KR20150072793A - 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법 - Google Patents

광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법 Download PDF

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KR20150072793A
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박홍배
김영웅
백승현
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법에 관한 것으로, 광학식 복합가스측정센서는 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버; 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공되는 광원; 광원으로부터 조사된 광을 반사하도록 챔버 내에 설치되는 반사부; 반사부를 회전시키는 구동부; 및 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 반사부에서 반사되어 수신된 광으로부터 가스를 검출하는 복수 개의 검출기를 포함한다.

Description

광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법{OPTICAL MULTI-GAS SENSOR AND METHOD FOR OPTICAL MULTI-GAS SENSING}
본 발명은 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법에 관한 것이다.
본 발명은 한국연구재단의 "NDIR방식 가스측정시스템 개발" 과제의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다(과제관리번호 201301781600).
최근 대기 오염이 가속화되면서, 공기질 측정시스템이나 환경 모니터링 등의 분야에서 가스의 농도를 측정하는 가스측정센서에 대한 관심이 고조되고 있다. 특정한 가스의 농도를 측정하는 가스측정센서는 크게 접촉식 가스측정센서와 광학식 가스측정센서로 분류할 수 있다. 접촉식 가스측정센서는 광학식 가스측정센서에 비해 감도 특성, 정확도가 떨어지고, 수명이 상대적으로 짧다는 단점이 있다. 이에 정확도가 높고 긴 수명을 갖는 광학식 가스측정센서에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다. 광학식 가스측정센서는 예컨대, 비분산적외선(NDIR; Non-Dispersive Infra-Red absorption) 분석법을 이용하여, CO나 CO2 등 가스상 물질들이 적외선(Infra-Red light)에 대해 특정한 흡수 스펙트럼을 갖는 것을 이용해서 특정 가스의 농도를 구하는 가스측정센서이다. 그런데, 기존의 광학식 가스측정센서는 혼합 가스의 다양한 가스들의 농도를 신속하고 효율적으로 측정할 수 없거나, 복잡한 기구적 구조로 인하여 제조 비용이 증가하는 문제점을 갖는다.
본 발명은 광원에서 방사되는 광을 이용하여 다양한 가스의 농도를 연속적으로 그리고 신속하고 효율적으로 측정할 수 있도록 하는 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 간단한 기구적 구조에 의해 복수 개의 검출기로 광을 입사시켜 다양한 가스의 농도를 측정할 수 있는 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 높은 신뢰도를 갖는 광학식 복합가스측정센서 및 광학식 복합가스측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광학식 복합가스측정센서는, 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버; 상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공되는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부; 상기 반사부를 회전시키는 구동부; 및 상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 상기 반사부에서 반사되어 수신된 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 각 검출기는, 상기 수신된 광으로부터 소정의 파장 대역의 광신호를 추출하는 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 각 검출기는, 상기 광신호의 세기에 기초하여, 상기 파장 대역의 광을 흡수하는 가스의 농도를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 서로 다른 검출기에 대응하는 필터는, 서로 다른 파장 대역의 광신호를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 서로 다른 검출기는 서로 다른 파장 대역의 광을 흡수하는 서로 다른 가스를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광원은 상기 서로 다른 파장 대역을 모두 포함하는 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 구동부는, 상기 반사부에서 반사된 광이 상기 복수 개의 검출기로 순차적으로 입사되도록, 상기 반사부를 회전 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광원은 소정의 펄스 주기를 갖는 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부의 회전 구동은 상기 펄스 주기에 동기화될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 각 검출기는 상기 펄스 주기에 대응하는 샘플링 주기로 상기 가스를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광은 적외선 광을 포함하며, 상기 복합가스측정센서는 비분산적외선(NDIR) 방식으로 가스를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부는, 반사 미러를 구비한 반사판을 포함하고, 상기 구동부는, 상기 반사판을 회전시키는 구동 모터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버를 이루는 원형상의 내벽에 설치되고, 상기 반사부는, 상기 챔버의 중앙 측에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버를 이루는 원형상의 내벽에 설치되고, 상기 반사부는, 상기 챔버 내에서 상기 챔버의 중앙을 기준으로 상기 광원의 반대 측 영역에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버의 내벽 중 상기 광원과의 거리보다 상기 반사부와의 거리가 먼 영역에 설치될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버; 상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공되는 광원; 상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 수신되는 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기; 및 상기 챔버 내에 설치되고, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록 상기 광의 경로를 변환시키는 경로 변환부를 포함하는 광학식 복합가스측정센서가 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버; 상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 수신되는 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기; 및 상기 챔버 내에 설치되고, 상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록, 상기 광의 경로를 변환시키는 경로 변환부를 포함하는 광학식 복합가스측정센서가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 경로 변환부는, 상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부; 및 상기 반사부를 회전시키는 구동부를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 광학식 복합가스측정센서에 의하여 수행되는 광학식 복합가스측정방법으로서, 상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하는 단계; 상기 경로 변환부에 의하여, 상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록 상기 조사된 광의 경로를 변환시키는 단계; 및 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되는 광으로부터 복수 개의 서로 다른 가스의 농도를 검출하는 단계를 포함하는 광학식 복합가스측정방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광의 경로를 변환시키는 단계는, 상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부를 회전시키는 것에 의하여, 상기 광의 경로를 변환시키는 단계를 포함하고, 상기 서로 다른 가스의 농도를 검출하는 단계는, 각 검출기가 상기 수신되는 광으로부터 소정의 파장 대역의 광신호를 추출하고, 상기 광신호의 세기에 기초하여 상기 파장 대역의 광을 흡수하는 가스의 농도를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 광원에서 방사되는 광을 이용하여 다양한 가스의 농도를 연속적으로 그리고 신속하고 효율적으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 간단한 기구적 구조에 의해 복수 개의 검출기로 광을 입사시켜 다양한 가스의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 광학식 복합가스측정센서의 신뢰도를 제고할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서의 내부를 보여주는 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서의 동작을 설명하기 위한 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 광원으로부터 조사되는 광의 펄스주기를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 검출기의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 검출기의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 횡단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 횡단면도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다.
본 발명의 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서는 공기질 측정시스템, 환경 모니터링 등의 분야에서 가스를 검출하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서는 가스가 공급되는 챔버; 챔버의 내부를 향해 광을 조사하는 광원; 광원으로부터 조사된 광을 반사하는 반사부; 반사부를 회전시키는 구동부; 및 반사부로부터 수신된 광으로부터 가스를 검출하는 복수 개의 검출기를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 반사부를 회전 구동시켜 광의 경로를 변환시키는 것에 따라 복수 개의 검출기에 순차적으로 광이 수신되므로, 서로 다른 가스를 검출하는 복수 개의 검출기에 의하여 다양한 종류의 가스를 효율적으로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서의 내부를 보여주는 사시도이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서(100)는 챔버(110), 광원(120), 반사부(130), 구동부(140), 그리고 복수 개의 검출기(150)를 포함한다.
챔버(110)는 가스가 공급될 수 있도록 제공된다. 챔버(110)는 내부에 가스가 유입될 수 있는 중공부를 갖는다. 예시적으로, 챔버(110)의 벽체를 관통하여 형성되는 공급홀(111)을 통하여 가스가 공급될 수 있다. 복합가스측정센서(100)는 공급홀(111)을 통해 외부로부터 유입되는 가스의 농도를 측정할 수 있다. 공급홀(111)에 공급배관(미도시)을 연결하여, 가스 공급 장치(미도시)로부터 공급배관을 경유하여 공급홀(111)을 통해 챔버(110) 내에 유입되는 가스의 농도를 측정하는 것도 가능하다. 도시된 바와 다르게, 챔버(110)에 다수 개의 공급홀(111)이 형성될 수도 있다. 다른 실시 예로, 챔버(110)는 이의 상면이 개방된 형태로 제공될 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 챔버(110)는 원통 형상으로 제공될 수 있다. 일 실시 예로, 챔버(110)는 이의 내벽이 원형의 단면 형상을 갖도록 제공될 수 있다. 챔버(110)는 내측면을 따라 복수 개의 검출기(150)를 소정의 간격으로 배치되도록 지지한다. 챔버(110)의 내벽이 원형상으로 제조되는 경우, 복수 개의 검출기(150)를 원형을 따라 배치할 수 있다. 따라서, 반사부(130)를 챔버(110)의 중앙에 배치할 경우, 반사부(130)와 검출기(150)들 간의 거리를 일정하게 유지할 수 있으며, 측정 편차를 유발하는 요인을 제거하여 검출기(150)의 측정값에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.
광원(120)은 챔버(110)의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공된다. 광원(120)은 챔버(110)의 일 측벽에 고정될 수 있다. 도 1 내지 도 2의 실시 예에서, 광원(120)은 챔버(110)의 중앙을 향하여 광을 조사하도록 설치된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 광원(120)은 적외선 광을 조사하는 적외선 광원일 수 있다. 예시적으로, 광원(120)은 적외선 발광다이오드(Infra-Red Light Emitting Diode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(120)은 3~5㎛ 파장 범위 내의 적외선 광을 조사할 수 있다.
가스의 종류별로 적외선 흡수 스펙트럼이 다르기는 하지만, 대부분 3~5㎛ 파장 범위 내에 포함되는 파장 대역의 빛을 흡수하기 때문에, 챔버(110) 내에 적외선 광을 조사하는 것에 의하여, 다양한 가스를 검출할 수 있고, 서로 다른 가스가 혼합된 복합 가스(혼합 가스)를 효과적으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 프로판(propane)은 3.42㎛ 파장의 빛을 흡수하고, SO2는 3.96㎛ 파장의 빛을 흡수하고, HCl은 3.57㎛ 파장의 빛을 흡수하고, CO2는 4.24㎛ 파장의 빛을 흡수하고, CO는 4.7㎛ 파장의 빛을 흡수하므로, 적외선 광을 이용하는 것에 의하여, 프로판, SO2, HCl, CO2, CO 가스를 검출할 수 있다.
반사부(130)는 광원(120)으로부터 조사된 광을 반사하도록 챔버(110) 내에 설치된다. 반사부(130)는 광원(120)으로부터 조사되는 광의 경로 상에 설치될 수 있다. 챔버(110) 내에 반사부(130)가 설치된 상태에서, 광원(120)을 배치하는 경우에 있어서는, 반사부(130)를 향하여 광이 조사되도록 광원(120)의 방향을 조절함으로서, 반사부(130)가 광원(120)으로부터 조사되는 광의 경로 상에 설치되도록 할 수 있다. 광원(120)이 적외선 발광 다이오드를 포함하는 경우, 적외선 발광 다이오드에서 조사되는 광은 약간의 각도를 가지고 퍼져나가기는 하지만, 어느 정도의 지향성을 갖는다. 이때, 광의 경로는 광원(120)으로부터 조사되는 광의 평균적인 진행 방향을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반사부(130)는 반사 미러를 구비한 반사판을 포함할 수 있다. 반사판은 반사 미러에 의하여, 광원(120)으로부터 조사되는 광을 복수 개의 검출기(150) 중의 어느 하나를 향하도록 반사시킨다. 즉, 반사부(130)에 의하여, 광원(120)으로부터 조사되는 광의 경로가 변환된다. 반사 미러의 각도는 반사면에서 반사한 광이 복수 개의 검출기(150) 중의 어느 하나를 향하도록 설정된다. 반사부(130)에 의하여 반사되는 광이 입사되는 검출기(150)는 반사판이 회전함에 따라서 변화한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 반사부(130)와 검출기(150)들 간의 거리가 일정하게 유지되도록, 반사부(130)는 챔버(110)의 중앙 측에 설치될 수 있다. 이에 따라, 반사부(130)에서 반사된 광이 어느 검출기(150)를 향하던지 관계없이, 전체 광의 경로, 즉 광원(120)으로부터 반사부(130) 간의 거리와, 반사부(130)와 검출기(150) 간의 거리의 합은 항상 일정하게 유지되므로, 광의 진행 거리의 변화 요인을 제거하여 각 검출기(150)의 측정값의 정확도를 높일 수 있다.
구동부(140)는 반사부를 회전시키도록 제공된다. 구동부(140)에 의하여 반사부(130)가 회전되면, 반사부(130)에서 반사된 광의 경로가 변화한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 구동부(140)는 반사판을 회전시키는 구동 모터를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 구동부(140)는 챔버(110)의 상면 중앙 측에 고정 설치된다. 구동부(140)의 구동축은 베어링(미도시)을 매개로 챔버(110)의 상벽을 관통하여 반사부(130)의 반사판과 연결될 수 있다.
다른 실시 예로, 구동부(140)는 챔버(110) 내에 설치될 수도 있다. 예를 들어, 구동부(140)는 챔버(110)의 내부 하면에 설치되어, 반사부(130)를 구동할 수도 있다. 광원(120)으로부터 반사부(130)로 조사되는 광의 방향을 제1 방향(X)으로 하고, 수평면에서 제1 방향(X)에 수직인 방향을 제2 방향(Y)으로 하고, 제1 방향(X)과 제2 방향에 모두 수직인 방향을 제3 방향(Z)으로 할 때, 반사부(130)는 구동축에 의하여 제3 방향(Z)을 중심축으로 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 구동부(140)는 반사부(130)에서 반사된 광이 복수 개의 검출기(150)로 순차적으로 입사되도록, 반사부(130)를 회전 구동시킬 수 있다. 반사부(130)와 구동부(140)는 경로 변환부에 상응하는 구성이다. 경로 변환부는 광원(120)으로부터 챔버(110) 내부를 향하여 제1 방향(X)으로 조사된 광이 복수 개의 검출기(150)에 순차적으로 수신되도록 광의 경로를 변환시킨다. 다시 말해, 구동부(140)에 의하여 반사부(130)가 회전함에 따라, 반사부(130)에서 반사된 광의 진행 방향은 X-Y 평면을 따라 회전한다.
복수 개의 검출기(150)는 챔버(110) 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 복수 개의 검출기(150)는 챔버(110)를 이루는 원형상의 내벽에 설치될 수 있다. 복수 개의 검출기(150)는 순차적으로 반사부(130)로부터 광을 수신받고, 반사부(130)로부터 수신한 광으로부터 가스를 검출할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 복합가스측정센서(100)는 비분산적외선(NDIR; Non Dispersive Infra-Red) 방식으로 가스를 검출할 수 있다. 도시된 실시 예에서, 복수 개의 검출기(150)는 인접하는 검출기(150) 간의 각도가 일정하도록 배열되어 있으나, 인접하는 검출기(150) 간의 각도가 일정하지 않게 배열될 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서의 동작을 설명하기 위한 횡단면도이다. 도 3을 참조하면, 광원(120)으로부터 챔버(110) 내부를 향하여 조사된 광은 반사부(130)에 의하여 반사되어 제1 검출기(151)로 입사된다. 제1 검출기(151)는 반사부(130)에서 반사되어 수신된 광을 분석하여 챔버(110) 내의 제1 가스의 농도를 검출한다. 즉, 제1 검출기(151)는 필터에 의하여 광으로부터 제1 파장 대역의 광신호를 추출하고, 제1 파장 대역의 광신호의 세기에 기초하여 제1 가스의 농도를 검출한다. 제1 가스는 제1 파장 대역의 빛을 흡수하므로, 제1 가스의 농도에 따라 광신호의 세기가 변화한다. 즉, 제1 가스의 농도가 증가할수록, 제1 파장 대역의 빛이 제1 가스에 흡수되는 양이 증가하므로, 제1 파장 대역의 광신호의 세기는 감소할 것이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 챔버(110) 내의 제2 가스의 농도를 검출하도록, 구동부(140)를 구동하여 반사부(130)를 회전시킨다. 이때, 반사부(130)의 회전 각도(θ)는 챔버(110)의 중심으로부터 제1 검출기(151)와 제2 검출기(152) 간의 각도의 1/2로 결정될 수 있다. 이에 따라, 광원(120)으로부터 챔버(110) 내부를 향하여 조사된 광은 반사부(130)에 의하여 반사되어 제2 검출기(152)로 입사된다. 제2 검출기(152)는 반사부(130)에서 반사되어 수신된 광을 분석하여 챔버(110) 내의 제2 가스의 농도를 검출한다.
즉, 제2 검출기(152)는 필터에 의하여 광으로부터 제2 파장 대역의 광신호를 추출하고, 제2 파장 대역의 광신호의 세기에 기초하여 제2 가스의 농도를 검출한다. 제2 가스는 제2 파장 대역의 빛을 흡수하므로, 제2 가스의 농도에 따라 광신호의 세기가 변화한다. 즉, 제2 가스의 농도가 낮을수록, 제2 파장 대역의 빛이 제2 가스에 흡수되는 양이 줄어들기 때문에, 제2 파장 대역의 광신호의 세기는 증가할 것이다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 다시 구동부(140)에 의하여 반사부(130)를 회전시켜, 광이 제3 검출기(153)로 입사되도록 할 수 있다. 제3 검출기(153)는 수신된 광을 분석하여 챔버(110) 내의 제3 가스의 농도를 검출할 수 있다. 즉, 제3 검출기(153)는 필터에 의하여 광으로부터 제3 파장 대역의 광신호를 추출하고, 제3 파장 대역의 광신호의 세기에 기초하여 제3 가스의 농도를 검출할 수 있다. 제3 파장 대역은 제3 가스가 흡수하는 빛의 파장 대역에 대응하도록 설계된다. 제3 검출기(153)는 제3 파장 대역의 광신호의 세기를 측정하여, 제3 가스의 농도를 검출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 하나의 광원(120)에서 방사되는 광을 이용하여 다수의 검출기(150)에 의하여 챔버(110) 내의 다양한 가스의 농도를 연속적으로, 그리고 신속하고 효율적으로 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 간단한 기구적 구조(반사판과 구동부)에 의하여 복수 개의 검출기(150)로 광을 입사시켜, 검출기(150)의 개수에 해당하는 다양한 가스의 농도를 측정할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 의하면, 어느 검출기(150)로 광을 입사시키는지에 관계없이 광의 전체 진행 거리를 일정하게 유지하여, 측정 신뢰도를 제고할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 광원으로부터 조사되는 광의 펄스주기를 보여주는 도면이다. 도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 광원(120)은 소정의 펄스 주기(T)를 갖는 광을 조사할 수 있다. 즉, 광원(120)은 T1 시간 동안 광을 조사하고, T2 - T1 시간 동안 광의 조사를 중단할 수 있다. 펄스 형태의 광을 조사하는 것에 의하여, 광을 연속적으로 조사하는 경우에 비해, 광원(120)의 열화로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반사부(130)의 회전 구동은 펄스 주기에 동기화될 수 있다. 즉, 광이 조사되는 동안, 광이 입사되는 검출기(150)에서 가스를 검출하며, 광이 조사되지 않는 동안, 반사부(130)를 회전시킴으로써, 펄스 주기마다 가스 농도를 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에서, N번의 펄스 주기 동안 서로 다른 N개의 가스의 농도를 측정할 수 있다. 광원(120)의 펄스 주기에 관한 정보는 전기선이나 무선에 의하여 전기신호적으로 구동부(140)로 전달될 수 있고, 그에 따라 구동부(140)의 구동 시간을 광원(120)의 펄스 주기에 동기화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 각 검출기(150)는 광의 펄스 주기(T)에 대응하는 샘플링 주기로 가스를 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(150)의 개수가 M일 경우, M번의 펄스 주기 동안 M개의 가스의 농도를 측정할 수 있고, 이때, 각각의 검출기(150)는 M번의 펄스 주기 중에서 1번의 펄스 주기의 가스 검출 구간에서 대응하는 가스를 검출할 수 있다. 즉, 검출기(150)는 M번의 펄스 주기 동안 가스를 1회 검출할 수 있다. 단, 검출기(150)의 샘플링 주기나 구동부(140)의 구동 주기는 검출하려는 가스의 종류나, 검출기(150)의 검출 시간 등에 따라서 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 검출기의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 각 검출기(150)는 필터(1501)와 분석부(1502)를 포함한다. 필터(1501)는 반사부(130)에서 반사되어 수신된 광으로부터 검출하려는 특정 가스에 대응하는 파장 대역의 광신호를 추출한다. 일 실시 예로, 필터(1501)는 대역 통과 필터일 수 있다. 서로 다른 검출기(150)에 대응하는 필터는 서로 다른 파장 대역의 광신호를 추출할 수 있다. 분석부(1502)는 광신호의 세기에 기초하여, 특정 파장 대역의 광을 흡수하는 가스의 농도를 검출할 수 있다. 서로 다른 검출기(150)는 서로 다른 파장 대역의 광을 흡수하는 서로 다른 가스를 검출할 수 있다. 광원(120)은 복수 개의 검출기(150)의 필터(1501)에 대응하는 서로 다른 파장 대역을 모두 포함하는 광을 조사하도록 제공될 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 구성하는 검출기의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 분석부(1502)는 서로 다른 검출기(150)의 필터(1501a,b,c)로부터 광신호들을 순차적으로 입력받아 서로 다른 가스의 농도를 연속적으로 검출할 수 있다. 분석부(1502)는 검출기(150)에서 측정한 광신호(예컨대, 전압 신호)를 증폭하는 증폭기(미도시), A/D 변환기(미도시), 비분산적외선법에 의하여 가스의 농도를 측정하기 위한 연산을 수행하는 중앙처리장치(미도시) 등을 포함할 수 있다. 검출기(150)의 샘플링 주기를 구동부(140)의 구동과 연동시키는 것에 의하여, 서로 다른 검출기(150)로부터 광신호가 동시에 입력되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 검출기(150)의 샘플링 주기를 고려하여, 광신호를 연속적으로 분석하여, 다양한 가스의 농도를 효과적으로 검출할 수 있다. 다른 실시 예로, 분석부(1502)는 각 검출기(150) 마다 제공되는 것도 가능하다. 본 발명의 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서(100)는 광원(120)과 구동부(140) 등의 장치에 전원을 공급하는 전원부(미도시), 검출한 가스의 농도를 저장하는 저장부(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 횡단면도이다. 도 9를 참조하면, 반사부(130)는 챔버(110) 내에서 챔버(110)의 중앙을 기준으로 광원(120)의 반대 측 영역에 설치될 수 있다. 도 9의 실시 예에 의하면, 광원(120)과 반사부(130) 간의 광의 진행 경로가 증가하므로, 보다 높은 신뢰도의 측정값을 얻을 수 있다. 반사부(130)의 각도는 검출기(151,152,153)의 배치 구조에 대응하여, 미리 설정될 수 있다. 도 9의 실시 예의 경우, 검출기(151,152,153)마다 반사부(130)와의 거리가 변화되므로, 각 검출기(151,152,153) 마다 반사부(130) 간의 거리 값을 개별적으로 반영해두고, 가스의 농도를 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 광학식 복합가스측정센서를 보여주는 횡단면도이다. 도 10을 참조하면, 복수 개의 검출기(150)는 챔버(110)의 내벽 중 광원(120)과의 거리보다 반사부(130)와의 거리가 먼 영역에 설치될 수 있다. 도 10의 실시 예의 경우, 광원(120)과 반사부(130) 간의 광의 진행 경로가 증가하는 동시에, 반사부(130)와 검출기(150) 간의 거리를 일정 거리 이상 확보할 수 있기 때문에, 보다 높은 신뢰도의 측정값을 얻을 수 있다. 반사부(130)의 각도는 검출기(150)의 배치 구조에 대응하여, 미리 설정될 수 있다. 도 9의 실시 예의 경우, 검출기(150)마다 반사부(130)와의 거리가 변화되는 것을 고려하기 위해, 각 검출기(150) 마다 반사부(130) 간의 거리 값을 개별적으로 반영해두고, 가스의 농도를 검출할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 광학식 복합가스측정센서 110: 챔버
111: 공급홀 120: 광원
130: 반사부 140: 구동부
150,151,152,153: 검출기 1501,1501a,b,c: 필터
1502: 분석부

Claims (20)

  1. 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버;
    상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공되는 광원;
    상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부;
    상기 반사부를 회전시키는 구동부; 및
    상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 상기 반사부에서 반사되어 수신된 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    각 검출기는, 상기 수신된 광으로부터 소정의 파장 대역의 광신호를 추출하는 필터를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 각 검출기는, 상기 광신호의 세기에 기초하여, 상기 파장 대역의 광을 흡수하는 가스의 농도를 검출하는 광학식 복합가스측정센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    서로 다른 검출기에 대응하는 필터는, 서로 다른 파장 대역의 광신호를 추출하는 광학식 복합가스측정센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    서로 다른 검출기는 서로 다른 파장 대역의 광을 흡수하는 서로 다른 가스를 검출하는 광학식 복합가스측정센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 서로 다른 파장 대역을 모두 포함하는 광을 조사하는 광학식 복합가스측정센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 반사부에서 반사된 광이 상기 복수 개의 검출기로 순차적으로 입사되도록, 상기 반사부를 회전 구동시키는 광학식 복합가스측정센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 소정의 펄스 주기를 갖는 광을 조사하는 광학식 복합가스측정센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 반사부의 회전 구동은 상기 펄스 주기에 동기화되는 광학식 복합가스측정센서.
  10. 제8 항에 있어서,
    각 검출기는 상기 펄스 주기에 대응하는 샘플링 주기로 상기 가스를 검출하는 광학식 복합가스측정센서.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 광은 적외선 광을 포함하며,
    상기 복합가스측정센서는 비분산적외선(NDIR) 방식으로 가스를 검출하는 광학식 복합가스측정센서.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 반사부는, 반사 미러를 구비한 반사판을 포함하고,
    상기 구동부는, 상기 반사판을 회전시키는 구동 모터를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버를 이루는 원형상의 내벽에 설치되고,
    상기 반사부는, 상기 챔버의 중앙 측에 설치되는 광학식 복합가스측정센서.
  14. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버를 이루는 원형상의 내벽에 설치되고,
    상기 반사부는, 상기 챔버 내에서 상기 챔버의 중앙을 기준으로 상기 광원의 반대 측 영역에 설치되는 광학식 복합가스측정센서.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수 개의 검출기는, 상기 챔버의 내벽 중 상기 광원과의 거리보다 상기 반사부와의 거리가 먼 영역에 설치되는 광학식 복합가스측정센서.
  16. 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버;
    상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하도록 제공되는 광원;
    상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 수신되는 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기; 및
    상기 챔버 내에 설치되고, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록 상기 광의 경로를 변환시키는 경로 변환부를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  17. 가스가 공급될 수 있도록 제공되는 챔버;
    상기 챔버 내에 둘레를 따라 소정의 간격을 갖도록 설치되고, 수신되는 광으로부터 상기 가스를 검출하는 복수 개의 검출기; 및
    상기 챔버 내에 설치되고, 상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록, 상기 광의 경로를 변환시키는 경로 변환부를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  18. 제16 항 또는 제17 항에 있어서,
    상기 경로 변환부는,
    상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부; 및
    상기 반사부를 회전시키는 구동부를 포함하는 광학식 복합가스측정센서.
  19. 제16 항 또는 제17 항에 기재된 광학식 복합가스측정센서에 의하여 수행되는 광학식 복합가스측정방법으로서,
    상기 챔버의 내부를 향하여 광을 조사하는 단계;
    상기 경로 변환부에 의하여, 상기 챔버의 내부를 향하여 조사된 광이 상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되도록 상기 조사된 광의 경로를 변환시키는 단계; 및
    상기 복수 개의 검출기에 순차적으로 수신되는 광으로부터 복수 개의 서로 다른 가스의 농도를 검출하는 단계를 포함하는 광학식 복합가스측정방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 광의 경로를 변환시키는 단계는, 상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하도록 상기 챔버 내에 설치되는 반사부를 회전시키는 것에 의하여, 상기 광의 경로를 변환시키는 단계를 포함하고,
    상기 서로 다른 가스의 농도를 검출하는 단계는, 각 검출기가 상기 수신되는 광으로부터 소정의 파장 대역의 광신호를 추출하고, 상기 광신호의 세기에 기초하여 상기 파장 대역의 광을 흡수하는 가스의 농도를 검출하는 단계를 포함하는 광학식 복합가스측정방법.
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