KR20160063704A - 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법, 그리고 이를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개방형 원거리에서 가스 측정을 위한 투과 방식을 기반으로 원거리에 적합한 고출력 중 적외선 램프(mid infrared lamp)와 간섭 필터 및 고증폭용 초전 센서 검출기로 구성된 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선을 원거리까지 전송시키는 광원모듈과, 상기 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광에서 유발되어 초전 센서에서 검출된 화학종 고유진동의 미세 신호를 증폭하여 가스를 측정하는 필터 기반의 측정모듈을 포함하여 구성되는데 있다.
Description
본 발명은 개방형 원거리에서 가스 측정을 위한 투과 방식의 가스 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 개방형 원거리에서 가스 측정을 위한 투과 방식을 기반으로 원거리에 적합한 고출력 중 적외선 램프(mid infrared lamp), 간섭 필터 및 고증폭용 초전센서 검출기로 구성된 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연소 및 가스 검출 장치의 기술로는 크게 전기 화학적 방법, 반도체 측정 방법 그리고 광학적인 방법 등으로 구분된다.
이때, 반도체 측정 방법은 건물 내벽 및 천장에 장착하여 일산화탄소, 이산화탄소 및 프로판 가스 등 단일 성분을 측정하는 검출 장치로 활용되고 있다. 하지만 반도체 가열을 통해서 전기적 신호를 측정하는 방식이기 때문에 농도에 선형적인 변화가 없고 일정 농도 이상에서 검출이 가능하며, 대상가스가 인접하여야 측정이 가능하기 때문에 측정 범위가 좁은 문제점이 있다.
또한 전기 화학적인 방법은 농도가 ppm 레벨에서 측정이 가능하기 때문에 반도체에 비해서 높은 성능을 가진다. 그러나 전해질의 오염이 쉬울 뿐만 아니라 전해질의 산화 환원 반응이 분광학적인 분석 방법에 비해 분해능이 떨어지기 때문에 혼합가스의 경우 측정오차가 상대적으로 높은 단점을 가진다.
이에 비해 고분해능을 가지는 광학적인 방법은 일정한 휘도를 가진 광원과 이를 검출하는 검출기가 있어야 하기 때문에 가격이 높은 단점을 가진다. 특히 각 화학종별 검출기를 설치해야 한다. 기존의 광학 측정 장비는 외부 가스를 일정 도파관이라는 관을 사용하여 그 안으로 가스를 일정 유속으로 샘플링하여 측정하는 방법을 사용한다. 이 방법은 샘플링을 하기 위하여 가스를 강제로 주입시켜야 하기 때문에 측정 범위가 매우 좁고 측정이 되더라도 어느 위치에서 가스가 발생되는지 확인하기 어려운 단점을 가진다. 따라서 일반적으로 광학적인 분석 방법은 샘플링한 시료를 실험실로 가져와 측정하는 방법을 따른다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 개방형 원거리에서 가스 측정을 위한 투과 방식을 기반으로 원거리에 적합한 고출력 중 적외선 램프(mid infrared lamp)와 간섭 필터 및 고증폭용 초전 센서 검출기로 구성된 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분리형 원거리 가스 측정 장치의 특징은 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선을 원거리까지 전송시키는 광원모듈과, 상기 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광에서 유발되어 초전 센서에서 검출된 화학종 고유진동의 미세 신호를 증폭하여 가스를 측정하는 필터 기반의 측정모듈을 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 측정모듈에서 측정된 가스를 무선 통신을 통하여 데이터 관리부로 전송하고, 상기 데이터 관리부로부터 무선 통신을 통해서 광원모듈 및 측정모듈 제어 신호를 수신하는 무선 통신부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 광원모듈은 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 조절하는 코일 필라멘트(coiled filament)와, 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 적외선 광이 원거리로 조사되도록 하여 적외선 휘도 감소를 저감시키는 포물면 반사기(parabolic reflector)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 적외선 램프와 포물면 반사기는 공랭식으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 코일 필라멘트의 온도가 고온이 될수록 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광의 전체 휘도는 좋아지나 파장이 짧은 쪽으로 이동하게 되고, 온도가 저온이 될수록 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광의 전체 휘도는 낮아지나 파장이 긴 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 광원모듈은 전류 조절을 이용하여 코일 필라멘트의 온도를 제어하는 전류 조절부를 구성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전류 조절부는 NPN 형으로 구성되어, 베이스에 낮은 전류를 통해서 이미터와 컬렉터 사이의 전류를 제어하는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 베이스 단 및 전원을 사이에 둔 이미터 단에 각각 연결되어 베이스가 이미터에 비해 낮은 전류가 인가되도록 저항값을 가변하는 가변 저항을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 측정모듈은 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 선택되는 적외선 간섭 필터와, 초전 효과를 이용하여 상기 적외선 간섭 필터에서 흡수된 적외선 광이 전송되면, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호로 발생시키는 초전센서와, 상기 초전센서에서 발생되는 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 적외선 간섭 필터는 각 화학종의 개수에 따라 복수개의 필터로 구성되어 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 회귀 곡선의 선형성이 0.9 이상으로 해당되는 필터가 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 측정모듈은 적외선 간섭 필터 전면에 설치되어 광원모듈에서 전송된 적외선 광을 모아 증폭시킨 후, 적외선 간섭 필터에 광이 주사되도록 하여 미세 광을 측정할 수 있도록 하는 적외선 렌즈를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 증폭기는 연산 증폭기(OP AMP)를 사용하여 증폭 회로를 구성하며, 단일 증폭과 반전 증폭을 기본으로 하고 피드백 저항을 통해서 증폭한 뒤 출력 전압을 높이는 방법으로 전기적 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 증폭기에서 증폭되어 출력되는 전기적 신호는 무선 통신부를 통해 데이터 관리부로 전송되어, 데이터 관리부에서 모니터링되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 측정모듈은 미지 시료(가스) 분석을 보다 정확하게 측정하기 위해 실험을 통해 구축된 각 화학종들의 검량선을 데이터베이스화하여 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터로 적용하여 정량분석의 정확도를 높이는 보정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 보정부는 기초 데이터를 기반으로 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 중첩에 의한 간섭이 발생되면, 분석하고자 하는 화학종의 흡광도 세기를 간섭되는 화학종의 흡광도 세기로 나누어 간섭이 발생되는 화학종의 흡광도 세기가 제거되도록 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분리형 원거리 가스 측정 방법의 특징은 (A) 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선을 원거리까지 전송시키는 단계와, (B) 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 초전 효과를 이용하여 화학종의 고유진동을 검출하여 가스를 측정하는 단계와, (C) 측정된 가스를 무선 통신을 통하여 데이터 관리부로 전송하고, 상기 데이터 관리부로부터 무선 통신을 통해서 광원모듈 및 측정모듈 제어 신호를 수신하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 (A) 단계는 코일 필라멘트(coiled filament)를 이용하여 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 조절하는 단계와, 포물면 반사기(parabolic reflector)를 이용하여 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 적외선 광이 원거리로 조사되도록 하여 적외선 휘도 감소를 저감시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (B) 단계는 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 적외선 간섭 필터가 선택되는 단계와, 초전 효과를 이용하여 상기 선택된 적외선 간섭 필터에서 흡수된 적외선 광이 전송되어, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호가 발생되는 단계와, 상기 발생되는 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 증폭되어 출력되는 전기적 신호는 무선 통신부를 통해 데이터 관리부로 전송되어, 데이터 관리부에서 모니터링되는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 분석하고자 하는 화학종의 고유진동 검출은 기초 데이터를 기반으로 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 중첩에 의한 간섭이 발생되면, 분석하고자 하는 화학종의 흡광도 세기를 간섭되는 화학종의 흡광도 세기로 나누어 간섭이 발생되는 화학종의 흡광도 세기가 제거되도록 보정하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법은 일정 휘도를 가진 적외선 광원을 원거리로 보내기 위한 추가적인 휘도 유지용 광학기를 적용하며, 비확산용 간섭 필터를 사용하고, 적외선 신호를 고증폭이 가능한 초전센서를 적용함으로써, 개방형에서도 보다 정확한 가스 분석이 가능하며, 대기 중 다른 성분에 의한 간섭을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 개방형 원거리에서 측정을 위한 투과 방식 기반으로 한 분리형 원거리 가스 측정 장치의 전체 시스템을 나타낸 계략도
도 2a는 도 1의 광원모듈의 전체구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 2b는 도 1의 광원모듈에서 중 적외선 램프의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 3은 도 1의 광원모듈에서 조사되는 적외선 광의 파장 영역이 온도에 따라 달라지는 적외선 파장 영역을 나타낸 그래프
도 4 는 도 1의 광원모듈에서 코일 필라멘트의 온도를 조절하기 위해 전류를 조절하기 위한 전류 조절부를 상세히 나타낸 회로도
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 측정모듈의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 6 은 도 1의 측정모듈의 증폭기의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 7 는 도 1의 측정모듈에서 실험을 통해 구축된 검량선 데이터베이스를 나타낸 각 화학종에 대한 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터를 나타낸 도면
도 8 은 도 7의 기초 데이터를 기반으로 스펙트럼 매질 제거를 설명하기 위한 실시예
도 9 는 도 1의 측정모듈과 데이터 관리부 간의 무선 통신을 제공하는 구성을 나타낸 구성도
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 분리형 원거리 가스 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 2a는 도 1의 광원모듈의 전체구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 2b는 도 1의 광원모듈에서 중 적외선 램프의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 3은 도 1의 광원모듈에서 조사되는 적외선 광의 파장 영역이 온도에 따라 달라지는 적외선 파장 영역을 나타낸 그래프
도 4 는 도 1의 광원모듈에서 코일 필라멘트의 온도를 조절하기 위해 전류를 조절하기 위한 전류 조절부를 상세히 나타낸 회로도
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 측정모듈의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 6 은 도 1의 측정모듈의 증폭기의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도
도 7 는 도 1의 측정모듈에서 실험을 통해 구축된 검량선 데이터베이스를 나타낸 각 화학종에 대한 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터를 나타낸 도면
도 8 은 도 7의 기초 데이터를 기반으로 스펙트럼 매질 제거를 설명하기 위한 실시예
도 9 는 도 1의 측정모듈과 데이터 관리부 간의 무선 통신을 제공하는 구성을 나타낸 구성도
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 분리형 원거리 가스 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 분리형 원거리 가스 측정 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 개방형 원거리에서 측정을 위한 투과 방식 기반으로 한 분리형 원거리 가스 측정 장치의 전체 시스템을 나타낸 계략도이다.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 높은 휘도를 가진 고출력 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선을 원거리까지 전송시키는 광원모듈(100)과, 상기 광원모듈(100)에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광에서 유발되어 초전 센서에서 검출된 화학종 고유진동의 미세 신호를 증폭하여 가스(종류 및 세기)를 측정하는 필터 기반의 측정모듈(200)로 구성된다. 그리고 상기 측정모듈(200)에서 측정된 가스 정보는 무선 통신을 통하여 컴퓨터 등의 데이터 관리부(300)로 데이터가 전송 및 저장된다. 아울러, 데이터 관리부(300)는 무선 통신을 통해서 광원모듈(100)과 측정모듈(200)을 제어한다.
이때, 상기 광원모듈(100)은 적외선 램프 앞단에 포물면 반사기(parabolic reflector)를 부착하여 적외선 휘도 감소를 최대한 저감시키고 있으며, 또한 적외선 램프에 코일 필라멘트(coiled filament)를 구성하여 코일의 온도를 거리에 따라 다르게 적용함으로써, 거리당 최적 온도를 사용할 수 있도록 구성된다. 이때, 코일의 온도는 전류적으로 제어된다.
도 2a는 도 1의 광원모듈의 전체구성을 보다 상세히 나타낸 구성도이고, 도 2b는 도 1의 광원모듈에서 중 적외선 램프의 구성을 보다 상세히 나타낸 구성도이다.
도 2a 및 도 2b에서 도시하고 있는 것과 같이, 광원모듈(100)은 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 적용시키는 코일 필라멘트(coiled filament)(110)와, 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 원거리까지 조사되는 적외선 광이 강하게 전달될 수 있도록 하여 적외선 휘도 감소를 최대한 저감시키는 포물면 반사기(parabolic reflector)(120)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 적외선 램프와 포물면 반사기(120)는 공랭식으로 구성된다.
이처럼, 상기 광원모듈(100)은 특정한 온도를 가진 고출력 적외선 램프로써, 코일 필라멘트(110)의 온도에 따라 적외선 파장 영역이 달라지게 되는데, 이는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 온도가 고온이 될수록 전체 휘도는 좋아지나 파장이 짧은 쪽으로 이동하게 되고, 온도가 저온에서는 파장이 긴 쪽의 분포가 높아지는 반면 전체적인 휘도가 낮아져서 측정하는데 어려움이 발생된다.
상기 광원모듈(100)은 이러한 코일 필라멘트(110)의 온도를 전류적으로 제어하여 코일 필라멘트(110)의 온도를 거리에 따라 다르게 적용함으로써, 거리당 최적 온도를 사용할 수 있도록 구성되며, 상기 코일 필라멘트(110)의 온도 제어는 도 4에서 도시하고 있는 전류 조절부(130)를 통한 전류 조절로 이루어진다.
도 4 는 도 1의 광원모듈에서 코일 필라멘트(110)의 온도를 조절하기 위해 전류를 조절하기 위한 전류 조절부(130)를 상세히 나타낸 회로도이다.
도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, NPN 형으로 구성되어, 베이스에 낮은 전류를 통해서 이미터와 컬렉터 사이의 전류를 제어하는 트랜지스터(131)와, 상기 트랜지스터(131)의 베이스 단과 전원을 사이에 두고 이미터 단에 각각 연결되어 베이스가 이미터에 비해 낮은 전류가 인가되도록 저항값을 가변하는 가변 저항(132)으로 구성된다.
다음으로 상기 측정모듈(200)은 도 5a에서 도시하고 있는 것과 같이, 광원모듈(100)에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 선택되는 적외선 간섭 필터(210)와, 초전 효과를 이용하여 상기 적외선 간섭 필터(210)에서 흡수된 적외선 광이 전송되면, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호로 발생시키는 초전센서(220)와, 상기 초전센서(220)에서 발생되는 전기적 신호를 증폭하여 무선 통신을 통해 컴퓨터 등의 데이터 관리부(300)로 전송하는 증폭기(230)로 구성된다. 이때, 상기 적외선 간섭 필터(210)는 도 5c에서 도시하고 있는 것과 같이, 각 화학종의 개수에 따라 복수개의 필터로 구성되어 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 회귀 곡선의 선형성이 0.9 이상으로 해당되는 필터가 선택된다.
한편, 원거리에서 초전센서(220)에 너무 미약한 적외선 광이 주사될 경우 도 5b에서 도시하고 있는 것과 같이, 적외선 간섭 필터(210) 전면에 적외선 렌즈(250)를 사용하여 광원모듈(100)에서 전송된 적외선 광을 모아 증폭시킨 후, 적외선 간섭 필터에 광이 주사되도록 하여 미세 광을 측정할 수 있도록 구성될 수도 있다.
이때, 상기 증폭기(230)는 초전센서(220)에서 나오는 전기적 신호가 매우 미세한 전압을 가지고 있으므로, 이러한 미세한 전압을 증폭시키기 위한 구성으로, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 기본 적으로 연산 증폭기(OP AMP)라는 게인(gain)이 가장 높은 소자를 사용하여 증폭 회로를 구성한다.
이처럼, 상기 증폭기(230)는 연산 증폭기를 사용하며, 단일 증폭과 반전 증폭을 기본으로 하고 피드백 저항을 통해서 증폭한 뒤 출력 전압을 최대한 높이는 방법으로 전압을 출력한 후, 데이터 관리부(330)에서 모니터링 할 수 있도록 구성하였다.
이때, 상기 측정모듈(200)은 미지 시료(가스) 분석을 보다 정확하게 측정하기 위해 실험을 통해 구축된 각 화학종들의 검량선을 데이터베이스화하여 정량분석의 정확도를 높이기 위한 보정부(미도시)를 포함한다. 이는 각 연소 가스에 대한 최적화된 필터를 선택하기 위한 적외선 흡수 기초 데이터로 이용된다.
도 7 은 도 1의 측정모듈에서 실험을 통해 구축된 검량선 데이터베이스를 나타낸 각 화학종에 대한 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터를 나타낸 도면으로서, 이는 개방형 원거리에서 측정을 위한 투과 방식 기반으로 한 고출력 중 적외선 램프(mid infrared lamp)와 필터 기반의 검출기로서 각 연소 가스에 대한 최적화된 필터를 선택하기 위해 각 화학종에 대한 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터이다.
이러한 기초 데이터는 각 화학종의 표준 가스를 사용하여 FT-IR 스팩트러미터로 측정하고, 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 특정 영역 범위의 필터를 사용한다. 하지만, HCI와 HBr은 농도가 높아질 경우에는 중첩이 발생될 수 있어 간섭을 피하여 필터를 선택한다.
이것을 기반으로 하여 각 가스별 필터 중 CO2는 2400부터 2200cm-1, CO는 2300부터 2000cm-1에서 측정하는 필터를 선택한다. 그리고 NO2는 1700부터 1500cm-1, HCl은 3100부터 2700cm-1에서 흡수가 일어나지만 HBr과 중첩되는 wavenumber가 있기 때문에 3100부터 2900cm-1만 선택한다. 또한 HBr는 2800부터 2500cm-1인데 이때 HBr는 2600부터 2500cm-1만 선택한다. 그리고 HF는 3900부터 3500cm-1에서 선택한다.
실시예로서, 도 8과 같이 CO2, CO 성분과 H2O의 3가지 성분으로 스펙트럼 흡수 영역이 측정된 경우, CO의 농도를 분석할 때 CO2와 H2O중 H2O 간섭이 더 크게 영향을 주기 때문에 H2O 흡광도 세기를 보정부를 통해 다음 수학식 1을 적용하여 보정한다.
이처럼 상기 보정부는 수학식 1을 적용하여 보정함으로써, H2O에 의한 흡광도 세기가 제외된 CO 보정된 흡광도 세기만 측정되기 때문에 보다 정확한 농도측정이 가능하다. 아울러, 상기 수학식 1은 하나의 일실시예로서, 이러한 방법을 통해 중첩이 발생되어 간섭이 발생되는 가스를 보정하는 방법은 동일하게 적용된다.
한편, 상기 측정모듈(200)과 데이터 관리부(300) 간의 무선 통신은 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이, 각 적외선 신호 데이터는 MCU(microcontroller unit)(400)를 통해 입력된 후 시리얼 통신 중 Tx(데이터 출력) 포트를 통해 블루투스 칩(500)으로 데이터 연결되어 무선통신 안테나(600)를 통해 데이터를 데이터 관리부(300)로 전송한다. 이때 무선통신 속도는 시리얼 통신 속도에 지배 받도록 하여 안정된 데이터가 전송되도록 구현한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 분리형 원거리 가스 측정 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1 또는 도 2와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 분리형 원거리 가스 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10을 참조하여 설명하면 먼저, 광원모듈(100)에서는 코일 필라멘트(coiled filament)를 이용하여 적외선 램프에서 방사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 조절한다(S10).
이어 광원모듈(100)은 포물면 반사기(parabolic reflector)를 이용하여 적외선 램프에서 방사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 적외선 광이 원거리로 조사되도록 하여 적외선 휘도 감소를 저감시킨다(S20).
그러면, 측정모듈(200)은 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 적외선 간섭 필터를 선택한다(S30). 참고로 검량선의 경우 각 화학종 연소 가스(CO2, CO, etc)의 각 농도별 표준 가스를 사용하여 흡광도로 검량선을 미리 작성하여 기초 데이터를 데이터베이스화하여 미리 저장하고 있다.
그리고 측정모듈(200)은 초전 효과를 이용하여 상기 선택된 적외선 간섭 필터에서 흡수된 적외선 광이 전송되어, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호가 발생되게 된다(S40). 이때, 상기 분석하고자 하는 화학종의 고유진동 검출은 기초 데이터를 기반으로 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 중첩에 의한 간섭이 발생되면, 분석하고자 하는 화학종의 흡광도 세기를 간섭되는 화학종의 흡광도 세기로 나누어 간섭이 발생되는 화학종의 흡광도 세기가 제거되도록 보정한다.
이에 따라, 측정모듈(200)은 상기 측정된 데이터 신호를 매질 보정된 흡광도 세기로 작성된 검량선을 이용하여 미지시료가 예측되게 된다.
그러면, 측정모듈(200)은 상기 발생되는 전기적 신호를 증폭한 후(S50), 증폭되어 출력되는 전기적 신호를 무선 통신으로 데이터 관리부로 전송되어, 데이터 관리부에서 모니터링되게 된다(S60). 아울러, 상기 데이터 관리부에서는 모니터링을 기반으로 무선 통신을 통해서 광원모듈 및 측정모듈 제어 신호를 전송한다.
한편, 본 발명의 실시예는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하다. 즉, 본 발명에 따른 방법에 포함된 여러 단계들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장될 수 있다. 상기 매체는 마그네틱 저장매체(예: 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독매체(예: CD-ROM, DVD), 디지털 저장매체(예: USB 메모리, 메모리 카드(SD, CF, MS, XD) 등) 및 캐리어 웨이브(예: 인터넷을 통한 전송)와 같은 기록매체를 포함한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (20)
- 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선 광을 원거리까지 전송시키는 광원모듈과,
상기 광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광에서 유발되어 초전 센서에서 검출된 화학종 고유진동의 미세 신호를 증폭하여 가스를 측정하는 필터 기반의 측정모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 측정모듈에서 측정된 가스를 무선 통신을 통하여 데이터 관리부로 전송하고, 상기 데이터 관리부로부터 무선 통신을 통해서 광원모듈 및 측정모듈 제어 신호를 수신하는 무선 통신부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 광원모듈은
적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 조절하는 코일 필라멘트(coiled filament)와,
적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 적외선 광이 원거리로 조사되도록 하여 적외선 휘도 감소를 저감시키는 포물면 반사기(parabolic reflector)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 적외선 램프와 포물면 반사기는 공랭식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 코일 필라멘트의 온도가 고온이 될수록 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광의 전체 휘도는 좋아지나 파장이 짧은 쪽으로 이동하게 되고, 온도가 저온이 될수록 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광의 전체 휘도는 낮아지나 파장이 긴 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 3 항에 있어서, 상기 광원모듈은
전류 조절을 이용하여 코일 필라멘트의 온도를 제어하는 전류 조절부를 구성하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 6 항에 있어서, 상기 전류 조절부는
NPN 형으로 구성되어, 베이스에 낮은 전류를 통해서 이미터와 컬렉터 사이의 전류를 제어하는 트랜지스터와,
상기 트랜지스터의 베이스 단 및 전원을 사이에 둔 이미터 단에 각각 연결되어 베이스가 이미터에 비해 낮은 전류가 인가되도록 저항값을 가변하는 가변 저항을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 측정모듈은
광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 선택되는 적외선 간섭 필터와,
초전 효과를 이용하여 상기 적외선 간섭 필터에서 흡수된 적외선 광이 전송되면, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호로 발생시키는 초전센서와,
상기 초전센서에서 발생되는 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 적외선 간섭 필터는 각 화학종의 개수에 따라 복수개의 필터로 구성되어 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 회귀 곡선의 선형성이 0.9 이상으로 해당되는 필터가 선택되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 측정모듈은
적외선 간섭 필터 전면에 설치되어 광원모듈에서 전송된 적외선 광을 모아 증폭시킨 후, 적외선 간섭 필터에 광이 주사되도록 하여 미세 광을 측정할 수 있도록 하는 적외선 렌즈를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 증폭기는 연산 증폭기(OP AMP)를 사용하여 증폭 회로를 구성하며, 단일 증폭과 반전 증폭을 기본으로 하고 피드백 저항을 통해서 증폭한 뒤 출력 전압을 높이는 방법으로 전기적 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 증폭기에서 증폭되어 출력되는 전기적 신호는 무선 통신부를 통해 데이터 관리부로 전송되어, 데이터 관리부에서 모니터링되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 측정모듈은
미지 시료(가스) 분석을 보다 정확하게 측정하기 위해 실험을 통해 구축된 각 화학종들의 검량선을 데이터베이스화하여 적외선 흡수 스펙트럼의 기초 데이터로 적용하여 정량분석의 정확도를 높이는 보정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - 제 13 항에 있어서, 상기 보정부는
기초 데이터를 기반으로 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 중첩에 의한 간섭이 발생되면, 분석하고자 하는 화학종의 흡광도 세기를 간섭되는 화학종의 흡광도 세기로 나누어 간섭이 발생되는 화학종의 흡광도 세기가 제거되도록 보정하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 장치. - (A) 중 적외선 램프(mid infrared lamp) 및 적외선 강화 포물면 반사기(enhanced parabolic reflector)를 사용하여 적외선을 원거리까지 전송시키는 단계와,
(B) 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 초전 효과를 이용하여 화학종의 고유진동을 검출하여 가스를 측정하는 단계와,
(C) 측정된 가스를 무선 통신을 통하여 데이터 관리부로 전송하고, 상기 데이터 관리부로부터 무선 통신을 통해서 광원모듈 및 측정모듈 제어 신호를 수신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 (A) 단계는
코일 필라멘트(coiled filament)를 이용하여 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 발열하여 측정 거리에 따라 그 온도를 다르게 조절하는 단계와,
포물면 반사기(parabolic reflector)를 이용하여 적외선 램프에서 조사되는 적외선 광을 중심부로 모아서 적외선 광이 원거리로 조사되도록 하여 적외선 휘도 감소를 저감시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 (B) 단계는
광원모듈에서 원거리의 투과 방식으로 전송된 적외선 광을 흡수하기 위해 각 화학종에 대한 매질 보정된 흡광도 세기로 회귀 곡선으로 작성된 검량선의 기초 데이터를 기반으로 적외선 간섭 필터가 선택되는 단계와,
초전 효과를 이용하여 상기 선택된 적외선 간섭 필터에서 흡수된 적외선 광이 전송되어, 분석하고자 하는 화학종의 고유진동을 검출하여 전압 형태의 전기적 신호가 발생되는 단계와,
상기 발생되는 전기적 신호를 증폭하여 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 증폭되어 출력되는 전기적 신호는 무선 통신부를 통해 데이터 관리부로 전송되어, 데이터 관리부에서 모니터링되는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 방법. - 제 17 항에 있어서, 상기 분석하고자 하는 화학종의 고유진동 검출은
기초 데이터를 기반으로 각 화학종별 고유의 적외선 흡수 영역을 확인하고 중첩에 의한 간섭이 발생되면, 분석하고자 하는 화학종의 흡광도 세기를 간섭되는 화학종의 흡광도 세기로 나누어 간섭이 발생되는 화학종의 흡광도 세기가 제거되도록 보정하는 것을 특징으로 하는 분리형 원거리 가스 측정 방법. - 제 15 항 내지 제 19 항 중 하나에 의한 분리형 원거리 가스 측정 방법의 각 단계를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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