KR102260220B1 - 이중 구조를 갖는 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서 - Google Patents

이중 구조를 갖는 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 공동 내부를 통과하는 측정가스의 드리프트 현상 및 유속의 변화에 따른 측정오차를 감소시키기 위한 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 관한 것으로, 광 공동의 구조를 내부 공간(A)을 갖는 안쪽 광 공동(110)과, 적어도 상기 안쪽 광 공동(110)을 수용하기 위한 공간보다는 더 큰 체적의 내부 공간(B)을 갖는 바깥쪽 광 공동(120)으로 이루어진다.

Description

이중 구조를 갖는 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서{DUAL CHAMBER OPTICAL CAVITY FOR GAS SENSOR AND GAS SENSOR HAVING THE SAME}
본 발명은 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 관한 것으로, 특히, 당해 광 공동 내로 도입되는 측정가스의 유속의 변화 및 당해 광 공동 내를 통과하는 측정가스의 드리프트 현상 등에 의한 유속이나 압력의 변화 등에 따른 측정값의 오차 발생을 최소화하기 위한 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 관한 것이다.
농도 측정 또는 분석의 대상이 되는 가스(이하 「측정가스」라 함)가 갖는 특유의 흡수파장영역을 이용하여 각 가스의 농도 등을 계측하는 방식으로 NDIR(Non Dispersive Infra Red : 비분산적외선) 방식이 실용화되어 있고, 이 방식을 이용한, 예를 들어 메탄이나 일산화탄소 또는 이산화탄소를 비롯한 다양한 종류의 가스센서가 개발되어 사용되고 있다(예를 들어 특허문헌 1, 2 등).
일반적으로 NDIR 방식의 가스센서의 측정 정밀도 향상을 위해서는 광 공동 내에서의 광 경로의 길이가 길게 하여 광의 흡수량을 증가시켜야 하고, 광 공동 내를 통과한 광이 최대한 광 검출기(광 감지센서)에 집중되도록 하여야 한다.
광 공동 내의 광 경로의 길이를 증가시키기 위한 방안으로 특허문헌 1에서는 5개의 특정한 곡률을 갖는 반사경을 일체로 하여 구 형태로 제작된 광 공동을 이용하고 있다.
또, 광 공동 내의 광 경로의 길이를 증가시키는 동시에 광 공동 내를 통과한 광을 최대한 광 검출기에 집중시키기 위한 방안으로 특허문헌 2에서는 광 공동의 내부 공간에, 타원의 일부를 이루며 타원의 한쪽 초점 위치에서 나온 광을 반사하여 타원의 다른 쪽 초점으로 모으는 타원반사 면과, 한쪽 초점이 타원의 다른 쪽 초점과 일치하는 쌍곡선의 일부를 이루며 타원반사 면에서 반사하여 타원의 다른 쪽 초점 측으로 모이는 광을 반사시켜서 쌍곡선의 다른 쪽 초점 측으로 모으는 쌍곡선반사 면을 형성한 구성의 광 공동을 채용하고 있다.
그러나 상기 두 가지 조건 이외에도, NDIR 방식 가스센서에서는 당해 센서의 핵심부를 이루며 그 내부에 광원과 광 검지기 등이 배치되어 있는 광 공동(광 벤치 또는 광 도파로 등으로도 불림)의 구조 및 그에 따른 광 공동 내부에서의 측정가스의 속도 등은 가스농도 측정의 정확도 측면에서 아주 중요하다.
NDIR 방식의 가스센서는 그 특성상 광 공동 내부로 유입되는 측정가스가 광 공동 내를 통과하면서 드리프트(drift) 현상이 발생하며, 이는 광 공동 내에서의 측정가스의 유속 및 압력에 영향을 미치게 된다. 또, 광 공동 외부로부터 광 공동 내부로 도입되는 측정가스의 유속의 차이에 따라서, 예를 들어 측정가스의 유속이 빠를수록 온도, 습도 및 전기적 간섭 등의 변화도 커지게 되며, 이와 같은 측정가스의 유속의 변화를 광 검지기는 잡음(noise)으로 인식하게 되고, 결과적으로는 당해 가스센서의 측정오차 발생으로 이어지게 된다는 문제가 있다.
따라서 광 공동 내부에 설치된 광원 및 광 검출기와 접촉하는 측정가스의 유속은 가능한 한 일정한 것이 측정 오차 감소라는 관점에서 바람직하나, 본 발명자들이 조사한 바로는 이들 문제를 해결하기 위한 선행기술은 발견할 수 없었다.
공개특허 2009-0012952호 공보(2004. 02. 09. 공개) 등록특허 10-1895236호 공보(2018. 09. 07. 공고)
본 발명은 종래기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, NDIR 방식의 가스센서의 광 공동 내에서 발생하는 측정가스의 드리프트 현상을 완화하는 동시에 광 공동 내로 도입되어서 광원 및 광 검지기와 접촉하는 측정가스의 유속을 가능한 한 일정하게 유지하도록 함으로써 측정 오차를 가능한 한 감소시키기 위한 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스센서용 광 공동은, 내부 공간(A)을 갖는 안쪽 광 공동과, 상기 안쪽 광 공동의 바깥쪽에서 상기 안쪽 광 공동을 둘러싸도록 형성되며, 상기 내부 공간(A) 보다는 더 큰 체적의 내부 공간(B)을 갖는 바깥쪽 광 공동을 포함하고, 상기 안쪽 광 공동은, 한쪽 단부 측에 형성된 제 1 측정가스 유입구와, 다른 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 제 1 측정가스 유입구로 유입된 측정가스가 배출되는 제 1 측정가스 배출구를 가지고, 상기 바깥쪽 광 공동은, 상기 안쪽 광 공동의 제 1 측정가스 유입구 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 광 공동의 외부로부터 측정가스가 유입되는 제 2 측정가스 유입구와, 상기 안쪽 광 공동의 제 1 측정가스 배출구 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 제 1 측정가스 배출구로부터 배출되는 측정가스와 상기 제 2 측정가스 유입구로 유입된 측정가스가 배출되는 제 2 측정가스 배출구를 가지며, 상기 안쪽 광 공동의 상기 내부 공간(A)의 체적과 상기 바깥쪽 광 공동의 상기 내부 공간(B)의 체적의 비율은 1 : 5 내지 1 : 12이다.
또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스센서는, 상기 가스센서용 광 공동과, 상기 안쪽 광 공동의 한쪽 단부에 배치된 광원과, 상기 안쪽 광 공동의 다른 쪽 단부에 배치된 광 검출기를 포함한다.
본 발명에 의하면 가스센서의 광 공동 내에서 발생하는 측정가스의 드리프트 현상을 완화하는 동시에 광 공동 내로 도입되어서 광원 및 광 검지기와 접촉하는 측정가스의 유속을 가능한 한 일정하게 유지하도록 함으로써 가스센서가 측정하는 측정 오차를 가능한 한 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서의 분해 사시도,
도 2는 도 1의 x-x 선에서 절단한 절단면도,
도 3은 단일 구조의 내부 공간을 갖는 종래기술의 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면,
도 4는 바깥쪽 광 공동의 가스 유입구와 안쪽 광 공동의 가스 유입구가 일직선상으로 배치된 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면,
도 5는 바깥쪽 광 공동의 가스 유입구와 안쪽 광 공동의 가스 유입구가 서로 어긋나게 배치된 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서의 분해 사시도, 도 2는 도 1의 x-x 선에서 절단한 절단면도이다.
도 1 및 2에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서(100)는 안쪽 광 공동(110)과 바깥쪽 광 공동(120)으로 이루어지는 광 공동과 이 광 공동 내부로 측정가스가 유입되는 측정가스 유입구(150) 및 광 공동 내부를 통과한 측정가스를 외부로 방출하는 측정가스 배출구(160)를 포함한다.
본 실시형태의 안쪽 광 공동(110)은 상부 케이스(110a)와 하부 케이스(110b)로 구성되어 있고, 그 내부에는 NDIR 방식 가스센서 고유의 방식으로 농도 등을 측정할 수 있도록 측정가스를 통과시키는 내부 공간(A)을 갖는다. 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 한쪽 단부 측에는 광원(170)이 설치되고, 반대쪽 단부 측에는 광 검지기(180)가 설치될 수 있다. 또, 내부 공간(A)의 형상은 대략 원통 형상이며, 내부 공간(A) 내를 통과하는 측정가스의 이동경로의 길이를 가능한 한 길게 하기 위해 광원(170)에서 광 검지기(180) 쪽으로 연장되는 방향의 길이가 이와 수직방향의 길이보다 더 길게 되어 있다.
또, 안쪽 광 공동(110)의 광원(170) 쪽에는 후술하는 바깥쪽 광 공동(120) 내로 유입되는 측정가스를 안쪽 광 공동(110) 내부로 도입하기 위한 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 형성되어 있고, 광 검지기(180) 쪽에는 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)을 통과한 측정가스를 바깥쪽 광 공동(120)으로 배출하기 위한 안쪽 광 공동용 측정가스 배출구(1103)가 형성되어 있다.
광원(170)으로는 예를 들어 백열 램프나 적외선램프 등을 이용할 수 있고, 광 검지기(180)로는 상기 광원(170)으로부터 나온 광을 검출할 수 있는, 예를 들어 써미스터 등의 광 검지기를 이용할 수 있다.
바깥쪽 광 공동(120)은 안쪽 광 공동(110)의 바깥쪽에서 상기 안쪽 광 공동(110)을 둘러싸는 형태로 이루어지며, 본 실시형태에서는 바깥쪽 광 공동(120)은 상부 케이스(120a)와 하부 케이스(120b)로 구성되어 있고, 그 내부에는 안쪽 광 공동(110)을 수용하는 동시에 측정가스가 통과하기 위한 통로인 내부 공간(B)이 형성되어 있다.
또, 바깥쪽 광 공동(120)의, 안쪽 광 공동(110)의 광원(170) 쪽 단부 부근에는 가스센서(100)의 외부로부터 내부 공간(B) 내로 측정가스를 도입하기 위한 측정가스 유입구(150)가 형성되어 있고, 안쪽 광 공동(110)의 광 검지기(180) 쪽 단부 부군에는 내부 공간(B)을 통과한(보다 정확하게는 내부 공간(A) 및 내부 공간(B)을 통과한) 측정가스를 가스센서(100) 외부로 배출하기 위한 측정가스 배출구(160)가 형성되어 있다.
바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)은 그 내부에 안쪽 광 공동(110)을 수용하는 동시에 안쪽 광 공동(110)과의 사이로 측정가스가 통과하여야 하므로 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 체적에 비해 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)의 체적이 커야 한다. 즉, 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)의 체적은 적어도 상기 안쪽 광 공동을 수용하기 위한 공간보다는 더 커야 한다. 또, 안쪽 광 공동(110)의 바깥쪽 벽과 바깥쪽 광 공동(120)의 안쪽 벽 사이에는 측정가스 유입구(150)를 통해서 외부로부터 유입되는 측정가스 중 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)를 통해서 안쪽 광 공동(110) 내로 유입되는 측정가스 이외의 나머지 측정가스가 측정가스 배출구(160) 쪽으로 이동하기 위한 적절한 공간이 확보되어야 한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 측정가스는 예를 들어 가스 주입장치 등을 이용하여 바깥쪽 광 공동(120) 내부로 강제로 도입될 수 있다.
또, 도 2 및 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 본 실시형태의 가스센서(100)용 광 동공에서는 외부로부터 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B) 내로 측정가스를 도입하는 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A) 내로 측정가스를 도입하는 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)는 일직선상에 배치되어 있지 않고 서로 어긋나게 배치되어 있는 것이 측정오차의 감소라는 측면에서 더 바람직하며, 이와 같은 구성으로 함에 따른 효과에 대해서는 후술한다.
상기 구성 이외에도, 본 실시형태의 가스센서(100)는 인쇄회로기판(130)과 인쇄회로기판 덮개(140)를 더 포함하며, 이들은 공지의 구성요소이므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
다음에, 본 발명의 가스센서(100)의 광 공동을 상기와 같은 구성으로 함으로써 얻을 수 있는 효과에 대해서 설명한다.
도 3, 4 및 5는 본 발명과 종래기술의 광 공동의 효과의 차이를 비교 설명하기 위한 도면으로, 도 3은 단일 구조의 내부 공간을 갖는 종래기술의 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면, 도 4는 바깥쪽 광 공동의 가스 유입구와 안쪽 광 공동의 가스 유입구가 일직선상으로 배치된 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면, 도 5는 바깥쪽 광 공동의 가스 유입구와 안쪽 광 공동의 가스 유입구가 서로 어긋나게 배치된 광 공동 내에서의 측정가스의 흐름을 나타내는 도면이다. 또, 도 3 내지 5에서는 각각의 광 공동 내부를 통과하는 측정가스의 유속의 차이를 화살표의 폭(굵기)의 차이로 나타내고 있고, 각 도면에서 화살표의 폭이 상대적으로 크다는 것은 그만큼 측정가스의 유속이 빠르다는 것을 의미이다.
먼저, 도 3, 4 및 5를 이용하여 종래기술의 단일 구조의 광 공동과 본 발명과 같이 가스센서의 광 공동을 안쪽 광 공동(110)과 바깥쪽 광 공동(120)의 이중 구조로 한 광 공동 내에서의 측정가스의 유속의 비교에 의해 본 발명의 효과를 설명한다.
먼저, 도 3에 화살표로 나타내는 것과 같이, 종래 구조의 광 공동은 내부 공간(C)이 단일 구조인 동시에 그 크기도 일정하므로, 측정가스 유입구(15)로 유입된 측정가스는 모두 단일 구조의 광 공동의 내부 공간(C)을 통과하여 측정가스 배출구(16) 쪽으로 유출되므로 광 공동의 내부 공간(C)에서의 측정가스의 유속에는 변화가 없으며, 만일 측정가스 유입구(15)로 유입되는 측정가스의 유속이 증가하면 광 공동의 내부 공간(C)을 통과하는 측정가스의 유속도 이에 비례하여 빨라진다.
또, 측정가스 유입구(15)로 유입되는 측정가스의 유속은 모두 그대로 광원(17) 및 광 검지기(18)에 영향을 미치며, 따라서 측정가스의 실제 농도와 관계없이, 측정가스 유입구(15)로 유입되는 측정가스의 유속이 변화하면, 이 유속의 변화에 따라서 측정가스의 농도 측정값도 변화하게 된다.
반면에, 이중 구조의 광 공동을 갖는 본 발명의 가스센서에서는 측정가스 유입구(150)를 통해서 광 공동 내부로 유입되는 측정가스는 안쪽 광 공동(110)의 내부와 바깥쪽 광 공동(120)의 내부로 분산되어 전체 광 공동 내를 통과하게 되며, 따라서 광원(170) 및 광 검지기(180)에 미치는 영향도 분산되게 되고, 도 5와 같은 바깥쪽 광 공동의 가스 유입구와 안쪽 광 공동의 가스 유입구가 서로 어긋나게 배치된 광 공동 구조로 하면 그 분산 효과는 훨씬 증가한다.
이와 같은 오차 감소효과를 정량적으로 확인하기 위해 본 발명자들은 도 3과 같은 단일 구조의 광 공동을 갖는 종래의 CH4 센서와 이중 구조의 광 공동을 갖는 본 발명의 CH4 센서를 대상으로 하여, 당해 가스센서의 광 공동 내로 도입되는 측정가스의 유속을 변화시켜 가면서 가스 농도 측정값의 변화를 확인하는 실험을 하였다. 본 실험에서는 측정가스인 CH4 가스의 농도는 일정한 값으로 유지하면서 단지 CH4 센서의 광 공동 내부로 유입되는 측정가스의 유속만을 변화시키면서 진행하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내며, 표 1에서는 측정가스의 유속을 측정가스의 실제 유속이 아닌, 1분당 측정 대상 가스센서로 도입되는 측정가스 도입량((㎖/min)으로 간접적으로 표시하고 있다.
단일구조 광 공동 이중구조 광 공동
측정가스 유속
(㎖/min)		 농도 측정값
(ppm)		 오차율(%) 농도 측정값
(ppm)		 오차율(%)
200 10,000 - 10,000 -
400 10,800 8 10,100 1
600 13,500 35 10,200 2
800 15,400 54 10,400 4
1000 17,800 78 10,600 6
표 1로부터, 광 공동 내로 도입되는 측정가스의 유속이 빨라질수록 가스 농도 측정값은 증가하나, 그 증가율(오차율)은 종래의 단일 구조의 광 공동을 갖는 가스센서에 비해 이중 구조의 광 공동을 갖는 본 발명의 가스센서 쪽이 현저하게 낮다는 것을 알 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시형태에 가스센서용 광 공동에서, 도 4와 같이, 바깥쪽 광 공동(120)의 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 일직선상으로 배치된 광 공동을 갖는 가스센서와, 도 5와 같이, 바깥쪽 광 공동(120)의 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 서로 어긋나게 배치된 광 공동을 갖는 가스센서를 대상으로 하여, 광 공동 내로 도입되는 측정가스의 유속이 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)과 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B) 내에서 어떻게 변화하는가를 확인하는 실험을 하였다. 앞에서도 설명한 것과 같이, 도 4 및 5에서 화살표의 폭이 상대적으로 크다는 것은 그만큼 측정가스의 유속이 빠르다는 의미이다.
가스센서(100)의 측정가스 유입구(150)를 통해서 광 공동 내부로 도입되는 측정가스 중 일부는 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)를 통해서 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)으로 유입되고, 나머지 일부는 바깥쪽 광 공동(120)의 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)을 통과하여 측정가스 배출구(160)로 배출되게 된다.
이때, 도 4와 같은 구조의 광 공동에서는, 바깥쪽 광 공동(120)의 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 일직선상으로 배치되어 있으므로, 측정가스 유입구(150)를 통해서 광 공동 내부로 도입되는 측정가스의 유속은 측정가스 유입구(150)와 일직선상에 위치하는 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101) 쪽으로 통과하는 측정가스의 유속이 더 빠르고, 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)으로 흐르는 측정가스의 유속은 상대적으로 늦다.
이와는 달리, 도 5와 같은 구조의 광 공동에서는, 바깥쪽 광 공동(120)의 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 서로 어긋나게 배치되어 있으므로, 측정가스 유입구(150)를 통해서 광 공동 내부로 도입되는 측정가스의 유속은 측정가스 유입구(150)와 위치가 어긋난 위치에 있는 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101) 쪽으로 통과하는 측정가스의 유속이 더 늦고, 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)으로 흐르는 측정가스의 유속은 상대적으로 빠르다.
따라서, 도 5와 같이, 바깥쪽 광 공동(120)의 측정가스 유입구(150)와 안쪽 광 공동(110)의 안쪽 광 공동용 측정가스 유입구(1101)가 서로 어긋나도록 배치함으로써 안쪽 광 공동(110)으로 유입되어 광원(170) 및 광 검지기(180)와 접촉하는 측정가스의 유속의 변화를 더 줄일 수 있으며, 이에 의해 가스센서(100)의 광 공동 내로 유입되는 측정가스의 유속의 변화에 따른 측정 오차도 더 줄일 수 있다.
다음에, 본 발명자들은 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 체적과 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)의 체적의 차이에 따른 측정오차 발생 정도의 차이 및 가스센서 응답속도의 차이의 비교에 의해 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 체적에 대한 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)의 체적의 적절한 비율을 구하기 위한 실험을 하였으며, 그 결과를 표 2에 나타낸다.
이 실험은 표 1에 나타내는 실험과 마찬가지로 CH4 센서를 대상으로 하였고, 실험조건으로는 광 공동 내로 투입되는 CH4 가스의 농도를 10,000ppm, 광 공동 내로 투입되는 CH4 가스의 유속은 500㎖/min으로 하였다(본 실험에서도 측정가스의 유속은 실제 유속이 아닌, 1분당 측정 대상 가스센서로 도입되는 측정가스 도입량((㎖/min)으로 간접적으로 표시하고 있다).
표 2에서, 내부 체적은 본 실시형태의 가스센서(100)의 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 체적이고, 외부 체적은 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B) 전체의 체적으로서, 상부 케이스(110a) 및 하부 케이스(110b)로 이루어진 안쪽 광 공동(110)이 차지하는 부분을 포함한 내부 공간(B)의 체적이다. 또, 표 2에서는 광 공동의 내부 체적과 외부 체적의 크기를 비율로서 나타내고 있으며, 실체 크기를 나타내는 것은 아니다.
내부 체적 : 외부 체적 농도 측정값(ppm) 오차율(%) 응답속도(초)
1 : 2 14,100 41 3
1 : 3 12,500 25 4
1 : 4 11,400 14 5
1 : 5 10,900 9 6
1 : 6 10,400 4 8
1 : 7 10,100 1 9
1 : 8 10,090 0.9 10
1 : 9 10,080 0.8 11
1 : 10 10,080 0.8 12
1 : 11 10,060 0.6 14
1 : 12 10,040 0.4 15
1 : 13 10,020 0.2 16
표 2로부터, 가스센서(100)의 안쪽 광 공동(110)의 내부 공간(A)의 체적인 내부 체적에 비해 바깥쪽 광 공동(120)의 내부 공간(B)의 체적인 외부 체적이 증가할수록 측정 오차는 점차 감소하나, 이와는 반대로 가스센서의 응답속도는 점차 늦어진다는 것을 알 수 있다.
또, 오차율이 너무 크거나 응답속도가 너무 늦으면 가스센서로서 사용하기에는 실용적이지 않으므로, 내부 체적 : 외부 체적의 비율은 기준치(10,000ppm) 대비 오차율 값이 10% 미만이면서 응답속도가 15초 이하의 범위인 1 : 5 내지 1 : 12의 범위가 바람직하고, 기준치(10,000ppm) 대비 오차율 값이 1% 이하이면서 응답속도가 12초 이하의 범위인 1 : 7 내지 1 : 10의 범위가 더 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지는 않으며, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경이나 변형 실시가 가능하다.
상기 실시형태에서는 안쪽 광 공동(110)은 상부 케이스(110a)와 하부 케이스(110b)로 이루어지는 것으로 하였으나, 이에 한정되지는 않으며, 안쪽 광 공동(110)은 일체형으로 구성해도 좋다.
또, 상기 실시형태에서는 바깥쪽 광 공동(120) 상부 케이스(120a)와 하부 케이스(120b)로 이루어지는 것으로 하였으나, 이에 한정되지는 않으며, 바깥쪽 광 공동(120)도 안쪽 광 공동(110)과 마찬가지로 일체형으로 구성해도 좋다.
상기 실시형태와 변형 예는 단독으로 실시해도 좋고 서로 조합해서 실시해도 좋다.
100 가스센서
110 안쪽 광 공동
120 바깥쪽 광 공동
150 측정가스 유입구
160 측정가스 배출구
170 광원
180 광 검지기

Claims (6)

  1. 내부 공간(A)을 갖는 안쪽 광 공동과,
    상기 안쪽 광 공동의 바깥쪽에서 상기 안쪽 광 공동을 둘러싸도록 형성되며, 상기 내부 공간(A) 보다는 더 큰 체적의 내부 공간(B)을 갖는 바깥쪽 광 공동을 포함하고,
    상기 안쪽 광 공동은,
    한쪽 단부 측에 형성된 제 1 측정가스 유입구와,
    다른 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 제 1 측정가스 유입구로 유입된 측정가스가 배출되는 제 1 측정가스 배출구를 가지고,
    상기 바깥쪽 광 공동은,
    상기 안쪽 광 공동의 제 1 측정가스 유입구 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 광 공동의 외부로부터 측정가스가 유입되는 제 2 측정가스 유입구와,
    상기 안쪽 광 공동의 제 1 측정가스 배출구 쪽 단부 측에 형성되며, 상기 제 1 측정가스 배출구로부터 배출되는 측정가스와 상기 제 2 측정가스 유입구로 유입된 측정가스가 배출되는 제 2 측정가스 배출구를 가지며,
    상기 안쪽 광 공동의 상기 내부 공간(A)의 체적과 상기 바깥쪽 광 공동의 상기 내부 공간(B)의 체적의 비율은 1 : 5 내지 1 : 12인 가스센서용 광 공동.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 측정가스 유입구와 상기 제 2 측정가스 유입구 및 상기 제 2 측정가스 배출구와 상기 제 2 측정가스 배출구는 각각 서로 어긋나게 배치되어 있는 가스센서용 광 공동.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 안쪽 광 공동의 상기 내부 공간(A)의 체적과 상기 바깥쪽 광 공동의 상기 내부 공간(B)의 체적의 비율은 1 : 7 내지 1 : 10인 가스센서용 광 공동.
  6. 청구항 1, 3, 또는 5 중 어느 한 항에 기재된 가스센서용 광 공동과,
    상기 안쪽 광 공동의 한쪽 단부에 배치된 광원과,
    상기 안쪽 광 공동의 다른 쪽 단부에 배치된 광 검출기를 포함하는 가스센서.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060112510A (ko) * 2005-04-27 2006-11-01 헵시바주식회사 비분산적외선 가스측정장치
KR20090012952A (ko) 2007-07-31 2009-02-04 주식회사 오토전자 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서
JP2009139215A (ja) * 2007-12-06 2009-06-25 Yazaki Corp 気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置
WO2016208424A1 (ja) * 2015-06-22 2016-12-29 国立大学法人京都大学 Ｎｄｉｒ式のガスセンサ、ガス分析計、光合成速度測定装置、及び、光合成速度測定方法
KR101895236B1 (ko) 2017-12-22 2018-09-07 주식회사 이엘티센서 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서
WO2019008925A1 (ja) * 2017-07-07 2019-01-10 Ｐｈｃホールディングス株式会社 ガスセンサ及び恒温装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060112510A (ko) * 2005-04-27 2006-11-01 헵시바주식회사 비분산적외선 가스측정장치
KR20090012952A (ko) 2007-07-31 2009-02-04 주식회사 오토전자 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서
JP2009139215A (ja) * 2007-12-06 2009-06-25 Yazaki Corp 気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置
WO2016208424A1 (ja) * 2015-06-22 2016-12-29 国立大学法人京都大学 Ｎｄｉｒ式のガスセンサ、ガス分析計、光合成速度測定装置、及び、光合成速度測定方法
WO2019008925A1 (ja) * 2017-07-07 2019-01-10 Ｐｈｃホールディングス株式会社 ガスセンサ及び恒温装置
KR101895236B1 (ko) 2017-12-22 2018-09-07 주식회사 이엘티센서 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서

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