KR101487226B1 - 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법 및 표준 교정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법은 a) 자외선 흡수 분광법을 이용하여, 오존을 함유하지 않는 기준 공기의 광흡수 스펙트럼인 기준 스펙트럼과 오존 함유 공기의 광흡수 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 측정하는 단계; b) 상기 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼상 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장에서의 흡광비를 이용하여 상기 오존 함유 공기의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 기준 공기 및 오존 함유 공기를 교정 대상 장치에 공급하여 교정 대상 장치에 의한 오존 농도를 측정하고, 상기 교정 대상 장치에 의한 측정 농도 및 상기 표준 오존 농도를 이용하여 상기 교정 대상 장치를 교정하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 대기중 오존 측정용 표준 교정 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게, 대기에 함유된 오존을 측정하는 측정 장비를 교정할 수 있는 표준 교정 방법 및 장치에 관한 것이다.
대기 중 함유된 유해 물질은 인체 및 생태계에 지속적이고 치명적인 악영향을 미친다. 이에 따라, 끊임없이 대기에 함유된 유해 물질을 정량 측정하고 대기 질을 향상시키기 위한 국제적인 노력이 계속되고 있다.
대기에 함유된 대표적인 유해물질로, 일산화질소, 황산화물, 오존등을 들 수 있으며, 이중 오존의 경우, 그 유해성이 심각하여 광범위한 영역에서 지속적으로 대기중 오존함량을 측정 관찰하고 있으며, 오존 농도가 일정값을 상회하는 경우, 오존 경보를 발생하는 등, 국가적 차원에서 오존의 위험성을 인식, 관리하고 있다.
대기 중 오존의 농도를 정량 측정하는 방법으로, 화학발광법, 요오드화 칼륨법, 자외선 흡수법 등이 알려져 있으며, 대한민국 등록특허 제 1025310호와 같이, 측정 정확도가 높은 자외선 흡수 분광법이 주로 사용되고 있다.
자외선 흡수 분광법은 분자에 자외선 영역의 광이 조사될 때, 물질 고유의 특성에 의해 특정 파장의 광이 흡수되는 현상을 이용하는 것이다.
대기중 오존 함량의 측정 신뢰도를 향상하기 위해서는, 오존을 검출하는 검출장치의 정확한 교정이 필요하며, 검출장치를 교정하기 위해서는 기체에 함유된 오존의 양을 극히 정확하게 측정하는 기술이 선결되어야 한다. 이러한 정확한 측정값을 기반으로 검출장치가 교정될 때, 비로소 검출장치가 우수한 정확성 및 신뢰도를 가질 수 있다.
본 발명의 목적은 대기에 함유된 오존을 측정하는 측정 장비를 교정할 수 있는 표준 교정 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 상세하게, 측정 장비의 정확성 및 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 측정 소급성(traceability)을 담보할 수 있고, 국제적으로 자외선 흡수 분광법을 이용한 오존 농도 측정값의 기준(표준)이 되는 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값에 준하는, 극히 정확한 오존 농도의 측정이 가능하여, 측정장비의 신뢰성 있고 정확한 측정을 가능하게 하는 표준 교정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법은 a) 자외선 흡수 분광법을 이용하여, 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기의 광흡수 스펙트럼인 기준 스펙트럼과 오존 함유 공기의 광흡수 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 측정하는 단계; b) 상기 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼상 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장에서의 흡광비를 이용하여 상기 오존 함유 공기의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 기준 공기 및 오존 함유 공기를 교정 대상 장치에 공급하여 교정 대상 장치에 의한 오존 농도를 측정하고, 상기 교정 대상 장치에 의한 측정 농도 및 상기 표준 오존 농도를 이용하여 상기 교정 대상 장치를 교정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 기체가 유입 및 배출되는 반응 튜브 및 광검출기가 광 진행 경로상 순차적으로 위치하는 둘 이상의 광학셀 중, 일 광학셀에 기준 공기가 공급되고, 다른 일 광학셀에 오존 함유 공기가 공급되며, 단일한 광원에서 발생하는 광이 분배되어, 각 광학셀로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, a) 단계에서, 오존을 함유하지 않는 공기 흐름인 기준 공기 플로우 및 오존을 함유하는 공기 흐름인 오존 함유 플로우가 각 광학셀에 공급되며, 각 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 교번 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, b) 단계의 표준 오존 농도는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값일 수 있다.
(식 2)
식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은 1, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브내 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, a) 단계에서, 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우(flow)를 형성하고, 적어도 한 기준 공기 플로우에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)를 형성하며, 상기 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각이 서로 상이한 광학셀에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 광 입사면과 출사면인 반응 튜브의 양단은 튜브의 길이방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 투광성 판으로 밀폐되어, 반응 튜브에서 반사된 광의 재입사가 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 광학부는 광을 발생하는 단일한 광원을 포함하며, 광원은 온도가 조절되는 밀폐 케이스 내에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 광학부는 광을 발생하는 단일한 광원; 광원에서 발생하는 확산광을 평행광으로 전환시키는 콜리메이트 렌즈; 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장 대역의 광을 선택적으로 투과하는 광학 필터; 및 필터링된 광을 광학셀부의 광학셀 수에 대응하도록 분배하는 광 분배기;를 포함하며, 콜리메이트 렌즈 및 상기 광학 필터는 서로 독립적으로, 광원에서 광분배기로의 광 진행방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)되어 반응 튜브에서 반사된 광의 재입사가 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 오존 함유 공기의 오존 농도를 달리하여 상기 a) 내지 c) 단계가 반복 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치는 서로 이격 배치된 둘 이상의 광학셀을 포함하는 광학셀부; 기체를 상기 광학셀부 또는 교정 대상 장치에 선택적으로 공급하는 기체 공급부; 광을 발생하며 상기 광학셀부의 각 광학셀에 발생한 광을 조사하는 광학부; 상기 기체 공급부를 제어하는 제어부; 및 상기 광학셀부의 검출 결과를 입력받아 표준 오존 농도를 산출하는 연산부;를 포함하고, 상기 기체 공급부는 오존을 함유하지 않는 공기의 흐름인 기준 공기 플로우 및 오존을 함유하는 공기의 흐름인 오존 함유 플로우를 생성하며, 상기 광학부는 광을 발생하는 단일한 광원을 포함하며, 광원에서 발생된 광을 분배하여 상기 광학셀부를 구성하는 각 광학셀로 공급하고, 상기 광학셀은 기체 유입구 및 배출구가 형성되고 양 단이 광을 투과하는 투광성 판으로 밀폐된 반응 튜브 및 광검출기를 포함하고, 상기 반응 튜브와 광검출기는 상기 광학부에 의해 조사된 광의 광 진행 방향으로 순차적으로 배치되어 상기 반응 튜브를 통과한 광이 상기 광검출기에서 검출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 제어부는 기체 공급부에서 광학셀부 또는 교정 대상 장치로의 기체 공급여부를 제어하고, 기체 공급부에서 광학셀부로 기체가 공급되는 경우, 서로 다른 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 공급되도록 기체 공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 연산부는 기준 공기 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 기준 스펙트럼 및 오존 함유 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 이용하여 오존 함유 플로우의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 제어부는 일 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 교번되어 공급되도록 상기 기체 공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 연산부는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값을 표준 오존 농도로 산출할 수 있다.
(식 2)
식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은 1, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브내 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 기체 공급부는 분배기 및 오존 발생기를 포함하며, 분배기를 통해 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우를 형성하고, 상기 제어부에 의해 오존 발생 정도가 제어되는 오존 발생기를 통해 적어도 한 기준 공기 플로우에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 광학부는 광을 발생하는 광원; 상기 광원을 투광성 케이스로 밀폐하고 가열하는 항온 케이스; 상기 광원과 상기 광학셀부 사이에 위치하여, 상기 광원에서 발생된 광을 평행광으로 변화시키는 콜리메이트 렌즈; 상기 콜리메이트 렌즈와 광학셀부 사이에 위치하여 상기 평행광을 입력받아 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장의 광을 선택적으로 투과하는 광학필터; 상기 광학필터에서 투과된 광을 상기 광학셀부를 구성하는 광학셀의 수에 상응하도록 분배하는 광 분배기(beam splitter); 및 상기 광 분배기에서 분배된 광이 각 광학셀의 반응 튜브 일단에 입사되도록 광경로를 제어하는 미러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 콜리메이트 렌즈 및 상기 광학필터는 상기 광원에서 상기 광분배기로의 광 진행방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)되어 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 광 입사면과 출사면인 상기 반응 튜브의 양단은 튜브의 길이방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 투광성 판으로 밀폐될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 상기 제어부는 상기 오존 발생기를 제어하여, 상기 연산부에서 서로 상이한 오존 농도를 갖는 오존 함유 플로우에 대한 표준 오존 농도가 각각 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치는 교정부를 더 포함할 수 있으며, 상기 교정부는 상기 제어부를 통해 상기 기체 공급부에서 상기 교정 대상 장치로 공급되는 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각에 대한 교정 대상 장치의 측정 값을 입력받고, 상기 연산부에서 산출된 표준 오존 농도를 입력받아, 상기 교정 대상 장치를 교정할 수 있다.
본 발명에 따른 교정 장치는 교정 대상 장치의 교정 기준이 되는 표준 오존 농도를 제공할 수 있으며, 교정 장소의 온도등 표준 오존 농도의 산출시 산출값에 영향을 미칠 수 있는 외부 환경의 영향 및 반사광의 재입사, 광학셀별 구조적 공차등과 같이 표준 오존 농도의 산출시 산출값에 영향을 미칠 수 있는 장치내 오차 요인의 영향을 효과적으로 배제할 수 있어, 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값에 해당하는 극히 정확한 표준 오존 농도를 제공할 수 있다. 또한, 정확한 표준 오존 농도를 기반으로 교정 대상 장치를 교정함에 따라, 측정 장비의 정확성 및 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 측정 소급성(traceability)을 담보할 수 있다. 또한, 장치가 콤팩트하고, 교정 장치 및 교정 대상 장치 이외의 부가적인 장비가 필요치 않아, 원활히 이동 가능하여, 장소와 무관하게 교정 대상 장치의 교정이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 교정 방법은 자외선 흡수 분광법을 이용하여 교정 대상 장치의 교정 기준이 되는 표준 오존 농도를 제공할 수 있으며, 교정 장소의 온도와 같은 외부 환경적 오차 요인 및 광학셀별 구조적 공차 및 반사광의 재입사와 같은 측정 오차 요인에 의한 영향을 효과적으로 배제시킬 수 있으며, 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값에 해당하는 극히 정확한 표준 오존 농도를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 교정 방법은 극 저 농도 내지 고 농도의 넓은 오존 농도 범위에 대해 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값에 해당하는 극히 정확한 표준 오존 농도를 제공함에 따라, 교정 대상 장치의 모든 측정 범위에 대한 정확하고 엄밀한 교정이 가능하다. 또한, 정확한 표준 오존 농도를 기반으로 교정 대상 장치를 교정함에 따라, 측정 장비의 정확성 및 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 측정 소급성(traceability)을 담보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 일 모식도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 대상 장치에 있어, 제어부에 의한 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우의 공급 방법을 도시한 일 예이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 구조를 도시한 일 구성도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정장치에 있어, 광학셀부 및 광학부만을 선택적으로 도시한 일 구성도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 장치를 이용하여 산출된 표준 오존 농도와 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값을 비교 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 구조를 도시한 다른 일 구성도이다.
<부호의 설명>
100 : 광학셀부 200 : 기체 공급부
300 : 광학부 400 : 제어부
500 : 연산부 600 : 교정부
110, 120 : 광학셀 111, 121 : 반응 튜브
112, 122 : 광검출기 1~4 : 투광성 판
130 : 배출 펌프 141, 142 : 유량측정 센서
210 : 분배기 220 : 오존 발생기
230 : 기준공기 보관부 241 : 제1 매니폴드
242 : 제2 매니폴드 251~252 : 밸브
260 : 이송경로 제어부 261 : 제1 삼방밸브
262 : 제2 삼방밸브 271, 272 : 유량제어장치
310 : 광원 320 : 항온 케이스
331 : 콜리메이트 렌즈 332 : 광학필터
340 : 광 분배기 333 : 미러
334 : 광학 셔터
T : 교정 대상 장치 F1 : 기준 공기 플로우
F2 : 오존 함유 플로우 L1 : 제1유로
L2 : 제2유로 L3 : 제3유로
L4 : 제4유로
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 대상 장치에 있어, 제어부에 의한 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우의 공급 방법을 도시한 일 예이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 구조를 도시한 일 구성도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정장치에 있어, 광학셀부 및 광학부만을 선택적으로 도시한 일 구성도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 장치를 이용하여 산출된 표준 오존 농도와 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값을 비교 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 구조를 도시한 다른 일 구성도이다.
<부호의 설명>
100 : 광학셀부 200 : 기체 공급부
300 : 광학부 400 : 제어부
500 : 연산부 600 : 교정부
110, 120 : 광학셀 111, 121 : 반응 튜브
112, 122 : 광검출기 1~4 : 투광성 판
130 : 배출 펌프 141, 142 : 유량측정 센서
210 : 분배기 220 : 오존 발생기
230 : 기준공기 보관부 241 : 제1 매니폴드
242 : 제2 매니폴드 251~252 : 밸브
260 : 이송경로 제어부 261 : 제1 삼방밸브
262 : 제2 삼방밸브 271, 272 : 유량제어장치
310 : 광원 320 : 항온 케이스
331 : 콜리메이트 렌즈 332 : 광학필터
340 : 광 분배기 333 : 미러
334 : 광학 셔터
T : 교정 대상 장치 F1 : 기준 공기 플로우
F2 : 오존 함유 플로우 L1 : 제1유로
L2 : 제2유로 L3 : 제3유로
L4 : 제4유로
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 표준 교정 방법 및 표준 교정 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 교정 장치 및 방법을 상술함에 있어, 기준 공기는 오존을 함유하지 않으며, 산소, 질소등 통상적인 공기 구성 분자들이 통상적인 몰비로 함유된 공기를 의미할 수 있다. 구체적으로, 오존을 함유하지 않는 건조 공기를 의미할 수 있으며, 오존을 함유하지 않으며 탄화수소 및 NOx등을 포함하는 불순물 농도가 1ppm 이하인 건조 공기를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 질소(약 78%), 산소 (약20~21%) 및 아르곤(약 1%)을 함유하고 오존을 함유하지 않으며, 탄화수소 및 NOx등을 포함하는 불순물 농도가 1ppm 이하인 건조 공기를 의미할 수 있다. 오존 함유 공기는 오존을 함유한 건조 공기를 의미할 수 있으며, 구체적으로 오존을 함유하며 탄화수소 및 NOx등을 포함하는 불순물 농도가 1ppm 이하인 건조 공기를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 오존 함유 공기는 자외선 조사에 의해 상술한 기준 공기의 산소분자가 분해 및 결합하여 오존이 생성된 공기일 수 있다.
본 발명에 따른 표준 교정 장치는 대기 중 존재하는 오존의 농도 측정하는 측정장치 또는 상기 측정장치를 교정하는 교정장치를 교정하기 위한 장치로, 극히 정확한 오존 농도를 산출하고, 이러한 산출 결과를 바탕으로, 상기 측정장치 및/또는 상기 교정장치를 교정하는 장치이다.
본 발명에 따른 표준 교정 장치는 서로 이격 배치된 둘 이상의 광학셀을 포함하는 광학셀부; 기체를 상기 광학셀부 또는 교정 대상 장치에 선택적으로 공급하는 기체 공급부; 광을 발생하며 상기 광학셀부의 각 광학셀에 발생한 광을 조사하는 광학부; 상기 기체 공급부를 제어하는 제어부; 및 상기 광학셀부의 검출 결과를 입력받아 표준 오존 농도를 산출하는 연산부;를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 일 모식도를 도시한 도면이다. 도 1의 일 실시예에 도시한 바와 같이, 표준 교정 장치는 광학셀부(100), 기체 공급부(200), 광학부(300), 제어부(400) 및 연산부(500)를 포함할 수 있다. 이때, 도 1에서 기체 공급부에서 공급되는 가스는 푸른색 화살표로, 광학부에서 공급되는 붉은색 화살표로 표시하였으며, 제어부의 제어라인 및 연산부와 연결된 송수신 라인은 점선 화살표로 표시하였다. 또한 기체 공급부에서 교정 대상 장치(T)로 기체를 공급하는 경우를 푸른색 점선 화살표로 도시하였다.
상기 기체 공급부(200)는 오존을 함유하지 않는 공기의 흐름인 기준 공기 플로우(F1) 및 오존을 함유하는 공기의 흐름인 오존 함유 플로우(F2)를 생성하여, 상기 광학셀부(100) 또는 교정 대상 장치(T)에 선택적으로 공급할 수 있다.
상기 광학부(300)는 평행광을 발생하며 발생한 평행광을 상기 광학셀부(100)에 전송할 수 있으며, 상기 광학셀부(100)는 상기 기체 공급부(200)로부터 기체를 공급받고, 상기 광학부(300)로부터 광을 수광하여, 검출대상인 기체에 의한 광의 흡수 및 흡수된 광의 검출이 이루어질 수 있다.
상세하게, 상기 광학셀부(100)는 서로 이격 배치된 둘 이상의 광학셀(110, 120)을 포함할 수 있으며, 각 광학셀(110, 120)은 기체 공급부(200)로부터 기체를 공급받고, 광학부(300)로부터 광을 수광하여 공급받은 기체에 의한 광의 흡수가 발생하는 반응 튜브(111, 121) 및 상기 반응 튜브(111, 121)를 통과한 광을 검출하는 광검출기(112, 122)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 각 광학셀(110, 120)은 기체 유입구(미도시) 및 배출구(미도시)가 형성되고 양 단이 광을 투과하는 투광성 판(1~4)으로 밀폐된 반응 튜브(111, 121) 및 광검출기(112, 122)를 포함하고, 상기 반응 튜브(111, 121)와 광검출기(112, 122)는 상기 광학부(300)에 의해 조사되는 광의 광 진행 방향으로 순차적으로 배치되어 상기 반응 튜브(111, 121)를 통과한 광이 상기 광검출기(112, 122)에서 검출될 수 있다.
상기 제어부(400)는 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다. 상세하게, 상기 제어부(400)는 상기 기체 공급부(200)에서 생성된 기준 공기 플로우(F1) 및 오존 함유 플로우(F2)의 이송 경로를 제어하여, 기체 공급부(200)에서 생성된 기체 플로우(F1, F2)가 상기 광학셀부(100) 또는 교정 대상 장치(T)로 이송되도록 제어할 수 있다. 또한, 기체 공급부(200)에서 광학셀부(100)로 기체 플로우(F1, F2)가 이송되는 경우, 상기 광학셀부(100)를 구성하는 서로 다른 광학셀에 기준 공기 플로우(F1)와 오존 함유 플로우(F2)가 공급되도록 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다.
상기 연산부(500)는 상기 광학셀부(100)의 측정 결과(광검출기에 의한 검출결과)를 입력받아 표준 오존 농도를 산출할 수 있다. 상세하게, 상기 연산부(500)는 각 광학셀(110, 120)의 광검출기(112, 122)에서 검출된 흡광 스펙트럼을 입력받아 기체 공급부(20)로부터 공급된 기체에 함유된 오존의 농도인 표준 오존 농도를 산출할 수 있다. 이때, 상기 제어부(400)에 의해, 서로 다른 광학셀에 기준 공기 플로우(F1)와 오존 함유 플로우(F2)가 공급됨에 따라, 상기 연산부(500)는 기준 공기 플로우(F1)가 공급되는 광학셀(도 1의 110)의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 기준 스펙트럼 및 오존 함유 플로우(F2)가 공급되는 광학셀(도 1의 120)의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 입력 받을 수 있다. 상기 연산부(500)는 입력된 상기 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼을 이용하여 기체 공급부(200)를 통해 광학셀부(100)에 공급된 오존 함유 플로우(F2)의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치는 장치 자체적으로 오존 함유 플로우 및 기준 공기 플로우를 발생시켜, 오존 함유 플로우와 기준 공기 플로우 각각에 대한 흡광 스펙트럼을 측정하고, 이러한 측정 결과를 바탕으로 오존 함유 플로우(F2)의 오존 농도(표준 오존 농도)를 산출함으로써, 교정 대상 장치의 교정 기준이 되는 표준 오존 농도를 제공할 수 있으며, 용이하게 이동 가능하여 장소와 무관하게 교정 대상 장치의 교정이 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 대상 장치에 있어, 제어부(400)에 의한 기준 공기 플로우(F1) 및 오존 함유 플로우(F2)의 공급 방법을 도시한 일 예이다. 이때, 도 2에서 반응 튜브에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우 회색으로, 광학셀에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우 검은색으로 반응 튜브 내부를 도시하였다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(400)는 일 광학셀에 기준 공기 플로우(F1)와 오존 함유 플로우(F2)가 교번되어 공급되도록 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다.
즉, 상기 제어부(400)는 상기 기체 공급부(200)에서 발생하는 기준 공기 플로우(F1) 및 오존 함유 플로우(F2) 각각이 서로 상이한 광학셀에 이송되도록, 상기 기체 공급부(200)를 제어함과 동시에, 단일한 광학셀에 기준 공기 플로우(F1)와 오존 함유 플로우(F2)가 일정 시간 간격으로 교번 공급되도록 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다.
상세하게, 상기 제어부(400)는 상기 광학셀부(100)을 구성하는 일 광학셀인 제1광학셀(110)에 기준 공기 플로우(F1)가 공급되고, 동시에 상기 광학셀부(100)을 구성하는 다른 일 광학셀인 제2광학셀(110)에 오존 함유 플로우(F2)가 공급되도록 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있으며, 일정 시간 간격으로, 제1광학셀(110)에 기준 공기 플로우(F1) 대신 오존 함유 플로우(F2)가 공급되고, 제2광학셀(120)에 오존 함유 플로우(F2) 대신 기준 공기 플로우(F1)가 공급되도록 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(400)는 기준 공기 플로우(F1)가 제1광학셀(110)에, 오존 함유 플로우(F2)가 제2광학셀(120)에 공급되고, 일정 시간이 흐른 후, 기준 공기 플로우(F1)가 제2광학셀(120)에, 오존 함유 플로우(110)가 제1광학셀(110)에 공급되는 것을 일 측정 사이클(cycle)로 하여, 1회 이상의 사이클이 수행되도록 상기 기체 공급부(200)를 제어할 수 있다. 이때, 상기 사이클의 반복 횟수는 특별히 한정되지 않으나, 표준 오존 농도의 산출까지 소요되는 시간을 최소화하며 표준 오존 농도의 정확도를 향상시키기 위해, 1회 내지 50회, 구체적으로, 2회 내지 15회의 사이클이 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치는 제어부(400)를 통해 1회 이상의 상기 사이클을 수행함으로써, 각 광학셀의 제조, 설치 및 운용상 편차(공차)가 광흡수 스펙트럼 데이터에 미치는 영향을 효과적으로 배제할 수 있으며, 산출되는 표준 오존 농도의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치의 구조를 도시한 일 구성도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 기체 공급부(200)는 분배기(210) 및 오존 발생기(220)를 포함할 수 있으며, 분배기(210)를 통해 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우(F1, Fb)를 형성하고, 상기 제어부(400)에 의해 오존 발생 정도가 제어되는 오존 발생기(220)를 통해 적어도 한 기준 공기 플로우(Fb)에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)(F2)를 형성할 수 있다.
상세하게, 상기 기체 공급부(200)는 기준 공기를 보관하는 기준공기 보관부(230), 상기 기준공기 보관부(230)로부터 기준 공기를 흡입하여 기준공기의 흐름을 만드는 흡입부(미도시), 상기 흡입부에서 생성된 기준공기 흐름을 둘 이상의 기준 공기 플로우(F1, Fb)로 분배하는 분배기(210), 오존 발생기(220), 제1 매니폴드(241), 제2 매니폴드(242), 밸브(251~252) 및 이송경로 제어부(260)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 상기 오존 발생기(220)는 상기 분배기(210)에서 분배된 기준 공기 플로우가 각각 흐르는 유로 중, 일 유로에 설치되어 기준 공기에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우를 형성할 수 있다.
상기 제1 매니폴드(241)는 분배기(210)에 의해 형성된 기준 공기 플로우(F1)가 유입되는 유입구와 광학셀부(100)로 기체를 이송하는 제1유로(L1) 및 교정 대상 장치(T)로 기체를 이송하는 제2유로(L2)와 연결된 적어도 두 배출구를 가질 수 있다.
상기 제2 매니폴드(242)는 오존 함유 플로우(F2)가 유입되는 유입구와 광학셀부(100)로 기체를 이송하는 제3유로(L3) 및 교정 대상 장치(T)로 기체를 이송하는 제4유로(L4)와 연결된 적어도 두 배출구를 가질 수 있다.
상기 제2유로 및 제4유로 각각에는 유로를 통한 기체의 이송 여부를 제어하는 밸브(251~252)가 구비될 수 있다.
상기 이송경로 제어부(260)는 적어도 둘 이상의 삼방 밸브(3-way valve)를 포함할 수 있으며, 이송경로 제어부(260)를 통해 상술한 바와 같이, 동일한 광학셀(110 또는 120)에 기준 공기 플로우(F1)와 오존 함유 플로우(F2)가 순차적으로 교번 공급될 수 있다.
상세하게, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 삼방 밸브(261)는 제1유로 및 제3유로와 연결되어 제1유로의 기준 공기 및 제3유로의 오존 함유 공기를 공급받을 수 있으며, 제1 삼방 밸브(261)의 배출구는 상기 광학셀부(100)의 일 광학셀(110), 상세하게 일 광학셀(110)의 반응 튜브(111)와 연결될 수 있다. 제2 삼방밸브(262) 또한 제1유로 및 제3유로와 연결되어 제1유로의 기준 공기 및 제3유로의 오존 함유 공기를 공급받을 수 있으며, 제2 삼방 밸브(262)의 배출구는 상기 광학셀부(100)의 다른 일 광학셀(120), 상세하게 다른 일 광학셀(120)의 반응 튜브(121)와 연결될 수 있다.
또한, 상기 기체 공급부(200)는 기체의 흐름 방향상 분배기(210) 후단에 기준 공기 플로우(F1) 및 오존 함유 플로우의 유량을 제어할 수 있는 유량제어장치(271, 272)를 포함할 수 있으며, 이러한 유량제어장치(271, 272)는 기체 플로우 별로 구비될 수 있으며, 유량제어장치는 통상의 MFC(mass flow controller)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(400)는 상기 오존 발생기(220), 상기 밸브(251~252), 상기 제1 삼방밸브(261) 및 상기 제2 삼방밸브(262)를 제어할 수 있다. 상세하게, 오존 발생기(220)의 동작 유무를 제어하여, 오존 함유 플로우의 형성 유무를 제어할 수 있으며, 오존 발생기(220)에 의해 발생되는 오존 량을 제어하여, 오존 함유 플로우의 오존 농도를 변화시킬 수 있다. 또한, 상기 밸브(251~252)를 제어하여, 기준 공기 플로우(F1) 및 오존 함유 플로우(F2)가 교정 대상 장치(T)로 공급되는 여부를 제어할 수 있으며, 상기 제1 삼방밸브(261) 및 상기 제2 삼방밸브(262)를 포함하는 이송경로 제어부(260)를 제어하여, 상술한 교번 공급(사이클)을 수행할 수 있다. 또한 상기 제어부(400)는 상기 유량제어장치(271, 272)를 제어하여 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우의 유량을 제어할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 광학부(300)는 광을 발생하는 광원(310); 상기 광원(310)을 투광성 케이스로 밀폐하고 가열하는 항온 케이스(320); 상기 광원(310)과 상기 광학셀부(100) 사이에 위치하여, 상기 광원에서 발생된 광을 평행광으로 변화시키는 콜리메이트 렌즈(331); 상기 콜리메이트 렌즈(331)와 광학셀부(100) 사이에 위치하여 상기 평행광을 입력받아 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장 대역의 광을 선택적으로 투과하는 광학필터(332); 상기 광학필터(332)에서 투과된 광을 상기 광학셀부(100)를 구성하는 광학셀의 수에 상응하도록 분배하는 광 분배기(beam splitter)(340); 및 상기 광 분배기(340)에서 분배된 광이 각 광학셀(110, 120)의 반응 튜브(111, 121) 일단에 입사되도록 광경로를 제어하는 미러(333);를 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 상기 광학 필터에 의해 투과되는 파장 대역은 그 중심 파장이 254nm일 수 있다.
상기 광원(310)은 자외선 영역의 광을 발생하는 통상의 발광장치일 수 있으며, 상기 항온 케이스(320)는 광원(310)을 밀폐하는 투광성 케이스; 및 발열장치;를 포함할 수 있다. 상세하게, 상기 투광성 케이스는 광원과 외부와의 대류에 의한 열 유동을 방지하며, 상기 발열장치는 상기 광원이 일정한 열적 환경에 위치하도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
광학셀부(100)는 적어도 둘 이상의 광학셀을 포함하며, 상기 광원(310)에서 발생하는 단일한 광이 분배되어, 각 광학셀에 입사됨으로써, 광원의 불안정성에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있다. 또한, 이러한 항온 케이스(320)를 통해 광원(310)의 열적 상태를 일정하게 유지함으로써, 광원의 불안정성을 최소화하여, 측정 신뢰도 및 정확성을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 투광성 케이스는 상기 광원(310)과 상기 콜리메이트 렌즈(331)의 사이의 일정 영역만이 투광성 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 발열장치는 줄 열을 발생하는 통상의 히팅 엘리먼트를 포함할 수 있다.
상기 광원(310)에서 발생하는 광은 상기 콜리메이트 렌즈(331)로 입력되는데, 상기 광원(310)과 상기 콜리메이트 렌즈(331)사이에 광의 진행을 차단 또는 허용하는 광학 셔터(334)가 더 구비될 수 있다. 광학 셔터를 통과하여, 상기 콜리메이트 렌즈(331)는 광원에서 발생하는 확산광을 평행광으로 만들어주며, 콜리메이트 렌즈(331)에 의한 평행광은 오존에 의해 흡수되는 파장 대역의 광만을 선택적으로 투과시키는 광학필터(332)로 입사될 수 있다. 광학필터(332)를 거친 광은 광 분배기(340)에 의해 적어도 둘 이상의 광으로 분배되며, 분배기(210)에 의해 분배된 각각의 광은 광 경로를 제어하는 미러(333)에 의해, 각 광학셀(110, 120)에 입사될 수 있다. 구체적으로, 광원(310)과 분배기(210)를 잇는 가상선을 따라, 상기 광원(310), 광학셔터(334), 콜리메이트 렌즈(331), 광학필터(332) 및 분배기(210)가 순차적으로 배열될 수 있으며, 광학부(300)와 광학셀부(100)의 반응튜브(111, 121)간의 배치를 고려하여, 적절하게 미러(333)가 위치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 각 광학셀(110, 120)은 반응 튜브(111, 121) 및 광검출기(112, 122)를 포함할 수 있는데, 상기 분배기(210)에 의해 분배된 광은 미러(333)에 의해 광학셀의 반응 튜브(111, 121)의 일 단으로 입사될 수 있으며, 반응 튜브(111, 121)의 다른 단으로 광이 출사되어, 광검출기(112, 122)로 입사될 수 있다.
이때, 상기 제어부(400)는 광원(310)이 일정한 열적 환경에 위치할 수 있도록 항온 케이스(320), 상세하게, 항온 케이스의 발열장치를 제어할 수 있으며, 광학 셔터(334)를 제어하여 광학셀부(100)에 광의 조사 여부를 제어할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 광학셀부(100)는 둘 이상의 광학셀(110, 120)을 포함하여 구성될 수 있으며, 각 광학셀은 반응 튜브(111, 121) 및 광검출기(112, 122)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 기반으로 상술한 바와 같이, 반응 튜브(111, 121)는 일 단의 측면에 기체 유입구(미도시)가 형성되고, 다른 일 단의 측면에 기체 배출구(미도시)가 형성될 수 있으며, 튜브의 양 단은 광을 투과하는 투광성 판(1~4)으로 밀폐된 것일 수 있다.
반응 튜브(111, 121)는 튜브 길이 방향이 상기 광학부(300)에서 공급되는 평행광(광 분배기에 의해 분배된 광)의 진행방향과 평행 내지 일치하도록 위치하여, 반응 튜브(111, 121)의 일 단을 통해 광을 입사받을 수 있다. 이때, 입사된 광은 튜브의 길이 방향으로 진행하여, 다른 일 단을 통해 출사될 수 있다.
반응 튜브(111, 121)의 다른 일 단을 통해 출사된 광은 광검출기(112, 122)로 입사되며, 광검출기(112, 122)는 반응 튜브(111, 121)를 통과한 광의 흡광 스펙트럼을 측정할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지 않았으나, 광학셀부(100)는 반응 튜브(111, 121)내 압력을 측정하는 압력 센서, 반응 튜브를 일정 온도로 가온하는 튜브 항온 케이스, 반응 튜브의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 광학셀부(100)는 각 반응 튜브(111, 121)의 기체 배출구와 연결되어 기체를 배출하는 배출 펌프(130)를 더 포함할 수 있으며, 각 반응 튜브(111, 121)의 기체 배출구와 배출 펌프(130)간의 유로 상, 배출되는 기체의 흐름량을 측정하는 유량측정센서(141, 142)를 더 포함할 수 있다.
제어부(400)는 상기 온도 센서의 측정값을 입력받아, 상기 튜브 항온 케이스의 발열 정도를 제어할 수 있으며, 상기 압력 센서의 측정값 및 유량측정센서(141, 142)의 측정값을 입력받아, 상기 배출 펌프(130)와 상기 유량제어장치(271, 272)를 제어하여, 튜브 내 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정장치에 있어, 광학셀부(100) 및 광학부(300)만을 선택적으로 도시한 일 구성도로, 도 4에 도시한 바와 같이, 각 광학셀(110, 120)의 반응 튜브(111, 121)의 양 단을 밀폐하는 투광성 판(1~4)은 튜브의 길이방향(또는 광의 진행방향)에 대해 수직인 면(도 4의 확대 도면에서 타원형 점선으로 도시)을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도(Wtilt)로 틸트(tilt)된 것일 수 있다. 구체적으로, 투광성 판(1~4)은 튜브의 길이방향(또는 광의 진행방향)과 수직인 가상의 축을 회전 축으로 하여, 튜브의 길이방향(또는 광의 진행방향)에 대해 수직인 면에 대해 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(회전)된 것일 수 있다. 이때, 도면에서 가상의 점선 회전 축에 두 화살표로 표시한 바와 같이, 상술한 회전 각도가 만족되면 어떠한 방향으로 회전되어도 무방하다. 이때, 비록 도 4에서 보다 명확한 도시를 위해 일 투광성 판(4)에 대해서만 틸트된 상태를 도시하였으나, 모든 반응 튜브의 투광성 판 각각이 서로 독립적으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(회전)된 것일 수 있음은 물론이다.
상기 반응 튜브(111, 121)의 투광성 판(1~4)이 튜브 길이방향에 수직 면으로 구비되지 않고, 2˚ 내지 5˚로 벗어나도록 구비됨으로써, 튜브의 일 단을 통한 광의 입사시 반사되는 광의 재입사가 방지될 수 있다.
상세하게, 광학부(300)에 의해 조사되는 광은 반응 튜브의 광 입사면 내지 광출사면(반응 튜브의 양 단의 투광성 판의 표면)에서 일정량 반사되게 되는데, 이러한 반사광이 다시 튜브 내로 재입사됨에 따라, 측정의 정밀도가 현저히 저하될 수 있다.
상술한 바와 같이, 반응 튜브(111, 121)의 양 단에 일정 각도로 기울어진 투광성 판(1~4)이 구비됨에 따라, 반응 튜브(111, 121)에는 일정 각도로 기울어진 광 입사면 내지 광 출사면을 형성할 수 있으며, 이를 통해 반사광의 재입사를 원천적으로 방지할 수 있다. 이때, 투광성 판이 2˚ 미만으로 틸트되는 경우, 반사광의 재입사 방지 효과가 저해될 수 있으며, 5˚이상으로 틸트되어도 재입사 방지의 증진 효과가 미미할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 광학부(300) 또한, 상기 콜리메이트 렌즈(331) 및 광학필터(332)는 서로 독립적으로, 상기 광원(310)에서 상기 광분배기(210)로의 광 진행방향에 대해 수직인 면(도 4에서 사각 점선으로 도시)을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도(Wtilt1, Wtilt2)로 틸트(tilt)되어 배열될 수 있다. 즉, 상기 콜리메이트 렌즈(331) 및 광학필터(332)가 상기 광원(310)에서 상기 광분배기(210)로의 광 진행방향에 대해 수직면을 이루도록 구비되지 않고, 광의 진행방향과 수직인 가상의 축을 회전축으로 하여, 광의 진행방향에 대해 수직인 면에 대해 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(회전)되어 구비될 수 있다. 수직에서 2˚ 내지 5˚로 벗어나도록 구비됨으로써, 반응 튜브(111, 121)에서 반사된 광이 광학부(300)에 의해 다시 반응 튜브(111, 121)로 재 입사되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 측정의 정밀도 및 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다. 이때, 콜리메이트 렌즈(331) 및 광학필터(332)가 각각 2˚ 미만으로 틸트되는 경우, 반사광의 재입사 방지 효과가 저해될 수 있으며, 5˚이상으로 틸트되어도 재입사 방지의 증진 효과가 미미할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 연산부(500)는 광검출기로부터 측정된 광흡수 스펙트럼을 입력받아, 오존 함유 플로우의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출할 수 있다. 상세하게, 상기 연산부(500)는 기준 공기 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 기준 스펙트럼 및 오존 함유 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 입력받아, 오존 함유 플로우의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출할 수 있다. 보다 상세하게, 상기 연산부(500)는 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼상 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장에서의 강도 비인 흡광비를 이용하여 표준 오존 농도를 산출할 수 있다.
제어부에 의해 상술한 교번 공급(측정 사이클)이 수행되지 않는 경우, 상기 연산부(500)는 하기 식 1에 따라, 표준 오존 농도를 산출할 수 있다.
(식 1)
식 1에서 
는 흡광비이고, f는 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, fr은 기준 스펙트럼 상 흡수 파장에서의 강도이고, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L은 광흡수 스펙트럼 측정시 광이 기준공기 또는 오존 함유 공기를 통과하는 광경로 길이(cm), 즉, 반응 튜브의 길이이고, C는 표준 오존 농도(molecule/cm3)이다.
상술한 제어부에 의해 상술한 교번 공급이 수행되는 경우, 상기 연산부(500)는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값을 표준 오존 농도로 산출할 수 있다.
(식 2)
식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브내 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.
상세하게, 식 2에서, n은 일 광학셀에 최초로 검출 대상 기체의 플로우(오존 함유 플로우 또는 기준 공기 플로우)가 공급될 때를 1번째로 하고, 공급되는 검출 대상 기체의 종류와 무관하게, 직전 공급된 기체와 상이한 기체의 플로우가 공급될 때마다 교번 공급 횟수가 증가한 것이다. 즉, 앞서 상술한 사이클의 개념에서 1회의 사이클이 2회의 교번 공급과 대응될 수 있다. m은 총 교번 공급 횟수로, 4 이상의 짝수일 수 있다. 일 예로, 앞서 상술한 사이클의 개념에서 총 5회의 사이클이 수행된 경우 m은 10일 수 있다. 총 교번 공급 횟수(m)는 특별히 한정되지 않으나, 표준 오존 농도의 산출까지 소요되는 시간을 최소화하며 표준 오존 농도의 정확도를 향상시키기 위해, m은 4 내지 100, 구체적으로 4 내지 30회, 보다 구체적으로 8 내지 14일 수 있다.
상기 제어부(400)에 의해 m회의 교번 공급이 수행될 수 있으며, 연산부(500)에서 상기 식 2를 통해 C1 내지 Cm-1의 농도 및 이들의 평균값인 표준 오존 농도가 산출될 수 있다.
상기 제어부(400)가 상술한 교번 공급을 수행하고, 상기 연산부(500)가 상기 식 2에 의해 표준 오존 농도를 산출함으로써, 장비 자체에 의한 측정 오류가 방지되어, 보다 정밀하고 정확하게 오존 농도를 산출할 수 있으며, 도 4를 기반으로 상술한 바와 같이, 반사되는 광의 재입사를 방지함으로써, 국제적으로 자외선 흡수 분광법을 이용한 오존 농도 측정값의 기준이 되는 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값에 준하는, 극히 정확한 오존 농도가 산출될 수 있다.
구체적인 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 장치(도 3 및 도 4에 따라 구현된 장치)를 이용하여 산출된 표준 오존 농도와 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값간의 관계 그래프를 도 5에 도시하였다. 도 5에서, 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 장치의 오존 농도 측정값(이하, KRISS 측정값)은 KRISS SRP3의 y축 값으로, 프랑스 국제도량형국(BIPM)에서 제공하는 기준값(이하, BIPM 기준값)은 BIPM SRP의 x축 값으로 도시하였다. 도 5에서 알 수 있듯이 프랑스 국제도량형국에서 제공하는 기준값과 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 장치의 측정값이 넓은 범위에서 선형적 관계를 가짐을 알 수 있으며, 직선의 절편이 0에 극히 근접한 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 서로 다른 12개의 오존 농도에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 이용한 KRISS 측정값과 BIPM 기준값의 일치 정도를 아래의 표 1에 비교 정리하였다.
표 1에서 Nom value는 BIPM 기준값인 오존 농도를, Di는 농도별 KRISS 측정값과 BIPM 기준값간의 차이(KRISS 측정값 - BIPM 기준값)를, u(Di)는 표준불확도를, U(Di)는 확장불확도를 의미한다.
(표 1)
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정장치에 있어, 상기 제어부(400)는 상기 오존 발생기(220)를 제어하여, 오존 함유 플로우(F2)에 함유된 오존 농도를 변화시킬 수 있다. 상세하게, 상기 제어부(400)는 광학셀로의 기체 공급 내지 상기 광검출기(112, 122)에서의 광흡수 스펙트럼 측정을 일 세트로 하여, 오존 함유 플로우(F2)의 오존 농도를 변화시켜 다시 일 세트를 수행할 수 있다. 이에 따라, 연산부(500)에서는 서로 상이한 오존 농도를 갖는 오존 함유 플로우에 대한 표준 오존 농도가 각각 산출될 수 있다. 상세하게, 상기 연산부(500)는 세트별로, 서로 상이한 오존 농도를 갖는 오존 함유 플로우의 광흡수 스펙트럼(검출 스펙트럼)을 입력받게 되고, 각 세트별로 입력되는 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼을 이용하여, 각 세트별로 광학셀부(100)에 유입된 오존 함유 플로우의 오존 농도인 표준 오존 농도가 산출될 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치는 교정부(600)를 더 포함할 수 있다. 상기 교정부(600)는 상기 제어부(400)를 통해 상기 기체 공급부(200)에서 상기 교정 대상 장치(T)로 공급되는 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각에 대한 교정 대상 장치(T)의 측정 값을 입력받을 수 있으며, 상기 연산부(500)에서 산출된 표준 오존 농도를 입력받을 수 있다. 상기 교정부(600)는 표준 오존 농도 산출시 사용된 기체와 동일한 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우에 대한 교정 대상 장치의 측정 결과와 표준 오존 농도값을 이용하여, 교정 대상 장치를 교정할 수 있다. 즉, 상기 교정부(600)는 교정 대상 장치의 측정 결과와 표준 오존 농도값이 일치하도록 교정 대상 장치를 교정할 수 있으며, 기준 공기 플로우에 대한 측정값이 0이 되도록 영점 조절을 할 수 있다. 이때, 상기 교정 대상 장치는 대기중 오존의 농도를 측정하는 장치 또는 대기중 오존의 농도를 측정하는 측정 장치를 교정하는 교정 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 장치에 있어, 비한정적인 일 예로, 오존 발생기에 의해 오존 함유 플로우는 0내지 1000 nmol의 오존을 함유할 수 있으며, 광학 필터에 의해 필터링된 광의 파장은 249 내지 259nm일 수 있으며, 모든 반응 튜브의 온도 및 압력은 293 내지 301K 및 990000 내지 101325 N/m2일 수 있으며, 반응 튜브에 흐르는 기체 유속(기준 공기 플로우 및/또는 오존 함유 플로우)은 1 내지 3L/min일 수 있으며, 반응 튜브의 직경은 10mm 내지 13mm일 수 있으며, 반응 튜브의 길이는 90cm 내지 100cm일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법을 상술하며, 본 발명에 따른 표준 교정 방법은 앞서 표준 교정 장치를 기반으로 상술한 제어부, 연산부 및/또는 교정부에 의해 수행되는 방법을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 a) 자외선 흡수 분광법을 이용하여, 오존을 함유하지 않는 기준 공기의 광흡수 스펙트럼인 기준 스펙트럼과 오존 함유 공기의 광흡수 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 측정하는 단계; b) 상기 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼상 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장에서의 흡광비를 이용하여 상기 오존 함유 공기의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출하는 단계; c) 상기 기준 공기 및 오존 함유 공기를 교정 대상 장치에 공급하여 교정 대상 장치에 의한 오존 농도를 측정하고, 상기 교정 대상 장치에 의한 측정 농도 및 상기 표준 오존 농도를 이용하여 상기 교정 대상 장치를 교정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명이 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼을 측정하고, 흡광이 일어나는 파장의 강도비인 흡광비를 이용하여 오존 농도를 산출함에 따라, 교정 대상 장치의 교정시 표준이 되는 표준 오존 농도를 제공하여, 교정 대상 장치의 정확성을 향상시킬 수 있고, 측정 소급성을 담보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 상기 b) 단계의 표준 오존 농도는 하기의 식 1에 의해 산출될 수 있다.
(식 1)
식 1에서 
는 흡광비이고, f는 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, fr은 기준 스펙트럼 상 흡수 파장에서의 강도이고, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L은 광흡수 스펙트럼 측정시 광이 기준공기 또는 오존 함유 공기를 통과하는 광경로 길이(cm), 즉, 반응 튜브의 길이이고, C는 표준 오존 농도(molecule/cm3)이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 기체가 유입 및 배출되는 반응 튜브 및 광검출기가 광진행 경로상 순차적으로 위치하는 둘 이상의 광학셀 중, 일 광학셀에 기준 공기가 공급되고, 다른 일 광학셀에 오존 함유 공기가 공급되며, 단일한 광원에서 발생하는 광이 분배되어, 각 광학셀로 공급될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 적어도 둘 이상의 광학셀을 포함하는 광학셀부의 각 광학셀에 단일한 광원에서 발생한 광이 광학셀의 수에 상응하도록 광 분배되어, 각 광학셀에 조사되고, 각 광학셀별로 서로 다른 기체가 공급되어, 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼이 동시에 측정될 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 상술한 표준 교정 장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 기체가 유입 및 배출되는 반응 튜브 및 광검출기가, 광의 진행 경로 상, 순차적으로 위치하는 광학셀을 포함하고, 적어도 제1 광학셀 및 제2 광학셀이 이격 배치된 광학셀부; 상기 광학셀부의 각 광학셀에 평행광을 공급하는 광학부; 상기 광학셀부의 서로 상이한 광학셀에 기준 공기 및 오존 함유 공기를 각각 공급하는 기체 공급부;를 포함하며, 광학부의 단일한 광원에서 발생하는 단일한 광이 분배되어 각 광학셀에 공급되는 표준 교정 장치를 이용한 방법일 수 있다.
장치에 기반하여 보다 구체적으로 상술하면, 상기 a) 단계는 i) 둘 이상의 광학셀을 포함하는 광학셀부의 일 광학셀에 오존을 함유하지 않는 공기의 흐름인 기준 공기 플로우를 공급하고, 다른 일 광학셀에 오존을 함유하는 공기의 흐름인 오존 함유 플로우를 공급하는 단계; j) 단일한 광원에서 발생된 광을 평행광으로 변화시키고, 오존에 의해 흡광이 발생하는 파장 대역(이하,흡광 대역)의 광을 선택적으로 필터링하여 흡광 대역의 평행광을 형성하고, 흡광 대역의 평행광을 광 분배하여 각각의 광학셀에 조사하는 단계; k) 각 광학셀의 광검출기에서 광흡수 스펙트럼을 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 상기 광원에서 발생하는 단일한 광이 분배되어, 각 광학셀에 입사됨으로써, 광원의 불안정성에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은, a) 단계에서, 광을 발생하는 광원을 일정한 온도로 유지함으로써, 광원의 불안정성을 최소화하여, 측정 신뢰도 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, a) 단계에서, 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우(flow)를 형성하고, 적어도 한 기준 공기 플로우에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)를 형성하며, 상기 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각을 서로 상이한 광학셀에 공급할 수 있다.
이에 의해, 극히 용이하게 오존 농도가 상이한 오존 함유 플로우의 형성이 가능하며, 단지 오존 함유 여부만이 상이한 가스를 이용하여 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼이 측정됨에 따라, 측정 정확성을 높일 수 있고, 용이하게 오존 농도의 변경이 가능하여, 극 저 농도 내지 고 농도의 오존 농도 범위를 갖는 표준 오존 농도 값들을 산출할 수 있다.
교정 대상 장치의 교정시, 교정에 사용되는 표준 오존 농도값의 정확성 및 신뢰성에 의해, 교정 후 교정 대상 장치의 정확성 및 신뢰성이 결정될 수 있다.
이에 따라, 표준 오존 농도값을 산출하는 장치의 기계적, 물리적 변화 내지 공차에 의해 산출되는 표준 오존 농도가 영향을 받을 수 있는데, 이러한 장치 자체에 의해 야기되는 오차를 최소화하기 위하여, 상술한 교번 공급, 즉, 사이클의 반복 수행이 이루어질 수 있다.
상세하게, 상기 a) 단계에서, 상기 기체 공급부로부터 오존을 함유하지 않는 공기 흐름인 기준 공기 플로우 및 오존을 함유하는 공기 흐름인 오존 함유 플로우가 각 광학셀에 공급되며, 각 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 교번 공급될 수 있다. 보다 상세하게, a1) 상기 기준 공기 플로우가 제1광학셀에, 상기 오존 함유 플로우가 제2광학셀에 공급되어 광흡수 스펙트럼이 측정되는 단계; 및 a2) 상기 기준 공기 플로우가 제2광학셀에, 상기 오존 함유 플로우가 제1광학셀에 공급되어 광흡수 스펙트럼이 측정되는 단계;의 상기 a1) 및 a2)단계를 일 측정 사이클(cycle)로 하여, 상기 사이클이 반복 수행될 수 있다. 이때, 상기 사이클의 반복 횟수는 특별히 한정되지 않으나, 표준 오존 농도의 산출까지 소요되는 시간을 최소화하며 표준 오존 농도의 정확도를 향상시키기 위해, 1회 내지 50회, 구체적으로, 2회 내지 15회 수행될 수 있다.
이러한 사이클의 반복 수행에 의해, 장치의 각 구성 부품의 상태 변화, 서로 다른 가스를 대상으로 동일한 역할을 수행해야 하는 광학셀 각각의 물리적, 기계적 공차등에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있다.
상술한 교번 공급이 반복 수행되는 경우, b) 단계의 흡광비는 상기 사이클의 반복 수행에 의해 얻어지는 흡광비의 평균값일 수 있다.
상세하게, 상술한 교번 공급이 반복 수행되는 경우, 상기 b) 단계의 표준 오존 농도는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값일 수 있다.
(식 2)
식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브내 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.
상세하게, 식 2에서, n은 일 광학셀에 최초로 검출 대상 기체의 플로우(오존 함유 플로우 또는 기준 공기 플로우)가 공급될 때를 1번째로 하고, 공급되는 검출 대상 기체의 종류와 무관하게, 직전 공급된 기체와 상이한 기체의 플로우가 공급될 때마다 교번 공급 횟수가 증가한 것이다. 즉, 앞서 상술한 사이클의 개념에서 5회의 사이클이 10회의 교번 공급과 대응될 수 있다. m은 총 교번 공급 횟수로, 4 이상의 짝수일 수 있다. 총 교번 공급 횟수(m)는 특별히 한정되지 않으나, 표준 오존 농도의 산출까지 소요되는 시간을 최소화하며 표준 오존 농도의 정확도를 향상시키기 위해, m은 4 내지 100, 구체적으로 4 내지 30회, 보다 구체적으로 8 내지 14일 수 있다.
광학부에 의해 광학셀로 각각 조사되는 광은 광학셀의 반응 튜브로의 입사 또는 반응 튜브에서의 출사시, 광 입사면 내지 광출사면(반응 튜브의 양 단의 투광성 판의 표면)에서 일정량 반사되게 되는데, 이러한 반사광이 다시 튜브 내로 재입사됨에 따라, 측정의 정밀도가 현저히 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법은 튜브의 양단이 튜브의 길이방향에 대해 수직인 면을 기준으로 각각 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 투광성 판으로 밀폐된 반응 튜브가 구비된 광학셀을 이용함으로써, 반사되는 광의 재입사가 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 광원, 광원의 온도를 일정하게 유지하는 항온 케이스, 광원에서 발생된 광을 평행광으로 만드는 콜리메이트 렌즈, 광학 필터 및 광 분배기를 포함하는 광학부를 이용하여, 광학셀부로의 광 조사가 수행될 수 있다. 이때, 상기 콜리메이트 렌즈 및 광학 필터가 각각 상기 광원(310)에서 상기 광분배기(210)로의 광 진행방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)되어 배열된 광학부를 이용함으로써, 광학셀의 광 입사면 내지 광출사면(반응 튜브의 양 단의 투광성 판의 표면)에서 반사되는 반사광이 다시 튜브 내로 재입사되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 상기 c) 단계는 교정 대상 장치에 b) 단계의 측정시 사용된 상기 기준 공기 및 오존 함유 공기 각각을 공급하여, 교정 대상 장치에 의해 측정된 오존 농도인 측정 농도를 얻는 단계; 상기 측정 농도와 상기 표준 오존 농도를 이용하여, 상기 교정 대상 장치를 교정하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 기준 공기가 상기 교정 대상 장치에 유입될 때, 교정 대상 장치의 영점 조절이 이루어질 수 있으며, 오존 함유 공기가 상기 교정 대상 장치로 유입될 때, 측정 농도가 표준 오존 농도 값과 같아지도록 교정이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표준 교정 방법에 있어, 상기 오존 함유 공기의 오존 농도를 달리하여 상기 a) 내지 c) 단계가 반복 수행될 수 있으며, 상기 b) 단계에서 극 저 농도 내지 고 농도의 오존 농도 범위를 갖는 표준 오존 농도 값들이 산출될 수 있으며, c) 단계에서, 이러한 농도 범위를 갖는 표준 오존 농도 값들을 이용하여 교정된 교정 대상 장치 또한 그 저 농도 내지 고 농도의 매우 넓은 범위의 오존 농도를 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (20)
- a) 자외선 흡수 분광법을 이용하여, 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기의 광흡수 스펙트럼인 기준 스펙트럼과 오존 함유 공기의 광흡수 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 측정하는 단계;
b) 상기 기준 스펙트럼과 검출 스펙트럼상 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장에서의 흡광비를 이용하여 상기 오존 함유 공기의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출하는 단계;
c) 상기 기준 공기 및 오존 함유 공기를 교정 대상 장치에 공급하여 교정 대상 장치에 의한 오존 농도를 측정하고, 상기 교정 대상 장치에 의한 측정 농도 및 상기 표준 오존 농도를 이용하여 상기 교정 대상 장치를 교정하는 단계;
를 포함하며,
기체가 유입 및 배출되는 반응 튜브 및 광검출기가 광 진행 경로상 순차적으로 위치하는 둘 이상의 광학셀 중, 일 광학셀에 기준 공기가 공급되고, 다른 일 광학셀에 오존 함유 공기가 공급되며, 단일한 광원에서 발생하는 광이 분배되어, 각 광학셀로 공급되는 것을 특징으로 하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 a) 단계에서,
오존을 함유하지 않는 공기 흐름인 기준 공기 플로우 및 오존을 함유하는 공기 흐름인 오존 함유 플로우가 각 광학셀에 공급되며,
각 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 교번 공급되는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 제 3항에 있어서,
상기 b) 단계의 표준 오존 농도는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값인 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법.
(식 2)
(식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브내 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며,
n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며,
n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.) - 제 1항에 있어서,
a) 단계에서, 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우(flow)를 형성하고, 적어도 한 기준 공기 플로우에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)를 형성하며, 상기 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각을 서로 상이한 광학셀에 공급하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 제 1항에 있어서,
광 입사면과 출사면인 상기 반응 튜브의 양단은 튜브의 길이방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 투광성 판으로 밀폐되어, 상기 반응 튜브에서 반사된 광의 재입사가 방지되는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 광원은 온도가 조절되는 밀폐 케이스 내에 구비된 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 광학셀로 조사되는 광은 광을 발생하는 단일한 광원; 광원에서 발생하는 확산광을 평행광으로 전환시키는 콜리메이트 렌즈; 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장 대역의 광을 선택적으로 투과하는 광학 필터; 및 필터링된 광을 광학셀부의 광학셀 수에 대응하도록 분배하는 광 분배기;에 의해 생성되며, 상기 콜리메이트 렌즈 및 상기 광학 필터는 서로 독립적으로, 상기 광원에서 상기 광분배기로의 광 진행방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)되어, 상기 반응 튜브에서 반사된 광의 재입사가 방지되는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 오존 함유 공기의 오존 농도를 달리하여 상기 a) 내지 c) 단계가 반복 수행되는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 방법.
- 서로 이격 배치된 둘 이상의 광학셀을 포함하는 광학셀부; 기체를 상기 광학셀부 또는 교정 대상 장치에 선택적으로 공급하는 기체 공급부; 광을 발생하며 상기 광학셀부의 각 광학셀에 발생한 광을 조사하는 광학부; 상기 기체 공급부를 제어하는 제어부; 및 상기 광학셀부의 검출 결과를 입력받아 표준 오존 농도를 산출하는 연산부;를 포함하고,
상기 기체 공급부는 오존을 함유하지 않는 공기의 흐름인 기준 공기 플로우 및 오존을 함유하는 공기의 흐름인 오존 함유 플로우를 생성하며,
상기 광학부는 광을 발생하는 단일한 광원을 포함하며, 광원에서 발생된 광을 분배하여 상기 광학셀부를 구성하는 각 광학셀로 공급하고,
상기 광학셀은 기체 유입구 및 배출구가 형성되고 양 단이 광을 투과하는 투광성 판으로 밀폐된 반응 튜브 및 광검출기를 포함하고, 상기 반응 튜브와 광검출기는 상기 광학부에 의해 조사된 광의 광 진행 방향으로 순차적으로 배치되어 상기 반응 튜브를 통과한 광이 상기 광검출기에서 검출되는
대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 제어부는 기체 공급부에서 광학셀부 또는 교정 대상 장치로의 기체 공급여부를 제어하고, 기체 공급부에서 광학셀부로 기체가 공급되는 경우, 서로 다른 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 공급되도록 기체 공급부를 제어하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 11항에 있어서,
상기 연산부는 기준 공기 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 기준 스펙트럼 및 오존 함유 플로우가 공급되는 광학셀의 광검출기에서 측정된 흡광 스펙트럼인 검출 스펙트럼을 이용하여 오존 함유 플로우의 오존 농도인 표준 오존 농도를 산출하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 12항에 있어서,
상기 제어부는 일 광학셀에 기준 공기 플로우와 오존 함유 플로우가 교번되어 공급되도록 상기 기체 공급부를 제어하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 13항에 있어서,
상기 연산부는 하기 식 2에 의해 산출되는 C1 내지 Cm-1의 평균값을 표준 오존 농도로 산출하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치.
(식 2)
(식 2에서 n(1≤n<m의 자연수)은 1, 일 광학셀을 기준으로, 일 광학셀에 n번째로 기준 공기 플로우 또는 오존 함유 플로우가 공급되는, n번째 교번 공급을 의미하며, m(4≤m인 짝수)은 총 교번 공급 횟수이며, Cn은 n번째 교번 공급시 오존 농도(nmole/mole)를 의미하며, α는 단일한 오존 분자에 의한 흡수 면적(absorption cross-section, cm2/molecule)이며, L1은 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, L2는 다른 일 광학셀에서 광이 통과하는 광경로 길이(cm)이며, R은 기체 상수(Nmmol-1K-1)이며, NA는 아보가드로 상수(mol-1)이며, Tmes는 반응 튜브의 온도(K)이고, Pmes는 반응 튜브 내 압력(N/m2)이며,
n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며,
n번째 교번 공급시 일 광학셀(제1광학셀)에 기준 공기 플로우가 공급되고 다른 일 광학셀(제2광학셀)에 오존 함유 플로우가 공급되는 경우, f1,ozon은 n+1번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이고, f1,zero는 n번째 교번 공급에 의해 일 광학셀(제1광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,zero는 n+1번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 기준 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이며, f2,ozon은 n번째 교번 공급에 의해 다른 일 광학셀(제2광학셀)에서 측정된 검출 스펙트럼상 흡수 파장에서의 강도이다.) - 제 11항에 있어서,
상기 기체 공급부는 분배기 및 오존 발생기를 포함하며, 분배기를 통해 오존을 함유하지 않는 공기인 기준 공기를 분배하여 적어도 둘 이상의 기준 공기 플로우를 형성하고, 상기 제어부에 의해 오존 발생 정도가 제어되는 오존 발생기를 통해 적어도 한 기준 공기 플로우에 오존을 발생시켜 오존 함유 플로우(flow)를 형성하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 광학부는 상기 광원을 투광성 케이스로 밀폐하고 가열하는 항온 케이스; 상기 광원과 상기 광학셀부 사이에 위치하여, 상기 광원에서 발생된 광을 평행광으로 변화시키는 콜리메이트 렌즈; 상기 콜리메이트 렌즈와 광학셀부 사이에 위치하여 상기 평행광을 입력받아 오존에 의해 흡광이 발생하는 흡수 파장의 광을 선택적으로 투과하는 광학필터; 상기 광학필터에서 투과된 광을 상기 광학셀부를 구성하는 광학셀의 수에 상응하도록 분배하는 광 분배기(beam splitter); 및 상기 광 분배기에서 분배된 광이 각 광학셀의 반응 튜브 일단에 입사되도록 광경로를 제어하는 미러;를 포함하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 16항에 있어서,
상기 광원에서 상기 광분배기로의 광 진행방향에 대해, 상기 콜리메이트 렌즈 및 상기 광학필터는 상기 광원에서 상기 광분배기로의 광 진행방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 10항에 있어서,
광 입사면과 출사면인 상기 반응 튜브의 양단은 튜브의 길이방향에 대해 수직인 면을 기준으로 2˚ 내지 5˚의 각도로 틸트(tilt)된 투광성 판으로 밀폐된 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 제어부는 상기 오존 발생기를 제어하여, 상기 연산부에서 서로 상이한 오존 농도를 갖는 오존 함유 플로우에 대한 표준 오존 농도가 각각 산출되도록 하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치. - 제 11항에 있어서,
상기 표준 교정 장치는
교정부를 더 포함하며,
상기 교정부는 상기 제어부를 통해 상기 기체 공급부에서 상기 교정 대상 장치로 공급되는 기준 공기 플로우 및 오존 함유 플로우 각각에 대한 교정 대상 장치의 측정 값을 입력받고, 상기 연산부에서 산출된 표준 오존 농도를 입력받아, 상기 교정 대상 장치를 교정하는 대기중 오존 측정을 위한 표준 교정 장치.
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