KR19980703176A - 광학적 가스 분석기 - Google Patents

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Abstract

광학적 가스 분석기가 광학적, 기계적 및 전자적 시스템을 포함한다. 상기 광학적 시스템은 시준기, 광필터, 변조된 간섭 분극 필터(IPF), 그리고 광 탐지기를 포함한다. 상기 변조된 IPF 는 서로 크로스되거나 평행한 두 개의 분극기를 포함하며, 이들 두 분극기 사이에 광학적 변조기와 복굴절 판이 장착된다. 상기 복굴절 판은 전기-기계 구동기에 의해 전자 시스템에 의해 기계적으로 구동되고 제어되는 가변의 두께를 가진다. 상기 광 탐지기를 그 출력이 전자 시스템에 연결되고 IPF 뒤에 배열된다. 이같은 가스 분석기는 측정된 가스 밀도의 최소 탐지가능 한계가 가생 변조의 영향을 크게 줄이므로써 작아지도록 하는 장점을 갖는다. 상기 기생 변조는 가스 분석기의 광학적 및 전자적 유닛내로 광학적 변조기에 의해 발생된다. 그러나, 변조된 IPF 의 동기식 변조는 이같은 두 측정값의 차이를 바탕으로 최종 출력에서의 기생 영향을 제거시킨다.

Description

광학적 가스 분석기
종래에는 광원과 가스 분석기 사이의 경로에 존재하는 가스 밀도를 측정하기 위해 상관성 분광학 방법을 사용하는 광학적 가스 분석기가 있었다. Zaidel A.N. Ostrovskaya G.Vl. Ostrovsky Y.I. 등의 분광학 시술 및 실습, 모스코바, 사이언스, 1976에서 설명된 바와같이 변조된 간섭 분극 필터(IPF)가 차별적인 한 요소로 사용된다. IPF 는 서로 크로스되거나 평행한 두 분극기로 이루어지며, 이들 사이에는 복굴절 요소와 변조기가 장착된다. 복굴절 요소는 광학 축이 가스 분석기의 광학축에 수직이고 극축에 대하여 45°인 복굴절 수정으로된 플레이트 형태를 한다. 변조기는 복굴절 판의 결과로 일반 광선과 다른 광선사이에서 일어나는 광선 경로차 △에 추가하여 교대의 광선 경로차를 발생시킨다. 이 경우에 측정된 가스의 흡수 스펙트럼이 IPF 의 스펙트럼 전송함수와 상관관계를 갖는다.
상기 수학식 1에서 T(λ)는 IPF 의 스펙트럼 전송 함수이고, λ는 파장이며, △=L(no-ne)가 복굴절 판에서의 광선 경로차이고, L은 복굴절 판의 두께이며, no 와 ne 는 복굴절판 굴절 인덱스(o는 일반광선, e는 다른 광선)이다. 전송 함수T(λ)에서 알 수 있듯이 표적 가스의 분자 흡수 스펙트럼 특징구조는 주기적이다. 복굴절 판의 길이는 광경로차 △가 전송함수 T(λ)에서 흡수가스에서와 같은 주파수를 갖는 일정한 간격을 발생시킬 것이다. 변조기가 일정한 광경로차를 발생시키는때, 광탐지기로의 입사광선 변조 세기는 δ는 측정된 가스의 존재하에서 발생된다. 전자 유닛에 의해 측정된 이같은 변조가 측정된 가스의 광 깊이(가스 밀도 및 광 경로 길이의 곱)와 관련이 있으며 다음의 수식에 의해 계산될 수 있다.
M=c1ㆍ ODC2
상기 수학식 2에서 M은 변조 진폭이며, c1및 c2는 상수이고, OD는 가스의 광 깊이이다.
상기에서 설명된 바와같이, 종래의 기구들은 러시아 SU N 1293585, G 01 N 21/61 (87년 2월 28일 공개)의 Auth, Cert 및 프랑스 특허 NO. 2581190, G 01 N 21/45 (1986년 공개)에서의 압전 변환기에 연결된 편광탄성재 플레이트 또는 러시아 SU N 1156467, G 01 N 21/41 (87년 9월 15일 공개)의 Auth. Cert에 의해 발표된 고체 수정 광전 플레이트로된 광 변조기를 사용하는 가스 분석기이다.
수정 플레이트는 프랑스 특허 제 2581190 호에서와 같은 복굴절 요소로 사용될 수 있거나, 혹은 한쌍의 수정 석영 웨지가 광 경로차 △를 정확히 조절하고 여러 가지 가스들을 측정할 수 있기 위해 1979년 공개된 프랑스 특허 제 2420754 호, G 01 N 21/46, 31/12, G 05 D 11/00 에서처럼 사용될 수 있다. 상기 종래 장치들의 한 단점은 기생 변조(변조기에 의해 광학 유닛내로 유소되며 변조기 구동기에 의해 전자 유닛내로 유도된 오류 신호)가 존재할 수 있다는 것이다. 기생 변조는 결국 측정된 가스의 존재와는 무관한 계측제로 이동을 발생시킨다.
러시아의 창작자 증명서 SU No. 1156467 에서 공개된 원형의 광학적 가스 분석기는 두 개의 서로 크로스되거나 평행한 분극기로 이루어지며, 이들 분극기사이에는 광학적 축이 가스 분석기의 광축에 수직인 복굴절 판 그리고 광축이 상기 가스 분석기의 광축과 평행한 플레이트(판) 형태인 변조기를 갖는다. 상기 변조기는 광전 계수 K41, K52, K63 중 적어도 한 계수가 제로가 아니며, AC 발생기에 연결된 두 전극사이에 샌드위치되는 복굴절 수정으로 부터 만들어진다. 광전 배증관 튜브(PMT)로 부터의 한 신호가 협대역 증폭기, 싱크로 탐지기 및 인디케이터로 입력된다. PMT 전원은 PMT 자동 이득 제어(AGC)의 도움으로 피이드백 회로내에 포함된다. ACG 의 목적은 광선 세기에 관계없이 PMT 전류의 성분을 일정한 수준으로 유지시키는 것이다. 이같은 원형의 한가지 단점은 변조기에 의해 광학 유닛내에 발생된 기생 변조가 존재한다는 것이다. 이같은 기생변조는 입사 광선과 기구의 광학축 사이의 각과 동공 구멍을 가로지르는 광선 세기 분산에 달려있다. 또한, 기생 변조는 전자유닛, 특히 AGC 회로에서 변조기 구동기에 의해 발생되며, 따라서 광선 세기에 종속하게 된다. 측정 과정중에 발생되는 기생 변조에 영향을 미치는 이들 인자들 가운데 어떠한 변화가 있게되면 이는 계측 제로 이동을 일으키며, 측정된 가스 밀도의 최소 탐지가능 한계를 제한시킨다.
본 발명은 대기의 공해 측정 및 모니터함에 대한 것이며 특히 광학적 상관성 가스 분석기에 대한 것이다.
도 1 은 발명의 실시예에 따라 가스 분석기의 블록도.
* 부호설명
10 ... 광학 시스템 12 ... 기계적 시스템
14 ... 전자적 시스템 20 ... 시준기
22 ... 광 필터 24 ... 간섭 분극 필터(IPF)
26 ... 광전 배증관 튜브(PMT) 탐지기
30, 32 ... 분극기 34 ... 이동 웨지(wedge)
36 ... 고정웨지 38 ... 전기-광학 변조기
40 ... 마이크로 미터 나사 42 ... 스테핑 모터
46 ... AC 발생기 50 ... 협대역 증폭기
52 ... 싱크로 탐지기 54 ... 아날로그-디지탈 변환기
56 ... 마이크로 처리기 58 ... 표시기
60 ... PMT 전원 62 ... AGC 회로
본 발명의 목적은 개선된 광학적 가스 분석기를 제공하는 것이다.
본 발명의 이같은 목적은 출력 신호에서의 기생 변조 영향을 줄이므로써 계측기의 최소 탐지가능 한계를 개선시키므로써 달성된다.
본 발명의 한 특징에 따라 시준기, 광필터, 변조된 간섭 분극 필터(IPF), 그리고 광 탐지기로 구성되며, 시준기, 광필터, IPF, 그리고 광탐지기가 직렬로 연결되고, 전자유닛은 광 탐지기내에 연결되는 광학적 가스 분석기가 제공되며, 상기 변조된 IPF가 서로 평행한 또는 크로스된 두 개의 분극기, 복굴절 장치 그리고 상기 두 분극기 사이에 위치한 광 변조기를 포함하며, 상기 복굴절 장치는 가변 두께 플레이트(판)를 포함하고 이판의 두께가 기계적으로 선택되며 전기-기계 구동기에 의해 제어되고, 이에 의해서 광탐지기로의 입사광선 변조 깊이가 선택된 판 두께에서 먼저 측정되어 간섭 분극 필터 전송 함수의 주기성이 가스 흡수 스펙트럼의 주기성과 부합하도록 하고, 광전기 변조기에 의해 유도된 광 세기 차가 최대이며 180°씩 이동된 IPF 의 상응하는 주기적 전송함수 위상을 갖도록 두 번째 판 두께에서서 측정되어 변조 진폭 또한 최대이지만 부호는 반대이도록 하고, 그리고 이에 의해서 이들의 측정결과가 가스 밀도를 나타내도록 전자 유닛에서 감산되어진다.
본 발명의 실시예에서, 복굴절 판은 분석기의 광학축과는 수직인 광학 축을 갖는 두 복굴절 웨지(wedge)를 포함하며, 상기 전자 유닛이 전기-기계 구동기를 포함하고, 상기 두 웨지는 전자 유닛에 의해 제어되는 구동기에 응답하여 두 웨지사이에서 상대적 이동을 할 수 있도록 배열된다.
본 발명에 따라 본 발명의 목적은 일정한 두께의 복굴절 판대신 조절가능 두께를 갖는 복굴절 판을 사용하여 달성된다. 이 조절가능 두께는 전자 유닛에 의해 제어되는 전기 기계 구동기에 의해 기계적으로 선택된다.
본 발명의 또다른 특징에 따라 한 광학적 가스 분석기가 제공되는데, 이 가스 분석기는 변조되고 간섭 분극 필터 그리고 광 변조기를 포함하는 광 시스템, 변조된 간섭 필터에 결합된 기계적 시스템, 그리고 광 변조기와 변조된 간섭 필터에 결합된 전자 시스템으로 구성되며, 이에의해 방사선의 변조 깊이가 첫 번째 조건에서 간섭 분극 필터로 먼저 측정되어 간섭 분극 필터 전송 함수의 주기성이 가스 흡수 주기성과 부합하도록 하고, 광 변조기에 의해 발생된 세기 차가 최대이도록 하며, 다음에 방사선의 두 번째 변조 깊이가 두 번째 조건에서 간섭 분극 필터로 측정되어 IPF 의 상응하는 주기적 전송함수 위상이 180°이동되어 변조 진폭이 역시 최대이도록 하며, 그러나 그 부호는 반대가 되도록 하고, 이에 의해서 이들 측정결과가 다음에 가스 밀도를 표시하기 위해 전자 유닛에서 감산되어지도록 한다.
본 발명의 다른 한 특징에 따라, 시준기, 광필터, 변조된 간섭 분극 필터(IPF), 그리고 광탐지기를 포함하는 광학 시스템, 전기-기계 구동기를 포함하는 광학 시스템, 전기-기계 구동기를 포함하는 기계적 시스템, 그리고 전자 시스템으로 구성된 광학적 가스 분석기가 제공되며, 변조된 IPF 가 서로 크로스되거나 평행한 두 분극기를 포함하고, 이들 두 분극기 사이에 광학적 변조기와 복굴절 판이 장착되며, 복굴절 판이 전기-기계 구동기를 통하여 전자 시스템에 의해 기계적으로 구동되고 제어되는 가변 두께를 갖고, 이에의해서 상기 광학적 가스 분석기가 측정된 가스 분석기의 광학적 유닛 및 전자 유닛내로의 광학적 변조기에 의해 발생된 기생 변조의 영향을 크게 줄이어 감소되도록 하며, 변조된 IPF 의 동기식 변조에 의해 출력 신호에 영향을 미치어 이에 의해 그와같은 두 측정의 차이를 바탕으로 최종 출력에서의 기생효과를 제거시키도록 한다.
본 발명의 한 장점은 가스 분석기의 광학 유닛과 전자 유닛에서 광학적 변조기에 의해 발생된 기생 변조의 영향을 크게 줄이므로써 측정된 표적 가스의 최소 탐지가능 밀도한계가 작아질 수 있도록 하며, 변조된 IPF 의 동기식 변조에 의해 출력 신호에 영향을 미치고 이에의해서 최종 출력에서의 기생 효과를 제거하도록 하는 것이다.
하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
발명의 가스 분석기는 상호 연관되어 있는 광학 시스템(10), 기계적 시스템(12), 전자적 시스템(14)으로 구성된다. 상기 광학 시스템은 시준기(20), 광 필터(22), 간섭 분극 필터(IPF)(24), 그리고 광전 배증관 튜브(PMT) 탐지기(26)를 포함한다. IPF(24)는 크로스된 분극기(30)(32), 이동하는 웨지(34)와 고정된 웨지936) 그리고 전기-광학 변조기(38)를 포함한다. 상기 웨지(34)(36)는 이들의 축이 분석기의 광학축에 수직인 수정 석영으로 만들어진다.
기계적 시스템(12)은 마이크로미터 나사(40)와 스테핑(stepping) 모터(42)를 포함한다. 이동하는 웨지(34)는 운동학적으로 마이크로미터 나사(40)에 연결되며 스테핑 모터(42)에 의해 구동된다.
전기-광학 변조기(38)는 광학 축이 분석기의 광학 축에 평행한 DKDP 수정판이다. 상기 변조기(38)는 AC 발생기(46)에 연결된 두 전극(44)사이에서 샌드위치 된다. PMT 탐지기(26)는 IPF(24)뒤에 온다.
전자 시스템(14)은 협대역 증폭기(50), 싱크로-탐지기(S2), 아날로그-디지탈 변환기(54), 그리고 마이크로 처리기(56)를 포함한다. 상기 전자 시스템은 AGC 회로(62)를 통해 스테핑 모터(42), 표시기(58), 그리고 PMT 전원(60)을 제어한다.
동작시에 가스 분석기는 다음과 같이 작동한다. 광 필터(24)가 측정된 가스의 흡수 스펙트럼에 상응하는 작업 스펙트럼 영영을 전송한다. 변조된 IPF(22)가 측정된 가스의 흡수신호와 유사한 주기성을 가지나 변조된 위상차를 갖는 전송 함수를 발생시킨다. 이는 상기 가스가 존재하는때 탐지기에서의 세기 변조를 일으킨다. 전자 시스템(14)은 IPF 변조와 동기되는 PMT 탐지기(26)로의 입사 광선 변조 깊이를 측정한다. 두 웨지(34)(36)에 의해 형성된 복굴절 판의 가변 두께가 IPF 전송 함수의 최대 위치를 결정한다. 복굴절 판의 가변 두께는 스테핑 모터(42)에 연결되고 마이크로 처리기(56)에 의해 제어되는 마이크로미터 나사(40)에 의해 이동하는 웨지(34)를 병진운동시키므로써 제어된다. 측정 주기는 이동하는 웨지(34)가 전송함수 T(λ)와 측정된 가스의 흡수 스펙트럼의 상호작용에 의해 발생된 변조 진폭 최대값에 해당하는 위치(1)로 먼저 이동되도록 정해진다. 다음에 마이크로 처리기(56)가 변조 깊이 M1 의 값을 측정하고 저장한다. 다음에 이동하는 웨지(34)가 첫 번째 측정과는 180°위상차가 있는 또다른 변조 진폭 최대값에 해당하는 한 위치(2)로 이동된다. 다음에 마이크로 처리기(56)가 변조 깊이 M2 의 값을 측정하고 저장한다. 다음에 마이크로 처리기(56)는 차이(M1-M2)의 로그(log) 값을 계산하며, 그 결과에 눈금 기울기와 인터셉트를 곱하고, 표시기(58)에 이 계산값의 안티로그(antilog) 값을 표시한다.
판 두께 L1은 IPF 의 전송함수의 주기성이 가스 흡수 스펙트럼 주기성과 부합하고, 전기-광학 변조기 M1에 의해 발생된 세기차가 최대이도록 선택된다. 두 번째 판 두께 L2는 IPF 180°의 주기적 변조함수 위상을 나타낸다. 이는 결국 역시 최대이나 부호가 반대인 변조 진폭을 발생케한다. 다음에 M1과 M2의 측정된 결과가 전자 유닛에서 감산된다. 변조기 P에 의해 발생된 기생 변조는 판 두께 L 에 종속하지 않는다. (즉 P1= P2) 가스로 부터의 변조신호는 부호를 변경시키며, 기생 변조가 일정하고 양의 값을 갖는다.
M1= G1+ P1, M2= G2+ P2, M1- M2= G1+ G2
따라서, 측정된 결과에 대한 기생 변조의 영향은 M1과 M2사이의 차이값을 취하므로써 제거된다.
복굴절 또는 두께의 기계적 조절이 가스 분석기의 배열을 복잡하게 한다해도, 이는 동시에 측정된 가스 밀도의 최소 탐지가능 한계를 10배 이상 줄인다. 이같이 최소 탐지가능 한계가 주는 것은 광학 유닛 및 전자 유닛에 대한 기생 변조의 영향을 제거하므로써 달성된다. 또한, 이는 복굴절 판의 두께를 조절하고, 필요하다면 광 필터를 스위칭하므로써 여러 가스의 순차적인 측정을 가능하게 한다.
본 발명의 한도를 벗어나지 않는 한도에서 상기 설명된 본 발명의 특정 실시예에 대한 여러 가지 수정, 변경 및 적용이 가능하다.

Claims (4)

  1. 본 발명의 한 특징에 따라 시준기, 광필터, 변조된 간섭 분극 필터(IPF), 그리고 광 탐지기로 구성되며, 시준기, 광필터, IPF, 그리고 광탐지기가 직렬로 연결되며,
    상기 변조된 IPF가 서로 평행한 또는 크로스된 두 개의 분극기, 복굴절 장치 그리고 상기 두 분극기 사이에 위치한 광 변조기를 포함하며, 상기 복굴절 장치는 가변 두께 플레이트(판)를 포함하고 이판의 두께가 기계적으로 선택되며 전기-기계 구동기에 의해 제어되고, 이에 의해서 광탐지기로의 입사광선 변조 깊이가 선택된 판 두께에서 먼저 측정되어 간섭 분극 필터 전송 함수의 주기성이 가스 흡수 스펙트럼의 주기성과 부합하도록 하고, 광전기 변조기에 의해 유도된 광 세기 차가 최대이며 180°씩 이동된 IPF 의 상응하는 주기적 전송함수 위상을 갖도록 두 번째 판 두께에서서 측정되어 변조 진폭 또한 최대이지만 부호는 반대이도록 하고, 그리고 이에 의해서 이들의 측정결과가 가스 밀도를 나타내도록 전자 유닛에서 감산되어지는 광학적 가스 분석기.
  2. 제 1 항에 있어서, 복굴절 판은 분석기의 광학축과는 수직인 광학 축을 갖는 두 복굴절 웨지(wedge)를 포함하며, 상기 전자 유닛이 전기-기계 구동기를 포함하고, 상기 두 웨지는 전자 유닛에 의해 제어되는 구동기에 응답하여 두 웨지사이에서 상대적 이동을 할 수 있도록 배열되는 광학적 가스 분석기.
  3. 변조된 간섭 분극 필터 그리고 광 변조기를 포함하는 광 시스템, 변조된 간섭 필터에 결합된 기계적 시스템, 그리고 광 변조기와 변조된 간섭 필터에 결합된 전자 시스템으로 구성되며, 이에의해 방사선의 변조 깊이가 첫 번째 조건에서 간섭 분극 필터로 먼저 측정되어 간섭 분극 필터 전송 함수의 주기성이 가스 흡수 증기성과 부합하도록 하고, 광 변조기에 의해 발생된 세기 차가 최대이도록 하며, 다음에 방사선의 두 번째 변조 깊이가 두 번째 조건에서 간섭 분극 필터로 측정되어 IPF 의 상응하는 주기적 전송함수 위상이 180°이동되어 변조 진폭이 역시 최대이도록 하며, 그러나 그 부호는 반대가 되도록 하고, 이에 의해서 이들 측정결과가 다음에 가스 밀도를 표시하기 위해 전자 유닛에서 감산되어지도록 하는 광학적 가스 분석기.
  4. 시준기, 광필터, 변조된 간섭 분극 필터(IPF), 그리고 광탐지기를 포함하는 광학 시스템, 전기-기계 구동기를 포함하는 광학 시스템, 전기-기계 구동기를 포함하는 기계적 시스템, 그리고 전자 시스템으로 구성되며,
    변조된 IPF 가 서로 크로스되거나 평행한 두 분극기를 포함하고, 이들 두 분극기 사이에 광학적 변조기와 복굴절 판이 장착되며, 복굴절 판이 전기-기계 구동기를 통하여 전자 시스템에 의해 기계적으로 구동되고 제어되는 가변 두께를 갖고, 이에의해서 상기 광학적 가스 분석기가 측정된 가스 분석기의 광학적 유닛 및 전자 유닛내로의 광학적 변조기에 의해 발생된 기생 변조의 영향을 크게 줄이어 감소되도록 하며, 변조된 IPF 의 동기식 변조에 의해 출력 신호에 영향을 미치어 이에 의해 그와같은 두 측정의 차이를 바탕으로 최종 출력에서의 기생효과를 제거시키도록 하는 광학적 가스 분석기.
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