KR20240092231A - 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법 - Google Patents

가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법 Download PDF

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김대해
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김강현
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한국생산기술연구원
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Abstract

가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치가 제공된다. 상기 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치는, 일 방향으로 연장되되, 길이 방향으로 광 경로를 제공하며, 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되는 가스 셀; 상기 가스 셀의 길이 방향 일단과 마주하게 배치되며, 상기 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 레이저 방출부; 상기 가스 셀의 길이 방향 타단과 마주하게 배치되며, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 레이저 감지부; 및 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 레이저 감지부에 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.

Description

가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for simultaneous measurement of gas concentration and particulate matter concentration}
본 발명은 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 타겟 가스의 농도는 물론, 이에 혼재되어 있는 입자상 물질의 농도까지 동시에 측정할 수 있는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법에 관련된 것이다.
최근, 대기 환경 문제가 대두됨에 따라, 실시간으로 측정이 가능한 레이저 가스 계측에 대한 연구개발이 증가하고 있다.
샘플링 방식의 기존 가스 측정은 측정 시간에 대한 지연으로 자동 제어 분야에 적용이 어려웠던 반면, 레이저 가스 측정은 초 단위로 결과 값을 도출할 수 있기 때문에 산업 분야에서 많은 관심을 가지고 있다.
여기서, 레이저 가스 측정법 중 하나인 파장가변형 레이저 흡수법(Tunable Diode Laser Spectroscopy; TDLAS)은 Beer-Lambert 법칙을 이용하여 초기 레이저 세기와 투과 후 레이저 세기의 비로 표현되며, 특정 흡수되는 파장에 따라 실시간으로 정량적인 가스 농도를 측정할 수 있고, 비 접촉식이며, 높은 정밀도 및 신뢰성을 가지고 있어, 많은 산업 분야에 적용되는 등 기술이 날로 확산되고 있다.
이때, 대부분의 산업 현장에서는 가스 외에 먼지 등과 같은 입자상 물질이 혼재되어 배출된다.
종래에는 입자상 물질의 농도를 측정하기 위하여, 가스상 물질의 농도를 측정하는 장치 외에 별도로 입자상 물질의 농도를 측정 장치를 구비해야 하는 불편함이 있었다.
또한, 종래에는 이와 같이, 두 대의 농도 측정 장치를 구비해야 함에 따라, 비용이 증가됨은 물론, 배출 가스에 포함되어 있는 가스상 물질 및 입자상 물질에 대한 농도 측정의 효율성 및 신뢰성 또한 확보하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 타겟 가스의 농도는 물론, 이에 혼재되어 있는 입자상 물질의 농도까지 동시에 측정할 수 있는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 일 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치는, 일 방향으로 연장되되, 길이 방향으로 광 경로를 제공하며, 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되는 가스 셀; 상기 가스 셀의 길이 방향 일단과 마주하게 배치되며, 상기 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 레이저 방출부; 상기 가스 셀의 길이 방향 타단과 마주하게 배치되며, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 레이저 감지부; 및 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 레이저 감지부에 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 레이저가 상기 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)은 상기 샘플 가스 내에 상기 입자상 물질의 존재 유무 및 상기 샘플 가스 내에 존재하는 상기 입자상 물질의 양과 관계없이 일정할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 연산부는, 상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스를 대상으로 측정한, 상기 타겟 가스에 대한 표준 레이저 세기 대비 상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질의 농도를 산출할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 가스 셀은, 상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되는 제1 가스 셀; 및 상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되는 제2 가스 셀을 포함하고, 상기 레이저 감지부는, 상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 제1 레이저 감지부; 및 상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 제2 레이저 감지부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 연산부는, 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)과 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)이 동일한지 판별하되, 동일한 경우, 상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저의 세기가 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질의 농도를 산출할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저의 세기는 상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저의 세기보다 상대적으로 약할 수 있다.
실시 예에 따르면, 빔 스플리터 및 미러를 더 포함하되, 상기 빔 스플리터는 상기 레이저 방출부와 상기 제1 가스 셀 사이에 배치되어, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 제1 가스 셀을 향하는 레이저의 일부를 다른 방향으로 분기시키며, 상기 미러는 상기 레이저 방출부와 상기 제2 가스 셀 사이에 배치되어, 상기 빔 스플리터에 의하여 다른 방향으로 분기된 상기 레이저의 일부를 상기 제2 가스 셀 측으로 반사시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 자외선 조사부를 더 포함하되, 상기 자외선 조사부는 상기 가스 셀의 외주면에 배치되며, 상기 타겟 가스가 포함되어 있는 샘플 가스에 자외선을 조사하여 상기 타겟 가스를 상기 입자상 물질로 변환시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 연산부는 상기 자외선 조사 전, 후 상기 입자상 물질의 농도를 비교하여, 자외선 조사 시 상기 타겟 가스가 상기 입자상 물질로 변환되는 시간을 카운트할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 레이저는 상기 타겟 가스가 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 타겟 가스는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 탄소산화물(COx)을 포함하는 가스상 대기오염 물질 후보군 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명은, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법을 제공한다.
실시 예에 따르면, 상기 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법은, 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 단계; 상기 가스 셀을 투과한 상기 레이저를 감지하는 단계; 및 상기 가스 셀 측으로 방출되고 상기 가스 셀을 투과하여 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 레이저를 방출하는 단계에서는 방출되는 단일 레이저를 상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제1 가스 셀 및 상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제2 가스 셀로 각각 분기시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 타겟 가스에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하며, 상기 타겟 가스에 자외선을 조사하는 단계에서는 상기 타겟 가스가 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 동안 상기 샘플 가스에 자외선을 조사하여, 상기 타겟 가스를 입자상 물질로 변환시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 일 방향으로 연장되되, 길이 방향으로 광 경로를 제공하며, 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되는 가스 셀; 상기 가스 셀의 길이 방향 일단과 마주하게 배치되며, 상기 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 레이저 방출부; 상기 가스 셀의 길이 방향 타단과 마주하게 배치되며, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 레이저 감지부; 및 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 레이저 감지부에 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 연산부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 한 대의 측정 장치로, 타겟 가스의 농도는 물론, 이에 혼재되어 있는 입자상 물질의 농도까지 동시에 측정함으로써, 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 타겟 가스의 농도와 입자상 물질의 농도를 동시에 정량 측정할 수 있음은 물론, 실시간으로 측정하는 것 또한 가능하여, 발전, 철강, 반도체, 디스플레이, 시멘트 등 입자상 물질이 포함된 배기 가스를 배출하는 산업 분야에 적용될 수 있다.
이를 통하여, 본 발명의 실시 예에 따르면, 대기 환경오염 방지 기술을 고도화할 수 있으며, 레이저 계측의 신시장 및 신사업으로 인한 고용 창출 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2 내지 도 4는 타겟 가스들의 서로 다른 흡수 파장대를 나타낸 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 연산부를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 적용 예시도들이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 제1 가스 셀을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 제2 가스 셀을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 연산부를 설명하기 위한 참고도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이고, 도 2 내지 도 4는 타겟 가스들의 서로 다른 흡수 파장대를 나타낸 그래프들이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 연산부를 설명하기 위한 참고도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 적용 예시도들이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치(100)는, Beer-Lambert 법칙에 따른 파장가변형 레이저 흡수법(Tunable Diode Laser Spectroscopy; TDLAS)을 통하여, 타겟 가스(도 10의 G)의 농도는 물론, 이에 혼재되어 있는 입자상 물질(도 10의 P)의 농도까지 동시에 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 한 대의 측정 장치(100)로, 타겟 가스(도 10의 G)의 농도와 입자상 물질(도 10의 P)의 농도를 동시에 측정 가능함에 따라, 경제성을 확보할 수 있다.
이러한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치(100)는 가스 셀(110), 레이저 방출부(120), 레이저 감지부(130) 및 연산부(140)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(110)은 일 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 가스 셀(110)은 길이 방향으로 광 경로를 제공할 수 있다.
이러한 가스 셀(110)의 내부에는 농도 측정 대상체인 타겟 가스(도 10의 G)를 포함하는 샘플 가스가 수용될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(110)은 예를 들어, 속이 빈 원통형으로 구비될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(110)에 수용되는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 탄소산화물(COx)을 포함하는 가스상 대기오염 물질 후보군 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 레이저 방출부(120)는 다이오드 레이저(diode laser)로 구비될 수 있다. 이러한 레이저 방출부(120)는 상기 가스 셀(110)의 길이 방향 일단과 마주하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 방출부(120)는 상기 가스 셀(110) 측으로 혹은 상기 가스 셀(110)을 향하여 레이저를 방출할 수 있다.
이때, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 상기 가스 셀(110)에 수용되어 있는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)가 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)가 NO 가스인 경우, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 도 2에 나타낸, NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
다른 예로, 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)가 NO2 가스인 경우, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 도 3에 나타낸, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
또 다른 예로, 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)가 SO2 가스인 경우, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 도 4에 나타낸, SO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
여기서, 타겟 가스(도 10의 G)의 농도 측정에 해당 타겟 가스(도 10의 G)가 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저를 사용하는 이유는 기존의 포인트 측정보다는 선 평균 값으로 측정함에 따라 측정 정확도를 높일 수 있기 때문이다.
또한, 종래의 농도 측정 장치는 측정에 시간이 오래 걸리기 때문에, 측정한 값이 현재의 농도 값과 차이가 날 수 있어, 참고 자료로만 활용할 수 있는 반면, 타겟 가스(도 10의 G)의 농도를 레이저로 측정하면, 초 단위로 측정되기 때문에 그 측정 값에 기반하여 설비 등을 즉각적으로 제어할 수 있게 된다.
상기 레이저 감지부(130)는 내부에 타겟 가스(도 10의 G)를 포함하는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀(110)의 길이 방향 타단과 마주하게 배치될 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 레이저 방출부(120), 가스 셀(110) 및 레이저 감지부(130)가 동일선상에 일 방향으로 정렬될 수 있다.
이에 따라, 레이저 방출부(120)로부터 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 상기 가스 셀(110), 실질적으로는 타겟 가스(도 10의 G)를 포함하는 샘플 가스를 투과하여 상기 레이저 감지부(130)에 도달하게 될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 레이저 감지부(130)는 이와 같이, 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 타겟 가스(도 10의 G)를 포함하는 샘플 가스를 투과한 레이저를 감지할 수 있다.
예를 들어, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, NO 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)는 NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출할 수 있고, 상기 레이저 감지부(130)는 상기 가스 셀(110)을 투과한, NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
다른 예로, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, NO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)는 NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출할 수 있고, 상기 레이저 감지부(130)는 상기 가스 셀(110)을 투과한, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, SO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)는 SO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출할 수 있고, 상기 레이저 감지부(130)는 상기 가스 셀(110)을 투과한, SO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
상기 연산부(140)는 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지 레이저의 세기 변화에 기반하여 가스 셀(110)에 수용되어 있는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)의 농도를 산출할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 연산부(140)는 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지 시간에 따른 레이저의 세기 변화를 도식화한 다음, 이를 베이스 라인에 맞추고, Beer-Lambert 법칙을 적용하여, 파장에 따른 흡광도 변화를 도식화할 수 있으며, 이를 통하여, 통합 흡광도(integrated absorbance)를 산출할 수 있다.
그리고 상기 연산부(140)는 하기의 수학식 1을 통하여, 상기 가스 셀(110)의 내부에 수용되어 있는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(도 10의 G)의 농도(X)를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, 상기 A는 도 5의 그래프에서 움푹 들어간 부분의 면적(㎝-1)(integrated area)이고, 상기 P는 압력(total pressure; atm)이며, 상기 L은 레이저의 경로 길이(path length; ㎝), 즉, 상기 레이저 방출부(120)와 레이저 흡수부(130) 사이 거리이고, 상기 S(T)는 line strength(㎝-2/atm)이다.
이와 같이, 상기 연산부(140)는 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, NO 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지, NO가 흡수할 수 있는 파장대를 가지는 레이저의 세기 변화를 분석하고, 상기 수학식 1을 사용하여, NO 가스의 농도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 연산부(140)는 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, NO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지, NO2가 흡수할 수 있는 파장대를 가지는 레이저의 세기 변화를 분석하고, 상기 수학식 1을 사용하여, NO2 가스의 농도를 산출할 수 있다.
그리고 상기 연산부(140)는 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G)로, SO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지, SO2가 흡수할 수 있는 파장대를 가지는 레이저의 세기 변화를 분석하고, 상기 수학식 1을 사용하여, SO2 가스의 농도를 산출할 수 있다.
이와 같이, 상기 연산부(140)는 상기 샘플 가스에 특정 타겟 가스(도 10의 G)가 포함되어 있는 경우, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지, 상기 특정 타겟 가스(도 10의 G)가 흡수할 수 있는 파장대를 가지는 레이저의 세기 변화를 분석하고, 상기 수학식 1을 사용하여 상기 특정 타겟 가스(도 10의 G)의 농도를 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(110)에 수용되는 샘플 가스에는 상기 타겟 가스(도 10의 G) 외에도 미세 먼지와 같은 입자상 물질(도 10의 P) 또한 포함될 수 있다.
이에 따라, 상기 가스 셀(110)에 수용되는 샘플 가스에는 타겟 가스(도 10의 G)와 입자상 물질(도 10의 P)이 혼재되어 있을 수 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 연산부(140)는 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 레이저 감지부(130)에 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여, 상기 타겟 가스(도 10의 G)의 농도는 물론, 상기 입자상 물질(도 10의 G)의 농도까지 동시 산출할 수 있다.
여기서, 상기 레이저가 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀(110)을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 가스 셀(110)을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)은 상기 샘플 가스 내에 입자상 물질(도 10의 P)의 존재 유무 및 상기 샘플 가스 내에 존재하는 상기 입자상 물질(도 10의 P)의 양과 관계없이 일정할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 연산부(140)는, 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스를 대상으로 측정한, 상기 타겟 가스에 대한 표준 레이저 세기 대비 상기 입자상 물질(도 10의 P)과 타겟 가스(도 10의 G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질(도 10의 P)의 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 입자상 물질(도 10의 P)과 타겟 가스(도 10의 G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기는 상기 타겟 가스에 대한 표준 레이저 세기보다 약할 수 있다.
이에, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 연산부(140)는, 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 감소되면, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G) 외에 입자상 물질(도 10의 P) 또한 포함되어 있는 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 입자상 물질(도 10의 P)과 타겟 가스(도 10의 G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기는 상기 입자상 물질(도 10의 P)의 양에 비례하여 감소된다.
이에 따라, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 상기 연산부(140)는 상기 입자상 물질(도 10의 P)과 타겟 가스(도 10의 G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 감소된 양에 따라 상기 입자상 물질(도 10의 P)의 농도를 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 샘플 가스에 입자상 물질(도 10의 P)과 타겟 가스(도 10의 G)가 혼재되어 있는 경우, 한 대의 측정 장치(100)로, 타겟 가스(도 10의 G)의 농도와 입자상 물질(도 10의 P)의 농도를 동시에 측정할 수 있으며, 이에 따라, 경제성을 확보할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 레이저 방출부(120)와 이와 대응되는 레이저 감지부(130)를 복수 개 구비하면, 보다 정밀하게 타겟 가스의 농도 및 입자상 물질의 농도를 산출할 수 있다.
예를 들어, 샘플 가스가 존재하는 영역의 4변 중 제1 변 측에 복수 개의 레이저 방출부(120)를 설치하고, 이와 마주하는 제2 변 측에 복수 개의 레이저 감지부(130)를 설치하며, 제3 변 측에 복수 개의 레이저 방출부(120)를 설치하고, 이와 마주하는 제4 변 측에 복수 개의 레이저 감지부(130)를 설치하면, 어느 부분에 타겟 가스가 많이 존재하거나 적게 존재하는지 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 도 7은 적용 예로서, 도 7을 참조하면, 도로의 일측에 예를 들어, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 방출하는 레이저 방출부(120)를 설치하고 이와 마주하는 도로의 타측에 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출된, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지하는 레이저 감지부(130)를 설치하여, 레이저 세기 변화를 측정할 수 있고, 이를 통하여, 자동차 배기가스에 포함되어 있는 NO2의 농도 및 미세 먼지와 같은 입자성 물질의 농도를 동시 산출할 수 있다.
또한, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 방출하는 레이저 방출부(120) 옆에 NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 방출하는 레이저 방출부(120)를 설치하고, 이와 마주하는 도로의 타측에 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출된, NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지하는 레이저 감지부(130)를 설치하여, 레이저 세기 변화를 측정할 수 있고, 이를 통하여, 자동차 배기가스에 포함되어 있는 NO의 농도 및 미세 먼지와 같은 입자성 물질의 농도를 동시 산출할 수 있다.
이와 같이, 도로 양측에 특정 물질이 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저를 방출하는 레이저 방출부(120) 및 이러한 레이저를 감지하는 레이저 감지부(130)를 특정 물질 별로 구비함으로써, 자동차 배기가스에 포함되어 있는 각종 대기오염 물질들의 농도를 동시에 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치에 대하여, 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 제1 가스 셀을 설명하기 위한 모식도이며, 도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 제2 가스 셀을 설명하기 위한 모식도이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치의 연산부를 설명하기 위한 참고도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치(200)는, 가스 셀(210), 레이저 방출부(120), 레이저 감지부(230) 및 연산부(140)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예는 본 발명의 제1 실시 예와 비교하여, 가스 셀 및 레이저 감지부에만 차이가 있을 뿐이므로, 나머지 동일한 구성 요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(210)은 제1 가스 셀(211) 및 제2 가스 셀(212)을 포함할 수 있다.
상기 제1 가스 셀(211)은 일 방향으로 연장될 수 있다. 이때, 상기 제1 가스 셀(211)의 길이 방향 일단은 상기 레이저 방출부(120)와 마주할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 가스 셀(211)은 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출된 레이저에 대한 광 경로를 제공할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제1 가스 셀(211)의 내부에는 타겟 가스(G)만이 포함되어 있는 샘플 가스가 수용될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제1 가스 셀(211)은 속이 빈 원통형으로 구비될 수 있다.
상기 제2 가스 셀(212)은 상기 제1 가스 셀(211)과 동일한 형태로 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2 가스 셀(212)은 일 방향으로 연장되는 속이 빈 원통형으로 구비될 수 있다.
이때, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제2 가스 셀(212)은 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되는 레이저의 광 경로를 벗어난 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 가스 셀(212)은 상기 제1 가스 셀(211)과 평행하게 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 이러한 제2 가스 셀(212)의 내부에는 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스가 사용될 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되는 레이저는 제1 가스 셀(211)과 제2 가스 셀(212)을 동시에 투과할 수 있다.
이를 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치(200)는 빔 스플리터(250) 및 미러(260)를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 스플리터(250)는 레이저 방출부(120)와 제1 가스 셀(211) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 빔 스플리터(250)는 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 제1 가스 셀(211)을 향하는 레이저의 일부를 다른 방향, 예를 들어, 상기 제1 가스 셀(211) 방향과 수직한 방향으로 분기시킬 수 있다.
상기 미러(260)는 레이저 방출부(120)와 제2 가스 셀(212) 사이에 배치될 수 있다. 상기 미러(260)는 제2 가스 셀(212)의 길이 방향 일단과 마주하게 배치될 수 있다. 이때, 상기 미러(260)는 금 코팅될 수 있다.
이러한 미러(260)는 상기 빔 스플리터(250)에 의하여 제1 가스 셀(211) 방향과 수직한 방향으로 분기된 레이저의 일부를 제2 가스 셀(212) 측으로 반사시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 빔 스플리터(250)는 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되는 레이저를 5:5 비율로 양 방향으로 분기시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되는 레이저는 동일한 세기로 상기 제1 가스 셀(211)과 제2 가스 셀(212)을 동시에 투과할 수 있다.
한편, 이와 같이, 가스 셀(210)이 제1 가스 셀(211)과 제2 가스 셀(212)로 이루어짐에 따라, 레이저 감지부(230)는 이에 맞게 제1 레이저 감지부(231) 및 제2 레이저 감지부(232)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 제1 레이저 감지부(231)는, 길이 방향 일단이 레이저 방출부(120)와 마주하는 상기 제1 가스 셀(211)의 길이 방향 타단과 마주하게 배치될 수 있다.
이러한 제1 레이저 감지부(231)는 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 빔 스플리터(250)를 거쳐 상기 제1 가스 셀(211), 실질적으로는 타겟 가스(G)만이 포함되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저를 감지할 수 있다.
상기 제2 레이저 감지부(232)는, 길이 방향 일단이 미러(260)와 마주하는 상기 제2 가스 셀(212)의 길이 방향 타단과 마주하게 배치될 수 있다.
이러한 제2 레이저 감지부(232)는 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출되어 상기 빔 스플리터(250)에 의해 분기된 후 상기 미러(260)에 의하여 반사되어 상기 제2 가스 셀(212), 실질적으로는 타겟 가스(G)와 입자상 물질(P)이 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저를 감지할 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 연산부(140)는, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출된 레이저가 상기 제1 가스 셀(211)을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)과, 상기 레이저 방출부(120)로부터 방출된 레이저가 상기 제2 가스 셀(212)을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)이 동일한지 판별할 수 있다.
이들 비율(I/I0)이 동일한 경우, 상기 연산부(140)는, 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질(P)의 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 제2 가스 셀(212), 즉, 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기는 상기 제1 가스 셀(211), 즉, 타겟 가스(G)만 포함되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기보다 상대적으로 약할 수 있다.
이에, 상기 연산부(140)는, 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 감소되면, 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 감소된 양에 따라, 입자상 물질(P)의 농도를 산출할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치에 대하여, 도 12를 참조하여 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치(300)는 가스 셀(110), 레이저 방출부(120), 레이저 감지부(130), 연산부(140) 및 자외선 조사부(370)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 예는 본 발명의 제1 실시 예와 비교하여, 자외선 조사부가 더 포함되는 것에만 차이가 있을 뿐이므로, 나머지 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 상기 자외선 조사부(370)는 가스 셀(110)의 외주면에 배치될 수 있다. 상기 자외선 조사부(370)는 UV 램프로 구비될 수 있다.
이러한 자외선 조사부(370)는 타겟 가스(G)가 포함되어 있는 샘플 가스에 자외선을 조사하여, 상기 타겟 가스(G)를 입자상 물질(P)로 변환시킬 수 있다.
상기 연산부(140)는 상기 자외선 조사부(370)를 통한 자외선 조사 전, 후 상기 입자상 물질(P)의 농도를 비교하여, 자외선 조사 시 타겟 가스(G)가 입자상 물질(P)로 변환되는 시간을 카운트할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 이와 같이, 자외선 조사 시 타겟 가스(G)가 입자상 물질(P)로 변환되는 시간을 대기질을 예상하는 데이터로 활용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법에 대하여, 도 13을 참조하여 설명하기로 한다. 이때, 각 구성요소들의 도면 부호는 도 1 내지 도 12를 참조한다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법은, S110 단계 내지 S130 단계를 포함할 수 있다.
S110 단계
상기 S110 단계에서는 타겟 가스(G)를 포함하는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀(110) 측으로 레이저를 방출할 수 있다.
이때, 상기 가스 셀(110) 측으로 방출되는 레이저는 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(G)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 가스 셀(110)을 향하여 방출되는 레이저는 상기 가스 셀(110)에 수용되어 있는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(G)가 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 S110 단계에서는 방출되는 단일 레이저를, 타겟 가스(G)만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제1 가스 셀(211) 및 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제2 가스 셀(212)로 각각 분기시킬 수 있다.
상기 S110 단계에서는 방출되는 레이저를 5:5 비율로, 제1 가스 셀(211) 방향과 제2 가스 셀(212) 방향으로 분기시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 S110 단계를 통하여 방출되는 레이저는 동일한 세기로 상기 제1 가스 셀(211)과 제2 가스 셀(212)을 동시에 투과할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법은, 타겟 가스(G)에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 타겟 가스(G)에 자외선을 조사하는 단계에서는 상기 타겟 가스(G)가 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀(110) 측으로 레이저를 방출하는 동안 상기 샘플 가스에 자외선을 조사하여, 상기 타겟 가스(G)를 입자상 물질(P)로 변환시킬 수 있다.
S120 단계
상기 S120 단계에서는 가스 셀(110)을 투과한 레이저를 감지할 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(G)로, NO 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 가스 셀(110)을 투과한, NO가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
또한, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(G)로, NO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 가스 셀(110)을 투과한, NO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
그리고 상기 샘플 가스에 타겟 가스(G)로, SO2 가스가 포함되어 있는 경우, 상기 가스 셀(110)을 투과한, SO2가 흡수할 수 있는 파장대의 레이저를 감지할 수 있다.
한편, 상기 S110 단계를 통하여 방출되는 레이저가, 타겟 가스(G)만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제1 가스 셀(211) 및 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제2 가스 셀(212)로 각각 분기되는 경우, 상기 S120 단계에서는 상기 제1 가스 셀(211), 실질적으로는 타겟 가스(G)만이 포함되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저 및 상기 제2 가스 셀(212), 실질적으로는 타겟 가스(G)와 입자상 물질(P)이 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저를 각각 감지할 수 있다.
S130 단계
상기 S130 단계에서는 상기 가스 셀(110) 측으로 방출되고 상기 가스 셀(110)을 투과하여 감지될 때까지 레이저의 세기 변화에 기반하여 타겟 가스(G)의 농도를 산출할 수 있다.
구체적으로, 상기 S130 단계에서는 상기 가스 셀(110) 측으로 방출되고 상기 가스 셀(110)을 투과하여 감지될 때까지 시간에 따른 레이저의 세기 변화를 분석하고, 상기 수학식 1을 통하여, 상기 가스 셀(110)의 내부에 수용되어 있는 샘플 가스에 포함되어 있는 타겟 가스(G)의 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 130 단계에서는 상기 샘플 가스에 타겟 가스(G)와 입자상 물질(P)이 혼재되어 있는 경우, 상기 가스 셀(110) 측으로 방출되고 상기 가스 셀(110)을 투과하여 감지될 때까지 시간에 따른 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 샘플 가스에 포함되어 있는 입자상 물질(P)의 농도까지 동시 산출할 수 있다.
상기 S130 단계에서는, 상기 타겟 가스에 대한 표준 레이저 세기 대비 상기 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 감소되면, 상기 샘플 가스에 타겟 가스(도 10의 G) 외에 입자상 물질(도 10의 P) 또한 포함되어 있는 것으로 판단할 수 있으며, 상기 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 감소된 양에 따라 상기 입자상 물질(P)의 농도를 산출할 수 있다.
한편, 상기 S120 단계를 통하여, 제1 가스 셀(211), 실질적으로는 타겟 가스(G)만이 포함되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저와 제2 가스 셀(212), 실질적으로는 타겟 가스(G)와 입자상 물질(P)이 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저가 감지된 경우, 상기 S130 단계에서는 레이저가 상기 제1 가스 셀(211)을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)과, 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀(212)을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)이 동일한지 판별할 수 있다.
이들 비율(I/I0)이 동일한 경우, 상기 S130 단계에서는 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질(P)의 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 제2 가스 셀(212), 즉, 입자상 물질(P)과 타겟 가스(G)가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기는 상기 제1 가스 셀(211), 즉, 타겟 가스(G)만 포함되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기보다 상대적으로 약할 수 있다.
이에, 상기 S130 단계에서는, 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 감소되면, 상기 제1 가스 셀(211)을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀(212)을 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 감소된 양에 따라, 입자상 물질(P)의 농도를 산출할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100, 200, 300; 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치
110, 210; 가스 셀
120; 레이저 방출부
130, 230; 레이저 감지부
140; 연산부
211; 제1 가스 셀
212; 제2 가스 셀
231; 제1 레이저 감지부
232; 제2 레이저 감지부
250; 빔 스플리터
260; 미러
370; 자외선 조사부
G; 타겟 가스
P; 입자상 물질

Claims (14)

  1. 일 방향으로 연장되되, 길이 방향으로 광 경로를 제공하며, 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되는 가스 셀;
    상기 가스 셀의 길이 방향 일단과 마주하게 배치되며, 상기 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 레이저 방출부;
    상기 가스 셀의 길이 방향 타단과 마주하게 배치되며, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 레이저 감지부; 및
    상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 레이저 감지부에 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 연산부;를 포함하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.

  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저가 상기 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)은 상기 샘플 가스 내에 상기 입자상 물질의 존재 유무 및 상기 샘플 가스 내에 존재하는 상기 입자상 물질의 양과 관계없이 일정한, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스를 대상으로 측정한, 상기 타겟 가스에 대한 표준 레이저 세기 대비 상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스를 투과한 레이저의 세기가 상대적으로 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질의 농도를 산출하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 셀은,
    상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되는 제1 가스 셀; 및
    상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되는 제2 가스 셀을 포함하고,
    상기 레이저 감지부는,
    상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 제1 레이저 감지부; 및
    상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저를 감지하는 제2 레이저 감지부를 포함하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제1 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)과, 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀을 투과하기 전 세기(I0)와 상기 레이저가 상기 제2 가스 셀을 투과한 후 세기(I)의 비율(I/I0)이 동일한지 판별하되,
    동일한 경우, 상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저의 세기 대비 상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저의 세기가 변화된 양을 기준으로 상기 입자상 물질의 농도를 산출하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 가스 셀을 투과한 레이저의 세기는 상기 제1 가스 셀을 투과한 레이저의 세기보다 상대적으로 약한, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    빔 스플리터 및 미러를 더 포함하되,
    상기 빔 스플리터는 상기 레이저 방출부와 상기 제1 가스 셀 사이에 배치되어, 상기 레이저 방출부로부터 방출되어 상기 제1 가스 셀을 향하는 레이저의 일부를 다른 방향으로 분기시키며,
    상기 미러는 상기 레이저 방출부와 상기 제2 가스 셀 사이에 배치되어, 상기 빔 스플리터에 의하여 다른 방향으로 분기된 상기 레이저의 일부를 상기 제2 가스 셀 측으로 반사시키는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    자외선 조사부를 더 포함하되,
    상기 자외선 조사부는 상기 가스 셀의 외주면에 배치되며, 상기 타겟 가스가 포함되어 있는 샘플 가스에 자외선을 조사하여 상기 타겟 가스를 상기 입자상 물질로 변환시키는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 자외선 조사 전, 후 상기 입자상 물질의 농도를 비교하여, 자외선 조사 시 상기 타겟 가스가 상기 입자상 물질로 변환되는 시간을 카운트하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저는 상기 타겟 가스가 흡수할 수 있는 특정 파장대의 레이저로 이루어진, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 타겟 가스는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 탄소산화물(COx)을 포함하는 가스상 대기오염 물질 후보군 중 선택된 어느 하나인, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치.
  12. 타겟 가스를 포함하는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 단계;
    상기 가스 셀을 투과한 상기 레이저를 감지하는 단계; 및
    상기 가스 셀 측으로 방출되고 상기 가스 셀을 투과하여 감지될 때까지 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 타겟 가스의 농도를 산출하되, 상기 샘플 가스에 상기 타겟 가스와 입자상 물질이 혼재되어 있는 경우, 상기 레이저의 세기 변화에 기반하여 상기 입자상 물질의 농도까지 동시 산출하는 단계;를 포함하는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 레이저를 방출하는 단계에서는 방출되는 단일 레이저를 상기 타겟 가스만 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제1 가스 셀 및 상기 입자상 물질과 타겟 가스가 혼재되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 제2 가스 셀로 각각 분기시키는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 타겟 가스에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하며,
    상기 타겟 가스에 자외선을 조사하는 단계에서는 상기 타겟 가스가 포함되어 있는 샘플 가스가 수용되어 있는 가스 셀 측으로 레이저를 방출하는 동안 상기 샘플 가스에 자외선을 조사하여, 상기 타겟 가스를 입자상 물질로 변환시키는, 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 방법.
KR1020220174311A 2022-12-14 가스 농도 및 입자상 물질 농도 동시 측정 장치 및 방법 KR20240092231A (ko)

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