KR100419094B1 - 기체 식별기 - Google Patents

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KR100419094B1
KR100419094B1 KR10-2001-0037759A KR20010037759A KR100419094B1 KR 100419094 B1 KR100419094 B1 KR 100419094B1 KR 20010037759 A KR20010037759 A KR 20010037759A KR 100419094 B1 KR100419094 B1 KR 100419094B1
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids

Abstract

기체 시료를 저장하는 셀, 서로 다른 파장의 빛을 발생시키는 수 개의 레이저 다이오드와 레이저 다이오드를 지지하는 광원결합체(light source assembly)를 가지며 수 개의 레이저 다이오드의 위치를 이동시킴으로써 기체 시료에 조사할 빛을 선택하여 광원기체 시료에 특정 파장의 빛을 선택적으로 조사하는 광원, 셀에 설치되어 있으며 기체 시료가 광원이 조사한 빛으로부터 에너지를 흡수하여 일으키는 요동을 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰, 여러 종류의 기체가 혼합되어 있는 다양한 경우에 대한 신호 패턴을 저장하고 있는 데이터베이스, 마이크로폰으로부터 입력되는 신호를 데이터베이스가 저장하고 있는 신호 패턴과 비교 분석하는 연산 처리 장치를 포함하는 기체 식별(identification)기를 마련한다.

Description

기체 식별기{gas identification device}
본 발명은 기체 식별기에 관한 것으로서, 특히 두 가지 이상의 혼합 기체나 증기를 실시간으로 분석, 측정, 구별할 수 있는 기체 식별기에 관한 것이다.
광음향 이란 적외선과 같은 광에너지를 특정한 주파수로 변조하여 광음향셀 내에 있는 기체 분자에 비추었을 때, 기체 분자들이 변조된 빛을 흡수한 후 방출하는 열에 의해 온도의 요동이 발생되고 그 결과 셀 내부에 압력의 요동이 발생되는 현상이다. 압력의 요동은 마이크로폰(microphone)을 이용하여 쉽게 감지하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 여기서 발생된 음향 신호들과 전기적 신호들의 세기나 강도는 비추어준 빛의 세기와 그 빛을 흡수한 분자들의 농도에 비례한다. 이러한일련의 과정에서 중요한 부분은 기체들이 충분히 잘 흡수할 수 있는 에너지를 주는 것인데, 얼마나 잘 흡수될 수 있는 빛을 얼마만큼의 세기로 줄 것인가가 제일 중요하다. 또한 측정을 위해 기체를 담아두는 측정셀도 매우 중요하다.
이러한 원리를 응용한 장비들 중 대표적인 것으로 미국 특허 제4,557,603호 (Oehler et al), 제4,818,882호(Nexo et al), 제6,006,585호(Forster) 등이 있다. 그런데 이러한 장비들은 일반적으로 서로 몇 가지의 공통점이 있다. 첫째, 방사 에너지를 얻을 수 있는 광원이 있고, 둘째로 그 방사되는 빛을 원하는 주파수로 변조시키기 위하여 빛을 자르는 초퍼(chopper)를 사용하거나 전원을 온 오프(on-off)시키는 방법을 사용한다. 셋째, 이렇게 해서 변조된 빛을 조사하여 에너지를 흡수시킬 기체를 저장하는 셀이 있고, 넷째로 그 변조되어진 빛이 셀 안으로 들어가서 분자들이 그 변조된 빛 에너지를 흡수하게 되어 생기게 될 압력의 요동을 감지할 수 있는 마이크로폰 등의 장치들이 공통적으로 들어간다.
마이크로폰에 의해 감지된 압력의 요동은 전기적 신호로 바뀌게 되는데 그 신호는 제공하는 빛의 세기와 기체 분자들의 농도에 비례하게 된다. 그러나 두 가지 종류 이상이 섞인 혼합 기체의 경우 각각의 기체에 대한 농도를 결정해야 한다. 그러기 위해서는 두 개 또는 그 이상의 시스템이 필요하다. 하지만 기체의 종류만큼 시스템을 늘릴 수 없게 때문에 단일 기체를 측정할 수 있는 시스템들의 공통점을 공유하여 하나의 시스템으로 만들어야 한다. 그리하여 단일의 광음향 시스템을 사용하여 두 가지 또는 그 이상의 기체들을 감지할 수 있는 것에 대한 제안들이 나오게 된다.
예를 들면, Nexo 등은 그의 특허에서 서로 다른 공간에 배치시킨 세 개의 필터에 구멍을 내고 빛을 서로 다른 세 가지 종류의 주파수로 변조시켜 N2O와 CO2에 의한 흡수에 대하여 기술하였다.
또한 Oehler 등은 그의 특허에서 기계적인 빛의 변조 장치(mechanical chopper)와 단색광 장치(monochromator)를 이용하여 원하는 파장을 분리해 내고, 그 각각의 파장에 대한 신호들을 분리해 냄으로써 혼합 기체의 조성을 알아낼 수 있다고 제시했다. 이 때, 각 기체들의 농도는 각각의 협대역 필터(narrow band filters)를 통하여 구별해 낼 수 있었다.
그러나 이러한 장치들은 광원이 무한히 넓은 대역(range)의 빛을 방출하므로 필요한 대역의 에너지만을 골라내기 위해서는 셀과 광원 사이에 필요한 장비들을 추가로 설계해야 하기 때문에 비용 상승을 초래한다. 또한 2개 이상의 기체가 혼합되어 있을 경우에는 두 기체에서 동시에 흡수가 이루어질 수 있는데 이들 사이에 겹쳐지는 영역을 구별하기가 어렵고 내용을 알지 못하는 기체가 섞여 있는 경우 식별이 곤란하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 혼합되어 있는 기체들이 동시에 흡수하는 흡수선 또는 대역을 각각 구별해 내고 겹치는 부분을 분리하여 기체의 종류와 농도를 밝힐 수 있는 기체 식별기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 저렴하고 신속하게 기체를 분석할 수 있는 기체 분석기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 식별기의 구성도이고,
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 기체 식별기의 광원의 사시도이고,
도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 기체 식별기의 측정셀의 단면도이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 다양한 파장의 빛을 내는 광원을 사용하고 빛 에너지를 흡수하여 발생되는 기체의 광음향 신호를 측정하여 미리 데이터 베이스화 되어 있는 광음향 신호 패턴과 비교 분석한다.
구체적으로는 기체 시료를 저장하는 광음향셀, 상기 기체 시료에 특정 파장의 빛을 선택적으로 조사하는 광원, 상기 셀에 설치되어 있으며 상기 기체 시료가 상기 광원이 조사한 빛으로부터 에너지를 흡수하여 일으키는 요동을 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰, 여러 종류의 기체가 혼합되어 있는 다양한 경우에 대한 신호 패턴을 저장하고 있는 데이터베이스, 상기 마이크로폰으로부터 입력되는 신호를 상기 데이터베이스가 저장하고 있는 신호 패턴과 비교 분석하는 연산 처리 장치를 포함하고, 상기 광원은 서로 다른 파장의 빛을 발생시키는 수 개의 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드를 지지하는 광원결합체(light source assembly)를 가지며, 상기 수 개의 레이저 다이오드의 위치를 이동시킴으로써 상기 기체 시료에 조사할 빛을 선택하는 기체 식별기를 마련한다.
이 때, 상기 셀은 상기 기체 시료를 저장할 공간을 형성하며 앞면과 뒷면이 트여 있는 본체, 상기 본체의 앞면에 설치되어 상기 기체 시료를 저장할 공간을 외기로부터 차단하며 상기 광원의 빛을 투과시키는 전방창, 상기 본체의 뒷면에 설치되어 상기 기체 시료를 저장할 공간을 외기로부터 차단하며 상기 광원이 빛을 투과 또는 반사시키는 후방창 및 상기 기체 시료를 상기 기체 시료를 저장할 공간 내부로 투입 또는 배출하는 하나 이상의 밸브로 이루어질 수 있다.
또, 상기 광원은 상기 광원결합체를 회전 또는 평행 이동시킴으로써 상기 레이저 다이오드의 위치를 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 셀에 온도 센서를 설치하며, 상기 연산 처리 장치는 상기 마이크로폰으로부터 입력되는 광음향 신호에 대하여 상기 온도 센서로부터 입력되는 온도 정보를 바탕으로 하여 온도 보정을 수행하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 레이저 다이오드의 출력은 3mW에서 50W 사이에서 조정되며 상기 레이저 다이오드가 발생시키는 빛은 5㎚에서 1650㎚ 사이의 파장을 가질 수 있다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 기체 식별기에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기체 식별기의 구성도이다.
본 발명에 따른 광음향 분석기는 변조된 빛에너지를 제공하는 광원(10), 기체를 담는 셀(20), 셀(20)에 설치되어 있는 마이크로폰(22)이 감지한 신호를 증폭하는 전(前) 증폭기(30), 전(前) 증폭기(30)로부터 출력되는 신호 중 특정 신호만을 추출하는 록인(lock-in) 증폭기(40), 록인 증폭기(40)와 셀(20)에 설치되어 있는 온도 센서(23)로부터 출력되는 신호를 받아 온도 보정을 실시하고 가공하는 부 연산 처리 장치(50), 다양한 혼합 기체의 신호 패턴을 저장하고 있는 데이터 베이스(60), 부 연산 처리 장치(50)가 가공한 신호를 데이터 베이스(60)의 신호 패턴과 비교하여 분석하는 주 연산 처리 장치(70), 주 연산 처리 장치(70)에 의하여 분석된 내용을 표시하며 전원(90)과 광원(10) 등을 제어하는 제어부 및 표시부(80), 광원(10)을 비롯한 각 부분에 전력을 공급하는 전원(90)으로 이루어져 있다.
광원(10)은 원하는 파장의 빛을 선택하여 사용할 수 있도록 여러 종류의 단일 파장을 방출하는 다이오드 레이저들을 조합하여 이루어져 있고, 각 레이저 다이오드는 펄스형이 아닌 CW(Continous Wave)형의 레이저 광을 발생하며 그 출력은 3mW에서 50W 사이이다. 레이저 다이오드의 출력은 임의로 조정이 가능하다.
셀(20)은 분석 대상인 기체를 담고 있으며 광원(10)이 조사하는 빛이 투과할 수 있는 투과창, 압력의 요동을 감지할 수 있는 마이크로폰(22) 및 셀(10) 내부의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(23) 등이 설치되어 있다.
전(前) 증폭기(30)는 마이크로폰(22)으로부터 입력되는 전기 신호를 앞으로의 분석에 사용할 수 있도록 증폭한다.
록인 증폭기(40)는 전(前) 증폭기(30)로부터 입력되는 증폭된 신호 중에서 잡음을 걸러내고 측정하고자 하는 광음향 신호만을 추출한다. 이 때, 광음향 신호의 추출은 증폭된 입력 신호를 기준 신호와 비교하여 일치하는 신호만을 증폭하는 방법에 의한다.
부 연산 처리 장치(50)는 록인 증폭기(40)로부터 입력되는 신호를 온도 센서(23)로부터 입력되는 온도를 기준으로 하여 보정한다.
주 연산 처리 장치(70)는 온도 보정된 광음향 신호를 미리 실험 등을 통하여 축적해 놓은 데이터베이스(60)의 신호 패턴과 비교하여 분석한다. 이 때 데이터베이스(60)에는 여러 종류의 기체가 혼합되어 있는 다양한 경우에 대한 광음향 신호 패턴을 저장하고 있어서, 측정된 광음향 신호를 데이터베이스(60)의 신호 패턴과비교함으로써 혼합되어 있는 기체의 종류는 물론이고 혼합 비율도 분석해낼 수 있다. 이와 같은 시료 기체에 대한 정성과 정량 분석을 위해 통계적 방법을 사용한다.
제어부 및 표시부(80)는 주 연산 처리 장치(70)가 분석해낸 내용을 실험자가 확인할 수 있도록 표시하고 실험자로 하여금 원하는 실험을 행할 수 있도록 전원(90)을 비롯한 장치 전반의 제어를 가능하게 한다.
이러한 광음향 기체 분석기는 고정용은 물론 휴대용으로 제작할 수도 있다.
그러면 도 2와 도 3을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 기체 식별기의 광원(10)에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 광음향 기체 분석기의 광원의 사시도이다.
도 2를 보면, 원통형의 광원결합체(11)에 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 레이저 다이오드(12) 여러 개가 동심원 상에 설치되어 있고, 광원결합체(11)는 지지축(13)에 의하여 지지되어 있다. 실험자는 제어부(80)를 통하여 광원결합체(11)를 회전시킴으로써 셀에 조사하는 빛을 다양하게 선택할 수 있다. 이 때, 광원결합체(11)의 회전은 지지축(13)이 회전함으로써 또는 광원결합체(11) 자체가 지지축(13) 주변을 회전함으로써 가능하다. 또, 더 다양하게 빛의 파장과 출력을 선택할 수 있도록 하기 위하여 광원결합체(11)를 여러 개 구비하고 이들을 교체하여 사용할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
도 3을 보면 육면체인 광원결합체(11)에 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 레이저 다이오드(12) 여러 개가 정방형으로 설치되어 있고 광원결합체(11)는 지지축(13)에 의하여 지지되어 있다. 실험자는 제어부(80)를 통하여 광원결합체(11)를 상하 좌우로 평행 이동시킴으로써 다양한 파장의 빛을 선택하여 셀에 조사할 수 있다. 제1 실시예에서와 마찬가지로 광원체(11)를 여러 개 구비하고 서로 교체할 수 있도록 함으로써 선택할 수 있는 빛의 종류를 원하는 만큼 다양화 할 수 있다.
이상 제1 및 제2 실시예에서 각 레이저 다이오드(12)는 단일 파장의 빛을 방출하며 출력은 3mW에서 50W 사이에서 조정이 가능하다. 따라서, 레이저 다이오드(12)를 선택함으로써 빛의 파장을 조절할 수 있고 레이저 다이오드의 출력을 조절함으로써 빛의 세기도 조절할 수 있다. 여기서 레이저 다이오드(12)들은 5㎚에서 1650㎚ 사이의 파장을 가지는 빛을 발생시키는 것을 사용한다. 기체 시료의 종류에 따라 레이저 다이오드(12)의 조합을 조금씩 달리하여 들뜬 상태로의 전이가 충분히 이루어질 수 있도록 선택할 수 있으며 그 결과 상대적으로 강하고 분석이 용이한 광음향 신호를 얻을 수 있다. 이 때, 빛의 세기는 광원 자체의 출력을 조정함으로써 조절할 수도 있으나 광원과 셀 사이의 거리를 변경하여 조절할 수도 있다.
한편, 레이저 다이오드(12)의 출력 조정과 레이저의 주파수 변조는 전기 회로에 의하여 이루어진다.
이상과 같이 본 발명에 있어서는 특정 파장을 가지는 빛의 선택은 회전 또는 평행 이동할 수 있는 기계 장치를 통하여 이루어진다.(꼭 평행이동을 해야하는 것은 아님) 따라서, 선택하여 변조한 빛은 일반적인 적외선 투과 렌즈를 통하여 어떠한 광학 기구도 거치지 않고 직접 셀(20) 안으로 입사시킬 수 있다. 그리고 정확한 측정을 위하여 광원결합체(11)를 회전 또는 이동시키는 동안에는 모든 측정을 멈춘다.
이상에서는 특정한 파장의 빛을 선택하기 위하여 광원결합체(11)가 회전 또는 평행 이동하도록 장치되었으나 이와 반대로 광원결합체는 고정시키고 셀을 이동시켜 빛을 선택할 수도 있다. 이 경우에도 소음을 감소시켜 정확한 측정을 하기 위하여 측정하는 동안은 셀을 이동시키지 않는다.
이상의 방법을 통하여 단색광 장치(monochromator)나 광학 필터(optical filter) 또는 튜너블 레이저(tunable laser)를 사용하지 않고 다양한 레이저 다이오드로 이루어진 광원 자체만으로 원하는 파장 영역과 출력을 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기체 식별기의 측정셀의 단면도이다.
측정셀은 셀 본체(21), 마이크로폰(22), 온도 센서(23), 전방창(24), 후방창(25), 두 개의 밸브(26, 27) 등으로 이루어져 있다. 셀 본체(21)는 측정셀의 골격으로서 시료 기체를 담기 위한 공간을 형성하고 기타 구성 요소들을 설치하는 바탕이다. 이 때, 측정셀의 내부 공간은 원통형이고 공간 수치는 필요한 공명 주파수에 따라 조정한다. 본 발명의 실시예에서는 약 100Hz에서 1000Hz의 주파수 영역의 공명 주파수를 가지도록 설계한다. 또, 셀 내부는 빛을 반사할 수 있도록 기계적으로 연마한다. 마이크로폰(22)은 셀 본체(21)에 설치되어서 기체의 요동(음향)을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 장치이고 온도 센서(23)는 셀 본체(21)에 설치되어 기체의 온도를 감지하여 부 연산 처리 장치에 전달한다. 이 때, 마이크로폰(22)은 감도 향상을 위하여 2개 이상이 설치될 수도 있다. 전방창(24)은 시료 기체를 가두고, 광원의 빛이 시료 기체에 조사될 수 있도록 적외선 투과창을 형성한 것이다. 후방창(25)은 시료 기체를 가두고, 시료 기체를 통과한 빛을 외부로 방출하거나 또는 반사하여 다시 시료 기체를 통과시킴으로써 빛 에너지의 흡수율을 높일 수 있도록 하기 위한 것으로 적외선 투과창(방출시키는 경우) 또는 거울(반사시키는 경우)이다. 이 때, 전방창(24)과 후방창(25)을 적외선 투과창으로 형성하는 것은 측정에 사용되는 빛이 대부분 적외선 영역에 속하기 때문이다. 그러나 필요에 따라서는 적외선 이외의 빛도 투과할 수 있도록 전방창(24)과 후방창(25)을 형성할 수도 있다. 두 개의 밸브(26, 27)는 시료 기체를 셀 내부로 투입하거나 배출하고 셀 내부를 세척하기 위하여 설치한 것으로서 둘 중 하나는 투입구로 사용되고 나머지 하나는 배출구로 사용하거나, 시료 기체 투입 및 배출을 위한 밸브와 세척을 위한 밸브로 구분하여 사용할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따르면 시료 기체들에 의하여 흡수되는 흡수선 또는 흡수대역(band)을 각각 구별해 내고 겹쳐지는 부분을 분리하여 시료 기체의 종류와 농도를 밝힐 수 있다. 또, 시료의 전처리 과정이 필요 없고 실시간으로 측정할 수 있기 때문에 신속하고 저렴하게 기체를 분석할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여 도로상에서 차량이 내뿜는 공해 물질이나 그 밖의 심각한 문제를 야기하는 공해 물질들을 보다 빠르고 정확하게 측정하여 필요한 조치를 취하도록 할 수 있다. 또한, 폭발물 감지나 화약 및 마약 등 위험물을 신속하고 정확하게 감지해 낼 수 있기 때문에 군사 분야나 안전 분야에 다양하게 응용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기체 시료를 저장하는 셀,
    상기 기체 시료에 특정 파장의 빛을 선택적으로 조사하는 광원,
    상기 셀에 설치되어 있으며 상기 기체 시료가 상기 광원이 조사한 빛으로부터 에너지를 흡수하여 일으키는 압력의 요동을 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰,
    여러 종류의 기체가 혼합되어 있는 다양한 경우에 대한 신호 패턴을 저장하고 있는 데이터베이스,
    상기 마이크로폰으로부터 입력되는 신호를 상기 데이터베이스가 저장하고 있는 신호 패턴과 비교 분석하는 연산 처리 장치
    를 포함하고 상기 광원은 서로 다른 파장의 빛을 발생시키는 수 개의 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드를 지지하는 광원결합체를 가지며 상기 수 개의 레이저 다이오드의 위치를 이동시킴으로써 상기 기체 시료에 조사할 빛을 선택하는 기체 식별기.
  2. 제1항에서,
    상기 셀은
    상기 기체 시료를 저장할 공간을 형성하며 앞면과 뒷면이 트여 있는 본체,
    상기 본체의 앞면에 설치되어 상기 기체 시료를 저장할 공간을 외기로부터차단하며 상기 광원의 빛을 투과시키는 전방창,
    상기 본체의 뒷면에 설치되어 상기 기체 시료를 저장할 공간을 외기로부터 차단하며 빛을 투과 또는 반사시키는 후방창,
    상기 기체 시료를 저장할 공간 내부로 투입 또는 배출하는 하나 이상의 밸브를 포함하는 기체 식별기.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 광원은 상기 광원결합체를 회전시킴으로써 상기 레이저 다이오드의 위치를 이동시키는 기체 식별기.
  4. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 광원은 상기 광원결합체를 평행 이동시킴으로써 상기 레이저 다이오드의 위치를 이동시키는 기체 식별기.
  5. (정정) 제1항 또는 제2항에서,
    상기 광원은 방출 파장과 출력이 서로 다른 다수의 다이오드 레이저의 조합(combination)으로 이루어진 기체 식별기.
  6. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 셀에 설치되어 있는 온도 센서를 더 포함하고 상기 연산 처리 장치는상기 마이크로폰으로부터 입력되는 신호에 대하여 상기 온도 센서로부터 입력되는 온도 정보를 바탕으로 하여 온도 보정을 수행하는 기체 식별기.
  7. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 레이저 다이오드의 출력은 3mW에서 50W 사이에서 조정되는 기체 식별기.
  8. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 레이저 다이오드가 발생시키는 빛은 5㎚에서 1650㎚ 사이의 특정 파장을 가지는 기체 식별기.
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