KR20180021355A - 복합 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 가스 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비분산 적외선 방식의 가스센서의 광도파로에 반도체식 가스센서가 설치된 복합 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명은 그 내부에 시료가스가 흐르며, 그 내면은 적외선을 반사하며, 측면에 개구가 형성된 광도파로와, 상기 광도파로의 내부에 적외선을 방사하는 적외선 광원과, 상기 광도파로를 통과한 적외선을 감지하여, 상기 시료가스에 포함된 제1 타깃 가스의 농도에 따른 전기 신호를 발생하는 광센서와, 상기 광센서의 상류 측에 설치되어, 상기 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장의 빛만이 상기 광센서에 전달되도록, 적외선의 특정 파장의 빛만 통과시키는 밴드패스필터와, 상기 광도파로의 개구에 설치되며, 상기 시료가스에 포함된 제2 타깃 가스의 농도에 따른 전기신호를 발생하는 반도체식 가스센서를 포함하는 복합 가스 센서를 제공한다. 본 발명에 따른 복합 가스 센서는 두 가지 이상의 가스의 농도를 한꺼번에 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 복합 가스 센서는 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광도파로, 펌프 및 히터를 반도체식 가스센서용 시료가스통로, 펌프 및 히터로 사용할 수 있으므로 구조가 매우 간단해진다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 복합 가스 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비분산 적외선 방식의 가스센서의 광도파로에 반도체식 가스센서가 설치된 복합 가스 센서에 관한 것이다.
가스 농도 측정장치는 시료가스채취부, 감지부, 신호처리부, 표시부를 포함한다. 시료가스채취부는 피측정자의 날숨의 일부를 채취하여 감지부에 전달한다. 감지부는 시료가스채취부를 통해서 채취된 시료가스 중의 타깃 가스의 농도에 따른 전기신호를 발생하는 가스센서를 포함한다. 신호처리부는 가스센서로부터의 전기신호를 분석하여 가스 농도를 계산하는 기능을 한다. 신호처리부에서 계산된 결과는 표시부에 표시된다. 감지부의 가스센서로는 전기화학식, 반도체식 및 비분산 적외선 방식의 가스센서가 있다.
가스 농도 측정장치의 일종인 음주측정기는 들숨의 공기와 섞여서 날숨과 함께 배출되는 알코올의 농도를 측정한다. 날숨과 함께 배출되는 알코올은 혈액 속에 들어있던 알코올의 농도에 비례하므로 날숨에 포함된 알코올의 농도를 측정하면 혈중알코올농도를 계산할 수 있다.
최근에는 차량의 시동장치와 연결된 음주측정기가 사용되고 있다. 이런 차량은 음주측정기를 통해서 측정된 혈중 알코올 농도가 기준 이하인 경우에만 시동이 걸린다. 그런데 사용자가 날숨이 아닌 다른 가스를 음주측정기에 불어 넣는 방법으로 음주 상태에서도 시동을 걸 수 있다는 문제가 있다.
본 발명은 두 가지 이상의 가스의 농도를 한꺼번에 측정할 수 있는 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 날숨 안의 알코올의 농도뿐 아니라 이산화탄소의 농도도 함께 측정하여, 사용자의 날숨이 아닌 다른 가스의 사용하는 속임수를 방지할 수 있는 음주측정기용 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 그 내부에 시료가스가 흐르며, 그 내면은 적외선을 반사하며, 측면에 개구가 형성된 광도파로와, 상기 광도파로의 내부에 적외선을 방사하는 적외선 광원과, 상기 광도파로를 통과한 적외선을 감지하여, 상기 시료가스에 포함된 제1 타깃 가스의 농도에 따른 전기 신호를 발생하는 광센서와, 상기 광센서의 상류 측에 설치되어, 상기 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장의 빛만이 상기 광센서에 전달되도록, 적외선의 특정 파장의 빛만 통과시키는 밴드패스필터와, 상기 광도파로의 개구에 설치되며, 상기 시료가스에 포함된 제2 타깃 가스의 농도에 따른 전기신호를 발생하는 반도체식 가스센서를 포함하는 복합 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 반도체식 가스센서는 상기 반도체식 가스센서의 상기 광도파로의 내부를 향하는 면이 상기 광도파로의 내면과 같은 높이를 이루도록 설치되는 복합 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 반도체식 가스센서의 상기 광도파로의 내부를 향하는 면은 광도파로의 내면과 같은 재질로 이루어진 복합 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 광도파로의 하류 측 일단에 설치되어 시료가스가 상기 광센서 측으로 흐르는 것은 방지하고, 상기 광도파로를 통과한 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장의 빛은 통과시키는 하류 측 투명층과, 상기 하류 측 투명층과 상기 밴드패스필터 사이에 배치되어, 상기 하류 측 투명층을 통과한 적외선을 상기 밴드패스필터에 전달하는 하류 측 광가이드와, 상기 광도파로의 상류 측 일단에 설치되어 시료가스가 상기 적외선 광원 측으로 흐르는 것은 방지하고, 상기 적외선 광원에서 방사된 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장은 통과시키는 상류 측 투명층을 더 포함하는 복합 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 제1 타깃 가스는 이산화탄소이며, 상기 제2 타깃 가스는 알코올인 복합 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 광도파로, 상류 측 광가이드 및 하류 측 광가이드는 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 복합 가스 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 복합 가스 센서는 두 가지 이상의 가스의 농도를 한꺼번에 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 복합 가스 센서는 비분산 적외선 방식의 가스 센서의 광도파로, 펌프 및 히터를 반도체식 가스센서용 시료가스통로, 펌프 및 히터로 사용할 수 있으므로 구조가 매우 간단해진다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 가스 센서의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 가스 센서의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 반도체식 가스 센서의 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 가스 센서의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 반도체식 가스 센서의 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 가스 센서의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 복합 가스 센서의 단면도이다.
도 1과 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복합 가스 센서는 광도파로(10), 적외선 광원(20), 광센서(30), 밴드패스 필터(40), 하류 측 투명층(50), 상류 측 투명층(55), 하류 측 광가이드(60), 상류 측 광가이드(65) 및 반도체식 가스센서(90)를 포함한다.
적외선 광원(20)에서 조사된 적외선은 광도파로(10)의 내부에서 반사되면서 진행하여, 광센서(30)에 도달한다. 이때, 광센서(30)에 도달하는 적외선 중에서 제1 타깃 가스에 흡수되는 파장의 빛의 강도는 광도파로(10)의 내부에 흐르는 시료가스의 제1 타깃 가스 농도에 따라서 변한다. 제1 타깃 가스는 예를 들어, 이산화탄소일 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 복합 가스 센서(1)는 이러한 특정 파장의 빛의 강도의 변화를 이용하여 피측정자의 날숨에 포함되어 있는 제1 타깃 가스의 농도를 계산한다.
도 1과 2에 도시된 바와 같이, 광도파로(10)는 직선 형태의 금속관이다. 광도파로(10)는 구리 또는 구리 합금, 예를 들어, 황동 관으로 제작할 수 있다. 광도파로(10)는 시료가스가 통과하는 통로이다. 또한, 광도파로(10)는 그 내부로 조사된 적외선이 그 내면에 반사되면서 통과하는 통로이다.
광도파로(10)의 우측 하단 측면에는 시료가스 유입관(11)이 결합되어 있으며, 이 시료가스 유입관(11)으로 시료가스가 유입된다. 음주측정기인 경우에는 피측정자가 불대(미도시)의 입구를 통해서 불어넣은 날숨 중 일부인 시료가스가 시료가스 유입관(11)을 통해서 광도파로(10)로 유입되며, 나머지는 불대의 출구를 통해서 외부로 배출된다. 또한, 광도파로(10)의 좌측 하단 측면에는 시료가스 유출관(12)이 결합되어 있다. 이 시료가스 유출관(12)에는 흡입펌프(미도시)가 연결된다. 따라서 흡입펌프가 가동되면, 광도파로(10)의 내부로 시료가스가 유입된다. 흡입펌프로는 다이아프램 펌프를 사용할 수 있다. 다이아프램 펌프는 다이아프램의 운동에 의해서 유체를 흡입 토출하는 용적형 펌프의 일종이다. 또한, 광도파로(10)의 중심부 측면에는 반도체식 가스센서(90)가 설치되는 개구(15)가 형성되어 있다.
본 발명에서, 상류 측과 하류 측은 흡입펌프가 작동할 때 시료가스가 흐르는 방향을 기준으로 정한다.
광도파로(10)의 둘레에는 히터(미도시)가 설치된다. 히터로는 필름 형태의 히터를 사용할 수 있다. 날숨에는 다량의 수증기 포함되어 있으므로, 시료가스의 온도가 약 33℃ 이하로 떨어지면, 시료가스의 내부에 포함되어 있는 수증기가 응축되어 광도파로(10)의 내부에 수분이 맺힌다. 알코올 등의 가스는 수분에 쉽게 용해되므로, 수분이 맺히면 시료가스 내부의 알코올 등 수분에 용해되는 가스의 농도가 떨어진다. 따라서 광도파로(10)의 온도를 33℃ 이상의 일정한 온도로 유지할 필요가 있다. 히터는 광도파로(10)를 가열하여, 광도파로(10)의 내부가 일정한 온도로 유지되도록 한다.
그리고 광도파로(10)의 둘레에는 열손실을 최소화하기 위해서 단열재가 배치될 수 있다.
적외선 광원(20)은 광도파로(10)의 도면상 우측 끝단에 광도파로(10)와 이격되어 설치된다. 적외선 광원(20)은 제1 타깃 가스가 흡수하는 특정 파장의 빛을 포함하는 적외선 광을 방사한다.
그리고 적외선 광원(20)과 광도파로(10)의 개방된 상류 측 일단 사이에는 순서대로 상류 측 광가이드(65)와 상류 측 투명층(55)이 배치된다. 상류 측 광가이드(65)는 빛을 안내하도록 경사진 내면을 구비한 중공 관으로서, 황동 등 구리 합금 또는 구리재질로 이루어질 수 있다. 상류 측 광가이드(65)는 적외선 광원(20)에서 조사된 빛을 광도파로(10)의 개방된 상류 측 일단으로 안내하는 역할을 한다.
상류 측 투명층(55)은 광도파로(10)에 유입된 시료가스가 적외선 광원(20) 측으로 흐르는 것은 방지하고, 적외선 광원(20)에서 방사된 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장은 통과시키는 역할을 한다. 시료가스의 내부에는 침과 같은 이물질이 포함되어 있을 수 있으므로, 유입된 시료가스가 적외선 광원(20)과 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 상류 측 투명층(55)은 투명한 유리나 필름으로 이루어질 수 있다. 또한, 적외선만을 투과시키는 적외선 필터로 이루어질 수도 있다.
광센서(30)는 광도파로(10)의 도면상 좌측 끝단에 광도파로(10)와 이격되어 설치된다. 광센서(30)는 제1 타깃 가스와 반응하는 특정 파장의 적외선을 감지하여 전기 신호로 전환한다. 제1 타깃 가스 농도가 높을수록 제1 타깃 가스와 반응하는 특정 파장의 적외선의 강도가 약해진다.
광센서(30)와 광도파로(10)의 개방된 하류 측 일단 사이에는 밴드패스 필터(40), 하류 측 광가이드(60), 하류 측 투명층(50)이 순서대로 설치된다.
밴드패스 필터(40)는 제1 타깃 가스와 반응하는 특정 파장의 빛을 선택적으로 통과시키는 역할을 한다.
하류 측 광가이드(60)는 빛을 안내하도록 경사진 내면을 구비한 중공 관으로서, 상류 측 광가이드(65)와 마찬가지로, 황동 등 구리합금 또는 구리 재질로 이루어질 수 있다. 하류 측 광가이드(60)는 광도파로(10)를 통과한 빛을 밴드패스 필터(40)로 안내하는 역할을 한다.
하류 측 투명층(50)은 광도파로(10)에 유입된 시료가스가 광센서(30) 측으로 흐르는 것은 방지하고, 적외선 광원(20)에서 방사된 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장은 통과시키는 역할을 한다. 시료가스의 내부에는 침과 같은 이물질이 포함되어 있을 수 있으므로, 유입된 시료가스가 밴드패스 필터(40)와 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 하류 측 투명층(50)은 상류 측 투명층(55)과 마찬가지로 투명한 유리나 필름으로 이루어질 수 있다. 또한, 적외선만을 투과시키는 적외선 필터로 이루어질 수도 있다.
도 1과 2에 도시된 바와 같이, 반도체식 가스 센서(90)는 광도파로(10)의 측면에 형성된 개구(15)에 끼워진다. 반도체식 가스 센서(90)는 시료가스에 포함된 제2 타깃 가스의 농도를 측정하는 역할을 한다. 제2 타깃 가스는 예를 들어, 알코올일 수 있다. 광도파로(10)의 내부에 흐르는 시료가스의 일부는 반도체식 가스 센서(90)의 내부로 유입되며, 반도체식 가스 센서(90)는 제2 타깃 가스의 농도에 따른 전기신호를 발생시킨다.
도 3은 도 2에 도시된 반도체식 가스 센서의 측단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체식 가스 센서(90)는 하우징(91), 하우징(91) 내부에 설치된 절연체기판(92), 절연체기판(92)의 하면에 형성된 발열체 패턴(93), 상면에 형성된 한 쌍의 전극(94)과 전극(94) 위에 형성된 감지막(95) 및 발열체 패턴(93), 전극(94)과 전기적으로 연결된 복수의 스템핀(96)을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 하우징(91)은 원통형이며, 상류 측 일단인 상단과 하류 측 일단인 하단의 중심부에 각각 관통구멍들(97, 98)이 형성되어 있다.
절연체기판(92)은 특별히 제한하는 것은 아니지만 알루미나(Al2O3)기판을 사용하는 것이 바람직하다. 그 두께는 대략 0.25㎜인 것이 주로 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체 패턴(93)과 전극(94)은 일반적으로 백금(Pt)을 이용하여 형성한다. 절연체기판(92)에 발열체 패턴(93)과 전극(94)을 형성하는 방법을 예로 들면 다음과 같다. 먼저, 발열체 패턴(93)의 셀 단위로 절단할 수 있도록, 레이저를 이용하여 알루미나기판의 표면에 금을 형성한다. 다음, 금이 형성되어 있는 알루미나기판의 표면을 세척한다. 그리고 세척된 알루미나기판의 양쪽 표면에 스크린 프린팅 방법으로 백금 페이스트를 도포한 후 건조하여 발열체 패턴 및 전극을 형성한다. 발열체 패턴은 충분한 발열이 가능하도록 지그재그형태로 형성하는 것이 일반적이다. 마지막으로, 진공 또는 환원분위기에서 열처리를 하여 백금 페이스트 내의 바인더를 제거하고, 백금을 소결한다.
감지막(95)은 고온에서 시료가스의 제2 타깃 가스와 반응하여 저항값이 변화하는 막으로서 가스 종류에 따라서 다른 물질을 사용한다.
스템핀(96)은 절연체기판(92)을 하우징(91)의 내부에 소정 높이로 떠 있도록 지탱하는 역할을 한다. 한 쌍의 스템핀(96)은 발열체 패턴(93)과 전기적으로 결합되어 있어, 발열체 패턴(93)에 전류를 가하는 역할을 한다. 또한, 나머지 한 쌍의 스템핀(96)은 전극(94)과 실버 페이스트 등과 같은 전도성 물질(99)에 의해서 연결되어 감지막(95)의 저항 변화를 측정하는 역할을 한다.
시료가스는 상류 측 관통구멍(97)을 통해 하우징(91)의 내부로 유입된다. 하우징(91)의 내부에 유입된 시료가스는 절연체기판(92)에 부딪힌 후 절연체기판(92)을 돌아서 하우징(91)의 하단에 형성된 관통구멍(98)을 통해서 배출된다.
반도체식 가스 센서(90)는 하우징(91)의 상면이 광도파로(10)의 내면과 같은 높이를 이루도록 설치된다. 시료가스의 흐름을 방해하지 않도록 하기 위함이다. 또한, 광도파로(10)의 내면과 함께 적외선을 반사하는 반사면을 이루도록 하기 위함이다. 하우징(91)의 상면은 광도파로(10)의 내면과 동일한 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 복합 가스 센서(1)의 작용에 대해서 설명한다. 복합 가스 센서(1)가 장착된 가스 농도 측정 장치가 가동되면, 광도파로(10)와 반도체식 가스센서(90)의 감지부가 가열된다. 광도파로(10)가 충분히 가열된 것이 확인되어, 측정준비가 완료되면, 흡입 펌프가 가동되어 시료가스가 광도파로(10)의 내부로 유입된다. 광도파로(10)의 내부로 유입된 시료가스는 광도파로(10)를 채운다. 광도파로(10)의 양단은 각각 하류 측 투명층(50)과 상류 측 투명층(55)에 의해서 막혀 있으므로, 시료가스가 적외선 광원(20)이나 광센서(30)에 접촉하지 않는다.
그리고 적외선 광원(20)이 점등되면, 적외선 광원(20)에서 발산된 적외선이 상류 측 광가이드(65)와 상류 측 투명층(55)을 통과하여, 광도파로(10)의 내부로 유입된다. 광도파로(10)의 내부로 조사된 빛은 광도파로(10)의 내면에서 반사되면서, 광센서(30) 측(하류 측)으로 진행한다. 이때, 제1 타깃 가스와 반응하는 특정 파장의 빛은 제1 타깃 가스에 흡수된다.
광도파로(10)를 통과한 적외선은 하류 측 투명층(50)을 통과하고, 하류 측 광가이드(60)에 의해서 안내된다. 이 적외선은 밴드패스 필터(40)를 통과한 후 광센서(30)에 도달한다. 밴드패스 필터(40)는 제1 타깃 가스에 흡수되는 특정 파장의 빛을 제외한 나머지 빛은 반사 또는 흡수하고, 제1 타깃 가스에 흡수되는 특정 파장의 빛만 통과시킨다. 광센서(30)에서는 제1 타깃 가스에 흡수되는 특정 파장의 빛의 강도에 따른 전기신호를 발생시킨다. 이 전기신호는 가스 농도 측정장치의 신호처리부에 전달되고, 신호처리부에서는 이 전기신호를 통해서 제1 타깃 가스의 농도를 계산한다.
그리고 광도파로(10)에 흐르는 시료가스 중에서 대략 20 내지 30% 정도의 가스는 개구(15)를 통해서 반도체식 가스 센서(90)에 유입된다. 유입된 시료가스에 포함된 제2 타깃 가스는 반도체식 가스 센서(90)의 감지부(95)와 반응하여 감지부(95)의 저항값을 변화시킨다. 그리고 저항값의 변화에 따른 전기신호는 신호처리부에 전달되고, 신호처리부에서는 이 전기신호를 통해서 제2 타깃 가스의 농도를 계산한다.
가스 농도 측정 장치가 음주측정기인 경우에는 제1 타깃 가스인 이산화탄소의 농도가 측정하여 시료가스가 날숨인지 다른 가스인지를 먼저 판단하고, 시료가스가 날숨인 경우에만 제2 타깃 가스인 알코올의 농도를 측정하고 이를 통해서 혈중알코올 농도를 계산한다. 날숨에는 약 3% 정도의 이산화탄소가 포함되어 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.
예를 들어, 광도파로(10)는 직선 형태의 금속관으로 설명하였으나, U자 형태의 금속관일 수도 있다.
1: 복합 가스 센서
10: 광도파로 11: 시료가스 유입관
12: 시료가스 유출관 15: 개구
20: 적외선 광원 30: 광센서
40: 밴드패스 필터 50: 하류 측 투명층
55: 상류 측 투명층 60: 하류 측 광가이드
65: 상류 측 광가이드 90: 반도체식 가스 센서
10: 광도파로 11: 시료가스 유입관
12: 시료가스 유출관 15: 개구
20: 적외선 광원 30: 광센서
40: 밴드패스 필터 50: 하류 측 투명층
55: 상류 측 투명층 60: 하류 측 광가이드
65: 상류 측 광가이드 90: 반도체식 가스 센서
Claims (6)
- 그 내부에 시료가스가 흐르며, 그 내면은 적외선을 반사하며, 측면에 개구가 형성된 광도파로와,
상기 광도파로의 내부에 적외선을 방사하는 적외선 광원과,
상기 광도파로를 통과한 적외선을 감지하여, 상기 시료가스에 포함된 제1 타깃 가스의 농도에 따른 전기 신호를 발생하는 광센서와,
상기 광센서의 상류 측에 설치되어, 상기 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장의 빛만이 상기 광센서에 전달되도록, 적외선의 특정 파장의 빛만 통과시키는 밴드패스필터와,
상기 광도파로의 개구에 설치되며, 상기 시료가스에 포함된 제2 타깃 가스의 농도에 따른 전기신호를 발생하는 반도체식 가스센서를 포함하는 복합 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 반도체식 가스센서는 상기 반도체식 가스센서의 상기 광도파로의 내부를 향하는 면이 상기 광도파로의 내면과 같은 높이를 이루도록 설치되는 복합 가스 센서. - 제2항에 있어서,
상기 반도체식 가스센서의 상기 광도파로의 내부를 향하는 면은 광도파로의 내면과 같은 재질로 이루어진 복합 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광도파로의 하류 측 일단에 설치되어 시료가스가 상기 광센서 측으로 흐르는 것은 방지하고, 상기 광도파로를 통과한 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장의 빛은 통과시키는 하류 측 투명층과,
상기 하류 측 투명층과 상기 밴드패스필터 사이에 배치되어, 상기 하류 측 투명층을 통과한 적외선을 상기 밴드패스필터에 전달하는 하류 측 광가이드와,
상기 광도파로의 상류 측 일단에 설치되어 시료가스가 상기 적외선 광원 측으로 흐르는 것은 방지하고, 상기 적외선 광원에서 방사된 적외선 중 적어도 제1 타깃 가스에 반응하는 특정 파장은 통과시키는 상류 측 투명층을 더 포함하는 복합 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 타깃 가스는 이산화탄소이며, 상기 제2 타깃 가스는 알코올인 복합 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 광도파로, 상류 측 광가이드 및 하류 측 광가이드는 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 복합 가스 센서.
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