[논문]비분산 적외선 가스 센서 온도 보상법: 적외선 흡수도

이승환

doi:10.46670/jsst.2021.30.1.36

문제 정의

따라서 본 논문에서는 두 개 이상의 광 경로로 표현 해석되는 비분산 적외선 가스 센서 온도 보상 방법의 새로운 기준을 제시하고자 한다. 즉, 광 흡수도의 정의와 광 흡수도의 선택 기준과 이에 따른 측정 결과의 분석을 통해 측정 오차를 줄일 수 있는 방법에 대해 제시하고자 한다.
4에 제시된 것과 같이 동일한 농도구간에서 출력전압의 변화폭이 차동 증폭된 결과보다 4 배 이상 큰 값을 갖고 있어, 신호처리 과정에서 분해능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 증폭된 전압비를 농도 측정에 적용하고자 하였다.
본 논문에서는 두 개 이상의 광 경로와 이에 따른 지수 함수적 특성을 갖는 비분산 적외선 가스 센서의 농도 측정 알고리즘의 개선을 위해 광 흡수도를 정의하고, 이의 기준을 통해 농도 측정의 오차 분석을 진행하였다. 광 흡수도의 정의와 적용을 통해 광 흡수도의 미분 값을 정규화하고, 출력 특성을 구분함으로써, 두 개의 지수함수로 표현되는 출력 특성을 하나의 지수함수로 표현할 수 있었다.
연구 개발된 센서 모듈에 대한 실험과 평가에 대한 기본적 사항은 기존 발표된 논문[9]에서 살필 수 있으며, 본 논문에서는 실험 과정에 대해서 제시하고자 한다. Fig.
한다. 즉, 광 흡수도의 정의와 광 흡수도의 선택 기준과 이에 따른 측정 결과의 분석을 통해 측정 오차를 줄일 수 있는 방법에 대해 제시하고자 한다.

제안 방법

가스 챔버의 기준 상태(CO² 가스와 기타 가스가 없는 상태) 를 확보하기 위해 고순도 질소가스를 약 10 분간 흘려줌으로써챔버 내의 잔류가스를 제거하였다. 온도 변화에 따른 센서의 초기 출력전압을 확인하기 위해 항온·항습도 챔버에 센서 모듈을 넣고, 분위기 온도를 257K, 267K, 277K, 300K, 314K, 324K 로 설정하여 0ppm 상태에서의 출력전압을 확보하였다.
또한 이들 신호는 차동증폭기를 통해 2차 증폭되었으며, 각각의 증폭 신호들이 ADC (Analog-to-Digital converter)를 통해 센서의 출력전압으로 변환되었다. 디지털 신호로 변환된 출력 전압들은 MCU (microcontroller unit)에 저장된 프로그램을 통해 농도 산출에 응용되었고, 모든 신호들은 실험과정에서 센서의 특성을 종합적으로 판단하기 위해 DAC (Digital-to-Analog converter)와 RS485 통신 포트를 통해 외부의 컴퓨터에 연결되어 저장할 수 있게 하였다. 센서의 제작과 부품에 대한 정보는 이미 발표된 논문을 통하여 자세하게 확인할 수 있다[9].
따라서 본 연구에서는 500 ppm, 1000 ppm, 1500 ppm에서 광 흡수 도의 온도에 따른 함수를 구하고, 이들 농도를 기준으로 출력 특성을 구분한 후, 출력 전압을 통한 가스 농도 산출을 시도하였다. 가스 농도 1000 ppm (정규화한 광 흡수도의 미분값은 0.
광 도파관의 형상에 따라, 혹은 측정 대상 가스와 농도에 따라, 가스가 존재하지 않는 상태에서 센서의 출력 특성은 서로 다른 함수적 특성을 보인다[3, 4]. 또한 광 도파관 내에서 광 경로는 무수히 많으나, 저자를 포함하여 이들을 표준화한 두 개의 광 경로로 근사화 하여 가스의 농도에 따른 출력전압을 분석하였다. 이런 접근 방법은 가스 농도의 예측 알고리즘 작성과 적용에 오차를 제공하는 한 요인으로 작용하고 있음을 연구 결과의 사례에서 보여주고 있다[4-6].
3 C 이내일 때, 각 센서에서 출력되는 값을 컴퓨터에 자동으로 저장시켰다. 또한 센서 모듈 내부의 잔류 가스를 고순도 질소 가스(99.99%)를 이용해 전부 배출 시켜 내부의 이산화탄소 농도를 0 ppm에 가까운 상태로 만들어준 후, 순차적으로 100, 200, 500, 1000, 1500, 3000, 5000 ppm의 가스를 400 초 동안 주입하여 온도와 이산화탄소 농도에 따른 센서의 출력을 확인하였다. 이때 압축 가스 상태에서 가스챔버로 유입되는 가스의 온도 영향을 배제하기 위해 가스는 항온 항습조 내부의 약 3m 길이의 배관을 거친 후, 가스 챔버에유입되도록 챔버를 구성하였다.
내의 잔류가스를 제거하였다. 온도 변화에 따른 센서의 초기 출력전압을 확인하기 위해 항온·항습도 챔버에 센서 모듈을 넣고, 분위기 온도를 257K, 267K, 277K, 300K, 314K, 324K 로 설정하여 0ppm 상태에서의 출력전압을 확보하였다.
챔버 내부의 센서 모듈이 열적 평형 상태에 도달시키기 위해온도 설정 후 7시간 이상 대기하였고, 온도 센서(Pt-100)의 출력 값이 이전 실험값의 ±0.3 C 이내일 때, 각 센서에서 출력되는 값을 컴퓨터에 자동으로 저장시켰다. 또한 센서 모듈 내부의 잔류 가스를 고순도 질소 가스(99.
한편 광 흡수도를 가스 농도 분석 알고리즘에 적용하기 위한 기준을 확보하고자 광 흡수도의 분위기 온도와 가스 농도와의 상관성을 살폈다. 광 흡수도를 각 온도와 농도에서 1차 미분한 후, 이들을 0ppm에서의 값을 기준으로 정규화한 결과가 Fig.
한편 센서 모듈 내부의 가스 농도는 다중 가스 분석기 (INNOVA- 1312)를 통해 ppm단위로 정확하게 측정함으로써 유입가스의 정확성을 확보하였다.

성능/효과

측정의 오차 분석을 진행하였다. 광 흡수도의 정의와 적용을 통해 광 흡수도의 미분 값을 정규화하고, 출력 특성을 구분함으로써, 두 개의 지수함수로 표현되는 출력 특성을 하나의 지수함수로 표현할 수 있었다. 또한 광 흡수도 변화의 기울기가 초기값의 90%로 감소하는 지점을 기준으로 출력 특성을 구분하고, 각 영역의 특성을 알고리즘으로 반영한 농도 산출법이 표준 가스 농도를 최대 5 % 이내에서 정확하게 측정함을 확인하였다.
5(a)를 통해 알 수 있다. 따라서 광 흡수도가 온도의 함수로 정의됨을 본 연구결과를 통해 명확하게 확인할 수 있었으며, 이는 기존 연구결과와 부합됨을 알 수 있다[11, 12].
6은 식 (2)에서 제시한 수식이 아닌 세 개의 파라미터를 갖는 지수함수[8, 9]로 출력전압을 추정한 곡선을 포함한 결과를 제시한 것으로, 측정된 전압을 정확하게 표현하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 광 흡수도를 구하고, 이를 통해 출력전압을 구간 분할하며, 세 개의 파라미터를 갖는 지수함수를 통해 추정농도를 구하는 관계식을 도출함으로써 식 (2)가 주는 어려움을 극복할 수 있을 것으로 판단할 수 있었다. 그러나 기준점을 결정하기 위해 기울기의 변화가 큰 세 점을 기준으로 추정농도에 대한 오차를 살펴본 결과를 제시하면 Table 1과 같다.
또한 광 흡수도 변화의 기울기가 초기값의 90%로 감소하는 지점을 기준으로 출력 특성을 구분하고, 각 영역의 특성을 알고리즘으로 반영한 농도 산출법이 표준 가스 농도를 최대 5 % 이내에서 정확하게 측정함을 확인하였다. 따라서 광학적 구조물에 따른 출력 특성의 분석과 광 흡수도 정의를 통해 보다 정확하게 가스 농도를 측정하고, 온도 보상할 수 있음을 본 연구를 통해 알 수 있었다.
설정할 수 있었다. 또한 1차 증폭된 출력 전압의 비를 이용한 농도 측정은 분해능을 향상시킬 수 있었으나, 열잡음에 의한 영향을 배제할 수 없음으로 인해 농도 측정에서의 오차는 차동 증폭한 결과에 비해 취약한 특성을 갖고 있음을 비교 검토를 통해 확인할 수 있었다.
하한과 상한이 감소함을 알 수 있다. 또한 괄호 안에 제시된 차동 증폭된 출력을 통한 오차와 비교하였을 때, 출력 전압 비를 통한 농도 추정의 오차가 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 비록 Fig.
광 흡수도의 정의와 적용을 통해 광 흡수도의 미분 값을 정규화하고, 출력 특성을 구분함으로써, 두 개의 지수함수로 표현되는 출력 특성을 하나의 지수함수로 표현할 수 있었다. 또한 광 흡수도 변화의 기울기가 초기값의 90%로 감소하는 지점을 기준으로 출력 특성을 구분하고, 각 영역의 특성을 알고리즘으로 반영한 농도 산출법이 표준 가스 농도를 최대 5 % 이내에서 정확하게 측정함을 확인하였다. 따라서 광학적 구조물에 따른 출력 특성의 분석과 광 흡수도 정의를 통해 보다 정확하게 가스 농도를 측정하고, 온도 보상할 수 있음을 본 연구를 통해 알 수 있었다.
5(b)에서 300 K 이하에서 정규화된 기울기는 모든 측정 온도에서 유사한 값을 갖고 있었으나, 314 K에서의 결과는 상이한 특징을 나타내고 있음을 볼 수 있다. 또한 정규 화한 기울기는 가스 농도 500~1500ppm에서 급격하게 변화되어 3000ppm 이상의 가스농도에서 거의 0에 가까운 값을 갖게 됨을 볼 수 있었다.
1과 같다. 본 실험에 적용된 비분산 적외선 이산화탄소 가스 센서는 아날로그와 디지털 전원으로 분리되어 각 회로부에 인가되었고, 가스 센서들의 출력전압은 연산증폭기를 통해 1차 증폭되었다. 또한 이들 신호는 차동증폭기를 통해 2차 증폭되었으며, 각각의 증폭 신호들이 ADC (Analog-to-Digital converter)를 통해 센서의 출력전압으로 변환되었다.
본 연구과정을 통해 둘 이상의 광 경로로 표현되는 출력 특성을 광 흡수도의 정의와 이의 기울기 변화의 정규화를 통해 표준 가스의 농도를 최대 5% 이내에서 정확하게 측정할 수 있는 알고리즘을 설정할 수 있었다. 또한 1차 증폭된 출력 전압의 비를 이용한 농도 측정은 분해능을 향상시킬 수 있었으나, 열잡음에 의한 영향을 배제할 수 없음으로 인해 농도 측정에서의 오차는 차동 증폭한 결과에 비해 취약한 특성을 갖고 있음을 비교 검토를 통해 확인할 수 있었다.
또한 괄호 안에 제시된 차동 증폭된 출력을 통한 오차와 비교하였을 때, 출력 전압 비를 통한 농도 추정의 오차가 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 비록 Fig. 4에 표현된 바와 같이 전압비가 차동 증폭 값에 비해 큰 전압 변동을 나타내고, 이로 인해 분해능이 향상될 것으로 기대하였지만, 추정 농도 오차는 차동 증폭 값을 이용한 결과에 비해 증가하는 것으로 나타났다.
이산화탄소 센서와 기준 적외선 센서의 초기 전압은 온도에 따른 3차 함수 형태로 분석되었으며, 온도가 증가함에 따라 기준 센서나 이산화탄소 센서 모두 출력 전압은 증가하는 것으로 나타났다. 이런 현상은 인가 전력이 일정할 때, 온도가 증가함에 따라 흑체인 적외선 광원의 표면온도가 증가하고, 이로 인한 입사 에너지 증가에 기인한다는 기존 연구결과와 잘 일치되는 것을 알 수 있다[11].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

비분산 적외선 가스 센서 온도 보상법: 적외선 흡수도
Temperature Compensation of Nondispersive Infrared Gas Senor: Infrared Light Absorbance 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

비분산 적외선 가스 센서 온도 보상법: 적외선 흡수도 Temperature Compensation of Nondispersive Infrared Gas Senor: Infrared Light Absorbance 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이승환 (12)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

비분산 적외선 가스 센서 온도 보상법: 적외선 흡수도
Temperature Compensation of Nondispersive Infrared Gas Senor: Infrared Light Absorbance 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper