대기오염집중측정소 운영 지침 [VI]webbook.me.go.kr/DLi-File/NIER/09/021/5594064.pdf · 2016-01-19 · 대기오염집중측정소 운영 지침 [VI] 미세먼지 입경분포

대기오염집중측정소 운영 지침 [VI]미세먼지 입경분포 자동측정방법

(Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer, APS)

2015년 10월

NIER NO.NIER-GP2015-131

발 간 등 록 번 호

1 1-1480523-002409-01

APS

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Contents

목 차

1. 공기역학적 입경 분포 측정 시스템 ······················································· 1

1.1. 기기의 명칭 및 규격 ···································································································1

1.1.1. 모델명과 용도 ······································································································1

1.1.2. 장비 사양 ···············································································································2

1.1.3. 측정 원리 ··············································································································4

1.1.4. 기본 구조 ···············································································································7

2. 장비 작동법 ································································································11

2.1. APS 작동법 ················································································································11

2.1.1. APS 설치 전 준비 ·····························································································11

2.1.2. APS 가동 ·············································································································11

2.1.3. Menu 항목 설명 ·································································································12

2.2. 운영프로그램 작동법 ································································································14

2.2.1. 소프트웨어 설치 ·································································································14

2.2.2. 소프트웨어 시작 ·································································································18

2.2.3. 소프트웨어 중지 ·································································································22

2.2.4. Data 처리 방법 ··································································································23

2.2.5. 소프트웨어 결과 ·································································································25

3. 유지 보수 ····································································································29

3.1. 유지 보수 ····················································································································29

3.2. 에러 메시지 내용 ······································································································29

3.3. 유지보수 방법 ············································································································30

3.3.1. Inner Nozzle 청소 ·····························································································30

대기오염집중측정소 운영지침(Ⅵ)

- ii -

3.3.2. Outer Nozzle 청소 ····························································································31

3.3.3. Air Filter 교환 ·····································································································32

3.3.4. Calibration ···········································································································33

3.4. 장비 고장 증상 및 조치 방법 ·················································································33

3.4.1. 펌프의 유량변동이 심한 방법 ··········································································33

3.4.2. LCD Display 위의 [LED]에서 [Hi Conc.]에 불이 들어올 경우 ·············33

4. 부록 ·············································································································34

4.1. 연구 동향 ····················································································································34

4.1.1. 대기 에어로졸의 생성과 이동 ·······································································34

4.1.2. 국내외 에어로졸 동향 연구 ·············································································34

참고 문헌 ·········································································································40

APS

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1. 공기역학적 입경 분포 측정 시스템

1.1. 기기 명칭 및 규격

1.1.1. 모델명과 용도

- 품명 : 공기역학적 입경 분포 측정 시스템

- 모델 : APS3321 / TSI 社, USA

- 용도 : 입자가속 노즐과 광학산란장치를 조합하여 개별입자의 공기역학적인 거

동특성인 입자의 공기역학적 크기와 농도를 측정

- 특징 : 전체 입경 채널수는 52개 (32 채널/decade), sampling 유량은 5 lpm이

고 측정 가능한 농도 범위는 0.001 ~ 104 particles/㎤ 임


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Menu 설명

제작자　 TSI Incorporated

원산지 U.S.A.

장비명APS(Aerodynamic Particle Sizer)

공기역학적 입경 분포 측정 시스템

모델명 3321

입경 측정 범위

(㎛)　

aerodynamic sizing 0.5 ~ 20

optical detection 0.37 ~ 20

입경 측정 정밀도

(㎛)

1.0 ㎛ 입자 0.02

10 ㎛ 입자 0.03

최대 농도

측정 범위

(particles/㎤)

0.5 ㎛ 입자 103 particles/㎤(<5% coincidence)

10 ㎛ 입자 103 particles/㎤(<10% coincidence)

측정 가능 농도 104 particles/㎤

최소 농도 측정 범위

(particles/㎤)0.001 particles/㎤

농도측정 정밀도(%)　 ± 10

Table 1. Instrument status fields.

1.1.2. 장비사양

각 사양별 특징을 요약하여 Table 1에 제시하였다.

- 입경 측정 범위 : 대기중에 부유하는 최소 0.3에서 최대 20 micrometer 크

기 에어로졸의 입경분포를 실시간으로 측정한다.

- 입경 채널수 : 최대 52 채널의 입경분해능을 갖고 있으며, 0.5~1 micron 구간

에서 10개, 1~2.5에서 13개, 2.5~5에서 9개, 5~10에서 10개, 10~20 micron 구간

에서 10개의 입경 채널을 가지고 있다.

- 측정 주기 : 최소 1초에서 최대 18시간 동안의 입경별 평균 농도를 측정할 수

있다.

- Sampling 유량 : 장비 내부에 장착된 펌프의 힘으로 장비에 유입되는 유량은

5 lpm(liter/min) 이다.

- 측정 농도 범위 : 최대 농도측정 범위는 104 particles/㎤으로 고농도 환경에서도

측정이 가능하므로, 대기 에어로졸 모니터링 및 에어필터의 포집효율 측정 등에 사용될 수

있다. 그러나 최소 농도측정 범위가 0.001 particles/㎤으로 clean room 측정용으로는 적

합하지 않다.

APS

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입경 측정

채널수

channels/decade 32

total channels 52

광산란 강도 측정 채널수 16

측정 가능한 입자 종류 Airborne 고체 및 비휘발성 액체 입자

측정 소요 시간 (sec/scan) 1sec~18hour(선택 가능)

유량(liter/min)

Aerosol 1 ± 0.1

Sheath 4 ± 0.1

Total 5 ± 0.2

장비 작동 조건

온도 (℃) 10 ~ 40

습도 (% RH) 10 ~ 90, noncondensing

압력 (mbar) 700 ~ 1030

Data 저장 방법 MS-Windows 환경에서 작동하는 PC

PC 요구사양MS-Windows NT, 2000, XP ;

RS-232 serial port, CD-ROM

Display LCD 사양 320 x 240 monochrome

통신 사양 RS-232

출력 사양

Digital I/O 15-pin port

Configurable

AnalogBNC(0~10VDC)

Analog Pulse BNC

Digital

Time-of-FlightBNC

전원 요구 사양단상100~240 VAC,5 0/60Hz,

100W 또는 24VDC

외형(LWH) 38cm x 30cm x 18cm

무게 (kg) 10


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Fig. 1.1.1. Aerosol Flow Through the Model 3321 APS Spectrometer.

1.1.3. 측정원리

가. 3321 APS의 원리

입자는 형상이 있는 3차원 물체로서 크기를 정확히 말하는 것은 불가능하므로,

입자의 기하학적, 광학적, 전기적, 운동학적 특성을 이용하여 입자의 크기를 다양

하게 정의하여 사용하고 있다. 대기환경에서는 입자의 운동학적 특성의 하나인

중력침강속도를 이용하여 입자의 크기를 정의하는 방법이 많이 사용된다. 실제로

존재하는 입자는 대부분 구형이 아니므로, 비구형 입자를 중력침강속도가 동일한

구로 환산하여 입자 크기를 정의한다. 구의 밀도가 비구형 입자의 밀도와 같은

경우의 입경을 스톡스 입경(Stokes diameter)이라 부르고, 구의 밀도가 비구형 입

자의 밀도와 다르게 1 g/㎤로 표준화시킨 경우의 입경을 공기역학적 입경

(aerodynamic diameter)이라고 부른다. 임팩터, 싸이클론, 공기역학적 입경 측정기

(aerodynamic particle sizer spectrometer)의 경우 입자의 공기역학적 특성을 이용

하므로, 입자의 크기를 공기역학적 입경으로 나타낸다.

APS

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Fig. 1.1.1는 공기역학적 거동을 이용하여 실시간으로 입경분포를 측정하는 공기

역학적 입자 측정기 APS의 구조를 나타낸 것이다. APS는 제어된 유동장을 통과하

는 입자를 가속시키고 2개의 분리된 레이저 빔을 통과하는 입자의 이동시간(time

of flight)을 측정함으로써 관성력에 따라 입자를 분류하는 실시간 입자 측정장비이

다. 측정된 입자의 두 레이저 빔 사이를 통과하는 시간은 입경에 따라 교정된 데이

터를 이용하여 공기역학적 입경으로 환산된다. 공기역학적 입경이 큰 입자는 초기

가속 조건에서 느리게 가속되므로 두 레이저 빔을 통과하는 시간이 상대적으로 길

어진다. 반면에 작은 입자의 경우 노즐에서 가속되더라도 순간적으로 유동속도와

비슷해지기 때문에 짧은 시간에 두 레이저 빔을 통과한다. 감지된 입자의 수는 시

간 간격으로 나누어진 채널에 입력되어 실시간으로 크기분포를 나타낼 수 있다.

또한 광학적 입경 측정 방식의 OPC와는 다르게 대기 에어로졸 측정시 개별입자의

물리적 특징(성분, 형상)과 무관한 공기역학적 입경을 측정하므로, 입경분포 측정에

영향을 주는 입자의 광학적 특성차이에 의한 오차를 극복할 수 있다. 실제의 물리적

인 Physical Particle Size가 아닌 대기환경에서 중요한 에어로졸의 거동특성인 개별

입자의 공기역학적인 특성을 대표하는 공기역학적 입경(Aerodynamic Diameter)을

측정하기 때문에 광학적 입경측정 장비보다 대기 에어로졸 측정이라는 목적에 부합

된다.

나. 3302 Aerosol Diluter의 원리

Aerosol의 농도를 20:1 또는 100:1로 희석시켜주는 장비이다. Fig. 1.1.2에서

Inlet으로 들어온 공기의 일부는 capillary tube로 보내지고, 나머지 대부분은 고성

능 필터로 bypass(우회)시켜 깨끗한 공기로 만든 후, 다시 합쳐져 APS 장비로

보내지는 방식으로 sampling 유량과 걸러지지 않은 공기의 유량비가 희석율이 된

다.


- 6 -

Fig. 1.1.1. Double-Crested signal from particles

passing through overlapping beams.

Fig. 1.1.2. Calibrating the capillary with bubble flowmeter.

APS

- 7 -

1.1.4. 기본 구조 (장비 전면, 후면, 내부)

가. 전면 구조

① Inlet Nozzle (장비 윗면): 에어로졸이 들어가는 입구

② Status LEDs: 장비 작동상태를 표시하는 LED

- Power: 전원공급이 될 때 점등

- Laser: 레이저가 켜지고 정상일 때 점등

- Flow: 유량이 정상일 때 점등

- Hi Conc: 고농도 설정 값을 넘어설 경우 점등

- Particle: 입자를 측정 시 점멸함

③ Control Knob: 돌려서 해당항목으로 이동시키고 누르면 선택됨.

④ LCD Display: 측정 데이터, 설정항목, 장비 상태를 표시

나. 후면 구조

① AC Power in (w/switch): 이곳에 AC 전원코드를 연결(스위치 내장)

- AC 전원 요구사양: 85~260 VAC, 50~60 Hz

② DC Power in: 24 VDC 외부 전원 연결용 커넥터

③ Pump Exhaust: 측정을 끝낸 공기가 나오는 부분, 대기 측정 시 따로 배기

시킬 필요는 없음.

④ Cooling Fan: 장비 내부를 식혀주는 장치

⑤ Serial Port: RS-232 시리얼 통신 케이블로 장비와 컴퓨터를 연결

⑥ Analog Out: BNC connector

⑦ I/O Port: I/O 15-pin. Port: 3DI, 3DO, 2AI 채널을 제공


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<Front panel of the Model 3321 APS>

<Back panel of the Model 3321 APS spectrometer>

APS

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<I/O Port Pin Designations>

Pin Number I/O Signal Levels

1 Digital Input 1 0, 5V



4, 5 Digital GND Ground

6 +5V Digital Supply Out 5V

7 Analog Input 1 0 to 10V

8 Analog Input 2 0 to 10V

9, 10 Digital GND Ground

11 Digital Output 1 0, 5V



14 Digital GND Ground

15 Analog GND Ground

<Signal Levels for I/O Port Configurations>

다. 내부 구조

① Digital PC-Board: 장비를 Control 하고 측정값을 분석하는 PCB

② Analog PC-Board: Analog 신호를 처리하는 PCB

③ Sheath Flow Pump: Sheath Air를 공급하는 펌프

④ Filters: 입자를 걸러주는 필터

⑤ Detector PC-Board: 입자 감지용 PCB


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⑥ Power Supply: DC 전원 공급장치

⑦ Optics: Laser가 지나가는 부분

⑧ Laser PC-Board: Laser 발생 PCB

⑨ Total Flow Pump: 측정을 끝낸 공기를 뽑아내는 펌프

⑩ Power PC-Board: Main 전원 PCB

<Internal diagram of the Model 3321 APS>

APS

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2. 장비 작동법

2.1. APS 작동법

2.1.1. APS 설치 전 준비

① 장비 설치: 벽면으로부터 장비 측면과 장비 뒷면 모두 5cm 이상 떨어져 있

어야 함.

② 기기 후면에 있는 전원코드를 콘센트에 연결(85-260 VAC, 50-60 Hz)

③ 컴퓨터와 연결: cable(4-meter의 cable이 제공)을 Model 3321의 뒤에 있는

serial port 와 연결하고 컴퓨터에도 연결

2.1.2. APS 가동(전원을 킬 때)

① APS 후면 우측한단의 전원 스위치를 켬.

② [LCD Display] → [MENU] → Pump를 off에서 on으로 전환(Control knob

를 off에 위치시키고 한번 누르면 off와 on이 표시되는데 이때 상하로 이동시켜

off와 on을 선택 한 후 한번 Control knob누름) 시킨다.

③ 장비 전원을 켰을 때 표시되는 LCD 화면

- Size distribution: 입경 분포 그래프

- Concentration: 농도

- Mean Aerodynamic Particle Size: 평균 입경

- Total Particle Count: 농도 바 그래프

- Clear: 화면에 표시된 측정결과를 지움

- Start / Stop: 측정 시작 / 멈춤

- Menu: 메뉴를 보여줌


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<LEDs panel of the Model 3321 APS>

2.1.3. Menu 항목 설명(Control Knob를 이용하여 설정상태를 변경)

<Model 3321 APS spectrometer menu>

APS

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Command Function

Exit 초기화면으로 가기

Sample Time (sec)측정시간 설정, 1 ~ 64,800(Summed mode), 1 ~ 300 (Average

mode)

Sample ModeSummed(누적 농도)/Averaged(평균 농도)/Sum. Corr.

(Software 로만 가능)

Sample Type Continuous(연속 측정)/Single(한번만 측정)

Pumps On/Off

Sound On(Hi-Conc. 설정값을 넘었을 때 삑소리가 나도록 함)/Off

Baud Rate38,400(correlated mode)/19,200/9,600 bps, Serial 통신속도

선택

Inlet Pressure (mbar) Sample Inlet쪽 압력

Sheath Flowrate (lpm) Outer Nozzle 유량

Aerosol Flowrate (lpm) Inner Nozzle 유량

Total Flowrate (lpm) 측정을 끝내고 장비 밖으로 내보내는 유량

Optics Temperature (℃) Optic components의 온도 표시(APD 감지기의 온도와 동일)

Cabinet Temperature (℃) 장비 내부의 온도 표시

Laser Current (mA)범위: 0 ~ 100(레이저에 흐르는 전류로 사용시간 경과에 따

라 값이 조금씩 올라감)

Laser Power (%) 범위: 0 ~ 100(레이저 전력 설정, 75가 기본으로 변경시키지 말것)

Laser On/Off

APD Voltage (V) APD (Avalnche Photodetector)의 전압 표시 및 조정

APD Max Vop (V) 장비 전원을 켰을 때 APD에 인가되는 최대 전압

APD Auto calibration On(APD 온도 보상을 하여 적절한 전압을 인가하도록 함)/Off

Alarm Level (pt/㎤) Hi Conc LED에 불이 켜지고, 경고음을 울리는 농도 수준을 설정

End of Sample Pause On(다음 측정결과를 표시하기전에 이전 결과를 4초간 표시)/Off

<Description of Menu Items.>


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2.2. 운영프로그램 작동법

2.2.1. 소프트웨어 설치

가. 컴퓨터 요구사양

① CPU : Pentium 586 이상

② Display : SVGA 칼라 모니터

③ OS : MS-Windows 7 이상 또는 XP

④ HDD : 소프트웨어 설치 및 Data 저장 공간이 충분할 것

⑤ ODD : CD-ROM Drive 이상

⑥ RAM : 16 MB 이상

⑦ Pointing Device : Mouse

⑧ 통신 : RS-232 Serial Interface 또는 USB to Serial converter

<The aerosol instrument manager desktop and selected displays.>

나. 소프트웨어 설치

① AIM Software CD-ROM을 CD driver에 넣으면 자동으로 설치를 시작. (또는

setup 파일을 실행)

② 소프트웨어 설치 후에 컴퓨터 재부팅

③ HDD의 Aerosol Instrument Manager 디렉터리에 설치됨

APS

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Menu Command Function

File

New(Ctrl+N) 새로운 file 만들기

Open(Ctrl+O) 저당된 data 열기

Close 닫기

Save(Ctrl+S) 저장하기

Save As... 이름을 빠꿔서 저장

Export txt file형태로 선택한 sample을 변환

Properties 장비 설정 상태 확인 또는 변경

Save Properties as Default 현재 설정값을 앞으로 계속 사용

Set to Original Default 기본 설정값 사용

Print(Ctrl+P) 선택된 창을 프린트

Print Preview 선택된 창을 화면 인쇄

Exit 소프트웨어 끝내기

Run

Start data collection(F10) 측정 시작

Finish currents ample 측정하는 중간에 현대 sample 측정후 멈추기

Abort currents ample 측정하는 중간에 측정을 멈추기

<Active menus for an APS spectrometer.>

다. 소프트웨어 키의 주요 기능


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Run

Connect to the APS 장비 연결하기

Disconnect from the APS 장비 연결 끊기

Auto Export 측정을 하면서 자동으로 data 변환

Properties 측정 방법 확인 또는 변경

Instrument Setup 장비 설정 상태 확인 또는 변경

Format

Y Axis Y 축 설정

View Boundaries 입경 표시 및 측정 결과 표시 범위 설정

Rotation Correlated Data Graph 설정 변경

Graph Type

Bar 막대 그래프

Line 선 그래프

Area 영역 그래프

Grid Lines

Horizontal 수평만

Vertical 수직만

Both 수평과 수직 모두

None 없음

Color 창 각부분의 색상 지정

FontStyle 글자 종류

Small/Medium/Large 글자 크기 조정

Undo Zoom Z 확대기능 해제 (마우스로 드래그하여 선택)

ViewUnits

dW/dlogDp 장비별 비교가 가능한 농도 (dW × size channels/decade)

Concentration(dW) 농도

% Concentration % 농도

Cumulative Conc. 누적

Cumulative% Conc. %누적

Raw Counts Raw 데이터

Number(dN) 개수(해당 입경 구간의 농도)

APS

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Weight Surface(dS) 표면적(dN × π × Dp

2)

Mass(dM) 질량(dN × (π/6) × Dp3 × ρ)

Aerodynamic Channel Data Graph(F5)/Table(Shift+F5) 공기역학적 입경분포

Aerodynamic Raw Data Graph(F6)/Table(Shift+F6) 공기역학적 입경 Raw 데이터　

Side Scatter Channel Data Graph(F7)/Table(Shift+F7) 광산란 강도 분포

Side Scatter Raw Data Graph(F8)/Table(Shift+F8) 광산란 강도 분포 Raw 데이터

Correlated Data Graph(F9)/Table(Shift+F9)공기역학적 입경/광산란 강도/수농도

Event Data(Ctrl+V) 4가지 event data 그래프

Instrument Status(Ctrl+I) 장비 동작 상태 표시

Statistics(F3) 선택된 sample 통계 처리

Sample sample을 보여줌

Reference reference를 보여줌

Sample-Reference sample-reference data를 보여줌

Copy 클립보드로 해당 창을 복사

ToolbarsMain Toolbar 단축 아이콘 표시 활성화

Color and Font Toolbar 단축 아이콘 표시 활성화

Sample

Beginning Sample(Alt+B) 첫번째 sample로 이동

Previous Sample(Alt+P) 이전 sample로 이동

Next Sample(Alt+N) 다음 sample로 이동

Ending Sample(Alt+E) 마지막 sample로 이동

Delete/Undelete Sample Del 현재 sample을 지우거나 재생

Select All(Ctrl+A) 모든 sample을 선택

Select As Reference 현재 sample을 reference로 선택

Clear Reference Buffer 현재 sample의 reference 설정을 해제

Help Manuals1930064a-APS.pdf 매뉴얼 file열기

About Aerosol Instrument Manager 소프트웨어 버전 확인


- 18 -

2.2.2. 소프트웨어 시작(Aerosol Instrument Manager)　

① 바탕화면에서 AIM APS 3321 더블클릭

② AIM Aerosol instrument manager Program에서 [file] → [new] → 파일이

름(N)에 A yyyy mm dd 입력 후 [열기] → [Enter] ex)A20150719 이라고 기입함

<Select an APS filename when you open a new file>

③ AIM Aerosol instrument manager Program에서 [file] → [properties]을 선

택함. [APS 3321 properties - New Sample]의 table 에서 [Data settings] →

[Dilution/Efficiency file] → [00001to1.e21], [Particle Density] → [1.6 입력],

[Stokes] → [√, 체크]

※ Dilution/Efficiency file에서 00001to1.e21을 입력하는 것은 희석장치가 없기

때문에, 선택된 희석율에 해당하는 효율 곡선 파일 선택 (00001to1.e21,

00020to1.e21, 00100to1.e21 중에서 선택)을 의미한다. 각 측정소에서 20cc/min

capillary를 사용면 희석율이 1:20으로 00020to1.e21 입력한다. 또한 Density는

입자의 밀도 입력으로 1.6을 입력한다.

APS

- 19 -

<Data settings tab of the properties dialog box>

④ [APS 3321 properties - New Sample]의 table 에서 [Scheduling → [Sample

length → 1770 sec] → [Number of → 1 개] → [Total Sample → 29m 30s로

변환 됨], 측정주기는 [Scheduled] → [Repeat every 체크]→ [30 m으로 조정]선

택

※ 연속측정을 하기 위해서는 Scheduled에서 Repeat every 체크해야 하고, 한번

만 측정을 하면 Only Once를 체크하면 된다.

<Scheduling tab of the properties dialog box for the APS 3321>


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⑤ Data Types에서 [Aerodynamic Diameter → Channel data 체크], [Sample

Mode → Summing 체크]

<Data types tab of the properties dialog box for an APS 3321>

⑥ Communication에서 [Available Port → Com port 선택], [Test comm port →

Test 클릭]를 하면 [Test Result창에 Connected to a APS 3321- running at

9600bps]라는 결과가 표시 → [확인]

<The communications tab of the APS properties dialog box.>

APS

- 21 -

⑦ 관제 프로그램으로 data를 전송하기 위해 파일 저장위치를 지정해준다. [file]

→ [Auto Export]를 클릭하면 Auto Export parameters table이 생성. 여기에서

[Data Types] → [Aerodynamic 체크], [Units and Weights]에서 x축

[dN/dlogDp], y축[Number]를 선택, [Delimiter → Tab]체크 후, [OK]를 클릭

<The export parameters box>

⑧ 아래의 그림에서 Export as 생성되면, 파일이름(N)에 APSData 입력 → [저

장]하면 txt.file 생성됨

<Select an APS filename when you open a export file>


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⑨ [file] → [properties]을 선택함. [APS 3321 properties]의 table 에서 [Start

At Time] → [측정을 시작 할 시간 지정] → [확인]

※ 측정 시간을 지정하기 위해서는 위의 ① ～ ⑧ 과정을 입력 후 시간을 지정해야

(9)의 기능을 사용 할 수 있다.

<Scheduling tab of the properties dialog box for the APS 3321>

⑩ ⑨의 과정을 수행하면, Aerosol instrument manager Program의 첫 줄에 빨간

색 네모로 가동이 정상적으로 된다. 만약 ⑨의 과정을 수행하지 않을 시 녹색 동그

라미를 클릭하면 가동이 시작된다.

※ 참고 : [View]에서 Instrument status를 체크하여 창 생성, 보통 statistics,

sample은 체크되어 있고, Instrument status까지 세 개 항목이 체크되

어야 함.

2.2.3. 소프트웨어 중지

① 평소 측정시 녹색동그라미는 빨간색으로 표시된다. 가동을 중지하고 싶을 때

는 빨간색 동그라미를 누르고 약 30초간 기다린다. 그러면 [Samples list]가 정리

된다. 이때 [file] → [Exit]를 누르면 Program 종료

② APS program를 닫은 후, [LCD Display] → [MENU] → Pump를 off 시킨

다. <위의 기기 가동 설명 참조>

③ APS 뒤쪽 하단에 있는 메인 전원을 off 시킨다.

APS

- 23 -

2.2.4. Data 처리방법

- Aerosol instrument manager Program에서 다운로드하는 방식

① 바탕화면에서 AIM APS 3321 더블클릭

② APS Aerosol instrument manager Program에서 [file] → [open] → 사용하

고자 하는 날짜의 file를 지정 → 파일이름(N)에 Ayyyymmdd [입력] → [Enter]

<참고> 자료의 확장자명은 .A21로 생성, file 이름은 측정이 시작된 날짜(예:

A20150101.A21)를 기준으로 쓰여지며, 다음 날부터는 A20150101.1.A21,

A20150101.2.A21, 20150101.3.A21 ··· 순서로 매일 file이 생성된다.

<Select an APS filename when you open a new file>

③ File을 선택하면 나오는 "The file you have selected is part of a sequence

of files. Do you want to view all the files ?" 라는 옵션에 ‘예’ 를 선택하면 데


- 24 -

이터가 쓰여진 처음 날부터 마지막 날짜까지 한번에 모두 open이 가능하고, ‘아

니오’ 를 선택하면 file이 쓰여진 하루치의 data만 open할 수 있다.

<File Question? dialog box>

④ 읽고 싶은 만큼의 data를 선택하여 [file] → [Export to File]를 클릭하면

data를 open할 수 있는 종류를 선택할 수 있는 화면이 나온다(여러개의 자료 클

릭 시 Shift or Ctrl 키 이용).

<Select a export file>

⑤ Export parameters table이 생성되면, 여기에서 [Data Types] → x축

[dN/dlogDp], y축[Number]를 선택 → [OK]

APS

- 25 -

<The export parameters box>

※ Aerosol의 number로 읽고 싶을 때에는, ‘Data types-Aerodynamics’, ‘Units and

Weights-dW/dlogDp-Number’를 선택한다. 그리고 ‘Delimiter’ 에서는 읽어야 할 format에 따라

서, 엑셀로 열 경우에는 ‘Tab’, 포트란과 같은 프로그램으로 자료를 분석할 때에는 ‘Comma’를 선

택한다. 마지막으로 ‘Orientation-Row’를 선택하고 OK를 클릭한다.

⑥ Data를 읽기 편하도록 file명에 분석할 날짜를 쓴 후, ‘txt’파일로 저장 한다.

2.2.5. 소프트웨어 결과

가. Main Menu

- [File] → [Save as properties as Default]를 선택하면 아래와 같이 4-pane

Layout가 기본적으로 설정된다.


- 26 -

<he aerosol instrument manager desktop and selected displays>

나. Event Graph

측정 signal을 4가지 event로 분류하여, 측정 data의 특성으로 파악되며, 특히

고농도 환경에서 측정 시 event 3가 증가하므로 측정 data의 error 가능성을 판

단하는데 활용될 수 있다. Time-of-Flight 측정 결과, 즉 측정된 signal 중에서

Event 1과 2만이 측정결과로 이용되고, Event 3와 4는 확인용으로 사용된다.

<Event data>

APS

- 27 -

① Event 1 : 작은 입자(0.3 ~ < 0.5 micron)의 경우에는 1개입자에 대한 2개의

signal중에서 1개만이 측정되는 경우 임.

② Event 2 : 1개의 입자에 대한 2개의 signal간의 시간차(time-of-flight)가 입

경(0.5 ~ 10 micron)으로 계산되는 경우 임.

③ Event 3 : 2개 이상의 입자가 동시에 측정되는(coincidence) 경우에는 3개 이

상의 signal이 측정되는 경우이고, 고농도 조건에서 Event 3의 비율이 증가함.

④ Event 4 : > 20 micron의 입자는 timer의 range를 벗어난 signal의 경우에

해당함.


- 28 -

다. Statistics Table

- 측정값을 계산하여 공기역학적 평균입경, 기하학적 평균입경, 총계수농도, 총

질량농도 등으로 통계처리한 결과를 보여줌.

<Statistics Table>

라. Instrument Status

- [View] → [Save as properties as Default]를 선택하면 아래와 같이 설정되며,

장비의 동작 상태(유량, 온도, 압력, 전압 등)를 한눈에 확인 할 수 있다.

< Instrument Status>

APS

- 29 -

Instrument Maintenance Operation Hours of ContinuousOperation

APS(3321)

Inner Nozzle 청소 750 시간 (약 31일)

Collector Nozzle 청소 750 시간 (약 31일)

Outer Nozzle 청소 2500 시간 (약 104일)

Sheath Flow Pump 청소 8800 시간 (약 365일)

Total Flow Pump 청소 8800 시간 (약 365일)

Sampling tubing 청소 5000 시간 (약 208일)

Air Filter 청소 유량 문제 발생 시 청소

Air Filter 교환 5000 시간 (약 208일)

Calibration 8800 시간 (약 365일)

Aerosol

Diluter(3302)

Aerosol Capillary 청소 750 시간 (약 31일)

Felt Washer 청소 및 교체 750 시간 (약 31일)

HEPA Filter 교환 8800 시간 (약 365일)

PC 시간 점검 및 설정 750 시간 (약 31일)

<Maintenance Schedule>

Message Status Flag

No error detected 0000 0000 0000 0000

Laser fault 0000 0000 0000 0001

Total flow out of range 0000 0000 0000 0010

Sheath flow out of range 0000 0000 0000 0100

Excessive sample concentration 0000 0000 0000 1000

Accumulator clipped(i.e. > 65535) 0000 0000 0001 0000

Autocal failed 0000 0000 0010 0000

Internal temperature < 10℃ 0000 0000 0100 0000

Internal temperature > 40℃ 0000 0000 1000 0000

Detector voltage more than ± 10% Vb 0000 0001 0000 0000

Reserved(unused) 0000 0010 0000 0000

<The values for the 10 flags are as follows.>

3. 유지 보수

3.1. 유지 보수

3.2. 에러 메시지 내용


- 30 -

3.3. 유지보수 방법

3.3.1. Inner Nozzle 청소

- 오염의 정도에 따라서 다음의 순서로 청소한다.

① 깨끗한 압축공기로(35 psi 이하) Nozzle 반대방향으로 불어낸다.

② 비눗물로 씻어내고 물로 세척한 후에 압축공기로 말린다.

③ 이소프로판올로 세척한다.

<The Inner Nozzle cleaning>

3.3.2. Outer Nozzle 청소

① 전원을 끈상태에서 Inner Nozzle를 분리한다.(3.3.1. 참조)

② Digital PC-Board와 본체 연결 볼트 2개를 푼다.

③ Digital PC-Board의 케이블 커넥터를 분리 분리한다.

④ Digital PC-Board와 기판에 LCD display를 연결하는 케이블을 분리한다.

APS

- 31 -

<The Outer Nozzle cleaning>

⑤ Detector에서 Outer Nozzle을 분리한다.

⑥ Outer Nozzle 청소

- 깨끗한 압축공기로 Nozzle 반대방향으로 불어낸다.

- 보푸라기가 일지 않는 부드러운 천과 물로 Nozzle을 닦아낸다.

- Nozzle 내부는 닦아내지 말고 압축공기로만 불어낸다.


- 32 -

3.3.3. Air Filter 교환

① 전원을 끈 상태에서 Inner/Outer Nozzle를 분리한다.(3.3.1.~2. 참조)

② 필터의 방향에 주의하며, 튜브를 잡아당기지 말고, 밀어서 분리한다.

③ 교환용 Air Filter가 없을 경우, 에어 스프레이 및 compressor를 이용하여

Filter 반대방향으로 압축공기를 불어낸다.

④ <주의> 교환용 Filter에 「yyyymmdd_교환」네임펜으로 기입한다.

⑤ 필터의 방향에 주의하며, Filter를 결합한다.

<The Air Filter exchange>

<주의> - 필터의 방향에 주의하여 필터를 교환한다.

- 튜브를 빼낼때는 잡아당기지 말고, 밀어서 분리시킨다.

APS

- 33 -

3.3.4. Calibration

- 1 년에 한 번 정도 Maker에 장비를 보내어, Calibration을 수행하도록 한다.

3.4. 장비 고장 증상 및 조치방법

3.4.1. 펌프의 유량변동이 심한 경우

① [Inner/Outer Nozzle]의 오염여부를 확인하고, 오염 시 압축공기로 불어내거

나, 알코올이나 증류수로 세척한다.

② 평상시에도 [Inner/Outer Nozzle]은 4주에 한번 압축공기로 불어 클리닝 한

다.

3.4.2. LCD Display 위의 [LED]에서 [Hi Conc.]에 불이 들어 올 경우

- 보통 1,000 particles/㎤ 고농도 이상에서 error가 발생

- Aerosol Diluter를 장착할 것.


- 34 -

4. 부록

4.1. 연구 동향

4.1.1. 대기 에어로졸의 생성과 이동

공기 중에 부유하는 액상ㆍ고체상의 입자인 에어로졸은 그 발생원에 따라 크기와 조

성에 있어 다양한 분포를 갖는데, 일반적으로 3개의 모드 분포를 이루고 있다. Nuclei

Mode(나노입자)의 입자는 직경 0.1 micron 이하로 주로 가스에서 입자로 핵형성

(Nucleation)을 통해 생성되고, Accumulation Mode(적산 모드 ; 미세 입자)는

0.1~1 micron으로 나노입자가 응집(coagulation)과 응축(condensation)과정을 통

해 형성되며, Coarse Mode(조대 입자)는 1 micron 이상의 입자들로 해염 및 황사 등

의 파열과정에 의하여 생성된다. 기타 연소 등 다양한 메커니즘에 의해 생성되고, 브

라운 운동ㆍ대류확산ㆍ외력(중력, 온도구배, 전기장 등)에 의해 이동하여 지표면에

침착하게 된다.

4.1.2. 국내외 에어로졸의 연구 동향

대기 에어로졸의 질량농도에서 수농도로, 총농도에서 입경별 농도로, 조대입자에서

미세입자로, 농도에서 화학적 조성과 형상으로 그 측정 추세가 변화하고 있다. 대기

중에 부유하는 에어로졸을 측정하는 방법은 싸이클론, 임팩터 등의 관성력을 이

용한 분리 및 필터에 의한 포집 방법, SEM(Scanning Electro Microscope) 등의

전자 현미경을 이용한 방법, DMA (Differential Mobility Analyzer)등의 전기적 특

성을 이용한 방법, OPC (Optical Particle Counter) 등의 광학적 특성을 이용한

방법, APS(Aerodynamic Particle Sizer) 등의 크기 및 밀도에 따른 일정거리의

도달시간(Time of Flight)을 이용한 방법 등이 있다. 주로 대기중에 부유하는 입

자의 측정은 대기질 기준의 근거가 되는 24시간 평균 TSP(Total Suspended

Particulates), PM10, PM2.5가 주가 되어 왔다. 따라서 싸이클론, 임팩터 등 관성력

을 이용하여 입자를 분리한 후 분리된 입자를 필터로 포집하는 방법이 많이 사용

되어 왔다. 또한 입자상 물질의 경우 대기 규제를 중심으로 측정 및 분석이 이루

어지기 때문에 PM10이나 PM2.5에 해당하는 무게 농도를 연속적으로 측정할 수 있

는 장비가 주로 개발되어 사용되고 있다. PM10을 대상으로 한 베타게이지 모니터

(beta gauge monitor, Chang et al., 2001)나 PM2.5를 측정하기 위한 연속식 대

APS

- 35 -

기 무게 모니터(CAMM, continuous ambient mass monitor, Andersen

Instruments, Babich et al., 2000)는 기존의 무게 농도 측정치와 10% 이내의 오

차를 갖는다고 보고되었고, 가상 임팩터(virtual impactor)와 TEOM(tapered

element oscillating microbalance, model 1400A, Rupprecht and Patashnik,

Albany, NY)을 이용한 연속 측정방식도 사용되었다(Ji et al., 2013). 이러한 측정

방법은 입자의 총 무게 농도를 연속적으로 측정할 수 있지만 크기분포의 정보를

제공하지 못하기 때문에 발생 오염원의 특성이나 서브 마이크로미터나 나노미터

크기의 미세한 입자의 영향을 밝혀낼 수 없는 단점이 있다.

반면 전자 현미경을 이용한 방법이나 대부분의 광학적 특성을 이용한 방법 등은

실험실에서 입자 발생, 생성, 응집, 침착, 이동 등의 다양한 메커니즘을 규명하기

위해서 입자를 크기나 농도를 측정하는 방법으로 많이 사용되어 왔다. 하지만 최

근에는 대기중 부유하는 입자에 대한 정확한 분석을 위한 상세정보가 필요하게

되어, 질량농도에서 수농도로, 총농도에서 크기별 농도로, 조대입자에서 미소입자

로, 농도에서 화학적 조성 및 형성으로 에어로졸 측정 추세가 변화하고 있다. 따

라서 기존에 사용되고 있는 관성력에 의한 총질량농도를 측정할 수 있는 싸이클

론 및 임팩터 뿐만 아니라 크기에 따른 질량농도 및 수농도의 측정할 수 있는

OPC(Optical Particle Counter), APS(Aerodynamic Particle Sizer spectrometer),

APS(Aerosizer particle size analyzer), SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)

등이 대기중 입자 측정에도 많이 이용되고 있다(Erwin, 2000; Si Shen et al., 2002;

Bae et al., 2003, 2004; Park and Kim, 2006; Park et al., 2006; Kim et al., 2007).

가. 개수농도 측정을 통한연구

실시간 혹은 준 실시간 에어로졸 측정 장비는 주로 개개 입자를 감지한 데이터

를 축적하여 입자의 수농도 분포를 통계적으로 나타낸다. 측정한 기본 데이터는

입자의 수를 기준으로 얻어지므로, 대기 규제의 기준인 무게 농도를 구하려면 기

본 데이터를 환산하는 과정이 필요하다.

국내에서 미세먼지의 개수농도에 관한 연구는 입경분포와 시정에 관한 연구로부

터 진행되고 있다. 국내에서 발표된 입경분포와 개수농도 측정에 관한 연구는 다

음과 같다. 김필수 등(1991, 1988, 1986)은 Electrical Aerosol Analyzer(EAA)를

이용하여 0.01~1㎛ 범위의 입경별 농도를 측정하고 각종 기상인자와의 연관성을


- 36 -

파악하였다. 또한 측정결과에 Mie이론을 적용하여 산란계수를 계산함으로써 미세

입자와 시정과의 연관성을 파악하였다. 이용근 등(1985)은 다단 임팩터인

Andersen 채취기(Kanomax, INC. model3351 MarkⅡ)를 사용하여 1985년 3월과

6월 서울 대기 에어로졸의 입경별 질량 농도를 측정하였다. 이종훈 등(1995)과

백남준 등(1996, 1994)은 스모그 현상을 규명하기 위하여 Andersen 채취기

(model SE2110-K)로 1993년 8월, 10월 및 11월, 1994년 6월 서울 대기 에어로

졸의 입경별 질량 농도를 측정하였다. Chunetal.(2001a,b)은 1998년 4월과 1991

년 1월 황사가 발생할 때 OPC(Hiac/Roycomodel5230)를 사용하여 0.3~25㎛범

위인 서울 대기 에어로졸의 입경별 개수농도를 측정하였다.

개수농도의 측정은 실시간으로 연속측정이 가능한 신속성을 가지고 있으며, 세

분화된 입자의 크기별로 정보가 수집됨에 따라 PM10, PM2.5는 평균적인 정보로

수집되는 것과는 달리 세분화되고 정밀한 측정 결과를 수집할 수 있어 PM10의 평

균적인 특성이 아닌 부분적인 특성을 모두 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그러나, 개수농도를 측정함에 있어서 가장 큰 단점은 대표적인 물리적 특성인 중

량농도와의 상관관계를 규명하지 못함으로 인하여 대부분의 연구에서 개수농도에

대한 특성은 간과되어 왔다. 이러한 단점이 발생되는 이유는 개수농도의 측정시

측정원리로 적용되는 공기역학적 직경을 계산하기 위해 적용되는 입자의 밀도가

1g/㎤이라는 가정에서 개수농도 측정값을 통한 중량농도 산출값이 활용되지 못함

으로써 일부 연구자들에 의해서만 연구가 진행되고 있다. 따라서, 개수농도를 통

한 미세입자의 물리적 특성 분석이 매우 정밀하고 중요한 요인임에도 불구하고

활용되지 못하는 단점을 해소하기 위해서는 입자의 밀도에 대한 정확한 정보를

파악하는 것이 매우 중요한 연결고리가 될 것이다.

APS

- 37 -

서명 저자 년도 수록잡지명

Andersen시료채취기를 이용한 도시대기 중

부유입자상 물질의 입도분포 측정이용근 외 1985 한국대기보전학회지

도시대기 Aerosol의 입자직경 0.01~1.0㎛

범위의 농도 변화 특성김필수 외 1986 한국대기보전학회지

서울 대기 Aerosol의 물리적 특성: 가시광선

의 산란 김필수 1988 한국대기보전학회지

황사 현상시 분진의 입도분포와 화학조성에

관한연구한진석 외 1988 한국대기보전학회지

서울시의 1993년 가을철 시정 및 입자 특성

측정 및 분석백남준 외 1994 한국대기보전학회지

1993년 8월의 서울지역 시정 연구 이종훈 외 1995 한국대기보전학회지

미세입자의 입경분포와 시정에 관한 연구 김신도 외 1997 대한환경공학회지

제주도 고산에서의 에어로졸 입경분포별 조

성: 1998년 4월 측정 연구김용표 외 1999 한국대기환경학회지

대기 부유분진의 입경별 특성에 관한 연구 김성천 외 2000 한국환경위생학회지

OPC(광학적 입자 계수기)로 측정한 2001년

서울지역 에어로졸의 입경 분포정창훈 외 2003

한국대기환경학회지2001년 겨울철 서울 대기 에어로졸의 입경

별 수농도 특성배귀남 외 2003

한국대기환경학회지2006년 4월에 발생된 황사의 입자상 물질

입경분포에 관한 연구김신도 외 2007

한국입자에어로졸

학회지

이어도 해양과학기지의 에어로졸 수농도 연구 박성화 외 2009 한국환경과학회지

APS 3321과 Dust Monitor 1.108을 이용한

입자 크기분포 및 수농도 측정결과 비교임경수 외 2012


학회지연직풍에 따른 해양성 에어러솔 수 농도 변

동에 관한 연구박성화 외 2012 한국지구환경학회지

TSI Aerodynamic Particle Sizer 3321, Grimm

Aerosol Spectrometer 1.109, HCT Particle

Sensor 3030을 이용한 PM2.5 측정결과 비교

김두용 외 2012한국입자에어로졸

학회지

제주지역 PM10의 수농도 및 질량농도와 원소

성분 조성 특성강창희 외 2014 한국환경과학회지

대학건물 실내 에어로졸입자의 입경별 질량

농도 특성서정민 외 2014 한국산업위생학회지

< Study paper for number concentration in Korea. >


- 38 -

나. 미세먼지 밀도 추정

입자의 밀도는 입자의 무게를 추정하는데 가장 중요한 정보이다. 만약 입자 크

기를 알고 있지만 밀도를 모른다면 밀도를 가정해야 하고, 가정된 밀도에 의해

계산된 무게 농도는 오차를 유발한다. 특히, 불규칙한 에어로졸의 밀도, 형상 및

다공성 등을 독립적으로 측정하는 것은 매우 어렵기 때문에, 이러한 변수들의 영

향을 모두 포함하여 보통 유효 입자밀도(effective particle density)로 표현하기도

한다(Kelly and McMurry, 1992; Ristimaeki et al., 2002).

에어로졸의 밀도는 기하학적 크기와 공기역학적 크기를 측정할 수 있는 두 가지

장비로 측정한 결과를 비교하여 얻을 수 있다(Kelly and McMurry, 1992;

Schleicher et al., 1995; Ristimaeki et al., 2002). DMA와 APS를 이용하여 대기

에어로졸을 측정한 결과에 의하면, 0.5∼0.9 ㎛ 범위인 입자의 밀도는 1.6 g/㎤

(Stein et al., 1994) 혹은 1.62 g/㎤ (Karg et al., 2003)였다. Stein et al.

(1994)은 0.25 ㎛ 입자의 밀도를 1.6∼1.8 g/㎤로 보고하였다.

입자의 밀도는 입자의 질량을 입자의 부피로 나눈 것으로써 입자의 질량은 기기

적인 계측 방법을 통하여 측정이 가능하지만 입자의 부피는 입자 개개의 형상이

상이함에 따라 정확한 부피의 계산이 불가능 하다. 또한 미세먼지의 시료채취량

이 매우 적으므로 물이나 유체를 이용한 부피의 증감을 이용한 방법도 적용할 수

가 없으므로 아래의 식에서 부피를 계산하는 방법을 통하여 각 입경별 입자의 개

수농도를 이용하여 부피를 계산하였다.

입자의 부피를 산정함에 있어 입자는 개수농도를 측정원리에 적용된 가정인 모

든 입자는 구형이라는 전제를 고려하면 아래 식 2.1과 같이 부피를 계산할 수 있

다.

×

(2.1)

Vp : 입경 범위내의 입자의 부피

Dpi : 입자의 직경(aerodynamic diameter)

npi : 입자의 개수

PM10/PM2.5의 평균밀도는 입경이 10 μm/ 2.5 μm 이하인 입경 범위에서 측정된

입자계수로 산출된 부피와 PM10/PM2.55의 β-ray 측정 결과를 이용하여 식 2.2와

APS

- 39 -

서명 저자 년도 수록잡지명

서울시 미세먼지의 밀도 추정에 관한 연구 김신도 외 2008 한국환경보건학회지

대기 중 입자상 물질의 밀도 추정에 관한 연구 정경식 외 2008 서울시립대학교

서울시 미세먼지(PM10)의 입경별 밀도 추정에

관한 연구김창환 외 2009 서울시립대학교

다단입자채집기와 입자계수기 자료를 이용한

서울 에어로솔 밀도 계산김정은 외 2010 한국대기환경학회지

실시간 에어로졸 측정 장비를 이용한 대기

중 입자상 물질의 무게 농도 분포의 추정지준호 외 2013


학회지

< Study paper for particle density in Korea. >

같이 평균밀도(Overall density)를 계산할 수 있다.

(2.2)


- 40 -

참고문헌

김필수, 김윤장, 이장호, 조숙현, 안승태, 1986: 도시대기 Aerosol의 입자 직경 0.0 1∼

1.0 ㎛범위의 농도변화 특성. 한국대기보전학회지, 2(2), 41-50

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분석. 한국대기보전학회지, 12(4), 407-419.

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대기오염집중측정소 운영 지침 (Ⅵ)

- 미세먼지 입경분포 자동측정방법 -

발 행: 국립환경과학원

발행일: 2015년 10월

저 자: 이상욱, 김경보, 강경식, 이영재, 유영숙, 신혜정, 임용재,

박미경, 정해진, 서영교, 안준영, 이상덕, 현주경, 강병철,

이민희, 황태경, 조미라, 정선아, 박승명, 박종성, 송인호,

서석준, 정동희, 강현정, 홍유덕, 홍지형

(63040) 제주특별자치도 제주시 애월읍 화전안길 20-5

국립환경과학원 기후대기연구부 대기환경연구과

제주도대기오염집중측정소

Tel: 064-792-1970

Fax: 064-792-1971

Web: http://www.nier.go.kr

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대기오염집중측정소 운영 지침 [VI]webbook.me.go.kr/DLi-File/NIER/09/021/5594064.pdf · 2016-01-19 · 대기오염집중측정소 운영 지침 [VI] 미세먼지 입경분포