KR102056358B1 - optical type hydrogen sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학형 수소센서에 관한 것으로서, 광을 출사하는 광원과, 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)를 포함하여 판형으로 형성된 반응패널과, 광원에서 출사되어 입력단을 통해 입력된 광을 제1출력단을 통해 출력하고, 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 검출단을 통해 출력하는 광서큘레이터와, 제1출력단에서 출력되는 광을 반응패널로 입사시키고, 반응패널에서 역으로 진행되는 광을 수신하되 반응패널과 이격되게 배치된 제1센싱광섬유와, 반응패널을 투과하는 광을 수신하는 제2센싱광섬유와, 검출단을 통해 수신된 광을 검출하는 제1광검출부와, 제2센싱광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제2광검출부와, 제1광검출부에서 수신된 제1신호와 제2광검출부에서 수신된 제2신호를 이용하여 반응패널이 노출된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 광학형 수소센서에 의하면, 수소농도 변화에 대한 검출 반응속도와 측정감도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to an optical hydrogen sensor, comprising a light source for emitting light, a reaction panel formed in a plate shape including palladium (Pd) or tungsten oxide (WO 3 ), and light emitted from the light source and input through an input terminal. The optical circulator outputs through the first output terminal, and outputs the light traveling backward from the first output terminal through the detection stage, and the light output from the first output terminal is incident to the reaction panel, and is reversed from the reaction panel A first sensing optical fiber receiving light but spaced apart from the reaction panel, a second sensing optical fiber receiving light passing through the reaction panel, a first light detecting unit detecting the light received through the detection stage, and a second The hydrogen concentration of the environment in which the reaction panel is exposed is exposed by using the second light detector detecting the light received through the sensing optical fiber, the first signal received by the first light detector, and the second signal received by the second light detector. Calculating output A part is provided. According to the optical hydrogen sensor, it provides an advantage to increase both the detection reaction rate and the measurement sensitivity to the hydrogen concentration change.
Description
본 발명은 광학형 수소센서에 관한 것으로서, 수소농도 변화에 대한 검출 반응속도와 측정감도를 높일 수 있도록 된 광학형 수소센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical type hydrogen sensor, and more particularly, to an optical type hydrogen sensor capable of increasing a detection reaction rate and a measurement sensitivity to a change in hydrogen concentration.
최근 환경오염과 화석에너지의 고갈에 따라 수소를 대체에너지로 이용할 수 있는 연구가 자동차, 로켓 등 다양한 분야에서 다양하게 이루어지고 있다. 대체 에너지로 이용하기 위해 연구 중인 수소는 누출시 대기 중에 존재하는 산소와 착화에 의해 폭발할 수 있는 위험성을 안고 있어 안전성을 충분히 확보할 수 있는 기술의 확보가 무엇보다 필요하다.Recently, due to environmental pollution and depletion of fossil energy, researches that can use hydrogen as an alternative energy have been conducted in various fields such as automobiles and rockets. Hydrogen, which is being researched to use as alternative energy, has the danger of explosion by oxygen and ignition in the air when it leaks, so it is necessary to secure technology that can secure enough safety.
수소가스의 누출을 검출하기 위한 수소 센서는 전기 화학적 방법이 알려져 있다. 그런데, 화학적 방법에 의해 수소의 농도를 검출하는 방식은 구조가 너무 복잡한 단점이 있고, 전기적으로 수소의 농도를 검출하는 방식은 누설 전류에 의해 폭발을 야기할 수 있는 안전성의 문제점이 있다.Hydrogen sensors for detecting leakage of hydrogen gas are known electrochemical methods. However, the method of detecting the concentration of hydrogen by a chemical method has a disadvantage that the structure is too complicated, and the method of detecting the concentration of hydrogen electrically has a problem of safety that may cause an explosion due to leakage current.
이에 반해 광신호를 이용한 수소센서는 광신호를 이용하기 때문에, 안전하고 원거리 감지가 가능하여 그 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, since hydrogen sensors using optical signals use optical signals, safety and long distance sensing are possible, and research is being actively conducted.
종래의 광신호를 이용한 수소센서는 수소와 선택적으로 반응하는 팔라듐(Pd)을 광섬유의 종단에 코팅하고, 반사 광신호의 파워 변화를 측정하여 수소의 유무를 판단하도록 되어 있다.A conventional hydrogen sensor using an optical signal is coated with palladium (Pd), which selectively reacts with hydrogen, at the end of the optical fiber and measures the power change of the reflected optical signal to determine the presence of hydrogen.
그런데, 광섬유 코어 종단에 팔라듐을 코팅하는 방식은 반사되는 광신호를 이용하기 때문에 수소와의 반응에 의한 광감쇠율이 매우 적어 수소의 유무를 판단하는 감지 감도 및 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.However, since the method of coating the palladium on the optical fiber core terminal uses a reflected optical signal, the light attenuation rate due to the reaction with hydrogen is very small, and thus there is a problem in that the sensitivity and accuracy of determining the presence of hydrogen are inferior.
또한, 수소의 농도 변화에 따라 수소가 팔라듐 내로 침투하여 광섬유 종단까지 도달하여야만 반사광의 광감쇠가 이루어지기 때문에 농도 변화에 대응한 검출 반응 속도가 떨어지는 단점이 있다.In addition, since the light attenuation of the reflected light only occurs when hydrogen penetrates into the palladium and reaches the end of the optical fiber according to the change in the concentration of hydrogen, the detection reaction rate corresponding to the change in concentration decreases.
한편, 광도파로의 코어층에 수소와 반응할 수 있는 물질로 피막하여 수소를 감지하는 구조가 국내 공개특허 제10-2011-0075678호에 게시되어 있으나, 광도파로가 지그재그 형태로 배치되어야 하기 때문에 구조가 복잡해지고, 노출된 코어에 반응층이 형성된 구조로 되어 있어 앞서 설명된 바와 같이 수소 농도변화에 대한 검출 반응 속도는 여전해 개선되지 않는 단점이 있다.On the other hand, a structure for sensing hydrogen by coating with a material capable of reacting with hydrogen in the core layer of the optical waveguide has been posted in Korea Patent Publication No. 10-2011-0075678, but because the optical waveguide should be arranged in a zigzag form Is complicated, and has a structure in which a reaction layer is formed on the exposed core, so that the detection reaction rate for the hydrogen concentration change is still not improved.
또한, 수소 측정 정밀도를 높이기 위해서는 광원의 파워 변동을 감지하여 이를 수소농도 측정시 보상할 수 있는 구조가 요구된다.In addition, in order to increase the hydrogen measurement accuracy, a structure for detecting power fluctuations of the light source and compensating for the hydrogen concentration measurement is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 수소농도 변화에 대한 검출 반응속도와 측정감도를 모두 높일 수 있도록 된 광학형 수소센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and an object thereof is to provide an optical hydrogen sensor capable of increasing both a detection reaction rate and a measurement sensitivity to a change in hydrogen concentration.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광학형 수소센서는 광을 출사하는 광원과; 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)를 포함하여 판형으로 형성된 반응패널과; 상기 광원에서 출사되어 입력단을 통해 입력된 광을 제1출력단을 통해 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 검출단을 통해 출력하는 광서큘레이터와; 상기 제1출력단에서 출력되는 광을 상기 반응패널로 입사시키고, 상기 반응패널에서 역으로 진행되는 광을 수신하되 상기 반응패널과 이격되게 배치된 제1센싱광섬유와; 상기 반응패널을 투과하는 광을 수신하는 제2센싱광섬유와; 상기 검출단을 통해 수신된 광을 검출하는 제1광검출부와; 상기 제2센싱광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제2광검출부와; 상기 제1광검출부에서 수신된 제1신호와 상기 제2광검출부에서 수신된 제2신호를 이용하여 상기 반응패널이 노출된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부;를 구비한다.In order to achieve the above object, the optical hydrogen sensor according to the present invention comprises a light source for emitting light; A reaction panel formed in a plate shape including palladium (Pd) or tungsten oxide (WO 3 ); An optical circulator for outputting light emitted from the light source and input through an input terminal through a first output terminal and outputting light traveling backward from the first output terminal through a detection terminal; A first sensing optical fiber arranged to receive light output from the first output terminal into the reaction panel and to receive light traveling backward from the reaction panel, while being spaced apart from the reaction panel; A second sensing optical fiber for receiving light passing through the reaction panel; A first light detector for detecting light received through the detector; A second light detector for detecting light received through the second sensing optical fiber; And a calculation unit configured to calculate a hydrogen concentration of an environment in which the reaction panel is exposed by using the first signal received by the first photodetector and the second signal received by the second photodetector.
바람직하게는 중앙에 상기 반응패널을 수직상으로 지지할 수 있게 형성된 베이스부분과 상기 반응패널을 중심으로 양측에서 상기 반응패널과 각각 대향되게 상기 베이스부분으로부터 상방으로 연장되게 배치되며 상기 제1센싱광섬유와 상기 제2센싱광섬유가 수용되어 지지되는 제1 및 제2관통공이 형성된 제1 및 제2 수직부분을 갖는 하우징;을 더 구비한다.Preferably, the first sensing optical fiber is disposed to extend upwardly from the base portion so as to face the reaction panel on both sides of the base portion and the reaction panel which are formed to support the reaction panel vertically in the center, respectively. And a housing having first and second vertical portions having first and second through-holes in which the second sensing optical fiber is accommodated and supported.
또한, 상기 반응패널은 유리 또는 석영 소재로 형성된 기판과; 상기 기판 위에 니켈 또는 크롬 소재로 1 내지 5nm두께로 형성된 버퍼층과; 상기 버퍼층 위에 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)으로 20 내지 30nm두께로 형성된 반응층;을 구비한다.In addition, the reaction panel is a substrate formed of a glass or quartz material; A buffer layer formed of nickel or chromium on the substrate with a thickness of 1 to 5 nm; And a reaction layer formed of palladium (Pd) or tungsten oxide (WO 3 ) on a thickness of 20 to 30 nm on the buffer layer.
더욱 바람직하게는 상기 산출부는 상기 제1광검출부에서 수신된 제1신호와 상기 제2광검출부에서 수신된 제2신호에 대해 제1신호에서 제2신호를 차감한 제1차감값을 제1신호와 제2신호를 합한 제1합산값으로 나누는 연산과정을 통해 통해 산출된 제1값(S)을 이용하여 룩업테이블에 기록된 수소 농도정보와 비교하여 수소농도를 산출한다.More preferably, the calculator is configured to subtract the first signal received by the first photodetector from the first signal and the second signal received by the second photodetector to subtract the second signal from the first signal. The hydrogen concentration is calculated by comparing the hydrogen concentration information recorded in the lookup table using the first value S calculated through the operation of dividing the second signal into the first sum value.
본 발명에 따른 광학형 수소센서에 의하면, 수소농도 변화에 대한 검출 반응속도와 측정감도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the optical hydrogen sensor according to the present invention, it provides an advantage to increase both the detection reaction rate and the measurement sensitivity to the hydrogen concentration change.
도 1은 본 발명에 따른 광학형 수소센서를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing an optical hydrogen sensor according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학형 수소센서를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, an optical hydrogen sensor according to a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in more detail.
도 1은 본 발명에 따른 광학형 수소센서를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing an optical hydrogen sensor according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광학형 수소센서(100)는 광원(110), 광서큘레이터(120), 하우징(130), 제1센싱광섬유(135), 제2센싱광섬유(136), 반응패널(140), 제1광검출부(151), 제2광검출부(152), 산출부(170)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the
광원(110)은 광을 출사한다.The
광서큘레이터(120)는 광원(110)에서 출사되어 입력단(120a)을 통해 입력된 광을 제1출력단(120b)을 통해 출력하고, 제1출력단(120b)에서 역으로 진행되는 광을 검출단(120c)을 통해 출력한다.The
제1센싱광섬유(135)는 제1출력단(120b)에서 출력되는 광을 반응패널(140)로 입사시키고, 반응패널(140)에서 역으로 진행되는 광을 수신하여 제1출력단(120b)로 제공한다.The first sensing
제1센싱광섬유(135)는 수소농도를 검출하고자 하는 환경에 노출된 반응패널(140)에 대해 이격되게 배치된다.The first sensing
제1센싱광섬유(135)는 종단에 결합된 광커넥터(135a)를 통해 후술되는 하우징(130)에 지지되어 반응패널(140)과 이격되게 대향배치되어 있다.The first sensing
제2센싱광섬유(136)은 반응패널(140)을 투과하는 광을 수신한다.The second sensing
제2센싱광섬유(136)도 일단에 결합된 광커넥터(136a)를 통해 후술되는 하우징(130)에 지지되어 반응패널(140)을 투과한 광을 수신하도록 되어 있다.The second sensing
하우징(130)은 반응패널(140)과 제1 및 제2센싱 광섬유(135)(136)을 각각 대향되게 지지할 수 있게 형성되어 있다.The
하우징(130)을 구부하면, 중앙에 반응패널(140)을 수직상으로 지지할 수 있게 형성된 베이스부분(131)과, 반응패널(140)을 중심으로 양측에서 반응패널(140)과 각각 대향되게 베이스부분(131)으로부터 상방으로 연장되게 배치된 제1 및 제2수직부분(132)(133)을 갖는 구조로 되어 있다.When the
제1수직부분(132)와 제2수직부분(133)에는 제1센싱광섬유(135)와 제2센싱광섬유(136)가 수용되어 지지되는 제1 및 제2관통공(132a)(133a)이 형성되어 있다.First and second through-
도시된 예에서는 제1센싱광섬유(135)의 종단에 마련된 광커넥터(135a)가 제1관통공(132a)을 통해 삽입되어 지지되게 설치되어 있고, 제2센싱광섬유(136)의 일단에 마련된 광커넥터(136a)가 제2관통공(133a)을 통해 삽입되어 지지되게 설치된 구조가 예시되어 있다.In the illustrated example, the
도시된 예와 다르게 광커넥터(135a)(136a)는 생략되고 제1센싱광섬유(135)와 제2센싱광섬유(136)가 제1 및 제2관통공(132a)(133a)에 삽입되어 지지되게 설치될 수 있음은 물론이다.Unlike the illustrated example, the
반응패널(140)은 수소에 반응하는 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)을 포함하여 판형으로 형성되어 있다.The
바람직하게는 반응패널(140)은 투명소재로 된 기판(141)과, 기판(141) 위에 니켈 또는 크롬 소재로 1 내지 5nm두께로 형성된 버퍼층(142)과, 버퍼층(142) 위에 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)으로 20 내지 30nm 두께로 형성된 반응층(143)로 형성된다.Preferably, the
여기서, 기판(141)은 유리 또는 석영 소재로 형성된 것을 적용하고 두께는 적절하게 적용하면 되고, 일 예로서, 0.1 내지 2mm의 두께로 형성된 것을 적용한다.Herein, the
버퍼층(142)은 반응층(143)의 증착을 용이하게 하기 위해 적용된 것이다.The
반응층(143)의 두께가 20nm 미만으로 얇거나 30nm를 초과하여 두꺼워지면 수소 농도 변화에 대한 반사광과 투과광의 변화율이 급격해지기 때문에 20 내지 30nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.When the thickness of the
반응층(143)은 제1센싱광섬유(135)와 대향되어 이격되게 배치된다.The
이 경우 반응층(143)와 제1센싱광섬유(135) 사이에 노출되는 공간에서의 수소농도가 변화되면 반응층(143)의 표면에서 반사되는 광의 감쇠가 바로 이루지기 때문에 농도 변화에 대한 측정 반응 속도가 향상된다.In this case, when the hydrogen concentration in the space exposed between the
제1광검출부(151)는 광서큘레이터(120)의 검출단(120c)을 통해 수신된 광을 검출하고, 검출된 광의 광량에 대응되는 전기적 신호인 제1신호를 산출부(170)에 제공한다.The first light detector 151 detects the light received through the
제1광검출부(151)에서 출력되는 제1신호는 수소농도가 증가할수록 감쇠되는 특성을 갖는다.The first signal output from the first photodetector 151 is attenuated as the hydrogen concentration increases.
제2광검출부(152)는 제2센싱광섬유(136)를 통해 수신된 광을 검출하고, 검출된 광의 광량에 대응되는 전기적 신호인 제2신호를 산출부(170)에 제공한다.The
제2광검출부(151)에서 출력되는 제2신호는 수소농도가 증가할수록 증가하는 특성을 갖는다.The second signal output from the second photodetector 151 has a characteristic of increasing as the hydrogen concentration increases.
산출부(170)는 제1광검출부(151)에서 수신된 제1신호와 제2광검출부(152)에서 수신된 제2신호를 이용하여 반응패널(140)이 노출된 환경의 수소농도를 산출한다.The
산출부(170)는 제1광검출부(151)에서 수신된 제1신호와 제2광검출부(152)에서 수신된 제2신호에 대해 제1신호에서 제2신호를 차감한 제1차감값을 제1신호와 제2신호를 합한 제1합산값으로 나누는 아래의 산출식을 통해 산출된 제1값(S)을 이용하여 룩업테이블(LUT)(172)에 기록된 수소 농도정보와 비교하여 수소농도를 산출하고, 산출된 수소농도를 표시부(182)에 표시한다.The
<산출식><Calculation Ceremony>
S=(Sr - ST)/(Sr + ST)S = (Sr-S T ) / (Sr + S T )
여기서, Sr은 반응패널(140)에서 반사된 광에 대응하는 제1신호이고, ST는 반응패널(140)을 거쳐 투과된 광에 대응하는 제2신호이며, 연산기호 "/" 는 나눗셈기호이다.Here, Sr is a first signal corresponding to the light reflected from the
룩업테이블(172)에는 제1값에 대응되는 수소농도가 실험에 의해 미리 산출되어 기록되어 있다.In the lookup table 172, the hydrogen concentration corresponding to the first value is calculated and recorded in advance by experiment.
이러한 산출부(170)의 제1값을 이용하여 산출하는 방식은 광원(110)의 시간경과에 따른 광파워 변동에 관계 없이 수소농도를 정밀하게 측정할 수 있다.The method of calculating using the first value of the
조작부(181)는 산출부(170)에서 수소농도를 측정하도록 하는 모드의 설정 등 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있다.The
이상에서 설명된 광학형 수소센서(100)에 의하면, 수소농도 변화에 대한 검출 반응속도와 측정감도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.According to the
110: 광원 120: 광서큘레이터
130: 하우징 135: 제1센싱광섬유
136: 제2센싱광섬유 140: 반응패널
151: 제1광검출부 152: 제2광검출부
170: 산출부110: light source 120: optical circulator
130: housing 135: first sensing optical fiber
136: second sensing optical fiber 140: reaction panel
151: first light detector 152: second light detector
170: output unit
Claims (4)
팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)를 포함하여 판형으로 형성된 반응패널과;
상기 광원에서 출사되어 입력단을 통해 입력된 광을 제1출력단을 통해 출력하고, 상기 제1출력단에서 역으로 진행되는 광을 검출단을 통해 출력하는 광서큘레이터와;
상기 제1출력단에서 출력되는 광을 상기 반응패널로 입사시키고, 상기 반응패널에서 역으로 진행되는 광을 수신하되 상기 반응패널과 이격되게 배치된 제1센싱광섬유와;
상기 반응패널을 투과하는 광을 수신하는 제2센싱광섬유와;
상기 검출단을 통해 수신된 광을 검출하는 제1광검출부와;
상기 제2센싱광섬유를 통해 수신된 광을 검출하는 제2광검출부와;
상기 제1광검출부에서 수신된 제1신호와 상기 제2광검출부에서 수신된 제2신호를 이용하여 상기 반응패널이 노출된 환경의 수소농도를 산출하는 산출부와;
중앙에 상기 반응패널을 수직상으로 지지할 수 있게 형성된 베이스부분과 상기 반응패널을 중심으로 양측에서 상기 반응패널과 각각 대향되게 상기 베이스부분으로부터 상방으로 연장되게 배치되며 상기 제1센싱광섬유와 상기 제2센싱광섬유가 수용되어 지지되는 제1 및 제2관통공이 형성된 제1 및 제2 수직부분을 갖는 하우징;을 구비하고,
상기 반응패널은 유리 또는 석영 소재로 형성된 기판과;
상기 기판 위에 니켈 또는 크롬 소재로 1 내지 5nm두께로 형성된 버퍼층과;
상기 버퍼층 위에 팔라듐(Pd) 또는 산화텅스텐(WO3)으로 20 내지 30nm두께로 형성된 반응층;을 구비하며,
상기 산출부는
상기 제1광검출부에서 수신된 제1신호와 상기 제2광검출부에서 수신된 제2신호에 대해 제1신호에서 제2신호를 차감한 제1차감값을 제1신호와 제2신호를 합한 제1합산값으로 나누는 아래의 산출식을 통해 산출된 제1값(S)을 이용하여 룩업테이블에 기록된 수소 농도정보와 비교하여 수소농도를 산출하고,
S=(Sr - ST)/(Sr + ST)
상기 Sr은 제1신호이고, 상기 ST는 제2신호인 것을 특징으로 하는 광학형 수소센서.
A light source for emitting light;
A reaction panel formed in a plate shape including palladium (Pd) or tungsten oxide (WO 3 );
An optical circulator for outputting light emitted from the light source and input through an input terminal through a first output terminal and outputting light traveling backward from the first output terminal through a detection terminal;
A first sensing optical fiber arranged to receive light output from the first output terminal into the reaction panel and to receive light traveling backward from the reaction panel, while being spaced apart from the reaction panel;
A second sensing optical fiber for receiving light passing through the reaction panel;
A first light detector for detecting light received through the detector;
A second light detector for detecting light received through the second sensing optical fiber;
A calculator configured to calculate a hydrogen concentration of an environment in which the reaction panel is exposed by using the first signal received by the first photodetector and the second signal received by the second photodetector;
A base portion formed to support the reaction panel vertically in the center and extending upwardly from the base portion opposite to the reaction panel on both sides of the reaction panel, respectively, the first sensing optical fiber and the first And a housing having first and second vertical portions formed with first and second through holes for receiving and supporting the two sensing optical fibers.
The reaction panel includes a substrate formed of glass or quartz material;
A buffer layer formed of nickel or chromium on the substrate with a thickness of 1 to 5 nm;
And a reaction layer formed of palladium (Pd) or tungsten oxide (WO 3 ) on a thickness of 20 to 30 nm on the buffer layer.
The calculation unit
A first subtraction value obtained by subtracting the second signal from the first signal with respect to the first signal received by the first light detector and the second signal received by the second light detector; The hydrogen concentration is calculated by comparing the hydrogen concentration information recorded in the lookup table using the first value S calculated by the following formula divided by one sum value,
S = (Sr-S T ) / (Sr + S T )
Wherein Sr is a first signal and S T is a second signal.
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