가스누출검사는 액화천연가스(LNG)나 액화석유가스(LPG)를 사용하는 가스 시설이나 배관 설비에서 실시되는 완성 검사나 정기 검사 중에서 필수적인 항목이며, 매년 가스안전관리 현장에서 이루어지고 있다.
LNG의 주성분은 메탄, LPG의 주성분은 프로판과 부탄으로서 폭발성 또는 가연성 가스에 해당하며, 가연성 가스는 메탄, 프로판, 부탄 등과 같이 공기 중에서 연소하는 가스로서 폭발한계의 하한이 10%이하인 것과 폭발한계의 상한과 하한의 차가 20%인 것을 말한다.
가스관련 법규에 의하면 가스누출검사는 가스제조소, 가스도매업자, 가스운반업체, 가스안전관리기관, 도시가스사, 가스판매업체 등에서 가스가 생성되어 운반, 유통, 사용, 소멸되기까지의 전 과정에서 수행되고 있다. 이를 위한 가스누출검지기의 성능과 내구성은 우수해야 하고 신뢰할만해야 한다.
우리나라에서 주로 사용하는 촉매산화식, 전기화학식, 반도체식 등 접촉식 가스센서를 사용하는 가스검지기의 정확도는 표준가스 농도 대비 약 80% 이하로 국제수준에 비해 상당히 낮은 편이다. 센서의 수명 또한 최대 3년 이하로 센서의 재료가 노화되어 대부분 2년 안에 교체해야 하는 단점이 있다. 적외선 가스 센서는 비접촉방식이므로 접촉식 센서보다 내구성이 우수하고, 자체 튜닝(self-tuning)회로가 내장되어 있어 비교적 정확도가 높다. 하지만 센서 자체의 오차와 불확도, 재현성, 반복성, 경년 변화 및 온도에 따른 오차가 존재한다. 실제로 적외선 센서가 가스 검지기에 사용할 경우 주변회로와 연계되면서 비선형성은 더욱 커지고 정확성은 더욱 떨어지므로 사용자 측면에서 가스 농도(concentration)의 측정 정확도는 개선될 필요가 있다.
본 논문에서는 국내 최초로 비분산 적외선(non-dispersive infrared) 센서를 사용하여 본질안전 방폭형 휴대용 가스검지기를 개발하는 과정에서 필요한 핵심기술 중에서 가스농도 측정 정확도(measuring accuracy)와 정밀도(precision)를 향상시키는 방법을 제안하였다.
먼저, 가스 농도의 측정 정확도 향상을 위하여 농도가 다른 8종의 표준메탄(methane)가스를 제조하고, 표준시료 가스를 사용하여 적외선 가스센서의 입출력 응답특성 시험을 수행한 후 룩업테이블(lookup table)을 생성하였다.
둘째, 센서의 입출력 응답특성을 추정하는(estimated) 전달함수(transfer function)를 선형함수(linear function), 선형회귀(linear regression), 3차 및 8차 다항식(polynomial)을 사용하여 계산하였다. 8개의 구간에 사용한 4개의 전달함수를 비교분석을 통하여 표준가스와 측정 농도의 오차가 가장 작은 구간과 함수를 찾아내었고, 오차가 작은 구간에 적용할 함수의 그룹을 4개로 분류하였다.
비선형 구간에서는 교정 곡선의 기울기가 완만하고 오차가 감소되어지는 곳에서 새로운 데이터 쌍을 2개 생성하고, 선형 구간 3개, 비선형 구간 1개로 구간을 재설정하였다. 재설정된 구역마다 전달함수의 역(逆)을 구하고 선형구간은 2차, 비선형 구간은 3차의 라그랑지 계수(Lagrange coefficient) 및 보간(interpolation) 다항식을 적용하였다. 전체 구간에 적용된 각각의 제안한 전달함수를 하나로 합성하여 가스농도의 측정 정확도를 향상을 위한 최적의 교정 곡선(the best fitting calibration curve)을 구현하였다. 제안한 최적 교정곡선에 의하여 미지의 가스의 농도는 결정되고 액정화면에 디스플레이 된다.
제안한 방법을 이용하여 적외선 가스누출 검지기를 개발하였고, 성능시험을 실시한 결과가 표준메탄가스 대비 정확도가 97%이상인 것을 확인하였으며, 타사의 제품과 비교했을 때 제안한 기술의 검지기가 보다 정확하다는 것을 실험을 통하여 증명하였다. 내구성 측면에서도 기존의 전기화학식이나 접촉식 가스센서의 평균 수명이 3년이나 적외선 센서는 10만 시간을 보증하므로 5년 이상이 된다.
아울러 본 논문은 적외선 가스검지기에 대한 본질안전 방폭(explosion proof) 기술의 일부분을 소개하였다. 본질안전(intrinsic safety) 방폭구조(Ex d ib ⅡB T4)는 가스가 항상 존재하는 위험지역에서 기기의 정상이나 고장 상태에서도 회로가 본질적으로 불꽃을 일으키지 않거나 불꽃이 발생하더라도 최소화하여 주위의 가연성 물질에 점화되지 않도록 최소전류를 제한하는 것이다. 제안한 가스 검지기에 적용하기 위하여 메인 PCB와 컬러 LCD 분리하여 회로를 버스케이블로 연결하였고, 컬러 LCD의 고전압발생 부분과 배터리에 대한 본질안전 보호회로를 개발하였으며, 기존의 흡입펌프의 최소점화 에너지를 계산하여 낮은 인덕턴스를 새로운 흡입펌프로 교체하였다.
그밖에 가스안전관리 현장의 요구 사항인 소형경량, 낙하시 검지봉 보호 구조, 미끄럼 방지를 위한 인체공학적인 핸디 그립(handy grip)형 구조, 간단한 조작 버튼, 리튬이온 충전식 배터리, 고휘도 LED 플래시, 스마트기기와 연동 가능한 블루투스 통신 기능을 반영하였다.
결론적으로 국내최초로 휴대용 본질안전 방폭형 적외선 가스누출검지기를 개발하고 그것의 가스농도 측정을 위한 정확도 향상 방법을 제안하였다. 제안하고 개발한 가스누출검지기는 국제 수준의 정확도와 내구성 및 편의 기능을 갖추었으며, 높은 신뢰도를 바탕으로 유사장비 개발과 가스안전관리 현장에서 사고 예방, 그리고 검사에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.

The gas leak inspection is an important and essential item of completion and regular inspections in the gas installations or pipeline facilities to use LNG(liquefied natural gas) or LPG(liquefied petroleum gas). The gas leakage test is performed at field of gas safety management every year.
Methane is the main component of the LNG. propane and butane are main components of the LPG and are flammable or combustible gases. Combustible gases are burning gases in the air such as methane, propane, and butane. Those are less than 10% of lower explosive limit and 20% of difference of the lower and upper explosive limit.
According to regulations on gases, gas leak inspection are performed in gaseous manufactory, wholesaler, carrier and safety management agencies, gas distributors and city gas companies from gaseous generation to transportation, distribution, use, and destruction in the whole process. For this purpose, the performance and durability of a gas leak detector should be excellent and reliable.
Measuring accuracy of gas detectors using types of gas sensors of catalytic combustion, electrochemistry and semiconductor is estimated to be below than 80% of the reference gas in domestic and is lower than international level. Expected life span of those sensors, also, is maximum three years. They have disadvantages to be replaced with new sensors in about two years because materials of those sensors are aged. Infrared gaseous sensors are so durable than contact sensors because of non-contact ones and are better accuracy as they have built-in self-tuning circuits. But, there are a number of inaccuracy of sensor itself, uncertainty, zero repeatability, span repeatability, long term zero drift, and temperature variations. In real, if an infrared sensor is used at a gas detector, non-linearity is larger and accuracy is lower. So, it is necessary to improve measuring accuracy of gaseous concentration in the user sides.
This paper originally proposed methods to improve accuracy and precision to measure the gaseous concentration of core technologies in the courses to develope gas leak detector using a non-dispersive infrared sensor in nation. It, also, applied intrinsic safe explosion proof structure to the infrared gas leak detector for the first time in domestic.
First, to improve measuring accuracy of gaseous concentration of a gas leak detector, this paper manufactured the eight standard methane gases with different concentration. And it performed test of input output response characteristics with reference gases and then created their lookup tables.
Second, this thesis computed transfer function to estimate input-output response characteristic of sensors using linear function, linear regression, the 3rd and 8th polynomial. Through comparing and analyzing four transfer functions used at eight points it found a section and a transfer function of the smallest errors of between standard gases and measurements concentrations and classified for their functions to four groups to use every.
Third, this paper created new two data sets where the slope of the calibration curve is gentle and concentration errors are reduced in the non-linear sections and then re-sectioned between three linear and one non-linear ranges. It calculated inverses of transfer functions every re-assigned section. After that, it applied Lagrange coefficient and interpolation polynomials to the 2nd functions on three linear sections and to the 3rd function on one non-linear section. It novelly implemented the best fitting calibration curve by combining all proposed transfer functions applied to sections of full ranges to upgrade measuring accuracy of gaseous concentrations. In response to the proposed calibration curve, unknown gaseous concentrations are decided and displayed on the LCD.
We developed IR gas leak detectors using a series of proposed methods, verified the result of performance test is over 97% accuracy, and demonstrated the proposed technic detector is more accurate than other ones through experiments. On the durability sides, life span of conventional electrochemistry and catalytic combustion sensors is 3 years, but that of IR sensors is over 5 years owing to an article guaranteed for ten million hours.
Moreover, this thesis introduced the part of technologies of intrinsic safety explosion proof. The structures of those explosion proof should be essentially no arcs or to limit the least current not to ignite around flammable materials if arcs are occurred in normal operation or fault conditions at risk regions where gases are always existed. For adapting its structure to infrared gas detector, main PCB and color LCD PCB are separated and are connected with bus cables. It developed protection circuits to protect its structure against high voltages of color LCDs and batteries, and changed new one through calculating the least igniting energy of a first diaphragm pump.
Futhermore, this paper reflected functions of the field demand of gas safety management such as small and lightweight, unbreakable structure of measuring rods when dropping, the ergonomic handy grip to prevent the slipping, simple operating menus and buttons, a lithium-ion rechargeable battery, high brightness LED Flash, and a bluetooth communication to interact with smart devices.
Conclusionally this paper, for the first time, developed portable a combustible gas leak detector with intrinsic safe explosion proof using an IR sensor and proposed the method to improve accuracy for measuring gas concentration. The proposed and developed gas leak detector has world''s top level accuracy and durability, and is equipped with easy functions. We hope the proposed technology will help to develop similar instruments and to prevent gas accidents as securing high reliability, and inspect the field of gas safety management.