KR102196822B1 - 가스 농도 계측 장치 - Google Patents
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Abstract
본원 발명에 따른 가스 농도 계측 장치(1)는 통형의 계측 관로(2)를 사이에 두고 발광부(3) 및 수광부(4)가 대향해서 배치되고, 발광부(3)로부터의 조사광이 계측 관로(2)내를 투과해서 수광부(4)에서 수광됨으로써, 계측 관로(2)내를 통과하는 계측 대상 가스의 농도를 측정한다. 발광부(3) 및 수광부(4)에 있어서의 광학계에 퍼지 가스를 도입시키는 퍼지 가스 가이드관(11,13)이 계측 관로(2)의 측벽에 연결된다. 계측 관로(2)는 가스 공급구로부터 하류측을 향해서 넓어지는 테이퍼상의 가스 입구부(21)를 갖고 있다.
Description
본원 발명은 관로내를 흐르는 가스 중에 있어서의 성분농도를 계측하기 위한 가스 농도 계측 장치에 관한 것으로, 특히, 광조사에 의한 가스 농도 계측 장치에 관한 것이다.
종래부터, 내연 기관이나 소각로 등의 연소 기관으로부터의 배기 가스나, 가스엔진이나 연료전지 등의 가스 기관으로의 연료 가스에 있어서의 각종 가스 성분을 측정하기 위해서, 빛을 이용하는 가스 농도 계측 장치가 채용되고 있다. 그리고, 광조사에 의한 가스 농도 계측 장치에 의한 측정 방식으로서, 간섭시킨 적외광의 강도분포를 이용한 푸리에 변환 적외 분광 방식(FTIR:Fourier transform infrared spectrometer)이나, 조사한 레이저광의 광흡수를 이용한 파장 가변 반도체 레이저광 흡수 분광법(TDLAS:(tunable diode laserabsorption spectroscopy) 등이 알려져 있다.
TDLAS법을 사용한 가스 농도 계측 장치는, 계측 대상 가스의 흡수 스펙트럼에 일치한 파장의 레이저광을 조사하고, 투과후의 레이저광의 쇠퇴량을 측정함으로써, 계측 대상 가스의 농도를 계측한다(특허문헌 1 참조). TDLAS법에 의한 가스 농도 계측 장치는 측정용 광학계에 대해서 계장 공기나 질소 가스 등의 퍼지 가스를 분사함으로써 광학계의 오염이나 결로를 막고 있다.
TDLAS법에서는, Lambert-Beer의 법칙에 의거한, 이하의 (1)식에 의거하여, 계측 대상 가스의 가스 농도를 측정한다. 즉, TDLAS법에 의한 가스 농도의 측정에 있어서는, 측정 대상을 투과하는 레이저광의 광로길이(투과 광로길이)를 파라미터로서 포함한다. 가스 농도를 정밀도 좋게 분석하기 위해서는, 샘플 가스(영역)내를 투과하는 레이저광의 광로길이가 변동하지 않는 것이 바람직하다. 그 때문에, 계측 대상 가스가 흐르는 측정폭을 일정하게 할 필요가 있다.
I1=I0×exp(-ε×N×L)… (1)
(I0:투과전의 레이저광 강도, I1:투과전의 레이저광 강도, ε:몰흡광계수, N:측정 대상의 몰농도, L:투과 광로길이)
그러나, 종래에서는 계측 대상 가스가 흐르는 관로(측정셀)를 사이에 두도록 해서 가스 농도 계측 장치의 수발광부 각각을 설치한 경우, 관로를 흐르는 샘플 가스가 가스 농도 계측 장치측에 침입한다. 가스 농도 계측 장치의 수발광부의 광학계가 오손되지 않도록, 퍼지 가스를 도입하는 가이드관을 설치하고, 퍼지 가스를 흐르게 해서 샘플 가스의 침입을 막고 있지만, 퍼지 가스 유량이 적절하지 않는 경우에는, 상술한 측정폭(투과 광로길이(L))이 불안정한 값이 되어 측정값의 신뢰성이 낮아진다.
본원 발명은, 상기와 같은 현상황을 검토해서 개선을 실시한 가스 농도 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본원 발명의 가스 농도 계측 장치는, 통형의 계측 관로를 사이에 두고 발광부 및 수광부가 대향해서 배치되고, 상기 발광부로부터의 조사광이 상기 계측 관로내를 투과해서 상기 수광부에서 수광됨으로써, 상기 계측 관로내를 통과하는 계측 대상 가스의 농도를 측정하는 가스 농도 계측 장치로서, 상기 발광부 및 상기 수광부에 있어서의 광학계에 퍼지 가스를 도입시키는 퍼지 가스 가이드관이 상기 계측 관로의 측벽에 연결되고, 서로 대향하는 위치에서 계측 대상 가스의 흐름 방향에 직교시켜서 배치되어 있고, 상기 계측 관로가 가스 공급구로부터 계측 대상 가스 흐름 방향 하류측을 향해서 넓어지는 테이퍼상의 가스 입구부를 갖고 있다는 것이다.
상기 가스 농도 계측 장치에 있어서, 상기 계측 관로는, 상기 계측부의 하류측에 형성한 가스 출구부를, 계측 대상 가스 흐름 방향 하류측 단부의 가스 배출구를 향해서 좁아지는 테이퍼상으로 하고 있는 것으로 해도 좋다.
또한, 상기 가스 농도 계측 장치에 있어서, 상기 배기 유출구가 메인 경로측에 형성되어 있는 것으로 해도 좋고, 상기 배기 유출구가 바이패스 경로측에 형성되어 있는 것으로 해도 좋다.
또한, 상기 가스 농도 계측 장치에 있어서, 상기 퍼지 가스 가이드관에 공급되는 퍼지 가스의 유량은 단경부분이 되는 가스 유입구의 단면적에 대한 장경부분이 되는 상기 계측부의 단면적의 비율과 상기 계측 관로에 유입되는 가스 유속에 의거하여 산출되는 것으로 해도 좋다.
또한, 상기 가스 농도 계측 장치에 있어서, 상기 계측 관로에 유입되는 가스의 유속변화를 검출하고, 이 유속변화에 따른 퍼지 가스 유량으로 조정하는 것으로 해도 좋다.
(발명의 효과)
본원 발명에 의하면, 계측 관로내에 있어서, 퍼지 가스 가이드관과 계측 관로의 연결부로의 샘플 가스의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 계측 관로 중의 샘플 가스에 레이저광을 조사했을 때의 광로길이를 일정하게 유지하여 가스 농도의 계측값의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 퍼지 가스 가이드관으로의 퍼지 가스의 공급 유량을 억제할 수 있다. 따라서, 퍼지 가스 공급용의 각 장치를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 퍼지 가스 공급을 위한 전력, 연료 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본원 발명에 의하면, 계측 관로에 있어서의 단경부분의 단면적에 대한 장경부분의 단면적의 비율이 클수록 퍼지 가스 가이드관으로의 샘플 가스의 침입을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 퍼지 가스 유량을 용이하게 산출할 수 있어 샘플 가스의 유속에 따라서 필요한 퍼지 가스 유량을 설정할 수 있다.
도 1은 계측 관로를 포함하는 가스 농도 계측 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 가스 농도 계측 장치의 시스템 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 가스 농도 계측 장치의 단면도이다.
도 4는 계측 관로의 확대 단면도이다.
도 2는 가스 농도 계측 장치의 시스템 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 가스 농도 계측 장치의 단면도이다.
도 4는 계측 관로의 확대 단면도이다.
이하에, 본원 발명에 있어서의 가스 농도 계측 장치에 대해서, 도면을 참조해서 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 있어서의 가스 농도 계측 장치의 구성을 나타내는 개략 사시도이며, 도 2는, 본 실시형태에 있어서의 가스 농도 계측 장치의 시스템 구성을 나타내는 개략도이며, 도 3은, 본 실시형태에 있어서의 가스 농도 계측 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 가스 농도 계측 장치(1)는 계측 대상 가스를 포함하는 샘플 가스가 흐르는 계측 관로(계측셀)(2)와, 계측 관로(2)에 레이저광을 조사하는 발광부(3)와, 계측 관로(2)를 투과한 레이저광을 수광하는 수광부(4)를 구비한다. 계측 관로(2)는 샘플 가스를 계측 관로(2)에 유출하는 가스 공급 관로(5)와 계측 관로(2)로부터 샘플 가스가 유입되는 가스 배출 관로(6) 사이에 설치된다. 즉, 계측 관로(2)의 배기 가스 입구측에 가스 공급 관로(5)가 연결되는 한편, 계측 관로(2)의 배기 가스 출구측에 가스 배출 관로(6)가 연결된다. 또한, 샘플 가스로서, 예를 들면, 연소 기관으로부터의 배기 가스나 가스 기관으로의 연료 가스가 공급되고, 계측 대상 가스로서 암모니아, 할로겐화 수소, 질소산화물, 황산화물, 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 물, 탄화수소, 황화수소 등 적외영역의 빛을 흡수하는 특성을 갖는 기체의 농도가 측정된다.
발광부(3) 및 수광부(4)는 계측 관로(2)를 사이에 두고 대칭이 되는 위치에 설치되어 있고, 발광부(3)로부터 수광부(4)로의 광축이 계측 관로(2)를 흐르는 샘플 가스의 흐름 방향에 대해서 직교한다. 계측 관로(2)는 샘플 가스가 흐르는 주관(7)을 구비하고 있다. 그리고, 주관(7) 측벽에는 발광부(3)로부터의 레이저광을 계측 관로(2)의 주관(7)내에 유도하는 입사관(지관)(8)이 발광부(3)의 설치 위치에 서로 대향하도록 해서 설치됨과 아울러, 주관(7)내를 투과한 레이저광을 수광부(4)로 유도하는 출사관(지관)(9)이 발광부(3)의 설치 위치에 서로 대향하도록 해서 설치된다. 즉, 입사관(8) 및 출사관(9)은 각각 그 길이방향을 주관(7)의 지름방향으로 함과 아울러, 주관(7)의 축심을 중심으로 해서 대칭이 되는 위치에 설치되어 있다.
발광부(3)는 레이저광을 출사하는 레이저 다이오드(도시생략)를 구비하고 있고, 레이저광 출사측에 출사된 레이저광의 광축을 조정하는 광학계를 구비한 광축 조정부(10)의 입사측이 연결되어 있다. 그리고, 광축 조정부(10)의 출사측이 광축 조정부(10)에 분사하는 퍼지 가스를 흐르게 하는 퍼지 가스 가이드관(11)을 통해 계측 관로(2)의 입사관(8)과 연결되어 있다. 즉, 발광부(3)는 광축 조정부(10) 및퍼지 가스 가이드관(11)을 통해 계측 관로(2)의 입사관(8)과 연결되어 있다.
수광부(4)는 레이저광을 수광해서 광전 변환하는 포토다이오드(도시생략)를 구비하고 있고, 레이저광 입사측에 입사되는 레이저광의 광축을 조정하는 광학계를 구비한 광축 조정부(12)의 출사측이 연결되어 있다. 그리고, 광축 조정부(12)의 입사측이 광축 조정부(12)에 분사하는 퍼지 가스를 흐르게 하는 퍼지 가스 가이드관(13)을 통해 계측 관로(2)의 출사관(9)과 연결되어 있다. 즉, 수광부(4)는 광축 조정부(12) 및 퍼지 가스 가이드관(13)을 통해 계측 관로(2)의 출사관(9)과 연결되어 있다.
계장 공기나 질소 가스 등의 퍼지 가스는 퍼지 가스원(15)과 접속된 퍼지 유량 조정부(16)로 유량이 조정되고, 분기된 가스 관로(17,18)를 통해 가스 도입구(19,20)로부터 퍼지 가스 가이드관(11,13)내로 공급된다. 즉, 퍼지 가스 가이드관(11,13)의 가스 도입구(19,20) 각각과 퍼지 유량 조정부(16)를 가스 관로(17,18)로 접속하고 있다.
가스 관로(17,18) 상에는 각각 가스 유량계(30,31)가 설치되어 있다. 가스 유량계(30,31)가 퍼지 가스 가이드관(11,13)으로의 퍼지 가스의 공급 유량을 측정하고, 그 측정 신호를 계측 제어부(32)에 출력한다. 또한, 퍼지 유량 조정부(16)는 계측 제어부(32)로부터의 지령 신호에 의거하여 퍼지 가스의 공급 유량을 결정한다.
계측 제어부(32)는 계측 관로(2)의 주관(7)내를 흐르는 샘플 가스의 유속에 의거하여 퍼지 가스의 공급 유량을 설정하고, 설정한 유속을 통지하기 위해, 퍼지 유량 조정부(16)에 지령 신호를 출력한다. 또한, 계측 제어부(32)는 발광부(3)에 지령 신호를 부여하고, 계측 대상 가스의 흡수 스펙트럼에 일치한 파장의 레이저광(근적외의 파장역의 레이저광)을 조사시켜서 수광부(4)에서 수광한 레이저광의 광량을 측정 신호로서 받는다. 계측 제어부(32)는 수광부(4)로부터의 측정 신호를 받으면, 측정 신호로부터 확인된 투과 광량을 확인하고, TDLAS법에 의한 상술의 (1)식에 의거하여 샘플 가스 중에 있어서의 계측 대상 가스의 농도를 산출한다. 또한, 계측 제어부(32)는 샘플 가스의 유속변화를 검출하고, 이 유속변화에 따른 퍼지 가스 유량으로 조정한다.
계측 관로(2)는 샘플 가스가 유입되는 유입구를 구비한 가스 입구부(21)와, 샘플 가스를 배출하는 배출구를 구비한 가스 출구부(22)와, 가스 입구부(21) 및 가스 출구부(22) 사이에 설치된 통상의 계측부(23)를 구비한다. 즉, 주관(7)이 가스 입구부(21), 가스 출구부(22) 및 계측부(23)에 의해 구성되어 있고, 입사관(8) 및 출사관(9)을 계측부(23)의 측벽으로부터 돌출시키고 있다.
가스 입구부(21)는 가스 공급 관로(5)와 연결되어 있고, 계측부(23)를 향해서 내경이 넓어지는 테이퍼상으로 구성되어 있다. 한편, 가스 출구부(22)는 가스 배출 관로(6)와 연결되어 있고, 계측부(23)를 향해서 내경이 넓어지는 테이퍼상으로 구성되어 있다. 계측 관로(2)의 주관(7)에 있어서, 계측부(23)에서의 내경이 가스 입구부(21)의 유입구 및 가스 출구부(22)의 배출구 각각의 내경보다 크고, 주관(7)은 가스 공급 관로(5) 및 가스 배출 관로(6) 각각과 연결되는 양단을 좁힌 술병형상을 갖는다. 즉, 계측 관로(2)의 계측 위치가 되는 계측부(23)의 내경이 가스 공급 관로(5) 및 가스 배출 관로(6) 각각의 내경보다 크다. 계측 관로(2)는 가스 입구부(21)를 샘플 가스 흐름 상류측을 향함에 따라 단면적을 축소하는 끝이 좁아지는 테이퍼상으로 함으로써, 계측부(23)에 있어서, 입사관(8) 및 출사관(9)으로의 샘플 가스의 유입을 억제한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 계측부(23)의 내경(R2)이 가스 입구부(21)의 유입구의 내경(R1)보다 큰 점에서 계측부(23)의 중심부를 샘플 가스가 흐르도록 해서 가스 입구부(21)보다 하류측을 향하여 샘플 가스의 분포폭이 넓어진다. 이 때, 샘플 가스의 분포폭이 계측부(23)의 내벽에 도달하는 위치보다 상류측에 입사관(8) 및 출사관(9)을 설치하고 있다. 이것에 의해, 샘플 가스의 입사관(8) 및 출사관(9)으로의 유입량을 저감할 수 있어 입사관(8) 및출사관(9)의 설치 위치에 있어서의 샘플 가스의 분포폭을 일정하게 할 수 있다.
또한, 입사관(8) 및 출사관(9)로의 샘플 가스의 유입을 억제할 수 있는 점에서 퍼지 가스 가이드관(11,13)으로의 퍼지 가스의 공급 유량을 소량으로 저감할 수 있다. 계측 제어부(32)는 가스 공급 관로(5)를 흐르는 샘플 가스의 유속(Sf)의 측정 신호를 받아 이하의 (2)식에 의거하여 퍼지 가스의 공급 유량(Pf)을 설정한다.
Pf=(K1×Sf)/(R22/R12)2… (2)
(K1:정수)
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 가스 농도 계측 장치(1)는 통형의 계측 관로(2)를 사이에 두고 발광부(3) 및 수광부(4)가 대향해서 배치되고, 발광부(3)로부터의 조사광이 계측 관로(2)내를 투과해서 수광부(4)에서 수광됨으로써 계측 관로(2)내를 통과하는 계측 대상 가스의 농도를 측정한다. 발광부(3) 및 수광부(4)에 있어서의 광학계에 퍼지 가스를 도입시키는 퍼지 가스 가이드관(11,13)이 계측 관로(2)의 측벽에 연결된다. 계측 관로(2)는 가스 공급구로부터 하류측을 향해서 넓어지는 테이퍼상의 가스 입구부(21)를 갖고 있다. 퍼지 가스 가이드관(11,13)은 가스 입구부(21)보다 하류측이며 서로 대향하는 위치에서 샘플 가스의 흐름 방향(계측 관로(2)의 길이방향)에 직교해서 배치된다.
이것에 의해, 계측 관로(2)내에 있어서, 퍼지 가스 가이드관(11,13)과 계측 관로(2)의 연결부로의 샘플 가스의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 계측 관로(2) 중의 샘플 가스에 레이저광을 조사했을 때의 광로길이를 일정하게 유지하여 가스 농도의 계측값의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 퍼지 가스 가이드관(11,13)으로의 퍼지 가스의 공급 유량을 억제할 수 있다. 따라서, 퍼지 가스 공급용의 각 장치를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 장치구동을 위한 전력 또는 연료 비용을 저감시킬 수 있다.
계측 관로(2)에 있어서, 퍼지 가스 가이드관(11,13)과 연결되는 계측부(23)가 가스 입구부(21) 내경의 최대값과 동일지름의 내경으로 구성된 통형상을 갖는다. 또한, 계측 관로(2)는 하류측 단부의 가스 출구부(22)를 가스 배출구로부터 상류측을 향해서 넓어지는 테이퍼상으로 하고 있다. 환언하면, 계측부(23)의 하류측에 형성한 가스 출구부(22)를 하류측 단부의 가스 배출구를 향해서 좁아지는 테이퍼상으로 하고 있다. 즉, 계측 관로(2)는 양단을 테이퍼상으로 좁힌 술병형상을 갖는다.
퍼지 가스 가이드관(11,13)에 공급되는 퍼지 가스의 유량은 단경부분이 되는 가스 유입구의 단면적에 대한 장경부분이 되는 계측부(23)의 단면적의 비율과, 계측부(23)를 흐르는 샘플 가스의 유속에 의거하여 산출된다. 이 때, 계측 관로(2)에 있어서의 단경부분의 단면적에 대한 장경부분의 단면적의 비율이 클수록 퍼지 가스 가이드관(11,13)으로의 샘플 가스의 침입을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 퍼지 가스 유량을 용이하게 산출할 수 있어 샘플 가스의 유속에 따라서 필요한 퍼지 가스 유량을 설정할 수 있다.
또한, 각 부의 구성은 도시가 생략된 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본원 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경이 가능하다. 예를 들면, 계측 관로(2)의 입사관(8) 및 출사관(9) 각각에 퍼지 가스를 공급하는 것으로서, 퍼지 가스 가이드관(11,13)을 생략한 구성으로 해도 상관없다. 또한, 계측 관로(2)의 계측부(23)를 원통형상으로 했지만, 원통형상에 한정되지 않고, 예를 들면, 다각통형상으로 해도 상관없다.
1 가스 농도 계측 장치
2 계측 관로(계측셀)
3 발광부
4 수광부
5 가스 공급 관로
6 가스 배출 관로
7 주관
8 입사관(지관)
9 출사관(지관)
10 광축 조정부
11 퍼지 가스 가이드관
12 광축 조정부
13 퍼지 가스 가이드관
15 퍼지 가스원
16 퍼지 유량 조정부
17 가스 관로
18 가스 관로
19 가스 도입구
20 가스 도입구
21 가스 입구부
22 가스 출구부
23 계측부
30 가스 유량계
31 가스 유량계
32 계측 제어부
2 계측 관로(계측셀)
3 발광부
4 수광부
5 가스 공급 관로
6 가스 배출 관로
7 주관
8 입사관(지관)
9 출사관(지관)
10 광축 조정부
11 퍼지 가스 가이드관
12 광축 조정부
13 퍼지 가스 가이드관
15 퍼지 가스원
16 퍼지 유량 조정부
17 가스 관로
18 가스 관로
19 가스 도입구
20 가스 도입구
21 가스 입구부
22 가스 출구부
23 계측부
30 가스 유량계
31 가스 유량계
32 계측 제어부
Claims (5)
- 통형의 계측 관로를 사이에 두고 발광부 및 수광부가 대향해서 배치되고, 상기 발광부로부터의 조사광이 상기 계측 관로내를 투과해서 상기 수광부에서 수광됨으로써, 상기 계측 관로내를 통과하는 계측 대상 가스의 농도를 측정하는 가스 농도 계측 장치로서,
상기 발광부 및 상기 수광부에 있어서의 광학계에 퍼지 가스를 도입시키는 퍼지 가스 가이드관이 상기 계측 관로의 측벽에 연결되어 서로 대향하는 위치에서 계측 대상 가스의 흐름 방향에 직교시켜서 배치되어 있고,
상기 계측 관로가 가스 유입구로부터 계측 대상 가스 흐름 방향 하류측을 향해서 넓어지는 테이퍼상의 가스 입구부를 갖고 있고,
상기 계측 관로는 상기 가스 입구부보다 계측 대상 가스 흐름 방향 하류측에 내경을 일정하게 해서 통상의 계측부를 구비하고 있고, 상기 계측부에 상기 퍼지 가스 가이드관이 설치되고,
상기 퍼지 가스 가이드관에 공급되는 퍼지 가스의 유량은 단경부분이 되는 가스 유입구의 단면적에 대한 장경부분이 되는 상기 계측부의 단면적의 비율과 상기 계측 관로에 유입되는 가스 유속에 의거해서 산출되는 것을 특징으로 하는 가스 농도 계측 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 계측 관로는 상기 계측부의 하류측에 형성된 가스 출구부를 계측 대상 가스 흐름 방향 하류측 단부의 가스 배출구를 향해서 좁아지는 테이퍼상으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 농도 계측 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 계측 관로에 유입되는 가스의 유속변화를 검출하고, 이 유속변화에 따른 퍼지 가스 유량으로 조정하는 가스 농도 계측 장치.
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