KR100497991B1

KR100497991B1 - 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법

Info

Publication number: KR100497991B1
Application number: KR10-2002-0044696A
Authority: KR
Inventors: 이원배
Original assignee: 세주엔지니어링주식회사
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2005-07-01
Also published as: US20060263254A1; EP1529210A1; CN1685223A; KR20040011213A; WO2004011924A1; AU2003252612A1; EP1529210A4

Abstract

본 발명은 가스 센서 기술에 관한 것으로, 특히 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법에 관한 것이다. 본 발명은 사용자가 간편하게 재기초화를 수행할 수 있는 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 특정 측정 대상 가스에 대응하는 센서 물질을 구비하는 휴대용 가스 검출기에 있어서, 사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부; 외부의 가스를 상기 센서 물질로 전달하기 위한 가스 주입부; 상기 센서 물질의 기준 특성값을 저장하기 위한 메모리부; 상기 버튼 입력부에 응답하여 재기초화 모드를 수행하여, 상기 메모리부에 기저장된 기준 특성값을 상기 가스 주입부를 통해 주입된 대체 표준가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값에 대응하는 특성값으로 대체하기 위한 재기초화 제어부; 상기 버튼 입력부에 응답하여 가스 농도 측정 모드를 수행하여 상기 가스 주입부를 통해 주입된 측정 대상 가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하고 이를 상기 메모리부에 저장되어 있는 기준 특성값과 비교/연산하기 위한 가스 농도 측정 제어부; 및 상기 가스 농도 측정 제어부의 연산 결과에 따라 상기 측정 대상 가스의 농도를 디스플레이하기 위한 표시부를 구비하는 휴대용 가스 검출기가 제공된다.

Description

휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법{Portable gas detector and re-calibration method thereof}

본 발명은 가스 센서 기술에 관한 것으로, 특히 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법에 관한 것이다.

산업 혁명 이후 산업계의 발전에 따라 유독 가스(CO, H₂S, SO₂, NO_x)에 의한 대기오염이 부각되었고, 또한 가스 폭발이나 가스 중독의 위험성이 증대되었다. 이러한 상황에서 1923년에 Johnson에 의해 촉매 연소식 센서(catalytic combustion-type sensor)가 처음 보고 되었고, 이후 다양한 방식의 가스 센서가 개발되었다.

이 중에서 반도체형 가스 센서는 금속산화물 반도체인 SnO₂, ZnO, In2O₃ 등의 소결체로서 공기 중 특정 가스의 유무 및 농도를 저항변화로서 측정하는데, 1962년에 Seiyama와 Taguch에 의해 처음 발표되었다. 이러한 반도체식 가스센서는 1968년 일본의 Figaro 사에 의해 상업화된 후 가스누설경보, 가스의 농도측정에 주로 사용되어 왔다. 이 과정 중에 센서는 그것의 재료 및 적용 감지기구의 개량을 통하여 각각의 검지가스 및 용도에 알맞게 진화하였고, 상용화되어 산업, 의료 및 실생활 분야 등에서 사용되어지고 있다. 특히, LNG 가스, LPG 가스의 보급 확대와 음주 운전의 사회 문제화에 힘입어 가스 센서는 휴대용 가스누설감지기나 휴대용 음주측정기의 형태로 상품화되고 있다.

반도체는 그 전기전도 메카니즘에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분된다. 가장 대표적인 감응제인 SnO₂는 n형 반도체에 속하며, 양이온(Sn)의 수가 음이온(O)의 수 보다 정량적으로 적어서 과잉의 전자가 생겨나게 되고, 이것이 전기전도도에 기여하게 된다. 이러한 SnO₂는 부족한 산소종을 대기중에서 흡착하여 양/음이온 개수비의 불균형을 해소하려고 하는 경향을 가지게 되는데 흡착된 산소종의 전기음성도에 기인하여 반도체 내의 전기전도 역할을 하는 전자가 흡착산소 표면에 국소화되어 있는 상태 (즉, 사로잡혀 있는 상태)가 된다. 따라서, 이때는 전기전도성을 잃게 된다. 만약 환원성가스(예컨대, CO, NH₃) 등에 이러한 상태의 SnO₂가 노출되면 표면의 흡착산소가 이러한 기체종들과 반응하여 하기의 반응식 1과 같은 반응을 일으켜 표면의 흡착산소를 다시 탈착시키게 된다. 이때 산소 주위에 포획된 전자가 다시 자유로워져서 전기전도도에 기여할 수 있게 된다. 따라서, 검지하고자 하는 목적가스에 따라 반도체 센서의 전기 전도도가 변화하게 되고 이를 통해 기체종의 존재 유무 및 농도를 알 수 있는 것이다. 한편, 감응제인 SnO₂에 촉매제로서 Pt, Au, Ag 등의 물질을 첨가하여 감응도를 높이고 있다.

2CO + O₂ → 2CO₂

종래의 휴대용 가스 검출기의 경우, 24시간/365일 계속해서 동작하는 가스 경보기 등과는 동작 여건이 틀려 오차가 많은 문제점이 있었다. 즉, 휴대용 음주측정기나 휴대용 가스누설감지기는 필요시에만 동작시켜 사용하고, 대부분의 시간은 동작하지 않는 상태를 유지하게 된다. 이때, 기온, 습도, 기압 등 외부 환경에 따라 센서 물질과 잡가스가 화학반응을 하여 센서의 기준값을 변화시켜 기기의 측정오차를 확대시키는 문제점이 있었다.

도 1은 휴대용 알코올 측정기(음주측정기)의 알코올 농도에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 그래프이다. 일반적인 반도체 가스 센서의 가스 농도에 따른 센서 물질의 저항값 변화를 그래프로 그리면 자연대수적인 변화를 나타내는데, 도 1은 이를 직선화시킨 것이다.

도 1을 참조하면, '가'의 커브에 따르는 경우, 80 PPM의 알코올 가스를 센서에 주입하고 이때의 센서 저항을 20 ㏀으로 기초화(calibration) 해 놓으면, 측정하고자 하는 가스 농도에 따라 변화하는 저항값을 특성 커브에 대입함으로써 가스 농도를 파악할 수 있게 된다.

도 2는 반도체 가스 센서(벌크형)의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.

센서 물질의 저항값은 센서 마다 다르게 나타나는데, 도 2의 등가 회로에 나타난 바와 같이 가변저항(VR)을 조정하여 일정한 가스 농도에서 센서의 저항값을 일치시키는 기초화를 수행하면 상대적인 가스 농도를 파악할 수 있게 된다. 미설명 도면 부호 'Vh'는 히터전압, 'Rh'는 히터저항, 'Rs' 신호저항, 'Vcc'는 전원전압, 'Vout'은 출력전압을 각각 나타낸 것이다.

그러나, 기온, 습도, 저장 조건 등에 따라 센서 물질의 저항값이 변하게 되어 상기 도 1의 '가' 커브에서 '나' 커브 또는 '다' 커브로 센서 특성이 변화하면 센서의 정확도가 떨어지게 된다. 만일 '가' 커브에 따라 기초화된 센서의 특성이 '나' 커브로 변화한 경우라면, 80 PPM의 알코올 가스에 대해 센서 저항은 10 ㏀으로 나타나고, 이는 기초화 상태를 기준으로 하여 160 PPM으로 표시된다. 한편, '다' 커브로 변화한 경우라면, 80 PPM의 알코올 가스에 대해 센서 저항은 30 ㏀으로 나타나고, 이는 기초화 상태를 기준으로 하여 20 PPM으로 표시된다. 즉, 센서 특성의 변화에 따라 감지 결과에 큰 오차가 발생할 수 있다.

이 경우, 재기초화를 수행하여야 하나, 사용자는 표준 농도의 가스를 마련하기 어렵고, 기초화에 대한 기술이 없기 때문에 제조자에게 기기를 맡겨 재기초화를 수행해야 하는 불편함이 따랐다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 사용자가 간편하게 재기초화를 수행할 수 있는 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 특정 측정 대상 가스에 대응하는 센서 물질을 구비하는 휴대용 가스 검출기에 있어서, 사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부; 외부의 가스를 상기 센서 물질로 전달하기 위한 가스 주입부; 상기 센서 물질의 기준 특성값을 저장하기 위한 메모리부; 상기 버튼 입력부에 응답하여 재기초화 모드를 수행하여, 상기 메모리부에 기저장된 기준 특성값을 상기 가스 주입부를 통해 주입된 대체 표준가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값에 대응하는 특성값으로 대체하기 위한 재기초화 제어부; 상기 버튼 입력부에 응답하여 가스 농도 측정 모드를 수행하여 상기 가스 주입부를 통해 주입된 측정 대상 가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하고 이를 상기 메모리부에 저장되어 있는 기준 특성값과 비교/연산하기 위한 가스 농도 측정 제어부; 및 상기 가스 농도 측정 제어부의 연산 결과에 따라 상기 측정 대상 가스의 농도를 디스플레이하기 위한 표시부를 구비하는 휴대용 가스 검출기가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 특정 측정 대상 가스에 대응하는 센서 물질을 구비하는 휴대용 가스 검출기의 재기초화 방법에 있어서, 상기 센서 물질의 기준 특성값에 따른 저항값 데이터를 저장하는 제1 단계; 사용자의 재기초화 키 입력 여부를 감지하는 제2 단계; 인입되는 대체 표준가스에 의해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하는 제3 단계; 및 기저장된 상기 기준 특성값을 상기 제3 단계에서 파악된 상기 저항값에 대응하는 특성값으로 대체 저장하는 제4 단계를 포함하는 휴대용 가스 검출기의 재기초화 방법이 제공된다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 가스 검출기의 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 휴대용 가스 검출기는, 센서 물질(36)과, 사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부(30)와, 외부의 가스를 기기 내부의 센서 물질(36)로 전달하기 위한 가스 주입부(31)와, 센서 물질(36)의 기준 특성값을 저장하기 위한 메모리부(34)와, 버튼 입력부(30)에 의해 재기초화 모드를 수행하여 가스 주입부(31)를 통해 주입된 대체 표준가스에 대해 반응하는 센서 물질(36)의 저항값에 대응하는 특성값(특성 커브)을 메모리부(34)에 저장하여 기저장된 기준 특성값을 대체하기 위한 재기초화 제어부(33)와, 버튼 입력부(30)에 의해 가스 농도 측정 모드를 수행하여 가스 주입부(31)를 통해 주입된 측정 대상 가스에 대해 반응하는 센서 물질(36)의 저항값을 측정하고 메모리부(34)에 저장되어 있는 기준 특성값과 비교/연산을 수행하기 위한 가스 농도 측정 제어부(35)와, 가스 농도 측정 제어부(35)의 연산 결과에 따라 가스 농도를 디스플레이하기 위한 표시부(32)(예컨대, LCD)를 구비한다.

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 가스 검출기의 재기초화 과정과 가스 실측 과정에 대한 재기초화 제어부(33) 및 가스 농도 측정 제어부(35)의 처리 흐름도이다.

재기초화를 원하는 사용자가 가스 센서의 외부에 배치된 재기초화 키를 누르면 재기초화 모드가 시작되고, 실제 가스 농도 측정을 원하는 경우 측정 키를 누르면 측정 모드가 시작된다. 재기초화 키와 측정 키를 반드시 별도로 설치할 필요는 없으며, 버튼을 누르는 시간을 2 단계로 구분하여 재기초화 키 입력인지 측정 키 입력인지를 판단하도록 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 우선 재기초화 제어부(33)는 버튼 입력부(30)로부터 재기초화 키 입력이 있는지를 체크한다(10). 체크 결과, 재기초화 키 입력이 없으면 처음으로 돌아가고, 재기초화 키 입력이 있으면, 일정 시간 동안 가스 주입부(31)의 주입구를 개방하여 대체 표준가스를 받아들인다(11). 이때, 대체 표준가스로 사람의 입김 또는 공기를 사용할 수 있으며, 재기초화 제어부(33)는 재기초화 모드시 주입되는 가스를 특정한 대체 표준가스(예컨대, 사람의 입김)로 인식하게 된다.

다음으로, 재기초화 제어부(33)는 대체 표준가스의 주입에 의한 센서 물질(36)의 저항값을 읽어들인다(12).

이어서, 재기초화 제어부(33)는 기저장된 기준 특성값(특성 커브)을 해당 저항값에 대응하는 특성값으로 메모리부(34)에 대체 저장하고(13), 프로세스를 종료한다.

도 5를 참조하면, 우선 가스 농도 측정 제어부(35)는 버튼 입력부(30)로부터 측정 키 입력이 있는지는 체크한다(20). 체크 결과, 측정 키 입력이 없으면 처음으로 돌아가고, 측정 키 입력이 있으면 일정 시간 동안 가스 주입부(31)의 주입구를 개방하여 측정 대상 가스를 받아들인다(21).

다음으로, 가스 농도 측정 제어부(35)는 해당 측정 대상 가스의 주입에 의한 센서 물질의 저항값을 읽어들인다(22).

계속하여, 프로세서는 읽어들인 저항값을 저장된 기준 특성값과 비교/연산하고(23), 해당 저항값에 대응하는 가스 농도를 표시부(32)에 디스플레이하고(24), 프로세스를 종료한다.

본 발명에서는 휴대용 음주측정기, 휴대용 가스누설감지기 등의 휴대용 가스 검출기 기기에 사용자 재기초화 기능을 부여하고, 주변에서 쉽게 구할 수 있는 가스(예컨대, 공기, 입김 등)를 표준가스로 이용하도록 함으로써 사용자가 쉽게 재기초화를 수행할 수 있도록 하였다. 일반적으로, 반도체 가스 센서는 탄화수소(CH) 계열 가스, H₂O, CO 등 거의 모든 가스에 반응을 한다. 그러나, 촉매 및 사용 온도에 따라 반응성이 틀린 성질을 이용하여 특정 가스에 대한 감지가 가능한 것이다. 본 발명은 거의 모든 가스에 반응을 하는 반도체 가스 센서의 특성에 착안하였다. 즉, 반도체 가스 센서에 입김을 주입하면 사람마다 어느 정도의 차이는 있지만 알코올 농도 10 PPM과 유사한 반응 특성을 나타낸다. 예컨대, 일반적인 사람의 입김은 약 10 PPM의 표준가스로 취급(따라서, 본 발명에서는 이런 종류의 가스를 "대체 표준가스"라 함)할 수 있기 때문에, 이를 기기에 주입한 후 그에 대해 반응하는 센서 물질의 저항값을 읽어 들여 새로운 기준점을 정할 수 있다.

한편, LPG, LNG 등의 가스누설감지기에 본 발명을 적용하는 경우, 음주측정기에 비해 더 민감할 필요가 있다. 따라서, 이 경우에는 사람의 입김을 표준가스로 사용하지 않고 깨끗한 공기(대기)를 표준가스로 사용하는 것이 바람직하다. 오염이 심하지 않은 대기는 일정한 가스 조성비를 가지기 때문에 비교적 정확한 표준가스로 사용할 수 있다.

한편, 낮은 농도에서는 특성 커브의 기울기가 선형성을 잃어 상기 도 1의 '가' 커브 중 'A', 'B', 'C'와 같이 저항값이 다르게 나타날 수 있으나, 이를 감안하여 농도를 표시하면, 센서 특성이 '가' 커브에서 '나' 커브 또는 '다' 커브로 변한 경우에도 민감하게 가스를 감지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

예컨대, 전술한 실시예에서는 휴대용 음주측정기, 휴대용 가스누설감지기 등을 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 다른 휴대용 가스 검출기 기기에도 적용 가능하다.

전술한 실시예에서는 대체 표준가스로 입김, 공기 등을 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명에서는 주위에서 쉽게 구할 수 있는 가스로서 일정한 조성비를 가지는 가스라면 재기초화를 위한 대체 표준가스로 사용할 수 있다.

전술한 본 발명은 가스 센서 사용자가 간편하게 재기초화를 수행할 수 있도록 함으로써 기기의 감지 정확도를 개선할 수 있다.

도 1은 휴대용 알코올 검출기(음주측정기)의 알코올 농도에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 그래프.

도 2는 반도체 가스 센서(벌크형)의 등가 회로를 나타낸 회로도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 가스 검출기의 블록 구성도.

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 가스 검출기의 재기초화 과정과 가스 실측 과정에 대한 재기초화 제어부 및 가스 농도 측정 제어부의 처리 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

30 : 버튼 입력부

31 : 가스 주입부

32 : 표시부

33 : 재기초화 제어부

34 : 메모리부

35 : 가스 농도 측정 제어부

36 : 센서 물질

Claims

특정 측정 대상 가스에 대응하는 센서 물질을 구비하는 휴대용 가스 검출기에 있어서,

사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부;

외부의 가스를 상기 센서 물질로 전달하기 위한 가스 주입부;

상기 센서 물질의 기준 특성값을 저장하기 위한 메모리부;

상기 버튼 입력부에 응답하여 재기초화 모드를 수행하여, 상기 메모리부에 기저장된 기준 특성값을 상기 가스 주입부를 통해 주입된 대체 표준가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값에 대응하는 특성값으로 대체하기 위한 재기초화 제어부;

상기 버튼 입력부에 응답하여 가스 농도 측정 모드를 수행하여 상기 가스 주입부를 통해 주입된 측정 대상 가스에 대해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하고 이를 상기 메모리부에 저장되어 있는 기준 특성값과 비교/연산하기 위한 가스 농도 측정 제어부; 및

상기 가스 농도 측정 제어부의 연산 결과에 따라 상기 측정 대상 가스의 농도를 디스플레이하기 위한 표시부

를 구비하는 휴대용 가스 검출기.
제1항에 있어서,

상기 대체 표준가스는 사람의 입김 또는 공기(대기)인 것을 특징으로 하는 휴대용 가스 검출기.
특정 측정 대상 가스에 대응하는 센서 물질을 구비하는 휴대용 가스 검출기의 재기초화 방법에 있어서,

상기 센서 물질의 기준 특성값에 따른 저항값 데이터를 저장하는 제1 단계;

사용자의 재기초화 키 입력 여부를 감지하는 제2 단계;

인입되는 대체 표준가스에 의해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하는 제3 단계; 및

기저장된 상기 기준 특성값을 상기 제3 단계에서 파악된 상기 저항값에 대응하는 특성값으로 대체 저장하는 제4 단계

를 포함하는 휴대용 가스 검출기의 재기초화 방법.
제3항에 있어서,

상기 대체 표준가스는 사람의 입김 또는 공기(대기)인 것을 특징으로 하는 휴대용 가스 검출기의 재기초화 방법.
프로세서를 구비한 휴대용 가스 검출기에,

상기 센서 물질의 기준 특성값에 따른 저항값 데이터를 저장하는 제1 기능;

사용자의 재기초화 키 입력 여부를 감지하는 제2 기능;

인입되는 대체 표준가스에 의해 반응하는 상기 센서 물질의 저항값을 측정하는 제3 기능; 및

기저장된 상기 기준 특성값을 상기 제3 기능에 의해 파악된 상기 저항값에 대응하는 특성값으로 대체 저장하는 제4 기능

을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.