KR20230040042A - 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학적 가스 센서 방식으로 가스의 농도를 측정할 수 있는 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관과, 상기 광도파관의 일단부 또는 상기 일단부의 인근에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부와, 상기 광도파관의 타단부 또는 상기 타단부의 인근에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부 및 상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 상기 검출부의 인근에 설치되고, 상기 적외선의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터를 포함하고, 상기 광도파관은, 상기 내부 공간의 내벽면에 의해 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 상기 내부 공간을 통과하는 상기 적외선이 상기 광학 필터에 입사되는 입사각을 제어할 수 있도록, 적어도 일부 구간이 상기 광도파관의 중심축을 기준으로 소정의 경사 각도로 경사지게 형성되는 경사부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학적 가스 센서 방식으로 가스의 농도를 측정할 수 있는 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
적외선(Infra red radiation)은 파장이 0.75㎛ 내지 1mm 범위에 속하는 전자기파로서, 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열을 발산하기 때문에 열선이라고 한다. 적외선이 이렇게 강한 열 효과를 가지는 것은 적외선의 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문이다. 이는 물질에 적외선이 부딪치면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문인 것으로 알려져 있다. 특히, 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있기 때문에 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응과정 또는 분자구조를 정밀하게 추정하는 수단으로 사용하는데, 이것을 적외선 분광분석이라 한다.
이러한 적외선의 특성을 이용한 비분산 적외선(NDIR) 가스 센서는, 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 농도에 대한 광 흡수율을 측정함으로써 가스 농도를 구하는 방식이며, 적외선을 방출하는 광원과 광학적 필터, 적외선 디텍터, 광도파관으로 구성되어 있다.
광도파관에 입사된 적외선이 검출 대상 가스의 가스 분자에 의해서 흡수된 후 투과된 적외선의 양은 비어-램버트의 법칙(Beer-Lambert law)을 따를 수 있으며, 이에 의해, 적외선이 광도파관 내에서 검출 대상 가스를 통과하여 이동하는 광경로가 길수록 목적하는 가스에 의한 흡수량이 커지고 그에 따라 광센서가 측정하는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 비분산 적외선 가스 센서는, 기기의 정밀도를 증가시키기 위해서 적외선의 광경로를 길게 하는 경우 가스 센서의 크기가 지나치게 커지고, 광도파관 내부 반사에 의한 광손실이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광학 필터에 입사되는 적외선의 입사각을 제어하여 적외선의 필터 투과율을 증가시키고, 광학 필터를 투과한 적외선이 적외선의 양을 검출하는 검출부에 집광될 수 있도록 하여 적외선의 광경로를 지나치게 길게 형성하지 않아도 가스 검출의 정밀도를 증가시킬 수 있는 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비분산 적외선 가스 센서가 제공된다. 상기 비분산 적외선 가스 센서는, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관; 상기 광도파관의 일단부 또는 상기 일단부의 인근에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부; 상기 광도파관의 타단부 또는 상기 타단부의 인근에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부; 및 상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 상기 검출부의 인근에 설치되고, 상기 적외선의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터;를 포함하고, 상기 광도파관은, 상기 내부 공간의 내벽면에 의해 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 상기 내부 공간을 통과하는 상기 적외선이 상기 광학 필터에 입사되는 입사각을 제어할 수 있도록, 적어도 일부 구간이 상기 광도파관의 중심축을 기준으로 소정의 경사 각도로 경사지게 형성되는 경사부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 경사부는, 상기 광학 필터로 입사되는 상기 적외선의 상기 입사각이 상기 광학 필터를 기준으로 수직한 방향으로 입사될 수 있도록, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 광학 필터가 설치된 위치로부터 전방의 상기 일부 구간이 상기 소정의 경사 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광도파관에서, 상기 경사부로 형성되는 상기 일부 구간의 길이는, 하기 [수식 1] 
에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광도파관에서, 상기 경사부로 형성되는 상기 일부 구간의 상기 소정의 경사 각도는, 하기 [수식 2] α = 0.5 
θ에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광도파관은, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 광학 필터의 후방에 형성되어, 상기 검출부로 상기 광학 필터를 통과한 상기 적외선을 집광시키는 반사부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 검출부는, 상기 광도파관의 상기 타단부의 인근에서 상기 광학 필터에 입사되는 상기 적외선의 입사 방향을 기준으로 수직한 방향 또는 경사진 방향으로 형성되어, 상기 광도파관의 하측 또는 상측에 형성되고, 상기 반사부는, 상기 광도파관의 상기 타단부의 인근에서 상기 광도파관의 하측 또는 상측에 형성된 상기 검출부로 상기 적외선을 집광 시킬 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 타단부에 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror);을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 검출부는, 상기 광도파관의 상기 타단부로부터 소정의 이격 거리로 이격되게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 이격 거리는, 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 상기 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현한 [수식 3] y = 4ax2에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광도파관은, 상기 발광부의 인근에 형성되고, 상기 검출 대상 가스가 투입되는 투입부; 및 상기 검출부의 인근에 형성되고, 상기 검출 대상 가스가 배출되는 배출부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광도파관은, 상기 내부 공간에서 상기 내벽면에 의해 반복적으로 반사되는 상기 적외선의 광세기 감소를 억제할 수 있도록, 상기 내벽면의 적어도 일부분에 금속층이 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 필터가 설치된 인근의 광도파관의 일부 구간을 경사지게 형성하여, 광도파관 내부에서 반사되면서 굴절을 반복하다가 광학 필터에 입사되는 적외선의 입사각을 광학 필터에 수직하게 입사되도록 유도함으로써, 적외선의 필터 투과율을 증가시켜 적외선의 광손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 상술한 구조와 연결하여, 광학 필터의 후방에 포물면 거울로 형성되는 반사부를 구비하여, 광학 필터를 투과한 적외선이 적외선의 양을 검출하는 검출부로 집광되도록 유도함으로써, 검출부로 도달하는 적외선 광의 세기를 증폭시킬 수 있다.
이와 같이, 광도파관 내에서 광학 필터를 통과하는 적외선의 필터 투과율을 증가시키고, 검출부에 도달하는 적외선의 세기를 증폭시킴으로써, 적외선의 광경로를 지나치게 길게 형성하지 않아도 가스 검출의 정밀도를 증가시킬 수 있으며, 가스 배관 기성품에 적용 가능한 구조를 가짐으로써 저비용으로 제조가 가능한 비분산 적외선 가스 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 비분산 적외선 가스 센서에서 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현하여 집광점을 산출한 것을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 비분산 적외선 가스 센서에서 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현하여 집광점을 산출한 것을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100)는, 크게, 광도파관(10)과, 발광부(20)와, 검출부(30) 및 광학 필터(40)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광도파관(10)은, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간(A)이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 발광부(20)는, 광도파관(10)의 일단부 또는 일단부의 인근에 설치되고, 광도파관(10)의 내부 공간(A)으로 적외선(IR)을 발산할 수 있으며, 검출부(30)는, 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 발광부(20)와 대향되는 방향에 형성될 수 있도록, 광도파관(10)의 타단부 또는 타단부의 인근에 설치되고, 발광부(20)에서 발산되어 광도파관(10)의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 내부 공간(A)을 통과한 적외선(IR)의 광량을 검출할 수 있다.
더욱 구체적으로, 광도파관(10)은, 원통 형상으로 형성되어, 내부 공간(A)에 서로 대향되게 설치되는 발광부(20)와 검출부(30) 및 후술될 광학 필터(40)를 수용하고, 내부 공간(A)에 발광부(20)로부터 조사된 적외선(IR)의 광경로(Optical path)를 형성할 수 있다. 그러나, 광도파관(10)의 형상은 반드시 도 1에 국한되지 않고, 원통 형상 이외에도 사각통 형상이나 육각통 형상 등 다양한 다각의 단면 형상을 가지는 속이 빈 통 형상으로 형성될 수 있다.
하지만, 발광부(20)로부터 발산된 적외선(IR)의 반사 등 빛의 특성을 고려할 때 광도파관(10)은 본 발명과 같이, 원통 형상으로 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
또한, 광도파관(10)은, 내부 공간(A)으로 유입된 상기 검출 대상 가스가 내부 공간(A)을 유동 후 다시 외부로 배출될 수 있도록, 발광부(20)의 인근에 형성되고 상기 검출 대상 가스가 투입되는 투입부(12) 및 검출부(30)의 인근에 형성되고 상기 검출 대상 가스가 배출되는 배출부(13)가 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 원통 형상으로 길이 방향으로 길게 형성된 광도파관(10)의 내부 공간(A)을 따라 상기 검출 대상 가스가 상기 길이 방향으로 충분히 유동한 후 다시 배출될 수 있도록, 투입부(12)와 배출부(13)는 각각 발광부(20)와 검출부(30) 인근에 설치되고 서로 상반된 방향으로 개구되어, 광도파관(10)에서 상기 길이 방향을 기준으로 대각으로 대향되게 배치될 수 있다.
이에 따라, 투입부(12)를 통해 광도파관(10)의 내부 공간(A)으로 유입된 상기 검출 대상 가스가 내부 공간(A)을 따라 상기 길이 방향으로 유동한 후, 배출부(13)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 투입부(12)는 발광부(20)의 인근에 형성되고, 배출부(13)는 검출부(30)의 인근에 형성되는 것을 예로 들었지만, 반드시 도 1에 국한되지 않고, 반대로 투입부(12)는 검출부(30)의 인근에 형성되고, 배출부(13)는 발광부(20)의 인근에 형성될 수도 있다.
또한, 광도파관(10)은, 발광부(20)로부터 발산되어 내부 공간(A)에서 내벽면(10a)에 의해 반복적으로 반사되는 적외선(IR)의 광세기 감소를 억제할 수 있도록, 내벽면(10a)의 적어도 일부분에 금속층(C)이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 적외선(IR)은, 발광부(20)로부터 방사상으로 발산되어 정면 방향으로 발산된 일부를 제외하고, 대부분의 적외선(IR)은 도 1에 도시된 바와 같이, 발광부(20)로부터 경사진 방향으로 발산되어 내부 공간(A)의 내벽면(10a)에 의해 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 내부 공간(A)을 통과할 수 있다.
여기서, 내벽면(10a)에 형성되는 금속층(C)은, 내벽면(10a)에서의 반사 손실에 따른 적외선(IR)의 광세기의 감소를 억제하여, 검출부(30)에서 검출되는 적외선(IR)의 감도를 향상시킬 수 있도록, 내벽면(10a)에 의한 적외선(IR)의 반사율을 높이기 위한 것으로서, 내벽면(10a) 표면의 표면 조도를 낮출 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
이러한, 금속층(C)은, 내벽면(10a) 표면에서 적외선(IR)의 광반사율을 높일 수 있는 것이 바람직할 수 있으며, 예컨대, 금속층(C)은, 반사율이 높은 금속을 포함할 수 있다. 반사율이 높은 금속으로는 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti) 또는 마그네슘(Mg)이나, 이들의 합금을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
이에 따라, 발광부(20)에 의해 상기 검출 대상 가스가 유동하는 내부 공간(A)으로 발산된 적외선(IR)은, 금속층(C)이 형성된 내부 공간(A)의 내벽면(10a)에 의해 광손실을 최소화하면서 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 상기 검출 대상 가스를 통과하여 검출부(30)를 향해 진행할 수 있다.
이때, 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 검출부(30)의 인근에 광학 필터(40)가 설치되어, 적외선(IR)의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장 만을 투과시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 광학 필터(40)는, 측정을 원하는 상기 검출 대상 가스의 종류에 따라 적외선(IR)의 파장을 제한함으로써, 검출 대상 이외의 가스를 필터링하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 상기 검출 대상 가스가 이산화탄소(CO2)일 경우, 4.26㎛에서 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하기 때문에, 4.26㎛의 파장 만을 투과시키는 광학 필터(40)를 사용하여 이산화탄소(CO2)를 제외한 다른 가스들을 필터링할 수 있다.
이외에도, 광학 필터(40)는, 상기 검출 대상 가스가 메탄가스(CH4)일 경우, 3.31㎛에서 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하기 때문에, 3.31㎛의 파장 만을 투과시키는 필터가 사용될 수 있다. 이와 같이, 광학 필터(40)는, 상기 검출 대상 가스의 종류에 따라 상기 검출 대상 가스가 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하는 파장 이외에 다른 파장을 제한하는 역할을 할 수 있다.
이때, 광학 필터(40)는, 투과가 가능한 파장 영역의 적외선(IR)이 입사되는 경우에도, 적외선(IR)이 경사진 각도로 입사할 경우에는 해당 적외선(IR)의 필터 투과율이 현저하게 저하되어, 검출부(30)로 도달하는 적외선(IR)의 광량이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서(100)는, 광도파관(10)이, 내부 공간(A)의 내벽면(10a)에 의해 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 내부 공간(A)을 통과하는 적외선(IR)이 광학 필터(40)에 입사되는 입사각(β)을 제어할 수 있도록, 적어도 일부 구간이 광도파관(10)의 중심축(X)을 기준으로 소정의 경사 각도(α)로 경사지게 형성됨으로써, 이와 같은 문제를 해소할 수 있다.
더욱 구체적으로, 광도파관(10)의 경사부(11)는, 광학 필터(40)로 입사되는 적외선(IR)의 입사각(β)이 광학 필터(40)를 기준으로 수직한 방향으로 형성되어 광학 필터(40)를 통과하는 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시킬 수 있도록, 적외선(IR)의 진행 방향을 기준으로 광학 필터(40)가 설치된 위치로부터 전방의 상기 일부 구간이 소정의 경사 각도(α)로 경사지게 형성될 수 있다.
이때, 광도파관(10)에서 경사부(11)를 이루는 상기 일부 구간의 길이(L) 및 소정의 경사 각도(α)는, 반복적인 실험을 통해 최적의 값을 도출할 수도 있지만, 광학 해석을 통해 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 내벽면(10a)에 의해 반사되는 적외선의 굴절 각도(θ)를 도출하고, 굴절 각도(θ)를 이용하여 사전에 도출된 계산식을 이용하여 정량적으로 계산될 수 있다.
예컨대, 광도파관(10)에서, 경사부(11)로 형성되는 상기 일부 구간의 길이(L)는, 하기 [수식 1]에 의해 계산될 수 있다.
[수식 1]
L: 경사부의 길이
D: 광도파관의 내경
θ: 적외선의 굴절 각도
또한, 광도파관(10)에서 경사부(11)로 형성되는 상기 일부 구간의 소정의 경사 각도(α)는, 하기 [수식 2]에 의해 계산될 수 있다.
[수식 2]
α = 0.5 
θ
α: 소정의 경사 각도
θ: 적외선의 굴절 각도
본 발명은, 이러한 [수식 1] 및 [수식 2]에 따라, 광학 필터(40)로 입사되는 적외선(IR)의 입사각(β)을 광학 필터(40)를 기준으로 수직한 방향으로 입사될 수 있도록 유도하는, 광도파관(10)에서 경사부(11)로 형성되는 상기 일부 구간의 최적의 길이(L) 및 소정의 경사 각도(α)를 용이하게 도출할 수 있었다.
따라서, 발광부(20)로부터 발산되어 광도파관(10)의 내부 공간(A)의 금속층(C)이 형성된 내벽면(10a)에 의해 반복적으로 반사되면서 굴절을 반복하던 적외선(IR)은, 경사부(11)의 경사진 내벽면에 의해 최종적으로 수평 방향으로 굴절됨으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 필터 투과율을 극대화할 수 있도록 광학 필터(40)에 수직하게 입사되어, 광학 필터(40)를 통과하는 과정중에 일어나는 광손실을 최소화할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른, 비분산 적외선 가스 센서(100)는, 광학 필터(40)가 설치된 인근의 광도파관(10)의 상기 일부 구간을 소정의 경사 각도(α)로 경사지게 형성하여, 광도파관(10) 내부에서 반사되면서 굴절을 반복하다가 광학 필터(40)에 입사되는 적외선(IR)의 입사각을 광학 필터(40)에 수직하게 입사되도록 유도함으로써, 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시켜 적외선(IR)의 광손실을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 광도파관(10) 내에서 광학 필터(40)를 통과하는 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시킴으로써, 검출부(30)로 도달하는 적외선(IR)의 광량을 증가시켜, 검출부(30)를 통해 검출되는 가스 검출의 정밀도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서(100)의 광도파관(10)은, 가스 배관 기성품의 일부분을 경사지게 벤딩하여 제조가 가능함으로써, 본 발명의 광도파관(10)의 구조를 가스 배관 기성품에 적용 및 구현이 가능하여, 저비용으로 제작 가능한 효과를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 2의 비분산 적외선 가스 센서(200)에서 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현하여 집광점을 산출한 것을 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(200)는, 광도파관(10)에, 적외선(IR)의 진행 방향을 기준으로 광학 필터(40)의 후방에 형성되어, 검출부(30)로 광학 필터(40)를 통과한 적외선(IR)을 집광시키는 반사부(50)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 검출부(30)는, 광도파관(10)의 상기 타단부의 인근에서 광학 필터(40)에 입사되는 적외선(IR)의 입사 방향을 기준으로 수직한 방향 또는 경사진 방향으로 형성되어, 광도파관(10)의 하측에 형성될 수 있다. 또한, 반사부(50)는, 광도파관(10)의 상기 타단부의 인근에서 광도파광(10)의 하측에 형성된 검출부(30)로 적외선(IR)을 집광시킬 수 있도록, 광도파관(10)의 상기 타단부에 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror)(51)을 포함할 수 있다.
여기서, 검출부(30)는, 광도파관(10)의 하측에 형성되고, 반사부(50)의 포물면 거울(51)은 하측에 형성된 검출부(30)로 적외선(IR)을 집광시킬 수 있도록 상방으로 대각진 방향으로 오목하게 형성되는 것을 예로 들었지만, 반드시 도 2에 국한되지 않고, 검출부(30)가 광도파관(10)의 상측에 형성되고, 반사부(50)의 포물면 거울(51)은 상측에 형성된 검출부(30)로 적외선(IR)을 집광시킬 수 있도록 하방으로 대각진 방향으로 오목하게 형성될 수도 있다.
이러한, 포물면 거울(51)은, 광도파관(10)의 내부 공간(A)을 통과하는 과정에서, 내부 공간(A)을 유동하는 상기 검출 대상 가스에 의해 광세기가 감소한 상태로 광학 필터(40)를 통과한 적외선(IR)을 검출부(30) 측으로 집광함으로써, 비분산 적외선 가스 센서(200)의 센싱 감도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 광도파관(10)의 하측에 광학 필터(40)와 수직하게 형성되는 검출부(30)는, 포물면 거울(51)에 의해 적외선(IR)이 집광되는 위치를 고려하여, 즉, 포물면 거울(51)의 초점을 고려하여, 광도파관(10)의 상기 타단부로부터 소정의 이격 거리(a)로 이격되게 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 검출부(30)가 광도파관(10)의 상기 타단부로부터 이격되는 이격 거리(a)는, 포물면 거울(51)의 형상에 따라 달라질 수 있는 적외선(IR)이 집광되는 초점에 검출부(30)가 위치하도록 계산되어 설정될 수 있다.
예컨대, 이격 거리(a)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(51)의 궤적을 이차함수로 표현한 [수식 3]에 의해 정량적으로 계산될 수 있다.
[수식 3]
y = 4ax2
a: 이격 거리
x: 포물면 거울 궤적의 깊이 방향 좌표
y: 포물면 거울 궤적의 높이 방향 좌표
따라서, 발광부(20)로부터 발산되어 광도파관(10)의 내부 공간(A)의 금속층(C)이 형성된 내벽면(10a)에 의해 반복적으로 반사되면서 굴절을 반복하던 적외선(IR)은, 경사부(11)의 경사진 내벽면에 의해 최종적으로 수평 방향으로 굴절되어 광학 필터(40)에 수직하게 입사된 상태로 광학 필터(40)를 통과한 후, 광학 필터(40)의 후방에 설치된 포물면 거울(51)에 의해 검출부(30)로 집광될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 비분산 적외선 가스 센서(200)는, 광학 필터(40)가 설치된 인근의 광도파관(10)의 상기 일부 구간을 소정의 경사 각도(α)로 경사지게 형성하여, 광도파관(10) 내부에서 반사되면서 굴절을 반복하다가 광학 필터(40)에 입사되는 적외선(IR)의 입사각을 광학 필터(40)에 수직하게 입사되도록 유도함으로써, 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시켜 적외선(IR)의 광손실을 감소시킬 수 있는 광도파관(10)의 구조와 연결하여, 광학 필터(40)의 후방에 포물면 거울(51)로 형성되는 반사부(50)를 추가로 구비할 수 있다.
이에 따라, 광학 필터(40)를 투과한 적외선(IR)이, 적외선(IR)의 양을 검출하는 검출부(30)로 집광되도록 유도함으로써, 상기 검출 대상 가스가 유동하는 광도파관(10)의 내부 공간(A)을 통과하는 과정에서 광세기가 감소한 상태로 광학 필터(40)를 통과한 적외선(IR) 광의 세기를 다시 증폭시켜 검출부(30)의 감도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 광도파관(10) 내에서 광학 필터(40)를 통과하는 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시키고, 검출부(30)에 도달하는 적외선(IR)의 세기를 증폭시킴으로써, 광도파관(10)에서 적외선(IR)의 광경로를 지나치게 길게 형성하지 않아도 가스 검출의 정밀도를 증가시킬 수 있어 소형화가 가능하며, 가스 배관 기성품에 적용 가능한 구조를 가짐으로써 저비용으로 제조가 가능한 비분산 적외선 가스 센서(200)를 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 광도파관
10a: 내벽면
11: 경사부
12: 투입부
13: 배출부
20: 발광부
30: 검출부
40: 광학 필터
50: 반사부
51: 포물면 거울
A: 내부 공간
C: 금속층
IR: 적외선
X: 중심축
100, 200: 비분산 적외선 가스 센서
10a: 내벽면
11: 경사부
12: 투입부
13: 배출부
20: 발광부
30: 검출부
40: 광학 필터
50: 반사부
51: 포물면 거울
A: 내부 공간
C: 금속층
IR: 적외선
X: 중심축
100, 200: 비분산 적외선 가스 센서
Claims (10)
- 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관;
상기 광도파관의 일단부 또는 상기 일단부의 인근에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부;
상기 광도파관의 타단부 또는 상기 타단부의 인근에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부; 및
상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 상기 검출부의 인근에 설치되고, 상기 적외선의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터;를 포함하고,
상기 광도파관은,
상기 내부 공간의 내벽면에 의해 반복적으로 반사되어 굴절을 반복하면서 상기 내부 공간을 통과하는 상기 적외선이 상기 광학 필터에 입사되는 입사각을 제어할 수 있도록, 적어도 일부 구간이 상기 광도파관의 중심축을 기준으로 소정의 경사 각도로 경사지게 형성되는 경사부;
를 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 경사부는,
상기 광학 필터로 입사되는 상기 적외선의 상기 입사각이 상기 광학 필터를 기준으로 수직한 방향으로 입사될 수 있도록, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 광학 필터가 설치된 위치로부터 전방의 상기 일부 구간이 상기 소정의 경사 각도로 경사지게 형성되는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 광도파관에서,
상기 경사부로 형성되는 상기 일부 구간의 길이는, 하기 [수식 1]에 의해 계산되는, 비분산 적외선 가스 센서.
[수식 1]
L: 경사부의 길이
D: 광도파관의 내경
θ: 적외선의 굴절 각도 - 제 2 항에 있어서,
상기 광도파관에서,
상기 경사부로 형성되는 상기 일부 구간의 상기 소정의 경사 각도는, 하기 [수식 2]에 의해 계산되는, 비분산 적외선 가스 센서.
[수식 2]
α = 0.5θ
α: 소정의 경사 각도
θ: 적외선의 굴절 각도 - 제 1 항에 있어서,
상기 광도파관은,
상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 광학 필터의 후방에 형성되어, 상기 검출부로 상기 광학 필터를 통과한 상기 적외선을 집광시키는 반사부;
를 더 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 검출부는,
상기 광도파관의 상기 타단부의 인근에서 상기 광학 필터에 입사되는 상기 적외선의 입사 방향을 기준으로 수직한 방향 또는 경사진 방향으로 형성되어, 상기 광도파관의 하측 또는 상측에 형성되고,
상기 반사부는,
상기 광도파관의 상기 타단부의 인근에서 상기 광도파관의 하측 또는 상측에 형성된 상기 검출부로 상기 적외선을 집광 시킬 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 타단부에 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror);
을 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 검출부는,
상기 광도파관의 상기 타단부로부터 소정의 이격 거리로 이격되게 형성되는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 이격 거리는,
포물선 형상으로 오목하게 형성되는 상기 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현한 [수식 3]에 의해 계산되는, 비분산 적외선 가스 센서.
[수식 3]
y = 4ax2
a: 이격 거리
x: 포물면 거울 궤적의 깊이 방향 좌표
y: 포물면 거울 궤적의 높이 방향 좌표 - 제 1 항에 있어서,
상기 광도파관은,
상기 발광부의 인근에 형성되고, 상기 검출 대상 가스가 투입되는 투입부; 및
상기 검출부의 인근에 형성되고, 상기 검출 대상 가스가 배출되는 배출부;
를 더 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광도파관은,
상기 내부 공간에서 상기 내벽면에 의해 반복적으로 반사되는 상기 적외선의 광세기 감소를 억제할 수 있도록, 상기 내벽면의 적어도 일부분에 금속층이 형성되는, 비분산 적외선 가스 센서.
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| KR102569855B1 (ko) | 2023-08-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |