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가스검지가필요한장소

가연성 가스센서
과거에는 화염의 전파를 억제하기 위해 촘촘한 금속망으로 둘러싼 화염 안전램프(flame safety lamp)를 사용했는데, 오랜 시간동안 이것은 지하 탄광과 하수구 등에서 가연성 가스검지기의 역할을 맡아왔다.

이램프는 원래 어두운 장소에서의 조명을 목적으로 만들어졌지만 사용자의 경험이나 교육수준, 나이, 색깔 식별 능력등에 따라 25~50% 이내의 정확도로 가연성 가스의 농도를 측정할 수 있었다. 현대의 가연성 가스 검지기는 이것보다 더욱 정확하고 신뢰성과 반복성을 갖춰야 하기 때문에, 예를 들어 안전램프에 화염 온도센서를 부착하는 것과 같 은다양한 개선시도에도 불구하고, 거의 모든 안전램프는 현대적인전자 기기들로 대체 되었다.

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

촉매식 센서
현재 거의 모든 저가의 가연성 가스 센서들은 전기-촉매식(electro-catalytic type)이다. 
이것은 ‘비드(bead)’, ‘Pellistor’, ‘Siegistor’등으로 일컬어지는 작은 구슬형 검출소자로 만들어지는데, Pellistor 와 Siegistor는 상업적으로 고안된 등록 상표이다.

이 센서는 전기에 의해 가열되는 백금선 코일로 만들어지는데, 그 위를 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 베이스로 감싸고, 최종 코팅 물질로는 산화토륨(ThO2) 지지층에 분산된 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)  촉매를 사용한다.

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

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

가열된 검지 엘리먼트는 시료에 노출 되어 있고, 기준 엘리먼트는 밀봉된 공간에 들어 있다. 만약 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 높다면 검지 엘리먼트의 온도는 상대적으로 떨어진다. 반대로 시료 가스의 열전도율이 기준 엘리먼트보다 낮다면 검지 엘리먼트의 온도가 상대적으로 높아진다. 이때 온도의 변화량은 검지 엘리먼트에 존재하는 시료 가스의농도에 비례한다.

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

적외선식 센서는 촉매식 센서에 비해 여러가지 중요한 장점들을 가지고 있다.
신속한 반응(보통10초이내)과 적은 정비, 손쉬운 점검, 마이크로 프로세서로 작동 되는기기의 자기진단 기능의 사용등이 대표적인 장점이다. 또한 이 센서는 알려진 모든 피독성 물질의 영향을 받지 않는디자인이 가능하며, 오작동이 거의 없고 불활성 분위기 안에서나 넓은 범위의 주변온도, 압력, 습도 조건에서도 정확하게 작동한다.

이 기술은 2-파장 적외선 흡수 원리로 작동한다. 2개의 파장을 가진 빛이 시료 가스를 지나갈때, 그 중 하나는 검지할 가스에 흡수되는 측정파장’에 설정하고, 다른 하나는 시료 가스에 의한 흡수가 일어나지 않는 ‘기준파장’ 으로 고정한다. 2개의 광원은 서로 교대로 켜지며 방폭창(window)을 통해 공통의 광경로를 거쳐 시료 가스를 지난다. 시료를 통과한빛은 역반사체에서 반사되어 시료 가스를 한번 더 통과한다.

마지막으로 시료 가스에 흡수되고 남은 측정 파장과 기준 파장의 광도를 비교 하는데, 이 둘의 차를 이용하여 가스 농도를 측정하는 것이다.  적외선식 검지기는 이원자 가스 분자만을 검지할 수 있기 때문에 수소의 검지에는 적합하지 않다.

전기화학식 센서
특정가스에 반응하는 전기화학식(electrochemical)센서는 다양한안전분야에서 CO, H2S, CI2, SO2등 대부분의 일반적인 유독성가스를 검지하는데 사용할 수 있다. 전기화학식 센서는 크기가 작고 구동을 위한 전력이 매우적으며 우수한 선형성과 반복성을 갖고있다. T90으로 표시되는 반응속도(즉,최종측정치의90%에도달하기까지걸리는시간)는 보통30~60초, 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 때 발생하는 전자의 양(전류)을 측정함으로써 가스의 농도를 검지한다. 전기화학식 가스 센서의 상업적인 디자인은 다양하지만 아래와 같은 공통된 특징을 가지고 있다

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

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

모든 전기화학식 센서의 정상 작동을 위해서는 최소한의 산소(O2)가 필요하다. 비록 전해질이 일정한 양의 용존산소를 포함하고 있어서 산소가 없는 환경에서도 몇 분 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(즉, 촉매나 전해액의 선택)나 물리적인 흡수 또는 화학적으로 특정한 방해 가스 분자에 반응하는 필터를 삽입한다. 전기화학식 가스 센서를 사용하기 전에 해당 제품의 설명서를 참조하여 각 센서에 대한 잠재적인 방해 가스의 영향을 이해하는 것이 매우 중요하다.

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

일반적인 전기화학식 센서는 2년 정도의 수명이 보장되지만 실제 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.