KR102405456B1 - temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus - Google Patents

temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus Download PDF

Info

Publication number
KR102405456B1
KR102405456B1 KR1020200142539A KR20200142539A KR102405456B1 KR 102405456 B1 KR102405456 B1 KR 102405456B1 KR 1020200142539 A KR1020200142539 A KR 1020200142539A KR 20200142539 A KR20200142539 A KR 20200142539A KR 102405456 B1 KR102405456 B1 KR 102405456B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
wavelength
temperature
light
hydrogen
photodetector
Prior art date
Application number
KR1020200142539A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220057363A (en
Inventor
이주영
김영호
김명진
Original Assignee
한국광기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국광기술원 filed Critical 한국광기술원
Priority to KR1020200142539A priority Critical patent/KR102405456B1/en
Publication of KR20220057363A publication Critical patent/KR20220057363A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102405456B1 publication Critical patent/KR102405456B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/5907—Densitometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0286—Constructional arrangements for compensating for fluctuations caused by temperature, humidity or pressure, or using cooling or temperature stabilization of parts of the device; Controlling the atmosphere inside a spectrometer, e.g. vacuum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/005—H2
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
    • G01N2021/4742—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres comprising optical fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명은 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 관한 것으로서, 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과, 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과, 제1광원에서 출사되는 광과 제2광원에서 출사되는 광을 커플링하여 출사하는 광커플러와, 광커플러에서 출사되는 광을 센싱광섬유로 전송하는 광써큘레이터와, 센싱광섬유의 종단에 직렬상으로 접합되게 형성되며 온도에 따라 제1파장의 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 온도반응층과, 온도반응층에 직렬상으로 접합되며 수소에 반응하는 팔라듐 소재로 형성된 수소반응층을 갖는 수소센서와, 광써큘레이터의 출력단에서 출력되는 광을 제1파장과 제2파장으로 각각 분리하여 출력하는 파장분배부와, 파장분배부에서 출력되는 제1파장의 광을 검출하는 제1광검출부와, 파장분배부에서 출력되는 제2파장의 광을 검출하는 제2광검출부와, 제1광검출부에서 출력된 신호로부터 수소센서가 설치된 환경의 온도를 산출하고, 제2광검출부에서 출력되는 신호와 산출된 온도정보를 이용하여 수소센서가 설치된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 의하면, 온도정보를 수소농도 측정시 반영하여 산출함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to a temperature-corrected hydrogen concentration measuring device, comprising: a first light source emitting light of a first wavelength; a second light source emitting light of a second wavelength different from the first wavelength; An optical coupler that couples the emitted light and the light emitted from the second light source to emit it, an optical circulator that transmits the light emitted from the optical coupler to the sensing optical fiber, and is formed to be joined in series at the end of the sensing optical fiber. A hydrogen sensor having a temperature-reactive layer formed of a material whose absorption spectrum of the first wavelength varies according to temperature, a hydrogen-reactive layer formed of a palladium material that is connected in series to the temperature-reactive layer and reacts to hydrogen, and an output terminal of the optical circulator A wavelength distribution unit that separates and outputs the light output from the first wavelength and a second wavelength, a first photodetector that detects the light of the first wavelength output from the wavelength distribution unit, A second photodetector that detects light of two wavelengths, calculates the temperature of the environment in which the hydrogen sensor is installed from the signal output from the first photodetector, and uses the signal output from the second photodetector and the calculated temperature information to generate hydrogen and a calculator for calculating the hydrogen concentration of the environment in which the sensor is installed. According to such a temperature correction type hydrogen concentration measuring device, it is possible to improve the measurement precision by reflecting temperature information when measuring the hydrogen concentration and calculating it.

Figure R1020200142539
Figure R1020200142539

Description

온도보정형 수소 농도 측정 장치{temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus}Temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus

본 발명은 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 온도변화를 반영하여 수소농도 측정 정밀도를 향상시킬 수 있도록 된 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature-corrected hydrogen concentration measurement device, and more particularly, to a temperature-corrected hydrogen concentration measurement device capable of improving the hydrogen concentration measurement accuracy by reflecting a temperature change.

최근 환경오염과 화석에너지의 고갈에 따라 수소를 대체에너지로 이용할 수 있는 연구가 자동차, 로켓 등 다양한 분야에서 다양하게 이루어지고 있다. 대체 에너지로 이용하기 위해 연구 중인 수소는 누출시 대기 중에 존재하는 산소와 착화에 의해 폭발할 수 있는 위험성을 안고 있어 안전성을 충분히 확보할 수 있는 기술의 확보가 무엇보다 필요하다.Recently, due to environmental pollution and the depletion of fossil energy, research that can use hydrogen as an alternative energy is being conducted in various fields such as automobiles and rockets. Hydrogen, which is being researched for use as an alternative energy, has a risk of explosion due to ignition with oxygen in the atmosphere when leaked, so it is necessary to secure technology that can sufficiently secure safety.

수소가스의 누출을 검출하기 위한 수소 센서는 전기 화학적 방법이 알려져 있다. 그런데, 화학적 방법에 의해 수소의 농도를 검출하는 방식은 구조가 너무 복잡한 단점이 있고, 전기적으로 수소의 농도를 검출하는 방식은 누설 전류에 의해 폭발을 야기할 수 있는 안전성의 문제점이 있다.As for the hydrogen sensor for detecting the leakage of hydrogen gas, an electrochemical method is known. However, the method of detecting the concentration of hydrogen by a chemical method has a disadvantage in that the structure is too complicated, and the method of detecting the concentration of hydrogen electrically has a safety problem that may cause an explosion due to a leakage current.

한편, 광섬유의 코어층에 수소와 반응할 수 있는 물질로 피막한 클래드층 부분을 갖는 광학적 수소센서가 알려져 있으나, 수소 농도 변화에 대한 광전송 손실율이 작아 감도가 떨어지고, 입력광의 파워 편동시 이를 보상하기 위한 구조가 복잡한 단점이 있다.On the other hand, an optical hydrogen sensor having a clad layer part coated with a material capable of reacting with hydrogen on the core layer of the optical fiber is known, but the optical transmission loss rate to a change in hydrogen concentration is small, so the sensitivity is lowered. The disadvantage is that the structure for the

이러한 단점을 개선하기 위하여 국내 공개특허 제10-2008-0050864호에는 팔라듐과 광섬유를 이용하여 수소농도를 측정하는 장치가 제안되어 있으나, 온도변화에 따른 반응층의 신호변동을 반영하지 못하여 측정정밀도가 떨어지는 단점이 있다. In order to improve this disadvantage, Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0050864 No. 10-2008-0050864 proposes a device for measuring hydrogen concentration using palladium and optical fiber. There is a downside to falling.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 온도변화를 반영하여 수소농도 측정정밀도를 향상시킬 수 있는 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a temperature-corrected hydrogen concentration measurement device capable of improving the hydrogen concentration measurement accuracy by reflecting the temperature change as devised to improve the above problems.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치는 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과; 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과; 상기 제1광원에서 출사되는 광과 상기 제2광원에서 출사되는 광을 커플링하여 출사하는 광커플러와; 상기 광커플러에서 출사되는 광을 코어와 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단으로 출력하는 광써큘레이터와; 상기 센싱광섬유의 종단에 직렬상으로 접합되게 형성되며 온도에 따라 상기 제1파장의 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 온도반응층과, 상기 온도반응층에 직렬상으로 접합되며 수소에 반응하는 팔라듐 소재로 형성된 수소반응층을 갖는 수소센서와; 상기 광써큘레이터의 출력단에서 출력되는 광을 상기 제1파장과 상기 제2파장으로 각각 분리하여 출력하는 파장분배부와; 상기 파장분배부에서 출력되는 제1파장의 광을 검출하는 제1광검출부와; 상기 파장분배부에서 출력되는 제2파장의 광을 검출하는 제2광검출부와; 상기 제1광검출부에서 출력된 신호로부터 상기 수소센서가 설치된 환경의 온도를 산출하고, 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호와 산출된 온도정보를 이용하여 상기 수소센서가 설치된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부;를 구비한다.In order to achieve the above object, a temperature-corrected hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention includes: a first light source emitting light of a first wavelength; a second light source emitting light of a second wavelength different from the first wavelength; an optical coupler for coupling the light emitted from the first light source and the light emitted from the second light source to emit the light; an optical circulator for transmitting the light emitted from the optical coupler to a sensing optical fiber having a core and a cladding layer surrounding the core, and outputting the light propagating in reverse from the sensing optical fiber to an output terminal; A temperature-reactive layer formed of a material that is bonded in series to the end of the sensing optical fiber and whose absorption spectrum of the first wavelength varies according to temperature, and a palladium material that is joined in series to the temperature-reactive layer and reacts to hydrogen. a hydrogen sensor having a hydrogen reaction layer formed thereon; a wavelength distribution unit that separates the light output from the output terminal of the optical circulator into the first wavelength and the second wavelength and outputs the separated light; a first photodetector configured to detect light of a first wavelength output from the wavelength splitter; a second photodetector configured to detect light of a second wavelength output from the wavelength splitter; Calculate the temperature of the environment in which the hydrogen sensor is installed from the signal output from the first photodetector, and calculate the hydrogen concentration in the environment in which the hydrogen sensor is installed using the signal output from the second photodetector and the calculated temperature information and a calculation unit that

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2광원은 중심파장이 1550nm의 광을 출사하는 것이 적용되고, 상기 온도반응층은 상기 제2광원의 제2파장의 광에 대해서는 온도에 따른 흡수스펙트럼이 변동하지 않는 소재로 형성된다.According to an aspect of the present invention, the second light source is applied to emit light having a central wavelength of 1550 nm, and the temperature-responsive layer has an absorption spectrum with respect to the light of the second wavelength of the second light source fluctuates according to temperature It is made of a material that does not

바람직하게는 상기 온도 반응층은 GaAs, GaP, InGaAlP, InGaN, GaN 중 어느 하나로 형성된다. 이 경우 상기 온도 반응층이 GaAs로 형성되면 상기 제1파장은 870nm가 적용되고, 상기 온도 반응층이 GaP로 형성되면 상기 제1파장은 550nm가 적용되고, 상기 온도 반응층이 InGaAlP로 형성되면 상기 제1파장은 650nm가 적용되고, 상기 온도 반응층이 InGaN으로 형성되면 상기 제1파장은 420nm가 적용되고, 상기 온도 반응층이 GaN으로 형성되면 상기 제1파장은 365nm가 적용된다.Preferably, the temperature-responsive layer is formed of any one of GaAs, GaP, InGaAlP, InGaN, and GaN. In this case, when the temperature-responsive layer is formed of GaAs, the first wavelength is 870 nm, when the temperature-responsive layer is formed of GaP, the first wavelength is 550 nm, and when the temperature-responsive layer is formed of InGaAlP, the A first wavelength of 650 nm is applied, when the temperature-responsive layer is formed of InGaN, the first wavelength is 420 nm, and when the temperature-responsive layer is formed of GaN, the first wavelength is 365 nm.

또한, 상기 산출부는 상기 제1광검출부에서 출력되는 신호에 대응되는 온도값과, 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호 및 온도에 대응되는 수소농도값이 기록된 룩업테이블을 이용하여 온도 및 수소농도를 산출한다.In addition, the calculator uses a lookup table in which a temperature value corresponding to the signal output from the first photodetector and a hydrogen concentration value corresponding to the signal and temperature output from the second photodetector are recorded. to calculate

본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 의하면, 온도정보를 수소농도 측정시 반영하여 산출함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.According to the temperature correction type hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention, it is possible to improve the measurement precision by reflecting temperature information when measuring the hydrogen concentration and calculating it.

도 1은 본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 수소센서 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.1 is a view showing a temperature correction type hydrogen concentration measuring device according to the present invention,
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the hydrogen sensor of FIG. 1 .

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a temperature correction type hydrogen concentration measuring device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 수소센서 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.1 is a view showing a temperature correction type hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the hydrogen sensor of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수소 농도 측정 장치(100)는 제1광원(110), 제2광원(120), 광커플러(130), 광써큘레이터(140), 센싱광섬유(150), 수소센서(160), 파장분배부(170), 제1광검출부(181), 제2광검출부(182), 산출부(190)를 구비한다. 1 and 2, the hydrogen concentration measuring apparatus 100 according to the present invention includes a first light source 110, a second light source 120, an optical coupler 130, an optical circulator 140, and a sensing optical fiber. 150 , a hydrogen sensor 160 , a wavelength distribution unit 170 , a first light detection unit 181 , a second light detection unit 182 , and a calculation unit 190 .

제1광원(110)은 산출부(190)에 제어되어 제1파장의 광을 출사한다.The first light source 110 is controlled by the calculator 190 to emit light of a first wavelength.

제2광원(120)은 산출부(190)에 제어되어 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 출사한다.The second light source 120 is controlled by the calculator 190 to emit light of a second wavelength different from the first wavelength.

광커플러(130)는 제1광원(110)에서 출사되는 광과 제2광원(120)에서 출사되는 광을 커플링하여 광서큘레이터(140)의 입력단(140a)으로 전송한다.The optical coupler 130 couples the light emitted from the first light source 110 and the light emitted from the second light source 120 and transmits it to the input terminal 140a of the optical circulator 140 .

광써큘레이터(140)는 광커플러(130)에서 출사되어 입력단(140a)을 통해 입력된 광을 센싱단(140b)을 통해 코어(150a)와 코어(150a)을 에워싸는 클래드층(150b)을 갖는 센싱광섬유(150)로 전송하고, 센싱광섬유(150)에서 역으로 진행되는 광을 출력단(140c)으로 출력한다. 광써큘레이터(140)는 광커플러 구조로 형성된 것을 적용할 수 있음은 물론이다.The optical circulator 140 receives the light emitted from the optical coupler 130 and input through the input terminal 140a through the sensing terminal 140b and the core 150a and the cladding layer 150b surrounding the core 150a. It is transmitted to the sensing optical fiber 150, and the light propagating in reverse from the sensing optical fiber 150 is output to the output terminal 140c. Of course, the optical circulator 140 may be formed in an optical coupler structure.

센싱광섬유(150)는 코어(150a)와, 코어(135a)를 에워싸는 클래드층(150b)을 갖으며 일단이 센싱단(140b)에 접속되어 있다.The sensing optical fiber 150 has a core 150a and a cladding layer 150b surrounding the core 135a, and one end is connected to the sensing end 140b.

수소센서(160)는 센싱광섬유(130)의 종단에 직렬상으로 결합되어 입사된 광을 반사시킨다.The hydrogen sensor 160 is coupled in series to the end of the sensing optical fiber 130 to reflect the incident light.

수소센서(160)는 온도반응층(161) 및 수소반응층(163)을 구비한다.The hydrogen sensor 160 includes a temperature reaction layer 161 and a hydrogen reaction layer 163 .

온도 반응층(161)은 센싱광섬유(150)의 종단에 직렬상으로 접합되게 형성되며 온도에 따라 제1파장의 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성되어 있다. 또한, 온도 반응층(161)은 제2광원(120)에서 출사되는 제2파장의 광에 대해서는 온도에 따라 흡수스펙트럼이 변동하지 않는 소재로 형성된다.The temperature reaction layer 161 is formed to be bonded in series to the ends of the sensing optical fiber 150 and is made of a material whose absorption spectrum of the first wavelength varies depending on the temperature. In addition, the temperature responsive layer 161 is formed of a material whose absorption spectrum does not fluctuate depending on the temperature with respect to the light of the second wavelength emitted from the second light source 120 .

일 예로서, 제2광원은 중심파장이 1550nm인 제2파장의 광을 출사하는 것이 적용될 수 있고, 온도 반응층(161)은 반도체 화합물인 GaAs, GaP, InGaAlP, InGaN, GaN 중 어느 하나로 형성될 수 있다.As an example, the second light source may be applied to emit light of a second wavelength having a center wavelength of 1550 nm, and the temperature reaction layer 161 may be formed of any one of semiconductor compounds GaAs, GaP, InGaAlP, InGaN, and GaN. can

여기서, 온도 반응층(161)에 적용되는 소재에 따라 제1파장이 결정된다. 바람직하게는 온도 반응층(161) 소재가 GaAs로 형성되면 제1파장은 870nm가 적용되고, GaP로 형성되면 제1파장은 550nm가 적용되고, InGaAlP로 형성되면 제1파장은 650nm가 적용된다. 또한, 온도 반응층(161)이 InGaN 소재로 형성되면 제1파장은 420nm가 적용되고, GaN으로 형성되면 제1파장은 365nm가 적용된다.Here, the first wavelength is determined according to the material applied to the temperature-responsive layer 161 . Preferably, when the material of the temperature-responsive layer 161 is formed of GaAs, the first wavelength is 870 nm, when formed of GaP, the first wavelength is 550 nm, and when formed of InGaAlP, the first wavelength is 650 nm. In addition, when the temperature responsive layer 161 is formed of an InGaN material, the first wavelength is 420 nm, and when formed of GaN, the first wavelength is 365 nm.

수소반응층(163)은 온도반응층에 직렬상으로 접합되며 수소에 반응하는 팔라듐(Pd) 소재로 형성되어 있다. 수소반응층(163)은 수소가스와 반응하여 광학상수 즉, 굴절률이 가변된다. 수소 반응층(163)을 이루고 있는 팔라듐은 흡수된 수소분자를 두 개의 수소원자로 해리시키고, 이러한 과정에 의해 팔라듐으로 흡수되어 수소 원자로 해리되는 과정을 통해 수소 반응층(163)의 팔라듐 내의 자유 전자의 농도가 감소하며 팔라듐의 복소 유전율의 실수부 및 허수부 모두에서 크기가 감소한다. 따라서 이러한 수소 반응층(163)의 수소가스와의 반응에 의해 제2파장의 반사되는 광량이 가변된다. 이러한 수소 반응층(163)의 수소가스의 흡수에 의한 굴절율 변화에 의한 반사 광량의 손실량 즉, 광파워를 측정하면 수소가스의 농도를 측정할 수 있다. 다만 동일한 수소농도 환경에 대해 온도 변화에 따른 수소 반응층(163)으로부터 반사되는 광량이 변동되고 이러한 온도 변화에 따른 광량변화를 온도 반응층(161)을 이용하여 산출한 온도 정보를 이용하여 보정하면 된다.The hydrogen reaction layer 163 is joined in series with the temperature reaction layer and is formed of a palladium (Pd) material that reacts with hydrogen. The hydrogen reaction layer 163 reacts with hydrogen gas to change an optical constant, that is, a refractive index. The palladium constituting the hydrogen reaction layer 163 dissociates the absorbed hydrogen molecule into two hydrogen atoms, and through this process, it is absorbed into palladium and dissociated into hydrogen atoms. The concentration decreases and the magnitude decreases in both the real and imaginary parts of the complex permittivity of palladium. Accordingly, the amount of light reflected at the second wavelength varies by the reaction of the hydrogen reaction layer 163 with hydrogen gas. The concentration of hydrogen gas can be measured by measuring the loss of the amount of reflected light due to a change in refractive index due to absorption of hydrogen gas in the hydrogen reaction layer 163 , ie, optical power. However, for the same hydrogen concentration environment, the amount of light reflected from the hydrogen reaction layer 163 according to the temperature change is changed, and the change in the amount of light according to the temperature change is corrected using the temperature information calculated using the temperature reaction layer 161. do.

파장분배부(170)는 광써큘레이터(140)의 출력단(140c)에서 출력되는 광을 제1파장과 제2파장으로 각각 분리하여 출력한다. 파장분배부(170)는 제1파장과 제2파장을 각각 분리하여 출력하는 필터가 적용되거나, 분광계인 스펙트로미터가 적용될 수 있다.The wavelength distribution unit 170 separates the light output from the output terminal 140c of the optical circulator 140 into a first wavelength and a second wavelength, respectively, and outputs the separated light. A filter that separates and outputs the first wavelength and the second wavelength may be applied to the wavelength distribution unit 170 , or a spectrometer that is a spectrometer may be applied.

제1광검출부(181)는 파장분배부(170)에서 출력되는 제1파장의 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 산출부(190)에 출력한다.The first light detection unit 181 detects light of a first wavelength output from the wavelength distribution unit 170 , and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the detected light to the calculation unit 190 .

제1광검출부(182)는 파장분배부(170)에서 출력되는 제2파장의 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 산출부(190)에 출력한다.The first light detection unit 182 detects the light of the second wavelength output from the wavelength distribution unit 170 , and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the detected light to the calculation unit 190 .

산출부(190)는 제1 및 제2광검출부(181)(182)에서 출력되는 신호를 이용하여 수소센서(160)가 설치된 환경의 수소농도를 산출한다. The calculator 190 calculates the hydrogen concentration of the environment in which the hydrogen sensor 160 is installed by using the signals output from the first and second photodetectors 181 and 182 .

산출부(190)는 제1광검출부(181)에서 출력된 신호로부터 수소센서(160)가 설치된 환경의 온도를 산출하고, 제2광검출부(181)에서 출력되는 신호에 대해 산출된 온도정보를 이용하여 수소센서(160)가 설치된 환경의 수소농도를 온도에 맞게 보정하여 산출한다. 일 예로서, 산출부(190)는 제1광검출부(181)에서 출력되는 신호에 대응되는 온도값과, 제2광검출부(182)에서 출력되는 신호 및 온도에 대응되는 수소농도값이 기록된 룩업테이블(LUT)(193)을 이용하여 온도 및 수소농도를 산출하도록 구축된다. 여기서, 룩업테이블(193)에는 제1파장의 검출 세기와 온도와의 관계 및 온도에 따른 제2파장의 검출세기와 수소농도와의 관계가 실험에 의해 미리 구한 것이 기록되어 있다.The calculator 190 calculates the temperature of the environment in which the hydrogen sensor 160 is installed from the signal output from the first photodetector 181 , and calculates the temperature information calculated for the signal output from the second photodetector 181 . It is calculated by correcting the hydrogen concentration in the environment in which the hydrogen sensor 160 is installed using the temperature. As an example, the calculator 190 includes a temperature value corresponding to the signal output from the first photodetector 181 and a signal output from the second photodetector 182 and a hydrogen concentration value corresponding to the temperature. A lookup table (LUT) 193 is used to calculate the temperature and hydrogen concentration. Here, in the lookup table 193, the relationship between the detection intensity of the first wavelength and the temperature and the relationship between the detection intensity of the second wavelength and the hydrogen concentration according to the temperature are recorded in advance by an experiment.

이러한 구조에 의하면, 온도 변화정보를 수소농도 측정시 반영할 수 있어 수소농도 측정정밀도가 향상되는 장점을 제공한다.According to this structure, the temperature change information can be reflected when measuring the hydrogen concentration, thereby providing the advantage of improving the hydrogen concentration measurement accuracy.

110: 제1광원 120: 제2광원
130: 광커플러 140: 광써큘레이터
150: 센싱광섬유 160: 수소센서
161: 온도반응층 163: 수소반응층
170: 파장분배부 181: 제1광검출부
182: 제2광검출부 190: 산출부110: first light source 120: second light source
130: optical coupler 140: optical circulator
150: sensing optical fiber 160: hydrogen sensor
161: temperature reaction layer 163: hydrogen reaction layer
170: wavelength distribution unit 181: first light detection unit
182: second light detection unit 190: calculation unit

Claims (5)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과;
상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과;
상기 제1광원에서 출사되는 광과 상기 제2광원에서 출사되는 광을 커플링하여 출사하는 광커플러와;
상기 광커플러에서 출사되는 광을 코어와 상기 코어를 에워싸는 클래드층을 갖는 센싱광섬유로 전송하고, 상기 센싱광섬유에서 역으로 진행되는 광을 출력단으로 출력하는 광써큘레이터와;
상기 센싱광섬유의 종단에 직렬상으로 접합되게 형성되며 온도에 따라 상기 제1파장의 흡수스펙트럼이 달라지는 소재로 형성된 온도반응층과, 상기 온도반응층에 직렬상으로 접합되며 수소에 반응하는 팔라듐 소재로 형성된 수소반응층을 갖는 수소센서와;
상기 광써큘레이터의 출력단에서 출력되는 광을 상기 제1파장과 상기 제2파장으로 각각 분리하여 출력하는 파장분배부와;
상기 파장분배부에서 출력되는 제1파장의 광을 검출하는 제1광검출부와;
상기 파장분배부에서 출력되는 제2파장의 광을 검출하는 제2광검출부와;
상기 제1광검출부에서 출력된 신호로부터 상기 수소센서가 설치된 환경의 온도를 산출하고, 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호와 산출된 온도정보를 이용하여 상기 수소센서가 설치된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부;를 구비하고,
상기 제2광원은 중심파장이 1550nm의 광을 출사하는 것이 적용되고, 상기 온도반응층은 상기 제2광원의 제2파장의 광에 대해서는 온도에 따른 흡수스펙트럼이 변동하지 않는 소재로 형성되며,
상기 온도 반응층은 InGaAlP, InGaN 중 어느 하나로 형성되며,
상기 온도 반응층이 InGaAlP로 형성되면 상기 제1파장은 650nm가 적용되고, 상기 온도 반응층이 InGaN으로 형성되면 상기 제1파장은 420nm가 적용되는 것을 특징으로 하는 온도보정형 수소 농도 측정 장치.a first light source emitting light of a first wavelength;
a second light source emitting light of a second wavelength different from the first wavelength;
an optical coupler for coupling the light emitted from the first light source and the light emitted from the second light source to emit the light;
an optical circulator for transmitting the light emitted from the optical coupler to a sensing optical fiber having a core and a cladding layer surrounding the core, and outputting the light propagating in reverse from the sensing optical fiber to an output terminal;
A temperature-reactive layer formed of a material that is bonded in series to the end of the sensing optical fiber and whose absorption spectrum of the first wavelength varies according to temperature, and a palladium material that is joined in series to the temperature-reactive layer and reacts to hydrogen. a hydrogen sensor having a hydrogen reaction layer formed thereon;
a wavelength distribution unit that separates the light output from the output terminal of the optical circulator into the first wavelength and the second wavelength and outputs the separated light;
a first photodetector configured to detect light of a first wavelength output from the wavelength splitter;
a second photodetector configured to detect light of a second wavelength output from the wavelength splitter;
Calculate the temperature of the environment in which the hydrogen sensor is installed from the signal output from the first photodetector, and calculate the hydrogen concentration in the environment in which the hydrogen sensor is installed using the signal output from the second photodetector and the calculated temperature information and a calculation unit to
The second light source is applied to emit light having a central wavelength of 1550 nm, and the temperature-responsive layer is formed of a material whose absorption spectrum does not fluctuate depending on temperature for the light of the second wavelength of the second light source,
The temperature reaction layer is formed of any one of InGaAlP, InGaN,
When the temperature-responsive layer is formed of InGaAlP, the first wavelength is applied to 650 nm, and when the temperature-responsive layer is formed of InGaN, the first wavelength is applied to 420 nm. 제4항에 있어서, 상기 산출부는 상기 제1광검출부에서 출력되는 신호에 대응되는 온도값과, 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호 및 온도에 대응되는 수소농도값이 기록된 룩업테이블을 이용하여 온도 및 수소농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 온도보정형 수소 농도 측정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the calculator uses a lookup table in which a temperature value corresponding to the signal output from the first photodetector and a hydrogen concentration value corresponding to the signal and temperature output from the second photodetector are recorded. Temperature correction type hydrogen concentration measuring device, characterized in that for calculating the temperature and hydrogen concentration.
KR1020200142539A 2020-10-29 2020-10-29 temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus KR102405456B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200142539A KR102405456B1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200142539A KR102405456B1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220057363A KR20220057363A (en) 2022-05-09
KR102405456B1 true KR102405456B1 (en) 2022-06-07

Family

ID=81582297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200142539A KR102405456B1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102405456B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004523753A (en) * 2001-02-09 2004-08-05 マサチューセッツ　インスティテュート　オブ　テクノロジー Temperature sensing composition
JP2009053045A (en) * 2007-08-27 2009-03-12 Fiberlabs Inc Optical fiber hydrogen sensor and hydrogen detection system using the same
JP2013140113A (en) 2012-01-06 2013-07-18 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd Hydrogen sensor and hydrogen concentration measuring device
KR102122946B1 (en) 2018-12-11 2020-06-26 호남대학교 산학협력단 Temperature compensative fiber-optic hydrogen sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004523753A (en) * 2001-02-09 2004-08-05 マサチューセッツ　インスティテュート　オブ　テクノロジー Temperature sensing composition
JP2009053045A (en) * 2007-08-27 2009-03-12 Fiberlabs Inc Optical fiber hydrogen sensor and hydrogen detection system using the same
JP2013140113A (en) 2012-01-06 2013-07-18 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd Hydrogen sensor and hydrogen concentration measuring device
KR102122946B1 (en) 2018-12-11 2020-06-26 호남대학교 산학협력단 Temperature compensative fiber-optic hydrogen sensor

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220057363A (en) 2022-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103487403B (en) With the dual wavelength combination of fiber-optic laser gas detection system that reference cavity compensates
US4567366A (en) Method and apparatus for measuring methane concentration in gas
CN102967580B (en) VCSEL (vertical cavity surface emitting laser)-based low-power-consumption gas detection method and device
CN100468049C (en) Detection method for Optical-fiber transmitting infrared absorption type methane gas
CN102901581B (en) Dual-wavelength differential temperature measuring system based on optical-fiber radiation attenuation temperature dependency
CN102494874B (en) Tunable laser type fiber Bragg grating wavelength demodulation device
CN106323915B (en) Device for detecting hydrogen sulfide gas based on optical fiber M-Z interferometer
CN103499545A (en) Semiconductor laser gas detection system with function of gas reference cavity feedback compensation
CN104568829A (en) Gas detection system using fiber laser with function of active feedback compensation of reference cavity
US7389009B2 (en) Optical fiber sensor and measuring apparatus using same
US8273567B2 (en) Portable measurement system having biophotonic sensor
CN113916802A (en) Automatic calibration open-circuit type laser gas detection device and implementation method
GB2165640A (en) Gas or vapour concentration monitoring
CN104931458A (en) MZI (Mach-Zehnder interferometer) hydrogen sensor based on fiber brag grating microcavity
CN112903628B (en) Trace gas detection method under negative pressure state
KR102405456B1 (en) temperature calibration type hydrogen concentration measuring apparatus
Filoteo-Razo et al. U-shaped plastic fiber optic sensor for measuring adulteration in liquids via RGB color changes
JP2006047018A (en) Level gauge using optical fiber sensor, level, manometer, and thermometer
JP5648892B2 (en) Optical fiber hydrogen sensor and optical fiber hydrogen sensor system including the same
CN109060165B (en) Temperature compensation sensing method and device for optical cavity ring-down technology
CN110553987A (en) gas detection method and system
WO2022166378A1 (en) Michelson interferometric fiber-optic temperature sensor for detecting change in stripe contrast
CN104949937A (en) Phase-shifted fiber grating hydrogen sensor based on fiber grating microcavity
KR20100055723A (en) Portable biophotonic sensor measurement apparatus and the measuring method of the same
CN105372206B (en) Parallel remote optical fiber sensing system for the detection of multiple gases refractive index

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant