KR102024097B1 - Outdoor multi-pass cell for TDLAS with temperature control unit - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 미세먼지 전구물질의 정밀 측정 시스템에 관한 것으로서, 미세먼지의 전구물질인 NOx,SOx의 농도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 장치 중 측정 셀의 온도를 열전소자를 사용하여 진동이 없는 상태에서 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a precise measurement system of fine dust precursor, and to measuring the concentration of NO x , SO x , the precursor of fine dust using TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) It relates to a device that can be controlled in the absence of vibration using a thermoelectric element.
Description
본원 발명은 온도 조절부가 구비된 야외용 TDLAS 멀티패스 셀에 관한 것으로서, 구체적으로 미세먼지의 전구물질인 NOx, SOx의 농도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 장치에 있어서, 온도 조절부가 구비된 튜브 형태의 멀티패스 셀에 관한 것이다.
The present invention relates to an outdoor TDLAS multipath cell equipped with a temperature control unit, and specifically, in a device for measuring the concentration of fine dust precursors NO x and SO x using TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) technique It relates to a multipath cell in the form of a tube equipped with a temperature control unit.
WHO 기준으로 미세먼지와 초미세먼지는 각각 입자의 직경이 2.5㎛, 1.0㎛인 입자상 물질을 의미하며 우리나라에서는 각각 10㎛, 2.5㎛ 로 정의하고 있다.According to the WHO standard, fine dust and ultrafine dust mean particulate matters having a particle diameter of 2.5 μm and 1.0 μm, respectively, and are defined as 10 μm and 2.5 μm in Korea, respectively.
현재 국내 미세먼지의 주된 원인 중 하나로 화력 발전소에서의 연소에 의한 것을 들 수 있는데 화력 발전소에서의 연소에서 생기는 미세먼지는 국내 미세 먼지 생산량의 20~30%를 차지하고 있는 것으로 파악된다.At present, one of the main sources of fine dust in Korea is the combustion of thermal power plants. Fine dust generated from combustion in thermal power plants accounts for 20-30% of domestic fine dust production.
미세먼지는 발생원에서부터 고체 상태의 미세먼지인 탄소류, 검댕, 광물, 기타 등으로 나오는 경우 보다 발생원에서 가스 상태로 나온 물질이 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 비중이 높다. 따라서 미세먼지의 발생량 예측 등을 위해서는 2차적 미세먼지로 전환이 되는 주요 가스인 NOx, SOx의 고정밀 계측 시스템이 필요하다.Fine dust has a higher proportion of fine dust in the form of gas from the source of chemicals than other substances in the air. Therefore, in order to predict the generation amount of fine dust, a high-precision measuring system of NO x and SO x , which are major gases that are converted into secondary fine dust, is required.
대기환경오염의 주범인 CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 대기환경에 영향을 미치는 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.In measuring the concentrations of various gases such as CO, CO 2 , NO x , and SO x , which are the main causes of air pollution, measurement methods using a laser that can measure in real time without sampling the gas to be measured are gaining much attention. Gas species affecting the atmosphere are mainly absorbed in the infrared region, where the infrared region is near-infrared ray (0.8 μm to 1.5 μm) and mid-infrared ray (1.5 μm to 5.6 μm). , Far-infrared ray (5.6㎛-1000㎛) can be divided. In the mid-infrared, the modes of vibration and rotational motion of molecules that cause the absorption of molecules are concentrated, and applied to the DAS (Direct Absorption Spectroscopy) measurement technique using the characteristics of molecules that absorb light wavelengths. It shows the outstanding effect on the measuring method.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) uses a tunable laser as the light source, which is the initial laser intensity (I 0 ) before passing through the measurement area and after absorption occurs past the measurement area. It is a method of calculating concentration and temperature by comparing the ratio of laser intensity (I). This is based on the Beer-Lambert law.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 미세먼지 전구물질을 측정하는 환경에서 각 계측 가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다. 미세먼지 전구물질을 야외에서 실시간으로 계속 측정하는 경우 측정을 위한 관측 셀은 고정되어 있기 때문에 측정거리(L)은 변하지 않지만 계절, 밤낮 등에 따라 온도 T는 계속 변하게 된다. 따라서, TDLAS를 이용하여 낮은 농도의 미세먼지 전구물질을 측정하는데 일정하고 정밀한 온도 제어가 반드시 필요하다. 한편 TDLAS 자체는 매우 정밀한 광학적 측정 장비인바, 외부 진동에 매우 취약하다. 이러한 이유로 종래의 압축기를 사용한 냉각 시스템을 사용할 경우 여기서 발생하는 진동은 TDLAS에 사용에 큰 제약이 된다. 냉각 시스템을 원거리에 설치하더라도 열매체를 전달하기 위한 펌프의 진동 또한 TDLAS의 정밀 측정에 방해가 된다.As can be seen from the equation of Figure 1 it can be seen that the absorption is proportional to the optical path length (L). Assuming that the concentration of each measurement gas is very fine in the environment of measuring fine dust precursors, the main variables for improving the measurement are measurement distance (L) and temperature (T). When the fine dust precursor is continuously measured in real time outdoors, the measurement distance L is not changed because the observation cell for the measurement is fixed, but the temperature T is continuously changed according to season, day and night. Therefore, constant and precise temperature control is essential for measuring low concentrations of fine dust precursors using TDLAS. On the other hand, TDLAS itself is a very precise optical measuring device, which is very vulnerable to external vibration. For this reason, when using a cooling system using a conventional compressor, the vibration generated here is a big limitation for use in TDLAS. Even when the cooling system is installed remotely, the vibration of the pump to transfer the heat medium also interferes with the precise measurement of the TDLAS.
이와 같이 미세먼지로 전환되는 주요 전구물질인 NOx, SOx를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 TDLAS를 외부 환경에서 도입하기 위한 정밀하면서 광학 장치에 적합한 온도 제어 시스템을 구비한 TDLAS 시스템의 개발이 무엇보다 절실하다.The development of a TDLAS system equipped with a temperature control system suitable for an optical device and a precision for introducing a TDLAS that can accurately measure NO x and SO x which are major precursors converted into fine dust in real time in an external environment More than anything else
특허문헌 1은 반도체 관련 제조장치에 관한 것이며, 파이프 쿨러 및 그 파이프 쿨러를 이용한 소형 온도조절기로서 히트 파이프의 단부와 열 교환하는 열용량이 큰 열 교환 블록의 표면에 열전소자를 밀착 고정하고 이 열전소자의 열 교환 블록과는 반대 측에 열 이송 수단을 배설하고 상기 히트 파이프는 상기 열 교환 블록에서 돌출되는 적어도 하나 이상의 전열 연장부를 가지며, 상기 열전소자의 동작 제어에 의해 열 교환 블록 및 상기 히트 파이프의 전열 연장부를 통해 전열 연장부 주위 열매체를 온도를 조절하는 장치에 관한 것이다.Patent document 1 relates to a semiconductor-related manufacturing apparatus, and is a pipe cooler and a small temperature controller using the pipe cooler. The thermoelectric device is tightly fixed to the surface of a heat exchange block having a large heat capacity to exchange heat with an end of a heat pipe. A heat transfer means is arranged on the side opposite to the heat exchange block of the heat pipe, and the heat pipe has at least one electrothermal extension protruding from the heat exchange block, and the heat exchange block and the heat pipe are controlled by operation of the thermoelectric element. It relates to a device for controlling the temperature of the heat medium around the heat transfer extension through the heat transfer extension.
특허문헌 2는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것으로서, 공정 챔버와 공정 챔버의 내부에 위치하며 처리 공간을 가지는 용기와 처리 공간 내에 위치하며 기판을 지지하는 지지 유닛과 지지 유닛에 놓인 기판에 처리액을 공급하는 액 공급 유닛과 그리고 기판에 공급되는 처리액의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛을 포함하되 상기 온도 조절 유닛은 상기 처리액의 주위에서 열교환 할 수 있는 유체를 제공하여 상기 처리액의 온도를 기설정된 온도로 유지하며, 상기 처리액이 기판에 공급되기 전에 가열 또는 냉각하여 상기 처리액의 온도를 조절하는 기판 처리 장치에 관한 것이다. 특허문헌 2는 반도체 관련 기판 처리에서 온도를 조절하는 장치로서 열전소자를 사용하고 있다.Patent document 2 relates to a substrate processing apparatus and a substrate processing method, which are disposed in a processing chamber and a container having a processing space and located in a processing space, and a support unit supporting a substrate and a substrate placed on the supporting unit. A liquid supply unit for supplying a liquid and a temperature adjusting unit for adjusting a temperature of a processing liquid supplied to the substrate, wherein the temperature adjusting unit provides a fluid capable of heat exchange around the processing liquid to provide a temperature of the processing liquid. The present invention relates to a substrate processing apparatus which maintains a temperature at a predetermined temperature and controls the temperature of the processing liquid by heating or cooling before the processing liquid is supplied to the substrate. Patent document 2 uses the thermoelectric element as an apparatus which adjusts temperature in semiconductor-related substrate processing.
특허문헌 3은 반도체 처리 장치의 진공 챔버에서 기판을 처리할 때, 온도를 제어하는 어셈블리에 관한 것으로서, 이미 알려진 바와 같이 반도체 제조 공정에서는 온도의 제어를 위해서 열전소자와 원거리 압축식 냉각 시스템을 사용한다.Patent document 3 relates to an assembly for controlling temperature when processing a substrate in a vacuum chamber of a semiconductor processing apparatus. As is known, a semiconductor manufacturing process uses a thermoelectric element and a remote compression cooling system for temperature control. .
특허문헌 4는 플라즈마 처리 설비에 관한 것으로서, 플라즈마가 형성되는 공정 챔버, 공정 챔버 상부에 배치되는 챔버 리드, 공정 챔버 내부에 웨이퍼가 안착되도록 마련된 척, 챔버 리드에 연결되는 관로, 및 관로를 통해 챔버 리드와 연결되어 항온 유체를 순환하게 하는 온도제어유닛에 관한 것으로서, 챔버 리드의 온도를 일정하게 유지하기 위해서 열전소자를 사용하는 점이 기재되어 있다.Patent document 4 relates to a plasma processing apparatus, and includes a process chamber in which a plasma is formed, a chamber lead disposed above the process chamber, a chuck provided to seat a wafer inside the process chamber, a pipeline connected to the chamber lead, and a chamber through the pipeline. The present invention relates to a temperature control unit connected to a lid to circulate a constant temperature fluid, and describes the use of a thermoelectric element to maintain a constant temperature of a chamber lid.
비특허문헌 1은 금속으로 제조된 튜브형 타입의 레이저 광학 측정장치의 멀티패스 광학 셀에 관한 것이다. 이러한 튜브 형태의 멀티패스 광학셀은 1994년에 처음 개발되었으며, 주로 실내에서 저농도의 물질을 측정하는데 사용되어 왔다. 상기와 같은 멀티패스 셀은 하나의 원기둥 형태의 거울을 사용하거나, 다수의 평면 거울을 원형으로 배치하여 적용하였다. 레이저빔이 원의 중심에서 벗어난 일정한 각도로 셀 내부로 조사되고, 상기 조사된 레이저빔은 셀 내부에서 별 모양의 패턴을 형성한 후 셀 바깥으로 다시 나오게 된다. 이와 같은 셀은 작은 부피에서 저농도의 기체 농도를 측정하기에 적합한 것이다.Non-Patent Document 1 relates to a multipass optical cell of a tubular type laser optical measuring device made of metal. This tube-type multipass optical cell was first developed in 1994 and has been used mainly to measure low concentrations of materials indoors. The multipath cell as described above was applied by using one cylindrical mirror or by arranging a plurality of planar mirrors in a circular shape. The laser beam is irradiated into the cell at a predetermined angle away from the center of the circle, and the irradiated laser beam forms a star pattern inside the cell and then comes out of the cell again. Such cells are suitable for measuring low gas concentrations in small volumes.
비특허문헌 1은 재료를 종래의 거울에서 원기둥 형태의 구리를 가공하여 사용하였다. 내부는 다이아몬드 가공을 통해서 표면처리를 하였고 추가의 반사를 위해서 금도금을 수행하였다. 상기와 같은 튜브 형태의 멀티패스 셀의 입사각 및 광원 거리 등은 비특허문헌 1에 있는바, 자세한 설명은 생략한다. 도 4에는 튜브 형태의 셀에 레이저가 조사되었을 경우 반사되는 형태의 한 종류에 본원 발명에서 적용된 내부 열매체 순환로를 표시하였다.Non-Patent Document 1 used a material by processing copper in a cylindrical shape in a conventional mirror. The interior was surface treated with diamond processing and gold plated for additional reflection. Incident angle, light source distance, and the like of the tube-type multipath cell as described above are described in Non-Patent Document 1, and thus detailed description is omitted. Figure 4 shows the inner heat medium circulation path applied in the present invention to one type of the form that is reflected when the laser irradiation to the tube-shaped cell.
상기와 같은 금속 셀은 물리적인 스트레스에 강하다는 장점이 있다. 금속으로 인해서 온도 변화에도 통상의 유리 재질(도 3 참조)보다 유리하다. 그러나 야외에서 미세먼지 전구물질을 측정하기 위해서는 온도의 조절이 무엇보다 중요하다. 특히 물리적 강도를 위해서 구리 등으로 셀을 제조할 경우 여름과 겨울의 온도 변화에 의해서 셀의 변형이 발생하고 이로 인해서 원활한 측정이 불가능할 수 있다.Such metal cells have the advantage of being resistant to physical stress. Due to the metal, even temperature changes are advantageous over conventional glass materials (see FIG. 3). However, temperature control is paramount to measuring fine dust precursors outdoors. In particular, when the cell is manufactured from copper for physical strength, deformation of the cell may occur due to temperature change in summer and winter, and thus, a smooth measurement may not be possible.
통상적으로 정밀한 광학 장비를 실외에서 사용하는 것이 드물고 더욱이 진동없이 온도를 제어하는 시스템을 부가한 실외 광학 장비는 더욱 드물다. 진동없이 냉각, 가열이 가능한 장비의 예로서 열전소자를 들 수 있다. 그러나 열전소자는 앞서 본 바와 같이 현재 사용되는 부분이 매우 제한적으로 구성되고 있을 뿐 본원과 같은 TDLAS를 실외에 적용한 광학 측정장비에 사용되는 것은 없는 것으로 파악된다.
Normally, precision optical equipment is rarely used outdoors, and outdoor optical equipment, with the addition of a system that controls temperature without vibration, is more rare. A thermoelectric device is an example of equipment that can be cooled and heated without vibration. However, it is understood that the thermoelectric element is used in the presently limited parts as described above, but is not used in the optical measuring equipment applying the TDLAS outdoors.
본원 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세먼지의 전구물질인 NOx, SOx의 농도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 이용하여 야외에서 상시로 정밀하게 측정할 수 있도록 TDLAS 장치에 있어서 야외 온도 변화에도 사용할 수 있는 튜브 형태의 구리 재질 멀티패스 광학셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention is to solve the conventional problems as described above, so that the concentration of the precursor of fine dust NO x , SO x can be accurately measured at all times in the open air using TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) It is an object of the present invention to provide a tube-type copper multipath optical cell that can be used for outdoor temperature changes in a TDLAS device.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 포집되며 상기 레이저빔이 통과하는 측정 셀; 상기 측정 셀을 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부를 포함하는 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치에 있어서, 상기 측정 셀은 구리로 제작된 튜브 형태의 셀로서, 레이저빔이 튜브 내부로 들어오고 나갈 수 있는 하나의 홀이 튜브 측면에 마련되고, 튜브의 상면 또는 하면에는 측정을 위한 기체가 유입, 유출되는 배출구가 마련되어 있으며, 튜브의 외면을 따라 향류식의 열매체가 흐를 수 있는 통로가 마련되어 있고, 상기 레이저빔은 튜브 내에서 다수 반사되는 것인 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치.A first aspect of the present invention for solving the above problems is a laser unit for irradiating a laser beam; A measurement cell in which gas for measurement is collected and through which the laser beam passes; A light detector configured to focus the laser beam passing through the measurement cell; In the precision measurement device for the concentration of fine dust precursor comprising a processor for performing the analysis using the laser beam, the measuring cell is a tube-shaped cell made of copper, the laser beam can enter and exit the tube. One hole is provided on the side of the tube, the upper or lower surface of the tube is provided with an outlet for the gas flow in and out, the passage is provided with a flow path for the counter-current heating medium flows along the outer surface of the tube, The laser beam is a precision measurement device for the concentration of fine dust precursor that is reflected a large number in the tube.
상기 레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)이며, 상기 열매체는 물, 가스, 기름, 무기전열매체 중 적어도 하나 이상이고, 상기 열매체를 가열 또는 냉각하는 것은 열전소자를 포함하는 온도제어모듈이다.The laser unit may be a tunable diode laser or a distributed feedback laser, and the heat medium may be at least one of water, gas, oil, and an inorganic heat transfer medium, and the heating or cooling of the heat medium may be performed. It is a temperature control module including a thermoelectric element.
상기 온도제어모듈은 다수의 열전소자가 장착되어 있으며 상기 다수의 열전소자를 전기적으로 연결하는 도전패턴이 형성되어 있는 인쇄회로보드를 포함하는 열전소자모듈, 상기 다수의 열전소자의 상면 및 하면 세라믹패널과 접하는 상면 열교환기 및 하면 열교환기를 포함한다.The temperature control module includes a thermoelectric module including a printed circuit board on which a plurality of thermoelectric elements are mounted and a conductive pattern for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and upper and lower ceramic panels of the plurality of thermoelectric elements. And a top heat exchanger and a bottom heat exchanger in contact with each other.
상기 미세먼지 전구물질은 NOx, SOx이다.The fine dust precursor is NO x , SO x .
상기 열매체의 흐름은 진동을 발생하지 않는 펌프에 의한 것이며, 구체적으로는 페리스탈틱 펌프이다.The flow of the heat medium is caused by a pump that does not generate vibration, specifically, a peristaltic pump.
상기 금속은 금, 은, 또는 크롬 중 하나가 코팅 또는 도금이 가능한 금속이며, 상기 측정셀에서 레이저빔이 반사되는 부분은 금, 은, 또는 크롬 중 하나가 코팅 또는 도금된다.
The metal is a metal which can be coated or plated with one of gold, silver, or chromium, and the portion where the laser beam is reflected in the measurement cell is coated or plated with one of gold, silver, or chromium.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 미세먼지 전구물질의 측정 시스템은 야외에서도 미세먼지 전구물질인 NOx, SOx의 농도를 상시로 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 특히 계절, 밤낮에 관계없이 진동이 없는 상태에서 측정 셀의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 낮은 농도의 NOx, SOx의 농도를 오차 없이 측정할 수 있는 장점이 있다.
As described above, the measurement system of the fine dust precursor according to the present invention has the advantage of always accurately measuring the concentration of the fine dust precursor NO x , SO x even outdoors. In particular, the temperature of the measurement cell can be kept constant in the absence of vibration regardless of season and day and night, and there is an advantage in that low concentrations of NO x and SO x can be measured without error.
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2는 본원 발명에 일 실시예에 따른 TDLAS 측정 장치의 개략도이다.
도 3은 종래 측정 셀의 개략도이다.
도 4는 본원 발명에 따른 튜브형 셀의 광학적 시연 사진이다.
도 5 내지 도 8은 본원 발명에 따른 튜브형 셀의 개략도이다.
도 9는 열전소자 모듈의 개략도이다.Figure 1 shows the calculation formula according to the Beer-Lambert law in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS).
2 is a schematic diagram of a TDLAS measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a conventional measuring cell.
4 is an optical demonstration photograph of a tubular cell according to the present invention.
5 to 8 are schematic views of tubular cells according to the present invention.
9 is a schematic diagram of a thermoelectric module.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the drawings in accordance with an embodiment of the present invention, but this is for the easier understanding of the present invention, the scope of the present invention is not limited thereto.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다. 도 2는 대표적인 TDLAS 관련 구성으로서 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 5, 6, 7에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.TDLAS is a measurement system using a tunable diode laser (Tunable Diode Laser) has received a lot of attention recently in the real-time measurement system. 2 is a typical TDLAS-related configuration, the technical details of TDLAS itself are described in Patent Documents 5, 6, and 7, and a detailed description thereof will be omitted.
본원 발명에 따른 장치는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 포집되며 상기 레이저빔이 통과하는 측정 셀; 상기 측정 셀을 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부를 포함하는 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치에 있어서, 상기 측정 셀은 구리로 제작된 튜브 형태의 셀로서, 레이저빔이 튜브 내부로 들어오고 나갈 수 있는 하나의 홀이 튜브 측면에 마련되고, 튜브의 상면 또는 하면에는 측정을 위한 기체가 유입, 유출되는 배출구가 마련되어 있으며, 튜브의 외면을 따라 향류식의 열매체가 흐를 수 있는 통로가 마련되어 있고, 상기 레이저빔은 튜브 내에서 다수 반사된다.Apparatus according to the present invention comprises a laser unit for irradiating a laser beam; A measurement cell in which gas for measurement is collected and through which the laser beam passes; A light detector configured to focus the laser beam passing through the measurement cell; In the precision measurement device for the concentration of fine dust precursor comprising a processor for performing the analysis using the laser beam, the measuring cell is a tube-shaped cell made of copper, the laser beam can enter and exit the tube. One hole is provided on the side of the tube, the upper or lower surface of the tube is provided with an outlet for the gas flow in and out, the passage is provided with a flow path for the counter-current heating medium flows along the outer surface of the tube, The laser beam is reflected largely in the tube.
레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다. 통상적으로 레이저는 파장이 고정되어 있으나 다이오드 레이저를 사용함으로써 파장을 변조할 수 있으며, 이는 함수 생성기를 통해서 변조가 가능하다.The laser unit may be a tunable diode laser or a distributed feedback laser. Typically, lasers have a fixed wavelength but can be modulated by using a diode laser, which can be modulated by a function generator.
전구물질 농도의 정밀한 측정을 위해서는 튜브 셀의 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 특히 본원 발명에 따른 셀은 구리로 제조되었기 때문에 온도 변화에 변형이 발생할 수 있기 때문에 항온 유지가 무엇보다도 중요하다. 도 5 내지 8은 본원 발명의 일 실시예에 따른 측정 셀(400)으로서, 측정 셀(400)의 일측에는 레이저가 들어오고 나가는 레이저 입출부(410)가 구비되어 있다. 측정 셀(400)의 일단과 타단에는 측정을 위한 기체가 측정 기체 챔버(425)로 들어온 후 외부로 배출될 수 있는 측정 기체 입출부(420, 430)이 마련되어 있다. 셀의 내부 단면에는 측정 기체 챔버(425)의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 열 매체 이동부(445)가 마련되어 있다. 셀의 측면에는 열매체, 주로 물이 들어오고 나올 수 있는 열 매체 입출부(440, 450)가 마련되어 원하는 온도의 열매체가 계속 순환할 수 있다.It is important to keep the temperature of the tube cell constant for accurate measurement of precursor concentrations. In particular, since the cell according to the present invention is made of copper, deformation may occur in the temperature change, so the constant temperature maintenance is most important. 5 to 8 is a
도 6은 상기 셀의 위 뚜겅(406)과 아래 뚜껑(407)이 분리된 형상이다.6 shows the
도 7은 셀본체(405)를 위에서 내려다 본 모습으로서, 셀본체(405)는 열매체가 순환하여 측정 기체 챔버(425)의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 하는 열 매체 이동부(445)가 마련되어 있다. 도 8은 각각 AA', BB', CC'를 기준으로 한 단면의 모습을 보여주고 있다. 레이저 입출부(410)을 기준으로 상, 하단으로 도넛모양의 빈 공간인 열 매체 이동부(445)가 있다.FIG. 7 is a top view of the
열 매체 입출부(440, 450)을 이용하여 한쪽으로 열 매체가 들어오고, 열 매체는 열 매체 이동부(445)를 통하여 튜브 형태를 거의 한 바퀴 돌고 CC' 단면에서 보이는 상, 하단 도넛모양의 열 매체 이동부(445)가 연결되는 지점을 통해서 상단 또는 하단으로 이동한 후 또 튜브 형태를 거의 한 바퀴 돌고 열 매체 입출부(440, 450)를 통해서 배출된다. 들어오는 열 매체와 나가는 열 매체가 항상 향류식으로 배치되어 있으므로, 이들의 평균에 의해서 셀의 전체 온도는 균일하게 유지된다. 튜브 형태의 측정 셀(400) 외면에 이중 내부관을 만드는 것은 외부로부터 안쪽으로 홈을 판 후 필요한 부분을 연결하고 이들 다시 덮는 방법으로 제작하는 것이 바람직하다.The thermal medium enters to one side by using the thermal medium inlet /
상기 열 매체의 온도를 진동없이 변할 수 있는 장치로는 열전소자를 포함하는 온도제어모듈이 있다. 도 9는 본원 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈이다. 열전소자(110)는 일정 거리가 이격된 한 쌍의 세라믹패널과 상기 한 쌍의 세라믹패널 사이에 구비되어 소정의 패턴으로 배열되는 복수의 N형 및 P형 열전반도체와 상기 복수의 N형 및 P형 열전반도체를 전기적으로 직렬 연결하는 도전전극과 상기 도전전극의 단부에 각각 접합되어 복수의 N형 및 P형 열전반도체로 전원을 인가하기 위한 전극단자를 포함하여 구성된다.An apparatus capable of changing the temperature of the thermal medium without vibration includes a temperature control module including a thermoelectric element. 9 is a temperature control module according to an embodiment of the present invention. The
이때 상기 한 쌍의 세라믹패널 사이의 이격 공간에는 실리콘층이 충진되어 외력에 의해 상기 각 구성요소가 서로 이격되는 것을 방지하고 그 내부로 수분이 유입되는 것을 방지한다.In this case, a space between the pair of ceramic panels is filled with a silicon layer to prevent the components from being spaced apart from each other by external force and to prevent moisture from entering therein.
구체적으로 상기 온도제어모듈은 다수의 열전소자(110)가 장착되어 있으며 상기 다수의 열전소자(110)를 전기적으로 연결하는 도전패턴이 형성되어 있는 인쇄회로보드(120)를 포함하는 열전소자모듈(100), 상기 다수의 열전소자(110)의 상면 및 하면 세라믹패널과 접하는 상면 열교환기(200) 및 하면 열교환기(300)를 포함한다. 상기 온도제어모듈은 상기 열전소자모듈(100), 상기 상면 열교환기(200), 상기 하면 열교환기(300)를 고정하는 체결부재(도면 미도시)를 포함한다. 체결부재(30)는 장착홀(130, 230, 330)을 이용하여 장착된다.In detail, the temperature control module includes a thermoelectric device module including a printed
상기 상면 또는 하면 열교환기(200, 300)는 일단의 단면에 형성된 열교환 유체 유입구(510) 및 상기 열교환 유체 유입구와 동일한 단면에 형성된 열교환 유체 배출구(520); 상기 열교환 유체 유입구로부터 시작되어 열교환기 내부를 순환하여 상기 열교환 유체 배출구로 연결되는 내부 순환부를 포함하며, 상기 내부 순환부는 투입 유체와 배출 유체가 항상 향류로 쌍으로 배치된다. 온도제어모듈에 대한 기술적 사항은 특허문헌 8에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.The upper or
열매체의 흐름은 진동을 발생하지 않는 펌프, 대표적으로 페리스탈틱 펌프를 사용할 수 있다. 상기 펌프는 광학 측정이 일어나는 테이블 등의 장치와 떨어져서 배치되는 것이 바람직하다.The heat medium flow may use a pump that does not generate vibration, typically a peristaltic pump. The pump is preferably arranged away from a device such as a table on which optical measurements take place.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 미세먼지 전구물질의 측정 시스템은 야외에서도 미세먼지 전구물질인 NOx, SOx의 농도를 상시로 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 특히 계절, 밤낮에 관계없이 진동이 없는 상태에서 측정 셀의 온도를 일정하게 유지할 수 있어, 낮은 농도의 NOx, SOx의 농도를 오차 없이 측정할 수 있는 장점이 있다.As described above, the measurement system of the fine dust precursor according to the present invention has the advantage of always accurately measuring the concentration of the fine dust precursor NO x , SO x even outdoors. In particular, the temperature of the measurement cell can be kept constant in the absence of vibration regardless of season and day and night, and there is an advantage in that low concentrations of NO x and SO x can be measured without error.
또한 튜브 형태의 작은 셀을 사용하더라도 멀티 패스의 특성을 활용하여 낮은 농도의 미세먼지 전구물질의 농도를 측정할 수 있다.In addition, even when using a small cell in the form of a tube, it is possible to measure the concentration of the low concentration of fine dust precursor using the characteristics of the multi-pass.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.
100 열전소자모듈
110 열전소자
120 인쇄회로보드
130, 230, 330 장착홀
200, 300 열교환기
400 측정 셀
405 셀본체
406, 407 위 뚜껑 및 아래 뚜껑
410 레이저 입출부
420, 430 측정 기체 입출부
425 측정 기체 챔버
440, 450 열 매체 입출부
445 열 매체 이동부
510, 520 열매체 입출부100 thermoelectric module
110 thermoelectric elements
120 printed circuit board
130, 230, 330 Mounting Holes
200, 300 heat exchanger
400 measuring cells
405 cell
406, 407 upper lid and lower lid
410 laser exits
420, 430 measuring gas inlet and outlet
425 gas chamber
440, 450 thermal media entry and exit
445 thermal medium moving parts
510, 520 Heat medium entry and exit
Claims (8)
상기 측정 셀은 금속으로 제작된 튜브 형태의 셀로서, 상기 측정 셀의 외부 측면에는 레이저가 들어오고 상기 측정 셀의 내부관의 표면에 다수 반사된 후 다시 나가는 하나의 홀인 레이저 입출부; 상기 측정 셀의 상면 또는 하면에는 측정을 위한 기체가 상기 측정 셀의 내부 공간인 측정 기체 챔버로 들어온 후 외부로 배출될 수 있는 측정 기체 입출부; 상기 측정 셀 튜브 형태 단면 내부에는 상기 측정 기체 챔버의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 열 매체가 향류식으로 흐를 수 있는 열 매체 이동부; 상기 측정 셀의 외부 측면에는 상기 열 매체가 들어오고 나올 수 있는 열 매체 입출부;가 마련되어 있고,
상기 열 매체 입출부 중 입부를 통해 상기 열 매체가 들어오고, 상기 열 매체는 열 매체 이동부를 통하여 상기 측정 셀의 단면 내부의 튜브 형태를 거의 한 바퀴 돌고 상기 열 매체 이동부가 연결되는 지점을 통해서 이동한 후 또 튜브 형태를 거의 한 바퀴 돌고 상기 열 매체 입출부 중 출부를 통해 외부로 배출되며,
상기 열 매체는 물, 가스, 기름, 무기전열 매체 중 적어도 하나 이상이고, 상기 열 매체를 가열 또는 냉각하는 것은 열전소자를 포함하는 온도제어모듈이며,
상기 온도제어모듈은 다수의 열전소자가 장착되어 있으며 상기 다수의 열전소자를 전기적으로 연결하는 도전패턴이 형성되어 있는 인쇄회로보드를 포함하는 열전소자모듈, 상기 다수의 열전소자의 상면 및 하면 세라믹패널과 접하는 상면 열교환기 및 하면 열교환기; 상기 상면 및 하면 세라믹패널과 접하는 상기 상면 열교환기 및 상기 하면 열교환기 사이의 이격 공간에 충진된 실리콘층; 상기 열전소자모듈, 상기 상면 열교환기, 상기 하면 열교환기를 고정하는 체결부재;를 포함하고,
상기 상면 또는 하면 열교환기는 일단의 단면에 형성된 열교환 유체 유입구 및 상기 열교환 유체 유입구와 동일한 단면에 형성된 열교환 유체 배출구; 상기 열교환 유체 유입구로부터 시작되어 상기 열교환기 내부를 순환하여 상기 열교환 유체 배출구로 연결되는 내부 순환부를 포함하며, 상기 내부 순환부는 투입 유체와 배출 유체가 항상 향류로 쌍으로 배치되며,
상기 금속은 금, 은 또는 크롬 중 하나가 코팅 또는 도금이 가능한 금속이며,
상기 측정 셀에서 레이저빔이 반사되는 부분은 금, 은, 또는 크롬 중 하나가 코팅 또는 도금된 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치. A laser unit for irradiating a laser beam; A measurement cell in which gas for measurement is collected and through which the laser beam passes; A light detector configured to focus the laser beam passing through the measurement cell; In the precision measurement device for the concentration of fine dust precursor comprising a processor for performing the analysis using the laser beam,
The measuring cell is a tube-shaped cell made of a metal, the laser entering and exiting the outer side of the measuring cell is a hole that is reflected again on the surface of the inner tube of the measuring cell and exits again; A measurement gas inlet / out unit which allows gas for measurement to enter a measurement gas chamber which is an inner space of the measurement cell and is discharged to the outside on the upper or lower surface of the measurement cell; A heat medium moving part in which the heat medium flows in a countercurrent manner so that the temperature of the measurement gas chamber is kept constant in the measurement cell tube-shaped cross section; The outer side of the measuring cell is provided with a heat medium entry and exit portion through which the heat medium can enter and exit,
The thermal medium enters through the inlet of the thermal medium inlet / outlet, and the thermal medium moves through the thermal medium moving part almost round the tube shape inside the cross section of the measuring cell and through the point where the thermal medium moving part is connected. And then once again round the tube shape is discharged to the outside through the outlet of the heat medium entry and exit,
The heat medium is at least one of water, gas, oil, inorganic heat transfer medium, the heating or cooling the heat medium is a temperature control module including a thermoelectric element,
The temperature control module includes a thermoelectric module including a printed circuit board on which a plurality of thermoelectric elements are mounted and a conductive pattern for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and upper and lower ceramic panels of the plurality of thermoelectric elements. A top heat exchanger and a bottom heat exchanger in contact with the top heat exchanger; A silicon layer filled in a space between the upper heat exchanger and the lower heat exchanger in contact with the upper and lower ceramic panels; And a fastening member configured to fix the thermoelectric module, the upper surface heat exchanger, and the lower surface heat exchanger.
The upper or lower heat exchanger includes a heat exchange fluid inlet formed at one end of the heat exchanger and a heat exchange fluid outlet formed at the same cross section as the heat exchange fluid inlet; Starting from the heat exchange fluid inlet and circulating inside the heat exchanger to be connected to the heat exchange fluid outlet, the inner circulation is inlet and outlet fluids are always arranged in pairs in countercurrent,
The metal is a metal which can be coated or plated with gold, silver or chrome.
Wherein the laser beam is reflected in the measuring cell is a precision measurement device of fine dust precursor coated or plated with one of gold, silver, or chromium.
상기 레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)인 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치.The method of claim 1,
Wherein the laser unit is a wavelength variable diode laser (Tunable Diode Laser) or a distributed feedback laser (Distributed Feedback laser) concentration precision measurement device of fine dust precursor.
상기 미세먼지 전구물질은 NOx, SOx인 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치.The method of claim 1,
The fine dust precursor is NO x , SO x The concentration of the fine dust precursor precision measurement device.
상기 열매체의 흐름은 진동을 발생하지 않는 펌프에 의한 것인 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치.The method of claim 1,
The flow of the heat medium is precisely measuring the concentration of the fine dust precursor is by a pump that does not generate vibration.
상기 펌프는 페리스탈틱 펌프인 미세먼지 전구물질의 농도 정밀계측 장치.The method of claim 6,
The pump is a peristaltic pump fine dust concentration measurement device of the precursor.
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