KR100389594B1 - 가열형 디젤 광투과식 매연측정기 - Google Patents

Abstract

디젤 광투과식 매연측정기(LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER, 또는 DIESEL OPACITY METER)는 매연을 함유하고 있는 가스에 광을 투과시켜 가스의 불투명도를 실시간 연속적으로 측정하는 장치로서, 샘플링프로브, 샘플링라인, 가열기가 감겨진 측정실, 발광부와 수광부로 이루어진 광학부, 오염방지공기 공급용 팬 및 유로, 마이크로컨트롤러, 측정값 지시부, 프린트 등으로 구성되는 장치이다.

디젤엔진으로부터 배출되는 매연의 농도를 측정하는 종래의 디젤 광투과식 매연측정기는, 영하의 외기에서 시험을 수행할 경우 두가지 문제점을 발생시켰다. 첫번째 문제점은, 디젤 배기가스가 통과하는 샘플링라인 내부에 배기가스 중의 수분이 물로 응축되는 현상이다. 두번째 문제점은, 렌즈의 오염을 방지하기 위하여 공급되는 차가운 오염방지공기와 뜨거운 배기가스가 광학부 렌즈 전방에서 충돌 시 배기가스 중의 수증기 냉각에 의하여 안개가 형성되는 현상이다.

본 발명에서는 상기의 단점을 극복하기 위하여, 종래의 디젤 광투과식 매연측정기의 샘플링라인에, 가열기와 온도센서를 설치하여 일정한 온도로 피드백 제어하며 가열할 수 있도록 하였다. 이렇게 함으로써 영하의 외기 조건에서 시험할 때 샘플링라인에 응축수가 발생하는 것을 방지하였다. 또한, 오염방지공기의 유로에 가열기와 온도센서를 설치하고 피드백 제어로 일정한 온도로 가열하였다. 이렇게 함으로써 차가운 오염방지공기와 배기가스가 충돌할 경우 안개가 발생하는 현상을 제거하였다.

본 발명의 가열형 디젤 광투과식 매연측정기(HEATED, LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER)는,

디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 매연농도를 측정하기 위하여 배기관의 말단에 삽입하는 샘플링프로브와(14),

샘플링프로브(14)의 출구에 결합되는 광투과식 매연측정기의 샘플링라인(15)에, 가열기(16)와 온도센서(17)가 설치되어 응축수의 발생을 방지하도록 일정한 온도로 가열이 가능한 가열형 샘플링라인과,

샘플링라인(15)의 출구에 연결되는 배기가스와 광선이 통과하는 측정실(18)과,

매연농도를 광학적인 방법으로 측정하기 위한 발광부(20)와 수광부(21)로 구성된 광학부와,

오염방지공기를 공급하는 기구(22)나 유로에 가열기와 온도센서(23)를 추가로 설치하여, 배기가스와 오염방지공기의 충돌 시 발생하는 안개의 형성을 방지한, 본 발명의 가열형 오염방지공기 공급 기구와,

광학부의 광원 및 광센서를 인터페이스하여 제어하고, 샘플링라인(15)에 설치된 가열기(16)를 일정한 온도로 제어하고, 오염방지공기 공급 기구에 설치된 가열기(23)를 일정한 온도로 제어하고, 오염방지공기를 공급하는 팬(22)을 제어하고, 측정실을 감싼 가열기(19)를 일정한 온도로 제어하는 기능을 제공하며, 측정된 전기적인 값을 이용하여 매연의 농도를 환산하는 마이크로컨트롤러(24)와,

측정된 매연농도를 시험자에게 제시하는 측정값 지시부(25) 등으로 구성된다.

Description

가열형 디젤 광투과식 매연측정기 {HEATED, LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER}

1990년대 초부터 북미와 유럽은 여과식 매연측정기의 신뢰성 부재, 큰 측정오차 발생 등을 개선하기 위하여 광투과식 매연측정기를 개발하여 표준 측정장비로 선정하고 각종 디젤 매연 규제에 적용하고 있다. 광투과식 매연측정기는 디젤엔진을 장착하고 있는 모든 차량에서 배출되는 매연의 농도를 측정하여 규제하기 위한 기본 장비로 사용되고 있으며 경유와 석유를 사용하는 보일러, 파워플랜트의 굴뚝에 서 배출되는 가스의 매연농도를 측정하는 데도 이용하고 있다.

국내에서도 약 3년 간의 시범운영 기간을 거쳐, 2002년 5월부터 수도권의 노후화된 차량에 대해 실시하는 환경부 운행차 정밀검사에 디젤 광투과식 매연측정기가 표준장비로 처음 도입되었다. 현재 전세계에서 생산되는 디젤 광투과식 매연측정기는 영상 5도 이상에서 시험할 수 있도록 개발되었으나, 국내 환경부는 영하 10도의 외기 조건에서도 시험을 하도록 규정하고 있다. 운행차 정밀검사에 대해서는 환경부 '대기환경보전법', '대기환경보전법 시행규칙', 및 국립환경연구원 '환경측정기기의 형식승인 및 정도검사 등에 관한 고시' 등에 제시되어 있다. 따라서 해외제품들은 영하의 날씨에 사용할 수 없는 문제점들을 보여주고 있으며, 본 발명은 이러한 난점을 극복하기 위하여 안출되었다.

도1에는, 샘플링프로브(2), 샘플링라인(3), 측정실(4), 광학부(6,9), 오염방지공기 공급용 팬(10) 및 유로, 마이크로컨트롤러(11), 측정값 지시부(12), 및 프린트 등으로 구성된, 종래의 디젤 광투과식 매연측정기(이하 '종래의 측정기' 라약칭함)의 개략 구성도가 제시되어 있다. 디젤엔진이나 차량의 배기관 끝(1)에 삽입된 샘플링프로브(2; SAMPLING PROBE)의 입구로부터 유입된 배기가스는 샘플링라인(3; SAMPLING LINE)을 거쳐 측정실(4; MEASURING CHAMBER)의 중앙으로 유입된다. 유입된, 매연을 함유한 배기가스는 측정실의 양단의 출구를 통해 외기로 빠져 나간다. 이 때 광학부의 발광부(6; LIGHT TRANSMITTER)에서 조사(照射)된 광선은 배기가스를 통과한 후 수광부(9; LIGHT RECEIVER)에 도달하여 광량에 비례하는 전기적인 신호로 검출된다. 배기가스를 통과하는 광선은 배기가스 중의 매연에 흡수되거나 산란되고 남은 양만 수광부(9)에 도달한다. 이 양은 매연의 농도에 비례하여 감소하므로 매연의 농도를 측정하는 정량적인 방법으로 채택되었다. 이에 관한 기술적인 내용은 ISO 11614 (ISO 11614 - APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF THE OPACITY AND FOR DETERMINATION OF THE LIGHT ABSORPTION COEFFICIENT OF THE EXHAUST GAS) 규정에 상세히 기술되어 있다. 발광부(6)에서 평행광선을 만들어 주는 볼록렌즈(7)와, 수광부(9)에서 집광 기능을 갖는 볼록렌즈(8)의 한쪽 면은 배기가스에 노출되어 오염될 수 있다. 렌즈가 오염되면 조사된 광량과 수광부에 도달한 광량이 변동되어 실제 매연농도와 달리 측정되므로, 팬(10; FAN)이나 기타 기구를 이용하여 오염방지공기(PROTECTION AIR, 또는 AIR CURTAIN)를 렌즈(7,8) 앞으로 공급하여 오염을 방지하도록 구조가 설계되어 있다. 따라서 오염방지공기의 공급은 필수적이고 모든 종래의 측정기에는 오염방지공기 공급을 위한 팬이 장착되어 있다. 배기가스가 유입되는 측정실(4)은 수분의 응축을 방지하기 위하여, 측정실 외부 벽을 섭씨 80도 이상의 일정한 온도로 가열하도록 가열기와 열전대(5)가 장착되어 있다. 마이크로컨트롤러(11)는 오염방지공기 공급용 팬(10) 제어, 측정실(4) 외부 벽을 감싼 가열기(5)의 제어, 광학부(6,9)의 광학소자 제어 및 인터페이스를 통하여 매연농도를 실시간으로 측정하는 기능을 제공한다.

도1의 종래의 측정기는 모두 영상 5도 이상의 온도에서만 사용하도록 개발되어 시판되고 있으므로, 영하의 외기에서는 사용할 수 없는 단점이 있다. 그 첫 번째 이유로, 샘플링라인(3)을 따라 측정실(4)로 배기가스가 유입되는 동안, 영하의 외기 조건에 노출된 샘플링라인(3)에서 수분의 응축이 과다하게 발생하기 때문이다. 응축된 수분은 측정실(4)로 밀려 들어와서, 발광부(6) 및 수광부(9)의 렌즈(7,8)를 오염시키기 때문이다. 응축수에 의해 렌즈(7,8)가 오염되면 그 위에 매연이 흡착되어 지속적이고 연속적인 측정이 불가능해진다. 두 번째 이유로, 영하의 외기 조건에서 시험을 수행할 경우, 오염방지공기로서 영하의 차가운 공기가 공급된다. 도1에서 측정실의 양단으로 빠져나오는 배기가스는 통상적으로 섭씨 50도 이상의 온도이나, 렌즈(7,8) 앞에서 영하의 차가운 오염방지공기를 만나 충돌하게 되며, 매우 짧은 시간 동안 이슬점 이하의 온도로 하강하여 안개를 형성하고 빠져나간다. 안개 중의 미세한 액적(液滴)은 렌즈(7,8)를 오염시키는 악영향을 미치기도 하지만, 더욱 나쁜 것은 안개 속의 미세한 액적이 광선을 굴절(산란)시켜 매연과 같이 측정되는 효과를 발생시키는 현상이다. 기체 상태로의 물분자는 ISO 11614에 규정한 550~570NM의 광선을 흡수하지 않으나 액적이 되면 광선을 산란시키는 역할을 하여 매연과 동일하게 측정되는 오류를 범하게 된다. 통상적으로 국내에서는 봄, 여름, 초가을 날씨에서는 이러한 현상이 발생하지 않으나, 늦가을부터 초봄까지 이러한 현상을 발생시켜 외기의 시험조건에서 측정이 불가능하거나 실제 매연농도보다 높게 측정되는 실정이다.

국내의 환경부에 의해 시행되는 운행차 정밀검사에서는 외기의 조건(상온에서 영하 10도까지 적용)에서 디젤 광투과식 매연측정기를 이용하여 실시되며, 또한 향후 시, 구, 군청에서 실시하는 수시검사(또는 노상단속)에서도 광투과식 매연측정기를 적용할 가능성이 있기 때문에 이러한 현상의 극복을 위한 본 발명이 이루어졌다. 운행차 정밀검사에 대해서는 환경부 '대기환경보전법', '대기환경보전법 시행규칙', 및 국립환경연구원 '환경측정기기의 형식승인 및 정도검사 등에 관한 고시' 등에 제시되어 있다.

도2에는, 도1의 종래의 측정기의 샘플링라인(15)과 오염방지공기의 유로 또는 기구(22)에 각각 독립적으로 가열기와 온도센서(16,17,23)를 추가로 설치하여, 샘플링되는 배기가스와 오염방지공기를 일정한 온도로 제어하며 가열할 수 있도록 구성된, 본 발명의 가열형 디젤 광투과식 매연측정기(이하 '가열형 측정기' 라 약칭함)의 구성도가 제시되어 있다.

도2의 본 발명은, 도1의 종래의 측정기가 발생시키는 단점을 극복하기 위하여 개발된 가열형 측정기로서, 영하의 온도에서도 샘플링라인(15)에 응축수가 발생하지 않고, 배기가스와 오염방지공기가 충돌하는 발광부(20)와 수광부(21)의 렌즈 전방에서 안개를 형성하지 않도록 하는 기능을 제공한다. 이러한 기능을 제공하기위해, 샘플링라인(15)의 외벽에 설치된 가열기(16)와 온도센서(17)을 이용하여 일정한 온도로 제어할 수 있다. 또한, 오염방지공기를 공급하는 기구(22)에 가열기와 온도센서(23)를 설치하여 일정한 온도로 오염방지공기를 가열하여 공급할 수 있었다.

본 발명을 위한 연구를 통하여, 샘플링라인(15)의 가열 온도는 섭씨 80도 이상, 오염방지공기의 가열 온도는 섭씨 30~40도 정도로 제어함으로써, 영하 5~10도의 외기 조건에서도 매연 측정에 문제가 발생하지 않음을 확인하였다.

도1은, 샘플링프로브, 샘플링라인, 광학부, 측정실, 오염방지공기 공급용 팬 및 유로, 마이크로컨트롤러, 측정값 지시부, 및 프린트 등으로 구성된, 종래의 디젤 광투과식 매연측정기(이하 '종래의 측정기'라 약칭함)의 개략 구성도.

도2는, 도1의 샘플링라인과 오염방지공기의 유로에 각각 가열기와 온도센서를 추가로 설치한, 본 발명의 가열형 디젤 광투과식 매연측정기(이하 '가열형 측정기'라 칭함)의 개략 구성도.

도3은, 통상적인 디젤 럭다운(LUG-DOWN) 시험 모드에서 측정되는 여러 가지 시험 데이터의 결과.

도4는, 외기 온도 영하 5도의 시험조건에서 디젤 럭다운 시험을 수행했을 때, 종래의 측정기와 가열형 측정기를 동시에 설치하여 측정한 시험 데이터의 비교 결과.

도5는, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인은 가열하지 않고 오염방지공기만 가열하고 시험했을 때의 데이터 비교 결과.

도6은, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인만 가열하고오염방지공기는 가열하지 않고 시험했을 때의 시험 데이터의 비교 결과.

도7은, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인과 오염방지공기를 모두 가열하고 시험했을 때의 시험 데이터의 비교 결과.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 배기관 말단 2 : 샘플링프로브

3 : 샘플링라인 4 : 측정실

5 : 측정실의 가열기와 온도센서 6 : 발광부

7 : 발광부 렌즈 8 : 수광부 렌즈

9 : 수광부 10 : 오염방지공기 공급용 팬

11 : 마이크로컨트롤러 12 : 측정값 지시부

13 : 배기관 말단 14 : 샘플링 프로브

15 : 샘플링라인 16 : 샘플링라인의 가열기

17 : 온도센서 18 : 측정실

19 : 측정실의 가열기와 온도센서 20 : 발광부

21 : 수광부 22 : 오염방지공기 공급용 팬

23 : 오염방지공기 가열용 가열기와 온도센서

24 : 마이크로컨트롤러 25 : 측정값 지시부

본 발명은 도2와 같이, 샘플링프로브(14), 종래의 측정기의 샘플링라인(15)의 외벽에 가열기(16)를 감싸고 온도센서(17)를 함께 설치한 가열형 샘플링라인과, 가열기와 온도센서(19)가 설치된 측정실(18), 발광부(20)와 수광부(21)로 이루어진 광학부, 종래의 오염방지공기 공급 기구(22) 또는 유로에 가열기와 온도센서(23)가 설치된 가열형 오염방지공기 공급 기구, 마이크로컨트롤러(24)와, 측정된 매연농도를 시험자에게 제시하는 측정값 지시부(25) 등으로 구성된다.

가열형 샘플링라인(15,16,17)과, 오염방지공기를 일정한 온도로 제어하며 가열하기 위한 가열형 오염방지공기 공급 기구(22,23)는, 종래의 마이크로컨트롤러에 온도센서를 위한 인터페이스 회로와 가열기의 전력제어회로를 추가하여 실현시켰다. 또한 종래의 마이크로컨트롤러를 수정하지 않고 별도로 독립적인 온도 컨트롤러를 설치하여, 샘플링라인(15)과 오염방지공기(22)를 가열하고 온도를 제어하는것도, 통상의 지식을 소유한 자는 동일한 효과를 발생시킴을 충분히 이해할 수 있다.

도3에는 국내 환경부 운행차 정밀검사에서 적용되는 통상의 디젤 럭다운(LUG-DOWN) 시험 모드에서 측정되는 여러 가지 측정값들이 제시되어 있다. 시험은 국내 시판 중인 승합차를 이용하여 수행하였다. 본 시험은 가열형 측정기를 사용하여 측정한 데이터로서, 엔진 및 차량의 속도에 따라 배출되는 매연농도의 변화가 정성적으로 일치함을 이해할 수가 있다. 경과시간 20초 직전에 엔진에 시동을 걸고, 30초까지 공회전 상태로 유지하다가 가속을 시작하였다. 66초까지의 차량의 가속 구간 동안 변속기의 변환과 엔진 속도 및 부하의 증가에 따라 매연농도가 증가하고 있다. 66초 부근에서 시속 70KM를 약 5초 정도 유지하다가 1모드에 진입하였다. 1모드는 차량의 정격출력 및 최대 엔진속도에서 운전되며, 2모드는 차량에 부하를 추가하여 90% 엔진속도로 운전된다. 3모드에서는 다시 차량에 부하를 추가하여 80% 엔진속도로 운전된다. 본 시험데이터로부터 디젤차량에서 배출되는 매연은 정속운전 구간보다 가속구간에서 다량 배출됨을 알 수가 있다.

도4는 외기 온도 영하 5도의 시험조건에서 통상적인 디젤 럭다운 시험을 수행하였을 때의 결과이다. 종래의 측정기와 가열형 측정기의 샘플링프로브를 동시에 배기관의 출구에 삽입하고 측정하였을 때의 매연농도 변화이다. 종래의 측정기는 가속 구간의 종료 시점에서 렌즈가 오염되기 시작하여 3모드 종료시점에는 전혀 신뢰할 수 없는 결과를 보여주고 있다. 그러나 본 발명의 가열형 측정기는 매우 양호한 결과를 보여주고 있다. 본 도에서 종래의 측정기와, 가열형 측정기 사이의 측정값을 비교함으로써, 본 발명의 가열형 측정기의 효과를 충분히 이해할 수 있다.

도5는, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인은 가열하지 않고, 오염방지공기만 가열하고 시험했을 때의 데이터를 비교하고 있다. 즉, 오염방지공기만을 가열하였을 때 종래의 측정기와의 차이를 평가하기 위한 시험이다. 럭다운 모드 시험에서 가속구간 동안에 배출되는 고농도 매연 측정값을 비교하였다. 오염방지공기만을 가열한 가열형 측정기와 종래의 측정기는 경과 시간 18초 지점까지는 거의 차이가 없으나, 이후 종래의 측정기는 샘플링라인에서 발생하여 밀려들어 온 응축수에 의해 순간적으로 큰 오염이 발생하여 18초부터 22초 구간에서 비정상적인 값을 보여주고 있다. 이러한 오염은 가속구간이 종료되는 30초 시점까지도 지속되어 두 값의 차이가 잔존하고 있다.

도6은, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인만 가열하고 오염방지공기는 가열하지 않고 시험했을 때의 시험 데이터의 비교 결과이다. 종래의 측정기와 가열형 측정기 사이의 데이터는 큰 차이가 없으나 가속 종료 시점으로 갈수록 차이가 발생하고 있다. 이러한 효과는 샘플링라인의 효과보다는 오염방지공기와 배기가스가 광학부의 렌즈 전방에서 충돌할 때 발생한 안개가 원인인 것으로 판단된다.

도7은, 도4와 동일한 시험조건에서, 가열형 측정기의 샘플링라인과 오염방지공기를 모두 가열하고 시험했을 때의 시험 데이터의 비교 결과이다. 종래의 측정기는 시험 초기부터 가열형 측정기보다 약간 높은 값을 보여주다가 가속 종료 시점으로 갈수록 차이가 커지고 있다.

이상에서, 오염방지공기만을 일정한 온도로 가열한 효과, 샘플링라인만을 일정한 온도로 가열하였을 때의 효과, 양쪽을 모두 가열한 효과를, 영하 5도의 외기 조건에서 디젤 매연 농도를 측정하는 시험을 통하여 확인하였다. 종합적인 효과는 도4에서와 같이 가속 구간 이후에 누적되는 확연한 차이를 통하여 이해할 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은, 종래의 측정기의 샘플링라인에 가열기와 온도센서, 오염방지공기 공급 기구 또는 유로에 가열기와 온도센서를 설치한 '가열형 디젤 광투과식 매연측정기'를 제공함으로써, 영하의 외기에서 시험이 불가능하였던 종래의 디젤 광투과식 매연측정기의 단점들을 극복한 유용한 발명인 것이다.

통상적인 디젤 광투과식 매연측정기에 관한 지식의 소유자는 본 발명의 정신에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이러한 변형이 본 발명의 정신과 정밀한 시험을 통하여 확인한 효과를 뛰어넘는 새로운 것이 아님을 이해할 것이다. 또한 본 발명에 의한 효과가 매우 큼을 이해할 것이다.

Claims (2)

1. 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 매연농도를 측정하기 위하여 배기관의 말단(13)에 삽입하는 샘플링프로브(14)와,

   상기 샘플링프로브(14)의 출구에 결합되는 샘플링라인(15)에, 가열기(16)와 온도센서(17)가 설치된 가열형 샘플링라인과,

   상기 가열형 샘플링라인의 출구에 결합되는, 가열기(19)가 설치되어 일정한 온도로 가열되는 측정실과(18),

   매연농도를 광학적인 방법으로 측정하기 위한 발광부(20)와 수광부(21)로 이루어진 광학부와,

   오염방지공기 공급 기구(22) 및 유로에 가열기(23)를 설치하고, 가열기의 출구에 온도센서를 설치하여 이를 이용한 피드백(FEEDBACK) 제어를 통하여 오염방지공기의 온도를 최적의 온도로 가열하여 공급하는 가열형 오염방지공기 공급 기구와,

   상기 가열형 샘플링라인과 측정실과 가열형 오염방지공기 공급 기구를 일정한 온도로 가열하고, 오염방지공기를 공급하는 팬(22)을 제어하고, 광학부(20,21)의 광원 및 광센서를 인터페이스하여 제어하고, 측정된 전기적인 신호를 이용하여 매연의 농도를 환산하는 기능을 제공하는 마이크로컨트롤러(24)와,

   측정된 매연농도를 시험자에게 제시하는 측정값 지시부(25)를 포함하여 구성되는 가열형 디젤 광투과식 매연측정기.
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