KR20190048779A - 프로브형 광학 계측 장치 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 미세먼지 전구물질의 농도 또는 고온 연소시스템 내부 환경을 진단할 수 있는 프로브형 광학 계측 장치에 관한 것으로서, TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 이용하여 특정 좌표 한 곳의 온도 또는 기체상 물질의 농도를 측정할 수 있는 광학 계측 장치이다.
Description
본원 발명은 미세먼지 전구물질의 농도 또는 고온 연소시스템 내부 환경을 진단할 수 있는 프로브형 광학 계측 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 이용하여 특정 좌표 한 곳의 온도 또는 기체상 물질의 농도를 측정할 수 있는 광학 계측 장치에 관한 것이다.
WHO 기준으로 미세먼지와 초미세먼지는 각각 입자의 직경이 2.5㎛, 1.0㎛인 입자상 물질을 의미하며 우리나라에서는 각각 10㎛, 2.5㎛ 로 정의하고 있다.
현재 국내 미세먼지의 주된 원인 중 하나로 화력 발전소에서의 연소에 의한 것을 들 수 있는데 화력 발전소에서의 연소에서 생기는 미세먼지는 국내 미세 먼지 생산량의 20~30%를 차지하고 있는 것으로 파악된다.
미세먼지는 발생원에서부터 고체 상태의 미세먼지인 탄소류, 검댕, 광물, 기타 등으로 나오는 경우 보다 발생원에서 가스 상태로 나온 물질이 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 비중이 높다. 따라서 미세먼지의 발생량 예측 등을 위해서는 2차적 미세먼지로 전환이 되는 주요 가스인 NOx, SOx의 고정밀 계측 시스템이 필요하다.
대기환경오염의 주범인 CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 대기환경에 영향을 미치는 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.
NOx, SOx는 미세먼지 전구물질의 대표적인 물질로서 이는 고온연료시스템에서도 측정이 필요한 물질 중의 하나이다. 연소 에너지 분야에서 시스템 내부의 농도 및 분위기 온도를 측정하고자 하는 위치에는 일반적으로 직접식 측정방식이 주를 이루고 있다. 직접 측정하는 방식으로는 크게 전기 전도도와 전기 화학식방법으로 나뉜다. 첫 번째로 온도의 경우 전기 전도도를 이용하여 측정하는 센서이다. 온도 측정용 센서는 에너지 분야에서 큰 비율로 사용되고 있지만 고온에서의 낮은 내구성과 잦은 교체로 유지 문제가 발생하며 큰 오차율을 발생시킨다. 또한 실시간 측정이 불가능하다는 단점을 가지고 있다.
두 번째는 전기 화학식방법으로 샘플링하여 농도를 측정하는 센서이다. 기본적으로 고온에서는 측정이 불가능하여 보통 배가스가 배출되는 라인에서 측정한다. 뿐만 아니라 샘플링 방법으로 측정하기 때문에 연소 잔해물과 수증기 화합물이 샘플 탐침에 부착되어 큰 오차율과 잦은 고장을 야기한다.
이러한 경우에도 TDLAS를 적용하면 광계측 거리를 조절하여 미세한 양의 농도 계측과 연소로 시스템의 벽면 분위기 온도를 실시간 정밀 계측이 가능하다.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 연소 환경에서 각 계측 가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 변수 값은 측정거리(L)가 된다. 측정거리를 증가시키면 흡수영역의 증가로 미세한 양의 가스 농도와 분위기 온도를 계측할 수 있다. 그러나 연소시스템 내부의 계측거리가 상당히 먼 경우 광 정렬의 어려움이 크기 때문에 많은 시간과 노력이 발생한다. 또한 초기 레이저 강도가 발진하여 수신부에 도달하기까지는 작은 진동에도 큰 격차의 발진 각도를 가져오기 때문에 문제가 될 수 있다. 이러한 이유로 단순하게 근거리 위치에서 계측 거리를 최대화하여 연소 시스템 벽면 분위기 온도, 미세 농도 측정을 위해서는 초기 레이저 강도의 각도에 따라서 측정거리를 증가시킬 수 있는 시스템이 확보되어야 한다.
연소 에너지 분야에서 가장 중요한 요소는 최적 반응과 제어를 통한 효율 향상과 환경오염물질 저감에 의의를 두고 있다. 이를 위해서는 TDLAS 기반의 실시간 정밀 계측 기술을 이용한다. 특히, 국내외적 차원에서 환경문제 및 에너지절감을 중요시하고 있는 시점에서 제어 장치의 효용가치가 높아지고 있는 상황으로 TDLAS 기반 계측 기술은 광범위한 니즈를 갖고 있다. 이와 같이 에너지 분야에 TDLAS 기반 계측 시스템을 적용할 수 있는 사업으로는 발전플랜트, 제철가열로, 열처리로, 화학공업 플랜트, 산업용 보일러 등이 있다.
특허문헌 1은 에어로졸 분석 장치에 관한 것으로서 구체적으로 에어로졸을 포함한 가스 출입구 및 복수의 광학창을 가짐과 동시에 내부에 반응 영역을 설정한 샘플링 셀과 가스 중의 에어로졸을 플라즈마시키기 위한 레이저광을 발하는 브레이크다운용 레이저 장치와 이 레이저 장치에서 발사한 레이저광을 샘플링 셀에 광학창을 도입해 반응 영역에 집광시키는 레이저광 집광 수단과 반응 영역에서 집광한 레이저광에 의한 에어로졸의 브레이크다운에 의해 발생하는 형광을 다른 광학창의 부위에 집광시키는 형광 집광 수단과 집광한 형광을 다른 광학창에서 입력해 그 형광의 파장 분별에 의해 에어로졸의 구성 원소의 분석을 하는 광 계측기로 구성된다.
특허문헌 1은 레이저를 이용하고 다중 반사를 통해 가스를 검출하고는 있지만, 포인트 계측을 위한 장비가 아니고 구면 형태의 반사체를 사용하고 있어, 본원 발명에서 요구하는 미세먼지 전구물질 및 연소 에너지 분야에서의 포인트 계측에 적합하지 않다.
특허문헌 2는 가스 성분 농도 계측 방법으로서 피측정 분자를 포함한 10000Pa에서 대기압 이상으로 가압된 시료 가스를 1mmPa이하로 감압된 진공챔버 내에 분사하고 분자 빔 제트를 형성함으로써 시료 분자를 냉각하고 피측정 분자의 흡수 파장 중에서 공존하는 분자의 흡수 파장과 충분히 분리 가능한 파장을 가지는 여기광을 분자 빔 제트 중의 측정장에 대해서 조사하고 이 여기광의 조사에 의해 측정장에 유기된 형광 강도를 계측함으로써, 측정장에 존재하는 피측정 분자의 농도를 판정하는 장치에 관한 것이다.
특허문헌 2는 다중 반사에 의해서 농도를 측정하고는 있지만, 포인트 계측이 아니고 이동할 수 있는 형태가 아니므로 본원 발명에서 요구하는 미세먼지 전구물질 및 연소 에너지 분야에서의 포인트 계측에 적합하지 않다.
특허문헌 3은 미량 가스 검출용 소형 튜너블 레이저 분광계에 관한 것이나, 2개의 반사경을 이용하는 점에 특징이 있다.
특허문헌 4는 반도체 레이저 다중 반사 흡수 분광에 의한 가스 분석 방법 및 장치에 관한 것으로서 특허문헌 3과 유사한 2개의 반사경을 이용한 멀티 패스 측정 장치인 점에 특징이 있다.
그러나 3개 이상의 반사체가 균형있게 배치되어 원하는 포인트에서의 특성을 계측하기 위한 TDLAS 장치는 현재까지 개발되지 않은 것으로 파악된다.
본원 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세먼지 전구물질의 농도 또는 고온 연소시스템 내부 환경을 진단할 수 있는 프로브형 광학 계측 장치를 제공하고자 한다. 구체적으로 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 이용하여 특정 좌표 한 곳의 온도 또는 기체상 물질의 농도를 측정할 수 있는 광학 계측 장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 농도 또는 온도 측정을 위한 유체가 이동하며 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치에 있어서, 상기 레이저부에서 조사된 레이저가 중첩되는 삼각형 궤적으로 반사되고 최종 궤적이 상기 광검출부로 집광되게 배치된 3개의 반사 거울로 구성되는 반사부; 상기 각각의 반사 거울 전면에 배치되어 레이저빔이 지나갈 수 있게 배치된 윈도우; 상기 윈도우 사이를 연결하되 상기 레이저빔의 궤적에는 방해를 하지 않게 배치되며, 상기 레이저부, 상기 광검출부, 상기 프로세서부가 장치 내부에 배치되며, 상기 측정부는 장치 외부에 배치되게 하는 외관부를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제2양태는 상기 레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제3양태는 상기 레이저부에서 조사되는 레이저와 상기 반사 거울과의 입사각을 조절하는 장치에 의해서 레이저에 의한 광학적 측정거리를 조절하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제4양태는 상기 외관부에 의해 분획되는 장치 내부에는측정하는 기체를 검출하는 파장과 간섭이 검출 파장을 나타내는 기체가 주입되어 있는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제5양태는 상기 기체는 냉각 질소이거나 상기 장치 내부에는 온도를 일정하게 조절할 수 있는 수단이 더 부가된 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제6양태는 상기 온도를 일정하게 조절할 수 있는 수단은 써머커플에 의한 온도측정부와 펠티어 소자에 의한 가열냉각부를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제7양태는 상기 반사 거울은 평면상의 금 또는 기타 반사가 가능한 거울이고, 상기 윈도우는 사파이어, 퀴츠 등의 일반적인 광학용 윈도우인 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 제공한다.
본원 발명의 제8양태는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 사용하여 미세먼지 전구물질의 농도를 측정하거나, 고온 연소시스템의 내부 환경을 측정하는 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 미세먼지 전구물질의 측정 시스템은 야외에서도 미세먼지 전구물질인 NOx, SOx의 농도 및 고온 연소시스템 내부 환경을 측정할 수 있다는 장점이 있다. 특히 농도가 낮은 경우에도 본원의 3개의 반사체를 이용한 멀티패스 시스템을 활용하여 측정이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2은 본원 발명의 일 실시예에 따른 프로브형 TDLAS 장치에 대한 개략도이다.
도 2은 본원 발명의 일 실시예에 따른 프로브형 TDLAS 장치에 대한 개략도이다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다.
프로브형 TDLAS 장치는 초기 레이저 강도의 각도에 따라서 광 계측거리가 달라진다. 정사각형의 각 모서리에 반사 거울을 설치(내부 각도30)하여 송신부 레이저 강도 각도를 조절하면 광학적 측정거리를 조절할 수 있고 이를 통하여 미세농도를 측정할 수 있는 장치이다. 이는 Beer-Lambert 법칙 흡광도 식에 기인한다. 광학적 측정거리가 증가하면 흡수 면적이 커져 미세 농도를 계측할 수 있는 원리이다.
장치 내부에는 흡수신호에 간섭하지 않는 냉각 가스(N2 gas)를 주입하여 독립적인 광 흡수 신호를 유지하도록 환경을 형성하고, 장치내부의 유동(냉각) 환경을 만들어 외부 고온 환경에서의 열 변형을 저감 시킬 수 있도록 한다.
전체시스템의 구성은 계측 거리 조절을 통한 정밀 계측 프로브형 TDLAS 장치이며 연소 시스템 벽면에 설치하거나 배가스가 흐르는 내경이 좁은 가스라인 내부를 측정할 수 있도록 설계된다. 이는 계측 거리 조절을 좁은 영역에서 할 수 있기 때문에 계측 공간이 협소한 영역에서의 저농도 및 실시간 계측이 가능하다. 본 장치의 장점으로는 프로브형 TDLAS 장치로 계측하고자 하는 열악한 환경에 원하는 포인트를 측정할 수 있는 장치이다.
기존의 선평균 측정 TDLAS의 경우, 흡수 파장 영역에서의 높은 선강도 및 긴 계측 거리 확보가 필수적이었지만, 고안한 프로브형 TDLAS의 경우 다파장영역을 소화할 수 있는 3개의 거울을 통하여 계측거리를 조절할 수 있기 때문에 선평균 측정 방법의 적용 범위 한계를 최소화 시킬 수 있다. 프로브형 TDLAS 외부 부피의 경우, 적용 환경에 따라서 부피를 조절할 수 있도록 설계가 가능하기 때문에 높은 환경 선택성을 갖게 된다.
시스템 발진 구성은 초기 레이저 강도를 송신하는 부분과 3개의 반사거울을 거쳐 강도를 받아드리는 수신부로 나타낸다. TDLAS 기반 내부 온도 보정은 장치 내의 써머커플(Thermocouple)을 설치한다.
레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다. 통상적으로 레이저는 파장이 고정되어 있으나 다이오드 레이저를 사용함으로써 파장을 변조할 수 있으며, 이는 함수 생성기를 통해서 변조가 가능하다.
기존의 선평균 측정 TDLAS의 경우, 흡수 파장 영역에서의 높은 선강도 및 광학적 파라메타에 따른 긴 계측 거리 확보가 필수적이었지만, 이 장치는 빛의 각도와 정렬을 통해 계측 거리를 증가 시킬 수 있기에 저농도 실시간 정밀 측정이 가능한 장점이 있다. 이를 통하여 기존 대형 공업단지 및 화력발전소 굴뚝에 적용이 가능했던 TMS(굴뚝 자동 감시 체계 : Tele Metering System)의 설치 한계를 넘어 중소형 공업단지 내의 좁은 굴뚝 및 내경이 작은 배가스라인에서도 설치가 가능하다는 점이다. 기존 시스템의 경우, 중소형의 작은 굴뚝에는 설치하기 힘든 부피를 가지고 있었으며, 측정 가능한 광 계측거리를 확보해야 한다는 단점을 가지고 있었다. 위에서 제시한 문제들을 극복할 수 있는 프로브형 TDLAS 계측 장치는 국가 환경 규제 강화 정책의 해결책으로 효과를 볼 수 있을 것으로 사료된다. 또한 에너지 분야에 적용할 수 있는 시장이 광범위하게 확보되어 있으며 실시간 정밀 계측을 통하여 최적 반응 유도 및 환경오염 저감을 달성할 수 있는 장치로 판단된다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (8)
- 레이저빔을 조사하는 레이저부; 농도 또는 온도 측정을 위한 유체가 이동하며 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치에 있어서,
상기 레이저부에서 조사된 레이저가 중첩되는 삼각형 궤적으로 반사되고 최종 궤적이 상기 광검출부로 집광되게 배치된 3개의 반사 거울로 구성되는 반사부; 상기 각각의 반사 거울 전면에 배치되어 레이저빔이 지나갈 수 있게 배치된 윈도우; 상기 윈도우 사이를 연결하되 상기 레이저빔의 궤적에는 방해를 하지 않게 배치되며, 상기 레이저부, 상기 광검출부, 상기 프로세서부가 장치 내부에 배치되며, 상기 측정부는 장치 외부에 배치되게 하는 외관부를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 레이저부에서 조사되는 레이저와 상기 반사 거울과의 입사각을 조절하는 장치에 의해서 레이저에 의한 광학적 측정거리를 조절하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 외관부에 의해 분획되는 장치 내부에는 측정하는 기체를 검출하는 파장과 간섭이 없는 검출 파장을 나타내는 기체가 주입되어 있는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 기체는 냉각 질소이거나 상기 장치 내부에는 온도를 일정하게 조절할 수 있는 수단이 더 부가된 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 온도를 일정하게 조절할 수 있는 수단은 써머커플에 의한 온도측정부와 펠티어 소자에 의한 가열냉각부를 포함하는 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 반사 거울은 평면상의 거울이고, 상기 윈도우는 사파이어 또는쿼츠 윈도우인 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 프로브형 TDLAS 광학 계측 장치를 사용하여 미세먼지 전구물질의 농도를 측정하거나, 고온 연소시스템의 내부 환경을 측정하는 방법.
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