Design and Implementation of Portable Electrostatic Meter Applicable to Industrial Site

산업 현장에 적용할 수 있는 휴대형 정전기 측정기 설계 및 구현

Abstract

In this paper, We propose a portable electrostatic meter which can measure high voltage static electricity caused by friction to prevent fire or explosion accidents in grinding, crushing, power injection, transport, filling, dust removal, painting, and foreign matter removal processes. The proposed device not only shows static electricity strength in 4 steps with respect to distance and voltage but also gives warning with a buzzer, on process facilities that are likely to generate high voltage static electricity due to friction. The device is implemented by filtering the signal detected by the wireless antenna, amplifying the signal by 6 times, and passing the signal through the integrator circuit. Tests are carried out with an electrostatic discharge simulator. And the results show that 4 LEDs are turned on at the distance of 10cm, 3 LEDs at 12cm, 2 LEDs at 13cm, and 1 LED at 15cm, when a fixed voltage of 500V is given. And also, the tests show that the static electricity can be detected at 5cm on 100V, 10cm on 200V, 15cm on 500V, 20cm on 1000V, and 25cm on 1500V. We expect to reduce accidents caused by static electricity by allowing safety managers on fields where fire or explosion accidents can happen to monitor static electricity.

1. 서론

정전기는 전기와는 다르게 전하의 분포가 시간적으로 변하지 않는 전기현상을 말한다. 즉 두 물체 사이에 접촉, 마찰, 충돌, 박리현상이 일어나면, 각각의 물체의 표면에 정전기가 발행한다. 그리고 정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)은 전계 강도가 매질의 절연 파괴 전계 세기에 도달했을 때 일어나는 현상이다. 이것은 코로나 방전(corona discharge), 브러시 방전(brush discharge), 벌크 표면 방전(bulk surface discharge), 불꽃 방전(spark discharge), 연면 방전(propagating brush discharge) 등이 있다[1].

산업현장에서의 정전기 방전에 의한 화재⋅폭발 사고는 산소와 점화원 그리고 인화성 물질이 합쳐질 때 발생을 하는데, 분쇄기, 이송 중의 분진 입자의 파쇄, 반응기에 원료 분진 투입, 공기이송, 스크류 컨베이어, 버킷 엘리베이터 등에 의한 사일로, 포대 등의 충진, 유동층 건조기, 집진장치 백필터의 분진 제거, 분체 도장, 약품의 살포, 체(sieve) 작업, 이물질 제거 등의 공정에서 마찰에 의해 고전압의 정전기가 발생하게 된다[2].

이렇게 발생된 정전기는 전도성이 없기 때문에 외부로 흘러나가지 못하고 내부에 응축하게 되고, 공정의 길이가 길수록, 속도가 빠를수록 전도성이 없을수록 전압이 높아져 폭발사고로 발생하게 된다. 여기에서 산소와 인화성 물질은 작업 공정에 반드시 필요하기 때문에 제거할 수 없고, 점화원인 정전기를 제거하면 안전하게 사용할 수 있다.

산업안전보건기준에 관한 규칙 제 325조(정전기로 인한 화재 폭발 등 방지)[3]에서는 정전기에 의한 화재 또는 폭발 등의 위험이 발생할 우려가 있는 경우에는 해당 설비에 대하여 확실한 방법으로 접지를 하거나, 도전성 재료를 사용하거나 가습 및 점화원이 될 우려가 없는 제전 장치를 사용하는 등 정전기의 발생을 억제하거나 제거하기 위한 조치를 해야한다고 규정되어 있으나 예방 조치로 정전기에서 발생하는 전압을 주기적으로 측정하고, 관리하여 제거함으로서 화재⋅폭발 사고를 미리 예방하는 것이 반드시 필요하다.

산업현장에서 정전기에 의한 사고를 줄이기 위해 많은 연구가 이루어져 오고 있다[1,2,4-6]. 최광석은 전기의 발생, 정전기방전, 정전기로 인한 재해, 정전기 방지 대책 등을 소개하고, 정전기에 의한 장해⋅재해를 일으키지 않을 정도로 정전기를 주기적으로 측정 또는 모니터링에 의해 관리하는 것과 산업 안전 관리자, 작업자 등에 대한 정기적인 정전기 안전교육을 강조하고 있다[1]. 한우섭은 정전기 착화에 의한 국내외의 화재폭발사고 사례를 조사, 분석하고 정전용량 측정을 통한 정전압의 계산 및 정전압 측정에 의한 착화에너지 추정의 타당성을 검토하여 정전기 사고 저감에 활용할 수 있는 방법을 제시하였다[2]. 오선일은 산업이 발달함에 따라 복잡해지는 생산공정 등에서 분진 폭발 사고를 방지하기 위한 대책을 세워 분체의 취급부주의에 따른 분진폭발 사고를 예방해야함을 강조하고 있다[4].

나병철은 대전방지기술이 부재한 차량 연료계에서 정전기 축적 특성과 공중방전 가능성이 있음을 확인하였고, 접지기술이 적용된 연료 펌프 모듈의 정전기 발생량과 접지 전, 후의 정전기 발생량을 측정하여 연료부품 대상 대전방지기술의 중요성을 판단하였다[5]. 정종혁은 기존에 사용하고 있는 코로나 방전식 정전기 제거장치에서 발생하는 전극핀의 오염 문제를 해결하기 위한 청정 환경용 정전기 제거 장치를 개발하였다[6].

하지만 이러한 연구들은 정전기를 제거하기 위한 이론적인 내용만을 제시하거나, 특정 장치에만 정전기를 제거하는 장치를 제시하고 있고, 일반산업 현장에서 주기적으로 정전기를 측정할 수 있는 측정 장치를 제안하고 있지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 산업현장에서 안전 관리자가 작업 공정에서 발생하는 정전기를 주기적으로 측정하여 사고를 미리 예방 할 수 있는 휴대형 정전기 측정기를 제안한다. 본 연구를 통해 정전기에 의한 화재⋅폭발이 발생 할 수 있는 산업 현장에서 정전기로 인한 사고를 줄일 수 있을 것이다.

2. 휴대형 정전기 측정기의 구조

본 논문에서 제안하는 휴대형 정전기 측정기의 구조는 그림 1과 같다. 이것은 산업 현장에서 안전 관리자가 휴대하고 다니면서 작업 공정 작업장의 정전기를 측정할 수 있는 블럭도를 나타내고 있다. 이것은 안전 관리자가 마찰에 의한 고전압의 정전기가 발생할 가능성이 높은 작업 공정 시설에 휴대형 정전기 측정기를 측정하면 거리에 따른 전압 레벨별로 4개의 LED로 표시해주고, 부저를 통해서 소리로 알려주도록 한다.

Fig. 1 Structure of Portable Electrostatic Meter

휴대형 정전기 측정기는 정전기 방전으로 인하여 전자기파가 만들어지면 이것을 검출하기 위해 무선 안테나로 외부의 정전기를 감지를 한다. 감지된 신호는 필터를 거친 후 신호를 2회 증폭을 하고, 적분회로를 통해 신호 판별 가능한 신호로 만든다. 적분 회로를 통과한 신호는 비교기를 통하여 신호를 크기를 판별하고, 래치(latch) 회로를 통해 신호를 LED와 부저로 표현한다.

3. 휴대형 정전기 측정기의 구현

본 논문에서 제안하는 휴대형 정전기 측정기의 성능을 평가하기 위한 사양은 표 1과 같다.

Table 1. Specification of Portable Electrostatic Meter

이것의 측정 전압은 20cm 범위 내에서 최대 1.5㎸까지 측정할 수 있도록 설계가 되었으며, 휴대할 수 있도록 6V의 입력 전압을 사용하고, 거리별 출력 전압을 4단계로 출력하고, 범위 내에 정전기가 측정되면 알람을 울리도록 하였다.

그림 2는 그림 1의 시스템 블록도에서 제시한 안테나(Wireless Antenna)와 필터(FILTER)를 나타내고, 그림 3은 AMP를 나타내고, 그림 4는 AMP 이후의 필터, 마지막으로 그림 5는 적분 회로를 나타낸다.

Fig. 2 Antenna and RC Filter Circuit

FIg. 3 Firtst Amp. and 2^nd Amp. circuit

Fig. 4 Band Stop Filter circuit

Fig. 5 Integrator signal circuit

그림 2에서 무선 안테나로 외부의 정전기를 감지하면 식 (1)에서와 같이 RC 필터를 통해 고주파 신호를 통과시키고 저주파 신호를 차단시킨다.

\(\begin{align}f=\frac{1}{2 \pi R C}\end{align}\)       (1)

\(\begin{align}A_{v}=\frac{V_{\text {out }}}{V_{\in}}=\frac{-R_{f}}{R_{\in}}\end{align}\)       (2)

이렇게 필터링 된 신호는 그림 3에서와 같이 반전 증폭기를 통해 2회의 증폭한다. 1차 증폭에서는 식 2를 이용하여 2.96배(약 3배) 증폭을 하고, 2차 증폭에서는 1차 증폭에서와 동일하게 식 2를 이용하여 약 2.06배(약 2배)의 신호 증폭을 증폭한다. 이렇게 증폭된 신호는 그림 4의 밴스스톱 필터(band stop filter)를 거친 후에 적분기 회로를 통해 판별가능한 신호를 생성한다.

적분 회로를 통과하면 그림 6에서와 같이 비교기를 거쳐서 LED와 알람으로 출력할 수 있도록 한다. LED 출력은 래치를 통해서 출력하도록 하고, 부저는 그림 6의 LED1 Buzz 신호를 계수하여 출력한다.

Fig. 6 Comparator circuit

그림 7은 본 논문에서 제안하는 휴대형 정전기 측정기를 제작된 내부 사진을 나타내고 있다. 이것의 크기는 80 × 140 × 40 mm이고, 일반 성인이 어려움 없이 사용할 수 있는 크기이다.

Fig. 7 Manufactured Portable Electrostatic Meter

4. 실험 및 고찰

본 논문에서 제안하는 휴대형 정전기 측정기의 성능을 확인하기 위해서 NOISE사의 ESS-630A 정전기 발생 시뮬레이터 (Electrostatic Discharge Simulator)를 사용하였다. 실험은 정전기 발생 시뮬레이터에서 500V SINGLE로 설정하고 정전기를 발생하여 거리에 따른 정전기 측정기에서 출력되는 LED의 개수를 측정하였다.

그림 8은 정전기 발생기에 500V를 인가하였을 때 거리별 출력 상태를 나타낸다. 그림 8.(a)에는 10cm거리일 때 4개의 LED가 ON되는 것을 확인할 수 있고, 그림 8.(b)에는 12cm거리일 때 3개의 LED가 ON되는 것을 확인 할 수 있고, 그림 8.(c)에는 13cm거리일 때 2개의 LED가 ON되는 것을 확인 할 수 있고, 마지막으로 그림 8.(d)에는 15cm거리일 때 1개의 LED가 ON되는 것을 확인할 수 있다. 그림 8의 결과는 같은 전압일 경우 거리가 멀어질 수 록 출력 범위가 작게 나타남을 알 수 있다.

Fig. 8 LED output according to distance

그림 9은 정전기 발생기에 100V부터 1500V까지 전압을 인가하였을 때 측정되는 거리를 나타낸다. 거리별 LED 출력 상태를 나타낸다. 가로축은 인가된 전압을 나타내고, 세로축은 측정 거리를 나타낸다. 그림 8에서 정전기가 100V가 발생하였을 때는 5cm의 거리에서 측정이 가능하고, 200V가 발생하였을 때는 최대 10cm의 거리에서 측정이 가능하고, 500V가 발생하였을 때는 최대 15cm의 거리에서 측정이 가능하고, 1㎸가 발생하였을 때는 20cm의 거리에서 측정이 가능하고, 마지막으로 1.5㎸가 발생하였을 때는 25cm의 거리에서 측정이 가능함을 알 수 있었다.

Fig. 9 Measuring Distance by Voltage

5. 결론

본 논문은 산업현장에서 정전기 방전에 의한 화재⋅폭발 사고를 줄이기 위해 분쇄, 파쇄, 분진 투입, 이송, 충진, 분진 제거, 도장, 이물질 제거 등의 공정에서 마찰에 의한 고전압의 정전기를 측정할 수 있는 휴대형 정전기 측정기를 제안하였다. 이것은 산업현장에서 안전관리자가 마찰에 의한 고전압의 정전기가 발생할 가능성이 높은 공정 시설에서 정전기의 세기를 거리별, 전압별로 4단계로 표시해주로 부저로도 알람을 주도록 하였다.

이를 위해 무선 안테나로 감지된 신호를 필터를 거친후 6배의 신호로 증폭하고 적분 회로를 통해 구현하였다. 실험은 정전기 발생 시뮬레이터를 사용하여 500V의 고정 전압을 인가한 경우에 10cm 거리에서는 4개의 LED ON, 12cm 거리에서는 3개의 LED ON, 13cm 거리에서는 2개의 LED ON, 15cm 거리에서는 1개의 LED ON이 되는 것을 확인하였다. 그리고, 정전기 세기별 측정 거리는 100V일때는 5cm, 200V일때는 10cm, 500V일때는 15cm, 1000V일 때는 20cm, 1500V 일때는 25cm에서 감지할 수 있었다.

본 연구를 통해 화재⋅폭발 위험이 있는 산업 현장에 안전 관리자가 정전기에 의한 장애 및 재해를 일으키지 않도록 모니터링할 수 있을 것이며, 이로 인해 정전기에 의한 사고를 줄일 수 있을 것이라 판단한다.

향후 연구를 통해 안전 관리자가 접근하기 힘든 위치에 정전기 측정기를 부착하고, 무선 센서 네트워크를 이용하여 안전 관리실에서 각 공정별 데이터를 수집하는 시스템으로 발전할 수 있을 것이다.