KR102351685B1 - 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서 및 이를 포함하는 센서 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기 중 염분의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서 및 이를 포함하는 염분측정시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 공기 중 염분을 검출하는 염분센서 및 이를 통해 염분의 농도를 보다 정확하게 검출할 수 있는 센서 시스템에 관한 것이다.
현재 일반적으로 수중에 포함된 염분을 측정하는 센서들은 보편적으로 널리 상용화 되어 있으나 바다, 또는 해안가에 가까운 공기 중 염분을 정밀하게 측정하는 센서는 국내외적으로 찾아보기 힘들다.
해상이나 해변에서 가까운 습한 환경에서 염분은 습한 공기 내에 상대적으로 과량 분포되어 있을 수 있으며, 이와 같이 과량의 염분을 함유하는 공기는 각종 장비, 금속, 선체 등에 부착되거나 연안의 건물 등에 침투하여 이를 부식시킬 수다.
이러한 공기 중 염분은 최근 들어 해안가에 위치한 발전소 및 변전소 내 고압배전반, 분전반 등에 침적되어 화재사고를 자주 일으키고 있어, 이를 위해 공기 중에 함유된 염분량을 정밀하게 측정하는 측정 장비가 필요성이 대두되고 있다.
지금까지는 공기 중에 함유된 염분이 유해물질과 같은 제거대상으로 인식되지 않아, 이를 측정하기 위한 장비나 방법이 따로 마련되지 못하였다.
또한, 기존에 고안된 측정 장비는 공기 중 기체를 용액으로 응축 후 전기 전도도 센서를 통해 염도를 측정하는 방식이거나, 전극 단자 사이에 고전압을 발생시켜 일정 이상의 염분이 검출되면 배전반 내의 흡배기 장치를 가동시키는 방식 등으로 이루어졌는데, 이러한 종래 기술에 따른 측정장비들은 정확한 공기 중 염분의 농도를 측정할 수 없는 한계가 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 공기 중 염분의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 염분센서 및 이를 포함하는 센서시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와; 상기 레이저 발진기의 후단에 배치되며 레이저 빔을 집속시켜 플라즈마 방전을 발생시키는 이중접합 집속렌즈와; 외부 공기를 내부로 안내하는 공기흡인파이프 및 흡인된 외부 공기를 외부로 배출시키기 위한 공기배출파이프가 일측 및 타측에 각각 연통설치되며, 상기 공기배출파이프의 일측에는 외부 공기를 흡인시키기 위한 흡입력을 발생시키는 흡인팬이 설치되고, 상기 이중접합 집속렌즈의 후단에 배치되어 집속된 레이저 빔에 의해 내부에서 플라즈마 방전이 발생되는 방전관과; 상기 방전관 내부에서 발생되는 플라즈마가 항시 일정한 고온을 유지할 수 있도록 상기 레이저 발진기의 전원을 제어하는 정전압 파워 서플라이와; 상기 방전관으로부터 회절투과된 방전광을 파장별로 분리시키는 광학 슬릿과; 상기 광학 슬릿에 의해 파장별로 분리된 복수의 빛 중에서 나트륨 고유의 파장인 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터와; 상기 밴드패스 필터를 통과한 589nm 파장의 빛을 한 점으로 모아주는 초점렌즈와; 상기 초점렌즈에 의해 한 점으로 모인 589nm 파장의 빛을 검출하여 외부 공기 중에 염분의 함유 여부를 검출하는 광 검출기와; 상기 광 검출기를 통해 집속된 589nm 파장의 빛의 강도를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터;를 포함하되, 상기 공기흡인파이프의 일측에 설치되며 공기흡인파이프 내부로 흡인되는 외부 공기를 가열하는 전열선과; 상기 공기배출파이프의 일측에 설치되며 외부로 배출되는 외부 공기의 온도와 습도를 검출하는 온/습도센서와; 상기 A/D컨버터의 디지털 신호를 분석 및 수치화하며, 상기 온/습도센서로부터 측정된 검출값과 사전에 설정된 기준값을 비교한 다음 필요에 따라 상기 전열선을 작동시켜 공기흡인파이프 내부로 흡인된 외부 공기를 가열하여 일정한 상대습도 조건으로 만들어주는 MCU(Micro Controller Unit);를 포함하며, 상기 방전관은 고전압 방전으로부터 열 분산을 억제할 수 있고, 고온의 열을 견딜 수 있도록 세라믹 재질로 이루어지며, 상기 이중접합 집속렌즈와 마주보는 일측면에는 집속된 레이저 빔을 투과시키는 제1윈도우글라스가 설치되고, 상기 제1윈도우글라스가 설치되는 일면과 수직한 타측면에는 제2윈도우글라스가 설치되어, 상기 제1윈도우글라스 및 제2윈도우글라스를 통해 상기 방전관 내부를 밀폐시키면서 플라즈마 방전에 의한 방전광을 90°각도만큼 회절투과시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
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또한, 본 발명은 상기 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서와; MCU로부터 수신된 수치화된 데이터값이 표시되는 엘씨디 디스플레이(LCD Display) 및 수치화된 데이터값을 관리자의 스마트기기로 전달하는 무선 통신부와; 사전에 설정된 나트륨 수치가 임계값을 초과하는 경우 상기 MCU로부터 별도로 설치되는 환기장치를 작동시키거나 경보음을 출력하도록 하는 제어신호가 입력되는 DO(Digital Output) signal 포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 염분센서는 레이저 빔을 시료에 집속시켜 방전현상과 비슷한 빛 에너지에 의해 생성되는 플라즈마를 여기원(excited source)으로 사용하는 분광분석법을 이용한 것으로, 특히 광학 슬릿에 의해 파장별로 분리된 복수의 빛 중에서 밴드패스 필터를 통과한 나트륨 고유의 파장인 589nm 파장의 빛만이 초점렌즈로 투과되어 광 검출기에 의해 검출되므로 공기 중 염분의 검출 정확도가 월등히 높으며, 시료의 전처리가 필요 없고 분석시간이 짧기 때문에 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 정전압 파워 서플라이를 통해 레이저 발진기의 전원을 제어하여 방전관 내부에서 발생되는 플라즈마가 항시 일정한 고온을 유지할 수 있도록 하여 측정값의 오류를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 방전관이 세라믹 재질로 이루어져 고전압 방전으로부터 열 분산을 억제할 수 있고, 주변 부품의 손상을 방지할 수 있으며, 고온의 열에 의해 내구성이 저하되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 센서시스템은 염분센서에 의해 검출된 염분의 농도가 MCU 및 A/D컨버터에의해 수치화되어 엘씨디 디스플레이(LCD Display)에 표시되고, 무선 통신부에 의해 관리자의 스마트 기기로 전달되도록 하여 외부 공기 중 염분을 보다 정밀하게 계량할 수 있으며, 사전에 설정된 나트륨 수치가 임계값을 초과하는 경우 MCU에 의해 별도로 설치되는 환기장치가 작동하거나 경보음이 출력되면서 신속한 조치가 이루어지도록 하여 염분에 의한 주변 기기장치 등의 피해를 최소화하도록 할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터의 특성과 불꽃 반응에서 나타나는 고유한 나트륨 선스펙트럼 파장 특성을 도시한 개략적인 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 포함하는 센서시스템을 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터의 특성과 불꽃 반응에서 나타나는 고유한 나트륨 선스펙트럼 파장 특성을 도시한 개략적인 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 포함하는 센서시스템을 설명하기 위한 개략적인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서 및 센서 시스템 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 각종 장비, 금속, 선체 등에 부착되거나 연안의 건물 등에 침투하여 부식시키는 공기중의 염분을 검출할 수 있는 염분센서 및 이를 통해 염분의 농도를 정확하게 검출할 수 있는 센서시스템에 관한 것으로, 원소분석법인 레이저 유도 분광분석법(LIBS; Laser-induced Breakdown Spectroscopy 또는 LIPS; Laser-induced Plasma Spectroscopy) 기술을 활용하여 특정 원소(공기 중 염분)의 정밀한 정성 및 정량적 분석과 산출을 할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.
먼저, 도 1 내지 4를 참조하여 본 발명에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 설명하기 위한 개략적인 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터의 특성과 불꽃 반응에서 나타나는 고유한 나트륨 선스펙트럼 파장 특성을 도시한 개략적인 예시도이다.
도 1 내지 3과 같이, 본 발명에 따른 염분센서는 레이저 발진기(1)와, 이중접합 집속렌즈(2)와, 방전관(5)과, 정전압 파워 서플라이(14)와, 광학 슬릿(9)과, 밴드패스 필터(10)와, 초점렌즈(11)와, 광 검출기(12)와 A/D컨버터(13)를 포함한다.
상기 레이저 발진기(1)는 레이저 빔을 출력하는 기기장치로서, 출력 에너지 100mJ, 파장 532nm(녹색)인 네오디윰 야그 레이저(Nd:YAG laser)를 사용할 수 있고, 또는 선택적으로 출력에너지가 50mJ 또는 200mJ, 파장은 1024nm인 적외선 레이저를 사용할 수도 있다.
상기 레이저 발진기(1)에서 출력되는 레이저 빔은 후단에 일정 거리를 두고 배치되는 이중접합 집속렌즈(2)와 레이저 발진 높이 및 이중접합 집속렌즈의 정중앙과의 정밀한 평행을 이루는 것이 바람직하며, 또한 그 후단에 배치되는 방전관(5)의 제1윈도우글라스(8)와도 정밀한 평행을 이루는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 레이저 발진기의 후단에는 이중접합 집속렌즈(2)가 수평으로 설치된다.
상기 이중접합 집속렌즈(2)는 레이저 발진기(1)로부터 출력되는 레이저 빔을 집속시켜 플라즈마 방전을 일으키는 것으로, 볼록렌즈 2개가 상호 접합된 형태로서 후단의 방전관(5) 내부에서 정확히 플라즈마 방전을 발생시키는 집속렌즈 역할을 수행한다.
다음으로, 상기 이중접합 집속렌즈의 후단에는 방전관(5)이 수평으로 설치된다.
내부가 비어있는 격실 형태로 이루어지되 외부 공기를 내부로 안내하는 공기흡인파이프(3) 및 흡인된 외부 공기를 외부로 배출시키기 위한 공기배출파이프(7)가 일측 및 타측에 각각 연통설치된다. 예를 들어, 도 1 및 2와 같이 상기 방전관(5)의 상면 중앙에는 공기흡인파이프(3)가 수직방향을 따라 연통설치되고, 상기 방전관(5)의 일측면 중앙에는 공기배출파이프(7)가 수평방향을 따라 연통설치될 수 있다.
또한, 상기 공기배출파이프(7)의 일측에는 흡인팬(6)이 설치되고, 상기 공기흡인파이프(3)의 일측에는 공기흡인파이프 내부로 흡인되는 외부 공기를 가열하는 전열선(4)이 설치되며, 상기 공기배출파이프(7)의 일측에는 외부로 배출되는 외부 공기의 온도와 습도를 검출하는 온/습도센서(18)가 설치된다.
상기 흡인팬(6)은 외부 공기를 흡인시키기 위한 흡입력을 발생시키며, 상기 전열선(4)은 염분을 포함하고 있는 외부 공기의 상대습도를 제어하기 위한 것으로, 공기흡인파이프의 외주면을 따라 나선형태로 감겨져 공기흡인파이프로 흡인되는 측정할 외부 공기를 가열하여 공기의 습도를 일정한 상대습도 조건을 만들어 주는 PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 이루어질 수 있다.
상기 온/습도센서(18)는 배출되는 외부 공기의 온도와 습도를 측정할 수 있도록 공기배출파이프(7)의 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 온/습도센서(18)는 외부 공기의 온도,습도를 측정하여 측정 데이터를 상기 MCU(Micro Controller Unit, 15)에 데이터를 송신하며, MCU(15)는 측정된 습도값을 설정된 습도값으로 유지하도록 전열선(4)을 제어한다.
상기와 같이 방전관(5)은 염분을 포함하고 있는 공기의 상대습도를 제어하기 위한 전열선(4)이 공기흡인파이프(3)의 외주면을 따라 감겨있어 공기흡인파이프를 통해 유입된 공기의 습도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 이중접합 집속렌즈와 마주보는 방전관(5)의 일면에는 집속된 레이저 빔을 투과시키는 제1윈도우글라스(8)가 설치되고, 상기 제1윈도우글라스가 설치되는 일면과 수직한 타면에는 제2윈도우글라스(8′)가 설치된다.
전술한 바와 같이 이중접합 집속렌즈(2)의 후단에 배치되어 집속된 레이저 빔에 의해 내부에서 플라즈마 방전이 발생되는데, 상기 제1윈도우글라스(8) 및 제2윈도우글라스(8′)는 방전관(5) 내부를 밀폐시키면서 플라즈마 방전에 의한 방전광을 측방으로 90°각도만큼 회절투과시키는 역할을 한다.
또한, 상기 방전관은 고전압 방전으로부터 열 분산을 억제할 수 있고, 주변 부품의 손상을 방지하며, 고온의 열을 견딜 수 있도록 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 방전관(5) 내부에서 발생되는 플라즈마는 항상 일정한 고온을 유지해야 하는 특성상 레이저 발진기(1)의 전원은 정밀하게 제어되어야 한다. 이를 위해 본 발명은 상기 레이저 발진기의 전원을 제어하는 정전압 파워 서플라이(14)를 포함한다. 상기 정전압 파워 서플라이(14)는 레이저 발진기의 레이저 빔 송출을 제어하기 위하여 정밀한 전압 및 전류를 공급하며, 오차가 거의 없는 정전압 IC칩을 제어함으로써 레이저 발진기(1)의 전원을 정밀 제어한다. 만약, 레이저 발진기(1)에 공급되는 전원 전압에 오차가 발생하게 되면 플라즈마 방전이 일정하지 않을 뿐만 아니라 방전 온도가 변하게 되면서 일정하지 않은 측정값의 오류를 범할 수 있다.
상기 방전관(5)으로부터 회절투과된 빛은 광학 슬릿(9)을 통과한다.
상기 광학 슬릿(9)은 방전관(5)의 제2윈도우글라스(8′)와 마주보는 형태로 배치되며, 회절투과된 방전광을 파장별로 분리시키는 역할을 한다.
이와 같이 파장별로 분리된 복수의 빛은 광학 슬릿 후단의 밴드패스 필터(10)를 통과하게 된다.
여기에서, 상기 밴드패스 필터(10)는 나트륨 고유의 파장인 589nm 파장의 빛만을 통과시키고 나머지 파장은 차단하도록 구성되어, 광학 슬릿에 의해 파장별로 분리된 복수의 빛 중에서 589nm 파장의 빛만이 밴드패스 필터(10)를 통과하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터의 특성과 불꽃 반응에서 나타나는 고유한 나트륨 선스펙트럼 파장 특성을 도시한 개략적인 예시도이다.
나트륨은 연소시 589nm 파장이 발생되며, 노란색 빛을 낸다. 본 발명은 이러한 나트륨 고유의 589nm 파장만을 통과시키는 밴드패스 필터(10)를 통해 방전관(5)의 플라즈마 방전으로부터 발생한 가시광선 및 적외선(200nm~1200nm)을 필터링 해 오직 589nm 파장만을 통과시키도록 한 것으로, 이는 레이저 유도 분광분석법(LIBS; Laser-induced Breakdown Spectroscopy 또는 LIPS; Laser-induced Plasma Spectroscopy) 기술에 기초한 것이다.
레이저 유도 분광분석법(LIBS)은 레이저 빔을 시료에 집속시켜 방전현상과 비슷한 빛 에너지에 의해 생성되는 플라즈마를 여기원(excited source)으로 사용하는 분광분석법으로 시료의 상태에 관계없이 거의 모은 원소에 대하여 정성, 정량 분석이 가능하며, 시료의 전처리가 필요 없고 분석시간이 짧기 때문에 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 레이저 유도 분광분석법(LIBS)은 원자방출 분광법의 한 종류로서 유도결합플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)와 원리가 유사하다. 고출력 레이저 빔을 집속시키면 초점에서 방전현상(Breakdown)과 같은 밝은 빛이 방출하는 플라즈마를 형성하며 높은 온도를 유지한다. 플라즈마 속에서 시료는 증기화되어 원자화(atomization) 및 이온화(ionization)되고, 흡수된 에너지에 의하여 원자 및 이온은 여기상태로 존재할 수 있다. 여기상태의 원자 및 이온은 일정 시간이 지나면 에너지를 방출하며 다시 바닥상태(ground state)로 돌아가는데 이때 방출되는 에너지는 원소의 종류 및 여기상태에 따라 고유의 파장을 방출하며, 이의 스펙트럼을 해석하면 정성 및 정량적 분석이 가능하다.
상기 초점렌즈(11)는 상기 밴드패스 필터를 통과한 589nm 파장의 빛을 한 점으로 모아 후단의 광 검출기(12)에 정확히 조사하도록 하며, 상기 광 검출기(12)는 초점렌즈에 의해 한 점으로 모인 589nm 파장의 빛을 검출한다.
상기 A/D컨버터(13)는 상기 광 검출기를 통해 집속된 589nm 파장의 빛의 강도를 디지털 신호로 변환한다. 상기 A/D컨버터(13)는 지극히 작은 양의 빛을 검출하기 위해 16bit 이상의 고해상도 기능을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 MCU(15)는 상기 A/D컨버터의 디지털 신호를 분석 및 수치화한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예에 따른 염분센서는 레이저 빔을 시료에 집속시켜 방전현상과 비슷한 빛 에너지에 의해 생성되는 플라즈마를 여기원(excited source)으로 사용하는 분광분석법을 이용한 것으로, 특히 광학 슬릿에 의해 파장별로 분리된 복수의 빛 중에서 밴드패스 필터를 통과한 나트륨 고유의 파장인 589nm 파장의 빛만이 초점렌즈로 투과되어 광 검출기에 의해 검출되므로 공기 중 염분의 검출 정확도가 월등히 높으며, 시료의 전처리가 필요 없고 분석시간이 짧기 때문에 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 상기 정전압 파워 서플라이(14)에 의해 오차가 없는 플라즈마 광원을 유지할 수 있고, 방전관(5)이 세라믹 재질로 이루어져 플라즈마 방전으로부터 주변 부품 손상과 열 전달을 막을 수 있으며, 측정할 외부 흡입 공기를 가열해 일정한 상대습도 조건을 만들어 주는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 전열선(4)과 589nm 파장의 빛 만을 투과시키는 밴드패스 필터(10)의 채용을 통해 일관성 있고 정밀한 효과를 제공한다.
다음으로, 본 발명에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 포함하는 센서시스템에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 염분센서를 포함하는 센서시스템을 도시한 개략적인 예시도이다.
도 5와 같이, 본 발명에 따른 센서시스템은 정확한 공기 중 염분을 측정하기 위하여, 하나의 하우징(미도시) 안에 레이저 발진기(1)와, 레이저 빔 송출을 제어하는 정밀한 전압 및 전류를 공급하는 정전압 파워 서플라이(14), 레이저 빔 송출기 바로 후단에 위치해 고출력 레이저 빔을 집속시켜 플라즈마 방전을 일으키는 역할을 하는 이중접합 초점렌즈(2)와, 상기 이중접합 초점렌즈 바로 후단에 위치해 초점렌즈에서 집속된 고전압 방전(플라즈마)으로부터 열 분산을 억제하고 주변 부품의 손상을 방지하기 위해 설치된 세라믹 재질의 방전관(5)과, 방전관 벽 윗면과 측면의 작은 구멍을 통해 설치되어 측정할 외부의 공기를 흡입, 배출을 담당하는 공기흡인파이프(3) 및 공기배출파이프(7)와, 공기흡인파이프의 일측에 설치되어 흡인 공기를 가열해 주는 전열선(4)과, 공기배출파이프 쪽에 설치되어 외부 공기를 흡인하는 흡인팬(6) 및 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 전열선(4)을 제어해주는 온/습도센서(18)와, 90°각도를 이루는 방전관의 두 측면에 각각 설치된 제1윈도우글라스(8) 및 제2윈도우글라스(8′)를 통과해 방전된 빛을 회절시켜 주고 레이저 송출 빔과 90°각도를 이루어 설치되는 광학 슬릿(9)과, 광학 슬릿의 후단에 설치되어 광학 슬릿의 회절된 빛 파장(200nm~1200nm)을 거의 대부분을 통과시키지 않고 오직 589nm(±2%) 파장만 통과시키는 밴드패스 필터(10)와, 상기 밴드패스 필터를 통과한 589nm 파장의 빛을 광 검출기(12)에 정확히 조사하여 주는 초점렌즈(11)와, 광 검출기(12)에서 나온 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터(13)로 이루어지는 염분센서와; A/D컨버터 신호를 분석, 계량화(수치화)하고 이 수치값들을 시각적으로 표출해주는 LCD 디스플레이(16) 및 외부로 보내기 위한 무선통신부(17, 예를 들어 WIFI)와; 수치값이 설정된 임계값에 이르면 주변 기기들을 프로그램에 따라 작동시킬 수 있는 DO(Digital Output) 시그널(19) 등 전반적인 센서 시스템을 관장하는 MCU(Micro Controller Unit,15)가 설치되는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 센서시스템은 흡인팬(6)에 의해 주변의 공기가 유입되고 공기배출파이프(7)에 설치된 온/습도센서(18)에 의해 일정한 측정 조건(예를 들어 상대습도 30% 이하)이 되면 염분센서가 측정을 시작한다.
상기 MCU(15)는 A/D컨버터(13)로부터 디지털 값으려 변환된 589nm 파장의 빛의 강도를 분석 및 수치화하여 엘씨디 디스플레이(LCD Display, 16)를 통해 출력하거나 무선통신부(17)를 통해 관리자의 스마트기기에 무선으로 송신한다.
또한, 상기 MCU(15)는 사전에 설정된 염분 수치가 임계값을 초과할 경우 DO(Digital Output) Signal 포트(19)에 신호를 발생해 별도로 마련되는 환기장치(미도시)를 작동시키거나 또는 경보음을 출력하도록 하여 염분에 의한 피해를 최소화하도록 할 수 있다.
한편, 상기 LCD 디스플레이(16)는 별도로 마련되는 표시장치일 수 있고, 또는 관리자의 스마트기기(예를 들어 스마트폰)에 마련되는 디스플레이 화면일 수도 있다.
상기와 같이 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서를 포함하는 센서시스템은 공기 중 염분의 농도 측정결과 정확도가 월등히 높으며, 시료의 전처리가 필요 없고 분석시간이 짧기 때문에 실시간 분석이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 이 기술의 확장을 통해 공기 중 염분뿐만 아니라 기타 다른 원소 또는 성분들의 정성 및 정량 분석이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 레이저 발진기
2 : 이중접합 집속렌즈
3 : 공기흡인파이프
4 : 전열선
5 : 방전관
6 : 흡인팬
7 : 공기배출파이프
8 : 제1윈도우글라스 8′ : 제2윈도우글라스
9 : 광학 슬릿
10 : 밴드패스 필터
11 : 초점렌즈
12 : 광 검출기
13 : A/D컨버터
14 : 정전압 파워 서플라이
15 : MCU(Micro Controller Unit)
16 : LCD 디스플레이
17 : 무선통신부
18 : 온/습도센서
19 : DO(Digital Output) signal 포트
2 : 이중접합 집속렌즈
3 : 공기흡인파이프
4 : 전열선
5 : 방전관
6 : 흡인팬
7 : 공기배출파이프
8 : 제1윈도우글라스 8′ : 제2윈도우글라스
9 : 광학 슬릿
10 : 밴드패스 필터
11 : 초점렌즈
12 : 광 검출기
13 : A/D컨버터
14 : 정전압 파워 서플라이
15 : MCU(Micro Controller Unit)
16 : LCD 디스플레이
17 : 무선통신부
18 : 온/습도센서
19 : DO(Digital Output) signal 포트
Claims (4)
- 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기(1)와;
상기 레이저 발진기의 후단에 배치되며 레이저 빔을 집속시켜 플라즈마 방전을 발생시키는 이중접합 집속렌즈(2)와;
외부 공기를 내부로 안내하는 공기흡인파이프 및 흡인된 외부 공기를 외부로 배출시키기 위한 공기배출파이프가 일측 및 타측에 각각 연통설치되며, 상기 공기배출파이프의 일측에는 외부 공기를 흡인시키기 위한 흡입력을 발생시키는 흡인팬(6)이 설치되고, 상기 이중접합 집속렌즈의 후단에 배치되어 집속된 레이저 빔에 의해 내부에서 플라즈마 방전이 발생되는 방전관(5)과;
상기 방전관 내부에서 발생되는 플라즈마가 항시 일정한 고온을 유지할 수 있도록 상기 레이저 발진기의 전원을 제어하는 정전압 파워 서플라이(14)와;
상기 방전관으로부터 회절투과된 방전광을 파장별로 분리시키는 광학 슬릿(9)과;
상기 광학 슬릿에 의해 파장별로 분리된 복수의 빛 중에서 나트륨 고유의 파장인 589nm 파장의 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터(10)와;
상기 밴드패스 필터를 통과한 589nm 파장의 빛을 한 점으로 모아주는 초점렌즈(11)와;
상기 초점렌즈에 의해 한 점으로 모인 589nm 파장의 빛을 검출하여 외부 공기 중에 염분의 함유 여부를 검출하는 광 검출기(12)와;
상기 광 검출기를 통해 집속된 589nm 파장의 빛의 강도를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터(13);를 포함하되,
상기 공기흡인파이프의 일측에 설치되며 공기흡인파이프 내부로 흡인되는 외부 공기를 가열하는 전열선(4)과; 상기 공기배출파이프의 일측에 설치되며 외부로 배출되는 외부 공기의 온도와 습도를 검출하는 온/습도센서(18)와; 상기 A/D컨버터의 디지털 신호를 분석 및 수치화하며, 상기 온/습도센서로부터 측정된 검출값과 사전에 설정된 기준값을 비교한 다음 상기 전열선을 작동시켜 공기흡인파이프 내부로 흡인된 외부 공기를 가열하여 일정한 상대습도 조건으로 만들어주는 MCU(Micro Controller Unit);를 포함하며,
상기 방전관(5)은 고전압 방전으로부터 열 분산을 억제할 수 있고, 고온의 열을 견딜 수 있도록 세라믹 재질로 이루어지며, 상기 이중접합 집속렌즈와 마주보는 일측면에는 집속된 레이저 빔을 투과시키는 제1윈도우글라스(8)가 설치되고, 상기 제1윈도우글라스가 설치되는 일면과 수직한 타측면에는 제2윈도우글라스(8')가 설치되어, 상기 제1윈도우글라스 및 제2윈도우글라스를 통해 상기 방전관 내부를 밀폐시키면서 플라즈마 방전에 의한 방전광을 90°각도만큼 회절투과시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 따른 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서와;
MCU로부터 수신된 수치화된 데이터값이 표시되는 엘씨디 디스플레이(LCD Display) 및 수치화된 데이터값을 관리자의 스마트기기로 전달하는 무선 통신부와;
사전에 설정된 나트륨 수치가 임계값을 초과하는 경우 상기 MCU로부터 별도로 설치되는 환기장치를 작동시키거나 경보음을 출력하도록 하는 제어신호가 입력되는 DO(Digital Output) signal 포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서를 포함하는 센서 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210045584A KR102351685B1 (ko) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서 및 이를 포함하는 센서 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210045584A KR102351685B1 (ko) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | 레이저 유도결합 플라즈마 분광법을 사용한 공기 중 염분센서 및 이를 포함하는 센서 시스템 |
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| KR102351685B1 true KR102351685B1 (ko) | 2022-01-17 |
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| KR (1) | KR102351685B1 (ko) |
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- 2021-04-08 KR KR1020210045584A patent/KR102351685B1/ko active IP Right Grant
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