KR102055998B1 - 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기 및 가스분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기로서, 상기 측정 대상 가스가 수용되어 가스 측정을 위한 공간을 제공하는 분석기본체; 상기 분석기본체의 내부에 설치되어 상기 측정 대상 가스에 적외선을 조사하는 발광부재; 상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 특정 파장대의 가스를 투과시키는 투과유닛; 상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 상기 투과유닛을 통과한 가스를 탐지하는 디텍터; 및 상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터에 연결되어 상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터의 작동을 제어하는 컨트롤러; 를 포함하고, 상기 투과유닛은, 적어도 하나의 구성으로 이루어지며 각각의 구성이 서로 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가스분석기 및 가스분석 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용하여 측정 가스를 분석하는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기 및 가스분석 방법에 관한 것이다.
산업화에 따른 에너지 소비 증가로 인해 대기중에 오염물질이 배출되었고, 이로 인한 공해 문제가 심각한 사회문제로 대두되었다. 특히, 기체 상태로 대기중에 배출되는 오염 물질을 막기 위해서는 공장 등에서 배출하는 가스의 성분 및 그 농도를 파악하는 것이 필수적이다.
일반적으로, 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등과 같은 사업장의 굴뚝에서는 복합유해물질이 포함된 가스가 대기 중으로 배출되고 있다. 따라서 대기배출원에서 발생하는 배출가스의 농도를 실시간으로 관리하기 위하여 모니터링 측정 장비의 개발은 꾸준히 지속되고 있다.
기체에 포함된 성분을 측정하는 방식으로는 NDIR(Non-Dispersive Infrared absorption) 분석법이 많이 이용되고 있다. NDIR 분석법은 기체에 포함된 각 성분이 기체를 통과하는 적외선의 특정 파장의 에너지를 흡수하는 현상을 이용하여, 기체를 통과한 적외선의 각 파장의 에너지 레벨을 조사하여 기체에 포함된 성분을 파악한다.
이러한 전통적인 NDIR 측정방법은 간섭가스에 의한 오차를 보정하는데 한계가 있어, 최근에는 GFC(Gas Filter Correlation, 이하 "GFC"라 함)를 탑재하여 가스 간의 농도 간섭효과를 보상하는데 널리 사용된다. 화력발전소, 소각장, 화학공정시설 등과 같은 사업장에서는 다양한 성분의 가스가 배출되는데, 이 중 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 암모니아 (NH3), 염화수소 (HCl), 불화수소 (HF), 메탄 (CH4), 수증기(H20) 등이 주요 성분으로 볼 수 있다. 이러한 배출가스들은 각각의 고유 IR 흡수파장을 갖고 있는데, 이들 성분 중 몇몇 성분은 IR 흡수파장이 매우 근접하여 IR 흡수에 간섭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소 (CO)의 IR 흡수파장은 4.6 μm, 이산화탄소 (CO2)의 IR 흡수파장은 4.3 μm으로 매우 근접하며, 특히 수증기 (H2O)는 2 ~ 10 μm 전역에 걸쳐 흡수파장을 갖고 있기 때문에 이들 성분이 공존할 경우 간섭효과로 인해 정확한 농도가 측정되지 않는다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 간섭가스간의 보상을 하기 위한 일환으로서 GFC가 사용되고 있는 추세이다.
그러나 GFC를 적용한 NDIR 장치에서도 간섭가스의 농도가 일정수준 이상 높아지면 측정이 제대로 이루어지지 않는다. 즉, 분석하고자 하는 성분 (예, CO)이 NDIR 장치의 분석 가능한 농도범위 안에 존재하더라도 다른 간섭가스 (예, CO2)의 농도가 고농도로 존재한다면 GFC를 이용하더라도 NDIR 장치의 측정값에는 오차가 발생하게 된다. 따라서 GFC를 적용한 NDIR만으로 배출가스의 농도를 정확히 측정하기에는 한계가 존재한다 할 수 있다. 또한 GFC는 가스필터내에는 일정 %농도의 가스를 충진하는데 이 방법은 장시간 사용시 가스가 누출되는 문제점도 가지고 있어 측정값 오차에 대한 보정 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 측정 대상 가스의 농도 오차범위를 최소화하고 정밀한 농도 파장대역의 측정이 가능한 기능이 구비된 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기 및 가스분석 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기로서, 상기 측정 대상 가스가 수용되어 가스 측정을 위한 공간을 제공하는 분석기본체; 상기 분석기본체의 내부에 설치되어 상기 측정 대상 가스에 적외선을 조사하는 발광부재; 상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 특정 파장대의 가스를 투과시키는 투과유닛; 상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 상기 투과유닛을 통과한 가스를 탐지하는 디텍터; 및 상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터에 연결되어 상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터의 작동을 제어하는 컨트롤러; 를 포함하고, 상기 투과유닛은, 적어도 하나의 구성으로 이루어지며 각각의 구성이 서로 직렬로 배치될 수 있다.
또한, 상기 투과유닛은, 상기 분석기본체에 유입된 가스 중에서 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과시키는 제 1필터; 및 상기 제 1필터와 대응하여 상기 제 1필터에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을 감쇠 없이 투과시키는 제 2필터; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2필터는, 서로를 붙이거나 분리하여 위치시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2필터는, 특정 주파수 대역내의 신호만 감쇠 없이 통과 시키며, 나머지 주파수 신호는 감쇠시키는 밴드 패스 필터; 일 수 있다.
또한, 상기 제 1, 제 2필터는, 측정 대상 가스의 정밀한 측정을 위해 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 투과유닛은, 상기 제 1, 2필터에 추가하여 제 3필터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 투과유닛은, 상기 제 3필터에 추가하여 제 4필터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러의 제어에 의해 상기 분석기본체 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소시키는 수분제거장치; 를 더 포함할 수 있다.
전술한 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기를 이용하여 상기 측정 대상 가스를 분석하는 가스분석 방법으로, 상기 히터란 데이터를 기반하여 상기 측정 대상 가스를 선정하는 측정 대상 가스 선정 단계; 상기 측정 대상 가스 선정 단계에서 선정된 상기 측정 대상 가스에 상기 가스분석기에 구비된 발광부재를 이용하여 적외선을 조사하는 적외선 조사단계; 상기 적외선 조사단계를 거친 가스에 상기 가스분석기에 구비된 밴드 패스 필터인 투과유닛을 이용하여 특정 파장대의 가스를 투과하는 가스 투과 단계: 및 상기 가스 투과 단계를 거친 가스의 농도 파장대역 오차범위를 확인하는 오차범위 확인 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가스 투과 단계는, 적어도 하나의 상기 밴드 패스 필터들을 직렬로 배치할 수 있다.
또한, 상기 가스 투과 단계는, 상기 가스분석기에 유입된 가스 중에서 상기 밴드패스필터를 이용하여 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과하는 제 1투과 단계; 및 상기 제 1투과 단계와 대응하여 상기 제 1투과 단계에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을, 상기 밴드패스필터를 이용하여 감쇠 없이 투과하는 제 2투과 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 측정 대상 가스의 정밀한 측정을 위해 상기 오차범위 확인 단계를 통해서 확인된 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성하는 무간섭 존 형성단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가스분석기는 수분제거장치를 구비하여 상기 가스분석기 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 히트란 실험 데이터를 이용하여 2개 대역에 각각 해당하는 제 1, 2 밴드 패스 필터를 직렬로 배열하여 각각 밴드 패스 필터의 오차범위를 교차시켜 더욱 정밀한 밴드 패스 필터를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기와 같은 듀얼 밴드 패스 필터를 사용하여 고가의 GFC를 사용하지 않아도 가스간의 간섭이 거의 없는 농도 분석이 가능하고 비용이 절감되는 효과가 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 상기 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 3은 상기 투과유닛의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석 방법의 제 1순서도이다.
도 5는 상기 가스 투과 단계의 세부 순서도이다.
도 6은 상기 가스분석 방법의 제 2순서도이다.
도 7은 여러 가스의 HITRAN 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NO 가스에 대한 두 개의 상업용 BPF의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 9는 상기 NO 가스의 검량선을 나타낸 그래프이다.(NO 농도는 10, 50, 100, 200 ppm으로 다양 함).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 상기 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 3은 상기 투과유닛의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석 방법의 제 1순서도이다.
도 5는 상기 가스 투과 단계의 세부 순서도이다.
도 6은 상기 가스분석 방법의 제 2순서도이다.
도 7은 여러 가스의 HITRAN 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NO 가스에 대한 두 개의 상업용 BPF의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 9는 상기 NO 가스의 검량선을 나타낸 그래프이다.(NO 농도는 10, 50, 100, 200 ppm으로 다양 함).
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기를 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 상기 컨트롤러의 제어 블록도이며, 도 3은 상기 투과유닛의 구성 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석 방법의 제 1순서도이며, 도 5는 상기 가스 투과 단계의 세부 순서도이고, 도 6은 상기 가스분석 방법의 제 2순서도이며, 도 7은 여러 가스의 HITRAN 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NO 가스에 대한 두 개의 상업용 BPF의 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 9는 상기 NO 가스의 검량선을 나타낸 그래프이다(NO 농도는 10, 50, 100, 200 ppm으로 다양 함).
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기로서, 본 발명은 분석기본체(100), 발광부재(200), 투과유닛(300), 디텍터(400) 및 컨트롤러(500)를 포함할 수 있다.
히트란은 스펙트럼의 자외선 영역을 통해 마이크로 웨이브로부터 대기 중 분자 전달 및 복사를 계산하거나 시뮬레이션하기 위한 세계 표준이다. 현재의 버전은 가장 중요한 동위 원소와 함께 49 개의 분자 종을 포함하고 있다. 이러한 데이터는 고해상도 시뮬레이션에 필요한 많은 스펙트럼 매개 변수가 포함된 수많은 고해상도 라인 전환으로 저장된다.
분석기본체(100)는 측정 대상 가스가 수용되어 가스 측정을 위한 공간을 제공할 수 있다.
발광부재(200)는 분석기본체(100)의 내부에 설치되어 측정 대상 가스에 적외선을 조사할 수 있다.
투과유닛(300)은 분석기본체(100)의 일부분에 설치되어 특정 파장대의 가스를 투과시킬 수 있다. 투과유닛(300)은 적어도 하나의 구성으로 이루어지며 각각의 구성이 서로 직렬로 배치될 수 있다.
투과유닛(300)은 제 1필터(310)와 제 2필터(320)를 포함할 수 있다.
제 1필터(310)는 분석기본체(100)에 유입된 가스 중에서 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과시킬 수 있다.
제 2필터(320)는 제 1필터(310)와 대응하여 제 1필터(310)에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을 감쇠 없이 투과시킬 수 있다. 제 1, 제 2필터(310,320)는 서로를 붙이거나 분리하여 위치시킬 수 있다.
제 1, 제 2필터(310,320)는 특정 주파수 대역내의 신호만 감쇠 없이 통과 시키며, 나머지 주파수 신호는 감쇠시키는 밴드 패스 필터일 수 있다.
밴드 패스 필터(Band pass filter) 또는 대역 통과 필터는 대역의 주파수를 감쇠시키는 필터로, 특정 주파수 대역내의 신호만 감쇠 없이 통과 시키며, 나머지 주파수 신호는 감쇠시키는 필터이다.
구체적으로, 저역 통과 필터(LPF)와 고주파 필터(HPF)와의 합작이 밴드 패스 필터(Band pass filter) 라고 볼 수 있는데, 여기서, 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter)는 고주파 성분 또는 잡음을 제거하기 위해 디지털 영상 처리에서 사용되며, 부드러워진 영상의 결과로 나타난다. 저역 통과 필터는 보통 이동 평균 또는 중간치 접근에 기반 된다. 둘 중에서 중간치는 이동 평균 필터와 달리 유도된 영상이 원래의 영상 값을 구성하기 때문에 우위에 있는 것으로 고려된다.
고주파 필터(HPF, High Pass Filter)는 낮은 주파수 성분을 제거하거나 억제하기 위해 사용된다. 보통 고주파 필터는 동종 저주파 필터와 결합하여 사용된다. 예를 들면, 영상은 저주파 필터를 사용하여 부드럽게 하고, 고주파 필터는 영상을 예리하게 처리할 때 적용될 수 있다. 그럼으로써 경계의 세밀함을 보존한다.
제 1, 제 2필터(310,320)는 측정 대상 가스의 정밀한 측정을 위해 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성시킬 수 있다. 즉, 두 개의 밴드 패스 필터가 중복되는 무간섭 존은 시그널이 없어서 간섭이 적으므로 가스의 정밀한 분석이 가능하다.
투과유닛(300)은 제 1, 2필터(310,320)에 추가하여 제 3필터(330)를 더 포함할 수 있다. 투과유닛(300)은 제 3필터에 추가하여 제 4필터(340)를 더 포함할 수 있다.
디텍터(400)는 분석기본체(100)의 일부분에 설치되어 투과유닛(300)을 통과한 가스를 탐지할 수 있다.
컨트롤러(500)는 발광부재(200), 투과유닛(300) 및 디텍터(400)에 연결되어 발광부재(200), 투과유닛(300) 및 디텍터(400)의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명 가스분석기(10)는 수분제거장치(510), 무선통신모듈(520) 및 디스플레이(530)를 더 포함할 수 있다.
수분제거장치(510)는 컨트롤러(500)의 제어에 의해 분석기본체(100) 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소시킬 수 있다.
무선통신모듈(520)은 컨트롤러(500)에 연계되어 외부의 무선 단말기와 정보의 송수신이나 무선으로 제어가 가능하다. 즉, 컨트롤러(500)는 무선통신모듈(520)을 통해 외부의 스마트폰이나 태블릿 컴퓨터에 연결하고, 외부에서 발광부재(200), 투과유닛(300), 디텍터(400), 수분제거장치(510), 디스플레이(530) 등을 무선으로 작동하거나 제어할 수 있다. 무선통신모듈(520)은 와이파이 통신모듈, 블루트스 통신모듈 및 지그비 통신모듈 중에서 어느 하나로 연동시켜서 사용이 가능하다.
디스플레이(530)는 분석기본체(100)의 일부분에 설치되며 컨트롤러(500)의 제어에 의해 디텍터(400)가 탐지한 가스에 대한 정보를 출력할 수 있다.
도 4내지 도 6에 도시된 바와 같이, 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기를 이용하여 상기 측정 대상 가스를 분석하는 가스분석 방법으로, 본 발명은 측정 대상 가스 선정 단계(S100), 적외선 조사 단계(S200), 가스 투과 단계(S300) 및 오차범위 확인 단계(S400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
측정 대상 가스 선정 단계(S100)는 히터란 데이터를 기반하여 측정 대상 가스를 선정하는 단계이다.
적외선 조사 단계(S200)는 측정 대상 가스 선정 단계(S100)에서 선정된 측정 대상 가스에 가스분석기(10)에 구비된 발광부재(200)를 이용하여 적외선을 조사하는 단계이다.
가스 투과 단계(S300)는 적외선 조사단계(S200)를 거친 가스에 가스분석기(10)에 구비된 밴드 패스 필터인 투과유닛(300)을 이용하여 특정 파장대의 가스를 투과하는 단계이다.
가스 투과 단계(S300)는 적어도 하나의 상기 밴드 패스 필터들을 직렬로 배치할 수 있다.
가스 투과 단계(S300)는 제 1투과 단계(S310) 및 제 2투과 단계(S320)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제 1투과 단계(S310)는 가스분석기(10)에 유입된 가스 중에서 밴드 패스 필터를 이용하여 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과하는 단계이다.
제 2투과 단계(S320) 제 1투과 단계(S310)와 대응하여 제 1투과 단계(S310)에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을, 상기 밴드패스필터를 이용하여 감쇠 없이 투과하는 단계이다.
오차범위 확인 단계(S400)는 가스 투과 단계(S300)를 거친 가스의 농도 파장대역 오차범위를 확인하는 단계이다.
본 발명의 가스분석 방법은 무간섭 존 형성단계(S500)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
무간섭 존 형성단계(S500) 측정 대상 가스의 정밀한 측정을 위해 오차범위 확인 단계(S400)를 통해서 확인된 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성하는 단계이다.
또한, 가스분석기(10)는 수분제거장치(510)를 구비하여 가스분석기(10) 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소시킬 수 있다.
도 7내지 도 9에 상기 가스분석기와 이를 이용한 가스분석 방법을 통해서 NO 가스를 분석한 실시예들을 나타낸 그래프들과 표이다.
이하 상기 그래프와 표에 대한 설명이다.
가스 필터 상관 관계 분석(Gas filter correlation, GFC)은 NDIR 분석 기술에 대한 간섭 효과를 보완하기 위해 널리 사용되었다. GFC는 간섭 가스의 특정 범위에서 매우 우수한 기능을 나타낸다. 그러나, GFC의 단점은 가스누출이며, 또한, GFC를 만드는 것도 쉽지 않다.
Hitran 스펙트럼 (도 7)에서 특정 가스를 사용하면 방해 가스가 없는 일부 파장 범위를 찾을 수 있다. 여러 가스의 간섭하지 않는 파장을 아래 표 1에 나타내었다.
| Compound | Wavelength (mm) | Full band width (nm) |
| CO2 | 4.20 ?? 4.41 | 210 |
| NO2 | 6.44 ?? 6.45 | 10 |
| NO | 5.19 ?? 5.33 | 140 |
| CO | 4.46 ?? 4.54 | 80 |
표 1에 나타난 바와 같이, 비 간섭 파장의 전체 대역폭은 작다. 대조적으로 상업용 대역 통과 필터(BPF)는 일반적으로 100 ~ 200 nm의 반 대역 폭 (도 8, 9)과 수백 nm의 전체 대역폭을 가진다.(예 : 표 1은 5.1 mm에서 반 파장 대역에서 NO 대역 통과 필터를 보여준다. 밴드 폭 = 100㎚, 풀 밴드 폭 = 724㎚). 따라서, 상업용 BPF의 선택된 파장은 간섭이 적은 범위에 있지만, 광대역 때문에 상당한 간섭이 있다. 좁은 BPF를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 필터의 가격은 매우 비싸고 파장의 한계가 있다.
이 문제를 극복하기 위해 파장을 감쇠한 이중 BPF를 사용하여 대역폭을 줄이고, 감쇠된 파장으로 인해, 2 개의 BPF는 간섭 파장에 의해 새로운 좁은 BPF가 된다. 예를 들어, 5.1 (100nm) 및 5.3mm (180nm)에서 NO BPF가 사용되었다(도 9). 전체 대역폭은 290 nm, 반 파장 대역은 40 nm이다. 상이한 NO 농도와 적외선 흡수 사이의 관계를 도 9에 나타내었다. CO2, NO2 및 SO2의 영향을 표 2에 나타내었다. 이들 가스의 흡수율 값은 거의 1.0이었다. 이는 NO 가스 검출에 이들 가스의 유의한 영향이 없음을 의미한다. 습도의 측면에서, 이중 BPF는 상대 습도의 50 %까지 영향을 덜 나타냈다. 측정 대상 가스에 대한 보정 방정식은 함수 (1)로 표시된다.
y = f (C) (1)
y가 Io / I에 비례하는 경우, f (C)는 측정 대상 가스 농도의 2 차 방정식이고, Io는 제로 가스와 관련된 검출기 신호이며, I는 측정 대상 가스와 관련된 검출기 신호이다.
| NO2 (ppm) | ||||
| N2 | 10 | 100 | 200 | |
| 4.14 | 4.33 | 4.23 | 4.32 | |
| 4.31 | 4.23 | 4.29 | 4.19 | |
| 4.23 | 4.20 | 4.26 | 4.19 | |
| Mean (V) | 4.23 | 4.25 | 4.26 | 4.23 |
| SD | 0.09 | 0.07 | 0.03 | 0.08 |
| RSD(%) | 2.01 | 1.60 | 0.70 | 1.77 |
| Absorption ratio | 0.99373 | 0.992175 | 0.998425 | |
| CO2 (%) | ||||
| N2 | 1 | 10 | 20 | |
| 3.82 | 3.74 | 3.71 | 3.88 | |
| 3.80 | 3.88 | 3.89 | 3.83 | |
| 3.85 | 3.86 | 3.91 | 3.79 | |
| Mean (V) | 3.82 | 3.83 | 3.84 | 3.83 |
| SD | 0.03 | 0.08 | 0.11 | 0.05 |
| RSD(%) | 0.66 | 1.98 | 2.87 | 1.18 |
| Absorption ratio | 0.999129 | 0.996525 | 0.997391 | |
| Humidity (RH% at 24ㅀC) | ||||
| N2 | 20 | 50 | ||
| 4.14 | 4.05 | 4.00 | ||
| 3.92 | 3.99 | 3.97 | ||
| 4.15 | 4.16 | 4.18 | ||
| Mean (V) | 4.07 | 4.07 | 4.05 | |
| SD | 0.13 | 0.09 | 0.11 | |
| RSD(%) | 3.19 | 2.12 | 2.80 | |
| Absorption ratio | 1.00082 | 1.004938 | ||
| SO2 | ||||
| N2 | SO2_1% | |||
| 4.14 | 4.24 | |||
| 4.31 | 4.25 | |||
| 4.23 | 4.19 | |||
| Mean (V) | 4.23 | 4.23 | ||
| SD | 0.09 | 0.03 | ||
| RSD(%) | 2.01 | 0.76 | ||
| Absorption ratio | 1.00 | |||
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 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. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : 가스분석기
100 : 분석기본체
200 : 발광부재
300 : 투과유닛
310 : 제 1필터
320 : 제 2필터
330 : 제 3필터
340 : 제 4필터
400 : 디텍터
500 : 컨트롤러
510 : 수분제거장치
520 : 무선통신모듈
530 : 디스플레이
100 : 분석기본체
200 : 발광부재
300 : 투과유닛
310 : 제 1필터
320 : 제 2필터
330 : 제 3필터
340 : 제 4필터
400 : 디텍터
500 : 컨트롤러
510 : 수분제거장치
520 : 무선통신모듈
530 : 디스플레이
Claims (13)
- 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기로서,
상기 측정 대상 가스가 수용되어 가스 측정을 위한 공간을 제공하는 분석기본체;
상기 분석기본체의 내부에 설치되어 상기 측정 대상 가스에 적외선을 조사하는 발광부재;
상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 특정 파장대의 가스를 투과시키는 투과유닛;
상기 분석기본체의 일부분에 설치되어 상기 투과유닛을 통과한 가스를 탐지하는 디텍터; 및
상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터에 연결되어 상기 발광부재, 상기 투과유닛 및 상기 디텍터의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
상기 투과유닛은,
적어도 하나의 구성으로 이루어지며 각각의 구성이 서로 직렬로 배치되며,
상기 투과유닛은,
상기 분석기본체에 유입된 가스 중에서 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과시키는 제 1필터; 및
상기 제 1필터와 대응하여 상기 제 1필터에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을 감쇠 없이 투과시키는 제 2필터;를 포함하고,
상기 제 1, 제 2필터는,
서로를 붙이거나 분리하여 위치시키고, 특정 주파수 대역내의 신호만 감쇠 없이 통과 시키며, 나머지 주파수 신호는 감쇠시키는 밴드 패스 필터;이고,
측정 대상 가스의 정밀한 측정 및 광대역에 의한 간섭 오차를 보상하기 위해 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성시키며,
상기 가스분석기는,
상기 컨트롤러의 제어에 의해 상기 분석기본체 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소시키는 수분제거장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 투과유닛은,
상기 제 1, 2필터에 추가하여 제 3필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 투과유닛은,
상기 제 3필터에 추가하여 제 4필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석기.
- 삭제
- 히트란 데이터를 기반으로 측정 대상 가스의 농도를 분석하는 가스분석기를 이용하여 상기 측정 대상 가스를 분석하는 가스분석 방법으로,
상기 히트란 데이터를 기반하여 상기 측정 대상 가스를 선정하는 측정 대상 가스 선정 단계;
상기 측정 대상 가스 선정 단계에서 선정된 상기 측정 대상 가스에 상기 가스분석기에 구비된 발광부재를 이용하여 적외선을 조사하는 적외선 조사단계;
상기 적외선 조사단계를 거친 가스에 상기 가스분석기에 구비된 밴드 패스 필터인 투과유닛을 이용하여 특정 파장대의 가스를 투과하는 가스 투과 단계: 및
상기 가스 투과 단계를 거친 가스의 농도 파장대역 오차범위를 확인하는 오차범위 확인 단계;를 포함하고,
상기 가스 투과 단계는,
적어도 하나의 상기 밴드 패스 필터들을 직렬로 배치하며,
상기 가스분석기에 유입된 가스 중에서 상기 밴드패스필터를 이용하여 기 설정된 영역대의 파장을 가진 가스를 감쇠 없이 투과하는 제 1투과 단계; 및
상기 제 1투과 단계와 대응하여 상기 제 1투과 단계에 투과된 가스의 기 설정된 영역대 이외의 특정 영역대의 파장을, 상기 밴드패스필터를 이용하여 감쇠 없이 투과하는 제 2투과 단계;를 포함하고,
상기 가스분석 방법은,
상기 측정 대상 가스의 정밀한 측정 및 광대역에 의한 간섭 오차를 보상하기 위해 상기 오차범위 확인 단계를 통해서 확인된 각각의 오차범위가 겹쳐지도록 교차시켜서 무간섭 존을 형성하는 무간섭 존 형성단계;를 더 포함하여 이루어지며,
상기 가스분석기는,
수분제거장치를 구비하여 상기 가스분석기 내부의 수분을 증발시켜서 상대습도를 감소하는 것을 특징으로 하는 히트란 데이터와 멀티 필터를 이용한 가스분석 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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