WO2017034071A1 - 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법 - Google Patents

가스 검출기 및 그의 재기초화 방법 Download PDF

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WO2017034071A1
WO2017034071A1 PCT/KR2015/011020 KR2015011020W WO2017034071A1 WO 2017034071 A1 WO2017034071 A1 WO 2017034071A1 KR 2015011020 W KR2015011020 W KR 2015011020W WO 2017034071 A1 WO2017034071 A1 WO 2017034071A1
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gas
initialization
sensor
concentration
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이원배
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세주엔지니어링주식회사
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/497Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the present invention relates to gas sensor technology, and more particularly, to a gas detector and a method for re-initialization thereof.
  • the semiconductor gas sensor is a sintered body of metal oxide semiconductors such as SnO2, ZnO, In2O3, and the like, and measures the presence and concentration of a specific gas in air as a change in resistance. It was first published in 1962 by Seiyama and Taguch. This semiconductor gas sensor has been commercialized by Figaro of Japan in 1968 and has been mainly used for gas leakage alarm and gas concentration measurement. During this process, the sensor has evolved to suit each detection gas and its application through the improvement of its material and applied sensor mechanism, and it is commercialized and used in industrial, medical and real life fields. In particular, gas sensors are being commercialized in the form of gas alarms, portable gas leak detectors, or portable breathalyzers, thanks to the widespread dissemination of LNG and LPG gas and social problems in drunk driving.
  • SnO2 the most representative sensitizer, belongs to an n-type semiconductor, and the number of cations (Sn) is quantitatively smaller than the number of anions (O), resulting in excess electrons, which contributes to electrical conductivity.
  • SnO2 tends to solve the imbalance of positive / negative number ratio by adsorbing insufficient oxygen species in the air. Due to the electronegativity of the adsorbed oxygen species, electrons acting as electrical conduction in the semiconductor are adsorbed on the surface of the adsorbed oxygen. It becomes a localized state (ie, captured state). Therefore, the electrical conductivity is lost at this time.
  • the adsorbed oxygen on the surface reacts with these gas species to cause a reaction as in Scheme 1 below to desorb the adsorbed oxygen on the surface again.
  • the electrons trapped around the oxygen are free again to contribute to the electrical conductivity. Therefore, the electrical conductivity of the semiconductor sensor changes according to the target gas to be detected, and thus the presence and concentration of gas species can be known.
  • the sensitivity is increased by adding substances, such as Pt, Au, and Ag, as a catalyst to SnO2 which is a sensitizer.
  • the measurement error of the device is expanded by changing the reference value of the sensor by chemical reaction between the sensor material and the miscellaneous gas according to the external environment such as temperature, humidity, and gas.
  • FIG. 1 is a graph showing the resistance change characteristics according to the alcohol concentration of the portable alcohol meter (drinking meter).
  • a graph of a change in resistance value of a sensor material according to a gas concentration of a general semiconductor gas sensor shows a natural logarithmic change, which is straightened.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a semiconductor gas sensor (heater, signal line common ground type).
  • the resistance value of the sensor material is different for each sensor.
  • the output voltage Vout of one or more standard gases is a voltage distribution formula of the power supply voltage Vcc, the load resistance, and the sensor resistance Rs.
  • the resistance value of the sensor can be known, and by converting it into a log value, the output characteristic graph of the gas sensor can be generated as shown in FIG. This is called basicization (calibration), and when the basicization is performed, the gas concentration can be determined by converting the output voltage Vout of an arbitrary gas into a log value of resistance.
  • Vh is the heater voltage
  • Rh is the heater resistance
  • Rs is the sensor resistance
  • Rl the sensor's load resistance
  • Vcc the power supply voltage
  • Vout is the output voltage.
  • the resistance value of the sensor material is changed according to temperature, humidity, storage conditions, and the like, and the accuracy of the sensor is reduced when the sensor characteristic is changed from the curve 'a' to the curve 'b' or 'multi' in FIG. 1.
  • the sensor resistance is 10 kPa for an alcohol gas of 80 PPM, which is 320 PPM based on the foundation state. Is displayed.
  • the sensor resistance is 30 kPa, which is expressed as 20 PPM on the basis of the foundation state. That is, a large error may occur in the detection result according to the change of the sensor characteristic.
  • re-initialization should be performed, but it is difficult for the user to prepare a standard concentration of gas, and since there is no technology for basicization, it is inconvenient to leave the device to the manufacturer to perform re-initialization.
  • the present applicant has proposed the Patent No. 10-0497991.
  • the air used as the reference gas for correction has a significant difference in the gas sensor resistance in dry winters and wet summers due to moisture contained in the air, and the breathing of people is different due to the bad breathing rate.
  • Patent Registration No. 10-0497991 (Notice date: July 01, 2005)
  • the present invention has been derived to solve the above problems, the object of the present invention is to be applied to all the gas measurement / detector to measure and detect by mounting a semiconductor gas sensor, but a certain time elapses of the sensor Re-initialization is performed when it is suspected that the reference value has changed or when accurate measurement is required.
  • the object of the present invention is to be applied to all the gas measurement / detector to measure and detect by mounting a semiconductor gas sensor, but a certain time elapses of the sensor Re-initialization is performed when it is suspected that the reference value has changed or when accurate measurement is required.
  • random high concentration gas is injected to generate the minimum sensor response and the resistance that occurs during the recovery of the sensor afterwards.
  • By recording the change of the value and comparing the change of the minimum sensor response result with the change of the resistance value during the recovery of the sensor by injecting a high concentration of gas at the time of re-initialization it is recognized that the current gas sensor has changed to some extent. Compensate for the changed value of the
  • the gas detector having a gas sensor corresponding to the gas to be measured, comprising: a button input unit for operating a user function; A gas injection unit for transferring an external gas to the gas sensor; A calibration value consisting of the output value of the gas sensor according to the concentration of one or more standard gases delivered to the gas sensor, and the lowest output value of the gas sensor according to the concentration of the gas for re-initialization for use as a correction value for re-initialization; And converting the calibration value and the re-initialization reference value into a log value by using the re-initialization reference value consisting of the output value of the gas sensor that changes every moment in the recovery process of the gas sensor after the re-initialization gas injection.
  • a control unit including an operation unit for calculating an arbitrary concentration output value from a log value of the reinitialization reference value from a log value to an arbitrary concentration output value and storing it as a correction value and correcting the output value according to the concentration of the measured gas with the correction value It is achieved by a gas detector comprising a.
  • the present invention when the reference value of the sensor is wrong while the gas measurement / detector is in use, it does not go to a separate calibration center or manufacturer, so that the user simply re-bases to maintain a high level of accuracy at all times. It works.
  • 1 is a graph showing the output characteristic value when the resistance change and the sensor reference value according to the alcohol concentration of the portable alcohol detector (drinking).
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a semiconductor gas sensor (heater, signal line common ground type).
  • Figure 3 is a block diagram of a gas detector according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are flow charts of the re-initialization control unit and the gas concentration measurement control unit for the re-initialization process and the gas measurement process of the gas detector according to the exemplary embodiment of the present invention, respectively.
  • Figure 6 is a process of recovering the gas sensor with a high concentration of gas is injected and the resistance value is changed to the original state in order to know how much changed when the reference value of the gas sensor (a) to (b) ⁇ ), A comparative drawing showing logarithm of measured value (b) ⁇ .
  • Figure 7 shows the minimum resistance value of (a) the minimum resistance value (reinitialization reference value) and (b) of high concentration of gas is injected to know how much changed when the reference value of the gas sensor is changed from (a) to (b). If the difference from (measured value) is ⁇ logRg
  • a gas detector including a gas sensor corresponding to a gas to be measured, the gas detector comprising: a button input unit for operating a user function; A gas injection unit for transferring an external gas to the gas sensor; Calibration value consisting of the output value of the gas sensor according to the concentration of one or more standard gas delivered to the gas sensor and the lowest value after injection of re-initialization gas (high concentration gas such as rita gas) to use as a reference value for correction upon re-initialization
  • the reinitialization reference value consisting of the result value and the sensor output value that changes every moment in the recovery process after the injection of high concentration gas, and the voltage value of the gas sensor according to the concentration of the gas delivered to the gas sensor are converted into a resistance value and a log value, and the calibration is performed.
  • An operation unit for performing an operation for finding an arbitrary concentration as an output value of the arbitrary concentration gas as a value, and performing a correction value generation operation when re-initializing A memory unit for storing the calibration value and the rebasing reference value; A control unit configured to measure gas using a calibration value of the memory unit or to control an operation unit that generates and compensates the measured value correction value based on a reinitialization reference value; And a display unit for displaying the measurement and reinitialization state of the control unit.
  • the re-initialization method of the gas detector according to the present invention is a re-initialization method of a gas detector having a gas sensor corresponding to the gas to be measured, the gas sensor according to the concentration of at least one standard gas delivered to the gas sensor
  • Performing a third step Converts the calibration value and the reinitialization reference value into a log value, calculates an arbitrary concentration output value from the log value of the reinitialization reference value from the log value of the calibration value to an arbitrary concentration output value and stores it as a correction value, and And a fourth step of correcting an output value according to the concentration of the measurement gas introduced into the gas detector as a correction value.
  • Figure 1 (a) is a graph showing the gas concentration and the sensor output generated on the basis of the value of the calibration of one or more standard gases in a log value.
  • Fig. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a gas sensor (heater, signal line common ground type).
  • FIG. 3 is a block diagram of a gas detector according to an embodiment of the present invention.
  • the concentration may be calculated when any concentration gas is injected into the sensor.
  • the factory injects high-density gas such as re-initialization gas, such as lighter gas, and stores the minimum output value of the gas sensor and the output value every minute when the gas sensor is recovered. It finds a point where the slope is abruptly smoothed by converting it to a value, and records the resistance and logarithm of the point in the memory unit.
  • high-density gas such as re-initialization gas, such as lighter gas
  • Re-initialization is performed by the user to make accurate measurements when the calibration value of the sensor changes as shown in (b) or (c) of FIG. 1.
  • the user presses the re-initialization button and injects high concentration gas such as writer gas into the sensor inlet, and the calculating unit outputs the minimum output value of the gas sensor and the output value every moment when the gas sensor recovers from the re-initialization reference value stored in the memory unit. Compare and find out how much the gas sensor reference value has changed, generate a value that compensates for the change, and reflect it in the measured value.
  • a point having the same slope as ⁇ logy / t can be found in Fig.
  • the compensation value is generated by using the log value difference of the gas sensor output between two points where the gas sensor recovery slope of the high concentration gas is the same, or the calibration value of the sensor is changed.
  • the compensation value is generated using the difference between the log value of the lowest output value of the high concentration gas and the previous value, or the minimum value and the slope of the output value of the high concentration gas sensor are generated.
  • the gas concentration is determined by substituting the log value of the gas sensor output value with the compensation value generated during the rebasing and substituting the graph generated during the calibration.
  • log5.6-log2.1 log5.6 / 2.1 Substitute this value in the graph created during calibration to determine the gas concentration.
  • 4 and 5 are flowcharts of re-initialization and gas concentration measurement of the calculation unit 35 for the re-initialization process and the gas measurement process of the gas detector according to the exemplary embodiment of the present invention, respectively.
  • the reinitialization mode is started. If the user who wants to measure the actual gas concentration, the measurement mode is started by pressing the measurement key. It is not necessary to separately install the re-initialization key and the measurement key, and it is possible to determine whether to press the button in two steps to determine whether the re-initialization key input or the measurement key input.
  • the control unit 37 checks whether there is a reinitialization key input from the button input unit 30 (10). If there is a re-initialization key input, the injection port of the gas injection unit 31 is opened for a predetermined time to receive the gas (11).
  • the gas may be a lighter gas or a person breathing using a mixed liquefied gas of benzene, alcohol, propane butane.
  • the controller controls the calculation unit 35 to convert the minimum voltage measurement result value and the instantaneous voltage measurement result value of the gas sensor 36 by the injection of gas into the resistance and the logarithm value, and read them (12). ),
  • control unit controls the operation unit to generate a correction value for the log value by using the reinitialization reference value stored in the memory unit (13), and stores it in the memory unit 34 again, and terminates the process.
  • the control unit 37 checks whether there is a measurement key input from the button input unit 30 (20). If there is a measurement key input, the injection target of the gas injection unit 31 is opened for a predetermined time to receive the measurement target gas (21).
  • control unit 37 controls the operation unit to read the lowest voltage value of the gas sensor 36 by the injection of the measurement target gas and convert it to a log value (22).
  • control unit controls to compensate the log value of the resistance value read by the calculation unit with the correction value (23), displays the gas concentration on the display unit 32 (24), and terminates the process.
  • the resistance value of the gas sensor 36 reacting with the gas may be irregular depending on the environment. However, if the resistance value is changed to a log value, only the Y axis of the log value is different, and the gas sensor 36 recovers. In the recovery process, one point (either a straight line or a very gentle curve) was obtained. If only a random point is converted to a curve), a correction value can be generated based on this. In addition, as shown in FIGS. 7A and 7B, a correction value may be generated as a re-basement reference value and a minimum output value of the gas sensor during re-basement, and compensation may be performed to obtain an accurate measurement result.

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Abstract

본 발명은 가스 검출기에 관한 것으로, 특히 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기에 있어서, 본 발명의 가스 검출기는 가스의 농도에 따른 캘리브레이션 값과 재기초화 기준값(가스센서의 최저 출력값과 가스주입 후 회복 시 매 순간 변하는 가스센서의 출력 값)을 기초로 다음 측정된 가스의 로그값을 보정할 수 있다.

Description

가스 검출기 및 그의 재기초화 방법
본 발명은 가스 센서 기술에 관한 것으로, 특히 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법에 관한 것이다.
산업 혁명 이후 산업계의 발전에 따라 유독 가스(CO, H2S, SO2, NOx)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 가스경보기 또는 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.
<반응식 1>
2CO + O2 → 2CO2
종래의 가스 검출기의 경우 기온, 습도, 가스 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 농도의 가스센서의 출력 저항값을 특성 커브에 대입함으로써 가스 농도를 파악할 수 있게 된다.
도 2는 반도체 가스 센서(히터, 신호선 공통접지형)의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
센서 물질의 저항값은 센서 마다 다르게 나타나는데, 도 2의 등가 회로에 나타난 바와 같이 1 개 이상의 표준가스의 출력전압(Vout)은 전원전압(Vcc)과 로드저항, 센서저항(Rs)의 전압분배식으로 나타낼 수 있으며 이를 이용하여 센서의 저항 값을 알 수 있으며, 이를 로그값으로 바꾸어 도 1 의 (가) 와 같이 가스센서의 출력특성 그래프를 생성할 수 있다. 이를 기초화(캘리브레이션)라 칭하고, 기초화를 수행하면, 임의의 가스의 출력전압(Vout)으로 저항의 로그값으로 변환하여 가스농도를 파악할 수 있게 된다. 미설명 도면 부호 'Vh'는 히터전압, 'Rh'는 히터저항, 'Rs' 센서저항,‘Rl’은 센서의 로드저항(Load Resistance) '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 320 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.
이에 본 출원인은 등록특허공보 제10-0497991호를 제안한 바 있다. 그러나 이 특허에서 보정을 위한 기준가스로 쓰는 공기는 공기에 포함된 수분에 의해 건조한 겨울과 습한 여름에 가스센서 저항이 크게 틀려지고, 또한 사람의 입김은 사람마다 구취정도가 틀려 어느 정도의 보정효과는 있지만 여전히 큰 오차를 나타내고 있다.
즉, 사용자가 재 기초화를 하였지만 여전히 정확도가 높지 않다는 문제점이 있어 반도체식 가스센서를 사용한 기기의 효용성과 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 사용자가 고도의 전문지식 없이 반도체식 가스센서 의 재 기초화 방법이 개발되어 항상 높은 정밀도를 가지는 가스기기의 활용도를 높이는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
등록특허공보 제10-0497991호(공고일자: 2005년07월01일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체식 가스센서를 장착하여 측정, 감지하는 모든 가스측정/감지기기에 적용될 수 있도록 하되, 일정한 시간이 경과하여 센서의 기준값이 변했다고 의심될 때 또는 정확한 측정이 필요할 때 재기초화를 실행하여 측정하는 것으로서, 재기초화 기준 값 생성 시 임의의 고농도가스를 주입하여 센서반응 최저결과 값과 이후 센서가 회복하는 과정에서 일어나는 저항 값의 변화추이를 기록한 것과 재기초화 시 임의의 고농도 가스를 주입하여 센서반응 최저결과 값과 센서가 회복하는 과정에서 일어나는 저항값의 변화추이를 비교하여 현재 가스센서가 어느 정도 변화하였다는 것을 인지하여 가스센서의 변화한 값만큼 보상하여 항상 높은 정밀도의 결과값을 사용자에게 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기에 있어서, 사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부와; 외부의 가스를 상기 가스센서로 전달하기 위한 가스 주입부와; 상기 가스센서에 전달된 1 개 이상의 표준가스의 농도에 따른 가스센서의 출력 값으로 이루어진 캘리브레이션 값과, 재기초화 시 보정값으로 사용하기 위하여 재기초화용 가스의 농도에 따른 가스센서의 최저 출력 값과, 상기 재기초화용 가스 주입 후 가스센서의 회복과정에서 매순간 변하는 가스센서의 출력 값으로 이루어진 재기초화 기준 값을 이용하여, 상기 캘리브레이션 값과 재기초화 기준 값을 로그값으로 변환하고, 상기 캘리브레이션 값의 로그값에서 임의농도 출력 값으로 재기초화 기준 값의 로그값에서 임의농도 출력 값을 산출하여 이를 보정값으로 저장하고, 상기 보정값으로 측정가스의 농도에 따른 출력 값을 보정하는 연산부를 포함하는 제어부;를 포함하는 가스 검출기에 의해 달성된다.
본 발명은 가스 측정/감지기기가 사용 중 센서의 기준 값이 틀려져 교정이 필요할 시에는 별도의 검교정 센터나 제조자에게 가지 않고 사용자가 간단하게 재 기초화를 수행하여 항상 높은 수준의 정밀도를 유지하게 하는 효과가 있다.
도 1은 휴대용 알코올 검출기(음주측정기)의 알코올 농도에 따른 저항 변화 와 센서기준 값이 변한 경우 출력특성 값을 나타낸 그래프.
도 2는 반도체 가스 센서(히터, 신호선 공통접지형)의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출기의 블록 구성도.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출기의 재기초화 과정과 가스 실측 과정에 대한 재기초화 제어부 및 가스 농도 측정 제어부의 처리 흐름도.
도 6은 (가)에서 (나) 로 가스센서의 기준값이 변했을 때 얼마나 변했는지 알기위해 고농도의 가스가 주입되고 저항값이 변화된 가스센서가 원래의 상태로 회복되는 과정{재기초하 기준 값(가), 측정 값(나)}을 로그값으로 나타낸 비교도면.
도 7은 (가)에서 (나) 로 가스센서의 기준값이 변했을 때 얼마나 변했는지 알기위해 고농도의 가스가 주입되고 (가) 의 가스 최저저항값(재기초화 기준값) 과 (나)의 최저 저항값(측정값)과 의 차이를 ΔlogRg 라 한다면
ΔlogRg = ΔlogR8= ΔlogR2를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>
30 : 버튼 입력부
31 : 가스 주입부
32 : 표시부
34 : 메모리부
35 : 연산부
36 : 가스센서
37: 제어부
본 발명에 따른 가스 검출기는 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기에 있어서, 사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부와; 외부의 가스를 상기 가스센서로 전달하기 위한 가스 주입부와; 상기 가스센서에 전달된 1 개 이상의 표준가스의 농도에 따른 가스센서의 출력 값으로 이루어진 캘리브레이션 값과, 재기초화 시 보정하기 위한 기준값으로 쓰기 위하여 재기초화용 가스(라이타가스 등 고농도가스) 주입 후 최저결과 값과 고농도가스 주입 후 회복과정에서 매순간 변하는 센서출력 값으로 구성된 재기초화 기준 값과, 상기 가스센서에 전달된 가스의 농도에 따른 가스센서의 전압값을 저항값과 로그값으로 변환하고 상기 캘리브레이션 값으로 임의농도가스의 출력값으로 임의농도를 알아내는 연산을 수행하고, 재기초화 시 보정값 생성연산을 수행하는 연산부와; 상기 갤리브레이션 값과 재 기초화 기준 값이 저장된 메모리부와; 상기 메모리부의 캘리브레이션 값으로 가스를 측정하거나 재기초화 기준 값을 기초로 상기 측정 값 보정값을 생성하고 보상하는 연산부를 제어하여 재기초화를 수행하는 제어부; 및 상기 제어부의 측정 및 재기초화 상태를 표시하는 표시부;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 가스 검출기의 재기초화 방법은 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기의 재기초화 방법에 있어서, 상기 가스센서에 전달된 1 개 이상의 표준가스의 농도에 따른 가스센서의 출력 값으로 이루어진 캘리브레이션 값을 저장하는 제1 단계; 사용자의 재기초화 키 입력 여부를 감지하는 제2 단계; 상기 가스 검출기로 인입되는 재기초화용 가스의 농도에 따른 가스센서의 최저 출력 값과, 상기 재기초화용 가스 주입 후 가스센서의 회복과정에서 매순간 변하는 가스센서의 출력 값으로 이루어진 재기초화 기준 값을 저장하는 제3 단계; 상기 캘리브레이션 값과 재기초화 기준 값을 로그값으로 변환하고, 상기 캘리브레이션 값의 로그값에서 임의농도 출력 값으로 재기초화 기준 값의 로그값에서 임의농도 출력 값을 산출하여 이를 보정값으로 저장하고, 상기 보정값으로 상기 가스 검출기로 인입되는 측정가스의 농도에 따른 출력 값을 보정하는 제4 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 의 (가)는 1 개 이상의 표준가스로 캘리브레이션을 한 값을 토대로 생성한 가스농도와 센서출력을 로그 값으로 표시한 그래프.
도 2는 가스센서(히터, 신호선 공통접지형)의 등가 회로를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 검출기의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 가스 검출기는,
캘리브레이션 시 공장에서 1 개 이상의 표준가스를 주입하여 가스센서 출력값을 메모리부에 저장한다. 연산부에서는 이 표준가스를 토대로 농도에 따른 센서출력 그래프를 생성한다. 즉, 도 1 의 (가) 와 같이 캘리브레이션 값으로 생성한 그래프를 토대로 임의의 농도가스가 센서에 주입 시 농도를 산출할 수 있다.
재기초화 기준 값 생성 시 공장에서 재기초화용 가스 즉, 라이타 가스 등 고농도의 가스를 주입하여 가스센서 최저출력 값과, 가스센서 회복 시 매순간 출력 값을 메모리부에 저장하고, 연산부에서는 저항값과 로그값으로 변환하여 기울기가 급격히 완만해지는 한 지점을 찾아내어 그 지점의 저항과 로그값을 메모리부에 기록한다.
재기초화는 도 1 의 (나) 혹은 (다) 와 같이 센서의 캘리브레이션 값이 변할 경우 측정을 정확하게 하기 위하여 사용자에 의해 수행하게 된다. 재기초화 시 사용자는 재기초화 버튼을 누르고, 라이타가스 등의 고농도가스를 센서 주입구에 주입하면, 연산부는 가스센서 최저출력 값과, 가스센서 회복 시 매순간 출력 값을 메모리부에 저장된 재기초화 기준 값과 비교하여 가스센서 기준 값이 얼마나 변했는지 알아내어 변한만큼 보상하는 값을 생성하여 측정값에 반영한다. 즉 도 6 의 (가)에서 Δlogy/t 와 기울기가 같은 지점을 도 6 의 (나)에서 찾아내어 두지점간의 로그값 차이만큼 보상하면 된다. 도 6 의 (가) 와 (나) 에서 그래프는 고농도가스주입 후 지속적으로 완만해지기 때문에 기울기가 같은 지점은 단 1 개 밖에 없다. 즉, 도 6 의 (가)에서 한 지점이 기울기가 45° 라고 한다면 도 6 의 (나) 에서도 동일시간 동안에 기울기 45° 는 한 지점만 존재하다. 또한 고농도가스의 출력 값을 비교하는 경우 고농도가스를 주입할 경우 도 7 의 (가) G 농도의 로그 값과 도 7 의 (나) G 농도의 로그 값의 차이는 캘리브레이션 시 표준가스의 결과 값이 변한 것과 동일하다. 즉, 40 ppm 이나 160 ppm 의 표준가스의 출력 값 저항의 로그값이 변한만큼 고농도가스에서 출력값의 로그값이 변한다.
도 7 은 ΔlogRg = ΔlogR8= ΔlogR2를 보여주는 도면이다.
재 기초화 시 가스센서의 캘리브레이션 값이 변하기전과 변하고 난 다음, 고농도가스의 가스센서 회복 기울기가 같은 두지점간 가스센서 출력의 로그값 차이를 이용해서 보상값을 생성하거나 혹은 센서의 캘리브레이션 값이 변하기전과 변하고 난 다음 고농도가스의 최저출력 값의 로그 값의 차이를 이용하여 보상값을 생성하는 방법, 혹은 고농도 가스센서 출력 값의 최저값과 기울기를 모두 이용하여 보상값을 생성한다.
측정 시는 가스센서 출력 값의 로그값에 재 기초화 시 생성한 보상 값을 합산하여 나온 결과 값을 캘리브레이션 시 생성한 그래프에 대입하여 가스농도를 알아낸다.
일례로 재기초화하여 생성한 보상값은 log2.1 이라고 가정하고, 측정로그값이 log5.6 일 경우
log5.6 - log2.1 = log5.6/2.1 이 값을 캘리브레이션 시 생성한 그래프에 대입하여 가스의 농도를 알수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출기의 재기초화 과정과 가스 실측 과정에 대한 연산부(35)의 재기초화와 가스농도측정의 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 시 제어부(37)는 버튼 입력부(30)로부터 재기초화 키 입력이 있는지를 체크한다(10). 재기초화 키 입력이 있으면, 일정 시간 동안 가스 주입부(31)의 주입구를 개방하여 가스를 받아들인다(11). 이때, 가스는 벤젠, 알코올, 프로페인·뷰테인의 혼합액화가스를 사용하는 라이터 가스나 사람의 입김일 수 있다.
다음으로, 제어부는 연산부(35)가 가스의 주입에 의한 가스센서(36)의 최저전압측정결과 값과 매 순간 전압측정결과 값을 저항과 로그값으로 변환 연산하여 읽어들이는 것을 제어하고(12),
이어서, 제어부는 연산부가 메모리부에 저장된 재기초화 기준값을 이용하여 상기 로그값에 대한 보정값을 생성하고(13), 다시 상기 매모리부(34)에 저장하도록 제어하고 프로세스를 종료한다.
도 5를 참조하면, 농도측정 시 제어부(37)는 버튼 입력부(30)로부터 측정 키 입력이 있는지를 체크한다(20). 측정 키 입력이 있으면 일정 시간 동안 가스 주입부(31)의 주입구를 개방하여 측정 대상 가스를 받아들인다(21).
다음으로, 제어부(37)는 연산부가 해당 측정 대상 가스의 주입에 의한 가스센서(36)의 최저전압 값을 읽어들이고 이를 로그값으로 변환하도록 제어한다(22).
계속하여, 제어부는 연산부가 읽어들인 저항값의 로그값을 상기 보정값으로 보상하도록 제어하고(23), 이를 가스 농도를 표시부(32)에 디스플레이하여(24), 프로세스를 종료한다.
이와 같은 본 발명은 가스와 반응하는 가스센서(36)의 저항값이 환경에 따라서 불규칙적일 수 있으나, 이 저항값을 로그값으로 변화시키면, 로그값의 Y축만 다를 뿐 가스센서(36)가 회복되는 상태{도 6 의 (가) 와 (나)처럼 직선 혹은 매우 완만한 곡선으로 가다가 곡선으로 바뀌는 상태}는 동일하다는 실험적 결과를 획득하였기 때문에 회복 과정에서의 일지점(직선 혹은 매우 완만한 곡선으로 가다가 곡선으로 전환되는 임의의 지점)만 알게 되면, 이를 기준으로 보정값을 생성할 수 있다. 아울러 도 7 과 (가)와 (나)처럼 재 기초화 기준값 과 재 기초화시 가스센서의 최저출력값으로 보정값을 생성할 수 있고, 이 보정값으로 보상하면 정확한 측정 결과값을 얻을 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.

Claims (3)

  1. 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기에 있어서,
    사용자의 기능 조작을 위한 버튼 입력부와;
    외부의 가스를 상기 가스센서로 전달하기 위한 가스 주입부와;
    상기 가스센서에 전달된 1 개 이상의 표준가스의 농도에 따른 가스센서의 출력 값으로 이루어진 캘리브레이션 값과,
    재기초화 시 보정하기 위한 기준값으로 쓰기 위하여 재기초화용 가스 주입 후 최저결과 값과 재기초화용 가스 주입 후 회복과정에서 매순간 변하는 센서출력 값으로 구성된 재기초화 기준 값과,
    상기 가스센서에 전달된 가스의 농도에 따른 가스센서의 전압값을 저항값과 로그값으로 변환하고 상기 캘리브레이션 값으로 임의농도가스의 출력값으로 임의농도를 알아내는 연산을 수행하고, 재기초화 시 보정값 생성연산을 수행하는 연산부와;
    상기 캘리브레이션 값과 재 기초화 기준 값이 저장된 메모리부와;
    상기 메모리부의 캘리브레이션 값으로 가스를 측정하거나 재기초화 기준 값을 기초로 상기 측정 값 보정값을 생성하고 보상하는 연산부를 제어하여 재기초화를 수행하는 제어부; 및
    상기 제어부의 측정 및 재기초화 상태를 표시하는 표시부;
    를 포함하는 가스 검출기.
  2. 측정 대상 가스에 대응하는 가스센서를 구비하는 가스 검출기의 재기초화 방법에 있어서,
    상기 가스센서에 전달된 1 개 이상의 표준가스의 농도에 따른 가스센서의 출력 값으로 이루어진 캘리브레이션 값을 저장하는 제1 단계;
    사용자의 재기초화 키 입력 여부를 감지하는 제2 단계;
    상기 가스 검출기로 인입되는 재기초화용 가스의 농도에 따른 가스센서의 최저 출력 값과, 상기 재기초화용 가스 주입 후 가스센서의 회복과정에서 매순간 변하는 가스센서의 출력 값으로 이루어진 재기초화 기준 값을 저장하는 제3 단계;
    상기 캘리브레이션 값과 재기초화 기준 값을 로그값으로 변환하고, 상기 캘리브레이션 값의 로그값에서 임의농도 출력 값으로 재기초화 기준 값의 로그값에서 임의농도 출력 값을 산출하여 이를 보정값으로 저장하고, 상기 보정값으로 상기 가스 검출기로 인입되는 측정가스의 농도에 따른 출력 값을 보정하는 제4 단계;
    를 포함하는 가스 검출기의 재기초화 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    재 기초화 시 보상 값을 생성하기 위하여, 공장에서 재기초화용 기준값에서 재기초화용 가스의 최저값만 사용하여 보상값을 생성하거나 혹은 매순간 변하는 센서출력값을 사용하여 보상값을 생성하거나 혹은 둘 다 모두 사용하는 보상값을 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 검출기의 재기초화 방법.
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