KR20220115977A - 가스 측정을 위한 캐비티 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스의 광학 측정을 위한 회수 가능한 측정 셀에 관한 것으로, 셀은 셀로 가스를 유입시키는 가스 유동 입력에 연결되도록 구성된 입력 단부 및 가스 유동 출력에 연결되도록 구성된 출력 단부를 갖는 가스 컨덕팅 파이프에 의해 정의된다. 파이프 단부는 또한 상기 셀로 광을 전송하는 광학 트랜스미터 및 상기 셀을 통과한 광을 수신하도록 구성된 광학 리시버를 포함하는 광학 부품에 결합되도록 구성되고, 상기 셀에서 광학 빔은 미리 결정된 형상을 가지며, 광학 부품은 파이프 단부에 의해 커버된 외부 프레임에서 알려진 위치에 장착되는 광 리시버, 적어도 두 개의 미러 및 광원을 포함한다. 셀은 광학 빔 형상에 대응되는 길쭉한 형상을 갖는다.

Description

가스 측정을 위한 캐비티

본 발명은 가스의 광학 측정을 위한 회수 가능한 측정 셀 및 그 셀을 이용한 측정 기구에 관한 것이다.

보다 상세하게는 본 발명은 적외선 가스 분석기와 같은 가스 분석기에 사용되는 다중 반사 샘플 셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제한된 체적으로 긴 광학 경로가 얻어지는 다중 반사 타입 샘플 셀에 관한 것이다. 이러한 시스템은 잘 알려져 있는데, US5726752 및 US2017168275A1에 나타난 바와 같이 그리고 US5726752에서 확인된 바와 같이 샘플 셀은 캐비티에서 가스의 교환이 빠르도록 셀을 통해 전파되는 광 빔을 나타내는 엔벨로프보다 크지 않아야 한다. 그러나, US5726752에 명시된 바와 같이 그 방안은 측정 프로세스를 느리게 하는 특정 샘플의 가스를 사용한다. WO2015/069934는 광 경로 외측의 체적이 최소로 감소되는 가스 캐비티를 광이 여러 번 통과하는 방안의 예를 나타낸다.

또한, 엔진으로부터의 배기 가스와 같은 공정 가스는 광학 장치를 더럽히는 오염 물질을 포함할 수 있다. 이의 예는 연소 공정에서 배출될 수 있다. 배기 가스의 입자와 오염 물질은 측정 셀 내부와 광학 장치에 퇴적된다. 일정 시간 사용하면, 셀을 통한 전송이 줄어들고, 광학 장치와 셀을 청소해야 한다. 이러한 종류의 유지 관리는 종종 어렵고 시간이 많이 걸린다. 따라서, 본 발명의 목적은 빠르고 신뢰할 수 있는 방식으로 가스 셀 유닛을 교체할 수 있는 방안을 제공하는 것이다.

광학 기구를 분해하는 데는 시간이 걸리고, 광학 정렬은 실험실 외부에서는 거의 불가능하다. 이러한 문제는 모든 광학 부품을 프레임에 장착 및 정렬하고 가스 가이딩 장치를 프레임에 삽입하면 해결된다. 가스 가이딩 장치는 쉽게 제거되어 청소가 필요한 모든 광학 부품에 접근할 수 있다. 가스 가이딩 장치는 새로운 것으로 쉽게 교체될 수 있거나, 가스 가이딩 장치는 청소되고 다시 장착될 수 있다. 이러한 교환 가능한 셀은 US2010/0110437에서 논의된다.

종래 기술의 가스 셀의 주요 문제점 중 하나는 연속적인 유동이 적용되는 경우 측정 셀 내부에서 가스를 교환하는 데 오랜 시간이 걸린다는 것이다. 가스 입구와 가스 출구가 서로 가깝게 배치되면, 셀로 유동하는 새로운 가스는 일반적으로 오래된 가스와 혼합되고, 가스의 교환은 일반적인 희석의 그것, 즉 첫 번째는 주입된 가스 셀 체적에 대해 50%, 두 번째는 75% 등등을 따른다. 가스 셀이 직경에 비해 매우 길면, 층류가 얻어질 수 있으며, 하나의 가스 체적만 채우면 대부분의 가스가 교환될 수 있다. 보다 일반적인 가스 셀에서, 가스 입구와 가스 출구 사이에 층류가 발생하지만, 이는 셀 내부의 가스 일부가 변경되지 않은 채로 남게 된다. 그러면 일반적으로 셀 내부의 모든 가스를 교환하는 데 오랜 시간이 걸린다. 본 발명의 한 목적은 가스 조성의 변화가 발생할 때 짧은 반응 시간을 달성하기 위해 연속적인 방식으로 측정이 수행될 수 있는 방안을 제공하는 것이다.

위에서 제시된 목적은 독립항에 기재된 바와 같은 것을 특징으로 하는, 교환 가능한 가스 셀 및 상기 셀을 포함하는 측정 기구를 사용하여 얻어진다.

따라서, 주어진 유동으로 가능한 한 빨리 가스 체적을 변경할 수 있도록, 본 발명에 따른 가스 셀의 벽은 광학 측정 빔 및 가스 유동을 위한 결합된 입구를 갖는 광선 궤적을 따르도록 형성된다. 이러한 방식으로, 가스 셀 내부의 체적이 최소화된다. 또한, 가스 셀은 얇고 길게 만들어지며, 사용되는 체적을 최소화하기 위해 광학 경로 자체가 교차되는 것이 바람직하다. 유동이 없이 셀의 일부와 셀의 다른 부분에서 층류 유동을 피하기 위해, 유동 운동에서 강제 난류 또는 소용돌이가 생성된다. 입구 유동은 바람직하게는 회전 유동을 시작하도록 강제되는데, 여기서 유동 패턴은 가스 셀을 통해 나선형을 형성한다. 이 나선형 유동은 모든 오래된 가스를 새로운 가스 앞으로 강제하고, 오래된 가스의 포켓을 남기지 않는다. 출구에서, 유사한 구조가 바람직하게는 빠져나가는 가스를 강제 난류로 강제하기 위해 생성된다.

본 발명은 예로서 본 발명을 도시하는, 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 셀의 단면을 도시한다.
도 2는 광학 측정 빔의 빔 경로를 도시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀의 가스의 유동 운동을 도시한다.
도 4a, b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 셀 단부의 형상을 도시한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측정 기구 및 가스 셀을 포함하는 조립체를 도시한다.
도 6은 위에서 바라본 도 5에 나타난 어셈블리로서 셀과 측정 기구 사이의 연결을 나타내는 단면을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 가스 셀을 수용하기에 적합한 대안적인 측정 기구를 도시한다.
도 8은 가스 셀을 포함하는 도 7의 대안적인 기구를 예시한다.

도 1은 측정된 가스가 유동하는 셀(2)을 갖는 파이프(1)로 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 셀을 도시한다. 파이프는 가스 인렛(3)과 가스 아웃렛(4)을 가지며 각 단부에 장착 구역(1a, 1b)이 제공되는데 예컨대 광학 부품을 포함하는 측정 기구(12)(도 5)에 셀을 장착하기 위한 나사 및 실(1c)(도 8)을 포함한다.

위에서 언급되고 도 2에 나타난 바와 같이 셀의 체적은 가스를 측정하는 데 사용되는 광학 빔(2a)의 궤적의 형상을 계산함으로써 최소로 감소된다. 도 2에 나타난 바람직한 실시예에서 측정 시스템에 포함된 광학 시스템(5a)은 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 측정될 가스의 특성에 따라 선택된 파장 범위로 방출하는 광원(6)을 포함한다. 광원(6)은 제1 부분(5a)으로부터 파이프(1)의 다른 단부(1b)의 제2 부분(5b)을 향해 전파되는 빔을 형성하거나 시준하기 위한 렌즈를 포함할 수 있다. 파이프의 제2 단부(1b)에서 측정 기구의 대응되는 부분(5b)은 셀을 통해 광학 시스템의 제1 단부 부분(5a)의 미러(8a)를 향해 빔을 반사시키는 미러(8b)를 포함한다. 제1 단부 부분(5a)의 미러(8a)는 셀을 통해 리시버(7)와 트랜스미터(6)가 가스의 흡수 스펙트럼을 분석하는 그 자체로 알려진 측정 시스템에 연결되는, 광학 시스템의 제2 부분(5b)의 리시버(7)를 향해 다시 반사시킨다. 전파되고 교차되는 광학 빔(2a)을 포함하는 엔벨로프가 계산되고 셀(2)의 형상이 이 형상(2a)에 따라 결정된다.

이러한 방식으로 바람직한 실시예의 광학 빔은 세 번 가스를 통해 전파되어, 측정 셀의 길이가 세 배인 것과 동일한 효과를 가지며, 도 2에 도시된 바와 같이 광학 빔은 시스템의 감도를 적어도 두 배 증가시키는 동일한 부피를 가로지르도록 구성될 수 있다.

광학 신호가 셀을 통해 다섯 번 통과하게 하는 트랜스미터 및 리시버의 반대 측에서 각 단부(5a, 5b)에 하나의 추가 미러를 추가하는 것과 같이, 다른 구성이 또한 고려될 수 있다. 또한, 빔은 다른 미러 형상과 렌즈를 선택하여 형성될 수 있다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 셀의 체적을 줄이기 위해서는 셀(2) 형상 또는 파이프 체적의 내부 형상이 빔 형상에 대응되는 것이 중요하다.

도 3은 가스 유동(9)이 파이프(1)에 의해 정의된 셀(2)을 따라 전파되는 방식을 도시한다. 나선형 유동을 제공할 경우 가스의 성분이 고르지 않게 분포되더라도 나선형 가스 유동은 가스 함량의 사실적인 측정을 제공하는 여러 번 빔을 통과하는 동시에, 뒤에 모든 가스의 임의의 포켓을 뒤에 남기지 않고 셀 밖으로 오래된 가스를 강제한다.

혼합을 이루기 위한 수단은 측정 셀의 입력 단부를 나타내는 도 4a에 도시되어 있다. 도면에서 가스는 셀의 한 사이드를 향해 가스를 유도하는 비대칭 특징부(10a)에서 광학 부품의 사이드에서 셀로 들어가는데, 도시된 예에서 이는 도입된 가스를 셀의 상부 벽으로 유도하여 압력이 셀의 형상 주위에 그리고 와류 유동을 이루는 가스 컨덕터로 가스를 강제한다.

도 4b는 와류 유동이 셀을 떠날 때까지 유지되도록 하는 가스 컨덕터 또는 셀의 출력 단부의 유사한 특징부(10b)를 도시한다. 와류를 유지하는 셀 파이프를 따라 있는 작은 특징부들이 광학 경로 또는 셀을 통한 가스 이동을 방해하지 않는 한 또한 고려될 수 있다.

가스를 혼합하기 위한 다른 방안이 고려될 수 있지만 광 빔이 파이프의 임의의 특징부에 의해 가려지지 않아야 한다. 도시된 예는 비대칭 특징부를 포함하는 바람직한 실시예에 관한 것이지만, 예를 들어, 가스가 광 빔 경로에 들어가기 전에 위치되는 인서트 또는 유사한 것과 같이, 다른 특징부가 또한 사용될 수 있다.

도 5는 교환 가능한 측정 셀이 측정 유닛(12) 내측에 장착되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조립체를 도시한다. 위에서 언급된 바와 같이 측정 유닛은 셀을 관통하여 지나가는 측정 광 빔을 전송, 반사 및 수신하는 광학 부품(7, 8)을 포함한다. 셀이 제거되면 광학 부품이 클리닝을 위해 쉽게 이용 가능하고 셀 자체가 간단한 방식으로 교체될 수 있다.

측정 기구(12)는 또한 가스를 위한 인렛(13) 및 아웃렛(14)을 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이 이는 유동이 바람직하게는 측정 광 빔과 측정 셀에서 동일한 개구로 들어가도록 광학 부품에 가까운 입력으로 이어진다. 이러한 방식으로 가스 유동 와류를 따라 또는 반대로 측정이 이루어진다.

셀은 당업자에게 이용 가능한 적절한 수단(11)으로 측정 기구에 고정되고 밀봉된다.

도 6은 위에서 바라본 측정 기구(12)를 도시하는 것으로, 단면 A-A 및 B-B는 셀 단부(1a, 1b)에 대한 연결 영역을 나타낸다. 도시된 바와 같이 셀 단부는 광학 부품(7,8) 및 인렛(13)과 아웃렛(14)에 각각 연결된 가스 입력(13a) 또는 출력(14a)을 둘러싸는 영역을 커버한다. 도시된 바와 같이 입력 사이드(1a)에서 셀의 형상은 입력 및 출력 단부에서 소용돌이치는 유동 경로(9)로 가스를 유도한다.

이와 같이 본 발명은 입사광이 복수 회 반사되는 다중 반사 타입의 측정 셀을 제공한다. 샘플 셀에서 샘플을 분석하기 위해,

- 기구가 완전히 가동되는 방식으로, 미러(8), 디텍터(7), 광원(6)과 같은 모든 광학 부품 및 모든 윈도우 또는 렌즈가 측정 기구에서 정확한 위치에 장착되고 정렬되며 고정되는 외부 프레임(12),

- 용이하게 포함되거나 교체될 수 있는 것으로, 가스 셀에서의 벽 및 입력으로부터 출력 사이드로의 유체 컨덕터로서 역할을 하며, 분석에 필요한 가스 체적을 줄이는 가스 가이딩 장치(1)를 포함한다.

본 발명은 도면에 반영된 바와 같이, 주로 배기 가스와 같은 가스 측정을 목표로 하지만 본 발명의 범위 내에서 액체의 측정도 제공하도록 변경될 수 있다.

가스 가이딩 체적은 바람직하게는 입사광이 샘플 셀을 통과하는 엔벨로프 영역 바로 너머 공간을 차지하고 위에서 언급된 바와 같이 강제 난류 또는 혼합을 생성하는 수단을 갖는데, 이는 새로운 가스가 연속적인 유동하에서 셀로 들어가고 있을 때 오래된 가스의 포켓을 남기지 않는다. 바람직하게는 이러한 유동 패턴은 가스 셀을 통해 나선형을 형성한다. 가스의 효율적인 교환을 제공하기 위해, 셀의 길이는 장치의 직경보다 최소 네 배 더 길다. 이는 오래된 가스의 포켓이 뒤에 남아 있고 오래된 가스와 새로운 가스가 혼합되는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 7 및 8은 기구 내측에 셀을 고정하기 위해 방심 볼트(16)가 사용되는 대안적인 기구(15) 하우징을 도시한다. 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 기구 및 셀에서 적합한 개구(1e)로 볼트를 삽입하고, 볼트를 도시된 예에서 180도로 돌리면, 셀이 제자리에 고정된다.

도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 셀의 바람직한 실시예는 양 단부에 실링 수단을 갖는 것으로 나타나 있는데, 이 경우 실링 링(1c) 및 압력판(1d)으로 표시되어 있다. 따라서, 기구 캐비티에 장착될 때 셀은 캐비티 단부에 대해 밀봉되어, 시스템에서 가스가 새지 않도록 한다.

유체 측정 셀은 바람직하게는 강성 재료로 만들어지고, 장치는 각 단부에 수단을 가져, 사용자가 개스킷이 유체 가이딩 장치와 프레임 사이에서 유체를 밀봉하도록 하여, 현재 유체에 대해 타이트하게 만든다. 셀 재료는 바람직하게는 POM(폴리옥시메틸렌), 테플론, PE(폴리에틸렌) 또는 PP(폴리프로필렌)와 같은 폴리머이다.

요약하자면 본 발명은 가스의 광학 측정을 위한 회수 가능한 측정 셀에 관한 것이다. 셀은 셀로 가스가 들어가게 하는 가스 유동 입력에 연결되도록 구성된 입력 단부와 가스 유동 출력에 연결되도록 구성된 출력 단부를 갖는 가스 컨덕팅 파이프에 의해 정의된다.

가스 셀의 파이프 단부는 또한 상기 셀로 광을 전송하는 광 트랜스미터 및 상기 셀을 통과한 광을 수신하도록 구성된 광 리시버를 포함하는 광학 부품에 결합되도록 구성된다. 광학 부품은 파이프 단부에 의해 커버되는 외부 프레임에서 알려진 위치에 장착되어, 알려진 빔 형상을 정의하는 광 리시버, 적어도 두 미러 및 광원을 포함한다.

제1의 상기 파이프 단부는 트랜스미터와 적어도 하나의 미러에 연결되도록 구성되고 제2의 상기 파이프 단부는 리시버 및 제1 단부와 동일한 개수의 미러에 연결되도록 구성된다. 광 빔은 미러의 개수에 따라, 상기 셀을 통해 적어도 세 번 이동할 것이며, 셀은 광학 빔 형상에 대응되는 길쭉한 형상을 갖는다. 빔 형상은 빔 셰이핑 미러, 렌즈 등을 사용하여 정의될 수 있다.

바람직하게는 파이프 입력 단부에서 셀은 상기 파이프를 관통하는 회전하는 가스 유동 또는 난류를 강제하도록 구성되어, 셀을 관통하는 가스가 혼합되도록 하는 비대칭 형상을 갖는다. 가스 처리량을 방해하지 않는 한 유동 경로에서 특징부가 또한 사용될 수 있다.

파이프는 상기 유동 입력 및 출력뿐만 아니라 상기 광학 트랜스미터, 리시버 및 미러를 포함하는 광학 부품에 연결된 측정 기구에 연결되기 위한 실링 수단을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 한정된 공간에 회수 가능한 측정 셀을 수용하기 위한 측정 기구에 관한 것이다. 기구는 상기 공간의 제1 단부에서 프레임의 유동 입력 파이프 단부에 밀봉된 연결부를 제공하도록 구성된 유동 입력 구역 및 유동 출력에서 상기 파이프의 출력 단부에 밀봉된 유동 출력 연결부를 제공하도록 구성된 유동 출력을 포함하고, 측정 기구는 또한 상기 셀에서 광을 전송하고 수용하는 상기 밀봉된 연결부에서 상기 광학 부품을 포함한다.

모든 광학 부품은 파이프 단부에 의해 커버된 알려진 위치에 장착되고 광학 장치가 셀의 유무에 관계없이 완전히 작동하는 방식으로, 측정 기구로 구성된 외부 프레임에 그리고 미리 결정된 위치에 정렬 및 고정된다.

Claims (5)

1. 가스의 광학 측정을 위한 회수 가능한 측정 셀로서, 셀은 셀로 가스를 유입시키는 가스 유동 입력에 연결되도록 구성된 입력 단부 및 가스 유동 출력에 연결되도록 구성된 출력 단부를 갖는 가스 컨덕팅 파이프에 의해 정의되고,
   파이프 단부는 또한 상기 셀로 광을 전송하는 광학 트랜스미터 및 상기 셀을 통과한 광을 수신하도록 구성된 광학 리시버를 포함하는 광학 부품에 결합되도록 구성되고, 상기 셀에서 광학 빔은 미리 결정된 형상을 가지며, 광학 부품은 파이프 단부에 의해 커버된 외부 프레임에서 알려진 위치에 장착되는 광 리시버, 적어도 두 개의 미러 및 광원을 포함하고,
   상기 파이프 단부 중 제1 단부는 트랜스미터와 적어도 하나의 미러에 연결되도록 구성되고 상기 파이프 단부 중 제2 단부는 리시버 및 제1 단부와 동일한 개수의 미러에 연결되도록 구성되어, 광 빔이 상기 셀을 관통하여 적어도 세 번 이동하며, 셀은 광학 빔 형상에 대응되는 길쭉한 형상을 갖고,
   파이프 입력 단부에서 셀은 상기 파이프를 관통하는 가스 유동에 난류 또는 회전하는 가스 유동을 강제하도록 구성되는 측정 셀.
2. 제1항에 있어서, 파이프 입력 단부에서 셀은 상기 파이프를 관통하는 상기 회전하는 가스 유동을 제공하는 비대칭 형상을 갖는 측정 셀.
3. 제1항에 있어서, 파이프는 상기 유동 입력과 출력 및 상기 광학 트랜스미터, 리시버 및 미러를 포함하는 측정 기구에 연결되기 위한 실링 수단을 포함하는 측정 셀.
4. 선행 청구항 중 어느 하나에 따른 회수 가능한 측정 셀을 수용하기 위한 공간을 포함하는 측정 기구로서, 상기 공간의 제1 단부에서 유동 입력 파이프 단부에 대해 밀봉된 연결을 제공하도록 구성된 유동 입력 구역 및 유동 출력에서 상기 파이프의 출력 단부에 대해 밀봉된 유동 출력 연결을 제공하도록 구성된 유동 출력을 포함하고, 측정 기구는 또한 상기 셀에서 광을 전송하고 수신하는 상기 밀봉된 연결에서 상기 광학 부품을 포함하는 측정 기구.
5. 제5항에 있어서, 파이프 단부에 의해 커버된 알려진 위치에 장착되는 모든 광학 부품은 광학 장치가 셀의 유무에 관계없이 완전히 작동하도록, 미리 결정된 위치에 그리고 측정 기구에 의해 구성된 외부 프레임에 정렬되고 고정되는 측정 기구.

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