KR100954092B1 - Optical gas sensor and method for measuring mixed gases - Google Patents
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Abstract
혼합가스 측정을 위한 광센서가 제공된다. 혼합가스를 구성하는 가스 별 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호를 상기 혼합가스로 조사(照射)하는 광원; 및 상기 광신호가 상기 혼합가스를 통과하여 광학적 특성이 변화된 변조광 신호를 통하여 상기 혼합가스의 가스 별 농도를 측정하는 광검출부를 포함하되, 상기 광신호의 파장은 측정하고자 하는 가스의 흡수 스펙트럼의 파장 범위에서 변화하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 측정을 위한 광센서는, 간단한 구성을 통하여 혼합가스를 구성하는 각 가스의 농도 및 종류를 측정할 수 있다.An optical sensor for measuring mixed gas is provided. An optical sensor for measuring the concentration of each gas constituting a mixed gas, comprising: a light source for irradiating an optical signal with the mixed gas; And a light detector for measuring the concentration of each gas of the mixed gas through a modulated light signal in which the optical signal passes through the mixed gas and changes optical characteristics, wherein the wavelength of the optical signal is a wavelength of an absorption spectrum of a gas to be measured. The optical sensor for measuring the mixed gas, which varies in a range, can measure the concentration and type of each gas constituting the mixed gas through a simple configuration.
가스센서, 주파수변조, 다중센서 Gas Sensor, Frequency Modulation, Multi Sensor
Description
본 발명은 가스(gas) 감지를 위한 광센서 및 가스 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 고유의 광 흡수 스펙트럼을 통하여 혼합가스의 농도를 측정하는 혼합가스 측정을 위한 광센서 및 혼합가스 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical sensor and a gas sensing method for gas detection, and more particularly, an optical sensor and mixed gas measurement for measuring a mixed gas for measuring the concentration of the mixed gas through a gas-specific light absorption spectrum. It is about a method.
종래의 가스 감지를 위한 가스센서는 크게 반도체식 가스센서 및 접촉 연소식 가스센서로 나뉜다. 반도체식 가스센서는 결함영역이 존재하는 특정 반도체 결정 소자의 표면에 가스가 접촉하는 경우 반도체의 전기전도도가 변하게 되는 원리를 이용한다. 즉, 가스의 접촉으로 반도체의 전기전도도가 변화하는 것을 전압, 전류 또는 저항값으로 변환하여 가스의 농도를 측정하는 것이다. The conventional gas sensor for gas detection is largely divided into a semiconductor gas sensor and a contact combustion gas sensor. The semiconductor gas sensor uses the principle that the electrical conductivity of the semiconductor is changed when the gas contacts the surface of the specific semiconductor crystal element in which the defective region exists. That is, the concentration of the gas is measured by converting the change in the electrical conductivity of the semiconductor due to the contact of the gas into a voltage, current or resistance value.
접촉연소식 가스센서는 주로 가연성 가스를 측정하기 위하여 사용된다. 가연성 가스는 산소와 반응하여 반응열을 발생시키는데, 접촉연소식 가스센서는 이러한 반응열을 전기신호로 변환하여 가스를 측정하게 된다. 이 때, 가연성 가스는 탄화 수소계열이므로 완전히 산화되어 물(H2O)와 이산화탄소(CO2)로 될 때 발열량이 가장 크다. 그러나 가스의 완전 산화는 저온에서는 일어나기 어렵고, 일어나더라도 반응속도가 늦기 때문에 실시간 측정이 불가능하다. 따라서, 좀 더 빠른 측정을 위해 완전 산화를 촉진하는 촉매 및 충분한 산소가 필요하며 반응속도를 높이기 위해 센서반응부의 온도를 높여야 한다. Contact combustion gas sensors are mainly used to measure flammable gases. The combustible gas reacts with oxygen to generate heat of reaction, and the catalytic combustion gas sensor converts the heat of reaction into an electrical signal to measure the gas. At this time, since the combustible gas is hydrocarbon-based, the calorific value is greatest when completely oxidized to water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). However, the complete oxidation of the gas is difficult to occur at low temperatures, and even if it occurs, the reaction rate is slow, making real-time measurement impossible. Therefore, a catalyst that promotes complete oxidation and sufficient oxygen are required for faster measurement, and the temperature of the sensor reaction section must be increased to increase the reaction rate.
반도체식 가스센서의 경우 주변의 온도, 습도와 같은 환경적인 요인에 크게 영향을 받기 때문에 이를 보정할 수 있는 추가적인 센서를 장착하여야 하는 단점을 갖고 있다. 또한, 혼합가스의 가스 별 농도를 측정하는 것이 어렵기 때문에 단일 가스 측정 시에만 유효하다. In the case of a semiconductor gas sensor, since it is greatly influenced by environmental factors such as ambient temperature and humidity, there is a disadvantage in that an additional sensor that can compensate for this is installed. In addition, it is effective only when measuring a single gas because it is difficult to measure the concentration of each gas of the mixed gas.
또한, 접촉연소식 가스센서의 경우 주변의 환경에 큰 영향을 받지 않으며, 측정하고자 하는 가스가 혼합되어 있어도 비교적 정밀하게 원하는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 그러나, 측정을 위해서 반드시 연소라는 화학적 과정을 거쳐야 하므로 2차적인 부산물을 생성되며, 그 과정이 복잡하고 산소가 결핍된 환경에서는 정확한 측정이 어렵다는 단점을 지니고 있다. In addition, the contact combustion gas sensor is not significantly affected by the surrounding environment, and even if the gas to be measured is mixed, it is possible to accurately measure the concentration of the desired gas. However, because the measurement must go through a chemical process called combustion, secondary by-products are produced, and the process has a disadvantage in that accurate measurement is difficult in an environment where oxygen is deficient.
따라서, 본 발명의 목적은 가스마다 존재하는 고유의 흡수스펙트럼을 이용하여 혼합가스를 구성하는 각 가스의 농도를 분리하여 측정할 수 있는 혼합가스 측정을 위한 광센서 및 혼합가스 측정방법을 제안하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to propose an optical sensor and a mixed gas measuring method for measuring a mixed gas, which can measure the concentration of each gas constituting the mixed gas by using a unique absorption spectrum existing for each gas. .
또한, 본 발명의 다른 목적은 온도, 습도 변화와 같은 주변 환경의 변화와 무관하게 가스 농도의 측정이 가능한 혼합가스 측정을 위한 광센서 및 혼합가스 측정방법을 제안하는 것이다. Another object of the present invention is to propose an optical sensor and a mixed gas measuring method for measuring a mixed gas capable of measuring a gas concentration irrespective of changes in the surrounding environment such as temperature and humidity changes.
본 발명의 일 측면에 따르면, 혼합가스를 구성하는 가스 별 농도를 측정하기 위한 광센서에 있어서, 광신호를 상기 혼합가스로 조사(照射)하는 광원; 및 상기 광신호가 상기 혼합가스를 통과하여 광학적 특성이 변화된 변조광 신호를 통하여 상기 혼합가스의 가스 별 농도를 측정하는 광검출부를 포함하되, 상기 광신호의 파장은 측정하고자 하는 가스의 흡수 스펙트럼의 파장 범위에서 변화하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 측정을 위한 광센서가 제공된다.According to an aspect of the present invention, an optical sensor for measuring the concentration of each gas constituting the mixed gas, the light sensor for irradiating an optical signal with the mixed gas; And a light detector for measuring the concentration of each gas of the mixed gas through a modulated light signal in which the optical signal passes through the mixed gas and changes optical characteristics, wherein the wavelength of the optical signal is a wavelength of an absorption spectrum of a gas to be measured. There is provided an optical sensor for measuring a mixed gas characterized by varying in a range.
여기서, 상기 광신호의 파장은 변조 주파수(f)의 속도로 상기 파장 구간 내에서 변화할 수 있으며, 상기 혼합가스를 구성하는 하나의 가스를 측정하기 위하여 상기 흡수 스펙트럼의 파장 범위는 동일한 값을 갖고, 서로 상이한 상기 변조 주파수를 갖는 상기 광원 복수개를 포함할 수 있다.Here, the wavelength of the optical signal can be changed within the wavelength range at the rate of the modulation frequency (f), the wavelength range of the absorption spectrum has the same value to measure one gas constituting the mixed gas The light sources may include a plurality of light sources having different modulation frequencies.
상기 광검출부는 상기 변조광신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 전기적 신호에서 상기 변조광신호의 주파수 성분을 분리하는 대역통과필터를 포함할 수 있으며, 상기 변조광신호의 투과율 변화를 이용하여 상기 가스 별 농도를 측정할 수 있다.The light detector includes a signal converter converting the modulated light signal into an electrical signal; And a band pass filter separating the frequency component of the modulated light signal from the electrical signal, and measuring the concentration of each gas by using a change in transmittance of the modulated light signal.
여기서, 상기 광원의 최소 개수는 측정하고자 하는 상기 가스의 종류 개수와 동일할 수 있으며, 상기 변조광신호의 주파수는 상기 변조주파수(f)의 두 배의 값을 가질 수 있다.Here, the minimum number of the light sources may be the same as the number of kinds of the gas to be measured, and the frequency of the modulated light signal may have a value twice that of the modulation frequency f.
또한, 상기 변조광 신호는 상기 광신호의 파장 변화 범위에 대한 정보를 더 포함하고 있으며, 상기 광검출부는 상기 변조광신호를 통하여 상기 가스의 종류를 측정할 수 있다.The modulated light signal may further include information on a wavelength change range of the optical signal, and the light detector may measure the type of the gas through the modulated light signal.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 혼합가스를 구성하는 가스 별 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 광신호를 상기 혼합가스로 조사(照射)하는 단계; 및 상기 광신호가 상기 혼합가스를 통과하여 광학적 특성이 변화된 변조광신호를 통하여 상기 혼합가스의 가스 별 농도를 측정하는 단계를 포함하되, 상기 광신호의 파장은 측정하고자 하는 가스의 흡수 스펙트럼의 파장 범위에서 변화하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 측정방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a method for measuring the concentration of each gas constituting a mixed gas, comprising: irradiating an optical signal with the mixed gas; And measuring the concentration of each gas of the mixed gas through a modulated optical signal in which the optical signal passes through the mixed gas and has an optical characteristic changed, wherein the wavelength of the optical signal is in a wavelength range of an absorption spectrum of a gas to be measured. Provided is a mixed gas measurement method characterized in that it changes in.
여기서, 상기 광신호의 파장은 변조 주파수(f)의 속도로 상기 파장 구간 내에서 변화할 수 있으며, 상기 변조광신호를 통하여 상기 가스 별 농도를 측정하는 단계는 상기 변조광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계; 및 상기 전기적 신호를 통하여 상기 가스 별 농도를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 전기적 신호를 통하여 상기 가스 별 농도를 측정하는 단계를 포함하기 전에 상기 변조광신호의 주파수 성분만을 추출하는 대역통과필터를 통하여 상기 전기적 신호를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. Here, the wavelength of the optical signal may be changed within the wavelength range at a speed of a modulation frequency (f), and the step of measuring the concentration of each gas through the modulated light signal converts the modulated light signal into an electrical signal. Making; And measuring the concentration of the gas by means of the electrical signal, and through the band pass filter extracting only the frequency component of the modulated light signal before including measuring the concentration of the gas by means of the electrical signal. The method may further include separating the electrical signal.
상기 변조광신호를 통하여 상기 혼합가스의 가스 별 농도를 측정하는 단계는 상기 변조광신호의 투과율 변화를 이용하여 상기 가스 별 농도를 측정할 수 있고, 상기 변조광신호는 상기 광신호의 파장 변화 범위에 대한 정보를 더 포함하고 있으며, 상기 변조광신호를 통하여 상기 가스의 종류를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Measuring the concentration of each gas of the mixed gas through the modulated light signal may be measured by the concentration of the gas by using a change in transmittance of the modulated light signal, the modulated light signal is a wavelength change range of the optical signal The method may further include measuring information about the type of gas through the modulated light signal.
본 발명에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서 및 혼합가스 측정방법에 의하면, 간단한 구성을 통하여 혼합가스를 구성하는 각 가스의 농도를 측정할 수 있다. According to the optical sensor and the mixed gas measuring method for measuring the mixed gas according to the present invention, it is possible to measure the concentration of each gas constituting the mixed gas through a simple configuration.
또한, 본 발명에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서 및 혼합가스 측정방법에 의하면 온도, 습도 변화와 같은 주변환경의 변화에도 불구하고 정확하게 각 가스의 농도를 측정할 수 있다. In addition, according to the optical sensor and the mixed gas measuring method for measuring the mixed gas according to the present invention, it is possible to accurately measure the concentration of each gas in spite of changes in the surrounding environment such as temperature and humidity changes.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 원리에 대하여 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 개념도이고, 도 2는 가스 별 광학적 흡수스펙트럼을 나타낸 표이다. First, with reference to Figures 1 to 2 to look at the principle of the optical sensor for measuring the mixed gas according to an embodiment of the present invention. 1 is a conceptual diagram of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a table showing the optical absorption spectrum for each gas.
도 1을 참조하여 보면, 혼합가스 측정을 위한 광센서는 크게 광원(110), 광신호(120), 혼합가스(140), 변조광신호(160), 광검출부(180)를 포함하여 구성될 수 있다. 혼합가스(140)는 여러 종류의 가스로 구성되어 있는 가스를 말하며, 단일한 종류의 가스로 구성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명 하다. 이하, 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 본 명세서에서 혼합가스(140)는 상기와 같은 의미로 가정하여 설명한다.Referring to FIG. 1, an optical sensor for measuring a mixed gas may include a
본 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 개략적인 동작원리를 살펴보면 하기와 같다. 광원(110)에서 혼합가스(140)로 광신호(120)를 조사될 수 있다. 이때, 광원(110)에서 출사되는 광신호(120)는 혼합가스(140)를 구성하는 가스의 종류에 따라 상이한 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. Looking at the schematic operation principle of the optical sensor for measuring the mixed gas according to the embodiment as follows. The
이렇게 광원(110)에서 출사된 광신호(120)는 혼합가스(140)를 통과하면서 반사 또는 산란되어 변조된다. 이렇게 변조된 변조광신호(160)는 후에 광검출부(180)로 입력되며, 광검출부(180)는 변조광신호(160)를 토대로 혼합가스(140)를 구성하는 각 가스의 농도를 측정하게 된다. As such, the
이와 같이, 혼합가스(140)를 통과하면서 변조된 변조광신호(160)를 통하여 혼합가스(140)를 구성하는 각각의 가스의 농도를 측정할 수 있는 것은 도 2에 도시된 바와 같이 각 가스마다 고유의 흡수스펙트럼을 가지고 있기 때문이다. 도 2를 참조하여 보면, 각 가스마다 각각 고유의 흡수스펙트럼을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 이산화 탄소(CO2)는 1.43 ~1.45㎛, 일산화 탄소(CO)는 1.56~1.60㎛ 등으로 가스의 종류에 따라 가스 고유의 흡수스펙트럼도 상이하다. 각각의 기체는 다른 파장의 범위에 비해 고유 흡수스펙트럼의 범위에서 흡수되는 정도가 크다. 이렇게 가스의 종류마다 그들이 갖는 고유 흡수스펙트럼의 범위가 상이하므로, 이를 이용하여 혼합가스를 구성하는 각각의 가스의 농도를 측정할 수 있다. 이들의 원리에 대하여는 도 3을 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다. As such, the concentration of each gas constituting the mixed
이하, 도3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 원리에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다. 도 3은 본 발명의 혼합가스 측정을 위한 광센서의 측정 대상이 되는 가스의 파장에 따른 흡수율 및 광원의 시간에 따른 파장 변화를 나타낸 그래프이다. Hereinafter, the principle of the optical sensor for measuring the mixed gas according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3. Figure 3 is a graph showing the change in wavelength according to the absorption rate and time of the light source according to the wavelength of the gas to be measured by the optical sensor for measuring the mixed gas of the present invention.
도 3을 참조하여 보면, 가스의 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 그래프(310, 320 )가 도시되어 있다. 그래프(310, 320)에 도시되어 있듯, 특정 파장대역(λ1~ λ2 )의 빛은 대부분 흡수되어 투과율이 낮아진다. 이 때, 투과율이 낮아지는 정도는 가스의 농도에 따라 달라지게 된다. 즉, 혼합기체에 포함된 가스의 농도가 높을 경우 310과 같이 투과율의 감소 폭이 커지며, 가스의 농도가 낮을 경우 320과 같이 투과율의 감소폭이 작아지게 된다. 이와 같이, 가스의 농도에 따라 투과율 감소의 폭이 달라지게 되므로 가스를 통과한 변조광신호를 분석함으로써 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다. Referring to FIG. 3,
전술한 바와 같이 측정하고자 하는 가스의 광신호에 대한 흡수스펙트럼을 이용한 광학센서의 동작은 광원에서 출사되는 빛(즉, 광신호)의 파장변조를 통해 이루어 질 수 있다. 흡수스펙트럼을 이용한 가스의 농도 측정을 위해서는 흡수스펙트럼 대역 중 흡수 정도가 가장 큰 파장 즉, 중심 파장(λ0)에서 동작하는 광원이 요구된다. 중심 파장(λ0)이란, 가스의 흡수스펙트럼 대역 중 흡수 정도가 가장 큰, 즉 투과율이 가장 낮은 파장을 말한다. 이하, 본 명세서에서 중심 파장(λ0)은 상기 와 같은 의미로 사용됨을 명확히 한다. 따라서, 중심 파장(λ0) 값은 도 2의 표에 도시된 바와 같이, 가스의 종류에 따라 그 값이 달라질 수 있다.As described above, the operation of the optical sensor using the absorption spectrum of the optical signal of the gas to be measured may be performed through wavelength modulation of the light (ie, the optical signal) emitted from the light source. In order to measure the concentration of gas using the absorption spectrum, a light source operating at a wavelength having the largest absorption degree in the absorption spectrum band, that is, the center wavelength λ 0 , is required. The center wavelength λ 0 refers to a wavelength having the largest absorption degree in the absorption spectrum band of gas, that is, the lowest transmittance. Hereinafter, in the present specification, the center wavelength λ 0 is used to have the same meaning as described above. Therefore, as shown in the table of FIG. 2, the center wavelength λ 0 value may vary depending on the type of gas.
광원에서 출사되는 광신호의 파장은 광원으로 가해지는 전압 또는 전류의 값을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다. 광원으로 가해지는 전압 또는 전류의 값에 상응하여 광원에서 출사되는 광신호의 파장이 달라지므로, 광원으로 가해지는 전압이나 전류를 변조주파수(f)의 속도로 변화시키면 광원에서 출사되는 광신호의 파장 역시 변조주파수(f)의 속도로 변화한다. 보다 상세하게는 광원으로 가해지는 전압 또는 전류 값을 변조주파수(f)의 속도로 변화하게 하면, 광원에서 출사되는 광신호의 파장은 전압이나 전류 값의 변화에 따라 변화하게 되므로, 전압 또는 전류의 변화와 동일한 속도 즉, 변조주파수(f)의 속도로 변화하게 되는 것이다. The wavelength of the optical signal emitted from the light source can be changed by changing the value of the voltage or current applied to the light source. Since the wavelength of the optical signal emitted from the light source varies according to the value of the voltage or current applied to the light source, changing the voltage or current applied to the light source at the speed of the modulation frequency f causes the wavelength of the optical signal emitted from the light source. It also changes at the rate of modulation frequency f. In more detail, when the voltage or current value applied to the light source is changed at the speed of the modulation frequency f, the wavelength of the optical signal emitted from the light source changes according to the change of the voltage or current value. It is changed at the same speed as the change, that is, the speed of the modulation frequency f.
이 때, 광원으로부터 출사되는 광신호의 파장은 그래프(330)에 도시된 바와 같이, 중심 파장(λ0)을 포함하는 제1 파장(λ1)에서 제2 파장(λ2)의 범위-즉, 흡수스펙트럼의 범위-에서 광신호의 파장이 변조주파수(f)의 속도로 변화된다. 이와 같이 변조주파수(f)의 속도로 일정 파장의 범위(△ λ= λ2 - λ1 )에서 파장이 변하는 광신호(120)를 측정하고자 하는 혼합가스(140)에 통과시킨다. 이렇게 광신호(120)는 혼합가스(140)를 통과하면서 반사 또는 산란된다. At this time, the wavelength of the optical signal emitted from the light source ranges from the first wavelength λ 1 including the center wavelength λ 0 to the second wavelength λ 2 , ie, as shown in the
반사 또는 산란되는 광신호(120)는 전술한 바와 같이 가스의 농도에 따라서 흡수되는 정도가 다르기 때문에 이에 따라 농도에 따른 광학적 특성도 변하게 된다. 광학적 특성이란 투과율, 흡수율 또는 파장 등과 같은 특성을 말한다. 이렇게 변화되어 출력되는 광신호를 변조광신호라 칭하며, 본 명세서에서 이하 변조광신호는 상기와 같은 의미로 사용된다. 변조광신호는 광검출부(180)를 통해 감지되며, 감지된 변조광신호를 통하여 혼합가스를 구성하는 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다. As the
제1 파장(λ1)에서 제2 파장(λ2)의 범위 안에서 파장이 변하는 광신호(120)는 측정하고자 하는 가스를 통과하면서, 그 가스의 농도에 따라 흡수되는 정도가 상이하게 감소한다. 즉, 광신호(120)의 혼합가스(140)를 통과하면서, 가스의 농도에 따라 투과율이 상이하게 달라진다. 보다 상세하게는, 가스의 농도가 높을 경우에는 혼합가스(140)의 광신호에 대한 흡수량이 커지기(즉, 투과율이 낮아지기) 때문에 출력되는 변조광 신호의 세기는 가스의 농도가 낮은 경우보다 더 작아지게 된다. 이는 농도에 따라 상이한 투과율의 감소를 보여주는 그래프 310과 320을 보아도 알 수 있다. 이와 같은 원리를 통하여 출력되는 변조광신호의 세기를 측정하면 가스의 농도를 계산해 낼 수 있다. The
또한 그래프(340)에 예시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 변조주파수(f)로 파장이 변화되는 광신호는 혼합가스를 통과하면서 광원으로부터 처음 출사되는 경우의 변조주파수(f)의 두 배에 해당하는 주파수(2f)를 가지는 변조광신호로 변화될 수 있다. 이는 광신호의 반주기가 조사되어 혼합가스를 통과하는 경우, 변조광신호는 한 주기가 출력되기 때문이다. 그러나, 광신호의 한 주기가 조사되어 혼합가스를 통과하는 경우, 변조광신호 반주기가 출력되는 경우 주파수는 본래 변조주파 수(f)의 반 값(1/2f)가 될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같은 변조주파수와 변조광신호의 주파수의 관계는 일 실시예엘 뿐 변조광신호의 주파수가 반드시 변조주파수(f)의 두 배의 값을 가져야 하는 것은 아니다. Also, as illustrated in the
이렇게 변화된 변조광신호의 세기는 전술한 바와 같이 가스농도에 대한 정보를 포함하고 있기 때문에, 광검출부(18)에서 변조주파수의 두 배의 주파수(2f)를 갖는 변조광신호의 세기를 신호처리 하여 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다. 또한, 변조광신호의 경우 흡수율이 최고가 되는 중심파장(λ0)의 정보 또는 광신호의 파장 변화 범위에 대한 정보-즉, 흡수 스펙트럼- 를 포함하고 있으므로, 이를 통하여 가스의 종류도 알 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명에 따른 광센서는 전술한 바와 같이 측정하고자 하는 가스의 흡수 스펙트럼을 이용한 것으로, 이러한 광학적 특성들은 주변 환경의 변화와 무관하다. 따라서, 본 발명에 따른 광센서를 이용한 가스 측정은 온도, 습도 변화와 같은 주변환경의 변화에도 불구하고 정확하게 각각의 가스 별 농도 또는 종류를 측정 할 수 있다. Since the changed intensity of the modulated light signal includes information on the gas concentration as described above, the photodetector 18 performs signal processing on the intensity of the modulated light signal having a
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 구성에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 구성도이다. Hereinafter, a configuration of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4. 4 is a block diagram of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서는 크게 광원부(110)와 광검출부(180)를 포함하여 구성된다. 이 때, 광원부(110)는 복수개의 광 원(110a, 110b, 110c, ……)들로 이루어져 있다. 이 때, 측정하고자 하는 가스 종류에 따라 광원부(110)에 포함된 광원의 최소 개수가 달라진다 예를 들어, 측정하고자 하는 가스의 종류가 세가지인 경우는 최소 3개의 광원이 필요하다.An optical sensor for measuring a mixed gas according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
각각의 광원(110a, 110b, 110c, ……)은 측정하고자 하는 가스의 흡수 스펙트럼의 중심파장(λa, λb, λc,… )에 해당하는 파장의 광신호(120a, 120b, 120c, 이하 120으로 칭함)를 출력한다. 즉, 광원부(110)는 측정하고자 하는 가스의 중심파장(λa, λb, λc,… )과 일치하는 파장을 출사하는 광원(110a, 110b, 110c, ……)을 포함한다. 이와 같이, 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 중심파장이 상이한 광원이 요구되므로, 측정하고자 하는 가스의 종류에 상응하여 광원의 최소 개수가 정해지게 되는 것이다. Each of the
또한, 한 종류의 가스에 대해서 중심파장은 같지만 변조주파수가 다른 여러 개의 광원을 할당하게 되면, 특정 광원이 고장 나더라도 전체 시스템을 멈추지 않고 계속 동작시킬 수 있기 때문에 안정성 및 정밀도를 높일 수 있게 된다. 따라서, 이러한 경우 광원부(110)에 포함되는 광원의 개수는 측정하고자 하는 가스의 종류보다 많을 수 있다.In addition, when a plurality of light sources having the same center wavelength but different modulation frequencies are assigned to one type of gas, even if a specific light source fails, the entire system can be operated without stopping, thereby increasing stability and precision. Therefore, in this case, the number of light sources included in the
그리고, 이때 각각의 광원(110a, 110b, 110c, ……)에 가해지는 전압 또는 전류를 서로 다른 변조주파수(fa, fb, fc, ……)의 속도로 변화시킴으로써, 광원(110a, 110b, 110c, ……)에서 출사되는 광신호(120)의 파장은 중심 파장을 포함하는 특정 파장의 범위 즉, 흡수 스펙트럼의 파장 범위 내에서 변화하게 된다.At this time, the voltage or current applied to each of the
서로 다른 변조주파수(fa, fb, fc, ……)로 변화되는 각각 광원(110a, 110b, 110c, ……)에서 조사되는 광신호와(120)와 변조광신호(160)의 파장의 변동 범위(도3, △λ 에 해당)는 동일하다. 이 때, 광원(110)에서 조사되는 광신호(120)의 파장이 변화되는 속도는 각각의 변조주파수(fa, fb, fc, ……)에 따라 달라진다. 이와 같이, 변조주파수(fa, fb, fc, ……)로 파장이 변화되어 출사되는 광신호(120)는 측정하고자 하는 혼합가스(140)를 통과하게 된다. The wavelengths of the
광신호(120)는 혼합가스(140)를 통과한 후 전술한 바와 같이, 변조주파수(fa, fb, fc, ……)의 두 배에 해당하는 주파수(2f1, 2f2, 2f3,……)성분을 지니는 변조광신호(160a, 160b, 160c,…이하, 160으로 칭함)로 변화된다. As described above, the
이때, 혼합가스(140)를 구성하는 가스의 농도에 따라서 광신호(120)의 흡수율은 달라지게 된다. 즉, 가스의 농도가 낮을 경우 광신호(120)는 적게 흡수되어 변조광신호(160)의 크기가 광신호(120)에 비해 감소된 감소 폭이 적으며, 가스의 농도가 높을 경우에는 변조광신호(160)의 감소 폭은 농도가 낮은 경우보다 크다.In this case, the absorption rate of the
이와 같이 변조광신호(160)는 가스의 농도에 대한 정보를 포함하며, 초기 변조주파수(f)의 두 배의 주파수(2f)성분을 갖는다. 변조광신호(160)는 신호 변환부(170)에 의해서 전기적 신호(150)로 변환된다. 변환된 전기적 신호(150)에는 그래프(190)에서 보듯, 두 배의 주파수(2f1, 2f2, 2f3, ……)성분만 남게 된다. As such, the modulated
가스의 농도에 대한 정보를 포함하고 있는 변조광신호(160)가 변환된 전기적 신호(150)는 특정주파수성분만을 추출하는 대역통과필터(171a, 171b, 171c, …, 이하 171로 통칭함)를 통과하면서 각각의 특정주파수 성분에 해당하는 신호로 분리된다. 이 때, 대역통과필터(171)가 추출하게 되는 특정주파수는 각각의 광원의 변조주파수의 두 배의 값을 갖는 주파수(2f1, 2f2, 2f3, ……)이다. 이렇게 대역통과필터를 통과하여 분리된 신호(152a, 152b, 152c, ……)는 측정하고자 하는 각각의 가스농도 정보를 포함하고 있기 때문에 분리된 신호의 크기를 측정함으로써 혼합된 가스를 구성하는 각각의 가스 별 농도를 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 변조광신호(160)는 흡수 스펙트럼의 중심파장(λ0)의 정보 또는 광신호의 파장 변화 범위에 대한 정보-즉, 흡수 스펙트럼- 를 포함하고 있으므로, 이를 통하여 가스의 종류 또한 정확하게 알 수 있다. The
이하, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 응용 예시에 대하여 살펴보도록 한다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 응용 예시도 이다. Hereinafter, an application example of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5C. 5a to 5c is an application example of the optical sensor for measuring the mixed gas according to an embodiment of the present invention.
도 5a와 같이, 자동차의 배기가스를 배출하는 부위에 혼합가스 측정을 위한 광센서를 설치해 자동차 배기가스의 농도 및 종류를 실시간으로 분석할 수 있다. 자동차 배기관(580)에 광원부(110)와 광검출부(180)을 배치하여 자동차의 배기가스(582)의 농도 및 종류를 전술한 바와 같은 과정을 통하여 분석할 수 있다.As shown in FIG. 5A, an optical sensor for measuring a mixed gas may be installed at a portion of the vehicle exhaust gas to analyze the concentration and type of the vehicle exhaust gas in real time. The
또한, 도 5b에 도시된 것과 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 혼합 가스 측정을 위한 광센서를 통하여 자동차 실내(584)의 가스를 분석하여 공기오염여부를 알 수 있다. 이 방식은 자동차 실내(584)뿐만 아니라 특정 공간의 공기 오염도를 측정할 수 있으므로, 일반 가정의 실내 또는 사무실과 같은 공간의 공기오염을 측정하기 위하여 본 실시예에 따른 광센서가 사용될 수 있다. In addition, as shown in Figure 5b, according to another embodiment of the present invention, it is possible to determine whether the air pollution by analyzing the gas in the
또한, 도 5c에 도시된 것과 같이, 본 발명의 혼합가스 측정을 위한 광센서에 따르면 원격검출이 가능하므로 이동이 가능한 원격 가스 검출기(590)에 응용될 수 있다. 외부에 위치한 광원부(110)에서 자동차 자체의 배기가스(594)로 광신호를 조사시켜 변화된 변조광신호를 분석하는 과정을 통하여 자동차 배기가스(594)와 같은 혼합가스를 원격에서 분석할 수 있다.In addition, as shown in Figure 5c, according to the optical sensor for measuring the mixed gas of the present invention can be applied to the
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합가스 측정방법에 대하여 살펴보도록 한다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합가스 측정방법의 제어흐름도 이다. 혼합가스 측정방법의 경우, 전술한 바 있는 혼합가스 측정을 위한 광센서와 동일한 원리 및 동일한 동작과정을 가지므로 중복되는 설명은 생략하고 간략하게 살펴보도록 한다.Hereinafter, a mixed gas measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. 6 is a control flowchart of a mixed gas measuring method according to another embodiment of the present invention. In the case of the mixed gas measurement method, since the same principle and the same operation process as the optical sensor for measuring the mixed gas have been described above, redundant description will be omitted and briefly described.
먼저, 측정하고자 하는 혼합가스로 광신호를 조사한다(S610). 이렇게 혼합가스로 조사된 광신호는 혼합가스를 통과하면서 변화되어 변조광 신호로 출력되고 이를 기초로 혼합가스를 구성하는 가스 별 농도를 측정한다(S620). 이 때, 변조광 신호를 통하여 혼합가스를 구성하는 가스 별 농도를 측정하는 단계(S620)는 크게 세가지 단계를 포함할 수 있다. First, the optical signal is irradiated with the mixed gas to be measured (S610). The optical signal irradiated with the mixed gas is changed while passing through the mixed gas and output as a modulated light signal, and the concentration of each gas constituting the mixed gas is measured (S620). At this time, the step (S620) of measuring the concentration of each gas constituting the mixed gas through the modulated light signal may include three steps.
먼저, 혼합가스를 통과하여 변화된 변조광신호를 전술한 바 있는 신호변환부에서 전기적 신호로 변환한다(S621). 이 때, 변조광신호는 초기 광원에서 출사된 광신호의 변조주파수의 두 배의 주파수를 갖게 됨은 이미 전술한 바 있다. 이와 같이 신호변환부에서 변환된 전기적 신호는 특정주파수대역을 추출할 수 있는 대역통과필터를 통하여 각각의 변조광신호의 주파수 즉, 각 광원의 변조주파수의 두 배의 크기를 갖는 주파수로 분리된다(S622). 이렇게 분리된 전기적 신호는 가스의 농도 및 종류에 대한 정보를 포함하고 있으므로, 이를 통하여 혼합가스를 구성하고 있는 가스 별 농도 및 종류를 측정한다(S623). 이때, 가스의 농도와 종류 중 어느 하나만도 측정할 수 있음은 당업자에게 자명하다. First, the modulated light signal changed through the mixed gas is converted into an electrical signal by the signal conversion unit as described above (S621). In this case, the modulated light signal has already been twice as high as the modulation frequency of the optical signal emitted from the initial light source. The electrical signal converted by the signal conversion unit is separated into a frequency having a magnitude twice that of each modulated light signal, that is, a modulation frequency of each light source, through a band pass filter capable of extracting a specific frequency band ( S622). Since the separated electrical signal includes information on the concentration and type of gas, the concentration and type of each gas constituting the mixed gas are measured through this (S623). At this time, it will be apparent to those skilled in the art that any one of the concentration and type of gas can be measured.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the invention may be varied and varied without departing from the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 개념도.1 is a conceptual diagram of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.
도 2는 가스 별 광학적 흡수스펙트럼을 나타낸 표.Figure 2 is a table showing the optical absorption spectrum for each gas.
도 3은 본 발명의 혼합가스 측정을 위한 광센서의 측정 대상이 되는 가스의 파장에 따른 흡수율 및 광원의 시간에 따른 파장 변화를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the change in wavelength according to the absorption rate and time of the light source according to the wavelength of the gas to be measured by the optical sensor for measuring the mixed gas of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 구성도.4 is a block diagram of an optical sensor for measuring a mixed gas according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스 측정을 위한 광센서의 응용 예시도.5a to 5c is an exemplary view of the application of the optical sensor for measuring the mixed gas according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합가스 측정방법의 제어흐름도.6 is a control flow chart of a mixed gas measuring method according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110: 광원부110: light source
120: 광신호120: optical signal
140: 혼합기체140: mixed gas
160: 변조광신호160: modulated light signal
180: 광검출부 180: photodetector
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