KR20210127719A - 분자 종의 광학 감지를 위한 분광 장치, 시스템, 및 방법 - Google Patents
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Abstract
가스, 액체 또는 고체 샘플에서 하나 이상의 관심 분자 종의 농도를 측정하기 위한 분광 장치, 시스템, 및 방법이 개시되어 있으며, 이 장치는 휴대가능하며, 상업적으로 제조될 수 있으며, 및/또는 기존 시스템에 적용될 수 있으며, 및/또는 새로운 시스템과 통합되어 이러한 시스템에 대한 광학 가스 감지를 제공한다. 개시된 장치, 시스템, 및 방법은, 예를 들어, 특정 가스 종의 순도를 모니터링하는 데에 특히 유용할 수 있으며, 가스 혼합물이 설정된 농도 한계를 초과하는 특정 가스 종을 포함하는지 여부를 판정하는 것을 포함한다.
Description
본 개시 내용은 가스, 액체 또는 고체 샘플에서 하나 이상의 관심 분자 종의 농도 정보를 측정하기 위한 분광 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
분광 장치, 방법 및 시스템은 가스, 액체 또는 고체 샘플에서 관심 분자 종의 농도를 결정하는 데에 사용되었다. 관심 분자 종은 지구 대기의 1 체적 % 미만을 차지하는 가스인 미량 가스일 수 있으며, 이는 질소(78.1 %)와 산소(20.9 %)를 제외한 모든 가스를 포함한다. 장기간에 걸쳐 정확한 농도 측정을 유지하기 위해서는, 시스템 드리프트, 정밀도, 및 노이즈를 고려하여 광학 장치와 시스템이 주기적으로 보정되어야 한다. 통상적으로, 시스템 보정은 별도의 기준 셀을 사용하거나 보정을 위해 측정을 중단함으로써 수행될 수 있으며, 양자 모두 이러한 광학 시스템의 사용에 복잡성을 야기한다. 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 제8,970,842 B2호는 레이저 기반 광학 센서를 위한 인라인 보정 시스템을 제공함으로써 이러한 문제를 해결한다. 그러나, 미국 특허 제8,970,842 B2호는 개시된 레이저 기반 광학 감지 방법을 구현하기 위한 실험적인 장비를 제공하며, 센서 장치의 특정한 배열 및 구성의 세부 사항에 대해서는 언급이 없다. 더욱이, 미국 특허 제8,970,842호는 적절한 보정 방식을 제공할 수 있지만, 가스 샘플에서 검출될 관심 가스 종과는 다른 기준 가스 종의 사용과 같은 특정 제한을 여전히 가지고 있다. 또한, 미국 특허 제8,970,842호는 다수의 관심 종을 포함하는 가스 샘플을 광학적으로 감지하는 것에 관해서도 언급이 없다. 이와 같이, 기존 시스템 및 방법의 이러한 단점과 기타 단점을 해결하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시는 가스, 액체 또는 고체 샘플에서 하나 이상의 관심 분자 종의 농도를 측정하기 위한 분광 장치(장치로 지칭될 수 있음)의 특징을 제공하며, 이 장치는 휴대가능하며, 상업적으로 제조될 수 있으며, 및/또는 기존 시스템에 적용될 수 있으며, 및/또는 새로운 시스템과 통합되어 이러한 시스템에 대한 광학 가스 감지를 제공한다. 본 개시는 가스 샘플의 이러한 광학적 감지가 바람직한 시스템(시스템으로 지칭될 수 있음)의 특징 및 본 명세서에 기재된 분광 장치가 이러한 시스템의 일부가 될 수 있는 방법에 대한 선택을 또한 제공한다. 본 개시는 가스, 액체 또는 고체 샘플에서 하나 이상의 관심 분자 종의 농도를 측정하기 위한 분광 방법의 특징을 더 제공하며, 이 방법은 바람직하게는 본 명세서에 기재된 분광 장치 또는 시스템에 채용될 수 있다. 개시된 장치, 방법, 및 시스템은 광학 센서를 사용하여 가스 샘플에서 하나 이상의 가스 종을 보다 정확하게 측정하도록 할 수 있다. 개시된 장치, 방법, 및 시스템은 환경 모니터링, 산업 감지, 생물 의학 감지, 국방 감지, 식음료 감지, 농업 기술의 어플리케이션 감지, 동물 진단, 인증, 및 의약품 식별을 포함하지만 이에 제한되지 않는 광범위한 산업 분야에 적용된다. 특정 어플리케이션은 포도당에 대한 혈액 분석, 질병 또는 구취에 대한 호흡 분석을 포함한다. 특정 어플리케이션은 긴 경로와 같은 개방 경로 측정 또는 통합 측정을 필요로 하는 가스 종의 농도의 측정(암시적으로 검출을 포함함), 펜스 라인 모니터링, 또는 제어된 환경에서 쉽게 샘플링될 수 없는 가스 종의 측정을 포함한다. 개시된 방법 및 시스템은 흡수 특징이 넓어지고 서로 겹치는 주변 조건 하에서의 개방 경로 구성 또는 폐쇄 경로 구성에서 사용될 수 있다. 다른 어플리케이션은 샘플과 접촉하기 위해 감쇠 전반사(ATR) 셀이 필요한 액체 또는 고체 샘플의 특정 분자의 농도의 측정(암시적으로 검출을 포함함)을 포함한다.
개시된 장치, 시스템, 및 방법은 특정 가스, 바람직하게는 수소 가스의 순도를 모니터링하는 데에 특히 유용할 수 있으며, 수소 가스가 설정된 농도 한계를 초과하는 특정 관심 가스 종을 포함하는지 여부를 판정하는 것을 포함한다. 많은 어플리케이션은 고순도(예를 들면, 99 % 이상)의 수소 가스를 사용한다. 이러한 특정 어플리케이션은 수소 가스를 사용하여 전기 모터에 전력을 공급하는 연료 전지 차량(FCEV, 또는 연료 전지 전기 차량(FCEV)으로도 알려져 있음)이다. 가솔린 엔진이나 디젤 엔진으로 주행하며 일산화탄소와 이산화탄소를 배출하는 기존의 자동차나 트럭과 달리, FCEV는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산하여 전기 모터에 전력을 공급하고 반응의 산물로 물을 생산한다. FCEV는 FCEV에 저장된 수소 가스를 공기 중의 산소와 반응시키는 연료 전지 스택을 가지고 있다. 연료 전지는 연료 전지를 오염시키고 효율과 전력 출력을 낮출 수 있는 특정 가스 종의 저농도에 민감할 수 있기 때문에, 고순도의 수소 가스가 통상적으로 FCEV에 사용하는 데에 바람직하다. 연료 전지를 오염시킬 수 있는 가스 종은 황화수소(H2S)와 같은 황 함유 화합물, 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3)를 포함한다. 따라서, 개시된 장치, 시스템, 및 방법은, 가스 샘플의 하나 이상의 관심 가스 종, 특히 FCEV로의 수소 충전 스테이션 및/또는 다른 어플리케이션에서의 사용을 포함하여, 저장 탱크에서 분배된 수소 가스와 같이 고순도인 가스 종의 존재 및 농도를 모니터링하도록 구현될 수 있다.
미국 특허 제8,970,842호는 그 도 1b에 화학 플랜트, 광산, 현장 작업, 수처리 플랜트, 황무지, 식당과 같은 산업 플랜트에서의 사용부터 FCEV 또는 병원에서와 같은 생물 의학 어플리케이션에 이르기까지, 실험 환경 외부의 다양한 어플리케이션에 대하여 그 사상을 적용하는 데에 다양한 문제를 제기하는 실험 설정을 제공한다.
대조적으로, 본 개시는 위에서 언급된 어플리케이션 및 산업을 포함하여, 다양한 어플리케이션에 상업적으로 적용될 수 있는 분광 장치를 제공한다. 특히, 분광 장치는 원하는 감지 어플리케이션, 특히 수소 연료 전지를 제공하기 위해 다양한 시스템에 연결할 수 있도록 하는 휴대성 특징을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 분광 장치는 대용량 제조 방법에 적합할 수 있다. 본 명세서에 개시된 분광 장치에는 분광 장치에 의해 생성된 데이터를 분석하고 해석하기 위해 자체 분광 신호 프로세서(예들 들면, 분광 신호 처리 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터 또는 하드웨어)가 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 본 명세서에 기재된 분광 장치는 통상의 기술자에게 알려진 대로 변형될 수 있으므로 분광 장치에 의해 생성된 데이터를 분석하고 해석하는 데에 사용될 수 있는 다른 기존의 분광 신호 프로세서(들)와 함께 사용하기 위해 별도로 제공될 수 있다.
장치, 시스템, 및 방법은 별도의 광학 기준 경로가 있는 별도의 기준 셀 또는 오프라인 보정과 같은 종래의 보정 방법과 관련된 단점없이 하나 이상의 관심 가스 종의 정확한 농도 측정을 제공하기 위해 보정을 수행할 수 있다. 보정은 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종 중 적어도 하나와 동일한 기준 가스 종으로 수행될 수 있다. 가스 샘플에 있는 것과 동일한 기준 가스 종을 사용하면 보다 정확한 측정이 가능할 수 있다. 예를 들어, 관심 가스 종이 가스 샘플에 존재하지 않는 긴 시간이 있는 광학 감지 시나리오에서, 시간에 따른 센서 환경의 조건(예를 들면, 전류, 압력 및/또는 온도)의 변화는 광원이 관심 가스 종의 선택된 흡수 특징이 위치된 스펙트럼 영역으로부터 멀어지게 할 수 있으며, 이로 인해 센서가 가스 샘플에서 관심 가스 종의 존재를 완전히 누락하거나 흡광도 및 이와 상관 관계로서 가스 샘플의 관심 가스 종의 농도에 대한 부정확한 정보를 생성할 수 있다. 기준 가스는 선택된 흡수 특징이 발생할 때마다 흡수 특징을 검출하도록 선택된 스펙트럼 영역에서의 광원의 설정을 유지하기 위해 이러한 감지 사이에 통과하는 시간의 길이에 관계없이 일정한 흡수 신호를 제공한다.
대조적으로, 미국 특허 제8,970,842호("'842 특허")는 가스 샘플(가스 B)에서 관심 가스 종과 다른 기준 가스 종(가스 A)을 채용하며, 가스 A는 가스 B에서 관심 분광 특징을 또한 검사하면서 또한 관찰될 수 있는 흡수 특징을 가지고 있다.특히, 미국 특허 제8,970,842호는 기준 가스 종으로서 에틸렌을 개시하고, 가스 샘플에서 관심 가스 종으로서 암모니아를 개시한다. 그러나, 이러한 접근 방식은 프로세스에 더 많은 복잡성을 도입할 가능성이 있다. 예컨대, 원하는 흡수 특징을 가진 적절한 기준 가스 종을 선택해야 한다. 더욱이, 그 차이를 설명하는 정확한 광학 감지 측정을 제공하기 위해서는 환경 변화(예를 들면, 온도 변화)의 조건으로서 기준 가스 종과 샘플의 관심 가스 종의 스펙트럼 특성 변화 사이의 관계를 이해해야 한다. 예를 들어, 정확한 광학 감지 측정은 야간에 낮은 온도에서의 관심 가스 종과 그 거동에 비교하여 기준 가스 종이 낮 동안 더 높은 온도에서 분광적으로 어떻게 거동하는지를 이상적으로 설명한다. 더욱이, 관심 가스 종 자체에 대하여 변화하는 조건에서 기준 종의 스펙트럼 특성의 변화를 설명해야 하는 잠재적인 필요성은 이러한 차이를 완벽하게 설명하는 데 있어서의 문제로 인해 부정확성의 기회를 도입한다. 본 개시에 기재된 바와 같이 기준 가스 및 가스 샘플에서 동일한 가스 종 중 하나 이상을 사용하면 기준 가스 종의 변화가 가스 샘플의 관심 가스 종에 대한 동일한 변화일 것이기 때문에 이러한 잠재적인 스펙트럼 거동 변동을 설명할 필요가 없으며, 따라서 복잡성과 부정확성이 도입될 가능성이 감소된다. 이러한 시스템 보정은 연료 전지 스택에 제공되는 수소 가스가 고순도(> 99.9 %)를 가질 것으로 예상되는 FCEV에서 특히 유용하므로, 임의의 다른 가스가 존재하지 않으며, 및/또는 수소 가스 내의 임의의 다른 가스 종의 스펙트럼 흡수가 장기간 검출 한계 미만이다. 예를 들어, ISO 표준 14687-2: 2012는 고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지가 장착된 차량에 공급되는 수소의 허용 오염 수준을 설정한다. 그럼에도 불구하고, 관심 가스 종의 정확한 농도 측정은 수소 연료 전지에 분배되는 수소 및 사람, 동물, 기계, 및 지질학적 환경 등의 다양한 공급원으로부터 방출된 가스와 같이 특정 농도 한계에서 그 존재에 민감한 어플리케이션에서 바람직하다.
또한, '842 특허는 가스 샘플에서 여러 가스 종의 검출을 다루지 않는다. 가스 샘플에서 하나 이상의 가스 종의 농도를 검출하고 측정하는 선택을 갖는 것은 고순도의 수소가 필요한 모든 어플리케이션에서 또한 특히 유용한데, 수소가 다양한 공급망의 범위로부터 제공될 때 수소 가스에 잠재적으로 유해한 가스 종이 여러 개 존재할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 개시는 광원 모듈과, 검출기 모듈과, 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 샘플 셀을 포함하는 감지 유닛을 포함하는 분광 장치를 제공한다. 광원 모듈은 광원 모듈 하우징과, 검출기 모듈을 향하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함한다. 검출기 모듈은 검출기 모듈 하우징, 기준 가스, 및 검출기를 포함하되, 기준 가스와 검출기는 모두 검출기 모듈 하우징 내에 있다. 대안적으로, 검출기 모듈 대신에 광원 모듈이 기준 가스를 포함할 수도 있다. 검출기는 광학 경로에 위치되고, 기준 가스는 광학 경로가 광원으로부터 샘플 셀 및 기준 가스를 통해 검출기를 향해 연장하도록 제공된다.
선택적으로, 광원 모듈은 광원 모듈로부터의 광학 경로가 샘플 셀로 계속해서 이동하도록 하는 제1 광 투과 윈도우를 포함할 수 있고, 검출기 모듈은 샘플 셀로부터의 광학 경로가 검출기 모듈로 계속해서 이동하도록 하는 제2 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 샘플 셀은 샘플 가스의 흐름이 샘플 셀로 도입될 수 있도록 허용하고 적용가능한 경우 가스 샘플의 혼합을 선택적으로 보장하는 샘플 가스 입력 포트 및 샘플 가스 출력 포트를 포함할 수 있다. 예컨대, 샘플 가스 입력 포트와 샘플 가스 출력 포트는 서로로부터 0도 내지 약 180도 범위의 각도로 위치될 수 있다. 샘플 가스 입력 포트는 검출기 모듈보다 광원 모듈에 더 가깝게 위치될 수 있고, 샘플 가스 출력 포트는 광원 모듈보다 검출기 모듈에 더 가깝게 위치될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 광원과 검출기 사이에 샘플 셀을 갖는 대신, 본 명세서에 기재된 분광 장치는 광원과 검출기 모두를 포함하는 결합 모듈을 가질 수 있으며, 이는 광원 및 검출기 모듈로 지칭될 수도 있다. 이러한 경우, 샘플 셀은 광원 및 검출기 모듈과 광학 경로를 다시 샘플 셀을 통해 광원 및 검출기 모듈을 향하게 하도록 구성된 하나 이상의 미러 사이에 있을 수도 있으며, 샘플 셀은 광학 경로가 광원 및 검출기 모듈에서 검출기를 향하기 전에 내부의 광학 경로에서 다중 반사를 야기하는 하나 이상의, 편의상 "미러"로 지칭될 수 있는, 반사면을 선택적으로 포함할 수도 있다. 따라서, 본 개시는 광원 및 검출기 모듈과 샘플 셀을 포함하는 분광 장치를 또한 제공하며, 광원 및 검출기 모듈은 광원 및 검출기 모듈 하우징과, 기준 가스와, 검출기와, 기준 가스를 통해 그리고 샘플 셀을 한 번 이상 통해 검출기를 향해 이동하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함하며, 광원와, 기준 가스와, 검출기는 광원 및 검출기 모듈 하우징 내에 있다.
선택적으로, 광원 및 검출기 모듈은 광원 및 검출기 모듈로부터의 광학 경로가 샘플 셀로 계속해서 이동하도록 하는 제1 광 투과 윈도우와, 샘플 셀로부터의 광학 경로가 광원 및 검출기 모듈로 되돌아 오도록 하는 제2 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 제1 광 투과 윈도우 및 제2 광 투과 윈도우는 동일한 윈도우이거나 서로 다른 윈도우일 수 있다.
별도의 검출기 모듈이 있는 것과 유사하게, 샘플 셀은 샘플 가스가 샘플 셀로 도입될 수 있도록 허용하는 샘플 가스 입력 포트 및 샘플 가스 출력 포트를 선택적으로 포함할 수 있다. 샘플 가스 입력 포트는 700 barg 내지 1000 barg 범위의 압력으로부터, 주변 압력(약 1 bar)보다 30 % 까지 낮고, 적어도 3 barg와 같이, 주변 압력보다 30 % 까지 높은 범위의 작동 압력까지와 같이, 샘플 가스의 공급원과 샘플 셀의 작동 압력 사이의 압력 변화를 수용하도록 선택적으로 구성될 수 있다.샘플 가스 입력 포트와 샘플 가스 출력 포트는 서로로부터 0도 내지 약 180도 범위의 각도로 위치될 수 있다. 샘플 가스 입력 포트는 미러보다 광원 및 검출기 모듈 하우징에 더 가깝게 위치될 수 있고, 샘플 가스 출력 포트는 광원 및 검출기 모듈 하우징보다 미러에 더 가깝게 위치될 수 있다.
선택적 특징에 관한 이하의 설명은 분광 장치가 별도의 광원 모듈과 검출기 모듈을 갖는지 또는 결합된 광원 및 검출기 모듈을 갖는지에 관계없이 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에 적용가능하다. 검사 광선의 광학 경로가 기준 가스와 샘플 셀 사이를 이동하는 순서는 중요하지 않으며, 특히 경로는 샘플 셀 이전에 기준 가스를 통과하거나 그 반대일 수도 있는 것으로 이해된다. 선택적으로, 제2 광 투과 윈도우는 검출기의 광 투과 윈도우일 수 있다. 유사하게, 제1 및/또는 제2 광 투과 윈도우는 0.5 mm2 내지 30 mm2 범위의 면적을 가질 수 있으며, 0.01 mm 내지 10 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 제1 및/또는 제2 광 투과 윈도우는 1도 내지 45도 범위의 각도를 갖는 웨지형 윈도우일 수 있다. 제1 및/또는 제2 광 투과 윈도우는 사파이어, 불화 칼슘(CaF2), 실리카(바람직하게는 UV 융합됨), 불화 마그네슘(MgF2), 불화 바륨(BaF2), N-BK7(RoHS 준수 붕규산 크라운 유리), 셀렌화 아연(ZnSe), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), KRS-5(브롬화 탈륨), 및 이들의 임의의 조합의 적어도 하나를 포함하는 재료로부터 만들어질 수 있다.
광원은 간섭성의 광원일 수 있으며, 양자 캐스케이드 레이저, 대역 간 캐스케이드 레이저, 수직 공동 레이저, 반도체 레이저, 수직 공동 대역 간 캐스케이드 레이저, 수직 공동 양자 캐스케이드 레이저, 및 분산 피드백(DFB) 레이저 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광원은 발광 다이오드 또는 흑체 광원과 같은 비간섭성 광원일 수도 있다.
샘플 셀은 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하는 샘플 가스를 포함할 수 있으며, 샘플 셀 내의 적어도 하나의 관심 가스 종은 기준 가스의 하나의 관심 가스 종과 동일하다. 샘플 셀은 둘 이상의 관심 가스 종을 포함하는 샘플 가스를 포함할 수 있으며, 샘플 셀 내의 적어도 하나의 관심 가스 종은 기준 가스의 하나의 관심 가스 종과 동일하다. 샘플 셀 내의 샘플 가스는 상기 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함하는 수소 가스를 포함할 수 있다. 수소 가스는 적어도 99 %의 순도를 가질 수 있다. 샘플 셀 내의 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종 및/또는 기준 가스는 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
샘플 셀은 다중 통과 광학 셀을 포함할 수 있다. 다중 통과 광학 셀의 광학 경로 길이는 10 m 내지 200 m 범위일 수 있는데, 바람직하게는 선택된 통합 시간에 따라 달라지며, 일반적으로 원하는 특정 신호 강도에 대해, 더 긴 통합 시간은 더 짧은 광학 경로 길이를 허용할 수 있다. 샘플 셀은 단일 통과 광학 셀을 포함할 수 있으며, 선택적으로 기준 셀은 관심 가스 종으로서 공지의 농도의 일산화탄소 및/또는 물을 포함할 수 있으며, 선택적으로 광원은 700 nm 내지 25000 nm 범위의 파장에서 흡수 특징을 검사하도록 구성된다. 단일 통과 광학 셀의 광학 경로 길이는 0.1 m 내지 1000 m, 바람직하게는 0.1 m 내지 100 m 범위일 수 있다. 분광 장치는 알루미늄, 니켈, 코발트, 강철, 유리 코팅 플라스틱 및/또는 니켈-코발트 철 합금을 포함하지만 이에 제한되지 않는 합금 또는, 예를 들어, 다른 재료에 대한 코팅으로서 실리콘 함유 재료와 같은 재료의 조합인 하이브리드 재료를 포함하는, 통상의 기술자에게 알려진 임의의 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 통상의 기술자는 이하에 상세하게 설명하는 바와 같이 비어-람버트 법칙 및 관심 가스 종의 광학적 특성을 사용하여 원하는 광학 경로 길이를 선택할 수 있다.
기준 가스는 별도의 기준 셀일 수 있으며, 선택적으로 인라인 기준 셀일 수 있다. 대안적으로, 검출기는 별도의 기준 셀의 제거를 허용하는 기준 가스를 보유하는 검출기 캡을 포함할 수 있다. 즉, 분광 장치는 선택적으로 별도의 기준 셀을 포함하지 않을 수도 있다. 선택적으로, 기준 가스는 검출될 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함할 수도 있다. 즉, 샘플 셀은 기준 가스에도 있는 적어도 하나의 가스 종을 포함할 수 있다. 기준 가스는 검출될 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종 및 샘플 셀 및 기준 가스의 예상 흡수의 계수 100 내에서 관심 스펙트럼 영역의 광을 흡수하지 않는 적어도 하나의 분광 불활성 가스 종을 필수적으로 포함할 수 있고, 기준 가스는 선택적으로 질소 또는 아르곤일 수 있다. 기준 가스에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도는 알려진 농도일 수 있으며, 이는 샘플 가스가 분석되는 하나 이상의 한계 부근 또는 그 이상의 흡수에 필적하는 흡수를 선택적으로 유발할 수 있다. 기준 가스는 대기압 미만의 압력을 가질 수 있으며, 선택적으로 0.01 내지 100 Torr, 또는 약 1.3 Pascal 내지 약 13 Kilopascal 범위일 수 있다.
분광 장치는 (i) 장치에 전력을 제공하고, (ii) 분광 데이터를 수집, 분석, 및 해석하고, 및/또는 (iii) 장치의 전자 구성 요소를 제어하기 위한 전기 제어 유닛(ECU)을 더 포함할 수 있다. ECU는 감지 유닛과 별도로 위치될 수 있으며, ECU는 ECU 및 감지 유닛의 전기 포트를 통해 감지 유닛에 전자적으로 연결될 수 있다. ECU는 센서 및 광원과 통신하도록 구성된 데이터 취득 요소를 포함할 수 있으며, 데이터 취득 요소는 프로세서에 연결되어 기준 가스 및 샘플 셀을 통과하는 광선의 흡수 신호를 프로세서에 제공하며, 프로세서는 이러한 흡수 신호로부터, 기준 가스로부터의 기준 흡수 신호와 샘플 셀로부터의 샘플 흡수 신호를 분리하고, 기준 흡수 신호 및 샘플 흡수 신호를 사용하여 샘플 셀의 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종에 대한 보정 정보 및 농도 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 기준 흡수 신호와 샘플 흡수 신호는 각각 직접 흡수 분광법(DAS) 스펙트럼 또는 파장 변조 분광법(WMS) 스펙트럼일 수 있다. 파장 변조 분광법(WMS) 신호는 샘플 흡수 신호의 2차 이상의 고조파를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시는 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종을 검출하기 위한 분광 방법을 제공한다. 이 방법은 광원으로부터 알려진 농도의 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하는 기준 가스와 동일한 관심 가스 종 중 적어도 하나를 포함하는 샘플 셀을 통하여 검사 광선을 전송하되, 기준 가스의 압력이 감압 상태(즉, 대기압 미만)인 단계; 기준 가스 및 샘플 셀을 통과한 후의 광선의 강도를 검출하는 단계; 기준 가스로부터 기준 흡수 신호를 분리하고 샘플 셀로부터 샘플 흡수 신호를 분리하는 단계; 기준 흡수 신호 및 샘플 흡수 신호를 사용하여 보정 정보를 생성하는 단계; 및 기준 흡수 신호 및 샘플 흡수 신호를 사용하여 샘플 셀에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
보정 정보의 생성 단계는 직접 흡수 분광법(DAS) 신호 또는 파장 변조 분광법(WMS) 신호를 기준 흡수 신호로서 생성하는 단계; 샘플 흡수 신호에 대한 DAS 신호 또는 WMS 신호를 생성하는 단계; 및 각각의 DAS 또는 WMS 기준 흡수 신호를 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 대한 일정한 기준 신호로서 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 파장 변조 분광법(WMS) 신호는 샘플 흡수 신호의 2차 이상의 고조파를 포함할 수 있다.
이 방법은 샘플 가스가 샘플 셀을 통해 연속적으로 도입되고 있는 중에 보정 정보를 생성하고 및/또는 농도 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 이 방법은 샘플 셀에서 개별적인 양의 샘플 가스에 대한 보정 정보를 생성하고 및/또는 농도 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 샘플 셀 내의 샘플 가스는 상기 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함할 수 있다. 샘플 가스는 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함하는 수소 가스를 포함할 수 있으며, 선택적으로, 수소 가스는 99 % 이상의 순도를 가질 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종은 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
가스 샘플 또는 액체 샘플을 개별적인 양으로 또는 연속적으로 샘플 셀에 도입하는 것은 샘플 가스 입력 포트 및 샘플 가스 출력 포트를 경유하여 샘플 가스를 샘플 셀에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이 분광 방법은 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 암모니아(NH3), 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스 종에 대한 파장 또는 파장 범위에서 흡수 특징을 검사하도록 광원을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적으로, 샘플에서 하나의 관심 종에 대한 정보가 필요한 경우, 광원은 메탄을 검출하기 위해 약 3300 nm의 파장으로 조정되거나 암모니아를 검출하기 위해 약 10300 nm의 파장으로 조정될 수 있다. 이러한 다른 관심 종에 적합한 파장 또는 분광 특성은 하나 이상의 공개 데이터베이스를 통해 입수할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 분광 방법은 제1 파장에서 제1 관심 가스 종의 흡수 특징을 검사하기 위해 광원을 조정하는 단계; 제1 지속 시간 동안 제1 파장에서 제1 관심 가스 종의 흡수 특징을 검사하는 단계; 제2 파장에서 제2 관심 가스 종의 흡수 특징을 검사하도록 광원을 조정하는 단계; 및 제2 지속 시간 동안 제2 파장에서 제2 관심 가스 종의 흡수 특징을 검사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제3, 제4, 제5, 또는 그 이상의 관심 가스 종은 조정 및 검사 단계를 반복하여 검출될 수 있다. 하나 이상의 관심 가스 종이 검출되는 경우, 조정 단계는 검출될 다른 관심 가스 종과 비교하여 가장 높은 파장에서 흡수 특징을 갖는 관심 가스 종으로 시작할 수 있다. 선택적으로, 샘플에서 하나 이상의 관심 종에 대한 정보가 필요한 경우, 선택된 파장(들)은 하나의 적합한 광원을 사용할 수 있도록 하는 하나의 종의 검출과는 다를 수 있고, 선택된 파장은 서로 더 가까울 수 있으며, 여기에서, 장치가 유사한 분광 신호를 얻기 위해 다수의 광원을 포함할 수 있다는 것이 이해되기는 한다. 예컨대, 암모니아(NH3)가 적어도 하나의 다른 관심 종과 함께 검출되고 있으며, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8211 nm일 수 있으며, 지속 시간은 적어도 50초일 수 있다. 수증기(H2O)가 또한 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8207 nm일 수 있으며, 지속 시간은 1 내지 10초의 범위일 수 있다. 메탄(CH4)이 암모니아 및/또는 물과 함께 또한 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8206 nm일 수 있으며, 지속 시간은 1 내지 10초의 범위일 수 있다. 황화수소(H2S)가 암모니아, 물, 및/또는 메탄과 함께 또한 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8202 nm일 수 있으며, 지속 시간(또는 통합 시간)은 적어도 50초일 수 있다. 암모니아, 물, 메탄, 황화수소, 또는 이들의 임의의 조합을 검사하기 위해 약 8000 nm의 파장을 선택적으로 선택하면, 이 분광 영역의 파장에서 검사하도록 구성된 하나의 광원을 사용할 수 있다.
액체 또는 고체 샘플을 검출하는 경우, 감쇠 전반사(ATR) 셀이 샘플과 접촉하는 데에 사용될 수 있다. ATR 셀은 다이아몬드, ZnSe, ZnS, 실리콘, 게르마늄, 또는 KRS-5 결정으로 만들어질 수 있다. 액체 또는 고체 샘플은 흡수 측정을 위해 ATR 위에 놓여진다.
도 1a 내지 도 1c는 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 단일 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 2d는 도 2a 내지 도 2c의 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 다중 통과 셀을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 광원 및 검출기 모듈과 플랜지 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 3d는 도 3a 내지 도 3c의 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 다중 통과 셀을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 광원 및 검출기 모듈과 플랜지 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 광 투과 미러의 다양한 도면을 도시한다.
도 6은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 광원을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는, 광 섬유를 포함하는, 예시적인 광원을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 검출기를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 전자 제어 유닛(ECU)의 다양한 도면을 도시한다.
도 9d는 ECU의 특정 구성 요소의 예시적인 정보 흐름을 도시한다.
도 9e는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 ECU 하우징을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치를 채용한 예시적인 시스템을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 기재된 바와 같은 수소 저장 탱크 및 FCV와 관련하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 유닛 또는 분광 장치의 하나의 예시적인 배열을 도시한다.
도 12는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 하나의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 13은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에 의해 생성 및/또는 수신된 예시적인 대표 분광 신호를 도시한다.
도 14는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 하나의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 15는 액체 또는 고체 샘플 측정을 위한 ATR을 갖는 시스템을 도시한다.
도 16a 내지 도 16c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 예시적인 배열을 도시한다.
도 17은 질소에 있어서 0.2 ppmv(parts per million volume)의 일산화탄소에 대하여 주변 조건(298 K, 1 atm)에서 20 cm 광학 경로 길이에 대해 HITRAN 스펙트럼 데이터베이스로부터 산출된 스펙트럼을 갖는 분광 검출 영역의 적어도 일부의 그래프이다.
도 18a는 40 Torr 및 298 K에서 100 m 경로 길이에 대한 H2S의 직접 흡수 스펙트럼의 그래프이다.
도 18b는 H2S(1803), NH3(1804), CH4(1802) 및 H2O(1801)가 모두 40 Torr 및 298 K에서 100 m 경로 길이에 대하여 상당히 강한 흡수 특징을 갖는 영역의 적어도 일부에 대해 산출된 HITRAN 직접 흡수 스펙트럼의 그래프이다.
도 19a 내지 도 19c는 추가적인 가스 기준 셀을 포함하는 레이저원의 하나의 실시형태를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 2d는 도 2a 내지 도 2c의 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 다중 통과 셀을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 광원 및 검출기 모듈과 플랜지 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 3d는 도 3a 내지 도 3c의 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 다중 통과 셀을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 광원 및 검출기 모듈과 플랜지 모듈 사이의 다중 통과 샘플 셀을 포함하는, 본 명세서에 기재된 분광 장치의 다른 하나의 예시적인 감지 유닛의 다양한 도면을 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 광 투과 미러의 다양한 도면을 도시한다.
도 6은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 광원을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는, 광 섬유를 포함하는, 예시적인 광원을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 검출기를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 전자 제어 유닛(ECU)의 다양한 도면을 도시한다.
도 9d는 ECU의 특정 구성 요소의 예시적인 정보 흐름을 도시한다.
도 9e는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 ECU 하우징을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치를 채용한 예시적인 시스템을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 기재된 바와 같은 수소 저장 탱크 및 FCV와 관련하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 유닛 또는 분광 장치의 하나의 예시적인 배열을 도시한다.
도 12는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 하나의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 13은 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에 의해 생성 및/또는 수신된 예시적인 대표 분광 신호를 도시한다.
도 14는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 하나의 예시적인 블록도를 도시한다.
도 15는 액체 또는 고체 샘플 측정을 위한 ATR을 갖는 시스템을 도시한다.
도 16a 내지 도 16c는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치의 다양한 구성 요소의 예시적인 배열을 도시한다.
도 17은 질소에 있어서 0.2 ppmv(parts per million volume)의 일산화탄소에 대하여 주변 조건(298 K, 1 atm)에서 20 cm 광학 경로 길이에 대해 HITRAN 스펙트럼 데이터베이스로부터 산출된 스펙트럼을 갖는 분광 검출 영역의 적어도 일부의 그래프이다.
도 18a는 40 Torr 및 298 K에서 100 m 경로 길이에 대한 H2S의 직접 흡수 스펙트럼의 그래프이다.
도 18b는 H2S(1803), NH3(1804), CH4(1802) 및 H2O(1801)가 모두 40 Torr 및 298 K에서 100 m 경로 길이에 대하여 상당히 강한 흡수 특징을 갖는 영역의 적어도 일부에 대해 산출된 HITRAN 직접 흡수 스펙트럼의 그래프이다.
도 19a 내지 도 19c는 추가적인 가스 기준 셀을 포함하는 레이저원의 하나의 실시형태를 도시한다.
상기한 바와 같이, 일 양태에 의하면, 본 개시는 광원 모듈과, 검출기 모듈과, 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 샘플 셀을 포함하는 감지 유닛을 포함하는 분광 장치를 제공한다. 광원 모듈은 광원 모듈 하우징과, 검출기 모듈을 향하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함한다. 검출기 모듈은 검출기 모듈 하우징과, 검출기와, 기준 가스를 포함하며, 검출기와 기준 가스는 검출기 모듈 하우징 내에 있고, 기준 가스와 검출기는 광학 경로가 광원으로부터 샘플 셀 및 기준 가스를 통해 검출기 내로 연장하도록 광학 경로에 위치된다. 대안적으로, 검출기 모듈 대신에 광원 모듈이 기준 가스를 포함할 수도 있다. 검사 광선의 광학 경로가 기준 가스와 샘플 셀 사이를 이동하는 순서는 중요하지 않으며, 특히 경로는 샘플 셀 이전에 기준 가스를 통과하거나 그 반대일 수도 있는 것으로 이해된다.
본 개시에 의해 제공되는 분광 장치, 시스템, 및 방법에 대한 다양한 예시적인 특징은 도면을 참조하여 더 설명될 것이다. 하나 이상의 도면에 동일한 요소가 사용되는 경우, 각 도면에 동일한 참조 번호가 사용될 것이다. 본 명세서에서 제공되는 요소의 상세한 설명은 일반적으로 반드시 처음 발생하는 것은 아니지만 적용 가능성이 명시적으로 언급되었는지 여부에 관계없이 모든 경우에 해당 요소에 적용 가능하다. 본 명세서에 기재된 분광 장치, 시스템, 및 방법의 일부 특징은 명확성을 위해 특정 도시된 구성에서 생략될 수도 있다. 더욱이, 전기 배선, 광 섬유, 유동 구성 요소(예를 들면, 밸브, 피팅, 및 포트), 광학 코팅, 커넥터 등과 같은, 이에 제한되지는 않는, 특정한 특징이 반드시 도면에 도시되지는 않았지만 그 존재와 기능은 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. "예를 들어", "예컨대", "예를 들면", 및 "포함하는"과 같은 용어는 예시적이고 비제한적이며 달리 표시되지 않는 한 "하지만 이에 제한되지 않는" 문구를 암시적으로 포함하는 것으로 이해된다. 통상의 기술자는, 본 발명이 특징 및 수단의 하나 이상의 특정한 조합을 참조하여 예시되었지만, 이러한 특징 및 수단 중 다수가 다른 실시형태 또는 조합에서 동일하거나 유사하게 독립적으로 적용될 수 있도록 다른 특징 및 수단으로부터 기능적으로 독립적이라는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 1a를 참조하면, 광원 모듈(102), 검출기 모듈(106), 및 광원 모듈(102)과 검출기 모듈(106) 사이의 샘플 셀(104)을 포함하는 본 명세서에 기재된 분광 장치의 분광 감지 유닛(100)이 도시되어 있다. 광원 모듈(102)은 광원 모듈 하우징(108)을 포함한다. 검출기 모듈(106)은 검출기 모듈 하우징(110)을 포함한다.
도 1b를 참조하면, 상기 광원 모듈 하우징(108) 내의 구성 요소를 나타내기 위해 광원 모듈 하우징(108)이 제거된 감지 유닛(100)이 도시되어 있다. 광원 모듈(102)은 하우징(108)이 감지 유닛(100)으로부터 제거되지 않을 때 광원 모듈 하우징(108) 내에 있을 광원(112)을 더 포함한다. 광원(112)은 광학 경로(114)를 따라 검출기 모듈(106)을 향해 검사 광선을 전송하도록 구성된다.
하나 이상의 미러(116 및 118)는 광원 모듈(102)로부터 검출기 모듈(106)을 향해 광학 경로(114)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 검사 광선은 광원(112) 및/또는 감지 유닛(100)이 켜지지 않으면 존재하지 않기 때문에 도 2에 도시되어 있지 않다. 광학 경로(114)는 광원(112)으로부터 샘플 셀(104) 및 최종적으로 검출기 모듈(106)까지 원하는 대로 구성될 수 있으며, 이에 따라 광원(112) 및 선택적인 미러(116 및 118)와 같은 관련 구성 요소는 광원(112)이 검사 광선을 전송할 때 검사 광선이 광학 경로(114)를 따라 이동할 수 있도록 위치될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 검출기 모듈 하우징(110) 내의 구성 요소를 나타내기 위해 검출기 모듈 하우징(110)이 제거된 감지 유닛(100)이 도시되어 있다. 검출기 모듈(106)은 선택적으로 인라인 기준 셀일 수도 있는 별도의 기준 셀(120) 및 검출기(122)를 더 포함하며, 양자 모두 하우징(110)이 감지 유닛(100)으로부터 제거되지 않을 때 검출기 모듈 하우징(110) 내에 있을 것이다. 기준 셀(120) 및 검출기(122)는 샘플 셀(104)로부터 기준 셀(120)을 통해 검출기(122)를 향해 연장하는 광학 경로(114)에 위치한다. 광원 모듈(102)과 유사하게, 미러(124)는, 기준 셀(120) 및 검출기(122)가, 샘플 셀(104)로부터 기준 셀(120)을 통해 검출기(122)를 향해 연장하는 광학 경로(114)에 있도록 하는 하나의 선택일 수 있다. 도시되지는 않았지만, 검출기(122) 대신에 광원 모듈(102)이, 광학 경로(114)가 샘플 셀(102)로 들어가기 전에 먼저 기준 셀(120)을 통해 이동하는 기준 셀(120)을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 통상의 기술자는 광원 모듈 및 검출기 모듈이 각각 적합한 재료의 어느 하나 또는 조합으로 만들어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 적합한 재료의 비제한적인 예는 알루미늄, 니켈, 코발트, 강철, 유리 코팅 플라스틱 및/또는 니켈-코발트 철 합금을 포함하지만 이에 제한되지 않는 합금 또는, 예를 들어, 다른 재료에 대한 코팅으로서 실리콘 함유 재료와 같은 재료의 조합인 하이브리드 재료를 포함한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 미러(116)는 광학 경로(114)가 광원(112)에 평행한 동일한 평면에서 직각 회전을 하게 하는 미러의 일종이다. 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 미러(118 및 124)는 도 1b에 도시된 바와 같이 광학 경로(114)가 광원(112)에 평행한 평면으로부터 수직 평면으로 이동하는 것과 같이 또는 도 1c에 도시된 바와 같이 그 반대의 경우에도 마찬가지로 다양한 평면 사이를 가로 지르는 것을 허용하는 상이한 유형의 미러이다. 통상의 기술자는 샘플 셀을 향해 검사 광선을 전송하도록 광원을 위치시키는 다른 방법을 알고 있을 것으로 이해된다. 예컨대, 통상의 기술자는 광선을 샘플 셀 내로 직접 전송하도록 광원을 위치시킬 수 있다. 대안적으로, 통상의 기술자는 샘플 셀을 향하는 광학 경로를 생성하기 위해 1 개, 2 개, 3 개 또는 그 이상의 미러 또는 그 등가물을 사용하는 방식으로 광원을 위치시킬 수 있다. 통상의 기술자는 원하는 수 및 유형의 각도로 원하는 광학 경로를 구성하기 위해 미러의 수, 유형, 및 각도를 선택하는 것을 알 것이다.
도 1a를 참조하면, 샘플 셀(104)은 샘플 가스가 샘플 셀(104)에 도입될 수 있도록 샘플 가스 입력 포트(130) 및 샘플 가스 출력 포트(132)를 포함할 수 있다. 샘플 가스 입력 포트(130) 및 샘플 가스 출력 포트(132)는 특정 샘플 셀의 크기에 대한 최적의 유량과 같은 원하는 유량을 달성하기 위해 서로에 대해 상대적으로 배열되는 것이 바람직하며, 이는 통상의 기술자에 의해 통상적인 수단을 통해 결정될 수 있다. 예컨대, 선택적으로, 샘플 가스 입력 포트(130)와 샘플 가스 출력 포트(132)는 서로로부터 약 180도에 위치될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 서로로부터 약 0도에 위치될 수도 있고, 또는 그 사이의 모든 각도에 위치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 샘플 가스 입력 포트(130)는 검출기 모듈 하우징(110)보다 광원 모듈 하우징(108)에 더 가깝게 위치될 수 있고, 샘플 가스 출력 포트(132)는 광원 모듈 하우징(108)보다 검출기 모듈 하우징(110)에 더 가깝게 위치될 수 있다. 선택적으로, 샘플 가스 입력 포트(130) 및 샘플 가스 출력 포트(132)는 대기압을 약간 초과하여 1,200 bar까지 범위의 압력에서 수소가 저장되어 FCEV로 전달되는 수소 충전 스테이션과 같이 고압 상태의 시스템으로부터 가스 샘플을 도입할 수 있도록 구성된다.
분광 장치가 작동 중일 때, 샘플 셀은 하나 이상의 관심 가스 종을 포함할 수도 있는 샘플 가스를 포함할 수 있으며, 샘플 셀 내의 적어도 하나의 관심 가스 종은 기준 가스의 하나의 관심 가스 종과 동일하다. 샘플 셀은 둘 이상의 관심 가스 종을 포함할 수도 있는 샘플 가스를 포함할 수 있으며, 샘플 셀 내에 있을 수도 있는 적어도 하나의 관심 가스 종은 기준 가스의 하나의 관심 가스 종과 동일하다. 샘플 셀 내의 샘플 가스는 때때로 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함할 수 있는 수소 가스일 수도 있으며, 그 농도는 본 명세서에 기재된 분광 장치에 의해 결정될 수도 있다. 기준 가스는 특정의 광학 경로 길이에서 동일한 관심 가스 종 중 적어도 일부의 공지된 농도를 포함하도록 구성되어 샘플 셀 내의 하나 이상의 관심 가스 종의 한계 값 부근 또는 그 이상의 농도에 의해 발생된 흡수를 나타내는 기준 흡수를 발생시킬 수 있다. 수소 가스는 적어도 99 %의 순도를 가질 수 있다. 샘플 셀 내의 및/또는 기준 가스의 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종은 황화수소(H2S), 염화수소(HCl), 불화 수소(HF), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 포름 알데히드(CH2O), 메탄(CH4), 산화 질소(NO), 아산화 질소(N2O), 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO ), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3)를 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 관심 종은 다양한 원소의 특정 동위 원소를 포함할 수도 있다. 예를 들어 CO2 또는 CO의 13C/12C 비율을 아는 것이 바람직할 수 있다.
다양한 관심 종이, 파장의 선택과 레이저의 가용성에 따라, 가시 광선으로부터 긴 IR 범위에 이르기까지 다양한 흡수 대역을 갖기 때문에 관련 비용이 다른 다양한 감도를 얻을 수 있다. 특정 실시형태에서, 검출 하한값(LDL)은 파장, 경로 길이, 및 평균 시간과 관련된다. 하나의 실시형태에 대한 다양한 종의 LDL 표가 이하에 도시되어 있다.
| 종 | 검출 하한값(LDL) |
| 아세틸렌 | 20 ppb |
| 암모니아 | 1 ppb |
| 이산화탄소 | 5 ppm |
| CO2의 13C/12C 비율 | 0.18 %(정밀도) |
| 일산화탄소 | 1 ppb |
| 에탄 | 3 ppb |
| 포름알데히드 | 3 ppb |
| 메탄 | 5 ppb |
| 산화질소 | 2 ppb |
| 아산화질소 | 0.5 ppb |
| 물 | 1 ppm |
| 이산화황 | 10 ppb |
분광 장치가 사용 중이 아닐 때(예를 들면, 하나의 위치에서 다른 하나의 위치로 이동중이거나, 시스템에 연결되지 않았거나, 작동 중이 아닌 등), 샘플 셀은 선택적으로 주변 조건에 있을 수 있다. 작동 중에, 분광 장치는 약 -30? 내지 약 +40? 범위의 작동 온도 및/또는 흡수 스펙트럼 폭이 레이저 스캔 범위에서 충분히 포착될 수 있는 작동 압력을 가질 수 있다. 예컨대, 분광 장치의 작동 압력은 주변 압력(약 1bar)보다 30 % 까지 낮고 주변 압력보다 30 % 까지 높은 범위일 수 있다. 가스 샘플은 샘플 가스 흐름으로서 연속적으로 제공되거나, 예를 들면, 포트(130 및 132)를 경유하여 샘플 셀을 통해 개별적인 양으로서 비연속적으로 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 감지 유닛(100)의 샘플 셀(104)은 단일 통과 샘플 셀이며, 광학 경로 길이는 샘플 셀(104)의 공동 길이와 유사하다. 선택적으로, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 기재된 분광 장치는 다중 통과 샘플 셀 및 샘플 셀(204)을 포함하며, 광학 경로는 샘플 셀을 다수 번 통과하여 이동하므로 샘플 셀의 공동 길이보다 다수 배 더 긴 광학 경로 길이를 유발한다. 일반적으로 경로 길이의 선택은 적어도 가스 종의 스펙트럼 특성에 따라 달라진다. 특히, 가스 종은 통상적으로 농도를 결정하는 데 사용될 수 있는 특정 파장에서 검사 및 검출될 수 있는 흡수 특징을 가지고 있다. 예를 들어, 일산화탄소는 특정 파장의 검사 광선을 흡수하고 수소 또는 질소는 특정 파장의 검사 광선을 흡수하지 않기 때문에, 수소 또는 질소를 포함하는 가스 샘플에서 일산화탄소(CO)와 같은 가스 종의 농도가 결정될 수 있으며, 가스 샘플에 존재하는 일산화탄소의 농도는 이산화탄소에 의해 흡수된 파장(예를 들어, 흡수 신호)에서 샘플 셀을 통한 광선의 투과를 측정하여 선택적으로 측정될 수 있다.
일반적으로 경로 길이는 빛의 거동과 화합물의 농도 사이의 관계를 설명하는 비어-람버트 법칙을 사용하여 선택될 수 있다. 샘플 셀의 경로 길이를 산출하는 한 가지 방법은 비어-람버트 법칙을 적용하여 시스템에 특정한 최소 검출 가능 흡광도, 흡수 단면, 샘플 가스의 관심 가스 종의 검출될 농도 범위, 및 측정의 평균 시간을 이하의 방정식에서 고려하는 것이다.
L = Amin/(N * σ * (tavg)^0.5)
여기에서, L은 샘플 셀의 경로 길이, Amin은 특정 분광 검출 시스템에 의한 최소 검출 가능 흡광도이고, N은 관심 가스 종에서 검출될 분자 농도이고, σ는 분자 흡수 단면이고, tavg는 흡수 특징이 검사되는 평균 시간이다. 분광 검출 시스템은 가스 샘플에서 관심 가스 종의 농도가 산출될 수 있는 공지의 기준 가스 종의 농도로 보정되기 때문에, 분광 검출 시스템은 샘플 가스에서 관심 가스 종의 검출될 농도 범위의 추정치(위 방정식에서 N)가 있을 때, 보다 정확한 측정값을 제공하는 경향이 있다. 그렇지 않으면, 샘플 가스에서 관심 가스 종의 농도가 이 추정치에서 너무 높거나 낮아서 너무 멀리 벗어나면, 흡수 신호와 기준 가스 종의 상관 관계가 부정확해질 수도 있다. 분자 흡수 단면, 즉, σ는 각 가스 종에 따라 특정된다. 예컨대, HITRAN (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) 및 GEISA (Gestion et Etude des Informations Spectroscopiques Atmospheriques) 스펙트럼 데이터베이스는 서로 다른 파장에서 다양한 가스 종의 분자 흡수 단면 정보를 포함하여, 이 정보는 강도와 모양(광대역 대 협대역)을 포함한다. 광원의 유형은 종종 검사될 분자 단면을 결정한다. 예컨대, 선택된 광원이 파장 4300 nm에서 검사되도록 구성된다면, 4300 nm에서의 관심 가스 종의 분자 흡수 단면이 사용될 것이다. 통상적으로, 가장 강한 흡수 특징을 포함하는 분자 흡수 단면 및 이에 따른 검사될 가장 민감한 흡수 특징이 선택된다. 그럼에도 불구하고, 광원 가용성, 주어진 스펙트럼 영역에서 다른 가스 종 흡수의 간섭, 하나의 광원으로 다수의 흡수 특징을 검사하는 능력, 및/또는 광원 및 검출기의 비용과 같은 다른 요소로 인해 선 강도가 약한 흡수 라인이 때때로 사용된다.
일산화탄소 또는 수증기와 같은 가스 종의 경우, 샘플 셀 경로 길이가 적어도 10 cm, 선택적으로 10 내지 50 cm의 범위이면, 특히 가스 샘플에서 예상되는 농도와 강한 흡수 라인 강도로 인해 샘플 셀에서 관심 가스 종의 농도의 검출 및 산출에 적절한 강도의 흡수 신호를 생성하는 데에 적합할 수 있다. 예를 들어, 유닛 100과 같이, 본 명세서에 기재된 단일 통과 샘플 셀을 갖춘 분광 장치는 주로 수소를 포함하고 선택적으로 99 % 이상의 순도를 갖는 가스 샘플에서 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O) 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 데에 특히 적합하며, 샘플 셀(104)은 적어도 10 cm, 선택적으로 10 내지 50 cm 범위의 공동 길이를 가질 수도 있다. 선택적으로, CO 및 H2O를 검출하도록 구성된 단일 통과 샘플 셀을 갖춘 이러한 분광 장치는 1000 nm 내지 8000 nm 범위의 파장에서 흡수 특징을 검사하도록 구성된 광원을 가질 수 있다. 단일 통과 샘플 셀은 CO 및 H2O 이외의 다른 관심 가스 종을 측정하도록 구성될 수 있으며, 단일 통과 광학 셀의 광학 경로 길이는 0.1 m 내지 1000 m, 바람직하게는 0.1 m 내지 5 m 범위일 수 있는 것이 이해된다. 비교적 짧은 경로 길이의 경우, 샘플 셀은 광원으로부터 검출기로 이동하는 단일 통과 광학 셀이 될 수 있다.
가스 샘플이 일산화탄소(CO)의 대신에 또는 이에 추가로 황화수소(H2S)를 포함하면, 국제 표준화기구(International Organization for Standardization)에서 부과한 것과 같은 특정 농도 한계치와 비교하여 황화수소(H2S)의 농도를 분석하기 위해 강력한 흡수 신호를 생성하는 데에 샘플 셀에 대해 더 긴 광학 경로 길이(예를 들면, 1 미터 내지 200 m)가 필요할 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 단일 통과 광학 셀의 광학 공동의 길이는 실질적으로 해당 셀을 통과하는 광학 경로의 길이이다. 상대적으로 짧은 경로 길이의 경우, 단일 통과 광학 셀은 예를 들면, 설계, 정렬 과정, 및 제조에서 단순성으로 인해 종종 선호된다. 그러나, 더 긴 경로 길이의 경우, 공동 길이의 증가 및 이에 따른 셀 크기의 증가는 더 이상 단일 통과 광학 셀이 제공하는 단순성에 비해 가치가 없을 수도 있으며, 이러한 시나리오에서 다중 통과 광학 셀이 종종 선호된다. 다중 통과 셀은 광학 경로가 빠져 나가기 전에 광학 셀의 공동을 통해 광학 경로를 다수 번 보내므로, 광학 공동의 물리적 길이를 넘어 광학 경로 길이를 연장한다. 이와 같이, 다중 통과 광학 셀의 단면적은 일반적으로 단일 통과 광학 셀의 단면적보다 크다. 다중 통과 광학 셀은 설계, 정렬, 및 제작하기가 더 복잡할 수 있으며 더 번거롭고 복잡하며 비용이 많이 드는 광학 구성 요소를 포함할 수도 있지만, 그 공간 절약 성능이 특정 시나리오에서 복잡성을 능가할 수 있으며, 장치 또는 시스템의 원하는 설계 전제에 기초하여 단일 통과 광학 셀과 다중 통과 광학 셀 사이에서 선택하는 것은 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있다.
이와 같이, 또 다른 측면에 따르면, 광원과 검출기 사이에 샘플 셀을 갖는 대신, 본 명세서에 기재된 분광 장치는 광원과 검출기 모두를 포함하는 결합 모듈을 가질 수 있으며, 이는 광원 및 검출기 모듈로 지칭될 수도 있다. 이러한 경우, 샘플 셀은 광원 및 검출기 모듈과 광학 경로를 다시 샘플 셀을 통해 광원 및 검출기 모듈을 향하게 하도록 구성된 하나 이상의 미러 사이에 있을 수도 있으며, 샘플 셀은 광학 경로가 광원 및 검출기 모듈에서 검출기를 향하기 전에 내부의 광학 경로(예를 들어, 다중 통과 광학 셀)에서 다중 반사를 야기하는 하나 이상의 미러를 선택적으로 포함할 수도 있다. 따라서, 본 개시는 광원 및 검출기 모듈과 샘플 셀을 포함하는 분광 장치를 또한 제공하며, 광원 및 검출기 모듈은 광원 및 검출기 모듈 하우징과, 기준 가스와, 검출기와, 기준 가스를 통해 그리고 샘플 셀을 한 번 이상 통해 검출기를 향해 이동하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함하며, 광원와, 기준 가스와, 검출기는 광원 및 검출기 모듈 하우징 내에 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 감지 유닛(200)은 다중 통과 광학 셀일 수 있는 샘플 셀(204)을 포함한다. 도 2a 내지 도 2c의 다른 구성 요소는 도 1a 내지 1c의 구성 요소와 동일할 수 있으므로, 본 명세서에서 도 1a 내지 도 1c에 대하여 제공된 참조 부호와 관련된 동일한 참조 부호 및 설명은 도 2a 내지 도 2c에 적용될 수 있으며, 반복할 필요가 없다. 다중 통과 광학 셀은 통상의 기술자에게 공지되어 있으며, 한 쌍의 구면 미러, 공동 강화 방법, 적분구법 또는 비점수차 셀의 사용을 포함할 수 있다. 원하는 광학 경로 길이를 달성하기 위해 다중 통과 광학 셀을 설계 및/또는 선택하는 것은 통상의 기술자의 지식 내에 있다.
특히, 도 2d는 한 쌍의 구형 미러(236 및 238)가 샘플 셀(204)의 공동(240)을 통해 광학 경로(114)의 경로 길이를 연장하는 데 사용되는 다중 통과 광학 셀(204)에 사용될 수 있는 하나의 선택을 도시한다. 도 2d에서, 광학 경로(114)는 광원 모듈(102)로부터 샘플 셀(204)의 공동(240)으로 들어가서 빠져나올 때까지 소정의 시간 동안 미러(236 및 238) 사이에서 앞뒤로 이동한 다음 검출기 모듈(106)로 들어간다. 또한, 도 2d는 샘플 입력 포트(130)와 샘플 출력 포트(132)가 서로로부터 180도 떨어져 위치되지 않는 선택을 도시한다. 다른 유형의 다중 통과 광학 셀이 샘플 셀(204)로서 사용될 수 있으며, 이러한 선택을 하는 것은 통상의 기술자의 지식 내에 있음이 이해된다.
선택적으로, 이중 통과 광학 셀을 포함하여, 다중 통과 광학 셀을 사용하면 광원, 기준 가스 및 검출기가 샘플 셀의 동일한 면에 위치되게 할 수 있게 한다. 도 3a를 참조하면, 감지 유닛(300)은 광원 및 검출기 모듈(302)과, 플랜지 모듈(306)과, 광원 및 검출기 모듈(302)과 플랜지 모듈(306) 사이의 샘플 셀(204)을 포함한다. 광원 및 검출기 모듈(302)은 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)과 플랜지 모듈(306)을 포함한다. 샘플 가스 입력 포트(130)는 플랜지 모듈(306)보다 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)에 더 가깝게 위치될 수 있고, 샘플 가스 출력 포트(132)는 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)보다 플랜지 모듈 하우징(310)에 더 가깝게 위치될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 광원 및 검출기 모듈 하우징(308) 내의 구성 요소를 나타내기 위해 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)이 제거된 감지 유닛(300)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 광원 및 검출기 모듈(302)은 광원(112), 기준 가스(미도시), 및 검출기(122)를 더 포함한다. 광원(112)은 기준 가스를 통해 그리고 샘플 셀(204)을 한 번 이상 통해 검출기(122)를 향해 이동하는 광학 경로(미도시)를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된다. 도 3b는 검사 광선이 광원(112)으로부터 샘플 셀(204)로 직접적으로 샘플 셀(204)을 향하는 광학 경로를 따라 향하도록 하는 하나의 선택을 예시한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 미러는 광원(112)과 샘플 셀(204) 사이의 광학 경로를 구성하는 데 사용되지 않으며, 이는 미러(116, 118 및 128)의 사용을 도시하는 도 1b 내지 도 1c 및 도 2b 내지 도 2c와 대조된다. 따라서, 광학 경로가 명시적으로 표시되지는 않지만, 광원(112)으로부터 샘플 셀(204) 까지의 광학 경로가 존재하는 것으로 이해된다. 도 3c는 전치증폭기(134)가 있는 경우를 제외하고는 도 3b의 감지 유닛과 유사한 감지 유닛(300)의 도면을 도시하며, 추가적인 세부 사항은 이하에 더 제공된다. 선택적으로, 검출기 및/또는 기준 셀과 같은 특정 구성 요소는 패스너(346) 또는 임의의 다른 적합한 패스너 또는 커플러에 의해 제자리에 고정될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 샘플 셀(204)에 대해 선택된 광학 셀의 유형에 따라, 플랜지 모듈(306)은 시스템의 다른 부분에 대한 지지 및/또는 통합 또는 체결을 용이하게 하기 위해 엔드 플레이트와 같은 지지 구성 요소(310)를 선택적으로 포함할 수 있다. 특히, 도 3a 및 도 3b의 샘플 셀(204)은 도 2b에 도시된 다중 통과 셀일 수 있으며, 광학 경로(114)는 광원 및 검출기 모듈(미도시)로부터 공동(240)으로 들어가서 빠져나와 광원 및 검출기 모듈의 검출기(미도시)로 복귀할 때까지 미러(236 및 238) 사이에서 앞뒤로 반사된다. 기준 가스(미도시)와 검출기(122)는 샘플 셀(204) 및 기준 가스(미도시)를 통해 검출기(122)를 향해 되돌아 오는 광학 경로에 위치된다. 도 3b는 샘플 셀(204)로부터 직접 기준 가스를 통해 검출기(122)를 향하는 샘플 셀(204)을 통해 되돌아 오는 광학 경로에 기준 가스 및 검출기(222)를 위치시키는 하나의 선택을 도시한다. 도시된 바와 같이, 미러는 샘플 셀(204)과 검출기(222) 사이의 광학 경로를 구성하는 데 사용되지 않는다. 따라서, 광학 경로가 명시적으로 표시되지는 않지만, 광원(112)으로부터 샘플 셀(204) 까지의 광학 경로가 존재하는 것으로 이해된다. 도 1b 및 도 1c와 도 2b 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 미러를 사용하면 원하는 경우 감지 유닛(300)을 위해 구현될 수 있지만, 미러와 같은 각각의 추가적인 구성 요소가 공간을 차지하여 하우징(308)이 원하는 것보다 더 커질 수 있기 때문에, 도 3b에 도시된 구성을 채용하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 광원 또는 미러와 같은 구성 요소의 비용 및 장치 크기의 바람직한 범위는 미러의 사용 여부 및/또는 광학 경로의 구성에 영향을 줄 수 있는, 통상의 기술자에게 알려진, 다양한 요소 중 두 가지일 수 있다.
선택적으로, 감지 유닛(300)의 샘플 셀은 특정 유형의 다중 통과 셀일 수 있으며, 이중 통과 광학 셀인 경우, 광학 경로는 샘플 셀을 한 번 이상, 특히 두 번 통과한다. 예를 들어, 도 2d에 도시된 다중 통과 광학 셀은 미러(238)가 아닌 단 하나의 미러(236)를 갖도록 구성될 수 있으며, 광학 경로(114)는 공동(240)으로 들어가서 미러(236)에서 반사되어 광원 및 검출기 모듈(302)로 되돌아 온다. 이중 통과 광학 셀을 갖는 분광 장치에 대한 또 다른 선택은, 광학 경로를 광원 및 검출기 모듈(302)로 다시 향하게 하는 미러를 포함하지 않는 샘플 셀(404)을 포함하는 것을 제외하고는, 감지 유닛(400)이 도 3a 내지 도 3c에 도시된 감지 유닛(300)과 유사한 도 4a 내지도 4c에 도시되어 있다. 대신, 플랜지 모듈(306)은 샘플 셀(404)에 결합되고 광학 경로를 광원 및 검출기 모듈(302)로 다시 향하게 하도록 구성된 하나 이상의 미러(442)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 샘플 셀(404)은, 도 1a에 도시된 것과 같이, 단일 통과 셀과 유사할 수 있지만, 경로 길이가 약간 더 길다는 이점이 있다. 특히, 도 4a에 도시된 바와 같이, 이중 통과 광학 셀을 사용하면 바람직할 수 있는데, 그 이유는 (i) 광원, 기준 가스, 및 검출기를 일면에 함께 위치시킬 수 있고, 이는 더 작은 설치 공간을 갖는 장치를 제공할 수 있으므로 비용면에서 더 효과적이며, (ii) 단일 통과 광학 셀보다 긴 경로 길이를 제공하지만, 여전히 단일 통과 광학 셀과 관련되어 상기한 단순성을 가지고 있기 때문이다. 유닛(100 또는 400)와 같이, 단일 통과 샘플 셀 또는 이중 통과 샘플 셀을 포함하는 분광 장치는 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 또는 메탄와 같은 하나의 관심 가스 종을 포함하는 가스 샘플의 광학 감지에 사용하기에 특히 적합하다. 유닛(200 또는 300)과 같이, 다중 통과 샘플 셀을 포함하는 분광 장치는, 샘플 셀에 대해 더 긴 경로 길이를 필요로 할 수 있는 여러 가스 종을 검사하는 것과 관련된 복잡성의 증가로 인해, 일산화탄소 및 수증기를 포함하여, 둘 이상의 가스에 대해 검사하도록 구성된 하나의 광원을 사용할 때와 같이, 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하는 가스 샘플을 측정하는 데에 특히 적합하다. 선택적으로, 기준 가스 샘플은 하나 이상의 기준 가스 종을 포함해도 된다.
대안적인 또는 추가적인 선택적 공간 및 비용 절약 특징으로서, 기준 셀은 검출기(122)의 일부일 수 있으며, 검출기(122)는 기준 셀로서 기능하는 검출기 캡을 포함한다. 본 명세서에 기재된 분광 장치의 선택적 특징에 대한 보다 자세한 사항은 아래 단락에서 제공된다. 기준 가스는 도 3b에 명시적으로 도시되어 있지 않지만, 검출기(122)의 일부로서 또는 다른 유사한 구성 내에 개별적으로 존재하는 것으로 이해된다.
도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a를 참조하면, 필수적인 것은 아니지만, 광학 경로(114)를 따라 이동하는 검사 광선의 흡광도 판독에 영향을 줄 수 있는 먼지 또는 다른 가스와 같은 환경으로부터의 오염을 방지하기 위해, 광원 모듈 하우징(108), 검출기 모듈 하우징(110), 및/또는 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)이 밀폐적으로 또는 국부적인 정화 또는 가압 환경을 허용하는 다른 밀봉 기구로 밀봉되는 것이 바람직하다. 추가적으로 또는 대안적으로, 샘플 셀(104) 내의 샘플 가스는, 존재한다면, 유사한 이유로, 특히 샘플 가스가 수소 가스인 경우 반응성이 높으므로, 광원 모듈 하우징(108) 및/또는 검출기 모듈 하우징(110)으로 들어가지 않는 것이 바람직하다. 도 1b 및 도 1c와 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 밀봉된 환경을 달성하고 여전히 광학 경로(114)가 광원 모듈 하우징(108)으로부터 샘플 셀(104)을 통해 검출기 모듈 하우징(110) 내로 계속해서 이동하도록 하기 위한 하나의 선택은 하나 이상의 광 투과 윈도우를 갖는 것이다. 특히, 광원 모듈(102)은 광원 모듈(102)로부터의 광학 경로(114)가 샘플 셀(104)로 계속해서 이동하도록 하는 제1 광 투과 윈도우(126)를 포함할 수 있고, 검출기 모듈(104)은 샘플 셀(104)로부터의 광학 경로(114)가 검출기 모듈(106)로 계속해서 이동하도록 하는 제2 광 투과 윈도우(128)를 포함할 수 있다.
유사하게, 도 3b를 참조하면, 광원 및 검출기 모듈(302)은 광원 및 검출기 모듈(302)로부터의 광학 경로가 샘플 셀(404)로 연장되도록 하는 제1 광 투과 윈도우(미도시) 및 광학 경로가 샘플 셀(404)로부터 광원 및 검출기 모듈(302)로 다시 되돌아 오도록 하는 제2 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 선택적으로, 광원은 도 7과 관련하여 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 섬유화될 수 있으며, 여기에서 컬미네이터(또는 컬미네이팅 렌즈)는 광 투과 윈도우를 사용하지 않고 샘플 셀 내로 직접 이동할 수 있는 검사 광선에 광섬유(들)로부터의 빛을 결합하지만, 원하는 경우 이러한 윈도우는 사용할 수도 있다. 예컨대, 도 3b에 도시된 바와 같이, 광원(112)은 샘플 셀(204)에 직접 삽입될 수 있는 섬유(66)(도 7과 관련하여 아래에서 더 설명됨)로부터의 검사 광선을 전송할 수 있거나 검사 광선은 제1 투과 윈도우를 통해 이동할 수도 있다. 검출기(122)는 샘플 셀(404)로부터 되돌아 오는 광학 경로가 검출기(122)로 연장되는 별도의 제2 광 투과 윈도우(이를 덮음으로써 도 3b에 도시되지 않음) 위에 위치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광 투과 윈도우가 사용되면, 제1 광 투과 윈도우 및 제2 광 투과 윈도우는 동일한 윈도우일 수 있다.
또 다른 대안적 또는 추가적인 선택적 공간 및 비용 절약 특징으로서, 도 1b 및 도 1c와 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 각각의 윈도우가 별도의 구성 요소인 대신에, 제1 광 투과 윈도우 중 적어도 하나가 광원의 일부일 수 있고 제2 광 투과 윈도우가 검출기(122)의 일부일 수 있다. 본 명세서에 기재된 분광 장치의 선택적 특징에 대한 보다 자세한 사항은 아래 단락에서 제공된다.
선택적 특징에 관한 이하의 설명 및 본 개시의 다른 관련 설명은 감지 유닛(100, 200, 300 및 400)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에 적용 가능하다.
본 명세서에 기재된 분광 장치의 제1 및/또는 제2 윈도우는 일반적으로 프린지 패턴 및/또는 내부 반사를 최소화하도록 구성된, 통상의 기술자에게 알려진 임의의 적합한 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 프린지 패턴 및/또는 내부 반사를 최소화하기 위한 하나의 선택은 윈도우에 반사 방지 코팅을 사용하는 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 웨지형 면을 갖는 광 투과 윈도우가 사용될 수 있으며, 이는 웨지형 윈도우로 지칭될 수도 있다. 요약하면, 적합한 광 투과 윈도우는 양면이 편평하거나 한면이 웨지형으로 되고 다른 한면이 편평한 윈도우의 임의의 조합일 수 있으며, 이들 면은 반사 방지 코팅이 될 수도 있지만 필수적인 것은 아니다. 특정 광 투과 윈도우의 가용성, 비용, 및/또는 성능은 윈도우의 유형을 선택할 때 고려되는 하나 이상의 요소일 수 있다(웨지형 대 평면 및/또는 반사 방지 코팅). 도 5a 내지 5c는 본 명세서에 기재된 분광 장치의 제1 및/또는 제2 윈도우로서 사용될 수 있는 예시적인 웨지형 윈도우의 다양한 도면을 예시한다. 특히, 도 5a는 그 면에 있는 웨지형 윈도우의 사시도이며, 도 5b는 그 평평한 표면에 웨지형 윈도우가 있는 사시도이며, 도 5c는 평평한 표면(506)에 대한 웨지형 표면(504)의 각도(502)를 보여주는 웨지형 윈도우의 측 단면도이다. 각도(502)는 웨지형 표면(504)에 대해 1도 내지 45도, 바람직하게는 2도 내지 15도 범위의 임의의 적절한 각도일 수 있다. 윈도우가 편평하면, 이 각도는 0도인 것으로 이해된다. 사용가능한 광 투과 윈도우의 비용, 성능, 및 사양(크기, 두께 등)과 같은 다양한 요소를 고려하여 적절한 각도를 가진 윈도우를 선택하는 것은 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있다. 제1 및/또는 제2 윈도우는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있지만, 이것은 일반적으로 상업적으로 입수가능한 광 투과 윈도우의 형상이기 때문에 둥글거나 또는 원형이 바람직하다.
제1 및/또는 제2 광 투과 윈도우에 적합한 재료를 선택하는 것으로 통상의 기술자의 지식 범위내에 있으며, 이 재료는 사파이어, 불화 칼슘(CaF2), 실리카(바람직하게는 UV 융합됨), 불화 마그네슘(MgF2), 불화 바륨(BaF2), N-BK7(RoHS 준수 붕규산 크라운 유리), 셀렌화 아연(ZnSe), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), KRS-5(브롬화 탈륨), 및 이들의 임의의 조합과 같은 입수가능한 재료를 포함할 수 있다. 유사하게, 제1 및/또는 제2 광 투과 윈도우에 적합한 크기(표면적 및 두께)를 선택하는 것은 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있으며, 표면적은 0.5 mm2 내지 30 mm2의 범위에 있을 수 있으며, 두께는 0.01 mm 내지 10 mm의 범위에 있을 수 있다. 크기 선택에 영향을 미칠 수 있는 요소에는 광원(및 검사 광선)의 유형, 윈도우 재료의 투과 계수, 광선 콜리메이션, 미러 초점 거리, 광선 크기, 및 특히, 샘플 가스를 포함하는 경우, 샘플 셀의 압력이 포함된다.
본 명세서에 기재된 분광 장치의 광원은 여기 파장을 갖는 검사 광선을 생성할 수 있다. 특히, 광원은 바람직하게는 적외선(IR) 영역에서 원하는 스펙트럼 범위에 걸쳐 조정될수 있는 간섭성의 광원일 수 있다. 바람직하게는, 광원은 700 nm 내지 25000 nm 범위의 파장에서 흡수 특징을 검사하도록 구성되어 있다. 통상의 기술자는 적어도 측정되는 특정의 관심 가스 종의 상대적 스펙트럼 특성에 기초하여 광원에 대한 하나 이상의 적합한 파장을 선택할 수 있음이 이해된다. 예컨대, 암모니아는 8500 nm 내지 10,500 nm 범위의 파장에서 흡수 특성을 가지고 있고, 메탄은 1600 nm 내지 1700 nm 범위 또는 3200 nm 내지 3400 nm 범위 또는 약 2300 nm의 파장에서 흡수 특징을 가지고 있고, 일산화탄소는 2200 nm 내지 2400 nm 범위 또는 4000 nm 내지 5000 nm 범위의 파장에서 흡수 특성을 가지고 있고, H2S는, 예를 들면, 2000 nm 내지 3000 nm 및 7000 nm 내지 9500 nm의 적어도 근적외선 또는 중적외선 영역의 파장에서 흡수 특성을 가지고 있고, 수증기는 적어도 약 1400 nm, 1850 nm, 2600 nm, 2700 nm 및 5000 nm 내지 7000 nm의 파장에서 흡수 특성을 가지고 있다.
간섭성의 광원은 양자 캐스케이드 레이저, 대역 간 캐스케이드 레이저, 수직 공동 레이저, 반도체 레이저, 수직 공동 대역 간 캐스케이드 레이저, 수직 공동 양자 캐스케이드 레이저, 분산 피드백(DFB) 레이저, 및 발광 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 통상의 기술자는 적어도 측정되는 특정의 관심 가스 종의 스펙트럼 특성에 기초하여 광원에 대한 하나 이상의 적합한 파장을 선택할 수 있음이 이해된다.
도 6은 도 1b 및 도 2b에 도시된 광원(112)을 포함하여, 본 개시의 분광 장치의 광원에 대한 하나의 선택을 도시한다.도 7은 도 3b에 도시된 광원(112)을 포함하여, 광원에 대한 또 다른 선택을 도시한다. 도 6의 광원은 유닛(300 또는 400)에도 사용될 수 있으며, 도 7의 광원은 유닛(100 또는 200)에 사용될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 바와 같이 임의의 다른 적절한 광원에 사용될 수 있음이 이해된다. 도 6은 예시적인 간섭성의 광원, 특히 양자 캐스케이드 레이저(QCL)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광원(112)은, 하나의 선택에서, 샘플 셀로 들어가기 전에 하나 이상의 미러를 반사시키는 것이 아니라 샘플 셀(104)과 같은 샘플 셀 내로 직접 연장하는 광학 경로(114)를 따라 검사 광선을 전송하도록 하는 본체(602)를 가질 수 있다. 샘플 셀(104)이 도시되어 있지만, 도 6의 샘플 셀은, 샘플 셀(204 또는 404)을 포함하여, 임의의 다른 적합한 샘플 셀일 수 있다. 도시된 바와 같이, 샘플 셀(104)은 광학 경로(114)가 들어갈 수 있도록 하는 개구(604)를 갖는다. 개구(604)는 샘플 셀(104) 뿐만 아니라 광원 모듈 하우징 및/또는 광원 및 검출기 모듈 하우징에서 밀봉을 유지하면서 광학 경로(114)가 샘플 셀(104)로 들어갈 수 있도록 하는, 전술한 바와 같은 제1 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 샘플 셀(104)을 향하는 본체(602)의 측면은 제1 광 투과 윈도우를 포함할 수 있으며, 따라서, 광원(112)은 제1 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 장착 조립체(606)는 광원(112)이 광원 모듈에서 제자리에 체결되도록 한다.
도 7은 예시적인 섬유화된 간섭성의 광원, 특히 분산 피드백 레이저를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광원(112)은 콜리메이션 광학기(702), 섬유 커플링(704) 및 단일 모드(SM) 또는 다중 모드(MM)의 섬유(706)를 포함할 수 있다. 도 7의 광원(112)은 도 3b에 도시된 바와 같이 광원 모듈 또는 광원 및 검출기 모듈에 장착될 수 있다. 섬유(706)의 단부는 샘플 셀 내로 연장되어 광을 전달하는 섬유 콜리메이터 장치를 포함할 수 있다. 콜리메이터 장치와 샘플 셀 사이의 인터페이스는 용접, 개스킷, 또는 O-링 등에 의해 밀봉될 수 있다. 본 명세서에 기재된 광원이 섬유화된 간섭성의 광원을 포함하는 경우, 본 개시의 감지 유닛은 광원의 일부가 아닌 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 도면은 분광 장치에서 하나의 광원을 사용하는 것을 나타내지만, 본 명세서에 기재된 분광 장치는 특히 가스 샘플에서 둘 이상의 관심 가스 종의 농도를 측정하기 위해 두 개 이상의 광원을 구비할 수 있으며, 하나의 광원이 하나의 관심 가스 종에 특정한 스펙트럼 영역에서 스캔하도록 구성될 수 있는 반면 다른 하나의 광원이 다른 하나의 가스 종의 활성 스펙트럼 영역을 스캔하도록 구성되는 것이 이해된다. 선택적으로, 하나의 광원은 둘 이상의 가스 종의 두 개 이상의 스펙트럼 영역을 스캔하도록 구성될 수도 있다.
기준 가스는 별도의 기준 셀에 있든 없든 하나 이상의 관심 가스 종을 포함할 수 있으며, 선택적으로 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3)의 임의의 하나 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다. 기준 가스는 검출될 둘 이상의 관심 가스 종을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기준 가스는 수증기와 비교하여 일산화탄소의 강한 스펙트럼 특징으로 인해 가스 샘플에서 관심 가스 종으로서 일산화탄소 및/또는 수증기를 특히 4782 내지 4785 nm 범위의 파장 부근에서 검출할 때 관심 기준 가스 종으로서 일산화탄소를 포함한다. 메탄과 수증기가 적어도 가스 샘플에서 검출되고 있고 측정되고 있는 관심 가스 종인 경우, 메탄은 특히 3270 내지 3272 nm 범위의 파장 부근에서 수증기에 비해 강력한 스펙트럼 특성을 가지고 있기 때문에 메탄이 기준 가스에서 관심 기준 가스 종으로서 사용되는 것이 바람직하다. 황화수소, 메탄, 또는 암모니아가 적어도 가스 샘플에서 측정되는 관심 가스 종인 경우, 관심 종은 8000 내지 8200 nm 범위의 암모니아 또는 메탄일 수 있다.
비어-람버트 법칙에 기초하여 기준 가스 종의 흡광도("기준 흡광도"), 기준 셀의 경로 길이, 및 기준 가스 종의 농도 사이의 일반적인 상관 관계가 있으므로, 샘플 셀의 관심 가스 종의 흡광도를 기준 흡광도와 비교함으로써 가스 샘플의 관심 가스 종의 농도가 계산될 수 있다. 따라서, 기준 셀(별도의 셀이든 검출기의 일부이든 또는 일부 다른 구성 요소이든)은 기준 셀의 주어진 경로 길이에 대해 공지의 농도의 관심 기준 가스 종을 포함한다. 경로 길이가 기준 셀에 대해 약 2 cm 범위인 것으로 가정하면, 기준 셀의 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도는 공지의 농도일 수 있으며, 선택적으로 0.1 % 내지 5 %일 수 있다. 일반적으로 가스 종의 스펙트럼 특성은 주변 압력보다 낮은 감소된 압력과 비교하여 주변 압력에서 다르게 거동하며, 특히 감소된 압력의 확장으로 인해 흡수 특징 선폭이 좁아진다. 샘플 흡수 특징보다 좁은 기준 흡수 특징을 생성하기 위해 전체 압력이 주변 압력보다 10 배 이상 낮은 기준 셀과 주변 압력 이상인 샘플 셀을 갖는 것이 바람직하다. 기준 가스에서 관심 가스 종의 농도는 일반적으로 100 ppm 내지 백분율 수준의 범위이다. 정확한 농도는 기준 셀 신호의 흡수가 ISO 한계에서 샘플 셀의 흡수의 약 10 내지 100 배가 되도록 한다. 이 양보다 작은 농도는 기준 셀에서 더 많은 잡음 보정을 유발할 수 있는 반면, ISO 한계의 100 배보다 큰 농도는 샘플 흡수 신호에 추가적인 잡음을 유발할 수 있다. 기준 셀은 대기압 미만의 압력을 가질 수 있으며, 선택적으로 0.01 내지 100 Torr, 또는 약 1.3 Pascal 내지 약 13 Kilopascal 범위일 수 있다. 기준 가스에서 관심 가스 종의 압력 또는 부분 압력은 약 0.01 내지 약 0.5 기압(또는 약 1.01 kPascal 내지 50.66 kPascal), 약 0.03 내지 약 0.3 기압(또는 약 3.04 kPascal 내지 약 30.4 kPascal), 또는 약 0.05 내지 0.15 기압(또는 약 5.07 kPascal 내지 약 15.2 kPascal)의 범위일 수도 있으며, 또는 약 0.1 기압(또는 약 10.13 kPascal) 이하일 수도 있다.
선택적으로, 기준 가스는 원하는 양의 관심 기준 가스 종을 포함하고, 나머지 부분은 관심 가스 종의 원하는 압력 및 농도를 달성하기 위해 질소 또는 아르곤과 같은 하나 이상의 분광 불활성 가스 종을 포함한다. 분광 불활성 가스 종은 검사 광선을 최소한으로 흡수하므로, 적어도 관심 스펙트럼 영역에서 샘플 셀 내의 관심 흡수의 100 배 미만의 피크 흡수를 갖는 것과 같이, 강한 흡수 특성을 생성하지 않는다.
본 명세서에 기재된 분광 장치의 검출기는 검출기에 도달하는 광의 양에 응답하여 이에 비례하는 전압 또는 전류 신호를 생성한다. 흡수 신호는 샘플 및 기준 셀에서 흡수되지 않은 채 검출기에 입사광에 의해 정규화하여 산출되며, 흡수 신호는 샘플 셀과 기준 셀을 통과한 후 검출기에 도달하는 검사 광선의 양에 비례한다. 정규화는 직접 흡수 분광법(DAS)에 대한 중요한 관심 흡수 특징이 없는 영역에서 광의 양을 식별하거나 파장 변조 분광법(WMS)의 1차 고조파에 의해 정규화함으로써 발생할 수 있다. 도 8a 내지 도 8c는, 검출기(122)와 같이, 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 다양한 검출기의 특징을 도시한다. 특히, 도 7a 내지 도 7c는 샘플 셀(104)로부터 개구(804)를 통해 검출기(122)로 들어가는 광학 경로(114)를 도시한다. 샘플 셀(104)이 도시되어 있지만, 도 8a의 샘플 셀은, 샘플 셀(204 또는 404)을 포함하여, 임의의 다른 적합한 샘플 셀일 수 있다. 개구(804)는 샘플 셀(104) 뿐만 아니라 검출기 모듈 하우징 및/또는 광원 및 검출기 모듈 하우징에서 밀봉을 유지하면서 광학 경로(114)가 검출기(122)로 들어갈 수 있도록 하는, 전술한 바와 같은 제2 광 투과 윈도우를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 검출기(122)는 제2 광 투과 윈도우(120)를 포함할 수 있는 검출기 캡(808)을 포함할 수 있으며, 따라서, 검출기(122)는 제2 광 투과 윈도우(120)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 윈도우(120)를 포함하여, 광 투과 윈도우에 대한 설명은 윈도우가 검출기(122)와 별도로 되어 있든지 검출기(122)의 일부이든지 적용 가능하며, 반복 설명은 생략한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 8c를 참조하면, 검출기 캡(808)은 밀폐적으로 밀봉되어 원하는 압력으로 기준 가스로 다시 채워질 수 있으므로, 기준 셀(124)이 검출기(122)의 일부가 될 수 있고, 별도의 기준 셀이 필요하지 않아 공간, 비용, 정렬 문제, 및 광학 프린징을 감소할 수 있다. 기준 셀이 도 1c 및 도 2c에 도시된 바와 같이 별도의 유닛인 경우, 검사 광선은 두 개의 투과 광학기(즉, 기준 셀의 두개의 윈도우)를 가로 지르며, 투과 광학기는 광학 경로를 따라 역 반사, 또는 에탈론 또는 광학 간섭 프린지를 유발한다. 이러한 프린지는 다양한 투과 광학기와 광원 사이의 간격에 따라 위상, 주파수, 및 진폭이 달라진다. 광학 프린지를 관심 흡수 특징과 구별하는 것은 광학 프린지가 샘플 및 기준 신호의 관심 흡수 신호와 폭과 크기가 비슷할 수 있기 때문에 어려울 수 있다. 기준 셀이 검출기의 일부인 경우, 광선 통과는 이 두 개의 투과 광학 요소를 통과하지 않고, 이것은 광이 투과 광학기를 통과할 때마다 광학 프린지가 형성되기 때문에 잠재적으로 성능을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 윈도우(124)를 포함하여, 기준 셀에 대한 설명은 기준 셀이 검출기(122)와 별도로 되어 있든지 검출기(122)의 일부이든지 적용 가능하며, 반복 설명은 생략한다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 검출기(122)는 광학 경로(114)를 따라 이동하는 검사 광선을 실제로 수신하고 그에 따라 흡수 신호를 생성하는 감지 구성 요소(810)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 검출기(122)는 검출기(122)의 온도를 소정의 원하는 범위로 유지하도록 제어될 수 있는 열전 냉각기(812)를 더 포함할 수 있다. 검출기(122)는 본 명세서에 기재된 바와 같이 추가 분석 또는 처리를 위해 감지 구성 요소(810)에 의해 생성된 흡수 신호를 다른 하나의 구성 요소로 전송하는 섬유(806)를 더 포함할 수 있다. 도 8a를 참조하면, 검출기(122)는 섬유(26) 및 다른 내부 구성 요소를 보호하는 것을 도울 수 있는 플랜지 요소(802)를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 도 1c, 도 2c, 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 검출기는 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 검출기 출력을 증폭하도록 구성된 전치증폭기 회로(134)에 결합될 수 있다. 예컨대, 전치증폭기 회로(134)는 검출기(122)로부터의 신호를 1000 배 증가시킬 수 있다.
분광 장치는 (i) 장치에 전력을 제공하고, (ii) 분광 데이터를 수집, 분석, 및 해석하고, 및/또는 (iii) 장치의 전자 구성 요소를 제어하기 위한 전기 제어 유닛(ECU)을 더 포함할 수 있다. ECU는 감지 유닛과 별도로 위치될 수 있으며, ECU는 ECU 및 감지 유닛의 전기 포트를 통해 감지 유닛에 전자적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 본 개시의 분광 장치는, 분광 장치의 기능을 제어하고 분광 장치에 전력을 공급할 수 있는, 도 9a 내지 도 9c에 도시된 ECU(900)와 같은 ECU와 분광 장치를 연결하기 위해, 도 1a, 도 2a, 도 3a, 및 도 4a에 도시된 커넥터(144 및 146)와 같은 전기 커넥터를 더 포함할 수 있다. 도 9a 내지 9c는 본 분광 장치의 ECU에 대한 하나의 선택을 도시한다. 도 9a는 ECU(900)를 도시하기 위해 상부가 없는 ECU(900)의 상면도이며, ECU(900)는 데이터 취득 요소(901), 광원 드라이버(902), 광원 온도 컨트롤러(903), 검출기 온도 컨트롤러(904), 단일 보드 컴퓨터이거나 유사한 처리 능력을 갖는 다른 컴퓨팅 요소일 수 있는 프로세서/컴퓨터(905), AC-DC 전원 공급 장치(906), ECU 하우징(907), 다양한 크기의 벌크 헤드 커넥터(908, 909 및 910), 및 AC 입구 전원 스위치(911)를 포함할 수 있다. 도 9b는 USB 포트와 같은 I/O(입력/출력) 포트를 포함하여, 필요하거나 원하는 대로 다양한 포트를 포함하는 ECU 900(본 명세서에 기재된 감지 유닛, 마우스, 키보드, 모니터, 마이크, 스피커 등)에 다양한 장치를 연결하는 데에 사용될 수 있는, 다양한 크기의 벌크 헤드 커넥터(908, 909, 및 910), 스위치(912), 프로세서/컴퓨터(905)의 다양한 포트에 액세스하기 위한 컷아웃(914)을 도시하는, ECU(900)의 전면 패널의 측면도이다. 도 9c는 AC 입구 전원 스위치(911)를 도시하는 ECU(900)의 후면 패널의 측면도이다. ECU(800)는 벌크 헤드 커넥터(908, 909, 및 910) 및 전기 커넥터(144, 146, 및/또는 148)를 경유하여 유닛(100, 200, 300, 및 400)과 같은 분광 장치에 전기적으로 연결될 수 있다. 전기 구성 요소가 샘플 셀의 양쪽에 배치되는 감지 유닛(100 또는 200)에 대한 하나의 선택으로서, 분광 장치는 신호의 잡음을 감소하는 데 도움이 될 수 있는 3개의 전기 커넥터(144, 146, 및 148)를 가지며, ECU(900)의 벌크 헤드 커넥터(908)는 전기 커넥터(144)에 전기적으로 연결될 수 있고, 벌크 헤드 커넥터(909 및 910)는 전기 커넥터(146 및 148)에 전기적으로 연결될 수 있다. 선택적으로, 전기 구성 요소가 샘플 셀의 일면에 위치되어 있는 감지 유닛(300, 400)의 경우, 분광 장치는 2개의 전기 커넥터(144 및 146)를 가질 수 있다.
도 9d는 ECU(900)의 전자 구성 요소가 서로 통신하는 방법에 대한 하나의 선택을 도시한다. 도시된 바와 같이, DAQ 요소(901)는 프로세서/컴퓨터(905)와 적어도 검출기 및 광원으로부터의 다양한 신호 사이의 인터페이스 역할을 하는 하드웨어이다. DAQ 요소(901)는 들어오는 아날로그 흡수 신호를 디지털화하도록 구성될 수 있으므로, 프로세서/컴퓨터(905)가 이를 해석할 수 있다. DAQ 요소(901)는 측정 요소 및 프로세스를 자동화하는 기능으로 구성될 수 있다. DAQ 요소(901)는 통상의 기술자에게 알려진 디바이스 드라이버 또는 하드웨어 드라이버인 광원 드라이버(902)를 사용하여 광원과 통신할 수 있다. 광원 드라이버(902)는 화살표(915)로 도시된 바와 같이 광원의 작동 데이터(전류 등)를 데이터 수집 요소(901)로 전송하고, 데이터 취득 요소(901)는 이러한 정보에 기초하여 특정 제어 명령(화살표(916)로 도시됨)을 실행할 광원 드라이버(902)에 차례로 전달한다. DAQ 요소(901)는 필요에 따라 광원을 활성화/비활성화하기 위해 온/오프 신호(화살표(917)로 도시됨)를 전송할 수도 있다. 광원 온도 컨트롤러(903)는 광원(화살표(918))의 온도 데이터를 데이터 획득 요소(901)로 전송할 수 있으며, 데이터 취득 요소(901)는, 화살표(919)로 도시된 바와 같이, 제공된 정보에 기초하여 원하는 대로 광원의 온도를 조절하는 명령을 차례로 전송할 수 있다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 감지 장치는 검출기로부터의 흡수 신호를 증폭하는 전치증폭기(134)를 채용한다. 전치증폭기(134)는 추가 분석을 위해 프로세서/컴퓨터(905)(화살표(921))로 전송되는, 디지털 신호로의 변환을 위해, 화살표(919)로 도시된 바와 같이, 데이터 취득 요소(901)에 이 흡수 신호를 전달한다. DAQ 요소(901)는 프로세서/컴퓨터(905)에 연결할 수 있도록 하는 컴퓨터 버스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 버스는 명령 및 측정된 데이터를 전달하기 위해 DAQ 요소(901)와 프로세서/컴퓨터(905) 사이의 통신 인터페이스로서 역할을 한다. 일반적으로 알려진 컴퓨터 버스는 USB, PCI, PCI 익스프레스 및 이더넷과 같은 유선 통신 또는 무선 통신을 위한 Wi-Fi 및 블루투스와 같은 무선 통신을 포함한다.
프로세서/컴퓨터(905)는, 흡수 신호(921)로부터, 기준 셀에서 나오는 기준 흡수 신호와 샘플 셀에서 나오는 샘플 흡수 신호를 분리하고, 기준 흡수 신호 및 샘플 흡수 신호를 사용하여 샘플 셀의 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종에 대한 보정 정보 및 농도 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 기준 흡수 신호는 직접 흡수 분광법(DAS) 신호일 수 있고, 샘플 흡수 신호는 파장 변조 분광법(WMS) 신호일 수 있다. 파장 변조 분광법(WMS) 신호는 샘플 흡수 신호의 2차 이상의 고조파를 포함할 수 있다.
프로세서/컴퓨터(905)는 분광 장치의 자율 작동을 허용하는 산업 제어 소프트웨어와 함께 설치될 수 있다. 가스 농도에 대한 청각/시각적 경보, 경보 재설정, 경보 테스트, 실시간 표시, 및 시스템 진단(예를 들면, 적용가능한 경우, 광원 전원, 검출기 보정, 배터리 수준/전력 소비, 무선 주파수(RF) 신호, 및/또는 장치의 성능에 영향을 미치는 다른 조건)의 임의의 하나와 같은 다른 산업 제어 구성도 포함될 수 있다. 선택적으로, 수소 충전 스테이션에서 FCEV로 분배되는 수소를 포함하여, 저장 탱크에 저장되거나 저장 탱크로부터 제공되는 수소의 순도를 모니터링하는 데에 분광 장치가 사용되는 경우, 장치 제어는 스테이션에 통합된 외부 패널을 통해 수행될 수 있으며, 시스템 진단은 비정상 가스 수준에 대한 극미한 데이터로 자동화된 이메일/텍스트 경고, 및/또는 전용 웹 페이지를 통해 스테이션에서 국부적으로 및/또는 제어 스테이션에서 집중적으로 수행될 수 있다.
지금까지 그리고 본 명세서에 기재된 바와 같이, 본 개시는 상업적 규모로 제조될 수 있고, 다양한 가스 감지 어플리케이션을 위해 다양한 위치로 배송될 수 있고, 특정 양 이상 존재하는 경우 연료 전지에 해로울 수 있는 하나 이상의 원치 않는 미량 가스 종을 검출하기 위해, 수소 충전 스테이션과 같이, 수소가 저장되고 및/또는 처분되는 위치에서의 사용을 포함하여, 다양한 환경에서 사용될 수 있는 분광 장치를 제공한다. 장치는 하나 이상의 특정한 관심 가스 종에 대해 검사하도록 구성되는 것을 포함하여, 크기, 어플리케이션, 특징과 같은 다양한 요구를 충족하기 위해 다양한 선택으로 제공될 수 있으며, 장치는 이 가스 종에 대하여 구성된 특정 광원, 관심 가스 종과 동일한 기준 가스 종으로 미리 채워진 기준 셀, 및/또는 관심 가스 종에 적합한 경로 길이 및/또는 감지 환경(온도 및 압력 허용 오차 등)에 적합한 다른 사양으로 구성된 샘플 셀을 가질 수 있다.
수소 분배 어플리케이션과 관련하여, 국제 표준화기구(ISO)에서 설정된 것 같은 표준이 있으며, 수소 충전 스테이션에서 특히 FCEV로 분배되는 수소 가스에 존재할 수 있는 특정 가스 종의 최대 양을 규제한다. 예를 들어, ISO 표준 14687-2: 2012는 고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지가 장착된 차량에 공급되는 수소의 허용 오염 수준을 설정한다. 본 명세서에 기재된 분광 장치를 사용하면 이러한 표준을 보장할 수 있다. 예컨대, 수소 충전 스테이션은 ISO에 의해 규제되는 것과 같은 모든 관심 가스 종을 검사하기 위해 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나의 분광 장치를 채용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수소 충전 스테이션은 본 명세서에 기재된 바와 같은 다중 분광 장치를 사용할 수 있으며, 그 각각은 관심 가스 종의 부분 집합을 검사하도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수소 충전 스테이션은 본 명세서에 기재된 바와 같은 다중 분광 장치를 사용할 수 있으며, 그 각각은 하나의 관심 가스 종을 검사하도록 구성된다. 위에서 언급한 바와 같이, 유닛(100 또는 400)과 같은 단일 통과 또는 이중 통과 샘플 셀을 포함하는 분광 장치는 하나의 관심 가스 종을 감지하는 데에 특히 적합하며, 유닛(200, 300)과 같이, 다중 통과 샘플 셀을 포함하는 장치는 여러 관심 가스 종을 감지하는 데에 특히 적합하지만 하나의 관심 종을 감지하는 데에도 적합하다.
도 10은 분배되는 수소의 순도를 모니터링하기 위해 수소 충전 스테이션과 관련하여 감지 유닛(100(도 9에 도시됨), 200, 300, 및/또는 400)을 포함하는 본 명세서에 기재된 장치와 같이, 본 명세서에 기재된 분광 장치를 채용하는 하나의 선택을 도시한다. 편의상 유닛(100)이 언급되지만, 유닛(200, 300, 또는 400)을 포함하여, 설명된 다른 유닛이 도 10에서 적절하게 채용될 수 있음이 이해되며, 유닛(100)과 관련된 설명은 적용가능한 유닛(200, 300, 또는 400)과 같이, 다른 유닛에도 적용된다. 도시된 바와 같이, 시스템(1000)은 감지 유닛(100)에 전기적으로 결합된 백업 배터리(1002), 감지 유닛(100)에 유체적으로 결합된 수소 저장 탱크(1004), 수소 저장 탱크(1004)와 감지 유닛(100) 사이에 배치된 솔레노이드 밸브(1006) 및 압력/유량 컨트롤러(1008)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 백업 배터리(1002)는 유닛(100(도 10에 도시됨), 200, 300, 또는 400) 등의, 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치를 초기화하기 위해 전력을 제공하도록 구성된다. 감지 유닛(100)이 켜진 후, 연료 전지(1010)는 감지 유닛(100)에 전력을 공급하고 백업 배터리(1002)를 충전할 수 있다. 일단 활성화되면, 감지 유닛(100)은 솔레노이드 밸브(1006)를 켜고 압력/유량 컨트롤러(1008)를 사용하여 저장 탱크(1004)로부터 감지 유닛(100)으로의 가스 흐름을 제어할 수 있다. 수소 가스는 바람직하게는 샘플 가스 입력 포트(130)를 통해 감지 유닛(100)의 샘플 셀로 들어가고 샘플 가스 출력 포트(132)를 통해 샘플 셀을 빠져 나간다. 작동 중, 유닛(100)의 광원은 샘플 셀과 기준 셀을 통해 검출기로 검사 광선을 전송한다. ECU의 프로세서/컴퓨터는 흡수 신호를 분석하여 수소 가스가 농도 한계를 초과하는 양으로 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하는지 여부를 판정한다. 수소 가스가 농도 한계를 초과하는 양으로 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하지 않는 것으로 판정되면, 수소 가스는 라인(1012)을 통해 연료 전지(1010)로 진행할 수 있다. 수소 가스가 농도 한계를 초과하는 양으로 하나 이상의 관심 가스 종을 포함하는 것으로 판정되면, 수소 가스는 라인(1016)을 통해 연료 전지(1010)로 들어가기 전에 불순물 스크러버(1014)로 진행할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 도 11은 분배되는 수소의 순도를 모니터링하기 위해 수소 분배 스테이션에서 본 명세서에 기재된 바와 같은 분광 장치를 채용하는 하나의 선택을 도시한다. 특히, 수소 저장 탱크(1004)로부터 FCV(1010)로의 수소 공급으로부터의 슬립 스트림은, 도 11에 도시된 바와 같은 유닛(100) 또는 도 10에 도시된 바와 같은, FCV(1010)에 도달하기 전에 분광 장치(100)를 통해 흐르는 수소 공급 대신 특정 관심 종이 미리 결정된 농도를 초과하는지 여부를 검출하기 위한 유닛(200, 300, 또는 400) 등의, 본 명세서에 기재된 분광 장치로 전환될 수 있다.
다음 단락에서는 분광 장치를 보정하고 이러한 보정 후에 가스 샘플의 농도를 측정하는 프로세스에 대한 추가적인 세부 사항을 제공한다. 본 명세서에서 설명된 프로세스는 가스 샘플의 관심 가스 종과 동일한 기준 가스 종을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 흡수 신호를 분석할 때 직접 흡수 분광법과 파장 변조 분광법의 조합을 사용할 수 있다. 도 12a는 본 명세서에 기재된 분광 장치가 활성화(전원이 켜짐)될 때의 공정 흐름(1200)을 도시하며, 통상의 기술자에게 알려진 검사 광선을 지향 및/또는 향상시키는 데 사용될 수 있는 선택적인 미러 및 렌즈는 단순함을 위해 생략되어 있다. 작동시, 광원(112)은 광학 경로(114)를 따라 샘플 셀(104)을 향해 검사 광선을 전송한다. 프로세스 흐름에서 샘플 셀은 샘플 셀(204 또는 404)을 포함하여, 단일 통과, 이중 통과, 또는 다중 통과 등의, 본 명세서에 기재된 바와 같은 다른 유형의 샘플 셀일 수 있다. 샘플 셀(104)은 검사되는 관심 가스 종, 바람직하게는 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3)를 가지거나 가지지 않을 수 있는 가스 샘플을 포함한다. 샘플 셀(104)은 가스가 특정 압력(0.01 내지 1 기압)까지 비워진 셀로 흘러 들어간 다음 밸브가 닫히고 샘플이 시스템에 의해 검사되는 개별 샘플일 수 있다. 대안적으로, 샘플 셀(104)은 가스 샘플이 샘플 셀(104)을 통해, 바람직하게는, 적어도 도 1a, 도 2a, 도 3a, 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 샘플 가스 입력 포트(130) 및 샘플 가스 출력 포트(132)를 경유하여 연속적으로 흐르는 연속 흐름일 수 있다.
샘플 가스 입력 포트는 700 barg 내지 1000 barg 범위의 압력으로부터, 주변 압력(약 1 bar)보다 30 % 까지 낮고, 적어도 3 barg와 같이, 주변 압력보다 30 % 까지 높은 범위의 작동 압력까지와 같이, 샘플 가스의 공급원과 샘플 셀의 작동 압력 사이의 압력 변화를 수용하도록 선택적으로 구성될 수 있다. 샘플 가스 입력 포트와 샘플 가스 출력 포트는 서로로부터 0도 내지 약 180도 범위의 각도로 위치될 수 있다. 샘플 가스 입력 포트(130) 및 샘플 가스 출력 포트(132)는 특정 샘플 셀의 크기에 대한 최적의 유량과 같은 원하는 유량을 달성하기 위해 서로에 대해 상대적으로 배열되는 것이 바람직하며, 이는 통상의 기술자에 의해 통상적인 수단을 통해 결정될 수 있다. 예컨대, 선택적으로, 샘플 가스 입력 포트(130)와 샘플 가스 출력 포트(132)는 서로로부터 약 180도에 위치될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 서로로부터 약 0도에 위치될 수도 있고, 또는 그 사이의 모든 각도에 위치될 수 있다. 샘플 셀(104)을 통과한 후, 검사 광선은 검출기(122)로 들어가기 위해 기준 셀(120)을 통해 광학 경로(114)에서 계속 이동한다. 기준 셀(120)은 도 1c 및 도 2c에 도시된 바와 같이 별도의 기준 셀일 수 있으며, 또는 도 3b 및 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이 검출기(122)의 일부일 수 있다. 기준 셀(120)은 샘플 셀(104)에 제공된 가스 샘플에서 검사될 관심 가스 종 중 하나와 동일한 기준 가스 종을 포함하며, 바람직하게는 관심 종은 선택적으로 적어도 일산화탄소 또는 메탄을 포함한다. 기준 셀(120)의 압력은 대기압 미만이다. 기준 셀은 대기압 미만의 압력을 가질 수 있으며, 선택적으로 0.01 내지 100 Torr, 또는 약 1.3 Pascal 내지 약 13 Kilopascal 범위일 수 있다. 기준 가스에서 관심 가스 종의 압력 또는 부분 압력은 약 0.01 내지 약 0.5 기압(또는 약 1.01 kPascal 내지 50.66 kPascal), 약 0.03 내지 약 0.3 기압(또는 약 3.04 kPascal 내지 약 30.4 kPascal), 또는 약 0.05 내지 0.15 기압(또는 약 5.07 kPascal 내지 약 15.2 kPascal)의 범위일 수 있으며, 또는 약 0.1 기압(또는 약 10.13 kPascal) 이하일 수도 있다. 도 12는 기준 셀(120) 이전의 광학 경로(114)에 위치된 샘플 셀(104)을 도시하지만, 이 순서는 기준 셀(120)이 샘플 셀(104) 이전에 광 경로(114)에 위치하는 곳에서 교체될 수 있음이 이해된다.
검출기(122)는 샘플 셀(104) 및 기준 셀(120)을 통과한 후 이에 도달하는 검사 광선의 양에 비례하는 흡수 신호를 생성하며, 이 신호는 직접 흡수 분광법(DAS) 신호이다. 검출기(122)는 처리(예를 들면, 전술한 바와 같이 DAQ 요소 및 프로세서/컴퓨터(905)를 경우하여) 및 대응 데이터 출력을 생성하기 위해 화살표(920)로 도시된 ECU(900)로 이 DAS 신호를 전송한다. ECU(900)로 전송된 DAS 신호(920)는 (i) 기준 DAS 신호로 지칭될 수 있는 기준 셀 (120)로부터의 DAS 신호, 및 (ii) 샘플 DAS 신호로 지칭될 수 있는 샘플 셀(104)로부터의 DAS 신호를 포함한다. ECU(900)의 프로세서/컴퓨터는 흡수 신호(920)로부터 기준 DAS 신호 및 샘플 DAS 신호를 분리하고, 적용 가능한 경우, DAS 신호(920)에 기초하여 보정 및 농도 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 기준 DAS 신호는 부분적으로 기준 셀(120)의 압력이 대기압보다 낮기 때문에 샘플 DAS 신호로부터 분리될 수 있으며, 샘플 셀(104)에서와 같이, 주변의 셀로부터 나오는 신호에 있어서의 흡수 특징보다 좁거나 주변 조건보다 더 흡수 특징을 포함하는 기준 DAS 신호가 생성된다. 도 13은 직접 흡수 스펙트럼(DAS)에 기초하여 보정 정보를 생성하는 하나의 선택을 예시한다. 더 좁은 기준 DAS 신호(1302)는 더 넓은 샘플 DAS 신호(1304)와 결합되어 더 좁은 기준 DAS 신호(1302)에 의해 정의된 스펙트럼 부분이 더 넓은 샘플 DAS 신호(1304)로부터 차감되어 델타 기호로 표시된, 보정된 DAS 신호(1306)를 생성할 수 있으며, 기준 신호는 샘플 흡수 신호에 대한 기준으로서 역할을 할 수 있는 공지의 흡수 신호, 즉 농도에 관련되어 있다.
선택적으로, 다중 고조파 파장 변조 분광법(WMS)을 사용하여 보정 데이터를 생성할 수 있다. WMS는 흡수 스펙트럼의 도함수로 생각할 수 있으며, 이는 흡수 프로파일의 2차 도함수가 2차 고조파 신호(스펙트럼)가 되는 직접 흡수 스펙트럼의 도함수와 같은 형상을 유발한다. 프로세서/컴퓨터는 더 높은 고조파 신호(더 높은 도함수형)를 기준 WMS 신호에 맞추도록 구성되어 기준 WMS 신호를 생성할 수 있다. 검출기(122)로부터의 2차 고조파 WMS 흡수 신호는 결합된 기준 및 샘플 흡수 스펙트럼의 2차 도함수와 같은 형상의 가정이다. 대조적으로, 4차, 6차, 또는 8차 고조파와 같은 더 높은 고조파(도함수)를 검사할 때, 넓고 느리게 변화하는 샘플 신호는 좁고 날카로운 기준 신호가 우세하면서 평평한 기준선을 유발한다. 기준 신호로부터 파생된 더 높은 고조파 신호를 비어-람버트 법칙의 분광 원리와 파장 변조 분광법을 통해 더 낮은 고조판 샘플 우세 신호에 연관시킴으로써, 샘플 신호가 보정될 수 있다.
도 12를 참조하면, 전치증폭기 회로(134)는 선택적이며 바람직하게는 다중 고조파 파장 변조 분광법(WMS)과 함께 채용된다. 일반적으로, WMS는 고주파수(예를 들어, 10 내지 100 kHz)의 정현파 진동을 흡수 특징에 걸쳐 낮은 주파수(예를 들어, 약 0.1 내지 1 kHz)의 광원 전류 램프에 중첩한다. 고주파 변조는 검출기(122)에 의해 생성된 직접 흡수 분광법(DAS) 신호에서 진폭 변조를 유도한다. 전치증폭기 회로(134)는 검출기(122)로부터의 DAS 신호를 변조 주파수, 즉 Nf의 상이한 고조파에서 기준 DAS 신호로부터의 정현파 신호와 곱한다. 검출 대역폭을 더 높은 주파수로 이동함으로써, 1/f 레이저 초과 노이즈가 감소되고, 일반적으로 직접 흡수 분광법에 비해 더 높은 감도(약 10 내지 100 배)가 달성된다. 또한 Nf 스펙트럼은 흡수 신호의 N차 도함수와 질적으로 유사하기 때문에, 이는 근처 흡수체의 점진적으로 경사진 꼬리가 제거된다는 점에서 명목상 "제로-기준선" 기술이다.
WMS를 사용하여 보정 데이터를 생성하는 또 다른 선택은 비어-람버트 흡수 라인과 일치하는 공지의 선 모양 방정식을 사용하여 기준 DAS 신호와 샘플 DAS 신호 모두에 맞추도록 ECU의 프로세서/컴퓨터를 구성하는 것을 포함할 수 있다. 샘플 스펙트럼은 좁은 기준 신호가 존재하는 곳을 제외한 모든 영역에 맞춰진다. 각 신호에 대한 포크트, 로렌찌안, 및 가우시안 선 형상의 방정식은 샘플 및 기준 셀의 총 압력에 따라 사용될 수 있다. 가우시안 라인 형상은 주로 매우 낮은 압력(<10 Torr)에 사용되는 반면 포크트 라인 형상은 더 높은 압력(가우시안 및 로렌찌안 라인형상의 조합)에 사용된다.
신호 진폭은 검사되는 관심 가스 종의 농도와 비례적으로 상관될 수 있기 때문에, 샘플 및 기준 셀의 라인 형상을 스펙트럼으로 분리하면 알려진 기준 셀 흡수를 샘플 셀과 연관시키는 능력을 생성한다. 이는 위에서 설명한 바와 같이 직접 흡수 분광법(DAS) 또는 다중 고조파 파장 변조 분광법(WMS)을 사용하여 수행될 수 있다. WMS는 더 민감하며 조정시 더 작은 스펙트럼 범위가 필요하다. DAS는 덜 민감하고 더 넓은 스펙트럼 조정이 필요하지만 흡수 특징을 스캔하는 동안 레이저의 추가적인 고속 변조(> 10 kHz)가 필요하지 않으므로 구현하기가 더 쉽다.
따라서, 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종을 검출하기 위한 분광 방법도 본 명세서에서 제공된다. 이 방법은 간섭성의 광원으로부터 검출될 하나 이상의 관심 가스 종과 대기압 미만의 기준 가스를 수용하는 샘플 셀을 통하여 검사 광선을 전송하는 단계를 포함한다. 검사 광선은 또한 대기압 미만의 압력에서 기준 가스를 통과하며, 기준 가스는 샘플 셀에서 검출될 하나 이상의 관심 가스 종 중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시형태에서, 기준 가스는 단일 관심 종을 포함한다. 특정 실시형태에서, 기준 가스는 인라인 기준 셀에 존재한다. 이 방법은 기준 가스와 샘플 셀을 통과한 후 광선의 강도를 검출한 다음, 검출된 광 강도에 기초하여 직접 흡수 분광법(DAS) 신호와 파장 변조 분광법(WMS) 신호를 모두 생성하는 단계를 또한 포함한다. 직접 흡수 분광법(DAS) 신호를 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 대하여 일정한 기준 신호로서 설정함으로써 보정 정보가 생성될 수 있다. 이 방법은 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 기초하여 샘플 셀에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도를 결정하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 파장 변조 분광법(WMS) 신호는 검출된 광 강도의 2차 이상의 강도를 갖는 고조파를 포함한다.
본 개시의 분광 장치는 가스 샘플에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도를 측정할 수 있으며, 분광 장치는 다양한 도면에 도시된 바와 같이 하나의 광원(112)을 포함할 수 있다. 둘 이상의 관심 가스 종이 감지되고 분광 장치가 하나의 광원을 갖는 경우, 이 광원은 특정 관심 가스 종의 분자 흡수 단면과 관련된 개별 파장에서 스펙트럼 특징을 순차적으로 검사하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 관심 가스 종은 5 내지 20 nm 이내와 같이 서로 가까운 파장에서 흡수 스펙트럼 특징을 나타낸다. 예컨대, 수증기가 메탄의 파장보다 더 높은 파장에서 흡수 스펙트럼 특징을 나타내는 가스 샘플이 메탄과 수증기에 대해 감지되거나 검사되는 경우, 광원은 먼저 물의 스펙트럼 특징을 검사한 다음 메탄의 스펙트럼 특징을 검사하도록 구성될 수 있으며, 또는 그 반대로 구성될 수 있다.
대안적으로, 도 14를 참조하면, 본 명세서에 기재된 분광 장치는, 제1 광원(112)이 제1 관심 가스 종의 분자 흡수 단면과 관련된 하나의 파장에서 스펙트럼 특징을 검사하고 제2 광원(1412)이 제2 관심 가스 종의 분자 흡수 단면과 관련된 다른 하나의 파장에서 스펙트럼 특징을 검사하도록 구성된다는 점을 제외하고는, 본 명세서에 기재된 광원(112)과 유사한 제2 광원(1412)을 더 포함할 수 있다. 광원(112) 및 광원(1412)은 차례로 광학 경로(114)를 따르고 본 명세서에 기재된 바와 같이 처리되는 각각의 검사 광선을 순차적으로 전송한다. 제2 광원이 존재하는 경우, 이러한 분광 장치의 ECU는 적용가능한 경우 제2 광원의 작동 및 제어를 허용하기 위해 제2 온도 컨트롤러 및 다른 연결부를 또한 포함할 수 있음이 이해된다.
암모니아(NH3)가 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8211 nm일 수 있으며, 지속 시간은 적어도 50초일 수 있다. 수증기(H2O)가 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8207 nm일 수 있으며, 지속 시간은 1 내지 10초의 범위일 수 있다. 메탄(CH4)이 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8206 nm일 수 있으며, 지속 시간은 1 내지 10초의 범위일 수 있다. 황화수소(H2S)가 검출되고 있는 경우, 흡수 특징이 검사되는 파장은 8202 nm일 수 있으며, 지속 시간은 적어도 50초일 수 있다.
도 15는 본 명세서에 기재된 분광 장치의 일 실시형태의 도면을 도시한다. 감지 유닛(1500)은 다양한 구성 요소의 내부 배열을 도시하기 위해 절결되어 도시되어 있다. 도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도 4c를 포함하여, 다른 도면의 특정 구성 요소는 도 15의 구성요소와 동일할 수 있으므로, 이 구성 요소는, 다른 적용 가능한 도면을 포함하여, 동일한 참조 번호 및 그와 관련된 설명을 가지며, 따라서 이러한 설명은 반복될 필요가 없다. 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 미러(442)는 플랜지 모듈(306) 등의 플랜지 모듈의 사용을 포함하지 않는 방식으로 샘플 셀에 결합될 수 있다. 광원 및 검출기 모듈 하우징(308)에 대한 모든 설명은 광원 및 검출기 모듈 하우징(1508)에 적용가능하다. 또한, 하우징(1508)은 감지 유닛(1500)이 ECU(900)에 연결될 수 있도록 하는, 예를 들어, 밀폐식 밀봉형 커넥터(1512 및 1514)를 더 포함한다. 감지 유닛(1500)은 자체 열전 냉각으로 독립적으로 안정화된 레이저(1520), 자체 열전 냉각으로 독립적으로 안정화된 검출기(1522), 2차 열전 냉각기(1524), 레이저(1520) 및 검출기(1522)로부터 열을 제거하는 것을 돕도록 구성된 2차 열전 냉각기(1524)에 연결된 히트 스트랩(1526), 하나 이상의 기준 가스를 포함하는 검출기 캡(1530), 및 용접된 사파이어 윈도우(1540)를 더 포함한다. 감지 유닛(1500)은 선택적으로 아르곤으로 채워진다. 선택적으로, 모든 부품(2차 열전 냉각부(1524), 히트 스트랩(1526), 검출기 캡(1530), 및 사파이어 윈도우(1540)를 포함하여)은 불활성 분위기 하에서 베이크아웃되어 조립된다. 임의의 실시형태에서, 0.1 ppm 미만의 수분, 바람직하게는 0.01 ppm 미만의 수분이 시스템에 선택적으로 존재할 수 있다. 본 명세서에 기재된 감지 유닛의 실시형태는 선택적으로 -40℃ 내지 50℃ 범위의 온도에서 작동하도록 구성된다. 특정 실시형태에서, 분광계는 밀폐/방수 밀봉을 통해 전자 장치 하우징에 연결된다. 특정 실시형태에서, 감지 유닛은 2차 열전 냉각기(1524)없이 15 W 이하, 바람직하게는 12 W 이하, 보다 바람직하게는 10 W 이하의 전력을 이용하고, 4개의 냉각기가 모두 작동하는 극한 조건에서 60 W 이하, 바람직하게는 50 W 이하의 전력을 이용한다.
도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 다중 통과 샘플 셀(다른 곳에서 기재된 샘플 셀(204) 등) 또는 다른 샘플 셀(샘플 셀(104 및 404) 등)이 감쇠 전반사(ATR) 셀로 대체되는 감지 유닛의 다른 실시형태가 제공된다. 도 16a에서, 감지 유닛(1600)은 광원(112)을 포함한다. 감지 유닛(1600)이 감지 유닛(100, 200, 300, 400, 및 1500)과 유사한 방식으로 도시되지 않을 수 있지만, 도 3a 내지 도 3c, 도 4a 내지 도 4c, 및 도 15를 포함하여, 다른 도면의 특정 구성 요소는 도 16a 내지 도 16c의 구성요소와 동일할 수 있으므로, 이 구성 요소는, 다른 적용 가능한 도면을 포함하여, 동일한 참조 번호 및 그와 관련된 설명을 가지며, 따라서 이러한 설명은 반복될 필요가 없다. 유사하게, 통상의 기술자에 의해 이해되는 다른 감지 유닛의 작동에 관한 다른 관련 설명은 구성 요소의 작동 및 배열과 같은 감지 유닛(1600)에 동일하게 적용될 수 있으며, 반복될 필요가 없다. 예컨대, 광원(112) 및 검출기(122)는 도시된 바와 같이 ATR 셀(1602)의 양쪽에 배열될 수 있고 적어도 도 1a 내지 도 2c에 도시된 배열과 유사할 수 있다. 선택적으로, 도시되지는 않았지만, 광원(112) 및 검출기(122)는 적어도 도 3a 내지 도 4c에 기술되고 도시된 바와 같이 미러을 사용하여 ATR 셀(1602)의 동일한 측면에 또한 배열될 수 있다는 것이 이해된다. 광원(112)은 조정가능한 레이저(예를 들어, 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 또는 대역간 캐스케이드 레이저(ICL) 등) 또는 광대역 광원(예를 들어, LED, 흑체 등)을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
액체 또는 고체 샘플(1604)은 ATR 셀(1602) 위에 놓여진다. ATR 셀 조성물은 다이아몬드, ZnSe, ZnS, 실리콘, 게르마늄 또는 KRS-5 결정을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
샘플이 놓여진 후, 광원(112)은 샘플(1604)과 접촉하는 내부 표면(1603)으로부터 적어도 한 번 반사되는 방식으로 광을 감쇠 전반사(ATR) 셀(1602)로 지향시킬 수 있다. 반사의 수는 입사각을 변화시킴으로써 달라질 수 있다. 광선은 ATR 셀을 나온 후 검출기(122)에 의해 수집된다.
도 16a-16c에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템의 ATR 이후 검출 부분은 다양한 선택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 16a에 도시된 실시형태는 광이 ATR 셀로부터 검출기(122)(예를 들어, IR 검출기) 내로 직접 단순히 통과하는 경우를 예시한다. 도 16b에 도시된 다른 실시형태는 광이 ATR 셀로부터 필터(1606)(예를 들어, 필터 휠 또는 멤스 필터)를 통과한 다음, 검출기(122) 내로 통과하는 것을 예시한다. 도 16b는 광이 ATR 셀에서 빔 스플리터(1608)로 통과하는 또 다른 실시형태를 또한 예시하며, 광의 일부는 빔 스플리터(1608)를 통하고 제1 필터(1606)를 통하여 검출기 내로 통과하고, 다른 부분은 반사되고 다른 필터(1607)를 통해 추가 검출기로 통과된다. 도 16c에 도시된 다른 실시형태는 광이 ATR 셀로부터 회절 광학기(1609)를 통해, 예를 들어, 선형 IR 검출기 어레이와 같은 검출기(122)로 통과하는 것을 예시한다.
조정가능한 레이저를 레이저원(112)으로서 사용하여, 시스템(1600)은 직접 흡수 분광법(DAS) 및 파장 변조 분광법(WMS) 모두를 수행할 수 있다.
도 19a 내지 도 19c를 참조하면, 특정 실시형태에서, 레이저원(112)은 레이저 공동(1902)을 정의하는 본체(1901)를 갖는다. 특정 실시형태에서, 추가적인 기준 셀(1920)이 레이저 공동(1902)에 포함될 수 있다. 레이저(1905)는 각진 광선 탭(1910)을 통과하는 레이저(1908)를 출력한다. 레이저 출력(1908)의 일부분(1911)은 전술한 바와 같이 제공된다. 그러나, 일부분(1912)은 가스 기준 셀(1920)을 통해 검출기(1930)로 다시 반사된다. 레이저원은, 예를 들어, 전기 라우팅 및 열전기 냉각기를 포함할 수 있는 광학 마이크로 벤치(1940)를 또한 포함할 수 있다.
이러한 실시형태는 전체 시스템을 보정하기 위한 대안적인 접근 방식을 제공하며, 레이저 및 검출기 성능에 관한 정보는 레이저원의 기준 가스와 검출기 헤드의 기준 가스에 의해 검증될 수 있다. 레이저원의 추가 검출기(1930) 및 기준 가스(1920)는 관심 가스의 경로에 있지 않으며, 농도가 알려져 있기 때문에 검출된 값을 정량화하는 것을 돕는 데에 사용될 수 있으며, 임의의 신호 변화가 시스템 고장으로 인한 것인지 검출기 헤드에 관심 가스의 존재로 인한 것인지의 여부를 확인할 수 있다. 도 19b에 도시된 바와 같이, 레이저원(112)은 밀폐식으로 밀봉된 버터 플라이 패키지(1903)로서 선택적으로 제공될 수 있다.
본 명세서에 기재된 장치, 시스템, 및 방법의 더 나은 이해를 돕기 위해, 이하의 예가 제공된다. 이하의 예는 본 명세서에 기재된 장치, 시스템, 및 방법의 범위를 제한하거나 정의하기 위한 것은 아니다.
예
예 1: 기준 가스 종으로서 일산화탄소를 사용하여 수소 가스 샘플에서 관심 가스 종으로서의 일산화탄소(CO) 검출
예 1은 도면의 광원(112)과 같은 간섭성의 광원으로서 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 및 도면의 검출기(122)와 같은 HgCdTe(텔루르화 카드늄 수은 즉 MCT) 검출기를 사용하여 일산화탄소 주변 조건을 검출하는 예시적인 분광 장치 및 방법을 제공한다. HITRAN 스펙트럼 데이터베이스의 정보를 사용하면, 약 4600 nm의 스펙트럼 영역에서 약 20 cm의 상대적으로 짧은 경로 길이를 가진 샘플 셀을 사용하여 주변 압력과 온도에서 이론적으로 일산화탄소가 검출될 수 있음이 판정되었다. 특히, 도 17은 질소에 있어서 0.2 ppmv(parts per million volume)의 일산화탄소에 대하여 주변 조건(298 K, 1 atm)에서 20 cm 광학 경로 길이에 대해 HITRAN 스펙트럼 데이터베이스로부터 산출된 스펙트럼을 갖는 분광 검출 영역의 적어도 일부를 도시한다. 이 정보는 예 1의 분광 장치의 광원을 뉴저지 08540, 프린스턴, 워싱턴 로드 201 소재의 SRI에 의해 제조된, 섬유 결합된(+30°C에서 작동) QCL 4680, HHL 패키지로 선택하는 데 사용되었다. 이 QCL 광원은 4600 내지 4700 nm 부근의 스펙트럼 영역을 검사하도록 구성된 검사 광선을 전송하도록 설계되어 있다. 이 HITRAN 정보는 예 1의 분광 장치의 검출기를 HgCdTe(MCT) 검출기로 선택하는 데에 또한 사용된다. HgCdTe(MCT) 광 검출기는 통상의 기술자에게 알려져 있으며 Thor Labs와 같은 제조업체로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 예 1의 HgCdTe(MCT) 광 검출기는 뉴저지 08540, 프린스턴, 워싱턴 로드 201 소재의 SRI에 의해 제조되었다. 예 1에서 사용된 HgCdTe(MCT) 광 검출기는 3 내지 30 마이크론의 중-IR(적외선) 파장 범위에서 검사할 수 있다. HgCdTe(MCT) 광 검출기는 검출기, 특히 감지 구성 요소의 온도를 원하는 특정 범위로 유지하도록 제어될 수 있는 열전 냉각기를 포함할 수 있다.
레이저는 고객 맞춤형 단일 통과 광학 셀에 장착된, 광섬유 결합된(+30°C에서 작동) QCL 4680, HHL 패키지(SRI, 뉴저지 08540, 프린스턴, 워싱턴 로드 201 소재)이다. 레이저 콜리메이트된 레이저 광은 단일 통과 광학 셀에서 전파되어 0.5 m 경로 길이를 생성한다. 광은 단일 통과 광학 셀을 통과한 후 검출기 캡으로 들어간다. 검출기(BV6.4, Intelligent Material Solutions, Inc.)는 ZnSE AR 코팅 윈도우의 다른 쪽에 밀폐적으로 밀봉되어 있다. 이 예에서 검출기는 250 미크론 x 250 미크론이다. 검출기는 -50°C에서 작동하는 열전 냉각기(Melcor 냉각기)에 위치되어 있다.냉각기는 TO-8 헤더(Sinclair Manufacturing)에 장착되어 있다. 검출기의 캡은 밀폐적으로 밀봉되어 있으며, 낮은 압력(13 hPa)에서 N2 및 CO(N2에서 0.5 %)를 기준 가스로서 다시 채워 실시간 보정을 제공한다.
예언적인 예 2: 이 예언적인 예는 이하의 가스 종의 임의의 조합 중 둘 이상에 대한 가상적인 검출에 관한 것이며: 기준 종이 메탄인 수소 가스 샘플의 H2S, CH4, H2O 및 NH3.
도 18a는 40 Torr 및 298 K에서 100 m 경로 길이에 대한 H2S의 직접 흡수 스펙트럼을 도시한다. H2S의 가장 강한 흡수 라인은 2.6 미크론 및 8 미크론의 스펙트럼 영역에서 광대역 내에 광범위하게 분포되어 있다. 2.6 및 2.7 미크론 영역에서 각각 H2O의 기본(가장 강한) 흡수 대역과 CO2의 강한 배음 대역으로 인해 상당한 간섭이 관찰된다. 마찬가지로, 7.8 미크론 부근의 CH4의 강한 배음 흡수 대역도 중적외선 H2S 대역을 방해한다. H2S 흡수 라인에 대한 강한 인접 피크의 영향을 최소화하려면, 광학(다중 통과 샘플) 셀의 압력을 감소하여 선폭을 좁힐 필요가 있다. 선폭이 좁더라도, H2S의 약한 흡수 라인은 필요한 검출 한계와 정밀도를 달성하기 위해 훨씬 더 긴 광학 경로 길이와 더 긴 통합 시간을 필요로 한다.
H2S의 가장 강력하고 가장 분리된 흡수 라인을 식별하기 위해 HITRAN 및 GEISA 스펙트럼 데이터베이스가 분석되었다. 도 18b는 H2S(1803), NH3(1804), CH4(1802) 및 H2O(1801)가 모두 상당히 강한 흡수 특징을 갖는 영역에 대해 산출된 HITRAN 스펙트럼을 도시한다. 네 가지의 가스는 모두 100 m 경로 길이, 40 Torr 압력, 및 298 K(즉, 5 ppbv H2S, 0.2 ppmv CO, 2 ppmv CO2, 0.1 ppmv NH3, 5 ppmv H2O)에 대한 ISO 사양으로 표시된다. 분수 흡광도(y 축)는 대수 눈금으로 표시된다. 여러 개의 분리된 라인은 다중 종 검출을 허용한다. 스펙트럼 범위(2.5 cm-1)는 대부분의 양자 캐스케이드 레이저(5 cm-1)의 현재 조정 속도보다 작으므로, 단일 레이저는 이러한 모든 흡수 특징을 검사할 수 있다.
이 파장에서의 검출은 개별 라인을 검사하기 위해 레이저 전류를 조정하는 것에 의존한다. 예 2의 검출 방식은 8211 nm (1804)에서 NH3 라인이 먼저 100초 동안 검사되는 것을 제공한다. 흡광도가 2 x 10-5 인 경우, 측정 정밀도는 20 : 1이 될 것이다. 다음으로, 레이저는 측정의 몇 초 동안 8207 nm (1801)에서 강한 H2O 라인으로 조정된다. 유사한 방식으로, 8206 nm (1802)에서 훨씬 더 강한 CH4 라인도 몇 초 동안만 검사된다. 나머지 측정 기간 동안, 8202 nm (1803)에서 분리된 H2S 흡수 피크가 검사된다. 가장 약한 흡수 라인이기 때문에, 대부분의 측정 기간은 이 특징의 신호 평균화에 전용된다. 적어도 10 : 1의 신호 대 잡음비는 5 ppbv에서 예상된다. 네 가지의 가스는 모두 그 ISO 사양(즉, 5 ppbv H2S, 0.2 ppmv CO, 2 ppmv CO2, 0.1 ppmv NH3, 5 ppmv H2O) 미만에서 측정된다.
통상의 기술자는 정기적인 실험, 본 명세서에 기재된 본 발명의 특정 실시형태에 대한 많은 등가물 만을 사용하여 인지하거나 확인할 수 있을 것이다. 이러한 등가물은 이하의 청구범위에 포함되도록 의도된다.
Claims (24)
- 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종을 검출하기 위한 분광 장치로서,
광원 및 검출기 모듈과, 광원 및 검출기 모듈에 인접한 샘플 셀을 포함하는 감지 유닛을 포함하며,
광원 및 검출기 모듈은 광원 및 검출기 모듈 하우징과, 기준 가스와, 검출기와, 샘플 셀을 한 번 이상 통해 그리고 기준 가스를 통해 검출기 내로 이동하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함하며,
광원와, 기준 가스와, 검출기는 광원 및 검출기 모듈 하우징 내에 있는 분광 장치.
- 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종을 검출하기 위한 분광 장치로서,
광원 모듈과, 검출기 모듈과, 광원 모듈과 검출기 모듈 사이의 샘플 셀을 포함하는 감지 유닛을 포함하며,
광원 모듈은 광원 모듈 하우징과, 검출기 모듈을 향하는 광학 경로를 따라 검사 광선을 전송하도록 구성된 광원을 포함하며,
검출기 모듈은 검출기 모듈 하우징과, 검출기와, 기준 가스를 포함하되, 상기 검출기가 검출기 모듈 하우징 내에 있으며,
검출기는 광학 경로가 광원으로부터 샘플 셀 및 기준 가스를 통해 검출기를 향해 연장하도록 광학 경로에 위치되는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 장치는 별도의 기준 셀을 포함하지 않는 분광 장치.
- 제 3 항에 있어서,
검출기는 기준 가스를 포함하는 분광 장치.
- 제 4 항에 있어서,
검출기는 기준 가스를 보유하는 검출기 캡을 포함하는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
감지 유닛은 기준 가스를 보유하는 기준 셀을 더 포함하는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
기준 가스는 검출될 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종을 포함하며,
선택적으로 기준 가스는 대기압 미만의 압력을 갖는 분광 장치.
- 제 7 항에 있어서,
기준 가스는 검출될 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종 및 적어도 하나의 분광 불활성 가스 종을 필수적으로 포함하고, 질소를 선택적으로 포함하는 분광 장치.
- 제 7 항에 있어서,
샘플 셀은 기준 가스에서 검출될 적어도 하나의 관심 가스 종을 포함하는 분광 장치.
- 제 7 항에 있어서,
샘플 셀은 수소 가스 및 기준 가스에서 검출될 적어도 하나의 관심 가스 종을 포함하는 분광 장치.
- 제 7 항에 있어서,
검출될 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종은 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 및 암모니아(NH3) 중 적어도 하나를 포함하는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
샘플 셀은 다중 통과 광학 셀을 포함하는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
샘플 셀은 단일 통과 광학 셀을 포함하는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
광학 경로가 광원으로부터 샘플 셀로 이동하는 제1 광 투과 윈도우를 더 포함하는 분광 장치.
- 제 14 항에 있어서,
제1 윈도우는 1 mm2 내지 30 mm2 범위의 영역을 갖는 분광 장치.
- 제 14 항에 있어서,
제1 및 제2 윈도우는 0.5 mm 내지 10 mm 범위의 두께를 갖는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
샘플 셀은 샘플 가스의 흐름이 샘플 셀로 도입될 수 있도록 허용하는 샘플 가스 입력 포트 및 샘플 가스 출력 포트를 더 포함하는 분광 장치.
- 제 17 항에 있어서,
샘플 가스 입력 포트와 샘플 가스 출력 포트는 서로로부터 약 180도 위치에 있는 분광 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
기준 셀과 샘플 셀을 통과한 후의 광선의 강도에 기초하여, 기준 셀로부터 직접 흡수 분광법(DAS) 신호 및 샘플 셀로부터 파장 변조 분광법(WMS) 신호를 분리하고, 직접 흡수 분광법(DAS) 신호를 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 대하여 일정한 기준 신호로서 설정함으로써 보정 정보를 생성하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는 분광 장치.
- 제 19 항에 있어서,
파장 변조 분광법(WMS) 신호는 기준 셀 및 샘플 셀을 통과한 후의 광선의 강도의 2차 이상의 고조파를 포함하는 분광 장치.
- 제 19 항에 있어서,
프로세서는 샘플 셀로부터의 보정된 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 기초하여 샘플 셀에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도를 결정하도록 구성된 분광 장치.
- 가스 샘플에서 하나 이상의 관심 가스 종을 검출하기 위한 분광 방법으로서,
간섭성의 광원으로부터 검출될 하나 이상의 관심 가스 종과 대기압 미만의 기준 가스를 포함하는 샘플 셀을 통하여 검사 광선을 전송하되, 상기 기준 가스가 샘플 셀에서 검출될 하나 이상의 관심 가스 종 중 적어도 하나를 포함하는 단계;
기준 셀 및 샘플 셀을 통과한 후의 광선의 강도를 검출하는 단계;
검출된 광 강도에 기초하여 직접 흡수 분광법(DAS) 신호를 생성하는 단계;
검출된 광 강도에 기초하여 파장 변조 분광법(WMS) 신호를 생성하는 단계; 및
직접 흡수 분광법(DAS) 신호를 파장 변조 분광법(WMS) 신호에 대하여 일정한 기준 신호로서 설정함으로써 보정 정보를 생성하는 단계를 포함하는 분광 방법.
- 제 22 항에 있어서,
파장 변조 분광법(WMS) 신호에 기초하여 샘플 셀에서 하나 또는 둘 이상의 관심 가스 종의 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는 분광 방법.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
파장 변조 분광법(WMS) 신호는 검출된 광 강도의 2차 이상의 강도를 갖는 고조파를 포함하는 분광 방법.
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