KR102435342B1 - 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 출원 발명은 대기중에 포함된 여러 오염물질을 동시에 측정하기위한 다중 대기오염물질 측정기술을 개선하고자 하는 것이다. 이를 위하여 가스 상관필터를 다채널로 구성하여 여러가지 성분의 대기 오염물질을 동시에 측정하고자 한다.
한편, 상기 가스 상관 필터는 고온의 광원 전방에 회전 가능하게 구비되기 때문에 기존의 상기 가스 상관 필터의 사파이어 유리가 잘 떨어지는 문제가 있어왔다. 그러나, 이렇게 사파이어 유리가 떨어진 경우에도 육안으로는 이를 알 수 없는 경우가 있어 측정에 문제가 되어 왔다.
본 출원 발명은 이러한 문제를 해결하기위하여 상기 가스상관필터의 내부에 산화가 잘되는 물질을 코팅하여 상기 사파이어 유리가 가스 상관필터에서 분리되면, 내부의 코팅물질이 공기중의 산소와 결합하여 산화되므로써 육안으로도 필터의 손상을 확인할 수 있도록 구성하였다.
본 출원 발명의 상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 대기 중에 포함된 여러 오염 성분을 실시간으로 동시에 측정할 수 있으며, 가스 상관 필터의 결함도 쉽게 검출할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기 가스 상관 필터는 고온의 광원 전방에 회전 가능하게 구비되기 때문에 기존의 상기 가스 상관 필터의 사파이어 유리가 잘 떨어지는 문제가 있어왔다. 그러나, 이렇게 사파이어 유리가 떨어진 경우에도 육안으로는 이를 알 수 없는 경우가 있어 측정에 문제가 되어 왔다.
본 출원 발명은 이러한 문제를 해결하기위하여 상기 가스상관필터의 내부에 산화가 잘되는 물질을 코팅하여 상기 사파이어 유리가 가스 상관필터에서 분리되면, 내부의 코팅물질이 공기중의 산소와 결합하여 산화되므로써 육안으로도 필터의 손상을 확인할 수 있도록 구성하였다.
본 출원 발명의 상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 대기 중에 포함된 여러 오염 성분을 실시간으로 동시에 측정할 수 있으며, 가스 상관 필터의 결함도 쉽게 검출할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 비분산 적외선 검출기를 이용하여 대기 중에 포함된 유해물질을 동시에 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 기술이다. 더욱 자세하게는 이산화질소, 메탄, 이산화탄소와 교정을 위한 질소 가스 상관 필터의 구조를 개선한 기술에 관한 것이다.
이 발명의 출원 이전의 선행기술로는 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는 광원 발생장치; 및 상기 광원 발생장치로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위한 광학 필터; 및 중심축을 기준으로 4등분되며, 성분 측정을 위한 기준광과 측정광을 발생시키는 가스 상관 필터; 및 상기 광학 필터와 가스 상관 필터를 회전시키기 위해 상기 중심축에 연결된 모터; 및 상기 가스 상관 필터를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀; 및 상기 시료 가스셀을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출센서; 및 상기 광원 검출센서로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산처리부를 포함한 기술이 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비분산적외선분석법(NDIR)을 이용하여 여러 종류의 대기오염물질을 동시에 실시간으로 측정할 수 있는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법이 개시되어 있다. 이 기술에서는 적외선 복사광; 및 다종의 오염물질을 동시에 측정하기 위해 내부에 원주방향을 따라 기준셀과 측정셀이 교대로 이루어지도록 다수 필터채널이 관통형성된 가스상관필터; 및내부에 여러종류의 대기오염물질이 혼합된 시료가스가 저장되고, 상기 가스상관필터와 내부에 설치된 반사거울에 의해 형성된 다중 광 경로를 갖는 흡수챔버; 및 상기 필터채널의 적외선 흡수에너지를 측정하는 적외선 센서를 포함하고, 상기 적외선 센서에 의해 측정된 각 필터채널의 적외선 흡수신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
논문의 명칭 : 비분산 적외선 방식의 CO2 센서 모듈에 관한 연구
電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SC, 시스템 및 제어 v.46 no.2 = no.326 , 2009년, pp.36 - 40
저자 : 김규식 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 오준태 ( 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 김희식 ( 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 ) ; 김조천 ( 건국대학교 환경공학과)
본 출원 발명은 이산화질소, 메탄 및 이산화탄소를 동시에 측정하는 기술을 개선하고자 하는 것이다. 특히 가스 상관 필터는 고온의 광원 전방에 회전 가능하게 구비된다. 이러한 이유로 기존의 상기 가스 상관 필터의 사파이어 유리가 잘 떨어지는 문제가 있어왔다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하여 상기 상관 가스 필터의 제작성과 사용성을 높이고자 하는 것이다.
또한, 상기 상관 필터의 필터로써의 기능을 확장하는 것이다. 기존의 상관필터는 전체를 1/6로 나누고, 각각의 구획에 이산화질소, 질소, 메탄, 질소, 이산화탄소 및 질소 순으로 가스를 채워 사용하였다. 그럼에도 불구하고, 상기 가스가 세어나오거나 깨져 내부의 가스가 유출되는 경우 육안으로는 알 수가 없어 문제가 되어 왔다.
본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기위하여 다음과 같은 과제해결 수단을 제공한다.
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 이산화질소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 메탄 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제2 파장 필터 및 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 3 파장 필터 ; 및
중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가, 상기 제3 파장 필터(123)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제3측정 필터부(136)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 메탄이 충전되며, 상기 제 3 측정 필터부(136)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 다중 대기오염 가스 동시 측정장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부에서 측정되는 신호의 기준을 정하기 위하여, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부 전단에는 질소가스가 동일한 농도로 충전되는 제1 내지 제3 기준 필터부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또 다른 실시예로,
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 이산화질소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 메탄 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제2 파장 필터 및 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 3 파장 필터 ; 및
중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가, 상기 제3 파장 필터(123)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제3측정 필터부(136)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 메탄이 충전되며, 상기 제 3 측정 필터부(136)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 가스 상관 필터 내부에 가스가 충진되는 공간에는 산소와 결합하면 색이 변색되는 산화변색 코팅을하여 상기 제1 내지 제3 측정필터부의 기밀이 손상되는 경우 산소와 반응하여 측정필터부에 변색이 발생함으로써 제1 내지 제3 측정필터부의 손상을 육안으로 확인할 수 있고,
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부에서 측정되는 신호의 기준을 정하기 위하여, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부 전단에는 질소가스가 동일한 농도로 충전되는 제1 내지 제3 기준 필터부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여, 대기 중의 오염가스 측정 대상이 늘어나고, 기준이되는 질소가스를 중간에 넣으므로서 측정 속도에 영향 없이 오염물질 대상 가스의 기준 측정하고, 가스를 측정하는 효과가 있다.
한편으로는 가스 상관 필터의 누출을 확인할 수 있는 수단을 더 구비함으로써 정확기 대기 중의 오염 물질을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 출원 이전의 기술을 도시하고 있다.
도 2는 본 출원 발명의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도 이다.
도 4는 기존에 사용하였던 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도 5는 본 출원 발명에 의하여 개선된 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도 6은 광을 초핑하기 위한 초핑용 슬릿을 도시하고 있다.
도 7은 농도에 따른 보정이 가능하도록 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다.
도 8은 상기 원주를 따라 가스에 따른 흡광도를 달리하는 경사 구조 가스 상관 필터의 흡광 정도를 단면도와 색을 달리 표시하고 있는 도면이다.
도 2는 본 출원 발명의 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도 이다.
도 4는 기존에 사용하였던 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도 5는 본 출원 발명에 의하여 개선된 가스 상관 필터의 구조를 도시하고 있다.
도 6은 광을 초핑하기 위한 초핑용 슬릿을 도시하고 있다.
도 7은 농도에 따른 보정이 가능하도록 경사 구조 가스 상관 필터를 도시하고 있다.
도 8은 상기 원주를 따라 가스에 따른 흡광도를 달리하는 경사 구조 가스 상관 필터의 흡광 정도를 단면도와 색을 달리 표시하고 있는 도면이다.
본 출원 발명은 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치에 관한 것이다.
공기 중에 존재하는 오염 물질의 농도를 측정하는 방법에는 샘플을 채취하여 실험실에서 분석하는 방법과 현장에서 측정하는 방법이 있을 수 있다.
측정 현장에서 펌프를 이용하여 대상 오염 물질의 샘플을 채취하고 분석 가능한 실험실에서 물리화학적인 방법으로 분석하는 방법이 있고,
본 출원 발명에서 사용한 비분산적외법(NDIR, Non dispersive Infra Red)과 같이 전기적인 또는 광학적인 측정 방법을 이용하여 현장에서 측정하는 방법이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 출원 발명의 출원 이전의 선행기술을 도시하고 있다. 도1에 도시된 기술은 적외선 광을 발생시키는 광원과 상기 광원에서 나오는 광을 주기적으로 단속하는 쵸퍼, 가스는 밀폐시키고 적외선 광은 손실 없이 투과하도록 하는 가스셀, 상기 가스셀을 통과한 빛을 선택적으로 투사시키는 필터, 측정을 위하여 빛의 세기를 측정하기 위한 검출기, 측정하고자 하는 가스의 농도에 따라서 광로를 변환시키는 광로 변환수단을 구비함을 특징으로 하는 광로 변환이 가능한 NDIR 방식의 가스 분석기를 도시하고 있다.
이 기술은 하나의 가스셀을 사용하여, 측정 및 분석하고자 하는 가스의 농도에 따라 가스셀 내의 광로를 변환시킴으로써 다양한 농도의 가스를 간편하게 측정 및 분석할 수 있는 장점이 있는 기술이다. 그러나, 두 종류 이상의 가스 농도를 동시에 측정할 수 없는 단점이 있다.
또한, 대기 중에 존재하는 일산화탄소와 이산화탄소가 상기 쵸퍼와 가스셀 사이의 공간에 존재하는 경우 적외선 빔의 진행을 방해하여 정확한 가스 농도의 측정에 어려움이 있다.
도 2 는 본 출원 발명의 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치의 구성도를 도시하고 있다. 제1 내지 제3 파장 선택필터(120)와 제1 내지 제3 측정필터부(130, 가스 상관필터)를 통과한 빛이 가스 셀을 통과하여 측정 센서에서 측정되는 구성을 도시하고 있다. 가스상관 필터를 통과한 광은 해당 가스에 의하여 해당 가스를 측정할 수 있는 광이 모두 흡수되었으므로, 기준농도가 되고, 질소가스가 있는 가스 상관 필터를 통과한 광은 가스셀을 통과하여 해당 측정 가스가 상기 가스셀 내부에 있다면, 측정되는 광 강도의 세기가 작아질 것이고, 없다면 광강도의 감소가 없을 것이므로 이 둘의 측정값을 비교하여 해당 가스의 가스셀 내부의 농도를 측정하게된다.
도 3 은 본 출원 발명에 의한 광학 필터와 가스 상관 필터의 개념도를 도시하고 있다.6개의 셀 내부에 이산화질소, 질소, 메탄, 질소, 이산화탄소, 질소의 순으로 가스가 주입되며, 내부에 산소와 접촉하면 색이변화되는 산화페인트 코팅을 하여 상기 가스가 주입되는 공간의 기밀이 훼손되면, 가스 상관필터의 색이변색되어 사용자가이를 확인할 수 있도록 한다.
도 4는 본 출원 발명의 가스 상관 필터과 광필터의 구조를 도시하고 있다. 왼쪽이 가스 상관필터의 구조이고, 오른 쪽이 광필터의 구조이다.
도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 본 출원 발명의 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치는 광원 발생장치(110), 광학 필터(120), 가스 상관 필터(130), 모터(150), 시료 가스셀(160), 광원 검출 센서(170), 연산 처리부(180)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 출원 발명의 광원 발생 장치는 적외선 광원을 사용하여 일산화질소, 메탄 및 이산화탄소를 동시에 측정한다. 상기 광원 발생 장치(110)는 온도가 100 ~ 1100 도 까지 가열되는 네른스트 엘리먼트(NERNST ELEMENT) 계열의 적외선 발생장치를 사용한다. 광원에서 많은 열이 발생하기 때문에 본 출원 발명의 금속알루미늄 몸체에 사파이어를 평면으로 가공하여 결합한 가스 상관 필터에서 상기 사파이어 유리와 금속알루미늄 몸체의 접촉부에 내구성에 문제가 발생한다.
본 출원 발명의 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치는 도 4의 우측에 도시된 광학 필터(120)는 중심축(140)을 기준으로 1/3 등분되며 제 1 파장 필터(121)와 제 2 파장 필터(122) 및 제 3 파장 필터로 구분되어 있다. 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 가스에 의하여 광의 흡수가 가장 잘 일어나면서, 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 변별력이 있고, 공기중의 이산화탄소 및 수분에 의한 영향을 적게받는 광파장을 선택하여 선정된 파장폭의 광을 투과하는 밴드패스 필터로 구성된다.
상기 광학 필터(120)는 상기 중심축(140)을 기준으로 제 1 파장 필터(121), 제 2 파장 필터(122) 및 제 3 파장 필터로 1/3등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121), 제 2 파장 필터(122) 및 제 3 파장 필터는 는 각각 부채꼴로 형성되고, 상기 광학필터의 중심축(140)은 모터(150)와 연결되어 상기 광학 필터(120)를 회전시키며 측정에 필요한 필터를 선택하여 측정한다. 측정에 필요한 필터를 구분하기 위하여 상기 모터의 회전축에 절대 엔코더를 더 구비할 수 있다. 또는 원점을 확인하기 위한 노치, 또는 자석을 구비하여 원점의 위치를 찾을 수 있도록 할 수 있다.
상기 가스 상관 필터(130)는 중심축(140)을 기준으로 6등분되며 제 1 기준 필터부(131), 제 1 측정 필터부(132), 제 2 기준 필터부(133), 제 2 측정 필터부(134), 제 3 기준 필터부(131), 제 3 측정 필터부(132)로 구성된다.
상기 중심축(140)은 모터(150)와 연결되어 상기 가스 상관 필터(130)를 회전시키며 이에 따라 가스 상관 필터(130)의 형상은 회전 가능한 형상인 것이 바람직하다.
상기 제 1 내지 제 3 기준 필터부(131)에는 질소 또는 비활성 기체 중에서 선택적으로 충전될 수 있다. 공기와 샘플이 혼합되어 가스셀에서 측정되는 경우에는 공기중에 가장 많이 포함되어 있는 질소 가스를 충진하여 사용하고, 그렇지 않은 경우에는 불활성 기체를 사용한다.
충전되는 가스의 농도는 50 % 가 바람직하다. 비활성 기체는 주기율표 18족(8A족)에 속하는 헬륨(helium)· 네온(neon)· 아르곤(argon)· 크립톤(krypton)· 크세논(xenon)· 라돈(radon)의 6원소를 말한다.
상기 제 1 기준 필터부(131)는 이산화질소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 질소 또는 비활성 기체에 의해 기준광을 발생시킨다. 상기 제 2 기준 필터부(133)는 메탄(CH4)가스 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 질소 또는 비활성 기체에 의해 기준광을 발생시킨다.마찬가지로 상기 제 3 기준 필터부(133)는 이산화탄소 측정을 위한 적외선 파장대만 통과되는 상기 제 3 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되며 내부에 충전된 질소 또는 비활성 기체에 의해 기준광을 발생시킨다.
상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되고, 상기 제 2 측정 필터부에는 메탄가스가 충전되고, 상기 제 3 측정 필터부(134)에는 이산화탄소가 충전될 수 있다. 충전되는 가스의 농도는 50 % 가 바람직하다.
상기 가스 상관 필터(130)는 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150)의 구동에 의해 회전되며 회전 속도는 1800 rpm 인 것이 바람직하다. 회전에 의해 상기 제 1 기준 필터부(131), 제 1 측정 필터부(132), 제 2 기준 필터부(133), 제 2 측정 필터부(134) 및 제 3 기준 필터부(133), 제 3 측정 필터부(134)의 순으로 번갈아가며 비교 측정하여 간섭 성분에 영향을 받지 않도록 가스 성분의 농도를 측정할 수 있다. 상기 가스 상관 필터(130)는 섭씨 100도의 온도와 1800 rpm 의 회전 속도에도 가스 유출이 되지 않도록 특수 에폭시 접착제를 이용하여 사파이어 유리와 알루미늄 기구물을 접착하고 가스를 충전하여 밀봉하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기와 같이 가스 상관 필터를 6개의 구획으로 나누고 가스를 충진하여 가스 상관 필터를 제작하는 것은 쉽지 않다.
본 출원 발명의 동작을 도2로 설명하면, 상기 시료 가스셀(160)의 내부에 시료 가스가 충전되면, 상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되고, 상기 시료 가스셀(160)의 시료 가스는 대기이며, 상기 시료 가스셀(160)의 양 측면에는 반사 거울(161)이 형성되여 광경로를 형성한다. 상기 반사 거울(161)은 입사되는 적외선의 방향을 전환하는 방향 전환 거울과 적외선의 방향 전환과 함께 초점이 흐트러지지 않도록 모아주는 오목 거울로 구성된다.
상기 가스 상관 필터(130)에서 발생된 적외선이 상기 시료 가스셀(160)의 상단으로 입사되면 상기 방향 전환 거울을 통해 일 측면으로 방향 전환되고 상기 오목 거울을 통해 빛이 분산되지 않고 양 측면으로 이동한 후 적외선이 소정의 거리를 통과하면, 상기 방향 전환 거울을 통해 상기 시료 가스셀(160)의 하단으로 방출된다. 상기 반사 거울(161)은 적외선 광원의 통과 길이를 늘여 상기 시료 가스에 의한 흡광을 위한 경로를 늘려 측정 가능한 정도의 흡광이 가능하도록 하기 위한 것이다.
본 출원 발명의 대가 가스 중의 오염물질 가스의 측정을 위해서는 시료 가스셀의 통과 길이는 12 m 이상 되는 것이 바람직하다.
상기 반사 거울(161)의 표면에는 금(gold) 코팅을 하여 빛의 반사율을 향상시키는 것이 바람직하다.
상기 광원 검출 센서(170)는 시료 가스셀(160)을 통과한 적외선을 검출하는 장치이다. 상기 광원 검출 센서(170)는 비분산 적외선 검출기(PBSE)를 사용하는 것이 바람직하나, 적외선의 강도를 감지할 수 있는 센서라면 어떤 것이라도 가능하다.
본 출원 발명의 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치(100)의 전체적인 작동은 상기 광원 발생 장치(110)로부터 적외선이 발생되고, 상기 적외선은 광학 필터(120)를 통과하면서 소정의 파장대의 적외선만 선별적으로 투과된다. 상기 광학 필터(120)에서 선별된 파장의 적외선은 회전하는 상기 가스 상관 필터(130)를 통과하며 일산화탄소 및 이산화탄소의 기준광과 측정광을 발생시킨다. 상기 기준광과 측정광은 시료 가스셀(160)을 통과한 뒤 광원 검출 센서(170)로 입사된다. 상기 광원 검출 센서(170)에서 적외선의 투과율을 측정하여 전기적 신호로 송출한다. 송출된 전기적 신호를 연산 처리부(180)에서 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙에 적용하여 일산화탄소와 이산화탄소의 농도를 계산한다. 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙은 다음과 같다.
I : 통과된 광원의 세기
I0 : 최초 광원의 세기
a : 시료 가스의 흡수율(흡광도)
l : 빛의 이동 경로의 길이
c : 시료 가스의 농도
상술한 램버트-비어(Lambert-Beer) 법칙에 의해 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 적외선의 통과 거리와 시료의 농도의 곱에 지수 함수적으로 비례하며 이를 이용한 분석법을 비분산적외선(NDIR) 분석법이라 한다. 상기 일산화탄소-이산화탄소 성분 동시 측정 장치(100)는 NDIR 분석법에 의해 투과된 광원의 투과율을 이용하여 대기 또는 실내의 일산화탄소와 이산화탄소 성분을 정밀하게 측정할 수 있다.
도 3은 본 출원 발명의 가스상관필터의 구성으로 상기 알루미늄몸체의 사파이어 유리 접합부분을 돌출시켜 돌출부를 평탄하게 가공하고 접합하면, 넓은 면적을 평탄하게 가공하는 것 보다 가공이 쉬워 제작이 용이하고, 접합면이 평탄하여 내구성이 좋은 장점이 있다.
한편으로는 본 출원 발명에 사용하는 광원은 온도가 100 ~ 1100 도 까지 가열되는 네른스트 엘리먼트(NERNST ELEMENT) 계열 적외선 발생장치를 사용하고 있다. 광원의 강도는 매우 중요하며, 광원의 강도가 작으면 정확한 측정을 할 수 없고 광원의 강도가 너무 높으면 측정센서가 포화되어 문제가 발생할 수 있으며, 동시에 발생하는 열로 인하여 측정장치에 문제가 발생하거나 정확한 측정이 되지 않을 수 있다. 본 발명에 사용되는 광원은 적어도 100도씨 이상의 온도를 방출하고 있어 측정기 내부가 가열되어 문제가 발생할 수 있다. 특히, 가스 상관 필터는 측정하고자 하는 가스를 이용하여 만든 필터로 온도의 영향을 많이 받는 부품이다.
너무 가열되는 경우 내부에 가스가 팽창하여 깨질 수 있어 문제가 되고 있다. 본 출원 발명에서는 이러한 문제를 다름과 같이 해결하고자 한다.
상기 가스 상관필터를 내부에 구비하는 원통형의 하우징에 상기 가스 상관필터가 회전할 수 있도록 상기 원통형의 하우징 내부에 3점 이상에 볼베어링을 구비하여 상기 가스 상관 필터가 회전가능하도록 하며, 상기 가스 상관필터의 원주에 접촉하여 회전하는 모터로 회전시킬 수 있다. 한편 상기 원통형의 하우징은 수냉식 또는 펠티어소자로 냉각시킴으로써 상기 가스 상관 필터를 지지하는 3점 이상의 지점에서 서로 열 교환을 통하여 상기 가스 상관 필터를 냉각시킬 수 있다. 한편 상기 광원 발생부를 별도로 구획을 나누어 제작하고 광만 유리등을 통하여 투과시켜 사용함으로써 측정부에는 고열이 전달되지 않도록 할 수 있음은 물론이다.
한편, 가스의 농도를 측정하기위하여 샘플 가스에 광을 통과시켜 가스셀에의 샘플링된 가스가 흡수하는 흡광을 이용하여 가스의 종류와 농도를 측정하는 방법의 단점은 광이 어떠한 이유로 차단되는 경우 이를 가스에서 흡수한 흡광으로 판단하여 가스의 농도가 높아지는 문제가 있다. 본 출원 발명은 이러한 문제를 샘플링 가스 유입구에 먼지 측정기를 더 구비하여 유입되는 샘플링 가스의 먼지를 측정하여 이를 가스 농도 측정에 보정하고자 한다. 이는 N2가스를 먼저 기준으로 측정하고, 해당 가스를 측정하기 때문에 보정이 필요 없을 수도 있으나, 샘플가스에 먼지가 없을 경우에는 N2 기준가스와 측정가스 모두 측정 신호가 강하지만, 샘플가스에 먼지가 있는 경우에는 N2 기준가스와 측정가스 모두 측정 신호가 작아지기 때문에 센서의 감도에서오는 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 센서의 감도가 낮은 영역에서 측정된 값은 먼지에 영향을 더 많이 받을 수 있는 것이어서, 이러한 측정값의 보정을 위하여 샘플링 가스의 먼지 농도를 측정하여 가스의 농도를 추가 보정할 필요가 있다.
본 출원 발명의 상기와 같은 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 이산화질소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 메탄 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제2 파장 필터 및 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 3 파장 필터 ; 및
중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가, 상기 제3 파장 필터(123)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제3측정 필터부(136)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 메탄이 충전되며, 상기 제 3 측정 필터부(136)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 다중 대기오염 가스 동시 측정장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부에서 측정되는 신호의 기준을 정하기 위하여, 상기 가스 상관필터의 상기 제1 내지 제3 측정 필터부 회전 전방부에는 질소가스가 동일한 농도로 충전되는 제1 내지 제3 기준 필터부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또 다른 실시예로,
광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 이산화질소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 메탄 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제2 파장 필터 및 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 3 파장 필터 ; 및
중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가, 상기 제3 파장 필터(123)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제3측정 필터부(136)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 메탄이 충전되며, 상기 제 3 측정 필터부(136)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 가스 상관 필터 내부에 가스가 충진되는 공간에는 산소와 결합하면 색이 변색되는 산화변색 코팅을하여 상기 제1 내지 제3 측정필터부의 기밀이 손상되는 경우 산소와 반응하여 측정필터부에 변색이 발생함으로써 제1 내지 제3 측정필터부의 손상을 육안으로 확인할 수 있고,
상기 광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부에서 측정되는 신호의 기준을 정하기 위하여, 상기 가스 상관필터의 상기 제1 내지 제3 측정 필터부 회전 전방부에는 질소가스가 동일한 농도로 충전되는 제1 내지 제3 기준 필터부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 가스 상관필터를 내부에 구비하는 원통형의 하우징에 상기 가스 상관필터가 회전할 수 있도록 상기 원통형의 하우징 내부에 3점 이상에 볼베어링을 구비하여 상기 가스 상관 필터가 회전가능하도록 하며, 상기 가스 상관필터의 원주에 접촉하여 회전하는 모터로 회전시킬 수 있다. 한편 상기 원통형의 하우징은 수냉식 또는 펠티어소자로 냉각시킴으로써 상기 가스 상관 필터를 지지하는 3점 이상의 지점에서 서로 열 교환을 통하여 상기 가스 상관 필터를 냉각시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치를 제공한다.
100 : 일산화탄소-이산화탄소 동시측정장치
110 : 광원 발생 장치
120 : 광학 필터
121 : 제1파장필터부
122 : 제2파장필터부
123 : 제3파장필터부
130 : 가스 상관 필터(알루미늄몸체)
130a : 가스 상관 필터 돌출부
131 : 제1기준필터부(N2)
132 : 제1측정 필터부(NO2)
133 : 제2기준필터부(N2)
134 : 제2측정 필터부(CH4)
135 : 제3기준필터부(N2)
136 : 제3측정 필터부(CO2)
139 : 사파이어유리
140 : 초퍼
150 : 모터
160 : 시료 가스셀
170 : 광원 검출 센서
180 : 연산 처리부
110 : 광원 발생 장치
120 : 광학 필터
121 : 제1파장필터부
122 : 제2파장필터부
123 : 제3파장필터부
130 : 가스 상관 필터(알루미늄몸체)
130a : 가스 상관 필터 돌출부
131 : 제1기준필터부(N2)
132 : 제1측정 필터부(NO2)
133 : 제2기준필터부(N2)
134 : 제2측정 필터부(CH4)
135 : 제3기준필터부(N2)
136 : 제3측정 필터부(CO2)
139 : 사파이어유리
140 : 초퍼
150 : 모터
160 : 시료 가스셀
170 : 광원 검출 센서
180 : 연산 처리부
Claims (4)
- 광원 발생장치(110); 및
상기 광원 발생장치(110)로부터 발생된 빛의 파장을 선별적으로 투과시키기 위해 중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 이산화질소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 1 파장 필터(121)와 메탄 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제2 파장 필터 및 이산화탄소 측정을 위한 파장대의 빛을 통과시키는 제 3 파장 필터 ; 및
중심축(140)을 기준으로 1/6등분되며, 상기 제 1 파장 필터(121)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 1 측정 필터부(132), 상기 제 2 파장 필터(122)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제 2 측정 필터부(134)가, 상기 제3 파장 필터(123)를 통과한 빛이 입사되어 성분 측정을 위한 측정광을 발생시키는 제3측정 필터부(136)가 구비되며, 상기 제 1 측정 필터부(132)에는 이산화질소가 충전되며, 상기 제 2 측정 필터부(134)에는 메탄이 충전되며, 상기 제 3 측정 필터부(136)에는 이산화탄소가 충전되는 가스 상관 필터(130); 및
상기 가스 상관 필터 내부에 가스가 충진되는 공간에는 산소와 결합하면 색이 변색되는 산화변색 코팅을하여 상기 제1 내지 제3 측정필터부의 기밀이 손상되는 경우 산소와 반응하여 제1 내지 제3 측정필터부의 손상을 육안으로 확인할 수 있고,
광학 필터(120)와 가스 상관 필터(130)를 회전시키기 위해 상기 중심축(140)에 연결된 모터(150); 및
상기 가스 상관 필터(130)를 통과한 빛이 입사되도록 상기 가스 상관 필터(130)에 연결되며 내부에 시료 가스가 충전되는 시료 가스셀(160); 및
상기 시료 가스셀(160)을 통과한 기준광과 측정광의 투과율을 측정하는 광원 검출 센서(170); 및
상기 광원 검출 센서(170)로부터 측정된 기준광과 측정광의 투과율로부터 각각의 성분을 비교 연산하는 연산 처리부(180); 및
공기를 흡입하는 펌프(191)를 포함하는 개선된 상관 필터를 구비한 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치에 있어서,
상기 가스 상관 필터는 제작성을 향상시키기 위하여 상기 가스 상관 필터의 알류미늄몸체에 원주와 나란하게 돌출부를 구비하여 상기 돌출부에 사파이어 유리가 에폭시로 접착되는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 측정 필터부에서 측정되는 신호의 기준을 정하기 위하여, 상기 제1 내지 제3 측정 필터부 전단에는 질소가스가 동일한 농도로 충전되는 제1 내지 제3 기준 필터부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치. - 제2항에 있어서,
상기 가스 상관 필터(130)는 상기 모터(150)의 구동에 의해 1800 rpm으로 회전하는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치. - 제3항에 있어서,
상기 가스 상관 필터(130)는 회전에 의해 상기 제 1 기준 필터부(131), 제 1 측정 필터부(132), 제 2 기준 필터부(133), 제 2 측정 필터부(134) 및 제 3 기준 필터부(133), 제 3 측정 필터부(134)의 순으로 번갈아가며 비교 측정하여 간섭 성분에 영향을 받지 않도록 가스 성분의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치.
Priority Applications (2)
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| KR20230095781A (ko) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | (주)켄텍 | 다중 대기 오염 가스 동시 측정장치 |
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| KR101014245B1 (ko) | 2008-11-11 | 2011-02-16 | 한국표준과학연구원 | 멀티가스필터를 갖는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법 |
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