KR100373399B1 - 광흡수 분진농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광흡수 분진농도 측정장치에 관한 것으로, 그 목적은 측정광의 불균질성 보상기능을 구비하고, 분진농도 측정 영역에 따라 임의로 빔의 세기를 조정하여 정확한 분진농도를 측정할 수 있는 광흡수 분진농도 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 광원에서 발생된 빔을 확장기에 의해 일정크기로 확장하고, 확장기에 의해 확장된 빔의 세기를 조절부에 의해 조절하며, 상기 조절부에 의해 세기가 조절된 빔을 광분할기에 의해 참고광과 측정광으로 분할한 다음, 상기 참고광을 집광하여 그 세기를 측정함과 동시에, 분진과 상호작용한 측정광을 집광하여 그 세기를 측정하고, 상기 측정된 참고광의 세기와 측정광의 세기를 비교하여 그 비율의 변화로부터 분진농도를 측정하는 광흡수 분진농도 측정장치를 제공함에 있다.

Description

광흡수 분진농도 측정장치 {Apparatus for measuring dust concentration of photo-absorption}

본 발명은 광흡수 분진농도 측정장치에 관한 것으로, 레이저 광원의 온도에 따른 빔의 세기 변화에서 비롯되는 측정수치의 불균일성을 보상하고, 측정하고자 하는 분진농도 영역에 가장 적합하게 빔의 세기를 조정 할 수 있는 광흡수 분진농도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 광흡수 분진농도 측정장치는 빔의 특성을 이용하여 분진농도를 측정하는 광학의 한 분야로써, 빔이 분진에 의해 산란되거나 흡수되는 특성을 이용하고 있으며, 분진농도 측정기의 광원으로는 대개 크기가 작은 반도체 레이저를 주로 사용하나 반도체 레이저 결정구조의 온도변화에 따라 내부 결정구조의 변화가 수반되고 그에 의해 방출되는 빔의 세기에도 변화가 있다. 이러한 빔의 세기 변화는 분진농도 측정시 대단히 큰 측정오차를 발생하게 하므로 보상이 필요하다.

종래에 사용되고 있는 측정기는 광원에서 일정세기의 광이 발생되고, 상기 일정세기의 광이 분진에 의해 산란되거나 흡수되며, 상기 분진과 상호작용한 광의 세기를 측정한 후, 이를 최초의 세기와 비교하여 분진의 농도를 측정하도록 되어있었다.

그러나 상기 종래의 광흡수 분진농도 측정장치는 대개 광흡수 방법에 의한 분진농도 측정기의 광원으로는 체적을 적게 차지하는 레이져 아이오드(LD) 혹은 발광 다이오드(LED)를 사용하고, 이들 반도체에 인가하는 전압은 고정되어 있으므로, 광원의 세기가 정해져 있었다.

즉, 제작시 정해진 분진농도 이외의 영역에 대해서는 정확한 측정이 불가능하였다.

제작시 정해진 분진의 농도에 비해 광원에서 발생된 광의 세기가 강하면, 분진과 상호작용하는 광의 변화가 미세하게 되어 감지하기 어렵게 되고, 이와 반대로 분진의 농도에 비해 광원에서 발생되는 광의 세기가 약하면, 분진과 상호작용 후 도달되는 광의 세기가 미약하여 감지할 수 없게 되었다.

또한 광원으로 레이저 다이오드를 사용할 경우, 주위 온도변화에 따라 결정구조의 격자 간격이 열팽창 혹은 수축에 의해 변하게 되고, 방출되는 광의 세기 또한 변하게 되므로, 광의 불균질성으로 인해 측정오차가 발생되는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 측정광의 불균질성 보상기능을 구비하고, 분진농도 측정 영역에 따라 임의로 광의 세기를 조정하여 정확한 분진농도를 측정할 수 있는 광흡수 분진농도 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 광원에서 발생된 광을 확장기에 의해 일정크기로 확장하고, 확장기에 의해 확장된 광의 세기를 조절부에 의해 조절하며, 상기 조절부에 의해 세기가 조절된 광을 광분할기에 의해 참고광과 측정광으로 분할한 다음, 상기 참고광을 집광하여 그 세기를 측정함과 동시에, 분진과 상호작용한 측정광을 집광하여 그 세기를 측정하고, 상기 측정된 참고광의 세기와 측정광의 세기를 비교하여 그 비율의 변화로부터 분진농도를 측정하는광흡수 분진농도 측정장치를 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 광분할 예시도도 3 은 본 발명의 회전편광기와 고정편광기를 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 분진통로 (2,3): 차단벽

(4) : 하우징 (5) : 제 1 공간부

(6) : 제 2 공간부 (7) : 광축

(11) : 분진함유 공기유입구 (12) : 팬

(21) : 제 1 윈도우 (31) : 제 2 윈도우

(51) : 레이저 발생부 (52) : 빔 확장기

(53) : 조절부 (54) : 광 분할기

(55) : 제 1 볼록렌즈 (56) : 참고광센서

(61) : 제 2 볼록렌즈 (62) : 측정광 센서

(521): 오목렌즈 (522): 볼록렌즈

(531): 회전편광기 (532): 고정편광기

(533): 편광축 (531a): 손잡이

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 광분할 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 분진 함유 공기가 유입 배출되는 분진통로(1)와, 상기 분진통로(1) 양측에 위치하도록 차단벽(2,3)에 의해 하우징(4)내에 분할·형성되는 제 1,2 공간부(5,6)와, 상기 제 1 공간부(5)내에 설치되는 레이저 발생부(51), 빔 확장기(52)와, 조절부(53), 광분할기(54), 제 1 볼록렌즈(55) 및 참고광센서(56)와, 상기 제 2 공간부(6)내에 설치되는 제 2 볼록렌즈(61), 측정광센서(62)로 구성되어 있다.

상기 분진통로(1)는 분진을 함유한 공기가 유입·배출되는 것으로, 하우징 (4)을 관통하여 형성되어 있으며, 일측단에 분진함유 공기유입구(11)가 형성되고, 타측단에 유입된 공기를 외부로 배출하는 팬(12)이 설치되어 있다.

상기 제 1,2 공간부(5,6)는 분진통로(1) 양측에 위치하도록 차단벽(2,3)에 의해 하우징(4)내에 각각 형성되는 것으로, 레이저 발생부(51)에서 발생된 빔이 투과되도록 제 1,2 윈도우(21,31)가 각각 설치되어 있다. 이때 상기 제 1,2 윈도우 (21,31)는 광축(7)과 동일중심을 구비한다.

상기 빔 확장기(52)는 제 1 공간부(5)내에 설치되어 레이저 발생부(51)에서 발생된 빔을 확장시키는 것으로, 오목렌즈(521)와 볼록렌즈(522)로 구성되어 있다.

상기 조절부(53)는 제 1 공간부(5)내에 설치되어 빔 확장기(52)에 의해 확대된 빔의 세기를 조절하는 것으로, 광축(7)을 중심으로 편광축(533)의 각도조절이 가능한 회전편광기(531)와, 회전편광기(531) 후부에 위치하도록 고정·설치되는 고정편광기(532)로 구성되어 있다.

즉, 빔 확장기(52)에 의해 확대된 빔은 광축(7)을 중심으로 각도조절이 가능한 회전편광기(531)를 통과하고 회전편광기(531)를 통과한 빔은 다시 고정편광기 (532)를 통과하게 되며, 회전편광기(531)와 고정편광기 (532)가 이루는 각도(θ)에 의해 빔의 세기가 조절된다.상기와 같이 조절부(53)는 2개의 편광기를 사용하여 분진농도 측정에 사용될 광의 세기를 조절하기 위한 것으로, 회전편광기(531)와 고정편광기(532)가 이루는 편광각도 θ에 의해 세기가 조절되며, 회전편광기(531)의 θ는 작은 손잡이(531a)를 사용하여 약 0 도에서 90 도의 범위내에서 조절하고, 고정편광기(532)의 편광각도는 수직방향으로 고정되어 있다. 이때, 조절부(53)의 회전편광기(531)를 통과한 광의 세기와 고정편광기(532)를 통과한 광의 세기의 관계는 2차 편광된 광의세기 = 1차 편광된 광의 세기 × (cosθ)²로 나타낼 수 있다.

상기 광분할기(54)는 조절부(53)에 의해 그 세기가 조정된 빔을 측정광(Ib)과 참고광(Ia)으로 분할하는 것으로, 제 1 공간부(5)내에 설치된다.

상기 제 1 볼록렌즈(55)는 제 1 공간부(5)내에 설치되어 광분할기(54)에 의해 분할된 참고광(Ia)을 집광하는 것으로, 제 1 볼록렌즈(55)에 의해 집광된 참고광의 세기는 참고광 센서(56)에 의해 측정된다.

상기 제 2 볼록렌즈(61)는 분진통로(1)로 유입된 분진과 상호작용한 후 제 2공간부(6)내로 투과되는 측정광(Ib)을 집광하도록 제 2 공간부(6)내에 설치되는 것으로, 제 2 볼록렌즈에(61) 의해 집광된 측정광(Ib)의 세기는 측정광 센서(62)에 의해 측정된다.

즉, 광분할기(54)에 의해 분할·발생된 측정광(Ib)은 차단벽(2)에 설치된 제 1 윈도우(21)를 투과하여 분진통로(1)내로 유입된 분진과 상호작용한 후, 또다른 차단벽(3)에 설치된 제 2 윈도우(31)를 투과하고 제 2 볼록렌즈(61)에 의해 집광된다.

상기 레이저 다이오드에서 발생되는 빔의 직경은 대개 1㎜ 정도이며, 빔은 분진과의 상호작용 효율을 증대시키기 위해 빔확장기에 의해 직경 약 6∼7㎜ 정도로 확대된다.

확대된 빔은 광축을 중심으로 각도 조절이 가능한 회전편광기를 통과하여 1차 편광되고, 고정설치된 고정편광기를 통과하여 2차 편광되며, 2차 편광된 빔은 광분할기에 의해 참고광(Ia)과 측정광(Ib)으로 분할된다.

여기서 두 개의 편광기가 이루는 각(θ)에 의해 광분할기로 입사하기 전의 광세기가 결정된다. 즉, 두 개의 편광기가 각(θ)을 이루고 있으므로, 2차 편광된 광의 세기는 1차 편광된 광의 세기 × cosθ²이 된다.

상기 광분할기에 의해 분할·발생된 참고광(Ia)은 제 1 볼록렌즈에 의해 집광된 후 참고광센서에 도달되어 그 세기가 측정된다.

또한 측정광(Ib)은 제 1 윈도우를 투과한 후 분진과 상호작용하고 제 2 윈도우를 투과한 다음 제 2 볼록렌즈에 의해 집광되어 측정광 센서에 도달된다.

이때, 측정광 센서에 도달된 측정광(Ib)은 분진과의 상호작용에 의해 그 세기가 약해져 있다.

이와 같이 참고광센서와 측정광 센서에 의해 측정된 참고광(Ia)과 측정광 (Ib)의 세기의 비율 즉, 분진이 없을때의 측정광(Ib)/참고광(Ia)의 수치가 1 이라는 것과, 분진의 농도와 상호작용한 후의 광세기는 지수함수관계가 있다는 사실로부터 임의의 분진농도에 대해 측정광(Ib)/참고광(Ia) = Ｘ 의 값이 주어질 때, 분진농도 Ｃ 는 Ｃ=Ｋ(-lnＸ)의 관계식으로 나타난다. 이때, Ｃ의 단위는 ㎎/㎥, 교정상수 Ｋ의 단위는 ㎎/㎥, ln 은 자연로그에 해당한다.

이와 같이 본 발명은 광의 세기를 조절할 수 있도록 되어 있어 레이저 다이오드의 온도에 따른 광의 세기 변화에서 비롯되는 측정수치의 불균일성을 보상할 수 있으며, 측정하고자 하는 분진의 농도에 크게 구애받지 않고, 최적의 조건에서 분진농도를 정확하게 측정할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 하우징을 관통하여 형성되고, 일측단에 분진함유 공기유입구가 형성되며, 타측단에 팬이 설치되는 분진통로와,

   상기 분진통로 양측에 위치하도록 차단벽에 의해 각각 형성되는 제 1,2 공간부와,

   상기 제 1 공간부내에 설치되는 레이저 발생장치와,

   상기 레이저 발생장치에서 발생된 광축과 동일한 중심을 구비하도록 제 1 공간부내에 설치되어 빔을 확장하는 빔 확장기와,

   상기 광축을 중심으로 편광축이 각도조절되는 회전편광기와, 회전편광기 후부에 고정·설치되는 고정편광기가 광축과 동일중심을 구비하게 제 1 공간부내에 설치되어 회전편광기의 각도조절에 의해 고정편광기를 통과한 광의 세기가 조절되는 조절부와,

   상기 제 1 공간부내에 설치되어 편광기를 통과한 빔을 측정광과 참고광으로 분할하는 광분할기와,

   상기 제 1 공간부내에 설치되어 광분할기에 의해 분할된 참고광을 집광하는 제 1 볼록렌즈와,

   상기 제 1 공간부내에 설치되어 제 1 볼록렌즈에 의해 집광된 참고광의 세기를 측정하는 참고광센서와,

   상기 광원과 동일중심을 구비하도록 제 1 공간부와 분진통로, 분진통로와 제 2 공간부 사이의 차단벽에 각각 설치되어 측정광이 통과하는 제 1,2 윈도우와,

   상기 광원과 동일중심을 구비하도록 제 2 공간부내에 설치되어 제 2 윈도우를 통과한 측정광을 집광하는 제 2 볼록렌즈와,

   상기 제 2 공간부내에 설치되어 제 2 볼록렌즈에 의해 집광된 측정광의 세기를 측정하는 측정광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수 분진농도 측정장치.
3. 삭제