KR102556283B1 - 측정 대상가스 이외의 가스의 존재를 감지하는 ndir 가스측정장치 - Google Patents
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Abstract
여러 개의 가스가 혼합된 가스의 경우 상기 광학 밴드패스 필터만 이용하여 측정하는 경우 가스의 종류와 농도를 잘못 측정하는 경우가 발생하게 된다. 본 출원 발명은 이러한 문제를 중복되는 영역을 가지는 광대역 밴드패스필터를 여러 개 구비하여 각각의 광대역 밴드패스필터를 통과한 파장대역별 흡광의 크기를 계산하여 관심이 있는 가스의 존재와 상기 관심이 있는 가스 이외의 가스의 존재 여부를 확인할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
Description
본 출원 발명은 NDIR이라 불리우는 가스측정 장치의 성능을 개량하기위한 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 선택된 광파장의 밴드패스 필터 이외에 서로 중첩된 영역을 가지는 광대역 밴드패스 필터를 이용하여 측정 타겟 가스 이외의 다른 가스의 존재를 모니터링 하는 기능을 구비한 NDIR 가스측정 장치에 관한 것이다.
본 발명의 출원 이전의 선행기술로 액체 중의 NDIR 글루코스 검출장치가 개시되어 있다. 이 기술은 글루코스 센서는 반사 기술을 통해 산란 잡음이 감소되고 흡수 간섭 잡음(AIN)이 억제되는 NDIR의 사용을 통해 체내의 글루코스 분자를 측정 하는 기술이다. 신호, 간섭 및 참조 소스로부터의 펄스형 빔이 액체 시료 기질의 스폿의 수직선에 대해 경사각으로 지향된 후에 수득되는 반사된 신호/참조 채널 및 간섭/참조 채널에 대한 평균 비율 값을 수득하기 위해 신호 처리가 사용된 후 보정 곡선이 유효한지를 결정한 후에 액체 시료 기질 중의 글루코스 농도를 제공하는 기술에 관한 것이다.
또 다른 선행기술로 Ndir의 보정계수 산출방법 및 산출된 보정계수를 이용한 ndir의 가스농도 측정방법에 관한 기술이 개시되어 있습니다. 이 기술은 NDIR과 GFC를 이용한 가스 농도 측정방법에 관한 것으로, 기준농도의 분석대상가스와 제 1 농도를 갖는 간섭가스를 NDIR 가스셀로 투입하는 단계; 고농도의 분석대상가스가 채워진 GFC와 NDIR을 이용하여 분석대상가스의 농도를 측정하는 단계; 및 간섭가스의 간섭으로 인해 변동된 분석대상가스의 측정농도와 기준농도를 대비하여 보정계수(K)를 산출하는 단계;를 포함하는 NDIR의 보정계수 산출방법이 개시되어 있다.
본 출원 발명은 NDIR 가스센서의 측정방법의 간단성이 장점인 반면 이러한 간편한 측정방법에 의하여 발생할 수 있는 단점을 극복하고자 하는 기술에 관한 것이다.
환언하면, NDIR 가스 측정 장치는 비분산 가스측정 장치로 광을 분산하지 않고, 측정하고자 하는 샘플가스를 통과시킨 후 관심이 있는 가스의 흡광이 나타나는 광파장을 중심파장으로하여 일정한 폭을 가지는 광학 밴드패스 필터를 통과한 광의 세기를 측정하여 어떠한 가스가 샘플가스에 존재하고, 얼마만큼의 농도로 존재하는지를 측정하는 기술에 관한 것이다. 그러나, 이렇게 측정하고자 하는 가스와 연결된 좁은 영역의 흡광의 변화를 측정하기 때문에 여러 개의 가스가 혼합된 가스의 경우 상기 광학 밴드패스 필터만 이용하여 측정하는 경우 가스의 종류와 농도를 잘못 측정하는 경우가 발생하게된다. 본 출원 발명은 이러한 문제를 중복되는 영역을 가지는 광대역 밴드패스필터를 여러 개 구비하여 각각의 광대역 밴드패스필터를 통과한 파장대역별 흡광의 크기를 계산하여 관심이 있는 가스의 존재와 상기 관심이 있는 가스 이외의 가스의 존재 여부를 확인할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
가스셀; 및
상기 가스셀 내부의 샘플 가스에 의한 흡광도를 측정하여 상기 가스셀 내부로 자외선 광을 조사하는 자외선광원; 및
조사된 상기 자외선광원이 상기 가스셀을 채우고 있는 샘플가스를 통과하여 상기 샘플가스에 의하여 특정파장에서 흡광된 광량을 측정하는 측정부를 구비한 비분산 적외선 가스 측정 장치에 있어서,
상기 측정부의 전단에는 측정 관심대상 가스를 측정하기위한 광학밴드패스 필터를 1개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 측정 관심대상 가스 이외의 가스가 존재하는지를 확인할 수 있도록 상기 자외선 광원의 가장 긴 파장을 시작으로 낮은 파장으로 중복되는 구간이 서로 상이한 4개 이상의 광대역밴드패스필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 측정 관심대상 가스 이외의 가스가 존재하는지를 확인할 수 있도록 광학밴드패스 필터보다 짧은 영역의 광대역밴드패스필터 및 긴 대역의 광대역밴드패스필터를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 가스셀에는 샘플가스의 흡광 정도를 높이기 위하여 자외선광원에서 나온 자외선광기 상기 가스셀 양단에 구비된 거울에 의하여 좌우로 반복하여 반사된 후 측정부에 도달하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
본 출원 발명은 상기와 같은 발명의 구성에 의하여 측정하고자 하는 측정 관심 대상 가스와 상기 측정 관심 대상 가스 이외의 가스의 존재가 있는지 확인하고, 상기 관심 대상 가스 이외의 가스가 있는 경우 신호 크기를 이용하여 측정관심 대상 가스의 존재여부와 농도를 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 NDIR 가스 측정 장치 단면도.
도 2는 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 측정부 사시도.
도 3은 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 NDIR 가스 측정 장치를 이용하여 C4F6가스를 측정하기 위하여 선택할 수 있는 광학밴드패스필터의 중심파장과 폭을 도시한 그래프
도 4는 본 발명의 도3에서 C4F6 가스를 측정하기위하여 1 내지 5의 광학밴드패스 필터 중 어느 하나 이상을 선택한 경우 음영으로 표시된 (A) 내지 (E) 광파장 영역의 신호는 측정되지 않는 것을 도시한 그래프.
도 5는 NDIR 가스 측정 장치에서 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터를 사용한 경우 측정을 위한 샘플 가스로 여러 가스가 혼합된 경우 측정에 오차가 발생하고 있으며, 어떠한 가스가 측정되는지 확인하기 어려움을 그래프에 도시함.
도6은 NDIR 가스 측정 장치에 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터와 함께 3~13um(A), 4~13um(B), 5~13um(C), 7~13um(D) 및 8.5~13um(E) 광대역밴드패스 필터를 함께 구비한 NDIR 가스측정 장치를 도시하고 있음.
도 2는 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 측정부 사시도.
도 3은 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 NDIR 가스 측정 장치를 이용하여 C4F6가스를 측정하기 위하여 선택할 수 있는 광학밴드패스필터의 중심파장과 폭을 도시한 그래프
도 4는 본 발명의 도3에서 C4F6 가스를 측정하기위하여 1 내지 5의 광학밴드패스 필터 중 어느 하나 이상을 선택한 경우 음영으로 표시된 (A) 내지 (E) 광파장 영역의 신호는 측정되지 않는 것을 도시한 그래프.
도 5는 NDIR 가스 측정 장치에서 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터를 사용한 경우 측정을 위한 샘플 가스로 여러 가스가 혼합된 경우 측정에 오차가 발생하고 있으며, 어떠한 가스가 측정되는지 확인하기 어려움을 그래프에 도시함.
도6은 NDIR 가스 측정 장치에 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터와 함께 3~13um(A), 4~13um(B), 5~13um(C), 7~13um(D) 및 8.5~13um(E) 광대역밴드패스 필터를 함께 구비한 NDIR 가스측정 장치를 도시하고 있음.
도면을 활용하여 본 출원 발명의 작용효과를 도시하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 NDIR 가스 측정 장치 단면도 이다. 우측하단에 구비된 적외선 광원에서 나온 적외선이 가스셀의 내부에 채워진 샘플가스를 상기 적외선이 통과하며 상기 샘플가스에 포함된 가스의 종류에 따라 다르게 적외선의 특정 파장이 흡수된 후 측정부 전단에 특정파장의 광파장을 선택하여 통과시키는 광학밴드패스필터를 여러파장으로 구비하여 상기 적외선이 통과되어 상기 측정부에서 각각의 파장대역 별로 광강도가 측정된다. 이렇게 광 강도가 측정되면, 샘플가스에 의한 흡광이 이루어지지 않는 경우와 그 비율을 계산하여 흡광 정도를 비어람버트 법칙에 의하여 계산하고 이를 광파장 대역별로 그 크기를 계산하여 상기 샘플가스에 포함된 가스의 종류와 농도를 측정한다. 여기서 상기 흡광의 시간을 늘리기 위하여 미러를 가스셀 양단에 구비하여 상기 적외선 광원에서 나온 광이 가스셀을 여러 번 지나가도록 함으로써 낮은 농도의 가스가 포함된 경우에도 흡광을 측정할 수 있도록 한다. 그러나, 이렇게 가스의 종류와 농도를 측정하게되면, 선택된 광파장만을 통과한 적외선 빛만을 측정하기 때문에 예상치 못한 가스가 샘플에 포함되는 경우 이를 알아낼 수단이 없는 것이 NDIR 가스 측정장치의 단점이다.
도 2는 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 측정부 사시도이다. 예로써 센서를 9개의 구획으로 나누어, 중앙에는 광학필터가 없이 적외선 전파장의 광이 입사되고, 주변의 8개의 영역에는 서로다른 광중심주파수와 밴드폭을 가지는 광학밴드패스 필터를 구비한다. 본 출원 발명에서는 상기 8개의 광학밴드패스필터 중 4개는 관심있는 가스의 검출을 목적으로 하는 가스를 구분하고 그 농도를 측정할 수 있는 광학밴드패스필터를 사용하고, 나머지 4개의 광학밴드패스필터는 광대역 밴드패스필터로 광대역 광학파장의 일측이 일치하고, 타측에 차이가 있는 4개의 서로다른 중복 영역을 포함하는 광대역밴프패스필터를 구비하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 멀티광학필터를 구비한 NDIR 가스 측정 장치를 이용하여 C4F6가스를 측정하기 위하여 선택할 수 있는 광학밴드패스필터의 중심파장과 폭을 도시한 그래프이다. 가스의 특징을 다른 가스와 구분할 수 있는 피크 중 하나 이상을 선택하여 가스의 농도와 종류를 확인할 수 있도록 구성해왔다.
도 4는 본 발명의 도3에서 C4F6 가스를 측정하기위하여 1 내지 5의 광학밴드패스 필터 중 어느 하나 이상을 선택한 경우 음영으로 표시된 (A) 내지 (E) 광파장 영역의 신호는 측정되지 않는 것을 도시한 그래프이다. 만약 측정을 목적으로 하지 않는 가스가 샘플가스에 포함되는 경우 도4에 도시된 1 내지 5의 광학밴드패스 필터를 사용한 NDIR 측정장치로는 다른 가스의 포함을 알지 못할 수 있으며, 다른 가스의 혼입에 의하여 상기 1 내지 5의 광학밴드패스필터를 통과한 신호를 측정한 결과에도 영향을 주어 잘못된 가스의 종류와 농도를 측정결과로 표시할 수 있다.
도 5는 NDIR 가스 측정 장치에서 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터를 사용한 경우 측정을 위한 샘플 가스로 여러 가스가 혼합된 경우 측정에 오차가 발생하고 있으며, 어떠한 가스가 측정되는지 확인하기 어려움을 그래프에 도시하고 있다. 그래프에서 확인되는 것과 같이 선택된 광학밴드패스필터에서 측정되는 가스가 1개인 경우도 있으나, 여러가스가 모두 특정 광학파장의 밴드패스필터에서 측정되는 경우가 있다. 이러한 경우 가스의 종류와 농도를 측정하는 것이 선택된 광학밴드패스필터의 측정 값만으로는 확인이 불가능하다. 그렇다고, 많은 개수의 광학밴드패스필터를 구비하기도 쉽지않다.
도 6은 NDIR 가스 측정 장치에 상기 1 내지 5의 광학밴드패스 필터와 함께 3~13um(A), 4~13um(B), 5~13um(C), 7~13um(D) 및 8.5~13um(E) 광대역밴드패스 필터를 함께 구비한 NDIR 가스측정 장치를 도시하고 있다. 본 출원 발명은 더 많은 수의 광학밴드패스 필터를 구비하는 방법을 대신하여, 넓은 영역의 밴드폭을 가지는 광대역광학필터를 일측이 동일한 주파수를 가지고 그 통과 밴드폭이 다양한 광학필터를 2개 이상 바람직하게는 4개 구비한다. 이렇게 함으로써 서로 가장 인접한 광대역광학밴드패스 필터 사이의 신호의 크기를 비교함으로써 중복되지 않는 영역에서 발생한 흡광도의 크기를 계산할 수 있고, 중복되지 않는 영역에서의 흡광도의 크기가 클수록 다른 가스들이 존재하며, 그 가스의 종류에 따라 다른 파장대별 흡광도 크기와도 비교함으로써 흡광신호가 큰 가스의 종류를 샘플가스에 포함될 수 있는 후보 가스로 선정할 수 있고, 전체 흡광신호의 크기에 대한 비율로써 포함될 수 있는 가스의 후보를 줄일 수 있으며, 다른 영역의 중복된 부분을 제외한 광대역광학밴드패스필터의 여러 조합에 따른 흡광 비율을 확인함으로써, 확인되지 않는 가스의 종류를 확인할 수 있고, 이렇게 혼입된 가스의 종류가 확인되면, 이를 이용하여 혼입된 가스의 농도에 따른 흡광도의 변화를 가상으로 조합해 봄으로써 측정된 샘플가스의 NDIR 측정신호로부터 가스의 종류와 농도를 기존의 방법과 비교하여 좀더 정확이 측정할 수 있다.
일반적으로 측정 주파수 대역의 폭이 넓을수록 더 많은 양의 광이 측정부에 입사되기 때문에 적은 흡광이 측정된다. 따라서, (A)의 신호가 (B)의 신호보다 그 크기가 크다. 그러나, 3.5um 근처에서 흡광이 발생하였기 때문에 3.5um 근처의 흡광이 없는 가스와 비교하여 (A) 신호의 크기가 (B) 신호의 크기보다 많이 크지 않다. (C) 영역과 (D) 영역을 비교하면, (C) 영역에만 흡광이 큰 부분이 있어, (C)와 (D)의 신호차이가 거의 비슷하다. 이때 (C)영역에만 포함된 파장대역에서 흡광이 큰 가스의 종류를 찾아보면 샘플가스 중에 CH3F가 포함될 가능성이 많음을 알 수 있다. 또한, (D)에만 포함된 파장대역을 살펴보면, 흡광이 많다면 측정샘플가스 중에 IPA가 포함되었을 가능성이 높음을 알 수 있다. 예시로써 상기 내용을 설명하였을 뿐 광대역광학밴드패스 필터와 일반 또는 협대역광학밴드패스 필터를 사용하면 측정샘플 가스에 포함될 가능성이 있는 가스 중에 혼입되는 가스가 있는 경우 이를 확인할 수 있음을 상기 도6에서 보여주고 있다.
상기와 같은 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
가스셀; 및
상기 가스셀 내부의 샘플 가스에 의한 흡광도를 측정하여 상기 가스셀 내부로 자외선 광을 조사하는 자외선광원; 및
조사된 상기 자외선광원이 상기 가스셀을 채우고 있는 샘플가스를 통과하여 상기 샘플가스에 의하여 특정파장에서 흡광된 광량을 측정하는 측정부를 구비한 비분산 적외선 가스 측정 장치에 있어서,
상기 측정부의 전단에는 측정 관심대상 가스를 측정하기위한 광학밴드패스 필터를 1개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 측정 관심대상 가스 이외의 가스가 존재하는지를 확인할 수 있도록 상기 자외선 광원의 가장 긴 파장을 시작으로 낮은 파장으로 중복되는 구간이 서로 상이한 4개 이상의 광대역밴드패스필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 측정 관심대상 가스 이외의 가스가 존재하는지를 확인할 수 있도록 광학밴드패스 필터보다 짧은 영역의 광대역밴드패스필터 및 긴 대역의 광대역밴드패스필터를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 가스셀에는 샘플가스의 흡광 정도를 높이기 위하여 자외선광원에서 나온 자외선광기 상기 가스셀 양단에 구비된 거울에 의하여 좌우로 반복하여 반사된 후 측정부에 도달하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치를 제공한다.
Claims (4)
- 가스셀; 및
상기 가스셀 내부의 샘플 가스에 의한 흡광도를 측정하여 상기 가스셀 내부로 자외선 광을 조사하는 자외선광원; 및
조사된 상기 자외선광원이 상기 가스셀을 채우고 있는 샘플가스를 통과하여 상기 샘플가스에 의하여 특정파장에서 흡광된 광량을 측정하는 측정부를 구비하고
상기 가스셀에 샘플가스의 흡광 정도를 높이기 위하여 자외선광원에서 나온 자외선광이 상기 가스셀 양단에 구비된 거울에 의하여 좌우로 반복하여 반사된 후 측정부에 도달하는 비분산 적외선 가스 측정 장치에 있어서,
상기 측정부의 전단에는 측정 관심대상 가스를 측정하기 위한 광학밴드패스 필터를 5개 구비하고,
상기 측정 관심대상 가스 이외의 가스가 존재하는지를 확인할 수 있도록 상기 자외선 광원의 가장 긴 파장을 시작으로 낮은 파장으로 중복되는 3~13um(A), 4~13um(B), 5~13um(C), 7~13um(D) 및 8.5~13um(E) 구간의 상이한 광파장 내역의 4개의 광대역밴드패스필터를 구비함으로써,
서로 가장 인접한 광대역광학밴드패스 필터 사이의 신호의 크기를 비교함으로써 중복되지 않는 영역에서 발생한 흡광도의 크기를 계산할 수 있고, 중복되지 않는 영역에서의 흡광도의 크기가 클수록 다른 가스들이 존재하며, 그 가스의 종류에 따라 다른 파장대별 흡광도 크기와도 비교함으로써 흡광신호가 큰 가스의 종류를 샘플가스에 포함될 수 있는 후보 가스로 선정할 수 있고, 다른 영역의 중복된 부분을 제외한 광대역광학밴드패스필터의 여러 조합에 따른 흡광 비율을 확인함으로써, 혼입된 가스의 농도에 따른 흡광도의 변화를 가상으로 조합해 봄으로써 측정된 샘플가스의 NDIR 측정신호로부터 가스의 종류와 농도를 정확이 하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광학밴드패스 필터 5개는 중심주파수가 5.6um, 7.5um, 8.3um, 8.8um 및 10.3um인 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 측정 관심대상 가스 중 하나는 C4F6 가스인 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 측정 장치.
- 삭제
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