KR102227457B1 - 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서 - Google Patents

다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서 Download PDF

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Abstract

다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서가 개시된다. 본 발명에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서는, 주변의 공기를 흡입하는 팬; 팬에 의해 유입구로 흡입되는 공기에 대하여, 그 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 복수의 경로로 분기하는 경로 분기부; 각각의 경로에 광을 조사하는 발광부; 각각의 경로에 대응하여 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신하는 복수의 수광소자; 및 각각의 수광소자에 의해 수신되는 산란광에 따라 먼지입자를 크기 별로 구분하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서{LASER TYPE PARTICLE SENSOR HAVING MULTI-LEVEL LIGHT RECEIVING ELEMENT}
본 발명은 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수광 소자를 다단계로 구비하며, 다양한 입자 크기로 혼합된 먼지를 입자크기 별로 분류하고, 각각의 입자크기에 대응하는 밀도를 산출할 수 있는, 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서에 관한 것이다.
일반적으로 광학식 먼지센서는 먼지 검출대상 영역에 광을 조사하고, 수광소자에서 먼지에 의해 산란되는 광량을 검출하여 먼지의 농도를 판단하는 구성을 구비한다. 즉, 광학식 먼지센서는 LED(Light Emitting Diode) 혹은 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광 소자, 포토다이오드(Photo Diode) 또는 포토트랜지스터(Photo Transistor)와 같은 수광 소자, 그리고 수광 소자로부터 획득한 수광 신호를 증폭하여 신호 전압을 출력하는 신호 처리부를 포함하여 구성된다. 이와 같은 광학식 먼지센서는 발광 소자로부터 발생된 평행광이 미세먼지에 의해 산란되는 산란광을 수광 소자를 이용하여 수광하여 증폭하고 연산함으로써 먼지의 계수농도를 측정한다.
한편, 미세먼지는 지름이 10㎛ 이하의 먼지로 PM(Particulate Matter)10 이라고 한다. 미세먼지는 자동차 배출가스나 공장 굴뚝 등을 통해 주로 배출되며, 중국의 황사나 심한 스모그의 영향을 많이 받는다. 미세먼지 중 입자의 크기가 더 작은 미세먼지를 초미세먼지라고 부르는데, 초미세먼지는 지름 2.5㎛ 이하의 먼지로서 PM2.5라고도 한다.
일반적인 광학식 먼지센서는 수광 소자 및 신호 처리부를 이용하여 획득한 출력신호의 강도(intensity)에 따라 PM10과 PM2.5의 미세먼지의 농도를 구분하여 측정한다. 그러나 출력신호의 강도가 크다는 것은 먼지의 입자 크기가 큰 경우뿐만 아니라, 작은 크기의 먼지입자가 여럿인 경우도 포함할 수 있으므로, 출력신호의 강도만으로 미세먼지와 초미세먼지를 구분하기는 어렵다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2017-0033052호 (공개일자: 2017.03.24)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 수광 소자를 다단계로 구비하며, 다양한 입자 크기로 혼합된 먼지를 입자크기 별로 분류하고, 각각의 입자크기에 대응하는 질량을 산출할 수 있는, 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저장식의 먼지센서는, 주변의 공기를 흡입하는 팬; 상기 팬에 의해 유입구로 흡입되는 공기에 대하여, 그 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 복수의 경로로 분기하는 경로 분기부; 각각의 상기 경로에 광을 조사하는 발광부; 각각의 상기 경로에 대응하여 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신하는 복수의 수광소자; 및 각각의 상기 수광소자에 의해 수신되는 산란광에 따라 먼지입자를 크기 별로 구분하는 제어부 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 경로 분기부는 상기 유입구로 흡입되는 공기의 유로의 폭이 설정된 폭이 될 때까지 점차적으로 감소시키며, 유로의 폭이 최소인 지점에서 유로가 분기되는 적어도 하나의 분기경로를 포함한다. 또한, 각각의 상기 수광소자는 먼지입자가 부착되지 않도록 처리된다.
전술한 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서는, 현재의 온도 및 습도 중의 적어도 하나를 측정하는 온도/습도 측정부 를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는 상기 센서부에 의해 측정되는 온도 및 습도 중의 적어도 하나에 대응하여 구분된 먼지입자의 크기를 보정한다.
본 발명에 따르면, 수광 소자를 다단계로 구비하고, 유입구로 흡입되는 먼지입자를 복수의 경로로 입자크기 별로 분기시키며, 각각의 경로에 대응하여 먼지입자의 산란광을 수신함으로써, 다양한 입자 크기로 혼합된 먼지를 입자크기 별로 분류하고, 각각의 입자크기에 대응하는 질량을 산출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 먼지입자를 크기에 따라 분류하고 각각의 분류된 경로를 흐르는 먼지입자에 대한 신호처리를 병행하여 처리함으로써, 저렴한 비용으로 먼지센서를 제조할 수 있으며, 또한 다양한 크기의 먼지입자에 대하여 최적의 방법으로 입자크기 별 먼지입자의 농도 또는 강도를 구분할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서의 유로구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 경로 분기부가 공기의 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 분류하는 원리를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서의 신호처리 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서의 유로구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서(100)는 팬(10), 경로 분기부(20), 발광부(30), 광원제어부(35), 복수의 수광소자(40), 증폭부(45), 제어부(50), 온도/습도 측정부(60) 및 출력부(65)를 포함한다.
팬(10)은 먼지센서(100) 주변의 공기를 흡입한다. 이때, 팬(10)은 유입구(2)로 흡입되는 공기의 유속이 일정하게 유지되도록 주변의 공기를 흡입하는 것이 바람직하다.
경로 분기부(20)는 팬(10)에 의해 유입구(2)로 유입되는 공기에 대하여, 공기의 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 분류한다. 이때, 경로 분기부(20)는 먼지센서(100)의 유입구(2)를 통해 흡입되는 공기의 유로의 폭이 설정된 폭이 될 때까지 점차적으로 감소시키며, 유로의 폭이 최소인 지점에서 유로가 분기되는 적어도 하나의 분기경로를 포함함으로써, 흡입되는 공기의 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 분류할 수 있다.
도 2는 경로 분기부가 공기의 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 분류하는 원리를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 유입구(2)를 통해 흡입되는 공기의 ① 영역에는 다양한 크기의 먼지입자가 섞여 있다. 이때, 경로 분기부(20)가 ② 영역과 같이 유로의 폭이 설정된 값이 될 때까지 점차적으로 유로의 폭을 감소시키면, 공기의 유속은 점차 빨라지게 되며 유로의 폭이 최소가 되는 지점에서 그 유속은 최대가 된다.
경로 분기부(20)는 공기의 유로의 폭이 최소가 되는 지점 즉, 공기의 유속이 최대인 지점에서 공기의 유로를 분기하는 적어도 하나의 분기경로를 포함한다. 이때, 분기경로는 공기의 유로의 폭이 최소로 감소된 지점의 공기유로의 폭 이하의 폭으로 형성되는 것이 바람직하다.
경로 분기부(20)에 형성된 분기경로에 의해 공기는 ③ 영역 및 ④ 영역으로 분기하여 흐르게 된다. 이때, 분기경로인 ③ 영역의 공기유로의 폭은 ④ 영역의 공기유로의 폭보다 작기 때문에 그 공기유속은 ③ 영역의 공기유속이 ④ 영역의 공기유속보다 크다. 특히, ④ 영역은 점차적으로 공기유로의 폭이 커지도록 형성될 수 있으며, 그에 따라 ④ 영역의 공기유속은 점차적으로 감소할 수 있다. 이때, ③ 영역의 공기유속은 ④ 영역의 공기유속보다 크기 때문에, ③ 영역으로 공기 중에 섞여 있는 먼지입자 중 입자크기가 작은 먼지입자가 분류되어 흐르게 되며, ④ 영역으로 입자크기가 큰 먼지입자가 분류되어 흐르게 된다. 이 경우, ③ 영역의 공기유로의 폭을 조절함으로써 PM2.5 이하의 초미세 먼지를 분류하여 분기시킬 수 있다.
도 2에는 이해를 돕기 위하여 경로 분기부(20)가 하나의 분기경로를 갖는 것으로 도시하고 설명하였지만, 분기경로는 둘 이상의 복수로 형성될 수도 있다. 이 경우, 각각의 분기경로는 서로 다른 공기유로의 폭으로 설정될 수 있으며, 그에 따라 분기경로마다 다양한 입자크기의 먼지입자가 각각 분류되어 분기되도록 할 수 있다.
또한, 도 2에는 분기경로가 공기유로의 폭이 최소가 되는 지점에 형성되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 분기경로는 공기유로의 폭이 점차적으로 감소하는 지점 즉, ② 영역에 형성될 수도 있다.
또한, 도 2에는 분기경로가 공기유로의 폭이 최소가 되는 지점에서 공기유로의 진행방향과 90도의 방향으로 분기되는 것으로 도시하였지만, 분기경로는 공기유로의 진행방향에 대하여 90도 이하의 방향으로 분기될 수 있다.
또한, 도 2에는 분기경로가 공기유로의 경로 중의 하나의 부분에 형성되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 분기경로는 공기유로의 경로 중 복수의 부분에 형성될 수도 있다. 즉, 도 2에서 ④ 영역으로 흐르는 공기유로는 이후에 또 다시 그 공기유로의 폭이 점차적으로 감소할 수 있으며, 공기유로의 폭이 다시 감소하여 최소가 되는 지점에서 다른 분기경로를 구비함으로써, ④ 영역으로 흐르는 공기 중에서 입자크기가 작은 먼지입자를 2차적으로 분류할 수 있다. 또한, 이와 같은 공기유로는 둘 이상의 복수의 단계로 구현될 수도 있다. 이 경우, 2차 단계, 3차 단계 등으로 갈수록 분기경로는 점차적으로 큰 입자크기의 먼지입자를 분류하도록 구현될 수 있으며, 이를 통해 다양한 입자크기의 먼지입자를 분류할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서의 신호처리 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서의 동작 및 기능을 설명한다.
팬(10)은 먼지센서(100) 주변의 공기를 흡입한다. 이때, 팬(10)에 의해 유입구(2)로 흡입되는 공기는 일정한 유속으로 유입된다.
경로 분기부(20)는 유입구(2)를 통해 유입되는 공기에 대하여, 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 복수의 경로로 분류한다.
발광부(30)는 경로 분기부(20)에 의해 분기된 각각의 경로에 광을 조사한다. 이때, 발광부(30)는 레이저 다이오드(Laser Diode)로 구현되며, 다양한 단계로 광량을 조절하여 광을 조사할 수 있다. 이 경우, 발광부(30)는 동일한 시점에 각각의 경로에 조사되는 광량이 동일하도록 광량을 조절하는 것이 바람직하다.
광원제어부(35)는 현재의 오염도, 온도, 습도 등에 대응하여 다양한 단계로 설정된 광량 조절값을 저장하며, 현재의 오염도, 온도, 습도 등의 상태에 대응하여 광량을 조절하도록 발광부(30)를 제어한다.
복수의 수광소자(40)는 각각의 경로에 대응하여 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신한다. 예를 들어, 분기경로 A에 대응하는 수광소자1(40)는 입자크기가 작은 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신할 수 있으며, 분기경로 B에 대응하는 수광소자2(40)는 입자크기가 큰 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신할 수 있다. 도 1에는 수광소자(40)가 2개인 것으로 도시하였으나, 수광소자(40)의 개수는 분기된 공기유로의 개수에 대응하여 형성될 수 있다.
증폭부(45)는 각각의 수광소자(40)에 의해 수신된 광 산란의 신호를 증폭시킨다.
제어부(50)는 각각의 수광소자(40)에 의해 수신되는 산란광에 따라 먼지입자를 크기 별로 구분한다. 즉, 제어부(50)는 분기경로 A에 대응하는 수광소자(40)의 산란광과 분기경로 B에 대응하는 수광소자(40)의 산란광에 따라 입자크기가 작은 먼지입자의 농도 또는 강도와, 입자크기가 큰 먼지입자의 농도 또는 강도를 각각 구분할 수 있다.
온도/습도 측정부(60)는 현재의 온도 및 습도 중의 적어도 하나를 측정한다. 이때, 온도/습도 측정부(60)는 유입구(2)로부터 설정된 범위 이내에 설치됨으로써, 먼지센서(100)의 내부에서 유통하는 도중에 영향을 받지 않은 공기의 온도 또는 습도를 측정하는 것이 바람직하다. 이때, 제어부(50)는 온도/습도 측정부(60)에 의해 측정되는 값을 광원제어부(35)로 전달함으로써, 광원제어부(35)가 현재의 온도 또는 습도에 따라 보정된 연산을 할 수 있게 한다.
출력부(65)는 제어부(50)에 의해 구분된 먼지입자의 입자크기 별 농도 또는 강도를 출력한다. 이때, 출력부(65)는 디스플레이 혹은 통신 라인을 통해 먼지입자의 입자크기 별 농도 또는 강도를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서는 먼지입자를 크기에 따라 분류하고 각각의 분류된 경로를 흐르는 먼지입자에 대한 신호처리를 병행하여 처리함으로써, 저렴한 비용으로 먼지센서를 제조할 수 있으며, 또한 다양한 크기의 먼지입자에 대하여 최적의 방법으로 입자크기 별 먼지입자의 농도 또는 강도를 구분할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
2: 유입구 10: 팬
20: 경로 분기부 30: 발광부
35: 광원제어부 40: 수광 소자
45: 증폭부 50: 제어부
60: 온도/습도 측정부 65: 출력부

Claims (3)

  1. 주변의 공기를 흡입하는 팬;
    상기 팬에 의해 유입구로 흡입되는 공기에 대하여, 그 유속을 이용하여 먼지입자를 입자크기에 따라 복수의 경로로 분기하는 경로 분기부;
    각각의 상기 경로에 광을 조사하는 발광부;
    각각의 상기 경로에 대응하여 먼지입자의 광 산란에 의해 발생되는 산란광을 수신하는 복수의 수광소자; 및
    각각의 상기 수광소자에 의해 수신되는 산란광에 따라 먼지입자를 크기 별로 구분하는 제어부;
    를 포함하며, 상기 경로 분기부는,
    상기 유입구로 흡입되는 공기의 유로의 폭이 설정된 제1폭이 될 때까지 점차적으로 감소되며, 유로의 폭이 상기 제1폭인 지점에서 유로가 분기되는 제1분기경로를 포함하고,
    유로의 폭이 상기 제1폭으로부터 설정된 제2폭이 될 때까지 점차적으로 증가한 후 다시 설정된 제3폭이 될 때까지 점차적으로 감소되며, 유로의 폭이 상기 제3폭인 지점에서 유로가 분기되는 제2분기경로를 포함하되,
    상기 제2분기경로는 상기 제1분기경로보다 큰 크기의 먼지입자를 분류하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 수광소자는 먼지입자가 부착되지 않도록 처리되는 것을 특징으로 하는 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서.
  3. 제1항에 있어서,
    현재의 온도 및 습도 중의 적어도 하나를 측정하는 온도/습도 측정부;
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 측정부에 의해 측정되는 온도 및 습도 중의 적어도 하나에 대응하여 구분된 먼지입자의 크기를 보정하는 것을 특징으로 하는 다단 수광 소자를 구비한 레이저방식의 먼지센서.

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