KR20120003939A - 방출체의 온도를 측정하기 위해 대역통과 필터를 이용하는 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필터 장치, 그 하류에 배치된 검출기 장치, 및 검출기 장치에 연결된 평가 디바이스를 갖는 센서에 관한 것으로, 필터 장치는 제 1 소정의 대역인 서스펙트 대역의 통과를 허용하는 대역 통과 필터로서 구성된 서스펙트 필터인 적어도 하나의 제 1 필터, 제 2 소정의 대역(들)인 기준 대역(들) 의 통과를 허용하는 대역 통과 필터로서 구성된 기준 필터(들)인 적어도 하나의 제 2 필터를 갖고, 검출기 장치는 필터들 중 적어도 하나의 필터와 연관된 적어도 하나의 검출기를 갖는다. 센서는 광원의 온도를 측정하기 위해 대역 통과 필터들을 이용한다. 이점을 가지는 센서가 IR 대역 내에서 이용될 수 있고, CO2 를 검출하기 위해 바람직하게 이용될 수 있다.
Description
본 발명은, 필터 장치, 그 하류에 배치된 검출기 장치, 및 검출기 장치에 연결된 평가 디바이스를 갖는 센서에 관한 것으로, 필터 장치는 제 1 소정의 대역 (서스펙트 대역) 의 통과를 허용하는 대역 통과 필터로서 구성된 적어도 하나의 제 1 필터 (서스펙트 필터), 및 제 2 소정의 대역(들) (기준 대역(들)) 의 통과를 허용하는 대역 통과 필터로서 구성된 적어도 하나의 제 2 필터 (기준 필터(들)) 을 갖고, 검출기 장치는 필터들 중 적어도 하나와 관련된 적어도 하나의 검출기를 갖는다. 이 센서는 대역 통과 필터를 이용하여 발광 소스의 온도를 측정한다. 이 센서는 유리하게 IR 대역 내에서 이용될 수 있고, CO2 를 검출하는데 유리하게 이용될 수 있다.
예를 들어, 가스 센서로서 구성된 이러한 센서는 US 5,081,998 A 에 공지되어 있다. 여기에서는 필터 장치를 통해서 총 4 개의 검출기들 상에서 작용하는 IR 방사선 소스 (IR radiation source) 가 제공된다. 이 필터 장치는 상이한 통과 특성을 갖는 2 개의 필터들을 갖는다. 제 1 필터는 CO2 에 의해 흡수되는 IR 방사선 (IR radiation) 을 위한 통과 대역을 갖는다. 따라서, 이 필터는 "CO2 필터" 로서 지칭된다. 그 하류에 배치된 검출기들은 CO2 검출기로 명시된다. 다른 필터는 이와 상이한 통과 대역을 가지며, 기준량을 결정하기 위해 작용한다. 이 기준 필터의 하류에 배치된 검출기들은 기준 검출기들로서 지칭된다. IR 소스 (IR source) 와 2 개의 필터들 사이에는 자연 밀도 필터 (natural density filter) 로 지칭되는 제 3 필터가 배치되고, 이 제 3 필터는 제 1 필터의 절반 및 제 2 필터의 절반과 중첩한다. 따라서, 2 개의 CO2 검출기들 중 하나의 CO2 검출기 및 기준 검출기들 중 하나의 기준 검출기는 자연 밀도 필터 그리고 CO2 필터 또는 기준 필터 중 하나를 통과한 IR 방사선만을 수신한다. 평가 디바이스에서, 2 개의 CO2 검출기들의 출력 신호들의 차이 및 2 개의 기준 검출기들의 차이가 형성된다. 그 후, 2 개의 차이값은 서로에 의해 나눠진다. 이러한 CO2 센서는 예를 들어 마취 도중에 환자를 더욱 잘 모니터링할 수 있기 위해 환자의 호흡에서 CO2 를 결정하는데 요구된다.
이러한 센서의 단점은 비교적 높은 전력을 요구하는 것이며, 다른 단점은 많은 검출기들을 요구하는 것이다. US 5,081,998 A 에 공지된 장치는, 장시간의 사용을 위한 임의의 경우에, 배터리-동작 용도에는 부적절한 방사선 소스를 요구한다. 또한, 이러한 IR 소스는 일정 가열 기간 (certain heating-up period) 을 요구하므로, 어느 정도의 사전 준비가 없다면 요구될 때에 항상 측정을 수행할 수 있는 것은 아니다.
본 발명의 기초가 되는 문제는 US 2008/0283753 에 설명된 센서에 도입된 IR 센서의 이용을 간략화시키기 위한 것으로, 여기서 제 1 필터의 통과 대역은 제 2 필터의 통과 대역 내에 배치되고, 평가 디바이스는 검출기들의 신호들의 차이를 형성하여 그 차이를 검출기의 신호에 대해 정규화한다.
이 구성은 실질적으로 더 많은 IR 방사선을 평가할 수 있게 한다. 따라서, IR 방사선은 2 개의 별개의 범위들로 분할되지 않고, 각각의 검출기는 오직 하나의 범위만을 검출한다. 대신에, 하나의 검출기는 예를 들어 결정되어야 하는 가스 (여기서는, CO2) 의 흡수 스펙트럼을 포함하는 미리-설정된 스펙트럼 범위를 갖는 IR 방사선을 검출한다. 다른 검출기는 결정되어야 하는 가스의 흡수 스펙트럼을 포함하지 않는, 미리-설정된 스펙트럼 범위의 부분 범위 (sub-range) 로부터의 IR 스펙트럼을 검출한다. 따라서, 이 센서의 감도는 상당히 증가되고, 다시 말해서, 센서로의 IR 방사선의 공급을 위해 상대적으로 낮은 요구가 이루어진다. 검출기들의 출력 신호들 사이의 차이가 형성되기 때문에, 간섭 신호 예를 들어 배경 노이즈 등이 제거된다. 검출기의 출력 신호에 대한 차이의 정규화는 IR 방사선의 강도에 있어서의 변동 (fluctuation) 을 보상할 수 있게 한다. 또한, 이는 대응하여 더 큰 수의 필터들을 갖는 3 개 이상의 센서들을 이용하는 것을 가능하게 하고, 개별적인 통과 범위는 이에 따라서 중첩하게 된다. 이러한 센서를 이용하여, 다른 정보, 예를 들어, 온도, 실내의 움직임, 실내의 사람 수 등과 관련된 정보를 획득하는 것이 가능하다. 실질적으로, 더욱 많은 방사선을 검출할 수 있기 때문에, 전력 소모가 감소될 수 있고, 그리하여 필요로 하는 전력이 배터리에 의해 공급될 수 있다. 또한, 현장 탑재 및 사용의 관점에서 훨씬 자유롭다. 이 센서는 신호를 무선으로 송신할 수 있다.
바람직하게는, 제 1 필터의 통과 대역은 제 2 필터의 통과 대역보다 더 크다. 따라서, 제 1 필터는, 제 2 필터에 의해 통과하도록 허용된 스펙트럼 범위를 포함하는 것에 더하여, IR 방사선이 흡수되는 스펙트럼 범위를 포함한다.
2 개의 필터들은 공통의 컷오프 파장을 갖는 것이 바람직하다. 이는 평가를 간단하게 한다. 검출기들의 출력 신호들 사이의 차이는 추가적인 계산 단계를 필요로 하지 않고 용이하게 형성될 수 있다. 컷오프 파장은 통과 대역을 정의하는, 말하자면 한정짓는 파장이다. 이 컷오프 파장은 "하위 파장 (lower wavelegnth)" 및 "상위 파장 (upper wavelegnth)" 으로서 지칭된다.
그러나, 방출체 (emitter) 의 방사선의 양뿐만 아니라 스펙트럼 분포는 방출체의 온도에 의존성을 갖는다는 상황은 알려져 있다. 이는 잘 알려진 플랭크의 방사선 분포 (Planck's distribution of radiation) 에 의해 나타난다. 방출체의 온도가 주어지면, 플랭크 곡선은 파장에 대해 방사선의 의존성을 부여하고, 여기서 플랭크 곡선은 몇몇 파장에서 최대 방사선을 가지는데, 최대 방사선의 최대 방사선 값뿐만 아니라 파장은 온도 의존적이다.
이와 같은 센서 시스템에서 자연 소스를 이용하여, US 2008/0283753 에 설명된 것은, 필터들의 통과 대역의 에너지 (또는 다시 말해서 방사선 강도 밀도) 를 파장의 대역에 걸쳐서 변화하게 한다. 이러한 자연 소스의 온도는 항상 알려져 있는 것은 아니며, 또한 제어조차 가능하지 않다.
이 구성은 광원의 방사선 강도의 변화에 대해 보상할 수 있지만, 광원의 예를 들어 온도 변화에 대해서는 강건하지 않다.
본 발명의 목적은 기존의 센서의 이러한 문제들을 해결하기 위한 방법, 및 소스의 온도를 추정하는 방법을 도입함으로써 해결책을 이용하는 센서를 도입하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 방출체 소스의 온도를 적어도 추정하기 위한 방법을 도입하고, 센서의 측정을 보정하거나 또는 제어하는 방법을 이용하는 것이다.
본 발명은, 하위 파장들 및 상위 파장들 모두가 상이한 서스펙트 필터 및 기준 필터(들)이 상이한 컷오프 파장을 갖도록 도입함으로써 이러한 문제들을 해결한다. "하위 파장" 은 필터가 방사선의 통과를 허용하는 가장 낮은 파장이고, "상위 파장" 은 하위 파장보다 더 높은 파장으로서 필터가 방사선의 통과를 차단하는 가장 높은 파장이다.
서스펙트 필터(들)의 허용된 파장들의 범위들은 이하의 설명에서 "서스펙트 대역(들)" 으로서 지칭되고, 기준 필터(들) 의 허용된 파장들은 이하의 설명에서 "기준 대역(들)" 으로서 지칭된다.
기술된 바와 같이, 본 발명의 서스펙트 하위 파장은 기준 하위 길이(들)와는 상이하고, 서스펙트 상위 파장은 기준 상위 파장(들)과는 상이하다. 예를 들어, 소스의 온도 변동으로 인해 야기된 인입 방사선 (incoming radiation) 의 강도의 이러한 스펙트럼 분포는 서스펙트 대역 이상 그리고 그 이하에 기준 대역(들)을 분포시킴으로써 보상될 수 있다. 본 발명의 일 바람직한 실시형태에서, 이 분포는, 온도의 변화에 의해, 기준 대역에 걸쳐서 방사선 강도 (또는 강도 밀도 또는 에너지) 의 증가는 서스펙트 대역에 걸친 방사선 강도 (또는 강도 밀도 또는 에너지) 의 증가와 대략적으로 동일하다.
일 대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 서스펙트 대역에 걸친 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 의 중간값 또는 평균은 각각의 기준 대역에 걸친 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 의 중간값 또는 평균과 대략적으로 동일하다.
일 대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 서스펙트 대역에 걸친 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 는 전체 조합 기준 대역들에 걸친 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 의 중간값 또는 평균과 대략적으로 동일하다 ('기준 필터 시스템 대역' 은 모든 기준 필터의 조합 기준 대역이다).
다른 대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 서스펙트 대역에 걸친 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 는 기준 대역들 중 하나의 기준 대역 또는 각각의 기준 대역의 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 의 중간값 또는 평균과 대략적으로 동일하다.
또 다른 대안적인 또는 추가적인 실시형태에서, 방사선 강도 밀도 (또는 에너지) 는 기준 대역들 각각에 대해 대략적으로 동일하다.
파장의 2 개의 비교적 좁은 대역들에서 평균 방사선을 측정하는 것은 플랭크의 법칙에 의해 방출체의 온도의 추정을 가능하게 한다. 이는, 말하자면 정확한 플랭크 곡선을 식별하고, 이에 따라 온도를 계산함으로써 행해진다.
이는, 서스펙트 필터 및 기준 필터(들) 이 협력하여 또는 기준 필터들 단독으로 온도 추정을 위한 이러한 대역들을 형성할 수도 있는 본 발명의 메인 아이디어이다. 온도 측정은 가스 측정시에 온도 의존성을 보상하고 이에 따라 가스 농도를 측정하는데 있어서 더 나은 정확성을 획득하는데 이용될 수 있다.
본 명세서의 필터들은 서스펙트 필터 및 기준 필터(들)로서 모두 동작하는 하나의 단일 필터 엘리먼트에 의해 또는 일련의 필터 엘리먼트들에 의해 형성될 수도 있다. 2 개 이상의 필터들이 일련의 필터 엘리먼트들로서 배치되는 경우, 이들은 방사선 방향으로, 즉, 방사선 소스(들)과 검출기들 사이에 교대로 배치된다.
이 센서는 유리하게 임의의 방사선 파장 내에서 동작할 수도 있고, 소스는 임의의 방사선 소스일 수도 있다.
이하의 예시는 IR 소스가 광원으로서 바람직한 환경에서 CO2 함량을 결정하기 위한 센서를 설명하지만, CO2 이외의 임의의 다른 물질들도 또한 본 발명에 적용될 수 있고, IR 대역 내의 것 이외의 임의의 다른 광원이 적용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시형태에서, 적어도 하나의 기준 필터 (제 1 기준 필터로서 지칭됨) 는 서스펙트 대역보다 더 넓은 범위 (span) 의 파장을 갖는 제 1 기준 대역으로서 불리는 기준 대역을 갖고, 이 제 1 기준 필터의 제 1 기준 하위 파장은 서스펙트 하위 파장보다 낮은 파장에 있고, 이 제 1 기준 필터의 제 1 기준 상위 파장은 서스펙트 상위 파장보다 더 높은 파장을 갖는다. 이러한 방식으로, 서스펙트 대역은 제 1 기준 대역과 중첩한다.
이 실시형태에서, 제 1 기준 대역의 중심 파장 (제 1 중심 기준 파장) 및 서스펙트 대역의 중심 파장은 동일할 수도 있고, 또는 서로 상이할 수도 있다.
온도의 변화에 대해, 서스펙트 대역 및 기준 대역에서의 강도의 상대적인 변화는 온도 의존성을 제거하기 위해 동일해야만 한다.
방사선 소스를 이용하여, 능동적으로 전력이 공급된 또는 자연적인, 강도의 상대적인 변화는 그 대역들에 의해 확장된 (spanned) 파장들에 대해 비선형적으로 의존한다. 따라서, 온도 드리프트에 대한 안정성을 개선하기 위해 일치하지 않는 중심 파장 (unmatching centre wavelenth) 이 도입될 수 있다.
이 예시에서, 기준 필터(들)는 서스펙트 필터의 통과 대역보다 0.2 내지 1㎛ 더 큰 통과 대역을 갖는 것이 바람직하다. 기본적으로, 서스펙트 필터는 비교적 좁은 파장 범위 또는 방사선 스펙트럼의 스펙트럼 범위 (예를 들어, IR 방사선이 CO2 에 의해 흡수되는 범위) 만을 커버하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 나타난 범위는 충분하다. 다른 가스들에 의한 흡수로 인해 측정결과에 부정적인 영향을 끼쳐 측정 결과가 변조되는 위험은 적다.
여기서, 제 1 기준 필터는 4 내지 4.5㎛ 의 범위의 통과 대역을 갖고 서스펙트 필터는 4.1 내지 4.4㎛ 의 범위의 통과 대역을 갖는 것이 바람직하다. 검출되는 가스 또는 다른 양에 의존하여, 스펙트럼 범위들은 물론 시프트될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 시스템은 (조합 기준 대역들을 함께 구성하는) 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역 각각을 갖는 제 1 기준 필터 및 제 2 기준 필터를 포함하고, 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역은 중첩되지 않으며, 중첩되지 않는다는 것은 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역이 공통의 파장으로 확장하지 않는다는 것이다. 이것은, 그 환경 내에, 측정에 영향을 줄 수 있고 서스펙트 대역들의 주변에 흡수 대역을 갖는, 관심 가스(들) 이외의 다른 가스들 등이 존재하여, 기준 대역이 이러한 "오염" 대역들과 중첩하는 것을 회피하기 어려운 경우에, 바람직할 수도 있다. 최대 하나의 기준 대역이 이러한 "오염" 흡수 대역에 의해 영향을 받는 것을 보증함으로써, 최소한 다른 하나의 대역은 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 실시형태의 일 바람직한 버전에서, 제 1 기준 대역 또는 제 2 기준 대역 중 적어도 하나의 대역은 서스펙트 대역과 중첩하고, 이는 제 1 기준 상위 파장이 서스펙트 하위 파장 보다 더 높은 파장에 있다는 것 및/또는 제 2 기준 하위 파장이 서스펙트 상위 파장보다 더 낮은 파장이지만 제 1 기준 상위 파장 보다는 높은 파장이며, 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역이 중첩하지 않고 서스펙트 대역의 양측에서 확장하도록 유도된다는 것을 의미한다.
본 실시형태의 다른 바람직한 버전에서, 제 1 기준 상위 파장은 서스펙트 하위 파장보다 낮은 파장이고, 제 2 기준 하위 파장은 서스펙트 상위 파장보다 더 높은 파장이며, 이에 따라 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역이 서스펙트 대역의 각각의 사이드에서 확장하도록 유도된다.
대안적인 실시형태에서, 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역은 적어도 하나의 공통의 파장을 가지고 중첩하고 있다.
특히 바람직한 구성에서, 이 센서는 주변의 (from the environment) IR 방사선과 같은 자연 방사선을 이용한다. 따라서, 별도의 전원을 필요로 하고 이에 따라 특정 전력 요건을 갖는 방사선의 소스는 필요하지 않다. 일반적으로, IR 방사선은 직접 햇빛이 비추지 않을 때에도 도처에 존재한다. 원칙적으로, 모든 보디 (every body) 는 일정량의 열 방사선을 방출한다. 따라서, IR 방사선 소스 없이도 가능하기 때문에, "측정 범위" 도 확장되고, 이는 다시 말해서, 해당 가스의 함량에 대해 실내의 비교적 넓은 영역을 모니터링하는 것이 가능하다. 이는, "개별적인 실내 기후", 또는 옥내 공기 질 (indoor air quality) 의 모니터링 및 확립을 용이하게 한다. 실내 공기를 센서에 먼저 전도할 필요는 없는데, 여기서 실내 공기는 IR 방사선의 소스와 상류 필터를 갖는 검출기들 사이로 통과한다. 모니터링되어야 하는 공기의 체적을 소위 "조망 (survey)" 할 수 있는 실내의 장소에 센서를 배치시키는 것으로 충분하다. 이 경우에, 가스 센서는 소위 평균화된 가스 농도를 간단한 방식으로 검출할 수 있다. 따라서, 이 센서는 중간값을 결정하는데, 이 중간값은 특히 개별적인 실내 기후에 대해 현저하게 개선된 측정 결과를 구성한다. 물론, 이 센서를 이용하여 램프 또는 다른 발광 수단을 통해 동작하는 센서 기술을 개선시키는 것도 또한 가능하다. 자연 또는 주변 IR 방사선이 이용되는 경우, 발광 수단의 에너지가 감소될 수 있다. 이로 인해 더 긴 유지보수 간격 그리고 더 긴 서비스 수명을 초래하게 된다.
바람직하게, 평가 디바이스는 차이를 제 1 검출기의 신호에 대해 정규화한다. 즉, 예를 들어, 정규화를 위해 CO2 함유량을 포함하는 신호가 이용된다. 이 절차는 동적 성능이 더 커지도록 초래한다.
정규화가 특정 온도에서만 동작하고, 필터 셋업이 통상적으로 특정 온도 범위에 대해서만 이루어지기 때문에, 센서가 소스의 온도의 변화에 반응하게 하기 위한 능력은 정규화와 특히 관련된다. 더 넓은 온도 범위를 커버하기 위해, 방출체의 온도를 정확하게 추론함으로써 보상 루틴이 구현된다. 추론된 정보가, 방출체 또는 광원의 수명이 초과되거나 또는 거의 초과되는 경우를 추정하기 위해 자연 광원을 이용하지 않을 때 자가-체크 알고리즘에 이용될 수 있다.
바람직하게는, 이 필터는 CaF2, 게르마늄, 또는 규소를 포함한다. 감지할 수 있는 센서 디바이스의 필터 및 다른 임의의 부품들은, 바람직하게 투과 (transmission) 를 개선하기 위해 반사 방지 코팅을 갖는다.
본 발명은 도면과 관련하여 바람직한 예시적인 실시형태에 대해 이하 설명될 것이다.
도 1 및 도 2 는 플랭크 곡선에서의 대역들을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4a 내지 도 4e 는 도시된 방사선 강도의 임의의 파장 의존성을 갖지 않는 2 개 또는 3 개의 필터들의 통과 대역들을 도표 형태로 도시한다.
도 5 는 검출기들에 의해 검출될 수 있는 에너지의 양을 도표 형태로 도시한다.
도 6a 내지 도 6d 는 센서의 구조의 상이한 실시형태들을 설명하기 위한 블록 회로도이다.
도 3 은 본 발명의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4a 내지 도 4e 는 도시된 방사선 강도의 임의의 파장 의존성을 갖지 않는 2 개 또는 3 개의 필터들의 통과 대역들을 도표 형태로 도시한다.
도 5 는 검출기들에 의해 검출될 수 있는 에너지의 양을 도표 형태로 도시한다.
도 6a 내지 도 6d 는 센서의 구조의 상이한 실시형태들을 설명하기 위한 블록 회로도이다.
도 3 은, 파장 λmax 에서 최대 방사선을 갖고, λmax 이상의 증가하는 파장에 대해 연속적으로 감소하는 방사선을 갖고, 그래서 2 개의 이러한 파장들 λ1 및 λ2 사이의 대역 Δλ 을 이용하는 일반적인 프랭크 곡선에 의해 나타난 스펙트럼 분포로 방출하는 소스의 상황을 나타낸다. 하위 파장 λ1 에 있는 방사선 R1 은 상위 파장 λ2 에 있는 방사선 R2 보다 크다.
이는, 측정시에 대역 Δλ 을 이용할 때, 그 대역 내에서의 강도의 변화가 도입광의 강도의 변화로 인한 또는 방출체의 온도의 변화로 인한 것일 수도 있기 때문에, 문제들을 야기한다.
도 2 는 동일한 플랭크 곡선을 나타내고, 여기서 2 개의 대역 Δλ1 및 Δλ2 가 나타난다. 이러한 2 개의 대역 내에 있는 평균 방사선을 아는 것은, 검출기에 도달하는 방사선 강도에 영향을 주는 어떠한 흡수도 없다고 가정하고, 방사선의 프랭크 분포에 의해 그리고 이들 2 개의 대역들의 신호들의 비율을 계산함으로써 온도의 추정을 가능하게 한다.
도 3 은 측정 영역 (3) 에서 예를 들어 CO2 함량 (이산화탄소 함량) 을 결정하기 위한 가스 센서 (1) 의 개략적인 도면을 도시하는데, 여기서 가스 센서 (1) 는 검출부 (2) 를 포함한다. 측정 영역은, 예를 들어, 개별적인 실내 기후가 제어되어야 하는 실내 또는 실내의 일부일 수도 있다. 태양 심볼 (4) 은, 방사선 소스, 예를 들어, 자연 IR 소스, 수동 소스, 또는 임의의 상상 가능한 능동 소스 (햇빛, 레이저, 발광 다이오드, 제어된 가열 소스 등) 을 나타낸다. 여기서, 태양 심볼 (4) 은 단지 설명을 위한 것이다. 원칙적으로 가상의 임의의 보디는 열을 방사하고 이에 따라 IR 선을 발생시키기 때문에, 가스 센서 (1) 는 햇빛이 없을 때에도 동작한다.
예시에서, 수많은 CO2 분자들이 측정 영역 (2) 내에 존재하고, CO2 분자들은 작은 원으로 나타난다. 화살표 (5) 로 나타난 바와 같이, 가스 분자들 (4) 은 특정 스펙트럼 범위에서의 IR 선을 흡수한다. CO2 의 농도가 더 크게 되면, 가스 센서 (1) 에서 검출될 수 있는 특정 스펙트럼 범위의 에너지는 더 낮아진다.
도 6a 는, 가스 센서 (1) 의 간단한 검출부 (2) 의 구조를 설명하기 위한 블록 회로도를 도표 형태로 도시한다. 검출부 (2) 는 필터 장치 (6), 검출기 장치 (7) 및 평가 디바이스 (8) 를 갖는다. 하우징, 고정 수단 등과 같은 추가적인 세부사항들은 본 명세서에 도시되지 않는다.
도시된 필터 장치는 제 1 기준 필터 (10) 및 서스펙트 필터 (9) 를 갖고, 여기서 2 개의 필터 (9 및 10) 는 상이한 통과 특성을 가지며, 일 실시형태가 도 4a 에 도시된다. 제 1 기준 필터 (10) 는 제 1 기준 대역 RB1 내에서의 파장의 통과를 허용하고, 서스펙트 필터 (10) 는 서스펙트 대역 SB 내의 파장의 통과를 허용한다. 이하의 도면에서, 파장의 방사선 의존성은 관찰되지 않는다. 도 4b 의 실시형태가 서스펙트 대역 SB 보다 넓게 확장하는 제 1 기준 대역 RB1 을 나타내지만, 서스펙트 대역 SB 는 제 1 기준 대역 RB1 이 서스펙트 대역 SB 와 동일한 파장을 포함하는 방식으로 제 1 기준 대역 RB1 과 중첩한다. 따라서, 제 1 기준 하위 파장 RLW1 은 서스펙트 하위 파장 SLW 보다 낮은 파장에 있고, 제 1 기준 상위 파장 RUW1 는 서스펙트 상위 파장 SUW 보다 높은 파장을 갖는다. 제 1 기준 대역 RB1 은 제 1 중심 파장 RCW1 을 갖고, 서스펙트 대역은 서스펙트 중심 파장 SCW 를 갖는다. 이 도면은 공통의 중심 파장 RCW1 및 SCW 를 갖는 2 개의 대역들을 나타낸다.
도 4b 는, 도 4a 에 도시된 것에 대한 관련 실시형태로서, 단지 중심 파장 RCW 및 RCW1 이 서로 다른 실시형태를 도시한다. 온도의 변화에 대해, 서스펙트 및 기준 대역의 상대적인 강도의 변화는 온도 의존성을 제거하기 위해 동일해야만 한다. 방사선 소스를 이용할 경우에, 능동적으로 전력이 가해진 또는 자연적인 상대적인 강도의 변화는 대역들에 의해 확장된 파장에 대해 비선형적으로 의존한다. 따라서, 일치하지 않는 중심 파장은 온도 드리프트에 대한 안전성을 개선시키기 위해 도입될 수 있다.
도 4c 는, 제 2 기준 하위 파장 RLW2 에서 제 2 기준 상위 파장 RUW2 으로 연장하는 제 2 기준 대역 RB2 에 걸쳐 확장하는 시스템으로 제 2 기준 필터 (20) 가 도입된 다른 실시형태를 도시한다. 또한, 도시된 실시형태는, 서스펙트 하위 파장 SLW 이 제 1 기준 하위 파장 RLW1 및 제 1 기준 상위 파장 RUW1 사이에 있게 되도록 하는 방식으로 제 1 기준 대역 RB1 및 제 2 기준 대역 RB2 둘 다와 부분적으로만 중첩하는 서스펙트 대역 SB 을 갖는다. 서스펙트 상위 파장 SUW 은 제 2 기준 하위 파장 RLW2 과 제 2 기준 상위 파장 RUW2 사이에 있다. 도시된 실시형태는 제 2 기준 하위 파장 RLW2 보다 높은 제 1 기준 상위 파장 RUW1 을 갖지만, 다른 실시형태들에서는, 제 1 및 제 2 기준 대역들 RB1 및 RB2 이 중첩하지 않을 수도 있는데, 여기서 중첩하지 않는다는 것은 제 1 기준 상위 파장 RUW1 이 제 2 기준 하위 파장 RLW2 이하라는 것을 의미한다.
도 4d 는 2 개의 기준 필터 (10 및 20) 를 이용하는 대안적인 실시형태를 도시하는데, 기준 대역들 RB1 및 RB2 중 어느 하나도 서스펙트 대역 SB 과 적어도 실질적으로 중첩하지 않지만, 서스펙트 대역의 양측에서 확장하고, 이는 제 1 기준 상위 파장 RUW1 이 서스펙트 하위 파장 SLW 보다 더 높지 않지만 선택적으로 동일할 수 있고, 제 2 기준 하위 파장 RLW2 는 서스펙트 상위 파장 SUW 보다 더 낮지 않지만 선택적으로 동일할 수 있다는 것을 의미한다. 이 도면은, 파장의 실질적으로 동일한 통과 범위를 갖는 2 개의 기준 대역들 RB1 및 RB2 를 나타내지만, 도 2e 에서 도시된 바와 같이, 2 개의 기준 대역들 RB1 및 RB2 는 파장들의 매우 상이한 통과 범위들을 가질 수도 있다.
대역들의 상대적인 위치 및 크기는, 필터들의 에지들의 허용오차, 서스펙트 대역통과의 폭, 서스펙트 대역의 흡수 라인의 분포, 및 횡감도 (cross sensitivity) 를 야기시킬 수도 있는 임의의 다른 가스들과 같은 수많은 요인들에 기초한다.
CO2 센서로서 동작하는 센서 (1) 의 예시에서, IR 방사선이 CO2 에 의해 흡수되는 스펙트럼 범위 λ (CO2) 가 존재한다. 이 스펙트럼 범위는 대략 4.2 내지 4.3㎛ 에 위치된다. 따라서, 서스펙트 대역 SB 는 약 4.0㎛ 에서 서스펙트 하위 파장 SLW 및 약 4.5㎛ 에서 서스펙트 상위 파장 SUW 을 갖는 것이 유리하고, 또는 4.1㎛ 내지 4.4㎛ 의 서스펙트 대역의 더욱 더 좁은 범위, 또는 CO2 의 스펙트럼 범위를 커버하는 임의의 다른 대역을 갖는다. 따라서, 이 기준 시작 및 상위 파장들은 유리하게 서스펙트 하위 파장 SLW 및 서스펙트 상위 파장 SUW 각각의 위 및 아래 약 0.5㎛ 로 연장할 수 있다.
도 5 는 도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 기준 대역 RB1 및 서스펙트 대역 SB 을 도시하고, 여기서 서스펙트 대역은 참조 문자 A 로 나타난 감소되지 않은 에너지를 갖는다. 이 에너지는 예를 들어 CO2 에 의해 흡수되는 양 C 만큼 감소된다. 서스펙트 대역의 양측에서 연장하는 제 1 기준 대역 RB1 의 2 개의 섹션들 각각은 참조 문자 B 로 나타난 에너지를 갖는다. 이 에너지는 CO2 에 의해 영향을 받지 않기 때문에 사실상 일정하다.
따라서, 상이한 에너지들이 검출기 장치 (7) 에 의해 검출된다. 검출기 장치 (7) 는, 예를 들어, 서스펙트 필터 (9) 를 통과하는 IR 방사선을 검출하는 제 1 검출기 (15), 및 제 1 기준 필터 (10) 를 통과하는 IR 방사선을 검출하는 제 2 검출기 (16) 를 갖는다. 2 개의 검출기들 (15, 16) 은 "서모파일" 로서 알려져 있는 열전기 엘리먼트의 형태일 수 있다. 예를 들어, 발생되는 IR 방사선에 의존하여, 각각의 검출기는 전압 또는 전류를 발생시키고, 이는 다시 말해서 더 좋은 전기 품질은 더 많은 IR 방사선이 입사된다는 것이다. 따라서, 제 1 검출기 (15) 는 신호 S1 를 발생시키고, 제 2 검출기 (16) 는 신호 S2 를 발생시킨다.
서모파일 (thermopile) 센서는 예를 들어 독일 비스바덴 (D-65199 Wiesbaden) 의 페르킨엘머 옵토일렉트로닉스 게엠베하 (PerkinElmer Optoelectronics GmbH) 에서 구입가능하다.
도 6a 는 필터 장치 (6) 의 구성의 하나의 단일 실시형태를 나타내는데, 여기서 서스펙트 필터 (9) 는 2 개의 필터 엘리먼트들 (11 및 12) 을 포함하고, 제 1 서스펙트 필터 (11) 는 서스펙트 상위 파장 SUW 을 정의하고 서스펙트 하위 파장 SLW 보다 낮은 하위 파장을 갖는다. 제 2 서스펙트 필터 엘리먼트 (12) 는 서스펙트 하위 파장 SLW 을 정의하고, 서스펙트 상위 파장 SUW 보다 실질적으로 더 높은 상위 파장을 갖는다. 동일한 방식으로, 제 1 기준 필터 (10) 는 제 1 기준 상위 파장 RUW1 및 제 1 기준 하위 파장 RLW1 각각을 정의하는 2 개의 필터 엘리먼트들 (13 및 14) 을 포함한다. 시스템에 도입된 이러한 필터들 (9 및 10) 의 수에 의존하여, 임의의 수의 필터 엘리먼트들 (11, 12, 13 및 14) 의 이러한 구성들은 필터 장치 (6) 에 도입될 수도 있다. 이 실시형태 및 임의의 다른 실시형태에서의 몇몇 필터 엘리먼트들은, 필터들이 동일한 단부 및/또는 하위 파장을 가지는 경우에 2 개 이상의 필터들에 대해 공통일 수도 있는 것으로 도 6b 에 도시되고, 여기서, 2 개의 '상위' 필터 엘리먼트들 (11 및 13) 은 하나의 공통 필터 엘리먼트이다.
도 6c 는 여분의 기준 필터, 즉, 제 2 기준 필터 (20) 를 갖는 유사한 센서를 나타내는데, 여기서 각각의 필터는 오직 상위 및 하위 파장들 모두에 대한 원하는 대역 통과 특성을 포함하는 단일 필터 엘리먼트 (21, 22, 23) 들, 이에 따라 서스펙트 필터 (21) 는 서스펙트 하위 파장 SLW 및 서스펙트 상위 파장 SUW 을 정의한다. 제 1 기준 필터 (22) 는 제 1 기준 상위 및 하위 파장들 RUW1 및 RLW1 모두를 정의하고, 제 2 기준 필터 (23) 는 제 2 기준 상위 및 하위 파장들 RUW2 및 RLW2 모두를 정의한다. 이 예시적인 실시형태에서, 2 개의 필터 엘리먼트들 (22, 23) 은, 실제적으로는 없는 동일한 검출기 (16) 에 접속되고, 예를 들어 2 개의 분리된 서모파일에 의해 필터 엘리먼트들의 신호들이 획득된 후에, 수학적으로 그 신호들을 가산한다.
도 6d 는, 도 6c 의 실시형태와 관련된 실시형태로서, 단지 제 3 검출기 (24) 가 제 2 기준 필터 (20) 에 접속된 실시형태이다.
예를 들어, 도 5a 내지 도 5d 에 개시된 것과 같은 필터 엘리먼트들 (11, 12, 13, 14) 의 임의의 조합, 치환, 갯수 및 위치지정이 본 발명에 적용된다는 것에 유의해야 한다.
일반적으로, 당업자에게는 알려진 바와 같이, 센서는 또한 2 개 이상의 가스를 측정하는데 이용될 수 있으며, 그리하여 단지 필요한 수의 센서들, 검출기들 등을 포함한다.
서모파일 센서에서, 일반적으로 온도 측정이 수행되기 때문에 (출력 신호가 온도에 따라 변화하기 때문에), 센서 주변의 온도의 측정은 이미 수행되었다. 실내의 방사선 온도가 센서 수단에 의해 획득가능하다는 것을 생각할 수 있기 때문에, 동시에 발생하는 2 개의 측정에 기초하여 실내 온도 또는 이와는 꽤 상이한 다른 것들을 제어하는데 이용될 수 있는 동작 온도를 직접 획득할 수 있다.
또한, IR 과 관련하여, 실내에서의 움직임의 측정이 예를 들어, 실내에 누군가 있다는 것을 나타내는 움직임의 상황에만 활성화된 환기 시스템을 제어하기 위해 이용될 수 있는 센서를 통해서 직접 가능하다는 것을 생각할 수 있다. 다양한 움직임 측정에 기초하여, 실내의 사람 수를 추정하는 것이 가능하고 이에 따라 이와 같은 추정이 제어 목적으로 이용가능하게 되어, 실내 온도 또는 환기가 실내에 있는 사람들의 수에 기초하여 제어/변경된다는 것을 생각할 수 있다.
도 6a 에 도시된 것과 같은 본 발명의 기본적인 센서는 평가 디바이스 (8) 에 공급되는 2 개의 신호들 S1, S2 에 의해 동작가능하다. 따라서,
이 주어지는데, 여기서, 
는 IR 흡수에 대한 정보를 포함하는 전기량, 예를 들어 전류 또는 전압이고, 
는 IR 흡수에 의해 영향을 받지 않는 기준량이다. S1 과 S2 사이의 차이가 형성되면 ("유효 기준" 은 서스펙트 대역을 포함하지 않는 기준 대역의 일부임), 이를 위해, 차이 형성기 (17) 가 도시되고, 이하의 크기가 획득된다:
그 차이 S1 - S2 는 제 1 검출기 (15) 의 출력 신호 S1 에 대해 정규화하여, 신호 S3 가 획득된다.
본 발명의 센서는 임의의 종류의 가스들, 예를 들어, 질소, 산화질소, 산소 또는 CO 를 측정하기 위해 이용될 수도 있고, 측정 가스들에 제한되지 않고, 액체 및 고체와 같은 다른 형태로 서스펙트를 측정하는데 이용될 수도 있다. CO2 로부터 서스펙트가 변화할 때, 통과 대역은 이에 따라 시프트되어야 하고, 이는 예를 들어, H2O 의 흡수 대역이 2.7㎛ 주위에 있다.
광원, 또는 방출체의 온도를 아는 것은, 말하자면 온도를 제거함으로써, 및/또는 서스펙트 및 기준 대역들과 같은 대역들의 파장 의존성을 제거하는 정규화에 의해, Iref 및 In 과 같은 양, 및/또는 S1 및 S2 와 같은 신호를 코러게이트 (corrugate) 하거나 또는 정규화하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 센서는, 그 센서 앞에 위치된 예를 들어 콜리메이터 (collimator) 와 같은 예를 들어 IR 방사선을 수집하거나 또는 포커싱하는 디바이스인, 추가적인 대역 통과 필터, 반사기, 수집 디바이스로서 기능하는 사파이어 윈도우와 같은 임의의 가능한 다른 광학적 컴포넌트를 더 포함할 수도 있다.
또한, 폐가스 모니터링을 위해 이와 같은 센서를 직접 이용할 수 있다. 이 목적을 위해, 이 센서는 굴뚝이나 배기장치에 설치된다. 이에 따라, 특히, 가열 시스템의 경우, 센서 (또는 복수의 센서들) 의 출력 신호를 통해서 연소가 제어될 수 있다.
본 발명은 전술한 설명 및 도면으로 제한되지 않고, 서스펙트 필터 (9) 및 기준 필터 (10, 20) 과 같은 필터들, 필터 엘리먼트들 (21, 22, 23), 검출기들 (15, 16, 24) 등의 임의의 수 및 변경을 포함하는 전술한 설명 및 도면의 임의의 변경이 본 발명에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 가스들을 측정하는 것에 제한되지 않고, 센서는 매질의 일부인 일반적인 물질들을 측정할 때에도 역시 구현될 수도 있으며, 여기서 매질은 그 자체를 기체로만 제한하지 않고, 예를 들어 액체일 수 있다.
Claims (10)
- 필터 장치 (filter arrangement), 상기 필터 장치의 하류에 배치된 검출기 장치, 및 상기 검출기 장치에 연결된 평가 디바이스를 갖는 센서로서,
상기 필터 장치는 제 1 기준 필터 및 제 2 기준 필터를 포함하고,
상기 2 개의 기준 필터들은 제 1 기준 대역 및 제 2 기준 대역을 각각 가지며,
상기 제 1 기준 대역 및 상기 제 2 기준 대역 내에서 측정된 강도 밀도들은 방사선 방출 소스의 온도를 추정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 센서는 적어도 서스펙트 대역 (suspect band) 내의 파장들을 갖는 방사선을 통과시키는 서스펙트 필터를 더 갖는, 센서. - 제 2 항에 있어서,
제 1 기준 및 제 2 기준은 기준 시스템을 구성하고,
상기 제 1 기준 및 상기 제 2 기준의 기준 대역들은 기준 대역 시스템을 구성하며,
상기 기준 대역 시스템은 상기 서스펙트 대역의 양측에 분포되는, 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 서스펙트 대역은 상기 기준 시스템의 대역들과 적어도 부분적으로 중첩하는, 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 서스펙트 대역 및 상기 제 1 기준 대역은 상이한 중심 파장들을 갖는, 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 서스펙트 대역은 상기 제 1 기준 대역 및 상기 제 2 기준 대역 모두와 적어도 부분적으로 중첩하는, 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 서스펙트 대역, 상기 제 1 기준 대역 및 상기 제 2 기준 대역 중 어느 하나도 임의의 공통 파장들을 포함하지 않는, 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 기준 대역 및 상기 제 2 기준 대역의 평균 또는 중간 강도 밀도 (또는 에너지) 는 동일한, 센서. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 서스펙트 대역의 평균 또는 중간 강도 밀도 (또는 에너지) 는 상기 제 1 기준 대역 및 상기 제 2 기준 대역의 평균 또는 중간 강도 밀도와 동일한, 센서. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는, 임의의 수의 상이한 물질들을 측정하기 위해, 각각 임의의 수의 서스펙트 통과 대역들을 갖는 임의의 수의 서스펙트 필터들, 및 또는 각각 임의의 수의 기준 통과 대역들을 갖는 기준 필터들을 포함할 수도 있는, 센서.
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