공기 냄새 맡기 – 공기의 질 및 안전 모니터링을 위한 센서

입자, 유독 가스 등의 공기 오염 물질은 인체에 유해한 것으로 알려져 있습니다. 반면 산업 내 고농도의 메탄, 프로판 또는 불완전 연소 과정으로부터 발생하는 일산화탄소와 같은 가스는 직접적인 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 주택 소유주, 상업 빌딩 또는 산업 현장 책임자, 시의회, 환경 기관 등 광범위한 그룹이 공기질을 모니터링하고 여러 가스의 존재를 감지할 수 있는 장비에 액세스할 수 있어야 합니다.

공기 오염 연구

세계보건기구(WHO)에 따르면 공기 오염, 특히 입자상 물질(PM)에 인한 오염은 발병 및 사망률 수준과 밀접하게 연결되어 있습니다. 직경 10마이크론(PM10) 또는 25 마이크론(PM25)에 달하는 미세 입자는 건강에 매우 큰 위협입니다. 이 정도 크기의 입자는 차량 및 기타 가정 및 산업 활동으로부터 배출되고 또한 토양이나 모래와 같은 자연으로부터도 발생합니다. 선진국이나 개발도상국의 사람들은 높은 수준의 PM 오염에 노출될 수 있습니다. 유럽 환경청의 2012년 보고서에 따르면 EU 도시 인구 중 80% 이상이 2005년 WHO 공기질 가이드라인을 상회하는 PM 수준에 노출된 것으로 나타났습니다.

시 당국은 공기질을 개선해야 하는 압박을 받고 있습니다. 도심에서 차량 배출 가스의 영향을 줄이기 위해 여러 교통 관련 계획이 시행되었습니다. 많은 도시에서 교통량을 줄이기 위해 혼잡세를 도입하였고 다른 연구와 시범 사업으로는 영국 버밍엄 및 코번트리 의회의 수소 연료 전지 차량 실험과 궁극적으로 전기차의 광범위한 사용을 위한 실용적인 인프라 확충을 목적으로 한 런던의 무선 전기차 충전 시범 사업이 있습니다. 정확한 공기질 데이터는 당국이 이러한 노력의 결과를 평가할 수 있는 핵심 정보를 제공합니다.

공기질 모니터링

실내 공기질(IAQ)에 관한 한 공기 청정기는 가정이나 사무실 내에서 이미 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 공기질을 모니터링하기 위한 스마트 센서를 통합한 고급 시스템이 시장에 출시되었습니다. 이 정보는 화면을 통해 사용자에게 표시될 수 있고 또한 여러 가스와 함께 작은 머리카락, 먼지, 담배 연기 등의 입자를 최적으로 제거할 수 있도록 청정기를 조정하는 데 사용될 수도 있습니다.

한 예로 먼지 센서 Sharp GP2Y1010은 적외선 LED 및 광 트랜지스터를 사용하여 주변 환경에 있는 입자의 존재를 계량화합니다. 모니터링되는 공기 샘플은 그림 1과 같이 IR LED 및 감지기 위에 위치한 센서 인클로저의 일련의 구멍으로 유입됩니다.


입자가 센서를 통과하면서 나타나는 광 트랜지스터의 반응으로 샘플 내 입자의 농도를 가늠할 수 있습니다. 이 센서의 강점은 입자 농도에 비례한 출력을 µg/m³ 단위로 생성할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 공기질 모니터링 시스템의 설계를 단순화시킬 수 있습니다. 왜냐하면 이러한 입자 농도 표시는 공기질 모니터링 응용 제품에서 널리 사용되고 있기 때문입니다.

빌딩 내 재실 인원에 의한 이산화탄소(CO₂) 배출 수준 역시 공기질에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 이는 오피스 건물과 같은 대규모 상업 지구의 경우 특히 더 그렇습니다. 정확한 실시간 CO₂ 감지는 에어컨 및 환기 시스템을 효율적으로 제어하여 빌딩의 공기질을 최적화하고 전반적인 에너지 소비를 최소화할 수 있는 효율적인 도구입니다. T6613 및 T6615 등 Amphenol Advanced Sensors의 Telaire CO₂ 센서를 통해 HVAC 시스템이 수요 기반 환기(DCV)를 제공할 수 있습니다. DCV 시스템에서 센서는 많은 수의 재실 인원이 존재할 때 CO₂ 수준의 상승을 감지합니다. 환기 시스템은 사전 설정된 임계값에 도달할 경우에만 활성화되고 허용 수준으로 떨어지면 다시 꺼집니다. 이 시스템은 재실 인원이 적으면 덜 자주 활성화되어 빌딩의 과다 환기를 방지합니다. 이를 통해 환기 시스템으로 인한 에너지 소비를 줄이고 난방비를 줄일 수 있습니다.

Telaire 센서는 CO₂ 분자가 적외선의 특정 파장을 흡수한다는 사실을 활용한 비 분산 적외선(NDIR) 기술을 사용하여 CO₂ 농도를 감지합니다. 각 센서는 적외선 소스, 특허 받은 도파관, 맞춤 설계된 적외선 필터 및 미세 가공된 열전퇴 감지기를 통합하여 광흡수를 측정함으로써 CO₂ 농도를 계산합니다. T6613 센서는 GE의 특허 받은 ABC Logic™ 자가 보정 알고리즘을 사용하여 센서가 낮은 재실 수준을 기준으로 시간에 걸쳐 계속 보정할 수 있도록 합니다. T6615 센서는 별도의 측정 및 레퍼런스 채널을 가진 이중 채널 장치로 ABC Logic을 사용하지 않고도 긴 시간에 걸쳐 자동적으로 계속 보정할 수 있도록 합니다.

산업 가스 감지

화학 공정, 광업 또는 제조를 포함한 산업 상황에서 가연성 또는 폭발성이 있는 프로판이나 메탄 또는 일산화탄소와 같은 기타 잠재적으로 위험한 가스의 존재는 안전에 위협이 될 수 있으며 즉각 감지되어야 합니다.

유럽의 ATEX 지침은 고용주로 하여금 폭발이 일어날 수 있는 작업장에서 폭발 방지 조치를 시행할 뿐 아니라 근로자를 위한 적절한 보호를 제공할 것을 의무화합니다. 특히 지침 1999/92/EC(폭발물이 있는 환경으로부터 잠재적으로 위험에 처한 근로자의 안전 및 건강 보호 개선을 위한 최소 요건)는 근로자에게 폭발 조건이 발생하기 전에 광학적 또는 음향적 경고가 주어지고 현장으로부터 벗어나도록 할 것을 규정합니다.

인화성 가스 감지기에 대한 BS EN 60079-29-1:2007 성능 요건 및 IEC/EN60079-1 필수 안전 요건(ESR)을 충족하는 적절한 가스 감지 장치는 ATEX 규범에 따라 인증될 수 있습니다. 안전 무결성 수준(SIL) 표준인 EN50402 및 EN61508도 적용 가능합니다.

Parallax는 유해 가스 감지를 위해 설계된 장치 및 시스템에서 사용할 수 있는 다양한 센서를 제공하고 산업 또는 가정 응용 제품에서 사용할 수 있습니다. 한 예로 Parallax 605-00008 가스 센서는 액화천연가스(LPG), 이소부탄, 프로판, 메탄, 알코올 또는 수소를 감지하는 데 적합하고 연기 감지에도 사용할 수 있습니다. 이 센서는 소형 알루미나(Al2O₃) 튜브, 산화 주석(SnO₃) 감지 레이어, 측정 전극 및 발열체로 구성되어 있습니다. 발열체는 감지 부품이 올바른 작동 온도를 유지할 수 있도록 합니다. 그림 2와 같이 회로에 연결될 경우 센서의 저항은 감지된 가스 농도에 따라 달라집니다.

605-00008 센서는 올바르게 보정하면 농도가 사전 설정된 수준을 초과할 때 경보를 울리도록 하는 데 사용될 수 있습니다. Parallax에서는 감지기가 부하 저항(R_L) 5kΩ ~ 47kΩ 사이에서 공기 중 LPG에 대해 1000ppm 또는 이소부탄에 대해 1000ppm으로 보정할 것을 권장합니다. 정확한 설정을 달성하려면 온도 및 습도의 영향도 고려해야 합니다. 가스 민감도 특성 및 온도/습도 의존성은 센서 규격서에 상세히 표시되어 있습니다.


보일러 연소 제어기 또는 항공기 내 산소 생성기 등 기타 응용 제품의 경우 장치의 올바른 작동을 위해 산소 흐름에 대한 정확한 감지가 요구됩니다. Honeywell KGZ10과 같은 산소 센서는 이러한 유형의 응용 제품 중 긴 사용 수명을 제공합니다.

센서에는 작은 밀봉된 챔버를 사이에 둔 두 개의 지르코늄디옥사이드(ZrO₂) 디스크를 포함합니다. 디스크 중 한 개는 가역성이 있는 산소 펌프로 기능하여 챔버를 채우고 비우는 데 사용됩니다. 나머지 디스크는 부분 압력 차이의 비율을 측정하고 상응하는 감지 전압을 생성합니다. 센서의 발열체는 ZrO₂가 작동 온도를 달성하는 데 필요한 700°C를 생성합니다. 대체 전자 화학 센서와는 달리 이 지르코니아 기반 센서는 레퍼런스 갭이 필요 없어 더욱 높은 정확도와 내구성을 제공합니다.

KGZ-10 센서는 센서 작동과 신호 처리를 제어하는 전자 측정 회로로 작동됩니다. 설계자는 이 회로를 하드웨어에 통합하거나 Honeywell의 Oxymac, Elecdit 또는 DE800 인터페이스 기판을 사용할 수 있습니다. 이 인터페이스 기판은 발열체를 위한 제어 회로를 포함한 센서를 작동하고 읽는 데 필요한 모든 기능을 시행하고 또한 기능 테스트 및 보정도 지원합니다. 기판의 신호 처리 섹션은 전압 또는 전류 형식으로 측정한 산소 양의 선형 출력을 생성합니다. DE800 기판은 발열체를 위한 전원 공급 장치를 통합하는 반면 Oxymac50 및 Elecdit 기판은 외부 발열 전원 공급 장치를 필요로 합니다.

결론

가스 및 입자 센서는 공공 및 개인의 건강 목적을 위한 공기질의 측정에 여러 중요한 역할을 담당하고 위험 경고 및 공정 컨트롤러 등 산업 안전 시스템에 핵심입니다. 또한 우수한 공기질 측정 센서는 오피스 또는 많은 사람이 사용하는 기타 빌딩의 운영비와 환경 발자국을 줄이는 데 효과적입니다.