KR101728439B1 - 비분산 적외선 가스 측정 셀 - Google Patents

비분산 적외선 가스 측정 셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비분산 적외선 가스 측정 셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 적외선 소스, 적외선 검출기, 광 도파로 및 반사면을 포함하며 상기 광 도파로가 'ㄱ'자 형상의 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 셀에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중 가스 측정 셀에 의하면, 동일한 체적 또는 동일한 길이의 광 도파로를 포함하는 종래 직선형 NDIR 가스 센서에 비하여 광 경로 길이를 연장시킬 수 있어 저농도 가스의 측정 정확도가 향상될 뿐만 아니라, 전체적인 센서 크기의 소형화로 휴대 가능한 장치를 개발할 수 있게 된다. 또한 고농도 가스 측정 시에는 광 경로를 짧게 유지할 수 있어 하나의 측정 장치로 여러 종류의 가스를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 가스의 종류에 따라 광원의 전압을 달리할 수 있어 전력을 절약할 수 있다.

Description

비분산 적외선 가스 측정 셀{Non-Dispersive InfraRed Gas Measuring Cell}
본 발명은 비분산 적외선 가스 측정 셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 적외선 소스, 적외선 검출기, 광 도파로 및 반사면을 포함하며 상기 광 도파로가 'ㄱ'자 형상의 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 셀에 관한 것이다.
비분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed: NDIR) 가스 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광(적외선)을 흡수하는 특성을 이용하여 농도에 대한 광 흡수율을 측정함으로써 가스 농도를 구하는 방식이다. 즉, 특정 가스 분자는 특정 파장대의 광만을 흡수하는 특성이 있기 때문에 가스 분자에 여러 파장의 광을 조사하고, 이 중 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광만 필터로 걸러내어 측정하는 것이다.
비분산 적외선 가스 센서는 광 검출기에 해당 파장만을 투과시키는 광 필터를 부착하기만 되므로 분산 방식에 비하여 시스템이 간단하고 비용이 적게 소요되며, 가스 선택성 및 측정 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
비분산 적외선 가스 센서는 적외선 소스와 적외선 검출기 및 광 도파로를 포함한다. 적외선 소스에서 방출된 빛은 도파로 내의 가스 분자를 통과하여 광 검출기에 도달하는 과정에서 특정 파장의 광은 가스 분자에 의해 흡수된다. 가스 농도가 높을수록 흡수되는 광량은 많아지므로 검출기의 출력 전압은 낮아지는 원리를 이용하여 가스 농도를 측정할 수 있다.
이산화탄소는 온실가스로 지목될 만큼 광 흡수율이 매우 높다. 이와 같이 고농도 가스의 경우 높은 광 흡수율 때문에 광 경로의 길이가 짧더라도 농도 측정이 가능하기 때문에 쉽게 NDIR 센서를 개발할 수 있다.
그러나 일산화탄소와 같은 가스는 광 흡수율이 매우 낮다. 따라서 이와 같은 저농도 가스 측정을 위한 NDIR 센서는 광 경로의 길이를 충분히 길게 하여야 한다. 광과 가스 분자의 상호작용 횟수를 증가시킴으로써 센서의 감지도를 향상시키기 위함이다. 그러나 광 경로가 길수록 광 손실이 생기기 때문에 광 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 뿐만 아니라 광 경로가 길수록 센서 장치의 크기가 커지는 문제가 있다.
또한 상기와 같이 가스 종류에 따라 NDIR 가스 센서의 광 경로 또는 광원의 전압이 달라져야 하기 때문에 측정하고자 하는 가스마다 별도의 센서를 제작해야 하는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 NDIR 가스 센서로 광 경로의 길이를 다르게 하여 고농도 및 저농도 가스를 모두 측정할 수 있는 이중 가스 측정 셀을 개발하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적외선 소스, 적외선 검출기, 'ㄱ'자 형상의 가스 챔버를 형성하는 광 도파로, 상기 광 도파로 챔버 안쪽 벽면에 위치하는 복수 개의 반사면, 상기 광 도파로 챔버 내부에 위치하며 회전 가능한 보조 반사면, 가스 유입구 및 가스 배출구를 포함하는 이중 가스 측정 셀을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 적외선 소스는 상기 'ㄱ'자 형상 광 도파로의 한 쪽 단부 벽면 바깥에 위치하고, 상기 적외선 검출기는 상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부와 마주하는 벽면 바깥에 위치하며, 상기 적외선 소스 및 적외선 검출기가 위치하는 벽면에 각각 적외선 광이 통과할 수 있는 광 도파로 투광창이 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 반사면은 상기 광 도파로의 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 제1반사면, 상기 제1반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 제2반사면, 상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 제3반사면 및 상기 제3반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 제4반사면을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, (a) 상기 제1반사면과 제4반사면 및 (b) 상기 제2반사면과 제3반사면 중 어느 한 세트는 반사면 중앙에 적외선 광이 투과할 수 있는 반사면 투광창이 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면은 상기 'ㄱ'자 형상 가스 챔버 내부에 있어서 양쪽 직선형 챔버가 직각으로 교차하는 모퉁이부에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면은 상기 'ㄱ'자 형상 가스 챔버 내부에 있어서 양쪽 직선형 챔버가 직각으로 교차하는 모퉁이부에 위치하고, 상기 광 도파로의 윗면 또는 아랫면으로부터 연장된 회전축 끝에 부착될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면이 부착된 회전축의 반대쪽 끝은 상기 광 도파로를 관통하며, 광 도파로 외부에 위치하는 모터부와 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면은 유입되는 가스의 종류에 따라 회전하여 광 경로를 달리 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면은 고농도 가스 측정 시 직선형 광 경로를 형성시키고, 저농도 가스 측정 시 'ㄱ' 자형 광 경로를 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 가스 유입구는 상기 광 도파로의 한 쪽 단부 근처에 위치하고, 상기 가스 배출구는 다른 한 쪽 단부 근처에 위치할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 적외선 소스는 유입되는 가스의 농도에 따라 광원의 출력을 조절할 수 있는 광원 제어부를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 가스 측정 셀에 의하면, 동일한 체적 또는 동일한 길이의 광 도파로를 포함하는 종래 직선형 NDIR 가스 센서에 비하여 광 경로 길이를 연장시킬 수 있어 저농도 가스의 측정 정확도가 향상될 뿐만 아니라, 전체적인 센서 크기의 소형화로 휴대 가능한 장치를 개발할 수 있게 된다. 또한 고농도 가스 측정 시에는 광 경로를 짧게 유지할 수 있어 하나의 측정 장치로 여러 종류의 가스를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 가스의 종류에 따라 광원의 출력 전압을 달리할 수 있어 전력을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀을 이용한 고농도 가스 측정 시 광 경로를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀을 이용한 저농도 가스 측정 시 광 경로를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 4의 B-B 선을 따라 자른 단면도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이중 가스 측정 셀의 일실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 이중 가스 측정 셀(100)은 적외선 소스(110), 적외선 검출기(120), 'ㄱ'자 형상의 가스 챔버를 형성하는 광 도파로(130), 상기 광 도파로 챔버 안쪽 벽면에 위치하는 복수 개의 반사면(141, 142, 143, 144), 상기 광 도파로 챔버 내부에 위치하며 회전 가능한 보조 반사면(150), 가스 유입구(160) 및 가스 배출구(170)를 포함한다.
본 발명의 상기 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)는 종래 비분산 적외선 가스 센서의 설계를 따를 수 있다. 상기 적외선 검출기(120)는 2개 이상 사용될 수 있다. 상기 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)는 인쇄 회로 기판(printed circuit board), 다른 유형의 기계적 지지물 및/또는 전자 연결부(electronic connection) 주위에 배치될 수 있다. 상기 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)는 마이크로 프로세서를 통해 통신할 수 있으며, 다양한 유형의 필터, 증폭기 등이 사용될 수도 있다. 상기 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)에 부가되는 구성은 당업자에 의해 설계 및 구현 가능한 것이라면 이에 한정되지 않는다.
종래의 비분산 적외선 가스 센서에서 광 도파로는 직선형으로 형성되며, 일반적으로 광 도파로의 양 단부에 각각 광원 및 검출기를 마주보도록 배치하여, 광원으로부터 검출기에 도달하는 광 경로의 길이가 도파로의 직선 거리 및 폭으로 제한되었다. 따라서 광 경로의 길이를 길게 하기 위해서는 광 도파로 자체의 길이 및 폭을 길게 설계할 수 밖에 없었다.
그러나 본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)에서는 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)가 수직 방향으로 엇갈리도록 배치하고, 반사면(141, 142, 143, 144)을 이용하여 적외선 광을 적외선 소스(110)로부터 검출기(120)로 유도함으로써 광 경로를 조절하는 데 특징이 있다. 본 발명의 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)는 광 도파로(130) 외부에 위치할 수 있으며, 이 때 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 가스 챔버 안으로 들어가고, 가스 챔버로부터 나와 적외선 검출기(120)에 검출될 수 있도록 적외선 소스(110)가 위치하는 면과 적외선 검출기(120)가 위치하는 면에 각각 광 도파로 투광창(181, 182)이 형성될 수 있다. 상기 광 도파로 투광창(181, 182)은 적외선 광이 통과할 수 있는 재료라면 무엇이든 가능하며, 적외선 광의 흡수, 산란을 최소화 할 수 있는 재료가 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 적외선 소스(110)는 상기 'ㄱ'자 형상 광 도파로(130)의 한 쪽 단부 벽면 바깥에 위치하고, 상기 적외선 검출기(120)는 상기 광 도파로(130)의 다른 한 쪽 단부와 마주하는 벽면 바깥에 위치할 수 있으며, 상기 적외선 소스(110) 및 적외선 검출기(120)가 위치하는 벽면에 각각 적외선 광이 통과할 수 있는 광 도파로 투광창(181, 182)이 형성될 수 있다.
본 발명의 상기 광 도파로(130)는 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 적외선 검출기(120)에 도달할 수 있도록 광 경로를 유도하는 역할을 하는 것이며, 'ㄱ'자 형상의 가스 챔버를 형성한다. 본 발명의 광 도파로(130)는 도 1에 나타난 바와 같이 두 개의 직선형 가스 챔버의 단부가 연결되어 중간부가 굽어진 챔버를 형성하는 것을 특징으로 한다. 광 도파로(130)의 중간부는 직각으로 굽어져 'ㄱ'자 형상을 나타내는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 광 도파로(130)는 열가소성 재료, 금속, 고무, 복합 재료 등으로 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 광 도파로(130)는 안쪽 벽면에 적외선 광을 반사시키는 복수 개의 반사면(141, 142, 143, 144)을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 반사면(141, 142, 143, 144)은 상기 광 도파로(130) 내벽면에 적절한 설계에 따라 이격 배치될 수 있다. 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 적절한 설계에 의해 소재, 표면 형상, 위치 등을 변경함으로써 광원으로부터 적외선 검출기에 이르는 광 경로를 조절할 수 있어 광 도파로 전체 크기를 늘리지 않으면서도 광 경로를 충분히 연장시킬 수 있다.
상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 적외선 광을 적외선 소스(110)로부터 적외선 검출기로(120) 유인할 수 있도록 설계될 수 있다. 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 방출되어 'ㄱ' 형상의 챔버(131)를 통과하여 적외선 검출기(120)에 도달하기까지 광 손실을 최소화 할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 적절한 설계에 의한 연장된 광 경로를 따라 이동할 수 있도록 한다.
구체적으로 본 발명의 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 적외선 광의 산란을 최소화 시킴과 동시에 원하는 광 경로로 유인할 수 있도록 정밀한 설계에 의해 형상, 원료, 제조방법 등을 결정할 수 있다. 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 빛의 산란을 최소화 하기 위해 매끈하고 평평한 표면을 가지는 근사 정반사(near specular reflection)를 제공할 수 있다.
상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 평활 표면과 대조적으로 비경면(non-specular) 또는 텍스처 표면을 포함하는 반사성 확산기 형태일 수도 있다. 상기 텍스처 표면은 균일한 패턴, 랜덤 패턴 또는 홀로그램 패턴 중 어느 하나 이상일 수 있다. 또한 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 반사성이 뛰어난 금속 재질일 수 있고, 반사성 물질로 코팅될 수 있다. 또한 상기 반사면(140)의 코팅은 피복 또는 도금방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 반사면(141, 142, 143, 144)의 텍스처 표면은 몰드에 의한 사출, 텍스처링 공법 등 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 바람직하게 본 발명의 반사면(141, 142, 143, 144)은 오목한 표면으로 형성되는 것이 바람직하나, 원하는 광 경로를 유도할 수 있으면 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 반사면(141, 142, 143, 144)은 상기 광 도파로의 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 제1반사면(141), 상기 제1반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 제2반사면(142), 상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 제3반사면(143) 및 상기 제3반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 제4반사면(144)을 포함할 수 있다.
이때, (a) 상기 제1반사면(141) 및 제4반사면(144) 세트 또는 (b) 상기 제2반사면(142) 및 제3반사면(143) 세트 중 어느 한 세트는 반사면 중앙에 적외선 광이 투과할 수 있는 반사면 투광창(191, 192)이 형성될 수 있다. 상기 반사면 투광창(191, 192)은 광 도파로(130) 외부에 위치하는 적외선 소스(110)로부터 광 도파로(130) 내부로, 광 도파로(130)에서 적외선 검출기(120)로 적외선 광이 이동할 수 있도록 한다. 상기 반사면 투광창은 적외선 광이 통과할 수 있는 재료라면 무엇이든 가능하며, 적외선 광의 흡수, 산란을 최소화 할 수 있는 재료가 바람직하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀(100)은 'ㄱ'자 형상 광 도파로(130)의 한 쪽 단부 벽면 바깥에 적외선 소스(110)가 위치하고, 상기 광 도파로(130)의 다른 한 쪽 단부와 마주하는 벽면 바깥에 적외선 검출기(120)가 위치할 수 있으며, 상기 적외선 소스(110)가 위치하는 광 도파로(130) 벽면 안쪽에 제1반사면(141)이 위치하고, 상기 적외선 검출기(120)가 위치하는 벽면 안쪽에 제4반사면(144)이 위치할 수 있다.
또한 상기 제1반사면(141)과 마주보는 벽면에는 제2반사면(142)이 위치하고, 제4반사면(144)과 마주보는 벽면에는 제3 반사면(143)이 위치할 수 있다. 이때 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 가스 챔버 안으로 방출될 수 있도록 적외선 소스(110)와 제1반사면(141) 사이의 벽면에 광 도파로 투광창(181)과 제1반사면(141) 중앙부에 반사면 투광창(191)이 형성되고, 가스 챔버로부터 적외선 검출기(120)로 광이 유입될 수 있도록 적외선 검출기(120)와 제4반사면(144) 사이 벽면에 광 도파로 투광창(182)과 제4반사면(144) 중앙부에 반사면 투광창(192)이 형성될 수 있다.
본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)은 상기 광 도파로(130) 챔버 내부에 위치하며 회전 가능한 보조 반사면(150)을 포함할 수 있다. 상기 보조 반사면(150)은 상기 광 도파로(130)의 벽면에 위치하는 반사면(141, 142, 143, 144)과 달리 가스 챔버 중앙에 위치하여, 반사면(141, 142, 143, 144)에서 반사된 적외선 광의 경로를 변경하는 데 결정적인 역할을 할 수 있다.
상기 보조 반사면(150)은 상기 'ㄱ'자 형상의 광 도파로(130)에서 양쪽의 직선형 챔버가 직각으로 교차하는 모퉁이부에 위치할 수 있으며, 상기 반사면(141, 142, 143, 144)에 의해 반사된 적외선 광이 모퉁이 부에서 상기 보조 반사면(150)에 닿았을 때 보조 반사면(150)의 방향에 따라 적외선 광의 진행 방향이 바뀔 수 있다. 상기 보조 반사면(150)은 보조 반사면 제어부(200)에 의해 그 방향이 결정될 수 있다. 상기 보조 반사면 제어부(200)는 회전축(210), 모터부(220), 제어부 회로기판(230)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면(150)은 상기 광 도파로의 윗면 또는 아랫면으로부터 연장된 회전축(210) 끝에 부착될 수 있다. 또한 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 반사면(150)이 부착된 회전축(210)의 반대쪽 끝은 상기 광 도파로(150)의 벽면, 바람직하게는 위쪽 또는 아랫쪽 벽면을 관통하여 광 도파로(130) 외부에 위치하는 모터부(220)와 연결될 수 있다.
상기 모터부(220)는 상기 회전축(210)에 회전력을 제공하여 상기 보조 반사면(150)이 적절한 각도로 회전할 수 있도록 한다. 상기 모터부(220)는 제어부 회로기판(230)에 배치될 수 있다.
본 발명의 상기 보조 반사면(150)은 회전 가능하며, 유입되는 가스의 종류에 따라 회전하여 광 경로를 달리 할 수 있다. 상기 보조 반사면(150)은 적절한 각도로 회전함으로써 고농도 가스 측정 시 직선형 광 경로를 형성시키고, 저농도 가스 측정 시 'ㄱ'자형 광 경로를 형성시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 가스 측정 셀은 초기 가동 시 상기 보조 반사면(150)이 'ㄱ'자형 광 경로(저농도 모드)를 형성하도록 설정될 수 있다. 상기 초기 상태에서 측정하고자 하는 가스가 유입되면, 적외선 검출기(120)에서 측정된 광 흡수율 값을 상기 보조 반사면 제어부(200)로 전달하여 가스 농도에 따라 광 경로를 선택하도록 할 수 있다. 만약 유입된 가스 농도가 '저농도'인 것으로 판단되면, 상기 초기 상태에서 측정한 광 흡수율로부터 가스 농도를 계산할 수 있으며, '고농도'로 판단되면 상기 보조 반사면 제어부(200)에서 보조 반사면(150)을 회전시켜 직선형 광 경로(고농도 모드)로 변환한 후 광 흡수율을 재측정하여 정확한 가스 농도를 계산할 수 있다. 본 발명에서 있어서 상기 적외선의 광 경로를 저농도 또는 고농도 모드로 변환하기 위한 기준점은 초기 상태에 대한 광 흡수율로 결정될 수 있다.
여기서, 상기 기준점이 되는 광 흡수율은 설정치에 따라 달라질 수 있으므로 0% 초과 100% 미만의 범위 내라면 특별히 제한하지 않는다. 즉, 상기 광 흡수율이 20% 미만인 경우 저농도 모드, 20% 이상인 경우 고농도 모드로 운영될 수 있고, 또 상기 광 흡수율이 50% 미만인 경우를 저농도 모드로, 50% 이상인 경우를 고농도 모드로 운영될 수 있다.
또한 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 상기 저농도와 고농도가 달라질 수 있으며, 일 예로서 일산화탄소(CO)의 경우 5ppm이하를 저농도, 5ppm초과를 고농도로 정의할 수도 있으나, 이에 제한하지 않는다.
구체적인 실시예는 이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)은 적외선 광을 이용하여 가스 농도를 측정하기 위한 것이므로 가스 유입구(160) 및 가스 배출구(170)를 포함한다. 본 발명의 상기 가스 유입구(160)는 상기 광 도파로(130)의 한 쪽 단부 근처에 위치하고, 상기 가스 배출구(170)는 상기 광 도파로(130)의 다른 한 쪽 단부 근처에 위치할 수 있다.
상기 가스 유입구(160) 및 가스 배출구(170)는 측정하고자 하는 가스가 챔버 내에 충분히 진입하고 빠져나갈 수 있는 정도의 크기로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 직경 0.5 mm 내지 5.0 mm의 원형으로 형성될 수 있다. 상기 가스 유입구(160) 및 가스 배출구(170)는 'ㄱ'자 형상 가스 챔버 내부에 가스가 유입되고 배출될 때 챔버 전체에 균일한 밀도로 분포될 수 있는 위치에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 'ㄱ'자형 가스 챔버의 양 단부 벽면으로부터 0.5 cm 내지 5.0 cm 거리에 위치할 수 있다. 상기 가스 유입구(160) 및 가스 배출구(170)는 가스의 원활한 순환을 위해 각각 1개 이상 설치될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 적외선 소스(110)는 유입되는 가스의 농도에 따라 광원의 출력을 조절할 수 있는 광원 제어부(300)를 추가로 구비할 수 있다. 상기 광원 제어부(300)는 저농도의 가스가 유입될 때 광원의 출력 전압을 낮추고, 고농도의 가스가 유입될 때 광원의 출력 전압을 높일 수 있다. 광원의 출력이 낮은 상태에서 고농도의 가스가 유입되는 경우 모든 광원이 흡수되어 가스의 농도를 측정할 수 없고, 반대로 광원의 출력이 높은 상태에서 저농도의 가스가 유입되는 경우 대부분의 광원이 흡수되지 않아 가스의 농도 측정이 어려울 뿐만 아니라 불필요한 동력을 사용하게 되어 검출기의 수명 저하를 일으킬 수 있다. 그러나 본 발명의 상기 광원 제어부(300)를 구비함으로써 측정하고자 하는 가스의 농도에 따라 적절한 출력의 광원을 사용할 수 있게 된다. 이는 결과적으로 측정 정확도를 높일 수 있고, 불필요한 동력 낭비를 줄이며, 검출기의 수명을 연장하는 효과가 있다.
구체적으로, 본 발명의 가스 측정 셀은 초기 가동 시 상기 적외선 소스(110)에서 낮은 출력 값(저농도 모드)의 적외선 광을 방출시키도록 설정될 수 있다. 상기 초기 상태에서 측정하고자 하는 가스가 유입되면, 적외선 검출기(120)에서 측정된 광 흡수율 값을 상기 광원 제어부(300)로 전달하여 가스 농도에 따라 광원의 출력 값을 선택하도록 할 수 있다. 만약 유입된 가스 농도가 '저농도'인 것으로 판단되면, 초기 상태인 저출력 광원에 대한 흡수율로부터 가스 농도를 계산할 수 있으며, '고농도'로 판단되면 상기 광원 제어부(300)에 의해 출력이 증가된 광원을 다시 방출시킨 후 광 흡수율을 재측정하여 정확한 가스 농도를 계산할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 광원의 출력 값을 저농도 또는 고농도 모드로 변환하기 위한 기준점은 초기 상태에 대한 광 흡수율로 결정된다. 일례로서, 상기 광 흡수율이 50% 미만인 경우 저농도 모드로, 50% 이상인 경우 고농도 모드로 운영되는 경우, 저농도 모드에서 방출되는 적외선 광의 출력은 3 ~ 7 W일 수 있으며, 바람직하게는 4.5 ~ 5.5 W인 것이 좋다. 또한, 본 발명에 있어서 고농도 모드에서 방출되는 적외선 광의 출력은 8 ~ 12 W일 수 있으며, 바람직하게는 9.5 ~ 10.5 W인 것이 좋다.
한편, 상기에서는 저농도 모드 또는 고농도 모드에 대응하도록 광원의 출력 값을 변화시키는 경우에 관해서만 설명하고 있으나, 출력이 상이한 2개의 광원을 구비할 수도 있다.
즉, 저출력 광원에 대한 흡수율으로부터 '고농도'로 판단되면, 고출력 광원으로 스위칭되어 고출력 광원이 방출되고, 반대로 고출력 광원에 대한 흡수율로부터 '저농도'로 판단되면, 저출력 광원으로 스위칭되어 저출력 광원이 방출될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀을 이용한 고농도 가스 측정 시 광 경로를 나타낸 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.
저농도 또는 고농도 모드로 변환하기 위한 광 흡수율 기준점이 50%인 일실시예에 의하면, 상기 이중 가스 측정 셀(100)은 작동 초기 상태로서 광원 제어부(300)에서 적외선 광원의 출력 값은 저출력 상태(약 5 W)로 설정되고, 보조 반사면(150)은 'ㄱ'자형 광 경로를 형성하도록 설정될 수 있다. 이때, 광 도파로에 고농도 가스가 유입되면 광원의 흡수율이 50% 이상으로 측정되고, 상기 적외선 검출기(120)에서 측정된 광 흡수율이 50% 이상이므로 고농도 가스라는 신호를 보조 반사면 제어부(200) 및 광원 제어부(300)에 보낸다.
고농도 가스 신호를 받은 상기 보조 반사면 제어부(200)는 보조 반사면(150)을 회전시킴으로써 직선형 광 경로를 형성하도록 한다. 상기 보조 반사면(150)은 도 3에 나타난 바와 같이 광 도파로(130)의 위쪽 벽면으로부터 연장된 회전축(210) 끝에 연결되어 있으며, 상기 회전축(210)에 연결된 모터부(220)에 의해 회전 가능하고, 상기 회전축(210) 및 모터부(220)는 회로 기판(230)에 의해 제어된다. 고농도 가스가 유입되는 경우 고농도 가스 유입 신호를 받은 보조 반사면 제어부(200)는 상기 보조 반사면(150)이 적외선 광이 닿았을 때 적외선 검출기(120)로 반사시킬 수 있는 각도로 회전시킴으로써 직선형 광 경로를 형성하도록 한다. 또한, 고농도 가스 신호를 받은 상기 광원 제어부(300)는 광원의 출력 값을 높임으로써 적외선 소스(110)에서 고출력 (약 10 W) 광원을 방출시킬 수 있도록 한다. 상기와 같이 '고농도 모드' 설정이 완료된 후 출력 값이 높은 광원을 직선형 광 경로로 다시 방출시킨 상태에서 고농도 가스의 광 흡수율을 다시 측정하여 정확한 가스 농도를 계산할 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 고농도의 가스가 유입되었을 때 본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)은 상기와 같이 보조 반사면 제어부(200) 및 광원 제어부(300)에 의해 '고농도 모드'로 운영될 수 있으며, 도면에 나타난 바와 같이 적외선 광이 제1반사면(141) 및 제2반사면(142)에 의해서만 반사되어 직선형 광 경로를 형성할 수 있다. 구체적으로, 고농도 가스가 감지되면 고출력의 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 방출되어 가스 챔버 안으로 들어간 후 상기 적외선 소스(110)와 마주보는 상기 제2반사면(142)에 의해 반사되어 제1반사면(141)으로 향하게 되고, 제1반사면(141)에 의해 다시 반사되기를 반복하다가, 가스 챔버의 모퉁이부 중간에 위치하는 보조 반사면(150)에 의해 적외선 검출기(120)로 유인될 수 있으며, 적외선 검출기(120)에서 광 흡수율을 측정한 후 이로부터 가스의 농도를 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이중 가스 측정 셀을 이용한 저농도 가스 측정 시 광 경로를 나타낸 평면도이며, 도 5는 도 4의 B-B 선을 따라 자른 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 이중 가스 측정 셀(100)은 작동 초기 상태로서 상기에서 설명한 바와 같이 저출력 광원(약 5W) 및 'ㄱ'자형 광 경로를 형성하도록 설정될 수 있다. 이때, 광 도파로에 저농도 가스가 유입되면 상기 적외선 검출기(120)에서 광원의 흡수율이 50% 미만으로 측정되고, 초기 상태에서 이미 '저농도 모드'로 작동되었으므로 측정된 광 흡수율로부터 가스의 농도를 계산할 수 있게 된다.
도 4를 참조하면, 저농도의 가스가 유입되었을 때 본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)은 '저농도 모드'로 운영될 수 있으며, 도면에 나타난 바와 같이 적외선 광이 제1반사면(141)과 제2반사면(142) 뿐만 아니라 제3반사면(143)과 제4반사면(144)에 의해서도 반사되어 'ㄱ'자형 광 경로를 형성할 수 있어, 광 도파로(130)의 길이 또는 폭에 비해 광 경로의 길이를 현저히 연장시킬 수 있게 된다. 구체적으로, 저농도 가스가 유입되면 저출력의 적외선 광이 적외선 소스(110)로부터 방출되어 가스 챔버 안으로 들어간 후 상기 적외선 소스(110)와 마주보는 상기 제2반사면(142)에 의해 반사되어 제1반사면(141)으로 향하게 되고, 제1반사면(141)에 의해 다시 반사되기를 반복하다가, 가스 챔버의 모퉁이부 중간에 위치하는 보조 반사면(150)에 의해 제3반사면(143)으로 유인될 수 있다. 상기 제3반사면(143)에 도달한 광은 다시 마주보고 있는 제4반사면(144)으로 향하게 되고, 제4반사면에 의해 다시 반사되기를 반복하다가, 적외선 검출기(120)에 도달할 수 있게 된다. 상기 보조 반사면(150)은 도 3에서와 같이 제어부(200)에 의해 제어되며, 도 5에 나타난 바와 같이 저농도 가스 유입 신호를 받은 보조 반사면 제어부(200)는 상기 보조 반사면(150)이 적외선 광이 닿았을 때 제3반사면(143)으로 반사시킬 수 있는 각도로 회전시키며, 이에 따라 본 발명의 이중 가스 측정 셀(100)은 '저농도 모드'로 운영될 수 있게 된다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위하여 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적이거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에서 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 이중 가스 측정 셀
110 적외선 소스
120 적외선 검출기
130 광 도파로
141 제1반사면
142 제2반사면
143 제3반사면
144 제4반사면
150 보조 반사면
160 가스 유입구
170 가스 배출구
181, 182 광 도파로 투광창
191, 192 반사면 투광창
200 보조 반사면 제어부
210 회전축
220 모터부
230 제어부 회로 기판
300 광원 제어부

Claims (11)

  1. 'ㄱ' 자 형상의 가스 챔버를 형성하는 광 도파로;
    상기 'ㄱ'자 형상 광 도파로의 한 쪽 단부 벽면 바깥에 위치하는 적외선 소스;
    상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부와 마주하는 벽면 바깥에 위치하는 적외선 검출기;
    상기 적외선 소스 및 적외선 검출기가 위치하는 벽면에 각각 적외선 광이 통과할 수 있는 광 도파로 투광창;
    상기 광 도파로의 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 오목형 제1반사면;
    상기 제1반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 오목형 제2반사면;
    상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부 벽면에 위치하는 오목형 제3반사면;
    상기 제3반사면과 마주하는 벽면에 위치하는 오목형 제4반사면;
    상기 'ㄱ'자 형상 가스 챔버 내부에 위치하되, 양쪽 직선형 챔버가 직각으로 교차하는 모퉁이부에 위치하는 회전 가능한 보조 반사면;
    상기 광 도파로의 한 쪽 단부 근처에 위치하는 가스 유입구; 및
    상기 광 도파로의 다른 한 쪽 단부 근처에 위치하는 가스 배출구를 포함하되,
    상기 보조 반사면은 고농도 가스 측정 시 직선형 광 경로를 형성시키고, 저농도 가스 측정 시 'ㄱ'자형 광 경로를 형성시키는 것을 특징으로 하는 이중 가스 측정 셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보조 반사면은 광 도파로의 윗면 또는 아랫면으로부터 연장된 회전축 끝에 부착되는 것을 특징으로 하는 이중 가스 측정 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 반사면이 부착된 회전축의 반대쪽 끝은 상기 광 도파로를 관통하며, 광 도파로 외부에 위치하는 모터부와 연결되는 것을 특징으로 하는 이중 가스 측정 셀.
  8. 제1항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 반사면은 유입되는 가스의 종류에 따라 회전하여 광 경로를 달리 하는 것을 특징으로 하는 이중 가스 측정 셀.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 소스는 유입되는 가스의 농도에 따라 광원의 출력을 조절할 수 있는 광원 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 가스 측정 셀.
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KR101256381B1 (ko) * 2011-11-11 2013-04-25 서울시립대학교 산학협력단 광경로 가변형 가스농도측정장치

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