KR20240016689A - Ndir sensor having multiple channel and toc measuring system including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NDIR 센서 및 TOC 측정 시스템을 개시한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 적외선 광원을 이용하여 시료 가스에 조사한 적외선 광을 복수의 검출기를 통해 수광하여 가스 농도를 측정하는 다중 채널을 갖는 NDIR 센서 및 이를 포함하는 TOC 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, NDIR 센서에 둘 이상의 서로 다른 파장대역의 필터 및 이에 대응하는 검출기를 탑재하고, 각 검출기를 통해 생성된 복수의 검출신호를 분석하여 측정된 가스 시료의 농도값을 보정함으로써, 시료에 포함된 CO2 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.The present invention discloses an NDIR sensor and TOC measurement system. More specifically, the present invention relates to a multi-channel NDIR sensor that measures gas concentration by receiving infrared light irradiated to a sample gas using an infrared light source through a plurality of detectors, and a TOC measurement system including the same.
According to an embodiment of the present invention, the NDIR sensor is equipped with two or more filters of different wavelength bands and corresponding detectors, and the concentration value of the measured gas sample is corrected by analyzing a plurality of detection signals generated through each detector. By doing so, there is an effect of measuring the CO 2 concentration contained in the sample more accurately.
Description
본 발명은 NDIR 센서 및 TOC 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 적외선 광원을 이용하여 시료 가스에 조사한 적외선 광을 복수의 검출기를 통해 수광하여 가스 농도를 측정하는 다중 채널을 갖는 NDIR 센서 및 이를 포함하는 TOC 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an NDIR sensor and a TOC measurement system, and in particular, to an NDIR sensor having multiple channels for measuring gas concentration by receiving infrared light irradiated to a sample gas using an infrared light source through a plurality of detectors, and TOC measurement including the same. It's about the system.
지구 온난화 등 이상기후변화를 비롯하여 다양한 환경문제로 인하여 하천, 호수 등에 녹조류와 같이 수질오염물질의 발생이 증가하고 있으며, 이에 대한 관리의 필요성이 점점 더 대두되고 있다.Due to various environmental problems, including abnormal climate changes such as global warming, the occurrence of water pollutants such as green algae in rivers and lakes is increasing, and the need for their management is increasingly emerging.
일반적으로, 수질을 평가하는 대표적인 지표 중에는 생물학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand; BOD), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand; COD), 총 유기탄소(Total Organic Carbon; TOC) 등이 있다. 이중, BOD 측정은 미생물을 센서로 이용하기 때문에 독성물질에 의해 성능이 저하될 수 있으며, 난분해성 물질이 존재할 경우 정확한 유기물 측정이 어려운 단점이 있다. 또한, COD 측정은 오염물질의 성상에 따라 분석오차가 큰 편이며, 염소 등의 간섭물질에 의해 측정에 영향을 받는 단점이 있다. 이에 따라, 최근에는 수중에 함유된 유기탄소 양을 측정하여 오염 정도를 분석하는 TOC 측정방법이 각광받고 있다.In general, representative indicators for evaluating water quality include Biological Oxygen Demand (BOD), Chemical Oxygen Demand (COD), and Total Organic Carbon (TOC). Among these, BOD measurement uses microorganisms as sensors, so its performance may be reduced by toxic substances, and it has the disadvantage of making it difficult to accurately measure organic matter in the presence of non-decomposable substances. In addition, COD measurement has a large analysis error depending on the nature of the contaminant, and has the disadvantage of being affected by interfering substances such as chlorine. Accordingly, the TOC measurement method, which analyzes the degree of contamination by measuring the amount of organic carbon contained in water, has recently been in the spotlight.
TOC 측정방법은 하천, 호수 뿐만 아니라 하폐수 처리장 및 정수 분야에까지 적용할 수 있으며, 순수한 물을 필요로 하는 제약, 반도체 및 발전 분야 등의 냉각수 등까지의 그 적용범위가 확대되고 있다.The TOC measurement method can be applied not only to rivers and lakes, but also to wastewater treatment plants and water purification fields, and its scope of application is expanding to include cooling water in pharmaceutical, semiconductor, and power generation fields that require pure water.
또한, TOC 측정방법에 대한 비용을 절감하고 고감도를 확보하기 위해 관련 기관에서는 TOC 측정시스템의 개발에 집중하고 있으며, 기존 단일광의 이중 파장 분석방법에 페브리페롯(FPI)방식 등을 적용하여 동일한 광로를 갖는 측정방식의 검출기 개발을 활성화하고 있다.In addition, in order to reduce costs and secure high sensitivity for TOC measurement methods, related organizations are focusing on the development of TOC measurement systems, and are applying the Fabry-Perot (FPI) method to the existing single-light dual-wavelength analysis method to provide the same optical path. The development of detectors with measurement methods is being activated.
이러한, TOC 측정시스템에서 가스 농도 탐지를 위해 탑재되는 주요 구성으로서, 비분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed; NDIR) 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광(적외선)을 흡수하는 특성을 이용하여 농도에 대한 광 흡수율을 측정함으로써 가스 농도를 구하는 센서이다. 여기서, 특정 가스 분자는 특정 파장대의 광만을 흡수하는 특성이 있음에 따라 가스 분자에 여러 파장의 광을 조사하고, 이 중 타겟팅한 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광에 대해서만 필터로 걸러내어 측정할 수 있다.As the main component installed in the TOC measurement system to detect gas concentration, the Non-Dispersive InfraRed (NDIR) sensor measures the concentration by using the characteristic of gas molecules to absorb light (infrared rays) of a specific wavelength. It is a sensor that determines gas concentration by measuring light absorption. Here, since specific gas molecules have the characteristic of absorbing only light in a specific wavelength range, light of various wavelengths is radiated to the gas molecule, and only the light in the wavelength range absorbed by the targeted gas molecule can be filtered out and measured. there is.
이에 따라, NDIR은 광 검출기에 해당 파장만을 투과시키는 광 필터를 부착하기만 하면 됨에 따라, 분산방식에 비하여 시스템이 간단하고 비용이 적게 소요되며, 가스 선택성 및 측정 신뢰성이 높다는 장점이 있다.Accordingly, NDIR has the advantage of being simpler and less expensive than the dispersion method, as it only requires attaching an optical filter that transmits only the relevant wavelength to the optical detector, and has high gas selectivity and measurement reliability.
도 1은 종래 기술에 따른 비분산 적외선 센서(NDIR)의 내부 구조를 나타낸 도면으로서, 종래의 NDIR 센서(1)는 적외선 광원(3), 도파관(5), 필터(7) 및 검출기(9)로 이루어진다.Figure 1 is a diagram showing the internal structure of a non-dispersive infrared sensor (NDIR) according to the prior art. The conventional NDIR sensor 1 includes an
적외선 광원(3)은 적외선을 방출하며, 방출된 적외선은 도파관(5)을 통해 검출기(9)로 전달된다. 도파관(5)의 내부로는 공기 가스가 유입되고, 적외선 광원(3)에서 방출된 적외선 광이 진행하며 도파관(5)내에 유입되는 공기 가스를 통과하게 된다. 여기서, 적외선 광이 도파관(5)을 통하여 진행하는 동안 가스와 접촉할 수 있고, 적외선 광이 공기 내의 가스와 접촉하면 가스의 고유진동에 해당하는 파장대역은 가스에 의해 흡수된다.The
그리고, 도파관(5)은 적외선 광원(3)에서 방출된 적외선을 검출기(9)에 전달하는데, 도파관(5)과 검출기(9) 사이에는 적외선 광의 파장대역 중 일부를 통과시키는 필터(7)가 하나 이상이 배치된다. 여기서, 필터(7)는 특성에 따른 파장대역만을 통과시킬 수 있고, 이에 검출기(9)는 필터를 통과한 특정 파장대역의 적외선을 검출할 수 있다.In addition, the
이에 따라, 검출기(9)는 복수 개의 필터를 통과한 적외선 광의 세기를 이용하여 공기에 포함되어 있는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 구체적으로, 공기 내의 가스가 적외선 중 특정 파장대역을 선택적으로 흡수함에 따라, 검출기(9)는 공기 속을 통과하고 난 후 특정 파장 대역에 해당하는 적외선 성분이 얼마만큼 가스에 흡수되었는가의 측정을 통해 공기 중에 존재하는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 즉, 특정 가스의 농도가 높을수록 그에 상응하는 특정 파장대역에 해당하는 적외선의 세기가 낮아지고, 반면 공기 중에 해당 가스의 농도가 낮을수록 그에 상응하는 특정 파장대역의 적외선의 세기가 크게 나타나게 된다. Accordingly, the
이러한 구조를 통해 NDIR 센서(1)는 특정 가스의 농도를 측정할 수 있고, TOC 측정 시스템은 시료를 기체화하고 탑재된 NDIR 센서를 이용하여 이의 CO2 농도를 측정함으로써 시료에 대한 총 유기탄소(TOC)를 측정할 수 있다.Through this structure, the NDIR sensor 1 can measure the concentration of a specific gas, and the TOC measurement system gasifies the sample and measures its CO 2 concentration using the mounted NDIR sensor to measure the total organic carbon ( TOC) can be measured.
그러나, 이러한 총 유기탄소 시스템에 이용되는 NDIR 센서는 CO2만을 측정할 수 있는 전용 센서로서, CO2 외에 COS, CO, CH4등의 다른 종류의 가스를 측정할 수는 없으며, 시료에 포함되는 다른 성분을 검출하기 위해서는 그 종류만큼 여러 개의 NDIR 센서를 사용해야 하는 한계가 있다.However, the NDIR sensor used in this total organic carbon system is a dedicated sensor that can only measure CO 2 , and cannot measure other types of gases such as COS, CO, CH4, etc. in addition to CO 2 , and other gases included in the sample. In order to detect a component, there is a limitation in having to use as many NDIR sensors as there are types.
특히, 적외선 광원을 이용하는 센서는, 균일한 세기의 적외선 광원과 일정한 농도의 가스에 대하여 그 검출기의 출력이 항상 일정하여야 한다. 만약, 탑재된 검출기의 소자 열화 또는, 도파관의 내부 온도의 변화나 주변 환경 변수 등의 변화 발생시, 균일한 세기의 적외선 광원과 일정한 농도의 가스에 대하여 측정된 적외선 센서의 출력 신호에 대한 동일성이 보장되지 않는다면 센서 뿐만 아니라 TOC 측정 시스템 전체의 신뢰성이 낮아지게 된다. In particular, in a sensor using an infrared light source, the output of the detector must always be constant for an infrared light source of uniform intensity and a gas of constant concentration. If the device of the mounted detector deteriorates, changes in the internal temperature of the waveguide, or changes in surrounding environmental variables occur, the identity of the output signal of the infrared sensor measured for an infrared light source of uniform intensity and a gas of constant concentration is guaranteed. If this is not done, the reliability of not only the sensor but also the entire TOC measurement system will be lowered.
따라서, NDIR 센서에 탑재되는 소자의 특성을 파악하고, 이를 제어할 수 있는 보정 기술이 확보되어야 하며, 더 나아가 정밀한 센서 측정 결과를 획득하기 위한 수단이 요구된다. Therefore, a correction technology that can identify and control the characteristics of the elements mounted on the NDIR sensor must be secured, and furthermore, a means to obtain precise sensor measurement results is required.
본 발명은 비분산 적외선 센서 및 총 유기탄소(TOC) 측정 시스템에 관한 것으로, 적외선 광원 및 검출기를 이용하여 시료에 포함된 CO2의 농도를 측정하되, NDIR 센서의 소자의 열화, 온도 등의 주변상황 변화 등에 의한 영향을 최소화하고 균일한 측정 결과를 보장하는 NDIR 센서 및 TOC 측정 시스템을 제공하는 데 과제가 있다.The present invention relates to a non-dispersive infrared sensor and a total organic carbon (TOC) measurement system, which measures the concentration of CO 2 contained in a sample using an infrared light source and detector, and measures the surrounding environment such as deterioration of the NDIR sensor element and temperature. The challenge is to provide NDIR sensors and TOC measurement systems that minimize the impact of changes in circumstances and ensure uniform measurement results.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서는, 적외선 광을 출사하는 광원, 양측단으로 개구된 입광부 및 출광부가 형성되고, 상기 광원이 배치되는 입광부를 거쳐 진행하는 광이 내부에 충진된 시료 가스를 통과하여 상기 출광부까지 도달하도록 광 경로를 구성하는 광 도파관, 광 도파관의 출광부에 배치되어 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터, 상기 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기 및, 두 채널의 검출신호를 전송받아 평균값을 통해 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 상기 평균값이 임계치 이상일 경우 상기 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치를 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problem, an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention includes a light source emitting infrared light, a light entering part and a light exiting part opening at both ends, and the light source is disposed. An optical waveguide that configures an optical path so that the light traveling through the light entrance part passes through the sample gas filled inside and reaches the light exit part, and a first and A second filter, first and second detectors for generating detection signals by receiving light from different channels that have passed through the first and second filters, respectively, and receiving detection signals from the two channels to determine the target material through the average value. It may include an analysis device that calculates a concentration value, and corrects and outputs the concentration value if the average value is greater than or equal to a threshold.
상기 분석장치는, 상기 제1 및 제2 검출기로부터 아날로그 파형인 제1 및 제2 검출신호를 수신하여 디지털 파형으로 변환하는 A/D 컨버터, 디지털 파형의 제1 및 제2 검출신호 내 존재하는 노이즈를 저감하여 제1 및 제2 검출신호의 신호의 선형성을 보상하는 노이즈 제거부, 노이즈가 제거된 제1 및 제2 검출신호의 평균값을 산출하는 평균값 산출부 및, 상기 평균값이 임계치 이상이면 미리 설정된 농도값에 보정계수를 곱하여 보정하는 보정부를 포함할 수 있다.The analysis device includes an A/D converter that receives first and second detection signals, which are analog waveforms, from the first and second detectors and converts them into digital waveforms, and noise existing in the first and second detection signals of the digital waveform. A noise removal unit that compensates for the linearity of the first and second detection signals by reducing the signal, an average value calculation unit that calculates the average value of the first and second detection signals from which the noise has been removed, and a preset value if the average value is greater than or equal to a threshold value. It may include a correction unit that corrects the concentration value by multiplying it by a correction coefficient.
상기 보정부는, 상기 광 도파관의 일측에 설치되는 온도 센서와 연결되고, 상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 대응하여 상기 보정계수의 크기를 증감할 수 있다.The correction unit is connected to a temperature sensor installed on one side of the optical waveguide, and can increase or decrease the size of the correction coefficient in response to the temperature measured by the temperature sensor.
상기 광 도파관은, 외표면이 수직방향으로 일정 높이 돌출되어 요철형상을 이루는 방열패턴을 더 포함할 수 있다.The optical waveguide may further include a heat dissipation pattern whose outer surface protrudes at a certain height in the vertical direction to form a concavo-convex shape.
상기 NDIR 센서는, 상기 광 도파관의 외표면에 설치된 온도 센서와 연결되는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 대응하여 상기 광원을 냉각하는 냉각기와 더 연결될 수 있다.The NDIR sensor may include a control device connected to a temperature sensor installed on the outer surface of the optical waveguide, and the control device may be further connected to a cooler that cools the light source in response to the temperature measured from the temperature sensor.
상기 NDIR 센서는, 상기 제1 및 제2 필터가 장착되며 회전 가능한 제1 디스크 및, 상기 제1 디스크와 나란히 배치되고, 상기 제1 및 제2 검출기가 장착되며 회전 가능한 제2 디스크를 포함하고, 상기 제1 및 제2 디스크는 어느 하나 또는 모두 회전됨에 따라, 상기 광 도파관의 출광부와, 제1 또는 제2 필터와, 제1 또는 제2 검출기를 각각 일렬로 배치할 수 있다.The NDIR sensor includes a rotatable first disk on which the first and second filters are mounted, and a rotatable second disk disposed in parallel with the first disk and on which the first and second detectors are mounted, As one or both of the first and second disks rotate, the light emitting part of the optical waveguide, the first or second filter, and the first or second detector can be arranged in a line, respectively.
또한, 전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서를 포함하는 TOC 측정 시스템은, 시료를 혼합하여 전달하는 실린지, 다수의 포트를 통해 상기 실린지와 하나 이상의 용액 공급부 및 시료 공급부를 연결하는 회전 밸브, 상기 회전 밸브와 연결되는 각 배관내 유체, 가스의 이동을 제어하는 MFC, 상기 MFC에 02가스를 공급하는 산소밸브, 상기 실린지 내부에 수용된 유체를 공급받아 무기탄소가 제거되고 남은 유기탄소를 산화시켜 이산화탄소를 발생시켜 시료 가스를 생성하는 UV-리액터, 발생된 이산화탄소 내부의 수분을 제거하는 수분 제거부 및, 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터와, 상기 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기를 포함하고, 상기 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 NDIR 센서를 포함하고, 상기 NDIR 센서는, 두 채널의 검출신호를 전송받아 평균값을 통해 상기 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 상기 평균값이 임계치 이상일 경우 상기 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치를 포함할 수 있다.In addition, in order to solve the above-described problem, a TOC measurement system including an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention includes a syringe for mixing and delivering a sample, and a syringe and the syringe through a plurality of ports. A rotary valve connecting one or more solution supply units and a sample supply unit, a fluid in each pipe connected to the rotary valve, an MFC that controls the movement of gas, an oxygen valve that supplies 0 2 gas to the MFC, and stored inside the syringe. A UV-reactor that generates sample gas by receiving fluid, removing inorganic carbon and oxidizing the remaining organic carbon to generate carbon dioxide, a moisture removal unit that removes moisture inside the generated carbon dioxide, and a UV-reactor that allows light of a specific wavelength band to pass through. It includes first and second filters, and first and second detectors that generate detection signals by receiving light of different channels that have passed through the first and second filters, respectively, and receives the detection signals to detect the target material. It includes an NDIR sensor that calculates a concentration value for, wherein the NDIR sensor receives detection signals from two channels and calculates the concentration value for the target material through an average value. If the average value is greater than a threshold, the NDIR sensor calculates the concentration value for the target substance. It may include an analysis device that corrects and outputs the output.
상기 NDIR 센서는, 광 도파관은 외표면이 수직방향으로 일정 높이 돌출되어 요철형상을 이루는 방열패턴을 더 포함하고, 상기 회전 밸브의 어느 하나의 포트에 연결되어 냉각액이 이송되며, 상기 방열패턴의 요 형상 내부에 감기는 냉각 배관을 더 포함할 수 있다.In the NDIR sensor, the optical waveguide further includes a heat dissipation pattern whose outer surface protrudes at a certain height in the vertical direction to form a concavo-convex shape, is connected to one port of the rotary valve through which coolant is transferred, and the convexity of the heat dissipation pattern is connected to one port of the rotary valve. It may further include cooling pipes wound within the shape.
상기 회전 밸브는, 시료 가스 생성 공정 중, 높은 온도에서 화학 반응이 활성화되는 시료 또는 용액의 이송시, 상기 냉각 배관과 담긴 시료 공급부 또는 용액 공급부를 연결할 수 있다.The rotary valve may connect the cooling pipe to the sample supply unit or solution supply unit when transferring a sample or solution in which a chemical reaction is activated at a high temperature during the sample gas generation process.
본 발명의 실시예에 따르면, NDIR 센서에 둘 이상의 서로 다른 파장대역의 필터 및 이에 대응하는 검출기를 탑재하고, 각 검출기를 통해 생성된 두 검출신호를 분석하여 측정된 가스 시료의 농도값을 보정함으로써, 시료에 포함되는 CO2 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, two or more filters of different wavelength bands and corresponding detectors are mounted on the NDIR sensor, and the concentration value of the measured gas sample is corrected by analyzing the two detection signals generated through each detector. , it has the effect of more accurately measuring the CO 2 concentration contained in the sample.
도 1은 종래의 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서에 이용되는 분석장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서를 포함하는 TOC 측정 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of a conventional NDIR sensor.
Figure 2 is a diagram showing the structure of an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the structure of an analysis device used in an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
4 to 5 are diagrams showing the structure of an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the structure of a TOC measurement system including an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.The present invention as described above will be described in detail through the attached drawings and examples.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention, unless specifically defined in a different sense in the present invention, should be interpreted as meanings generally understood by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains, and are not overly comprehensive. It should not be interpreted in a literal or excessively reduced sense. Additionally, if the technical term used in the present invention is an incorrect technical term that does not accurately express the idea of the present invention, it should be replaced with a technical term that can be correctly understood by a person skilled in the art. In addition, general terms used in the present invention should be interpreted according to the definition in the dictionary or according to the context, and should not be interpreted in an excessively reduced sense.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, as used in the present invention, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the invention, and some of the components or steps are included. It may not be possible, or it should be interpreted as including additional components or steps.
또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Additionally, terms including ordinal numbers, such as first, second, etc., used in the present invention may be used to describe components, but the components should not be limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, identical or similar components will be assigned the same reference numbers regardless of the reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.Additionally, when describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are only intended to facilitate easy understanding of the spirit of the present invention, and should not be construed as limiting the spirit of the present invention by the attached drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the structure of an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비분산 적외선 센서(NDIR; 100)는 적외선을 이용하여 가스 상태의 시료의 농도를 측정하는 센서이다. 공지된 바와 같이, 적외선은 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 유사한 범위에 있음에 따라, 물질에 적외선이 부딪히면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되어 강한 열이 발산된다. 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 NDIR 센서(100)는 전술한 적외선의 특성을 이용하여 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있다. 즉, 타겟 물질을 광 도파관(130)의 내부로 가스 형태로 투입하여 특정 파장에서의 광세기의 감소를 측정하여 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 2, a non-dispersive infrared sensor (NDIR; 100) according to an embodiment of the present invention is a sensor that measures the concentration of a gaseous sample using infrared rays. As is known, the frequency of infrared rays is in a range similar to the natural frequency of the molecules constituting the material, so when infrared rays hit a material, an electromagnetic resonance phenomenon occurs, the energy of the light wave is effectively absorbed, and strong heat is emitted. Materials in the liquid or gaseous state have the property of strongly absorbing infrared rays of unique wavelengths for each material. Accordingly, the
상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 NDIR 센서(100)는, 적외선 광을 출사하는 광원(110), 양측단으로 개구된 입광부 및 출광부가 형성되고, 광원(110)이 배치되는 입광부를 거쳐 진행하는 광이 내부에 충진된 시료 가스를 통과하여 출광부까지 도달하도록 광 경로를 구성하는 광 도파관(130), 광 도파관의 출광부에 배치되어 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터(161, 162) 상기 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기(191, 192) 및, 검출신호를 전송받아 상기 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 서로 다른 채널의 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 상기 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치(500)를 포함할 수 있다.In detail, the
광원(110)은 소정의 적외선 발광소자를 탑재하고 있고, 일방향으로 적외선 광을 조사할 수 있다. 출광된 적외선 광(L1, L2)은 광 도파관(150) 내부의 광 경로를 거쳐 제1 및 제2 필터(161, 162)에 입사되며, 제1 및 제2 필터(161, 162) 통해 특정 파장대역으로 필터링되어 검출기(191, 192)에 탑재되는 수광소자에 입사될 수 있다.The
여기서, 광원(110)에 탑재되는 발광소자는 적외선 램프로서, 0㎛ ~ 10㎛의 연속광을 방사하는 소자가 이용될 수 있으며, 광 도파관(130)의 외부로 광 도파관(130)의 일측단에 형성되는 입광부와 마주보도록 배치될 수 있다.Here, the light emitting element mounted on the
광 도파관(130)은 금속구리(Cu) 또는 구리-아연(Cu-Zn) 합금(황동) 등의 금속재질로 이루어질 수 있고, 일정길이를 갖는 내부가 빈 원통형 구조일 수 있으며, 일측면으로 시료 가스가 투입되는 주입부 및, 검출절차가 종료된 시료 가스가 배출되는 배출부가 형성될 수 있다. 또한, 양측단은 개구되어 광원(110)과, 제1 및 제2 검출기(191, 192)가 각각 서로 마주보도록 배치됨에 따라, 광이 내부로 진입하는 경로인 입광부 및 광이 외부로 진출하는 경로인 출광부가 형성될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따르면, NDIR 센서(100)의 광 도파관(130)은 내부로 형성되는 광 경로가 가능한 최대가 되도록 하는 길이로 형성되되, 적외선 광(L1, L2)이 전반사 상태로 광 도파관(130)의 내부면에서 반사되어 출광부를 향하도록 구성됨과 아울러, 광원(110)이 광 도파관(130)의 외부에 배치됨으로써 방열에 유리하도록 구성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
한편, NDIR 센서에서 시료 가스에 대한 정량적 계산은 이하의 수학식 1에 따른 Beer-Lambert 법칙에 근거를 두고 있다. 이는 광의 감쇄에 따른 기본 법칙으로, 타겟 물질에 의한 흡광량이 파장에 따라 달라진다는 것을 나타낸다.Meanwhile, the quantitative calculation of the sample gas in the NDIR sensor is based on the Beer-Lambert law according to Equation 1 below. This is a basic law of light attenuation and indicates that the amount of light absorbed by the target material varies depending on the wavelength.
여기서, I0는 초기 광 강도(initial intensity), ε(specific absorptivity)은 분자 흡광 계수, c(concentration)는 가스의 농도, l(optical length)은 광원에서 검출기까지의 광 경로 길이, α(absorption coefficient)는 가스의 농도에 따른 흡수계수, β는 비례상수를 나타낸다.Here, I 0 is the initial light intensity, ε (specific absorptivity) is the molecular extinction coefficient, c (concentration) is the concentration of the gas, l (optical length) is the optical path length from the light source to the detector, and α (absorption). coefficient) represents the absorption coefficient depending on the concentration of gas, and β represents the proportionality constant.
상기의 수학식 1에 따르면, 검출기에서 측정된 적외선 광의 에너지(I)는 가스의 농도(c)와 적외선 가스를 통과하는 거리(l)에 따라 지수함수적으로 반비례함을 알 수 있고, 이에 따라 NDIR 센서(100)의 감도 향상을 위해서는 초기 입사 광량을 증가시키거나, 광 경로를 길게 하여 적외선에 반응하는 가수 분자의 수를 증가시키는 방법이 있다.According to Equation 1 above, it can be seen that the energy (I) of the infrared light measured by the detector is exponentially inversely proportional to the concentration of the gas (c) and the distance passing through the infrared gas (l). Accordingly, In order to improve the sensitivity of the
또한, 광 도파관(130)에는 타겟 물질이 포함된 시료 가스가 주입되는 주입부와, 외부로 배출되는 배출부가 형성될 수 있다. 적외선 광(L1, L2)은 시료 가스내 타겟 물질이 존재하면 타겟 물질에 흡수되어 그 물질에 대응하는 파장대역의 광 강도가 감소되며, 타겟 물질에 대한 광 감도가 감소된 적외선 광(L1, L2)을 검출기에서 수광하여 타겟 물질의 농도를 측정할 수 있다.Additionally, the
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 도파관(130)의 내측면으로는 광반사율이 높은 금속층이 코팅될 수 있다. 금속층은 입사되는 적외선 광에 대한 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있고, 이러한 금속으로는 금(Au)이 이용될 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, a metal layer with high light reflectance may be coated on the inner surface of the
이어서, 광 경로를 따라 진행하는 적외선 광(L1, L2)은 시료 가스 내 포함되는 CO2에 의해 특정 파장은 흡수되고, 광 도파관(130)의 타측면의 상부 또는 하부에 형성된 출광부를 통해 외부로 출광하게 된다.Subsequently, the infrared light (L1, L2) traveling along the optical path is absorbed at a specific wavelength by CO 2 contained in the sample gas, and is transmitted to the outside through a light exit portion formed on the upper or lower side of the other side of the
제1 및 제2 필터(161, 162)는 특정 파장대역의 광만을 통과시키는 광학 부재로서, 측정을 원하는 타겟 물질의 특성에 따라 파장을 제한함으로써 타겟 물질의 특성에 대응하는 파장 대역을 갖는 적외선 광만이 검출기에 입사되도록 한다.The first and
특히, 본 발명의 실시예에 따른 NDIR 센서(100)는 시료 내 타겟 물질로서 이산화탄소(CO2)의 농도를 측정하기 위한 센서로서, 제1 및 제2 필터(161, 162)는 사료 가스내 타겟 물질의 농도에 대응하여 흡수되는 성질을 갖는 파장 대역인 4.26㎛의 적외선 광만을 통과시키는 광학 필터가 이용될 수 있다.In particular, the
제1 및 제2 검출기(191, 192)는 각각 서로에 대응하는 제1 및 제2 필터(161, 162)를 통해 입사되는 적외선 광을 검출하고, 그 광 세기에 따른 전기신호를 출력할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 검출기(191, 192)로는 파이로일렉트릭(pyroelectric), 볼로메타(bolometer) 및, 써모파일(thermopile) 등의 열형 감지소자가 사용될 수 있으며, 이러한 소자들은 입사하는 적외선 열 에너지의 양에 따라 변화되는 물질의 물리적 특성을 전기적 신호화하여 적외선을 감지할 수 있다.The first and
이러한 구조에 따라, 제1 및 제2 검출기(191, 192)는 그 검출하려는 물질의 농도에 따라 전압 레벨이 다른 검출신호를 출력하게 된다. 예를 들어, 광학 필터로 4.26㎛의 파장 대역만을 통과시키는 필터가 사용됨에 따라, 두 채널을 통해 검출되는 제1 및 제2 검출기(191, 192)로부터 출력되는 검출신호는 레벨이 모두 동일하게 되며, 특히 가스 시료내 CO2의 농도에 따라 4.26㎛의 파장을 가진 적외선 성분이 광 도파관(130) 내 가스에 흡수되어 적게 수광되므로 두 채널의 출력신호 레벨 역시 작게 나타나게 되고, 이러한 출력신호는 분석장치(500)에 입력되어 출력신호의 레벨에 대응하여 농도값이 산출되게 된다.According to this structure, the first and
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 필터(161, 162)가 모두 동일한 특성을 가짐에 따라, 제1 및 제2 검출기(191, 192)로부터 출력되는 검출신호 또한 동일해야 하나, 서로 다른 레벨의 출력신호가 분석장치(500)에 입력될 수 있으며, 이에 따라 분석장치(500)는 두 출력신호의 평균값에 기초하여 농도값을 산출하는 것을 특징으로 한다.In particular, according to an embodiment of the present invention, since both the first and
이는, 동일한 특성의 두 검출기로부터 검출된 출력신호임에도 불구하고 검출기의 열화 또는 소자 특성의 변화에 기인한 것으로, 본 발명에서는 NDIR 센서(100)에 적어도 둘 이상의 동일한 필터 및 검출기를 추가함으로써 어느 하나의 소자에 열화가 발생한다 하더라도 일정수준 이상의 정확도를 보장할 수 있도록 한다.This is due to deterioration of the detector or change in device characteristics even though the output signals are detected from two detectors with the same characteristics. In the present invention, by adding at least two or more identical filters and detectors to the
분석장치(500)는 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 것으로, 제1 및 제2 검출기(191, 192)를 통해 서로 다른 채널의 검출신호를 입력받고, 적어도 둘 이상의 검출신호에 대하여 컨버터, 감가산기 등을 통해 평균값을 산출하거나, 보정계수(k)를 이용하여 보정함으로써 CO2에 대한 농도값을 산출 및 제공할 수 있다.The
또한, 분석장치(500)는 서로 다른 채널의 두 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 평균값에 보정계수(k)를 곱함으로써 농도값을 보정할 수 있다. Additionally, the
뿐만 아니라, 분석장치(500)는 광 도파관(230)의 일 표면, 특히 온도의 상승률이 높은 위치에 설치되는 온도 센서(600)와 더 연결될 수 있고, 이후 광 도파관(230)으로부터 측정된 온도 검출 결과를 입력받아 농도값 보정시 참조할 수 있다. In addition, the
전술한 구조에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 NDIR 센서는 적외선 광을 이용하여 시료 가스에 포함되는 CO2를 측정하는 광학식 센서로서, 일부 소자의 열화, 특성 변화 등에 강성한 검출구조를 적용하여 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.According to the above-described structure, the NDIR sensor according to an embodiment of the present invention is an optical sensor that measures CO 2 contained in sample gas using infrared light, and applies a detection structure that is robust against deterioration of some elements, changes in characteristics, etc. The reliability of the sensor can be improved.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서에 이용되는 분석장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, an analysis device used in an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서에 이용되는 분석장치의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the structure of an analysis device used in an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분석장치(500)는, 검출기로부터 아날로그 파형인 제1 및 제2 검출신호를 수신하여 디지털 파형으로 변환하는 A/D 컨버터(510), 디지털 파형의 제1 및 제2 검출신호 내 존재하는 노이즈를 저감하여 제1 및 제2 검출신호의 신호의 선형성을 보상하는 노이즈 제거부(520), 노이즈가 제거된 제1 및 제2 검출신호의 평균값을 산출하는 평균값 산출부(530) 및, 평균값이 임계치 이상이면 미리 설정된 농도값에 보정계수를 곱하여 보정하는 보정부(540)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
A/D 컨버터(510)는 제1 및 제2 검출기로부터 전송되는 아날로그 파형의 검출신호를 디지털 파형으로 변환할 수 있다. 또한, 아날로그-디지털 변환 이전에 낮은 레벨의 검출신호를 증폭기 등을 통해 일정레벨 이상 증폭할 수 있다.The A/
노이즈 제거부(520)는 A/D 컨버터(510)에 의한 변환과정에서 디지털 파형의 검출신호에 부가될 수 있는 노이즈 신호를 감쇄할 수 있다. 특히, 검출신호에 대한 증폭시 노이즈의 레벨로 함께 증폭됨에 따라 분석시 오류가 발생할 수 있으며, 노이즈 제거부(520)는 이러한 오차 발생을 최소화한다.The
평균값 산출부(530)는 제1 검출기에 의한 검출신호 및 제2 검출기에 의한 검출신호에 대한 평균값을 산출할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제1 및 제2 검출기는 각각 동일 파장대역에 대한 필터를 통해 입사되는 적외선 광에 대응하는 검출신호를 출력하는 센싱수단으로서 동일한 전압 레벨의 검출신호가 출력되어야 하나, 임계치 미만의 오차는 무시할 수 있으며 이에 평균값을 통해 타겟 물질의 농도를 산출하게 된다.The average
보정부(540)는 제1 및 제2 검출기로부터 수신한 서로 다른 채널의 검출신호의 차를 산출하고, 이러한 편차가 일정수준 이상, 즉 임계치 이상일 경우 미리 설정된 보정계수(k)를 이용하여 농도값을 보정할 수 있다. The
이는, 소자 열화 등의 측정 오류로 검출기의 검출신호에 오차가 발생한 것으로, 이러한 측정 오류는 소자 자체의 열화 뿐만 아니라, 검출기 주변의 온도 변화 등에 의해 발생할 수 있으며, 보정부(540)에는 이러한 소자 특성 변화 또는 온도 변화 등에 따른 보정계수(k)가 룩업 테이블(LUT) 형태로 설정되어 있고, 현재 상황에 따라 LUT로부터 보정계수(k)를 추출하여 평균값에 곱해줌으로서 보정절차를 수행할 수 있다.This is because an error occurs in the detection signal of the detector due to a measurement error such as device deterioration. Such measurement error can be caused not only by deterioration of the device itself but also by temperature changes around the detector, and the
이를 위해, 보정부(540)는 NDIR 센서, 특히 광 도파관상에 설치되는 온도 센서(600)와 연결될 수 있고, 그로부터 측정된 온도값을 보정계수(k) 추출시 참조할 수 있다.To this end, the
또한, 분석장치(500)는 별도의 표시장치(550)와 더 연결될 수 있고, 보정부(540)에 의해 산출된 CO2 농도값을 그래프 및 수치 데이터 형태로 표시할 수 있다.Additionally, the
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 NDIR 센서에 탑재되는 광 도파관의 다양한 변형예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 상세히 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described in detail through various modifications of the optical waveguide mounted on the NDIR sensor of the present invention with reference to the drawings.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 4 is a diagram showing the structure of an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
이하의 설명에서는, 광원으로부터 출광된 적외선 광이 회절 필름에 집속되도록 하는 광학 수단을 통해 광원으로부터 발생하는 열에 의한 영향을 최소화하는 구조를 설명한다. In the following description, a structure that minimizes the influence of heat generated from a light source through optical means that focuses infrared light emitted from the light source on the diffraction film will be described.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 NDIR 센서(200)는, 적외선 광을 출사하는 제1 및 제2 광원(211, 212), 양측단으로 개구된 입광부 및 출광부가 형성되고, 제1 및 제2 광원(211, 212)이 배치되는 입광부를 거쳐 진행하는 광이 내부에 충진된 시료 가스를 통과하여 출광부까지 도달하도록 광 경로를 구성하는 광 도파관(230), 광 도파관(230)의 출광부에 배치되어 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터(261, 262), 제1 및 제2 필터(261, 262)를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기(291, 292), 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 서로 다른 채널의 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치(500), 광 도파관(230)의 외표면에 설치되어 온도를 측정하는 온도 센서(600), 온도 센서(600)에 의해 측정된 NDIR 센서(200)의 온도값을 입력받는 제어장치(630) 및, 온도 측정결과에 따라 제어장치(630)에 의한 제어를 통해 제1 및 제2 광원(212, 212)의 온도를 일정수준 이하로 낮추는 냉각기(650)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the
상세하게는, 제1 및 제2 광원(211, 212)은 소정의 적외선 발광소자를 탑재하고 있고, 일방향으로 적외선 광(L1, L2)을 각각 조사할 수 있다. 출광된 적외선 광은 광 도파관(130) 내부의 광 경로를 거쳐 제1 및 제2 필터(261, 262) 를 통해 특정 파장대역으로 필터링되어 제1 및 제2 검출기(291, 292)에 입사될 수 있다.In detail, the first and second
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 광원(211, 212)은 다양한 광학 렌즈 또는 필름 등을 통해 출사되는 적외선 광(L1, L2)이 각각 대응하는 제1 및 제2 검출기(291, 292)에만 입사되도록 구성될 수 있으며, 이러한 구성에 따르면, 검출기 뿐만 아니라, 광원의 특성 변화에 따른 편차 발생 또한 후술하는 분석장치(500)를 통해 보정할 수 있다. In particular, according to an embodiment of the present invention, the first and second
광 도파관(230)은 전술한 실시예와 동일한 구조를 가질 수 있으며, 내부로 시료 가스가 충진되고, 광 경로가 형성됨에 따라 입광부로부터 입사된 적외선 광이 전반사되어 광 경로를 따라 출광부로 출사될 수 있도록 한다.The
제1 및 제2 필터(261, 262)는 특정 파장대역의 광만을 통과시키는 광학 부재로서, 측정을 원하는 타겟 물질의 특성에 따라 파장을 제한함으로써 타겟 물질의 특성에 대응하는 파장 대역을 갖는 적외선 광만이 검출기에 입사되도록 한다.The first and
또한, 제1 및 제2 검출기(291, 292)는 각각 서로에 대응하는 제1 및 제2 필터(261, 262)를 통해 입사되는 적외선 광을 검출하고, 그 광 세기에 따른 전기신호를 출력할 수 있다.In addition, the first and
또한, 전술한 구조에 따르면, 제1 필터(261)를 통과한 적외선 광(L1)은 제1 검출기(291)에 입사되고, 제2 필터(262)를 통과한 적외선 광(L2)은 제2 검출기(292)에 입사되는 구조를 예시하고 있으나, 그 대응구조를 가변할 수 있는 기구적 수단을 이용하여 각 검출기의 상태를 판단할 수 있도록 하는 구조가 적용될 수 있다.In addition, according to the above-described structure, the infrared light L1 passing through the
상세하게는, 제1 및 제2 필터(261, 262)와, 제1 및 제2 검출기(291, 292)는 각각 회전 가능하며 나란히 배치되는 제1 및 제2 디스크(265, 295)에 결합될 수 있으며, 최초에 광 도파관의 출광부와 더불어 제1 필터(261)와 제1 검출기(291)가 일렬로 배치되고, 제2 필터(262) 및 제2 검출기(292)가 일렬로 배치될 수 있다. 이후, 필터 및 검출기의 위치 및 구조를 가변하고자 하는 경우, 제1 디스크(265)를 회전시키고 제2 디스크(295)를 고정함으로써, 제2 필터(262)와 제1 필터(291)를 출광부와 일렬로 배치하고 제1 필터(261)와 제2 필터(292)를 일렬로 배치할 수 있다.In detail, the first and
또는, 제1 디스크(265)를 고정하고 제2 디스크(295)를 회전시킴으로써, 제1 필터(261)와 제2 디스크(292)를 출광부와 일렬로 배치하고, 제2 필터(262)와 제1 디스크(291)를 일렬로 배치할 수 있다.Alternatively, by fixing the
이러한 회전식 디스크를 이용한 가변 구조에 따라, 필터 및 검출기는 총 4개의 형태의 조합으로 배치될 수 있으며, 측정자는 의도에 따라 필터 및 검출기의 배치 구조를 다양하게 변경함으로써 각 구성부의 특성을 판단하고 정확한 CO2 측정 결과를 획득할 수 있다.According to this variable structure using a rotating disk, filters and detectors can be arranged in a total of four types of combinations, and the measurer can judge the characteristics of each component by changing the arrangement structure of the filter and detector depending on the intention and obtain accurate results. CO 2 measurement results can be obtained.
예를 들면, NDIR 센서(200)는 제1 및 제2 검출기(291, 292)로부터 출력되는 검출신호는 검출기에 탑재되는 소자의 열화에 의한 오차 뿐만 아니라 제1 및 제2 필터(261, 262)의 열화 등에 의해서도 그 결과가 달라질 수 있다.For example, the
이러한 문제를 극복하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 초기 상태에서 검출기로부터 출력된 검출신호가 임계치 이상 차이가 발생한 경우, 제1 디스크(295)를 회전시켜 제2 필터(296)가 제1 검출기(261)에 대응하도록 배치를 변경하고 재차 검출절차를 진행하여 새롭게 측정된 검출신호와 이전 검출신호와 비교함으로써 실제로 문제가 발생한 구성부를 식별하고 조치를 취할 수 있도록 한다. In order to overcome this problem, according to one embodiment of the present invention, when the detection signal output from the detector in the initial state has a difference greater than a threshold value, the
분석장치(500)는 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 것으로, 제1 및 제2 검출기(291, 292)를 통해 서로 다른 채널의 검출신호를 입력받고, 적어도 둘 이상의 검출신호에 대하여 컨버터, 감가산기 등을 통해 평균값을 산출하거나, 보정계수(k)를 이용하여 보정함으로써 CO2에 대한 농도값을 산출 및 제공할 수 있다.The
또한, 분석장치(500)는 서로 다른 채널의 두 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 평균값에 보정계수(k)를 곱함으로써 농도값을 보정할 수 있다. Additionally, the
뿐만 아니라, 분석장치(500)는 광 도파관(230)의 일 표면, 특히 온도의 상승률이 높은 위치에 설치되는 온도 센서(600)와 더 연결될 수 있고, 이후 광 도파관(230)으로부터 측정된 온도 검출 결과를 입력받아 농도값 보정시 참조할 수 있다. In addition, the
온도 센서(600)는 NDIR 센서(200)의 온도 변화를 측정할 수 있는 위치, 바람직하게는 광 도파관(230)의 일 표면에 배치될 수 있고, 광 도파관(230)의 온도 측정을 통해 광 도파관(230) 내부를 비롯하여 검출기(291)에 인가되는 온도를 검출할 수 있다. 이러한 온도 센서(600)는 분석장치(500) 및 후술하는 제어장치(630)와 전기적으로 연결되어 온도 측정 결과를 전송할 수 있다. The
제어장치(630)는 온도 센서(600)로부터 전송되는 광 도파관(230)의 현재 온도의 측정 결과를 수신하고, 일정수준 이상 온도가 증가하는 경우 제1 및 제2 광원(211, 212)에 배치된 냉각기(650)를 제어하여 온도에 의한 오차 발생을 최소화할 수 있다.The
냉각기(650)는 제1 및 제2 광원(211, 212)와 인접하여 배치되며, 제어장치(630)의 제어에 따라 구동하여 광원으로부터 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다. 이러한 냉각기(650)로는 방열판 및 팬이 결합된 기계적 냉각장치 또는 제어장치(630)의 제어전압에 따라 광원과의 접촉면의 온도를 낮추는 펠티어 효과가 적용된 열전소자가 이용될 수 있다.The cooler 650 is disposed adjacent to the first and second
전술한 구조에 따라, 분석장치를 통한 농도값 보정 기능 이외에도, 온도 센서를 통한 온도 상승시 광원의 냉각 기능을 통해 광원으로부터 발생하는 열에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있다.According to the above-described structure, in addition to the concentration value correction function through the analysis device, measurement error due to heat generated from the light source can be minimized through the cooling function of the light source when the temperature rises through the temperature sensor.
이하의 설명에서는, 광 도파관(350)의 외표면에 단면이 요철(凹凸) 형태인 복수의 방열패턴을 형성하여 광 도파관(350)에 인가되는 열을 용이하게 방출하는 구조를 설명한다.In the following description, a structure that easily dissipates heat applied to the optical waveguide 350 by forming a plurality of heat dissipation patterns with concave-convex cross-sections on the outer surface of the optical waveguide 350 will be described.
도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the structure of an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 적외선 광을 출사하는 광원(310), 양측단으로 개구된 입광부 및 출광부가 형성되고, 광원(310)이 배치되는 입광부를 거쳐 진행하는 광이 내부에 충진된 시료 가스를 통과하여 출광부까지 도달하도록 광 경로를 구성하는 광 도파관(330), 광 도파관(330)의 출광부에 배치되어 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터(361, 362), 제1 및 제2 필터(361, 362)를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기(391, 392), 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 서로 다른 채널의 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치(500), 광 도파관(330)의 외표면에 설치되어 온도를 측정하는 온도 센서(600), 온도 센서(600)에 의해 측정된 NDIR 센서(200)의 온도값을 입력받는 제어장치(630)를 포함하고, 상기 제어장치(630)는 상기 광 도파관(330)의 외표면을 둘러싸는 배관에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(670)와 더 연결되어 온도 센서(600)로부터 측정된 온도에 따라 냉각수를 배관(CB) 공급하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 5, a
또한, 광 도파관(330)은, 외표면이 수직방향으로 일정 높이 돌출되어 요철(凹凸)형상을 이루는 방열패턴(335)을 더 포함할 수 있고, 상기의 배관(CB)은 방열패턴(335)의 요 형상 내부로 감길 수 있다.In addition, the
상세하게는, 광원(310)은 소정의 적외선 발광소자를 탑재하고 있고, 일방향으로 적외선 광(L1, L2)을 조사할 수 있다. 출광된 적외선 광(L1, L2)은 광 도파관(330) 내부의 광 경로를 거쳐 제1 및 제2 필터(361, 362)에 입사되고, 제1 및 제2 필터(361, 362)에 의해 특정 파장대역으로 필터링되어 검출기(320)에 탑재되는 수광소자에 입사될 수 있다.In detail, the
검출기(320)는 후술하는 필터(360)를 통해 입사되는 적외선 광을 검출하고, 그 광 세기에 따른 전기신호를 출력할 수 있다. The detector 320 may detect infrared light incident through a filter 360, which will be described later, and output an electrical signal according to the intensity of the light.
광 도파관(330)은 전술한 제1 실시예와 동일한 구조를 가질 수 있으며, 내부로 시료 가스가 충진되고, 광 경로가 형성됨에 따라 입광부로부터 입사된 적외선 광이 전반사되어 광 경로를 따라 출광부로 출사될 수 있도록 한다.The
특히, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 광 도파관(330)의 외표면으로는 단면이 요철(凹凸)형상으로 반복되는 복수의 방열패턴(335)이 형성될 수 있다.In particular, according to the third embodiment of the present invention, a plurality of
이러한 방열패턴(335)은 광 도파관(330)의 측면에서 보았을 때 원형, 사각형 또는 다각형일 수 있고, 다수개가 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.These
또한, 방열패턴(335)은 길이방향이 광 도파관(330)과 수직하게 형성될 수도 있고, 또는 소정각도로 기울어져 사선 방향으로도 형성될 수 있다. 사선 방향으로 기울어진 구조는 광 도파관(330)의 전체 두께를 확장하지 않고도 보다 넓은 방열면적을 확보할 수 있다.Additionally, the
또한, 각 방열패턴(335)에 형성되는 오목부분에는 TOC 측정 시스템에 탑재되어 냉각액 공급부와 연결되는 냉각 배관(CB)이 일정영역, 특히 광원(310)과 인접하여 감긴 형태로 결합될 수 있으며, 이러한 구조를 통해 광 도파관(350)의 온도를 흡수하여 보다 낮게 유지할 수 있다. In addition, in the concave portion formed in each
제1 및 제2 필터(361, 362)는 측정을 원하는 타겟 물질의 특성에 따라 파장을 제한함으로써, 타겟 물질의 특성에 대응하는 파장 대역을 갖는 적외선 광 만이 검출기(390, 392)에 입사되도록 한다.The first and
분석장치(500)는 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 것으로, 제1 및 제2 검출기(390, 392)를 통해 서로 다른 채널의 검출신호를 입력받고, 적어도 둘 이상의 검출신호에 대하여 컨버터, 감가산기 등을 통해 평균값을 산출하거나, 보정계수(k)를 이용하여 보정함으로써 CO2에 대한 농도값을 산출 및 제공할 수 있다.The
또한, 분석장치(500)는 서로 다른 채널의 두 검출신호간 편차가 임계치 이상일 경우 평균값에 보정계수(k)를 곱함으로써 농도값을 보정할 수 있다. Additionally, the
뿐만 아니라, 분석장치(500)는 광 도파관(330)의 일 표면, 특히 온도의 상승률이 높은 위치에 설치되는 온도 센서(600)와 더 연결될 수 있고, 이후 광 도파관(330)으로부터 측정된 온도 검출 결과를 입력받아 농도값 보정시 참조할 수 있다. In addition, the
온도 센서(600)는 NDIR 센서(300)의 온도 변화를 측정할 수 있는 위치, 바람직하게는 광 도파관(330)의 일 표면에 배치될 수 있고, 광 도파관(330)의 온도 측정을 통해 광 도파관(330) 내부를 비롯하여 검출기(391)에 인가되는 온도를 검출할 수 있다. 이러한 온도 센서(600)는 제어장치(630)와 전기적으로 연결되어 온도 측정 결과를 전송할 수 있다. The
제어장치(630)는 온도 센서(600)로부터 전송되는 광 도파관(330)의 현재 온도 측정 결과를 수신할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어장치(630)는 별도의 냉각수 공급부(670)와 더 연결될 수 있고, 온도 측정 결과를 수신하고 일정수준 이상으로 상승한 경우, 냉각수 공급부(670)를 제어하여 냉각수를 광 도파관(330)에 감기는 냉각 배관(CB)에 공급함으로써 광 도파관(330)의 온도를 신속하게 낮출 수 있다. The
이하, 전술한 구조를 갖는 NDIR 센서가 탑재되어 총 유기탄소를 측정하는 본 발명의 실시예에 따른 TOC 측정 시스템을 상세히 설명한다.Hereinafter, a TOC measurement system according to an embodiment of the present invention, which is equipped with an NDIR sensor having the above-described structure and measures total organic carbon, will be described in detail.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널을 갖는 NDIR 센서를 포함하는 TOC 측정 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram showing the structure of a TOC measurement system including an NDIR sensor with multiple channels according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 TOC 측정 시스템(1000)은, 시료를 혼합하여 전달하는 실린지(1100), 다수의 포트를 통해 실린지(1100)와 하나 이상의 용액 공급부(1300) 및 시료 공급부(1350)를 연결하는 회전 밸브(1200), 회전 밸브(1300)와 연결되는 각 배관내 유체, 가스의 이동을 제어하는 MFC(1400), MFC(1400)에 02가스를 공급하는 산소밸브(1500), 실린지(1100) 내부에 수용된 유체를 공급받아 무기탄소가 제거되고 남은 유기탄소를 산화시켜 이산화탄소를 발생시켜 시료 가스를 생성하는 UV-리액터(1600), 발생된 이산화탄소 내부의 수분을 제거하는 수분 제거부(1700) 및, 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터와, 그 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기를 포함하고, 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 NDIR 센서(100)를 포함하고, NDIR 센서(100)는 두 채널의 검출신호를 전송받아 평균값을 통해 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 평균값이 임계치 이상일 경우 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치(500)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the
또한, NDIR 센서(100)는 광 도파관의 온도를 측정하는 온도 센서(600)가 설치될 수 있다.Additionally, the
상세하게는, 실린지(1100)는 총 유기탄소 측정을 위한 분석대상인 시료를 전처리하고 각 구성부로 이송하는 역할을 한다. 이를 위해, 실린지는 시약이나 열에 의한 손상을 최소화할 수 있도록 세라믹 재질로 이루어질 수 있으며, 결합된 플런저(plunger)의 상하 이동에 따라 내부로 액체, 가스 등을 주입하거나 배출할 수 있다.In detail, the
회전 밸브(1200)는 실린지(1100)의 하부에서 정방향 또는 역방향으로 탑재된 포트의 개수에 따라 회전 가능하도록 연결될 수 있다. 일례로서, 10개의 포트를 갖는 회전 밸브(1200)인 경우, 한번에 36°씩 회전 가능하며, 회전시 각 포트 중 어느 하나와 연결 가능한 구조일 수 있다.The
여기서, 회전 밸브(1200)의 10개의 포트는, 막힘 포트, UV 시스템 연결 포트, 시료 포트, 인산 포트, 표준액 포트, 증류수 포트 및 에어 포트를 비롯한 다양한 유체의 이송을 위한 포트 등으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 회전 밸브(1200)는 실린지(1100)의 상하 이동에 따라 시료, 증류수, 인산, NaOH 및 표준액 등을 포함한 서로 다른 유체를 하나씩 실린지(1100)의 내부로 이송시킬 수 있다.Here, the 10 ports of the
특히, 회전 밸브(1200)에 연결되는 복수의 배관 중, 어느 하나는 NDIR 센서(100)의 광 도파관의 외측면 일부를 둘러싸는 형태로 연결될 수 있고, 이러한 냉각 배관(CB)은 회전 밸브(1200)의 포트 연결에 따라 주기적으로 증류수 또는 별도의 냉각수를 이송함으로써 NDIR 센서(100)를 냉각시킬 수 있다.In particular, one of the plurality of pipes connected to the
또한, 전술한 회전 밸브(1200)와 10개의 포트와 각각 연결되며, 실린지(1100)로 증류수, 인산, NaOH 및 표준액 등을 공급하는 공급부(1300) 및 시료 공급부(1350)를 포함할 수 있다.In addition, it is connected to the above-described
MFC(1400)는 산소 밸브(1500)를 향하여 산소가스가 공급되는 공급관과, 회전 밸브(1200)와 UV-리액터(1600) 사이를 연결하는 연결관 사이를 바이패스하는 배관에 구비될 수 있다.The
산소 밸브(1500)는 회전 밸브(1200)를 향해 산소가스를 공급하는 라인에 구비되며 실린지(1100)의 내부로 산소가스를 공급하여 무기탄소를 제거하는 역할을 한다.The
UV-리액터(1600)는 회전 밸브(1200)의 회전에 의해 실린지(1100)의 내부에 수용된 유체를 공급받아, 무기탄소가 제거되고 남은 유기탄소를 산화시켜 이산화탄소를 발생시킨다.The UV-
수분 제거부(1700)는 NDIR 센서(100)의 가스 주입부 및 UV 리액터(1600)와 연결되어 NDIR 센서(100)에 유입되는 가스의 수분을 제거하여 외부로 방출함으로써 센서를 보호하는 역할을 한다. The
이하, 전술한 구조에 따른 NDIR 센서를 포함하는 TOC 측정 시스템의 구동 과정을 설명한다.Hereinafter, the driving process of the TOC measurement system including the NDIR sensor according to the above-described structure will be described.
먼저, 실린지(1100)는 각 용액 공급부(1300)의 증류수, 인산 및 NaOH 등의 가스 시료를 생성할 용액과, 시료 공급부(1350)의 액체 시료를 회전 밸브(1200)의 각 포트를 통해 내부로 이송하게 된다.First, the
이때, 회전 밸브(1200)는 초기 막힘 위치에 배치되며, 측정시 정방향 또는 역방향으로 36°씩 회전하여 총 10 개의 포트로 이동할 수 있어 각 포트 에 해당되는 유체와 실린지가 연결되어, 실린지(1100) 상하 운동에 의해 각 유체를 이송할 수 있다.At this time, the
측정이 시작되면, 초기화 단계에서 회전 밸브(1200)는 막힘 위치로 실린지(1100)는 시작 위치로 이동하게 되고, 회전 밸브(1200)가 정방향으로 회전하여 포트가 변경되면 실린지(1100)가 시료 공급부(1350)와 연결되고, 이후 실린지(1100)가 상부로 이동하여 그 내부로 시료를 이송시킬 수 있다.When the measurement starts, in the initialization stage, the
그리고, 회전 밸브(1200)가 시료 공급부(1350)와 연결된 위치에서 정방향으로 소정각도 순차적으로 이동하면, 실린지(1100)와 각 용액 공급부(1300)가 서로 연결되고, 실린지(1100)가 상부로 이동하여 인산 등 준비된 각종 용액을 실린지(1100)의 내부로 이송시킬 수 있다.Then, when the
이때, 실린지(1100)에 탑재되는 혼합기가 가동되어 실린지(1100)의 내부에서 시료와 용액이 혼합될 수 있다.At this time, the mixer mounted on the
또한, 시료와 용액이 혼합되는 과정 중에 발생하는 무기탄소를 제거하기 위해, 회전 밸브(1200)는 정방향으로 소정각도 이동할 수 있으며, 산소 밸브(1500)가 개방되면서 실린지(1100)의 내부로 산소가스가 유입될 수 있다.In addition, in order to remove inorganic carbon generated during the process of mixing the sample and the solution, the
여기서, 도시되어 있지는 않으나, 회전 밸브(1200)와 산소밸브(1500) 사이를 연결하는 배관에 별도의 보조밸브를 더 설치하여 실린지(1100)의 내부로 공급되는 산소 가스량을 조절할 수도 있다.Here, although not shown, a separate auxiliary valve may be installed in the pipe connecting the
다음으로, MFC(Mass Flow Controller; 1400)가 온(On) 되어, 배관을 통해 형성된 유로 내부에 존재하는 CO2를 제거할 수 있다. TOC 측정 작업이 완료된 이후, MFC(1400)은 오프(OFF)될 수 있다.Next, the Mass Flow Controller (MFC) 1400 is turned on to remove CO 2 present inside the flow path formed through the piping. After the TOC measurement task is completed, the
그리고, 무기탄소가 제거된 이후, 회전 밸브(1200)는 역방향으로 소정각도 회전하여 NaOH를 공급하는 용액 공급부(1300)와 연결될 수 있고, 이와 함께, 실린지(1100)가 상부로 이동하고, 회전 밸브(1200)는 정방향으로 소정각도 회전하여 막힘 위치에 위치한 후 수용된 유체를 혼합한다.Then, after the inorganic carbon is removed, the
혼합 과정이 진행되면, 회전 밸브(1200)는 다시 정방향으로 이동하고, 실린지(1100)는 하부로 이동하여 실린지(1100)의 내부에서 혼합된 유체를 UV-리액터(1600)로 이송할 수 있다.As the mixing process progresses, the
다음으로, UV 리액터(1600)는 유기탄소를 분해하여 CO2를 발생시키는데, 이때 발생된 CO2는 MFC(1400)에서 산소 가스 제어를 통해 수분 제거부(1700)를 통과하며 수분이 제거된다.Next, the
이후, CO2는 NDIR 센서(100)로 이송되어 TOC측정 값으로 환산된다. NDIR 센서(100)는 비분산적외선을 이용하여 UV-리액터(1600)는 CO2의 농도를 검출함으로써 이후 시료에 포함된 TOC를 산출하는 데 이용되게 된다.Afterwards, CO 2 is transferred to the
또한, NDIR 센서(100)에 탑재되는 분석장치는 두 채널로부터 입력된 검출신호를 비교하여 편차가 임계치 미만이면 평균값을 산출하고, 임계치 이상이면 두 채널로부터 입력된 검출신호의 차값에 보정계수(k)를 이용하여 보정을 수행함으로써, 소자 열화 등에 의한 오차 발생을 최소화할 수 있다. In addition, the analysis device mounted on the
또한, NDIR 센서(100)는 가스 시료로부터 CO2 검출시 광 도파관에 설치된 온도 센서로부터 실시간으로 온도 측정을 수행하여 보정계수(k)에 반영하거나, 제어장치를 통해 광원의 온도는 낮추거나, 냉각 배관(CB)으로 냉각수를 공급하여 광 도파관의 온도를 낮출 수 있다.In addition, when CO 2 is detected from a gas sample, the
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.Although many details are described in detail in the above description, this should be interpreted as an example of a preferred embodiment rather than limiting the scope of the invention. Therefore, the invention should not be determined by the described embodiments, but by the scope of the patent claims and their equivalents.
100, 200, 300 : NDIR 센서
110, 211, 212, 220 : 광원
130, 230, 330 : 광 도파관
161, 261, 361 : 제1 필터
162, 262, 362 : 제2 필터
191, 291, 390 : 제1 검출기
192, 292, 392 : 제2 검출기
500 : 분석장치
510 : A/D 컨버터
520 : 노이즈 제거부
530 : 평균값 산출부
540 : 보정부
550 : 표시장치
600 : 온도 센서
630 : 제어장치
650 : 냉각기
670: 냉각수 공급부100, 200, 300:
130, 230, 330:
162, 262, 362:
192, 292, 392: second detector 500: analysis device
510: A/D converter 520: Noise removal unit
530: average value calculation unit 540: correction unit
550: display device 600: temperature sensor
630: Control device 650: Cooler
670: Cooling water supply unit
Claims (9)
양측단으로 개구된 입광부 및 출광부가 형성되고, 상기 광원이 배치되는 입광부를 거쳐 진행하는 광이 내부에 충진된 시료 가스를 통과하여 상기 출광부까지 도달하도록 광 경로를 구성하는 광 도파관;
광 도파관의 출광부에 배치되어 특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터;
상기 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기; 및
두 채널의 검출신호를 전송받아 평균값을 통해 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 상기 평균값이 임계치 이상일 경우 상기 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치
를 포함하는 NDIR 센서.A light source emitting infrared light;
An optical waveguide is formed with a light entering part and a light exiting part opened at both ends, and configures an optical path so that light traveling through the light entering part where the light source is disposed passes through a sample gas filled therein and reaches the light emitting part;
First and second filters disposed at the light exit portion of the optical waveguide and allowing light of a specific wavelength band to pass through;
First and second detectors that generate detection signals by receiving light of different channels that have passed through the first and second filters, respectively; and
An analysis device that receives detection signals from two channels and calculates the concentration value for the target substance through the average value, and corrects and outputs the concentration value if the average value is above the threshold.
NDIR sensor including.
상기 분석장치는,
상기 제1 및 제2 검출기로부터 아날로그 파형인 제1 및 제2 검출신호를 수신하여 디지털 파형으로 변환하는 A/D 컨버터;
디지털 파형의 제1 및 제2 검출신호 내 존재하는 노이즈를 저감하여 제1 및 제2 검출신호의 신호의 선형성을 보상하는 노이즈 제거부;
노이즈가 제거된 제1 및 제2 검출신호의 평균값을 산출하는 평균값 산출부; 및
상기 평균값이 임계치 이상이면 미리 설정된 농도값에 보정계수를 곱하여 보정하는 보정부
를 포함하는 NDIR 센서.According to claim 1,
The analysis device is,
An A/D converter that receives first and second detection signals, which are analog waveforms, from the first and second detectors and converts them into digital waveforms;
a noise removal unit that reduces noise existing in the first and second detection signals of the digital waveform and compensates for the linearity of the first and second detection signals;
an average value calculation unit that calculates the average value of the first and second detection signals from which noise has been removed; and
If the average value is above the threshold, a correction unit corrects by multiplying the preset concentration value by a correction coefficient.
NDIR sensor including.
상기 보정부는,
상기 광 도파관의 일측에 설치되는 온도 센서와 연결되고, 상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 대응하여 상기 보정계수의 크기를 증감하는 것인, NDIR 센서.According to claim 2,
The correction unit,
An NDIR sensor connected to a temperature sensor installed on one side of the optical waveguide and increasing or decreasing the size of the correction coefficient in response to the temperature measured from the temperature sensor.
상기 광 도파관은,
외표면이 수직방향으로 일정 높이 돌출되어 요철형상을 이루는 방열패턴을 더 포함하는 것인, NDIR 센서.According to claim 1,
The optical waveguide is,
An NDIR sensor whose outer surface further includes a heat dissipation pattern that protrudes at a certain height in the vertical direction and forms a concavo-convex shape.
상기 NDIR 센서는,
상기 광 도파관의 외표면에 설치된 온도 센서와 연결되는 제어장치를 포함하고,
상기 제어장치는,
상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 대응하여 상기 광원을 냉각하는 냉각기와 더 연결되는 것인, NDIR 센서.According to claim 1 or 4,
The NDIR sensor is,
It includes a control device connected to a temperature sensor installed on the outer surface of the optical waveguide,
The control device is,
The NDIR sensor is further connected to a cooler that cools the light source in response to the temperature measured from the temperature sensor.
상기 제1 및 제2 필터가 장착되며 회전 가능한 제1 디스크; 및
상기 제1 디스크와 나란히 배치되고, 상기 제1 및 제2 검출기가 장착되며 회전 가능한 제2 디스크를 포함하고,
상기 제1 및 제2 디스크는,
어느 하나 또는 모두 회전됨에 따라, 상기 광 도파관의 출광부와, 제1 또는 제2 필터와, 제1 또는 제2 검출기를 일렬로 배치하는 것인, NDIR 센서.According to claim 1,
a first rotatable disk on which the first and second filters are mounted; and
A second disk disposed in parallel with the first disk, equipped with the first and second detectors, and rotatable,
The first and second disks,
An NDIR sensor that arranges the light emitting part of the optical waveguide, the first or second filter, and the first or second detector in a line as one or both are rotated.
다수의 포트를 통해 상기 실린지와 하나 이상의 용액 공급부 및 시료 공급부를 연결하는 회전 밸브;
상기 회전 밸브와 연결되는 각 배관내 유체, 가스의 이동을 제어하는 MFC;
상기 MFC에 02가스를 공급하는 산소밸브;
상기 실린지 내부에 수용된 유체를 공급받아 무기탄소가 제거되고 남은 유기탄소를 산화시켜 이산화탄소를 발생시켜 시료 가스를 생성하는 UV-리액터;
발생된 이산화탄소 내부의 수분을 제거하는 수분 제거부; 및
특정 파장대역의 광을 통과시키는 제1 및 제2 필터와, 상기 제1 및 제2 필터를 각각 통과한 서로 다른 채널의 광을 수광하여 검출신호를 생성하는 제1 및 제2 검출기를 포함하고, 상기 검출신호를 전송받아 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하는 NDIR 센서를 포함하고,
상기 NDIR 센서는,
두 채널의 검출신호를 전송받아 평균값을 통해 상기 타겟 물질에 대한 농도값을 산출하되, 상기 평균값이 임계치 이상일 경우 상기 농도값을 보정하여 출력하는 분석장치를 포함하는 것인, TOC 측정 시스템.A syringe that mixes and delivers samples;
a rotary valve connecting the syringe to one or more solution supply units and a sample supply unit through a plurality of ports;
MFC controlling the movement of fluid and gas within each pipe connected to the rotary valve;
An oxygen valve supplying 0 2 gas to the MFC;
a UV-reactor that receives the fluid contained within the syringe, removes inorganic carbon, oxidizes the remaining organic carbon, and generates carbon dioxide to generate sample gas;
A moisture removal unit that removes moisture inside the generated carbon dioxide; and
It includes first and second filters that pass light of a specific wavelength band, and first and second detectors that generate detection signals by receiving light of different channels that pass through the first and second filters, respectively, It includes an NDIR sensor that receives the detection signal and calculates a concentration value for the target substance,
The NDIR sensor is,
A TOC measurement system comprising an analysis device that receives detection signals from two channels and calculates a concentration value for the target material through the average value, and corrects and outputs the concentration value when the average value is greater than a threshold.
상기 NDIR 센서는, 광 도파관은 외표면이 수직방향으로 일정 높이 돌출되어 요철형상을 이루는 방열패턴을 더 포함하고,
상기 회전 밸브의 어느 하나의 포트에 연결되어 냉각액이 이송되며, 상기 방열패턴의 요 형상 내부에 감기는 냉각 배관
을 더 포함하는 TOC 측정 시스템.According to claim 7,
In the NDIR sensor, the optical waveguide further includes a heat dissipation pattern whose outer surface protrudes at a certain height in the vertical direction to form a concavo-convex shape,
A cooling pipe connected to a port of the rotary valve through which cooling liquid is transferred and wound inside the yaw shape of the heat dissipation pattern.
TOC measurement system further comprising:
상기 회전 밸브는,
시료 가스 생성 공정 중, 높은 온도에서 화학 반응이 활성화되는 시료 또는 용액의 이송시, 상기 냉각 배관과 담긴 시료 공급부 또는 용액 공급부를 연결하는 것인, TOC 측정 시스템.According to claim 8,
The rotary valve is,
A TOC measurement system that connects the cooling pipe and the contained sample supply or solution supply when transferring a sample or solution in which a chemical reaction is activated at a high temperature during the sample gas generation process.
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KR1020220094751A KR20240016689A (en) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Ndir sensor having multiple channel and toc measuring system including the same |
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
KR102114557B1 (en) | 2018-11-13 | 2020-05-22 | 건국대학교 산학협력단 | A NDIR analyzer using Two Functional Channels |
-
2022
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR102114557B1 (en) | 2018-11-13 | 2020-05-22 | 건국대학교 산학협력단 | A NDIR analyzer using Two Functional Channels |
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