KR20090004271A - Optical gas sensors - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광학식 가스센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 다각형으로 이루어진 광학 챔버(optical chamber)의 측면이 복수의 반사경으로 구성되는 비분산 적외선법(Non-Dispersive Infrared, 이하 NDIR)에 의한 광학식 가스센서의 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
가스 농도를 측정하는 방법은 두 가지가 있다. 하나는 NDIR 방식이며, 다른 하나는 예컨대, K. Kaneyasu 등에 의해 "A carbon dioxide gas sensor based on solid electrolyte for air quality control", Sensors and Actuators B, vol.66, pp.56-58, 2000 에 개시된 것과 같은 고체 전해질(solid electrolyte) 방식이다.There are two ways to measure the gas concentration. One is NDIR, and the other is disclosed, for example, in "A carbon dioxide gas sensor based on solid electrolyte for air quality control", Sensors and Actuators B, vol. 66, pp. 56-58, 2000 by K. Kaneyasu et al. Solid electrolyte such as.
고체 전해질 센서가 NDIR 센서에 비해 더 저렴하지만, 장기 안정성, 높은 정확도, 저전력 소비 등과 같은 면에서는 NDIR 센서가 더 유리하다. 또한 NDIR 센서의 경우, 목표 가스가 특정 파장에서 적외선을 흡수한다는 물리적 센싱 원리를 이용하기 때문에 선택도와 감도가 좋다.While solid electrolyte sensors are less expensive than NDIR sensors, NDIR sensors are more advantageous in terms of long term stability, high accuracy, low power consumption, and the like. NDIR sensors also have good selectivity and sensitivity because they use the physical sensing principle that the target gas absorbs infrared radiation at specific wavelengths.
NDIR 센서의 광학적 특성을 살펴보면 다음과 같다.The optical characteristics of the NDIR sensor are as follows.
일반적으로, 광은 광 경로(optical path) 상에서 회절, 반사, 굴절 및 흡수에 의해서 광 강도가 감소 혹은 증가하게 된다. NDIR 센서의 경우, 입사광이 광 경로를 통과함에 따라 광 강도는 광 경로 상의 가스에 의해 흡수되어 초기 광 강도는 감소하게 된다.In general, light is reduced or increased in light intensity by diffraction, reflection, refraction and absorption on the optical path. In the case of the NDIR sensor, as the incident light passes through the light path, the light intensity is absorbed by the gas on the light path and the initial light intensity is reduced.
이때, 광 경로 상의 가스 농도(J)가 균일하게 분포하고 있고, 등방적 (isotropic)이며, 광 경로(L)를 적외선이 통과할 때, 최종 광 강도(I)는 가스 흡수 계수(k), 광 경로(L)와 광 경로 상에 가스가 없을 때 적외선 수광소자(IR detector)에서 감지되는 초기 광 강도(I0)의 함수인 Beer-Lambert의 법칙에 의하여 설명된다.At this time, when the gas concentration J on the optical path is uniformly distributed, isotropic, and infrared light passes through the optical path L, the final light intensity I is the gas absorption coefficient k, This is explained by Beer-Lambert's law, which is a function of the initial light intensity I 0 that is detected by the IR detector when there is no gas on the optical path L and the optical path.
Beer-Lambert의 법칙은 수학식 1과 같이 표현되며, 초기 광 강도(IO) 및 측정 대상 가스의 흡수계수(k)가 일정한 경우, 최종 광 강도(I)는 광 경로 상의 가스 농도 (J)와 광 경로(L)의 함수로 표현된다. 수학식 1에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않는 경우, 즉 J = 0인 경우, 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 된다.Beer-Lambert's law is expressed by
따라서, 측정 대상 가스가 없는 상태와 가스 농도가 J인 경우에, 광 강도 차는 수학식 2에 제시되는 바와 같다.Therefore, in the case where there is no gas to be measured and the gas concentration is J, the light intensity difference is as shown in equation (2).
그러나 일반적인 적외선 센서는 광 강도에 비례한 미소 전압을 그 출력으로 나타내므로, 가스 존재 유무에 따른 센서의 출력은 이하의 수학식 3과 같이 표현된다.However, since a general infrared sensor shows a small voltage proportional to the light intensity as its output, the output of the sensor according to the presence or absence of gas is expressed by
(단, α는 비례상수)(Where α is proportional constant)
이때, 저농도에서 고농도의 광범위한 측정 범위를 갖는 광학적 가스센서를 제작하기 위해서는 첫째, 광 경로(L)가 큰 광학 챔버(optical chamber)를 형성하거나, 둘째, 적외선을 검출할 수 있는 하한 광 강도가 작은 적외선 센서를 사용하며, 셋째, 포화 광 강도가 크나 적외선 광원에서 방사되는 초기 광 강도(IO)보다 약간 작은 값을 갖는 적외선 센서를 사용하여야 한다.In this case, in order to manufacture an optical gas sensor having a wide range of measurement at low concentration and high concentration, first, an optical chamber having a large optical path L is formed, or second, a lower limit light intensity capable of detecting infrared rays is small. An infrared sensor is used. Third, an infrared sensor having a large saturated light intensity but slightly smaller than the initial light intensity (I 0 ) emitted from the infrared light source should be used.
그러나, 현재 시장에 제공되는 각종 적외선 검출 센서의 경우(Thermopile IR sensor 혹은 Passive IR sensor), 상기한 모든 사항을 만족시키는 것은 어려운 상태이므로, 광 경로가 큰 광학 챔버를 형성하는 방법이 요구되고 있다.However, in the case of various infrared detection sensors currently provided on the market (Thermopile IR sensor or Passive IR sensor), it is difficult to satisfy all of the above, and there is a need for a method of forming an optical chamber with a large optical path.
도 1은 종래의 NDIR에 의한 광학식 가스센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)을 나타 낸 도면이다.1 is a view showing the structure of a conventional gas sensor by the NDIR, Figure 2 is a view showing the absorption spectrum (absorption spectrum) of various gases in the infrared region.
도 1을 참조하면, NDIR에 의한 광학식 가스센서(100)는 광학 챔버(110), 적외선 광원(IR source)(120), 적외선 필터(IR filter)(130) 및 적외선 수광소자(IR detector)(140)로 구성된다. 가스 농도 검지 원리는 적외선 광원(120)에 의해 적외선이 방출되고 적외선 수광소자(140)에서는 상기 적외선의 세기를 측정한다.Referring to FIG. 1, the
이때, 광학 챔버(110)로 유입된 가스는 도 2에 도시된 바와 같이 가스마다 특정 파장에서 적외선을 흡수하는데 이로 인해 적외선의 세기가 감소한다. 적외선 수광소자(140) 앞에는 검지하고자 하는 해당 가스의 흡수 스펙트럼 대역의 파장만이 투과할 수 있는 적외선 필터(130)를 삽입한다. 이러한 적외선의 세기의 감소 정도는 가스 농도에 비례하게 되므로 가스가 없을 때의 적외선의 세기와 가스가 있을 때의 적외선의 세기를 비교함으로써 가스농도를 검지할 수 있다.In this case, the gas introduced into the
NDIR 광학식 가스센서에서 검지하려고 하는 가스 농도의 범위는 높게는 수천 ppm(parts per million)에서 낮게는 수 ppb(parts per billion)의 범위에 있는데 가스 농도가 낮을 경우 광 경로가 작으면 가스에 의한 적외선의 흡수가 미미하기 때문에 적외선의 감소도 미미하게 나타나므로 센서의 감도를 높이기 위해서 광 경로를 길게 해주어야 한다. 즉 낮은 가스 농도에서 적외선 세기의 감소를 크게 하려면 광학 챔버의 길이(광 경로)를 길게 해주어야 하는데 종래의 가스센서들은 대부분 광학 챔버를 일자형으로 길게 해줌으로써 긴 광 경로를 확보하고 있다.The range of gas concentrations to be detected by the NDIR optical gas sensor ranges from parts per million to as low as parts per billion (ppb). Since the absorption of is insignificant, the reduction of infrared rays is insignificant. Therefore, the optical path must be lengthened to increase the sensitivity of the sensor. That is, to reduce the infrared intensity at a low gas concentration, it is necessary to lengthen the optical chamber length (light path). Most conventional gas sensors secure a long optical path by lengthening the optical chamber in a straight line.
종래의 광학식 가스센서에서 긴 광 경로를 확보하기 위해서 도 1처럼 광학 챔버(110)를 일자형으로 길게 구성할 경우 센서 소자의 크기가 굉장히 길어지므로 소자를 소형화하기가 어렵다. 또한 광원에서 발생 된 적외선이 적절한 광학계가 없으면 적외선이 넓게 퍼지게 되므로 적외선 수광소자에 도달하는 적외선의 세기가 낮아지고 광 효율이 떨어진다.In order to secure a long optical path in the conventional optical gas sensor, when the
따라서, 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 광학 챔버의 측면이 적외선을 반사하는 다각형의 구조로 제작함으로써 좁은 면적에서 긴 광학 경로 및 높은 광 효율을 가지는 광학식 가스센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical gas sensor having a long optical path and a high light efficiency in a narrow area by manufacturing a polygonal structure in which the side of the optical chamber reflects infrared rays in order to solve the conventional problems. have.
본 발명의 상기 목적은 상부면, 하부면 및 측면으로 구성된 다각형으로 이루어지고 가스를 수용하기 위한 광학 챔버; 상기 시료가스를 향해 빛을 투사시키기 위한 광원; 상기 광학 챔버의 측면에 부착되고 상기 빛을 반사시키기 위한 복수의 제1 반사경; 검지하고자 하는 가스의 파장과 유사한 파장 대역의 빛을 필터링하기 위한 필터; 및 상기 필터를 투과한 빛의 세기를 측정하는 수광소자를 포함하는 광학식 가스센서에 의해 달성된다.The object of the present invention comprises an optical chamber made of a polygon consisting of an upper surface, a lower surface and a side and for receiving a gas; A light source for projecting light toward the sample gas; A plurality of first reflectors attached to a side of the optical chamber and for reflecting the light; A filter for filtering light in a wavelength band similar to the wavelength of the gas to be detected; And it is achieved by an optical gas sensor comprising a light receiving element for measuring the intensity of light transmitted through the filter.
바람직하게는, 상기 제1 반사경은 입사각과 반사각이 동일한 평면 반사경이다.Preferably, the first reflecting mirror is a planar reflecting mirror having the same incident angle and reflecting angle.
바람직하게는, 상기 광학식 가스센서는 상기 광원에서 발생하는 빛을 평행광으로 변환시키는 오목 반사경으로 이루어진 제2 반사경을 더 포함한다.Preferably, the optical gas sensor further comprises a second reflector made of a concave reflector for converting light generated from the light source into parallel light.
바람직하게는, 상기 제1 반사경은 수평 절단면이 곡면인 오목 반사경이며 서로 다른 곡률을 가진 제3 또는 제4 반사경으로 구성된다.Preferably, the first reflector is a concave reflector whose horizontal cut surface is curved and is composed of a third or fourth reflector having different curvatures.
바람직하게는, 상기 광학 챔버의 상부면 또는 하부면이 평면 반사경이다.Preferably, the top or bottom surface of the optical chamber is a planar reflector.
바람직하게는, 적외선의 경로 길이는 상기 다각형의 측면의 수에 비례하는 광학식 가스센서이다.Preferably, the path length of the infrared light is an optical gas sensor that is proportional to the number of sides of the polygon.
따라서, 본 발명의 광학식 가스센서는 광학 챔버를 다각형 구조로 구현하고 측면을 평면 반사경으로 구성함으로써 제작과정이 용이한 장점이 있고, 경로를 길게 할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the optical gas sensor of the present invention has an advantage that the manufacturing process is easy and the path can be lengthened by implementing the optical chamber in a polygonal structure and constituting the side with a planar reflector.
또한, 본 발명은 광학 챔버의 측면을 오목 반사경으로 구성함으로써 빛이 수직 및 수평 방향의 하나의 초점으로 집광되어 빛의 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of reducing the loss of light by condensing the light to one focus in the vertical and horizontal directions by configuring the side of the optical chamber with a concave reflector.
또한, 본 발명은 광학 챔버의 측면을 구성하는 오목 반사경들의 곡률을 다르게 구현함으로써 빛의 반사를 효율적으로 할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of efficiently reflecting light by implementing different curvature of the concave reflectors constituting the side of the optical chamber.
또한, 본 발명은 광학 챔버의 측면을 구성하는 오목 반사경의 수직 단면이 부채꼴 형태로 제작함으로써 광학 챔버를 제작함에 용이한 효과가 있다.In addition, the present invention has an easy effect in manufacturing the optical chamber by making the vertical cross section of the concave reflector constituting the side of the optical chamber in the shape of a fan.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서(300)의 입체 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 적외선의 반사 경로를 나타낸 도면이고, 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서(300)의 단면도이다.Figure 3a is a three-dimensional perspective view of the
여기서 도 3c는 도 3b에 도시된 광학식 가스센서(300)를 A-A`의 점선 방향으로 자른 단면도이다.3C is a cross-sectional view of the
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 광학식 가스센서(300)는 광학 챔버(310), 제1 반사경(320), 제2 반사경(330), 적외선 광원(340), 적외선 필터(350) 및 적외선 수광소자(360) 등으로 구성된다.3A to 3C, the
광학 챔버(310)는 가스를 수용하고 상부면, 하부면 및 복수의 측면으로 구성된 다각형으로 이루어지며 상기 측면에는 복수의 제1 반사경(320)이 설치된다.The
본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 챔버(310)는 12개의 측면을 가진 다각형으로 이루어지고 12개의 측면 중 10개의 면에 제1 반사경(320)이 부착되고, 적외선 광원(340)과 적외선 수광소자(360)가 형선된 곳의 두면은 개방되어 있다. 상기 다각형의 측면의 개수는 적외선 경로의 길이를 결정하는 요소이다.The
따라서, 광학 챔버(310)는 적외선의 반사가 여러 번 발생할 수 있는 어떠한 다각형의 형태로 이루어져도 무방하며, 상기 12개의 측면을 가진 다각형은 일실시예에 불과하다.Therefore, the
제1 반사경(320)은 평면 반사경(plane reflector)으로 구성되어 입사각과 반사각이 동일한 특성을 가지고 있다. 따라서, 제1 반사경(320)은 적외선 광원(340)에서 발생되어 제2 반사경(330)을 통해 평행광이 된 적외선을 반사시킨다.The
제2 반사경(330)은 오목 반사경(concave reflector)으로 구성되고 적외선 광원(340)에서 발생 된 적외선을 반사시켜 평행광이 되도록 한다. 또한 광학 챔버(310) 내의 제1 반사경(320)에 반사되어 최종적으로 적외선 수광소자(360)로 입사되는 적외선을 집광시켜준다.The
적외선 광원(340)은 광학 챔버(310)의 상부 또는 하부면에 설치되며 가시광선보다 긴 파장을 가진 적외선을 발생시키는 적외선 전구로 구성되고, 상기 적외선은 광학 챔버(310) 내의 가스의 농도를 측정하는데 사용된다.The infrared
적외선 필터(350)는 상기 가스의 흡수 스펙트럼 대역의 파장과 유사한 적외선의 파장만 투과시키는 특징을 지닌다.The
적외선 수광소자(360)는 적외선 필터(350)를 투과한 적외선의 세기를 측정한다.The infrared
본 발명의 제1 실시예인 광학식 가스센서의 동작과정을 살펴보면, 우선 적외선 광원(340)으로부터 적외선이 발생 된다. 상기 적외선은 평행광이 아니지만 오목 반사경인 제2 반사경(330)에 의해 반사되면서 평행광이 된다.Looking at the operation of the optical gas sensor of the first embodiment of the present invention, first, infrared light is generated from the infrared
평행광이 된 적외선은 다각형 형태의 광학 챔버(310) 내에 구비된 평면 반사경인 복수의 제1 반사경(320)에 의해 여러 번의 반사 과정을 거치게 된다. 상기 과정에서 광학 챔버(310) 내의 가스와 충돌이 발생하며, 여기서 상기 가스의 흡수 스펙트럼과 동일한 파장을 가진 적외선의 일부 파장 대역은 상기 가스에 흡수됨으로써 그 세기가 감소하게 된다.The infrared light, which has become parallel light, is subjected to a plurality of reflection processes by a plurality of
그리고 제1 반사경(320)에 의해 반사된 적외선은 적외선 필터(350) 및 적외선 수광소자(360)의 상부에 존재하는 제2 반사경(330)으로 입사된다. 제2 반사경(330)은 오목 반사경으로 구성되었기에 입사된 적외선을 집광시켜준다. 집광된 적외선은 적외선 필터(350)에 의해 필터링 된 후 적외선 수광소자(360)에 의해 그 세기가 측정된다.The infrared rays reflected by the
상기 적외선의 세기는 광학 챔버(310) 내에 가스가 없을 경우 적외선 수광소자(360)에 의해 측정된 적외선의 세기와 비교하여 감쇠 정도를 파악한다. 이러한 적외선 세기의 감쇠 정도는 가스 농도에 비례하게 되므로 가스가 없을 때의 적외선의 세기와 가스가 있을 때의 적외선의 세기를 비교함으로써 가스 농도를 검지할 수 있다.The intensity of the infrared rays is compared with the intensity of the infrared rays measured by the infrared
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서(400)의 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing an infrared ray propagation path of the
도 4에 도시된 적외선의 전파 경로는 시뮬레이션을 통해 구현한 것이며, 적외선 광원(미도시)에서 발생 된 적외선이 오목 반사경인 제2 반사경(430)을 통해 평행광이 되고, 12면체의 다각형 형태인 광학 챔버(410)의 측면을 형성하는 평면 반사경인 제1 반사경(420)에 반사되어 최종적으로 적외선 수광소자(미도시)에 이르는 것을 확인할 수 있다.The propagation path of the infrared rays shown in FIG. 4 is implemented through simulation, and the infrared rays generated from the infrared light source (not shown) become parallel light through the
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학식 가스센서(500)의 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.5A is a diagram illustrating an infrared ray propagation path of the
도 5a에 도시된 본 발명의 제2 실시예인 광학식 가스센서(500)는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서(300)의 제1 반사경(320)만 다르고 나머지 구성은 동일하다.The
즉, 도 5a의 광학식 가스센서(500)의 광학 챔버(510), 제2 반사경(520), 적외선 광원(미도시), 적외선 필터(미도시) 및 적외선 수광소자(미도시)는 도 3a 내지 도 3c의 광학 챔버(310), 제2 반사경(330), 적외선 광원(340), 적외선 필터(350) 및 적외선 수광소자(360)와 동일하다. 단, 도 5a의 광학식 가스센서(500)는 곡률이 서로 다른 오목 반사경을 더 포함한다.That is, the
상기 제1 실시예에 따른 적외선 광원(340)으로부터 발생 되는 적외선이 오목 반사경인 제2 반사경(330)에 의해 평행광이 되지만 완벽하게 평행광이 되기 어렵기에 적외선이 제1 반사경(320)에 반사되어 진행될수록 적외선은 점점 퍼지게 된다. 따라서 상기 적외선은 적외선 수광소자(360)에 도달하기까지 상당히 감쇄될 수 있다.Although the infrared light generated from the infrared
이러한 이유로, 도 5a의 광학 챔버(510)의 측면은 오목 반사경인 제3 또는 제4 반사경(530, 540)으로 구성된다.For this reason, the side of the
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 곡률이 동일한 반사경으로 구성된 광 학식 가스센서의 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.FIG. 5B is a view showing an infrared ray propagation path of an optical gas sensor composed of reflectors having the same curvature according to the second embodiment of the present invention.
도 5b는 도 5a에 도시된 제3 및 제4 반사경(530, 540)의 곡률이 동일한 경우에 실행한 시뮬레이션의 결과이다. 도 5b를 참조하면, 측면 반사경은 최초 평행광을 반사하기 때문에 빛의 모아짐과 퍼짐이 일정한 패턴을 유지할 수 없게 된다.FIG. 5B is a result of a simulation performed when the curvatures of the third and
따라서 제3 반사경(530) 및 제4 반사경(540)은 수평 절단면이 곡면이며 서로 곡률이 다른 오목 반사경으로 한다. 여기서 곡률은 반경과 반비례하기 때문에 제3 반사경(530)의 곡률이 제4 반사경(540)의 곡률보다 작게 설계한다. 또한, 제3 반사경(530)의 반경이 R2이고, 제4 반사경(540)의 반경이 R1이면, R2>R1의 상기 수식을 만족하도록 한다.Accordingly, the
제3 반사경(530)은 적외선 광원(미도시)에서 발생 된 적외선이 제2 반사경(520)에 의해 변환된 평행광 적외선을 첫 번째로 반사하는 광학 챔버(510)의 측면에 설치되며, 평행광 적외선을 반사하여 수평 방향의 초점을 지나게 되는 적외선으로 변환시킨다.The
또한 제3 반사경(530)은 적외선 수광소자(미도시)에 설치되는 제2 반사경(520)으로 향하게 되는 마지막 반사를 하는 광학 챔버(510)의 측면에도 설치된다. 제3 반사경(530)은 평행광 적외선을 반사하여 수평 방향으로 하나의 초점을 지나는 적외석으로 변환시키지만, 역으로 수평 방향의 초점을 지나는 적외선을 반사하여 평행광 적외선으로도 변환시킨다.In addition, the
제4 반사경(540)은 수평 방향의 초점을 지나서 퍼지게 되는 적외선을 반사하 며, 반사된 적외선은 다시 수평 방향의 초점을 지나게 된다. 따라서 제4 반사경(540)은 수평방향으로 모아짐과 퍼짐이 일정한 패턴이 되게 하여 여러 번의 반사 과정을 진행한다.The
즉, 도 5a에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학식 가스센서에서 적외선의 전파 과정을 살펴보면, 우선 적외선 광원(미도시)으로부터 적외선이 발생되면 제2 반사경(520)에 의해 상기 적외선은 평행광이 된다. 평행광이 된 적외선은 제3 반사경(530)으로 향하게 되고, 제3 반사경(530)에 반사된 평행광 적외선은 모아짐과 퍼짐으로 수평 방향으로 하나의 초점을 지나게 된다.That is, referring to the propagation process of the infrared rays in the optical gas sensor according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 5A, first, when the infrared rays are generated from the infrared light source (not shown), the infrared rays are reflected by the
그리고 상기 퍼지게 된 적외선은 제4 반사경(540)으로 향하게 되고, 서로 대응되는 제4 반사경(540)들은 모아짐과 퍼짐이 일정한 패턴이 되는 반사 과정을 수행한다. 상기 과정에서 적외선은 광학 챔버(510) 내에서 이동 경로가 길어지고 퍼지게 되는 현상이 줄어들기 때문에 가스에 흡수되는 기회가 많이 진다.In addition, the spread infrared light is directed to the
제4 반사경(540)에 의해 여러 번의 반사 과정을 거친 적외선은 제3 반사경(530)으로 향하게 되고, 제3 반사경(530)에 의해 반사된 적외선은 평행광으로 바뀌게 된다. 이에 평행광인 적외선은 제2 반사경(520)으로 향하게 되어 적외선 필터(미도시)를 통해 적외선 수광소자(미도시)로 들어가 그 세기가 측정된다.The infrared rays that have undergone several reflection processes by the
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학식 가스센서에서의 반사경의 수직 단면도이고, 도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.6A is a vertical cross-sectional view of a reflector in the optical gas sensor according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a view showing a propagation path of infrared rays according to the third embodiment of the present invention.
도 6a에 도시된 제3 및 제4 반사경(630, 640)은 도 5a에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 챔버(510)의 측면을 형성하는 제3 및 제4 반사경(530, 540)을 변형한 형태이다.The third and
즉, 제3 실시예에 따른 광학식 가스센서는 제3 및 제4 반사경(630, 640)을 제외하고는 도 5a에 도시된 구성요소와 동일하다.That is, the optical gas sensor according to the third embodiment is the same as the component shown in FIG. 5A except for the third and
도 5a에 도시된 적외선의 전파는 반사를 거듭하면서 좌우 방향으로는 퍼짐이 줄어들지만, 상하 방향으로 퍼지는 적외선은 줄이지 못한다.Although the propagation of the infrared rays shown in FIG. 5A decreases in the left and right directions while reflecting repeatedly, the infrared rays spread in the vertical direction cannot be reduced.
따라서, 제3 실시예에 따른 제3 및 제4 반사경(630, 640)은 수평 및 수직 단면도가 모두 곡면이면서 서로 다른 곡률을 가진 오목 반사경이다.Accordingly, the third and
제3 반사경(630)은 평행광 적외선을 반사하여 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나게 되는 적외선으로 변환시킨다.The
또한 역으로 제3 반사경(630)은 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나는 적외선을 반사하여 평행광 적외선으로 변환시킨다.In addition, the
제4 반사경(640)은 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나는 적외선을 반사하여 다른 하나의 초점을 지나도록 한다.The
도 6b에 도시된 적외선의 전파 경로는 시뮬레이션을 통해 구현한 것이며, 상기 적외선은 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나게 되므로 상하좌우 방향으로 적외선의 퍼짐 현상을 줄일 수 있다.The propagation path of the infrared rays shown in FIG. 6B is implemented through simulation, and since the infrared rays pass through one focal point in the vertical and horizontal directions, the spread of the infrared rays in the vertical, horizontal, and right directions can be reduced.
도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학식 가스센서에서의 반사경의 수직 단면도이고, 도 7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.7A is a vertical cross-sectional view of a reflector in the optical gas sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a view showing a propagation path of infrared rays according to the fourth embodiment of the present invention.
도 7a에 도시된 제3 및 제4 반사경(730, 740)은 도 5a에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 챔버(510)와 측면을 형성하는 제3 및 제4 반사경(530, 540)을 변형한 형태이다.The third and
즉, 제4 실시예에 따른 광학식 가스센서는 광학 챔버(710)와 제3 및 제4 반사경(730, 740)을 제외하고는 도 5a에 도시된 구성요소와 동일하다.That is, the optical gas sensor according to the fourth embodiment is the same as the component shown in FIG. 5A except for the
도 7a에 도시된 바와 같이, 제3 및 제4 반사경(730, 740)은 수직 단면도가 부채꼴 형태이면서 서로 다른 곡률을 가진 오목 반사경이다.As shown in FIG. 7A, the third and
본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 챔버(710)는 하부면(720)이 평면 반사경으로 이루어진다.In the
제3 반사경(730)은 평행광 적외선을 반사하여 하나의 초점을 지나게 되는 적외선으로 변환시킨다. 여기서 상기 초점은 광학 챔버(710)의 하부면(720)에 맺히게 되고, 이에 적외선은 하부면(720)에 의해 반사가 된다.The
또한 역으로 제3 반사경(730)은 하부면(720)에 맺히는 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나는 적외선을 반사하여 평행광 적외선으로 변환시킨다.In addition, the
제4 반사경(740)은 하부면(720)에 맺히는 수직 및 수평 방향의 하나의 초점을 지나는 적외선을 반사하여 하부면(720)의 다른 하나의 초점을 지나도록 한다.The
도 7b에 도시된 적외선의 전파 경로는 시뮬레이션을 통해 구현한 것이며, 상기 적외선은 평면 반사경으로 이루어진 하부면(720)에 맺히는 하나의 초점을 지나게 되므로 상하좌우 방향으로 적외선의 퍼짐 현상을 줄일 수 있다.The propagation path of the infrared rays shown in FIG. 7B is implemented through simulation, and since the infrared rays pass through a single focal point formed on the
도 7a 및 도 7b에 도시된 제3 및 제4 반사경(730, 740)의 모양이 뒤집어 진 형태이면 상부면(750)을 평면 반사경으로 구성하는 것이 바람직하다.If the shapes of the third and
또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 광학 챔버(710)는 제작시 사출 공정이 용이하다.In addition, the
상기 도 5a 내지 도 7b에 도시된 광학 챔버의 측면은 각각의 반사경들에 의해 구성된다.The side of the optical chamber shown in FIGS. 5A-7B is constituted by respective reflectors.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various modifications and variations are possible without departing from the spirit of the present invention and equivalents of the claims to be described below.
본 발명은 광학식 가스센서를 이용하여 대기중의 가스 오염 물질 및 실내의 유해 가스 검출 등의 목적을 가진 장치에 사용이 가능하다.The present invention can be used for an apparatus having the purpose of detecting gaseous pollutants in the atmosphere and harmful gases in the room by using an optical gas sensor.
도 1은 종래의 NDIR에 의한 광학식 가스센서의 구조를 나타낸 도면,1 is a view showing the structure of a conventional gas sensor by the NDIR,
도 2는 적외선 영역에서 다양한 가스들의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면,2 is a diagram illustrating absorption spectra of various gases in an infrared region;
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서의 입체 사시도,3A is a three-dimensional perspective view of an optical gas sensor according to a first embodiment of the present invention;
도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 적외선의 반사 경로를 나타낸 도면,3B is a view showing a reflection path of infrared rays according to the first embodiment of the present invention;
도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 가스센서의 단면도,3C is a cross-sectional view of an optical gas sensor according to a first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면,4 is a view showing a propagation path of infrared rays according to the first embodiment of the present invention;
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학식 가스센서의 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면,5A is a view showing an infrared ray propagation path of an optical gas sensor according to a second embodiment of the present invention;
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 곡률이 동일한 반사경으로 구성된 광학식 가스센서의 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면,5B is a view showing an infrared ray propagation path of an optical gas sensor composed of reflectors having the same curvature according to a second embodiment of the present invention;
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학식 가스센서에서의 반사경의 수직 단면도,6A is a vertical sectional view of a reflector in an optical gas sensor according to a third embodiment of the present invention;
도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면,6B is a view showing a propagation path of infrared rays according to a third embodiment of the present invention;
도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학식 가스센서에서의 반사경의 수직 단면도,7A is a vertical sectional view of a reflector in an optical gas sensor according to a fourth embodiment of the present invention;
도 7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 적외선의 전파 경로를 나타낸 도면이다.7B is a view showing a propagation path of infrared rays according to the fourth embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
300 : 광학식 가스센서 310 : 광학 챔버300: optical gas sensor 310: optical chamber
320 : 제1 반사경 330 : 제2 반사경320: first reflecting mirror 330: second reflecting mirror
340 : 적외선 광원 350 : 적외선 필터340: infrared light source 350: infrared filter
360 : 적외선 수광소자360: infrared light receiving element
Claims (9)
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---|---|---|---|
KR1020070068352A KR20090004271A (en) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | Optical gas sensors |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020070068352A KR20090004271A (en) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | Optical gas sensors |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
US10161859B2 (en) | 2016-10-27 | 2018-12-25 | Honeywell International Inc. | Planar reflective ring |
KR20200103482A (en) * | 2019-02-25 | 2020-09-02 | 주식회사 템퍼스 | Multi gas sensing apparatus |
-
2007
- 2007-07-06 KR KR1020070068352A patent/KR20090004271A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10161859B2 (en) | 2016-10-27 | 2018-12-25 | Honeywell International Inc. | Planar reflective ring |
KR20200103482A (en) * | 2019-02-25 | 2020-09-02 | 주식회사 템퍼스 | Multi gas sensing apparatus |
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