가스분석기는 공기와 산업용 가스의 성분을 어떻게 확인할까

가스 성분을 수치로 확인하는 측정 원리

공기는 눈에 보이지 않지만 질소와 산소를 비롯해 여러 기체가 섞여 있는 혼합물입니다. 산업 현장에서는 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 수소 등 특정 가스의 농도를 확인해야 하는 경우도 있습니다. 가스의 성분과 농도는 연소 상태, 제품 품질, 공정 효율, 작업환경의 안전성에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

이처럼 기체 혼합물에 포함된 성분을 검출하고 농도나 조성을 측정하는 장비가 가스분석기입니다. 가스분석기는 시료에 포함된 성분이 빛을 흡수하거나 전기화학 반응을 일으키는 특성, 열을 전달하는 특성 등을 이용해 측정 신호를 얻습니다. 이후 장비는 이 신호를 분석해 특정 가스의 농도를 수치로 표시합니다.

다만 모든 가스를 하나의 원리로 분석할 수 있는 것은 아닙니다. 측정하려는 가스의 종류와 농도 범위, 다른 성분의 간섭 가능성, 필요한 측정 정확도에 따라 적합한 분석 방식을 선택해야 합니다.

가스분석기는 어떤 과정을 거쳐 농도를 계산할까

가스분석의 기본 과정은 시료 채취, 성분 검출, 신호 처리, 농도 계산, 결과 표시로 나눌 수 있습니다.

먼저 측정 대상인 공기나 공정 가스를 장비로 공급합니다. 시료는 장비 내부로 직접 들어가기도 하고, 펌프와 배관을 통해 분석부로 이동하기도 합니다. 시료에 먼지나 수분이 포함되어 있으면 측정 원리에 따라 필터나 전처리 장치가 필요할 수 있습니다.

분석부에서는 가스의 특성을 감지합니다. 전기화학식 센서는 특정 가스와 관련된 전기화학 반응을 측정하고, 적외선식 분석기는 특정 파장의 빛이 얼마나 흡수되는지 확인합니다. 열전도도식 분석기는 시료의 열전도 특성을 측정합니다.

검출된 신호는 장비에 저장된 교정 정보와 측정 조건을 바탕으로 농도값으로 변환됩니다. 따라서 가스분석기의 표시값은 단순히 센서가 반응한 정도가 아니라, 정해진 측정 원리와 교정 관계를 적용해 계산한 결과입니다.

전기화학식 가스분석기는 전기적 신호를 이용한다

전기화학식 센서는 특정 가스가 센서 내부의 전극에서 산화 또는 환원 반응에 관여할 때 발생하는 전기적 신호를 이용합니다. 장비는 이 신호와 가스 농도 사이의 관계를 이용해 농도를 계산합니다.

이 방식은 일산화탄소, 황화수소, 산소 등 일부 가스를 측정하는 장비에 사용됩니다. 다만 모든 전기화학식 센서가 동일한 가스를 측정하는 것은 아니며, 센서마다 측정 대상과 작동 원리가 다릅니다.

전기화학식 센서는 크기를 작게 만들기 쉬워 휴대용 가스 측정기와 작업환경 감시 장비에 널리 활용됩니다. 반면 센서의 수명, 온도와 습도, 다른 가스에 의한 교차 간섭 등이 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

특히 한 종류의 가스에 반응하도록 설계된 센서라도 다른 성분에 영향을 받을 수 있으므로, 실제 사용 환경에 존재하는 가스 종류를 확인한 뒤 장비를 선택해야 합니다.

적외선식 가스분석기는 빛의 흡수량으로 농도를 구한다

일부 가스 분자는 특정 파장의 적외선을 흡수합니다. 적외선식 가스분석기는 이 특성을 이용해 시료에 포함된 가스의 농도를 측정합니다.

장비 내부에서 적외선을 가스 시료에 통과시키면, 측정 대상 가스는 자신이 흡수할 수 있는 파장의 빛을 흡수합니다. 검출기는 시료를 통과한 빛의 세기를 측정하고, 장비는 기준 신호와 비교해 흡수 정도를 분석합니다.

일반적으로 측정 대상 가스의 농도가 높아지면 특정 조건에서 빛의 흡수량도 커집니다. 장비는 이러한 관계를 교정해 농도값으로 변환합니다. 다만 실제 결과는 광학 경로의 길이, 압력, 온도, 다른 가스의 간섭 등에 영향을 받을 수 있습니다.

적외선식 분석은 이산화탄소와 일부 탄화수소 계열 가스를 측정하는 데 활용됩니다. 하지만 모든 기체가 같은 방식으로 적외선을 흡수하는 것은 아니므로, 분석 대상 가스에 적합한 파장과 검출 방식을 사용하는지 확인해야 합니다.

열전도도식 가스분석기는 기체의 열전도 특성을 비교한다

기체마다 열을 전달하는 능력이 다르다는 점도 가스 분석에 활용할 수 있습니다. 열전도도식 가스분석기는 시료의 열전도 특성을 측정하고, 기준 가스 또는 교정된 상태와 비교해 조성을 추정합니다.

이 방식은 수소나 헬륨처럼 다른 기체와 열전도 특성에 차이가 큰 성분을 분석하는 데 활용될 수 있습니다. 산업 공정에서는 가스 혼합물의 조성을 확인하거나 특정 성분의 변화를 감시하는 용도로 사용합니다.

다만 열전도도는 혼합물에 포함된 여러 성분의 영향을 받을 수 있습니다. 측정 대상 이외의 가스 조성이 달라지면 열전도도 변화가 목표 성분의 농도 변화 때문인지, 다른 성분의 변화 때문인지 구별하기 어려울 수 있습니다. 따라서 이 방식은 시료의 조성이 알려져 있거나 간섭 성분을 적절히 관리할 수 있는 환경에서 특히 유용합니다.

가스분석 방식은 어떻게 비교하고 선택할까

가스분석기를 선택할 때는 장비의 가격이나 측정 가능한 가스의 개수만 볼 것이 아니라 분석 목적과 시료 조건을 함께 고려해야 합니다.

측정 방식	이용하는 특성	고려할 사항
전기화학식	전기화학 반응에 따른 전기 신호	센서 수명과 교차 간섭
적외선식	특정 파장의 적외선 흡수	측정 대상 가스의 흡수 특성과 광학 조건
열전도도식	기체의 열전도 특성 차이	혼합물의 조성과 간섭 성분
기체크로마토그래피	혼합 성분을 분리한 뒤 검출	분석 시간, 시료 전처리, 검출기 종류

기체크로마토그래피는 가스 혼합물의 성분을 분리해 분석할 때 사용하는 방법입니다. 시료를 분리 컬럼에 통과시키면 성분마다 이동 속도와 머무르는 시간이 달라질 수 있으며, 검출기는 분리된 성분을 확인합니다. 단순히 특정 가스의 농도를 연속 감시하는 장비와 달리, 복잡한 혼합물의 여러 성분을 구분해야 할 때 유용합니다. 실제 분석 가능 성분은 컬럼과 검출기 구성에 따라 달라집니다.

따라서 작업환경의 위험 가스를 빠르게 감시할 목적이라면 해당 가스에 적합한 센서와 경보 기능이 중요합니다. 반면 공정 가스의 여러 성분을 구분하거나 조성을 정밀하게 분석하려면 적외선식 또는 기체크로마토그래피 등 다른 분석 방식이 더 적합할 수 있습니다.

가스 농도는 어떤 단위로 표시할까

가스분석 결과는 농도 범위와 측정 목적에 따라 퍼센트(%)나 ppm 등으로 표시됩니다.

퍼센트는 전체 혼합물에서 특정 성분이 차지하는 비율을 나타낼 때 사용합니다. ppm은 백만분율을 뜻하며, 상대적으로 낮은 농도의 성분을 표시할 때 자주 활용됩니다. 예를 들어 같은 기준의 농도 표현에서 1%는 10,000 ppm에 해당합니다.

다만 가스 농도는 부피 기준, 몰분율 기준, 질량 기준 등으로 표현될 수 있습니다. 또한 ppm과 같은 부피 또는 몰 기준의 농도는 온도와 압력 조건을 확인해야 하는 상황이 있습니다. 따라서 서로 다른 장비의 측정값을 비교할 때는 단위뿐 아니라 농도 기준과 측정 조건도 함께 확인해야 합니다.

측정 결과가 달라지는 주요 원인

가스분석기의 결과는 센서 자체의 성능뿐 아니라 시료의 상태와 측정 환경에도 영향을 받습니다.

온도와 압력의 변화

온도와 압력은 기체의 밀도와 물리적 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 분석 원리에 따라서는 측정값에 직접적인 영향을 주거나 보정이 필요할 수 있습니다. 따라서 장비가 허용하는 온도·압력 범위와 보정 기능을 확인해야 합니다.

수분과 시료 전처리

시료에 포함된 수분은 일부 센서의 반응에 영향을 주거나 측정 대상 성분을 희석할 수 있습니다. 특히 시료를 건조하는 과정에서 수분과 함께 다른 성분이 손실되거나 가스의 조성이 변하면 실제 공정 상태와 다른 결과가 나올 수 있습니다. 전처리 방법은 분석 목적과 측정 원리에 맞춰 결정해야 합니다.

다른 가스의 간섭

측정 대상이 아닌 가스가 센서에 반응하거나 검출 신호에 영향을 주면 농도값에 오차가 발생할 수 있습니다. 이를 교차 간섭 또는 성분 간 간섭이라고 합니다. 장비를 선택할 때는 측정 대상 가스뿐 아니라 시료에 함께 존재할 가능성이 있는 가스도 확인하는 것이 좋습니다.

누설과 시료 공급 상태

시료를 배관으로 공급하는 장비에서는 연결부의 누설이나 부적절한 유량이 측정 결과를 바꿀 수 있습니다. 외부 공기가 섞이면 시료가 희석될 수 있으며, 배관에 남아 있는 이전 시료가 새로운 측정에 영향을 줄 수도 있습니다. 따라서 시료 공급 경로와 유량을 점검하고 측정 전 충분히 시료를 교체해야 하는지 확인해야 합니다.

교정과 센서 상태

센서는 사용 기간과 환경에 따라 감도가 달라질 수 있습니다. 교정은 알려진 농도의 기준 가스 등을 이용해 장비의 측정값이 기준과 얼마나 일치하는지 확인하고 필요한 조정을 하는 과정입니다. 교정 주기와 점검 방법은 장비 종류와 사용 조건에 따라 달라지므로 제조사의 지침을 따라야 합니다.

가스분석기와 가스검지기는 무엇이 다를까

가스분석기와 가스검지기는 기능이 겹칠 수 있지만, 일반적으로 강조하는 목적이 다릅니다.

가스검지기는 특정 가스의 존재나 위험 농도 도달 여부를 빠르게 감지하고 경보를 제공하는 데 중점을 두는 경우가 많습니다. 반면 가스분석기는 특정 성분의 농도를 정량적으로 측정하거나 혼합가스의 조성을 분석하는 데 활용됩니다.

다만 제품에 따라 검지 기능과 분석 기능을 모두 갖추기도 합니다. 따라서 장비 이름만으로 기능을 판단하기보다 측정 가능한 가스, 측정 범위, 정확도, 응답 시간, 경보 기능, 교정 방법을 확인해야 합니다.

가스분석기를 사용할 때 확인할 사항

실제 측정에 앞서 다음 항목을 확인하면 잘못된 결과를 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 측정 대상 가스가 장비의 검출 대상에 포함되는지 확인합니다.
• 필요한 농도 범위와 측정 정확도를 지원하는지 확인합니다.
• 시료의 온도, 압력, 습도와 유량이 장비의 사용 조건에 맞는지 살펴봅니다.
• 시료 배관과 연결부에 누설이 없는지 점검합니다.
• 기준 가스 점검과 교정이 필요한지 제조사 지침을 확인합니다.
• 안전 측정에 사용하는 장비라면 경보 설정과 기능 점검 절차도 확인합니다.

특히 산소 결핍이나 유독성 가스처럼 인명 안전과 관련된 상황에서는 일반적인 분석 장비의 표시값만으로 안전을 판단해서는 안 됩니다. 작업 목적에 적합한 안전용 측정기와 정해진 작업 절차를 함께 사용해야 합니다.

자주 묻는 질문

Q: 가스분석기는 공기 중 모든 가스를 한 번에 측정할 수 있나요?

A: 모든 가스를 한 번에 측정할 수 있는 것은 아닙니다. 장비에 설치된 센서와 검출기의 종류에 따라 측정 가능한 성분이 정해집니다. 여러 가스를 동시에 측정하는 장비도 있지만, 복잡한 혼합물의 성분을 구분하려면 별도의 분리 분석 방법이 필요할 수 있습니다.

Q: ppm과 %는 어떻게 다른가요?

A: 두 단위 모두 농도를 표현하는 데 사용됩니다. 같은 기준으로 환산할 때 1%는 10,000 ppm입니다. 측정값을 비교할 때는 단위와 함께 부피 기준인지 질량 기준인지 등 농도 표현의 기준도 확인해야 합니다.

Q: 가스분석기는 얼마나 자주 교정해야 하나요?

A: 모든 장비에 적용되는 하나의 교정 주기는 없습니다. 센서 종류, 사용 빈도, 측정 환경, 안전 관련 규정에 따라 달라질 수 있습니다. 제조사가 제시하는 교정 주기와 사용 전 점검 기준을 따르는 것이 좋습니다.

Q: 가스분석기에서 측정값이 계속 달라지는 이유는 무엇인가요?

A: 실제 가스 조성이 변했을 수도 있지만, 온도와 압력 변화, 시료 유량의 불안정, 배관 누설, 수분, 다른 가스의 간섭, 센서 상태 등도 원인이 될 수 있습니다. 동일한 조건에서 기준 가스나 점검 절차를 이용해 장비 문제와 시료 변화를 구분해야 합니다.

Q: 가스분석기와 산소농도계는 같은 장비인가요?

A: 산소농도계는 주로 산소 농도를 측정하도록 설계된 장비입니다. 가스분석기는 한 가지 또는 여러 종류의 가스 성분을 분석하는 장비를 폭넓게 가리킵니다. 다만 실제 측정 범위와 기능은 제품마다 다르므로 사양을 확인해야 합니다.

마무리

가스분석기는 가스가 가진 물리적·화학적 특성을 이용해 혼합물에 포함된 성분을 검출하고, 이를 농도나 조성의 수치로 바꾸는 측정 장비입니다. 전기화학식은 전극의 반응에서 발생하는 신호를, 적외선식은 특정 파장의 빛 흡수량을, 열전도도식은 기체의 열 전달 특성을 이용합니다. 여러 성분을 구분해야 하는 경우에는 기체크로마토그래피와 같은 분석 방법도 활용됩니다.

가스분석 결과를 정확하게 해석하려면 측정값만 볼 것이 아니라 분석 원리, 시료 조건, 농도 단위, 간섭 가능성, 교정 상태를 함께 살펴봐야 합니다. 이러한 조건을 이해하면 산업 공정 관리부터 배출가스 분석과 작업환경 확인까지, 측정 목적에 맞는 장비를 선택하고 결과를 보다 신뢰성 있게 활용할 수 있습니다.