KR19990057107A - Carbon dioxide gas detector - Google Patents
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Abstract
이산화탄소 가스 검출기에 관한 것으로, 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치와, 광학 벤치에서 적외선의 흡수율 변화를 감지하는 써모파일부와, 화합물 반도체 적외선 다이오드 및 써모파일부를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호출력을 위한 회로부 및 출력부로 구성함으로써, 기존 검출기의 대형, 고가, 시스템의 복잡성 등을 개선하여 저가, 소형화가 가능하도록 한다.A carbon dioxide gas detector, comprising: a compound semiconductor infrared light emitting diode or laser diode that emits infrared light having a wavelength of a carbon dioxide absorption band, an optical bench where infrared light is absorbed by carbon dioxide, and a change in absorption rate of infrared light in the optical bench By controlling the thermopile unit, the compound semiconductor infrared diode and the thermopile unit, and configuring the circuit unit and the output unit for signal output according to the carbon dioxide gas concentration, it is possible to reduce the size, cost, and complexity of the existing detector, thereby making it cheaper and smaller. Do it.
Description
본 발명은 가스 검출기에 관한 것으로, 특히 이산화탄소 가스 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to a gas detector, and more particularly to a carbon dioxide gas detector.
산업화에 따른 에너지 소비의 증가로 인해 대기중의 이산화탄소 가스의 배출량이 급격하게 증가하고 건물 혹은 생활공간의 실내공기의 이산화탄소 가스 함량 조절이 요구되는 현 상황에서 소형, 저가의 이산화탄소 검출기에 대한 요구가 증대되고 있다.Due to the increase in energy consumption due to industrialization, the demand for small and low-cost carbon dioxide detectors is increased in the current situation where the emission of carbon dioxide gas in the atmosphere is rapidly increased and the control of carbon dioxide gas content in the indoor air of buildings or living spaces is required. It is becoming.
그러나, 이산화탄소는 여러 다른 종류의 가스와는 달리 비교적 안정한 결합 특성을 가지고 있어 기존의 가스 센서 방식으로는 이산화탄소를 검출하는데 한계가 있었다.However, carbon dioxide has a relatively stable binding property unlike many other gas types, and thus, there is a limit in detecting carbon dioxide using a conventional gas sensor method.
따라서, 일반적으로 지금까지 이산화탄소 가스를 측정하기 위해 비분산 적외선법(NDIR법)을 이용하였다.Therefore, in general, a non-dispersive infrared method (NDIR method) has been used so far to measure carbon dioxide gas.
이산화탄소 가스 감지원리와 종래의 비분산 적외선법에 따른 이산화탄소 검출기를 간단히 설명하면 다음과 같다.Carbon dioxide gas detection principle and a conventional carbon dioxide detector according to the conventional non-dispersion infrared method is briefly described as follows.
CO 가스나 CO2가스처럼 2개 이상의 다른 원자로 구성된 가스 분자의 경우, 가스분자의 화학 결합, 원자량, 분자 진동 등에 따라서 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성이 있다.Gas molecules composed of two or more different atoms, such as CO gas or CO 2 gas, have the property of absorbing infrared rays at specific wavelengths depending on the chemical bonds, atomic weight, and molecular vibration of the gas molecules.
이러한 흡수 스펙트럼을 이용하여 흡수 파장에서는 분자의 종류를 판별하고 흡수 피크의 강약으로 농도를 측정한다.The absorption spectrum is used to determine the type of molecules at the absorption wavelength and to measure the concentration by the intensity of the absorption peak.
각 가스에 있어서 흡수 파장 대역은 여러 개가 있으나 주로 CO2는 4.24㎛, CO는 4.64㎛, HC는 3.4㎛을 이용한다.There are several absorption wavelength bands for each gas, but mainly CO 2 is 4.24 μm, CO is 4.64 μm, and HC is 3.4 μm.
일반적으로 기체 중을 적외선이 통과할 때, 투과율(100-흡수율)은 비어-람버트(Beer-Lambert) 법칙을 따른다.In general, when infrared light passes through a gas, the transmittance (100-absorption rate) follows the Beer-Lambert law.
T=exp(-acl)T = exp (-acl)
여기서, T는 투과율, a는 빛의 파장과 가스 분자에 기인한 상수, c는 가스농도, l은 빛의 패스(path) 길이이다.Where T is the transmittance, a is a constant due to the wavelength of light and gas molecules, c is the gas concentration, and l is the path length of light.
즉, 가스의 농도가 높을수록 빛의 투과율은 지수함수적으로 감소한다.In other words, the higher the concentration of gas, the exponentially decrease in light transmittance.
이러한 기본원리를 바탕으로 가스를 측정하기 위해서는 특정 파장 대역의 적외선을 방사할 수 있는 적외선 소스(source), 특정 파장의 빛만 통과시키는 필터(filter), 가스에 의해 변화된 적외선을 측정할 수 있는 적외선 감지기, 적외선 소스로부터 나온 적외선이 적당한 길이에서 가스에 의해 흡수되는 공간인 광학 벤치(optical bench)로 구성되는데, 그 구조를 도 1에 나타내었다.In order to measure gas based on this basic principle, an infrared source capable of emitting infrared rays of a specific wavelength band, a filter that passes only light of a specific wavelength, and an infrared detector capable of measuring infrared rays changed by a gas Infrared from the infrared source is composed of an optical bench (space) where the space is absorbed by the gas at a suitable length, the structure is shown in FIG.
도 1에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 검출기는 기구적으로 구성된 광학 벤치내에 여러 가지 부품들이 장착된 형태로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the carbon dioxide detector is configured in a form in which various components are mounted in a mechanically configured optical bench.
우선 적외선 소스는 열방식으로 전류를 가하면 열이 발생되고 그에 상응하는 1㎛이하에서 10㎛이상의 넓은 파장 대역의 적외선이 방사된다.First, the infrared source generates heat when a current is applied in a thermal manner, and infrared rays of a wide wavelength band of 10 μm or more are radiated from the corresponding 1 μm or less.
이러한 소스는 전력 소모가 많고, 폭발성 분위기내에서 사용할 때 불활성 가스로 씰링을 해 주어야 하며, 진동과 충격에 약하고, 시간에 따른 경사 변화가 있기 때문에 시스템 설계시 이러한 사항들을 고려하여야 한다.These sources are power hungry, must be sealed with inert gas when used in explosive atmospheres, are susceptible to vibration and shock, and change in slope over time, which must be taken into account in system design.
또한, 적외선 방사량의 일정한 조절을 위해 포토다이오드가 별도로 부착되어 있고, 방열 구조의 설계를 통해 소스로부터 발생된 열에 의해 오동작 하지 않도록 하고 있다.In addition, the photodiode is separately attached for constant adjustment of the infrared radiation amount, and the design of the heat dissipation structure prevents malfunction due to heat generated from the source.
그리고, 초핑 셔터(chopping shutter)는 양자형 적외선 감지기나 초전형 적외선 감지기를 적외선 감지기로 사용할 경우 특정 주파수로 빛을 단속해주어 감지기의 기능을 발휘하게 해 주는 보조장치로서 주로 기계적인 방법이 이용된다.In addition, when a quantum infrared detector or a pyroelectric infrared detector is used as an infrared detector, a chopping shutter is mainly used as a subsidiary device that controls the light at a specific frequency to perform a detector function.
이와 같은 초핑 셔터를 구동하기 위한 모터와 구동회로가 추가됨으로써, 가격 상승과 유지 및 보수의 어려움이 있으며 소형화하기 힘들고 전체 시스템이 복잡해진다.The addition of a motor and driving circuit for driving such a chopping shutter results in difficulty in price increase, maintenance, and repair, making it difficult to miniaturize and complicate the whole system.
광원에서 나온 적외선은 렌즈를 통해 광학 벤치내로 통과하면서 이산화탄소에 의해 흡수가 일어난다.Infrared light from the light source passes through the lens into the optical bench where it is absorbed by carbon dioxide.
일반적으로 광학 벤치는 기계적인 방법에 의해 가공되어 길이가 수십 ㎝로 대형이며 복잡한 편이다.In general, optical benches are processed by mechanical methods and are large and complex, with a length of several tens of centimeters.
도 1에서는 측정가스외의 다른 주변 환경 변수(온도, 플로우(flow), 습도 등)에 대한 보상형 구조이다.1 is a compensation structure for other environmental variables (temperature, flow, humidity, etc.) in addition to the measurement gas.
그리고, 가스에 흡수되고 나머지 투과된 적외선은 도 1의 우측단에 나타낸 바와 같이 검지기로 들어오도록 렌즈를 이용한다.The infrared rays absorbed by the gas and the remaining transmitted infrared rays are used to enter the detector as shown in the right end of FIG.
이때, 렌즈를 통한 적외선은 네로우 밴드(narrow band) 적외선 필터를 통과하면서 특정 대역의 파장만 검지기에 보내준다.In this case, the infrared light passing through the lens passes a narrow band infrared filter and sends only a wavelength of a specific band to the detector.
그 이유는 CO2가스의 경우 4.24㎛(±0.05㎛) 파장만 흡수하기 때문이다.This is because the CO 2 gas absorbs only the wavelength of 4.24 μm (± 0.05 μm).
이 적외선 필터는 주로 검지기의 패키지에 함께 부착되어 있다.This infrared filter is mainly attached to the package of the detector.
적외선 검지기는 현재 적외선에 감도가 우수한 양자형이나 초전형의 적외선 검지기가 주로 이용되나 양자형의 경우는 초핑 셔터와 저온으로 냉각시켜주는 쿨러(cooler)가 필요하며, 초전형의 경우는 초핑 셔터가 필요하여 복잡성, 대형화, 고가격의 단점이 있다.Infrared detector is mainly used quantum type or pyroelectric type infrared detector which has excellent sensitivity to infrared rays, but in case of quantum type, it needs chopping shutter and cooler to cool to low temperature. It has the disadvantages of complexity, large size and high price.
도 1에서는 양자형 적외선 검지기의 냉각을 위해 열전 소자로 구성된 냉각기가 장착되어 있으며 이를 구동하기 위한 별도의 회로와 시스템이 필요하다.In FIG. 1, a cooler composed of a thermoelectric element is mounted to cool the quantum infrared detector, and a separate circuit and a system for driving the quantum infrared detector are required.
종래 기술에 따른 이산화탄소 가스 검출기에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.The carbon dioxide gas detector according to the prior art has the following problems.
종래의 검출기는 시스템의 구조가 복잡하고 대형이며 가격이 비싸다.Conventional detectors are complex, large and expensive in structure.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 구조가 간단하고 저가이며 소형화가 가능한 이산화탄소 가스 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a carbon dioxide gas detector having a simple structure, a low cost, and a small size.
도 1은 종래 기술에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 도면1 shows a carbon dioxide gas detector according to the prior art
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 블록 구성도Figure 2 is a block diagram showing a carbon dioxide gas detector according to the present invention
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 발광다이오드의 적외선 방사 특성을 보여주는 그래프Figure 3 is a graph showing the infrared radiation characteristics of the light emitting diode of the carbon dioxide gas detector according to the present invention
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 광학 벤치를 보여주는 도면4 shows an optical bench of a carbon dioxide gas detector according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 이산화탄소 농도에 따른 출력 특성을 보여주는 그래프5 is a graph showing the output characteristics according to the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide gas detector according to the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 : 발광다이오드 또는 레이저 다이오드11: light emitting diode or laser diode
12 : 광학 벤치 13 : 써모파일부12: optical bench 13: thermopile section
14 : 회로부 15 : 출력부14: circuit part 15: output part
본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 특징은 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치와, 광학 벤치에서 적외선의 흡수율 변화를 감지하는 써모파일부와, 화합물 반도체 적외선 다이오드 및 써모파일부를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호를 출력하는 회로부로 구성되는데 있다.The characteristic of the carbon dioxide gas detector according to the present invention is that a compound semiconductor infrared light emitting diode or a laser diode emitting infrared rays having a wavelength of carbon dioxide absorption band, an optical bench where infrared rays are absorbed by carbon dioxide, and a change in absorption rate of infrared rays in the optical bench It consists of a thermopile unit for detecting the, and a circuit unit for controlling the compound semiconductor infrared diode and the thermopile unit and outputs a signal according to the carbon dioxide gas concentration.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the carbon dioxide gas detector according to the present invention having the features as described above with reference to the accompanying drawings as follows.
먼저, 본 발명의 개념은 기존의 비분산 적외선방식 검출기의 여러 가지 단점으로 알려진 대형, 고가, 시스템의 복잡성 등을 개선하여 저가, 소형화가 가능하도록 이산화탄소 가스 검출기를 제작하는데 있다.First, the concept of the present invention is to produce a carbon dioxide gas detector to enable a low cost, small size by improving the complexity of the large size, high price, and the system known to various disadvantages of the conventional non-dispersion infrared detector.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 블록 구성도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드나 또는 레이저 다이오드(11)와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치(12)와, 광학 벤치(12)에서 적외선의 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일부(13)와, 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드(11) 및 써모파일부(13)를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호출력을 얻기 위한 회로부(14) 및 출력부(15)로 구성된다.2 is a block diagram showing a carbon dioxide gas detector according to the present invention, as shown in FIG. 2, a compound semiconductor infrared light emitting diode or a laser diode 11 emitting infrared rays having a wavelength of a carbon dioxide absorption band, and An optical bench 12 in which infrared rays are absorbed by carbon dioxide, a thermopile portion 13 for detecting a change in absorption rate of infrared rays from the optical bench 12, a compound semiconductor infrared light emitting diode or a laser diode 11, and a thermostat. It consists of a circuit section 14 and an output section 15 for controlling the pile section 13 and obtaining a signal output according to the carbon dioxide gas concentration.
본 발명은 도 2에서 보는 바와 같이 기존의 검출기와 달리 초핑 셔터와 냉각기가 필요하지 않아 소형화, 저가화가 가능하다.As shown in FIG. 2, the present invention does not require a chopping shutter and a cooler, unlike a conventional detector, and thus can be miniaturized and reduced in price.
먼저, 적외선 소스는 열 방식이 아닌 화합물 반도체 적외선 발광다이오드를 이용하여 광대역이 아닌 이산화탄소 가스에 의해 흡수가 일어나는 4.25㎛ 부근의 좁은 대역의 적외선이 일정한 값으로 출력되게 하였다.First, the infrared source uses a compound semiconductor infrared light emitting diode rather than a thermal method to output a narrow band of infrared light at a constant value around 4.25 μm where absorption is caused by carbon dioxide gas rather than broadband.
여기서, 발광다이오드 대신에 레이저 다이오드를 사용할 수도 있다.Here, a laser diode may be used instead of the light emitting diode.
본 발명에서 사용되는 발광다이오드 GaSb -InAs 화합물 반도체를 이용한 것으로써 발광다이오드의 양단 전극에 전류를 흘려주어 적외선의 방사 강도를 조절한다.The light emitting diode GaSb-InAs compound semiconductor used in the present invention is used to control the emission intensity of infrared rays by flowing a current through electrodes of both ends of the light emitting diode.
도 3은 본 발명에서 사용된 발광다이오드가 이산화탄소가 소량 존재하는 공기중에서 적외선 방사 특성을 보여주는 그래프로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 이산화탄소에 의해 4.25㎛ 부근의 비교적 좁은 대역에서 적외선이 흡수됨을 알 수 있다.3 is a graph showing infrared radiation characteristics in the air in which a small amount of carbon dioxide is used in the present invention. As shown in FIG. 3, it is understood that infrared light is absorbed in a relatively narrow band around 4.25 μm by carbon dioxide. Can be.
발광다이오드나 레이저 다이오드를 사용할 경우, 소형화, 빠른 응답성, 전기적초핑, 저소비 전력, 고출력 등이 가능하다.When light emitting diodes or laser diodes are used, miniaturization, fast response, electric chopping, low power consumption, and high power are possible.
그리고, 광학 벤치의 구성을 기존의 검출기에서는 직선으로 광 패스(path)를 구성하였으나 본 발명에서는 여러 가지 반사경을 이용하여 작은 공간에서도 일정 길이 이상의 적외선 패스 길이가 나오도록 함으로써 소형화가 가능케 하였다.In addition, although the optical bench is composed of a light path in a straight line in a conventional detector, the present invention enables miniaturization by allowing an infrared path length of a predetermined length or more to come out in a small space by using various reflecting mirrors.
MEMS 기술과 반도체 가공기술, 식각기술을 이용하여 도 4에 도시된 바와 같이 광학 벤치를 구성하여 좁은 공간내에서도 광 패스 길이를 길게 해 주어 이산화 탄소 가스 검출이 용이하게 하였다.Using an MEMS technique, a semiconductor processing technique, and an etching technique, an optical bench was constructed as shown in FIG. 4 to increase the length of the optical path even in a narrow space, thereby facilitating carbon dioxide gas detection.
즉, 광원(발광다이오드 또는 레이저 다이오드)에서 나온 적외선이 마이크로 반사경에 의해 서로 반사되게 한 후, 적외선 검지기로 입사되도록 한 것이다.That is, the infrared rays emitted from the light source (light emitting diode or laser diode) are reflected by each other by the micro reflector and then incident on the infrared detector.
또한, 초핑 셔터와 냉각기가 필요한 기존의 양자형 적외선 검지기를 써모파일(thermopile) 적외선 감지기로 대체함으로써, 보조 기능 부품들이 필요 없는 간단한 이산화탄소 검출기가 가능케 하였다.In addition, the replacement of conventional quantum infrared detectors with chopping shutters and coolers with thermopile infrared detectors enables simple carbon dioxide detectors without the need for auxiliary functional components.
또한, 써모파일 적외선 검지기는 구동회로가 상대적으로 간단하다.In addition, the thermopile infrared detector has a relatively simple driving circuit.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 이산화탄소 농도에 따른 출력 특성을 보여주는 그래프로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 가스에 대한 감지 특성도 우수함을 알 수 있다.5 is a graph showing the output characteristics according to the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide gas detector according to the present invention, as shown in Figure 5, it can be seen that the detection characteristics for the carbon dioxide gas is also excellent.
이와 같이, 본 발명의 이산화탄소 가스 검출기는 구조가 간단하여 가격이 낮고 소형화가 가능하다.As described above, the carbon dioxide gas detector of the present invention is simple in structure, low in cost, and small in size.
본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.The carbon dioxide gas detector according to the present invention has the following effects.
본 발명의 적외선 소스는 기존과 같은 열 방식이 아닌 화합물 반도체 적외선 발광다이오드를 이용하여 광대역이 아닌 이산화탄소 가스에 의해 흡수가 일어나는 4.25㎛ 부근의 좁은 대역의 적외선이 일정한 값으로 출력되도록 하여 소형화, 빠른 응답성, 전기적 초핑, 저소비 전력, 고출력 등이 가능하게 하였고, 초핑 셔터와 냉각기가 필요한 기존의 양자형 적외선 감지기를 써모파일(thermopile) 적외선 감지기로 대체함으로써, 보조 기능 부품들이 필요 없는 간단한 이산화탄소 검출기가 가능케 하였다.The infrared source of the present invention uses a compound semiconductor infrared light emitting diode rather than the conventional thermal method, so that a narrow band of infrared rays around 4.25 μm, which is absorbed by carbon dioxide gas rather than broadband, is output at a constant value, thereby miniaturizing and responding quickly. It has enabled sex, electrical chopping, low power consumption, and high power, and by replacing the existing quantum infrared detector with a thermopile infrared detector that requires a chopping shutter and cooler, a simple carbon dioxide detector without the need for auxiliary function components is possible. It was.
그리고, 광학벤치의 구성을 기존의 검출기는 직선으로 광 패스(path)를 구성하였으나 본 발명에서는 여러 가지 반사경을 이용하여 작은 공간에서도 일정 길이 이상의 적외선 패스 길이가 나오도록 함으로써 소형화가 가능케 하였다.In addition, although the conventional detector is configured to form an optical path in a straight line in the optical bench (in the present invention) by using a variety of reflectors in the small space by allowing the infrared path length of a predetermined length or more to come out to be miniaturized.
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|---|---|---|---|
| KR1019970077148A KR100232166B1 (en) | 1997-12-29 | 1997-12-29 | Co2 gas detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970077148A KR100232166B1 (en) | 1997-12-29 | 1997-12-29 | Co2 gas detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR19990057107A true KR19990057107A (en) | 1999-07-15 |
| KR100232166B1 KR100232166B1 (en) | 1999-12-01 |
Family
ID=19529494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019970077148A KR100232166B1 (en) | 1997-12-29 | 1997-12-29 | Co2 gas detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100232166B1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100887208B1 (en) * | 2004-06-14 | 2009-03-06 | 댄포스 아/에스 | Ir-sensor |
| US7564054B2 (en) | 2000-03-06 | 2009-07-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Thin film forming device, method of forming a thin film, and self-light-emitting device |
| KR100929343B1 (en) * | 2009-02-23 | 2009-12-03 | (주)하나엔지니어링 | Apparatus for monitoring a room environment, and system for controlling an air harmonizing system for a building |
-
1997
- 1997-12-29 KR KR1019970077148A patent/KR100232166B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7564054B2 (en) | 2000-03-06 | 2009-07-21 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Thin film forming device, method of forming a thin film, and self-light-emitting device |
| KR100887208B1 (en) * | 2004-06-14 | 2009-03-06 | 댄포스 아/에스 | Ir-sensor |
| KR100929343B1 (en) * | 2009-02-23 | 2009-12-03 | (주)하나엔지니어링 | Apparatus for monitoring a room environment, and system for controlling an air harmonizing system for a building |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100232166B1 (en) | 1999-12-01 |
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