http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.3.179 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
비분산 적외선 이산화탄소 가스센서 특성의 온·습도 영향
김진호 · 이승환+
Effects of Temperature and Humidity on NDIR CO 2 Gas Sensor
JinHo Kim and SeungHwan Yi+
Abstract
This article describes the characteristics of nondispersive infrared carbon dioxide gas sensor according to the temperatures and humid- ifies. In this researches, a thermopile sensor that included application-specific integrated circuit (ASIC) was used and the White-cell structure was implemented as an optical waveguide. The developed sensor modules were installed in gas chamber and then the tem- perature of gas chamber has been increased from 283 K to 313 K with 10K temperature step. In order to analyze the effects of humidity levels, the relative humidity levels were changed from 30 to 80%R.H. with small humidifier. Then, the characteristics of sensor modules were acquired with the increment of carbon dioxide concentrations from 0 to 2,000 ppm. When the initial voltages of sensors were com- pared before and after humidifying the chamber at constant temperature, the decrements of the output voltages of sensors are like these:
9mV (reference infrared sensor), 41 mV (carbon dioxide sensor), 2 mV (temperature sensor). With the increment of ambient tem- perature, the averaged output voltage of carbon dioxide sensor was increased 19 mV, however, when the humidity level was increased, it was decreased 14mV. Based upon the experimental results, the humidity effect could be alleviated by the increment of temperature, so the effects of humidity and temperature could be only compensated by the ambient temperature itself. The estimated carbon dioxide concentrations showed 10% large errors below 200 ppm, however, the errors of the estimations of carbon dioxide concentrations were less than ±5% from 400 to 2,000 ppm.
Keywords: NDIR(Non-Dispersive Infrared), CO
2Gas sensors, Temperature & Humidity compensation
1. 서 론
최근 하천 및 호수 등의 수역에 폐수 및 각종 난분해성 유기 물질들이 유입되어 수질의 저하를 초래하고 있다. 이에 따른 원 인 파악과 폐수 배출 시설의 여부, 관리수단의 고도화의 필요성 등 새로운 평가지표에 대한 요구가 제기되었고, 이중 대표적인 대안 항목으로 TOC(total organic carbon)의 측정이 새롭게 부 각되면서 국·내외에서 활발한 연구가 진행되고 있다[1].
총 유기 탄소(TOC)시스템은 폐수의 샘플을 완전히 산화 반 응 시켜서 발생하는 이산화탄소량을 측정하여 수중 탄소량을 역
산한다[2]. 이와 같이 이산화탄소를 측정하기 위해 TOC 시스템 에서는 비분산 적외선 방식[3]과 전도도법[4]을 이용한 센서를 사용하고 있다. 전도도법을 이용한 방식은 질소함유 유기화합물 의 경우 검출을 못하며, 유기 할로겐화합물의 경우 실제 측정되 는 값은 2배이상 과대 측정하는 것으로 알려져 있다. 반면 비분 산 적외선 방식(NDIR)가스 센서는 광원에서 적외선이 방사되 어 측정 대상가스의 농도에 따라 적외선이 흡수되고, 이에 따른 출력 단의 전압변동을 이용하기 때문에 높은 선택성과 감도가 우수하며, 장기 안정성과 높은 정확성 그리고 낮은 전력소비의 이점이 있다. 그러나 적외선 센서는 주변온도 및 습도의 변화에 따라 출력전압특성의 변화가 유발됨으로써 측정된 가스 농도의 온·습도 보상이 필수적이라고 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 광원과 써모파일 적외선 센서 및 White- Cell구조[5,6]를 응용한 광학적 구조물을 사용하여 이산화탄소 가스센서의 모듈을 제작하고, 온·습도의 변화에 따른 센서의 출 력 특성을 분석하여 온도보상을 통한 가스농도 예측과 습도의 영향을 고찰·분석함으로써 가스농도 추정의 정확성을 살펴보고 자 하였다.
국립 한국교통대학교 , KNUT(Korea National University of Transportation) Dept. of Mechanical Eng.
50, Daehakro, Chungjushi, Chungbuk 27469
+
Corresponding author: [email protected]
(Received: Apr. 27, 2017, Revised: May 20, 2017, Accepted: May 22, 2017)
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2. 이론적 고찰 및 실험 방법
2.1 이론적 고찰
비분산 적외선 가스센서는 광원, 광학적 구조물 그리고 광학 적 필터를 부착한 디텍터로 구성이 되어있다. 이 가스센서의 출 력 특성은 광원에서 방출되는 에너지와 매질 내의 적외선 흡수 및 디텍터에 입사되는 에너지양에 따라 출력특성이 주어지는 데, 통상적으로 적외선 광원의 경우 0~10 μm의 연속광을 방사 하는 제품을 사용하고 있다. 한편 대기 중에는 여러 가스분자들 이 존재하는데, 특정가스들의 경우, 그들은 고유의 적외선 흡수 파장을 가지고 있다. 예를 들면, 일산화탄소는 4.7 μm, 이산화탄 소는 4.26 μm의 적외선에 대하여 가장 높은 흡수율을 가지고 있 음이 알려져 있으며[7], 적외선 광원과 이들 농도와 에너지 흡 수 정도를 파악함으로써 대상가스의 농도를 측정하고 추정하게 된다. 적외선의 방출, 흡수 및 전압 출력단에서의 이론적 원리 를 살펴보면 아래와 같다.
흑체 또는 램프를 사용하는 경우, 적외선 광원에서 방출되는 에너지 총량은 단위 면적당 방출되는 에너지( )를 나타낸 식 (1) 에 제시된 Stefan-Boltzmann 법칙을 따른다[8].
(1) 단, v: 주파수(Hz), T: 절대온도(K), σ: Stefan-Boltzmann 상수 한편 디텍터에서 받는 적외선 에너지는 식(2) Beer-Lambert 법칙을 따르며[9], 흡수계수, 가스농도, 광 경로에 의해 영향을 받는다. 적외선 소스에서 디텍터까지 동일한 흡수계수, 동일한 농도일 때 거리가 길면 광량은 급격하게 줄어든다. 즉, 광 경로 를 길게하면 경로상 존재하는 다량의 측정 대상가스의 적외선 흡수에 의해 디텍터에 도달하는 의 값이 초기값 에 비해 감소하기 때문에 미소량의 가스농도 변화에 대해 큰 적외선 광 량이 변화함으로 인해 센서의 감도는 증가할 것을 예측할 수 있다.
(2) 단, β: 가스 흡수계수, L: 광 경로 길이(m), x: 가스농도 (ppm) 한편 상온에서 적외선을 흡수하는 실리콘 열전쌍의 열기전력 은 식(3)과 같이 표현 된다[10]. 이때 α는 실리콘 열전쌍을 이 루는 물질의 지벡 상수를 의미한다. 즉, 디텍터에서 적외선을 받 아들이는 영역이 적외선에 의해서 얼마만큼 온도가 증가하느냐 에 비례하여 센서에서의 출력전압이 나타나게 되며, 적외선 센 서에서의 출력 전압은 광원과 광 경로를 반영한 결과를 나타내게 된다.
(3)
단, : 주변온도(K), : 흑체온도(K), α: 지벡상수
이와 같이 상술된 이론적 고찰을 통하여 비분산 적외선 가스 센서의 출력 특성은, 광원, 측정 대상가스의 적외선 흡수 및 광 학적 구조물 내에서의 광 경로 그리고 적외선 센서들을 종합적 으로 고찰 및 분석 하여야 한다.
2.2 실험 방법
본 연구에서 사용한 적외선 광원으로는 0~10 µm의 연속광을 방사하는 IMPORTEC사의 INTX MILR17 900을 사용하였으 며, 이산화탄소 가스 측정용 적외선 센서로는 HEIMANN SENSOR 사의 HIS A21 E4.26 G5600, 기준 적외선센서로 동일 제작사 의 HIS A21 E3.91 G5600을 사용하였다. 또한 광 경로를 길게 하여 센서의 감도를 향상시키고자White-Cell의 원리[5]를 이용한 광 학적 구조물을 설계·제작하여 센서모듈을 시제작하였다.
온·습도에 따른 센서모듈의 출력특성을 확인하기 위하여 Fig.
1에 제시한 것과 같은 측정 시스템을 구성하였다. 먼저 센서 모 듈을 항온 항습조 내부의 가스 챔버에 삽입 후 온도를 273 ~ 313 K까지 10 K간격으로 조절하여 출력전압 특성을 확인하였 다. 온도 설정 후 센서 모듈을 열적 평형 상태에 도달시키기 위 해 7시간 이상 대기하였다. 이후 고순도 질소로 챔버 안의 가스 를 배출 시키고 1시간이상 대기함으로써 초기 가스농도를 0 ppm 근처에 도달하도록 한 후 소형 가습기로 상대습도 30, 50, 80%R.H 로 조절하였다. 이때 온도센서의 출력전압의 변동이 ±5 mV 이 내일 때, 가스 유량 컨트롤러(MFC)를 통하여 챔버 내에 이산화 탄소 가스를 0 ~ 2000 ppm까지 200 ppm 단위로 10 step으로 나누어 공급하여 가스농도에 따른 센서모듈의 출력 특성 실험 을 진행하였고[6, 11], 가스 챔버 내의 습도량과 이산화탄소 가스 농도는 다중 가스 분석기 (INNOVA-1312)에 의해 각각 g/m
3, ppm 단위의 정밀도로 측정 하였으며, 측정된 결과의 신 뢰성 확보를 위해 동일한 실험을 10 회 실시하였다. 센서에서 출력되는 실험데이터는 메인 컴퓨터에 RS-485통신을 이용하 여 저장하였으며, 실험 결과의 분석 시, 이론적인 예상결과와 실험시 발생될 수 있는 오류를 제거하여 최소 7회 측정 결과 의 평균을 구하고, 이를 통해 온도 보정함수와 습도량에 따른 영향을 고찰하였다.
R
TR
TR
T( ) v v d
0
∫
∞σT
4= =
I
dI
oI
d= I
0exp ( – βLx )
V Δα T d
Tamb Tblack
∫
=
T
am bT
blackFig. 1. Schematic diagram of measurement setup.
3. 실험결과 및 고찰
각 온도에서 측정된 상대 습도량의 변화를 절대 습도량으로 표현하여 제시하면 Fig. 2와 같다. 온도의 증가에 따라 절대 습 도량은 증가하는 양상을 나타내었으나, Fig. 2에 제시된 것과 같 이 세 영역 (Region- A, B, C)에서 절대 습도량은 유사한 값을 갖고 있음을 확인할 수 있었으며, 온도 및 습도 조건에서 센서
모듈의 출력 특성에의 영향을 살펴보기 위해 세 영역으로 분리 제시하였다.
한편 가스 챔버 안의 이산화탄소 농도가 0 ppm일 때, 온·습도 변화에 따른 이산화탄소 가스센서, 기준 적외선센서, 온도센서 의 출력전압을 나타내면 Fig. 3과 같다. Before는 습도를 도입 하기 이전의 출력 전압값을 나타내며, After는 각 온도에서 상 대습도를 30, 50, 80%R.H로 조절하였을 때 출력전압의 평균값 을 나타낸다.
Fig. 4. Temperature dependence of carbon dioxide gas sensor. : a) region-A, b) region-B, c) region-C.
Fig. 2. Absolute water vapor in gas chamber as a function of tem- peratures.
Fig. 3. Comparison of initial voltages before and after humidity con-
trol (@ 0ppm CO
2concentration).
기준 적외선 센서와 온도 센서의 출력은 온도가 증가함에 따 라 선형적인 출력특성을 보였으며, Table 1에 제시한 것과 같이 이산화탄소 가스센서는 283 K에서 303까지 출력전압이 평균적 으로 18 mV씩 증가하였고, 313 K에서 5 mV정도 감소하는 출 력 특성을 보였다. 또한, 습도를 조절하기 이전과 이후를 비교 했을 때, 기준 센서는 최대 9 mV, 온도센서는 2 mV 정도의 변 화를 보이며, Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 수증기 도입 전후의 출력전압은 한 점의 형태로 거의 유사하였으나, 이산화탄소 가 스센서는 313 K 최대 41 mV 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4는 온·습도 조건 중 절대습도량이 유사한 영역에서 이 산화탄소 가스센서의 온도 특성을 나타낸다. 이산화탄소 가스를 주입함에 따라 이산화탄소 가스센서의 출력전압은 가스농도에 의존해 감소하는 양상을 나타내었다.
Region-A 에서 절대습도량은 일정한 상태에서 가스 챔버의 온 도가 증가함에 따라 초기전압은 평균적으로 약 19 mV증가하였 고, Region-B, C에서도 절대습도량은 유사하나 온도가 증가함 에 따라 이산화탄소 가스센서의 초기전압은 각각 최대 31 mV, 20 mV 증가하였으며 가스농도에 따라 지수함수적으로 감소하는 특성을 나타냈고 온도가 증가할수록 전압변동폭이 더 커지는 것 을 확인할 수 있다.
한편 Fig. 5는 온·습도 조건 중 동일 온도에서 이산화 탄소 가 스센서의 절대 습도량에 따른 영향을 나타낸다. 온도 293 K에 서 이산화탄소 센서의 초기전압은 절대 습도량이 증가함에 따 라 평균적으로 5.8 mV감소하였으며, 온도가 일정할 때 절대 습 도량이 증가함에 따라 일정 폭을 가지고 지수함수 형태로 가스 농도가 증가함에 따라 출력전압이 감소해 나감을 확인할 수 있었다.
이와 마찬가지로 303 K 에서는 절대습도량이 15.937 g/m
3에 서 25.235 g/m
3으로 증가할 때 이산화탄소 센서의 초기전압이 27 mV 감소하는 양상을 나타내었다. 즉, 절대 습도량의 증가는 온도에 의한 변화와 반대로 센서 모듈 출력특성에 영향을 미치 는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절대 습도량에 비례하여 출력전압 이 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 빛의 산란 때문이라고 판 단되며, 빛의 산란은 어떤 매질을 직선경로로 통과하는 빛이 하 나 이상의 불균일성 원인에 의해 경로를 벗어나는 현상을 가르 키며, 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 큰 경우 산란을 일으키게 되고, 이를 미 산란(Mie scattering) 이라 한다.
광원에서 연속광을 방사할 때 물방울의 입자 크기가 이산화 탄소 가스 중심파장 (4.26 μm) 보다 작을 때에는 빛의 산란이
적게 일어나지만, 절대 습도량이 증가하면 물방울 입자의 크기 가 응집에 의해서 이산화탄소 가스 중심파장과 같거나 크게 되 고 입자간 거리가 멀어져 적외선과 입자간의 산란현상이 증가 한다. 따라서 물방울을 만나 빛이 산란되어 디텍터에 도달하는 양이 적어지기 때문에 출력전압이 낮아지게 되는 것으로 판단 되며, 이런 영향에 의한 결과는 식(4)와 같이 표현될 수 있다[12].
(4)
단, , , I
dI
03 J
1( ) x x x
32 --- –
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ 1 ( + cos
2θ ) 2 ⁄ ⋅ exp ( – βxL )
=
x ka 1 N ( +
2– 2N cos θ )
12 ---
= J
1( ) x = ( sin x x – cos x ) x ⁄
2Table 1. Comparison of initial voltage of each sensor
Temp.(K) Temp. Sensor (V) Ref. IR Sensor (V) CO
2Sensor (V)
Before After ΔV Before After ΔV Before After ΔV
283 1.0412 1.0439 -0.0027 0.3600 0.3564 0.0037 1.4293 1.4040 0.0254
293 1.1931 1.1944 -0.0013 0.3640 0.3573 0.0066 1.4528 1.4242 0.0285
303 1.3463 1.3469 -0.0007 0.3663 0.3584 0.0079 1.4696 1.4308 0.0387
313 1.5027 1.5029 -0.0002 0.3690 0.3595 0.0096 1.4640 1.4226 0.0414
Fig. 5. Influence of absolute humidity on carbon dioxide gas sensor:
a) 293K, b) 303K.
, x=입자간의 거리, N: 상대굴절률, λ:파장, α: 입자의 반지름, θ: 산란각
한편 동일한 온도에서 습도에 따른 영향을 살펴보기 위해 Fig.
5 에 제시된 자료로 습도가 증가함에 따른 출력전압의 추세선을 도출하였으며, 일정 습도에서 가스량의 증가에 따른 특성을 살 펴보면 Table 2와 같다.
제시된 매개변수를 통한 이산화탄소 가스센서의 특성은 식(5) 과 같은 함수로 정의 할 수 있으며, 이를 통해 온도 293K와 303K에서 온도만의 함수로 추정농도[11, 13]를 구한 값(Temp)
과 상대습도(30, 50, 80%R.H)의 증가에 따른 추정농도에의 영 향을 비교하여 Fig. 6에 제시하였다.
(5) 단, 이때 는 초기 전압(V), γ는 광경로와 가스 흡수 계수의 곱, x는 가스농도 (ppm)
Fig. 6 a)에 제시된 결과 중 온도 293 K, 이산화탄소 가스농 도 600 ppm에서 실제 농도 대비 상대습도(30, 50, 80 %R.H)에 따른 오차는 각각 -2.3, -11.3, -6.9%를 보였고, 온도함수로 구한 농도는 0.8%의 오차범위를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 한 편 303 K에서 온도 함수로 구한 농도는 200 ppm에서 최대 5.2%
의 오차범위를 가지는 것을 확인할 수 있었고, 온도 보상만으로 도 실제농도와 평균 5%이내로 정확하게 농도를 추산할 수 있 는 것을 나타내고 있음을 알 수 있었으며, 이들 결과를 종합적 으로 분석하여 Table 3에 제시하였다.
한편 283 K에서 313 K까지 10 K 간격으로 온도를 증가시킨 후, 이산화탄소 가스 농도에 따른 출력 전압의 변화양상은 Fig.
7 과 같다. 온도가 증가함에 따라 동일 가스농도 구간에서 센서 모듈의 전압 변화폭이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 k 2π
--- λ
=
V T x ( , ) V =
0( ) V T +
1( ) T ⋅ exp ( – γ T ( ) x ⋅ ) V
0+ V
1Table 2. Changes of temperature dependent parameters according to the temperatures and humidities.
Humidity (%R.H)
293K 303K
V
0V
1γ V
0V
1γ
30 0.6534 0.6739 0.0013 0.6432 0.7003 0.0013 50 0.6490 0.6720 0.0013 0.6296 0.7058 0.0012 80 0.6360 0.6683 0.0013 0.5910 0.7169 0.0011
Fig. 6. Estimated CO
2concentrations as parameters of temperature and humidity: a) 293K, b) 303K.
Table 3. Estimated errors of CO
2concentrations according to the temperature and relative humidity levels
Real ppm
Error (%)
293K 303K
Temp 30% 50% 80% Temp 30% 50% 80%
200 5.02 -6.10 4.42 12.5 5.2 6.94 20.1 -9.5 400 1.05 -2.10 3.4 10.2 3.4 3.21 12.1 -6.3 600 0.81 -2.37 -11.3 -6.9 2.91 -1.05 -2.36 2.47 1200 -3.88 -3.27 -5.50 -5.75 4.43 -3.32 0.37 1.88 1800 1.81 0.68 -1.37 -6.12 -3.13 -6.32 3.51 -0.53
Fig. 7. Output voltage differences of CO
2gas sensor as a function of
carbon dioxide concentrations with temperature variations.
이용하여 추세선을 도출하였고, 추세선의 정확성을 나타내는 결
정계수인 이 범위를 가짐에 따라 온도에
따른 보정함수의 인자들이 정확하다는 것을 반증하고 있으므 로, 이들을 통해 온도 보정함수를 도출하여 추정농도를 구하고 자 하였다.
도출된 추세선을 통하여 얻은 매개 변수들의 온도 의존성을 나타내면 Fig. 8과 같으며, 온도에 의존한 매개변수들로부터 식
(5)를 이용하여 센서의 추정농도를 도출하고 실제 농도와 비교 한 것을 Fig. 8에 제시하였으며, 또한 Table 4 에 실제 농도와 추정농도의 오차범위를 나타내었다.
Fig. 9 과 Table 4에 제시한 바와 같이 313 K 200 ppm 범위에 서 최대 9.1%오차를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 600 ppm 이상의 범위에서 실제농도와 비교 시 오차율이 평균적으로 ±5%
이하의 정확성을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 총유기탄소 (Total Organic Carbon)의 측정을 위한 White-cell 구조를 응용한 이산화탄소 가스센서 모듈을 제 작하여 온·습도에 따른 출력특성을 살펴보았다.
절대 습도량이 증가함에 따라 디텍터에 도달하는 에너지 양 이 감소하면서 이산화탄소 센서의 초기전압이 평균적으로 14 mV 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 또한, 온도가 증가함에 따 라 이산화탄소 센서 초기전압이 평균적으로 19 mV 증가하는 특 성을 나타내었다. 온도와 습도의 변화는 둘 다 센서모듈의 출력 전압에 민감한 양상을 나타내었는데, 이를 통하여 보상된 가스 농도의 예측은 온도에 의한 보상법이 습도에 의한 보상보다 더 욱 정확히 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 가스 농도와 비교 시 오차율이 평균 ±5%이내의 정확한 센서모듈을 제시할 수 있었다.
감사의 글
This research was supported by R&D Center for Green Patrol Technologies through the R&D for Global Top Environmental Technologies funded by Ministry of Environmental, Republic of Korea (MOE).
REFERENCES
