KR20240036380A - 광섬유 기반의 가스검출 셀을 이용한 다중 가스 센서 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 가스를 검출하기 위한 광학 기반의 가스 센서와 측정방법을 제공한다. 피측정 가스별로 흡수도가 높은 파장을 방출하는 다수의 레이저 다이오드 광원(12)들을 N×1의 제1 광스위치(10)에 각각 연결한다. 제1 광스위치(10)에서 출력된 가스검출용 광원(16)은 써큘레이터(20)를 통과하여 1×N의 제2 광스위치(22)를 거쳐 외부에 있는 다수의 가스검출 셀(24)에 입사한 뒤, 가스검출 셀(24)의 끝단에 있는 미러(26)에서 반사되어 센싱 신호로서 다시 가스검출 셀(24)을 거치고 제2 광스위치(22)를 지나서 제2 광검출기(28)에 검출되어, 피측정 가스의 흡수 정보를 갖는 센싱 신호(25)의 세기가 검출된다.

Description

광섬유 기반의 가스검출 셀을 이용한 다중 가스 센서 및 측정방법 {Multi-gas sensor and measuring method using a gas detection cell based on fiber optics}

본 발명은 가스 검출에 관한 것으로, 구체적으로, 광학적 방식을 이용하여 지중설비에서 발생하는 다양한 가스를 습도에 영향을 받지 않고 검출할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.

가스의 누출은 대형사고로 연결될 수 있어, 보다 신속하고 정확하게 가스 누출원을 확인해야 하지만, 현재의 가스누설 검지기로는 혼합된 다중가스일 경우 정확한 가스의 검지인지 확인할 수 없는 문제점이 있다. 또한 지중시설물 같은 경우에는 장시간 지중에 방치되어 오염된 가스가 유입시에 즉각 확인이 어렵다. 특히, 기존의 전기전자식 센서의 경우 지중 시설은 습도가 높아 쉽게 고장나는 문제점이 있다. 따라서 실시간으로 주변의 유해 폭발 가스에 대한 명확한 정보와 유해 폭발 가스물질 노출에 적극적으로 대처할 수 있는 해결방안을 제공할 수 있는 제품이 요구되고 있다.

기존의 산화물 반도체형 가스센서는 가스에 반응하여 초기 상태로 회복하는 데 장시간(수십~수백 초)이 소요될 뿐만 아니라, 대기 중에 습기가 있으면 센서의 성능이 급감되어 오작동할 수 있다. 제조사에서는 이러한 가스센서의 수명을 3~4년으로 제시하고 있지만, 주변환경(온도, 습도 먼지 등)에 따라 급격하게 수명이 단축되어 상대적 습도가 높은 지하 공동구, 맨홀 구역 등에서는 실제 가스센서의 수명이 몇 달에 불과해 장시간 활용하기 힘든 단점이 있다.

습도는 센서 수명에 심각한 영향을 미친다. 전기화학식 가스 센서의 이상적인 동작 조건은 20℃의 온도와 60%의 상대습도이다. 주변 습도가 60% 이하이면 센서 내부의 전해액이 말라, 반응 시간에 영향을 미친다. 반면에 습도가 60% 이상이면 공기 중의 수분이 센서로 흡수되어서 전해액을 묽게 하고 센서 특성에 영향을 미친다. 또한 수분 흡수는 센서에서의 수분 누출을 유발해 핀들을 부식하여 센서의 수명을 단축한다.

선특허(KR20170006758A, 유해가스 감지장치 및 그 방법)에서는 유해가스에 응답하여 색이 변하는 염료의 색상을 촬영하고, 촬영된 영상을 근거로 유해가스의 유출 여부를 감지할 수 있는 유해가스 감지장치 및 그 방법을 제시하였다. 감지 장치는 유해가스에 따라 색이 변하는 유해가스 감지 염료와, 유해가스 감지 염료를 촬영하여 색 데이터를 생성하는 이미지 센서와, 이미지 센서에서 제공되는 색 데이터를 근거로 유해가스의 농도를 계산하고, 계산된 농도와 기 설정된 허용 농도를 근거로 알람 처리하는 메인 컨트롤 유닛을 포함하고 있다.

선특허(KR20180030989A, 가스 검출 장치 및 방법)에서는 가스 검출 장치 및 상이한 유형의 가스를 구별하는 장치를 제안하고 있다. 천연 가스를 함유하는 샘플 내의 메탄과 같은 제1 가스의 존재를 확인하는 방법에 관한 것이다. 제1 파장에 반응하는 센서, 제2 파장에 반응하는 센서 및 참조 판독치를 수집하기 위한 센서를 갖는 검출기가 제공된다.

선특허(KR20190048836A, 미세 광 경로를 이용한 다종 가스 동시 측정 tdlas 정렬 시스템)에서는 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종 가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 높은 농도와 낮은 농도의 기체를 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제안하고 있다.

본 발명은 지하 공동구, 지하 관로, 맨홀 및 지중 시설에서 발생하는 다양한 가스를 검출하기 위한 광섬유 기반의 파장 선택 형 가스 검출 구조, 습기에 영향 받지 않는 광학 구조의 가스 센서와 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.

광섬유를 기반으로 센서를 구성 시에는 습도에 의한 센서의 수명단축 문제를 해결할 수 있는 장점이 있으며, 광학적 특징을 이용한 가스센서의 원리는 다음과 같다. 모든 가스들은 독립적인 자체 파장 대역을 가지고 있으며, 자신과 같은 파장 대역과 접촉하면 동일 파장을 흡수하려는 물리적 특성이 있다. 예를 들어, 메탄과 에탄의 레이저(적외선 흡수 분광) 분석을 하면, 메탄의 파장대역의 중심파장은 1653nm, 에탄의 파장대역의 중심파장은 1681nm로, 1653nm와 1681nm 파장의 LD(레이저 다이오드)를 출력하면 메탄과 에탄 분자들의 진동과 회전 작용으로 LD의 출력광의 세기(intensity)가 감소된다. 특히, 메탄의 검출은 도시가스 누출 확인에 필수적 사항이지만, 메탄 성분은 도시가스 뿐 아니라 주로 지중에 설치되는 정화조, 오수관, 하수관, 맨홀 등에서도 발생하고 있다.

이상의 원리를 이용한 본 발명에 따른 광섬유 기반의 다중 가스 센서는, 피측정 가스별로 흡수도가 높은 파장을 방출하는 다수의 레이저 다이오드 광원들을 N×1의 제1 광스위치에 각각 연결하고; 제1 광스위치에서 출력된 가스검출용 광원을 써큘레이터를 통해 1×N의 제2 광스위치를 거쳐 외부에 있는 다수의 가스검출 셀에 입사하고; 상기 가스검출 셀에서 피측정 가스를 검출한 센싱 신호가 상기 제2 광스위치를 지나서 제2 광검출기에 검출되도록 구성된다. 이 센싱 신호는 피측정 가스의 흡수 정보를 갖는바, 그 세기를 측정함으로써 가스를 검출할 수 있게 된다.

상술한 과제 해결 수단은 이후에 도면과 함께 설명하는 발명의 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면 광섬유 기반의 다중 가스 센서를 이용하여 기존의 습기에 취약한 지중 환경에도 장기간 사용이 가능하며, 광스위치를 이용하여 측정 가스에 따라 레이저 다이오드의 확장과 가스 셀의 확장이 용이한 장점이 있으며, 다중 가스센서 장치의 내부 및 외부의 환경에 따른 광원 세기 변화에 따른 오차를 최소화할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 저가의 광검출기를 이용하여 다중 가스를 검출하고 쉽게 확장할 수 있는 광학 구조를 제시하였다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 가스 센서의 구성도
도 2는 다중 가스 센서를 적용한 가스 검출 시스템의 구성도
도 3은 가스검출 셀의 구성도
도 4는 가스검출 셀의 외부함체 디자인 예시도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하 설명에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형에는 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 다중 가스 센서(100)의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.

피측정 가스별로 흡수도가 높은 파장을 방출하는 다수의 LD(레이저 다이오드) 광원(12)들을 N×1의 제1 광스위치(10)에 각각 연결한다. 외부에서 제어하는 순서로 혹은 파장선택된 레이저 다이오드 광원(12)이 광섬유(11)를 통해 제1 광스위치에 들어가 그 출력으로서 비대칭 광섬유 커플러(14)와 써큘레이터(20)에 입사한다.

상세하게, 비대칭 광섬유 커플러(14)는 제1 광스위치(10)에서 출력되는 광 출력을, 가스를 검출하기 위해 가스검출 셀로 보낼 가스검출용 광원(16)(후술함)과 레이저다이오드 광 세기 변화에 따른 센서 측정 오차를 보정하기 위한 참조광원(18)으로 나눈다. 상기 참조광원(18)은 제1 광검출기(PD)(19)에 의해 레이저 다이오드(12)들의 광 세기가 모니터링되어, 장시간 동작 혹은 온도변화에 따른 광 세기 변화를 확인하여 가스 검출 오차를 최소화하는 데 사용된다.

상기 가스검출용 광원(16)은 써큘레이터(20)를 통과하여 1×N의 제2 광스위치(22)를 거쳐 광섬유(23)를 통해 외부에 있는 다수의(N개의) 가스검출 셀(24)에 입사한 뒤, 가스검출 셀(24)의 끝단에 있는 미러(26)에서 반사되어 센싱 신호로서 다시 가스검출 셀(24)을 거치고 제2 광스위치(22)를 지난다. 이어서 써큘레이터(20)의 3번 단으로 출력된 센싱 신호(25)는 제2 광검출기(28)에 검출되어, 피측정 가스의 흡수 정보를 갖는 센싱 신호(25)의 세기가 검출된다. 이와 같이 제2 광스위치(22)를 이용함으로써, 가스검출 셀의 위치 및 셀 수의 확장이 용이해진다.

또한, 가스검출용 광원을 발생하는 레이저 다이오드(12)들 중 N번째 레이저 다이오드(13)는 가스 흡수에 최소화 되는 파장으로 선택되어, 외부 가스검출 셀의 위치, 광섬유의 길이 및 구부러짐 등에 따른 광 세기 변화를 보상하여 정확한 가스 검출을 담보하도록 한다.

도 2는 상기 다중 가스 센서(100)를 적용한 본 발명의 다중 가스센서 시스템의 구성도이다. 광스위치 포트에 따라 확장이 가능한 광섬유 기반의 가스검출 셀(24)에서 반사된 광 신호는 다중 가스 센서(100)에서 전기신호로 변환되고 노이즈 저감을 위한 저대역 필터(30)를 거쳐 ADC(32)를 통해 디지털 신호로 변환되어 임베디드 디바이스(34)에서 신호처리된다. 임베디드 디바이스(34)는 레이저다이드 변조 신호(36)로 다중 가스센서 장치(100)의 신호 처리를 하고, 광스위치 제어 신호(38)로 피측정 가스에 따른 레이저 다이오드 광원 출력과 가스검출 셀을 선택하여 다수의 가스 검출과 가스검출 셀 확장을 위한 시스템 운용을 한다.

도 3은 가스검출 셀(24)의 구성도이다. 상술한 다중 가스 센서(100)에 선택적으로 혹은 순차적으로 입사되어 동 장치(100)에서 출사된 레이저 다이오드 광원(16)은 광섬유(23)를 통해 전달되어, 피측정 가스가 존재하는 환경 내에 위치한 가스검출 셀(24)로 콜리메이터 렌즈(44a)를 통해 입사한다. 입사한 광원(16)은 셀(24)의 내부에 있는 고반사(HR) 코팅된 반사 필름(40, 42) 사이에서 반사를 반복하여 최종적으로 콜리메이터 렌즈(44b)를 통해 셀을 빠져나가 광섬유(27)를 통해 미러(26)에 도달하고, 미러(26)에서 반사되어 다시 셀(24)로 진입하고 역방향으로 진행하여 가스센싱 신호(25)로서 셀(24)에서 출력되고, 도 1과 같이 가스 센서(100)로 입사된다. 셀(24)의 내부로 유입되는 가스 성분에 따른 흡수파장에 대해서 광 세기가 변화되므로 가스 센서(100)는 이를 확인하여 가스를 측정할 수 있다.

도 4는 가스검출 셀(24)의 외부함체 디자인의 예시도이다(위: 평면도, 아래: 정면도). 셀(24)의 내부로 유입되고 외부로 유출되는 가스의 흐름이 영향이 받지 않도록 외부함체(46)를 메시 형태로 구성하였다. 즉, 가스 통과구멍(48)이 외부함체(46)에 다수 형성되어 있다. 그리고 셀(24)의 교체가 용이하도록 제1 광섬유 커넥터(50a)와 제2 광섬유 커넥터(50b)를 이용하여 주위 구조물에의 장착 및 탈거가 용이한 리셉터클 구조로 설계하였다. 여기서 제1 광섬유 커넥터(50a)와 제2 광섬유 커넥터(50b)에는 각각 상기 콜리메이터 렌즈(44a 및 44b)가 내장될 수 있다.

이상에서 본 발명의 사상을 구체적으로 구현한 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이상에서 설명한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.

Claims (1)

1. 피측정 가스별로 흡수도가 높은 파장을 방출하는 레이저 다이오드 광원을 제1 광스위치에 각각 연결하고;
   제1 광스위치에서 출력된 가스검출용 광원을 써큘레이터를 통해 제2 광스위치를 거쳐 외부에 있는 가스검출 셀에 입사하고;
   상기 가스검출 셀에서 피측정 가스를 검출한 센싱 신호가 상기 제2 광스위치를 지나서 제2 광검출기에 검출되도록 구성되어,
   피측정 가스의 흡수 정보를 갖는 상기 센싱 신호의 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 다중 가스 센서.