KR102320704B1 - 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀 - Google Patents

Abstract

미세먼지를 측정하기 위하여 배관의 일측 끝단에서 음압을 발생하여 미세먼지 흡입구로 흡입되는 미세먼지를 확산 셀이라 불리는 상기 미세먼지와 레이저를 충돌시켜 산란광을 만들고 이를 측정하는 확산 셀에서 측정되는 신호가 미세먼지가 없는 경우에도 백그라운드 노이즈 측정 전압이 높아 측정 결과가 정확하지 않고 정밀도가 떨어지는 문제가 있어왔다.
본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 원형의 파이프 형태로 구성되어 길이방향으로 측정하고자 하는 미세먼지를 포함한 측정 샘플이 통과하는 확산 셀 몸체; 및 상기 확산 셀 몸체의 측면에 구비되어 상기 확산 셀 몸체를 통과하는 측정 샘플에 미세먼지 측정을 위한 레이저광을 비추기 위한 레이저광 입사홀; 및 상기 레이저광 입사홀의 반대쪽에 상기 레이저 광이 통과되도록 함으로써, 상기 확산 셀 몸체 내부에서 입사된 레이저광이 반사되어 신호로 측정되지 않도록 상기 레이저광을 배출하는 레이저광 배출홀; 및 상기 입사된 레이저광이 상기 측정 샘플에 포함된 미세먼지에 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하기 위한 산란광측정홀를 구비한 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀에 있어서, 상기 레이저광 입사홀과 상기 레이저광 배출홀은 상기 확산 셀 몸체의 측정샘플 배출 방향쪽으로 0 ~ 10 도 기울기를 가지고 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 기존의 확산 셀의 측정을 위한 측정 홀의 크기를 줄이고 확산 셀의 두께는 두껍게 함으로써 상기 측정 홀 주변에 미세먼지 와류가 발생하는 것을 막고, 측정 샘플 가스가 연속적으로 지나가도록 함으로써 백그라운드 노이즈를 억제하여 S/N 비를 높여 측정 감도를 높이는 효과가 있는 기술이다.

Description

광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀{.}

광산란방식의 미세먼지 측정장치의 노이즈를 개선하기 위한 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 광산란방식의 미세먼지 측정장치의 핵심부품인 미세먼지 측정부의 개량에 관한 것이다.

본 출원 발명 이전의 선행기술로는 베타선 측정방법에 광산란 측정방법을 보조측정방법으로 사용하여 미세먼지를 신뢰성 있게 측정하는 미세먼지 측정방법에 관한 기술이 개시되어 있다.

또 다른 선행기술로는 초미세입자의 포집부와 이온화 영역부 사이에 하나의 광산란 모듈을 장착하여 초미세입자가 도달하는 시점에 이온화 레이저를 정확하게 조사함으로써, 검출 효율이 우수한 초미세입자의 크기-성분 측정 장치 및 크기-성분 측정 방법에 대하여 개시한다. 이 기술은 초미세입자의 크기-성분 측정 장치는 초미세입자가 유입되어 포집되는 포집부; 상기 포집부의 측면에 결합되며, 상기 포집부로부터 이동되는 초미세입자에 연속적으로 레이저를 조사하는 연속발진 레이저 조사부와, 상기 연속발진 레이저 조사부에 의해 상기 초미세입자가 연속발진 레이저 빔을 통과할 때 발생하는 산란광 신호를 검출하는 산란광 검출기와, 상기 산란광을 반사하여 상기 산란광 검출기에 집광되도록 하는 반사판을 포함하는 광산란 모듈; 및 상기 광산란 모듈의 측면에 결합되며, 상기 광산란 모듈로부터 이동되어 상기 산란광 신호의 검출 시간으로부터 초미세입자의 이동 소요시간 후에 도달한 초미세입자에 이온화 레이저를 조사하여 상기 초미세입자를 이온화시키는 이온화 레이저 조사부와, 생성된 이온의 특성을 분석하는 이온 질량분석장치를 포함하는 이온화 영역부;를 포함하는 기술에 관한 것이다.

등록특허공보 제10-1932483호 등록특허공보 제10-2100774호

본 출원 발명은 기존의 산란광 방식에서 미세먼지가 통과하는 셀의 일측에서 레이저 광을 연속조사하고, 반대쪽 미세먼지에 레이저광이 충돌하여 발생하는 산란광을 광감지센서(PMT)에서 측정하여 미세먼지의 양을 알아내는 측정장치의 노이즈를 개선하고자 하는 것이다.

미세먼지를 측정하기 위하여 배관의 일측 끝단에서 음압을 발생하여 미세먼지 흡입구로 흡입되는 미세먼지를 확산 셀이라 불리우는 상기 미세먼지와 레이저를 충돌시켜 산란광을 만들고 이를 측정하는 확산 셀에서 측정되는 신호가 미세먼지가 없는 경우에도 도2와 같이 발생하고 있어 측정 결과에 오류가 발생하고 있다.

즉, 상기 확산 셀의 구조를 개선하여 측정노이즈를 개선할 필요가 있다.

본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.

원형의 파이프 형태로 구성되어 길이방향으로 측정하고자 하는 미세먼지를 포함한 측정 샘플이 통과하는 확산 셀 몸체; 및

상기 확산 셀 몸체의 측면에 구비되어 상기 확산 셀 몸체를 통과하는 측정 샘플에 미세먼지 측정을 위한 레이저광을 비추기 위한 레이저광 입사홀; 및

상기 레이저광 입사홀의 반대쪽에 상기 레이저 광이 통과되도록 함으로써, 상기 확산 셀 몸체 내부에서 입사된 레이저광이 반사되어 신호로 측정되지 않도록 상기 레이저광을 배출하는 레이저광 배출홀; 및

상기 입사된 레이저광이 상기 측정 샘플에 포함된 미세먼지에 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하기 위한 산란광측정홀를 구비한 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀에 있어서,

상기 레이저광 입사홀과 상기 레이저광 배출홀은 상기 확산 셀 몸체의 측정샘플 배출 방향쪽으로 0 ~ 10 도 기울기를 가지고 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산 셀 몸체의 측정 샘플이 지나가는 내측 지름과 외측 지름은 10mm 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 산란광측정홀은 상기 확산 셀 몸체의 중심선과 상기 레이저광 입사홀의 중심이 만나는 지점과 30도의 각도를 이루고 측정샘플이 이동하는 방향의 후방으로 구비되는 것을 특징을 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 레이저광 입사홀, 레이저광 배출홀 및 산란광측정홀은 지름이 5mm 이며, 상기 레이저광의 지름은 1 ~ 5mm 인 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산 셀은 안정된 기류를 유지하기 위하여 공기가 기밀된 케이스 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산셀 내경은 20mm 이고, 외경은 40mm 인 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.
또한,
원형의 파이프 형태로 구성되어 길이방향으로 측정하고자 하는 미세먼지를 포함한 측정 샘플이 통과하는 확산 셀 몸체; 및
상기 확산 셀 몸체의 측면에 구비되어 상기 확산 셀 몸체를 통과하는 측정 샘플에 미세먼지 측정을 위한 레이저광을 비추기 위한 레이저광 입사홀; 및
상기 레이저광 입사홀의 반대쪽에 상기 레이저 광이 통과되도록 함으로써, 상기 확산 셀 몸체 내부에서 입사된 레이저광이 반사되어 신호로 측정되지 않도록 상기 레이저광을 배출하는 레이저광 배출홀; 및
상기 입사된 레이저광이 상기 측정 샘플에 포함된 미세먼지와 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하기 위한 산란광측정홀을 통하여 미세먼지에 의한 산란광을 감지하는 산란광 감지부를 구비한 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀에 있어서,
상기 레이저광은 1 ~ 5mm 지름이고,
산란광 측정 오프닝이 레이저광 배출홀과 산란광측정홀을 일체로 형성되고 상기 산란광 측정 오프닝 주변의 벽 두께가 얇은 확산 셀 몸체는 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 측정 샘플 가스의 일부 미세먼지가 상기 산란광 측정 오프닝 주면에서 소용돌이, 회전, 수평 및 수직 이동이 발생하고 이로 인하여 불필요한 산란광이 발생하여 노이즈의 원인이 되었던 바,
상기 확산 셀 몸체는 10mm 이상의 두께를 가지고, 상기 레이저광 배출홀과 산락광측정홀을 분리하여 각각 5mm 지름의 홀로 형성하되,
상기 레이저광 입사홀과 상기 레이저광 배출홀은 상기 확산 셀 몸체의 측정샘플 배출 방향쪽으로 1 ~ 5 도 기울기를 가지고 구비되고,
상기 산란광측정홀은 상기 확산 셀 몸체의 중심선과 상기 레이저광 입사홀의 중심이 만나는 지점과 30도의 각도를 이루고 측정샘플이 이동하는 방향의 후방에 구비되어 산란광감지부에서 산란광을 측정하며,
안정된 기류를 유지하기 위하여 공기가 기밀된 케이스 내부에 상기 확산 셀 몸체가 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

본 출원 발명은 상기와 같은 구성에 의하여 기존의 확산 셀의 측정을 위한 측정 홀의 크기를 줄이고 확산 셀의 두께는 두껍게 함으로써 상기 측정 홀 주변에 미세먼지 와류가 발생하는 것을 막고, 측정 샘플 가스가 연속적으로 지나가도록 함으로써 백그라운드 노이즈를 억제하는 효과가 있다. 이러한 효과로 인하여 S/N 비를 높여 측정 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 출원 발명의 광산란방식의 미세먼지 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 출원 발명 이전의 확산 셀을 사용한 백드라운드 노이즈 측정 결과이다.
도 3은 본 출원 발명 이전의 확산 셀의 구성도이다.
도 4는 본 출원 발명 이전의 확산 셀에서 미세먼지를 측정하는 개념도이다.
도 5는 본 출원 발명 이전의 확산 셀의 백그라운도 노이즈 분석 결과이다.
도 6은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀과 기존의 확산 셀의 비교 단면도 이다.
도 7은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀을 이용하여 미세먼지를 측정하는 개념도 이다.
도 8은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀이 기존의 확산 셀과는 달리 측정 기류가 안정됨을 표시하는 분석 결과이다.
도 9는 본 출원 발명의 개량된 확산 셀을 이용한 백그라운드 노이즈 측정결과이다.
도 10은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀 사시도 이다.

도 1은 본 출원 발명의 광산란방식의 미세먼지 측정장치의 구성도이다. 흡입파이프로 흡입되는 측정 샘플의 흡입량을 유량계로 측정하고 신호처리부에서 발생하는 레이저광 발생부에서 발생되는 레이저광의 의하여 산란광측정부를 통과하는 측정 샘플에 포함된 미세먼지의 양을 산란광감지부에서 감지한다. 상기 산란광측정부는 확산 셀에 구성된다.

도 2는 본 출원 발명 이전의 확산 셀을 사용한 백드라운드 노이즈 측정 결과이다. 단위는 mV이다. 최소 0.012 mV에서 최대 0.084 mV 사이의 전압의 백그라운드 노이즈를 보여주고 있다. 전체적으로 보아 측정 전압이 0.015 mV 이하의 신호는 측정불가하며, 적어도 0.02 mV 이상의 전압이 측정되는 경우 정확한 측정이 된다고 볼 수 있다. 즉, S/N 비가 낮아 정확한 측정이 불가한 상태라 볼 수 있다.

도 3은 본 출원 발명 이전의 확산 셀의 구성도이다. 일측에 레이저입력홀을 구비하고, 타측에 산란광을 측정하는 산란광 측정 오프닝을 구비하고 있다. 상기 산란광 측정 오프닝은 레이저 입력 홀에서 입력된 레이저광이 확산 셀 내부에서 반사되지 않도록 레이저광을 배출하며, 배출된 레이저광은 광흡수체에서 모두 흡수하도록 하여 노이즈의 원인이되지 않도록 한다. 또한 상기 산란광 측정 오프닝은 산란광측정부에서 상기 레이저광과 미세먼지가 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하도록 구성되어 있다.

도 4는 본 출원 발명 이전의 확산 셀에서 미세먼지를 측정하는 개념도이다. 개선 전과 개선 후가 차이가 나는 것은 산란광 측정 오프닝의 구조일 뿐 그 원리는 동일하다. 확산 셀로 입사된 레이저광과 미세먼지가 충돌하여 산란광이 발생하고 발생된 산란광은 수평면과 일정한 각도를 이루고 설치된 산란광감지부에서 감지된다.

도 5는 본 출원 발명 이전의 확산 셀의 백그라운도 노이즈 분석 결과이다.

상기 도2에 도시된 바와 같은 백드라운도 노이즈가 발생하는 원인에 대하여 여러 실험을 거쳐 분석한 결과 상기 도5에 도시된 기존의 확산 셀의 경우 산란광 측정 오프닝이 크고 상기 산란광 측정 오프닝 주변의 벽 두께가 상대적으로 얇기 때문에 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 측정 샘플 가스의 일부가 상기 산란광 측정 오프닝 주면에서 소용돌이 또는 회전 또는 수평 및 수직 이동 등의 발생하고 이로 인하여 불필요한 산란광이 발생하여 이를 산란광감지부에 측정함으로써 백그라운드 노이즈가 발생하는 것으로 분석되었다. 이러한 분석은 암실에서 넓은 영역을 비추는 광원을 사용하고, 미세먼지의 농도를 높여 미세먼지가 상기 산란광 측정 오프닝 바깥쪽으로 많은 양이 배출되는 것을 통하여 분석되었다.

도 6은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀과 기존의 확산 셀의 비교 단면도 이다. 산란광 측정 오프닝을 2개의 분리된 작은 홀로 대체하여 설계하였으며, 확산 셀의 두께도 3 ~ 5배 두껍게 설계하여 내부의 미세먼지가 홀을 통하여 배출되지 못하도록 하였다.

도 7은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀을 이용하여 미세먼지를 측정하는 개념도 이다. 상기 기존의 확산 셀을 사용하여 미세먼지를 측정하는 개념도와 원리는 동일하다.

도 8은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀이 기존의 확산 셀과는 달리 측정 기류가 안정됨을 표시하는 분석 결과이다. 개량된 확산 셀에서도 홀 주변에서의 측정 샘플 기체의 움직임은 있을 수 있으나, 미세먼지의 소용돌이나, 전 후진 운동 등은 발견할 수 없었다. 이는 상기 기존의 확산 셀을 분석한 방법과 동일하게 암실에서 많은 양의 미세먼지를 투입하면서 광을 조사하여 상기 개량된 확산 셀의 외부로 미세먼지가 나오는 양을 분석하였으나, 거의 세어나오지 않는 결과를 얻었다.

도 9는 본 출원 발명의 개량된 확산 셀을 이용한 백그라운드 노이즈 측정결과이다. 상기와 같은 개량된 확산 셀의 구성에 의하여 백그라운드에서 측정된 노이즈는 최소 0.0028 mV 이고, 최대 노이즈는 0.0038 mV로 최저 노이즈는 4배 정도 최대 노이즈는 24배 정도 감소하였다. 평균 측정 가능한 신호 레벨의 크기는 0.02 mV 이상에서 0.0035mV 이상이면 측정 가능하므로, 약 5배 이상의 감도가 향상되었다.

도 10은 본 출원 발명의 개량된 확산 셀 사시도 이다.

본 출원 발명은 상기와 같은 확산 셀의 구조 변경으로 측정 감도가 5배 이상 향상되는 효과가 있으며, 상기와 같은 작용효과는 나타내기 위한 과제해결 수단은 하기와 같다.

원형의 파이프 형태로 구성되어 길이방향으로 측정하고자 하는 미세먼지를 포함한 측정 샘플이 통과하는 확산 셀 몸체; 및

상기 확산 셀 몸체의 측면에 구비되어 상기 확산 셀 몸체를 통과하는 측정 샘플에 미세먼지 측정을 위한 레이저광을 비추기 위한 레이저광 입사홀; 및

상기 레이저광 입사홀의 반대쪽에 상기 레이저 광이 통과되도록 함으로써, 상기 확산 셀 몸체 내부에서 입사된 레이저광이 반사되어 신호로 측정되지 않도록 상기 레이저광을 배출하는 레이저광 배출홀; 및

상기 입사된 레이저광이 상기 측정 샘플에 포함된 미세먼지에 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하기 위한 산란광측정홀를 구비한 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀에 있어서,

상기 레이저광 입사홀과 상기 레이저광 배출홀은 상기 확산 셀 몸체의 측정샘플 배출 방향쪽으로 0 ~ 10 도 기울기를 가지고 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산 셀 몸체의 측정 샘플이 지나가는 내측 지름과 외측 지름은 10mm 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 산란광측정홀은 상기 확산 셀 몸체의 중심선과 상기 레이저광 입사홀의 중심이 만나는 지점과 30도의 각도를 이루고 측정샘플이 이동하는 방향의 후방으로 구비되는 것을 특징을 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 레이저광 입사홀, 레이저광 배출홀 및 산란광측정홀은 지름이 5mm 이며, 상기 레이저광의 지름은 1 ~ 5mm 인 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산 셀은 안정된 기류를 유지하기 위하여 공기가 기밀된 케이스 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

또한, 상기 확산셀 내경은 20mm 이고, 외경은 40mm 인 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀을 제공한다.

100 : 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀
110 : 확산 셀 몸체
120 : 레이저광 입사홀
130 : 레이저광 배출홀
140 : 산란광측정홀
200 : 개량전 확산셀
210 : 개량전 확산셀 레이저광 입사홀
220 : 산란광측정용 오프닝
300 : 흡입파이프
310 : 유량계
320 : 산란광측정부
330 : 산란광 감지부
335 : 레이저광흡수체
340 : 신호처리부
350 : 레이저 발생부
400 : 산란광

Claims (6)

1. 원형의 파이프 형태로 구성되어 길이방향으로 측정하고자 하는 미세먼지를 포함한 측정 샘플이 통과하는 확산 셀 몸체; 및
   상기 확산 셀 몸체의 측면에 구비되어 상기 확산 셀 몸체를 통과하는 측정 샘플에 미세먼지 측정을 위한 레이저광을 비추기 위한 레이저광 입사홀; 및
   상기 레이저광 입사홀의 반대쪽에 상기 레이저 광이 통과되도록 함으로써, 상기 확산 셀 몸체 내부에서 입사된 레이저광이 반사되어 신호로 측정되지 않도록 상기 레이저광을 배출하는 레이저광 배출홀; 및
   상기 입사된 레이저광이 상기 측정 샘플에 포함된 미세먼지와 충돌하여 발생하는 산란광을 측정하기 위한 산란광측정홀을 통하여 미세먼지에 의한 산란광을 감지하는 산란광 감지부를 구비한 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀에 있어서,
   상기 레이저광은 1 ~ 5mm 지름이고,
   산란광 측정 오프닝이 레이저광 배출홀과 산란광측정홀을 일체로 형성되고 상기 산란광 측정 오프닝 주변의 벽 두께가 얇은 확산 셀 몸체는 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 측정 샘플 가스의 일부 미세먼지가 상기 산란광 측정 오프닝 주면에서 소용돌이, 회전, 수평 및 수직 이동이 발생하고 이로 인하여 불필요한 산란광이 발생하여 노이즈의 원인이 되었던 바,
   상기 확산 셀 몸체는 10mm 이상의 두께를 가지고, 상기 레이저광 배출홀과 산락광측정홀을 분리하여 각각 5mm 지름의 홀로 형성하되,
   상기 레이저광 입사홀과 상기 레이저광 배출홀은 상기 확산 셀 몸체의 측정샘플 배출 방향쪽으로 1 ~ 5 도 기울기를 가지고 구비되고,
   상기 산란광측정홀은 상기 확산 셀 몸체의 중심선과 상기 레이저광 입사홀의 중심이 만나는 지점과 30도의 각도를 이루고 측정샘플이 이동하는 방향의 후방에 구비되어 산란광감지부에서 산란광을 측정하며,
   안정된 기류를 유지하기 위하여 공기가 기밀된 케이스 내부에 상기 확산 셀 몸체가 구비되는 것을 특징으로 하는 광산란방식 미세먼지 측정용 확산 셀.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images