KR20020060005A - 배출가스 측정용 광음향센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배출가스 측정용 광음향 센서에 관한 내용으로, 특히 자동차 등의 배출가스에 포함되어 있는 특정 기체의 성분을 정밀하게 분석함에 있어서 각 기체마다 다르게 발신되는 광음향 신호를 다 수의 마이크로폰으로 측정하여 정밀 분석 결과를 산출해 내는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적외선을 조사하는 적외선광원과, 상기 적외선광원으로부터 조사된 적외선을 집광하고 이를 펄스 형태로 변조시키는 Chopper와, 상기 Chopper를 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 협대역 필터로 구성되는 발광부와 측정 대상인 가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 샘플 셀과, 상기 협대역 필터와 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플 가스를 구성하는 기체 성분이 함유되지 않은 표준가스가 주입되며, 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 표준 셀과, 상기 샘플 셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있는 제 1 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 1 기준가스 셀과, 상기 표준 셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있으나 상기 제 1 기준가스의 농도와는 다르거나 같은 농도를 가지는 제 2 기준가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 2 기준가스 셀과, 상기 제 1 기준가스 셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 1 기준가스 셀의 몸체 내부로조사된 빛을 재반사 시키는 제 1 반사거울과, 상기 제 2 기준가스 셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 2 기준가스 셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사 시키는 제 2 반사거울로 구성되는 광학셀 부와;
상기 샘플 셀에 부착되며 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 샘플 셀 마이크로폰과, 상기 제 1 기준 셀에 부착되며 상기 제 1 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 기준 셀 마이크로폰과, 상기 제 2 기준 셀에 부착되며 상기 제 2 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 기준 셀 마이크로폰과, 상기 표준 셀(220d)에 부착되며 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 표준 셀 마이크로폰과, 상기 샘플 셀과 상기 제 1 기준 셀의 사이에 부착되며 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준 셀 간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 피에조센서와, 상기 표준 셀과 상기 제 2 기준 셀의 사이에 부착되며 상기 표준 셀과 상기 제 2 기준 셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 피에조센서로 구성되는 검출부와;
상기 Chopper 및 상기 검출부와 전기적으로 연결되며 상기 검출부가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시키는 신호처리부를 포함하는 배출가스 측정용 광음향센서를 제공한다.

Description

배출가스 측정용 광음향센서{Opto-acoustic gas analyzer}
본 발명은 배출가스 측정용 광음향센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 등의 배출가스에 포함되어 있는 특정 기체의 성분을 정밀하게 분석함에 있어서 각 기체마다 다르게 발신되는 광음향 신호를 다수개의 마이크로폰으로 착신한 후 이를 보정한 분석 결과를 산출해 내는 장치에 관한 것이다.
자동차 등의 배출가스에는 일반적으로 CO, CO2, SOX, NOX, HC, H2O등의 다양한 기체 성분이 포함되어 있는데, 상기 기체들 중 일부는 대기오염을 유발시키는 오염원으로 작용하기도 한다.
그런데, 최근 심각한 환경공해 및 이에 대한 대책 마련이 초미의 관심사로 대두되면서 상기 오염원에 대한 규제 방안이 점차 구체적으로 논의되고 있는 바, 이의 일면으로 자동차 배출가스에 대한 규제가 더욱 강화된 것은 자동차 등의 배출가스가 대기오염의 가장 큰 원인이 라는 측면을 고려할 때 매우 자연스러운 현상이다. 이때, 자동차 배출가스에 대한 규제 방안을 마련함에 있어서 필수적으로 요청되는 절차가 바로 배출가스의 성분 및 농도를 분석하는 것이다.
상기와 같이 배출가스의 성분 및 농도를 분석하기 위하여 종래에는 포토다이오드를 이용한 적외선센서(IR)를 사용한다.
도 1에서 나타낸 것이 바로 종래의 기술에 따른 적외선센서이다.
상기 적외선센서는 적외선광원(110)과, 샘플셀(120)과, 협대역필터(130)와, 포토다이오드(140)로 구성되어 있다.
상기 적외선광원(110)은 적외선을 상기 샘플셀(120) 내로 조사하고, 상기 샘플셀(120)에는 분석 대상이 되는 샘플가스가 주입되며. 상기 협대역필터(130)는 상기 샘플셀(120)을 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 걸러낸다. 그리고, 상기 포토다이오드(140)는 상기 협대역필터(130)를 통과한 빛의 조도를 측정한다.
상기 적외선센서는 특정 기체가 특정 파장의 빛만을 흡수한다는 성질에 착안하여 이루어진 것인 바, 상기 샘플셀(120)에 샘플가스를 주입한 상태에서 상기 적외선광원(110)으로부터 적외선이 조사되면 상기 샘플가스는 특정 파장의 빛만을 흡수한다. 이때, 상기 협대역필터(130)를 이용하여 상기 샘플가스가 흡수하는 파장대의 빛만을 걸러내도록 하면, 상기 포토다이오드(140)는 애초에 상기 적외선광원(110)으로부터 조사되던 적외선보다 조도가 훨씬 떨어지는 빛을 감지하게 된다.
관측자는 어느 파장대에서 빛의 조도가 감소했는지를 분석함으로써 샘플가스에 포함된 기체 성분을 파악할 수 있다.
또한, 샘플가스에 포함된 기체의 농도는 베어의 법칙(Beer's law)에 따라 구할 수 있다.
베어의 법칙은
It= Io·EXP(-A·C·L),
Io= ΔI + It
와 같이 구성되는데, 여기서 Io는 상기 적외선광원(110)으로부터 조사된 적외선의 조도, It는 상기 포토다이오드(140)가 감지하는 빛의 조도, A는 샘플가스의 흡광계수, C는 샘플가스의 농도, L은 상기 샘플셀(120)의 길이를 나타내며, ΔI는 샘플가스의 흡광량을 나타낸다.
상기 적외선센서의 경우에는 It, Io, A, L에 해당하는 값을 이미 알고 있으므로, 이 값들을 상기 비어의 법칙에 대입하면 결국 나머지 하나의 인자인 C, 즉 샘플가스의 농도를 구할 수 있게 된다.
그러나, 상기 적외선센서는 샘플가스의 농도(C)가 낮을 경우에는 샘플가스의 흡광량(ΔI)이 상기 적외선광원(110)으로부터 조사된 적외선의 조도(It)에 비해 상대적으로 극히 미미하므로 저농도에서의 측정 정밀도가 현저히 저하되는 단점을 가지고 있다.
따라서, 저농도에서의 측정 정밀도를 높이기 위해서는 상기 샘플셀(120)의 길이(L)를 늘이는 수밖에 없으나, 이 경우도 장비 제작상 늘일 수 있는 샘플셀(120)의 길이가 한정되어 있으므로 그리 타당한 방법이 될 수 없다.
결국, 상기 적외선센서는 샘플가스의 농도가 1 ppm 이상에서는 어느 정도 측정 신뢰도를 가지나, 그 이하의 영역에서는 측정 신뢰도가 현저히 저하되므로 실용성이 없다고 할 수 있다.
상기 적외선센서의 문제점을 해소하기 위하여, 최근에는 비분산 적외선 센서(NDIR)(미도시)가 개발되었다.
상기 비분산적외선센서는 저농도에서의 측정 정밀도를 높이기 위하여 상기 포토다이오드(140)의 검출한계를 개선하였는 바, 그 개선 형태에 따라 상기 비분산적외선센서를 양자형, 초전형, 광음향검출형의 세 가지로 나눌 수 있다.
그러나, 상기 양자형 비분산적외선센서는 냉각장치가 반드시 필요하며, 상기 초전형 비분산적외선센서는 피에조 센서(Piezo Sensor)만을 사용하므로 구조가 복잡하고 가격이 비싸지는 단점이 있다.
또한, 상기 광음향검출형 비분산적외선센서는 마이크로폰을 사용하는데, 이 경우도 역시 개개의 셀 구조 및 마이크로폰의 배치 상 측정 신뢰도에 문제가 있다.
즉, 상기 광음향검출형 비분산적외선센서는 일반적으로 1개의 샘플셀과 1개의 기준 셀을 갖는 구조로서 상기 기준 셀에는 1개의 마이크로폰만이 부착되고 상기 마이크로폰은 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀 간에 발생하는 다이아프램 차압을 감지하는 역할을 하는 바, 이는 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀에서 발생하는 절대적인 광음향값을 측정하는 것이 아니라 상기 샘플 셀과 상기 기준 셀간의 상대적인 광음향 차이만을 측정한다는 점에서 측정 신뢰도에 한계가 있다.
또한, 상기 광음향검출형 비분산 적외선 센서는 시료가스의 광음향을 측정할 때에 존재하는 노이즈가 시료가스의 광음향에 영향을 미침에도 불구하고, 이에 대한 대책을 갖추고 있지 않으므로 문제가 된다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하면서도 저농도에서의 측정 신뢰도가 매우 높은 배출가스 측정용 광음향센서를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 적외선센서를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 배출가스 측정용 광음향센서를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 배출가스 측정용 광음향센서의 신호처리부에서의 신호처리 과정을 나타내는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명*
110 : 적외선광원120 : 샘플셀
130 : 협대역필터 140 : 포토다이오드
210 : 발광부220 : 광학셀부
230 : 검출부 240 : 신호처리부
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적외선을 조사하는 적외선광원과, 상기 적외선광원으로부터 조사된 적외선을 집광하고 이를 펄스 형태로 변조시키는 쵸퍼와, 상기 쵸퍼를 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 협대역필터로 구성되는 발광부와; 상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 측정 대상인 샘플가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 샘플셀과, 상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체 성분이 함유되지 않은 표준가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 표준셀과, 상기 샘플셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있는 제 1 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 1 기준셀과, 상기 표준셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있으나 상기 제 1 기준가스의 농도와는 다른 농도를 가지는 제 2 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 2 기준셀과, 상기 제 1 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 1 기준셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사시키는 제 1 반사거울과, 상기 제 2 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 2 기준셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사시키는 제 2 반사거울로 구성되는 광학셀부와; 상기 샘플셀에 부착되며 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 샘플셀 마이크로폰과, 상기 제 1 기준셀에 부착되며 상기 제 1 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로전환시키는 제 1 기준셀 마이크로폰과, 상기 제 2 기준셀에 부착되며 상기 제 2 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 기준셀 마이크로폰과, 상기 표준셀(220d)에 부착되며 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 표준셀 마이크로폰과, 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀의 사이에 부착되며 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 피에조센서와, 상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀의 사이에 부착되며 상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 피에조센서로 구성되는 검출부와; 상기 쵸퍼 및 상기 검출부와 전기적으로 연결되며 상기 검출부가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시키는 신호처리부를 포함하는 배출가스 측정용 광음향센서를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 바탕으로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 광음향센서를 나타내는 도면이다.
상기 광음향센서는 발광부(210)와; 광학셀부(220)와; 검출부(230)와; 신호처리부(240)로 구성되어 있다.
상기 발광부(210)는 적외선광원(210a)과; 쵸퍼(210b)와; 협대역필터(210c)로 구성되며, 상기 광학셀부(220)로 특정 파장의 자외선을 조사하는 역할을 한다.
이때, 상기 적외선광원(210a)과, 상기 쵸퍼(210b)와, 상기 협대역필터(210c)는 이 순서대로 위치함이 바람직하다.
상기 적외선광원(210a)은 상기 광학셀부(220)로 조사할 적외선을 방출하는데, 이를 위하여 상기 적외선광원(210a)은 일반적으로 니크롬선이나 탄소막대를 가열한 것을 사용한다.
상기 쵸퍼(210b)는 상기 적외선광원(210a)으로부터 발생한 적외선을 집광하고 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)를 통해 감지되는 광음향의 주파수와 대응하기 위해 적외선을 펄스(pulse) 형태로 변조시키는 장치이다.
즉, 상기 쵸퍼(210b)에는 빛이 통과할 수 있는 구멍이 일정 간격으로 배열되어 있는 바, 상기 쵸퍼(210b)가 회전함에 따라 일정 시간 간격으로 빛이 통과하거나 차단되는 현상이 반복되므로 결국 상기 광학셀부(220)가 받아들이는 빛은 펄스 형태를 띄게 된다.
따라서, 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체는, 빛이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하여 상기 광학셀부(220)로 조사되면 이를 흡수하여 광음향을 발생시키고, 반대로 빛이 상기 쵸퍼(210b)에서 차단되어 상기 광학셀부(220)로 조사되지 못하면 아무런 반응을 하지 않으므로, 결국 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)가 감지하는 광음향도 역시 펄스 형태를 띄게 된다. 이때, 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 빛의 주파수와 상기 검출부(230) 및 신호처리부(240)가 감지하는 광음향의 주파수는 서로 동일하다.
상기 협대역필터(210c)는 상기 적외선광원(210a)으로부터 발생한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시킨다.
따라서, 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체는, 상기 협대역필터(210c)를 통과하는 빛의 파장이 흡수 가능한 영역의 것이면 이를 흡수하여 광음향을 발생시키고, 반대로 상기 협대역필터(210c)를 통과하는 빛의 파장이 흡수 가능한 영역의 것이 아니면 아무런 반응을 하지 않으므로, 이를 통하여 관측자는 상기 광학셀부(220)에 주입되어 있는 기체의 종류를 파악할 수 있으며, 이와 동시에 기체가 발생시키는 광음향의 세기를 측정함으로써 기체의 농도까지 알아낼 수 있다.
상기 광학셀부(220)는 샘플셀(220a)과; 제 1 기준 셀(220b)과; 제 2 기준 셀(220c)과; 표준셀(220d)과; 제 1 반사거울(220e)과; 제 2 반사거울(220f)로 구성된다.
상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)은 서로 연결되어 한 조를 이루며, 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)도 서로 연결되어 한 조를 이룬다.
상기 제 1 반사거울(220e)은 상기 제 1 기준셀(220b)의 끝단 벽면에 부착되며, 상기 제 2 반사거울(220f)은 상기 제 2 기준셀(220c)의 끝단 벽면에 부착된다.
상기 적외선광원(210a)으로부터 발광된 빛은 두 갈래로 나뉘어져 각각 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b) 및 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)을 통과하게 된다.
상기 샘플 셀(220a)에는 샘플가스가 주입되는데, 이때 상기 샘플가스라 함은 본 발명에 따른 광음향센서에 의해 농도가 측정되는 가스를 의미한다.
상기 제 1 기준셀(220b)에는 제 1 레퍼런스가스가 주입되고, 상기 제 2 기준셀(220c)에는 제 2 레퍼런스가스가 주입되는데, 이때 상기 레퍼런스가스라 함은 이미 농도가 알려진 가스로서 상기 샘플가스와 동종의 기체로 구성된 가스를 의미한다. 한편, 상기 제 1 기준가스와 상기 제 2 기준가스는 각각의 농도가 달라야 한다.
상기 표준셀(220d)에는 표준가스가 주입되는데, 이때 상기 표준가스라 함은 순수공기 또는 순수질소기체로 구성되어 있으며 상기 샘플가스를 구성하는 기체 성분을 바람직하게는 전혀 포함하지 않는 가스를 의미한다.
상기 제 1 반사거울(220e) 및 상기 제 2 반사거울(220f)은 상기 광학셀부(220)로 조사된 빛을 다시 반대 방향으로 재반사시키는 역할을 하는데, 이는 빛이 상기 광학셀부(220) 내에 오랫동안 머물게 함으로써 기체 분자가 빛 에너지를 흡수할 수 있는 기회를 풍부하게 제공하고 동시에 상기 적외선광원(210a)이 적외선을 방출하기 위해 필요로 하는 에너지를 절약하기 위한 목적이다.
상기 샘플가스와 상기 레퍼런스가스는 빛을 흡수함으로써 각자의 농도에 비례하는 세기의 광음향을 발생시킨다. 한편, 상기 표준가스는 빛의 간섭, 기체 내부에 포함된 H2O, 진동, 주위의 소음 등에 의해 발생하는 노이즈 성분만으로 구성된 광음향을 발생시킨다.
상기 검출부(230)는 샘플셀 마이크로폰(230a)과; 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)과; 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)과; 표준셀 마이크로폰(230d)과; 제 1 피에조센서(230e)와; 제 2 피에조센서(230f)로 구성된다.
상기 샘플셀 마이크로폰(230a)은 상기 샘플셀(220a)에 부착되며, 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.
상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)은 상기 제 1 기준셀(220b)에 부착되고, 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)은 상기 제 2 기준셀(220c)에 부착되는데, 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b) 및 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)은 각각의 기준셀에 주입된 상기 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.
상기 표준셀 마이크로폰(230d)은 상기 표준셀(220d)에 부착되며, 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.
상기 제 1 피에조센서(230e)는 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)의 사이에 부착되어 상기 샘플셀(220a)과 상기 제 1 기준셀(220b)간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키며, 상기 제 2 피에조센서(230f)는 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)의 사이에 부착되어 상기 표준셀(220d)과 상기 제 2 기준셀(220c)간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시킨다.
상기 제 1 피에조센서(230e)가 검출하는 차압은 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)이 검출한 압력과 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)이 검출한 압력의 차이(이하, "광음향차"라 칭함)에 해당하는 값인데, 만약 상기 차압과 상기 광음향차가 서로 다르면 상기 샘플셀 마이크로폰(230a) 또는 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b) 중 어느 하나가 오작동하고 있다는 증거이다. 또한, 상기 제 2 피에조센서(230f)가 검출하는 차압은 상기 표준셀 마이크로폰(230d)이 검출한 압력과 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)이 검출한 압력의 차이(이하, "광음향차"라 칭함)에 해당하는 값인데, 만약 상기 차압과 상기 광음향차가 서로 다르면 상기 표준셀 마이크로폰(230d) 또는 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c) 중 어느 하나가 오작동하고 있다는 증거이다.
결국, 상기 제 1 피에조센서(230e) 및 상기 제 2 피에조센서(230f)는 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)과, 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)과, 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)과, 상기 표준셀 마이크로폰(230d)의 검출 결과를 보완하고 이들의 오작동 여부를 확인하는 기능을 한다.
상기 신호처리부(240)는 상기 쵸퍼(210b) 및 상기 검출부(230)와 전기적으로 연결되며, 상기 검출부(230)가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시킨다.
이하, 도 3을 바탕으로 본 발명에 따른 광음향센서로써 상기 샘플가스의 농도를 측정하는 과정을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 신호처리부(240)에서의 신호처리 과정을 나타내는 도면으로서, 도 3의 각 그래프에서 X축은 시간을 나타내고, Y축은 전압을 나타낸다. 한편, 도 2에 기재된 도면부호인 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥과 도 3에 기재된 도면부호인 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥은 서로 대응된다.
그래프 ①은 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 펄스 형태의 자외선을 나타낸 것으로서, 사각형 형태로 일정한 간격을 두고 반복되는 부분이 바로 자외선이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 경우에 해당된다. 그래프 ②, ③, ④, ⑤는 그래프 ①과 동일한 주파수를 가진 펄스를 형성한다. 왜냐하면, 상기 광학셀부(220)의 각 셀에 들어있는 기체는 빛이 상기 쵸퍼(210b)를 통과하는 경우에만 에너지를 흡수할 수 있기 때문이다.
그래프 ②는 상기 샘플셀 마이크로폰(230a)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ③은 상기 제 1 기준셀 마이크로폰(230b)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ④는 상기 제 2 기준셀 마이크로폰(230c)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이고, 그래프 ⑤는 상기 표준셀 마이크로폰(230d)이 검출한 펄스 형태의 광음향을 나타낸 것이다.
상기 각 그래프의 펄스 상단을 구성하는 나사산 형태의 신호는 노이즈를 의미한다.
그래프 ⑥은 상기 각 그래프 ②, ③, ④에 도시된 교류 형태의 신호에서 노이즈를 제거하고 이를 증폭한 후 다시 직류 형태의 신호로 변조시킨 결과를 나타낸다.
이때, 노이즈를 제거하는 방법은 상기 각 그래프 ②, ③, ④에서 그래프 ⑤가 도시하는 노이즈 성분만을 제거하는 보정을 거치는 것이다. 즉, 그래프 ② - 그래프 ⑤, 그래프 ③ - 그래프 ⑤, 그래프 ④ - 그래프 ⑤의 과정을 거치면 펄스 상단이 직선으로 구성된 노이즈 없는 그래프를 얻을 수 있다. 또한, 교류신호를 직류신호로 변조하는 방법은 노이즈가 제거된 그래프 ②, ③, ④의 사각형 부분만을 연결하는 것이다. 상기 과정을 거침으로써 그래프 ②, ③, ④는 각각의 기체 농도에 대응하는 하나의 전압값을 갖는 직선상의 그래프로 바뀌게 된다.
상기와 같은 상태에서 샘플가스의 농도를 측정하는 방법은 다음과 같다.
구하고자 하는 샘플가스의 농도를 CS라 하고, 측정된 샘플가스의 광음향에 따른 전압값을 VS라 한다. 그리고, 제 1 기준가스의 농도를 CR1이라 하고, 측정된 제 1 기준가스의 광음향에 따른 전압값을 VR1이라 한다. 그리고, 제 2 기준가스의 농도를 CR2라 하고, 측정된 제 2 기준가스의 광음향에 따른 전압값을 VR2라 한다.
이제, 가스의 농도를 X값으로 하고 전압을 Y값으로 하여, 상기 CR1과 상기 CR2는 X축에 도시하고, 상기 VR1과 상기 VR2는 Y축에 도시하면, (CR1,VR1)과 (CR2,VR2)의 두 점에 의해 하나의 직선이 성립된다. 한편, 상기 VS는 이미 알고 있는 값이므로 이를 상기 직선의 Y값에 대입하면 구하고자 하는 X값인 CS를 산출해 낼 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 정신이 여기에 한정되지 아니하므로 다양한 변화와 변형이 가능할 것이다. 그러나, 이러한 변화와 변형은 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 첨부된 청구범위를 통해 이해할 수 있을 것이다.
본 발명을 실시함으로써, 관측자는 샘플가스 및 기준가스의 절대 광음향값을 직접적으로 측정하므로, 종래에 샘플가스 및 기준가스간의 차압 즉 상대 광음향값만을 측정하는 방법에 비해 측정결과의 정밀도가 높아지는 효과를 얻는다.
또한, 본 발명에 따른 광음향센서는 농도를 이미 알고 있는 다수의 레퍼런스가스로부터 샘플가스의 농도를 수학적으로 계산해 내는 동시에, 피에조센서로써 마이크로폰의 오작동 여부를 감지하므로 측정 결과가 매우 정확하다.
그리고, 본 발명에 따른 광음향센서는 샘플가스 및 기준가스의 광음향에 영향을 미치는 노이즈를 제거하기 때문에 가스의 농도가 아주 낮더라도 정확한 측정이 가능한 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 적외선을 조사하는 적외선광원과,
    상기 적외선광원으로부터 조사된 적외선을 집광하고 이를 펄스 형태로 변조시키는 쵸퍼와,
    상기 쵸퍼를 통과한 적외선 중 특정 파장의 빛만을 통과시키는 협대역필터로 구성되는 발광부와;
    상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 측정 대상인 샘플가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 샘플셀과,
    상기 협대역필터와 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체 성분이 함유되지 않은 표준가스가 주입되며 상기 협대역필터로부터 나오는 빛이 통과하는 표준셀과,
    상기 샘플셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있는 제 1 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 1 기준셀과,
    상기 표준셀과 연결되고 몸체 내부에는 상기 샘플가스를 구성하는 기체와 동일한 성분을 함유한 가스로서 이미 농도를 알고 있으나 상기 제 1 기준가스의 농도와는 다른 농도를 가지는 제 2 기준가스가 주입되며 상기 협대역 필터로부터 나오는 빛이 통과하는 제 2 기준셀과,
    상기 제 1 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 1 기준셀의 몸체 내부로조사된 빛을 재반사시키는 제 1 반사거울과,
    상기 제 2 기준셀의 끝단 벽면에 부착되며 상기 제 2 기준셀의 몸체 내부로 조사된 빛을 재반사시키는 제 2 반사거울로 구성되는 광학셀부와;
    상기 샘플셀에 부착되며 상기 샘플가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 샘플셀 마이크로폰과,
    상기 제 1 기준셀에 부착되며 상기 제 1 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 기준셀 마이크로폰과,
    상기 제 2 기준셀에 부착되며 상기 제 2 기준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 기준셀 마이크로폰과,
    상기 표준셀(220d)에 부착되며 상기 표준가스의 광음향을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 표준셀 마이크로폰과,
    상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀의 사이에 부착되며 상기 샘플셀과 상기 제 1 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 1 피에조센서와,
    상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀의 사이에 부착되며 상기 표준셀과 상기 제 2 기준셀간의 차압을 검출하여 이를 교류전압의 형태로 전환시키는 제 2 피에조센서로 구성되는 검출부와;
    상기 쵸퍼 및 상기 검출부와 전기적으로 연결되며 상기 검출부가 감지한 교류전압 중 노이즈 성분을 제거하고 증폭시킨 후 이를 다시 직류전압으로 변환시키는 신호처리부를 포함하는 배출가스 측정용 광음향센서
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