KR20060088375A - Optical gas detect0r - Google Patents

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KR20060088375A KR1020050009249A KR20050009249A KR20060088375A KR 20060088375 A KR20060088375 A KR 20060088375A KR 1020050009249 A KR1020050009249 A KR 1020050009249A KR 20050009249 A KR20050009249 A KR 20050009249A KR 20060088375 A KR20060088375 A KR 20060088375A
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조성문
오현호
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Abstract

본 발명은 광학형 가스 검출기에 관한 것으로, 적외선 소스와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기, 그리고 특정한 파장의 적외선 에너지 만을 통과 시키는 대역 통과 필터와, 반타원부과 수평부로 이루어지는 주벽에 기체의 출입이 자유로운 유통구가 형성됨과 아울러 내부에 기체가 존재 할 수 있는 공간부가 구비되며 상기 적외선 소스, 적외선 검출기 및 대역 통과 필터들이 설치되는 반타원체형 광학셀 본체와, 상기 적외선 검출기에서 나오는 신호를 증폭하여 농도값으로 변환하여 표시해주는 신호 처리부를 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명은 종래 광학형 가스 검출기의 고가, 복잡성, 대형에 비해 구성이 간단하고, 저가격, 소형 경량화를 이룰 수 있고, 가스 검출 감도 등의 성능이 우수한 검출기를 구현 할 수 있는 이점이 있으며, 이에 따라 가정용, 산업용으로 가정용 및 산업용으로 유리하게 사용할 수 있을 뿐 아니라, 식물 재배, 실내 환기시스템, 배기가스 분석 등의 용도로 광범위하게 적용 할 수 있는 장점과 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical gas detector, comprising an infrared source, an infrared detector for detecting infrared energy, a bandpass filter for passing only infrared energy of a specific wavelength, and a gas entering and exiting a circumferential wall composed of a semi-elliptic portion and a horizontal portion. A free flow port is formed and a space part where gas can exist is provided, and a semi-elliptic optical cell body in which the infrared source, the infrared detector and the band pass filters are installed, and the signal from the infrared detector are amplified and concentrated. It is configured to include a signal processor for converting the value to display. The present invention has the advantages of simple configuration, low cost, small size and light weight, and excellent performance of gas detection sensitivity, etc., compared to the high cost, complexity, and size of the conventional optical gas detector. Therefore, not only can be advantageously used for home and industrial purposes, but also for home and industrial use, and there are advantages and effects that can be widely applied for plant cultivation, indoor ventilation system, and exhaust gas analysis.

Description

광학형 가스 검출기{OPTICAL GAS DETECT0R}Optical gas detector {OPTICAL GAS DETECT0R}

도 1은 종래 고가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 단면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional expensive carbon dioxide gas detector.

도 2는 종래 저가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 사시도.Figure 2 is a perspective view showing the structure of a conventional low-cost carbon dioxide gas detector.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 광학형 가스 검출기에 관한 도면으로서,3 to 5 are views of the optical gas detector according to the present invention,

도 3은 광학형 가스 검출기의 종단면도.3 is a longitudinal sectional view of an optical gas detector.

도 4는 광학셀 본체의 서로 다른 형태를 비교하여 보인 비교도.Figure 4 is a comparison diagram showing a comparison between different forms of the optical cell body.

도 5는 광학형 가스 검출기의 농도 측정 특성 그래프.5 is a graph of concentration measurement characteristics of an optical gas detector.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 적외선 램프 200 : 적외선 검출기100: infrared lamp 200: infrared detector

210 : 대역 통과 필터 300 : 광학셀 본체210: band pass filter 300: optical cell body

310 : 주벽 311 : 유통구310: main wall 311: distribution port

320 : 공간부320: space part

본 발명은 특정 가스의 농도를 검출하는 광학 방식의 가스 검출기에 관한 것으로 특히 적외선 발광부와 적외선 수광부, 검출 하고자 하는 가스가 흡수하는 파 장의 적외선을 통과시키는 대역 통과 필터, 그리고 상기 구성 요소들이 배치되고 기체가 출입이 가능한 반타원체형 광학셀 본체, 적외선 검출기로부터 출력되는 신호를 처리하여 농도 값 또는 전압으로 나타낼 수 있도록 하는 신호 처리부로 이루어지며, 저가화, 고성능 및 간소화가 가능한 광학형 가스 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to an optical gas detector for detecting a concentration of a specific gas, and in particular, an infrared light emitting unit and an infrared light receiving unit, a band pass filter for passing infrared rays absorbed by a gas to be detected, and the components are disposed. It is composed of a semi-elliptic optical cell main body that allows gas to enter and exit, and a signal processing unit for processing a signal output from an infrared detector and indicating it as a concentration value or voltage, and relates to an optical gas detector capable of low cost, high performance, and simplicity. .

일반적으로 이산화탄소는 대기중에 0.5% 이하로 존재하고 있으며 이산화탄소의 농도가 높아질 경우에는 공기 오염의 신호로 볼 수 있다. 즉, 대기 오염의 지표로 사용 될 수 있다. 반면 이이산화탄소는물의 생장이나 보관 등에는 유효하게 사용되기도 하는 기체이다. 따라서 일정 공간에서의 이산화탄소의 농도를 측정하는 것은 매우 다양한 응용 분야를 제공 할 수 있다.In general, carbon dioxide is present in the atmosphere at less than 0.5%, and when the concentration of carbon dioxide is increased, it can be regarded as a signal of air pollution. That can be used as an indicator of air pollution. Carbon dioxide, on the other hand, is a gas that is effectively used for the growth and storage of water. Therefore, measuring the concentration of carbon dioxide in a given space can provide a wide variety of applications.

통상의 가스 농도를 검출하는 가스 센싱 방법은 반도체식 또는 접촉 연소식, 전해질 방식 등이 사용되어져 왔으나 이산화탄소나 일산화 탄소 등은 대기중에서 매우 안정된 화학적 상태를 가지고 있으므로 앞서 말 한 검출 방식으로는 측정에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 방법이 광학식 가스 검출 방법이다.Conventional gas sensing methods for detecting gas concentrations have been used in semiconductor, catalytic combustion, and electrolyte methods, but carbon dioxide and carbon monoxide have a very stable chemical state in the atmosphere, and thus, the detection method described above is limited to measurement. There is. The method introduced to solve this problem is an optical gas detection method.

광학식 가스 검지의 원리는 기체 분자의 흡수 스펙트럼을 이용하여 각 기체의 성분을 알아내는 것이다. 광학식 가스 검출 방법 중에 하나의 적외선 광원을 이용하는 것을 특히 비분산형 적외선(Non-dipersive IR) 방식이라고 한다. 이는 특정 파장에 대해 흡수 특성을 갖는 가스를 검출 할 때 그 파장에 해당하는 단일파장 광원을 사용하거나 또는 특정 파장의 광원만 통과시키는 대역 통과 필터를 사용하여 가스를 검출하는 방식이다. 비대칭 구조를 갖거나 서로 다른 원자들로 이루어진 분자들의 격자 진동 상태는 원자 간의 결합 에너지나 질량에 따라 고유하게 나타난다. The principle of optical gas detection is to determine the composition of each gas using the absorption spectrum of the gas molecules. The use of one infrared light source among optical gas detection methods is particularly referred to as a non-dipersive IR method. This is a method of detecting gas using a single wavelength light source corresponding to the wavelength when detecting a gas having absorption characteristics for a specific wavelength, or using a band pass filter that passes only a light source having a specific wavelength. The lattice vibration state of molecules with asymmetric structures or composed of different atoms is inherently dependent on the binding energy or mass between atoms.

그러므로 이러한 기체 분자들은 자기의 격자 진동 에너지에 해당하는 에너지를 흡수하게 된다. 특정 파장의 에너지가 기체에 의해 흡수되는 정도는 기체의 농도에 따라서 달라지며, 기체를 통과한 에너지의 세기는 다음과 같은 Beer의 법칙을 따른다.Therefore, these gas molecules absorb energy corresponding to their lattice vibration energy. The extent to which energy of a particular wavelength is absorbed by the gas depends on the concentration of the gas, and the intensity of energy passing through the gas follows Beer's law:

I = I0 exp(-kcl)I = I 0 exp (-kcl)

여기서 I는 기체를 통과한 에너지의 세기이며, I0는 기체가 없을 때의 에너지의 세기, 그리고 k는 기체 분자의 흡수계수이며, c는 기체의 농도, 그리고 l은 광이 지나간 거리이다. Where I is the intensity of energy passing through the gas, I 0 is the intensity of energy in the absence of gas, and k is the absorption coefficient of the gas molecules, c is the concentration of the gas, and l is the distance the light has passed.

상기 식에서 사용하는 적외선의 파장은 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라서 달라진다. 예를 들어 이산화탄소 검출 시에는 4.26 mm의 파장을 이용하고 일산화탄소는 4.64mm의 파장을 이용하는데, 통상 각 특정 파장을 선택하여 검출하는 방법은 검출기 전면에 광학적 대역 통과 필터를 구비하여 사용한다. 일정한 광 경로를 갖는 기구 내에 온도와 압력이 일정할 때 가스의 특정파장에 대한 흡수에 의해 감소하는 적외선의 세기는 위의 식에 의해 가스의 농도에 따라 지수함수관계를 가지며 감소한다. 이와 같은 관계를 이용하여 검출기에서 검출되는 특정 파장의 적외선의 세기를 측정하여 가스의 농도를 알아내는 것이다. 광학식 가스 검출 방식은 일반적으로 사용되는 반도체식 가스센서나 전해질형 가스센서에 비해서 원리적으로 정확도가 뛰어나고, 다른 가스에 의한 간섭의 영향이 적은 장점이 있다.The wavelength of the infrared rays used in the above formula depends on the type of gas to be detected. For example, when detecting carbon dioxide, a wavelength of 4.26 mm is used and carbon monoxide is used at a wavelength of 4.64 mm. Usually, a method of selecting and detecting each specific wavelength is provided with an optical band pass filter in front of the detector. When the temperature and pressure in a device having a constant optical path are constant, the intensity of the infrared rays reduced by the absorption of a particular wavelength of gas decreases with an exponential function depending on the concentration of the gas by the above equation. This relationship is used to determine the concentration of gas by measuring the intensity of infrared light at a specific wavelength detected by the detector. The optical gas detection method has the advantages of superior accuracy in principle and less influence of interference by other gases than the semiconductor gas sensor or the electrolyte type gas sensor.

그러나 가격이 고가이고 구성 부품에 따라서는 구조가 복잡하고 신호처리가 복잡해지는 단점이 있다. However, there are disadvantages in that the price is high and the components are complicated in structure and complicated in signal processing.

한편, 적외선 발광원과 검출기 및 필터가 놓이며 가스에 의해 상기 식에 따라 에너지의 흡수 현상이 일어나는 일정 공간을 제공하는 광학셀의 구조나 형태는 광학식 가스센서의 성능을 결정하는데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 상기 식에서 알 수 있듯이 가스에 의한 흡수 전후의 에너지 세기는 광이 지나간 거리가 길수록 그 차가 커진다. 일정한 가스 농도에 대하여 에너지의 차가 클수록 감도가 좋아지므로 광학셀의 광 경로를 크게 설계하는 것이 매우 중요하다. 또한 초기 가스 흡수가 일어나기 전의 에너지의 세기가 클수록 신호 처리에 유리하므로 광학셀 내면을 빛을 잘 반사하도록 반사막 처리를 해주는 것이 좋다. On the other hand, the structure or shape of the optical cell, which has an infrared light emitting source, a detector, and a filter, and provides a certain space in which energy absorption occurs due to gas, plays a very important role in determining the performance of the optical gas sensor. do. As can be seen from the above equation, the energy intensity before and after absorption by gas increases as the distance the light passes is longer. It is very important to design a large optical path of the optical cell because the greater the difference in energy for a constant gas concentration, the better the sensitivity. In addition, since the greater the intensity of energy before the initial gas absorption occurs, it is advantageous for signal processing. Therefore, it is better to perform the reflective film treatment to reflect the light well on the inner surface of the optical cell.

종래의 광학형 가스 검출기용 광학셀은 광경로를 길게 하기 위해 크기가 매우 크며 광학 벤치를 사용함으로써서 복잡하게 이루어져 있다. Conventional optical gas detector optical cells are very large in size to lengthen the optical path and are complicated by using an optical bench.

이하, 도면을 참조하여 설명하면 도 1은 종래 고가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2는 종래 저가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 사시도로서, 도 1에 도시된 종래 고가형 이산화탄소 가스 검출기는 적외선(IR) 소스(1)로서 히터가 이용되며, 히터에 전류를 가하면 열이 발생되고 그에 상응하는 비교적 넓은 파장 대역의 적외선이 방사된다. 이러한 적외선 소스(1)는 전력 소모가 많고 시간에 따른 경시 변화가 생긴다. 그리고 적외선 방사량의 일정한 조절을 위해 포토다이오드(2)가 별도로 부착되어 있다. 초핑 셔터(Chopping shutter)(3)는 양자형 IR 검출기나 초전형 IR 검출기를 IR 검출기로 사용할 경우, 특정 주파수로 빛을 단속해 주기 위한 장치로서 주로 기계적인 방법이 이용된다. 즉, 초핑 셔터(3)의 구동을 위한 모터(4)와 구동회로가 추가됨으로써 가격 상승과 유지, 보수의 어려움이 있으며 소형화하기 힘들고 전체 시스템이 복잡해진다. 광원에서 나온 적외선은 렌즈(5)를 통해 광학 벤치 내로 통과하면서 이산화탄소에 의해 흡수가 일어난다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional high-priced carbon dioxide gas detector, Figure 2 is a perspective view showing the structure of a conventional low-cost carbon dioxide gas detector, the conventional high-priced carbon dioxide gas detector shown in Figure 1 is infrared A heater is used as the (IR) source 1, and when a current is applied to the heater, heat is generated and infrared rays corresponding to a relatively wide wavelength band are emitted. The infrared source 1 consumes a lot of power and changes with time. And a photodiode 2 is attached separately for constant adjustment of the infrared radiation amount. Chopping shutter 3 is a device for intermittent light at a specific frequency when a quantum IR detector or a pyroelectric IR detector is used as an IR detector, and a mechanical method is mainly used. That is, since the motor 4 and the driving circuit for driving the chopping shutter 3 are added, it is difficult to increase the price, maintain and repair, and it is difficult to miniaturize and the entire system is complicated. Infrared light from the light source passes through the lens 5 into the optical bench and is absorbed by carbon dioxide.

일반적으로 광학 벤치는 길이가 수십㎝로 대형이며 복잡한 편이다. 가스에 의해 흡수되고 나머지 투과된 적외선은 도 1의 우측에 나타낸 바와 같이 렌즈(5)를 이용하여 적외선 검지기(6)로 투입되도록 하며, 이 때 렌즈(5)를 통한 적외선은 협대역 적외선 필터(7)를 통과하면서 특정 대역의 파장만 적외선 검지기(6)에 보내준다.In general, optical benches are large and complex, several tens of centimeters in length. The infrared rays absorbed by the gas and the remaining transmitted infrared rays are introduced into the infrared detector 6 using the lens 5 as shown on the right side of FIG. 1, wherein the infrared rays through the lens 5 are narrowband infrared filters ( While passing through 7), only the wavelength of a specific band is sent to the infrared detector (6).

산화탄소 가스의 경우, 4.24㎛ 파장만 흡수하기 때문에 이산화탄소 검출용은 4.24㎛의 IR만 통과시키는 필터가 사용되며, 주로 검출기의 패키지에 같이 부착되어 있다.In the case of carbon oxide gas, since only 4.24 mu m wavelength is absorbed, a filter for passing carbon dioxide only IR of 4.24 mu m is used, and is mainly attached to the package of the detector.

적외선 검지기(6)는 현재 적외선에 감도가 우수한 양자형(quantum detector, PbSe, InSe)이나 초전형의 적외선 검출기가 주로 이용되나 양자형의 경우 초퍼와 저온 냉각용 쿨러(cooler)가 필요하며, 초전형의 적외선 검출기를 이용할 경우 초퍼가 필요하여 복잡성, 대형화, 고가격의 단점이 있다. Infrared detector (6) is currently mainly used quantum detector (PbSe, InSe) or pyroelectric infrared detector which has excellent sensitivity to infrared rays, but in the case of quantum type, a chopper and a cooler for low temperature cooling are required. In case of using a typical infrared detector, a chopper is required, which has disadvantages of complexity, large size, and high price.

도 1의 경우 양자형 적외선 검출기의 냉각을 위해 열전(thermoelectric) 소 자로 구성된 냉각기(8)가 장착되어 있으며, 이의 구동을 위한 별도의 회로의 추가가 필수적이다.In the case of Figure 1 is equipped with a cooler (8) consisting of a thermoelectric element for cooling the quantum infrared detector, it is necessary to add a separate circuit for its drive.

한편 도 2에 도시된 종래 저가형 이산화탄소 가스 검출기는 적외선 소스(11)와 적외선 검지기(12)가 일측에 배치되고, 적외선이 통과하는 패스(13)에 복수개의 반사경(14)이 배치된 구성으로 되어 있으며, 적외선 소스(11)로서 히터나 LED(Light Emitting Diode)가 주로 사용되며, 적외선 검지기(12)로서 PD(Photo Detector)나 초전센서가 이용된 광학 시스템을 나타낸다. 적외선 소스(11)로 히터를 사용하면, 전력 소모가 많고 시간에 따른 경시 변화가 생기는 문제점이 있다. 또한 LED는 출력 파워(Power)가 작고, 가격이 비싸고, 파워를 올리기 위해서는 방열기구를 만들어야 한다. 그리고 초전센서를 사용하면 특정 주파수로 빛을 단속해 주기 위한 장치로서 주로 기계적인 방법을 이용해야 하므로, 초핑 셔터의 구동을 위한 모터와 구동회로가 추가됨으로써 가격상승과 아울러 소형화가 어렵고, 시스템 구성이 복잡해진다. Meanwhile, in the conventional low-cost carbon dioxide gas detector illustrated in FIG. 2, an infrared source 11 and an infrared detector 12 are disposed on one side, and a plurality of reflectors 14 are disposed on a path 13 through which infrared light passes. In addition, a heater or a light emitting diode (LED) is mainly used as the infrared source 11, and an optical system using a PD (photo detector) or a pyroelectric sensor is used as the infrared detector 12. When the heater is used as the infrared source 11, there is a problem in that power consumption is high and time-dependent change occurs over time. In addition, the LED has a small output power, a high price, and a heat dissipation device must be made to increase power. And if the pyroelectric sensor is used to control the light at a specific frequency, the mechanical method should be mainly used. Therefore, the motor and driving circuit for driving the chopping shutter are added, making it difficult to increase the price and miniaturize the system. It gets complicated.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 적외선 발광부와 적외선 수광부, 검출 하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 적외선을 통과시키는 대역 통과 필터, 그리고 상기 구성 요소들이 배치되고 기체가 출입이 가능한 반타원체형 광학셀 본체, 적외선 검출기로부터 출력 되는 신호를 처리하여 농도 값 또는 전압으로 나타낼 수 있도록 하는 신호 처리부로 이루어지며, 저가화, 고성능 및 간소화가 가능한 광학형 가스 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems and defects, and includes an infrared light emitting unit and an infrared light receiving unit, a band pass filter for passing infrared rays of a wavelength absorbed by a gas to be detected, and the components of the present invention. It consists of a semi-elliptic optical cell body that allows gas to enter and exit, and a signal processing unit that processes signals output from infrared detectors and displays them as concentration values or voltages, and provides an optical gas detector with low cost, high performance, and simplicity. Its purpose is to.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 광학형 가스 검출기는 적외선 소스와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기가 구비되는 광학형 가스 검출기에 있어서, 기체가 출입되는 유통구가 주벽에 구비된 반타원체형 광학셀 본체의 양단부에 상기 적외선 소스와 적외선 검출기가 설치되어 구성된다.In order to achieve the above object, the optical gas detector according to the present invention is an optical gas detector provided with an infrared ray source and an infrared ray detector for detecting infrared energy. The infrared source and the infrared detector are provided at both ends of the ellipsoidal optical cell body.

본 발명의 보다 구체적인 한 형태는 적외선 소스와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기, 그리고 특정한 파장의 적외선 에너지만을 통과 시키는 대역 통과 필터와, 반타원부과 수평부로 이루어지는 주벽에 기체의 출입이 자유로운 유통구가 형성됨과 아울러 내부에 기체가 존재 할 수 있는 공간부가 구비되며 상기 적외선 소스, 적외선 검출기 및 대역 통과 필터들이 설치되는 반타원체형 광학셀 본체와, 상기 적외선 검출기에서 나오는 신호를 증폭하여 농도값으로 변환하여 표시해주는 신호 처리부를 포함하여 구성된다.A more specific aspect of the present invention is an infrared source, an infrared detector for detecting infrared energy, a band pass filter for passing only infrared energy of a specific wavelength, and a distribution port free of gas to the peripheral wall formed of a semi-ellipse portion and a horizontal portion. And a space portion in which a gas can be formed therein, the semi-elliptic optical cell body in which the infrared source, the infrared detector, and the band pass filters are installed, and the signal from the infrared detector are amplified and converted into a concentration value. It is configured to include a signal processing unit for displaying.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail as follows.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 광학형 가스 검출기에 관한 도면으로서, 도 3에는 광학형 가스 검출기의 종단면도가 도시되고, 도 4에는 광학셀 본체의 서로 다른 형태를 비교하여 보인 비교도가 도시되어 있으며, 도 5에는는 광학형 가스 검출기의 농도 측정 특성 그래프가 도시되어 있다.3 to 5 are diagrams of an optical gas detector according to the present invention. FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view of an optical gas detector, and FIG. 4 is a comparison diagram showing different shapes of optical cell bodies. 5 is a graph illustrating concentration measurement characteristics of the optical gas detector.

먼저 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 광학형 가스 검출기는 적외선 을 방사하는 적외선 소스(100)와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기(200), 그리고 특정한 파장의 적외선 에너지 만을 통과 시키는 대역 통과 필터(210)와, 이들 구성 요소들이 배치 되고 주벽(310)에 기체의 출입이 자유로운 유통구(311)가 형성되며 내부에 기체가 존재 할 수 있는 공간부(320)가 구비되는 반타원체형 광학셀 본체(300)와, 상기 적외선 검출기(200)에서 나오는 신호를 증폭하여 농도값으로 변환하여 표시해주는 신호 처리부(미도시)를 포함하여 구성된다.First, as shown in FIG. 3, the optical gas detector according to the present invention has an infrared source 100 emitting infrared rays, an infrared detector 200 for detecting infrared energy, and a band for passing only infrared energy of a specific wavelength. A semi-elliptic type having a pass filter 210 and a distribution part 311 in which these components are disposed and freely enters and exits a gas on the circumferential wall 310, and has a space part 320 in which gas can exist. It comprises an optical cell body 300 and a signal processor (not shown) for amplifying a signal from the infrared detector 200 to convert it into a concentration value.

상기 적외선 소스(100)는 단일 파장의 적외선이 아닌 적외선 영역 전체의 파장이 모두 방사되는 일반적인 적외선 램프를 사용한다.The infrared ray source 100 uses a general infrared ray lamp in which all wavelengths of the entire infrared region are radiated instead of a single wavelength infrared ray.

또한 적외선 검출기(200)는 통상적으로, 써모파일 센서나 초전형 적외선 센서를 사용하나, 초전형 적외선 센서를 사용할 경우에는 초퍼(chopper)를 사용하여야 하여 구조가 복잡해 지므로 써모파일 센서 패키지(200')를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the infrared detector 200 typically uses a thermopile sensor or a pyroelectric infrared sensor, but when using a pyroelectric infrared sensor, a chopper must be used to complicate the structure so that the thermopile sensor package 200 ' Preference is given to using.

그리고 써모파일 센서 패키지(200') 전면에 대역 통과 필터(210)를 사용함으로써, 특정 파장의 적외선만 통과시키도록 한다. 이와 같이 하여 적외선 검출기(200)에서 검출하는 적외선 에너지는 대역 통과 필터(210)에 의해 정해지는 특정 파장의 적외선 에너지만을 검출하게 된다.In addition, by using the band pass filter 210 in front of the thermopile sensor package 200 ', only infrared light having a specific wavelength is allowed to pass. In this way, the infrared energy detected by the infrared detector 200 detects only infrared energy having a specific wavelength determined by the band pass filter 210.

이때 대역 통과 필터(210)에서 통과되는 파장은 검출하고자 하는 가스가 흡수하는 적외선 파장과 같은 파장으로 정한다.In this case, the wavelength passed by the band pass filter 210 is determined to be the same wavelength as the infrared wavelength absorbed by the gas to be detected.

상기 광학셀 본체(300) 내에는 상기 적외선 소스(적외선 발광부)(100)와 적외선 검출기(적외선 수광부)(200)가 일정 간격을 두고 고정 배치되며 일정 공간부 가 구비되어 확산에 의한 가스의 출입이 자유롭게 이루어질 수 있도록 되어 있다.In the optical cell main body 300, the infrared ray source (infrared light emitting unit) 100 and the infrared detector (infrared light receiving unit) 200 are fixedly arranged at a predetermined interval, and a predetermined space is provided to allow gas to enter and exit by diffusion. This can be done freely.

상기 광학셀 본체(300)는 반타원부(301)와 수평부(302)가 구비된 반타원체로 형성되고, 주벽(310)의 내부에는 적외선이 반사되도록 반사막이 코팅되어 있으며, 이 반사막은 예를 들어 금속으로 코팅되어 형성된다. The optical cell body 300 is formed of a semi-ellipse having a semi-elliptic portion 301 and a horizontal portion 302, the inside of the main wall 310 is coated with a reflecting film to reflect infrared rays, this reflecting film is an example For example, it is formed by coating with a metal.

상기 적외선 소스(100)와 적외선 검출기(200)는 광학셀 본체(300)의 두 개의 초점 위치에 각각 배치된다.The infrared ray source 100 and the infrared ray detector 200 are disposed at two focal positions of the optical cell body 300, respectively.

상기 신호 처리부는 적외선 소스(100)와 적외선 검출기(200)에 전원을 인가하기 위한 전원 제어부와 적외선 검출기(200)로부터 나온 적외선 신호를 증폭하고 변환하는 변환부로 이루어지며, 전원부는 적외선 소스(100)에 전원을 인가하여 적외선이 발산 되도록 하고, 이때 전원은 일정한 주기를 갖는 펄스 신호를 사용한다.The signal processing unit includes a power control unit for applying power to the infrared source 100 and the infrared detector 200 and a conversion unit for amplifying and converting an infrared signal from the infrared detector 200, and the power supply unit includes the infrared source 100. Infrared rays are emitted by applying power to the power source, and the power source uses a pulse signal having a certain period.

검출 하고자 하는 가스가 광학셀 본체(300)의 유통구(311)를 통해 광학셀 본체(300)의 내부로 확산해 들어오면 적외선 램프와 같은 적외선 소스(100)에서는 특정 파장을 갖는 일정한 양의 적외선이 가스에 의해서 흡수된 후 나머지의 적외선을 검출하여 전기 신호로 변환해주며 이 신호를 증폭단에서 증폭하여 농도값으로 나타낸다. When the gas to be detected diffuses into the optical cell main body 300 through the distribution port 311 of the optical cell main body 300, the infrared source 100 such as an infrared lamp has a certain amount of infrared rays having a specific wavelength. After absorbed by this gas, the remaining infrared rays are detected and converted into electrical signals, which are amplified by the amplifier stage and expressed as concentration values.

상기 광학셀 본체(300)의 최적 구조는 광선 광학 이론(ray optics theory)에 기초한 시뮬레이션으로 셀의 모양에 따른 광 경로와 수광부에 도달하는 적외선의 세기를 고려하여 설계하였다. 이 시뮬레이션에는 조립 공차에 의해 발생할 수 있는 적외선 발광부 및 수광부의 위치 변동을 감안하여 가스 검출 특성의 변화 계산이 포함되었다.The optimal structure of the optical cell main body 300 is a simulation based on ray optics theory, and is designed in consideration of the optical path according to the shape of the cell and the intensity of infrared rays reaching the light receiving unit. The simulation included a calculation of the change in gas detection characteristics in consideration of the positional variation of the infrared light emitting part and the light receiving part which may be caused by the assembly tolerance.

이하, 광학셀 설계를 위해 사용된 서로 다른 구조들을 비교하여 보인 도 4의 비교도를 참조하면, 도 4의 E형은 타원체형이고, E_B형은 반타원체형이며, E_C는 타원체와 원추체가 조합된 형태이고, E_C_B는 E_C형을 반으로 자른 형태이다.Hereinafter, referring to the comparison diagram of FIG. 4 comparing different structures used for the optical cell design, the E-type of FIG. 4 is an ellipsoid, the E_B is a semi-elliptic, and the E_C is a combination of an ellipsoid and a cone. E_C_B is cut in half in type E_C.

다음 표 1은 광학셀 본체(300)의 각 형태에 따른 검출도를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 적외선 소스(100)와 적외선 검출기(200)가 초점의 정위치에 설치된 상태에서의 검출도와, 근접위치(r=0.3mm, 0.6mm)에 설치된 상태에서의 검출도를 각각 보인 것이다.Table 1 shows a simulation result for comparing the detection degree according to each type of the optical cell body 300, the detection diagram in the state where the infrared source 100 and the infrared detector 200 is installed in the correct position of the focus , The detection degree in the state installed in the proximity position (r = 0.3mm, 0.6mm) is shown, respectively.

광학셀 본체의 형태Optical Cell Body 정위치 설치시 검출도Detection position when installing 근접위치(r=0.3mm) 설치시 검출도Detection degree when installing proximity position (r = 0.3mm) 근접위치(r=0.6mm) 설치시 검출도Detection degree when installing proximity position (r = 0.6mm) 평균Average 표준 편차Standard Deviation 평균Average 표준편차Standard Deviation E형E type 0.980.98 0.930.93 0.010.01 0.830.83 0.100.10 E_C형E_C type 0.980.98 0.680.68 0.040.04 0.700.70 0.030.03 E_B형E_B type 0.850.85 0.750.75 0.030.03 0.690.69 0.060.06 E_C_B형E_C_B type 0.830.83 0.610.61 0.040.04 0.620.62 0.040.04

이와 같은 시뮬레이션과 광학셀 제작의 용이성, 조립 공정의 용이성까지 고려한 결과 상기 광학셀 본체(300)는 반타원체형이 최적 구조라 판단된다. Considering the simplicity of the simulation, the fabrication of the optical cell, and the ease of the assembling process, the optical cell body 300 is determined to have an optimal semi-elliptic shape.

도 5는 본 발명의 광학형 가스 검출기로 이산화탄소의 농도를 측정하였을 때의 농도 특성 그래프를 보인 것이다.5 is a graph illustrating concentration characteristics when the concentration of carbon dioxide is measured by the optical gas detector of the present invention.

이와 같이 구성한 광학형 가스 검출기는 초퍼를 사용하지 않으므로 구조가 간단하고 최적의 광학셀을 설계함으로써 정확도와 정밀도가 큰 가스 검출기를 구현 할 수 있다.Since the optical gas detector constructed as above does not use a chopper, it is simple in structure and can design a gas detector having high accuracy and precision by designing an optimal optical cell.

종래 광학형 가스 검출기의 고가, 복잡성, 대형에 비해 구성이 간단하고, 저 가격, 소형 경량화를 이룰 수 있고, 가스 검출 감도 등의 성능이 우수한 검출기를 구현 할 수 있는 이점이 있으며, 이에 따라 가정용, 산업용으로 가정용 및 산업용으로 유리하게 사용할 수 있을 뿐 아니라, 식물 재배, 실내 환기시스템, 배기가스 분석 등의 용도로 광범위하게 적용 할 수 있는 장점과 효과가 있다.Compared to the high cost, complexity and large size of the conventional optical gas detector, the configuration is simple, low cost, small size and light weight can be achieved, and there is an advantage of implementing a detector having excellent performance such as gas detection sensitivity. Not only can be advantageously used for home and industrial purposes, but also has advantages and effects that can be widely applied for plant cultivation, indoor ventilation system, and exhaust gas analysis.

Claims (4)

적외선 소스(100)와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기(200)가 구비되는 광학형 가스 검출기에 있어서, 기체가 출입되는 유통구(311)가 주벽(310)에 구비된 반타원체형 광학셀 본체(300)의 양단부에 상기 적외선 소스(100)와 적외선 검출기(200)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.In an optical gas detector including an infrared source 100 and an infrared detector 200 for detecting infrared energy, a semi-elliptic optical cell provided on a circumferential wall 310 with a flow opening 311 through which gas enters and exits. Optical gas detector, characterized in that the infrared source 100 and the infrared detector 200 is installed at both ends of the main body (300). 적외선 소스(100)와, 적외선 에너지를 검출해 내는 적외선 검출기(200), 그리고 특정한 파장의 적외선 에너지만을 통과시키는 대역 통과 필터(210)와, 반타원부(301)와 수평부(302)로 이루어지는 주벽(310)에 기체의 출입이 자유로운 유통구(311)가 형성됨과 아울러 내부에 기체가 존재 할 수 있는 공간부(320)가 구비되며 상기 적외선 소스(100), 적외선 검출기(200) 및 대역 통과 필터(210)들이 설치되는 반타원체형 광학셀 본체(300)와, 상기 적외선 검출기(200)에서 나오는 신호를 증폭하여 농도값으로 변환하여 표시해주는 신호 처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.It consists of an infrared source 100, an infrared detector 200 for detecting infrared energy, a band pass filter 210 for passing only infrared energy of a specific wavelength, a semi-elliptic portion 301 and a horizontal portion 302. A flow opening 311 is formed on the circumferential wall 310 to allow gas to flow freely, and a space portion 320 in which gas is present is provided. The infrared ray source 100, the infrared detector 200, and the band pass are provided. Optical gas, characterized in that it comprises a semi-elliptic optical cell body 300, the filter 210 is installed, and a signal processor for amplifying the signal from the infrared detector 200 to convert it into a concentration value Detector. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주벽(310)의 내면에는 반사막이 코팅되어 구성된 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.The optical gas detector according to claim 1 or 2, wherein a reflection film is coated on an inner surface of the circumferential wall (310). 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 적외선 검출기(200)는 써모파일 센서 패키지(200')인 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.The infrared detector 200 is an optical type gas detector, characterized in that the thermopile sensor package (200 ').
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100959611B1 (en) * 2008-05-23 2010-05-27 지이센싱코리아(주) Non-dispersive infrared gas analyzer having a lens

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