WO2021230484A1 - 연결 통로가 형성된 하우징을 포함하는 가스 감지 장치 - Google Patents

연결 통로가 형성된 하우징을 포함하는 가스 감지 장치 Download PDF

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박종욱
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Definitions

  • the present invention relates to a gas detection device, and more particularly, to a gas detection device in which a connection passage is formed in a housing.
  • a method of measuring the concentration of a dissolved gas dissolved in a liquid is used to detect a characteristic or a change in the characteristic of a liquid.
  • the dissolved gas concentration changes such as hydrogen, carbon monoxide, acetylene gas, etc.
  • By measuring the concentration it is possible to detect whether the oil has deteriorated.
  • transformer insulating oil it is reported that there is a risk of explosion when dissolved hydrogen of 1000ppm or more is generated.
  • a method of taking a liquid sample, extracting the dissolved gas from it, and then analyzing it with a gas chromatography is generally used.
  • this method has a limitation in that it is not a method that can measure the dissolved gas concentration in real time in an industrial field.
  • Korean Patent No. 1512189 proposes a technique for measuring the concentration of dissolved hydrogen gas by inserting a hydrogen sensor element including a sensor unit using a solid electrolyte into oil.
  • this technique has the advantage of being able to simply measure the dissolved gas concentration in real time, there is a problem in that the sensing electrode of the sensor unit is easily deteriorated due to direct contact with the liquid.
  • Korean Patent Application Laid-Open No. 2016-0011722 discloses that by inserting a hydrogen sensor element in which a sensor unit is disposed in a closed space formed by a housing and a gas separation membrane into a liquid, the sensing electrode of the sensor unit is not directly exposed to the liquid, and the gas separation membrane passes through the sealed space.
  • a technique for measuring the dissolved hydrogen gas concentration permeated into the interior has been proposed. This technology has the advantage of being able to simply measure the dissolved gas concentration in real time while suppressing the deterioration of the sensing electrode of the sensor unit.
  • the sensing electrode of the sensor unit when the sensing electrode of the sensor unit is disposed in the enclosed space, it may be difficult to move the dissolved gas to the sensing electrode of the sensor unit by evaporating into the enclosed space due to the pressure in the enclosed space.
  • the gas sensor since the gas sensor generally operates in a state heated to a high temperature using a heater, the internal pressure of the sealed space in which the sensing electrode of the sensor unit is disposed is further increased. Due to this, it may become more difficult for the dissolved gas to evaporate from the liquid and move to the position of the sensing electrode of the sensor unit, which may act as an obstacle in rapidly and accurately measuring the dissolved gas concentration.
  • a method of preventing the pressure from increasing above atmospheric pressure even when the sensor unit is heated to a high temperature by allowing the inner space of the housing in which the sensing electrode of the sensor unit is disposed to communicate with the outside air may be considered.
  • the dissolved gas evaporated from the liquid escapes to the outside air, it is difficult to see that the gas concentration inside the space in which the sensing electrode of the sensor unit is disposed accurately represents the dissolved gas concentration in the liquid.
  • An object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensing device capable of measuring a gas concentration with a fast reaction speed and high accuracy even when the pressure of the inner space of the housing in which the sensor unit is disposed increases.
  • a gas sensing device for achieving the above object includes a housing including an opening through which a gas to be sensed is introduced into an inner space, a sensor unit disposed in the inner space of the housing, and an inner space of the housing It characterized in that it comprises a connection passage connecting the first opening and the second opening formed in the housing to open toward the, and may further include a heater for heating the sensor unit to a sensing temperature.
  • the inner space of the housing may communicate with outside air only through the opening.
  • the inner space of the housing includes a first inner space between the sensor unit and the opening, and a second inner space that is an inner space excluding the first inner space, and the first opening is a first inner space. may be opened toward the space, and the second opening may be opened toward the second inner space.
  • the housing has a hollow tube shape in which the opening is formed at one end in the longitudinal direction, and the sensor unit is disposed in the inner space of the housing while being fixed to one end in the longitudinal direction of a frame having an outer diameter smaller than the inner diameter of the housing, The other end in the longitudinal direction of the frame may be fixed to the housing to be gas-sealed. Due to this, a space between the inner wall of the housing and the frame forms the second inner space, and a circulation path circulating through the first inner space, the first opening, the connecting passage, the second opening, and the second inner space is formed. can be formed.
  • the housing has a shape of a hollow tube in which the opening is formed at one end in the longitudinal direction, the other end in the longitudinal direction of the housing is blocked by a cover, and the sensor unit is coupled to the inner wall of the housing. It may be disposed in the interior space.
  • the sensor unit may include a hydrogen sensor element, wherein the hydrogen sensor element includes a solid electrolyte, a sensing electrode formed on one surface of the solid electrolyte in the direction of the opening, and a reference electrode formed on the other surface of the solid electrolyte,
  • the first opening may be positioned between the sensing electrode and the opening.
  • a gas sensing device is a hollow tube-shaped housing including an inner space, the housing having an opening formed at the lower end in the longitudinal direction toward the inner space to introduce a gas to be sensed into the housing; It is disposed in the inner space at a position spaced apart from both the upper end and the lower end in the longitudinal direction, and a sensor unit including a sensing electrode formed to face the open portion, and a heater unit provided to heat the sensor unit to a sensing temperature, wherein the The inner space of the housing includes a lower first inner space and an upper second inner space with respect to the sensing electrode of the sensor unit, and the housing includes a first opening formed to open toward the first inner space, a second opening formed to open toward the second internal space is formed, and a connection passage connecting the first opening and the second opening is provided, so that the sensing target gas introduced through the opening is transferred to the first internal space; A circulation path circulating through the first opening, the connection passage, the second opening, and the second internal space may be formed.
  • the sensor unit is disposed in the inner space in a state of being fixed to the lower end of a hollow tube-shaped frame having a diameter smaller than the inner diameter of the housing, and the inside of the frame is isolated from the inner space of the housing to the outside air.
  • the sensor unit may further include a reference electrode exposed to the outside air through the inside of the frame.
  • the sensor unit is disposed in the inner space in such a way that a partial area of the edge is coupled to the inner wall of the housing through a predetermined coupling portion, and a gap is formed between the sensor unit and the inner wall of the housing in a portion where the coupling portion is not formed.
  • the first inner space and the second inner space may be in communication with each other through the gap.
  • connection passage connecting the openings formed in the housing so as to be respectively opened to the inner space of the upper and lower portions of the sensor unit, gas can be rapidly reacted and with high accuracy even when the pressure of the inner space of the housing in which the sensor unit is disposed increases.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 2 .
  • 4 to 6 are diagrams for explaining a hydrogen sensor element that can be used as a sensor unit in the present invention.
  • FIG. 7 and 8 are examples of use of a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensing device 1A according to the first embodiment of the present invention includes a housing 10 having an opening 70 formed on one side, and a sensor unit 20 disposed in the housing 10 . ), a heater unit 50 for heating the sensor unit 20 to a sensing temperature, and a connection passage 60 connecting the first opening 61 and the second opening 62 formed in the housing 10 . .
  • the housing 10 may be provided in a hollow tube shape.
  • An opening 70 is formed on one side (a lower side of FIG. 1 ) of the housing 10 , and the opening 70 may provide an entrance through which a sensing target gas is introduced.
  • the housing 10 may be installed so that the opening 70 communicates with the measurement environment.
  • the housing 10 of the gas sensing device 1A is installed or opened so that the opening 70 communicates with the liquid storage container.
  • One end on which the part 70 is formed may be installed so as to be submerged in the liquid. The dissolved gas evaporated from the liquid fills the inner space 30 of the housing 10 , and the sensor unit 20 may detect it.
  • the sensor unit 20 is disposed in the housing 10 , and may be disposed at positions spaced apart from both ends in the longitudinal direction (up and down direction in FIG. 1 ) of the housing 10 .
  • the sensor unit 20 is spaced apart from one end of the opening 70 side of the housing 10 by d1 in the longitudinal direction, and from the other end of the housing 10 in the longitudinal direction. It may be arranged at positions spaced apart by d2.
  • the position of the sensor unit 20 may be a position of a sensing electrode formed in the sensor unit 20 .
  • the sensor unit 20 is fixed to one end (lower side in FIG. 1 ) of the frame 22 of a predetermined length. It may be installed in the housing 10 in a state of being.
  • the frame 22 may be formed of a tube having a smaller diameter than the housing 10 so that a gap g is formed between the inner wall of the housing 10 and the frame 22 in the width direction (left and right direction in FIG. 1 ). .
  • the sensor unit 20 may be fixed to one end of the frame 22 , and the other end of the frame 22 may be coupled to the housing 10 .
  • the frame 22 When the sensor unit 20 is manufactured in a tube shape, the frame 22 may be a configuration included in the sensor unit 20 .
  • the frame 22 and the housing 10 may be coupled by various coupling means such as bonding defects, screw coupling, brazing, and the like, and is not limited to a specific coupling means.
  • the coupling between the frame 22 and the housing 10 may be a gas sealing coupling.
  • a sealing material 21 may be included in the coupling portion between the frame 22 and the housing 10 .
  • the sealing material 21 may be formed of a polymer material having elasticity, such as an O-ring.
  • the sealing material 21 may be an adhesive material.
  • the inner space 30 of the housing 10 may form a closed space blocked from outside air except for the opening 70 .
  • the coupling between the frame 22 and the housing 10 is not a gas sealing coupling
  • the other side (the upper part of FIG. 1 ) in which the open part 70 of the housing 10 is not formed is formed in a closed structure to form an internal space ( 30) is also possible to form a closed space.
  • the inner space 30 of the housing 10 may be divided into a first inner space 31 and a second inner space 32 according to a location where the sensor unit 20 is installed.
  • the first internal space 31 is a space between the sensor unit 20 and the open part 70 among the internal spaces 30 of the housing 10
  • the second internal space 32 is an internal space of the housing 10 . It may be a space other than the first internal space 31 among (30). 1
  • the first inner space 31 is the lower inner space of the sensor unit 20
  • the second inner space 32 is the upper inner space of the sensor unit 20 , that is, the frame 22 and the housing. (10) It may be a space formed by the gap g between the inner walls.
  • the upper and lower portions of the sensor unit 20 may be divided based on the position of the sensing electrode formed in the sensor unit 20 .
  • the heater unit 50 is configured to heat the sensor unit 20 to a sensing temperature.
  • the sensing temperature may vary depending on the type of sensor, and may be 300° C. or higher.
  • the heater unit 50 may be configured to include a resistance heating type heating coil wound outside the housing 10 at a position where the sensor unit 20 is disposed as illustrated in FIG. 1 , but is not limited thereto. may be provided in the form.
  • the heater unit 50 may be disposed inside the housing 10 , and may be provided in the form of a heating pattern printed on a predetermined substrate instead of a heating coil. Alternatively, it may be provided as a heating coil wound around the frame 22 , or may be provided in a form embedded in the frame 22 or the sensor unit 20 .
  • the heater unit 50 is not limited to a resistance heating type, and may be provided as a light irradiation type heater unit such as a heating lamp or an LED.
  • the heater unit 50 may be omitted.
  • the gas sensing device 1A when used for measuring a concentration of a dissolved gas in a high-temperature molten metal, the gas sensing device 1A may not include the heater unit 50 .
  • the internal space 30 can be a high-pressure space.
  • the pressure of the internal space 30 may further increase according to the temperature. Such an increase in pressure may make it difficult for the sensing target gas to move to the sensor unit 20 .
  • the gas sensing device 1A forms a connection passage 60 .
  • the first opening 61 and the second opening 62 are formed in the housing 10 , and the first opening 61 and the second opening 62 are connected by a connection passage 60 .
  • the first opening 61 may be formed in the housing 10 to open toward the first internal space 31
  • the second opening 62 may open toward the second internal space 32 , respectively.
  • the first opening 61 may be formed below the sensor unit 20
  • the second opening 62 may be formed above the sensor unit 20 .
  • the upper and lower portions of the sensor unit 20 may be divided based on the position of the sensing electrode formed in the sensor unit 20 .
  • the gas of the first internal space 31 passes through the first opening 61 , the connection passage 60 , the second opening 62 , and the second internal space 32 again to the first internal space ( 30) may be formed.
  • the sensing target gas introduced into the inner space 30 through the opening 70 can be more easily moved toward the sensor unit 20 even when the vicinity of the sensor unit 20 is in a high pressure state. have.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing device according to a second embodiment of the present invention.
  • the gas sensing device 1B according to the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the sensor unit 20 is disposed in the housing 10 without using a frame. There is a difference from the gas sensing device 1A according to the present invention.
  • the gas sensing device 1B includes a housing 10 having an opening 70 formed on one side, a sensor unit 20 disposed in the housing 10, and a sensor unit 20 . It includes a heater unit 50 for heating to a sensing temperature, and a connection passage 60 connecting the first opening 61 and the second opening 62 formed in the housing 10 .
  • the housing 10 may be provided in the shape of a hollow tube having one side (the lower side of FIG. 2 ) open.
  • the open side may be formed with an open portion 70
  • the other side (upper side in FIG. 2 ) may have a structure blocked by the cover portion 12 . Due to this, the inner space 30 of the housing 10 may form a closed space blocked from outside air except for the opening 70 .
  • the sensor unit 20 is disposed in the inner space 30 of the housing 10 , and may be disposed at positions spaced apart from both ends in the longitudinal direction (up and down direction in FIG. 2 ) of the housing 10 .
  • the sensor unit 20 may be coupled to the inner space 30 of the housing 10 by the coupling unit 23 .
  • the coupling part 23 may be made of an adhesive material, but is not limited thereto, and various coupling means capable of disposing the sensor part 20 in the inner space 30 of the housing 10 may be used.
  • the inner space 30 of the housing 10 may be divided into a first inner space 31 and a second inner space 32 according to a location where the sensor unit 20 is installed.
  • the first internal space 31 is a space between the sensor unit 20 and the open part 70 among the internal spaces 30 of the housing 10
  • the second internal space 32 is an internal space of the housing 10 . It may be a space other than the first internal space 31 among (30).
  • the first inner space 31 is the lower inner space of the sensor unit 20
  • the second inner space 32 is the upper inner space of the sensor unit 20 , that is, the cover unit 12 and the sensor. It may be a space between the units 20.
  • the upper and lower portions of the sensor unit 20 may be divided based on the position of the sensing electrode formed in the sensor unit 20 .
  • the heater unit 50 is a configuration for heating the sensor unit 20 to a sensing temperature, and is a resistance heating type wound around the housing 10 at a position where the sensor unit 20 is disposed as exemplarily shown in FIG. 2 . It may be configured to include a heating coil, but may be provided in various forms without being limited thereto.
  • the heater unit 50 may be disposed inside the housing 10 , and may be provided in the form of a heating pattern printed on a predetermined substrate instead of a heating coil. Alternatively, it may be provided in a form embedded in the sensor unit 20 .
  • the heater unit 50 is not limited to a resistance heating type, and may be provided as a light irradiation type heater unit such as a heating lamp or an LED.
  • the heater unit 50 may be omitted.
  • the gas sensing device 1B when used for measuring the concentration of a dissolved gas in a high-temperature molten metal, the gas sensing device 1B may not include the heater unit 50 .
  • a first opening 61 and a second opening 62 are formed in the housing 10 , and the first opening 61 and the second opening 62 are connected by a connection passage 60 .
  • the first opening 61 may be formed in the housing 10 to open toward the first internal space 31
  • the second opening 62 may open toward the second internal space 32 , respectively.
  • the first opening 61 may be formed below the sensor unit 20
  • the second opening 62 may be formed above the sensor unit 20 .
  • the upper and lower portions of the sensor unit 20 may be divided based on the position of the sensing electrode formed in the sensor unit 20 .
  • the sensor unit 20 is coupled to the housing 10 by the coupling unit 23 , but the first internal space 31 and the second internal space 32 are separated by the coupling unit 23 and the sensor unit 20 . It may not be completely blocked.
  • the coupling part 23 is provided to couple only a partial area of the edge of the sensor part 20 to the inner wall of the housing 10 , and a gap (g) between the inner wall of the housing 10 and the sensor unit 20 . can be formed.
  • FIG. 3 is a view for explaining this, and is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 2 . Referring to FIG.
  • the coupling part 23 is formed only in four places among the edges of the sensor part 20 , and in the part where the coupling part 23 is not formed, between the sensor part 20 and the inner wall of the housing 10 .
  • a predetermined gap g may be formed. Due to this, gas movement between the first inner space 31 and the second inner space 32 may be free.
  • the coupling part 23 is formed of a breathable material or a through hole (not shown) is formed in the sensor part 20 so that the first internal space 31 and the second internal space 32 are formed. can be made to communicate.
  • the gas of the first internal space 31 passes through the first opening 61 , the connection passage 60 , the second opening 62 , and the second internal space 32 again to the first internal space ( 31) can be formed.
  • the sensing target gas introduced into the inner space 30 through the opening 70 can be more easily moved toward the sensor unit 20 even when the vicinity of the sensor unit 20 is in a high pressure state. have.
  • various gas sensor elements may be used according to the gas to be measured, the application purpose, and the like.
  • a hydrogen sensor element, a carbon monoxide sensor element, a hydrocarbon sensor element, etc. may be used as the sensor unit 20 according to the gas to be measured.
  • various types of sensor elements such as a pellet shape, a chip shape, a tube shape, etc. may be used as the sensor unit 20 according to the shape thereof.
  • an electrochemical type sensor element that measures a change in electromotive force (EMF) according to a gas concentration using a solid electrolyte, a semiconductor material whose electrical resistance changes according to the gas concentration
  • EMF electromotive force
  • 4 to 6 are diagrams for explaining a hydrogen sensor element that can be used as the sensor unit 20 in the present invention.
  • the sensor unit 20A of Fig. 4 is a hydrogen sensor element particularly suitable for use in the hydrogen sensing device according to the first embodiment (Fig. 1) of the present invention.
  • the sensor unit 20A is a solid electrolyte having a heterojunction structure in which an oxygen ion conductor 211 and a hydrogen ion conductor 212 are bonded, a reference formed on the surface of the oxygen ion conductor 211
  • the electrode 213 and the sensing electrode 214 formed on the surface of the hydrogen ion conductor 212 may be included.
  • a stabilized zirconia made by adding various materials to zirconia (ZrO 2 ), for example, a solid electrolyte such as Yttria stabilized zirconia (YSZ), calcium stabilized zirconia (CSZ), or Magnesium stabilized zirconia (MSZ) or A CeO 2 compound to which Gd 2 O 3 or the like is added may be used.
  • ZrO 2 zirconia
  • YSZ Yttria stabilized zirconia
  • CSZ calcium stabilized zirconia
  • MSZ Magnesium stabilized zirconia
  • a CeO 2 compound to which Gd 2 O 3 or the like is added may be used.
  • a material in which several materials are substituted at the B site of a material having a perovskite structure of the ABO 3 type for example, CaZrO 3 such as CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x, SrZr 0.95 Y 0.05 O 3-x SrZrO 3 based, such as, SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3- x SrCeO 3 series, including, BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3- x BaCeO 3 series, including, BaTiO 3, SrTiO 3, PbTiO 3 Ti-based compounds such as, etc. may be used.
  • CaZrO 3 such as CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x
  • SrZr 0.95 Y 0.05 O 3-x SrZrO 3 based such as, SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3- x SrCeO 3 series, including, BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3- x BaCeO 3 series, including, BaTiO
  • reference electrode 213 and the sensing electrode 214 may be formed of a noble metal such as platinum (Pt).
  • the reference electrode 213 and the sensing electrode 214 are electrically connected to the measurement unit 90 through a lead wire, so that the hydrogen gas concentration can be measured by electromotive force measurement.
  • the electromotive force (E) measured between the reference electrode 213 and the sensing electrode 214 is the oxygen partial pressure P O2 on the reference electrode 213 side and the hydrogen partial pressure P H2 on the sensing electrode 214 side and the following The same relationship is established
  • Eo and A are constants that depend only on temperature, so if you know the oxygen partial pressure (P O2 ) on the reference electrode 213 side, you can determine the hydrogen partial pressure (P H2 ) on the sensing electrode 214 side by measuring the electromotive force (E).
  • the oxygen partial pressure P O2 on the side of the reference electrode 213 may be fixed by exposing the reference electrode 214 to the atmosphere. That is, referring to FIGS. 1 and 4 together, the frame 22 fixed to the sensor unit 20A is coupled to the housing 10 using a sealing material 21 to be gas-sealed, and the reference electrode 213 is in the atmosphere. By configuring the gas sensing device 1A to be exposed to , the partial pressure of oxygen P O2 on the side of the reference electrode 213 can be fixed at 0.21 atm, which is the partial pressure of oxygen in the air. Accordingly, by measuring the electromotive force E between the reference electrode 213 and the sensing electrode 214 , the hydrogen partial pressure P H2 on the sensing electrode 213 side can be calculated by Equation (1).
  • Sensor portion (20B) of Figure 5 is to expose the reference electrode 213 to the atmosphere of oxygen partial pressure (P O2) of the fixing place of the reference electrode 213 to cover it with an oxygen partial pressure fixed reference materials (215) for the oxygen partial pressure ( P O2 ) is different from the sensor unit 20A of FIG. 4 in that it has a thermodynamically fixed structure.
  • the reference material 215 for fixing the oxygen partial pressure a mixture of a metal and a metal oxide such as Cu/CuO, Ni/NiO, Ti/TiO 2 , Fe/FeO, Cr/Cr 2 O 3 , Mo/MoO, or Cu 2 O/
  • a mixture of metal oxides having different degrees of oxidation, such as CuO, FeO/Fe 2 O 3, etc. may be used, and when the reference electrode 213 is covered with the reference material 215 for fixing the oxygen partial pressure, oxygen at the reference electrode 213 side
  • the partial pressure can be thermodynamically fixed. That is, the oxygen partial pressure on the reference electrode 213 side is determined by the reference material 215 for fixing the oxygen partial pressure instead of being determined by the external air, and as described with reference to FIG. 4 , the reference electrode 213 and the sensing electrode By measuring the electromotive force between (214), the hydrogen partial pressure on the sensing electrode 214 side can be calculated by Equation (1).
  • the sensor unit 20B of FIG. 5 may be suitable for either the gas sensing device 1A according to the first embodiment or the gas sensing device 1B according to the second embodiment of the present invention.
  • a sealing cover 218 for blocking the reference material 215 for fixing the oxygen partial pressure from outside air is added.
  • the sealing cover 218 may be formed of a dense ceramic material capable of preventing the penetration of external air, and may be omitted when the influence of the external air is insignificant.
  • the sensor unit 20C of FIG. 6 has the hydrogen ion conductor 212 and the hydrogen ion conductor 212, respectively, formed on both sides of the reference electrode 213, the sensing electrode 214, and the hydrogen partial pressure covering the reference electrode 213. It is formed including a reference material 216 for fixing. That is, compared to the sensor unit 20B of FIG. 5 , there is no oxygen ion conductor and the reference electrode 213 is covered with the reference material for fixing the partial pressure of hydrogen 216 instead of the reference material for fixing the partial pressure of oxygen.
  • a mixed phase of a metal and a metal hydrate such as Ti/TiH 2 , Zr/ZrH 2 , Ca/CaH 2 , Nd/NdH 2 may be used, and thereby the reference electrode 213 side Hydrogen partial pressure (P 2 , H2 ) can be thermodynamically fixed.
  • the sensor unit 20C of FIG. 6 also measures the electromotive force (E) between the reference electrode 213 and the sensing electrode 214, and the hydrogen partial pressure (P 1) on the sensing electrode 214 side by the following Nernst equation , H2 ) can be determined.
  • R is the gas constant
  • F Faraday's constant
  • T is a constant both as sensing temperature
  • hydrogen partial pressure (P 2, H2) is also a reference material (216) for fixing a hydrogen partial pressure of the reference electrode 213 Since the value which is determined by the hydrogen partial pressure in the sensing electrode 214 that is measured from the electromotive force (E) value of the side (P 1, H2) is calculated.
  • the sensor unit 20C of FIG. 6 may be suitable for either the gas sensing device 1A according to the first embodiment or the gas sensing device 1B according to the second embodiment of the present invention.
  • a sealing cover 218 for blocking the reference material for fixing the partial pressure of hydrogen 216 from outside air is added. may be provided as
  • a gas sensing device may be used to measure a dissolved gas concentration in a liquid.
  • FIG. 7 is an example of use of the gas sensing device of the present invention for measuring the concentration of a dissolved gas in a liquid contained in the liquid storage container 100 .
  • the structure of the gas sensing device 1 is only briefly illustrated mainly by main parts in FIG. 7 , both the gas sensing device 1A according to the first embodiment or the gas sensing device 1B according to the second embodiment of the present invention are shown. can be used
  • the gas sensing device 1 may be coupled to the liquid storage container 100 through the connection port 110 .
  • the connector 110 may be formed on the side surface of the liquid storage container 100 as shown, but is not limited thereto, and may be formed in various positions such as the upper surface or the lower surface of the liquid storage container 100 .
  • C is the concentration of dissolved gas in the liquid
  • k is a constant dependent on the gas type and temperature
  • P gas is the gas partial pressure in the space in contact with the liquid. That is, the dissolved gas concentration (C) and the gas partial pressure (P gas ) in the space in contact with the liquid are proportional, and the evaporation rate of the gas evaporating from the liquid into the space is the same as the rate at which the gas inside the space dissolves in the liquid. when equilibrium is reached.
  • the gas sensing device 1 of the present invention when the gas sensing device 1 of the present invention is connected to the liquid storage container 100 as shown in FIG. 7 , the dissolved gas in the liquid accommodated in the liquid storage container 100 flows into the gas detection device 1 . It evaporates into the space 30 to achieve equilibrium. Therefore, the dissolved gas concentration in the liquid can be known by measuring the gas concentration (gas partial pressure) in the internal space 30 using the sensor unit 20 .
  • the internal pressure of the internal space 30 of the gas sensing device 1 connected to the liquid storage container 100 may increase according to the pressure of the liquid in the liquid storage container 100 . That is, the liquid accommodated in the liquid storage container 100 moves to the internal space 30 of the gas sensing device 1 through the connection port 110 so that the liquid level 120 moves to the internal space 30 of the gas sensing device 1 . may be formed within. Due to this, the gas volume in the internal space 30 of the gas sensing device 1 may contract until the internal pressure of the internal space 30 becomes equal to the pressure of the liquid.
  • This increase in the internal pressure of the internal space 30 may make it difficult for the gas evaporated from the liquid to move to the sensing electrode 214 of the sensor unit 20 .
  • the internal pressure of the internal space 30 is further increased, and thus the dissolved gas is more difficult to move to the sensing electrode 214. it can be difficult This can be an obstacle to quickly and accurately measuring the concentration of dissolved gas.
  • the liquid level 120 is preferably formed below the first opening 61 , but may be formed above the first opening 61 . That is, even if the first opening 61 is submerged in the liquid, the dissolved gas evaporated from the liquid may move toward the second opening 62 through the connection passage 60 .
  • the liquid level 120 should be formed below the sensor unit 20 , it is preferable to design the length of the housing 10 and/or the height of the connection port 110 in consideration of the liquid pressure and the like.
  • a gas permeation filter may be disposed in the connection port 110 or the first internal space 31 in order to prevent the sensor unit 20 from being contaminated by the liquid.
  • the gas permeable filter does not limit the material or shape of the gas permeable filter as long as it is configured to pass only gas and not liquid, and may be, for example, a gas permeable membrane made of graphite, ceramic powder, PTFE membrane, and the like.
  • the liquid storage container 300 may be a transformer, and the liquid accommodated in the liquid storage container 300 may be insulating oil of the transformer.
  • a circulation pipe 310 for liquid circulation is connected to the liquid storage container 300 .
  • the circulation pipe 310 is provided with valves 313 and 314 and a circulation motor 320, and by driving the circulation motor 320 in a state in which the valves 313 and 314 are opened, the liquid flows in the direction indicated by the arrow in the drawing.
  • a circulating circulatory path is formed.
  • a measurement tank 330 is provided on the circulation path, and the liquid circulated along the circulation pipe 310 is configured to pass through the measurement tank 330 . That is, the circulating liquid may be temporarily stored in the circulation tank 330 .
  • the gas sensing device 1 may be coupled to the circulation tank 330 through the connection port 340 . Due to this, the dissolved gas evaporated from the liquid in the measurement tank 330 may be moved to the inner space 30 of the gas sensing device 1 . In order to prevent the liquid from moving to the gas sensing device 1 , a gas permeation filter 341 may be provided at the connection port 340 . As the gas detection apparatus 1, both the gas detection apparatus 1A according to the first embodiment and the gas detection apparatus 1B according to the second embodiment of the present invention may be used.
  • FIG. 9 is a result of measuring the electromotive force (E) of the sensor unit 20 after connecting the gas sensing device 1A according to the first embodiment of the present invention to a measurement environment in which the hydrogen concentration is kept constant at 4%. .
  • the hydrogen sensor element of FIG. 4 was used as the sensor unit 20 . That is, in the sensor unit 20 , an oxygen ion conductor 211 and a hydrogen ion conductor 212 are joined, a reference electrode 213 is connected to the oxygen ion conductor 211 , and a sensing electrode 214 is connected to the hydrogen ion conductor 214 . ) was formed using an electrochemical hydrogen sensor.
  • YSZ Yttria stabilized zirconia
  • CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x were used, respectively, and the reference electrode 213 and the sensing electrode 214 were made of platinum (Pt). was formed with
  • the sensor unit 20 was heated using the heater unit 50 while measuring the temperature by connecting a thermocouple to the sensor unit 20 , and changes in temperature and electromotive force were measured over time. As confirmed in FIG. 9 , the electromotive force continuously increases as the temperature rises, and a stable electromotive force of about 1.1 V was measured at a temperature of about 300° C. or higher.
  • connection passage 60 is a result of measurement under the same conditions using a gas sensing device that does not form the connection passage 60 for comparison.
  • the gas detection device used in FIG. 10 was the same as the gas detection device used in FIG. 9 except that the connection passage 60 and the first and second openings 61 and 62 were absent. Referring to FIG. 10 , although the electromotive force tends to increase as the temperature increases, it can be confirmed that the electromotive force value is very low and unstable compared to the result of FIG. 9 .
  • connection passages included in the gas sensing device of the present invention may be provided. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the description of the claims and their equivalents.

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Abstract

본 발명은 감지 대상 가스가 내부 공간으로 인입되는 개방부를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 배치되는 센서부 및 상기 하우징의 내부 공간을 향하여 개방되도록 하우징에 형성된 제1 개구 및 제2 개구를 연결하는 연결 통로를 포함하는 가스 감지 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 센서부가 배치된 하우징 내부 공간의 압력이 증가하더라도 빠른 반응 속도 및 높은 정확성으로 가스 농도 측정이 가능한 가스 감지 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

연결 통로가 형성된 하우징을 포함하는 가스 감지 장치
본 출원은 2020년 5월 12일자 한국 특허 출원 제2020-0056689호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 가스 감지 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 하우징에 연결 통로가 형성된 가스 감지 장치에 관한 것이다.
액체의 특성 또는 특성 변화를 검출하기 위해 액체 내에 용해되어 있는 용존 가스 농도를 측정하는 방법을 사용하는 경우가 있다. 예를 들어, 자동차의 엔진 오일, 변압기의 절연유 등 각종 기계장치에 사용되는 오일의 경우 열화가 진행됨에 따라 수소나 일산화탄소, 아세틸렌 가스 등이 증가하는 등 용존 가스 농도의 변화가 생기게 되므로, 이러한 용존 가스 농도를 측정하면 오일의 열화 여부를 감지할 수 있다. 실제로 변압기 절연유의 경우 1000ppm 이상의 용존 수소가 발생되면 폭발의 위험이 있다고 보고 되고 있다. 또한, 원자력 발전 분야에서는 물에 녹아 있는 산소나 중수소 등의 농도를 측정함으로써 배관의 부식이나 발전 정보를 알 수 있으며, 금속 산업 분야에서는 용탕(Molten metal) 중의 용존 가스 농도를 측정하는 것에 의해 제조되는 금속 품질을 일정하게 유지 관리할 수 있다.
용존 가스 농도를 측정하기 위해 액체 샘플을 채취한 후 이로부터 용존 가스를 추출한 다음 가스분석기(Gas chromatography)로 분석하는 방법이 일반적으로 사용된다. 그러나 이 방법은 산업 현장에서 실시간으로 용존 가스 농도를 측정할 수 있는 방법이 아니라는 한계가 있다.
한국등록특허 제1512189호에는 고체전해질을 이용한 센서부를 포함하는 수소센서소자를 오일 내에 삽입하여 용존 수소가스 농도를 측정하는 기술이 제안되어 있다. 이 기술은 용존 가스 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있는 장점이 있으나, 센서부의 감지전극이 액체에 직접 접촉되어 열화되기 쉽다는 문제가 있다.
한국공개특허 제2016-0011722호에는 하우징과 가스분리막에 의해 형성된 밀폐공간 내에 센서부를 배치한 수소센서소자를 액체 내에 삽입함으로써, 센서부의 감지전극이 직접 액체에 노출되지 않으면서 가스분리막을 통해 밀폐공간 내로 투과한 용존 수소가스 농도를 측정하는 기술이 제안되어 있다. 이 기술은 센서부의 감지전극의 열화를 억제하면서 용존 가스 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 센서부의 감지전극이 밀폐공간 내에 배치되는 경우 밀폐공간 내의 압력으로 인해 용존 가스가 밀폐공간 내로 증발하여 센서부의 감지전극까지 이동하는 것이 어려울 수 있다. 특히 가스센서는 일반적으로 히터를 이용하여 고온으로 가열된 상태에서 동작하므로 센서부의 감지전극이 배치된 밀폐공간의 내부 압력은 더욱 증가된다. 이로 인해 용존 가스가 액체로부터 증발하여 센서부의 감지전극 위치까지 이동하는 것이 더욱 어려워 질 수 있고, 이는 용존 가스 농도를 신속하고 정확하게 측정하는데 장애요소로 작용할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 센서부의 감지전극이 배치된 하우징 내부 공간이 외기와 연통되도록 하여 센서부를 고온으로 가열하더라도 압력이 대기압 이상으로 증가하지 않도록 하는 방안을 생각할 수 있다. 그러나 이 경우 액체로부터 증발된 용존 가스가 외기로 빠져나가게 되므로, 센서부의 감지전극이 배치된 공간 내부의 가스 농도가 액체 내의 용존 가스 농도를 정확히 대변한다고 보기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서부가 배치된 하우징 내부 공간의 압력이 증가하더라도 빠른 반응 속도 및 높은 정확성으로 가스 농도 측정이 가능한 가스 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 장치는, 감지 대상 가스가 내부 공간으로 인입되는 개방부를 포함하는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 배치되는 센서부 및 상기 하우징의 내부 공간을 향하여 개방되도록 하우징에 형성된 제1 개구 및 제2 개구를 연결하는 연결 통로를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 센서부를 센싱 온도로 가열하기 위한 히터부를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징의 내부 공간은, 상기 개방부를 통해서만 외기와 연통될 수 있다.
상기 하우징의 내부 공간은, 상기 센서부와 상기 개방부 사이의 제1 내부 공간과, 상기 제1 내부 공간을 제외한 내부 공간인 제2 내부 공간을 포함하여 구성되고, 상기 제1 개구는 제1 내부 공간을 향해 개방되고, 상기 제2 개구는 제2 내부 공간을 향해 개방될 수 있다.
상기 하우징은 길이 방향 일단부에 상기 개방부가 형성된 중공의 튜브 형상이고, 상기 센서부는 상기 하우징의 내경보다 작은 외경을 갖는 프레임의 길이 방향 일단부에 고정된 상태로 상기 하우징의 내부 공간에 배치되고, 상기 프레임의 길이 방향 타단부는 상기 하우징에 가스 밀봉되도록 고정될 수 있다. 이로 인해, 상기 하우징의 내벽과 상기 프레임 사이의 공간이 상기 제2 내부 공간을 형성하고, 상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간을 순환하는 순환 경로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 하우징은 길이 방향 일단부에 상기 개방부가 형성된 중공의 튜브 형상이고, 상기 하우징의 길이 방향 타단부는 커버부에 의해 막혀 있고, 상기 센서부는 상기 하우징의 내벽에 결합된 상태로 상기 하우징의 내부 공간에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 하우징의 내벽과 상기 센서부 사이에는 갭이 존재하고, 이로 인해 상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간을 순환하는 순환 경로가 형성될 수 있다.
상기 센서부는 수소 센서 소자를 포함할 수 있으며, 상기 수소 센서 소자는, 고체전해질, 상기 고체전해질의 상기 개방부 방향의 일면에 형성된 감지전극 및 상기 고체전해질의 타면에 형성되는 기준전극을 포함하고, 상기 제1 개구는 상기 감지전극과 상기 개방부 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 장치는, 내부 공간을 포함하는 중공의 튜브 형상의 하우징으로서, 길이 방향 하단부에 상기 내부 공간을 향해 개방되어 감지 대상 가스가 인입되도록 개방부가 형성된 하우징, 상기 하우징의 길이 방향 상단부 및 하단부로부터 모두 소정 거리 이격된 위치의 내부 공간에 배치되며, 상기 개방부에 대향하도록 형성된 감지전극을 포함하는 센서부, 상기 센서부를 센싱 온도로 가열하도록 구비되는 히터부를 포함하고, 상기 하우징의 내부 공간은 상기 센서부의 감지전극을 기준으로 하방의 제1 내부 공간과 상방의 제2 내부 공간을 포함하여 구성되고, 상기 하우징에는 상기 제1 내부 공간을 향해 개방되도록 형성된 제1 개구와, 상기 제2 내부 공간을 향해 개방되도록 형성된 제2 개구가 형성되고, 상기 제1 개구와 제2 개구를 연결하는 연결 통로가 구비되어, 상기 개방부를 통해 인입된 감지 대상 가스가 상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간으로 순환하는 순환 경로가 형성되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 센서부는 상기 하우징의 내경보다 작은 직경의 중공의 튜브 형상의 프레임의 하단부에 고정된 상태로 상기 내부 공간에 배치되고, 상기 프레임의 내부는 상기 하우징의 내부 공간과 격리된 상태로 외기에 노출되고, 상기 센서부는 상기 프레임의 내부를 통하여 외기에 노출되는 기준전극을 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 센서부는 테두리 일부 면적이 소정의 결합부를 통해 상기 하우징의 내벽에 결합되는 방식으로 상기 내부 공간에 배치되고, 상기 결합부가 형성되지 않은 부분에서는 상기 센서부와 상기 하우징 내벽 사이에 갭이 형성되어, 상기 갭을 통해 제1 내부 공간과 제2 내부 공간이 연통될 수 있다.
본 발명에 의하면, 센서부 상부 및 하부의 내부 공간으로 각각 개방되도록 하우징에 형성된 개구들을 연결하는 연결 통로를 구비함으로써, 센서부가 배치된 하우징 내부 공간의 압력이 증가하더라도 빠른 반응 속도 및 높은 정확성으로 가스 농도 측정이 가능한 가스 감지 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에서 센서부로 사용 가능한 수소 센서 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 장치의 사용예이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 장치를 이용하여 가스 농도를 측정한 결과이다.
도 10는 본 발명의 비교예에 따른 가스 감지 장치를 이용하여 가스 농도를 측정한 결과이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어는 따로 정의하지 않는 경우 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 내용으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A)는, 일측에 개방부(70)가 형성된 하우징(10), 하우징(10) 내에 배치되는 센서부(20), 센서부(20)를 센싱 온도로 가열하기 위한 히터부(50), 하우징(10)에 형성된 제1 개구(61)와 제2 개구(62)를 연결하는 연결 통로(60)를 포함한다.
하우징(10)은 중공의 튜브 형상으로 제공될 수 있다. 하우징(10)의 일측(도 1의 하방측)에는 개방부(70)가 형성되며, 개방부(70)는 감지 대상 가스가 인입되는 출입구를 제공할 수 있다. 가스 감지 장치(1A)가 측정 환경 내의 가스 농도 측정을 위해 사용되는 경우, 개방부(70)가 측정 환경과 연통되도록 하우징(10)이 설치될 수 있다. 예를 들어, 가스 감지 장치(1A)가 액체 중의 용존 가스 농도 측정을 위해 사용되는 경우, 가스 감지 장치(1A)의 하우징(10)은 개방부(70)가 액체 저장 용기와 연통되도록 설치되거나 개방부(70)가 형성된 일단이 액체 내에 잠기도록 설치될 수 있다. 액체로부터 증발한 용존 가스는 하우징(10)의 내부 공간(30)을 채우고, 센서부(20)는 이를 감지할 수 있다.
센서부(20)는 하우징(10) 내에 배치되며, 하우징(10)의 길이 방향(도 1의 상하 방향)으로 양측 단부에서 이격된 위치에 배치될 수 있다. 예시적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 센서부(20)는 하우징(10)의 개방부(70) 측 일단부로부터 길이 방향으로 d1만큼 이격되고, 하우징(10)의 타단부로부터 길이 방향으로 d2만큼 이격된 위치에 배치될 수 있다. 여기서 센서부(20)의 위치는 센서부(20)에 형성되는 감지전극의 위치일 수 있다.
이처럼 센서부(20)를 하우징(10)의 단부로부터 길이 방향으로 이격된 위치에 배치하기 위해, 센서부(20)는 소정 길이의 프레임(22)의 일단(도 1의 하방측)에 고정된 상태로 하우징(10) 내에 설치될 수 있다. 프레임(22)은 하우징(10)보다 작은 직경의 튜브로 형성하여, 하우징(10) 내벽과 프레임(22) 사이에 폭 방향(도 1의 좌우 방향)으로 갭(g)이 형성되도록 할 수 있다. 프레임(22)의 일단부에는 센서부(20)가 고정되고, 프레임(22)의 타단부는 하우징(10)에 결합될 수 있다. 센서부(20)가 튜브 형상으로 제작되는 경우, 프레임(22)은 센서부(20)에 포함된 구성일 수 있다. 프레임(22)과 하우징(10)의 결합은 접착 결함, 나사 결합, 브레이징(brazing) 등 다양한 결합 수단이 사용될 수 있으며, 특정 결합 수단으로 한정되지 않는다. 한편, 프레임(22)과 하우징(10)의 결합은 가스 밀봉 결합일 수 있다. 이를 위해 프레임(22)과 하우징(10)의 결합 부분에 실링 물질(21)이 포함될 수 있다. 실링 물질(21)은 오링(O-ring) 등 탄성이 있는 고분자 물질로 형성될 수 있다. 또는, 프레임(22)과 하우징(10)이 접착 결합하는 경우, 실링 물질(21)은 접착 물질일 수 있다.
하우징(10)과 프레임(22)이 가스 밀봉되도록 결합되므로, 하우징(10)의 내부 공간(30)은 개방부(70)를 제외하면 외기로부터 차단된 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 또는 프레임(22)과 하우징(10)의 결합이 가스 밀봉 결합이 아니더라도, 하우징(10)의 개방부(70)가 형성되지 않은 타측(도 1의 상방부)을 막힌 구조로 형성함으로써 내부 공간(30)을 밀폐 공간으로 형성하는 것도 가능하다.
하우징(10)의 내부 공간(30)은 센서부(20)가 설치되는 위치에 의해 제1 내부 공간(31)과 제2 내부 공간(32)으로 구분될 수 있다. 제1 내부 공간(31)은 하우징(10)의 내부 공간(30) 중 센서부(20)와 개방부(70) 사이의 공간이고, 제2 내부 공간(32)은 하우징(10)의 내부 공간(30) 중 제1 내부 공간(31)을 제외한 공간일 수 있다. 도 1의 실시예에서 제1 내부 공간(31)은 센서부(20)의 아래쪽 내부 공간이고, 제2 내부 공간(32)은 센서부(20)의 위쪽 내부 공간, 즉 프레임(22)과 하우징(10) 내벽 사이의 갭(g)에 의해 형성되는 공간일 수 있다. 여기서 센서부(20)의 위쪽과 아래쪽은 센서부(20)에 형성되는 감지전극의 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
히터부(50)는 센서부(20)를 센싱 온도로 가열하기 위한 구성이다. 센싱 온도는 센서의 종류에 따라 달라질 수 있고, 300℃ 이상일 수 있다. 히터부(50)는 도 1에 예시적으로 도시한 것처럼 센서부(20)가 배치되는 위치의 하우징(10) 외부에 권취된 저항 가열식 히팅 코일을 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 히터부(50)는 하우징(10)의 내부에 배치될 수 있으며, 히팅 코일 대신 소정 기판에 인쇄된 히팅 패턴 형태로 구비될 수 있다. 또는 프레임(22)에 권취된 히팅 코일로 구비되거나, 프레임(22) 또는 센서부(20)에 내장된 형태로 구비될 수도 있다. 히터부(50)는 저항 가열식으로 한정되지 않으며, 가열 램프, LED 등 광조사식 히터부로 구비될 수도 있다.
가스 감지 장치(1A)가 고온의 환경에서 사용되어 센서부(20)의 가열이 불필요한 경우, 히터부(50)는 생략될 수 있다. 예를 들어, 고온의 용탕 내 용존 가스 농도 측정을 위한 용도로 사용되는 경우, 가스 감지 장치(1A)는 히터부(50)를 포함하지 않을 수 있다.
가스 감지 장치(1A)가 고압의 측정 환경에 연결되는 경우, 또는 액체 내 용존 가스 측정을 위해 개방부(70)가 액체 저장 용기에 연결되는 경우, 내부 공간(30)은 고압의 공간이 될 수 있다. 특히, 히터부(50)를 이용하여 센서부(20)를 고온으로 가열하면, 내부 공간(30)의 압력은 온도에 따라 더욱 증가할 수 있다. 이러한 압력의 증가는 감지 대상 가스가 센서부(20)로 이동하는 것을 어렵게 할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A)는 이러한 문제를 해결하기 위해, 연결 통로(60)를 형성한다. 구체적으로는, 하우징(10)에 제1 개구(61) 및 제2 개구(62)를 형성하고, 제1 개구(61)와 제2 개구(62)를 연결 통로(60)로 연결한다. 제1 개구(61)는 제1 내부 공간(31)을 향해, 제2 개구(62)는 제2 내부 공간(32)을 향해 각각 개방되도록 하우징(10)에 형성될 수 있다. 도 1을 기준으로 설명하면, 제1 개구(61)는 센서부(20)보다 아래쪽에, 제2 개구(62)는 센서부(20)보다 위쪽에 형성될 수 있다. 여기서 센서부(20)의 위쪽과 아래쪽은 센서부(20)에 형성되는 감지전극의 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
이러한 구조에 의해, 제1 내부 공간(31)의 가스가 제1 개구(61), 연결 통로(60), 제2 개구(62), 제2 내부 공간(32)을 거쳐 다시 제1 내부 공간(30)으로 들어오는 순환 경로가 형성될 수 있다. 이러한 순환 경로를 형성함으로써, 센서부(20) 부근이 고압 상태가 되는 경우에도 개방부(70)를 통해 내부 공간(30)으로 인입된 감지 대상 가스가 센서부(20) 측으로 보다 쉽게 이동될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B)는, 센서부(20)를 프레임을 사용하지 않고 하우징(10) 내에 배치시킨다는 점에서 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A)와 차이가 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B)는, 일측에 개방부(70)가 형성된 하우징(10), 하우징(10) 내에 배치되는 센서부(20), 센서부(20)를 센싱 온도로 가열하기 위한 히터부(50), 하우징(10)에 형성된 제1 개구(61)와 제2 개구(62)를 연결하는 연결 통로(60)를 포함한다.
하우징(10)은 일측(도 2의 하방측)이 개방된 중공의 튜브 형상으로 제공될 수 있다. 개방된 일측은 개방부(70)를 형성되며, 타측(도 2의 상방측)은 커버부(12)에 의해 막힌 구조일 수 있다. 이로 인해 하우징(10)의 내부 공간(30)은 개방부(70)를 제외하면 외기로부터 차단된 밀폐 공간을 형성할 수 있다.
센서부(20)는 하우징(10)의 내부 공간(30)에 배치되며, 하우징(10)의 길이 방향(도 2의 상하 방향)으로 양측 단부에서 이격된 위치에 배치될 수 있다. 센서부(20)는 결합부(23)에 의해 하우징(10)의 내부 공간(30)에 결합될 수 있다. 결합부(23)는 접착 물질일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 센서부(20)를 하우징(10)의 내부 공간(30)에 배치시킬 수 있는 다양한 결합 수단이 사용될 수 있다.
하우징(10)의 내부 공간(30)은 센서부(20)가 설치되는 위치에 의해 제1 내부 공간(31)과 제2 내부 공간(32)으로 구분될 수 있다. 제1 내부 공간(31)은 하우징(10)의 내부 공간(30) 중 센서부(20)와 개방부(70) 사이의 공간이고, 제2 내부 공간(32)은 하우징(10)의 내부 공간(30) 중 제1 내부 공간(31)을 제외한 공간일 수 있다. 도 2의 실시예에서 제1 내부 공간(31)은 센서부(20)의 아래쪽 내부 공간이고, 제2 내부 공간(32)은 센서부(20의 위쪽 내부 공간, 즉 커버부(12)와 센서부(20) 사이의 공간일 수 있다. 여기서 센서부(20)의 위쪽과 아래쪽은 센서부(20)에 형성되는 감지전극의 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
히터부(50)는 센서부(20)를 센싱 온도로 가열하기 위한 구성으로, 도 2에 예시적으로 도시한 것처럼 센서부(20)가 배치되는 위치의 하우징(10) 외부에 권취된 저항 가열식 히팅 코일을 포함하여 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 히터부(50)는 하우징(10)의 내부에 배치될 수 있으며, 히팅 코일 대신 소정 기판에 인쇄된 히팅 패턴 형태로 구비될 수 있다. 또는 센서부(20)에 내장된 형태로 구비될 수도 있다. 히터부(50)는 저항 가열식으로 한정되지 않으며, 가열 램프, LED 등 광조사식 히터부로 구비될 수도 있다.
가스 감지 장치(1B)가 고온의 환경에서 사용되어 센서부(20)의 가열이 불필요한 경우, 히터부(50)는 생략될 수 있다. 예를 들어, 고온의 용탕 내 용존 가스 농도 측정을 위한 용도로 사용되는 경우, 가스 감지 장치(1B)는 히터부(50)를 포함하지 않을 수 있다.
하우징(10)에는 제1 개구(61) 및 제2 개구(62)가 형성되고, 제1 개구(61)와 제2 개구(62)는 연결 통로(60)로 연결된다. 제1 개구(61)는 제1 내부 공간(31)을 향해, 제2 개구(62)는 제2 내부 공간(32)을 향해 각각 개방되도록 하우징(10)에 형성될 수 있다. 도 2을 기준으로 설명하면, 제1 개구(61)는 센서부(20)보다 아래쪽에, 제2 개구(62)는 센서부(20)보다 위쪽에 형성될 수 있다. 여기서 센서부(20)의 위쪽과 아래쪽은 센서부(20)에 형성되는 감지전극의 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
센서부(20)는 결합부(23)에 의해 하우징(10)에 결합되나, 결합부(23) 및 센서부(20)에 의해 제1 내부 공간(31)과 제2 내부 공간(32)가 완전히 차단되지 않을 수 있다. 예를 들어, 결합부(23)는 센서부(20)의 테두리 중 일부 면적만 하우징(10) 내벽에 결합시키도록 구비되어, 하우징(10) 내벽과 센서부(20) 사이에 갭(g)이 형성되도록 할 수 있다. 도 3은 이를 설명하기 위한 도면으로, 도 2의 A-A선 단면도이다. 도 3을 참조하면, 결합부(23)는 센서부(20)의 테두리 중 4개소에만 형성되며, 결합부(23)가 형성되지 않은 부분에는 센서부(20)와 하우징(10) 내벽 사이에 소정의 갭(g)이 형성될 수 있다. 이로 인해 제1 내부 공간(31)과 제2 내부 공간(32) 사이의 가스 이동이 자유로울 수 있다. 도 3과 같은 결합 구조 외에도 결합부(23)를 통기성 물질로 형성하거나, 센서부(20)에 관통홀(미도시)을 형성하여 제1 내부 공간(31)과 제2 내부 공간(32)이 연통되도록 할 수 있다.
이러한 구조에 의해, 제1 내부 공간(31)의 가스가 제1 개구(61), 연결 통로(60), 제2 개구(62), 제2 내부 공간(32)을 거쳐 다시 제1 내부 공간(31)으로 들어오는 순환 경로가 형성될 수 있다. 이러한 순환 경로를 형성함으로써, 센서부(20) 부근이 고압 상태가 되는 경우에도 개방부(70)를 통해 내부 공간(30)으로 인입된 감지 대상 가스가 센서부(20) 측으로 보다 쉽게 이동될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 가스 감지 장치(1A, 1B)에 사용되는 센서부(20)는 측정 대상 가스, 적용 용도 등에 따라 다양한 가스 센서 소자가 사용될 수 있다. 측정 대상 가스에 따라 수소 센서 소자, 일산화탄소 센서 소자, 탄화수소 센서 소자 등이 센서부(20)로 사용될 수 있다. 또한, 그 형태에 따라 팰렛(pellet) 형태, 칩(chip) 형태, 튜브(tube) 형태 등 다양한 형태의 센서 소자가 센서부(20)로 사용될 수 있다. 또한 가스 감지 원리에 따라, 고체전해질(Solid Electrolyte)을 이용하여 가스 농도에 따른 기전력(EMF; Electromotive force) 변화를 측정하는 전기화학식(Electrochemical type) 센서 소자, 가스 농도에 따라 전기저항이 변하는 반도체 물질을 이용하는 반도체식(Semiconductor type) 센서 소자 등이 센서부(20)로 사용될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에서 센서부(20)로 사용 가능한 수소 센서 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 센서부(20A)는 본 발명의 제1 실시예(도 1)에 따른 수소 감지 장치에 사용하기에 특히 적합한 수소 센서 소자이다. 도 4를 참조하여 설명하면 센서부(20A)는, 산소이온전도체(211)와 수소이온전도체(212)가 접합된 이종 접합 구조의 고체전해질, 산소이온전도체(211)의 표면에 형성되어 있는 기준전극(213) 및 수소이온전도체(212)의 표면에 형성되어 있는 감지전극(214)을 포함할 수 있다.
산소이온전도체(211)로는 지르코니아(ZrO 2)에 여러 물질을 첨가하여 만든 안정화 지르코니아, 예를 들어 YSZ(Yttria stabilized zirconia), CSZ(calcium stabilized zirconia), MSZ(Magnesium stabilized zirconia)와 같은 고체전해질 또는 Gd 2O 3 등을 첨가한 CeO 2계 화합물 등을 사용할 수 있다. 수소이온전도체(212)로는 ABO 3형태의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 물질의 B자리에 여러 물질을 치환한 물질, 예를 들어 CaZr 0.9In 0.1O 3-x 등과 같은 CaZrO 3계, SrZr 0.95Y 0.05O 3-x 등과 같은 SrZrO 3계, SrCe 0.95Yb 0.05O 3-x 등과 같은 SrCeO 3계, BaCe 0.9Nd 0.1O 3-x 등과 같은 BaCeO 3계, BaTiO 3, SrTiO 3, PbTiO 3 등과 같은 Ti계 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 기준전극(213) 및 감지전극(214)은 백금(Pt) 등의 귀금속으로 형성할 수 있다.
기준전극(213)과 감지전극(214)은 리드선을 통해 측정부(90)에 전기적으로 연결되어, 기전력 측정에 의해 수소 가스 농도가 측정될 수 있다. 기준전극(213)과 감지전극(214) 사이에서 측정되는 기전력(E)은 기준전극(213) 측의 산소분압(P O2) 및 감지전극(214) 측의 수소분압(P H2)과 다음과 같은 관계가 성립한다.
E = Eo +A·log P H2 +(A/2)·logP O2 -------- (1)
위 식에서 Eo와 A는 온도에만 의존하는 상수이므로, 기준전극(213) 측의 산소분압(P O2)을 알면 기전력(E) 측정에 의해 감지전극(214) 측의 수소분압(P H2)을 결정할 수 있다.
기준전극(213) 측의 산소분압(P O2)은 기준전극(214)을 대기에 노출시킴으로써 고정시킬 수 있다. 즉, 도 1과 도 4를 함께 참조하면, 센서부(20A)에 고정된 프레임(22)을 실링 물질(21)을 이용하여 하우징(10)에 가스 밀봉되도록 결합시키고 기준전극(213)은 대기에 노출되도록 가스 감지 장치(1A)를 구성함으로써, 기준전극(213) 측의 산소분압(P O2)은 공기 중의 산소분압인 0.21기압으로 고정시킬 수 있다. 따라서, 기준전극(213)과 감지전극(214) 사이의 기전력(E)을 측정함으로써 식(1)에 의해 감지전극(213) 측의 수소분압(P H2)을 산출할 수 있다.
도 5의 센서부(20B)는 기준전극(213)을 대기에 노출하여 산소분압(P O2)을 고정시키는 대신, 기준전극(213)을 산소분압 고정용 기준물질(215)로 덮어 산소분압(P O2)을 열역학적으로 고정시킨 구조라는 점에서 도 4의 센서부(20A)와 차이가 있다.
산소분압 고정용 기준물질(215)로는 Cu/CuO, Ni/NiO, Ti/TiO 2, Fe/FeO, Cr/Cr 2O 3, Mo/MoO 등 금속과 금속산화물의 혼합체, 또는 Cu 2O/CuO, FeO/Fe 2O 3 등 산화 정도가 다른 금속 산화물의 혼합체를 사용할 수 있으며, 이러한 산소분압 고정용 기준물질(215)로 기준전극(213)을 덮어주게 되면 기준전극(213) 측의 산소 분압을 열역학적으로 고정시켜 줄 수 있다. 즉, 기준전극(213) 측의 산소 분압이 외부 공기에 의해 결정되는 대신 산소분압 고정용 기준물질(215)에 의해 결정되게 되며, 도 4를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로 기준전극(213)과 감지전극(214) 사이의 기전력을 측정하여 식 (1)에 의해 감지전극(214) 측의 수소분압을 산출할 수 있다.
도 5의 센서부(20B)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A)와 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B) 중 어느 것에도 적합할 수 있다. 산소분압 고정용 기준물질(215)이 외기 또는 내부 공간(30) 내의 가스 분위기에 영향 받는 것을 방지하기 위해, 산소분압 고정용 기준물질(215)을 외기와 차단하기 위한 밀봉 덮개(218)를 추가로 구비할 수도 있다. 밀봉 덮개(218)는 외기의 침투를 방지할 수 있는 치밀한 세라믹 물질 등으로 형성할 수 있으며, 외기의 영향이 미미한 경우 생략할 수 있다.
도 6의 센서부(20C)는 수소이온전도체(212), 수소이온전도체(212)의 양면에 각각 형성되어 있는 기준전극(213) 및 감지전극(214), 기준전극(213)을 덮는 수소분압 고정용 기준물질(216)을 포함하여 형성된다. 즉, 도 5의 센서부(20B)와 비교하면, 산소이온전도체가 없고, 기준전극(213)를 산소분압 고정용 기준물질 대신 수소분압 고정용 기준물질(216)로 덮는다는 차이가 있다.
수소분압 고정용 기준물질(216)로는 Ti/TiH 2, Zr/ZrH 2, Ca/CaH 2, Nd/NdH 2 등 금속과 금속수화물의 혼합상을 사용할 수 있으며, 이에 의해 기준전극(213) 측 수소분압(P 2, H2)을 열역학적으로 고정시킬 수 있다.
도 6의 센서부(20C)도 기준전극(213)과 감지전극(214) 사이의 기전력(E)을 측정하여 다음의 네른스트(Nernst) 식에 의해 감지전극(214) 측의 수소분압(P 1, H2)을 결정할 수 있다.
E = -(RT/2F)ln(P 2, H2/P 1, H2) ---------- (2)
위 식 (2)에서 R은 기체상수, F는 페러데이 상수, T는 센싱 온도로서 모두 상수이며, 기준전극(213)의 수소분압(P 2, H2)도 수소분압 고정용 기준물질(216)에 의해 결정되는 값이므로, 측정되는 기전력(E) 값으로부터 감지전극(214) 측의 수소분압(P 1, H2)이 산출된다.
도 6의 센서부(20C)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A)와 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B) 중 어느 것에도 적합할 수 있다. 수소분압 고정용 기준물질(216)이 외기 또는 내부 공간(30) 내의 가스 분위기에 영향 받는 것을 방지하기 위해, 수소분압 고정용 기준물질(216)을 외기와 차단하기 위한 밀봉 덮개(218)를 추가로 구비할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 가스 감지 장치는 액체 내의 용존 가스 농도 측정을 위해 사용될 수 있다.
도 7은 액체 저장 용기(100)에 수용된 액체 내의 용존 가스 농도 측정을 위해 본 발명의 가스 감지 장치를 사용하는 사용예이다. 도 7에는 가스 감지 장치(1)의 구조를 주요부 위주로 간략하게만 도시하나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A) 또는 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B)가 모두 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 가스 감지 장치(1)는 접속구(110)를 통해 액체 저장 용기(100)에 결합될 수 있다. 접속구(110)는 도시된 것처럼 액체 저장 용기(100)의 측면에 형성될 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 액체 저장 용기(100)의 상면이나 하면 등 다양한 위치에 형성될 수 있다. 가스 감지 장치(1)를 접속구(110)를 통해 액체 저장 용기(100)에 결합하면 액체 저장 용기(100) 내부와 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30)은 서로 연통되며, 액체 저장 용기(100)에 수용된 액체 내의 용존 가스가 증발하여 내부 공간(30)으로 이동될 수 있다.
일반적으로 액체에 대한 기체의 용해도는 식 (3)의 시버트(Siebert)의 법칙에 따른다.
C = k·P gas ---- (3)
C는 액체 내에 용해되는 용존 가스의 농도, k는 가스 종류, 온도 등에 의존하는 상수, P gas는 액체와 접해 있는 공간 내에서의 가스 분압이다. 즉, 용존 가스 농도(C)와 액체와 접해 있는 공간 내에서의 가스 분압(P gas)은 비례하며, 액체로부터 공간 내로 증발하는 가스의 증발 속도와 공간 내부의 가스가 액체에 용해되는 속도가 같을 때 평형 상태에 도달하게 된다.
이러한 원리에 따르면, 도 7과 같이 본 발명의 가스 감지 장치(1)를 액체 저장 용기(100)와 연결하면, 액체 저장 용기(100)에 수용된 액체 내의 용존 가스가 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30) 내로 증발하여 평형을 이루게 된다. 따라서, 센서부(20)를 이용하여 내부 공간(30) 내의 가스 농도(가스 분압)를 측정하는 것에 의해 액체 내의 용존 가스 농도를 알 수 있다.
한편, 액체 저장 용기(100) 내의 액체의 압력에 따라 액체 저장 용기(100)에 연결된 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30) 내부 압력이 증가할 수 있다. 즉, 액체 저장 용기(100)에 수용된 액체가 접속구(110)를 통해 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30)으로 이동하여 액면(120)이 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30) 내에 형성될 수 있다. 이로 인해, 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30) 내의 가스 부피는 내부 공간(30) 내부 압력이 액체의 압력과 동일해질 때까지 수축할 수 있다.
이러한 내부 공간(30)의 내부 압력 증가는 액체로부터 증발된 가스가 센서부(20)의 감지전극(214)까지 이동하는 것을 어렵게 할 수 있다. 특히 히터부(50)를 이용하여 센서부(20)를 센싱 온도까지 가열하는 것에 의해 내부 공간(30)의 내부 압력은 더욱 증가하고, 그로 인해 용존 가스가 감지전극(214)까지 이동하는 것은 더욱 어려워 질 수 있다. 이는 용존 가스의 농도를 신속하고 정확하게 측정하는데 장애 요소가 될 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 가스 감지 장치(1)는 제1 내부 공간(31) 및 제2 내부 공간(32)을 향해 각각 개방된 제1 개구(61)와 제2 개구(62)를 연결하는 연결 통로(60)를 따라 내부 공간(30) 내의 가스가 순환할 수 있으므로, 내부 공간(30)이 고압 상태가 되는 경우에도 개방부(70)를 통해 인입되는 가스가 감지전극(214)까지 원활하게 이동할 수 있다. 이로 인해 용존 가스 농도를 신속하고 정확히 측정하는 것이 가능해진다.
도 7에서 액면(120)은 제1 개구(61)보다 아래에 형성되는 것이 바람직하나, 제1 개구(61)보다 상부에 형성되어도 무방하다. 즉, 제1 개구(61)가 액체 내에 잠기더라도, 액체로부터 증발되는 용존 가스는 연결 통로(60)를 통해 제2 개구(62) 쪽으로 이동될 수 있다. 다만, 액면(120)이 센서부(20)보다는 아래에 형성되어야 하므로, 액체 압력 등 사용 환경을 고려하여 하우징(10)의 길이 및/또는 접속구(110)의 높이를 설계하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 액체에 의해 센서부(20)가 오염되는 것을 방지하기 위해 접속구(110) 또는 제1 내부 공간(31)에 가스 투과 필터를 배치할 수 있다. 가스 투과 필터는 액체는 투과하지 못하고 가스만 투과할 수 있는 구성이면 그 재질이나 형태를 한정하지 않으며, 예를 들어 흑연, 세라믹 파우더, PTFE막 등을 포함하여 제조된 가스 투과막일 수 있다.
도 8은 액체 저장 용기(300)에 수용된 액체 내의 용존 가스 농도 측정을 위해 본 발명의 가스 감지 장치를 사용하는 다른 사용예이다. 액체 저장 용기(300)는 변압기일 수 있고, 액체 저장 용기(300)에 수용된 액체는 변압기의 절연유일 수 있다.
도 8을 참조하여 설명하면, 액체 저장 용기(300)에는 액체 순환을 위한 순환 배관(310)이 연결된다. 순환 배관(310)에는 밸브(313, 314) 및 순환 모터(320)가 구비되고, 밸브(313, 314)를 개방한 상태에서 순환 모터(320)를 구동시킴으로써 도면에 화살표로 표시된 방향으로 액체가 순환하는 순환 경로가 형성된다.
순환 경로 상에는 측정 탱크(330)가 구비되어, 순환 배관(310)을 따라 순환되는 액체가 측정 탱크(330)를 거치도록 구성된다. 즉, 순환 탱크(330) 내에는 순환되는 액체가 임시적으로 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 가스 감지 장치(1)는 순환 탱크(330)에 접속구(340)를 통해 결합될 수 있다. 이로 인해 측정 탱크(330) 내의 액체에서 증발된 용존 가스가 가스 감지 장치(1)의 내부 공간(30)으로 이동될 수 있다. 액체가 가스 감지 장치(1)로 이동되는 것을 방지하기 위하여 접속구(340)에 가스 투과 필터(341)를 구비할 수 있다. 가스 감지 장치(1)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 감지 장치(1A) 및 제2 실시예에 따른 가스 감지 장치(1B)가 모두 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 다른 가스 감지 장치(1A)를 수소 농도가 4%로 일정하게 유지되는 측정 환경에 연결한 후 센서부(20)의 기전력(E)을 측정한 결과이다. 이때 센서부(20)로는 도 4의 수소 센서 소자를 사용하였다. 즉, 센서부(20)는 산소이온전도체(211)와 수소이온전도체(212)가 접합되고, 산소이온전도체(211)에 기준전극(213)을, 수소이온전도체(214)에 감지전극(214)을 형성한 전기화학식 수소 센서를 사용하였다. 산소이온전도체(211) 및 수소이온전도체(212)로는 각각 YSZ(Yttria stabilized zirconia)와 CaZr 0.9In 0.1O 3-x를 사용하였으며, 기준전극(213) 및 감지전극(214)은 백금(Pt)으로 형성하였다.
센서부(20)에 열전대(Thermocouple)를 연결하여 온도를 측정하면서 히터부(50)를 이용하여 센서부(20)를 가열하였으며, 시간에 따라 온도 및 기전력의 변화를 측정하였다. 도 9에서 확인되는 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 기전력이 지속적으로 상승하며, 약 300℃ 이상의 온도에서 약 1.1V의 안정적인 기전력이 측정되었다.
도 10은 비교를 위해 연결 통로(60)를 형성하지 않은 가스 감지 장치를 이용하여 동일한 조건에서 측정한 결과이다. 도 10에서 사용한 가스 감지 장치는 연결 통로(60) 및 제1, 2 개구(61, 62)가 없다는 점을 제외하면 도 9에서 사용한 가스 감지 장치와 동일하였다. 도 10을 참조하면, 온도가 상승함에 따라 기전력이 증가하는 경향이 나타나기는 하지만, 도 9의 결과와 비교하여 기전력 값이 매우 낮고 불안정하게 측정됨을 확인할 수 있다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 가스 감지 장치를 사용할 경우 신속하고 정확한 가스 농도 측정이 가능함을 알 수 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 가스 감지 장치에 포함되는 연결 통로는 복수 개가 구비될 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 감지 대상 가스가 내부 공간으로 인입되는 개방부를 포함하는 하우징;
    상기 하우징의 내부 공간에 배치되는 센서부; 및
    상기 하우징의 내부 공간을 향하여 개방되도록 하우징에 형성된 제1 개구 및 제2 개구를 연결하는 연결 통로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부를 센싱 온도로 가열하기 위한 히터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 내부 공간은, 상기 개방부를 통해서만 외기와 연통되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 내부 공간은,
    상기 센서부와 상기 개방부 사이의 제1 내부 공간과, 상기 제1 내부 공간을 제외한 내부 공간인 제2 내부 공간을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 개구는 제1 내부 공간을 향해 개방되고, 상기 제2 개구는 제2 내부 공간을 향해 개방된 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징은 길이 방향 일단부에 상기 개방부가 형성된 중공의 튜브 형상이고,
    상기 센서부는 상기 하우징의 내경보다 작은 외경을 갖는 프레임의 길이 방향 일단부에 고정된 상태로 상기 하우징의 내부 공간에 배치되고,
    상기 프레임의 길이 방향 타단부는 상기 하우징에 가스 밀봉되도록 고정되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징의 내벽과 상기 프레임 사이의 공간이 상기 제2 내부 공간을 형성하고,
    상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간을 순환하는 순환 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 하우징은 길이 방향 일단부에 상기 개방부가 형성된 중공의 튜브 형상이고,
    상기 하우징의 길이 방향 타단부는 커버부에 의해 막혀 있고,
    상기 센서부는 상기 하우징의 내벽에 결합된 상태로 상기 하우징의 내부 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하우징의 내벽과 상기 센서부 사이에는 갭이 존재하고,
    상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간을 순환하는 순환 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 수소 센서 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수소 센서 소자는,
    고체전해질;
    상기 고체전해질의 상기 개방부 방향의 일면에 형성된 감지전극; 및
    상기 고체전해질의 타면에 형성되는 기준전극;
    을 포함하고,
    상기 제1 개구는 상기 감지전극과 상기 개방부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  11. 내부 공간을 포함하는 중공의 튜브 형상의 하우징으로서, 길이 방향 하단부에 상기 내부 공간을 향해 개방되어 감지 대상 가스가 인입되도록 개방부가 형성된 하우징;
    상기 하우징의 길이 방향 상단부 및 하단부로부터 모두 소정 거리 이격된 위치의 내부 공간에 배치되며, 상기 개방부에 대향하도록 형성된 감지전극을 포함하는 센서부;
    상기 센서부를 센싱 온도로 가열하도록 구비되는 히터부;
    를 포함하고,
    상기 하우징의 내부 공간은 상기 센서부의 감지전극을 기준으로 하방의 제1 내부 공간과 상방의 제2 내부 공간을 포함하여 구성되고,
    상기 하우징에는 상기 제1 내부 공간을 향해 개방되도록 형성된 제1 개구와, 상기 제2 내부 공간을 향해 개방되도록 형성된 제2 개구가 형성되고,
    상기 제1 개구와 제2 개구를 연결하는 연결 통로가 구비되어, 상기 개방부를 통해 인입된 감지 대상 가스가 상기 제1 내부 공간, 제1 개구, 연결 통로, 제2 개구, 제2 내부 공간으로 순환하는 순환 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 하우징의 내경보다 작은 직경의 중공의 튜브 형상의 프레임의 하단부에 고정된 상태로 상기 내부 공간에 배치되고,
    상기 프레임의 내부는 상기 하우징의 내부 공간과 격리된 상태로 외기에 노출되고,
    상기 센서부는 상기 프레임의 내부를 통하여 외기에 노출되는 기준전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 테두리 일부 면적이 소정의 결합부를 통해 상기 하우징의 내벽에 결합되는 방식으로 상기 내부 공간에 배치되고,
    상기 결합부가 형성되지 않은 부분에서는 상기 센서부와 상기 하우징 내벽 사이에 갭이 형성되어, 상기 갭을 통해 제1 내부 공간과 제2 내부 공간이 연통되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.
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