KR20150039587A - 가스 분석용 분광기 - Google Patents
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Abstract
가스 분석용 분광기(10)가 제공되며, 상기 분광기는 연구될 가스를 갖는 측정 셀(28), 광 경로(16) 상의 측정 셀(28) 안으로의 광(14)의 전달을 위한 광원(12), 상기 광 경로(16) 내에 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)를 가져서 필터 배열체(22)의 투과 스펙트럼에 의해 광(14)의 주파수 특성들을 설정하는 필터 배열체(22), 뿐만 아니라 상기 측정 셀(28) 내의 가스(30)에 의해 광(14)의 흡수를 측정하는 검출기(36, 38)를 포함한다. 이와 관련하여, 필터 배열체(22)는 광 경로(14) 내에 하나가 다른 하나의 뒤에 배열되는 복수의 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들을 가지며 필터 배열체(22)용 제어 유닛이 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들 중 하나 이상을 설정함으로써 투과 스펙트럼을 변화시키기 위해 제공된다.
Description
본 발명은 각각의 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른 분광기 및 분광계 가스 분석 방법에 관한 것이다.
가스 혼합물의 개별 성분들의 농도를 측정하기 위해 적외선 분광학의 상이한 방법들이 공지된다. 이들은 모두 연구될 가스를 포함하는 측정 셀에 적외선 시험 광을 조사하는 기본 원리를 기본으로 한다. 이와 관련해서, 가스들은 그의 분자들의 스펙트럼 라인들에 대응하는 주파수들에서의 특징 흡수를 나타낸다. 이러한 흡수는 상이한 방식들로 검출되고 평가될 수 있는 입사광의 특성들을 변화시킨다.
푸리에 변환 분광학(FTIR)은 간섭계 및 이에 의해 얻어지는 인터페로그램(interferogram)을 푸리에 변환에 의한 스펙트럼으로 계산하는 것을 기본으로 한다. 하지만, 이러한 시스템들은 비용 집중적이다. 그리드 스펙트로그래프(grid spectrograph)들은 갭에서 회절에 의해 스펙트럼을 발생하지만, 신호가 세기가 약해지는 것을 유도한다. 비분산 적외선 분광학(NDIR)에 관하여 광학적 대역 통과 필터가 검출기 전방에 배열되고 이 광학적 대역 통과 필터는 연구될 스펙트럼 라인들 중 하나에 대응하는 광이 통과하는 것을 선택적으로 허용한다. 이러한 비교적 간단한 방법은 따라서 광학적 대역 통과 필터가 검출될 각각의 가스 성분에 대하여 제공되어야만 하기 때문에 가요적이지 않다.
약한 신호들을 검출하는 것을 또한 가능하게 하기 위해, 로크-인(lock-in) 방법들이 사용된다. 투과 광은 따라서 공지된 변조 주파수에 의해 펄스화되고(pulsed) 수신기는 아날로그 혼합 프로세스들 또는 디지털 평가에 의해 상이한 주파수 영역들 내의 간섭을 억제하기 위해 변조 주파수에 의해 측정 신호를 선택한다. 투과 광의 변조는 펄스형 광원들에 의해 또는 그 하류에 배치되는 기계적 초퍼(chopper)들에 의해 일반적으로 발생된다. 펄스형 적외선 라디에이터(radiator)들이 단지 적은 변조 주파수들을 허용하고 기계적 초퍼는 민감하고 가요적이지 않으며, 안정화될 필요가 있고 대량의 구조 공간을 요구하기 때문에 양자 모두는 불만족스럽다.
출원 참조 번호 13156530.1 을 갖는 아직 공개되지 않은 유럽 특허 출원에서, 조정 가능한 페브리 페롯 필터(Fabry-perot filter)에 의해 측정 셀 안으로 조사되는 광의 파장 대역을 변화시키고 이러한 방식으로 이 스펙트럼을 스캔하는 것이 제안된다. 페브리 페롯 필터는 2 개의 부분의 투명 거울들에 의해 형성된 광학 공진기이다. 구조적이고 파괴적인 간섭에 의해 공진 조건에 대응하는 단지 그러한 파장들이 투과된다. 대응적으로 제 1 투과 최대치는 공진 주파수에서 발생하고 더 높은 차수의 다른 투과 최대치는 더 높은 차수의 파동들에서 발생하는 반면, 중간 주파수들은 거의 완전히 배제된다. 투과 최대치 사이의 간격은 자유 스펙트럼 범위라 한다.
작업자가 거울 간격 및/또는 거울들 사이의 공기 갭을 변경한다면, 그 후 투과 최대치들은 이들의 폭 및 이들의 상호 간격에 대하여 동시에 영향을 받는다. 이러한 이유로 인한 투과 최대치의 미세한 니들이 감소된 자유 스펙트럼 범위를 초래하는 반면, 그 역으로 더 큰 자유 스펙트럼 범위가 절반(half) 최대치들에서 큰 전체 폭의 투과 최대치들의 값에서 단지 달성될 수 있다. 페브리 페롯 필터의 이러한 특징은 절반 최대치에서의 전체 폭에 대한 자유 스펙트럼 범위의 비(ratio)를 정의하는 소위 피네스(finesse)에 반영된다.
이러한 이유들로 하나 또는 그 초과의 가스 성분들의 복수의 흡수 라인들은 이들이 절반 최대치들에서의 높은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터의 동일한 투과 최대치 내에 놓일 때 또는 절반 최대치들에서의 감소된 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터의 자유 스펙트럼 범위가 다른 흡수 라인들과 일치하는 측면 최대치들이 없이 흡수 라인에 대하여 페브리 페롯 필터를 선택적으로 설정하기에는 너무 작을 때 페브리 페롯 필터의 통과 대역에서 입사된다.
페브리 페롯 필터에 의해 달성 가능한 스펙트럼 해상도 능력은 이러한 이유로 제한된다. 작업자가 더 높은 스펙트럼 해상도를 달성하기 원한다면 그 후 작업자는 일반적으로 FTIR 또는 그리드 분광학과 같은 상기 언급된 방법들을 사용해야 한다.
이러한 이유로 본 발명의 목적은 가스 분석을 위한 스펙트럼의 측정을 개선하는 것이다.
이러한 목적은 각각의 카테고리의 독립 청구항에 따른 분광기 및 분광계 가스 분석 방법에 의해 만족된다. 이와 관련하여 주파수 특성들은 광이 연구될 가스 및/또는 가스 혼합물을 갖는 측정 셀 안으로 분광법(spectrometry)을 위해 조사되기에 앞서 필터 배열체의 도움으로 인해 광 상에서 도드라진다(embossed). 가스에 의한 흡수는 그 후 검출되고 따라서 가스 성분들의 농도가 측정된다. 이제 본 발명은 필터 배열체 내에 복수의 페브리 페롯 필터들을 제공하는 기본 아이디어로부터 시작한다. 페브리 페롯 필터들의 하나 이상의 설정을 통하여 필터 배열체의 투과 스펙트럼이 변화되고 따라서 광의 요구되는 주파수 특성들이 달성될 수 있다. 이는 예컨대 더 큰 파장 범위를 스캔하기 위해 가스 혼합물들의 상이한 가스들의 흡수 스펙트럼들에 대해 분광기를 연이어 계속해서 설정하거나 조정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 비용 효과적이고, 기계적으로 간단하게 콤팩트하며 이러한 방식으로 유지가 저렴하며 튼튼하고 높은 광학적 처리량을 갖는 페브리 페롯 필터들의 이점들을 갖는다. 조사된 광의 가변 주파수 특성들은 매우 신속하고 가요적으로 설정될 수 있다. 하지만 동시에, 페브리 페롯 필터들의 다중 배열체를 통하여, 높은 스펙트럼 해상도가 가능하게 된다. 이는 조절의 새로운 자유도들이 예컨대 절반 최대치에서 낮은 전체 폭 및 큰 자유 스펙트럼 범위를 동시에 달성하기 위해 사용될 수 있는 것을 초래하기 때문이다. 이는 이러한 파라미터들의 직접적인 관계 및 고려 가능한 방식에서의 스펙트럼 해상도의 일반적인 달성 가능성의 제한들로 인해 단일 페브리 페롯 필터에 대하여 타당하지 않을 것이다.
페브리 페롯 필터를 설정하기 위해 특히 그의 공기 갭 및/또는 그의 거울 간격이 변화된다. 이에 의해 공진 주파수 및 그 결과 투과 스펙트럼이 변경된다. 페브리 페롯 필터들은 이러한 이유로 예컨대 정전식으로 또는 압전식으로 제어되는 마이크로시스템들(MEMS : 마이크로 전자 기계적 시스템)로서 조립된다. 이는 튼튼함, 작은 구성 크기들 및 적어도 밀리초 범위의 짧은 반응 시간들을 조합한다.
필터 배열체는 바람직하게는 3 개의 페브리 페롯 필터들을 갖는다. 원리적으로 더 높은 가요성이 2 개의 페브리 페롯 필터들에 의해 이미 얻어진다. 더 많은 페브리 페롯 필터들이 필터 배열체에 부가적으로 제공될수록, 더 많은 자유도들이 얻어진다. 이와 관련하여 3 개의 페브리 페롯 필터들의 개수는 바람직한 절충안을 형성한다.
페브리 페롯 필터들의 거울 간격들 및 연관된 투과 스펙트럼의 관계는 바람직하게는 제어 유닛에 저장된다. 관계는 제작 동안에 미리 규정되거나 교정 측정들에서 측정의 시작시에 교시된다. 관계에 의해 제어 유닛은 필터 배열체의 바람직한 투과 스펙트럼을 설정할 수 있다. 하나 이상의 페브리 페롯 필터가 조절 프로세스에 연관되며, 또한 더 많은 또는 모든 페브리 페롯 필터들이 연관될 수 있다.
페브리 페롯 필터들은 바람직하게는 절반 최대치에서 등급이 매겨진(graduated) 전체 폭들을 갖고, 특히 3 개의 페브리 페롯 필터들에 대하여 각각 절반 최대치에서 낮은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터, 절반 최대치에서 중간 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터 및 절반 최대치에서 높은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터가 제공된다. 직관적으로 절반 최대치에서 가장 낮은 전체 폭의 페브리 페롯 필터가 스펙트럼 해상도를 결정하고 나머지 페브리 페롯 필터들은 각각 더 미세하게 분석하는(resolving) 페브리 페롯 필터들의 더 높은 차수들이 등급이 매겨지는 방식으로 가려지는 것을 보장하기 위해 페브리 페롯 필터들의 협력이 가장 이해 가능하다. 하지만, 많은 상황들에서 바람직한 투과 스펙트럼을 달성하기 위해 또한 다른 조합들이 존재한다.
투과 스펙트럼은 바람직하게는 미리 규정된 주파수에서 협대역 최대치를 갖는다. 부가적으로, 심지어 더욱 바람직하게는, 이러한 최대치의 외측의 주파수 부분들은 실질적으로 억제된다. 따라서 필터 배열체는 단지 특정 주파수의 광이 측정 셀에 도착하는 것을 보장한다. 따라서, 스펙트럼이 최대치의 주파수의 간헐적인 변위 하에서 복수의 개별 측정들에 의해 스캔될 수 있다.
제어 유닛은 바람직하게는 최대치의 진폭이 변조되는 방식으로 필터 배열체의 투과 스펙트럼을 주기적으로 변경하는 목적을 위해 구성된다. 이러한 방식으로, 필터 배열체는 동시에 광학적 펄스 형상을 형성한다. 이는 특히 페브리 페롯 필터들의 그 후에 조정된 주기적 변위에 의해 달성된다. 예컨대 절반 최대치에서 가장 큰 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터의 최대치는 이러한 최대치의 위치가 다른 페브리 페롯 필터들의 최대치들과 상이한 각도들에서 일치하는 방식으로 주기적으로 변위된다. 이에 의해 양자 택일적으로 광이 통과하거나 광을 차단하는 틈에 의해서 유사한 효과가 달성된다. 하지만, 광이 실질적으로 차단되고 순수한 밝음-어둠 변조를 또한 달성하기 위해 중간 단계들이 제어될 수 있도록 페브리 페롯 필터들의 투과 최대치들이 거의 또는 전혀 겹쳐지지 않는 페브리 페롯 필터들의 수많은 다른 위치들이 또한 존재한다. 따라서 복수의 페브리 페롯 필터들은, 이중 기능으로, 높은 해상도로 스펙트럼을 스캔하고 동시에 부가적인 요소들 없이 측정 셀 안으로 입사하는 광의 광 세기의 변조를 달성하는 것을 가능하게 한다.
진폭은 바람직하게는 미리 규정 가능한 함수에 의해, 특히 델타 펄스, 사인파 펄스 또는 기하급수적인 성장 및 그 후의 급작스런 하락 펄스에 의해 변조된다. 델타 펄스는 순수한 밝음-어둠 변조에 대응한다. 사인파 펄스 및/또는 코사인파 펄스는 전자 및 디지털 로크-인 방법들에 의해 특히 잘 지지된다. 함수는 필터 배열체가 투과 최대치의 상이한 댐핑들로 유도하는 중간 위치들에서 조절된다는 점에서 거의 임의의 방식으로 선택될 수 있다. 수많은 예들 중 하나가 상어 지느러미와 유사하게 보이는 펄스들에 의한 변조이며, 이는 펄스들이 최초에는 기하급수적인 방식으로 이들의 밝기 최대치를 향하여 비교적 천천히 성장하고 그 후 어둠 상태로 급작스럽게 하락하는 것을 의미한다. 이러한 변조는 계산하기 쉬운 예를 형성한다.
제어 유닛은 바람직하게는 스캐닝 계획에 따라 투과 스펙트럼을 변경하도록 구성되고, 투과 스펙트럼이 스캐닝 주파수에서 최대치로 각각 발생되고, 최대치의 진폭은 스캐닝 주파수에서 복수의 사이클들에 걸쳐 변조되고 스캐닝 주파수는 그 후 시스템적으로 변화되는 것이 뒤따른다. 이러한 스캐닝 계획들에 의해 스펙트럼은 상이한 주파수들에서 펄스 시퀀스에 의해 각각 스캔된다.
검출기의 신호는 바람직하게는 공지된 변조에 의해 로크-인 방법에 의해서 평가된다. 이는 공지된 변조 주파수에 대하여 아날로그 또는 디지털 방식으로 설정되며 이에 의해 현저히 개선된 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 달성하는 로크-인 증폭기를 원리로 한다. 요구되는 광의 변조는 바람직하게는 단지 설명된 것과 같이 필터 배열체 자체에서 발생하지만, 원리적으로는 부가적인 광학적 펄스 형성기 또는 펄스형 광원이 또한 타당할 수 있다.
바람직하게는 부가적인 광학적 대역 통과 필터가 페브리 페롯 필터들 중 하나 이상의 바람직하게는 가장 높은 자유 스펙트럼 범위를 갖는 페브리 페롯 필터의 더 높은 차수들의 최대치들을 가리기 위해 광 경로에 제공된다. 더 큰 자유 스펙트럼 범위를 갖는 페브리 페롯 필터들은, 이들이 더 작은 자유 스펙트럼 범위의 페브리 페롯 필터들의 더 높은 차수들을 억제하는 점에서 실질적으로 필터 배열체 내에서 이미 이러한 기능을 만족한다. 하지만, 이는 모든 바람직하지 않은 스펙트럼 부분들을 배제하기 위해 반드시 충분한 것은 아니며 이러한 이유로 광학적 대역 통과 필터는 주파수 대역을 전체적으로 해당 영역으로 제한하며 이 영역은 바람직하게는 필터 배열체의 결과적인 자유 스펙트럼 범위만큼 크다. 이러한 대역 통과 필터는 또한 투과 또는 수신 광 렌즈(optics)에서 광학적 경로에 통합될 수 있다. 대안적으로, 광원 또는 검출기는 그 자체 상의 필터 배열체의 나머지 더 높은 차수들을 배제하기 위해 충분한 협대역 디자인이다.
측정 셀은 바람직하게는 광 음향 셀(photo acoustic cell)이다. 짧은 흡수 경로들을 위한 감소된 가스 농도들이 내부에서 또한 측정될 수 있고 측정 셀은 높은 동역학적인 범위를 갖는다. 광 음향 측정 셀은 측정 셀 내에 입사되는 광의 조사 흡수를 위한 가스의 가열에 의해 발생된다. 이러한 압력 변화들은 예컨대 마이크로폰 또는 압력 센서에 의해 음향적으로 측정된다. 바람직하게는, 변조된 광은 이에 의해 충분한 상태 변화를 보장한다.
광 음향 측정 셀의 바람직한 실시예에서 이는 예컨대 실리콘 막의 형태인 캔틸레버 그리고 간섭법에 의해 캔틸레버의 편향의 광학적 측정을 위한 간섭계를 갖는다. 흡수는 매우 신속한 가열 및 이러한 방식으로 가스 성분의 흡수 스펙트럼 및 입사광의 주파수 특성들의 충분한 일치를 위한 가스의 임펄스형 압력 변화를 보장한다. 이에 의해 실행된 캔틸레버의 편향은 그 후 간섭법으로 평가된다.
바람직하게는, 광 경로 안으로 도입될 수 있고 광 경로로부터 제거될 수 있으며 공지된 기준 주파수를 갖는 간섭 필터를 갖거나 기준 가스를 갖는 가스 큐벳(cuvette)을 갖는 교정 유닛이 제공된다. 페브리 페롯 필터의 공진 특성들 및 이러한 방식으로 그의 투과 스펙트럼이 이론적으로 매우 양호하게 예측될 수 있지만, 실제로 제어 유닛이 특정 거울 간격을 설정할 때 공차들이 발생한다. 이는 공지된 기준 주파수와의 비교에 의한 교정에서 보상되며 따라서 각각의 대역 통과 파장 및/또는 그의 세기는 특히 정확한 방식으로 설정될 수 있다. 기준 가스는 측정 셀 안으로 또한 도입될 수 있다. 기준 가스의 사용 시에 작업자는 온도 및 압력 안정 조건들이 정상인지를 고려해야만 한다.
교정 유닛은 바람직하게는 이동 가능한 캐리지 또는 필터 휠을 갖는다. 이에 의해, 교정이 특히 간단하게 실행될 수 있고 요구된다면 반복될 수 있다. 각각 복수의 기준 가스들 및/또는 간섭 필터들이 복수의 교정 지점들을 교정하기 위해 제공될 수 있다.
하나 이상의 페브리 페롯 필터는 바람직하게는 이 페브리 페롯 필터가 광 경로로부터 제거될 수 있고 광 경로 안으로 재도입될 수 있는 방식으로 장착된다. 이동 가능한 캐리지가 또한 이러한 목적을 위한 역할을 할 수 있다. 이러한 방식으로, 페브리 페롯 필터들은 일반적으로 필터 배열체로서 뿐만 아니라, 개별적으로 또는 그룹으로서 또한 교정될 수 있다. 이는 교정 프로세스를 간소화하고 더 정확한 결과들을 유도한다.
본 발명에 따른 방법은 유사한 방식으로 발전될 수 있으며 이와 관련하여 유사한 이점들을 나타낸다. 이러한 유리한 특징들은 독립 청구항들에 관한 종속 청구항들에서 예로서 언급되지만, 확정적인 것은 아니다.
본 발명은 이후에 실시예들에 의해 그리고 첨부된 도면을 참조하여 추가의 특징들 및 이점들에 대하여 또한 더 상세하게 설명될 것이다. 도면의 이미지들은 이하를 도시한다.
도 1은 분광기의 개략적인 예시이고;
도 2a는 3 개의 상이한 페브리 페롯 필터들의 투과 스펙트럼이고;
도 2b는 도 2a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들의 일반적인 투과 스펙트럼이고;
도 3은 CO 의 예시적인 스펙트럼 스캐닝이고;
도 4a는 3 개의 상이한 페브리 페롯 필터들의 도 2a와 유사한 투과 스펙트럼이지만, 상호 조정 가능성을 갖고 이러한 방식으로 투과 최대치들이 상호 변위를 갖는 투과 스펙트럼이고;
도 4b는 도 4a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들을 갖는 도 2b와 유사한 일반적인 투과 스펙트럼이고;
도 5a는 일반적인 투과 스펙트럼에서 결과적인 최대치들의 진폭 변조에 대한 있을 수 있는 설정의 변화들의 예시를 위한 도 2a 및 도 4a에 따른 투과 스펙트럼이고;
도 5b는 복수의 설정 변화들을 갖는 도 5a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들의 일반적인 투과 스펙트럼의 최대치들이고;
도 6은 설정된 파장 대역당 각각 5 개의 밝음-어둠 사이클들을 갖는 입사광의 변조를 위한 스캐닝 계획이고;
도 7은 설정된 파장 대역당 각각 2 개의 상어 지느러미형 사이클들을 갖는 입사광의 변조에 대한 다른 스캐닝 계획이고;
도 8은 교정을 위해 광 경로 안으로 도입될 수 있는 가변 요소를 갖는 스펙트럼의 다른 실시예의 개략적인 예시이고; 및
도 9는 광 경로로부터 선택적으로 제거될 수 있는 분광기 페브리 페롯 필터들의 다른 실시예의 개략적인 예시이다.
도 2a는 3 개의 상이한 페브리 페롯 필터들의 투과 스펙트럼이고;
도 2b는 도 2a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들의 일반적인 투과 스펙트럼이고;
도 3은 CO 의 예시적인 스펙트럼 스캐닝이고;
도 4a는 3 개의 상이한 페브리 페롯 필터들의 도 2a와 유사한 투과 스펙트럼이지만, 상호 조정 가능성을 갖고 이러한 방식으로 투과 최대치들이 상호 변위를 갖는 투과 스펙트럼이고;
도 4b는 도 4a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들을 갖는 도 2b와 유사한 일반적인 투과 스펙트럼이고;
도 5a는 일반적인 투과 스펙트럼에서 결과적인 최대치들의 진폭 변조에 대한 있을 수 있는 설정의 변화들의 예시를 위한 도 2a 및 도 4a에 따른 투과 스펙트럼이고;
도 5b는 복수의 설정 변화들을 갖는 도 5a에 따른 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 3 개의 페브리 페롯 필터들의 일반적인 투과 스펙트럼의 최대치들이고;
도 6은 설정된 파장 대역당 각각 5 개의 밝음-어둠 사이클들을 갖는 입사광의 변조를 위한 스캐닝 계획이고;
도 7은 설정된 파장 대역당 각각 2 개의 상어 지느러미형 사이클들을 갖는 입사광의 변조에 대한 다른 스캐닝 계획이고;
도 8은 교정을 위해 광 경로 안으로 도입될 수 있는 가변 요소를 갖는 스펙트럼의 다른 실시예의 개략적인 예시이고; 및
도 9는 광 경로로부터 선택적으로 제거될 수 있는 분광기 페브리 페롯 필터들의 다른 실시예의 개략적인 예시이다.
도 1은 흡수 측정에 의한 가스 성분들의 판정을 위한 분광기(10)의 개략적인 예시를 도시한다. 광원(12)은 광(14)을 전달하고, 광은 그의 광 경로(16) 상에서 제 1 광 렌즈(18) 또는 대역 통과 필터(20), 복수의 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들을 갖는 필터 배열체(22) 및 제 2 광 렌즈(26)가 지나가고, 측정 셀(28) 안으로 조사된다. 측정 셀(28)에서 연구될 가스(30) 및/또는 가스 혼합물이 존재하고 이를 위해 가스 입구(32) 및 가스 출구(34)가 화살표들에 의해 기호화된 것과 같이 제공된다.
검출기가 측정 셀(28)에 존재하고 본 예에서 검출기는 캔틸레버(36)로서 구성되며 이 캔틸레버는 캔틸레버(36)의 편향의 판정을 위한 (레이저)간섭계(38)를 갖는다. 제어 및 평가 유닛(40)은 간섭계(38)의 신호들의 평가를 위해 측정 유닛(42)을, 필터 배열체(22)의 설정을 위해 그리고 요구되는 제어 및 평가 기능을 유지하기 위해 제어 유닛(44)을 갖는다. 제어 및 평가 유닛(40)의 분할은 단지 명백한 설명을 제공하지만, 또한 다른 것들 가운데 데이터 및 상태 파라미터들을 교환하는 하나 또는 그 초과의 물리적 제어 및 평가 유닛들에 대한 상이한 분할이 가능하다.
광원(12)은 바람직하게는 광대역 적외선 라디에이터이다. 이러한 방식으로, 연구될 가스들의 분자들의 스펙트럼 라인들의 통상적인 주파수 범위가 커버된다. 광(14)은 제 1 광 렌즈(18)에 의해 모아지고, 예시된 렌즈는 단지 빔 형성 및 빔 안내를 위한 하나 또는 그 초과의 적절한 광학적 요소들을 위해 나타내어진다. 대역 통과 필터(20)는 광원(12)의 더 넓은 주파수 대역으로부터 조악한 범위를 잘라내고 이 주파수 대역 내에서 연구될 가스의 그 흡수 대역들이 놓인다. 예컨대, 가스 성분 CO, NO, SO2, NO2, N2O, CO2, 및 H2O 는 4.3 ㎛ 내지 7.4 ㎛ 의 주파수 대역에서 측정될 수 있고 수많은 탄화수소들이 3 ㎛ 내지 3.8 ㎛ 의 주파수 대역에서 측정될 수 있다. 특정 분광기에 의해 측정될 수 없는 가스들의 스펙트럼 라인들을 갖는 이러한 범위들 또는 주파수들 외측의 주파수들은 이러한 이유로 대역 통과 필터(20)의 도움에 의해 시작으로부터 억제될 수 있다. 대역 통과 필터(20)는 또한 예시된 것 외에 광 경로(16) 내의 상이한 위치에 존재할 수 있거나 광 렌즈(18, 26) 중 하나에 통합될 수 있다. 대안적으로, 예컨대 LED 와 같이 약간 더 좁은 대역의 광원(12)이 사용될 수 있으며 작업자는 대역 통과 필터(20)를 생략할 수 있다. 또한 필터 배열체(22) 자체는 특정 경계들 내에서 대역 통과 필터(20)의 기능을 대신할 수 있다.
필터 배열체(22)의 투과 스펙트럼은, 광(14)이 필터 배열체(22)를 통과한 후에 특정 주파수 특성들을 갖도록 이후에 더욱 상세하게 고려되는 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들을 설정함으로써 바람직한 방식으로 미리 규정될 수 있다. 바람직하게는, 단지 좁은 투과 최대치가 미리 정해진 주파수에 남아있고 이는 그 후 해당 주파수 영역들에 의한 복수의 개별 측정들에서 변위된다. 대안적으로, 투과 최대치는 연관된 가스 성분들을 측정하기 위해 공지된 스펙트럼 라인과 목표적으로 일치하게 된다. 제 2 광 렌즈(26)는 필터링된 광(14)을 측정 셀(28) 안으로 안내하고, 여기서 제 1 광 렌즈(18)에 대해 이미 이해되는 것과 같이, 간단한 단일 렌즈에 대한 예시는 순전히 예로서 이해되어야 한다. 다른 광학적 요소들이 또한 필터 배열체(22) 내에, 특히 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들 사이에 제공될 수 있다.
단지 측정 셀(28) 안으로 입사하는 광의 주파수 특성들이 가스(30)의 분자들의 하나 또는 그 초과의 스펙트럼 라인들과 일치할 때, 이 광은 흡수되는 대응하는 주파수의 광이다. 이는 그 후 가스(30)의 가열을 유도하고 이러한 방식으로 측정 셀(28)의 압력 증가를 유도하며, 결국 관련된 가스 성분 또는 가스 성분들의 농도에 대하여 비례 방식으로 캔틸레버(36)를 편향시킨다. 간섭계(38)는 이러한 편향을 높은 정밀도로 인지한다. 이러한 방식의 구성의 광 음향 셀(28)에 의한 측정이 특히 이러한 이유로 정확하다. 하지만, 또한 예컨대 마이크로폰 또는 압력 센서에 의한 상이한 광 음향 측정 뿐만 아니라, 가스(30)로 투과되는 광(14)을 측정하고 이로부터 흡수에 대한 결론을 도출하는 예컨대 적외선 검출기에 의한 완전히 상이한 방식의 검출도 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 셀(28)의 외측에 검출기를 구비한 배열체들이 타당할 수 있으며 측정 셀(28)을 통하여 투과되는 광은 그 후 적절한 광 렌즈에 의해 검출기 상으로 편향된다. 마찬가지로 광이 측정 셀(28) 뒤에서 반사되고 그 후 등록되어 검출기 내의 측정 셀(28)을 통한 이중 투과가 뒤따르는 배열체가 마찬가지로 예컨대 광원(12)과 검출기 사이의 빔 분할기 배열체에 의해 가능하다.
도 2 내지 도 7을 참조하여 필터 배열체(22)의 기능의 방식이 이제 상세하게 설명될 것이다. 제어 유닛(44)은 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들 중 하나 이상의 파라미터들을 변화시키고 이러한 방식으로 공진 주파수를 변화시키기 위한 위치, 특히 그의 2 개의 반투막 거울들 사이에 공기 갭에 있다. 이는 예컨대 거시적인 운동들 없이 짧은 반응 시간들을 갖는 MEMS 로서 구성되는 페브리 페롯 필터들의 정전식 또는 압전식 제어에 의해 실행될 수 있다. 이에 의해, 필터 배열체(22)의 투과 스펙트럼은 미리 규정될 수 있다.
도 2a는 3 개의 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 3 개의 투과 스펙트럼의 예를 도시한다. 절반 최대치에서 가장 작은 전체 폭의 페브리 페롯 필터(24a)는 얇은 라인에 의해 예시되고 서로 근접하여 그리고 서로 옆에 놓이는 니들형(needle-like) 투과 최대치를 발생한다. 절반 최대치에서 중간 전체 폭인 다른 페브리 페롯 필터(22b)는 예시된 주파수 섹션에서 두꺼운 라인에 의해 예시된 3 개의 투과 최대치들을 갖는다. 제 3 페브리 페롯 필터(24c)는 예시된 주파수 섹션에서 파선에 의해 예시된 하나의 비교적 넓은 투과 최대치만을 도시한다. 이는 또한 절반 최대치에서의 전체 폭의 종속 및 도입부에서 설명된 투과 최대치들의 밀도 종속을 예시하며, 이는 자유 스펙트럼 범위 : 더 좁은 투과 최대치이고 이러한 방식으로 더 적절한 투과 최대치는 투과 최대치의 더 높은 스펙트럼 해상도들을 위한 것이고, 더 근접하다면 또한 더 높은 차수의 다음 투과 최대치가 놓이는 것을 의미한다. 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들 중 어느 것도 이러한 이유로 인해 높은 해상도의 분광기에 대하여 개별적으로 적절하지 않은데, 광이 특정한 좁은 주파수 범위로 목표된 방식으로 제한될 수 없기 때문이다.
이는 하나가 다른 하나의 뒤에 배열되는 3 개의 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 배열체에 의해 달성된다. 도 2b는 연관된 일반적인 투과 스펙트럼을 도시하고, 이는 결국 도 2a의 3 개의 투과 스펙트럼의 지점에 따른(point-wise) 증대를 의미한다. 도 2a에서 모든 3 개의 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 투과 최대치가 서로 겹쳐지는 위치에서 현저하게 표명된 투과 최대치가 초래된다. 나머지 투과 최대치는 여전히 인지할 수 있지만, 각각 더 큰 자유 스펙트럼 범위를 갖는 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)가 절반 최대치에서 좁은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터의 더 높은 차수들의 투과 최대치들을 억제하기 때문에 매우 현저히 억제된다. 이와 관련하여 또한 도 2b의 대수 표현(logarithmic representation)이 고려되어야만 한다. 또한 가장 넓은 투과 최대치를 갖는 페브리 페롯 필터(24c)에 대하여, 자유 스펙트럼 범위는 광원(12)의 전체 대역폭을 커버하기 위해 반드시 충분한 것은 아니며, 이러한 이유로 대역 통과 필터(20)는 예컨대 도면들에 도시된 섹션으로 또는 전체적으로 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들 중 하나 또는 그 초과의 자유 스펙트럼 범위만큼 큰 통과 대역으로 주파수 범위를 부가적으로 선택적으로 감소시킨다.
도 2b에 도시된 영역의 중앙 파장의 연속적인 변화를 통하여, 가스(30)의 흡수 스펙트럼이 이제 스캔될 수 있다. 도 3은 예로서 CO 의 스펙트럼의 연속적인 스캐닝의 결과를 도시한다.
이러한 높은 해상도의 분광법은 이제 검출에서 로크-인 방법을 가능하게 하기 위해 변조에 의해 유사한 조립체로 확장될 수 있다. 광 음향 측정 셀(28)을 갖는 구체적으로 도시된 실시예에서, 캔틸레버(24)는 그에 의해 주기적으로 편향되고 그의 진동은 간섭법으로 평가된다. 하지만, 로크-인 방법들이 예컨대 적외선 검출기의 신호들의 증폭을 위해 또한 사용될 수 있다.
필터 배열체(22)는, 자체의 이중 기능으로 그리고 이러한 방식으로 부가적인 성분들 없이, 요구되는 변조를 발생하기 위한 위치에 있다. 이 목적을 위해, 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들은 서로에 대하여 주기적으로 일치되지 않고 이러한 방식으로 구체적으로 간헐적인 시간에 대하여 도 2 에 도시된 밝음 스테이지를 남긴다. 이는 도 4에 예시된다. 도 4a는 도 2a와 유사한 예시를 도시하며, 하지만 이러한 예에서 투과 최대치들은 이들이 가능하다면 어떠한 주파수에서도 서로 겹쳐지지 않도록 서로에 대하여 변위된다. 파선으로 도시된 가장 넓은 투과 최대치에 대하여, 이러한 것은 즉시 인지될 수 있다. 하지만, 또한 4.6 ㎛ 에서의 두꺼운 라인에 의해 도시된 중간 투과 최대치에 대하여 이는 얇은 라인에 의해 예시된 니들형 투과 최대치와 더 이상 일치하지 않는다. 가능하다면, 4.2 ㎛ 에서의 중첩은 미세 조절에 의해 또한 방지될 수 있다. 도 4b에 따른 결과적인 공통 투과 스펙트럼에서 4.6 ㎛ 에서의 투과 최대치는 2 차수들의 크기만큼 댐핑된다. 도 2 및 도 4에 따른 설정들 사이의 주기적 변화는 이러한 이유로 통과 대역 파장당 2 개의 밝음 단계들을 갖는 밝음-어둠 변조를 유도한다.
하지만, 간단한 밝음-어둠 변조들 뿐만 아니라, 투과되는 광 파워의 시간에 따라 가변적인 선택 가능한 변조들이 가능하다. 이 목적을 위해 어둠 상태는 도 4에 도시된 것과 같이 직접 제어되지 않지만, 또한 다양한 세기의 중간 상태들이 제어된다.
도 5 는 프로세스들을 설명한다. 도 5a의 예시는 도 2a의 예시에 실질적으로 대응하지만, 변조 계획이 화살표(46)에 의해 표시된다. 이는 절반 최대치에서 가장 큰 전체 폭을 갖고 가장 큰 자유 스펙트럼 범위를 갖는 페브리 페롯 필터(24c)의 공기 갭의 설정을 기본으로 한다. 이는 단지 특히 직관적으로 이해 가능한 예이며, 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 설정들의 다른 조합들이 또한 바람직한 결과를 유도할 것이다.
상이한 진폭은 4.6 ㎛ 에서의 일반적인 투과 최대치들에 대한 중간 상태들을 초래한다. 이는 도 5b에 예로서 페브리 페롯 필터(24c)들의 4 개의 설정들에 대하여 도시된다.
도 6은 스캐닝 및 변조 계획을 갖는 CO 흡수 라인의 예시적인 스캐닝의 섹션을 도시한다. 설정된 통과 대역 파장들 각각에 대하여 각각 5 개의 밝음-어둠 사이클들이 실행된다. 따라서 각각 10 개의 데이터 지점들이 대역 통과 파장에 대응한다. 4 개의 통과 대역 파장들에 대한 사이클은 화살표(48)에 의해 예시된다.
사이클들의 수 뿐만 아니라 사이클당 변조의 수 양자는 임의의 방식으로 변경될 수 있다. 이 목적을 위해, 도 7은 상이한 스캐닝 및 변조 계획을 갖는 CO 라인의 다른 예시적인 스캐닝의 발췌물을 도시한다. 이러한 예에서, 각각 2 개의 변조 사이클들은 화살표(50)들에 의해 4 개의 사이클들에 대해 예시된 것과 같이 각각 설정된 통과 대역 파장에 대하여 실행된다. 변조 그 자체는 간단한 밝음-어둠 변화가 아니지만, 복수의 단계들을 통하여, 이러한 예에서 전체 10 개의 세기의 변조들이 기하급수적인 성장 및 그 이후의 급작스런 하강("상어 지느러미")을 유도한다. 아날로그 방식으로 실질적으로 어느 임의의 스캐닝 및 변조 계획이 실현될 수 있다.
필터 배열체(22)는 따라서 연속적으로 변화하는 중앙 파장을 측정 셀(28) 안으로 연속적으로 투과하기 위해 좁은 파장 범위로 광을 투과하기 위한 위치에 있고, 광은 또한 요구된다면 변조될 수 있다.
페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 투과 스펙트럼은 제어 유닛(44)에 의해 설정되는 제어 파라미터들에 의존한다. 이를 교정하기 위해, 부가적인 요소(52)들이 도 8에 따른 분광기(10)의 다른 실시예에서 광 경로(16) 안으로 도입될 수 있고/있거나 이들로부터 제거될 수 있다. 이와 관련하여 요소(52)들은 기준으로서 도출되는 공지된 스펙트럼을 갖는다. 이러한 요소(52)들의 2 개의 예들은 공지된 길이의 폐쇄된 기준 가스 큐벳들 또는 공지된 파장 의존성 투과의 간섭 필터들이며 공지된 농도의 하나 또는 그 초과의 가스 성분들을 갖는 채움이다. 이와 관련하여 작업자는 온도 안정성을 고려해야만 하여 기준 가스의 경우에, 또한 압력 안정성을 고려해야 한다. 요소(52)들의 사용 및 스펙트럼의 측정 시에, 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 투과 세기 및 대역 통과 파장을 포함하는 투과 스펙트럼은 하나 또는 그 초과의 제어 파라미터들에 의존하여 교정된다. 요소(52)들의 도입 또는 제거는 필터 휠에 의해 또는 기계적인 이동 가능한 캐리지에 의해 달성된다. 대안적인 실시예가 광 경로(16) 내의 요소(52)들 대신 교정을 위해 협대역 레이저 광원을 제공한다.
도 9는 분광기(10)의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들은 마찬가지로 이동 가능한 캐리지들 또는 그러한 것들에 의해 개별적으로 또는 그룹으로 광 경로(16) 안으로 도입되고 이로부터 제거될 수 있다. 이는 또한 도 8에 따른 요소와 조합될 수 있다. 도 9에 따른 실시예는 그 전체에서 단지 필터 배열체(22)에서 뿐만 아니라 개별적인 또는 그룹으로 페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 교정을 허용한다. 이는 정밀도를 증가시키고 프로세스를 간소화한다.
페브리 페롯 필터(24a 내지 24c)들의 교정에 대하여 그의 농도를 포함하여 가스 성분들이 공지된 교정 또는 기준 가스에 의해 측정 셀(28)을 채우는 것이 또한 타당할 수 있다. 또한, 관련 스펙트럼 범위의 세기를 측정하는 측정 셀(28) 대신 재교정을 위해 광 경로(16) 안으로 검출기를 도입하는 것이 가능하며 이에 의해 필터 배열체(22)의 설정 및/또는 전체 광 경로(16)의 특성들을 감시할 수 있다.
Claims (18)
- 가스 분석용 분광기로서,
상기 분광기는 연구될 가스를 갖는 측정 셀; 광 경로 상의 측정 셀 안으로의 광의 전달을 위한 광 소소; 상기 광 경로 내에 하나가 다른 하나의 뒤에 배열되는 복수의 페브리 페롯 필터(Fabry-perot filter)들을 가져서 필터 배열체의 투과 스펙트럼에 의해 광의 주파수 특성들을 설정하는 필터 배열체; 상기 측정 셀 내의 가스에 의해 광의 흡수를 측정하는 검출기; 및 상기 페브리 페롯 필터들 중 하나 이상을 설정함으로써 투과 스펙트럼을 변화시키기 위한 상기 필터 배열체용 제어 유닛을 포함하는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 필터 배열체는 3 개의 페브리 페롯 필터들을 갖는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페브리 페롯 필터들의 거울 간격들 및 연관된 투과 스펙트럼의 관계가 제어 유닛에 저장되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페브리 페롯 필터들은 절반 최대치에서 등급이 매겨진(graduated) 전체 폭들을 갖는,
가스 분석용 분광기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 3 개의 페브리 페롯 필터들은 절반 최대치에서 등급이 매겨진 전체 폭들을 가지며, 즉 절반 최대치에서 낮은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터, 절반 최대치에서 중간 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터 및 절반 최대치에서 높은 전체 폭을 갖는 페브리 페롯 필터가 제공되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투과 스펙트럼은 미리 규정된 주파수에서 협대역 최대치를 갖는,
가스 분석용 분광기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 최대치의 진폭이 변조되는 방식으로 상기 필터 배열체의 투과 스펙트럼을 주기적으로 변경시키도록 제어 유닛이 구성되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 진폭은 미리 규정된 함수에 의해 변조되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 7 항에 있어서,
상기 미리 규정된 함수는 데이터 펄스, 사인파 펄스 및 기하급수적으로 성장하고 그 후 급작스럽게 하락하는 펄스 중 하나인,
가스 분석용 분광기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 일단 스캐닝 주파수에서 최대치를 갖는 투과 스펙트럼이 발생되면 스캐닝의 계획에 따라 투과 스펙트럼을 변화시키도록 구성되고 상기 최대치의 진폭은 복수의 사이클들에 걸쳐 스캐닝 주파수에서 변조되고 상기 스캐닝 주파수는 그 후 시스템적으로 변화되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 7 항에 있어서,
상기 검출기의 신호는 공지된 변조에 의해 로크-인(Lock-in) 방법에 의해 평가되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페브리 페롯 필터들 중 하나 이상의 더 높은 차수들의 최대치들을 가리기 위해 상기 광 경로 내에 부가적인 광학적 대역 통과 필터를 더 포함하는,
가스 분석용 분광기.
- 제 12 항에 있어서,
상기 광학적 대역 통과 필터는 가장 높은 자유 스펙트럼 범위의 페브리 페롯 필터의 더 높은 차수들의 최대치를 가리기 위해 제공되는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 측정 셀은 광 음향 측정 셀인,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 경로 안으로 도입되고 이로부터 제거될 수 있으며 공지된 기준 주파수를 갖는 간섭 필터 또는 기준 가스를 갖는 가스 큐벳(cuvette)을 갖는 교정 유닛을 더 포함하는,
가스 분석용 분광기.
- 제 15 항에 있어서,
상기 교정 유닛은 이동 가능한 캐리지 또는 필터 휠을 갖는,
가스 분석용 분광기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페브리 페롯 필터들 중 하나 이상은 광 경로로부터 제거될 수 있도록 그리고 광 경로 안으로 재도입될 수 있도록 장착되는,
가스 분석용 분광기.
- 분광계 가스 분석 방법으로서,
광원의 광이 하나의 뒤에 다른 하나가 배열되는 복수의 페브리 페롯 필터들을 갖는 필터 배열체를 통하여 통과하고 광의 주파수 특성들은 이와 관련하여 필터 배열체의 투과 스펙트럼에 의해 설정되고, 상기 광은 그 후에 연구될 가스를 갖는 측정 셀 안으로 안내되고 측정 셀 내의 가스에 의해 광의 흡수가 측정되며,
상기 흡수는 복수의 페브리 페롯 필터들 중 하나 이상의 각각의 조절 후에 복수의 시간들에서 측정되며 이에 의해 상이한 주파수 특성들의 광에 의해 복수의 시간들에서 측정되는,
분광계 가스 분석 방법.
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