KR101215853B1 - 가스 배출량 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

하나의 장치로 특정 가스의 유량 및 농도를 동시에 측정할 수 있는 가스 배출량 측정 장치 및 그 방법이 개시된다. 가스 배출량 측정 장치는 적어도 하나의 가스가 혼재된 혼합가스 중 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 가스 검지부와, 특정 가스의 유속을 측정하기 위해 혼합가스의 흐름을 교란하는 가스 교란부 및 가스 검지부로부터 제공된 제1 검출신호에 기초하여 특정 가스의 농도를 산출한 후 가스 교란부의 구동을 제어하여 혼합가스의 흐름을 교란하고 가스 검지부로부터 제공된 제2 검출신호에 기초하여 특정 가스의 유속을 산출한 후, 산출된 특정 가스의 농도 및 유속에 기초하여 특정가스의 배출량을 산출하는 제어부를 포함한다. 따라서, 가스 배출량 측정 장치를 간단하게 제조할 수 있고, 휴대 및 측정 편의성이 향상된다.

Description

가스 배출량 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING EMISSION OF GAS AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 가스의 배출량 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 장치를 이용하여 혼합가스 중 특정 가스의 가스 유량 및 가스 농도를 측정할 수 있는 가스 배출량 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 굴뚝 등에서 배출되는 가스의 유량 측정은 가스 유속을 측정하여 가스의 단위 시간당 이동 거리를 측정하고 유속을 측정한 지점에서의 흐름 단면적(cross section)을 곱하여 측정한다.

또한, 여러 종류의 가스가 혼재하여 흐르는 경우 특정 가스만의 배출량을 측정하기 위해서는 먼저 배출되는 전체 가스의 유량을 측정하고, 전체 가스 중에서 배출량을 측정하고자 하는 특정 가스의 농도를 측정하여 상기 특정 가스의 배출량을 산출한다. 여기서, 특정 가스의 농도는 전체 가스의 부피에 대한 특정 가스의 부피의 비를 구하여 측정할 수 있다.

또한, 가스의 농도를 측정하는 방법의 하나로, 소정 가스가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하는 비분산 적외선 방법이 사용되고 있다.

도 1은 가스 분자의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 것으로, 예를 들어 이산화탄소는 4.26㎛의 파장의 광을 흡수하고, 메탄은 3.3㎛ 파장의 광을 흡수하는 특성을 가진다.

비분산 적외선 방법은 도 1에 도시한 바와 같이 각 가스 분자가 농도에 비례하여 고유 파장의 광을 흡수한다는 특성을 이용하여 농도를 측정하는 방법으로, 비분산 적외선 방법을 이용하여 가스 농도를 측정하기 위해서는 농도를 측정하고자 하는 가스가 흡수하는 파장대의 광을 방출하는 광원 및 상기 광원에서 광출된 광을 검출하는 광 검출기가 요구된다. 또한, 광원에서 방출된 광이 광 검출기에 도달하는 경로를 광 경로라 하는데, 가스 분자가 광 경로상에 위치하면 방출된 광의 일부가 가스 분자의 의해 흡수되므로 광 검출기를 통해 검출되는 광량은 작아지게 되고, 흡수되는 광량은 가스의 농도에 비례하게 된다. 비분산 적외선 방법을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 방법은 측정 신뢰성이 높은 장점이 있다.

그러나, 종래에는 상술한 바와 같이 가스 유량 측정 기술과 가스 농도 측정 기술을 독립적으로 적용하여 혼합 가스 중에서 특정 가스의 배출량을 측정하였고, 이를 위해 가스 유량계 및 가스 농도 측정기가 독립적으로 이용되었다. 따라서, 가스 배출량을 측정하기 위해 복수의 장비가 필요하고, 측정자가 각각의 장비를 이용하여 가스 유량 및 가스 농도를 각각 별도로 측정한 후 이에 기초하여 특정 가스의 배출량을 산출해야 하기 때문에 각각의 측정기를 독립적으로 구비해야 하므로 고비용이 소요되고 또한 각 측정기를 각각 사후 관리해야 하는 단점이 있다.

상기한 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 여러 종류의 가스가 혼재하여 배출되는 환경에서 하나의 장치로 특정 가스의 유량 및 농도를 동시에 측정할 수 있는 가스 배출량 측정 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 여러 종류의 가스가 혼재하여 배출되는 환경에서 하나의 장치로 특정 가스의 유량 및 농도를 동시에 측정할 수 있는 가스 배출량 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 가스 배출량 측정 장치는, 적어도 하나의 가스가 혼재된 혼합가스 중 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고, 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 가스 검지부와, 상기 특정 가스의 유속을 측정하기 위해 상기 혼합가스의 흐름을 교란하는 가스 교란부 및 상기 가스 검지부로부터 제공된 제1 검출신호에 기초하여 상기 특정 가스의 농도를 산출한 후, 상기 가스 교란부의 구동을 제어하여 상기 혼합가스의 흐름을 교란하고 상기 가스 검지부로부터 제공된 제2 검출신호에 기초하여 상기 특정 가스의 유속을 산출한 후, 산출된 상기 특정 가스의 농도 및 유속에 기초하여 상기 특정가스의 배출량을 산출하는 제어부를 포함한다.

상기 가스 교란부는 상기 제어부의 제어에 상응하여 지시가스를 투입할 수 있다.

상기 제어부는 상기 가스 검지부로부터 제1 검출신호로 전압을 제공받고, 비어-램버트 함수를 이용하여 전압을 상기 특정 가스의 농도로 변환할 수 있다.

상기 가스 검지부는 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제1 광원과, 상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 상기 제어부에 제공하는 제1 광검출기와, 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제2 광원 및 상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 상기 제어부에 제공할 수 있다.

상기 제1 광원과 제1 광검출기 사이의 제1 광경로 및 상기 제2 광원과 제2 광검출기 사이의 제2 광경로는 소정 거리 이격되어 서로 평행하고, 상기 혼합가스의 흐름과 수직 방향이 될 수 있다.

상기 제어부는 상기 특정 가스의 농도를 산출한 후, 시간을 초기화하고 상기 가스 교란부를 제어하여 지시 가스를 투입하고 상기 제1 광검출기로부터 제공된 제1 전압의 피크값 및 상기 제1 전압의 피크 시점인 제1 시간을 검출한 후, 상기 지시가스의 흐름에 따라 상기 제2 광검출기로부터 제공된 제2 전압의 피크값 및 상기 제2 전압의 피크 시점인 제2 시간을 검출한 후, 상기 제1 시간 및 상기 제2 시간의 차이 및 상기 소정 거리를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 가스 배출량 측정 방법은, 적어도 하나의 가스가 혼재된 혼합가스 중 특정 가스의 배출량을 측정하는 가스 배출량 측정 방법에 있어서, 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 상기 혼합가스에 방출하고 방출된 광을 검출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출하는 단계와, 상기 혼합가스의 흐름을 교란하기 위해 상기 혼합가스가 흐르는 배기관에 지시가스를 투입하는 단계와, 상기 지시가스의 흐름에 상응하여 검출되는 전압의 피크값 및 전압의 피크 시점에 기초하여 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계 및 상기 산출된 농도 및 유속에 기초하여 상기 특정 가스의 배출량을 산출하는 단계를 포함한다.

상기 특정 가스의 농도를 산출하는 단계는, 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 상기 혼합가스에 방출하는 단계와, 상기 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 전압을 획득하는 단계 및 비어-램버트 함수를 이용하여 상기 전압을 상기 특정 가스의 농도로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 혼합가스의 흐름을 교란하기 위해 지시가스를 투입하는 단계는, 시간을 초기화하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는 상기 지시가스가 제1 광경로를 흐름에 따라 제공되는 제1 전압의 피크값 및 상기 제1 전압의 피크 시점인 제1 시간을 측정하는 단계와, 상기 지시가스가 상기 제1 광경로와 소정 거리 이격된 제2 광경로를 흐름에 따라 제공되는 제2 전압의 피크값 및 상기 제2 전압의 피크 시점인 제2 시간을 측정하는 단계 및 상기 제1 시간 및 제2 시간의 차이와 상기 소정 거리를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가스 배출량 측정 방법은 상기 지시가스가 상기 특정 가스와 다른 종류의 가스인 경우에는 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계의 수행 후에 상기 특정가스의 확산 속도와 상기 지시가스의 확산 속도간의 관계를 도출하고, 도출된 관계를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 가스 배출량 측정 장치 및 그 방법에 따르면, 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 이용하여 특정 가스를 투과한 광량에 상응하는 전압을 검출한 후 비어-램버트 이론을 이용하여 특정 가스의 농도를 산출하고, 지시가스를 투입하고, 지시가스가 소정 거리 이격된 두 광경로를 가로지름에 따라 검출되는 전압의 피크값 및 시간에 기초하여 유속을 산출한다. 그리고, 산출된 농도 및 유속을 이용하여 특정 가스의 시간당 배출량을 산출한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치 및 방법은 가스 유량 측정기와 가스 농도 측정기를 각각 독립적인 특성을 유지한 상태에서 단순 결합하는 것이 아니라 하나의 측정 기술을 이용하여 가스의 유량과 농도를 동시에 측정하도록 하는 것이며 이로부터 하나의 장치가 가스의 유량과 가스의 농도를 동시에 측정하도록 하는 것이다.

따라서, 하나의 측정 장치만으로 특정 가스의 유량과 농도를 동시에 측정할 수 있고, 측정 장치를 간단하게 제조할 수 있으며, 휴대가 편리하고 가스 배출량 측정이 용이하며 유지관리 비용이 감소하는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치 및 그 방법은 예를 들어, 굴뚝 TMS(Tele-Monitoring System) 또는 자동차 배기가스 측정 장치에 적용될 수 있다.

도 1은 가스 분자의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 2는 굴뚝을 통해 배출되는 가스의 유량을 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 비어-램버트 이론을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 가스의 유속 측정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 특정 가스의 농도 및 유량의 동시 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7에 도시한 가스 배출량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출량 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치 및 방법의 기술 및 동작 원리에 대한 이해를 위해, 굴뚝에서 배출되는 다양한 종류의 가스 중 이산화탄소의 배출량을 측정하는 것을 예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에 적용되는 이론적 해석 방법을 설명한다.

1. 가스의 배출량 산출

화석 연료를 대기를 이용하여 연소시키면 연소 후 발생되는 가스는 이산화탄소와 수증기, 연소에 관여하지 않는 질소, 연소 후 잔량의 산소, 그리고 만일 연소가 고온에서 진행되었다면 일부 질소도 연소되어 질산화물, 불완전 연소라면 일산화탄소 등 다양한 종류의 가스가 굴뚝을 통해 배출된다. 상기한 바와 같이 배출되는 다양한 가스 중 이산화탄소의 배출량은 전체 가스의 배출량에서 이산화탄소가 차지하는 비율(또는 농도)를 측정함으로써 산출한다.

도 2는 굴뚝을 통해 배출되는 가스의 유량을 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 단위 시간당 가스의 유량은 가스의 유속(v)을 측정한 후 굴뚝의 단면적(A)을 곱하여 측정할 수 있다. 여기서 굴뚝의 단면적(A)을 미리 알고 있는 경우에는 가스의 유속(v)을 측정하는 것으로 용이하게 가스의 유량을 측정할 수 있다.

또한, 다양한 종류의 가스가 혼재된 환경에서 이산화탄소의 배출량을 측정하는 방법은 전체 가스 유량 중 이산화탄소의 농도를 측정한 후 전체 가스 유량과 이산화탄소의 비율을 곱하여 산출할 수 있다.

즉, 시간 t 동안의 특정 가스의 배출량(C)은 상기 특정 가스의 농도(N)와 시간 t동안 이동한 거리(L) 및 가스가 배출되는 배기관의 단면적(A)을 곱하여 산출할 수 있다.

2. 비어-램버트(Beer-Lambert) 이론

비어-램버트 이론은 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성에 대한 해석 이론으로, 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 경우 가스 농도와 투과된 광량간의 상호 관계를 정의한다.

광원에서 방출된 광은 일정한 광 경로를 거쳐 광 검출기에 도달한다. 광 경로 상에 가스 분자가 위치하는 경우 광의 일부는 가스 분자에 흡수되고 일부가 투과되어 광 검출기에 도달하게 된다. 여기서, 가스 분자에 흡수되는 광량은 가스 농도에 비례하는데, 이는 가스 분자에 의해 흡수되지 않고 투과되는 광량은 가스 농도에 반비례함을 의미한다.

도 3은 비어-램버트 이론을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3을 참조하면, 광 검출기는 검출된 광량에 상응하여 전압(V)을 출력하는데. 출력되는 전압(V)는 가스 농도(X)의 함수로 도출된다. 도 3에서 Vo는 가스의 농도가 0일 때의 전압을 의미하며, L은 광 경로의 길이를 의미하고, b는 가스 분자 1개의 광 흡수율을 나타내는 고유값이다.

일반적으로 광 검출기에 도달하는 광량과 광 검출기가 출력하는 전압은 선형적으로 비례한다. 따라서, 광 검출기에서 출력되는 전압(V)은 광 검출기에 도달하는 광량과 동등하다고 할 수 있다.

또한, 광원은 가스 분자가 흡수하는 파장을 방출하며 광 검출기는 해당 파장의 광만을 검출한다. 예를 들어, 이산화탄소를 검지하기 위해서는 광원은 4.26㎛의 파장의 광을 방출하고 메탄을 검지하는 경우 광원은 3.3㎛ 파장의 광을 방출하며, 광 검출기는 해당 파장을 가지는 광만을 검출한다. 따라서, 광 검출기의 검출 파장을 선택함으로써 검지하고자 하는 가스의 종류를 선택할 수 있다. 여기서, 광 검출기의 검출 파장은 해당 파장의 광만을 투과하는 광 필터를 적용함으로써 선택할 수 있다.

3. 가스 농도의 검지

가스 농도의 검지는 비어-램버트 이론에 이용하여 산출할 수 있다. 도 3에서 광 검출기에 의해 출력되는 전압(V)은 가스 농도(X)의 함수이므로, 광 검출기에서 출력되는 전압(V)을 측정한 후, 출력 전압(V)의 역함수를 구함으로써 가스 농도를 산출할 수 있다. 여기서 가스 분자 1개의 광 흡수율 값인 b와 광 경로의 길이 L의 곱(즉, b×L)은 기준 농도를 이용하여 교정하는 과정에서 도출할 수 있다.

4. 가스 유량의 측정

가스가 배출되는 배기관(예를 들면, 굴뚝)의 단면적을 알고 있을 경우 가스의 유량을 측정하는 것은 가스의 유속을 측정하는 것과 동등하다. 따라서, 이하에서는 가스의 유속 측정 방법을 설명하는 것으로 가스의 유량 측정 방법에 대한 설명을 대신한다.

도 4는 가스의 유속 측정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 4를 참조하면, 가스의 유속을 측정하기 위해서는 2쌍의 광원과 2쌍의 광 검출기가 사용되고, 상기 2쌍의 광원은 유속을 측정하고자 하는 가스 분자가 흡수하는 특정 파장의 광을 방출하도록 구성되거나, 상기 2쌍의 광 검출기는 유속을 측정하고자 하는 가스 분자가 흡수하는 특정 파장의 광을 검출하도록 구성된다.

먼저, 제1 광원(110)에서 방출된 광은 제1 광경로(150)를 거쳐 제1 광검출기(130)에 도달하고, 제2 광원(120)에서 방출된 광은 제2 광경로(160)을 거쳐 제2 광검출기(140)에 도달한다. 여기서 제1 광 경로(150)와 제2 광 경로(160)는 서로 평행하고 거리 ΔL만큼 이격되어 위치한다.

지시가스는 유속을 측정하고자 하는 가스와 동종의 가스로 고농도의 가스가 사용되거나, 상기 유속을 측정하고자 하는 가스의 유속을 환산할 수 있는 다른 종의 가스가 사용될 수 있다. 지시가스로 다른 종의 가스가 사용되는 경우 유속을 측정하고자 하는 가스에 대해 농도는 0이다. 지시가스는 제1 광경로(150)와 제2 광경로(160)에 대해 수직으로 가로질러 이동한다.

광 검출기(130, 140)에서 출력되는 전압은 오실로스코프와 같이 시간에 대한 전압의 변화량을 측정할 수 있는 측정 장치와 연결된다. 예를 들어, 제1 광검출기(130)는 오실로스코프의 제1 채널(CH01)과 연결되고 제2 광검출기(140)는 오실로스코프의 제2 채널(CH02)과 연결되어 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)로부터 제공된 전압을 표시할 수 있다.

상술한 바와 같은 측정 환경에서, 고농도의 지시가스가 제1 시간(t1)에 제1 광경로(150)를 지날 때 제1 광원(110)에서 방출되는 광을 흡수하므로 제1 광검출기(150)에서 출력되는 전압은 낮아지게 되고 이에 따라 도 4에 도시한 바와 같이 제1 채널(CH01)에서 제1 시간(t1) 대해 아래로 볼록한 형태의 전압 파형이 출력된다. 이어 지시가스가 제2 시간(t2)에 제2 광경로(160)를 통과할 때도 지시가스가 광을 흡수하므로 제2 광검출기(140)에서 출력되는 전압 역시 낮아지게 되어 제2 채널(CH02)도 제2 시간(t2)에서 아래로 볼록한 전압 파형이 출력된다.

따라서, 제1 채널(CH01)과 제2 채널(CH02)의 각 시간(t1 및 t2)에 대해 출력되는 전압의 최저점 사이의 간격인 Δt를 측정하고 속도의 정의(속도=ΔL/Δt)를 이용하면 지시가스의 이동 속도를 측정할 수 있다.

5. 가스의 농도 및 유량의 동시 측정

도 4에 도시한 가스 유속 측정 방법에서 지시가스가 투입되지 않는 경우에는 도 3에 도시한 바와 같은 비어-램버트 이론에 기초하여 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 출력되는 전압은 측정하고자 하는 특정 가스의 농도로 환산될 수 있다.

도 5는 특정 가스의 농도 및 유량의 동시 측정 방법을 설명하기 위한 개념도로서, 다양한 종류의 가스가 혼재되어 배출되는 상황에서 이산화탄소의 농도 및 유량을 동시에 측정하는 것을 예를 들어 설명한다.

도 5를 참조하면, 제1 광원(110)에서 방출된 광은 제1 광경로(150)를 거쳐 제1 광검출기(130)에 도달하고, 제2 광원(120)에서 방출된 광은 제2 광경로(160)를 거쳐 제2 광검출기(140)에 도달한다. 여기서, 제1 광경로(150) 및 제2 광경로(160)는 서로 평행하고, 가스의 배출 방향과 수직이며, 서로 ΔL만큼 이격되어 있다.

지시가스는 고농도의 이산화탄소로 굴뚝에서 배출되는 가스와 같은 방향으로 배출되고, 배출 속도 또한 동일한다. 지시가스가 제1 광경로(150) 및 제2 광경로(160)를 가로질러 지나가지 않는 경우, 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)에서 각각 출력되는 전압 V1 및 V2는 굴뚝에서 배출되는 가스 중 이산화탄소의 농도를 의미한다. 즉, 제1 광검출기(130)에서 출력되는 전압(V1) 과 제2 광검출기(140)에서 출력되는 전압(V2)은 비어-램버트 함수를 이용하여 농도로 변환할 수 있다.

여기서, 지시가스를 투입하면 굴뚝 내부에 이산화탄소의 농도가 국지적으로 교란이 발생하며 지시가스가 제1 광경로(150)를 지나는 시점인 t1에서 도 5에 도시한 제1 채널(CH01)과 같은 농도 상승이 나타난다. 또한, 지시가스가 제2 광경로(160)를 통과하는 시점인 t2에서도 도 5에 도시한 제2 채널(CH02)과 같은 농도의 상승이 나타난다.

또한, 상술한 바와 같이 지시가스의 이동속도는 굴뚝 내부에서의 이산화탄소 이동속도와 동일하므로 지시가스의 이동속도는 상기 제1 시간(t1)과 상기 제2 시간(t2)의 차이인 Δt를 측정하고 v = ΔL/Δt로부터 산출할 수 있다.

상술한 바와 같이 지시가스를 투입하지 않은 상태에서 굴뚝에서 배출되는 이산화탄소의 농도를 측정하고, 지시가스를 투입하여 이산화탄소의 배출속도를 계산함으로써 이산화탄소의 배출량을 산출하게 된다.

상기한 가스의 농도 및 유량의 동시 측정 방법은 이산화탄소의 배출량 측정에 한정되지 않으며 모든 가스의 배출량 측정에 적용될 수 있다. 또한, 지시가스를 측정하고자 하는 가스와 다은 종류 종류의 가스를 사용하는 경우에도 상술한 방법이 동일하게 적용된다. 다만, 측정하고자 하는 가스와 다른 종류의 지시가스를 사용하는 경우에는 가스의 분자량에 따라 확산 속도가 다르므로 이에 대한 보정이 필요하다. 예를 들어, 도 5에 도시한 방법에서 지시가스로 질소를 사용하는 경우 질소는 이산화탄소보다 가벼운 가스이므로 확산 속도가 동일한 온도에서 이산화탄소보다 빠르다. 여기서, 질소의 확산 속도와 이산화탄소 확산 속도 간의 관계는 기체상태 방정식에 의해 도출된다.

동일한 온도 상태(열적 평형 상태(thermal equilibrium))라면 엔트로피의 법칙에 의해 가스 분자가 갖는 에너지는 그 종류에 관계없이 동일하다. 이로부터 질소와 이산화탄소의 확산 속도 관계를 도출할 수 있다. 예를 들어, 질소가 갖는 에너지를 E₁, 이산화탄소가 갖는 에너지를 E₂, 질소의 확산 속도를 v₁, 이산화탄소의 확산 속도를 v₂, 질소의 분자량을 m₁, 이산화탄소의 분자량을 m₂라 하면, 열적 평형상태에서 질소의 에너지(E₁)와 이산화탄소의 에너지(E₂)는 동일하다(즉, E₁=E₂). 상기한 바와 같은 특성을 이용하여 수학식 1을 도출할 수 있다.

[수학식 1]

도 5에서 지시가스로 질소를 사용하는 경우 질소의 이동 속도(v₁)를 측정하고 상기 수학식 1을 이용하여 이산화탄소의 이동속도(v₂)를 산출할 수 있다. 즉, 질소의 분자량(m₁)은 28이고, 이산화탄소의 분자량(m₂)은 44이므로, 질소와 이산화탄소의 이동 속도는 수학식 2와 같은 관계를 가지게 된다.

[수학식 2]

상기한 예와 같이 지시가스로 질소를 사용하는 경우에는 지시가스가 각 광경로(150 및 160)를 통과할 때 농도가 낮아져서 표시되는 농도 파형은 아래로 볼록한 형태를 가지게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출량 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 7에 도시한 가스 배출량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 가스 배출량 측정 장치는 가스 검지부(100), 제어부(200), 가스 교란부(300), 입출력부(400), 통신부(500) 및 저장부(600)를 포함할 수 있다.

가스 검지부(100)는 제어부(200)의 제어 신호에 상응하여 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고, 상기 특정 가스를 투과한 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 전기 신호를 제어부(200)에 제공한다.

구체적으로, 가스 검지부(100)는 제1 광원(110), 제1 광검출기(130), 제2 광원(120) 및 제2 광검출기(140)를 포함할 수 있고, 상기 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)은 제어부(200)의 제어에 상응하여 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장대의 광을 방출하거나 상기 특정 가스가 흡수하는 광만을 방출하며, 상기 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)는 상기 특정가스가 흡수하는 파장대의 광 또는 상기 특정 가스가 흡수하는 광만을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 전기 신호를 제어부(200)에 제공한다. 여기서, 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)에서 제공되는 전기신호는 전압 또는 전류가 될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 전압(V1 및 V2)을 제공하는 것으로 예를 들어 설명한다.

또한, 상기 제1 광원(110)에서 방출된 광은 제1 광경로(150)를 지나 상기 제1 광검출기(130)에 도달하며 상기 제2 광원(120)에서 방출된 광은 제2 광경로(160)를 지나 상기 제2 광검출기(140)에 도달한다. 여기서, 제1 광원(110)에서 방출된 광은 제2 광검출기(140)에 도달하지 않고, 제2 광원(120)에서 방출된 광은 제1 광검출기(130)에 도달하지 않도록 상기 제1 광경로(150) 및 상기 제2 광경로(160)는 서로 평행하고, 소정 거리(ΔL)만큼 이격되어 형성된다. 또한, 제1 광경로(150) 및 제2 광경로(160)는 가스의 이동 방향과 수직으로 형성된다.

제어부(200)는 가스 검지부(100)의 동작을 제어하고, 가스 검지부(100)로부터 제공된 전기신호(예를 들면, 전압)에 기초하여 측정하고자 하는 특정 가스의 농도 및 유속을 산출하여 상기 특정가스의 배출량을 산출한다.

구체적으로, 제어부(200)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 구동을 제어하여 광을 방출하도록 한 후 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)로부터 각각 제공된 전압(V1 및 V2)에 기초하여 측정하고자 하는 특정 가스의 농도를 산출한다. 여기서, 제어부(200)는 비어-램버트 함수를 이용하여 상기 전압(V1 및 V2)에 대응되는 농도를 산출할 수 있다.

이후, 제어부(200)는 가스 교란부(300)의 구동을 제어하여 지시가스가 공급되도록 하고, 이와 동시에 시간을 리셋(t=0) 한다. 또한, 제어부(200)는 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)로부터 출력되는 전압을 미리 설정된 일정 시간 간격으로 샘플링하여 제1 검출기(130) 및 제2 검출기(140)로부터 각각 제공되는 전압(V1 및 V2)의 피크값 및 상기 전압의 피크값에 대응되는 시간을 측정하고, 두 전압의 피크값 사이의 시간 차이(Δt)를 구한다.

구체적으로 제어부(200)는 지시가스가 제1 광경로(150)에 도달하면 제1 광검출기에서 출력되는 전압의 피크 값인 제1 전압피크값을 측정한다. 제1 전압피크값은 미리 설정된 일정 시간 간격으로 전압을 샘플링하여 획득한 최대 전압 값이다. 또한 제어부(200)는 제1 전압피크값이 측정되는 시점인 제1 시점(t1)을 측정한다. 여기서, 제1 시점(t1)은 지시가스가 공급된 시점 또는 시간이 리셋(즉, t=0)된 이후부터 상기 전압의 피크값이 측정된 시간까지의 경과 시간으로 측정될 수 있다.

또한, 제어부(200)는 지시가스가 제1 광경로(150)를 지나 제2 광경로(160)에 도달하여 제2 광검출기(140)로부터 출력된 전압의 피크값인 제2 피크값 및 이 때의 시점인 제2 시점(t2)을 측정한다. 여기서, 제2 시점(t2)은 지시가스가 공급된 시점 또는 시간이 리셋(즉, t=0)된 이후부터 상기 전압의 제2 피크값이 측정된 시간까지의 경과 시간으로 측정될 수 있다.

이후, 제어부(200)는 미리 입력된 제1 광경로(150) 및 제2 광경로(160) 사이의 이격거리(ΔL) 및 상기 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2)의 시간 차이(Δt)를 이용하여 지시가스의 이동 속도를 산출한다.

제어부(200)는 상술한 바와 같이 산출된 특정 가스의 농도, 지시가스의 이동속도 및 지시가스가 배출되는 배기관의 단면적을 이용하여 측정하고자 하는 특정 가스의 시간 당 배출량을 산출한다. 여기서, 제어부(200)는 산출된 상기 특정 가스의 배출량을 저장부(600)에 저장할 수도 있고, 입출력부(400)를 통해 표시할 수도 있다.

또한, 상기 특정 가스의 배출량에 대한 기준배출량이 미리 설정되어 있는 경우에는 상기 산출된 배출량을 상기 기준배출량과 비교하여 상기 배출량이 기준배출량보다 더 큰 경우 입출력부(400)를 통해 경고 메시지, 경고음 또는 경고등을 출력할 수도 있다.

도 6에서는 단일의 제어부(200)가 가스 검지부(100)로부터 제공된 전압에 기초하여 측정하고자 하는 특정 가스의 농도 및 유속을 산출하고 이에 기초하여 상기 특정가스의 배출량을 산출하는 것으로 예를 들어 도시하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 제어부(200)가 두 개로 구성되어 제1 제어부는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 구동을 제어하고, 제2 제어부는 제1 광검출기(130) 및 제2 광검출기(140)로부터 출력된 전압에 기초하여 특정 가스의 농도 및 유속을 산출하도록 구성될 수도 있다. 다만, 상술한 바와 같이 제어부(200)가 두 개로 구성되는 경우에는 각 제어부(200)는 서로 데이터 및 제어신호를 공유하고 상호 연동하도록 구성될 수 있다.

가스 교란부(300)는 지시가스 공급 장치로 구성될 수 있고, 제어부(200)의 제어신호에 기초하여 지시가스를 방출한다. 여기로 가스 교란부(300)는 소량의 지시가스의 펄스 형태로 방출할 수 있고, 이와 같은 경우 1회 방출시 지시가스의 양은 가스 측정 환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.

또한, 가스 교란부(300)는 가스의 흐름 방향에 대해 입구와 출구가 형성되어 가스의 흐름을 유도하여 가스 측정을 용이하게 하는 가스 가이드(171)를 더 포함할 수 있다. 가스 가이드(171)는 예를 들어 가스의 흐름 방향으로 길이 방향을 가지는 원통 형태(또는 파이프 형태)로 형성될 수 있고, 굴뚝 등에서 배출되는 가스의 배출 속도가 가스 가이드(171) 내부와 외부에서 동일하도록 하기 위해 가스의 흐름 방향과 수직인 방향으로 절단시 단면적(cross section)이 입구부터 출구까지 동일하도록 형성될 수 있다. 또한, 가스 가이드(171)는 재질과 형태에 제약은 없으나 가스가 가스 가이드(171)의 입구로 유입되어 출구로 배출될 때까지 누수가 발생되지 않도록 형성되어야 한다.

또는 가스 교란부(300)는 상술한 바와 같이 지시가스를 분사 하도록 구성되는 대신, 초퍼(chopper) 등을 이용하여 가스 흐름에서 와류를 발생시키도록 구성될 수도 있다.

입출력부(400)는 입력부 및 출력부로 구성될 수 있고, 입력부는 터치패드 또는 키패드로 구성될 수 있고, 출력부는 디스플레이 소자, 경고등, 스피커 등을 포함할 수 있다.

입출력부(400)는 제어부(200)의 제어에 상응하여 가스 배출량 측정을 위한 조건 설정을 위한 사용자 인터페이스를 표시할 수 있고, 사용자의 조작을 통해 설정된 값들에 상응하는 신호를 제어부(200)에 제공한다. 예를 들어 입출력부(400)는 가스 배출량 측정 주기, 알람 조건, 알람 방법, 배출량을 측정하고자 하는 가스의 종류 등을 설정하기 위한 사용자 인터페이스를 표시할 수 있고, 사용자가 설정한 내용에 상응하는 데이터를 제어부(200)에 제공할 수 있다.

통신부(500)는 유선 또는 무선 인터페이스로 구성될 수 있고, 제어부(200)의 제어에 기초하여 가스 측정값 또는 가스 측정과 관련된 이벤트 신호를 미리 정해진 통신 규격에 따라 변환한 후 정해진 목적지로 전송한다. 또한, 통신부(500)는 외부 장치로부터 제공된 제어신호 또는 데이터 등을 통신 규격에 따라 처리한 후 제어부(200)에 제공한다.

저장부(600)는 비휘발성 메모리로 구성될 수 있고, 가스 배출량 측정을 위해 제어부(200)가 수행하는 프로그램 및 관련 데이터가 저장된다. 또한, 저장부(600)는 제어부(200)의 제어에 상응하여 산출된 가스 배출량이 미리 설정된 기간 동안 저장될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출량 측정 방법을 나타내는 흐름도로서, 도 6 및 도 7에 도시한 가스 배출량 측정 장치에 의해 수행되는 것으로 가정한다.

먼저, 특정 가스의 농도를 측정하기 위해 제어부(200)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 구동을 제어하여 광을 방출하도록 한 후 제1 광검출기(130)로부터 출력된 전압(V1) 및/또는 제2 광검출기(140)로부터 출력된 전압(V2)를 획득하고(단계 810), 상술한 비어-램버트 함수를 이용하여 획득한 전압(V1 및/또는 V2)에 대응되는 농도를 산출한다(단계 820).

이후, 제어부(200)는 시간을 리셋(즉, t=0)하고, 가스 교란부(300)의 구동을 제어하여 지시가스가 투입되도록 한다(단계 830).

이후, 제어부(200)는 지시가스가 제1 광경로(150)를 가로지름에 따라 제1 광검출기(130)로부터 출력된 전압의 피크값(제1 피크값)을 검출하고, 제1 피크값의 시점(제1 시간)을 측정한다(단계 840).

또한, 제어부(200)는 지시가스가 상기 제1 광경로(150)를 지나 제2 광경로(160)를 가로지름에 따라 제2 광검출기(140)로부터 출력된 전압의 피크값(제2 피크값)을 검출하고, 제2 피크값의 시점(제2 시간)을 측정한다(단계 850).

이후, 제어부(200)는 단계 840 및 단계 850의 수행을 통해 획득한 제1 시간 및 제2 시간의 차이값(Δt)과 제1 광경로 및 제2 광경의 이격 거리 (ΔL) 에 기초하여 특정 가스의 유속을 산출한다(단계 860).

그리고, 제어부(200)는 단계 820에서 산출한 특정 가스의 농도와 단계 860에서 산출한 특정가스의 유속 및 지시가스가 배출되는 배출구의 단면적을 이용하여 상기 특정 가스의 시간당 배출량을 산출한다(단계 870).

또한, 도 8의 단계 830에서 측정하고자 하는 특정 가스와 다른 종류의 지시가스를 투입하는 경우에는 기체상태 방정식을 이용하여 단계 860의 수행 후 상기 특정 가스의 확산속도와 상기 지시가스의 확산 속도 간의 관계를 도출하여 상기 특정 가스의 속도를 산출하는 과정이 추가적으로 수행될 수도 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 가스 검지부 110 : 제1 광원
120 : 제2 광원 130 : 제1 광검출기
140 : 제2 광검출기 150 : 제1 광경로
160 : 제2 광경로 200 : 제어부
300 : 가스 교란부 400 : 입출력부
500 : 통신부 600 : 저장부

Claims (10)

1. 외부로 배출되는 혼합가스 중 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제1 광원;
   상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 검출하는 제1 광검출기;
   상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제2 광원;
   상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 검출하는 제2 광검출기;
   상기 특정 가스의 유속을 측정하기 위해 상기 혼합가스의 흐름을 교란하는 가스 교란부; 및
   상기 제1 광검출기에서 제공된 제1 검출신호에 기초하여 상기 특정 가스의 농도를 산출한 후, 상기 가스 교란부의 구동을 제어하여 상기 혼합가스의 흐름을 교란하고 상기 제2 광검출기에서 제공된 제2 검출신호에 기초하여 상기 특정 가스의 유속을 산출한 후, 산출된 상기 특정 가스의 농도 및 유속에 기초하여 상기 특정가스의 배출량을 산출하는 제어부를 포함하며,
   상기 제1 광원과 제1 광검출기 사이의 제1 광경로 및 상기 제2 광원과 제2 광검출기 사이의 제2 광경로는 소정 거리 이격되어 서로 평행하고, 상기 혼합가스의 흐름과 수직 방향인 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 가스 교란부는
   상기 제어부의 제어에 상응하여 지시가스를 투입하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 제1 광검출기로부터 제1 검출신호로 전압을 제공받고, 비어-램버트 함수를 이용하여 전압을 상기 특정 가스의 농도로 변환하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 특정 가스의 농도를 산출한 후, 시간을 초기화하고 상기 가스 교란부를 제어하여 지시 가스를 투입하고 상기 제1 광검출기로부터 제공된 제1 전압의 피크값 및 상기 제1 전압의 피크 시점인 제1 시간을 검출한 후, 상기 지시가스의 흐름에 따라 상기 제2 광검출기로부터 제공된 제2 전압의 피크값 및 상기 제2 전압의 피크 시점인 제2 시간을 검출한 후, 상기 제1 시간 및 상기 제2 시간의 차이 및 상기 소정 거리를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 장치.
6. 외부로 배출되는 혼합가스 중 특정 가스의 배출량을 측정하는 가스 배출량 측정 방법에 있어서,
   상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 상기 혼합가스에 방출하고 방출된 광을 검출하여 상기 특정 가스의 농도를 산출하는 단계;
   상기 혼합가스의 흐름을 교란하기 위해 상기 혼합가스가 흐르는 배기관에 지시가스를 투입하는 단계;
   상기 지시가스의 흐름에 상응하여 검출되는 전압의 피크값 및 전압의 피크 시점에 기초하여 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계; 및
   상기 산출된 농도 및 유속에 기초하여 상기 특정 가스의 배출량을 산출하는 단계를 포함하는 가스 배출량 측정 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 특정 가스의 농도를 산출하는 단계는
   상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 상기 혼합가스에 방출하는 단계;
   상기 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 전압을 획득하는 단계; 및
   비어-램버트 함수를 이용하여 상기 전압을 상기 특정 가스의 농도로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 혼합가스의 흐름을 교란하기 위해 지시가스를 투입하는 단계는,
   시간을 초기화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는
   상기 지시가스가 제1 광경로를 흐름에 따라 제공되는 제1 전압의 피크값 및 상기 제1 전압의 피크 시점인 제1 시간을 측정하는 단계;
   상기 지시가스가 상기 제1 광경로와 소정 거리 이격된 제2 광경로를 흐름에 따라 제공되는 제2 전압의 피크값 및 상기 제2 전압의 피크 시점인 제2 시간을 측정하는 단계; 및
   상기 제1 시간 및 제2 시간의 차이와 상기 소정 거리를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 가스 배출량 측정 방법은
    상기 지시가스가 상기 특정 가스와 다른 종류의 가스인 경우에는
    상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계의 수행 후에 상기 특정가스의 확산 속도와 상기 지시가스의 확산 속도간의 관계를 도출하고, 도출된 관계를 이용하여 상기 특정 가스의 유속을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 배출량 측정 방법.

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