KR101720944B1 - Infrared Multi-gas measurement system in order to enhance the sensitivity of gas sensor - Google Patents

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KR101720944B1
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이승환
이근헌
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한국교통대학교산학협력단
(주) 휴마스
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Abstract

The present invention relates to an infrared multi-gas measurement device and a system thereof for improving sensitivity. More specifically, the present invention comprises: a housing having a cylindrical shape including an internal space; a first reflector having a specific curvature, and installed near an end of the internal space of the housing; an infrared light source emitting an infrared light source; a second reflector installed near the other end of the internal space and opposite the first reflector; an infrared sensor part detecting infrared light reflected from the first and second reflectors; a third reflector placed at a specific distance from the first reflector, reflecting a part of the infrared light emitted from the infrared light source; and a reference sensor part detecting the light reflected from the third reflector.

Description

감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치 및 시스템{Infrared Multi-gas measurement system in order to enhance the sensitivity of gas sensor}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an infrared multi-

본 발명은 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치 및 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 광학적 가스센서의 제작에 필요한 광학적 구조물에 관한 것으로, 광원으로부터 방사되는 빛의 경로를 효과적으로 증대시킴에 따라 감도를 향상시키고, 수증기에 따른 센서의 감도저하를 방지하기 위해 반사경에 발열체를 탑재함으로써 수분 혹은 기체의 응축에 따른 영향을 최소화하고, 광학적 센서의 감도 및 신뢰성 향상을 위해 기준 센서의 채택과 이의 보정을 통하여 주 센서 신호에 대한 신뢰성을 향상시키기 위한 광학적 가스센서에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 기준센서의 채택과 광경로 증대 및 발열체의 탑재를 통하여 감도의 향상과 신뢰성 향상을 기할 수 있는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared multi gas measurement apparatus and system for improving sensitivity. More particularly, the present invention relates to an optical structure necessary for fabricating an optical gas sensor. In order to effectively increase a path of light radiated from a light source and to prevent sensitivity degradation of a sensor due to water vapor, To an optical gas sensor for improving the reliability of a main sensor signal by adopting a reference sensor and correcting the same to minimize the influence of moisture or gas condensation and to improve the sensitivity and reliability of the optical sensor. That is, the present invention relates to an infrared multi-gas measuring apparatus and system for improving the sensitivity, which can improve the sensitivity and reliability by adopting the reference sensor, increasing the light path, and mounting the heating element.

본 발명의 출원 전에 제시된 특허의 특징과 장단점을 통하여 기술적으로 보완되어야 할 사항을 살핌으로써 기존 특허의 향상방안을 제시하고자 한다. The present invention aims to propose an improvement plan of existing patents by examining the technical features and merits of the patents presented before the invention.

이하에서 설명되는 바와 같이, 종래 국내 등록특허 제10-0694635호(이하 종래기술 1)와 제10-0732708호와 제10-1088360호(이하 종래기술 2) 및 국내 공개특허 제10-2013-0082482호(이하 종래기술 3)는 기본적으로 타원형 구조물의 형상을 취하고 있다. As described in the following, in the conventional domestic patent No. 10-0694635 (hereinafter referred to as prior art 1), in the 10-0732708 and 10-1088360 (hereinafter referred to as the prior art 2) and in the domestic patent publication 10-2013-0082482 (Hereinafter referred to as " Prior Art 3 ") basically takes the shape of an elliptical structure.

또한, 국내 등록특허 제10-0959611호(이하 종래기술 4)와 제10-1108495호(이하 종래기술 5)는 센서부의 앞단에 집광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. In addition, Korean Patent No. 10-0959611 (hereinafter, referred to as prior art 4) and 10-1108495 (hereinafter referred to as prior art 5) include a condenser lens at the front end of the sensor section.

한편 국내 등록특허 제10-1108544호(이하 종래기술 6)와 제10-0944273호(이하 종래기술 7)는 센서 특성의 신뢰성 향상을 위한 기준 센서 혹은 기준 광원을 갖는 것을 특징으로 한다. On the other hand, Korean Patent No. 10-1108544 (hereinafter referred to as prior art 6) and No. 10-0944273 (hereinafter referred to as prior art 7) have a reference sensor or a reference light source for improving the reliability of the sensor characteristic.

따라서 이들 공개특허와 등록특허의 장점과 단점을 제시하고, 실증적으로 증명된 실험결과를 통하여 이의 보완 및 향상을 기할 수 있는 구조를 제안한다면, 보다 효과적인 광학적 센서의 제작이 용이하리라 사료되기에 제안된 특허들의 주요 사항을 제시하고 효용성을 판단하고자 한다. Therefore, if we propose the advantages and disadvantages of these patents and registered patents, and propose a structure that can complement and improve them through empirically proven experimental results, it would be easy to manufacture more effective optical sensors. The main points of the patents are presented and the utility is judged.

첫 번째로 타원형 구조물에 대해서 그림과 함께 자세하게 설명하면, 먼저, 도 1은 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되어 있는 비분산 적외선 가스센서(1)의 평면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서(1)는, 인쇄회로기반(2, PCB), 타원 돔형 반사경(3), 광원(4), 상판(5), 광센서(6), 광원고정홀(7), 청소용 구멍(8), 타원반사경(9), 광센서 결합부(10), 평판플랜지(11) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. First, Fig. 1 shows a plan view of a nondispersive infrared gas sensor 1 having an elliptical dome-shaped reflector according to the prior art 1. As shown in Fig. 1, a non-dispersive infrared gas sensor 1 provided with an elliptical dome-shaped reflector according to the prior art 1 includes a printed circuit board 2, an elliptical dome-shaped reflector 3, a light source 4, It is understood that the optical sensor is composed of the upper plate 5, the optical sensor 6, the light source fixing hole 7, the cleaning hole 8, the ellipsoidal reflector 9, the optical sensor coupling portion 10, .

이러한 종래기술 1은, 타원 돔형 반사경(3)의 제 1 초점에 설치된 광원(4)에서 방사되는 적외선이 상기 타원 돔형 반사경(3)에 반사된 후, 상기 타원 돔형 반사경(3)의 제 2 초점에 설치된 타원 반사경(9)에 집광 된 후 반사되어, 상기 타원 반사경(9)의 초점에 설치되어 있는 광센서(6)로 입사하기 때문에 반사경에서 반사되는 횟수를 최소화하여 광 손실을 방지함과 아울러 상기 광원(4)에서 방사되는 광이 손실 없이 광센서(6)로 입사하도록 하여 광센서(6)가 가스의 측정에 이용할 수 있는 광량을 최대화할 수 있는 장점을 제시하고 있으나, 타원 돔형 반사경(3)의 반만을 활용하고 하부 면에서 반사되는 빛은 센서부의 하판에 제시된 반사경을 통하여 센서부로 향하게 하는 구조를 채택하고 있다. 이러한 구조는 조사 광의 절반 이하의 광속만을 이용하고 있는 구조이고, 하부 평면에 조사 및 반사되는 빛의 경우, 이를 효과적으로 센서부에 조사시키는 것은 광학적 센서부에 부착된 필터를 통과 시 굴절에 의해 적절하게 필터 하단에 위치한 적외선 검출 소자에 조사되기 어려운 단점을 갖고 있다고 볼 수 있다. 또한 이 구조는 외부상태가 고온 고습의 상태에서 온도가 변화하는 경우, 수증기가 광학적 구조물 내부면에 응축되고 이로인해 광원에서 방사되는 적외선의 산란에 의해 요구되는 출력이 저하되어 정확한 가스농도 측정이 불가하던가 혹은 추가적인 보정작업을 요구하게 된다. In this prior art 1, after the infrared rays radiated from the light source 4 provided at the first focus of the elliptical dome-shaped reflector 3 are reflected by the elliptical dome-shaped reflector 3, And is incident on the optical sensor 6 provided at the focal point of the elliptical reflecting mirror 9, the number of times of reflection by the reflecting mirror is minimized to prevent light loss, Although the light emitted from the light source 4 is incident on the photosensor 6 without loss, it is advantageous that the photosensor 6 can maximize the amount of light that can be used for measuring the gas. However, the elliptical domed reflector 3) is utilized and the light reflected from the lower surface is directed to the sensor portion through the reflector shown in the lower plate of the sensor portion. Such a structure uses only a luminous flux of less than half of the irradiation light. In the case of light irradiated and reflected on the lower plane, it is preferable to irradiate the light to the sensor part effectively by the filter attached to the optical sensor part, It is difficult to be irradiated to the infrared detecting element located at the bottom of the filter. In this structure, when the temperature changes in a state where the external state is high temperature and high humidity, the steam is condensed on the inner surface of the optical structure, and the output required by the scattering of infrared rays radiated from the light source is lowered, Or require additional calibration work.

한편, 도 2는 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서는 광도파관(20), 제1타원경(21), 제1타원(21a), 제1초점(21b), 제2타원경(22), 제2타원(22a), 제2초점(22b), 광원(23), 광검출기(24), 제1광검출윈도우(25), 제2광검출윈도우(26) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 2 shows an optical waveguide having a plurality of independent optical paths according to the prior art 2 and an NDIR gas sensor using the optical waveguide. 2, an optical waveguide having a plurality of independent optical paths and an NDIR gas sensor using the optical waveguide according to the related art 2 includes an optical waveguide 20, a first elliptic mirror 21, a first ellipse 21a, The first focus 21b, the second ellipse 22, the second ellipse 22a, the second focus 22b, the light source 23, the photodetector 24, the first optical detection window 25, 2 light detection windows 26, and the like.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술 2는, 공통 광원에서 조사되는 빛은 공통초점을 공유하나 서로 상이한 타원형 반사경(21,22)을 통하여 우측의 광학적 센서부에 도달하는 구조를 갖고 있으며, 두 개 이상의 광학센서에 의해 측정이 가능한 구조를 취하고 있다. 이러한 구조는 소형의 구조물 제작이 용이하고, 부가적인 렌즈 없이 집광할 수 있는 구조라는 장점을 갖고 있으나, 두 개의 센서에 도달하는 광량은 구조상으로 최대 1/4 정도의 광만을 집속할 수 있고, 3 차원적인 광학적 구조물의 제작 및 기존 광학센서(적외선 써모파일, 볼로미터 혹은 PIR 센서)의 FOV(Field Of View)에 조사되는 구조물 제작에 어려움을 갖고 있다는 단점을 내포하고 있다. 2, the light emitted from the common light source has a structure that reaches the optical sensor portion on the right side through the elliptical reflectors 21 and 22, which share a common focal point but are different from each other. Or more optical sensors. This structure has the advantage that it is easy to fabricate a small structure and can concentrate without additional lens. However, the amount of light reaching two sensors can focus only a maximum of 1/4 of light in structure, and 3 Dimensional optical structure and the difficulty in fabricating the structures irradiated to the field of view (FOV) of existing optical sensors (infrared thermopiles, bolometers or PIR sensors).

또한, 도 3은 종래기술 3에 따른 광도파관의 개념도를 도시한 것이다. 도 3에 제시된 구조는 서로 평행하고 마주보는 두 개의 포물경(제1포물경(31), 제2포물경(32)에 의한 광학적 구조물을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 포물경(31, 32)만을 사용하여 제 2 초점 부근에서 집광하며, 포물경의 형상과 배치방법에 따라 두 개 이상의 광센서를 통한 측정이 가능하다는 장점을 보이고 있다. 그러나 포물경만을 사용한 종래기술 3의 구조는 J.S. Park and S.H. Yi가 Sensors and Materials (2011년 논문)에 제시한 바와 같이 집광패턴이 원형이 아닌 형상을 나타내기에 효율적인 광의 사용이라고 할 수 없는 단점을 지닌 구조라 할 수 있을 것이다. 3 is a conceptual diagram of an optical waveguide according to Prior Art 3. In FIG. The structure shown in Fig. 3 shows two optical surfaces parallel to each other and opposed to each other (the first optical fiber 31 and the second optical fiber 32). As shown in Fig. 3, The light is converged in the vicinity of the second focus using only the first and second light sources 31 and 32. According to the shape and arrangement method of the paraboloid, it is possible to perform measurement using two or more optical sensors. As shown in JS Park and SH Yi's Sensors and Materials (2011 paper), it can be said that the condensation pattern has a disadvantage that it can not be said to be efficient light because it shows a shape that is not circular.

또한 도 4는 종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치(40)는 케이스부(41), 발광부(42), 산란부(43), 수광부(44), 주입관(45), 고정부(46), 적외선 광원(47), 광원고정판(48), 광검출부기판(49), 적외선센서(50), 렌즈부(51), PCB(52), 핀공(53), 삽입공(54), 통공(55), 멤브레인(56) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 4 is an exploded perspective view of a non-dispersion infrared gas analysis apparatus having an intensive lens according to Prior Art 4. 4, the nondispersive infrared gas analyzer 40 having the collecting lens includes a case 41, a light emitting portion 42, a scattering portion 43, a light receiving portion 44, an injection tube 45 A fixing unit 46, an infrared light source 47, a light source fixing plate 48, a light detecting unit substrate 49, an infrared sensor 50, a lens unit 51, a PCB 52, a fin hole 53, Hole 54, through-hole 55, membrane 56, and the like.

도 4에 도시된 바와 같이, 집광을 위한 렌즈부(51)를 포함함으로써 적외선 센서(50)에 광을 효율적으로 사용함으로써 센서의 출력을 향상하고자 하는 장점을 지니고 있다. 그러나 상대적으로 광 경로(Optical Path)가 짧고, 추가적인 렌즈의 장착으로 인해 제조 원가의 상승이라는 단점을 지니고 있다. As shown in FIG. 4, by including the lens portion 51 for condensing light, the light is efficiently used for the infrared sensor 50, thereby improving the output of the sensor. However, the optical path is relatively short, and the manufacturing cost is increased due to the mounting of the additional lens.

그리고, 도 5는 종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서(60, 광학적 구조물)의 단면도를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술 5는 광원램프(61), 타원반사경(62), 통기구(63), 적외선센서(64) 등을 포함하여 구성됨을 알수 있다. 5 shows a cross-sectional view of a nondispersive infrared gas sensor 60 (optical structure) according to the related art 5. 5, the conventional art 5 includes a light source lamp 61, an elliptic reflector 62, a ventilation hole 63, an infrared ray sensor 64, and the like.

도 5에 도시된 종래기술 5는, 적외선 센서(64, 비냉각형 볼로미터 센서) 앞단에 렌즈(표면에 나노 및 마이크로미터 사이즈 이상 특정 형태의 어레이 패턴을 형성된 타원 반사경(62))를 채택하고 있으므로 인해 광 강도를 향상시킬 수 있는 장점을 지니고 있으나, 종래기술 4와 같이, 추가적인 부품의 사용으로 원가상승의 요인을 갖고 있을 뿐만 아니라 광 경로 증대를 위해 광학적 구조물(60)의 상하좌우 벽면에서의 반사를 인위적으로 형성하기 위해 반사경(62) 구조를 채택함으로써 광학적 센서부(64)에 도달하는 광량이 상대적으로 작아진다는 단점을 지니고 있게 되는 특성을 갖고 있다. 5 adopts a lens (an elliptical reflector 62 having an array pattern of a specific type of nano- and micrometer-size or more formed on its surface) in front of an infrared sensor 64 (uncooled bolometer sensor) However, as in the case of the prior art 4, not only the cost increases due to the use of additional parts but also the reflection from the upper, lower, right and left wall surfaces of the optical structure 60 for increasing the optical path It has the disadvantage that the amount of light reaching the optical sensor portion 64 is relatively small by adopting the structure of the reflector 62 to artificially form.

또한, 도 6은 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치의 공기 흐름도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치(70)는 적외선 램프(71), 반사경(72), 광센서(73), 광도파관(74), 제2공기유입구(75), 공기유출구(76), 제1공기유입구(77) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 6 shows an air flow chart of the non-dispersive infrared gas measuring apparatus according to the prior art 6. Fig. 6, the nondispersive infrared gas measuring apparatus 70 according to the prior art 6 includes an infrared lamp 71, a reflector 72, an optical sensor 73, an optical waveguide 74, a second air inlet 74, The air outlet 75, the air outlet 76, the first air inlet 77, and the like.

그리고, 도 7은 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광공동(80), 우후방반사경(81), 좌후방반사경(82), 좌측반사경(83), 좌전방반사경(84), 우전방반사경(85), 광원고정부(86), 광센서고정부(87), 가스측정용 적외선광원부(91), 신호보상용 적외선광원부(92), 광센서부(93) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 7 shows a cross-sectional view of a non-dispersive infrared gas sensor according to the prior art 7. In FIG. 7, the non-dispersive infrared gas sensor according to Prior Art 7 includes an optical cavity 80, a right rear reflector 81, a left rear reflector 82, a left reflector 83, a left front reflector 84 A right front reflector 85, a light source fixing portion 86, an optical sensor fixing portion 87, a gas measuring infrared light source portion 91, a signal compensating infrared light source portion 92, a light sensor portion 93, As shown in FIG.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술 6에서는, 신뢰성 향상을 위해 기준 센서를 구비하고 있고, 종래기술 7에서는 기준 광원 갖는 것을 특징으로 하고 있다. As shown in Fig. 6, in the prior art 6, a reference sensor is provided for improving reliability, and in the prior art 7, a reference light source is provided.

구체적으로 도 6에 도시된 종래기술 6의 장점은 동일 광원을 사용하되 두 개의 적외선 센서를 사용함으로써 하나는 기준 센서로 광원의 경시변화에 따른 기준 센서의 출력상태를 초기와 비교, 평가함으로써 측정 센서의 시간적 변화에 따른 출력변화를 보상시킬 수 있는 장점을 지니고 광 경로가 긴 특징을 지니고 있으나, 적외선 센서의 초단에 입사되는 적외선을 집광시킬 수 있는 특별한 구조가 없음으로 인해 센서의 출력전압이 렌즈가 있는 구조에 비해 작은 특성을 지닐 수밖에 없는 구조적 단점을 지니고 있다. Specifically, the advantage of the prior art 6 shown in FIG. 6 is that the same light source is used but two infrared sensors are used. One is a reference sensor that compares and evaluates the output state of the reference sensor with the change of the light source with time, And the output path of the sensor is shortened due to the absence of a special structure capable of condensing the infrared rays incident on the first end of the infrared sensor, Which has a structural disadvantage that it has a small characteristic.

또한, 도 7에 도시된 종래기술 7의 장점은 신호보상용 적외선광원부(기준광원, 92)과 가스측정용 적외선광원부(주 광원, 91), 즉 복수의 광원을 사용하여 주기적으로 광센서부(적외선 센서, 93)의 출력을 보정할 수 있고, 다수개의 반사경을 통하여 광 경로를 길게 함으로써 광센서부(93)의 감도를 향상시킬 수 있는 장점을 지니며 장기 신뢰성 향상에 도움을 줄 수 있는 구조를 지니고 있다. 그러나 광센서부(93)에 도달하는 광의 패턴은 평행하게 입사됨으로써 렌즈를 사용하는 구조들 혹은 타원 구조보다 광 강도의 향상을 통한 긴 파장대(> 6 ㎛)의 가스 측정에는 용이하지 않는 단점을 지니게 되는 특성을 보일 것이다.The advantage of the prior art 7 shown in FIG. 7 is that the infrared light source unit (reference light source) 92 for signal compensation and the infrared light source unit (main light source) 91 for gas measurement, that is, The output of the infrared sensor 93 can be corrected and the optical path length can be extended through the plurality of reflectors to improve the sensitivity of the optical sensor unit 93, Respectively. However, since the pattern of light reaching the optical sensor unit 93 is incident in parallel, it is not easy to measure gas of a long wavelength band (> 6 [mu] m) by improving the light intensity over structures using a lens or an elliptic structure .

상기 제시한 모든 광학적 구조물을 사용한 광학적 가스센서의 내부 반사경이 고습도 영역에서 작동하게 되는 경우, 즉 주변의 온도는 25 도로 일정한데 측정하고자 하는 가스가 수증기를 다량 포함하고 유입되는 가스의 온도가 35 도에 이르는 경우, 가스에 포함되어 있는 수증기가 광학적 구조물의 내부 반사경에서 응축되어 조사되는 적외선의 난반사를 일으키게 하고, 이로 인해 적외선 센서에 도달하는 광 에너지의 감소를 유발하게 된다. 또한 현재까지 알려져 있는 광학적 가스 센서의 광 경로는 대략 수cm에서 수십 cm정도이기에 저농도 측정시의 측정 정밀도 향상에 한계가 있다. When the internal reflector of the optical gas sensor using all of the optical structures described above is operated in a high humidity region, that is, the ambient temperature is constant at 25 degrees, the gas to be measured contains a large amount of water vapor and the temperature of the introduced gas is 35 degrees The water vapor contained in the gas is condensed in the inner reflector of the optical structure to cause irregular reflection of the infrared rays to be irradiated, thereby causing reduction of light energy reaching the infrared sensor. In addition, since the optical path of the optical gas sensor known to date is about several centimeters to several tens centimeters, there is a limit to improvement in the measurement accuracy in low-concentration measurement.

따라서 주변온도보다 월등히 높은 온도의 수증기를 함유한 가스가 유입되었을 때, 수증기의 응축을 최대한 방지하면서 가스의 농도를 정확하게 측정할 수 있고, 고감도 센서를 확보하고 신뢰성 향상을 위한 광학적 가스 센서가 요구되었다. Therefore, when a gas containing water vapor at a temperature significantly higher than the ambient temperature is introduced, an optical gas sensor is required for securing a high sensitivity sensor and improving reliability, while preventing condensation of water vapor to the maximum, .

한편 적외선 가스센서의 제작 및 응용 등에 광범위하게 적용되는 Beer-Lambert 법칙을 표현하면 수학식 1과 같으며,The Beer-Lambert law, which is widely applied to the fabrication and application of infrared gas sensors, is expressed by Equation 1,

Figure 112015096772809-pat00001
Figure 112015096772809-pat00001

단 I0는 초기 광 강도, α는 특정 가스의 광 흡수계수, x는 가스농도, l은 광 경로이다. Where I 0 is the initial light intensity,? Is the light absorption coefficient of the specific gas, x is the gas concentration, and 1 is the optical path.

적외선 가스센서의 출력을 향상시키기 위해서는 J.S. Park and S.H. Yi가 Sensors and Materials (2011년 논문)에 제시한 바와 같은 이하의 수학식 2와 같이 적외선 센서에 도달하는 입사광은 초기 광의 패턴에 비해 집광된 형상을 따르는 것이 효과적임을 알 수 있다.In order to improve the output of the infrared gas sensor, Park and S.H. As shown in Yi's Sensors and Materials (2011 paper), incident light arriving at the infrared sensor as shown in the following Equation 2 is effective to follow the condensed shape compared with the pattern of the initial light.

Figure 112015096772809-pat00002
Figure 112015096772809-pat00002

단,

Figure 112015096772809-pat00003
는 비례상수, ri는 초기 광 패턴의 반지름, rd는 센서 단에서 광 패턴의 반지름이다. only,
Figure 112015096772809-pat00003
R i is the radius of the initial light pattern, and r d is the radius of the light pattern at the sensor end.

상기 제시된 식들에서 제시하고 있는 것과 같이 광학적 가스센서의 제작에 있어 고려되어야 할 사항들을 살펴보면, 1) 적외선을 방출시킬 수 있는 광원은 자체 필라멘트의 경년변화에 의해서 광 강도가 저감되기에 시간에 따라 이의 변화를 감지하고 이를 적절하게 보상하여야 하며, 2) 파장대가 긴 가스를 측정하고자 할 때 적외선 광원에서 방사되는 광은 그 강도가 작음으로 인해 이를 충분히 검출할 수 있는 고성능의 센서 혹은 광 강도를 향상시킬 수 있는 구조가 되어야 하며(식 3으로부터), 3) 적외선 가스 센서의 감도는 광 경로가 길어야 동일 농도에서 높은 출력 전압차을 발생시킬 수 있음으로 가능한 경로가 길게끔 광학적 구조를 제작하여야 하는데, 이때 광학적 구조물에서의 반사는 최소화함으로써 구조물에서 반사시 흡수되는 양을 최소화할 수 있는 상태를 확보해야 하고, 4) 저농도에서 고감도, 고 분해능의 가스센서를 확보하기 위해서는 센서 회로부 및 외부 잡음을 차폐할 수 있는 구조로 제작되어야 한다. 센서 회로부의 경우, 잡음의 차단필터등을 구비함으로써 가능하지만, 외부 전원 및 통신 주파수등에 의한 잡음 차폐가 적절하게 이루어져야 한다. As shown in the above-mentioned equations, there are some considerations to be considered in the fabrication of the optical gas sensor: 1) The light source capable of emitting infrared rays has a problem in that the light intensity is reduced due to aging of the self filament, 2) When measuring long gas wavelengths, the light emitted from the infrared light source is high-performance sensor that can sufficiently detect the light because of its low strength, or to improve the light intensity (3) and (3) the sensitivity of the infrared gas sensor must be long enough to generate a high output voltage difference at the same concentration, so that an optical structure should be manufactured with a long possible path, Minimizing the reflection in the structure minimizes the amount of absorption in the reflection at the structure 4) In order to secure a gas sensor with high sensitivity and high resolution at a low concentration, the sensor circuit portion and the structure for shielding external noise should be constructed. In the case of the sensor circuit portion, it is possible to provide noise blocking filters and the like, but noise shielding by an external power supply, a communication frequency, and the like must be properly performed.

국내 등록특허 제10-0694635호Korean Patent No. 10-0694635 국내 등록특허 제10-0732708호Korean Patent No. 10-0732708 국내 등록특허 제10-1088360호Korean Patent No. 10-1088360 국내 공개특허 제10-2013-0082482호Korean Patent Publication No. 10-2013-0082482 국내 등록특허 제10-0959611호Korean Patent No. 10-0959611 국내 등록특허 제10-1108495호Korean Patent No. 10-1108495 국내 등록특허 제10-1108544호Korean Patent No. 10-1108544 국내 등록특허 제10-0944273호Korean Patent No. 10-0944273

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 광학적 가스센서의 제작을 위해 구조물이 갖추어야 할 특징으로 제시된 1) 적외선 광원의 경년변화를 살펴 가스센서의 출력변화를 자동으로 보정함으로써 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 구조, 2) 고성능의 센서를 탑재하여 분해능을 향상시키거나 광 강도를 증가시킬 수 있는 구조, 3) 광 경로가 긴 구조물이고 내부에서의 반사는 최소화하여야 하고, 고습의 가스가 유입시 광학적 반사경에서의 응축을 방지하는 구조, 4) 적외선 센서에 도달하는 입사광은 적외선 센서의 중앙에 가능한 작은 반경으로 포집되는 특징을 구비하여야 할 것이며, 5) 외부잡음을 적절하게 차폐할 수 있는 전기적 구조를 갖는 특징을 모두 구비한 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide an optical gas sensor, 2) a structure capable of improving the resolution or increasing the light intensity by mounting a high-performance sensor, 3) a structure having a long optical path, and an internal structure And 4) a structure in which the incident light reaching the infrared sensor is collected in the center of the infrared sensor at a small radius as small as possible, and a structure in which the reflection at the infrared sensor should be minimized, , 5) for improving sensitivity with all of the features having an electrical structure capable of appropriately shielding external noise An object of the present invention is to provide an infrared multi gas measuring apparatus and system.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. It can be understood.

본 발명의 제1목적은, 적외선 다중가스 측정장치에 있어서, 내부공간을 갖고 원통형상으로 구성된 하우징; 상기 하우징의 내부공간 일단측에 구비되는 특정곡률을 갖는 제1반사경; 적외선 광원을 방출하는 적외선 광원; 상기 하우징 내부공간의 타단측에 상기 제1반사경과 대향된 위치에 구비되는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경에 반사된 적외선 광을 검출하는 적외선 센서부; 상기 제1반사경과 특정간격 이격되어 배치되며, 상기 적외선 광원에서 방사된 일부 적외선 광이 반사되는 제3반사경; 및 상기 제3반사경에서 반사된 광을 검출하는 기준센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is to provide an infrared multi gas measuring apparatus comprising: a housing having a cylindrical shape and having an internal space; A first reflector having a specific curvature at one end of the inner space of the housing; An infrared light source emitting an infrared light source; A second reflector provided at a position opposite to the first reflector on the other end side of the housing inner space; An infrared sensor unit for detecting infrared light reflected by the first reflector and the second reflector; A third reflector disposed at a specific distance from the first reflector and reflecting a part of the infrared light emitted from the infrared light source; And a reference sensor unit for detecting the light reflected by the third reflector. The infrared multi gas measuring apparatus for improving sensitivity may be provided.

또한, 상기 제2반사경은, 하나의 몸체로서, 곡률은 동일하고 소정간격 이격되며 소정의 사이 각도를 갖는 한 쌍의 반사경을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The second reflector may include a pair of reflectors having the same curvature, a predetermined spacing, and a predetermined angle between the first reflector and the second reflector.

그리고, 상기 제1반사경, 상기 제2반사경 및 제3반사경 중 적어도 하나에 구비되는 발열부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The apparatus may further include a heating unit provided on at least one of the first reflector, the second reflector, and the third reflector.

또한, 상기 발열부는, 상기 제2반사경의 반사면과 대향되는 면에 발열코일로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. The heat generating portion may include a heating coil on a surface facing the reflecting surface of the second reflector.

그리고, 상기 하우징의 일측에 구비되어 측정대상가스가 유입되는 가스유입구와, 상기 하우징의 타측에 구비되어 측정대상가스가 배출되는 가스배출구를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And a gas inlet provided at one side of the housing for introducing gas to be measured and a gas outlet provided at the other side of the housing for discharging gas to be measured.

또한, 상기 가스유입구 또는 상기 가스배출구에 구비되어 상기 하우징으로 측정대상가스를 흡배기시키는 유동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The apparatus may further include a flow unit provided at the gas inlet or the gas outlet for sucking and discharging the gas to be measured with the housing.

그리고, 상기 하우징의 하단 내부공간에 구비되는 PCB기판과, 지지대에 의해 상기 PCB기판과 상부측으로 이격되도록 배치되는 베이스플레이트를 포함하고, 상기 제1반사경은 상기 베이스플레이트 상에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다. The PCB includes a PCB substrate disposed in a lower end space of the housing, and a base plate spaced apart from the PCB substrate by a support, wherein the first reflector is installed on the base plate .

또한, 상기 적외선 광원과 상기 기준센서부 및 상기 적외선 센서부는 상기 제1반사경의 주변부의 상기 베이스플레이트 상에 복수로 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the infrared light source, the reference sensor unit, and the infrared sensor unit may be provided on the base plate of the peripheral portion of the first reflector.

그리고, 제1반사경과 상기 제2반사경의 평단면은 원판형이고, 상기 제3반사경은 반링형의 평단면을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the first reflector and the second reflector may have a flat cross-section, and the third reflector may have a semi-ring-shaped flat cross-section.

또한, 상기 제1반사경, 상기 제2반사경 및 상기 제3반사경 중 적어도 어느 하나는, 금속, 유리 또는 플라스틱으로 성형한 후, Au/Ti, Au/Ni 또는 Cr/Ni을 도금 또는, 진공증착으로 코팅하고, 반사경에 대향되는 후면은 절연막을 증착 또는 스크린 프린팅 후, 소정 패턴을 갖는 발열부를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. At least one of the first reflector, the second reflector, and the third reflector may be formed of metal, glass or plastic, and then Au / Ti, Au / Ni or Cr / Ni may be plated or vacuum deposited And the rear surface opposite to the reflector is formed by vapor deposition or screen printing of an insulating film to form a heat generating portion having a predetermined pattern.

본 발명의 제2목적은, 적외선 다중가스 측정시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 측정장치; 및 상기 측정장치의 적외선 센서부와 기준센서부에서 측정된 값을 기반으로 측정대상가스의 농도를 측정, 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide an infrared multi gas measurement system, comprising: a measuring device according to the first object; And analyzing means for measuring and analyzing the concentration of the gas to be measured based on the values measured by the infrared sensor portion and the reference sensor portion of the measuring device. .

그리고, 상기 측정장치의 제1반사경, 제2반사경 및 제3반사경 중 적어도 어느 하나에 구비되어 표면온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The apparatus may further include a temperature sensor provided on at least one of the first reflector, the second reflector, and the third reflector of the measuring apparatus to measure the surface temperature.

또한, 상기 온도센서에서 측정된 값과 분위기 온도를 비교하여 상기 측정장치에 구비된 발열부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The controller may further include a controller for comparing a measured value of the temperature sensor with an atmospheric temperature to control a heating unit provided in the measuring apparatus.

그리고, 상기 제어부는, 상기 측정장치의 가스유입구 및 가스배출구 중 어느 하나에 구비되는 유동수단을 제어하여 상기 측정장치 내로 유입되어 배출되는 측정대상가스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. The control unit may control the flow unit provided in any one of the gas inlet and the gas outlet of the measurement apparatus to adjust the flow rate of the measurement target gas flowing into and out of the measurement apparatus.

또한, 상기 측정장치에 구비되는 적외선센서부는 적외선 광원과 대칭적인 위치에 구비되며, 측정대상가스의 개수만큼 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the infrared sensor unit included in the measurement apparatus is provided at a symmetrical position with respect to the infrared light source, and may be configured by the number of gas to be measured.

그리고, 상기 분석수단은 증폭기, 필터링회로 및 직류전압 출력기능을 갖는 적외선 써모파일을 포함하여, 적외선센서부에서 측정된 측정대상가스의 존재유무에 다른 출력전압과 기준센서부의 출력전압의 비를 비교하여 측정대상가스의 농도를 측정, 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다. The analyzing means includes an amplifier, a filtering circuit, and an infrared thermopile having a DC voltage output function. The analyzer compares the ratio of the output voltage of the reference sensor with the output voltage of the infrared sensor, And the concentration of the gas to be measured is measured and analyzed.

본 발명의 일실시예에 따르면, 첫째 두 개의 적외선 센서부(기준 센서부, 적외선 센서부)를 구비함으로써 적외선 광원의 시간변화에 따른 강도변화에 대한 보정의 기능을 원활하게 수행할 수 있는 구조를 갖게 되므로 장기 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, by providing the first two infrared sensor units (reference sensor unit and infrared sensor unit), it is possible to smoothly perform the function of correcting the intensity change with time of the infrared light source So that it is possible to secure long-term reliability.

둘째 두 적외선 감지 센서의 출력 전압비를 이용하는 구조에서 광 경로가 긴 적외선 센서부의 출력을 측정대상 가스용도로 사용함으로써 감도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다. In the structure using the output voltage ratio of the second two infrared detection sensors, the output of the infrared ray sensor unit having a long optical path is used as the gas to be measured, thereby improving the sensitivity.

셋째 광학적 가스 센서의 내부 반사경은 금속의 압축 성형가공 혹은 유리 및 플라스틱 성형을 통해 제작하고, 금속을 반사경으로 사용하는 경우 절연막과 발열체 금속을 통해 발열기능을 갖게 하거나, 유리 혹은 플라스틱을 반사경으로 성형하는 경우 전면은 반사용 금/니켈, 금/크롬 혹은 크롬/니켈 도금 혹은 진공증착을 통해 반사경을 제작하고, 후면에는 발열체 금속의 패터닝을 형성함으로써 고습가스가 측정 챔버에 도달 시 수증기의 응축에 의한 감도 저하를 방지할 수 있 가스용도로 사용함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.Third, the inner reflector of the optical gas sensor is manufactured through compression molding of metal or by glass and plastic molding. When metal is used as a reflector, heat is generated through the insulating film and the heating body metal, or glass or plastic is molded into a reflector The front surface of the reflector is made of antireflection gold / nickel, gold / chromium or chromium / nickel plating or vacuum deposition, and the rear surface is patterned with a metal of heating element, so that the humidity due to the condensation of water vapor It is possible to prevent deterioration and to improve the sensitivity by using it as a gas application.

넷째 반사경이 공간적으로 이격되어 있고, 기존의 광학적 구조물에서 보듯이 완전히 밀폐되어 있는 상태가 아니기 때문에 가스 확산이 용이한 상태를 확보할 수 있으며, 가스 출구쪽에 흡입용 펌프 혹은 휀을 구비함으로써 응답시간을 효과적으로 줄일 수 있는 효과를 갖는다. Fourth, since the reflector is spaced apart and is not completely sealed as seen from the conventional optical structure, it is possible to secure a state where gas diffusion is easy and by providing a suction pump or a fan at the gas outlet side, The effect can be effectively reduced.

다섯째 전자회로부의 접지선과 측정 시스템의 보호 및 외관을 위한 금속 하우징을 공통 접지로 연결함으로써 외부 잡음에 강인한 특성을 지닌 측정시스템의 구현이 가능한 효과를 갖는다. Fifth, connecting the grounding wire of the electronic circuit part and the metal housing for protection and appearance of the measuring system to the common ground, it is possible to realize a measurement system having characteristics robust to external noise.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs It will be possible.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서의 평면도,
도 2는 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서,
도 3은 종래기술 3에 따른 광도파관의 개념도,
도 4는 종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치의 분해 사시도,
도 5는 종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서(광학적 구조물)의 단면도,
도 6은 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치의 공기 흐름도,
도 7은 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도,
도 8은 두 개의 오목 반사경이 대향된 형태의 화이트-셀(White-Cell) 구조의 단면도,
도 9는 주반사경과, 서로 특정각도를 갖는 2개의 반사경으로 구성된 부반사경부을 갖는 구조의 단면도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템의 단면도,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템의 투시 사시도,
도 11b는 도 11a의 A-A 단면도,
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템의 평면도,
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템의 투시 평면도를 도시한 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, It should not be construed as limited.
1 is a plan view of a non-dispersive infrared gas sensor provided with an elliptical dome-shaped reflector according to Prior Art 1,
2 is a view showing an optical waveguide having a plurality of independent optical paths according to the prior art 2 and an NDIR gas sensor using the optical waveguide,
3 is a conceptual view of an optical waveguide according to Prior Art 3,
4 is an exploded perspective view of a non-dispersion infrared gas analysis apparatus having an intensive lens according to Prior Art 4,
5 is a cross-sectional view of a non-dispersive infrared gas sensor (optical structure) according to Prior Art 5,
6 is an air flow diagram of a non-dispersive infrared gas measuring apparatus according to Prior Art 6,
7 is a cross-sectional view of a non-dispersive infrared gas sensor according to Prior Art 7,
8 is a cross-sectional view of a white-cell structure in which two concave reflectors are opposed to each other,
9 is a cross-sectional view of a structure having a main reflecting mirror and a sub-reflecting portion composed of two reflecting mirrors having a specific angle with respect to each other,
10 is a sectional view of an infrared multi gas measurement system for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention;
11A is a perspective view of an infrared multi gas measurement system for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention,
11B is a sectional view taken along the line AA in Fig. 11A,
12A is a plan view of an infrared multi gas measurement system for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention,
12B is a perspective plan view of an infrared multi gas measurement system for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Also in the figures, the thickness of the components is exaggerated for an effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views that are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are produced according to the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific forms of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention. Although the terms first, second, etc. have been used in various embodiments of the present disclosure to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. The embodiments described and exemplified herein also include their complementary embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
In describing the specific embodiments below, various specific details have been set forth in order to explain the invention in greater detail and to assist in understanding it. However, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be understood by those skilled in the art without departing from such specific details. In some instances, it should be noted that portions of the invention that are not commonly known in the description of the invention and are not significantly related to the invention do not describe confusing reasons to explain the present invention.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)에 적용되는 기본적인 반사경 구조에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration and functions of the infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention will be described. First, a basic structure of a reflector applied to the infrared multi-gas measuring system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention will be described.

도 8은 두 개의 오목 반사경이 대향된 형태의 화이트-셀(White-Cell) 구조(1942년, Journal of Optical Society of America)의 단면도를 도시한 것이다. 도 8 은 기준선에 대한 입사광의 입사각도(α), 좌측 같은 면상에 존재하는 두 개의 반사경 사이각(θ), 오른쪽 반사경의 길이(L), 그리고 세 개 반사경 사이의 거리(R) 혹은 곡률반경을 조절함으로써 협소한 체적 내에서 다수의 광 반사를 통하여 광학적 경로를 극대화 할 수 있는 구조로 정밀 측정이 요구되는 산업현장의 대규모 계측기에 적용되고 있는 기본구조이다.FIG. 8 is a cross-sectional view of a white-cell structure (Journal of Optical Society of America, 1942) in which two concave reflectors are opposed. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the angle of incidence of incident light on a reference line, the angle between two reflectors on the same side of the left side, the length L of the right reflector, To maximize the optical path through a large number of light reflections within a narrow volume, it is a basic structure applied to a large-scale measuring instrument in an industrial field requiring precise measurement.

도 9는 주반사경과, 서로 특정각도를 갖는 2개의 반사경으로 구성된 부반사경부을 갖는 구조의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 도 9는 입사각 10°, 부반사경부를 이루는 한 쌍의 반사경의 사이각 10°, 오른쪽 주 반사경의 길이는 46 mm × 20 mm이고, 그리고 주반사경과 부반사경부 사이의 거리가 80 mm일 때, 광원(111)에서 방사된 적외선의 이동경로를 나타낸 것이다. 9 shows a cross-sectional view of a structure having a main reflecting mirror and a sub-reflecting portion composed of two reflecting mirrors having a specific angle with respect to each other. 9, the angle between the pair of reflectors constituting the sub-reflecting mirror is 10 [deg.], The length of the right main reflecting mirror is 46 mm x 20 mm, and the distance between the main reflecting mirror and the sub- 80 mm, the traveling path of the infrared ray emitted from the light source 111 is shown.

이때 세 개의 오목반사경은 곡률반경 160 mm의 거리를 갖고 있는 구조이며, 곡률반경 160 mm일 때 오목 반사경으로 입사된 광은 대향하고 있는 오목 반사경의 표면에 초점이 형성되는 구조이다.In this case, the three concave reflectors have a radius of curvature of 160 mm, and when the curvature radius is 160 mm, the light incident on the concave reflector is focused on the surface of the concave reflector.

도 9에 도시된 바와 같이 도 8에 도시된 중심축과 약 10°의 경사를 갖고 입사된 광은 세 개의 오목 반사경에서 16 번의 반사를 거치면서 오른쪽 하단으로 방사되고 있는 것을 볼 수 있는데, 광의 경로는 대략적으로 1.3 m 인 대(大)광경로를 형성하고 있음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 9, the light incident on the central axis shown in FIG. 8 with an inclination of about 10 degrees is reflected to the lower right through sixteen reflections in the three concave reflectors. It can be seen that a large optical path of approximately 1.3 m is formed.

이때 주·부 반사경의 반사율이 0.97인 경우(표면이 금으로 코팅된 경우) 입사광의 60% 정도가 오른쪽 하단에 조사될 것으로 예상할 수 있다. At this time, it is expected that about 60% of the incident light is irradiated to the lower right side when the reflectance of the main and submirrors is 0.97 (when the surface is coated with gold).

또한 레이저를 사용하지 않고, 일반적인 흑체(Black-Body, MEMS 기술에 의해 제작된 것으로, 예를 들면 EOL사의 MIRL 17-900)를 사용하는 경우, 포물선형 반사경을 통해 방사되는 적외선의 약 80% 정도가 광축을 중심으로 ±5 도 이내에 있으며, 나머지 20 %는 광축을 중심으로 ± 5 도 이상으로 방사되기 때문에 레이저에 비해 100 %에 가까운 적외선을 이용한 가스센서 시스템(100)을 제작하는 것은 어려운 상태이다. Also, when using a general black body (black-body, manufactured by MEMS technology, for example, MIRL 17-900 from EOL) without using a laser, about 80% of the infrared rays emitted through the parabolic reflector Is within ± 5 degrees around the optical axis, and the remaining 20% is emitted by more than ± 5 degrees around the optical axis, making it difficult to fabricate a gas sensor system (100) using infrared rays near 100% .

따라서 주·부 반사경에 입사되지 않는 적외선을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 구조가 필요하며, 다중가스 센서의 경우, 감도향상과 정밀도 향상을 위해 기준센서(Reference sensor, 타 가스에 영향을 받지 않는 파장대역의 센서, 예를 들면 중심파장 3.91 ㎛를 갖는 적외선 센서)의 설치 및 응용이 요구되는 상태이다. Therefore, it is necessary to have a structure that can use infrared rays that are not incident on the main and sub-reflecting mirrors more efficiently. In the case of multiple gas sensors, a reference sensor (reference sensor, wavelength band not affected by other gases Sensor, for example, an infrared sensor having a center wavelength of 3.91 mu m).

또한 도 9에서 살펴볼 수 있듯이 광축을 중심으로 ±5 도의 각을 갖고, 적외선 광원(111)에서 방사된 적외선은 내부 반사경에서 입사와 반사를 반복한 후, 오른쪽 하단으로 적외선이 방출될 때, 특정지점에서 적외선이 집광되는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 9, the infrared ray emitted from the infrared ray source 111 has an angle of +/- 5 degrees with respect to the optical axis. After the infrared ray is repeatedly incident and reflected by the inner mirror, It can be confirmed that the infrared ray is condensed.

따라서 조사되는 적외선이 내부 광학 구조물에서 수차례 반사되는 동안, 광 경로상에서 이의 간섭을 일으키지 않는 범위에서 적외선 센서(Thermopile 혹은 Pyroelectric devices)를 배치하면 식 (2)에 제시된 바와 같이 출력전압은 증대시키고, 가스 농도의 변화에 따른 감도를 증대시킬 수 있을 것으로 예상할 수 있다.Therefore, while infrared light is reflected several times in the internal optical structure, if the infrared sensor (thermopile or pyroelectric devices) is disposed within the optical path without interfering with it, the output voltage is increased as shown in equation (2) It can be expected that the sensitivity according to the change of the gas concentration can be increased.

본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)은 도 9에 도시된 부반사경과 주반사경 구조를 기본적으로 채용하고 있으며, 주·부 반사경에 입사되지 않는 적외선을 보다 효율적으로 사용하고 다중가스 센서의 경우 감도향상과 정밀도 향상을 위해 기준센서를 채용한 것을 특징으로 하고 있다. The infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention basically adopts the sub reflector and the main reflector structure shown in FIG. 9, and the infrared ray which is not incident on the main and sub- In the case of multi gas sensors, it is characterized by adopting a reference sensor for improving the sensitivity and improving the accuracy.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 단면도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration and function of the infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. 10 is a cross-sectional view of an infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)은, 주반사경이 되는 제1반사경(120)과, 한 쌍의 오목반사경이 특정 각도를 갖도록 일체로 형성되는 제2반사경(130)(부반사경) 그리고, 제1반사경(120)의 주변에 구비된 적외선 광원(111)과 방사된 적외선의 일부가 방사된 위치 근처에 도달하도록 하는 제3반사경(140)(기준센서용 부반사경)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 10, the infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention includes a first reflector 120 serving as a main reflector, a second reflector 120 serving as a main reflector, A second reflector 130 (sub-reflector) integrally formed with the first reflector 120, and an infrared light source 111 provided around the first reflector 120, 3 reflector 140 (sub-reflecting mirror for reference sensor).

도 10에 도시된 바와 같이, 제2반사경(130)은 원통형 하우징(110)의 내부공간 상단측에 체결부재(131)에 의해 설치되게 되며, 이러한 제2반사경(130)은 두 개의 동일한 크기와 곡률반경을 갖는 상태에서 특정 사이 각도를 지닌 상태로 금속 또는 플라스틱을 압축성형(Press 가공)하거나 또는 유리가공에 의해 형성하거나, 소정의 두께를 갖는 실리콘 기판(Silicon Substrate)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 가공하여 배치될 수 있다. 10, the second reflector 130 is installed on the upper side of the inner space of the cylindrical housing 110 by the fastening member 131, and the second reflector 130 has two identical sizes (Silicon Substrate) having a predetermined thickness is subjected to CMP (Chemical Mechanical Polishing) by compression molding (press processing) or glass processing in a state having a radius of curvature, As shown in Fig.

그리고, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1반사경(120)은 원통형 하우징(110)의 내부공간의 하단부, 즉, 제2반사경(130)과 대향하는 면상에 동일한 곡률반경을 갖는 하나의 제1반사경(120)을 상기 제시한 방법에 의해 제작하여 설치하게 된다. 10, the first reflector 120 is disposed on the lower end of the inner space of the cylindrical housing 110, that is, on the surface opposite to the second reflector 130, The reflector 120 is manufactured and installed by the above-described method.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1반사경(120)의 주변에 포물선형 반사경을 지닌 적외선 광원(111)(예를 들어, EOL(Electro Optical Technologies)사의 MIRL 17-900)를 구비하고, 제3반사경(140)은, 방사된 적외선의 일부(적외선 광원(111)의 광축에서 ± 5 도 이상을 갖고 있으며, 제1반사경(120)과 제2반사경(130)에서 조사되지 않고 공간적으로 조사되는 광선들, 즉 ± 5 도 이상으로 방사되는 적외선 빔들)가 방사된 위치 근처에 도달하는 위치에 설치되게 됨을 알 수 있다. 10, an infrared light source 111 (for example, MIRL 17-900 of EOL (Electro Optical Technologies)) having a parabolic reflector is provided around the first reflector 120, The third reflector 140 reflects a part of the radiated infrared rays (having an angle of more than ± 5 degrees with respect to the optical axis of the infrared light source 111 and is not irradiated by the first reflector 120 and the second reflector 130 but spatially irradiated That is, the infrared rays that are radiated at more than ± 5 degrees) are located at positions near the radiated position.

이때 기준센서부(141)는 제3반사경(140)에서 반사된 적외선을 흡수하여, 그 출력전압을 기준센서의 출력으로 사용하도록 설치되게 된다. At this time, the reference sensor unit 141 is installed to absorb the infrared ray reflected from the third reflector 140 and use the output voltage as an output of the reference sensor.

이에 따라 도 10에서 다중 반사된 적외선이 적외선센서부(150)에 도달하면 도달된 광 경로가 길기 때문에 식(1)과 (2)에 제시된 것과 같이 가스가 존재하지 않는 경우에 비해 임의의 농도의 가스가 존재할 때 전압의 변화폭은 크고, 이로 인해 분해능이 우수한 적외선 가스 센서의 제작을 할 수 있게 되며, 측정 대상가스의 종류에 따라 공간적으로 다수의 적외선센서부(150)들을 배치하면 다중가스센서 시스템(100)(Multi-gas sensor system)의 제작이 가능하게 된다.Accordingly, when the multiple reflected infrared rays arrive at the infrared sensor unit 150, the optical path reached is long. Therefore, as shown in equations (1) and (2) It is possible to manufacture an infrared gas sensor having a high resolution and a large variation range of the voltage when the gas is present. By arranging a plurality of infrared sensor units 150 spatially according to the type of gas to be measured, A multi-gas sensor system 100 can be manufactured.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 다중가스 측정 시스템(100)의 구성과 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration and the embodiment of the multi-gas measuring system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템(100)(Multi-gas sensor system)의 하우징(110)은 도 10에 도시된 바와 같이 원통형상을 갖고 있으며, 내부공간을 갖고 하단측 일측면에 가스유입구(112)(inlet)가 형성되어 있고, 상부판 일측에 가스 배출구(113)(Outlet)가 구비되게 됨을 알 수 있다. The housing 110 of the multi-gas sensor system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention has a cylindrical shape as shown in FIG. 10 and has an internal space It is understood that a gas inlet 112 is formed on one side of the lower side and a gas outlet 113 is provided on one side of the upper plate.

또한 본 발명의 일실시예에서는 가스유입구(112) 일측 또는 가스배출구(113) 일측에 펌프 또는 휀 등으로 구성된 유동수단(114)을 구비하여, 측정대상가스의 원활한 주입과 응답시간을 빠르게 할 수 있다. Also, in one embodiment of the present invention, a flow unit 114 including a pump or a fan is provided at one side of the gas inlet 112 or at one side of the gas outlet 113, have.

본 발명의 일실시예에서, 펌프 또는 휀 등으로 구성된 유동수단(114)을 구비하게 됨으로써, 1) 유입된 측정가스의 시스템 내부 잔류를 방지할 수 있고, 2) 응답시간을 단축할 수 있게 된다. In the embodiment of the present invention, by providing the flow means 114 constituted of a pump or a fan or the like, it is possible to 1) prevent the residual of the introduced measurement gas in the system, and 2) shorten the response time .

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템(100)은 제1반사경(120), 제2반사경(130), 제3반사경(140)을 포함하고, 있다. 주반사경에 해당하는 제1반사경(120)은 하나의 곡률반경을 갖는 원형반사경의 형태를 갖게 된다. As described above, the infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention includes a first reflector 120, a second reflector 130, and a third reflector 140 , have. The first reflector 120 corresponding to the main reflector has a shape of a circular reflector having a radius of curvature.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 부반사경에 해당하는 제2반사경(130)은, 곡률반경이 같으나, 일정한 간격과 각도를 가지며, 하나의 몸체로 형성된 상태에서 제1반사경(120)과 대향되는 위치에 설치되게 된다. 또한, 곡률반경이 작은 기준센서용 부반사경에 해당하는 제3반사경(140)을 포함하고 있다. In addition, the second reflector 130 corresponding to the sub-reflector according to an embodiment of the present invention has the same radius of curvature but has a constant interval and angle. As shown in FIG. And a third reflector 140 corresponding to a reference sensor sub-reflector having a small radius of curvature.

본 발명의 일실시예에 따른 제2반사경(130)에 있어, 한 쌍의 반사경이 일정한 각도와 간격을 갖는 이유는 입사된 적외선이 효과적으로 주반사경인 제1반사경(120)에 소정의 반사회수로 반사되어 대 광경로를 확보하기 위함이며, 제2반사경(130)은 하나의 몸체를 갖되 원형(Disk type)으로 형성함으로써 다중 가스 측정을 위한 적외선 반사 영역을 확보하기 위함이고, 입사된 반사경에 분위기 온도 및 상대습도의 변화에 따른 수증기의 응축을 방지하기 위하여 이면에 제2반사경(130)의 가열을 위한 발열부(132)를 구비하고 있다. 이러한 발열부(132)는 발열코일, 발열 박막 등으로 구성될 수 있다.In the second reflector 130 according to an embodiment of the present invention, the pair of reflectors have a certain angle and spacing because the incident infrared rays are effectively reflected by the first reflector 120, which is the main reflector, The second reflector 130 has a single body and is formed as a disk type so as to secure an infrared reflection region for the multiple gas measurement, And a heating unit 132 for heating the second reflector 130 is provided on the back surface to prevent condensation of water vapor due to changes in temperature and relative humidity. The heat generating unit 132 may include a heat generating coil, a heat generating thin film, or the like.

이러한 발열부(132) 제1반사경(120)과 제3반사경(140)에도 동일하게 적용함으로써 수증기에 따른 외란변화를 가능한 방지하기 위한 구조로 제작할 수 있다. 또한 본 발명의 일실시예에 따른 제1반사경(120)은 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(121)(Base plate) 상에 설치되어 있으며, 베이스플레이트(121) 상에는 제1반사경(120)과 제1반사경(120)의 주변으로 다수의 적외선센서부(150)와, 다수의 기준센서부(141) 및 다수의 적외선 광원(111)이 설치되게 된다. The heater 132 may be applied to the first reflector 120 and the third reflector 140 to prevent disturbance due to steam. 10, a first reflector 120 according to an embodiment of the present invention is installed on a base plate 121, and a first reflector 120 A plurality of reference sensor units 141 and a plurality of infrared light sources 111 are installed around the first reflector 120 and the first reflector 120. [

또한, 베이스플레이트(121)에 부착되어 있는 제1반사경(120), 적외선센서부(150), 기준센서부(141) 및 적외선 광원(111)은 도선(connecting wire)에 의해, 지지대(122)에 의해 베이스플레이트(121)와 하부측으로 특정간격 이격되어 배치되는 PCB기판(123)에 연결되어 있다. The first reflector 120, the infrared sensor unit 150, the reference sensor unit 141 and the infrared light source 111 attached to the base plate 121 are connected to the support base 122 by a connecting wire, And is connected to the PCB board 123, which is spaced apart from the base plate 121 by a predetermined distance.

제1반사경(120), 적외선센서부(150), 기준센서부(141) 및 적외선 광원(111)을 부착하고 있는 베이스플레이트(121)와 PCB 기판(123)은 일정한 이격거리(isolating distance)를 갖고 있으므로 인해 발열부(132)의 온도상승에 따른 PCB 기판(123)의 과도한 온도상승을 방지할 수 있게 된다. The base plate 121 and the PCB substrate 123 to which the first reflector 120, the infrared sensor unit 150, the reference sensor unit 141 and the infrared light source 111 are attached are separated from the PCB substrate 123 by a certain distance It is possible to prevent an excessive temperature rise of the PCB substrate 123 due to the temperature rise of the heat generating portion 132. [

이때 전자회로의 접지는 다중가스 센서 시스템(100)의 하우징(110)과 공통으로 접지함으로써 외부통신 주파수 또는 전원에 의한 잡음이 원천적으로 공통 접지(Common ground)를 통해 흘러 갈 수 있도록 하여 측정신호에 잡음신호가 인가되는 것을 방지하며, 다중가스센서 시스템(100)에 공급되는 전원과 측정된 신호는 배선구(115)(Feed-Through)를 통하여 외부 시스템에 연결되도록 한다. At this time, the grounding of the electronic circuit is commonly grounded with the housing 110 of the multi-gas sensor system 100 so that noise due to external communication frequency or power source can flow through the common ground as a source, Thereby preventing the noise signal from being applied, and the power and the measured signal supplied to the multi-gas sensor system 100 are connected to the external system through the wire-feed 115.

도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 투시 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 11b는 도 11a의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 11A is a perspective view of an infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention. 11B is a cross-sectional view along the line A-A in Fig. 11A.

또한, 도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정 시스템(100)의 투시 평면도를 도시한 것이다. 12A is a plan view of an infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention. 12B is a perspective plan view of an infrared multi gas measurement system 100 for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention.

도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 제2반사경(130)은 전체적으로 원판형이며, 하우징(110)의 상단측에 구비되게 되며, 제2반사경(130)은 하나의 몸체로 형성되어 있으나, 한 쌍의 반사경이 볼트 등으로 구성된 체결부재(131)(Fastener)를 중심으로 일정한 이격거리를 갖고 있고, 원형 상태에서 곡률반경이 같은 두 개의 반사경이 체결부(Fastener)를 중심으로 대칭형상으로 형성된 구조이며, 이면에는 제2반사경(130)의 발열을 위한 발열코일 등으로 구성된 발열부(132)가 동심원상으로 형성되어 지게 됨을 알 수 있다. 11A and 11B, the second reflector 130 according to the second embodiment of the present invention is entirely disk-shaped, is provided at the upper end of the housing 110, A pair of reflectors may have a constant distance around a fastener 131 formed of a bolt or the like and two reflectors having the same radius of curvature in a circular state may be connected to a fastener And a heat generating unit 132 including a heat generating coil for generating heat of the second reflector 130 is formed in a concentric shape on the back surface of the first reflector 130. [

즉 제2반사경(130)은 하나의 몸체를 갖고 있으나, 구조적으로는 두 개의 분리된 반사경을 갖도록 한 구조이다. 이때 발열부(132)는 전기적으로 직렬 또는 병렬 결선이 가능하도록 제작함으로써 전면에 코팅된 반사경에 습기의 응축을 방지하는 구조를 갖도록 한다. In other words, the second reflector 130 has one body, but structurally has two separate reflectors. At this time, the heater 132 is electrically connected in series or in parallel so that the reflector coated on the front surface has a structure for preventing condensation of moisture.

또한 기준센서용 부반사경인 제3반사경(140)은 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 베이스플레이트(121) 상에 구비된 적외선 광원(111)(IR Sources)의 외측방향으로 소정간격 이격되어 배치된 기준센서부(141)에 적외선 광원(111)에서 방사된 일부(즉, 특정 각도 이상으로 방사되는 적외선, 예를 들어 Electro Optical Technologies사의 MIRL 17-900의 광축에서 ±5 도 이상의 적외선 광) 적외선이 도달하게끔 반링 형상으로 제작되며, 베이스플레이트(121)로부터 일정한 간격 상부측으로 이격된 공간에 배치되게 됨을 알 수 있다. 11A and 11B, the third reflector 140, which is a sub-reflector for the reference sensor, is spaced a predetermined distance apart from the IR light sources 111 (IR sources) provided on the base plate 121 (That is, infrared rays radiated at a specific angle or more, for example, infrared light of ± 5 degrees or more from the optical axis of MIRL 17-900 of Electro Optical Technologies) is irradiated to the reference sensor unit 141, And it is arranged in a space spaced apart from the base plate 121 by a predetermined distance.

도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 제3반사경(140)을 통해 반사된 적외선은 기준센서부(141)에 도달하게 됨을 알 수 있다. 이러한 기준센서부(141)는 도 11a에 도시된 바와 같이, 두 개의 기준센서와, 중심파장 3.91 ㎛의 적외선 써모파일 디텍터로 구성되어 질 수 있다. 즉, 측정의 정확성과 경년변화에 대한 보정의 정확성을 위해 다수의 기준센서브(141)를 배치한 구조를 갖고 있다. As shown in FIGS. 11A and 11B, it can be seen that the infrared rays reflected through the third reflector 140 arrive at the reference sensor 141. 11A, the reference sensor unit 141 may include two reference sensors and an infrared thermopile detector having a center wavelength of 3.91 mu m. In other words, it has a structure in which a plurality of reference sensors 141 are arranged for accuracy of measurement and accuracy of correction for aging.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 적외선센서부(150)는 감도의 향상을 위해 적외선 광원(111)과 대칭적인 위치에 측정 대상가스의 개수만큼 배치하게 된다. 또한, 적외선센서부(150)는 측정하고자 하는 가스의 흡수 파장을 갖는 적외선 검출기(예를 들면, 중심파장 4.26 ㎛과 3.45 혹은 9.45㎛, 10.2 ㎛의 이산화탄소와 에탄올, 에틸렌 가스용 써모파일 디텍터)를 포함하여, 적외선 광원(111)의 점멸시 각 써모파일에서 적외선 점멸에 따른 출력 전압차를 구할 수 있게 된다. In addition, the infrared sensor unit 150 according to an embodiment of the present invention is disposed in a symmetrical position with respect to the infrared light source 111 for the purpose of increasing the sensitivity by the number of gas to be measured. The infrared sensor unit 150 includes an infrared detector (e.g., a center wavelength of 4.26 占 퐉, 3.45 or 9.45 占 퐉, 10.2 占 퐉 of carbon dioxide and ethanol, or a thermopile detector for ethylene gas) having an absorption wavelength of a gas to be measured The output voltage difference due to the infrared blinking can be obtained in each thermo file when the infrared light source 111 is flickered.

또한 적외선센서부(150)에 증폭기와 필터링 회로 및 직류전압 출력기능을 갖춘 적외선 써모파일(HIS A21 F3.91, HIS A21 F4.26, HIS A21 F3.45)을 배치하여 측정 대상가스의 존재유무에 따른 출력전압과 기준센서부(141)의 출력전압의 비를 비교함으로써 보다 정확하고, 적외선 광원(111)의 시간적 변화에 따른 적외선 광량이 변화하더라도 이를 보정하여 대상 가스의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 구조를 만들 수 있다.In addition, an infrared thermopile (HIS A21 F3.91, HIS A21 F4.26, and HIS A21 F3.45) having an amplifier, a filtering circuit, and a DC voltage output function is disposed in the infrared sensor unit 150, And the output voltage of the reference sensor unit 141 is compared with the ratio of the output voltage to the output voltage of the reference sensor unit 141 to correct the infrared light amount according to the temporal change of the infrared light source 111, You can create a structure.

즉 측정 대상 가스를 위한 적외선 써모파일들을 긴 광 경로를 거친 후 입사되는 적외선센서부(150) 위치에 배치함으로써 식 (2)에 제시된 바와 같이 광 경로가 길어짐에 따라 동일한 가스농도 변화에 대해 큰 전압변화를 유발시키도록 함으로써 적외선센서부(150)와 기준센서부(141)의 출력 전압비를 크게하여 감도향상을 기할 수 있게 된다. That is, by arranging the infrared thermopiles for the gas to be measured at the position of the infrared sensor unit 150 after passing through the long optical path, as shown in equation (2), as the optical path becomes longer, The output voltage ratio between the infrared sensor unit 150 and the reference sensor unit 141 can be increased to improve the sensitivity.

한편 소정의 두께를 갖는 제2반사경(130)과 제3의 반사경 후면에 발열체를 장착하여, 주변 온도보다 약 30 ~ 40 도정도 높게 가열하면, 고습의 가스 유입에 따른 수증기의 응축을 방지할 수 있는 구조를 갖게 할 수 있다. On the other hand, if the second reflector 130 having a predetermined thickness and the heating element are mounted on the rear surface of the third reflector and heated to a temperature about 30 to 40 degrees higher than the ambient temperature, condensation of water vapor due to high- It is possible to have a structure that is as follows.

이때 제2반사경(130)과 제1의 반사경은 특정의 곡률반경을 갖는 상태에서 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 금속, 유리 또는 플라스틱으로 성형한 후, 적외선의 효율적인 반사를 위해 Au/Ti, Au/Ni, Cr/Ni 도금 또는 진공증착을 반사면에 실시하고, 후면은 절연막(SiO2 또는 대체 재료)을 증착 또는 스크린 프린팅 한 후, 소정의 패턴을 갖는 발열체 전극을 형성함으로써 외부 전류에 의해 일정 온도이상 발열할 수 있도록 한다. In this case, the second reflector 130 and the first reflector are formed of metal, glass or plastic as shown in FIGS. 12A and 12B in a state of having a specific radius of curvature, and then Au / Ti , Au / Ni, Cr / Ni plating, or vacuum deposition is performed on the reflective surface and the rear surface is formed by vapor deposition or screen printing of an insulating film (SiO 2 or an alternative material) Allow it to generate heat above a certain temperature.

또한 과도한 발열에 의한 온도 상승을 방지하기 위해 발열부(132)를 포함하는 반사경 후면에 온도센서(RTD 혹은 써미스터등)를 부착하여 표면온도를 측정하고, 분위기 온도(적외선 써모파일 내부에 있는 온도센서에 의해 측정)와 비교하여 일정온도 (30 ~ 40 ℃) 이상을 항상 유지할 수 있도록 구비한다. In addition, a temperature sensor (RTD or thermistor or the like) is attached to the rear surface of the reflector including the heat generating part 132 to prevent the temperature from rising due to excessive heat generation, and the surface temperature is measured. (30 to 40 占 폚) or more as compared with the case where the temperature is higher than the predetermined temperature.

또한 광학적 효율을 증대하기 위해 적외선센서부(150)의 앞단에 적외선을 투과하고 집광할 수 있는 평면렌즈를 부착함으로써 출력전압을 증대시켜 감도를 향상시킬 수 있는 구조도 채택할 수 있다. Further, in order to increase the optical efficiency, a structure in which sensitivity can be improved by increasing the output voltage by attaching a planar lens capable of transmitting and condensing infrared rays to the front end of the infrared sensor unit 150 can be adopted.

그리고 발열 기능을 갖는 반사경과 써모파일 검출기 및 회로부는 공기를 매질로 단열시키는 구조로 광학적 센서 모듈 내에 배치함으로써 발열체 온도에 의한 영향을 배제할 수 있도록 구성한다.The reflector, the thermopile detector, and the circuit unit having the heat generating function are configured to insulate the air by the medium, and are arranged in the optical sensor module so as to exclude the influence of the temperature of the heating element.

상기 제시한 광학적 구성품, 회로부 등을 도 10, 도 11a, 도 11b, 도 12a a및 도 12b에 제시한 바와 같은 금속 구조물로 최종적으로 감싸는 구조를 채택하고, 전기적인 접지선을 금속 구조물과 공통 접지를 함으로써 외부 잡음의 영향을 배제할 수 있도록 한다.
The optical components and the circuit parts described above are finally wrapped around the metal structure as shown in Figs. 10, 11A, 11B, 12A and 12B, and the electrical grounding line is connected to the metal structure and the common ground So that the influence of external noise can be eliminated.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.It should be noted that the above-described apparatus and method are not limited to the configurations and methods of the embodiments described above, but the embodiments may be modified so that all or some of the embodiments are selectively combined .

1:종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서
2:인쇄회로기반
3:타원 돔형 반사경
4:광원
5:상판
6:광센서
7:광원고정홀
8:청소용 구멍
9:타원반사경
10:광센서 결합부
11:평판플랜지
20:종래기술 2에 따른 광도파판
21:제1타원경
21a:제1타원
21b:제1초점
22:제2타원경
22a:제2타원
22b:제2초점
23:광원
24:광검출기
25:제1광검출윈도우
26:제2광검출윈도우
31:제1포물경
32:제2포물경
40:종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치
41: 케이스부
42:발광부
43:산란부
44:수광부
45:주입관
46:고정부
47:적외선 광원
48:광원고정판
49:광검출부기판
50:적외선센서
51:렌즈부
52:PCB
53:핀공
54:삽입공
55:통공
56:멤브레인
60:종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서
61:광원램프
62:타원반사경
63:통기구
64:적외선센서
70:종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치
71:적외선 램프
72:반사경
73:광센서
74:광도파관
75:제2공기유입구
76:공기유출구
77:제1공기유입구
80:종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광동공
81:우후방반사경
82:좌후방반사경
83:좌측반사경
84:좌전방반사경
85:우전방반사경
86:광원고정부
87:광센서고정부
91:가스측정용 적외선광원부
92:신호보상용 적외선광원부
93:광센서부
100:본 발명의 일실시예에 따른 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템
110:하우징
111:적외선 광원
112:가스유입구
113:가스배출구
114:유동수단
115:배선구
120:제1반사경
121:베이스플레이트
122:지지대
123:PCB기판
130:제2반사경
131:체결부재
132:발열부
140:제3반사경
141:기준센서부
150:적외선센서부1: an elliptical dome-type reflector according to the prior art 1; a non-dispersive infrared gas sensor
2: Printed circuit based
3: elliptical domed reflector
4: Light source
5: Top plate
6: Light sensor
7: Light source fixing hole
8: Cleaning hole
9: Oval reflector
10: optical sensor coupling part
11: plate flange
20: Optical wave plate according to prior art 2
21: 1st ellipse
21a: 1st ellipse
21b: first focus
22: 2nd ellipse
22a: second ellipse
22b: second focus
23: Light source
24: Photodetector
25: first optical detecting window
26: Second optical detecting window
31: 1st bag diameter
32: second bag diameter
40: a non-dispersion infrared gas analyzing apparatus having an intensive lens according to the prior art 4
41:
42:
43: spawning part
44:
45: Injection tube
46:
47: Infrared light source
48: Light source fixing plate
49:
50: Infrared sensor
51:
52: PCB
53: Fins
54: Insertion ball
55: Through hole
56: Membrane
60: Non-dispersive infrared gas sensor according to prior art 5
61: Light source lamp
62: Oval reflector
63: Vents
64: Infrared sensor
70: Non-dispersion infrared gas measuring device according to prior art 6
71: Infrared lamp
72: reflector
73: Light sensor
74: light waveguide
75: second air inlet
76: air outlet
77: First air inlet
80: The non-dispersive infrared gas sensor according to the prior art 7 is a multi-
81: Right rear reflector
82: Left rear reflector
83: Left reflector
84: Left front reflector
85: right front reflector
86: Light source fixing unit
87: optical sensor fixing section
91: Infrared light source for gas measurement
92: Infrared light source for signal compensation
93:
100: An infrared multi gas measurement system for improving sensitivity according to an embodiment of the present invention
110: Housing
111: Infrared light source
112: gas inlet
113: gas outlet
114: flow means
115: Wiring hole
120: first reflector
121: base plate
122: Support
123: PCB substrate
130: Second reflector
131: fastening member
132:
140: Third reflector
141: Reference sensor part
150: Infrared sensor unit

Claims (16)

적외선 다중가스 측정장치에 있어서,
내부공간을 갖고 원통형상으로 구성된 하우징;
상기 하우징의 내부공간 일단측에 구비되는 특정곡률을 갖는 제1반사경;
적외선 광원을 방출하는 적외선 광원;
상기 하우징 내부공간의 타단측에 상기 제1반사경과 대향된 위치에 구비되는 제2반사경;
상기 제1반사경과 상기 제2반사경에 반사된 적외선 광을 검출하는 적외선 센서부;
상기 제1반사경과 특정간격 이격되어 배치되며, 상기 적외선 광원의 광축에서 ±5도 이상으로 방사된 일부 적외선 광이 반사되는 제3반사경; 및
상기 제3반사경에서 반사된 광을 검출하는 기준센서부;를 포함하고,
상기 제2반사경은, 하나의 몸체로서, 곡률은 동일하고 소정간격 이격되며 소정의 사이 각도를 갖는 한 쌍의 반사경으로 구성되며,
상기 제3반사경은 반링형의 평단면을 갖고,
상기 제1반사경, 상기 제2반사경 및 상기 제3반사경 중 적어도 어느 하나는,
금속, 유리 또는 플라스틱으로 성형한 후, Au/Ti, Au/Ni 또는 Cr/Ni을 도금 또는, 진공증착으로 코팅하고, 반사경에 대향되는 후면은 절연막을 증착 또는 스크린 프린팅 후, 소정 패턴을 갖는 발열부를 형성하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
In an infrared multi-gas measuring apparatus,
A housing having a cylindrical shape with an internal space;
A first reflector having a specific curvature at one end of the inner space of the housing;
An infrared light source emitting an infrared light source;
A second reflector provided at a position opposite to the first reflector on the other end side of the housing inner space;
An infrared sensor unit for detecting infrared light reflected by the first reflector and the second reflector;
A third reflector which is disposed at a specific distance from the first reflector and reflects some infrared light radiated from the optical axis of the infrared light source by more than ± 5 degrees; And
And a reference sensor unit for detecting light reflected by the third reflector,
Wherein the second reflector is constituted by a pair of reflectors having the same curvature and spacing of a predetermined interval and having a predetermined angle between them,
Wherein the third reflector has a flat section of a semi-ring shape,
Wherein at least one of the first reflector, the second reflector,
The substrate is formed of a metal, glass, or plastic, and then Au / Ti, Au / Ni, or Cr / Ni is coated by plating or vacuum evaporation and the rear surface facing the reflector is evaporated or screen- Wherein the infrared multi-gas measuring device forms an infrared multi-gas measuring part.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 하우징의 일측에 구비되어 측정대상가스가 유입되는 가스유입구와, 상기 하우징의 타측에 구비되어 측정대상가스가 배출되는 가스배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
The method according to claim 1,
A gas inlet provided at one side of the housing for introducing gas to be measured and a gas outlet provided at the other side of the housing for discharging gas to be measured.
제 5항에 있어서,
상기 가스유입구 또는 상기 가스배출구에 구비되어 상기 하우징으로 측정대상가스를 흡배기시키는 유동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
6. The method of claim 5,
Further comprising a flow unit provided at the gas inlet or the gas outlet for causing the housing to suck and discharge the gas to be measured.
제 6항에 있어서,
상기 하우징의 하단 내부공간에 구비되는 PCB기판과, 지지대에 의해 상기 PCB기판과 상부측으로 이격되도록 배치되는 베이스플레이트를 포함하고,
상기 제1반사경은 상기 베이스플레이트 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
The method according to claim 6,
And a base plate disposed to be separated from the upper surface of the PCB by a support base,
Wherein the first reflector is installed on the base plate.
제 7항에 있어서,
상기 적외선 광원과 상기 기준센서부 및 상기 적외선 센서부는 상기 제1반사경의 주변부의 상기 베이스플레이트 상에 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the plurality of infrared light sources, the reference sensor unit, and the infrared sensor unit are provided on the base plate of the peripheral portion of the first reflector.
제 8항에 있어서,
제1반사경과 상기 제2반사경의 평단면은 원판형인 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the first reflector and the second reflector have a flat cross-section in a circular plate shape.
삭제delete 적외선 다중가스 측정시스템에 있어서,
제 1항, 및 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 측정장치; 및
상기 측정장치의 적외선 센서부와 기준센서부에서 측정된 값을 기반으로 측정대상가스의 농도를 측정, 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.
In an infrared multi-gas measurement system,
10. A measuring device according to any one of claims 1 to 9, And
And analyzing means for measuring and analyzing the concentration of the gas to be measured based on the values measured by the infrared sensor portion and the reference sensor portion of the measuring device.
제 11항에 있어서,
상기 측정장치의 제1반사경, 제2반사경 및 제3반사경 중 적어도 어느 하나에 구비되어 표면온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.
12. The method of claim 11,
Further comprising a temperature sensor provided on at least one of the first reflector, the second reflector, and the third reflector of the measuring apparatus to measure a surface temperature of the infrared multi gas.
제 12항에 있어서,
상기 온도센서에서 측정된 값과 분위기 온도를 비교하여 상기 측정장치에 구비된 발열부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.
13. The method of claim 12,
Further comprising a control unit for controlling the heating unit provided in the measuring apparatus by comparing the measured value with the atmospheric temperature.
제 13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 측정장치의 가스유입구 및 가스배출구 중 어느 하나에 구비되는 유동수단을 제어하여 상기 측정장치 내로 유입되어 배출되는 측정대상가스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein,
And the flow rate of the gas to be measured flowing into and out of the measuring device is controlled by controlling the flow means provided in any one of the gas inlet and the gas outlet of the measuring device.
제 11항에 있어서,
상기 측정장치에 구비되는 적외선센서부는 적외선 광원과 대칭적인 위치에 구비되며, 측정대상가스의 개수만큼 구성되는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the infrared sensor unit included in the measurement apparatus is provided at a symmetrical position with respect to the infrared light source and is configured by the number of gas to be measured.
제 15항에 있어서,
상기 분석수단은 증폭기, 필터링회로 및 직류전압 출력기능을 갖는 적외선 써모파일을 포함하여, 적외선센서부에서 측정된 측정대상가스의 존재유무에 다른 출력전압과 기준센서부의 출력전압의 비를 비교하여 측정대상가스의 농도를 측정, 분석하는 것을 특징으로 하는 감도향상을 위한 적외선 다중가스 측정시스템.16. The method of claim 15,
The analyzing means includes an amplifier, a filtering circuit, and an infrared thermopile having a DC voltage output function. The analyzing means compares the ratio of the output voltage to the output voltage of the reference sensor portion with respect to the presence or absence of the measurement target gas measured by the infrared sensor portion Wherein the concentration of the target gas is measured and analyzed.
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