본 절은 [DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서]를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서
아황산가스(SO2) 인체에 미치는 영향
황산화물의 일종으로 물에 잘 녹는 무색의 자극적인 냄새가 나는 불연성 가스이다. 천연으로는 화산, 온천 등에 존재하며 황화수소와 반응하여 황을 생성한다. 황을 함유하는 석탄, 석유 등의 화석연료가 연소될 때 인위적으로 배출되며, 주요 배출원은 발전소, 난방장치, 금속 제련공장, 정유공장 및 기타 산업공정 등에서 발생한다.
아황산가스는 호흡기로 들어와 대부분 상기도(기도에서 기관지, 코 안에 있는 부위) 점막에 흡수된다. 농도가 높을수록 호흡할 때 점막에 많이 흡수되고 기관지까지 도달하는 양도 많아 피해가 커진다. 점막에 흡착된 아황산이 점액과 반응하면 황산을 형성하고, 염증을 일으켜 세균과 바이러스에 의한 2차 감염의 원인이 될 수 있다.
급성 피해: 아황산가스에 노출되면 불쾌한 자극성 냄새, 생리적 장애, 압박감, 기도저항, 코막힘, 콧물, 땀, 기침, 목구멍, 가슴 통증, 목구멍 통증, 재채기, 기침, 가래와 같은 인후 부위의 증상과 호흡곤란이 나타난다. 특히 호흡기 질환 환자, 어린이, 노인에게 위험하다.
만성 피해: 급성 피해가 여러 번 반복해서 일어나면 만성 피해로 바뀐다. 폐렴, 기관지염, 천식, 폐기종, 폐쇄성 질환 등이 나타난다.
고농도의 아황산가스는 옥외 활동이 많고 천식에 걸린 어른과 어린이에게 일시적으로 호흡장애를 일으킬 수 있으며, 고농도에 폭로될 경우 호흡기계 질환을 일으키고 심장혈관 질환을 악화시키는 것으로 알려져 있다.
질소산화물과 함께 산성비의 주요 원인 물질로 토양 등의 산성화에 영향을 미치고 바람에 의해 장거리 수송되어 다른 지역에 영향을 주며 식물의 잎맥 손상 등을 일으키고 시정장애를 일으키며 각종 구조물의 부식을 촉진시킨다.
이산화황의 피해를 보여주는 대표적인 사례는 런던스모그 사건과 뮤즈 계곡사건이 있다. 런던스모그의 경우에는 아황산가스 농도가 1ppm을 넘을 정도로 심각하여 많은 피해를 유발하였다.
런던스모그 사건은 1952년 영국 런던시에서 대기오염 때문에 1만 2000명이 사망한 사건이다. 석탄 연소에 따른 연기가 정제되지 않은 채 대기 중으로 배출되었고, 무풍 현상과 기온 역전 때문에 대기로 흩어지지 못하고 지면에 정체하게 되었다. 배출된 연기와 짙은 안개가 합쳐져 스모그를 형성하였고, 특히 연기 속에 있던 이산화황은 황산 안개로 변하였으며, 이러한 스모그 현상은 1주일간 지속되었다. 그 결과 사건 발생 후 첫 3주 동안에 호흡장애와 질식 등으로 4,000여명의 시민이 사망했고, 그 후 만성 폐 질환으로 8,000명이 추가 사망하여 총 1만 2,000여명이 1주일 동안의 심한 대기오염 현상 때문에 생명을 잃게 되었다.
뮤즈계속 사건은 뮤즈 지방의 대규모의 공업지대에서 발생한 사건이다. 사고 당시에 대한 보고에 의하면 당시 대기 중의 이산화황 농도는 9.6∼38.4ppm에 달하였으며, 이와 같은 고농도 하에서 황산안개도 발생하였다. 대기중에 정체된 고농도의 황산 안개로 수백 명의 호흡기 질환자가 발생하고 급성폐렴과 심장병으로 63이 동시 사망하였다. 심장병 혹은 폐질환을 지니고 있던 노인들의 사망률이 증가하였으며 수백 명의 급성호흡기질환자가 발생한 사건이다. 특히 사망자 중의 다수는 호흡기나 심장에 관한 질병이 있는 고령자 또는 어린아이들이었다.
아황산가스(SO2) 간이 측정기
아황산가스(SO2) 간이 측정기는 다음과 같다.
+더 알아보기
DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서란?
SPEC 제조사의 DGS-SO2(968-038) 센서는 아황산가스를 측정할 수 있다. 제조사는 센서, 센서 모듈, 센서 개발 키트를 제공하고 있다. 센서만으로 사용하기는 어려우며, 센서 모듈 또는 센서 개발 키트를 사용해야 한다.
다음은 제품 실물 화면을 보여준다.
다음은 제품 실물 화면을 보여준다.
다음은 제품 실물의 뒤쪽 화면을 보여준다.
DGS-SO2 센서 사양
DGS-SO2 센서 사양은 다음과 같다. 입력 전압은 2.6~3.6V 이며, 작동 온도는 -40~60도이다.
다음은 센서 사양을 보여준다.
다음은 센서 사양을 보여준다.
DGS-SO2 센서 출력값
최상의 결과를 얻으려면 모듈의 전원을 항상 켜 두는 것이 좋다. DGS 모듈은 TRIGGER 측정 사이에 저전력 상태로 자동 전환되어 센서의 전원을 켜서 최고의 정확도를 유지한다.
• DGS-SO2 센서 모듈이 V+ 및 GND에 연결된 경우 :
모듈의 마이크로 프로세서가 자동으로 센서 및 회로 작동을 구성하고 센서 측정값을 출력 한 다음 저전력 대기 모드로 들어간다.. 대기 모드에 있는 동안 중요한 센서 회로는 활성 상태를 유지하여 향후 센서 측정을 위한 최고의 정확도를 보장한다.
• DGS-SO2 센서 모듈에 전원이 공급되고 저전력 대기 모드인 경우 :
UART 인터페이스에서 수신된 모든 데이터 (예 : 단일 키 스트로크)는 UART를 통해 전송되는 측정을 트리거한다. 높은 정확도의 ADC 샘플링 방법으로 인해 센서 모듈이 명령을 수신할 때와 모듈이 응답을 전송하는 시점 사이에 1 초의 지연이 있다. 그런 다음 모듈은 저전력 대기 모드로 다시 들어간다.
• DGS-SO2 센서 모듈이 TRIGGER 후 1 초 이내에 인식된 명령을 수신한 경우 :
명령이 실행된다. 인식된 명령에 대한 자세한 정보는 단순 명령 라이브러리를 참조하면 된다.
DGS-SO2 센서의 [온도의 영향]
아황산가스(SO2)의 측정이 가능한 전기화학 가스 센서는 다양한 환경 매개 변수의 영향을 받는다.
센서는 측정값에 영향을 주는 온도, 상대 습도, 공기 흐름 변화, 압력 등에 대해 보상하는 방법도 함께 고려가 되어야 한다. 다음 그림의 데이터는 SPEC 가스 센서 중 5개의 대표적인 센서를 보여주며, SO2의 감도 변화 곡선을 함께 보여주고 있다.
전기화학 가스 센서는 주변 온도에 민감하다. 표본의 온도는 센서의 영점 판독 값(기준선)뿐만 아니라 감도/스팬에도 영향을 미친다.
이러한 영향은 서로 다른 화학적 메커니즘에 기인하며, 별도로 수정해야 한다. 데이터 시터에 따르면, 평균 온도 의존성을 이용한 온도 보상은 문제의 90% 이상을 해결할 수 있다고 한다. 감도의 온도 의존성 20°C 미만의 온도에서 민감도(nA/ppm으로 표현됨)는 일반적으로 +0.1 ~ +0.6%/C, 20 - 40°C에서 0 ~ 0.3%/deg씩 변화한다.
DGS-SO2 센서의 [습도(RH) 영향]
SPEC AN-104 Environmental Effects 스펙에 따르면, 센서 반응에 대한 습도의 영향은 더 미묘하고 복잡하다. 습도가 급격히 변할 때 센서 0에 일시적인 스파이크가 있을 수 있으며 다른 상대 습도 RH 수준에서 장시간 노출로 감도가 점차적으로 변할 수 있다.
센서는 기준선에 대한 RH 영향 (제로 전류)을 보정할 수 있다. 일반적으로 샘플의 상대 습도가 급격히 변하면 기준선에서 수백 ppb와 같은 급격한 증가가 발생하여 원래 기준선의 10 ppb 이내의 수준으로 빠르게 안정화된다. 스파이크의 방향은 전형적으로 습도 증가와 함께 아황산가스에 대한 반응과 관련하여 "+"방향 및 습도 감소와 함께 "-" 방향으로 변화한다.
이는 빠른 상대 습도 RH 변화에 대한 센서 BL(기준선)의 응답의 상태인 그림과 같다. 센서의 과도한 BL 교란이 원하는 성능에 영향을 미치는지 여부를 판단하여 보정해서 사용할 수 있다.
SPEC AN-108 Extreme Environment Operation 스펙에 따르면, SO2는 다른 센서보다 RH 극단에 더 큰 감도를 나타낸다. 0~20 ppm SO2 센서에 대해 제시된 데이터는 센서가 33~75 % RH의 조건에서 작동될 때 감도에서 <± 20 % 의 변화를 보여준다. 센서는 RH> 95 % RH에서 연속 작동시 6 주 후 감도가 + 30 % 증가하고 0 % RH에서 연속 작동시 67 %의 손실을 나타낸다.
DGS-SO2 센서의 [공기의 흐름(Flow Rate)]
센서의 감도 및 응답 시간은 센서 표면을 통과하는 공기 흐름 속도에 의해 어느 정도 영향을 받는다. 저속의 공기의 흐름에서는 특히 그렇다. 매우 정확한 측정을 위해서는 펌프로 샘플을 채취하고 내부 체적을 최소화하기 위해 센서 전체에서 공기희 흐름을 제어하는 것이 좋다
센서의 스펙에 따르면 센서는 민감도 및 응답 시간 데이터는 가스 흐름의 속도가 0.1~0.2m/sec인 고정장치에서 수집되며, 이는 실내의 대기 흐름에 근접한 것으로 나타내고 있다.
응용 분야에 공기 흐름이 크고 변동이 있을 수 있는 환경에서 사용되는 경우 센서 표면에 직접 공기 흐름이 발생하지 않도록 처리하면 좋다. 예를 들어, 배플 또는 비활성 다공성 멤브레인을 센서 앞에 배치하는 것이 좋다. 다공성 PTFE 멤브레인을 사용하면 센서가 응축 및 먼지 및 유증기 축적으로부터 보호된다.
DGS-SO2 센서의 [기압(Pressure) 영향]
DGS-SO2 아황산가스 센서는 센서 표면에 압력이나 진공을 최소화하면서 주변 압력에서 사용하도록 설계되었다. 센서는 표준 조건 (23 ± 3 ° C, 40 – 60 % RH 및 해수면 대기압)에서 보정된다.
센서가 1 기압 이외의 주변 조건에서 작동할 때 예측 가능한 성능을 발휘하지만 출력은 압력에 따라 거의 선형적으로 변화한다. 최고의 정확도를 위해 DGS-SO2 센서는 의도된 사용 압력에서 센서를 교정할 것을 권장하고 있다.
원칙적으로 이 압력 효과를 자동으로 보정하려고 시도할 수 있지만 SPEC 센서에는 데이터가 없으며 이에 대한 지침을 제공할 수 없다.
DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서]는 올 센싱, 네이버 쇼핑몰, SPEC 등에서 센서를 구입할 수 있다
올센싱
국내 센싱 업체인 올 센싱에서 제품을 구입하였으며, 아래와 같이 제품에 관한 문서를 확인할 수 있다.
스마트 스토어
올센싱에서 센서를 구입할 수 있다.
SPEC 홈페이지
이산화황(SO2) 센서 - 디지털 출력 모듈 968-038 DGS-SO2를 구입한다.
디지털과 아날로그 두 가지 종류의 제품이 존재한다.
SPEC 사의 쇼핑몰 사이트는 다음과 같다. SO2 제품과 ULP(Ultra-Low Powser Analog) 제품이 있다.
DOCUMENTS 탭에서 여러 가지 정보들이 있다.
DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 [DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서]는 라이브러리를 사용하여 간편하게 동작 확인을 할 수 있다.
------------------------------------------------------
개발환경 : WINDOWS 10
아두이노 IDE : 1.8.13
------------------------------------------------------
01 라이브러리 복사
libraries\Steamedu123_Sensor-master 폴더는 아래 폴더에 복사
* 아두이노 설치 후 자동으로 생기는 폴더
C:\Users\s\Documents\Arduino\libraries
02 *. ino 파일 실행
- 아두이노와 PC 연결
- 아두이노 IDE 실행
- 메뉴 → 툴 → 보드:아두이노 UNO 확인
- 메뉴 → 스케치 → 확인/컴파일
/*
@타이틀 : 아황산가스(SO2) 센서
*/
#include <C405_Steam_Air_DGS-SO2_SO2.h> // 내부 라이브러리 헤더 파일
SteamDGSSO2 dgsSO2; // 인스턴스, 핀 번호를 입력한다.
void setup() {
Serial.begin(9600); // 9600bps의 속도로 시리얼 통신을 시작한다.
dgsSO2.begin(); // (1) 센서를 초기화한다.
}
void loop() {
dgsSO2.read(); // (2) 센서의 값을 측정한다.
dgsSO2.display(); // (3) 센서의 값을 출력한다.
}
03 컴파일 확인
스케치>확인/컴파일(CTRL+R) 를 선택해서 컴파일을 진행한다.
04 아두이노 우노 업로드
컴파일이 이상없이 완료되면 스케치>업로드(CTRL+U) 를 선택해서 컴파일 파일을 업로드 한다.
05 동작 확인
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
마무리
본 절에서는 아황산가스가 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, 실제 아황산가스를 측정할 수 있는 센서와 아두이노를 이용해 직접 제어해보았다.
아황산가스가 농도가 나쁨일 경우에는 민감군의 어린이, 노인, 천식환자는 실외 활동을 자제하고, 매우 나쁨일 경우에는 모든 실외 활동을 금지해야 한다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [DGS-SO2 아황산가스(SO2) 아두이노 센서]의 참고 문헌은 다음과 같다.
[46] 에어코리아 실시간 대기 정보,
[47] 에어코리아 대기환경 기준(국내)
[48] 에어코리아 대기환경 기준(해외)
[49] SPEC Seonsor DGS-SO2 968-038
[50] SGX, EC4-20-SO2Datasheet
[51] Winsen ZE03Datasheet,
[52] SEEC Sensor SO2 센서,
[53] Digi-key 쇼핑몰 EC4-20-SO2,
[54] 알리익스프레스 쇼핑몰 - Winsen ZE03-SO2,
[55] o3-spec-3sp-o3-20, “figure 1: Typical 2 electrode Electrochemical Gas sensor”, p1
[56] DS_968-038-DGS-SO2, “The time and magnitude of this response may vary depending on the sensor type and the length of time the sensor has ben unpowered.”, p5
[57] [Spec 센서] DGS 테스트 프로그램 - DSDK_Tool_v0.42
+ 이 글도 읽어보세요.
모두의 아두이노 환경 센서 책
[모두의 아두이노 환경 센서] 책은 예스24, 인터넷 교보문고, 알라딘, 인터파크도서, 영풍문고, 반디앤루니스 , 도서11번가 등에서 구입할 수 있다. 이 책에서는 PMS7003, GP2Y1010AU0F, PPD42NS, SDS011 미세먼지 센서, DHT22 온습도 센서, MH-Z19B 이산화탄소 센서, ZE08-CH2O 포름알데히드 센서, CCS811 총휘발성유기화합물 TVOC, GDK101 방사선(감마선) 센서, MQ-131 오존(O3) 센서, MQ-7 일산화탄소, MICS-4514 이산화질소 센서, MICS-6814 암모니아 센서, DGS-SO2 아황산가스(SO2) 센서, BME280 기압 센서, GUVA-S12SD 자외선(UV) 센서, MD0550 기류 센서, QS-FS01 풍속 센서(Wind speed) 를 사용한다.
모두의 아두이노 환경 센서
아두이노와 센서로 내 건강을 지킬 수 있다!다양한 환경 센서를 실생활 프로젝트에 응용해보자!시중에 판매되고 있는 간이측정기도 센서로 값을 측정합니다. 똑같은 센서를 아두이노에 연결하
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