가스농도 측정기기 종류 및 원리에 대하여 기술하시오
가스농도 측정기기 종류 및 원리에 대하여 기술하시오
1. 반도체식 센서
반도체식 센서는 전기전도도의 변화를 이용하는 것과, 정류 특성의 변화를 이용하는 것이 있으며, 일반적으로는 측정 대상 가스가 반도체 표면에 화학적으로 흡착될때 반도체의 전기 전도도가 변화되는 원리를 이용한다.
반도체 구성입자의 경계가 깨끗한 공기 중에 노출 되었을 때에는 공기 중의 산소가 반도체 표면에 흡착되어 전위 장벽을 형성하여 전기 전도도가 낮아진다. 여기에 환원성(가연성)가스가 접촉되면, 반도체 표면에 흡착되었떤 산소가 이 가스와 결합하여 전위 장벽이 저하되기 때문에 전기전도도가 높아지게 되며, 이 상태의 전기 전도도를 측정하면 해당 가스의 농도를 알 수 있다.
반도체 방식의 센서는 구조가 간단하고, 자동화에 의한 대량생산이 가능하므로 가격이 저렴하며, 응답속도가 비교적 빠른 장점이 있다. 그러나 측정 원리상, 모든 환원성 가스에 대하여 반응이 일어나게 되므로 선택성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 히터 인가 전압을 조정하여 특정 가스만 반응하도록 감지센서의 온도를 변화시키거나, 특정 가스에 대해 선택성이 있는 모재료와 촉매를 사용하는 방법으로 방해 성분에 의한 영향을 제거시키고 있다.
구조적인 이유로 인하여, 온도 및 습도 등 주위 환경에 의한 영향을 받고, 다른 가스에 의한 측정장애가 심하고, 표면 오염으로 인한 영점의 전이가 심하여 낮은 동도의 정밀 측정에는 적용이 제한된다. 또 센서의 개별적인 편차가 심하고, 재현성이 떨어져서 민수용이나 고농도의 가스누설 탐지에 사용된다.
미국과 유럽 공동체에서는 인명 보호를 위한 산업용 안전기기에서는 이방식을 사용하지 않는다.
2. 열전식 센서
측정하고자하는 가스의 가연성이나 비열, 열전도도의 차이에 따라 검출 소자의 온도 변화를 유발시킴으로써 전기적 저항이 변화하는 성질을 이용한다.
구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 다른가스에 의하여 측정상의 교란을 받는 경우가 많고, 측정지점의 주위환경에 의한 영향이 많기 때문에 특정 성분의 가스를 선택적으로 측정하는 용도에는 사용이 어렵다. 이 방식의 센서는 수소, 헬륨, 이산화탄소와 같이 비열이 매우큰 가스의 농도 측정이나, 가스 조성의 변화 추이 등을 검출하는 용도에 사용된다.
이 방식의 센서는 접촉 연소식, 촉매 연소식, 촉매 산화식 등의 다양한 이름으로 불리운다. 이 센서는 비교적 감도가 높고, 가스농도에 대해 직선적인 출력을 나타내는 반면, 습도에 민감하고, 고농도의 가스에는 적용이 어려우며 기계적 충격에 약하다. 접촉연소식 센서는 최저 폭발한계농도를 정밀하게 측정하는 대표적인 가연성 센서로 사용된다.
3. 전기 화학식 센서.
측정대상가스의 산화 환원반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 측정한다.
그 구조는 측정물질의 산화가 일어나는 감응전극(Sensing Electrode), 감응전극에 외부로 부터 전압을 걸어 줄 때 기준이 되는 기준전극(Reference Electrode), 감응전극에서 흐르는 전류만큼의 대응 전류를 흘려줌으로써 평형을 유지시키는 대전극(Counter Electrode) 로 구성된다.
예를 들어, 일산화탄소의 경우, 외부 가스 중에 포함된 일산화탄소 성분이 센서의 내부 감응전극에 확산되어 도달하면, 다음 반응식과 같이 전극 표면에서 CO가 CO2로 산화되고, 그 결과 전자가 발생한다.
감응전극에서의 반응 : CO +H2O ->CO2+2H+ +2e-
대전극에서의 반응 : 1/2O2 + 2H+ + 2e - -> H2O
이때, 대전극에서는 감응전극의 반응과 평형을 유지하기 위하여 공기 중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응을 수행한다. 결국, 이산화탄소 센서는 가스의 일산화탄소 농도에 비례하는 전기적 신호(전류)를 발생하므로 이 전류를 측정하면 일산화탄소의 농도를 알 수 있게 된다.
이 방식의 센서는 전해액에서 산화 환원반응을 일으키는 다른 가스들의 영향을 배제하는 것이 어려웠기 때문에 측정가스의 조성에 따라 사용이 제한되어 왔으나, 근래에는 간섭을 일으키는 가스를을 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 개발되어 낮은 농도의 유독 가스를 정확하에 측정할 수 있게 되었다.
정전위 전해식 센서는 개별 편차가 매우 적고, 재현성이 매우 우수하며, 주위 환경에 대하여 매우 안정적으로 작동될뿐아니라, 신호가 직선적이고, 구조 및 취급이 간단하고 산업현장에서 유독성 가스의 농도를 감시하는 용도에 널리 사용된다