KR20000051474A - 광학형 가스 검출기 - Google Patents
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Abstract
이산화탄소를 검출하는 광학형 가스 검출기에 관한 것으로, 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 방사하는 적외선 램프와, 적외선 램프로부터 방사된 적외선이 이산화탄소에 흡수되는 영역인 광학 가스셀과, 흡수된 이산화탄소의 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일 센서부와, 적외선 램프 및 써모파일 센서부를 제어하고 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호 출력을 얻기 위한 회로부와, 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호를 출력하는 출력부로 구성됨으로써, 저가격, 고성능 및 소형화가 가능하다.
Description
본 발명은 광학형 가스 검출기에 관한 것으로, 특히 이산화탄소를 검출하는 광학형 가스 검출기에 관한 것이다.
일반적으로 이산화탄소(CO2)는 공기오염의 기술적 지표로서 이용되는 가스로서 대기 중 허용농도는 약 5000ppm이며, 3∼4%의 농도에서 두통과 빈혈을 유발하고, 30%이상에서는 사망에 이르게 하는 등 인체에 나쁜 영향을 미친다. 반면에 식물의 온실재배나 음식물의 냉동보관 및 미생물의 적절한 배양을 조절하기 위해서는 이산화탄소(CO2)의 농도를 수% 정도로 적절하게 유지하는 것이 요구된다.
이와 같이 이산화탄소(CO2) 센서는 실내공조, 온실재배, 냉동보관, 미생물 배양 등 다양한 분야에 응용될 수 있으나, 이산화탄소(CO2) 가스 자체가 매우 안정된 결합특성을 가지고 있고 활성이 작기 때문에 기존의 반도체식이나 접촉연소식 등의 솔리드 스테이트(solid state)형 가스센서 재료를 사용하여 센서를 제작하는 데에는 한계가 있다.
일반적으로 지금까지 이산화탄소 가스를 측정하기 위해 비분산 적외선법(NDIR법)을 이용하였으며 가스 감지원리는 광전자 기술과 분자 스펙트럼 기술을 적용하여 가스농도에 따른 적외선 흡수량의 변화량을 감지하여 출력하는 것이다.
비분산 방식은 광학필터나 가스흡광형 필터로 단색화시킴으로써 광로가 간단해지고 광원에서 검출기까지의 광전달 효율이 좋아질 뿐만 아니라 반사에 의한 가스투과 유효거리를 늘릴 수 있어서 검출감도를 증가시킬 수 있다.
비대칭구조를 갖거나 3원자 이상의 분자들은 진동상태가 양자화되어 있다. 이 진동에너지 양자는 원자간의 결합세기(k)와 원자들의 질량(m)에 의해 정해지므로 각 분자종류에 따라 특징적이며 고유하다.
또한 분자는 더 높은 에너지 진동상태로 여기되면서 자기진동 에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수한다.
대기중의 질소, 산소를 제외한 대부분의 오염가스들은 특정의 적외선 흡수스펙트럼을 갖는다. 적외선이 흡수되는 정도는 농도에 따라서 달라지는데, 비어(Beer)에 의하면 가스분자가 존재하는 공간에서 센서에 도달하는 광의 세기는 하기 수학식 1과 같다.
여기서 I는 적외선 검출기에 도달하는 IR의 세기, I0는 이산화탄소(CO2) 농도가 "0"일 때 측정된 값, K는 분자의 흡광계수, C는 이산화탄소(CO2)의 농도, L은 광학셀의 길이이다.
상기 수학식 1에서 가스분자는 고유의 적외선 흡수파장 대역을 갖는다. 따라서 검출부의 길이, 온도 및 압력이 일정하면, 검출부를 통과하는 적외선 양은 검출부 중에 존재하는 분자의 농도에 따라서 감소하므로 입사량과 투사량을 비교하여 피측정 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다. 각 가스에 있어서 흡수 파장 대역은 여러 개가 있으나 주로 이산화탄소(CO2)는 4.24㎛, 일산화탄소(CO)는 4.64㎛, HC는 3.4㎛을 이용한다. 이와 같이 적외선을 사용하여 가스의 종류와 농도를 측정하면 일반적으로 사용되는 반도체형 가스센서의 단점인 이종가스의 간섭과 주위환경의 영향도 배제할 수 있기 때문에 대상가스를 정확히 측정할 수 있다.
이러한 기본 원리를 바탕으로 가스를 측정하기 위해서는 특정 파장 대역의 적외선을 방사할 수 있는 적외선 소스(IR Source), 특정 파장의 빛만 통과시키는 필터(Filter), 가스에 의해 변화된 적외선을 측정할 수 있는 적외선 검출기(detector), 적외선 소스(Source)로부터 나온 적외선이 적당한 길이에서 가스에 의해 흡수되는 공간인 광학 벤치(optical bench)로 구성된다.
도 1은 기존의 고가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 저가형 이산화탄소 가스 검출기의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이 고가형 이산화탄소 가스 검출기는 기구적으로 구성된 광학 벤치 내에 여러 가지 부품들이 장착된 형태로 구성되어 있다. 우선 IR 소스로서 히터가 이용되며, 히터에 전류를 가하면 열이 발생되고 그에 상응하는 비교적 넓은 파장 대역의 적외선이 방사된다. 이러한 IR 소스는 전력 소모가 많고 시간에 따른 경시 변화가 생긴다. 그리고 적외선 방사량의 일정한 조절을 위해 포토다이오드가 별도로 부착되어 있다.
초핑 셔터(Chopping shutter)는 양자형 IR 검출기나 초전형 IR 검출기를 IR 검출기로 사용할 경우, 특정 주파수로 빛을 단속해 주기 위한 장치로서 주로 기계적인 방법이 이용된다.
즉, 초핑 셔터의 구동을 위한 모터와 구동회로가 추가됨으로써 가격상승과 유지, 보수의 어려움이 있으며 소형화하기 힘들고 전체 시스템이 복잡해진다.
광원에서 나온 적외선은 렌즈를 통해 광학 벤치 내로 통과하면서 이산화탄소에 의해 흡수가 일어난다.
일반적으로 광학 벤치는 길이가 수십㎝로 대형이며 복잡한 편이다. 가스에 의해 흡수되고 나머지 투과된 적외선은 도 1의 우측에 나타낸 바와 같이 렌즈를 이용하여 검출기로 들어오도록 한다. 이 때, 렌즈를 통한 적외선은 협대역 IR 필터를 통과하면서 특정 대역의 파장만 검출기에 보내준다.
이산화탄소 가스의 경우, 4.24㎛ 파장만 흡수하기 때문에 이산화탄소 검출용은 4.24㎛의 IR만 통과시키는 필터가 사용되며, 주로 검출기의 패키지에 같이 부착되어 있다.
IR 검출기는 현재 적외선에 감도가 우수한 양자형(quantum detector, PbSe, InSe)이나 초전형의 적외선 검출기가 주로 이용되나 양자형의 경우 초퍼와 저온으로 냉각시켜주는 쿨러(cooler)가 필요하며, 초전형의 적외선 검출기를 이용할 경우 초퍼가 필요하여 복잡성, 대형화, 고가격의 단점이 있다.
도 1의 경우 양자형 적외선 검출기의 냉각을 위해 열전(thermoelectric) 소자로 구성된 냉각기가 장착되어 있으며, 이의 구동을 위한 별도의 회로의 추가가 필수적이다.
한편 도 2의 경우 IR 소스로서 히터나 LED(Light Emitting Diode)가 주로 사용되며, IR 검출기로서 PD(Photo Detector)나 초전센서가 이용된다.
IR 소스로써 히터를 사용하면, 전력 소모가 많고 시간에 따른 경시 변화가 생기는 문제점이 있다. 또한, LED는 출력 Power가 작고, 가격이 비싸고, 파워(power)를 올리기 위해서는 방열기구를 만들어야 한다. 그리고 초전센서를 사용하면 특정 주파수로 빛을 단속해 주기 위한 장치로서 주로 기계적인 방법을 이용해야 하므로, 초핑 셔터의 구동을 위한 모터와 구동회로가 추가됨으로써 가격상승과 아울러 소형화가 어렵고, 시스템 구성이 복잡해진다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로, 저가격, 고성능 및 소형화가 가능한 이산화탄소 검출용 광학형 가스 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 광학형 가스 검출기를 보여주는 도면
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 광학형 가스 검출기를 보여주는 블록구성도 및 구조단면도
도 5는 이산화탄소 농도에 따른 본 발명의 검출 특성을 보여주는 그래프
본 발명에 따른 광학형 가스 검출기의 특징은 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 방사하는 적외선 램프와, 적외선 램프로부터 방사된 적외선이 이산화탄소에 흡수되는 영역인 광학 가스셀과, 흡수된 이산화탄소의 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일 센서부와, 적외선 램프 및 써모파일 센서부를 제어하고 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호 출력을 얻기 위한 회로부와, 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호를 출력하는 출력부로 구성되는데 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 회로부가 적외선 램프를 구동하는 회로와 써모파일의 온도를 보상하고 증폭하는 회로가 내장된 인터페이스 보드와, 인터페이스 보드의 회로들을 제어하는 마이콤과, 인터페이스 보드의 써모파일 및 써미스터의 출력신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 아날로그/디지털 변환기로 구성되는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기 인터페이스 보드가 광학 가스셀에 일체화되는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기 적외선 램프와 써모파일 센서부가 인터페이스 보드의 동일 면상에 위치하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 광학 가스셀의 내부에 알루미늄이나 금으로 이루어진 코팅층이 형성되는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 광학형 가스 검출기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 광학형 가스 검출기의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 광학형 가스 검출기를 보여주는 구조단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 적외선 광원을 이산화탄소 흡수 대역의 파장으로 방사하는 적외선 램프와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 가스셀과, 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일(thermopile)부와, 이들을 제어하고 가스 농도에 따른 신호출력을 얻기 위한 회로부 및 출력부로 구성된다.
여기서, 회로부는 펄스 모드(pulse mode)의 적외선 램프 구동 회로와 써미스터(thermistor)가 적용된 써모파일 온도 보상 회로 및 써모파일 증폭 회로가 내장된 인터페이스 보드(interface board)와, 인터페이스 보드의 회로들을 제어하는 마이콤과, 인터페이스 보드의 써모파일 및 써미스터의 출력신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 아날로그/디지털 변환기로 구성된다.
그리고, 인터페이스 보드는 광학 가스셀에 일체화되어 있으며, 그 인터페이스 보드의 동일 면상에 적외선 램프와 써모파일 센서부가 위치하고 있다.
또한, 광학 가스셀의 내부에는 알루미늄이나 금으로 이루어진 코팅층이 형성되어 있으며, 써모파일 센서부는 특정 대역의 적외선 만을 통과시키는 네로우 밴드 필터(narrow band filter)와 적외선을 검출하는 써모파일로 구성된다.
이와 같이 구성된 이산화탄소 가스 검출기는 기존의 검출기처럼 초퍼와 냉각기가 필요하지 않을 뿐만 아니라 광학 가스셀과 인터페이스 보드를 일체화함으로써 검출기의 소형화 및 저가화가 가능하다.
또한, 적외선 램프를 적외선 소스(IR source)로 사용함으로써, 광대역의 적외선이 일정한 값으로 출력되게 하였다.
본 발명에서 사용되는 적외선 램프는 램프의 양단 전극에 전압을 변화시켜서 적외선의 방사강도를 조절한다.
그리고, 광학 가스셀 내부에 알루미늄(Al)이나 금(Au)으로 코팅층을 형성하여 적외선이 잘 반사되도록 하는 이유는 적외선이 잘 반사되면 적외선의 패스(path)가 길어지게 되고 그로 인하여 이산화탄소에 대한 감도가 향상되기 때문이다.
또한, 본 발명의 검출기에서는 적외선에 대한 이산화탄소의 선택적 흡수를 위하여 4.24㎛대의 적외선만을 통과시키는 협대역 필터를 사용하였으며, 적외선 검출기로 써모파일(Thermopile)을 이용하였다.
이와 같은 방법으로 구성된 본 발명의 검출기의 경우, 이산화탄소 검출 특성을 도 5에 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 환경이나 공조분야에서는 이산화탄소 농도가 1000ppm 부근에서 제어되며, 식물생장을 비롯한 배기가스 분석 등에는 1000ppm이상에서 수 % 범위에서 이산화탄소 농도가 제어됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 광학형 가스 검출기는 다음과 같은 효과가 있다.
광학 벤치의 구성을 기존 검출기의 경우, 도 2와 같이 적외선 검출기와 적외선 소스가 서로 마주보게 직선으로 광 패스(path)를 구성하였으나, 본 발명에서는 적외선 검출기와 적외선 소스를 같은 면상에 설치하여 작은 공간에서도 일정길이 이상의 적외선 패스(path) 길이가 나오도록 하여, 적외선 흡수특성을 개선하였으며, 신호처리 보드를 광학 Cell에 일치화시킴으로써 시스템의 소형화를 가능케 하였다.
또한 초퍼와 냉각기가 필요한 기존의 양자형 적외선 검출기를 써모파일 적외선 검출기로 대체함으로써, 보조기능 부품들이 필요 없는 간단한 이산화탄소 가스 검출기를 제작할 수 있었다.
Claims (7)
- 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 방사하는 적외선 램프;상기 적외선 램프로부터 방사된 적외선이 이산화탄소에 흡수되는 영역인 광학 가스셀;상기 흡수된 이산화탄소의 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일 센서부;상기 적외선 램프 및 써모파일 센서부를 제어하고 상기 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호 출력을 얻기 위한 회로부; 그리고,상기 이산화탄소 가스 농도에 따른 신호를 출력하는 출력부로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 회로부는상기 적외선 램프를 구동하는 회로와 써모파일의 온도를 보상하고 증폭하는 회로가 내장된 인터페이스 보드;상기 인터페이스 보드의 회로들을 제어하는 마이콤;상기 인터페이스 보드의 써모파일 및 써미스터의 출력신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 아날로그/디지털 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 2 항에 있어서, 상기 인터페이스 보드는 상기 광학 가스셀에 일체화되는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 램프와 써모파일 센서부는 동일한 면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 4 항에 있어서, 상기 적외선 램프와 써모파일 센서부는 인터페이스 보드 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학 가스셀의 내부에는 알루미늄이나 금으로 이루어진 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 써모파일 센서부는특정 대역의 적외선 만을 통과시키는 네로우 밴드 필터와 상기 적외선을 검출하는 써모파일로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학형 가스 검출기.
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KR100838255B1 (ko) * | 2007-02-02 | 2008-06-17 | 충주대학교 산학협력단 | 자기 온도 보상형 비분산 적외선 가스 센서 |
KR100887208B1 (ko) * | 2004-06-14 | 2009-03-06 | 댄포스 아/에스 | Ir-센서 |
WO2018066930A1 (ko) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | 주식회사 템퍼스 | 일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈 |
KR102654201B1 (ko) * | 2023-09-11 | 2024-04-03 | (주)세성 | 극한환경 동작 가능한 초정밀 측정 ndir 가스측정장치 |
-
1999
- 1999-01-22 KR KR1019990001967A patent/KR20000051474A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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