KR102317434B1 - 가스 센싱장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
가스 센싱장치 및 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장대역의 광을 외부로 출력하는 광원과 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공하며, 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지를 센싱하는 광 조정부와 상기 광원에서 출력한 광에 의한 반사광을 외부로부터 수광하는 수광부와 상기 수광부의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하며, 상기 광 조정부의 센싱값을 분석하여 상기 광원으로 인가되는 전류량을 조정하는 제어부 및 상기 광원, 광 조정부, 수광부 및 제어부로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장대역의 광을 외부로 출력하는 광원과 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공하며, 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지를 센싱하는 광 조정부와 상기 광원에서 출력한 광에 의한 반사광을 외부로부터 수광하는 수광부와 상기 수광부의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하며, 상기 광 조정부의 센싱값을 분석하여 상기 광원으로 인가되는 전류량을 조정하는 제어부 및 상기 광원, 광 조정부, 수광부 및 제어부로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
Description
본 발명은 가스의 특정 성분을 센싱하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
가스 센싱장치는 대기 중 특정 기체 성분을 검출한다. 특정 기체 성분은 주로 인체에 유해한 기체 성분으로서, 메탄(CH4), VOC(Volatile Organic Compounds), 포름 알데히드 또는 톨루엔 등이 포함된다.
이러한 기체 성분을 검출하기 위한 가스 센싱장치로서, 종래에는 다음과 같은 가스 센싱장치 패키지가 사용되었다. 종래의 가스 센싱장치 패키지는 특정 기체 성분을 센싱하기 위한 센싱물질 및 센싱물질을 활성화하기 위한 히터를 포함하였다. 여기서, 센싱물질이 특정 기체성분을 센싱하기 위해서는 활성화가 되어야 하는데, 종래의 가스 센싱장치 패키지는 센싱물질을 활성화시키기 위해 히터를 이용하였다. 종래의 가스 센싱장치 패키지는 히터를 이용하여 센싱물질의 온도를 상승시킴으로써, 센싱물질을 활성화시켜 특정 기체성분을 센싱하였다.
그러나 종래의 가스 센싱장치 패키지 내에 히터를 포함해야 하므로, 부피가 커지는 불편이 존재한다. 또한, 가스 센싱장치 패키지 내 센싱물질이 활성화되기 위해서는 가열되어야 하는 점에서, 상온의 환경에서 바로 사용되지 못하고 일정시간 가열되어야만 사용될 수 있는 불편이 있었다.
이에, 광원을 이용하여 특정 기체성분을 센싱하는 가스 센싱장치가 등장하였다. 기체 성분들이 각각 특정 파장대역의 광을 흡수하는 성질을 이용한 것으로서, 종래의 가스 센싱장치는 검출하고자 하는 성분이 흡수하는 파장대역의 광을 조사하고, 그로부터 반사되는 반사광량을 센싱하여 검출하고자 하는 성분의 존부와 양을 센싱하였다.
광원에서 출력되는 광의 파장대역은 온도에 상당히 민감하여, 광원 주변의 온도가 변함에 따라 출력되는 광의 파장대역도 함께 변하게 된다. 이러한 문제로 인해, 온도에 민감하지 않은 광원이 가스 센싱장치 내에 탑재될 경우 제조 원가가 상당히 높아지는 문제가 있으며, 그렇지 않을 경우 품질이 상당히 저하되는 문제가 있다.
또한, 가스 센싱장치가 일정 기간 이상 사용될 경우, 광원에서 에이징(Aging)이 발생하게 된다. 이는 광원에서 출력되는 파장대역 자체를 변화시키는데, 문제는 어떠한 파장대역(파장이 커지는 방향 또는 작아지는 방향)으로 변하는지 얼마만큼 변하는지 알 수 없다. 이에, 종래의 가스 센싱장치는 에이징에 따른 광원의 파장 변화를 파악하기 위한 별도의 구성이 추가로 포함되어야 하는 불편이 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 고가의 구성을 포함하지 않으면서도 정밀도를 높인 가스 센싱장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장대역의 광을 외부로 출력하는 광원과 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공하며, 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지를 센싱하는 광 조정부와 상기 광원에서 출력한 광에 의한 반사광을 외부로부터 수광하는 수광부와 상기 수광부의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하며, 상기 광 조정부의 센싱값을 분석하여 상기 광원으로 인가되는 전류량을 조정하는 제어부 및 상기 광원, 광 조정부, 수광부 및 제어부로 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 파장대역은 검출하고자 하는 가스 성분에서 흡수되는 파장인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 조정부는 상기 광원으로부터 출력되는 광의 세기 및 상기 기 설정된 파장대역을 갖는 광의 세기를 센싱함으로써, 상기 광원이 출력하는 기 설정된 파장대역의 광의 세기를 센싱하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하도록 하는 온도를 제공하는 온도 제공과정과 상기 광원이 광을 출력할 수 있도록 전원을 제공하는 전원 제공과정과 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지를 센싱하는 센싱과정과 상기 광원에서 출력되는 광이 기 설정된 파장대역을 갖는 경우, 외부로 광이 출력되도록 하는 출력과정과 출력된 광에 의한 반사광을 외부로부터 수광하는 수광과정 및 상기 수광과정에서의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하는 검출과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 가스 센싱방법은 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하지 않는 경우, 상기 광원으로 제공하는 전원의 양을 조정하는 조정과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 파장대역은 검출하고자 하는 가스 성분에서 흡수되는 파장인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 고가의 구성을 포함하지 않아 저렴하게 구현 가능하면서도, 정밀도를 향상시켜 높은 감도를 가질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조정부의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 파장에 따른 기체의 광 흡수도를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 파장에 따른 광 투과율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력광의 파장에 따른 수광비를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부에서 수광하는 광의 수광량과 파장의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치가 가스를 센싱하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조정부의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 파장에 따른 기체의 광 흡수도를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 파장에 따른 광 투과율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력광의 파장에 따른 수광비를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부에서 수광하는 광의 수광량과 파장의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치가 가스를 센싱하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치의 구성을 도시한 도면이다.
가스 센싱장치(100)는 광을 이용하여 특정 가스성분을 센싱한다. 가스 센싱장치(100)는 가스성분이 존재하는지 의심스러운 공간으로 광을 조사하며, 공간으로부터 반사되는 반사광량을 측정하여 해당 공간 상에 특정 가스성분이 존재하는지를 센싱한다. 가스 센싱장치(100)는 내부에 정밀하며 고가의 구성을 포함하지 않으면서, 출력광의 파장변화에 능동적으로 반응하여 가스성분의 정밀한 센싱을 가능케한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치(100)는 제1 광원(210), 제2 광원(215), 광 조정부(220), 수광부(230), 제어부(240) 및 전원부(250)를 포함한다.
제1 광원(210)은 기 설정된 파장대역의 광을 출력한다. 기 설정된 파장대역은 가스 센싱장치(100)가 센싱하고자 하는 가스성분이 흡수하는 파장대역이다. 제1 광원(210)은 센싱하고자 하는 가스성분이 존재하는지 확인하고자 하는 지역으로 기 설정된 파장대역의 광을 출력한다. 제1 광원(210)은 기 설정된 파장대역의 광을 출력하여, 센싱하고자 하는 가스 성분의 존부에 따라 반사광량이 달라지도록 한다.
제2 광원(215)은 제1 광원(210)과 동일한 광경로로 가시광 파장대역의 광을 출력한다. 제1 광원(210)이 출력하는 파장대역이 가시광 파장대역을 벗어난다면, 가스 센싱장치(100)의 이용자는 정확히 제1 광원(210)이 어느 포인트로 광을 출력하고 있는지 짐작만 할 뿐 정확히 파악하기는 곤란하다. 이를 방지하기 위해, 제2 광원(215)은 제1 광원(210)과 일정 거리 떨어진 채로 위치하며, 제1 광원(210)과 동일한 광경로로 가시광 파장대역의 광을 조사한다. 이에, 이용자는 제2 광원(215)에서 출력되는 광을 확인하여 제1 광원(210)의 광 출력 경로를 파악할 수 있다.
광 조정부(220)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공하며, 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지 센싱한다.
광 조정부(220)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공한다. 광 조정부(220)는 제어부(240)의 제어에 따라, 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하도록 하는 온도를 제공한다. 제1 광원(210)은 제조될 때 기 설정된 파장대역의 광을 출력하기 위해 설정되어야 하는 온도가 결정된다. 광 조정부(220)는 이러한 온도를 제공하여, 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는데 온도의 영향을 최소화할 수 있도록 한다.
광 조정부(220)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지 센싱한다. 광원에서 출력되는 광의 파장은 온도에 민감하게 반응한다. 광원의 주변 온도 뿐만 아니라, 광원으로 공급되는 전원(전류)의 양도 광원 내부의 온도를 가변시켜 출력되는 광의 파장을 가변시킨다. 이에, 온도만을 맞춘다고 하여 반드시 광원에서 원하는 파장대역의 광이 출력되는 것은 아니다. 이에, 광 조정부(220)는 제1 광원(210)에서 기 설정된 파장대역의 광이 출력되는지를 센싱한다. 광 조정부(220)는 제1 광원(210)에서 출력되는 광량과 함께 기 설정된 파장대역의 광의 출력량을 센싱한다. 광 조정부(220)는 센싱값을 이용하여 일정 수준의 출력량만큼 광이 출력되고 있으며, 출력되는 광의 파장이 기 설정된 파장대역인지 정확히 확인할 수 있다. 광 조정부(220)는 이를 센싱하여 센싱값을 제어부(240)로 전달함으로써, 제어부(240)가 제1 광원(210)으로 제공되는 전원(전류)량을 조정할 수 있도록 한다.
수광부(230)는 제1 광원(210)으로부터 출력된 후 외부에서 반사되는 반사광을 수광한다. 전술한 바와 같이, 검출하고자 하는 가스 성분은 특정 파장대역의 광을 흡수한다. 이는 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 파장에 따른 기체의 광 흡수도를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 기체는 메탄의 파장에 따른 광 흡수도를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 메탄은 다양한 파장에서 일정 수준 이상의 광 흡수도를 보이고 있다. 다만, 수 pm 정도로 아주 좁은 선폭의 파장 대역의 광만을 흡수하며, 해당 파장대역을 벗어나면 광의 흡수도가 현저히 감소하게 된다. 이에, 가스성분의 검출을 위해 출력되어야 하는 광은 높은 흡수도를 갖는 파장대역으로부터 일정 파장 범위(Δλ) 내를 가져야 한다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 수광부(230)는 파장으로부터 반사되는 반사광을 수광하여 반사광량을 센싱한다.
제어부(240)는 수광부(230)의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하며, 광 조정부(220)의 센싱값을 분석하여 제1 광원(210)으로 인가되는 전원량을 조정한다.
제어부(240)는 수광부(230)의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출한다. 전술한 대로, 검출하고자 하는 기체가 흡수하는 파장대역의 광이 제1 광원(210)에서 출력되었다면, 수광부(230)에서 센싱되는 반사광량은 도 8과 같이 나타난다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부에서 수광하는 광의 수광량과 파장의 관계를 도시한 그래프이다.
광이 조사된 지역 내에 검출하고자 하는 기체 성분이 존재하는 경우를 가정하면, 검출하고자 하는 기체가 흡수하는 파장대역의 인접 대역에서는 일정 수준 이상의 수광량이 나타나는 반면, 검출하고자 하는 기체가 흡수하는 파장대역에서는 상당히 낮은 수광량이 나타나고 있다. 이는 광이 조사된 지역 내에 검출하고자 하는 기체 성분이 존재하여 해당 성분이 광을 흡수하였음을 의미한다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 제어부(240)는 이처럼 수광부(230)의 수광량을 분석하여 광이 조사된 지역 내에 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출한다.
제어부(240)는 광 조정부(220)의 센싱값을 분석하여 제1 광원(210)으로 인가되는 전원량을 조정한다. 제어부(240)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 조사할 수 있도록 하는 온도를 제1 광원(210)으로 제공하도록 광 조정부(220)를 제어한다. 이후, 제어부(240)는 광 조정부(220)의 센싱값을 분석한다. 제1 광원(210)에서 기 설정된 파장대역의 광이 조사된다면, 센싱값의 비율은 특정 수치 범위를 만족하여야 한다. 그러나 광원의 상태나 광원으로 입력되는 전류 등 다양한 원인에 의해 해당 수치범위를 만족시키지 못할 가능성이 높다. 이에, 제어부(240)는 전원부(250)를 제어하여 제1 광원(210)으로 입력되는 전류값을 조정하며, 지속적으로 광 조정부(220)의 센싱값을 분석한다. 제어부(240)는 이러한 제어과정을 거치며, 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 조사하도록 제어할 수 있다. 제어부(240)는 센싱값을 분석하여 출력광의 파장대역을 조정함에 따라, 광원의 성능, 광원의 에이징 상태, 광원으로 주입되는 전원의 상태 변화 또는 주변의 온도 변화 등에 무관하게 광원에서 출력되는 파장대역을 균일하게 할 수 있다.
전원부(250)는 가스 센싱장치(100) 내 각 구성으로 전원을 제공한다. 전원부(250)는 제1 광원(210)으로 전류를 제공함에 있어, 일정 범위(Δλ) 만큼 가변하는 전류를 제공할 수 있다. 제1 광원(210)으로 전류가 제공되는 경우, 제1 광원(210)은 일정 파장대역의 광을 조사한다. 그러나 아무리 광 조정부(220)에서 제1 광원(210)을 정확한 온도로 설정해두고 정확한 전류값을 제공하더라도, 제1 광원(210)의 제조시 설정된 파장대역의 광이 출력되지 않을 가능성이 존재한다. 또한, 전술한 대로, 가스 성분에서 흡수되는 광의 파장대역은 수 pm로 아주 좁은 대역이기 때문에, 광의 파장대역이 조금만 변하더라도 가스 성분에 의해 충분히 흡수되지 못할 가능성이 존재한다. 이를 방지하기 위해, 제1 광원(210)이 출력하는 광의 파장이 기 설정된 파장을 기준으로 일정 범위(Δλ) 내에서 가변될 수 있도록, 전원부(250)는 제어부(240)의 제어에 따라, 특정 수치로부터 일정 범위만큼 가변하는 전류를 제공한다.
여기서, 일정 범위는 광원에서 출력되는 광의 파장이 50 내지 100pm 만큼 가변될 수 있는 수준일 수 있다. 가변되는 범위가 지나치게 넓어질 경우, 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 확률은 높아질 수 있으나, 도 8을 참조하여 전술한 대로, 수광부(230)에서 수광되는 수광량에서 흡수되는 파장대역이 상당히 많아지게 된다. 제어부(240)에서 분석해야 할 데이터 처리량이 증가하여 가스 성분의 센싱 속도가 상당히 늦어지게 된다. 이러한 문제로 인해, 전원부(250)는 제1 광원(210)으로 공급할 전원을 일정 범위만큼만 가변하여 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조정부의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조정부(220)는 제1 광센서(310), 열전소자(320), 빔 스플리터(330), 광 필터(340) 및 제2 광 센서(350)를 포함한다.
제1 광센서(310)는 제1 광원(210)에서 출력되는 광량을 센싱한다. 제1 광센서(310)는 어떠한 필터를 통과하지 않고 순수하게 광원(210)에서 출력되는 전체 광량을 센싱하여, 제1 광원(210)에서 출력되는 광량을 알 수 있도록 한다. 이때, 제1 광원(210)은 외부로 광을 조사하기 위한 경로 상으로 광을 출력할 뿐만 아니라, 그와 반대되는 경로 상으로도 광을 출력한다. 제1 광센서(310)는 제1 광원(210)으로부터 외부로 출력되는 광 경로상이 아닌, 그의 반대되는 경로 상에 배치되어 제1 광원(210)에서 출력되는 광량을 센싱한다.
열전소자(320)는 제1 광원(210)과 광 필터(340)가 특정 온도를 갖도록 열을 제공한다. 도 3에는 열전소자(320) 상에 제1 광원(210) 만이 접촉되어 있는 것처럼 도시되어 있으나, 제1 광원(210)과 광 필터(340) 모두가 열전소자(320) 상에 접촉하여 열을 제공받는다. 열전소자(320)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 조사하는 온도를 갖도록 열을 제공한다. 전술한 대로, 제1 광원(210)은 제조되며 특정 온도에서 기 설정된 파장대역의 광을 조사할 수 있도록 설계된다. 열전소자(320)는 제1 광원(210)이 설계된 온도를 갖도록 열을 제공한다. 또한, 열전소자(320)는 외부 환경과 무관하게 제1 광원(210)이 해당 온도를 갖도록 한다.
열전소자(320)는 일정한 온도를 갖도록 열을 제공하는 소자이나, 종래의 열전소자는 일정한 온도를 갖도록 열을 제공하는 것에 어려움이 존재하였다. 이는 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 구성을 도시한 도면이다.
열전소자(320)는 자신과 접촉하는 소자가 일정한 온도를 갖도록 하기 위해, 소자가 접촉되는 면에 써미스터(410)를 포함한다. 써미스터는 열전소자(320)가 배치된 환경의 온도를 센싱하여 열전소자(320)로 제공함으로써, 열전소자(320)가 이를 인지하고 일정하게 온도를 유지할 수 있도록 한다. 그러나 종래의 열전소자 내 써미스터가 온도를 센싱하기 위해, 외부로부터 전류를 공급받을 전선이 외부로 노출되어야만 했다. 통상, 써미스터는 온도에 따라 저항값이 변화하기에 저항값의 변화량으로, 온도나 온도 변화량을 알 수 있도록 한다. 이때, 저항값의 변화를 파악하기 위해, 종래의 써미스터로 외부로 노출된 전선을 따라 전류가 공급되어 왔다. 이때, 외부와 써미스터(열전소자)의 온도 차가 발생하는 상황이라면, 외부로 노출된 전선으로 써미스터의 열량이 빠져나가거나, 외부에서 전선을 따라 써미스터로 열량이 제공되는 경우가 발생한다. 이에 의해, 종래의 써미스터는 정확히 온도를 감지하기 곤란하였으며, 이러한 써미스터의 감지값을 이용하는 종래의 열전소자 역시 자신에 접촉한 소자(광원)의 온도를 균일하게 유지하기 곤란하였다. 광원의 온도가 균일하게 유지되지 못하게 되면, 광원에서 출력되는 광의 파장대역에 변화가 발생하기에 온전한 가스 성분의 센싱이 곤란해졌다.
이를 방지하기 위해, 열전소자(320)는 써미스터(410) 외에 버퍼(420)를 추가로 더 포함한다. 버퍼(420)는 써미스터(410)와 외부의 중간에서 양자를 연결하여, 써미스터(410)로 전류가 인가되도록 하는 전선이 외부로 직접 드러나지 않도록 한다. 써미스터(410)로 전류가 인가되도록 하는 전선이 1차적으로 버퍼(420)를 거치며 버퍼(420)와 연결되어 외부로 드러나게 된다. 버퍼(420)는 열 전도율은 일정 기준치보다 낮은 반면, 전기 전도도는 일정 기준치보다 높은 소재, 예를 들어, 백금으로 구현된다. 외부에서 유입되는 전류는 온전히 써미스터(410)로 전달하는 반면, 써미스터(410)에 연결되는 전선이 직접 외부로 노출되지 않도록 한다. 이에, 써미스터(410)는 외부로 노출되는 전선에 의한 온도 변화는 버퍼(420)에 의해 최소화되며, 온전히 자신 주변의 온도만을 센싱할 수 있다. 이러한 구조에 따라, 열전소자(320)는 제1 광원(210)이 최대한 일정한 온도(기 설정된 파장대역의 광을 조사하도록 설정된 온도)를 가질 수 있도록 한다.
다시 도 3을 참조하면, 빔 스플러티(330)는 제1 광원(210)이 광을 조사하는 광 경로상에 배치되어, 제1 광원(210)에서 출력되는 광의 일부를 광 필터(340) 방향으로 분기시킨다.
광 필터(340)는 입사하는 광의 파장에 따라 일정 비율만큼 투과시킨다. 도 6과 같이, 입사하는 광의 파장에 따라 광 필터(340)의 투과율이 가변한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 파장에 따른 광 투과율을 도시한 그래프이다.
광 필터(340)는 입사하는 광의 파장이 커질수록, 투과율이 감소하는 특성을 갖는다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 파장과 투과율과의 관계는 그 역이 성립할 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제2 광 센서(350)는 광 필터(340)를 통과한 광량을 센싱한다. 전술한 대로, 광 필터(340)를 통과한 광량은 광 필터(340)로 입사하는 광의 파장대역에 따라 달라진다. 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하였다면, 제1 광 센서(310)에서 센싱된 광량에 대비하여 제2 광 센서(350)에서 센싱되어야 하는 광량이 결정된다. 제어부(240)는 그것과 대비하여 제2 광 센서(350)에서 센싱된 센싱값이 얼마인지를 판단하여, 제1 광원(210)에서 어떠한 파장대역의 광이 출력되는지를 간단하게 판단할 수 있다. 판단하는 방법은 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력광의 파장에 따른 수광비를 도시한 그래프이다.
도 7의 그래프에서 y축을 의미하는 수광비는 제1 광 센서(310)와 제2 광 센서(350)의 각 센싱값의 비율을 의미한다. 여기서, 수광비가 가변하는 이유는 전술한 대로, 제1 광원(210)에서 출력되는 광의 파장이 일정 범위(Δλ) 내에서 가변되기 때문이다. 통상적으로 제1 광원(210)으로 인가되는 전원의 주파수는 수십 kHz인 반면, 통상 광 센서(310)가 센싱할 수 있는 신호의 주파수는 수 MHz이므로, 광 센서(310, 350)는 가변하는 광 출력을 모두 감지할 수 있다. 센싱값이 지속적으로 가변하는 경우, 제어부(240)는 정확한 수광비와 수광비가 일정한 기준치를 초과하는지를 판단하기 곤란하다. 이에, 광 센서(310, 350) 또는 제어부(240)는 센싱값의 평균치를 연산하여, 평균치의 비로 수광비를 연산한다. 제어부(240)는 연산된 수광비가 기준치(제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하였다면 각 센서에서 센싱되어야 하는 센싱값의 비율)와 일치하는지를 판단한다. 수광비가 기준치와 일치하지 않는다면, 제어부(240)는 수광비가 기준치에 모자라거나 기준치를 넘치는 정도에 따라 제1 광원(210)으로 인가할 전류량을 제어한다. 광원으로 인가되는 전류량에 변화가 발생하면, 변화된 전류량에 따라 광원이 안정화되기까지는 일정한 시간이 소모된다. 제어부(240)는 제1 광원(210)으로 인가할 전류량을 제어한 후, 광원이 안정화되는 시간을 대기한다. 대기 후, 제어부(240)는 전술한 과정을 반복함으로써 제1 광원(210)에서 기 설정된 파장대역의 광이 조사될 수 있도록 한다.
가스 센싱장치(100)가 전술한 대로 동작함으로써, 고가(고성능)의 부품을 포함하지 않으면서도 출력되는 광의 파장의 정밀도를 ±10pm 내외의 수준으로 유지하여, 수 pm만큼의 흡수 대역을 갖는 특정 가스 성분을 검출함에 있어 온전히 검출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱장치가 가스를 센싱하는 방법을 도시한 순서도이다.
제어부(240)는 제1 광원(210)의 동작 온도 설정을 위해 열전소자(320)의 온도를 제어한다(S910). 제어부(240)는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 조사하도록 제조 시에 설정된 동작 온도로 설정될 수 있도록 열전소자(320)를 제어한다.
제어부(240)는 전원부(250)를 제어하여 제1 광원(210)으로 전류를 인가한다(S920).
제어부(240)는 제1 광원(210)으로부터 출력되는 광의 출력과 제1 광원(210)으로부터 출력되어 광 필터(340)를 거친 광의 출력값을 인지한다(S930). 제1 광 센서(310)는 제1 광원(210)으로부터 출력되는 광의 출력(광량)을, 제2 광 센서(350)는 제1 광원(210)으로부터 출력되어 광 필터(340)를 거친 광의 출력(광량)을 센싱한다. 제어부(240)는 각 광 센서(310, 350)가 센싱한 센싱값을 인지한다.
제어부(240)는 양 센싱값의 비율이 기 설정된 기준치와 일치하는지를 판단한다(S940). 제어부(240)는 양 센싱값의 비율이 연산하여, 기 설정된 기준치와 일치하는지를 판단한다. 여기서, 기 설정된 기준치는 제1 광원(210)이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하였다면 각 센서에서 센싱되어야 하는 센싱값의 비율에 해당한다.
양 센싱값의 비율이 기 설정된 기준치와 일치하는 경우, 외부로 광이 출력되도록 한다(S950).
양 센싱값의 비율이 기 설정된 기준치와 일치하지 않는 경우, 제어부(240)는 제1 광원으로 인가되는 전류값이 조정되도록 전원부(250)를 제어한다(S960).
도 9에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 9는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 9에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가스 센싱장치
210: 제1 광원
215: 제2 광원
220: 광 조정부
230: 수광부
240: 제어부
250: 전원부
310: 제1 광 센서
320: 열전소자
330: 빔 스플리터
340: 광 필터
350: 제2 광 센서
410: 써미스터
420: 버퍼
210: 제1 광원
215: 제2 광원
220: 광 조정부
230: 수광부
240: 제어부
250: 전원부
310: 제1 광 센서
320: 열전소자
330: 빔 스플리터
340: 광 필터
350: 제2 광 센서
410: 써미스터
420: 버퍼
Claims (6)
- 기 설정된 파장대역의 광을 외부로 출력하는 광원;
상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력할 수 있도록 온도를 제공하며, 상기 광원이 기 설정된 파장대역의 광을 출력하는지를 센싱하는 광 조정부;
상기 광원에서 출력한 광에 의한 반사광을 외부로부터 수광하는 수광부;
상기 수광부의 수광량을 분석하여 기 설정된 가스 성분이 존재하는지를 검출하며, 상기 광 조정부의 센싱값을 분석하여 상기 광원으로 인가되는 전류량을 조정하는 제어부; 및
상기 광원, 광 조정부, 수광부 및 제어부로 전원을 인가하는 전원부를 포함하며,
상기 광원은 외부로 광을 조사하기 위한 경로와 상기 경로에 반대되는 경로 상으로 출력하며,
상기 광 조정부는,
상기 광원으로부터 광이 외부로 출력되는 경로에 반대되는 경로 상으로 출력되는 광량을 센싱하는 제1 광 센서;
상기 광원이 외부로 조사하는 광 경로 상에 배치되어 출력되는 광 일부를 분기시키는 빔 스플리터;
입사하는 광의 파장에 따라 투과율이 가변하는 광 필터;
상기 빔 스플리터에서 분기되어 상기 광 필터를 통과한 광량을 센싱하는 제2 광 센서; 및
상기 광원과 상기 광 필터가 기 설정된 온도를 갖도록 열을 제공하는 열전소자를 포함하며,
상기 제어부는 상기 제1 광 센서에서 센싱된 광량에 대비하여 상기 제2 광 센서에서 센싱된 광량이 얼마인지 판단하여 상기 광원에서 출력된 광의 파장대역을 판단하고,
상기 열전소자는 소자가 접촉되는 면에 전류를 공급받을 전선의 저항값 변화를 토대로 온도나 온도 변화량을 센싱하는 써미스터 및 상기 써미스터와 상기 열전소자 외부와의 중간에서 양자를 연결하는 버퍼를 포함하여,
상기 써미스터로 전류를 인가하는 전선이 1차적으로 상기 버퍼를 거치며 상기 버퍼와 연결되어 상기 열전소자 외부로 드러나는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 제1항에 있어서,
상기 기 설정된 파장대역은,
검출하고자 하는 가스 성분에서 흡수되는 파장인 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치. - 제1항에 있어서,
상기 광 조정부는,
상기 광원으로부터 출력되는 광의 세기 및 상기 기 설정된 파장대역을 갖는 광의 세기를 센싱함으로써, 상기 광원이 출력하는 기 설정된 파장대역의 광의 세기를 센싱하는 것을 특징으로 하는 가스 센싱장치.
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- 2020-10-06 KR KR1020200128554A patent/KR102317434B1/ko active IP Right Grant
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