KR20100052691A - Measuring apparatus and method of multi gas pollutants using the ndir detector with multi gas filter - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Measurement device and method of a variety of contamination materials using a non-dispersive infrared ray detector with a multi gas filter are provided to measure and analyze a variety of contamination materials to effectively process a lot of data in real time, by classifying the kind of an air contamination materials and analyzing the concentration. CONSTITUTION: A measurement device of a variety of contamination materials using a non-dispersive infrared ray detector with a multi gas filter comprises an infrared radiant light(10), a gas correlation filter(11), an absorption chamber(14) and an infrared sensor(16). At the gas correlation filter, a number of filter channels(13) are formed so that the reference cell and the measurement cell are alternately arranged in the circumferential direction to simultaneously measure a variety of contamination materials. The mixed sample gas in which a variety of air contamination materials are mix is stored inside the absorption chamber. The absorption chamber has the multi light path formed by a reflection mirror installed at the inside and the gas correlation filter. The infrared sensor measures the infrared absorption energy of the filter channel. From the infrared absorption signal of each filter channel measured by the infrared sensor, the concentration of each measurement substance is obtained by calculating the absorption difference between the output signal of a measurement cell and the signal of a reference cell by each measurement material.

Description

멀티가스필터를 갖는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법{Measuring apparatus and method of multi gas pollutants using the NDIR detector with multi gas filter}Measuring apparatus and method of multi gas pollutants using the NDIR detector with multi gas filter}

본 발명은 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비분산적외선분석법(NDIR)을 이용하여 여러 종류의 대기오염물질을 동시에 실시간으로 측정할 수 있는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring multiple pollutants using a non-dispersion infrared detector, and more particularly, to a non-dispersion which can simultaneously measure various types of air pollutants in real time using non-dispersion infrared analysis (NDIR). The present invention relates to a multi-pollutant measuring device and method using an infrared detector.

사업체 굴뚝에서 배출되는 기체상 대기오염물질의 농도를 현장에서 실시간 측정하는 가장 실용적인 측정기술로 비분산 적외선 분석법 (non-dispersive infrared method : NDIR)을 이용한 계측기술이 적용되고 있다. As the most practical measurement technique for measuring the concentration of gaseous air pollutants emitted from a business chimney in real time, a measurement technique using non-dispersive infrared method (NDIR) is applied.

최근 국내에서도 산업화에 따른 다양한 종류의 오염물질이 대기 중으로 배출됨에 따라 실시간으로 동시에 다양한 종류의 오염물질에 대한 분석이 요구되고 있다. Recently, as various kinds of pollutants are released into the atmosphere due to industrialization, analysis of various kinds of pollutants in real time is required.

특정한 대기오염물질들은 적외선(Infrared : IR) 영역의 고유파장대역에서 흡수특성을 가지며, Beer- Lambert의 법칙에 의해 적외선 통과거리와 시료농도의 곱에 지수함수적으로 비례한다. Certain air pollutants have absorption characteristics in the intrinsic wavelength band of the infrared (IR) region, and are exponentially proportional to the product of infrared transmission distance and sample concentration by Beer-Lambert's law.

이러한 특성을 이용한 분석법을 NDIR 분석법이라 하며, 일산화탄소, 황산화물, 질소산화물(CO, SO2, NOx.) 등의 대기 배출가스 농도측정에 주로 이용된다[3]. 가스상관필터(gas filter correlation: GFC)를 갖는 NDIR 광학분석장치는 IR 광원을 단색광학필터에 통과시켜 특정파장대역의 단색광을 만들고, 이를 측정 대상 기준가스가 충진된 가스필터(기준셀, reference cell)와 측정셀(measurement cell)을 교번으로 통과시켜 비교 측정함으로써 다른 가스에 의한 방해없이 측정하고자 하는 가스만의 농도를 검출할 수 있다. The analytical method using these characteristics is called NDIR method and is mainly used to measure the concentration of atmospheric emissions such as carbon monoxide, sulfur oxides, and nitrogen oxides (CO, SO2, NOx.) [3]. The NDIR optical analyzer with gas filter correlation (GFC) generates a monochromatic light of a specific wavelength band by passing an IR light source through a monochromatic optical filter, and a gas filter (reference cell) filled with a reference gas to be measured. ) And the measurement cell (Measurement cell) by alternating passage to measure the concentration of only the gas to be measured without interference by other gases.

NDIR 기술을 이용한 기존의 대기오염측정시스템에서는 각각의 가스상관필터(gas filter correlation: GFC) 외부에 광 트리거(optical trigger)를 사용하여 해당 대기오염물질의 종류를 구분한다.In the existing air pollution measurement system using NDIR technology, an optical trigger is used outside each gas filter correlation (GFC) to distinguish the types of air pollutants.

그러나, 상기 GFC의 각 채널마다 외부에 다수의 광 트리거를 설치하고, 이 광 트리거를 통해 해당 대기오염물질의 종류를 구분하여 실시간으로 많은 데이터를 처리하는 것은 매우 비효율적이다.However, it is very inefficient to install a plurality of optical triggers externally for each channel of the GFC, and process a lot of data in real time by classifying the types of air pollutants through the optical trigger.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 하나의 외부 광 트리거와 디지털 신호처리 기술을 사용하여 해당 대기오염물질의 종류를 구분하고 농도를 분석함으로써, 다양한 종류의 오염물질을 측정하고 분석함에 있어 실시간으로 많은 데이터를 효과적으로 처리할 수 있는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by using a single external light trigger and digital signal processing technology to distinguish the type of air pollutants and to analyze the concentration, to measure and analyze various types of pollutants It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for measuring multi-pollutants using a non-dispersive infrared detector that can effectively process a large amount of data in real time.

또한, 본 발명은 가스상관필터의 외경에 부착된 광 커플러를 통한 트리거 신호와 임계값을 사용하여 측정항목별 다종오염물질을 구분하고, 측정된 데이터를 내림차순으로 정렬한 후 상위 γ% 데이터의 평균값을 구하여 해당 가스에 해당하는 펄스신호의 대표값을 결정한 다음, 상기 결정된 데이터로부터 해당 가스의 농도를 계산할 수 있는 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention uses the trigger signal and the threshold value through the optical coupler attached to the outer diameter of the gas correlation filter to distinguish the various pollutants by each measurement item, and sort the measured data in descending order and then the average value of the upper γ% data Another object of the present invention is to provide a multi-pollutant measuring device and method using a non-dispersion infrared detector that can determine the representative value of the pulse signal corresponding to the gas, and then calculate the concentration of the gas from the determined data.

상기한 목적은 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치에 있어서,The above object is a multi-contaminant measuring device using a non-dispersive infrared analysis method,

적외선 복사광; 다종의 오염물질을 동시에 측정하기 위해 내부에 원주방향을 따라 기준셀과 측정셀이 교대로 이루어지도록 다수 필터채널이 관통형성된 가스상관필터; 내부에 여러종류의 대기오염물질이 혼합된 시료가스가 저장되고, 상기 가 스상관필터와 내부에 설치된 반사거울에 의해 형성된 다중 광 경로를 갖는 흡수챔버; 및 상기 필터채널의 적외선 흡수에너지를 측정하는 적외선 센서를 포함하고, 상기 적외선 센서에 의해 측정된 각 필터채널의 적외선 흡수신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치에 의해 달성된다.Infrared radiation; A gas correlation filter having a plurality of filter channels formed therethrough so that the reference cell and the measurement cell are alternately formed along the circumferential direction to simultaneously measure a plurality of pollutants; An absorption chamber having a sample gas in which various kinds of air pollutants are mixed and having multiple light paths formed by the gas correlation filter and a reflection mirror installed therein; And an infrared sensor for measuring infrared absorption energy of the filter channel, wherein an absorption difference between a reference cell signal of each measurement material and an output signal of the measurement cell is measured from the infrared absorption signal of each filter channel measured by the infrared sensor. It is achieved by a multi-contaminant measuring device using a non-dispersion infrared analysis method characterized in that to calculate the concentration of each measurement material by calculating the.

바람직하게는, 상기 기준셀은 측정대상 기준가스가 충진되고, 상기 기준셀과 측정셀의 전단에 측정항목별 고유 파장대역의 단색광학필터가 설치되며, 상기 적외선 복사광을 단생광학필터에 통과시켜 특정파장대역의 단색광을 만들고, 상기 단색광을 기준셀과 측정셀을 교번으로 통과시켜 비교 측정함으로써, 측정하고자 하는 가스만의 농도를 검출한다.Preferably, the reference cell is filled with a reference gas to be measured, and a monochromatic optical filter having a unique wavelength band for each measurement item is installed in front of the reference cell and the measurement cell, and the infrared radiation is passed through the mono-optical filter. By making monochromatic light of a specific wavelength band and comparing the monochromatic light by passing the reference cell and the measurement cell alternately, the concentration of only the gas to be measured is detected.

특히, 상기 적외선 복사광은 회전하는 다중 가스상관필터를 거쳐 흡수챔버로 들어가며, 상기 측정셀을 통과한 빛은 흡수챔버에서 시료 내에 포함된 측정가스 농도에 해당하는 흡수가 일어나며, 상기 기준셀을 통과한 빛은 측정하고자 하는 고농도 기준가스에 의해 대부분 흡수가 이루어져서 기준셀의 기준가스에 비해 낮은 농도의 측정가스가 혼합되어 있는 흡수챔버 내에서 흡수되는 정도가 무시되며, 상기 적외선 센서를 통해 입력된 적외선 흡수신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구한다.In particular, the infrared radiation enters the absorption chamber through a rotating multi-gas correlation filter, the light passing through the measuring cell is absorbed corresponding to the concentration of the measurement gas contained in the sample in the absorption chamber, and passes through the reference cell One light is mostly absorbed by the high concentration reference gas to be measured, so that the degree of absorption in the absorption chamber in which the measurement gas is mixed with a lower concentration than the reference gas of the reference cell is ignored, and the infrared rays inputted through the infrared sensor From the absorption signal, the difference in absorbance between the reference cell signal for each measurement material and the output signal of the measurement cell is calculated to determine the concentration of each measurement material.

또한, 상기 회전하는 가스상관필터의 동기신호 검출을 위해 가스상관필터의 외부에 광 트리거 센서가 부착된다.In addition, an optical trigger sensor is attached to the outside of the gas correlation filter to detect the synchronization signal of the rotating gas correlation filter.

한편, 상기한 목적은 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법에 있어서,On the other hand, the above object in the multi-contaminant measuring method using a non-dispersive infrared analysis method,

적외선 센서를 통해 여러 종류의 측정항목별 데이터로 구성되는 순차신호를 측정하는 단계; 여러종류의 대기오염물질에 대한 측정항목별 신호를 구분하는 단계; 측정된 데이터를 내림차순 정렬 후 상위 γ% 데이터의 평균값을 구하여 해당가스에 해당하는 펄스신호의 대표값을 결정하는 단계; 및 상기 단계에서 결정된 데이터로부터 해당 가스의 농도를 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법에 의해 달성된다.Measuring a sequential signal composed of various types of measurement item data through an infrared sensor; Classifying signals for each measurement item for various types of air pollutants; Determining the representative value of the pulse signal corresponding to the corresponding gas by obtaining the average value of the upper γ% data after sorting the measured data in descending order; And it is achieved by a multi-pollutant measurement method using a non-dispersive infrared analysis method characterized in that it comprises the step of calculating the concentration of the gas from the data determined in the step.

바람직하게는, 상기 다중 가스상관필터와 적외선 센서에 의해 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 측정항목별 가스상관필터의 기준셀과 측정셀로부터 유효한 데이터를 얻기 위해 측정하고자 하는 데이터 특성에 맞는 샘플링 주파수와 다중 가스상관필터의 회전속도를 결정하고, 상기 가스상관필터의 단위시간당 회전수 K, 샘플링 주파수 fs, 및 각각의 기준셀과 측정셀의 출력에서 획득되는 디지터 데이터 샘플수 NGFC는 NGFC = (DC+2DS)fs/(2πRK)과 같은 상관관계를 가지며, 상기 DC는 기준 및 측정셀의 구경이고, DS는 적외선센서의 구경이고, R은 기준 및 측정셀의 중심으로부터 가스상관필터 중심까지의 거리이다.Preferably, when converting the analog signal measured by the multi-gas correlation filter and the infrared sensor into a digital signal to meet the data characteristics to be measured in order to obtain valid data from the reference cell and the measurement cell of the gas correlation filter for each measurement item Determining the sampling frequency and the rotation speed of the multi-gas correlation filter, the number of revolutions K per unit time of the gas correlation filter, the sampling frequency fs, and the number of digital data samples N GFC obtained at the outputs of the respective reference and measurement cells, N GFC = (D C + 2D S ) fs / (2πRK), where D C is the aperture of the reference and measurement cells, D S is the aperture of the infrared sensor, and R is the diameter of the reference and measurement cells. The distance from the center to the center of the gas correlation filter.

또한, 상기 여러종류의 대기오염물질에 대한 측정항목별 신호를 구분하는 단계는 가스상관필터의 외경에 부착된 광 커플러를 통한 트리거 신호와 임계값을 사용하여 다중 가스상관필터의 1사이클에 대한 동기를 찾는 단계; 및 상기 트리거 신 호를 기준으로 임계값을 사용하여 펄스 수를 카운트하여 해당 측정항목의 기준셀 및 측정셀 신호를 찾는 단계를 포함한다.In addition, the step of separating the signal for each measurement item for the various types of air pollutants is synchronized to one cycle of the multi-gas correlation filter using a trigger signal and a threshold value through an optical coupler attached to the outer diameter of the gas correlation filter Finding; And counting the number of pulses using a threshold value based on the trigger signal to find a reference cell and a measurement cell signal of a corresponding measurement item.

또한, 상기 해당 가스의 농도를 계산하는 단계는 다음식

Figure 112008077857118-PAT00001
에 의해 해당 가스의 농도를 계산하고, α는 비어 램버트 상수이고, L은 광 경로의 길이이고, V 및 V0는 기준셀 및 측정셀의 출력전압이다.In addition, the step of calculating the concentration of the corresponding gas is the following equation
Figure 112008077857118-PAT00001
The concentration of the corresponding gas is calculated by using α, the Beer Lambert constant, L is the length of the optical path, and V and V 0 are the output voltages of the reference cell and the measuring cell.

이에 따라 본 발명에 따른 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치 및 방법에 의하면, 하나의 외부 광 트리거와 디지털 신호처리 기술을 사용하여 해당 대기오염물질의 종류를 구분하고 농도를 분석함으로써, 다양한 종류의 오염물질을 측정하고 분석함에 있어 실시간으로 많은 데이터를 효과적으로 처리할 수 있다.Accordingly, according to the apparatus and method for measuring multi-pollutants using a non-dispersion infrared detector according to the present invention, by using one external light trigger and digital signal processing technology, the types of air pollutants are classified and the concentration is analyzed. In measuring and analyzing kinds of pollutants, a large amount of data can be processed effectively in real time.

또한, 하나의 외부 동기신호를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 다양한 오염물질의 측정항목별 신호를 구분하는 알고리즘을 제시함으로써, 다양한 종류의 오염물질을 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 측정 데이터의 신뢰성 및 정확성을 확보할 수 있다.In addition, by presenting an algorithm for distinguishing the signals of various pollutants by the measured items using a single external synchronization signal, it is possible not only to measure various kinds of pollutants at the same time, but also the reliability of the measurement data. And accuracy can be secured.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 2는 다종 오염물질의 분석을 위한 신호처리 순서도이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of an apparatus for measuring multiple pollutants using a non-dispersion infrared detector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a signal processing flowchart for analyzing multiple pollutants.

본 발명에 따른 광학분석시스템은 하나의 외부 광 트리거(12)와 디지털 신호처리 기술을 사용하여 해당 대기오염물질의 종류를 구분하고 농도를 분석한다. 이처럼 다양한 종류의 오염물질을 측정하고 분석함에 있어 실시간으로 많은 데이터를 효과적으로 처리하기 위해 디지털 신호처리 기술은 필수적이다.The optical analysis system according to the present invention uses one external light trigger 12 and digital signal processing technology to classify the type of air pollutants and analyze the concentration. In measuring and analyzing various kinds of pollutants, digital signal processing technology is essential to effectively process a large amount of data in real time.

본 발명에서는 다종의 배출가스 오염물질을 동시에 측정하기 위해 개발된 NDIR을 이용한 다종오염물질 측정장치와, 이를 이용한 다종오염물질의 농도 분석을 위한 미세신호 검출 방법을 제안한다. The present invention proposes a multi-pollutant measuring device using NDIR developed to simultaneously measure a variety of exhaust gas pollutants, and a microsignal detection method for analyzing the concentration of the multi-pollutant using the same.

상기 다종오염물질 측정장치는 최대 6개의 측정물질을 동시에 측정하기 위해 12개의 필터채널(13)을 갖는 가스상관필터(11)(가스상관필터(11)), 다중 광경로를 갖는 흡수챔버(14)(Multi-path Optical Absorption chamber : MOA chamber), 및 적외선 센서(16)(이하 설명에서 NDIR 검출기는 흡수챔버(14)와 적외선 센서(16)로 구성됨)를 포함한다.The multi-pollutant measuring device includes a gas correlation filter 11 (gas correlation filter 11) having 12 filter channels 13 and an absorption chamber 14 having multiple light paths for simultaneously measuring up to six measurement substances. (Multi-path Optical Absorption chamber (MOA chamber)), and an infrared sensor 16 (in the following description, the NDIR detector is composed of an absorption chamber 14 and an infrared sensor 16).

GFC(11)는 최대 6개의 측정물질을 통시에 측정하기 위해 각 측정물질별로 기준가스가 충진된 기준셀과 측정셀로 이루어지는 12개의 필터채널(13)을 기지며, 각 필터 전단에는 측정항목별 고유 파장대역의 단색광학필터가 부착되어 있다. In order to measure up to six measured substances at the same time, the GFC 11 has twelve filter channels 13 including a reference cell filled with a reference gas and a measurement cell for each measurement substance, and each filter item has a measurement item. A monochromatic optical filter with a unique wavelength band is attached.

흡수챔버(14)는 다중 GFC(11) 휠과 반사거울(15)에 의해 형성되는 다중 광 경로를 가지며, IR 복사광(10)은 회전하는 다중 GFC(11)를 거쳐 측정시료가스(여러 종류의 대기오염물질이 혼합된 시료가스)가 채취되는 MOA 챔버(14)로 들어가게 된다. Absorption chamber 14 has multiple light paths formed by multiple GFC 11 wheels and reflecting mirrors 15, and IR radiation 10 passes through multiple GFCs 11 that rotate through The sample gas mixed with air pollutants of the) enters the MOA chamber 14 is collected.

이때 측정 셀을 통과한 빛은 MOA 챔버(14)에서 시료 내에 포함된 측정가스 농도에 해당하는 흡수가 일어나며, 기준셀을 통과한 빛은 측정하고자 하는 고 농도 표준가스에 의해 대부분 흡수가 이루어졌으므로 표준가스에 비해 낮은 농도의 측정 가스가 혼합되어 있는 MOA 챔버(14) 내에서 흡수되는 정도는 무시될 수 있다. At this time, the light passing through the measurement cell is absorbed corresponding to the concentration of the measurement gas contained in the sample in the MOA chamber 14, and the light passing through the reference cell is mostly absorbed by the high concentration standard gas to be measured. The extent to which the measurement gas at a lower concentration relative to the gas is absorbed in the mixed MOA chamber 14 can be ignored.

챔버(14)를 나온 빛은 적외선 센서(16)에 의해 각 채널(13)의 적외선 흡수에너지가 측정되어 전기적 신호인 전압으로 변환된다. 이러한 각 채널(13)의 IR 흡수 신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차(differential absorption)를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구한다. Light emitted from the chamber 14 is measured by the infrared sensor 16 and the infrared absorption energy of each channel 13 is converted into a voltage which is an electrical signal. From the IR absorption signal of each channel 13, the difference in absorption between the reference cell signal for each measurement material and the output signal of the measurement cell is calculated to determine the concentration of each measurement material.

이때 검출기는 한 쌍의 기준 셀과 측정 셀을 번갈아 가며 통과한 빛을 검출하므로 검출기 출력신호는 기준펄스와 측정펄스로 변조된 펄스형태를 갖는다.In this case, since the detector detects the light passing through the pair of reference cells and the measurement cells alternately, the detector output signal has a pulse shape modulated by the reference pulse and the measurement pulse.

한편, 상기 흡수챔버(14)와 적외선 센서(16)를 통해 측정된 신호는 매우 낮은 레벨의 아날로그 신호이며 전처리 증폭기(pre-amplifier)를 이용하여 증폭한 후 ADC(analog to digital converter)에 의해 디지털 신호로 변환된다. On the other hand, the signal measured by the absorption chamber 14 and the infrared sensor 16 is an analog signal of a very low level and amplified using a pre-amplifier and then digitally converted by an analog to digital converter (ADC). Is converted into a signal.

변환된 디지털 신호는 여러 종류의 측정항목별 데이터로 구성되는 순차신호(sequence)이다. 각각의 오염물질에 해당하는 데이터는 신호처리 검출 알고리즘을 사용하여 구분한다. The converted digital signal is a sequence composed of data of various kinds of measurement items. Data corresponding to each pollutant is separated using a signal processing detection algorithm.

이때 회전하는 다중 가스 필터 상관 휠의 동기신호 검출을 위해 외부에 장착 된 광 트리거(12) 센서(external optical trigger sensor)를 이용한다. In this case, an external optical trigger sensor (external optical trigger sensor) is used to detect the synchronization signal of the rotating multi-gas filter correlation wheel.

상기 다중 GFC(11) 휠과 IR 검출기에 의해 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 샘플링 주파수 및 다중 GFC(11) 휠의 회전속도는 유효한 데이터 수집을 위한 중요한 변수가 된다. When converting the analog signal measured by the multiple GFC 11 wheel and the IR detector into a digital signal, the sampling frequency and the rotational speed of the multiple GFC 11 wheel are important variables for effective data collection.

먼저 샘플링 주파수가 고정되어 있다고 가정하면 GFC(11) 휠의 회전속도가 증가함에 따라 IR 검출기에 의해 측정된 아날로그 신호로부터 변환된 디지털 신호의 샘플 수는 감소하게 된다. First, assuming that the sampling frequency is fixed, as the rotational speed of the GFC wheel increases, the number of samples of the digital signal converted from the analog signal measured by the IR detector decreases.

측정항목별 기준 셀과 측정 셀에 해당하는 각각의 가스필터로부터 획득된 신호에는 전원, 적외선 센서(16), 전처리 증폭기, 그리고 A/D 변환과정에서 부가된 잡음신호를 포함하고 있으므로 유효 SNR(signal to noise ratio) 확보와 효과적인 잡음제거를 위해 샘플링 주파수 결정에 유의해야 한다. The signal obtained from the reference cell for each measurement item and each gas filter corresponding to the measurement cell includes a power supply, an infrared sensor 16, a preprocessing amplifier, and a noise signal added during A / D conversion. Care must be taken in determining the sampling frequency to ensure to noise ratio and to effectively eliminate noise.

반면, 다중 GFC(11) 휠의 회전속도가 고정되어 있다면 샘플링 주파수가 증가함에 따라 데이터 샘플 수는 증가하게 된다. 그러나 높은 샘플링 주파수는 불필요한 잡음신호를 포함하게 되고, 많은 수의 데이터 처리를 위해 하드웨어 비용이 증가하는 단점을 갖게 된다. On the other hand, if the rotation speed of the multiple GFC 11 wheel is fixed, the number of data samples increases as the sampling frequency increases. However, the high sampling frequency includes unnecessary noise signals and increases the hardware cost for processing a large number of data.

따라서 측정하고자 하는 데이터 특성에 맞는 샘플링 주파수와 다중 GFC(11) 휠의 회전 속도의 결정이 필요하다. 도 3은 다중 GFC(11) 휠의 설계 스펙(specification)을 나타내고 있다. GFC(11) 휠의 단위시간 당 회전수, 샘플링 주파수, 그리고 각각의 기준 셀과 측정 셀의 출력에서 획득되는 디지털 데이터 샘플 수 NGFC는 다음과 같은 상관관계를 갖는다.Therefore, it is necessary to determine the sampling frequency and the rotational speed of the multiple GFC 11 wheels according to the data characteristics to be measured. 3 shows a design specification of multiple GFC 11 wheels. The number of revolutions per unit time of the GFC 11 wheel, the sampling frequency, and the number of digital data samples obtained at the output of each reference cell and the measurement cell N GFC have the following correlation.

NGFC = (DC+2DS)fs/(2πRK) (1)N GFC = (D C + 2D S ) fs / (2πRK) (1)

여기서here

NGFC : 각각의 기준 셀과 측정 셀의 출력으로부터 디지털 변환된 데이터 샘플 수 [ea]N GFC : Number of data samples digitally converted from the output of each reference cell and measurement cell [ea]

DC : 기준 및 측정 셀의 구경 [mm]D C : Aperture of reference and measuring cell [mm]

DS : NDIR 센서의 구경 [mm]D S : NDIR sensor diameter [mm]

fs : 샘플링 주파수 [Hz]fs: sampling frequency [Hz]

R : 기준 및 측정 셀 중심으로부터 GFC(11) 휠 중심까지의 거리R: Distance from the center of reference and measurement cells to the center of the GFC 11 wheel

K : 다중 GFC(11) 휠의 단위시간 당 회전수 [cycle/sec]K: number of revolutions per unit time of multiple GFC (11) wheels [cycle / sec]

식 (1)은 아날로그 신호 검출과 디지털 변환 후 데이터 처리가 효율적으로 이루어지도록 IR 검출기의 동작 특성 파라미터를 결정한다. Equation (1) determines the operating characteristic parameters of the IR detector to efficiently perform data processing after analog signal detection and digital conversion.

또한, 상기 흡수챔버(14) 및 적외선 센서(16)를 통해 취득된 아날로그 신호는 ADC에 의해 디지털 신호로 변환된다. 질소로 구성된 제로가스(zero gas)와 400ppm의 혼합가스(mixed gas: NO = 398ppm, SO2 = 392ppm, CO = 402ppm)를 흡수챔 버(14)에 유입시키고 적외선 센서(16)로 측정된 아날로그 신호를 fs = 1kHz 로 A/D 변환한 신호는 도 4a 및 도 4b와 같다. In addition, the analog signal obtained through the absorption chamber 14 and the infrared sensor 16 is converted into a digital signal by the ADC. Zero gas consisting of nitrogen and 400 ppm of mixed gas (NO = 398 ppm, SO 2 = 392 ppm, CO = 402 ppm) are introduced into the absorption chamber 14 and the analog signal measured by the infrared sensor 16 is measured. The signal obtained by A / D conversion to fs = 1kHz is shown in FIGS. 4A and 4B.

도시한 바와 같이, 각각의 펄스신호는 측정항목별 기준 셀과 측정 셀의 출력신호로서 2개의 펄스신호 쌍이 하나의 측정항목에 대응한다. 이때 펄스의 기저레벨(base level)은 NDIR 검출기의 온도특성과 여러 아날로그 소자 및 기구물 회전 등에 의해 발생하는 고주파 잡음에 오염되고 저주파 잡음에 의해 드리프트(drift) 특성을 보인다. As shown, each pulse signal is an output signal of a reference cell and a measurement cell for each measurement item, and two pulse signal pairs correspond to one measurement item. At this time, the base level of the pulse is contaminated by high frequency noise generated by the temperature characteristics of the NDIR detector and the rotation of various analog devices and devices, and shows drift characteristics by low frequency noise.

이 기저레벨을 도 4에서 THbase로 표시하였다. 측정된 데이터의 분석을 위해서는 각 측정항목별 정확한 구분과 펄스신호로부터 측정항목에 해당하는 유효 데이터 취득이 필요하다.This base level is indicated as TH base in FIG. 4. In order to analyze the measured data, it is necessary to accurately classify each measurement item and acquire valid data corresponding to the measurement item from the pulse signal.

먼저 측정항목에 해당하는 신호구분을 위해 GFC(11) 외경에 부착된 광 커플러를 통한 트리거 신호와 임계값(threshold value)을 사용하여 다중 GFC(11) 휠의 1 사이클(cycle)에 대한 정확한 동기를 찾는다. First, accurate synchronization of one cycle of multiple GFC (11) wheels using a trigger value and threshold value through an optical coupler attached to the outer diameter of the GFC (11) to distinguish the signal corresponding to the metric. Find it.

연속적인 펄스 신호로 구성되는 다중 신호로부터 측정항목 구분은 트리거 신호를 기준으로 임계값(THCNT)을 사용하여 펄스 수를 카운트(count)하여 해당 측정항목의 기준 셀 및 측정 셀 신호를 찾는다. The classification of measurement items from multiple signals consisting of continuous pulse signals is performed by counting the number of pulses using a threshold value TH CNT based on a trigger signal to find reference cell and measurement cell signals of the corresponding measurement item.

펄스신호 진폭에 부가된 고주파 잡음으로 사이클 내에서 고정된 임계값인 THCNT을 사용하여 펄스 수를 카운트할 때 오류가 발생할 수 있으므로 다음과 같은 방법을 사용한다.As the high frequency noise added to the pulse signal amplitude may cause errors when counting the number of pulses using TH CNT , which is a fixed threshold value in the cycle, the following method is used.

Figure 112008077857118-PAT00002
(2)
Figure 112008077857118-PAT00002
(2)

여기서 l은 고주파 잡음의 영향없이 임계값 보다 큰 출력값을 선택하기 위해 사용된 파라미터이다.Where l is the parameter used to select an output value larger than the threshold without the influence of high frequency noise.

Figure 112008077857118-PAT00003
(3)
Figure 112008077857118-PAT00003
(3)

여기서 CNT는 측정셀 혹은 기준셀 위치를 구분하기 위한 파라미터이다. Here, CNT is a parameter for distinguishing a measurement cell or reference cell position.

이때 도 4 (b)와 같이 측정하고자 하는 SO2 의 농도가 높을 경우 측정셀에서 IR광원의 흡수가 증가하여 측정 셀 출력신호의 진폭크기가 감소하게 된다. 따라서 신호대 잡음비(SNR)가 낮아져 펄스 수를 카운트함에 어려움이 발생한다. At this time, when the concentration of SO 2 to be measured is high, as shown in FIG. 4 (b), absorption of the IR light source is increased in the measurement cell, thereby reducing the amplitude of the output signal of the measurement cell. Therefore, the signal-to-noise ratio (SNR) is lowered, which makes it difficult to count the number of pulses.

또한 구분된 측정항목에 해당 펄스신호로부터 유효 데이터를 취득함에 있어 펄스 신호의 피크(peak)에 부가되는 고주파 잡음의 영향을 고려해야 한다. 도 5는 GFC(11) 휠이 K = 1.135[cycle/sec]로 회전할 때 펄스진폭 크기에 따른 피크형태를 나타낸다. In addition, the effect of high frequency noise added to the peak of the pulse signal should be considered when acquiring valid data from the corresponding pulse signal. 5 shows the peak shape according to the pulse amplitude magnitude when the GFC 11 wheel rotates at K = 1.135 [cycle / sec].

고주파 잡음에 의해 오염된 펄스신호의 피크로부터 유효 데이터를 취득하기 위해 THbase를 기준으로 펄스의 상위 데이터를 이동평균(Moving average)함으로써 고 주파 잡음을 제거한다. In order to obtain effective data from the peak of the pulse signal contaminated by the high frequency noise, the high frequency noise is removed by moving the upper data of the pulse based on TH base .

Figure 112008077857118-PAT00004
(4)
Figure 112008077857118-PAT00004
(4)

여기서 k는 외부 트리거(12)의 인덱스 (index), γ는 fs에 의존하는 상수이다. avgγ{sig(n)}는 sig(n)을 내림차순 정렬 후 상위 γ%의 평균이다.Where k is an index of the external trigger 12 and γ is a constant depending on fs. avg γ {sig (n)} is the average of the top γ% after sorting sig (n) in descending order.

도 5에서 펄스진폭의 크기에 따라 펄스의 상승시간과 하강시간이 다르며, 이에 따라 피크의 평평한 정도도 차이가 있다. 이러한 피크모양의 차이는 기준 셀 혹은 측정 셀의 구경과 적외선 센서(16)가 반응하는 면적(시간)에 관련이 있는 것으로 추정할 수 있다. In FIG. 5, the rising time and the falling time of the pulse are different according to the magnitude of the pulse amplitude, and accordingly, the flatness of the peak is also different. This peak difference can be estimated to be related to the aperture of the reference cell or measurement cell and the area (time) at which the infrared sensor 16 reacts.

적외선 센서(16)의 반응속도는 20[nsec]로 매우 빠르지만 센서 출력을 증폭하기 위해 사용된 전처리 증폭기 입력단의 캐패시터(capacitor; 여기서는 4.7[μF]을 사용)의 충·방전 시정수에 의한 영향으로 측정된 전압이 클 경우 피크모양은 가우시안 분포와 유사하게 된다. The response speed of the infrared sensor 16 is very fast at 20 [nsec], but it is influenced by the charge / discharge time constant of the capacitor of the input stage of the preprocessing amplifier used to amplify the sensor output. If the measured voltage is large, the peak shape is similar to the Gaussian distribution.

이러한 신호의 크기에 따라 피크형태가 다른 해당 셀의 출력신호로부터 농도를 정밀하게 측정하는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해서는 다중 가스 필터 상관 휠의 회전속도를 낮추어 셀과 적외선 센서(16)가 반응하는 시간을 증가시켜 충·방전시간의 영향을 줄여서 피크의 모양을 평평하게 만드는 것이 필요하다. 도 6은 측정항목별 신호 구분을 위해 사용하는 알고리즘의 순서도(flow chart)이다.Depending on the magnitude of such a signal, it is difficult to accurately measure the concentration from an output signal of a corresponding cell having a different peak shape. In order to solve this problem, it is necessary to lower the rotation speed of the multi-gas filter correlation wheel to increase the reaction time between the cell and the infrared sensor 16 to reduce the influence of the charge and discharge time to flatten the shape of the peak. 6 is a flow chart of an algorithm used for signal classification for each measurement item.

시뮬레이션simulation

제안한 알고리즘의 성능확인을 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 하였다. 본 발명에 따른 NDIR 다종오염물질 측정시스템의 출력신호를 사용하여 제안한 신호 검출 알고리즘의 성능을 평가하였다. Computer simulations were performed to verify the performance of the proposed algorithm. The performance of the proposed signal detection algorithm was evaluated using the output signal of the NDIR multi-pollutant measurement system according to the present invention.

성능평가에서 사용한 표준혼합가스 (standard mixed gas)는 표 1에 나타내었으며, 유량은 오리피스 (Orifice)를 사용하여 1000[cc/min]로 유지하였다. DC=10mm, DS=8mm, R=60mm일 때 식 (1)은 다음 식(3)과 같이 된다.The standard mixed gas used in the performance evaluation is shown in Table 1, and the flow rate was maintained at 1000 [cc / min] using an orifice. When D C = 10mm, D S = 8mm, and R = 60mm, equation (1) becomes the following equation (3).

Figure 112008077857118-PAT00005
(5)
Figure 112008077857118-PAT00005
(5)

Figure 112008077857118-PAT00006
Figure 112008077857118-PAT00006

도 7은 식 (5)에서 세 가지 서로 다른 휠 회전속도(Kslow=0.213, Knormal=0.655, Kfast=1.036)에 대해 측정된 펄스신호의 NGFC를 나타낸다. 식 (5)에 의해 이론적으로 계산된 NGFC는 각각 약 224, 73, 46 [samples]이고 측정된 신호에서 구한 NGFC는 각각 225, 70, 45 [samples] 이므로 회전속도별 오차는 5%이내로서 다중 GFC(11) 휠의 설계스펙으로 부터 유도된 식 (1)이 유효함을 알 수 있다. FIG. 7 shows N GFC of the pulse signal measured for three different wheel rotation speeds (K slow = 0.213, K normal = 0.655, K fast = 1.036) in equation (5). N GFC theoretically calculated by Eq. (5) is about 224, 73 and 46 [samples] respectively, and the N GFCs obtained from the measured signals are 225, 70 and 45 [samples] respectively, so the error for each rotational speed is within 5%. As can be seen that Equation (1) derived from the design specifications of the multiple GFC 11 wheels is valid.

도 8은 20sec 동안 측정한 NDIR 검출기의 출력신호 및 외부 트리거 신호와 펄스신호에서 측정항목 순서를 나타낸다. 도 8 (b)에서 a = Smp.HCl, b = Ref.CO, c = Smp.CO, d = Ref.NO, e = Smp.NO, f = Ref.SO2, g = Smp.SO2, h = Ref.H2O, i = Smp.H2O, j = NONE, k = NONE, l = Ref.HCl이다.8 shows the order of measurement items in the output signal of the NDIR detector, the external trigger signal, and the pulse signal measured for 20 sec. In Figure 8 (b) a = Smp.HCl, b = Ref.CO, c = Smp.CO, d = Ref.NO, e = Smp.NO, f = Ref.SO2, g = Smp.SO2, h = Ref.H2O, i = Smp.H2O, j = NONE, k = NONE, l = Ref.HCl.

외부 트리거 신호는 제작된 다중 GFC(11) 휠에서 측정항목에 해당 기준셀과 측정셀의 위치를 구분하는 기준이 된다. 따라서 NDIR 검출기를 통해 측정된 다중신호로부터 해당성분 신호를 구별하는 검출 알고리즘에서 외부 트리거 신호와의 정확한 동기일치는 데이터 신뢰성 확보에 매우 중요하다. 다중신호 검출 알고리즘에서 다중 GFC(11) 휠의 회전수 K=0.655[cycle/sec], 샘플링 주파수 fs=1[kHz], 그리고 고주파 잡음을 제거하기 위해 상위 데이터 처리 파라미터 γ=15를 사용하였다. The external trigger signal is a reference for distinguishing the position of the corresponding reference cell and the measurement cell in the measurement item in the manufactured multiple GFC (11) wheel. Therefore, in the detection algorithm that distinguishes the corresponding component signal from the multiple signals measured by the NDIR detector, accurate synchronization with the external trigger signal is very important for securing data reliability. In the multi-signal detection algorithm, the rotational speed K = 0.655 [cycle / sec] of the multiple GFC (11) wheels, the sampling frequency fs = 1 [kHz], and the higher data processing parameter γ = 15 are used to remove high frequency noise.

표 2는 다중신호 검출 성능을 확인하기 위해 도 8의 출력신호(fs=1[kHz])에서 CO, NO, SO2 가스에 대해 제안한 검출 알고리즘을 사용하여 검출한 외부 트리거 신호수(TN)와 가스별 NGFC이다. Table 2 shows the number of external trigger signals (TN) and gases detected using the proposed detection algorithm for CO, NO, and SO 2 gases in the output signal (fs = 1 [kHz]) of FIG. 8 to confirm the multi-signal detection performance. Star N is GFC .

Figure 112008077857118-PAT00007
Figure 112008077857118-PAT00007

도 8에서 외부 트리거 신호가 5[V]에서 0[V]로 변한 횟수는 총 14번이며 초기화를 위해 첫번째 동기신호가 사용되었고 마지막 동기신호는 1 사이클에 해당하는 펄스 수가 완전하지 않아 데이터 취득에 사용되지 않으므로 데이터 처리를 위해 알고리즘으로 검출된 외부 트리거 신호는 12이다. 상기 결과로부터 검출 알고리즘이 트리거 신호와의 동기 및 각 가스별 를 정확히 검출했음을 알 수 있다. In FIG. 8, the number of times the external trigger signal is changed from 5 [V] to 0 [V] is 14 times. The first synchronization signal is used for initialization, and the last synchronization signal is not complete because the number of pulses corresponding to one cycle is not perfect. Since it is not used, the external trigger signal detected by the algorithm for data processing is 12. From the results, it can be seen that the detection algorithm correctly detected synchronization with the trigger signal and each gas.

도 8 (a)에서 IR 신호의 THbase는 0 ~ 1 [V]이며 고주파 잡음과 저주파 잡음이 부가되었음을 알 수 있다. 식 (1)의 이론값과 표 2의 실험값의 오차는 평균 10%이내로서 데이터 검출 시 각 가스별 펄스신호의 진폭 크기의 차이가 크고 전처리 증폭기나 NDIR 검출기 등 아날로그 시스템에서 부가된 드리프트 잡음에 의해 GFC(11) 휠의 1사이클(cycle)내에서 고정된 임계값 THbase을 사용함으로써 임계값 근처의 크기를 갖는 신호값의 취득여부에 의해 발생하게 된다. In FIG. 8 (a), the TH base of the IR signal is 0 to 1 [V], and it can be seen that high frequency noise and low frequency noise are added. The difference between the theoretical value of Eq. By using a fixed threshold TH base within one cycle of the GFC 11 wheel, it is caused by acquiring a signal value having a magnitude near the threshold.

그러나 도 8의 검출 알고리즘에서 측정된 데이터 중 기준셀과 측정셀 출력값을 구하기 위해 상위 γ%의 데이터만을 사용하므로 이러한 샘플 취득 시 발생하는 오차는 실제 데이터를 처리하는데 있어 영향을 주지 않는다. 이러한 결과로부터 제안한 검출 알고리즘의 가스 종 구분 성능과 데이터 취득 성능이 우수함을 알 수 있다. However, since only the upper γ% of data is used to obtain the reference cell and the measured cell output values among the measured data in the detection algorithm of FIG. From these results, it can be seen that the gas species classification performance and data acquisition performance of the proposed detection algorithm are excellent.

도 9와 도 10은 각각 THbase의 변화와 검출 알고리즘에 의해 찾은 CO, NO, SO2에 해당하는 기준셀 및 측정셀 출력값을 나타낸다. 도 9의 저주파 드리프트 잡음에 의한 THbase의 변화에 비해 각 가스의 기준셀과 측정셀의 출력신호의 변화는 매우 적다. 9 and 10 show the reference cell and the measurement cell output values corresponding to CO, NO, and SO 2 found by the change of the TH base and the detection algorithm, respectively. Compared to the change of TH base due to the low frequency drift noise of FIG. 9, the change of the output signal of the reference cell and the measuring cell of each gas is very small.

또한 개발한 NDIR 다종오염물질 측정시스템에서 농도를 구하기 위해 두 신호의 비 (측정셀 출력신호/기준셀 출력신호)를 사용하므로 이러한 저주파 잡음의 영향은 무시할 수 있다.In addition, the NDIR multi-pollutant measurement system uses the ratio of two signals (measurement cell output signal / reference cell output signal) to determine the concentration, so the effect of low frequency noise can be ignored.

따라서, 비분산 적외선(NDIR)법에 의한 환경 대기시료 중 다종오염물질을 실시간으로 동시에 측정하는 다중오염물질 측정시스템에서 NDIR 검출기 개발을 위한 다중 가스상관필터(GFC(11)) 휠의 회전속도 및 샘플링 주파수, 유효데이터 취득을 위한 식을 유도하고 연속적인 다중 펄스신호로부터 각각의 측정항목별 데이터 검출을 위한 알고리즘을 제안하였다. 실제 설계, 제작된 다중 GFC(11) 휠을 사용하여 개발된 시스템으로부터 취득한 데이터를 사용하여 실행한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 취득 데이터를 이론적으로 예측할 수 있는 식의 유효함을 보였고, 이를 바탕으로 여러 종류의 대기오염물질별 데이터 취득을 위해 제안한 검출 알고리즘의 우수한 성능을 확인하였다. Therefore, in the multi-pollutant measuring system which simultaneously measures the multiple pollutants in the environmental air sample by non-dispersive infrared (NDIR) method in real time, the rotation speed and the speed of the wheel of the multi-gas correlation filter (GFC (11)) wheel for the development of the NDIR detector An algorithm for deriving the sampling frequency and the effective data acquisition method was proposed and the algorithm for the data detection of each measurement item from the continuous multi-pulse signal was proposed. Computer simulations were performed using data acquired from systems developed using actual GFC (11) wheels that were designed and fabricated to show the validity of equations that can theoretically predict acquired data. We confirmed the superior performance of the proposed detection algorithm for data acquisition by air pollutant.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산적외선 검출기를 이용한 다종오염물질 측정장치의 구성을 나타내는 개략도,1 is a schematic diagram showing the configuration of a multi-pollutant measuring device using a non-dispersion infrared detector according to an embodiment of the present invention,

도 2는 다종 오염물질의 분석을 위한 신호처리 순서도,2 is a signal processing flowchart for analysis of multiple pollutants;

도 3은 도 1에서 다중 가스상관필터의 설계스팩을 나타내는 도면,3 is a view showing a design specification of the multi-gas correlation filter in FIG.

도 4는 A/D 변환된 적외선 검출기 신호 및 트리거 신호를 나타내는 그래프,4 is a graph illustrating an A / D converted infrared detector signal and a trigger signal;

도 5는 가스필터(기준셀,측정셀) 출력신호 크기에 따른 피크 형태를 나타내는 그래프,5 is a graph showing the peak shape according to the output signal magnitude of the gas filter (reference cell, measurement cell),

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다종오염물질 측정을 위한 신호검출 알고리즘을 나타내는 순서도,6 is a flowchart illustrating a signal detection algorithm for measuring multi-pollutants according to an embodiment of the present invention.

도 7은 가스상관필터 휠의 회전속도별 측정된 신호에서 NGFC 를나타내는 그래프,7 is a graph showing N GFC in the measured signal for each rotational speed of the gas correlation filter wheel,

도 8은 적외선 검출기신호, 트리거 신호 및 펄스신호에서 측정된 가스신호를 나타내는 그래프,8 is a graph illustrating a gas signal measured from an infrared detector signal, a trigger signal, and a pulse signal;

도 9는 저주파 드리프트 잡음에 의한 THbase 의 변화를 나타내는 그래프,9 is a graph showing a change in TH base due to low frequency drift noise;

도 10은 CO, NO, SO2에 해당하는 기준셀과 측정셀 출력신호를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing a reference cell and a measurement cell output signal corresponding to CO, NO, and SO2.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : IR 복사광 11 : 가스상관필터10: IR radiation 11: Gas correlation filter

12 : 광 트리거 13 : 필터채널12: optical trigger 13: filter channel

14 : 흡수챔버 15 : 반사거울14 absorption chamber 15 reflection mirror

16 : 적외선 센서16: infrared sensor

Claims (7)

비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치에 있어서,In the apparatus for measuring multiple pollutants using non-dispersive infrared analysis, 적외선 복사광;Infrared radiation; 다종의 오염물질을 동시에 측정하기 위해 내부에 원주방향을 따라 기준셀과 측정셀이 교대로 이루어지도록 다수 필터채널이 관통형성된 가스상관필터;A gas correlation filter having a plurality of filter channels formed therethrough so that the reference cell and the measurement cell are alternately formed along the circumferential direction to simultaneously measure a plurality of pollutants; 내부에 여러종류의 대기오염물질이 혼합된 시료가스가 저장되고, 상기 가스상관필터와 내부에 설치된 반사거울에 의해 형성된 다중 광 경로를 갖는 흡수챔버; 및An absorption chamber having a sample gas in which various kinds of air pollutants are mixed, and having multiple light paths formed by the gas correlation filter and a reflection mirror installed therein; And 상기 필터채널의 적외선 흡수에너지를 측정하는 적외선 센서를 포함하고, 상기 적외선 센서에 의해 측정된 각 필터채널의 적외선 흡수신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치.And an infrared sensor for measuring infrared absorption energy of the filter channel, wherein the difference in absorbance between the reference cell signal for each measurement material and the output signal of the measurement cell is determined from the infrared absorption signal of each filter channel measured by the infrared sensor. Multi-contaminant measuring device using a non-dispersive infrared analysis method, characterized in that by calculating the concentration of each measurement material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 기준셀은 측정대상 기준가스가 충진되고, 상기 기준셀과 측정셀의 전단에 측정항목별 고유 파장대역의 단색광학필터가 설치되며, 상기 적외선 복사광을 단생광학필터에 통과시켜 특정파장대역의 단색광을 만들고, 상기 단색광을 기준셀 과 측정셀을 교번으로 통과시켜 비교 측정함으로써, 측정하고자 하는 가스만의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치.The reference cell is filled with a reference gas to be measured, and a monochromatic optical filter having a unique wavelength band for each measurement item is installed at the front of the reference cell and the measurement cell, and the infrared radiation is passed through the mono-bio optical filter in a specific wavelength band. By making a monochromatic light, and comparing the monochromatic light by passing the reference cell and the measuring cell alternately, the concentration of only the gas to be measured is detected. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 적외선 복사광은 회전하는 다중 가스상관필터를 거쳐 흡수챔버로 들어가며, 상기 측정셀을 통과한 빛은 흡수챔버에서 시료 내에 포함된 측정가스 농도에 해당하는 흡수가 일어나며, 상기 기준셀을 통과한 빛은 측정하고자 하는 고농도 기준가스에 의해 대부분 흡수가 이루어져서 기준셀의 기준가스에 비해 낮은 농도의 측정가스가 혼합되어 있는 흡수챔버 내에서 흡수되는 정도가 무시되며, 상기 적외선 센서를 통해 입력된 적외선 흡수신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치.The infrared radiation enters the absorption chamber through a rotating multi-gas correlation filter, and the light passing through the measurement cell absorbs the concentration corresponding to the measurement gas concentration contained in the sample in the absorption chamber, and the light passes through the reference cell. Is absorbed mostly by the high concentration reference gas to be measured, so that the degree of absorption in the absorption chamber in which the measurement gas of a lower concentration is mixed than the reference gas of the reference cell is ignored, and the infrared absorption signal input through the infrared sensor Device for measuring multi-contaminants using non-dispersion infrared analysis method to calculate the concentration of each measurement material by calculating the difference in absorbance between the reference cell signal for each measurement material and the output signal of the measurement cell. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 회전하는 가스상관필터의 동기신호 검출을 위해 가스상관필터의 외부에 광 트리거 센서가 부착된 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정장치.Apparatus for measuring multiple pollutants using a non-dispersive infrared analysis method characterized in that the optical trigger sensor is attached to the outside of the gas correlation filter for detecting the synchronization signal of the rotating gas correlation filter. 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법에 있어서,In the method for measuring multiple contaminants using non-dispersive infrared analysis, 다중 가스상관필터와 적외선 센서를 통해 여러 종류의 측정항목별 데이터로 구성되는 순차신호를 측정하는 단계;Measuring a sequential signal composed of data of various types of measurement items through a multi-gas correlation filter and an infrared sensor; 여러종류의 대기오염물질에 대한 측정항목별 신호를 구분하는 단계;Classifying signals for each measurement item for various types of air pollutants; 측정된 데이터를 내림차순 정렬 후 상위 γ% 데이터의 평균값을 구하여 해당가스에 해당하는 펄스신호의 대표값을 결정하는 단계; 및Determining the representative value of the pulse signal corresponding to the corresponding gas by obtaining the average value of the upper γ% data after sorting the measured data in descending order; And 상기 단계에서 결정된 데이터로부터 해당 가스의 농도를 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법.Method for measuring a multi-pollutant using a non-dispersion infrared analysis method comprising the step of calculating the concentration of the gas from the data determined in the step. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 다중 가스상관필터와 적외선 센서에 의해 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 때 측정항목별 가스상관필터의 기준셀과 측정셀로부터 유효한 데이터를 얻기 위해 측정하고자 하는 데이터 특성에 맞는 샘플링 주파수와 다중 가스상관필터의 회전속도를 결정하고, 상기 가스상관필터의 단위시간당 회전수 K, 샘플링 주파수 fs, 및 각각의 기준셀과 측정셀의 출력에서 획득되는 디지터 데이터 샘 플수 NGFC는 NGFC = (DC+2DS)fs/(2πRK)과 같은 상관관계를 가지며, 상기 DC는 기준 및 측정셀의 구경이고, DS는 적외선센서의 구경이고, R은 기준 및 측정셀의 중심으로부터 가스상관필터 중심까지의 거리인 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법.When converting the analog signal measured by the multi-gas correlation filter and the infrared sensor into a digital signal, the sampling frequency and the multiplied sampling frequency corresponding to the data characteristics to be measured to obtain valid data from the reference cell and the measurement cell of the gas correlation filter for each measurement item determining the rotational speed of the gas correlation filter, and wherein the gas Any number of filters revolution per unit of K, the sampling frequency fs, and the digital site data Sam peulsu N GFC is obtained at the output of each of the reference cell and the measuring cell is N GFC = ( Has a correlation such as D C + 2D S ) fs / (2πRK), where D C is the aperture of the reference and measurement cells, D S is the aperture of the infrared sensor, and R is the gas correlation from the center of the reference and measurement cells. Method for measuring multiple pollutants using a non-dispersion infrared analysis, characterized in that the distance to the filter center. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 여러종류의 대기오염물질에 대한 측정항목별 신호를 구분하는 단계는 가스상관필터의 외경에 부착된 광 커플러를 통한 트리거 신호와 임계값을 사용하여 다중 가스상관필터의 1사이클에 대한 동기를 찾는 단계; 및Separating the signal for each measurement item for the various types of air pollutants is to find the synchronization for one cycle of the multi-gas correlation filter using the trigger signal and the threshold value through the optical coupler attached to the outer diameter of the gas correlation filter step; And 상기 트리거 신호를 기준으로 임계값을 사용하여 펄스 수를 카운트하여 해당 측정항목의 기준셀 및 측정셀 신호를 찾는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비분산적외선분석법을 이용한 다종오염물질 측정방법.Counting the number of pulses using a threshold value based on the trigger signal to find the reference cell and the measurement cell signal of the measurement item, multi-contaminant measurement method using a non-dispersive infrared analysis method.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9529088B2 (en) 2014-11-07 2016-12-27 Hyundai Mobis Co., Ltd. Apparatus and method for determining available driving space
DE102016108544A1 (en) 2016-05-09 2017-11-09 Technische Universität Dresden Measuring device and method for detecting different gases and gas concentrations
WO2017194540A1 (en) 2016-05-09 2017-11-16 Technische Universität Dresden Measuring device and method for sensing different gases and gas concentrations
CN111157477A (en) * 2018-11-08 2020-05-15 中国石油化工股份有限公司 Total hydrocarbon concentration detector and total hydrocarbon concentration detection method
KR20200055236A (en) * 2018-11-13 2020-05-21 건국대학교 산학협력단 A NDIR analyzer using Two Functional Channels and method thereof
CN115541522A (en) * 2022-12-01 2022-12-30 北京乐氏联创科技有限公司 Optical path-adjustable high-temperature optical infrared gas detection method, system and device
KR102556283B1 (en) * 2022-10-07 2023-07-17 (주)세성 Ndir .

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102230882B (en) * 2011-04-12 2013-03-13 朱坚磊 Air testing platform adopting Herroitt multiple-reflection specimen chamber
KR102080984B1 (en) 2018-03-05 2020-04-23 건국대학교 산학협력단 A multi-gas ndir analyzer for measurement of high-concentration carbon dioxide
KR102083720B1 (en) 2018-03-05 2020-03-02 건국대학교 산학협력단 Ndir analyzer having a helical optical path
KR102214149B1 (en) 2019-06-04 2021-02-09 동국대학교 산학협력단 Gas detecting device using mid-infrared lasers
KR102215186B1 (en) 2019-11-04 2021-02-15 (주)켄텍 A device for measuring various pollutants of atmospheric gas and its calibration method
KR102435342B1 (en) 2021-12-22 2022-08-23 (주)켄텍 Simultaneous measurement of multiple air pollutants

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03115838A (en) * 1989-09-29 1991-05-16 Kawasaki Steel Corp Moisture measuring method by use of infrared ray
US5585635A (en) * 1994-09-26 1996-12-17 Marquette Electronics, Inc. Infrared gas analyzer and method
US6114700A (en) * 1998-03-31 2000-09-05 Anatel Corporation NDIR instrument
KR100574616B1 (en) * 2004-11-11 2006-04-27 (주) 인바이런먼트 리딩 테크놀러지 Ndir gas sensor

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9529088B2 (en) 2014-11-07 2016-12-27 Hyundai Mobis Co., Ltd. Apparatus and method for determining available driving space
DE102016108544A1 (en) 2016-05-09 2017-11-09 Technische Universität Dresden Measuring device and method for detecting different gases and gas concentrations
WO2017194540A1 (en) 2016-05-09 2017-11-16 Technische Universität Dresden Measuring device and method for sensing different gases and gas concentrations
US10768101B2 (en) 2016-05-09 2020-09-08 Infrasolid Gmbh Measuring device and method for sensing different gases and gas concentrations
CN111157477A (en) * 2018-11-08 2020-05-15 中国石油化工股份有限公司 Total hydrocarbon concentration detector and total hydrocarbon concentration detection method
KR20200055236A (en) * 2018-11-13 2020-05-21 건국대학교 산학협력단 A NDIR analyzer using Two Functional Channels and method thereof
KR102556283B1 (en) * 2022-10-07 2023-07-17 (주)세성 Ndir .
CN115541522A (en) * 2022-12-01 2022-12-30 北京乐氏联创科技有限公司 Optical path-adjustable high-temperature optical infrared gas detection method, system and device
CN115541522B (en) * 2022-12-01 2023-03-10 北京乐氏联创科技有限公司 Optical path-adjustable high-temperature optical infrared gas detection method, system and device

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