KR20170073225A - 가스 농도 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

가스 농도 측정 장치가 개시된다. 상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 광을 조사하는 광원부, 상기 광원부로부터 조사된 광을 굴절시키는 입사부, 입사되는 광을 반사하는 제1반사경 및 제2반사경, 회전이 가능한 제3반사경, 및 입사되는 광의 광량을 측정하는 수광부를 포함하고, 상기 입사부로부터 입사되는 광은 상기 제3반사경을 통해 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에서 반사되고, 상기 제3반사경이 회전함에 따라 광경로가 변경되어 상기 수광부로 입사되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 농도 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING GAS CONCENTRATION}
본 발명은 가스 농도 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 복수 개의 반사경을 이용하여 가스 농도 측정을 위한 광 경로 길이를 길게 연장시킴으로써 정밀한 가스 농도 측정 및 소형화가 가능한 가스 농도 측정 장치에 관한 것이다.
광학 방식의 가스 센서 기술은 서로 다른 원자로 구성된 가스(예: CO, CO2, CH4, NO, NO2, SO2, NH3, 아세톤 등)가 각 분자에 고유한 특정 파장대의 광을 흡수하는 특성을 이용한 것으로, 가스의 파장대별 광 흡수율을 측정하여 이를 환산함으로써 가스 농도를 측정하는 방식이다.
가스의 광 흡수율은 가스 농도에 비례할 것이므로 결국 가스의 광 흡수율을 정확히 측정하는 것이 광학 방식 가스 센서의 주요 관건이다. 그러므로 광학 방식의 가스 센서는 광원과 광 검출기를 기본적으로 포함하고 있으며 광 흡수율을 높이기 위한 광 공동을 포함하는 구조를 가진다.
가스 분자가 광을 흡수하는 메커니즘은 다음과 같다. 일반적으로 가스 분자는 여러 에너지 준위를 구성하고 있으며 이러한 에너지 준위에 공명하는 에너지를 가진 광자(photon)를 흡수함으로써 가스 분자는 바닥상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 전이한다.
기체 분자들은 각기 진동에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는 성질이 있는데, 대체로 적외선 영역의 빛을 진동에너지로 흡수한다. 이와 같은 이유로 CO2, CO, CH4, C3H8 등은 각각 독특한 흡수 스펙트럼을 갖는데, 예를 들어 CO2는 4.25㎛, CO는 4.7㎛, CH4는 3.3㎛의 파장을 흡수하며, 빛을 흡수하는 정도는 해당 기체의 농도에 따라 달라진다.
이러한 광 흡수율은 가스 분자에 따라 다른데, 예를 들어 이산화탄소(Carbon Dioxide)는 온실 가스로 지목될 만큼 광 흡수율이 높지만, 일산화탄소(Carbon Monoxide)는 광 흡수율이 낮다. 광자의 흡수율은 분자당 흡수율로 정의되는데 일반적으로 흡수율이 높은 가스를 검지하기 위한 가스 센서는 기술적으로 난이도가 낮으며 흡수율이 낮은 가스를 검지하기 위한 가스 센서는 기술적으로 난이도가 높다고 할 수 있다.
그러나 흡수율이 낮은 가스라도 광자와 가스 분자의 접촉할 수 있는 횟수를 증가시키면 흡수율은 증가한다. 동일한 광량에 대해 가스 분자의 접촉 횟수를 증가시키는 방법 중의 하나가 광 공동 내에서의 광 경로 길이를 길게 하는 방법인데, 이는 광학 방식의 가스 센서 해석 이론인 비어-램버트(Beer-Lambert) 이론으로부터 확인할 수 있다.
비어-램버트 이론은 가스 분자가 없는 상태에서 광검출기에 검지되는 광량을 Io, 가스의 농도를 X, 광원에서부터 광 검출기까지 광이 가스와 접촉하는 거리인 광 경로의 길이를 L, 가스 분자의 고유 흡수율을 b라 할 때 가스 농도와 광 검출기에 도달하는 광량인 I 간의 관계식(아래 참조)을 제공한다.
I = Ioexp(-bLX)
비어-램버트 이론으로부터 동일한 농도에 대해 광 경로 길이인 L이 클수록 I 값이 작아지며, 동일한 농도 변화에 대해 광 경로 길이인 L이 클수록 I 값의 변화폭이 커져서 보다 정밀한 센서의 제작이 가능하게 됨을 알 수 있다.
한편, 효과적인 광 공동은 광 경로를 길게 하는 것 외에 광 효율성을 높이는 구조를 가져야 한다. 일반적으로 광원에서 방출된 광은 사방으로 방사되기 때문에 상당량의 광이 가스 농도를 검출하는 데 기여하지 못하고 낭비된다. 그러나 광 공동의 집광 특성을 높인다면 낭비되는 광량을 줄일 수 있어 광 효율성이 높아진다.
상기 식에서 알 수 있듯이 Io 값이 클수록 광 효율이 높은 것이며, 동일한 농도의 변화에 대해 I 값의 변화폭이 크므로 역시 보다 정밀한 센서의 제작이 가능하다. 결론적으로 광 공동의 제작 시 광경로 길이를 길게 함과 동시에 그 크기를 소형화하고 광 효율성을 높이는 것이 광학 방식 가스 센서의 경쟁력을 결정한다고 할 수 있다.
KR 10-1256381 B1 US 8749789 B2
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수 개의 반사경을 이용하여 가스 농도 측정을 위한 광 경로 길이를 길게 연장시킴으로써 정밀한 가스 농도 측정 및 소형화가 가능한 가스 농도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 가스 농도 측정 장치는, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 광을 조사하는 광원부, 상기 광원부로부터 조사된 광을 굴절시키는 입사부, 입사되는 광을 반사하는 제1반사경 및 제2반사경, 회전이 가능한 제3반사경, 및 입사되는 광의 광량을 측정하는 수광부를 포함하고, 상기 입사부로부터 입사되는 광은 상기 제3반사경을 통해 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에서 반사되고, 상기 제3반사경이 회전함에 따라 광경로가 변경되어 상기 수광부로 입사되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1반사경으로부터 반사된 광과 상기 제2반사경으로부터 반사된 광은 동일한 지점을 통과할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1반사경, 제2반사경 및 제3반사경 각각은, 타원경, 원경, 포물경 및 평면경 중 어느 하나일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1반사경의 초점 및 상기 제2반사경의 초점은 상기 제3반사경의 반사면 상에 위치할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1반사경은 평면경이고, 상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 배치되는 집광용 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 집광용 렌즈의 초점은 상기 제3반사경의 반사면 상에 위치할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사되는 광의 파장에 따라, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사되는 광의 입사각을 서로 다르게 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 광원부는, 서로 다른 입사각 및 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수 개의 광소자를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 입사부는, 상기 광원부로부터 조사된 광의 파장별 분산을 최소화하는 광분산 보정부를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1반사경과 상기 제2반사경은, 하나의 원경으로 형성되고, 상기 제1반사경과 상기 제2반사경의 초점은 서로 일치할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 광이 조사되는 시점부터 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사된 광이 수광부로 출수되는 시점까지 일정한 구동 범위에서 상기 제3반사경을 회전시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 가스 농도 측정 장치는, 복수 개의 반사경을 이용하여 가스 농도 측정을 위한 광 경로 길이를 길게 연장시킴으로써 정밀한 가스 농도 측정 및 소형화가 가능한 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부도면에 도시된 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 적외선 가스 농도 측정 장치를 예로 들어 설명한다. 하지만 본 발명은 적외선 가스 농도 측정 장치에 한정하지 않고, 적외선 외 다른 광원을 사용하는 가스 농도 측정 장치에도 적용할 수 있다.
도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면으로서, 가로 방향 단면도이다.
도 1a을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(100)는 광원부(110), 입사부(120), 수광부(130), 챔버부(150), 제1반사경(160), 제2반사경(170) 및 제3반사경(180)을 포함할 수 있다.
광원부(110)는 인가되는 전원에 의해 상기 가스 농도 측정 장치(100)의 내부로 광을 조사할 수 있다. 즉, 광원부(110)는 입사부(120)로 일정한 각도로 광을 조사할 수 있다. 광원부(110)가 광을 조사하는 각도는 입사부(120)를 통과하여 챔버부(150) 내부로 방사되는 광이 제2반사경(170)의 초점(F)을 향하도록 설정할 수 있다. Snell의 법칙에 따라 서로 다른 물질의 굴절률 차이로 인해 광의 입사각과 굴절각이 달라지는 성질을 이용하고 가스 농도 측정에 사용하는 광원의 파장을 고려하여, 광원부(110)로부터 조사된 광이 입사부(120)에 입사하는 각도를 설정할 수 있다. 도 1a에 도시된 굴절각은 예시적인 것으로서 이에 한정하지는 않는다.
광원부(110)는 적외선 발광 다이오드(infrared light emitting diode), 적외선 램프(infrared lamp) 및 자외선 램프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 광원부(110)는 광을 일정한 각도로 평행하게 조사하기 위한 별도의 집광 장치를 더 포함할 수 있다.
입사부(120)는 도 1a에 도시된 바와 같이 광원부(110)로부터 조사된 광을 굴절시켜 제3반사경(180)을 향하도록 한다. 광의 손실을 줄이기 위해 입사부(120)는 광의 투과율이 높은 물질로 구성될 수 있다. 또한, 입사부(120)는 파장에 따른 분산(dispersion)이 적게 일어나는 물질로 구성될 수 있다.
실시예에 따라, 입사부(120)의 곡률은 제1반사경(160)의 곡률과 동일하게, 초점(F)을 중심으로 입사부(120)의 일측면으로부터 초점(F)까지의 거리를 반지름으로 하는 원의 일부인 포물경으로 설계할 수도 있다. 입사부(120)는 제1반사경(160)과 동일한 면적을 형성할 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 입사부(120)의 면적과 두께는 설계에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 상기 입사부(120)는 챔버부(150) 내부로 유입된 가스가 외부로 유출되지 않도록 챔버부(150) 내부를 밀폐시킬 수도 있다.
한편, 사용하는 광의 파장 대역이 좁은 경우, 즉 레이저와 같이 특정 파장 대역의 광을 사용하는 경우에는 제1반사경(160)과 초점(F)까지의 거리, 제2반사경(170)과 초점(F)까지의 거리 및 입사부(120)의 두께는 사용하는 광의 파장에 기반하여 빛의 상쇄간섭이 일어나지 않도록 설계할 수 있다.
수광부(130)는 상기 광원부(110)에서 조사되어 상기 챔버부(150)를 통과한 광이 입사되는 광량을 측정할 수 있다. 수광부(130)는 통상의 기술자에게 알려진 바와 같은 다양한 형태의 광량 측정 장치로 구현될 수 있다.
챔버부(150)는 내부로 가스가 유입되고 배출될 수 있는 중공의 함체로 형성될 수 있다. 챔버부(150)는 가스유입구(151), 가스배출구(152) 및 광출수구(153)를 포함할 수 있다. 챔버부(150)에 형성된 가스유입구(151)를 통해 가스가 유입되고, 주입된 가스는 가스배출구(152)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 실시예에 따라, 가스 유입구(151)에는 먼지제거 필터, 수분제거 필터 등이 설치되어 주입되는 가스에서 이물질을 제거할 수 있고, 이에 따라 가스의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 가스유입구(151) 및 가스배출구(152)는 가스의 누출을 방지하기 위해 슬라이딩 방식으로 동작하는 차단막을 각각 포함할 수도 있다.
광출수구(153)는 챔버부(150)로부터 수광부(130)로 광이 도달할 수 있도록 챔버부(150)의 일측면에 형성될 수 있다. 광의 손실을 줄이기 위해 광출수구(153)는 투과율이 높은 물질로 구성될 수 있다. 편의상 도 1a에서 광출수구(153)는 제2반사경(170)의 일측면에 위치하도록 도시하였으나 이에 한정되지는 않는다. 가스유입구(151)와 가스배출구(152) 및 광출수구(153)의 위치는 설계에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있다.
제1반사경(160)은 초점(F)을 중심으로 제1반사경(160)의 일측면으로부터 초점(F)까지의 거리를 반지름으로 하는 원의 일부인 포물경으로 설계할 수 있다. 광의 손실을 줄이기 위해 제1반사경(160)은 광의 반사율이 높은 물질로 구성될 수 있고 반사율을 높이기 위해 추가로 코팅될 수 있다. 빛의 성질에 따라 초점(F)을 지나 제1반사경(160)에 수직으로 입사한 광은 수직으로 반사되어 초점(F)을 향하게 된다. 실시예에 따라, 상기 제1반사경(160)은 도 1a에 도시된 바와 같이 챔버부(150) 내부에 부착될 수 있다.
제2반사경(170)은 초점(F)을 중심으로 제2반사경(170)의 일측면으로부터 초점(F)까지의 거리를 반지름으로 하는 원의 일부인 포물경으로 설계할 수 있다. 광의 손실을 줄이기 위해 제2반사경(170)은 광의 반사율이 높은 물질로 구성될 수 있고 반사율을 높이기 위해 추가로 코팅될 수 있다. 빛의 성질에 따라 초점(F)을 지나 제2반사경(170)에 수직으로 입사한 광은 수직으로 반사되어 초점(F)을 향하게 된다. 실시예에 따라, 상기 제2반사경(170)은 도 1a에 도시된 바와 같이 챔버부(150) 내부에 부착될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 제1반사경(160)과 초점(F)까지의 거리, 제2반사경(170)과 초점(F)까지의 거리 등은 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(100)는, 제1반사경(160)으로부터 반사된 광과 제2반사경(170)으로부터 반사된 광이 제3반사경(180)을 향할 수 있다. 일례로서, 제1반사경(160)으로부터 반사된 광과 제2반사경(170)으로부터 반사된 광이 동일한 지점을 통과할 수 있다. 즉, 제1반사경(160)으로부터 반사된 광이 향하는 초점(F)과 제2반사경(170)으로부터 반사된 광이 향하는 초점(F)은 서로 동일한 지점에 형성될 수 있다. 일례로서, 상기 제1반사경(160)의 초점(F) 및 상기 제2반사경(170)의 초점(F)은 상기 제3반사경(180)의 반사면 상에 위치할 수 있다.
제3반사경(180)은 제3반사경(180)을 회전시키는 구동부(미도시)와 연결될 수 있다. 광의 손실을 줄이기 위해 제3반사경(180)은 광의 반사율이 높은 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 구동부는 인가된 전원에 의해 구동축을 회전시켜 구동축에 연결된 제3반사경(180)을 회전시키는 것으로서, 스텝핑모터(stepping motor), DC모터, 인덕션모터(Induction motor) 등으로 구성될 수 있다. 상기 구동축은 제3반사경(180)의 중심에 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(100)는, 가스 농도 측정 장치(100)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 가스 측정을 위해 광을 조사하기 시작할 때, 제3반사경(180)에서 반사된 광이 제2반사경(170)을 향하도록 제3반사경(180)의 각도를 제어할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 입사부(120)를 통해 챔버부(150) 내부로 조사된 광은 초점(F)에 위치한 제3반사경(180)에 의해 반사되어 제2반사경(170)으로 향할 수 있다. 일례로서, 제어부는 구동부를 제어하여 제3반사경(180)을 회전시킴으로써 제3반사경(180)에 입사하는 광의 입사각이 45도가 되도록 제3반사경(180)의 각도를 조절하여, 제3반사경(180)에서 반사된 광이 제2반사경(170)을 향하도록 할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서 제3반사경(180)의 초기 각도는 이에 한정되지는 않는다.
다음으로, 도 1b를 참조하면, 제2반사경(170)에 의해 반사된 광은 다시 초점(F)에 위치한 제3반사경(180)으로 향할 수 있고, 그동안 제3반사경(180)은 제어부에 의해 일정 각도 회전될 수 있다. 제2반사경(170)에 의해 반사된 광은 제3반사경(180)에서 반사되어 제1반사경(160)으로 향할 수 있다.
다음으로, 도 1c를 참조하면, 제1반사경(160)에 의해 반사된 광은 다시 제3반사경(180) 및 초점(F)을 향할 수 있다. 제어부는 제3반사경(180)을 회전시켜 제1반사경(160)으로부터 초점(F)을 향하는 광의 반사각을 조절함으로써, 초점(F)에 위치한 제3반사경(180)에 의해 반사된 광이 광출수구(153)를 향하도록 조절할 수 있다. 즉, 입사부(120)로부터 입사된 광은 제3반사경(180)을 통해 제1반사경(160)과 제2반사경(170) 사이에서 반사될 수 있고, 제3반사경(180)이 회전함에 따라 광경로가 변경되어 수광부(130)로 입사될 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에는 편의상 입사부(120)를 통해 입사된 광이 제3반사경(180), 제2반사경(170), 제3반사경(180), 제1반사경(160), 제3반사경(180) 순으로 반사된 후 광출수구(153)를 통해 수광부(130)에 도달하는 것으로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것으로서, 챔버부(150)의 크기 및 제3반사경(180)의 회전 속도 등에 따라 챔버부(150) 내부로 입사된 광이 반사되는 횟수는 다양하게 변경될 수 있다.
제어부는 광이 가스와 접촉하는 경로를 조절하기 위해 구동부의 회전을 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는, 일정한 속도로 제3반사경(180)이 회전하도록 제어할 수 있지만, 이에 한정하지는 않는다. 즉, 제어부는 구동부의 회전 속도를 일정하게 제어할 수도 있고, 불규칙적으로 제어할 수도 있다.
또한 제어부(190)는 광이 상기 가스 농도 측정 장치(100)의 내부인 챔버부(150)에 입사하는 시점부터 상기 가스 농도 측정 장치(100)의 내부로 조사된 광이 광출수구(153)를 통해 수광부(130)로 출수되는 시점까지 일정한 구동 범위에서 제3반사경(180)을 회전시킬 수 있다. 즉, 제어부(190)는 구동부를 시계방향으로 혹은 반시계방향으로 일정 구동범위 내에서 반복적으로 회전시킬 수 있다. 이때, 일정한 구동 범위는 제3반사경(180)에 의해 반사된 광이 광출수구(153)를 향하지 않고 제2반사경(170)에 반사되는 제3반사경(180)의 각도 중에서 선택될 수 있다. 일정 구동범위 내에서 회전시키는 경우, 제1반사경(160)과 제3반사경(180) 사이에서 광은 동일한 경로를 왕복하지 않을 수 있다. 제1반사경(160)으로부터 초점(F)을 향한 광이 제3반사경(180)에서 반사된 후 제2반사경(170)에 반사되어 다시 초점(F)으로 돌아오는 동안 제3반사경(180)이 회전하므로, 제3반사경(180)에서의 반사각이 제2반사경(170)에 반사되기 전후로 달라지기 때문이다.
또한, 상기 제어부는 광이 가스와 접촉하는 시간을 기반으로 광이 가스와 접촉하는 경로의 길이를 조절할 수 있다. 광경로의 길이는 광이 입사부(120)를 통해 챔버부(150)에 입사하여 광출수구(153)를 통해 출수될 때까지 소요되는 시간과 관계가 있기 때문이다. 도 1a에서 빛의 속도를 c, 소요되는 시간을 t, 제1반사경(160)과 제3반사경(180) 사이의 거리를 r1, 제2반사경(170)과 제3반사경(180) 사이의 거리를 r2, 입사부(120)의 두께를 d라고 하면, 광경로 L은 하기 식과 같이 대략적으로 나타낼 수 있다.
L = (c x t) x (r1 + r2 - d) / (r1 + r2)
광경로는 입사부(120)의 길이 및 재질에 따라 조금씩 달라질 수 있으며, 광 경로와 측정 시간의 관계는 상기의 식에 한정하지 않는다. 또한, 제어부는 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 광 경로의 길이를 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 측정하고자 하는 가스의 농도가 높은 경우 광 경로의 길이를 짧게, 측정하고자 하는 가스의 농도가 낮은 경우 광 경로의 길이를 길게 설정할 수 있다. 또한, 동일한 농도 변화에 대해 광 경로의 길이가 길수록 가스 농도를 보다 정밀하게 측정할 수 있다. 제어부는 상기 광경로 길이에 따라 설정한 시간이 지난 후, 제3반사경(180)을 회전시켜 제1반사경(160)으로부터 초점(F)을 향하는 광의 반사각을 조절함으로써, 초점(F)에 위치한 제3반사경(180)에 의해 반사된 광이 광출수구(153)를 향하도록 조절할 수 있다.
한편, 실시예에 따라, 상기 제1반사경(160), 제2반사경(170) 및 제3반사경(180)은, 타원경, 원경, 포물경 및 평면경 중 어느 하나일 수 있다. 도 1에서 제1반사경(160)과 제2반사경(170)은 편의상 초점(F)을 중심으로 하고 서로 다른 반지름을 가지는 원의 일부인 포물경으로 도시하였으나 이에 한정하지는 않는다. 제1 반사경(160)이 평면경인 실시예는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상술하기로 하고 여기에서는 자세한 설명을 생략한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 2a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(200)는, 광원부(210), 입사부(220), 수광부(230), 챔버부(250), 제1반사경(260), 제2반사경(270) 및 제3반사경(280)을 포함할 수 있다. 상기 광원부(210), 입사부(220), 수광부(230), 챔버부(250), 제2반사경(270) 및 제3반사경(280)은 도 1a를 참조하여 상술한 광원부(110), 입사부(120), 수광부(130), 챔버부(150), 제2반사경(170) 및 제3반사경(180)과 각각 유사할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(200)는, 제1반사경(260)이 평면경일 수 있다. 이때, 제1반사경(260)으로부터 초점(F)을 향한 광이 제3반사경(280)에서 반사된 후 제2반사경(270)에 반사되어 다시 초점(F)으로 돌아오는 동안 제3반사경(280)이 회전하므로, 제3반사경(280)에서의 반사각이 제2반사경(270)에 반사되기 전후로 달라지기 때문에 광의 경로가 변경될 수 있다. 제1반사경(260)으로 향하는 광의 경로가 변경되는 것을 보정하기 위해, 평행하게 입사하는 광을 초점(F)으로 집광시키고, 초점(F)을 통과하는 광을 평행하게 제1반사경(260)으로 향하게 하는 집광용 렌즈(254)가 상기 가스 농도 측정 장치(200)에 추가로 더 포함될 수 있다. 상기 집광용 렌즈(254)는 제1반사경(260)과 제2반사경(270) 사이에 배치될 수 있고, 투과율이 높은 물질로 구성될 수 있다. 상기 집광용 렌즈(254)의 초점은 제3반사경(280)의 반사면 상에 위치할 수 있고, 제1반사경(260) 및 제2반사경(270)의 초점(F)과 동일할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 입사부(220)를 통해 챔버부(250) 내부로 조사된 광은 집광용 렌즈(254)를 통과한 후 초점(F)에 위치한 제3반사경(280)에 의해 반사되어 제2반사경(270)으로 향할 수 있다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 제2반사경(270)에 의해 반사된 광은 다시 초점(F)에 위치한 제3반사경(280)에 의해 반사되어 집광용 렌즈(254)를 통과할 수 있고, 집광용 렌즈(254)에 의해 굴절되어 제1반사경(260)에 수직으로 입사할 수 있다. 광이 제2반사경(270)에 의해 반사되는 동안 제3반사경(280)은 제어부에 의해 일정 각도 회전되기 때문에, 입사부(220)로부터 제3반사경(280)으로 입사된 광의 경로와 제3반사경(280)에서 반사되어 제1반사경(260)을 향하는 광의 경로가 서로 달라질 수 있다.
다음으로, 도 2c를 참조하면, 제1반사경(260)에 의해 반사된 광은 집광용 렌즈(254)를 통과하면서 굴절되어 제3반사경(280) 및 초점(F)을 향할 수 있다. 제어부는 제3반사경(280)을 회전시켜 제1반사경(260)으로부터 초점(F)을 향하는 광의 반사각을 조절함으로써, 초점(F)에 위치한 제3반사경(280)에 의해 반사된 광이 광출수구(253)를 향하도록 조절할 수 있다.
이에 따라, 수광부(230)는 상기 광원부(210)에서 조사되어 상기 챔버부(250)를 통과한 광이 입사되는 광량을 측정할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(200)는, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 상술한 바와 같이 가스 농도 측정 장치(200)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(300)는, 광원부(310), 입사부(320), 챔버부(350) 및 제1반사경(360)을 포함할 수 있고, 도 3에 도시되지는 않았으나 도 1a 내지 도 2c를 참조하여 상술한 바와 같이 수광부, 제2반사경, 제3반사경 및 제어부 등을 구비할 수 있다. 상기 입사부(320), 챔버부(350) 및 제1반사경(360)은 도 1a를 참조하여 상술한 입사부(120), 챔버부(150) 및 제1반사경(160)과 각각 유사할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(300)는 광원부(310)가 서로 다른 입사각 및 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수 개의 광소자(311)를 포함할 수 있다. 가스 측정에 사용하는 광의 파장대역이 넓은 경우, 파장별로 굴절률이 다르므로, 도 3에 도시된 바와 같이 광원부(310)는 서로 다른 파장대역의 광소자(311)들이 서로 다른 각도로 입사부(320)에 조사되도록 복수의 광소자(311)가 배열로 결합된 형태일 수 있다. 일례로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 광소자(311)에서 조사되는 각각의 광은 입사부(320)를 통과하면서 각기 다르게 굴절되어 동일한 광 경로를 따라 제3반사경을 향해 진행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(400)는, 광원부(410), 입사부(420), 챔버부(450) 및 제1반사경(460)을 포함할 수 있고, 도 4에 도시되지는 않았으나 도 1a 내지 도 2c를 참조하여 상술한 바와 같이 수광부, 제2반사경, 제3반사경 및 제어부 등을 구비할 수 있다. 상기 입사부(420), 챔버부(450) 및 제1반사경(460)은 도 1a를 참조하여 상술한 입사부(120), 챔버부(150) 및 제1반사경(160)과 각각 유사할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(400)는, 사용하는 광의 파장에 따라 입사부(420)에 광을 조사하는 각도를 변경할 수 있도록 입사조절부(413)를 더 포함할 수 있다. 일례로서, 상기 입사조절부(413)는 도 4에 도시된 바와 같이 광원부(410)가 이동할 수 있는 레일 형태로 구현될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 상기 입사조절부(413)는 광원부(410)로부터 입사부(420)로 조사되는 광의 입사각을 조절할 수 있는 다양한 형태로 변경될 수 있다.
제어부는 가스 농도 측정 장치(400)의 내부로 조사되는 광의 파장에 따라, 가스 농도 측정 장치(400)의 내부로 조사되는 광의 입사각을 서로 다르게 조절할 수 있다. 일례로서, 제어부는 측정하고자 하는 가스의 성질에 따라 측정에 적합한 광의 파장 대역을 선택하고, 해당하는 파장 대역의 굴절률에 따라 입사부에서의 굴절각이 90도가 되도록 입사각을 결정할 수 있다. 제어부는 결정한 입사각에 따라 입사조절부(413)를 제어하여 광원부(410)를 회전시키거나 이동시켜 광의 입사각을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(500)는, 광원부(510), 입사부(520), 챔버부(550) 및 제1반사경(560)을 포함할 수 있고, 도 4에 도시되지는 않았으나 도 1a 내지 도 2c를 참조하여 상술한 바와 같이 수광부, 제2반사경, 제3반사경 및 제어부 등을 구비할 수 있다. 상기 입사부(420), 챔버부(450) 및 제1반사경(460)은 도 1a를 참조하여 상술한 입사부(120), 챔버부(150) 및 제1반사경(160)과 각각 유사할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(500)의 입사부(520)는 광원부(510)로부터 조사된 광의 파장별 분산을 최소화하는 광분산 보정부(522)를 더 포함할 수 있다. 즉, 입사부(520)는 무채색 프리즘과 같이 광의 분산을 최소화하는 광분산 보정부(522)를 더 포함하여 서로 다른 파장의 광이 동일한 굴절각으로 초점(F)을 향해 방사되도록 설계할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 광원부(510)에서 조사되는 광에 다양한 파장이 혼재되어 있거나 광원부(510)에서 조사되는 광이 다양한 파장으로 변경되는 경우에도, 광원부(510)에서 조사된 광은 광분산 보정부(522) 및 입사부(520)를 통과하면서 파장에 따라 각기 다르게 굴절되어 동일한 광 경로를 따라 제3반사경을 향해 진행할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 6a을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(600)는 광원부(610), 입사부(620), 수광부(630), 챔버부(650), 가스유입구(651), 가스배출구(652), 광출수구(653), 제1반사경(660) 및 제3반사경(680)을 포함할 수 있다. 상기 광원부(610), 입사부(620), 수광부(630) 및 제3반사경(680)은 도 1a를 참조하여 상술한 광원부(110), 입사부(120), 수광부(130), 가스유입구(151), 가스배출구(152), 광출수구(153) 및 제3반사경(180)과 각각 유사할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6a에 도시된 가스 농도 측정 장치(600)는 상술한 실시예들과 다르게 챔버부(650)의 형태가 구형이고 단면은 원형일 수 있다. 이에 따라 챔버부(650)의 내측에 부착되어 형성되는 제1반사경(660)은 하나의 원경의 일부분으로 형성될 수 있다.
즉, 도 6a에 도시된 가스 농도 측정 장치(600)는 상술한 실시예들에서의 서로 초점(F)이 일치하는 제1반사경과 제2반사경이 하나의 원경으로 형성된 실시예일 수 있다.
도 6a를 참조하면, 입사부(620)를 통해 챔버부(650) 내부로 조사된 광은 초점(F)에 위치한 제3반사경(680)에 의해 반사되어 제1반사경(660)으로 향할 수 있다. 이후 제3반사경(680)은 제어부에 의해 일정 각도 회전될 수 있다.
다음으로, 도 6b를 참조하면, 제1반사경(660)에 의해 반사된 광은 다시 초점(F)에 위치한 제3반사경(680)에 의해 반사되어 제1반사경(660)에 수직으로 입사할 수 있다. 그동안 제3반사경(680)은 제어부에 의해 일정 각도 회전될 수 있다.
다음으로, 도 6c를 참조하면, 제1반사경(660)에 의해 반사된 광은 제3반사경(680) 및 초점(F)을 향할 수 있다. 제어부는 제3반사경(680)을 회전시켜 제1반사경(660)으로부터 초점(F)을 향하는 광의 반사각을 조절함으로써, 초점(F)에 위치한 제3반사경(680)에 의해 반사된 광이 광출수구(653)를 향하도록 조절할 수 있다. 이에 따라, 수광부(630)는 상기 광원부(610)에서 조사되어 상기 챔버부(650)를 통과한 광이 입사되는 광량을 측정할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에는 설명의 편의를 위해 챔버부(650) 내부로 입사된 광이 제1반사경(660)에 2번 반사된 후 광출수구(653)를 통해 수광부(630)로 출수되는 것으로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것으로서, 챔버부(650) 내부로 입사된 광이 제1반사경(660)에 반사되는 횟수는 제어부에 의해 조절되는 제3반사경(680)의 회전속도 및 회전각도 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치를 나타내는 사시도이다. 도 7을 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 농도 측정 장치(700)는 광원부(710), 입사부(720), 수광부(730), 제1반사경(760), 제2반사경(770), 제3반사경(780) 및 베이스부(790)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 가스 농도 측정 장치(700)는, 도 1에 도시된 가스 농도 측정 장치(100)와 비교하여 챔버부(150)가 생략된 형태로서, 베이스부(790) 상단에 광원부(710), 입사부(720), 수광부(730), 제1반사경(760), 제2반사경(770) 및 제3반사경(780)이 결합된 형태일 수 있다. 이에 따라, 상기 가스 농도 측정 장치(700)는, 별도의 가스유입구 및 가스배출구가 필요하지 않고 개방된 공간에 존재하는 공기 상태나 공기 중의 가스 농도 등을 측정할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 베이스부(790)는 소정 크기의 평판 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 입사부(720), 제1반사경(760), 제2반사경(770) 및 제3반사경(780)은 일정한 높이로 형성될 수 있으며, 제어부(미도시)는 입사부(720), 수광부(730), 제3반사경(780)의 구동부 등을 제어할 수 있다.
광원부(710)로부터 입사된 광이 입사부(720)를 통해 제3반사경(780)으로 진행하고, 제3반사경(780)에서 반사된 광이 제2반사경(770)과 제1반사경(760)을 통해 반사되며, 제3반사경(780)의 회전에 따라 광이 수광부(730)로 출수되는 내용은 도 1 등을 참조하여 상술한 바와 유사하므로 여기에서는 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 구동부, 입사조절부, 가스유입구, 가스배출구 등을 제어하는 하나의 프로세서 혹은 프로그램의 형태로 존재할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 제어부는 구동부, 입사조절부(413), 가스유입구(151), 가스배출구(152) 별로 각각의 프로세서 혹은 프로그램의 형태로 존재할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 가스 농도 측정 장치는 상술한 바와 같은 다양한 실시예들에 기재된 광원부, 입사부, 수광부, 챔버부, 제1반사경, 제2반사경 및 제3반사경 등이 다양하게 조합될 수 있다.
이상, 본 발명의 여러 실시예를 통해 본 발명의 특징을 상세하게 설명하였으나 본 발명에 의해 주어지는 권리의 범위가 상기 실시예들에 한정되어서는 아니되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 첨부된 특허청구범위에 의해 주어지는 본 발명의 내에서 다양한 변형과 개량을 수행할 수 있을 것이며, 본 발명의 권리범위는 그러한 다양한 변형과 개량에도 미치는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 가스 농도 측정 장치에 있어서,
    상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 광을 조사하는 광원부;
    상기 광원부로부터 조사된 광을 굴절시키는 입사부;
    입사되는 광을 반사하는 제1반사경 및 제2반사경;
    회전이 가능한 제3반사경; 및
    입사되는 광의 광량을 측정하는 수광부를 포함하고,
    상기 입사부로부터 입사되는 광은 상기 제3반사경을 통해 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에서 반사되고, 상기 제3반사경이 회전함에 따라 광경로가 변경되어 상기 수광부로 입사되는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사경으로부터 반사된 광과 상기 제2반사경으로부터 반사된 광은 동일한 지점을 통과하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1반사경, 제2반사경 및 제3반사경 각각은,
    타원경, 원경, 포물경 및 평면경 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사경의 초점 및 상기 제2반사경의 초점은 상기 제3반사경의 반사면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1반사경은 평면경이고,
    상기 가스 농도 측정 장치는,
    상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 배치되는 집광용 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집광용 렌즈의 초점은 상기 제3반사경의 반사면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스 농도 측정 장치는,
    상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사되는 광의 파장에 따라, 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사되는 광의 입사각을 서로 다르게 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광원부는,
    서로 다른 입사각 및 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수 개의 광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입사부는,
    상기 광원부로부터 조사된 광의 파장별 분산을 최소화하는 광분산 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1반사경과 상기 제2반사경은,
    하나의 원경으로 형성되고, 상기 제1반사경과 상기 제2반사경의 초점은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가스 농도 측정 장치는,
    상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 광이 조사되는 시점부터 상기 가스 농도 측정 장치의 내부로 조사된 광이 수광부로 출수되는 시점까지 일정한 구동 범위에서 상기 제3반사경을 회전시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 장치.
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