KR20130110318A - 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법에 대한 것으로서, 기체분자의 흡수 프로파일(흡수선)으로 한정된 흡광도 면적을 구하는 제 1 단계, 상기 제 1 단계에서 구해진 흡광도 면적값을 상태에너지에 대한 함수로 표현하여 그래프를 도출하는 제 2 단계, 제 2 단계에서 도출된 그래프의 기울기를 추출하여 기체분자의 가스온도를 구하는 제 3 단계 및, 제 2 단계에서 도출된 함수의 수직축 절편의 값을 추출하고, 제 3 단계에서의 기체분자의 가스온도를 이용하여 기체분자의 가스농도를 구하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법{Method for Output of The Density of Gas Using Direct Optical Absorption}
본 발명은 가스농도 산출기법에 관한 것으로, 그래프를 이용하여 가스 농도 및 가스 농도의 변화를 산출할 수 있는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법에 관한 것이다.
일반적으로 광흡수 효과를 이용하여 가스 성분의 농도를 측정하는 기술로는 LOG(Laser-opto galvanic effect) 기술과 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 기술 등이 알려져 있다. 이러한 각 기술은 측정 분자의 광 흡수 효과를 이용한다는 측면에서는 기본적으로 같지만, 신호 발생의 원리는 서로 다르다.
도 1은 종래 가스농도 측정장치인 TDLAS 장치를 도시한 개략도이다. 도 2를 참조하면, TDLAS 장치는 다이오드 레이져(21)와, 아이소레이터(22), 전반사 거울(23), 가스 셀(24), 렌즈(25), 광검출기(26), 파장계(27), 광분활기(29)로 이루어져 가스 셀(24) 내에 존재하는 가스의 농도를 레이저 광의 세기를 이용하여 측정하였다. 즉, TDLAS 장치는 가스 셀(24) 내에 존재하는 분자의 흡수에 의한 레이저 광 세기의 감소를 측정하여 농도를 측정하는 장치이다. 따라서 다중 경로 가스관을 이용하면 광경로를 증가시키는 효과가 있어 단일 경로에 의한 광흡수에 따른 측정법보다 민감도가 우수하다.
이러한 TDLAS 기술은 파장 가변이 가능한 다이오드 레이저(21)를 이용하여 가스 셀(24) 내에 존재하는 측정 분자의 흡수 파장을 선택한 후 입사시켜 광 경로에 존재하는 분자의 농도만큼 레이저 광(28)이 흡수되어 가스 셀(24)을 지나온 광의 세기가 입사광의 세기보다 낮게 측정되는 것을 이용한다. TDLAS는 이러한 세기 변화를 측정함으로써 가스 셀(24) 내에 존재하는 가스 성분의 농도를 측정하는 기술이다.
TDLAS는 레이저 광과 흡수 분자와의 상호작용의 경로를 증가시키는 것이 결국 민감도를 증가시키는 중요한 요인이 되므로 광의 다중 경로셀을 이용하여 광경로를 증가시킴으로써 측정 민감도를 높이는 기술 위주로 개발되었다.
한국공개특허 : 10-2007-0015201(공개일 2007.02.01) 한국공개특허 : 10-2007-0067527(공개일 2007.06.28)
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 보정용 기준 신호 데이터가 필요하지 않고 흡광도의 면적과, 흡광도의 면적 및 선강도의 관계 그래프를 이용하여 가스 농도를 산출할 수 있는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법은, 기체분자의 흡수 프로파일(흡수선)으로 한정된 흡광도 면적을 구하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구해진 흡광도 면적값을 상태에너지에 대한 함수로 표현하여 그래프를 도출하는 제 2 단계; 제 2 단계에서 도출된 그래프의 기울기를 추출하여 기체분자의 가스온도를 구하는 제 3 단계; 및, 제 2 단계에서 도출된 함수의 수직축 절편의 값을 추출하고, 제 3 단계에서의 기체분자의 가스온도를 이용하여 기체분자의 가스농도를 구하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 단계에서는 빛의 파장(X축)과 흡수 프로파일(Y축)의 관계로부터 흡광도의 면적을 구하는 것이 좋다.
또한, 상기 제 2 단계에서 도출된 그래프는 볼츠만 플롯으로 표현되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 2 단계에서 도출된 상태에너지에 대한 함수의 기울기 변화에 의하여 기체분자의 가스농도의 변화를 측정하고, 기체분자의 흡광도 면적의 보정여부를 판단하는 것이 좋다.
본 발명의 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법에 따르면, 보정용 기준 신호 데이터가 필요하지 않고 흡광도의 면적과, 흡광도의 면적 및 선강도의 관계 그래프를 이용하여 가스 농도를 산출할 수 있어서 보다 간단하고 정확하게 가스농도를 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 서로 중첩되지 않고 분리된 두 개의 흡수선의 흡수프로파일(profile)을 나타낸 그래프,
도 2는
Figure pat00001
함수로 표시된 볼츠만 플롯(Boltzman plot),
도 3은 개별흡수선의 선강도에 따른 기체분자의 농도값 분포를 나타낸 그래프,
도 4는 외부효과에 의한 기체분자의 농도값 분포 데이터의 평행이동을 나타낸 그래프, 및
도 5는 외부효과에 의한 기체분자의 농도값 분포 데이터의 평행이동이 기울기에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성 부분을 나타낸다
기체 상태에 있는 분자들은 불연속적인 특정 파장(혹은 파수)의 빛만을 흡수하고 이 파장을 흡수선 또는 방출선이라고 한다. 이 흡수선들의 위치(값)는 분자마다 다르고 분자마다 고유한 흡수 스펙트럼을 갖는다. 기체 분자는 흡수선 주위의 좁은 파장 영역대의 빛도 흡수하는데, 흡수선에서 먼 파장의 빛일수록 기체 분자에 흡수될 확률이 줄어든다. 아래 그림 1과 그림 2는 이를 구체적으로 나타낸다. 그림 1과 그림 2에서 살펴보면, 매질을 통과한 빛의 세기가 감소하지만 흡수선에서 먼 파장의 빛일수록 흡수될 확률이 적어져 대부분 투과함을 알 수 있다. 도 2의 점선은 기체 분자에 의한 흡수가 발생되기 전에 매질에 투입된 빛의 원래 세기를 나타낸다.
Figure pat00002
[그림 1] 흡수선
Figure pat00003
와 그 주변 영역대의 파수를 가진 빛의 투과특성
Figure pat00004
[그림 2] 흡수선
Figure pat00005
주위의 파수를 가진 빛의 투과(흡수) 특성
[그림 1]과 [그림 2]에서 흡수된 빛의 세기만을 나타낸 것이 [그림 3]이다. [그림 3]은 흡수된 파수의 프로파일(profile)을 나타낸 것으로서
Figure pat00006
주위에서의 흡수된 빛의 세기의 모양변화를 나타낸 것이다.
Figure pat00007
[그림 3] 흡수 프로파일(profile)
[그림 3]에서 나타난 바와 같이 흡수된 빛의 세기를 나타내는
Figure pat00008
그래프에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다.
1. 기체의 압력
Figure pat00009
2. 기체분자의 농도 x
3. 흡수선 선강도
Figure pat00010
4. 흡수선 선모양함수
Figure pat00011
5. 흡수 경로의 길이
Figure pat00012
여기서 기체의 압력
Figure pat00013
, 흡수 경로의 길이
Figure pat00014
를 알고 실험적으로 [그림 3]을 구하면 매질의 온도 T, 농도 x 를 구할 수 있다.
상기에서 투과하는 빛의 세기
Figure pat00015
는 아래 식과 마찬가지로 지수함수적으로 감소한다.
Figure pat00016
---------(식 1)
식 1에서
Figure pat00017
가 클수록 빛의 흡수량이 커지고 투과되는 빛의 세기는 작아진다. 이
Figure pat00018
를 흡수계수라고 한다.
Figure pat00019
-----------(식 2)
흡수계수는 압력
Figure pat00020
, 분자의 농도 x가 클수록 커지고, 흡수선의 선강도(Line Strength)
Figure pat00021
가 클수록 커진다. 또한 흡수 프로파일(profile)의 모양은 선모양함수(Line-Shape Function)
Figure pat00022
에 따라 결정되며, 대표적인 선모양함수
Figure pat00023
는 Gaussian, Lorentzian, Voigt 함수가 있다.
Figure pat00024
[그림 4] 흡수계수함수
[그림 4]는 흡수계수 함수
Figure pat00025
를 나타낸다. 흡수된 빛의 세기는
Figure pat00026
에서 구할 수 있고, 흡수량이 크지 않은 경우(즉,
Figure pat00027
) 흡수된 빛의 세기는 흡수계수
Figure pat00028
에 비례한다. 이후 논의 조건은 동일하다.
이로써 다음과 같은 결과가 도출되는데,
Figure pat00029
----------(식 3)
결국 흡수계수함수
Figure pat00030
는 흡수 프로파일(profile)
Figure pat00031
로부터 구할 수 있다.
본 발명에 적용되는 2-라인 온도측정법(Two-Line Thermometry)을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 서로 중첩되지 않고 분리된 두 개의 흡수선의 흡수 프로파일(profile)을 나타낸다. 도 1의 서로 다른 두 흡수선에 대한 흡수 프로파일 중 서로 다른 색깔의 선들은 온도의 변화에 따른 흡수 프로파일의 변화를 나타낸다.
도 1의 두 흡수 프로파일(profile)의 아래 면적을 A1, A2 라 할 때 이 두 면적의 면적비 R은
Figure pat00032
-------(식 4)
으로 주어진다.
기준온도
Figure pat00033
에서의 선강도
Figure pat00034
와, 흡수선의 천이와 관련된 낮은 상태 에너지(Lower state energy)
Figure pat00035
는 HITRAN database에서 찾을 수 있다. 그 밖의 상수들은 플랭크 상수
Figure pat00036
, 빛의 속도
Figure pat00037
, 볼츠만 상수
Figure pat00038
Figure pat00039
이다.
결국 면적비 R을 실험적으로 구하면 식 4로부터 기체의 온도를 아래처럼 구할 수 있다.
Figure pat00040
-------(식 5)
기체의 농도를 구하는 식은 아래와 같다.
Figure pat00041
---------(식 6)
위 식 6에서
Figure pat00042
는 KITRAN database에 나와 있는 부분함수(Partition Function)을 써서 구할 수 있으므로, 압력
Figure pat00043
, 흡수 경로의 길이
Figure pat00044
및 Absorbance의 면적 A를 알면 기체분자의 농도 x를 구할 수 있다.
본 발명에 적용되는 Zolo Technology 사에서 사용하는 기법을 살펴보면 다음과 같다. 미국의 Zolo Technology 사가 사용하는 기법 역시 상기에서 기술한 2-라인 온도측정법(Two-Line Thermometry)과 원리상 유사하다.
Zolo 사는 흡수선의 Absorbance A를 실험적으로 구한 후 아래 식으로 주어지는
Figure pat00045
의 로그값
Figure pat00046
을 사용한다.
Figure pat00047
------(식7)
위의 식을 낮은 상태 에너지(lower state energy)
Figure pat00048
의 함수라고 보면 결국 위의 식은
Figure pat00049
에 대한 1차 함수가 된다. 여러 개의 흡수선에 대해
Figure pat00050
를 구하고
Figure pat00051
함수로 표시하면 도 2의 볼츠만 플롯(Boltzman plot)이 그려진다. 도 2의 볼츠만 플롯의 기울기(slope)를 추출하면 이로부터 온도를 구할 수 있다.
Figure pat00052
---------------------(식 8)
이 볼츠만 플롯의 수직축 절편(intercept)의 값을 추출하면 이로부터 농도를 구할 수 있다.
Figure pat00053
------(식 9)
위의 식에서 부분함수(Partition function)
Figure pat00054
은 HITRAN database에서 찾을 수 있으므로 압력
기체의 압력
Figure pat00055
, 흡수 경로의 길이
Figure pat00056
외에 기본 상수값
Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
Figure pat00060
를 알면 기체분자의 농도 x를 구할 수 있다.
도 3은 개별흡수선의 선강도에 따른 기체분자의 농도값 분포를 나타낸 그래프, 도 4는 외부효과에 의한 기체분자의 농도값 분포 데이터의 평행이동을 나타낸 그래프, 도 5는 외부효과에 의한 기체분자의 농도값 분포 데이터의 평행이동이 기울기에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
여기서 만약 식 6에서 구해진 Absorbance A가 절대값이 맞다면 도 3의 그래프의 기울기는 레이저 파워의 요동을 발생시키는 외부 요인의 변화에 무관하게 일정하게 될 것이다. 이 값들을 흡수선의 선강도에 대해 그래프를 그리면 도 3이 된다. 이때 가스의 농도는 이상적인 경우 일정한 하나의 값 x 로 수평축에 평행한 분포가 되어야 하지만 실제 데이터에서는 특수값
Figure pat00061
주위에 분포된다. 이 값
Figure pat00062
는 도 2의 그래프에서 기울기에 해당한다. 여기서 식 6에서 구한 Absorbance A가 절대값이 맞다면 이 값
Figure pat00063
가 유일한 값이라 주장할 수 있다.
반례로서, 식 6에서 구한 개별 흡수선의
Figure pat00064
값이 절대값이 아니라 어떤 외부효과에 의해 일정한 비율 a 만큼 작아졌다면
Figure pat00065
가 되어 도 4처럼 데이터가 평행이동할 것이다. 이때 농도는 새로운 값
Figure pat00066
가 된다. 결국 이처럼 외부 효과에 의해 도 4처럼 새로운
Figure pat00067
값이 생성된다면 식 6에서 구한 Absorbance의 면적 A는 절대값이 아닐 것이다.
도 4에서의 평행이동된 값들의 효과가 도 2의 그래프에서 어떻게 나타나는지 살펴보면 도 5의 노락색 데이터로 표시될 것이다. 이때 이 그래프의 기울기가 새로운 농도값
Figure pat00068
에 해당한다. 즉, Absorbance의 면적 A의 절대값 여부 혹은 보정 필요여부는 도 5의 그래프의 기울기 변화여부를 확인함으로써 검증될 수 있다.
본 발명에 따르면 보정용 기준 신호 데이터가 필요하지 않고 흡광도의 면적과, 흡광도의 면적 및 선강도의 관계 그래프를 이용하여 가스 농도를 산출할 수 있어서 보다 간단하고 정확하게 가스농도를 산출할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 가스농도 산출기법에 있어서,
    기체분자의 흡수 프로파일(흡수선)으로 한정된 흡광도 면적을 구하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 구해진 흡광도 면적값을 상태에너지에 대한 함수로 표현하여 그래프를 도출하는 제 2 단계;
    제 2 단계에서 도출된 그래프의 기울기를 추출하여 기체분자의 가스온도를 구하는 제 3 단계; 및,
    제 2 단계에서 도출된 함수의 수직축 절편의 값을 추출하고, 제 3 단계에서의 기체분자의 가스온도를 이용하여 기체분자의 가스농도를 구하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서는 빛의 파장(X축)과 흡수 프로파일(Y축)의 관계로부터 흡광도의 면적을 구하는 것을 특징으로 하는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 도출된 그래프는 볼츠만 플롯으로 표현되는 것을 특징으로 하는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 도출된 상태에너지에 대한 함수의 기울기 변화에 의하여 기체분자의 가스농도의 변화를 측정하고, 기체분자의 흡광도 면적의 보정여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 직접흡수광법을 이용한 가스농도 산출기법.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230081143A (ko) * 2021-11-30 2023-06-07 한국생산기술연구원 레이저 흡수분광법을 이용한 반응영역 내 oh라디칼 농도 측정 방법

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