KR102005486B1 - 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치 - Google Patents

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박종민
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Abstract

신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치가 개시된다. 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치는, 내부에 설치 공간이 형성된 셀 바디와 셀 바디의 내부에 설치되며 내부에는 측정 가스가 주입되고 측정 가스에 조사되는 적외선이 유입되는 측정 셀을 포함하는 광음향 셀과, 설치 공간이 외기(外氣)에 노출되도록 셀 바디에 개폐 가능하게 설치되는 압력 조절밸브와, 광음향 셀의 상측에 회전 가능하게 설치되며 적외선 광원이 통과되는 광학 필터부와, 광음향 셀에서 발생된 광음향을 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰을 포함한다.

Description

신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치{PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY FOR ANALYZING DISSOLVED GAS IMPROVED RELIABILITY}
본 발명은 측정 가스가 누출되지 않고 측정 신뢰성이 향상이 가능한 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치에 관한 것이다.
일반적으로 변압기 절연유에서 추출된 가스는 여러가지 가스가 혼합되어 있다.
혼합된 가스에서 원하는 측정 가스의 종류와 농도를 분석하기 위한 장치로 적외선 광원을 이용한 광음향 분광(PAS, Photoacoustic spectroscopy) 장치가 있다.
이러한 광음향 분광장치는, 적외선을 받으면 특정 가스의 고유주파수 대역만 통과시킬 수 있는 광학필터가 장착된다. 예를 들어 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌 등에 대한 광학필터가 존재된다.
한편, 측정 가스의 종류와 농도의 분석은, 측정 가스가 광음향 셀의 내부에 주입된 상태에서 적외선이 조사되어 발생된 광음향을 마이크로폰을 이용하여 분석될 수 있다.
광음향 셀의 내부는 측정 가스와 적외선이 반응하는 제1 공간과, 제1 공간의 외부에 구획된 제2 공간으로 형성될 수 있다.
여기서 제2 공간은 대기압이 변화되는 경우, 대기압과 압력 차이가 발생되는 바, 측정 가스에서 발생된 광음향의 정상적인 분석이 어려운 문제점이 있다.
또한, 외부 진동이 전달되는 경우, 마이크로폰에서 측정 신호에 잡음이 발생되어 측정 오차가 발생되는 문제점이 있다.
아울러, 마이크로폰이 설치된 위치와 광음향 셀의 위치에서 측정 가스가 누출되는 경우가 빈번하여, 안정적인 측정이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 측정 가스가 누출되지 않고, 진동에 의한 신호 잡음이 발생되지 않고 안정적인 측정이 가능한 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 내부에 설치 공간이 형성된 셀 바디와 셀 바디의 내부에 설치되며 내부에는 측정 가스가 주입되고 측정 가스에 조사되는 적외선이 유입되는 측정 셀을 포함하는 광음향 셀과, 설치 공간이 외기(外氣)에 노출되도록 셀 바디에 개폐 가능하게 설치되는 압력 조절밸브와, 광음향 셀의 상측에 회전 가능하게 설치되며 적외선 광원이 통과되는 광학 필터부와, 광음향 셀에서 발생된 광음향을 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰을 포함한다.
측정 셀과 셀 바디의 사이에는 삽입되는 셀 실링부재를 더 포함할 수 있다.
셀 바디는 측면에 마이크로폰이 삽입되는 삽입부가 형성될 수 있다.
마이크로폰은 삽입부의 내부에 고정 커넥터에 의해 삽입 고정되어 측정 셀에 연결될 수 있다.
마이크로폰은, 측정 셀의 대향하는 양측에서 서로 마주하는 한 쌍으로 설치될 수 있다.
삽입부의 내부에서 고정 커넥터의 외부 둘레에 삽입되는 제1 실링부재와, 삽입부의 내부에서 제1 실링부재에 이격된 상태로 상기 마이크로폰의 외부 둘레에 삽입되는 제2 실링부재를 더 포함할 수 있다.
측정 셀과 셀 바디의 사이에 설치되는 복수개의 셀 실링부재을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로폰을 측정 셀의 측면에 서로 마주하는 위치에 한 쌍으로 설치하여 진동에 의한 잠음 신호의 상쇄가 가능하여, 안정적인 측정 가스의 분석이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광음향 셀의 셀 바디의 내부를 대기압과 동일한 압력을 유지하는 것이 가능하여, 측정 셀과 셀 바디의 내부 압력을 측정 시점에서 동일한 압력으로 유지하여, 압력 차이 발생에 따른 측정 오류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로폰의 설치 위치와 광음향 셀에서 측정 가스가 누출되는 것을 방지하여, 정확하고 안정적인 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치를 개략적으로 도시한 요부 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 마이크로폰이 광음향 셀에 설치되는 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰에 실링부재가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치를 개략적으로 도시한 요부 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 마이크로폰이 광음향 셀에 설치되는 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰에 실링부재가 고정된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치(100)는, 내부에 설치 공간(12)이 형성된 셀 바디(11)와 셀 바디(11)의 내부에 설치되며 내부에는 측정 가스가 주입되고 측정 가스에 조사되는 적외선(15)이 유입되는 측정 셀(13)을 포함하는 광음향 셀(10)과, 설치 공간(12)이 외기(外氣)에 선택적으로 노출되도록 셀 바디(11)에 개폐 가능하게 설치되는 압력 조절밸브(30)와, 광음향 셀(10)의 상측에 회전 가능하게 설치되며 적외선 광원이 통과되는 광학 필터부(40)와, 광음향 셀(10)에서 발생된 광음향을 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰(60)을 포함한다.
광음향 셀(10)은 내부에 측정하고자 하는 측정 가스가 유입되고, 측정 가스에 조사된 적외선과의 반응에 의해 측정 가스의 종류와 농도를 확인하도록 설치될 수 있다.
즉, 광음향 셀(10)은, 내부에 측정 가스가 주입되고, 측정 가스에 조사되는 적외선(15)과의 반응에 의해 발생된 광음향에 의해 측정 가스의 농도 또는 종류의 분석이 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 광음향 셀(10)은, 내부에 설치 공간(12)이 형성된 셀 바디(11)와, 셀 바디(11)의 내벽면에 이격된 내측에 설치되고 측정 가스와 적외선이 유입되어 광음향이 발생되는 측정 셀(13)을 포함할 수 있다.
셀 바디(11)는 내부에 일정 압력으로 유지되는 설치 공간(12)이 형성될 수 있다. 이러한 셀 바디(11)의 설치 공간(12)에는 측정 셀(13)이 설치될 수 있다.
측정 셀(13)은 셀 바디(11)의 내부에서 설치 공간(12)의 내벽면과 일정 거리 이격된 상태로 설치되는 것으로 적외선 광원(14)에서 조사된 적외선(15)이 오목 반사부(34)에 의해 반사되어 내부로 조사될 수 있다.
이러한 측정 셀(13)의 상부는 셀 바디(11)의 상부 위치에 위치된 상태로 설치 공간(12)의 내부에 설치될 수 있다. 측정 셀(13)은 저면이 셀 바디(11)의 저면으로부터 이격된 상태로 설치되는 바, 설치 공간(12)의 일정 압력으로 유지되는 분위기에서 안정적으로 설치될 수 있다.
측정 셀(13)은 셀 바디(11)의 내부에서 육면체 형상으로 형성되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고, 외표면의 일부 또는 전체가 라운드 형상으로 적절하게 변경 적용되는 것도 가능하다.
한편, 측정 셀(13)과 셀 바디(11)의 사이에는 셀 실링부재(20)가 설치될 수 있다.
셀 실링부재(20)는 측정 셀(13)과 셀 바디(11)의 사이에서 측정 셀(13)의 외부 둘레를 따라 설치되는 바, 셀 바디(11)의 내부 압력을 안정적인 유지하도록 설치될 수 있다.
셀 실링부재(20)는 측정 셀(13)의 외부 둘레를 따라 2개가 이격된 상태로 설치되는 것을 예시적으로 설명한다.
그러나, 셀 실링부재(20)는 측정 셀(13)의 외부 둘레에 2개로 설치되는 것으로 반드시 한정되는 것은 아니고, 2개를 초과하여 측정 셀(13)과 셀 바디(11)의 사이에 서로간에 이격되어 다단 실링이 가능하도록 설치되는 것도 가능하다.
한편, 측정 셀(13)에는 압력 조절밸브(30)가 설치될 수 있다.
압력 조절밸브(30)는. 측정 셀(13)을 구성하는 셀 바디(11)의 하부에 설치되는 것으로 개폐 작동에 따라 셀 바디(11)의 설치 공간(12)을 외기(外氣)에 선택적으로 연통하도록 설치될 수 있다.
압력 조절밸브(30)는 셀 바디(11)의 저면 위치에 하나로 설치되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 셀 바디(11)의 서로 다른 측면에 서로 이격된 복수개로 설치되는 것도 가능하다.
압력 조절밸브(30)는 셀 바디(11)의 저면에 형성된 관통홀(31)에 일측이 회전 가능하게 설치되어 관통홀(31)을 선택적으로 개폐 가능하게 설치될 수 있다.
물론, 압력 조절밸브(30)는 관통홀(31)에 힌지 등에 의해 개폐 가능하게 설치되는 것으로 반드시 한정되는 것은 아니고, 관통홀(31)에 압입 결합 등으로 적절하게 변경 적용될 수 있다.
이와 같이, 압력 조절밸브(30)가 셀 바디(11)에 설치되는 것은, 셀 바디(11)의 내부 압력을 대기압과 동일하게 유지하기 위함이다.
즉, 대기압은 외부 기후 환경의 변화에 따라 미세하게 변화되는 바, 압력 조절밸브(30)를 개방하여 셀 바디(11)의 내부 압력을 대기압과 동일하게 유지하도록 하여 측정 셀(13)의 측정 가스 농도의 측정이 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 광음향 셀(10)의 상측에는 적외선 광원에서 발생된 적외선이 투과되는 광학 필터부(40)가 설치될 수 있다.
광학 필터부(40)는 광음향 셀(10)의 상측에 설치되어, 측정 가스의 종류에 대응하는 복수개의 필터 바디(41)가 설치되는 바, 측정 가스에 대응하는 특정 대역 주파수를 갖는 적외선을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
이러한 광학 필터부(40)는, 복수개의 필터홀(41a)이 형성된 필터 바디(41)와, 필터홀(41a)에 설치되는 필터 바디(41)를 포함할 수 있다.
필터 바디(41)는 소정의 구동원으로부터 회전 구동력을 전달받아 일방향 또는 역방향으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.
필터 바디(41)는 회전 작동 과정에서 인접 설비와 간섭을 방지하면서 복수개의 필터 바디(41)의 안정적인 설치를 위해 가장자리가 라운드 형상인 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 물론 필터 바디(41)는 라운드 형상으로 반드시 한정되는 것은 아니고 필터 바디(41)의 형상 변경에 대응하여 적절한 형상으로 변경 적용되는 것도 가능하다.
필터부재(43)는 필터 바디(41)에 형성된 복수개의 필터홀(41a)에 각각 설치되는 것으로, 설치되는 종류를 달리하여 필터홀(41a)이 각각 설치될 수 있다.
이러한, 필터부재(43)는 측정 셀(13)의 내부로 주입되는 측정 가스의 종류에 대응하여 종류를 달리하여 필터홀(41a)에 설치될 수 있다.
즉, 필터부재(43)는 측정가스의 종류에 대응하여 적외선의 특정 주파수 대역을 선택적으로 투과시키도록 필터 바디(41)에 설치될 수 있다.
이에 따라 적외선은 측정 셀(13)의 내부에 주입된 측정 가스와 반응하여 광음향이 발생되는 바, 측정가스의 종류 및 농도 등을 용이하게 확인하는 것이 가능하다. 이러한 광 음향의 분석은 후술하는 마이크로폰(70)에 의해 이루어질 수 있다.
광학 필터부(40)의 상측에는 적외선이 필터부재(43) 방향으로 투과되는 투과홀(51)이 형성된 쵸퍼(50)가 설치되는 것도 가능하다.
한편, 마이크로폰(60)은 측정 셀(13)의 측면에 설치되어 측정 셀(13)의 내부에서 적외선과 측정 가스의 반응에 의해 발생된 광 음향을 센싱하도록 설치될 수 있다.
즉, 측정 가스의 농도와 광량에 따라 전기적 신호로 변환된 광음향 신호의 크기 변화가 발생되는 바, 마이크로폰(70)에서 변환된 전기적 신호를 분석하여 측정 가스의 농도 또는 종류의 용이한 확인이 가능하다.
마이크로폰(60)은 셀 바디(11)의 측면에 인입되게 형성된 삽입부(11a)에 삽입되어 측정 셀(13)의 측면에 설치될 수 있다.
이러한 마이크로폰(60)은, 삽입부(11a)의 내부에서 고정 커넥터(61)에 의해 고정되어, 측정 셀(13)의 내부에서 발생된 광 음향을 센싱하여 전기적인 신호로 변환하도록 설치될 수 있다.
즉, 측정 가스의 농도와 광량에 따라 전기적 신호로 변환된 광음향 신호의 크기 변화가 발생되는 바, 마이크로폰(60)에서 변환된 전기적 신호를 분석하여 측정 가스의 농도 또는 종류의 용이한 확인이 가능하다.
한편, 마이크로폰(60)은 측정 셀(13)의 대향하는 양측에 각각 설치될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 마이크로폰(60)은 셀 바디(11)의 측면에서 내부 방향으로 형성되는 삽입부(11a)에 삽입된 상태에서 측정 셀(13)의 측면에 연결되게 설치될 수 있다.
이를 위해, 셀 바디(11)의 삽입부(11a)의 내부에는 마이크로폰(60)의 설치를 위한 고정 커넥터(61)가 설치될 수 있다. 따라서, 마이크로폰(60)은 삽입부(11a)의 내부에서 고정 커넥터(61)에 의해 안정적으로 고정되어 측정 셀(13)의 대향하는 측면에 각각 설치될 수 있다.
마이크로폰(60)은 본 실시예에서 측정 셀(13)의 대향하는 양측면에서 서로 마주한 상태로 한 쌍으로 설치될 수 있다.
이와 같이, 마이크로폰(60)이 측정 셀(13)의 양측에 서로 마주하는 위치에 한 쌍으로 각각 설치되는 것은, 광 음향의 측정 과정에서 진동에 의한 신호의 잡음이 상쇄되도록 하기 위한 것이다.
즉, 마이크로폰(60)은 전극과의 위치에 의한 정전용량의 차이가 발생되는 바, 2개의 마이크로폰(60)을 측정 셀(13)에 대향하는 위치에 정확이 서로 마주하는 위치에 각각 설치하는 바, 외부 진동이 발생되는 경우, 광 음향 측정을 위한 판막이 서로 같은 방향으로 변화될 수 있다.
즉, 어느 하나의 마이크로폰(60)의 판막은 진동에 의해 전극에 근접되는 방향으로 변화하고, 다른 하나의 마이크로폰(60)의 판단은 진동에 의해 전극에 이격되는 방향으로 각각 변화될 수 있다.
따라서, 두개의 마이크로폰(60)에서 각각 측정된 정전 용량을 합하여 광 음향을 측정하는 것이 가능하여, 진동에 의한 신호 잡음을 상쇄한 상태로 안정적인 광 음향의 측정이 가능하다.
한편 마이크로폰(60)과 광음향 셀(10)의 사이에는 다중의 실링부재가 설치될 수 있다.
즉, 실링부재(70)는 삽입부(11a)의 내부에서 고정 커넥터(61)의 외부 둘레에 삽입되는 제1 실링부재(71)와, 삽입부(11a)의 내부에서 마이크로폰(60)의 외부 둘레에 삽입되는 제2 실링부재(73)를 포함할 수 있다.
제1 실링부재(71)는 고정 커넥터(61)의 외부면의 둘레에 설치되는 바, 마이크로폰(60)이 설치된 위치에서 측정 가스가 누설되는 것을 1차적으로 방지하는 것이 가능하다. 이러한 제1 실링부재(71)는 고정 커넥터(61)의 외부 둘레를 따라 삽입되는 O-링으로 적용될 수 있다.
제2 실링부재(73)는 제1 실링부재(71)의 설치 위치에서 일정 거리 이격된 위치에서 마이크로폰(60)의 외부 둘레에 삽입 고정될 수 있다. 이러한 제2 실링부재(73)는 마이크로폰(60)이 설치된 위치에서 측정 가스가 누설되는 것을 2차적으로 방지하는 것이 가능하다. 제2 실링부재(73)는 고정 커넥터(61)의 외부 둘레를 따라 삽입되는 O-링으로 적용될 수 있다.
이와 같이, 마이크로폰(60)은 제1 실링부재(71)와 제2 실링부재(73)에 의해 삽입부(11a)에 실링된 상태로 설치되는 바, 삽입부(11a) 위치에서 측정 가스가 누출되는 것을 안정적으로 다중 실링하여 정확하고 안정적인 측정이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 안전성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치(100)는, 마이크로폰(60)을 측정 셀(13)의 측면에 서로 마주하는 위치에 한 쌍으로 설치하여 진동에 의한 잠음 신호의 상쇄가 가능하여, 안정적인 측정 가스의 분석이 이루어질 수 있다.
아울러, 광음향 셀의 셀 바디의 내부를 대기압과 동일한 압력을 유지하는 것이 가능하여, 측정 셀과 셀 바디의 내부 압력을 측정 시점에서 동일한 압력으로 유지하여, 압력 차이 발생에 따른 측정 오류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 마이크로폰(60)의 설치 위치와 광음향 셀(10)에서 측정 가스가 누출되는 것을 방지하여, 정확하고 안정적인 측정이 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...광음향 셀 11...셀 바디
12...설치 공간 13...측정 셀
15...적외선 20...셀 실링부재
30...압력 조절밸브 31...관통홀
34...오목 반사부 40...광학 필터부
41...필터 바디 41a..필터홀
43...필터부재 60...마이크로폰
61...고정 커넥터 70...실링부재
71...제1 실링부재 73...제2 실링부재

Claims (7)

  1. 내부에 설치 공간이 형성된 셀 바디와, 상기 셀 바디의 내부에 설치되며 내부에는 측정 가스가 주입되고 상기 측정 가스에 조사되는 적외선이 유입되는 측정 셀을 포함하는 광음향 셀;
    상기 설치 공간이 외기(外氣)에 노출되도록 상기 셀 바디에 개폐 가능하게 설치되는 압력 조절밸브;
    상기 광음향 셀의 상측에 회전 가능하게 설치되며 적외선 광원이 통과되는 광학 필터부; 및
    상기 광음향 셀에서 발생된 광음향을 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰;
    을 포함하고,
    상기 셀 바디는 측면에 상기 마이크로폰이 삽입되는 삽입부가 형성되고, 상기 마이크로폰은 상기 삽입부의 내부에 고정 커넥터에 의해 삽입 고정되어 상기 측정 셀에 연결되며,
    상기 삽입부의 내부에서 상기 고정 커넥터의 외부 둘레에 삽입되는 제1 실링부재와, 상기 삽입부의 내부에서 상기 제1 실링부재에 이격된 상태로 상기 마이크로폰의 외부 둘레에 삽입되는 제2 실링부재
    를 포함하는, 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 셀과 상기 셀 바디의 사이에는 삽입되는 셀 실링부재를 더 포함하는, 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로폰은, 상기 측정 셀의 대향하는 양측에서 서로 마주하는 한 쌍으로 설치되는, 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측정 셀과 상기 셀 바디의 사이에 설치되는 복수개의 셀 실링부재을 더 포함하는, 신뢰성이 향상된 유중 가스 분석 광음향 장치.
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