KR102532406B1

KR102532406B1 - 가스 모니터

Info

Publication number: KR102532406B1
Application number: KR1020187000834A
Authority: KR
Inventors: 오브 뵤르이
Original assignee: 네오 모니터스 에이에스
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2023-05-15
Also published as: CN107850535A; US10782230B2; JP6781248B2; WO2016200274A1; EP3308143A1; JP2018521330A; CN107850535B; RU2017144290A3; KR20180017131A; RU2709435C2; NO20150765A1; US20180172580A1; EP3308143B1; CA2989119A1; RU2017144290A

Abstract

조절 가능한 다이오드 레이저 분광기에 기초한 가스 모니터에 있어서, 적어도 하나의 대상 가스(5000)에 일치하는 하나 이상의 광원(1000)과 최소 하나의 감광 검출기(3000)와 광선을 형성하여 적어도 하나의 검출기(3000)를 향하도록 할 뿐만 아니라 분석 대상인 타겟 가스를 통과하도록 하는 광학 수단(2000;2200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하는 가스 모니터. 상기 광학 수단은 역반사기(2200)와 광축들 사이에 오프셋 각도를 갖도록 배치된 중앙 거울(2100)과 주변 거울(2300)을 포함한 거울 배열로 구성되며, 상기 중앙 거울(2100)은 광원(1000)으로부터 광선을 받아 역반사기(2200)로 향하도록 배치되고, 상기 역반사기(2200)는 상기 광선이 주변 거울(2300)로 돌아가도록 배치되며, 상기 주변 거울(2300)은 상기 광선을 검출기(3000)로 반사하도록 배치된다. 상기 가스 모니터는 또한 가스의 특성을 결정할 뿐만 아니라 광원을 제어하고 아날로그 시그널을 디지털화하는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 가스 모니터는 정교한 정렬을 위해 내부 정렬 수단을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 가스 모니터는 둘 또는 그 이상의 파장 범위에서 흡수선을 갖는 가스를 타겟으로 하는 둘 또는 그 이상의 광원(1000, 1100, 1200)을 포함할 수 있다. 상기 가스 모니터는 특정 실시 예에서, 상기 가스 모니터의 성능을 검증하기 위해 광학 경로에 삽입 될 수 있는 하나 이상의 가스 셀 (2910, 2920)을 포함 할 수 있다.

Description

가스 모니터

본 발명은 광학적 수단에 의해 가스를 모니터링 하는 발명에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는 상기 가스의 샘플에 광선을 유도하여 타겟 가스의 특성을 결정하는 가스 모니터와 그 방법에 관한 것이다.

제조 공정, 에너지 산업, 기타 산업에 있어서 다양한 가스의 농도나 압력을 모니터링 할 필요가 있다. 예를 들면 공정 제어나 안전상의 이유를 들 수 있다.

최근 조절이 가능한 다이오드 레이저에 기반한 가스 모니터는 다른 가스로부터 간섭을 덜 받는 강력한 측정도구와 고온과 고압에서도 측정 가능한 기능을 제공함으로써 시장 점유율을 늘렸다.

전형적인 광학 가스 모니터에 있어서, 하나의 싱글 레이저 센서는 일반적으로 오직 하나 또는 두 개의 가스만을 측정할 수 있다. 제한된 파장 조정 범위와 각각 인접한 적절한 흡수선의 부족 때문이다. 이는 둘 그 이상의 가스를 측정하기 위해서는 적어도 두 개의 레이저, 실제로는 최소 두 개 이상의 가스를 모니터링 하는 도구가 필요하다는 것을 의미한다. 그리고 덕트(duct) 또는 스택(stack)에 복수의 홀 세트와 같이 구성될 수 있다. 추가적으로, 길고 개방된 경로에 대한 적용에 있어서 광 경로(optical path)는 일반적으로 정렬하기 어려울 수 있다. 길고 개방된 경로에 대한 통상의 가스 모니터링 도구에 있어서, 뉴턴 타입(Newtonian-type)의 망원경은 레이저의 광선을 역반사기(retro reflector)로 향하도록 하고 검출기(detector)로 반사된 광선을 모으기 위해 사용될 수 있다. 이러한 가스 모니터링 도구의 정렬은 상기 역반사기(retro reflector)로 정확하게 유도된 전체의 망원경을 필요로 한다. 이 경우 번거롭고 시간이 오래 걸린다. 추가적으로 이 정렬은 광학 구성요소들의 위치가 제한적인 옵션을 가짐에 따라 악영향을 받을 뿐만 아니라 광선 경로를 따라 복수의 레이저와 검출기를 제공할 수 있는 가능성이 제한적이다. 하나의 기구에서 복수의 레이저와 검출기의 사용은 광학 섬유와 커플러를 이용하여 구현할 수 있다. 하지만 이러한 부품은 상당한 양의 광학 노이즈를 일으키고 이는 측정도구 성능의 악화를 야기한다.

WO 2006/022550 A2는 레이저/검출기와 역반사기 사이의 가스를 측정하기 위해 역 반사기와 함께 사용될 수 있는 조정 가능한 레이저 소스에 기초한 가스 모니터를 개시하고 있다.

DD 284527 A5는 조리개가 메인 거울의 중심에 있고 빔스플리팅 미러(beamsplitting mirror)가 뉴턴식 망원경의 수직 경사 2차 거울을 대체하는 하이브리드 뉴턴(Newonian)-카세그레인(Cassegrain) 망원경을 기반으로 한 적외선 흡수 측정 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 감지 경로와 동일 축이 되도록 레이저의 광선을 정렬할 수 있지만 망원경, 레이저 소스 및 검출기 전체를 역반사기 쪽으로 정렬해야 하므로 여전히 제한적이다.

EP 2058671 A2는 후방 산란 된 광을 모으기 위한 큰 오목 거울로 구성된 거울 조립체가 사용되는 레이저 범위 발견 용 장치를 기술하고 있다. 거울의 작은 편평한 부분은 큰 거울 상에 중심이 맞추어 져 있으며, 상기 큰 거울은 레이저 광선을 상기 큰 거울과 동축에 맞추기 위해 사용된다. 그러나 본 발명은 레이저 소스 및 검출기가 별개의 광축 상에 배치되는 것을 허용하지 않고, 가스 측정을 위한 장치가 아니다.

US 2005/0162655 A1은 2 개의 오목 거울이 사용되는 장치를 개시하고 있다. 첫 번째 거울은 빛을 광섬유로부터 역반사기 쪽으로 향하게 하고 두 번째 거울은 반사된 빛을 모아 검출기와 연결된 두 번째 광학 섬유로 향하게 한다. 본 선행문헌은 2 개의 오목 거울의 사용을 필요로 하며, 구조는 광원 섬유 및 검출기 섬유를 포함하여 역반사기쪽으로 정렬되도록 장치 전체를 필요로 한다. 또한 광섬유를 사용하므로 광학 노이즈가 발생할 수 있다.

본 기술분야에서 상기한 기술들은 한계점이 존재하므로 가스 모니터링을 위해 새롭게 개선된 장치와 방법이 이점을 가질 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점들을 해결하는 시스템과 방법을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명의 실시예는 바람직하게는 광학 수단에 기초한 가스 모니터링에 대해 첨부된 특허청구범위에 따른 단일 또는 조합으로 구성된 장치, 시스템 또는 방법을 제공함으로써 상기한 하나 또는 그 이상의 결함, 단점 또는 문제점을 완화, 경감 또는 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 하나의 광원을 포함하는 타겟 가스의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 모니터 시스템이 제공되며, 상기 광원은 파장 범위의 광선을 방출하도록 배열된다.

상기 타겟 가스는 적어도 하나의 흡수 라인을 가지며, 상기 시스템은 역반사기 및 제어부를 더 포함한다.

상기 가스 모니터 시스템은 상기 타겟 가스를 통해 상기 광선이 상기 역반사기로 향하도록 유도하여 수신 광학 기기로 복귀시키도록 구성된다.

상기 가스 모니터 시스템은 상기 광선을 검출하기 위한 적어도 하나의 감광 검출기를 갖는 검출기 시스템을 더 포함하며, 상기 검출기는 상기 제어부에 의해 수신될 신호를 제공하도록 배치된다.

상기 가스 모니터 시스템을 제어하고 상기 적어도 하나의 특성 상기 가스 모니터 시스템은 거울 배열을 포함하고, 상기 거울 배열은 표면 및 광축을 각각 갖는 중앙 거울 및 주변 거울을 포함한다.

상기 중앙 거울 및 주변 거울은 광축들 사이의 오프셋 각도로 배치되고, 상기 광원으로부터의 광선을 수용하고 상기 역반사기에 광선을 향하게 배치된다.

상기 역반사기는 상기 광선을 주변 거울로 복귀시키도록 배열된다.

상기 주변 거울은 상기 광선을 상기 검출기 시스템으로 반사 시키도록 배열된다.

상기 가스 모니터 시스템은 각각 축을 갖는 광선으로서 상기 광원을 포함하는 상기 광원 시스템으로부터 중앙 거울을 향하는 광선, 상기 중앙 거울로부터 역반사기를 향하는 광선, 역반사기로부터 주변 거울을 향하는 광선, 주변 거울로부터 검출기 시스템을 향하는 광선을 형성하도록 배치될 수 있다.

상기 가스 모니터 시스템은 역반사기로 향하는 광선과 역반사기로부터의 광선이 실질적으로 동축이 되고 상기 광원 시스템으로부터 상기 중앙 거울을 향하는 광선의 축과 상기 주변 거울로부터 상기 검출기 시스템을 향하는 광선의 축은 일치하지 않도록 배치된다.

상기 중앙 거울과 상기 주변 거울의 광축 사이의 각도는 실질적으로 상기 광원 시스템과 상기 검출기 시스템의 광축 사이의 각도와 일치할 수 있다.

상기 광원 시스템 및 상기 검출기 시스템은 상이한 광축 상에 배치 될 수 있다.

상기 중앙 거울과 상기 주변 거울은 빛을 반사하기 위한 표면을 각각 포함 할 수 있으며, 상기 거울 배열은 상기 주변 거울의 표면이 상기 중앙 거울의 표면을 둘러싸고, 상기 주변 거울의 표면이 상기 중앙 거울의 표면보다 크다.

상기 중앙 거울은 전형적으로 평면, 포물선, 축외 포물선 및 구형의 형태 중 하나 일 수 있고 상기 주변 거울은 평면, 포물선, 축외 포물선 및 구형의 형태 중 하나 일 수 있다.

상기 검출기 시스템은 상기 거울 배열과 상기 역반사기 사이의 광선 외부에 위치 할 수 있다.

상기 광원은 일반적으로 다른 어레이 타입의 레이저로서 VCSEL 레이저, DFB 레이저, QCL 및 ICL 레이저, Fabry-Perot 레이저 중 하나의 레이저이다.

상기 역반사기는 다음 타입 중 하나 일 수 있다 : 큐브 코너, 반사 테이프 또는 상기 가스 모니터에 일부 빛을 반사 할 수 있는 기타 장치 또는 표면.

상기 거울 배열은 상기 중앙 거울로부터의 광선이 주로 상기 역반사기를 향하도록 배치될 수 있고, 상기 가스 모니터 시스템은 상기 거울 배열의 방향을 조정하기 위한 정렬 수단을 포함한다.

상기 정렬 수단은 상기 거울 배열 주로 피벗 포인트를 중심으로 회전하도록 배치될 수 있다. 또한 상기 피벗 포인트는 상기 중앙 거울의 표면의 중심 부근 또는 상기 방향의 연장선에 인접한 상기 중심 뒤쪽에 위치할 수 있다.

상기 정렬 수단은 신호를 모니터링 하는 동안 최적의 신호를 발견함으로써 상기 거울 배열을 상기 역반사기 쪽으로 자동으로 정렬시키는 수단을 포함할 수 있다.

상기 가스 모니터 시스템은 시스템의 정렬을 용이하게 하기 위해 적어도 하나의 상기 광원으로부터의 광선과 거의 동축으로 시준된 가시 광선을 전송하도록 배치된 가시 광원을 포함할 수 있다.

또한 상기 시스템은 상이한 파장에서 작동하는 복수의 광원을 포함할 수 있으며, 각각의 광원은 광원으로부터의 광선을 공통 경로로 병합하기 위한 빔 스플리터를 갖는다.

상기 빔 스플리터는 각 빔 스플리터에 대응하는 광원으로부터의 광선이 본질적으로 반사되도록 하는 스펙트럼 특성을 갖는 반면, 다른 광원으로부터의 파장의 광선은 본질적으로 투과된다.

상기 가스 모니터 시스템은 복수의 감광 검출기 및 각각의 광원으로부터 개별 검출기로 파장을 분리하기 위한 복수의 빔 스플리터를 포함할 수 있고, 타임 멀티플렉싱 또는 프리컨시 멀티플렉싱을 위해 각 광원으로부터 파장을 분리하도록 배열될 수 있다.

상기 시스템은 상기 빔 스플리터로부터의 과도한 광선이 상기 광원들 각각에 대해 적어도 하나의 가스 셀을 통과 한 다음 상기 광원들 각각에 대한 적어도 하나의 부가적인 감광 검출기 상으로 통과하도록 배열 될 수 있다.

상기 기체 셀 중 적어도 하나는 자체 교정과 스펙트럼 동작 점에 관해 상기 가스 모니터의 무결성을 감시하는 데 사용되기 적합한 흡수 특성을 갖는 기체를 함유한다.

또한 상기 역반사기는 상기 역반사기에 의해 반사된 광선이 중앙 거울을 통해 다시 광원으로 반사되는 것을 차단하고 상기 역반사기의 중심축 중심으로 실질적으로 대치으로 배치된 빔 블라킹 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 빔 블라킹 플레이트는 실질적으로 광 경로 길이와 광선의 발산에 대해 최적화된 직경을 갖는 원형의 디스크처럼 형성될 수 있다.

또한 상기 빔 블라킹 플레이트는 상기 역반사기의 광축에 대해 기울어진 각도로 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기한 가스 모니터 시스템을 사용하여 타겟 가스의 하나 이상의 특성을 결정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하나 이상의 타겟 가스 특성을 결정하는 방법은 광원의 광선이 타겟 가스가 하나 이상의 흡수선을 가지는 범위 내에서 광선을 방출하는 단계, 중앙 거울에 의해 타겟 가스의 샘플을 통과하여 역반사기로 상기 광선을 반사하는 단계, 상기 역반사기에 의해 상기 중앙 거울을 감싸고 있는 주변 거울을 향해 상기 광선을 돌려보내는 단계, 상기 주변 거울에 의해 검출기 시스템을 향해 상기 광선을 반사하는 단계, 상기 검출기 시스템에 의해 구성된 하나 이상의 검출기를 통해 상기 광선을 감지하는 단계 및 상기 검출기 시스템으로부터 신호를 받아서 제어 시스템에 의해 상기 가스의 하나 이상의 특성을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명은 조정 가능한 다이오드 레이저 분광법에 기초한 가스 모니터링의 2 가지 공통적인 문제점을 해결한다.

첫 번째 문제, 즉 센서의 정렬은 내부 부품만 이동시켜 정렬함으로써 해결된다.

두 번째 문제, 하나 이상의 가스의 모니터링은 광학 노이즈의 원인이 되는 광섬유 및 커플러를 사용하지 않고 하나의 공통 광 경로 및 하나의 단일 계측기에서 복수의 조정 가능한 다이오드 레이저를 이용함으로써 해결된다.

도 1은 레이저(1000), 거울 배열(2000), 외부 역반사기 (2200) 및 검지기 (3000)를 갖는 본 발명의 기본 정렬부를 도시한다.
도 2는 제2 레이저(1100)가 거울(2700) 및 제2 검출기(3100)뿐만 아니라 빔 분리기(2720)(2740)와 함께 도입되는 경우의 본 발명을 도시한다.
도 3은 정상 동작 동안 기기의 무결성을 검사하는 수단의 추가를 도시한다.
도 4a, b 및 c는 홀더(2230)에 장착되어 셰이드 또는 빔 차단 플레이트 (2210, 2211)를 포함한 역반사기(2200)를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 광선 조종에 사용되는 2개의 평면 거울(2100 및 2310)로 구성된 거울 조립체를 도시한다.
도 6은 거울 배열(2000)의 지시 방향을 변경함으로써 상기 가스 모니터를 정렬 시키는데 사용될 수 있는 정렬 시스템의 하나의 가능한 구현 예를 도시한다.
도 6 a는 정렬 수단의 단면을 보여준다.
도 6b의 단면 A-A 실제로 거울 측으로부터 거울 조립체를 도시한다.
도 6 c는 한쪽에서 정렬 시스템을 보여준다.
도 6 d는 뒤쪽에서 정렬 시스템을 보여준다.

상기 목적은 특징부의 기능을 포함한 청구항 제1 항의 전제부에 정의된 타겟 가스의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 모니터 시스템과 특징부의 기능을 포함하는 제25 항의 전제부에 정의된 적어도 하나의 타겟 가스의 특성을 결정하는 방법에 따른 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 제 1 목적은 목표 가스의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위한 가스 모니터 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최적화 된 수의 구성 요소 및 이들의 상대적 위치를 갖는 가스 모니터 시스템을 제공하는 것이다.

이들 목적들 중 하나 이상은 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 본 발명에 의해 다루어지고 있다.

상기 가스 모니터는 전형적으로 적어도 하나의 광원을 포함하는 조정 가능한 다이오드 레이저 분광기에 기반하며, 광원은 전형적으로 적어도 하나의 타겟 가스 및 적어도 하나의 감광 검출기에 매칭되는 조정 가능한 레이저이다.

광선을 형성하는 광학 수단은 적어도 하나의 검출기를 향하도록 광선을 유도할 뿐만 아니라 분석될 타겟 가스를 통과하도록 광선을 유도한다.

상기 가스 모니터는 또한 광원을 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 아날로그 신호를 디지털화하고 가스의 특성을 결정한다. 상기 가스 모니터는 미세 정렬을 위한 내부 정렬 수단을 더 포함한다. 상기 가스 모니터는 2 개 이상의 파장 범위의 흡수 라인을 갖는 가스를 목표로 하는 2 개 이상의 광원을 포함 할 수 있다. 상기 가스 모니터는 특정 실시 예에서, 상기 가스 모니터의 성능을 검증하기 위해 광 경로에 삽입 될 수 있는 하나 이상의 가스 셀을 포함 할 수 있다.

본 발명은 출사하는 레이저 빔을 위한 거울과 반사된 광선을 수집하는 더 큰 거울의 조합을 포함한다.

도 1은 본질적으로 편평한 거울이 장착 된 구멍을 갖는 오목 거울면 (2300)을 포함하는 이동 가능한 거울 조립체(2000)가 사용되는 시스템의 예를 도시한다.

상기 거울 조립체는 기계 장치 및 모터 또는 기타 사용 가능한 액추에이터를 사용하여 모든 방향으로 기울일 수 있다. 상기 거울 조립체는 레이저(1000)가 광선을 방출하여(4100), 상기 광선이 상기 거울 조립체의 중앙 거울에 도달하며, 상기 중앙 거울에서 반사 된 광선(4200)이 복고 반사기 (2200)에 도달하고 광선(4300)이 오목 거울 (2300)에 도달하면, 오목 거울은 최종적으로 검출기(3000)에 도달하는 광선(4400)에 초점을 맞춘다. 상기 가스 모니터가 부정확하게 정렬되어 조정 가능한 범위 내인 이상 내부 정렬 수단은 상기 가스 모니터를 정렬 할 수 있다.

상기 가스 모니터의 내부 정렬을 제공하는 것 이외에, 동일한 광학 경로를 따르고 도 2의 예에 도시 된 바와 같은 동일한 정렬 수단을 이용하여 다수의 레이저가 디자인에 포함될 수 있게 하며, 여기서 추가적인 레이저(1100)는 2 개의 빔 스플리터(2720)(2740) 및 거울(2600)과 함께 추가된다. 이렇게 하면 두 개의 레이저 광선이 병합되고 동일한 경로를 따라 이동하게 된다. 부가적인 검출기(3100)가 추가되고 빔 스플리터(2700)가 또한 추가 될 수 있다.

본 발명의 핵심은 큐브 코너 (2200)를 사용하여 레이저 광선을 복귀시키고 그 다음에 복귀된 광선을, 레이저일 수 있는 광원을 포함하는 광원 시스템에 대해 비 동축 디자인(non co-axial design)을 갖는 하나 이상의 검출기(3000, 3100)에 초점을 맞출 수 있게 하는 것이다. 이를 위해 거울 조립체(2000)가 고안되었다.

상기 거울 조립체는 2 개의 거울, 즉 중앙부에 제1 거울(2100) 및 제1 거울을 에워싸는 제2 큰 거울 (2300)를 포함한다. 이 거울들은 그들 사이에 각도가 있도록 장착된다. 이 각도는 광학 시스템의 기하학적 구조, 즉 거울 조립체까지의 거리를 기준으로 하여 레이저 시스템과 검출기 시스템 사이의 거리에 맞도록 선택되어야 한다.

검출기 시스템은 하나의 레이저를 포함하는 가스 모니터 안에 단일 감광 검출기 (3000)를 포함한다. 2 개의 레이저를 포함하는 가스 모니터에서, 검출기 시스템은 2 개의 검출기(3000, 3100) 및 빔 스플리터(2700)를 포함한다. 하나의 레이저 및 평평한 주변 거울 (2310)을 포함하는 가스 모니터에서, 검출기 시스템은 검출기(3000) 및 포커싱 렌즈(6000)를 포함한다.

선택된 설정에서 레이저 광선의 발산이 사용에 적합한 경우 중앙 거울 (2100)은 평평(flat)하다. 레이저 빔 발산을 줄이거나 늘리려면 중앙 거울을 볼록 또는 오목하게 만든다.

더 큰 주변 거울은 평면(2310), 구형 또는 포물선 (2300) 일 수 있다. 제 1 실시 예에서는 포물선이다. 큰 거울 (2300)은 빔을 검출기 시스템 (3000)에 집중시킨다.

다른 제 2 실시 예에서, 큰 주변 거울(2310)은 도 5a에 도시된 바와 같이 평평하다. 이 실시 예는 검출기(3000) 상에 포커싱 하는 렌즈(6000)를 포함한다.

도 5a 및 5b에 설명 된 바와 같은 2개의 평면 거울(2100, 2310)을 포함하는 시스템은 레이저 빔 또는 광선들과 포커싱 렌즈(6000) 및 검출기(3000)에 도달하는 광선들 사이의 각도와 관련하여 파악이 용이하다. 두 개의 거울(2100, 2310) 사이의 각도와 광원(1000)을 포함하는 광원 시스템의 광축과 검출기 시스템(6000, 3000) 사이의 각도 사이에는 직접적인 상관관계가 있다.

본 발명의 중심 양태를 설명하기 위해, 도 5a에 도시된 바와 같이, 거울 조립체(2000)의 기울기가 검출기 상에 최대 광 세기를 얻도록 조정되었다고 가정한다. 역반사기를 이동하거나 회전 시키면 레이저, 거울 조립체, 검출기 시스템 등을 포함하는 완전한 가스 모니터가 역반사기에 비해 정렬이 손실되어 검출기로의 광도가 감소된다. 예로서 도5 a)의 설정을 따라 역 반사기를 약간 위로 움직이면 감지기로 가는 광 강도가 크게 감소한다. 다음 거울 조립체를 조정하여 감지기에 최대 광도를 제공한다. 이 때 도 5b에서 도시된 상황이 발생한다. 도 5b에서, 역 반사기가 위로 이동되고 거울 조립체의 각도 알파(alpha)가 델타(delta)만큼 감소되었음을 알 수 있다. 그러나 광선은 여전히 검출기의 동일한 지점에 초점을 맞춘다. 이것은 본 발명의 중심 아이디어에 해당한다.

전형적인 실시 예에서, 평평한 주변 거울(2310)은 축외 포물선 거울 (2300)로 대체 될 것이다.

그러나, 동일한 원리가 큰 거울과 중앙의 작은 거울 사이의 각도 및 광원 시스템의 광학 축과 검출기 시스템의 광학 축 사이의 각도와의 대응에 적용된다. 포물선 거울을 사용하면 광선을 검출기에 집중시키는데 있어 포커싱 렌즈(6000)는 필요하지 않게 된다. 포물선 거울을 사용하는 시스템은 도 1, 2 및 3에 나와 있다.

역반사기로부터 돌아오는 광선은 작은 중앙 거울의 크기보다 더 큰 직경 또는 단면을 가져서 검출기 시스템 상에 집중될 충분한 광선이 있도록 해야 한다.

이상적으로, 거울 조립체는 작은 중앙 거울의 중앙에 있는 표면의 한 점을 중심으로 움직이거나 기울거나 회전한다. 거울 조립체를 유지하기 위해 기계 설계와 같은 짐벌 (gimbal)을 사용하여 구현할 수 있다. 그러나 도 1, 2 및 3에서와 같이 회전/이동 지점이 중앙 거울의 표면 뒤에서 일정 거리에 놓이는 광 기계 솔루션을 구현하는 것이 더 용이하다. 이러한 솔루션은 다소 작은 조정 범위를 제공한다.

본 명세서에서 사용되는 “구성되다 / 포함하다”라는 용어는 명시된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 나타내도록 취해졌지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성 요소 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 점이 강조되어야 할 것이다.

본 개시의 다양한 양태는 첨부된 도면을 참조하여보다 상세히 설명된다. 그러나, 이 개시는 많은 상이한 형태로 구체화 될 수 있으며, 본 명세서 전반에 걸쳐 제시된 임의의 특정 구조 또는 기능에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 양태들은 본 개시가 철저하고 완전 할 수 있도록 제공되며, 통상의 기술자에게 본 개시의 범위를 충분히 전달할 것이다.

본 명세서의 교시에 기초하여, 본 개시의 범위는 본 개시물의 임의의 다른 양태와 독립적으로 구현되거나 또는 본 개시물의 임의의 다른 측면과 결합되어 구현되는지 여부에 관계없이, 본원에 개시된 임의의 양태를 포괄하고자 한다. 예를 들어, 장치가 구현되거나 방법이 본 명세서에 설명 된 임의의 수의 양상을 사용하여 실시 될 수 있다.

또한, 본 개시의 범위는 여기에 설명된 개시 내용의 다양한 양태 이외에 다른 구조, 기능, 또는 구조 및 기능을 사용하여 실시되는 그러한 장치 또는 방법을 포함하고자 하는 것이다. 여기에 공개된 내용의 임의의 양태는 청구 범위의 하나 이상의 요소에 의해 구체화 될 수 있음을 유념해야 한다.

다음의 설명은 광학 수단에 의한 가스 모니터링에 적용 가능한 본 발명의 실시 예에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 이것은 가스 모니터링의 긴 개방 경로에 대한 적용에 유리하다. 그러나, 설명은 본원출원에 한정되지 않고 광학 가스 검출이 수행되는 많은 다른 시스템에 적용될 수 있다.

도 1에 도시 된 제1 예에서, 포물선 주변 거울(2300)을 포함하는 이동 가능한 거울 조립체(2000)를 갖는 가스 모니터링 시스템이 도시되어 있으며, 상기 파라볼 릭 표면은 기본적으로 중앙 거울(2100)이 장착된 홀(hole)을 갖는다. 상기 거울 조립체(2000)는 기계 장치 및 모터 또는 다른 이용 가능한 액추에이터를 사용하여 모든 방향으로 기울일 수 있다. 액추에이터 제어는 프로세싱 유닛(processing unit)에 의해 제어되는 전자 부품에 의해 수행된다. 레이저 변조 및 검출기 신호 측정에 기반하여 마이크로 프로세서는 상기 가스 모니터의 최적 정렬을 결정하고 최대 "연기(smoke)", 즉 최대 신호를 조정한다.

거울 조립체(2000)는 다음과 같은 동작을 하도록 고안되었다. 레이저(1000)가 광선(4100)을 방출할 때 이 광선(4100)은 상기 거울 조립체(2000)의 필수적인 중앙 거울(2100)에 도달하고 상기 필수적인 중앙 거울(2100)로부터 반사된 광선(4200)은 역반사기(2200)에 도달할 것이다. 그리고 역반사기(2200)로부터 반사된 광선(4300)은 포물선 주변 거울(2300)에 이르게 될 것이며 상기 포물선 주변 거울(2300)은 광선(4400)이 최종적으로 검출기(3000)에 도달하도록 상기 광선(4400)을 집중시킨다. 상기 가스 모니터가 거칠게 정렬되고 조정 가능한 범위 내이면 내부 정렬 수단으로 상기 가스 모니터를 정렬 할 수 있다. 또한, 거울 조립체의 디자인은 중심 위치로부터의 정렬이 필요할 때 레이저 광선이 의도된 경로를 따르는 것을 보장해준다.

또 다른 예에서, 도 2에 도시 된 바와 같이, 본 발명은 동일한 광학 경로를 따르고 동일한 정렬 수단을 이용하여 다수의 레이저가 디자인에 포함되도록 한다. 추가 레이저 (1100)는 2개의 빔 스플리터 (2720) (2740) 및 거울 (2600)과 함께 추가된다. 그렇게 함으로써 두 개의 레이저 광선이 합쳐져 같은 경로를 따라간다. 부가적인 검출기(3100) 및 빔 스플리터(2700) 또한 추가된다. 이 빔 스플리터는 제 2 레이저 (1100)로부터의 광선이 반사되어 제 2 검출기 (3100)에 도달하는 동안 제 1 레이저(1000)로부터의 광선을 통과시킨다. 2세트의 레이저 및 검출기로부터의 신호는 2 개의 상이한 파장 범위에서의 측정을 얻기 위해 독립적으로 처리 될 수 있다.

광원 시스템 (1000, 1100)은 레이저 및 광선 형성 광학기를 포함한다. 광원 시스템은 이 출원에서 “레이저”로 부를 것이다. 광선 형성 광학기는 레이저 빔 (4100)이 실제 설치 및 광학 경로 길이에 대해 적절한 발산을 하도록 설계되고 조정될 것이다.

도시된 예에서, 시준된 빔을 갖는 가시 광선 레이저(1200)가 또한 추가되어, 상기 가스 모니터의 조작자가 계기가 현재 포인팅 하고 있는 곳을 볼 수 있게 한다.

도 2는 제2 레이저(1100)가 거울(2700) 및 제2 검출기 (3100)뿐만 아니라 빔 스플리터(2720)(2740)와 함께 도입되는 경우의 본 발명을 도시한다. 도 1에서 설명한 광학 설계는 두 개의 빔이 병합되고 동일한 광학 장치를 통과 할 수 있고 이 광학 장치는 상기 가스 모니터 하우징 내부에서 자동으로 정렬될 수 있기 때문에 도 2와 같이 하나의 시스템에 둘 또는 그 이상의 레이저가 있는 경우 이상적이다. 정렬을 위한 가시 광선 레이저(1200)를 도입하여 상기 가스 모니터가 가리키는 곳을 볼 수 있다. 이 가시 광선 레이저(1200)는 시준된 광선(collimated beam)을 갖지만 조정이 가능한 레이저는 발산 광선을 갖는다.

또 다른 예에서, 도 3에 도시 된 바와 같이, 본 발명은 동일한 광학 설계에 검증 수단을 포함시킴으로써 각 레이저가 파장 드리프트 등과 관련하여 지속적으로 점검될 수 있게 한다. 빔 스플리터 (2720)(2740)로부터의 과도한 광선(Excess light)은 가스 셀 (2910)(2920) 통과하여 검출기 (3200)(3300)에 보내질 수 있다. 상기 검출기는 레이저를 감지하는 것으로, 레이저는 셀의 가스의 스펙트럼 특성을 사용하여 확인할 수 있다.

도 3은 정상 작동 중인 상기 가스 모니터의 무결성을 확인하는 수단을 추가 한 것이다. 이는 레이저 파장이 올바른 범위 내에 있는지 확인하거나 내부 광 경로를 사용하여 보정을 확인하는 데 사용할 수 있다. 도면에는 일반적으로 서로 다른 가스를 포함하거나 두 레이저의 파장 범위 안에서 흡수 선을 포함하는 동일한 가스를 포함하는 각 레이저에 대한 하나의 셀 또는 모듈이 있다. 레이저로부터의 과도한 광선(Excess light)은 빔 스플리터 (2720) (2740)를 통해 방출되고 렌즈(2810) (2820)에 의해 집속되며, 이 광선은 가스 셀(들)(2910)(2920)을 통과한다. 그리고 검출기 (3200)(3300)에 도달한다. 측정하고자 하는 가스가 정상적으로 존재하지 않는 경우, 타겟 가스가 셀 내에 존재할 수 있으므로, 레이저가 여전히 정확한 파장 범위에서 작동하고 있는지를 확인할 수 있다. 교정 변경(calibration changes)은 일반적으로 장시간의 드리프트 또는 변경에 따른 레이저 출력의 변화로 인한 것이므로 스팬 검사(span check)를 수행 할 수도 있다.

일부 예에서, 본질적으로 중앙 거울 (2100)은 정확하게 평면이 아니며, 대신 일부 예에서 곡률을 가지며, 레이저 빔의 보다 양호한 집속을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 주변 거울(2300)은 포물선이 아니고, 대신에 다른 곡률을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 복수의 검출기는 빔 분리기의 사용이 아니라, 상이한 파장에 민감한 결합된 또는 샌드위치 형 검출기를 사용하거나, 또는 몇몇 예에서 스펙트럼 분리의 다른 수단에 의해 이용된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 단일 검출기가 사용되며, 상이한 레이저 파장은 시간 멀티플렉싱 또는 주파수 멀티플렉싱 기술의 사용에 의해 분리된다.

일부 레이저는 다른 것보다 광학 피드백에 더 민감하다. 본 발명의 기본 설계는 역반사기로부터의 광선 중 일부를 작은 중앙 거울로 되돌려 주며, 작은 중앙 거울은 광선을 광원 시스템으로 되돌려 준다. 이 피드백은 레이저를 방해하여 더 많은 광학 노이즈가 발생하거나 최악의 경우 레이저를 작동 불능으로 만들 수 있다. 이는 복고 반사기 (2200)의 중심부에 셰이드(shade) 또는 빔 블라킹 플레이트(beam blocking plate)(2210,2211)를 삽입함으로써 해결할 수 있다. 셰이드(shade)의 직경은 광 경로 길이와 빔 발산에 맞게 조정할 수 있다.

상기 직경은 시준 광학계의 주어진 빔 발산 및 기하학적 구조에 대해 특정 범위의 광학 경로 길이에 대해 최적화 될 수 있다. 이상적으로 셰이드(shade)는 중앙 거울에 광선이 도달하는 것을 차단해야 한다. 이 광선은 감지기의 신호에는 영향을 미치지 않지만 레이저는 방해 할 수 있기 때문이다.

도 4a, b 및 c는 셰이드 또는 빔 차단 플레이트 (2210, 2211)와 함께 홀더 (2230)에 장착 된 역반사기 (2200)를 도시한다. 도 4b는도 4a 및 4b에 도시 된 셰이드들 (2210)보다 약간 큰 셰이드(2211)를 도시한다. 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 셰이드 또는 빔 차단 플레이트(2210)는 반사된 광선이 광학 경로 밖으로 보내져 레이저에 도달하지 않거나 검출기에 도달하지 않도록 기울어 져있다.

도 5a 및 도 5b는 빔 조종에 사용되는 2 개의 평면 거울(2100 및 2310)로 구성된 거울 조립체를 도시한다. 중앙 거울 (2100)은 약간 발산하는 광선(도 5a의 4200 및 도 5b의 4210)이 레이저 (1000)에서 큐브 코너 (2200)로 향하도록 유도한다. 큐브 코너(2200)는 빔의 중앙에 있는 두 도면에 있다 (도 5a의 4200과 도 5b의 4210). 큐브 코너 (2200)는 빔 (도 5a의 4300 및 도 5b의 4310)을 거울 조립체를 향해 다시 반사시킨다. 약간의 발산으로 인해, 반사된 빔(도 5a의 4300 및 도 5b의 4310)의 일부분은 대형 평면 거울(2310)을 타겟으로 한다. 반사된 광선(4450)은 광선(4460)을 포토 다이오드 (3000) 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈 (6000)를 향한다.

도 5a에서, 거울 조립체는 각도 (α)로 기울어 져있다. 도 5b에서, 거울 조립체는 각도 α-δ로 기울어진다. 중앙 거울 (2100)로부터의 반사 된 빔(도 5a의 4300 및 도 5b의 4310)의 방향은 도 5b에서 2δ로 변경된다. 큐브 코너 (2200)로부터 더 큰 평면 거울 (2310) 상으로 반사 된 빔(도 5a의 4300 및 도 5b의 4310)의 방향 또한 5b에서 2δ로 변경된다. 대형 평면 거울(2310)의 경사각이 도 5b에서 -δ로 변경되기 때문에, 대형 평면 거울(2310)로부터 반사된 빔 (4450)의 방향은 도 5b에서 변하지 않는다. 따라서, 렌즈 (6000)로부터의 집속된 광선 (4460)은 포토 다이오드(3000)에서 동일한 지점을 타겟으로 한다.

본 발명에 따른 가스 모니터는 광선이 레이저 (1000)로부터 중앙 거울 (2100)로, 중앙 거울(2100)에서 윈도우(2500)를 통해, 타겟 가스(5000)를 통과하여 역반사기(2200)에 도달하고, 역반사기(2200)로부터 상기 윈도우(2500)를 통해 주변 거울(2300)로 다시 반사되어 최종적으로 검출기(3000)상에 집속되도록 정렬되어야 한다.

상기한 바가 달성되도록 광학 구성 요소를 조정하는 것은 본 출원에서 “정렬”이라고 부를 것이다.

상기 가스 모니터의 제조 중 정렬은 일반적으로 검출기(3000, 3100)뿐만 아니라 레이저(1000, 1100), 빔 스플리터(2720, 2740), 거울(2600), 검출기 섹션 내의 빔 스플리터(2700)를 위해서도 요구된다. 거울 배열의 실제 구현에 따라, 검출기 앞에 렌즈 배열이 추가로 필요할 수 있다. 이 렌즈 배열은 정렬이 필요할 수도 있다.

최종 사용자가 정상적으로 사용할 때 정렬은 일반적으로 전체 가스 모니터의 거친 정렬(coarse alignment)을 사용하고 마지막으로 미세 조정을 위해 거울 조립체(2000) 만 사용하여 수행된다. 정상적인 사용 상태에서의 정렬은 도 6과 같이 조정 나사 (2060, 2070)를 사용하여 수행된다.

도 6은 거울 조립체(2000)의 포인팅 방향을 변경함으로써 상기 가스 모니터를 정렬 시키는데 사용될 수 있는 정렬 시스템의 하나의 가능한 구현 예를 도시한다. 도 6a는 정렬 역학의 단면을 보여준다. 실제 거울 측으로부터 거울 조립체를 도시하는 것이 도 6b의 단면 A-A이다. 도 6c는 한쪽에서 정렬 시스템을 보여준다. 도 6d는 뒤쪽에서 정렬 시스템을 보여준다. 거울 조립체(2000)는 스틸볼(steel ball)(2050) 주위를 이동한다. 조정은 푸쉬 스크류(2060)를 사용하여 수행되며 다른 방향으로의 이동은 스크루와 스틸 스프링으로 구성된 풀 스크류를 사용하여 이루어진다.

상기 가스 모니터가 현장에 설치 될 때 정렬은 수동 정렬 수단을 사용하거나 자동 또는 반자동 방식을 사용하여 수행 할 수 있다. 완전 수동 시스템은 거울 조립체(2000)를 피벗포인트(2050) 주위로 기울이거나 움직이는 조정 나사를 기반으로 할 수 있다. 가능한 구현 예가 도 6에 나와 있다.

자동화 또는 반자동 정렬 시스템은 잠금 나사가 필요하지 않다는 점을 제외하고 조정 나사와 유사한 기능을 가진 액추에이터를 기반으로 하게 된다. 적어도 하나의 레이저와 전자기기(electronics) 및 디지타이징부(digitizing unit)를 포함하는 검출기를 적어도 하나 사용하여, 상기 액추에이터는 가능한 범위를 스캔하여 최대 신호 세기를 찾는데 사용된다. 한 가지 가능한 스캔 전략은 가운데에서 시작하여 나선형 패턴으로 바깥 쪽 나선형 또는 나선형과 같은 정사각형 바깥 쪽을 따르는 것이다. 가능한 접근법은 충분히 높은 로컬 최대 값에서 멈추거나 전역 최대 값을 찾기 위해 전체 범위를 스캔하는 것이다. 반자동 모드에서 정렬 절차는 수동 개입으로 시작되며 자동 모드에서는 신호 세기가 지정된 시간 동안 특정 임계 값 아래에 있을 때 정렬 절차가 시작된다. 정렬 절차를 시작하기 위한 다른 더 복잡한 기준도 가능하다.

구현 유형에 따라, 수신 광학 기기는 광선을 검출기 시스템에 집중시키는 곡선 또는 전형적으로 포물선 주변 거울(2300)일 수 있다. 주변 거울이 편평한 경우(2310), 수신 광학 기기는 포커싱 렌즈 (6000)를 또한 포함 할 것이다.

본 발명에 따른 가스 모니터는 타겟 가스의 특성인 데이터를 획득한다.

상기 가스 모니터는 또한 상기 가스 모니터 내부의 광학 경로와 상기 가스 모니터 외부의 광학 경로에 있지만 타겟 가스에는 없는 가스 또는 공기의 특성인 데이터를 획득할 수 있다. 상기 완전한 가스 모니터는 질소로 퍼지(purge)되어 장비 내부의 공기 중 산소에 의한 영향을 피할 수 있다.

상기 가스 모니터는 온도, 압력, 유속 및 기타 센서로부터 데이터를 수집 할 수도 있다.

획득된 데이터 및 소정의 지식 및 데이터에 기초하여, 상기 제어부(control unit)는 분광 데이터를 바탕으로 하나 이상의 가스의 농도와 가능하게는 온도(T) 및/또는 압력 (p)을 계산한다.

상기 제어부는 상기 가스 모니터를 제어하는 수단, 즉 온도 제어, 레이저를 스캔 및 변조, 검출기 및 다른 입력 (T, p 등)으로부터 데이터를 수집하는 수단을 포함한다. 또한 상기 제어부는 상기 가스 모니터에 대해 필요한 "하우스 키핑(house keeping)"작업을 수행한다. 이미 언급했듯이 상기 제어부는 가스 농도 및 기타 매개 변수를 계산한다. 상기 제어부는 T 및 p와 같은 다른 신호를 입력하고 가스 농도와 같은 결과를 출력하는 데 사용되는 다양한 입력 및 출력 장치 (I / O)를 가지고 있으며 제어한다. 상기 제어부는 상기 I/O를 교정 및 오류 진단 뿐만 아니라 상기 가스 모니터 설정에도 사용한다.

현재 출원에서, 거울 조립체(2000)는 중앙 및 주변 거울이 중간에 일정한 각도로 배치되기 때문에 거울 배열이라고도 부른다. 거울 조립체는 주변의 광축 또는 중심 거울 또는 둘 모두를 참조하여 정의 될 수 있는 지시 방향을 갖는다. 정렬 중 거울 조립체의 방향이 조정된다.

평평한 거울의 광학 축은 거울 표면의 법선이 된다. 적용 가능한 경우 다른 요소의 광축과 일치하는 법선이 광축으로 선택된다. 그렇지 않으면 평면 거울의 중심에 있는 법선이 선택된다.

본 발명에서, "역반사기 (retro reflector)"라는 용어는 모든 장치 또는 표면에 사용되며, 적어도 광선의 일부를 반사시켜 상기 가스 모니터로 되돌아가게 함으로써 검출기 시스템에 의해 검출될 수 있도록 한다. 역반사기는 큐브 코너, 반사 테이프 또는 상기 가스 모니터에 일부 광선을 되돌릴 수 있는 기타 장치 또는 표면이 될 수 있다. 실내 또는 실외의 물체나 표면조차도 역반사기의 역할을 할 수 있고 벽, 암석, 바닥이 사용될 수 있다.

상기 레이저는 광선이 상기 중앙 거울에 도달하도록 배열되고 상기 검출기 시스템뿐만 아니라 상기 중앙 및 주변 거울은 상기 중앙 거울에 도달하는 광선이 상기 역반사기의 방향으로 보내져 상기 주변 거울로 다시 보내진 후 상기 검출기 시스템에 도달하도록 배열된다. 각도와 위치는 도 5의 예와 일치하도록 정렬될 수 있다.

상기 거울 조립체는 점 또는 볼(2050) 주위를 이동한다. 상기 거울 조립체가 보다 큰 직경을 갖는 곡선 표면 상을 활주하는 배열 또한 가능할 수 있다. 이는 중앙 거울의 표면과 이동 지점 사이의 거리가 더 멀어지고 조정 범위가 더 작아지게 할 것이다.

도 2 및 도 3에 도시 된 바와 같은 듀얼 레이저 시스템의 선택적 구현은 각도가 중간인 2개의 반사면을 갖는 중앙 거울을 사용하여 이루어질 수 있다. 제 1 표면은 다른 파장을 투과시키면서 760 nm 범위를 반사하는 코팅으로 코팅 될 수 있다. 다른 표면을 가질 수 있는 다음 표면은 모든 빛을 반사 할 것이다. 이러한 배열은 도 2 및 도 3에 도시 된 예와 다르게 장착된 레이저 및 검출기 시스템을 가질 수 있게 한다. 그 다음, 레이저 및 검출기 시스템은 중앙 거울의 상이한 표면들 사이의 각도에만 의존하여 더 독립적으로 장착 될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예는 약 760nm의 VCSEL 레이저(1100)를 가지며, 광선은 통상적으로 레이저로부터의 광선의 90 %를 반사하고 가시 광선 레이저(1200)로부터의 가시광을 투과시키는 빔 스플리터 (2740)에 들어간다. 약 2.3 마이크로 미터의 DFB 레이저(1000)는 2.3 마이크론 범위 빛의 약 90 %를 반사하는 빔 스플리터 (2720)에 광선을 방출한다. 이 빔 스플리터(2720)는 760nm 범위의 반사 방지 코팅 또한 포함하여 첫 번째 레이저(1100)로부터의 광선은 투과 될 것이다. 거울(2600)은 상기 광선을 중앙 거울(2100)의 방향으로 향하게 한다. 또한, 빔 스플리터(2720)는 가시 광선 레이저(1200)에 대해 가시 광선을 일부 전송한다.

검출기 시스템으로 들어오는 광선은 760nm 범위의 광선을 검출기 (3100)로 반사하는 빔 분리기 (2700)에 도달한다. 동일한 빔 스플리터는 2.3 마이크론 영역에 최적화 된 반사 방지 코팅을 가지고 있으며 레이저 (1000)에서 발생한 광선은 검출기 (3000)에서 끝난다.

빔 스플리터(2700)와 검출기(3000) 사이의 셀에 가스 CO를 포함하는 셀을 삽입하는 것이 가능하다. 삽입된 셀은 라인 추적(line tracking), 스팬 또는 증명 검사(span or verification check)에 사용할 수 있다.

가스 셀(2910, 2920)은 검출기 (3200, 3300)와 결합하여 라인 추적 및/또는 스팬 또는 검증 검사에 사용할 수 있다. 언급된 모든 셀은 영구적으로 장착되거나 액추에이터 시스템을 사용하여 삽입 될 수 있다. 셀이 없으면 제로 설정을 한 것으로 검사될 수 있다. 상기 셀은 통과하거나 밀봉 될 수 있다.

본 발명은 하나 이상의 레이저가 동일한 광학 경로에 포함되도록 하여 여러 가스의 흡수선이 멀리 떨어져 있어 하나의 레이저만을 사용해서는 스캔 될 수 없는 경우에도 하나의 가스 모니터링 장치가 여러 가스의 성분들을 측정할 수 있다는 장점을 가진다.

그 하나의 예로 산소(O2) 측정을 위해 760 nm 영역에서 동작하는 제1 레이저와 일산화탄소(CO) 측정을 위해 2327nm 영역에서 동작하는 제2 레이저를 포함하는 연소 분석용 기구를 들 수 있을 것이다. 760nm 영역에서 작동하는 레이저는 분광학 수단을 사용하여 가스 온도를 측정 할 수 있도록 하나 이상의 산소 라인을 스캔 할 수도 있다. 또한 NO2 라인 가까이에서 스캔하여 제1 레이저로 O2, NO2 및 온도를 측정 할 수 있다. CO 라인, 메탄 (CH4) 라인 및 두 개의 수증기 라인을 스캔 할 수 있도록 두 번째 레이저의 파장 범위를 선택하면 제2 레이저는 동일한 가스 모니터링 장비로 두 개의 물 흡수선을 사용하여 온도뿐만 아니라 세 개의 가스를 더 측정 할 수 있다. 그런 다음 현장 작업을 위해 스택(stack) 또는 덕트(duct)에 단 하나의 구멍이 필요한 하나의 가스 모니터에서 6가지 구성 요소, 5 개의 가스 및 온도를 측정 할 수 있다.

공정 온도가 높고 분석기를 직접 공정 덕트(process duct)에 연결하는 것을 피하길 원하는 경우로서 유리 용광로와 같은 특정 용도에 대한 적용에 있어서 산소 라인을 사용하는 온도 측정의 적용이 불가능하다. 레이저 광선이 공정과 측정기와 공정 덕트 사이에 있는 공기를 모두 통과하기 때문이다. 이러한 경우에 온도 측정을 위해 760 nm 영역의 산소 라인 대신 2300 nm 영역의 수증기 라인이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 가스 모니터는 VCSEL 레이저, DFB 레이저, QCL 및 ICL 레이저, Fabry-Perot 레이저 및 다른 어레이 유형의 레이저인 일부 샘플이 있지만 이에 국한되지 않는 광범위한 레이저 유형을 수용 할 수 있다. 이 레이저는 레이저가 사용 가능하고 일치하는 가스 흡수 라인이 있는 모든 파장 범위에서 작동 할 수 있다. 광학 윈도우, 렌즈 및 빔 스플리터 기판을 통한 투과(transmission)가 작동에 충분한 이상 레이저 및 파장 범위의 임의의 조합이 가능하다.

본 발명의 가스 모니터링 기구는 개방형 경로, 역반사기를 사용하는 크로스 스택(stack) 또는 역반사기가 내장된 프로브를 사용하는 원 플랜지 솔루션(one-flange solution)과 같이 상이한 구성으로 사용될 수 있다. 다만 상기 열거한 구성에 한정되는 것은 아니다. 원 플랜지 프로브 솔루션은 입자가 광 경로 또는 빔에 들어 가지 못하도록 차단하는 수단을 포함 할 수도 있다. 이는 광학 시스템의 작동에 먼지 부하가 너무 높은 환경에서 작동 할 수 있도록 해준다.

1000 : 광원, 일반적으로 레이저
1100 : 두 번재 레이저(첫 번째 레이저와 다른 파장)
1200 : 정렬용 가시 광선 레이저(일반적으로 가시광, 가능하면 적색)
2000 : 포물선 거울 조립체
2050 : 포물선 거울 조립체의 회전 지점 또는 축
2060 : 정렬 시스템의 푸쉬 스크류
2070 : 정렬 시스템의 풀 스크류
2100 : 레이저로부터 발산된 광선을 반사하는 중앙 거울
2200 : 역반사기, 큐브 코너
2210 : 셰이드 또는 빔 블라킹 플레이트
2211 : 더 큰 셰이드 또는 빔 블라킹 플레이트
2230 : 역반사기 홀더
2300 : 검출기로 되돌아오는 광선을 집중시키는 포물선 주변 거울
2310 : 포물선 주변 거울과 동등한 평면 주변 거울
2500 : 기울여진 채 고정된 장치의 창
2600 : 합쳐진 레이저 광선을 중앙 거울(2100)에 반사시키는 거울
2700 : 2개의 레이저에서 2개의 검출기로 빛을 분할하는 빔 스플리터
2720 : 첫 번째 레이저를 포함하는 빔 스플리터
2740 : 두 번째 레이저를 포함하는 빔 스플리터
2810 : 첫 번째 레이저로부터 기준 신호를 포커싱하기 위한 렌즈
2820 : 두 번째 레이저로부터 기준 신호를 포커싱하기 위한 렌즈
2910 : 첫 번째 레이저 확인을 위한 스팬 또는 참조 셀
2920 : 두 번째 레이저 확인을위한 스팬 또는 참조 셀
3000 : 감광 검출기
3100 : 두 번째 레이저 파장으로부터의 광을 검출하는 제 2 검출기
3200 : 제 1 레이저 검사 용 검출기
3300 : 제 2 레이저 검사 용 검출기
4100 : 레이저의 발산 광선
4200 : 중앙 거울에 의해 반사 된 레이저 광선
4210 : 중앙 거울에 의해 반사 된 레이저 광선, 각도가 2 델타 변경됨
4300 : 큐브 코너에서 포물선 주변 거울로 이어지는 광선
4310 : 큐브 코너에서 평면 주변 거울로 이어지는 광선, 각도가 2델타 변경됨
4400 : 포물선 주변 거울에서 감광 검출기로 집중된 광선
4410 : 첫 번째 감광 검출기(3000)에 대해 집중된 광선
4420 : 두 번째 감광 검출기(3100)에 대해 집중된 광선
4450 : 주변 거울(2310)로부터 반사되어 포물선 모양의 포커싱 렌즈로 향하는 광선
4460 : 검출기로 향하도록 집중된 광선
5000 : 분석 대상인 타겟 가스
6000 : 검출기로 빛을 포커싱하는 렌즈

Claims

타겟 가스(5000)가 적어도 하나 이상의 흡수선을 가지는 파장 영역의 광선을 방출하는 광원(1000);을 적어도 하나 이상 포함하고,
역반사기(2200); 및 제어부를 더 포함하며,
상기 타겟 가스(5000)를 관통하여 상기 역반사기(2200)로 향하도록 상기 광선을 유도하며 상기 광선이 수신 광학 기기(receiving optics)로 돌아오도록 배치되고,
상기 광선을 감지하여 상기 제어부에 신호를 보내는 감광 검출기(light sensitive detector)를 적어도 하나 이상 포함하는 검출기 시스템을 더 포함하며,
상기 제어부는 가스 모니터 시스템을 제어하고 적어도 하나 이상의 타겟 가스(5000) 특성을 계산하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 타겟 가스 특성을 결정하는 가스 모니터 시스템에 있어서,
표면과 광축(optical axis)을 각각 가지는 중앙 거울(2100)과 주변 거울(2300)을 포함하는 거울 배열(2000)을 포함하고
상기 중앙 거울(2100)과 상기 주변 거울(2300)은 상기 중앙 거울(2100)과 상기 주변 거울(2300)의 광축(optical axis) 사이에서 오프셋 각(offset angle)을 가지도록 배치되며,
상기 중앙 거울(2100)은 상기 광원으로부터 광선을 받아 상기 역반사기(2200)로 광선을 유도하고,
상기 역반사기(2200)는 상기 광선이 주변 거울(2300)로 돌아가도록 배치되며,
상기 주변 거울(2300)은 상기 광선을 상기 검출기 시스템으로 반사하는 것을 특징으로 하는 가스 모니터 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 가스 모니터 시스템은 각각의 축을 가지는 광선들을 형성하도록 배치되어, 광선(4100)은 상기 광원(1000)을 포함하는 광원 시스템으로부터 상기 중앙 거울(2100)을 향하고
광선(4200)은 상기 중앙 거울(2100)부터 상기 역반사기(2200)를 향하며
광선(4300)은 상기 역반사기(2200)부터 상기 주변 거울(2300)을 향하고
광선(4400)은 상기 주변 거울(2300)부터 상기 검출기 시스템을 향하며,
상기 가스 모니터 시스템은 상기 역반사기(2200)를 향하는 상기 광선(4200)과 상기 역반사기(2200)로부터의 상기 광선(4300)이 동일 축(co-axial)이 되도록 배치되어 상기 광원 시스템으로부터 상기 중앙 거울(2100)을 향하는 상기 광선(4100)과 상기 주변 거울(2300)로부터 상기 검출기 시스템을 향하는 상기 광선(4400)의 축은 일치하지 않는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 중앙 거울(2100)과 상기 주변 거울(2300)의 광축(optical axis) 사이의 각이 상기 광원 시스템과 상기 검출기 시스템(3000)의 광축(optical axis) 사이의 각과 일치하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 광원 시스템과 상기 검출기 시스템은 다른 광축(optical axes)에 배치된 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
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제2 항에 있어서,
상기 주변 거울(2300)의 표면은 상기 중앙 거울(2100)의 표면보다 큰 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 중앙 거울(2100)은 평면(flat), 포물선(parabolic), 축외 포물선(off-axis parabolic) 및 구형(spherical) 중 어느 하나의 형태이며,
상기 주변 거울(2300)은 평면(flat), 포물선(parabolic), 축외 포물선(off-axis parabolic) 및 구형(spherical) 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 검출기 시스템은 상기 거울 배열(2000)과 상기 역반사기(2200) 사이의 위치로서 상기 광선(4200) 및 상기 광선(4300)의 외부에 배치된 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 광원(1000)은 다른 어레이 타입을 가지는 레이저로서 VCSEL 레이저, DFB 레이저, QCL 레이저, ICL 레이저 및 Fabry-Perot 레이저 중 어느 하나의 타입을 갖는 레이저인 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 역반사기(2200)는 큐브 코너(cube corner), 반사 테이프(reflective tape), 상기 가스 모니터 시스템으로 빛을 돌아오게 할 수 있는 기타 다른 장치나 표면 중 어느 하나의 타입인 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 거울 배열(2000)은 상기 중앙 거울(2100)의 광선이 상기 역반사기(2200)를 가리키는 방향으로 배치되고,
상기 거울 배열(2000)이 가리키는 방향을 조절할 수 있는 정렬 수단(alignment means)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
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제2 항에 있어서,
피벗 포인트(2050)는 기하학적 중심(geometrical center) 뒤의 위치로서 상기 중앙 거울(2100)이 가리키는 방향의 연장선 근처에 위치하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 가스 모니터 시스템은 신호를 모니터링 하고 최적의 신호를 찾는 동안 상기 거울 배열을 이동시킴으로써 상기 거울 배열이 상기 역반사기(2200)방향으로 자동 정렬되도록 하는 정렬 수단(alignment means)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 가스 모니터 시스템의 정렬을 용이하게 하기 위해 적어도 하나의 상기 광원(1000)으로부터 나온 광선과 동일한 축으로 시준된 가시 광선(collimated beam of visible light)을 내보내는 가시 광원(1200)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
다른 파장에서 동작하는 복수의 광원(1000, 1100)을 포함하고,
상기 복수의 광원(1000, 1100)은 상기 복수의 광원(1000, 1100)으로부터 공통 경로로 광선을 병합하는 빔 스플리터(beam splitter)를 각각 포함하고,
상기 빔 스플리터(beam splitter)는 상기 복수의 광원(1000, 1100) 중 상기 빔 스플리터(beam splitter)에 상응하는 광선은 반사되도록 하고, 다른 광원(1000, 1100)의 파장에서의 광선은 투과되도록 하는 스펙트럼 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
복수의 감광 검출기(light sensitive detector)와 각 광원(1000)으로부터 각 검출기에 대한 파장을 분리(separate)하는 복수의 빔 스플리터(beam splitter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 타겟 가스 특성을 결정하는 가스 모니터 시스템.
제17 항에 있어서,
각 광원(1000)으로부터 상기 파장을 분리하기 위해 타임 멀티플렉싱(time-multiplexing) 또는 프리컨시 멀티플렉싱(frequency-multiplexing) 하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 타겟 가스 특성을 결정하는 가스 모니터 시스템.
제17 항에 있어서,
상기 빔 스플리터(beam splitter)로부터의 과도한(excess) 광선은 상기 각 광원(1000, 1100)에 대한 가스 셀(gas cell)을 적어도 하나 이상 통과하여 상기 각 광원(1000, 1100)에 대한 추가적인 감광 검출기 중 적어도 하나 이상에 대해 향하도록 하며,
상기 가스 셀(gas cell)은 자기 교정(self-calibration)하고 스펙트럴 동작 지점과 관련하여 상기 가스 모니터 시스템의 무결성(integrity)을 관찰하기 적합한 흡수 특성(absorption properties)을 가진 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 역반사기(2200)는
상기 역반사기(2200)에 의해 반사되어 상기 중앙 거울(2100)을 통해 상기 광원(1000)으로 되돌아가는 광선을 막기 위해 상기 역반사기(2200)의 가운데 축 주위에 대칭으로 배치된 빔 블라킹 플레이트(2211)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제21 항에 있어서,
상기 빔 블라킹 플레이트(2211)는 광 경로 길이(optical path length) 및 광선 발산(divergence)의 범위에 맞게 조정된 직경을 가지는 원형 디스크와 같이 형성된 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
제21 항에 있어서,
상기 빔 블라킹 플레이트(2211)는 상기 역반사기(2200)의 광축(optical axis)에 따라 기울어진 각도로 배치된 것을 특징으로 하는, 가스 모니터 시스템.
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제1 항 내지 제4 항, 제6 항 내지 제11 항, 그리고 제14 항 내지 제23 항 중 어느 한 항의 가스 모니터를 이용하여 하나 이상의 타겟 가스 특성을 결정하는 방법에 있어서,
광원(1000)의 광선이 타겟 가스(5000)가 하나 이상의 흡수선을 가지는 범위 내에서 광선을 방출하는 단계;
중앙 거울(2100)에 의해 타겟 가스(5000)의 샘플을 통과하여 역반사기(2200)로 상기 광선을 반사하는 단계;
상기 역반사기(2200)에 의해 상기 중앙 거울(2100)을 감싸고 있는 주변 거울(2300)을 향해 상기 광선을 돌려보내는 단계;
상기 주변 거울(2300)에 의해 검출기 시스템을 향해 상기 광선을 반사하는 단계;
상기 검출기 시스템에 의해 구성된 적어도 하나 이상의 검출기를 통해 상기 광선을 감지하는 단계; 및
상기 검출기 시스템으로부터 신호를 받아서 제어 시스템에 의해 상기 가스의 적어도 하나 이상의 특성을 결정하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 타겟 가스(5000) 특성을 결정하는 방법.