- 가연성 가스 센서
- 촉매산화식 센서
- 센서의 출력
- 반응 속도
- 교정
- 반도체식 센서
- 열전도도식 센서
- 적외선식 센서
- 개방공간용 가연성 가스 측정기
- 개방공간용 유독성 가스 측정기
- 전기화학식 센서
- 켐카세트
- 가스 측정 기술의 비교

가연성 가스 센서

과거에는 화염의 전파를 억제하기 위해 촘촘한 금속 망으로 둘러싼 화염안전 램프(flame safety lamp) 사용했는데, 오랜 시간동안 이것이 지하 탄광과 하수구 등에서 가연성 가스 검지기의 역할을 맡아왔다. 램프는 원래 어두운 장소에서의 조명을 목적으로 만들어졌지만, 사용자의 경험, 교육, 나이 그리고 색깔 식별 능력 등에 따라 25~50% 이내의 정확도로 가연성 가스의 농도를 측정할 있었다. 현대의 가연성 가스 검지기는 이것보다 더욱 정확하고 신뢰성과 반복성을 갖춰야 하기 때문에, 예를 들어 안전 램프에 화염온도 센서를 부착하는 것과 같은 다양한 개선 시도에도 불구하고, 거의 모든 안전 램프는 현대적인 전자 기기들로 대체되었다.

 

오늘날 가장 보편적으로 사용되고 있는 촉매식 센서는 연소로 인해 가스가 이산화탄소와 물로 변화되는 원리에 의존하고 있다. 따라서 어떤 측면에서 촉매식 센서는 과거에 사용하던 화염안전 램프의 현대적인 개발품이라고도 말할 있다


촉매산화식 센서

현재
거의 모든 저가의 가연성 가스 센서들은 전기-촉매식(electro-catalytic type)이다. 이것은비드(bead)’, ‘Pellistor’, ‘Siegistor’ 등으로 일컬어지는 작은 구슬형 검출 소자로 만들어지는데, Pellistor Siegistor 상업적으로 고안된 등록상표이다. 센서는 전기에 의해 가열되는 백금선 코일로 만들어지는데, 위를 알루미나(Al2O3) 같은 세라믹 베이스로 감싸고, 최종 코팅으로 산화토륨(ThO2) 지지층에 분산된 팔라듐(palladium) 또는 로듐(rhodium) 촉매를 사용한다.

이런
종류의 센서는 가연성 가스/공기 혼합물이 뜨거운 촉매 표면을 지나갈 연소되면서 열을 방출하여 비드의 온도를 증가시키는 원리에 의해 작동한다. 연소의 결과로 백금 코일의 전기적 저항이 증가하게 되는데, 표준적인 전기 브리지 회로를 이용하여 저항의 변화를 측정한다. 저항의 변화는 주변 대기에 있는 가스 농도에 직접적으로 연관되며, 이것은 미터기 또는 그와 유사한 지시 장치에 의해 표시될 있다

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센서의 출력

촉매
물질이 도포된감응(sensitive)’ 센서는 주로 가연성 가스의 농도에 따라 전기 저항이 달라지지만, 온도, 습도 주변 환경에 따라서도 약간의 변화가 발생한다. 주변 환경의 변화에 대한 측정의 안정성을 향상시키기 위하여, 촉매식 센서에서는 열적으로 쌍을 이루는 하나의 비드를 사용한다. 새로운 비드는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 마주보는 곳에 위치하는비감응(non-sensitive)’ 센서이다. 비감응 센서는 비드를 유리 필름으로 코팅하거나 촉매의 비활성화를 통하여, 가스 농도에는 무관하고 단지 외부 온도나 습도 변화에만 반응하도록 만든 것이다. 비드는 감응 센서의 온도나 습도에 의한 영향을 보상한다는 의미에서보상(compensation)’ 센서라고도 하는데, 상용화된 대부분의 촉매식 센서는 감응 센서와 보상 센서가 쌍으로 구성된다.

촉매식 센서는 촉매를 비활성화(de-activate) 또는 피독(poison)시키는 실리콘(Si), (S), (Pb) 같은 물질에 의해 급속하게 손상되어 성능을 잃을 있다. 따라서 촉매식 센서의 안정적인 작동을 위한 향후의 개선 방향은 이러한 피독 물질들에 대한 저항성을 향상시키는 것이다.

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속도

촉매식 센서는 안전성에 필요한 조건들을 충족시키기 위해서 화염방지기(flame arrestor) 뒤에서 강한 금속 하우징 안에 고정되어 있어야 한다. 화염방지기는 일정한 크기의 금속 입자를 소결 성형하여 만든 다공성 필터로, 가스/공기 혼합물이 하우징 내부로 확산되어 센서 소자에 도달할 있도록 하면서, 하우징 외부 대기로 화염이 전파하는 것을 방지하는 기능을 한다. 화염방지기로 인해 가스의 반응 속도가 다소 늦어지고, 전기적 출력 또한 가스가 검지된 몇초 후에 나타나게 된다. 센서의 반응곡선은 최종 수치에 가까워질수록 비교적 평평해지는데, 최종 수치의 90% 이르기까지의 시간을 반응속도로 정의하여 T90 값으로 표현하는 경우가 많다. 보통 촉매식 센서의 T90 값은 20~30 사이에 있다.

(
주의 : 미국이나 몇몇 다른 국가에서는 T60 값을 사용하는 경우가 있으므로, 서로 다른 센서의 성능을 비교할 때에는 주의가 필요하다).

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교정

매식 센서의 가장 일반적인 고장은 특정한 피독 물질에 노출되어 성능이 급격히 저하되는 것이다. 따라서 가스 모니터링 시스템이 설치될 당시에만 교정(calibrate)되는 것이 아니라, 정기적인 점검과 재교정이 매우 중요하다. 점검 교정은 농도가 정확하게 검증된 표준 혼합가스를 사용하여 제어장치의(zero) 기울기(span) 수준을 올바르게 설정함으로써 완료된다.

EN50073:1999 같은 지침들에서는 점검 교정의 횟수와 경보 수준의 설정에 관해 제시하고 있다. 보통의 점검은 매주 단위로 이루어 지는데, 점검 주기는 조작 경험이 많아질수록 연장될 있다. 한편, 2개의 경보 수준이 요구되는 곳에서는 보통 하위수준(1 경보점) 20~25% LEL, 상위수준(2 경보점) 50~55% LEL 설정한다

과거의
저렴한 시스템들은 점검과 교정을 위해서 2명의 인원을 필요로 하였다. 사람은 센서를 가스에 노출시켜야 하고, 다른 사람은 제어장치에 있는 측정치를 읽어야 한다. 그리고 제어장치의 영점과 기울기를 조절하는 부품을 조절하여 혼합 가스의 농도와 기기의 지시값을 일치시킨다. 내압방폭 하우징 안에 조절부위가 들어있다면, 반드시 전원을 차단한 상태에서 허가를 받은 후에 하우징을 열어야 하는데, 이러한 교정 방식을 접촉식(intrusive) 교정이라고 한다. 

근래에는
센서 자체에서 교정이 이루어지는 1 교정이 가능한 기기들이 많이 개발되어 있다. 이것은 특히 해상 유전이나 가스전과 같이 센서의 장착이 어려운 곳에서 관리 시간과 비용을 상당히 절감할 있게 한다

한편
, 본질안전 규격에 맞추어 설계된 센서들이 있는데, 이것을 통해 현장이 아닌 편리한 위치, 예를 들어, 관리창고 같은 곳에서도 센서를 교정할 있다. 이것들은 본질적으로 안전하기 때문에 센서의 교체를 위해 전원을 차단할 필요가 없다. 이러한 시스템은 전원이 공급된 상태에서 유지관리를 수행할 있기 때문에, 기존 제품에 비해 빠르고, 저렴하고, 손쉬운 시스템이다.

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반도체식 센서

1980년도 말에는 반도체 재료로 만들어진 센서가 많은 관심을 받았으며, 어느 시기까지 가장 일반적이고 저렴한 가스 센서로서의 가능성을 보였다. 방식의 센서도 촉매식 센서와 마찬가지로, 가열된 산화물 표면의 가스 흡착 작용에 의해 작동한다. 센서는 일반적으로 전이금속이나 주석과 같은 중금속의 산화물, 예컨대 SnO2 , ZnO, Fe2O3 등의 재질로 만들어진다. 촉매에 의한 산화에 이어서 산화물 표면에서 가스의 흡착 작용이 일어나면, 산화금속의 전기저항이 변화하게 되는데, 해당 가스의 농도와 저항치의 변화량 사이에 일정한 관계를 갖는다. 반응 비율을 높이거나 주변 온도의 변화에 따른 영향을 줄이기 위하여 센서 표면은 200~250 일정한 온도로 가열된다. 반도체식 센서는 고체의 표면과 기체와의 반응을 이용하는 것으로 기체가 흡착되는 속도와 흡착되는 기체의 선택성은 센서의 동작 온도, 촉매 성분과 양, 센서 주위의 분위기에 따라 크게 영향을 받는다.

반도체식
센서는 단순하고, 비교적 강하며, 매우 민감하게 만들 있다. 센서는 황화수소를 검지하는데 사용되었으며, 저렴한 가정용 가연성 가스 검지기의 생산에 폭넓게 적용되었다. 하지만, 특정 가스에만 선택적으로 반응하지 못하고 대기 온도나 습도 변화에 의한 영향이 크기 때문에 산업용으로 사용하기에 신뢰성이 떨어지는 것으로 판명되었다. 센서는 빈번한 점검이 없으면 감도가 급격히 떨어져 작동정지 현상이 발생하고, 높은 농도의 가스에 노출된 후에는 반응과 회복이 느려지는 등의 문제점이 있기 때문에 다른 센서에 비해 사용상 많은 주의가 필요하다.

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열전도도식 센서

기술은 고농도(%V/V) 2성분 혼합 가스를 측정하는 경우에 적합한 방법이다. 이것은 메탄(CH4)이나 수소(H2) 같이 대기보다 열전도율이 높은 가스를 검지하는 용도에 주로 사용되며, 암모니아(NH3) 일산화탄소(CO) 같이 대기와 비슷한 열전도율을 가진 가스는 검지가 어렵다. 이산화탄소(CO2) 부탄(C4H10) 같이 대기보다 낮은 열전도율을 가진 가스는 수증기의 방해로 인해 검지가 어렵다. 공기를 포함하지 않은 가지 가스의 혼합물도 방식의 센서를 이용하면 측정할 있다

가열된
검지 엘리먼트는 시료에 노출되어 있고, 기준 엘리먼트는 밀봉된 공간에 들어있다. 만약 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 높다면, 검지 엘리먼트의 온도는 상대적으로 떨어진다. 반대로, 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 낮다면, 감지 엘리먼트의 온도가 상대적으로 높아진다. 이때 온도의 변화량은 감지 엘리먼트에 존재하는 시료 가스의 농도에 비례한다.

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적외선식 센서


많은
종류의 가연성 가스는 빛의 전자기 스펙트럼 중에서 적외선 영역의 흡수 띠들을 가지고 있고, 이러한 적외선 흡수의 원리는 오랜 시간동안 실험실용 분석 기기에 사용되어 왔다. 1980년대부터 전자공학과 광학 기술의 발전에 따라 충분히 낮은 전력과 작은 크기를 가진 장비의 설계가 가능하게 되었으며, 기술은 산업용 가스 검지기 제품들에도 적용되고 있다

적외선식
센서는 촉매식 센서에 비해 여러가지 중요한 장점들을 가지고 있다. 신속한 반응(보통 10 이내) 적은 정비, 손쉬운 점검, 마이크로프로세서로 작동되는 기기의 자기진단 기능의 사용 등이 대표적인 장점이다. 또한 센서는 알려진 모든 피독성 물질의 영향을 받지 않도록 디자인될 있고, 오작동이 거의 없으며, 불활성 분위기 안에서나 넓은 범위의 주변 온도, 압력, 습도 조건에서도 정확하게 작동한다

기술은 2-파장 적외선 흡수 원리로 작동한다. 2개의 파장을 가진 빛이 시료 가스를 지나갈 , 하나는 검지할 가스에 흡수되는측정파장 설정하고, 다른 하나는 시료 가스에 의한 흡수가 일어나지 않는기준파장으로 고정한다. 2개의 광원은 서로 교대로 켜지며, 방폭 (window) 통해 공통의 경로를 거쳐 시료 가스를 지난다. 시료를 통과한 빛은 역반사체에서 반사되어 시료 가스를 한번 통과한다. 마지막으로 시료 가스에 흡수되고 남은 측정파장과 기준파장의 광도를 비교하는데, 둘의 차를 이용하여 가스 농도를 측정하는 것이다

적외선식
검지기는 이원자 가스 분자만을 검지할 있기 때문에 수소의 검지에는 적합하지 않다.

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개방공간용 가연성 가스 측정기

통상적인 가스 누설 검지의 방법은 지점 검지를 이용하는 것으로, 상당히 많은 개별 센서들을 설치하여 어떤 공간이나 주변을 검지하는 것이었다. 그러나 최근에는 적외선이나 레이저 분야의 신기술을 이용하여 수백 미터 거리까지 수용할 있는 개방공간(open path 또는 broad beam) 용도의 가스 검지기가 개발되고 있다. 초기의 개방공간용 측정기는 대부분이 지점 검지 방법을 보완하기 위해 제안된 것이지만, 최근의 3세대 기기는 시설의 주된 검지 방법으로 사용된다. 방식의 대표적인 이용 장소로는 부유식 원유생산 저장설비(FPSO), 부두, 선적 하역 터미널, 송유관, 가스관, 시추시설, LNG 저장시설, 특정 시설에 대한 주변 모니터링 등이 있다.

이 검지기의 초기 디자인에서는 2-파장 광원을 사용했는데, 하나는 검지을 원하는 가스에 흡수되는 측정파장에 일치시키고, 다른 하나는 시료 가스에 의한 흡수가 일어나지 않는 기준파장에 설정한다. 기기는 역반사체에서 나온 후방산란선(back-scattered radiation)이나 새로운 디자인에서 사용되는 분리된 발신기와 수신기를 이용하여 측정할 대기를 통과한 2개의 신호를 계속적으로 비교한다. 이들 2 신호 사이의 비율은 대기 중의 가스와 일정한 상관관계를 갖는다.

디자인은 안개의 간섭에 취약하다는 단점이 있는데, 이유는 안개의 종류에 따라서 (+) 방향 또는 (-) 방향으로 신호의 비율에 영향을 미치기 때문이다. 이로 인하여 실제 농도 이상의 높은 가스 농도를 인식하여 잘못된 경보를 울리거나, 가스 농도를 실제보다 적게 인식함으로써 경보가 울리지 않게 한다. 최근의 3세대 디자인에서는 모든 종류의 안개와 빗물의 간섭을 보정하기 위해 2개의 기준파장(각기 측정파장의 양옆에 부착됨) 가진 2개의 대역통과 필터를 이용한다. 광선이 부분적으로 가려지는 경우의 허위 경보를 제거하기 위한 동축(coaxial) 형태의 광로 설계나 크세논(Xe) 램프와 반도체식 광센서를 적용함으로써, 햇빛, 배기가스 연소탑(flare stack), 아크 용접, 번개와 같은 다른 광원에 의한 간섭을 제거하여 기존 제품들이 가지고 있던 문제점을 극복하였다

개방공간용
검지기는 광로 안에 있는 가스 전체의 분자 ( 전체 가스의 ) 측정한다. 측정치는 지점형 검지기에서 주어지는 보통의 가스 농도와는 다른, ‘LEL meters’라는 단위로 표시된다.

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개방공간용 유독성 가스 측정기

신뢰성이
높은 근적외선 영역의 반도체 레이저 다이오드 광원과 최신 디지털 신호처리 기술을 이용함으로써 새로운 형태의 광학식 유독가스 검지기 개발이 가능하게 되었다.

가연성
가스의 측정을 위한 적외선 방식의 지점용 또는 개방공간용 가스 검지기는 이미 성공적으로 구축되었고, 많은 석유화학 산업에서도 폭넓게 받아들여졌으며, 측정기술의 실용성과 신뢰성도 인정받았다. 기술을 유독성 가스 측정에까지 확장할 발생하는 가장 과제는 극히 적은 양의 가스가 신뢰성있게 측정되어야 한다는 것이다. 보통 가연성 가스의 농도는 % 수준으로 측정되지만, 대부분의 유독성 가스는 ppm 수준에서 인간에게 유해하다. , 가연성 가스 검지의 경우에 비해 1000분의 1 정도의 낮은 농도를 측정해야 한다.

낮은
농도에서의 감도를 확보하기 위해서는 개방공간용 가연성 가스 검지기에서 사용된 기술을 그대로 적용시켜서는 안된다. 적외선을 이용한 개방공간용 유독성 가스 검지기에서는 광대역 스펙트럼 대역에 대비되는 단일 가스들을 찾을 있도록 새로운 측정원리의 이용을 필요로 한다. 이것은 레이저 다이오드 광원의 사용에 의해서 가능해지는데, 레이저의 출력은 단일 파장에서 모두 유효하므로 빛의 낭비가 없고, 발생된 에너지의 전부가 대상 유독성 가스의 흡수에 이용될 있다. 이것은 가연성 가스 측정 기술에 비해 확실히 향상된 감도를 제공하며, 이상의 성능 향상은 정교한 제어 기술을 통해서 얻어질 있다.

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전기화학식 센서

특정
가스에 반응하는 전기화학식(electrochemical) 센서는 다양한 안전 분야에서 CO, H2S, CI2, SO2 대부분의 일반적인 유독성 가스를 검지하는데 사용될 있다. 전기화학식 센서는 크기가 작고, 구동을 위한 전력이 매우 적으며, 우수한 선형성과 반복성, 그리고 1~3 정도의 비교적 수명을 갖고 있다. T90으로 표시되는 반응속도(, 최종 측정치의 90% 도달하기까지 걸리는 시간) 보통 30~60, 최저 검지범위는 측정대상 가스의 종류에 따라 0.02~50ppm 범위에 있다.


전기화학식
센서는 내장된 전극의 작용에 의해 측정 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 발생하는 전자의 (전류) 측정함으로써 가스의 농도를 검지한다. 전기화학식 가스 센서의 상업적인 디자인은 다양하지만, 아래와 같은 공통된 특징을 가지고 있다:

가스가
확산되는 3개의 전극은 작동전극(working electrode) 대전극(counter electrode) 사이의 효율적인 이온 전도를 위해 농축된 수용성 산이나 용액과 같은 공통적인 전해질에 잠겨져 있다.

개별적인
센서에 따라서 작동전극 표면에서 측정 대상 가스는 산화되거나 환원된다. 이런 반응은 기준전극(reference electrode) 대한 작동전극의 상대 전위를 변화시킨다. 센서에 연결되는 전자적인 구동회로가 가진 주요 기능은 작동전극과 대전극 사이에 전류를 흘려줌으로써 전위차를 최소화하는 것으로, 이때 흘려준 전류는 측정 가스의 농도에 비례한다. 가스는 외부에 있는 확산 배리어(barrier) 통해 센서 내부로 들어가게 되는데, 확산 배리어는 가스가 통과할 있지만 액체의 유입과 유출은 차단하는 구조 재질로 만든다. 많은 제품들에서 모세관 확산 배리어를 채택하여 작동전극에 접촉하는 가스의 양을 제한하고, 그것에 의해 전류측정용(amperometric) 전지로서의 작동을 유지한다.

모든
전기화학식 센서의 정상 작동을 위해서는 최소한의 산소(O2) 필요하다. 비록 전해질이 일정한 양의 용존산소를 포함하고 있어서 산소가 없는 환경에서도 정도의 짧은 시간동안 해당 가스의 검지가 가능하기는 하지만, 모든 교정용 가스에 공기를 주요 구성요소 또는 희석용 가스로 포함하는 것이 권장된다

측정
대상 가스에 대한 선택성을 향상시키기 위해서 전기화학적인 최적화(, 촉매나 전해액의 선택) , 물리적인 흡수 또는 화학적으로 특정한 방해 가스 분자에 반응하는 필터를 삽입한다. 전기화학식 가스 센서를 사용하기 전에, 해당 제품의 설명서를 참조하여 센서에 대한 잠재적인 방해 가스의 영향을 이해하는 것이 매우 중요하다.

수용성
전해액을 전기화학식 센서에 넣으면 온도와 습도 같은 환경적 요인에 민감한 제품이 만들어진다. 문제를 해결하기 위해 특허 제품인 SurecellTM에서는 고온/고습 또는 저온/저습의 환경에서 전해액을 보충하거나 감소시키는 2개의 전해액 저장용기를 내장하고 있다

일반적인
전기화학식 센서는 2 정도의 수명이 보장되지만, 실제의 수명은 대부분 2년을 초과한다. 그러나 감지 반응의 구조상 불가피하게 센서 내부의 부품을 소비해야 하는 산소(O2), 암모니아(NH3), 시안화수소(HCN) 센서 등과 같은 예외도 있다

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켐카세트(Chemcassette®)

켐카세트
(Chemcassette®) 건식 반응매체로 이용되는 여과지 재질의 흡수용 테이프를 사용하여 가스를 측정하는 방법이다. 테이프는 가스 수집 분석의 매체 역할을 하며, 지속적인 운행 모드에서 사용될 있다. 시스템은 전형적인 비색법(colorimetry) 기술에 기초를 두고, 특정 가스들을 극도로 낮은 농도에서 검지할 있다. 기술은 디이소시아네이트(di-isocyanates), 포스겐(COCl2), 염소(Cl2), 불소(F2) 비롯하여 반도체 산업에서 사용하는 수소화물(hydride) 가스 매우 광범위한 종류의 맹독성 물질을 검지하기 위한 용도로 사용된다
.

검지의
선택성과 높은 감도는 원하는 가스에만 민감하게 반응하도록 특별히 조제된 화학물질의 사용에 의해 실현될 있다. 시료 가스 분자가 진공펌프에 의하여 켐카세트를 통과하면, 여과 테이프에 함침되어 있는 시약과 반응하고, 특정한 가스에 한해서 유색의 얼룩을 형성한다. 얼룩의 명암도는 반응 가스의 농도에 비례한다(, 가스 농도가 높을수록 얼룩이 진해진다). 켐카세트의 측정 수준에 맞추어 시료의 채취 간격과 채취 유량을 조심스럽게 조절함으로써 십억분율(ppb, 10-9) 이하의 낮은 농도까지 검지가 가능하다
.

켐카세트에
형성된 얼룩의 명암은 전기-광학식(electro-optical) 시스템으로 측정되는데, 광원에서 나온 빛이 켐카세트 테이프 표면에서 반사되어 광원과 일정한 각도로 설치된 광센서(photo cell) 들어온다. 이때 얼룩이 생성된 곳에서 반사된 빛은 약해지게 되고, 이러한 명암의 감소는 광센서를 통해 아날로그 신호로 측정된다. 신호는 디지털 형태로 변환된 , 내부에 저장된 교정 곡선과 적절한 보상 소프트웨어에 의해 가스 농도로 환산된다. 켐카세트는 빠르고, 민감하며, 특정 가스에 대한 선택성이 우수할 아니라, 가스의 누설이 발생했다는 물질적인 증거(: 켐카세트 테이프에 남아있는 얼룩) 남기는 독창적이고 유일한 시스템이다


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