KR20230027540A - 광이온화 검출기 - Google Patents

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Abstract

중앙에 제1측과 제2측의 양측으로 개방된 빈 공간을 가지는 하우징, 하우징 제1측에 설치되며 빈 공간과 램프창으로 구분되는 공간에 설치되는 자외선 램프, 하우징 제2측에 빈 공간을 커버하도록 설치되는 다공성 물질층, 빈 공간의 제1측 및 제2측에 설치되어 검출전극쌍을 이루며 다공성 물질층을 통과한 대상물 기체가 빈 공간으로 들어갈 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제1 전극 및 자외선 램프에서 방출된 광자가 통과하여 빈 공간으로 들어올 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제2 전극을 구비하여 이루어지며, 하우징 내로 다공성 물질층과 제1 전극 사이에서 대상물 기체가 빈 공간으로 유입되는 경로 상에 대상물을 가열할 수 있도록 설치되는 히터장치가 더 구비되는 광이온화 검출기가 개시된다.
본 발명에 따르면 광이온화 검출기로 유독 가스 등 대상물을 감지할 때 보다 정확한 존재 여부 감지를 할 수 있고 농도 확인에 있어서도 측정에서의 부정확 및 오류 가능성을 보다 감소시킬 수 있다.

Description

광이온화 검출기{Photoionization Detector}
본 발명은 광이온화 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 성분 검출에서 습도의 영향에 따른 검출 결과 불안정성을 극복할 수 있는 구성을 가지는 광이온화 검출기에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds)은 일상 생활하는 조건에서 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 휘발하여 배출되는 유기화합물의 총칭이다. 휘발성 유기화합물은 피부 접촉 또는 호흡기로 흡입되어 신경계 등에 장애를 일으키는 발암물질이며, 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 휘발하여 악취 및 오존의 원인물질로 작용한다.
이때, 휘발성 유기화합물은 자연에서도 발생되기도 하지만 인간의 산업활동으로 인해 대다수 발생되며, 페인트나 화학약품, 담배 등에서 배출이 이루어 질 수 있어 휘발성 유기화합물의 배출에 대한 농도 규제가 요구되고 있다.
또한, 산업활동 현장에서 폭발사고 및 근로자의 질식사고를 예방하기 위하여 휘발성 유기화합물의 존재여부를 확인하기 위한 가스검출의 필요성이 대두되면서 휘발성 유기화합물의 측정 및 분석에 대한 연구가 다각도로 진행되고 있다.
휘발성 유기화합물 혹은 독성 가스를 검출하는 대표적인 방법으로 광이온화 검출기(광이온화 가스센서)를 이용하는 방법이 있다.
광이온화검출기(Photoionization detector, PID)는 대상물 가령 휘발성유기화합물 분자에 자외선 영역의 광자(빛)를 쏘아 전기양성적으로 하전된 이온상태로 만들어 이를 측정하는 일종의 센서 장치이다. PID의 주요 구성으로 특정 파장의 자외선 광자를 배출하는 소형 UV 램프를 들 수 있다. 이 램프에 주입 된 가스와 램프창에 사용된 물질 종류에 따라 램프에서 방출되는 광자의 에너지 수준이 결정된다. 상업적으로 널리 유통되는 램프의 에너지 수준은 9.5~11.7 eV 사이에 있다.
대상물에 대한 PID의 반응 혹은 검출 결과는 대상 유기화합물의 이온화에너지(ionization potential, IP) 수준에 의해 결정된다. 즉, 램프에서 방출하는 광자의 에너지 수준보다 측정하고자하는 대상물의 IP가 낮은 경우 그 물질은 이온화되어 양이온 및 음이온으로 분리되고, 이런 이온들이 측정전극으로 이동하며 측정 전극에 전위차를 발생시킨다. 이 전위차를 측정하면 대상물의 농도를 검출할 수 있다. 단, 램프에서 방출되는 광자의 에너지 수준보다 IP가 더 높은 물질은 이온화되지 못하기 때문에 PID로는 검출되지 않는다.
종래의 하나의 광이온화 가스센서의 구성을 보면, 석영관 또는 유리관 내에 대기압 미만의 불활성가스가 포함되는 원통형 구조를 채용하고, 플루오르화 마그네슘(MgF2)과 같은 자외선 투과부재가 석영관 또는 유리관을 밀봉하는 방식을 채용하고 있다. 이런 구성에서는 자외선램프와 자외선 투과부재 사이에 자외선램프 내부에 주입된 불활성기체의 누출 가능성이 있기 때문에 플라즈마 방전을 위한 최소 대기압을 유지하기 어려워 자외선 조사 상태 유지가 어려워짐에 따른 광이온화 가스센서의 능률 저하가 발생될 수 있으며, 자외선램프 외경의 흑화반응을 통해 자외선램프의 출력이 저하되는 열화반응이 발생하게 될 수 있다.
한편, 기존의 일반적인 광이온화 가스센서는 유기화합물의 검출을 위해 가스센서 내부로 들어온 가스가 포집되는 구간인 가스챔버가 가스센서 상단부에 위치하고, 저외선램프로부터 조사되는 자외선에 의해 발생하는 광이온화 반응으로 인하여 분해되는 가스이온들이 가스챔버 내에 삽입된 전극에 수백 V의 전압을 인가하여, 이온들을 전극에 포집하는 구조로 되어 있다.
이때, 전극의 구조는 센서의 민감성(sensitivity), 선형성(linearity), 응답시간(response time) 등의 가스센서의 성능과 밀접하게 연관이 되어 있어, 가스센서의 성능을 향상시키기 위해서 높은 자외선의 출력 또는 가스 챔버 내에 삽입된 전극의 구조에서 포집되는 가스이온들의 반응면적을 높일 필요성이 있다.
그러나, 종래기술 및 일반적인 광이온화 가스센서의 현재 구조에서 자외선의 조사 영역이 자외선 투과부재의 크기에 한정되어 있어 자외선의 출력을 높이기 위해 충분한 거리가 보장되어야 하는 자외선램프의 길이에 의해 자외선램프의 크기가 커질 수밖에 없고, 가스이온들의 반응면적을 높이기 위해 가스챔버 내에 위치하여 이온들을 포집하는 전극의 크기가 커질 수밖에 없어 광이온화 가스센서를 소형화 하는데 제약이 될 수 있다.
또한, 일반적으로 광이온화 가스센서에 이용되는 자외선램프는 자외선을 조사하는 자외선램프에 전극을 통해 발생한 자기장과 자외선램프 내부의 기체와 반응하여 자외선을 방출하고 있어 석영관으로 제작된 자외선램프의 열화를 촉진하고, 대기 중 유기화합물의 분해 촉진현상 및 탄화작용을 발생시켜 자외선램프의 출력이 저하되며, 단일의 자외선램프를 이용하므로 광이온화 가스센서의 교체 주기가 짧은 문제점이 존재한다.
도1은 최근에 사용되는 광이온화 검출기의 구성의 한 예를 나타내는 단면도이다.
여기서는 중앙에 상하로 통하는 빈 공간을 가지는 하우징(10)이 있고, 하우징(10) 아래로는 빈 공간에 광자를 방출하는 자외선 램프가 설치된다. 자외선 램프는 빈 공간과 램프 창(33)으로 구분되어 광자(photons)는 램프설치부 몸체(30)로 둘러싸인 램프 설치 공간에서 생성되어 램프 창(33: lamp window)을 통해 빈 공간으로 공급된다. 하우징(10) 상부에는 중앙 빈 공간을 커버하도록 다공막(porous membrane: 20)과 통로 구간이 설치된다. 검출 대상물은 다공막과 입구 통로 혹은 유입 통로를 통해 중앙 빈 공간으로 유입된 후 빈 공간에서 다시 방출통로를 통해 다공막을 거치지 않고 외부로 나갈 수 있게 된다.
중앙 빈 공간의 상부에는 검출전극쌍을 이루는 캐소드(cathode) 전극(41)이 메시 형태로 혹은 다수 구멍을 가지는 판형으로 설치되고, 중앙 빈 공간의 하부에는 검출전극쌍을 이루는 아노드(anode) 전극(43)이 메시 형태로 혹은 다수 구멍을 가지는 판형으로 설치된다.
이로써 다공막(20)을 통해 빈 공간으로 들어오는 가스는 캐소드 전극(41)의 구멍들을 통해 검출전극쌍 사이에서 이온화가 이루어지는 이온화 공간으로 들어올 수 있고, 방출통로를 통해 나갈 수 있다. 램프창(33)을 통과한 광자는 다시 아노드 전극(43)의 구멍들을 통해 이온화 공간으로 조사될 수 있으며, 이온화 공간에서 광자는 이 공간에 유입된 가스 혹은 대상물 분자에 작용하여 이온화가 이루어지도록 한다.
이온화된 대상물의 양성 입자 및 음성 입자는 극성에 따라 캐소드 전극 및 아노드 전극으로 이동하여 검출 전극의 전위차를 변화시키게 되고, 전위차 변화가 감지되어 대상물 검출이 이루어질 수 있다.
그런데, 이런 구성에서 도1의 확대도에 도시되듯이, 빈 공간을 이루는 측벽 혹은 하우징 내측벽에는 유입된 가스와 함께 들어온 습기가 미세 먼지 기타 미세 불순물 입자 등과 작용하여 응결효과를 높여 미세 액적 상태로 부착되어 상부의 캐소드 전극과 하부의 아노드 전극 사이로 누설 전류가 흐르게 할 수 있다. 특히 습기 부착에 따르는 이런 누설 전류는 캐소드와 아노드 사이의 검출 전극 전위차에 영향을 주고, 검출 결과를 왜곡시킬 수 있다. 가령. 검출 대상물의 농도 수준을 잘못 판정하도록 할 수 있다.
가령, 기존 광이온화 검출기는 대기중의 공기분자가 검출되는 검출 신호의 베이스라인(Baseline) 신호 수준(level)이 존재하는데, 습도가 높은 환경에서 광이온화 검출기를 이용하여 측정하는 경우 베이스라인 신호 수준이 상대습도에 따라서 증가되는 페이크 신호(Fake signal)가 발생하게 되고, 이는 측정대상 유해가스를 측정하는데 있어서 측정 감도를 저하시키면서, 노이즈 상승의 원인이 되기도 한다.
도2는 검출 전극 외에 펜스 전극을 추가하여 형성한 광이온화 검출기 구성의 한 예를 나타낸다.
도1의 구성과 비교하여 살펴보면, 도2의 광이온화 검출기는 하우징(10)의 중앙 빈 공간과 램프 설치 방식, 빈 공간을 위에서 커버하는 다공막(20)과 같은 기본적 구성에서 공통점을 가진다.
그러나, 여기서는 다공막(20)을 통과한 대상물 가스가 빈 공간으로 유입되기 위한 별도의 입구 통로 및 방출통로의 구분은 이루어지지 않고, 다공막(20) 아래 바로 빈 공간이 위치하게 되며, 다공막을 통해 빈 공간으로 들어온 대상물은 다시 다공막을 통해 외부로 나갈 수 있어 다소 차이가 있다.
도2에서도 도1과 마찬가지로 중앙 빈 공간의 상부에는 검출 전극쌍을 이루는 캐소드 전극(41)이 메시 형태로 혹은 다수 구멍을 가지는 판형으로 설치되고, 중앙 빈 공간의 하부에는 검출전극쌍을 이루는 아노드 전극(43)이 메시 형태로 혹은 다수 구멍을 가지는 판형으로 설치된다.
이로써 다공막(20)을 통해 빈 공간으로 들어오는 가스는 캐소드 전극(41)의 구멍들을 통해 빈 공간으로 들어오고 다시 다공막 쪽으로 나갈 수 있고, 램프창(33)을 통과한 광자는 다시 아노드 전극의 구멍들을 통해 빈 공간으로 조사될 수 있으며, 빈 공간에서 광자는 빈 공간에 유입된 가스 혹은 대상물 분자에 작용하여 이온화가 이루어지도록 한다.
그리고, 중요한 구성의 차이로서, 도2의 구성에서는 상부의 캐소드 전극(41)과 하부의 아노드 전극(43) 사이에 펜스 전극(Fence Electrode: 45)이 설치된다.
이 펜스 전극(45)도 적어도 일부가 하우징(10)에 접하도록 설치되어 캐소드 전극(41)과 아노드 전극(43) 사이에서 발생할 수 있는 누설 전류를 방지하는 역할을 한다. 이로써 캐소드와 아노드 사이의 검출 전극 전위차 감지는 유입되는 습기 등에 영향을 덜 받아 더욱 안정적이고 정확한 대상물 감지 및 대상물 농도 수준 감지가 가능하게 된다.
그러나, 이런 도2의 구성은 대상물 가스 유입시 함께 유입된 습기, 미세 파티클 등이 하우징 내측벽에 부착되는 것을 근본적으로 막는 것은 아니며, 누설전류가 흐를 수 있는 상황에서 펜스 전극을 설치하여 누설전류를 막는 것이므로, 펜스 전극 설치 상태에 따라 일부 누설전류의 가능성이 여전히 남아 있다.
결국 도2의 구성도 광이온화 검출기의 대상물 검출 여부 및 농도 측정에서의 부정확, 오류의 가능성을 가지는 것이며, 광이온화 검출기의 검출 성능이 열화될 가능성도 있는 것이다.
대한민국 등록특허 10-1762394
본 발명은 기존의 광이온화 검출기의 대상물 검출 여부 및 농도 측정에서의 부정확 및 오류 가능성을 보다 감소시킬 수 있고, 보다 근본적으로 대상 가스와 함께 유입되는 습기로 인한 누설전류 발생 가능성을 차단할 수 있는 구성을 가지는 광이온화 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광이온화 검출기는
중앙에 제1측과 제2측의 양측으로 개방된 빈 공간을 가지는 하우징,
상기 하우징 제1측에 설치되며 상기 빈 공간과 램프창으로 구분되는 공간에 설치되는 자외선 램프,
상기 하우징 제2측에 상기 빈 공간을 커버하도록 설치되는 다공성 물질층,
상기 빈 공간의 제1측 및 제2측에 설치되어 검출전극쌍을 이루며 상기 다공성 물질층을 통과한 대상물이 상기 빈 공간으로 들어갈 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제1 전극 및 상기 자외선 램프에서 방출된 광자가 통과하여 상기 빈 공간으로 들어올 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제2 전극을 구비하여 이루어지는 광이온화 검출기에 있어서,
상기 하우징 내로 상기 다공막과 상기 제1 전극 사이에서 상기 대상물이 상기 빈 공간으로 유입되는 경로 상에 상기 대상물을 가열할 수 있도록 설치되는 히터장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 히터장치로 조절이 용이한 전기히터장치를 사용하는 경우, 전기히터장치와 상기 검출전극쌍을 이루는 제1 전극 혹은 상기 제2 전극 사이에는 상기 전기히터장치와 상기 검출전극쌍 사이의 단락을 방지할 수 있는 절연층이 더 설치될 수 있다.
본 발명에서 대상물이 유입되는 다공막 전이나 후의 위치에는 유입되는 대상물의 온도와 습도를 감지할 수 있는 센서가 설치되고, 센서에서 검출된 온도, 습도 신호를 컨트롤러가 받아 히터장치에 에너지가 공급되어 적정한 수준의 가열이 이루어지도록 하여 대상물 내의 습도에 의해 빈 공간에서 수증기 응결이 잘 이루어지지 않도록 제어되는 구성이 구비될 수 있다.
본 발명에서 다공성 물질층 및 다공성 물질층을 하우징에 설치하기 위한 부품은 히터장치에 대한 내열성, 열에 의한 변형 내성을 가지는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 광이온화 검출기로 유독 가스 등 대상물을 감지할 때 보다 정확한 존재 여부 감지를 할 수 있고 농도 확인에 있어서도 측정에서의 부정확 및 오류 가능성을 보다 감소시킬 수 있으며, 기존에 캐소드 전극과 아노드 전극 사이에 누설 방지용 펜스 전극을 설치하는 경우에서 발생할 수 있는 기기의 오작동 및 열화 가능성 문제를 회피할 수 있다.
도1은 종래의 광이온화 검출기의 일 예에 따른 핵심 구성 개념을 나타내는 구성 단면도,
도2는 종래의 광이온화 검출기의 다른 예에 따른 핵심 구성 개념을 나타내는 구성 단면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 개념을 나타내는 구성 단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에서의 대상물 기체의 온습도 센서에 의한 히터장치 동작 구성에서 구성 요소들을 박스 다이어그램 형태로 표현한 구성 개념도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3 및 도4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 광이온화 검출기는 기존의 알려진 광이온화 검출기와 비슷하게 중앙에 상하로 개방된 빈 공간을 가지는 하우징(110), 이 하우징 하부에 설치되며 빈 공간과 램프창(133)으로 구분되는 공간에 설치되는 자외선 램프(130), 하우징(110) 상부에서 하우징 중앙의 빈 공간을 커버하도록 설치되는 다공성 물질층(porous material: 120), 빈 공간에 설치되어 검출전극쌍을 이루며 다공성 물질층(120)을 통과한 대상물이 검출건극쌍 사이의 이온화 공간으로 들어갈 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 캐소드 전극(141) 및 자외선 램프(130)에서 방출된 광자가 통과하여 이온화 공간으로 들어올 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 아노드 전극(143)을 구비하여 이루어진다.
여기서 다공성 물질층(120)을 통과한 대상물 가스는 검출전극쌍 사이의 이온화 공간으로 들어가기 전에 전실 공간을 거치게 된다. 전실 공간에는 다공성 물질층(120)을 거쳐 유입된 대상물 가스가 통과하는 유입통로(122), 대상물 가스를 가열하기 위한 히터 장치(113), 전실 공간의 물질들이 외부로 방출될 수 있도록 하는 방출통로(124)가 구비된다. 방출통로(124)에는 별도의 다공막은 설치되지 않아 방출되는 가스는 방출통로(124)를 통해 다공막을 거치지 않고 외부로 나갈 수 있게 된다.
다공성 물질층(120)을 통과하여 유입통로(122)를 거친 대상물 가스는 일부는 그대로 방출통로(124)로 나갈 수도 있지만 대부분 히터장치(113)를 거쳐 가열된 상태로 검출전극쌍 사이의 이온화 공간으로 들어간다. 역으로, 이온화 공간의 이온화 과정을 거치거나 거치지 않은 대상물 가스는 전실 공간으로 빠져나와 방출통로(124)로 방출될 수 있다.
여기서는 이온화 공간의 상부는 캐소드 전극(141)에 의해 전실 공간과 경계를 이루고, 하부는 아노드 전극(143) 및 그에 인접한 램프 창(133)에 의해 램프 설치 공간과 경계를 이루게 된다.
여기서 히터 장치(113)로는 열량 조절이 용이한 전기히터장치를 사용하며, 가령 미세한 크기에 맞게 제작된 MEMS(Microelectromechanical systems) 혹은 세라믹(ceramic) 히팅 블럭(heating block)을 사용할 수 있다. 히터장치(113)와 캐소드 전극(141)의 사이에는 이들 사이의 전기적 단락 문제를 방지하기 위한 절연층(115)이 설치된다.
하우징(110)에는 전기히터장치에 전력을 조절하면서 공급하기 위한 히팅 드라이버(183)와 연결을 위한 전기 단자(161, 163))가 설치되며, 이는 검출전극쌍의 캐소드 전극(141)과 아노드 전극(143)에 전압을 인가하고 광이온화 신호(photoionization signal)를 검출하기 위한 전기 단자(151, 153)와 별도로 설치되어 하우징(110)에는 적어도 4개의 전기 단자가 설치된다. 이들 전기 단자는 검출전극쌍의 두 전극의 전기 단자(151, 153)와 연결되는 검출회로(185)와 히팅 드라이버(183)를 포함하는 컨트롤러 회로(180)에 연결된다.
이온화 공간 아래쪽에 램프 창9133)을 경계로 설치되는 자외선 램프(130)는 램프 설치 공간을 이루는 램프 설치부 몸체 내에 장착될 수 있다. 램프로는 파장 1 내지 190 나노미터의 진공자외선(VUV) 가운데 특히 104 내지 172 나노미터 파장을 방출하는 것이 흔히 사용될 수 있다. 램프 설치 공간은 램프에서 방출된 광자의 간섭을 막기 위해 진공 공간으로 설치될 수 있다. 램프창(133)에는 이온화 공간으로 투입되는 광자의 특성을 특정 목적 대상물로 한정하기 위한 필터가 설치될 수 있다. 자외선 램프(130)는 별도 전원에 의해 가동될 수 있다.
이상과 같은 구성의 실시예에서 광이온화 검출기에서의 작용을 살펴보면, 먼저 외부의 오염이 염려되는 주변 공기 등 대상물 기체가 다공성 물질층(120)을 거쳐 하우징(110) 내로 유입된다. 공기의 흐름은 자연스런 확산에 의한 것일 수 있으며, 효율적 공기 흐름을 위해 검출기와 관련하여 일부 송풍 혹은 포집 수단이 사용될 수 있다.
다공성 물질층(120)을 통과한 대상물 기체는 유입통로(122)를 거치고 전실공간의 전기히터블럭을 거쳐 검출전극쌍 사이의 이온화 공간으로 들어간다. 전실공간에는 방출 통로(124)도 연결되어 있다. 유입통로9122)와 방출통로(124)는 다공성 물질층(120)과 함께 하우징(110) 상부에 결합되는 마개와 같은 별도 강체 부품이나 열에 강한 합성 수지나 고무 부품으로 이루어질 수 있다. 이런 구성은 기존의 광이온화 검출기와 차이를 가질 수 있으며, 이는 전기히터블럭의 존재로 인한 열의 영향을 방지하기 위한 것일 수 있다.
가령, 종래의 다공성막은 합성수지와 같이 통상 열에 약한 재질로 구성될 수 있고, 이런 경우, 히터블럭의 존재에 의해 열을 받아 변형되거나 경화되어 열화될 수 있고, 유입되는 대상물 기체가 다공성막과 하우징의 틈새를 여과 없이 통과하여 유입되거나, 유입되는 경로를 물리적으로 막아 문제를 일으킬 수 있다.
이런 문제를 방지하기 위해 여기서는 다공성 물질층(120)을 세라믹이나 열에 강한 합성수지 재료로 형성한다. 그리고, 다공성 물질층(120)을 안착시키면서 다공성 물질층이 히터장치(113)의 영향을 받는 것을 막기 위한 완충 공간을 이루도록 그리고 유입되는 대상물 기체가 유입 경로 상에서 가열될 수 있도록 유입 통로(122)와 방출통로(124)를 이루는 별도 부품을 형성하여 하우징 상부에 착탈가능 방식으로 결합, 설치하였다. 물론 여기서도 다공성 물질층(120)은 외부 환경에서 유입되는 대상물 가스 중의 미세 물방울, 미세먼저를 상당 부분 여과, 차단하는 역할을 하게 된다.
전실공간에서 전기 히터블럭을 거치면서 가열되어 상대 습도가 낮아 물방울 응결의 위험도가 낮아진 대상물 가스는 대부분 플레이트형 케소드 전극(141)에 형성된 틈새(slit) 혹은 홀(hole)을 통해 이온화 공간으로 들어가게 된다.
이온화 공간에는 자외선 램프(130)에서 방출되어 플레이트형 아노드 전극(143)에 형성된 틈새나 홀을 통해 이온화 공간으로 들어온 진공자외선이 존재하므로 대상물 가스 중에 타겟이 되는 검출대상 물질은 진공자외선으로부터 에너지를 받아 여기하여 양이온과 전자, 혹은 양이온과 음이온 상태로 되어 검출전극쌍의 캐소드 전극과 아노드 전극 혹은 카운터 전극과 센싱 전극으로 극성에 따라 각자 이끌리게 된다.
센싱 전극은 전하 입자로부터 전하를 받아 전기 단자를 통해 전기 신호를 검출회로로 보내고, 검출회로는 증폭기를 통해 증폭된 전기신호를 기록하거나 표시하게 되고, 검출기 사용자는 이를 인식하여 필요한 조치를 행할 수 있게 된다.
검출기의 하우징 내의 대상물 기체 일부는 방출 통로를 통해 방출되고, 유입 통로로는 주변 환경에서 유입된 새로운 대상물 기체가 들어와 이온화 공간의 대상물 기체는 항상 새로운 주변 환경에서의 성분 변화을 반영할 수 있다.
한편, 검출기의 하우징 내부 공간은 항상 공간적 제약을 받고, 히터블럭은 공간적으로 검출전극쌍의 캐소드 전극과 인접하여 위치하므로 히터블럭과 캐소드 전극 사이의 전기적 단락 등 간섭 및 검출 동작 오류가 발생하는 것을 방지하기 위해 여기서는 히터블럭과 캐소드 전극 사이에는 절연층 패드 등 절연 수단을 설치하고 있으며, 절연층(115)은 상황에 따라 세라믹물질 혹은 폴리머로 이루어질 수 있다.
물론, 이상과 같은 검출기 구성은 생산 및 운용상의 부분적 수리 교체를 위해 부분별로 모듈화하여 구성될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명에서 히터 블럭의 운영을 효율적으로 하기 위해 히팅 드라이버의 운용을 위한 센서(170)를 도입하고, 히팅 드라이버(183)를 포함하는 콘트롤러 회로(180)는 센서(170)의 신호를 받아 히팅 드라이버(183)를 통해 히터 장치(113)에 전달되는 전력, 즉, 시간당 열량을 조절할 수 있다.
가령, 주변에서 대상물 기체가 유입되는 다공성 물질층(120) 직후의 하우징(110) 내부 위치에 유입되는 대상물 기체의 온도와 습도를 감지할 수 있는 센서(170)가 설치되고, 센서에서 검출된 온도, 습도 신호를 컨트롤러 회로(180) 내의 처리부(181)가 받아 히팅 드라이버(183)를 통해 히터장치(113)에 전력이 공급되어 적정한 수준의 가열이 이루어지도록 하여 대상물 기체 내의 습도에 의해 빈 공간에서 수증기 응결이 잘 이루어지지 않도록 제어되는 구성이 구비될 수 있다.
이런 구성에 따르면, 히터장치 가동에 따라 대상물 기체의 습도 제거 및 일반 공기중의 상대습도에 따른 결로 현상 억제, 습도에 의한 페이크 신호(fake signal) 억제를 이룰 수 있음과 함께, 히터를 무조건 가동할 필요가 없고, 히터를 가동해도 검출전극쌍 사이에 누설 전류를 일으키는 응결을 충분히 방지할 수 있는 정도만 전력을 공급할 수 있다. 특히 휴대용 광이온화 검출기와 같은 휴대용 기기에서는 이런 구성을 통해 충전이나 배터리 교체 없이 검출기 가동시간을 늘릴 수 있고, 과도한 가열로 인한 다공성 물질층의 변성, 열화, 주변 부품의 열화와 그로 인한 검출기 정확성 저하를 방지할 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10, 110: 하우징 20: 다공성막
30: 몸체(자외선 램프 설치부) 33, 133: 램프 창(lamp window)
41, 141: 캐소드 전극 43, 143: 아노드 전극
45: 펜스 전극 113: 히터 장치
115: 절연층 120: 다공성 물질층
122: 유입통로 124: 방출통로
130: 자외선 램프 151, 153, 161, 163: 전기 단자
170: 센서 180: 콘트롤러 회로
181: 처리부 183: 히팅 드라이버

Claims (4)

  1. 중앙에 제1측과 제2측의 양측으로 개방된 빈 공간을 가지는 하우징,
    상기 하우징 제1측에 설치되며 상기 빈 공간과 램프창으로 구분되는 공간에 설치되는 자외선 램프,
    상기 하우징 제2측에 상기 빈 공간을 커버하도록 설치되는 다공성 물질층,
    상기 빈 공간의 제1측 및 제2측에 설치되어 검출전극쌍을 이루며 상기 다공성 물질층을 통과한 대상물 기체가 상기 검출전극쌍 사이의 빈 공간으로 들어갈 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제1 전극 및 상기 자외선 램프에서 방출된 광자가 통과하여 상기 빈 공간으로 들어올 수 있도록 하는 구멍 혹은 틈을 가지는 제2 전극을 구비하여 이루어지는 광이온화 검출기에 있어서,
    상기 하우징 내로 상기 다공성 물질층과 상기 제1 전극 사이에서 상기 대상물 기체가 상기 빈 공간으로 유입되는 경로 상에 상기 대상물을 가열할 수 있도록 설치되는 히터장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광이온화 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터장치로 조절이 용이한 전기히터장치를 사용하고,
    상기 전기히터장치와 상기 검출전극쌍을 이루는 상기 제1 전극 사이에는 상기 전기히터장치와 상기 검출전극쌍 사이의 전기적 간섭을 방지할 수 있는 절연층이 설치되는 것을 특징으로 하는 광이온화 검출기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 대상물 기체가 유입되는 상기 다공성 물질층 전이나 후의 위치에 유입되는 대상물 기체의 온도와 습도를 감지할 수 있는 센서가 설치되고,
    상기 센서에서 검출된 온도, 습도 신호를 컨트롤러가 받아 상기 히터장치에 상기 대상물 기체 내의 습도에 의해 상기 빈 공간에서 수증기 응결이 이루어지지 않도록 하는 수준의 가열이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 광이온화 검출기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성 물질층 및 상기 다공성 물질층을 상기 하우징에 설치하기 위한 부품은 상기 히터장치에 대한 내열성 혹은 변형에 대한 내성을 가지는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광이온화 검출기.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1764613A2 (en) * 1998-09-29 2007-03-21 Denso Corporation Gas concentration sensing apparatus
JP2012118063A (ja) * 2010-11-30 2012-06-21 General Electric Co <Ge> 光イオン化検出器及び関連する方法
KR101762394B1 (ko) 2016-06-09 2017-07-27 (주)센코 광이온화 가스센서

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1764613A2 (en) * 1998-09-29 2007-03-21 Denso Corporation Gas concentration sensing apparatus
JP2012118063A (ja) * 2010-11-30 2012-06-21 General Electric Co <Ge> 光イオン化検出器及び関連する方法
CN102565183A (zh) * 2010-11-30 2012-07-11 通用电气公司 光致电离检测器及其关联的方法
KR101762394B1 (ko) 2016-06-09 2017-07-27 (주)센코 광이온화 가스센서

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Review of low-cost sensors for the ambient air monitoring of benzene and other volatile organic compounds(Spinelle L., JRC Tech. Reportsw, 2015)* *

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