KR100359237B1 - 분진농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분진이 발생하는 곳에 설치되어 분진의 농도를 측정하는 분진농도 측정장치에 있어서, 측정된 분진농도값에 대한 신뢰도가 높도록 신호증폭 및 신호변환 과정을 축소시킨 분진농도 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 광원으로부터 투광된 빛이 일정한 세기의 빛인가를 검측하는 기준값 검출센서(15)와, 분진에 의해 산란되어진 빛을 받아 세기를 검측하는 측정값 검출센서(17)와, 기준값 검출센서(15)와 측정값 검출센서(17)로부터 출력된 신호를 각각 1차 증폭하는 증폭기(60)와, 증폭기(60)에 의해 증폭된 두 신호를 다중화하는 멀티플럭스(Multiplex)(62)를 포함하며, 산란된 빛의 세기로서 분진의 농도를 측정하는 분진농도 측정장치에 있어서, 멀티플럭스(62)로부터 출력된 신호를 일정 범위까지 증폭하는 프로그래머블 게인 증폭기(PGA; Programmable Gain Amplifier)(64)와, 프로그래머블 게인 증폭기(64)로부터 증폭된 값을 일정대역의 주파수만 필터링하는 밴드 패스 필터(BPF; Band Pass Filter)(66)와, 필터링된 주파수를 디지털신호로 변환하는 AD변환기(68) 및, AD변환기(68)로부터 디지털신호를 입력받아 빛의 기준값과 측정값을 비교 연산하여 분진의 양을 측정하고, 빛을 투광하는 광원의 세기를 일정하게 제어하는 제어부(70)를 포함하는 분진농도 측정장치가 제공된다.

Description

분진농도 측정장치{Measurement apparatus of dust density}

본 발명은 분진의 농도를 측정하는 분진농도 측정장치에 관한 것이며, 특히,신호흐름체계를 간단히 하여 신호변환과정 및 증폭과정에서 발생할 수 있는 에러발생율을 감소시키는 분진농도 측정장치에 관한 것이다.

현재 환경오염문제가 심각해짐에 따라 분진이 발생하는 곳에는 분진농도 측정장치를 설치하고, 발생하는 분진의 양을 측정한다. 이런 분진의 발생량을 측정하기 위해 광학 시스템을 이용한 분진농도 측정장치가 사용되는데, 이런 광학시스템을 이용한 분진농도 측정장치는 분진에 의해 산란된 빛을 측정하여 분진의 농도를 측정하는 것이다.

도 1은 광학시스템을 이용한 분진농도 측정장치의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 분진농도 측정장치의 신호흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 분진농도 측정장치(10)는 공장의 굴뚝의 한 쪽에 설치된다. 그리고, 투광된 빛을 반사하도록 제 1 반사경(30)이 반대쪽에 설치되어 분진농도 측정장치(10)로부터 투광된 빛을 다시 분진농도 측정장치(10) 쪽으로 반사시킨다.

분진농도 측정장치(10)는 빛을 만들어 투광하는 LED소스(Light Emitting Diode Source)(11)와, 투광된 빛의 세기를 측정하기 위해 LED소스(11)의 전방 상부에 설치된 기준값 검출센서(15)와, 반사된 빛의 세기를 측정하기 위해 LED소스(11)의 전방 상부에 설치된 측정값 검출센서(17)가 설치되어 있으며, LED소스(11)의 전방에는 투광과 반사광을 구분하기 위한 제 2 반사경(19)이 설치된다. 제 2 반사경(19)을 약 45도로 경사져 있고, 투광의 일부는 투과시키고 다른 일부는 하부방향으로 반사시킨다. 그리고, 제 2 반사경(19)에 의해 하부방향으로 반사된 투광의 다른 일부는 다시 제 3 반사경(13)에 의해 반사되어 기준값 검출센서(15) 쪽으로 반사시킨다.

그리고, 제 1 반사경(30)에 의해 반사된 반사광은 제 2 반사경(19)에 의해 측정값 검출센서(17)로 반사되며, 제 2 반사경(19)의 전방에는 다수 개의 렌즈(24, 26, 28)가 설치되어 투광된 빛이 집중되어 제 1 반사경(30)으로 직진하도록 한다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, LED소스(11)로부터 투광된 빛의 밝기가 일정한 지를 기준값 검출센서(15)로 검측하고, 제 1 반사경(30)으로부터 반사되어 분진에 의해 산란된 빛을 측정값 검출센서(17)로 검측한다.

기준값 검출센서(15)와 측정값 검출센서(17)로 입사된 빛은 전기적 신호인 전류로 나타나며 이를 전류-전압 변환기를 이용하여 전압으로 변환되고 그 신호는 제 1 증폭기(Pre amplifier)(41)를 통하여 1차 증폭을 하고, 4가지의 이득을 가지도록 제 2 증폭기(43)를 통해 2차 증폭하며, 미약한 수신 신호를 디지털화하기에 적당한 신호로 증폭하기 위해 제 3 증폭기(45)를 통해 3차 증폭한다. 이렇게 증폭된 신호의 치우침을 교정하고 신호레벨을 이동시키기 위하여 다수 개의 DAC(Digital to Analog Converter)(48)와 ADC(Analog to Digital Converter)(47)를 이용한다. 그리고, 원하는 디지트(Digit)까지 얻기 위하여 미세조정을 위한 제 3 증폭기(45)를 거친 후에 이 값을 ADC(47)를 거쳐 디지털화하고, 프로세서(processor)(50)에서는 측정값 검출센서(17)로 입사된 빛의 양으로부터 먼지의 농도를 산출하기 위한 연산과정을 수행한다.

그러나, 이런 종래의 분진농도 측정장치는 기준값 검출센서 및 측정값 검출센서에서 출력된 전기적 신호를 1차, 2차 증폭 후에 레벨 조정하여 3차 증폭하는 구조로서, 다수의 증폭기를 거칠 때마다 나타날 수 있는 에러(error)를 가진다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 분진농도 측정장치는 프로세서로부터 귀환 데이터를 받아 DAC 및 ADC를 이용하는 구조로서, 여러 개의 DAC와 ADC를 필요로 한다는 문제점 및 이에 따라 하드웨어를 구성하는 전자회로가 복잡해지는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 신호증폭 및 변환과정을 축소하여 신호증폭 및 변환과정에서 발생할 수 있는 에러를 최소화한 분진농도 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 광학시스템을 이용한 분진농도 측정장치의 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 분진농도 측정장치의 신호흐름도이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 분진농도 측정장치의 신호흐름도이며,

도 4는 도 3에 도시된 3개의 렌즈부를 나타낸 사시도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10, 100 : 분진농도 측정장치 11 : LED소스

13, 19, 30 : 반사경 15 : 기준값 검출센서

17 : 측정값 검출센서 62 : 멀티플럭스(MUX)

64 : 프로그래머블 게인 증폭기(PGA; Programmable Gain Amplifier)

66 : 밴드 패스 필터(BPF; Band Pass Filter)

70 : CPU(Central Processing Unit) 80 : 모터

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광원으로부터 투광된 빛이 일정한 세기의 빛인가를 검측하는 기준값 검출센서와, 분진에 의해 산란되어진 빛을 받아 세기를 검측하는 측정값 검출센서와, 상기 기준값 검출센서와 상기 측정값 검출센서로부터 출력된 신호를 각각 1차 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에 의해 증폭된 두 신호를 다중화하는 멀티플럭스(Multiplex)를 포함하며, 상기 산란된 빛의 세기로서 분진의 농도를 측정하는 분진농도 측정장치에 있어서, 상기 멀티플럭스로부터 출력된 신호를 일정 범위까지 증폭하는 프로그래머블 게인 증폭기(PGA; Programmable Gain Amplifier)와, 상기 프로그래머블 게인 증폭기로부터 증폭된 주파수를 일정대역의 주파수만 필터링하는 밴드 패스 필터(BPF; BandPass Filter)와, 필터링된 주파수를 디지털신호로 변환하는 AD변환기 및, 상기 AD변환기로부터 디지털신호를 입력받아 빛의 기준값과 측정값을 비교 연산하여 분진의 양을 측정하고, 빛을 투광하는 광원의 세기를 일정하게 제어하는 제어부를 포함하는 분진농도 측정장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 제어부에서는 기준값이 일정한 값과 일치하지 않을 경우에 기준값과 일정한 값의 차를 계산하여 아날로그 신호로 변환한 후에 증폭시켜 상기 광원으로 입력하여 일정한 세기의 빛을 투광할 수 있도록 실시간 제어한다.

또한, 본 발명의 상기 제어부에서는 진행하는 빛의 진행방향에 설치된 다수 개의 렌즈를 교체하는 모터를 구동시킨다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 모터는 120°로 배치된 투과율이 각각 다른 3개의 렌즈를 연결하는 연결바의 중심에 설치되어, 상기 3개의 렌즈 중에서 어느 한 렌즈가 빛의 진행방향에 위치하도록 구동된다.

아래에서, 본 발명에 따른 분진농도 측정장치의 양호한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

본 발명의 분진농도 측정장치는 종래 기술에서의 LED소스와 제 1, 제 2 반사경과 기준값 검출센서와 측정값 검출센서가 동일하게 위치하며, 기준값 검출센서와 측정값 검출센서로부터 출력신호를 처리하는 신호처리시스템의 구성요소가 변형된 것으로서, 종래의 기술에 따른 LED소스와 제 1, 제 2, 제 3 반사경과 기준값 검출센서와 측정값 검출센서의 설명은 생략하겠다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 분진농도 측정장치의 신호흐름도이며, 도 4는 도 3에 도시된 3개의 렌즈부를 나타낸 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 광원의 밝기를 항상 일정하게 유지하기 위하여 기준값 검출센서(15)로부터 기준(Reference)값을 읽어 광원의 밝기가 변하였는지를 점검하고 변했을 경우에는 이를 CPU(Central Processing Unit)(70)가 감지하여 DAC(72)를 이용하여 조절한 후에 이를 증폭하여 LED소스(11)에 전해지는 전압을 조절하여 항상 일정한 광원을 투광하도록 한다. 광원을 조절하기 위한 기준값 검출센서(15)와 측정값 검출센서(17)는 동일한 수광 다이오드 형태의 센서를 사용하고, 기준값 검출센서(15)와 측정값 검출센서(17)로부터 출력된 신호가 수십 uV에서 수mV의 아주 미세한 신호이기 때문에 1차 증폭기(PreAMP)(60)를 통해 1차 증폭한다. 그리고, 이런 증폭된 신호를 단일의 전송로를 통해 전송시키기 위해 MUX (multiplex)(62)를 통해 기준값 검출센서(15)와 측정값 검출센서(17)로부터 출력된 전기적 신호를 한 전송로로 전송한다. MUX(62)로부터 출력된 신호는 PGA (Programmable Gain Amplifier)(64)에 입력되어 원하는 레벨까지 증폭을 한 후 BPF(band pass filter)(66)에서 원하는 일정대역의 주파수만을 필터링하고, ADC(68)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.

이런 디지털 신호는 CPU(70)에 전달되어 측정값 검출센서(17)로 입사된 광원의 밝기를 먼지의 양으로 변환하는 알고리듬 연산을 수행하게 된다.

PGA(64)를 통과하여 얻어진 신호는 CPU(70)에 의해 분석되어 원하는 신호로 증폭할 수 있도록 증폭이득을 조정할 수 있도록 CPU(70)가 명령을 내리게 되며 디지털에서 필요로 하는 신호의 레벨을 항상 맞출 수 있는 구조로 되어있다.

한편, CPU(70)에서는 3개의 모터(80)를 구동시킨다. 3개의 모터(80)에 대해서는 아래에서 상세히 설명하겠고, WDT(Watch-Dog Timer)(90)는 CPU(70)가 연산 및 잡음에 의해 오동작을 하거나 잘못 되었을 때 CPU(70)를 초기화시키는 역할을 한다. 또한, EEPROM(electrically erasable ROM)(95)은 메모리로서 연산 및 광학부에서 필요로 하는 각종 변수를 저장하는 역할을 한다. 또한 알고리듬에 의해 연산된 결과는 RS485 통신 프로토콜을 이용하여 Data Logger와 통신을 통하여 이동 할 수 있으며 Data Logger에서 동작에 필요한 변수를 분진농도 측정장치(100)의 CPU(70)로 전송시키는 역할을 한다.

또한, 기준값 검출센서(15)로부터 CPU(70)로 입력된 전기적 신호는 LED소스(11)로부터 투광된 빛의 세기가 일정한 지를 검측하고, CPU(70)에서는 LED소스(11)에서 투광되는 빛이 항상 일정하게 되도록 DAC(72)를 통해 아날로그 신호로 변환한 후에 이 신호를 AMP(74)에서 증폭한 후에 LED소스(11)로 입력한다. 따라서, LED소스(11)에서 투광되는 빛은 실시간으로 검측되며 일정한 빛의 세기로 투광할 수 있도록 CPU(70)에서 제어한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 반사경(19)과 볼록렌즈(21)의 사이에 위치한 제 1 렌즈부(24)와, 볼록렌즈(21)의 전방에 위치한 제 2 렌즈부(26) 및, 제 1 반사경(30)의 전방에 위치한 제 3 렌즈부(28)는 각각 3개의 렌즈(110a, 110b, 110c)가 120°의 각도로 위치하며, 이런 3개의 렌즈(110a, 110b, 110c)를 연결하는 연결바(120)의 중심부 즉, 3개의 렌즈(110a, 110b, 110c)를 삼각형의 꼭지점으로 생각하였을 때에 무게중심점 부위에 모터(80)가 설치된다. 이런 3개의 렌즈(110a,110b, 110c)는 빛을 투과시키는 양을 달리하는 렌즈(110a, 110b, 110c)로서, CPU(70)에서 측정되는 빛의 상태에 따라 3개의 모터(80)를 구동시켜 3개 중에서 적합한 렌즈(110a, 110b, 110c)가 빛의 진행방향에 위치하도록 회전시킨다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 분진농도 측정장치는 기준값 검출센서와 측정값 검출센서로부터 출력된 전기적 신호가 CPU에 입력되는 과정에서 2회의 증폭과정을 거치고 1회의 신호변환과정을 거침으로써, 증폭 및 신호변환 과정에서 발생할 수 있는 에러를 최소화하여 측정값에 대한 신뢰도가 높다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 분진농도 측정장치는 빛의 상태에 따라 렌즈를 교체하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 분진농도 측정장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

1. 광원으로부터 투광된 빛이 일정한 세기의 빛인가를 검측하는 기준값 검출센서와, 분진에 의해 산란되어진 빛을 받아 세기를 검측하는 측정값 검출센서와, 상기 기준값 검출센서와 상기 측정값 검출센서로부터 출력된 신호를 각각 1차 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에 의해 증폭된 두 신호를 다중화하는 멀티플럭스(Multiplex)를 포함하며, 상기 산란된 빛의 세기로서 분진의 농도를 측정하는 분진농도 측정장치에 있어서,

   상기 멀티플럭스로부터 출력된 신호를 일정 범위까지 증폭하는 프로그래머블 게인 증폭기(PGA; Programmable Gain Amplifier)와;

   상기 프로그래머블 게인 증폭기로부터 증폭된 주파수를 일정대역의 주파수만 필터링하는 벤드 패스 필터(BPF; Band Pass Filter)와;

   필터링된 주파수를 디지털신호로 변환하는 AD변환기 및;

   상기 AD변환기로부터 디지털신호를 입력받아 빛의 기준값과 측정값을 비교 연산하여 분진의 양을 측정하고, 빛을 투광하는 광원의 세기를 일정하게 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분진농도 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부에서는 기준값이 일정한 값과 일치하지 않을 경우에 기준값과 일정한 값의 차를 계산하여 아날로그 신호로 변환한 후에 증폭시켜 상기 광원으로 입력하여 일정한 세기의 빛을 투광할 수 있도록 실시간 제어하는 것을 특징으로 하는 분진농도 측정장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제어부에서는 진행하는 빛의 진행방향에 설치된 다수 개의 렌즈를 교체하는 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 분진농도 측정장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 모터는 120°로 배치된 투과율이 각각 다른 3개의 렌즈를 연결하는 연결바의 중심에 설치되어, 상기 3개의 렌즈 중에서 어느 한 렌즈가 빛의 진행방향에 위치하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 분진농도 측정장치.