가스감지기 센서 종류

가스감지기의 센서 종류는 촉매센서(접촉연소식 센서, 촉매연소 센서, Catalytic sensor), 열전도 센서(Thermal conductivity sensor), 반도체 센서(Semi-conductor sensor), 적외선 흡수 센서(Infrared absorption sensor), 전기화학 센서(Electrochemical sensor), 광이온화 감지센서(PID, Photo ionisation detector) 등이 있다.

 

 

 

가스감지기 센서 종류

 

현장에서 일반적으로 많이 사용하는 가스감지기의 센서 종류는 촉매센서(접촉연소식 센서, 촉매연소 센서, Catalytic sensor), 열전도 센서(Thermal conductivity sensor), 반도체 센서(Semi-conductor sensor), 적외선 흡수 센서(Infrared absorption sensor), 전기화학 센서(Electrochemical sensor), 광이온화 감지센서(PID, Photo ionisation detector) 등이 있다.

 

다음 <표 1> 은 가스감지기 센서 종류별 주요내용을 요약한 것이다.

 

<표 1> 가스감지기 센서의 일반적 특징

	접촉 연소식 센서	열전도 센서	적외선 센서	반도체 센서	전기화학 센서	불꽃 이은화 검출기	불꽃 온도 분석기	광 이온화 감지기	상자성 산소 감지기
가스 샘플에서 O2 필요성	있음	없음	없음	(없음)	(없음)	(없음)	있음	없음	해당 없음
일반적 측정 범위 가연성 가스	≤LFL	(0)-100 %	0-(100) %	≤LFL	≤LFL	≤LFL	<LFL	<LFL	해당 없음
일반적 산소 측정 범위	해당 없음	해당 없음	0-(100) %	해당 없음	0-25% (0-100%)	해당 없음	해당 없음	해당 없음	0-100%
측정할 수 없는 가연성 가스	큰 분자		H2		알케인	H2; CO		H2; CO; CH4 IP>X*5	가연성 가스
상대적 응답시간*1	물질에 의해 결정	중간	(낮음)	물질에 의해 결정	중간	낮음	낮음	낮음	낮음~ 중간
비가연성가스의 간섭*2	없음	CO2; 프레온	(있음)	SO2; NOXH2O	SO2; NOX	CIHCs*3; 할론	(할론)	물질 IP>X*5	NO; NO2
오염*2	Si; (Hal*4); (H2S); Pb	없음	없음	Si; (Hal*4); (H2S); Pb	(없음)	(Si)	없음	없음	없음
외부 가스 필요성	없음	없음	없음	없음	없음	있음	있음	없음	(있음/없음)

비고 1 원리 사이의 정성적 비교, 이 값은 흡입 채취용 관에 관련된 시간을 고려하지 않음.

비고 2 표는 보편적 예를 제공

비고 3 염화탄화수소

비고 4 유기 할로겐화 또는 무기 할로겐 화합물

비고 5 IP는 물질의 이온화 전위임. X는 감지기의 UV 램프 에너지

(없음), (있음) 괄호 안의 표현에 대한 정보는 해당 하위절을 참조한다.

 

Source : KS C IEC 60079-29-2:2012, 폭발성 분위기-제29-2부 : 가스 감지기-가연성 가스 및 산소용 감지기의 선정, 설치, 사용 및 유지보수

 

 

촉매센서

촉매센서 작동원리는 일반적으로 450 ℃ ~ 550 ℃ 사이의 온도에서 작동하는 전기적으로 가열된 백금촉매(필라멘트 또는 비드)의 표면에서 공기중의 산소와 가연성 가스의 산화반응으로 발생하는 열에 의한 온도상승에 따른 전기 저항의 변화로 결정된다. 활성 센서의 결과적 전기 지항 변화는 보통 휘트스톤(Wheatstone) 또는 유사 브리지 배치의 균형을 깨뜨려 출력 신호로 전기적으로 변환된다.

촉매센서를 작동시키기 위해서는 제조자가 요구하는 산소농도(일반적으로 10 ~ 15 % 이상) 이상이 되어야 한다. 산화 반응이 발생한다는 사실은 가연성 샘플과 산소 둘 다 공정에 의해 소모되므로 지속적으로 교체해야 하는 것을 의미한다. 그리고 확산 공정 또는 흡입 샘플 흐름에 의해서 연소 생성물을 남긴다는 것을 의미한다. 특히 연소 하한을 넘어선 농도에서 촉매센서(접촉연소식 센서, Catalytic sensor)는 가연성 가스의 농도가 LEL 미만으로 잘못 나타낼 수 있다는 것을 주의한다.

촉매센서는 어떤 오염에 의해 촉매의 영구 또는 일시 억제를 받기 쉬우므로 결국 센서가 가스 존재에 대해 낮은 또는 0 반응을 산출할 수 있다. 보통 ‘촉매오염'으로 알려진 영구 억제는 촉매 표면에 고형 연소물 층을 만들거나, 달리 표면을 변형 시키는 실리콘, 4에틸납, 황화합물 및 유기인화합물과 같은 물질에 노출에 의한 것일 수 있다. 일부의 경우 일시 억제는 예를 들면 할로겐화 탄화수소에 의해 발생할 수 있을 것이다.

촉매연소방식의 장점은 연소과정에 의해 가연성 가스를 검출하는 센서는 오차범위 내의 감도에서 광범위한 가연성 가스의 검출에 적합하다. 단점은 작동원리상 촉매산화에 의하기 때문에 산소가 충분히 있을 경우에만 측정이 가능하다. 연소하한을 넘는 촉매센서는 모호하게 반응할 수 있고, 경우에 따라 측정기는 연소하한값보다 낮은 가연성 가스 및 공기 혼합물의 지시값에도 오차가 발생할 수 있다.

공기 대신 희석되거나 이산화탄소, 질소 등으로 치환된 가스가 포함된 경우는 촉매센서의 응답이 낮거나 거의 없을 수도 있다. 또한, 실리콘, 테트라에틸납, 황화합물, 인에스테르, 할로겐이 포함된 탄화수소와 같은 촉매독소에 의해 촉매센서가 영구적 또는 일시적으로 가스농도가 낮거나 무반응을 일으킬 수 있다.

 

 

열 전도 센서

열 전도 센서의 작동원리는 정속의 가스시료의 흐름 또는 확산 쳄버 내에 위치한 백금의 전기저항 값이 전도에 의한 열 손실로 전기저항 값의 변화에 의해 결정된다. 이 감지기는 공기에 비하여 상대적으로 고농도에서만 공기의 열전도와 많은 차이가 있는 가스를 감지하는데 적합하다. 통상 연소하한 이상의 상대적으로 고농도에서만 공기의 열전도와 많은 차이가 있는 가스에 적합하고, 연소하한값 이하의 가스농도 측정에는 적합하지 않다.

이 방법의 장점은 고농도 측정이 가능하고 가스 흐름에서 산소 함유량과 무관하다. 단점은 가스의 열전도기 공기와 충분한 차이가 없는 경우는 감도가 낮아지고, 혼합가스의 조성비를 모른다면 측정결과의 신뢰도가 부정확할 수 있다.

 

적외선 센서

적외선 센서는 검출된 가스에 적외선 스펙트럼의 에너지 흡수에 의해 검출되어 지시된 가스농도 및 경보에 의한 신호로 검출된다. 장점은 산소 농도와 관계없이 적당한 파장을 선택하여 특정가스를 측정할 수 있고, 단일 성분의 농도를 측정하는 경우 응답시간이 짧은 장점이 있다. 적외선 센서는 샘플을 소모하지 않고 작동을 위해 산소를 필요로 하지 않으며 유속에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 센서 수명은 부식, 오염 또는 기계적 손상이 없는 경우 장기일 것으로 예상된다.

압력 변화가 영점 가스 판독에 영향을 미치지 않지만 일반적으로 감도는 부분압에 비례한다. 이 센서는 압력에 민감하기 때문에 기기의 가스 출구 압력에 대한 변경을 방지하기 위해 주의해야 한다. 간헐적 적외선 빔이나 광음향 원리에 의존하는 일부 유형의 센서는 진동에 영향을 받기 쉽다.

항상 깨끗한 흡입가스 유입을 위해 필터 청소를 자주하여야 하고, 습증기나 이산화탄소 등의 간섭가스 또는 둘 모두가 있는 경우는 심각한 오류가 발생할 수 있다. 따라서 제조자가 제공하는 매뉴얼을 숙지하여 측정오차를 최소화하여야 하고, 수소 측정에는 적합하지 않다.

 

 

반도체 센서

반도체 센서는 가열된 반도체 감지 소자가 가스에 노출될 때 화학 흡수에 의해 발생하는 도전성의 변화로 측정한다. 특정가스의 검출용으로 많이 사용한다. 가연성가스용 반도체 센서는 일반적으로 습도변화와 간섭가스의 모두에 취약하고, 영점과 범위 모두 흔들림이 발생할 수 있다.

 

전기화학 센서

전기화학 센서는 특정가스가 존재할 때 전해질 내의 전극 표면에서 산화/환원반응에 따른 전기적 신호의 변화로 측정한다. 이것의 장점은 전자파 셀은 작은 소비전력을 요하는 소형으로 일부 가스에서 고감도를 보인다. 단점은 탄화수소 대부분을 검출할 수 없고, 전기화학 셀은 사용에 따라 소비되어 보충 또는 교체하여야 한다.

또한 일반적으로 응답시간이 30초 이상으로 길고, - 15 ℃ 이하 또는 50 ℃ 이상에서는 전해물 특성이 나타나지 않아 측정이 불가능할 수 있다. 간섭가스에 의한 오차가 발생할 수 있어 주기적으로 영점 및 스판의 변화에 따른 정기검사 또는 자체교정이 필요하다.

일반적으로 독성가스, 산소농도측정에 사용하고, 산소 검지기는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제241조를 참조한다.

 

특정가스에 반응하는 전기화학식(electrochemical)센서는 다양한 안전분야에서 CO, H2S, CI2, SO2 등 대부분의 일반적인 유독성가스를 검지하는데 사용할 수 있다. 전기화학식 센서는 크기가 작고 구동을 위한 전력이 매우 적으며 우수한 선형성과 반복성을 갖고 있다. T90 으로 표시되는 반응속도(즉, 최종측정치의 90%에도달하기까지걸리는시간)는 보통 30~60 초, 최저 검지범위는 측정대상 가스의 종류에 따라 0.02~50ppm 범위에 있다.

 

 

광 이온화 감지기

광 이온화 감지기의 원리는 파장을 이는 특수 램프에서의 자외선(UV, ultraviolet) 방사에 의한 가스 이온화를 기반으로 하므로 광자 에너지는 보통 전자 볼트 ev(예 : 10.6 eV)로 말한다. 이 램프는 감지기 셀의 한 쪽에 있다. 램프 출력보다 낮은 이온화 전위(IP, Ionization potential)를 갖는 셀에 존재하는 가스 분자는 복사에 의해 이온화되다. 그리고 전기적 전위가 가해진 셀 내의 두 전극 사이에 전류가 흐르고, 전류는 측정하는 물질 농도에 비례한다.

인화성 가스에 대해 측정 원리는 UV 램프의 에너지보다 낮은 이온화 전위(IP)를 갖는 모든 물질을 감지할 수 있다. 그러므로 혼합가스에서 특정 물질의 농도는 측정하기가 곤란한 경우가 많고, 공기 중의 일산화탄소, 수소 또는 메탄을 감지할 수 없다. 고농도 메탄은 이온화를 억제하여 측정값을 감소시킬 수 있다. 따라서 램프나 전지창의 응결 물질, 고체 물질, 손때 등은 자외선 강도를 변경함으로써 감도를 변경할 수 있어 사용설명서를 참조해 주기적으로 청소, 교체 등을 한다.

 

Reference : KOSHA 화공안전 기술편람