KR101923003B1 - 가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법 및 이를 위한 분광계 - Google Patents

가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법 및 이를 위한 분광계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법과 관련이 있고, 상기 방법은:
― 파장 범위 내에서 가변적인 파장을 갖는 광선을 생성하는 단계,
― 그 내부에 결정될 가스 성분이 제공된 측정 용적을 통해 상기 광선을 통과시키는 단계(이때 상기 가스 성분은 파장 범위 내에 흡광도를 가짐),
― 상기 파장 범위를 조정하는 단계,
― 상기 측정 용적을 통과한 이후의 상기 광선의 강도를 검출하는 단계,
― 상기 조정 공정 동안에, 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 측정점들을 저장함으로써, 직접 흡수선을 얻는 단계,
― 상기 측정점들을 시간 축 상에 이동시킴으로써 상기 저장된 측정점들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하는 단계(이때 측정점들의 이동 이후에 파장-시간-파형 내에 인공적인 변조가 나타나도록 상기 측정점들의 이동이 이루어짐),
― 파장 변조 분광법의 방식에 따라 상기 인공적인 측정 곡선을 평가하고, 그로부터 제1 농도값을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법 및 이를 위한 분광계 {METHOD FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF A GAS COMPONENT AND SPECTROMETER THEREFOR}
본 발명은 가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 분광계와 관련이 있다.
측정 가스의 가스 성분의 농도를 결정하기 위해서는 다양한 방법들이 공지되어 있다. 상기 방법들에는 직접 흡수 분광법(Direct Absorption Spectroscopy; DAS) 및 파장 변조 분광법(Wavelength Modulation Spectroscopy; WMS)이 속한다.
상기 직접 흡수 분광법에서는 레이저의 파장이 전류 기울기(current ramp)를 통해 변경되고 검출기 신호가 기록된다. 상기 레이저가 흡수선 범위를 통과하면, 조정된 전류 기울기에 따른 람베르트-비어 법칙(Lambert-Beer's law)에 상응하게 측정 가스에 의해 광이 흡수된다.
Figure 112016062501612-pat00001
α(λ)는 파장에 따른 흡광도(absorbance)이고,
c는 가스 농도이며,
그리고 L은 가스가 흡수하는 구간이다.
그럼으로써, 가스 흡광도가 없는 검출기 신호와 비교하여 흡수선을 확인할 수 있도록 검출기 신호가 변형되고, 그리고 나서 상기 흡수선은 예를 들어 물리적 모형 함수(일반적으로는 포이트-흡수선(Voigt-absorption line))에 적합하도록 적응되며, 그리고 이와 같은 방식으로 가스 농도에 비례하는 흡수 면적(흡수 곡선 아래의 면적)이 결정될 수 있다.
상기 파장 변조 분광법(WMS)은, 흡광도 측정이 광원들이 큰 잡음을 내는 (DC에 가까운) 작은 주파수에서 산탄 잡음(shot-noise)이 제한 요소(limiting factor)인 높은 주파수로 변위 함으로써 매우 적은 광흡수를 검출할 수 있는 광학적 흡수 분광법의 형태이다. 이와 같은 주파수 변위(frequency shift)는 측정 감도를 3 자릿수(103) 내지 5 자릿수(105) 만큼 개선할 수 있다.
상기 파장 변조 분광법(WMS)은 일반적으로 조정 가능 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser; TDL)와 같은 일정하게 조정 가능한 레이저에 의해 수행된다. 이 경우, 파장은 측정 가스의 흡수선을 통해 천천히 조정되고, 추가로 상기 파장에 비해 높은 변조 주파수(f)에 의해, 일반적으로 사인 파형(sinusoidal)으로 약간 변조된다. 이와 같은 방식으로 파장 변조된 광선이 측정 구간을 통해서 확산되면, 레이저의 강도 변화 및 측정 가스의 흡광도에 의해 광의 진폭 변조가 나타난다. 그런 다음 상기 광이 광 수신기에서 검출되고 시간에 따른 수신 신호가 생성되면, 상기 수신 신호는 변조 주파수(f) 및 자체 배진동(overtone)(2f, 3f, 4f 등)에서 AC-구성 요소들을 포함한다. 평가 공정을 위해 상기 AC-구성 요소들 중 하나의 AC-구성 요소가 선택되고 위상 검출 방법, 예컨대 락-인-방법(lock-in method)에 의해 평가될 수 있다. 이와 같은 방법은 복조 공정(demodulation)으로도 명명된다. 주파수(nf)에서 복조 공정 시 수신된 신호는 nf-신호로 명명된다(n=1, 2, 3,...). 그에 따라 복조된 신호는 광흡수 및 광선의 강도와 관련하여 정보를 포함한다. 이와 같은 방식으로 측정된 흡광도를 통해 검사된 측정 가스의 가스 성분의 농도가 결정될 수 있다.
상기 파장 변조 분광법(WMS) 및 흡수선의 형태와 복조된 신호의 형태 간의 관계가 기술하는 구체적인 이론은 "Frequency-modulation spectroscopy for trace species detection: theory and comparison among experimental methods," Applied Optics 31, 707-717(1992년도)에 나타나 있다. 흡수선을 천천히 통과하고 동시에 주파수(nf)에서 파장이 변조되는 경우, 파장 변조 분광법(WMS)에서 수신되는 신호 형태는 흡수선의 n번째 도함수(derivative)에 정성적(qualitative)으로 상응하며, 이로 인해 상기 파장 변조 분광법(WMS)으로 파생적 흡수 분광법(derivative absorption spectroscopy)의 명칭도 사용된다.
독일 특허 출원서 DE 102 38 356 A1 호에는 2개의 측정 공정, 파장 변조 분광법(WMS) 및 직접 흡수 분광법(DAS)이 연속하는 주기 내에서 교대로 사용되고, 검출된 신호들도 마찬가지로 교대로 2개의 분리된 평균값 형성에 공급되는 방식으로 평가되는 방법이 공지되어 있다. WMS-평가 공정 시 예컨대 교정(calibration)을 위해, DAS-평가 공정의 결과들이 인용될 수 있다. 그에 따라 직접 흡수 분광법의 교정 자유도 및 파장 변조 분광법의 정확성이 주어진다.
미국 특허 출원서 US 7,616,316 B2 호에 공지된 방법에서는 측정될 가스 성분의 농도가 높은 경우 직접 흡수 분광법(DAS)을 사용하고 측정될 가스 성분의 농도가 낮은 경우 파장 변조 분광법(WMS)을 사용함으로써 상기 방법들 사이에서 전환이 이루어진다. 다시 말해 각각 가장 적합하다고 여겨지는 측정 방법이 사용된다.
독일 특허 출원서 DE 10 2012 223 874 B3 호에서는 2개의 측정 방법, 즉 파장 변조 분광법(WMS) 및 직접 흡수 분광법(DAS)이 동시에, 혹은 상기 독일 특허 출원서 DE 102 38 356 A1 호에서와 같이 교대로 사용되고, 2개의 측정 결과는 평균값 형성에 의해 연결됨으로써 결과 내 더 작은 오류들이 달성될 수 있다.
본 발명의 목표는 SIL(Safety-Integrated-Level)을 규정하는 안전 기준들을 충족시킬 수 있기 위해, 가스 농도 결정시 기능상의 안전성(SIL)을 향상시키는 것이다. 상기 기능상의 안전성에서는 1의 오류 허용도가 요구될 수 있다. 이와 같은 사실은 일반적으로 하드웨어와 관계된다. 그러나 사용된 하드웨어와 무관하게, 가스 농도 측정시 강도 변화, 압력 변화, 압력, 온도 및 간섭과 같은 외부 영향들에 의해 필연적인 오류들이 발생할 수 있다. 따라서 본 발명의 과제는 기능상 안전성 관점에서 가스 성분을 결정하기 위한 개선된 방법 및 분광계를 제공하는 것이다.
이와 같은 안전성 향상은 예컨대 독일 특허 출원서 DE 102 38 356 A1 호 및 DE 10 2012 223 874 B3 호에 의해 공지된 바와 같이 2개의 상이한 측정 방법, 즉 직접 흡수 분광법(DAS) 및 파장 변조 분광법(WMS)을 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러나 이와 같은 측정 방식은 시간 및 장치와 관련하여 이중의 복잡성을 야기한다는 단점이 있다. 독일 특허 출원서 DE 10 2012 223 874 B3 호에 공지된 측정 방법들의 동시 사용시에는 레이저는 기울기에 사인 변조를 더한 것에 의해 제어되어야 한다. 이러한 사실은 직접 흡수 분광법(DAS)에 단점으로 작용하는데, 그 이유는 상기 사인 변조가 전력 변조뿐만 아니라 파장 변조도 야기하기 함으로써 파장 변조 분광법(WMS)의 직접적인 검출기 신호가 직접 흡수 분광법(DAS)에 따른 평가 공정에 적합하지 않기 때문이다. 예컨대 사인 주기에 걸쳐서 이루어지는 평균치 산정 이후에도 흡광도는 사인 변조에 의해 불분명해지고, 평가 공정은 이루어지기 어렵고 더 이상 물리적 모델에 적응함으로써 이루어지지 못한다. 다시 말해 이러한 유형의 직접 흡수 분광법(DAS)의 결과는 그다지 신빙성이 없는데, 그 이유는 이를 위해 레이저가 바람직하지 않게 제어되기 때문이다.
따라서 본 발명은 문제를 다르게 해결하는데, 말하자면 청구항 제1항에 따른 방법 또는 청구항 제10항에 따른 분광계에 의해 해결한다.
가스 성분의 농도를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법은:
― 파장 범위 내에서 가변적인 파장을 갖는 광선을 생성하는 단계,
― 그 내부에 결정될 가스 성분이 제공된 측정 용적을 통해 상기 광선을 통과시키는 단계(이때 상기 가스 성분은 파장 범위 내에 흡광도를 가짐),
― 상기 파장 범위를 조정하는 단계,
― 상기 측정 용적을 통과한 이후의 상기 광선의 강도를 검출하는 단계,
― 상기 조정 공정 동안에, 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 측정점들을 저장함으로써, 직접 흡수선을 얻는 단계,
― 상기 측정점들을 시간 축 상에 이동시킴으로써 상기 저장된 측정점들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하는 단계(이때 측정점들의 이동 이후에 파장-시간-파형 내에 파장의 인공적인 변조가 나타나도록 상기 측정점들의 이동이 이루어짐),
― 파장 변조 분광법의 방식에 따라 상기 인공적인 측정 곡선을 평가하고, 그로부터 제1 농도값을 결정하는 단계를 포함한다.
그에 따라 본 발명의 주요한 착상(idea)은, 말하자면 직접 흡수 분광법(DAS)에 따른 측정 공정을 위해 레이저를 제어함으로써, 다시 말해 파장 범위를 조정함으로써 단 하나의 측정 공정을 수행하는 것이다. 그러나 이때 수신된 측정 신호들은 직접 흡수 분광법(DAS) 또는 파장 변조 분광법(WMS)의 2가지 방식에 따라 평가된다. 이와 같은 방식으로 2가지 상이한 방법으로 2가지 결과를 얻는다. 상기 방식은 단지, 측정점들을 저장함으로써 그리고 추후에 파장 변조 분광법(WMS)에 따라 평가될 수 있는 지금까지의 측정값들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하기 위해 측정점들을 상호 정렬(이동)함으로써 가능하다. 상기 사실에 주요한 착상이 기초한다.
이와 같은 방법의 주요한 장점은 검출기 신호의 평가 공정이 2가지 상이한 평가 방식에 의해 가능함으로써 외부 영향들이 필연적인 오류들을 발생시키지 않고, 그 결과 높은 SIL 수준이 달성될 수 있다는 것이다.
추가의 장점은 레이저의 "고주파 특성"이 파장 변조 분광법(WMS)에 더 이상 아무런 영향을 미치지 않는다는 것으로, 다시 말해 단지 레이저 파장 내 레이저 흐름의 신속한 사인 변조에 의해서만 발생하는 레이저 변동은 파장 변조 분광법에 더 이상 아무런 영향을 미치지 않는다. 이와 같은 레이저 변동은, 파장 변화가 다른 무엇보다 열적 효과들에 의해 개시되고, 이와 같은 파장 변화는 일반적으로 천천히 진행되어 상기 신속한 사인 변조를 따라갈 수 없으며, 그 결과 파장 변조는 의도하지 않게 점점 작아지고 단지 강도 변조만 남게 된다는 사실에서 주어진다. 레이저 특성들의 이와 같은 변동은 본 발명에 따른 방법에 더 이상 아무런 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 WMS-평가 공정을 위한 측정 곡선이 오로지 시간 축 상에 측정점들을 재정렬(이동)함으로써 이루어졌고, 상기 측정점들은 신속한 사인 변조 없이 주어졌기 때문이다.
추가의 장점은 전체 측정 공정이 매우 신속하게 이루어진다는 것인데, 그 이유는 단지 기울기를 따라서 단지 레이저를 조절하기만 하면 되고(파장 범위의 조정 공정), 더 이상 어떤 구성 요소도 신속한 사인 변조를 따르지 않아도 되기 때문이다. 그에 따라 기울기의 더 높은 반복률(조정 공정)이 가능한데, 그 이유는 추후에 측정점들의 재정렬에 의해 생성된 변조는 검출기 신호를 위한 증폭기의 주파수 응답(frequency response)과 무관하고, 사인 변조는 기록될 필요가 없기 때문이다.
특정한 SIL 수준에 도달하기 위해, 제2 농도값을 얻는 것이 바람직한데, 이는 본 발명의 개선예에서 측정점들을 저장한 이후에 직접 흡수 분광법의 방식에 따라 직접 흡수선의 평가 공정이 수행되고 제2 농도값이 결정됨으로써 이루어진다.
그에 따라 생성된 2개의 농도값은 상기 값들의 상호 타당성(plausibility)에 의해 기능상 안전성과 관련하여 더 높은 수준에 도달하기 위해 사용될 수 있다.
상이한 방법으로 얻은 상기 2개의 농도값은 서로 교정될 수 있음으로써, 이와 같은 방식으로 2개의 값 중 하나의 값은 오로지 다른 값을 입증해주기 위해 사용된다.
추가적으로 또는 대안적으로 상기 2개의 농도값으로부터 평균값 형성에 의해 하나의 공동 농도값을 생성할 수 있고, 이때 상기 공동 농도값은 개별값에 비해 더 작은 오류를 갖는다.
조정 공정 동안 파장의 추가 고주파 변조 없이 파장 범위의 조정 공정이 이루어지고, 그 결과 고주파 변조가 없는 단조로운 파장-시간-파형이 주어지는 경우가 바람직하며 복잡성을 감소시킨다.
본 발명의 다양한 개선예들에서 인공적인 변조가 의도하는 WMS-평가 공정에 적응할 수 있다. 이와 같은 적응 공정은 변조 자체와 관계될 수 있는데, 상기 변조는 일반적으로 사인 파형의 변조이거나, 직사각 파형 또는 삼각 파형의 변조일 수 있다. 또한, 인공적인 변조의 진폭 및/또는 주파수도 측정점들의 상응하는 이동에 의해 파장 변조 분광법에 따른 평가 공정에 적응하도록 형성될 수 있다. 마찬가지로 인공적인 변조의 위상은 파장 변조 분광법에 따른 평가 공정시 결과가 단지 푸리에 변환(Fourier transform)의 실질적 부분(real part)에 기초하도록 적응할 수 있다.
단지 측정점들이 상응하게 이동, 다시 말해 다르게 그리고 새롭게 상호 정렬되기만 하면 되기 때문에 매우 간단하게 실행될 수 있는 인공적인 변조의 이와 같은 적응 공정들은 평가 공정을 의도한 방식으로 간소화하거나 또는 개선할 수 있다.
상기 방법을 수행할 수 있는 본 발명에 따른 분광계는:
― 파장 범위 내에서 가변적인 파장을 갖는 광선을 생성하는 광원,
― 그 내부에 결정될 가스 성분이 제공되고 상기 광선이 통과하는 측정 용적,
― 고주파 변조가 없는 단조로운 파장-시간-파형이 주어지도록 조정 공정 동안 파장의 추가 고주파 변조 없이 파장 범위를 조정하기 위한 상기 광원용 제어 수단,
― 상기 측정 용적을 통과한 이후의 상기 광선의 강도를 검출하기 위한 광 검출기,
― 조정 공정 동안에, 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 측정점들을 저장함으로써, 직접 흡수선을 얻기 위한 저장 수단,
― 상기 측정점들을 시간 축 상에 이동시킴으로써 상기 저장된 측정점들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하기 위한(이때 측정점들의 이동 이후에 그리고 그에 따라 측정점들의 새로운 상호 정렬 이후에 파장-시간-파형 내에 추가 고주파 변조가 주어지도록 상기 측정점들의 이동이 이루어짐),
― 그리고 파장 변조 분광법의 방식에 따라 상기 인공적인 측정 곡선을 평가하고, 그로부터 제1 농도값을 검출하기 위한 평가 유닛을 포함한다.
바람직하게 상기 평가 유닛은 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 상기 측정점들이 직접 흡수 분광법의 방식에 따라 평가될 수 있고, 이와 같은 방식으로 제2 농도값이 결정될 수 있도록 형성되어 있다.
개선예에서 광원은 조정 가능한 레이저이고, 상기 조정 가능한 레이저의 방출 파장은 제어 전류 또는 제어 전압에 의해 변경 가능하다.
본 발명의 개선예에서 상기 조정 공정은 제어 전류 또는 제어 전압의 선형 변동에 의해 이루어진다. 선형 변동은 간단하게 실행될 수 있고, 추가 변조를 제공하기 위해 저장된 측정점들의 무난한 재정렬(이동)을 가능하게 한다.
대안적으로 상기 조정 공정은 제어 전류의 비선형 변동에 의해서도 이루어질 수 있다. 이와 같은 방식으로, 예를 들어 레이저를 임의의 펄스 파형으로 제어할 수 있으며, 이는 제어 공정을 현저히 간소화하지만, 추가 변조를 달성하기 위한 측정점들의 재정렬시 더 큰 복잡성을 야기할 수 있다.
다음에서 본 발명은 도면의 참조하에 일 실시예에 의해 구체적으로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 분광계의 개략도이고,
도 2는 레이저 제어 공정의 정성적 개략도이며,
도 3은 측정 가스 성분의 흡수 신호의 정성적 개략도이고,
도 4는 점들을 시간 칼라 상에 이동시킨 이후에 도 2의 개략도이며,
도 5는 시간 칼라 상에 이동한 점들을 명확하게 보여주기 위한 도 4의 일 섹션에 대한 도면이고,
도 6은 점들을 시간 칼라 상에 이동시킨 이후에 인공적인 측정 곡선에 대한 도면이다.
도 1에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 분광계(10)는 광원(12)을 포함하고, 상기 광원은 바람직하게 제어 수단(14)에 의해 제어 가능한 조정 가능한 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser; TDL)로서 형성되어 있다. 조정 영역은 파장 영역([λ1, λ2])에 상응한다. 조정 공정을 위해 상기 제어 수단(14)에 의해 제어 전류(IA)가 상기 다이오드 레이저(12)에 주어지고, 그 결과 전류 세기에 따라서 상응하는 파장(λ)이 생성된다. 도 2에는 시간(t)에 따른 제어 전류의 전류 세기(IA)가 도시되어 있다. 도 2의 2개의 좌표 축 및 도 2 및 도 3의 상하로 중첩된 도면에 의해 표시되는 바와 같이, 전류 세기(IA)가 변하면 파장(λ)도 변한다.
추가로 상기 분광계(10)는 측정 가스 유입구(20) 및 측정 가스 배출구(22)를 구비한 측정 셀(18)로 형성될 수 있는 측정 용적(16)을 포함한다. 다른 장치들, 예를 들어 개방된 시스템들("open path") 또는 측정 가스를 안내하는 튜브 라인("cross duct")에 연결된 시스템들도 고려할 수 있다. 상기 측정 셀(18) 내에는 그 농도가 측정되어야 하는 가스 성분을 갖는 측정 가스(30)가 제공되어 있다.
레이저(12)의 광은 상기 측정 셀(18) 내로 입사한다. 상기 측정 셀 내부의 광학적 경로는 광학적 측정 구간(28)을 형성한다. 상기 광학적 경로는 상기 측정 셀 내부 또는 외부의 하나 또는 다수의 반사기를 통해 연장될 수 있는데, 예컨대 화이트 셀(White Cell) 또는 헤리엇 셀(Herriott Cell)의 형태로 연장됨으로써 이와 같은 방식으로 더 긴 광학적 측정 구간(28)을 얻는다.
상기 측정 셀(18) 내에는 측정될 가스 성분을 포함하는 측정 가스(30)가 제공되어 있다. 상기 가스 성분은 조정 가능한 파장 범위 내에 흡광도(A)를 가짐으로써, 결과적으로 상기 측정 구간(28)을 통과하는 상기 레이저(12)의 광이 흡수 파장(λA)에서 흡수된다. 이와 같은 상황은 파장(λ)에 따른 상기 측정 셀(18)을 투과하는 광도(I)를 나타내는 도 3에 도시되어 있다.
추가로 상기 측정 구간을 통과한 광을 검출하는 광 검출기(32)가 제공되어 있다. 상기 검출기(32)는 포토 다이오드, 애벌란시 포토 다이오드(Avalanche-Photo-Diode) 또는 광전자 증배관(Photo Multiplier; PM)일 수 있다. 상기 광 검출기(32)는 입사하는 광의 강도에 따라서 수신 신호를 발생시킨다.
이때 상기 하나의 전기적 수신 신호는 모든 정보를 포함한다. 상기 수신 신호는 선택적으로 증폭 및/또는 필터링되어 평가 유닛(36)에 공급된다. 상기 평가 유닛 내에서 상기 하나의 수신 신호로부터 마침내 가스 성분의 농도가 결정된다.
개별 성분들의 의미, 상기 개별 성분들의 특수한 형상들 및 기능들은 다음의 설명 내용에서 본 발명에 따른 분광계(10)의 기능 방식이 기술되면 명확하게 설명된다. 이 경우, 도입부에서도 짧게 설명된 바와 같이 직접 흡수 분광법(DAS) 및 파장 변조 분광법(WMS)의 기능 방식이 기본적으로 공지되어 있다는 사실을 전제로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 조정 가능한 레이저(12)는 제어 수단(38)에 의해 제어된다. 다이오드 레이저의 경우 제어 공정은 일반적으로 제어 전류(IA)를 통해 이루어진다. 상기 제어 전류(IA)에 상응하게 상기 레이저는 특정한 파장(λ)을 방출한다. 이와 같은 방식으로 제어된 레이저(12)는 파장 영역([λ1, λ2])을 커버한다(도 2 및 도 3 참조).
상기 레이저(12)의 제어 공정은 도 2가 나타내는 바와 같이 전류 기울기에 의해 이루어진다. 이와 같은 예시에서 전류 기울기는 선형인데, 다시 말해 상기 제어 전류(IA)는 시간에 따라서 선형으로 변한다. 측정 공정을 위해 상기 전류 기울기는 반복률로 반복되는 방식으로 진행하고, 이와 같은 방식으로 상기 측정 공정은 반복 주파수에 의해 반복된다.
파장 범위의 조정 공정 동안에는 함께 강도 파형(I)을 형성하는 측정점들(P)이 기록되는데, 도 3에는 상기 측정점들 중 단 3개만이 예시적으로 도시되어 있다. 각각의 측정점(P)은 시점(tp) 및 상기 시점에 할당된 강도값(Ip)으로 이루어져 있다.
상기 강도 파형(I)은 흡수 파장(λA)에서 직접 흡수선(A)을 나타낸다. 상기 직접 흡수선(A)은 평가 유닛(36) 내에서 직접 흡수 분광법의 방식에 따라 평가되고 제2 농도값을 제공한다.
다음 단계에서는 이제 저장된 측정점들(P)이 조정되고, 이와 같은 측정점들로부터 새로운 인공적인 강도 파형, 즉 인공적인 측정 곡선이 생성된다. 이 경우, 다음과 같은 조치가 취해진다. 말하자면, 상기 측정점들(P)은 시간 축(횡좌표) 상으로 이동하고 이를테면 새롭게 상호 정렬되거나 또는 다른 말로 "재정렬"된다. 이 경우, 상기 측정점들의 이동은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이동(새로운 상호 정렬) 이후에 주어지는 파장-시간 다이어그램에서 도 2에서와 같은 선형의 파형이 아닌, 작은 진폭을 갖는 추가의 고주파 변조(f)가 나타나도록 이루어진다. 작은 진폭 및 높은 주파수는 도 4에서 단지 부분 확대 단면도에서 확인할 수 있다.
상기 측정점들의 이동(재정렬 또는 새로운 상호 정렬)은 도 5에 의해 설명된다. 여기에는 단지 도 4의 파장-시간 다이어그램의 작은 일 섹션만이 도시되어 있다. 도 4에 표시된 점들(PDAS 또는 P'DAS)은 시점(tp)에 걸쳐서 저장된 측정점들(P)에 일대일 대응되도록 할당되어 있다. 그에 따라 각각의 점(PDAS, P'DAS)은 시간 좌표(tp) 및 파장 좌표를 갖는다. 선형 조정 공정시 상기 점들(PDAS 또는 P'DAS)은 도 5에 나타나 있는 바와 같이 직선(G) 상에 놓인다.
그러나 이제 측정점들의 이동(새로운 상호 정렬)은 말하자면 그 이후에 상기 직선(G) 상에서 변조된 사인 파형(S)이 주어지도록 이루어진다. 상기 목적을 위해 시간 축(수평축) 상의 점(PDAS)이 새로운 시점(tw)으로 이동함으로써, 결과적으로 상기 점(PDAS)이 점(PWMS)으로 이동하는 과정이 요구된다. 이와 같은 과정은 다른 점들에 대해서도 동일하게 이루어진다. 깨끗한 사인 파형을 얻기 위해, 몇몇 점들(PDAS)은 여러 번 상이한 새로운 시점들로 이동해야 한다. 이와 같은 방식으로 예컨대 점(P'DAS)은 자체 시점(tp)에서 한편으로는 시점(t'w)으로 이동하고, 다른 한편으로는 시점(t''w)으로 이동해야 한다. 다시 말해 상기 점(P'DAS)은 이를테면 배가(double)되어 새로운 상호 정렬 이후에 2번 나타난다. 달성될 사인 파형(S)의 주파수 및 진폭 그리고 직선(G)의 기울기에 따라서 측정점들(PDAS)이 2번 이상 이동하는 상황도 발생할 수 있다.
이와 같은 방식으로 이동한 그리고 새로 "정렬된", 또한 개별적인 강도값을 포함하는 측정점들(P)에 의해서는 이제 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 인공적인 측정 곡선(Mk)이 평가 유닛 내에서 구성된다. 도 6의 측정 곡선(Mk)은 다수의 개별 측정점들(PWMS)로 이루어져 있는데, 상기 측정점들은 앞선 설명 내용에 상응하게 시간 축 상에 이동함으로써 생성되었고 높은 주파수의 변조로 인해 개별적으로 검출되지 못하고, 오히려 (흡광도를 확인할 수 있도록) 전체 조정 범위를 도시하는 이와 같은 도면에서 단지 "흑색 영역"으로 나타난다.
인공적인 흡수 곡선(Mk)은 이제 파장 변조 분광법의 방식에 따라 평가 유닛(36) 내에서 평가되고, 그로부터 제1 농도값이 결정된다.

Claims (14)

  1. 가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법으로서,
    파장 범위([λ1, λ2]) 내에서 가변적인 파장을 갖는 광선을 생성하는 단계,
    내부에 농도가 결정될 가스 성분이 제공된 측정 용적을 통해 상기 광선을 통과시키는 단계 ― 이때 상기 가스 성분은 파장 범위 내에 흡광도(absorbance)를 가짐 ―,
    상기 파장 범위를 조정하는 단계,
    상기 측정 용적을 통과한 이후의 상기 광선의 강도를 검출하는 단계,
    상기 조정 공정 동안에, 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 측정점들을 저장함으로써, 직접 흡수선을 얻는 단계,
    상기 측정점들을 시간 축으로 이동시킴으로써 상기 저장된 측정점들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하는 단계 ― 이때 측정점들의 이동 이후에 파장-시간-파형 내에 파장의 인공적인 변조가 나타나도록 상기 측정점들의 이동이 이루어짐 ―,
    파장 변조 분광법(Wavelength Modulation Spectroscopy; WMS)의 방식에 따라 상기 인공적인 측정 곡선을 평가하고, 그로부터 제1 농도값을 결정하는 단계
    를 포함하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정점들을 저장한 이후에 직접 흡수 분광법(Direct Absorption Spectroscopy; DAS)의 방식에 따른 직접 흡수선의 평가 공정을 수행하고 제2 농도값을 결정하는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 농도값으로부터 공동의 농도값을 생성하는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 공정 동안 파장의 추가 고주파 변조 없이 파장 범위의 조정 공정이 이루어지고, 그 결과 고주파 변조가 없는 단조로운 파장-시간-파형이 주어지는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  6. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장의 조정 공정을 양(positive)의 방향으로 반드시 일정하지 않은 속도(≥0)로 변경하고, 후속하여 음(negative)의 방향으로 반드시 일정하지 않은 속도(≥0)로 변경하며, 이때 상기 2개의 방향 또는 단 하나의 방향을 평가 공정에 사용하는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  7. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    인공적인 변조는 사인 파형(sinusoidal), 직사각 파형 또는 삼각 파형의 변조인 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  8. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공적인 변조의 진폭 또는 주파수 중 적어도 하나는 파장 변조 분광법에 따른 평가 공정에 적응되어 있는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  9. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공적인 변조의 위상은 파장 변조 분광법에 따른 평가 공정시 최적의 결과를 얻기 위해 추가의 위상 변이(phase shift) 또는 신호 회전이 제공될 필요가 없도록 적응되어 있는 것을 특징으로 하는,
    가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법.
  10. 분광계로서,
    파장 범위([λ1, λ2]) 내에서 가변적인 파장을 갖는 광선을 생성하는 광원,
    내부에 농도가 결정될 가스 성분이 제공되고 상기 광선이 통과하는 측정 용적,
    고주파 변조가 없는 단조로운 파장-시간-파형이 주어지도록 조정 공정 동안 파장의 추가 고주파 변조 없이 파장 범위를 조정하기 위한 상기 광원용 제어 수단,
    상기 측정 용적을 통과한 이후의 상기 광선의 강도를 검출하기 위한 광 검출기,
    조정 공정 동안에, 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 측정점들을 저장함으로써 직접 흡수선을 얻기 위한 저장 수단,
    상기 측정점들을 시간 축으로 이동시킴으로써 상기 저장된 측정점들로부터 인공적인 측정 곡선을 생성하기 위한 ― 이때 측정점들의 이동 이후에 파장-시간 파형 내에 추가 고주파 변조가 주어지도록 상기 측정점들의 이동이 이루어짐 ―, 그리고 파장 변조 분광법의 방식에 따라 상기 인공적인 측정 곡선을 평가하고, 그로부터 제1 농도값을 검출하기 위한 평가 유닛
    을 포함하는,
    분광계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 평가 유닛은 각각 시점 및 상기 시점에 할당된 강도값으로 이루어진 상기 측정점들이 직접 흡수 분광법의 방식에 따라 평가될 수 있고, 이와 같은 방식으로 제2 농도값이 결정될 수 있도록 형성되어 있는,
    분광계.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광원은 레이저이고, 상기 레이저의 방출 파장은 제어 전류 또는 제어 전압에 의해 변경 가능한 것을 특징으로 하는,
    분광계.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 조정 공정은 제어 전류 또는 제어 전압의 선형 변동에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    분광계.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 조정 공정은 제어 전류 또는 제어 전압의 비선형 변동에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    분광계.
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