 이용 공기질 측정 시스템의 가스 측정 성능을 검토하였다.
공기질 측정 시스템의 측정 위치는 30cm 간격으로 변화시켜가며, 연기의 농도를 측정하였다.[7] 실험 공간 에는 Fig.
공기질 평가 방법으로는 다수의 상용 측정장비를 챔버 내에 설치하고, 가스 유입 전 초기 상태의 가스농도의 편차를 검토한다. 그 후 목표한 농도의 가스를 공급 후, 장비들이 측정한 가스농도를 검토한다. 이때 상용 가스 분석기의 농도값과 공기질 측정 시스템 간의 측정 편차를 확인 후 편차가 높은 시료에 관해 1차적으로 에이징을 통해 측정값을 보정하고, 2차적으로 시스템의 보정계수를 결정하며 캘리브레이션을 수행한다.
셋째 외함 상부의 온·습도 센서 홀은 밀폐되어 습기가 침투하지 못하고, 하부 홀은 가스 유입구에서 공급되는 가스가 배출되어 내부에 가스가 누적되지 않도록 하였다. 넷째 퍼지 로직을 이용한 히터 제어 알고리즘으로 센서의 내구성을 향상시켰다. 다섯째 전원 사양의 범위를 넓힘으로 편의성을 증가시켰다.
다음으로 챔버 내에 청정공기를 약 1시간 정도 공급하여 잔여 가스농도를 낮추어가며, 각 센서의 회복성을 검토한다. 다음으로 센서의 전원을 분리하여 센서 내 히터가 모두 냉각될 때까지 약 20분간 대기한 후 상기에 언급한 프로세스를 반복하여 실험하였다. 환경에 따른 가스농도 변화를 위해 건구온도를 약 5∼50℃ 범위로 5℃ 단위로 변화하며, 습도는 약 10∼90% 범위로 10% 단위로 변화하며 평가하였다.
다음으로 차량이 화재 주변을 나선형 형태로 주행하며 바람의 방향에 따른 가스 전파에 대해 가스농도 측정을 위한 실험을 추가로 진행하였다.
이때 상용 가스 분석기의 농도값과 공기질 측정 시스템 간의 측정 편차를 확인 후 편차가 높은 시료에 관해 1차적으로 에이징을 통해 측정값을 보정하고, 2차적으로 시스템의 보정계수를 결정하며 캘리브레이션을 수행한다. 다음으로 챔버 내에 청정공기를 약 1시간 정도 공급하여 잔여 가스농도를 낮추어가며, 각 센서의 회복성을 검토한다. 다음으로 센서의 전원을 분리하여 센서 내 히터가 모두 냉각될 때까지 약 20분간 대기한 후 상기에 언급한 프로세스를 반복하여 실험하였다.
각 센서별로 한계 측정농도와 화재 진행에 따라 농도 분포의 변화를 고려하여 설치 위치를 선정하였다. 두 번째로 실외 산림화재를 위한 평가로 공기질 측정 시스템을 차량 전면부에 설치하고 풀 (Pool) 화재형태로 산림화재를 축소화하여 가스농도를 측정하였다.
첫째 휴대성이 좋으며 5가지 가스 및 온·습도를 동시에 측정할 수 있다. 둘째 측정기는 Fig. 7과 같이 밀폐구조 적용하고 소형 팬을 통해 외부가스가 멤브레인 시트로 유입되도록 하였다. 따라서 외부 습기는 차단하고 지속적인 가스 유입이 가능하다.
CO2 가스는 OCZIR 센서를 사용하며, 5V 전원 공급시 센서에서 CO2를 값을 자동으로 측정하여 마이컴에 비동기 통신(주기 100ms)을 이용하여 측정된 센서값을 송·수신하게 된다. 마이컴은 해당 값을 10번의 샘플링 과정을 거쳐 센서값의 최대/최소값을 제거하여, 나머지 값을 평균함으로 1초에 한 번씩 측정한 가스농도를 측정하게 하였다. Fig.
산림화재 발생 시 수반되는 연기로 인한 영향을 검토하기 위해 5가지 가스농도를 측정하는 공기질 측정 시스템을 개발하였으며, 이 시스템의 가스농도별 평가를 통해 신뢰성을 검증하고 실내 및 실외 모의 화재를 통해 화재 시 발생하는 가스농도를 측정함으로 다음과 같은 결론은 얻었다.
셋째 외함 상부의 온·습도 센서 홀은 밀폐되어 습기가 침투하지 못하고, 하부 홀은 가스 유입구에서 공급되는 가스가 배출되어 내부에 가스가 누적되지 않도록 하였다.
11과 같이 화원 주변에 경사면을 두어 화재가 시간에 따라 확산할 수 있도록 하여,[9] 시간의 흐름에 따라 공간 내 연기의 농도가 점차 높아지게 하였다. 실내 평가를 통해 연기 농도의 변화에 따른 센서의 반응 및 기울기, 측정값의 한계값 등을 평가하였다.
재실험 시 챔버에서 진행한 동일한 방법으로 초기조건을 설정하였다. 실험실 내 심한 대류가 발생하지 않도록 외부 공기 유입을 최소화한 후 가스농도를 측정하였다.
그 후 목표한 농도의 가스를 공급 후, 장비들이 측정한 가스농도를 검토한다. 이때 상용 가스 분석기의 농도값과 공기질 측정 시스템 간의 측정 편차를 확인 후 편차가 높은 시료에 관해 1차적으로 에이징을 통해 측정값을 보정하고, 2차적으로 시스템의 보정계수를 결정하며 캘리브레이션을 수행한다. 다음으로 챔버 내에 청정공기를 약 1시간 정도 공급하여 잔여 가스농도를 낮추어가며, 각 센서의 회복성을 검토한다.
통신은 3채널 절연소자(3-Channel Digital Isolator)를 통하여 송/수신 신호를 처리하여 485 통신을 구현하였다. 전원구성은 Fig. 3과 같이 정전압소자(L5973D, KIA7805) 등을 이용 DC 3.3V와 5.0V 전원을 회로의 각 부분에 공급하도록 설계하였다.
공기질 측정 시스템을 이용한 연기측정 방법으로 산불 발생상황을 두고 크게 2가지로 분류하여 평가하였다. 첫 번째로 실내에 산림화재를 모사하여 연기 농도를 각 높이에 따라 측정하였다. 각 센서별로 한계 측정농도와 화재 진행에 따라 농도 분포의 변화를 고려하여 설치 위치를 선정하였다.
환경에 따른 가스농도 변화를 위해 건구온도를 약 5∼50℃ 범위로 5℃ 단위로 변화하며, 습도는 약 10∼90% 범위로 10% 단위로 변화하며 평가하였다.

대상 데이터

실외 연기 농도 측정 평가를 위해 Fig. 13과 같이 차량 시거잭 전원(DC10~14V)을 사용하여 차량 전면부에 공기질 측정 시스템을 좌·우로 2개 설치하였으며, 차량 내부에서는 노트북을 이용하여 측정한 가스농도 데이터를 수집하였다.
2와 같이 공기질 측정 시스템 개발을 위해 각 부회로 및 보드 설계를 진행하였다. 통신은 3채널 절연소자(3-Channel Digital Isolator)를 통하여 송/수신 신호를 처리하여 485 통신을 구현하였다. 전원구성은 Fig.
화재 발생을 위한 실험 공간에서는 산불 발생 조건을 모사하기 위해 실내의 온도 및 습도를 점검하였으며, 발화 연료는 Fig. 10과 같이 산에 있는 가연물을 채취하여 밀폐용기에 보관한 시료와 실외에서 3일간 건조한 시료를 동일한 비율로 혼합하여 준비하였다.[8] 그 이유는 화재의 속도와 연기 발생량을 조절하기 위함이다.

성능/효과

2) 챔버를 이용한 가스 농도별 평가 실험을 통해 상용 가스 분석기와의 측정 편차 5% 이내의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
3) 실내 산림화재 모의실험을 통해 휴대용 가스 분석 기와의 편차 5% 이내로 신뢰성을 확보할 수 있었으며, 연기의 누적으로 인하여 3분 이내로 가스농도가 환경기준치를 3배 이상 초과하는 확인할 수 있었다.
4) 실외 산림화재 모의실험을 통해 화재 주변을 선회하며 측정할 때 바람과 차량이 교차할 때 VOCs의 농도가 변화하였으며, 기타 가스의 농도 변화는 측정되지 않았다. 또한, 발화점을 향하여 직선으로 주행하면 농도가 급격히 증가함을 확인할 수 있었다.
Fig 15에서 알 수 있듯이 가스농도 측정 시에 CO, NO2, NH3 등 가스농도의 변화는 측정되지 않았다. VOCs의 농도는 화원과의 거리에 반비례하여 그 농도가 증가하였으며, CO2의 경우 소폭의 증가를 확인하였다. 그 이유는 대부분 가스가 대류에 의해 상승되어 측정되지 않았으며, CO의 경우 모의 화재에 의한 화원의 규모가 작아 불완전 연소가 이뤄지지 않았기 때문이라고 사료된다.
각 상용 가스 분석기는 검·교정용 가스를 통해 보정을 하였으며, 가스 분석기와 공기질 측정 시스템 간의 가스농도 편차 검토 시 최대편차 5%, 평균 약 3% 이내의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
또한, VOCs 및 CO2는 공기보다 비중이 높아 공기질 측정 시스템의 측정 위치에서 검출될 수 있음을 확인하였다. 동일한 공간에서 2차례의 실험을 통해 실험데이터의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
그 이유는 대부분 가스가 대류에 의해 상승되어 측정되지 않았으며, CO의 경우 모의 화재에 의한 화원의 규모가 작아 불완전 연소가 이뤄지지 않았기 때문이라고 사료된다. 또한, VOCs 및 CO2는 공기보다 비중이 높아 공기질 측정 시스템의 측정 위치에서 검출될 수 있음을 확인하였다. 동일한 공간에서 2차례의 실험을 통해 실험데이터의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
화재가 발생 시 인명피해의 가장 큰 원인은 화염에 의한 피해가 아닌 유독성 연기에 따른 피해가 가장 크며, 피부나 소화기 호흡기를 통해 인체에 치명적인 손상을 입히게 된다. 또한, 국립산림과학원의 연구결과 산림화재의 대표적인 연소가스를 분석한 결과 13종의 가스가 포함되어 있으며, 이산화탄소는 약 90%로 약 33,000ppm, 일산화탄소는 약 9%로 5,000ppm의 농도를 보여 허용 기준치를 크게 초과하는 것으로 이는 수분 내질식사에 이르게 할 수 있는 것으로 나타났다.[4] 국내에서는 화재 발생 시 수반되는 연기가 주변에 미치는 영향성에 관해 검토된 바가 없다.
4) 실외 산림화재 모의실험을 통해 화재 주변을 선회하며 측정할 때 바람과 차량이 교차할 때 VOCs의 농도가 변화하였으며, 기타 가스의 농도 변화는 측정되지 않았다. 또한, 발화점을 향하여 직선으로 주행하면 농도가 급격히 증가함을 확인할 수 있었다.
기존의 측정기는 다수의 가스측정을 위하여 다수의 기기를 휴대해야 하며, 주기적으로 센서를 교체하는 불편함이 있다. 새로 개발된 측정기는 5종류의 가스를 동시에 측정할 수 있는 장점이 있으며, 센서의 내구성도 센서보호 알고리즘의 개발로 크게 향상되었다.
일산화탄소 및 질소산화물, 암모니아, 휘발성 유기화 합물의 경우 화재 후 가시적으로 판단하는 연기의 확산에 따라 가스농도 측정값이 증가됨을 확인할 수 있었으며, 상용 가스농도 측정계와의 오차는 최대 5% 이내로 측정됨을 확인할 수 있었다. 실내 평가를 통해 연기는 위로부터 누적되어 점차 쌓이는 것을 확인할 수 있었으며, 연기의 누적에 따라 가스농도 역시 급격하게 증가하였다.
첫째 휴대성이 좋으며 5가지 가스 및 온·습도를 동시에 측정할 수 있다.

후속연구

5) 향후 대형 산림화재의 발생을 대비하여 그 영향성 평가를 위해서는 측정 기기 및 측정 방법 등 여러 가지 평가 방법이 연구되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재 발생 시 연기는 무엇인가?	화재 발생 시 연기는 열분해 생성물로 여러 가스와 함께 공기 중에 부유하여 확산한 상태를 말한다. 앞서 언급한 단기적인 영향 외에도 연기는 장기적으로 인체에 영향을 미침으로 주변의 연기농도를 장기적으로 모니터링할 필요가 있다.
	화재 발생 시 인명피해의 가장 큰 원인은 무엇인가?	화재가 발생 시 인명피해의 가장 큰 원인은 화염에 의한 피해가 아닌 유독성 연기에 따른 피해가 가장 크며, 피부나 소화기 호흡기를 통해 인체에 치명적인 손상을 입히게 된다. 또한, 국립산림과학원의 연구결과 산림화재의 대표적인 연소가스를 분석한 결과 13종의 가스가 포함되어 있으며, 이산화탄소는 약 90%로 약 33,000ppm, 일산화탄소는 약 9%로 5,000ppm의 농도를 보여 허용 기준치를 크게 초과하는 것으로 이는 수분 내질식사에 이르게 할 수 있는 것으로 나타났다.
	연기가 주변에 미치는 영향성에 대한 연구가 적은 이유는?	[4] 국내에서는 화재 발생 시 수반되는 연기가 주변에 미치는 영향성에 관해 검토된 바가 없다. 그 이유는 화재 발생이라는 특성상 연기측정 및 분석보다는 위험 요소에 따른 대피 등이 가장 최우선적인 요소이기 때문이었다. 본 논문의 목적은 산림화재 발생 시 주변에 노출되는 연소가스의 농도를 측정하기 위한 휴대용 가스측정기의 개발이다.

참고문헌 (9)

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J. Kesselmeier, U. Kuhn, S. Rottenberger, T. Biesenthal, A. Wolf,1 G. Schebeske, M. O. Andreae, P. Ciccioli, E. Brancaleoni, M. Frattoni, S. T. Oliva, M. L. Botelho, C. M. A. Silva, and T. M. Tavares, "Concentrations and species composition of atmospheric volatile organic compounds (VOCs) as observed during the wet and dry season in Rondonia", Journal of Geophysical and Research, Vol.107, Issue.D20, pp. LBA 20-1-LBA 20-13, September, 2002. DOI: https://doi.org/10.1029/2000JD000267
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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