KR100351975B1 - Opto-acoustic gas analyzer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배출가스 측정용 광음향 센서에 관한 내용으로, 특히 자동차 등의 배출가스에 포함되어 있는 특정 기체의 성분을 정밀하게 분석함에 있어서 각 기체마다 다르게 발신되는 광음향 신호를 다 수의 마이크로폰으로 측정하여 정밀 분석 결과를 산출해 내는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a photoacoustic sensor for measuring the emission gas, in particular in the precise analysis of the components of a particular gas contained in the exhaust gas, such as automobiles, the photoacoustic signal transmitted differently for each gas to a plurality of microphones It relates to a device for measuring and producing a precise analysis result.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적외선을 조사하는 적외선광원과, 상기 적외선광원으로부터 조사된 적외선을 집광하고 이를 펄스 형태로 변조시키는 Chopper와, 상기 Chopper를 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 협대역 필터로 구성되는 발광부와 측정 대상인 가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 샘플 셀과, 상기 협대역 필터와 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플 가스를 구성하는 기체 성분이 함유되지 않은 표준가스가 주입되며, 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 표준 셀과, 상기 샘플 셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있는 제 1 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 1 기준가스 셀과, 상기 표준 셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있으나 상기 제 1 기준가스의 농도와는 다르거나 같은 농도를 가지는 제 2 기준가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 2 기준가스 셀과, 상기 제 1 기준가스 셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 1 기준가스 셀의 몸체 내부로조사된 빛을 재반사 시키는 제 1 반사거울과, 상기 제 2 기준가스 셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 2 기준가스 셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사 시키는 제 2 반사거울로 구성되는 광학셀 부와;In order to achieve the object of the present invention, an infrared light source for irradiating infrared rays, a chopper for collecting the infrared light emitted from the infrared light source and modulating it into a pulse form, and passing only light of a specific wavelength of the infrared light passing through the chopper A light emitting unit configured as a narrowband filter and a gas to be measured are injected, and a sample cell through which light from the narrowband filter passes, and a gas component connected to the narrowband filter and constituting the sample gas is not contained in the body. Standard gas is injected, and the standard cell through which light from the narrow-band filter passes, and the gas containing the same components as the gas constituting the sample gas inside the body and connected to the sample cell are already known. A first reference gas into which a first reference gas is injected and light from the narrow-band filter passes And a second reference gas which is connected to the standard cell and has the same concentration as a gas containing the same component as the gas constituting the sample gas in the body, but has a concentration different from or equal to that of the first reference gas. Is injected into the second reference gas cell through which light from the narrow band pass filter passes, and is attached to an end wall of the first reference gas cell and re-reflects the light irradiated into the body of the first reference gas cell. An optical cell unit comprising a first reflecting mirror and a second reflecting mirror attached to an end wall of the second reference gas cell and reflecting light irradiated into the body of the second reference gas cell;
상기 샘플 셀에 부착되며 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 샘플 셀 마이크로폰과, 상기 제 1 기준 셀에 부착되며 상기 제 1 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 기준 셀 마이크로폰과, 상기 제 2 기준 셀에 부착되며 상기 제 2 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 기준 셀 마이크로폰과, 상기 표준 셀(220d)에 부착되며 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 표준 셀 마이크로폰과, 상기 샘플 셀과 상기 제 1 기준 셀의 사이에 부착되며 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준 셀 간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 피에조센서와, 상기 표준 셀과 상기 제 2 기준 셀의 사이에 부착되며 상기 표준 셀과 상기 제 2 기준 셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 피에조센서로 구성되는 검출부와;A sample cell microphone attached to the sample cell and detecting the photoacoustic of the sample gas and converting the photoacoustic into a form of an alternating voltage; and a photocell attached to the first reference cell and detecting the photoacoustic of the first reference gas. A first reference cell microphone for converting to a form of a second reference cell, a second reference cell microphone attached to the second reference cell for detecting an optoacoustic sound of the second reference gas and converting the photoacoustic into a form of an alternating voltage; A reference cell microphone attached to the second reference cell for detecting the photoacoustic sound of the standard gas and converting the photoacoustic signal into an alternating voltage, and between the sample cell and the first reference cell. A first piezoelectric sensor for detecting a differential pressure of the liver and converting it into a form of an alternating voltage, and attached between the standard cell and the second reference cell; And the second detector consisting of two piezo sensor that converts the form of the second reference cell to the AC voltage it detects a pressure difference between;
상기 Chopper 및 상기 검출부와 전기적으로 연결되며 상기 검출부가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시키는 신호처리부를 포함하는 배출가스 측정용 광음향센서를 제공한다.It is electrically connected to the chopper and the detector, and provides a photoacoustic sensor for exhaust gas measurement including a signal processor for removing and amplifying a noise component of the AC voltage sensed by the detector and converting it back to a DC voltage.
Description
본 발명은 배출가스 측정용 광음향센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 등의 배출가스에 포함되어 있는 특정 기체의 성분을 정밀하게 분석함에 있어서 각 기체마다 다르게 발신되는 광음향 신호를 다수개의 마이크로폰으로 착신한 후 이를 보정한 분석 결과를 산출해 내는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a photoacoustic sensor for exhaust gas measurement, and more particularly, to a plurality of microphones for photoacoustic signals transmitted differently for each gas in precisely analyzing a component of a specific gas included in the exhaust gas of an automobile. The present invention relates to a device for producing an analysis result after receiving an incoming call.
자동차 등의 배출가스에는 일반적으로 CO, CO2, SOX, NOX, HC, H2O등의 다양한 기체 성분이 포함되어 있는데, 상기 기체들 중 일부는 대기오염을 유발시키는 오염원으로 작용하기도 한다.Exhaust gases such as automobiles generally contain various gas components such as CO, CO 2 , SO X , NO X , HC, H 2 O, and some of these gases also serve as pollutants that cause air pollution. .
그런데, 최근 심각한 환경공해 및 이에 대한 대책 마련이 초미의 관심사로 대두되면서 상기 오염원에 대한 규제 방안이 점차 구체적으로 논의되고 있는 바, 이의 일면으로 자동차 배출가스에 대한 규제가 더욱 강화된 것은 자동차 등의 배출가스가 대기오염의 가장 큰 원인이 라는 측면을 고려할 때 매우 자연스러운 현상이다. 이때, 자동차 배출가스에 대한 규제 방안을 마련함에 있어서 필수적으로 요청되는 절차가 바로 배출가스의 성분 및 농도를 분석하는 것이다.However, as the recent serious environmental pollution and the provision of countermeasures have emerged as a very small concern, the regulation of the pollutant sources is gradually discussed in detail. This is a very natural phenomenon considering that emissions are the biggest source of air pollution. At this time, the essential procedure required in preparing a regulation for automobile emissions is to analyze the composition and concentration of the emissions.
상기와 같이 배출가스의 성분 및 농도를 분석하기 위하여 종래에는 포토다이오드를 이용한 적외선센서(IR)를 사용한다.In order to analyze the composition and concentration of the exhaust gas as described above, an infrared sensor (IR) using a photodiode is conventionally used.
도 1에서 나타낸 것이 바로 종래의 기술에 따른 적외선센서이다.1 is an infrared sensor according to the prior art.
상기 적외선센서는 적외선광원(110)과, 샘플셀(120)과, 협대역필터(130)와, 포토다이오드(140)로 구성되어 있다.The infrared sensor is composed of an infrared light source 110, a sample cell 120, a narrowband filter 130, and a photodiode 140.
상기 적외선광원(110)은 적외선을 상기 샘플셀(120) 내로 조사하고, 상기 샘플셀(120)에는 분석 대상이 되는 샘플가스가 주입되며. 상기 협대역필터(130)는 상기 샘플셀(120)을 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 걸러낸다. 그리고, 상기 포토다이오드(140)는 상기 협대역필터(130)를 통과한 빛의 조도를 측정한다.The infrared light source 110 irradiates infrared rays into the sample cell 120, and a sample gas to be analyzed is injected into the sample cell 120. The narrowband filter 130 filters only light having a specific wavelength among infrared rays passing through the sample cell 120. In addition, the photodiode 140 measures illuminance of light passing through the narrowband filter 130.
상기 적외선센서는 특정 기체가 특정 파장의 빛만을 흡수한다는 성질에 착안하여 이루어진 것인 바, 상기 샘플셀(120)에 샘플가스를 주입한 상태에서 상기 적외선광원(110)으로부터 적외선이 조사되면 상기 샘플가스는 특정 파장의 빛만을 흡수한다. 이때, 상기 협대역필터(130)를 이용하여 상기 샘플가스가 흡수하는 파장대의 빛만을 걸러내도록 하면, 상기 포토다이오드(140)는 애초에 상기 적외선광원(110)으로부터 조사되던 적외선보다 조도가 훨씬 떨어지는 빛을 감지하게 된다.The infrared sensor is made by focusing on the property that a specific gas absorbs only light having a specific wavelength. When the infrared light is irradiated from the infrared light source 110 while injecting the sample gas into the sample cell 120, the sample The gas only absorbs light of a certain wavelength. In this case, when the narrow band filter 130 to filter only the light of the wavelength band absorbed by the sample gas, the photodiode 140 is far less light than the infrared light irradiated from the infrared light source 110 in the first place Will be detected.
관측자는 어느 파장대에서 빛의 조도가 감소했는지를 분석함으로써 샘플가스에 포함된 기체 성분을 파악할 수 있다.The observer can determine the gas content contained in the sample gas by analyzing which wavelength range the light intensity has decreased.
또한, 샘플가스에 포함된 기체의 농도는 베어의 법칙(Beer's law)에 따라 구할 수 있다.In addition, the concentration of the gas contained in the sample gas can be obtained according to the Bear's law.
베어의 법칙은Bear's law
It= Io·EXP(-A·C·L), I t = I o · EXP ( -A · C · L),
Io= ΔI + It I o = ΔI + I t
와 같이 구성되는데, 여기서 Io는 상기 적외선광원(110)으로부터 조사된 적외선의 조도, It는 상기 포토다이오드(140)가 감지하는 빛의 조도, A는 샘플가스의 흡광계수, C는 샘플가스의 농도, L은 상기 샘플셀(120)의 길이를 나타내며, ΔI는 샘플가스의 흡광량을 나타낸다.Wherein I o is the illuminance of the infrared light emitted from the infrared light source 110, I t is the illuminance of the light detected by the photodiode 140, A is the absorption coefficient of the sample gas, and C is the sample gas. The concentration, L represents the length of the sample cell 120, ΔI represents the absorbance of the sample gas.
상기 적외선센서의 경우에는 It, Io, A, L에 해당하는 값을 이미 알고 있으므로, 이 값들을 상기 비어의 법칙에 대입하면 결국 나머지 하나의 인자인 C, 즉 샘플가스의 농도를 구할 수 있게 된다.In the case of the infrared sensor, since the values corresponding to I t , I o , A, and L are already known, substituting these values into the Beer's law yields the other factor C, that is, the concentration of the sample gas. Will be.
그러나, 상기 적외선센서는 샘플가스의 농도(C)가 낮을 경우에는 샘플가스의 흡광량(ΔI)이 상기 적외선광원(110)으로부터 조사된 적외선의 조도(It)에 비해 상대적으로 극히 미미하므로 저농도에서의 측정 정밀도가 현저히 저하되는 단점을 가지고 있다.However, when the concentration C of the sample gas is low, the infrared sensor has a low concentration because the absorbance amount ΔI of the sample gas is relatively insignificant compared to the illuminance I t irradiated from the infrared light source 110. This has the disadvantage that the measurement accuracy at is significantly reduced.
따라서, 저농도에서의 측정 정밀도를 높이기 위해서는 상기 샘플셀(120)의 길이(L)를 늘이는 수밖에 없으나, 이 경우도 장비 제작상 늘일 수 있는 샘플셀(120)의 길이가 한정되어 있으므로 그리 타당한 방법이 될 수 없다.Accordingly, in order to increase the measurement accuracy at low concentration, the length L of the sample cell 120 is inevitably increased, but in this case, the length of the sample cell 120 that can be extended in manufacturing the equipment is limited. Can't be.
결국, 상기 적외선센서는 샘플가스의 농도가 1 ppm 이상에서는 어느 정도 측정 신뢰도를 가지나, 그 이하의 영역에서는 측정 신뢰도가 현저히 저하되므로 실용성이 없다고 할 수 있다.As a result, the infrared sensor has a certain degree of measurement reliability when the sample gas concentration is 1 ppm or more.
상기 적외선센서의 문제점을 해소하기 위하여, 최근에는 비분산 적외선 센서(NDIR)(미도시)가 개발되었다.In order to solve the problem of the infrared sensor, a non-dispersive infrared sensor (NDIR) (not shown) has recently been developed.
상기 비분산적외선센서는 저농도에서의 측정 정밀도를 높이기 위하여 상기 포토다이오드(140)의 검출한계를 개선하였는 바, 그 개선 형태에 따라 상기 비분산적외선센서를 양자형, 초전형, 광음향검출형의 세 가지로 나눌 수 있다.The non-dispersion infrared sensor has improved the detection limit of the photodiode 140 in order to increase the measurement accuracy at low concentration, according to the improved form of the non-dispersion infrared sensor of the quantum type, pyroelectric type, photoacoustic detection type It can be divided into three.
그러나, 상기 양자형 비분산적외선센서는 냉각장치가 반드시 필요하며, 상기 초전형 비분산적외선센서는 피에조 센서(Piezo Sensor)만을 사용하므로 구조가 복잡하고 가격이 비싸지는 단점이 있다.However, the quantum non-dispersion infrared sensor must have a cooling device, the pyroelectric non-dispersion infrared sensor uses only a piezo sensor has a disadvantage in that the structure is complicated and expensive.
또한, 상기 광음향검출형 비분산적외선센서는 마이크로폰을 사용하는데, 이 경우도 역시 개개의 셀 구조 및 마이크로폰의 배치 상 측정 신뢰도에 문제가 있다.In addition, the photoacoustic detection type non-dispersive infrared sensor uses a microphone, in which case there is also a problem in the measurement reliability of the individual cell structure and placement of the microphone.
즉, 상기 광음향검출형 비분산적외선센서는 일반적으로 1개의 샘플셀과 1개의 기준 셀을 갖는 구조로서 상기 기준 셀에는 1개의 마이크로폰만이 부착되고 상기 마이크로폰은 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀 간에 발생하는 다이아프램 차압을 감지하는 역할을 하는 바, 이는 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀에서 발생하는 절대적인 광음향값을 측정하는 것이 아니라 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀간의 상대적인 광음향 차이만을 측정한다는 점에서 측정 신뢰도에 한계가 있다.That is, the photoacoustic detection type non-dispersive infrared sensor generally has one sample cell and one reference cell, and only one microphone is attached to the reference cell, and the microphone is generated between the sample cell and the reference cell. It measures the diaphragm differential pressure, which is measured in that it measures only the relative optoacoustic difference between the sample cell and the reference cell, not the absolute photoacoustic value generated in the sample cell and the reference cell. There is a limit to reliability.
또한, 상기 광음향검출형 비분산 적외선 센서는 시료가스의 광음향을 측정할 때에 존재하는 노이즈가 시료가스의 광음향에 영향을 미침에도 불구하고, 이에 대한 대책을 갖추고 있지 않으므로 문제가 된다.In addition, the photoacoustic detection type non-dispersion infrared sensor is a problem because the noise existing when measuring the photoacoustic of the sample gas affects the photoacoustic of the sample gas.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하면서도 저농도에서의 측정 신뢰도가 매우 높은 배출가스 측정용 광음향센서를 제공하는 것이다.The present invention has been conceived to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a photoacoustic sensor for exhaust gas measurement with a simple structure and very high measurement reliability at low concentrations.
도 1은 종래의 기술에 따른 적외선센서를 나타내는 도면.1 is a view showing an infrared sensor according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 배출가스 측정용 광음향센서를 나타내는 도면.2 is a view showing a photoacoustic sensor for measuring exhaust gas according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 배출가스 측정용 광음향센서의 신호처리부에서의 신호처리 과정을 나타내는 도면.Figure 3 is a view showing a signal processing process in the signal processing unit of the photoacoustic sensor for measuring the exhaust gas in accordance with the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명** Brief description of symbols for the main parts of the drawings *
110 : 적외선광원 120 : 샘플셀110: infrared light source 120: sample cell
130 : 협대역필터 140 : 포토다이오드130: narrow band filter 140: photodiode
210 : 발광부 220 : 광학셀부210: light emitting unit 220: optical cell unit
230 : 검출부 240 : 신호처리부230: detector 240: signal processor
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적외선을 조사하는 적외선광원과, 상기 적외선광원으로부터 조사된 적외선을 집광하고 이를 펄스 형태로 변조시키는 쵸퍼와, 상기 쵸퍼를 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 협대역필터로 구성되는 발광부와; 상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 측정 대상인 샘플가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 샘플셀과, 상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체 성분이 함유되지 않은 표준가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 표준셀과, 상기 샘플셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있는 제 1 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 1 기준셀과, 상기 표준셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있으나 상기 제 1 기준가스의 농도와는 다른 농도를 가지는 제 2 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 2 기준셀과, 상기 제 1 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 1 기준셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사시키는 제 1 반사거울과, 상기 제 2 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 2 기준셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사시키는 제 2 반사거울로 구성되는 광학셀부와; 상기 샘플셀에 부착되며 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 샘플셀 마이크로폰과, 상기 제 1 기준셀에 부착되며 상기 제 1 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로전환시키는 제 1 기준셀 마이크로폰과, 상기 제 2 기준셀에 부착되며 상기 제 2 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 기준셀 마이크로폰과, 상기 표준셀(220d)에 부착되며 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 표준셀 마이크로폰과, 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀의 사이에 부착되며 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 피에조센서와, 상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀의 사이에 부착되며 상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 피에조센서로 구성되는 검출부와; 상기 쵸퍼 및 상기 검출부와 전기적으로 연결되며 상기 검출부가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시키는 신호처리부를 포함하는 배출가스 측정용 광음향센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention passes only an infrared light source for irradiating infrared rays, a chopper for collecting the infrared light emitted from the infrared light source and modulating it into a pulse form, and only light of a specific wavelength of the infrared light passing through the chopper A light emitting unit comprising a narrow band filter; A sample cell is connected to the narrowband filter and is injected into the body, and a sample cell through which light from the narrowband filter passes, and a gas component connected to the narrowband filter and constituting the sample gas is provided in the body. A standard cell that contains no standard gas is injected and light from the narrowband filter passes, and a gas which is connected to the sample cell and contains the same components as the gas constituting the sample gas inside the body, and the concentration is already known. A first reference gas into which the first reference gas is injected and the light from the narrowband filter passes, and a concentration of the first reference cell connected to the standard cell and the same component as the gas constituting the sample gas in the body. Although the second reference gas having a concentration different from the concentration of the first reference gas is introduced into the narrow A second reference cell through which light from the inverse filter passes, a first reflection mirror attached to an end wall of the first reference cell and re-reflecting light irradiated into the body of the first reference cell, and the second An optical cell unit attached to an end wall of the reference cell and configured of a second reflecting mirror to reflect back light irradiated into the body of the second reference cell; A sample cell microphone attached to the sample cell and detecting the photoacoustic of the sample gas and converting the photoacoustic into a form of an alternating voltage; and a photocell attached to the first reference cell and detecting the photoacoustic of the first reference gas. A first reference cell microphone for converting into a form of a second reference cell, a second reference cell microphone attached to the second reference cell for detecting an optoacoustic sound of the second reference gas and converting it into an AC voltage form; A reference cell microphone attached to the second reference cell and detecting the photoacoustic sound of the standard gas and converting the photoacoustic signal into an AC voltage; and between the sample cell and the first reference cell. A first piezoelectric sensor for detecting a differential pressure between the reference cell and converting it into a form of an alternating voltage, and attached between the standard cell and the second reference cell; A detector comprising a second piezo sensor for detecting a differential pressure between two reference cells and converting the pressure into a form of an AC voltage; It is electrically connected to the chopper and the detection unit provides a photoacoustic sensor for exhaust gas measurement including a signal processing unit for removing and amplifying a noise component of the AC voltage sensed by the detection unit and converts it back to a DC voltage.
이하, 첨부한 도면을 바탕으로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 광음향센서를 나타내는 도면이다.2 is a view showing a photoacoustic sensor according to the present invention.
상기 광음향센서는 발광부(210)와; 광학셀부(220)와; 검출부(230)와; 신호처리부(240)로 구성되어 있다.The photoacoustic sensor and the light emitting unit 210; An optical cell unit 220; A detector 230; It is composed of a signal processor 240.
상기 발광부(210)는 적외선광원(210a)과; 쵸퍼(210b)와; 협대역필터(210c)로 구성되며, 상기 광학셀부(220)로 특정 파장의 자외선을 조사하는 역할을 한다.The light emitting unit 210 and the infrared light source (210a); A chopper 210b; It consists of a narrow-band filter 210c, and serves to irradiate ultraviolet light of a specific wavelength to the optical cell unit 220.
이때, 상기 적외선광원(210a)과, 상기 쵸퍼(210b)와, 상기 협대역필터(210c)는 이 순서대로 위치함이 바람직하다.At this time, the infrared light source 210a, the chopper 210b, and the narrowband filter 210c are preferably located in this order.
상기 적외선광원(210a)은 상기 광학셀부(220)로 조사할 적외선을 방출하는데, 이를 위하여 상기 적외선광원(210a)은 일반적으로 니크롬선이나 탄소막대를 가열한 것을 사용한다.The infrared light source 210a emits infrared rays to be irradiated to the optical cell unit 220. For this purpose, the infrared light source 210a generally uses a nichrome wire or a carbon rod heated.
상기 쵸퍼(210b)는 상기 적외선광원(210a)으로부터 발생한 적외선을 집광하고 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)를 통해 감지되는 광음향의 주파수와 대응하기 위해 적외선을 펄스(pulse) 형태로 변조시키는 장치이다.The chopper 210b modulates the infrared rays in the form of pulses in order to collect the infrared rays generated from the infrared light source 210a and to correspond to the frequency of the photoacoustics detected by the detector 230 and the signal processor 240. Device.
즉, 상기 쵸퍼(210b)에는 빛이 통과할 수 있는 구멍이 일정 간격으로 배열되어 있는 바, 상기 쵸퍼(210b)가 회전함에 따라 일정 시간 간격으로 빛이 통과하거나 차단되는 현상이 반복되므로 결국 상기 광학셀부(220)가 받아들이는 빛은 펄스 형태를 띄게 된다.That is, since the holes through which the light can pass are arranged in the chopper 210b at regular intervals, as the chopper 210b rotates, the light is repeatedly passed or blocked at a predetermined time interval. The light received by the cell unit 220 is in the form of a pulse.
따라서, 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체는, 빛이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하여 상기 광학셀부(220)로 조사되면 이를 흡수하여 광음향을 발생시키고, 반대로 빛이 상기 쵸퍼(210b)에서 차단되어 상기 광학셀부(220)로 조사되지 못하면 아무런 반응을 하지 않으므로, 결국 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)가 감지하는 광음향도 역시 펄스 형태를 띄게 된다. 이때, 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 빛의 주파수와 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)가 감지하는 광음향의 주파수는 서로 동일하다.Therefore, the gas injected into the optical cell unit 220 absorbs light when it passes through the chopper 210b and irradiates the optical cell unit 220 to generate photoacoustic sounds, and conversely, the light is the chopper 210b. If the light is not blocked by the optical cell unit 220 and does not react, the photoacoustic detected by the detector 230 and the signal processor 240 also has a pulse shape. At this time, the frequency of the light passing through the chopper 210b and the photoacoustic frequency detected by the detector 230 and the signal processor 240 are the same.
상기 협대역필터(210c)는 상기 적외선광원(210a)으로부터 발생한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시킨다.The narrowband filter 210c passes only light having a specific wavelength among infrared rays generated from the infrared light source 210a.
따라서, 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체는, 상기 협대역필터(210c)를 통과하는 빛의 파장이 흡수 가능한 영역의 것이면 이를 흡수하여 광음향을 발생시키고, 반대로 상기 협대역필터(210c)를 통과하는 빛의 파장이 흡수 가능한 영역의 것이 아니면 아무런 반응을 하지 않으므로, 이를 통하여 관측자는 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체의 종류를 파악할 수 있으며, 이와 동시에 기체가 발생시키는 광음향의 세기를 측정함으로써 기체의 농도까지 알아낼 수 있다.Accordingly, the gas injected into the optical cell unit 220 absorbs the light having the wavelength of light passing through the narrow band filter 210c in the absorbable region, thereby generating photoacoustics, and conversely, the narrow band filter 210c. If the wavelength of the light passing through) is not in the absorbable region, no reaction is performed, and thus the observer can determine the type of gas injected into the optical cell unit 220, and at the same time, the photoacoustic generated by the gas By measuring the intensity of the gas concentration can be found.
상기 광학셀부(220)는 샘플셀(220a)과; 제 1 기준 셀(220b)과; 제 2 기준 셀(220c)과; 표준셀(220d)과; 제 1 반사거울(220e)과; 제 2 반사거울(220f)로 구성된다.The optical cell unit 220 and the sample cell 220a; A first reference cell 220b; A second reference cell 220c; A standard cell 220d; A first reflection mirror 220e; And a second reflecting mirror 220f.
상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)은 서로 연결되어 한 조를 이루며, 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)도 서로 연결되어 한 조를 이룬다.The sample cell 220a and the first reference cell 220b are connected to each other to form a group, and the standard cell 220d and the second reference cell 220c are connected to each other to form a group.
상기 제 1 반사거울(220e)은 상기 제 1 기준셀(220b)의 끝단 벽면에 부착되며, 상기 제 2 반사거울(220f)은 상기 제 2 기준셀(220c)의 끝단 벽면에 부착된다.The first reflecting mirror 220e is attached to the end wall of the first reference cell 220b, and the second reflecting mirror 220f is attached to the end wall of the second reference cell 220c.
상기 적외선광원(210a)으로부터 발광된 빛은 두 갈래로 나뉘어져 각각 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b) 및 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)을 통과하게 된다.The light emitted from the infrared light source 210a is divided into two branches to pass through the sample cell 220a, the first reference cell 220b, the standard cell 220d, and the second reference cell 220c, respectively. do.
상기 샘플 셀(220a)에는 샘플가스가 주입되는데, 이때 상기 샘플가스라 함은 본 발명에 따른 광음향센서에 의해 농도가 측정되는 가스를 의미한다.Sample gas is injected into the sample cell 220a, wherein the sample gas means a gas whose concentration is measured by the photoacoustic sensor according to the present invention.
상기 제 1 기준셀(220b)에는 제 1 레퍼런스가스가 주입되고, 상기 제 2 기준셀(220c)에는 제 2 레퍼런스가스가 주입되는데, 이때 상기 레퍼런스가스라 함은 이미 농도가 알려진 가스로서 상기 샘플가스와 동종의 기체로 구성된 가스를 의미한다. 한편, 상기 제 1 기준가스와 상기 제 2 기준가스는 각각의 농도가 달라야 한다.A first reference gas is injected into the first reference cell 220b, and a second reference gas is injected into the second reference cell 220c, wherein the reference gas is a gas whose concentration is known. It means a gas consisting of and the same kind of gas. Meanwhile, the first reference gas and the second reference gas should have different concentrations.
상기 표준셀(220d)에는 표준가스가 주입되는데, 이때 상기 표준가스라 함은 순수공기 또는 순수질소기체로 구성되어 있으며 상기 샘플가스를 구성하는 기체 성분을 바람직하게는 전혀 포함하지 않는 가스를 의미한다.The standard gas is injected into the standard cell 220d, wherein the standard gas means a gas composed of pure air or pure nitrogen gas and preferably containing no gas component constituting the sample gas. .
상기 제 1 반사거울(220e) 및 상기 제 2 반사거울(220f)은 상기 광학셀부(220)로 조사된 빛을 다시 반대 방향으로 재반사시키는 역할을 하는데, 이는 빛이 상기 광학셀부(220) 내에 오랫동안 머물게 함으로써 기체 분자가 빛 에너지를 흡수할 수 있는 기회를 풍부하게 제공하고 동시에 상기 적외선광원(210a)이 적외선을 방출하기 위해 필요로 하는 에너지를 절약하기 위한 목적이다.The first reflecting mirror 220e and the second reflecting mirror 220f serve to reflect back the light irradiated to the optical cell unit 220 in the opposite direction, which is the light within the optical cell unit 220. The purpose of this is to provide abundant opportunities for gas molecules to absorb light energy, while at the same time saving the energy required for the infrared light source 210a to emit infrared light.
상기 샘플가스와 상기 레퍼런스가스는 빛을 흡수함으로써 각자의 농도에 비례하는 세기의 광음향을 발생시킨다. 한편, 상기 표준가스는 빛의 간섭, 기체 내부에 포함된 H2O, 진동, 주위의 소음 등에 의해 발생하는 노이즈 성분만으로 구성된 광음향을 발생시킨다.The sample gas and the reference gas absorb light to generate photoacoustics with intensity proportional to their respective concentrations. On the other hand, the standard gas generates photoacoustics consisting of only noise components generated by interference of light, H 2 O contained in the gas, vibration, ambient noise, and the like.
상기 검출부(230)는 샘플셀 마이크로폰(230a)과; 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)과; 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)과; 표준셀 마이크로폰(230d)과; 제 1 피에조센서(230e)와; 제 2 피에조센서(230f)로 구성된다.The detector 230 includes a sample cell microphone 230a; A first reference cell microphone 230b; A second reference cell microphone 230c; A standard cell microphone 230d; A first piezo sensor 230e; It consists of the 2nd piezo sensor 230f.
상기 샘플셀 마이크로폰(230a)은 상기 샘플셀(220a)에 부착되며, 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.The sample cell microphone 230a is attached to the sample cell 220a, and detects the photoacoustic sound of the sample gas and converts it into the form of an AC voltage.
상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)은 상기 제 1 기준셀(220b)에 부착되고, 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)은 상기 제 2 기준셀(220c)에 부착되는데, 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b) 및 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)은 각각의 기준셀에 주입된 상기 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.The first reference cell microphone 230b is attached to the first reference cell 220b, and the second reference cell microphone 230c is attached to the second reference cell 220c. 230b and the second reference cell microphone 230c detect the photoacoustic sound of the reference gas injected into each reference cell and convert it into the form of an AC voltage.
상기 표준셀 마이크로폰(230d)은 상기 표준셀(220d)에 부착되며, 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.The standard cell microphone 230d is attached to the standard cell 220d, and detects the photoacoustic sound of the standard gas and converts it into the form of an AC voltage.
상기 제 1 피에조센서(230e)는 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)의 사이에 부착되어 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키며, 상기 제 2 피에조센서(230f)는 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)의 사이에 부착되어 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.The first piezo sensor 230e is attached between the sample cell 220a and the first reference cell 220b to detect a differential pressure between the sample cell 220a and the first reference cell 220b. The second piezoelectric sensor 230f is attached between the standard cell 220d and the second reference cell 220c so as to be converted into an AC voltage, and the standard cell 220d and the second reference cell ( The differential pressure between 220c) is detected and converted into the form of AC voltage.
상기 제 1 피에조센서(230e)가 검출하는 차압은 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)이 검출한 압력과 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)이 검출한 압력의 차이(이하, "광음향차"라 칭함)에 해당하는 값인데, 만약 상기 차압과 상기 광음향차가 서로 다르면 상기 샘플셀 마이크로폰(230a) 또는 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b) 중 어느 하나가 오작동하고 있다는 증거이다. 또한, 상기 제 2 피에조센서(230f)가 검출하는 차압은 상기 표준셀 마이크로폰(230d)이 검출한 압력과 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)이 검출한 압력의 차이(이하, "광음향차"라 칭함)에 해당하는 값인데, 만약 상기 차압과 상기 광음향차가 서로 다르면 상기 표준셀 마이크로폰(230d) 또는 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c) 중 어느 하나가 오작동하고 있다는 증거이다.The differential pressure detected by the first piezo sensor 230e is a difference between a pressure detected by the sample cell microphone 230a and a pressure detected by the first reference cell microphone 230b (hereinafter, referred to as an “photoacoustic difference”). If the differential pressure and the photoacoustic difference are different from each other, it is evidence that either the sample cell microphone 230a or the first reference cell microphone 230b is malfunctioning. In addition, the differential pressure detected by the second piezoelectric sensor 230f is a difference between the pressure detected by the standard cell microphone 230d and the pressure detected by the second reference cell microphone 230c (hereinafter, referred to as “photoacoustic difference”). If the differential pressure and the optoacoustic difference are different from each other, it is evidence that either the standard cell microphone 230d or the second reference cell microphone 230c is malfunctioning.
결국, 상기 제 1 피에조센서(230e) 및 상기 제 2 피에조센서(230f)는 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)과, 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)과, 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)과, 상기 표준셀 마이크로폰(230d)의 검출 결과를 보완하고 이들의 오작동 여부를 확인하는 기능을 한다.As a result, the first piezoelectric sensor 230e and the second piezoelectric sensor 230f include the sample cell microphone 230a, the first reference cell microphone 230b, the second reference cell microphone 230c, It supplements the detection result of the standard cell microphone 230d and checks whether they are malfunctioning.
상기 신호처리부(240)는 상기 쵸퍼(210b) 및 상기 검출부(230)와 전기적으로 연결되며, 상기 검출부(230)가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시킨다.The signal processor 240 is electrically connected to the chopper 210b and the detector 230, removes and amplifies noise components of the AC voltage sensed by the detector 230, and converts the noise components to DC voltage again. .
이하, 도 3을 바탕으로 본 발명에 따른 광음향센서로써 상기 샘플가스의 농도를 측정하는 과정을 상세히 설명한다.Hereinafter, a process of measuring the concentration of the sample gas with the photoacoustic sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명에 따른 신호처리부(240)에서의 신호처리 과정을 나타내는 도면으로서, 도 3의 각 그래프에서 X축은 시간을 나타내고, Y축은 전압을 나타낸다. 한편, 도 2에 기재된 도면부호인 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥과 도 3에 기재된 도면부호인 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥은 서로 대응된다.3 is a diagram illustrating a signal processing process in the signal processor 240 according to the present invention. In each graph of FIG. 3, the X axis represents time and the Y axis represents voltage. On the other hand, the reference numerals 1, 2, 3, 4, 5 and 6 shown in Fig. 2 and the reference numerals 1, 2, 3, 4, 5 and 6 shown in Fig. 3 correspond to each other.
그래프 ①은 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 펄스 형태의 자외선을 나타낸 것으로서, 사각형 형태로 일정한 간격을 두고 반복되는 부분이 바로 자외선이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 경우에 해당된다. 그래프 ②, ③, ④, ⑤는 그래프 ①과 동일한 주파수를 가진 펄스를 형성한다. 왜냐하면, 상기 광학셀부(220)의 각 셀에 들어있는 기체는 빛이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 경우에만 에너지를 흡수할 수 있기 때문이다.Graph ① shows the ultraviolet rays of the pulse form passing through the chopper 210b, a portion that is repeated at regular intervals in the form of a square corresponds to the case where the ultraviolet rays pass through the chopper 210b. Graphs ②, ③, ④, and ⑤ form pulses with the same frequency as graph ①. This is because the gas contained in each cell of the optical cell unit 220 can absorb energy only when light passes through the chopper 210b.
그래프 ②는 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ③은 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ④는 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ⑤는 상기 표준셀 마이크로폰(230d)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이다.Graph ② shows the photoacoustic sound in the form of pulses detected by the sample cell microphone 230a, graph ③ shows the photoacoustic sound in the form of pulses detected by the first reference cell microphone 230b. The photoacoustic sound of the pulse form detected by the second reference cell microphone 230c is shown, and the graph? Shows the photoacoustic sound of pulse form detected by the standard cell microphone 230d.
상기 각 그래프의 펄스 상단을 구성하는 나사산 형태의 신호는 노이즈를 의미한다.The thread-shaped signal constituting the upper end of the pulse of each graph means noise.
그래프 ⑥은 상기 각 그래프 ②, ③, ④에 도시된 교류 형태의 신호에서 노이즈를 제거하고 이를 증폭한 후 다시 직류 형태의 신호로 변조시킨 결과를 나타낸다.The graph ⑥ shows the result of removing the noise from the AC signal shown in the graphs ②, ③, and ④, amplifying it, and then modulating the signal into a DC signal.
이때, 노이즈를 제거하는 방법은 상기 각 그래프 ②, ③, ④에서 그래프 ⑤가 도시하는 노이즈 성분만을 제거하는 보정을 거치는 것이다. 즉, 그래프 ② - 그래프 ⑤, 그래프 ③ - 그래프 ⑤, 그래프 ④ - 그래프 ⑤의 과정을 거치면 펄스 상단이 직선으로 구성된 노이즈 없는 그래프를 얻을 수 있다. 또한, 교류신호를 직류신호로 변조하는 방법은 노이즈가 제거된 그래프 ②, ③, ④의 사각형 부분만을 연결하는 것이다. 상기 과정을 거침으로써 그래프 ②, ③, ④는 각각의 기체 농도에 대응하는 하나의 전압값을 갖는 직선상의 그래프로 바뀌게 된다.At this time, the method of removing the noise is a correction to remove only the noise component shown in the graph ⑤ in the graphs (2), (3) and (4). In other words, if you go through the process of graph ②-graph ⑤, graph ③-graph ⑤, graph ④-graph ⑤, you can obtain a noise-free graph with a straight line of pulse. In addition, a method of modulating an AC signal into a DC signal is to connect only the rectangular portions of the graphs ②, ③, and ④ from which the noise is removed. By going through the above process, the graphs 2, 3, and 4 are converted into a linear graph having one voltage value corresponding to each gas concentration.
상기와 같은 상태에서 샘플가스의 농도를 측정하는 방법은 다음과 같다.The method for measuring the concentration of the sample gas in the above state is as follows.
구하고자 하는 샘플가스의 농도를 CS라 하고, 측정된 샘플가스의 광음향에 따른 전압값을 VS라 한다. 그리고, 제 1 기준가스의 농도를 CR1이라 하고, 측정된 제 1 기준가스의 광음향에 따른 전압값을 VR1이라 한다. 그리고, 제 2 기준가스의 농도를 CR2라 하고, 측정된 제 2 기준가스의 광음향에 따른 전압값을 VR2라 한다.The concentration of the sample gas to be obtained is referred to as C S , and the voltage value according to the photoacoustic measurement of the measured sample gas is referred to as V S. The concentration of the first reference gas is referred to as C R1 , and the voltage value according to the photoacoustic measurement of the measured first reference gas is referred to as V R1 . The concentration of the second reference gas is referred to as C R2 , and the measured voltage value according to the photoacoustic sound of the second reference gas is referred to as V R2 .
이제, 가스의 농도를 X값으로 하고 전압을 Y값으로 하여, 상기 CR1과 상기 CR2는 X축에 도시하고, 상기 VR1과 상기 VR2는 Y축에 도시하면, (CR1,VR1)과 (CR2,VR2)의 두 점에 의해 하나의 직선이 성립된다. 한편, 상기 VS는 이미 알고 있는 값이므로 이를 상기 직선의 Y값에 대입하면 구하고자 하는 X값인 CS를 산출해 낼 수 있다.Now, with the concentration of gas as the X value and the voltage as the Y value, the C R1 and the C R2 are shown on the X axis, and the V R1 and the V R2 are shown on the Y axis, where (C R1 , V One straight line is formed by two points, R1 ) and (C R2 , V R2 ). On the other hand, since V S is a known value, substituting it into the Y value of the straight line can calculate C S, which is an X value to be obtained.
이상에서 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 정신이 여기에 한정되지 아니하므로 다양한 변화와 변형이 가능할 것이다. 그러나, 이러한 변화와 변형은 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 첨부된 청구범위를 통해 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, this is only an example, and the spirit of the present invention is not limited thereto. Therefore, various changes and modifications may be made. However, it will be understood through the appended claims that such changes and modifications fall within the scope of the present invention.
본 발명을 실시함으로써, 관측자는 샘플가스 및 기준가스의 절대 광음향값을 직접적으로 측정하므로, 종래에 샘플가스 및 기준가스간의 차압 즉 상대 광음향값만을 측정하는 방법에 비해 측정결과의 정밀도가 높아지는 효과를 얻는다.By practicing the present invention, since the observer directly measures the absolute photoacoustic values of the sample gas and the reference gas, the accuracy of the measurement result is higher than in the conventional method of measuring only the differential pressure, that is, the relative photoacoustic value between the sample gas and the reference gas. Get the effect.
또한, 본 발명에 따른 광음향센서는 농도를 이미 알고 있는 다수의 레퍼런스가스로부터 샘플가스의 농도를 수학적으로 계산해 내는 동시에, 피에조센서로써 마이크로폰의 오작동 여부를 감지하므로 측정 결과가 매우 정확하다.In addition, the photoacoustic sensor according to the present invention mathematically calculates the concentration of the sample gas from a plurality of reference gases whose concentration is already known, and detects whether the microphone is malfunctioning as a piezo sensor, so the measurement result is very accurate.
그리고, 본 발명에 따른 광음향센서는 샘플가스 및 기준가스의 광음향에 영향을 미치는 노이즈를 제거하기 때문에 가스의 농도가 아주 낮더라도 정확한 측정이 가능한 이점이 있다.In addition, since the photoacoustic sensor according to the present invention removes noise affecting the photoacoustics of the sample gas and the reference gas, accurate measurement is possible even if the concentration of the gas is very low.
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