KR20220062064A - 현장 가스 분석 시스템 - Google Patents

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카르식 쿠마르 소만길리 크리쉬나무르티
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Abstract

본 발명은 연도가스 구역(65)에서 현장 가스 분석을 위한 시스템(1000)을 구상한다. 시스템(1000)은 레이저 빔 소스(20)가 내장된 엔클로저(10), 프로브, 감지기(70) 및 처리 장치로 구성된다. 프로브는 광학 도파관(60), 데드 존(30), 측정 구역(40) 및 반사 챔버(50)으로 구성된다. 광학 도파관(60)은 데드 존(30)의 먼 쪽 끝에서 생성된 레이저 빔을 측정 구역(40)으로 연장되고 투사된다. 연도가스가 측정 구역(40)을 통과하여 레이저 빔에 노출된다. 반사 챔버(50)는 렌즈(52)와 거울(54)로 구성된다. 감지기(70)는 반사된 레이저 빔을 감지하여 처리장치에 의해 처리될 신호를 생성시켜 기체의 성분을 계산한다. 시스템(1000)은 샘플링이 필요하지 않으며 매우 정확하다.

Description

현장 가스 분석 시스템
본 발명은 가스 분석을 위한 시스템 분야와 관련이 있다. 특히, 본 발명은 연도가스의 특성화를 위한 가스 분석 시스템과 관련이 있다.
아래의 배경 정보는 본 발명과 관련이 있지만 반드시 선행 기술은 아니다.
최근의 환경 규제 규범에는 화석 연료로 구동되는 발전소의 연도가스 내 NOx와 CO의 측정 및 제어가 필요하다. NOx 배출을 제어하려면 선택적 촉매 환원(SCR) 및 선택적 비촉매 환원(SNCR)을 사용하여 NOx를 줄여야 한다. 이 두 경우 모두 높은 온도(300°C 이상)에서 암모니아(NH3)를 분사하여 NOx를 질소 및 물로 환원시킨다. 발전소의 연소 과정 및 부하 변동으로 인해, 연도가스의 NOx 및 NH3(암모니아 슬립) 농도는 크게 변화한다. 따라서 보일러의 규제 요건과 활성 연소 제어를 위해 연도가스 혼합물의 현장 및 실시간 측정이 필요하다.
현재는 스택에서 연도가스를 샘플링(열/냉간 추출)하고 샘플링 지점으로부터 10~30m 거리에 설치된 분석기에서 측정을 수행한다. 이 기법의 가장 큰 단점은 샘플링된 가스의 화학양론 변화 또는 샘플링 라인 온도의 변동으로 인한 응축이다. 이러한 화학양론, 염분 형성 또는 응축의 변화를 방지하기 위해, 샘플링 라인은 자동 온도(열대 기후의 경우) 또는 히터 전력(저온 기후의 경우) 제어를 사용하여 미리 결정된 고온(가스 혼합물의 이슬점 기준)으로 일정하게 유지한다. 측정 과정의 충실도를 보장하기 위해 테스트 가스로 정기적으로 모니터링하고 조정해야 한다. 따라서 이러한 유형의 시스템에 대한 운영 및 유지보수 비용이 높아진다.
복잡한 가스 샘플링 및 조절 과정으로 인한 어려움을 완화하기 위해, 가스 종 농도를 가스 흐름 경로에서 직접 측정할 수 있는 현장 프로브가 개발되었다. 이 실시간 측정을 통해 전력 수요에 기반한 부하 곡선과 동기화하여 연소기를 능동적으로 제어할 수 있다.
기존 현장 시스템은 가스 종 농도 측정을 위해 튜너블 다이오드 레이저(TDL)와 직접 광학 흡수 분광기(DOAS) 기법을 사용한다. 연도가스는 시스템의 측정 구역을 형성하는 필터 세트를 통해 확산 프로브에서 확산된다. 프로브의 한쪽 끝에서 나오는 레이저 방사선은 역반사기를 사용하여 다른 쪽 끝에서 반사되어 프로브의 약 두 배 길이의 측정 경로 길이를 형성한다. 이 방법에는 두 가지 주요 제한이 있는 데, 첫 번째 제한은 고온에서 저농도를 측정하는 것이다. 높은 연도가스 온도에서 흡수 가스 분자의 라인 강도가 감소하여 농도의 측정 민감도가 감소하고 신호 대 소음 비율이 저하된다. 두 번째 한계는 레이저의 신뢰성이다. 이는 주로 스택 월로부터의 열 전도로 인한 레이저 주파수 드리프트로 나타난다. 현장 측정 시스템의 작동 비용이 높아지는 레이저 드리프트를 방지하기 위해서는 추가적인 냉각 메커니즘이 필요하다.
기존 가스 분석 시스템은 광학 정렬이 어려워 대형 측정 구역(5m 이상)으로의 심층 침투에는 적합하지 않다. 진동으로 인해 기존 시스템에서는 신호 저하가 발생한다. 기존 시스템도 고비용 부식 방지 고온 거울이 필요하다. 또한 레이저 소스를 일정한 온도로 유지해야 하는 경우에는 기존 시스템이 적합하지 않다.
따라서 앞서 언급한 하나 이상의 단점을 완화하는 현장 가스 분석 시스템이 필요하다.
여기서 적어도 하나의 실시예가 만족하는 본 발명의 목적 중 일부는 다음과 같다.
본 발명의 주요 목적은 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온에서 낮은 가스 농도를 정확하게 측정할 수 있는 현장 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 또 다른 목적은 추가적인 냉각 메커니즘이 필요 없는 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것으로서 여기에는 광학 정렬에 어려움이 없다.
다만 본 발명의 또 다른 목적은 실시간 측정이 가능한 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 흐름 경로에서 직접 가스 농도를 측정하는 현장 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 또 다른 목적은 가스 응결이 수반되지 않는 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 운영 및 유지관리 비용이 적게 드는 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
다만 본 발명의 또 다른 목적은 진동의 영향을 받지 않는 현장 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온에 내성이 있어야 하는 현장 가스 분석 시스템을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 또 다른 목적은 부식에 대한 내성이 있어야 하는 현장 가스 분석을 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적과 장점은 아래의 설명에서 더 분명할 것이며, 이는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
본 발명은 연도가스 지역의 현장 가스 분석을 위한 시스템을 구상하고 있다. 이 시스템은 엔클로저, 엔클로저에 내장된 레이저 빔 소스, 연도가스 영역에 프로빙을 위해 삽입할 수 있는 관형 프로브, 감지기 및 처리 장치로 구성된다. 레이저 빔 소스는 레이저 빔을 생성하도록 구성된다. 관형 프로브는 광학 도파관, 데드 존, 측정 구역 및 반사 챔버로 구성된다. 광학 도파관은 레이저 빔 소스에서 생성된 레이저 빔을 수신하고 전도하도록 구성된다. 데드 존은 주변의 연도가스로부터 포함된 광학 도파관을 지지하고 격리하도록 구성된 구역이다. 광학 도파관은 데드 존의 먼 쪽 끝에서 생성된 레이저 빔까지 연장되어 투사된다. 측정 구역은 광학 도파관에 의해 투사된 레이저 빔을 수신하도록 구성된다. 측정 구역은 연도가스가 그곳을 통과하여 투사된 레이저 빔에 노출되도록 구성된다. 반사 챔버는 측정 구역의 먼 쪽 끝에 위치한다. 반사 챔버는 측정 구역의 연도가스에 노출된 투사 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 첫 번째 초점 렌즈와 광학 도파관을 향해 초점을 맞춘 레이저 빔을 반사하기 위한 거울로 구성된다. 감지기는 반사된 레이저 빔을 감지하고 하나 이상의 해당 감지된 신호를 생성하도록 구성되어 있다. 처리 장치는 연도가스 성분을 계산하기 위해 감지기에서 감지된 신호를 처리하도록 구성된다.
레이저 빔 소스는 분석 중인 연도가스에 존재하는 특정 분자를 식별하기 위해 생성된 레이저 빔의 주파수 스펙트럼을 튜닝할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
관형 프로브는 열 절연 뿐만 아니라 구조적으로 광학 도파관을 지지하기 위해 데드 존을 따라 열 절연 겸 지지 튜브로 구성되어 있다는 장점이 있다. 또한, 절연 겸 지지 튜브는 첫 번째 실드, 두 번째 실드 그리고 첫 번째 실드와 두 번째 실드 사이의 공간에 의해 정의되는 에어 재킷으로 구성되는 것이 바람직하다. 에어 재킷은 외부 온도의 압축 공기가 그곳을 통과하도록 구성되어 있다.
실시예에서, 엔클로저는 온도 안정적이며 연도가스 영역 외부에 배치되도록 구성된다.
일반적으로 감지기에는 레이저 광학 센서가 포함되어 있다.
측정 구역에는 주변 연도가스 영역에서 측정 구역으로 연도가스를 확산시킬 수 있는 디퓨저가 제공되는 것이 바람직하다. 또는 측정 구역은 열린 경로 셀이다.
일반적으로 광파관에는 생성된 레이저 빔을 전송하고 레이저 빔을 측정 구역으로 투사하기 위한 다수의 송신 케이블과 반사된 레이저 빔을 수신하고 반사 빔을 감지기로 전송하기 위한 하나 이상의 수신 케이블이 포함된다.
실시예에서 광학 도파관은 다수의 전송 케이블 세트와 다수의 수신 케이블을 포함한다. 다수의 송신 케이블에는 적어도 첫 번째 송신 케이블 세트 그리고 첫 번째 주파수 대역과 두 번째 주파수 대역이 포함된 첫 번째 생성된 레이저 빔을 전송 및 투영하기 위한 두 번째 전송 케이블 세트가 포함된다. 다수의 수신 케이블은 해당 첫 번째 반사 레이저 빔 및 해당 두 번째 반사 레이저 빔을 각각 수신 및 송신하기 위한 첫 번째 수신 케이블 및 두 번째 수신 케이블을 포함한다. 따라서 반사 챔버는 반사 챔버의 세로 축을 따라 차례로 배치된 최소 두 개의 거울로 구성되며, 첫 번째 거울은 첫 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성되고 두 번째 거울은 두 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성된다. 또한 감지기는 첫 번째 반사 레이저 빔과 두 번째 반사 레이저 빔을 포함한 다수의 반사 레이저 빔에 초점을 맞추기 위한 두 번째 초점 렌즈로 구성된다. 따라서 데드 존은 데드 존의 먼 쪽 끝에 위치한 첫 번째 콜리메이션 렌즈 어셈블리로 구성된다.
실시예에서, 엔클로저에는 레이저 빔 소스당 하나의 가스 셀과 함께 보정을 위해 제공되는 다수의 가스 셀이 들어 있다.
광학 도파관은 As-Se, As-Se-Te, Ge-Sb-Se와 같은 칼코겐(chalcogenic) 원통형 원료로 제작되거나 중공 도파관인 것이 바람직하다.
첫 번째 초점 렌즈는 볼록 렌즈와 프레넬 렌즈를 포함하는 렌즈 그룹으로 구성된다.
본 발명의 현장 가스 분석을 위한 시스템은 다음에 첨부된 도면을 통해 설명된다.
도 1은 실시예에 따른 본 발명의 현장 가스 분석을 위해 제안된 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 현장 가스 분석을 위한 시스템의 관형 프로브 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 시스템의 반사 챔버, 데드 존 및 측정 구역을 드러내는 관형 프로브의 측단면도를 나타낸다.
도 4A는 다른 실시예에 따라 본 발명의 현장 가스 분석을 위한 관형 프로브의 단면도를 나타낸다.
도 4B는 도 4A의 실시예에 따른 반사 챔버의 측단면도를 나타낸다.
도 5에는 도 4A-4B의 실시예에 따른 감지기의 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 이제 동봉된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
실시예들은 본 발명의 범위를 기사에게 철저하고 완전하게 전달하기 위해 제공된다. 본 발명의 실시예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 구성요소 및 방법과 관련하여 수많은 세부사항이 제시되어 있다. 기사에게는 실시예에서 제공된 세부사항이 본 발명 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 명백할 것이다. 일부 실시예에서는, 잘 알려진 공정, 잘 알려진 장치 구조, 그리고 잘 알려진 기술이 상세히 설명되지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 사용되며 이러한 용어는 본 발명 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 문맥이 명확하게 달리 시사하지 않는 한, 여러 가지 “하나”의 형식도 복수형을 포함하도록 의도될 수 있다. “포함한다” 및 “갖는다”라는 용어는 개방형 전환 구이므로 명시된 기능, 정수, 단계, 작업, 요소, 모듈, 단위 및/또는 구성 요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 기능, 정수, 단계, 작업, 요소, 구성 요소 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 금지하지 않는다. 본 발명의 방법과 과정에서 공시되는 특정 단계의 순서가 기술되거나 예시된 바와 같이 반드시 수행되어야 하는 것으로 해석되지는 않는다. 추가 또는 대체 단계가 적용될 수 있다는 점도 이해해야 한다.
요소가 다른 요소에 “장착된”, “체결된”, “연결된” 또는 “결합된” 것으로 언급되는 경우, 다른 요소에 직접 체결되거나, 맞물리거나, 연결되거나 결합될 수 있다. 여기서 사용된 용어 “및/또는”은 하나 이상의 관련 열거된 요소의 모든 조합을 포함한다.
앞서 언급한 용어들은 단지 하나의 요소, 구성 요소, 구역, 계층 또는 구간을 다른 요소, 구역, 계층 또는 구간과 구별하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 제1, 제2, 제3 등은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 문서에 사용된 제1, 제2, 제3 등의 용어는 본 발명에서 명확하게 제시되지 않는 한 특정 서열 또는 순서를 의미하지 않는다.
“내부”, “외부”, “밑”, “아래”, “위” 등의 용어는 도면에서 묘사된 다른 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 본 발명에서 사용될 수 있다.
가스 농도의 기존 측정 방법에는 소스에서 가스를 샘플링하여 10~30m 떨어진 분석기로 운반하는 것이 포함된다. 샘플 가스, 염 형성 또는 응축의 화학양론은 샘플링 라인 온도의 변동으로 인한 변화이다. 이러한 변화에 대응하기 위해 샘플링 라인을 미리 결정된 일정한 고온으로 유지한다. 이러한 시스템은 테스트 가스로 정기적인 모니터링 및 조정 시 높은 운영 및 유지 비용이 발생하며, 이는 측정 과정의 정확성을 보장하기 위해 필요하다. 이러한 과제를 완화하기 위해 현장 가스 분석이 제안된다.
LASER(레이저)를 사용하여 연소실의 연도가스 현장 분석이 알려져 있지만, 가스를 분석하고자 하는 챔버의 깊이 때문에 연도가스 분석의 원하는 정확도를 달성할 수 없었다. 빛이 3m 이상의 깊이까지 이동할 때, 빛은 500°C 이상의 고온에서 생성되는 진동 가스 분자에 의해 산란, 회절 등의 영향을 받는다. 또한 광원을 실온으로 유지하는 것도 바람직하다. 그래서 소스는 연소실 내부 또는 연소실과 직접 접촉하는 고온에 노출될 수 없다. 따라서 정확도가 향상되고 전술한 문제를 제거하거나 완화할 수 있는 현장 가스 분석 시스템이 필요하다.
현재 발명의 바람직한 실시예는 이제 도 1~3을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 연도가스 지역 65에서 현장 가스 분석을 위한 시스템 1000을 구상한다. 시스템(1000)은 엔클로저(10), 엔클로저(10)에 내장된 레이저 빔 소스(20), 연도가스 영역(65)에 프로빙을 위해 삽입할 수 있는 관형 프로브, 한 개 이상의 감지기(70) 및 처리 장치로 구성된다. 레이저 빔 소스(20)은 레이저 빔을 생성하도록 구성된다. 따라서 엔클로저(10)은 연도가스 영역 65의 외부에 위치한다. 관형 프로브는 광학 도파관(60), 데드 존(30), 측정 구역(40) 및 반사 챔버(50)으로 구성된다. 광학 도파관(60)은 레이저 빔 소스(20)에서 생성된 레이저 빔을 수신하고 전도하도록 구성된다. 데드 존(30)은 주변의 연도가스로부터 포함된 광학 도파관(60)을 지지하고 격리하도록 구성된 구역이다. 광학 도파관(60)은 데드 존(30)의 먼 쪽 끝에서 생성된 레이저 빔까지 연장되어 투사된다. 측정 구역(40)은 광학 도파관(60)에 의해 투사된 레이저 빔을 수신하도록 구성된다. 측정 구역(40)은 연도가스가 그곳을 통과하여 투사된 레이저 빔에 노출되도록 구성된다. 반사 챔버(50)은 측정 구역(40)의 먼 쪽 끝에 위치한다. 반사 챔버(50)은 측정 구역(40)의 연도가스에 노출된 투사 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 첫 번째 초점 렌즈(52)와 광학 도파관을 향해 초점을 맞춘 레이저 빔을 반사하기 위한 거울(54)로 구성된다. 일반적으로 프로브 헤드(26)에 배치되는 감지기(70)은 반사된 레이저 빔을 감지하고 한 개 이상의 해당 감지된 신호를 생성하도록 구성된다. 처리 장치는 연도가스 성분을 계산하기 위해 감지기(70)에서 감지된 신호를 처리하도록 구성된다.
레이저 빔 소스(20)은 분석 중인 연도가스에 존재하는 특정 분자를 식별하기 위해, 직접 광흡수 분광법(DOAS) 또는 파장 변조 분광법(WMS) 또는 주파수 변조 분광법(FMS)을 사용하여 생성된 레이저 빔의 주파수 스펙트럼을 튜닝할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
실시예에서, 엔클로저(10)은 온도 안정적이며 연도가스 영역 외부에 배치되도록 구성된다. 실시예에서, 엔클로저(10)에는 레이저 빔 소스(20)당 하나의 가스 셀(22)과 함께 보정을 위해 제공되는 다수의 가스 셀(22)이 들어 있다.
다수의 포물선 거울(24)은 레이저 빔 소스(20)에서 나오는 레이저 빔을 각각의 광학 도파관(60)으로 유도하는 데 사용될 수 있다. 각 레이저 빔 소스(20)은 QCL, 즉 양자 캐스케이드 레이저 또는 튜너블 다이오드 레이저(TDL)인 것이 바람직하다.
일반적으로 첫 번째 초점 렌즈(52)는 볼록 렌즈와 프레넬 렌즈를 포함하는 렌즈 그룹으로 구성된다.
관형 프로브는 장착 플랜지(75)를 사용하여 장착된다. 장착 플랜지(75)에는 원주 실링 기능이 제공된다.
광학 도파관(60)에서 투사된 레이저 빔은 측정 구역(40)의 고온 연도가스와 상호 작용한다. 또한 반사 챔버(50)의 첫 번째 초점 렌즈(52)는 측정 구역(40) 내에서 이동하는 레이저 빔을 시준(콜리메이션)한다. 반사 챔버(50)의 거울(54)은 레이저 빔을 입사광에 평행한 광학 도파관(60)을 향해 반사한다. 광학 도파관(60)은 측정 구역(40)에서 오는 빛을 감지기(70)으로 전송한다. 감지기(70)는 빛에 해당하는 신호를 생성하여 처리 장치에 전송한다. 처리 장치는 분석된 연도가스의 내용물을 식별하기 위해 수신된 신호를 분석한다. 처리 장치는 온도 제어 광학 소스 엔클로저(10) 내에서 폐기하는 것이 바람직하다.
도 2의 실시예처럼, 관형 프로브는 열 절연 뿐만 아니라 구조적으로 광학 도파관(60)을 지지하기 위해 데드 존을 따라 열 절연 겸 지지 튜브(32)로 구성되어 있다는 장점이 있다. 절연 겸 지지 튜브(32)는 첫 번째 실드(32a), 두 번째 실드(32b) 그리고 첫 번째 실드(32a)와 두 번째 실드(32b) 사이의 공간에 의해 정의되는 에어 재킷(32c)으로 구성된다. 외부 온도의 압축 공기는 에어 재킷(32c)를 통과하도록 제작된다.
데드 존(30)은 데드 존(30)의 먼 쪽 끝에 위치한 첫 번째 콜리메이션 렌즈 어셈블리(34)로 구성된다. 첫 번째 콜리메이션 렌즈 어셈블리(34)는 첫 번째 초점 렌즈(52)에 각 빔을 의도된 충돌 방향으로 정렬한다.
측정 구역(40)에는 주변 연도가스 영역에서 측정 구역(40)으로 연도가스를 확산시킬 수 있는 디퓨저(42)가 제공되는 것이 바람직하다. 또는 측정 구역(40)은 열린 경로 셀이다.
일반적으로 감지기(70)에는 레이저 광학 센서(72)가 포함되어 있다.
일반적으로 도 2와 같이 광파관(60)에는 생성된 레이저 빔을 전송하고 레이저 빔을 측정 구역(40)으로 투사하기 위한 다수의 송신 케이블(60a)과 반사된 레이저 빔을 수신하고 반사 빔을 감지기(70)로 전송하기 위한 하나 이상의 수신 케이블(60b)이 포함된다.
도 4의 실시예에서 광학 도파관(60)은 다수의 전송 케이블 세트와 다수의 수신 케이블을 포함한다. 다수의 송신 케이블 세트에는 적어도 첫 번째 송신 케이블(601a) 세트와 두 번째 송신 케이블(602a) 세트가 포함된다. 전송 케이블(601a)의 첫 번째 세트는 첫 번째 주파수 대역이 포함된 첫 번째 생성된 레이저 빔을 전송하고 투사한다. 두 번째 전송 케이블(602a)는 두 번째 주파수 대역이 포함된 두 번째 생성 레이저 빔을 전송하고 투사한다. 다수의 수신 케이블은 첫 번째 수신 케이블(601b)과 두 번째 수신 케이블(602b)를 포함한다. 첫 번째 수신 케이블(601b)은 첫 번째 주파수 대역에 해당하는 첫 번째 반사 레이저 빔을 수신하여 전송한다. 두 번째 수신 케이블(602b)은 두 번째 주파수 대역에 해당하는 두 번째 반사 레이저 빔을 수신하여 전송한다.
따라서 도 5에서와 같이 반사 챔버(50)는 반사 챔버(50)의 세로 축을 따라 차례로 배치된 거울(54a)과 거울(54b)의 최소 두 개로 구성된다. 첫 번째 거울(54a)은 첫 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성되고 두 번째 거울(54b)은 두 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성된다. 또한 감지기(70)는 첫 번째 반사 레이저 빔과 두 번째 반사 레이저 빔을 포함한 다수의 반사 레이저 빔에 초점을 맞추기 위한 두 번째 초점 렌즈(74)로 구성된다. 실시예에서 감지기(70)는 두 번째 콜리메이션 렌즈 어셈블리(표시되지 않음)를 포함할 수 있다.
케이블, 렌즈, 거울을 포함하는 관형 프로브 내의 다양한 구성요소의 위치 및 안정성은 당사에 공지된 클램프, 브래킷 등을 사용하여 제공될 수 있다.
본 발명의 관형 프로브 중 광학 튜브(60)는 내부 표면이 반사되는 것이 바람직하다. 광학 튜브(60)은 내부 표면에 은으로 코팅된 중공 섬유/유리 튜브이다. 또 다른 실시예에서, 광학 튜브(60)는 As-Se, As-Se-Te, Ge-Sb-Se와 같은 칼코겐(chalcogenic) 원통형 원료로 제작된 중공 도파관이거나 중공 도파관이다. 반사된 내부 표면을 갖는 특성은 주변 가스로 인해 광학 튜브를 통해 투과한 빛의 회절, 산란 등으로 인한 왜곡을 방지한다. 광학 튜브(60)의 감쇠인자(dB/m 단위로 측정)가 낮기 때문에, 본 발명의 현장 가스 분석 시스템(1000)의 관형 프로브 범위는 선행 기술의 현장 가스 분석 시스템에 비해 크게 증가한다. 깊이 10m 이상의 챔버에서 발생하는 연도가스에 대한 정확한 분석은 본 발명의 현장 가스 분석 시스템(1000)을 사용하여 수행할 수 있다.
일반적인 실시예에서 측정 구역(40)의 길이는 0.5m인 반면, 광학 튜브(60)의 낮은 감쇠율로 인해 데드 존의 길이가 크게 연장될 수 있다. 따라서 본 발명의 현장 가스 분석 시스템(1000)은 일반적으로 0.5m의 측정 구역에서만 광학적 정렬을 유지해야 한다. 또한 광학 소스(20)는 연소실로부터 충분한 거리에 배치되어 광원을 냉각하는 시스템이 필요하지 않다. 또한 반사 챔버(50)에 저가 거울을 사용할 수 있으므로 선행 기술에 사용된 부식 방지 거울의 사용을 피하고 비용을 거의 3배 절감할 수 있다.
처리 장치에는 연도가스에서 검출될 것으로 예상되는 기체 및 부유 고체 성분의 화학식과 같은 정보를 저장하기 위한 저장소가 포함될 수 있다. 처리 장치에는 아날로그-디지털 변환기, 디지털 필터 모듈, 시간 영역-주파수 영역 변환 모듈, 크롤러-추출기 모듈 등을 포함될 수 있다. 감지된 신호를 대역 통과 필터, 앨리어싱 방지 필터, 노이즈 제거 필터 등에 적용하도록 디지털 필터 모듈을 구성할 수 있다. 시간 영역에서 주파수 영역으로의 변환 모듈은 데이터를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 구성된다. 크롤러 및 추출기 모듈은 처리된 데이터를 메모리에 저장된 정보와 비교하고 포함된 가스, 중량별 비율 등을 포함한 연도가스의 성분을 식별하도록 구성된다.
전술한 실시예에 대한 설명은 사례의 목적으로 제공된 것이지 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 특정 실시예의 개별 구성요소는 일반적으로 특정 실시예에 국한되지 않지만 상호 교환이 가능하다. 그러한 변형은 본 발명에서 벗어나는 것으로 보지 않으며, 그러한 모든 변형은 본 발명의 적용범위에 포함되는 것으로 본다.
기술 발전
위에 설명된 본 발명은 다음과 같은 현장 가스 분석을 위한 시스템의 실현을 포함하지만 이에 국한되지 않는 몇 가지 기술적 장점이 있다.
· 진동, 회절 및 산란(x10)으로 인한 정확도 저하를 방지한다.
· 광학 정렬은 일반적으로 0.5m 측정 구역에서만 유지되어야 한다.
· 부식 방지 거울 대신 저비용 광학 요소를 사용한다.
· 고온 구역에서 멀리 소스를 배치할 수 있다.
· 소스에서 10~30m 떨어진 분석기로 가스 샘플링을 이동할 필요가 없으므로 샘플링으로 인한 가스 화학양론의 변화가 발생하지 않는다.
· 분석할 가스의 컨디셔닝이 필요하지 않다.
전술한 발명은 발명의 범위와 전망을 제한하지 않는 첨부된 실시예와 관련하여 설명되었다. 제공된 설명은 순전히 예제와 삽화에 의한 것이다.
본 발명의 실시예와 이에 따른 다양한 특징 및 이점에 대한 자세한 내용은 다음 설명에서 무제한 실시예를 참조로 하여 설명한다. 본 발명의 실시예를 불필요하게 방해하지 않도록 잘 알려진 구성 요소 및 처리 기법에 대한 설명은 생략되었다. 여기에서 사용된 예제는 단지 본 실시예가 실시될 수 있는 방법의 이해를 돕고 기술자들이 실시예를 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 이 예제들은 해당 실시예의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
앞에서 언급한 특정 실시예에 대한 설명은 본 실시예의 일반적인 특성을 충분히 드러낼 수 있기 때문에 다른 사람들은 현재 지식을 적용함으로써 일반적인 개념을 벗어나지 않고 특정 실시예에 대해 쉽게 수정 및/또는 적응할 수 있다. 따라서 이러한 적응과 수정은 공개된 실시예와 동등한 의미와 범위 내에서 이해되어야 하며 의도되어야 한다. 여기서 사용되는 어법이나 용어는 설명의 목적이지 제한 사항이 아니라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 여기서의 실시예는 선호되는 실시예의 측면에서 설명되어 왔지만, 기술자들은 이 실시예가 여기에서 설명된 것과 같은 실시예의 정신과 범위 내에서 수정되어 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
“최소한” 또는 "최소한 1개"라는 표현을 사용하는 것은 한 개 이상의 요소, 성분 또는 양을 사용하는 것을 암시합니다. 이 사용은 한 개 이상의 원하는 목적 또는 결과를 얻기 위해서 발명의 실시예에 사용될 수 있기 때문이다.
본 명세서에 포함된 문서, 행위, 자료, 장치, 기사 등에 대한 모든 논의는 오로지 발명에 대한 맥락을 제공하기 위한 목적에만 국한된다. 이러한 사안들 중 일부 또는 전부가 선행 기술 자료의 일부를 구성하거나 이 출원의 우선 날짜 이전의 어느 위치에 있던 것처럼 본 발명과 관련된 분야에서 일반적인 지식으로 인정될 수는 없다.
본 문서에서는 선호하는 실시예의 구성 요소 및 구성 요소 일부에 상당히 강조를 하였지만, 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 많은 실시예가 이루어질 수 있고 선호하는 실시예에서 많은 변경이 이루어질 수 있음을 평가 받을 것이다. 본 발명의 다른 실시예뿐만 아니라 선호되는 실시예에 대한 이런저런 변경은 본 발명의 기술자들에게 명백할 것이므로 앞에서 기술한 사안은 단지 발명의 예시일 뿐 제한으로 해석되지 않는다는 것을 명확히 이해해야 한다.
1000 본 발명의 현장 가스 분석을 위한 시스템
10 엔클로저
20 레이저 빔 소스
22 가스 셀
24 포물면 거울
26 프로브 헤드
30 데드 존
32 절연 겸 지지 튜브
32a 내부 실드
32b 외부 실드
32c 에어 자겟
34 첫 번째 콜리메이션 렌즈 어셈블리
40 측정 구역
42 디퓨저
50 반사 챔버
52 첫 번째 초점 렌즈
54 거울
54a 첫 번째 거울
54b 두 번째 거울
60 광학 도파관
60a 전송 케이블
60b 수신 케이블
601a 첫 번째 전송 케이블 세트
602a 두 번째 전송 케이블 세트
601b 첫 번째 수신 케이블
602b 두 번째 수신 케이블
65 연도가스 영역
70 감지기
72 레이저 광학 센서
74 두 번째 초점 렌즈
75 장착 플랜지

Claims (16)

  1. 연도가스 영역(65)의 현장 가스 분석을 위한 시스템(1000)은 다음과 같이 구성된다.
    · 엔클로저(10)
    · 상기 엔클로저(10)에 있는 레이저 빔 소스(20), 레이저 빔을 생성하도록 구성된 상기 레이저 빔 소스(20)
    · 연도가스 영역(65)에 프로빙을 위해 삽입할 수 있는 관형 프로브, 상기 프로브에 포함 사항
    o 상기 레이저 빔 소스(20)에 의해 생성된 레이저 빔을 수신 및 전도하도록 구성된 광학 도파관(60)
    o 주변 연도가스로부터 그 안에 포함된 광학 도파관(60)을 지지 및 격리하기 위해 구성된 데드 존(30), 데드 존(30)의 더 먼 끝에서 생성된 레이저 빔을 연장하고 투사하는 상기 광학 도파관(60)
    o 상기 광학 도파관(60)에 의해 투사된 레이저 빔을 수신하도록 구성된 측정 구역(40), 상기 연도가스가 통과하여 투사된 상기 레이저 빔에 노출될 수 있도록 구성된 측정 구역(40)
    o 측정 구역(40)의 먼 쪽 끝에 위치한 반사 챔버(50), 상기 측정 구역(40)의 상기 영도가스로 노출된 상기 투사 레이저 빔을 포커싱하기 위해 첫 번째 포커싱 렌즈(52)를 포함한 상기 반사 챔버(50), 그리고 상기 집속된 레이저 빔을 상기 광학 도파관(60)을 향해 다시 반사하기 위한 거울(54)
    · 상기 한 개 이상의 반사된 레이저 빔을 검출하고 한 개 이상의 대응하는 감지 신호를 생성하도록 구성된 한 개 이상의 감지기(70), 그리고
    · 상기 연도가스 성분을 계산하기 위해 상기 감지기(70)에서 감지된 상기 신호를 처리하도록 구성된 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 빔 소스(20)는 분석 중인 연도가스에 존재하는 특정 분자를 식별하기 위해 생성된 레이저 빔의 주파수 스펙트럼을 튜닝할 수 있도록 구성되는 시스템(1000).
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 관형 프로브는 열 절연 뿐만 아니라 구조적으로 광학 도파관(60)을 지지하기 위해 데드 존을 따라 열 절연 겸 지지 튜브(32)로 구성되는 시스템(1000).
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 절연 겸 지지 튜브(32)는 첫 번째 실드(32a), 두 번째 실드(32b) 그리고 상기 첫 번째 실드(32a)와 상기 두 번째 실드(32b) 사이의 공간에 의해 정의되는 에어 재킷(32c)으로 구성되고 상기 에어 재킷(32c)는 주위 온도의 압축 공기가 통과하도록 구성된 시스템(1000).
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 엔클로저(10)가 온도가 안정적이며 상기 연도가스 영역(65) 외부에 배치되도록 구성된 시스템(1000).
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 감지기(70)는 레이저 광학 센서(72)를 포함하는 시스템(1000).
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 구역(40)에는 주변 연도가스 영역(65)에서 측정 구역(40)으로 연도가스를 확산시킬 수 있는 디퓨저(42)가 제공되는 시스템(1000).
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 측정 구역(40)은 개방 경로 셀인 시스템(1000).
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 광학 도파관(60)에는 생성된 레이저 빔을 전송하고 레이저 빔을 상기 측정 구역(40)으로 투사하기 위한 다수의 송신 케이블(60a)과 반사된 레이저 빔을 수신하고 반사 빔을 상기 감지기(70)로 전송하기 위한 하나 이상의 수신 케이블(60b)이 포함되는 시스템(1000).
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광학 도파관(60)은 다수 세트의 송신 케이블 세트 및 다수의 수신 케이블을 포함하고, 상기 다수 세트의 송신 케이블은 첫 번째 주파수 대역을 포함하면서 첫 번째로 생성된 레이저 빔 그리고 두 번째 주파수 대역을 포함하면서 두 번째로 생성된 레이저 빔을 각각 송신하고 투사하기 위한 한 개 이상의 첫 번째 세트의 송신 케이블(601a) 과 두 번째 세트의 송신 케이블(602a)을 포함하고, 그리고 상기 다수의 수신 케이블은 상기 첫 번째로 반사된 레이저 빔과 상기 두 번째로 반사된 레이저 빔을 각각 수신하고 송신하기 위한 첫 번째 수신 케이블(601b)과 두 번째 수신 케이블(602b)을 포함하는 시스템(1000).
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 반사 챔버(50)는 반사 챔버(50)의 세로 축을 따라 차례로 배치된 최소 두 개의 거울(54a, 54b)로 구성되며, 상기 첫 번째 거울(54a)은 첫 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성되고 두 번째 거울(54b)은 두 번째 생성된 레이저 빔을 반사하도록 구성되는 시스템(1000).
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 감지기(70)는 상기 첫 번째 반사 레이저 빔과 상기 두 번째 반사 레이저 빔을 포함한 다수의 반사 레이저 빔에 초점을 맞추기 위한 두 번째 초점 렌즈(74)로 구성되는 시스템(1000).
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 데드 존(30)의 먼 쪽 끝에 위치한 콜리메이션 렌즈 어셈블리(34)로 구성되는 시스템(1000).
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 엔클로저(10)에는 레이저 빔 소스(20)당 하나의 가스 셀(22)과 함께 보정을 위해 제공되는 다수의 가스 셀(22)이 들어 있는 시스템(1000).
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 광학 도파관(6)은 As-Se, As-Se-Te, Ge-Sb-Se와 같은 칼코겐(chalcogenic) 원통형 원료로 제작되거나 중공 도파관인 시스템(1000).
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 첫 번째 초점 렌즈(52)는 볼록 렌즈와 프레넬 렌즈를 포함하는 렌즈 그룹으로 구성되는 시스템(1000).
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