KR20120013297A - 매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매질(2) 내의 고체 입자를 분석하는 시스템(1)에 관한 것으로, 매질(2) 내에 광 필드(30)를 생성할 수 있는 조명 수단(3), 상기 광 필드(30)의 방향(31)으로 배열되고, 생성된 광 필드(30)의 적어도 일부(30')를 포획하는 수단(4) 및 상기 매질(20) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30'')를 검출하는 주 검출 수단(5)을 포함한다. 이 시스템에서, 주 검출 수단(5)은 매질(2) 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30'')를 위한 광 검출기(52) 및 상기 매질(2) 내의 고체 입자를 카운팅하는 카운터(53)를 포함하고, 상기 주 검출 수단(5)은 생성되는 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 10 내지 20˚의 범위로 각을 형성하는 방향(51)으로 배치된다. 또한 본 발명은 그러한 분석 시스템(1)을 구현하는 매질(2) 내의 고체 입자를 분석하는 방법에 관한 것이다.

Description

매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR ANALYSING SOLID PARTICLES IN A MEDIUM}

본 발명은 매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 대기 중 고체 입자의 양(농도, 사이즈 분포, 전체 질량, 성질 등)을 검출하고 측정하는 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 공기, 예컨대 주변 공기, 산업 폐기물 또는 엔진 가스의 질을 개선하기 위해 에어로졸을 연속적으로 측정하도록 적용된다.

보다 구체적으로, 본 발명은 매질 내의 고체 입자를 분석하는 시스템에 관한 것이고, 시스템은 매질 내에 광 필드를 생성할 수 있는 조명 수단, 상기 광 필드의 방향으로 배열되고 생성된 광 필드의 적어도 일부를 포획하는 포획 수단 및 상기 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 주 검출 수단을 포함한다.

또한, 본 발명은 매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법에 관한 것이고, 매질 내에 광 필드를 생성하는 조명 단계, 상기 광 빔의 방향으로 배열되고 생성된 광 필드의 적어도 일부를 포획하는 포획 단계 및 상기 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 단계를 포함한다.

공중 위생 상 입자의 영향은 대기 중의 고체 입자를 검출하고 측정하는 고정밀 기구의 구현이 요구되고, 그 기구는 사이즈가 일반적으로 몇 마이크로미터 이하인 작은 사이즈의 입자뿐만 아니라 그을음과 같은 어두운 입자도 포함하는 임의의 성질의 입자를 검출할 수 있어야 한다.

대기 중의 고체 입자를 측정하는 제 1 기술은 필터를 사용하여 입자를 샘플링하고, 필터링된 입자의 무게를 측정하는 것에 의한 수동 중량 측정하는 것으로 구성된다. 이 기술은, 법률상의 관점으로부터 참조로 고려되고, 수동 처리의 필요성으로 인해 실시간 현장 모니터링 작동을 위해서는 부적절하다.

공지된 제 2 기술은 현장 모니터링 작동에 알맞은 자동 측정을 획득하기 위해 진동 미량 천칭 장치를 사용하도록 구성된다. 그러한 측정의 약점은 주변 조건, 구체적으로 휘발성 성분이 존재하는 경우의 입자 조성뿐만 아니라 습도에 의존하는 것이다. 이러한 의존성을 보상하기 위해, 후천적으로 결정된 계수를 추가함으로써 경험적인 수정이 수행되지만, 그 수정은 제한적이고 거의 확실하지 않은 것으로 입증된다.

공지된 제 3 기술은 베타 방사선의 흡수로 구성된다. "베타 게이지(Beta gauge)"라고 불리는 이 해결책은 방사선원의 사용을 포함하고, 또한 실시간 이용 가능하지 않은 것으로 입증된다. 실제로, 고체 입자의 농도에 따라, 측정 결과는 잘해야 매 시간마다 획득될 수 있다. 게다가, 작은 크기 입자의 경우 이 기술의 검출 최저 한도는 더 악화된다.

측정 정확도를 개선하기 위해 그리고 샘플을 파괴하는 것을 방지하기 위해, 비간섭적 광학 측정을 사용하는 해결책은 사이즈 범위당 분포뿐만 아니라 매질의 입자 농도를 결정하기 위해 발전되어 왔다. 이 기술은 에어로졸 농도의 높은 시간 변화에 민감하고, 아주 작은 농도를 검출할 수 있다.

이 해결책은 주로 샘플을 획득하고, 덕트 내로 에어로졸-형태의 고체 입자를 운반하는 것으로 구성된다. 레이저 방사선 방출 장치는 이 고체 입자에 방사하고, 따라서 이 방사선의 확산을 이끌어낸다. 검출 장치는 확산된 광의 일부를 수집하도록 방출 장치를 향해 배열된다. 이 수집된 확산된 광은 사이즈 범위 순위를 가질뿐만 아니라 입자 개수의 정량적인 측정(카운트)을 달성될 수 있게 하고, 이후 그 정량적인 측정이 질량 농도로 변환될 수 있다.

몇 가지 광학 측정 수단이 알려져 있다. 제 1 수단은 고체 입자의 농도 변화와 관련된 유속 변화를 동시에 측정하는 광도계이다. 따라서, 광도계 측정으로부터 단위시간당 고체 입자의 농도 변화를 유도할 수 있다. 제 2 수단은 펄스 검출기에 의해 입자의 존재를 분석하는 에어로졸 카운터이다. 이 기술은 최소 사이즈 임계값과 최대 사이즈 임계값 사이에서 입자 농도의 평가를 가능하게 한다. 또한 검출된 광속의 세기를 통해 입자의 사이즈를 측정할 수 있다. 또한 혼성 결과를 획득하기 위해 이러한 두 개의 수단을 결합할 수 있다.

광학 측정을 기반으로 한 해결책은 미국 특허 문서 2003/0054566에 설명된다. 이 문서에서, 고체 입자를 포함하는 에어로졸이 측정 셀로 도입된다. 레이저 빔은 측정 셀의 안쪽에 입구 창을 가로지르고, 에어로졸 유속을 차단한다. 레이저 빔은 에어로졸의 광에 방해물을 구성하는 입자 상에서 회절된다. 그리고나서 레이저 빔을 회절시킴으로써 생성되는 확산된 광은 출구 윈도우를 가로지르고, 이후 렌즈의 수단에 의해 검출기를 향해 포커싱된다. 따라서, 입자에 의해 확산된 광의 측정이 획득된다.

하지만, 이 해결책은 큰 약점을 갖는다. 고체 입자에 의해 확산된 광의 수집은 허용 가능한 측정 정확도를 획득할 수 있게 하지 않는다. 따라서, 이 기술에 의해 제공되는 결과는 정확하지 않고, 구체적으로 그을음과 같은 작은 크기의 어두운 입자의 존재하는 경우 그러하다.

또 다른 해결책은 특허 문서 CA 2 017 031에 설명된다. 이 문서에서, 광원은 분석되는 매질의 방향으로 광 빔을 생성한다. 확산된 광 수집기는 투명 및 형광 물질을 더 포함한다. 광 수용기는 확산된 광이 나가는 곳으로부터 수집기의 일부 영역에 광학적으로 결합되는 것과 같이 구성된다.

이 해결책의 약점은 검출기의 위치 및 구현 복잡성에 있다. 이 검출기 구성은 측정 결과와 관련하여 높은 정확도를 획득하기 위해 확산된 광의 충분한 양을 항상 제공하지 않으며, 구체적으로 어둡고/어둡거나 흡수성 입자 및 작은 사이즈 입자에 관해서 그러하다.

또 다른 해결책은 미국 특허 문서 5,043,591에 설명된다. 이 문서에서, 입자를 분석하는 시스템은 제 1 오목 거울의 초점에서 샘플의 흐름의 방향에 대하여 직각으로 샘플을 차단하기 위해 구성되는 -예컨대 레이저에 의해 생성되는- 광 빔뿐만 아니라 제 1 산란 챔버, 제 1 산란 챔버 내에 층류로 형성되는 유체 샘플을 제공하는 수단을 포함한다. 이 제 1 오목 거울은 샘플 내의 개별적인 입자에 의해 확산된 광을 적어도 광 수집기로 향하게 하기 위해 사용된다. 또한 시스템은 비확산된 광을 포획하는 수단뿐만 아니라, 분석을 위한 전기 신호로 수집된 광을 변환하고 처리하는 수단을 포함한다. 따라서 확산된 광의 보다 중요한 유속을 수집할 수 있고, 따라서 입자에 의해 확산된 광의 측정의 정확도를 개선할 수 있다.

여전히 이 문서에서, 가장 근거리 초점에 구성되고 원거리 초점이 광 빔 및 샘플의 중간 지점에 있도록 배치되는 광 수집기 및 제 2 오목 거울을 포함하는 제 2 산란 챔버를 안내하기 위해 제 1 오목 거울에서 개방을 수행하는 것이 제공된다. 이 제 2 산란 챔버의 목적은 개별적인 입자에 의해 작은 각으로 확산된 광을 검출하고 분석할 수 있게 하는 것이다. 실제로 이 광 빔의 부분은 입자의 크기를 결정하는 시야와 함께 데이터를 제공한다.

따라서, 이 해결책은 사이즈 카테고리에 의해 입자를 분류하는 것뿐만 아니라, 입자의 상이한 형상-구형 또는 비구형-을 구별하기 위해 샘플 내의 개별적인 입자를 실시간 개별적으로 카운트하는 것 모두를 가능할 수 있게 한다.

하지만 이 해결책의 약점은 비용이 많이 들고 구현이 복잡하다는 것이다. 실제로, 산란 챔버, 조준 광학장치 및 오목 거울은 수집기를 향해 더 많은 확산된 광을 제공하는 반면에, 비교적 비용이 많이 들고 조립하데 어려움을 제공한다.

더욱이, 공지된 광학 측정 기술과 관련하여, 입자의 사이즈 및 성질과 관련된 매우 상이한 상황은 특정 산란 각에서 유사한 광속이 발생하게 할 수 있고, 따라서 이 기술은 입자의 성질의 확인을 위해 거의 신뢰성이 없게 된다.

따라서, 기술과 관련된 해결책은 입자의 사이즈 및 상이한 성질, 구체적으로 어둡고/어둡거나 작은 사이즈 입자의 경우에서 평가하고, 동시에 구현하는 것이 간단하고 저렴하도록 측광 측정 및 작은 크기의 입자의 농도를 결정하기 위해, 정확한 실시간 카운팅을 수행할 수 있게 하지 않는다.

본 발명은 매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 대상은 다음과 같은 기술 복잡성을 개선하는 것이다; 즉, 본 발명의 목적을 위해, 광 수단에 의해 생성되는 광 필드의 방향에 대하여 30˚보다 작은 각을 형성하는 방향으로 배향되도록, 달성과 구현이 간단하고, 카운팅 및 측광 요소를 포함하는 검출 수단을 제공한다. 상기 각으로 회절되는 광의 세기의 측정은 그 성질과는 거의 관계없이 사이즈 범위 당 입자의 수를 평가하는 것을 가능하게 한다.

해결책의 접근은 상이한 광학 지수 및 0.3 내지 30 마이크로미터 범위의 직경의 투명한 또는 흡수성 입자와 관련하여 광의 거동을 연구하고, 입증하고, 이후 상이한 성질의 실제 입자를 이용하여 개념을 조정하는 것이었다. 따라서, 놀랍게도 검출은 실질적으로 20˚보다 작은 산란 각에 대해 더 높은 레벨을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

이를 위해, 본 발명의 대상은 매질 내의 고체 입자를 분석하는 시스템이되, 상기 시스템은 매질 내에 광 필드를 생성할 수 있는 광 수단, 광 필드의 방향으로 배열되고, 생성된 광 필드의 적어도 일부를 포획하는 포획 수단 및 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 주 검출 수단을 포함한다. 이 시스템에서, 주 검출 수단은 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 광 검출기 및 이 매질 내의 고체 입자를 카운팅하는 카운터를 포함하고, 주 검출 수단은 생성되는 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 30˚보다 작은 각을 형성하는 방향으로 배향된다.

이 해결책은 렌즈 또는 오목거울과 같이 시스템의 방해물을 증가시키고, 시스템 구현을 더욱 복잡하게 하는, 입자에 의해 확산된 광을 수집하는 수단을 사용하지 않고, 고체 입자의 실시간 분석을 위한 정확한 시스템을 간단히 달성할 수 있게 한다. 이를 위해, 본 발명은 어둡고 사이즈가 작은 입자의 더 우수한 검출을 획득하기 위한 산란 각을 사용한다. 이 검출 각은 측정된 유속 상에 입자 굴절 지수의 영향을 최소화한다.

실제로, 30˚보다 작은 각에 대해서는, 입자가 흡수성 또는 비흡수성이라는 사실은 확산된 광의 양에 거의 영향을 끼치지 않는다. 이 양은 입자의 직경에 의해 조절되고, 알베도(albedo), 즉, 밝고 어둡다는 사실에 의하지 않고 조절된다. 더 높은 산란 각에 대해서는, 확산된 광은 주로 입자의 흡수 전력에 의존하며, 입자가 더 작을수록 흡수성이 더 높아진다. 따라서, 60˚내지 180˚에서 측정을 수행하던 종래의 도구는 광 및/또는 투명한 입자를 용이하게 검출하지만, 입자가 어두운 경우에는 단지 큰 사이즈의 입자만을 검출한다.

바람직하게는, 주 검출 수단은 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 10˚내지 20˚의 각을 형성하는 방향으로 배향된다. 10˚의 산란 각에서 측정은 실제로 광원에 의한 오염으로 인해 최선은 아니다.

바람직하게는, 주 검출 수단은 광원의 방향에 대하여 실질적으로 15˚와 동일한 각을 형성하는 방향으로 배향되고, 고체 입자의 최선의 카운팅을 달성할 수 있게 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 또한 분석 시스템은 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 적어도 하나의 상보적인 수단을 포함하고, 이 상보적인 검출 수단은 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 광 검출기 및 이 매질 내의 고체 입자를 카운팅 하는 카운터를 포함한다. 따라서, 상이한 각으로 배열되는 몇 개의 검출 수단, 즉, 0 내지 30˚사이에서 주요 수단 및 40˚내지 140˚사이에서 적어도 하나의 상보적인 수단을 사용함으로써, 실험 기반의 참조 실험 평가와 비교하여, 측정은 분석된 대기 내의 대다수 입자들의 성질을 평가하기 위해 산란 각에서 동시에 획득된다.

실제로, 실질적으로 40˚내지 140˚ 범위의 제 2 산란 각에서의 측정은 인덱스에 매우 의존적인 산란된 유속을 만들고, 그리하여 입자의 성질을 보다 구체적으로 평가할 수 있게 한다.

바람직하게는, 적어도 하나의 상보적인 검출 수단은 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 40˚내지 140˚의 범위로 각을 형성하는 방향으로 배향된다.

이 경우에서 바람직하게는, 이 상보적인 검출 수단은 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 100˚와 동일한 각을 형성하는 방향으로 배향된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 상보적인 검출 수단은 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 60˚와 동일한 각을 형성하는 방향으로 배향된다.

본 발명의 바람직한 대안적인 실시예에 따르면, 또한 분석 시스템은 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 적어도 하나의 상보적인 검출 수단을 포함하고, 이 상보적인 검출 수단은 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 광 검출기 및 이 매질 내의 고체 입자를 카운팅하는 카운터를 포함하고, 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 160˚와 동일한 각을 형성하는 방향으로 배향된다.

본 발명의 시스템에 따르면, 따라서 적절하게 선택된 각으로 배열되는 몇 개의 검출 수단의 구성은 입자와 관련된 상이한 정보를 동시에 평가할 수 있게 한다.실제로, 0 내지 20˚에서 검출 수단에 의해 제공되는 입자 농도 외에, 수화물로부터 및 단지 액체 형태 내에 있는 것으로부터 건식 고체 입자를 구별할 수 있다.

본 발명의 구체적이고 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 카운터는 대응하는 검출 수단에 의해 생성된 신호를 처리하는 블록을 포함한다.

이 경우 바람직하게는, 검출 수단에 의해 생성되는 펄스 신호는 전자 잡음으로 인한 오검출(false detection)을 제거하기 위해, 신호 길이가 매질 내의 고체 입자의 속도에 의존하는 임계값을 초과하지 않는다면, 대응하는 신호 처리 블록에 의해 거부된다.

광 검출기 및 카운터는 고체 입자에 대한 상보적인 정보를 획득하기 위해 결합된다. 광 검출기는 사이즈 카테고리에 의해 입자를 분류할 수 있게 하고, 카운터는 사이즈 범위당 입자에 대한 단위부피당 농도뿐만 아니라, 단위부피당 총 입자 농도를 제공하기 위해 송신되는 광학 펄스를 검출함으로써 고체 입자를 카운팅할 수 있게 한다.

본 발명의 구체적이고 대안적인 실시예에 따르면, 또한 분석 시스템은 확산된 광 필드를 분석하는 편광 분석 수단을 포함한다. 카운팅 및 측광 수단을 편광 분석 수단과 결합함으로써, 제공되는 결과, 구체적으로 입자 성질과 관련된 정확도의 개선을 허용하는 상보적인 정보의 세트가 획득된다.

구체적인 실시예에서, 광 수단은 레이저 다이오드로 구성되는 광원을 포함한다.

또 다른 구체적인 실시예에서, 광 수단은 광 빔의 일부를 선택할 수 있게 하는 조리개를 포함하고, 광 필드의 일부, 예컨대 가장 밝은 부분 또는 가장 균질한 부분을 선택할 수 있게 한다.

또 다른 구체적인 실시예에서, 포획 수단은 광학 총 및 광 포획기를 포함한다. 광 수단에 의해 생성되는 광 필드의 방향 내에 위치하는 포획 수단은 검출 수단에 의해 수행되는 측정을 크게 간섭하는 것으로부터 비확산된 광을 방지할 수 있게 한다. 광학 총은 비확산된 광을 광 포획기로 안내하여, 검출 수단에 도달할 수 있게 한다.

본 발명의 구체적이고 예시적인 실시예에서, 분석 시스템은 산란 챔버를 포함하되, 상기 산란 챔버는 고체 입자 샘플을 포함하고, 광 수단에 의해 생성되는 광 필드의 적어도 일부를 차단하도록 구성된다. 이 챔버를 사용하여 분석되는 입자의 샘플을 수용할 수 있고, 광 수단, 포획 수단 및 검출 수단은 챔버 내에 제공되는 개구에 배열된다.

바람직하게는, 또한 분석 시스템은 기결정된 속도에서 산란 챔버를 따라 샘플을 구동하기에 적절한 고체 입자의 샘플을 구동하는 수단을 포함한다. 이 수단은 챔버 내의 고체 입자의 속도를 모니터하고, 따라서 분석되는 매질의 흐름 비율을 알 수 있게 한다.

바람직하게는, 또한 분석 시스템은 고체 입자를 필터링하는 수단을 포함하되, 상기 수단은 크기에 따라 고체 입자를 선택하도록 산란 챔버의 입구에 배열된다. 따라서, 분석되는 입자의 사이즈 범위는 필터링될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 분석 시스템은 입자에 의해 확산된 광을 수집하고 포커싱하는 임의의 수단을 포함하지 않는다.

본 발명은 또한 매질 내의 고체 입자를 분석하는 방법과 관련되고, 매질 내에 광 필드를 생성하는 방사 단계, 이 광 빔의 방향으로 배열되고, 생성된 광 필드의 적어도 일부를 포획하는 포획 단계 및 이 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 검출 단계를 포함한다. 이 분석 방법에서, 확산된 광 필드를 검출하는 단계는 매질 내의 고체 입자에 의해 확산된 광 필드의 광 검출을 수행하는 단계 및 이 매질 내의 고체 입자를 카운팅하는 단계이고, 이 검출 단계는 생성되는 광 필드의 방향에 대하여 실질적으로 30˚보다 작은 각을 형성하는 방향으로 달성된다.

본 발명은 비제한적이고 예시적인 실시예의 상세한 설명 및 첨부된 각각의 도면을 참고하는 경우 더 명백히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 매질 내의 고체 입자를 분석하는 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 매질 내의 고체 입자를 분석하는 시스템의 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 매질 내의 고체 입자를 분석하는 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분석 시스템의 카운터의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 매질(2) 내의 고체 입자를 분석하는 시스템(1)은 조명 수단(3), 광 포획 수단(4), 고체 입자 검출 수단(5) 및 산란 챔버(6)를 포함한다. 이 시스템을 사용하여, 에어로졸의 입도 측정치(granulometry), 즉 직경에 따라 사이즈 범위당 입자 농도를 획득할 수 있다.

조명 유닛(3)은 광원(31) 및 조리개(32)를 포함한다. 조명 유닛(3)은 조명 유닛(3)이 생성하는 광 필드가 산란 챔버(6)로 이동하는 고체 입자에 의해 차단되고, 따라서 이동한 입자가 광을 회절시키도록 구성된다.

광원(31)은 레이저 다이오드일 수 있고, 레이저 다이오드의 전력은 일반적으로 약 10 또는 20 밀리와트 일 수 있고, 예상치 못하게 또는 간접적으로 눈으로 빔을 보는 경우에도 큰 위험이 존재하지 않는다. 빔은 서로 90˚에서 두 개의 정규 분포를 갖는 길쭉한 형상이다. 그것은 또한 대부분 3.5 × 1.5 밀리미터의 면적을 갖는 직사각형 형상으로 고려할 수 있다. 따라서, 빔은 빔의 더 긴 측이 수직으로, 즉 챔버에 평행하게 산란 챔버(6)를 가로지르고, 따라서 빔 내의 입자를 위해 가능한 가장 긴 전송 시간을 제공한다. 실린더형인 챔버는 22 밀리미터 직경을 갖고, 챔버 내의 빔의 부피는 0.1155 입방 센티미터이다. 이 광원(31)은 정해진 방향(31)으로 광 빔(30)을 방출한다.

조리개(32)는 광원(31)의 전방에 배치되어, 이 광원에 의해 생성된 광 필드(30)의 일부만을 선택한다. 예컨대, 광 빔(30)의 가장 밝거나 가장 균질한 부분이 선택된다.

주 검출 수단(5)은 광 검출기(52) 및 카운터(53)를 포함한다. 이 검출 수단은 광원(31)에 의해 생성되는 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 15˚와 동일한 각(α)을 형성하는 방향(51)으로 배향되도록 배열된다. 작은 산란 각으로 이 각의 자리 맞춤에서는 입자가 흡수하는 전력의 효과는 거의 영향이 없다. 30˚이상에서, 흡수 효과는 커지고, 확산되는 유속은 상당히 떨어진다. 따라서, 10˚내지 20˚의 산란 각에 대해 측정을 수행하는 것은 몇 가지 장점을 갖는다. 확산된 유속이 최대이다. 1 마이크로미터보다 큰 크기를 고려하면, 액체 액적은 아주 적은 양만 나타나고, 확산된 유속은 오직 고체 입자로부터만 발생한다. 더 큰 각에서는, 흡수하는 고체 입자에 의해 확산된 유속은 매우 적어지게 되고, 특정 사례에서, 큰 크기의 잔여 액체 입자에 의해 확산된 유속과 혼동될 수 있다.

광 검출기(52)는 포토다이오드이고, 따라서 바람직하게는 수집기 영역은 산란 챔버 내의 총 광속을 관찰하기 위해 가장 가능성이 크다. 포토다이오드 수집기 영역은 일반적으로 3.6 평방 밀리미터일 수 있다. 이 광 검출기는 수신된 광속을 전기 신호로 변환할 수 있게 한다.

카운터(53)는 수신된 확산된 유속으로부터 포토다이오드(52)에 의해 변환되는 전기 펄스의 검출기를 포함한다.

30˚보다 작은 각에 대하여, 보다 구체적으로 15˚의 각에 대해서는, 카운팅 기술은 우수한 정확도로 약 1 내지 10 마이크로미터의 직경을 갖는 고체 입자의 농도를 획득할 수 있게 한다. 더욱이, 이 각에서 확산된 유속의 세기는 검출된 입자의 직경의 정성적인 평가를 실질적으로 제공할 수 있게 한다. 따라서, 예컨대 3 개의 사이즈 범위: 1 마이크로미터 미만, 1 내지 2.5 마이크로미터 및 2.5 내지 10 마이크로미터에서 입자의 농도를 제공할 수 있다. 장치 교정(입자 사이즈에 따라 측정된 유속의 값)은 가능한 가장 밝은 것으로부터 가장 어두운 것까지 상이한 성질의 입자를 사용함으로써 수행된다. 따라서, 광 산란(예컨대, "미 산란(Mie scattering)")을 계산하는 이론적인 모델의 사용은 필요치 않다.

카운터(53)는 스퓨리어스(spurious) 광으로부터 발생한 신호로부터 산란된 입자에 대응하는 전기 펄스를 구별하고 필터링하도록 수신된 신호를 처리해야 한다. 이 요소는 검출기에 의해 수신된 광속의 크기의 순서를 고려해야 한다.

이를 위해, 카운터(53)는 아날로그-디지털 변환 블록(54) 및 신호 처리 블록(55)을 포함한다. 3.5 mm의 두께의 레이저 빔에서 시간당 1 입방 미터의 흐름 비율, 에어로졸의 전송 시간은 초당 약 5 미터이다. 따라서 아날로그-디지털 변환 블록(54)은 입자가 빔을 가로지르는 경우 펄스 폭을 관찰하도록 충분한 샘플링을 갖기 위해, 적어도 10 kHz의 주파수에서 작동한다. 그러므로 수십 개의 포인트는 펄스의 길이 및 세기를 특징지을 수 있게 할 것이다. 신호 처리 블록(55)은 도 4를 참조하여 아래에서 더 설명될 것이다.

통상의 기술자는 렌즈, 보다 일반적으로 광을 수집하고 포커싱하는 수단이 분석 시스템(1)에 통합되지 않고, 생산 비용을 더 쉽고 높게 절감하는 시스템의 통합을 만드는 것에 주목할 것이다. 통상의 기술자는 또한 렌즈의 부재는 구체적으로 주위 매질의 온도가 차이 나거나 장치의 핸들링 중, 발생 가능한 광학적 오작동 문제뿐만 아니라 스퓨리어스 광을 감소시킬 수 있게 함을 명백하게 인식할 것이다. 또한 이 부재는 몇 도의 각도 폭에서만 시야(field of view, FOV)를 감소시킬 수 있게 하여, 기결정된 이론상 또는 데이터베이스로부터 측정값의 비교를 개선할 수 있게 한다.

또한 통상의 기술자는 광 빔 흐름 비율, 단면 및 챔버 사이즈 값은 여기에서 예로써 주어진 것임을 유념할 것이다. 장치는 더 낮거나 더 높은 흐름 비율로 작동할 수 있고, 따라서 광원 빔의 크기의 조절 및 검출 속도의 최적화는 간단하게 요구된다.

광 포획 수단(4)은 광학 총(41) 및 광 포획기(42)를 포함한다. 포획 수단(4)은 비확산된 광, 즉, 광의 궤적이 빔을 가로지르는 입자에 의해 분열되지 않아서, 검출기에 의해 수집되지 않고 결국 분열되지 않는 광을 포획할 수 있게 한다.

광학 총(41)은 광 빔 진행을 따라 스퓨어리스 광 반사를 최소화할 수 있게 한다.

광 포획기(42)는 광 빔 진행의 말단에서 빔에 의한 스퓨리어스 광 반사를 방지할 수 있게 한다.

제 2 광학 총(43)은 광학 챔버의 크기로 검출기의 FOV를 조절하고, 관찰된 산란 각 영역을 제한할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 광학 총(41)은 렌즈와 함께 광 섬유에 의해 대체된다. 하지만, 광 섬유가 보다 정확한 조절이 요구되고, 상당한 유속 손실을 야기하는 한, 광학 총이 바람직하다.

산란 챔버(6)는 실린더형 튜브의 형상을 갖고, 그 내부에서 입자는 튜브를 가로지르는 경우 이동이 유발된다. 이 챔버는 튜브 벽 상에 측정 결과를 방해할 수 있는 스퓨리어스 반사를 방지할 수 있게 하는 암실에 의해 둘러싸인다.

펌프-타입 흡입 장치(미도시)는 챔버(6)의 튜브 안쪽에서 입자를 구동하게 한다. 공기 흐름 비율은 일반적으로 시간당 약 1 입방 미터이다.

산란 챔버로부터 상향 배치되는 임팩터 타입 크기 선택 장치(미도시)는 특정 크기 영역, 예컨대 10 마이크로미터보다 작은 크기를 나타내는 입자만을 통과할 수 있게 한다.

도 2a 내지 도 2c는 전술한 실시예에 따른 분석 시스템을 구현한 도면을 도시한다. 구체적으로 도 2a 내지 도 2b는 시스템의 측면도를 도시하고, 도 2c는 이 시스템의 단면 평면도를 도시한다.

분석 시스템(1)은 다른 모듈, 구체적으로 전자 모듈 또는 디스플레이 모듈에 통합되거나 연결될 수 있는 광학 모듈의 형상이다. 고체 입자 수집 튜브로 사용할 수 있는 산란 챔버(6)는 암실(80)로 둘러싸이되, 상기 암실(80)은 격리되어서 스퓨리어스 광의 효과로부터 보호할 수 있게 한다.

고체 입자를 분석하는 시스템의 제 2 실시예는 이제 도 3을 참조하여 설명된다.

이 분석 시스템의 요소는 도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 제 1 실시예에 따른 분석 시스템과 유사하다. 또한, 이 분석 시스템은 상보적인 검출 수단(7)을 포함하되, 상기 상보적인 검출 수단(7)은 주요 수단(5)과 유사하지만 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 60˚와 동일한 각(β)을 형성하는 방향(71)으로 배향된다. 이 상보적인 수단(7)은 주요 수단(5)의 것과 유사한 검출기(72) 및 카운터(73)를 포함한다. 제 3 광학 총(44)은 광학 챔버의 크기로 검출기의 FOV를 조절하고, 관찰된 산란 각 영역을 제한할 수 있게 한다.

흡수의 효과가 가장 명백한 60˚의 산란 각에 대한 동시 측정은 흡수 전력을 평가할 수 있게 하고, 따라서 확산 입자의 성질을 평가할 수 있게 한다. 실제로 이 각은 최대 흡수성 입자가 최소 광을 산란하는 영역에 대응한다.

이를 위해, 획득된 데이터(상이한 각에서 산란된 신호의 레벨)의 분석은 광 확산의 이론적인 계산으로부터가 아닌, 이 기구를 사용하여 실험실에서 사전에 획득되는 데이터베이스로부터 수행되어 왔다. 이 데이터베이스는 개방되어있으며, 사용자에 의해 확인되는 새로운 요구에 따라 완성될 수 있다.

통상의 기술자는 높은 흡수성 입자에 대해, 확산된 유속은 거의 60˚ 이상과 동일하고, 흡수성을 계속 감소시키면 낮은 흡수성 입자에 대해, 확산된 유속은 140˚ 이상으로 갈 수 있음을 유념할 것이다. 더욱이, 확산된 유속의 감소는 광 및/또는 투명한 입자보다 흡수성 및 어두운 입자에 대해 0 내지 60˚에서 더 강하다. 이 조건에서, 약 15˚ 및 60˚로부터 확산된 유속의 세기의 비를 정의할 수 있고, 이 비는 고려된 물질이 더 흡수성인 경우 더 커지고, 물질이 더 투명한 물질인 경우 더 작아진다.

따라서, 약 15˚ 및 60˚에서 측정을 결합함으로써, 조사 하에서 매질을 특징짓는 입자의 성질의 평가를 제공할 수 있다. 이 분석은 몇 초 동안 두 경로에서 측정된 신호의 비를 정의함으로써, 그리고 입자 집합, 예컨대 탄소성 화합물, 그을음, 모래, 실리카, 백색 규산염, 산업 재 등에 대해 실험실에서 획득된 측정을 참조한 결과와 비교함으로써 수행된다. 데이터베이스에 비해 비교 접근은 불규칙한 입자의 경우 아주 불완전한 결과만을 제공하는 광 확산 모델의 사용을 방지할 수 있게 한다.

다른 상보적인 검출 수단은 상보적인 정보를 제공할 수 있게 하는 다른 산란 각에서 사용될 수 있다. 하지만, 이 검출 수단의 개수는 방해물에 의해 여전히 제한된다.

이제 보다 구체적으로, 분석 시스템(1)의 카운터(53)는 도 4에서 참조되는 발명의 구체적인 실시예에 따라 설명된다.

카운터(53)는 아날로그-디지털 변환 블록(54) 및 신호 처리 블록(55)을 포함한다. 구체적으로, 이 카운터(53)의 역할은 스퓨리어스 광의 레벨을 기억하는 것뿐만 아니라, 펄스 검출기로부터 검출이 실제인지를 확실히 하는 것이다. 그것은 특정 영향 인자, 예컨대 전자 잡음, 습도, 시간 오차 등을 최소화할 수 있게 한다.

시간당 1 입방 미터의 흐름 속도 및 입방 센티미터당 1 입자의 농도를 갖는 0.3 평방 센티미터의 단면의 빔에 대해, 초당 몇 입자까지 검출된다. 따라서, 변환 블록(54)은 피크의 형태에서 신호에 존재하는 각각의 입자의 기여(contribution)를 적당히 분리하기 위해 적어도 20 kHz의 샘플링을 수행해야 한다.

예컨대, 10 측정 초가 기록될 수 있고, 그리하여 포토다이오드의 신호에서-또는 다수의 검출 시스템의 몇 가지 경우에서- 존재하는 모든 피크는 동시에 검색될 수 있다. 각각의 상대적인 최대치는 입자의 검출에 대응한다. 신호 레벨에 따라, 큰 입자(강한 신호), 중간 사이즈의 입자든 작은 입자(액체 에어로졸에 의해 유발되는 검출 제한 및 배경 잡음에 가까운 신호)든 측정될 수 있다.

15˚의 산란 각에서 포토다이오드(52)의 역할은 입자 농도를 평가하는 것이다. 60˚에서의 포토다이오드(72)의 역할은 입자의 성질을 평가하는 것이다. 따라서, 두 개의 검출기의 경우, 두 측정 라인을 하나씩 나누는 것이 필요하다. 이후, 피크의 각각의 위치에서, 15˚내지 60˚에서 측정된 세기 간의 비의 값이 확인되어야한다. 이 비는 입자의 성질이 변경되면 하나의 피크로부터 다른 피크까지 달라진다. 광학 특성을 알고 있는 입자로 실험실에서 측정하는 것은 이 비의 값을 경험적으로 확립하도록 미리 수행되는 것이 필요하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 신호 처리 블록(55)은 다수-레벨 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator) 및 처리 유닛(57)을 포함한다. 광 검출기(52) 및 처리 유닛(57)은 전원 공급 장치(58)로부터 전력을 수신한다.

이 블록(55)의 바람직한 실시예에서, 또한 하나의 기구로부터 다음 기구까지 변경될 수 있지만 시간에 걸쳐 점진적으로 변화하는 잔여 스퓨리어스 광의 기여를 제거하는 수단을 포함한다. 이 수단 때문에, 검출기 배경 잡음은 감소되고, 검출기/비교기 시스템의 잡음 방지를 실질적으로 개선한다. 따라서, 필터 없이 더 큰 민감도를 갖는 입자의 검출이 가능하다.

N-레벨 히스테리시스 비교기(56)는 광 검출기로부터 요구되는 신호의 진폭을 기반으로 몇 가지 입자 사이즈를 구별할 수 있게 한다. 비교기(56)의 히스테리시스 기능은 요구되는 신호의 형상 진행이 연속적이지 않은 경우 비교기의 출력에서 논리 상태의 큰 변경을 방지하게 한다.

상이한 검출 레벨을 처리하는 처리 유닛(57)은 크기 확인에 따라 입자의 개수를 카운트하고, 광 검출기 공급 전압, 검출기 출력 전압 레벨 및 레이저 공급 전류의 값을 모니터링함으로써 측정을 확인할 수 있게 하고, 연속적인 샘플링 주기 동안 측정 결과를 획득할 수 있게 한다.

이 처리 유닛(57)에서는, 스퓨리어스 광에 결합될 수 있는 상당한 신호의 추출이 또한 수행된다. 실제로 작은 산란 각에서 스퓨리어스 광의 기여는 대부분이 될 수 있다. 입자에 의해 확산되는 신호는 스퓨리어스 광에 추가된다. 그때부터, 가장 작은 입자를 검출하기 위해, 그리고 더 큰 입자의 사이즈를 평가하기 위해 상당한 신호가 추출되는 것이 필요하다.

이를 위해, 다음과 같은 절차는 스퓨리어스 광을 거의 실시간 평가하고 요구되는 실제 신호를 획득하는 것을 수행할 수 있다.

- 광 확산 피크 전에, 스퓨리어스 광을 나타내는 연속적인 신호 성분은 시간 간격 동안 확산 피크와 동등하거나 더 긴 길이를 결정한다.

- 이 연속적인 성분은 확산 피크(입자가 여전히 남아있음으로써 확산되는 신호만 해당함)에서 전체 기록된 신호로부터 필터링에 의해 제거된다.

-연속적인 성분에 대한 검색은 스퓨리어스 광의 가능한 시간 간격으로 조정하기 위해 정기적으로 수행된다.

이러한 방식으로 기구의 재-교정은 필요하지 않다. 더욱이, 이 절차는 전체 신호의 약 0.1 % 이상일 수 있는 상당한 신호를 추출할 수 있게 한다(따라서, 스퓨리어스 광은 신호의 99.9 %까지 나타낼 수 있음).

본 발명의 또 다른 실시예에서, 또한 기록된 신호의 형태를 고려할 수 있다. 특정 두께를 갖는 빔에서 입자의 진행 시간으로 인해, 신호는 입자의 속도와 연결되는 특정 폭의 피크의 형태가 되어야 한다. 차후, 이 시간보다 훨씬 적은 지속시간의 임의의 시간은 잡음으로 고려될 수 있다. 전자 이동 및 스퓨리어스 광의 기여는 명백하게 분리된 두 개의 피크 사이에 계산될 수 있다.

본 발명의 또 다른 대안적인 실시예에서, 검출 수단은 확산된 광 필드를 편광적으로 분석하는 수단과 결합된다. 측정이 수행되는 확산 각당 두 개의 검출기의 사용이 요구되는 편광 시스템이 사용될 수 있다. 편광 광 확산이 FOV에서 입자에 대해 휘어지도록 개조될 수 있다. 이 측정은 실험실에서 미리 획득된 데이터베이스와 비교하여, 입자의 사이즈 기여를 입력하고, 입자의 성질을 평가할 수 있게 한다.

본 발명의 전술한 실시예는 비제한적인 사례로 제공된다. 통상의 기술자는 본 발명의 범위에서 본 발명의 서로 다른 대안들이 수행될 수 있음을 이해할 것이다.

1: 분석 시스템 2: 매질
3: 조명 유닛 4: 포획 수단
5: 주 검출 수단 6: 산란 챔버
7: 상보적인 검출 수단 30: 광 빔
31: 광원 32: 조리개
41: 광학 총 42: 광 포획기
52, 72: 광 검출기 53, 73: 카운터

Claims (18)

1. 매질(2) 내의 고체 입자를 분석하는 시스템(1)에 있어서,
   상기 매질(2) 내에 광 필드(30)를 생성할 수 있는 조명 수단(3);
   상기 광 필드(30)의 방향(31)으로 배열되고 생성된 상기 광 필드(30)의 적어도 일부(30')를 포획하는 수단(4); 및
   상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30'')를 검출하는 주 검출 수단(5)을 포함하고,
   상기 주 검출 수단(5)은 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30'')를 검출하는 광 검출기(52) 및 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자를 카운팅하는 카운터(53)를 포함하고,
   상기 주 검출 수단(5)은 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 10˚내지 20˚의 범위로 각(α)을 형성하는 방향(51)으로 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 주 검출 수단(5)은 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 15˚와 동일한 각(α)을 형성하는 방향(51)으로 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30''')를 검출하는 적어도 하나의 상보적인 검출 수단(7)을 더 포함하고,
   상기 상보적인 검출 수단(7)은 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 상기 광 필드(30''')를 검출하는 광 검출기(72) 및 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자를 카운팅 하는 카운터(73)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   적어도 하나의 상보적인 검출 수단(7)은 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 40˚내지 140˚의 범위로 각(β)을 형성하는 방향(71)으로 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   적어도 하나의 상보적인 검출 수단(7)은 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 100˚와 동일한 각(β)을 형성하는 방향으로 가급적 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
   적어도 하나의 상보적인 검출 수단(7)은 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 60˚와 동일한 각(β)을 형성하는 방향(71)으로 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 매질 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 상보적인 검출 수단을 더 포함하고,
   상기 상보적인 검출 수단은 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드를 검출하는 광 검출기 및 상기 매질(20) 내의 상기 고체 입자를 카운팅하는 카운터를 포함하고, 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적으로 160˚와 동일한 각을 형성하는 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 카운터(53)는 대응하는 상기 검출 수단(5)에 의해 생성되는 신호를 처리하는 블록(55)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 검출 수단(5)에 의해 생성되는 펄스 신호는, 상기 펄스 신호의 지속시간이 상기 매질(2) 내의 고체 입자의 속도에 의존하는 임계값을 초과하지 않는 경우, 대응하는 상기 신호를 처리하는 블록(55)에 의해 거부되는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산된 광 필드를 분석하는 편광 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 수단(3)은 레이저 다이오드로 구성되는 광원(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 수단(3)은 생성된 상기 광 필드(30)의 일부를 선택하는 조리개(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포획 수단(4)은 광학 총(41) 및 광 포획기(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 입자의 샘플을 포함하고, 상기 조명 수단(3)에 의해 생성되는 상기 광 필드(30)의 적어도 일부를 차단하도록 구성되는 산란 챔버(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
15. 제 14항에 있어서,
    기결정된 속도로 상기 산란 챔버(6)를 따라 상기 샘플을 구동할 수 있는 고체 입자 샘플 구동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 고체 입자의 크기에 따라 상기 고체 입자를 선택하도록 상기 산란 챔버(6)의 입구에 배열되는 고체 입자 필터링 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자에 의해 확산된 광을 수집하고 포커싱하는 수단을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
18. 매질(20) 내의 고체 입자를 분석하는 방법에 있어서,
    상기 매질(20) 내에 광 필드(30)를 생성하는 조명 단계;
    상기 광 빔(30)의 방향(31)으로 배열되고 생성된 상기 광 필드(30)의 적어도 일부(30')를 포획하는 단계; 및
    상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 광 필드(30'')를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 검출하는 단계는 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자에 의해 확산된 상기 광 필드(30'')의 광 검출을 수행하는 단계 및 상기 매질(2) 내의 상기 고체 입자를 카운팅하는 단계이고,
    상기 검출하는 단계는 생성된 상기 광 필드(30)의 방향(31)에 대하여 실질적을 10˚내지 20˚의 범위로 각(α)을 형성하는 방향(51)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 분석 방법.
    
    

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