KR100747767B1 - 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보다 구동이 편리하고 구조가 간단한 광학 스위치에 의하여 작동될 수 있는 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템은, 전류와 온도의 제어를 통하여 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키도록 제어하는 레이저 발진부 제어부 및 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 실시간으로 디스플레이하는 데이터 수집 장치를 구비한 제어부와; 상기 레이저 발진부 제어부에 의해 제어되는 광학 스위치에 의해 시간차를 두고 레이저를 발진시키는 레이저 발진부와; 상기 레이저 발진부로부터 발진된 레이저 중에서 대상 가스 파장 대역의 레이저 빔을 운반하여, 대상 가스가 채워져 있는 다중 패스 셀을 레이저 빔이 통과하는 동안 대상가스의 흡수가 발생하는 광학 측정부와; 상기 광학 측정부의 출구 쪽에 위치되어 상기 광학 측정부로부터 대상 가스를 흡수한 레이저 빔을 수광하여 상기 제어부의 데이터 수집 장치로 전달하는 수광부를 포함한다.
유해 가스, 시분할 다중 측정 시스템, 레이저, 광학 스위치, 다중 패스 셀, 연소 장치
Description
도 1은 본 발명에 따라서 여러 종류의 유해가스를 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 시분할 다중 측정 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템의 동시 측정 시스템의 원리를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템에서 동시 측정에 필요한 시간적 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템을 이용한 두 가지 가스를 농도별로 동시에 측정한 실험 결과를 나타낸 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 제어부 2 : 레이저 발진부
2a, 2b : 레이저 다이오드 3 : 광학 측정부
4 : 수광부 5 : 레이저 발진부 제어부
6 : 데이터 수집 장치 7 : 광학 스위치
8 : 광섬유 9 : 집광부
10 : 다중 패스 셀
본 발명은 연소 장치의 유해가스 측정 시스템에 관한 것이고, 보다 상세하게는 연소장치에서 배출되는 유해가스에서 여러 종류의 가스 농도값을 측정할 수 있는 연소 장치로부터 배출되는 유해가스를 측정하기 위한 시분할 다중 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 버너의 같은 연소 장치의 작동 시에 발생되는 유해가스는 한 가지 종류가 아닌 여러 종류의 가스가 배출되며, 이러한 유해가스는 화염의 온도, 연소 속도, 그리고 주입 연료의 종류에 따라서 화학종간의 상관관계가 있다. 또한, 유해가스의 농도 값 또한 화염을 분석, 해석함에 있어서 중요한 의미를 가진다. 아울러, 유해가스의 종류 또한 여러 종류가 존재하므로, 여러 종류의 유해가스를 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 시스템이 요구되었다.
여러 종류의 유해가스를 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 방법으로는 파장분할 다중 측정(Wavelength division multiplexing) 시스템, 시분할 다중 측정 (Time division multiplexing) 시스템, 그리고 상분할 다중 측정(Phase-Division Multiplexing) 시스템이 있다. 파장분할 다중 시스템과 상분할 다중 측정 시스템은 유해가스의 화학종에 따른 각기 다른 파장의 레이저를 혼합하여, 한 개의 레이저 빔으로 동시에 측정한 후, 수광부 바로 전에 각각의 파장에 따른 흡수 신호 및 상을 선별하여, 대상가스별 농도를 측정한다.
그러나, 각각의 파장에 따른 흡수 신호 및 각각의 상을 선별하는 것이 매우 어렵고, 또한 추가적인 필터 광학계가 요구되기 때문에, 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 구동이 편리하고 구조가 간단한 광학 스위치에 의하여 작동될 수 있는 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템을 제공하는데 있다.
상기된 바와 같은 목적은, 전류와 온도의 제어를 통하여 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키도록 제어하는 레이저 발진부 제어부 및 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 실시간으로 디스플레이하는 데이터 수집 장치를 구비한 제어부와; 상기 레이저 발진부 제어부에 의해 제어되는 광학 스위치에 의해 시간차를 두고 레이저를 발진시키는 레이저 발진부와; 상기 레이저 발진부로부터 발진된 레이저 중에서 대상 가스 파장 대역의 레이저 빔을 운반하여, 대상 가스가 채워져 있는 다중 패스 셀을 레이저 빔이 통과하는 동안 대상가스의 흡수가 발생하는 광학 측정부와; 상기 광학 측정부의 출구 쪽에 위치되어 상기 광학 측정부로부터 대상 가스 를 흡수한 레이저 빔을 수광하여 상기 제어부의 데이터 수집 장치로 전달하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템에 의해 달성될 수 있다.
상기에서, 상기 광학 스위치는 바람직하게 측정될 유해 가스의 종류와 그 수 에에 따라서 레이저 발진부로부터 필요한 시간차의 레이저를 발진시키도록 교체될 수 있다.
또한, 상기 광학 측정부는 광섬유를 통해 전달된 광을 집광하기 위한 집광부와, 측정 대상 가스가 채워지는 다중 패스 셀을 포함한다.
상기 레이저 발진부는 상기 광학 스위치에 의해 시간차를 두고 레이저가 발진되도록 제어되는 2개의 다이오드 레이저를 구비한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라서 여러 종류의 유해가스를 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 시분할 다중 측정 시스템의 개략도이다.
먼저, 본 발명에 따른 시분할 다중 측정시스템은 실제 연소 장치에서 발생하는 여러 종류의 유해 가스의 농도 값을 동시에 측정할 수 있는 시스템이다. 연소장치에서 연료가 연소할 때, 화염의 측정 대상 가스는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NO, NO2)이고, 필요에 따라 O2의 측정이 요구된다. 또한, 각각의 화학종들은 배출 상관성이 있어서, 화염의 분석 시 이들의 농도 값은 중요한 의미 를 가질 수 있다. 그러므로 연소 장치에서 여러 종류의 유해 가스를 측정할 때, 한 가지 이상의 대상가스를 동시 측정하는 것이 중요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템은 제어부(1), 레이저 발진부(2), 광학 측정부(3), 및 포토다이오드와 같은 광 검출기로 만들어지는 수광부(4)를 포함한다. 제어부(1)는 전류와 온도의 제어를 통하여 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키도록 제어하는 레이저 발진부 제어부(5)와 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 실시간으로 디스플레이하는 데이터 수집 장치(6)를 구비한다. 레이저 발진부 제어부(5)는 2개의 파장 가변형 다이오드 레이저(2a,2b)를 구비한 레이저 발진부(2)로부터 시간차(주파수)를 두고 레이저가 발진되도록 광학 스위치(7)를 제어한다.
상기된 바와 같은 레이저 발진부 제어부(5)의 제어에 의하여, 레이저 빔들이 레이저 발진부(2)의 다이오드 레이저(2a,2b)에서 시간차를 두고 발진한다. 이러한 레이저 빔들로부터 발진된 CO, CO2, NO, NO2의 파장 대역의 레이저 빔들은 시간차를 가지고 단일 모드 광섬유(8)를 통하여 실제 대상가스를 측정이 이루어지는 광학 측정부(3)로 보내진다.
광학 측정부(3)는 광섬유(8)를 통해 전달된 광을 집광하기 위한 집광부(9, GRIN collimator)와, 측정 대상 가스가 채워지는 다중 패스 셀(10)을 포함한다. 광학 측정부(3)에서, 집광부(9)에서 집광된 광(레이저 빔)은 대상 가스가 채워져 있는 다중 패스 셀을(10)을 통과하는 동안 대상가스를 흡수하여, 동시에 두 가지의 가스를 측정한다. 다중 패스 셀(10)에서 대상가스를 흡수한 레이저 빔은 다중 패스 셀(10)의 출구에 위치된 수광부(4)에 의해 검출되고, 수광부(4)로부터 제어부(1)의 데이터 수집 장치(6)로 보내진다.
상기에서 레이저 발진부(2)에 제공되는 다이오드 레이저(2a,2b)의 시간적 제어는 릴레이(도시되지 않음)를 이용하여 일정한 시간 간격(주파수)을 두고 각각의 가스에 대한 흡수 신호를 분석할 수 있도록 고안된다.
도 2는 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템의 동시 측정 시스템의 원리를 나타낸 도면이다. 임의 파형 발생기(function generator, 도시되지 않음)에서 광학 스위치(7)로 주입되는 파형은 사각파형으로서 그 파형의 주파수에 해당하는 시간을 이용하여 광학 스위치(7)를 작동 시킨다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 임의 파형 발생기로부터 레이저 발진부 제어부(5)로 주입되는 램프 파형의 주파수와 관계되는 시간은 20㎳가 된다. 그러므로, 램프파(Ramp wave)의 1주기에 해당하는 시간은 20㎳가 된다.
광학 스위치(7)의 작동과 관계되는 주입 사각파형의 주파수는 1주기의 램프파형 선상의 흡수 신호를 측정하기 위해서 약 30㎳가 된다. 이는 1주기의 램프파형의 측정에 필요한 시간인 20㎳에 광학 스위치(7)가 작동하여, 레이저 발진부(2)의 레이저 다이오드(2a)로부터 하나의 레이저 빔을 발진시키고, 다시 나머지 레이저 다이오드(2b)로부터 다른 하나의 레이저를 발진시키는데 걸리는 시간을 램프 파형 양쪽에 약 5㎳씩 계산하여 약 10ms 더해진 시간이다, 이러한 시간차로 레이저 발진부(2)를 작동시키면, 다중 패스 셀(10)에 채워진 두 가지 대상 가스의 측정 시간에 일치하게 됨으로써, 두 가스의 동시 측정이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템에서 동시 측정에 필요한 시간적 개념을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라서 두 가지 대상 가스를 동시에 측정할 때, 램프파의 1주기의 시간을 오실로스코프를 이용하여 측정한 뒤, 광학 스위치(7)에 주입되는 사각파형의 시간을 계산하여 주파수를 결정하는 것에 의하여 램프파형의 주기 수를 결정할 수 있고, 또한 레이저 빔들이 다중 패스 셀(10)을 통과할 때 유해 가스의 흡수 신호중 하나의 대상가스의 흡수 신호의 개수를 결정할 수 있다.
도 4 내지 도 7에 도시된 실험 결과는 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템을 이용한 두 가지 가스를 농도별로 동시에 측정한 것이다.
본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템에 의한 두 가지 유해 가스의 동시 측정은 임의 파형 생성기에서 예를 들어 10㎐의 파형을 광학 스위치(7)로 보내지고, 10㎐의 파형에 해당하는 시간만큼 광학 스위치(7)가 작동함으로써, 레이저 발진부(2)의 2개의 레이저 다이오드(2a,2b)가 제어된다. 원하는 만큼의 흡수 신호를 동시에 측정하기 위해선 광학 스위치(7)의 작동 시간과 임의 파형 발생기에서 만들어진 램프 파형의 주파수를 계산하여 흡수 신호의 개수를 선택할 수 있다.
본 실험에서는 흡수 신호중 램프 파형은 25㎐ 또는 35㎐를 사용하였고, 광학 스위치(7)의 파형은 10㎐의 사각파형을 사용하였다. 0.1% 농도의 CO와 50% 농도의 CO2를 광학 측정부(3)의 다중 패스 셀(10) 내에 동일하게 주입한 후, 25㎐의 램프 파형과 10㎐의 사각파형의 레이저 빔을 다중 패스 셀(10)을 통과시킴으로써, 각각의 대상가스별 두 개의 흡수 신호를 측정하였다.
도 4는 0.1% 농도의 CO와 50% 농도의 CO2를 35㎐의 램프 파형과 10㎐의 사각파형을 가지는 레이저 빔을 통과시킴으로써, 대상가스별 세 개의 흡수 신호를 발생시켜 레이저 제어부(5)의 전류를 제어함으로써 완전한 형태의 흡수 신호 두 개만을 측정한 신호이다.
도 5는 1% 농도의 CO와 50% 농도의 CO2를 측정한 것이다. 각각의 대상가스별 농도를 다르게 한 것은 다른 종류의 대상가스별 측정의 가능성을 보여 주기 위함이고, 또한 사용되는 광학 스위치(7)의 수나 구조의 보완을 통해 2가지 이상의 동시 측정도 가능하게 되었다.
도 6 및 도 7은 각각 10% 농도의 CO, 10% 농도의 CO2, 그리고 10% 농도의 CO와 50% 농도의 CO2를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 각각의 대상 가스별 농도를 다르게 한 것은 다른 종의 대상가스별 계측의 가능성을 보여 주기 위함이고, 또한 사용된 광학 스위치(7)의 수나 구조의 보완을 통해 2가지 이상의 동시 측정도 가능하다는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템에 사용되는 광학 스위치(7)는 유해 가스의 종류와 수에 따라서 레이저 발진부(2)로부터 필요한 시간차(주파수)를 가지고 레이저를 발진시키도록 적절한 광학 스위치로 교체될 수 있다. 그러므로, 여러 화학종의 유해 가스를 측정할 때, 광학 스위치(7)를 이에 적합한 광학 스위치로 교체함으로써, 측정 대상 가스를 동시에 측정할 수 있는 편리성을 제공할 수 있기 때문에, 연소 시스템의 여러 유해가스를 측정함에 동시에 모니터링 할 수 있다.
본 발명에 따른 유해 가스 측정용 시분할 다중 측정 시스템에 의하면, 구조가 간단하면서 구동에 있어 어려움이 없는 방법으로서 광섬유 기반의 연소 시스템에 적용할 수 있으며, 파장 분할 다중 측정 방법과 상분할 다중 측정 방법에 비해 구조적으로 간단하여 원가 절약이 가능하며, 구동의 편리성으로 인해 인력의 절감이 가능하다.
또한, OH, C2F6, CF4 등과 같은 중간 생성물 및 특정 유해 물질의 측정까지 동시 측정이 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 시분할 다중 측정 시스템을 연소 시스템에 적용할 때, 광범위한 유해 물질의 측정에 적용 가능하다.
Claims (4)
- 전류와 온도의 제어를 통하여 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키도록 제어하는 레이저 발진부 제어부 및 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 실시간으로 디스플레이하는 데이터 수집 장치를 구비한 제어부와;상기 레이저 발진부 제어부에 의해 제어되는 광학 스위치에 의해 시간차를 두고 레이저를 발진시키는 복수의 다이오드 레이저를 포함하는 레이저 발진부와;상기 레이저 발진부의 다이오드 레이저에서 발진된 레이저 빔을 전달하는 광섬유와;상기 광섬유를 통해 전달된 광을 집광하기 위한 집광부와 측정 대상 가스가 채워지는 다중 패스 셀을 포함하며, 상기 집광부에서 집광된 레이저 빔이 상기 다중 패스 셀을 통과하는 동안 측정 대상가스를 흡수하여 동시에 복수의 가스를 측정하는 광학 측정부와;상기 다중 패스 셀의 출구 쪽에 위치되어 상기 측정 대상 가스를 흡수한 레이저 빔을 수광하여 상기 제어부의 데이터 수집 장치로 전달하는 수광부;를 포함하며,상기 광학 스위치는 측정될 유해 가스의 종류에 따라서 레이저 발진부로부터 필요한 시간차의 레이저를 발진시키도록 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 유해가스 동시 측정용 시분할 다중 측정 시스템.
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