KR20080076515A - 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents

완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서 Download PDF

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KR20080076515A
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Abstract

본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타원형의 곡면을 가지는 반사경에 의해 광 공동의 구조가 단순할 뿐만 아니라, 상기 광 공동 내부의 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 광센서로 도달되는 광량(光量)을 최대화할 수 있도록 구성된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 타원 돔형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서는, 적외선을 방사하는 광원과, 적외선 광량을 측정하는 광센서를 포함하여 구성되는데, 상기 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 완전 타원형의 곡면을 가지는 완전 타원형 반사경을 상판과 하판의 결합으로 내부에 형성되도록 구성되고, 상기 상판과 하판은 평판 플랜지, 광원 결합부 및 광센서 결합부를 포함하여 구성된다. 그리고, 하판의 저면으로부터 일정 거리 이격되어 분리가능하게 결합하고, 상기 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기가 장착된 인쇄회로기판을 포함하여 구성된다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 완전 타원형의 반사경에 의해 광센서에 집광되는 적외선 광량 및 광세기를 최대화함으로써 기기의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 반사경의 초점에 설치되어 있는 광센서로 입사하기 때문에 반사되는 횟수를 최소화하여 광 손실을 방지한다.
또한, 하나의 타원형의 곡면을 가지는 완전 타원형 반사경을 제공함으로써 반사경의 구조를 단순하게 하고 사출성형을 용이하게 하며, 난반사, 굴절, 흡수 등에 의한 광 손실이 없는 반사경을 용이하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 제조비용을 절감할 수 있다.
가스 센서, 비분산, 반사경, 타원형, 적외선, 광원, 광센서, 디텍터.

Description

완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서{Non-Dispersive Infrared gas sensor with Oval-shaped reflector}
도 1은 종래 기술에 따른 광 공동의 일 예를 보여주는 개략적인 구성도.
도 2는 종래 기술에 따른 광 공동의 비분산 적외선 특성을 보여주는 설명도.
도 3(a)(b)는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 형성되는 광공동을 보여주는 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 세선를 보여주는 분해 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 세선를 보여주는 평면도.
도 7은 도 6에 도시된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 A-A선의 단면도.
도 8은 도 6에 도시된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 B-B선의 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센 서에 적용되는 광센서의 작동을 보여주는 회로 구성도.
도 10 내지 도 11은 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 적용되는 인쇄회로기판을 보여주는 회로 구성도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
1 : 적외선 가스 센서 2 : 광원
3 : 광센서 4 : 광 공동
10 : 완전 타원형 반사경 11 : 에어홀
10a : 상판 반사경 10b : 하판 반사경
20 : 상판 30 : 하판
21, 31 : 평판 플랜지 50 : 인쇄회로기판
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타원형의 곡면을 가지는 반사경에 의해 광 공동의 구조가 단순할 뿐만 아니라, 상기 광 공동 내부의 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 광센서로 도달되는 광량(光量)을 최대화할 수 있도록 구성된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
일반적으로 적외선(Infra Red Radiation)은 파장이 0.75㎛~1mm 범위에 속하 는 전자기파로서, 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열을 발산하기 때문에 열선이라고 한다. 이러한 적외선이 이렇게 강한 열 효과를 가지는 것은 적외선의 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문으로, 물질에 적외선이 부딪치면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문인 것으로 알려져 있다.
특히, 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있기 때문에 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응과정 또는 분자구조를 정밀하게 추정하는 수단으로 사용하는데, 이것을 적외선 분광분석이라 하며, 비분산 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 가스 센서는 이와 같은 적외선의 특성을 이용하여 시료 중 특정 가스의 농도를 분석하는 정량분석 기기이다.
이와 같은 비분산 적외선 가스 센서(NDIR)는, 시험 가스를 통과하도록 적외선을 방사하는 적외선 광원(Infared source)과, 시험 가스를 통과한 적외선 중 특정 파장 대의 것만을 선택적으로 감지하여 광량을 측정하기 위한 적외선 광센서(IR Detector)와, 광원으로부터 방사된 적외선 광이 기기 외부로 누출되거나 산란 또는 분산되는 것을 방지하기 위하여 밀폐된 반사경을 광 공동(Optical Cavity)으로 구성된다.
특히, 광 공동은 광원에서 방사된 적외선이 광센서에 도달하기까지 특정 가스와 충돌하여 적외선이 흡수되는 광 통로 역할을 하는 것으로서, 적외선이 시험 가스를 통과하여 이동하는 광 경로가 길수록 목적하는 가스에 의한 흡수량이 커지 고 그에 따라 광센서가 측정하는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있다. 따라서 동일 체적 또는 동일 길이의 광 공동에서 얼마나 적외선이 통과하는 광 경로를 길게 할 수 있느냐 하는 것이 비분산 적외선 가스 센서의 성능을 좌우한다.
따라서, 감지력이 우수한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하기 위해서는 광 경로가 큰 광 공동을 만들거나 감지력이 우수한 적외선 광센서를 사용해야 한다. 최근에는 반도체 기술의 발달로 우수한 성능의 광센서들이 개발되어 광 공동에서 요구되는 광 경로의 길이도 많이 줄고 있다. 그러나 광센서(Thermopile IR sensor 혹은 Passive IR sensor)의 성능은 비용과 비례적으로 증가하는 것이 일반적이므로 추가 비용 없이 비분산 적외선 가스 센서의 측정 정밀도를 높이기 위해서는 여전히 광 경로를 길게 하는 것이 요구된다.
한편, 종래부터 한정된 광 공동 내에서 광 경로를 길게 하기 위한 다양한 방법들이 제시되었다. 예를 들어, 미국특허 제5,341,214호에는 광원에서 방출되는 광이 튜브형 광 도파관(Optical path tube) 내에서 다수의 반사를 일으켜 광 경로가 도파관의 물리적 길이보다 길어지는 기술을 제시되었다. 또한, 미국특허 제5,488,227호에서는 원통형 오목 반사경 내에 원주형 볼록 반사경을 설치하고, 내부의 볼록 반사경을 회전시켜 광 경로를 길게 하는 기술이 개시되었다.
그리고, 국제특허출원 PCT/SE97/01366(WO98/09152)에서는 세 개의 타원형 반사경을 배치하여 타원형의 광 공동을 형성하는 기술이 개시되었다. 또, 대한민국 등록특허 제10-494103호는 광 경로를 최대화하기 위하여 마주보는 2개의 오목 반사 경으로 광 공동을 형성하는 기술이 제시되었다.
예를 들어, 도 1에서 보는 바와 같이, 종래 기술에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 대부분 두 개 또는 세 개의 오목한 반사경으로 광 공동을 구성하고, 광원에서 방사되는 평행 반사광을 마주보는 반사경 사이에서 다수 회 반사시켜 광 경로를 연장하는 기술이다. 따라서 동일 면적의 광 공동이라 하더라도 평행 반사광이 반사하는 횟수가 증가할수록 광 경로가 길어지기 때문에 목적하는 가스에 의한 특정 파장 대의 적외선의 흡수량이 커지고 그에 따라 광센서에서 측정되는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 종래 기술에 따른 비분산 적외선 가스 센서는, 마주보는 반사경 사이에서 평행 반사광을 다수 회 반복하여 반사하기 때문에 반사경 표면의 산란, 굴절 및 흡수에 의해서 광이 소멸하는 문제가 있었다. 특히, 광 공동의 반사경은 플라스틱 사출물에 금이나 은을 도금하여 이루어지는 것인데, 이러한 반사경은 적용된 금형기술, 사출성형기술 및 도금기술에 따라 그 표면이 거칠거나 곡면이 불규칙한 경우가 있을 뿐만 아니라 이물질에 의해 오염되는 경우가 많았다.
따라서, 불완전한 반사경 표면에 의한 광 손실은 광 경로의 길이가 증가할수록 즉, 반사 횟수가 많아질수록 커지기 때문에 정밀한 반사경을 만들기 위한 고급 금형기술이나 도금기술이 뒷받침되어야 한다. 그렇지 않으면 광 경로가 긴 광 공동에서 광센서가 측정에 이용할 수 있는 광량이 감소하여 측정 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생한다.
그러므로 정밀도가 우수한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하기 위해서는 광 경로를 길게 하는 것만으로 달성할 수 없고, 난반사, 굴절, 흡수 등에 의한 광 강도의 감소를 최소화할 수 있는 반사경이 제공되어야 한다. 즉, 종래 기술에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 두 개의 반사경이 서로 마주보도록 배치하고, 두 개의 반사경 사이에서 반복적으로 반사가 일어나도록 구성한 것인데, 이러한 종래의 반사경은 두 개 이상의 곡률로 이루어져 구조가 복잡할 뿐만 아니라 마주보는 반사경이 수직면을 형성하여야 하므로 사출 성형이 어렵게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 완전 타원형의 곡면을 가지는 반사경을 제공하여 반사경의 구조를 단순하게 하고, 반사경의 사출성형을 용이하게 할 뿐만 아니라 광원에서 방사되어 광센서로 도달되는 광량을 최대로 하여 측정 정밀도가 향상된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가스가 유입되는 에어홀을 광 경로 이외의 지역에 배치하여 보다 더 효과적인 구조를 제공하고, 난반사, 굴절, 흡수 등에 의한 광 강도의 감소를 최소화하여 광센서에 집광되는 광량 및 광 세기를 최대화하도록 구성된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 적외선을 방사하는 광원과, 상기 광원에서 방사되 어 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서와, 상기 광센서의 감지 신호를 증폭하여 디지털 신호로 바꿔 주는 증폭 회로 및 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 구성되는 비분산 적외선 가스 센서에 있어서, 상기 광원과 광센서가 설치되고 광 공동을 형성하는 완전 타원 반사경과, 증폭 회로 및 변환기가 형성되는 인쇄회로기판을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 완전 타원형 반사경은, 상기 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 완전 타원형의 곡면을 갖도록 형성되고, 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 형성된 광원 결합부와, 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 형성된 광센서 결합부를 형성하며, 상기 광센서 결합부 측에 다수개의 에어홀이 천공되어 형성된다.
그리고, 상기 인쇄회로기판은, 상기 완전 타원형 반사경의 저면으로부터 일정 거리 이격되어 분리가능하게 결합하고, 상기 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기가 장착된다.
이를 위해, 상기 완전 타원형 반사경은 상판과 하판의 결합으로 이루어지는데, 상기 상판은, 상기 완전 타원형 반사경이 장축방향으로 구분된 반 타원형상의 상판 반사경이 내부에 형성되고, 그 테두리를 따라 측면으로 연장된 평판 플랜지와, 상기 상판 반사경의 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 형성된 광원 상부 결합부와, 상기 상판 반사경의 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 형성된 광센서 상부 결합부와, 상기 광센서 상부 결합부 측에 형성된 다수개의 에어홀을 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 하판은, 상기 완전 타원형 반사경이 장축방향으로 구분된 반 타원형상의 하판 반사경이 내부에 형성되고, 그 테두리를 따라 측면으로 연장된 평판 플랜지와, 상기 하판 반사경의 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 상기 광원 상부 결합부와 대응되게 형성되어 광원 결합부를 구성하는 광원 하부 결합부와, 상기 하판 반사경의 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 상기 광센서 상부 결합부와 대응되게 형성되어 광센서 결합부를 구성하는 광센서 하부 결합부와, 상기 광센서 하부 결합부 측에 형성된 다수개의 에어홀을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 인쇄회로기판은, 상기 하판의 저면으로부터 일정 거리 이격되어 분리가능하게 결합하고, 상기 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기가 장착된 인쇄회로기판을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 광원 결합부와 광센서 결합부는 광원 및 광센서가 결합될 수 있도록 원통형의 내주면과, 상기 내주면 내에 오목하게 형성된 고정홈을 포함하여 구성되고, 상기 광원 및 광센서를 고정하고 단열시키는 러버부재를 포함하여 구성된 다.
그리고, 상기 완전 타원형 반사경의 제1 초점에는 상기 광원이 위치되고, 상기 완전 타원형 반사경의 제2 초점에는 상기 광센서가 위치되어 서로 마주보도록 형성된다.
이때, 상기 에어홀은 상기 완전 타원형 반사경의 광원에서 방사된 적외선이 지나가는 광 경로 이외의 지역에 형성되는데, 바람직하게 상기 에어홀은 상기 광센 서의 사각이 형성되는 원주 70도 이외의 상판과 하판에 천공되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상판의 하면에는 상기 완전 타원형 반사경의 상판 반사경 테두리를 따라 오목하게 삽입홈이 형성되고, 상기 하판의 상면에는 상기 완전 타원형 반사경의 하판 반사경 테두리를 따라 상기 삽입홈에 삽입가능하도록 돌출되게 수직벽이 일체로 형성된다.
그리고, 상기 상판의 평판 플랜지에는 다수개의 체결공이 형성되고, 상기 하판의 평판 플랜지에는 상기 체결공에 대응되는 위치로 체결보스가 형성되어, 상기 체결공과 체결보스에 나사가 삽입되어 상판과 하판이 결합된다.
또한, 상기 하판의 하면에는 인쇄회로기판에 형성된 고정공에 결합되는 다수 개의 스페이스 체결보스가 일체로 형성되어, 상기 스페이스 체결보스의 길이만큼 상기 하판은 인쇄회로기판과 간격을 가지고 위치된다.
그리고, 상기 광센서와 인쇄회로기판은 상기 광센서에 집광된 적외선 광량을 측정하여 출력하기 위한 회로를 포함하여 구성되는데, 상기 광센서는 신호감지기와 신호처리부를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 신호감지기는 적외선을 감지하는 써머파일 센서 및 온도를 감지하는 써미스터로 구성된다.
그리고, 상기 신호처리부는, 상기 신호감지기에서 출력되는 신호에서 잡음을 제거하기 위한 저주파필터와, 상기 저주파필터로부터 출력되는 적외선 감지 전압신호를 증폭하기 위한 제1 증폭부와, 상기 저주파필터로부터 출력되는 온도신호를 온 도 보상하는 비례기/온도보상기와, 상기 제1 증폭부의 출력 전압신호와 상기 보상기의 출력 온도신호를 합성하는 믹서기와, 상기 믹서기의 출력신호를 증폭하기 위한 제2 증폭부와, 상기 보상기의 출력 온도신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부, 및 상기 제2 증폭부 및 제3 증폭부에서 출력되는 각 신호를 저주파 필터링과 증폭처리하는 신호처리기로 구성된다.
이어서, 상기 인쇄회로기판은, 상기 광센서를 통해 측정된 감지신호를 증폭시키고, 증폭된 신호를 변환하는 출력부 및 이들을 전반적으로 제어하는 마이컴 제어부를 포함하여 이루어진다.
다시 말하면, 상기 인쇄회로기판은, 전원을 공급처리하는 전원부와, 상기 광센서에서 출력되는 신호를 입력받아 합성하는 신호처리 입력부와, 내부에 특정 환산 데이터를 저장하는 내부 메모리와, 표준 환산 데이터가 저장된 외부 메모리(EEPROM)와 통신하는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)와, 외부기기를 자동으로 동작하도록 제어하기 위하여 아날로그 제어신호를 출력하는 DAC 출력부와, 외부 통신모듈시스템과 데이터 통신을 하거나 외부 표시장치에 신호를 송신하기 위한 디지털 출력부와, 상기 광원의 작동 주기를 지정하는 신호를 생성하여 출력하여 가스센서의 수명을 결정하도록 하는 광원구동부를 포함하여 형성된다.
그리고, 상기 전원부와 전기적으로 연결되어 전원공급 받고, 상기 신호처리 입력부의 출력신호를 신호처리하며, 내부 메모리와 외부 메모리를 이용 광센서의 써머파일 출력값과 써미스터 출력값을 비교 및 교정하고, 상기 DAC출력부, 디지털출력부 및 광원구동부와 전기적으로 연결되어 최종 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 필요에 따라 상기 인쇄회로기판은 외부환경의 온도를 감지하여 상기 전기적으로 연결되어 있는 신호처리 입력부에 입력하는 내부온도센서를 더 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3(a)(b)는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 형성되는 광공동을 보여주는 개략적인 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 분해 사시도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 완전 타원형 비분산 적외선 가스 센서(1)는 내부에 이산화탄소, 메탄 가스, LNG 가스 등의 시험 가스가 일측에 형성된 에어홀(air hole, 11)을 통해 광 공동(Optical Cavity, 4) 내부로 유입되고, 광원(Infared source, 2)에서 방사된 적외선이 시험 가스 중 특정 가스와 충돌하는 상기 광 공동(4)을 형성하기 위해 완전 타원형 반사경(10)을 내부에 일체로 형성함으로써 이루어진다.
이때, 상기 완전 타원형 반사경(10)의 내부에는 적외선을 방사하는 광원(2)과, 상기 광원(2)에서 방사된 적외선 중 광 공동(4) 내의 가스와 충돌하여 흡수된 나머지가 집광되는 광센서(IR Detector, 3)가 서로 마주보도록 설치된다.
이와 같은 상기 완전 타원형 반사경(10)은 장축과 단축을 가지는 타원을 그 장축을 중심으로 회전시켜 형성된 모양과 동일한 형상을 가지는데, 상기 반사경(10)내에 설치되는 광원(2)과 광센서(3)는 바람직하게 중심이 되는 장축 상의 제1 및 제2 초점(F1, F2)상에 설치된다. 이때, 상기 완전 타원형 반사경(10)의 제1 초점(F1)에는 광원(2)이 위치되고, 상기 완전 타원형 반사경(10)의 제2 초점(F2)에는 광센서(3)가 위치된다.
따라서, 상기 제1 초점(F1)에 설치된 광원(2)에서 장축방향으로 방사되는 적외선은 완전 타원형 반사경(10)에 반사되고 광 경로(L)를 통과하여 타측에 형성된 광센서(3)내의 필터로 직접 입사되는데, 이때, 상기 광원(2)에서 방사된 적외선은 광 공동(4)을 형성하는 완전 타원형 반사경(10)에 의해 난반사, 흡수 등이 일어나지 않고 타측에 설치된 광센서(3)의 중심으로 광 초점을 형성하여 집광된다.
또한, 완전 타원형 반사경(10)에 의해 광원(2)에서 방사되는 적외선은 최소한의 횟수로 반사되어 광 손실이 최소화되어 광센서(3)로 집광된다.
그러므로 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서(1)는 상기 광원(2)에서 방사되는 적외선이 손실 없이 광센서(3)로 입사하여 특정 가스의 측정에 이용할 수 있는 특정 파장대의 광량을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 완전 타원형 반사경(10)이 형성하는 광 공동(4) 내로 유입되는 시험 가스는 일측에 형성된 다수개의 에어홀(11)을 통해 내부로 유입되는데, 바람직하게 상기 에어홀(11)은 광센서(3)가 설치되는 제2 초점(F2)측에 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 가스 센서(1)는 광센서(3)의 입사각내로 입사 되는 적외선을 광원(2)에서 방사하여 최종적으로 상기 광센서(3)에 도달시키는 구조로, 상기 에어홀(11)은 타원 반사경(10)의 구조에 있어서 광 경로(L) 상에 광의 산란과 효과를 저감시키지 않기 위해 상기 광센서(3)의 입사각이 형성하는 광 경로(L) 이외의 지역에 형성된다.
다시 말하면, 상기 에어홀(11)은 광센서(3)의 사각, 즉 원주 70도 외측으로 제2 초점(F2)측의 상부와 하부측 타원 반사경(10)을 관통하도록 형성되어 상기 에어홀(11)에 의해 광원에서 방사되는 적외선이 난방사되거나 굴절·흡수되는 것을 방지한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경(10)이 형성하는 광 공동(4) 구조에 의해 광원(2)에서 전방으로 방사되는 적외선은 상기 완전 타원형 반사경(10)의 타원 형상, 즉 상부면과 하부면에 의해 반사되어 광 경로(L)를 통과하고, 마주보는 광센서(3)에 집광되어 광량이 최대화 되기 때문에 가스 센서(1)의 측정 정밀도가 극대화된다.
또한, 하나의 타원형의 곡면을 가지는 반사경(10)을 제공하여 반사경의 구조를 단순하게 하고, 상기 반사경(10)의 사출성형이 용이해 가스 센서(1)의 제작이 용이하다.
더불어, 상기 완전 타원형 반사경(10)내에 광원과 광센서가 서로 마주보도록 설치하기 위해, 상기 완전 타원형 반사경(10)의 장축방향 일측에 상기 광원(2)이 결합가능하도록 광원 결합부(13)를 형성하고, 장축방향 타측에는 상기 광센서(3)가 결합가능하도록 광센서 결합부(14)를 형성한다.
바람직하게, 상기 광원 결합부(13)와 광센서 결합부(14)는 완전 타원형 반사경(10)을 형성하는 부분과 일체로 사출 성형되며, 기기의 측정 중에 광원과 광센서가 정위치를 이탈하지 않도록 필요에 따라 러버 부재와 고정용 몰드를 포함하여 결합부 내에 고정시킨다.
보다 상세하게, 도 4와 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서(1)를 살펴보면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서(1)는 적외선을 방사하는 광원(2)과, 상기 광원(2)에서 방사된 적외선이 특정 가스에 흡수될 수 있도록 안내하는 광 공동(4)과, 상기 광 공동(4)에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 전기신호로 바꾸어 주는 광센서(3)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 광 공동(4)은 상판(20)과 하판(30)의 결합에 의해 형성되는 완전 타원형 반사경(10)에 의해 타원 통 형상을 가지며, 상기 상판(20)과 하판(30)은 각기 상기 완전 타원형 반사경(10)을 장축방향으로 구분하였을 때 상부측과 하부측 반사경을 각각 포함하여 형성된다.
또한, 상기 비분산 적외선 가스 센서(1)는 증폭 회로, 아날로그-디지털 변환기 및 마이컴 등이 설치되는 인쇄회로기판(50; PCB)을 더 포함하여 구성되는데, 이때 상기 광 공동(4)과 인쇄회로기판(50)은 서로 결합하여 도시하지 않은 외부 케이스 내에 설치된다.
그리고, 상기 광 공동(4: Optical Cavity)은 외부로부터 상판(20)과 하판 (30)의 일측에 형성된 에어홀(11)을 통해 특정 가스가 유입되고 광원(2)에서 방사되는 광이 외부로 누출되지 않도록 하여 특정 가스와 충돌하고 특정 파장 대의 적외선을 흡수하는 흡수구역을 제공한다.
또한, 도시한 바와 같이, 상기 광 공동(4)은 광원(2)에서 방사되는 적외선이 외부로 누출되는 것을 방지함과 아울러 광 경로를 연장하는 완전 타원형 반사경(10)에 의해 형성되는데, 상기 완전 타원형 반사경(10)은 장축을 기준으로 상부측의 상판 반사경(10a)과, 하부측의 하판 반사경(10b)으로 구분되어 상기 상·하판 반사경(10a, 10b)의 결합으로 형성된다.
그리고, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서(1)는 상기 상판 반사경(10a)이 일체로 형성된 상판(20)과, 상기 하판 반사경(10b)이 일체로 형성된 하판(30)의 결합으로 구성되는데, 상기 상판(20)과 하판(30)의 장축방향 일측에는 적외선을 방사하는 광원(2)이 결합되는 광원 결합부(13)가 형성되고, 장축방향 타측에는 광 공동 내의 적외선이 집광되는 광센서(3)가 결합되는 광센서 결합부(14)가 형성된다.
이때, 상기 상판(20)과 하판(30)은 분리 가능하게 결합된 것으로, 특정 가스가 포함된 공기가 유통하도록 다수개의 에어홀(11)이 일측에 천공되어 형성된다.
또한, 상기 에어홀(11)은 유입홀에 의해 광의 산란과 흡수가 일어나지 않도록 광원(2)에서 방사된 적외선이 통과하는 광 경로 이외의 지역에 형성되는데, 바람직하게 광센서(3)가 설치되는 장축방향 초점측에 형성된다.
즉, 원주 70도 이외의 광센서(3)의 사각부에 상기 에어홀(11)이 형성되며, 바람직하게는 상기 상판(20)과 하판(30) 양측에 모두 형성된다.
그리고, 상기 하판(30)은 가스 센서가 설치되는 인쇄회로기판(50)과 스페이스 체결보스(34)에 의해 일정 간격으로 이격되게 설치되어 하판(30)에 형성된 에어홀(11)을 통해 특정 가스가 상기 광 공동(4)내로 자유롭게 유입될 수 있게 한다.
이어서, 상기 상판(20)은 상기 상판 반사경(10a)의 형상에 따라 중심이 타원 돔형상을 가지는데, 상기 상판 반사경(10a)의 테두리를 따라 측면으로 수평으로 연장된 평판 플랜지(21)를 포함한다. 그리고, 상기 상판 반사경(10a)의 장축방향의 일측에는 상기 광원(2)의 상부가 결합하도록 광원 상부 결합부(22)가 일체로 형성되어 있다. 예를 들어, 상기 광원 상부 결합부(22)는 광원(2)의 원통형 본체(2a)의 상부면과 대응하도록 반원통 형상의 홈으로 이루어져 있다.
또한, 상기 상판(20)의 상판 반사경(10a) 장축방향의 타측에는 상기 광센서(3)의 상부가 결합하도록 광센서 상부 결합부(23)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 광센서 상부 결합부(23)는 광센서(3)의 원통형 본체(3a)의 상부면과 대응하도록 반원통 형상의 홈으로 이루어져 있다.
그리고, 상기 상판(20)의 평판 플랜지(21)에는 상판(20)과 하판(30)을 나사 체결하기 위한 다수개의 체결공(12a)이 형성된다. 상기 체결공(12a)은 하판의 체결보스(12)와 대응되며 이에 의해, 상기 상판(20)과 하판(30)은 외부의 충격에도 쉽게 분리되지 않고, 내부에 광 공동(4)을 형성하는 완전 타원형 반사경(10)의 제 형상을 유지하게 된다.
더불어, 상기 상판(20)의 하면에는 상판 반사경(10a)의 테두리를 따라 내측으로 들어간 삽입홈(25)이 형성되어, 하판(30)의 상면에 형성된 수직벽(35)이 결합 된다.
이어서, 상기 하판(30)은 상기 하판 반사경(10b)의 형상에 따라 중심이 타원 돔형상을 가지는데, 상기 하판 반사경(10b)의 테두리를 따라 측면으로 수평으로 연장된 평판 플랜지(31)를 포함한다. 그리고, 상기 하판 반사경(10b)의 장축방향의 일측에는 상기 광원(2)의 하부가 결합하도록 광원 하부 결합부(32)가 일체로 형성되어 있다. 예를 들어, 상기 광원 하부 결합부(32)는 광원(2)의 원통형 본체(2a)의 하부면과 대응하도록 반원통 형상의 홈으로 이루어져 있다.
따라서, 상기 광원 하부 결합부(32)는 상판(20)과 하판(30)의 결합에 따라 광원 상부 결합부(22)와 결합되어 단일 광원 결합부(13)를 형성하여 상기 광원(2)이 외부의 충격에도 이탈되거나 부서지지 않고 정위치를 유지하게 한다.
또한, 상기 하판(30)의 하판 반사경(10b) 장축방향의 타측에는 상기 광센서(3)의 상부가 결합하도록 광센서 하부 결합부(33)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 광센서 하부 결합부(33)는 광센서(3)의 원통형 본체(3a)의 하부면과 대응하도록 반원통 형상의 홈으로 이루어져 있다.
따라서, 상기 광센서 하부 결합부(33)는 상판(20)과 하판(30)의 결합에 따라 광센서 상부 결합부(23)와 결합되어 단일 광센서 결합부(14)를 형성하여 상기 광센서(3)가 외부의 충격에도 이탈되거나 부서지지 않고 정위치를 유지하게 한다.
그리고, 상기 하판(30)의 평판 플랜지(31)에는 상판(20)과 하판(30)을 나사 체결하기 위해 체결공(12a)에 대응되는 다수개의 체결보스(12)가 형성된다.
그리고, 상기 하판(30)의 상면에는 상판(20)의 삽입홈(25)에 대응되는 위치 로 수직하게 형성된 수직벽(35)이 형성된다.
상기한 바와 같이, 상기 완전 타원형 반사경(10)은 상판(20)과 하판(30)의 결합에 의해 광 공동(4)을 형성하며, 장축방향의 초점에 서로 마주보도록 광원(2)과 광센서(3)가 설치된다.
또한, 상기 하판(30)의 하면에는 인쇄회로기판(50)에 형성된 고정공(53)에 결합되는 스페이스 체결보스(34)가 일체로 형성되어 있다.
이에 따라, 본 발명의 가스 센서(1)는 상기 스페이스 체결보스(34)의 길이에 따라 인쇄회로기판(50)과 이격되게 위치되고, 하판(30)에 형성된 에어홀(11)로 가스가 쉽게 유입된다.
더불어, 상기 광원(2)과 광센서(3)는 상판(20)과 하판(30)의 결합에 의해 형성되는 광원 결합부(13)와 광센서 결합부(14)에 설치됨에 있어서, 리드선(2b, 3b)에 의해 연결되는 광원 인쇄회로기판(51)과 광센서 인쇄회로기판(52)을 포함하여 설치되는데, 상기 광원 인쇄회로기판(51)과 광센서 인쇄회로기판(52)은 하부에 형성되는 회로연결부재(40a, 40b)에 의해 하판(30)이 결합되는 메인 인쇄회기판(50)과 연결된다.
또한, 도 6은 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 평면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 A-A선의 단면도이며, 도 8은 도 6에 도시된 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 B-B선의 단면도이다.
이를 참조하여, 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경(10)이 형성하는 광 공동 (4)의 구조와 상판(20) 및 하판(30)의 결합을 상세히 설명한다. 특히, 본 발명에 따른 광 공동(4)은 광원의 흔들림이나 위치의 이동, 또는 광센서(3)의 흔들림이나 위치 이동을 막고 광원(2)에서 방사된 적외선 광의 유출이나 오염물질의 유입을 방지할 수 있도록 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 광 공동(4)은 완전 타원형 반사경(10)의 장축을 기준으로 상부측 상판 반사경(10a)이 형성된 상판(20)과, 완전 타원형 반사경(10)의 하부측 하판 반사경(10b)이 형성된 하판(30)의 결합으로 이루어진다.
보다 상세하게, 상기 상판(20)과 하판(30)의 내측면에는 장축과 단축을 가지는 완전 타원형 반사경(10) 중 타원 형상의 돔형 상판 반사경(10a)과 하판 반사경(10b)이 일체로 형성되어 있으며, 이때, 상기 타원 돔형 상판 반사경(10a)과 하판 반사경(10b)의 안쪽 면은 금 또는 은이 증착되어 거울면이 형성된다.
따라서 상기 상판 반사경(10a)과 하판 반사경(10b)은 상판(20)과 하판(30)의 결합에 의해 완전 타원형 반사경(10)을 형성하고, 일측 광원 결합부(13)에 고정된 광원(12)에서 방사되는 적외선이 특정 가스와 충돌하여 특정 파장 대의 적외선을 흡수하는 흡수구역, 즉 광 공동(4)을 형성한다.
또한, 상기 상판(20)과 하판(30)은 상판 반사경(10a)과 하판 반사경(10b)의 테두리로부터 수평방향으로 평판 플랜지(21, 31)가 연장되어 사각형 모양의 평면을 이루며, 바람직하게 상기 상판 반사경(10a)과 상판의 평판 플랜지(21) 그리고 하판 반사경(10b)과 하판의 평판 플랜지(31)는 각각 하나의 몸체로 사출 성형된다.
그리고, 상기 상판(20)의 하면에는 상판 반사경(10a)의 형상에 따라 평판 플 랜지(21)가 형성되는 테두리를 따라 일정 깊이의 삽입홈(25)이 형성되고, 상기 하판(30)의 상면에는 하판 반사경(10b)의 형상에 따라 평판 플랜지(31)가 형성되는 테두리를 따라 상기 삽입홈(25)에 대응되는 위치로 돌출된 수직벽(35)이 형성된다.
이에 따라, 상기 상판(20)과 하판(30)이 결합되면서 상기 하판(30)의 수직벽(35)이 상기 상판(20)의 삽입홈(25)에 삽입되어 위치되며, 상기 상판 반사경(10a)과 하판 반사경(10b)은 완전한 완전 타원형 반사경(10)을 이룬다.
또한, 상기 삽입홈(25)과 수직벽(35) 사이에는 필요에 따라 실링 부재가 설치되어 광원(2)에서 방사되는 적외선 광이 외부로 누출되는 것을 차단한다. 그리고, 상기 상판(20)의 삽입홈(25)에 접착재를 도포하여 접합하는 것도 가능하다.
그리고, 상기 적외선을 방사하는 광원(2)은 상판(20)과 하판(30)에 형성된 광원 결합부(13)에 고정되어 형성되는데, 이때 상기 광원(2)이 안정적으로 결합될 수 있도록 상기 광원 결합부(13)의 원통형 내주면을 따라 고정홈(13a)이 형성되며 상기 고정홈(13a)에는 실링 부재 또는 접착재의 사용이 가능하다.
이때, 상기 광원(2)의 후단부 리드선(2b)은 광원 인쇄회로기판(도5, 51)에 연결되는데, 상기 광원(2)과 광원 인쇄회로기판(51)의 단열을 위해 필요에 따라 러버 부재(6)를 상기 광원(2)의 후방에 형성하여 광원 결합부(13)내의 고정홈(13a)에 설치한다.
또한, 상기 광원(2)에서 방사된 적외선 광이 집광되는 광센서(3)는 상판(20)과 하판(30)에 형성된 광센서 결합부(14)에 고정되어 형성되는데, 상기 광원 결합부(13)와 마찬가지로 광센서(3)가 안정적으로 결합될 수 있도록 상기 광센서 결합 부(14)의 원통형 내주면을 따라 고정홈(14a)이 형성되며 상기 고정홈(14a)에는 실링 부재 또는 접착재의 사용이 가능하다.
또한, 상기 광센서(3)의 후단부 리드선(3b)은 광센서 인쇄회로기판(도5, 52)에 연결되는데, 상기 광센서(3)와 광센서 인쇄회로기판(52)의 단열을 위해 필요에 따라 러버 부재(6)를 상기 광센서(3)의 후방에 형성하여 광센서 결합부(14)내의 고정홈(14a)에 설치한다.
이와 같이, 상기 광원(2)과 광센서(3)는 상판(20)과 하판(30)의 양측에 형성된 광원 결합부(13)와 광센서 결합부(14)에 삽입되어 고정되는데, 상기 광원(2)과 광센서(3)의 몸체는 상기 결합부(13, 14)의 원통형 내주면에 긴밀하게 결합되고, 단턱형상의 후단부는 러버부재(6)를 포함하여 고정홈(13a, 14a)에 밀접하게 고정된다. 따라서, 광원(2)이나 광센서(3)의 흔들림이나 위치의 이동에 의한 광 각도의 차이가 생기는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 상판(20)과 하판(30)은 광센서 결합부(14) 측에 다수개의 에어홀(11)이 천공되어 형성된다. 바람직하게 상기 에어홀(11)에는 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터가 접착된다.
또한, 상기 하판(30)의 하면에는 인쇄회로기판(50)에 형성된 고정공(53)에 결합하는 다수개의 스페이스 체결보스(34)가 일체로 형성되어 있다. 이때, 상기 스페이스체결보스(34)는 인쇄회로기판(50)의 고정공(53)에 체결되는 나사에 의해 결합되며, 상기 체결보스(34)의 길이에 의해 본 발명에 따른 가스 센서(1)와 인쇄회로기판(50)은 일정 간격이 유지되고 측정 가스를 포함하는 공기가 자유로이 하판 (30)에 형성된 에어홀(11)을 통해 유동할 수 있다.
상기와 같이 설명한, 본 발명에 따른 원전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서(1)에 따르면, 완전 타원형 반사경(10)의 제1 초점(F1)에 설치된 광원(2)에서 방사되는 적외선은 상기 완전 타원형 반사경(10)에서 반사되어 상기 제2 초점(F2) 위치에 설치된 광센서(3)의 중심으로 집광하기 때문에 상기 광원(2)에서 방사되는 적외선 광이 손실 없이 입사되어 특정 가스의 측정에 이용할 수 있는 광량을 최대로 할 수 있다.
또한, 이러한 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서(1)의 효율을 극대화시키기 위해 사용되는 광센서(3)와 인쇄회로기판(50)은 광원(2)에서 방사되는 적외선의 광량을 측정·분석하여 유입되는 유해 가스를 측정하게 되는데, 도 9, 도 10과 도 11을 참조하여 이러한 광센서(3)와 인쇄회로기판(50)에 적용되는 회로 구성도를 살펴보면 다음과 같다.
도 9는 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 적용되는 광센서의 작동을 보여주는 회로 구성도이고, 도 10 내지 도 11은 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 적용되는 인쇄회로기판을 보여주는 회로 구성도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 상기 광센서(3)에서 최종적으로 집광된 적외선 광량이 써머파일 센서(Thermopile sensor, 61a)를 통해 감지되고, 또한 온도에 절대적으로 의존하는 가스 센서의 특성상 써미스터(Termistor, 61b)를 적용하여 측정한 광량 주변 온도 (Ambient Temperature)를 비례기에 의해 온도 교정의 함수로 반영하고, 이들의 출력값들을 각각 증폭하는 신호처리를 통해 인쇄회로기판(50)의 마이컴에 입력하여 제어부(76) 마이컴 내부에 구성된 ADC와 교정에 의하여 저장데이터와 비교 판별한다.
그리고, 이에 따른 외부주변 온도 변화에 대한 비교 및 교정으로 DAC출력부(73)로 아날로그 출력전압과 디지털 출력부(75)로 디지털 출력(농도) 등 특정의 출력을 발생시키는 장치이다.
보다 상세하게, 상기 광센서(3)는 유무해 가스의 특정 파장 대를 통과하는 필터를 갖는 특정 구조를 활용하는데, 상기 광원(2)에서 방사된 적외선 중 특정 가스에 의해 흡수된 나머지를 측정에 이용하기 위하여 상기 적외선의 농도를 감지하여 전압을 출력하는 써머파일 센서(Thermopile sensor, 61a) 및 온도를 감지하여 전압을 출력하는 써미스터(Termistor, 61b)로 구성된 신호감지기(61)와, 상기 신호감지기(61)에서 출력된 신호를 처리하여 인쇄회로기판(50)의 신호처리 입력부(72)로 출력하는 신호처리부(69)로 회로가 구성된다.
그리고, 상기 신호처리부(69)를 상기 신호감지기(61)의 써모파일 센서(61a)에서 출력되는 전압신호의 처리와 써미스터(61b)에서 출력되는 전압신호의 흐름에 따라 구성을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 써모파일 센서(61a)에서 출력되는 전압신호는 잡음을 제거하기 위한 저주파 필터(62)를 통과하고, 상기 저주파 필터(62)로부터 출력되는 적외선 감지 전압신호를 증폭하기 위한 제1 증폭부(63)를 통과하게 된다.
그리고, 상기 써미스터(61b)에 의한 온도 감지 전압신호는 상기 저주파 필터(62)를 통과하여 온도 교정의 함수로 반영 즉, 온도 보상을 하는 비례기/온도보상기(64)를 거치게 되어 온도에 절대적으로 의존하는 가스 센서에 대한 출력 값을 출력하게 된다.
이후, 상기 제1 증폭부(63)를 통과한 적외선 감지 전압신호는 상기 비례기/온도보상기(64)를 통과한 온도 감지 전압신호에 의하여 보상되도록 믹서기(65)를 통과하고, 이어지는 제2 증폭부(66)에서 증폭되어 저주파 필터링과 증폭처리하는 신호처리기(68)를 통하여 인쇄회로기판내의 신호처리 입력부(72)에 입력된다.
또한, 상기 비례기/온도보상기(64)에서 출력되는 온도 감지 전압신호는 상기 믹서기(65)와 제3 증폭부(67)에 각각 입력되고, 제3 증폭부(67)에서 증폭된 신호는 저주파 필터링과 증폭처리하는 신호처리기(68)를 통하여 인쇄회로기판내의 신호처리 입력부(72)에 입력된다.
이어서, 도 10과 도 11을 참조하면, 상기 인쇄회로기판(50)은, 상기 광센서(3)를 통해 측정된 감지신호를 증폭시킨 후 제어부의 마이컴에 의하여 제어 처리되고, 그 신호를 변환하여 출력하는 출력부(73, 75)를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 인쇄회로기판(50)을 구성하는 회로 구성은, 크게 외부에서 전원을 공급처리하는 전원부(71)와, 상기 광센서(3)에서 출력되는 신호를 입력받아 합성하는 신호처리 입력부(72)와, 내부에 특정 전압,농도 환산표 등의 데이터가 저장되는 내부 메모리(78a)와, EEPROM와 같은 외부 메모리(78b)와 통신하는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI; Serial Peripheral Interface)(77)와, 외부기기를 자동으로 동작하도록 제어하기 위하여 아날로그 제어 전압신호를 출력하는 DAC출력부(73)와, 외부 통신모듈시스템과 데이터 통신을 하거나 외부 표시장치에 신호를 송신하기 위한 디지털 출력부(75)와, 상기 광원의 작동 주기를 지정하는 신호를 생성하여 출력하고 가스센서의 수명을 결정하도록 하는 광원구동부(74)가 형성된다.
또한, 상기 전원부(71)와 전기적으로 연결되어 전원공급 받아 상기 신호처리 입력부(72)의 출력신호를 신호처리하며, 내부 메모리(78a)와 외부 메모리(78b)를 이용 광센서의 써머파일 출력값과 써미스터 출력값을 비교 및 교정하고, 상기 DAC출력부(73), 디지털출력부(75) 및 광원구동부(74)와 전기적으로 연결되어 최종 제어신호를 출력하는 제어부(76)를 포함하여 이루어진다.
특히, 상기 제어부(76)의 기능을 상술하면, 상기 신호처리 입력부(72)에서 적외선 및 온도 감지 신호를 합성하고 내부 ADC와 교정기를 통하여 내부 메모리(78a)에 저장되어 있는 특정한 농도 대 전압 환산표, 출력 전압 대 농도 환산표, 및 온도 대 전압 환산표를 제어부(76) 내에 있는 마이컴에서 상기 입력된 적외선 및 온도 감지 신호를 판별하고, 이를 내부 연산에 의하여 상기 DAC출력부(73)를 통하여 아날로그 출력(전압값으로 출력됨)을 발생시키고, 상기 디지털출력부(75)를 통하여 디지털 출력(농도값)을 발생시키도록 한다.
그리고, 외부 메모리(EEPROM, 78b)에는 좀 더 많은 표준 환산 데이터 즉, 주변 온도 변화에 대한 농도 환산표가 저장되어 있으며, 상기 제어부(76)는 마이컴에 입력되는 광센서(3)의 써모파일(61a) 출력 값과 써미스터(61b)의 출력 값을 외부 메모리(78b)와 비교 및 교정하여 특정의 출력을 발생되도록 한다.
이때, 상기 외부 메모리(78b)는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI; Serial Peripheral Interface)(77)를 통해 제어부(76)와 연결된다.
또한, 도 11을 참조하면, 인쇄회로기판(50)의 회로구성은 필요에 따라 가스 센서(1) 외부의 온도 특 모듈 주변의 온도를 감지하는 내부온도센서(79)를 포함하여 구성되기도 한다.
이때, 상기 내부온도센서(79)는 가스센서 외부의 온도를 감지하여 센서 내부의 써미스터값(온도 대 전압값으로 출력된 값)을 비교하여 보다 더 정밀하게 주변 온도에 대한 보상을 할 수 있도록 한다.
또한, 이와 같이 도 10 및 도 11에 도시된 상기 DAC출력부(73)를 통하여 출력되는 신호가 제어하는 외부기기는 환기장치나 냉각팬과 같은 것이 될 수 있고, 상기 제어신호에 의하여 자동으로 동작되도록 함이 바람직하다.
또한, 상기 디지털 출력부(75)는 컴퓨터와 어떤 주변기기를 직접 연결시켜서 컴퓨터를 통해서 제어를 할 때 사용하는 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)를 구비하여 외부 생산 시스템이나 홈 네트워크와 연결된 컴퓨터와 데이터 통신을 하거나 외부 무선통신모듈과 무선통신하기 위하여 무선통신모듈에 데이터를 송신할 수 있도록 함이 바람직하다.
또한, 밀폐된 공간에서 유해한 가스 농도를 감지하여 사람에게 인식시키기 위하여 외부에 본 발명에 따른 가스센서의 동작상태를 표시하기 위한 신호를 출력할 수 있도록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 광원구동부(74)는 광원(2)이 동작하는 시간(On Time)과 동작하 지 않는 시간(Off Time)의 구간을 카운트하여 작동 주기를 지정하는 신호를 생성하여 출력하며, 이에 따른 광원의 작동에 의해 가스센서의 수명이 결정된다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있다는 것은 자명한 일이다. 따라서 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 한 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 완전 타원형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 완전 타원형의 반사경의 제1 초점에 설치된 광원에서 방사되는 적외선이 최소한의 횟수로 반사되어 제2 초점에 설치된 광센서에 집광되기 때문에 광 손실이 최소화되고 집광되는 적외선 광량 및 광세기를 최대화함으로써 기기의 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 하나의 타원형의 곡면을 가지는 완전 타원형 반사경을 제공함으로써 반사경의 구조를 단순하게 하고 사출성형을 용이하게 하며, 난반사, 굴절, 흡수 등에 의한 광 손실이 없는 반사경을 용이하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 적외선을 방사하는 광원과, 상기 광원에서 방사되어 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서와, 상기 광센서의 감지 신호를 증폭하여 디지털 신호로 바꿔 주는 증폭 회로 및 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 완전 타원형의 곡면을 갖도록 형성되고, 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 형성된 광원 결합부와, 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 형성된 광센서 결합부를 형성하며, 상기 광센서 결합부 측에 다수개의 에어홀이 천공되어 형성된 완전 타원형 반사경과;
    상기 완전 타원형 반사경의 저면으로부터 일정 거리 이격되어 분리가능하게 결합하고, 상기 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기가 장착된 인쇄회로기판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  2. 적외선을 방사하는 광원과, 상기 광원에서 방사되어 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서와, 상기 광센서의 감지 신호를 증폭하여 디지털 신호로 바꿔 주는 증폭 회로 및 아날로그-디지털 변환기를 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 완전 타원형의 곡면을 갖도록 형성된 완전 타원형 반사경과;
    상기 완전 타원형 반사경이 장축방향으로 구분된 반 타원형상의 상판 반사경이 내부에 형성되고, 그 테두리를 따라 측면으로 연장된 평판 플랜지와, 상기 상판 반사경의 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 형성된 광원 상부 결합부와, 상기 상판 반사경의 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 형성된 광센서 상부 결합부와, 상기 광센서 상부 결합부 측에 형성된 다수개의 에어홀을 포함하여 구성된 상판과;
    상기 완전 타원형 반사경이 장축방향으로 구분된 반 타원형상의 하판 반사경이 내부에 형성되고, 그 테두리를 따라 측면으로 연장된 평판 플랜지와, 상기 하판 반사경의 장축방향 일측에 광원이 결합가능하도록 상기 광원 상부 결합부와 대응되게 형성되어 광원 결합부를 구성하는 광원 하부 결합부와, 상기 하판 반사경의 장축방향 타측에 광센서가 결합가능하도록 상기 광센서 상부 결합부와 대응되게 형성되어 광센서 결합부를 구성하는 광센서 하부 결합부와, 상기 광센서 하부 결합부 측에 형성된 다수개의 에어홀을 포함하여 구성된 하판과;
    상기 하판의 저면으로부터 일정 거리 이격되어 분리가능하게 결합하고, 상기 증폭 회로와 아날로그-디지털 변환기가 장착된 인쇄회로기판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광원 결합부와 광센서 결합부는 광원 및 광센서가 결합될 수 있도록 원통형의 내주면과, 상기 내주면 내에 오목하게 형성된 고정홈을 포함하여 구성되고, 상기 광원 및 광센서를 고정하고 단열시키는 러버부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 완전 타원형 반사경의 제1 초점에는 상기 광원이 위치되고, 상기 완전 타원형 반사경의 제2 초점에는 상기 광센서가 위치되어 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 에어홀은 상기 완전 타원형 반사경의 광원에서 방사된 적외선이 지나가는 광 경로 이외의 지역으로, 상기 광센서의 사각이 형성되는 원주 70도 이외의 상판과 하판에 천공되어 형성되는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 상판의 하면에는 상기 완전 타원형 반사경의 상판 반사경 테두리를 따라 오목하게 삽입홈이 형성되고, 상기 하판의 상면에는 상기 완전 타원형 반사경의 하판 반사경 테두리를 따라 상기 삽입홈에 삽입가능하도록 돌출되게 수직벽이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 상판의 평판 플랜지에는 다수개의 체결공이 형성되고, 상기 하판의 평판 플랜지에는 상기 체결공에 대응되는 위치로 체결보스가 형성되어, 상기 체결공과 체결보스에 나사가 삽입되어 상판과 하판이 결합되는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 센서.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 하판의 하면에는 인쇄회로기판에 형성된 고정공에 결합되는 다수 개의 스페이스 체결보스가 일체로 형성되어, 상기 스페이스 체결보스의 길이만큼 상기 하판은 인쇄회로기판과 간격을 가지고 위치되는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광센서는,
    적외선을 감지하는 써머파일 센서 및 온도를 감지하는 써미스터로 구성된 신호감지기와;
    상기 신호감지기에서 출력되는 신호에서 잡음을 제거하기 위한 저주파필터와, 상기 저주파필터로부터 출력되는 적외선 감지 전압신호를 증폭하기 위한 제1 증폭부와, 상기 저주파필터로부터 출력되는 온도 감지 신호를 온도 보상하는 비례기/온도 보상기와, 상기 제1 증폭부의 출력 전압신호와 상기 보상기의 출력 온도신호를 합성하는 믹서기와, 상기 믹서기의 출력신호를 증폭하기 위한 제2 증폭부와, 상기 보상기의 출력 온도신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부, 및 상기 제2 증폭부 및 제3 증폭부에서 출력되는 각 신호를 저주파 필터링과 증폭처리하는 신호처리기로 구성된 신호처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 인쇄회로기판은,
    전원을 공급처리하는 전원부와, 상기 광센서에서 출력되는 신호를 입력받아 합성하는 신호처리 입력부와, 내부에 특정 환산 데이터를 저장하는 내부 메모리와, 표준 환산 데이터가 저장된 외부 메모리(EEPROM)와 통신하는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)와, 외부기기를 자동으로 동작하도록 제어하기 위하여 아날로그 제어신호를 출력하는 DAC 출력부와, 외부 통신모듈시스템과 데이터 통신을 하거나 외부 표시장치에 신호를 송신하기 위한 디지털 출력부와, 상기 광원의 작동 주기를 지정하는 신호를 생성하여 출력하여 가스센서의 수명을 결정하도록 하는 광원구동부가 형성되고;
    상기 전원부와 전기적으로 연결되어 전원공급 받고, 상기 신호처리 입력부의 출력신호를 신호처리하며, 내부 메모리와 외부 메모리를 이용 광센서의 써머파일 출력값과 써미스터 출력값을 비교 및 교정하고, 상기 DAC출력부, 디지털출력부 및 광원구동부와 전기적으로 연결되어 최종 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 외부환경의 온도를 감지하여 상기 전기적으로 연결되어 있는 신호처리 입력부에 입력하는 내부온도센서를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 완전 타원형 반사경이 구비된 적외선 가스 센서.
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