KR20120012426A - 이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템 - Google Patents

이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20120012426A
KR20120012426A KR1020110075123A KR20110075123A KR20120012426A KR 20120012426 A KR20120012426 A KR 20120012426A KR 1020110075123 A KR1020110075123 A KR 1020110075123A KR 20110075123 A KR20110075123 A KR 20110075123A KR 20120012426 A KR20120012426 A KR 20120012426A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
purity
gas
optical fiber
sensor package
purity sensor
Prior art date
Application number
KR1020110075123A
Other languages
English (en)
Inventor
후아 시아
안토니 제임스 죠지
레나토 구이다
제임스 다니엘 안탈레크
제임스 다니엘 클락
제프리 제임스 안드리츠
마이클 제임스 팔레쉬
데니스 안토니 파스큐아렐라
애니세토 도밍고 4세 반투그
Original Assignee
제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 제너럴 일렉트릭 캄파니 filed Critical 제너럴 일렉트릭 캄파니
Publication of KR20120012426A publication Critical patent/KR20120012426A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/004—CO or CO2
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0332—Cuvette constructions with temperature control
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0073—Control unit therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

이산화탄소(CO2) 순도 센서 패키지(80)는 광섬유 코어(82), 광섬유 코어(82) 내의 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(86), 및 광섬유 클래딩(90)을 포함한다. 열전도 감지 레이어(92)는 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(86)를 둘러싸는 광섬유 클래딩(90)의 일부분 주위에 배치된다. 가스 챔버(94)는 열전도 감지 레이어(92) 구비하는 광섬유 클래딩(90)을 에워싼다.

Description

이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템{FIBER OPTIC CARBON DIOXIDE PURITY SENSOR PACKAGE AND SYSTEM}
본 발명은 전반적으로 이산화탄소 순도(purity) 감지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광섬유 이산화탄소(fiber optic carbon dioxide) 순도 센서와 패키지에 관한 것이다.
다양한 가연성 및 유해 가스의 감지와 측정은 다양한 산업에서 중요한 기능이다. 예를 들어, 이산화탄소(CO2) 순도 감지와 측정은 종종 수요기반 환기량 조절법(demand-control ventilation), 교통, 탄소 포집, 식품 가공, 정유 공장, 화학 산업 및 산업시스템 정비와 같은 분야에서 바라는 또는 요구되는 기능이다.
CO2 순도 감지는 수년간 연구되어왔고, 전기적, 광학적, 전기화학적 센서에 기초한 많은 감지 예들이 시장에서 소개되어왔다. 현존하는 CO2 순도 모니터링 장비는 전형적으로 열전도도검출법(thermal conductivity detection, TCD) 또는 비분산 적외선(Nondispersive Infrared, NDIR) 광학 검출법에 기초한다. 열전도도검출법(TCD)은 비특이적(non-specific)이고 비파괴적인 특징을 가진 범용의 가스 분석 방법이나, 열 드리프트(thermal drifting) 문제 때문에 정확한 CO2 가스 순도 분석을 위한 높은 분석도(high resolution)를 제공하지 못한다. 유사하게, 비분산 적외선(NDIR) 광학 검출법은 CO2가 다른 탄화수소와 혼합될 때 CO2의 순도를 측정하는 것에 제한을 가진다. CO2 순도 모니터링을 위한 다른 방법은 가스 밀도 및 차압 기반 측정 방법의 사용을 포함한다. 외피를 벗겨낸 광섬유 끝단(bared fiber tip)과 일체화된(intergrated) 염료 임베디드 중합 박막(dye embedded polymeric thin film) 물질에 기초한 형광검출(fluorescence detection)은 유체 매체에서 CO2 순도를 모니터링하기 위한 다른 광학 방법이다. 그러나 이러한 방법들은 온도, 압력, 그리고 CO2 가스의 밀도의 차이에 의해 광흡수에서 변화가 발생하고, 이로 인하여 기준 변화(baseline drift)와 정확도 저하의 결과를 야기한다.
따라서, 전술한 문제의 하나 이상을 대처하기 위해 향상된 CO2 순도 측정 센서와 시스템의 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광섬유 코어(fiber core), 광섬유 클래딩(fiber cladding) 및 광섬유 코어 내의 주기 굴절률 조절 광섬유 격자 구조(periodic refractive index modulated fiber grating structure)를 포함하는 이산화탄소 순도 센서가 제공된다. 센서 패키지는 주기 굴절률 조절 광섬유 격자 구조 주위의 광섬유 클래딩의 한 부분에 대하여 위치된 열전도 감지 레이어(thermally conductive sensing layer) 및 나노 구조의(nanostructral) 열전도 감지 레이어와 광섬유 클래딩을 둘러싸는 가스 챔버를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광섬유 케이블을 통하여 광 신호(optical signal)를 제공하기 위한 광원과 광 신호를 수신하기 위한 CO2 순도 센서를 구비하는 이산화탄소(CO2) 순도를 측정하기 위한 시스템이 제공된다. CO2 순도 센서는 광섬유 클래딩 구조와 일체화된 열전도 감지 레이어를 갖는 주기 굴절률 조절 광섬유 격자 구조(periodic refractive index modulated fiber grating structure)를 포함한다. 시스템은 등온 상태에서 CO2 순도 센서를 유지하기 위한 열적으로 절연된 원통형 가스 챔버(thermally insulated cylindrical gas chamber), CO2 순도 센서로부터 반사된 광 신호를 수신하기 위한 광 검출기(photodetector) 및 반사된 광 신호를 분석하기 위한 광 검출기와 결합된 프로세싱 회로를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다지점(multi-pioint)에서 이산화탄소 순도 측정을 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 광 스플리터(splitter)를 통해 다수의 CO2 센서 패키지로 광 신호를 제공하기 위한 광원, 다수의 CO2 순도 센서 패키지로부터 반사된 광 신호를 수신하기 의한 광 검출기 어레이(photodector array) 및 반사된 광 신호를 분석하기 위한 광 검출기 어레이와 결합된 프로세싱 회로를 포함한다. CO2 순도 셈서 패키지는 광섬유 코어 내의 주기 굴절률 조절 광섬유 브래그 격자 구조(periodic refractive index modulated fiber Bragg grating structure) 및 광섬유 클래딩 구조와 일체화된 열전도 감지 레이어를 포함한다. CO2 순도 센서 패키지는 기준 온도와 기준 온도 변화량을 감지하기 위한 광섬유 코어 내의 아포다이즈드(apodized) 광섬유 브래그 격자 구조와 등온 상태에서 CO2 순도 센서 패키지를 유지하기 위한 열적으로 절연된 원통형 가스 챔버를 더 포함한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징과 측면, 이점은 후술하는 상세한 설명과, 동일한 기호는 동일한 요소를 나타내는 첨부되는 도면과 관련하여 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지를 포함하는 이산화탄소(CO2) 가스 순도 감지 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 다수의 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지를 포함하는 이산화탄소(CO2) 가스 순도 감지 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지의 표현도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 가스 검출을 위한 광섬유 CO2 가스 감지(fiber CO2 gas sensing, FGS) 어레이 패키지의 표현도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 온도의 함수로써의 FGS 파장 이동의 도식적 표현도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 파장 이동 변화량의 도식적 표현도이다.
도 7은 교번하는 공기와 CO2 가스 주기 측정을 위한 두 개의 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답 도식적 표현도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따르는 공기 혼합된 CO2 가스에 대한 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답의 도식적 표현도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따르는 N2 혼합 CO2 가스의 세 가지 광섬유 CO2 가스 센서로부터 CO2 가스 검출 감도의 도식적 표현도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 가스 순도 센서의 CO2 검출가능성의 도식적 표현도이다.
도 11은 혼합 가스로써 공기와 30% 내지 70%의 범위에 이르는 CO2 가스 농도의 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답의 도식적 표현도이다.
도 12는 공기 혼합 CO2 가스 내의 광섬유 CO2 가스 센서 응답의 재현성(repeatability)의 도식적 표현도이다.
도 13은 가스 유속의 함수로써의 광섬유 CO2 가스 순도 센서 진폭 응답의 도식적 표현도이다.
본 발명의 다양한 실시예의 구성요소를 표현할 때, 부정관사 “하나(a, an),” 정관사 “그(the),”“상기(said)”는 구성요소가 하나 또는 그 이상임을 의미한다. 용어 “포함하는(comprising),”“구비하는(including),” 그리고 “가지는(having)”은 포함을 의미하고 언급된 구성요소 외에 다른 추가적인 구성요소가 있을 수도 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지를 포함하는 이산화탄소(CO2) 가스 순도 감지 시스템(20)의 개념도이다. 전반적으로, 감지 시스템(20)은 광 결합기(optical coupler) 또는 순환장치(circulator)(24)와 광통신(light communication)하는, 가변 파장 광대역 광원(tunable, broadband light source)과 같은, 광원(22)을 포함한다. 광 결합기(24)는 광원(22)으로부터 전달된 광을 수신하고, 광섬유 케이블(26)을 통해 광의 일부(portion)를 전달한다. 광섬유 케이블(26)을 통한 광 전달은 광섬유 가스 센서 또는 광섬유 CO2 가스 순도 센서(30)으로 유입된다. 광섬유 가스 센서(30)에 의해 반사된 광의 일부는 광섬유 케이블(36)을 통해 광 검출기(32)에 의해 수신된다. 광 검출기(32)에 의해 생성된 변환된 광 신호는 프로세싱 회로 또는 데이터 획득 유닛(data acquisition unit)(38)에 전달된다. 일 실시예에 따르면, 무선 인터페이스(40)는 전기 신호를 데이터 획득 유닛(38)에 전달하고, 데이터 획득 유닛(38)은 반사된 신호를 CO2 가스의 순도를 모니터링하기 위해 사용한다. 다른 실시예에서는 이더넷(Ethernet) 케이블이 데이터 획득 유닛(38)에 전기 신호를 전달하기 위해 사용되고, 데이터 획득 유닛(38)은 전달된 신호를 샘플링 소스(sampling source) 또는 타겟 환경(target environment)으로부터 CO2 순도를 분석하기 위해 사용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 다수의 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지를 포함하는 이산화탄소(CO2) 가스 순도 감지 시스템(50)의 개념도이다. 일반적으로, 감지 시스템(50)은 1x2 광 스플리터(optical splitter)(54)와 광 통신하는 가변 파장 광대역 광원(tunable broadband light source)과 같은 광원(52)을 포함한다. 광 스플리터(54)는, 다수의 광섬유 케이블(58)을 통해 광을 통과시키고 광섬유 가스 센서(fiber gas sensors, FGS)(60)의 어레이로 진입하는 1xN 광 스플리터(56)로, 광 신호를 전송한다. 광섬유 가스 센서(60)에 의해 반사된 광 신호는 광 검출기 어레이(62)에 의해 수신된다. 일 실시예에 따르면, 파장-다중화 방법(wavelength-multiplexing method)이 사용된다. 광 검출기 어레이(62)로부터의 광 신호는 프로세싱 회로 또는 데이터 획득 유닛(66)으로 CO2 가스의 순도를 모니터링하기 위해 전달된다. 일 실시예에 따르면, 무선 인터페이스(64)는 전기 신호를 데이터 획득 유닛(66)으로 전달한다. 일 실시예에 따르면, 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지는 CO2 순도 감지를 위한 장치 안에 설치된다. 다수의 CO2 가스 순도 센서는 동시에 다지점에서의 CO2 순도 감지를 위해 여러 장소에 설치될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지(80)를 도시한다. 센서 패키지(80)는 광섬유 격자(fiber grating)(86, 88), 열 안정장치(thermal stabilizers)(100), 가스 챔버(94) 그리고 세로축(84)를 따라 연장되는 중심 광섬유 코어(central fiber core)(82)를 포함한다. 일 실시예에서 중심 광섬유 코어(82)는 게르마늄 다이옥사이드(GeO2) 또는 불소(fluorine, F) 도핑된 실리카(co-doped silica)를 포함하고 약 5 미크론(microns)에서 약 9 미크론의 지름을 가진다. 광섬유 코어(82)는 상이한 진폭 변조 프로파일(amplitude modulation profiles)을 가진 두 개의 굴절률 주기 변조 격자(86, 88)(two refractive index periodic modulated grating)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 주기 변조 격자는 아포다이즈드(apodized), 블레이즈드(blazed) 또는 블레이즈드 및 아포다이즈드 변조를 포함할 수도 있는데, 예를 들어, 이는 도파 모드 필드 에너지(guided mode field energy)를 광섬유 클래딩(90)에 분배(shed)하는 것에 의해 도파 코어 모드(guided core mode)와 클래딩 모드(cladding modes)의 결합을 증가시키기 위한 것이다. 일 실시예에서 격자 길이는 3 밀리미터(millimeters)에서 25 밀리미터이고 격자 형태는 브래그 격자(Bragg grating)를 포함한다.
일 실시예에서, 감지 레이어(92)는 변조 광섬유 격자(86)의 지역의 광섬유 클래딩(90) 주위에 형성되고, 격자(88)는 광섬유 코어(82) 내에 광섬유 격자 구조(86)에 대하여 세로축(84)을 따라 떨어진 아포다이즈드 광섬유 격자 구조(88)를 포함한다. 광섬유 격자 구조(88)은 센서의 베이스라인 온도와 또한 실시간 유입 가스 온도 변화에 기인한 베이스라인 온도 변화를 결정하기 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 가스 센서 베이스라인 변화를 정정할 수 있다.
광섬유 클래딩(90)은 광섬유 코어(82)의 원주에 배치되고, 일 실시예에서 약 125 미크론 외경의 순수 실리카 또는 불소 도핑된 실리카를 포함한다. 일 실시예에서, 광섬유 클래딩(90)은 광섬유 코어(82)를 통한 광 전달(light propagation)을 위한 도파관(waveguide)으로서 작용하도록 구성되었다. 광대역 가변 파장 광원(broadband tunable light source)(22)(도 1) 또는 (52)(도 2)는 광섬유 케이블과 광 통신하기 위해 배치되고 광섬유 코어(82)를 통해 전파되는(propagate) 근적외선을 방출한다.
광섬유 격자 구조(86)은 일 실시예에서 나노 구조 박막(nanostructural thin film)으로 구성된 열전도 감지 레이어(thermally conductive sensing layer)(92)에 의해 둘러싸여 있다. 일 실시예에서, 열전도 감지 레이어(92)는 마그네트론 스퍼터링 막 성장 공정(magnetron sputtering film growth process)에 의해 광섬유 브래그 격자 클래딩(90)에 배치된 금속 박막(92)을 포함한다. 마그네트론 스퍼터링 막 성장 공정의 일 실시예에 따라, 기판 온도 또는 광섬유 브래드 격자 온도는 주변 온도와 가깝고, 3.0×10-3 토르(Torr) 진공 챔버(vacuum chamber)가 사용된다. 열전도 감지 레이어(92)는 일 실시예에서 겹쳐진 3 레이어 구조(sandwitched triple layer structure)를 포함하고 첫 번째 레이어는 30-50 나노미터 두께의 티타늄(titanium) 또는 크롬(chrome) 기반 결합 물질(bonding material)을 포함하며, 중간 레이어는 100-400 나노미터의 열전도 물질(구리, 금, 알루미늄 등)을 포함하고, 최상 레이어는 산화, 부식, 침식으로부터 감지 물질을 보호하기 위해 30-50 나노미터의 캡핑 레이어(capping layer)로써 니켈, 티타늄, 금 또는 그들의 결합물을 포함한다. 일 실시예에서, 감지 레이어(92)의 두께는 50-500 나노미터의 범위이다. 몇몇 실시예에서 열전도 비금속 막이 감지 레이어로써 사용될 수도 있다.
가스 챔버(94)는 가스 유입구(gas inlet)(96)와 가스 배출구(gas outlet)(98)를 포함하고 광섬유 센서와 유입 가스 스트림(stream)의 상호 작용을 유지하기 위해 사용된다. 가스 챔버(94)는 밀봉 봉인되고 유리섬유 기반 단열 물질로 보호될 수 있으며, 열적으로 고에너지 상태에서 광섬유 격자 구조(86)를 유지, 다시 말해, 광섬유 격자 구조(86)의 온도를 증가시킨다. 예를 들어, 만약 잠재적인 최고 유입 가스 온도가 섭씨 100도라면, 그 후에 광섬유 격자 구조 온도는 섭씨 100도 보다 높은 온도로 증가된다. 일 실시예에서, 광섬유 격자 구조 온도는 유입 가스 온도보다 적어도 섭씨 20도 높게 유지된다. CO2 가스는 가스 유입구(96)를 통해 가스 챔버(94)로 유입되어 감지 레이어(92) 및 광섬유 격자 구조(86)와 상호작용하고 가스 배출구(98)를 통해 가스 챔버(94)에서 배출된다. 일 실시예에서, 유입구와 배출구는 그 사이에 직접적인 가스 통로를 제공하지 않기 위한 곳에 선택되고, 챔버(94)를 통한 통로는 지그재그 가스 흐름 통로(gas flow path)(106)이다. CO2 가스와 센서(80) 사이의 열에너지 전달은 광섬유 코어(82)를 통한 광 신호 전달의 파장 이동(wavelength shift)를 야기한다. 열에너지 전달은 CO2 가스 열용량과 비열(specific heat) 특성에 의존하기 때문에, 파장 이동은 혼합 가스에서 측정된 CO2 가스 농도 또는 CO2 순도와 상관(correlate)될 수 있다. 광섬유 CO2 가스 센서 응답 속도는 감지 레이어(92)의 열전도 특성에 의존한다는 것도 주목해야 한다.
일 실시예에서 3-방향 스위치 밸브(three-way switch valve)(미도시)는 CO2 순도 감도와 지그재그 가스 흐름 통로(106)를 구별하기 위해 시험가스(testing gas) 또는 혼합 CO2 가스가 가스 챔버(94) 안에 주입되기 전에 가스 챔버(94) 안에 기준 가스(reference gas)를 순환시키기 위해 가스 유입구(96)에 제공될 수 있다. 열 안정장치(thermal stabilizer)(100)는 온도를 안정화하기 위해 가스 챔버(94)와 가스 유입구(96)에 배치된다. 다시 말해, 열 안정장치(100)는 주변 온도 변화로부터 센서를 보호하고 등온 상태에서 센서 패키지를 유지하기 위해 제공된다. 열 안정장치는 일 실시예에서 가스 센서 패키지 열변동을 0.1oC보다 작게 유지한다. 열 안정장치는 항온에서 가스 챔버를 유지하기 위한 열전대(thermocouple)(미도시) 및 온도 제어기(미도시)와 결합될 수 있는 히팅 테이프(heating tape) 또는 히팅 패드(heating pad) 또는 히팅 와이어(heating wire)를 포함할 수 있다. 또한, 밸브(102)는 가스 흐름을 통제하기 위해 제공될 수 있고, 유량계(104)는 가스 흐름량을 측정하기 위해 제공될 수 있다.
광섬유 격자 구조(86)는 CO2 가스의 작은 비열비(1.294), 저 비열용량(0.84 KJ/Kg.K), 고 융해열(196.1 kJ/kg) 그리고 기화열(571 KJ/Kg) 특성 때문에 CO2 가스 농도와 구성요소를 측정하기 위해 열민감 센서로서 기능될 수 있다. 표 1은 몇 가지 가스의 물리적 화학적 특성을 나타낸다. 표 1에서 도시된 바와 같이, CO2 가스는 나머지 가스보다 높은 분자량을 갖는다. 게다가, 기화열 또한 높지만 열전도율은 상대적으로 작다. 따라서, CO2 가스가 광섬유 격자 구조와 상호작용할 때 감지 레이어 통합 광섬유 격자 구조(sensing layer integrated fiber grating structure)는 열에너지를 CO2 가스 스트림(stream)에 잃을 것이다. 따라서, 파장 이동은 가스 스트림에 의해 변조될 것이다. 열에너지(thermal energy) 또는 히트에너지(heat energy)는 광섬유 격자 구조(86)에서 CO2 가스로 인출 또는 전달될 때, 광섬유 격자의 열에너지 또는 온도는 떨어지고 반면에 히트에너지가 광섬유 격자(86) 주위에서 추가되면 광섬유 격자의 열에너지 또는 온도는 증가한다. 따라서, 만약 광섬유 CO2 가스 센서(80)가 안정된 작동 조건에서 유지된다면, 임의의 온도 변화는 광섬유 격자 구조(86)에서 파장 이동을 변조할 것이다. 일 실시예에서 열에너지 변화는 광섬유 격자 구조(86) 너머의 가스 흐름과 그 사이의 열에너지 교환에 의하여 발생한다.
주변 온도
Figure pat00001
에서 광섬유 격자 구조(86)의 공진 파장
Figure pat00002
은 아래와 같이 주어지며,
Figure pat00003
(1)
여기서
Figure pat00004
은 광섬유 코어의 유효 굴절률을,
Figure pat00005
는 광섬유 격자 구조 변조 주기를 나타낸다.
Figure pat00006
또한, 온도
Figure pat00007
에서 광섬유 격자 구조(86)의 파장 응답
Figure pat00008
는 다음과 같이 주어지며,
Figure pat00009
(2)
여기서
Figure pat00010
는 pm/0C 로 주어진 광섬유 격자 온도 응답 계수이고,
Figure pat00012
는
Figure pat00013
의 교정 인자에 따른 광섬유 격자의 엔탈피(enthalpy) 또는 전체 열에너지 교환이다. 대개 열에너지 교환은 가스 스트림 온도의 변화와 비례하고, 이것은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00014
(3)
감지 레이어(92)의 추가로, 광섬유 격자 구조(86)의 파장 응답은 다음과 같이 주어지며,
Figure pat00015
(4)
여기서 k 는 변조 광섬유 CO2 가스 순도 센서 온도 응답 감도를 나타낸다.
감지 레이어(92)는 유효 열전달 매체(effective heat transfer medium)로서 작용하는 열전도 물질을 포함하고 CO2 가스 열교환 공정에 의해 유도된 주위 온도 변화에 광섬유 브래그 격자 감도를 증가시키는데 사용된다. 감지 레이어(92)의 물질은 물질의 열특성에 기초하여 또한 물질이 특정 혼합 가스와 상호작용하는 방법에 기초하여 선택된다. 일반적으로 가스 센서는 빠른 응답 시간을 요구한다. 따라서 수 초 내에 CO2 가스에 응답하는 물질이 감지 레이어를 위해 유용하다. 일 실시예에서 광섬유 CO2 가스 순도 센서(80)로부터 주목한 만한 응답을 가지기 위해 감지 레이어(92)는 항온 환경(constant temperature environment)에서 높은 열전도와 높은 질량 밀도를 가지는 물질을 포함한다. 높은 열전도 감지 레이어는 광섬유 브래그 격자에서 가스 스트림으로의 빠른 열에너지 교환을 제공한다. 일 실시예에서, 전도 감지 레이어의 열전도율은 약 71 W/m.K에서 약 429 W/m.K의 범위일 수 있다. 박막 감지 레이어 물질의 예는 알루미늄(aluminum), 구리(copper), 니켈(nickel), 코발트(cobalt), 은(silver), 금(gold), 팔라듐(palladium) 그리고 플래티늄(platinum)을 포함한다. 예는 조절된(controlled) 다공성 구조 또는 나노입자 형태의 다이아몬드(diamond), 다이아몬드 유사 탄소(diamond-like carbon, DLC), 인듐 주석 산화물(Indium tin oxides, ITO)을 더 포함한다. 수십 나노미터에서 수백 나노미터에 이르는 일반적인 두께를 가진 박막 감지 레이어는 CO2 가스와 그 순도 변화 유도 온도 변화에 유용한 응답 속도를 제공할 수 있다.
광섬유 CO2 가스 순도 센서 온도(TFGS) 보다 낮은 온도(TGAS)의 유입 가스가 CO2 가스 순도 센서 패키지(80)를 통해 배출되면, 감지 레이어(92)를 따라 열 활성화 광섬유 격자 구조(thermal energized fiber grating structure)(86)는 열에너지를 가스 스트림으로 소모시킬 것이다. 일 실시예에서 열 안정장치의 온도는 변조 파라미터(modulation parameter)로서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 열 안정장치 제어 가스 챔버 온도는 CO2 가스 스트림이 광섬유 가스 센서 패키지 챔버를 통해 통과하면 섭씨 20-50도 떨어질 수도 있다. 또 다른 실시예에서, CO2 가스의 증발열 계수는 감지 레이어에서 흡수된 CO2 분자가 얼마나 빨리 기화될 수 있는지를 결정하기 위한 다른 변조 파라미터로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 순수 CO2 가스의 증발열 계수는 571 kJ/kg이지만, 공기의 증발열 계수는 199 kJ/kg이고, 질소는 200 kJ/kg이다. 따라서 다양한 혼합 CO2 가스의 순도는 일정 가스 유속 하에 광섬유 가스 센서 신호의 보정된(calibrated) 진폭 응답과 시간 응답에 의해 얻어질 수 있다.
일 실시예에서 열에너지 전달의 빠른 응답을 위해 감지 물질(92)은 나노 다공성 구조(nanoporous structure)를 포함할 수 있다. 나노 다공성 구조는, 광섬유 센서에서 유동 가스로 열 에너지를 전달함으로써 그리고 그 반대로써, 혼합 가스 분자가 쉽게 그 안으로 확산되게 하고 또한 밖으로 확산하도록 허용한다. 일 실시예에서, 감지 물질(92)는 약 20-26도씨의 낮은 스퍼터링(sputtering) 온도를 사용하는 것에 의해 제어된 나노 다공성 형태(nanoporous morphology)로 광섬유 브래그 격자 상에 스퍼터링된다. 다른 실시예에서, 열에너지 전달의 빠른 응답을 위해 가스 유입구와 가스 배출구는 가스 흐름 스트림(gas flow stream) 방향이 광섬유 센서 축에 평행하지 않도록 경방향 모드(lateral mode)로 설계된다. 스트림 방향이 평행하지 않으면, 지그재그 가스 흐름 통로(106)가 발생하고 광섬유 센서 표면 감싸는 안정 제로 유속 레이어(steady zero flow rate layer) 없이 가스 스트림의 직접적인 열 에너지 교환 프로세스를 가능하게 한다.
도 4는 가스 검출을 위한 광섬유 CO2 가스 감지(FGS) 어레이 패키지(120)를 보여준다. 일 실시예에서 가스 센서는 다른 농도 범위에서 다른 CO2 가스에 대해 다른 감도를 가질 수 있다. 다른 실시예에서 광섬유 가스 센서 어레이는 스피시어스 가스 이상 징후(specious gas anomalous event)를 결정하기 위해 사용된다. 따라서 FGS 어레이 패키지(120)는 혼합 가스의 다양성에서 CO2 가스 순도가 결정되어질 때 이용될 수 있다. 각 FGS 어레이는 다른 CO2 가스 검출 감도에 적합한 다른 감지 레이어 물질을 가질 수 있다. FGS 레이어 패키지는 광섬유 격자 구조(122)와 아포다이즈드(apodized) 광섬유 격자 구조(124)의 다수의 광섬유 가스 센서 어레이(121)를 포함한다. 도 4에서 보여지는 일 실시예에서, 4개의 어레이의 광섬유 격자 구조가 이용된다. 각 어레이는 광섬유 클래딩(128)의 V 홈(126) 안에 배치되고 도 3의 레이어(92)와 같은 열전도 감지 레이어(미도시)와 일체화된다. 특정 CO2 가스 구성과 농도를 결정하기 위해 필요하다면, 각 어레이를 위한 감지 레이어는 특정 가스 농도 범위에서 CO2 순도를 감지하기 위해 다른 감지 물질 또는 같은 물질로 기능화될 수 있다. 예를 들어, 어레이의 하나는 공기와 섞인 낮은 CO2 농도의 혼합 가스에서 CO2 순도를 감지하기 위해 최적화될 수 있고, 다른 어레이는 높은 CO2 농도 혼합 공기 가스에서 CO2 순도를 감지하기 위해 최적화될 수 있다. 일 실시예에서, 어레이의 모든 센서는 공기 농도가 5% CO2 가스 혼합보다 낮은지를 결정하기 위해 사용될 수 있고, 이는 수소 냉각 가스 발생기 유지 공정(hydrogen-cooled generator maintenance processes)을 위한 CO2의 중요한 공기 농도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도의 함수로의 FGS 파장 이동의 그래프(130)이다. 그래프 (130)는 나노 다공성 구리(Cu) 물질과 500㎚의 두께로 기능화된 광섬유 가스 센서에 관한 것이다. 그래프(130)으로부터 확인할 수 있듯이, 열 센서로써 데시벨 밀리와트(dBm)로 측정된 중심 피크 파워(central peak power)는 온도가 주변 온도에서 섭씨 90도까지 증가됨에 따라 업시프트(upshift)를 보여준다. 그래프(130)으로부터, FGS 피크 위치(132)는 온도에 따라 변하고, 따라서 온도 종속성을 갖는다. 이 종속성은 이후 광 신호의 반사율로 변환되고 혼합 가스에서 CO2의 순도를 측정하기 위해 사용된다.
도 6은 섭씨온도(0C)에 대하여 나노미터(㎚)의 파장 이동 변화량의 그래프(140)를 나타낸다. 그래프(140)로부터 광섬유 가스 센서 파장 이동과 11.5pm/oC의 노출된(bared) FBG 온도 감도(미도시)보다 약 15.6% 높은 13.3 pm/0C 의 감도를 갖는 외부 온도 사이에 선형관계(linear relationship)가 존재하는 것을 볼 수 있다. 500㎚보다 얇은 두께의 감지 레이어를 갖는 다양한 감지 물질에 대해, 감도는 약 (13.5±0.3) pm/oC이다.
도 7은 CO2 순도 측정을 위한 광섬유 CO2 가스 센서 응답의 그래프(150)이다. 그래프(150)는 두 개의 응답을 포함한다. 응답(152)은 감지 레이어로서 500㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서를 위한 것이고, 다른 응답(154)은 감지 레이어로서 100㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서를 위한 것이다. CO2 순도를 측정하기 위한 장치는 두 개의 가스 1) CO2 및 2) 공기를 125 0C 가스 챔버 온도에서 택일적으로 포함하였다. 광섬유 가스 센서의 피크 파장은 CO2와 공기 순환에 따라 증가 또는 감소한다. 이와 같이, CO2에서 공기 가스 흐름으로 두꺼운 감지 레이어(500㎚)를 가진 센서의 응답은 50pm 내지 250pm이나, 얇은 감지 레이어(100㎚)를 가진 센서의 응답은 50pm 내지 225pm이다. 또한, 그래프(150)는 두 개의 센서로부터의 응답 시간이 거의 동일함을 보여 준다.
도 8은 공기 혼합 CO2 가스 측정의 전 범위에 대한 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답의 다른 그래프(170)를 보여준다. 이 광섬유 가스 순도 센서는 500㎚의 감지 레이어의 니켈 물질을 갖는다. 보여지듯이, 공기 혼합 CO2 가스가 측정되기 위한 장치는 100% CO2에서부터 시작하여 100% 공기로 측정되고, 이후 CO2 순도는 95%부터 5%까지 감소된다. 그래프는 CO2 순도를 구별하기 위해 각 측정 사이에서 100% 공기의 사이클을 가지며 CO2에 대한 광섬유 CO2 가스 센서 감도를 분명히 보여준다. CO2를 희석하기 위한 건조 공기가 장치로 도입되었다. 그래프로부터 볼 수 있듯이, 광섬유 가스 센서의 출력 광 신호의 피크 파장은 CO2 순도의 증가 또는 감소에 따라 증가하거나 감소한다. 일 실시예에서 광섬유 가스 센서 프로토타입(prototype)은 CO2 순도 변화에 대하여 적어도 5% 감도(sensitivity) 또는 검출 능력(detectability)을 가진다.
도 9는 N2 혼합 CO2 가스를 가지며 세 개의 광섬유 가스 순도 센서로부터의 CO2 가스 검출 감도의 그래프(180)이다. 그래프(180)는 세 개의 응답을 포함한다. 응답(182)은 감지 레이어로 500㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 것이고, 응답(184)은 감지 레이어로 500㎚ 알루미늄을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 것이며, 다른 응답(186)은 감지 레이어로 500㎚ 구리를 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 것이다. 그래프(180)에서 볼 수 있듯이, 500㎚ 두께의 감지 레이어에 대하여, 알루미늄, 구리, 그리고 니켈 코팅 광섬유 가스 센서는 섭씨 125도에서 가스 패키지가 유지된다면 N2 혼합 CO2 가스에 대해 0.75±0.08 pm/percent의 감도를 가진다. 공기는 N2와 구성(composition)이 유사하기 때문에, 1% CO2 당 0.7pm은 전형적인 감도를 나타낸다. 그러나 일 실시예에서, 감도는 열 안정장치의 온도를 상승시키는 것에 의해 또는 센서 패키지와 유입 가스 온도 사이의 온도 차이를 넓혀는 것에 의해 향상될 수 있다. 다른 실시예에서, 감도는 가스 유속의 증가에 의해 향상될 수 있다. 이 실시예에서 CO2 순도 센서 감도는 이러한 기술이 적용되지 않은 실시예보다 1.5 - 2배 높다.
도 10은 CO2 순도 측정을 위한 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답의 다른 그래프(190)를 보여준다. 그래프(190)는 광섬유 가스 순도 센서에 의해 CO2 순도 검출의 3개 범위를 포함한다. CO2 순도를 측정하기 위한 장치는 도시되는 바와 같이 먼저 90% CO2를 포함하고, 이후 CO2 순도는 90%에서 97%까지 증가된다. CO2를 희석하기 위해 건조 공기가 혼합 가스의 제조를 위해 장치 안으로 유입되고 그 후 혼합 가스는 가스 센서 패키지로 공급된다. 광섬유 가스 센서와 희석된 CO2 가스 사이의 열 에너지 교환은, 상이한 비열 용량(specific heat capacity)과 증발 잠열 계수 변동(latent heat of vaporization coefficient variation) 때문에 광섬유 가스 센서의 파장 이동을 변화시킨다. 광섬유 가스 센서의 피크 파장 이동은 다양한 CO2 순도에 의해 증가 또는 감소한다. 광섬유 가스 센서 프로토타입은 CO2 순도 변화에 대하여 적어도 1% 감도 또는 검출 성능을 가지는 것을 응답으로부터 확인할 수 있다. 가스 센서 응답 진폭과 시간은 가스 유속 증가에 의해 향상될 수 있음을 주목해야 한다.
도 11은 CO2 순도 측정을 위한 광섬유 가스 센서 응답의 또 다른 그래프(220)를 보여준다. 그래프(220)는 공기와 혼합된 30% 내지 70%의 넓은 범위의 CO2 농도를 측정함에 있어, 광섬유 가스 센서의 성능을 나타낸다. 베이스라인(220)은 광섬유 가스 센서가 열 안정장치 온도에 의해 결정된 높은 파장 상태로 있도록 가스 센서 챔버를 통하는 가스 흐름이 없음을 나타낸다. 그래프(220)는 또한 상이한 CO2 가스 농도가 상이한 파장 강하 이동(down shifts)를 야기함을 보여준다. 베이스라인과 최대 파장 강하 이동 사이의 차이는 이후 CO2 가스 순도 센서를 교정하기 위해 사용될 수 있다.
도 12는 공기 혼합 CO2에서 광섬유 CO2 가스 센서 응답(240)의 재현성 또는 장기 안정성을 보여준다. 시험 가스는 공기와 혼합된 30% CO2이다. 가스 센서는 310-360분에서 약 50분 간의 가스 차단을 가지면서 760분 동안 순환된다. CO2 농도가 일정하기 때문에 최대 파장 강하 이동은 0.5% 오차 범위 안에서 유지된다.
도 13은 가스 유속의 함수로서 광섬유 CO2 가스 센서 진폭 응답(260)을 도시한다. 가스 유속은 300sccm부터 900sccm까지 변화되고, 진폭의 변조는 약 224pm 내지 약 650pm에서 관찰된다. 따라서, 그래프(260)에서 확인할 수 있듯이, 파장 강하 이동 또는 응답 진폭 및 응답 시간은 가스 유속에 의존한다. 등속 하에서, 광섬유 가스 센서의 파장 응답은 CO2 순도 또는 혼합 CO2 가스로 교정될 수 있다.
따라서, 단일 지점(single point) 또는 복수 지점(multi-point) CO2 순도 감지 시스템은 CO2 가스 농도의 함수로 하나 이상의 광섬유 가스 센서의 파장 이동을 교정하기 위해 설치되어왔다. 상술한 CO2 순도 센서의 이점 중 하나는 높은 감도 또는 검출 성능이다. 센서는 0% 내지 100% 범위에서 CO2 순도를 측정할 후 있고, 낮은 복잡성을 가지며, 어려운(harsh) 환경에서 안전하게 적용될 수 있다. 따라서, 센서가 설치된 장치를 위한 안전 대책은 덜 복잡하게, 덜 비싸게 될 수 있다.
본 발명의 어떤 특정한 특징이 본 명세서에서 예시되고 서술되었으나, 다양한 수정과 변경이 당업자에 의해 발생할 것이다. 그러므로 첨부된 청구항은 본 발명의 진정한 사상에 포함되는 모든 수정과 변경을 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
20 이산화탄소(CO2) 가스 순도 감지 시스템
22 광원(Light Source)
24 광결합기(Optical Coupler)
26 광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)
30 광섬유 CO2 가스 순도 센서
32 광 검출기(Photodetector)
36 광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)
38 데이터 획득 유닛(Data Acquisition Unit)
40 무선 인터페이스
50 CO2 가스 순도 감지 시스템
52 광원
54 광스플리터(Optical Splitter)
56 1xN 광스플리터
58 광섬유 케이블
60 광섬유 가스 센서
62 광 검출기 어레이
64 무선 인터페이스
66 데이터 획득 유닛
80 광섬유 CO2 가스 순도 센서 패키지
82 중심 광섬유 코어(Central Fiber Core)
84 세로축
86, 88 굴절률 주기 변조 격자(Refractive Index Periodic Modulated Gratings)
90 광섬유 클래딩(Fiber Cladding)
92 감지 레이어
94 가스 챔버
96 가스 유입구
98 가스 배출구
100 열 안정장치(Thermal Stabilizers)
102 밸브
104 유량계(Flow Meter)
106 지그재그 가스 흐름 통로(Zigzag Gas Flow Path)
120 광섬유 가스 감지(FGS) 어레이 패키지
121 광섬유 가스 센서 어레이
122 광섬유 격자 구조
124 아포다이즈드(Apodized) 광섬유 격자 구조
126 V 홈
128 광섬유 클래딩
130 온도 기능으로서FGS 파장 이동 그래프
132 FGS 피크 포지션
140 온도에 대한 파장 이동 다양성에 대한 그래프
150 CO2 순도 측정을 위한 광섬유 CO2 가스 센서 응답 그래프
152 감지 레이어로 500㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 응답
154 감지 레이어로 100㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 응답
170 공기 혼합 CO2 가스 측정의 전 범위에 대한 광섬유 CO2 순도 센서 응답 그래프
180 N2 혼합 CO2 가스의 세가지 광섬유 CO2 가스 순도 센서로부터의 CO2 검출 감도 그래프
182 감지 레이어로 500㎚ 니켈을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 응답
184 감지 레이어로 500㎚ 알루미늄을 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 응답
186 감지 레이어로 500㎚ 구리를 가진 광섬유 CO2 가스 센서에 대한 응답
190 CO2 순도 측정에 대한 광섬유 CO2 가스 순도 센서 응답 그래프
220 CO2 순도 측정에 대한 광섬유 가스 센서 응답 그래프
222 베이스라인
240 공기 혼합 CO2 가스의 광섬유 CO2 센서 재현 응답(Repeatability Response)
260 가스 유속 함수로의 광섬유 CO2 가스 센서 진폭 응답

Claims (10)

  1. 이산화탄소(carbon dioxide, CO2) 순도 센서 패키지(purity sensor package)(80)에 있어서,
    광섬유 코어(fiber core)(82)와,
    광섬유 클래딩(fiber cladding)(90)과,
    상기 광섬유 코어(82) 내의 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(periodic refractive index modulated fiber grating structure)(86)와,
    상기 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(86)를 둘러싸는 상기 광섬유 클래딩(90)의 일부분 주위에 배치된 열전도 감지 레이어(thermally conductive sensing layer)(92)와,
    상기 열전도 감지 레이어(92)와 상기 광섬유 클래딩(90)을 둘러싸는 가스 챔버(94)를 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    베이스라인 온도와 상기 베이스라인 온도의 변화를 감지하기 위한 아포다이즈드 광섬유 격자(apodized fiber grating)(88)를 더 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 챔버(94)는 밀봉 봉인되고,
    상기 이산화탄소 순도 센서 패키지는 주변 온도 변화로부터 상기 센서 패키지(80)를 보호하고 등온 상태에서 센서 패키지를 유지하기 위한 유리섬유 보호 열 안정장치(fiberglass protected thermal stabilizer)(100)를 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    열전도 물질의 열전도율의 범위는 약 71 W/m.K 내지 약 429 W/m.K인
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 은, 금, 팔라듐 또는 플래티늄을 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 제어된 다공성 구조 또는 나노입자 형태의 다이아몬드, 다이아몬드 유사 탄소(diamond-like-carbon) 또는 인듐 주석 산화물을 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도 감지 레이어(92)는 티타늄 또는 크롬 기반 결합 물질의 제 1 레이어, 상기 열전도 물질의 중간 레이어, 그리고 산화, 부식 및 침식에 대해 상기 열전도 물질을 보호하기 위한 캡핑 레이어를 포함하는 하부 레이어를 포함하는 겹쳐진 3 층 레이어 구조(sandwitched triple layer structure)를 포함하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(86)는 다수의 광섬유 브래그 격자 구조(Bragg grating structures)를 포함하고,
    상기 열전도 감지 레이어(92)는 각각의 주기 굴절률 변조 광섬유 브래그 격자 구조에 대하여 배치된 다수의 열전도 감지 레이어를 포함하고,
    상기 열전도 감지 레이어의 적어도 일부는 상이한 형태의 혼합 가스의 CO2 순도를 측정하기 위해 기능하는
    이산화탄소 순도 센서 패키지.
  9. 이산화탄소(CO2) 순도 측정 시스템(20)에 있어서,
    광섬유 케이블(fiber optic cable)(26)을 통해 광 신호를 제공하기 위한 광원(22)과,
    상기 광 신호를 수신하기 위한 CO2 순도 센서(30) -상기 CO2 순도 센서(30)는 광섬유 클래딩 구조(90)와 일체화된 열전도 감지 레이어(92)를 갖는 주기 굴절률 변조 광섬유 격자 구조(86)를 포함함- 와,
    등온 상태에서 상기 CO2 순도 센서(30)를 유지하기 위한 열적으로 절연된 원통형 가스 챔버(thermally insulated cylindrical gas chamber)(94)와,
    상기 CO2 순도 센서(30)로부터 반사된 광 신호를 수신하기 위한 광 검출기(photodetector)(32)와,
    상기 반사된 광 신호를 분석하기 위해 상기 광 검출기(32)와 결합되는 처리 회로(38)를 포함하는
    이산화탄소 순도 측정 시스템.
  10. 다-지점(multi-point) 이산화탄소(CO2) 순도 측정 시스템(50)에 있어서,
    광 신호를 광 스플리터(optical splitter)(54)를 통해 다수의 CO2 순도 센서 패키지(60)로 제공하기 위한 광원(52)과,
    상기 다수의 CO2 순도 센서 패키지(60)로부터 반사된 광 신호를 수신하기 위한 광 검출기 어레이(62)와,
    상기 반사된 광 신호를 분석하기 위해 상기 광 검출기 어레이(62)와 결합된 처리 회로(66)를 포함하되,
    상기 CO2 순도 센서 패키지(60) 각각은,
    광섬유 코어(82) 내의 주기 굴절률 변조 광섬유 브래그 격자 구조(86) 및 광섬유 클래딩 구조(90)와 일체화된 나노구조(nanostructural) 열전도 감지 레이어(92)와,
    베이스라인 온도와 상기 베이스라인 온도의 변화를 감지하기 위한 상기 광섬유 코어(82) 내의 아포다이즈드(apodized) 광섬유 브래그 격자(88)와,
    등온 상태에서 상기 CO2 순도 센서 패키지(60)를 유지하기 위한 열적으로 절연된 원통형 가스 챔버(94)를 포함하는
    다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템.
KR1020110075123A 2010-07-29 2011-07-28 이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템 KR20120012426A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/845,871 2010-07-29
US12/845,871 US8467977B2 (en) 2010-07-29 2010-07-29 Fiber optic carbon dioxide purity sensor package and system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120012426A true KR20120012426A (ko) 2012-02-09

Family

ID=44586744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110075123A KR20120012426A (ko) 2010-07-29 2011-07-28 이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8467977B2 (ko)
JP (1) JP2012032398A (ko)
KR (1) KR20120012426A (ko)
DE (1) DE102011052233A1 (ko)
GB (1) GB2488613B (ko)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8768112B2 (en) 2010-10-22 2014-07-01 General Electric Company System having fiber optic purity sensor
US8542955B2 (en) * 2010-10-28 2013-09-24 General Electric Company Gas detection system incorporating fiber gas sensors having fiber bragg gratings
CN103107842B (zh) * 2012-09-05 2015-11-25 华为技术有限公司 分光器端口识别系统
EP3036940B1 (en) 2013-09-25 2018-02-28 Sony Corporation Telecommunications apparatus and methods
EP3036962B1 (en) 2013-09-25 2021-04-07 Sony Corporation Telecommunications apparatus and methods
ES2947167T3 (es) 2013-10-31 2023-08-02 Sony Group Corp Aparato y métodos de telecomunicaciones
US9453807B2 (en) * 2014-04-08 2016-09-27 Ams International Ag Thermal conductivity gas sensor with amplification material
JP6767376B2 (ja) 2015-01-30 2020-10-14 ソニー株式会社 電気通信の装置及び方法
CN107251455B (zh) 2015-02-12 2021-02-19 康维达无线有限责任公司 电信设备和方法
WO2016155984A1 (en) 2015-03-31 2016-10-06 Sony Corporation Telecommunications apparatus and methods
CN106770738B (zh) * 2016-12-03 2024-02-20 浙江大学 一种二氧化碳浓度修正的呼出气多组分检测仪及检测方法
US10760803B2 (en) 2017-11-21 2020-09-01 Emerson Climate Technologies, Inc. Humidifier control systems and methods
US11226128B2 (en) 2018-04-20 2022-01-18 Emerson Climate Technologies, Inc. Indoor air quality and occupant monitoring systems and methods
EP3781879A4 (en) 2018-04-20 2022-01-19 Emerson Climate Technologies, Inc. SYSTEMS AND METHODS WITH VARIABLE ATTENUATION THRESHOLDS
WO2019204789A1 (en) 2018-04-20 2019-10-24 Emerson Climate Technologies, Inc. Indoor air quality sensor calibration systems and methods
US11421901B2 (en) 2018-04-20 2022-08-23 Emerson Climate Technologies, Inc. Coordinated control of standalone and building indoor air quality devices and systems
US11486593B2 (en) 2018-04-20 2022-11-01 Emerson Climate Technologies, Inc. Systems and methods with variable mitigation thresholds
US11371726B2 (en) 2018-04-20 2022-06-28 Emerson Climate Technologies, Inc. Particulate-matter-size-based fan control system
US20210223164A1 (en) * 2018-05-11 2021-07-22 Carrier Corporation Detection system
EP3835774A4 (en) * 2018-08-10 2022-04-20 TDK Corporation GAS SOR
CN108838594B (zh) * 2018-08-23 2023-10-27 北京通为科技有限公司 光纤光栅传感器的封装结构
DE102019120699A1 (de) * 2019-07-31 2021-02-04 Wagner Group Gmbh Gasmessvorrichtung mit Heizeinrichtung

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5714121A (en) 1995-09-28 1998-02-03 Optical Sensors Incorporated Optical carbon dioxide sensor, and associated methods of manufacture
DE19900019B4 (de) 1999-01-02 2004-12-02 Robert Bosch Gmbh Faseroptischer Sensor
US6989246B2 (en) 2002-01-10 2006-01-24 Becton, Dickinson And Company Sensor formulation for simultaneously monitoring at least two components of a gas composition
CA2372637A1 (en) 2002-02-20 2003-08-20 Institut National D'optique Packaged optical sensors on the side of optical fibres
US20070048181A1 (en) 2002-09-05 2007-03-01 Chang Daniel M Carbon dioxide nanosensor, and respiratory CO2 monitors
US7421162B2 (en) * 2005-03-22 2008-09-02 General Electric Company Fiber optic sensing device and method of making and operating the same
US7151872B1 (en) 2005-11-22 2006-12-19 General Electric Company Method, system and module for monitoring a power generating system
US20070243624A1 (en) 2006-04-12 2007-10-18 Proton Energy Systems Inc. Hydrogen emission reporting system and method thereof
US7792392B2 (en) 2006-12-09 2010-09-07 University of Pittsburgh—of the Commonwealth System of Higher Education Fiber optic gas sensor
US7489835B1 (en) 2008-03-28 2009-02-10 General Electric Company Sensing system with fiber gas sensor
EP2202548A1 (en) 2008-12-23 2010-06-30 Nederlandse Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO Distributed optical chemical sensor
US8547553B2 (en) 2010-03-17 2013-10-01 General Electric Company Fiber optic hydrogen purity sensor and system

Also Published As

Publication number Publication date
GB2488613B (en) 2014-07-30
US8467977B2 (en) 2013-06-18
GB2488613A (en) 2012-09-05
GB201112281D0 (en) 2011-08-31
JP2012032398A (ja) 2012-02-16
US20120029835A1 (en) 2012-02-02
DE102011052233A1 (de) 2012-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20120012426A (ko) 이산화탄소 순도 센서 패키지, 이산화탄소 순도 측정 시스템 및 다-지점 이산화탄소 순도 측정 시스템
US8547553B2 (en) Fiber optic hydrogen purity sensor and system
Zalvidea et al. Hydrogen sensor based on a palladium-coated fibre-taper with improved time-response
KR20120047815A (ko) 가스 감지 시스템
WO2016086856A1 (zh) 一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法
Zhao et al. Quasi-distributed fiber optic temperature and humidity sensor system for monitoring of grain storage in granaries
Sun et al. A real-time response relative humidity sensor based on a loop microfiber coated with polyvinyl alcohol film
Allsop et al. Low refractive index gas sensing using a surface plasmon resonance fibre device
Liu et al. Low-power-consumption fiber-optic anemometer based on long-period grating with SWCNT coating
Wang et al. Fiber tip Michelson interferometer for temperature sensing based on polymer-filled suspended core fiber
Zhang et al. Research on fabrication and sensing properties of fiber-coupled whispering gallery mode microsphere resonator
Ke et al. Optical fiber evanescent-wave sensing technology of hydrogen sulfide gas concentration in oil and gas fields
Wang et al. Performance-enhanced optical fiber hydrogen sensors based on WO3-Pd2Pt-Pt composite film with controlled optical heating
Liu et al. Enhanced sensitivity of transmission based optical fiber hydrogen sensor with multi-layer Pd–Y alloy thin film
Matjasec et al. All-optical, all-fiber, thermal conductivity sensor for identification and characterization of fluids
US20170229724A1 (en) System and method for monitoring a reactor system using optical fiber based sensors
Hou et al. High sensitivity flow velocity sensor based on all-fiber target-type structure
Rodriguez-Rodriguez et al. Polymer optical fiber moisture sensor based on evanescent-wave scattering to measure humidity in oil-paper insulation in electrical apparatus
Hribar et al. Fiber-optic boiling point sensor for characterization of liquids
Li et al. Temperature-compensated fiber-optic gas flow speed sensor based on the ‘Hot-wire’principle
JP2010271254A (ja) 光ファイバ温度測定器
Lyu et al. Fiber Bragg Grating Thermal Gas Flow Sensor by 980 nm Laser Heating
Fang et al. A fiber-optic high-temperature sensor
Yang et al. Optical Fiber Sensors with Coatings as Sensitive Elements
Montanini Wavelength-encoded optical psychrometer for relative humidity measurement

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid