KR20010090641A - 샘플주입방식을 이용한 비분산적외선 탄산가스 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐공간에서의 식물체 배양 과정 및 저장과정 중 식물체에 의해 발생되거나 손실되는 CO₂의 양을 비분산적외선 방식을 이용하여 소량의 샘플을 간단하고 정밀하게 측정할 수 있는 방법 개발에 그 목적을 두고 있다. 이를 위하여 본 발명은, 비분산적외선방식의 센서 이용에 있어서 샘플 가스 주입 방식을 응용하였으며, 본 센서에 반응이 없는 N₂가스를 캐리어 가스(Carrier gas)로 사용하며 유량계를 통하여 일정유량을 조절하는 단계, N₂가스의 이동 경로에 샘플 주입 포트를 설치하여 샘플 가스가 센서로 이동할 수 있도록 하는 단계, 측정 가스의 농도 범위별 N₂가스의 유량 및 적절 샘플 주입량 결정 단계, 보정식을 이용한 농도계산식으로 이루어진 것에 특징이 있다. 본 발명은, CO₂가스를 측정함에 있어 소량의 일정 샘플 가스를 주입하여 넓은 범위의 CO₂를 신속, 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

샘플주입방식을 이용한 비분산적외선 탄산가스 측정시스템{Infrared CO2 analyzing system using sample injection method}

본 발명은 소량의 샘플을 이용한 CO₂측정 방법으로서, 밀폐공간에서 식물 배양 및 저장 과정 중 발생하는 광합성 및 식물체의 호흡 측정과 배양 용기내의 환기횟수 측정 등 생명과학 분야에 다용도로 사용될 수 있는 기술에 관한 것이다. 밀폐공간의 식물배양 혹은 저장 실험에 있어서 CO₂는 식물의 동화물질 혹은 호흡산물이며 매우 중요한 환경 요인 중 하나이다. 일반적으로 소량의 샘플을 이용한 CO₂농도 측정은 GC를 사용하는 것이 관례였으며 밀폐된 공간에 식물을 위치시키고 내부의 공기를 주사기로 주입하여 측정하였다. GC는 기상의 화학물질을 측정하기 위한 기기로서 거의 모든 물질을 검지, 측정할 수 있지만, CO₂를 측정하기 위해서는 열전도법에 근거한 TCD detector를 사용해야 하며 기기 작동 시마다 보정해야 한다. 또한, GC의 측정범위보다 샘플가스의 CO₂농도가 낮을 경우 정확도가 떨어지고 기기의 가격 또한 고가라는 문제점이 있다. 따라서, 소량의 샘플을 이용하여 손쉽고 정밀하게 CO₂의 농도를 측정할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 GC의 방식이 아닌 비분산적외선방식의 센서를 이용함으로서 사용의 용이성, 저비용을 실현시키고자 하였다. 본 센서는 저농도에서 정확성이 매우 높은 특성을 지니고 있다. 본 발명이 채택하고 있는 비분산적외선방식은 CO₂측정 목적의 센서로서 정확성, 신뢰성은 이미 검증되어 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비분산적외선방식의 센서 이용에 있어서 샘플 가스 주입 방식을 응용하였으며, 본 센서에 반응이 없는 N₂가스를 캐리어 가스(Carrier gas)로 사용하며 유량계를 통하여 일정유량을 조절하는 단계, N₂가스의 이동 경로에 샘플 주입 포트를 설치하여 샘플 가스가 센서로 이동할 수 있도록 하는 단계, 측정 가스의 농도 범위별 N₂가스의 유량 및 적절 샘플 주입량 결정 단계, 보정식을 이용한 농도계산식으로 이루어진 것에 특징이 있다.

도 1은 본 CO₂측정 장치의 전반적인 형태를 나타낸 모식도

도 2는 본 발명에 사용되는 샘플의 주입방식에 대한 구조도

도 3은 CO₂검지기를 포함한 센서의 구조도

도 4는 표준가스를 이용한 보정 방법

도 5는 저농도 CO₂측정시의 보정 방법에 대한 증명 그래프

도 6은 고농도 CO₂측정시의 보정 방법에 대한 증명 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : N2가스 봄베	2 : 1차 유량 조절기(레귤레이터)
3 : 비닐관	4 : 2차 유량 조절기(유량계)
5 : 주입 포트	5-a : 주입구
6 : 미세 비닐관	7 : 센서 감지 셀
7-a : 셀 배출구	8 : 출력 디스플레이 창
9 : 비분산적외선 센서 본체	10 : 레코더
11 : 저농도 표준가스 측정값	12 : 고농도 표준가스 측정값
13 : 보정식

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 센서로 샘플 가스를 이동시키기 위한 N₂가스봄베부(1), N₂가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절계부(4), 샘플 가스를 주입하기 위한 주입 포트부(5), 샘플 가스의 농도를 측정하기 위한 비분산적외선방식의 CO₂센서부(9), 출력된 값을 기록하기 위한 레코더부(10)로 구성되어 있다. 작동원리는 다음과 같다. 우선 N₂가스 봄베에 설치되어 있는 1차 유량 조절기인 레귤레이터(2)를 통해 적정 압력의 가스를 서서히 방출한다. 본 N₂가스는 비분산적외선 방식의 센서에 감지되지 않는 특성을 지니고 있다. 이 가스는 여러 화합물과 반응성이 적은 비닐관(3)을 통하여 2차 유량 조절기인 유량계(4)를 경유하고 이 때 샘플 가스의 농도 측정에 적절한 최종 유량이 형성된다. 샘플 가스는 주입포트(5)의 주입구(5-a)를 통하여 주입된다. 샘플 가스는 1~5cc의가스를 주사기로 주입하며 상시 흐르고 있는 N₂에 의해 이동한다. 이 가스는 미세 비닐관(6)을 경유하여 비분산적외선 센서의 감지셀(7)로 유입되며 셀(7) 내부에 주기적으로 방출되는 적외선에 의해 감지된다. 이때, CO₂가스 농도가 높을수록 흡수되어 손실되는 적외선의 양이 많아지며 손실량에 반비례한 출력값을 디스플레이 창(8)과 레코더(10)에 출력한다. 측정된 샘플 가스는 배출구(7-a)로 방출되며 셀(7)내부의 샘플가스가 완전히 방출된 후 재측정이 가능하게 된다. 본 발명에서의 CO₂농도 측정은 각 농도 별 출력값을 산출한 후 사전에 작성된 보정식을 이용하여 보정 가능하며, 본 발명의 경우 1%미만의 CO₂측정에는 N₂가스 유량을 8~12cc/min., 샘플 주입량을 5cc로 설정하였으며, 1%~10% 범위의 CO₂측정에는 N2 가스 유량을 25~35cc/min., 샘플 주입량을 1cc로 설정된 N₂유량은 일정하게 고정한다. 이런 원리로 본 장치는 일정 농도 범위에 국한되어 있지 않고 상당히 넓은 범위의 CO₂농도를 측정할 수 있다. 본 발명에서 사용한 비분산적외선 센서는 일정 시간 경과 후 출력특성이 변화되기 때문에 이를 보정하기 위하여 표준가스를 이용하여 보정식을 작성한다. 1% 미만의 가스를 측정하고자 한다면 1070ppm, 1%의 표준가스로 보정식을 작성한다. 도4는 보정식 작성 방법에 관한 것으로, x축의 값은 실제 CO₂농도값이며 y축의 값은 센서 출력값이다. 보정식 작성 방법은 다음과 같다. 우선, 최소농도 표준가스(11)를 주입하여 센서 출력값을 측정한다. 또한, 동일한 방법으로 최고농도 표준가스(12)를 주입하여 센서 출력값을 측정한다. 본 표준가스측정을 여러 번 실시한 후, 회귀분석을 실시하고 보정식을 작성한다. 여러 차례 검정해본 결과 농도에 비례하여 정확한 선형관계를 나타내고 있으므로 본 방법을 적용함에 있어 문제가 없음을 알 수 있다(도5, 도6). 그 외에도, 본 장치에 적용한 비분산적외선 방식의 센서는 온도, 수분, 먼지 등에 상당히 민감한 특성을 지니고 있다. 특히 온도에 민감하며 정확한 측정을 위해서는 장치 초기화 시, 예열 시간이 필요하다. 또한, 측정 주기에도 상당히 민감하여, 베이스 라인에 안정화 되었을 시 신속하게 다른 샘플을 주입하여 측정해야 한다. 만일 안정화 후 많은 시간이 경과되었다면, 임의의 가스를 주입하여 센서에 반응을 가지도록 하고 안정화 후 즉시 재측정을 하면 정확한 결과를 얻을 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, CO₂가스를 측정함에 있어 비분산적외선방식의 센서를 응용하여 본 센서가 지닌 정확성을 살리고, N₂가스를 캐리어 가스로 사용하여 소량의 일정 샘플 가스를 주입하며 이동 매체의 유량을 조절함으로써 저농도 범위에서 넓은 범위의 CO₂를 신속, 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 비분산적외선방식의 센서(9)를 응용하여 소량의 가스 농도를 측정하는 CO₂측정기기에 있어서, 비분산적외선방식의 감지셀(7)에 주입포트(5)를 설치하고, N₂가스(1)를 캐리어 가스로 사용하며 기기 출력값의 피크를 이용하여 측정하는 방법,
2. 측정 농도 범위에 따라 정확한 측정을 기하기 위해 1%~10%의 가스 측정에는 8~12cc/min의 캐리어 가스 유량과 5cc의 샘플 주입량, 1%미만의 가스 측정에는 28~32cc/min의 캐리어 가스 유량과 1cc의 샘플 주입량으로 설정한 본 발명의 설정방법,
3. 정확성 향상을 위해, 매 측정 초기화 시 측정 범위의 최소/최대 농도의 표준가스를 주입하여 보정식을 작성하는 방법,
4. N₂가스 봄베부(1), 캐리어 가스 유량 조절계부(4), 주입 포트부(5), CO₂센서부(9), 레코더부(10)를 종합한 전체 시스템