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자동차·선박 배출가스측정_자동차성능연구소_선박안전기술공단_자동차부품연구소_한국기계연구원

환경부로부터 자동차 배출가스저감장치 인증평가시험기관으로 지정받아 자동차 배출가스저감장치에 대한 국가 인증의 기본 근거 자료가 되는 자동차 배출가스 저감성능을 측정함에 있어 배출가스분석장비의 신뢰성이 매우 중요함에 따라서 GreenLine 9000 을 인증평가를 위한 검사용으로 사용하기 위하여 구매 요구함

— 국토해양부 교통안전공단 자동차성능연구소 구매요구서 —

 

현대자동차 남양연구소_쌍용자동차 연구소 등 자동차회사 와 자동차엔진배출가스분석기_국토해양부_교통안전공단_자동차성능연구소_자동차부품연구원_한국기계연구원_한국에너지기술연구원_인하대학교 등 자동차 연료 및 배출가스 절감장치 (DPF) 성능시험기관에 100% 납품한

 

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자동차 배출가스 검사 항목 및 측정 원리는...

1. CO (일산화탄소) : 비분산적외선 (NDIR)
2. CO2 (이산화탄소) : 비분산적외선 (NDIR)
3. THC (탄화수소) : 비분산적외선 (NDIR)
4. NOx (질소산화물) : 전기화학식 (EC)
5. O2 (산소) : 전기화학식 (EC)
6. 과잉공기비 (λ)

 

위 조건에 만족하는 가스분석기는 GreenLine 9000와 MK 9000, IR 9000 입니다.
(측정 단위는, ppm, mg/Nm³, mg/kwh, g/GJ, g/m³, g/kwh, Ib/Mbtu 단위로 동시 측정)
환경부형식승인 항목은 (O2, CO, NOx, SO2, THC) 5개 항목입니다.


참고로, 2014년부터 EURO-6에 의해서 CNG 버스에서는 CH4 (메탄), NH3 (암모니아) 항목이 정유차 대형에는 NH3 (암모니아) 가 추가되었으며, 그리고 가능한 CO2 (NDIR_비분산적외선) 항목도 함께 선택할 것을 추천합니다.
(NH3까지 동시에 측정되는 장비는 MK 9000과 IR 9000뿐입니다.)

 

 

개정 국립환경과학원 고시 제2006-19호 (2006.08.30.)

 

1.3.4 차대동력계용 배출가스 측정장치 및 그 부속기기

 

가. 측정원리

시험자동차의 배출가스를 시료채취장치로 채취하여, 채취된 시료 중 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 공기과잉률 등을 측정분석하기에 적합하여야 한다.

(1) 일산화탄소 및 이산화탄소 측정기

채취된 배기가스 중의 일산화탄소 및 이산화탄소 농도를 비분산적외선법 (Non-Dispersive Infrared) 으로 분석할 수 있어야 한다.

(2) 탄화수소 측정기

채취된 배기가스 중의 탄화수소 농도를 비분산적외선법 (Non-Dispersive Infrared) 으로 분할 수 있어야 한다.

(3) 질소산화물 측정기

채취된 배기가스 중의 질소산화물의 측정을 전기화학식 센서 방식에 의하여 할 수 있거나 이와 동등 이상의 방법을 사용할 수 있으며 이 때에는 상관성을 입증하여야 한다.

(4) 산소 측정기

채취된 배기가스 중 산소 농도를 자기식 또는 전기화학식으로 분석할 수 있어야 한다.

(5) 공기과잉률 측정기

채취된 배기가스중의 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소, 이산화탄소 및 산소 등을 측정하여 공기과잉률을 계산할 수 있어야 한다.

 

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대기오염 배출 가스 중 질소산화물(NOx)는 NO2를 기준으로 대기보전법이 개정되었습니다.
NO2가 측정되지 않으면 NOx (질소산화물) 로 인정되지 않으므로 정도검사를 받을 수 없습니다.

 

NO, NO2가 따로 분리되어 측정되며, 화면과 프린트에 「NO, NO2, NOx」 3 항목이 동시에 나타납니다. NO, NOx로만 표시되는, 또는 NO2 컨버터를 이용한 가스분석기는 NO2 센서가 없기 때문에 실제로는 NO2가 측정이 안 되고 NO를 NOx로 표시만 되는 것입니다.

 

 

 

질소산화물 기술코드 (NOx Technical code 2008) 에 따른 디젤 선박 배출가스 검사 항목 및 측정 원리는........

1. CO (일산화탄소) : 비분산적외선 (NDIR)
2. CO2 (이산화탄소) : 비분산적외선 (NDIR)
3. THC (탄화수소) : 비분산적외선 (NDIR)
4. NOx (질소산화물) : 화학발광법 (CLD)
5. O2 (산소) : 전기화학식 (EC)
6. 배기가스유량 (Nm³/h)

 

■ 디젤 선박기술기준에 따른 배기가스 측정 원리에 일치하는 가스분석기는 IR 9000입니다.

 

 

 

 

CO2 농도값 NDIR과 IR 관계

 

실제로 정확히 CO2 농도 값을 측정하려면 가스분석기에 CO2 센서가 장착이 되어야 한다.그에 따른 측정 방법은 대중적으로 흔히 사용하는 NDIR (Non-dispersive infrared 비분산적외선)이 있으며, 이 방법이 정확한 원리이다.

CO2 NDIR (Non-dispersive infrared 비분산 적외선 = Dual Wavelength)

 

 

origin : USA
CO2 NDIR Sensor (GreenLine 9000 & MK 9000에 장착된 CO2 NDIR Sensor)
측정범위 (Norminal range 0-100%)
사용 용도 : 환경오염, 연속실험, 바이오가스, 굴뚝가스, 내연기관, 자동차분야, 촉매, Landfill, 플라즈마, 고온반응실험 등 Environment 모든 분야에 적용


CO2 IR (Infrared 적외선 = Wavelength)

 

 

CO2 IR Sensor (타 사 가스분석기에 장착된 CO2 IR Sensor)
측정범위 (Norminal range 0-20%)
사용 용도 : Ambient Parts (작업 공정용 Detector, 실내 공기질, Landfill 등 분야)

흔히들 NDIR 과 IR 을 그냥 NDIR 이라고 하는데 이는 측정 원리는 물론 사용 용도도 전혀 다른 방식입니다.

① 비분산적외선(NDIR)과 적외선(IR) 방식을 잘 이해하지 못하는데서 비롯되었는데 NDIR은 CO2 농도 값을 정확히 측정하려면 빛의 파장을 여러 개로 Dual하여 측정하기 때문에 정밀도가 좋으며 압력, 수분(수분제거 장치 있을 시), 먼지 등에도 측정할 수 있어서 Emission Parts (환경오염, 연속실험, 바이오가스, 굴뚝가스,내연기관, 자동차분야, 촉매, Landfill, 플라즈마, 고온반응실험 등 Environment 모든 분야에 적용) 에서 주로 사용되며, 센서 수명도 반영구적이고 장시간 연속으로 실시간 측정이 가능하며, 측정값이 정확하고 흔들림이 없기 때문에 주로 대중적으로 사용되는 원리이다.

② IR(적외선) 방식은 빛의 파장을 한줄기만으로 측정하기 때문에, 주로 Ambient (작업 공정용 Detector, 실내 공기질, Landfill 등 분야) 에서 사용되므로 압력, 수분, 먼지, 고온 등에 있는 곳에서는 적합하지 않다. 그러나 어떤 가스분석기는 Ambient 용도인 CO2 IR (적외선) 센서를 “가스분석기 사양”에 억지로 맞추기 위해서 용도에도 적합하지 않는 Emission (오염도 측정 등 환경 분야) 에 적용하여 많은 오차를 유발하는 가스분석기도 있으니 이를 잘 구별하여 선택할 필요가 있다. 수분이 있는 곳에서는 측정을 할 수 없을 뿐 아니라 연속으로 실시간 측정이 불가능하며, CO2를 정확히 측정하기 위해서는 이런 점을 유의해야 한다. 그리고 센서 수명도 짧아서 1~2년 정도에 센서를 교체하여야 하지만 수분이 침투하면 사용이 불가하므로 유지비용도 많이 드는 단점이 있으며 이런 IR (적외선) 센서는 Emission 분야에 적합하지 않다.

참고로, MK 6000과 MK 4000에 적용되는 CO2(NDIR) 비분산적외선 센서는 타 Maker의 가스분석기에 사용되는 Ambient Parts 의 CO2(IR) 적외선 센서보다 자연수명이 3년 정도 더 사용할 수 있는 5년 이상의 자연수명을 가지면서 측정 성능이 더욱 탁월하면서도, 한층 더 업그레이드 된 다른 제조 회사의 제품인 Emission Parts 용 CO2(NDIR) 비분산적외선 센서를 사용합니다.

 

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NOx(NO+NO2)의 측정원리와 실제 측정값 관계

 

NOx(질소산화물)은 NO(일산화질소)와 NO2(이산화질소)을 각각 분리 측정하여 NO+NO2의 값을 합한 것을 NOx라 한다. 그에 따른 측정 방법은 아래와 같이 대중적으로 흔히 사용하는 5가지로 분류할 수 있다.

 

① NDIR : Non-dispersive infrared (비분산 적외선법)
② UV : Ultraviolet Fluorescence (자외선 형광법)
③ CLD : Chemiluminescence (화학 발광법)
④ PAS : Photo-Acoustic Spectroscopy (광음향 분광법)
⑤ EC : Electrochemical (전기 화학식)

 

1) 여기서 ①, ③ 원리로는 NO2를 직접 측정하여 실제값을 측정하는 NO2 Sensor가 존재하지 않기 때문에 NO와 O3의 반응에 의해서 NO2가 생성된다는 비례 관계에 의해서 NO2의 Converter(컨버터)를 이용하여 계산치(Calculation)로 측정하기 때문에 NO2가 가스분석기 화면에 Display 되어도 이는 NO2 센서가 있어서 실제 측정값이 아니라 NO2 센서가 없기 때문에 NO2의 농도는 계산치(Calculation Value) 값이다. 따라서 계산치(Calculation Value)의 NO2 농도값은 실제 NO2 농도와 차이가 많이 난다. (이것은 CO2 값의 계산치와 CO2센서로 측정한 실제값과 차이나는 것처럼 유사함) 이런 원리는 상온에서는 NO2가 많이 발생하지 않으므로 어느 정도 정확할 수 있으나 그러나 고온(High Temperature), 온도가 높아지면 플라즈마 효과처럼 NO2 농도값이 많이 발생하며, 오히려 Application 에 따라서는 NO2가 NO 농도보다 많이 발생할 수 있는데 (예, 내연기관, 플라즈마 이온 등도) 이 때는 NOx(NO+NO2) 값이 실제값 보다 아주 적게 측정될 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 질소산화물(NOx=NO+NO2)을 정확하게 측정하기 위해서는 컨버터 (Converter)를 사용하여 산화, 환원 방식의 계산치 (Calculation Value method) 방법을 채택한 가스분석기(최대 20% 오차까지 날수있음)를 사용하는 것 보단 NO 센서와 NO2 센서가 장착이 되어 실제로 NO와 NO2가 분리하여 측정되는 가스분석기를 사용하여야 정확한 질소산화물 (NOx=NO+NO2)의 농도값을 측정할 수 있다.

또한, 세계 최초로 컨버터(converter)를 사용하지 않고 PAS, UV 그리고 EC 측정 원리로 NO2를 직접 실측함으로 진정한 NOx(NO+NO2)가 측정되는 가스분석기 IR 9000을 선택하시면 됩니다.

 

 

2) PAS, UV, 그리고 EC 원리는 NO 센서와 NO2 센서가 각각 존재하기 때문에 NO 농도값과 NO2 농도값을 분리하여 온도와 관계없이 각각 측정하기 때문에 NOx 농도값이 더 정확할 수 있다. 표준가스 NO2를 직접 측정해 보시면 정확하게 알 수 있습니다.

 

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예시) 질소산화물(NOx)를 측정한다고 할 때 실제로 배출되는 질소산화물(NOx)=150PPM을 배출하는데,
이 중에서 실제로 배출되는 일산화질소(NO)=120PPM이고, 이산화질소(NO2)=30PPM이라고 한다면

1. NO 센서만 있는 장비로 측정할 때 NO = NOx = 120PPM을 나타냄(NO2를 측정하지 못하기 때문에)
2. NO 센서와 NO2 컨버터(CONVERT)만 있는 경우 NO(97%)+NO2(3%) = 120PPM+4PPM = 124PPM
3. NO 센서와 NO2 센서가 전부 있는 경우 NOx = NO+NO2 = 120PPM+30PPM = 150PPM이 되므로 정확하게 측정됨.

실제로 NOx를 정확하게 측정해야 하고 NOx(질소산화물)의 개념을 위해서라도 반드시 NO, NO2가 각각 측정이 되어야 한다.

특히, 굴뚝에서 측정할 때 SO2 또는 NO2 가스가 처음부터 측정이 되지 않거나, 측정값이 현저히 낮게 측정이 될 경우, 혹은 처음에는 측정값이 나타났다가 갑자기 측정이 안 되거나, 가스분석기의 측정 화면에는 SO2 농도가 0ppm 으로 나타나지만 가스 샘플링 프로브를 Stack에서 제거했을 때 SO2 농도의 수치가 나타날 때, 이러한 현상의 경우 SO2 농도가 분명히 존재함에도 불구하고 측정이 되지 않는 것은 가스 상의 수분이나 굴뚝 안의 뜨거운 온도가 가스 샘플링 호스로 흡입되면서 온도 편차에 의해 발생하는 응축수로 인해 나타나는 현상입니다. 따라서, 반드시 Cooling System 기능과 자동으로 응축수를 배출하는 2차 자동 수분 펌프가 내장되고, 자동으로 200℃까지 히팅 되는 가열식 샘플링 호스가 있는 가스분석기를 사용하여야 정확하게 SO2, NO2 를 측정할 수 있습니다.
참고로, Water trap (응축수 트랩)은 이러한 기능과는 전혀 다른 용도로 SO2, NO2를 측정하는데 있어 어떠한 역할도 하지 못합니다. Water trap (응축수 트랩)은 단지, 응축수를 잠시 보관해 주는 용도로써, 측정 중 응축수 배출을 위해서는 사용자가 육안으로 수시로 체크하여, 응축수 트랩을 비워 주어야 하기 때문에 10~20분 이상 연속 측정이 불가능하며, 응축수 배출이 안 될 경우 응축수가 넘쳐 가스 센서 및 장비 고장을 일으키거나 장비에 따라 멈춰버리는 경우도 있습니다.
그러므로, 수분이 많은 곳이나 장시간 동안 실시간으로 연속 측정을 원할 경우
1) Cooling System 기능 내장 + 2) 2차 자동 수분 펌프 내장 + 3) 자동으로 200℃까지 히팅 되는 가열식 샘플링 호스가 있는 가스분석기를 사용하면 수분 문제를 완벽하게 해결할 수 있습니다. 이러한 기능은 전 세계적으로 GreenLine 9000과 MK 9000, IR 9000이 유일합니다.

 

 

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