KR101433497B1 - 가스 농도 모니터링 - Google Patents
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Abstract
일반적으로, 가스 농도를 모니터링하는 방법 및 시스템에 관한 기법들이 설명된다. 일 예시적인 가스 모니터링 장치는 광원, 샘플을 투과한 광원으로부터의 광의 광 행로에 있도록 배열된 MEMS 마이크로-미러, 단일 검출 포인트에 배열되고 입사 광을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 검출기, 및 전기 신호들에 기초하여 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 판정하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함한다.
Description
본 개시물은 일반적으로 가스 농도 모니터링 기법들에 관한 것이다.
별도의 표시가 없으면, 이 섹션에서 설명되는 접근방안들은 본 출원의 청구범위에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에의 포함에 의해 종래 기술인 것으로 인정되는 것은 아니다.
가스 검출기들, 특히 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 신뢰할 수 있게 수량화할 수 있는 가스 검출기들은 산업, 연구, 및 다른 환경들에서 많은 유용한 애플리케이션들을 갖는다. 예를 들어, 임의의 가연성 가스, 예컨대 메탄, 수소 등은 그와 연관된 폭발 하한 (lower explosive limit) 및 폭발 상한 (upper explosive limit) 을 가지며, 가연성 가스의 공기 중 농도가 그의 폭발 상한과 폭발 하한 사이에 있는 경우에는 언제든, 임의의 스파크로 폭발이 일어날 수 있다. 이러한 폭발들은 인명 손실, 산업 설비들의 파괴, 생산 중단, 및 분진 폭발, 갱내 화재 및 광산 붕괴와 같은 2 차적 재앙들을 초래할 수 있다.
전술한 사항은 단지 예시에 불과하며, 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 전술된 예시적인 양태들, 실시형태들 및 특징들 외에도, 추가의 양태들, 실시형태들 및 특징들은 도면 및 하기의 상세한 설명을 참조하면 자명해질 것이다.
본 개시물의 일 실시형태에 따르면, 가스 모니터링 장치는 광원, 샘플을 투과한 광원으로부터의 광의 광 행로에 있도록 배열되고 광의 선택된 파장들을 단일 검출 포인트로 지향시키도록 구성된 MEMS 마이크로-미러, 단일 검출 포인트에 배열되고 입사 광을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 검출기, 및 전기 신호들에 기초하여 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 판정하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함한다.
본 개시물의 다른 실시형태에 따르면, 가스 샘플에서의 가스 농도를 판정하는 방법은, 광을 가스 샘플에 투과시키는 단계; 투과 광을 복수의 파장들로 분리하는 단계; 가스 샘플을 투과한 광의 선택된 파장들을 단일 검출 포인트로 지향시키는 단계; 및 단일 검출 포인트에서 검출된 선택된 파장들로부터 생성된 신호들에 기초하여 가스 농도를 판정하는 단계를 포함한다.
본 개시물의 또 다른 실시형태에 따르면, 고농도의 특정 가스들로부터 보호하기 위한 알람 시스템은, 가스 농도 모니터링 디바이스, 프로세서, 및 알람을 포함한다. 가스 농도 모니터링 디바이스는 유해 가스들에 대해 모니터링되고 있는 샘플을 투과한 광의 선택된 파장들을 단일 검출 포인트로 지향시키는 MEMS 마이크로-미러, 및 단일 검출 포인트에 배열되어 입사 광을 전기 신호들로 변환하는 검출기를 포함한다. 프로세서는 전기 신호들에 기초하여 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 판정하며, 알람은 특정 가스의 가스 농도가 임계치를 초과할 때 생성된다.
도 1 은 광 행로를 갖는 가스 모니터링 장치의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다;
도 2 는 가스 농도를 모니터링하는 방법의 예시적인 실시형태의 플로우차트이다.
도 2 는 가스 농도를 모니터링하는 방법의 예시적인 실시형태의 플로우차트이다.
하기의 상세한 설명에서는, 그의 일부분을 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 문맥이 다르게 설명되지 않는다면, 유사한 심볼들은 일반적으로 유사한 콤포넌트들을 식별한다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에서 설명되는 예시적인 실시형태들은 국한하고자 하는 것이 아니다. 여기에서 제시되는 주제의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않고 다른 실시형태들이 이용될 수도 있고, 다른 변경들이 이루어질 수도 있다. 여기에서 일반적으로 설명되고 도면에 예시되는 바와 같이, 본 개시물의 양태들은 다양한 여러 가지 구성들로 배열, 치환, 결합 및 설계될 수 있으며, 이들은 명시적으로 고려되고 본 개시물의 일부를 구성한다는 것이 용이하게 이해될 것이다.
본 개시물은, 특히 가스 농도들을 모니터링하는 것과 관련된 기법들, 방법들, 및 장치들에 대해 묘화된다.
광이 가스 샘플을 투과할 때 또는 광이 고체 재료의 얇은 디스크 상에 입사될 때, 재료에 함유된 분자들은 특정한 고유 주파수 대역들 또는 흡수선들 (absorption lines) 에서 그 투과된 광을 선택적으로 흡수한다. 이들 흡수선은 광이 재료를 투과한 후에 초래된 광의 스펙트럼에서 분명하다. 이 생성된 스펙트럼은, 당업계에서 더 보편적으로는 재료의 "흡수 스펙트럼"으로 공지되어 있다. 람베르트-비어 (Lambert-Beer) 의 이론 및 당업계에 공지되어 있는 계량화학 (chemometrics) 기법들에 기초하여, 특정 가스 또는 가스 혼합물에 대해 특정 주파수 대역들의 흡수성과 가스 농도 사이의 관계가 도출될 수 있어, 가스 샘플의 정성분석 및 정량분석을 가능하게 한다. 분자의 기본 진동으로 인한 가스 분자의 흡수 스펙트럼은 흔히 중간 적외선 대역, 즉 약 400-4000 cm- 1 의 파장을 갖는 광에 있으며, 이중 및 합성 주파수들의 흡수 스펙트럼은 근적외선 대역, 즉 약 4000-14285 cm-1 또는 약 2500-700 nm 의 파장을 갖는 광에 있다. 천연 가스의 주성분인 메탄은 약 1650 nm 파장에서 근적외선 흡수 피크를 갖는다. 따라서, 가스 농도 검출은, 여기에 개시된 실시형태들에 따라서, 메탄에 대한 근적외선 파장 범위에서 이행될 수 있다.
여기에 개시된 실시형태들은 가스 샘플에서 하나 이상의 가스들의 농도를 정확하고 신뢰성 있게 판정할 수 있는 가스 모니터링 장치를 고려한다. 가스 모니터링 장치는 광원, 단일 광 센서, 회절 격자, 및 스캐닝 래스터 (scanning raster) 로서 서빙하는 마이크로전자기계 시스템 (MEMS) 스캐닝 마이크로-미러를 포함한다. MEMS 스캐닝 마이크로-미러가 제어 신호에 응답하여 정밀하게 회전 또는 포지셔닝될 수 있기 때문에, 가스 샘플의 흡수 스펙트럼으로부터의 각각의 바람직한 광 파장은 선택적으로 광 센서로 지향되어, 단일 광 센서로 가스 샘플의 흡수 스펙트럼의 전 스펙트럼 획득을 가능하게 할 수도 있다. 가스 샘플의 흡수 스펙트럼의 전 스펙트럼 획득은, 당업계에 공지되어 있는 계량화학 기법들 중 임의의 기법과 함께, 단일 광 센서로 가스 샘플에 함유된 하나 이상의 가스들의 정확한 가스 모니터링을 허용한다.
도 1 은 광 행로 (150) 를 갖는 가스 모니터링 장치 (100) 의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 가스 모니터링 장치 (100) 는 광원 (101), MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102), 블레이즈 회절 격자 (blazed grating)(109), 단일 포인트 검출 디바이스 (103), 시준 (collimating) 광 엘리먼트 (104), 포커싱 광 엘리먼트 (105), 프로세서 (106), 아날로그-디지털 (A/D) 컨버터 (107) 및 컨디셔닝 회로 (108) 를 포함하며, 이들은 도시된 바와 같이 배열될 수도 있다. 광 행로 (150) 는 광원 (101) 으로부터의 광이 가스 모니터링 장치 (100) 의 동작 동안에 샘플 지역 (120) 을 투과하여 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 로 이동하는 경로를 나타낸다.
광원 (101) 은 샘플 지역 (120) 에 위치되거나 그에 함유된 샘플 가스의 광 투과를 위한 할로겐, LED, 또는 광대역 광원을 제공하는 다른 광원일 수도 있다. 특정 광원은 가스 샘플의 흡수 스펙트럼에서 흡수 선들에 의해 점유된 파장들에 기초하여 선택될 수도 있다. 예를 들어, 근적외선 파장 범위에 흡수 피크를 갖는, 메탄을 함유한 가스 샘플의 경우, 백열성 (incandescent) 또는 석영 할로겐 전구들이 근적외선 방사의 광대역 광원들로서 사용될 수도 있다. MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 는 디지털 방식으로 구동되는 MEMS 기반 광 스캐닝 마이크로-미러일 수도 있으며, 샘플 지역 (120) 을 투과한 광을 블레이즈 회절 격자 (109) 로 지향시킨다. 하나 이상의 특정 각도들로 급속히 회전시킴으로써, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 는 샘플 지역 (120) 을 투과한 광을 블레이즈 회절 격자 (109) 의 바람직한 부분에 반복적으로 지향시키도록 구성될 수도 있다. 가스 모니터링 장치 (100) 에서 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 로서 사용하기에 적합한 MEMS 기반 광 스캐닝 마이크로-미러는, 일본 도쿄에 소재하는 재팬 시그날 컴파니 (Japan Signal Company) 로부터 입수 가능한 ESS111A 광 스캐닝 마이크로-미러이다. 블레이즈 회절 격자 (109) 는 가스 모니터링 장치 (100) 에 대한 회절 격자로서 서빙한다. 블레이즈 회절 격자 (109) 는, 시준된 입사 광의 파장 엘리먼트들을 공간적으로 분리하고 특정 파장에서 최대 효율을 내도록 구성된다. 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 는 입사 광을 전기 신호들로 변환한다. 일부 실시형태들에서, 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 는 InGaAs 단일 포인트 검출 디바이스이다. 그러나, 당업계에 공지되어 있는 다른 유사한 광 검출 디바이스들, 예컨대 PbS 기반, Ge 기반, 또는 Si 기반 디바이스들이 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 로서 사용될 수도 있다. 시준 광 엘리먼트 (104) 는 미러, 렌즈 시스템, 또는 단색성 광원 (101) 으로부터의 입사 광을 시준하여 그 시준된 광을 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 로 지향시키도록 구성된 다른 광 엘리먼트일 수도 있다. 포커싱 광 엘리먼트 (105) 는 미러, 렌즈 시스템, 또는 블레이즈 회절 격자 (109) 로부터의 광을 포커싱하여 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 로 지향시키도록 구성된 다른 광 엘리먼트일 수도 있다. 프로세서 (106) 는, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 를 포지셔닝하고, 온도 제어 회로 (미도시) 를 적절히 제어하고, A/D 컨버터 (107) 로부터의 신호 획득을 수행하고, 수신된 데이터를 프로세싱하고, 디스플레이 인터페이스 (미도시) 를 제어하는 데 사용될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 프로세서 (106) 는 텍사스 오스틴에 소재하는 실리콘 랩스 (Silicon Labs) 로부터 입수 가능한 C8051F 단일 칩 마이크로컴퓨터와 같은 단일 칩 프로세서일 수도 있다. 컨디셔닝 회로 (108) 는 아날로그-디지털 변환을 위해 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 에 의해 생성된 신호를 필터링하고 증폭한다. A/D 컨버터 (107) 는 컨디셔닝 회로 (108) 로부터의 신호의 아날로그-디지털 변환을 수행한다.
일 실시형태에서, 가스 모니터링 장치 (100) 는 메탄 가스의 농도를 모니터링하도록 구성되며, 구성은 광산에서 폭발 방지를 돕는 데 이용될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 는 장파 근적외선 대역에서 동작하여 메탄의 흡수 스펙트럼을 측정한다. 또한, 메탄이 가연성 가스이기 때문에, 가스 모니터링 장치 (100) 는, 고강도 케이싱 (high-strength casing) 을 갖는 것과 같이, 당업계에 공지되어 있는 방폭 요건 (explosion-proof) 들에 따라서 구성될 수도 있다. 적합한 알람 디스플레이들이 또한 가스 모니터링 장치 (100) 에 포함될 수도 있는데, 이들은 메탄 농도가 미리 정해진 안전성 임계치들에 근접하거나 초과할 때마다 기동된다.
가스 모니터링 장치 (100) 가 동작 중일 때, 샘플 가스는 샘플 지역 (120) 내에 도입되고, 광원 (101) 은 선택된 파장 대역의 광을, 샘플 지역 (120) 을 투과하도록 지향시킨다. 포인트 소스, 즉 방사상으로 발산하는 광빔의 소스로부터 비롯될 수도 있는 광빔 (151) 은 시준 광 엘리먼트 (104) 에 의해 시준되어, 시준된 빔 (152) 을 형성한다. 시준된 빔 (152) 은 가스 샘플을 공지된 거리, 예를 들어 약 10 cm 동안 통과한다. 샘플 지역 (120) 의 길이, 즉 시준된 빔 (152) 이 샘플 가스를 투과하여 이동하는 거리는, 광 세기 및 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 의 감도에 의존하여 변할 수도 있다. 그 후, 시준된 빔 (152) 은 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 에 입사된다. 시준된 빔 (152) 이 가스 샘플을 투과하는 동안, 가스 샘플에 함유된 가스들 중 하나 이상은 특정 공지된 주파수 대역들의 광을 선택적으로 흡수한다. 그 결과, 샘플 지역 (120) 을 떠날 때, 시준된 빔 (152) 은 가스 샘플에 함유된 가스 (또는 가스들) 에 고유한 흡수 스펙트럼 (또는 스펙트럼들) 을 포함하며, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 로 지향된다. 프로세서 (106) 에 의해 제어되어, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 는 시준된 빔 (152) 을 브레이즈 회절 격자 (109) 의 하나 이상의 부분들로 지향시키도록 하나 이상의 각도들로 회전하는데, 조명되는 블레이즈 회절 격자 (109) 의 하나 이상의 부분들은 파장 콤포넌트들 (153) 의 파장 또는 파장들에 의존할 수도 있다. 블레이즈 회절 격자 (109) 는 시준된 빔 (152) 을 구성하는 광의 구성 파장들을, 회절을 통해서 공간적으로 분리한다. 시준된 빔 (152) 이 블레이즈 회절 격자 (109) 의 표면에 걸쳐서 스캐닝될 때, 입사 광의 전범위 포인트-와이즈 (point-wise) 스캐닝이 수행되어, 시준된 빔 (152) 의 단일의 바람직한 파장 콤포넌트 (153) 를 포커싱 광 엘리먼트 (105) 로 선택적으로 지향시킨다. 따라서, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 가 시준된 빔 (152) 을 블레이즈 회절 격자 (109) 의 상이한 부분에 걸쳐서 스캐닝할 때, 시준된 빔 (152) 의 상이한 파장 콤포넌트 (153) 는 포커싱 광 엘리먼트 (105) 로 지향될 수도 있다. 포커싱 광 엘리먼트 (105) 는 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 상에 입사 광, 즉 파장 콤포넌트 (153) 를 포커싱한다. 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 는 입사 광을 전기 신호들로 변환하고, 컨디셔닝 회로 (108) 는 이들 전기 신호들을 A/D 컨버터 (107) 에 의한 A/D 변환을 위해 필터링하고 증폭한다. 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 에 의해 생성된 전기 신호들은 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 에 진입하는 광의 세기에 대해 진폭이 비례하는 아날로그 전기 신호들일 수도 있다. 프로세서 (106) 는 A/D 컨버터 (107) 로부터 디지털 신호들을 수신하며, 도 1 에서 가스 농도 데이터 (170) 에 의해 표현되는 샘플 가스의 가스 농도를 판정하기 위해, 당업계에 공지되어 있는 다양한 계량화학 기법들 중 임의의 것을 이용하여 수신된 데이터 (즉, 디지털 신호들) 를 프로세싱할 수도 있다. 프로세서 (106) 에 의해 생성된 가스 농도 데이터 (170) 는 디스플레이 인터페이스 상에 실시간으로 디스플레이될 수도 있고, 및/또는 추가 분석 및 장기 프로세스 모니터링을 위해 저장될 수도 있다. 또한, 프로세서 (106) 는 샘플 가스의 현재 가스 농도를, 사용자에 의해 특정될 수도 있는 가스 농도 안전성 임계치 (171) 에 비교할 수도 있다. 샘플 가스의 현재 가스 농도가 가스 농도 안전성 임계치 (171) 를 초과할 때마다, 프로세서 (106) 는 알람 신호 (172) 가 알람 디스플레이 또는 오디오 알람 유닛으로 출력되게 할 수도 있다.
MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 에 의해 수행되는 스캐닝 프로세스는, 검출 디바이스들의 어레이가 아니라, 단일 광 검출 디바이스, 즉 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 의 사용이 가스 샘플의 흡수 스펙트럼을 정량화하게 한다. 이것은, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 가, 블레이즈 회절 격자 (109) 와 함께, 바람직한 대역에서 전 대역폭 스캐닝을 수행할 수 있기 때문으로, 다시 말해, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 가 광을 블레이즈 회절 격자 (109) 의 다양한 지역들로 지향시키도록 회전될 수 있어, 커버된 범위 내의 다양한 파장들의 광이 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 에 의해 측정될 수 있기 때문이다. 그리고, 다수의 광 검출기들의 고정 어레이에 의존하는 분광 광도계 (spectrophotometer) 와는 달리, 가스 모니터링 장치 (100) 에 의해 측정되는 바람직한 대역 또는 대역들은 다양한 가스들 및 가스 혼합물들의 농도 모니터링을 용이하게 하도록 선택될 수도 있다. 또한, 스캐닝 마이크로-미러 격자 기술의 이용, 즉 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 는 고효율 및 고성능을 보장한다. 첫째, MEMS 제조 프로세스의 정밀성은 스캐닝 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 둘째, 구동 회로는 간단하고 튜닝하기 쉬운데, 이는 프로세서 (106) 로부터의 구동 신호가 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 에 직접적으로 인가되기 때문이다.
종래의 가스 모니터들은 주로 전기화학 센서들에 기초하며, 이 센서들은 센서 정밀도 및 정확도의 열화로 인해 제한적 수명을 갖는다. 시간에 따른 정확도 손실은, 예컨대 탄광에서, 이러한 센서들이 가연성 가스들을 모니터링하는 데 사용되는 경우의 심각한 안전성 관심사, 및 이러한 센서들이 화학 프로세스의 장기 모니터링에 사용되는 경우의 심각한 프로세스 제어 사안이 된다. 다른 가스 센싱 기술들도 당업계에 공지되어 있지만, 다른 단점들을 갖는다. 예를 들어, 필터 기반 근적외선 분광기는 단순 구조 및 소형 사이즈를 가지며, 상대적으로 제조하기 쉽다. 그러나, 이러한 기구들은 제한적 수의 가스들만을 모니터링하는 능력 및 낮은 정확도를 겪는다. 푸리에 기반 기구는 고정밀성, 우수한 반복성, 및 신뢰성을 갖지만, 핵심 콤포넌트인 간섭계는 크고 비싸며 진동에 극히 민감할 수 있어, 산업적 환경에서의 사용에는 문제가 있다. 음향-광학적 튜닝가능 장치는 부품들을 이동시키지 않고 고정밀도를 갖지만, 주파수 민감 대역은 제한된다. 검출기 어레이는 회절격자로서 래스터를 사용하고, 어떠한 부품도 이동시키지 않는 빠른 응답을 갖지만, 장파 근적외선 대역에서 작동하는 어레이 검출기들은 매우 비싸고 복잡하다.
대조적으로, 여기에서 설명되는 개시물의 다양한 실시형태들은 단일 광 센서 및 MEMS 스캐닝 마이크로-미러에 기초할 수도 있다. 또한, MEMS 스캐닝 마이크로-미러로, 광 행로의 안정성은 보장되고, 휴대성은 콤포넌트들의 소형화에 의해 용이하게 성취된다. 개시물의 다양한 실시형태들은 또한 고분해능이 가능하며, 수 초 내에 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 실시간 모니터링은, 가연성 가스, 산업 방출, 및 임계 제조 프로세스를 모니터링하는 데 매우 유리하다. 예를 들어, 가연성 가스 함량의 급작스러운 증가 이벤트 시에, 개시물의 실시형태들에 따라서 구성된 가스 모니터링 디바이스는 즉각적으로 알람할 수 있으며, 수명 및 재산 절약을 위한 귀중한 시간을 얻도록 하는 측정들이 일어날 수 있다.
도 2 는 가스 농도를 모니터링하는 방법 (200) 의 예시적인 실시형태의 흐름도이다. 설명의 용이성을 위해, 방법 (200) 은 도 1 의 가스 모니터링 장치 (100) 와 실질적으로 유사한 가스 모니터링 장치의 동작과 관련하여 설명된다. 그러나, 가스 모니터링 장치들의 다른 구성들이 또한 방법 (200) 을 수행할 수도 있다. 방법 (200) 은 블록들 (201, 202, 203, 204 및/또는 205) 에 의해 예시된 바와 같은 하나 이상의 동작들, 기능들 또는 작용들을 포함할 수도 있다. 다양한 블록들은 설명된 실시형태들로 국한되는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 당업자는, 이를 위해, 그리고 여기에 개시된 다른 프로세스들 및 방법들을 위해, 프로세스들 및 방법들에서 수행되는 기능들이 상이한 순서로 구현될 수도 있다는 것을 인지할 것이다. 또한, 약술된 단계들 및 동작들은 단지 실례들로서 제공되며, 단계들 및 동작들 중 일부는 선택적일 수도 있고, 더 적은 단계들 및 동작들로 결합될 수도 있고, 또는 개시된 실시형태들의 본질로부터 벗어나지 않으면서 추가의 단계들 및 동작들로 확장될 수도 있다.
블록 (201)(가스 샘플 조명) 에서, 가스 샘플은 광원 (101) 에 의해 조명되어, 가스 샘플을 투과하는 광에서 흡수 스펙트럼을 생성한다. 그 후, 광은 시준 광 엘리먼트 (104) 와 같은 적합한 광 엘리먼트들에 의해 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 로 지향된다.
블록 (202)(MEMS 스캐닝 미러 포지셔닝) 에서, MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 는 샘플 지역 (120) 을 투과한 광을 블레이즈 회절 격자 (109) 로 지향시킨다. 프로세서 (106) 는, 가스 샘플 흡수 스펙트럼의 특정 흡수선이 블록 (204) 에서 분석될 수 있도록 하기 위해 브레이즈 회절 격자 (109) 의 특정 부분으로 입사 광을 지향시키도록 MEMS 스캐닝 마이크로-미러 (102) 를 포지셔닝한다.
블록 (203)(흡수 스펙트럼 분리) 에서, 블레이즈 회절 격자 (109) 는 입사 광의 파장 콤포넌트들을 공간적으로 분리시킨다. 생성된 광의 파장은 블레이즈 회절 격자 (109) 의 어떤 부분이 조명되는지에 의존한다. 따라서, 바람직한 흡수선은 블레이즈 회절 격자 (109) 의 특정 부분을 조명함으로써 생성될 수 있다.
블록 (204)(흡수선 측정) 에서, 가스 샘플 흡수 스펙트럼의 바람직한 흡수선은 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 에 의해 수신된다. 흡수선들은 도중에 포커싱 광 엘리먼트 (105) 에 의해 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 로 포커싱될 수도 있다. 단일 포인트 검출 디바이스 (103) 는 수신된 광 에너지를 프로세서 (106) 에 의해 디지털 데이터로서 수신되는 전기 신호들로 변환한다. 가스 샘플 흡수 스펙트럼의 추가 흡수선들이 가스 샘플의 정확한 분석을 수행하기 위해 요구되면, 블록 (203) 은 각각의 흡수선에 대해 반복된다.
블록 (205)(가스 농도 판정) 에서, 프로세서 (106) 는 당업계에 공지되어 있는 다양한 계량화학 방법들 중 어느 하나의 방법을 이용하여 가스 샘플에서 타깃 가스의 농도를 판정하도록, 수신된 데이터를 프로세싱한다. 프로세서 (106) 는 알람 조건이 발생했는지를 추가로 판정하도록 가스 샘플의 현재 가스 농도를 미리 정해진 가스 농도 안정성 임계치에 선택적으로 비교할 수도 있다. 그 후, 프로세서 (106) 는 가스 농도 데이터를 디스플레이 인터페이스 및/또는 데이터 저장소로 출력할 수도 있고, 적용 가능하다면, 알람 조건을 적합한 알람 디스플레이에 출력할 수도 있다.
시스템들의 양태들의 하드웨어 구현과 소프트웨어 구현 사이에는 차이점이 거의 없다; 하드웨어 또는 소프트웨어의 사용은 일반적으로 (항상 그러한 것이 아니라, 특정 맥락에서, 하드웨어와 소프트웨어 사이의 선택이 중요해질 수 있는 점에서) 비용 대비 효율성의 트레이드오프를 나타내는 설계 선택이다. 여기에서 설명되는 프로세스들 및/또는 시스템들 및/또는 다른 기술들이 실행될 수 있는 다양한 비히클 (vehicle) 들 (예컨대, 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 펌웨어) 이 존재하며, 바람직한 비히클은 프로세스들 및/또는 시스템들 및/또는 다른 기술들이 이용되는 맥락에 따라 변할 것이다. 예를 들어, 구현자가, 속도 및 정확도가 무엇보다 중요하다고 결정하면, 그 구현자는 주로 하드웨어 및/또는 펌웨어 비히클을 선택할 수도 있고; 가요성이 무엇보다 중요하면, 그 구현자는 주로 소프트웨어 구현물을 선택할 수도 있고; 또는 또 다른 대안으로, 그 구현자는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 일부 조합물을 선택할 수도 있다.
전술한 상세한 설명은 블록도들, 플로우차트들, 및/또는 실례들의 이용을 통해서 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다양한 실시형태들을 설명해 왔다. 이러한 블록들, 플로우차트들, 및/또는 실례들이 하나 이상의 기능들 및/또는 동작들을 포함하고 있는 한에 있어서, 당업자는, 이러한 블록들, 플로우차트들, 또는 실례들 내에서의 각각의 기능들 및/또는 동작들이, 개별적으로 및/또는 총체적으로, 광범위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 사실상 이들의 임의의 조합들에 의해 구현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 일 실시형태에서, 여기에서 설명된 주제의 여러 부분들은 사용자 주문형 집적회로 (ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA), 디지털 신호 프로세서 (DSP), 또는 다른 통합형 포맷들을 통해 구현될 수도 있다. 그러나, 당업자는, 여기에 개시된 실시형태들의 일부 양태들이, 전체적으로 또는 부분적으로, 집적 회로들에서, 하나 이상의 컴퓨터들 상에서 실행되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로서 (예컨대, 하나 이상의 컴퓨터 시스템들 상에서 실행되는 하나 이상의 프로그램들로서), 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행되는 하나 이상의 프로그램들로서 (예컨대, 하나 이상의 마이크로프로세서들 상에서 실행되는 하나 이상의 프로그램들로서), 펌웨어로서, 또는 사실상 이들의 임의의 조합으로서 동등하게 구현될 수 있으며, 회로를 설계하고 및/또는 소프트웨어 및/또는 펌웨어에 대한 코드를 기록하는 것이 본 개시물의 관점에서 당업자에게 능숙할 것이라는 것을 인식할 것이다. 또한, 당업자는, 여기에서 설명된 주제의 메커니즘들이 다양한 형태들의 프로그램 제품으로서 분배될 수 있으며, 여기에서 설명된 주제의 예시적인 실시형태는 실제로 분배를 실행하는 데 사용되는 특정 타입의 신호 베어링 매체와는 무관하게 적용된다는 것을 인지할 것이다. 신호 베어링 매체의 실례들은 하기의 것을 포함하지만 이들로 국한되는 것은 아니다: 플로피디스크, 하드디스크 드라이브, 콤팩트디스크 (CD), 디지털 비디오 디스크 (DVD), 디지털 테이프, 컴퓨터 메모리 등과 같은 기록가능형 매체; 및 디지털 및/또는 아날로그 통신 매체와 같은 송신형 매체 (예컨대, 광섬유 케이블, 도파관, 유선 통신 링크, 무선 통신 링크 등).
당업자는, 여기에 개시된 방식으로 디바이스들 및/또는 프로세스들을 설명하고, 그 후에 엔지니어링 실습을 이용하여 이러한 설명된 디바이스들 및/또는 프로세스들을 데이터 프로세싱 시스템들 내에 통합하는 것이 당업계에서 보편적이라는 것을 인식할 것이다. 즉, 여기에서 설명된 디바이스들 및/또는 프로세스들의 적어도 일부분은 합당한 양의 실험을 통해 데이터 프로세싱 시스템 내에 통합될 수 있다. 당업자는, 일반적인 데이터 프로세싱 시스템이, 일반적으로 시스템 유닛 하우징, 비디오 디스플레이 디바이스, 휘발성 및 비휘발성 메모리와 같은 메모리, 마이크로프로세서들 및 디지털 신호 프로세서들과 같은 프로세서들, 운영체제들과 같은 계산 엔티티들, 드라이버들, 그래픽 사용자 인터페이스들, 및 애플리케이션 프로그램들, 터치 패드 또는 스크린과 같은 하나 이상의 상호작용 디바이스들, 및/또는 피드백 루프들 및 제어 모터들 (예컨대, 포지션 및/또는 속도 감지를 위한 피드백; 콤포넌트들 및/또는 수량을 이동시키고 및/또는 조절하기 위한 제어 모터들) 을 포함하는 제어 시스템들 중 하나 이상을 포함한다. 일반적인 데이터 프로세싱 시스템은, 데이터 컴퓨팅/통신 및/또는 네트워크 컴퓨팅/통신 시스템들에서 일반적으로 발견되는 것들과 같은 임의의 적합한 상업적으로 입수 가능한 콤포넌트들을 이용하여 구현될 수도 있다.
여기에서 설명된 주제는 때때로 상이한 다른 콤포넌트들 내에 포함되거나 이들에 접속된 상이한 콤포넌트들을 예시한다. 이와 같이 설명된 아키텍처들은 단지 예시일 뿐이며, 사실상, 동일한 기능을 성취하는 많은 다른 아키텍처들이 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 개념적인 관점에서, 동일한 기능을 성취하기 위한 콤포넌트들의 임의의 배열물은, 바람직한 기능이 성취되도록 효과적으로 "관련"된다. 따라서, 여기에서 특정 기능을 성취하도록 결합된 임의의 2 개의 콤포넌트들은, 아키텍처들 또는 중간 콤포넌트들과는 무관하게, 바람직한 기능이 성취되도록 서로 "관련"되는 것으로 보일 수 있다. 마찬가지로, 그와 같이 관련된 임의의 2 개의 콤포넌트들은 또한 바람직한 기능을 성취하도록 서로 "동작 가능하게 접속"되거나 "동작 가능하게 커플링"되는 것으로 보일 수 있으며, 그와 같이 관련될 수 있는 임의의 2 개의 콤포넌트들은 또한 바람직한 기능을 성취하도록 서로 "동작 가능하게 커플링 가능"한 것으로 보일 수 있다. 동작 가능하게 커플링 가능한 특정 실례들은, 물리적으로 메이트가능한 (mateable) 및/또는 물리적으로 상호작용하는 콤포넌트들 및/또는 무선으로 상호작용 가능한 및/또는 무선으로 상호작용하는 콤포넌트들 및/또는 논리적으로 상호작용하는 및/또는 논리적으로 상호작용 가능한 콤포넌트들을 포함하지만, 이들로 국한되는 것은 아니다.
여기에서 실질적으로 임의의 복수형 및/또는 단수형 용어들의 사용에 대해, 당업자는, 맥락 및/또는 애플리케이션에 적절하게, 복수형으로부터 단수형으로 및/또는 단수형으로부터 복수형으로 번역할 수 있다. 다양한 단수형/복수형 순열들은 여기에서 명료성을 위해 특별히 설명될 수도 있다.
당업자는, 일반적으로, 여기에서 사용되는 용어들 및 특히 첨부된 청구범위 (예컨대, 첨부된 청구범위의 특징부들) 에서 사용되는 용어들이 일반적으로 "개방" 용어들로서 의도된다 (예컨대, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 국한되지는 않는" 것으로 해석되어야 하고, "갖는"이라는 용어는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하며, "포함하다"라는 용어는 "포함하지만 국한되지 않는다"는 것 등으로 해석되어야 한다) 는 것을 이해할 것이다. 당업자는, 또한, 도입된 청구항 인용의 특정 번호가 의도되지만, 이러한 의도는 청구항에서 명백하게 인용될 것이며, 그러한 인용의 존재 시, 어떠한 그러한 의도도 존재하지 않는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 하기의 첨부된 청구범위는 청구범위 인용을 소개하기 위해 서두의 구문 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용을 포함할 수도 있다. 그러나, 이러한 구문들의 사용은, 동일한 청구항이 서두의 구문 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "a" 또는 "an" 과 같은 부정관사들을 포함할 수 있을 때라도, 부정관사 "a" 또는 "an" 에 의한 청구항 인용의 도입이, 그러한 도입된 청구항 인용을 포함하는 임의의 특정 청구항을 그러한 하나의 인용만을 포함하는 발명들로 국한하는 것을 암시하는 것으로 이해되어서는 안 되며 (예컨대, "a" 및/또는 "an" 이 일반적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다), 청구항 인용을 도입하는 데 사용되는 정관사들의 사용에 대해서도 동일하게 유지된다. 또한, 도입된 청구항 인용의 특정 번호가 명백히 인용되는 경우라 해도, 당업자는, 그러한 인용이 일반적으로 적어도 인용된 번호를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인지할 것이다 (예컨대, 다른 변경자들 없이, "2 개의 인용들"의 가장 기본적인 인용은 일반적으로 적어도 2 개의 인용들, 또는 2 개 이상의 인용들을 의미한다). 또한, "A, B, C 등 중 적어도 하나"와 유사한 방식이 사용되는 경우들에 있어서, 일반적으로, 이러한 구성은 당업자가 그 방식을 이해할 것이라는 관점에서 의도된다 (예컨대, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A 와 B 를 함께, A 와 C 를 함께, B 와 C 를 함께, 및/또는 A, B, C 를 함께 등을 갖는 시스템들을 포함하지만 이들로 국한되지 않을 것이다). "A, B 또는 C 등 중 적어도 하나"와 유사한 방식이 사용되는 경우들에 있어서, 일반적으로, 이러한 구성은 당업자가 그 방식을 이해할 것이라는 관점에서 의도된다 (예컨대, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A 와 B 를 함께, A 와 C 를 함께, B 와 C 를 함께, 및/또는 A, B, C 를 함께 등을 갖는 시스템들을 포함하지만 이들로 국한되지 않을 것이다). 당업자는, 또한, 설명에 있든, 청구범위에 있든, 또는 도면에 있든, 2 개 이상의 택일적 용어들을 표현하는 사실상 임의의 개별적인 단어 및/또는 구문은 그 용어들 중 하나, 그 용어들 중 어느 하나, 또는 양측 용어들 모두를 포함할 가능성들을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 구문은 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
다양한 양태들 및 실시형태들이 여기에 개시되어 있지만, 다른 양태들 및 실시형태들이 당업자에게 명백할 것이다. 여기에 개시된 다양한 양태들 및 실시형태들은 예시를 위한 것이고, 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그 진실한 사상 및 범주는 하기의 청구범위에 의해 나타내진다.
Claims (20)
- 광을 생성하도록 구성된 광원;
상기 광을 상기 광의 하나 이상의 선택된 파장들로 분리하도록 구성된 하나 이상의 포지션들을 포함하는 블레이즈 회절 격자;
샘플을 투과한 상기 광원으로부터의 상기 광의 광 행로에 배열된 MEMS 마이크로-미러로서, 상기 MEMS 마이크로-미러는 상기 광을 상기 블레이즈 회절 격자 상의 제 1 포지션으로 지향시켜 상기 광의 제 1 의 선택된 파장들을 생성하고, 상기 광의 상기 제 1 의 선택된 파장들을 단일 검출 포인트로 지향시키도록 구성되는, 상기 MEMS 마이크로-미러;
상기 단일 검출 포인트에 배열되고, 상기 광의 상기 제 1 의 선택된 파장들 을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 검출기; 및
상기 전기 신호들에 기초하여 상기 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 판정하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는, 가스 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 MEMS 마이크로-미러는 상기 광을 상기 블레이즈 회절 격자 상의 제 2 포지션으로 지향시켜 상기 광의 제 2 의 선택된 파장들을 생성하도록 구성되는, 가스 모니터링 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 광의 상기 선택된 파장들의 각각은 모니터링되는 상기 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 흡수 스펙트럼에 대응하는, 가스 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 검출기는 InGaAs 단일 포인트 검출 디바이스를 포함하는, 가스 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광의 광 행로에서 상기 광원과 상기 MEMS 마이크로-미러 사이에 배열된 시준 광 엘리먼트 (collimator optical element) 를 더 포함하는, 가스 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 MEMS 마이크로-미러에 의해 지향된 상기 광의 상기 선택된 파장들을 상기 단일 검출 포인트 상으로 포커싱하기 위해 상기 광 행로에 배열된 포커싱 광 엘리먼트를 더 포함하는, 가스 모니터링 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광원은 광대역 광원을 포함하는, 가스 모니터링 장치. - 가스 샘플에서의 가스 농도를 판정하는 방법으로서,
광을 상기 가스 샘플에 투과시키는 단계;
상기 투과된 광을 블레이즈 회절 격자 상의 하나 이상의 포지션들로 지향시켜 상기 투과된 광을 하나 이상의 선택된 파장들로 분리시키도록 MEMS 마이크로-미러를 회전시키는 단계;
상기 블레이즈 회절 격자에 의해 분리된 상기 광의 상기 선택된 파장들을 단일 검출 포인트로 지향시키는 단계; 및
상기 단일 검출 포인트에서 검출된 상기 선택된 파장들로부터 생성된 신호들에 기초하여 가스 농도를 판정하는 단계를 포함하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 단일 검출 포인트에서 상기 선택된 파장들을 검출하여, 상기 검출된 파장들로부터 전기 신호들을 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 가스 농도는 상기 전기 신호들에 기초하여 판정되는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
모니터링되는 상기 투과된 광의 상기 하나 이상의 파장들을 선택하는 단계를 더 포함하고,
상기 지향시키는 단계는 상기 선택된 파장들의 각각을 상기 단일 검출 포인트로 지향시키도록 상기 MEMS 마이크로-미러를 제어하는 단계를 포함하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 광의 상기 선택된 파장들은 상기 가스 샘플의 흡수 스펙트럼에 대응하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분리하는 것에 앞서 상기 투과된 광을 시준하는 단계를 더 포함하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 광의 상기 선택된 파장들을 상기 단일 검출 포인트로 지향시키는 단계는, 상기 투과된 광의 상기 선택된 파장들을 상기 단일 검출 포인트에 포커싱하는 단계를 포함하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
광대역 광원으로부터 상기 광을 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 광을 상기 가스 샘플에 투과시키는 단계는, 상기 광대역 광원으로부터 생성된 상기 광을 상기 가스 샘플에 투과시키는 단계를 포함하는, 가스 농도를 판정하는 방법. - 고농도의 특정 가스들로부터 보호하기 위한 알람 시스템으로서,
가스 농도 모니터링 디바이스를 포함하고, 상기 가스 농도 모니터링 디바이스는,
광의 하나 이상의 선택된 파장들을 생성하도록 구성된 하나 이상의 포지션들을 포함하는 블레이즈 회절 격자,
상기 광을 지향시키도록 구성된 MEMS 마이크로-미러로서, 상기 광은 유해 가스를 모니터링하기 위한 샘플을 통해 상기 블레이즈 회절 격자 상의 상기 포지션들 중 하나로 투과되어 상기 광의 상기 하나 이상의 파장들을 생성하고, 상기 MEMS 마이크로-미러는 상기 광의 상기 선택된 파장들 중 상기 생성된 파장을 단일 검출 포인트로 지향시키도록 구성된, 상기 MEMS 마이크로-미러, 및
입사 광을 전기 신호들로 변환하기 위해 상기 단일 검출 포인트에 배열된, 검출기를 포함하는, 상기 가스 농도 모니터링 디바이스;
상기 전기 신호들에 기초하여 상기 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 가스 농도를 판정하기 위한 프로세서; 및
특정 가스의 가스 농도가 임계치를 초과하는 것에 응답하여 생성되는 알람을 포함하는, 알람 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 블레이즈 회절 격자를 통해 상기 광의 상기 선택된 파장들을 상기 단일 검출 포인트로 지향시키도록 상기 MEMS 마이크로-미러를 제어하도록 구성된, 알람 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 광의 상기 선택된 파장들 중 하나는 모니터링되는 상기 샘플에서의 하나 이상의 가스들의 흡수 스펙트럼에 대응하는, 알람 시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 모니터링되는 가스는 메탄을 포함하고,
상기 광의 상기 선택된 파장들 중 하나는 메탄의 흡수 스펙트럼에 대응하는, 알람 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 검출기는 InGaAs 단일 포인트 검출 디바이스를 포함하는, 알람 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 알람은 시각적 알람 또는 청각적 알람을 포함하는, 알람 시스템.
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