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| A. 노점계 (Dew Point Analyzer)란? 1. 노점이란? 일반적으로 상대 습도를 측정할 때 퍼센트(%) 단위를 사용합니다. 그러나 기체에 포함된 수분이 아주 낮을 때는 0.0001%라는 식으로 표현하는 %단위는 아주 불편하게 됩니다. 이를 더 낮은 수치를 표현하는 단위로 PPM (Parts Per Million), mg/1나 g/M³ 등을 주로 사용합니다. 이 단위는 과학적 목적으로는 많이 사용되나 산업 현장에서는 그 개념적 차이로 그리 편리하지 못하며, 또한 기체 내의 수분이 미치는 영향이 결로와 관계가 있는 경우가 대부분이므로 주로 노점 온도 (Dew Point Temperature)로 표현합니다. 노점 온도란 공기 중에 일정량의 수분이 포함되어 임의의 상대습도 값을 나타낸다고 했을 때 상대습도(Relative Humidity)는 온도의 변화에 따라 변화하고 절대습도 (absolute Humidity)는 항상 일정하게 됩니다. 기체의 온도를 점차 내리게 되면 상대 습도는 점차 올라가게 됩니다. 즉 온도가 낮아지면 그 기체 속에서 기체 상태 (Water Vapor :수증기)로 존재할 수 있는 물분자의 양은 점차 줄어들게 되기 때문입니다. 계속해서 온도를 내리면 상대습도는 100%가 되고 수분은 기체에서 액체 형태로 바뀌어 결로가 생기게 됩니다. 이것이 바로 이슬입니다. 이렇게 이슬이 생기는 점을 노점온도 (Dew Point Temperature)혹은 노점이라고 합니다. 따라서 그 기체 속에 포함된 물분자가 많으면 온도를 얼마 내리지 않아도 곧 포화습도가 되어 결로가 생기기 시작합니다. 즉 노점온도가 높다는 것입니다. 2. 노점계 (Dew Point Analyzer)란? 통상 노점계는 아래로 섭씨 -70 ∼ -100도까지 측정하는 것이 일반적인데 -70도 정도의 노점온도는 기체 속에 포함된 물분자의 양이 대기압 15도에서 리터 당 0.002mgwjd도이며, 대기압에서 부피로 2.7 ppmV 정도이며, 증기압(Vapor Pressure)으로는 -0.018mmHg 정도이며 상대 습도로는 상온인 25도에서 0.008% 정도 되는 샘입니다. 이러한 극소량의 수분을 측정하는 것이 곧 노점계입니다. 3. 이러한 노점계를 어디에 사용합니까? 노점계는 기체 속에 포함된 수분의 관리가 필요한 곳이면 어디든지 사용하게 됩니다. 가장 큰 적용 분야가 압축 공기 건조기 분야입니다. 노점계를 이용하여 출구측 공기의 건조 상태를 감시할 수 있고 건조 상태가 나빠지면 건조제 재생을 하도록 하는 디만드 제어도 할 수 있습니다. 그 외에도 플라스틱 건조 설비, 반도체 제조 설비, 천연 가스 공정, 석유 화학의 원료 기체, 클린룸(Clean Room) 생산 공정, 고전압 차단기 및 변압기의 절연 가스 등 산업용으로 광범위하게 사용됩니다. B. 수분 측정과 노점 (Dew Point)센서 1. 기체의 수분 측정 방법 일반적으로 사용되는 절대 습도나 상대 습도의 측정과 같이 대단히 높은 함량의 수분 측정에서부터 수 ppm정도의 초미량의 수분을 측정하기 위해서는 여러 가지 방법이 사용됩니다. 현존하는 미량 수분 측정에는 건습구, 포화염, 분광법, 냉가경, 전기 분해법, 피에조 흡착법, 산화 알미늄 등이 있습니다. 1) 건습구(Psychrometry) 흔히 사용하는 상대습도 측정방법으로 건조한 상태의 온도를 측정하는 온도계(건구)와 물에 젖은심지로 싼 젖은상태의 온도계(습구)를 조합함으로써 두 개의 온도 측정치의 비교로 이루어집니다. 일정한 온도, 압력 하에서 기체가 갖는 습도에 따라 기화하는 물의 양이 비례하고 이로 인한 기화열로 인해 습구의 온도가 떨어지게 되므로 습도가 낮을수록 편차 온도가 커지게 됩니다. 이러한 방법으로 측정된 상대 습도로부터 압력, 온도를 대입하는 절대 습도로 환산할 수 있습니다. 이런한 방법에는 물의 순도, 심지의 상태 등으로 인해 오차가 발생하게 됩니다. 2) 포화염(Saturated Salt) 가열식 염화 리튬(Lithium Chloride)센서는 내부에 온도 센서를 내장한 튜브 현상으로 되어 있고 그 외부에 염화 리튬 액을 머금은 유리등의 편조섬유로 싸여 있습니다. 그 외부에 가열을 위한 열선이 위치합니다. 염화 리튬은 약 11%의 상대 습도에서 평형(Equilibrium)을이루므로 서서히 가열을 하여 염화 리튬의 전기 저항이 최소가 됨을 측정하여 평형을 이루는 것을 검출하고 이때의 온도로 기체 중에 포함된 수분을 측정하는 방법으로 건축물의 공기 조화용 센서로 광범위하게 사용되나 액체 상태의 물에 의해 염화 리튬 용액이 쉽게 씻겨버릴 위험이 있어 그 사용이 제한되기도 합니다. 3) 분광법(Spectroscopic) 분광법은 기체 속에 포함된 수분의 증기압에 의해 에너지를 흡수하는 현상을 이용한 것으로 일정한 에너지를 발생하는 장치와 센서로 구성되며 특정한 파장의 분광된 빛이 수분이 포함된 기체를 통과할 때 감쇄되는 양을 측정하는 방식으로 대단히 고가의 장비입니다. 4) 냉각경(Chilled Mirror) 이 방식은 냉각된 거울면에 결로가 생기는 온도를 측정하는 방식으로 아세톤, 드라이아이스,전자식 냉각기 등으로 표면이 냉각된 거울 표면에 수분이 포함된 기체를 공급하면서 서서히 거울 표면 온도를 내리면 기체가 갖는 노점에서 거울 표면에 결로가 발생하게 되며 이를 시각적으로 혹은 전자적으로 측정하면 이때의 온도는 바로 노점 온도가 됩니다. 이 방식은 상대적으로 간단하면서도 거의 0.5℃ 수준의 정밀도를 얻을 수 있으며 넓은 측정 렌지로 인해 실험실용으로 광범위하게 사용되는 방식입니다. 그러나 기체의 순도가 떨어질 경우 다른 물질에 의한 결로로 인해 수분 함량 측정 밀도가 떨어지게 됩니다. 5) 전기 분해법(Electrolytic) 이 센서는 인산화합물 박막으로 코팅된 두 개의 코일 사이에 전압을 걸면 주위 공기 중의 수분은 이 흡습제가 흡수하게 되고 걸려있는 전압으로 인해 수소와 산소로 전기 분해가 이루어집니다. 전기 분해에 흐르는 전류는 수분의 양과 비례하게 됩니다. 이 경우 측정 기체의 압력과 유량을 대단히 정밀하게 조정하여 표준 장치와 일치하도록 켈리브레이션을 하여야 합니다. 6) 피에조 흡착법(Piezoelectric Sorption) 이 방식은 전자식 발진자(Electronic Oscilator)로 사용되는 수정 발진자의 습도 대비 발진주파수의 변화를 측정하는 방식으로 흡습제가 도포된 정밀하게 조합된 두 개의 크리스탈에 한쪽은 표준 기체를 공급하고 다른 한쪽 측정 기체를 공급하여 전자적 발진 회로로 고유의 발진 주파수를 측정하여 비교하는 방식입니다. 7) 신화 알미늄 방식 (aluminum Oxide) 이 방식은 두 개의 전극 사이에 흡수성이 강한 산화 알미늄 박막을 두고 이 박막이 수분을 흡수하였을 때 두 전극 사이의 유전율이 변화함으로써 용량의 변화를 측정하는 방식이다. 산업용 현장 계측기로 가장 일반적으로 사용되고 있는 방식이며 상세한 박식이나 원리에 대해서는 별도 자료에서 자세히 설명합니다. 2. 산화 알미늄 노점 측정 센서의 원리 거의 모든 노점(Dew Point)센서는 어떤 물질이 수분을 흡수하면 그 물질의 유전율이 달라지는 특성을 이용한 것입니다. 즉 두 개의 도체 사이에 어떤 물질을 넣으면 그 물질이 유전체가 되어 두 개의 도체 사이에 정전 용량 (Capacitance;콘덴서)이 형성됩니다. 이때 금속판은 물분자가 잘 통과하여야 하고 이 유전체 물질은 물분자를 잘 흡수하는 물질이며 흡수한 물의 양에 따라 정전 용량 값이 크게 변화하게 되면 결국 그 센서의 주위 공기의 습도(혹은 노점)를 측정할 수 있게 되는 것입니다. 3. 고성능 센서의 특성 이 유전체 물질로는 주로 산화 알미늄을 사용합니다. 그러나 이 산화 알미늄의 가공 기술에 따라 아래와 같이 그 특성이 아주 다르게 됩니다. 감 도 = 수분(습도)에 따른 용량(Capacitance) 변화량이 얼마나 큰가? 직 선 성 = 용량(Capacitance) 변화량이 습도 대비 얼마나 직선적인가? 호 환 성 = 제작된 센서 개체간의 특성이 얼마나 동일한가? 갱년변화 = 장기간 세월에 걸쳐 그 특성이 얼마나 안정적인가? 재 현 성 = 동일한 대상을 반복해서 측정하였을 때 그 값이 얼마나 동일한가? 안 전 성 = 주위 온도의 변화에 얼마나 민감하게 오차가 증가하는가? 응 답 성 = 측정 기체의 노점이 변화하였을때 얼마나 빨리 응답하는가? 이러한 요구사항을 얼마나 잘 만족시키느냐가 그 센서의 성능을 좌우하게 됩니다. 지금까지 주로 사용되고 있는 기존의 산화 알미늄 센서는 이러한 요구를 아주 잘 만족시키지는 못하였습니다. 최근에 개발된 산화 알미늄 박막 기술에 의한 Hyper Thin Aluminum Oxide 센서에 의해 기존의 센서에서 획기적으로 개선된 특성의 센서가 사용되고 있습니다. 4. 기존의 센서의 방식 기존의 센서에서 볼 수 있는 대표적 결점인 약한 출력과 개체마다의 특성 차이에 대한 보완책으로 개별적 센서의 특성 그래프를 저장한 메모리(EPROM)를 센서와 조합하여 센서 교체시 노점계의 메모리를 교환하는 방법, 센서 내부에 그 메모리를 넣는 방법 및 약한 신호 전송을 위해 센서 내부에 컨버터를 조합하여 펄스 신호로 전송하는 방법 등이 쓰여 왔습니다. 5. 새로운 방식의 센서 이러한 결점을 보완한 혁신적인 새로운 센서 기술인 Hyper - Thin - Film 산화 알미늄 방식의 센서는 앞에서 설명한 기존 센서의 특성을 획기적으로 개선한 최신 기술의 센서입니다. - 수분(습도)에 따른 용량 (Capacitance) 변화량이 기존 센서에 비해 최대 600배까지 높습니다. - 주로 사용하는 낮은 온도 부분 (섭씨 -100 ∼ -50도)의 출력이 획기적으로 높습니다. 따라서 정확도와 분해 능력이 획기적으로 개선되었습니다. - 기존의 제품과 비교가 안될 만큼 노점 온도 대비 출력 변화가 준 직선적 특성을 보입니다. - 개체에 따른 특성이 동일하여 센서를 서로 교환하여 사용할 수 있습니다. - 주위 온도의 변화에 대한 드리프트가 극히 미미합니다. 이러한 고성능 센서의 개발이 그리 오래된 기술은 아닙니다. 따라서 이 신형의 하이테크 센서를 사용한 노점계가 잘 알려지지 않았으며 그리 많이 사용되지 않고 있습니다. 이러한 기존의 노점계 센서가 채택한 방식과 새로운 방식에 대한 자세한 설명은 노점계 센서의 신호 처리 방식을 참조하시기 바랍니다. |
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