KR102545561B1 - 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 출원 발명은 일산화탄소와 이산화탄소를 동시에 측정하는 기술을 개선하고자 하는 것이다. 특히 가스 상관 필터는 고온의 광원 전방에 회전 가능하게 구비된다. 이러한 이유로 기존의 상기 가스 상관 필터의 사파이어 유리가 잘 떨어지는 문제가 있어왔다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하여 상기 상관 가스 필터의 제작성과 사용성을 높이고자 하는 것이다. 이를 위하여
개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서, 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
본 출원 발명의 상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 가스 상관 필터의 조립성과 내구성이 향상되는 효과가 있다.
개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서, 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
본 출원 발명의 상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 가스 상관 필터의 조립성과 내구성이 향상되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 비분산 적외선 검출기를 이용하여 일산화탄소와 이산화탄소 동시 측정 장치에 관한 기술이다. 더욱 자세하게는 일산화탄소와 이산화탄소를 충진한 가스 상관 필터의 구조를 개선한 기술에 관한 것이다.
이 발명의 출원 이전의 선행기술로는 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는 광원 발생장치; 및 상기 광원 발생장치로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위한 광학 필터; 및 중심축을 기준으로 4등분되며, 성분 측정을 위한 기준광과 측정광을 발생시키는 가스 상관 필터; 및 상기 광학 필터와 가스 상관 필터를 회전시키기 위해 상기 중심축에 연결된 모터; 및 상기 가스 상관 필터를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀; 및 상기 시료 가스셀을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출센서; 및 상기 광원 검출센서로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산처리부를 포함한 기술이 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 비분산 적외선 방식을 이용한 일산화탄소, 이산화탄소 듀얼 센서 모듈을 실현하였다. 비분산 적외선 방식은 가스분자가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하여 가스의 적외선 흡수도를 측정하여 농도로 환산하는 방식이다. 비분산 적외선 방식은 수명이 길고 정밀도가 높아 기존의 접촉식 화학 센서와 비교하여 우수한 특성을 가지고 있다. 이 기술에서는 광공동기술과 교정기술을 연구 개발하여 하나의 광 공동으로 이산화탄소와 일산화탄소를 동시에 측정하는 기술이 개시되어 있다.
논문의 명칭 : 비분산 적외선 방식의 CO2 센서 모듈에 관한 연구
電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SC, 시스템 및 제어 v.46 no.2 = no.326 , 2009년, pp.36 - 40
저자 : 김규식 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 오준태 ( 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 김희식 ( 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 김조천 ( 건국대학교 환경공학과)
본 출원 발명은 일산화탄소와 이산화탄소를 동시에 측정하는 기술을 개선하고자 하는 것이다. 특히 가스 상관 필터는 고온의 광원 전방에 회전 가능하게 구비된다. 이러한 이유로 기존의 상기 가스 상관 필터의 사파이어 유리가 잘 떨어지는 문제가 있어왔다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하여 상기 상관 가스 필터의 제작성과 사용성을 높이고자 하는 것이다.
또한, 상기 상관 필터의 필터로써의 기능을 확장하는 것이다. 기존의 상관필터는 전체를 1/2 또는 1/4로 나누고, 각각의 구획에 가스를 설정된 가스를 채워 사용하였다. 그러나, 분할된 구획 내에서는 동일한 가스가 일정하게 구비되어 다양한 교정과 신호처리가 불가능했던 문제를 해결하고자 한다.
본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기위하여 다음과 같은 과제해결 수단을 제공한다.
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 양분되며, 일산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 2 파장 필터(122)가 구비된 광학 필터(120); 및
중심축(140)을 기준으로 2등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 제 1 파장 필터(121)는 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키고, 상기 제 2 파장 필터(122)는 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치.
또 다른 실시예로,
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 양분되며, 일산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 2 파장 필터(122)가 구비된 광학 필터(120); 및
중심축(140)을 기준으로 2등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 일측 또는 양측의 원주면이 경사지계 형성되어 원주면을 따라 다른 높이로 구성되어 측정을 위한 적외선광이 투과하는 길이가 원주를 따라 다르며,
상기 가스 상관 필터의 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 제 1 파장 필터(121)는 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키고, 상기 제 2 파장 필터(122)는 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 가스 상관 필터의 조립성과 내구성이 향상되는 효과가 있다. 여기에 접합면이 기울어진 접합면을 형성함으로써 원주방향을 따라 분할된 구획이 부피에 차이가 발생함으로써 상기 부피의 차이에 의하여 가스 상관 필터를 통과하는 광 경로에 차이가 있는 것이므로, 이를 이용하여 짧고, 긴 광경로를 만들어 내어 다양한 교정이 가능한 효과를 제공하고 있다.
도1은 본 발명의 출원 이전의 기술을 도시하고 있다.
도 2 는 본 출원 발명의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3 은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도를 도시하고 있다.
도 4는 기존에 사용하였던 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도5는 본 출원 발명에 의하여 개선된 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도6은 광을 초핑하기 위한 초핑용 슬릿을 도시하고 있다.
도7은 농도에 따른 보정이 가능하도록 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다. 도8은 상기 원주를 따라 가스에 따른 흡광도를 달리하는 경사 구조 가스 상관 필터의 흡광 정도를 단면도와 색을 달리 표시하고 있는 도면이다.
도 2 는 본 출원 발명의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3 은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도를 도시하고 있다.
도 4는 기존에 사용하였던 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도5는 본 출원 발명에 의하여 개선된 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도6은 광을 초핑하기 위한 초핑용 슬릿을 도시하고 있다.
도7은 농도에 따른 보정이 가능하도록 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다. 도8은 상기 원주를 따라 가스에 따른 흡광도를 달리하는 경사 구조 가스 상관 필터의 흡광 정도를 단면도와 색을 달리 표시하고 있는 도면이다.
본 출원 발명은 공기 중의 일산화탄소와 이산화탄소 성분 측정 장치에 관한 것이다.
공기 중에 존재하는 오염 물질의 농도를 측정하는 방법에는 샘플을 채취하여 실험실에서 분석하는 방법과 현장에서 측정하는 방법이 있을 수 있다.
측정 현장에서 펌프를 이용하여 대상 오염 물질의 샘플을 채취하고 분석 가능한 실험실에서 물리화학적인 방법으로 분석하는 방법이 있고,
본 출원 발명에서 사용한 비분산적외법(NDIR, Non dispersive Infra Red)과 같이 전기적인 또는 광학적인 측정 방법을 이용하여 현장에서 측정하는 방법이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 출원 발명의 출원 이전의 선행기술을 도시하고 있다. 도1에 도시된 기술은 적외선 광을 발생시키는 광원(11)과 상기 광원(11)에서 나오는 광을 주기적으로 단속하는 쵸퍼(12), 가스는 밀폐시키고 적외선 광은 손실 없이 투과하도록 하는 가스셀(13), 상기 가스셀(13)을 통과한 빛을 선택적으로 투사시키는 필터(16), 측정을 위하여 빛의 세기를 측정하기 위한 검출기(18), 측정하고자 하는 가스의 농도에 따라서 광로(19)를 변환시키는 광로 변환수단(20)을 구비함을 특징으로 하는 광로 변환이 가능한 NDIR 방식의 가스 분석기를 도시하고 있다.
이 기술은 하나의 가스셀을 사용하여, 측정 및 분석하고자 하는 가스의 농도에 따라 가스셀 내의 광로를 변환시킴으로써 다양한 농도의 가스를 간편하게 측정 및 분석할 수 있는 장점이 있는 기술이다. 그러나, 두 종류 이상의 가스 농도를 동시에 측정할 수 없는 단점이 있다.
또한, 대기 중에 존재하는 일산화탄소와 이산화탄소가 상기 쵸퍼(12)와 가스셀(13) 사이의 공간에 존재하는 경우 적외선 빔의 진행을 방해하여 정확한 가스 농도의 측정에 어려움이 있다.
도 2 는 본 출원 발명과 동일한 방법의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3 은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도를 도시하고 있다.
도 4는 기존에 사용하였던 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도5는 본 출원 발명에 의하여 개선된 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도6은 광을 초핑하기 위한 초핑용 슬릿을 도시하고 있다. 상기 초핑용 슬릿을 본 출원 발명의 가스 상관 필터에 결합하여 일산화탄소-이산화탄소 동시 측정에 사용한다.
도7은 농도에 따른 보정이 가능하도록 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다. 이 경사 구조 가스 상관필터는 광이 상기 경사 구조 가스 상관필터를 통과하는 길이를 원주를 따라 변화시킴으로써 가스 상관 필터에 의한 흡광 정도를 상기 경사 구조 가스 상관필터의 원주를 따라 달리함으로써 농도별 교정이 가능하도록 한 것을 특징을 하는 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다.
도8은 상기 원주를 따라 가스에 따른 흡광도를 달리하는 경사 구조 가스 상관 필터의 흡광 정도를 단면도와 색을 달리 표시하고 있는 도면이다.
색이 짙을수록 흡광이 큰 것을 나타내고 있다.
도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 일산화탄소- 이산화탄소 성분 동시 측정 장치는 광원 발생장치(110), 광학 필터(120), 가스 상관 필터(130), 모터(150), 시료 가스셀(160), 광원 검출 센서(170), 연산 처리부(180)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 출원 발명의 광원 발생 장치는 적외선 광원을 사용하여 일산화탄소와 이산화탄소를 동시에 측정한다. 상기 광원 발생 장치(110)는 온도가 100 ~ 1100 도 까지 가열되는 네른스트 엘리먼트(NERNST ELEMENT) 계열의 적외선 발생장치를 사용한다. 광원에서 많은 열이 발생하기 때문에 본 출원 발명의 금속알루미늄 몸체에 사파이어를 평면으로 가공하여 결합한 가스 상관 필터에서 상기 사파이어 유리와 금속알루미늄 몸체의 접촉부에 내구성에 문제가 발생한다.
본 출원 발명의 일산화탄소 이산화탄소 동시측정 장치는 도 3에 도시된 광학 필터(120)는 중심축(140)을 기준으로 양분되며 제 1 파장 필터(121)와 제 2 파장 필터(122)로 구분되어 있다. 일산화탄소-이산화탄소(CO-CO2) 분자는 각각 4.7 ㎛ 와 4.3 ㎛ 파장대의 적외선을 흡수하는 성질을 갖고 있으므로 상기 제 1 파장 필터(121)는 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키고, 상기 제 2 파장 필터(122)는 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 필터를 사용할 수 있다.
상기 광학 필터(120)는 상기 중심축(140)을 기준으로 제 1 파장 필터(121)와 제 2 파장 필터(122)로 양분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)와 제 2 파장 필터(122)는 각각 반원형으로 형성하고, 상기 광학필터의 중심축(140)은 모터(150)와 연결되어 상기 광학 필터(120)를 회전시키며 측정에 필요한 필터를 선택하여 측정한다. 측정에 필요한 필터를 구분하기 위하여 상기 모터의 회전축에 절대 엔코더를 더 구비할 수 있다. 또는 원점을 확인하기 위한 노치, 또는 자석을 구비하여 원점의 위치를 찾을 수 있도록 할 수 있다.
상기 가스 상관 필터(130)는 중심축(140)을 기준으로 4등분되며 제 1 기준 필터부(131), 제 1 측정 필터부(132), 제 2 기준 필터부(133), 제 2 측정 필터부(134)를 구비할 수 있다. 상기 가스 상관 필터(130)는 상기 중심축(140)을 기준으로 4등분되며 상기 가스 상관 필터(130)는 원판형으로 형성될 수 있다. 상기 중심축(140)은 모터(150)와 연결되어 상기 가스 상관 필터(130)를 회전시키며 이에 따라 가스 상관 필터(130)의 형상은 회전 가능한 형상인 것이 바람직하다.
상기 제 1 기준 필터부(131)와 제 2 기준 필터부(133)에는 질소 또는 비활성 기체 중에서 선택적으로 충전될 수 있다. 충전되는 가스의 농도는 50 % 가 바람직하다. 비활성 기체는 주기율표 18족(8A족)에 속하는 헬륨(helium)· 네온(neon)· 아르곤(argon)· 크립톤(krypton)· 크세논(xenon)· 라돈(radon)의 6원소를 말한다.
상기 제 1 기준 필터부(131)는 일산화탄소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 질소 또는 비활성 기체에 의해 기준광을 발생시킨다. 마찬가지로 상기 제 2 기준 필터부(133)는 이산화탄소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 질소 또는 비활성 기체에 의해 기준광을 발생시킨다.
상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되고 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전될 수 있다. 충전되는 가스의 농도는 50 % 가 바람직하다. 상기 제 1 측정 필터부(132)는 일산화탄소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 일산화탄소에 의해 일산화탄소 측정광을 발생시킨다. 마찬가지로, 상기 제 2 측정 필터부(134)는 이산화탄소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 이산화탄소에 의해 이산화탄소 측정광을 발생시킨다.
상기 가스 상관 필터(130)는 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150)의 구동에 의해 회전되며 회전 속도는 1800 rpm 인 것이 바람직하다. 회전에 의해 상기 제 1 기준 필터부(131), 제 2 기준 필터부(133), 제 1 측정 필터부(132), 제 2 측정 필터부(134)의 순으로 번갈아가며 비교 측정하여 간섭 성분에 영향을 받지 않도록 가스 성분의 농도를 측정할 수 있다. 상기 가스 상관 필터(130)는 섭씨 100도의 온도와 1800 rpm 의 회전 속도에도 가스 유출이 되지 않도록 특수 에폭시 접착제를 이용하여 사파이어 필터와 알루미늄 기구물을 접착하고 가스를 충전하여 밀봉하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기와 같이 가스 상관 필터를 4개의 구획으로 나누고 가스를 충진하여 가스 상관 필터를 제작하는 것은 쉽지 않다.
본 출원 발명의 동작을 도2로 설명하면, 상기 시료 가스셀(160)의 내부에 시료 가스가 충전되면, 상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되고, 상기 시료 가스셀(160)의 시료 가스는 일산화탄소 및/ 또는 이산화탄소이며, 상기 시료 가스셀(160)의 양 측면에는 반사 거울(161)이 형성되여 광경로를 형성한다. 상기 반사 거울(161)은 입사되는 적외선의 방향을 전환하는 방향 전환 거울과 적외선의 방향 전환과 함께 초점이 흐트러지지 않도록 모아주는 오목 거울로 구성된다.
상기 가스 상관 필터(130)에서 발생된 적외선이 상기 시료 가스셀(160)의 상단으로 입사되면 상기 방향 전환 거울을 통해 일 측면으로 방향 전환되고 상기 오목 거울을 통해 빛이 분산되지 않고 양 측면으로 이동한 후 적외선이 소정의 거리를 통과하면, 상기 방향 전환 거울을 통해 상기 시료 가스셀(160)의 하단으로 방출된다. 상기 반사 거울(161)은 적외선 광원의 통과 길이를 늘여 상기 시료 가스에 의한 흡광을 위한 경로를 늘려 측정 가능한 정도의 흡광이 가능하도록 하기 위한 것이다.
본 출원 발명의 일산화탄소와 이산화탄소측정을 위해서는 시료 가스셀의 통과 길이는 12 m 이상 되는 것이 바람직하다.
상기 반사 거울(161)의 표면에는 금(gold) 코팅을 하여 빛의 반사율을 향상시키는 것이 바람직하다.
상기 광원 검출 센서(170)는 시료 가스셀(160)을 통과한 적외선을 검출하는 장치이다. 상기 광원 검출 센서(170)는 비분산 적외선 검출기(PBSE)를 사용하는 것이 바람직하나, 적외선의 강도를 감지할 수 있는 센서라면 어떤 것이라도 가능하다.
본 출원 발명의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치(100)의 전체적인 작동은 상기 광원 발생 장치(110)로부터 적외선이 발생되고, 상기 적외선은 광학 필터(120)를 통과하면서 소정의 파장대의 적외선만 선별적으로 투과된다. 상기 광학 필터(120)에서 선별된 파장의 적외선은 회전하는 상기 가스 상관 필터(130)를 통과하며 일산화탄소 및 이산화탄소의 기준광과 측정광을 발생시킨다. 상기 기준광과 측정광은 시료 가스셀(160)을 통과한 뒤 광원 검출 센서(170)로 입사된다. 상기 광원 검출 센서(170)에서 적외선의 투과율을 측정하여 전기적 신호로 송출한다. 송출된 전기적 신호를 연산 처리부(180)에서 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙에 적용하여 일산화탄소와 이산화탄소의 농도를 계산한다. 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙은 다음과 같다.
I : 통과된 광원의 세기
I0 : 최초 광원의 세기
a : 시료 가스의 흡수율(흡광도)
l : 빛의 이동 경로의 길이
c : 시료 가스의 농도
상술한 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙에 의해 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 적외선의 통과 거리와 시료의 농도의 곱에 지수 함수적으로 비례하며 이를 이용한 분석법을 비분산적외선(NDIR) 분석법이라 한다. 상기 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치(100)는 NDIR 분석법에 의해 투과된 광원의 투과율을 이용하여 대기 또는 실내의 일산화탄소와 이산화탄소 성분을 정밀하게 측정할 수 있다.
도4는 기존의 가스 상관 필터를 도시하고 있다. 알루미늄몸체(134)의 가스상관필터몸체의 원주방향 테두리 양면에 사이파이 유리판(135, 136)을 원형으로 잘라 에폭시를 사용하여 접착하고 있다. 그러나, 접착면이 넓어 유리와 같이 취성이 강한재료의 경우 들뜨지 않고 넓은면을 접착하는 것이 쉽지 않고, 넓은 면의 접착을 유지하는 것도 사용에 있어서, 어려운 면이 있다. 특히 도3에 도시된 바와 같이 4분할 하는 경우의 제작이 쉽지않아, 2분할 하여 제1 및 제2 측정 필터부만으로 구성되거나, 제1 기준 필터부와 제1측정 필터부로만 구성하기도 한다.
도5는 이러한 문제점을 상기 알루미늄몸체의 사파이어 유리 접합부분을 돌출시켜 돌출부(134a)만 평탄하게 가공하고 접합하면, 넓은 면적을 평탄하게 가공하는 것 보다 가공이 쉬워 제작이 용이하고, 접합면이 평탄하여 내구성이 좋은 장점이 있다.
도6은 본 발명의 신호처리를 위하여 사용하는 초퍼를 도시하고 있다. 초퍼는 도6의 좌측에 도시된 슬릿이 있는 원반형태의 구조이며, 도6의 오른쪽에 도시된 가스 상관필터에 부착하여 회전하는 가스 상관필터에 있어서, 현재 사용되고 있는 가스 상관필터의 위치를 알려주고, 상기 광원에서 발생한 광을 상기 시료 가스셀로의 차단과 통과를 반복하도록 구성되어 있다.
도7은 본 출원 발명의 또 다른 기능인 상기 가스 상관 필터의 내부 부피를 원주방향으로 변화시켜 적외선 광이 통과하는 경로를 다르게 함으로써 별도의 기준 필터부 없이 원주방향으로 가스의 흡광도가 다르도록 구성된 가스 상관 필터를 통하여 각 위치별로 다르게 측정되는 측정값을 비교함으로써 일정한 양의 일산화탄소, 이산화탄소와 상기 원주방향의 위치에 따라 변화되는 신호의 크기를 계산함으로써 변화되지 않고 일정한 이산화탄소와 일산화탄소의 농도를 계산할 수 있는 수단을 제공한다.
도8은 상기 경사진 가스 상관필터의 측 단면도와 정면에서 보았을 때 위치에 따라 달라지는 흡광도를 색을 표시하고 있다. 색이 짙을수록 적외선의 통과 길이가 길기 때문에 흡광이 많음을 표시하고 있다.
즉, 기존에 측정방법은 서로 다른 4개의 구획으로 나눈 가스 상관 필터를 사용하여 위치에 따라 다른 측정광을 만들어 사용하고 있다. 즉, 일산화탄소를 전혀 통과하지 않은 측정광을 이용한 측정과 일산화탄소 가스가 채워진 가스 상광 필터를 통과한 측정광의 측정 결과를 비교하여 간섭가스에 의한 영향을 제거하고 가스의 농도를 측정하였다.
그러나, 본 출원 발명에서는 측정광을 일산화탄소를 짧게 통과한 측정광에서부터 길게 통과한 측정광을 순차적으로 측정하여 이들 측정 값으로부터 광투과 길이에 따른 측정값의 변화와 일정한 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도를 신호크기로부터 계산하여 정확한 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도를 측정할 수 있다.
한편으로는 본 출원 발명에 사용하는 광원은 온도가 100 ~ 1100 도 까지 가열되는 네른스트 엘리먼트(NERNST ELEMENT) 계열 적외선 발생장치를 사용하고 있다. 광원의 강도는 매우 중요하며, 광원의 강도가 작으면 정확한 측정을 할 수 없고 광원의 강도가 너무 높으면 측정센서가 포화되어 문제가 발생할 수 있으며, 동시에 발생하는 열로 인하여 측정장치에 문제가 발생하거나 정확한 측정이 되지 않을 수 있다. 본 발명에 사용되는 광원은 적어도 100도씨 이상의 온도를 방출하고 있어 측정기 내부가 가열되어 문제가 발생할 수 있다. 특히, 가스 상관 필터는 측정하고자 하는 가스를 이용하여 만든 필터로 온도의 영향을 많이 받는 부품이다.
너무 가열되는 경우 내부에 가스가 팽창하여 깨질 수 있어 문제가 되고 있다. 본 출원 발명에서는 이러한 문제를 다름과 같이 해결하고자 한다.
상기 가스 상광필터를 내부에 구비하는 원통형의 하우징에 상기 가스 상관필터가 회전할 수 있도록 상기 원통형의 하우징 내부에 3점 이상에 볼베어링을 구비하여 상기 가스 상관 필터가 회전가능하도록 하며, 상기 가스 상관필터의 원주에 접촉하여 회전하는 모터로 회전시킬 수 있다. 한편 상기 원통형의 하우징은 수냉식 또는 펠티어소자로 냉각시킴으로써 상기 가스 상관 필터를 지지하는 3점 이상의 지점에서 서로 열 교환을 통하여 상기 가스 상관 필터를 냉각시킬 수 있다. 한편 상기 광원 발생부를 별도로 구획을 나누어 제작하고 광만 유리등을 통하여 투과시켜 사용함으로써 측정부에는 고열이 전달되지 않도록 할 수 있음은 물론이다.
본 출원 발명의 상기와 같은 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 양분되며, 일산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 2 파장 필터(122)가 구비된 광학 필터(120); 및
중심축(140)을 기준으로 2등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 제 1 파장 필터(121)는 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키고, 상기 제 2 파장 필터(122)는 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치.
또 다른 실시예로,
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 양분되며, 일산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 2 파장 필터(122)가 구비된 광학 필터(120); 및
중심축(140)을 기준으로 2등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 일측 또는 양측의 원주면이 경사지계 형성되어 원주면을 따라 다른 높이로 구성되어 측정을 위한 적외선광이 투과하는 길이가 원주를 따라 다르며,
상기 가스 상관 필터의 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 제 1 파장 필터(121)는 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키고, 상기 제 2 파장 필터(122)는 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치를 제공한다.
100 : 일산화탄소-이산화탄소 동시측정장치
110 : 광원 발생 장치
120 : 광학 필터
121 : 제1파장필터부
122 : 제2파장필터부
130 : 가스 상광 필터
130a : 경사구조 가스 상관 필터
131 : 제1기준필터부
132 : 제1측정 필터부
133 : 제2기준필터부
134 : 제2측정 필터부
135 : 알루미늄몸체
135a: 돌출부
136 : 사파이어유리
140 : 초퍼
150 : 모터
160 : 시료 가스셀
170 : 광원 검출 센서
180 : 연산 처리부
110 : 광원 발생 장치
120 : 광학 필터
121 : 제1파장필터부
122 : 제2파장필터부
130 : 가스 상광 필터
130a : 경사구조 가스 상관 필터
131 : 제1기준필터부
132 : 제1측정 필터부
133 : 제2기준필터부
134 : 제2측정 필터부
135 : 알루미늄몸체
135a: 돌출부
136 : 사파이어유리
140 : 초퍼
150 : 모터
160 : 시료 가스셀
170 : 광원 검출 센서
180 : 연산 처리부
Claims (4)
- 광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 양분되며, 일산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 이상의 적외선을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 이산화탄소 분자가 흡수하는 적외선 파장인 4.5 ㎛ 미만의 적외선을 통과시키는 제 2 파장 필터(122)가 구비된 광학 필터(120); 및
중심축(140)을 기준으로 2등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가 구비되며,
상기 제 1 측정 필터부(132)에는 일산화탄소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 일측 또는 양측의 원주면이 경사지계 형성되어 원주면을 따라 다른 높이로 구성되어 측정을 위한 적외선광이 투과하는 길이가 원주를 따라 다르게 구성하여 농도별 교정이 가능하도록 구성되고,
모터의 회전축에 절대 엔코더를 더 구비하여 측정에 필요한 필터를 구분하며,
상기 가스 상관 필터의 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치.
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| KR1020210112773A KR102545561B1 (ko) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치 |
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| KR1020210112773A KR102545561B1 (ko) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 개선된 상관 필터를 구비한 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치 |
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- 2021-08-26 KR KR1020210112773A patent/KR102545561B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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