KR101849635B1 - Measuring High Concentration F2 Gas Using Different Cross Sensitivity Cl2 EC Sensors - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 Electro Chemical 센서를 이용한 가스의 측정에 관한 것으로 FTIR 장비와 함께 측정에 사용되는 기술이다.The present invention relates to the measurement of gas using an Electro Chemical sensor and is a technique used for measurement together with an FTIR instrument.
반도체식 가스센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것으로 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물(세라믹스)이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 이중 금속원자가 과잉(산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다. 이러한 세라믹반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 센서에 이용되고 있다. 반도체 가스센서는 1) 대부분 유독가스, 가연성가스에 어떤 응답을 나타내어 감지할 수 있는 가스의 종류가 많고, 2) 센서제작이 용이하고 검출회로의 구성이 간단하다는 특징이 있다. 그러나 감지하려는 가스만을 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스센서는 적고 아직도 연구개발 중에 있다. 반도체가스센서의 모재료와 촉매를 여러가지로 바꾸거나 조합하고 센서동작온도를 변경함으로써 선택성을 부여 하기도 한다. 많은 금속산화물(세라믹스)이 가스센서의 연구 대상이 되고 있는데 가장 많이 연구되어 사용중인 것으로는SnO2 , ZnO, Fe2O3 등이 있다. The semiconductor type gas sensor utilizes a change in electrical conductivity which occurs when a gas is brought into contact with the surface of a ceramic semiconductor, and is often used by heating in the air, so that a metal oxide (ceramics) stable at a high temperature is mainly used. Metal oxides often exhibit the properties of semiconductors. When metal atoms are excessive (oxygen deficiency), they are n-type semiconductors, and when metal atoms are deficient, they are p-type semiconductors. Semiconductors having high electrical conductivity and high melting point among these ceramic semiconductors and being thermally stable in the temperature range of use are being used in sensors. Semiconductor gas sensors are characterized by 1) a large number of gases that can be detected due to the response of most toxic gas and combustible gas, 2) the sensor is easy to fabricate, and the detection circuit is simple in configuration. However, there are few gas sensors with excellent selectivity that can detect only the gas to be detected, and they are still in research and development. Selectivity may be imparted by changing or combining the parent material of the semiconductor gas sensor and the catalyst, and changing the sensor operating temperature. Many metal oxides (ceramics) have been studied for gas sensors. SnO 2 , ZnO and Fe 2 O 3 are the most studied and used.
선행문헌으로는 가연성가스(combustible gas) 센서와 일산화탄소(CO) 센서에 관한 발명에 센서의 구동회로와, 마이크로프로세서를 사용하여 가연성가스 센서와 CO 센서를 통합적으로 구동할 수 있는 회로에 관한 것이다. 이 발명의 목적은 가연성가스 센서와 CO 센서를 마이크로프로세서로써 통합적으로 구동하여 감지된 가스에 따라 적절한 출력신호를 출력할 수 있는 센서구동회로를 제공하는 것이다. 본 발명은 가연성가스를 감지하여 측정값을 전기신호로서 출력하는 가연성가스 센서 구동부, 일산화탄소(CO)를 감지하여 측정값을 전기신호로서 출력하는 CO 센서 구동부, 상기 가연성가스 센서 구동부의 출력신호와 CO 센서 구동부의 출력신호를 미리 설정한 기준 값과 비교하여, 가연성가스 또는 CO가 검출되었다고 판단될 때에는 그에 대한 출력신호를 내보내는 마이크로프로세서, 마이크로프로세서의 출력신호에 따라 경보를 하는 경보수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발명이다. BACKGROUND ART [0002] The prior art relates to a combustible gas sensor and a carbon monoxide (CO) sensor, a sensor driving circuit, and a circuit capable of integrally driving a combustible gas sensor and a CO sensor using a microprocessor. An object of the present invention is to provide a sensor driving circuit capable of integrally driving a combustible gas sensor and a CO sensor with a microprocessor and outputting an appropriate output signal according to the sensed gas. The present invention relates to a combustible gas sensor driving unit for sensing a combustible gas and outputting a measured value as an electric signal, a CO sensor driving unit for sensing carbon monoxide (CO) and outputting a measured value as an electric signal, A microprocessor for comparing an output signal of the sensor driving unit with a predetermined reference value and outputting an output signal when it is determined that a combustible gas or CO is detected; and an alarm means for alarming in accordance with an output signal of the microprocessor Which is a feature of the invention.
또, 다른 선행기술로는 퍼지 조작을 하는 일 없이 양호한 수소 가스 선택성을 구비하면서도 비교적 저렴하게 구성할 수 있는 수소 가스 센서(1)를 제공한다. 고체 고분자 전해질, 또는 고체 고분자 전해질에 카본 소재를 분산시킨 카본 함유 고분자 전해질로 이루어지는 기재(2)의 1측면에 수소 가스와 접촉함으로써 촉매 기능을 갖는 촉매층(3)을 형성함으로써 검출부가 구성된 수소 가스 센서이다. Another prior art provides a
본 발명은 환경계측에 있어서, 미량의 가스도 허용되지 않는 가스의 경우 미량을 측정하는 센서만이 상용화되어 있어, 측정범위가 극히 한정되는 것을 해결하고자 하는 것이다. 특히, F2 센서의 경우 대기 중에 극미량만이 존재하기 때문에 1ppm 이상의 농도를 측정하는 상용센서를 찾는 것이 불가능하다. 그 이상의 농도에서 사용하는 것은 센서 수명이나 정확도를 담보할 수 없는 것이어서 지속적인 사용이 불가능 하다.The present invention aims at solving the problem that only a sensor for measuring a minute amount of gas which is not allowed to trace a gas is commercialized in environmental measurement, and the measurement range is extremely limited. Particularly, in the case of the F 2 sensor, since only a very small amount exists in the atmosphere, it is impossible to find a commercial sensor that measures a concentration of 1 ppm or more. Use at higher concentrations can not guarantee the sensor life or accuracy and is therefore unavailable for continuous use.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 서로 다른 가스에 대하여 서로 다른 크로스 센시티비티를 가지는 복수개의 센서를 이용하여 복수개의 혼합가스로부터 복수개의 가스의 농도를 각각 측정하는 장치와 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention provides an apparatus and method for measuring the concentration of a plurality of gases from a plurality of gas mixtures using a plurality of sensors having different cross sensitivity for different gases in order to solve the above problems For that purpose.
상기 복수개의 가스센서는 Cl₂센서인 것을 특징으로 한다. And the plurality of gas sensors are Cl2 sensors.
상기 복수개의 Cl₂센서는 Cl₂이외의 가스에 대하여 특정 비율로 가스를 검출하는 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다. And the plurality of Cl2 sensors generate a signal for detecting gases at a specific ratio with respect to gases other than Cl2.
상기 Cl₂이외의 가스는 F2 가스인 것을 특징으로 한다.And the gas other than Cl2 is an F 2 gas.
상기 Cl₂이외의 가스는 NO2 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Gas other than the Cl₂ is characterized in that it further comprises an NO 2 gas.
상기 장치는 크로스 센시티비티가 없는 하나 이상의 가스센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus is characterized in that it further comprises at least one gas sensor without cross-sensitivity.
또한, 좀더 자세하게는 Cl₂ 및 F2 가스에 대하여 1:1의 크로스 센시티비티를 가지는 Cl₂센서와More specifically, a Cl 2 sensor having a 1: 1 cross sensitivity to Cl 2 and F 2 gases,
Cl₂ 및 F2 가스에 대하여 1:0.4의 크로스 센시티비티를 가지는 Cl₂센서를 이용하여, 혼합가스 중의 Cl₂ 및 F2 가스의 농도를 측정하는 방법에 있어서,1 for Cl₂ and F 2 gas: Cl₂ using a sensor having a cross sensitivity of 0.4, a method for measuring the concentrations of Cl₂, and F 2 gas in the mixed gas,
하기 식을 사용하여 Cl₂ 및 F2 가스의 농도를 측정하는 방법을 제공한다.A method for measuring the concentration of Cl 2 and F 2 gases using the following equation is provided.
Euro-Gas Cl2 센서 1:1(F2 : Cl2)의 크로스 센시티비티를 가지며,The Euro-Gas Cl 2 sensor has a cross-sensitivity of 1: 1 (F 2 : Cl 2 )
Sensoric Cl2 센서 0.4:1(F2 : Cl2)의 크로스 센시티비티를 가진다.Sensoric Cl 2 sensor has a cross sensitivity of 0.4: 1 (F 2 : Cl 2 ).
또한, 크로스센시티비티가 없는 가스센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. It is further characterized by further comprising a gas sensor without cross sensitivity.
상기 크로스 센시티비티가 없는 가스센서는 Cl2 , F2 ,NO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The gas sensor without cross-sensitivity may be a Cl 2 , F 2 , and NO 2 .
특별히 상기 크로스 센시티비티가 없는 가스센서는 Cl2 인 것을 특징으로 한다.Particularly, the gas sensor having no cross-sensitivity is characterized by Cl 2 .
또한, 본 발명은 Sensoric Cl2 센서와 SGX Cl2 센서를 이용하여 NO2를 측정할 수 있다. 이를 이용하여In addition, the present invention can measure NO 2 using a sensoric Cl 2 sensor and a SGX Cl 2 sensor. Using this
하기식은 3개의 서로 다른 크로스 센시티비티를 가지는 Cl2 를 이용하여 F2 와 Cl2 및 NO2를 측정 하는 식이다.The following formula is used to measure F 2 , Cl 2, and NO 2 using Cl 2 having three different cross-sensitivity.
Euro-Gas Cl2 센서 1:1:0 (F2 : Cl2 : NO2)의 크로스 센시티비티를 가지며,The Euro-Gas Cl 2 sensor has a cross-sensitivity of 1: 1: 0 (F 2 : Cl 2: NO 2 )
Sensoric Cl2 센서 0.4:1:0.2 (F2 : Cl2: NO2)의 크로스 센시티비티를 가지고,Sensoric Cl 2 sensor With a cross-sensitivity of 0.4: 1: 0.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 )
SGX Cl2 센서 0:1:1.2 (F2 : Cl2: NO2)의 크로스 센시티비티를 가진다.SGX Cl 2 sensor has a cross-sensitivity ratio of 0: 1: 1.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 ).
또한, 본 발명은 상기 측정장치를 이용한 가스의 측정방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of measuring gas using the measuring apparatus.
크로스 센시티비티가 없는 센서를 사용하는 경우, 상기 크로스 센시티비티가 없는 센서의 측정 값을 우선하여 미지의 혼합가스 속의 가스 농도를 결정하고, 나머지 가스의 농도를 상기 식을 이용하여 결정하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 크로스센시티비티를 가지는 가스센서를 이용한 혼합가스의 농도측정방법을 제공한다.When a sensor having no cross sensitivity is used, the gas concentration in the unknown mixed gas is determined in preference to the measurement value of the sensor having no cross sensitivity, and the concentration of the remaining gas is determined using the above formula And a gas sensor having a cross sensitivity is used for measuring the concentration of the mixed gas.
또 다른 방법으로는, 크로스센시티비티를 가지는 센서들을 사용하여 혼합가스의 농도를 결정하고, 크로스센시티비티가 없는 센서의 값을 이용하여 계산된 혼합가스 중 크로스센시티비티가 없는 가스센서와 동일한 가스의 농도를 비교하여, 농도에 차이가 있는 경우 크로스센시티비티가 없는 가스의 농도를 참값으로하여 두 센서의 농도비율을 계산하고, 그 비율에 따라 동시에 측정된 다른 가스들의 농도를 보정하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 크로스센시티비티를 가지는 가스센서를 이용한 혼합가스의 농도측정방법을 제공한다. As another method, the concentration of the mixed gas is determined using sensors having cross sensitivity, and a gas sensor having no cross sensitivity among the mixed gas calculated using the value of the sensor having no cross sensitivity When the concentration of the same gas is compared, the concentration ratio of the two sensors is calculated based on the concentration of the gas having no cross-sensitivity when the concentration is different from the true value, and the concentration of other gases simultaneously measured is corrected And a method of measuring the concentration of a mixed gas using a gas sensor having a cross sensitivity.
상기 보정 방법은 크로스센시티비티를 이용하여 측정한 센서의 농도와 크로스센시티비티가 없는 센서의 동일한 가스의 농도의 비율만큼 혼합가스 속의 다른 가스의 농도도 변화가 있는 것으로 예측하여 센서의 농도값을 보정하는 것을 특징으로 하는 크로스센시티비티를 가지는 가스센서를 이용한 혼합가스의 농도측정방법을 제공한다. The correction method predicts that the concentration of the other gas in the mixed gas is also changed by the ratio of the concentration of the sensor measured using the cross sensitivity and the concentration of the same gas in the sensor having no cross sensitivity, And a gas sensor having a cross sensitivity is used to measure the concentration of the mixed gas.
상기 보정은 크로스센시티비티가 없는 센서의 가스농도의 측정값과 크로스센시티비티가 있는 센서로 측정된 동일한 가스의 농도의 비율을, 다른 측정 가스의 농도에도 반영하여 측정값을 보정한다. The correction is made by reflecting the ratio of the measured value of the gas concentration of the sensor having no cross sensitivity to the concentration of the same gas measured with the sensor having the cross sensitivity to the concentration of the other measured gas.
상기에 사용한 모든 가스의 측정에있어서, 측정값들은 노이즈제거와 오차보정을 위하여 측정을 시작한 후 센서 측정값의 변화가 1% 이하일 때까지 측정값 저장을 기다리며, 측정값 저장이 시작되면 측정값의 변화에 따라 측정하여 저장한 후 평균하는 데이터의 수를 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 데이터의 수는 측정값의 변화가 0.5% ~ 1% 사이인 경우 측정하여 평균하는 데이터의 수를 50개로, 상기 측정값의 변화가 0.3% ~ 0.5% 사이인 경우 측정하여 평균하는 데이터의 수를 30개로, 상기 측정값의 변화가 0.0% ~ 0.3% 사이인 경우 측정하여 평균하는 데이터의 수를 10개로 설정하는 것을 특징으로 한다. In the measurement of all the gases used above, the measured values are measured for noise reduction and error correction, and then the measurement value is stored until the change of the measured value of the sensor is less than 1%. When the measured value is stored, And the number of data to be averaged after the measurement is stored and changed. The number of the data is the number of data which is measured and averaged when the change of the measured value is between 0.5% and 1% is 50, and when the change of the measured value is between 0.3% and 0.5% Is set to 30, and when the change in the measured value is between 0.0% and 0.3%, the number of data to be measured and averaged is set to ten.
본 발명은 F2센서와 같이 고농도의 상용화된 센서가 없는 경우, F2가스에 대한 고농도 측정수단을 센서의 개발 없이 제공함으로써 신뢰성 있는 측정수단을 제공한다.The present invention provides reliable measurement means by providing high concentration measurement means for F 2 gas without the development of sensors when there is no commercially available sensor of high concentration such as F 2 sensor.
도 1 EC F2 센서모듈의 구동회로
도 2 EC F2 센서모듈이 장착되는 메인 CPU 보드
도 3 EC F2 센서모듈의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시켜주는 A/D 변환 회로
도 4 센서 출력전압의 부호를 변환하거나 센서 신호의 크기를 증폭하는데 사용되는 OP amp 회로도
도 5 EC F2 센서모듈과 EC Cl₂ 센서모듈이 조립된 사진
도 6 제작된 센서모듈의 실측 사진
도 7 EC F₂ 센서와 센서 소켓의 치수
도 8 EC F2 센서모듈의 센싱특성을 측정하기 위한 실험장치도
도 9 EC F2 센서모듈을 측정하기 위한 F2 유량조절기와 가스챔버 사진
도 10 F2 표준가스 농도변화에 따른 센서모듈의 출력전압 변화 그래프
도 11 Cl2 표준가스 농도가 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100 ppm일 때 측정된 센싱 결과
도 12 Cl2 표준가스 농도변화에 따른 센서모듈의 출력전압 변화 그래프1 the drive circuit of the sensor module 2 EC F
2 shows a main CPU board on which the EC F 2 sensor module is mounted
Fig. 3 A / D conversion circuit for converting the analog signal of the EC F 2 sensor module into a digital signal
Fig. 4 is an OP amp circuit diagram used for converting the sign of the sensor output voltage or amplifying the size of the sensor signal
Figure 5 Photograph of EC F 2 sensor module and EC Cl₂ sensor module assembled
Fig. 6 Actual photograph of the manufactured sensor module
Figure 7 Dimensions of EC F₂ sensor and sensor socket
8 is an experimental apparatus for measuring the sensing characteristic of the EC F 2 sensor module
FIG. 9 F 2 flow regulator and gas chamber photograph for measuring the EC F 2 sensor module
10 F 2 Graph of output voltage change of sensor module according to standard gas concentration change
11 Sensing results measured when the Cl 2 standard gas concentration is 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100 ppm
12 Graph of output voltage change of sensor module according to Cl 2 standard gas concentration change
(1) 회로의 구성(1) Configuration of circuit
F2 센서모듈은 도 1과 같이 설계되었다. F2 전기화학 센서의 출력전류는 전류-전압 변환 증폭기에서 전류가 전압신호로 전환된다. 이 때 출력전압은 음의 부호를 갖게 되므로 ADC의 입력단에 바로 연결되지 못한다. 따라서 음의 전압을 양의 전압으로 전환하는 신호처리 단계가 한 번 더 포함되어야 한다. Sensing electrode(SE)에서 측정된 전류는 오피앰프(OP amp)에서 센싱신호가 전압으로 변환되고 다시 증폭과정을 거친 후, 센서모듈의 커넥터(J11) 1번 핀을 거쳐 main board의 컨넥터(J210) 10번 핀으로 전달된다. Main board의 컨넥터(J210) 10번 핀으로 전달된 센서신호는 main board에 새로 추가된 전자부품을 통과함으로서 전압신호의 부호가 음에서 양으로 전환된다. 그 후 main board의 컨넥터(J2 2) 2번 핀으로 전달됨으로서 ADC에 0 ~ 5V의 양의 전압이 입력된다. Counter electrode(CE)는 센싱 전극과 상반되는 화학반응이 일어나는 전극이다. 즉 센싱 전극에서 산화 반응이 일어나면 상대전극(CE)에서는 환원반응이 일어난다. Reference electrode(RE)는 일정한 전위를 유지하는 전극으로 2번째 오피앰프에 입력되고 오피앰프의 출력이 상대전극에 연결된다. 센서의 성능을 보정(캘리브레이션)하기 위해서 농도변화에 따른 전압값과 센서의 기본정보들이 EEPROM에 저장된다. F2 센서모듈을 구동하기 위한 +5V와 5V는 main board에서 생성되어 센서모듈의 컨넥터(12) 핀을 통해 공급된다. 센서모듈로부터 출력된 센서 신호를 디지털 신호로 변환하고 전송하는 기능을 포함하는 메인 CPU 보드의 설계도면은 도2에 제시하였다. 도 3은 EC F2 센서모듈의 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환 시켜주는 A/D 변환기의 회로도이다. The F 2 sensor module is designed as shown in FIG. The output current of the F 2 electrochemical sensor is converted into a voltage signal by a current-to-voltage conversion amplifier. At this time, the output voltage has a negative sign and can not be directly connected to the input terminal of the ADC. Thus, a signal processing step of converting the negative voltage to a positive voltage must be included once more. The current measured in the sensing electrode (SE) is converted into a voltage in the OP amp, amplified again, and then connected to the connector (J210) on the main board through
도 4는 전기화학 센서의 출력전류를 전압으로 변환한 후 부호를 바꾸거나 또는 센서의 출력신호가 낮은 경우 출력신호를 증폭시키기 위한 전자회로이다. 증폭이 필요하지 않은 경우 증폭율이 1이 되도록 회로를 보정하여 사용하면 된다. 4 is an electronic circuit for converting the output current of the electrochemical sensor into a voltage and changing the sign or amplifying the output signal when the output signal of the sensor is low. If the amplification is not required, the circuit can be used so that the amplification factor becomes 1.
측정된 Cl2, F2 농도의 값을 전송 받아서 디스플레이에 농도를 표시할 수 있는 기능을 갖추고 있다. EC Cl2와 F2 센서모듈이 조립되어 완성된 다중센서플랫폼의 사진이 도 5에 제시되었다. 다중센서플랫폼의 전원 DC 12V는 SMAW200-10C 컨넥터를 통해서 FT-IR 본체로부터 공급되며, main board에서 +5V와 -5V의 전원전압이 생성되어 센서모듈에 공급된다. It has a function to display the concentration on the display by receiving the measured Cl 2 and F 2 concentration values. A photograph of the completed multi-sensor platform with EC Cl 2 and F 2 sensor modules assembled is shown in FIG. The power supply of the multi-sensor platform DC 12V is supplied from the FT-IR main body through the SMAW200-10C connector and the supply voltage of + 5V and -5V is generated on the main board and supplied to the sensor module.
(2) F2 센서모듈 성능 평가(2) Performance evaluation of F 2 sensor module
EC F2 센서모듈의 성능평가는 센서모듈의 크기, 센서모듈의 무게, 검출한계 농도, 검출시간 등이 측정되었다. The performance of EC F 2 sensor module was measured by sensor module size, sensor module weight, detection limit concentration, and detection time.
센서모듈 크기 : 35mm, Sensor module size: 35mm,
센서모듈 무게 : 50g 이하Sensor module weight: 50g or less
검출 농도 ≤ 1ppmDetection concentration ≤ 1 ppm
검출 시간 ≤ 2 min Detection time ≤ 2 min
(가) EC 센서모듈의 크기 : 35mm ×25 mm ×25 mm(A) Size of EC sensor module: 35 mm × 25 mm × 25 mm
EC 센서모듈의 크기는 아래와 같이 설계되고 제작되었다. 가로가 25 mm이고 세로가 33 mm이다. Sensoric EC F2 센서의 크기는 아래와 같다. 즉 직경이 최대 20.4 mm이고 핀을 포함한 높이가 최대 20.9 mm이다. 또한 EC 센서용 소켓의 길이가 5 mm이고 센서 전극핀의 길이가 4.3 mm이므로 센서가 소켓에 결합되었을 때 전체길이는 16.6 mm + 5mm = 21.6 mm이다.The dimensions of the EC sensor module are designed and manufactured as follows. The width is 25 mm and the length is 33 mm. The dimensions of the Sensoric EC F 2 sensor are as follows. The maximum diameter is 20.4 mm and the height including the pin is 20.9 mm. Also, since the length of the EC sensor socket is 5 mm and the length of the sensor electrode pin is 4.3 mm, the total length when the sensor is connected to the socket is 16.6 mm + 5 mm = 21.6 mm.
(다) 검출 농도 : 1 ppm 이하 (Sensoric F2 3E 1 기반의 F2 센서 모듈)(C) Detection concentration: 1 ppm or less (F 2 sensor module based on Sensoric F 2 3E 1)
Sensoric EC F2 센서모듈의 센싱 특성이 연구되었다. EC 센서모듈의 센싱 특성을 측정하기 위한 실험장치는 도 8에서 제시하였다.The sensing characteristics of the Sensoric EC F 2 sensor module have been studied. An experimental apparatus for measuring the sensing characteristics of the EC sensor module is shown in FIG.
20 ppm의 F2 표준가스는 N2 가스와 혼합됨으로써 0.05 ppm부터 5 ppm 까지 F2 농도가 조절될 수 있다. 두 종류의 가스 혼합비율을 조정하기 위해서 MFC와 MFC controller가 이용되었다.The F 2 standard gas at 20 ppm can be mixed with N 2 gas to adjust the F 2 concentration from 0.05 ppm to 5 ppm. MFC and MFC controllers were used to adjust the gas mixture ratios of the two types.
F2 표준가스와 N2 가스가 적절한 비율로 혼합된 5 ppm 이하의 F2 가스는 500 ml/min의 유속으로 F2 센서 모듈이 설치된 가스 챔버 속으로 유입된다.F 2 standard gas and N 2 F 2 gas is a gas of less than 5 ppm mixture in an appropriate ratio is introduced into the gas chamber, the F 2 sensor module is installed at a flow rate of 500 ml / min.
도 9는 F2 가스의 농도측정에 사용된, MFC, MFC controller, 가스챔버, 측정되는 가스센서 모듈을 각각 보여주고 있다. F2 표준가스 농도가 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 2, 3, 4, 5 ppm일 때 측정된 센서 출력전압의 결과는 그림 112에서 제시하였다. 먼저 F2 농도는 0.05 ppm부터 5 ppm까지 증가된 후 역으로 5 ppm 부터 0.05 ppm까지 다시 감소되면서 측정되었다.9 shows an MFC, an MFC controller, a gas chamber, and a gas sensor module to be measured, which are used for measuring the concentration of F 2 gas, respectively. The results of measured sensor output voltage when the F 2 standard gas concentration is 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 2, 3, 4, 5 ppm are shown in Fig. First, the F 2 concentration was increased from 0.05 ppm to 5 ppm and then decreased again from 5 ppm to 0.05 ppm.
F2 표준가스 농도변화(0.05 ~ 5 ppm)에 따른 F2 센서모듈의 출력신호 변화는 그림 113에서 제시하였다. F2 농도변화에 따라 F2 센서모듈에서 측정된 센싱 출력이 선형적으로 변하는 것을 확인할 수 있다.The output signal changes of the F 2 sensor module according to the F 2 standard gas concentration change (0.05 ~ 5 ppm) are shown in Fig. It can be confirmed that the sensing output measured by the F 2 sensor module varies linearly with the change of the F 2 concentration.
측정값을 linear fitting 한 식은 The equation for linear fitting of the measurements
Y = 19.067 X - 1.39Y = 19.067 X - 1.39
이고, R² = 0.977이므로 측정데이터와 fitting 값이 아주 잘 맞는다고 할 수 없다. 그 이유는 측정에서 사용된 F2 센서가 Sensoric F2 3E 1인데 측정 범위가 0~ 1 ppm이기 때문에다. 즉 도 10에서 알 수 있듯이 F2의 농도가 1 ppm 이상부터 5 ppm 까지 측정 데이터가 linear fitting line으로부터 모두 떨어져 있기 때문이다.And R² = 0.977. Therefore, it can not be said that the measurement data and the fitting value match very well. This is because the F 2 sensor used in the measurement is Sensoric F 2 3E 1 and the measurement range is 0-1 ppm. That is, as can be seen from FIG. 10, the F 2 concentration is from 1 ppm to 5 ppm because the measured data are all away from the linear fitting line.
(3) 고농도의 Cl2 센서모듈 성능 평가(3) Performance evaluation of high concentration Cl 2 sensor module
Cl2 표준가스 농도가 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100 ppm일 때 측정된 전압의 결과는 도 11에서 제시하였다. 먼저 Cl2 농도는 1부터 50 ppm까지 증가된 후 역으로 50 ppm 부터 1까지 감소되면서 측정되었다. 그 결과는 도 11에서 대칭적으로 보인다. 그리고 100 ppm의 Cl2 농도에서 2회 측정이 반복되었다.The results of the measured voltages when the Cl 2 standard gas concentrations are 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50 and 100 ppm are shown in FIG. First, the Cl 2 concentration was increased from 1 to 50 ppm and then decreased from 50 ppm to 1. The results are shown symmetrically in FIG. Two measurements were repeated at a Cl 2 concentration of 100 ppm.
Cl2 표준가스 농도변화(0 ~ 50 ppm)에 따른 센서모듈의 출력신호 변화는 도 12에서 보여준다. Cl2 농도변화에 따라 센서모듈에서 측정된 센싱 출력이 선형적으로 변하는 것을 확인할 수 있다.The change in the output signal of the sensor module according to the Cl 2 standard gas concentration change (0 to 50 ppm) is shown in FIG. It can be confirmed that the sensing output measured in the sensor module changes linearly with the change in Cl 2 concentration.
측정값을 linear fitting 한 식은 The equation for linear fitting of the measurements
Y = 48.66X + 10.34 [mV] Y = 48.66X + 10.34 [mV]
이고, R²= 0.9999으로 측정데이터와 fitting값이 잘 맞고 있다.And R² = 0.9999, the measured data and fitted values agree well.
결론적으로 본 연구 결과에 의하면 제작된 센서모듈은 0부터 50 ppm까지 선형특성 가지고 있으며, 동작범위 내에 Cl2 표준가스 농도변화(0 ~ 50 ppm)에 따라 정확한 측정이 가능하였다.In conclusion, according to the results of this study, the fabricated sensor module has linear characteristics from 0 to 50 ppm and it is possible to measure accurately according to the Cl 2 standard gas concentration change (0 ~ 50 ppm) within the operating range.
(4) 크로스 센시티비티를 이용한 F2 와 Cl2 동시측정 센서모듈 개발(4) F 2 with cross sensitivity Cl 2 simultaneous measurement Sensor module development
F2 와 Cl2 측정 모듈의 기능은 각각의 측정범위 내에서 높은 측정 정밀도를 가지고, 측정 가능함을 알 수 있었다. The functions of the F 2 and Cl 2 measurement modules were found to be measurable with high measurement accuracy within each measurement range.
그러나 F2 표준가스의 동작범위(0 ~ 5 ppm) 안에 본 발명의 목적인 0~25ppm 의 측정 범위를 만족하지 못하고 있다. 이렇게 높은 농도의 F2 센서가 없는 이유는 F2 가스가 공기 중에 존재할 확률이 매우 낮기 때문이다. 그러나, 화재 현장과 같은 곳에서는 높은 농도가 존재할 수 있고 따라서, 고 농도의 F2를 측정할 수 있어야 한다.However, the operating range (0 to 5 ppm) of the F 2 standard gas does not satisfy the measurement range of 0 to 25 ppm for the purpose of the present invention. The reason why there is no such high concentration of F 2 sensor is that the probability of F 2 gas being present in the air is very low. However, high concentrations may be present in places such as fire sites and therefore high levels of F 2 should be measurable.
F2의 측정은 환경 모니터링에 있어서 매우 중요하다. 독일에서 가장 높은 허용수준은 0.1 ppm 이다. 환경 모니터링과 같은 특수한 환경에 사용하기 위해서는 고농도의 F2 가스를 측정할 필요가 없기 때문에 대부분의 F2 측정기의 측정범위가 0~1ppm 정도로 낮게 제조 판매되고 있는 것이 현실이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하고자 하였다. Cl2와 F2는 둘 다 할로겐 가스이기 때문에 가스센서의 특성상 서로 선택성을 갖지 못하기 때문에 근원적으로 Cl2 센서와 F2 센서는 서로 cross sensitivity를 갖게 된다. 따라서 대부분의 전기화학 센서를 제조하는 회사는 Cl2 센서와 F2 센서를 독립적으로 판매하지 않고 있다. Cl2 센서는 F2 가스도 측정할 수 있기 때문에 F2 가스에 대한 cross sensitivity가 다른 두 종류의 Cl2 센서를 이용하면 고농도의 F2 가스를 측정할 수 있다.The measurement of F 2 is very important for environmental monitoring. The highest acceptable level in Germany is 0.1 ppm. Since it is not necessary to measure a high concentration of F 2 gas for use in a special environment such as environmental monitoring, the measurement range of most F 2 measuring instruments is low and is manufactured and sold at a low level of 0 to 1 ppm. To solve this problem, we tried to use the following method. Since both Cl 2 and F 2 are halogen gases, they do not have selectivity due to the nature of the gas sensor. Therefore, Cl 2 and F 2 sensors have cross sensitivity to each other. Thus, most electrochemical sensor manufacturing companies do not sell Cl 2 and F 2 sensors independently. Cl 2 F 2 gas sensors may also be measured if a high concentration of F 2 gas using a Cl 2 sensor cross sensitivity are two different kinds of F 2 for the gas because it can be measured.
본 발명에서는 Sensoric사의 Cl2 3E 50은 1 ppm의 F2를 0.4 ppm로 측정한다. Cl2 센서의 측정범위가 50 ppm 이므로 이론적으로는 F2 가스를 125 ppm까지 측정할 수 있다. Euro-Gas의 Cl2 센서(Surecell)는 1 ppm의 F2를 1 ppm으로 측정한다.In the present invention, Sensoric's Cl 2 3E 50 measures the F 2 of 1 ppm to 0.4 ppm. Since the measurement range of Cl 2 sensor is 50 ppm, theoretically F 2 gas can be measured up to 125 ppm. The Cl 2 sensor (Surecell) of Euro-
따라서 Sensoric 센서와 Euro-Gas 센서를 이용하면 Cl2 농도 측정 뿐만 아니라 F2의 농도를 높은 농도까지 측정할 수 있다. 현재 사용 가능한 Cl2 전기화학 센서에서 cross sensitivity를 조사한 결과가 표 1에 제시하였다.Therefore, using the Sensoric and Euro-Gas sensors, the concentration of F 2 can be measured to a high concentration as well as the Cl 2 concentration. Table 1 shows the cross sensitivity of the currently available Cl 2 electrochemical sensors.
Cl2 3E 20aSurecell
Cl 2 3E 20
Cl2 3E 50Sensoric
Cl 2 3E 50
NE4 Cl2 10Nemoto
Cl2-A1 20Alphasense
Cl 2 -
EC4-200-Cl2 SGX
EC4-200-Cl 2
[ppm]aConc.
[ppm]
[ppm Cl₂]Reading
[ppm Cl ₂ ]
[ppm]Conc.
[ppm]
[ppm Cl₂]Reading
[ppm Cl ₂ ]
[ppm]Conc.
[ppm]
[ppm Cl₂]Reading
[ppm Cl ₂ ]
[ppm]Conc.
[ppm]
[ppm Cl₂]Reading
[ppm Cl ₂ ]
[ppm]Conc.
[ppm]
[ppm Cl₂]Reading
[ppm Cl ₂ ]
상기 관계를 행렬식으로 나타내면 아래와 같다The above relationship can be represented by a matrix expression as follows
Euro-Gas Cl2 센서 1:1(F2 : Cl2)Euro-Gas Cl 2 sensor 1: 1 (F 2 : Cl 2 )
Sensoric Cl2 센서 0.4:1(F2 : Cl2)Sensoric Cl 2 sensor 0.4: 1 (F 2 : Cl 2 )
본 발명에서는 2개의 서로 다른 크로스 센시티비티를 가지는 Cl2 를 이용한 F2 와 Cl2 측정 식이다.In the present invention, F 2 and Cl 2 measurement equations using Cl 2 having two different cross-sensitivity are used.
또한, 본 발명은 Sensoric Cl2 센서와 SGX Cl2 센서를 이용하여 NO2를 측정할 수 있다. 이를 수식으로 표시하면 다음과 같다. ,In addition, the present invention can measure NO 2 using a sensoric Cl 2 sensor and a SGX Cl 2 sensor. The formula is expressed as follows. ,
Euro-Gas Cl2 센서 1:1:0 (F2 : Cl2 : NO2)Euro-Gas Cl 2 sensor 1: 1: 0 (F 2 : Cl 2: NO 2 )
Sensoric Cl2 센서 0.4:1:0.2 (F2 : Cl2: NO2)Sensoric Cl 2 sensor 0.4: 1: 0.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 )
SGX Cl2 센서 0:1:1.2 (F2 : Cl2: NO2)SGX Cl 2 sensor 0: 1: 1.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 )
또한, 본 발명은 크로스 센시티비티가 없는 Cl2 , F2 ,NO2 중 어느 하나 이상의 센서를 더 구비하여 측정 정밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 서로 다른 크로스 센시티비티를 가지는 Cl2 센서를 이용한 고농도 F2 가스측정 센서의 개발 및 그 측정방법Furthermore, Cl 2, the present invention does not have cross-sensitivity F 2 , and NO 2 , thereby increasing the measurement accuracy. Development of a high concentration F 2 gas measurement sensor using a Cl 2 sensor having different cross sensitivity and a method of measuring the same
100 : F2 센서모듈
210 : Cl2 센서모듈100: F 2 sensor module
210: Cl 2 sensor module
Claims (5)
Cl₂ 및 F2 가스에 대하여 1:0.4의 크로스 센시티비티를 가지는 Cl₂센서를 이용하여, 혼합가스 중의 Cl₂ 및 F2 가스의 농도를 측정하는 서로 다른 크로스 센시티비티를 가지는 Cl₂ 센서를 이용한 Cl₂ 및 F2 가스의 농도를 측정하는 방법에 있어서,
F2 가스에 대한 크로스 센시티비티가 없는 Cl₂센서를 더 구비하여, 상기 추가된 크로스 센시티비티가 없는 Cl₂센서의 측정값을 이용하여 Cl₂가스센서의 농도를 측정하고, 이를 이용하여, 하기 식으로부터 F2 가스의 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 하기 식을 사용하여 Cl₂ 및 F2 가스의 농도를 측정하는 방법.
Euro-Gas Cl2 센서 1:1(F2 : Cl2)의 크로스 센시티비티를 가지며,
Sensoric Cl2 센서 0.4:1(F2 : Cl2)의 크로스 센시티비티를 가진다.
1 for Cl₂ and F 2 gas: Cl₂ sensor having a cross sensitivity of the first and
1 for Cl₂ and F 2 gas: by using a Cl₂ sensor having a cross sensitivity of 0.4, with each other Cl₂ sensor has a different cross-sensitivity to measure the concentration of Cl₂ and F 2 gas in the mixed gas Cl₂ and In the method for measuring the concentration of F 2 gas,
The further Cl₂ sensor without a cross-sensitivity for the F 2 gas, the added cross-sensitivity is not using the measurement value of the Cl₂ sensor measures the concentration of the Cl₂ gas sensor, to use them, expression And the concentration of the F 2 gas is calculated from the concentration of the F 2 gas.
The Euro-Gas Cl 2 sensor has a cross-sensitivity of 1: 1 (F 2 : Cl 2 )
Sensoric Cl 2 sensor has a cross sensitivity of 0.4: 1 (F 2 : Cl 2 ).
Euro-Gas Cl2 센서 1:1:0 (F2 : Cl2 : NO2)는 크로스 센시티비티를 가지며,
Sensoric Cl2 센서 0.4:1:0.2 (F2 : Cl2: NO2)는 크로스 센시티비티를 가지고,
SGX Cl2 센서 0:1:1.2 (F2 : Cl2: NO2)는 크로스 센시티비티를 가진다.A method of measuring the concentration of Cl 2 , F 2 and NO 2 gas using a Cl 2 sensor having three different cross sensitivity components of a gas contained in a mixed gas using the following equation.
Euro-Gas Cl 2 sensor 1: 1: 0 (F 2 : Cl 2: NO 2 ) has cross-sensitivity,
Sensoric Cl 2 sensor 0.4: 1: 0.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 ) has cross-sensitivity,
SGX Cl 2 sensor 0: 1: 1.2 (F 2 : Cl 2: NO 2 ) has cross-sensitivity.
크로스 센시티비티가 없는 가스센서를 더 구비하며, 상기 크로스 센시티비티가 없는 가스센서는 Cl2 , F2 ,NO2 중 어느 하나에 대한 센서인 것을 특징으로 하는 Cl₂, F2 및 NO2 가스의 농도를 측정하는 방법.The method of claim 3,
And a gas sensor without cross sensitivity, wherein the gas sensor having no cross sensitivity includes Cl 2 , F 2, a method of measuring the concentration of Cl₂, F 2, and NO 2 gas, characterized in that the sensor for any one of NO 2.
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|---|---|---|---|
| KR1020170135506A KR101849635B1 (en) | 2017-10-18 | 2017-10-18 | Measuring High Concentration F2 Gas Using Different Cross Sensitivity Cl2 EC Sensors |
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