KR20090030656A - Ｃｏ₂간섭을 배제한 굴뚝용 실시간 수분측정방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치는, 적외선을 발생시켜 조사하는 광원, 적외선의 진행 경로를 형성하고, 적외선의 진행방향과 연직 방향으로 배출 가스를 통과시키는 측정셀, 제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서 및 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고, 제 1 센서 및 제 2 센서를 이용하여 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 광검출부, 및 제 1 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을, 제 2 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 제어부를 포함한다. 본 발명은 농도를 측정하고자 하는 성분에 대한 적외선 흡수법에 따른 측정결과를, 측정하고자 하는 성분과 적외선 흡수 대역이 근접하여 간섭현상을 발생시키는 성분에 대한 적외선 흡수법에 따른 측정결과를 이용하여 보정함으로써, 종래기술에 비하여 보다 정확한 농도 측정을 실시간으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 굴뚝배출 가스에 포함된 수분의 농도를 실시간으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 노점 측정에 사용하는 거의 모든 센서는 어떤 물질이 수분을 흡수하면 그 물질의 유전율이 달라지는 특성을 이용한 산화 알미늄 방식이다. 즉, 두 개의 도체 사이에 물 분자의 흡수가 용이한 물질을 넣으면 그 물질이 유전체가 되어 두 개의 도체 사이에 정전 용량(Capacitance : 콘덴서)이 형성된다. 이때 흡수한 물의 양에 따라 크게 변하는 정전 용량 값을 이용하여 센서 주위의 공기의 습도(혹은 노점)를 측정한다. 이 유전체 물질로는 주로 산화 알미늄을 사용한다.
따라서, 산화 알미늄의 가공 기술에 따라 감도, 재현성, 안정성, 응답성 등의 특성이 매우 상이하게 나타난다. 하지만 최근 개발된 산화 알미늄 박막 기술에 의한 Hyper Thin Film Aluminum Oxide 센서에 의해 개선된 특성의 센서가 사용되고 있으나 이러한 고성능 센서의 개발이 오래된 기술이 아니며 이 신형의 하이테크 센서를 사용한 노점계가 잘 알려지지 않아 그리 많이 사용되고 있지 않다.
한편, 기체에 포함된 성분을 측정하는 방식으로는 NDIR(Non-Dispersive Infrared absorption) 분석법이 많이 이용되고 있다.
NDIR 분석법은 기체에 포함된 각 성분이 기체를 통과하는 적외선의 특정 파장의 에너지를 흡수하는 현상을 이용하여, 기체를 통과한 적외선의 각 파장의 에너지 레벨을 조사하여 기체에 포함된 성분을 파악한다.
그러나, 종래의 적외선 흡수 분석법에 의하면 CO2의 간섭으로 인한 센서값에 오차가 많아 유동하는 기체에 포함된 수분을 실시간으로 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 존재하였고, 농도를 측정하고자 하는 성분과 흡수 대역이 인접한 성분의 영향으로 간섭현상이 발생하여 정확한 측정이 어려운 문제점이 존재하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 굴뚝내 유동하는 기체에 포함된 성분 및 농도를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 이루기 위한 본 발명의 굴뚝내 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치는, 적외선을 발생시켜 조사하는 광원; 적외선의 진행 경로를 형성하고, 적외선의 진행방향과 연직 방향으로 배출 가스를 통과시키는 측정셀; 제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서 및 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고, 제 1 센서 및 제 2 센서를 이용하여 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 광검출부; 및 제 1 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을, 제 2 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 제어부를 포함한다.
또한, 상술한 제어부는, 제 2 센서에서 측정된 제 2 성분의 측정값이 제 1 센서에서 측정된 제 2 성분의 측정값과 일치하도록 제 2 센서의 측정값들을 스케일링하고, 제 1 센서의 측정값들에서 스케일링된 제 2 센서의 측정값들을 차감하여 배출 가스에 포함된 제 1 성분의 농도를 계산하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 굴뚝배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치의 측정셀은 유동하는 배출가스에 포함된 먼지를 필터링하는 먼지 필터가 주변에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치는, 배출가스를 통과한 적외선의 특정 파장 대역만을 선택적으로 광검출부로 통과시키는 필터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상술한 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치는, 측정셀의 일단에 설치되고, 배출가스를 통과하여 측정셀로부터 유입되어 적외선을 반사하여 측정셀의 타단에 설치된 광검출부로 전달하는 반사부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법은, (a) 배출 가스에 포함된 제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서를 이용하여, 유동하는 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 단계; (b) 배출 가스에 포함된 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 이용하여, 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 단계; 및 (c) 제 1 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을, 제 2 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 단계를 포함한다.
또한, 상술한 (c) 단계는, 제 2 센서에서 측정된 제 2 성분의 측정값이 제 1 센서에서 측정된 제 2 성분의 측정값과 일치하도록 제 2 센서의 측정값들을 스케일링하고, 제 1 센서의 측정값들에서 스케일링된 제 2 센서의 측정값들을 차감하여 배출 가스에 포함된 제 1 성분의 농도를 계산할 수 있다.
또한, 상술한 제 1 성분은 H2O 이고, 상술한 제 2 성분은 CO2 일 수 있다.
본 발명은 농도를 측정하고자 하는 성분에 대한 적외선 흡수법에 따른 측정결과를, 측정하고자 하는 성분과 적외선 흡수 대역이 근접하여 간섭현상을 발생시키는 성분에 대한 적외선 흡수법에 따른 측정결과를 이용하여 보정함으로써, 종래기술에 비하여 보다 정확한 농도 측정을 실시간으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 개념을 설명하면, 본 발명은 적외선(IR) 흡수법에 기초한 측정방식이다. 적외선(IR) 흡수법이란 기체 속에 포함된 수분의 증기압에 의해 에너지가 흡수되는 현상을 이용한 것으로, 일정한 에너지(IR)를 발생하는 장치와 센서로 구성되며 특정한 파장의 분광된 빛이 특정 성분(본 발명의 바람직한 실시예에서는 수분)이 포함된 기체를 통과할 때 그 에너지가 감쇄되는 양을 측정하는 방식이다.
즉, 적외선 영역의 다양한 파장 중에서 특정 성분(수분)에 대한 감응도를 가지고 있는 특별한 파장(수분의 경우 2.73㎛)만을 선택적으로 조사하여 측정 가스의 에너지 흡수 및 방출에 의한 에너지 변환과정 중에서 발생하는 에너지의 변화량을 측정하여, 배출 가스 중에 포함된 특정 성분(특히, 수분)의 농도를 측정한다.
그러나, 특정 성분에 대해서만 적외선 흡수법을 사용하는 경우에는 측정하고자 하는 특정 성분과 흡수대역이 인접한 다른 성분에 의하여 간섭 현상이 발생하여 정확한 측정이 어려우므로, 본 발명은 측정하고자 하는 성분의 적외선 흡수법에 의한 측정 결과를 흡수대역이 인접한 성분의 측정 결과를 이용하여 보정함으로써 정확한 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법 및 장치의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치의 일예를 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치는 광원(101), 쵸퍼(102), 통과셀(103), 측정셀(104), 반사부(106), 고정용 플랜지(flange, 107), 집광렌즈(108), 필터링부(109), 광검출부(110), 및 제어부(120)를 포함한다.
먼저, 광원(101)은 적외선을 발생시켜 쵸퍼(102)를 통해서 통과셀(103)로 유입시킨다. 광원(101)은 니크롬선 또는 탄화규소의 저항체에 전류를 흘려 적외선을 발생시킬 수 있다.
쵸퍼(chopper;102)는 광원(101)으로부터 유입되는 적외선을 일정한 시간 주기로 단속시켜 통과셀(103)로 조사하는 기능을 수행한다.
통과셀(103)은 쵸퍼(102)를 통해서 내부로 유입된 적외선을 측정셀(104)까지 통과시키는 가이드부의 기능을 수행한다.
측정셀(104)은 통과셀(103)을 통과하여 유입된 적외선이, 적외선의 진행 방향과 연직 방향으로 배출되는 배출가스를 통과하여 반사부(106)로 전달되고, 반사부(106)에서 반사된 적외선이 다시 배출가스를 통과하여 통과셀(103)로 유입되는 영역이다. 측정셀(104)내에서 배출가스에 포함된 H2O, CO2 등의 성분들은 적외선의 특정 파장의 에너지를 흡수한다.
측정셀(104)은 하방에서 유입되는 배출가스가 측정셀(104)을 통과하여 상방으로 배출될 수 있도록 내부에 상하면이 개방되어 있고, 배출가스에 포함된 먼지가 측정셀(104) 내부로 유입되는 것을 막기 위해 측정셀(104) 외주면에는 먼지 필터(105)가 형성되어 있다.
반사부(106)는 측정셀(104)의 일단에 설치되고, 측정셀(104)을 통과하여 유입된 적외선을 반사시켜, 적외선이 다시 측정셀(104)을 통과하여 통과셀(103)을 따라서 집광렌즈(108)로 향하도록 한다.
고정용 플랜지(107)는 본 발명의 측정 장치가 설치되는 위치에 고정하기 위한 것이다.
집광렌즈(108)는 광검출부(110)에서 적외선 검출이 용이하도록, 측정셀(104)을 통과한 후 통과셀(103)로부터 유입되는 적외선을 광검출부(110)로 모아주는 기능을 수행한다.
필터링부(109)는 집광렌즈(108)를 통해서 유입되는 적외선의 광범위한 파장들 중에서 특정 파장의 적외선만을 통과시켜 광검출부(110)로 출력하는 기능을 수행한다. 즉, 배출가스 중의 CO 의 농도를 측정하기 위한 경우에는 4.68㎛ 파장의 적외선만을 통과시키고, CO2 의 농도를 측정하기 위한 경우에는 4.25㎛ 파장의 적외선만을 통과시키며, 수분(H2O)의 농도를 측정하기 위한 경우에는 2.73㎛ 파장의 적외선만을 통과시킬 수 있다.
한편, 도 1 에서는 필터링부(109)가 집광렌즈(108)와 광검출부(110) 사이에 위치하는 것으로 설명하였으나, 필터링부(109)가 광원(101)과 통과셀(103) 사이에 위치하여 특정 파장의 적외선만이 측정셀(104)을 통과하도록 구성될 수도 있다.
광검출부(110)는 2개의 광검출센서(제 1 센서(110-1) 및 제 2 센서(110-2))로 구성되고, 각 센서는 수신된 적외선의 에너지 레벨을 측정값으로서 출력한다. 또한, 각 센서는 배출가스 중에 포함된 서로 다른 성분에 대해서 민감한 측정값을 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배출가스 중의 수분의 농도를 측정하고자 하는 경우에, 광검출부(110)는 수분의 농도를 측정하기 위한 제 1 센서(110-1)와 수분의 농도 측정값에 간섭을 일으키는 CO2의 농도를 측정하기 위한 제 2 센서(110-2)를 포함한다.
다만, 제 1 센서(110-1)는 수분 농도에 보다 민감한 측정값을 출력하지만 수분 이외의 성분, 특히 CO2 농도에 대한 측정값도 출력한다. 마찬가지로 제 2 센서(110-2)는 CO2 의 농도에 보다 민감한 측정값을 출력하지만 CO2 이외의 성분, 특히 수분의 농도에 대한 측정값도 출력한다.
제어부(120)는 광원(101)과 필터링부(109)를 제어할 뿐만 아니라, 광검출부(110)에 포함된 2개의 센서로부터 각각 입력되는 측정값들을 이용하여 특정 성분의 배출 가스 중의 농도를 계산한다.
특히, 제어부(120)는 어느 한 센서의 측정값을 이용하여 다른 센서의 측정값을 보정함으로써 배출가스에 포함된 특정 성분의 농도를 정확하게 계산할 수 있는데, 배출가스의 수분 농도를 측정하는 과정을 예를 들어 설명하면, 제어부(120)는 먼저 광검출부(110)의 각 센서로부터 측정값을 입력받는다.
도 2 는 광검출부(110)로부터 입력된 측정값을 표시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 수분에 대해서 민감한 측정값을 출력하는 제 1 센서(110-1)의 측정값을 노란색 선으로 표시하였고, CO2 에 대해서 민감한 측정값을 출력하는 제 2 센서(110-2)의 측정값을 보라색 선으로 각각 표시하였다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 센서(110-1)의 출력값은 제 2 센서(110-2)의 출력값에 비해서 수분에 대해서는 보다 민감한 측정값을 출력하고, CO2 에 대해서는 상대적으로 덜 민감한 측정값을 출력한다.
제 1 센서(110-1) 및 제 2 센서(110-2)로부터 측정값을 입력받은 제어부(120)는 다음의 수학식 1 에 따라서 제 2 센서(110-2)의 측정값을 스케일링하여 제 1 센서(110-1)의 측정값을 보정함으로써 배출가스에 포함된 수분의 농도를 정확하게 측정한다.
수학식 1에서, Sf(H2O)는 보정후에 수분의 농도를 나타내는 측정값을 나타내고, S1(H2O)은 제 1 센서(110-1)로부터 입력된 측정값을 나타내며, S2(CO2)는 제 2 센서(110-2)로부터 입력된 측정값을 나타내고, f 는 보정계수를 나타낸다.
또한, 보정계수 f 는 다음의 수학식 2 와 같이 결정된다.
도 3 은 상술한 수학식 1에 의해서 보정된 후의 측정값(Sf(H2O))을 도시한 도면이다.
한편, 제어부(120)는 상술한 바와 같이 보정된 측정값을 다음의 수학식 3 에 기재된 Beer-Lambert 의 법칙에 대입하여 배출 가스에 포함된 수분의 농도를 계산한다.
수학식 3에서 I 는 측정셀(104)로 입사된 적외선의 에너지 레벨을 나타내고, I0 는 상술한 수학식 1로부터 보정된 측정 에너지 레벨을 나타내며, M 은 측정하고자 하는 성분이 에너지를 흡수하는 파장의 흡광 계수를 나타내고, C 는 측정 대상 성분의 농도를 나타내며, L 은 측정셀(104)의 길이를 나타낸다.
수학식 3에서 I, M, 및 L 은 사전에 정의된 값들이고, I0 는 측정값이므로, 이들을 수학식 3 에 대입하여 C 에 대해서 풀면 배출가스에 포함된 측정 성분인 수분의 농도를 구할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본 질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치의 일예를 도시하는 도면이다.
도 2 는 광검출부로부터 제어부로 입력된 측정값을 표시한 도면이다.
도 3 은 하나의 센서값을 이용하여 다른 센서값을 보정한 후의 측정값을 도시한 도면이다.
Claims (9)
- (a) 배출 가스에 포함된 제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서를 이용하여, 유동하는 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 단계;(b) 배출 가스에 포함된 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 이용하여, 상기 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 단계; 및(c) 상기 제 1 센서에서 측정된 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 대한 측정값을, 상기 제 2 센서에서 측정된 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 (c) 단계는상기 제 2 센서에서 측정된 상기 제 2 성분의 측정값이 상기 제 1 센서에서 측정된 상기 제 2 성분의 측정값과 일치하도록 상기 제 2 센서의 측정값들을 스케일링하고, 상기 제 1 센서의 측정값들에서 스케일링된 상기 제 2 센서의 측정값들을 차감하여 상기 배출 가스에 포함된 상기 제 1 성분의 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 성분은 H2O 이고, 상기 제 2 성분은 C0₂ 인 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 방법.
- 적외선을 발생시켜 조사하는 광원;적외선의 진행 경로를 형성하고, 적외선의 진행방향과 연직 방향으로 배출 가스를 통과시키는 측정셀;제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서 및 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고, 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서를 이용하여 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 광검출부; 및상기 제 1 센서에서 측정된 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 대한 측정값을, 상기 제 2 센서에서 측정된 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제어부는상기 제 2 센서에서 측정된 상기 제 2 성분의 측정값이 상기 제 1 센서에서 측정된 상기 제 2 성분의 측정값과 일치하도록 상기 제 2 센서의 측정값들을 스케일링하고, 상기 제 1 센서의 측정값들에서 스케일링된 상기 제 2 센서의 측정값들을 차감하여 상기 배출 가스에 포함된 상기 제 1 성분의 농도를 계산하는 것을 특 징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 성분은 H2O 이고, 상기 제 2 성분은 C0₂ 인 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 측정셀은 상기 유동하는 배출가스에 포함된 먼지를 필터링하는 먼지 필터가 주변에 형성된 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 배출가스를 통과한 적외선의 특정 파장 대역만을 선택적으로 상기 광검출부로 통과시키는 필터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 측정셀의 일단에 설치되고, 상기 배출가스를 통과하여 상기 측정셀로부터 유입되어 적외선을 반사하여 상기 측정셀의 타단에 설치된 상기 광검출부로 전달하는 반사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치.
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