KR102269015B1

KR102269015B1 - 가스측정용 음향센서

Info

Publication number: KR102269015B1
Application number: KR1020190142326A
Authority: KR
Inventors: 이장원
Original assignee: (주)센서테크
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-06-24
Also published as: KR20210055933A

Abstract

본 발명은 비분산 광학계를 사용하는 가스측정용 음향센서에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 대칭구조를 가지는 두 개의 마이크로폰을 가스챔버에 적용하여 가스챔버 내부에서의 빛의 반사 및 외란에 따른 진동에 의한 잡음(백그라운드신호)을 제거하고 외란 신호를 보정함으로써 높은 신호 대 잡음비와 동적 범위를 구현한 가스측정용 음향센서에 관한 것이다.

Description

가스측정용 음향센서{Acoustic Sensor for gas measurement}

본 발명은 비분산 광학계를 사용하는 가스측정용 음향센서에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가스 셀 내부에서의 빛의 흡수에 의해 야기되는 압력의 변화를 측정하여 가스의 성분 및 농도를 측정하는 가스측정용 음향센서에 관한 것이다.

가스의 성분과 농도를 측정하는 방법으로는, 적외선 흡광법, 가스크로마토그래피 분리분석법, 전기화학 센서 측정법 및 질량분석법 등의 방법들이 사용되고 있으며, 측정하고자 하는 가스의 성분과 분석의 목적에 따라 측정방법이 결정되며, 일반적으로 측정 장치의 구조가 간단하여 측정이 용이한 적외선 흡광법이 가스성분 계측에 널리 이용되고 있다.

적외선 흡광법은 측정 시료가 충진된 셀에 적외선을 조사한 후 가스를 투과하는 광량을 측정하여 측정된 광의 세기의 차이로 가스 농도를 측정하는데 가스 측정법으로, 단원자 및 이원자 기체는 적외선 영역에 빛의 흡수가 없으나 다른 많은 기체들은 특유의 적외선 흡수 스펙트럼을 가진다. 즉, 적외선 흡광법의 흡수밴드 위치는 물질에 따라 다르고 흡수된 양은 가스의 농도와 흡광계수에 의존하는 바, 흡광계수 및 낮은 농도를 갖는 가스의 측정의 경우, 광의 흡수량이 작아 측정의 신뢰성이 떨어지게 되고, 이에 감도를 높이기 위해 긴 경로를 가지는 가스셀이 요구된다는 한계가 발생한다.

이에, 종래에는 한국 공개특허공보 제10-2019-0048836호(미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템, 2019.05.09. 공개)에서 개시된 바와 같이 광원으로 광량을 비약적으로 높이기 위해 레이저를 사용한다. 그러나, 레이저 광원은 파장의 선택 및 변경, 비용과 제품의 크기에 제약이 있어 실용상으로는 부적합하다는 한계가 분명함에 따라서, 한국 등록특허공보 제10-0788795호(광 음향 검출기를 이용한 이산화탄소 농도 측정장치, 2007.12.27.공고)에서와 같이, 적외선 흡수밴드를 포함하는 광원이 변조되면 측정 셀에서는 흡수된 광 에너지에 의해 진폭이 가스의 농도에 비례하고 광원과 같은 변조 주파수를 가지는 음압이 생성되고, 측정 셀의 후방에 구비된 음향센서는 이 음압 신호의 크기를 흡수밴드와 광량이 같고 표준가스를 사용하였을 때와 비교하는 방법으로 가스의 성분에 따르는 농도를 구한다. 여기에서, 이 방법에 의해 제공되는 검출신호의 세기는 가스 농도에 직접 비례하며 가스 셀 내의 광 강도가 충분히 높으면 낮은 가스 농도를 측정하는 데에 유용하므로 흡광도 측정법에서의 낮은 농도측정의 어려움을 해소할 수 있다.

그러나, 종래와 같이 가스셀 후방에 구비되는 음향센서로 입사된 광선의 세기를 측정하는 방식은, 가스셀에 의해 흡수된 광량의 변화를 검출하는 것으로, 셀을 통과한 빛은 셀의 벽면에 부딪혀 일부는 반사되고 남은 빛은 셀 몸체에 흡수되어, 셀 몸체에 흡수된 빛의 진동에 따른 백그라운드 신호(잡음)가 야기된다.

즉, 이와 같이 백그라운드 신호의 야기와 음향센서의 진동과 같은 환경적인 영향은 검출한계와 측정의 신뢰성에 영향을 주며, 낮은 농도의 가스를 음향센서에서 측정하려면 음압을 측정하는 검출 음향센서는 민감도가 매우 높고 동적범위가 넓은 측정용 고성능 콘덴서 마이크로폰을 사용해야 하고 민감도가 매우 높음에 따라 가능한 외부 진동의 영향과 잡음원을 회피해야 한다는 기술적 과제에 국면하게 되었다.

한국 공개특허공보 제10-2019-0048836호(미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템, 2019.05.09. 공개) 한국 등록특허공보 제10-0788795호(광 음향 검출기를 이용한 이산화탄소 농고 측정장치, 2007.12.27.공고)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 가스챔버 내부에서의 빛의 반사 및 외란에 따른 진동에 의한 잡음(백그라운드신호)을 제거하고 외란 신호를 보정함으로써 높은 신호 대 잡음비와 동적 범위를 구현한 가스측정용 음향센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 적외선 광원의 광량을 증대시켜 검출성능을 향상하여 측정한계를 높인 가스측정용 음향센서를 제공한다.

상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명은 광원, 내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버 및 상기 광학창과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 한 쌍의 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 한 쌍의 마이크로폰은 각기, 상기 음압신호 및 상기 가스챔버 내부에 형성된 내측반사면에서 반사되는 빛의 진동에 의해 야기되는 외란신호를 포함하는 입력신호를 출력하되, 상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호 를 합성하는 가산기를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호는 감쇄되도록 합성된 목적신호를 출력하는 가산회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가산회로부는 상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 출력된 입력신호를 증폭하는 프리앰프 및 상기 프리앰프와 가산기 사이에 구비되어, 상기 프리앰프로부터 증폭된 입력신호에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼, 상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터 및 상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외란보정회로부는 상기 가산회로부로부터 입력받은 목적신호와 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호를 합성하는 곱셈기와, 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 정위상출력라인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외란보정회로부는 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호의 위상을 가변하는 위상변이회로와, 상기 가산회로로부터 입력받은 목적신호와 상기 위상변이회로로부터 출력된 변이된 참조신호를 합성하는 곱셈기 및 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터를 포함하는 직교위상출력라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외란보정회로부로부터 출력된 상기 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)를 인가받아, 상기 가스챔버 내에 충전된 가스시료를 분석하는 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경을 더 포함하되 상기 광원은 적외선의 빛을 방출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원과 광학창 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼, 상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터 및 상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부를 더 포함하여, 상기 대역필터의 교환에 따른 외란을 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 적외선을 빛을 방출하는 광원, 상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경, 내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버 및 상기 가스챔버에 설치되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따른 본 발명은, 대칭구조를 가지는 두 개의 마이크로폰을 음향센서에 적용하여 외란을 배제할 수 있다. 더욱 자세하게는, 대향되도록 배치된 한 쌍의 마이크로폰에 각각 측정되는 동일 위상을 갖는 음압신호에 야기되는 서로 다른 위상을 갖는 외란신호를 분리함으로써 가스의 검출감도와 측정의 신뢰성이 향상된다는 장점이 있다.

또한, 일반적으로는 특정한 적외선 파장영역을 사용하면 하나의 가스 성분만을 측정할 수 있으나 다수의 적외선 필터를 적용하면 여러 종류의 가스 성분을 동시에 측정할 수 있고 복합가스에 따른 선택파장간의 간섭을 보정할 수 있다. 즉, 이 경우에 하나의 셀에 다수의 필터를 번갈아 적용함에 따른 진동의 영향을 효과적으로 제거한 다음 초퍼의 온-오프 스위칭 위상과 동기하는 위상검출회로를 사용하여 신호성분만을 검출할 수 있으므로 가스 음향센서의 효율성을 보장할 수 있다.

도 1은 종래의 가스측정 음향센서를 도시한 구성도.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 음향센서를 도시한 구성도.
도 3 내지 도 5는 도 1에 따른 광원 및 가스챔버를 설명하기 위한 요부확대도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위상감응회로부를 도시한 구성도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향센서를 도시한 구성도로서, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스검출용 음향센서(1000)는 광원(100), 가스챔버(200), 마이크로폰(300), 위상감응회로부(400) 및 검출부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광원(100)은 상기 가스챔버(200)의 일면에 형성된 광학창(210)으로 빛을 투사시키기 위한 구성으로, 음향센서(1000)의 검출 감도의 향상을 시키기 위한 일방면으로는 상기 가스챔버(200)로 입사되는 빛의 강도를 증대시켜, 신호 레벨의 크기를 증가시키는 방법이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 가스측정 음향센서(10)에서는 광원(1)으로부터 셀(4)로 입사하는 발산각이 포물면 반사경(2)으로 향하는 각과 셀로 향하는 각의 합(

)을 이루며, 이때 셀 윈도우(4a)의 직경이 클수록 많은 광량을 전달하는 데에 용이하지만 구성품의 제작의 어려움에 의해 설계가 제한된다. 즉, 셀에 측정가스를 채운 후 솔레노이드 밸브가 닫히고 초퍼(2)로 입사광을 변조한 상태에서 가스가 광 에너지를 흡수하여 생성한 음압 신호를 하나의 음향센서(5)를 이용해 측정하게 된다.

이에 반하여, 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명의 음향센서(1000)는 상기 가스챔버(200)와 대향되는 방향의 상기 광원(100)에 후방에 구비되어, 상기 광원(100)으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버(200)의 광학창(210)으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경(110)을 더 포함하여, 상기 가스챔버(200) 내부로 입사되는 광량을 증가시키도록 구성된다. 이때, 바람직하게는 검출감도의 향상을 위해 가스챔버(200) 내면에서의 고율 다중 반사를 이용하므로 가스챔버(200)로 입사되는 빛을 집광시키도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 광원(100)으로부터 가스챔버(200)로 입사되는 발산각(

)은 상기 광원(100)으로부터 타원면반사경(110)으로 향하는 빛의 각도(

)와 가스챔버(200)로 향하는 빛의 각도(

)의 합을 이루며, 상기 광원(100)으로부터 방출된 빛이 상기 가스챔버(200)내부로 입사되는 광량에 비례한다. 또한, 상기 광원은 적외선의 빛을 방출할 수 있다.

이때, 상기 타원면반사경(110)의 내측으로부터 반사되어 입사된 빛의 초점은 상기 광학착(210)에 맺히도록 구성됨으로써, 작은 직경의 광학창(210)를 사용하여도 더욱 많은 광량을 전달할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 발산각(

)은 상기 가스챔버(200) 내부에 반사효과가 가장 높게(즉, 반사된 빛의 경로가 가장 길도록) 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 타원면반사경(120)의 외측단부는 상기 광원(100)으로부터 같거나 더 길도록 상기 가스챔버(200)를 향하는 방향으로의 전방으로 연장 형성되어, 상기 광원(100)으로부터 방출된 빛을 전방으로 집광시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 가스챔버(200)는 내부에 측정하기 위한 가스시료가 충전되고, 상기 광원(100)을 바라보는 일면에 입사되는 빛을 내부로 투과시키기 위한 광학창(210)이 형성되어, 상기 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 팽창되는 가스시료의 압력변화를 측정하기 위한 구성으로, 본 발명의 가스챔버(200)는 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면(220)을 포함한다. 이때 상기 가스챔버(200)의 벽면은 구리와 같은 높은 열전도성 물질로 이루어지며, 상기 가스챔버(200)의 내측면에는 금과 같이 반사율이 높은 금속으로 얇게 코팅되어 이루어지는 내측반사면(220)이 형성되어, 상기 내측반사면(220)으로 입사된 빛의 흡수를 저감시킴으로써, 빛의 반사에 따른 배경신호를 저감시킬 수 있다.

이때, 상기 가스챔버(200)의 내부에서 발생하는 가스시료의 팽창에 따른 광음신호의 음압(P)은 하기의 식 1로 표현할 수 있다.

식 1 :

{여기에서, C : 가스의 농도, K: 가스의 흡광도 계수, I:가스챔버 내의 광의 세기, w : 변조 주파수, Cp : 일정한 압력에서 1몰을 1도 가열할 때 필요한 열량, Cv : 일정한 체적에서 1몰을 1도 가열할 때 필요한 열량이다.}

상기 식 1에 따르면, 빛의 감도는 광의세기(I)에 비례하고, 변조주파수(w)에 반비례한다. 즉 변조주파수는 가스챔버의 크기에 따라 하한값이 미리 결정되므로 감도를 향상하기 위해서는 가스챔버 내부로 입사되는 입사광량을 늘리고 가스챔버의 내부반사를 이용하여 광의 경로를 증가시키는 등의 광의 세기(I)를 증가시키는 것이 중요하다.

이에 본 발명은, 가스챔버(200)로 향하는 광량을 최대한 증가시키기 위해, 종래의 포물선 반사경 대신 타원면 반사경을 이용하여 가스챔버(200)의 광학창(210)에 초점이 위치하도록 집광시키고, 가스챔버(200) 내부로 입사된 빛은 발산되어 상기 가스챔버(200) 내벽에서 다중반사가 발생한다. 이에 따라 상기 가스챔버(200) 내부에서의 입사광량이 증가하고 빛의 경로가 길게 형성됨으로써, 상기 음향센서(1000)에서의 검출신호강도가 증대되어, 가스시료의 검출한계를 향상할 수 있다.

상기 마이크로폰(300)은 상기 가스챔버(200)에 설치되어, 상기 가스챔버(200)내부에서 발생하는 음압의 변화를 검출하기 위한 구성으로, 검출한계의 향상을 위하여 높은 신호 대 잡음비를 가지는 고감도 마이크로폰을 이용하는 것이 바람직하며, 이때 고감도의 마이크로폰은 검출한계 부근에서는 매우 작은 외부의 진동에도 외란의 영향을 크게 받는다는 단점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 음향센서(1000)는 상기 광학창(210)과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버(200) 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)을 이용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)으로부터 각기 측정되는 음압신호(S11)에는 상기 가스챔버(200) 내부에 형성된 내측반사면(220)에서 반사되는 빛의 진동 및 외부로부터의 외란에 의해 야기되는 배경신호(S12)가 혼합되게 된다.

이에, 본 발명의 음향센서(1000)는, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 측정된 상기 음향신호(S11) 및 배경신호(S12)를 포함하는 입력신호(S1)를 인가받아, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터의 출력에 대해 외란의 보정속도를 만족할 수 있도록 형성된 위상감응회로부(400) 및 상기 위상감응회로부(400)로부터 상기 배경신호(S12)가 제거된 출력신호의 진폭 및 위상을 분석하여, 상기 가스챔버(200) 내부에 충전된 가스시료의 성분 및 농도를 산출하는 검출부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 가스챔버(200) 내부로 입사된 빛이 내측반사면(220)에 의해 반사되며 이루는 광 경로를 도시한 예시도이며, 도 5는 본 발명의 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 내부에 충전된 가스시료가 팽창함에 따른 음압이 발생하는 일예를 도시한 예시도로서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)으로부터 검출되는 입력신호(S1)를 자세히 설명하면, 상기 광원(100)으로부터 방출되어 상기 가스챔버(200)내부로 입사된 빛은 상기 가스챔버(200) 내면을 이루는 내측반사면(220)에 의해 긴 반사 경로를 이루도록 반사가 이루어진다. 이때 상기 광원(100)으로부터 180도를 이루도록 방출되어 상기 광학창(210)으로 집광된 빛은 상기 광학창(210)을 투과하여, 상기 가스챔버(200) 내부에 측면을 이루는 어느 하나의 제1반사면(221)에 입사되어 반사되고, 이후 상기 제1반사면(221)으로부터 반사된 빛은 상기 가스챔버(200) 내부의 후방면(222)에 입사되어, 다른 하나의 제1반사면(221)에 입사된후, 상기 가스챔버(200) 내부의 전방면을 이루는 제3반사면(223)에 입사됨을 반복하며 긴 반사 경로를 형성하게 된다. 즉, 상기 가스챔버(200)는 내측면이 모두 반사면을 이루도록 구성되어 내부로 입사된 빛의 반사 경로를 증대시키도록 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)은 상기 가스챔버(200)의 측면에 서로 대면되도록 구비되는 것이 바람직하며, 상기 가스챔버(200) 내부로 측정을 위한 가스시료를 유입 및 배출하는 각각의 시료가스유입구(230) 및 기료가스배출구(240)는 상기 가스챔버(200) 내부의 후방 즉, 상기 광학창(210)과 마주보는 방향으로 배치하며, 이때 상기 시료가스유입구(230) 및 시료가스배출구(240)는 상기 가스챔버(200)의 내측면에 가장자리에 형성된 시료가스연통구(311, 321)에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)은 가스챔버(200) 내측면의 가장자리에 형성된 시료가스연통구(311, 321)를 통해 팽창된 가스의 압력변화를 감지할 수 있다.

이때, 상기 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 팽창된 가스시료의 음압신호(S11)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)에 동일한 위상의 신호로 측정된다. 그러나, 상기 내측반사면(220)을 통해 반사되는 빛에 의한 진동, 충격, 잡음 등의 영향을 받는 배경신호(S12)는 서로 반대되는 위상을 갖거나 서로 다른 위상차를 가짐으로써, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300) 중 어느 하나의 제1마이크로폰(310)에 측정된 배경신호(S12)는 다른 하나의 제2마이크로폰(320)에 측정된 배경신호(S12`)와 서로 다른 위상차를 갖도록 측정됨으로써, 별도의 위상변조가 필요없이 측정된 한 쌍의 입력신호(S1)를 가산함으로써, 서로 다른 위상을 갖는 배경신호(S12)를 상쇄하거나 상기 배경신호(S12)의 세기를 저감시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위상감응회로부(400)를 상세하게 도시한 음향센서(1000)의 구성도로서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 위상감응회로부(400)는 상기 광원(100)과 가스챔버(200)의 광학창(210) 사이에 구비되어, 상기 광원(100)으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼(120), 상기 광원(100)과 광학창(210) 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터(130), 및 상기 광학초퍼(120)의 펄스 위상에 따른 참조신호(R, R')를 출력하는 포토인터럽터(140)를 더 포함하며, 상기 위상감응회로부(400)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호(S1) 를 합성하는 가산기(413)를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호(S11)는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호(S12)는 감쇄되도록 합성된 목적신호(S2)를 출력하는 가산회로부(410) 및 상기 포토인터럽터(140)로부터 출력된 상기 참조신호(R)를 입력받아, 상기 가산회로부(410)로부터 인가받은 목적신호(S2)로부터 상기 참조신호(R, R')와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호(I, G)를 출력하는 외란보정회로부(420)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 외란보정회로부(420)는, 상기 대역필터의 교환에 따른 외란을 제거할 수 있다.

이때, 상기 가산회로부(410)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 출력된 입력신호(S1)를 증폭하는 프리앰프(411) 및 상기 프리앰프(411)와 가산기(413) 사이에 구비되어, 상기 프리앰프(411)로부터 증폭된 입력신호(S1)에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터(412)를 더 포함하여 구성되며, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 출력된 입력신호(S1)에 서로 다른 위상을 갖는 배경신호(S12)는 상기 가산기(413)에서 합성되어 감쇄되게 된다.

또한, 상기 광학초퍼(120)에 의해 펄스 위상을 갖도록 빛을 변조하고, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)에서는 광원(100)의 변조 주파수에 상응하는 신호를 축력하고, 위상검출에 동기하여 동작하는 외란보정회로부(420)의 입력으로 사용하여 농도에 비례하는 크기의 신호를 얻을 수 있다.

이때, 상기 외란보정회로부(420)는 상기 가산회로부(410)로부터 입력받은 목적신호(S2)와 상기 포토인터럽터(140)로부터 인가받은 참조신호(R)를 합성하는 곱셈기(421a)와, 상기 곱셈기(421)로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호(R)와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터(422a) 및 상기 저역필터(422a)를 통과하여 출력된 신호를 증폭하는 파워앰프(424a)를 포함하는 정위상출력라인(L1)과, 상기 포토인터럽터(140)로부터 인가받은 참조신호(R)의 위상을 가변하는 위상변이회로(423)와, 상기 가산회로부(410)로부터 입력받은 목적신호(S2)와 상기 위상변이회로(423)로부터 출력된 변이된 참조신호(R')를 합성하는 곱셈기(422b)와 상기 곱셈기(422b)로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호(R')와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터(422b) 및 상기 저역필터(422b)를 통과하여 출력된 신호를 증폭하는 파워앰프(424b)를 포함하는 직교위상출력라인(L2)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에서 상기 위상변이회로(423)는 상기 목적신호(S2)와 참조신호(R) 간의 위상차를 조절하여 최고 출력신호를 얻기 위한 구성으로, 일예로 90도 위상차 출력을 추가하여 각 출력신호의 제곱의 합의 평반근을 시료의 농도에 비례하는 값으로 산출함으로써, 검출하려는 음압신호만을 증폭할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 외란보정회로부(420)로부터 출력된 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)는 상기 검출기(500)로 인가되어, 인가된 출력신호에 진폭(X) 및 위상(Y)는 하기의 식 2에 따라 산출 될 수 있다.

식 2 :

{여기에서, 사분면 즉, (-∏, ∏)을 모두 포괄하는 위상각에 대한 출력 범위를 가지려면 atan 대신 atan2 함수를 사용하여야 한다.}

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 가스검출용 음향센서
100 : 광원 110 : 타원면반사경
120 : 광학초퍼 130 : 대역필터
140 : 포토인터럽터
200 : 가스챔버 210 : 광학창
220 : 내측반사면 221 : 제1반사면
222 : 제2반사면 223 : 제3반사면
230 : 시료가스유입구 240 : 시료가스배출구
300 : 마이크로폰 310 : 제1마이크로폰
320 : 제2마이크로폰 311, 321 : 시료가스연통구
400 : 위상감응회로부
410 : 가산회로부 411 : 프리앰프
412 : 고역필터 413 : 가산기
420 : 외란보정회로부 421 : 곱셈기
422 : 저역필터 423 : 위상변이회로
424 : 파워앰프
500 : 검출부
L1:정위상출력라인 L2 : 직교위상출력라인
S1 : 입력신호 S2 : 목적신호
S11, S21 : 음압신호 S12, S22 : 외란신호
I : 정위상출력신호 Q : 직교위상출력신호
R : 참조신호 R': 위상변조 참조신호

Claims

광원;
내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버; 및
상기 광학창과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하되, 각기 상기 음압신호 및 상기 가스챔버 내부에 형성된 내측반사면에서 반사되는 빛의 진동에 의해 야기되는 외란신호를 포함하는 입력신호를 출력하는 한 쌍의 마이크로폰;
상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호 를 합성하는 가산기를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호는 감쇄되도록 합성된 목적신호를 출력하는 가산회로부;
상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼;
상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터; 및
상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가산회로부는,
상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 출력된 입력신호를 증폭하는 프리앰프, 및
상기 프리앰프와 가산기 사이에 구비되어, 상기 프리앰프로부터 증폭된 입력신호에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터,
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 외란보정회로부는,
상기 가산회로부로부터 입력받은 목적신호와 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호를 합성하는 곱셈기와, 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 정위상출력라인,
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
제5항에 있어서,
상기 외란보정회로부는,
상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호의 위상을 가변하는 위상변이회로와, 상기 가산회로로부터 입력받은 목적신호와 상기 위상변이회로로부터 출력된 변이된 참조신호를 합성하는 곱셈기 및 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 직교위상출력라인,
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
제6항에 있어서,
상기 외란보정회로부로부터 출력된 상기 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)를 인가받아, 상기 가스챔버 내에 충전된 가스시료를 분석하는 검출기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
제1항에 있어서,
상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경;
을 더 포함하되,
상기 광원은 적외선의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
제8항에 있어서,
상기 광원과 광학창 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
제9항에 있어서,
상기 외란보정회로부는, 상기 대역필터의 교환에 따른 외란을 제거하는 것
을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
삭제