KR101767177B1 - 다종가스 계측 방법 - Google Patents

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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명의 일실시 예는 다종가스가 동시에 흡수하는 간섭/중첩된 광 흡수 신호로부터 농도 측정이 가능하여, 폭넓은 광 흡수 신호를 분석에 사용할 수 있는 계측 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 다종가스 계측 방법은, (ⅰ) 파장영역을 변조하면서 상기 레이저빔을 상기 연소가스에 조사하여 통과시키는 단계; (ⅱ) 상기 레이저빔이 상기 광검출부에 집광되는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔의 파장을 분석하여 전체흡광도 그래프를 생성하는 단계; (ⅳ) 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔 파장의 상호 간섭으로 인해, 상기 전체흡광도 그래프에서 복수 개의 봉우리 사이 복수 개의 골이 형성된 경우, 각각의 상기 봉우리 중심선을 기준으로 좌/우측 그래프 형상을 이용하여 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 도출하는 단계; (ⅴ) 상기 전체흡광도 그래프의 흡수면적을 기준으로, 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 보정하는 단계; 및 (ⅵ) 상기 프로세서부가 상기 가스물질의 농도를 도출하는 단계;를 포함한다.

Description

다종가스 계측 방법{A MEASURING METHOD FOR COMBUSTION GAS}
본 발명은 다종가스 계측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다종가스가 동시에 흡수하는 간섭/중첩된 광 흡수 신호로부터 농도 측정이 가능하여, 폭넓은 광 흡수 신호를 분석에 사용할 수 있는 계측 방법에 관한 것이다.
LAS, 특히 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 파장가변형 다이오드레이저 흡수 분광법)는 최근 에너지, 환경 분야에서 크게 각광받고 있는 계측 기술이다. 이는 실시간으로 몇 가지 가스 종의 농도나 온도를 정밀 측정할 수 있으며, 측정이 어려운 대형 연소시스템에도 적용이 가능하여 다양한 형태로 응용되고 있다.
TLDAS의 농도측정 기본원리는 아래 Beer-Lambert 법칙에서 보이는 바와 같이 가스의 광 흡수 특성에서 기인한다.
모든 가스는 정해져 있는 특정한 몇 가지 파장의 빛을 흡수한다. 대표적인 예로 760.21nm 파장의 빛을 다른 가스 종은 다 유리창과 같이 그냥 통과시키지만 산소는 이를 흡수한다. 즉 760.21nm의 빛을 발진해서 산소가 포함된 가스영역에 통과시키면, 그 파장의 빛은 다른 가스 종의 영향을 받지 않고 산소의 영향만 받으므로, 흡수된 양 및 모양을 분석하면 산소의 농도나 온도를 계측해 낼 수 있는 원리이다. 그러나, 예를 들어 만약 1600nm내외의 파장 대와 같은 영역의 빛을 사용한다면, 그 영역 대에서는 H2O, CO, CO2 등 다양한 가스가 빛을 흡수하게 된다. 그렇다면 그 흡수신호는 여러 가스 종의 영향을 동시에 받았으므로, 어느 한 가스만의 정보를 분석해 낼 수 없게 된다.
이러한 문제로, 기존의 TDLAS 기법들은 측정하고자 하는 어떠한 가스종이 있다면, 그 가스종만 영향을 미치는 독립적인 광 흡수 신호를 찾는 것이 농도/온도 측정을 위한 선결 조건이다. 그러나, 실제 산업 현장에서는 다양한 혼합가스종을 대상으로 측정이 이루어지므로, 타겟 가스만의 독립적 광 흡수 신호를 찾기가 쉽지 않다. 또한, 가장 핵심적인 하드웨어인 다이오드레이저도 방출하는 빛의 파장범위에 한계가 있으며, 일부 파장영역은 가격이 매우 고가여서 상업용으로 사용하기에 어려운 경우도 있다. 이렇듯, 독립 흡수신호 필요조건에 따라 기술 적용에 한계를 보이는 경우가 있어, 이에 대한 해결책이 요구되고 있는 상황이다.
대한민국 등록특허 제10-1159215호(발명의 명칭: 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치)에서는, 레이저광이 측정대상가스를 통과하도록 발진하는 발진기; 측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 서로 간섭 현상이 일어나지 않는 한 쌍의 흡수 천이 파장에서 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 전기적 신호로 검출하는 수광기; 수광기로부터 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 수신하고, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 수신된 신호를 분석하여, 측정대상가스의 온도 및 농도를 측정하는 한편, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 측정대상가스의 초기 농도를 구하고, 측정된 농도값으로부터 광 흡수율이 계산되면 광 흡수율과 미리 설정된 설정값의 비교를 통해 측정기법을 변화시킬 것인 지를 결정하는 데이터분석기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-1159215호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, LAS(Laser Absorption Spectroscopy, 레이저 흡수 분광)기법을 이용한 가스농도 측정의 한계를 높여, 다종가스가 동시에 흡수하는 간섭/중첩된 광 흡수 신호로부터 농도 측정이 가능케 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, (ⅰ) 파장영역을 변조하면서 상기 레이저빔을 상기 연소가스에 조사하여 통과시키는 단계; (ⅱ) 상기 레이저빔이 상기 광검출부에 집광되는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔의 파장을 분석하여 전체흡광도 그래프를 생성하는 단계; (ⅳ) 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔 파장의 상호 간섭으로 인해, 상기 전체흡광도 그래프에서 복수 개의 봉우리 사이 복수 개의 골이 형성된 경우, 각각의 상기 봉우리 중심선을 기준으로 좌/우측 그래프 형상을 이용하여 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 도출하는 단계; (ⅴ) 상기 전체흡광도 그래프의 흡수면적을 기준으로, 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 보정하는 단계; 및 (ⅵ) 상기 프로세서부가 상기 가스물질의 농도를 도출하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, (ⅰ) 연소에 의해 제1가스물질과 제2가스물질이 생성되어 상기 연소가스에 포함되는 단계; (ⅱ) 상기 제1가스물질에만 흡수되는 제1파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스에 조사되어 통과하고, 상기 광검출부에 집광되는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가, 상기 제1파장영역의 레이저빔에 대한 제1흡광도 그래프를 생성하고, 상기 제1가스물질의 농도를 도출하는 단계; (ⅳ) 상기 제1가스물질과 상기 제2가스물질에 흡수되는 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스에 조사되어 통과하고, 상기 광검출부에 집광되는 단계; (ⅴ) 상기 제1가스물질의 농도를 이용하여, 상기 제2파장영역의 레이저빔에 대한 상기 제1가스물질의 제2흡광도 그래프의 면적을 도출하는 단계; (ⅴ) 상기 프로세서부가, 상기 제2파장영역의 레이저빔에 대한 혼합흡광도 그래프를 생성하고, 상기 혼합흡광도 그래프의 면적을 도출하는 단계; 및 (ⅵ) 상기 제2흡광도 그래프의 면적과 상기 혼합흡광도 그래프를 이용하여 상기 제2가스물질의 농도를 도출하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 다종가스가 동시에 흡수하는 간섭/중첩된 광 흡수 신호로부터 농도 측정이 가능하여, 폭넓은 광 흡수 신호를 분석에 사용할 수 있고, 이에 따라 기존에 분석이 불가능 하였던 경우의 개선이 가능하다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 흡수 분광법의 원리에 대한 개념도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 다종가스 계측을 수행하는 광학시스템의 개략도이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스물질의 광 흡수 신호에 대한 그래프이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스물질의 흡광도 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 전체흡광도 그래프 및 흡광도 그래프이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 보정이 수행되는 흡광도 그래프이다.
도7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다종가스 계측을 수행하는 광학시스템의 개략도이다.
도8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스물질에 대한 광 흡수 신호 강도에 대한 그래프이다.
도9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1가스물질의 광 흡수 신호와 흡광도 그래프이다.
도10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 혼합된 가스물질에 대한 광 흡수 신호와 혼합흡광도 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 흡수 분광법의 원리에 대한 개념도이다. 도1의 (a)는 소정의 파장영역의 레이저빔을 가스물질에 조사하는 것을 나타내고, 도1의 (b)는 가스물질의 광 흡수 강도에 대한 그래프이며, 도1의 (c)는 가스물질에 대한 흡광도 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명은, Beer-Lambert법칙(August Beer와 Johann Heinrich Lambert가 만든 투과도에 대한 법칙)을 이용한 것이다.
도1의 (a)에서 보는 바와 같이, 파장가변형 레이저는, va와 v1 내지 v6의 파장의 레이저빔을 조사할 수 있다. 여기서, L은 가스에 대해 레이저빔이 통과하는 길이이다.
도1의 (b)에서 보는 바와 같이, va와 v1 내지 v6 파장영역의 레이저빔을 연소가스에 조사하면, va와 같은 특정 파장을 가장 강하게 흡수하고, 나머지 파장의 레이저빔을 상대적으로 약하게 흡수할 수 있다. 이를 통해, 가스물질의 종류를 분석할 수 있다.
도1의 (c)에서 보는 바와 같이, 수식에 의해 도1의 (b)의 광 흡수 강도 그래프를 변화하여 가스물질의 흡광도 그래프를 생성할 수 있고, 이러한 흡광도 그래프의 면적을 이용하여 가스물질의 농도를 도출할 수 있다.
이하, 연소가스에 포함된 다종의 가스물질의 농도를 분석하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 다종가스 계측을 수행하는 광학시스템의 개략도이고, 도3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스물질의 광 흡수 신호에 대한 그래프이며, 도4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스물질의 흡광도 그래프이다.
그리고, 도5는 본 발명의 실시 예에 따른 전체흡광도 그래프 및 흡광도 그래프이며, 도6은 본 발명의 실시 예에 따른 보정이 수행되는 흡광도 그래프이다.
도2에서 보는 바와 같이, 다종의 가스물질이 포함되는 연소가스인 다종가스 대해 계측을 수행하는 방법에 이용되는 광학시스템은, 레이저빔을 조사하는 레이저부(110), 레이저빔이 집광되는 광검출부, 및 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부(130)를 포함할 수 있다.
광검출부는, 제1광검출기(150)와 제2광검출기(151)를 구비할 수 있다.
여기서, 레이저부(110)는, 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다.
상기와 같은 광학시스템을 이용한 구체적인 실험 예는, 후단의 실험 예에서 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 파장영역을 변조하면서 레이저빔을 연소가스에 조사하여 통과시킬 수 있다.
연소실에서 생성된 연소가스에 대한 분석을 위해 연소가스에 레이저빔을 조사하는 경우, 레이저빔을 연소실 내부로 직접 조사하여 연소가스에 대한 실시간 분석을 수행할 수 있다.
또는, 도2에서와 같이 별도의 가스관을 구비하여, 가스관에 연소가스를 유동시키면서 연소가스에 레이저빔을 조사하여 연소가스에 대한 실시간 분석을 수행할 수 있다.
둘째 단계에서, 레이저빔이 광검출부에 집광될 수 있다.
이 때, 집광되는 레이저빔을 파장별로 분류하고, 분류된 각 파장별 광 흡수 신호 강도에 따라 가스물질의 종류를 분석할 수 있다.
도3의 (a)의 경우, 이산화탄소(CO2) 단일가스 조건으로, 이산화탄소(CO2)에 의해 강한 하나의 광 흡수가 일어나는데 반해, 도3의 (b)의 경우, 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합가스 조건으로, 일산화탄소(CO)에 의한 광 흡수가 추가적으로 발생한 것이며, 각각의 가스물질에 대한 광 흡수 신호는 별도로 형성될 수 있다.
연소가스에 포함된 물질은 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등으로써, 대부분 농도 분석을 위한 목적 가스물질은 사전에 파악되어 다종가스 계측이 수행될 수 있다.
다만, 이러한 가스물질의 포함 여부를 확실히 하기 위해, 상기된 가스물질이 광 흡수를 하는 파장영역의 레이저빔을 연소가스에 조사하고, 각 파장별 광 흡수 신호의 강도를 분석하여, 각 가스물질의 종류를 확인할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(130)가 연소가스에 흡수된 레이저빔의 파장을 분석하여 전체흡광도 그래프를 생성할 수 있다.
각각의 가스물질에 대한 흡광도 그래프는, 도4의 그래프와 같은 형상일 수 있다.
흡광도의 최고점을 형성하는 레이저빔의 파장을 중심으로 좌우 대칭 형상임을 확인할 수 있다.
그리고, 전체흡광도 그래프는, 도5의 (a)와 같은 형상일 수 있다.
구체적인 일 실시예로써, 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)로 형성된 가스에 대해 레이저빔을 조사하면, 도5의 (a)와 같이 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)에 대한 전체흡광도 그래프를 생성할 수 있다.
도5의 (b)는 이산화탄소(CO2)의 흡광도 그래프이고, 도5의 (c)는 일산화탄소(CO)의 흡광도 그래프이다.
도5의 (a)와 같은 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)에 대한 전체흡광도 그래프는, 이산화탄소(CO2)의 흡광도 그래프와 일산화탄소(CO)의 흡광도 그래프가 겹쳐진 형상일 수 있다.
넷째 단계에서, 연소가스에 흡수된 레이저빔 파장의 상호 간섭으로 인해, 전체흡광도 그래프에서 복수 개의 봉우리 사이 복수 개의 골이 형성된 경우, 각각의 봉우리 중심선을 기준으로 좌/우측 그래프 형상을 이용하여 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 도출할 수 있다.
도5의 (a)에서 보는 바와 같이, 다종의 가스에 대한 전체흡광도 그래프는, 복수 개의 봉우리와 봉우리 사이의 복수 개 골을 형성할 수 있다. 여기서, 봉우리는 그래프에서 상향으로 솟은 일부위를 의미하고, 골은 그래프에서 하향으로 패인 일부위를 의미할 수 있다.
구체적인 설명을 위해, 도5의 (a)의 좌측 봉우리를 제1봉우리, 도5의 (a)의 우측 봉우리를 제2봉우리, 제1봉우리와 제2봉우리 사이를 골이라 할 수 있다.
상기에 설명된 바와 같이, 흡광도 그래프는, 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 형성되므로, 프로세서부(130)는, 제1봉우리의 중심선을 기준으로 좌측 그래프 형상을 이용해서, 도5의 (b)와 같은 흡광도 그래프를 도출할 수 있다.
마찬가지로, 프로세서부(130)는, 제2봉우리의 중심선을 기준으로 우측 그래프 형상을 이용해서, 도5의 (c)와 같은 흡광도 그래프를 도출할 수 있다.
3개 이상의 봉우리가 형성된 전체흡광도 그래프에 대해서는, 계측의 정확도를 위해, 도5의 (a)에서 제1봉우리의 중심선을 기준으로 좌측 그래프 형상과 같은 겹쳐지지 않은 그래프의 일부위부터 연산에 이용할 수 있다.
다섯째 단계에서, 전체흡광도 그래프의 흡수면적을 기준으로, 각각의 가스물질에 대한 흡광도 그래프를 보정할 수 있다.
상기된 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)에 대한 흡광도에 대해, 도6의 (a)는 이산화탄소(CO2)에 대한 흡광도 그래프의 보정을 나타낸 것이고, 도6의 (b)는 일산화탄소(CO)에 대한 흡광도 그래프의 보정을 나타낸 것이다.
도6의 (a)와 (b)에서, 점선은 전체흡광도 그래프로부터 도출된 흡광도 그래프에 대한 것이고, 실선은 보정된 흡광도 그래프에 대한 것이다.
각각의 가스물질에 대해 전체흡광도 그래프로부터 도출된 흡광도 그래프의 형태는 유지하면서, 즉 각각의 흡광도 그래프의 면적 비율(CO2 : CO)은 유지하면서, 전체흡광도 그래프의 총 면적과 도출된 각각 가스물질의 흡광도 그래프 면적의 합이 동일하도록, 각각 가스물질의 흡광도 그래프의 비율을 조정하면서 각각 가스물질의 흡광도 그래프를 보정할 수 있다.
도6의 경우는, 도 5 의 (a)의 흡수면적을 기준으로, 도 5 의 (b), (c)의 각 흡수면적의 합을 비교하여 보정을 실시하였다.
여섯째 단계에서, 프로세서부(130)가 가스물질의 농도를 도출할 수 있다.
이 때, 가스물질의 농도는, 아래의 [수학식 1]에 의해 도출될 수 있다.
여기서, 가스물질의 농도는, 가스물질의 몰분율일 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016087386418-pat00001
여기서, X는 상기 가스물질의 몰분율, P는 상기 연소가스의 압력, S(T)는 온도 T에서 상기 가스물질의 선강도, L은 상기 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이, A는 상기 가스물질에 대한 흡광도 그래프의 면적이다.
가스물질에 대한 흡광도 그래프의 면적(A)은, 가스물질에 대한 흡광도 그래프에 대한 적분에 의해 연산될 수 있다.
[수학식 1]은, 아래의 [수학식 1-1] 내지 [수학식 1-4]의 수학적 정리에 의해 도출될 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure 112016087386418-pat00002
여기서, Tv는 투과도, v는 레이저빔 파장값, I0는 최초 레이저빔의 강도, I는 가스물질 투과 후 레이저빔의 강도, kv는 흡수계수, L은 레이저빔이 가스물질을 투과하는 길이이다.
[수학식 1-2]
Figure 112016087386418-pat00003
여기서, kv는 흡수계수, P는 가스물질의 압력, X는 가스물질의 몰분율, S(T)는 온도 T에서 가스물질의 선강도,
Figure 112016087386418-pat00004
는 레이저빔 파장값(v)에서의 선형함수이다.
[수학식 1-1]과 [수학식 1-2]를 이용하여 정리하면, [수학식 1-3]이 도출될 수 있다.
[수학식 1-3]
Figure 112016087386418-pat00005
여기서,
Figure 112016087386418-pat00006
는 흡광도, v는 레이저빔 파장값, P는 연소가스의 압력, X는 가스물질의 몰분율, S(T)는 온도 T에서 가스물질의 선강도,
Figure 112016087386418-pat00007
는 레이저빔 파장값(v)에서의 선형함수이다. 그리고, kv, L, I0, 및 I에 대한 사항은 [수학식 1-1] 내지 [수학식 1-2]에 대한 사항과 동일하다.
[수학식 1-4]
Figure 112016087386418-pat00008
여기서, A는 가스물질에 대한 흡광도 그래프의 면적,
Figure 112016087386418-pat00009
는 흡광도, P는 연소가스의 압력, X는 가스물질의 몰분율, S(T)는 온도 T에서 가스물질의 선강도이다.
이 때,
Figure 112016087386418-pat00010
의 선형함수는, 적분된 면적 값이 1이 될 수 있다.
[수학식 1-3]과 [수학식 1-4]를 이용하여 정리하면, [수학식 1]이 도출될 수 있다.
이하, 연소가스에 포함된 다종의 가스물질의 농도를 분석하는 두번째 방법에 대해 설명하기로 한다.
도7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다종가스 계측을 수행하는 광학시스템의 개략도이고, 도8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스물질에 대한 광 흡수 신호 강도에 대한 그래프이다.
그리고, 도9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1가스물질의 광 흡수 신호와 흡광도 그래프이며, 도10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 혼합된 가스물질에 대한 광 흡수 신호와 혼합흡광도 그래프이다.
그리고, 각 그래프에 대해서, 이산화탄소(CO2)는 제1가스물질이고, 일산화탄소(CO)는 제2가스물질이다.
도7에서 보는 바와 같이, 2종의 가스물질이 포함되는 연소가스인 다종가스 대해 계측을 수행하는 방법에 이용되는 광학시스템은, 레이저빔을 조사하는 레이저부(210), 레이저빔이 집광되는 광검출부, 및 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부(230)를 포함할 수 있다.
광검출부는, 제1광검출기(250)와 제2광검출기(251)를 구비할 수 있다.
여기서, 레이저부(210)는, 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다.
상기와 같은 광학시스템을 이용한 구체적인 실험 예는, 후단의 실험 예에서 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 연소에 의해 제1가스물질과 제2가스물질이 생성되어 연소가스에 포함될 수 있다.
연소가스에 포함된 물질은 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등으로써, 대부분 농도 분석을 위한 목적 가스물질은 사전에 파악되어 가스물질에 대한 계측이 수행될 수 있다.
다만, 이러한 가스물질의 포함 여부를 확실히 하기 위해, 상기된 가스물질이 광 흡수를 하는 파장영역의 레이저빔을 연소가스에 조사하고, 각 파장별 광 흡수 신호의 강도를 분석하여, 각 가스물질의 종류를 확인할 수 있다.
둘째 단계에서, 제1가스물질에만 흡수되는 제1파장영역의 레이저빔이 연소가스에 조사되어 통과하고, 광검출부에 집광될 수 있다.
여기서, 집광되는 레이저빔을 파장별로 분류하고, 분류된 각 파장별 광 흡수 신호 강도에 따라 제1가스물질의 종류를 분석할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(230)가, 제1파장영역의 레이저빔에 대한 제1흡광도 그래프를 생성하고, 제1가스물질의 농도를 도출할 수 있다.
제1흡광도 그래프는, 다른 가스물질의 광 흡수 신호에 간섭되지 않은 제1가스물질만의 광 흡수 신호에 대한 흡광도이다.
도9의 (a)는 제1가스물질에 대한 광 흡수 신호 그래프이고, 도9의 (b)는 제1가스물질에 대한 제1흡광도 그래프이다.
(제1가스물질은, V1 파장의 지점에서, 가장 강한 광 흡수 신호가 생성될 수 있다.)
이 때, 제1가스물질의 농도는, 아래의 [수학식 2-1]에 의해 도출될 수 있다.
[수학식 2-1]
Figure 112016087386418-pat00011
여기서,
Figure 112016087386418-pat00012
는 상기 제1가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제1파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
Figure 112016087386418-pat00013
는 상기 제1흡광도 그래프의 면적,
Figure 112016087386418-pat00014
는 온도 T에서 상기 제1가스물질의 선강도이다.
제1흡광도 그래프의 면적(
Figure 112016087386418-pat00015
)은, 제1흡광도 그래프에 대한 적분에 의해 연산될 수 있다.
넷째 단계에서, 제1가스물질과 제2가스물질에 흡수되는 제2파장영역의 레이저빔이 연소가스에 조사되어 통과하고, 광검출부에 집광될 수 있다.
다섯째 단계에서, 제1가스물질의 농도를 이용하여, 제2파장영역의 레이저빔에 대한 제1가스물질의 제2흡광도 그래프의 면적을 도출할 수 있다.
이 때, 제2흡광도 그래프의 면적은, 아래의 [수학식 2-2]에 의해 도출될 수 있다.
[수학식 2-2]
Figure 112016087386418-pat00016
여기서,
Figure 112016087386418-pat00017
는 상기 제2흡광도 그래프의 면적이고,
Figure 112016087386418-pat00018
는 상기 제1가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
Figure 112016087386418-pat00019
는 온도 T에서 상기 제1가스물질의 선강도이다.
조사되는 레이저빔의 파장이 다르더라도, 동일 대상의 가스물질에 대해 동일한 위치에서 레이저빔을 조사하므로, Xi _1=Xi _2임은 당연하며, 이를 이용하여 [수학식 2-2]를 유도할 수 있다.
여기서, Xi _ 1는 제1파장영역의 레이저빔 조사 시 제1흡광도 그래프의 면적(
Figure 112016087386418-pat00020
) 값을 이용하여 도출될 수 있는 제1가스물질의 몰분율이다. 그리고, Xi_2는 제2파장영역의 레이저빔 조사 시 제2흡광도 그래프의 면적(
Figure 112016087386418-pat00021
) 값을 이용하여 도출될 수 있는 제1가스물질의 몰분율이다.
여섯째 단계에서, 제2흡광도 그래프의 면적과 혼합흡광도 그래프를 이용하여 제2가스물질의 농도를 도출할 수 있다.
이 때, 제2가스물질의 농도는, 아래의 [수학식 2-3]에 의해 도출될 수 있다.
[수학식 2-3]
Figure 112016087386418-pat00022
여기서,
Figure 112016087386418-pat00023
는 상기 제2가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
Figure 112016087386418-pat00024
는 온도 T에서 상기 제2가스물질의 선강도,
Figure 112016087386418-pat00025
는 상기 제1가스물질의 상기 제2흡광도 그래프의 면적,
Figure 112016087386418-pat00026
는 상기 혼합흡광도 그래프의 면적이다.
도10의 (a)는 제1가스물질과 제2가스물질이 혼합된 가스물질에 대한 광 흡수 신호 그래프이고, 도10의 (b)는 제1가스물질과 제2가스물질이 혼합된 가스물질에 대한 혼합흡광도 그래프이다.
(제1가스물질과 제2가스물질이 혼합된 가스물질은, V2 파장의 지점에서, 가장 강한 광 흡수 신호가 생성될 수 있다.)
혼합흡광도 그래프의 면적(
Figure 112016087386418-pat00027
)은, 도10의 (b)에 개시된 혼합흡광도 그래프에 대한 적분에 의해 연산될 수 있다.
상기와 같은 방법은, 제1가스물질과 제2가스물질 및 다른 가스물질이 연소가스에 포함되는 경우, 제1가스물질에만 흡수되는 제1파장영역의 레이저빔과 제1가스물질과 제2가스물질에만 흡수되는 제2파장영역의 레이저빔을 이용하여 수행할 수 있다.
이하, 실험 예 및 비교 예에 대해 설명하기로 한다.
[실험 예 1]
도2에서 보는 바와 같이, 레이저부(110), 함수발생기(111), 광분배기(140), 제1광검출기(150), 제2광검출기(151)1, 제1가스관(120), 제2가스관(121), 제1시준렌즈(160), 제2시준렌즈(161), 제3시준렌즈(162), 제4시준렌즈(163), DAQ 시스템부(131) 및 프로세서부(130)를 포함하는 광학시스템을 이용하여 실험을 수행하였다.
레이저부(110)는, 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser, DFB laser)를 사용하였다.
제1가스관(120)과 제2가스관(121)으로 알루미나(Al2O3) 관을 사용하였으며, 제1가스관(120)에는 이산화탄소(CO2) 85몰%와 일산화탄소(CO) 15몰%가 혼합된 가스를 주입하였다. 그리고, 제2가스관(121)에는 이산화탄소(CO2) 99몰%를 주입하였다.
함수발생기(111)에서 램프파나 삼각파를 형성하여 파장이 가변되게 하였고, 레이저빔이 광분배기(140)를 거쳐 제1레이저빔과 제2레이저빔으로 분배되게 하였다.
제1레이저빔이 제1시준렌즈(160), 제1가스관(120) 및 제2시준렌즈(161)를 통과하여 제1광검출기(150)에 집광되도록 하였다. 그리고, 제2레이저빔이 제3시준렌즈(162), 제2가스관(121) 및 제4시준렌즈(163)를 통과하여 제2광검출기(151)에 집광되도록 하였다.
그 후, 프로세서부(130)가 상기된 [수학식 1]에 의한 다종의 가스물질의 농도를 분석하는 방법을 이용하여 각 가스물질의 농도를 연산하도록 하였다. 이 때, 프로세서부(130)가 각 흡광도 그래프에 대한 보정도 수행하도록 하였다.
이산화탄소(CO2) 85몰%와 일산화탄소(CO) 15몰%가 혼합된 가스에 대한 계측은, 아래의 [표 1-1]과 같다. 그리고, 정밀도 비교 대상으로써, 이산화탄소(CO2) 99몰%에 대한 계측은, 아래의 [표 1-2]와 같다.
[표 1-1]
Figure 112016087386418-pat00028
[표 1-2]
Figure 112016087386418-pat00029
[표 1-1]에서 보는 바와 같이, 85몰%의 이산화탄소(CO2)의 농도는 81.12몰%로 계측되고, 15몰%의 일산화탄소(CO)의 농도는 15.69몰%로 계측되었다.
[표 1-2]에서 보는 바와 같이, 99몰%의 이산화탄소(CO2)의 농도는 93.76몰%로 계측되었다.
[표 1-2]에 의해, 가스물질 간 간섭이 없는 경우 0.04%의 오차로 농도 계측이 수행됨을 확인하였다.
[표 1-1]에서 보는 바와 같이, 이산화탄소(CO2) 85몰%의 농도에 대한 계측에서는 4.56%의 오차를 보이고, 일산화탄소(CO) 15몰%의 농도에 대한 계측에서는 4.6%의 오차를 보였다.
따라서, 연소가스에 포함된 가스물질에 대해서 5% 이내의 오차로 실시간 농도 계측을 수행할 수 있음을 확인하였다.
[실험 예 2]
도7에서 보는 바와 같이, 레이저부(210), 레이저 조절기, 함수발생기(211), 광분배기(240), 제1광검출기(250), 제2광검출기(251), 제1관(220), 제2관(221), 제1시준렌즈(260), 제2시준렌즈(261), DAQ 시스템부(231) 및 프로세서부(230)를 포함하는 광학시스템을 이용하여 실험을 수행하였다.
레이저부(210)는, 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser, DFB laser)를 사용하였다.
제1관(220)과 제2관(221)으로 알루미나(Al2O3) 관을 사용하였으며, 제1관(220)에는 이산화탄소(CO2) 85몰%와 일산화탄소(CO) 15몰%가 혼합된 가스를 주입하였다. 그리고, 제2관(221)은 고체 에탈론(Etalon)을 채웠다.
함수발생기(211)에서 파장영역을 10 내지 5,000cm-1로 설정하였고, 레이저빔이 광분배기(240)를 거쳐 제1레이저빔과 제2레이저빔으로 분배되게 하였다.
제1레이저빔이 제1시준렌즈(260), 제1관(220) 및 제2시준렌즈(261)를 통과하여 제1광검출기(250)에 집광되도록 하였다. 그리고, 제2레이저빔이 제2관(221)을 통과하여 제2광검출기(251)에 집광되도록 하였다.
이 때, 제2관(221)을 통과한 제2레이저빔은 전기적 노이즈 제거에 사용될 수 있다.
그 후, 프로세서부(230)가 상기된 [수학식 2-1]. [수학식 2-2] 및 [수학식 2-3]에 의한 2종의 가스물질의 농도를 분석하는 방법을 이용하여 각 가스물질의 농도를 연산하도록 하였다. 이 때, 프로세서부(230)가 각 흡광도 그래프에 대한 보정도 수행하도록 하였다.
이산화탄소(CO2) 85몰%와 일산화탄소(CO) 15몰%가 혼합된 가스에 대한 계측은, 아래의 [표 2]와 같다.
[표 2]
Figure 112016087386418-pat00030
[표 2-1]에서 보는 바와 같이, 85몰%의 이산화탄소(CO2)의 농도는 86.02 몰%로 계측되고, 15몰%의 일산화탄소(CO)의 농도는 15.42몰%로 계측되었다.
이산화탄소(CO2) 85몰%의 농도에 대한 계측에서는 1.2%의 오차를 보이고, 일산화탄소(CO) 15몰%의 농도에 대한 계측에서는 2.8%의 오차를 보였다.
따라서, 연소가스에 포함된 가스물질에 대해서 3% 이내의 오차로 실시간 농도 계측을 수행할 수 있음을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 레이저부 111 : 함수발생기
120 : 제1가스관 121 : 제2가스관
130 : 프로세서부 131: DAQ 시스템부
140 : 광분배기 150 : 제1광검출기
151 : 제2광검출기 160 : 제1시준렌즈
161 : 제2시준렌즈 162 : 제3시준렌즈
163 : 제4시준렌즈
210 : 레이저부 211 : 함수발생기
220 : 제1관 221 : 제2관
230 : 프로세서부 231: DAQ 시스템부
240 : 광분배기 250 : 제1광검출기
251 : 제2광검출기 260 : 제1시준렌즈
261 : 제2시준렌즈

Claims (11)

  1. 레이저빔을 조사하는 레이저부, 상기 레이저빔이 집광되는 광검출부, 및 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부를 포함하는 광학시스템을 이용하여, 연소가스에 대해 계측을 수행하는 방법에 있어서,
    (ⅰ) 파장영역을 변조하면서 상기 레이저빔을 상기 연소가스에 조사하여 통과시키는 단계;
    (ⅱ) 상기 레이저빔이 상기 광검출부에 집광되는 단계;
    (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔의 파장을 분석하여 전체흡광도 그래프를 생성하는 단계;
    (ⅳ) 상기 연소가스에 흡수된 상기 레이저빔 파장의 상호 간섭으로 인해, 상기 전체흡광도 그래프에서 복수 개의 봉우리 사이 복수 개의 골이 형성된 경우, 각각의 상기 봉우리 중심선을 기준으로 좌/우측 그래프 형상을 이용하여 각각의 가스물질에 대한 흡광도 그래프를 도출하는 단계;
    (ⅴ) 상기 전체흡광도 그래프의 흡수면적을 기준으로, 각각의 상기 가스물질에 대한 상기 흡광도 그래프를 보정하는 단계; 및
    (ⅵ) 상기 프로세서부가 상기 가스물질의 농도를 도출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (ⅵ) 단계에서, 상기 가스물질의 농도는, 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
    Figure 112016087386418-pat00031

    여기서, X는 상기 가스물질의 몰분율, P는 상기 연소가스의 압력, S(T)는 온도 T에서 상기 가스물질의 선강도, L은 상기 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이, A는 상기 가스물질에 대한 흡광도 그래프의 면적이다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 흡광도 그래프는, 아래의 식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
    Figure 112016087386418-pat00032

    여기서, v는 상기 레이저빔 파장값, P는 상기 연소가스의 압력, X는 상기 가스물질의 몰분율, S(T)는 온도 T에서 상기 가스물질의 선강도,
    Figure 112016087386418-pat00033
    는 상기 레이저빔 파장값(v)에서의 선형함수이다.
  4. 청구항 1에 있어서
    상기 (ⅱ) 단계에서, 집광되는 상기 레이저빔을 파장별로 분류하고, 분류된 각 파장별 광 흡수 신호 강도에 따라 상기 가스물질의 종류를 분석하는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저부는, 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
  6. 레이저빔을 조사하는 레이저부, 상기 레이저빔이 집광되는 광검출부, 및 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부를 포함하는 광학시스템을 이용하여, 연소가스에 대해 계측을 수행하는 방법에 있어서,
    (ⅰ) 연소에 의해 제1가스물질과 제2가스물질이 생성되어 상기 연소가스에 포함되는 단계;
    (ⅱ) 상기 제1가스물질에만 흡수되는 제1파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스에 조사되어 통과하고, 상기 광검출부에 집광되는 단계;
    (ⅲ) 상기 프로세서부가, 상기 제1파장영역의 레이저빔에 대한 제1흡광도 그래프를 생성하고, 상기 제1가스물질의 농도를 도출하는 단계;
    (ⅳ) 상기 제1가스물질과 상기 제2가스물질에 흡수되는 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스에 조사되어 통과하고, 상기 광검출부에 집광되는 단계;
    (ⅴ) 상기 제1가스물질의 농도를 이용하여, 상기 제2파장영역의 레이저빔에 대한 상기 제1가스물질의 제2흡광도 그래프의 면적을 도출하는 단계;
    (ⅴ) 상기 프로세서부가, 상기 제2파장영역의 레이저빔에 대한 혼합흡광도 그래프를 생성하고, 상기 혼합흡광도 그래프의 면적을 도출하는 단계; 및
    (ⅵ) 상기 제2흡광도 그래프의 면적과 상기 혼합흡광도 그래프를 이용하여 상기 제2가스물질의 농도를 도출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (ⅲ) 단계에서, 상기 제1가스물질의 농도는, 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
    Figure 112016087386418-pat00034

    여기서,
    Figure 112016087386418-pat00035
    는 상기 제1가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제1파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
    Figure 112016087386418-pat00036
    는 상기 제1흡광도 그래프의 면적,
    Figure 112016087386418-pat00037
    는 온도 T에서 상기 제1가스물질의 선강도이다.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (ⅴ) 단계에서, 상기 제2흡광도 그래프의 면적은, 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
    Figure 112016087386418-pat00038

    여기서,
    Figure 112016087386418-pat00039
    는 상기 제2흡광도 그래프의 면적이고,
    Figure 112016087386418-pat00040
    는 상기 제1가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
    Figure 112016087386418-pat00041
    는 온도 T에서 상기 제1가스물질의 선강도이다.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (ⅵ) 단계에서, 상기 제2가스물질의 농도는, 아래의 수식에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
    Figure 112016087386418-pat00042

    여기서,
    Figure 112016087386418-pat00043
    는 상기 제2가스물질의 농도, P는 상기 연소가스의 압력, L은 상기 제2파장영역의 레이저빔이 상기 연소가스를 투과하는 길이,
    Figure 112016087386418-pat00044
    는 온도 T에서 상기 제2가스물질의 선강도,
    Figure 112016087386418-pat00045
    는 상기 제1가스물질의 상기 제2흡광도 그래프의 면적,
    Figure 112016087386418-pat00046
    는 상기 혼합흡광도 그래프의 면적이다.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 (ⅱ) 단계에서, 집광되는 상기 레이저빔을 파장별로 분류하고, 분류된 각 파장별 광 흡수 신호 강도에 따라 상기 제1가스물질의 종류를 분석하는 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 레이저부는, 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 것을 특징으로 하는 다종가스 계측 방법.
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