KR20010034642A - 전자기 방사 필터링 디바이스의 파장 교정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기 방사가 관통해서 흐르는 경우 장치 외부의 전달 매체의 스팩트럼 투과율을 측정하는 장치(10; 32)에 포함되며 또한 물리적 파라미터의 값에 기초하여 상기 방사 파장 영역에서 조정가능한 스팩트럼 투과율을 갖는 전자기 방사 필터링 디바이스(16)의 파장 측정 방법에 관 한 것이다. 본 발명은 해당 파장이 상기 필터링 디바이스의 조정가능한 파장 영역에 포함되어 있는 경우 상기 전달 매체내에 자연 형태로 항상 존재하는 적어도 하나의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계; 그리고 자연의 기준으로 이용되는 상기 적어도 하나의 흡수 가스라인에 관하여 상기 필터링 디바이스를 측정하는 단계로 이루어 진것을 특징으로 하고 있다.

Description

전자기 방사 필터링 디바이스의 파장 교정 방법{METHOD FOR WAVELENGTH CALIBRATION OF AN ELECTROMAGNETIC RADIATION FILTERING DEVICE}

가스 분석기, 가스의 발열량을 측정하는 장치 또는 예를들어 가스 센서와 같은 공지의 장치는

- 적어도 하나의 방사 광원,

- 물리적인 파라미터 값에 기초하여 상기 방사의 파장 영역에서 조정가능한 스팩트럼 투과율을 보이는 필터링 디바이스,

- 상기 광원에 의해 방출된 방사를 검출하는 디바이스를 포함하며, 상기 방사광원과 상기 검출디바이스는 상기 전달 매체에 의해 분리되어 있다.

조정가능한 필터링 디바이스의 한 특성은 상기 디바이스에 인가된 물리적 파라미터 값(V)과 상기 필터링 디바이스의 최대 투과율에 해당하는 중심 파장(λ_max)간의 관계이다.

관계(λ_max(V))는 예를들어, 퓨리에 변환 분광계를 이용하여 상기 디바이스에 인가된 다른 물리적 파라미터 값(V)에서 필터링 디바이스의 투과율을 측정하고 나서 상기 필터링 디바이스의 투과율이 최대치로 있는 해당 중심 파장 값을 식별함으로서 결정될 수 있다.

도1은 물리적인 파라미터 값(V1,V2)에 대해 구한 수개의 중심 파장에서 조정된 필터링 디바이스의 파장 스팩트럼 투과율(T)을 나타낸다.

파장 교정 방법은 일반적으로 실험실에서 수행되며 그에 따라 측정은 분광계의 내부 특성에 의존한다.

그 다음에 상기 장치는 현위치에 설치된다.

상기 장치, 즉 필터링 디바이스의 이용중에 필터링 디바이스의 투과율이 최대로 있는 중심 파장과 필터링 디바이스의 제어 값(V)간의 관계(λ_max(V)) 변화할 수 있음을 주목해야 한다.

그러한 변화는 예를들어 그의 이용중에 필터링 디바이스가 교정 도중에 존재하는 온도 상태와 다른 온도에 영향을 받기 쉽다고 하는 사실로 부터 설명될 수 있다.

그러한 변화는 필터링 디바이스를 만든 재료의 노후에서 오는 결과일 수 있다.

그 상황이 주어지면, 수행될 수 있는 모든것은 그의 위치로 부터 상기 장치를 제거하고 또한 상술한 바와 같이 실험실에서 필터링 디바이스의 또 다른 측정을 수행하는 것이며, 그리고 나서 재 교정된 필터링 디바이스와 함께 현위치에 상기 장치를 재 설치하는 것이다.

그러므로 다음의 2가지 문제, 즉 퓨리에 변환 분광계를 이용하지 않고 실험실에서 측정을 수행하는 것 또는 그의 위치로 부터 상기 장치를 제거하지 않고 측정을 수행하는 것중 적어도 하나를 해결하는 파장 교정 방법을 찾는 것이 유리하다.

본 발명은 전자기 방사가 관통해서 흐르는 경우 장치 외부의 전달 매체의 스팩트럼 투과율을 측정하는 장치에 포함된 전자기 방사 필터링 디바이스의 파장 교정 방법에 관한 것이다.

이 때문에, 본 발명은 전자기 방사가 관통해서 흐르는 경우 장치 외부의 전달 매체의 스팩트럼 투과율을 측정하는 장치에 포함된 전자기 방사 필터링 디바이스의 파장 교정 방법을 제공하는데, 상기 필터링 디바이스는 물리적 파라미터 값에 기초하여 상기 방사의 파장 영역에서 조정가능한 스팩트럼 투과율을 가지며, 상기 측정 방법은

- 해당 파장이 필터링 디바이스의 조정가능한 파장 영역에 포함되어 있는 경우 전달매체내에 자연형태로 항상 존재하는 적어도 하나의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계, 및

- 자연적인 기준으로 이용되는 상기 적어도 하나의 흡수 가스 라인에 관하여 상기 필터링 디바이스를 교정하는 단계를 포함한다.

이러한 방법은 예컨데 기준가스를 함유하는 셀을 지님으로서 필터링 디바이스를 포함하고 있는 상기 장치의 변경을 요구하지 않기 때문에 적용하기가 쉽다.

우선적으로, 상기 적어도 하나의 흡수 가스 라인은 상기 필터링 디바이스의 것보다 작거나 동일한 스팩트럼 폭을 가지며 또한 충분히 강하지 못해 다른 가스 라인에 의해 마스크된다.

따라서 그러한 방법은 디바이스를 포함하고 있는 상기 장치가 이용되고 있는 위치에 설치될 경우 필터링 디바이스를 교정하는 데 유리하게 이용될 수 있다.

이러한 방법에 의해서, 기준으로 이용되는 흡수 가스 라인이 전달 매체내에 자연적으로 존재하기 때문에 그의 교정을 수행하기 위해 실험실에 상기 장치를 더이상 운반할 필요가 없다.

전달 매체는 예를들어 대기 및 장치일 수 있으며, 또한 자연적인 기준으로 대기중의 카본 이산화물 방사선을 이용하여 카본 일산화물 센서가 될 수 있다.

바람직하게 상기 장치는

- 적어도 하나의 전자기 방사 광원, 및

- 상기 광원에 의해 방출된 방사를 검출하는 디바이스를 포함하며, 상기 광원과 상기 검출 디바이스는 전달 매체에 의해 분리되어 있다.

또한 스팩트럼 투과율이 측정되는 가스의 양을 상기 광원과 검출 디바이스사이에 개재할 수 있으며, 또한 이러한 가스의 양의 경우 본 발명의 방법에 따라 자연적 기준으로 이용될 수 있는 흡수 가스 라인을 함유할 수 있다.

이 경우에, 개재된 가스의 양은 본 발명의 의미로서 전달 매체로 작용한다.

개재된 가스의 양이 광원과 검출 디바이스사이의 전체 부피를 점유하지 않으면, 상기 가스의 양내의 천연가스 라인 및 상기 광원과 상기 디바이스사이의 나머지 비점유 양의 천연가스 라인으로 부터 선택하는 것이 가능하며, 이러한 라인들이 이용될 수 있다.

이 방법은 또한 실험실에서 퓨리에 변환 분광계를 이용함이 없이 처음으로 이용하기 앞서 필터링 디바이스를 교정하는데 적용될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 방법은 연속적으로 다음의 단계를 포함한다.

- 상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 최대 투과율이 기준 가스라인의 파장과 일치하도록 상기 필터링 디바이스에 적용된 물리적 파라미터를 변화시키는 단계,

- 상기 파장 필터링 디바이스의 조정능력을 관리하는 법칙의 계수(들), 즉 공지된 상기 법칙의 일반적인 동작을 추론하는 단계

- 상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율이 이용중에 조정되는 경우 상기 법칙으로 부터 파장 영역에 각각 해당하는 다른 물리적 파라미터의 값을 결정하는 단계를 포함한다.

예를들어 상기 전자기 방사 파장의 영역으로부터 다른 흡수 가스 라인에 관하여 가장 큰 밀도를 갖는 흡수 가스라인을 선택하는 것이 가능하다.

상기 필터링 디바이스의 교정도중에, 이러한 가스 라인의 식별은 상기 파장영역에서 최대 흡수와 일치하기 때문에 수월하다.

또한 더 큰 신뢰성의 측정을 위해 하나의 흡수 가스라인보다 오히려 상기 전자기 방사 파장 영역으로 부터 2개의 흡수 가스 라인을 선택하는 것이 유리하다.

우선적으로, 전자기 방사는 적외선 형태이다.

상기 흡수 가스 라인중 한 라인은 예컨데, 1.666 미크론의 메탄 라인이다.

또한 상기 필터링 디바이스의 관측된 파장 영역과 조정능력 범위에 의존하는 1.791 미크론의 메탄의 흡수라인을 선택하는 것이 유용할 수 있다.

우선적으로, 상기 방법은 물리적 파라미터로서 필터링 디바이스에 전기 전압의 형태로서 전기장을 인가하는 단계를 포함하는데, 하지만 자기장도 이용될 수 있다.

다른 특성에 의하면,

- 상기 필터링 디바이스는 페브리-패롯 간섭계이다.

- 상기 패브리-패롯은 간단한 간섭계이다.

- 상기 패브리-패롯 간섭계는 마이크로-머신 간섭계이다.

- 상기 장치는 가스 분석기이다.

- 상기 장치는 가스의 발열량을 측정하는 장치이다.

- 상기 장치는 가스 센서이다.

본 발명의 다른 특성과 이점은 한정하지 않은 예시적인 실시예에 의해 주어지며 또한 첨부도면과 관련해서 행해진 다음의 설명으로 부터 명확해질 것이다.

도면의 간단한 설명

도1은 물리적 파라미터 값(V1,V2)에 대해 구한 수개의 중심 파장에서 조정된 필터링 디바이스의 파장 스팩트럼 투과율(T)을 나타내는 도면.

도2는 가스 센서의 여러 요소를 다이어그램으로 나타내는 도면.

도3a 및 도3b는 2개의 다른 전압 값에 대하여 전기적으로 조정가능한 필터링 디바이스의 2개의 연속적인 위치를 나타내는 도면.

도4는 도2에 나타낸 센서의 것과 다른 응용에서 가스 센서를 구성하는 여러 요소를 나타내는 다이어그램 도면.

도5는 메탄 흡수 가스 라인의 동작을 나타내는 도면.

도6 및 도7은 파장의 함수로서 물의 회전-변화 스팩트럼의 강도(I: atm^-1.cm)와 카본 이산화물 분자량을 나타내는 도면.

실시예

예를들어 카본 일산화물 센서와 같은 가스의 농도를 결정하는 장치는 도2에서 참조 숫자(10)로 나타내었다.

상기 장치는 적외선 영역에 우선적으로 위치된 방사인 전자기 방사 광원(2)을 포함한다. 상기 방사는 예를들어 대기중에 존재하며 또한 상기 장치의 외부에 있는 전달 매체(14)를 가로질러 방출된다.

그럼에도 불구하고, 가시광선, 자외선, 하이퍼주파수 또는 X-선 영역에 있는 방사가 또한 이용될 수 있다.

적외선 방사 광원(12)은 예를들어, 텅스텐 필라멘트로 이루어진 광대역 폭 광원이며 또한 0.8 내지 20μm사이의 방사 파장을 방출한다.

상기 장치(10)는 광원(12)에 의해 방출된 방사를 필터링하며 또한 매체(14)내에서 전달되는 필터링 디바이스(16)로 이루어져 있다.

상기 디바이스는 또한 상기 장치의 기능을 바꾸지 않고도 광원(12)의 정면에 직접 놓일수 있다.

상기 필터링 디바이스(16)는 예를들어 단순한 패브리-패롯 간섭계(예컨데, 10인 간섭계 차수)이다.

상기 필터링 디바이스는 실리콘으로 부터 만들 수 있으며 또한 공지된 마이크로-머신 기술을 이용하여 제조될 수 있다.

예를들어, 그러한 필터링 디바이스는 유럽특허 EP0 608 049와 EP 0 219 359에 기술되어 있다.

도3a 및 도3b에 도시한 바와 같이, 필터링 디바이스(16)는 모빌 전극이 변형되지 않는 위치에 해당하는 소정 거리(e₀)만큼 서로 분리된 지원 및 모빌 전극(20)을 형성하는 고정 전극(18)으로 이루어진다.

정지(resting)위치로 불리는 이러한 위치에서, 도3a에서 화살표 R로 나타낸 방사는 2e₀와 동일한 파장(λ₀)(및 이 파장의 조화파)에 대하여 필터링된다.

필터링 디바이스(16)는 예를들어 전자기 장인 물리적 파라미터 값의 함수로서 적외선 방사 파장 영역에서 조정가능한 스팩트럼 투과율(T; 도1에 나타냄)을 보이며, 다른 한편으로 필터링 디바이스의 최대 투과율은 상기 필터링 디바이스에 적용된 전자기 장을 변화시킴으로서 상기 영역에 포함된 서로 다른 파장과 일치하도록 만들수 있다.

보다 구체적으로, 전자기 장은 전압원(22)에 의해 생성된 전기장이다.

그러나 이것은 자기장이 될 수도 있다. 예를들어 자석은 고정 전극에 부착될 수 있으며 또한 코일은 모빌 전극(또는 반대로)에 위치될 수 있다. 코일내에서 순환하는 전류로 인해 모빌 전극이 고정 전극에 더 가까워 지며 그에 따라 필터링 디바이스를 조정하는 파장이 위치한다.

물리적 파라미터는 또한 온도일 수 있다. 이경우에, 모빌 및 고정 전극은 높은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어진 웨지에 의해 분리될 수 있는데, 상기 열팽창 계수는 온도의 변화 영향하에 전극간의 거리의 변화를 일으키며 또한 특정 파장에서 그에 의해 필터링 디바이스의 조정능력을 야기한다.

전압원(22)은 모빌 및 고정 전극에 연결되며, 또한 전압이 인가될 경우(도3) 모빌 전극은 고정 전극에 더 가깝게 변형되며 또한 그에 가까워진다.

전극간의 거리는 e₁(e₁＜e₀)으로 감소되며 그리고 나서 방사는 2e₁와 동일한 파장(λ₁)에 대해 필터링된다. 이러한 방식으로, 필터링 디바이스는 서로 다른 전기 전압 값에 대해 여러 파장에서 조정된다.

파장 영역은 예를들어 4 내지 5μm이다.

상기 장치(10)는 또한 전달 매체(14)내에서 부분적으로 흡수되며 또한 필터링 디바이스(16)에 의해 필터링되는 방사를 검출하기 위한 검출 디바이스(24)를 포함한다.

검출 디바이스(24)는 볼로미터, 서모 셀 또는 포토다이오드와 같은 광대역 폭 검출기이다.

적외선 방사에 포함되며 또한 검출기에 의해 수신된 에너지는 상기 방사를 나타내는 전기 신호로 변환된다.

그후에 상기 신호는 증폭되고 또한 컨버터(26)에 의해 수치신호로 변환되고 나서 마이크로프로세서(28)로 유입된다.

아날로그 수치 컨버터(30)는 서로다른 파장에서 필터(16)의 스팩트럼 투과율을 조정하는데 이용된다.

초기 접근 방법으로서, 간섭 필터의 투과율은 가우시안으로 간주될 수 있다.

T_f(V) = T_max(V)exp -[(λ-λ_max(V)) / (σ(V))]²

여기서 V는 필터의 전압이며, λ_max는 최대 투과율 파장이며 또한 σ는 폭을 나타낸다.

조정가능한 필터링 디바이스(16)에 대해 최대 투과율 파장(λ_max)은 다음 식(1)에 따라 제어 전압(V)과 함께 변화한다.

λ_max(λ_max-λ_max0) + (KV)²= 0 (1)

여기서, λ_max0(μm)은 V=0 (=V₀)에서 필터링 디바이스의 최대 투과 파장이며, 또한 K(μm/V)은 필터링 디바이스의 구조에 의존하는 상수이다.

필터링 디바이스는 0내지 20V의 인가된 전압에 의해 5 μm 내지 4 μm사이에서 조정되도록 설계된다. 이것은 0.10 μm/V와 거의 동일한 K 값에 해당한다.

초기적으로 설정한(즉, 필터링 디바이스(16)와 미터(16)를 이용하기전에 언급한것)관계(λ_max(V))에 존재하는 파장 교정 방법은 센서에 대한 진폭 측정 과정이 있듯이 퓨리에 변환 분광계를 이용하여 실험실에서 수행된다. 결과의 데이터는 분광계(28)에 저장된다. 그후에 필터링 디바이스는 미터에 장착되며 또한 후자는 이용의 위치에 설치된다.

필터링 디바이스에 대한 온도가 그의 교정중에 상기 필터링 디바이스 둘레의 온도와 달리 이용하는 동안 지배를 받는 경우, 파장 변화는 상기 필터링 디바이스에서 발생될 수 있는바, 상기 필터링 디바이스는 예를들어 5와 4 μm의 파장 보다는 오히려 각각 0과 20V의 전압에 대해 4.9 내지 3.8 μm와 동일한 파장에서 조정된다.

보정이 이루어지지 않을 경우, 가스 센서는 카본 일산화물 농도를 결정할 때그의 정확도를 잃어버린다.

본 발명은 원위치에서 필터링 디바이스(16)의 주파수 교정을 수행할 분석을 위해 가스 부피내에 자연적으로 존재하는 가스 물질의 적어도 하나의 흡수 라인의 이용을 제공한다.

본 발명에 따른 방법은 흡수 가스 라인에 해당하는 특정 파장을 4 내지 5 μm의 파장영역으로 부터 선택하는 단계에 존재하는데, 상기 흡수 가스 라인은 항상 상기 파장영역에 존재한다.

시간이 경과하거나 또는 온도나 압력과 같은 다른 파라미터의 변화에 따라 소면될수 있는 이를테면 간섭 가스의 흡수 라인과 같은 흡수라인이 선택되지 않을 것이다.

현재의 경우에, 카본 이산화물 가스 라인의 선택은 CO₂가스 라인의 위치가 압력이나 온도에 의존하지 않고 또한 이들 라인이 항상 대기중에 존재하기 때문에 특히 판별이 적절하다.

다른 적용(다른 환경, 다른 파장 영역....)에 대해, 대기의 측정이나 또는 메탄 흡수 가스 라인에 대해 수증기 흡수 가스 라인을 선택하는 것이 유용할 지 도 모른다.

상기 가스들의 흡수 라인은 다음과 같은 여러개의 파장에서 발견된다. 즉, H₂O(도6)에 대해 1.893μm(약 5281 cm^-1)의 파수) 또는 1.855μm(약 5390cm^-1의 파수), CO₂(도7)에 대해 4.280μm(약 2336 cm^-1의 파수) 또는 4.237 μm(약 2360cm^-1의 파수).

우선적으로, 선택된 흡수 라인은 좁아지게 되는데, 다시말해 상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율에서 어떠한 변화가 검출될 수 있도록 상기 라인의 폭이 최대 투과율 근방에서 피크를 형성하는 영역내에서 필터링 디바이스의 스팩트럼 폭보다 작거나 또는 동일하다는 것이다.

우선적으로, 이러한 흡수 라인은 이것이 상기 라인들로부터 쉽게 구별될 수 있도록 파장 영역에서 다른 가스 라인에 관해 충분히 강해야 한다.

선택된 라인이 다른 가스 라인에 의해 표시되는 위험을 무릅쓸 경우, 이것은 교정을 위한 자연적 기준으로 쓸모가 없다. 4.237μm의 파장에서 발견된 카본 이산화물 흡수 라인은 상기 적용을 위해 이미 정한 기준을 달성하며 그에 따라 자연적인 기준으로 이용될 수 있다.

선택된 라인의 스팩트럼 폭이 1nm 에 근접하는 반면, 필터링 디바이스의 스팩트럼 폭은 약 10nm이다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 필터링 디바이스를 이용하기 전에, 상기 디바이스는 파장을 교정(관계 λ(V))하며 또한 미터는 표준 가스를 이용하여 진폭을 교정하는데, 상기 표준가스의 성분은 전압/파장 결합을 마이크로프로세서 28 볼트/파장 결합 값 증명 관계 식(1)에 대입하기 위해 공지되어 있으며 또한 이것은 이용중에는 필터링 디바이스의 작용점에 해당한다.

이러한 결합은 상기 디바이스의 스팩트럼 투과율이 V_i와 동일한 전기 전압하에 4.237 μm의 파장에서 조정되는 경우 상기 필터링 디바이스의 작용점에 해당하는 결합 V_i/4.237μm을 포함한다.

또한 측정도중에 상기 결합 V_i/4,237μm만을 기억할 수 있으며, 또한 그의 이용중에 상기 필터링 디바이스의 작용점에 해당하는 다른 전압/파장 결합을 다음시간에 계산하고 또한 기억할 수 있다.

선정된 길이의 시간 후에 또는 특정한 이유로 필터링 디바이스를 포함하는 센서(10)를 이용한 뒤에, 필터링 디바이스는 파장 교정을 경험해야 할 필요성이 있을지도 모른다. 이를 수행하기 위해, 직렬 전압이 마이크로 프로세서(28)에 의해 필터링 디바이스(16)에 적용된다. 이것은 다른 파장([4 ; 5 μm]에서 조정되는 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율을 야기한다. 검출기(24)의 출구에서 개개의 전압에 대해 해당신호가 모아진다.

필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율에 대한 초기 전압(V_i)은 4.237μm에서 조정되며, 마이크로프로세서(28)는 V_i에 근접한 전압에 해당하는 필터링 디바이스 위치에 대해 수치신호중 가장 약한 신호를 식별한다.

구한 신호의 전압 값(V_f)은 4.327μm의 파장과 함께 기억되며 또한 상기 필터링 디바이스 변화는 차 ΔV = │V_f-V_i│로 주어진다.

이러한 변화와 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율이 조정되는 파장 (λ_max)을 알고 있으면, 이러한 조정능력을 얻을수 있는 새로운 전압 값(V')이 V' = V+ ΔV로 부터 추론된다.

이러한 방법은 필터링 디바이스의 관계(λ_max(V))로 하여금 필터링 디바이스 (16) 또는 미터(10)를 분해함이 없이 검증될 적어도 하나의 지점 또는 그의 파장 안정성에 대한 재 교정을 할 수 있도록 하기 때문에 유리하다.

몇몇 지점에서 재교정은 상술한 관계보다 더 복잡한 λ(V)관계를 고려하는 것을 허용한다.

더욱이, 이러한 방법은 기준 라인이 이들 파라미터에 민감하지 않기 때문에 온도와 압력에 무관하다.

도4의 장치(32)에 의해 설명된 다른 적용에서, 도2의 장치는 이미 설명한 구조와 동일한 구조를 유지하지만 분석될 가스의 샘플을 함유하는 셀(34)은 광원(12)에 의해 방출된 적외선 방사의 경로에 따라 전달 매체(14)에 위치된다.

도2의 요소와 동일한 요소는 동일 참조 번호로 주어져 있다.

상술한 바와 같이 필터링 디바이스(16) 교정 방법이 동일한 방법으로 적용되는 경우 참조(들)(예: CO₂라인 또는 수증기 라인)와 같이 전달 매체내에서 자연히 발생하는 흡수 가스 라인(들)을 유지 할수 있으며, 또는 셀내의 가스에 자연적으로 존재하는 하나 또는 그 이상의 흡수 가스 라인을 선택할 수 있는데, 상기 셀내의 가스의 스팩트럼 투과율은 필터링 디바이스(16)의 파장교정을 위해 측정되며 또한 이용된다.

후자의 해법은 예를들어 발열량이 측정되어 있는 천연가스를 함유하는 셀내에서 메탄라인을 선택하는 단계에서 존재할 수 있다.

하나의 변형에 따라, 본 발명에 따른 방법은 2개의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계에 존재할 수 있는데, 상기 가스 라인의 파장은 좁고, 강하며, 또한 상기 영역에 항상 존재하는 문제의 파장 영역[4 ; 5μm]에 위치한다.

예를들어, 2개의 라인은 4.237 및 4.280μm에서 CO₂라인이 될 수 있다.

상기 필터링 디바이스를 구성하는 물질(들)은 시간의 흐름에 따라 노후될 수 있다는 사실의 측면에서 제2의 흡수 가스 라인을 선택하고 이를 필터링 디바이스를 교정하는데 이용하기가 유리하다. 따라서 탄성 재료 모듈(영의 모듈)은 변화할 수 있으며 또한 이미 정한 상수(K)에서 변화를 야기할 수 있다.

2개의 흡수 가스 라인을 이용함으로서, 2개의 파라미터(λ_max())와 K의 특성 관계(1)가 다음과 같이 정해질 수 있다.

필터링 디바이스(16)의 제1 및 제2의 최소 투과율에 해당하는 전압(V₁및 V₂)이 조사된다. 사실, 이것은 필터링 디바이스가 기준 라인 파장에서 초기적으로 조정되는 개개의 전압 값 근방에서 국부적인 최소값을 조사하는 단계에서 존재한다.

다음의 값은 값(V₁및 V₂)으로 부터 계산될 수 있다.

및

따라서 원하는 파장을 얻기 위해 필터링 디바이스에 적용될 전압 값은 위에서 정한 관계(1)및 계수((λ_max()및 K)로 부터 계산될 수 있다.

이것은 예를들어 재-교정의 정확성을 개선하도록 2개 이상의 흡수 가스 라인을 선택하는데 유용해질 수 있음을 주목해야 한다.

이들 라인의 조사는 이들 라인이 제1 측정중에 나타나는 차수를 식별하고 또한 이 차수를 인덱스함으로서 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 또한 가스 혼합물 분석기에 포함된 필터링 디바이스 또는 가스(예, 천연가스)의 온도 값을 측정하는 장치에 적용될 수 있다.

후자는 도2, 3a 및3b에서 기술한 바와 같이 동일 요소(12 및 28)로 구성된다.

필터링 디바이스(16)의 스팩트럼 투과율이 조정될 수 있는 파장 영역은 예를들어 1.50 내지 1.85 μm영역이다.

메탄은 천연가스의 주요 성분이며 또한 항상 존재한다. 따라서, 원위치에서 필터링 디바이스(16)의 주파수 교정을 수행하기 위해 천연가스로서 메탄의 흡수 라인을 선택하는 것이 특히 유용하다.

1.666μm에 해당하는 라인은 관측된 파장 영역에서 모든 흡수 라인의 최대강도이며 또한 필터링 디바이스(16 :≒ 10nm)의 스팩트럼 폭에 관해 충분히 좁다(≒1nm).

본 발명에 따른 교정 방법은 CO 미터에 대해 상술한 바와 동일 방법으로 적용된다.

1.666 μm에서 흡수 라인이 영역(1.50;1.85μm]에서 모든 라인중 가장 강한 강도로 주어지면, 검출기(24)의 출구에서 최소 신호를 검출하기가 간단하다.

파장(λ)의 함수로서 투과율(T)을 나타내는 도5의 화살표에서 처럼, 2개의 메탄 흡수 라인은 영역[1.50 ; 1.85μm], 1.666에서의 라인 및 1.731μm에서의 라인으로 부터 선택될 수 있다.

이러한 방식으로, CO 미터에 대해 이미 인용된 이점을 얻을 수 있다.

실시예를 위해, 천연가스는 다음과 같은 성분을 갖는다.

메탄 89.5%

에탄 5%

프로판 1%

부탄 0.6%

팬탄 0.3%

천연가스 3.6%

몇몇 파장(λ₁내지 λ₅)은 온도 값에 어떠한 기여를 하지 않는 천연가스를 제외하고는 상기 인용한 천연가스의 여러 조성물에 의해서 행한 기여도를 결정하는데 이용된다.

이러한 파장은 몇몇 연소 성분의 기여도가 파장들 각각에 부합하도록 한 것이다.

예를들어 20V와 동일한 공지 값의 전압(V)을 필터링 디바이스(16)에 적용함으로서, 상기 필터링 디바이스는 파장(λ₁)에서 조정되며 또한 검출기(24)는 S₁(V)에 해당하는 전기신호를 제공한다.

S₁(V) = ∫_λE(λ)θgas(λ,x_i)θf(λ,V)Sd(λ)dλ

여기서, E(λ)는 광원(12)에 의해 방출된 빛의 밀도를 나타내며,

는 상기 파장에 존재하는 모든 가스 연소 성분으로 인한 스팩트럼의 응답을 나타낸다.

L은 가스내의 광 경로의 길이를 나타낸다.

x_i는 압력(P)과 온도(T)에서 단위 부피당 연소 성분(i)의 몰수를 나타낸다.

α_i은 연소 성분(i)의 흡수 계수를 나타내는데, 파장, 압력 및 온도에 의존한다.

θf(λ,V)는 필터링 디바이스(16)에 의한 광 투과율을 나타내며, 또한 Sd는 검출기의 스팩트럼 응답을 나타낸다.

서로 다른 전압 값에 대해 서로 다른 파장(λ₁내지λ₅)으로 필터링 디바이스(16)를 조정함으로서, 값((S₁(V₁) 내지 S₅(V₅))이 측정된다. 흡광도(A)는 A(V)=Ln(1/S(V))와 같이 정의되는데, 여기서 Ln은 자연대수를 나타내며, 다음 5개의 식이 구해진다.

A₁(V₁)= a₁₁x₁+a₂₁x₂+ .... + a₅₁x₅

A₂(V₂)= a₁₂x₁+a₂₂x₂+ .... + a₅₂x₅

_{..........................................................}

A₅(V₅)= a₁₅x₁+a₂₅x₂+ .... + a₅₅x₅

여기서 a_ij항은 성분(i)과 장치(10)에 의존한다.

본 발명을 미지의 천연가스 성분에 적용하기 전에, 단위 부피(x_i)당 몰수가 소정의 T 및 P 값으로 공지되어 있는 성분을 가진 수개의 가스를 장치(10)에 주입함으로서 예비의 측정 단계가 실험실에서 수행되었다.

실험실에서의 필터링 디바이스의 파장 교정 단계는 퓨리에 변환 분광계를 이용하여 보통 수행된다.

본 발명에 따른 방법은 분광계를 필요로하지 않고 예를들어 1.666 및 1.791μm에서 메타라인만을 이용하여 상기 교정을 수행할 수 있다.

이를 수행하기 위해, 공지된 가스 혼합물이 상기 장치(10)에 주입되며 또한 상기 디바이스의 최대 투과율이 상기 인용한 메탄 기준 라인의 파장과 일치하도록 상기 필터링 디바이스(16)에 인가된 전압(V)이 변경된다.

상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율이 파장(1.666 및 1.791μm)에서 조정되어지는 전압, 즉 값(V_a및 V_b)이 구해지면, 파라미터(K 및 λ_max0(V))가 상술한 바와 같이 결정되며, 또한 관계(λ_max(V))를 완전히 알게된다.

이 관계( λ_max(V))가 λ_max(V)( λ_max(V)- λ_max0(V)) + (KV)²= 0 뿐아니라 파장 λ_i(i = 1,...,5)의 형태로 쓰여짐을 알고 있으면, 상기 필터링 디바이스의 최대 투과율이 파장( λ_i)과 일치하는 필터링 디바이스(16)의 위치에서 이 위치에 해당하는 전압(V_i(i=1,...,5))이 추론된다.

값(K,λ_max())과 결합 (V_a/1.666μm, V_b/1.791μm 및 V_i/λ_i)은 도4의 마이크로프로세서(28)에 의해 기억된다.

이러한 식으로 얻은 전압(V_i(i=1,...,5)은 그의 스팩트럼 투과율이 파장(λ_i(i=1,...,5))에서 조정되고 또한 검출기가 결합(V_i/λ_i)에 대해 값(Si_i1(V_i))을 제공하도록 필터링 디바이스에 연속적으로 인가된다.

이러한 식으로, 5개의 방정식은 다음과 같이 구해진다.

A₁₁(V₁)= a₁₁x₁+ ... + a₅₁x₅

_{...............................................}

A₅₁(V₅)= a₁₅x₁+ ... + a₅₅x₅

여기서 x_i(i =1,...,5)는 공지되어 있으며, a_ij항은 공지되어 있지 않다.

공지된 4개의 다른 가스 성분을 장치(14)에 주입함으로서, 22개의 부가 방정식이 상술한 바와 같은 동일 항 a_ij으로 구해지다.

이것은 공지된 수학적인 방법, 예를들면 선형 방정식 해법에 의해 해결할 수 있는데, 다음 식과 같이 주어지며 여기서 a_ij는 미지의 계수이다.

여기서 (k)율은 문제의 공지된 가스 혼합물과 관계한다.

변형으로서 가스 혼합물의 어떠한 조성물로부터 기여함이 없이 파장을 선택해서 기준 측정을 수행할 수 있는데, 이때 해당 전압은 상술한 관계(λ_max(V))로부터 추론된다.

상기 전압은 필터링 디바이스에 인가되고 또한 값(S_ref)은 검출기의 출구에 모여지며, 또한 값(S_ref)에 대한 값(S_ij(V_i))의 개개의 비율이 계산된다. S_ij(V_i)/S_ref의 비율이 상술한 값(S_ij(V_i))대신 이용되어 장치(10)에서 변화를 허용하지 않는다.

종래의 수학적인 도치법을 이용하여 행렬[a_ij]을 역으로 실행하면, 다음식이 구해진다.

이러한 식으로, 값(x_i)은 다음식으로 주어진다.

수행하는데 필요로 하는 모든것은 교정중에 계산된 데이터(b_ij)를 마이크로프로세서(28)의 메모리에 대입하는 것이며, 또한 미지의 천연가스 혼합물과 미지의 발열량이 조사되었을때, 다른 값(Aj(V))이 해당 전압에 대해 얻은 다른 필터 파장에 대해 측정되며, 이로부터 항(x_i)이 쉽게 추론된다.

가스의 발열량(H(P,T))은로 주어지는데, 여기서 H_i는 몰당 줄로서 성분(i)의 발열량을 나타낸다.

그 결과, 항(Xi)이 결정되면, 발열량(H(P,T))이 직접 구해진다.

Claims (18)

1. 전자기 방사가 관통해서 흐르는 경우 장치 외부의 전달 매체의 스팩트럼 투과율을 측정하는 장치(10; 32)에 포함되며 또한 물리적 파라미터의 값에 기초하여 상기 방사 파장 영역에서 조정가능한 스팩트럼 투과율을 갖는 전자기 방사 필터링 디바이스(16)의 파장 교정 방법에 있어서,

   - 해당 파장이 상기 필터링 디바이스의 조정가능 파장 영역에 포함되어 있는 경우 상기 전달 매체내에 자연 형태로 항상 존재하는 적어도 하나의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계,

   - 자연의 기준으로 이용되는 상기 적어도 하나의 흡수 가스라인에 관하여 상기 필터링 디바이스를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   한편으로 상기 필터링 디바이스의 것보다 작거나 또는 같은 스팩트럼 폭을 가지며 다른 한편으로 다른 가스 라인에 의해 마스크되어지도록 충분히 강하지 않은 상기 적어도 하나의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   - 상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 최대 투과율이 기준 가스 라인의 파장과 일치하도록 상기 필터링 디바이스(16)에 인가된 물리적 파라미터를 변화시키는 단계,

   - 파장 필터링 디바이스(16)의 조정능력을 관리하는 법칙의 계수(들), 즉 공지된 상기 법칙의 일반적인 동작을 추론하는 단계,

   - 상기 필터링 디바이스의 스팩트럼 투과율이 이용중에 조정되는 경우 상기 법칙으로 부터 파장 영역에 각각 해당하는 다른 물리적 파라미터의 값을 결정하는 단계를 연속적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   이용의 위치에 설치되어 있는 동안 상기 필터링 디바이스(16)를 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 장치는

   - 적어도 하나의 전자기 방사 광원(12) 및,

   - 상기 광원에 의해 방출된 방사를 검출하는 디바이스(24)를 포함하며, 상기 광원 및 상기 검출 디바이스(24)는 상기 전달 매체에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 광원(12)과 검출 디바이스(24)사이에서 그 스팩트럼 투과율이 측정되는 가스의 양을 개재시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제2항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자기 방사 파장 영역으로 부터 다른 흡수 가스 라인에 대하여 가장 큰 강도를 갖는 상기 흡수 가스 라인을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자기 방사 파장 영역으로 부터 2개의 흡수 가스 라인을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자기 방사는 적외선 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 흡수 가스 라인중 하나는 1.666 미크론의 메탄 라인인것을 특징으로하는 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 흡수 가스 라인중 하나는 1.791 미크론의 메탄 라인인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서,

    전기 전압의 형태로서 전기장을 물리적 파라미터로서 상기 필터링 디바이스에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 방법.
13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 필터링 디바이스는 패브리-패롯 간섭계(16)인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 패브리-패롯 간섭계(16)는 단순한 간섭계인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,

    상기 패브리-패롯 간섭계(16)는 마이크로-머신형 간섭계인것을 특징으로 하는 방법.
16. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 장치는 가스 분석기(10; 32)인것을 특징으로 하는 방법.
17. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 장치는 가스(10 ;32)의 발열량을 측정하는 장치인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 장치는 가스 센서(10; 32)인 것을 특징으로 하는 방법.