KR20060066561A - 오존 농도의 절대 측정을 위한 자외선 흡수 광도계의 광흡수용 시료셀과 평행광 선택 투과기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오존 측정의 정확성을 높이거나 절대 측정이 가능하도록 세밀하게 고안된 자외선 흡수 광도법에 의한 오존 측정기 구조에 관한 것이다. 본 발명에 의한 오존 측정기에서는 시료 셀의 유리창, 광학필터, 검출기를 평행광에 수직한 위치에서 기울여 설치하고, 평행광만을 투과할 수 있는 장치를 설치함으로써 시료 셀 내부를 통과하는 광로의 길이 및 광 흡수도를 정확히 결정할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 오존 측정기에서는 자외선 흡수광도법에 의한 농도식, 즉, Beer-Lambert법칙에 따른 농도 계산에서 시료 셀 내부를 통과하는 광로의 길이 및 광 흡수도가 정확히 측정되기 때문에 절대적인 방법으로 오존 농도를 측정하거나 오존 농도 측정의 정확성을 높이고 있다.

오존 측정, 절대 측정, 자외선 흡수광도법, 시료 셀, 평행광, 광로의 길이, Beer-Lambert법칙

Description

오존 농도의 절대 측정을 위한 자외선 흡수 광도계의 광 흡수용 시료셀과 평행광 선택 투과기{Light absorbance cell and parallelyzer for the absolute measurement of ozone in UV absorption spectrophotometer}

도 1은 본 발명의 따른 오존 측정용 겹 빛살형 흡수광도계의 개략도.

도 2은 본 발명의 따른 오존 측정용 홑 빛살형 흡수광도계의 개략도.

도 3은 본 발명의 따른 시료 셀의 단면도와 구성도.

도 4는 본 발명의 평행광 선택투과기의 단면도와 구성도.

도 5는 일반 오존 측정기와 본 발명의 따른 각각의 오존 측정기에서, 광학 부품 표면반사에 의해 빛이 시료 셀을 여러 번 통과하고, 광 흡수도가 증가함에 따라 발생하는 측정 오차의 비교 해설도.

도 6은 일반 오존 측정기와 본 발명의 따른 각각의 오존 측정기에서, 시료셀 유리관의 표면반사에 의해 광로 길이가 증가하고, 광 흡수도가 증가함에 따라 발생하는 측정 오차의 비교 해설도.

도 7은 일반 오존 측정기의 측정 오차 설명을 위한 구성도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

100, 수은 램프(펜 형태)

110, 집광 렌즈

120, 반 투과 거울; 121 거울

130, 시료 셀(광 흡수셀); 131 및 132, 시료 셀의 유리창; 133, 측정 시료 흡입구;

134, 측정 시료 배출구

140, 평행광 선택투과기

150, 광학 필터(254 nm 수은 원자 방출선용)

160, 광전관

170, 빛의 세기 측정용 전자 회로; 171, 빛의 세기 측정용 전자 회로; 172, 온도 측정용 전자 회로; 173, 압력 측정용 전자 회로

180 온도 측정 센서

190 압력 측정 센서

가스 상태의 오존 농도는 자외선 흡수 광도법으로 다음과 같은 식;

, Beer-Lambert 법칙에 따라, 각 입력량의 값을 결정한 다음에 계산할 수 있다. 여기서, c는 가스 오존의 농도, α는 몰 흡광 계수, ι는 시료셀 내부를 통과하는 광로의 길이, I ₀는 광원(254 nm의 수은 램프)으로부터 시료셀로 입사되는 입사광의 세기 그리고 I는 셀을 통과한 다음 투과광의 세기,

는 표 준상태로 환산하기 위한 온도에 대한 보정 계수,

는 표준 상태로 환산하기 위한 압력에 대한 보정 계수를 각각 나타낸다. 따라서 자외선 흡수 광도법에 의하여 오존농도를 정확히 측정하기 위해서는 몰 흡광계수, 시료 셀 내부를 통과하는 광로의 길이, 광 흡수도, 온도 , 압력을 정확히 측정하여야 한다. 본 발명의 목표는 자외선 흡수 광도법의 원리를 이용한 가스 오존 측정기에서 광로의 길이 결정에 대한 오차를 제거함으로써 오존 농도 측정의 정확성을 향상시키고 절대 농도 측정이 가능하도록 하는 것이다.

대기 중의 오존은 매우 불안정한 물질이며, 이러한 오존을 직접 측정하기 위해서는 여러 가지 측정 방법이 이용되고 있지만, 그 중에서 자외선 흡수 광도법과 화학발광법 등의 기기 분석법이 널리 이용되고 있다. 그러나 이 측정 원리를 이용한 종래의 측정기들은 측정 감도와 반복성을 높이기 위한 구조를 가지고 있기 때문에 측정기의 주기적인 교정이 필수적이고, 교정하지 않는 경우 측정이 매우 불확실해 진다. 또한, 오존은 매우 불안정한 물질로서 표준 가스를 제조하기 어렵기 때문에 표준가스를 이용하여 측정기를 교정할 수 없다. 따라서 오존 측정기 교정을 위해서는 오존농도의 절대 측정이 가능한 측정 표준기가 필요하며, 이러한 목적으로 자외선 흡수방법을 근간으로 한 표준광도계가 널리 이용되고 있다.

자외선 흡수 광도법에 의한 오존 측정기 또는 오존 측정 표준분광기를 이용하여 가스 상태의 오존 농도를 측정하기 위해서는 Beer-Lambert 법칙에 따른 식;

을 이용하여 계산한다. 이 경우, 오존 농도를 정확히 측정 하기 위해서는 몰 흡광계수, 시료 셀 내부를 통과하는 광로의 길이, 광 흡수도, 온도 및 압력을 정확히 측정하여야 한다. 그러나 자외선 흡수 분광법을 이용한 현재의 오존 측정 방법에서는 시료 셀 내부를 통과하는 광로의 길이를 실제적으로 정확히 측정하는 것은 불가능하기 때문에, 근사적으로, 시료 흡수셀의 길이로 대신 사용함으로써 측정 오차를 유발하고 있다. 도 5a는 일반 오존 측정기에서 광학 필터와 시료 셀 유리창 정면에서 여러 번 반사하는 효과로 인하여 광로 길이가 3배 증가하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 6a는 시료셀 유리관의 표면반사에 의해 평행광이 아닌 광선이 광전관에 측정되어 발생하는 오차를 설명하기 위한 도면이다. 이와 같이 일부 빛의 시료 셀 내부를 통과하는 과정에서 광로 길이가 증가함으로써 발생하는 오차는 도 7과 같은 도식화로 설명할 수 있다. 그림과 같이, 일반적인 오존 측정기 구조에서는 대부분의 빛이 일정한 농도의 오존이 채워진 구부러진 시료 셀의 아래부분을 통과하지만 일부의 빛은 다반사 등에 의해 시료 셀을 3회 통과할 수 있기 때문에 시료 셀의 윗부분을 통과하는 것으로 볼 수 있다. 이와 같은 경우, 일반 오존 측정기에서는 일부의 빛에 대하여 오존 흡수도가 더 증가하게 되고, 투과도가 감소하기 때문에 측정된 오존 농도는 양의 오차를 수반하게 된다. 일반적으로 유리 및 석영 표면에서 약 8％의 빛이 반사되고, 광학 필터의 경우 이보다 반사율이 투과율에 비해 매우 높기 때문에, 일반 오존 측정기에서는 도 5a와 같이 셀을 3회 통과하고 검출기인 광전관에 도착할 수 있는 빛이 전체의 2.4 ％ 수준으로 계산된다. 일반 오존 측정기에서 나타나는 이러한 오차를 오존 농도 관계식에 그대로 적용하여 계산하면 오존 농도값에 약 3.4 ％ 수준의 양의 오차를 수반할 수 있다.

이와 같이, 자외선 흡수 광도법에 의해 오존을 측정하는 일반 오존 측정 및 측정 표준기에는 광로의 길이 결정에 대한 오차를 제거하지 못하고 있기 때문에 절대 농도 측정이 어렵고, 오존 농도 측정의 불확실성이 큰 상태이다. 또한, 자외선 흡수 광도법에 의해 오존을 측정하는 일반 오존 측정기는 이러한 종류의 측정 불확실성으로 인하여 자주 교정하여야 측정 결과의 정확성을 높일 수 있다.

본 발명에서는, 자외선 흡수 광도법을 이용한 오존 측정기에서, 광원으로부터 시료 셀 내부로 분산되어 통과하거나 여러 번 통과하여 검출기에 도착할 가능성이 있는 빛을 제거함으로써 흡수 셀을 통과하는 모든 빛의 광로의 길이와 흡수 셀의 길이를 일치시키기 위한 장치를 고안하고자 하는 것이다.

오존 측정의 정확성을 높이고 절대 농도 측정이 가능하도록 하기 위한 목적으로 수행된 본 발명의 구성과 작용을 첨부 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 따른 구조물이 장착된 오존 측정용 겹 빛살형 흡수광도계의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 따른 구조물이 장착된 오존 측정용 홑 빛살형 흡수광도계의 개략도이다. 이 측정기에서 100은 수은 램프로서 광원이고, 110은 집광 렌즈, 120은 반 투과 거울, 121은 거울, 130은 시료 셀(광 흡수셀), 140은 평행광 선택투과기, 150은 광학 필터(254 nm 수은 원자 방출선용), 160은 광전관, 170은 빛의 세기 측정용 전자 회로, 171은 빛의 세기 측정용 전자 회로, 172은 온도 측정용 전자 회로, 173은 압력 측정용 전자 회로, 180은 온도 측정 센서, 190은 압력 측정센서이다.

본 발명은 도 1 및 도 2와 같이 오존 측정을 위한 겹 빛살형과 홑 빛살형의 자외선 분광 광도계에 적용하는 것이다. 즉, 광원으로부터 시료 셀 내부로 분산되어 통과하거나 여러 번 통과하여 검출기에 도착할 가능성이 있는 빛을 제거하기 위하여 일반 오존 측정기에서는 빛의 진행 방향과 수직으로 설치되는 시료셀의 입구 및 출구 유리창(131, 132)과 광학 필터 그리고 검출기를 빛의 수직면에 대하여 기울여 설치함으로써 광학 부품의 표면 반사된 빛이 평행광과 다른 각도로 반사되게 하고, 평행광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 평행광 선택투과기(140)를 분광광도계에 설치하는 것이다. 도 3은 입구 및 출구 유리창(131, 132)을 빛의 수직면에 대하여 기울여 제작한 시료셀(130)의 구성도와 단면도이고, 도 4는 평행광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 평행광 선택투과기(140)의 구성도와 단면도이다. 이러한 효과를 얻기 위하여 시료셀의 입구 및 출구 유리창과 광학 필터 및 검출기는 최소 3도 이상 기울여야 하고, 평행광 선택투과기(140)는 흑색의 무반사 표면을 가지는 것으로서 측정의 감도를 높이기 위하여 가능한 한 구멍이 많아야 한다. 특히, 이 구멍은 가능한한 평행광 만을 통과시켜야 하기 때문에 직경과 길이의 비율을 1:10 이하로 유지하여야 한다.

본 발명의 효과를 설명하기 위하여, 측정 오차를 유발할 수 있는 2 종류의 빛의 광로에 대하여 첨부 도면 5와 도면 6과 같은 비교 해설 도면을 각각 작성하였 다. 도 5는 일반 오존 측정기(도 5a)와 본 발명의 따른 각각의 오존 측정기(도 5b)에서, 광학 부품 표면반사에 의해 빛이 시료 셀을 여러 번 통과하여 광 흡수도가 증가함에 따라 발생하는 측정 오차의 비교 해설도이고, 도 6은 일반 오존 측정기(도 6a)와 본 발명의 따른 각각의 오존 측정기(도 6b)에서, 시료셀 유리관의 표면반사에 의해 광로 길이가 증가하고, 광 흡수도가 증가함에 따라 발생하는 측정 오차의 비교 해설도이다.

도 5와 같이 평행광이 시료 셀을 통과하는 경우, 일반 오존 측정기(도 5a)에서는 일부의 빛이 유리창, 필터 및 광전관의 표면에 여러 번 반사한 후에 검출기 표면에 도달 할 수가 있다. 그러나 본 발명의 따른 오존 측정기(도 5b)에서는 모든 광학 부품이 수직면에 기울어져 있기 때문에 첫 번째 반사 후에 발산하게 되며, 이 빛이 후에 다시 다른 광학 부품에 의해 반사되어 되돌아온다 하더라도 그 반사 각도가 매우 커지므로 평행광 선택투과기를 통과할 수 없게 된다. 또한, 도 6과 같이, 약간 발산되는 빛이 시료 셀을 통과하는 경우, 일반 오존 측정기(도 6a)에서는 그 빛이 유리관의 반사나 난 반사에 의해 검출기 표면에 도달 할 수가 있으나, 본 발명의 따른 오존 측정기(도 6b)에서는 이러한 빛이 평행광 선택투과기를 통과할 수 없게 된다. 이와 같이, 본 발명에 의한 자외선 흡수 광도법을 이용한 오존 측정기에서는 광원으로부터 빛이 시료 셀 내부를 여러 번 통과하거나 분산되어 통과하여 검출기에 도착할 가능성이 있는 빛을 제거함으로써 흡수 셀을 통과하는 광로의 길이와 흡수 셀의 길이를 일치시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 오존 측정기의 경우, 측정 결과의 정확성을 높이고 교정 과정을 줄이거나 없앨 수 있으며, 오존 측정 표준기에 대하여는 오존 농도의 절대 측정이 가능해지게 된다.

Claims (2)

1. 자외선 흡수 광도법을 이용한 홑 빛살형 또는 겹빛살형의 오존 측정기 및 표준기에서 유리창(131, 132)이 기울게 제작된 시료셀(130) 그리고 평행광만을 검출기에 보내기 위해 무 반사 흑색 표면의 구멍이 여러 개 있는 평행광 선택투과기(150).
2. 시료 셀의 유리창(131, 132), 광학 필터(150) 및 광전관(160)을 기울여 설치하는 하고, 평행광 만을 검출기에 보내기 위해 무 반사 흑색 표면의 구멍이 여러 개 있는 평행광 선택투과기(150)를 장착한 홑 빛살형 또는 겹빛살형의 오존 측정용 자외선 흡수 광도계 및 표준기

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