KR20030017878A - 건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의신뢰성 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학식 가스센서로부터 얻어진 측정치의 신뢰성을 판단하는 가스센서의 신뢰성 진단방법에 관한 것으로 가스측정/감지장치에서 가스센서의 교체시기를 알려주는데 사용하는 것이다.

전기화학식 가스센서는 장시간 사용시 그 성능이 저하되어 사용자가 인지하지 못하는 사이에 측정값의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 기존의 전기화학식 가스센서 내에 기준전극과 감지전극을 각각 두 개 이상씩 구비하고 이들간에 외부에서 인위적으로 건드림(perturbation)전압을 인가한 후 이 기전력이 다시 원래 값으로 회복되는 시간을 이용하여 가스센서의 각 구성요소의 열화정도를 감지하도록 함으로써 가스센서로부터 나오는 측정값에 신뢰성을 부여하도록 한 것이다.

본 발명을 통하여 사용자에게 센서의 교체시기를 결정해 주는 것이 가능할 뿐만 아니라 가스센서를 이용한 시스템이나 소자의 동작 신뢰도를 한 단계 높여주는 역할을 하는 것이다.

Description

건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의 신뢰성 진단방법{a}

본 발명은 전기화학적 원리를 이용하여 가스의 농도를 전압적으로 측정하는 전기화학식 가스센서에 있어서, 기준전극과 감지전극을 각각 두 개 이상씩 구비하고 이들간에 외부에서 인위적으로 건드림(perturbation)전압을 인가한 후 이 기전력이 다시 원래 값으로 회복되는 시간을 이용하여 가스센서의 각 구성요소의 열화정도를 감지하도록 함으로써 가스센서로부터 나오는 측정값에 신뢰성을 부여하도록 한 것이다.

전기화학식 가스센서는 대부분 기준전극(R1, R2)과 측정전극(W1, W2)의 전압차이가 측정가스농도에 역지수함수적으로 변하는 원리를 이용하여 가스의 양을 측정하나, 센서로부터 측정된 전압값이 가스농도의 이론값과 일치하기 위해서는 기준전극과 측정전극에서 가스와 전극간의 평형 반응을 유지시켜 주어야 한다.

이를 위해 필수적으로 작동온도를 높여 센서를 운용함으로써 전극에서 가스의 반응 속도를 빠르게 해주어야 한다.

이와 같은 고온동작은 재료의 열화를 촉진시켜 센서의 수명을 짧게 해주는 직접적인 원인이 되고 있는 것으로, 예를 들면 용융염을 사용하는 측정전극의 경우 시간에 따라 열에 의해 용융염이 증발함으로써 감지특성이 열화되거나 또는 기준전극 물질이 주변물질과의 고온 화학반응으로 기준전위가 변하여 측정치의 오차를 유발시키게 된다.

또한 대부분의 전기화학식 센서는 사용 수명이 제한적이어서 기간을 정하여 정기적으로 교체하거나 교정을 받도록 되어 있으므로, 어느 경우 불필요하게 교체하거나 교정이 되어지는 경우도 있고 그렇지 못하고 관리소홀로 방치된 센서의 경우는 노출된 분위기의 가스농도와 무관한 측정치를 표시하므로 가스센서에 대한 신뢰도를 잃게 하는 원인이 되고 있다

종래까지 여러 종류의 전기화학식 가스센서가 개발되어 왔으나 신뢰성 판단 알고리즘에 관한 개발은 미약하여 개발된 가스센서조차 사용분야가 제한적이었고 사용자로부터 신뢰성을 얻지 못했다.

본 발명은 기존의 전기화학식 가스센서 내에 기준전극과 감지전극을 각각 두 개 이상 설치하여 상기 전극간에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 주었을 때 이 기전력을 다시 원래 값으로 회복되는 시간(속도)을 이용하여 가스센서의 각 구성요소의 열화정도를 감지하도록 함으로써 가스센서로부터 나오는 측정값에 신뢰성을 부여하도록 한 것이다.

도 1 은 본 발명의 구성도

도 2 는 두 전극사이의 건드림 전압을 인가했을 때 평형 전압으로 회복되는 시간을 나타낸 그래프

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

W1, W2 : 측정전극R1, R2 : 기준전극

S 1 : 고체전해질

본 발명의 구성은 도 1 에 도시된 바와 같이 고체 전해질(S1)과 각각 두 개 이상의 감지전극(W1, W2)과 두 개 이상의 기준전극(R1, R2)과 상기 전극간에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 인가하는 수단과 상기 전극간의 기전력이 전압을 인가하기 전의 평형 전압값으로 회복되는 시간(속도)을 측정하는 수단으로 구성된다.

정상동작시 감지전극(W1, W2)사이의 전압은 같은 감지전극이기 때문에 전압차가 0V값을 갖게 된다.

여기에 외부에서 순간적으로 두 전극사이에 전압차이 100㎷를 인가하면 초기에는 인가전압 100㎷값을 가지다가 시간이 지남에 따라 원래의 평형 전압인 0V값으로 회복되게 된다.

상기 회복시간(속도)은 열화가 되지 않은 새 센서에서는 짧고 장시간 사용하여 열화된 센서의 경우에는 길게 된다.

여기서, 회복속도는 인가된 전압의 일정 분율이 소멸되는 시간으로 잡는다.

따라서, 회복시간(속도)을 측정함으로써 감지전극의 열화정도를 알아낼 수있게 된다.

예를 들면 도 2 에 도시된 바와 같이 감지전극간의 전압차이 0V(E0)값에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 100㎷(Emax)를 인가할 때 이 건드림 전압의 70%가 회복(감지전극 W1과 W2사이의 전압이 30㎷)되는 시간(TC)이 센서교체시기를 알려주는 기준으로 사용할 수 있다.

베타알루미나 전해질을 이용한 이산화탄소센서에서 감지전극으로 나트륨카보네이트를 사용할 경우 회복시간이 약 1분이 넘으면 센서가 열화되었다고 간주할 수 있다.

마찬가지로 기준전극의 경우도 도 1 에 도시된 바와 같이 고체 전해질(S1)위에 두 개의 서로 다른 기준전극 R1, R2를 설치하여 양단의 전압을 측정하면 정상동작시 기준전극의 경우는 항상 두 기준 전극사이의 전압이 일정한 값을 유지하므로,

상기 기준전극의 전압차가 변하는 시기를 기준전극의 열화시점으로 잡아 사용할 수 있다.

또한 일정한 전압차를 보이는 기준전극사이에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 인가하여 그 회복되는 시간으로도 기준전극의 열화의 정도를 측정할 수 있다.

본 발명은 기존의 전기화학식 가스센서 내에 기준전극과 감지전극을 각각 두 개 이상씩 설치하고 이들간에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 인가한 후 이 기전력이 다시 원래 값으로 회복되는 시간을 측정하여 가스센서의 각 구성요소의 열화정도를 감지하도록 함으로써 가스센서로부터 나오는 측정값에 신뢰성을 부여하도록 한 것이다.

따라서, 본 발명을 통하여 사용자에게 센서의 교체시기를 결정해 주는 것이 가능할 뿐만 아니라 가스센서를 이용한 시스템이나 소자의 동작 신뢰도를 한 단계 높여주는 역할을 기대할 수 있다.

또한, 제한적인 수명 때문에 실용화하지 못하고 있는 센서에 본 발명을 채용하여 쉽게 교체할 수 있도록 하게 함으로써 실용화할 수 있는 기회를 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 전기화학적 원리를 이용하여 가스의 농도를 전압적으로 측정함에 있어서, 각각 두 개 이상의 감지전극과 기준전극을 이용하여 이들간에 외부에서 인위적으로 건드림 전압을 인가한 후 이 기전력이 다시 원래 값으로 회복되는 시간(속도)을 측정하여 가스센서의 각 구성요소의 열화정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의 신뢰성 진단방법
2. 제 1 항에 있어서, 감지전극간의 전압사이에 외부로부터 강제적으로 건드림 전압을 인가한 후 상기 감지전극간의 전압차이가 전압을 인가하기 전의 값으로 돌아가는 회복속도(시간)를 측정하여 감지전극의 열화정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의 신뢰성 진단방법
3. 제 1 항에 있어서, 두 개 이상의 기준전극을 이용하여 상기 기준전극간의 전압차이가 평형 전압값으로부터 변화된 절대양으로부터 기준전극의 열화정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의 신뢰성 진단방법
4. 제 2 항에 있어서, 기준전극간에 평형 전압외에 외부로부터 강제적으로 건드림 전압을 인가한 후 상기 기준전극간의 전압차이가 전압을 인가하기 전의 값으로돌아가는 회복속도(시간)를 측정하여 기준전극의 열화정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 건드림 전압의 회복속도에 의한 고체 전해질 화학센서의 신뢰성 진단방법