KR20190120499A - 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서 - Google Patents

가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 공간을 갖는 가스센서용 광 공동(100)에 관한 것으로, 내부 공간 내로 측정용 가스를 유입하는 통로인 가스 유입구(130)와, 내부 공간 내로 유입된 측정용 가스를 외부로 배출하는 통로인 가스 배출구(150)와, 가스 유입구 측에 배치된 광원부(170)를 포함하며, 적어도 내부 공간 내의 가스 유입구의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위는 소정의 곡률을 갖는 곡면(190)으로 형성되어 있고, 이 곡률은 0.33 내지 0.44 범위 내이며, 이때, 곡률은, 바닥 면이 직선에서 곡선으로 변화하기 시작하는 시점(a)에서 수평방향으로 연장한 연장선과, 곡선이 다시 직선으로 변화하는 종점(b)에서 수직방향으로 연장된 연장선이 서로 만나는 교점(c)을 그려서, 시점(a)과 교점(c) 사이의 거리를 x, 종점(b)과 교점(c) 사이의 거리를 y로 할 때, y/x의 값으로 표시된다.

Description

가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서{OPTICAL CAVITY FOR GAS SENSOR AND GAS SENSOR HAVING THE SAME}
본 발명은 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 관한 것으로, 특히, 광 공동의 가스 입구 및 출구의 배치, 광원의 배치, 내부 벽면의 구조 개선 등에 의해 광 공동 내부에서의 가스 흐름을 개선하도록 한 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 관한 것이다.
예를 들어 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2) 또는 메탄(CH4) 등과 같이 2 이상의 서로 다른 원자로 구성된 가스가 특정 파장 대역의 광을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 이른바 비 분산방식의 가스센서에 관한 기술이 알려져 있다.
이들 비 분산 방식의 가스센서에서는 측정 정밀도 향상의 일환으로, 예를 들어 특허문헌 1, 2 등에 기재된 것과 같이, 가스센서용 광 공동 내에서의 광 경로의 길이를 증가시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
또, 예를 들어 특허문헌 3에 기재된 것과 같이, 가스센서의 측정 정밀도 향상을 위한 다른 방안으로 광원에서 나와서 광 공동 내를 통과한 광을 광 검출기에 집중시키기 위해 프레넬 렌즈 또는 포물경과 같은 광 집속수단을 이용하는 기술도 있다.
그러나 가스 센서의 측정 정밀도 향상을 위해서는 특허문헌 1, 2, 3 등에 개시된 상기 방안 외에도, 가스센서용 광 공동 내에서의 가스의 흐름을 개선하여, 가스가 광 공동 내에 정체하거나 또는 광 공동 내에서의 가스의 흐름에 난류가 발생하는 것을 적극 억제하는 방법도 있으나, 본 발명자들이 확인한 바로는 이들 방안에 대해 개시된 선행기술은 발견하지 못하였다.
등록특허 10-0576541호 공보(2006. 05. 03. 공고) 공개특허 10-2018-0021956호 공보(2018. 03. 06. 공개) 등록특허 10-1108497호 공보(2012. 01. 31. 공고)
본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로, 가스센서용 광 공동 내에서의 가스의 흐름을 개선하여, 측정용 가스가 광 공동 내에 정체하거나 또는 광 공동 내에서의 가스의 흐름에 난류가 발생하는 것을 적극 억제함으로써 가스센서의 측정 정밀도를 향상할 수 있는 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스센서용 광 공동은, 내부 공간을 갖는 가스센서용 광 공동으로, 상기 내부 공간 내로 측정용 가스를 유입하는 통로인 가스 유입구와, 상기 내부 공간 내로 유입된 측정용 가스를 외부로 배출하는 통로인 가스 배출구와, 상기 가스 유입구 측에 형성된 광원부를 포함하며, 적어도 상기 내부 공간 내의 상기 가스 유입구의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위는 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 형성되어 있다.
또, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가스센서는, 가스의 농도를 측정하는 가스센서로, 상기 광 공동과, 상기 광원부에 설치된 광원과, 상기 광원으로부터 출사한 광을 검출하는 광 검출기를 포함한다.
본 발명은 적어도 광 공동의 내부 공간 내의 적어도 가스 유입구의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위가 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 형성되어 있으므로 광 공동 내에서의 측정용 가스의 흐름의 저항을 감소시킬 수 있고, 이에 의해 광 공동 내에서의 측정용 가스의 이동속도를 향상시키는 동시에, 광 공동 내에서의 측정용 가스의 정체 및 나류 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서용 광 공동의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서용 광 공동 및 이 광 공동을 갖는 가스센서에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서용 광 공동의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서용 광 공동(100)은 대략 원통 형상의 내부 공간(110)을 가지며, 예를 들어 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2) 또는 메탄(CH4) 등과 같은, 본 발명의 가스센서에 의한 농도 측정의 대상이 되는 측정용 가스가 광 공동(100)의 외부로부터 내부 공간(110)으로 유입되는 통로인 가스 유입구(130)와, 내부 공간(110) 내로 유입한 측정용 가스를 광 공동(100)의 외부로 배출하는 통로인 가스 배출구(150)와, 측정용 광을 출력하는 광원부(170)를 가지며, 내부 공간(110)의 적절한 위치에는 소정의 곡률을 갖는 곡면(190)이 형성되어 있다.
본 실시형태의 광 공동(100)은 내부 공간(110)의 지름이 20㎜, 높이가 16.5㎜의 원통형상을 이루며, 내부 공간(110)의 체적은 약 2,900㎣이다.
가스 유입구(130)는 광 공동(100)의 내부 공간(110)으로 측정용 가스가 유입되는 통로이며, 내부 공간(110)의 한쪽 벽면의 아래쪽에 설치되어 있다. 가스 유입구(130)의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니나, 가능하면 바깥쪽 지름이 안쪽 지름보다 큰 형상을 이루어서, 바깥쪽에서 내부 공간(110) 쪽을 향해서 점차 지름이 작아지는 형상으로 하는 것이 측정용 가스의 유입저항을 감소시키기 위해서 더 좋다.
가스 배출구(150)는 내부 공간(110) 내로 유입한 측정용 가스를 광 공동(100)의 외부로 배출하는 통로이며, 가스 유입구(130)의 반대쪽 벽면에서 가스 유입구(130)보다 일정한 높이만큼 높게 설치되어 있다. 또, 가스 배출구(150)는 가스 유입구(130)와는 반대로, 바깥쪽 지름보다 안쪽 지름이 큰 형상을 이루어서, 안쪽에서 바깥쪽을 향해서 점차 지름이 커지는 형상으로 하는 것이 측정용 가스의 배출저항을 감소시키기 위해서 더 좋다. 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차의 상세에 대해서는 후술한다.
광원부(170)는 측정용 가스의 가스 농도 측정을 위한 광을 출력하는 측정용 광의 출력 원인 광원이 설치되는, 예를 들어 램프 홀더이며, 광원으로는 백열 광원 또는 적외선 광원을 사용할 수 있다.
또, 도 1에는 도시하고 있지 않으나, 광 공동(100)은 광원부(170)로부터 출사한 광을 검출하는 광 검출기를 가지며, 미 도시의 광 검출기는 광원부(170)의 광원으로부터 나와서 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에 설정된 광 경로를 통과한 광을 검출하고, 검출된 광신호를 전기신호로 변환한다.
그 외에도, 본 발명의 바람직한 실시형태의 가스센서는 광 검출기가 검출한 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭기에서 증폭된 신호로부터 가스 농도를 연산하는 연산수단 등을 포함하며, 광원을 비롯한 이들 구성은 모두 공지의 기술을 이용하고 있으므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태에서는 광 공동(100) 내의 가스의 흐름을 개선하기 위한 방안으로, ① 광원의 배치위치를 적절하게 조절하여, 당해 광원(170)으로부터 나오는 광의 열에너지를 이용하여 광 공동(100)의 내부 공간(110)으로 유입하는 측정용 가스의 온도를 높여서, 광 공동(100) 내에서의 가스의 이동속도를 향상시키는 방안, ② 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차를 적절하게 조절하여 광 공동(100) 내에서의 가스의 이동속도를 향상시키는 방안, ③ 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내의 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위를 소정의 곡률을 갖는 곡면(190)으로 하여, 가스 유입구(130)를 통해서 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내로 유입한 측정용 가스의 내부 공간(110) 내에서의 흐름을 원활하게 하는 방안에 대해 중점을 두고 검토하였다.
1. 광원부(170)의 배치위치
먼저, 광원으로부터 나오는 광의 열에너지를 이용하여 광 공동(100)의 내부 공간(110)으로 유입하는 측정용 가스의 온도를 높여줌으로써 측정용 가스의 흐름을 원활하게 한다는 관점에서 보면 광원부(170)의 위치는 내부 공간(110) 내의 가스 유입구(130) 측 벽면 가까이 위치하는 것이 가장 좋으며, 그 높이는 광원부(170)에 설치된 광원의 상단부가 가스 유입구(130)의 하단부와 대략 일치하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 광원부(170)를 가스 유입구(130) 측 벽면으로부터 어느 정도 떨어져서 배치하는 것이 광원으로부터 나오는 광의 열에너지를 이용하여 광 공동(100)의 내부 공간(110)으로 유입하는 측정용 가스의 온도를 높여서, 광 공동(100) 내에서의 가스의 이동속도를 향상시키기에 가장 적합한가를 확인하기 위해, 가스 유입구(130) 측 벽면과 광원부(170) 사이의 간격(d)을 다양하게 변화시키면서 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도를 관찰하는 실험을 하였으며, 이로부터 표 1과 같은 결과를 얻었다.
본 실험에 사용한 광 공동은 내부 공간의 지름이 20㎜, 높이가 16.5㎜의 원통형을 이루며, 내부 공간(110)의 체적은 약 2,900㎣의 광 공동을 사용하였고, 측정용 가스로는 메탄을 이용하였고, 측정용 가스의 투입 압력은 0.5ℓ/min로 하였다.
d(㎜) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5
속도(㎧) 0.82 1.46 2.87 2.35 1.46 0.94
표 1의 결과로부터, 가스 유입구(130) 측 벽면과 광원부(170) 사이의 간격(d)이 2.5 내지 3.5㎜의 범위에서 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도가 가장 빠르며, 따라서 가스 유입구(130) 측 벽면과 광원부(170) 사이의 간격(d)이 2.5 내지 3.5㎜의 범위로 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 흐름의 개선에 가장 적합하다는 것을 알 수 있다.
2. 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차
다음에, 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차의 조절에 의한 광 공동(100) 내에서의 가스의 이동속도 향상의 효과를 확인하기 위해, 본 발명자들은 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차(h)를 다양하게 변화시키면서 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 속도를 측정하였으며, 이로부터 표 2와 같은 결과를 얻었다.
본 실험에 사용한 광 공동도 내부 공간의 지름이 20㎜, 높이가 16.5㎜의 원통형을 이루며, 내부 공간(110)의 체적은 약 2,900㎣의 광 공동을 사용하였고, 측정용 가스로는 메탄을 이용하였으며, 측정용 가스의 투입 압력은 0.5ℓ/min로 하였다.
여기서, 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150)의 높이 차(h)는 가스 유입구(130)의 중심축과 가스 배출구(150)의 중심축 간의 거리이다(도 1 참조).
h(㎜) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
속도
(㎧)		 1.15 1.20 1.44 1.67 1.82 1.97 2.23 2.74 2.11 1.78 1.70
표 2의 결과로부터, 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150) 사이에는 일정한 정도의 높이 차(h)를 갖는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도의 향상에 효과가 있고, 특히, 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150) 사이의 높이 차(h)가 6 내지 8㎜ 범위 내일 때 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도가 가장 빠르다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 가스 유입구(130)와 가스 배출구(150) 사이의 높이 차(h)를 6 내지 8㎜ 범위로 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 흐름의 개선에 가장 적합하다는 것을 알 수 있다.
3. 소정의 곡률을 갖는 곡면(190)
원통 형상을 이루는 광 공동(100)의 내부 공간(110) 중 바닥 면과 벽면 사이 및 바닥면의 반대쪽 면(천장 면)과 벽면 사이의 모서리 부위를 적절한 곡률을 갖는 곡면으로 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도의 향상을 위해서는 물론, 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 정체 및 난류 발생의 방지를 위해서도 바람직하며, 이들 부위 중에서 적어도 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위를 소정의 곡률을 갖는 곡면(190)으로 하여, 가스 유입구(130)를 통해서 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내로 유입한 측정용 가스가 원활하게 가스 배출구(150) 측으로 이동하여 외부로 배출되도록 하는 좋다.
본 발명자들은 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성되는 곡면(190)의 곡률의 조절에 의한 광 공동(100) 내에서의 가스의 이동속도 향상의 효과를 확인하기 위해, 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성된 곡면(190)의 곡률을 다양하게 변화시키면서 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 속도를 측정하였으며, 이로부터 표 3과 같은 결과를 얻었다.
본 실험에 사용한 광 공동도 내부 공간의 지름이 20㎜, 높이가 16.5㎜의 원통형을 이루며, 내부 공간(110)의 체적은 약 2,900㎣의 광 공동을 사용하였고, 측정용 가스로는 메탄을 이용하였고, 측정용 가스의 투입 압력은 0.5ℓ/min로 하였다.
여기서, 본 명세서에서는 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성된 곡면(190)의 곡률은, 바닥 면이 직선에서 곡선으로 변화하기 시작하는 시점(a)에서 수평방향으로 연장한 연장선과 이 곡선이 다시 직선으로 변화하는 종점(b)에서 수직방향으로 연장된 연장선이 서로 만나는 교점(c)을 그려서, 시점(a)과 교점(c) 사이의 거리를 x, 종점(b)과 교점(c) 사이의 거리를 y로 할 때 y/x의 값(곡면(190)의 곡률=y/x)으로 정의하였다(도 1 참조).
곡률 0.74 0.64 0.44 0.33 0.24 0.09 0.03
속도
(㎧)		 1.26 1.85 2.87 2.46 2.06 0.70 0.09
표 3의 결과로부터, 가스 유입구(130)의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성되는 곡면(190)의 곡률이 0.33 내지 0.44 범위 내일 때 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도가 가장 빠르다는 것을 확인할 수 있었으며, 따라서 가스 유입구(130)의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성되는 곡면(190)의 곡률을 0.33 내지 0.44 범위로 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 흐름의 개선에 가장 적합하다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상시 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구범위에 기재된 발명의 범위 내에서 다양한 변경 또는 변형이 가능하다.
가스 유입구(130) 및 가스 배출구(150)가 각각 광 공동(100)의 외부 벽면 및내부 벽면과 접하는 부위를 유선형으로 하는 형성하는 것이 측정용 가스의 유입저항 및 유출저항의 감소라는 측면에서 바람직하다.
또, 앞에서도 설명한 것과 같이, 광 공동(100)의 내부 공간(110)은 가스 유입구(130)가 형성된 벽면의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위에 형성된 곡면(190) 이외의 다른 부위, 즉, 원통 형상을 이루는 광 공동(100)의 내부 공간(110) 중 바닥 면과 벽면 사이 및 바닥면의 반대쪽 면(천장 면)과 벽면 사이의 모서리 부위를 모두 적절한 곡률을 갖는 곡면으로 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도의 향상을 위해서는 물론, 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 정체 및 난류 발생의 방지라는 측면에서 바람직하다.
또, 가스 배출구(150)의 크기를 가스 유입구(130)의 크기보다 더 크게 하는 것이 광 공동(100)의 내부 공간(110) 내에서의 측정용 가스의 이동속도의 향상을 위해서 바람직하다.
100 광 공동
110 내부 공간
130 가스 유입구
150 가스 배출구
170 광원
190 곡면

Claims (5)

  1. 내부 공간을 갖는 가스센서용 광 공동으로,
    상기 내부 공간 내로 측정용 가스를 유입하는 통로인 가스 유입구와,
    상기 내부 공간 내로 유입된 측정용 가스를 외부로 배출하는 통로인 가스 배출구와,
    상기 가스 유입구 측에 형성된 광원부를 포함하며,
    적어도 상기 내부 공간 내의 상기 가스 유입구의 반대쪽 벽면과 바닥 면 사이의 모서리부위는 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 형성되어 있는 가스센서용 광 공동.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정의 곡률은 0.33 내지 0.44 범위 내이며,
    상기 곡률은, 상기 바닥 면이 직선에서 곡선으로 변화하기 시작하는 시점(a)에서 수평방향으로 연장한 연장선과, 상기 곡선이 다시 직선으로 변화하는 종점(b)에서 수직방향으로 연장된 연장선이 서로 만나는 교점(c)을 그려서, 시점(a)과 교점(c) 사이의 거리를 x, 종점(b)과 교점(c) 사이의 거리를 y로 할 때, y/x의 값으로 표시되는 가스센서용 광 공동.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 유입구 측 벽면과 상기 광원부 사이의 간격은 2.5 내지 3.5㎜의 범위 내인 가스센서용 광 공동.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 유입구의 중심축과 상기 가스 배출구의 중심축 사이의 거리는 6 내지 8㎜ 범위 내인 가스센서용 광 공동.
  5. 가스의 농도를 측정하는 가스센서로,
    청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 광 공동과,
    상기 광원부에 설치된 광원과,
    상기 광원으로부터 출사한 광을 검출하는 광 검출기를 포함하는 가스센서.
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KR100576541B1 (ko) 2005-06-16 2006-05-03 (주) 인바이런먼트 리딩 테크놀러지 비분산 적외선 가스 센서를 위한 광 공동
KR101108497B1 (ko) 2009-11-24 2012-01-31 한국과학기술연구원 적외선 가스 센서
KR20180021956A (ko) 2016-08-22 2018-03-06 (주)트루아이즈 포물 반사체를 이용한 광 도파관 및 이를 구비하는 적외선 가스 센서

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