KR101810423B1 - 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법 및 경년변화 보상방법 - Google Patents

비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법 및 경년변화 보상방법 Download PDF

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이승환
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이근헌
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한국교통대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 복수의 독립된 광경로로 타원형 광구조물을 갖는 비분산형 적외선 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원으로부터 조사되는 빛(광)을 별도의 집광 렌즈의 사용없이 가스센서에 집광시킴으로서 가스의 농도를 측정하고, 각 가스센서에 도달하는 에너지 밀도를 조절함으로써, 조절된 입사 에너지에 의해 발생된 출력전압의 변환 및 계산과 환산을 수행하고, 경년변화를 판단하고 보정할 수 있는 광학적 가스센서의 자기 보상방법에 관한 것이다. 이를 위해, 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 가스농도 측정방법에 있어서, 제 1, 2 타원구조부(200, 300)에 각각 동일한 제 1, 2 적외선센서(130, 140)를 장착하는 단계(S100, S110); 0 ppm 상태에서 온도(T)에 대한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압(Vo1, Vo2)을 측정하는 단계(S120); 초기전압(Vo1, Vo2)에 기초하여 직선방정식을 도출하는 단계(S130); 직선방정식에 기초하여 일정상수(B)를 연산하는 단계(S140); 각 온도에서 가스의 주입에 따른 가스농도대 적외선 센서(130, 140)의 출력전압과의 관계를 도출하여 가스흡수계수(k)와 광경로(ℓ)의 곱에 대한 관계를 도출하는 단계(S150); 및 각 출력전압에 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 가스의 농도(x)를 측정하는 단계(S160);를 포함한다.

Description

비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법 및 경년변화 보상방법{Gas Concentration Sensing Method of A NDIR Gas Sensor and Aging Compensation Method Thereof}
본 발명은 복수의 독립된 광경로로 타원형 광구조물을 갖는 비분산형 적외선 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원으로부터 조사되는 빛(광)을 별도의 집광 렌즈의 사용없이 가스센서에 집광시킴으로서 가스의 농도를 측정하고, 각 가스센서에 도달하는 에너지 밀도를 조절함으로써, 조절된 입사 에너지에 의해 발생된 출력전압의 변환 및 계산과 환산을 수행하고, 경년변화를 판단하고 보정할 수 있는 광학적 가스센서의 자기 보상방법에 관한 것이다.
일반적으로, 비분산형 적외선 가스센서(Non-Dispersive Infrared, NDIR)는 3차원의 타원형 광구조물(광 도파관)을 이용하여 광원에서 방출된 적외선이 적외선 센서부까지 도달하는 과정에서 가스의 농도를 측정한다. 이와 같은 광학적 가스센서중, 타원형 광구조물과 가스센서에 대해서는 본 발명자에 의해 선출원되어 등록된 국내 등록특허 제 10-1581341호(복수의 독립된 광경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 광학적 가스센서)가 있다.
도 1은 종래의 가스센서의 부분 단면도이고, 도 2는 종래의 가스센서중 복수의 독립된 광경로를 갖는 광도파관을 설명하기 위한 예시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 타원 돔형 반사경(10)은 그 장축 상에 제1초점(F1) 및 제2초점(F2)이 서로 이격되어 형성된다. 타원 돔형 반사경(10)의 제1초점(F1)에는 광원(11)이 위치되고, 타원 돔형 반사경(10)의 제2초점(F2)에는 광센서(12)가 위치된다. 평면 반사경(13)은 광원(11)에서 방사된 후 타원 돔형 반사경(10)에서 반사되는 적외선(14)을 집광하도록 오목한 평면 거울면으로 이루어진다. 광센서(12)는 평면 반사경(13)에서 반사되는 적외선(14)과 광원(11)에서 직접 조사되는 광을 모두 수광할 수 있게 타원 돔형 반사경(10)의 장축 상에 수평으로 설치된다.
따라서, 제1초점(F1)에 설치된 광원(11)에서 장축방향으로 조사되는 적외선(14)은 광센서(12)로 직접 입사되고, 타원돔형 반사경(10)으로 조사되는 적외선(14)은 평면 반사경(13)에 다시 반사되어, 광센서(12)의 중심으로 입사되게 된다. 도 1에 따르면, 타원 돔형 반사경(10)의 제1초점(F1)에 설치된 광원(11)에서 조사되는 적외선(14)이 타원 돔형 반사경(10)에 반사되어 광센서(12)에 수광되고, 일부의 적외선은 평면 반사경(13)에서 2차 반사된 후 타원 돔형 반사경(10)의 초점에 설치되어 있는 광센서(12)로 입사한다. 따라서, 타원 돔형 반사경(10)에서 반사되는 횟수를 최소화하여 광 손실을 방지함과 아울러 광원(11)에서 조사되는 광이 손실없이 광센서(12)로 입사하도록 하여 광센서(12)가 가스의 농도측정에 이용할 수 있는 광량을 최대화할 수 있는 장점을 제시하고 있다.
그러나, 타원 돔형 방사경의 반만을 활용하고 하부 면에서 반사되는 광은 평면 반사경(13)을 통하여 광센서(12)로 향하게 하는 구조를 채택하고 있다. 이러한 구조는 조사되는 광의 절반 이하의 광속만을 이용하는 구조이며, 하부 평면에 조사 및 반사되는 빛(광)의 경우, 광센서(12)에 부착된 필터 통과시 굴절에 의해 적절하게 광센서(12)에 조사되기 어려운 단점을 갖고 있다.
또한, 이와 같은 종래의 비분산형 적외선 가스센서는 가스의 농도를 측정하는데 효율적이지만 온도의 변화에 적극적으로 대응할 수 없다는 한계가 있었다. 즉, 종래의 비분산형 적외선 가스센서는 적외선을 이용하는 것이므로 온도에 따른 1)적외선의 흡수율 등이 변하고, 2) 가스 센서용 적외선 필터의 표면오염등에 의해 출력 특성이 변하는 문제점이 있었다. 또한 외란의 보정과 농도환산을 위해 기준 적외선센서(대기 중의 타 가스와의 반응이 없는 통상 3.91 ㎛ 중간 투과파장을 갖는 적외선센서)를 사용하고 있는데, 이 또한 적외선 광원의 경년변화에 따라 각 적외선 파장의 방출 에너지가 변화됨으로써 정확한 가스농도의 환산과 경년변화에 대한 보정의 어려운 점이 있었다.
이러한 단점은 비분산형 적외선 가스센서를 외부와 같은 거친 환경에서 사용할 때 더욱 크게 대두되었는데, 예를 들어, 비분산형 적외선 가스센서를 자동차 음주측정용으로 사용하는 경우 여름, 겨울 등 외기의 온도변화 및 습도의 변화에 따라 정확한 알코올가스 농도의 측정이 어려웠다.
더욱이 광원과 적외선센서 등은 시간이 경과함에 따라 물성, 광학적 특성이 변하게 된다(이하 "경년변화"라 함). 즉 사용기간이나 사용횟수가 늘어남에 따라 적외선 광원의 열화, 필터 영역과 적외선 반사경 표면의 오염 등으로 가스센서의 감도가 저하되거나 실제 가스농도와 달리 환산 표시될 수 있다. 따라서 이러한 경년 변화를 자가 진단(Self-Diagnostics)하여 보정함으로써 적외선 가스센서의 내구성과 신뢰성을 높이는 방안이 연구되고 있다.
그 일환으로 기존의 적외선 가스센서의 온도 및 경년변화 보정을 위해 사용된 근사식은 실험식을 통해 확보할 수 있는데, 입사되는 적외선 에너지밀도가 낮은 경우, 광학적 구조물에 따라 차이는 있지만 대략 3차 다항식 형태를 취하고 있으나, 3차 다항식을 사용하는 경우 계수의 도출시 오차가 커서 정확한 가스농도 산출에 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 에너지 밀도가 상대적으로 낮은 복수의 영역 중 한 곳에 제 1 적외선센서를 배치하며, 또 다른 한곳에 제 2 적외선센서를 배치함으로써, 가스 농도를 측정할 수 있는 타원형 광구조물을 갖는 비분산형 적외선 가스센서에서 자기 보상방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은, 비분산형 적외선 가스센서에 의해 측정된 전압에 대해 경년변화를 체크함으로써 정확한 가스 농도의 측정이 가능한 비분산형 적외선 가스센서에서 자기 보상방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 복수의 적외선센서를 사용하여 다중 가스센서를 제작할 때 대기 중에 존재하는 가스성분과 무관하게 온도와 적외선 에너지에 따라 출력신호를 제공하는 적외선 가스센서와 제 1 측정대상 가스에만 반응하는 복수의 적외선 가스센서와 제 2 측정대상 가스에 반응하는 적외선 가스센서를 장착한 비분산형 적외선 가스센서 및 이를 이용한 가스농도 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은 정상동작 유무를 판단하고, 보다 정확한 가스농도 산출방법과 경년변화의 보정에 대한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 가스 농도측정방법에 있어서, 제 1, 2 타원구조부(200, 300)에 각각 동일한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)를 장착하는 단계(S100, S110); 0 ppm 상태에서 온도(T)에 대한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압(Vo1, Vo2)을 측정하는 단계(S120); 초기전압(Vo1, Vo2)에 기초하여 직선방정식을 도출하는 단계(S130); 직선방정식에 기초하여 하기의 수학식으로부터 일정상수(B)를 연산하는 단계(S140);
Figure 112016098598763-pat00001
(여기서, Vb1, Vb2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압,
Vg1, Vg2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압)
각 온도에서 가스의 주입에 따른 가스농도대 적외선센서(130, 140)의 출력전압과의 관계를 도출하여 가스흡수계수(k)와 광경로(ℓ)의 곱에 대한 관계를 도출하는 단계(S150); 및 각 출력전압에 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 가스의 농도(x)를 측정하는 단계(S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 농도측정방법이 제공된다.
또한, 측정단계(S160)이후, 각 출력전압에 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 구한 전압과 하기의 수학식들을 통해 측정된 전압을 서로 비교하여 적외선센서들(130, 140)의 정상작동 유무를 판단하는 단계(S170);를 더 포함한다.
Figure 112016098598763-pat00002
,
Figure 112016098598763-pat00003
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 실시예로서, 복수의 타원구조부를 갖고 상기 타원구조부중 하나는 광경로의 적어도 일부를 차단하는 격벽(180)이 형성되어 있는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 가스농도 측정방법에 있어서, 제 1, 2 타원구조부(200, 300)에 각각 동일한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)를 장착하는 단계(S200, S210); 0 ppm 상태에서 온도(T)에 대한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압(Vo1, Vo2)을 측정하는 단계(S220); 초기전압(Vo1, Vo2)에 기초하여 직선방정식을 도출하는 단계(S230); 직선방정식에 기초하여 하기의 수학식으로부터 일정상수(B)를 연산하는 단계(S240);
Figure 112016098598763-pat00004
(여기서, Vb1, Vb2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압,
Vg1, Vg2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압)
각 온도에서 가스의 주입에 따른 가스농도대 적외선센서(130, 140)의 출력전압과의 관계를 도출하여 가스흡수계수(k)와 광경로(ℓ)의 곱에 대한 관계를 도출하는 단계(S250); 각 출력전압에 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 가스의 농도(x)를 연산하는 단계(S260); 및 연산된 가스농도(x)와 실제 측정된 가스농도를 상대적으로 비교하여 서로 유사한 가스 농도값을 도출하는 단계(S270);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 전술한 S220 단계 내지 상기 S260 단계를 복수회 반복하여 도출된 가상의 가스농도와 실제 측정된 가스농도의 평균을 구해 더 정확한 가스농도를 구하는 단계(S280);를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 관점으로, 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 경년변화 보상방법에 있어서, 가스센서(600)에 제 1, 2 적외선센서(130, 140) 및 기준 적외선센서를 장착하는 단계(S300); 특정온도(T)에서 0 ppm의 가스를 주입하는 단계(S310); 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 출력전압의 비가 초기 일정상수(B)와 동일한지 판단하는 단계(S320); 기준 적외선센서의 초기 출력전압(Vr,o)이 기저정된 값과 비교하여 차이가 있는지 여부를 2개의 온도(T)에서 실시하는 단계(S330); 및 하기 수학식들의 오프셋 전압과 상기 초기 출력전압(Vr,o)을 보정하여 경년변화에 대한 보상을 수행하는 단계9S340);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 경년변화 보상방법에 의해 달성될 수 있다.
Figure 112016098598763-pat00005
,
Figure 112016098598763-pat00006
(여기서, x는 가스의 농도, Vo1, Vo2 는 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압, k는 가스흡수계수, Vb1, Vb2는 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압, Vg1, Vg2는 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압임)
또한, 전술한 S310단계에서 주입되는 가스는 고순도 질소가스이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 실시예로서, 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 있어서, 0 ppm일 때 제 1 적외선센서(130)의 기저장된 출력전압값과 측정된 전압을 비교하여 제 1 적외선센서(130)의 정상동작 여부를 판단하는 단계(S400); 제 1 적외선센서(130)와 제 2 적외선센서(140)의 출력전압 비를 기저장된 값과 비교하여 정상동작 여부 및 경년변화중 적어도 하나를 판단하는 단계(S410); 제 1 적외선센서(130)는 일정 전압을 출력하고, 제 2 적외선센서(140)는 주입된 가스의 농도(x)에 따라 지수함수적으로 감소하는 전압을 출력하는 단계(S420); 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 출력전압의 비(R) 및 농도와 전압비의 3차방정식에 기초하여 주입된 가스의 농도(x5)를 산출하는 단계(S430); 제 2 적외선센서(140)의 출력전압의 농도 곡선에서 주입된 가스의 농도에 따른 출력 전압과 관련된 하기의 수학식에 기초하여 주입된 가스의 농도(x6)를 역산하여 산출하는 단계(S440); 및
Figure 112016098598763-pat00007
(여기서, V04는 적외선센서의 초기전압, VB4는 적외선센서의 VBand 전압, Vg4는 적외선센서의 Vgas 전압, ℓ은 광경로임)
가스 농도(x5, x6)의 중간값을 가스의 농도로 산출하는 단계(S450);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 의해 달성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 실시예로서, 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 있어서, 이종가스에 대한 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 각 출력전압을 측정하는 단계(S500); 제 1 적외선센서(130)의 출력전압이 가스가 존재하지 않는 상태에서의 전압과 동일한지 여부 판단하는 단계(S510); 만약 동일하지 않은 경우, 이종가스의 공존으로 판단하여 2개의 제 1 적외선센서(130)의 출력으로부터 제 1 측정가스의 농도(xav.1)를 산출하는 단계(S520); 제 2 적외선센서(140)의 출력전압과 농도에 관한 하기의 수학식에서 제 2 측정가스의 농도(x6)를 산출하는 단계(S530);
Figure 112016098598763-pat00008
(여기서, V04는 적외선센서의 초기전압, VB4는 적외선센서의 VBand 전압, Vg4는 적외선센서의 Vgas 전압, ℓ은 광경로임)
제 1 적외선센서(130)의 출력전압에 기초하여 산출된 가스농도와 3차방정식에서 제시하고 있는 농도의 전압비로부터 제 2 측정가스의 농도(x7)를 산출하는 단계(S540); 가스 농도(x6, x7)의 중간값을 제 2 측정가스의 농도(xav . 2)로 산출하는 단계(S550);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 제 1 측정가스는 이산화탄소 가스이고, 제 2 측정가스는 알콜가스이다.
또한, 출력전압의 측정단계(S500)를 수행하기 앞서서, 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 초기 출력전압(V01, V02, V03, V04) 및 기준 적외선센서의 출력전압(Vref)에 기초하여
Figure 112016098598763-pat00009
,
Figure 112016098598763-pat00010
,
Figure 112016098598763-pat00011
,
Figure 112016098598763-pat00012
중 적어도 하나를 산출하는 단계; 및 산출된
Figure 112016098598763-pat00013
,
Figure 112016098598763-pat00014
,
Figure 112016098598763-pat00015
,
Figure 112016098598763-pat00016
중 적어도 하나를 기준으로 가스 농도영역을 구분하고, 구분된 가스 농도영역을 상이한 샘플링으로 연산을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 복수의 타원구조부는 2개 또는 3개일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 서로 다른 에너지 밀도의 영역에 배치된 복수의 적외선센서들을 이용하여 측정결과에 보정을 수행함으로서 보다 정확한 가스농도를 측정할 수 있다.
또한, 비분산형 적외선 가스센서에 의해 측정된 전압에 대해 경년변화를 체크함으로써 정확한 가스 농도의 측정이 가능하다. 이로 인해, 장기간 사용하는 경우 또는 환경변화가 심한 곳에서 사용하는 경우에도 정확한 가스의 농도 측정이 가능하다.
그리고, 하나의 가스에 대한 농도를 정확히 측정할 수 있고, 복수의 성분(예 : 이산화탄소와 알콜)이 혼합된 가스에 대해서도 각 성분의 정확한 농도 측정이 가능하다.
또한, 가스의 농도 측정전에 각 적외선센서의 정상동작 유무를 판단할 수 있어, 측정된 농도에 대한 신뢰감을 높일 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 가스센서의 부분 단면도,
도 2는 종래의 가스센서중 복수의 독립된 광경로를 갖는 광도파관을 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명의 광학적 가스센서 및 이를 포함하는 시스템의 전체적인 블럭도,
도 4는 도 3중 가스센서(600)의 사시도,
도 5a는 도 4에 도시된 가스센서(600)의 평단면도,
도 5b는 가스센서(600)의 또 다른 실시예로서 격벽(180)을 갖는 가스센서(600)의 평단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 온도와 가스농도의 변화에 따른 적외선 센서모듈의 출력특성을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에서, 출력전압(Vband, Vgas)의 온도 변화에 따른 특성을 나타내는 그래프,
도 8은 도 5a와 같이 3개의 타원구조부로 구성된 가스센서에서 각 적외선센서로 입사되는 입사광 에너지 밀도를 나타낸 것으로 도 8a는 제 1 적외선센서(130), 도 8b는 제 2 적외선센서(140), 도 8c는 제 3 적외선센서(150)에 해당되고,
도 9는 도 5b와 같이 3개의 타원구조부와 격벽으로 구성된 가스센서에서 각 적외선센서로 입사되는 입사광 에너지 밀도를 나타낸 것으로 도 9a는 제 1 적외선센서(130), 도 9b는 제 2 적외선센서(140), 도 9c는 제 3 적외선센서(150)에 해당되고,
도 10은 본 발명의 일실시예에서 동일 흡수파장의 적외선센서 각각에 대한 출력전압 및 이들 출력의 비를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명의 일실시예에서 서로 다른 흡수파장의 적외선센서 각각에 대한 출력전압 및 이들 출력의 비를 나타내는 그래프(한가지 가스),
도 12는 도 11에 도시된 출력의 비와 가스 농도의 상관성을 3차함수 곡선으로 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 일실시예에서 서로 다른 흡수파장의 적외선센서 각각에 대한 출력전압 및 이들 출력의 비를 나타내는 그래프(두가지 가스),
도 14는 도 13에 도시된 출력의 비와 가스 농도의 상관성을 3차함수 곡선으로 나타낸 그래프,
도 15는 가스센서 내부에 격벽이 없는 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도,
도 16은 가스센서 내부에 격벽이 있는 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도,
도 17은 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정할 때 경년변화에 따른 보상을 하는 과정을 나타내는 흐름도,
도 18은 본 발명의 일실시예에 따라 이종 가스의 농도를 측정할 때, 먼저 제 2 측정가스만이 존재할 때 농도를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도,
도 19는 본 발명의 일실시예에 따라 제 1, 2 측정가스와 같이 이종가스가 존재할 때 농도를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
본 출원에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
가스센서의 구성
도 3은 본 발명의 광학적 가스센서 및 이를 포함하는 시스템의 전체적인 블럭도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 대략적으로 온도센서(520), 가스센서(600), 제어부(500), 표시부(620), 저장부(640) 및 스위치(660) 등으로 구성될 수 있다.
온도센서(520)는 가스센서(600)의 내부 또는 외부에 설치되어 측정 대상 가스 및 주변온도를 측정하고, 측정된 전압(VT)을 제어부(500)로 전송한다. 특히, 온도센서(520)는 각 적외선센서(130, 140, 150)와 일체로 구비될 수 있다.
가스센서(600)는 가스가 유입되었을 때 비분산형 적외선 가스센서(NDIR) 방식으로 가스 농도에 따른 전압을 측정하여 제어부(500)로 전송한다.
제어부(500)는 온도센서(520)와 가스센서(600)의 출력신호로부터 가스의 농도를 연산하는 구성요소이다. 특히, 경년변화 판단 알고리즘(추후 설명)이 내장되어 있어서 정확한 가스 농도의 연산이 가능하다. 이러한 제어부(500)의 구체적인 실시예로는 마이컴, CPU 등이 될 수 있다.
표시부(620)는 전체 시스템의 동작을 위한 유저 인터페이스 환경 및 연산된 가스 농도의 표시 등을 위한 구성요소이다. 이러한 표시부(620)는 LCD, LED 또는 세븐 세그먼트 다이오드 등이 될 수 있다.
저장부(640)는 측정된 가스 농도를 임시로 저장하기 위한 메모리이다.
스위치(660)는 제어부(500)와 연결되어 전체 가스센서의 동작 ON/OFF, 모드 선택 등을 입력할 수 있다.
도 4는 도 3중 가스센서(600)의 사시도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 가스센서(600)의 평단면도이다. 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 제 1, 2, 3 타원구조부(200, 300, 400)는 광원(100)이 위치한 제 1 초점(F1)을 공유하도록 구성된다.
광원(100)은 1 ~ 15㎛의 연속적인 적외선을 방사하는 적외선 광원이다. 가스유입구(110)는 측정대상 가스가 유입되는 포트이고, 가스배출구(120)는 측정대상 가스가 배출되는 포트이다.
제 1, 2, 3 타원구조부(200, 300, 400)는 3개의 타원경이 제1초점(F1)을 공유하며 겹쳐지는 구조이고, 내부는 비어 있다. 제 1, 2, 3 적외선센서(130, 140, 150)는 써모파일 또는 초전형센서이며, 온도센서를 포함하고, 사양에 따라서는 구동회로를 내장할 수 있다.
팬(160)은 제 2 적외선센터(140)의 일측에 구비되며, 유입된 측정대상 가스의 잔류를 방지하고 신속한 강제 흡입 또는 배출을 할 수 있다. 이러한 가스센서(600)는 합성수지재로 성형되며, 2개의 반원형 구조물을 각각 성형한 뒤 체결함으로써 완성한다.
각 광축이 이루는 사이각(θ)은 5도 내지 20도가 될 수 있고, 더 바람직하게는 10도 내지 15도가 매우 효율적인 집광율을 나타내었고, 그중 10도일 때 최고치를 나타내었다.
도 5b는 가스센서(600)의 또 다른 실시예로서 격벽(180)을 갖는 가스센서(600)의 평단면도이다. 도 5b에 도시된 가스센서(600)의 구성은 대략 도 4의 가스센서(600)와 유사하다. 격벽(180)은 제 1 타원구조부(200)의 내부에서 축선방향 단면의 대략 절반을 갖도록 구성되고, 이러한 격벽(180)의 면적만큼 적외선이 차단된다.
가스센서를 이용한 농도 측정
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 구체적인 가스의 농도를 측정하는 구체적인 동작 방법을 설명하도록 한다.
비분산 적외선 가스센서는 [수학식 1]의 비어-램버트(Beer-Lambert) 법칙에 그 기초를 두고 있는데, 이는 특정 파장에 대해 적용 가능한 수식이다. 이때 특정 파장에서 광흡수계수가 일정하다고 가정할 때, 센서에 도달하는 에너지는 초기 에너지가 크거나, 광경로(ℓ: F1과 F2 사이의 거리)와 흡수계수의 곱인 k가 작은 경우 상대적으로 큰 값을 갖는다. 그런데 가스센서로 적용 가능한 구조가 되기 위해서는 가스농도가 일정할 때 광경로가 커서 동일한 가스농도변화에 대한 에너지의 감소폭이 커야하는 구조인 경우가 합당하다. 또한 입사 광에너지가 크면 외부 노이즈에 둔감한 특성을 나타내므로 광학적 가스센서로 응용하기에 용이하다. 따라서 적외선 가스센서로서 광원의 경년변화 혹은 반사경의 광화학적 성질의 변화 유무에 무관하게 응용할 수 있는 가능성은 1) 동일한 적외선센서에서 입사 에너지 밀도의 차이가 쌍으로 존재할 수 있는 구조이거나, 2) 광경로의 차이를 두는 구조(미국특허 8,178,832 B1)로 형성함이 바람직하다.
그러나 일반적으로 가스 측정에 사용하는 적외선센서(IR Detector)는 대상 가스의 흡수 파장(λc)을 중심으로 λc±Δλ(예 : 이산화탄소 가스센서의 경우, 4.17 < λc < 4.35)의 투과대역을 갖는 필터를 갖고 있다. 따라서 일반적으로 사용되는 비어-램버트 법칙은 본 발명자(한국센서학회, 2016)와 Liu Jun et al.(Journal of Measurement, vol. 44 (2011), 823-831)이 제시한 [수학식 2]의 형태로 수정되고 전개되어야 할 것이다.
Figure 112016098598763-pat00017
Figure 112016098598763-pat00018
이때 Io는 적외선 광원(100)에서 조사되는 에너지, I는 적외선센서(130, 140, 150)에 도달하는 전체 에너지, k는 가스 흡수계수(b)와 광경로(L)의 곱에 의한 온도 의존성 변수, x는 측정 대상가스의 농도, Iband는 적외선 투과대역(λc-Δλ<λc<λc+Δλ)에서 측정 대상가스의 흡수파장 이외의 적외선 에너지 밀도, Igas는 측정 대상가스(예: 알콜가스 또는 이산화탄소)에 의해 흡수되는 적외선 에너지 밀도를 나타낸다. 또한 가스 농도가 0 인 경우, [수학식 1]과 [수학식 2]에서 에서 I = Io = Iband + Igas 임을 알 수 있는데, 가스가 존재하지 않을때는 Igas 성분이 측정 대상가스에 흡수되지 않으므로, 모든 적외선 에너지가 적외선센서에 도달하여 이에 대한 출력을 나타낸다. 반면, 대상 가스농도가 큰 경우(x = ∞), [수학식 2]의 두 번째 항이 소거되며, 이에 따라 가스에 흡수되지 않는 적외선 성분만 적외선센서(130, 140, 150)로 도달하고, 적외선센서에서 가스농도와 무관한 출력 전압을 제공할 것으로 예측할 수 있다.
따라서 입사되는 적외선 에너지 밀도에 의해 적외선센서에서 출력되는 전압의 형태는 [수학식 2]의 구성요소들을 포함하는 형태를 나타날 것으로 예측할 수 있으며, 아래의 [수학식 3]과 같이 본 출원의 발명자(한국가스학회 및 한국센서학회 논문 참조)에 의해 실험적으로 도출되었다.
Figure 112016098598763-pat00019
즉, 적외선센서를 통해 나타나는 출력전압 Vout은 1) 대상 가스의 흡수와 무관한 전압(Vband) 및 2) 대상 가스농도에 따라 변화되는 전압(Vgasexp(-kx)) 항으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 첫번째 항은 적외선 가스센서의 오프셋 전압을 나타내고, 기존 적외선 센서(집광 구조가 아닌 센서류)의 출력(Vband, Vgas)은 온도에 따라 2차 혹은 3차함수 형태를 지닌다.
이러한 실험적 사실에 기반을 둔 실험결과의 예를 나타내면 도 6과 같으며, 오프셋 전압과 가스농도에 따른 전압의 온도에 따른 변화를 나타내면 도 7과 같다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 온도와 가스농도의 변화에 따른 적외선 센서모듈의 출력특성을 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에서, 출력전압(Vband, Vgas)의 온도 변화에 따른 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6에서와 같이 적외선센서의 출력전압은 온도와 가스농도의 함수로 나타나고 있음을 알 수 있다. 입사된 적외선과 집광되어 적외선센서에 조사되는 본 발명에 의한 구조에서 Vband 와 Vgas 전압은 온도의 변화에 직선적인 변화를 보이는 함수로 표현된다. 가스의 농도변화에 따라 Vgasexp(-kx)이 변화됨을 도 6과 도 7을 통하여 확인할 수 있으므로, [수학식 3]은 [수학식 4]로 기술될 수 있다.
Figure 112016098598763-pat00020
광경로가 길고 집광구조를 지니고 있지 않는 가스센서의 출력전압(Vband, Vgas)은 2차 혹은 3차 함수 형태를 나타내고 있었으며, 실험적으로 구한 이들의 오차로 인해 추정 가스농도는 비교적 큰 오차를 보이고 있었다. 그러나 본 발명을 통해 제시된 가스센서(600)의 온도에 따른 출력전압(선출원되어 등록된 국내 등록특허 제 10-1581341호(복수의 독립된 광경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 광학적 가스센서), Vband, Vgas)은 선형적인 온도변화를 보임으로써 보정함수의 도출이 용이한 특징을 나타낸다. 왜냐하면 2차 혹은 3차 함수형태의 온도보정 곡선을 확보하기 위해서는 최소 3개의 다른 온도에서 측정한 실험결과를 요구하나, 본 발명에 의한 구조는 출력전압이 선형적이므로 동작 온도영역중 최소 두가지 온도에서 측정을 통해 초기전압을 예측할 수 있다.
일정상수(B)의 연산
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에서 제시한 동일한 장축과 단축을 갖는 제 1, 2, 3 타원구조부(200, 300, 400)로 구성된 가스센서(600)의 제 1, 2, 3 적외선센서(130, 140, 150)에서 적외선 에너지 밀도에 대한 컴퓨터 모의해석 결과를 나타낸 것이고, [표 1]은 이들의 상대적인 에너지밀도를 제시한 것이다. 도 8과 같이 적외선 광원(100)에서 방사된 연속적 파장을 지닌 적외선은 적외선센서의 활성화 영역인 1.2 × 1.2 mm2 안에 하나의 점 형태로 집광됨을 볼 수 있다.
이로써 별도의 집광렌즈의 사용없이 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선을 집광함으로써 단위면적당 에너지밀도를 향상시키는 구조를 갖고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 하나의 적외선 광원(100)으로부터 제 1, 2, 3 적외선센서(130, 140, 150)에서 상이한 에너지 밀도를 갖는 광 도파관을 형성한다. [표 1]은 도 5a와 같이 제 1 타원구조부(200) 내부에 격벽(180)이 존재하지 않는 상태에서 제 2 적외선센서(140)의 에너지 밀도를 1로 하였을 때 제 1, 3 적외선센서(130, 150)에서의 에너지 밀도를 나타낸 것이다. 제 1, 3 적외선센서(130, 150)는 제 2 적외선센서(140)의 약 53~56 % 에너지 밀도를 나타내는 것으로 해석되었다.
적외선 센서 위치 제 1 적외선센서 제 2 적외선센서 제 3 적외선센서
상대적 에너지 0.565 1 0.536
한편 도 5b는 제 1 타원구조부(200)의 중간에 반원형의 격벽(180)을 위치시켜 입사되는 적외선의 일부를 방해하는 구조이다. 그리고, [표 2]는 그 때의 상대적인 에너지 밀도비를 나타낸 것이다. 도 5b에서와 같이 격벽(180)을 삽입하여 적외선센서에 도달하는 적외선 에너지 밀도를 살펴보면, 제 2, 3 적외선센서(140, 150)는 변화가 없으나, 제 1 적외선센서(130)의 광의 분포와 에너지 밀도만의 차이를 나타내고 있음을 도 9를 통해 확인할 수 있다. 제 2 적외선센서(140)를 중심으로 제 1 적외선센서(130)는 약 31.4 %를 보이는 반면 제 2, 3 적외선센서(140, 150)는 격벽(180)의 유무와 무관한 값을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
적외선 센서 위치 제 1 적외선센서 제 2 적외선센서 제 3 적외선센서
상대적 에너지 0.314 1 0.536
한편 [표 3]은 실험결과를 바탕으로 제 1 타원구조부(200)에 격벽(180)이 존재하고(에너지 밀도를 낮추는 구조를 갖고 있는 광학적 구조물일 때) 가스농도가 0 ppm일 때, 각 센서의 출력전압과 이들의 비를 나타낸 것이다. [수학식 4]에서 동일한 가스 및 농도에 대해 동일한 광경로를 갖는 조건에서 입사 에너지 밀도만이 다른 경우, 초기 출력전압(0 ppm)과 일정농도에서의 출력전압의 비는 일정할 것으로 예상할 수 있다. [표 3]에 제시된 것과 같이 가스 농도가 0 ppm인 경우 적외선센서의 전압비(제3적외선센서/제1적외선센서)는 온도의 변화가 존재해도 일정한 값을 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안된 가스센서(600)는 온도와 무관한 전압비를 나타내고, 이를 이용하여 용이한 보상과 보정이 가능하다.
또한 도 10에 도시된 그래프와 실험 및 이론적 해석에 의거한 일례로서 초기 에너지 밀도차에 의해 발생된 전압비는 가스 농도가 변화하더라도 일정한 값(예를 들면, 1.7857)을 갖고 있음을 알 수 있다. 즉, 가스센서(600)와 같은 타원체 광학적 구조물에 입사되는 적외선을 집속시키는 구조에서, 에너지 밀도차에 의해 발생된 전압비는 광경로가 일정한 2개의 타원체를 활용한 적외선센서의 출력전압 비는 가스의 존재유무와 상관없이 일정한 값을 갖고 있다. 따라서 에너지 밀도가 큰 부분에서의 출력전압([표 3]중 제 2 적외선센서)과 에너지 밀도가 작은 부분에서의 출력전압([표 3]중 제 1 또는 3 적외선센서)의 비는 온도 및 가스농도와 무관하게 일정한 상수를 갖는다. 이때 에너지 밀도가 작은 곳에서 측정한 출력에 이들의 비를 곱하면 에너지 밀도가 큰 부분의 출력전압과 동등한 값을 갖게 될 것임을 예측할 수 있다.
온도(K) 제 1 또는 3 적외선센서 제 2 적외선센서 비율
253 1.5721 2.8074 1.7857
273 1.7301 3.0894 1.7857
283 1.8133 3.238 1.7857
298 1.9300 3.4465 1.7857
313 2.0329 3.6302 1.7857
333 2.1699 3.8748 1.7857
<동일한 적외선센서인 경우>
동일한 적외선 대역필터를 갖는 2개의 적외선센서가 설치된 경우에 대해 설명한다. 먼저, 동일한 광경로를 가지나 입사되는 적외선 에너지밀도의 차이가 있는 본 실시예에서, [수학식 4]를 통한 각각의 출력전압은 아래와 같이 표현된다.
Figure 112016098598763-pat00021
Figure 112016098598763-pat00022
따라서 [수학식 5]와 [수학식 6]을 나누면 [수학식 7]과 같이 표현되는데,
Figure 112016098598763-pat00023
[수학식 7]에서 알 수 있듯이 가스 농도나 온도에 무관하게 일정한 값(B)을 갖고 있음을 수식적으로도 확인할 수 있다.
<상이한 적외선센서인 경우>
도 5b와 도 9 및 [표 2]에서 에너지 밀도가 가장 큰 영역(제2적외선센서)과 상대적으로 에너지 밀도가 낮은 영역(제3적외선센서)에 서로 상이한 적외선 대역필터(측정 대상가스가 상이한)를 장착한 구조(단, V03 > V04의 출력전압)에 대해 설명한다. 출력전압은 아래의 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같으며,
Figure 112016098598763-pat00024
Figure 112016098598763-pat00025
이들의 비는 아래의 [수학식 10]으로 도출되며, 온도와 가스농도에 따라 그 비가 변화되는 특성을 지닌 수식으로 표현된다.
Figure 112016098598763-pat00026
이때 [수학식10]에서 지수함수는 다항식으로 표현가능하며, 정밀도에 영향을 주지 않는 한 3차 방정식으로 나타낼 수 있다. 따라서 광경로가 동일하지만, 측정 대상가스가 각각 달라 상이한 필터를 장착한 적외선 센서는 [수학식 8]과 [수학식 9]와 같은 온도와 가스농도에 따른 특성을 나타낸다. 이들의 비는 [수학식10]과 같이 온도에 따라 일정한 비를 나타내는 항(exp{(ℓ-k)x})의 곱으로 나타낼 수 있게 되며, 그 일례를 제시하면 도 12와 같다.
도 11은 동일한 광경로를 가지나 적외선 통과대역이 상이한 2개의 적외선센서에서 특정가스(예를 들면, 에탄올)의 농도에 따른 출력전압 특성을 나타내는 곡선이고, 도 12는 이들의 비와 가스농도의 상관을 나타낸 곡선(3차 함수)을 나타낸 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있듯이 각 센서의 초기전압특성(0 ppm에서)은 온도의 변화에 대해 선형적인 특성을 나타낸다(이는 실험적으로 증명되었고, 일부 국제학술대회에서 발표됨: APCOT 2016, Japan[2016년 6월]). [수학식 10]에서 온도만의 함수는 1) 0 ppm 일 때 일정한 값을 가지며, 2) 가스 농도가 변화하면 도 12에서 알 수 있듯이 이들의 비는 3차 함수의 형태로 나타낸다.
이하에서는 동일한 3차원 타원형 광학적 가스센서(600)를 이용하여 하나의 특정한 가스를 검출하거나 또는 2개의 서로 다른 성분을 검출할 수 있는 가스센서의 동작에 대해 설명하도록 한다.
단일가스의 농도 측정( 격벽없음 )
이하에서는 동일한 3차원 타원형 광학적 가스센서(600)를 이용하여 하나의 특정한 가스 농도를 측정하는 가스센서의 동작에 대해 설명하도록 한다. 도 15는 가스센서 내부에 격벽이 없는 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 15에 도시된 바와 같이,
(1) 도 4에 제시한 광학적 가스센서(600)의 제 1, 2, 3 적외선센서(130, 140, 150)중 2개를 선택한다(예 : 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 선택 또는 제 2, 3 적외선센서(140, 150)의 선택)(S100).
(2) 동일한 대역통과 필터를 갖는 적외선 센서(130, 140)를 장착한다(S110).
(3) 0 ppm에서 온도(T)에 대한 초기 전압을 측정하고, 특정 가스농도에서 출력전압을 측정하여 Vband, Vgas를 도출한다(S120).
(4) 이들 초기전압을 잇는 직선의 방정식을 도출한다(S130). 그러면, 도 7에 제시된 그래프와 유사한 초기전압 특성곡선(총 4 개의 직선)을 도출할 수 있으며,
(5) 도출된 4개의 직선 방정식에 기초하여 [수학식 7]에 제시된 일정상수(B)를 연산한다(S140).
(6) 각각의 온도에서 가스의 주입에 따른 가스 농도대 출력전압의 관계를 도출하여 가스흡수계수와 광경로의 곱에 대한 관계를 도출하면 온도에 따라 가스의 흡수에 따른 전압의 관계를 도출하는 인자를 확보할 수 있다(S150).
(7) 각각의 출력전압에 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 구한 전압(S160)과 [수학식5]와 [수학식6]을 통해 측정된 전압을 서로 비교하면 일차적으로 적외선센서들의 정상작동 유무를 판단할 수 있다(S170). 즉, 어느 하나의 적외선센서가 오작동을 한다면 이 출력신호에 일정상수(B)를 곱하거나 나눈 값이 센서특성을 좌우하는 상수와 상이한 값을 갖거나, 0으로 계산(적어도 하나의 적외선 센서는 동작하지 않음)되기 때문이다.
(8) 적외선 광원이 열화되어 연속적인 파장의 에너지 밀도가 상대적으로 변화하는 경우, 혹은 가스센서(600)의 반사경 내부가 시간적 변화에 따라 그 반사도가 저하되는 경우(경년변화)에도 동일한 적외선 센서를 사용하고 있기 때문에 출력전압의 비는 항상 일정한 값을 유지한다. 즉, 적외선광원(100)의 경년변화나 광학계 부품의 경년변화에 대한 보정이 타 센서에 비해 용이하거나, 보정이 필요없는 특징이 있다. 그리고, 종래의 미국특허 8,178,832 B1에서 제시하고 있는 복잡한 보정과정을 거치지 않아도 되는 특징을 지닌다.
단일가스의 농도 측정( 격벽있음 )
이하에는 전술한 단일가스에 대한 농도측정이나 가스센서(600)에 격벽(180)이 있어 상이한 에너지 밀도를 갖는 구조에 대해 설명한다. 도 16은 가스센서 내부에 격벽이 있는 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 16에 도시된 바와 같이,
(1) 동일한 광경로이나 상이한 에너지 밀도를 갖는 구조는 광학적 흡수계수항이 동일함으로 [수학식 7]에 제시된 것과 같이 2개의 적외선 센서의 출력전압비는 일정한 상수(예 : B = 1.7856)를 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서 각각의 출력전압에 임의의 상수를 곱하고(에너지 밀도가 큰 적외선 센서에는 1보다 작은 값(예 : 1/B), 에너지밀도가 작은 적외선 센서에는 1보다 큰 값(예 : B)), 이를 통해 가스농도를 상대적으로 연산한다(S200 ~ S260).
(2) 실제 측정값과 상대적으로 비교하면 서로 유사한 가스 농도값이 도출될 것이며(가상적인 연산에 의한 2개의 유사한 농도값), 각각의 적외선 센서의 출력전압을 통해 역산된 가스농도 또한 도 10에서와 같이 유사한 2개의 농도값을 나타낸다(S270).
(3) 두 번의 유사한 연산 과정을 통해 도출된 가상 농도값과 실제 농도값의 평균을 구해 더 정확한 가스농도를 구한다(S280). 즉 아래의 4개의 수학식을 통해 구한 추정농도의 평균값이 적외선 센서를 통해 측정된 전압으로부터의 가스농도가 될 것이고, 보다 정확하게 미지의 농도를 산출할 수 있게 된다.
Figure 112016098598763-pat00027
Figure 112016098598763-pat00028
Figure 112016098598763-pat00029
이 때, x2 ≒ x3 인 상태가 될 것이며,
Figure 112016098598763-pat00030
이때 x1 ≒ x4 인 상태로 계산될 것이며, 자연로그함수를 무한급수 전개한 식은 아래와 같으며, 이를 응용하면 실제 농도를 정확하게 예측할 수 있게 된다.
Figure 112016098598763-pat00031
따라서 최종적으로 2개의 동일한 적외선 센서를 구비한 적외선 가스센서를 통해 추정된 가스농도는 [수학식 11]로 계산됨으로써 보다 정확한 가스농도를 예측할 수 있을 것이다.
Figure 112016098598763-pat00032
만약, 4개의 계산된 농도(x1, x2, x3, x4)에서 특정 적외선센서가 일시적인 외란에 의해 허용범위를 벗어나는 출력을 나타낼 수 있다. 이 경우, 4개의 측정결과(x1, x2, x3, x4)에서 최대값과 최소값을 제외한 2개의 평균치를 구하면 일시적인 외란에 의해 발생된 특정센서의 출력에 따른 오차를 제거할 수 있다.
측정된 단일가스 농도의 경년 보상
도 17은 본 발명의 일실시예에 따라 단일 가스의 농도를 측정할 때 경년변화에 따른 보상을 하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 가스센서(600)의 경년변화를 보상하기 위해,
(1) 본 발명의 제 1, 2, 3 적외선센서(130, 140, 150)중 상대적으로 에너지 밀도가 낮은 영역(예 : 제 3 적외선센서(150))에 측정대상 가스와 대기 중에 존재하는 가스에 무관한 통과대역을 갖는 기준 적외선 센서, 예를 들면 중심파장 3.91 ㎛를 갖는 적외선 센서를 장착한다(S300).
(2) 특정온도에서 0 ppm의 가스(예 : 다른 가스가 없는 고순도 질소)를 주입한다(S310).
(3) 제 1 적외선센서(130)의 출력과 제 2 적외선 센서(140, 제 1 적외선센서와 동일 흡수파장을 갖는 센서)의 출력전압의 비가 초기 일정상수(B)와 동일한지 판단한다(S320).
(4) 기준 적외선센서(150)의 출력전압(Vr,o)이 초기에 마이컴에 저장된 값과 비교하여 허용된 범위내에서 차이가 있는지 검사하는 과정을 2개의 온도에서 실시한다(S330).
(5) [수학식 5]와 [수학식 6]의 오프셋 전압과 가스반응 전압의 초기치를 보정하면 경년변화에 대한 보상을 수행할 수 있다(S340). 즉, 아래의 [수학식 12]에 제시된 값들을 1, 2차에 걸쳐 상대적으로 비교한 후, 관련된 항들과 수식을 수정함으로써 경년변화에 대한 보정을 수행한다.
Figure 112016098598763-pat00033
이종 가스의 농도 측정
이하에서는 2개의 서로 상이한 가스(제 1 측정가스(알콜), 제 2 측정가스(이산화탄소))의 농도를 측정하고, 자기진단과 보정의 과정을 도 11 및 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 이 경우 제 1 적외선 센서의 측정 대상가스가 존재하지 않는 경우와 제 1 측정가스와 제 2 측정가스가 모두 존재하는 경우에 대해서 살펴보아야 한다.
이종 가스의 농도 측정( 제 2 측정가스만 존재)
도 18은 본 발명의 일실시예에 따라 이종 가스의 농도를 측정할 때, 먼저 제 2 측정가스만이 존재할 때 농도를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 18에 도시된 바와 같이,
(1) 제 1 측정가스가 존재하지 않는 경우, 제 1 적외선센서(130)의 출력전압은 0 ppm에서의 출력전압과 동일한 값을 가질 것이며 마이컴 내부에 저장된 이 값과 측정 전압과의 비교를 통해 허용범위내에 있는지 여부에 따라 제 1 측정가스 센서의 정상동작 유무를 우선적으로 판단한다(S400).
(2) 2개의 제 1 적외선 센서의 출력전압은 일정한 출력전압을 나타낼 것이고, 2개의 제 1 적외선 센서의 출력전압 비를 초기 마이컴에 저장된 값과 비교하여 정상동작 여부 및 경년변화를 자기진단한다(S410).
(3) 상대적으로 에너지 밀도가 낮은 경우의 출력전압과 제 2 측정가스의 농도에 따른 각 출력전압과 가스농도 의존성은 도 11과 같이 나타난다. 즉, 제 1 가스 측정용 적외선 센서의 출력전압은 제 2 측정가스의 농도와 무관한 일정한 값을 갖게 될 것이나, 제 2 측정가스용 적외선 센서는 가스농도에 따라 지수 함수적으로 감소하는 특성을 나타낸다(S420).
(4) 이들의 비를 도 12에 제시된 것과 같이 3차 함수형태로 구한다. 즉, 전압의 비(R = (Vo4)/(Vo1))와 농도와 전압비의 3차 방정식 [수학식 13])을 통해 제 2 측정 대상가스의 농도(x5)를 산출한다(S430).
(5) 도 11에 제시된 제 2 적외선 센서의 출력전압의 농도 곡선에서 제 2 측정대상 가스의 농도에 따른 출력 전압과 관련된 [수학식 14]를 통하여 직접적으로 제 2 측정가스의 농도(x6)를 역산한다(S440).
Figure 112016098598763-pat00034
즉,
Figure 112016098598763-pat00035
을 정리하면,
Figure 112016098598763-pat00036
여기서, A0, A1, A2, A3는 도 12의 3차 함수로부터 결정되는 계수를 의미한다.
(6) 제 2 측정대상 가스의 농도는 x5와 x6의 중간값으로 근사화하여 산출한다(S450). 이는 제 2 측정가스용 적외선 센서의 단일 출력으로 구한 농도보다 정확성을 향상시킨다.
이종 가스의 농도 측정( 제 1 , 2 측정가스)
제 1 측정가스와 제 2 측정가스가 동시에 존재하는 경우 즉, 이종 가스의 농도 측정에 대해 이하에서 설명한다. 도 19는 본 발명의 일실시예에 따라 제 1, 2 측정가스와 같이 이종가스가 존재할 때 농도를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 19에 도시된 바와 같이,
(1) 각각의 가스는 서로 상이한 대역통과 필터를 갖는 적외선 센서의 출력전압에 영향을 미치지 않는다. 각각의 측정대상 가스의 농도에 따른 반응으로서 각 적외선 센서의 출력전압을 구한다(S500).
(2) 제 1 적외선 가스센서의 출력전압이 가스가 존재하지 않는 상태에서의 전압과 비교하여 동일한지 여부를 우선적으로 판단한다(S510).
(3) 만약, 동일하지 않은 경우 2가지 가스가 공존한다고 판단하여, 2개의 제 1 적외선 센서의 출력으로부터 제 1 측정가스의 농도를 전술한 방법(S400 ~ S450)에 의해 산출(xav.1)한다(S520).
(4) 제 2 적외선 센서의 출력전압과 농도의 상관성 해석을 통한 [수학식 14]에서 도출된 제 2 측정가스의 농도(x6)를 산출한다(S530).
(5) 제 1 적외선 센서의 출력전압의 환산에 의해 산출된 가스농도와 도 14에서 제시하고 있는 농도에서의 전압비로부터 제 2 측정가스의 농도를 [수학식 15]에 의해 다시 산출(x7)한다(S540).
(6) 제 2 측정가스의 농도(xav . 2)는 x6와 x7의 중간값([수학식 16])으로 산출한다(S550).
Figure 112016098598763-pat00037
Figure 112016098598763-pat00038
여기서, B0, BA1, B2, B3는 3차 함수로부터 결정되는 계수를 의미한다.
상술한 사항은 특정 온도에서 본 발명의 일실시예를 통한 하여 제작될 적외선 센서를 통한 가스농도 산출방법을 제시한 것인데, 외란에 해당하는 온도가 변화하는 경우의 보상방법을 제시하면 다음과 같다. 즉 온도에 의해 영향을 받는 인자들은 [수학식 4]에 제시된 바와 같이 세가지 인자들인데, 오프셋전압에 해당하는 Vband(T), 측정대상 가스에 의해 흡수되는 에너지 성분을 나타내는 Vgas(T) 및 가스의 흡수계수항(k,ℓ)들이다. 따라서 제 1 측정대상가스용 적외선 센서와 제 2 측정 대상가스용 적외선 센서의 3개 인자들의 온도의존성 함수를 도출하고, 이들을 제시된 수식에 대입한 뒤 내장된 온도센서에 의한 출력전압으로부터 외부온도(K)를 산출하여 수식들에 대입하면 온도에 무관한 출력 전압식을 확보할 수 있다. 이들 전압의 상관성 해석을 통해 제 1 측정대상과 제 2 측정대상 가스농도를 산출할 수 있으므로 온도 보정된 적외선 가스센서의 제작이 가능하게 되므로, 주변 온도변화에 대한 출력보상 및 농도보상작업이 완료되게 된다.
또한 두 종류의 가스를 측정하기 위한 구조로 본 발명이 사용되는 경우, 제 1 적외선 센서의 보정은 상술한 단일 가스측정 방식을 따른다. 제 1 적외선 센서와 제 2 적외선 센서의 흡수파장은 상이함으로, 초기 0 ppm 상태에서 3개의 적외선 센서의 출력비를 확인하여 마이컴에 저장한다. 그 다음, 일정 시간이 경과한 후, 0 ppm에서 초기에 저장된 제 2 적외선 센서의 출력전압과의 비례계수(R1, R2)를 비교하고, 이들과 제 2 적외선 센서의 농도의 함수와 농도대 비례계수의 함수(p1, p2)를 경년변화에 따라 보정한다. 그러면 경년변화에 따른 두 종류의 가스농도를 모두 보정할 수 있게 된다. 즉, [수학식 12]와 [수학식17] 및 [수학식18]을 통해 경년변화에 따른 농도를 보정할 수 있도록 할 수 있다.
Figure 112016098598763-pat00039
Figure 112016098598763-pat00040
여기서, c0, c1, c2, c3 및 여기서, d0, d1, d2, d3는 3차 함수로부터 결정되는 계수를 의미한다.
동종 혹은 이종의 가스측정을 위한 가스센서의 제작시, 기준 적외선 센서의 또 다른 용도는 측정 대상가스의 농도산출시 측정과 연산의 정확성을 위한 기준을 제공할 수 있는데, 기준 적외선 센서는 측정대상 가스의 존재 유무와 무관한 출력전압을 제시하고, 제 1 또는 제 2 적외선 가스센서는 가스농도에 따른 출력전압을 나타낸다. 따라서 용도에 따라 고분해능이 요구되는 구간과 가스농도의 변화에 따라 출력전압의 변화폭이 작은 고농도 영역의 분리기준으로서 (
Figure 112016098598763-pat00041
혹은
Figure 112016098598763-pat00042
), 또는 (
Figure 112016098598763-pat00043
혹은
Figure 112016098598763-pat00044
)의 임의의 값을 설정한 뒤, 이를 기준으로 저농도와 고농도 가스농도 영역을 설정하여 보다 세밀한 A/D(Analog/Digital) 변화를 진행한다. 그리고, 이를 통해 연산을 수행하면 정밀도를 높힐 수 있는 구조의 가스센서 제작도 가능하다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
10 : 반사경,
11 : 광원
12 : 광센서,
13 : 평면반사경,
14 : 적외선,
20 : 제 1 타원체,
30 : 제 2 타원체,
100 : 광원,
110 : 가스유입구,
120 : 가스배출구,
130 : 제 1 적외선센서,
140 : 제 2 적외선센서,
150 : 제 3 적외선센서,
160 : 팬,
180 : 격벽,
200 : 제 1 타원구조부,
300 : 제 2 타원구조부,
400 : 제 3 타원구조부,
500 : 제어부,
520 : 온도센서,
600 : 가스센서,
620 : 표시부,
640 : 저장부,
660 : 스위치,
F1 : 제 1 초점,
F2 : 제 2 초점,
θ : 사이각.

Claims (11)

  1. 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 가스농도 측정방법에 있어서,
    제 1, 2 타원구조부(200, 300)에 각각 동일한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)를 장착하는 단계(S100, S110);
    0 ppm 상태에서 온도(T)에 대한 상기 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압(Vo1, Vo2)을 측정하는 단계(S120);
    상기 초기전압(Vo1, Vo2)에 기초하여 직선방정식을 도출하는 단계(S130);
    상기 직선방정식에 기초하여 하기의 수학식으로부터 일정상수(B)를 연산하는 단계(S140);
    Figure 112017035566894-pat00045

    (여기서, Vb1, Vb2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압,
    Vg1, Vg2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압)
    각 온도에서 가스의 주입에 따른 가스농도대 상기 적외선 센서(130, 140)의 출력전압과의 관계를 도출하여 가스흡수계수(k)와 광경로(ℓ)의 곱에 대한 관계를 도출하는 단계(S150); 및
    각 출력전압에 상기 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 상기 가스의 농도(x)를 측정하는 단계(S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정단계(S160)이후, 각 출력전압에 상기 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 구한 전압과 하기의 수학식들을 통해 측정된 전압을 서로 비교하여 상기 적외선센서들(130, 140)의 정상작동 유무를 판단하는 단계(S170);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법.
    Figure 112016098598763-pat00046
    ,
    Figure 112016098598763-pat00047
  3. 복수의 타원구조부를 갖고 상기 타원구조부중 하나는 광경로의 적어도 일부를 차단하는 격벽(180)이 형성되어 있는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 가스농도 측정방법에 있어서,
    제 1, 2 타원구조부(200, 300)에 각각 동일한 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)를 장착하는 단계(S200, S210);
    0 ppm 상태에서 온도(T)에 대한 상기 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압(Vo1, Vo2)을 측정하는 단계(S220);
    상기 초기전압(Vo1, Vo2)에 기초하여 직선방정식을 도출하는 단계(S230);
    상기 직선방정식에 기초하여 하기의 수학식으로부터 일정상수(B)를 연산하는 단계(S240);
    Figure 112017035566894-pat00048

    (여기서, Vb1, Vb2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압,
    Vg1, Vg2는 각각 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압)
    각 온도에서 가스의 주입에 따른 가스농도대 상기 적외선 센서(130, 140)의 출력전압과의 관계를 도출하여 가스흡수계수(k)와 광경로(ℓ)의 곱에 대한 관계를 도출하는 단계(S250);
    각 출력전압에 상기 일정상수(B)를 곱하거나 나누어 상기 가스의 농도(x)를 연산하는 단계(S260); 및
    연산된 상기 가스농도(x)와 실제 측정된 가스농도를 상대적으로 비교하여 서로 유사한 가스 농도값을 도출하는 단계(S270);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 S220 단계 내지 상기 S260 단계를 복수회 반복하여 도출된 가상의 가스농도와 실제 측정된 가스농도의 평균을 구해 더 정확한 가스농도를 구하는 단계(S280);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법.
  5. 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)의 경년변화 보상방법에 있어서,
    상기 가스센서(600)에 제 1, 2 적외선센서(130, 140) 및 기준 적외선센서를 장착하는 단계(S300);
    특정온도(T)에서 0 ppm의 가스를 주입하는 단계(S310);
    상기 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 출력전압의 비가 초기 일정상수(B)와 동일한지 판단하는 단계(S320);
    상기 기준 적외선센서의 초기 출력전압(Vr,o)이 기저정된 값과 비교하여 차이가 있는지 여부를 2개의 온도(T)에서 실시하는 단계(S330); 및
    하기 수학식들의 오프셋 전압과 상기 초기 출력전압(Vr,o)을 보정하여 경년변화에 대한 보상을 수행하는 단계9S340);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 경년변화 보상방법.
    Figure 112016098598763-pat00049
    ,
    Figure 112016098598763-pat00050

    (여기서, x는 가스의 농도, Vo1, Vo2 는 제 1, 2 적외선 센서(130, 140)의 초기전압, k는 가스흡수계수, Vb1, Vb2는 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 Vband 출력전압, Vg1, Vg2는 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 Vgas 출력전압임)
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 S310단계에서 주입되는 가스는 고순도 질소가스인 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 경년변화 보상방법.
  7. 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 있어서,
    0 ppm일 때 제 1 적외선센서(130)의 기저장된 출력전압값과 측정된 전압을 비교하여 제 1 적외선센서(130)의 정상동작 여부를 판단하는 단계(S400);
    상기 제 1 적외선센서(130)와 제 2 적외선센서(140)의 출력전압 비를 기저장된 값과 비교하여 정상동작 여부 및 경년변화중 적어도 하나를 판단하는 단계(S410);
    상기 제 1 적외선센서(130)는 일정 전압을 출력하고, 상기 제 2 적외선센서(140)는 주입된 가스의 농도(x)에 따라 지수함수적으로 감소하는 전압을 출력하는 단계(S420);
    상기 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 출력전압의 비(R) 및 농도와 전압비의 3차방정식에 기초하여 상기 주입된 가스의 농도(x5)를 산출하는 단계(S430);
    상기 제 2 적외선센서(140)의 출력전압의 농도 곡선에서 상기 주입된 가스의 농도에 따른 출력 전압과 관련된 하기의 수학식에 기초하여 상기 주입된 가스의 농도(x6)를 역산하여 산출하는 단계(S440); 및
    Figure 112016098598763-pat00051

    (여기서, V04는 적외선센서의 초기전압, VB4는 적외선센서의 VBand 전압, Vg4는 적외선센서의 Vgas 전압, ℓ은 광경로임)
    상기 가스 농도(x5, x6)의 중간값을 상기 가스의 농도로 산출하는 단계(S450);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법.
  8. 복수의 타원구조부를 갖는 비분산형 적외선 가스센서(600)를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법에 있어서,
    이종가스에 대한 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 각 출력전압을 측정하는 단계(S500);
    상기 제 1 적외선센서(130)의 출력전압이 가스가 존재하지 않는 상태에서의 전압과 동일한지 여부 판단하는 단계(S510);
    만약 동일하지 않은 경우, 상기 이종가스의 공존으로 판단하여 2개의 상기 제 1 적외선센서(130)의 출력으로부터 제 1 측정가스의 농도(xav.1)를 산출하는 단계(S520);
    상기 제 2 적외선센서(140)의 출력전압과 농도에 관한 하기의 수학식에서 제 2 측정가스의 농도(x6)를 산출하는 단계(S530);
    Figure 112016098598763-pat00052

    (여기서, V04는 적외선센서의 초기전압, VB4는 적외선센서의 VBand 전압, Vg4는 적외선센서의 Vgas 전압, ℓ은 광경로임)
    상기 제 1 적외선센서(130)의 출력전압에 기초하여 산출된 가스농도와 3차방정식에서 제시하고 있는 농도의 전압비로부터 제 2 측정가스의 농도(x7)를 산출하는 단계(S540);
    상기 가스 농도(x6, x7)의 중간값을 상기 제 2 측정가스의 농도(xav . 2)로 산출하는 단계(S550);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 측정가스는 이산화탄소 가스이고,
    상기 제 2 측정가스는 알콜가스인 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력전압의 측정단계(S500)를 수행하기 앞서서,
    상기 제 1, 2 적외선센서(130, 140)의 초기 출력전압(V01, V02, V03, V04) 및 기준 적외선센서의 출력전압(Vref)에 기초하여
    Figure 112016098598763-pat00053
    ,
    Figure 112016098598763-pat00054
    ,
    Figure 112016098598763-pat00055
    ,
    Figure 112016098598763-pat00056
    중 적어도 하나를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된
    Figure 112016098598763-pat00057
    ,
    Figure 112016098598763-pat00058
    ,
    Figure 112016098598763-pat00059
    ,
    Figure 112016098598763-pat00060
    중 적어도 하나를 기준으로 가스 농도영역을 구분하고, 상기 구분된 가스 농도영역을 상이한 샘플링으로 연산을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서를 이용한 이종가스의 가스농도 측정방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 타원구조부는 2개 또는 3개인 것을 특징으로 하는 비분산형 가스센서의 가스농도 측정방법.
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