KR100898366B1 - 파이렉스 미러가 구비된 적외선 가스 검출장치 - Google Patents

파이렉스 미러가 구비된 적외선 가스 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정가스에 적외선을 투과시켜 상기 측정가스의 성분 및 농도를 검출하는 적외선 가스 검출장치에 관한 것으로, 4개의 판넬로 이루어져 중공부를 지니며, 대향되는 양판넬에는 적외선 입사홀과 적외선 방출홀이 각각 형성되고, 상기 적외선 입사홀과 적외선 방출홀의 내측 위치에는 각각 적외선을 직각으로 반사시키는 반사경이 설치되며, 양종단부에 개구부를 지닌 사각기둥형 흡수셀과; 상기 흡수셀의 양종단 개구부를 폐쇄하는 홀더와, 상기 홀더의 재질과 동일한 재질로 구성되고 상기 홀더 상에 상기 적외선이 반사되는 반사곡면이 상기 중공부 내측을 향하여 형성되고 상기 홀더와 반사곡면이 일체로 형성된 반사미러를 포함하여 고온상태에서 가스성분 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 적외선 가스 검출장치는 홀더와 반사곡면의 재질 차에 의해 발생되었던 열팽창 계수 차이에 의한 적외선 빔 정렬의 흐트러짐을 최소화할 수 있으며, 100℃ 이상의 고온에서도 작동되는 것이 가능하며 수분을 포함하는 가스를 증기화하여 측정하는 것이 가능한 효과가 있다.
측정가스, 적외선, 검출장치, 파이렉스, 반사미러

Description

파이렉스 미러가 구비된 적외선 가스 검출장치{Infrared gas detector having a pyrex mirror}
도 1은 통상의 가스 검출장치의 구성을 나타내는 블록도이며,
도 2는 본 발명에 따른 흡수셀 및 반사미러가 일부 분해된 상태를 나타내는 분해사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 흡수셀의 내부로 입사된 적외선이 반사미러에 의해 반사되어 방출되는 경로를 간략화한 모식도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 흡수셀 110: 상단판넬
111: 가스홀 120: 하단판넬
130: 좌단판넬 140: 우단판넬
131: 적외선 입사홀 141: 적외선 방출홀
132,142: 가이드턱 150: 개구부
160(a,b): 반사경 200(a,b): 반사미러
210: 홀더 220: 반사곡면
본 발명은 측정가스에 적외선을 투과하여 상기 측정가스의 성분 및 농도를 검출하는 적외선 가스 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양종단부에 개구부가 형성된 흡수셀과, 상기 개구부에 설치되는 홀더 및 적외선을 반사하는 반사곡면이 일체형의 고온 강화유리로 형성된 반사미러를 포함함으로써, 고온에서도 동작이 가능하여 수분을 포함하는 측정가스를 측정할 수 있는 적외선 가스 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 분자는 적외선의 조사를 받으면 그 고유의 진동 및 회전 스펙트럼에 상당하는 고유 파장대의 전파에 의해 여기 되어 그에 대응한 스펙트럼선의 흡수를 일으킨다. 적외선 분석법은 이와 같이 적외선 흡수대를 갖는 기체에 적외선을 투과하여 그 분자 고유의 적외선 흡수 에너지를 검출함으로서 기체의 농도를 측정하는 방법이다. 이때, 통상적으로 사용되는 파장의 범위는 1~12㎛ 영역이다. 각 기체농도에 따른 적외선 흡수 정도는 램버트-비어의 법칙(Lambert Beer`s law)을 만족하며 농도와 적외선 통과거리의 곱 및 그 기체 고유의 흡수계수에 의해 결정되고 적외선 흡수 에너지에 대해 지수 함수적으로 변화한다.
적외선 흡수도는 흡수셀의 길이와 가스농도에 비례하게 되므로 흡수계수가 충분히 크고 단색광을 측정가스에 통과시켜 투과된 빛의 세기를 측정하면 다른 가스의 방해없이 측정대상 가스만의 농도를 계산해 낼 수 있다.
도 1은 상기 적외선 흡수법을 이용한 통상의 가스 검출장치의 구성을 나타내는 블록도를 보인 것이다.
상기 도면에서와 같이, 통상의 적외선 가스 검출장치는 적외선(IR)을 출력하는 광원(10)과, 상기 광원(10)으로부터 출력된 적외선(IR)을 입력받아 특정 파장의 대역을 필터링하는 필터부(20)와, 상기 필터링된 적외선(IR)이 입사되고 측정가스(Gas)가 유입되어 내부에서 상호 흡수반응을 일으키는 흡수셀(30)과, 상기 흡수셀(30)로부터 방출된 적외선(IR)의 흡수파장 스펙트럼을 검출하는 검출기(40)로 구성된다.
이 중, 흡수셀(30)의 내측에는 상기 적외선(IR)을 반사시키는 한 쌍의 반사미러(미도시)가 설치된다. 구체적으로, 반사미러는 일반적인 유리로 제조되며, 흡수셀(30)의 내부에 설치된 홀더(미도시)에 접착된다. 일반적으로 상기 홀더는 알루미늄 합금을 이용하여 제조된다. 반사미러는 흡수셀(30)의 내부로 유입된 상기 측정가스와 더욱 용이하게 흡수반응을 일으킬 수 있도록 흡수셀(30) 내부로 입사되는 적외선(IR)을 흡수셀(30)의 내부에서 반복 반사시켜 다중 광경로를 가짐으로써 흡수셀 내의 광경로의 총길이를 증가시키는 역할을 한다. 이러한 반사미러는 흡수셀(30)의 내부에 입사된 적외선(IR)을 반사곡률에 의해 정확하게 반복 반사하여 외부로 방출시켜야 하기 때문에 매우 정밀한 가공이 필요한 부품이다.
이상에서와 같은, 적외선 가스 검출장치는 일반적으로 소각로나 굴뚝과 같이 오염물질을 포함하는 가스가 다량으로 배출되는 장소에 설치되어 널리 사용되고 있 다.
그러나, 종래의 적외선 가스 검출장치는 홀더와 반사미러가 서로 다른 재질로 제조되기 때문에, 상기와 같이 흡수셀의 내부 온도가 고온으로 상승되면 홀더와 반사미러의 재질에 따른 열팽창 계수의 차이에 의한 적외선의 빔 정렬 상태가 흐트러지는 문제가 있었다.
또한, 종래의 적외선 가스 검출장치는 홀더에 반사미러를 접착하여 사용함으로 인해, 흡수셀 내부의 온도가 고온으로 상승되거나 내부에 수분을 포함하는 가스가 유입될 경우에는 상기 홀더와 반사미러의 접착력이 약화되어 반사미러가 쉽게 탈거되는 문제가 발생되었다. 따라서, 저온상태에서 수분이 포함된 가스의 성분을 분석하기 위하여 사전에 습기를 제거하는 작업을 거쳐 분산된 물방울을 제거한 후 측정을 수행해야 했으므로 그에 따른 오차 발생이 문제시 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 흡수셀의 양종단부 개구부를 폐쇄하는 홀더와 상기 홀더 상에 상기 적외선이 반사되는 반사곡면이 상기 중공부 내측을 향하여 일체형으로 형성되도록 반사미러를 제조함으로써, 열팽창 계수 차이에 의한 적외선 빔 정렬의 흐트러짐을 최소화할 수 있는 적외선 가스 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 반사미러를 파이렉스 유리와 같은 고온 강화유리로 제 조함으로써, 고온에서도 동작이 가능하며 수분을 포함하는 측정가스를 증기화하여 측정하는 것이 가능한 적외선 가스 검출장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 구현하기 위하여 본 발명은 측정가스에 적외선을 투과시켜 상기 측정가스의 성분 및 농도를 검출하는 적외선 가스 검출장치에 있어서, 4개의 판넬로 이루어져 중공부를 지니며, 대향되는 양판넬에는 적외선 입사홀과 적외선 방출홀이 각각 형성되고, 상기 적외선 입사홀과 적외선 방출홀의 내측 위치에는 각각 적외선을 직각으로 반사시키는 반사경이 설치되며, 양종단부에 개구부를 지닌 사각기둥형 흡수셀과; 상기 흡수셀의 양종단 개구부를 폐쇄하는 홀더와, 상기 홀더 상에 상기 적외선이 반사되는 반사곡면이 상기 중공부 내측을 향하여 형성된 반사미러를 포함하여 고온상태에서 가스성분 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 흡수셀의 적어도 하나의 판넬 상에는 상기 측정가스가 유입/유출되는 가스홀이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사미러는 고온 강화유리로서 일체로 가공되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 고온 강화유리는 파이렉스 유리를 사용할 수 있다.
이에 더하여, 상기 한 쌍의 반사미러는 상기 흡수셀의 중심으로 하는 구에 대응되는 곡률을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
아래에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제공한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 본 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 적외선 가스 검출장치의 구성 요소인 흡수셀과 그에 설치되는 반사미러에 기술적 특징을 갖는다. 따라서, 이하에서는 반사미러를 중심으로 그 특징적 기술 내용을 설명하는 바이며, 언급되지 않는 구성에 대한 기술은 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 기술로 대처할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 흡수셀과 반사미러가 분해된 상태를 나타내는 분해사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 흡수셀의 내부로 입사된 적외선이 반사미러에 의해 반사되어 방출되는 경로를 간략화한 모식도이다.
도 2에 보인 것과 같이, 본 발명에 따른 적외선 가스 검출장치는 내부에 중공부를 지니며 양종단부에 개구부(150)가 형성된 사각기둥형의 흡수셀(100)과, 상기 흡수셀(100)의 양 개구부(150)를 폐쇄하도록 각각 설치되는 한 쌍의 반사미러(200)를 포함한다.
흡수셀(100)은 내부에 측정가스가 유입되면 광원(10)으로부터 입력된 적외 선(IR)을 다중 경로로 진행하여 상기 측정가스와 흡수 반응된 적외선(IR)을 검출기로 제공하는 역할을 한다. 이와 같은 흡수셀(100)은 그 내부 온도를 고온으로 유지할 수 있도록 가공성 및 내화학성이 우수하며 열전도성이 좋은 알루미늄 함금으로 제조되는 것이 바람직하다. 참고로, 본 발명에서 언급되는 “고온”이란 물이 증기로 기화될 수 있는 100℃ 이상의 온도를 나타내는 것이며, 보다 구체적으로는 약 180℃ 정도의 온도를 나타낸다.
흡수셀(100)은 양측에 개구부(150)가 형성되도록 상단판넬(110), 하단판넬(120), 좌단판넬(130) 및 우단 판넬(140)이 결합되어 내측에 중공부를 갖는 사각기둥 형상으로 구성된다. 구체적으로, 흡수셀(100)은 하단판넬(120)의 양측면에 좌단판넬(130) 및 우단판넬(140)의 하단이 결합되고, 좌단판넬(130) 및 우단판넬(140)의 상단 내측으로 상단판넬(110)이 상기 하단판넬(120)과 평행하게 결합된다. 여기서, 좌단판넬(130) 및 우단판넬(140)의 마주하는 내측벽에는 상단판넬(110) 및 하단판넬(120)의 결합을 안내하는 가이드벽(132, 142)이 돌출 형성될 수 있다.
상기 상,하,좌,우단 판넬들(110,120,130,140)은 상기 도면에 보인 것과 같이 상호 대응되는 위치에 결합공(N)이 형성되어 볼트와 같은 체결부재(B)에 의해 상호 결합된다. 이때, 좌단판넬(130)과 우단판넬(140)의 전후방 상하부에는 하기에서 설명할 반사미러(200)와 결합하기 위한 미러결합공(MN)이 더 형성된다.
흡수셀(100)에는 측정가스가 유입/유출되는 가스홀(111)과 광원으로부터 출력된 적외선(IR)이 흡수셀(100)의 내부로 입사/방출되는 적외선 입사홀(131) 및 적 외선 방출홀(141)이 형성된다.
구체적으로, 가스홀(111)은 상단판넬(110)의 상면에 2개가 형성되어 측정가스가 흡수셀(100)의 내부로 유입/유출될 수 있도록 한다.
또한, 적외선 입사홀(131) 및 적외선 방출홀(141)은 적외선(IR)이 좌단판넬(130) 및 우단판넬(140)을 통해 흡수셀(100) 내부로 입사되거나 흡수셀(100) 외부로 방출되도록 좌,우단 판넬(130, 140)에 각각 하나씩 형성된다. 이때, 좌,우단 판넬(130,140)에 형성된 적외선 입사홀(131) 및 적외선 방출홀(141)은 상호 대향되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 흡수셀(100)의 내부에는 상기 적외선(IR)을 직각으로 반사시키는 반사경(160)이 설치된다. 구체적으로 흡수셀(100)의 하단판넬(120) 상면에는 제1,2반사경(160a,160b)이 설치되어지되, 제1반사경(160a)은 좌단판넬(130)에 형성된 적외선 입사홀(131)의 내측 위치에 설치되며, 제2반사경(160b)은 우단판넬(140)에 형성된 적외선 방출홀(141)의 내측 위치에 설치된다. 따라서, 제1,2반사경(160a, 160b)의 일측은 흡수셀(100)의 내부로 입사되는 적외선(IR)을 반사미러(200)로 반사시키고, 타측은 반사미러(200)에서 반복 반사되어 측정가스의 흡수 과정을 거친 적외선(IR)을 흡수셀(100)의 외부로 방출시키도록 반사시킨다.
반사미러(200)는 흡수셀(100)의 양종단부 개구부(150)의 위치에 각각 설치된다. 이러한 반사미러(200)는 광원(10)으로부터 입력된 적외선(IR)이 흡수셀(100)을 통과하여 검출기(40)까지 도달할 수 있도록 흡수셀(100)의 양종단부에 마주하도록 설치되어 입사된 적외선(IR)을 정확한 다중 광경로에 따라 반사시킨다.
이와 같은 반사미러(200)는 상기 흡수셀(100)의 양종단부 개구부(150)를 폐쇄하는 홀더(210)와, 상기 홀더(210)의 일측면에 가공 형성되는 반사곡면(220)으로 이루어진다. 이때, 상기 홀더(210)와 반사곡면(220)은 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.
홀더(210)에는 반사미러(200)가 흡수셀(100)의 양종단부에 설치되도록 모서리 영역에 다수의 판넬결합공(PN)이 형성된다. 이러한 판넬결합공(PN)은 좌단판넬(130) 및 우단판넬(140)에 형성된 상기 미러결합공(MN)과 나란히 배열되어 볼트와 같은 체결부재(B)에 의해 결합된다. 이와 같은 홀더(210)의 일측면에는 반사곡면(220)이 가공 형성된다. 구체적으로, 반사곡면(220)은 흡수셀(100)의 내부로 입사된 적외선(IR)이 반복 반사되어 흡수셀(100) 외부로 방출되도록 적외선(IR)의 경로를 형성한다.
이와 같은 반사곡면(220)은 마주하는 한 쌍의 반사미러(200)에 동일한 곡률반경을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 한 쌍의 반사곡면(220)은 흡수셀(100)의 중심을 기준으로 양 반사미러의 위치를 잇는 직경을 갖는 구를 형성하였을 때, 그 구에 대응되는 곡률반경을 가진다.
반사미러(200)는 고온에 잘 견딜 수 있도록 고온 강화유리로 제조되며, 바람직하게는 파이렉스(Pyrex) 유리로 제조된다. 이처럼 반사미러(200)의 홀더(210) 및 반사곡면(220)을 일체형으로 형성하고 파이렉스를 이용하여 제조하면 흡수셀(100) 의 내부가 고온으로 상승하더라도 동작이 가능하여 수분을 포함하는 배출가스를 고온 상태에서 증기화된 상태로 측정하는 것이 가능하며, 열팽창 계수 차이에 의한 적외선(IR) 빔 정렬의 흐트러짐을 최소화하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 흡수셀(100)의 내부로 입사된 적외선(IR)이 반사미러(200)에 의해 반사되어 방출되는 경로를 모식적으로 보인 것이다. 상기 도면에서와 같이, 광원(10)으로부터 입력된 적외선(IR)은 좌단판넬(130)에 형성된 적외선 입사홀(131)을 통과하여 흡수셀(100)의 내부로 입사된다. 이때, 흡수셀(100) 내부에 입사된 적외선(IR)은 제1반사경(160a)에 의해 직각으로 반사되어 제2반사미러(200b)를 향한다. 제2반사미러(200b)에 도달한 적외선(IR)은 상기 제2반사미러(200b)에 형성된 반사곡면(220)에 의해 제1반사미러(200a)를 향해 반사되고, 제1반사미러(200a)에 형성된 반사곡면(220)에 의해 다시 제2반사미러(200b)로 반사된다. 이와 같이, 흡수셀(100)의 내부에 입사된 적외선(IR)은 반사곡면(220)에 의해 제1반사미러(200a)와 제2반사미러(200b) 사이에서 반복 반사된다. 이러한 과정 중에 흡수셀(100)의 내부에 측정가스가 가스홀(111)을 통과하여 유입되면, 상기 적외선(IR)은 특정 파장에 대하여 흡수가 일어난다. 이렇게 다중 광경로 상에서 특정 파장의 흡수가 일어난 적외선(IR)은 제2반사경(160b)에 반사되어 우단판넬(140)에 형성된 적외선 방출홀(141)을 통과하여 흡수셀(100)의 외부로 제공되어 검출기(40)에 의하여 그 흡수 파장 스텍트럼을 검출하여 측정가스의 성분을 검사하는데 사용된다.
전술한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 가스 측정장치는 고온 상태에서 흡수셀 내부에 발생된 수분을 증기화하여 측정함으로써, 종래에 수분을 사전에 제거한 후 측정해야만 했던 문제가 해결되었다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 적외선 가스 검출장치는 양종단부에 개구부가 형성된 흡수셀과, 상기 개구부를 폐쇄하는 홀더와 반사곡면이 일체형으로 형성된 반사미러를 포함함으로써, 홀더와 반사곡면의 재질 차에 의해 발생되었던 열팽창 계수 차이에 의한 적외선 빔 정렬의 흐트러짐을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 가스 검출장치는 상기 반사미러를 파이렉스와 같은 고온 강화유리로 제조함으로써, 100℃ 이상의 고온에서도 작동되는 것이 가능 하며 수분을 포함하는 가스를 증기화하여 측정하는 것이 가능한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 측정가스에 적외선을 투과시켜 상기 측정가스의 성분 및 농도를 검출하는 적외선 가스 검출장치에 있어서,
    4개의 판넬로 이루어져 중공부를 지니며, 대향되는 양판넬에는 적외선 입사홀과 적외선 방출홀이 각각 형성되고, 상기 적외선 입사홀과 적외선 방출홀의 내측 위치에는 각각 적외선을 직각으로 반사시키는 반사경이 설치되며, 양종단부에 개구부를 지닌 사각기둥형 흡수셀과;
    상기 흡수셀의 양종단 개구부를 폐쇄하는 홀더와, 상기 홀더의 재질과 동일한 재질로 구성되고 상기 홀더 상에 상기 적외선이 반사되는 반사곡면이 상기 중공부 내측을 향하여 형성되고 상기 홀더와 반사곡면이 일체로 형성된 반사미러를 포함하여 고온상태에서 가스성분 측정이 가능한 것을 특징으로 하는 적외선 가스 검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수셀의 적어도 하나의 판넬 상에는 상기 측정가스가 유입/유출되는 가스홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 가스 검출장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반사미러는 고온 강화유리로 가공된 것을 특징으로 하는 적외선 가스 검출장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 고온 강화유리는 파이렉스 유리인 것을 특징으로 하는 적외선 가스 검출장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반사미러는 상기 흡수셀을 중심으로 하는 구에 대응되는 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 가스 검출장치.
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