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[전자공학,센서공학,환경공학]CO2센서를 이용한 질식방지시스템 평가B괜찮아요

NDIR CO₂센서를 이용한 질식 방지 시스템The Suffocation Prevention System using a NDIR CO₂Sensor洪政杓 ?趙哲雄( Jung-Pyo Hong ? Chul-Woong Cho)요약 - 인간이 실내에서 생활하는 시간이 하루의 90% 이상을 차지하는 현 추세에 실내 공기오염은 대단히 중요한 현실이다. 본 논문은 실내 공기오염 물질중 이산화탄소를 측정하는 것으로, 이산화탄소는 무색무취여서 인간이 이산화탄소에 중독되는 것을 미리 인지하는 것은 많은 어려움이 있다. 이러한 무색무취의 이산화탄소 측정을 위해 비분산 적외선 흡광방식 이라 불리는 NDIR(Non Dispersive Infrared) 방식을 이용하는 CO₂센서모듈을 이용 질식 방지 시스템을 구성하였다.Key Words : CO2, Sensor, Suffocation, Ventilation, NDIR1. 서 론우리는 현재 21세기 정보화 선진국 대열에 위치한 나라로 IT강국으로 통하고 있다. 고도 정보화 사회로 발전하면서 기술은 발전에 발전을 거듭해 왔으나, 반면 기술의 바탕인 작업환경의 발전은 예전과 똑같은 실정이다. 실내공기 역시 마찬가지이다. 현대인들은 하루의 90% 이상을 실내에서만 생활하며, 많은 먼지와 각종 오염 물질에 노출되어 있다. 그 실례로 '빌딩증후군'이란 것이 있으며, 건물 내 거주자들이 일시적 또는 만성적인 건강과 관련된 증상을 호소하면서 이러한 증후군이 발견되었다. 또한 컨테이너에서 작업 시 발생할 수 있는 이산화탄소 과다 누출과 화재 및 각종 재품의 부식으로 발생하는 이산화탄소과다 누출의 경우 중 밀폐된 작업장이나 컨테이너에서 발생하는 경우를 기반으로 질식 방지 시스템 연구에 착수 하게 되었다. 실내공기오염의 주원인 물질로는 산업화에 따른 오염물질과 단열화, 밀폐화에 따른 환기부족, 실내흡연, 연소기구의 사용, 오염된 외부공기의 실내 유입 등이 가장 큰 원인으로 작용하고 있다[1]. 소량의 이산화탄소 흡입은 가벼운 대사 장해를 일으키고 있다. 이중 광학적 방법은 특정파장에 대한 분석 및 대상가스의 흡수 또는 방출현상을 이용하는 방법이다. 광학적 측정방법에는 적외선 흡광법과 자외선 흡광법이 주로 이용되고 있는데, 자외선 그림 . 가스별 적외선 흡수 스펙트럼흡광법의 경우 감도는 좋으나 타성분에 의한 방해가 심하기 때문에 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 HC 계열의 가스 측정에는 비분산적외선(Non dispersive infrared)법이 주로 이용되고 있다. 비대칭구조를 갖거나 3원자 이상의 분자들은 진동상태가 양자화되어 있다. 이 진동에너지 양자는 원자간의 결합세기(k)와 원자들의 질량(m)에 의해 정해지므로 분자종류에 따라 고유한 특징을 가지고 있다. 이 분자들은 자신에게 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는데 빛의 경우 적외선영역(0.8～35μm)의 빛이 진동에너지로 흡수된다. 대기 중의 대부분의 오염가스들은 독특한 적외선 흡수 스펙트럼을 갖는다. 그림 1은 여러 가스들의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 빛이 흡수되는 농도와 흡수도 사이에는 Beer-Lambert 법칙이 성립된다.(1)식 (1)에서 I는 검출소자에 입사되는 빛의 강도이고 Io는 CO₂ 농도의 초기 측정치, K는 적외선의 CO₂흡수계수, L은 Cell의 길이, C는 CO₂농도이다[2]. 그림 2는 NDIR CO2센서 모듈에서 사용되는CO2센서의 검출과정 그림이다.CO₂센서는 InfraTec 사에서 나온 LIM262이며, 듀얼 방식을 사용하고 초전효과를 통해 얻어진 데이터를 OP AMP를 통해 증폭 후 출력을 해준다. 여기서 초전효과란 강유전체가 적외선을 받으면 그 열에너지를 흡수하여 자발분극(自發分極)의 변화를 일으키고 그 변화량에 비례하여 전하가 유기된다. 그 현상을 초전효과라고 한다[3].NDIR CO₂센서 모듈은 듀얼 빔 비 분산 적외선 방식을 사용하고 있으며, 초기 메인 전원 8[V]그림 . 듀얼 방식의 NDIR CO₂센서에서 14[V]이내 전압 인가 후 2～3분간 초기 안정화 과정을 거치고, 약 30초 이후 환기장치와 접목시켰다. 기존의 환기장치 경우 천장 또는 내벽의 상단에 설치되어 이산화탄소의 여과가 신속하고 효과적으로 이루어지지 않았지만 본 논문에 구현하는 질식 방지 시스템의 환기장치에서는 이산화탄소의 특성을 이용하여 기존의 환기장치와 달리하여 내벽의 하단에 설치하였고, 팬과 연결된 또 다른 환기구멍을 만들어주어 오염된 가스의 배출이 원활하도록 만들었다. 다음 표 2는 기존의 환기 시스템과 질식 방지 시스템과의 환기능력의 차이를 나타내었다. 이와 함께 질식 방지 시스템에서는 고효율성이 입증된 환기 장치의 성능을 응용하여 밀폐 공간상 이산화탄소의 적정 농도 유지를 보다 개선하였으며 또한 밀폐공간상의 이산화탄소 과다 누출 시에 환기장치의 문제점을 이산화탄소의 특성과 접목시켜 기존 환기장치에서의 실내공기 여과능력을 50% 정도 끌어올렸다.4.3 경보 및 출입구 장치기존의 밀폐공간에서는 이산화탄소가 사람에게 과다 누출 되었을 경우에 밀폐 공간 안의 사람이 위험을 인지하는 것에 대해서 고려치 않거나 또는 부분적으로 경보장치정도를 만들어 놓은 선에서 끝나는 경우가 과반수였다. 실제 문제가 발생시 밀폐 공간 안에서 사람이 위험 상황 대처 및 판단에 대해 크게 도움이 안 되거나 또는 혼란을 초래하였다. 본 논문에서 구현하는 질식 방지 시스템에서는 이러한 문제를 개선하기 위해서 경보장치와 더불어 방향등 및 자동문을 함께 설치하였다.1) 경보장치밀폐 공간에서 작업 중인 사람에게 이산화탄소 과다 누출의 위험을 인지시키기 위해서 경보음을 발생 시켜주며, 자동문 작동 시 열림과 닫힘을 확인할 수 있도록 기존보다 고출력의 경보음을 발생시켜준다.2) 방 향 등밀폐 공간에서 작업 중인 사람이 이산화탄소 과다 누출 시 경보장치를 통해 상황을 인지하지만 화재와 같은 경우 평소와 같이 출구를 정상적으로 찾기 불가능한 사람에게 출입문으로 향하는 방향을 안내하는 역할을 하여 보다 신속하게 상황 판단 및 대피를 위한 길을 안내하여 주는 역할을 한다.3) 자 동 문기존의 환기 시스템의 경우 밀폐 49초CO2 상측부38초41초53초59초CO2 중앙부17초19초25초29초CO2 하측부20초31초44초55초그림 . 25℃의 온도 조건에서 참조가 되는 신호터 시트에서와 같이 CO₂센서에서 감지되는 이산화탄소의 농도의양에 따라 아날로그 출력 값은 1[V]에서 4[V]까지 서서히 증가하는 것을 표 3과 같이 확인할 수 있었다. 단계 실험에서는 밀폐공간상에서의 센서의 최적에 설치조건을 찾기 위하여 센서에서 이산화탄소가 가장 짧은 시간에 측정되는 위치를 실험하였다. 각각의 위치 기준은 이산화탄소의 무게가 공기보다 약 1.529배 무겁다는 특성을 반영해 밀폐 공간 모형의 내벽 10cm의 간격으표 5. 팬 작동여부에 따른 결과CO2농도(ppm)CO2여과시간팬 미 작동2000～7003 분팬 1개 작동2000～7001분 48 초팬 2개 작동2000～70031 초(단, 이산화탄소 농도는 참조값)로 하였다. 표 4는 위치변화에 따른 결과이다.2단계 실험에서는 온도변화 실험에 들어갔으며 위치 변화와 같은 결과 값을 통해서 최적의 설치조건을 도출 하였다.3단계 실험에서는 임의의 이산화탄소농도의 유지 점을 1000PPM으로 정하고 그 임의 지정한 농도를 유지하기 위해서 밀폐 공간상에서의 팬을 부착하였다. 팬은 밀폐공간 모형의 크기를 고려하여 CPU 쿨러로 사용되는 팬을 사용하였으며, 팬의 평균 회전수(Speed)는 4000RPM 이고 최대 풍량(Air Flow) 은 8.34 CFM이다. 팬의 위치는 이산화탄소가 공기보다 약 1.529배 높다는 이론을 배경으로 하단에 설치하였다. 우선 팬을 작동하지 않은 채 밀폐 공간 안의 이산화탄소의 농도를 측정한 후 부착된 팬을 작동하여 측정된 데이터는 표 5의 결과를 통해서 알 수 있듯이 밀폐 공간 안의 이산화탄소의 농도와 양이 줄어들기는 하였으나 밀폐 공간 안의 이산화탄소 농도가 여과되는 시간이 길고 임의로 지정된 1000PPM미달하여 바깥쪽에 팬을 하나 추가 장착하였다. 표 5에서 보이는 것과 같이 설정하였던 이산화탄소의 임의의 지정한 유지다. 또한 환경보건학과 공조하여 보다 폭넓은 연구가 필요할 것이다.참 고 문 헌[1] 이태규, “실내 공간 공기오염의 특성에 관한 연 구”, 용인대학교 교육 대학원, 2002.[2] 이준성, “초전형 적외선 센서를 이용한 CO2 가 스 농도 측정시스템”, 수원대학교 대학원 전자 공학과 석사학위 논문, 2003.[3] http://www.koreadigital.com[4] http://www.posonecac.co.kr[5] 손복순, “환경보건학개론”,동화기술, 2002.저 자 소 개부록A-1.회로도부록A-2.회로도부록 B. 기판들 사진과 완성작품 사진1. 완성된 기판 사진2. 작품 완성 사진부록 C. 프로그램;###########################################;### A/D 설정에 따른 LED 구동하기;### ###;### CPU = 89C51 OSC = 12.0000 1;### INTER.RAM = 256 BYTE###;### EXTER.RAM = 128 BYTE###;### INTER.ROM = 8K BYTE 05/05/02 ###;###########################################;;I/O PORT ADDRESS DEFINEORG20HDISPEQU20H ;표시데이타TEMPSEQU27H;센서 설정값ADCVT1EQU2AH;센서저장 메모리KEYDATAEQU2BHICNTLEQU30H;TIMER INT 1ICNTHEQU31HRPMFLGEQU32HTMCNTEQU33HTIMCNTEQU34H;타임머 FLGTEMPEQU35H;현재상태OPFLGEQU36HCLOFLGEQU37HWCLPFLGEQU38HPRDEQUP3.7 ;A/D 읽기PWREQUP3.6 ;A/D 쓰기PCSEQUP3.2 ;A/D 시작하기;============================; MAIN PROGRAM;============================ORG0000JMPSTART;PROGRAM START;ORG3;EXTERNAL INT 0RETI;OON

공학/기술| 2005.09.04| 14페이지| 3,000원| 조회(954)

전자공학, 공기정화, 이산화탄소센서, 센서응용, 질식방지

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