KR20010042378A - Ｎｄｉｒ 계기 - Google Patents

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KR20010042378A
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Abstract

기체 샘플의 이산화탄소 함량을 측정하는데 사용되는 NDIR 계기는 분석할 기체를 담기 위한 샘플 셀의 하나의 단부에 배치된 전기적 피변조 백열등과, 상기 셀의 다른 단부에 있는 제1 초전형 검출기를 포함한다. 상기 계기는 분석할 샘플을 통하여 상기 램프에 의해 발산된 광대역 적외선 복사의 "누설"에도 불구하고 이산화탄소의 농도를 정확하게 결정한다. 상기 제1 초전형 검출기의 온도는 조절될 수 있다. 상기 램프에 의해 발산된 복사 세기는 귀환 루프에 의해 제어될 수 있다.

Description

ＮＤＩＲ 계기{NDIR INSTRUMENT}
비분산 적외선 복사(NDIR) 측정 기술은 기체 혼합물의 분석에 대단히 유용하다고 수 년 동안 알려져 왔다. 더욱 상세하게는, 적외선 복사는 여러 가지 환경에서 관심 있는 기체에 의해 선택적으로 흡수된다. 예를 들면, 이산화탄소를 함유한 기체 혼합물에 의한 적외선 복사의 흡수율 측정법은 물 속의 총 유기 탄소 함량을 측정하기 위한 계기에 의해 사용된다. 또한 이산화탄소 및, 일산화탄소와 같은, 다른 기체의 NDIR 측정법은 대기 상태를 측정하고 자동차 배기 가스를 분석하는데 흔히 사용된다.
더욱 상세하게는, 상기 물 샘플의 총 유기 탄소 함량은 산화제를 상기 물에 첨가하고, 자외선 방사에 노출시켜 상기 물 속에 있는 탄소를 산화시켜서, 기체-투과, 물-불투과 막을 가로질러 공지 조성의 캐리어 가스, 흔히 이산화탄소가 없는 질소로 확산에 의해 상기 물 샘플로부터 상기 이산화탄소를 분리함으로써 유용하게 측정될 수 있다. 그리고 나서 이 혼합 기체 샘플은 존재하는 이산화탄소의 비율 측정용 NDIR 계기의 셀로 들인다.
예를 들면, 상기 기본 NDIR 원리를 사용하여 질소 혼합물 속에 있는 이산화탄소의 양을 측정하기 위하여, 상기 혼합물을 함유한 폐쇄 셀의 단부에 적외 방사원이 제공되고 상기 셀의 대향 단부에 적당한 검출기가 제공된다. 이산화탄소는 어떤 파장의 적외선 복사를 흡수하고, 질소는 흡수하지 않기 때문에, 상기 혼합 기체 샘플 속에 존재하는 이산화탄소의 농도는 이산화탄소에 의해 흡수된 파장에서 적외선 복사의 샘플을 통한 투과 측정에 의해 선택적으로 측정될 수 있다.
대표적인 NDIR 계기는 4.3 미크론 근처의 좁은 대역폭에서 이산화탄소 흡수를 측정한다. 파장 선택도는 상기 샘플과 상기 검출기 사이에 다중 층 간섭 필터를 사용하여 흔히 이루어진다. 온라인 교정 프로세스를 주기적으로 실시하거나, 예를 들면, 상기 계기를 "제로의 눈금에 맞추기" 위하여 순수한 질소를 사용하거나, 상기 소스의 세기가 시간에 따라 일정하도록 또 다른 방법이 제공되면(적외 방사원의 변화가 장기간 드리프트의 가장 중요한 원인임) 상기 혼합 기체 중 이산화탄소 함량의 정확한 상대 측정을 할 수 있다.
4.3 미크론 복사에 응답하는 적외선 검출기는 양자 광전지와 광전도 검출기, 볼로미터(bolometer)와 골레이셀(Golay cell)과 같은 가스 봉입 검출기, 및 열 응답 서모파일과 초전형 검출기를 포함한다. 이 중에서, 초전형 검출기는 가장 소형이고 값비싸지 않아서, 저비용 NDIR에 흔히 사용된다.
초전형 검출기는 측정할 주위 복사에 의해 가열되도록 배치된 압전 결정으로 구성된다. 상기 결정은, 예를 들면, 상기 주위 복사에 의한 가열이 원인인, 상기 결정의 온도 변화율에 응답하는 전압 신호를 제공한다; 상기 신호는 상기 주위 복사의 파장에 무관하다. 상기 출력 신호는 상기 초전형 검출기 결정의 온도 변화율에 응답하므로, 기체 샘플에 의한 복사 흡수에 응답하는 출력을 생성하기 위해 피변조 광원이 요구된다. 변조는 대표적으로 기계식 초퍼(chopper), 예를 들면 상기 소스와 검출기 사이의 빛의 경로에 배치된 슬롯을 구비한 순동 디스크(spinning disk)를 사용하거나, 상기 광원을 가끔 전기 변조함으로써 이루어진다.
NDIR 계기에서 보통의 4.3 미크론 광원은 흑체 방사기로서 쓰이는 전기 전열체이다. 탄화규소 막대는 저 색온도 필라멘트로서, 즉, 최대 세기가 약 4.3 미크론인 350-400 켈빈 소스를 제공하는데 사용되었다. 또한 니크롬과 칸탈(Kanthal) 필라멘트는, 공기나 불활성 대기에서, 저 색온도 적외 방사원으로서 사용되었다. 이 요소들의 열용량은 전형적으로 비교적 높아서 상기 빛을 변조하기 위해 광초퍼(optical chopper)를 사용해야 한다.
최근 저비용 NDIR 계기는 전기 변조될 수 있는 고 색온도 소스로서 표준 극소형 백열등의 저열용량 필라멘트를 사용하여서, 부피가 크고 기계적으로 믿을 수 없는 광초퍼(optical chopper)가 필요 없다. 이 램프에 의해 발산된 대부분의 복사는 NDIR 계기에서 관심 있는 적외선 범위의 훨씬 밖인, 스펙트럼의 가시 부분이지만, 그럼에도 불구하고 상기 필라멘트의 저열량과 그것들이 진공에서 작동한다는 사실은 저 색온도 적외 방사원보다 효율을 더 크게 한다. 하지만, 상기 스펙트럼의 가시 부분을 효과적으로 저지하기 위해 일반적으로 부가적인 조치를 필요로 한다.
또한 CO2에 의해 흡수된 복사만이 상기 검출기에 입사하도록 된, CO2검출용 간섭 필터는 초전형 검출기 패키지에 직접 통합되거나 별도의 윈도로서 쉽게 이용할 수 있다. 예를 들면, 플로리다주, 데이토나 비치, 엘텍 인스트루먼츠사의 -113 필터는 CO2를측정하기 위해 특별히 제공되는 초전형 검출기용 광필터이다; 이 필터의 전송 대역은 4.183에서 4.353 미크론까지이다. 하지만, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이 필터는 이 목적에 최적이 아니다.
지금 이용할 수 있는 NDIR 계기는 일반적으로 몇 종류로 분류된다. 비교적 값비싼 NDIR 계기들의 첫 번째 부류는 소스로서 적외 방사 필라멘트, 상기 빔을 변조하기 위한 기계식 초퍼(chopper), 및 적당한 필터를 구비한, 한 두개의 적외선 검출기를 대표적으로 사용한다.
두 개의 검출기로 구성된 계기는 전형적으로 동일한 길이의 빔 경로를 한정하는 두 별도의 셀을 포함한다. 한 셀은 "기준 경로"를 제공하는, 비적외흡수성 기체로 채우고, 다른 셀은 상기 샘플로 채운다; 그리고 나서 상기 검출기에 의해 제공된 신호는 상기 흡수의 비율계(ratiometric) 결정에서 비교된다. 그와 같은 계기는 잘 작동할 수 있으나, 복잡하고, 부피가 크며, 값비싸다. 더욱이, 두 검출기의 온도를 동일하게 유지하고, 상기 검출기가 시간에 따라 실질적으로 동일하게 노후하면, 정확한 측정을 할 수 있다; 어느 조건도 보장될 수 없다. 더욱이, 초전형 검출기에 의해 제공된 신호는 비교적 노이지(noisy)하므로, 그와 같은 두 검출 계기는 본래 단일 셀 계기보다 실질적으로 잡음이 더 많다.
지금 이용할 수 있는 비교적 값비싸지 않은 단일 셀 NDIR 계기는 상기 적외 방사원으로서 튜브의 하나의 단부에 설치한 전기적 피변조 백열등과, 상기 튜브 속의 샘플을 통과하는 적외선 복사량을 측정하기 위해 대향 단부에 있는 간섭 필터로 구성된 초전형 검출기를 흔히 사용한다. 상기 소스로부터 상기 검출기를 향해 상기 튜브를 나아갈 때 상기 적외선 복사의 일관된 높은 반사를 보장하기 위해 상기 튜브의 내면은 흔히 금도금을 한다.
비교적 값싸서 대중적인, 단일 셀 계기의 첫 번째 타입은 시간에 따른 계기 드리프트(drift)를 보상하지 않는다. 이 계기들은 오프셋 이득 단을 전형적으로 사용하는데, 적외선 세기에 응답하는 신호를 상수에서 빼고 나서 증폭한다. 이런 식으로 영과, 예를 들면, 상기 입사광 세기의 10% 사이의 감쇠는 영 대 풀 스케일 출력으로 맵(map)할 수 있다. 이하에서 상세히 설명되는 것과 같이, 이런 종류의 시스템 출력은 보통 차동 전압이다. 이 방법의 주요 불리한 점은 상기 출력 차동 전압이 상기 입사광 세기에 비례하기 때문에, 상기 램프가 노후하고 그것의 출력이 변화함에 따라, 실질적인 이득 에러를 생성하는 비율이 변화한다는 것이다. 두 번째 불리한 점은 상기 출력이 상기 시스템 이득에 비례하여, 구성 요소 에이징(aging)이나 상기 이득 단에서의 온도 유도 변화에 따라 드리프트(drift)하게 된다는 것이다. 세 번째 불리한 점은 램프 에이징(aging) 및 상응하는 광 출력의 감소는 상기 계기의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 실질적으로 감소시킨다는 것이다.
다른 한편으로, 더 정교한 형태의 단일 셀 계기는, 전형적으로 상기 샘플에 의해 흡수되지 않는 제1 "기준" 파장과 상기 샘플에 의해 흡수되는 제2 "측정" 파장 사이의 샘플에 입사하는 복사 파장을 제어하기 위한 가동 필터 또는 다른 수단을 제공한다; 그리고 나서 상기 샘플의 흡수성 기체의 비율을 결정하기 위해 비율계(ratiometric) 산출을 한다. 그와 같은 계기는 이동 부분을 포함하고 여러 가지 기계적 어려움, 누설, 등을 받기 쉽다. 그밖에, 그와 같은 시스템의 잡음은 상기에서 설명한 이중 검출 계기에 의해 나타나는 것에 비하여 낮고, 단일 검출기를 사용하는 것은 정확하게 매치되거나 그렇지 않은 두 검출기를 사용할 때 내재하는 문제점을 제거하지만, 대개 상기 소스의 장기간 안정성을 보장하도록 제공되는 것이 없다.
또 다른 이 종류의 NDIR 개량 계기는 Small 등, "Oxidation and detection techniques in TOC analysis", Am. Lab. 18(2), February 1986, pp.141-150의 도 5에 나타나 있다. 스몰(Small)은 램프 세기를 제어하기 위해, 아마도 장기간 정확성을 향상시키기 위해 자동 이득 제어를 사용할 수 있다고 제안한다.
다른 공지의 NDIR 계기는 상기에서 설명한 두 종류의 요소를 결합한다. 예를 들면, 파사로(Passaro) 등의 미국 특허 제4,687,934호는 자동차 배기 중의 몇 가지 성분을 측정하는데 적합한 NDIR 계기를 나타낸다(초기의 파사로 특허 제4,346,296호 및 제4,398,091 호가 일반적으로 유사하다). 상기 파사로(Passaro) 계기는 상기 소스로부터 상기 적외선 복사를 변조하기 위해 기계식 초퍼(chopper)를 사용하고, 샘플 튜브의 대향 단부에 몇 개의 검출기가 제공된다. 각 검출기는 상이한 간섭 필터로 제공되어, 상기 검출기가 관심 있는 배기 성분을 선택하게 한다. "영점" 기체, 즉, 적외선 투과라고 알려진 것, 또는 공지 조성의 샘플 기체를 넣고, 상기 계기 출력을 정확하게 조정하며, 미리 정해진 간격으로 또는 서미스터가 6℃ 이상의 주위 온도 드리프트(drift)를 나타낼 때 교정한다. 이 방법에 내재하는 부정확도는 많은 응용에서 받아들일 수 없을 것이다.
또한 상기 발명자에게 공지된 모든 선행 기술 NDIR 계기에 의해 제공되는 기체 샘플의 이산화탄소(및 다른 기체) 농도 측정은 다음과 같이, 사용된 신호 처리 기술에 내재하는 부정확성이 있다.
모든 공지의 선행 기술 NDIR 계기의 설계에 내재하는 부정확한 첫 번째 근원은 다음과 같이, CO2농도를 계산하기 위해 이런 계기들이 램버트의 법칙으로서 알려진 잘 확립된 식을 사용할 때 일어난다:
여기서:
I = 상기 검출기에서 측정된 빛 세기
I0= 상기 소스에서의 빛 세기
a = 흡수 계수
b = 경로 길이
c = CO2농도
요컨대, 본 발명자는 비단색원으로부터 적외선 복사의 흡수를 측정함으로써 이산화탄소 측정에 대개 이용되는 것과 같은, 램버트의 법칙을 직접 응용하는 것은 정확하지 않다고 판단하였다(다른 기체의 농도를 측정하기 위해 램버트의 법칙을 보통 사용하는데도 적용된다). 4.3 미크론 근처에서 중심이 되는 파장 대역에서 적외선 복사의 CO2에 의한 흡수는 불완전하기 때문에 상기 부정확성이 생긴다. 4.3 미크론이 중심이 되는 파장의 광대역폭을 흡수하기보다는, 이 응용의 도 7에 나타낸 것과 같이, CO2의 흡수 스펙트럼은 빗살형이다. 따라서, 보통의 백열 필라멘트 또는 다른 흑체 방사기에 의해 제공되는 광대역폭 적외선 복사의 실질적인 부분은 상기 CO2를 "누설"하고 상기 검출기를 가열한다. 상기 CO2를 결정하기 위한 보통의 계산은 상기 흡수가 상기 CO2농도의 간단한 함수라고 사실상 가정하므로, 상기 측정법은 부정확하다.
본 발명자에 의한 연구는 이 빛 "누설", 즉, CO2흡수 측정용으로 특별히 고안된 상업적으로 이용할 수 있는 간섭 필터의 통과 대역폭 이내에 있으나, CO2에 의해 흡수되지 않는 적외선 복사의 비율은, 상기 입사광의 90% 이상에서(최악 조건) 약 70%(최상 조건) 사이라는 것을 보여주었다. 그러므로, CO2농도에 관계 없이, 상기 검출기는 CO2에 의해 흡수된다고 가정된 대역에서 상당한 복사를 나타낼 것이다. 상기 신호가 어떤 식으로든지 보상되지 않으면, 상기 검출기의 출력은 상기 샘플에 실제로 존재하는 CO2를 언더리포트(underreport)할 것이다; 즉, 상기 "누설"은 CO2함량에 대한 보다 작은 정확한 값으로서 잘못 해석될 것이다. 대부분의 제조자들은 상기 계기에 의해 제공된 판독을 선형화하기 위해, 즉, 공지된 CO2함량의 샘플을 사용한 교정 측정에 대응하도록 상기 계기에 의해 제공된 측정을 보정하기 위해 실험적 보정을 한다. 하지만, 이 문제를 적당하고 정확하게 설명하기 위하여, 상기 언급한 편차를 설명하는 물리적 이론이 필요하다.
다음으로, 상업적으로 이용할 수 있는 CO2측정용 NDIR 계기에서 사용되는 간섭 필터는 일반적으로 상기 간섭 필터 상에 넓은 복사 입사각에 의해 일으켜진 필터 통과 대역폭에서 유효 주파수 변화를 고려하지 않는다. 금도금을 한 샘플 튜브를 통과하는 적외선 복사의 상당 부분은 상기 튜브의 내벽으로부터 되풀이해서 반사하여서 상기 튜브의 단부에 있는 필터 상에서 넓은 입사각을 나타낸다. 이 현상은 상기 필터의 통과 대역폭을 상기 CO2의 흡수 대역으로부터 멀리 이동시킴으로써, 상기 신호 대 잡음비를 감소시키는 효과가 있다.
현재 이용할 수 있는 NDIR 계기의 설계에 내재하는 잡음과 관련된 또 다른 문제점은 전형적으로 사용되는 신호 처리 회로 구성 요소에 대한 제한에 의해 사실상 요구되는 램프 구동 주파수의 선택에 있다. 더욱 상세하게는, 상기 전형적인 초전형 검출기의 주파수 응답은 약 .05hz에서 약 1hz까지 평탄한 피크(peak)인데, 그 이상에서는 6db/octave로 내려가는 반면에, 적외 방사원으로서 전형적으로 사용되는 극소형 램프의 방출 효율은 약 1hz에서 최고도에 달한다. 따라서, 최상의 신호 대 잡음비를 달성하기 위해 1hz 이하의 램프 변조 속도로 상기 계기를 작동시키는 것이 바람직할 것이다.
대표적인 선행 기술 고안에서, 상기 초전형 검출기로부터 수신된 AC 신호는 전파 정류되고 나서 평균을 내어 연속적인 출력이 된다. 이 종류의 회로에서, 정류된 AC 신호의 리플(ripple)을 받아들일 수 있는 수준까지 감소시키기 위하여 평균 시상수는 변조 주기의 5∼10배이어야 한다. 이 이유 때문에, 시상수가 약 1초인 출력을 생성하기 위하여 선행 기술 고안은 대표적으로 8 내지 10hz의 램프 변조 주파수를 사용한다. 이런 고안들이 (상기에서 언급한 바와 같이, 상기 램프 방출 효율을 최대화하는데 바람직한) 1hz에서 작동하면, 상기 계기는 약 10초의 받아들일 수 없을 정도로 긴 시상수를 요구할 것이다. 따라서, 그와 같은 계기는 신호 대 잡음비와 계기 응답 시간 사이에서 효과적으로 타협한다.
언급한 바와 같이, 전형적으로 사용되는 초전형 센서는 온도 변화율에 응답하는 출력 전압을 제공하는 압전 결정으로 구성된다. 상기 센서에 전해지는 주위 온도 변화는 상기 피변조 적외 방사원에 대한 응답 정확성에 영향을 미친다. 또한 전형적으로 사용되는 극소형 램프에 이르는 주위 온도 변동은 발산되는 복사 레벨의 변화를 일으킨다. 여러 가지 선행 기술 고안은 전형적으로 상기 램프를 상기 샘플 튜브의 기체 흐름에 직접 놓고, 심지어 어떤 고안은 초전형 센서를 상기 기체 흐름에 놓는다. 주위 온도 변동의 영향을 최소화하기 위해, 상기 램프와 검출기를 상기 기체 흐름으로부터 열적으로 격리하고, 양자에 대해 정확한 온도 제어를 하는 것이 바람직할 것이다.
특히 저비용 고안인, 대부분의 선행 기술 NDIR 계기는, 상기 램프에 대해 스위치붙이 단극 전원을 사용한다. 이것의 결과 텅스텐의 표면 이동에 의해 일으켜진, "DC 노칭(notching)"으로서 알려진 필라멘트 저하가 촉진되고, 필라멘트 모양의 왜곡은 일반적으로 시간에 따라 심해진다. 스펙트럼 출력과 상기 빛의 분포는 실질적으로 영향을 받아, 상기 검출기에 이르는 4.3 미크론 복사량은 변화하게 된다. 상기 램프 기술에 공지된 바와 같이, 상기 램프를 양극 전원으로 작동시키는 것은 텅스텐 이동 효과를 제거하고 훨씬 장시간 동안 상기 필라멘트의 원형을 유지한다.
전술한 바와 같이 현재의 NDIR 계기는 매우 많은 점에서 향상될 수 있다.
〈발명의 목적〉
따라서 본 발명의 목적은 상기 선행 기술의 여러 가지 결점을 극복하는데 있다; 더욱 상세하게는, 본 발명의 목적은 상기에서 설명한 값비싸지 않은 선행 기술 NDIR 계기보다 증가된 정확성과 더 큰 신뢰도와 긴 수명을 갖고, 정확성의 손실은 없으면서, 상기 더 값비싼 선행 기술 계기보다 더 작고, 간단하며, 비용이 많이 들지 않는 구조인 NDIR 계기를 제공하는데 있다.
본 발명의 더 명확한 목적은 CO2에 의한 4.3 미크론 적외선 복사 흡수에 의해 나타난 램버트의 법칙으로부터 편차 (및 다른 기체에 의해 나타난 유사한 편차)를 정확하게 설명하며, 광 누설과 관련하여 여러 가지 간섭 필터의 효능을 측정하여, 사용할 간섭 필터를 최적으로 선택하고, NDIR 계기를 적당하게 교정하여, 실험적 직선성 보정을 필요 없게 하기 위해 이 지식을 사용하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 샘플을 함유한 튜브를 따라 빛의 다중 반사가 상기 간섭 필터의 통과 대역폭을 효과적으로 이동시키는 정확한 간섭 필터를 결정하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 계기 응답 시간이 1초 이하이면서 1hz 이하의 변조 주파수를 사용하여, 상기 램프 및 초전형 검출기의 최대 출력을 이용함으로써, 상기 시스템 신호 대 잡음비를 증가시키는 신호 처리 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 잡음을 줄이고 판독 대 판독 반복도를 향상시키기 위하여, 상기 램프나 초전형 검출기의 주위 유도 온도 변동을 정확하게 보정하는 간단한, 소형 NDIR 셀 및 관련 있는 히터(heater) 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 램프 에이징(aging)을 최소화하기 위해, 상기 램프 구동용 양극 전원을 제공하고, 장기간 기선 드리프트(drift) 보상을 위해 이 양극 전원을 저비용 이중 빔 NDIR 계기 고안에 통합하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비흡수성 기체를 이용할 수 없는, 최적화 이중 빔 계기뿐만 아니라, 계기를 규칙적으로 "제로의 눈금에 맞추기" 위해 그와 같은 기체를 이용하는 것이 바람직한, 최적화 단일 셀 NDIR을 제공하고, 장기간 안정성을 보장하기 위한 다른 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에서 설명될 것이다.
〈발명의 요약〉
1. 정확한 흡수식의 유도
CO2에 의한 4.3 미크론 근처 파장의 적외선 복사 흡수는 도 7에 나타나 있다. 도 7은 NASA Reference Publication 108.4, Atlas of Absorption Lines from 0-17,900㎝-1에 제시된 표 데이터의 그래프를 나타낸다. 반전 빗살형 피크(peak)에서 볼 수 있는 바와 같이, CO2는 하나 이상의 피크(peak)를 포함하는 파장 범위에 걸쳐 복사를 연속적으로 흡수하지 않는다. 대부분의 CO2간섭 필터의 통과 대역폭은, 흡수 스펙트럼의 대부분이나 전부를 포함하는, 100㎚이상이므로, CO2농도에 관계 없이, 상기 필터를 통과하는 빛의 일부만이 실제로 CO2에 의해 흡수된다. CO2에 의해 흡수되지 않는 총 빛의 부분은 "누설" 광 L이라고 한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 램버트의 흡수 법칙
여기서:
I = 측정된 입사광 세기
I0= c = 0일 때, 측정된 입사광 세기
a = CO2의 흡수 계수
b = 광경로 길이
c = CO2의 농도
은 상기 흡수종에 의해 통과 대역폭을 가로질러 단색광 또는 상기 빛의 연속 흡수를 가정한다. 현재 NDIR 계기에 관하여 세부는 정확하지 않다. 광 누설 L을 포함하여 다시 쓰면, 상기 식은 다음과 같이 보정된다:
여기서 L = 광 누설 인자
첫 번째 항은 (CO2농도에 관계 없이) CO2에 의해 흡수되지 않는 입사광의 부분이고 두 번째 항은 실제로 흡수되는 부분이다.
상기에서 간결하게 언급한 바와 같이, 현재 이용할 수 있는 최소 비용 NDIR 계기는 전형적으로 오프셋 이득 단을 사용하는데, IR 세기에 응답하는 신호를 상수에서 빼고 나서 증폭한다. 이런 식으로 영과, 예를 들면, 상기 입사광 세기의 10% 사이의 감쇠는 영 대 풀 스케일 출력으로 맵(map)할 수 있다. 이런 종류의 시스템 출력은 차동 전압이다:
여기서:
V = 출력 전압
V0= c = 0일 때 출력 전압
K = 시스템 이득
이 방법의 주요 불리한 점은 상기 출력 차동 전압이 상기 입사광 세기, I0에 비례한다는 것이다. 따라서, 상기 램프가 자연히 노후하고 그 출력이 변화함에 따라, 상기 판독은 비례해서 변화하여, 실질적인 이득 오차를 생성한다. 두 번째 불리한 점은 상기 출력이 상기 시스템 이득 K에 비례하여, 상기 출력이 상기 이득 단의 구성 요소 에이징(aging)이나 온도 유도 변화에 따라 드리프트(drift)하게 된다는 것이다.
세 번째 불리한 점은 램프 에이징(aging) 및 상응하는 광 출력의 감소가 상기 계기의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 실질적으로 감소시킨다는 것이다. 예를 들면, 10% 감쇠가 풀 스케일 계기 출력과 같도록 오프셋 이득이 설정된다고 가정하라. 상기 램프 출력이 5% 만큼 감소하면, CO2가 존재하지 않을 때 상기 측정된 세기는 풀 스케일 값의 대략 1/2로 감소되어, 상기 다이내믹 레인지(dynamic range)의 반만을 이용할 수 있게 된다; 상기 램프 세기가 10%만큼 감소하면, 상기 계기는 작동하지 않을 것이다.
하지만, 이 오프셋 이득 방법을 사용함으로써, 상기 광 누설 인자 L은 단순한 이득 승수가 되고 실험적 이득 인자 K에 사실상 포함된다는 것이 흥미 있다. 상술한 바와 같이, 광 누설이 원인인 램버트 법칙의 불일치는 간단한 이득 조정에 의해 해결될 수 있기 때문에, 상기에서 언급한 바와 같은 아주 중대한 결점에도 불구하고, 이 오프셋 이득 방법은 현재 저비용 NDIR에서 거의 보편적으로 인정되었다. 실제로는, 상기 불일치를 상세하게 이해하지 않고, 그것이 존재한다는 분명한 인식 없이 램버트의 법칙에서 불일치를 해결한다.
대조적으로, 이하에서 상술하는 바와 같이, 본 발명의 신호 처리 회로의 출력은 오프셋 없이 검출된 적외선 세기에 정비례하는 16 비트 디지털 값이다, 즉 상기 검출 회로는 I = I0일 때 풀 스케일 출력을 제공한다. 본 발명의 이 중요한 점에 의하면, 검출된 세기의 10% 변화는 상기 계기의 측정 전범위에 걸쳐 12 비트 이상 해상도로 측정될 수 있다. 따라서, 상기 램프 세기가 50% 만큼 감소될지라도, 상기 계기는 전 다이내믹 레인지로 정확하게 계속 작동할 것이다.
이 경우에, 상기 출력은 수의 비이다:
여기서:
N = 출력
N0= c = 0일 때 출력
상기 출력비는 시스템 이득 또는 램프 세기와 무관하다. 그것은 CO2본래의 흡수 특성에 대한 함수이고 따라서 상수인 광 누설 인자 L에만 의존한다. 교정 동안 이 광 누설 인자 L을 결정하기 위한 수학적 방법은 이하에 기술된다. 또한 이 발명을 전개하는 동안 결정된 L을 정확하게 이해하는 것은 여러 가지 간섭 필터 고안의 유효성, 예를 들면, CO2흡수 스펙트럼과 상기 필터를 더 잘 매치시키는 더 낮은 L 값을 평가하기 위한 정량적인 방법을 제공한다.
2. 간섭 필터의 선택
상기 샘플 기체를 함유한 튜브의 하나의 단부에서 램프에 의해 발산된 빛의 상당 부분은 상기 검출기에 입사하기 전에 상기 샘플 튜브의 내벽으로부터 여러 번 반사할 것이다; 실제로는, 반사율을 증가시켜서 상기 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 NDIR 계기의 샘플 튜브의 내벽은 흔히 금도금을 하고, 본 발명에 의해서도 바람직하다. 내경이 1/4 인치인 샘플 튜브의 길이가 2 인치라고 가정하고, 엘텍 모델(Eltec Model) 406 초전형 검출기를 사용하면, 상기 광에너지 전달 함수는 5-6 반사를 포함한 광경로에 대응하는 날카로운 피크(peak)를 나타낸 결과, 평균 입사각은 약 30도이다.
상기 간섭 필터의 성질 때문에, 그 통과 대역폭은 상기 입사각에 따라 이동한다. 상기 간섭 필터의 통과 대역폭은 전형적으로 입사각 영도로 지정된다; 그와 같이 지정된 통과 대역폭은 입사각이 30도일 때 약 70㎚ 아래쪽으로 이동한다. 따라서, 상기에서 언급한 엘텍(Eltec) -113 필터와 같은, 상기 CO2흡수 패턴의 주요 "혹"을 통과하도록 4.3 미크론 근처에서 중심이 되는 필터의 통과 대역폭은 금 튜브의 단부에 놓을 때 실질적으로 중심 아래로 이동하고, 광 누설과 관련하여 효율적이지 않을 것이다. 본 발명자의 연구에 의한 최적 고안은 수직 입사각 통과 대역폭이 상부 주요 흡수 혹을 포함한 근처에서 중심이 되어서, 입사각이 증가함에 따라 총 통과 대역폭이 상부 및 하부 흡수 혹을 포함해 이동되도록 하는 필터를 포함하는 것이다.
3. 최적 검출기 및 램프 구동 회로 구성 요소
본 발명에 의한 계기 회로의 주요 구성 요소는 모든 제어와 신호 처리를 수행하는 마이크로프로세서, 상기 램프를 고정 주파수, 예를 들면 1hz에서 플래쉬하는 프로그램 가능 정전류 바이폴러 램프 드라이버, 초전형 증폭기 뒤에 이중 동기식 정류기(각 극성에 대하여 하나), 및 이중 동기식 쌍경사 A-D 변환기이다.
작동시, 상기 마이크로프로세서는 '온' 전류와 더 낮은 '유휴' 전류 사이에서 상기 램프 전류원에 스위치를 넣는 '램프 구동'이라고 불리는 정확한 1hz 구형파 신호를 생성하는데, 상기 유휴 전류는 상기 필라멘트를 단지 따뜻하게 해 두도록 선택하여서, 상기 램프 수명을 연장한다. 그 외에, 상기 마이크로프로세서는 상기 램프를 통한 전류의 방향을 바꾸는 램프 주파수의 1/2에서 램프 극성 제어 신호를 일으킨다. 이것은 상기 필라멘트 상에서 텅스텐의 표면 이동을 막기 위해 상기 램프의 평균 DC 전압을 영 볼트에 두는데 도움이 된다.
상기 마이크로프로세서에 의해 제공되고 '싱크(Sync)'라고 불리는 세 번째 타이밍 신호는 상기 AC 초전형 입력 증폭기 출력 상의 이중 동기식 정류기를 켜서 각 극성의 AC 초전형 신호의 적분 반사이클을 생성한다. 이 싱크(Sync) 신호는 상기 램프 및 초전형 검출기와 관련된 시간 지연, 전형적으로 대략 400㎳를 정확하게 조정하도록 지연된 램프 구동 신호이다. 상기 마이크로프로세서는 상기 램프 구동 신호와 관련하여 상기 초전형 신호의 제로 교차를 측정하는 동안 상기 계기 작동의 '동기' 단계 중에 이 지연을 자동적으로 결정한다.
따라서 두 동기식 검출기 각각은 (반파 정류기에 의해 생성되는 출력과 유사한) 한 극성의 반사이클을 포함한 출력 신호를 생성하는데, 상기 두 출력은 180도 분리된다. 상기 양의 반사이클은 그것을 커패시터에 통합하고 나서, 다음 양의 반사이클을 기다리는 동안 상기 커패시터를 교대로 분리하는 제1 쌍경사 A/D 변환기에 들어간다. 상기 커패시터가 영으로 다시 선형 분리하는데 필요한 시간은 상기 양의 반사이클 동안 신호의 적분에 비례한다. 이 시간은 16 비트 디지털 타이머를 사용해 측정되어서, 상기 적분된 세기 신호의 아날로그-디지털 변환을 제공한다. 상기 음의 반사이클은 먼저 반전되고 나서 제2 쌍경사 A/D 변환기를 통하여 동일하게 프로세스된다. 이런 식으로, 상기 동기식 이중 A/D 변환기 각각은 반사이클마다 16 비트 정수 값을 제공한다. 실제에 있어서는, 상기 초전형 검출기의 AC 신호 기선에 영향을 미치는 느린 변화는 상기 출력을 두 연속적인 반사이클의 평균, 즉, 완전사이클의 적분으로 정함으로써 보상될 수 있다.
NDIR 계기를 CO2농도 측정에 전형적으로 이용할 때, 대략 몇 분 지속될지도 모르는 실험에서 생성된 CO2의 전체 양을 측정하기를 대개 바란다. 본질적으로, 이 기간 동안 계속될지도 모르는 흡수 피크(peak)를 적분함으로써 이것을 한다. 선행 기술 NDIR 계기는 상기 AC 초전형 신호를 일반적으로 전파 정류하고 나서 그것의 평균을 내어 상기 IR 세기에 직접 그리고 상기 평균 CO2농도에 간접 응답하는 서서히 변화하는 DC 신호를 생성한다. 전형적으로 대략 몇 초인, 필터 시상수는, 상기 리플(ripple)을 상기 계기의 최대 해상도 이하에 두도록 선택된다. 폭이, 예를 들면, 1초인 시간적 피크(peak) 아래 면적을 적분하는데 그와 같은 장치를 이용하면, 상기 필터링에 의해 생성된 지체량은 상기 적분의 정확성에 불리한 영향을 미칠 것이다. 하지만, 본 발명에 의한 계기는 각 반 사이클 동안 상기 신호의 실제 적분을 내고 필터링에 의해 도입된 지체량을 받기 어렵다. 상기 적분이 반사이클의 정수로 정해지는 총 시간을 제어함으로써, 정확한 결과를 즉시 받을 수 있다.
4. 셀 기계식 고안
물의 총 유기 탄소 함량(TOC)을 측정하기 위한 계기에 사용되는 것과 같이, 각 CO2측정 전에 질소 기선 측정을 실시하여서, 본 발명에 의한 NDIR 계기를 교정하는 것이 편리하다; 따라서 상기 출력 "영점" 또는 "오프셋" 값의 장기간 드리프트(drift)는 걱정하지 않아도 된다. 이 경우에, 단일 빔 계기가 바람직하다. 전반적인 TOC 계기에 대한 주요 파라미터는 최대 이득 안정성 및 최대 판독 대 판독 반복도이었다; 상기 질소 기선 측정법을 사용하는 것은 아주 우수한 장기간 안정성을 준다.
상기 기선이 덜 자주 교정되는, 다른 응용에서, 극소형 백열등의 자연스러운 에이징(aging) 과정을 보상하기 위한 램프 변화를 보정하는 이중 빔 고안이 바람직하다.
a. 단일 빔 셀
본 발명에 의한 셀 고안은 하나의 단부에 수직으로 배치되고 사파이어 윈도에 의해 기체 흐름으로부터 격리된 램프와, 길이가 2 인치이고, 내경이 0.25 인치이며, 내면이 금도금된 샘플 튜브로 구성된다. 상기 후반구 복사를 상기 튜브 아래로 돌리는 표면 구면 거울은 상기 램프 뒤에 있다. 상기 램프 기저는 알루미늄이나 황동 램프단 하우징에 용접되고 상기 체임버(chamber)는 밀폐되어, 열펌핑과 그에 따르는 상기 램프 체임버(chamber) 안팎으로 기체 교환을 막고 상기 체임버(chamber) 내부로 흡수를 일정하게 둔다. 전력용 트랜지스터는 전열체로서 쓸 수 있는 램프 체임버(chamber)와 열접촉을 많이 하고, 서미스터는 상기 램프단 하우징 안의 작은 구멍에 놓여, 직접적인 열접촉을 보장한다. 상기 서미스터에 의해 감지된 온도는, 고이득, 동조 서보 회로에 전력을 공급하여 상기 히터(heater)를 구동시키고 상기 온도를 일정하게 유지한다.
상기 샘플 튜브의 다른 단부에서, 초전형 검출기는 실리콘 윈도 뒤 기체 흐름으로부터 격리된다. 상기 실리콘 윈도는 가시 광선을 전하지 않아서 상기 입구/출구 포트를 통하여 상기 샘플 튜브에 들어올 수 있는 가시 광선을 저지하는데 도움이 된다. 상기 검출기 및 윈도는 검출기단 하우징에 포함되고, 알루미늄이나 황동으로 제조되며 주위로부터 밀폐된다. 유사한 전열체, 서미스터, 및 서보 회로는 상기 계기의 검출기 단부에서 일정한 온도를 다른 데와 관계없이 유지하는데 도움이 된다. 상기 초전형 검출기는 상기 검출기 결정 앞에 배치된 윈도로서 쓸 수 있는 적당히 선택된 간섭 필터와 패키지된다.
상기 전체 어셈블리는 그것을 열 환경으로부터 격리하기 위해 폐쇄 셀 폼(foam)에서 피복된다. 상기 램프 자체는 실질적인 열원이므로, 두 독립적인 온도 제어 장치를 사용하는 것은 최적 온도 안정성을 유지하고 따라서 계기 잡음을 줄인다.
b. 이중 빔 셀
상기에서 언급한 바와 같이, 질소 기체를 정규, 자동 교정에 이용할 수 있는 응용에서, 램프 에이징(aging) 때문에 서서히 변화하는 드리프트(drift)는 제거될 수 있고, 상기 성능 제한은 잡음이다. 최소 잡음 수준은 상기 초전형 검출기에서 열잡음이 원인이기 때문에, 단일 빔 고안에서 단일 초전형 검출기를 사용하는 것은 가장 우수한 성능을 준다. 하지만, 교정이 이따금 실시될 수 있는 응용에서, 램프 에이징(aging)이 원인인 드리프트(drift)는 열잡음보다 일반적으로 더 큰 부정확성의 근원이 된다. 이 이유 때문에, 상기 램프 출력을 안정시키기 위해 상기 램프 단부에 부가적인 초전형 검출기를 제공하는 것이 유리하다.
본 발명에 의한 "이중 빔" 계기 고안에서, 제2 초전형 검출기는 상기에서 설명한 바와 같은 단일 빔 고안에서의 거울을 대체한다. 사파이어 윈도 및 실리콘 윈도는 상기 램프와 상기 제2 초전형 검출기 사이에 배치되어서, 양 검출기들은 광학적으로 동일한 경로를 통하여 상기 소스를 "본다". 튜브쪽을 향한 사파이어 윈도와 후방쪽을 향한 사파이어 윈도 사이에 있는, 램프를 포함한 공간은, 주위로부터 밀폐되어, 상기 주위와 기체 교환을 막는다. 상기 램프와 상기 개개의 윈도 사이의 광경로는, 대략 .05 인치 이하 정도로, 둘다 매우 짧고 상기 체임버(chamber)는 압력 밀폐되므로, 상기 흡수는 낮고, 더 의미 있고 정확하게는 일정하다.
상기 램프단 초전형 검출기 및 상기 램프는 상기 유휴, 즉 따뜻하게 해 두는, 전류를 일정하게 두는 반면에 상기 램프의 온 전류만을 변조함으로써 입사하는 4.3 미크론 복사를 일정하게 유지하는 신규한 서보 회로의 부분이다. 양 초전형 센서는 동일한 필터링, 사파이어 그리고 나서 실리콘을 통하여 같은 필라멘트를 보므로, 상기 서보 회로는 상기 샘플 튜브 안으로 4.3 미크론 복사 세기가 일정하도록 보장한다. 이런 식으로, 상기 이중 빔 고안은 주기적인 교정만으로 램프 에이징(aging)에 대한 보상 및 장기간 안정성을 제공한다. 이 고안의 잡음 플로어(floor)는 제2 초전형 검출기의 부가 때문에 상기 단일 셀 고안의 적어도 2의 제곱근 배이지만, 실제에 있어서는 상기 램프에서 국부 온도 변동이 원인인 잡음이 더 중요하다.
본 발명의 다른 측면과 이점은 이하에서 설명될 것이다.
본 발명은 비분산 적외선(NDIR) 측정용 개량 계기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 기체 샘플에 의한 적외선 복사 흡수의 NDIR 측정용 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 첨부한 도면을 참고하면 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 단일 셀 실시예에서 본 발명의 NDIR 셀의 횡단면도, 및 관련 있는 시스템 구성 요소와의 연결부.
도 1a는 이중 빔 실시예에서, 도 1의 셀 일단의 대체적인 구조도.
도 2는 도 1a의 셀의 말단도.
도 3은 상기 셀을 일정한 온도에 유지하기 위해 제공된 서보 회로 구성 요소의 블록 다이어그램.
도 4는 바람직한 램프 구동 회로의 블록 다이어그램.
도 5는 상기 샘플 셀과 나란히 놓인 초전형 검출기로부터 신호를 처리하기 위해 제공된 신호 처리 및 분석 회로 구성 요소의 블록 다이어그램.
도 6은 특히 상기 신호 처리 회로 구성 요소의 디지털 실시예에서, 본 발명의 계기 작동을 이해하는데 유용한 몇 개의 신호를 시간의 함수로서 도시한, 다수의 파형을 포함한 타이밍 차트.
도 7은 이산화탄소에 의한 4.3 미크론 근처 파장의 적외선 복사 흡수 다이어그램.
기본 설계 고려 사항
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 NDIR 셀은 물의 유기 탄소 함량 측정용 계기에 사용될 수 있는데, 이산화탄소는 상기 물 속에 있는 유기 탄소의 산화에 의해 발생된다. 상기 이산화탄소는 액체/기체 분리기 셀에서 상기 물 샘플로부터 제거되는데, 상기 CO2는 공지 조성의 캐리어 가스, 전형적으로 순수한 질소와 혼합된다. 그래서 본 발명의 NDIR 계기는 상기 혼합 기체 샘플에 의해 적외선 복사의 흡수를 측정하는데 사용되어서, 상기 혼합 기체 샘플의 CO2함량 및 상기 물 샘플의 유기 탄소 함량을 결정한다.
NDIR 셀은 일반적으로 매우 잘 알려져 있다. 그것의 기본 원리는 특정 파장의 적외선 복사가 어떤 기체에 의해 선택적으로 흡수되고 다른 기체에 의해서는 전혀 흡수되지 않는다는 것이다. 여기에 설명한 예에서, 상기한 바와 같이, 상기 계기는 질소의 흐름에서 이산화탄소의 농도 측정용으로 최적화된다; 4.3 미크론에서 중심이 되는 대역에서 파장의 적외선 복사는 이산화탄소에 의해 선택적으로 흡수된다, 그러나 질소는 이 대역에서 적외선 복사를 투과시킨다. 이 경우에서와 같이, 편리하다면, 이따금 상기 NDIR 계기를 "제로의 눈금에 맞추기" 위하여 순수한 질소를 제공하는 것이 유용하다; 그때 본 발명의 계기의 "단일 셀" 실시예는 만족스럽다.
하지만, 본 발명의 계기는 CO2외 기체의 NDIR 측정용, 및 많은 그 밖의 응용으로 쉽게 개조될 수 있다. 예를 들면, CO2, CO(일산화탄소), 연소되지 않은 탄화수소 및 자동차 배기 방출물의 다른 성분을 측정하는데 사용되면, 상기 계기의 응답을 주기적으로 제로의 눈금에 맞추기 위해 순수한 질소를 제공하는 것이 대개 편리할 것이어서, 본 발명의 계기의 "단일 셀" 실시예는 만족스럽다. 그 사용에서, 상이한 간섭 필터는 회전 휠(wheel), 슬라이딩 셔터(sliding shutter), 또는 유사한 배치 상에 제공되어, 단일 검출기가 상이한 배기 성분의 농도를 측정하는데 사용되게 한다. 상기에서 설명한 파사로(Passaro) 특허를 참조해라.
비교하여 보면, 본 발명이 세계 각지에서 대기 중 CO2농도를 측정하기 위해 최적화된 NDIR 검출기에 이용되어, 예를 들면, 1개월 간격으로 질소 공급을 대체하는 것이 편리하지 않다면, 상기 계기는 이중 빔 실시예에 바람직하게 구성될 수도 있는데, 제2 검출기는 상기 램프 출력이 장기간에 걸쳐 일정하도록 제어하기 위해 서보 루프에 제공된다.
상기에서 언급한 바와 같이, 전형적인 NDIR 계기에서, 4.3 미크론 파장 적외선 복사를 발산하는 피변조 소스는 이산화탄소를 함유한 기체 샘플로 채워진 튜브 또는 다른 체임버(chamber)의 하나의 단부에 배치된다. 상기 튜브의 대향 단부에 있는 적외선에 민감한 검출기는 상기 튜브의 이산화탄소 양에 반비례하는 신호를 제공한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 여기에 설명한 발명의 단일 빔 실시예에서, 상기 튜브는 먼저 순수한 질소로 채워지는데, 상기 순수한 질소는 적외선 복사를 흡수하지 않는다. 상기 램프로부터 감쇠되지 않은 적외선 복사가 상기 검출기에 이를 때 먼저 상기 검출기로부터 신호를 측정한다. 그리고 나서 이 "영점" 값은 상기 튜브가 이산화탄소와 혼합된 질소로 구성된 샘플로 채워질 때 기록된 그 뒤의 유사한 신호와 비교된다. 상기 차이 값은 상기 기체 혼합물에 존재하는 이산화탄소의 양에 비례한다.
CO2(및 여러 가지 다른 기체들)에 의한 적외선 복사의 흡수는 램버트의 법칙으로서 알려진(또한 때로는 비어의 법칙으로서 알려진) 지수 함수에 의해, 다음과 같이, 대략 설명된다:
여기서:
I = 상기 샘플을 통과하는 복사의 세기
I0= 상기 샘플에 입사하는 복사의 세기
a = (각 기체에 대하여 일정한) 흡수 계수
b = 경로 길이
c = 상기 샘플에서 흡수성 기체의 농도
램버트 법칙의 보정된 형태는 광 누설에 대한 교정 및 보상이라는 표제로 이하에서 설명된다. 상기 식의 지수 형태는 다음 설명에 일반적으로 적용할 수 있다.
NDIR 셀에 흔히 사용되는 검출기는 초전형 검출기이다; 그와 같은 검출기로부터 출력 신호는 상기 검출기 온도의 변화율에 비례하는 전압이다. 예를 들면, 이산화탄소를 함유한 기체 혼합물로 채워진 튜브를 따라 적외선 복사를 단순히 돌리는 것은 열평형 후에 상기 검출기로부터 영신호를 생성할 것이다. 따라서, 상기에서 설명한 바와 같이, 통상적으로 상기 복사 경로에 기계식 초퍼에 의해, 또는 정규 구동 신호를 상기 램프에 가하여, 상기 셀의 기체에 입사하는 복사를 변조함으로써 상기 검출기에 구형파 구동 신호를 제공한다. 그때 상기 초전형 검출기의 온도는 상기 기체에 복사를 가하는 것과 동기하여 변화한다. 상기 검출기에 의해 생성된 시변, 거의 정현 AC 신호는 정류되고 필터되어 상기 셀 기체에 의한 이산화탄소의 흡수량에 반비례하는 DC 신호를 제공한다. 예를 들면, 상기에서 설명한 파사로(Passaro) 특허를 참조한다.
여러 가지 현재 이용할 수 있는 NDIR 검출기는 상기 램프 구동 신호로 대략 3∼10㎐의 주파수를 사용한다. 사용되는 주파수가 낮을수록, 상기 초전형 검출기로부터 출력 신호는 커진다. 상기 검출기는 상기 램프 세기의 구형파 변조에 대해 순간 응답을 제공하지 않기 때문에 이 반응이 나타난다; 더욱 상세하게는, 상기 검출기의 응답은 상기 입사 복사 세기의 구형파 변화에 응답하여 일반적으로 사인 식으로 변화한다. 더욱이, 상기 램프 구동 신호가 "저" (또는 영점) 및 "고" 레벨 사이에서 전자 변조되면, 전류가 가해짐에 따라 상기 램프 필라멘트는 점차 뜨거워져서, 상기 방출 복사의 세기 및 파장은 상기 구형파의 "온" 기간 동안 변화한다. 따라서, 비교적 저주파수 구동 신호가 사용되면, 상기 검출기는 비례하여 더 뜨거워지고 실질적으로 보다 높은 출력을 생성할 것이다. 따라서 이것은 상기 초전형 검출기의 출력에서 상기 신호 대 잡음비를 증가시키는데, 이외의 모든 것은 같다. 실제로는, 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 검출기 신호의 신호 대 잡음비의 향상과 관련하여 최적 램프 구동 주파수는 1㎐ 이하이다.
상기에서 언급한 바와 같이, 상기 초전형 검출기의 출력 신호는 전형적으로 정류 및 필터되거나, 시간에 걸쳐 수학적 방법으로 평균을 내어, DC 신호를 생성한다. 상기 램프 구동 주파수가 낮을수록, 상기 신호를 필터링하거나 평균을 내는데 필요한 시간은 길어진다; 따라서, 상기 램프 구동 주파수를 줄이는 것은 상기 계기의 응답 시간을 길게 한다. 선행 기술 NDIR 계기는 보통 1㎐보다 높은 주파수를 사용하여서, 신호 대 잡음비를 줄이는 것은 아마도 이 이유 때문이다. 이하에서 상세하게 설명되는, 본 발명의 일측면에 의하면, 아주 낮은 주파수, 대표적으로 1㎐, 램프 구동 신호가 사용되어, 상기 검출기 신호의 신호 대 잡음비를 최대화한다. 그때 이 신호는 상기 램프 구동 회로의 각 반사이클에 걸쳐 적분되어서, 필터링 필요 없이 상기 출력 신호의 리플(ripple)을 실질적으로 제거하고, 빠른 계기 응답을 제공한다.
NDIR 계기의 적당한 설계와 관련이 있는 또 다른 고려 사항은 다음과 같다. 전형적인 백열등은 양의 온도 계수를 가지는데, 상기 필라멘트 저항은 온도에 따라 올라간다. 따라서, 영과 일정한 전압 사이에서 변화하는 구형파 구동 신호를 백열등에 가하면, 전력이 처음에 가해질 때 상기 차가운 필라멘트는 최대 전류를 인입할 것이다. 이 높은 "돌입" 전류는 램프 수명을 상당히 감소시킨다. 상기 램프를 구동시키는데 정전류 전원을 사용하여, 상기 돌입 전류를 피하는 것으로 알려져 있다. 또한 "저" 및 "고" 레벨 사이에서 상기 구동 전류를 변화시켜서, 상기 필라멘트는 완전히 식지 않는 것으로 알려져 있다. 양 수단은 본 발명의 구현에 바람직하게 채택된다. 하지만, 본 발명의 "이중 빔" 실시예에서, 가해진 "고" 레벨은 제2 초전형 검출기를 포함한 서보 루프에 의해 제어되어, 상기 램프에 의해 발산된 복사 세기를 일정하게 유지한다. 신규하다고 생각되는 이 특징은, 특히 공지 농도의 기체 공급에 의해 상기 계기를 되풀이하여 교정하는 것이 편리하지 않은 상황에서, 제공된 측정법의 궁극적인 정확성을 상당히 향상시킨다.
또 다른 설계 고려 사항은 외부 온도에 대한 상기 초전형 검출기의 극도의 민감도이다. 분명히 상기 주위로 인한 냉각량이나 가열량은 상기 측정 정확성에 불리한 영향을 미칠 것이다. 따라서, 상기 계기 설계의 중요한 측면은 상기 초전형 검출기의 온도가 적외선 복사의 입사에 응답하여서만 변하는 것을 보장하는 것이다.
기계적 고안 및 온도 제어
도 1은 본 발명의 계기의 "단일 빔" 실시예의 샘플 셀(22)의 횡단면도를 나타내는데, 단일 초전형 검출기가 제공된다; 상기 계기는 상기 셀에 비흡수성 기체로 제공된 신호를 CO2함유 샘플로 제공된 신호와 비교함으로써 되풀이하여 "제로의 눈금을 맞춘다. "이중 빔" 실시예에서, 제2 검출기가 제공되고, 상기 램프를 시간에 따라 일정하게 유지하는데 사용된다. 이런 두 방법들 간의 차이점, 및 비교에 의한 이점들이 이하에서 설명된다. 도 1(a)는 상기 "이중 빔" 실시예를 구현하도록 변형된 셀 일단의 대체적인 구성을 나타낸다. 도 2는 도 1(a) 실시예의 말단도를 나타내는데, 이하에서 상세하게 설명되는 램프 구동, 히터 서보, 및 신호 처리 회로의 여러 가지 구성 요소를 구비한 회로 기판(12 및 14) 사이에 상기 셀(22)을 올려놓은 것을 도시한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 계기는 다양한 기체 샘플의 NDIR 측정용으로 사용될 수 있으나, 기체 혼합물의 이산화탄소 함량을 측정하도록 의도한 실시예를 여기서 개시한다. 상기 바람직한 단일 셀 실시예에서, 상기 계기는 분석할 기체 혼합물 및 비흡수성 "블랭킹(blanking)" 기체, 예를 들면, 질소를 통하여 적외선 복사의 투과를 측정하다가, 상기 샘플 기체를 통과하는 복사 세기를 측정하는데 사용되는 검출기에서 드리프트(drift)를 검파함으로써 상기 계기를 제로의 눈금에 맞추도록 교대로 작동된다.
도 1에 일반적으로 나타낸 바와 같이, 이런 흡기 및 배기는 마이크로프로세서("μP"(21))의 제어 하에서 밸브(18 및 20)에 의해 제어되는데, 다수의 부가적인 기능들은 이하에서 더 설명된다. 본 발명의 특정 구현에 따라, 언급한 마이크로프로세서(들)는, 예를 들면, 일련의 샘플들을 제공하는 부속 장치로 구성된 시스템 레벨 컨트롤러이거나, 상기 NDIR 자체로 구성된 하나 이상의 별개의 마이크로프로세서로 구성되어, 시스템 레벨 컨트롤러가 낸 시스템 명령에 응답하여 차례로 작동할 수 있다.
분석할 기체 샘플 (또는 상기 계기를 제로의 눈금에 맞추기 위한, 순수한 질소 샘플)은 입구 피팅(24)을 거쳐 샘플 셀(22)의 내부에 들어가고 출구 피팅(26)을 거쳐서 거기서부터 나간다. 샘플 셀(22)은 원통형 구멍을 구비하고, 샘플 체적을 한정하는, 열전도성 금속, 예를 들면, 황동의 고체 블록으로 구성될 수 있다. 전형적인 셀 크기는 길이가 2 인치, 내경이 0.25 인치이다. 상기 구멍의 내면은 금과 같은, 적외선 반사 물질로 도금될 수 있다. 밸브(20)는 상기 측정 중에 보통 열려 있으며, (대략 1 분까지) 시간 동안 일련의 CO2농도를 측정하고 적분하여, 예를 들면 특정 시험에서 발생한 CO2의 총량을 구한다. 하지만, 특히 낮은 이산화탄소 농도의 혼합물 측정에서, 기체 샘플을 셀(22)에 정지 상태로 유지하기 위해 밸브(20)를 닫는 것도 본 발명의 범위 내이다. 이 관행은 상기 기체가 상기 측정 중에 유출하면 일어나는 온도 또는 밀도 변동을 제거한다.
나타낸 바와 같이, 극소형 백열등(28)은 셀(22)의 하나의 단부에 배치된 하우징(40)에 수직으로 놓이고, 초전형 검출기 셀(32)은 셀(22)의 대향 단부에 배치된 하우징(44)에 놓인다. 금도금을 한 구면 오목 거울(31)은 상기 샘플 셀(22)의 기체에 입사하는 복사의 세기를 증가시키기 위해 제공된다. 램프(28)는 에폭시 수지 접착제에 의해 하우징(40) 내부에 밀폐되어, 실드 체임버(sealed chamber)를 형성한다.
셀(22)의 기체는 제1 윈도(34)에 의해 램프(28) 및 제2 윈도(36)에 의해 검출기(32)로부터 격리되어, 셀(22)과 각 하우징 사이에 O 링(46)에 의해 밀폐된다. 윈도(34)는 사파이어와 같은, 적외선 및 가시 방사를 투과하는 물질로 될 수 있다; 윈도(36)는 게르마늄이나 실리콘과 같은, 적외선 복사를 투과하나 가시 방사를 아주 잘 흡수하는 물질로 될 수 있다. 또한 입사하는 가시 방사가 상기 초전형 검출기의 온도를 높인 한 원인이고, 바람직하게 사용된 저비용 백열등에 의해 발산된 광스펙트럼 복사가 적외선의 대략 1000 배를 포함하므로, 그와 같은 가시 흡수 윈도는 상기 기체 입구 및 출구관을 통하여 상기 셀의 안으로 들어갈 수 있는 주위 빛을 걸러서 제거할 뿐만 아니라, 상기 검출기에 입사하는 적외선 복사만을 제한하는데 아주 바람직하다. 상기 램프에서 사파이어 윈도는, 예를 들면, 상기 기체 공급관으로 광 누설 관찰에 의해 작동을 점검하게 한다.
도 1(a)의 "이중 빔" 계기에서, 동일한 제2 검출기(30)가 제공되는데, 하우징(42)에 배치된다. (하우징(42)은 도 1 실시예에서 변형을 하지 않고 사용될 수 있다.) 검출기(30)는 도시한 바와 같이 검출기(32)의 맞은편에 배치될 필요가 없으나, 가장 조밀한 배열을 나타낸다. 윈도(38 및 39)는 램프(28)와 검출기(30) 사이에 제공된다; 윈도(38)는 사파이어인데, 윈도(34)와 같이, 가시 및 적외선 복사를 투과하지만, 윈도(39)는 윈도(36)와 같은 가시 흡수, 적외선 투과 게르마늄 또는 실리콘 물질로 될 수 있어, 상기 경로는 광학적으로 동일하도록 한다.
상기 초전형 검출기(들)(32 및 30) 각각은, 4.3 미크론에서 중심이 되는 범위의 적외선 복사를 투과하나 다른 빛을 실질적으로 흡수하는, 초전형 요소(49)와 간섭 필터(50)를 포함하는 밀폐 "캔"(48)으로 구성된다. 적당한 초전형 검출기는 모델 -43 간섭 필터를 설비한, 엘텍 인스트루먼츠(Eltec Instruments)의 모델 제 406 호를 포함하지만, 램프(28)는 길웨이(Gilway) 모델 4115-2A 램프일 수 있다. 검출기(30 및 32)는 O 링(52)에 의해 각각 하우징(42 및 44)의 들어간 부분의 내부 중심에 놓인다.
상기 간섭 필터의 선택은 중요하다. 상기 램프로부터 빛은 상기 셀을 따라 나아가, 상기 내벽면으로부터 반사한다. 반사의 수에 따라, 상기 빛은 실질적인 입사각으로 상기 검출기에 도달할 수 있다. 이것은 상기 간섭 필터의 통과 대역폭을 아래쪽으로, 30°의 입사각에서 약 70㎚만큼, 이동시키는 효과가 있다. 따라서, 상기 간섭 필터는 이 "이동된" 복사를 받아들일 만큼 넓은 통과 대역폭을 갖도록 선택해야 한다; 상기에서 언급한, 엘텍 인스트루먼츠(Eltec Instruments)의 모델 -43은 상기에서 설명한 계기로 CO2에 의한 4.3 미크론 근처 범위의 적외선 복사의 흡수 측정용으로 만족스럽다.
상기에서 언급한 바와 같이, 상기 전체 계기, 및 상기 기체 샘플과 검출기(들)는 특히, 일정한 온도에 유지되는 것이 정확한 측정에 중요하다. 이 목적을 위해, 상기 전체 계기는 그것을 상기 주위 대기로부터 격리하기 위하여 폐쇄 셀 폼(70)(도 2)에 넣는다. 셀(22), 및 하우징(40, 42, 및 44)은 모두 대단한 열전도성 재료로 제조된다. 셀(22)은 황동일 수 있고, 상기 하우징(40, 42, 및 44)은 알루미늄으로 될 수 있다. 이런 요소들은 제조 및 조립되어서 서로 열전도를 잘 한다. 마찬가지로, 검출기(30 및 32)는 상응하는 O 링(46)에 의해 검출기(30 및 32)와 각 하우징(42 및 44) 사이에 낀, 열전도성, 전기적 절연 재료의 스페이서(54)를 향하게 되어, 상기 검출기의 온도 안정성을 보장한다. 각 검출기의 세 도체(56)는 상기 스페이서(spacer) 및 각 하우징에서 개구(開口)를 통과한다; 상기 검출기는 도체(56) 근처에 배치된 열전도성, 전기적 절연 에폭시 수지에 의해 하우징에 죌 수 있다.
전체 어셈블리의 온도 제어는 두 동일 히터 서보 회로에 의해 제공되는데, 그 하나가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 각 서보 회로는 온도에 따라 변하는 저항인, 서미스터(60) 및 프리셋(preset) 온도에 상기 서미스터를 유지하기 위해 상기 서보 회로에 의해 구동되는 전력용 트랜지스터(62)를 포함한다. 도 1(a) 어셈블리의 "단측" 단을 도시한(단일 및 이중 빔 실시예에서, "장측"은 본질적으로 동일함), 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 서미스터(60)는 하우징(42) 우물에 놓이지만, 상기 전력용 트랜지스터(62)는 하우징(42)에 바로 죈다. 상기 서미스터(60)는 매사추세츠(Massachusetts), 쉬루즈베리(Shrewsburry)의, 베타섬(Betatherm)의 모델 10K3MCD1일 수 있다; 이 서미스터는 매우 작아서 응답 시간이 빨라, 상기 히터 서보 루프에서 고이득이 사용되게 한다. 설치 블록(42, 44)과 양호하게 열접촉하는, 서미스터(60)의 온도는 일정하도록 전력용 트랜지스터(62)를 통한 전류를 도 3의 회로에 의해 제어하여서, 상기 서보 루프를 완성한다. 트랜지스터(62)는 평탄한 설치면으로 효과적인 열전달을 위해 고안된, 상기 산업 표준 "TO-220" 패키지에서 제공된다. 따라서, 통과하는 전류에 응답하는 트랜지스터(62)에 의해 손실된 열은 상기 상응하는 설치 블록(42, 44)에 효과적으로 전달된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 각 서미스터(60)는 저항을 측정하기 위해, 종래의 브리지 회로(64)에 연결된다; 그것의 상대값은 위상 보상망(66)을 통과하여, 상기 온도의 원하는 설정값을 지나치지 않고 빠른 서보 응답을 제공하며, 트랜지스터(62)로 게이트 입력을 형성하여, 상기 서보 루프를 완성한다. 따라서 상기 전체 어셈블리의 온도는 고도로 정확한 범위 내에 일정하게 유지된다.
또한 도 2는 상술한 셀 어셈블리(10)가 회로 기판(12 및 14) 사이에 놓인 방식을 도시하는데, 상기 회로 기판은 도 3 내지 도 5의 블록 다이어그램에 의해 설명된 회로를 구현하는 구성 요소들(도 1 및 도 2에서 특별히 나타낸 것 외)을 구비한다. 일반적으로, "셀" 기판(12)은 상기 램프 구동, 히터 서보, 및 검출기 신호 정류와 필터 회로 구성 요소를 구비한다; 도 2는 상기 초전형 검출기(30 및 32), 서미스터(60), 및 트랜지스터(62)가 기판(12) 위 상응하는 회로에 바로 연결되어 있는 방식을 도시한다. 램프(28)도 마찬가지로 연결되어 있다. "컨트롤러" 기판(14)은 작동 순서를 제어하고, 관련 있는 계기등과 통신을 하기 위한 마이크로프로세서(21) 및 관련된 회로 구성 요소를 구비한다. 나타낸 바와 같이, 상기 셀 어셈블리는 셀(22)의 중심에서 스탠드오프(68) 만큼 기판(12 및 14)으로부터 사이를 두고 배치된다; 양 기판의 협조형 커넥터는 그 사이에 다양한 신호를 전하기 위해 결합한다. 상기 전체 어셈블리는 70으로 나타낸, 폐쇄 셀 우레탄 폼 기판과 같은, 절연 재료의 본드형 시트(bonded sheet)로 형성된 박스 안에 넣어진다.
램프 구동 회로
도 4는 상기 램프 출력이 시간에 따라 일정하도록, 본 발명의 계기의 이중 빔 실시예에서 상기 백열등(28)을 구동하는데 사용되는 서보 루프 회로의 바람직한 실시예를 나타낸다. (상기에서 설명한 바와 같이, 상기 단일 빔 실시예에서, 상기 램프 출력의 변화는 상기 셀에 비흡수성 기체를 구비한 검출기에 입사하는 복사 세기를 측정함으로써 보정된다.) 도 4에 나타낸 파형 4(a)내지 4(f)는 시간의 함수로서 상기 관련 있는 도체에 존재하는 신호의 진폭에 해당한다.
따라서, 램프(28)에 의해 발산된 구형파 피변조 적외선 복사에 응답하는 "단측" 초전형 검출기(30)에 의해 제공된 신호(4(a))는 먼저 증폭기(70)에서 증폭된다. 그리고 나서 상기 증폭된 신호(4(b))는 전파 정류기(72)에 의해 정류되어, 마이크로프로세서(21)에 의해 제공된 동기 신호 "싱크(SYNC)"에 응답하는 입신호(入信號)의 교대 반사이클을 반전시키도록 작동한다. 그리고 나서 상기 정류된 신호(4(c))는 나타낸 바와 같이 연결된, 연산 증폭기(74), 커패시터(76), 및 입력 저항(78)으로 구성된 적분 차동 증폭기에 의해 일정 전압 Vref로 제공된 설정값과 비교된다. 상기 출력은 동등한 Vref로 서보 제어된, 상기 램프 구동 신호의 "고" 주기 동안 상기 "단측" 검출기(30)에 떨어지는 복사 세기에 상응하는 레벨의 DC 신호(4(d))이다.
마이크로프로세서(21)에 의해 제공된 램프 구동 신호에 응답하도록 제어된 스위치(80)는 신호(4(d))에 의해 정해진 "고" 레벨 및 저 레벨 Vlow사이에서 상기 램프 구동 신호를 바꾸어서, 저 복사 방출 주기 동안 상기 램프 필라멘트를 따뜻하게 해 두고, "온" 및 "오프" 상태 사이에서 바꾸는 것에 비하면 그 수명을 길게 한다. 상기 결과로서 생기는 신호(4(e))는 Vref를 기준으로 정해진 "고" 레벨과 상기 저 레벨 Vlow사이에서 번갈아 일어난다.
상기 선행 기술에서 흔히 사용된 DC 신호와 대조되는, AC 신호를 상기 램프(28)에 제공하는 것은 분명히 상기 필라멘트의 텅스텐 이동을 막음으로써, 램프(28)의 수명을 실질적으로 길게 한다. 단극 DC 전원을 사용하면, 상기 텅스텐은 입계를 따라 이동하여, 상기 필라멘트를 약하게 하는 노치(notch)를 형성하는 것 같다. 따라서, 상기 구형파 램프 구동 신호의 교대 사이클은 극성 반전 유니트(82)에서 반전되어, AC 구형파 램프 구동 신호(4(f))를 제공한다. 상기 극성 반전 유니트(82)는 종래의 "H-드라이브" 회로 배열로 구성될 수 있다.
상기 단일 빔 실시예에서, 상기 램프 구동 회로는 저레벨과 고레벨 사이에서 변하는 양극 구동 신호를 제공한다. 이 경우에, 램프 수명을 감소시키는, 저레벨과 고레벨 사이에서 바꿀 때 일어나는 높은 돌입 전류를 피하기 위해, 정전류 전원을 사용한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 이 실시예에서, 상기 램프 출력의 변화는 상기 셀에 비흡수성 기체를 구비한 검출기에 입사하는 복사 세기를 측정함으로써 보정된다; 상기 램프 출력 자체 조정은 필요하지 않다.
언급한 바와 같이, 상기 바람직한 실시예에서, 상기 램프 구동 신호의 주파수는 1㎐이어서, 데울 비교적 장시간을 상기 램프(28)에 제공하고, 상기 검출기에 입사하는 적외선 램프 복사량에 비례하는 온도 변화를 감지할 시간을 상기 초전형 검출기(30 및 32)에 제공하여, 상기 검출기로부터 출력 신호의 신호 대 잡음비를 증가시킨다.
전동 초퍼 등을 사용하여, 상기 셀과 초전형 검출기(들)에 입사하는 복사 세기를 기계 변조하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
초전형 검출기 신호의 처리
도 5는 상기 검출기(32)에 입사하는 복사량에 비례하고, 그러므로 상기 NDIR 셀의 (샘플이 존재할 때) 이산화탄소에 의한 복사 흡수에 반비례하는 DC 전압을 유도하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 디지털 제어 회로를 나타낸다. 도 4에서와 같이, 도 5에 나타낸 파형은 시간의 함수로서 관련 있는 도체에 존재하는 신호의 진폭에 해당한다; 도 6은 도 5에 나타낸 다수의 신호들의 상세도를 나타내고, 또한 시간과의 각 관계를 도시한다.
도 5에 의하면, 검출기(32)로부터 상기 AC 입력 신호는 증폭기(90)에 의해 증폭된다. 신호 A로, 그리고 도 6(c)에서 상세하게 나타낸, 증폭된 신호는 제1 쌍경사 반전 적분기(94)에 들어간다. 또한 신호 A는 인버터(96)에 의해 반전된다; 도 6(f)에 나타낸, 반전된 신호 B는 제2 쌍경사 반전 적분기(98)에 공급된다. 또한 신호 A는 스위치(92)에 바로 연결된다. 스위치(92)가 나타낸 위치에 있을 때, 적분된 신호들(6(d) 및 (g)) 중 하나는 제로 교차 검출기(106)에 공급된다; 교대 위치에서, 이하에서 더 설명되는 이유 때문에, 스위치(92)는 입력 신호 A가 제로 교차 검출기(106)에 연결되게 한다.
상기 기술에 일반적으로 공지된 것과 같이, 제1 쌍경사 반전 적분기(94)는 연산 증폭기(100), 적분 귀환 커패시터(102), 및 입력 저항(104)으로 구성된다. 스위치(102)는 상기 입력 신호 A의 양의 반사이클 동안 도 5에 나타낸 위치에 있어서, 이 주기 동안 상기 입력 신호 A의 진폭에 상응한 전하는 커패시터(102)에 축전되어, 신호 A를 적분한다. 도 6(d)는 상기 적분된 반전 입력 신호를 나타내는데, 몇 작동 사이클에 걸쳐 진폭 변화를 도시한다. 상기 입력 신호가 적분되는 주기는 도 6(a)에서 적분 A라고 명명된다.
도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 상기 입력 신호 A는 상기 초전형 검출기의 온도 변화율에 상응하는, 일반적으로 준사인형이다. 곡선을 그리면, 상기 검출기 온도 신호 자체는 일련의 지수 곡선으로 구성된, 일반적으로 톱니형이다. 즉, 상기 램프 전류가 "높을" 때, 상기 검출기 온도는 처음에 빨리 상승하고 나서, 더 서서히 상승하고, 마침내 안정한 값에 접근한다. 상기 검출기가 식을 때, 상기 램프 구동 신호의 "저" 부분 동안 그 반대의 일이 일어난다. 따라서, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 상기 온도 신호에서 유도된 시간에 상응하는, 입력 신호 A는 준사인이다. 입력 신호 A의 양의 반은 적분 A 기간 동안 최대값으로 올라가고 나서 영점으로 내려가, 실질적으로 일정한 온도에 이르는 검출기에 상응한다. 적분한 A라 하고 도 6(d)에 나타낸, 입력 신호 A의 적분값은 입력 신호 A가 제로를 교차할 때 이르는 최종값으로 올라간다.
이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 입력 신호 A의 제로 교차 관계는 상기 램프 구동 신호의 전이와 관련하여 정해진다. 따라서 상기 램프 신호의 전이와 동기된, 타이머 인터럽트 신호(도 6(i))는 입력 신호 A의 제로 교차와 마찬가지로 동기되어, 후자 자체는 검파될 필요가 없다. 상기 입력 신호 A가 영점을 지나갈 때, 스위치(102)는 상기 타이머 인터럽트 신호에 응답하여, 도 5에 나타낸 위치로부터 반전된다; 그 후, 전하는 정밀 저항(104 및 108) 값에 의해 제어된, 일정 속도로 커패시터(102)로부터 제거된다. 동시에, 16 비트 디지털 타이머(110)는 시간을 측정하기 시작한다, 즉, 분리에 필요한 시간을 측정한다. 이 "분리" 작동 단계는 도 6(e)에서 "변환 시간"이라 나타내고 있다.
상기 분리 단계 동안, 스위치(92 및 122)는 나타낸 바와 같이 연결되어서, 적분기(94)의 출력, 즉, 신호 -적분한 A, 도 6(d)는 제로 교차 검출기(106)에 공급된다. 모든 전하가 커패시터(102)로부터 제거될 때, 즉, -적분한 A가 영점을 통과할 때, 타이머(110)에 의한 카운트 값 N이 기억된다. 언급한 바와 같이, 상기 분리 기간 동안 신호 -적분한 A의 선형에 의해 나타낸 것처럼, 상기 분리는 일정한 속도로 진행한다. 따라서 측정된 시간은 상기 "적분 A" 단계 동안 축전된 총 전하를 나타낸다; 그와 같이 N은 상기 램프 구동 신호 A의 "고" 부분 동안 검출기(32)에 입사하는 적외선 복사의 총량을 나타내는 디지털 값이다.
쌍경사 적분기(94)에 의해 적분된 신호를 최대화해서, 상기 계기의 최종 신호 대 잡음비를 최대화하기 위해, 입력 신호 A의 양의 반사이클은 적분기(94)에 의해 효과적으로 적분되는 것이 중요하다. 따라서, 상기 적분은 상기 입력 신호 A의 제로 교차에서 시작하는 것이 중요하다. 상기에서 나타낸 바와 같이, 상기 입력 신호 A의 제로 교차 자체는 검파되지 않지만, 상기 램프 구동 신호의 전이와 일정 관계를 가지고 있어, 차례로 상기 타이머 인터럽트 신호(도 6(i))에 의해 제어된다.
더욱 명확히, 도 6(b)는 상기 램프 구동 신호인 램프를 도시한다; 검출기(32)로부터 출력 신호 A(도 6(c))와 이 신호를 비교하면 상기 구동 신호의 레벨 변화에 대한 램프의 응답 시간, 및 검출기의 열질량 때문에 그 사이에 위상 뒤짐 Φ가 있다. 상기 신호 대 잡음비를 최대화하기 위해, 이 위상 뒤짐 Φ를 정확하게 알아서, 상기 램프 구동 신호와 관련하여 상기 적분기의 작동을 정확히 제어하는 것이 중요하다. 상기 위상 뒤짐 Φ는 구성 요소 변화 때문에 계기마다 다소 변할 수 있으므로, 제로 교차 검출기(106)가 상기 램프 구동 신호의 전이와 관련하여 상기 입력 신호 A의 제로 교차를 측정할 수 있도록 스위치(92)를 리셋함으로써, 상기 위상 뒤짐 Φ를 시동시(즉, 상기 계기가 처음으로 동력을 공급받을 때마다) 측정한다; 상기 마이크로프로세서(21)(도 1)는 그 사이의 위상 뒤짐 Φ를 측정한 후에, 상기 제로 교차 검출기와 연결 스위칭 타이밍을 제어하고 다른 제어 작용을 한다.
더욱 상세하게는, 언급한 바와 같이, 상기 마이크로프로세서로 구성된 타이머는 반사이클마다, 즉, 1hz에서 작동하는 시스템에서 500㎳마다 타이머 인터럽트 신호(도 6(i))를 제공한다. 시동 운전 중 실제 위상 뒤짐 Φ의 측정 후에, 나타낸 바와 같이, 상기 입력 신호의 제로 교차는 타이머 인터럽트의 전이와 일치하고, 상기 램프 구동 신호의 전이는 상기 위상 뒤짐 Φ만큼 지연된다; 상기 측정된 위상 뒤짐 Φ는 도 6에서 싱크 지연이라고 한 기간에 의해 나타내고 있다.
상기 위상 뒤짐 Φ를 결정하기 위한 대체적인 방법에서, 타이머 인터럽트에 관해서 일정한 시간에 적분된 입력 신호의 값을 측정하는 동안에, 상기 램프 구동 신호의 위상 뒤짐은 상기 시동의 연속적인 램프 구동 사이클 동안 타이머 인터럽트에 관해서 점진적으로 변할 수도 있다; 상기 최대 적분값은 구한 최대 신호, 따라서 상기 바람직한 위상 뒤짐 Φ에 상응할 것이다.
검출기(32)에 입사하는 복사가 도 4의 램프 구동 회로의 "고" 및 "저" 레벨 사이에서 변조될 때, 상기 검출기 출력 신호는 AC 신호이다(상기에서 언급한 바와 같이 상기 램프 수명을 길게 하는데 바람직한, 상기 램프 구동 신호의 극성 반전은 검출기(32)로부터 신호의 처리와 관계 없다). 더욱이, 상기 검출기(32)가 도 3의 히터 서보 회로에 의해 일정한 평균 온도에 유지될 때, 두 반사이클 동안 상기 신호의 적분값은 같다. 따라서 상기 출력 신호 A의 음의 부분도 마찬가지로 상기 램프 구동 신호의 "고" 부분 동안 검출기(32)에 입사하는 적외선 복사의 총량에 대한 제2 값을 산출하도록 처리되어, 이용할 수 있는 데이터의 양을 배로 할 수 있다.
나타낸 실시예에서, 상기 검출기 출력 신호 A는 인버터(96)에 의해 반전되어, 신호 B를 형성한다(도 6(f)). 마찬가지로 신호 B는 연산 증폭기(112), 커패시터(114), 스위치(120), 및 저항(116 및 118)으로 구성된, 제2 쌍경사 적분기(98)에 의해 적분되고 분리된다. 상기한 바와 같이, -적분 B라고 한, 적분된 입력 신호의 역은 도 6(g)에 나타내고 있다. 스위치(112)의 위치는 교대되어(도 6에 나타낸 A 변환 시간 및 B 변환 시간 기간을 말함) 제로 교차 검출기(106)는 두 신호 -적분한 A 및 -적분한 B의 제로 교차를 검파할 수 있다, 즉, 적분기(94, 98)의 출력들 중 정확한 것을 적당한 시간에 검출기(106)에서 영점과 비교하는 것을 보장한다. 게다가, 타이머(110)에 의해 측정되는 바와 같이, 분리에 필요한 시간은 상기 램프 구동 신호의 "고" 부분 동안 검출기(32)에 입사하는 적외선 복사의 총량을 나타내는 디지털 값이다.
따라서, 도 5에 나타내고, 도 6에서와 같이 작동하는 회로는, 상기 검출기 신호를 정류하고, 두 반사이클을 따로따로 적분하며, 상기 검출기에 입사하는 복사량을 각각에 대해서 나타내는 디지털 값을 제공한다. 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 각 디지털 값은 상기 샘플에 있는 이산화탄소량 계산에 바로 사용될 수 있다. 제공된 값들의 평균을 냄으로써 더 개선될 수 있다; 상기 마이크로프로세서(21)는 평균을 내는 함수를 쉽게 수행할 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 제로 교차 검출기(106)는 영점 분리를 마칠 때 상기 신호 -적분한 B의 제로 교차를 검파하는데 사용된다; 다음 반사이클에서, 신호 -적분한 A의 제로 교차가 검파된다. 상기한 바와 같이, 각 분리 기간의 초기에 상응하는 신호 A 및 B의 제로 교차는, 각 분리의 개시를 유발하는 상기 타이머 인터럽트 신호와 동기하고, 상기 적분된 신호의 제로 교차는 상기 분리의 완료를 나타낸다. 상기 분리 저항(108, 118) 값은 상기 분리된 신호가 상응하는 입력 신호 전에 영점을 교차하도록 선택되어, 이런 사건의 올바른 순서를 유지한다.
스위치(92, 102, 120, 및 122)의 적당한 작동 순서는 도 5의 회로의 정확한 기능에 중요하다. 스위치(92)는 실제 위상 뒤짐 Φ를 측정하는 동안, 시동 단계에서만 작동한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 스위치들(102, 120, 및 122)은 상기 타이머 인터럽트 신호에 응답하여(그리고 또한 상기 출력 신호 A(도 6(c))와 그 역 B(도 6(f)) 및 각각의 적분값과 분리값(도 6(d) 및 도 6(g))의 제로 교차와 동기하여) 상기 마이크로프로세서에 의해 제공된 제어 신호 A0, A1, B0, B1(도 6(h))에 의해 작동한다. 작동의 시동 모드 후에, 상기 마이크로프로세서(21)는 적당한 시점에서 신호 A0, A1, B0, B1을 제공하여, 타이머 인터럽트에 관해서, 따라서 상기 램프 구동 신호와 상기 입력 신호의 제로 교차에 관해서 스위치들(102, 120, 및 122)의 작동을 순번화한다. 도 6에 나타낸 신호들은 스위치(92, 102, 120, 및 122)의 작동 순서, 및 상기 기술의 당업자에게 명백한, 도 5의 회로 작동을 비교한다.
상기 제로 교차 검출기(106)로부터 신호가 관련된 기간은 제로 교차 검출기의 출력 신호가 측정되지 않는 시간 동안 안출된, 비교 신호(도 6(e))에 의해 나타나 있다; 다른 때에, 상기 제로 교차 검출기(106)는 스위치(122)의 설정에 따라, 상기 적분된 신호들 적분 A 및 적분 B 중 하나의 제로 교차를 측정하기 위해 연결된다. 도 6(d) 및 (g)를 비교 신호와 비교하여 나타낸 바와 같이, 조사할 적분 신호가 영점을 교차할 때 비교 신호는 상태를 바꾼다.
제로 교차 검출기(106)에서 상기 분리 과정의 완료를 신뢰할 수 있는 검파를 보장하기 위해, 상기 적분된 신호는 도 6에서 상기 -적분한 A 및 -적분한 B 파형 중 원형 부분으로 나타낸 바와 같이, 영점 자체보다는 양전압과 비교하여, 약간 영점을 지나 오버슈트(overshoot)하게 된다. 그때 상기 적분값이 정확하도록 하기 위해, 상기 -적분한 A 및 -적분한 B 신호는 상기 입력 신호의 다음 제로 교차까지 상기 관련 있는 커패시터를 접지시킴으로써 영점에 유지된다.
상기에서 언급한 바와 같이, "단일 빔" 실시예에서, 상기 계기는 CO2를 포함한 기체 샘플, 및 순수한 질소와 같은 비흡수성 기체를 통하여 전해지는 복사량을 측정하도록 교대로 작동한다. 전형적으로, 상기 검출기는 상기 샘플에 대하여 30초 동안 작동한 후, 상기 샘플 셀에 있는 질소를 30초 측정한다; 상기 램프 사이클 주파수는 1㎐이므로, 튜브(22) 내부에서 샘플 농도의 국부적 변화 등이 원인인 변화를 효과적으로 필터하기에 충분한, 60 샘플 값을 각각에 대해서 얻는다. 그때 질소가 상기 셀에 들어 있는 동안 측정된 값은 "기선" 값으로 사용되어, 존재하는 샘플과의 측정을 교정한다.
비교하여 보면, "이중 빔" 실시예에서, 상기 램프 세기는 도 4의 램프 서보 회로에 의해 일정하게 유지된다; 상기 셀에 비흡수성 기체를 구비한 검출기(32)로부터 신호 세기의 측정 성능은, 엄밀히 말하자면, 상기 계기를 "제로의 눈금에 맞추기" 위하여 필요하지 않다. 하지만, 그렇게 하는 것은 장기간 드리프트(drift), 윈도들(34 및 36)의 햇빛 노출에 대한 보상 등 때문에 검출기들(30 및 32)의 상대적 조건 변화에 대하여 보정을 하게 한다.
상기 계기의 단일 셀 실시예에 의하면, 상기 램프 구동 신호의 전이와 관련하여 상기 입력 신호의 제로 교차간 위상 뒤짐 Φ가 상기 시동 단계에서 정확하게 측정되지 않는 경우에, 상기 적분된 총 신호는 최대 이하일 것이다. 하지만, 이것은 순수한 질소 및 혼합 기체 샘플에 관해서 이루어진 측정에도 똑같이 일치할 것이다. 따라서, 상기 셀에 있는 순수한 질소에 대한 입사 복사 세기의 측정은 존재하는 샘플에 대한 유사한 측정과 비교하여, 존재하는 이산화탄소의 상대 농도를 정확하게 결정한다. 달리 말하면, Φ의 결정에서 오차의 결과 상기 전체 계기의 신호 대 잡음비는 감소한다.
본 발명의 이 측면의 구현도 마찬가지로 상기 통상의 기술 범위 내이다. 도 5의 회로에서 구현된 원리 (및 설명된 구현의 다른 측면)의 상이한 구현들은 상기 기술 범위 내이고, 첨부된 청구항에 의해 특별히 배제되는 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 있다.
마이크로프로세서(21)(도 1)는, 예를 들면, NDIR 분석용 혼합 기체 샘플을 제공하는, 관련 있는 계기에 동기 신호를 더 제공할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 또한 마이크로프로세서(21)는 비흡수성 캐리어 가스 또는 분석용 혼합 기체 샘플로 셀(22) 내부 부피의 교대 충전을 제어하는, 밸브(18 및 20)(도 1)를 제어할 수 있다. 또한 마이크로프로세서(21)는, 예를 들면, 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 시간에 따라 검출기의 응답에서 드리프트(drift)를 검파하기 위해, 상기 셀이 캐리어 가스로 채워진 동안 측정된 "영점" 값을 혼합 샘플 기체로 채워진 동안 측정된 값과 비교한, 필터된 신호 레벨에 응답하는 셀의 기체 농도를 계산하고, 원하는 대로 더 프로세싱하기 위하여, 나타낸 바와 같이, 도 5의 회로에서 프로세스된 출력 신호를 수신할 수 있다.
교정 및 농도 결정
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 궁극적인 목적은 상기 샘플 셀(22)에 있는 적외선 흡수 기체의 농도를 측정하는데 있다. 통상적으로 NDIR 측정법은 램버트의 법칙으로서 알려진 식의 해에 의해 농도를 결정하는 것이다:
여기서:
I = 상기 샘플을 통과한 복사 세기
I0= 상기 샘플에 입사한 복사 세기
a = (각 기체에 대하여 일정한) 흡수 계수
b = 경로 길이
c = 상기 샘플에서 흡수 기체의 농도
본 발명에 의한 이 식의 구현에서, (상기 셀에서 순수한 질소를 구비한, 단일 빔 실시예에서 검출기(32)에 의해, 그리고 상기 이중 빔 실시예에서 검출기(30)에 의해 측정되는 것과 같이), I0는 상기 램프 구동 신호의 "고" 부분의 세기이며, a는 여러 가지 흡수 기체에 관해서 알려져 있고, b는 상기 특정 계기의 간단한 설계 파라미터이다. I는 상기 셀 샘플을 구비한 쌍경사 적분기에 의해 정확하게 측정되어, c를 결정하게 한다.
하지만, 상기에서 설명한 램버트의 법칙은 측정할 기체가 상기 검출기에 입사하는 복사의 모든 주파수를 흡수하는 경우에만 정확하게 적용된다. 실제로는, 백열등에 의해 발산된 복사는, 파장의 연속 범위를 포함한, 넓은 대역폭으로 되어 있다, 그러나 도 7에 나타낸 바와 같이, 이산화탄소는 파장의 좁은 대역만을 흡수한다. 마찬가지로 상기 초전형 검출기(들)는 광대역이다. 따라서, 상기 실리콘 윈도가 상기 가시 범위에서 복사를 흡수하고, 상기 간섭 필터는 상기 검출기가 4.3 미크론이 중심이 되는 좁은 통과 대역폭에서 복사만을 "보도록" 보장하지만, 실질적인 복사는 그 농도에 관계 없이, 상기 CO2를 통하여 여전히 누설된다.
더욱 명확히, 도 7은 4.08 및 4.36 미크론 사이에서 이산화탄소의 실제 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 4.3 미크론이 중심이 되는 범위에서 적외선의 연속 스펙트럼을 흡수하기보다는, 본 발명자가 알고 있는 모든 선행 기술 NDIR 계기에 의해 일반적으로 가정되듯이, 상기 CO2흡수 스펙트럼은 반전 빗살형 피크(peak)들을 설명한다; 따라서 상기 적외선 복사의 실질적인 부분 L은, 그 농도에 관계 없이, 상기 CO2를 통하여 누설되고, 상기 검출기에 입사한다.
본 발명자는 가장 우수한 필터조차도 상기 검출기에 입사하는 적외선 복사만이 이산화탄소에 의해 흡수되는 파장으로 되도록 할 수 없다는 것을 인식하였다; CO2의 "빗살형" 흡수 스펙트럼을 들면, CO2에 의해 통과되는 모든 파장을 흡수하는 필터를 제공할 수 없을 것이다. 나타낸 바와 같이, 모든 공지의 선행 기술 계기는 CO2가 4.3 미크론 영역에서 실질적으로 모든 파장의 적외선 복사를 흡수한다라는 가정 아래 작동하여서, 근본적으로 부정확하였다. 공지 샘플 농도와 매치시키기 위한 선행 기술 계기 판독을 조정하는 실험적 보정은 이 피할 수 없는 누설을 보상하는데 만족스럽지 않다.
램버트의 법칙은 다음과 같이 더 정확하게 진술된다:
여기서 L은 상기 광 "누설 인자", 즉, CO2에 의해 흡수되지 않는 입사 복사의 부분이다. L은 상기 램프로부터의 복사에 대한 상기 특정 계기의 셀에 의한, CO2, 또는 관심 있는 다른 기체의 흡수 스펙트럼의 특성이다; 광경로에서 윈도 등 뿐만 아니라, 상기 특정 셀 및 선택된 간섭 필터의 특성인 L에 응답한다.
L이 결정될 수 있고, 다음과 같은 식으로, 관심 있는 기체에 의한 적외선 복사의 빗살형 흡수 스펙트럼에 내재하는 누설 L을 정확하게 반영하도록 상기 계기를 교정할 수 있다.
본 발명의 NDIR 계기를 교정하기 위해, 흡수 측정은 적어도 세 가지 상이한 공지 농도의 샘플로 이루어진다. 바람직하게는, 하나는 제로 농도에서 측정되고 나머지 두 측정은 사용된 스케일을 나타낸다. 예를 들면, 원하는 풀 스케일 농도 범위가 2000ppm CO2라면, 상기 교정점으로서 0ppm, 200ppm, 및 2000ppm을 선택할 수 있다. 상기 기본 응답식으로 시작하면:
먼저 I0를 측정해서 적어둔다. 각 운전 시간 전에 적외선 투과 질소를 참고하여 I0를 측정하는, 바람직한 단일 셀 실시예에서, c는 영이 되고 I는 상기 식에서 I0로 된다. 다음에, 상기 두 부가적인 농도 레벨에서 투과를 측정하여, n 번째 측정된 백분율 투과를 Tn으로 나타낸다:
상기 바람직한 실시예에서, 수 N은 상기 적분기가 적분된 총값에서 영까지 카운트 다운하는데 필요한 시간의 길이를 나타낼 때 상기 세기 I가 측정되고, N0는 상기 셀에서 적외선 투과 질소로 기록된 값인데, 상기 식은 다음 형태를 갖는다
이 식으로부터 각 운전 시간에 대한 곱 ab를 푼다:
이 곱 ab는 상기 경로 길이의 CO2흡수 계수 배이고 어느 농도에서도 일정할 것이다. 따라서, c1을 200ppm에서의 농도라 하고 c2를 2000ppm에서의 농도라고 하면, 다음과 같이 상기 두 곱 ab를 등식으로 나타낼 수 있다
그리고 상기 광 누설 인자 L을 되풀이하여 푼다. 측정된 값 I에 상응하는 CO2농도는 상기 원래 특성 방정식을 사용하여 구할 수 있다:
상기 광 누설 인자 L은 상기 광학 시스템 효율의 정량적 측정을 제공한다, 즉, L이 낮을수록 상기 시스템은 더 우수하다고 할 수 있다.
결론
따라서 상기 기술에서 당업자들은, 특히 본 발명자가 광 누설을 인식하여서 램버트의 법칙을 보정하였다는 점에서, 유례없이 정교한 NDIR 계기가 개시되었다는 것을 인정할 것이다. 제공된 쌍경사 적분기 회로 구성 요소는, 상기 계기 응답을 부당하게 지연시키지 않으면서, 1㎐에서 상기 램프를 작동시킴으로써, 신호 대 잡음비를 우수하게 한다. 상기 셀 고안은 우수한 온도 안정성을 제공하고, 그밖에 정확성을 향상시킨다. 반대 극성의 저전류 및 고전류 레벨간 상기 램프의 전자 변조는 램프 수명을 향상시키고 기계식 초퍼를 필요 없게 한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 계기는 단일 및 이중 빔 실시예에서 제공될 수 있다. 각각은 이점과 불리한 점이 있다. 상기 단일 빔 장치의 이점은 검출기 유도 잡음이 최소로 감소된다는 것이다; 상기 측정의 최적 정확성은 본 발명의 이 실시예에서 실현된다. 하지만, 이 실시예는 적외선 투과 기체를 사용한 주기적 "블랭킹(blanking)"을 필요로 하여, 상기 계기의 설치를 복잡하게 하고, 상기 계기는 장기간 드리프트(drift)를 받기 쉽다. 비교하여 보면, 제2 검출기를 사용하는 것은 상기 계기에서 잡음을 증가시키지만, 상기 램프 세기를 일정한 값으로 제어하기 위한 서보 루프에 제2 검출기를 사용한, 이중 빔 계기는, 장기간 드리프트(drift)를 비교적 받지 않는다.
더욱 명확히, 질소 기체를 정규, 자동 교정에 이용할 수 있는 응용에서, 램프 에이징(aging) 때문에 서서히 변화하는 드리프트(drift)는 중요하지 않고, 상기 성능 제한은 잡음이다. 상기 잡음 플로어(floor)는 상기 초전형 검출기에서 열잡음이 원인이기 때문에, 본 발명의 단일 빔 실시예에서 단일 초전형 검출기를 사용하는 것은 가장 우수한 성능을 제공한다. 교정을 이따금 하는 응용에서, 램프 에이징(aging)이 원인인 드리프트(drift)는 상기 열잡음보다 일반적으로 더 커진다. 이런 경우에, 상기 램프 출력을 안정시키기 위해 서보 루프에서 부가적인 초전형 검출기로 구성된, 이중 빔 실시예가 유리하다.
이 발명의 바람직하고 대체적인 실시예들을 여기에 개시하지만, 본 발명은 그것에 의해서가 아니라, 다음 청구의 범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (56)

  1. 기체 샘플에서 적외선 흡수성 기체종 농도의 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기에 있어서,
    입구와 출구를 구비하고, 대향 단부에는 적외선 투과 윈도를 갖는 가늘고 긴 샘플 셀과,
    상기 셀의 제1 단부의 윈도의 외면과 나란히 놓인 적외선 방출 램프와,
    상기 셀의 대향 단부에 배치된 윈도의 외면과 나란히 놓인 제1 초전형 검출기와,
    제어가능 진폭의 구형파 구동 신호를 상기 램프에 공급하기 위한 수단과,
    상기 셀에 있는 기체 샘플의 적외선 흡수율에 비례하는 출력 신호를 내기 위해, 상기 램프로부터 입사한 적외선 복사 세기에 응답하는 초전형 검출기에 의해 제공된 신호를 처리하기 위한 수단과,
    상기 출력 신호에 응답하는 셀의 적외선 흡수성 기체종 농도를 결정하기 위한 수단 - 상기 결정 수단은 상기 램프로부터의 복사에 대한 상기 셀 내부 기체종의 흡수 스펙트럼의 특성인 누설 인자 L에 응답하여 상기 출력 신호를 보상함-
    을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누설 인자 L은 상기 흡수 기체 중 공지 농도의 복수 교정 샘플과 관련하여 상기 검출기에 입사하는 복사 세기를 측정함으로써 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 누설 인자 L은 다음 식의 반복적인 풀이에 의해 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
    여기서
    C1및 C2는 상기 흡수 기체의 퍼센트 농도의 공지된 값이고,
    T1및 T2는 상기 샘플을 통한 복사 투과 퍼센트의 측정값임.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구형파 구동 신호를 상기 램프에 공급하기 위한 수단은 고레벨과 저레벨 사이에서 램프 구동 신호를 변조하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구형파 구동 신호를 상기 램프에 공급하기 위한 수단은 상기 램프 구동 신호의 극성을 교대하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 신호는 AC 신호이고,
    상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 신호를 처리하기 위한 수단은
    상기 AC 입력 신호를 반전시키기 위한 수단과,
    상기 입력 신호와 상기 반전된 입력 신호를 상응하는 신호의 양의 반사이클을 각각 적분하는 한 쌍의 쌍경사 적분기들 중 하나에 각각 공급하기 위한 수단과,
    각 반사이클 동안 상기 검출기에 입사하는 복사량에 대한 값을 내기 위해 상기 입력 신호와 상기 반전된 입력 신호의 각 양의 반사이클의 연속적인 적분값을 프로세싱하기 위한 수단
    을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 쌍경사 적분기 각각은 상기 양의 반사이클 동안 공급된 신호의 순시 진폭에 응답하는 속도로 충전되고, 상기 음의 반사이클 동안 일정한 속도로 방전되는 커패시터를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 AC 신호의 각 반사이클의 적분값은 상기 커패시터가 상응하는 입력 신호의 음의 반사이클 동안 상기 일정한 속도로 방전하는데 필요한 시간을 측정함으로써 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 각 적분기는 상기 커패시터를 충전하고 방전하는 사이에 전이를 제어하도록 상기 입력 신호의 제로 교차와 동기하여 작동하는 스위칭 수단을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이와 동기된 제어 신호에 응답하여 작동하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 구형파 램프 구동 신호를 제어하는 타이머에 의해 제공되고, 상기 스위칭 수단의 작동은 위상 뒤짐 Φ만큼 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이에 관하여 지연되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 위상 뒤짐 Φ는 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 입력 신호의 제로 교차를 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이와 비교함으로써 상기 계기의 시동 운전에서 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 램프 구동 신호의 전이와 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 입력 신호의 제로 교차간 위상 뒤짐 Φ를 결정하기 위한 수단과,
    상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 출력 신호를 정류하기 위해 상기 스위칭 수단에 제어 신호를 제공하기 위한 수단 - 상기 제어 신호는 상기 램프 구동 신호에 관하여 상기 위상 뒤짐 Φ만큼 위상 지연됨 -
    을 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 샘플 셀은 대단한 열전도성 재료로 되어 있으며, 상기 초전형 검출기는 상기 셀과 열전도를 잘 하도록 놓여 있고, 수단들은 상기 셀 및 상기 초전형 검출기의 어셈블리 온도를 일정하게 조절하기 위해 제공되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 셀 및 상기 초전형 검출기의 어셈블리 온도를 일정하게 유지하기 위한 수단은 하나 이상의 히터 서보 회로 - 각각의 히터 서보 회로는 온도 측정용 서미스터와, 상기 서미스터의 출력에 응답하는 어셈블리의 온도를 높이기 위한 전열체로 구성됨 - 를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 서보 회로는 상기 전열체가 상기 서미스터에 의해 제공된 신호에 관하여 고이득에서 구동되게 하는 위상 보상망을 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전열체가 상기 어셈블리와 열접촉하는 전력용 트랜지스터인 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  18. 제17항에 있어서, 두개의 동일한 히터 서보 회로가 제공되는데, 상기 각 전력용 트랜지스터는 상기 셀의 마주 보고 있는 말단을 한정하는 금속 하우징과 직접 열접촉하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 셀의 제1 단부에서 상기 램프 뒤에 배치된 제2 초전형 검출기 - 상기 제2 초전형 검출기로부터의 출력 신호는 상기 램프로부터 적외선 복사의 출력을 시간에 따라 일정하게 유지하기 위해 서보 루프에서 사용됨-를 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 램프는 상기 셀의 제1 단부의 윈도 및 상기 제2 초전형 검출기와 나란히 놓인 동종의 윈도 사이에 낀 실드 체임버(sealed chamber) 내부에 배치된 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  21. 제19항에 있어서, 상기 구형파 램프 구동 신호는 "고" 전류 레벨 및 영이 아닌 "저" 전류 레벨 사이에서 변하고, 상기 서보 루프는 상기 구형파 램프 구동 신호의 고전류 레벨을 제어하여 상기 제2 검출기로부터 출력 신호가 상기 램프 구동 신호의 "고" 부분 동안 정진폭에 유지되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  22. 제1항에 있어서,
    적외선 복사를 흡수하지 않는 공지 조성의 블랭킹(blanking) 기체 소스와,
    상기 블랭킹(blanking) 기체 소스 및 상기 기체 샘플 소스에 상기 셀 입구의 교대 연결을 제어하는 밸브와,
    상기 셀이 블랭킹(blanking) 기체로 채워진 때에 상기 제1 초전형 검출기에 의해 측정된 신호를 상기 셀이 상기 기체 샘플로 채워진 때에 측정된 유사한 신호와 비교하기 위한 수단
    을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  23. 적외선 흡수성 기체 샘플 농도의 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법에 있어서,
    입구와 출구를 구비한 셀, 상기 셀의 하나의 단부에 있는 적외선 투과 윈도와 나란히 놓인 적외선 방출 램프 및 상기 셀의 대향 단부에 있는 동종의 윈도와 나란히 놓인 제1 초전형 검출기를 제공하는 단계와,
    구형파 구동 신호를 상기 램프에 공급하는 단계 - 상기 구동 신호는 상기 램프에 의해 제공된 복사 세기가 일정하도록 제어됨 - 와,
    상기 셀에 있는 기체 샘플의 적외선 흡수율에 비례하는 출력 신호를 내기 위해, 상기 램프로부터 입사한 적외선 복사 세기에 응답하는 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 신호를 처리하는 단계와,
    상기 출력 신호에 응답하는 셀의 적외선 흡수성 기체종 농도를 결정하는 단계 - 상기 결정 단계는 교정 측정에 응답하여 검출기로부터의 출력 신호를 보상하는 단계를 포함하고, 상기 램프로부터의 복사에 대한 상기 셀 내부 기체종의 흡수 스펙트럼의 특성인 누설 인자 L에 응답하여 출력 신호를 보상함-
    을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 누설 인자 L은 상기 흡수 기체 중 공지 농도의 복수 교정 샘플과 관련하여 상기 검출기에 입사하는 복사 세기를 측정함으로써 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 누설 인자 L가 다음 식의 반복적인 풀이에 의해 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
    여기서
    C1및 C2는 상기 흡수 기체 농도의 공지된 값이고,
    T1및 T2는 상기 샘플을 통한 복사 투과의 측정값임.
  26. 제23항에 있어서, 상기 램프로부터 입사하는 적외선 복사 세기에 응답하는 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 신호는 AC 신호 - 상기 AC 신호는 상기 셀에 있는 기체 샘플의 적외선 흡수율에 각각 비례하는 값들을 제공하기 위해 교대 반사이클에서 적분됨 - 인 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 적분 단계는 상기 AC 출력 신호의 교대 반사이클에 관하여 따로따로 수행되는 쌍경사 적분 단계로 구성된 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  28. 제27항에 있어서, 별도의 2개의 쌍경사 적분기 - 상기 AC 입력 신호는 하나에 직접 가해지고, 상기 AC 입력 신호는 반전되어 다른 하나에 가해지고, 상기 쌍경사 적분기 각각은 상기 양의 반사이클 동안 공급된 입력 신호의 순시 진폭에 응답하는 속도로 충전되고, 상기 음의 반사이클 동안 일정한 속도로 방전되는 커패시터로 구성됨 - 가 제공되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 커패시터가 상응하는 입력 신호의 음의 반사이클 동안 일정한 속도로 방전하는데 필요한 시간을 측정함으로써 상기 AC 신호의 각 반사이클의 적분값을 결정하는 단계를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이를 제어하는 타이머에 의해 제공된 제어 신호에 응답하도록 상기 커패시터를 충전하고 방전하는 사이에 전이를 제어하는 단계를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 타이머에 의해 제공된 제어 신호는 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이에 관하여 위상 뒤짐 Φ만큼 지연되고, 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 입력 신호의 제로 교차를 상기 구형파 램프 구동 신호의 전이와 비교함으로써 상기 계기의 시동 운전에서 상기 위상 뒤짐 Φ를 결정하는 단계를 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  32. 제24항에 있어서, 램프에 의해 제공된 복사 세기가 일정하도록 제어되는 상기 구형파 구동 신호를 상기 램프에 공급하는 단계가 상기 램프에 의해 발산된 복사 세기를 측정하여, 상기 램프 구동 신호의 진폭을 제어함으로써 수행되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 계기는 적외선 복사를 흡수하지 않는 공지 조성의 정화 기체 소스와 결합해 작동하고, 상기 램프에 의해 발산된 복사 세기를 측정하는 단계는 정화 기체로 채워진 셀로 상기 출력 신호를 측정함으로써 수행되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 램프에 의해 발산된 복사 세기를 측정하는 단계는 상기 셀에서 멀리 떨어져 있는 램프의 측면에 배치되고 제2 초전형 검출기에 입사하는 복사 세기가 시간에 따라 일정하게 유지되게 하는 서보 루프에서 작동하는 제2 초전형 검출기를 사용하여 수행되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  35. 제32항에 있어서, 상기 구형파 램프 구동 신호는 "고" 전류 레벨 및 영이 아닌 "저" 전류 레벨 사이에서 변하고, 상기 서보 루프는 상기 구형파 램프 구동 신호의 고전류 레벨을 제어하여서 상기 제2 검출기로부터 출력 신호가 상기 램프 구동 신호의 "고" 부분 동안 정진폭에 유지되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  36. 기체 샘플의 적외선 흡수율의 비분산 적외선 측정용 계기에 있어서,
    샘플 체적을 한정하고 입구와 출구를 구비한, 대단한 열전도성 재료로 된 샘플 셀, 및 상기 셀의 대향 단부에 있는 적외선 투과 윈도와,
    상기 셀의 제1 단부의 윈도의 외면과 나란히 놓인 적외선 방출 램프와,
    상기 셀의 대향 단부에 있는 윈도의 외면과 나란히 놓인 제1 초전형 검출기와,
    상기 셀과 열전도를 잘 하도록 놓여 있는 초전형 검출기와,
    상기 셀 및 상기 초전형 검출기의 어셈블리 온도를 일정하게 조절하기 위한 수단
    을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 셀 및 상기 초전형 검출기의 어셈블리 온도를 일정하게 유지하기 위한 수단은 하나 이상의 히터 서보 회로 - 상기 각각의 서보 회로는 온도 측정용 서미스터와, 상기 서미스터의 출력에 응답하는 어셈블리의 온도를 높이기 위한 전열체로 구성됨 - 을 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  38. 제37항에 있어서, 상기 초전형 검출기와 상기 전열체는 신호 증폭 및 처리 회로 구성 요소가 놓인 회로 기판에 직접 연결되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  39. 제37항에 있어서, 상기 전열체는 상기 어셈블리와 열접촉하는 전력용 트랜지스터인 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  40. 제36항에 있어서,
    상기 셀에서 멀리 떨어져 있는 램프의 측면에 배치되고 상기 제2 초전형 검출기에 입사하는 복사 세기에 응답하는 제2 출력 신호를 제공하는 제2 초전형 검출기와,
    제어가능 진폭의 구형파 램프 구동 신호를 상기 램프에 공급하기 위한 수단을 제어하도록 상기 제2 출력 신호에 응답하는 서보 루프 회로 수단
    을 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  41. 제40항에 있어서, 상기 서보 루프 회로 수단은 상기 제2 출력 신호에 응답하는 구형파 램프 구동 신호의 고레벨을 제어하고, 상기 저레벨은 일정한 영이 아닌 기준값에 유지되도는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  42. 제40항에 있어서, 두 실질적으로 동일한 히터 서보 회로가 제공되고, 각 전력용 트랜지스터는 상기 검출기가 배치된 금속 하우징과 직접 열접촉하고, 상기 하우징은 상기 샘플 셀과 양호한 열전도 관계를 가지는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  43. 제40항에 있어서, 상기 램프는 상기 셀의 제1 단부의 윈도 및 상기 제2 초전형 검출기와 나란히 놓인 동종의 윈도 사이에 낀 실드 체임버(sealed chamber) 내부에 배치된 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  44. 제43항에 있어서, 상기 램프가 배치된 실드 체임버(sealed chamber)는 상기 셀 및 상기 제2 초전형 검출기의 하우징과 열접촉하는 대단한 열전도성 재료의 블록 내부에 형성되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 계기.
  45. 기체 샘플의 적외선 흡수율의 비분산 적외선 측정용 방법에 있어서,
    샘플 체적을 한정하고 입구와 출구를 구비한 샘플 셀, 및 상기 셀의 대향 단부에 있는 적외선 투과 윈도와,
    상기 셀의 제1 단부의 윈도와 나란히 놓인 적외 방사원과,
    상기 셀의 대향 단부에 배치된 제1 초전형 검출기와,
    상기 셀에서 멀리 떨어져 있는 소스의 측면에 배치된 제2 초전형 검출기와,
    상기 소스로부터 상기 제1 및 제2 검출기에 입사하는 복사 세기를 고레벨 및 저레벨 사이에서, 일정한 간격으로 조절하기 위한 수단과,
    상기 복사가 상기 고레벨에서 입사하는 동안 상기 제2 초전형 검출기에 입사하는 복사 세기를 일정하게 유지하도록, 상기 소스 및 상기 제2 초전형 검출기를 포함한 서보 루프에 연결된 전원으로 구성된 계기를 제공하는 단계와,
    시험할 기체 샘플을 상기 셀에 의해 한정된 샘플 체적으로 들이는 단계와,
    입사한 복사 세기를 나타내는 신호를 내기 위해 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 출력 신호를 처리하는 단계
    를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 소스로부터 복사 세기를 고레벨 및 저레벨 사이에서 일정한 간격으로 조절하는 단계는 구형파 구동 신호를 상기 소스에 공급함으로써 수행되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  47. 제45항에 있어서, 입사한 복사 세기를 나타내는 신호를 내기 위해 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 출력 신호를 처리하는 단계는 상기 제1 검출기에 입사하는 복사 세기에 대한 값들을 내기 위해 상기 입력 AC 신호의 교대 반사이클을 적분함으로써 수행되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 AC 입력 신호는 하나에 가해지고, 반전된 AC 입력 신호는 다른 하나에 가해지는 별도의 두개의 적분기가 제공되고, 각 적분기는 상기 AC 입력 신호의 양의 반사이클 동안 공급된 AC 입력 신호의 순시 진폭에 응답하는 값들을 저장하므로, 그와 같이 적분한 총계는 상기 양의 반사이클의 완료 후에 측정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 적분기는 쌍경사 적분기로서, 각각은 상기 AC 입력 신호의 양의 반사이클 동안 상기 제1 초전형 검출기의 온도 변화율에 응답하는 속도로 전하를 축전하고, 상기 저장된 값은 상기 커패시터가 상기 입력 신호의 음의 반사이클 동안 일정한 속도로 방전하는데 필요한 시간을 측정함으로써 측정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 시간이 디지털 타이머를 사용하여 측정되어, 상기 입력 신호의 연속적인 반사이클 동안 상기 검출기에 입사하는 복사 세기에 대한 디지털 값들이 제공되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  51. 제48항에 있어서, 상기 입력 신호를 적분하고 상기 피변조 소스 세기에서 전이를 제어하는 타이머에 의해 제공된 제어 신호에 응답하는 적분값을 측정하는 사이에 전이를 제어하는 단계를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  52. 제51항에 있어서, 상기 타이머에 의해 제공된 제어 신호는 상기 피변조 소스 세기의 전이에 관하여 위상 뒤짐 Φ만큼 지연되고, 상기 제1 초전형 검출기에 의해 제공된 AC 입력 신호의 제로 교차를 상기 피변조 램프 세기의 전이와 비교하여 상기 계기의 시동 운전에서 상기 위상 뒤짐 Φ를 결정하는 단계를 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  53. 제46항에 있어서, 상기 제2 초전형 검출기를 포함한 서보 루프는 상기 소스에 공급된 구형파 구동 신호의 진폭을 제어하여 상기 소스에 의해 발산된 복사 세기를 측정하고, 상기 구동 신호의 진폭을 제어하여 상기 구형파 구동 신호의 고부분 동안 상기 소스에 의해 제공된 복사 세기가 일정하도록 하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  54. 제45항에 있어서, 상기 출력 신호에 응답하는 셀의 적외선 흡수성 기체종 농도를 결정하는 단계 - 상기 결정 단계는 누설 인자 L의 교정 측정에 반응을 나타내는 검출기로부터의 DC 출력 신호를 보상하는 단계를 포함하고, 상기 램프로부터의 복사에 대한 상기 셀 내부 기체종의 흡수 스펙트럼의 특성인 누설 인자 L에 응답하여 상기 출력 신호를 보상함 - 를 더 포함하는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  55. 제54항에 있어서, 상기 누설 인자 L은 상기 흡수 기체 중 공지 농도의 복수 교정 샘플과 관련하여 상기 검출기에 입사하는 복사 세기를 측정하여 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
  56. 제55항에 있어서, 상기 누설 인자 L은 다음 식의 반복적인 풀이에 의해 결정되는 비분산 적외선(NDIR) 측정용 방법.
    여기서
    C1및 C2는 상기 흡수 기체 농도의 공지된 값이고,
    T1및 T2는 상기 샘플을 통한 복사 투과의 측정값임.
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