KR20010077451A - Apparatus for detecting the concentration of gas using aerometric chamber - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A gas density detecting device with a gas reaction chamber is provided to detect density of gas by measuring light absorption of gas with infrared rays, and to output the density of gas with an electrical signal by processing the signal from the gas reaction chamber. CONSTITUTION: A gas density detecting apparatus comprises a gas reaction chamber(1100) having a measuring light source(1110) emitting light including a wavelength reacting on gas by voltage in a case, a reference light source(1120) emitting light to a passage not to react on the specific gas by voltage in the case, and a single sensor(1130) receiving the specific wavelength from the reference light source and the measuring light source; and a sensor signal processing unit(1200) supplying power to the measuring light source and the reference light source, and outputting an electric signal in proportion to the density of gas by sorting the signals reacting on the measuring light source and the reference light source. The density of gas is measured accurately with two light sources, one passage and one sensor regardless of noise.

Description

기체 반응 챔버를 이용한 기체 농도 검출 장치{Apparatus for detecting the concentration of gas using aerometric chamber}Apparatus for detecting the concentration of gas using aerometric chamber

본 발명은 기체의 특정 성분의 농도를 분석하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적외선 광과 센서를 이용하여 특정 기체의 농도를 검출 및 분석하는 기체 농도 분석용 기체 반응 챔버 및 그를 이용한 기체 농도 검출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for analyzing the concentration of a specific component of a gas, and more particularly, a gas reaction chamber for detecting and analyzing a concentration of a specific gas using infrared light and a sensor, and gas concentration detection using the same. Relates to a device.

최근 실내외 공기의 성분을 감시하거나 의료용 마취기에서 각종 가스의 농도를 측정하거나 사람의 폐에서 나오는 이산화탄소등의 농도를 감시하기 위해 다양한 유형의 기체 농도 분석기가 사용되고 있다.Recently, various types of gas concentration analyzers are used to monitor indoor and outdoor air components, to measure concentrations of various gases in medical anesthesia, and to monitor the concentration of carbon dioxide emitted from the human lung.

일반적으로 이산화탄소(CO2)나 일산화탄소(CO), HC 및 NO3등의 기체는 제각기 적외선 영역의 특정 파장 대역의 광을 흡수하는 성질을 가지며, 흡수하는 정도는 기체농도가 높을수록 커진다. 이 현상을 이용하여 적외선 광원과 센서를 이용하여 기체농도를 측정하는 장치 및 방법이 사용된다.In general, gases such as carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO), HC, and NO 3 have a property of absorbing light in a specific wavelength band in the infrared region, respectively, and the degree of absorption increases as the gas concentration increases. An apparatus and method for measuring gas concentration using an infrared light source and a sensor using this phenomenon are used.

도 1은 챔버내에 적외선 광원과 센서를 장착하여 기체의 농도를 검출하는 장치를 도시한 것이다. 챔버(100)내에서 적외선 광원(110)과 센서(120)를 맞은편에서 마주보게 배치하고 적외선 광원(110)으로부터 나오는 적외선이 센서(120)에 얼마나 도달하는지를 측정하여 원하는 기체의 농도를 결정한다. 도 1의 반응용 챔버는 실내의 이산화탄소 농도를 측정하기 위한 챔버의 예로서, 피측정용 실내공기는 다공질의 공기필터(130)를 통과하여 미약한 진공펌프에 의해 부(-)의 압력이 걸려 있는 챔버 위쪽의 출구(140)로 빠져 나간다. 적외선 광원(110)(이하, 램프)에서 나온 빛의 성분 중에서 이산화탄소에 흡수되는 424nm의 파장의 적외선 성분은 챔버내에 존재하는 이산화탄소에 의해 얼마간 흡수되고 남은 분량이 센서(120)의 수광면에 도달한다. 센서의 적외선 필터는 오직 424nm 파장의 빛만 통과시키도록 되어 있으므로 센서의 전기적 신호 출력은 이산화탄소 농도 정보만을 포함하고 있다.1 shows an apparatus for detecting a gas concentration by mounting an infrared light source and a sensor in a chamber. In the chamber 100, the infrared light source 110 and the sensor 120 are disposed to face each other, and the desired gas concentration is determined by measuring how far the infrared light from the infrared light source 110 reaches the sensor 120. . The reaction chamber of FIG. 1 is an example of a chamber for measuring carbon dioxide concentration in a room. The indoor air to be measured passes through the porous air filter 130 and is subjected to negative pressure by a weak vacuum pump. Exit to exit 140 above the chamber. Among the components of light emitted from the infrared light source 110 (hereinafter referred to as a lamp), the infrared component of 424 nm wavelength absorbed by carbon dioxide is absorbed by carbon dioxide present in the chamber for a while and the remaining amount reaches the light receiving surface of the sensor 120. . The sensor's infrared filter allows only light at 424nm wavelength to pass through, so the sensor's electrical signal output contains only carbon dioxide concentration information.

도 2의 (A)는 도 1의 적외선 광원(110)에 가해지는 전압의 파형이고, 도 2의 (B)는 도 1의 챔버 내의 센서가 광도전형 센서인 경우의 센서 출력 파형으로서, 여기서의 실선 및 점선은 각각 기체 농도가 높을 때 및 낮을 때의 센서 출력 신호의 상태를 나타낸 것이다. 검출하고자 하는 기체의 농도가 낮아질수록 적외선 흡수량이 적으므로 센서 출력 신호의 진폭이 크게 나타난다. 도 2의 (C)는 도 1의 챔버 내 센서가 초전형 센서(Pyroelectric sensor)인 경우의 센서 출력 파형으로서, 그 출력 파형이 지수형 파형이 되는 것은 초전형 센서의 감지면이 열의 전도에 응답하기 때문이다.2A is a waveform of a voltage applied to the infrared light source 110 of FIG. 1, and FIG. 2B is a sensor output waveform when the sensor in the chamber of FIG. 1 is a photoconductive sensor. The solid and dashed lines represent the state of the sensor output signal at high and low gas concentrations, respectively. As the concentration of the gas to be detected decreases, the amount of infrared absorption decreases, so that the amplitude of the sensor output signal is large. FIG. 2C is a sensor output waveform when the sensor in the chamber of FIG. 1 is a pyroelectric sensor, and the output waveform becomes an exponential waveform because the sensing surface of the pyroelectric sensor responds to heat conduction. Because.

도 3은 종래의 기체 농도 검출 장치와 신호 처리 회로의 구조를 도시한 것으로서, 기체의 농도가 검출되는 기체 반응 챔버(300)와 그로부터 검출된 신호를 처리하여 검출된 기체의 농도를 전기적 신호로서 출력하는 신호 처리 회로(310)로 구성된다. 기체 반응 챔버(300)의 구조는 도 1을 통해 설명한 구조와 동일하며, 이때 센서(302)는 광도전형 센서(photoconductive sensor)나 초전형 센서(pyroelectric sensor) 또는 열전쌍열 센서(thermopile sensor) 모두가 사용될 수 있다. 신호 처리 회로(310)는 램프 드라이버 회로(311), 클록펄스 발생회로(312), 프리앰프회로(313), 밴드패스회로(314), 정피크검출 샘플/홀드 회로(315), 부피크검출 샘플/홀드 회로(316), 위상 지연 회로(317), 차동앰프(318), 온도보상앰프(319), 선형화 중폭기(320), 로우패스필터 및 반전출력증폭기(321)로 구성되고, 기체 반응 챔버(300)로부터 검출된 기체의 농도에 관한 신호를 처리하여 그 크기를 출력한다.3 shows a structure of a conventional gas concentration detecting apparatus and a signal processing circuit, and processes a gas reaction chamber 300 in which gas concentration is detected and a signal detected therefrom, and outputs the detected gas concentration as an electrical signal. And a signal processing circuit 310. The structure of the gas reaction chamber 300 is the same as that described with reference to FIG. 1, wherein the sensor 302 includes both a photoconductive sensor, a pyroelectric sensor, and a thermopile sensor. Can be used. The signal processing circuit 310 includes a lamp driver circuit 311, a clock pulse generation circuit 312, a preamplifier circuit 313, a band pass circuit 314, a positive peak detection sample / hold circuit 315, and a bulk detection And a sample / hold circuit 316, a phase delay circuit 317, a differential amplifier 318, a temperature compensation amplifier 319, a linearized heavy amplifier 320, a low pass filter and an inverted output amplifier 321. The signal about the concentration of the gas detected from the reaction chamber 300 is processed and its magnitude is output.

도 4는 도 3에 표시된 각 부분에서 관찰된 파형을 나타낸 것이다. 도 3의 블록 다이어그램과 도 4의 파형을 통해 도 3의 동작을 이하에서 설명한다.FIG. 4 shows waveforms observed in each part shown in FIG. 3. The operation of FIG. 3 will now be described with reference to the block diagram of FIG. 3 and the waveform of FIG. 4.

먼저 챔버(300)의 적외선 램프(301)에 도 4의 A와 같은 구형파 전압이 입력되어 램프를 주기적으로 점멸시킨다. 램프의 점멸 주기는 측정기에서 원하는 응답속도에 따라 달라질 수 있으며, 보통 0.1Hz에서 10Hz 정도가 된다. 적외선 램프(301)의 점멸에 의해 챔버내의 측정코자 하는 기체의 농도가 검출되어 센서(302)를 통해 출력되면 프리앰프(313)에서는 센서로부터 출력된 파형을 증폭하여 도 4의 B와 같은 파형이 얻어진다. 램프를 점멸 구동하는 이유는, 센서로부터 출력되는 신호가 매우 미약하기 때문에 높은 이득을 가진 프리앰프를 사용할 수 밖에 없는데, 이때 직류 증폭기를 사용하면 온도변화에 따른 센서의 동작점 전압 변화와 증폭기 바이어스 전압의 변화에 따른 직류 전압 드리프트가 뒷단으로 전파되어 측정의 안정도를 저하시킨다. 이 때문에 직류를 차단하고 교류 신호만을 증폭할 수 있도록 단속적인 광 쵸핑이 필요한 것이다. B에서 얻어진 파형은 시간이 경과할수록 점차 진폭이 커짐을 알 수 있는데, 이는 챔버내에 들어온 특정 가스의 농도가 점차 낮아지기 때문에 나타나는 결과이다. 직류 드리프트 및 고주파 잡음을 제거하기 위해 대역통과 필터인 밴드패스회로(314)를 통과한 파형은 도 4의 C와 같이 되며, 농도의 크기를 나타내는 직류 전압을 만들어 내기 위해 각각 정(+) 및 부(-)피크검출 샘플/홀드 회로(315, 316)를 통해, 정(+) 및 부(-)의 최대치를 샘플-홀드한 파형은 도 4의 D 및 E에 각각 나타난다. 위상 지연 회로(317)를 사용하여 E 신호의 위상을 지연시킨다. 센서신호의 진폭신호를 얻기 위해 샘플-홀드한 신호를 차동 앰프(817)에 입력시켜 두 신호간의 차이인 파형 F를 얻는다. 선형화 회로에서 센서특성의 비직선성을 선형화 증폭기(320)로 보상한 다음 로우패스필터및 반전출력 증폭기(321)를 통과시킴으로써 농도에 비례하는 출력 신호를 얻은 결과가 도 4의 G이다. 이러한 단일 광원 기체 농도 센싱 방법은 외부 온도 변화에 따른 신호 전압의 변화가 심하게 나타나기 때문에 그림에서 F 신호가 들어가면 온도 보상 앰프로 보정을 하는 과정이 필수적으로 있어야 한다.First, a square wave voltage such as A of FIG. 4 is input to the infrared lamp 301 of the chamber 300 to periodically flash the lamp. The flashing cycle of the lamp can vary depending on the response speed desired by the meter, typically from 0.1Hz to 10Hz. When the concentration of the gas to be measured in the chamber is detected by the flashing of the infrared lamp 301 and output through the sensor 302, the preamplifier 313 amplifies the waveform output from the sensor to produce a waveform as shown in FIG. 4B. Obtained. The reason why the lamp is flickering is because the signal output from the sensor is very weak, so the preamplifier has a high gain, but when using a DC amplifier, the operating point voltage and the amplifier bias voltage of the sensor according to the temperature change are used. The DC voltage drift propagates to the rear end according to the change of, thereby reducing the stability of the measurement. For this reason, intermittent optical chopping is necessary to cut off direct current and amplify only the AC signal. It can be seen that the waveform obtained in B gradually increases in amplitude over time, which is a result of the fact that the concentration of a specific gas entering the chamber gradually decreases. The waveform passed through the bandpass circuit 314, which is a bandpass filter, to remove DC drift and high frequency noise is as shown in C of FIG. 4, and positive and negative, respectively, to generate a DC voltage indicating the magnitude of concentration. Through the negative peak detection sample / hold circuits 315 and 316, waveforms that sample-hold the positive and negative maximums are shown in D and E of FIG. 4, respectively. The phase delay circuit 317 is used to delay the phase of the E signal. To obtain the amplitude signal of the sensor signal, the sample-holded signal is input to the differential amplifier 817 to obtain waveform F, which is the difference between the two signals. In FIG. 4, the linearity amplifier 320 compensates the nonlinearity of the sensor characteristics and passes the low pass filter and the inverted output amplifier 321 to obtain an output signal proportional to the concentration. In this single light source gas concentration sensing method, the signal voltage is severely changed due to the external temperature change. Therefore, when the F signal is input in the figure, the process of compensating with the temperature compensation amplifier is essential.

도 5는 도 4에서 온도변화 및 외란에 따른 출력전압의 변화를 도시한 것이다. A 파형은, 챔버내의 온도 변화 및 외부의 방해 열잡음 파형의 예이고, B 파형은 챔버내 외란이나 온도 변화 없는 정상 상태에서의 센서의 출력 신호를 도시한 것이다. C는 챔버에 외란 및 온도변화가 있을 때의 센서 출력 신호를 도시한 것이다. D는 도 3의 F 위치에서의 출력 파형을 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a change in output voltage according to temperature change and disturbance in FIG. 4. The A waveform is an example of a temperature change in the chamber and an external disturbance thermal noise waveform, and the B waveform shows an output signal of the sensor in a steady state without disturbance or temperature change in the chamber. C shows the sensor output signal when there is disturbance and temperature change in the chamber. D shows the output waveform in the F position of FIG.

상술한 바와 같은 기체 농도 검출 장치에서, 일반적으로 이산화탄소 및 질산가스 농도 검출에 사용되는 광도전형 센서의 가격은 같은 용도로 사용되는 초전형 센서 및 열전쌍열 센서의 가격보다 훨씬 비싸다. 광도전형 적외선 센서의 가격이 비싼만큼 초전형 센서 및 열전쌍열센서를 사용하는 것보다 온도 및 주변 열 잡음에 대하여 크게 안정된 특성을 갖고 있다. 그러나 향후에는 제품의 제조원가를 낮추기 위하여 가격이 저렴한 초전형 및 열전쌍열 센서가 많이 활용될 전망이다. 만일 도 1의 반응 챔버 및 그림 3의 회로에서 초전형 센서를 사용하는 경우에는 도 5와 같은 센서의 출력 전압 변화를 초래하여 측정 오차를 일으키게 된다. 이유는 적외선 필터를 씌우지 않은 초전형 센서의 바탕 소자 자체는 응답 스펙트럼 범위가 이론적으로 직류에서 무한대 주파수까지 이르도록 대역이 광범위하므로 특정 파장을 선택하는 필터를 씌운다 하더라도 센서의 케이스를 통해 간접 침투하는 소량의 열에 의한 잡음을 막을 수가 없기 때문이다. 그러므로 반응 챔버의 광통로 길이가 짧을 경우 광의 경로 내에서의 광 흡수 정도가 적기 때문에 출력 신호 진폭 변화 정도가 적으므로 이로 인한 신호대 잡음비(S/N비)가 낮아져 낮은 농도를 갖는 기체의 측정 및 농도차의 구분이 제대로 이뤄지지 않는다. 열전쌍열 센서의 경우도 센서출력 파형의 모양이 도 4 및 도 5와 약간 다를 뿐 잡음에 대한 영향은 초전형 센서의 경우와 유사하다. 따라서 종래의 기체 농도 검출 시스템 구조로는 상술한 저가의 센서를 사용할 때 크기가 작고 정밀한 기체농도 측정기의 구현이 불가능하다.In the gas concentration detection apparatus as described above, the price of the photoconductive sensor generally used for detecting carbon dioxide and nitrate gas concentration is much higher than the price of the pyroelectric sensor and thermocouple sensor used for the same purpose. As the price of photoconductive infrared sensor is high, it has more stable characteristics against temperature and ambient thermal noise than using pyroelectric sensor and thermocouple sensor. In the future, however, low-cost pyroelectric and thermocouple sensors are expected to be used to reduce the manufacturing cost of products. If the pyroelectric sensor is used in the reaction chamber of FIG. 1 and the circuit of FIG. 3, a change in output voltage of the sensor as shown in FIG. 5 causes a measurement error. The reason is that the base element itself of a pyroelectric sensor without an infrared filter has a wide band so that the response spectral range is theoretically from direct current to infinity frequency, so even if a filter for selecting a specific wavelength is applied, a small amount of indirect penetration through the case of the sensor is required. This is because the noise caused by heat cannot be prevented. Therefore, when the length of the optical path of the reaction chamber is short, the degree of light absorption in the path of light is small. Therefore, the signal signal noise ratio (S / N ratio) is lowered because of the small change in the output signal amplitude. The distinction between cars is not made properly. In the case of the thermocouple sensor, the shape of the sensor output waveform is slightly different from those of FIGS. 4 and 5, and the effect on noise is similar to that of the pyroelectric sensor. Therefore, the conventional gas concentration detection system structure is impossible to implement a small and precise gas concentration meter when using the low-cost sensor described above.

초전형 센서 및 열전쌍열 센서는 환기등에 의해 외기가 변화할 때 혹은 장시간 사용할 때 출력 신호의 진폭 및 베이스라인의 드리프트가 매우 큰데, 이때 도 3에서 챔버에 부착한 온도센서(303) 및 온도 보상앰프(319)에 의한 온도 보상 방법으로는 그 문제가 완벽하게 해결되지 않는다.The pyroelectric sensor and thermocouple sensor have a very large amplitude of the output signal and drift of the baseline when the outside air is changed due to ventilation, or when used for a long time. In this case, the temperature sensor 303 and the temperature compensation amplifier attached to the chamber in FIG. The temperature compensation method by 319 does not solve the problem perfectly.

의료용이나 가정용 탄산가스 측정기등의 소형화된 휴대용 기체농도 측정기를 개발할 때, 반응 챔버의 길이를 짧게 할수록 유리한데, 만일 광도전형 센서를 사용하더라도 반응 챔버의 길이를 짧게 하면 S/N 비가 낮아지므로 크기를 현재(실내 공기 감시용 이산화탄소 측정기의 경우 7~8Cm 정도) 보다 더 소형화시키는 것이 현실적으로 곤란한 실정이다.When developing a miniaturized portable gas concentration meter such as a medical or household carbon dioxide gas meter, the shorter the reaction chamber is, the more advantageous it is. Even if a photoconductive sensor is used, the shorter the reaction chamber, the lower the S / N ratio. It is practically difficult to miniaturize the current (about 7 ~ 8cm in the case of carbon dioxide meter for indoor air monitoring).

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 적외선을 이용한 기체농도 측정기에서 기체의 광흡수 반응을 계측하여 그로부터 측정코자 하는 기체의 농도를 검출하는 기체 반응 챔버에서 출력된 신호를 처리하여 측정할 기체의 농도를 전기신호로서 출력하는 기체 농도 검출 장치를 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to measure the light absorption reaction of the gas in the gas concentration meter using infrared rays and to measure the concentration of the gas to be measured by processing the signal output from the gas reaction chamber for detecting the concentration of the gas to be measured therefrom. The present invention provides a gas concentration detection device that outputs a signal.

도 1은 챔버내에 적외선 광원과 센서를 장착하여 기체의 농도를 검출하는 장치를 도시한 것이다.1 shows an apparatus for detecting a gas concentration by mounting an infrared light source and a sensor in a chamber.

도 2의 (A)는 도 1의 적외선 광원(110)에 가해지는 전압의 파형이다.2A is a waveform of a voltage applied to the infrared light source 110 of FIG. 1.

도 2의 (B)는 도 1의 챔버 내의 센서가 광도전형 센서인 경우의 센서 출력 파형이다.FIG. 2B is a sensor output waveform when the sensor in the chamber of FIG. 1 is a photoconductive sensor.

도 2의 (C)는 도 1의 챔버 내 센서가 초전형 센서인 경우의 센서 출력 파형이다.2C is a sensor output waveform when the sensor in the chamber of FIG. 1 is a pyroelectric sensor.

도 3은 종래의 기체 농도 검출 장치와 신호 처리 회로의 구조를 도시한 것이다.3 shows the structure of a conventional gas concentration detection device and a signal processing circuit.

도 4는 도 3에 표시된 각 부분에서 관찰된 파형을 나타낸 것이다.FIG. 4 shows waveforms observed in each part shown in FIG. 3.

도 5는 도 4에서 온도변화 및 외란에 따른 출력전압의 변화를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a change in output voltage according to temperature change and disturbance in FIG. 4.

도 6은 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 일실시예이다.6 is an embodiment of a gas reaction chamber in accordance with the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 다른 실시예이다.7 is another embodiment of a gas reaction chamber according to the present invention.

도 8은 도 7의 챔버의 좌우 측면도를 각각 도시한 것이다.8 shows left and right side views of the chamber of FIG. 7, respectively.

도 9의 (A)는 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 또다른 실시예이다.9 (A) is another embodiment of a gas reaction chamber according to the present invention.

도 9의 (B)는 도 9의 (A)의 기체 반응 챔버의 상면도이다.FIG. 9B is a top view of the gas reaction chamber of FIG. 9A.

도 9의 (C)는 도 9의 (A)의 양측면도를 도시한 것이다.FIG. 9C shows both side views of FIG. 9A.

도 10의 (A)은 도 9에서의 기준광원의 배치를 상세히 도시한 것이다.10A illustrates in detail the arrangement of the reference light sources in FIG. 9.

도 10의 (B)는 도 9에서의 기준광원의 다른 배치를 상세히 도시한 것이다.10B illustrates another arrangement of the reference light source in FIG. 9 in detail.

도 10의 (C)는 도 10의 (B)일 때, 단열재료인 테프론 단열링에 센서의 수광부와 나란히 기준광원을 배치한 것을 보인다.FIG. 10 (C) shows that the reference light source is arranged in parallel with the light receiving portion of the sensor in the Teflon insulation ring as the heat insulating material when FIG. 10 (B).

도 11은 본 발명에 따른 기체 농도 측정 장치의 구성도이다.11 is a block diagram of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention.

도 12는 도 11의 센서 신호 처리부에서 표시된 각 구성성분 부위별 파형도를 나타낸 것이다.12 is a waveform diagram of each component part displayed in the sensor signal processor of FIG. 11.

도 13은 본 발명에 따른 기체 농도 측정 장치의 다른 구성예이다.13 is another structural example of the gas concentration measuring apparatus according to the present invention.

도 14는 도 13의 센서 신호 처리부에서 표시된 각 구성 성분 부위별 파형도를 나타낸 것이다.FIG. 14 is a waveform diagram for each component part displayed by the sensor signal processor of FIG. 13.

상기 과제를 수행하기 위한, 기체 농도 검출 장치는, 외부공기가 출입할 수 있는 케이스내에서 외부로부터 공급되는 소정 전압에 의해 측정할 소정 기체와 반응하는 파장을 포함한 광을 발산하는 측정광원, 상기 케이스내에서 외부로부터 공급되는 전압에 의해 상기 측정광원과 동일한 광을 발산하나, 상기 특정 기체와 반응할 수 없는 경로로 광을 발산하는 기준광원 및 상기 측정광원 및 상기 기준광원으로부터 상기 특정 파장만을 수광하는 단일 센서를 구비하는 기체 반응 챔버; 및 상기 측정광원 및 상기 기준광원에 소정 전압을 공급하고, 상기 센서로부터 출력된 신호중 측정광원에 의해 반응한 신호와 기준광원에 의해 반응한 신호를 각각 구분하고 구분된 두 신호의 차를 내어 상기 측정하고자 하는 기체 농도에 비례하는 전기신호를 출력하는 센서 신호 처리부를 포함함을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, a gas concentration detecting device includes a measuring light source that emits light including a wavelength reacting with a predetermined gas to be measured by a predetermined voltage supplied from the outside in a case through which external air can enter and exit, the case A reference light source that emits the same light as the measurement light source by a voltage supplied from the outside, but receives only the specific wavelength from the measurement light source and the reference light source and emits light in a path that cannot react with the specific gas A gas reaction chamber having a single sensor; And supplying a predetermined voltage to the measurement light source and the reference light source, distinguishing a signal reacted by a measurement light source from a signal output from the sensor and a signal reacted by a reference light source, and giving a difference between the two separated signals. It characterized in that it comprises a sensor signal processor for outputting an electrical signal proportional to the gas concentration.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 일실시예로서, 기체 반응 챔버는 케이스(600), 측정광원(610), 기준광원(620), 측정센서(611), 기준센서(621)를 구비한다. 가령 알루미늄 재질과 같은 케이스로 만들어진 케이스(600)는 도면 상단의 다공질 공기 필터(601)를 통해 외부 공기가 입력되어 들어오고 미약한 진공펌프(미도시)에 의해 부(-)의 압력이 걸려있는 챔버 위쪽의 출구(602) 공기가 빠져 나가는 구조로 되어 있다. 측정광원(610)은 케이스(600)내에 입력된 외부공기중 측정하고자 하는 특정 기체(가령, 여기서는 이산화탄소라고 하자)에 흡수되는성질이 있는 파장을 포함하는 광선을 발산하기 위한 것이다. 따라서 측정광원(610)은 케이스(600)내에서 외부 공기가 존재하는 통로에 광선을 발사하도록 위치되어 있다. 이산화탄소의 농도를 측정하는 경우, 측정광원(610)은 적외선 광원이 되며, 그 중 424nm의 파장의 빛이 이산화탄소에 흡수된다. 외부로부터 공급되는 소정 전압에 의해 측정광원(610)이 적외선을 발산하면, 측정광 통로(630)내에 이산화탄소의 농도가 높을 때 424nm의 파장이 이산화탄소에 흡수되어 측정센서(611)에 도달하는 그 파장의 신호는 작아질 것이고, 이산화탄소의 농도가 희박하면 측정센서(611)에 도달하는 적외선 광선중 424nm 파장의 신호는 커질 것이다. 기준광원(620)의 구동은 측정광원(610)과 동일한 외부 전압에 의해 이뤄지며, 측정광원(610)과 동일한 광선을 출력한다. 기준광원(620)에서 발산한 광선은 기준광 통로(640)를 따라 발산되며 이 통로는 외부 잡음원과 무관하도록 외부 공기가 존재하지 않는 통로이어야 한다. 기준광원(620)은 기준센서(621)에 도달한다. 측정센서(611) 및 기준센서(612)는 동일한 파장의 광선(가령 여기서는 424nm)만을 수광하며 수광한 광선의 크기 또는 세기에 따라 그에 비례하는 전기 신호를 출력한다.6 is an embodiment of a gas reaction chamber according to the present invention, the gas reaction chamber is provided with a case 600, a measurement light source 610, a reference light source 620, a measuring sensor 611, a reference sensor 621. do. For example, the case 600 made of a case made of aluminum has an external air input through the porous air filter 601 at the top of the drawing, and a negative pressure is applied by a weak vacuum pump (not shown). The outlet 602 above the chamber is configured to allow air to escape. The measurement light source 610 is for emitting light including a wavelength having a property of being absorbed in a specific gas (for example, carbon dioxide) to be measured in the external air input into the case 600. Therefore, the measurement light source 610 is positioned to emit a light beam in a passage in which external air exists in the case 600. When measuring the concentration of carbon dioxide, the measurement light source 610 becomes an infrared light source, of which light of wavelength 424nm is absorbed by the carbon dioxide. When the measurement light source 610 emits infrared rays by a predetermined voltage supplied from the outside, when the concentration of carbon dioxide in the measurement light path 630 is high, a wavelength of 424 nm is absorbed by the carbon dioxide and reaches the measurement sensor 611. The signal of? Will be small, and if the concentration of carbon dioxide is lean, the signal of wavelength 424 nm of the infrared rays reaching the measuring sensor 611 will be large. The reference light source 620 is driven by the same external voltage as the measurement light source 610 and outputs the same light beam as the measurement light source 610. Light rays emitted from the reference light source 620 are emitted along the reference light passage 640, which should be a passage in which no outside air exists so as to be independent of an external noise source. The reference light source 620 reaches the reference sensor 621. The measuring sensor 611 and the reference sensor 612 receive only light rays having the same wavelength (for example, 424 nm) and output an electrical signal proportional to the size or intensity of the received light rays.

도 6에서 외부 잡음원과 무관하게 샘플링된 기체농도의 안정한 측정을 위해 기준광 통로(640)와 측정광 통로(630)를 두는데 각 통로에서 동시에 점멸하는 두 개의 광원(620, 610)과 두 개의 센서(621, 611)를 두어, 두 센서에서 얻어지는 출력 신호를 챔버 외부의 차동증폭기(미도시)의 서로 반대 방향 입력단에 입력하여 그 차이를 얻으면 잡음 성분이 상쇄되고 측정하고자 하는 기체 농도에 대한 신호의안정한 증폭이 가능하다. 이것을 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.In FIG. 6, a reference light path 640 and a measurement light path 630 are provided for stable measurement of the gas concentration irrespective of an external noise source, and two light sources 620 and 610 and two sensors flashing simultaneously in each path. (621, 611), the output signals from the two sensors are input to opposite inputs of differential amplifiers (not shown) outside the chamber and the difference is canceled and the noise component is canceled and the signal for the gas concentration to be measured Stable amplification is possible. This can be expressed as in Equation 1.

여기서, 측정광원과 기준광원의 광 세기는 I, 기준통로(640)를 거쳐 감쇠되는 광량을(측정통로(630)에서도 외부 공기의 유무와 관계없이 동일한 광량 감쇠 크기를 갖는다), 외부로부터 열적 잡음이나 온도차에 따른 공기 대류나 전도가 일어나 측정 센서(611) 및 기준센서(621)에 미치는 잡음의 크기를 n, 두 센서의 응답특성이 동일하고 전기신호로의 변환효율 또한 동일한라고 한다. I_s는 측정 통로(611)상에서의 특정 기체(가령, 이산화탄소)의 광흡수에 의한 광감쇠량이다. e_0는 기준센서(621)와 측정센서(611) 출력의 차동 출력 신호로서, 잡음과 무관하게 측정하고자 하는 기체에 의한 광량의 감소값을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 예에서는 수학식 1이 가능하도록 기준센서(621)와 측정센서(611)의 특성이 꼭 같은 것이어야 한다. 그러나 이것은 현실적으로 매우 어렵고, 센서 특성이 일치한다 하더라도 두 개의 센서를 사용하므로 높은 비용을 발생한다는 단점이 있다.Here, the light intensity of the measurement light source and the reference light source is I, the amount of light attenuated through the reference passage 640 (The measurement path 630 also has the same amount of light attenuation irrespective of the presence or absence of external air), noise caused by thermal convection or conduction due to thermal noise or temperature difference from the outside, which affects the measuring sensor 611 and the reference sensor 621. N is the same, the response characteristics of the two sensors are the same and the conversion efficiency to the electrical signal is the same. It is called. I_s is an amount of light attenuation due to light absorption of a specific gas (eg, carbon dioxide) on the measurement passage 611. e_0 is a differential output signal from the outputs of the reference sensor 621 and the measurement sensor 611, it can be seen that the reduction value of the amount of light by the gas to be measured can be obtained irrespective of noise. In this example, the characteristics of the reference sensor 621 and the measurement sensor 611 should be the same so that Equation 1 is possible. However, this is very difficult in reality, and even if the sensor characteristics are identical, two sensors are used, which causes a high cost.

도 7은 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 다른 실시예로서, 도 6의 단점을 보완하기 위해 센서를 하나만 사용하는 챔버의 구성을 도시한 것이다. 여기 도시된 챔버의 구성에서 도 6과 동일한 특성 및 동작을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 6의 참조번호를 그대로 사용한다. 도 6과 비교할 때, 한 개의 센서를 사용하기 위해서는 센서(700)쪽으로 광선이 가까이 올수록 측정광원(610)으로부터의 광선과기준광원(620)으로부터의 광선이 센서(700)의 수광면에 동시에 모이도록 V형태로 되게 하였고 V자의 양쪽 벽면에 반사 거울(710, 720)을 설치하여 상술한 광선의 수광부로의 모임을 해결한다. 또한 기준광통로(640)와 측정광통로(630) 사이에 공기 유통이 없으면서 기준광통로(640)의 빛이 센서 쪽으로 자유로이 도달하도록 투명 격막(730)을 설치해야 한다. 두 개의 광원이 동시에 점멸하면 각기 다른 통로를 주행한 두 줄기의 빛이 동시에 한 개의 센서(700)로 들어와 센서의 응답이 섞여 버리기 때문에 두 응답의 차이를 얻고자 하는 의도를 실행할 수 없게 된다. 따라서 측정광원과 기준광원의 점멸은 동시에 이뤄지지 않고 기준광원의 점멸 파형을 측정광원의 점멸에 비해 180도 위상 지연시켜 공급한다. 즉, 측정광원(610)이 온될 때의 센서 신호를 받아 홀드 시킨후 측정광원(610)이 오프되는 순간 온되는 기준광원(620)으로부터의 센서 신호를 받아 그 신호와 홀드 시켜 두었던 신호 사이의 차이를 구한다. 이렇게 하면 효과적으로 2개의 센서를 쓰는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있다. 단, 이는 램프가 점멸하는 1/2주기 직전과 직후에 잡음 n의 양이 같다는 전제가 뒤따라야 한다. 일반적으로 센서는 알루미늄등의 재질내에 깊숙히 설치되어 있어 외부 빛이 차단되어 있기 때문에 센서에 미치는 외부 잡음은 센서를 둘러싸고 있는 케이스를 통해 들어오는 적외선 잡음 밖에는 없다. 적외선 잡음의 경우 케이스의 열전도에 걸리는 시간을 고려하면 외부 열 때문에 나타나는 잡음에 관한 이러한 전제는 충분히 타당하게 된다. 즉, 잡음의 크기가 반주기 정도의 시간안에는 급변하지 않으므로 교번적으로 측정광원 및 기준광원을 구동하는 것이 실용적으로 무리하지 않다. 그러나 도 7과 같은 경우, 측정광통로와 기준광통로 사이에 설치되는 투명 격막 유리(730)의 측정통로쪽 면이 외부에서 들어오는 공기로부터 먼지나 습기등에 의해 탁해지거나 오염이 됨으로써 기준광원으로부터 이 투명 격막 유리(730)를 통한 광선의 전달 효율이 떨어지게 됨으로써 장기적으로 사용할 경우 측정 오차를 유발할 가능성이 있다.FIG. 7 illustrates a configuration of a chamber using only one sensor to compensate for the disadvantages of FIG. 6 as another embodiment of the gas reaction chamber according to the present invention. In the configuration of the chamber shown here for the components that perform the same characteristics and operations as in FIG. In comparison with FIG. 6, in order to use one sensor, the light beam from the measuring light source 610 and the light beam from the reference light source 620 are simultaneously collected on the light receiving surface of the sensor 700 as the light beam approaches the sensor 700. The reflection mirrors 710 and 720 are provided on both walls of the V-shape to solve the gathering of the above-mentioned light beams to the light receiving portion. In addition, there is no air flow between the reference light path 640 and the measurement light path 630, and the transparent diaphragm 730 should be installed so that the light of the reference light path 640 freely reaches the sensor. When two light sources blink at the same time, the light of two stems traveling in different passages simultaneously enters one sensor 700 and the response of the sensors is mixed, so that the intention to obtain the difference between the two responses cannot be executed. Therefore, the flickering of the measurement light source and the reference light source does not occur at the same time, and the flickering waveform of the reference light source is delayed by 180 degrees compared to the flickering of the measurement light source. That is, the difference between the signal received and held by the sensor signal from the reference light source 620 that is turned on when the measurement light source 610 is turned off after receiving and holding the sensor signal when the measurement light source 610 is turned on. Obtain This effectively produces the same result as using two sensors. However, this must be followed by the premise that the amount of noise n is equal immediately before and immediately after the half cycle of the lamp blinking. In general, since the sensor is deeply installed in a material such as aluminum, and the external light is blocked, the external noise on the sensor is only the infrared noise coming through the case surrounding the sensor. In the case of infrared noise, the premise of noise due to external heat is justified given the time taken to heat the case. That is, since the magnitude of the noise does not change rapidly in the half cycle time, it is not practical to drive the measurement light source and the reference light source alternately. However, in the case of FIG. 7, the transparent diaphragm from the reference light source is caused by the surface of the measuring passage side of the transparent diaphragm glass 730 installed between the measuring light path and the reference light path by being clouded or contaminated by air or dust from the outside air. Since the transmission efficiency of light rays through the glass 730 is reduced, there is a possibility of causing a measurement error in the long term use.

도 8은 도 7의 챔버의 좌우 측면도를 각각 도시한 것으로서, 케이스(600)의 좌측에는 측정광원(610) 및 기준광원(620)이 설치될 구멍이, 우측에는 한 개의 센서(700)가 설치될 구멍이 자리함을 알 수 있다.FIG. 8 illustrates left and right side views of the chamber of FIG. 7, in which a hole for installing the measurement light source 610 and the reference light source 620 is installed on the left side of the case 600, and one sensor 700 is installed on the right side of the case 600. You can see that there is a hole to be made.

도 9의 (A)는 본 발명에 따른 기체 반응 챔버의 또다른 실시예를 도시한 것으로서, 이 실시예는 도 8의 문제점을 개선시킨 2광원 1센서 1통로인 챔버의 구성으로서, 이는 케이스(900), 측정광원(910), 기준광원(920), 센서(930)로 구성된다. 케이스(900)는 도 6 내지 도 8에 예시된 것과 동일한 케이스이다. 측정광원(910)은 케이스(900)의 한쪽 끝에 설치되어 외부로부터 전달되는 교류 전압에 의해 측정할 기체와 반응하는 파장을 가지는 광선을 발산한다. 측정광원(910)으로부터 발산된 광선중 특정파장의 광선은 케이스(900)내에 출입하는 외부공기 중 측정할 특정 기체에 흡수되고 그 나머지만이 센서(930)의 수광부로 전달된다. 측정광원에서 발산되는 광선의 중심축 및 발산 방향은 케이스(900)의 다른 한쪽 끝에 위치한 센서(930)의 수광부 위치와 일치한다. 따라서 도 7에서 필요했던 특별한 반사경(710)등이 필요하지 않다. 기준광원(920)은 전압이 공급되는 동안, 발산한 광이 케이스(900)내 소정 공기와 반응하지 않고 바로 센서(930)로 입력되도록 센서에 근접하게 위치한다. 기준광원의 크기는 측정광원보다 크기가 작게 그려져 있는데, 이는 센서에 가깝기 때문에 광량의 감쇠가 그만큼 작아도 되기 때문이다. 이 방식은 1통로 1센서를 사용하지만 반주기씩 번갈아 측정광원과 기준광원을 점멸하고 뒷단의 신호 처리회로에서 측정광원의 출력과 반주기씩 지연 저장시킨 기준광원을 점멸하고 뒷단의 신호 처리회로에서 측정광원의 출력과 반주기씩 지연 저장시킨 기준광원 램프에 의한 센서응답을 뽑아내어 그 차이를 이용하기 때문에 효과면에서는 도 6의 반응 챔버와 동일하다. 도 9의 (B)는 도 9의 (A)의 기체 반응 챔버의 상면도이고, 도 9의 (C)는 도 9의 (A)의 양 측면도를 도시한 것이다. 기준광원(920)과 센서(930)의 배치를 도 10의 (A)에서 보다 상세히 나타냈으며 도 10의 (B)는 기준광원의 다른 배치를 나타내었다. 도 10의 (A)은 기준광원이 센서에 가까운 측면 벽에 측정광원의 광축과 90도로 설치되는 배치를 보이며, 도 10의 (B)는 센서를 케이스에 설치할 때 쓰이는 단열재료의 일부에 소형광원을 기준광원으로서 측정광원의 광축과 180도 쉬프트한 광축을 갖도록 배치한 것을 보인다. 도 10의 (C)는 도 10의 (B)의 타원 부분인, 단열재료인 테프론 단열링에 센서의 수광부와 나란히 기준광원을 배치한 것을 보인다.Figure 9 (A) shows another embodiment of the gas reaction chamber according to the present invention, this embodiment is a configuration of a chamber that is a two-light source 1 sensor one passage that improves the problem of Figure 8, which is a case ( 900, a measurement light source 910, a reference light source 920, and a sensor 930. The case 900 is the same case as illustrated in FIGS. 6 to 8. The measurement light source 910 is installed at one end of the case 900 and emits light having a wavelength that reacts with a gas to be measured by an AC voltage transmitted from the outside. Light rays having a specific wavelength among light rays emitted from the measurement light source 910 are absorbed by a specific gas to be measured in the outside air entering and exiting the case 900, and only the rest is transmitted to the light receiving portion of the sensor 930. The central axis and the diverging direction of the light emitted from the measurement light source coincide with the position of the light receiving portion of the sensor 930 located at the other end of the case 900. Therefore, no special reflector 710 or the like needed in FIG. 7 is needed. The reference light source 920 is positioned close to the sensor so that the emitted light does not react with the predetermined air in the case 900 and is directly input to the sensor 930 while the voltage is supplied. The size of the reference light source is drawn smaller than the measurement light source because the attenuation of the amount of light may be as small as it is closer to the sensor. This method uses one channel and one sensor, but alternately cycles the measurement light source and reference light source by half cycle, and in the signal processing circuit at the back stage, flickers the reference light source which is delayed and stored by half cycle and outputs the measurement light source in the signal processing circuit at the rear stage. It is the same as the reaction chamber of FIG. 6 because the sensor response by the reference light source lamp, which is delayed and stored by the output and the half cycle, is used and the difference is used. FIG. 9B is a top view of the gas reaction chamber of FIG. 9A, and FIG. 9C shows both side views of FIG. 9A. The arrangement of the reference light source 920 and the sensor 930 is shown in more detail in FIG. 10A and FIG. 10B shows another arrangement of the reference light source. 10 (A) shows an arrangement in which the reference light source is installed at 90 degrees with the optical axis of the measurement light source on the side wall close to the sensor, and FIG. 10 (B) shows a small light source in a part of the insulating material used when installing the sensor in the case. It is shown that is arranged to have an optical axis shifted by 180 degrees with the optical axis of the measurement light source as a reference light source. FIG. 10 (C) shows that a reference light source is arranged in parallel with the light receiving portion of the sensor in a Teflon insulating ring, which is an insulating material, which is an ellipse portion of FIG. 10 (B).

도 11은 본 발명에 따른 기체 농도 측정 장치의 구성도로서, 기체 농도 측정 장치는 기체 반응 챔버(1100) 및 센서 신호 처리부(1200)를 구비한다. 기체 반응 챔버(1100)는 외부공기가 출입할 수 있는 케이스내에서 외부로부터 공급되는 소정 전압에 의해 측정할 소정 기체와 반응하는 파장을 포함한 광을 발산하는 측정광원(1110), 상기 케이스내에서 외부로부터 공급되는 전압에 의해 센서 수광면에 상기 측정광원과 동일한 세기의 광을 주지만, 상기 특정 기체와 반응할 수 없는경로로 광을 발산하는 기준광원 (1120)및 상기 측정광원 및 상기 기준광원으로부터 상기 특정 파장만을 수광하는 센서(1130)를 포함한다. 여기서의 기체 반응 챔버(1100)는 도 7 또는 도 9의 어떤 것이라도 될 수 있다. 센서 신호 처리부(1200)는 측정광원 및 기준광원에 소정 전압을 공급하고, 센서로부터 출력된 신호중 측정광원에 의해 반응한 신호와 기준광원에 의해 반응한 신호를 각각 구분하고 구분된 두 신호를 서로 비교하여 측정하고자 하는 기체 농도에 비례하는 전기신호를 출력하는 회로이다. 센서 신호 처리부(1200)는 프리앰프회로(1210), 밴드패스필터회로(1220), 피크검출회로(1230), 샘플홀드회로(1240), 출력 로우패스필터 앰프회로(1250) 및 디스플레이회로(1260)를 구비한다. 기체 반응 챔버(1100)로부터 소정 주기로 출력되는 센서 신호의 피크치를 P로 하고 그보다 반주기 뒤이어 출력되는 센서신호의 피크치를 Q라 할 때 상술한 수학식 1에서와 같은 원리로 P-Q를 수행하여 차동 출력을 얻고 그 값을 반전시킨 것이 특정 기체의 농도를 나타내는 전압이 된다. 센서 신호 처리부(1200)의 동작에 대해 도 12의 파형을 들어 자세히 설명한다. A 및 B는 각각 측정광원(1110) 및 기준광원(1120)을 구동하기 위한 전압의 파형으로서 B는 A에 비해 반주기동안 위상 지연되어 공급됨을 알 수 있다. 측정광원(1120)이 턴 온할 때 발산되는 광선은 케이스내의 통로를 거쳐오는 동안 반응할 특정 기체에 소정 파장이 흡수되고 난 상태이기 때문에 C와 같이 특정 기체의 농도가 감소할수록 프리앰프회로(1210)의 출력 전압의 피크치가 증가한다. 한편 반주기 뒤의 전압 B의 전압이 기준광원(1120)을 구동하는 동안에는 기준광원에서 발산하는 광원의 소정 파장이 상기 특정 기체에 반응하기 전에 센서로 입력되어들어오기 때문에 케이스 내부의 특정 기체의 농도와 무관한 센서 출력을 얻음을 C에서 알 수 있다. 프리앰프회로(1210)를 통과한 이 파형이 밴드패스필터회로(1120)를 지나면 D와 같은 파형이 되고 이어 피크검출회로(1130)에서 검출된 피크값이 클럭 펄스에 의해 매 반주기가 끝나는 점까지 홀딩되어 E와 같이 출력된다. 이 신호는 다시 피크값에 준하는 안정된 농도신호를 얻기 위해 샘플 앤드 홀드 회로를 통과함으로써 F의 파형을 얻는다. 그 후 이득 조절 및 캘리브레이션(calibration)을 위한 직류레벨 조절등을 하는 동시에 농도가 낮을 때 높은 출력 전압이 나타나도록 표현되고 있는 F 신호를 그 반대로 농도가 높을 때 큰 출력신호 전압으로 나타나도록 위상 반전을 시켜서 최종 신호 G를 얻는다. 출력전압 G는 디스플레이회로(1260)를 통해 사용자에게 표시된다. G는 주변 열잡음이나 온도변화에 무관하게 순수한 특정 기체의 농도에 비례하는 전압이 된다. 이러한 방식은 측정광원과 기준광원에 의한 차동식 반응챔버를 이용하기 때문에 회로에서 별도의 온도 센서 및 그에따른 온도 보상 회로가 불필요 하나, 더욱 정밀한 농도 측정을 구현하고자 할 때에는 기체 반응 챔버(1100)에 온도 센서를 부착 시켜서 여기에서 나오는 신호를 이용하여 센서 신호 처리부(1200)에서 온도 보상을 추가로 실시하도록 회로를 구성할 수 있으며 이를 도 11의 점선으로 표시하였다.11 is a configuration diagram of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention, wherein the gas concentration measuring apparatus includes a gas reaction chamber 1100 and a sensor signal processor 1200. The gas reaction chamber 1100 includes a measurement light source 1110 that emits light including a wavelength that reacts with a predetermined gas to be measured by a predetermined voltage supplied from the outside in a case through which external air can enter and exit, and the outside in the case. A reference light source 1120 which gives light of the same intensity as the measurement light source to the sensor light-receiving surface by a voltage supplied from the sensor, but emits light in a path that cannot react with the specific gas, and from the measurement light source and the reference light source The sensor 1130 receives only a specific wavelength. The gas reaction chamber 1100 herein may be any of FIG. 7 or FIG. 9. The sensor signal processing unit 1200 supplies a predetermined voltage to the measurement light source and the reference light source, and distinguishes the signal reacted by the measurement light source and the signal reacted by the reference light source among the signals output from the sensor, and compares the two separated signals. To output an electrical signal proportional to the gas concentration to be measured. The sensor signal processor 1200 may include a preamplifier circuit 1210, a band pass filter circuit 1220, a peak detection circuit 1230, a sample hold circuit 1240, an output low pass filter amplifier circuit 1250, and a display circuit 1260. ). When the peak value of the sensor signal output from the gas reaction chamber 1100 at predetermined intervals is P and the peak value of the sensor signal output half a period later is Q, PQ is performed on the same principle as in Equation 1 above to perform differential output. And the value inverted becomes a voltage indicating the concentration of a particular gas. An operation of the sensor signal processor 1200 will be described in detail with reference to the waveform of FIG. 12. A and B are waveforms of voltages for driving the measurement light source 1110 and the reference light source 1120, respectively, and it can be seen that B is supplied with a phase delay for half a period compared to A. Since the light emitted when the measurement light source 1120 is turned on is absorbed by a specific gas to react during the passage in the case, the preamplifier circuit 1210 decreases as the concentration of the specific gas decreases, such as C. The peak value of the output voltage increases. On the other hand, while the voltage of the voltage B after the half cycle drives the reference light source 1120, since a predetermined wavelength of the light source emitted from the reference light source is input to the sensor before reacting to the specific gas, It can be seen from C that an unrelated sensor output is obtained. When the waveform passed through the preamplifier circuit 1210 passes through the band pass filter circuit 1120, the waveform becomes the same as D. Then, the peak value detected by the peak detection circuit 1130 is terminated every half cycle by the clock pulse. It is held and output as E. This signal is again passed through the sample and hold circuit to obtain a stable concentration signal that corresponds to the peak value to obtain the waveform of F. Then, while adjusting the DC level for gain control and calibration, the phase inversion is performed so that the F signal, which is expressed to have a high output voltage when the concentration is low, and the large output signal voltage when the concentration is high, is reversed. The final signal G is obtained. The output voltage G is displayed to the user through the display circuit 1260. G is a voltage that is proportional to the concentration of a particular gas, regardless of ambient thermal noise or temperature changes. Since this method uses a differential reaction chamber based on the measurement light source and the reference light source, a separate temperature sensor and a corresponding temperature compensation circuit are unnecessary in the circuit. However, in order to implement more precise concentration measurement, the temperature in the gas reaction chamber 1100 may be increased. A circuit may be configured to additionally perform temperature compensation in the sensor signal processing unit 1200 by attaching a sensor and using the signal from the excitation signal, which is indicated by a dotted line in FIG. 11.

도 13은 본 발명에 따른 기체농도 측정장치의 다른 예로서 도 11과 기체반응 챔버(1110)는 동일하나 센서신호 처리부(1300)가 다른 구성으로 되어있다. 센서신호 처리부에서도 기준용 램프 드라이버회로, 주 램프드라이버회로, 180도 위상지연회로 및 클록 펄스 발생회로는 도 11의 것과 동일하다. 그러나 센서의 출력신호를처리하는 과정은 도 11의 피크검출회로(1230)와 샘플홀드회로(1240) 대신에 안정된 기체농도 검출을 할 수 있도록 도 13에서는 아날로그 곱셈기(1340)를 이용하여 구성한 것이 다르다.13 is another example of the gas concentration measuring apparatus according to the present invention, but the gas reaction chamber 1110 is the same, but the sensor signal processing unit 1300 has a different configuration. In the sensor signal processing section, the reference lamp driver circuit, the main lamp driver circuit, the 180-degree phase delay circuit, and the clock pulse generation circuit are the same as those in FIG. However, the process of processing the output signal of the sensor is different from that configured using the analog multiplier 1340 in FIG. 13 so that a stable gas concentration can be detected instead of the peak detection circuit 1230 and the sample hold circuit 1240 of FIG. .

도 14는 도 13의 구성도에서 알파벳 A, B, C 및 D등으로 표기한 위치의 파형을 나타낸 것으로서 이를 이용하여 도 14의 동작과정을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 챔버내에 가스 농도가 시간에 따라 점차 감소하고 있는 경우, 적외선 센서(1130)에서 얻어지는 신호는 도 12의 파형 C의 경우와 같이 도 14에서도 파형 C가 된다. 이 신호가 협대역의 밴드패스필터(1320)를 통과하고 나면 파형 D와 같이 램프구동 전압의 기본파인 정현파(sinewave) 모양을 가지면서도 기체농도에 따라 진폭이 시간적으로 변하는 파형이 된다. 이는 램프구동을 위한 구형파 펄스 전압을 파형 D와 위상을 일치시키기 위하여 가변위상회로(1380)를 통과시킨 후 다른 하나의 협대역 밴드패스필터(1330)를 거쳐서 얻어지는 진폭이 일정한 클록 펄스의 기본파인 정현파 E와 함께 아날로그 곱셈기(1340)에 입력시킨다. 이로써 얻어지는 신호는 주파수와 위상이 서로 동일하며 진폭이 변하는 하나의 정현파 신호와, 진폭이 일정한 정현파 신호의 곱이므로 다음의 수학식 2와 같은 결과가 얻어진다.FIG. 14 illustrates waveforms of positions denoted by the letters A, B, C, and D in the configuration diagram of FIG. 13. First, when the gas concentration in the chamber gradually decreases with time, the signal obtained by the infrared sensor 1130 becomes waveform C in FIG. 14 as in the case of waveform C of FIG. 12. After the signal passes through the narrow band bandpass filter 1320, the waveform has a sine wave shape, which is a fundamental wave of the ramp driving voltage, as shown in waveform D, and the amplitude changes in time according to the gas concentration. This is a sine wave which is a fundamental wave of a clock pulse having a constant amplitude obtained by passing a square wave pulse voltage for driving a lamp through a variable phase circuit 1380 to match a phase with a waveform D and then passing through another narrowband bandpass filter 1330. The signal is input to the analog multiplier 1340 together with E. The resultant signal is a product of one sinusoidal signal having the same frequency and phase and having a different amplitude, and a sinusoidal signal having a constant amplitude, thereby obtaining a result as shown in Equation 2 below.

이 결과는, 센서 신호 파형 D의 신호를라고 하고 파형 E의 신호를라고 했을 때 두 신호를 곱한 것이다. 이러한 결과의 파형은 도 14의 파형 F와 같다. 바람직한 출력신호는 이 파형에서 저주파 성분의 신호이므로 윗 식의 우변 첫째항인이며, 클록 주파수의 2배 성분으로 된항은 저역통과 필터(1350)에서 제거된다. 이와 같이 클록 신호의 두 배 성분을 필터링 시키고 반전증폭기를 통과시킨 결과의 신호가 도 14의 파형 G와 같다. 여기서,는 클록 신호의 주파수로 신호성분인 Sig가 가지는 최대 주파수보다 훨씬 높게(4배 이상) 정하여 동작시킴으로써 신호출력이 필터링되어 작아지는 현상이 방지된다. 따라서 저역통과 필터의 차단 주파수는보다 높고보다는 낮은 주파수인 2내지 3정도로 정한다. 저역통과 필터를 거친 신호 G는 디지털 또는 아날로그 디스플레이 회로(1370)에 공급하기 위해 필요한 증폭도를 얻기 위해 출력 앰프 이득회로(1360)에 인가된다.This result shows the signal of sensor signal waveform D. Called the waveform E Is multiplied by two signals. The waveform of this result is the same as the waveform F of FIG. The preferred output signal is the low-frequency component of this waveform, so the first term on the right side of the equation above Which is twice the clock frequency The term is removed from the low pass filter 1350. As such, the signal obtained by filtering the double component of the clock signal and passing the inverting amplifier is the same as the waveform G of FIG. here, Is the frequency of the clock signal and the maximum frequency of the signal component Sig By setting it much higher (more than 4 times), the signal output is filtered and small. Therefore, the cutoff frequency of the lowpass filter Higher than Which is lower than 2 To 3 Decide on the degree. The signal G, which has passed the lowpass filter, is applied to the output amplifier gain circuit 1360 to obtain the amplification degree necessary to supply it to the digital or analog display circuitry 1370.

이와같이 1통로 1센서를 사용하지만 기존의 1광원식 반응 챔버보다 외부 잡음에의 영향을 현저히 줄일 수 있고 이로 인한 정밀한 기체 농도 측정이 가능하다. 또, 휴대용 측정기를 만들 때 자체 크기를 좌우하는 부분이 반응용 챔버의 길이인데, 본 방식은 기존의 1광원 방식보다 S/N비가 높아 반응용 챔버의 크기를 줄여도 되기 때문에 소형화된 장치 제작에 적합하다. 또한, 초전형 및 열전쌍열 센서의 경우 10cm 미만의 반응 챔버의 길이로서 공기중 탄산가스의 농도를 안정하게 측정하기가 곤란하였으나 개선된 장치로서는 이 길이의 반으로도 충분히 가능하다. 그러므로 가격이 저렴한 초전형 및 열전쌍열 센서를 이용한 기체 농도 분석기에 널리 이용될 수 있다. 또한, 한 개의 센서와 한 개의 광통로만 사용하여 2센서 2통로를 사용하는 것과 같은 잡음 제거 효과를 거둘수 있어 반응 챔버 가공 및 제작이 용이하다. 마지막으로, 측정광원과 기준광원으로부터의 신호의 차이값만을 이용하므로 기존의 1광원식보다 장기 사용에 따른 램프의 필라멘트의 경년 변화 효과(aging effect)와 기체에 의한 광원 표면의 오염에의한 광량 저하에 따른 영향이 줄어들게 된다.In this way, the one-pass one-sensor is used, but the influence on external noise can be significantly reduced compared to the conventional one-light-type reaction chamber, thereby enabling accurate gas concentration measurement. In addition, the length of the reaction chamber is the length of the reaction chamber when making a portable measuring instrument. This method is suitable for the manufacture of miniaturized devices because the S / N ratio is higher than the conventional 1-light source method, so the size of the reaction chamber can be reduced. Do. In addition, in the case of pyroelectric and thermocouple sensors, it is difficult to stably measure the concentration of carbon dioxide gas in the air with the length of the reaction chamber of less than 10 cm, but as an improved device, even half of this length is sufficient. Therefore, it can be widely used in gas concentration analyzers using low cost pyroelectric and thermocouple sensors. In addition, by using only one sensor and one optical path, it is possible to achieve the noise removal effect such as using the two-sensor two-path, so that the reaction chamber can be easily processed and manufactured. Finally, since only the difference between the signal from the measurement light source and the reference light source is used, the aging effect of the filament of the lamp according to the long-term use and the amount of light due to the contamination of the light source surface by gas are used. The impact of degradation is reduced.

본 발명에 의하면 기체 농도 측정시 2광원 1통로 1센서를 사용하여 외부 잡음에의 영향을 배제한 정밀한 기체 농도 측정을 행할 수 있다.According to the present invention, the gas concentration can be precisely measured by removing the influence of external noise by using one light path and one path sensor.

Claims (8)

외부공기가 출입할 수 있는 케이스내에서 외부로부터 공급되는 소정 전압에 의해 측정할 소정 기체와 반응하는 파장을 포함한 광을 발산하는 측정광원, 상기 케이스내에서 외부로부터 공급되는 전압에 의해 상기 측정광원과 동일한 광을 발산하나, 상기 특정 기체와 반응할 수 없는 경로로 광을 발산하는 기준광원 및 상기 측정광원 및 상기 기준광원으로부터 상기 특정 파장만을 수광하는 단일 센서를 구비하는 기체 반응 챔버; 및A measurement light source that emits light including a wavelength reacting with a predetermined gas to be measured by a predetermined voltage supplied from the outside in a case through which external air can enter and exit, and the measurement light source by a voltage supplied from the outside in the case; A gas reaction chamber that emits the same light but emits light in a path that cannot react with the specific gas, and a gas reaction chamber having a single sensor that receives only the specific wavelength from the measurement light source and the reference light source; And 상기 측정광원 및 상기 기준광원에 소정 전압을 공급하고, 상기 센서로부터 출력된 신호중 측정광원에 의해 반응한 신호와 기준광원에 의해 반응한 신호를 각각 구분하고 구분된 두 신호의 차를 내어 상기 측정하고자 하는 기체 농도에 비례하는 전기신호를 출력하는 센서 신호 처리부를 포함함을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.Supplying a predetermined voltage to the measurement light source and the reference light source, and distinguished between the signal reacted by the measurement light source and the signal reacted by the reference light source among the signals output from the sensor and to measure the difference between the two signals separated And a sensor signal processor for outputting an electrical signal proportional to the gas concentration. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 측정광원 및 기준광원은 각각 반 파장의 위상차를 보이는 전압에 의해 구동되며, 이때 상기 센서는 측정광원 및 기준광원으로부터 발산된 상기 파장에 대해 번갈아 수광함을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.The measurement light source and the reference light source are each driven by a voltage exhibiting a phase difference of half wavelength, wherein the sensor alternately receives for the wavelength emitted from the measurement light source and the reference light source. 제2항에 있어서, 상기 센서는,The method of claim 2, wherein the sensor, 상기 측정광원이나 기준광원 중 하나와만 기체 상태를 공유하나, 상기 두 광원 모두로부터 광선을 입력받을 수 있는 위치에 놓여짐을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.A gas concentration detection device, characterized in that the gas state is shared with only one of the measurement light source and the reference light source, but placed in a position to receive light from both light sources. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 측정램프는 광을 발산하는 중심축 및 그 방향이 상기 센서의 수광부를 향해 놓여지고,The measuring lamp has a central axis for emitting light and its direction toward the light receiving portion of the sensor, 상기 기준램프는 소정 주기로 전압이 공급되는 동안, 발산한 광이 상기 케이스내 소정 공기와 반응하기 전에 먼저 상기 센서로 입력되도록 센서에 근접하게 위치됨을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.And the reference lamp is positioned close to the sensor so that the emitted light is first input to the sensor before reacting with the predetermined air in the case while the voltage is supplied at a predetermined period. 제4항에 있어서, 상기 기준램프는The method of claim 4, wherein the reference lamp 상기 측정 챔버의 통로 길이 방향에 대해, 90도 혹은 비스듬히 쉬프트한 방향에서 광을 발산하는 위치에 놓여짐을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.A gas concentration detection device, characterized in that placed in a position that emits light in a direction 90 degrees or obliquely shifted with respect to the passage length direction of the measurement chamber. 제4항에 있어서, 상기 기준램프는The method of claim 4, wherein the reference lamp 상기 측정 챔버의 통로 길이 방향에 대해 180도 혹은 이와 유사한 각도로 비스듬히 쉬프트한 방향에서 광을 발산하는 위치, 즉 상기 센서와 나란한 위치에 놓여짐을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.And a position at which light is emitted in a direction shifted obliquely at an angle of 180 degrees or a similar angle with respect to a length direction of the passage of the measuring chamber, that is, at a position parallel to the sensor. 제2항에 있어서, 상기 센서 신호 처리부는,The method of claim 2, wherein the sensor signal processing unit, 상기 측정광원 및 기준광원에 각각 소정 주기의 구형파 전압 및 상기 전압에 대해 반주기를 위상 지연한 전압을 공급하는 램프 전원공급회로;A lamp power supply circuit for supplying the measurement light source and the reference light source with a square wave voltage having a predetermined period and a voltage having a phase delay of half a period from the voltage; 상기 센서로부터 출력된 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭 및 필터부;An amplifier and filter unit for amplifying and filtering the signal output from the sensor; 상기 증폭 및 필터부로부터 출력된 신호의 피크 전압을 검출하는 피크치 검출부;A peak value detector for detecting a peak voltage of the signal output from the amplification and filter unit; 상기 피크치 검출부에서 출력된 전압을 샘플 앤드 홀드하여 안정된 신호를 얻는 샘플 앤드 홀드부;A sample and hold unit which samples and holds the voltage output from the peak value detector to obtain a stable signal; 상기 샘플 앤드 홀드부로부터 출력된 신호를 필터링 및 소정 레벨로 증폭하여 출력하는 필터 및 증폭부; 및A filter and amplifying unit for filtering and amplifying the signal output from the sample and hold unit to a predetermined level; And 상기 필터 및 증폭부에서 출력된 신호를 표시하는 디스플레이부를 포함함을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.And a display unit for displaying the signal output from the filter and the amplifier. 제7항에 있어서, 상기 센서 신호 처리부는,The method of claim 7, wherein the sensor signal processing unit, 상기 측정광원 및 기준광원에 각각 소정 주기의 구형파 전압 및 상기 전압에 대해 반주기를 위상 지연한 전압을 공급하며, 이때 램프를 구동하는 클록펄스의 주파수는 기체농도변화신호의 가능한 최대 주파수보다 더 높은 주파수인 램프 전원공급회로;A square wave voltage of a predetermined period and a voltage delayed by a half cycle with respect to the voltage are supplied to the measurement light source and the reference light source, respectively, wherein the frequency of the clock pulse driving the lamp is higher than the maximum possible frequency of the gas concentration change signal. Phosphor lamp power supply circuit; 상기 센서로부터 출력된 신호를 증폭하는 프리앰프회로;A preamplifier circuit for amplifying the signal output from the sensor; 상기 프리앰프회로를 통과한 신호를 밴드패스필터링하여 기본파 신호만을 출력하는 제1밴드패스 필터부;A first band pass filter unit configured to band pass filter the signal passing through the preamplifier circuit and output only a fundamental wave signal; 상기 램프 전원공급회로로부터 출력된 신호의 위상을 상기 프리앰프를 통과한 신호와 같도록 가변시키기 위한 위상 가변회로;A phase varying circuit for varying a phase of a signal output from the lamp power supply circuit to be equal to a signal passing through the preamplifier; 상기 위상 가변회로로부터 출력된 신호로부터 기본파 신호만을 출력하는 제2밴드패스 필터부;A second band pass filter unit outputting only a fundamental wave signal from the signal output from the phase variable circuit; 상기 제1 및 제2밴드패스 필터부를 나온 두 신호를 곱셈연산하여 이로부터 저주파 성분의 신호전압과, 상기 클록 주파수의 2배 주파수를 갖는 코사인 파형을 포함하는 출력신호를 생성시키는 아날로그 곱셈기부;An analog multiplier unit for multiplying two signals from the first and second band pass filter units to generate an output signal including a signal voltage of a low frequency component and a cosine waveform having a frequency twice the clock frequency; 기체농도 신호가 가질 수 있는 최대 주파수보다 높고 상기 클록 주파수 보다는 낮은 차단 주파수를 가져, 상기 아날로그 곱셈기부에서 출력된 신호 중 상기 클록 주파수의 2배 주파수를 갖는 코사인 성분을 제거시켜 기체농도 신호전압을 출력시키는 저역통과 필터부;A gas concentration signal voltage is output by removing a cosine component having a frequency higher than the maximum frequency that the gas concentration signal has and having a cutoff frequency lower than the clock frequency and having a frequency twice the clock frequency among the signals output from the analog multiplier. Low pass filter unit to make; 상기 저역통과 필터부에서 출력된 기체농도 신호 전압의 크기를 소정 레벨로 증폭하는 출력이득 앰프부; 및An output gain amplifier section for amplifying the magnitude of the gas concentration signal voltage output from the low pass filter section to a predetermined level; And 상기 출력이득 앰프부의 출력 신호를 디지털 또는 아날로그 형태로 사용자에게 표시하거나 외부로 전송할 수 있는 디지털/아날로그 디스플레이를 포함함을 특징으로 하는 기체 농도 검출 장치.And a digital / analog display capable of displaying the output signal of the output gain amplifier unit to a user in digital or analog form or transmitting the output signal to the user.
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KR100972376B1 (en) * 2008-02-29 2010-07-27 전자부품연구원 Gas sensor circuit
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