KR101784474B1 - 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 적외선 광원; 내부에 측정될 가스가 수용되며, 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선이 내측 내부를 따라 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버; 상기 다종가스 측정 챔버에서 통과한 적외선을 입사받아서 특정 주파수 대역의 적외선은 통과 또는 반사시키도록 45°경사진 입력면을 가지며 일정 수평간격으로 설치되는 n개의 파장분할 필터; 및 상기 n개의 파장분할 필터의 하부에 설치되며, 파장분할 필터로부터 특정 주파수 대역의 적외선을 입사받아서 가스의 성분을 센싱하는 n개의 적외선 센서; 를 포함하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치가 제공된다.
Description
본 발명은 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치에 관한 것이다.
가스의 성분을 검출하는 방법으로는 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)과 고체 전해질(solid electrolyte )을 이용하는 방법이 알려져 있다.
이 중 고체 전해질을 이용하는 방법이 비 분산 적외선을 이용하는 방법에 비해 측정장치를 저렴하게 제조될 수 있다.
그러나 최근에는 비 분산 적외선을 이용하는 방법이 가스 성분에 따라 높은 선택도를 가지는 특징를 활용하여 높은 정확도를 가지면서 저전력의 소형화하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로, 광은 광 경로(optical path) 상에서 회절, 반사, 굴절 및 흡수에 의해서 광 강도가 감소 혹은 증가하게 된다. 비 분산 적외선 센서의 경우, 입사광이 광 경로를 통과함에 따라 광 강도는 광 경로 상의 가스에 의해 일정 파장 대역에서 흡수되어 파장 대역에 따라 광 강도가 변화하게 된다.
비 분산 적외선법(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출하는 방법은 상기와 같은 파장 대역별 광 강도의 변화를 측정하여 가스의 성분을 검출할 수 있다.
다양한 산업화에 따른 다양한 종류의 오염물질이 대기 중에 배출됨에 따라 실시간으로 다양한 종류의 오염물질에 대한 분석이 필요하다.
이에 따라 보다 소형화되어 휴대가 간편하면서, 적은 전력으로 효과적으로 다종가스를 동시에 분석할 수 있는 가스 검출장치가 요구된다.
본 발명의 목적은 다종가스를 동시에 검출하기 위한 것으로 특정 가스들의 적외선 파장 대역별로 분할 구조를 개선하고 단일 광경로를 형성함으로써, 대역 분할에 따른 광손실을 최소화할 수 있는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소형화되어 휴대가 간편하면서, 적은 소비 전력으로 효과적으로 다종가스를 동시에 분석할 수 있는 가스 검출장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적외선 광원; 내부에 측정될 가스가 수용되며, 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선이 내측 내부를 따라 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버; 상기 다종가스 측정 챔버에서 통과한 적외선을 입사받아서 특정 주파수 대역의 적외선은 통과 또는 반사시키도록 45°경사진 입력면을 가지며 일정 수평간격으로 설치되는 n개의 파장분할 필터; 및 상기 n개의 파장분할 필터의 하부에 설치되며, 파장분할 필터로부터 특정 주파수 대역의 적외선을 입사받아서 가스의 성분을 센싱하는 n개의 적외선 센서; 를 포함하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치가 제공된다.
또한, 상기 n개의 파장분할 필터 중, 제1 파장분할 필터는 상기 다종가스 측정 챔버를 통과한 적외선을 입사받아서 제1 주파수 대역의 적외선을 통과시켜서 제1 적외선 센서에 입사시키고, 상기 제1 주파수 대역을 제외한 나머지 1-1 주파수 대역의 적외선은 제2 파장분할 필터에 90° 각도로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 n개의 파장분할 필터 중, 제3 파장필터는 상기 제2 파장분할 필터로부터 입사된 1-2 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제3 주파수 대역은 제3 적외선 센서에 90° 각도로 반사시키고, 상기 제3 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-3 주파수 대역은 통과시켜서 제4 파장분할 필터에 입사시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 n개의 파장분할 필터 중, 제2 파장필터는 상기 제1 파장분할 필터로부터 반사된 제1-1 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제2 주파수 대역은 제2 적외선 센서에 90° 각도로 반사시키고, 상기 제2 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-2 주파수 대역은 통과시켜서 제3 파장분할 필터에 입사시키는 것을특징으로 한다.
또한, 상기 제1 주파수 대역은 3.33±0.1㎛이며, 상기 제1 적외선 센서는 메탄 가스 검출용인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 주파수 대역은 4.23 ± 0.1㎛이며, 상기 제2 적외선 센서는 이산화탄소 가스 검출용인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 주파수 대역은 4.66±0.1㎛이며, 상기 제3 적외선 센서는 일산화탄소 가스 검출용인 것을 특징으로 한다.
또한, 다종가스 측정 챔버는 사각구조를 형성하는 3개의 변과 타측변이 등변 사다리꼴 형태를 가지는 육각구조의 함체로 형성되되, 상기 사각구조의 일측변의 일측단에 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선을 상기 다종가스 측정 챔버의 입구로 입사되도록 가이드하는 입력 광학계; 및 상기 사각구조의 일측변의 타측단에는 상기 다종가스 측정 챔버의 내부 광 경로를 따라 통과된 적외선을 상기 n개의 파장분할 필터 중 첫째로 형성된 제1 파장분할 필터로 가이드하는 출력 광학계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다종가스 측정 챔버는 등변 사다리꼴 형태의 제1 등변의 내측에는 입력된 적외선을 90도로 굴절시키는 제3 반사 광학계가 장착되고, 상기 등변 사다리꼴 형태의 제2 등변의 내측에는 제4 반사 광학계가 장착되며, 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선은 상기 입력 광학계로 입사되어 상기 제3 반사 광학계에서 굴절된 후, 다시 상기 제4 반사 광학계에서 굴절되어 상기 출력 광학계에서 굴절되어 상기 제1 파장분할 필터의 입사면으로 입사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멀티 가스 검출장치는, 상기 적외선 광원, 상기 n개의 파장분할 필터 및 n개의 적외선 센서는 상기 다종가스 측정 챔버의 하부 공간에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치의 다종가스 측정 챔버는 사각형태의 일측변이 등변 사다리꼴 형태를 가지는 함체의 내부를 돌아서 광경로를 형성함으로써, 작은 사이즈의 챔버 내에서 단일 광 경로 최대 도파거리를 가지도록 함으로써, 감도를 효율적으로 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치 적외선 광원에서 발생된 적외선으로부터 다종가스 측정 챔버를 통과하여 센싱 신호가 포함된 적외선을 특정 대역만을 통과 또는 반사시키는 파장분할 필터를 거쳐서 적외선 센서에 이르기까지 단일 광경로를 형성하도록 함으로써, 분할된 각 주파수 대역은 적외선 광원에서 발생되어 센싱 신호가 포함된 적외선과 상응하는 광 감도를 유지하여 높은 효율로 다종가스를 측정할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 1은 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 2는 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 3은 광 세기 분할형 다종가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지부 어레이의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 3은 광 세기 분할형 다종가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지부 어레이의 구조를 도시한 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
이하 본 발명의 구현에 따른 적외선을 이용한 광학식 멀티 가스 검출장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 가스분자들은 적외선 대역 내에서 서로 다른 흡수스펙트럼을 가진다.
예를 들면, methane 가스의 경우, 3.33±0.1㎛ 대역에서 흡수 스펙트럼을 가지며, 이산화탄소(CO2) 가스의 경우 4.23 ±0.1㎛ 대역에서, 일산화탄소(CO) 가스의 경우는 4.66 ±0.1㎛ 대역에서, 각각 흡수 스펙트럼의 특성을 가진다.
도 2는 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 2을 참조하면, 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치(10)는 가스 측정 챔버(11), 적외선 광원(12), 적외선 필터(13) 및 적외선 센서(14)로 구성된다.
적외선 광원(12)에 의해 적외선이 방출되고 적외선 센서(14)에서는 상기 적외선의 세기를 측정한다. 이때, 가스 측정 챔버(11)로 유입된 가스는 도 1에 도시된 바와 같이 가스마다 특정 파장에서 적외선을 흡수하게 되며, 이로 인해 가스별로 특정 파장 대역에서 적외선의 세기가 감소한다.
적외선 센서(14)의 전단에는 검지하고자 하는 해당 가스의 흡수 스펙트럼 대역의 파장만이 투과할 수 있는 적외선 필터(13)가 장착된다. 이러한 적외선의 세기의 감소 정도는 가스농도에 비례하게 되므로 가스가 없을 때의 적외선의 세기와 가스가 있을 때의 적외선의 세기를 비교함으로써 가스농도를 검지할 수 있다.
일반적으로, 광은 광 경로(optical path) 상에서 회절, 반사, 굴절 및 흡수에 의해서 광 강도가 변화하게 된다. 비 분산 적외선 센서의 경우, 입사광이 광 경로를 통과함에 따라 광센서에서 감지되는 광 강도는 광 경로 상의 가스에 의해 흡수되어 초기 광 강도보다 감소하게 된다.
광 경로 상의 가스 농도(J)가 균일하게 분포하고 있고, 등방적(isotropic)이며, 광 경로(L)를 따라 적외선이 통과할 때 최종 광 강도(I)는, 가스 흡수율(α), 광 경로 길이(L) 및 광 경로 상에 가스가 없을 때 적외선 센서(14)에서 감지되는 초기 광 강도(I0)에 따라 영향을 받게 되며, 이는 Beer-Lambert의 법칙에 의하여 설명된다.
Beer-Lambert의 법칙은 수학식 1과 같이 표현된다.
수학식 1을 참조하면, 초기 광 강도(I0) 및 측정 대상 가스의 흡수율(α)이 일정한 경우, 최종 광 강도(I)는 광 경로 상의 가스 농도(J)와 광 경로 길이(L)의 함수로 표현될 수 있다. 수학식 1에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않는 경우, 즉 J = 0인 경우, 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 된다.
또한, 같은 농도, 도파길이에 대해 초기 광 강도(I0)가 높을수록 그에 상응하는 출력광(I)도 증가된다. 즉, 같은 농도일 경우에 광량변화(I=I0-I)가 증가하면 보다 높은 감도가 형성될 수 있다.
비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치(10)는 가스분자들의 광 흡수로 인한 광량의 변화, I(=I0-I)에 의한 감지기 신호의 변화량으로 농도를 역산하는데, 같은 농도에 대해 보다 높은 감도(Sensitivity)를 형성하기 위해서는 가스 검출 장치에서 가스 측정 챔버(11)의 광 경로 길이에 해당하는 도파거리(L)를 늘리거나 적외선 광원(12)의 광량의 크기를 크게 하는 방법이 있다.
한편, 하나의 가스 검출 장치를 이용하여 다종가스를 동시에 검출하기 위해서는 적외선 광원으로부터 나온 빔을 분할하여 각 가스의 흡수대역만을 통과시키는 여러 필터로 분산 측정하는 방법을 고려하여 볼 수 있다.
도 3은 광 세기 분할형 다종가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 광 세기 분할형 다종가스 검출장치(20)는, 적외선 광원(22), 광원 분할 장치(25), 가스 측정 챔버(21), 제1 가스 적외선 필터(23-1), 제2 가스 적외선 필터(23-2) 및 적외선 센서(24-1, 24-2)로 구성된다.
적외선 센서(24-1, 24-2) 전단에는 검지하고자 하는 해당 가스의 흡수 스펙트럼 대역의 파장만이 투과할 수 있는 적외선 필터(23-1, 23-2)가 장착된다.
적외선 광원(22)에 의해 방출된 적외선은 광원 분할 장치(25)에 의해 가스의 종별 측정 개수만큼 광경로가 분할되어 가스 측정 챔버(21) 내를 통과하게 된다.
가스 측정 챔버(21)를 통과한 분할된 적외선은 제1, 2 가스 적외선 필터(23-1, 23-2)에서 특정 주파수 대역만 통과시킨 후, 적외선 센서(24-1, 24-2)에서 상기 분할된 적외선 대역의 적외선의 세기를 측정한다.
도 3의 광 세기 분할형 다종가스 검출장치(20)는 측정 가스 종별로 필터를 증가시켜서 요구되는 다종가스의 성분을 검출할 수 있다. 그러나 도 3을 참조하면, 필터가 n개로 증가할수록 광원 분할 장치(25)에 의해 분할되어 각 필터에 입사되는 광의 세기가 1/n로 저하된다.
즉, 각 가스신호에 대한 입사 초기광량이 1/n 로 저하되며, 적외선 센서(24-1, 24-2)에서 감지되는 광의 세기가 저하되므로 Beer-Lambert의 법칙에 따라 감도도 감소하게 된다.
따라서 광 세기 분할형 다종가스 검출장치 구조는 동일한 에너지의 적외선 광원으로는 가스의 측정 종별 개수만큼 감도가 떨어지게 되어 비효율적이다.
또한, 적외선 광원의 광세기를 가스의 측정 종별 개수만큼 배수로 증가시키면 에너지 소비가 증가되어 비경제적일 뿐더러 가스 검출장치의 구조가 크게 되어 소형화 추세에 불합리한 구조가 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치 구조의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치(100)는 적외선을 발생시키는 적외선 광원(110), 내부에 측정될 가스가 수용되며, 상기 적외선이 내측 내부를 따라 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버(120) 및 상기 다종가스 측정 챔버(120)에서 통과한 적외선을 입사받아서 특정 주파수 대역별로 분할하여 가스의 성분을 검출하는 감지부 어레이(150)를 포함한다.
상기 감지부 어레이(150)는 상기 다종가스 측정 챔버(120)에서 통과한 적외선을 입사받아서 특정 주파수 대역의 적외선은 통과 또는 반사시키도록 45°경사진 입력면을 가지며 일정 수평간격으로 설치되는 n개의 파장분할 필터(151~154) 및 상기 n개의 파장분할 필터(151 ~ 154)의 하부에 설치되며 상기 파장분할 필터(151 ~154)로부터 신호를 입력받아 가스의 성분을 센싱하는 n개의 적외선 센서(161 ~ 164)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 상기 적외선 광원(110), 상기 n개의 파장분할 필터(151~154) 및 n개의 적외선 센서(161 ~ 164)는 상기 다종가스 측정 챔버(120)의 하부 공간에 위치하도록 형성함으로써 전체 크기를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터(151~154)는 입사면에 입사된 적외선에 대하여 특정 가스에서 흡수 특징을 가지는 특정 주파수 대역을 통과시키거나, 반사시키는 파장분할 필터이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터(151~154)에서 통과되거나, 반사된 특정 주파수 대역의 광 강도는 입사된 적외선에서의 해당 주파수 대역만을 분리하는 것이므로 입사된 적외선의 해당 주파수 대역에 포함된 광 강도에 상응하는 광 강도를 유지하는 특징을 가진다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지부 어레이의 구조를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지부 어레이(150)의 제1 파장분할 필터(151)는 상기 다종가스 측정 챔버(21)를 통과한 적외선을 받아서 제1 주파수 대역의 적외선을 제1 적외선 센서(161)로 통과시키고, 제1 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-1 주파수 대역의 적외선을 제2 파장분할 필터(152)에 90° 각도로 반사시킨다.
제1 적외선 센서(161)는 제1 파장분할 필터(151)를 통과한 제1 주파수 대역 신호로부터 제1 가스 검출신호를 센싱한다.
이때 제1 적외선 센서(161)가 센싱하는 제1 주파수 대역의 광 강도는 상기 다종가스 측정 챔버(21)를 통과한 적외선 중의 제1 주파수 대역의 광 강도와 거의 동일한 강도를 유지하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 파장분할 필터(151)는 메탄 가스 검출용으로 장착될 경우, 3.33±0.1㎛의 파장대역을 통과시키고 나머지는 반사시키는 다이크로익(dichroic) 파장분할 필터로 적용되며, 제1 적외선 센서(161)는 메탄 가스 검출용으로 적용될 수 있다.
또한, 제2 파장분할 필터(152)는 제1 파장분할 필터(151)로부터 반사된 제1-1 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제2 주파수 대역은 제2 적외선 센서(162)에 90° 각도로 반사시키고, 상기 제1 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-2 주파수 대역은 통과시켜서 제3 파장분할 필터(153)로 보낸다.
제2 적외선 센서(162)는, 상기 제2 파장분할 필터(152)에서 반사된 제2 주파수 대역 신호로부터 제2 가스 검출신호를 센싱한다.
이때 제2 적외선 센서(162)가 센싱하는 제2 주파수 대역의 광 강도는 상기 다종가스 측정 챔버(21)를 통과한 적외선 중의 제2 주파수 대역의 광 강도와 상응한 광 강도를 유지하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 파장분할 필터(151)는 이산화 가스 검출용으로 장착될 수 있으며, 이 경우 제2 파장분할 필터(151)는 4.23±0.1㎛의 파장대역을 반사시키고 나머지는 통과시키는 파장분할 필터로 적용되며, 제2 적외선 센서(162)는 이산화 탄소 가스 탐지용으로 적용될 수 있다.
또한, 제3 파장분할 필터(153)는 제2 파장분할 필터(152)로부터 통과된 제1-2 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제3 주파수 대역은 제3 적외선 센서(163)에 제3 적외선 센서에 90° 각도로 반사시키고, 제3 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-3 주파수 대역은 통과시켜서 제4 파장분할 필터(154)로 보낸다.
제3 적외선 센서(163)는, 상기 제3 파장분할 필터(153)에서 반사된 제3 주파수 대역 신호로부터 제3 가스 검출신호를 센싱한다.
이때 제2 적외선 센서(163)가 센싱하는 제3 주파수 대역의 광 강도는 상기 다종가스 측정 챔버(21)를 통과한 적외선 중의 제3 주파수 대역의 광 강도와 상응하는 광 강도를 유지하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제3 파장분할 필터(153)는 일산화 가스 검출용으로 장착될 수 있으며, 이 경우 제3 파장분할 필터(153)는 4.66±0.1㎛의 파장대역을 반사시키고 나머지는 통과시키는 파장분할 필터로 적용되며, 제3 적외선 센서(163)는 일산화 탄소 가스 탐지용으로 적용될 수 있다.
또한, 제4 파장분할 필터(154)는 제3 파장분할 필터(153)로부터 통과된 제1-3 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제4 주파수 대역은 제4 적외선 센서(164)로 반사시키고, 나머지 제1-4 주파수 대역은 통과시키게 된다.
제4 적외선 센서(164)는, 상기 제4 파장분할 필터(154)에서 반사된 제4 주파수 대역 신호로부터 제4 가스 검출신호를 센싱한다.
이때 제4 적외선 센서(164)가 센싱하는 제4 주파수 대역의 광 강도는 상기 다종가스 측정 챔버(21)를 통과한 적외선 중의 제4 주파수 대역의 광 강도와 상응하는 광 강도를 유지하게 된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다종가스 측정 챔버(21)는 사각구조를 형성하는 3개의 변과 타측변이 등변 사다리꼴 형태를 가지는 육각구조의 함체로 형성된다.
상기 사각구조의 일측변의 일측단에 적외선 광원(110)에서 발생된 적외선을 다종가스 측정 챔버(21)의 입구로 입사되도록 가이드하는 입력 광학계(121)가 형성되고, 상기 사각구조의 일측변의 타측단에는 다종가스 측정 챔버(21)의 내부 광 경로를 따라 통과된 적외선을 상기 n개의 파장분할 필터 중 첫째로 형성된1 파장분할 필터(151)로 가이드하는 출력 광학계(129)가 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 입력 광학계(121) 및 출력 광학계(129)는 반사경 또는 프리즘이 적용될 수 있다.
또한, 등변 사다리꼴 형태의 제1 등변의 내측에는 입력된 적외선을 90도로 굴절시키는 제3 반사 광학계(127)가 장착되고, 상기 등변 사다리꼴 형태의 제2 등변의 내측에는 제3 반사 광학계에서 굴절된 적외선을 출력 광학계(129)로 90도 굴절시키는 제4 반사 광학계(128)가 장착된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제3 반사 광학계(127) 및 제4 반사 광학계(128)는 반사경 또는 프리즘이 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다종가스 측정 챔버(120)에서는 입력 광학계(121)에서 입력된 적외선이 제3 반사 광학계(127)에서 90도 각도로 광로가 굴절되고 또한, 제4 반사 광학계(128) 에서 90도 각도로 광로가 굴절되어 출력 광학계(129)로 출력된다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치(100)의 다종가스 측정 챔버(120)는 사각형태의 일측변이 등변 사다리꼴 형태를 가지는 함체의 내부를 돌아서 광경로를 형성함으로써, 작은 사이즈의 챔버 내에서 단일 광 경로 최대 도파거리를 가지도록 함으로써, 감도를 효율적으로 높일 수 있다.
즉, 적외선이 가능한 많은 수의 가스 분자와 반응할 수 있도록 함으로써 전체 적외선 흡수율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치(100)는 적외선 광원(110)에서 발생된 적외선으로부터 다종가스 측정 챔버(21)를 통과하여 센싱 신호가 포함된 적외선을 특정 대역만을 통과 또는 반사시키는 파장분할 필터를 거쳐서 적외선 센서에 이르기까지 단일 광경로를 형성하도록 함으로써, 분할된 각 주파수 대역은 상기 센싱 신호가 포함된 적외선과 상응하는 광 감도를 유지하여 높은 효율로 다종가스를 측정할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
10: 비 분산 적외선에 의한 가스 검출장치
11, 21: 가스 측정 챔버
13, 23-1, 23-2: 적외선 필터
11, 12, 110: 적외선 광원
20: 광 세기 분할형 다종가스 검출장치
100: 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치
121: 입력 광학계
120: 다종 가스 측정 챔버
129: 출력 광학계
127: 제3 반사 광학계
128: 제4 반사 광학계
150: 감지부 어레이
151~154: 파장분할 필터
14, 24-1, 24-2, 161~164: 적외선 센서
11, 21: 가스 측정 챔버
13, 23-1, 23-2: 적외선 필터
11, 12, 110: 적외선 광원
20: 광 세기 분할형 다종가스 검출장치
100: 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치
121: 입력 광학계
120: 다종 가스 측정 챔버
129: 출력 광학계
127: 제3 반사 광학계
128: 제4 반사 광학계
150: 감지부 어레이
151~154: 파장분할 필터
14, 24-1, 24-2, 161~164: 적외선 센서
Claims (10)
- 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치에 있어서,
상기 멀티 가스 검출장치는
적외선 광원;
내부에 측정될 가스가 수용되며, 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선이 내측 내부를 따라 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버;
상기 다종가스 측정 챔버에서 통과한 적외선을 입사받아서 특정 주파수 대역의 적외선은 통과 또는 반사시키도록 45°경사진 입력면을 가지며 일정 수평간격으로 설치되는 n 개의 파장분할 필터; 및
상기 n 개의 파장분할 필터의 하부에 설치되며, 파장분할 필터로부터 특정 주파수 대역의 적외선을 입사받아서 가스의 성분을 센싱하는 n 개의 적외선 센서; 를 포함하며,
제1 파장분할 필터는 상기 다종가스 측정 챔버를 통과한 적외선을 입사받아서 제1 주파수 대역인 3.33±0.1㎛ 주파수 대역의 적외선을 통과시켜서 제1 적외선 센서에 입사시키고, 상기 제1 주파수 대역을 제외한 나머지 1-1 주파수 대역의 적외선은 제2 파장분할 필터에 90° 각도로 반사시키고,
제2 파장필터는 상기 제1 파장분할 필터로부터 반사된 제1-1 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제2 주파수 대역인 4.23 ±0.1㎛ 주파수 대역은 제2 적외선 센서에 90° 각도로 반사시키고, 상기 제2 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-2 주파수 대역은 통과시켜서 제3 파장분할 필터에 입사시키며,
제3 파장필터는 상기 제2 파장분할 필터로부터 입사된 1-2 주파수 대역의 적외선을 받아서 그 중 제3 주파수 대역인 4.66±0.1㎛ 주파수 대역은 제3 적외선 센서에 90° 각도로 반사시키고, 상기 제3 주파수 대역을 제외한 나머지 제1-3 주파수 대역은 통과시켜서 제4 파장분할 필터에 입사시키는 것을 특징으로 하고,
상기 다종가스 측정 챔버는 사각구조를 형성하는 3개의 변과 타측변이 등변 사다리꼴 형태를 가지는 육각구조의 함체로 형성되되, 상기 사각구조의 일측변의 일측단에 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선을 상기 다종가스 측정 챔버의 입구로 입사되도록 가이드하는 입력 광학계; 및 상기 사각구조의 일측변의 타측단에는 상기 다종가스 측정 챔버의 내부 광 경로를 따라 통과된 적외선을 상기 n개의 파장분할 필터 중 첫째로 형성된 제1 파장분할 필터로 가이드하는 출력 광학계; 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 등변 사다리꼴 형태의 제1 등변의 내측에는 입력된 적외선을 90°로 굴절시키는 제3 반사 광학계가 장착되고,
상기 등변 사다리꼴 형태의 제2 등변의 내측에는 제4 반사 광학계가 장착되며,
상기 적외선 광원에서 발생된 적외선은 상기 입력 광학계로 입사되어 상기 제3 반사 광학계에서 굴절된 후, 다시 상기 제4 반사 광학계에서 굴절되어 상기 출력 광학계에서 상기 제1 파장분할 필터의 입사면으로 입사되는 것을 특징으로 하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 주파수 대역은 3.33±0.1㎛이며, 상기 제1 적외선 센서는 메탄 가스 검출용인 것을 특징으로 하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 주파수 대역은 4.23 ±0.1㎛이며, 상기 제2 적외선 센서는 이산화탄소 가스 검출용인 것을 특징으로 하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 제3 주파수 대역은 4.66±0.1㎛이며, 상기 제3 적외선 센서는 일산화탄소 가스 검출용인 것을 특징으로 하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 멀티 가스 검출장치는,
상기 적외선 광원, 상기 n 개의 파장분할 필터 및 n 개의 적외선 센서는 상기 다종가스 측정 챔버의 하부 공간에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치.
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