KR100508912B1 - 전자식 광단속광원 및 반도체 광검출기 기반으로 구성된가스농도 고속 측정장치 - Google Patents

Abstract

엔진의 과도 운전 시 배기가스의 농도를 실시간으로 고속 측정할 수 있는 장치가 제공된다. 농도 측정의 대상인 시료가스가 통과하는 샘플셀의 양측에 반도체 발광부와 반도체 광검출부가 각각 배치된다. 발광부는 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 샘플셀을 향해 적외선 광을 단속적으로 발광한다. 광검출부는 시료가스에 흡수되는 파장의 광과 이 흡수파장과 무관한 파장을 각각 통과시키는 제1 및 제2 광학필터와, 상기 제1 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 측정신호를 출력하는 제1반도체 광센서, 그리고 제2 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 기준신호를 출력한다. 기준신호와 측정신호 각각은 증폭 및 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역필터링 된 다음, 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파로 변환된다. 이 정현파 신호는 디지털신호로 변환된 다음, 분석프로그램이 내장된 컴퓨터에 의해 비선형 보정을 거쳐 실효값을 산출하여 상기 시료가스의 농도로 환산된다. 1khz 이상의 정밀 고속 광단속이 가능한 전자식 광단속 방법을 적용하고 광도전형 반도체 소자로 만들어진 고감도 광검출기를 이용함으로써 배출가스 농도분석을 고속화 및 고정밀화를 실현할 수 있다.

Description

전자식 광단속광원 및 반도체 광검출기 기반으로 구성된 가스농도 고속 측정장치{High speed gas concentration measuring apparatus based of electrical chopped emitter and semiconductor detector}

본 발명은 화석연료의 연소로부터 발생되는 배출가스 중 비분산 적외선 분광법(NDIR; Non-Dispersive Infra-Red) 방식을 이용하여 농도 분석이 가능한 모든 가스의 농도를 고속으로 분석할 수 있는 장치의 개량에 관한 것이다.

배기가스 중에 포함된 HC, CO, CO₂, NO, NO₂, SO₂등의 가스 측정에 NDIR 방법은 이미 광범위하게 이용되고 있다. 고감도 광음향 센서를 이용한 NDIR 방식의 농도 분석기의 구성이 일반적이다.

특히 엔진의 유해 배출물에 대한 규제가 강화되면서, 과도상태에서의 엔진 성능 향상 및 유해가스 배출특성 파악을 위해 농도 분석기의 고속응답 특성이 강하게 요구되고 있다. 엔진에 적용 가능한 배출가스 농도 분석기는 배출가스의 농도를 사이클별 실시간 측정이 가능해야 하기 때문이다.

NDIR 법은 "흡광도는 농도에 비례한다."는 비어의 법칙(Beer's Law)과 "흡광도는 광경로에 비례한다.는 람베르트의 법칙(Lambert's Law)을 이용한 특정 가스 농도 측정법인데, 일산화탄소와 이산화탄소의 농도 측정에 주로 이용된다.

종래에는 배기가스 분석기에서 이산화탄소 농도 측정은 NDIR 방식을 이용한 측정에 광음향(Photo-acoustic) 효과를 이용한 검출기를 사용하였다. 그런데 종래의 광음향 검출기의 출력 신호는 광단속 주기 증가에 따라 감소되는 특성이 있어 고속 측정의 경우 농도 측정의 정밀도가 현저히 떨어져 실용성이 없다는 문제점을 야기한다.

또한 분석기의 S/N비를 높이기 위해 광원에서 검출기로 도입되는 광을 특정 주파수에서 단속해줄 필요가 있는데, 종래에는 기계식 광단속(mechanical chopping) 방식을 적용하였었다. 기계식 광단속은 원하는 수준의 고속 광단속을 하는 데 근본적인 내지 구조적인 한계를 갖는다.

이처럼 광음향 센서의 특성과 기구적 광단속 방식을 적용하는 농도 분석기는 응답 속도에 있어서 명백한 한계를 가졌다. 센서 농도 분석기는 측정 정밀도 측면에서 ppm~ppb수준이지만, 현재 분석장치의 농도분석시간(이하 응답시간)은 0.1~1초가 소요된다. 따라서 이러한 시스템을 가지고서는 실시간 농도 분석은 불가능한 실정이다.

엔진의 과도 운전 시 배기 배출물의 특성연구를 위한 실시간 농도측정은 엔진의 사이클과 사이클 간 농도변화 측정이 가능해야 한다. 이를 위해 고속 응답 농도분석기는 샘플가스를 검출기까지 이송하는 데 걸리는 시간(Transit time)과 검출기가 10~90%까지 농도를 측정하는 데 요구되는 시간(Time constant)을 최소화하는 샘플링 모듈의 설계가 이루어질 필요가 있다.

그러므로 본 발명은 NDIR 분석기가 당면하고 있는 고속 광단속에 관한 기구적인 문제와 온도 정밀제어 및 광검출의 신뢰도를 포함한 측정기 특성에 관한 문제를 반도체 소자를 이용하여 해결함으로써 응답시간 밀리초~마이크로초 수준의 실시간 측정이 가능한 NDIR 방식의 농도 고속 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 농도측정 대상인 시료가스가 통과하는 샘플셀; 상기 샘플셀 내의 일단에 배치되며, 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 상기 샘플셀을 향해 적외선 광을 단속적으로 발광하는 반도체 발광부; 상기 발광부에 상기 구동펄스를 공급하는 구동부; 및 상기 반도체 발광부와 대면하도록 상기 샘플셀 내의 타단에 배치되며, 상기 시료가스에 흡수되는 파장의 광을 통과시키는 제1 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제1 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 측정신호를 출력하는 제1반도체 광센서, 상기 흡수파장과 무관한 파장을 통과시키는 제2 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제2 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 기준신호를 출력하는 제2 반도체 광센서를 포함하여 구성되는 반도체 광검출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료가스 농도의 고속 측정장치가 제공된다.

상기 고속 측정장치에 있어서, 상기 기준신호와 상기 측정신호를 각각 증폭하고 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역필터링 한 다음, 상기 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파로 출력하는 신호처리부; 및 상기 정현파 출력신호를 디지털신호로 변환한 다음 비선형 보정을 거쳐 실효값을 산출하여 상기 시료가스의 농도로 환산하는 농도계산부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 상기 고속 측정장치에 있어서, 상기 반도체 발광부와 상기 반도체 광검출부에 각각 설치되어 그 내부 온도를 측정하는 제1 및 제2 온도센서와, 상기 제1 및 제2 온도센서로부터 온도측정신호를 받아 상기 반도체 발광부와 상기 반도체 광검출부의 내부 온도가 미리 설정된 온도 범위를 벗어나지 않도록 제어하는 제1 및 제2 열전냉각기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이와 같은 고속 측정장치에 있어서, 바람직하게 상기 반도체 발광부는 상기 구동펄스를 입력받아 적외선 광을 발광하는 반도체 발광소자; 적외선 투과율이 우수한 재질로 만들어지며 상기 반도체 발광소자 앞에 배치된 광윈도우; 및 온도센싱 및 열전냉각을 위해 상기 반도체 발광소자에 결합된 열전냉각모듈을 구비하며, 진공상태로 밀봉된 것을 특징으로 한다.

또한 위와 같은 고속 측정장치에 있어서, 바람직하게는 상기 발광부는 20Hz 이상 100Khz 이하의 주파수로 광단속이 가능한 반도체 발광소자를 이용하여 구성된 것을 특징으로 한다.

나아가 본 발명은 고속 측정장치에 있어서, 상기 반도체 광검출부는 적외선 투과율이 우수한 재질의 광윈도우와, 온도센싱 및 열전냉각을 위해 상기 제1 및 제2 반도체 광센서에 결합된 열전냉각모듈을 더 구비하여 진공상태로 밀봉되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 NDIR법을 이용한 농도 측정에서 종래의 분석기가 안고 있는 위 기술된 문제점들을 보완하는 반도체 소자를 적용한 구성으로 교체하여 밀리~마이크로 초 단위(millisecond ~ microsecond의 측정)의 고속 분석이 가능한 새로운 분석 장치 설계에 관한 발명이다.

특정가스의 농도를 고속 분석하기 위해 반드시 해결 되어야 몇 가지 문제들이 있다. 첫 번째는 기계식 광단속기의 사용으로 인한 신호의 위상변화 문제이고, 두 번째는 고속 광단속에서 검출기(detector)의 출력신호 저하로 인한 신호 대 잡음비(S/N ratio)의 감소 문제이며, 세 번째 문제는 발광기(light emitter)와 검출기의 정밀 온도 제어 곤란으로 인한 농도 측정 신호의 드리프트(drift) 및 측정 오차의 증가 문제이다. 이러한 문제점들은 고속 분석에서는 영향이 더욱더 증가되는 경향이 있다. 종래의 기계적인 광단속방식 및/또는 광음향 센싱방식이 적용된 분석장치로는 위 문제들이 해결될 수 없다.

그러므로 NDIR을 이용한 기본 광학적 원리는 그대로 적용하되, 분석장치를 구성하는 요소들은 기존 장치의 한계를 극복할 수 있도록 발광부와 광검출부를 모두 고속 응답특성을 갖는 반도체 소자를 적용하여 구성한다. 나아가 광검출부로부터 얻어진 검출신호를 별도의 제어장치 및 신호저리를 통해 처리함으로써 고속 분석에서의 문제점 보완과 더불어 농도 측정의 정밀도를 극대화 시킨다.

NDIR 방식은 적외선을 시료 가스에 조사하여 그 가스 중에 포함된 쌍극자 분자(CO₂, CO, C_xH_y, NO_x, 그리고 H₂O)가 흡수하는 특정 파장에서 적외선이 흡수되어 가스를 통과한 적외선의 에너지가 특정 파장에서는 낮게 검출되는 원리를 이용한다.

NDIR 방식의 농도 분석기의 기본 원리는 식(1)의 잘 알려진 램버트비어의 법칙(Lambert Beer's Law)을 따른다.

I = I _o e ^-αcL ------------(1)

여기서, I : 검출기에서 측정된 빛의 세기

I ₀ :시료가스에 조사되는 적외선 광도

α: 특정파장에서 가스의 적외선 흡수율 상수

c : 측정가스의 농도

L : 샘플셀의 길이

모든 공지의 선행 기술 NDIR 계기의 설계에 내재하는 부정확한 첫 번째 근원은 다음과 같이, CO₂ 농도를 계산하기 위해 이런 계기들이 램버트의 법칙으로서 알려진 잘 확립된 식을 사용할 때 일어난다.

식(1)을 정리하여 식(2)과 식(3)과 같이 나타낼 수 있다. 식 (1)로부터 측정하고자 하는 특정가스(시료가스)의 농도 변화에 대한 광검출기의 신호차이를 보정을 통해 기 설정된 기준가스(span gas)와 제로가스(N2)에서의 검출기 신호를 이용하여 농도로 환산하게 된다.

이때 발광기와 광검출기 사이의 거리는 측정가스 농도 범위에 따라 적절히 조절가능 하다.

I ÷I _o = e ^-αcL ----------(2)

(dI/I)/(dc/c) = -αcL ---------(3)

따라서 광검출부에 조사된 적외선 광도(light intensity)의 차이는 시료가스 중의 CO₂ 농도 차이에 의해 발생되는 것이므로, 광도 차에 의한 광검출부 전압 변화로부터 농도 측정이 가능하다.

도 1은 위와 같은 개념에 기초하여 구성된 본 발명에 따른 고속 분석장치의 구성을 도시한다. 본 발명이 제안하는 농도 분석장치는, 농도 측정의 대상인 시료 가스의 농도를 직접 측정하기 위한 수단으로서, 농도 측정의 대상인 시료 가스가 통과하는 샘플셀(2)과 이의 양측에 발광부(10)와 광검출부(20)가 각각 배치된 구성을 갖는다.

샘플셀(2)은 엔진으로부터 배기가스를 인출하는 샘플링 프로브(비도시)에 연결된다. 샘플링 프로브를 통해 샘플셀(2)로 도입된 배기가스는 발광부(10)에서 광검출부(20)로 향하는 광경로를 가로질러 통과한다. 샘플셀(2)은 크기는 작고, 광경로는 짧고, 내부 적외선 난반사를 줄이기 위해 표면 조도가 낮은 것이 바람직하다.

발광부(10)는 샘플셀(2) 내부의 일 측에 배치된다. 도 2는 발광부(10)의 구성예를 도시한다. 발광부(10)는 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 적외선 광을 단속적으로 발광하는 반도체 발광소자(14)를 포함한다. 발광부(10)의 전반부에는 적외선 투과율이 우수한 재질(예, 사파이어, 칼슘플로라이드)의 광윈도우(12)를 장착하여 발광기(10)를 진공 상태로 밀봉할 수 있도록 한다. 또한, HC, CO, CO₂, NO, NO₂, SO₂ 가스의 흡수파장을 모두 포함하는 넓은 영역의 파장을 방출할 수 있고, 전기적인 고속 광단속이 가능한 것으로 한다. (예, Pb halcohenide) 발광부(10)의 파장과 출력은 온도와 직접적인 연관이 있다. 따라서 발광부(10)에는 온도를 -30~40℃로 조절할 수 있도록 하기 위한 열전냉각모듈(16)을 포함하고 있거나 반도체 발광소자(14)에 별도로 부착하는 것이 바람직하다. 열전냉각모듈(16)은 발광부(10)의 온도를 측정하여 발광기 온도제어부(32)에 제공하는 써미스터(비도시)와 발광기 온도제어부(32)로부터 열전냉각전원을 공급받아 발광부(10)의 온도를 냉각시키는 열전냉각기(비도시)를 포함하여 구성된다.

발광부(10)는 전자식 광단속 방식으로 발광하여야 하므로 펄스신호에 의해 구동된다. 그러므로 발광부(10)의 구동에 필요한 펄스를 제공하는 발광부 펄스제어부(34)가 더 제공된다. 도 6a는 발광부(10)에 공급되는 구동펄스의 일 예를 도시한다. 예시된 구동펄스는 1Khz의 주파수에 10%의 듀티비를 가진다. 이러한 구동펄스에 의해 반도체 발광소자(14)에서 발생되는 적외선 광은 단속적으로 출광될 수 있다. 종래의 기계식 광단속 방식은 20Hz 이상으로 광단속을 하기는 어렵다. 하지만 본 발명의 경우 반도체 발광소자를 이용하므로 20Hz 이상의 고속 광단속이 가능하며 100Khz 까지도 광단속을 할 수 있다.

도 4는 발광부(10)용 구동펄스를 생성하는 드라이버 회로 즉, 발광부 펄스제어부(34)의 구성예를 도시한다. 이 드라이버 회로는 소정 주파수 예컨대 1Khz의 주파수로 펄스를 발생시키는 펄스발생기(62)와 생성된 펄스신호의 듀티를 조절하는 듀티제어부(64), 그리고 듀티제어부(64)의 출력신호에 의해 스위칭동작을 하는 트랜지스터(Q1)와 이 트랜지스터에 연결되어 트랜지스터(Q1)에 펄스신호가 인가될 때 발광하는 반도체 발광소자(D1)를 포함한다. 펄스신호의 듀티 조절(0~100%)에 의해 반도체 발광소자(D1)에서 출광되는 광을 단속적으로 생성할 수 있다. 여기에 반도체 발광소자(D1)를 하나의 저항체로 간주하고 파워 트랜지스터(Q1)와 별도의 저항 값(R1, R2)을 조절하여 반도체 발광소자(D1)의 전압차 조절과 광단속 주기를 가변시킬 수 있다.

광검출부(20)는 챔버(2) 내부에 발광부(10)와 마주보는 위치에 설치되어 샘플셀(2)을 통과한 적외선 광을 센싱하여 그 세기에 대응하는 전기신호를 출력한다. 본 발명에 따른 광검출부(20)의 구성 예가 도 3에 도시되어 있다.

이에 의하면 광검출부(20)의 앞쪽에는 적외선 투과율이 우수한 재질(예, 사파이어, 칼슘플로라이드)의 광윈도우(22)를 난반사 코팅하여 배치하고, 광검출부(20)의 내부를 진공 상태로 밀봉한다. 광검출부(20)에는 두개의 반도체 광센서 소자를 두어 하나는 측정용으로, 나머지는 기준 값으로 사용하여 온도 및 기타 왜란으로 인한 광검출부(20) 신호의 드리프트(drift)를 최소화 하는 것이 바람직하다. 물론 하나의 반도체 광센서 소자만을 이용하여 광검출부(20)를 구성할 수도 있지만, 이 경우 드리프트 효과에 따른 에러 보정을 해야 하는 부담이 있다. 도 3에는 첫 번째 방식에 따른 구성이 도시되어 있다. 즉, 광윈도우(22)의 후방의 기준가스 영역(5a)과 시료가스 영역(5b)의 연장선상에 제1 반도체 광센서(26a)와 제2 반도체 광센서(26b)가 배치된다.

도 3처럼 두 개의 광센서 소자를 이용하여 구성되는 경우 도면과 같이 광윈도우(22)와 제1 및 제2 반도체 광센서(26a, 26b) 사이에 제1 대역통과 광학필터(24a)와 제2 대역통과 광학필터(24b)를 장착한다. 이때 하나의 제2 반도체 광센서(26b)에는 측정하고자 하는 특정가스가 흡수되는 파장의 광을 통과시키는 광학 필터(24b)를 장착하여 이를 계측부 소자라 하고, 제1 반도체 광센서(26a)에는 측정파장과 무관한 파장에 대한 광학 필터(24a)를 장착하여 이를 기준부 소자라 한다. 예컨대 CO₂ 가스를 측정하고자 할 경우 계측부에는 4.28±0.12μm의 광학 필터를 사용하고, 기준부에는 계측부와 파장이 중첩되지 않는 파장인 3.9±0.12μm의 광학필터를 사용한다.

제1 및 제2 반도체 광센서(26a와 26b) 소자는 유입되는 적외선 광의 세기에 따라 전기신호를 출력한다. 광센서 소자는 특정가스의 흡수파장을 포함한 넓은 영역의 파장 흡수에 민감하게 반응할 수 있는 반도체 물질(예, CO₂ 측정의 경우, PbSe(lead selenid)의 광도전체(photoconductor type) 소자를 사용하거나, 그 밖의 파이로일렉트릭(pyroelecric) 또는 써모파일(thermopile) 소자를 사용할 수도 있다. 농도의 고속 측정을 위해서는 반도체 소자 사용이 바람직하다.

나아가 광검출부(20)는 발광부(10)처럼 출력과 신호 대 잡음 비(S/N ratio)가 온도와 직접적인 연관이 있다. 따라서 제1 및 제2 반도체 광센서(26a와 26b)의 하단부에는 온도를 -70~30℃로 조절 가능한 열전냉각 모듈(28)을 포함하고 있거나 별도로 부착하는 것이 바람직하다. 열전냉각모듈(28)은 발광부(10)에 설치된 것과 같이, 광검출부(20)의 온도를 측정하여 검출기 온도제어부(36)에 제공하는 써미스터(비도시)와 검출기 온도제어부(36)로부터 열전냉각전원을 공급받아 광검출부(20)의 온도를 냉각시키는 열전냉각기(비도시)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 고속 분석장치는 또한 발광부(10)와 광검출부(20)의 온도를 써미스터 소자로부터 피드백 받아 미리 설정된 온도범위 이내로 제어하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 분석장치의 온도 피드백 제어를 위해 발광부 온도제어부(32)와 광검출부 온도제어부(36)를 구비하며, 이들 두 온도제어부(32, 36)는 앞서 언급한 바와 같이 발광부(10)와 광검출부(20) 각각의 내부에 설치된 온도 측정기(예, thermocouple, thermistor, 또는 RTD)로부터 반도체 발광소자(14)와 반도체 광센서(26a, 26b)의 온도를 연속 관찰하면서 이들에 장치된 열전냉각모듈(28)내의 각 열전냉각소자로의 전류 피드백 제어를 수행하여 기 설정된 온도 0.5℃ 범위에서 유지될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 온도 피드백 제어에 의하여 발광부(10)와 광검출부(20)의 온도 편차로 인한 농도 분석의 정밀도 및 오차 문제를 최소화 시킨다.

NDIR 분석장치는 아래와 같은 2 가지 가정을 포함하고 있다. 첫 번째 가정은, 특정가스의 몰 흡수율이 모든 농도 범위에서 농도와 무관하게 일정하다는 것이다. 두 번째 가정은 같은 용질에서는 농도가 달라도 굴절률이 변화하지 않는다는 것이다. 그러나 가스의 특정상 위 가정은 만족될 수 없다. 그러므로 분석장치 구성 후 광검출부(20)로부터 측정된 신호는 반드시 후처리 과정을 거치면서 농도 산출을 하게 된다. 이와 관련하여 본 발명의 분석장치는 또한 광검출부(20)의 반도체 광센서(26a, 26b)로부터의 출력신호를 처리하여 시료가스의 농도를 산출하기 위한 수단들을 더 구비하는데, 측정 신호의 후처리를 통한 농도산출을 위해 하드웨어와 소프트웨어를 이용한다.

도 5는 측정신호의 후처리를 통해 시료가스의 농도를 산출하는 분석과정을 도시한다. 제1 반도체 광센서(26)와 제2 반도체 광센서(26b)가 제공하는 기준가스의 농도측정신호 I와 시료가스의 농도측정신호 Io는 우선 원활한 신호처리를 위해 증폭과 필터링 처리를 거친다. 이를 위한 하드웨어적인 수단으로서는 신호처리부(38)와 A/D변환기(40)가 제공된다. 신호처리부(38)는 아날로그 필터 및 증폭기(38a)와 협대역 필터(38b)를 포함하며, 제1 및 제2 반도체 광센서(26a, 26b) 각각으로부터의 출력신호 I와 Io를 받아서 이를 증폭하고 발광부(10)의 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역 필터링처리를 하여 상기 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파를 출력한다.

도 7은 협대역 필터(38b)의 구성예를 도시한다. 이 협대역 필터(38b)는 연산증폭기(OP Amp.) 회로들의 조합으로 이루어지는 기본적인 증폭기와 노이즈필터 외에 기준주기(cutoff frequency)를 발광부(10)의 전기적인 광단속 주기와 같고 대역폭은 5~10Hz 이하로 좁도록 설정된 도 7의 협대역 필터(narrow band pass filter)를 적용한다. 이 필터(38b)의 출력이 도 9에 도시된 정현파 신호인데, 이는 발광부(10)의 광단속 주기와 동일한 주기의 완전한 정현파 형태의 출력신호이고, 고속 측정에서도 측정신호의 출력을 극대화하고, 신호 대 잡음 비의 감소 문제를 해결 할 수 있도록 한다. 또한 중심주기 설정 및 주기의 통과 대역(frequency band width)을 최소(5~10Hz 이하)로 설계하여 신호의 위상 변화에 대한 오차를 최소화 하도록 한다.

협대역 필터(38b)를 통해 출력되는 측정신호는 A/D 변환기(40)는 신호처리부(38)가 출력하는 정현파 출력신호를 디지털신호로 변환해준다. A/D 변환기(40)에 의해 디지털신호 형태로 변환된 측정신호는 이후 소프트웨어적인 수단에 의해 농도분석처리를 거치게 된다. 농도분석은 데이터분석용 컴퓨터(50)에 의해 실행되는 농도계산 프로그램에 의해 이루어진다. 이 프로그램은 디지털신호로 변환된 측정신호에 대하여 비선형 보정 처리를 한 다음, 실효값 V_RMS을 산출하여 상기 배기가스의 농도로 환산하는 기능을 갖는다.

소프트웨어를 이용한 신호의 후처리는 A/D 변환기(40)를 거친 측정신호를 데이터분석용 장치(50)(예, personal computer)의 기 설정된 알고리즘을 통해 도 8과 같이 비선형 신호의 거동에 대한 경로를 기억하고, 이 정보를 농도 환산에 적용한다. 즉, 광검출부(20)로부터 획득된 측정신호 I와 Io는 램버트 비어의 법칙(Lambert Beer's Law)의 예외적인 상황(가정 불만족)으로 인해 비선형적인 특성을 가진다. 그러므로 분석장치를 구성한 후 최초 1~2회의 보정(calibration)작업 수행을 통해 소프트웨어에 도 8과 같이 출력신호의 경로를 기억시켜 농도 환산 과정에서 광검출부(20)의 출력 값의 비선형성 특성을 보완할 수 있도록 한다.

도 9는 광검출기(20)의 출력 신호가 하드웨어(신호처리부(38) 및 A/D변환기(40))와 소프트웨어 구성요소(데이터분석 PC(50)와 그에 내장된 분석프로그램)를 통과 후 최종적으로 농도로 환산된 신호 형태를 보이고 있다. 신호의 실시간 계측 및 사이클별 주기 계산과 RMS 동시 연산을 특징으로 한다. 즉, 광검출부(20)의 측정신호를 이용한 농도 환산은 도 9와 같이 실시간으로 정현파 신호의 시간주기를 계산하여 농도 출력의 시간주기로 적용하고, 각 시간주기마다 실효값(RMS)을 구하여 농도로 환산한다. 이에 의해 램버트 비어의 법칙(Lambert Beer's law)의 가정 불만족으로부터 발생되는 신호의 비선형성에 따른 오차 발생을 제거할 수 있다.

본 발명의 측정장치를 실제로 구성할 때에는 발광부 온도제어부(30), 발광부 펄스제어부(34), 광검출부 온도제어부(36), 신호처리부(36)는 동작상태를 모니터링 하는 데 필요한 디스플레이 수단과 함께 하나의 제어박스(30) 안에 내장시켜 구성할 수 있을 것이다.

본 발명은 1khz 이상의 정밀 고속 광단속이 가능한 전자식 광단속(electrical chopping) 방법을 적용하고 광도전형(Photoconductor type) 반도체 소자로 만들어진 고감도 광검출기를 이용함으로써 센서의 최대 출력이 1khz 이상에서 나타나도록 하여 배출가스 농도분석을 고속화 및 고정밀화를 실현할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 종래에 사용되고 있는 NDIR 분석기의 기계식 광단속기(mechanical chopper)와 적외선 광원을 반도체 레이저로 대체 함으로써 전자식 광단속(electrical chopping) 방법으로 1khz 이상 정밀 고속 광단속이 가능하다. 또한, 종래의 광음향 센서의 출력 신호가 광단속 주기 증가에 따라 감소되어 예컨대 1Khz 이상의 고속 측정이 불가능했던 문제를 광도전형(Photoconductor type) 반도체 소자로 만들어진 고감도 광검출기를 이용함으로써 센서의 최대 출력이 1khz 이상에서 나타나도록 하여 배출가스 농도 고속 분석 시에 야기 될 수 있는 신호 대 잡음(S/N) 비 감소현상을 해결할 수 있다.

나아가, 종래의 NDIR 분석기는 이산화탄소(CO₂) 가스의 농도측정에 국한된 것인 경우가 대부분이었으나, 본 발명의 농도 측정장치는 반도체 광센서(26b) 위에 위치한 광학 필터(24b)만 교환 할 경우 다른 부수적인 장치 없이도, NDIR측정법으로 측정 할 수 있는 HC, NOx, CO, CO₂ 모두 측정 가능하도록 응용이 가능하다.

또한 본 발명의 측정장치는 센서와 광원이 마주보고 있어, 종래의 측정장치 중 광경로를 넓히기 위해 여러 단계의 밀러를 거쳐 측정하는 방식에 비해 최소한의 크기로 측정이 용이하고, 부피를 작게 만들어 직접 측정 공간에 투입할 수 있는 장점도 가진다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위안에 속함을 밝혀둔다.

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 분석 장치의 구성을 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광기(light emitter)의 내부 구성을 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 광검출기의 내부 구성을 도시한다.

도 4는 반도체 발광부의 구동 회로를 도시한다.

도 5는 반도체 광검출부에서 획득된 측정신호를 입력으로 하여 시료가스의 농도환산을 위한 신호처리절차를 도시한다.

도 6은 도4의 구동회로가 생성하는 반도체 발광부용 구동펄스의 파형도를 도시한다.

도 7은 신호처리부(38)의 협대역 필터의 구성예를 도시한다.

도 8은 광검출 신호의 비선형적 특성을 보정하는 방법을 설명하기 위한 그래프를 도시한다.

도 9는 광검출 신호를 처리하여 농도로 환산한 출력신호를 도시한다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

2: 샘플셀 10: 반도체 발광부

12: 광윈도우 14: 반도체 발광소자

16: 열전냉각모듈 20: 반도체 광검출부

22: 광윈도우 24a: 제1 대역통과 광학필터

24b: 제2 대역통과 광학필터 26a: 제1 반도체 광센서

26b: 제2 반도체 광센서 28: 열전냉각모듈

Claims (5)

1. 농도측정 대상인 시료가스가 통과하는 샘플셀;

   상기 샘플셀 내의 일단에 배치되며, 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 상기 샘플셀을 향해 적외선 광을 단속적으로 발광하는 반도체 발광부;

   상기 발광부에 상기 구동펄스를 공급하는 구동부;

   상기 반도체 발광부와 대면하도록 상기 샘플셀 내의 타단에 배치되며, 상기 시료가스에 흡수되는 파장의 광을 통과시키는 제1 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제1 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 측정신호를 출력하는 제1반도체 광센서, 상기 흡수파장과 무관한 파장을 통과시키는 제2 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제2 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 기준신호를 출력하는 제2 반도체 광센서를 포함하여 구성되는 반도체 광검출부;

   상기 기준신호와 상기 측정신호를 각각 증폭하고 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역필터링 한 다음, 상기 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파로 출력하는 신호처리부; 및

   상기 정현파 출력신호를 디지털신호로 변환한 다음 비선형 보정을 거쳐 실효값을 산출하여 상기 시료가스의 농도로 환산하는 농도계산부를 구비하는 구성을 가지며,

   특히 상기 반도체 발광부는 상기 구동펄스를 입력받아 적외선 광을 발광하는 반도체 발광소자; 적외선 투과율이 우수한 재질로 만들어지며 상기 반도체 발광소자 앞에 배치된 광윈도우; 및 온도센싱 및 열전냉각을 위해 상기 반도체 발광소자에 결합된 열전냉각모듈을 구비하며, 진공상태로 밀봉된 것을 특징으로 하는 시료가스 농도의 고속 측정장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 농도측정 대상인 시료가스가 통과하는 샘플셀;

   상기 샘플셀 내의 일단에 배치되며, 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 상기 샘플셀을 향해 적외선 광을 단속적으로 발광하는 반도체 발광부;

   상기 발광부에 상기 구동펄스를 공급하는 구동부;

   상기 반도체 발광부와 대면하도록 상기 샘플셀 내의 타단에 배치되며, 상기 시료가스에 흡수되는 파장의 광을 통과시키는 제1 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제1 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 측정신호를 출력하는 제1반도체 광센서, 상기 흡수파장과 무관한 파장을 통과시키는 제2 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제2 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 기준신호를 출력하는 제2 반도체 광센서를 포함하여 구성되는 반도체 광검출부;

   상기 기준신호와 상기 측정신호를 각각 증폭하고 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역필터링 한 다음, 상기 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파로 출력하는 신호처리부; 및

   상기 정현파 출력신호를 디지털신호로 변환한 다음 비선형 보정을 거쳐 실효값을 산출하여 상기 시료가스의 농도로 환산하는 농도계산부를 구비하며,

   상기 발광부는 20Hz 이상 100Khz 이하의 주파수로 광단속이 가능한 반도체 발광소자를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 시료가스 농도의 고속 측정장치.
5. 농도측정 대상인 시료가스가 통과하는 샘플셀;

   상기 샘플셀 내의 일단에 배치되며, 소정의 듀티비를 갖는 구동펄스에 의해 구동되어 상기 샘플셀을 향해 적외선 광을 단속적으로 발광하는 반도체 발광부;

   상기 발광부에 상기 구동펄스를 공급하는 구동부;

   상기 반도체 발광부와 대면하도록 상기 샘플셀 내의 타단에 배치되며, 상기 시료가스에 흡수되는 파장의 광을 통과시키는 제1 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제1 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 측정신호를 출력하는 제1반도체 광센서, 상기 흡수파장과 무관한 파장을 통과시키는 제2 광학필터와 이의 후방에 배치되어 상기 제2 광학필터를 통과한 적외선 광을 센싱하여 그에 대응하는 기준신호를 출력하는 제2 반도체 광센서, 적외선 투과율이 우수한 재질의 광윈도우와, 온도센싱 및 열전냉각을 위해 상기 제1 및 제2 반도체 광센서에 결합된 열전냉각모듈를 포함하여 진공상태로 밀봉되는 반도체 광검출부;

   상기 기준신호와 상기 측정신호를 각각 증폭하고 광단속 주기와 동일한 정현파 형태의 출력신호로 대역필터링 한 다음, 상기 발광부의 광단속 주기와 동일한 주기의 정현파로 출력하는 신호처리부; 및

   상기 정현파 출력신호를 디지털신호로 변환한 다음 비선형 보정을 거쳐 실효값을 산출하여 상기 시료가스의 농도로 환산하는 농도계산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료가스 농도의 고속 측정장치.