알루미늄 내에 녹아있는 용존수소 양의 직접적인 측정
AlproH palm이란?
‘AlproH palm’은 알루미늄 용탕 내 녹아있는 용존 수소의 양을 빠르고 정확하게 측 정할 수 있는 휴대성이 매우 좋은 측정 시스템입니다. 이 시스템은 센서 프로브 와 측정기기(연결선 포함), 그리고 간편한 측정 보조장치와 프린터로 구성되어 있습니다. 센서의 수명은 외부 하우징이 녹거나 센서가 파괴될 때 까지 무한하다고 볼 수 있기 때문에 주기적인 교정으로 오랫동안 사용할 수 있습니다.
이 기기에는 세계 특허로 등록된 PARK 센서가 프로브의 끝에 장착 되어있습니다. 이 센서에서는 알루미늄 용탕으로 부터 증발되는 수소 양에 따른 전기화학적 전압 값을 발생시키게 됩니다(전기화학적 원리). 센서소재는 주로 세라믹으로 구성 되어있으며, 고열에도 견디도록 설계된 특수 합금과 고강도 그래파이트 내에 견고하게 장착되어있기 때문에 극한 환경이나 용융 알루미늄으로부터의 침식에 견디도록 만들어져 있습니다. AlproH palm은 알루미늄 내에 녹아있는 용존수소의 절대 양(S)을 ml/100g Al 단위(현장 관례적인 단위)로 표시해 줍니다.
작동원리는?
▲ AlproH palm Field Test
이 기술은 독특한 고체 전기화학식 수소센서 방식 (Park-sensor)을 채용하고 있습니다. 세라믹 형태의 산소이온 전도체와 고체 이온전도체의 접합을 이용하여 공기 중에 존 재하는 산소(항상 21%로 고정된 값)를 기준으로 알루미늄 안에 녹아있는 수소의 농도를 측정하는 세계 특허 등록된 고유의 방식입니다. 이 작동원리에 대해서는 아래에 좀 더 자세히 설명하였습니다:
아래 단면 그림에서 보는 바와 같이 Park 센서의 양면(노랑과푸른색튜브)에 는 백금(Pt)으로 된 전극들이 칠해져 있습니다. 튜브의 안쪽(기준전극)은 공기 중의 산소 에 노출되어 있고, 반대쪽(감지전극)은 알루미늄 용탕 속에서 다공성 물질(탄소)을 통해 수소가스에 노출 되어있습니다. 이 다공성 물질을 통해 알루미늄 용탕의 수소가 확산 되어 센서로 전달됩니다. 이 경우 센서에서 측정되는 전압, E는 다음과 같이 표현됩니다.
E = E0 + 9.921x10-5 T log[H2]
즉, 측정된 전압은 용존 수소의 분압과 센서 의 온도에 비례하는 관계를 가집니다. 여기서 Eo 와 T는 각각 센서상수와 센서의 절대 온도에 해당됩니다.
센서가 수소에 노출되었을때 이종 고체 전해질 접합의 양단에 발생되는 전압을 이용하여 수소의 양을 계산하게 됩니다. 그러나 가스 상태의 수소 분압으로부터 용탕에 녹아있는 용존수소의 양을 환산하기 위해서는 가스 분압과 용해도와 의 관계식을 이용합니다. Sievert 의 법칙으로부터 우리는 용존 수소의양, S가 용탕의 온도와 수소분압과 합금원소의 조합에 의해 아래와 같은 함수로 표현됨을 알고 있습니다.
여기서 S는 수소 용해도로서 관례상 ml/100gAl의 단위를 사용하고 T와 f는 각각 절대온도와 합금 계수를 말합니다.
Probe
센서는 산소이온 전도체와 수소이온 전도체를 접합시킨 구조를 가지고 있기 때문에 열 충격에 특히 강한 성격을 가지고 있습니다. 그리고 이 세라믹 센서를 KOVAR로 브레이징하여 수소가스의 누출을 막아주었고 이를 다시 스테인레스 프레임에 용접한 구조를 가지고 있습니다. 감지전극은 다공성 그래파이트로 감싸 알루미늄 용탕으로 부터의 침식을 막아주었고 센서의 산화를 방지시켜 주기 위하여 녹은 알루미늄이 센서를 감싸도록 고안되었습니다. 측정하는 데 걸리는 시간은 대략 2-3분 정도가 소요됩니다.
센서는 구조상 수명이 매우 긴 특징을 가지고 있습니다. 그래서 센서가 파괴될 때까지 장시간 사용이 가능합니다. 다만 우리는 6달 이나 300번 중 가까운 쪽으로 교정하여 사용하기를 추천 드립니다. 만약 센서에 문제가 생기면 자체적으로 이를 감지하여 사용자에게 알려주는 ‘자체경고기능’이 탑재 되어있습니다.
센서(길이: 20cm)는 핸들 (길이:20cm, 40cm) 과 물리적으로 결합 되어있고 기기와는 전기적으로 연결됩니다. 핸들에 들어있는 열전대가 센서 감지전극의 온도를 측정하는 온도센서의 역할을 합니다.
스펙
| 측정범위 | 0.01-0.72 ml/100gAl |
| 정확도 | ±0.02 ml/100gAl or ±15% (whichever is greater) |
| 재현성 | <0.02 ml/100gAl or ± 10% (whichever is greater) |
| 측정시간 | <2.5 min |
| 최대 측정 깊이 | 150mm |
| 최적 센서 동작온도 | 640-790 ℃ |
| 크기 | 120x244x46 mm |
| 무게 | 600g |
개인용 측정 보조장치(Personal Measurement Aid)
센서 프로브를 용탕에 삽입하여 측정을 수행할 때, 사용자의 안전과 편리성(측정 정확도)의 제고를 위하여 측정보조장치의 사용을 강력히 권고합니다. 측정보조장치에는 센서 프로브를 잡아주는 그립과 측정과 이동을 위한 손잡이 그리고 측정 후, 센서를 냉각시켜주는 냉각패드가 장착되어 있습니다, 또한 센서와 터미날간의 전기적 연결선이 설치되어 있고 측정시 프로브의 하중을 완화해주기위한 어깨 멜빵이 있습니다. 지지대는 대부분 알루미늄 소재로 제작되었기 때문에 가볍고 편리합니다.
빠르고, 정확하고, 취급이 쉽고, 수명이 긴 특징의 센서
특허 등록된 독창적인 원리의 센서와 그에 적합 한 측정 알고리즘을 내장하고 있기 때문에 센서 프로브는 빠른 시간 내에 측정이 가능합니다. 또한 구조적인 견고성으로 인하여 어떤 열적 충격이나 기계적인 문제에도 잘 견딥니다.
터미날 디스플레이는 직관적으로 쉽게 구성되어 이해하기 수월합니다. 특히, 용존수소의 농도(S, ml/100gAl) 뿐아니라 알루미늄 내부의 수소분압도 표시해 주기 때문에 측정 시, 합금설정이 잘못되었을 경우에도 합금의 상호작용계수를 수정하여 측정된 용존수소 농도를 수정할 수 있습니다.
