공장이나 산업 현장에서는 사람이 눈으로 확인하기 어려운 여러 가지 물질을 지속적으로 감시해야 하는 경우가 있습니다. 그중 하나가 바로 공기 중에 포함된 가스입니다.
산업 현장에서는 산소, 질소, 이산화탄소와 같이 비교적 익숙한 가스뿐만 아니라 수소, 일산화탄소, 황화수소, 암모니아, 휘발성 유기화합물(VOC) 등 다양한 가스가 사용되거나 발생할 수 있습니다.
문제는 대부분의 가스가 눈에 보이지 않는다는 것입니다.
따라서 사람이 직접 공기의 상태를 확인하기는 어렵고, 특정 가스의 농도가 기준을 벗어났는지 지속적으로 확인하기 위해 가스센서(Gas Sensor)가 사용됩니다.
앞선 산업용 센서 실무 #23에서는 습도센서가 공기 중 수분의 상태를 어떻게 측정하고 측정값에 오차가 발생하는 이유에 대해 살펴보았습니다.
습도센서가 공기 중 수분의 변화를 감지하는 센서라면, 가스센서는 공기 중에 존재하는 특정 가스의 농도 변화를 감지하는 센서라고 할 수 있습니다.
그렇다면 여러 종류의 가스가 섞여 있는 공기 속에서 가스센서는 어떻게 특정 가스를 구별할 수 있을까요?
1. 가스센서란 무엇일까?
가스센서는 공기 또는 특정 환경에 존재하는 가스의 종류나 농도를 감지하는 센서입니다.
센서의 종류에 따라 특정 가스에 반응하는 물질을 사용하거나, 가스가 센서에 미치는 물리·화학적인 변화를 이용하여 가스를 측정합니다.
예를 들어 일산화탄소를 감지하도록 설계된 센서는 일산화탄소가 센서의 감지 물질과 반응할 때 발생하는 변화를 전기적인 신호로 변환합니다.
이러한 전기 신호를 분석하면 현재 환경에 해당 가스가 얼마나 존재하는지 추정할 수 있습니다.
가스센서의 기본적인 동작 과정을 단순하게 표현하면 다음과 같습니다.
가스가 센서에 도달 → 센서 감지 물질과 상호작용 → 센서의 물리·화학적 특성 변화 → 전기 신호 발생 → 가스 농도로 변환
즉, 가스센서는 공기 자체를 분석해서 사람처럼 냄새를 맡는 것이 아니라 특정 가스가 센서에 영향을 주었을 때 나타나는 변화를 측정하는 장치입니다.
2. 가스센서는 공기 중의 가스를 어떻게 구별할까?
공기에는 하나의 가스만 존재하는 것이 아니라 여러 종류의 가스가 섞여 있습니다.
그렇다면 센서는 어떻게 특정 가스를 감지할 수 있을까요?
핵심은 센서가 특정 가스에 더 민감하게 반응하도록 설계되어 있다는 것입니다.
예를 들어 어떤 센서의 감지 물질이 일산화탄소에 높은 반응성을 가지고 있다면 일산화탄소가 센서에 들어왔을 때 전기적 특성이 크게 변할 수 있습니다.
반면 다른 가스에는 상대적으로 적게 반응하도록 설계할 수 있습니다.
이러한 선택적 반응 특성을 이용하여 특정 가스를 감지합니다.
하지만 여기서 중요한 점이 있습니다.
바로, 가스센서가 항상 하나의 가스만 완벽하게 구별하는 것은 아니라는 것 입니다.
센서의 종류에 따라 다른 가스에도 어느 정도 반응할 수 있으며, 이를 교차감도(Cross Sensitivity)라고 합니다.
따라서 산업용 가스센서를 사용할 때는 단순히 감지하려는 가스의 이름만 확인하는 것이 아니라 주변에 어떤 가스가 함께 존재하는지도 고려해야 합니다.
3. 대표적인 가스센서의 종류
가스센서는 사용하는 감지 원리에 따라 여러 종류로 나눌 수 있습니다.
대표적으로 반도체식 가스센서, 전기화학식 가스센서, 촉매연소식 가스센서, 적외선식 가스센서 등이 있습니다.
각 방식마다 측정할 수 있는 가스와 장단점이 다릅니다.
3-1. 반도체식 가스센서
반도체식 가스센서는 가스가 센서 표면에 접촉했을 때 발생하는 전기저항의 변화를 이용합니다.
센서 표면에 특정 가스가 흡착되면 센서의 전기적 특성이 변하고, 이 변화를 측정하여 가스의 존재나 농도를 판단합니다.
구조가 비교적 간단하고 다양한 가스에 적용할 수 있다는 장점이 있습니다.
다만 여러 가스에 동시에 반응할 가능성이 있기 때문에 특정 가스만 정확하게 측정해야 하는 환경에서는 다른 센서 방식과 비교하여 적합성을 검토해야 합니다.
또한 온도와 습도 같은 환경 조건의 영향을 받을 수 있기 때문에 실제 사용 환경을 고려해야 합니다.
3-2. 전기화학식 가스센서
전기화학식 가스센서는 가스와 전해질 또는 전극 사이에서 발생하는 전기화학적 반응을 이용합니다.
특정 가스가 센서 내부로 들어오면 전극에서 화학반응이 발생하고, 이 과정에서 전류가 발생하거나 변화합니다.
센서는 이러한 전류의 크기를 측정하여 가스 농도를 계산합니다.
전기화학식 센서는 특정 가스를 비교적 선택적으로 측정할 수 있어 일산화탄소, 황화수소, 산소 등 다양한 가스의 측정에 활용됩니다.
다만 센서 내부의 전해질이나 전극 특성이 시간이 지나면서 변화할 수 있기 때문에 센서의 수명과 교정 상태를 함께 관리해야 합니다.
3-3. 촉매연소식 가스센서
촉매연소식 가스센서는 주로 가연성 가스를 감지하는 데 활용됩니다.
가연성 가스가 센서 내부의 촉매 표면에서 산화되면서 발생하는 열을 이용하여 가스 농도를 측정하는 방식입니다.
메탄, 프로판, 수소와 같은 가연성 가스를 감지하는 용도로 활용할 수 있습니다.
산업 현장에서 가연성 가스의 누출을 감지하는 데 중요한 역할을 하지만, 산소 농도나 센서의 상태 등 주변 조건에 따라 측정 특성이 영향을 받을 수 있으므로 사용 환경을 고려해야 합니다.
3-4. 적외선식 가스센서
적외선식 가스센서는 특정 가스가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용합니다.
가스가 적외선을 흡수하는 정도를 측정하면 해당 가스의 농도를 계산할 수 있습니다.
이 방식은 가스의 광학적인 특성을 이용하기 때문에 센서의 감지 원리가 다른 가스센서와 차이가 있습니다.
대표적으로 이산화탄소와 같은 가스를 측정하는 데 활용할 수 있으며, 다음 글에서 CO₂ 센서를 별도로 자세히 살펴보겠습니다.
4. 가스센서마다 측정 방식이 다른 이유는 무엇일까?
모든 가스를 하나의 센서로 측정하기 어려운 이유는 가스마다 물리적·화학적 특성이 다르기 때문입니다.
어떤 가스는 특정 물질과 쉽게 반응하지만 다른 가스는 거의 반응하지 않을 수 있습니다.
또 어떤 가스는 특정 파장의 빛을 잘 흡수하는 특성을 가지고 있습니다.
따라서 센서 제조업체는 측정하려는 가스의 특성에 맞춰 감지 물질과 측정 방식을 선택합니다.
이 때문에 가스센서를 선택할 때는 “가스센서”라는 제품명만 보고 결정해서는 안 됩니다.
①어떤 가스를 측정하는지, ②필요한 측정 범위가 얼마인지, ③다른 가스가 함께 존재하는지, ④온도와 습도 조건은 어떠한지를 확인해야 합니다.
5. 가스센서의 측정값에 오차가 발생하는 이유
가스센서 역시 다른 산업용 센서와 마찬가지로 측정값에 오차가 발생할 수 있습니다.
대표적인 원인 중 하나가 앞에서 설명한 교차감도입니다.
측정하려는 가스가 아닌 다른 가스가 센서에 영향을 주면 실제보다 높은 농도나 낮은 농도가 측정될 수 있습니다.
온도와 습도의 영향도 고려해야 합니다.
일부 가스센서는 주변 온도나 습도 변화에 따라 감지 특성이 달라질 수 있습니다.
센서의 노화도 중요한 원인입니다.
센서 내부의 감지 물질이나 전극 등이 시간이 지나면서 특성이 변화하면 처음 사용했을 때와 동일한 성능을 유지하기 어려울 수 있습니다.
따라서 일정한 주기로 센서 상태를 확인하고 필요한 경우 교정(Calibration)을 실시해야 합니다.
앞선 산업용 센서 실무 #11에서 센서 교정에 대해 알아본 것처럼, 센서의 측정값을 신뢰하기 위해서는 적절한 교정과 유지관리가 필요합니다.
6. 가스센서는 어디에 설치해야 할까?
가스센서의 설치 위치는 측정 결과에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.
가스는 공기와 마찬가지로 항상 균일하게 분포하는 것이 아니기 때문입니다.
예를 들어 특정 가스가 공기보다 가벼운지 무거운지에 따라 누출되었을 때 머무르는 위치가 달라질 수 있습니다.
또한 배관이나 밸브, 저장탱크와 같이 가스가 누출될 가능성이 있는 지점을 고려하여 센서 위치를 결정해야 합니다.
따라서 가스센서를 설치할 때는 단순히 사람이 센서를 보기 좋은 위치에 설치하는 것이 아니라 측정하려는 가스의 특성과 누출 가능 지점, 공기의 흐름 등을 함께 고려해야 합니다.
센서가 아무리 정밀하더라도 가스를 제대로 접촉할 수 없는 위치에 설치되어 있다면 실제 누출을 빠르게 감지하기 어려울 수 있습니다.
7. 가스센서가 중요한 산업 분야는 어디일까?
가스센서는 다양한 산업 분야에서 활용됩니다.
화학공장에서는 공정 중 사용되는 가스를 모니터링할 수 있고, 정유 및 석유화학 분야에서는 가연성 가스나 유해가스 누출을 감시하는 데 활용할 수 있습니다.
또한 하수처리장이나 폐수처리장, 산업용 보일러 시설, 저장시설 등에서도 다양한 가스의 농도를 확인하기 위해 사용됩니다.
실험실이나 연구시설에서도 특정 가스를 측정해야 하는 경우 가스센서가 활용될 수 있습니다.
가스센서의 목적은 크게 공정 모니터링, 환경 모니터링, 누출 감지, 안전 관리 등으로 나누어 생각할 수 있습니다.
특히 사람의 감각만으로 확인하기 어려운 가스를 지속적으로 감시할 수 있다는 점에서 산업 현장에서 중요한 역할을 합니다.
8. 가스센서의 측정값이 이상하다면 무엇을 확인해야 할까?
가스센서의 측정값이 갑자기 상승하거나 다른 센서와 큰 차이를 보인다면 먼저 실제 환경에 가스 농도 변화가 있었는지 확인해야 합니다.
그다음 센서 자체의 상태를 확인합니다.
센서의 설치 위치가 변경되었거나 주변에 새로운 가스가 발생하는 장비가 설치되었는지도 확인해야 합니다.
또한 센서의 교정 상태와 사용 기간도 확인할 필요가 있습니다.
특히 다른 가스의 영향을 받을 가능성이 있는 환경이라면 교차감도를 확인하는 것이 중요합니다.
센서의 이상을 단순히 제품 고장으로 판단하기보다는 측정 환경 → 설치 위치 → 주변 가스 → 온도·습도 → 센서 상태 → 교정 상태의 순서로 점검하면 문제의 원인을 찾는 데 도움이 됩니다.
9. 가스센서를 선택할 때 확인해야 할 사항
산업용 가스센서를 선정할 때는 다음과 같은 조건을 확인하는 것이 좋습니다.
첫째, 먼저 측정하려는 가스의 종류를 정확하게 확인해야 합니다.
같은 가스센서라도 측정 대상 가스가 다르면 센서의 구조와 사양이 달라질 수 있습니다.
둘째, 측정 범위와 정확도를 확인해야 합니다.
가스 농도가 어느 범위에서 변화하는 환경인지 파악하고 해당 범위를 충분히 측정할 수 있는 센서를 선택해야 합니다.
셋째, 주변에 다른 가스가 존재하는지도 확인해야 합니다.
교차감도가 큰 센서를 사용할 경우 측정 대상이 아닌 다른 가스 때문에 측정값이 영향을 받을 수 있기 때문입니다.
넷째, 온도와 습도, 압력과 같은 환경 조건도 확인해야 합니다.
마지막으로 센서의 수명과 교정 주기, 출력 방식, 설치 방법, 방폭이나 보호등급 등 실제 설치 환경에 필요한 조건을 함께 검토해야 합니다.
10. 마무리
가스센서는 눈에 보이지 않는 공기 중의 가스를 감지하고 농도 변화를 확인할 수 있도록 해주는 중요한 산업용 센서입니다.
가스센서가 특정 가스를 감지하는 기본적인 방법은 가스가 센서의 감지 물질과 상호작용하면서 발생하는 물리·화학적 변화를 전기 신호로 변환하는 것입니다.
반도체식, 전기화학식, 촉매연소식, 적외선식 등 다양한 측정 방식이 있으며 각각 측정 대상과 사용 환경에 따라 장단점이 다릅니다.
또한 여러 가스가 섞여 있는 환경에서는 교차감도 때문에 측정값에 영향을 받을 수 있고, 온도와 습도, 센서의 노화, 오염, 교정 상태 등도 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 산업용 가스센서를 선정할 때는 단순히 “가스를 감지할 수 있는 센서”를 찾는 것이 아니라 측정하려는 가스의 종류와 농도 범위, 주변 환경, 다른 가스의 존재 여부, 설치 위치와 유지관리 조건까지 종합적으로 고려하는 것이 중요합니다.
앞선 글에서 광센서는 빛을 이용해 물체를 감지하고, 진동센서는 기계에서 발생하는 진동을 감지하며, 습도센서는 공기 중 수분 상태를 측정하는 센서라고 살펴보았습니다.
이번 가스센서 역시 결국 중요한 역할은 같습니다.
사람이 직접 확인하기 어려운 환경의 변화를 전기적인 신호로 바꾸어 자동화 시스템이 인식할 수 있도록 해주는 것입니다.
다음 글에서는 가스센서와 혼동하기 쉬운 CO₂ 센서를 별도로 살펴보겠습니다.