KR101699277B1 - 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법 및 장치 - Google Patents

불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법 및 장치가 개시된다. 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법은 배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 분석을 위한 제1 복수의 기체를 유입받는 단계, 배기 가스 분석 장치가 제1 복수의 기체를 기반으로 한 불꽃 이온화 반응을 수행하는 단계와 배기 가스 분석 장치가 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호를 카운팅하여 제1 배기 가스를 분석하는 단계를 포함할 수 있되, 제1 복수의 기체는 제1 배기 가스, 제1 수소, 제1 HC가 제거된 공기 및 제1 교정 가스를 포함할 수 있다.

Description

불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법 및 장치{The method and apparatus for measuring exhaust gas based on flame ionization detector}
본 발명은 배기 가스 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
배기 가스의 구성 성분의 분석을 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다. 측정 대상 가스에 대한 계측 기술은 측정 대상 가스의 물성치 및 그 특성을 근거로 하여 개발된 것이다. 일부 경우에 계측하려는 화학 종들이 분석기(analyzer)에서 화학 반응을 일으키기도 하지만, 화학 반응을 일으키는 이런 경우라도 측정 대상 가스 각각의 수반되는 물성치는 직접 측정될 수 있다 가스의 농도는 배기 가스 측정 장비에서 나오는 신호와 미리 농도를 알고 있는 보정 가스를 이용하여 생성한 신호 간의 비교를 통해 산출될 수 있다.
Non-dispersive infra-red(NDIR), Chemiluminescence, Flame ionization detector (FID), Fourier transform infra-red (FTIR), Paramagnetic analyzer와 같은 계측 기술(analytical technique)은 내연 기관에서 배출되는 배기 가스의 측정을 위해 이미 도입이 되었거나 혹은 한창 개발이 진행되고 있는 것들이다.
이러한 방법 이외에, 여러 가스에 대한 측정을 위해 전기 화학(electrochemical) 전해조가 사용될 수 있다. 수많은 휴대용 분석기(portable analyzer)는 이러한 전기 화학 센서(electrochemical sensor)를 이용한다. 이러한 타입의 장비(instrument)는 사업장과 같은 곳의 대기질을 측정 및 평가하기 위해 주로 사용된다. 휴대용 전기 화학 전해조 배기가스 분석기(portable electrochemical cell exhaust gas analyzer)는 또한 배출 가스의 측정에 이용되기도 한다. 하지만 전기화학 센서 장비(electrochemical sensor instrument)는 일반적으로 정확도가 떨어지기 때문에 대체로 배출물 규제 정규시험(regulated emission test procedure)에서는 그 사용이 허용되지 않는다. 전기화학 장비(electrochemical instrument)는 교차 민감도, 전해조의 성능 악화, 휴대용 측정의 어려움으로 인해 측정 오차(error)가 발생할 수 있다. 휴대용으로도 정확하게 측정 대상 가스에 대한 측정을 수행할 수 있는 측정 기기가 필요하다.
KR 10-2006-0088896
본 발명의 일 측면은 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법은 배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 분석을 위한 제1 복수의 기체를 유입받는 단계, 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제1 복수의 기체를 기반으로 한 불꽃 이온화 반응을 수행하는 단계와 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호를 카운팅하여 제1 배기 가스를 분석하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 제1 복수의 기체는 상기 제1 배기 가스, 제1 수소, 제1 HC이 제거된 공기 및 제1 교정 가스를 포함할 수 있다.
한편, 상기 불꽃 이온화 반응은 상기 제1 배기 가스의 연소에 따라 이온을 방출시키고, 상기 펄스 신호는 상기 이온을 기반으로 생성될 수 있다.
또한, 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법은 상기 배기 가스 분석 장치가 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제1 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하는 단계, 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 배기 가스에 대한 재분석을 위한 제2 복수의 기체를 유입받는 단계, 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제2 복수의 기체를 기반으로 한 상기 불꽃 이온화 반응을 수행하는 단계, 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제2 펄스 신호를 카운팅하여 상기 제2 배기 가스를 분석하는 단계와 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제1 배기 가스에 대한 분석 및 상기 제2 배기 가스에 대한 분석을 기반으로 최종 배기 가스 분석 결과를 생성하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 제2 복수의 기체는 상기 제2 배기 가스, 제2 수소, 제2 HC이 제거된 공기 및 제2 교정 가스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기 가스 분석 장치로 유입되어 상기 불꽃 이온화 반응을 위해 설정되는 상기 제2 배기 가스의 압력은 상기 제1 배기 가스의 압력과 다를 수 있다.
또한, 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법은 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응시 상기 제1 수소의 유입 속도 및 상기 제1 HC이 제거된 공기의 유입 속도에 의해 발생된 수증기 양을 측정하는 단계와 상기 배기 가스 분석 장치가 상기 수증기 양을 기반으로 상기 제2 수소의 유입 속도 및 상기 제2 HC이 제거된 공기의 유입 속도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 배기 가스에 대한 분석을 위한 제1 복수의 기체를 유입받고, 상기 제1 복수의 기체를 기반으로 한 불꽃 이온화 반응을 수행하고, 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호를 카운팅하여 제1 배기 가스를 분석하도록 구현될 수 있되, 상기 제1 복수의 기체는 상기 제1 배기 가스, 제1 수소, 제1 HC이 제거된 공기 및 제1 교정 가스를 포함할 수 있다.
한편, 상기 불꽃 이온화 반응은 상기 제1 배기 가스의 연소에 따라 이온을 방출시키고, 상기 펄스 신호는 상기 이온을 기반으로 생성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제1 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하고, 상기 배기 가스에 대한 재분석을 위한 제2 복수의 기체를 유입받고, 상기 제2 복수의 기체를 기반으로 한 상기 불꽃 이온화 반응을 수행하고, 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제2 펄스 신호를 카운팅하여 상기 제2 배기 가스를 분석하고, 상기 제1 배기 가스에 대한 분석 및 상기 제2 배기 가스에 대한 분석을 기반으로 최종 배기 가스 분석 결과를 생성하도록 구현될 수 있되, 상기 제2 복수의 기체는 상기 제2 배기 가스, 제2 수소, 제2 HC이 제거된 공기 및 제2 교정 가스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기 가스 분석 장치로 유입되어 상기 불꽃 이온화 반응을 위해 설정되는 상기 제2 배기 가스의 압력은 상기 제1 배기 가스의 압력과 다를 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 불꽃 이온화 반응시 상기 제1 수소의 유입 속도 및 상기 제1 HC이 제거된 공기의 유입 속도에 의해 발생된 수증기 양을 측정하고, 상기 수증기 양을 기반으로 상기 제2 수소의 유입 속도 및 상기 제2 HC이 제거된 공기의 유입 속도를 결정하도록 구현될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 측면에 따르면, 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법을 기반으로 간단하게 휴대용으로 구현된 배기가스 측정 장치를 기반으로 보다 정확하게 디지털화 처리된 가스 측정 결과를 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 방법을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치의 배기 가스 분석 동작을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치의 배기 가스 분석 동작을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 신호의 디지털 처리 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치 내의 기체의 흐름을 조정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 방법을 나타낸 개념도이다.
도 1에서는 불꽃 이온화 검출기(flame ionization detector, FID)를 기반으로 한 배기 가스의 분석 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치는 불꽃 이온화 검출기를 기반으로 배기 가스에 대한 분석을 수행하되 디지털 방식의 분석을 수행할 수 있다. 이뿐만 아니라 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치는 휴대용으로 구현되어 다양한 장소에서 배출되는 배기 가스에 대한 탐지를 수행할 수 있다.
도 1을 참조하면, 불꽃 이온화 검출기에 수소(100), HC(탄화수소)가 포함되지 않은 공기(110), 교정 가스(120) 및 배기 가스(130)가 삽입될 수 있다.
교정 가스(120)는 배기 가스(130)의 단위량을 조절하기 위해 배기 가스 분석 장치로 삽입될 수 있다. 배기 가스 분석 장치로 삽입되는 교정 가스(120)를 기반으로 배기 가스(130)의 농도가 ‘1%아르곤’등과 같이 변경 또는 설정될 수 있다.
수소(100) 및 HC가 포함되지 않은 공기(110)는 배기 가스(130)와 결합되고 연소실(140)에서 산화될 수 있다. 배기 가스(130)와 수소(100)가 결합되는 이유는 연소실(140)에서 배기 가스(130)가 연소될 경우, 이온을 방출시키기 위해서이다. 불꽃 이온화 검출기의 연소실(140)에서는 배기 가스(130)의 연소에 따른 불꽃 이온화 반응이 수행되고 불꽃 이온화 반응에 따라 이온이 방출될 수 있다.
구체적으로 불꽃 이온화 검출기는 비-이온화 수소화염(non-ionized hydrogen flame)에서 탄화 수소가 연소되는 동안 자유 전자(free electron)와 양이온(positive ion)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 약 10 pA 정도의 전류가 버너(burner)와 100 ~ 300 V 로 승압된 전극(elecrode) 사이에서 생성될 수 있고, 이러한 전류는 화염을 지나가는 탄소 원자(carbon atom) 개수의 함수일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 불꽃 이온화 검출기에서 측정 가능한 탄화수소류(hydrocarbons)는 탄소(carbon)를 함유하는 모든 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석을 위한 불꽃 이온화 검출기는 방출된 이온의 개수를 기반으로 디지털식으로 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다. 배기 가스 분석을 위한 불꽃 이온화 검출기는 이온의 개수에 대한 카운팅을 기반으로 보다 정밀하게 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다. 예를 들어, 기존의 배기 가스 분석 장치에서는 10PPM(parts per million) 이하의 배기 가스 성분에 대한 측정이 불가능하였다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석을 위한 불꽃 이온화 검출기가 사용되는 경우, 반도체/ 디스플레이의 생산 라인에서 발생할 수 있는 10PPM 이하의 작은 가스 누출(LEAKAGE)도 탐지될 수 있다. 특히, 반도체 라인의 경우 셀 수 없을 만큼 많은 배관이나 설비가 있는데, 여기서 누설되는 배기 가스를 일일이 체크하는 것도 어려우며, 각 배관에서 누설되는 양이 상당히 작기 때문에, 기존 방식으로는 누설되는 배기 가스에 대한 체크가 수행될 수 없다. 따라서, 관리자는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 방식으로 동작하는 불꽃 이온화 검출기를 기반으로 한 배기 가스 분석 장치를 통해 휴대하여 누출되는 배기 가스에 대해 탐지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2에서는 본 발명의 실시예에 따른 불꽃 이온화 검출기를 포함하는 휴대용 배기 가스 분석 장치가 개시된다.
도 2를 참조하면, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스 검출부(200), 공기 주입부(210), 수소 주입부(220), 펄스 카운팅부(230), 데이터 획득부(240), 데이터 처리부(250), 표시부(260), 입력부(270) 및 프로세서(280)를 포함할 수 있다.
배기 가스 검출부(200)는 삽입되는 배기 가스에 대한 검출을 위해 구현될 수 있다. 배기 가스 검출부(200)는 불꽃 이온화 검출기를 기반으로 배기 가스에 대한 검출을 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이 배기 가스 검출부(200)의 불꽃 이온화 검출기는 공기 주입부(210)로부터 HC가 제거된 공기를 주입받고, 수소 주입부(220)로부터 수소를 주입받아서 버너와 전극을 기반으로 배기 가스에 대한 연소 절차를 수행할 수 있다. 불꽃 이온화 검출기의 연소실에서 배기 가스에 대한 불꽃 이온화 반응이 수행되고 불꽃 이온화 반응에 따라 이온이 방출될 수 있다.
공기 주입부(210)는 배기 가스 검출부(200)로 공기(예를 들어, HC가 제거된 공기)를 주입하기 위해 구현될 수 있다.
수소 주입부(220)는 배기 가스 검출부(200)로 수소를 주입하기 위해 구현될 수 있다.
펄스 카운팅부(230)는 배기 가스 검출부(200)에 의해 발생된 이온의 개수를 카운팅하기 위해 구현될 수 있다. 배기 가스 검출부(200)에서 발생된 이온들은 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 펄스 카운팅부(230)는 이러한 이온으로 인한 펄스 신호를 카운팅하기 위해 구현될 수 있다.
데이터 획득부(240)는 펄스 카운팅부(230)에 의해 카운팅된 이온을 기반으로 한 펄스 신호 데이터를 획득하기 위해 구현될 수 있다. 데이터 획득부(240)는 펄스 카운팅부(230)에 의해 카운팅된 이온에 대한 정보를 획득할 수 있다.
데이터 처리부(250)는 데이터 획득부(240)에 의해 획득된 정보를 처리하기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 데이터 처리부(250)는 데이터 획득부(240)에서 전송된 신호를 기반으로 배기 가스의 분석 정보를 생성할 수 있다.
표시부(260)는 데이터 처리부(150)에 의해 생성된 배기 가스의 분석 정보를 표시하기 위해 구현될 수 있다.
입력부(270)는 입력되는 공기의 양, 수소의 양 등을 조절하거나 배기 가스 분석 장치에 포함된 각 구성부의 동작을 위한 입력 정보의 입력을 위해 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치의 배기 가스 분석 동작을 나타낸 개념도이다.
도 3에서는 배기 가스 분석 장치가 정상 범위를 벋어난 이상 상황을 탐지한 경우 배기 가스 분석 장치의 추가적인 배기 가스 분석 동작이 개시된다.
도 3을 참조하면, 배기 가스 분석 장치는 이상 상황을 탐지한 경우, 추가적인 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다. 예를 들어, 디지털화된 배기 가스 분석 정보는 배기 가스 분석 장치에 저장된 정상 상황시의 배기 가스 분석 정보와 비교되어 특정 가스의 유출의 발생 여부를 탐지하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사업장마다 특정 가스에 대한 탐지를 세밀하게 수행하기 위해 배기 가스 분석 장치로 중점적으로 탐지될 가스에 대한 정보가 입력될 수도 있다. 예를 들어, 배기 가스 분석 장치는 특정 사업장에서 누출 가능한 X 가스에 대한 탐지를 수행할 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 X 가스에 대한 불꽃 이온화 반응 정보를 입력받고, 입력받은 불꽃 이온화 반응 정보를 기반으로 X 가스에 대한 누출 여부를 탐지할 수 있다. X 가스에 대한 불꽃 이온화 반응 정보는 X 가스의 누출 양에 따른 생성되는 펄스 신호의 세기에 대한 정보를 포함할 수 있다.
배기 가스 분석 장치는 디지털화된 배기 가스 분석 정보를 기반으로 X 가스에 대한 탐지를 수행할 수 있다.
배기 가스 분석 장치는 설정된 임계 세기 이상의 펄스가 검출되는 경우, X 가스의 누출량이 정상 범위를 벋어났음을 탐지할 수 있다. 이러한 경우, 배기 가스 분석 장치는 정확하게 배기 가스 누출 여부의 탐지 신뢰도를 높이기 위해 재탐지 절차를 수행할 수 있다.
정확한 재탐지 절차를 위해 배기 가스 분석 장치에서는 이전에 탐지를 위해 입력된 배기 가스를 배출하기 위한 절차가 수행될 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 분석 장치에는 내부의 배기 가스의 배출을 위한 진공 상태 구현부(320)가 구현될 수 있다. 진공 상태 구현부(320)가 동작하는 경우, 배기 가스 검출부(300) 내부의 배기 가스 및 다른 기체들은 모두 외부로 유출되고, 배기 가스 검출부(300)는 진공 상태를 유지할 수 있다.
이러한 경우, 불꽃 이온화 반응이 중단되고, 펄스 카운팅부와 같은 배기 가스에 대한 검출을 수행하는 구성부는 초기화될 수 있다.
이후, 배기 가스 검출부(300)가 진공 상태로 전환된 후, 배기 가스 및 다른 기체들에 대한 재유입 절차가 수행될 수 있다. 배기 가스 검출부(300)는 다시 배기 가스, HC가 포함되지 않은 공기, 교정 가스를 유입받고 배기 가스에 대한 재탐지 절차를 수행할 수 있다.
위와 같은 절차를 통해 설정된 횟수의 배기 가스에 대한 탐지 절차가 수행될 수 있다. 설정된 횟수의 배기 가스에 대한 탐지 결과, 탐색된 배기 가스의 양이 정상 범위를 벋어난 경우, 배기 가스 누출에 대한 정보를 네트워크를 통해 외부로 전달하거나 디스플레이를 통해 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치의 배기 가스 분석 동작을 나타낸 개념도이다.
도 4에서는 배기 가스 분석 장치의 배기 가스 분석 동작이 개시된다.
도 4를 참조하면, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스 분석부 내부의 혼합된 공기를 다양한 압력으로 설정하여 배기 가스에 대한 분석 절차를 수행할 수 있다.
배기 가스 분석 장치는 배기 가스 분석부로 유입되는 복수의 기체 각각의 압력을 설정할 수 있다. 전술한 바와 같이 배기 가스 분석부로 수소, HC가 포함되지 않은 공기, 교정 가스 및 배기 가스가 유입될 수 있는데, 배기 가스 분석부 내부의 수소, HC가 포함되지 않은 공기, 교정 가스 및 배기 가스 각각의 압력이 조정될 수 있다.
예를 들어, 배기 가스 분석부에서 기본적으로 설정되는 배기 가스의 압력이 디폴트 압력이라고 하면, 배기 가스 분석부로 입력되는 배기 가스의 압력은 디폴트 압력의 복수배로 설정될 수 있다.
이러한 경우, 배기 가스가 디폴트 압력일 때 이온화 반응으로 인한 펄스의 크기가 제1 크기라고 할 경우, 배기 가스가 디폴트 압력의 2배일 때 이온화 반응으로 인한 펄스의 크기는 제2 크기로 변할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치에서는 배기 가스 분석부로 유입되는 배기 가스의 압력을 조절하여 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다.
예를 들어, 배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 1차 탐색을 수행할 경우, 배기 가스 분석 장치가 배기 가스의 압력을 제1 압력으로 설정하여 배기 가스에 대한 1차 탐색을 수행할 수 있다. 또한, 배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 2차 탐색을 수행할 경우, 배기 가스 분석 장치가 배기 가스의 압력을 제2 압력으로 설정하여 배기 가스에 대한 2차 탐색을 수행할 수 있다.
배기 가스 분석부 내에서 서로 다른 압력의 설정을 위해 도 3에서 전술한 바와 같이 진공 상태 구현부가 진공 상태 구현 절차를 수행하고, 배기 가스 분석부는 다시 배기 가스를 유입받아 배기 가스를 이전의 분석시와 다른 압력으로 설정할 수 있다.
배기 가스에 대한 1차 탐색(410)의 결과는 1차 탐색시의 배기 가스의 제1 압력(430)을 고려하여 결정되고, 배기 가스에 대한 2차 탐색(430)의 결과는 2차 탐색시의 배기 가스의 제2 압력(440)을 고려하여 결정될 수 있다. 1차 탐색(410)의 결과와 2차 탐색(420)의 결과가 동일할 경우, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스에 대한 분석 결과가 정확한 것으로 판단하고 최종 배기 가스 분석 결과(450)를 네트워크를 통해 외부로 전송하거나, 디스플레이를 통해 출력할 수 있다.
1차 탐색(410)의 결과와 2차 탐색(420)의 결과가 동일하지 않은 경우, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스에 대한 분석 결과가 정확하지 않은 것으로 판단하고 배기 가스 분석 절차를 다시 수행할 수 있다. 배기 가스에 대한 재분석 절차를 수행할 경우, 배기 가스 분석부는 배기 가스의 압력을 제3 압력으로 설정하여 배기 가스에 대한 재분석을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 신호의 디지털 처리 방법을 나타낸 개념도이다.
도 5에서는 배기 가스에 대한 탐색 절차가 진행되는 경우, 펄스 신호를 처리하여 배기 가스에 대한 정보를 획득하는 방법이 개시된다.
도 5를 참조하면, 배기 가스 분석부에 높은 농도의 배기 가스가 유입되는 경우, 펄스 신호의 세기가 커질 수 있고, 전위계도 너무 큰 펄스 신호로 인해 과부하가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기 가스의 농도가 높아지고 높아진 배기 가스의 농도로 인해 불꽃 이온화 반응을 기반으로 일정 크기 이상의 펄스 신호가 발생하는 경우, 배기 가스 분석 장치는 펄스 신호의 측정 범위 및 0점을 다르게 설정할 수 있다.
예를 들어, 디폴트 모드에서 배기 가스 농도의 측정 범위는 제1 범위로 설정할 수 있다. 디폴트 모드에서 펄스 신호의 영점이 제1 지점으로 설정될 수 있고, 측정 스케일이 제1 단위로 설정될 수 있다.
만약, 펄스 신호의 피크의 크기가 상위 임계 범위를 넘어선 경우, 배기 가스 농도의 측정 범위는 제2 범위로 설정될 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 펄스 신호의 영점을 제2 지점으로 설정하고, 측정 스케일을 제2 단위로 설정할 수 있다. 또한, 펄스 신호의 피크의 크기가 상위 임계 범위를 넘어선 경우, 배기 가스 분석 장치는 전류 증폭도를 감소시킬 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 전류 증폭도의 감소를 반영하여 배기 가스의 농도를 산출할 수 있다. 상위 임계 범위는 피크의 크기로 인해 절단(truncation)이 발생되는 범위일 수 있다.
제2 지점은 제1 지점보다 낮은 지점으로 설정될 수 있고, 또한, 제2 단위는 제1 단위보다 큰 단위로 설정될 수 있다. 제2 범위는 제1 범위보다 넓은 범위일 수 있다. 이러한 설정을 기반으로 피크에 대한 절단이 발생하지 않고, 배기 가스 분석 장치의 측정 가능한 범위에서 피크가 발생될 수 있다.
반대로, 펄스 신호의 피크의 크기가 하위 임계 범위보다 작은 경우, 배기 가스 농도의 측정 범위는 제3 범위로 설정될 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 펄스의 영점을 제3 지점으로 설정하고, 측정 스케일을 제3 단위로 설정할 수 있다. 또한, 펄스 신호의 피크의 크기가 하위 임계 범위보다 작은 경우, 배기 가스 분석 장치는 전류 증폭도를 증가시킬 수도 있다.
하위 임계 범위는 펄스 신호를 생성하기 위한 기본적인 전류 증폭보다 더 큰 증폭이 필요한 범위일 수 있다. 제3 지점은 제1 지점보다 높은 지점으로 설정될 수 있고, 또한, 제3 단위는 제1 단위보다 작은 단위로 설정될 수 있다. 이러한 설정을 기반으로 불꽃 이온화 반응으로 작은 이온만이 발생한 경우에도 배기 가스 농도에 대한 정확한 측정이 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치 내의 기체의 흐름을 조정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6에서는 수소, 공기와 같은 배기 가스 분석부로 유입되는 기체의 흐름 속도를 조정하여 배기 가스에 대한 분석을 수행하는 방법이 개시된다.
도 6을 참조하면, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스가 수소-공기 불꽃에서 연소될 때 양이온과 전자가 생성되는 불꽃 이온화 현상을 기반으로 배기 가스를 분석할 수 있다.
배기 가스 분석 장치에서 수행되는 불꽃 이온화 반응은 운반 기체의 종류와 흐름 속도 및 불꽃의 온도 등에 의해 영향을 받을 수 있다. 불꽃의 온도는 수소 및 공기의 상대적 흐름 속도에 의해 결정된다.
예를 들어, 수소의 흐름 속도가 과다하게 증가하면 불꽃으로부터 생성되는 수증기의 양이 증가되어 검출기 바탕 전류(detector background current)와 잡음 크기가 증가할 수 있다. 공기의 흐름 속도는 수소의 흐름 속도보다 정확한 배기 가스의 검출에 큰 영향을 주지는 않으나 수증기를 연소실 외부로 배출시킬 만큼 충분히 커야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치는 수소의 흐름 속도와 공기의 흐름 속도를 설정하여 조절할 수 있다. 불꽃 이온화 반응이 수행되는 경우, 수소의 산화로 인해 수증기가 발생될 수 있다. 발생되는 수증기의 양이 계속적으로 증가하는 경우, 바탕 전류와 잡음 크기가 증가할 수 있다. 따라서, 수소의 흐름 속도와 공기의 흐름 속도를 조절하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 분석 장치의 수소 유입부 및 공기 유입부 각각에 수소와 공기의 유입 속도의 조절을 위한 장치가 위치할 수 있다.
수소 유입 속도 조정부(610)는 수소 유입 속도 결정부(600)를 통해 전송된 결정된 수소 유입 속도를 기반으로 수소 유입 속도를 조정할 수 있다.
수소 유입 속도 결정부(600)는 불꽃으로 인해 발생된 수증기의 양에 대해 측정할 수 있고, 수증기의 양에 따라 수소 유입 속도를 결정할 수 있다. 불꽃으로 인해 발생되는 수증기의 양은 다양한 방법으로 측정될 수 있다. 수증기의 발생량은 불꽃 반응이 일어나는 위치에 설치된 수증기 양 예측판을 기반으로 측정될 수 있다. 불꽃 반응에 의해 수증기가 발생되는 경우, 유리 또는 광택이 있는 재질로 구현된 판상형의 수증기 양 예측판은 수증기의 응축으로 인해 뿌옇게 흐려질 수 있다. 이러한 수증기 양 예측판은 수증기의 응축으로 인해 뿌옇게 흐려지는 면적을 기반으로 현재 수소의 양이 적정량인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 수증기 양 예측판의 면적의 제1 임계값(예를 들어, 70%) 이상이 흐려지는 경우, 수소 유입 속도 결정부(600)는 수소의 양이 현재 적정량보다 많은 것으로 판단할 수 있다. 반대로 수증기 양 예측판의 면적의 제2 임계값(40% 미만)으로 흐려지는 경우, 수소 유입 속도 결정부(600)는 수소의 양이 현재 적정량보다 적은 것으로 판단할 수 있다.
수증기 양 예측판의 면적의 제1 임계값과 제2 임계값 사이인 경우, 수소 유입 속도 결정부(600)는 수소의 양을 적정량으로 판단할 수 있다.
공기 유입 속도 결정부(620)는 수소 유입 속도 결정부(600)로부터 조정되는 수소의 양을 기반으로 공기의 유입 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 공기 유입 속도 결정부(620)는 수소 유입 속도와 일정 비율(예를 들어, 1:10)의 공기 유입 속도로 공기가 배기 가스 분석부로 유입되도록 공기 유입 속도를 결정할 수 있다. 공기 유입 상태 조정부(630)는 공기 유입 속도 결정부(620)에 의해 결정된 공기 유입 속도로 공기를 배기 가스 분석부(650)로 유입시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 배기 가스 분석 장치는 배기 가스에 대한 분석을 위한 기체를 유입받는다(단계 S700).
배기 가스 분석 장치는 HC가 제거된 공기, 수소, 분석을 위한 배기 가스를 유입받을 수 있다.
공기 및 수소의 유입 속도는 불꽃 이온화 반응으로 인해 발생되는 수증기를 고려하여 결정될 수 있다. 또한, 정확한 배기 가스에 대한 분석을 위해 HC가 제거된 공기, 수소, 분석을 위한 배기 가스 각각의 압력은 조정될 수 있다.
배기 가스 분석 장치가 유입된 기체에 대한 불꽃 이온화 반응을 기반으로 배기 가스에 대한 분석을 수행한다(단계 S710).
배기 가스 분석 장치는 유입된 기체에 대한 불꽃 이온화 반응을 기반으로 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 배기 가스 검출부에서 발생된 이온들은 펄스 신호를 발생시키고 이러한 이온으로 인한 펄스 신호는 카운팅될 수 있다. 카운팅된 이온에 대한 정보를 기반으로 배기 가스의 분석 정보가 생성될 수 있다.
배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 재탐지 절차를 수행한다(단계 S720).
배기 가스 분석 장치는 배기 가스에 대한 정확한 분석을 위해서 기존의 검사를 수행한 배기 가스를 외부로 유출하고 다시 배기 가스에 대한 재탐지를 수행할 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 분석 장치에는 내부의 배기 가스의 배출을 위한 진공 상태 구현부가 구현되고, 진공 상태 구현부의 동작을 기반으로 배기 가스 검출부 내부의 배기 가스 및 다른 기체들이 모두 외부로 유출될 수 있다. 배기 가스 분석 장치는 배기 가스에 대한 분석을 위한 기체를 재유입받고, 배기 가스에 대한 분석을 수행할 수 있다.
배기 가스 분석 장치는 1차로 배기 가스에 대한 분석을 수행시 재결정된 공기, 수소의 유입 속도를 기반으로 공기와 수소를 유입받을 수 있고, 배기 가스의 압력은 1차로 배기 가스에 대한 분석을 수행시와 다르게 설정될 수 있다.
이와 같은, 불꽃 이온화 검출을 기반으로 한 배기 가스 측정 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법은,
    배기 가스 분석 장치가 배기 가스에 대한 분석을 위한 제1 복수의 기체를 유입받는 단계;
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제1 복수의 기체를 기반으로 한 불꽃 이온화 반응을 수행하는 단계; 및
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호를 카운팅하여 제1 배기 가스를 분석하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 복수의 기체는 상기 제1 배기 가스, 제1 수소, 제1 HC가 제거된 공기 및 제1 교정 가스를 포함하며,
    상기 불꽃 이온화 반응은 상기 제1 배기 가스의 연소에 따라 이온을 방출시키고,
    상기 펄스 신호는 상기 이온을 기반으로 생성되며,
    상기 배기 가스 분석 장치가 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제1 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하는 단계;
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 배기 가스에 대한 재분석을 위한 제2 복수의 기체를 유입받는 단계;
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제2 복수의 기체를 기반으로 한 상기 불꽃 이온화 반응을 수행하는 단계;
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제2 펄스 신호를 카운팅하여 제2 배기 가스를 분석하는 단계; 및
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 제1 배기 가스에 대한 분석 및 상기 제2 배기 가스에 대한 분석을 기반으로 최종 배기 가스 분석 결과를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 복수의 기체는 상기 제2 배기 가스, 제2 수소, 제2 HC가 제거된 공기 및 제2 교정 가스를 포함하고,
    상기 배기 가스 분석 장치로 유입되어 상기 불꽃 이온화 반응을 위해 설정되는 상기 제2 배기 가스의 압력은 상기 제1 배기 가스의 압력과 다르게 설정되고,
    상기 배기 가스 분석 장치가,
    상기 제1 배기 가스에 대한 1차 탐색 결과와 상기 제2 배기 가스에 대한 2차 탐색 결과가 동일하지 않으면 상기 최종 배기 가스 분석 결과가 정확하지 않은 것으로 판단하여, 상기 배기 가스의 압력을 제3 압력으로 설정하여 상기 배기 가스의 재분석을 추가수행하되,
    상기 배기 가스의 재분석을 추가수행하는 경우에는,
    상기 배기 가스 분석 장치가 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제2 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하여 진공 상태에서 상기 제3 압력의 상기 배기 가스를 유입받고,
    상기 1차 탐색 결과와 상기 2차 탐색 결과가 동일하면 상기 최종 배기 가스 분석 결과를 외부로 전송하거나 출력하며,
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호 또는 상기 제2 펄스 신호가 일정 크기 이상으로 발생하는 경우 펄스 신호의 측정 범위 및 영점이 변경되도록 하여 과부하가 방지되도록 하는 것을 특징으로 하는 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 불꽃 이온화 반응시 상기 제1 수소의 유입 속도 및 상기 제1 HC가 제거된 공기의 유입 속도에 의해 발생된 수증기 양을 측정하는 단계; 및
    상기 배기 가스 분석 장치가 상기 수증기 양을 기반으로 상기 제2 수소의 유입 속도 및 상기 제2 HC가 제거된 공기의 유입 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 방법.
  6. 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 장치에 있어서,
    상기 배기 가스 분석 장치는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 배기 가스에 대한 분석을 위한 제1 복수의 기체를 유입받고,
    상기 제1 복수의 기체를 기반으로 한 불꽃 이온화 반응을 수행하고,
    상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제1 펄스 신호를 카운팅하여 제1 배기 가스를 분석하도록 구현되되,
    상기 제1 복수의 기체는 상기 제1 배기 가스, 제1 수소, 제1 HC이 제거된 공기 및 제1 교정 가스를 포함하고,
    상기 불꽃 이온화 반응은 상기 제1 배기 가스의 연소에 따라 이온을 방출시키고,
    상기 펄스 신호는 상기 이온을 기반으로 생성되며,
    상기 프로세서는 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제1 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하고,
    상기 배기 가스에 대한 재분석을 위한 제2 복수의 기체를 유입받고,
    상기 제2 복수의 기체를 기반으로 한 상기 불꽃 이온화 반응을 수행하고,
    상기 불꽃 이온화 반응을 기반으로 발생된 제2 펄스 신호를 카운팅하여 제2 배기 가스를 분석하고,
    상기 제1 배기 가스에 대한 분석 및 상기 제2 배기 가스에 대한 분석을 기반으로 최종 배기 가스 분석 결과를 생성하도록 구현되되,
    상기 제2 복수의 기체는 상기 제2 배기 가스, 제2 수소, 제2 HC가 제거된 공기 및 제2 교정 가스를 포함하고,
    상기 배기 가스 분석 장치로 유입되어 상기 불꽃 이온화 반응을 위해 설정되는 상기 제2 배기 가스의 압력은 상기 제1 배기 가스의 압력과 다르게 설정되고,
    상기 프로세서는, 상기 제1 배기 가스에 대한 1차 탐색 결과와 상기 제2 배기 가스에 대한 2차 탐색 결과가 동일하지 않으면 상기 최종 배기 가스 분석 결과가 정확하지 않은 것으로 판단하여, 상기 배기 가스의 압력을 제3 압력으로 설정하여 상기 배기 가스의 재분석을 추가수행하도록 구현되되,
    상기 배기 가스의 재분석을 추가수행하는 경우에는,
    상기 프로세서는 진공 상태 구현부를 기반으로 상기 제2 복수의 기체를 상기 배기 가스 분석 장치의 외부로 유출하여 진공 상태에서 상기 제3 압력의 상기 배기 가스를 유입받고,
    상기 1차 탐색 결과와 상기 2차 탐색 결과가 동일하면 상기 최종 배기 가스 분석 결과를 외부로 전송하거나 출력하며,
    상기 프로세서는 상기 제1 펄스 신호 또는 상기 제2 펄스 신호가 일정 크기 이상으로 발생하는 경우 펄스 신호의 측정 범위 및 영점이 변경되도록 하여 과부하가 방지되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 불꽃 이온화 반응시 상기 제1 수소의 유입 속도 및 상기 제1 HC가 제거된 공기의 유입 속도에 의해 발생된 수증기 양을 측정하고,
    상기 수증기 양을 기반으로 상기 제2 수소의 유입 속도 및 상기 제2 HC가 제거된 공기의 유입 속도를 결정하도록 구현되는 불꽃 이온화 반응을 기반으로 한 배기 가스 분석 장치.
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