KR20060112510A

KR20060112510A - 비분산적외선 가스측정장치

Info

Publication number: KR20060112510A
Application number: KR1020050035043A
Authority: KR
Inventors: 김광원; 김성복
Original assignee: 헵시바주식회사
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-01
Also published as: KR100697057B1

Abstract

본 발명은 장치의 크기를 소형화하면서도 그 측정길이는 충분히 길게 구현하기 위한 비분산적외선 가스측정장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 적외선을 방사하기 위한 적외선램프와, 적외선램프에서 방사된 적외선이 가스에 흡수 반응을 일으킬 수 있는 광학벤치와, 광학벤치에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 적외선 신호로 바꾸어 주는 수광센서로 이루어진 벤치부를 포함한 비분산적외선 가스측정장치에 있어서, 광학벤치는 4각의 함체 형상으로 이루어진 본체에 격벽을 다단 절곡되게 설치하여 동일 폭을 가지고 다단 절곡된 광통로를 형성하고, 광통로의 코너부위에는 사선방향으로 반사경을 각각 설치하며, 광통로의 격벽 바깥쪽 공간부 상하에는 상하방향으로 통하는 다수의 통기공을 서로 동일위치에 각각 형성하고, 각 격벽에는 공간부와 광통로 사이를 통기시키는 통기공을 각각 형성하여서 된 것으로, 작은 부피를 가지면서도 그 반응거리를 길게 할 수 있어 이산화탄소와 같이 긴 반응거리를 요구하는 가스에 적용할 때 가스 농도 측정의 정확성을 기하면서도 그 전체 장치의 크기를 소형화할 수 있는 이점이 있는 것이다.

비분산적외선, 광학벤치, 적외선램프, 수광센서, 반사경

Description

비분산적외선 가스측정장치{NDIR type gas measuring apparatus}

도 1은 일반적인 비분산적외선 가스측정장치의 블록구성도.

도 2는 일반적인 벤치부의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 광학벤치의 분해사시도.

도 4는 본 발명에 따른 광학벤치의 요부 평면도.

도 5는 본 발명에 따른 광학벤치의 작용설명도로서,

도 5a는 적외선램프에서의 적외선 상태도.

도 5b는 광통로에서의 적외선 상태도.

도 5c는 수광센서에서의 적외선 상태도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100 : 광학벤치 101 : 본체

102 : 격벽 103 : 광통로

105,111,112 : 반사경 106 : 적외선램프

107 : 수광센서 108 : 공간부

109, 110 : 통기공

본 발명은 비분산적외선 가스측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장치의 크기를 소형화하면서도 그 측정길이는 충분히 길게 구현하기 위한 것이다.

주지하다시피, 적외선이라 함은 가시광선보다 파장이 길며, 흔히 열선이라 불리운다,

이러한 적외선은 그 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문에 물질에 적외선이 부딪치면 전자기적 공진현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문에 강한 열효과를 나타낸다.

따라서, 이러한 물질의 적외선 흡수효과를 이용하여 시료중 특정 가스의 농도를 측정할 수 있도록 비분산적외선(NDIR) 가스측정장치가 개발되었다.

일반적인 NDIR 가스측정장치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 적외선을 방사하기 위한 적외선램프(11)와, 적외선램프(1)에서 방사된 적외선이 가스에 흡수 반응을 일으킬 수 있는 광학벤치(12), 그리고 광학벤치(12)에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 적외선 신호로 바꾸어 주는 써모파일이나 초전소자로 된 수광센서(13)로 이루어진 벤치부(10)를 통해 대상이 되는 가스의 농도를 측정하게 되며, 수광센서(13)를 통해 측정되는 신호는 미약하므로 벤치부(10)의 후단에는 증폭회로(20)가 배치되어 신호의 세기를 증폭해주고, 증폭회로(20)의 후단에는 상기 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 아날로그-디지털 변환기(30)가 배치되며, 이러한 아날로그-디지털 변환기(30)는 마이컴(40)에 신호교환 가능하게 연결되고, 마이컴(40)과 벤치부(10)의 사이에는 제어회로(50)가 개재되어 적외선램프(11) 의 광량을 제어하게 되며, 가스 농도를 외부로 표시해주는 외부 인터페이스 회로(60)가 마이컴(40)에 접속되어 이루어진다.

따라서, NDIR 가스측정장치에 있어서 가장 중요한 구성요소는 벤치부(10)이고, 이러한 벤치부(10)에서도 전체 장치의 크기와 성능을 좌우하는 부분은 광학벤치(12)가 되는 것으로, 광학벤치(12)의 구조에 따라 가스 농도값의 정확성 및 분해능, 반복성, 내구성에 커다란 영향을 끼치게 되며, 가스가 적외선과 반응할 수 있는 광학벤치 내부의 표면적과 부피는 응답성에 영향을 주게된다.

즉, 적외선이 가스와 반응할 수 있는 광학벤치(12)의 길이는 가스 농도를 정확하게 측정하기 위해 매우 중요한데, 그 길이가 너무 짧다면 신호는 강해지지만 변화율이 줄어들어 소량의 가스는 검출하기 어렵고, 반대로 길이가 너무 길다면 변화율은 커지지만 신호 잡음이 커지는 단점이 있어 가스의 종류에 적합한 반응길이가 필요한 것이다.

그런데, 짧은 반응길이를 요구하는 가스의 경우 광학벤치의 길이를 짧게 구현할 수 있어 장치 전체를 소형화할 수 있지만, 이산화탄소와 같이 긴 반응길이를 요구하는 가스의 경우 광학벤치의 길이 역시 길어져야 하므로 전체 장치의 부피를 소형화하는데 한계가 있었다.

또한, 일반적인 NDIR 가스측정장치에서는 광학벤치 내부로 가스를 포함한 공기를 통과시키기 위한 통기공의 배열이 균일하지 않아 가스를 포함한 공기가 원활히 유입/배출되지 못함으로써 가스 농도측정에 정확성을 기하기 어려운 단점도 있었다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 안출한 것으로, 광학벤치를 "ㄷ"자 형상으로 다단 절곡 구성하고, 광학벤치의 각 코너부위에는 반사경을 설치하며, 광학벤치의 일단부에는 적외선램프를 설치하고 타단부에는 수광센서를 배치하여 구성함으로써 작은 크기를 가지면서도 긴 반응길이를 구현할 수 있는 비분산적외선 가스측정장치를 제공하고자 하는 것이다.

다른 견지로는, 광학벤치의 중간에는 상하방향으로 통하는 다수의 통기공을 동일위치에 각각 배치하고, 이 공간부와 광학벤치를 이루는 측벽의 사이에 통기공을 형성하여 가스를 포함한 공기가 원활히 유통되도록 하는 것이다.

이하, 본 발명을 제시되는 실시예와 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 광학벤치의 분해사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광학벤치의 요부 평면도이다.

본 발명은 NDIR 방식의 가스측정장치의 광학벤치에 관계되는 것이며, 따라서 NDIR 가스측정장치의 일반적인 구성에 대해서는 그 설명을 생략하고, 광학벤치에 주목하여 설명하기로 한다.

일반적으로, 비분산적외선 가스측정장치의 벤치부는 적외선을 방사하기 위한 적외선램프와, 적외선램프에서 방사된 적외선이 가스에 흡수 반응을 일으킬 수 있는 광학벤치와, 광학벤치에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 적외선 신호로 바꾸어 주는 수광센서로 이루어지는데, 본 발명은 이러한 광학벤치의 크기를 줄이면 서도 그 반응길이는 늘리기 위한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 광학벤치(100)는 4각의 함체 형상으로 이루어진 본체(101)에 격벽(102)을 다단 절곡되게 설치하여 동일 폭을 가지고 다단 절곡된 광통로(103)를 형성하고, 광통로(103)의 코너부위에는 사선방향으로 반사경(105)을 각각 설치하며, 광통로(103)의 격벽 바깥쪽 공간부(108) 상하에는 상하방향으로 통하는 다수의 통기공(109)을 서로 동일위치에 각각 형성하고, 각 격벽(102)에는 공간부(108)와 광통로(103) 사이를 통기시키는 통기공(110)을 각각 형성하여서 된 것이다. 도면상에는 광통로(103)가 2단 절곡되어 "ㄷ"자 형상으로 구성된 것을 예로 하여 도시하였다.

이때, 적외선램프(106)와 수광센서(107)는 광학벤치(100)의 각 단부에 상방을 행해 각각 설치하고, 적외선램프(106)의 후위에는 적외선램프(106)로부터 방사된 적외선을 전방으로 반사시킬 수 있도록 반구형의 반사경(111)을 설치하며, 수광센서(107)의 상부에는 수평방향으로 방사되는 적외선을 수광센서(107) 방향으로 반사시키기 위한 반사경(112)을 상하방향으로 경사지게 설치한 것으로, 수광센서(107) 상부에 설치되는 반사경(112)의 내주면은 상기 입사되는 적외선을 수광센서(107)의 중앙부에 집중시킬 수 있도록 초점거리가 수광센서(107)와의 거리와 같아지는 곡면의 형태로 라운드지게 형성한다.

또한, 도시하지는 않았지만 외부와 통하는 통기공(109)에는 좁은 메쉬사이즈를 가진 미세필터를 각각 설치하여 외부의 먼지 또는 이물질 유입을 방지하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 비분산적외선 가스측정장치의 작용을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 적외선램프(106)를 점등시키면 이로부터 발산되는 적외선은 적외선램프(106) 후위에 위치된 반구형의 반사경(111)을 통해 전방을 향해 반사될 수 있으며, 이러한 적외선은 광통로(103)의 코너부마다 위치된 반사경(105)에 의해 다단 절곡되어 있는 광통로(103)를 모두 통과할 수 있으며, 수광센서(107)의 상부에 경사지게 형성된 반사경(112)에 의해 반사되어 상방을 향해 설치되어 있는 수광센서(107)에 도달할 수 있는바, 전체적인 광학벤치(100)의 부피는 매우 작지만 광통로(103)가 다단 절곡되어 있고 또 그 코너부에 위치된 반사경(105)을 통해 적외선을 전량 다음 위치로 반사시킬 수 있으므로 적외선이 통과하는 길이가 길어지게 된다.

이때, 수광센서(107) 상부에 설치되는 반사경(112)의 내주면은 상기 입사되는 적외선을 수광센서(107)의 중앙부에 집중시킬 수 있도록 초점거리가 수광센서(107)와의 거리와 같아지는 곡면의 형태로 라운드지게 형성하게 되므로 상기 입사되는 적외선을 수광센서(107)의 중앙 창영역에 집중시킬 수 있어 잡음에 강한 신호를 얻음으로써 정확성 및 분해능을 높일 수 있다.

또한, 적외선램프(106)와 수광센서(107)는 상부를 향해 위치되지만 그 작용에는 전혀 이상이 없게 되므로 적외선램프(106)와 수광센서(107)의 조립이 매우 쉬워짐은 물론 전체적인 장치의 부피를 줄일 수 있게 된다.

광통로(103)를 이루는 격벽(102) 바깥쪽 공간부(108) 상하에는 서로 동일한 위치에 다수의 통기공(109)이 형성되어 있고, 또 각 격벽(102)에는 공간부(108)와 광통로(103)를 통기되게 하는 통기공(110)이 형성되어 있어 외부로부터 가스를 포함한 공기를 각 통기공(109)(110)을 통해 광통로(103)까지 유입시킬 수 있으며, 광통로(103)에는 상기와 같이 적외선이 통과하게 되므로 이러한 적외선은 대상이 되는 가스, 예컨대 이산화탄소에 일부 흡수되고 나머지는 그대로 통과하여 수광센서(107)에 의해 감지되는 것이다.

여기서, 공간부(108) 상하에 형성된 통기공(109)은 동일 위치에 각각 형성되므로 이를 통과하는 가스를 포함한 공기의 유통이 매우 활발해지게 되어 가스의 농도측정이 보다 정확하게 이루어질 수 있으며, 공기에 포함된 먼지 또는 이물질은 통기공(109)에 설치된 미세필터를 통해 걸러지게 되고 순수하게 가스를 포함한 공기만이 광학벤치(100)를 통해 유통되므로 가스 농도측정이 보다 정확하게 이루어질 수 있다.

수광센서(107)를 통해 적외선이 감지되면 그 광량은 최초 적외선램프(106)를 통해 발산된 광량보다 작으므로 이를 마이컴을 통해 연산하여 가스의 농도를 외부 인터페이스 회로를 통해 표시해줄 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 각각의 단부에 적외선램프와 수광센서가 위치된 광통로를 다단 절곡하여 구성하고, 광통로의 코너부위에는 사선방향으로 반사경을 설치한 것이므로 작은 부피를 가지면서도 그 반응거리를 길게 할 수 있어 이산화탄소와 같이 긴 반응거리를 요구하는 가스에 적용할 때 가스 농도 측정의 정확성을 기하면서도 그 전체 장치의 크기를 소형화할 수 있는 이점이 있으며, 광통 로를 이루는 격벽의 바깥쪽 공간부 상하에 서로 동일 위치에 다수의 통기공이 형성되므로 가스를 포함한 공기가 원활하게 유통될 수 있어 정확한 가스농도 측정이 가능해지며, 적외선램프와 수광센서를 수직방향으로 설치할 수 있어 그 조립성을 향상시킬 수 있음은 물론 전체 장치의 부피를 줄일 수 있는 것이다.

Claims

적외선을 방사하기 위한 적외선램프(106)와, 상기 적외선램프(106)에서 방사된 적외선이 가스에 흡수 반응을 일으킬 수 있는 광학벤치(100)와, 상기 광학벤치(100)에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 적외선 신호로 바꾸어 주는 수광센서(107)로 이루어진 벤치부를 포함한 비분산적외선 가스측정장치에 있어서,

상기 광학벤치(100)는,

4각의 함체 형상으로 이루어진 본체(101)에 격벽(102)을 다단 절곡되게 설치하여 동일 폭을 가지고 다단 절곡된 광통로(103)를 형성하고, 상기 광통로(103)의 코너부위에는 사선방향으로 반사경(105)을 각각 설치하며, 상기 광통로(103)의 격벽 바깥쪽 공간부(108) 상하에는 상하방향으로 통하는 다수의 통기공(109)을 서로 동일위치에 각각 형성하고, 상기 각 격벽(102)에는 상기 공간부(108)와 상기 광통로(103) 사이를 통기시키는 통기공(110)을 각각 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 비분산적외선 가스측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적외선램프(106)와 상기 수광센서(107)는 상기 광학벤치(100)의 광통로(103) 각 단부에 상방을 향해 각각 설치하고;

상기 적외선램프(106)의 후위에는 상기 적외선램프(106)로부터 방사된 적외선을 전방으로 반사시킬 수 있도록 반구형의 반사경(111)을 설치하며;

상기 수광센서(107)의 상부에는 수평방향으로 입사되는 적외선을 상기 수광센서(107) 방향으로 반사시키기 위한 반사경(112)을 상하방향으로 경사지게 설치한 것을 특징으로 하는 비분산적외선 가스측정장치.
제 2 항에 있어서,

상기 수광센서(107) 상부에 설치되는 반사경의 내주면은 상기 입사되는 적외선을 상기 수광센서(107)의 중앙부에 집중시킬 수 있도록 초점거리가 상기 수광센서(107)와의 거리와 같아지는 곡면의 형태로 라운드지게 형성한 것을 특징으로 하는 비분산적외선 가스측정장치.