KR102405456B1 - 온도보정형 수소 농도 측정 장치 - Google Patents
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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.
Description
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 상기 산출부는 상기 제1광검출부에서 출력되는 신호에 대응되는 온도값과, 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호 및 온도에 대응되는 수소농도값이 기록된 룩업테이블을 이용하여 온도 및 수소농도를 산출한다.
본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치에 의하면, 온도정보를 수소농도 측정시 반영하여 산출함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 수소센서 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 수소센서 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 온도보정형 수소 농도 측정 장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 수소센서 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
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.
제1광원(110)은 산출부(190)에 제어되어 제1파장의 광을 출사한다.
제2광원(120)은 산출부(190)에 제어되어 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 출사한다.
광커플러(130)는 제1광원(110)에서 출사되는 광과 제2광원(120)에서 출사되는 광을 커플링하여 광서큘레이터(140)의 입력단(140a)으로 전송한다.
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.
센싱광섬유(150)는 코어(150a)와, 코어(135a)를 에워싸는 클래드층(150b)을 갖으며 일단이 센싱단(140b)에 접속되어 있다.
수소센서(160)는 센싱광섬유(130)의 종단에 직렬상으로 결합되어 입사된 광을 반사시킨다.
수소센서(160)는 온도반응층(161) 및 수소반응층(163)을 구비한다.
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.
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.
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.
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.
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.
제1광검출부(181)는 파장분배부(170)에서 출력되는 제1파장의 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 산출부(190)에 출력한다.
제1광검출부(182)는 파장분배부(170)에서 출력되는 제2파장의 광을 검출하고, 검출된 광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 산출부(190)에 출력한다.
산출부(190)는 제1 및 제2광검출부(181)(182)에서 출력되는 신호를 이용하여 수소센서(160)가 설치된 환경의 수소농도를 산출한다.
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.
이러한 구조에 의하면, 온도 변화정보를 수소농도 측정시 반영할 수 있어 수소농도 측정정밀도가 향상되는 장점을 제공한다.
110: 제1광원 120: 제2광원
130: 광커플러 140: 광써큘레이터
150: 센싱광섬유 160: 수소센서
161: 온도반응층 163: 수소반응층
170: 파장분배부 181: 제1광검출부
182: 제2광검출부 190: 산출부
130: 광커플러 140: 광써큘레이터
150: 센싱광섬유 160: 수소센서
161: 온도반응층 163: 수소반응층
170: 파장분배부 181: 제1광검출부
182: 제2광검출부 190: 산출부
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- 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. - 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.
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| KR1020200142539A KR102405456B1 (ko) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 온도보정형 수소 농도 측정 장치 |
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| KR1020200142539A KR102405456B1 (ko) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 온도보정형 수소 농도 측정 장치 |
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Citations (4)
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| JP2004523753A (ja) * | 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 | 温度検知組成物 |
| JP2009053045A (ja) * | 2007-08-27 | 2009-03-12 | Fiberlabs Inc | 光ファイバ水素センサ及びそれを用いた水素検知システム |
| JP2013140113A (ja) | 2012-01-06 | 2013-07-18 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 水素センサおよび水素濃度計測装置 |
| KR102122946B1 (ko) | 2018-12-11 | 2020-06-26 | 호남대학교 산학협력단 | 온도 보상형 광섬유 수소센서 |
-
2020
- 2020-10-29 KR KR1020200142539A patent/KR102405456B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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