KR20210055933A - Acoustic Sensor for gas measurement - Google Patents

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KR20210055933A KR1020190142326A KR20190142326A KR20210055933A KR 20210055933 A KR20210055933 A KR 20210055933A KR 1020190142326 A KR1020190142326 A KR 1020190142326A KR 20190142326 A KR20190142326 A KR 20190142326A KR 20210055933 A KR20210055933 A KR 20210055933A
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Abstract

The present invention relates to an acoustic sensor for gas measurement using a non-dispersive optical system, and more particularly to an acoustic sensor for gas treatment comprising a gas chamber. By applying two microphones with a symmetrical structure to a gas chamber, noise (background signal) caused by vibrations caused by light reflection and disturbance inside the gas chamber is removed, and a high signal-to-noise ratio and dynamic range are realized by correcting the disturbance signal.

Description

가스측정용 음향센서{Acoustic Sensor for gas measurement}Acoustic Sensor for gas measurement

본 발명은 비분산 광학계를 사용하는 가스측정용 음향센서에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가스 셀 내부에서의 빛의 흡수에 의해 야기되는 압력의 변화를 측정하여 가스의 성분 및 농도를 측정하는 가스측정용 음향센서에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic sensor for gas measurement using a non-dispersive optical system, and more specifically, a gas measurement for measuring the composition and concentration of a gas by measuring a change in pressure caused by absorption of light inside a gas cell. It relates to an acoustic sensor.

가스의 성분과 농도를 측정하는 방법으로는, 적외선 흡광법, 가스크로마토그래피 분리분석법, 전기화학 센서 측정법 및 질량분석법 등의 방법들이 사용되고 있으며, 측정하고자 하는 가스의 성분과 분석의 목적에 따라 측정방법이 결정되며, 일반적으로 측정 장치의 구조가 간단하여 측정이 용이한 적외선 흡광법이 가스성분 계측에 널리 이용되고 있다.As a method of measuring the components and concentration of gas, methods such as infrared absorption method, gas chromatography separation analysis method, electrochemical sensor measurement method, and mass spectrometry method are used, and the measurement method depends on the composition of the gas to be measured and the purpose of the analysis. Is determined, and in general, an infrared absorption method, which is easy to measure due to a simple structure of a measuring device, is widely used for gas component measurement.

적외선 흡광법은 측정 시료가 충진된 셀에 적외선을 조사한 후 가스를 투과하는 광량을 측정하여 측정된 광의 세기의 차이로 가스 농도를 측정하는데 가스 측정법으로, 단원자 및 이원자 기체는 적외선 영역에 빛의 흡수가 없으나 다른 많은 기체들은 특유의 적외선 흡수 스펙트럼을 가진다. 즉, 적외선 흡광법의 흡수밴드 위치는 물질에 따라 다르고 흡수된 양은 가스의 농도와 흡광계수에 의존하는 바, 흡광계수 및 낮은 농도를 갖는 가스의 측정의 경우, 광의 흡수량이 작아 측정의 신뢰성이 떨어지게 되고, 이에 감도를 높이기 위해 긴 경로를 가지는 가스셀이 요구된다는 한계가 발생한다.In the infrared absorption method, the gas concentration is measured by measuring the amount of light transmitted through the gas after irradiating infrared light to a cell filled with a measurement sample. It is a gas measurement method. Although there is no absorption, many other gases have characteristic infrared absorption spectra. That is, the location of the absorption band of the infrared absorption method varies depending on the material, and the absorbed amount depends on the concentration of the gas and the extinction coefficient.In the case of measuring a gas having an absorption coefficient and a low concentration, the absorption of light is small, making the measurement less reliable. Accordingly, there is a limitation that a gas cell having a long path is required to increase sensitivity.

이에, 종래에는 한국 공개특허공보 제10-2019-0048836호(미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템, 2019.05.09. 공개)에서 개시된 바와 같이 광원으로 광량을 비약적으로 높이기 위해 레이저를 사용한다. 그러나, 레이저 광원은 파장의 선택 및 변경, 비용과 제품의 크기에 제약이 있어 실용상으로는 부적합하다는 한계가 분명함에 따라서, 한국 등록특허공보 제10-0788795호(광 음향 검출기를 이용한 이산화탄소 농도 측정장치, 2007.12.27.공고)에서와 같이, 적외선 흡수밴드를 포함하는 광원이 변조되면 측정 셀에서는 흡수된 광 에너지에 의해 진폭이 가스의 농도에 비례하고 광원과 같은 변조 주파수를 가지는 음압이 생성되고, 측정 셀의 후방에 구비된 음향센서는 이 음압 신호의 크기를 흡수밴드와 광량이 같고 표준가스를 사용하였을 때와 비교하는 방법으로 가스의 성분에 따르는 농도를 구한다. 여기에서, 이 방법에 의해 제공되는 검출신호의 세기는 가스 농도에 직접 비례하며 가스 셀 내의 광 강도가 충분히 높으면 낮은 가스 농도를 측정하는 데에 유용하므로 흡광도 측정법에서의 낮은 농도측정의 어려움을 해소할 수 있다.Thus, conventionally, as disclosed in Korean Patent Application Publication No. 10-2019-0048836 (TDLAS alignment system for simultaneous measurement of multiple gases using microscopic optical paths, published on May 9, 2019), a laser is used as a light source to dramatically increase the amount of light. do. However, as it is clear that the laser light source is not suitable for practical use due to limitations in the selection and change of wavelength, cost and product size, Korean Patent Publication No. 10-0788795 (CO2 concentration measuring apparatus using a photoacoustic detector, As in 2007.12.27.Announcement), when a light source including an infrared absorption band is modulated, a sound pressure with an amplitude proportional to the gas concentration and the same modulation frequency as the light source is generated in the measurement cell by the absorbed light energy. The acoustic sensor provided at the rear of the cell calculates the concentration according to the gas component by comparing the magnitude of the sound pressure signal with the absorption band and the same amount of light and when a standard gas is used. Here, the intensity of the detection signal provided by this method is directly proportional to the gas concentration, and if the light intensity in the gas cell is sufficiently high, it is useful for measuring low gas concentrations, thus solving the difficulty of measuring low concentrations in the absorbance measurement method. I can.

그러나, 종래와 같이 가스셀 후방에 구비되는 음향센서로 입사된 광선의 세기를 측정하는 방식은, 가스셀에 의해 흡수된 광량의 변화를 검출하는 것으로, 셀을 통과한 빛은 셀의 벽면에 부딪혀 일부는 반사되고 남은 빛은 셀 몸체에 흡수되어, 셀 몸체에 흡수된 빛의 진동에 따른 백그라운드 신호(잡음)가 야기된다.However, as in the prior art, the method of measuring the intensity of light incident by the acoustic sensor provided at the rear of the gas cell is to detect the change in the amount of light absorbed by the gas cell, and the light passing through the cell hits the wall of the cell. Some of the light is reflected and the remaining light is absorbed by the cell body, causing a background signal (noise) according to the vibration of the light absorbed by the cell body.

즉, 이와 같이 백그라운드 신호의 야기와 음향센서의 진동과 같은 환경적인 영향은 검출한계와 측정의 신뢰성에 영향을 주며, 낮은 농도의 가스를 음향센서에서 측정하려면 음압을 측정하는 검출 음향센서는 민감도가 매우 높고 동적범위가 넓은 측정용 고성능 콘덴서 마이크로폰을 사용해야 하고 민감도가 매우 높음에 따라 가능한 외부 진동의 영향과 잡음원을 회피해야 한다는 기술적 과제에 국면하게 되었다.In other words, environmental influences such as the background signal and the vibration of the acoustic sensor affect the detection limit and the reliability of the measurement. The use of a high-performance condenser microphone for measurement with a very high and wide dynamic range and high sensitivity has led to the technical challenge of avoiding possible effects of external vibrations and noise sources.

한국 공개특허공보 제10-2019-0048836호(미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템, 2019.05.09. 공개)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2019-0048836 (TDLAS alignment system for simultaneous measurement of multiple gases using a fine optical path, published on May 9, 2019) 한국 등록특허공보 제10-0788795호(광 음향 검출기를 이용한 이산화탄소 농고 측정장치, 2007.12.27.공고)Korean Registered Patent Publication No. 10-0788795 (Measurement device for carbon dioxide concentration using photoacoustic detector, 2007.12.27 announcement)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 가스챔버 내부에서의 빛의 반사 및 외란에 따른 진동에 의한 잡음(백그라운드신호)을 제거하고 외란 신호를 보정함으로써 높은 신호 대 잡음비와 동적 범위를 구현한 가스측정용 음향센서를 제공한다.The present invention was conceived to solve the above problems, and implements a high signal-to-noise ratio and dynamic range by removing noise (background signal) caused by vibration due to light reflection and disturbance inside a gas chamber and correcting disturbance signals. Provides an acoustic sensor for gas measurement.

또한, 본 발명은 적외선 광원의 광량을 증대시켜 검출성능을 향상하여 측정한계를 높인 가스측정용 음향센서를 제공한다.In addition, the present invention provides an acoustic sensor for gas measurement, which increases the measurement limit by increasing the amount of light of an infrared light source to improve detection performance.

상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명은 광원, 내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버 및 상기 광학창과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 한 쌍의 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is a light source, a sample gas for measurement is filled therein, an optical window is formed on one side of the light source to enter the light irradiated from the light source, and the light incident therein A gas chamber including an inner reflective surface for reflecting the light and each side of the gas chamber in a direction perpendicular to the optical window are provided so as to face each other, and receive a sound pressure signal according to the expansion of the sample gas filled in the gas chamber. It characterized in that it comprises a pair of microphones to measure.

또한, 상기 한 쌍의 마이크로폰은 각기, 상기 음압신호 및 상기 가스챔버 내부에 형성된 내측반사면에서 반사되는 빛의 진동에 의해 야기되는 외란신호를 포함하는 입력신호를 출력하되, 상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호 를 합성하는 가산기를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호는 감쇄되도록 합성된 목적신호를 출력하는 가산회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, each of the pair of microphones outputs an input signal including the sound pressure signal and a disturbance signal caused by vibration of light reflected from an inner reflective surface formed inside the gas chamber, from the pair of microphones. Including an adder for synthesizing a pair of input signals respectively applied, the sound pressure signal having the same phase is amplified and the disturbance signal having different phases is attenuated. It is characterized by that.

또한, 상기 가산회로부는 상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 출력된 입력신호를 증폭하는 프리앰프 및 상기 프리앰프와 가산기 사이에 구비되어, 상기 프리앰프로부터 증폭된 입력신호에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the addition circuit unit includes a preamplifier for amplifying the input signal output from the pair of microphones, and a high-pass filter provided between the preamplifier and an adder to remove disturbance caused by the amplified input signal from the preamplifier. It characterized in that it further includes.

또한, 상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼, 상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터 및 상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, an optical chopper that is provided between the light source and the optical window of the gas chamber and modulates the light irradiated from the light source to have a pulse phase, a photo interrupter outputting a reference signal according to the pulse phase of the optical chopper, and the photo interrupter And a disturbance correction circuit unit for receiving the reference signal output from and outputting an output signal having the same frequency component as the reference signal from the target signal applied from the addition circuit unit.

또한, 상기 외란보정회로부는 상기 가산회로부로부터 입력받은 목적신호와 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호를 합성하는 곱셈기와, 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 정위상출력라인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the disturbance correction circuit unit includes a multiplier for synthesizing a target signal input from the addition circuit unit and a reference signal applied from the photointerrupter, and a positive phase output having the same frequency component as the reference signal among the output signals synthesized from the multiplier. It is characterized in that it comprises a low-pass filter for outputting the signal (I), and a positive phase output line including a.

또한, 상기 외란보정회로부는 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호의 위상을 가변하는 위상변이회로와, 상기 가산회로로부터 입력받은 목적신호와 상기 위상변이회로로부터 출력된 변이된 참조신호를 합성하는 곱셈기 및 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터를 포함하는 직교위상출력라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the disturbance correction circuit unit includes a phase shift circuit for varying the phase of the reference signal applied from the photointerrupter, a multiplier for synthesizing a target signal received from the addition circuit and a shifted reference signal output from the phase shift circuit, and And a quadrature phase output line including a low-pass filter for outputting a quadrature phase output signal Q having the same frequency component as the shifted reference signal among the output signals synthesized by the multiplier.

또한, 상기 외란보정회로부로부터 출력된 상기 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)를 인가받아, 상기 가스챔버 내에 충전된 가스시료를 분석하는 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, it characterized in that it further comprises a detector configured to receive the positive phase output signal (I) and the quadrature phase output signal (Q) output from the disturbance correction circuit unit and analyze the gas sample filled in the gas chamber.

또한, 상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경을 더 포함하되 상기 광원은 적외선의 빛을 방출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the light source in a direction opposite to the gas chamber further includes an elliptical reflector having an elliptical surface to focus light emitted from the light source and irradiate it to the optical window of the gas chamber, wherein the light source is It is characterized by emitting infrared light.

또한, 상기 광원과 광학창 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it characterized in that it further comprises a band filter provided between the light source and the optical window, passing light having a predetermined wavelength to be measured, and entering the optical window.

또한, 상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼, 상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터 및 상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부를 더 포함하여, 상기 대역필터의 교환에 따른 외란을 제거하는 것을 특징으로 한다.In addition, an optical chopper that is provided between the light source and the optical window of the gas chamber and modulates the light irradiated from the light source to have a pulse phase, a photo interrupter outputting a reference signal according to the pulse phase of the optical chopper, and the photo interrupter Further comprising a disturbance correction circuit unit for receiving the reference signal output from and outputting an output signal having the same frequency component as the reference signal from the target signal applied from the addition circuit unit, It is characterized in that to remove.

또한, 본 발명은 적외선을 빛을 방출하는 광원, 상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경, 내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버 및 상기 가스챔버에 설치되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is provided in the rear of the light source emitting infrared light, the light source in a direction opposite to the gas chamber, one side is oval to focus the light emitted from the light source to irradiate the optical window of the gas chamber. An elliptical reflector consisting of, the sample gas for measurement is filled inside, an optical window is formed on one side of the light source to inject the light irradiated from the light source into the inside, and an inner reflective surface for reflecting the light incident therein is formed. It characterized in that it comprises a gas chamber and a microphone installed in the gas chamber to measure a sound pressure signal according to the expansion of the sample gas filled in the gas chamber.

상기한 구성에 따른 본 발명은, 대칭구조를 가지는 두 개의 마이크로폰을 음향센서에 적용하여 외란을 배제할 수 있다. 더욱 자세하게는, 대향되도록 배치된 한 쌍의 마이크로폰에 각각 측정되는 동일 위상을 갖는 음압신호에 야기되는 서로 다른 위상을 갖는 외란신호를 분리함으로써 가스의 검출감도와 측정의 신뢰성이 향상된다는 장점이 있다. In the present invention according to the above configuration, disturbance can be eliminated by applying two microphones having a symmetrical structure to an acoustic sensor. In more detail, there is an advantage that gas detection sensitivity and measurement reliability are improved by separating disturbance signals having different phases caused by sound pressure signals having the same phase, respectively measured by a pair of microphones arranged to be opposed to each other.

또한, 일반적으로는 특정한 적외선 파장영역을 사용하면 하나의 가스 성분만을 측정할 수 있으나 다수의 적외선 필터를 적용하면 여러 종류의 가스 성분을 동시에 측정할 수 있고 복합가스에 따른 선택파장간의 간섭을 보정할 수 있다. 즉, 이 경우에 하나의 셀에 다수의 필터를 번갈아 적용함에 따른 진동의 영향을 효과적으로 제거한 다음 초퍼의 온-오프 스위칭 위상과 동기하는 위상검출회로를 사용하여 신호성분만을 검출할 수 있으므로 가스 음향센서의 효율성을 보장할 수 있다. In addition, in general, only one gas component can be measured when a specific infrared wavelength range is used, but when multiple infrared filters are applied, several types of gas components can be measured at the same time and the interference between the selected wavelengths according to the complex gas can be corrected. I can. In other words, in this case, only the signal component can be detected using a phase detection circuit that is synchronized with the on-off switching phase of the chopper after effectively removing the effect of vibration caused by alternately applying multiple filters to one cell. Efficiency can be guaranteed.

도 1은 종래의 가스측정 음향센서를 도시한 구성도.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 음향센서를 도시한 구성도.
도 3 내지 도 5는 도 1에 따른 광원 및 가스챔버를 설명하기 위한 요부확대도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위상감응회로부를 도시한 구성도.
1 is a block diagram showing a conventional gas measurement acoustic sensor.
2 is a block diagram showing an acoustic sensor according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are enlarged main parts for explaining the light source and the gas chamber according to FIG. 1.
6 is a block diagram showing a phase sensitive circuit unit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described in more detail using the accompanying drawings.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.The accompanying drawings are only an example illustrated to describe the technical idea of the present invention in more detail, so the technical idea of the present invention is not limited to the form of the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향센서를 도시한 구성도로서, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스검출용 음향센서(1000)는 광원(100), 가스챔버(200), 마이크로폰(300), 위상감응회로부(400) 및 검출부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.2 is a configuration diagram showing an acoustic sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the acoustic sensor 1000 for gas detection according to an embodiment of the present invention includes a light source 100 and a gas chamber. It may be configured to include 200, a microphone 300, a phase-sensitive circuit unit 400, and a detection unit 500.

상기 광원(100)은 상기 가스챔버(200)의 일면에 형성된 광학창(210)으로 빛을 투사시키기 위한 구성으로, 음향센서(1000)의 검출 감도의 향상을 시키기 위한 일방면으로는 상기 가스챔버(200)로 입사되는 빛의 강도를 증대시켜, 신호 레벨의 크기를 증가시키는 방법이 있다.The light source 100 is a configuration for projecting light to the optical window 210 formed on one surface of the gas chamber 200, and in one aspect for improving the detection sensitivity of the acoustic sensor 1000, the gas chamber There is a method of increasing the magnitude of the signal level by increasing the intensity of light incident on 200.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 가스측정 음향센서(10)에서는 광원(1)으로부터 셀(4)로 입사하는 발산각이 포물면 반사경(2)으로 향하는 각과 셀로 향하는 각의 합(

Figure pat00001
)을 이루며, 이때 셀 윈도우(4a)의 직경이 클수록 많은 광량을 전달하는 데에 용이하지만 구성품의 제작의 어려움에 의해 설계가 제한된다. 즉, 셀에 측정가스를 채운 후 솔레노이드 밸브가 닫히고 초퍼(2)로 입사광을 변조한 상태에서 가스가 광 에너지를 흡수하여 생성한 음압 신호를 하나의 음향센서(5)를 이용해 측정하게 된다.As shown in FIG. 1, in the general gas measurement acoustic sensor 10, the divergence angle incident from the light source 1 to the cell 4 is the sum of the angle toward the parabolic reflector 2 and the angle toward the cell (
Figure pat00001
), and the larger the diameter of the cell window 4a, the easier it is to transmit a larger amount of light, but the design is limited due to the difficulty of manufacturing components. That is, after filling the cell with the measurement gas, the solenoid valve is closed and the incident light is modulated by the chopper 2, and the sound pressure signal generated by the gas absorbing light energy is measured using one acoustic sensor 5.

이에 반하여, 도 3에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명의 음향센서(1000)는 상기 가스챔버(200)와 대향되는 방향의 상기 광원(100)에 후방에 구비되어, 상기 광원(100)으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버(200)의 광학창(210)으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경(110)을 더 포함하여, 상기 가스챔버(200) 내부로 입사되는 광량을 증가시키도록 구성된다. 이때, 바람직하게는 검출감도의 향상을 위해 가스챔버(200) 내면에서의 고율 다중 반사를 이용하므로 가스챔버(200)로 입사되는 빛을 집광시키도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 광원(100)으로부터 가스챔버(200)로 입사되는 발산각(

Figure pat00002
)은 상기 광원(100)으로부터 타원면반사경(110)으로 향하는 빛의 각도(
Figure pat00003
)와 가스챔버(200)로 향하는 빛의 각도(
Figure pat00004
)의 합을 이루며, 상기 광원(100)으로부터 방출된 빛이 상기 가스챔버(200)내부로 입사되는 광량에 비례한다.On the contrary, as shown in FIG. 3, the acoustic sensor 1000 of the present invention is provided at the rear of the light source 100 in a direction opposite to the gas chamber 200, and is emitted from the light source 100. To increase the amount of light incident into the gas chamber 200 by further including an elliptical reflector 110 having an elliptical shape so as to focus the light to be irradiated to the optical window 210 of the gas chamber 200. It is composed. At this time, preferably, since high-rate multiple reflections on the inner surface of the gas chamber 200 are used to improve detection sensitivity, the light incident to the gas chamber 200 may be condensed. Here, the divergence angle incident from the light source 100 to the gas chamber 200 (
Figure pat00002
) Is the angle of light directed from the light source 100 to the elliptical reflector 110 (
Figure pat00003
) And the angle of light directed to the gas chamber 200 (
Figure pat00004
), and the light emitted from the light source 100 is proportional to the amount of light incident into the gas chamber 200.

이때, 상기 타원면반사경(110)의 내측으로부터 반사되어 입사된 빛의 초점은 상기 광학착(210)에 맺히도록 구성됨으로써, 작은 직경의 광학창(210)를 사용하여도 더욱 많은 광량을 전달할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 발산각(

Figure pat00005
)은 상기 가스챔버(200) 내부에 반사효과가 가장 높게(즉, 반사된 빛의 경로가 가장 길도록) 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 타원면반사경(120)의 외측단부는 상기 광원(100)으로부터 같거나 더 길도록 상기 가스챔버(200)를 향하는 방향으로의 전방으로 연장 형성되어, 상기 광원(100)으로부터 방출된 빛을 전방으로 집광시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the focus of the incident light reflected from the inside of the elliptical reflector 110 is configured to be focused on the optical mounting 210, so that a larger amount of light can be transmitted even when the optical window 210 having a small diameter is used. There is an advantage. At this time, the divergence angle (
Figure pat00005
) Is preferably set so that the reflection effect is the highest (that is, the path of the reflected light is the longest) inside the gas chamber 200. That is, the outer end of the elliptical reflector 120 is formed to extend forward in the direction toward the gas chamber 200 so as to be equal to or longer than the light source 100, so that the light emitted from the light source 100 is It is preferable that it is configured to be able to condense light forward.

상기 가스챔버(200)는 내부에 측정하기 위한 가스시료가 충전되고, 상기 광원(100)을 바라보는 일면에 입사되는 빛을 내부로 투과시키기 위한 광학창(210)이 형성되어, 상기 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 팽창되는 가스시료의 압력변화를 측정하기 위한 구성으로, 본 발명의 가스챔버(200)는 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면(220)을 포함한다. 이때 상기 가스챔버(200)의 벽면은 구리와 같은 높은 열전도성 물질로 이루어지며, 상기 가스챔버(200)의 내측면에는 금과 같이 반사율이 높은 금속으로 얇게 코팅되어 이루어지는 내측반사면(220)이 형성되어, 상기 내측반사면(220)으로 입사된 빛의 흡수를 저감시킴으로써, 빛의 반사에 따른 배경신호를 저감시킬 수 있다.The gas chamber 200 is filled with a gas sample for measurement, and an optical window 210 for transmitting light incident on one surface facing the light source 100 is formed therein, and the gas chamber ( 200) A configuration for measuring a pressure change of a gas sample that is expanded by light incident therein, and the gas chamber 200 of the present invention includes an inner reflective surface 220 for reflecting light incident therein. . At this time, the wall surface of the gas chamber 200 is made of a highly thermally conductive material such as copper, and an inner reflective surface 220 formed by thinly coating a metal having a high reflectivity such as gold on the inner surface of the gas chamber 200 is formed. It is formed, by reducing absorption of light incident on the inner reflective surface 220, it is possible to reduce the background signal due to the reflection of light.

이때, 상기 가스챔버(200)의 내부에서 발생하는 가스시료의 팽창에 따른 광음신호의 음압(P)은 하기의 식 1로 표현할 수 있다.At this time, the sound pressure P of the optical sound signal due to the expansion of the gas sample generated inside the gas chamber 200 may be expressed by Equation 1 below.

식 1 :

Figure pat00006
Equation 1:
Figure pat00006

{여기에서, C : 가스의 농도, K: 가스의 흡광도 계수, I:가스챔버 내의 광의 세기, w : 변조 주파수, Cp : 일정한 압력에서 1몰을 1도 가열할 때 필요한 열량, Cv : 일정한 체적에서 1몰을 1도 가열할 때 필요한 열량이다.}{Where, C: concentration of gas, K: absorbance coefficient of gas, I: intensity of light in the gas chamber, w: modulation frequency, Cp: amount of heat required to heat 1 mol at constant pressure, Cv: constant volume It is the amount of heat required to heat 1 mole of 1 degree.}

상기 식 1에 따르면, 빛의 감도는 광의세기(I)에 비례하고, 변조주파수(w)에 반비례한다. 즉 변조주파수는 가스챔버의 크기에 따라 하한값이 미리 결정되므로 감도를 향상하기 위해서는 가스챔버 내부로 입사되는 입사광량을 늘리고 가스챔버의 내부반사를 이용하여 광의 경로를 증가시키는 등의 광의 세기(I)를 증가시키는 것이 중요하다.According to Equation 1, the light sensitivity is proportional to the light intensity (I) and inversely proportional to the modulation frequency (w). That is, since the lower limit of the modulation frequency is determined in advance according to the size of the gas chamber, in order to improve the sensitivity, the intensity of light such as increasing the amount of incident light incident into the gas chamber and increasing the path of light using the internal reflection of the gas chamber (I) It is important to increase.

이에 본 발명은, 가스챔버(200)로 향하는 광량을 최대한 증가시키기 위해, 종래의 포물선 반사경 대신 타원면 반사경을 이용하여 가스챔버(200)의 광학창(210)에 초점이 위치하도록 집광시키고, 가스챔버(200) 내부로 입사된 빛은 발산되어 상기 가스챔버(200) 내벽에서 다중반사가 발생한다. 이에 따라 상기 가스챔버(200) 내부에서의 입사광량이 증가하고 빛의 경로가 길게 형성됨으로써, 상기 음향센서(1000)에서의 검출신호강도가 증대되어, 가스시료의 검출한계를 향상할 수 있다.Accordingly, in order to maximize the amount of light directed to the gas chamber 200, the present invention uses an elliptical reflector instead of a conventional parabolic reflector to condense so that the focus is positioned on the optical window 210 of the gas chamber 200, and the gas chamber (200) Light incident into the interior is radiated to generate multiple reflections from the inner wall of the gas chamber 200. Accordingly, the amount of incident light inside the gas chamber 200 is increased and the path of light is formed to be long, so that the detection signal strength of the acoustic sensor 1000 is increased, and the detection limit of the gas sample can be improved.

상기 마이크로폰(300)은 상기 가스챔버(200)에 설치되어, 상기 가스챔버(200)내부에서 발생하는 음압의 변화를 검출하기 위한 구성으로, 검출한계의 향상을 위하여 높은 신호 대 잡음비를 가지는 고감도 마이크로폰을 이용하는 것이 바람직하며, 이때 고감도의 마이크로폰은 검출한계 부근에서는 매우 작은 외부의 진동에도 외란의 영향을 크게 받는다는 단점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 음향센서(1000)는 상기 광학창(210)과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버(200) 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)을 이용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)으로부터 각기 측정되는 음압신호(S11)에는 상기 가스챔버(200) 내부에 형성된 내측반사면(220)에서 반사되는 빛의 진동 및 외부로부터의 외란에 의해 야기되는 배경신호(S12)가 혼합되게 된다.The microphone 300 is installed in the gas chamber 200 and is configured to detect a change in sound pressure generated inside the gas chamber 200. A high-sensitivity microphone having a high signal-to-noise ratio in order to improve the detection limit. It is preferable to use a high-sensitivity microphone, which has a disadvantage in that it is greatly affected by disturbances even with very small external vibrations near the detection limit. Accordingly, the acoustic sensor 1000 of the present invention is provided so as to face each other on both sides of the gas chamber in a direction perpendicular to the optical window 210, It is characterized by using a pair of microphones (310, 320) for measuring the sound pressure signal according to the expansion. In other words, the sound pressure signal S11 measured from the pair of microphones 310 and 320, respectively, is caused by vibration of light reflected from the inner reflective surface 220 formed inside the gas chamber 200 and external disturbance. The resulting background signal S12 is mixed.

이에, 본 발명의 음향센서(1000)는, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 측정된 상기 음향신호(S11) 및 배경신호(S12)를 포함하는 입력신호(S1)를 인가받아, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터의 출력에 대해 외란의 보정속도를 만족할 수 있도록 형성된 위상감응회로부(400) 및 상기 위상감응회로부(400)로부터 상기 배경신호(S12)가 제거된 출력신호의 진폭 및 위상을 분석하여, 상기 가스챔버(200) 내부에 충전된 가스시료의 성분 및 농도를 산출하는 검출부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.Accordingly, the acoustic sensor 1000 of the present invention receives the input signal S1 including the acoustic signal S11 and the background signal S12 measured from the pair of microphones 300, and the pair of The amplitude and phase of the output signal from which the background signal (S12) is removed from the phase sensitive circuit unit 400 and the phase sensitive circuit unit 400 formed to satisfy the correction speed of the disturbance with respect to the output from the microphone 300 of It may be configured to include a detection unit 500 that analyzes and calculates the component and concentration of the gas sample filled in the gas chamber 200.

도 4는 본 발명의 가스챔버(200) 내부로 입사된 빛이 내측반사면(220)에 의해 반사되며 이루는 광 경로를 도시한 예시도이며, 도 5는 본 발명의 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 내부에 충전된 가스시료가 팽창함에 따른 음압이 발생하는 일예를 도시한 예시도로서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 한 쌍의 마이크로폰(310, 320)으로부터 검출되는 입력신호(S1)를 자세히 설명하면, 상기 광원(100)으로부터 방출되어 상기 가스챔버(200)내부로 입사된 빛은 상기 가스챔버(200) 내면을 이루는 내측반사면(220)에 의해 긴 반사 경로를 이루도록 반사가 이루어진다. 이때 상기 광원(100)으로부터 180도를 이루도록 방출되어 상기 광학창(210)으로 집광된 빛은 상기 광학창(210)을 투과하여, 상기 가스챔버(200) 내부에 측면을 이루는 어느 하나의 제1반사면(221)에 입사되어 반사되고, 이후 상기 제1반사면(221)으로부터 반사된 빛은 상기 가스챔버(200) 내부의 후방면(222)에 입사되어, 다른 하나의 제1반사면(221)에 입사된후, 상기 가스챔버(200) 내부의 전방면을 이루는 제3반사면(223)에 입사됨을 반복하며 긴 반사 경로를 형성하게 된다. 즉, 상기 가스챔버(200)는 내측면이 모두 반사면을 이루도록 구성되어 내부로 입사된 빛의 반사 경로를 증대시키도록 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)은 상기 가스챔버(200)의 측면에 서로 대면되도록 구비되는 것이 바람직하며, 상기 가스챔버(200) 내부로 측정을 위한 가스시료를 유입 및 배출하는 각각의 시료가스유입구(230) 및 기료가스배출구(240)는 상기 가스챔버(200) 내부의 후방 즉, 상기 광학창(210)과 마주보는 방향으로 배치하며, 이때 상기 시료가스유입구(230) 및 시료가스배출구(240)는 상기 가스챔버(200)의 내측면에 가장자리에 형성된 시료가스연통구(311, 321)에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)은 가스챔버(200) 내측면의 가장자리에 형성된 시료가스연통구(311, 321)를 통해 팽창된 가스의 압력변화를 감지할 수 있다.4 is an exemplary view showing a light path formed by reflecting light incident into the gas chamber 200 of the present invention by the inner reflective surface 220, and FIG. 5 is a view showing the inside of the gas chamber 200 of the present invention. As an exemplary diagram showing an example in which a negative pressure is generated due to the expansion of the gas sample charged therein by the incident light, with reference to FIGS. 4 and 5, the input detected from the pair of microphones 310 and 320 When the signal S1 is described in detail, the light emitted from the light source 100 and incident into the gas chamber 200 forms a long reflection path by the inner reflective surface 220 forming the inner surface of the gas chamber 200. Reflection is made to achieve. At this time, the light emitted at 180 degrees from the light source 100 and condensed by the optical window 210 passes through the optical window 210 and forms a side surface inside the gas chamber 200. Light incident on the reflective surface 221 and reflected, and then reflected from the first reflective surface 221 is incident on the rear surface 222 inside the gas chamber 200, and the other first reflective surface ( After incident on the gas chamber 200, the incident on the third reflective surface 223 constituting the front surface of the gas chamber 200 is repeatedly incident to form a long reflection path. That is, it is preferable that the gas chamber 200 is configured such that all inner surfaces form a reflective surface to increase a reflection path of light incident therein, and at this time, the pair of microphones 300 are the gas chambers ( It is preferable to be provided so as to face each other on the side of the gas chamber 200, each sample gas inlet 230 and the gaseous gas outlet 240 for introducing and discharging a gas sample for measurement into the gas chamber 200 The sample gas inlet 230 and the sample gas outlet 240 are disposed at the rear of the chamber 200, that is, in a direction facing the optical window 210, and the sample gas inlet 230 and the sample gas outlet 240 It is preferable that it is formed in the sample gas communication ports 311 and 321 formed in the. That is, the pair of microphones 300 may sense a change in pressure of the expanded gas through the sample gas communication ports 311 and 321 formed at the edges of the inner surface of the gas chamber 200.

이??, 상기 가스챔버(200) 내부에 입사된 빛에 의해 팽창된 가스시료의 음압신호(S11)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)에 동일한 위상의 신호로 측정된다. 그러나, 상기 내측반사면(220)을 통해 반사되는 빛에 의한 진동, 충격, 잡음 등의 영향을 받는 배경신호(S12)는 서로 반대되는 위상을 갖거나 서로 다른 위상차를 가짐으로써, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300) 중 어느 하나의 제1마이크로폰(310)에 측정된 배경신호(S12)는 다른 하나의 제2마이크로폰(320)에 측정된 배경신호(S12`)와 서로 다른 위상차를 갖도록 측정됨으로써, 별도의 위상변조가 필요없이 측정된 한 쌍의 입력신호(S1)를 가산함으로써, 서로 다른 위상을 갖는 배경신호(S12)를 상쇄하거나 상기 배경신호(S12)의 세기를 저감시킬 수 있다.This??, the sound pressure signal (S11) of the gas sample expanded by the light incident inside the gas chamber 200 is measured as a signal of the same phase to the pair of microphones (300). However, the background signals S12, which are affected by vibration, impact, noise, etc., caused by light reflected through the inner reflective surface 220 have opposite phases or have different phase differences, so that the pair of The background signal S12 measured by any one of the microphones 300 first microphone 310 is measured to have a different phase difference from the background signal S12′ measured by the other second microphone 320, By adding the measured pair of input signals S1 without the need for separate phase modulation, the background signals S12 having different phases may be canceled or the intensity of the background signals S12 may be reduced.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 위상감응회로부(400)를 상세하게 도시한 음향센서(1000)의 구성도로서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 위상감응회로부(400)는 상기 광원(100)과 가스챔버(200)의 광학창(210) 사이에 구비되어, 상기 광원(100)으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼(120), 상기 광원(100)과 광학창(210) 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터(130), 및 상기 광학초퍼(120)의 펄스 위상에 따른 참조신호(R, R')를 출력하는 포토인터럽터(140)를 더 포함하며, 상기 위상감응회로부(400)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호(S1) 를 합성하는 가산기(413)를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호(S11)는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호(S12)는 감쇄되도록 합성된 목적신호(S2)를 출력하는 가산회로부(410) 및 상기 포토인터럽터(140)로부터 출력된 상기 참조신호(R)를 입력받아, 상기 가산회로부(410)로부터 인가받은 목적신호(S2)로부터 상기 참조신호(R, R')와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호(I, G)를 출력하는 외란보정회로부(420)를 포함하여 구성될 수 있다.6 is a configuration diagram of an acoustic sensor 1000 showing in detail the phase sensing circuit unit 400 according to an embodiment of the present invention, and referring to FIG. 6, the phase sensing circuit unit 400 of the present invention includes the light source. An optical chopper 120 provided between the optical window 210 of the gas chamber 200 and the 100 and modulating the light irradiated from the light source 100 to have a pulse phase, the light source 100 and the optical window A band filter 130 provided between 210 and passing light having a constant wavelength to be measured and incident on the optical window, and reference signals R, R according to the pulse phase of the optical chopper 120 A photointerrupter 140 for outputting') is further included, and the phase sensitive circuit unit 400 is an adder 413 for synthesizing a pair of input signals S1 respectively applied from the pair of microphones 300 Including, the sound pressure signal (S11) having the same phase is amplified and the disturbance signals (S12) having different phases are attenuated so that an addition circuit unit (410) for outputting a synthesized target signal (S2) and the photo interrupter An output signal (I) having the same frequency component as the reference signals (R, R') from the target signal (S2) received from the reference signal (R) output from 140 and applied from the addition circuit unit 410 It may be configured to include a disturbance correction circuit unit 420 for outputting, G).

이때, 상기 가산회로부(410)는 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 출력된 입력신호(S1)를 증폭하는 프리앰프(411) 및 상기 프리앰프(411)와 가산기(413) 사이에 구비되어, 상기 프리앰프(411)로부터 증폭된 입력신호(S1)에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터(412)를 더 포함하여 구성되며, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)으로부터 출력된 입력신호(S1)에 서로 다른 위상을 갖는 배경신호(S12)는 상기 가산기(413)에서 합성되어 감쇄되게 된다.At this time, the addition circuit unit 410 is provided between the preamplifier 411 for amplifying the input signal S1 output from the pair of microphones 300 and the preamplifier 411 and the adder 413, It is configured to further include a high pass filter 412 for removing disturbances caused by the input signal S1 amplified from the preamplifier 411, and the input signal S1 output from the pair of microphones 300 Background signals S12 having different phases are synthesized and attenuated by the adder 413.

또한, 상기 광학초퍼(120)에 의해 펄스 위상을 갖도록 빛을 변조하고, 상기 한 쌍의 마이크로폰(300)에서는 광원(100)의 변조 주파수에 상응하는 신호를 축력하고, 위상검출에 동기하여 동작하는 외란보정회로부(420)의 입력으로 사용하여 농도에 비례하는 크기의 신호를 얻을 수 있다.In addition, the optical chopper 120 modulates light to have a pulse phase, and the pair of microphones 300 energizes a signal corresponding to the modulation frequency of the light source 100, and operates in synchronization with phase detection. By using it as an input to the disturbance correction circuit unit 420, a signal having a size proportional to the concentration may be obtained.

이때, 상기 외란보정회로부(420)는 상기 가산회로부(410)로부터 입력받은 목적신호(S2)와 상기 포토인터럽터(140)로부터 인가받은 참조신호(R)를 합성하는 곱셈기(421a)와, 상기 곱셈기(421)로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호(R)와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터(422a) 및 상기 저역필터(422a)를 통과하여 출력된 신호를 증폭하는 파워앰프(424a)를 포함하는 정위상출력라인(L1)과, 상기 포토인터럽터(140)로부터 인가받은 참조신호(R)의 위상을 가변하는 위상변이회로(423)와, 상기 가산회로부(410)로부터 입력받은 목적신호(S2)와 상기 위상변이회로(423)로부터 출력된 변이된 참조신호(R')를 합성하는 곱셈기(422b)와 상기 곱셈기(422b)로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호(R')와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터(422b) 및 상기 저역필터(422b)를 통과하여 출력된 신호를 증폭하는 파워앰프(424b)를 포함하는 직교위상출력라인(L2)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에서 상기 위상변이회로(423)는 상기 목적신호(S2)와 참조신호(R) 간의 위상차를 조절하여 최고 출력신호를 얻기 위한 구성으로, 일예로 90도 위상차 출력을 추가하여 각 출력신호의 제곱의 합의 평반근을 시료의 농도에 비례하는 값으로 산출함으로써, 검출하려는 음압신호만을 증폭할 수 있다.At this time, the disturbance correction circuit unit 420 includes a multiplier 421a for synthesizing the target signal S2 received from the addition circuit unit 410 and the reference signal R applied from the photointerrupter 140, and the multiplier. Among the output signals synthesized from 421, a low-pass filter (422a) for outputting a positive-phase output signal (I) having the same frequency component as the reference signal (R) and a signal output through the low-pass filter (422a) A positive phase output line L1 including a power amplifier 424a to amplify, a phase shift circuit 423 for varying the phase of the reference signal R applied from the photointerrupter 140, and the addition circuit unit ( The shift among the multiplier 422b which combines the target signal S2 received from 410 and the shifted reference signal R'output from the phase shift circuit 423 and the output signal synthesized from the multiplier 422b A low-pass filter (422b) for outputting a quadrature phase output signal (Q) having the same frequency component as the reference signal (R') and a power amplifier (424b) for amplifying the output signal through the low-pass filter (422b). It may be formed by including the included orthogonal phase output line (L2). Here, the phase shift circuit 423 is a configuration for obtaining the highest output signal by adjusting the phase difference between the target signal S2 and the reference signal R. As an example, the square of each output signal by adding a 90 degree phase difference output By calculating the flat half of the sum as a value proportional to the concentration of the sample, only the sound pressure signal to be detected can be amplified.

더욱 바람직하게는, 상기 외란보정회로부(420)로부터 출력된 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)는 상기 검출기(500)로 인가되어, 인가된 출력신호에 진폭(X) 및 위상(Y)는 하기의 식 2에 따라 산출 될 수 있다.More preferably, the positive phase output signal (I) and the quadrature phase output signal (Q) output from the disturbance correction circuit unit 420 are applied to the detector 500, and the amplitude (X) and The phase (Y) can be calculated according to Equation 2 below.

식 2 :

Figure pat00007
Equation 2:
Figure pat00007

{여기에서, 사분면 즉, (-∏, ∏)을 모두 포괄하는 위상각에 대한 출력 범위를 가지려면 atan 대신 atan2 함수를 사용하여야 한다.}{Here, in order to have the output range for the phase angle covering all quadrants, that is, (-∏, ∏), the function atan2 should be used instead of atan.}

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and of course, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.

1000 : 가스검출용 음향센서
100 : 광원 110 : 타원면반사경
120 : 광학초퍼 130 : 대역필터
140 : 포토인터럽터
200 : 가스챔버 210 : 광학창
220 : 내측반사면 221 : 제1반사면
222 : 제2반사면 223 : 제3반사면
230 : 시료가스유입구 240 : 시료가스배출구
300 : 마이크로폰 310 : 제1마이크로폰
320 : 제2마이크로폰 311, 321 : 시료가스연통구
400 : 위상감응회로부
410 : 가산회로부 411 : 프리앰프
412 : 고역필터 413 : 가산기
420 : 외란보정회로부 421 : 곱셈기
422 : 저역필터 423 : 위상변이회로
424 : 파워앰프
500 : 검출부
L1:정위상출력라인 L2 : 직교위상출력라인
S1 : 입력신호 S2 : 목적신호
S11, S21 : 음압신호 S12, S22 : 외란신호
I : 정위상출력신호 Q : 직교위상출력신호
R : 참조신호 R': 위상변조 참조신호
1000: Acoustic sensor for gas detection
100: light source 110: elliptical reflector
120: optical chopper 130: band filter
140: photo interrupter
200: gas chamber 210: optical window
220: inner reflective surface 221: first reflective surface
222: second reflective surface 223: third reflective surface
230: sample gas inlet 240: sample gas outlet
300: microphone 310: first microphone
320: second microphone 311, 321: sample gas communication port
400: phase sensitive circuit part
410: addition circuit part 411: preamplifier
412: high pass filter 413: adder
420: disturbance correction circuit unit 421: multiplier
422: low pass filter 423: phase shift circuit
424: power amplifier
500: detection unit
L1: Positive phase output line L2: Quadrature phase output line
S1: input signal S2: destination signal
S11, S21: sound pressure signal S12, S22: disturbance signal
I: Positive phase output signal Q: Quadrature phase output signal
R: reference signal R': phase modulated reference signal

Claims (11)

광원;
내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버; 및
상기 광학창과 수직되는 방향으로의 상기 가스챔버의 양측에 서로 대향되도록 각기 구비되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 한 쌍의 마이크로폰;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
Light source;
A gas chamber is filled with a sample gas for measurement, an optical window is formed on one side of the light source for incidence of light irradiated from the light source, and includes an inner reflective surface for reflecting the light incident therein; And
A pair of microphones provided to face each other on both sides of the gas chamber in a direction perpendicular to the optical window, and measuring a sound pressure signal according to the expansion of the sample gas filled in the gas chamber;
Acoustic sensor for gas detection comprising a.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 마이크로폰은 각기, 상기 음압신호 및 상기 가스챔버 내부에 형성된 내측반사면에서 반사되는 빛의 진동에 의해 야기되는 외란신호를 포함하는 입력신호를 출력하되,
상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 각기 인가받은 한 쌍의 입력신호 를 합성하는 가산기를 포함하여, 동일 위상을 갖는 상기 음압신호는 증폭되고 서로 다른 위상을 갖는 상기 외란신호는 감쇄되도록 합성된 목적신호를 출력하는 가산회로부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 1,
Each of the pair of microphones outputs an input signal including the sound pressure signal and a disturbance signal caused by vibration of light reflected from an inner reflective surface formed inside the gas chamber,
Including an adder for synthesizing a pair of input signals respectively applied from the pair of microphones, the sound pressure signal having the same phase is amplified and the disturbing signals having different phases are attenuated. An addition circuit unit;
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제2항에 있어서,
상기 가산회로부는,
상기 한 쌍의 마이크로폰으로부터 출력된 입력신호를 증폭하는 프리앰프, 및
상기 프리앰프와 가산기 사이에 구비되어, 상기 프리앰프로부터 증폭된 입력신호에 야기되는 외란을 제거하는 고역필터,
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 2,
The addition circuit unit,
A preamplifier for amplifying the input signal output from the pair of microphones, and
A high-pass filter provided between the preamplifier and an adder to remove disturbance caused by the amplified input signal from the preamplifier,
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제2항에 있어서,
상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼;
상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터; 및
상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 2,
An optical chopper provided between the light source and the optical window of the gas chamber to modulate the light irradiated from the light source to have a pulse phase;
A photo interrupter for outputting a reference signal according to the pulse phase of the optical chopper; And
A disturbance correction circuit unit receiving the reference signal output from the photointerrupter and outputting an output signal having the same frequency component as the reference signal from a target signal applied from the addition circuit unit;
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제4항에 있어서,
상기 외란보정회로부는,
상기 가산회로부로부터 입력받은 목적신호와 상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호를 합성하는 곱셈기와, 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 정위상출력신호(I)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 정위상출력라인,
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 4,
The disturbance correction circuit unit,
A multiplier that combines a target signal input from the addition circuit unit and a reference signal applied from the photointerrupter, and outputs a positive phase output signal (I) having the same frequency component as the reference signal among the output signals synthesized from the multiplier. A positive phase output line including a low-pass filter,
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that configured to include.
제5항에 있어서,
상기 외란보정회로부는,
상기 포토인터럽터로부터 인가받은 참조신호의 위상을 가변하는 위상변이회로와, 상기 가산회로로부터 입력받은 목적신호와 상기 위상변이회로로부터 출력된 변이된 참조신호를 합성하는 곱셈기 및 상기 곱셈기로부터 합성된 출력신호 중 상기 변이된 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 직교위상출력신호(Q)를 출력하는 저역필터,를 포함하는 직교위상출력라인,
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 5,
The disturbance correction circuit unit,
A phase shift circuit for varying the phase of the reference signal applied from the photointerrupter, a multiplier for synthesizing a target signal received from the addition circuit and a shifted reference signal output from the phase shift circuit, and an output signal synthesized from the multiplier A quadrature phase output line including a low-pass filter for outputting a quadrature phase output signal (Q) having the same frequency component as the shifted reference signal,
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제6항에 있어서,
상기 외란보정회로부로부터 출력된 상기 정위상출력신호(I) 및 직교위상출력신호(Q)를 인가받아, 상기 가스챔버 내에 충전된 가스시료를 분석하는 검출기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 6,
A detector configured to receive the positive phase output signal (I) and the quadrature phase output signal (Q) output from the disturbance correction circuit unit and analyze a gas sample filled in the gas chamber;
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제1항에 있어서,
상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경;
을 더 포함하되,
상기 광원은 적외선의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 1,
An elliptical reflector provided at the rear of the light source in a direction opposite to the gas chamber and having an elliptical surface to focus light emitted from the light source and irradiate it to the optical window of the gas chamber;
Including more,
The light source is an acoustic sensor for gas detection, characterized in that to emit infrared light.
제8항에 있어서,
상기 광원과 광학창 사이에 구비되어, 측정하고자 하는 일정한 파장을 갖는 빛을 통과시켜, 상기 광학창으로 입사시키는 대역필터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 8,
A band filter provided between the light source and the optical window, passing light having a predetermined wavelength to be measured, and entering the optical window;
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that it further comprises.
제9항에 있어서,
상기 광원과 가스챔버의 광학창 사이에 구비되어, 상기 광원으로부터 조사되는 빛이 펄스 위상을 갖도록 변조하는 광학초퍼;
상기 광학초퍼의 펄스 위상에 따른 참조신호를 출력하는 포토인터럽터; 및
상기 포토인터럽터로부터 출력된 상기 참조신호를 입력받아, 상기 가산회로부로부터 인가받은 목적신호로부터 상기 참조신호와 동일한 주파수 성분을 갖는 출력신호를 출력하는 외란보정회로부;
를 더 포함하여,
상기 대역필터의 교환에 따른 외란을 제거하는 것을 특징으로 하는 가스검출용 음향센서.
The method of claim 9,
An optical chopper provided between the light source and the optical window of the gas chamber to modulate the light irradiated from the light source to have a pulse phase;
A photo interrupter for outputting a reference signal according to the pulse phase of the optical chopper; And
A disturbance correction circuit unit receiving the reference signal output from the photointerrupter and outputting an output signal having the same frequency component as the reference signal from a target signal applied from the addition circuit unit;
Including more,
Acoustic sensor for gas detection, characterized in that to remove the disturbance caused by the replacement of the band filter.
적외선을 빛을 방출하는 광원;
상기 가스챔버와 대향되는 방향의 상기 광원에 후방에 구비되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 집속시켜 상기 가스챔버의 광학창으로 조사하도록 일면이 타원형으로 이루어지는 타원면반사경;
내부에 측정을 위한 시료가스가 충전되며, 일측의 일부에 상기 광원으로부터 조사된 빛을 내부로 입사시키기 위한 광학창이 형성되고, 내부로 입사된 빛을 반사시키기 위한 내측반사면을 포함하는 가스챔버; 및
상기 가스챔버에 설치되어, 상기 가스챔버 내부에 충전된 시료가스의 팽창에 따른 음압신호를 측정하는 마이크로폰;
을 포함하는 가스검출용 음향센서.
A light source that emits infrared light;
An elliptical reflector provided at the rear of the light source in a direction opposite to the gas chamber and having an elliptical surface to focus light emitted from the light source and irradiate it to the optical window of the gas chamber;
A gas chamber is filled with a sample gas for measurement, an optical window is formed on one side of the light source for incidence of light irradiated from the light source, and includes an inner reflective surface for reflecting the light incident therein; And
A microphone installed in the gas chamber to measure a sound pressure signal according to the expansion of the sample gas filled in the gas chamber;
Acoustic sensor for gas detection comprising a.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100788795B1 (en) 2006-08-29 2007-12-27 김성호 Measuring apparatus for concentration of carbon dioxide
KR20080077905A (en) * 2007-02-21 2008-08-26 아이알 마이크로시스템 에스.에이. Gas sensor
WO2017136175A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-10 3M Innovative Properties Company Resonant acoustic gas sensor
KR101784474B1 (en) * 2016-09-29 2017-10-11 광운대학교 산학협력단 Multi gas detector using wavelength division filter
KR20190048836A (en) 2017-10-31 2019-05-09 한국생산기술연구원 Alignment System for TDLAS of Simultaneous Measurement of Multicomponent Gas using Micro Optical Passage

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100788795B1 (en) 2006-08-29 2007-12-27 김성호 Measuring apparatus for concentration of carbon dioxide
KR20080077905A (en) * 2007-02-21 2008-08-26 아이알 마이크로시스템 에스.에이. Gas sensor
WO2017136175A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-10 3M Innovative Properties Company Resonant acoustic gas sensor
KR101784474B1 (en) * 2016-09-29 2017-10-11 광운대학교 산학협력단 Multi gas detector using wavelength division filter
KR20190048836A (en) 2017-10-31 2019-05-09 한국생산기술연구원 Alignment System for TDLAS of Simultaneous Measurement of Multicomponent Gas using Micro Optical Passage

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