KR100747768B1 - Apparatus for measuring exhaust gas using wavelength modulation spectroscopy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비교적 낮은 주파수대에서 발생하는 잡음을 최대한 감소시켜 정밀한 측정을 가능하게 할 수 있는 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 사인파와 램프파의 합성 파형을 만드는 임의 파형 발생기와; 임의 파형 발생기로부터 입력된 사인파와 램프파의 합성 파형에 따라서, 전류와 온도의 제어를 통하여 레이저 다이오드로부터 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키는 레이저 다이오드 컨트롤러와; 레이저 다이오드로부터 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; 광학 측정부의 출구쪽에 위치되어 광학 측정부로부터 대상 가스를 흡수한 레이저 빔을 수광하는 수광부와; 임의 파형 발생기로부터 입력된 기준 사인파를 이용하여 1차 조화 신호를 추출하고, 수광부로부터의 전기 신호 형태의 흡수 신호를 이용하여 2차 조화 신호를 추출하는 록인 증폭기와; 임의 파형 발생기로부터 입력된 기준 사인파와 록인 증폭기로부터 입력된 조화신호에 따라서 실시간으로 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 디스플레이하는 데이터 수집 장치를 포함한다. The present invention relates to a harmful gas measurement apparatus using a wavelength modulation method that can reduce the noise generated in a relatively low frequency band as possible to enable accurate measurement. The apparatus of the present invention comprises: an arbitrary waveform generator for generating a synthesized waveform of a sine wave and a ramp wave; A laser diode controller for oscillating a laser beam in a required wavelength range from a laser diode by controlling current and temperature in accordance with a synthesized waveform of a sine wave and a ramp wave input from an arbitrary waveform generator; An optical measuring unit which carries a laser beam of a target gas wavelength band among lasers oscillated from the laser diode, and absorbs the target gas while the laser beam passes through the multi-pass cell filled with the target gas; A light receiving unit positioned at an exit side of the optical measuring unit and receiving a laser beam that absorbs a target gas from the optical measuring unit; A lock-in amplifier for extracting a first harmonic signal using a reference sine wave input from an arbitrary waveform generator and extracting a second harmonic signal using an absorption signal in the form of an electrical signal from a light receiving unit; And a data collection device for obtaining the concentration value of the target gas in real time according to the reference sine wave input from the arbitrary waveform generator and the harmonic signal input from the lock-in amplifier, and displaying the measured result.
파장 변조 방법, 연소 장치, 유해 가스, 록인 증폭기, 다중 패스 셀, 레이저 Wavelength Modulation Methods, Combustion Devices, Hazardous Gases, Lock-in Amplifiers, Multiple Pass Cells, Lasers
Description
도 1은 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치의 개략도.1 is a schematic diagram of an apparatus for measuring harmful gas using a wavelength modulation method according to the present invention.
도 2는 공진 주파수를 흡수하기 전의 변조 주파수와 흡수 강도의 관계를 나타내는 그래프.2 is a graph showing a relationship between a modulation frequency and absorption strength before absorbing a resonance frequency.
도 3은 공진 주파수를 흡수할 때의 변조 주파수와 흡수 강도의 관계를 나타내는 그래프.3 is a graph showing a relationship between a modulation frequency and absorption intensity when absorbing a resonance frequency.
도 4는 공진 주파수를 흡수한 후의 변조 주파수와 흡수 강도의 관계를 나타내는 그래프.4 is a graph showing a relationship between a modulation frequency and absorption strength after absorbing a resonance frequency.
도 5는 주파수의 함수로서 변조 주파수의 흡수 강도의 변화를 나타낸 그래프.5 is a graph showing the change in absorption intensity of a modulation frequency as a function of frequency.
도 6은 종래의 직접 흡수 방식에 의한 낮은 농도에서의 잡음 대 신호비(SNR)를 도시한 그래프.6 is a graph showing the noise-to-signal ratio (SNR) at low concentration by the conventional direct absorption method.
도 7은 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에서의 낮은 농도에서의 잡음 대 신호비(SNR)를 도시한 그래프.7 is a graph showing the noise-to-signal ratio (SNR) at low concentration in the noxious gas measuring apparatus using the wavelength modulation method according to the present invention.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
1 : 임의 파형 발생기 2 : 레이저 다이오드 컨트롤러1: Arbitrary Waveform Generator 2: Laser Diode Controller
3 : 록인 증폭기 4 : 레이저 다이오드3: lock-in amplifier 4: laser diode
5 : 광 검출기 또는 수광부 6 : 광섬유5: light detector or light receiving portion 6: optical fiber
7 : 집광기 8 : 다중 패스 셀7: condenser 8: multi-pass cell
9 : 테이터 수집 장치 10 : 광학 측정부9: data collection device 10: optical measuring unit
본 발명은 유해가스 측정 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 연소 시스템에서 방출되는 유해가스를 측정함에 있어서 여러 가지 잡음(noise)에 의한 영향으로 인한 측정의 한계성을 극복하여 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 파장 변조 방법(wavelength modulation spectroscopy)을 이용한 유해가스 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a noxious gas measuring device, and more particularly, in measuring the noxious gas emitted from a combustion system, it is possible to improve the accuracy of the measurement by overcoming the limitations of the measurement due to the influence of various noises. The present invention relates to an apparatus for measuring harmful gases using wavelength modulation spectroscopy.
일반적으로, 종래의 연소 시스템에서 배출되는 유해가스 측정 방법에 있어서, 직접 흡수에 의한 농도 측정은 각각의 광학계(미러, 윈도우, 다중 경로 가스셀, 시준기(collimator) 시스템, 광섬유 등)에서 오는 에탈론 잡음(etalon noise) 과, 시스템의 전반에 걸쳐서 발생하는 잡음 등으로 인하여, 비교적 농도가 낮은(수 ppm 이하) 대상가스의 측정에는 어려움이 있다. In general, in the method for measuring harmful gases emitted from a conventional combustion system, the concentration measurement by direct absorption is an etalon coming from each optical system (mirror, window, multipath gas cell, collimator system, optical fiber, etc.). Due to the noise (etalon noise) and the noise generated throughout the system, it is difficult to measure the target gas having a relatively low concentration (below several ppm).
이러한 종래의 직접 흡수에 의한 유해 가스 측정의 결점을 보완하기 위하여 변조 분광기를 이용한 방법이 제안되었으며, 변조 분광기에 의한 유해 가스 측정은 고 주파수를 레이저에 주입하여 조화 신호를 검출함으로써 레이저 과잉 잡음과 검출기의 열적 잡음 등을 현저히 줄일 수 있으며, 검출 대역폭을 감소시킨다. 변조 분광 방법은 파장 변조방법(wavelength modulation spectroscopy)과 주파수 변조방법(frequency modulation spectroscopy)으로 나눌 수 있다. 파장 변조방법은 측정하고자 하는 대상 가스의 반폭 주파수보다 적은 변조 주파수(50㎑ 이하)를 사용하는 반면에, 주파수 변조 방법은 반폭 주파수보다 더 높은 변조 주파수(100㎒이상)를 이용한다. In order to make up for the drawbacks of the conventional harmful gas measurement by direct absorption, a method using a modulated spectrometer has been proposed. The harmful gas measurement by the modulated spectrometer is injected by a high frequency into the laser to detect harmonic signals, thereby detecting laser excess noise and a detector. The thermal noise can be significantly reduced, and the detection bandwidth is reduced. Modulation spectroscopy can be divided into wavelength modulation spectroscopy and frequency modulation spectroscopy. The wavelength modulation method uses a modulation frequency (less than 50 Hz) less than the half-width frequency of the target gas to be measured, while the frequency modulation method uses a modulation frequency higher than the half-width frequency (100 MHz or more).
그러나, 주파수 변조 방법은 상당히 높은 고 주파수를 이용하기 때문에, 많은 부대 장치와 복잡한 절차를 필요로 한다. However, because the frequency modulation method uses a fairly high high frequency, it requires many auxiliary devices and complicated procedures.
따라서, 본 발명의 목적은 조화신호를 록인 증폭기로 증폭하여 추출함으로써, 비교적 낮은 주파수대에서 발생하는 잡음을 최대한 감소시켜 정밀한 측정을 가능하게 할 수 있는 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus for measuring harmful gases using a wavelength modulation method capable of precisely measuring the noise generated in a relatively low frequency band by amplifying and extracting a harmonic signal with a lock-in amplifier. .
상기된 바와 같은 목적은, 사인파와 램프파의 합성 파형을 만드는 임의 파형 발생기와; 상기 임의 파형 발생기로부터 입력된 사인파와 램프파의 합성 파형에 따라서, 전류와 온도의 제어를 통하여 레이저 다이오드로부터 필요한 파장대의 레이저 빔을 발진시키는 레이저 다이오드 컨트롤러와; 상기 레이저 다이오드로부터 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 출구쪽에 위치되어 상기 광학 측정부로부터 대상 가스를 흡수한 레이저 빔을 수광하는 수광부와; 상기 임의 파형 발생기로부터 입력된 기준 사인파를 이용하여 1차 조화 신호를 추출하고, 상기 수광부로부터의 전기 신호 형태의 흡수 신호를 이용하여 2차 조화 신호를 추출하는 록인 증폭기와; 상기 임의 파형 발생기로부터 입력된 기준 사인파와 상기 록인 증폭기로부터 입력된 조화신호에 따라서 대상 가스의 농도 값을 얻어 측정된 결과를 실시간으로 디스플레이하는 데이터 수집 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에 의해 달성될 수 있다. An object as described above includes: an arbitrary waveform generator for generating a synthesized waveform of a sine wave and a ramp wave; A laser diode controller for oscillating a laser beam in a required wavelength range from a laser diode by controlling current and temperature according to a synthesized waveform of a sine wave and a ramp wave input from the arbitrary waveform generator; An optical measuring unit which carries a laser beam of a target gas wavelength band among lasers oscillated from the laser diode, and absorbs the target gas while the laser beam passes through the multi-pass cell filled with the target gas; A light receiving unit positioned at an exit side of the optical measuring unit and receiving a laser beam that absorbs a target gas from the optical measuring unit; A lock-in amplifier for extracting a first harmonic signal using a reference sine wave input from the arbitrary waveform generator and extracting a second harmonic signal using an absorption signal in the form of an electrical signal from the light receiving unit; And a data acquisition device configured to obtain a concentration value of a target gas according to a reference sine wave input from the arbitrary waveform generator and a harmonic signal input from the lock-in amplifier, and display the measured result in real time. It can be achieved by a noxious gas measuring device using a modulation method.
상기에서, 상기 광학 측정부는 광섬유를 통해 전달된 광을 집광하기 위한 집광부와, 측정 대상 가스가 채워지는 다중 패스 셀을 포함한다.In the above, the optical measuring unit includes a light collecting unit for collecting the light transmitted through the optical fiber, and a multi-pass cell filled with the gas to be measured.
상기 록인 증폭기로부터 추출되는 2차 조화 신호는 중심 주파수에서 최고 높이를 가지는 2차 미분 함수이다.The second harmonic signal extracted from the lock-in amplifier is a second order differential function having the highest height at the center frequency.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치의 개 략도이다.1 is a schematic diagram of an apparatus for measuring harmful gas using a wavelength modulation method according to the present invention.
도 1에서, 임의 파형 발생기(1, function generator)는 파장 변조 방법에 사용되는 사인파와 램프파의 합성 파형을 만든다. 임의 파형 발생기(1)에서 만들어진 합성파형은 임의 파형 발생기(1)의 하나의 채널로부터 레이저 다이오드 컨트롤러(2)로 보내지는 동시에, 다른 채널로부터 사인파를 록인 증폭기(3, lock-in amplifier)로 보내져 기준 사인파로서 사용된다. 레이저 다이오드 컨트롤러(2)로 보내진 합성파는 레이저의 신호로서 사용되어, 가변 파장형 레이저 다이오드(4)를 작동시켜 레이저 빔을 발생시킨다. In Fig. 1, an
본 발명에서, 가변 파장형 레이저 다이오드(4)는 레이저 다이오드 컨트롤러(2)의 전류와 온도를 변환시키는 것에 의해 발진되는 레이저가 제어될 수 있도록 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저가 사용된다. 그러므로, 레이저 다이오드 컨트롤러(2)의 온도와 전류를 제어함으로서 레이저 다이오드(4)로부터 발진되는 레이저 빔의 강도를 최적화시켜 측정 감도를 향상시킬 수 있다. In the present invention, the DFB (distributed feedback) diode laser is used for the variable
록인 증폭기(3)는 포토다이오드와 같은 광 검출기(5, 수광부)로부터 흡수 신호와, 상기된 바와 같이 임의 파형 발생기(1)로부터 받은 기준 사인파를 통해 중심 주파수에서 최고 높이를 가지는 2차 미분 함수인 2차 조화 신호를 추출한다. The lock-in
한편, 레이저 과잉 잡음(1/f 잡음)은 일반적으로 ㎒이상의 변조 주파수를 주입할 경우에 그 효과가 상당히 미약하며, 주파수 변조 방법을 적용할 경우에, 그 잡음이 최소화되므로 측정 감도를 높일 수 있다. 하지만 주파수 변조 기법은 상당히 높은 고 주파수를 이용하기 때문에 많은 부대 장치와 복잡한 절차를 필요로 한다. 반도체 레이저는 낮은 Hz에서부터 레이저 공진 주파수까지 비교적 간단하게 주입 전류를 변조시킴으로써 파장 변조방법을 적용할 수 있으며, 대개 1 - 10㎓의 범위를 가진다. 여기서 전류 변조는 신호 강도의 변조를 유도하며, 이를 통해 여분의 잡음이 발생하지만 상대적으로 감도를 높일 수 있기 때문에 측정 정밀도가 향상 될 수 있다. 또한, 파장 변조방법은 미약한 흡수 신호에 대한 검출 감도를 높이며, 잡음에 의한 효과를 배제하기 위해 사용된다. On the other hand, the laser excess noise (1 / f noise) is generally a very small effect when injecting a modulation frequency of more than MHz, and when the frequency modulation method is applied, the noise is minimized, it is possible to increase the measurement sensitivity . However, the frequency modulation technique uses a very high frequency and requires a lot of auxiliary devices and complicated procedures. Semiconductor lasers can be applied to the wavelength modulation method by simply modulating the injection current from a low Hz to the laser resonance frequency, and usually has a range of 1 to 10 GHz. Here, current modulation induces modulation of the signal strength, which generates extra noise, but can increase the sensitivity, which can improve measurement accuracy. In addition, the wavelength modulation method is used to increase the detection sensitivity of the weak absorption signal, and to exclude the effects of noise.
수 십 ㎐ 단위의 느린 램프파 신호를 전류 변조시킴으로써 측정하고자 하는 대상 가스의 흡수 천이 영역이 평균 주파수 
투과 레이저 강도는 다음과 같은 퓨리에 코사인 급수로 표현될 수 있다. The transmission laser intensity can be expressed as the Fourier cosine series as follows.
만약 잔류 강도 변조가 무시된다면, 이 투과 신호는 
일반적으로 2차 조화 신호(2f)는 다음과 같은 여러 특성들을 고려하도록 적용된다. 첫째, 2f 성분은 일정한 DC 신호의 제거와 함께 레이저 강도의 변화에 대한 선형적인 성분 효과를 제거할 수가 있다. 둘째, 대개의 경우 상용으로 사용되는 아날로그 방식의 록인 증폭기(3)는 2차 조화 신호를 검출하기 때문에 실험 차원에서 적용가능하다. 마지막으로 중심 주파수에서 2차 조화 신호는 최고 높이를 가지기 때문이다. 제한된 검출 대역폭과 함께 진폭 변조는 2f 신호의 일부 비대칭 현상을 초래한다. 만약 이 진폭 변조를 무시한다면, 2f 조화 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다. In general, the second harmonic signal 2f is applied to consider various characteristics as follows. First, the 2f component can eliminate the linear component effect on the change in laser intensity with the elimination of a constant DC signal. Second, the analog lock-in
가스 농도는 종래의 직접 흡수 방법에서 흡수 신호의 전체 선 형태에 대한 기준 신호 강도와 투과 강도의 비를 이용한 흡수 영역을 적분함으로써 산출해낼 수 있다. 두 강도에 대한 비는 레이저 강도와 전기 신호 증폭 등의 불확정성을 제거할 수 있다. 그러나 파장 변조 방법의 데이터 변환을 위한 표준화된 방법은 없다. 더욱이, 파장 변조 방법은 일반적으로 가스 농도를 포함하는 흡수 신호의 전체 선형태의 정보가 아니라 신호의 최고 높이 또는 전체 강도에 대한 정보를 이용한다. 따라서, 파장 변조 방법을 이용한 흡수 신호는 실험 장치와 연관된 레이저 강도, 신호 증폭, 파장 변조 진폭과 같은 하드웨어 변수들과, 흡수 선 강도, 선폭 과 같은 분광학적 변수들과 관련된다.The gas concentration can be calculated by integrating the absorption region using the ratio of the reference signal intensity and the transmission intensity to the entire line shape of the absorption signal in the conventional direct absorption method. The ratio of the two intensities can eliminate uncertainties such as laser intensity and electrical signal amplification. However, there is no standardized method for data conversion of the wavelength modulation method. Moreover, the wavelength modulation method generally utilizes information about the maximum height or the overall intensity of the signal rather than the overall linear information of the absorbed signal including the gas concentration. Thus, the absorbed signal using the wavelength modulation method is related to hardware variables such as laser intensity, signal amplification, wavelength modulation amplitude, and spectroscopic variables such as absorbed line intensity and line width associated with the experimental apparatus.
이를 보정하기 위해 실험 장치와 연관된 하드웨어 변수들과의 의존성을 제거하기 위한 기준 상태에서의 측정이 이루어져야 한다. 하지만, 분광학적 변수들은 온도, 압력 및 가스 구성 성분과 같은 환경적인 변수들에 의존한다. 그러므로 기준 상태에서 이런 변수들과의 변차를 보정할 필요가 있다. 온도 변화에 따른 흡수 선 강도 변수의 변화에 대한 보정식은 다음과 같다.To compensate for this, measurements should be made at baseline conditions to eliminate dependence on the hardware parameters associated with the experimental setup. However, spectroscopic variables depend on environmental variables such as temperature, pressure and gas composition. Therefore, it is necessary to correct the variation with these variables in the reference state. The correction equation for the change of absorbed line intensity parameter with temperature change is as follows.
그러나, 선폭의 변화에 대한 보정 작업은 상대적으로 매우 복잡하다. 선폭 변화는 물리적으로 흡수 최고 높이와 변조 지수(modulation index)의 변화에 따라 달라짐으로써, 온도 및 선폭 변화에 의해 2f 신호가 변화된다. 본 발명에서는 충돌에 의한 선폭 정보를 필요로 하는 로렌츠(Lorentzian) 또는 보이트(Voigt)로 흡수 선 형태를 가정하였다. 보이트 선 형태를 가지는 흡수 신호에 대해 선폭의 변화를 보정하기 위한 명확한 방정식은 없다. 로렌츠 선 형태를 가지는 흡수 신호의 경우, 퓨리에 급수를 이용하여 비교적 쉽게 보정 할 수가 있다. 파장 변조방법을 통해 검출된 신호가 미약하다고 가정하면, 투과 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다. However, the correction for the change in line width is relatively complicated. The change in line width is physically dependent on the change in the maximum absorption height and the modulation index, so that the 2f signal is changed by the change in temperature and line width. In the present invention, the absorption line shape is assumed to be Lorentzian or Voitt, which requires linewidth information due to collision. There is no clear equation for correcting the change in line width for an absorption signal in the form of a void line. In the case of an absorption signal in the form of a Lorentz line, it can be relatively easily corrected using a Fourier series. Assuming that the signal detected through the wavelength modulation method is weak, the transmitted signal can be represented as follows.
만약 농도와 흡수 길이에 따른 압력과 온도가 일정하게 유지된다고 가정하면, 다음과 같이 표현할 수 있다.If we assume that pressure and temperature remain constant with concentration and absorption length, we can write
여기서 두 가지 무차원 변수를 정의하면 다음과 같다. The two dimensionless variables are defined as follows.
순간 투과 신호는 다음과 같이 표현할 수 있다. The instantaneous transmission signal can be expressed as follows.
위 식의 투과 신호에 대한 2차 조화 퓨리에 급수는 다음과 같이 나타낼 수 있다The second harmonic Fourier series for the transmitted signal of the above equation can be expressed as
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 직접 흡수방법에 의해 측정 영역을 통과한 흡수 강도는 기준 신호와 통과한 신호와의 차이에 의해 레이저가 대상 물질을 흡수한 양만큼 변화된다. 파장 변조방법의 경우에, 레이저 다이오드(4)의 주입 전류에 흡수되는 주파수보다 적은 ㎑ 단위의 변조 주파수를 걸어주면, 공진 주파수의 흡수 전, 후로 위상이 변화되고, 파장이 도 4에 도시된 바와 같이 진폭이 변조된다. 수광부(5)에서 검출된 신호가 록인 증폭기(3)에서 증폭되어 출력된 1f, 2f 조화 신호를 통하여 잔류 크기 변조(residual amplitude modulation), 레이저 과잉 잡음(laser excess noise) 및 슈트(shot) 잡음과 같은 레이저와 주파수의 고유 잡음이 효과적으로 제거될 수 있다. 측정된 신호에 잡음이 많이 내포된 직접 흡수방법을 이용한 흡수 신호와는 달리 본 발명에서와 같이 파장 변조방법을 이용한 2f 신호는 상대적으로 높은 감도를 얻을 수 있다. 2 to 5, the absorption intensity passing through the measurement region by the direct absorption method is changed by the amount of laser absorption of the target material by the difference between the reference signal and the passed signal. In the case of the wavelength modulation method, if a modulation frequency of a unit of less than the frequency absorbed by the injection current of the
본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에서 다이오드 레이저로부터 발진된 CO, CO2, NO, NO2의 파장 대역의 광(레이저 빔)은 단일 모드 광섬유(6)를 통하여 실제 대상가스를 측정이 이루어지는 광학 측정부(10)로 보내진다. 광학 측정부(10)는 광섬유(6)를 통해 전달된 광을 집광하기 위한 집광부(7, GRIN collimator)와, 측정 대상 가스가 채워지는 다중 패스 셀(8)을 포함한다. 광학 측정부(10)에서, 집광부(7)에서 집광된 광(레이저 빔)은 대상 가스가 채워져 있는 다중 패스 셀을(8)을 통과하는 동안 대상가스를 흡수한다. 다중 패스 셀(8)에서 대상가스를 흡수한 광은 다중 패스 셀(8)의 출구에 위치된 수광부(5)에 의해 검출되고, 수광부(5)로부터 록인 증폭기(5)로 보내진다. 그러므로, 록인 증폭기(3)는 상기된 바와 같이 수광부(5)로부터의 흡수 신호와, 임의 파형 발생기(1)로부터 받은 기준 사인파를 통해 조화신호를 추출한다. In the noxious gas measuring apparatus using the wavelength modulation method according to the present invention, the light (laser beam) in the wavelength bands of CO, CO 2, NO, and NO 2 oscillated from a diode laser is used to detect the actual target gas through the single mode
록인 증폭기(5)로부터 추출된 조화 신호는 데이터 수집 장치(9)로 보내진다. 데이터 수집 장치(9)는 복잡한 신호의 후처리 과정을 프로그램화시켜, 대상 가스의 농도 값을 실시간으로 얻어 측정된 결과를 디스플레이한다. The harmonic signal extracted from the lock-in
그러므로, 도 6에 도시된 종래의 직접 흡수 방식에 의한 낮은 농도에서의 잡 음 대 신호비(SNR)와 도 7에 도시된 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에 의한 낮은 농도에서의 잡음 대 신호비(SNR)로서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에 의하면, 낮은 농도에서의 잡음 대 신호비(SNR)를 높여 보다 정밀도가 향상될 수 있다.Therefore, the noise to signal ratio (SNR) at low concentration by the conventional direct absorption method shown in FIG. 6 and the low concentration by the noxious gas measuring apparatus using the wavelength modulation method according to the present invention shown in FIG. As can be seen from the noise-to-signal ratio (SNR) of the harmful gas measurement apparatus using the wavelength modulation method according to the present invention, it is possible to increase the noise-to-signal ratio (SNR) at a low concentration to improve the accuracy have.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치에 의하면, 레이저 컨트롤러에 사인파와 램프파로 구성된 합성파에 의해 레이저 빔이 발진되고, 대상가스가 이러한 레이저 빔에 흡수된 상태에서 수광부에서 전기 신호로 변환되어, 록인 증폭기에 의해 2차 미분 함수인 2f 조화 신호를 추출함으로써, 낮은 농도에서의 잡음 대 신호비(SNR)를 높여 보다 정밀도가 향상되어, 종래의 직접 흡수 방법으로 인한 단점을 보완 할 수 있다.As described above, according to the apparatus for measuring harmful gas using the wavelength modulation method according to the present invention, a laser beam is oscillated by a synthesized wave composed of a sine wave and a lamp wave in a laser controller, and a target gas is absorbed in such a laser beam. By converting the light-receiving unit into an electrical signal and extracting a 2f harmonic signal, which is a second derivative function, by a lock-in amplifier, the noise-to-signal ratio (SNR) at low concentrations is increased to improve accuracy, resulting from the conventional direct absorption method. It can compensate for the disadvantages.
그러므로, 본 발명에 따라서, 낮은 농도치와 실제 화염의 높은 온도, 압력에 의해 더욱 미약한 신호로서 측정이 가능하고, 직접흡수 측정 방법에서 발생되는 잡음을 최대한 감소시키는 것에 의하여 더욱 정밀한 측정이 가능하게 된다. Therefore, according to the present invention, it is possible to measure as a weaker signal due to the low concentration value and the high temperature and pressure of the actual flame, and to make a more accurate measurement by maximally reducing the noise generated in the direct absorption measurement method. .
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