측정원리 및 특성

촉매산화식 센서 (접촉연소식)

현재 거의 모든 저가의 가연성 가스 센서들은 전기-촉매식(electro-catalytic type)이다. 이것은 ‘비드(bead)’, ‘Pellistor’, ‘Siegistor’ 등으로 일컬어지는 작은 구슬형 검출 소자로 만들어지는데, Pellistor와 Siegistor는 상업적으로 고안된 등록상표이다. 이 센서는 전기에 의해 가열되는 백금선 코일로 만들어지는데, 그 위를 알루미나(Al2O3)와 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 때 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 수 있다.

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

촉매식 센서는 촉매를 비활성화(de-activate) 또는 피독(poison)시키는 실리콘(Si), 황(S), 납(Pb)과 같은 물질에 의해 급속하게 손상되어 성능을 잃을 수 있다. 따라서 촉매식 센서의 안정적인 작동을 위한 향후의 개선 방향은 이러한 피독 물질들에 대한 저항성을 향상시키는 것이다.
반응 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 수 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%에 이르기까지의 시간을 반응속도로 정의하여 T90 값으로 표현하는 경우가 많다. 보통 촉매식 센서의 T90 값은 20~30초 사이에 있다.

(주의 : 미국이나 몇몇 다른 국가에서는 T60 값을 사용하는 경우가 있으므로, 서로 다른 센서의 성능을 비교할 때에는 주의가 필요하다).
교정
촉매식 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 및 교정은 농도가 정확하게 검증된 표준 혼합가스를 사용하여 제어장치의 영점(zero)과 기울기(span) 수준을 올바르게 설정함으로써 완료된다.

각종 가스관련서적과 같은 지침들에서는 점검 및 교정의 횟수와 경보 수준의 설정에 관해 제시하고 있다. 보통의 점검은 매주 단위로 이루어 지 는데, 점검 주기는 조작 경험이 많아질수록 연장될 수 있다. 한편, 2개의 경보 수준이 요구되는 곳에서는 보통 하위수준(1차 경보점)을 20~25% LEL로, 상위수준(2차 경보점)을 50~55% LEL로 설정한다.

과거의 저렴한 시스템들은 점검과 교정을 위해서 2명의 인원을 필요로 하였다. 한 사람은 센서를 가스에 노출시켜야 하고, 다른 한 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 1인 교정이 가능한 기기들이 많이 개발되어 있다. 이것은 특히 해상 유전이나 가스전과 같이 센서의 장착이 어려운 곳에서 관리 시간과 비용을 상당히 절감할 수 있게 한다.

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

반도체식 센서

1980년도 말에는 반도체 재료로 만들어진 센서가 많은 관심을 받았으며, 어느 시기까지 가장 일반적이고 저렴한 가스 센서로서의 가능성을 보였다. 이 방식의 센서도 촉매식 센서와 마찬가지로, 가열된 산화물 표면의 가스 흡착 작용에 의해 작동한다. 이 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℃의 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 수 있다. 이 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. 이 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.

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 가스는 검지가 어렵다. 이산화탄소(CO2)나 부탄(C4H10)과 같이 대기보다 낮은 열전도율을 가진 가스는 수증기의 방해로 인해 검지가 어렵다. 공기를 포함하지 않은 두 가지 가스의 혼합물도 이 방식의 센서를 이용하면 측정할 수 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.

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, 이 기술은 산업용 가스 검지기 제품들에도 적용되고 있다.

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

이 기술은 2-파장 적외선 흡수 원리로 작동한다. 2개의 파장을 가진 빛이 시료 가스를 지나갈 때, 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, 방폭 창(window)을 통해 공통의 광 경로를 거쳐 시료 가스를 지난다. 시료를 통과한 빛은 역반사체에서 반사되어 시료 가스를 한번 더 통과한다. 마지막으로 시료 가스에 흡수되고 남은 측정파장과 기준파장의 광도를 비교하는데, 이 둘의 차를 이용하여 가스 농도를 측정하는 것이다.

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

전기화학식 센서

특정 가스에 반응하는 전기화학식(electrochemical) 센서는 다양한 안전 분야에서 CO, H2S, CI2, SO2 등 대부분의 일반적인 유독성 가스를 검지하는데 사용될 수 있다. 전기화학식 센서는 크기가 작고, 구동을 위한 전력이 매우 적으며, 우수한 선형성과 반복성, 그리고 1~3년 정도의 비교적 긴 수명을 갖고 있다. T90으로 표시되는 반응속도(즉, 최종 측정치의 90%에 도달하기까지 걸리는 시간)는 보통 30~60초, 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 잠겨져 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 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)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 전류측정용(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.

일반적인 전기화학식 센서는 2년 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.