KR100900184B1 - 광투과식 매연측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광투과식 매연측정장치에 관한 것으로서, 테스트용 가스를 수용하는 수용부와; 상기 수용부의 일측에 형성되어, 광을 발산하는 발광소자를 포함하는 발광부와; 상기 발산된 광을 수광하여, 전기를 발생시키는 수광소자를 포함하는 수광부와; 상기 발광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제1 차단부와; 상기 수광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제2 차단부와; 상기 수광부에서 발생되는 전기량을 근거로 상기 테스트용 가스의 오염도를 판단하는 마이크로컨트롤러로 구성되어, 수광렌즈와 발광렌즈를 장시간동안 깨끗하게 보존할 수 있고, 배기가스로 인해 온도가 상승되어도 배기가스의 오염 정도를 정확히 판단할 수 있고, 또한 상기 수용부 내부에서 온도 차이에 의해 발생할 수 있는 성애 현상을 방지할 수 있다.
오염, 매연, 배출가스, 광, 수광부, 발광부
Description
본 발명은 광투과식 매연측정장치에 관한 것으로, 특히 간단하게 배기가스로 인한 오염을 줄일 수 있고, 외부의 온도 및 테스트용 가스의 온도에 상관없이 정확하게 테스트용 가스의 오염도를 측정할 수 있는 광투과식 매연측정장치에 관한 것이다.
1990년대 초부터 북미와 유럽은 여과식 매연측정기의 신뢰성 부재, 큰 측정오차 발생 등을 개선하기 위하여 광투과식 매연측정장치를 개발하여 표준 측정장비로 선정하고 각종 디젤 매연 규제에 적용하고 있다. 광투과식 매연측정장치는 디젤엔진을 장착하고 있는 모든 차량에서 배출되는 매연의 농도를 측정하여 규제하기 위한 기본 장비로 사용되고 있으며 경유와 석유를 사용하는 보일러, 파워플랜트의 굴뚝에 서 배출되는 가스의 매연농도를 측정하는 데도 이용하고 있다.
국내에서도 약 3 년간의 시범운영 기간을 거쳐, 2002년 5월부터 수도권의 노후화된 차량에 대해 실시하는 환경부 운행차 정밀검사에 디젤 광투과식 매연측정장 치가 표준장비로 처음 도입되었다. 현재 전 세계에서 생산되는 디젤 광투과식 매연측정장치는 영상 5도 이상에서 시험할 수 있도록 개발되었으나, 국내 환경부는 영하 10도의 외기 조건에서도 시험을 하도록 규정하고 있다. 운행차 정밀검사에 대해서는 환경부 '대기환경보전법', '대기환경보전법 시행규칙', 및 국립환경연구원 '환경측정기기의 형식승인 및 정도검사 등에 관한 고시' 등에 제시되어 있다.
위와 같은 목적으로 구현된 종래기술에 따른 광투과식 매연측정장치는 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치는, 배기가스를 유입하는 샘플링프로브(2)와; 상기 샘플링프로부(2)가 연장된 샘플링라인(3)과; 상기 유입된 배기가스를 측정하기 위한 측정실(4)과; 광을 발광하고, 수광하는 광학부(6,9)와; 상기 광학부의 오염을 방지하기 위한 오염방지공기 공급용 팬(10)과; 그리고 마이크로컨트롤러(11)로 구성된다.
상기와 같이 구현된 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
차량으로부터 배출되는 배기가스는, 디젤엔진이나 차량의 배기관 끝(1)에 삽입된 샘플링프로브(2)의 입구로 유입되어, 샘플링라인(3)을 거쳐 측정실(4)의 중앙으로 유입된다. 상기 유입된 배기가스는 측정실의 양단의 출구를 통해 외기로 빠져 나간다. 이 때 광학부의 발광부(6)에서 조사(照射)된 광선은 배기가스를 통과한 후 수광부(9)에 도달하여 광량에 비례하는 전기적인 신호로 검출된다. 배기가스를 통과하는 광선은 배기가스 중의 매연에 흡수되거나 산란되고 남은 양만 수광부(9)에 도달한다. 이 양은 매연의 농도에 비례하여 감소하므로 매연의 농도를 측정하는 정량적인 방법으로 채택되었다. 이에 관한 기술적인 내용은 ISO 11614 (ISO 11614 - APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF THE OPACITY AND FOR DETERMINATION OF THE LIGHT ABSORPTION COEFFICIENT OF THE EXHAUST GAS) 규정에 상세히 기술되어 있다.
여기서, 발광부(6)에서 평행광선을 만들어 주는 볼록렌즈(7)와, 수광부(9)에서 집광 기능을 갖는 볼록렌즈(8)의 한쪽 면은 배기가스에 노출되어 오염될 수 있다. 렌즈가 오염되면 조사된 광량과 수광부에 도달한 광량이 변동되어 실제 매연농도와 달리 측정되므로, 팬(10)이나 기타 기구를 이용하여 오염방지공기(PROTECTION AIR, 또는 AIR CURTAIN)를 렌즈(7,8) 앞으로 공급하여 오염을 방지하도록 구조가 설계되어 있다.
상기 마이크로컨트롤러(11)는 오염방지공기 공급용 팬(10) 제어, 광학부(6,9)의 광학소자 제어 및 인터페이스를 통하여 매연농도를 실시간으로 측정하는 기능을 제공한다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치는, 발광부의 발광렌즈와 수광부의 수광렌즈가 자동차의 배기가스에 의해 오염되는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광렌즈와 수광렌즈 부위에 있는 공기를 팬을 이용하여 외부의 깨끗한 공기로 계속 순환시켜야 하기 때문에 구조적으로 복잡하고 부가적인 장치들이 많이 포함되는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치는, 상기 발광렌즈와 수광렌 즈 부위에 있는 공기를 팬을 이용하여 외부의 깨끗한 공기로 계속 순환시키기 때문에, 외부의 찬 공기와 내부의 뜨거운 공기가 접촉하여 안개 등이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치에서는, 오염도를 측정하고자 하는 배기가스의 온도가 고온으로 상승됨에 따라, 발광부의 발광렌즈를 구성하는 LED의 출력이 저하된다. 그러나, 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정기는, 온도 상승에 따른 LED 출력 값의 저하 현상에 대한 보상방법이 없어, 온도가 상승되어 광량이 발광소자로부터 적게 발생되는 것을 기준치 이상의 오염으로 잘못 판단하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 발광부의 발광소자와 수광부의 수광소자가 배기가스를 통해 오염되는 것을 방지하기 위해서 별도의 외부의 깨끗한 공기를 순환시킬 필요가 없고, 또한 배기가스 등으로 인해 온도가 일정수준 이상으로 상승되어도 배기가스의 오염도를 정확하게 판단할 수 있는 광투과식 매연측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 테스트용 가스를 수용하는 수용부와; 상기 수용부의 일측에 형성되어, 광을 발산하는 발광소자를 포함하는 발광부와; 상기 발산된 광을 수광하여, 전기를 발생시키는 수광소자를 포함하는 수광부와; 상기 발광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제1 차단부와; 상기 수광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제2 차단부와; 상기 수광부에서 발생되는 전기량을 근거로 상기 테스트용 가스의 오염도를 판단하는 마이크로프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 광투과식 매연측정장치는, 상기 수용부 또는 외부의 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 측정된 온도 값에 따라, 상기 수용부 온도를 일정온도로 유지시키는 히터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광투과식 매연측정장치는, 온도가 상승됨에 따라 상기 발광소자로부터 발생되는 광량의 감소를 보상하기 위한 보상장치를 더 포함하는 것이 바람 직하다.
여기서, 상기 보상장치는, 상기 발광부 내부에 상기 발광소자로부터 발생되는 광을 수신하여 전기를 발생시키는 모니터링부를 포함한다.
그리고 이때, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 수광부로부터 발생되는 전기 값과, 상기 모니터링부에서 발생되는 전기 값을 근거로 상기 테스트용 가스의 오염도를 판단한다.
그리고, 상기 제1 차단부 및 상기 제2 차단부는, 유리 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 발광부의 발광소자와 수광부의 수광소자가 배기가스를 통해 오염되는 것을 방지하기 위해서 별도의 외부의 깨끗한 공기를 순환시키는 장치가 필요없는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 배기가스를 통해서 온도가 상승되어도, 상승되는 온도만큼 이를 보상하는 보상장치를 더 포함함에 따라 배기가스의 오염도를 정확히 판단할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 간단하게 유리 재질로 구현된 제1 차단부와 제2 차단부를 설치하여, 배기가스와 수광렌즈 및 발광렌즈와의 접촉을 차단함으로써, 수광렌즈와 발광렌즈를 장시간동안 깨끗하게 보존할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 포토다이오드와 감산회로부로 구현된 보상장치를 추가함으로써, 배기가스로 인해 온도가 상승됨에 따라 발광렌즈로부터 발생되는 광량의 감소에도 불구하고, 상기 배기가스의 오염 정도를 정확히 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 별도의 온도센서와 히터를 설치함으로써, 상기 수용부 내부에서 온도 차이에 의해 발생할 수 있는 성애 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도 2 ~ 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 참조 번호는 다른 도면에 표시되더라도 동일한 참조 번호를 사용함을 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 차량 배기관의 말단에 삽입되어, 오염도를 체크하기 위한 테스트용 가스 즉, 배기가스(240)가 들어오는 프로브(211)와, 상기 프로브(211)를 통해 들어온 배기가스(240)를 수용하는 수용부(212)와; 상기 수용부(212)의 일측에 형성되어, 광을 발산하는 발광소자(221)를 포함하는 발광부(220)와; 상기 발산된 광을 수광하여, 전기를 발생시키는 수광소자(231)를 포함하는 수광부(230)와; 상기 발광소자(221)와 상기 배기가스(240)의 접촉을 차단시키는 제1 차단부(241)와; 상기 수광소자(231) 와 상기 배기가스(240)의 접촉을 차단시키는 제2 차단부(242)와; 상기 수광부(230)에서 발생되는 전기량을 근거로 상기 배기가스(240)의 오염도를 판단하는 마이크로컨트롤러(250)와; 상기 수용부(210) 또는 외부의 온도를 측정하는 온도센서(260)와; 상기 측정된 온도 값이 미리 설정된 값 이하일 경우, 상기 수용부(210) 표면을 가열함으로써, 상기 수용부(210)의 온도를 일정하게 유지하는 히터(270)와; 그리고 온도가 상승됨에 따라 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광량의 감소를 보상하기 위한 보상장치(280)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치에서, 무부하 급가속 시험을 통해 디젤차량의 배기가스의 오염도를 체크하기 위하여, 상기 프로브(211)는, 일반적으로 디젤차량의 배기관의 말단에 삽입되어, 디젤차량에서 배출되는 배기가스를 받아들인다. 여기서, 무부하 급가속 시험은, 차량의 정지상태에서 변속기를 중립 위치에 둠으로써 구동바퀴에 동력을 전달하지 않고 무부하 상태에서 엔진의 회전수만을 증가시키며 수행한다. 공회전 상태에서 시험자는 가속페달을 최단시간 중에 최대한 밟고 유지한다. 엔진이 최대속도에 도달하면 약 3~5초간 유지하다가 가속페달을 놓는다. 무부하 급가속 시험은 연속하는 3번의 유효한 데이터를 이용한다. 여기서 '유효한'의 의미에 대해서는 국내 관련법규에 자세히 언급되어 있으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다. 통상적으로 무부하 급가속 시험에서 엔진을 급가속하면 측정실 즉, 수용부(210) 내부로 유입되는 배기가스(240)의 온도가 상승하기 때문에, 상기 발광소자(221)의 온도 또한 같이 상승한다.
상기 수용부(210)는 상기 프로브(211)에 연결되어, 상기 프로브(211)를 통해 들어온 배기가스(240)의 오염도를 체크하기 위하여 상기 배기가스(240)를 수용하여 보관하고 있다.
상기 발광부(220)의 발광소자(221)는, 상기 수용부(210)의 일측에 형성되어, 상기 수용부(212) 내부에 보관되어 있는 배기가스(240)를 향해서 광을 발산한다. 여기서, 상기 발광부(220)의 발광소자(221)는 일반적으로 LED 소자로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 수광부(230)의 수광소자(231)는, 상기 발광부(220)의 발광소자(221)로부터 발산되어, 상기 배기가스(240)를 통과한 빛을 수광하여, 전기를 발생시킨다. 여기서, 상기 수광소자(231)는 일반적으로 포토다이오드로 구현되는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 상기 수용부(210) 및 상기 발광부(220)의 온도가 상승됨에 따라, 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광량의 감소로 인해, 상기 배기가스(240)의 오염도를 잘못 판단하는 경우를 방지하기 위하여 상기 보상장치(280)는, 상기 발광부(220)의 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광을 수신하여 전기를 발생시킨다.
상기 보상장치(280)를 도 3과 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 보상장치의 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 발광부를 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 보상장치(280)는, 상기 발광부(220)의 상기 발광 소자(221)로부터 발생되는 광을 수신하여 전기를 발생시키는 모니터링부(281)와; 상기 모니터링부(281)로부터 발생되는 전기 출력 값과 상기 수광부(230)로부터 발생되는 전기 출력 값을 차이를 구하는 감산회로부(282)와; 상기 감산회로부(282)의 출력 값을 증폭하는 증폭부(283)와; 상기 증폭부(283)의 출력 값을 출력하는 출력부(284)를 포함하여 구성된다.
상기 모니터링부(281)는, 포토다이오드와 저항으로 구현되어, 상기 발광부(220)의 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광을 수신하여 전기를 발생시키는 것이 바람직하고, 도 4에 도시된 바와 같이, 포토다이오드를 포함하여 구현된 상기 모니터링부(281)는, 상기 발광부(220)에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 마이크로컨트롤러(250)는 상기 수광부(230)에서 발생되는 전기량을 근거로 상기 배기가스(240)의 오염도를 판단한다. 그러나, 상기 수용부(210) 및 상기 발광부(220)의 온도가 상승됨에 따라, 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광량의 감소를 보상하기 위하여, 상기 마이크로컨트롤러(250)는 상기 보상장치(280)의 출력부(284)의 출력 값을 근거로 상기 배기가스(240)의 오염도를 판단하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 마이크로컨트롤러(250)는 상기 보상장치(280)의 출력부(284)의 출력 값이 미리 설정된 기준 범위와 비교하여, 상기 배기가스(240)의 오염도를 판단한다.
한편, 상기 제1 차단부(241)는, 상기 발광소자(221)가 상기 배기가스(240)로 인해 더러워지는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광소자(221)와 상기 배기가스(240)의 접촉을 차단시킨다. 따라서, 상기 제1 차단부(241)는 상기 발광소자(221)를 둘 러싸는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제1 차단부(241)는, 상기 발광소자(221)로부터 발생되는 광량을 감소시키지 않는 유리 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
마찬가지로, 상기 제2 차단부(242), 상기 수광소자(231)가 상기 배기가스(240)로 인해 더러워지는 것을 방지하기 위하여, 상기 수광소자(231)와 상기 배기가스(240)의 접촉을 차단시킨다. 따라서, 상기 제2 차단부(242)는 상기 수광소자(231)를 둘러싸는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제2 차단부(242)는, 상기 수광소자(231)가 수광하는 광량을 감소시키지 않는 유리 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
그리고, 상기 온도센서(260)는, 상기 수용부(210) 또는 외부의 온도를 측정한다.
상기 히터(270)는, 상기 측정된 온도 값이 미리 설정된 값 이하일 경우, 상기 수용부(210) 표면을 가열함으로써, 상기 수용부(210)의 온도를 상승시킨다. 따라서, 상기 수용부(240) 내부에서 온도 차이에 의해 발생할 수 있는 성애 현상을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 오염도를 체크하기 위한 배기가스를 받아들이기 위해서, 상기 프로부(211)는 차량의 배기관의 말단에 삽입된다. 이후, 상기 배기가스(240)는 상기 프로브(211)를 통해 상기 수용부(210)에 수용되어 보관된다.
이때, LED 소자로 이루어진 상기 발광부의 발광렌즈(211)는 광을 발산한다. 따라서, 상기 발산된 광은 상기 제1 차단부(241), 상기 배기가스(240) 그리고 상기 제2 차단부(242)를 순서대로 상기 수광부의 수광렌즈(231)에 조사된다.
따라서, 상기 수광렌즈(231)는 상기 조사된 광을 수광하고, 상기 수광부(230)는 상기 수광된 광을 통해서 포토다이오드로 구현된 상기 수광렌즈(231)를 통해 전기를 발생시킨다.
동시에, 상기 발광렌즈(211)로부터 발산된 광은 마찬가지로, 상기 포토다이오드로 구현된 상기 모니터링부(281)에 조사된다. 따라서, 상기 모니터링부(281)는, 상기 수광된 광을 통해서 포토다이오드를 통해 전기를 발생시킨다.
위와 같이 상기 수광부(230)와 상기 모니터링부(281)를 통해서 발생된 두개의 전기 값은 상기 감산회로부(282)에 보내진다.
상기 감산회로부(282)는 상기 수광부(230)와 상기 모니터링부(281)를 통해서 발생된 두개의 전기 값의 차이를 구하고, 이를 출력한다.
상기 증폭부(283)는 상기 출력된 전기 값의 차이를 증폭하고, 상기 출력부(284)를 통해 출력한다.
상기 마이크로컨트롤러(250)는, 상기 출력부(284)로부터 출력된 출력값을 근거로 상기 배기가스(240)의 오염도를 판단한다. 즉, 상기 마이크로컨트롤러(250)는 미리 설정된 범위와 상기 출력값을 비교하여, 상기 출력값이 미리 설정된 기준 범위를 만족하기 못할 경우, 상기 배기가스(240)를 기준치 이상의 배기가스로 판단하게 된다.
한편, 상기 온도센서(260)는, 상기 수용부(210) 또는 외부의 온도를 측정한다. 그리고, 상기 측정된 온도 값이 미리 설정된 값 이하일 경우, 상기 히터(270)는, 상기 수용부(210) 표면을 가열함으로써, 상기 수용부(210)의 온도를 상승시킨다.
위와 같이 구현된 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 간단하게 제1 차단부와 제2 차단부를 설치함으로써, 별도의 외부의 깨끗한 공기를 순환시키는 복잡한 부가장치 및 작업이 불필요한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 포토다이오드와 감산회로부로 구현된 보상장치를 추가함으로써, 배기가스를 통해서 온도가 상승됨에 따라 발생되는 배기가스의 오염 정도의 판단 착오를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치는, 별도의 온도센서와 히터를 설치함으로써, 상기 수용부 내부에서 온도 차이에 의해 발생할 수 있는 성애 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기에 상세한 설명 및 도면의 내용은 본 발명의 일 실시예에 한정하여 설명한 것이므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술에 따른 광투과식 매연측정장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 보상장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광투과식 매연측정장치의 발광부를 나타낸 구성도이다.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
210 : 수용부 211 : 프로브
220 : 발광부 221 : 발광렌즈
230 : 수광부 231 : 수광렌즈
240 : 배기가스 241 : 제1 차단부
242 : 제2 차단부 250 : 마이크로컨트롤러
260 : 온도센서 270 : 히터
280 : 보상장치 281 : 모니터링부
282 : 감산회로부 283 : 증폭부
284 : 출력부
Claims (5)
- 테스트용 가스를 수용하는 수용부와; 상기 수용부의 일측에 형성되어, 광을 발산하는 발광소자를 포함하는 발광부와; 상기 발산된 광을 수광하여, 전기를 발생시키는 수광소자를 포함하는 수광부와; 상기 발광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제1 차단부와; 상기 수광소자와 상기 테스트용 가스의 접촉을 차단시키는 제2 차단부와; 상기 수광부에서 발생되는 전기량을 근거로 상기 테스트용 가스의 오염도를 판단하는 마이크로컨트롤러를 포함하고,상기 발광부 내부에 상기 발광소자로부터 발생되는 광을 수신하여 전기를 발생시키는 모니터링부를 포함하여 이루어진 보상장치가 구비되고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 수광부로부터 발생되는 전기 값과, 상기 모니터링부에서 발생되는 전기 값을 근거로 상기 테스트용 가스의 오염도를 판단하는 것을 특징으로 하는 광투과식 매연측정장치.
- 제 1항에 있어서,상기 수용부 또는 외부의 온도를 측정하는 온도센서와;상기 측정된 온도 값에 따라, 상기 수용부 온도를 일정온도로 유지시키는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광투과식 매연측정장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제1 차단부 및 상기 제2 차단부는, 유리 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광투과식 매연측정장치.
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