KR101835556B1 - 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치 - Google Patents

단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치 Download PDF

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이상신
임철순
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 측정될 가스가 수용되며, 내측에서 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버; 상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에 장착된 적외선 광원 및 다중채널 광 검출기; 상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에서 일측 벽면에 형성된 제1 포물경; 상기 제1 포물경과 수평으로 마주보는 상기 다종가스 측정 챔버의 타측 벽면에 형성된 제2 포물경; 상기 다종가스 측정 챔버에서 상기 제1 포물경의 상부측으로 이어서 세로로 형성된 제3 포물경; 및 상기 다종가스 측정 챔버에서 제 3포물경과 수평으로 마주보는 위치에 세로로 형성된 제4 포물경; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치가 제공된다.

Description

단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치{Non-dispersive infrared Multi gas detector having one light path}
본 발명은 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치에 관한 것이다.
가스의 성분을 검출하는 방법으로는 적외선 방식, 전기화학식, 반도체 방식, 이온화 방식 등이 알려져 있다.
다종 가스 측정 감지기의 경우, 적외선 방식, 전기화학식, 반도체 방식, 이온화 방식 등 여러 센서모듈이 하나의 기기로 구현된 형태로, 가스종류에 따라 다른 방식으로 측정하여 검출하는 장치기 개발되고 있다.
위 복합방식에 포함된 접촉방식의 모듈의 경우, 사용기간에 따라 감도가 저하되어 지속적인 유지보수비용이 요구되며 이종 가스에 의한 영향으로 신뢰성에 문제가 발생될 수 있다.
또한, 이와 같은 복합방식의 다종가스센서는 센서모듈을 모두 장착하게 되므로 소형화 및 저가격화에 한계가 있다.
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.
비분산 적외선 방식의 가스 센서 기술은, 2 이상의 서로 다른 원자로 구성된 가스(예: CO, CO2, CH4 등)가 각 분자에 고유한 특정 파장대의 적외선을 흡수하는 특성을 가지는 것을 이용한 것으로서, 가스의 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.
이 기술 분야의 종래 기술에는 광 흡수율이 낮은 가스를 측정하기 위한 광경로와 광 흡수율이 높은 가스를 측정하기 위한 단 광경로를 함께 구비하여 광 흡수율이 낮은 가스와 광 흡수율이 높은 가스를 동시에 측정할 수 있도록 멀티 가스 센서 기술이 대한민국 등록특허공보 10-0979991호에 게시된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0979991호(멀티 가스 센서용 광공동)
본 발명의 목적은 작은 사이즈의 챔버 내에서 단일 광 경로로 측정가스를 확산된 광폭으로 효율적으로 접촉하면서 낮은 가스 종을 포함하여 다종가스를 동시에 측정이 가능한 광 경로 길이를 구현할 수 있는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 측정될 가스가 수용되며, 내측에서 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버; 상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에 장착된 적외선 광원 및 다중채널 광 검출기; 상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에서 일측 벽면에 형성된 제1 포물경; 상기 제1 포물경과 수평으로 마주보는 상기 다종가스 측정 챔버의 타측 벽면에 형성된 제2 포물경; 상기 다종가스 측정 챔버에서 상기 제1 포물경의 상부측으로 이어서 세로로 형성된 제3 포물경; 및 상기 다종가스 측정 챔버에서 제 3포물경과 수평으로 마주보는 위치에 세로로 형성된 제4 포물경; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 포물경과 상기 제2 포물경 사이의 수평 거리는 상기 제3 포물경과 상기 제4 포물경 사이의 수평 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적외선 광원으로부터 방사되면서 점차 확산된 제1 광빔은 상기 제1 포물경으로 상향으로 경사지게 도파되며, 상기 제1 포물경에서 반사된 제2 광빔은 상기 확산된 광폭을 유지하면서 상기 제2 포물경으로 평행하게 도파되고, 상기 제2 포물경에서 반사된 제3 광빔은 상하 반전되어 상기 제3 포물경으로 상향으로 경사지게 도파되며, 상기 제3 포물경에서는 반사된 제4 광빔은 상기 확산된 광폭을 유지하면서 제4 포물경으로 평행으로 도파되고, 상기 제4 포물경에서 하향 경사지게 반사되는 제5 광빔은 점차 집광이 되어서 상기 다중 채널 광검출기로 도파되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중 채널 광검출기는 각각 4개의 특정 대역의 주파수 대역을 선택적으로 통과시키는 4 채널 필터를 포함하며, 상기 특정 대역은 메탄가스를 검출하는 3.33±0.1㎛ 대역, 이산화탄소를 검출하는 4.23±0.1㎛ 대역, 일산화 탄소를 검출하는 4.66±0.1㎛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적외선 광원은 직경이 3.7(±5%)mm 크기와 발산각이 25(±5%)° 각도를 가지며, 상기 적외선 광원은 상기 하부면에 수직인 y축과 63(±5%)° 각도로 기울여지게 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 광빔의 도파 길이는 33(±5%)mm 이며, 상기 제2 광빔의 도파 길이는 71.7(±5%)mm 이고, 기 제3 광빔의 도파 길이는 96.6(±5%)mm 이며, 상기 제4 광빔의 도파 길이는 47.2(±5%)mm 이고, 상기 제5 광빔의 도파 길이는 52.3(±5%)mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포물경, 제2 포물경, 제3 포물경 및 제4 포물경의 곡면은 각각 다음 식 1의
Figure 112016129278998-pat00001
포물선 방정식을 만족하는 원호면을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다.
(식1)
Figure 112016129278998-pat00002
여기서 상기 다종가스 측정챔버에서 적외선 광원을 중심좌표(0, 0)로하고 가로를 x축, 세로를 y축이라 할 때, p1, q1, p2, q2는 는 각각
Figure 112016129278998-pat00003
포물선 방정식에서 제1 초점의 x축 거리(mm)를 의미하며, (l1, h)는 상기 제3 빔이 상기 제3, 4 포물경의 하단부를 잇는 수평면과 교차하는 좌표를 의미하며, l2는 상기 적외선 광원과 상기 다중 채널 광검출기의 수평 이격거리를 의미한다.
또한, 상기 제1 포물경은, 상기
Figure 112016129278998-pat00004
함수에서,
Figure 112016129278998-pat00005
,
Figure 112016129278998-pat00006
의 크기로 형성되며, 상기 p 1 은 30(±5%)mm를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 포물경은 상기
Figure 112016129278998-pat00007
함수에서,
Figure 112016129278998-pat00008
,
Figure 112016129278998-pat00009
의 크기로 형성되며 상기 q1은 40(±5%)mm, 상기 l1은 17.5(±5%)mm 를 갖도록 설정되며 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 포물경은 상기
Figure 112016129278998-pat00010
함수에서,
Figure 112016129278998-pat00011
,
Figure 112016129278998-pat00012
의 크기로 형성되며, 상기 p2가 40(±5%)mm를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4 포물경은 상기
Figure 112016129278998-pat00013
함수에서,
Figure 112016129278998-pat00014
,
Figure 112016129278998-pat00015
의 크기로 형성되며, 상기 l2 가 20(±5%)mm를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다종가스 측정 챔버는 가로(x축) 93.5(±5%) x 세로(y축) 70.3(±5%) x 두께(z축) 5.5(±5%) mm의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장분할 필터를 이용한 멀티가스 검출장치의 본 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광원으로부터 방사되어 확산된 광폭을 가진 빔을 기하학적으로 구조를 가진 다중 포물경을 통해 다종가스 측정 챔버 내부를 교차하도록 되돌아서 다중 채널 광검출기로 집광되는 단일 광 경로를 형성함으로써, 낮은 가스 종을 포함하여 다종가스를 동시 측정이 가능하도록 하는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 작은 사이즈의 챔버 내에서 단일 광 경로로 측정가스를 확산된 광폭으로 효율적으로 접촉하면서 낮은 가스 종을 포함하여 다종가스를 동시 측정이 가능하도록 하는 광 경로 길이 구현할 수 있는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스 검출센서 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출센서 장치의 예를 도시한 것이다.
도 2는 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 다종 가스 검출센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버의 구조 및 광 도파 경로를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버의 광 도파빔의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
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 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 광흡수율이 낮은 가스를 검출할 수 있는 일정 길이의 단일 광 경로를 형성하면서, 최소 부피를 구현하기 위한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 내부에 측정될 가스가 수용되며, 상기 적외선 광원에서 발생된 적외선이 내측에서 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버(10)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)는, 하부면에 장착된 적외선 광원(11) 및 다중 채널 광검출기(12), 상기 하부면에서 일측 벽면에 형성된 제1 포물경(21), 상기 제1 포물경(22)과 수평으로 마주보는 타측 벽면에 형성된 제2 포물경(22), 상기 제1 포물경(21)의 상부 측으로 이어서 세로로 형성된 제3 포물경(23), 상기 제3 포물경(23)과 수평으로 마주보는 위치에 세로로 형성된 제4 포물경(24)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 전면에 검출가스에 대한 가스 종별을 표시하는 디스플레이부(미 도시됨) 및 전원을 제어하고 측정된 가스를 입력신호에 따라 선택적으로 디스플레이 신호를 제공하는 제어부(미 도시됨)를 더 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 다종가스 측정 챔버(10)는 상기 제1 포물경(21)과 상기 제2 포물경(22) 사이의 수평 거리는 상기 제3 포물경(23)과 상기 제4 포물경(24) 사이의 수평길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 포물경(23) 및 제4 포물경(24)의 상부 측을 덮는 상부면(33)이 형성된다.
상기 제4 포물경(24)은 상기 제2 포물경(22)의 상부 측을 일정 간격의 수평으로 연장된 제1 수평면(32)으로부터 세로로 연장되어 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광원(11)으로부터 방사되어 확산된 광폭을 가진 빔은 제1 포물경(21)에서 수평 빔으로 제2 포물경(22)으로 평행하게 도파되고, 제2 포물경(2)에서 반사된 빔은 상하 반전되어 제3 포물경(3)으로 상향으로 경사지게 도파되며, 상기 제3 포물경(3)에서는 확신된 빔 두께를 유지하면서 제4 포물경(24)으로 평행으로 도파되고, 제4 포물경(24)에서 하향 경사지게 반사되면서 점차 집광 되어서 다중 채널 광검출기(12)로 도파되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 적외선 가스센서용도로 최적화된 광대역 스펙트럼(Broadband spectrum) 적외선(IR) 광원의 조건으로 설계된 광원과, 이로부터 방사된 빛을 기하학적으로 설계된 다중 포물경을 통해 단일 평행 빔을 구현함으로써, 흡수 도파 경로를 최대한 확보하고 및 감도를 향상시킴으로써 광 흡수율이 낮은 가스 종에 대해서도 동시 측정이 가능토록 하는 것을 특징으로 하는 다종가스 측정 챔버(10) 구조를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)에서 적외선 가스센서용도로 최적화된 Broadband spectrum IR 광원은 직경 = 3.7(±5%) mm, 발산각 = 25(±5%)° 의 조건을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 채널 광검출기(12)는 각각 n 개의 특정 대역의 주파수 대역만을 선택적으로 통과시키는 n 채널 필터를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 채널 광검출기(12)는 각각 4개의 특정 대역의 주파수 대역을 선택적으로 통과시키는 4채널 필터를 포함하며, 상기 특정 대역은 메탄가스를 검출하는 3.33±0.1㎛ 대역, 이산화탄소를 검출하는 4.23±0.1㎛ 대역, 일산화 탄소를 검출하는 4.66±0.1㎛을 포함한다.
도 2는 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 가스 분자들은 적외선 대역 내에서 서로 다른 흡수스펙트럼을 가진다.
예를 들면, methane 가스는 3.33±0.1㎛ 대역에서 흡수 스펙트럼을 가지며, 이산화탄소(CO2) 가스는 4.23±0.1㎛ 대역에서, 일산화탄소(CO) 가스의 경우는 4.66±0.1㎛ 대역에서, 각각 흡수 스펙트럼의 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 서는 Beer-Lambert law 기반의 광학식 비분산 적외선 가스센서는 이러한 가스 분자들의 상이한 흡수스펙트럼을 이용하여, 대기 중의 여러 가스 동시 측정이 가능하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 채널 광검출기(12)는 3 ~4개의 가스를 동시에 측정하기 위해서 각 가스 분자들의 흡수 스펙트럼만을 통과하는 3 ~ 4채널의 적외선 필터가 포함된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 채널 광검출기(12)는 각각 4개의 특정 대역의 주파수 대역을 선택적으로 통과시키는 4채널 필터를 포함하며, 상기 특정 대역은 메탄가스를 검출하는 3.33±0.1㎛ 대역, 이산화탄소를 검출하는 4.23±0.1㎛ 대역, 일산화 탄소를 검출하는 4.66±0.1㎛을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 채널 광검출기(12)는 온도 습도 등 주변 환경에 의한 광량의 변화로 인해 생길 수 있는 초기 광량 오류값을 보정하기 위해 Reference (3.9± 0.1 um) 파장필터가 더 포함된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 다종가스 측정 챔버(10) 내 단일 광경로 구현은 4개 채널에 입사하는 빛이 모두 같은 광경로를 지나기 때문에 광경로에 의한 오차없이 보다 정확한 값을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 다종 가스 검출센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 다종 가스 검출센서 장치의 가스 측정 챔버(110), 적외선 광원(111), 4ch-적외선 필터(113) 및 적외선 센서(114)로 구성된다.
적외선 광원(112)에 의해 적외선이 방출되고 적외선 센서(114)에서는 상기 적외선의 세기를 측정한다. 이때, 다중가스 측정 챔버(110)로 유입된 가스는 도 3에 도시된 바와 같이 가스마다 특정 파장에서 적외선을 흡수하게 되며, 이로 인해 가스 별로 특정 파장 대역에서 적외선의 세기가 감소한다.
적외선 센서(114)의 전단에는 검지하고자 하는 해당 가스 별로 흡수 스펙트럼 대역의 파장만이 투과할 수 있는 4channel 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(α)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.
Figure 112016129278998-pat00016
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(α)와 광 경로 길이(L)의 함수로 표현될 수 있다. 수학식 1에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않은 경우, 즉 α = 0인 경우, 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 된다.
또한, 같은 농도, 도파 길이에 대해 초기 광 강도(I0)가 높을수록 그에 상응하는 출력광(I)도 증가된다. 즉, 같은 농도일 경우에 광량 변화(△I=I0-I)가 증가하면 보다 높은 감도가 형성될 수 있다.
비 분산 적외선(Non-Dispersive Infrared)에 의한 가스 검출장치(10)는 가스 분자들의 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 다중가스 검출센서 장치에서 다중가스 측정 챔버(110)의 광 경로 길이에 해당하는 도파 거리(L)를 늘리거나 적외선 광원(112)의 광량의 크기를 크게 하는 방법이 채택될 수 있다.
또한, 일산화탄소와 같은 흡수율(α)이 낮은 가스 종을 검출하기 위해서는 도파 길이를 증대시킴으로써 그에 상응하는 광량 변화(△I = I 0 - I) 증가 및 민감도가 향상될 수 있다.
광 경로를 증가시킬 목적으로 광 도파관의 크기를 크게 하면, 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 크기가 커질 수밖에 없다. 크기를 작게 하기 위해서는 여러 번의 반사를 이용한 광경로를 연장할 수 있으나, 반사에 의한 광 손실이 발생될 수 있다.
광 도파부의 광빔 두께가 얇을수록 상하 반사판에서의 반사가 보다 더 빈번하므로 두꺼운 광 도파부에 비해 광 손실이 크다.
본 발명의 일 실시 예에서는 최소한의 반사구조를 가지면서 요구되는 복합 가스를 측정할 수 있는 광 도파부의 두께로 광 도파 경로를 형성할 수 있는 다종 가스 검출 센서 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 광원(11)으로부터 제1 포물경(21) 내지 제4 포물경(24)을 거치는 동안 충분한 두께의 광빔을 형성하면서 다중 채널 광검출기(12)에는 확장된 광빔이 다시 모아지는 집광이 형성되도록 광빔을 형성시켜서, 반사에 의한 광손실을 최소화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)의 구조 및 광 도파 경로를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)는, 가로(x축) 93.5(±5%) x 세로(y축) 70.3(±5%) x 두께(z축) 5.5(±5%) mm의 크기를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에서는 가로를 x축, 세로를 y축, 두께를 z축으로 정의된다.
도 4를 참조하면, 직경 = 3.7(±5%)mm 크기와 발산각 = 25(±5%)° 특징을 가지는 Broadband spectrum IR 광원(11)은 (0,0,2.5) 좌표에 위치하게 되는데, 발산각 25(±5%)°에 의한 모든 광량이 전체적으로 예상 경로를 따라 제1 포물경(21)으로 도달하기 위해 광원을 y축으로부터 63도(β) 기울어지도록 장착시키는 것을 특징으로 한다.
도 4에서 P1(a, b), P2(c, b), P3(d, e), P4(f, e)는 각각 도파되는 광빔의 중심 빔이 제1 포물경(21), 제1 포물경(22), 제3포물경(23), 제4 포물경(24)에 접촉되는 점 위치를 나타낸 것이다.
또한, 직경 3.7(±5%)mm의 최적화된 광원을 주위의 간섭없이 안정적으로 장착하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 z축 두께는 5.5(±5%)mm로 설정된다.
도 4를 참조하면, 광원(12)으로부터 방출된 광빔은 제1 포물경(21)에 도달하게 되며, 제1 포물경(22)에서 반사되어 평행빔으로 수평으로 이동하여 제2 포물경(23)으로 도달된다.
제2 포물경(23)에서는 상향으로 경사된 빔으로 반사되어 제1 포물경의 상부에 위치한 제3 포물경(23)으로 도파된다.
제3 포물경(23)에서 다시 반사되어 평행빔으로 수평으로 이동하여 제4 포물경(24)으로 도달된 후에는 제4 포물경(24)에서 하향 경사지게 반사되며, 점차 집광 되어서 다중 채널 광검출기(12)에 도파된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 다종가스 측정 챔버(10)는 광원으로부터 출광된 빔은 다중 채널 광검출기(12)에 이르기까지 공간적으로 분할되지 않고 진행하여 단일 광 경로를 형성하고, 최종 다중 채널 광검출기(12)에서 집속되어 반사에 따른 손실을 최소화하여 유사하게 초기광량을 유지한 상태로 다중 채널 광검출기(12)에 도달할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 손실을 최소화하도록 기하학적 설계로 구현된 다중 포물경을 통해 최소의 크기를 가지면서 흡수율이 낮은 가스에 대해서도 비분산 적외선 방식으로 높은 신뢰성으로 가스를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 흡수율이 낮은 일산화탄소로부터 메탄, 이산화탄소를 포함하여 검출할 수 있도록 다중가스 측정챔버(10) 내에서 300±5%mm의 광경로를 가지도록 설계된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)의 손실을 최소화하도록 하는 기하학적 구조는 다음과 같은 파라미터에 의해 형성된다.
다음 수학식 2의
Figure 112016129278998-pat00017
포물선 방정식을 만족하는 원호면을 가지도록 설계된다.
Figure 112016129278998-pat00018
Figure 112016129278998-pat00019
: 제2 포물경
Figure 112016129278998-pat00020
: 제3 포물경
Figure 112016129278998-pat00021
:제4 포물경:
여기서 상기 다종가스 측정챔버에서 적외선 광원을 중심좌표(0, 0)로 하고 가로를 x축, 세로를 y축이라 할 때, p1, q1, p2, q2는 는 각각
Figure 112016129278998-pat00022
포물선 방정식에서 제1 초점의 x축 거리(mm)를 의미하며, (l1, h)는 상기 제3 빔이 상기 제3, 4 포물경의 하단부를 잇는 수평면과 교차하는 좌표를 의미하며, l2는 상기 적외선 광원과 상기 다중 채널 광검출기의 수평 이격거리를 의미한다.
도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)의 광 경로를 산출하면 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016129278998-pat00023
수학식 3으로부터 총 광 경로(L)는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016129278998-pat00024
본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4와 같은 확산 도파 빔 두께를 가지는 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 구조에서 흡수율이 작은 일산화탄소로부터 이산화탄소 및 메탄가스까지 측정하기 위해서는 다양한 실험 결과 300±5%mm의 광경로가 최적의 길이로 분석되었다.
총 광경로가 300±5% mm보다 적으면 흡수율이 작은 일산화탄소의 측정 시 에러가 발생되는 경향이 발생된다.
또한, 총 광경로가 300±5% mm보다 크게 되면, 전체 다종가스 측정 챔버(10)의 부피가 커지게 되어 전체적으로 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 크기가 커지게 되어 비 효과적이 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광원(11)과 다중 채널 광검출기(12) 사이의 거리는 두 소자가 간섭 없이 작동을 하고, 간섭 없이 용이하게 설치할 수 있는 최소거리로 2 = 20mm로 설정된다.
도 4를 참조하면, 광원은 (0,0,2.5: F1)에 위치되며, 다중 채널 광검출기(12)는 (20,0,2.5: F2)에 설치된다.
또한, 광원(11)은 하부면으로부터 발산각 25° 영역을 간섭 없이 커버할 수 있도록 수직(Y축)으로부터 63°±5%의 기울임 각도로 장착된다.
이때 조립 및 설치 오차 범위는 ±5% 범위이다.
설치각이 수직(Y축)으로부터 63°±5%를 초과하면 발산각 25° 영역 중 일부가 배제될 수 있어서 신뢰성이 덜어지게 되며, 설치각이 수직(Y축)으로부터 63°±5% 미만으로 되면, 전체 세로 길이가 커져서 결과적으로 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 크기가 커지게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 위 조건하에서 총 광 경로 길이를 300±5% mm를 만족할 수 있는 p1, q1, p2, q2 값을 설정하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 서로 마주보는 제1 포물경(21)과 제4 포물경(24), 그리고 제2 포물경(22)과 제3 포물경(23)의 곡률을 결정짓는 p 1 와 q 2, 그리고 p 2 와 q 1 의 값은 서로 동일하게 설정된다.
Figure 112016129278998-pat00025
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 수학식 5로부터 l2 = 20(±5%)mm 이며, p 1 + p 2 = 70을 만족하는 관계식에서, 크기를 최소화하면서, 수학식 5 조건을 만족시킬 수 있는 다양한 모델로부터 최적의 바람직한 모델은, p 1 이 30(±5%)mm를 갖도록 설정되며, F3 의 h는 30(±5%)mm를 갖도록 설정된다.
이에 따라 p 1 와 q 2는 각각 30(±5%)mm를 갖도록 설정되며, p 2 와 q 1 의 값은 수학식 5로부터 40(±5%)mm를 갖도록 설정된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 다중 포물경 반사를 통해 최대한의 경로를 형성함과 동시에 최소의 부피를 구현하기 위해, 4개의 포물경의 파라미터가 설정된ㄷk.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에서 y축에서 63도(β) 기울어진 적외선 광원(0, 0: F1)으로부터 제1 포물경(21)에 이르는 제1 광빔의 도파 길이는 33±5%mm 이며, 이때 p 1 은 30(±5%)mm를 갖도록 설정된다.
또한, 적외선 광원(11)으로부터 도파 진행된 출광빔을 모두 수용하기 위해 제1 포물경(21)은
Figure 112016129278998-pat00026
함수에서
Figure 112016129278998-pat00027
및
Figure 112016129278998-pat00028
의 크기로 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제1 포물경(21)으로부터 제2 포물경(21)에 이르는 제2 광빔의 도파 길이는 71.7(±5)% mm이며, h=30(±5%)mm, q1 은 40(±5%)mm, l1은 17.5(±5%)mm로 설정된다(F3: -17.5, 30).
제2 포물경(22)은 제1 포물경(21)으로부터 반사된 평행 빔을 그대로 수용하기 위해 제1 포물경(21)과 동일한 y 범위를 가지며,
Figure 112016129278998-pat00029
함수에서
Figure 112016129278998-pat00030
,
Figure 112016129278998-pat00031
의 크기로 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제2 포물경(22)으로부터 제3 포물경(21)에 이르는 제3 광빔의 도파 길이는 96.6(±5)% mm이며, p2는 40(±5%)mm를 갖도록 설정된다.
이때, 제3 포물경(23)은 제2 포물경(22)으로부터 반사된 빔을 다시 평행빔으로 구현하기 위해, 제2 포물경(22)과 동일한 곡률을 가지며,
Figure 112016129278998-pat00032
함수에서
Figure 112016129278998-pat00033
,
Figure 112016129278998-pat00034
의 크기로 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제3 포물경(23)으로부터 제4 포물경(24)에 이르는 제4 광빔의 도파 길이는 47.2(±5)% mm이며, l2는 20(±5%)mm를 갖도록 설정된다.
제4 포물경(24)은 제3 포물경(23)에 의해 구현된 평행 빔을 다중 채널 광검출기(12, F2,: 20, 0)에 집광되어 도파되도록 하기 위하여,
Figure 112016129278998-pat00035
함수에서 제 3포물경(23)과 동일한 세로위치인
Figure 112016129278998-pat00036
및
Figure 112016129278998-pat00037
의 크기로 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제4 포물경(24)으로부터 다중 채널 광검출기(12, F2,: 20, 0)에 이르는 제5 광빔의 도파 길이는 52.3(±5%)mm 이다.
도 4를 참조하면, 위와 같은 조건으로 설정된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)의 총 광 경로는, 33.0+71.7+96.6+47.2+52.3=300.8(±5%)mm로 산출된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)의 위 포물경 파라미터의 모든 수치는 모두 ±5%의 제조상의 오차범위를 가진다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종가스 측정 챔버(10)의 광 도파빔의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원(F1)으로부터 출발된 빔은 발산각 = 25°로 확산되어 제1 포물경(21)에서는 P1-2에서 P1-3의 두께로 확산되어 확신된 두께를 유지하면서 제2 포물경(22)으로 평행으로 도파되어 제2 포물경(2)에서 P2-2에서 P2-3의 빔 두께로 반사된다.
제2 포물경(2)에서 반사된 빔은 상하 반전되어 제3 포물경(3)에서 P3-3에서 P3-2 빔 두께로 확신된 두께를 유지하면서 제4 포물경(24)으로 평행으로 도파된다.
제4 포물경(24)에 평행으로 도파된 빔은 제4 포물경(24)의 P4-3에서 P4-2 빔 두께로 하향 경사지게 반사되면서 확산되었던 빔은 다시 집광되어 다중 채널 광검출기(12, F2,: 20, 0)로 도파된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 광경로를 가지는 다종 가스 검출 센서 장치(1)는 다종가스 측정 챔버(10) 내에서 측정하고자 하는 가스와 최대한 많은 접촉을 가지도록 확산된 빔으로 광 경로를 형성하고 확산되었던 빔은 다시 집광되어 다중 채널 광검출기(12)에 도달하도록 광경로를 형성함으로써, 작은 다종가스 측정 챔버 내에서 단일 광 경로 최대 도파 거리와 접촉 효율을 높이도록 함으로써, 감도를 효율적으로 높일 수 있다.
즉, 적외선이 가능한 많은 수의 가스 분자와 반응할 수 있도록 함으로써 전체 적외선 흡수율을 높일 수 있다.
1: 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치
10: 다종 가스 측정챔버
11: 적외선 광원
12: 다중 채널 광검출기
21: 제1 포물경
22: 제2 포물경
23: 제3 포물경
24: 제4 포물경

Claims (12)

  1. 내부에 측정될 가스가 수용되며, 내측에서 일정 도파거리를 가지도록 단일 광경로를 형성시키며, 상기 단일 광경로를 통과하는 적외선에 대하여 수용된 다종가스에 의한 주파수 변이를 발생시키는 다종가스 측정 챔버;
    상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에 장착된 적외선 광원 및 다중채널 광 검출기;
    상기 다종가스 측정 챔버의 하부면에서 일측 벽면에 형성된 제1 포물경;
    상기 제1 포물경과 수평으로 마주보는 상기 다종가스 측정 챔버의 타측 벽면에 형성된 제2 포물경;
    상기 다종가스 측정 챔버에서 상기 제1 포물경의 상부측으로 이어서 세로로 형성된 제3 포물경; 및
    상기 다종가스 측정 챔버에서 제3 포물경과 수평으로 마주보는 위치에 세로로 형성된 제4 포물경; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치에 있어서,
    상기 다종가스센서장치는,
    상기 적외선 광원으로부터 방사되면서 점차 확산된 제1 광빔은 상기 제1 포물경으로 상향으로 경사지게 도파되며,
    상기 제1 포물경에서 반사된 제2 광빔은 상기 확산된 광폭을 유지하면서 상기 제2 포물경으로 평행하게 도파되고,
    상기 제2 포물경에서 반사된 제3 광빔은 상하 반전되어 상기 제3 포물경으로 상향으로 경사지게 도파되며,
    상기 제3 포물경에서는 반사된 제4 광빔은 상기 확산된 광폭을 유지하면서 제4 포물경으로 평행으로 도파되고,
    상기 제4 포물경에서 하향 경사지게 반사되는 제5 광빔은 점차 집광이 되어서 상기 다중 채널 광검출기로 도파되는 것을 특징으로 하되,
    상기 적외선 광원은 직경이 3.7(±5%)mm 크기와 발산각이 25(±5%)° 각도를 가지며, 상기 적외선 광원은 상기 하부면에 수직인 y축과 63(±5%)° 각도로 기울여지게 장착된 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 포물경, 제2 포물경, 제3 포물경 및 제4 포물경의 곡면은 각각 다음 식 1의
    Figure 112017095477082-pat00058
    포물선 방정식을 만족하는 원호면을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치.
    (식1)
    Figure 112017095477082-pat00059

    여기서 상기 다종가스 측정챔버에서 적외선 광원을 중심좌표(0, 0)로 하고 가로를 x축, 세로를 y축이라 할 때, p1, q1, p2, q2는 각각
    Figure 112017095477082-pat00060
    포물선 방정식에서 제1 초점의 x축 거리(mm)를 의미하며, (l1, h)는 상기 제3 광빔이 상기 제3, 4 포물경의 하단부를 잇는 수평면과 교차하는 좌표를 의미하며, l2는 상기 적외선 광원과 상기 다중 채널 광검출기의 수평 이격거리를 의미하는 것으로써,
    상기 제1 포물경은, 상기
    Figure 112017095477082-pat00061
    함수에서,
    Figure 112017095477082-pat00062
    및
    Figure 112017095477082-pat00063
    의 크기로 형성되고, 상기 p 1 은 30(±5%)mm를 갖도록 설정되며,
    상기 제2 포물경은 상기
    Figure 112017095477082-pat00064
    함수에서,
    Figure 112017095477082-pat00065
    ,
    Figure 112017095477082-pat00066
    의 크기로 형성되며, 상기 q1은 40(±5%)mm, 상기 l1은 17.5(±5%)mm를 갖도록 설정되고,
    상기 제3 포물경은 상기
    Figure 112017095477082-pat00067
    함수에서,
    Figure 112017095477082-pat00068
    ,
    Figure 112017095477082-pat00069
    의 크기로 형성되며, 상기 p2가 40(±5%)mm를 갖도록 설정되고,
    상기 제4 포물경은 상기
    Figure 112017095477082-pat00070
    함수에서,
    Figure 112017095477082-pat00071
    ,
    Figure 112017095477082-pat00072
    의 크기로 형성되고, 상기 l2 가 20(±5%)mm를 갖도록 설정되는 것임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포물경과 상기 제2 포물경 사이의 수평 거리는 상기 제3 포물경과 상기 제4 포물경 사이의 수평 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다중 채널 광검출기는 각각 4개의 특정 대역의 주파수 대역을 선택적으로 통과시키는 4채널 필터를 포함하며, 상기 특정 대역은 메탄가스를 검출하는 3.33±0.1㎛ 대역, 이산화탄소를 검출하는 4.23±0.1㎛ 대역, 일산화탄소를 검출하는 4.66±0.1㎛을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광빔의 도파 길이는 33(±5%)mm 이며,
    상기 제2 광빔의 도파 길이는 71.7(±5%)mm 이고,
    상기 제3 광빔의 도파 길이는 96.6(±5%)mm 이며,
    상기 제4 광빔의 도파 길이는 47.2(±5%)mm 이고,
    상기 제5 광빔의 도파 길이는 52.3(±5%)mm 인 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치.
  7. 삭제
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  12. 제1항에 있어서,
    상기 다종가스 측정 챔버는 가로(x축) 93.5(±5%) x 세로(y축) 70.3(±5%) x 두께(z축) 5.5(±5%) mm의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 단일 광경로를 가진 비분산 적외선 다종가스센서 장치.
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