KR101913216B1 - 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법에 대한 것으로, 기준 레이저 빔보다 출력은 낮지만 반복률은 더 높은 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부와, 상기 발진된 레이저 빔에 의해 탐지 대상 영역 내에 존재하는 특정 가스로부터 발생하는 라만(Raman) 신호를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 라만 신호를, 신호의 세기에 근거하여 유효 라만 신호와 잡음 신호로 판별하는 판별부와, 상기 유효 라만 신호로 판별된 라만 신호의 개수를 계수하는 계수부 및, 상기 레이저 발진부에서 레이저 빔이 발진되는 동안 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가스를 탐지하는 장치 및 가스 탐지 방법에 관한 것이다.
요즈음에는 석탄, 석유 등 화석 연료보다 환경 오염도가 훨씬 낮은 신 에너지가 각광을 받고 있다. 그리고 이러한 신 에너지의 하나로서 수소 가스가 대두되고 있다. 한편 수소 가스는 인화성이 높고, 폭발력이 대단히 강한 특성을 가진다. 따라서 수소 가스는 폭발시 대형 사고를 초래할 위험이 있으므로, 수소 가스의 누출 여부를 탐지하는 것은 대형 사고를 미연에 방지하기 위해 반드시 필요하다.
한편 수소 가스와 같이 인화성과 폭발성이 강한 가스의 경우, 폭발시 피해 면적이 광범위하므로 안전을 위해서는 반드시 원거리에서 누출 여부를 탐지할 수 있어야 한다. 예를 들어 수소 가스와 같이 인화성과 폭발성이 강한 메탄 가스와 프로판 가스의 경우 레이저를 이용하여 상기 가스들의 분포 상태를 탐지할 수 있는 원거리 탐지 방식(TDLAS(Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy) 방식)이 개발되어 있는 상태이다. 여기서 상기 TDLAS 방식은 상기 메탄 가스 또는 프로판 가스가, 강한 근적외선 흡수 대역을 가지는 특성을 이용하여 상기 가스들의 분포 여부 및 분포 농도 등을 검출하는 방식이다. 그런데 수소 가스의 경우 상기 가스들과 달리 흡수 대역이 거의 존재하지 않는다. 따라서 상기 TDLAS 방식으로는 수소 가스를 검출하기 어렵다는 문제가 있다.
한편 수소 가스는 비교적 큰 라만 산란(Raman Scattering) 효과를 가진다는 특징이 있다. 따라서 현재 수소 가스의 원격 측정은 상기 레이저 빔에 의해 반사된 광신호(라만 신호)로부터 라만 산란을 검출하는 라만 탐지기를 통해서만 가능한 실정이다.
그런데 상기 라만 신호는 그 세기가 아주 약하다는 문제가 있다. 따라서 상기 라만 탐지기는 출력이 강한(단위 펄스 출력 100μJ~100mJ 급) 초단 펄스 레이저를 사용하고, 상기 초단 펄스 레이저의 펄스폭에 따른 라만 신호를 획득할 수 있는 고속 신호 획득기(High Speed Data Acquisition)를 포함한다. ( Hideki Ninomiya의 논문 "Raman lidar system for hydrogen gas detection", Optical Engineering 46(9), 094301 에서는 60mJ 급의 레이저를 사용하였고, E. I. Voronina의 연구, "Probing Hydrogen Molecules with a Laboratory Raman Lidar", Technical Physics Letters, Vol. 30, No. 3, 2004, pp. 178-179 에서는 10mJ 급의 레이저를 사용)
한편 이러한 라만 탐지기의 경우, 고출력의 레이저를 발진시킬 수 있는 레이저 발진부 및 고속 신호 처리가 가능한 신호 획득기를 포함하므로, 매우 고가라는 문제가 있다. 또한 상기 고출력 레이저 발진부와 고속 신호 획득기는 고성능을 요구하므로, 장치 자체의 부피가 매우 크고 이에 따라 휴대가 불가능하다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 휴대가 가능한 정도로 가벼우며, 수소 가스의 분포 상태를 원거리에서 정확하게 탐지할 수 있는 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 수소 가스를 원거리에서 정확하게 검출할 수 있으면서도, 제작 가격이 저렴한 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는, 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부와, 상기 발진된 레이저 빔에 의해 탐지 대상 영역 내에 존재하는 특정 가스로부터 발생하는 라만(Raman) 신호를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 라만 신호의 신호 세기가 기 설정된 세기 이상인지 여부에 근거하여 상기 검출된 라만 신호가 유효 라만 신호인지 여부를 판별하는 판별부와, 상기 유효 라만 신호로 판별된 라만 신호의 개수를 계수하는 계수부 및, 상기 레이저 발진부에서 레이저 빔이 발진되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 검출부는, 상기 특정 가스로부터 발생하는 라만 신호의 라만 이동 파장을 가지는 광신호만을 통과시키는 광필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 특정 가스는 수소 가스이며, 상기 광필터는 상기 수소 가스의 라만 이동 파장을 갖는 광신호만을 통과시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 레이저 발진부에서 레이저가 발진되도록 상기 레이저 발진부를 제어하기 전에, 상기 레이저 발진부와, 상기 검출부, 상기 판별부 및 상기 계수부를 동기화하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 적어도 하나의 검출부와, 상기 적어도 하나의 검출부 각각에 연결되는 적어도 하나의 판별부를 더 구비하며, 상기 제어부는, 각 검출부와, 각 검출부에 연결된 판별부로부터 유효 라만 신호를 판별한 결과를 서로 비교하여 교정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 분포된 상기 특정 가스의 농도를 분석하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 레이저 발진부는, 10μj 미만의 펄스 출력을 가지며 10khz 이상 100khz 미만의 반복률을 가지는 레이저 빔을 발진시키며, 색에는 영향을 미치지 않으며 필터를 통과하는 빛의 광량만을 일정한 비율로 감쇄시키는 ND(Neutral Density) 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 방법은, 레이저 빔을 발진시키는 단계와, 상기 발진된 레이저 빔에 의해 탐지 대상 영역 내에 존재하는 특정 가스로부터 발생하는 라만(Raman) 신호를 검출하는 단계와, 상기 검출된 라만 신호의 신호 세기가 기 설정된 세기 이상인지 여부에 근거하여 상기 검출된 라만 신호가 유효 라만 신호인지 여부를 판별하는 단계와, 상기 유효 라만 신호로 판별된 라만 신호의 개수를 계수하는 단계 및, 상기 레이저 빔이 발진되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 레이저 빔은, 10μJ 미만의 펄스 출력을 가지며 10khz 이상 100khz 미만의 반복률을 가지는 레이저 빔이며, 상기 레이저 빔을 발진시키는 단계 이전에, 상기 레이저 빔의 발진 시작 및 종료에 따라, 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 유효한 라만 신호의 계수가 시작 및 종료될 수 있도록, 상기 레이저 빔의 발진과, 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 유효한 라만 신호의 계수를 동기화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 라만 신호를 검출하는 단계는, 상기 탐지 대상 영역으로부터 발생하는 광신호들 중, 상기 특정 가스로부터 발생하는 라만 신호의 라만 이동 파장을 가지지 않는 광신호들을 필터링하는 단계 및, 상기 필터링에 의해 여과되지 않은 광신호들을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 특정 가스는 수소 가스이며, 상기 라만 신호는 상기 수소 가스의 라만 이동 파장 특성을 가지는 광신호임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계는, 상기 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 분포된 상기 특정 가스의 농도를 분석하는 단계임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계는, 상기 레이저 빔이 발진된 이후 상기 유효한 라만 신호가 처음 수신될 때까지의 시간에 근거하여 상기 특정 가스와 이격된 거리를 분석하는 단계임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법에 따른 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 검출된 광신호에 라만 신호가 포함되어 있는지 여부 및, 라만 신호가 검출된 개수에 근거하여 수소 가스를 탐지함으로써, 소형 경량의 저출력의 레이저만으로도 수소 가스를 탐지 및 분포 상태를 정확하게 분석할 수 있도록 한다.
이에 따라 본 발명은 고출력의 레이저 발진부 및 고속 신호 처리를 필요로 하는 고속 신호 획득기 없이도 수소 가스의 탐지가 가능하므로, 장치의 부피 및 무게를 크게 줄일 수 있으며, 생산 단가를 크게 낮출 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치에서, 수소 가스를 탐지하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 통상적인 라만 탐지기를 통해 획득된 신호 및 그에 따른 라만 신호의 예를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치를 통해 획득된 신호 및 그에 따른 라만 신호의 예를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 다른 예를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치에서, 수소 가스를 탐지하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 통상적인 라만 탐지기를 통해 획득된 신호 및 그에 따른 라만 신호의 예를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치를 통해 획득된 신호 및 그에 따른 라만 신호의 예를 도시한 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)는 제어부(110)와, 상기 제어부(110)와 연결되며 상기 제어부(110)에 의해 제어되는 레이저 발진부(120) 및 수신부(130)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신부(130)는 검출부(132), 판별부(134) 및 계수부(136)를 포함할 수 있다. 한편 도 1에 도시된 구성요소들은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 가스 탐지 장치(100)는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 보다 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
먼저 레이저 발진부(120)는 상기 제어부(110)의 제어에 따라 저출력 및 고 반복률을 가지는 레이저 빔을 형성하고 형성된 레이저 빔을 탐지 대상 영역에 투사하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
또한 상기 레이저 발진부(120)는 색에는 영향을 미치지 않으며 필터를 통과하는 빛의 광량만을 일정한 비율로 감쇄시키는 ND(Neutral Desnity) 필터를 더 포함하여, 상기 레이저 발진부(120)에서 발진되는 레이저 빔의 광량을 조절할 수도 있다.
여기서 상기 저출력의 레이저 빔이라 함은, 통상적인 라만 탐지기에서 사용되는 레이저 발진부에서 생성되는 레이저의 출력보다 낮은 출력을 가지는 레이저 빔일 수 있다. 예를 들어 상기 라만 탐지기에서 사용되는 고출력의 레이저 빔이 sub(sub-decimal)-mJ 에서 수백 mJ 의 높은 펄스에너지를 가지며 수십~수백 Hz 의 반복률을 가지는 펄스 레이저일 수 있다.
이에 반해 상기 레이저 발진부(120)에서 형성되는 레이저 빔은 sub(sub-decimal)-μJ 에서 수 μJ 정도의 저출력을 가지며, 수십 kHz 이상의 고반복률을 가지는 펄스 레이저를 사용하는 것으로, 상기 라만 탐지기에서 사용되는 레이점 빔 보다 낮은 출력을 가지지만, 높은 반복률을 가지는 레이저 빔일 수 있다. 여기서 sub(sub-decimal)-μJ은 소수점 이하 μJ 출력을 의미한다.
이하 상기 라만 탐지기에서 사용되는 레이저 빔을 기준 레이저 빔으로 칭하기로 한다. 따라서 본 발명의 레이저 발진부(120)는 상기 기준 레이저 빔에 비하여 보다 낮은 출력을 가지며, 보다 높은 반복률을 가지는 레이저 빔을 발진 및 송출하는 장치일 수 있다.
한편 상기 레이저 발진부(120)에서 발진된 레이저 빔이 가스로 투사되면 가스는 레이저 빔을 일부 흡수한 다음, 라만 이동(Raman Shift)된 파장을 가지는 광신호, 즉 라만(Raman) 신호를 발생시킨다. 그러면 수신부(130)는 상기 탐지 대상 영역에 존재하는 가스에 의해 발생되는 광신호를 검출하고, 검출된 광신호로부터 라만 신호를 검출 및, 검출된 라만 신호를 계수(count)할 수 있다.
상기 수신부(130)의 검출부(132)는 상기 광신호를 검출할 수 있다. 여기서 상기 검출부(132)는 특정 라만 이동된 파장을 가지는 광신호만을 투과시킬 수 있는 광필터(131)를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 광필터(131)는 파장 대역 필터(Band Pass Filter)를 포함하여, 수소 가스가 레이저 빔을 흡수하여 발생시키는 수소 가스의 라만 이동 파장만을 통과시킬 수 있는 필터로 구성될 수 있다.
한편 상기 광필터(131)가 수소 가스의 라만 신호 필터일 때에 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 수소 가스를 탐지할 수 있는 탐지 장치로 이용될 수 있다. 반면 상기 광필터(131)가 수소 가스 외에 다른 가스에 대응하는 라만 신호만을 투과시킬 수 있는 광필터로 교체되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 상기 다른 가스의 분포 상태를 탐지할 수 있는 가스 탐지 장치로 사용될 수도 있음은 물론이다.
그러나 이하의 설명에서는, 설명의 편의상 상기 광필터(131)가 수소 가스의 라만 신호 필터이며, 이에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치가 수소 가스를 탐지하는 탐지 장치임을 예로 들어 설명하기로 한다.
한편 판별부(134)는 상기 검출부(132)에서 검출된 광신호가 상기 라만 신호인지 잡음인지 여부를 판별할 수 있다. 예를 들어 판별부(134)는 검출부(132)에서 검출된 광신호가 기 설정된 임계값 이상의 세기를 가지는 경우, 검출된 광신호를 유효한 신호, 즉 유효한 라만 신호로 판별할 수 있다. 반면 상기 검출된 광신호가 기 설정된 임계값 미만의 세기를 가지는 경우 검출된 광신호를 잡음으로 판별할 수 있다.
그리고 계수부(136)는 상기 판별부(134)가 판별한 유효한 라만 신호의 개수를 계수할 수 있다. 즉, 상기 판별부(134)가 현재 검출된 광신호를 유효한 라만 신호로 판별하는 경우, 계수부(136)는 라만 신호의 개수값을 1 증가시킬 수 있다. 그리고 계수부(136)는 상기 저출력 레이저 빔이 상기 탐지 대상 영역에 투사되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수값을 제어부(110)에 입력할 수 있다.
한편 제어부(110)는 레이저 빔이 송출될 때 상기 광신호의 검출이 수행될 수 있도록, 상기 레이저 발진부(120)와 상기 수신부(130)를 동기화할 수 있다. 그리고 상기 레이저 발진부(120)에서 상기 저출력 레이저가 발진되도록 상기 레이저 발진부(120)를 제어할 수 있다.
여기서 제어부(110)는 기 설정된 펄스 수만큼 상기 저출력 레이저 빔이 송출하거나 기 설정된 시간 동안 상기 저출력 레이저 빔을 송출하여, 상기 탐지 대상 영역에 저출력 레이저 빔이 투사되도록 할 수 있다. 그러면 상기 레이저 발진부(120)와 동기화된 검출부(132)를 통해, 상기 투사된 레이저 빔에 대한 광신호가 검출될 수 있으며, 검출된 광신호에 포함된 유효 라만 신호의 개수가 계수부(136)를 통해 계수(count)될 수 있다.
한편 제어부(110)는 계수된 라만 신호의 개수값에 따라 상기 탐지 대상 영역의 수소 가스 분포 상태를 분석할 수 있다. 예를 들어 제어부(110)는 상기 저출력 레이저 빔이 투사될 동안 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 존재하는 수소 가스의 농도를 분석할 수 있다.
이는 탐지 대상 영역에 존재하는 수소 가스의 농도가 높을수록, 수소 가스의 라만 신호가 많이 검출될 수 있기 때문이다. 따라서 상기 저출력 레이저 빔이 투사될 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 존재하는 수소 가스의 농도를 측정할 수 있다. 또한 상기 레이저 빔이 투사된 이후에 유효한 라만 신호가 검출될 때까지 소요된 시간에 근거하여, 탐지 대상 영역에 존재하는 수소 가스와 탐지 장치 사이의 거리를 측정할 수 있다.
도 2는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치가 수소 가스의 분포 상태를 탐지하는 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치의 다른 예를 도시한 개념도이다.
먼저 도 2를 참조하여 살펴보면, 상술한 바와 같이 레이저 발진부(120)와 수신부(130)는 제어부(110)에 의해 동기화될 수 있다. 따라서 레이저 빔 발진의 시작과 종료에 따라 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 계수가 동기화되어 수행될 수 있다.
그리고 동기화가 완료된 상태에서 레이저 발진부(120)에서 발진된 레이저 빔은 탐지 영역에 투사될 수 있다. 그러면 탐지 영역에 분포된 수소 가스는 레이저 빔을 일부 흡수하여 라만 이동된 파장을 가지는 광신호를 발생시킬 수 있다.
한편 상기 수소 가스에 의해 발생하는 광신호는 광필터(131)를 투과할 수 있다. 그리고 투과된 광신호는 검출부(132)에 의해 검출될 수 있다. 그러면 판별부(134)는 검출된 광신호가 기 설정된 임계값 이상의 세기를 가지고 있는지 여부에 따라 유효한 라만 신호인지 여부를 판별할 수 있다.
그리고 유효한 라만 신호인 경우 계수부(136)는 라만 신호의 개수값을 1 증가시킴으로써 유효한 라만 신호의 개수를 측정할 수 있다. 그리고 제어부(110)는 측정된 유효한 라만 신호의 개수 및 유효 라만 신호가 검출될 때까지의 시간에 근거하여 상기 탐색 영역에 분포된 수소 가스의 농도 및, 상기 수소 가스까지의 거리를 측정할 수 있다.
한편 상술한 도 2의 구성에서는 하나의 검출부(132)가 라만 신호를 검출하고, 상기 검출부(132)에 연결된 판별부(134)가 유효한 라만 신호를 판별하도록 구성된 예를 들어 설명하였다. 그러나 도 2의 구성에서 보이고 있는 구성과 달리, 도 3에서 보이고 있는 바와 같이 상기 검출부(132)와 그 검출부(132)에 연결되는 판별부(134)를 복수개 구비할 수도 있음은 물론이다.
그리고 도 3에서 보이고 있는 바와 같이, 검출부를 복수개 구비하는 경우, 검출부들(132a, 132b)은 각각 광필터(131a 또는 131b)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 검출부들(132a, 132b)과 각 검출부들(132a, 132b)에 연결되는 판별부들(134a, 134b)을 구비하는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)의 제어부(110)는 제1 검출부(132a)와 제1 판별부(134a)로부터 검출된 유효 라만 신호와, 제2 검출부(132b)와 제2 판별부(134b)로부터 검출된 유효 라만 신호를 서로 비교할 수 있다. 그리고 비교 결과에 따라 교정 과정을 수행할 수 있다.
이러한 교정과정의 한 예를 들면, 공기중에 포함하고 있는 질소 가스와 비교하여 측정하고자 하는 가스의 농도를 교정하는 경우를 들 수 있다. 예를 들어, 제1 검출부(131a, 132a)는 수소 가스의 라만 신호를 검출하도록 구성하고, 제2 검출부(131b, 132b)는 질소 가스를 검출하도록 구성하면, 대기중의 질소의 농도를 알고 있으므로(일반적으로 78%) 제2 검출부(131a, 131b)에서 획득되는 신호의 크기와 제1 검출부(131a, 131b)에서 획득되는 신호를 비교함으로써, 제1 검출부(131a, 131b)에서 획득되는 수소 가스의 농도를 교정할 수 있다. 물론 질소와 수소 가스의 라만 효과(라만 산란 단면적의 차이)는 사전에 보정할 수 있다.
그리고 계수부(136)는 교정된 결과에 따라 판별된 유효 라만 신호의 개수를 계수(count)할 수 있다. 따라서 하나의 검출부(132) 및 판별부(134)를 구비하는 경우(도 2)에 비하여, 보다 정확하게 수소 가스로부터 발생되는 라만 신호를 검출할 수 있다.
한편 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)에서, 수소 가스를 탐지하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
먼저 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)의 제어부(110)는 레이저 발진부(120)와 수신부(130)를 의해 동기화할 수 있다(S400). 따라서 레이저 빔 발진의 시작과 종료에 따라 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 계수가 동기화되어 수행될 수 있다.
그리고 제어부(110)는 레이저 발진부(120)에서 레이저 빔을 발진시킬 수 있다(S402). 그러면 발진된 레이저 빔은 탐지 영역에 투사되고, 상기 탐지 영역에 존재하는 가스들은 투사된 레이저 빔을 일부 흡수하여 라만 이동된 파장을 가지는 광신호를 발생시킬 수 있다.
한편 상기 S402 단계에서 레이저 빔이 발진되면, 제어부(110)는 상기 탐지 영역에서 발생하는 광신호 중 수소 가스에 의해 발생하는 라만 이동 파장을 가지는 광신호를 검출할 수 있다(S404). 한편 상기 탐지 영역에서 발생하는 광신호들 중, 수소 가스에 의해 발생하는 광신호 만이 광필터(131)를 통과하여 검출될 수 있다.
그리고 제어부(110)는 검출된 광신호들을 유효한 라만 신호와 잡음 신호로 판별할 수 있다(S406). 예를 들어 제어부(110)는 검출된 광신호들 중 기 설정된 세기 이상의 광신호를 유효한 라만 신호로 판별하고, 그렇지 않은 신호들은 잡음 신호로 판별할 수 있다.
그리고 상기 S406 단계에서 유효한 라만 신호가 판별되면, 제어부(110)는 판별된 유효 라만 신호의 개수를 계수할 수 있다(S408). 그리고 제어부(110)는 측정된 유효한 라만 신호의 개수 및 유효 라만 신호가 검출될 때까지 소요된 시간에 근거하여 수소 가스의 분포 상태를 분석할 수 있다(S410).
예를 들어 제어부(110)는 레이저 빔이 상기 탐색 영역에 투사되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 수소 가스의 농도를 분석할 수 있다. 또한 레이저 빔이 투사된 후 상기 유효 라만 신호가 판별될 때까지 소요된 시간에 근거하여 가스 탐지 장치(100)와 수소 가스까지의 거리를 분석할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)의 구성과, 상기 가스 탐지 장치(100)가 저출력 고 반복률을 가지는 레이저 빔을 이용하여 수소 가스의 분포 상태를 탐지하는 방법에 대하여 자세히 설명하였다.
이하의 설명에서는 통상적인 라만 탐지기에서 수소 가스를 탐지한 결과와 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치(100)에서 수소 가스를 탐지한 결과를 서로 비교하여 살펴보기로 한다.
먼저 도 5는 통상적인 라만 탐지기를 통해 수소 가스를 탐지한 결과의 예를 도시한 예시도이다.
앞서 설명한 바와 같이 통상적인 라만 탐지기는, 보다 강한 세기의 라만 신호가 생성될 수 있도록 고출력의 레이저 빔을 사용한다. 이에 따라 레이저 빔의 펄스폭은 좁아지게 되고, 좁아진 펄스폭에 따라 신호를 획득하는 주기가 짧은 고속 신호 획득(DAQ) 장치를 사용하여야 한다. 한편 이처럼 고속 신호 획득(DAQ) 장치는 신호 획득 주기가 짧으므로, 획득되는 신호(DAQ 신호)는 도 5에서 보이고 있는 바와 같이 짧은 시간 간격을 가질 수 있다.
이처럼 라만 탐지기에서 획득되는 신호(DAQ 신호)는 짧은 시간 간격을 주기로 획득되므로, 획득된 신호에 따라 라만 이동 파장의 형상을 검출할 수 있다. 그리고 라만 이동 파장의 거리 특성으로부터 탐지된 가스의 종류를 식별할 수 있다. 또한 라만 신호의 세기로부터 탐지된 가스의 농도를 분석할 수 있다.
그러나 상기 통상적인 라만 탐지기는 상술한 바와 같이 좁은 펄스폭과 고출력을 가지는 레이저 빔을 필요로 한다. 따라서 고성능의 레이저 발진 장치가 요구되며, 상기 좁은 펄스폭에 의해 발생하는 광신호를 검출하여야 하므로, 고속의 신호 처리가 가능한 고성능의 신호 획득 장치를 필요로 한다. 따라서 상기 레이저 발진 장치와 신호 획득 장치는 가격이 비싸고, 또한 부피가 크고 무겁다는 문제가 있다.
이에 반해, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 상술한 바와 같이 저출력의 레이저 빔을 사용한다. 즉, 본 발명은 상기 라만 탐지기에서 사용되는 레이저 발진 장치보다 훨씬 저가의, 보다 낮은 사양의 레이저 발진 장치를 이용할 수 있다. 또한 고성능을 필요로 하지 않으므로 보다 가볍고 소형인 레이저 발진 장치를 이용할 수 있다.
한편 이처럼 저출력의 레이저 빔을 사용하는 경우, 도 6에서 보이고 있는 바와 같이 검출되는 광신호(광계수 신호)들은 상기 레이저 빔의 펄스 반복률에 따라 넓은 시간 간격을 가진다. 그리고 저출력의 레이저 빔을 사용함으로써, 라만 신호 역시 낮은 세기로 검출될 수 있다.
한편 본 발명은 광신호들이 넓은 시간 간격을 가짐에 따라 획득되는 광신호들이 적다는 문제를 해결하기 위하여, 높은 반복률을 가지는 레이저 빔을 투사한다. 즉, 통상적인 라만 탐지기에서 레이저 빔의 펄스폭 이내에서 많은 신호를 획득하는 것에 비해, 본 발명에서는 한 펄스에서 하나의 신호만을 획득하게 되므로, 고속의 신호 획득 장치가 필요 없으며, 그 대신 펄스 반복률을 높임으로써(여러 번 측정을 함으로써), 기존의 장치와 유사한 개수의 라만 신호를 검출할 수 있다.
또한 본 발명은 기 설정된 신호 세기를 유효한 라만 신호의 판별 기준으로 설정하고, 판별 기준 이상의 세기를 가지는 라만 신호의 개수에 따라 가스의 농도를 분석할 수 있다. 즉, 라만 신호의 세기에 따라 가스의 농도를 측정하지 않으므로, 강한 세기의 라만 신호가 발생되도록 할 필요가 없다. 따라서 낮은 출력의 레이저 빔으로부터 발생되는 라만 신호로도 가스의 농도를 분석할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 탐지하고자 하는 가스의 라만 이동 파장에 대응하는 광필터를 구비할 수 있다. 예를 들어 상기 광필터가 수소 가스에 의해 발생하는 라만 이동 파장을 가지는 광신호만 통과할 수 있도록 설계된 경우라면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 수소 가스에 의해 발생하는 라만 신호만을 검출할 수 있으며 검출된 라만 신호에 근거하여 수소 가스의 농도 및 거리 등 그 분포 상태를 측정할 수 있다. 이에 따라 라만 신호의 파장 이동 거리 없이도 특정 가스의 분포 상태를 분석할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 고속 신호 획득기 대신, 수신된 신호가 일정 세기 이상인지 여부를 판단하는 판별기와 판별부의 판별 결과에 따라 유효한 것으로 판별된 라만 신호를 계수하는 계수기만으로 특정 가스의 분포 상태를 분석할 수 있으므로, 제작 비용을 보다 낮출 수 있으며, 보다 작은 크기 및 보다 작은 무게를 가지는 특정 가스의 탐지 장치를 제작할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 광필터가 수소 가스에 의해 발생하는 라만 이동 파장을 가지는 광신호만 통과할 수 있도록 형성되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명이 이에 국한되는 것이 아님은 물론이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 검출 장치는, 얼마든지 특정 가스에 의해 발생하는 라만 이동 파장을 가지는 광신호만 통과할 수 있도록 형성된 광필터로 광필터를 교체할 수 있다. 따라서 필요에 따라 수소 가스 뿐만 아니라 다른 가스의 분포 상태를 탐지하기 위한 가스 탐지로 사용될 수 있음은 물론이다.
또한 상술한 설명에 따르면 본 발명의 레이저 발진부는 고성능을 필요로 하지 않으므로 가볍고 소형인 레이저 발진 장치를 이용할 수 있다. 보다 바람직하게 상기 레이저 발진부는 휴대가 가능한 정도의 크기 및 무게를 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 얼마든지 사용자가 휴대 가능한 정도의 크기 및 무게를 가질 수 있도록 제작될 수 있음은 물론이다. 이러한 경우 본 발명의 실시 예에 따른 가스 탐지 장치는 원거리에서도 특정 가스의 농도 및 상기 특정 가스와의 거리를 정확하게 판별할 수 있는 휴대용 가스 탐지 장치일 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 가스 탐지 장치 110 : 제어부
120 : 발진부 130 : 수신부
131 : 광필터 132 : 검출부
134 : 판별부 136 : 계수부
120 : 발진부 130 : 수신부
131 : 광필터 132 : 검출부
134 : 판별부 136 : 계수부
Claims (13)
- 레이저 빔을 발진시키는 레이저 발진부;
상기 발진된 레이저 빔에 의해 탐지 대상 영역 내에 존재하는 특정 가스로부터 발생하는 라만(Raman) 신호를 검출하는 검출부;
상기 검출부에서 검출된 라만 신호의 신호 세기가 기 설정된 세기 이상인지 여부에 근거하여 상기 검출된 라만 신호가 유효 라만 신호인지 여부를 판별하는 판별부;
상기 유효 라만 신호로 판별된 라만 신호의 개수를 계수하는 계수부; 및,
상기 레이저 발진부에서 레이저 빔이 발진되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 검출부는,
상기 특정 가스로부터 발생하는 라만 신호의 라만 이동 파장을 가지는 광신호만을 통과시키는 광필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제2항에 있어서,
상기 특정 가스는 수소 가스이며,
상기 광필터는 상기 수소 가스의 라만 이동 파장을 갖는 광신호만을 통과시키는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 레이저 발진부에서 레이저가 발진되도록 상기 레이저 발진부를 제어하기 전에, 상기 레이저 발진부와, 상기 검출부, 상기 판별부 및 상기 계수부를 동기화하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 검출부와, 상기 적어도 하나의 검출부 각각에 연결되는 적어도 하나의 판별부를 더 구비하며,
상기 더 구비되는 적어도 하나의 검출부는,
상기 특정 가스와 다르며, 각각 서로 다른 가스로부터 발생하는 라만 신호를 검출하며,
상기 제어부는,
각 검출부와, 상기 각 검출부에 연결된 판별부들로부터 판별된 서로 다른 가스들의 유효 라만 신호 개수에 근거하여, 상기 특정 가스의 농도를 교정하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 분포된 상기 특정 가스의 농도를 분석하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는,
10μJ 미만의 출력을 가지며 10khz 이상 100khz 미만의 반복률을 가지는 레이저 빔을 발진시키며,
색에는 영향을 미치지 않으며 필터를 통과하는 빛의 광량만을 일정한 비율로 감쇄시키는 ND(Neutral Density) 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 장치. - 레이저 빔을 발진시키는 단계;
상기 발진된 레이저 빔에 의해 탐지 대상 영역 내에 존재하는 특정 가스로부터 발생하는 라만(Raman) 신호를 검출하는 단계;
상기 검출된 라만 신호의 신호 세기가 기 설정된 세기 이상인지 여부에 근거하여 상기 검출된 라만 신호가 유효 라만 신호인지 여부를 판별하는 단계;
상기 유효 라만 신호로 판별된 라만 신호의 개수를 계수하는 단계; 및,
상기 레이저 빔이 발진되는 동안 계수된 유효 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 방법. - 제8항에 있어서,
상기 레이저 빔은,
10μJ 미만의 출력을 가지며 10khz 이상 100khz 미만의 반복률을 가지는 레이저 빔이며,
상기 레이저 빔을 발진시키는 단계 이전에,
상기 레이저 빔의 발진 시작 및 종료에 따라, 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 유효한 라만 신호의 계수가 시작 및 종료될 수 있도록, 상기 레이저 빔의 발진과, 상기 라만 신호의 검출과 판별, 그리고 유효한 라만 신호의 계수를 동기화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 방법. - 제8항에 있어서, 상기 라만 신호를 검출하는 단계는,
상기 탐지 대상 영역으로부터 발생하는 광신호들 중, 상기 특정 가스로부터 발생하는 라만 신호의 라만 이동 파장을 가지지 않는 광신호들을 필터링하는 단계; 및
상기 필터링에 의해 여과되지 않은 광신호들을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 탐지 방법. - 제10항에 있어서,
상기 특정 가스는 수소 가스이며,
상기 라만 신호는 상기 수소 가스의 라만 이동 파장 특성을 가지는 광신호임을 특징으로 하는 가스 탐지 방법. - 제8항에 있어서, 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계는,
상기 계수된 라만 신호의 개수에 따라 상기 탐지 대상 영역에 분포된 상기 특정 가스의 농도를 분석하는 단계임을 특징으로 하는 가스 탐지 방법. - 제8항에 있어서, 상기 특정 가스의 분포 상태를 분석하는 단계는,
상기 레이저 빔이 발진된 이후 상기 유효한 라만 신호가 처음 수신될 때까지의 시간에 근거하여 상기 특정 가스와 이격된 거리를 분석하는 단계임을 특징으로 하는 가스 탐지 방법.
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| KR1020170139490A KR101913216B1 (ko) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | 가스 탐지 장치 및 가스 탐지 방법 |
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| KR102252560B1 (ko) | 2020-02-25 | 2021-05-17 | 한국해양대학교 산학협력단 | 광학 측정 방식을 이용한 실시간 필터 성능 분석 방법 및 장치 |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |