KR20090013434A - 가스 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 측정 장치에 관한 것으로, 빛을 조사시키는 광원; 광원에서 조사되는 빛을 측정하는 검출기; 검출기에 구비되어 측정하고자 하는 가스의 파장 영역만을 통과시키는 필터; 및 광원에서 조사되는 빛의 경로가 변경되어 검출기로 안내되도록 하여, 빛의 이동거리를 늘려주는 안내부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 측정 장치는 한정된 공간에서 빛의 이동거리를 증대시켜 미소량 가스의 정밀 측정이 가능하다.
프레스넬 존 플레이트, 램버트비어 법칙, 필터, 반사경, 검출기

Description

가스 측정 장치{MEASUREMENT DEVICE OF GAS}
본 발명은 가스 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한정된 공간에서 빛의 이동 거리를 증가시켜 미소량의 가스를 정밀하게 측정하는 가스 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 대기 중의 가스를 검출하기 위한 장치는 크게 광학적 센서, 반도체 식 센서, 접촉 연소식 센서 및 고체 전해질 센서가 있다. 이러한 가스 검출 장치 중에서 광학적 센서는 다른 센서보다 장기 안정성, 높은 정확성, 그리고 낮은 전력소비의 이점이 있으며, 측정 대상가스만을 측정할 수 있는 높은 선택성및 감도가 우수한 특성을 지니고 있다.
광학적 센서를 채택하는 가스 측정 장치는 광원, 검출기, 광 공동, 측정 가스만의 흡수파장을 투과시키기 위한 필터로 구성된다.
이때, 광원으로는 백열전구(IR-Lamp), 발광다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)를 사용할 수 있다. 그리고, 광 공동은 센스에어(Sense Air)사의 세 개의 반 사경형, 레시스템(Rae Systems)사의 원통 튜브형, 텍사스(Texas)사의 원통형의 구조가 있다.
한편, 가스 측정 장치는 램버트비어 법칙(Beer-Lambert Law)을 기초로 하여 가스량을 측정하게 되고 수식은 다음과 같다.
Figure 112007056351168-PAT00001
이러한 수식에 나타난 바와 같이, 빛의 이동거리(l), 흡수계수(a), 측정가스의 농도(c)가 0ppm인 상태에서의 광세기(
Figure 112007056351168-PAT00002
)를 크게 함으로써, 검출기에 도달하는 광의 세기(
Figure 112007056351168-PAT00003
)를 크게 할 수 있다.
그러나, 다수의 광반사를 통해 빛의 이동거리(l) 만을 증대시키는 경우 다수의 광반사에 의해 검출기에 도달하는 광의 세기가 감소되는 문제점이 있다.
그리고, 타원을 이용한 집광 구조에서는 빛의 이동거리(l)를 증대시키기 위해 자체 구조가 커져야 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 일정 공간 내에서 빛의 이동거리를 극대화하고 검출기에 도달하는 광의 세기를 증대시키는 가스 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 빛을 조사시키는 광원; 상기 광원에서 조사되는 빛을 측정하는 검출기; 상기 검출기에 구비되어 측정하고자 하는 가스의 파장 영역만을 통과시키는 필터; 및 상기 광원에서 조사되는 빛의 경로가 변경되어 상기 검출기로 안내되도록 하여, 빛의 이동거리를 늘려주는 안내부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치를 제공한다.
상기 안내부는 다수 절곡된 안내통로; 및 상기 안내통로의 절곡된 부분에 구비되어 빛을 반사시키는 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 안내통로의 절곡된 횟수와 상기 반사경의 개수는 설계에 따라 가감되는 것을 특징으로 한다.
상기 검출기로 빛이 수렴하기 위한 수렴기가 더 구비되고, 상기 수렴기는 프레스넬 존 플레이트인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 가스 측정 장치는 다수의 반사경 사용으로 빛의 이동거리를 최소한의 공간에서 극대화함으로서, 미소량의 가스 변화에 대한 센서의 감도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스 측정 장치는 검출기로 도달되는 빛이 프레스넬 존 플레이트에 의해 집광되어, 미소량의 가스 변화에 대한 센서의 감도를 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 가스 측정 장치의 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 수렴기가 부가된 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가스 측정 장치(100)는 빛이 조사되는 광원(10), 조사된 빛을 감지하여 가스의 미소량을 측정하는 검출기(40) 및 광원(10)에서 조사된 빛을 검출기(40)로 안내하는 안내부(60)를 구비한다.
상기 검출기(40)에는 필터(41)가 구비된다. 이러한 필터(41)는 사용자가 측정하고자 하는 가스의 파장 영역만을 통과시켜, 검출기(40)의 가스 측정 능력을 향상시킨다.
상기 안내부(60)는 굴곡이 수회 형성되어 빛의 이동거리를 증대시키는 안내통로(20)와, 안내통로(20)의 굴곡진 부분에 구비되어 빛을 반사하는 반사경(30)을 구비한다.
도면을 참조하여 안내부(60)의 일 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
광원(10)에서 조사되는 빛을 일방향으로 안내하는 제1안내통로(21)에는 조사되는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제1반사경(31)이 구비된다.
상기 제1반사경(31)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제1안내통로(21)와 연결되는 제2안내통로(22)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제2반사경(32)이 구비된다. 이때, 제2반사경(32)을 통해 반사되는 빛은 광원(10)에서 조사되는 빛과 반대방향이 된다.
상기 제2반사경(32)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제2안내통로(22)와 연결되는 제3안내통로(23)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제3반사경(33)이 구비된다. 이때, 제3반사경(33)을 통해 반사되는 빛은 제2안내통로(22)로 이동되는 빛의 반대방향이 된다.
상기 제3반사경(33)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제3안내통로(23)와 연결되는 제4안내통로(24)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제4반사경(34)이 구비된다. 이때, 제4반사경(32)을 통해 반사되는 빛은 광원(10)에서 조사되어 제1안내통로(21)로 이동되는 빛과 동일한 방향이 된다.
상기 제4반사경(34)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제4안내통로(24)와 연 결되는 제5안내통로(25)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제5반사경(35)이 구비된다. 이때, 제5반사경(32)을 통해 반사되는 빛은 제2안내통로(22)로 이동되는 빛과 동일방향이 된다.
상기 제5반사경(35)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제5안내통로(25)와 연결되는 제6안내통로(26)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제6반사경(36)이 구비된다. 이때, 제6반사경(32)을 통해 반사되는 빛은 제3안내통로(23)로 이동되는 빛과 동일방향이 된다.
상기 제6반사경(36)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제6안내통로(26)와 연결되는 제7안내통로(27)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제7반사경(37)이 구비된다. 이때, 제7반사경(37)을 통해 반사되는 빛은 제4안내통로(24)로 이동되는 빛과 동일방향이 된다.
상기 제7반사경(37)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제7안내통로(27)와 연결되는 제8안내통로(28)에는 빛을 수직방향으로 반사시키는 제8반사경(38)이 구비된다. 이때, 제8반사경(38)을 통해 반사되는 빛은 제5안내통로(25)로 이동되는 빛과 동일방향이 된다.
상기 제8반사경(38)을 통해 이동되는 빛을 안내하도록 제8안내통로(28)와 연결되는 제9안내통로(29)에는 검출기(40)가 구비된다.
이때, 반사경(30)의 입사각이 45도가 되도록 하여 전반사가 일어나도록 한다. 그리하면, 빛의 세기가 약해지는 것을 억제할 수 있다.
상기 안내통로(20)의 굴곡진 횟수와 반사경(30)의 개수는 증대되거나 감소되 어 가스 측정 장치의 크기 또는 빛의 이동 거리를 변경할 수 있다.
도 1과 도 2는 광원(10)에서 빛이 나선형으로 발산되면서 빛의 이동거리가 증대되는 것을 예로 제시하였으나, 광원(10)과 검출기(40)의 위치가 서로 변경되어 빛이 나선형으로 수렴될 수 있다. 또한, 안내통로(20)는 빛이 이동거리 증대를 위해 지그재그 형상을 가질 수 있으며, 그 외 빛의 이동거리 증대를 위한 다양한 형상 변경이 가능하다.
한편, 상기 제9안내통로(29)에는 수렴기(50)가 검출기(40)에 근접 설치된다. 이러한 수렴기(50)는 검출기(40)로 이동되는 빛을 수렴하여 광의 세기를 증대시킨다. 상기 수렴기(50)로 프레스넬 존 플레이트(Fresnel Zone Plate)를 사용한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 프레스넬 존 플레이트(51)는 원형띠 형상의 빛이 통과하는 부분(a)과 원형띠 형상의 빛이 통과하지 않는 부분(b)이 번갈아 형성된다. 이러한 프레스넬 존 플레이트(51)는 초점에 도달하는 광의 경로차를 광 파장의 정수배만큼 갖도록 한다. 그리하면, 빛의 회절현상에 의해 일정거리에 위치한 초점 위치에서 빛은 집광된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하여 프레스넬 존 플레이트(51)를 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 적외선의 투과도가 90% 이상인 기판(61)에 금속막(62)을 증착하고, 금 속막(62)에 감광재(63)를 도포한다(도 4a 참조). 이때, 금속막(62)은 산화를 방지하고 적외선의 반사율을 고려하여 금을 사용하는 것이 효과적이다. 한편, 감광재(63)에는 도 3의 빛이 통과하는 부분(a)과 빛이 통과하지 않는 부분(b)이 번갈이 형성되는 형상의 포토마스크를 마련한다.
상기한 상태에서, 노광(exposure) 공정을 통해 빛을 받은 부분이 경화되고, 현상 공정을 실시하게 되면 도 4b와 같이 감광제(63)가 다수의 원형띠 형상을 하게 된다.
도 4b에서 에칭 작업을 수행하면, 경화되지 않은 부분으로 에천트가 침투하여 노출된 금속막(62)과 반응하여 금속이 식각된다. 이러한 식각 공정이 완료되면, 남아있는 감광제(63)는 현상액을 통해 제거된다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
광원(10)에서 발광된 빛은 제1 내지 제8반사경(31~38)에 의해 이동 방향이 변경되어 제1 내지 제9안내통로(21~29)를 순차적으로 이동한 다음 검출기(40)에 도달하게 된다. 이때, 검출기(40)의 필터(41)는 측정하고자 하는 가스의 파장 영역만을 통과시켜 원하는 가스의 농도 값을 측정하게 된다.
즉, 램버트비 법칙에서 빛의 이동경로를 늘려주면 미소량의 가스를 검출하고자 할 때 더욱 정밀한 감도를 얻을 수 있는 바, 안내부(60)는 정해진 크기에서 빛의 이동경로를 증대시켜 준다.
한편, 램버트비 법칙에서 검출기(40)에 도달하는 광의 세기를 증대시키면 신 호대 잡음비가 좋아져 더욱 좋은 감도를 얻을 수 있는 바, 프레스넬 존 플레이트(51)를 통과한 빛은 하나의 점으로 모여 검출기(40)에 도달함으로써, 광의 세기가 증대된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 수렴기가 부가된 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스넬 존 플레이트를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 광원 20 : 안내통로
30 : 반사경 40 : 검출기
41 : 필터 50 : 수렴기
51 : 프레스넬 존 플레이트

Claims (5)

  1. 빛을 조사시키는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 빛을 측정하는 검출기;
    상기 검출기에 구비되어 측정하고자 하는 가스의 파장 영역만을 통과시키는 필터; 및
    상기 광원에서 조사되는 빛의 경로가 변경되어 상기 검출기로 안내되도록 하여, 빛의 이동거리를 늘려주는 안내부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안내부는 다수 절곡된 안내통로; 및
    상기 안내통로의 절곡된 부분에 구비되어 빛을 반사시키는 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 안내통로의 절곡된 횟수와 상기 반사경의 개수는 설계에 따라 가감되는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 검출기로 빛이 수렴하기 위한 수렴기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수렴기는 프레스넬 존 플레이트인 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
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