KR20200055236A - 두개의 기능적 채널을 이용한 ndir 분석기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NDIR에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기 및 그 측정방법에 관한 것이다. 이를 위해, 복수의 미러(310, 320)를 포함하고, 일측으로 가스입구(340)와 가스출구(350)를 포함하는 챔버(300); 챔버(300) 내부로 조사되는 적외선 광원(450); 회전가능하고, 조사되는 적외선을 단속하는 초퍼(460); 초퍼(460)상에 설치되어 적외선을 투과시키는 기준채널(500); 초퍼(460)상에 설치되고, 기준채널(500) 보다 상대적으로 적은 단면적으로 적외선을 투과시키는 측정채널(520); 챔버(300)상에 설치되어 적외선이 통과하고, 측정하고자 하는 대상가스에 대한 밴드패스필터(410); 및 밴드패스필터(410)를 통과한 적외선을 검출하는 검출기(420);가 제공된다.
Description
본 발명은 NDIR에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기 및 그 측정방법에 관한 것이다.
산업화에 따른 에너지 소비 증가로 인해 대기중에 오염물질이 배출되었고, 이로 인한 공해 문제가 심각한 사회문제로 대두되었다. 특히, 기체 상태로 대기중에 배출되는 오염 물질을 막기 위해서는 공장 등에서 배출하는 가스의 성분 및 그 농도를 파악하는 것이 필수적이다.
일반적으로, 화력발전소 또는 일반보일러 시설, 소각시설, 화학제품 제조시설, 시멘트공장, 제철공장, 반도체 제조시설, 석유정제시설 등과 같은 사업장의 굴뚝에서는 복합유해물질이 포함된 가스가 대기 중으로 배출되고 있다. 따라서 대기배출원에서 발생하는 배출가스의 농도를 실시간으로 관리하기 위하여 모니터링 측정 장비의 개발은 꾸준히 지속되고 있다.
기체에 포함된 성분을 측정하는 방식으로는 NDIR(Non-Dispersive Infrared absorption) 분석법이 많이 이용되고 있다. NDIR 분석법은 기체에 포함된 각 성분이 기체를 통과하는 적외선의 특정 파장의 에너지를 흡수하는 현상을 이용하여, 기체를 통과한 적외선의 각 파장의 에너지 레벨을 조사하여 기체에 포함된 성분을 파악한다.
이러한 전통적인 NDIR 측정방법은 간섭가스에 의한 오차를 보정하는데 한계가 있어, 최근에는 GFC(Gas Filter Correlation, 이하 "GFC"라 함)를 탑재하여 가스 간의 농도 간섭효과를 보상하는데 널리 사용된다. 도 1은 종래의 GFC를 탑재한 NDIR 분석장치의 일예이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화력발전소, 소각장, 화학공정시설 등과 같은 사업장에서는 다양한 성분의 가스가 배출되는데, 이 중 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 암모니아(NH3), 염화수소(HCl), 불화수소(HF), 메탄(CH4), 수증기(H20) 등이 주요 성분으로 볼 수 있다. 이러한 배출가스들은 각각의 고유 IR 흡수파장을 갖고 있는데, 이들 성분 중 몇몇 성분은 IR 흡수파장이 매우 근접하여 IR 흡수에 간섭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소(CO)의 IR 흡수파장은 4.6 ㎛, 이산화탄소(CO2)의 IR 흡수파장은 4.3㎛로 매우 근접하며, 특히 수증기(H2O)는 2 ~ 10 ㎛ 전역에 걸쳐 흡수파장을 갖고 있기 때문에 이들 성분이 공존할 경우 간섭효과로 인해 정확한 농도가 측정되지 않는다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 간섭가스간의 보상을 하기 위한 일환으로서 GFC가 사용되고 있는 추세이다.
그러나 GFC를 적용한 NDIR 장치에서도 간섭가스의 농도가 일정수준 이상 높아지면 측정이 제대로 이루어지지 않는다. 즉, 분석하고자 하는 성분(예, CO)이 NDIR 장치의 분석 가능한 농도범위 안에 존재하더라도 다른 간섭가스(예, CO2)의 농도가 고농도로 존재한다면 GFC를 이용하더라도 NDIR 장치의 측정값에는 오차가 발생하게 된다. 따라서 GFC를 적용한 NDIR만으로 배출가스의 농도를 정확히 측정하기에는 한계가 존재한다고 할 수 있다. 또한 GFC는 가스필터내에는 일정 %농도의 가스를 충진하는데 이 방법은 장시간 사용시 가스가 누출되는 문제점도 가지고 있어 측정값 오차에 대한 보정 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 한개의 광원과 한개의 검출기를 사용하여 드리프트(Drift)가 없고 노이즈가 적으며 간섭의 영향을 최소화할 수 있는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 NDIR 부품의 노화(aging) 또는 오염 등의 영향을 최소화하면서 원하는 대상가스의 농도를 정확히 측정할 수 있는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로, 복수의 미러(310, 320)를 포함하고, 일측으로 가스입구(340)와 가스출구(350)를 포함하는 챔버(300); 챔버(300) 내부로 조사되는 적외선 광원(450); 회전가능하고, 조사되는 적외선을 단속하는 초퍼(460); 초퍼(460)상에 설치되어 적외선을 투과시키는 기준채널(500); 초퍼(460)상에 설치되고, 기준채널(500) 보다 상대적으로 적은 단면적으로 적외선을 투과시키는 측정채널(520); 챔버(300)상에 설치되어 적외선이 통과하고, 측정하고자 하는 대상가스에 대한 밴드패스필터(410); 및 밴드패스필터(410)를 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출기(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기가 제공된다.
또한, 대상가스의 농도(C)는 [수학식 1] 또는 [수학식 2]로부터 연산되고,
[수학식 1]
C = log(C1 / C2)
[수학식 2]
C = f[ log(C1 / C2) ]
C1은 기준채널(500)을 통과한 검출기(420)의 신호이고, C2는 측정채널(520)을 통과한 검출기(420)의 신호이다.
또한, 기준채널(500)은 원형의 제 1 투과부(505)를 포함하고 그리고 측정채널(520)은 제 1 투과부(505)보다 직경이 상대적으로 작은 제 2 투과부(525)를 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로써, 전술한 장치를 이용한 농도 측정방법으로서, 적외선 광원(450)이 초퍼(460)의 기준채널(500)로 적외선(470)을 조사하는 단계(S100); 적외선(470)이 챔버(100)와 밴드패스필터(410)를 통해 검출기(420)에서 검출되고, 검출기(420)가 검출신호(C1)를 출력하는 단계(S110); 측정채널(520)로 적외선(470)이 통과하도록 초퍼(460)가 회전하는 단계(S120); 적외선 광원(450)이 상기 초퍼(460)의 측정채널(520)로 적외선(470)을 조사하는 단계(S130); 적외선(470)이 챔버(100)와 밴드패스필터(410)를 통해 검출기(420)에서 검출되고, 검출기(420)가 검출신호(C2)를 출력하는 단계(S140); 및 [수학식 1]에 기초하여,
[수학식 1]
C = log(C1 / C2)
대상가스의 농도(C)를 연산하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 적외선(470)의 기준파장은 3.95 ㎛이다.
또한, 대상가스는 NO, SO2, CO, CO2, HCl, NH3, 수증기중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 한개의 광원과 한개의 검출기를 사용하여 드리프트가 없고 노이즈가 적으며 간섭의 영향을 최소화할 수 있다. 따라서, 종래의 2개의 광원을 사용하거나 2개의 광경로를 사용하는 시스템에 비해 노이즈가 적고 인접 가스간의 간섭을 최소화하면서 대상가스의 농도를 정확히 측정할 수 있다.
또한, 오랜 시간 동안의 사용으로 인한 NDIR 부품(광원, 검출기, 미러 등)의 노화(aging) 또는 가스로 인한 오염 등의 영향을 최소화하면서 원하는 대상가스의 농도를 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 GFC를 탑재한 NDIR 분석장치의 일예이다.
도 2는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 단면도이다.
도 3은 도 2중 초퍼(460)의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 적외선 강도 및 가스농도에 대한 흡광도의 변화를 나타내는 그래프,
도 6은 기준 대역통과필터의 검출기 신호(M)와 대역통과필터의 검출기 신호(M)에 대한 상대 흡광도 그래프,
도 7은 기준채널의 검출기 신호(C1)와 측정채널의 검출기 신호(C2)에 대한 상대 흡광도 그래프이다.
도 1은 종래의 GFC를 탑재한 NDIR 분석장치의 일예이다.
도 2는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 단면도이다.
도 3은 도 2중 초퍼(460)의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 적외선 강도 및 가스농도에 대한 흡광도의 변화를 나타내는 그래프,
도 6은 기준 대역통과필터의 검출기 신호(M)와 대역통과필터의 검출기 신호(M)에 대한 상대 흡광도 그래프,
도 7은 기준채널의 검출기 신호(C1)와 측정채널의 검출기 신호(C2)에 대한 상대 흡광도 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의
구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 단면도이고, 도 3은 도 2중 초퍼(460)의 평면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(300)는 원통형으로 내부가 비어 있고, 일측으로 가스입구(340)와 가스출구(350)가 형성되어 있다. 또한, 적외선(470)이 입사되도록 투명한 제 1 창(390) 및 출사되는 제 2 창(400)이 구비된다.
제 1 미러(310)는 챔버(300)의 일단에 구비된 한장의 거울이고, 제 2 미러(320)는 챔버(300)의 타단에 구비된 여러장의 거울이다. 이러한 제 1, 2 미러(310, 320)는 서로 마주보면서 적외선(370)을 반사시킬 수 있도록 배치된다.
제 1 반사경(370)은 챔버(300) 내부중 제 1 창(390) 인근에 배치되어 입사되는 적외선(470)을 제 2 미러(320) 측으로 반사한다. 제 2 반사경(380)은 챔버(300) 내부중 제 2 창(400) 인근에 배치되어 반사되는 적외선(470)을 검출기(420) 측으로 반사한다.
밴드패스필터(Band Pass filter, BPF, 410)는 제 2 창(400)과 검출기(420)에 설치되어 출사되는 적외선(470)이 통과하도록 하며, 대상가스의 파장과 대역을 참고하여 대역폭을 선택하게 된다.
검출기(420)는 밴드패스필터(410)의 후방에 설치되어 밴드패스필터(410)를 통과한 적외선(470)을 검출하고, 광의 세기에 따라 전기신호를 출력한다.
모터(435)는 회전축(430)을 일정한 속도와 방향으로 회전시킨다. 초퍼(460)는 회전축(430)에 설치되어 회전하며, 적외선 광원(450)으로부터 조사되는 적외선(470)을 통과시키거나 차단하는 역할을 한다.
적외선 광원(450)는 초퍼(460)의 후방에 설치되어 초퍼(460)와 제 1 창(390)을 향해 적외선(470)을 조사한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기준채널(500)은 초퍼(460)상에 설치되어 일체로 회전하며, 대략 원형이다. 기준채널(500)은 적외선(470)을 통과시키는 제 1 투과부(505)를 포함하며, 원형의 제 1 투과부(505)의 면적은 기준채널(500)의 면적에 대략 근접한다. 따라서, 기준채널(500)은 조사되는 적외선(470)을 차단없이 거의 그대로 통과시킬 수 있다.
측정채널(520)은 초퍼(460)상에서 기준채널(500)과 대칭되는 위치에 설치되어 일체로 회전하며, 대략 원형이다. 측정채널(520)은 적외선(470)을 통과시키는 제 2 투과부(525)를 포함하며, 원형의 제 2 투과부(525)의 면적은 측정채널(520)의 면적의 1/3 ~ 1/4 정도이다. 따라서, 측정채널(520)은 조사되는 적외선(470)을 상당부분 차단하고 일부만을 통과시킨다.
실시예의
동작
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예를 동작시키는 방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명에 따른 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 가스입구(340)를 통해 대상가스(360)를 투입한다. 대상가스(360)는 NO, SO2, CO, CO2, HCl, NH3, 수증기 등 여러 가스들중 하나일 수 있다. 그 다음, 기준파장이 3.95 ㎛인 적외선 광원(450)이 초퍼(460)의 기준채널(500)로 적외선(470)을 조사한다(S100). 이때, 적외선(470)의 광량이나 세기는 줄어듦이 없이 거의 그대로 제 1 창(390)을 통과한다. 제 1 창(390)을 통과한 적외선(470)은 제 1 반사경(370)에서 반사되어 제 2 미러(320)로 반사된다. 그 다음, 적외선(470)은 대상가스(360)를 지나면서 제 1, 2 미러(310, 320) 사이에서 수회 반사된다. 그 다음, 제 2 반사경(380)과 제 2 창(400)을 지나 밴드패스필터(410)로 진입한다.
그 다음, 적외선(470)이 챔버(100)와 밴드패스필터(410)를 통해 검출기(420)에서 검출되고, 검출기(420)가 검출신호(C1)를 출력한다(S110).
그 다음, 측정채널(520)로 적외선(470)이 통과하도록 모터(435)에 의해 초퍼(460)가 회전한다(S120).
그 다음, 적외선 광원(450)이 초퍼(460)의 측정채널(520)로 적외선(470)을 조사한다(S130).
그 다음, 적외선(470)이 전술한 경로와 동일한 경로를 통해 챔버(100)와 밴드패스필터(410)를 통해 검출기(420)에서 검출된다. 그리고, 검출기(420)가 검출신호(C2)를 출력한다(S140).
그 다음, 제어부(미도시)는 입력받은 검출신호(C1, C2)에 기초하여 다음 식으로부터 대상가스의 농도(C)를 연산한다(S150).
C = log(C1 / C2) 또는
C = f[ log(C1 / C2) ]
실시예의 대조실험
이하에서는 상기와 같은 구성과 동작방법을 이용하여, 종래의 농도측정과 본원발명의 농도측정을 대조하여 노이즈가 적고 간섭의 영향이 없는 농도측정이 가능함을 설명하도록 한다.
먼저, 비분산(NDIR) 가스 분석기의 기술적 토대는 [수학식 3]과 같은 비어-램버트(Beer-Lambert) 법칙을 기반으로 한다.
[수학식 3]
A = Log(I0/I) = kCL
여기서, A는 대상 가스의 상대 흡광도, I0는 초기 방사선 빔 세기, I는 가스가 채워진 검출기를 통과한 후의 빔 세기, k는 흡수 계수, C는 가스 농도, L은 일반적으로 분석기의 유효 샘플 챔버 길이에 의해 정의되는 샘플 광학 경로 길이이다.
분석의 드리프트 프리와 기준선을 유지하기 위해 흡광도 A는 일관성이 있어야 하며 I0 값은 일관성 있게 유지되어야 한다. 챔버는 N2 가스만을 포함하므로 출력 검출기 신호가 일정하게 유지될 수 있다. 그러나 분석기에서 두 개의 동일한 가스 챔버를 사용하면 분석기 가격뿐만 아니라 분석기 크기가 증가한다. 더욱이, 2개의 검출기를 사용하면 2개의 검출기의 상이한 에이징에 의해 표류하게 된다. 또한 대기 오염 물질로 인해 시료 챔버 내부의 거울이 오염되면 드리프트가 발생하지만 기준 챔버에서는 이러한 오염이 발생하지 않는다. NDIR에서 광학 부품의 치수 및 오염 문제를 해결하기 위해 기준 가스 챔버 대신 표준 솔리드 밴드패스필터(BPF)가 일반적으로 적용되고 상업화된다.
그러나, 이 기준 대역 통과 필터는 몇 가지 단점을 드러냈다. 기준 및 대상 가스 대역 통과 필터를 사용하여 여전히 파장의 이동에 의한 드리프트를 야기했다. 즉, 적외선 광원의 온도가 변하면 BPF1과 BPF2를 관통한 상대적 분광 방사는 온도에 따라 달라진다.
한편, 비어-램버트 법칙에 따른 가스의 흡광도는 광 강도에 의존한다. 따라서, 가스의 적외선 흡광도는 상이한 적외선 강도에 따라 변할 것이다. 기준채널(500)(즉, 거의 적외선 강도의 변화가 없이 검출기 신호가 생성됨) 및 측정채널(520)(즉, 적외선 강도가 낮아져서 검출기 신호가 생성됨)에 대해 동일한 대역통과필터(410)가 사용되고, 대상가스(360) 및 간섭 가스의 농도가 변경되지 않는다고 가정한다.
그리고,
- 기준채널의 강도 I1에서 대상 가스의 흡광도는 A1이다.
- 기준채널의 강도 I1에서 간섭 가스의 흡광도는 B1이다.
- 측정채널의 강도 I1에서 대상 가스의 흡광도는 A2이다.
- 측정채널의 강도 I1에서 간섭 가스의 흡광도는 B2이다.
- 측정채널의 강도 I2에서 대상 가스의 흡광도는 A'2이다.
- 측정채널의 강도 I2에서 간섭 가스의 흡광도는 B'2이다.
동일한 강도 I1에서, 2개의 채널에 대한 대상가스(360)의 흡광도 비는 동일할 것이다.
[수학식 4]
α = A1/A2=1
이러한 패턴은 간섭가스에서도 동일하다.
[수학식 5]
β = B1/B2=1
그러나 기준채널(500)의 강도 I1과 측정채널(520)의 I2의 비율은 다음과 같다.
[수학식 6]
α'= A1 / A'2 ≠ 1
[수학식 7]
β'= B1 / B'2 = 1
따라서, 대상 가스는 간섭 가스가 검출될 수 없는 동안 검출될 수 있다. 이 패턴은 이론적으로 도 5와 같은 비어-램버트 법칙을 기반으로 설명할 수 있다. 도 5는 적외선 강도 및 가스농도에 대한 흡광도의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 강도 I1에서 가스 1 및 가스 2의 흡광도는 가스 농도에 비례한다. 대조적으로, 강도 I2에서 가스 2의 흡광도는 포화 상태이다. 즉, 가스 2가 검출될 수 없음을 나타냅니다.
본 발명의 실시예에 따른 실험은 다음과 같은 조건에서 실시되었다. 경로 길이가 10.4 m 인 NDIR을 사용했다. NO용 대역통과필터(410)는 반 대역폭의 180 nm에서 5.3 ㎛이다. 기준채널(500)의 제 1 투과부(505, 활성영역) 반경은 9mm이고, 측정채널(520)의 제 2 투과부(525, 활성영역) 반경은 NO의 경우 2mm이다. 3.95 ㎛의 기준 대역통과필터를 또한 비교로 사용했다. 응답을 테스트하기 위해 NO가스(10, 100, 180ppm), CO2가스 (1, 12.6, 50%), N2(99.999 %), 습도 가스(상대습도(RH), 17, 30, 60%)를 사용하였고, 실험 결과는 도 6(종래)과 도 7(본 발명)에 도시된다.
도 6은 종래의 기준 대역통과필터의 검출기 신호(M)와 대역통과필터의 검출기 신호(M)에 대한 상대 흡광도 그래프이다. 도 6에서 수평축은 log(R/M)을 나타내는데, 여기서, R은 기준 대역통과필터로부터의 검출기 신호이고, M은 대역통과필터로부터의 검출기 신호이다. 도 6에 도시된 바와 같이, NO를 포함하는 점선의 오른쪽에 RH와 CO2가 위치함을 알 수 있다. 이는 농도측정시 간섭가스로 인한 간섭이 많이 발생하고 있음을 알 수 있고, 이렇게 측정된 검출기(420)의 농도는 간섭신호를 포함하고 있어서 농도값이 정확하지 않다.
그리고, 도 7은 본 발명에 따른 기준채널의 검출기 신호(C1)와 측정채널의 검출기 신호(C2)에 대한 상대 흡광도 그래프이다. 도 6에서 수평축은 log(C1/C2)을 나타내는데, 여기서, C1은 기준채널(500)에 대한 검출기(420) 신호이고, C2는 측정채널(520)에 대한 검출기(420) 신호이다. 도 7에 도시된 바와 같이, NO를 포함하는 점선의 왼쪽에 RH와 CO2가 위치함을 알 수 있다. 이는 농도측정시 간섭가스로 인한 간섭이 적게 발생하고 있음을 알 수 있고, 이렇게 측정된 검출기(420)의 농도는 간섭신호의 영향을 받지 않은 정확한 농도값임을 알 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, CO2 및 RH는 기준 대역통과필터를 사용할 때 NO에 대한 높은 간섭을 나타낸다. 대조적으로, 다른 투과부(505, 525)(즉, 상이한 적외선 세기)를 갖는 동일한 대역통과필터(410)를 사용하면 CO2 및 H2O의 간섭이 무시할만하게 되고, 흡광도는 여전히 그 농도에 비례한다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
100 : 챔버,
110 : 제 1 미러,
120 : 제 2 미러,
130 : 광경로,
140 : 가스입구,
150 : 가스출구,
160 : 가스,
170 : 제 1 반사경,
180 : 제 2 반사경,
190 : 제 1 창,
200 : 제 2 창,
210 : 밴드패스필터,
220 : 검출기,
230 : 회전축,
235 : 모터,
240 : GFC,
242 : N2필터
244 : NO필터
250 : 적외선 광원,
260 : 초퍼,
270 : 적외선,
300 : 챔버,
310 : 제 1 미러,
320 : 제 2 미러,
330 : 광경로,
340 : 가스입구,
350 : 가스출구,
360 : 가스,
370 : 제 1 반사경,
380 : 제 2 반사경,
390 : 제 1 창,
400 : 제 2 창,
410 : 밴드패스필터,
420 : 검출기,
430 : 회전축,
435 : 모터,
450 : 적외선 광원,
460 : 초퍼,
470 : 적외선,
500 : 기준채널,
505 : 제 1 투과부,
520 : 측정채널,
525 : 제 2 투과부.
110 : 제 1 미러,
120 : 제 2 미러,
130 : 광경로,
140 : 가스입구,
150 : 가스출구,
160 : 가스,
170 : 제 1 반사경,
180 : 제 2 반사경,
190 : 제 1 창,
200 : 제 2 창,
210 : 밴드패스필터,
220 : 검출기,
230 : 회전축,
235 : 모터,
240 : GFC,
242 : N2필터
244 : NO필터
250 : 적외선 광원,
260 : 초퍼,
270 : 적외선,
300 : 챔버,
310 : 제 1 미러,
320 : 제 2 미러,
330 : 광경로,
340 : 가스입구,
350 : 가스출구,
360 : 가스,
370 : 제 1 반사경,
380 : 제 2 반사경,
390 : 제 1 창,
400 : 제 2 창,
410 : 밴드패스필터,
420 : 검출기,
430 : 회전축,
435 : 모터,
450 : 적외선 광원,
460 : 초퍼,
470 : 적외선,
500 : 기준채널,
505 : 제 1 투과부,
520 : 측정채널,
525 : 제 2 투과부.
Claims (6)
- 복수의 미러(310, 320)를 포함하고, 일측으로 가스입구(340)와 가스출구(350)를 포함하는 챔버(300);
상기 챔버(300) 내부로 조사되는 적외선 광원(450);
회전가능하고, 조사되는 적외선을 단속하는 초퍼(460);
상기 초퍼(460)상에 설치되어 상기 적외선을 투과시키는 기준채널(500);
상기 초퍼(460)상에 설치되고, 상기 기준채널(500) 보다 상대적으로 적은 단면적으로 상기 적외선을 투과시키는 측정채널(520);
상기 챔버(300)상에 설치되어 상기 적외선이 통과하고, 측정하고자 하는 대상가스에 대한 밴드패스필터(410); 및
상기 밴드패스필터(410)를 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출기(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기. - 제 1 항에 있어서,
상기 대상가스의 농도(C)는 다음식으로부터 연산되고,
C = log(C1 / C2)
C1은 상기 기준채널(500)을 통과한 상기 검출기(420)의 신호이고,
C2는 상기 측정채널(520)을 통과한 상기 검출기(420)의 신호인 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기. - 제 1 항에 있어서,
상기 기준채널(500)은 원형의 제 1 투과부(505)를 포함하고 그리고
상기 측정채널(520)은 상기 제 1 투과부(505)보다 직경이 상대적으로 작은 제 2 투과부(525)를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기. - 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 따른 분석기를 이용한 농도 측정방법으로서,
적외선 광원(450)이 초퍼(460)의 기준채널(500)로 적외선(470)을 조사하는 단계(S100);
상기 적외선(470)이 챔버(100)와 밴드패스필터(410)를 통해 검출기(420)에서 검출되고, 상기 검출기(420)가 검출신호(C1)를 출력하는 단계(S110);
측정채널(520)로 상기 적외선(470)이 통과하도록 상기 초퍼(460)가 회전하는 단계(S120);
상기 적외선 광원(450)이 상기 초퍼(460)의 측정채널(520)로 적외선(470)을 조사하는 단계(S130);
상기 적외선(470)이 상기 챔버(100)와 상기 밴드패스필터(410)를 통해 상기 검출기(420)에서 검출되고, 상기 검출기(420)가 검출신호(C2)를 출력하는 단계(S140); 및
다음 식에 기초하여,
C = log(C1 / C2)
대상가스의 농도(C)를 연산하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 적외선(470)의 기준파장은 3.95 ㎛인 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 대상가스는 NO, SO2, CO, CO2, HCl, NH3, 수증기중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 두개의 기능적 채널을 이용한 NDIR 분석기의 측정방법.
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| CN111829974A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-10-27 | 江苏大学 | 一种旋转式气室红外气体检测装置 |
| CN111829974B (zh) * | 2020-06-15 | 2023-09-22 | 江苏大学 | 一种旋转式气室红外气体检测装置 |
| CN115656087A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-31 | 浙江浙大鸣泉科技有限公司 | 一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道ndir光学平台 |
| CN115656087B (zh) * | 2022-11-09 | 2023-08-22 | 浙江浙大鸣泉科技有限公司 | 一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道ndir光学平台 |
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| KR102114557B1 (ko) | 2020-05-22 |
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