KR20220008450A - 듀얼타입 굴뚝 먼지측정 장치 - Google Patents

듀얼타입 굴뚝 먼지측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 광투과 방식의 장점과 광산란 방식의 장점을 가지는 듀얼 타입의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여 광을 발생하는 광원; 및 상기 광원에서 발생한 빛은 직진하며, 하프미러를 통과하며, 상기 하프미러를 통과한 빛은 굴뚝 내부 또는 굴뚝을 관통하여 구비된 반사경; 및 상기 반사경에서 반사된 빛은 180도 방향을 바꾸어 다시 상기 하프미러에서 90도로 반사되어 투과광포토디텍터에 입사되고 산란광포토디텍터를 구비한 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치에 있어서, 상기 산란광포토디텍터는 상기 반사경을 제외하고, 상기 굴뚝과 분리되어 상기 광원, 하프미러 및 투과광포토디텍터를 내부에 포함하는 광학측정챔버; 내부에 상기 광원과 상기 반사경을 있는 광축의 선상의 상기 굴뚝 내부의 한 점 또는 상기 굴뚝 내부의 광선 상의 직선에 초점을 맞추어 설치되는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여, 광투과 방식과 광산란 방식을 동시에 사용함으로써 정확한 굴뚝의 먼지를 측정할 수 있는 수단을 제공하고, 특히 광산란방식에서 측정되는 빛을 이용하여 특정 크기의 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

듀얼타입 굴뚝 먼지측정 장치{Dual Type Stack Dust Measuring Apparatus}
본 발명은 굴뚝에서 배출되는 배출 가스에 포함된 먼지의 농도를 측정하기 위한 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 굴뚝배출 가스에 포함된 먼지의 양을 측정할 수 있으며, 더욱이 먼지의 농도를 입자크기 별로 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명 이전의 선행기술로는 전원공급부 및 미리 설치된 프로그램에 따른 제어신호를 발하는 CPU 및 굴뚝으로 배출되는 오염물질을 감지하여 측정하는 센서부 및 회전력을 발생시키는 구동모터와 굴뚝으로부터 배출되는 오염물질을 흡입하기 위한 에어블로워와 상기 에어블로워 및 CPU를 상온(常溫)으로 유지하기 위한 히팅라인을 가진 구동부 및 소정 압력을 측정하기 위한 로워프레져센서와 상기 로워프레져센서 보다 높은 압력을 측정하기 위한 하이프레져센서로 이루어지고, 호스커넥터를 통해 상기 에어블로워와 연결된 스위치부 및 상기 전원공급부, CPU, 센서부, 구동부, 스위치부를 수용하여 고정시키는 뼈대로서 기능하는 몸체 및 상기 몸체의 외부에 설치되고, 상기 에어블로워를 통해 상기 히팅라인과 연결되며, 먼지측정이 완료된 오염물질을 걸러주는 필터박스를 포함한 장치가 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 배출 가스의 성분 및 농도 측정 장치가, 적외선을 발생시켜 조사하는 광원, 적외선의 진행 경로를 형성하고, 적외선의 진행방향과 연직 방향으로 배출 가스를 통과시키는 측정셀, 제 1 성분을 측정하기 위한 제 1 센서 및 제 2 성분을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고, 제 1 센서 및 제 2 센서를 이용하여 배출 가스를 통과한 적외선의 에너지 레벨을 측정하는 광검출부, 및 제 1 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을, 제 2 센서에서 측정된 제 1 성분 및 제 2 성분에 대한 측정값을 이용하여 보정하는 제어부를 포함하는 기술이 개시되어 있다.
등록특허공보 제10-0776223호 등록특허공보 제10-0910871호
본 발명에서 해결하고자하는 과제는 2 가지이다. 우선 기존의 광투과 방식의 장점과 광산란 방식의 장점을 가지는 듀얼 타입의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공하고자 한다.
또한, 굴뚝에서 배출되는 미세먼지를 측정하기 위하여 광산란 방식의 굴뚝 미세먼지 측정방법도 함께 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
광을 발생하는 광원; 및
상기 광원에서 발생한 빛은 직진하며, 하프미러를 통과하며,
상기 하프미러를 통과한 빛은 굴뚝 내부 또는 굴뚝을 관통하여 구비된 반사경; 및
상기 반사경에서 반사된 빛은 180도 방향을 바꾸어 다시 상기 하프미러에서 90도로 반사되어 투과광포토디텍터에 입사되고 산란광포토디텍터를 구비한 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치에 있어서,
상기 산란광포토디텍터는 상기 반사경을 제외하고, 상기 굴뚝과 분리되어 상기 광원, 하프미러 및 투과광포토디텍터를 내부에 포함하는 광학측정챔버; 내부에 상기 광원과 상기 반사경을 있는 광축의 선상의 상기 굴뚝 내부의 한 점 또는 상기 굴뚝 내부의 광선 상의 직선에 초점을 맞추어 설치되는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 산란광포토디텍터는 복수로 구비되어 여러 위치에서 상기 굴뚝 내부의 먼지를 측정하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 굴뚝 먼지측정 장치에는 먼지 입자를 크기에 따라 측정하기 위하여, 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터의 필터는 입사되는 광의 광량을 제한하는 것으로, PM2.5, PM10을 측정하기 위한 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여, 광투과 방식과 광산란 방식을 동시에 사용함으로써 정확한 굴뚝의 먼지를 측정할 수 있는 수단을 제공하고, 특히 광산란방식에서 측정되는 빛을 이용하여 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 굴뚝먼지측정 장치 개념도
도 2는 본 발명의 산란광측정센서가 더 구비된 굴뚝먼지측정 장치 개념도
도 3은 본 발명의 산란광 방식의 먼지측정 개념도
도 4는 본 발명의 미세먼지를 측정하기위한 산란광측정센서가 더 구비된 굴뚝먼지측정 장치 개념도
도 5는 본 발명의 미세먼지를 측정원리 개념도
도 6은 본 발명의 산란광 방식의 포토센서의 설치위치를 설명해주는 설명도이다.
본 발명의 작용효과를 도면을 이용하여 설명하면, 하기와 같다.
도 1은 기존의 굴뚝 먼지 측정 장치의 개념도 이다. 광경로를 보면, 광원(110)에서 빛이 나와 하프미러(120)를 통하여 직진하여 반사경(130)에 반사되어 빛의 방향이 180도 전환하여 다시 상기 하프미러(120)에서 반시계방향으로 90도 방향전환하여 투과광포토디텍터(PD1, 140)로 입사되어 광의 세기를 측정한다.
상기 하프미러(120)를 통하여 직진하여 반사경(130)에 반사되어 빛의 방향이 180도 전환하여 다시 상기 하프미러(120)로 오는 사이에 굴뚝의 단면을 빛이 통과하면서 굴뚝에서 배출되는 배기가스 내의 먼지를 측정한다.
측정 원리는 상기 굴뚝의 단면을 통과하기 전과 통과한 후의 빛의 광량의 차이를 전기적으로 측정하여 줄어든 광량이 먼지에 의한 것으로 계산하여 굴뚝에서 배출되는 먼지의 총량을 측정한다.
도 1에 도시된 기존의 굴뚝먼지 측정 장치의 단점은 투과식으로 측정하는 것이어서 먼지 전체 총량을 알 수 있을 뿐, 산란광식에서 먼지의 크기를 측정할 수 있는 것과는 차이가 있다.
도2는 기존의 굴뚝 먼지 측정 장치가 먼지 총량만을 측정할 수 있을 뿐이어서, 미세먼지 또는 초미세먼지를 측정할 수 없는 문제를 해결하고자, 산란광포토디텍터(PD2, 145)를 더 구비하였다.
도2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 광원은 기존의 광원을 사용하고 다만 광디텍터로 산란광포토디텍터(145)를 더 추가하여, 상기 굴뚝의 상기 광원(110)이 지나가는 경로에서 발생하는 상기 광원과 먼지의 충돌에 의하여 발생하는 산란광을 측정할 수 있도록 하였다.
상기 산란광포토디텍터에는 필요에 따라 상기 광경로에 포커싱이 되도록 산란광측정렌즈를 더 구비할 수 있다.
도3은 산란광에 의하여 먼지를 측정하는 산란광방식의 입경측정 방법을 도시하고 있다. 광원에서 발생한 빛이 입자에 부딪치면, 산란광이 발생하고, 상기 산란광이 퍼지는 방향은 3차원 공간에서 상기 빛과 상기 입자의 부딪히는 각도와 위치에 따라 달라지게 되며, 입자가 충분히 작은 경우 어려 각도에서 측정가능하다. 도면에 도시된 바와 같이 상기 산란광의 크기는 광이 충분하다는 가정에서 입자의 크기에 비례하여 산란광의 세기도 크게 나타난다. 이러한 산란광의 성질을 이용하여 산란광의 크기가 일정세기로 측정되는 값을 미세먼지, 그 이하의 측정값은 초미세먼지, 그 이상의 측정값은 먼지로 측정하여 표시할 수 있다.
그동안 굴뚝에 있어서, 산란광방식의 먼지측정 방식을 사용하기 어려운 문제점은 상기 산란광포토디텍터를 설치할 위치를 찾을 수 없었기 때문이다. 굴뚝 내에 설치하기에는 굴뚝의 먼지와 습기가 많은 환경이 문제가 되었으며, 굴뚝밖에 설치하는 경우 본 발명의 광투과식 먼지측정시스템이 먼지의 총량을 측정하는데 더욱 유리하였기 때문이다.
그러나, 최근 들어 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 미세먼지측정도 필요하게되어 상기 산란광포토디텍터를 굴뚝 먼지측정에 사용할 기술을 개발하게 되었다.
도1의 광학측정챔버(300) 내에 상기 산란광포토디텍터(145)를 위치하고 초점을 상기 굴뚝의 광경로에 맞춰줌으로써 산란광을 측정할 수 있도록 구성하였다.
본 발명은 기존의 광투과식 굴뚝 배기가스 먼지측정시스템과 광산란방식의 먼지측정시스템을 함께 사용함으로써 굴뚝에서의 먼지측정을 더욱 정확하게 할 수 있는 수단을 제공하고, 상기 광투과식 굴뚝 배기가스 먼지측정시스템에서는 측정할 수 없었던 먼지의 입경별 측정결과를 함께 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 산란광측정용 산란광포토디텍터(145, 146)를 복수개 사용하여 각각의 측정 결과를 이용하여 미세먼지 와 초미세먼지를 구분하여 정확하게 측정할 수 있는 구성을 제공하는 것이다.
일반적으로 1개의 산란광포토디텍터를 이용하여 타임도메인에서 도3에 도시된 바와 같은 신호를 얻을 수 있고, 광신호를 크기는 입자의 크기에 비례하므로, 작은 신호를 카운트하고 일정 크기 이상의 신호는 버림으로써 미세먼지를 측정할 수 있다.
그러나 이러한 방법은 미세먼지의 양이 많은 경우 이들의 산란광이 합쳐진 형태로 측정되는 것이어서 굴뚝과 같이 먼지의 양이 많은 환경에서는 사용이 어렵다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 도4와 같이 복수개의 산란광포토디텍터를 사용한다. 상기 광원에서 나오는 빛이 굴뚝에 입사되는 광경로 상의 한 점을 상기 산란광포토디텍터와 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 사용한다. 상기 필터드산란광포토디텍터는 상기 산란광포토디텍터의 전방에 일정 광량을 차단할 수 있는 필터를 구비한 산란광포토디텍터이다. 상기 필터는 측정하고자 하는 입자에서 발생하는 산란광을 차단하는 구성으로, 측정하고자 하는 입자의 크기 이상에서 발생하는 산란광만을 측정한다. 즉, 필터가 없어 전체 산란광이 측정된 PD2의 신호에서 필터를 구비하여 측정하고자 하는 입자의 산란광이 제거된 PD3의 신호의 차이를 구하면 그 신호의 크기가 측정하고자 하는 입자에서 발생한 산란광의 신호가 되고 이를 계산하여 입자의 개수를 계산할 수 있다.
그런데 상기 PD3에서 측정된 신호를 필터의 구성에 의하여 다른 신호들도 그 크기가 작아지는 것이어서, 그 작아진 신호의 크기만큼 신호를 증폭하여야 정확한 신호를 측정할 수 있다. 도5는 PD2, PD3에서 측정한 신호(A, B)와 PD3의 신호(B)를 증폭하여 스케일링한 신호(B’)와 신호들의 차이(A-B’ = C)를 구하여 측정하고자 하는 크기에 해당하는 입자에서 발생한 산란광 신호를 계산한다. 이 산란광의 크기를 입자1개에서 발생하는 산란광의 크기로 나누어주면 입자의 개수를 구할 수 있다. 입자의 크기를 여러 단계로 나누어 측정하고자하는 경우 상기 필터드산란광포토디텍터에 여러 필터를 구비하여 측정하면 여러 단계의 입자의 크기를 계산할 수 있다.
도6은 본 발명의 상기 산란광포토디텍터와 필터드산란광포토디텍터를 설치할 광학측정챔버 내의 위치를 도시하고 있다.
화살표로 표시된 위치에 설치할 수도 있고, 상기 광학측정챔버를 STACK에 근접할 수 있도록 설계 변경하여 설치할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 작용효과를 나타내기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
광을 발생하는 광원; 및
상기 광원에서 발생한 빛은 직진하며, 하프미러를 통과하며,
상기 하프미러를 통과한 빛은 굴뚝 내부 또는 굴뚝을 관통하여 구비된 반사경; 및
상기 반사경에서 반사된 빛은 180도 방향을 바꾸어 다시 상기 하프미러에서 90도로 반사되어 투과광포토디텍터에 입사되고 산란광포토디텍터를 구비한 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치에 있어서,
상기 산란광포토디텍터는 상기 반사경을 제외하고, 상기 굴뚝과 분리되어 상기 광원, 하프미러 및 투과광포토디텍터를 내부에 포함하는 광학측정챔버; 내부에 상기 광원과 상기 반사경을 있는 광축의 선상의 상기 굴뚝 내부의 한 점 또는 상기 굴뚝 내부의 광선 상의 직선에 초점을 맞추어 설치되는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 산란광포토디텍터는 복수로 구비되어 여러 위치에서 상기 굴뚝 내부의 먼지를 측정하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 굴뚝 먼지측정 장치에는 먼지 입자를 크기에 따라 측정하기 위하여, 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터의 필터는 입사되는 광의 광량을 제한하는 것으로, PM2.5, PM10을 측정하기 위한 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치를 제공한다.
10 : 굴뚝
100 : 굴뚝먼지측정기
100’: 듀얼타입 굴뚝먼지측정기
110 : 광원
120 : 하프미러
130 : 반사경
140 : 투과광포토디텍터PD1
145: 산란광포토디텍터PD2
146: 필터드산한광포토디텍터PD3
147: 미세먼지산란광필터
150 : 보상반사비교미러
160 : 전면보호윈도우
170 : 영점보상미러
180 : 회전필터LINK2
181 : D1
182 : V2
183 : W1
184 : M2
190 : 회전필터LINK1
191 : F1
192 : F2
193 : F3
194 : V1
195 : M1
200 : 뷰어용하프미러
210 : 뷰어
300 : 광학측정챔버

Claims (4)

  1. 광을 발생하는 광원; 및
    상기 광원에서 발생한 빛은 직진하며, 하프미러를 통과하며,
    상기 하프미러를 통과한 빛은 굴뚝 내부 또는 굴뚝을 관통하여 구비된 반사경; 및
    상기 반사경에서 반사된 빛은 180도 방향을 바꾸어 다시 상기 하프미러에서 90도로 반사되어 투과광포토디텍터에 입사되고 산란광포토디텍터를 구비한 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치에 있어서,
    상기 산란광포토디텍터는 상기 반사경을 제외하고, 상기 굴뚝과 분리되어 상기 광원, 하프미러 및 투과광포토디텍터를 내부에 포함하는 광학측정챔버; 내부에 상기 광원과 상기 반사경을 있는 광축의 선상의 상기 굴뚝 내부의 한 점 또는 상기 굴뚝 내부의 광선 상의 직선에 초점을 맞추어 설치되는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산란광포토디텍터는 복수로 구비되어 여러 위치에서 상기 굴뚝 내부의 먼지를 측정하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    굴뚝 먼지측정 장치에는 먼지 입자를 크기에 따라 측정하기 위하여, 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터의 필터는 입사되는 광의 광량을 제한하는 것으로, PM2.5, PM10을 측정하기 위한 필터가 구비된 필터드산란광포토디텍터를 1개 또는 2개 이상 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 듀얼방식의 굴뚝 먼지측정 장치.
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