KR101247689B1 - 가스 분석용 광전자 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학 가스 분석을 위해 개선된 광전자 장치에 관한 것으로, 광전자 장치에 의해 가스 내에 포함된 입자의 간섭 영향이 의도된 측정에 대해 감소된다. 이를 위해 본 발명에 따른 광전자 장치는 서로 간에 측정 용적을 포함하는 광학 측정 경로를 형성하는 투광부 및 수광부를 가진다. 수광기의 수신된 신호는 평가 유닛에서 평가될 수 있어 평가 유닛으로 원하는 정보, 예를 들면 특정 가스 성분의 농도를 결국 얻는다. 본 발명에 따라,광학 측정 경로의 상류부에 배치되는 이온화기가 더 제공된다. 이온화기는 원하지 않는 입자, 즉 예를 들면 먼지 입자, 흡연 입자 또는 에어로졸과 같은 것을 이온화시켜, 이온화된 입자가 이온 가속 장치에 의해 전기장 또는 또한 자기장에 의해 편향될 수 있도록 한다. 이 점에 있어서 발생된 이온이 측정 용적 옆을 지나서 유동할 수 있도록 하기 위하여 편향되도록 이온 가속 장치 및/또는 이온 가속 장치의 전자기장이 정렬된다.
Description
본 발명은 광학 가스 분석용 광전자 장치 및 가스의 광학 분석을 위한 방법에 관한 것이다.
이 같은 장치는 예를 들면 분광기, 광학 분광계, 가시 범위 센서(range of vision sensor), 인-시츄(in-situ) 가스 분석기, 터널 센서 등이다. 특정 가스 성분, 예를 들면, 황화수소, 일산화탄소, SO2, NH3, NO, NO2, HCl, HF 등은 광 투과 또는 광 산란에 의해 이 같은 장치로 측정된다. 이 점에 있어서 이러한 가스 성분의 농도는 대부분 측정된다.
적용 분야는 예를 들면 산업 플랜트의 방출물 측정이며, 이 방출물 측정에서 배기 가스 내의 소정의 분자 화합물의 함유량이 모니터링된다. 종종 광전자 장치가 원하는 가스 성분을 측정하는 가스 유동은 예를 들면 연기, 먼지 또는 다른 에어로졸과 같은 고 입자 로드를 특징으로 한다. 이러한 고 입자 로드는 자체적으로 측정을 상당히 방해하거나 측정을 불가능하게 하는 큰(large) 광 흡수 및/또는 높은 광 산란을 일으킨다. 또한, 예를 들면, 황화수소는 예를 들면 초-미세 먼지가 가지는 것과 같이 매우 큰 흡수율을 가진다. 따라서 흡수가 황화수소에 의해 또는 먼지에 의해 발생되는지 여부를 더 이상 구별할 수 없다.
전기 필터는 원리적으로 가스를 정화하기 위한 것으로 알려져 있다. 예를 들면 엔진 흡입 통로 내에 있는 공기 질량 유량계의 세라믹 측정 칩을 이 같은 입자에 의한 오염으로부터 보호하기 위해 DE 38 01 262 A1호에 따라 이 같은 전기 필터가 이용된다. DE 100 11 531 A1으로부터 코크 오븐 원유 가스(coke oven crude gas) 및 다른 오염된 가스의 추출된 가스 분석을 위한 탐침 추출용 장치가 알려져 있으며, 여기서 가스가 코크 오븐 튜브로부터 벗어나서, 여러 번 여과되고, 냉각되고 또한 최종적으로 가스 분석기로 정화된 형태로 가스를 안내할 수 있도록 전기 필터에 의해 처리도 된다. 이 같은 추출 가스 분석 기술의 단점은 때 이른 필터의 교환, 필터의 세정 또는 필터 교체의 요구, 가스 추출 경로에 의한 매체, 필터 또는 여과액의 원하지 않는 변형이다.
다른 한편, 인-시츄 가스 분석은 가스의 부가 처리가 요구되지 않고 원하지 않을 때, 즉 가스가 "직접" 측정되어야 할 때 자주 발생한다.
이러한 종래 기술로부터 시작하여, 본 발명의 목적은 광학 가스 분석을 위한 개선된 광전자 장치를 제공하는 것으로, 이 장치에 의해 선택된 측정 상의 매체 내에 존재하는 입자의 간섭에 따른 영향이 감소된다.
가스 유동 내의 가스 분석을 위한 광전자 장치에 대해, 상기 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 장치 및 청구항 8의 특징을 가지는 방법에 의해 충족된다.
가스 유동 내의 광학 가스 분석을 위한 본 발명에 따른 광전자 장치는 서로 간에 측정 용적을 포함하는 광학 측정 경로를 형성하는 투광부(light transmitter) 및 수광부(light receiver)를 가진다. 수광부의 수신된 신호는 평가 유닛에서 평가되어, 이로부터 목표 정보, 예를 들면 특정 가스 성분의 농도를 최종적으로 얻는다. 본 발명에 따라, 광 측정 경로의 상류부에 배치되는 이온화기(ionizer)가 추가로 제공된다. 이온화기는 간섭 입자, 즉 먼지 입자, 흡연 입자 또는 유사한 에어로졸의 이온화를 일으켜서 이온화된 입자가 이온 가속 장치에 의해 전기장 또는 자기장에 의해 편향될 수 있도록 한다. 이 점에 있어서, 이온 가속 장치 및/또는 이온 가속 장치의 전자기장은 발생된 이온들이 편향되어 측정 용적 옆을 지나서 유동될 수 있도록 설계된다.
이온화기는 바람직하게는 실제 측정 성분, 예를 들면, 소정의 분자가 이온화기에 의해 이온화되지 않고 간섭 입자만이 이온화되도록 전자기장과 조화된다. 따라서, 간섭 입자(interfering particle)는 이온 가속 장치에 의해 측정 용적으로 들어가지 못하고 -적어도 측정 용적의 대부분으로 들어가지 못하여 측정 자체가 간섭되지 않거나 심지어 측정 자체가 이에 의해서만 가능하게 된다. 먼지가 포함된 가스 유동의 부가 처리는 따라서 여전히 인-시츄 가스 분석에도 불구하고 본 발명에 따라 제공된다.
이온화기는 바람직하게는 전기 이온화기로서 구성되어 이온화가 전기장 영향에 의해 발생되도록 한다. 이점에 있어서, 이온화기는 바람직하게는 전기 필터의 방전 전극으로서 설계되는 것이 바람직하고 이온 가속 장치는 전기 필터의 집전극(collector electrode) 및 방전 전극에 의해 형성된다. 이러한 방식으로 코로나 방전은 방전 전극 주위에 형성될 수 있으며, 가스 내의 입자의 이온화를 초래하여 가스 내의 입자가 집전극의 방향으로 편향될 수 있다. 통상적인 필드 세기는 예를 들면 5kV/cm가 된다. 이 같은 종류의 전기 필터의 배치가 일반적으로 알려져 있으며 잘 설정되어 치수가 단순화되도록 한다.
선택적으로, 이온이 자기장에 의해 편향되는 것이 원리적으로 또한 타당하다.
본 발명의 하나의 개선에서 집전극이 유동 방향으로 볼 때 이온화된 입자를 편향하도록 측정 용적의 적어도 측방향으로 배치되는 것이 제공되어 이온화된 입자의 적어도 대부분이 측정 용적 옆을 지나서 유동하도록 한다. 유동 방향으로 볼 때 이온화 및 편향은 측정 용적의 전방에서 적어도 발생하여야 한다. 이 때문에 집전극은 측정 용적의 적어도 측방향으로 배치되어야 한다.
이온화 가능성은 복수의 방전 전극을 이용할 때 증가될 수 있으며, 여기서 복수의 방전 전극은 광학 측정 경로의 상류부에 유용하게 배치된다.
광학 측정 용적이 유동 없는 영역에 위치될 때, 본 발명의 추가의 일 실시예에서 전기 필터의 방전 전극은 측정 용적 내에 배치되고 집전극은 측정 용적 외부에 배치된다. 이 때 이온화 입자는 즉 측정 용적으로부터 집전극의 방향으로 가속된다, 즉 이온화 입자가 편향된다.
빈번하게 이는 측정 용적이 기계적 필터, 바람직하게는 필터 프리트(frit) 내에 배치될 때의 경우이다. 이러한 경우 전기 필터는 바람직하게는 필터 프리트 내로 통합된다.
이 점에 있어서 방전 전극은 유용하게는 측정 용적 내의 중앙에 적어도 부분적으로 배치되고 집전극은 기계적 필터의 내부면에 배치되거나 필터 자체에 의해 형성된다.
가스 유동에서 가스의 광학 분석을 위한 본 발명에 따른 방법은 아래 단계들을 포함한다;
- 가스 유동이 통과하는 측정 용적 내로 광선의 투과 단계,
- 수신기(receiver)로 광선을 수신하고 수신된 신호를 발생하는 단계,
- 수신된 신호를 평가하는 단계,
- 이온화된 입자가 측정 용적 옆을 지나서 유동하도록 하기 위해 측정 용적으로부터 먼 방향으로 편향되도록 전기장 내의 가스 유동 내의 입자를 이온화하고 전기장으로 이온화된 입자를 편향하는 단계.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 전기장의 세기는 조정되고 수신된 신호는 조정의 고려 하에서 평가된다. 이온 가속 장치로 인가된 전기장은 정적일 필요가 없지만 또한 동적으로 조정, 특히 주기적으로 조정될 수 있다. 매체 내의 입자의 전체 농도는 또한 측정될 수 있거나 주기적 조정 동안 조정에 따른 수신된 신호의 평가에 의해 적어도 부분적으로 추정된다. 심지어 입자 크기 분포에 대한 상태는 광학 측정 채널의 충분히 미세한 시간 분석 및 조정 파형의 적절한 조정 회수(frequency)의 선택 상의 다분산 입자 크기 분포에 대해 수신된 신호로부터 도출될 수 있다. 이는 전기장 내에 존재하는 상이한 크기의 입자가 상이한 이동 속도(rate)를 가지며 이러한 이유 때문에 광학 측정 용적으로부터 또는 광학 측정 용적 내로 상이한 정도로 가속된다는 사실을 기초로 하며 이는 일반적으로 오브라이언 이론(O'Brien theory)으로부터 유사한 방식으로 알려진다.
아래에서 본 발명은 도면을 참조하여 실시예들에 의해 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 가스 유동 내의 가스 분석을 위한 광전자 장치의 제 1 실시예의 개략도이며,
도 2는 선 Ⅰ-Ⅰ를 따른 도 1의 장치이며,
도 3은 제 2 실시예의 개략도이며,
도 4 및 도 5는 추가 실시예의 도 2와 같은 도면이다.
도 2는 선 Ⅰ-Ⅰ를 따른 도 1의 장치이며,
도 3은 제 2 실시예의 개략도이며,
도 4 및 도 5는 추가 실시예의 도 2와 같은 도면이다.
가스 유동(28) 내의 가스 분석을 위한 본 발명에 따른 광전자 장치(10)는 도 1의 제 1 실시예에 도시된 바와 같이 투과 광선(14)을 전달하는 투광부(12)를 가진다. 투과 광선(14)은 측정 용적(16)을 형성하며 역-반사기(18) 및 분할 거울(20)에서의 반사에 후속하여 수광부(22)에 의해 수용된다. 투과 광선(14)에 의해 형성된 광학 측정 경로는 측정 용적(16)을 포함한다.
수광부(22)는 평가 유닛(24)에서 평가되는 입사 광에 따라 수신 신호를 발생한다.
이 같은 광전자 장치(10)는 예를 들면 투광방식 시정계(transmissiometer)로서 구성될 수 있어 측정 용적(16)을 통과하는 광의 세기가 수광부(22)에 의해 측정될 수 있도록 한다. 대체로 투광부(12)는 조사되어야 하는 가스 성분, 예를 들면 황화수소에 의해 흡수되는 소정의 파장으로 변화된다(turn). 이어서 수광부(22)에서 수신되는 광에 의해 관심있는 가스 성분의 농도가 얼마나 높으냐, 예를 들면 황화수소의 농도가 굴뚝으로 안내되는 가스 유동(28) 내에서 얼마나 높으냐가 제시된다.
광전자 장치(10)는 랜스(lance)형 연장부(30)를 가지는 하우징(29)을 포함하며, 여기에서 투광부(12), 수광부(22) 및 평가 유닛(24)과 같은 광전자 유닛이 하우징(29) 내에 배치되고 광은 측정 용적(16)을 통하여 랜스형 연장부(30) 내로 연장되고 역-반사기(18)는 이러한 연장부(30)의 단부에 유지된다. 이 점에 있어서, 랜스형 연장부(30)는 자연적으로 랜스형 연장부가 굴뚝(26) 내로 돌출되어 가스 유동(28)이 측정 용적(16)을 통하여 유동할 수 있도록 하는 영역 내에 개구를 가진다.
단지 화살표(28)에 의해 표시되는, 굴뚝(26) 내로 안내되는 가스 유동(28)은 입자(32)가 포함될 수 있다. 이러한 입자(32)는 먼지, 연기 또는 다른 에어로졸일 수 있으며, 여기에서 입자(32)는 측정 용적(16) 내의 실제 광학 측정과 간섭된다.
광전자 장치(10)는 이온화기(36) 및 이온 가속 장치(38)를 가지며 둘다 입자(32)가 측정 용적(16)으로 들어가지 못하도록, 즉 입자가 적어도 대부분에 대해 측정 용적(16) 옆을 지날 수 있도록 하기 위해 입자를 상당히 편향시키도록 원하는 방향으로 이온을 편향시킬 수 있도록 특정 방식으로 배치되며, 여기에서 입자의 유동 방향은 각각의 화살표(34)에 의해 표시된다.
이러한 예에서 이온화기(36)는 절연체(42)에 의해 둘러싸이는 방전 전극(40)을 포함한다. 방전 전극(40)은 또한 집전극(44 및 46)을 더 가지는 이온 가속 장치(38)의 일 부분이다.
입자를 편향시키도록 이제 방전 전극(40)과 집전극(44 및 46) 사이로 고압(UB)이 인가되며, 고압(UB)은 전압 소스(47)에 의해 공급된다. 코로나 방전은 적절한 고압(UB)에서 입자(32)의 이온화를 초래하는 방전 전극(40) 둘레에 형성된다. 이에 의해 하전된 입자(32)는 지금 전기장의 방향으로의 힘 및 측정 용적(16) 옆에 적어도 측방향으로 배치되는 집전극(44) 또는 집전극(46)의 방향으로의 힘을 경험한다. 방전 전극(40)은 자체적으로 측정 용적(16)의 전방에서 하류부에 배치된다. 결과적으로 입자(32)가 이에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 측정 용적(16) 옆을 지나 좌측 및 우측으로 안내된다. 다른 배치가 가능하며, 여기에서 다른 배치는 힘이 이러한 입자를 최종적으로 측정 용적에 들어오지 못하도록, 즉 입자 유동을 측정 용적 옆을 지나 안내하도록 이온화된 입자(32) 상으로 가해지도록 항상 선택되어야 한다.
광전자 장치(10)의 제 2 실시예는 도 3에 도시되며 도 3에서 광전자 장치(10)는 두 개의 부분으로 분리되고 제 1 실시예의 장치와 동일하게 구성되는 제 1 장치 부분(50) 및 굴뚝(26)의 마주하는 측부 상에 배치되는 제 2 장치 부분(52)을 가지며, 제 2 장치 부분 내에는 예를 들면, 반사기(18)가 배치될 수 있다. 제 2 수광부(54)는 또한 이러한 제 2 장치 부분(52)에 배치될 수 있으며, 수광부가 예를 들면 가스 성분의 농도의 평가가 또한 이러한 측정 장치(10)를 이용하여 산란된 광 측정의 원리를 기초로 하여 발생될 수 있도록 산란된 광을 수용할 수 있도록 수광부가 배치된다. 이를 위해 수광기(54)를 이용하여 측정된 산란된 광은 제 2 평가 유닛(56)에서 평가된다.
이러한 실시예는 또한 유사한 방식으로 구성 및 배치되는 제 1 실시예와 같이 측정 용적(16) 둘레로 입자(32)를 편향시키기 위한 이온화기(36) 및 이온 가속 장치(38)를 가진다.
이온화기(36) 및 이온 가속 장치(38)의 구성에 대한 대 다수의 가능성이 존재한다. 이러한 가능성들 중 추가의 가능성이 도 4에 도시되며, 도 4에서 이온화기(36)는 복수의 방전 전극(40)을 가지며, 이러한 예에서 4개의 방전 전극(40)을 가지며, 이들 중 3개의 방전 전극은 유동 방향(28)으로 측정 용적(16)의 앞에 배치되고 하나의 방전 전극은 측정 용적(16) 뒤에 배치된다. 집전극(44 및 46)은 측방향으로 차례로 배치된다. 복수의 집전극(40)의 제공을 통하여 입자(32)가 더욱 효율적으로 편향될 수 있도록 입자(32)의 이온화에 대한 가능성이 증가되어야 한다.
마지막으로, 도 5는 본 발명에 따른 장치의 추가 실시예를 보여주며, 도 5에서 측정 용적(16)은 본 경우에서 필터 프리트(62)로서 구성되는 기계적 필터(60)에 의해 둘러싸인다. 필터 프리트(62)는 예를 들면 다공성 세라믹 또는 다공성 금속으로 제조될 수 있고 예를 들면 제 1 실시예의 래스형 연장부(30) 내에 배치될 수 있다. 가장 미세한 먼지 입자는 필터(60)에도 불구하고 확산에 의해 측정 용적(16)에 도달하여 측정 용적에서의 측정과 간섭된다. 방전 전극(40)은 이제 필터(60)의 이러한 원통형 대칭 배치의 중앙에, 즉 측정 용적(16) 내 중앙에 배치되어, 또한 입자가 측정 용적(16)으로 들어오지 못하도록 한다. 집전극(64)은 필터가 금속으로 이루어지거나 필터(60)의 내측부 상으로 도포되는 다공성 금속 층을 가질 때 필터(60) 자체에 의해 필터(60)의 내측부 상에 형성된다. 선택적으로, 그리드 전극(도시안됨)은 또한 필터 내부면 상에 제공될 수 있다.
가스가 단지 필터(60)의 내부 공간에 확산되어 도달할 때, 내부 공간 내의 가스는 실제로 정지되어 있다. 이 때문에 이온화된 입자(32)는 집전극(64)의 방향으로 측정 용적으로부터 가속되고 측정 용적(16) 내의 광학 측정과 더 이상 간섭될 수 없다.
본 발명에 따른 광전자 장치(10)는 아래와 같이 작동한다:
투광부(12)는 가스 유동으로 존재하는 측정 용적을 투과하는 광선(14)을 전달한다. 광의 일 부분은 측정 용적 내의 가스 성분에 따라 흡수되고 광의 나머지는 수용된 광의 양에 대응하여 수신된 신호를 발생하는 수광부(22)에 의해 수용된다. 수신된 신호는 관심있는 가스 성분의 농도를 최종적으로 얻도록 평가 유닛(24) 내에서 평가된다.
방해되는 입자(32)가 측정 용적(16)으로 들어오지 못하도록 입자(32)는 이온화기(36)에 의해 이온화되고 이온화된 입자(32)는 방전 전극(40) 및 집전극(44 및 46 및/또는 62)으로 이루어진 이온 가속 장치(38)에 의해 편향되어, 적어도 대부분에 대해, 이온화된 입자가 측정 용적(16) 옆을 지나서 유동할 수 있거나 및/또는 측정 용적(16)으로 들어오지 못하도록 한다.
본 발명에 따른 이러한 방법의 개선에서, 제 1 세기가 조정되고 수신된 신호는 조정의 고려 하에서 평가될 수 있다. 이온 가속 장치로 인가된 전기장은 따라서 반드시 정적으로 조정될 필요는 없어야 하지만 또한 동적으로 조정될 수 있으며, 특히 주기적으로 조정될 수 있다. 매체 내의 입자의 전체 농도는 또한 측정될 수 있거나 주기적 조정에 대한 조정에 따라 수신된 신호의 평가를 경유하여 적어도 평가될 수 있다. 비록 입자 크기 분포에 대한 상황은 조정 주파수, 조정 파형 및 광 측정 채널의 충분히 미세한 시간 분석의 적절한 선택 상의 다분산 입자 크기 분포에 대해 수신된 신호로부터 추론될 수 있다. 이는 상이한 크기의 입자가 전기장 내에서 상이한 이동 속도를 가지며 이러한 이유 때문에 광학 측정 용적으로부터 또는 광학 측정 용적 내로 상이한 정도로 가속된다는 사실을 기초로 한다.
Claims (9)
- 가스 유동 내의 광학 인-시츄(in-situ) 가스 분석을 위한 광전자 장치로서,
상기 가스 유동이 농도가 측정되어야 하는 가스 성분을 포함할 뿐 아니라 농도 결정에 간섭하는 먼지, 연기 또는 다른 에어로졸을 포함하는 입자를 포함하며,
상기 광전자 장치가,
- 서로 간에 측정 용적을 포함하는 광학 측정 경로를 형성하는 투광부 및 수광부,
- 평가 유닛,
- 입자를 이온화하기 위하여 상기 광학 측정 경로의 상류에 배치되는 이온화기, 및
- 발생된 이온이 상기 측정 용적을 지나 유동하도록 편향될 수 있게 정렬되는 이온 가속 장치를 가지며,
상기 이온화기가 전기 필터의 방전 전극으로서 구성되며, 상기 이온 가속 장치가 상기 전기 필터의 방전 전극 및 집전극에 의해 형성되는,
가스 유동 내의 광학 가스 분석을 위한 광전자 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
유동 방향으로 볼 때 상기 측정 용적에 대해 적어도 측방향으로 상기 집전극이 배치되는,
가스 유동 내의 광학 가스 분석을 위한 광전자 장치.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 광학 측정 경로의 상류에 복수의 방전 전극이 배치되는,
가스 유동 내의 광학 가스 분석을 위한 광전자 장치.
- 가스 유동 내의 광학 인-시츄 가스 분석을 위한 광전자 장치로서,
상기 가스 유동이 농도가 측정되어야 하는 가스 성분을 포함할 뿐 아니라 농도 결정에 간섭하는 먼지, 연기 또는 다른 에어로졸을 포함하는 입자를 포함하며,
상기 광전자 장치가,
- 서로 간에 측정 용적을 포함하는 광학 측정 경로를 형성하는 투광부 및 수광부,
- 평가 유닛,
- 입자를 이온화시키기 위한 전기 필터로서, 상기 광학 측정 경로를 형성하는 상기 측정 용적 내에 상기 전기 필터의 하나의 방전 전극이 배치되고, 상기 측정 용적의 외부에 집전극이 배치되며, 필터 프리트(filter frit) 내로 통합되는 전기 필터를 가지는,
광학 가스 분석을 위한 광전자 장치.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 방전 전극은 적어도 부분적으로 상기 측정 용적 내 중앙에 배치되고, 상기 집전극은 상기 필터 프리트의 내부 표면에 배치되거나 상기 필터 프리트 자체에 의해 형성되는,
광학 가스 분석을 위한 광전자 장치.
- 삭제
- 삭제
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