WO2019045138A1 - 다종가스 동시 측정 tdlas 정렬 시스템 - Google Patents

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WO2019045138A1
WO2019045138A1 PCT/KR2017/009504 KR2017009504W WO2019045138A1 WO 2019045138 A1 WO2019045138 A1 WO 2019045138A1 KR 2017009504 W KR2017009504 W KR 2017009504W WO 2019045138 A1 WO2019045138 A1 WO 2019045138A1
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laser
laser beam
measurement
light source
unit
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이창엽
유미연
소성현
맹새롬
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한국생산기술연구원
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Definitions

  • the present invention relates to an alignment system for an optical metrology apparatus for measuring the concentration of exhaust gas emitted from a combustion system to the atmosphere, and more particularly, to a system for measuring the concentration or temperature of a multicomponent gas emitted to the atmosphere from a combustion system,
  • the present invention relates to an apparatus and method for detecting and correcting misalignment of a laser light source and a light detecting unit in a system using a tunable diode laser absorption spectroscopy technique.
  • TDLAS Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
  • the basic principle of measuring the concentration of TLDAS originates from the light absorption characteristics of the gas according to the Beer-Lambert law as shown in Fig.
  • Every gas absorbs light of some specific wavelength that is fixed.
  • light of 760.21 nm wavelength is passed through other gas species, but oxygen absorbs it.
  • the light of the wavelength is affected only by oxygen without being affected by other gas species. Therefore, by analyzing the absorbed amount and shape, It is a principle that can measure temperature.
  • the TDLAS technique using wavelength modulation spectroscopy and optical fiber not only reduces the size, but also increases the durability, the response is quick, it is easy to install and maintain with the optical fiber, and the combustion products can be observed simultaneously in real time It is very useful for monitoring the combustion system.
  • the light source laser it is very difficult to align the light source laser to the optical detecting part because the diameter of the exhaust end of the combustion system of the industrial system or the distance from one side to the other side is more than 10 meters.
  • the inclined surface of the light source is adjusted by manually checking the portion reaching the laser as the light source.
  • Patent Document 1 relates to a complex parabolic reflector, and more particularly, to a parabolic reflector that reflects a light source toward a central portion and arranges optical fibers in a central portion thereof by a parabolic-shaped light integrator without arranging the light sources.
  • Patent Document 1 has a light collecting function such as a convex lens, and can be applied without a separate alignment at a short distance, but does not provide a solution related to alignment required at a long distance as in the present invention.
  • Patent Document 2 relates to a micro-hole aligning method and an aligning system for a component using a laser diffraction pattern, and relates to a method of aligning each component by forming a diffraction pattern using a laser beam in vertical alignment between holes of a plurality of components.
  • the diffraction pattern does not appear at all when the vertical alignment of each hole of the plurality of components is not correct, or the diffraction pattern is biased to one side, and the alignment of each vertical component can be confirmed through this.
  • Patent Document 2 is for aligning very close vertical parts (symbol numbers 102 and 103 in FIG. 2) and is far from a solution for remote alignment at the exhaust end required in the present invention.
  • Patent Literature 3 relates to a detector for aligning a high output laser, in which the detector is divided into four independent regions, and when the laser is accurately aligned in the central region, the same energy is detected in four regions, Uneven energy is detected and through which the direction can be identified and aligned.
  • it is difficult to apply similar conventional alignment devices to the present invention and related arts, since the present invention is difficult to align itself within the detector range used for alignment first.
  • Patent Document 1 United States Patent Publication No. 5727108 (May 10, 1998)
  • Patent Document 2 Korean Published Patent Application No. 2007-0052789 (2007.05.22.)
  • Patent Document 3 U.S. Patent No. 4793715 (December 27, 1988)
  • Patent Document 4 Korean Patent Publication No. 0481433 (Mar. 28, 2005)
  • Patent Document 5 Korean Published Patent Application No. 2006-0124111 (Dec. 2006)
  • Patent Document 6 Korean Published Patent Application No. 2004-0064506 (July 19, 2004)
  • the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a device capable of rapidly aligning within a time available for operation so that TDLAS can be utilized in the case where a large number of gas exists inside,
  • the goal is to provide a method.
  • a laser processing apparatus including: a laser unit for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing an analysis using the laser beam, the TDLAS including: a double slit disposed in front of a light source in the laser unit; And a moving unit moving the position of the laser unit or the optical detecting unit according to the intensity of the grid pattern appearing in the optical detecting unit.
  • a laser processing apparatus comprising: a laser section for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing analysis using the laser beam, the TDLAS including: a distributor for distributing the laser light source of the laser unit into two; A single slit disposed in front of an individual light source each dispensed by said dispenser; And a moving unit moving the position of the laser unit or the optical detecting unit according to the intensity of the grid pattern appearing in the optical detecting unit.
  • the width of the slit itself is from 0.01 mm to 0.2 mm.
  • the spacing of the grid patterns can be adjusted by adjusting the slit spacing in the double slits or the spacing between the single slits.
  • the moving unit moves in a direction in which the intensity of light increases in accordance with the movement of the grid pattern.
  • the output is changed to a larger one.
  • a laser processing apparatus comprising: a laser section for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing analysis using the laser beam, the method comprising:
  • a fourth aspect of the present invention provides a laser processing apparatus comprising: a laser section for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing analysis using the laser beam, the method comprising:
  • the moving step moves in a direction in which the intensity of light increases in accordance with the movement of the grid pattern.
  • FIG. 1 shows a calculation formula according to the Beer-Lambert rule in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (hereinafter referred to as 'TDLAS').
  • FIG. 2 is a schematic view of a micro-hole aligning method of a component using a laser diffraction pattern extracted from Patent Document 2.
  • FIG. 2 is a schematic view of a micro-hole aligning method of a component using a laser diffraction pattern extracted from Patent Document 2.
  • Patent Document 3 is an example of a sorter using a detector excerpted from Patent Document 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a TDLAS device.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing intensity of light generated when using a double slit.
  • FIG. 6 is an example of another embodiment of the present invention in which one light source is divided into two by using a splitter, and then a single slit is applied to each.
  • TDLAS is a measuring system using a tunable diode laser. Recently, it has received much attention in real time measurement system.
  • FIG. 4 is a representative TDLAS-related configuration, and technical matters concerning the TDLAS itself are described in Patent Documents 4, 5 and 6. A detailed description thereof will be omitted.
  • the TDLAS equipment generally comprises a laser part for irradiating a laser beam; A measurement cell for collecting gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector unit in which the laser beam passing through the measurement cell is condensed; And a processor unit for performing analysis using the laser beam.
  • a laser part for irradiating a laser beam
  • a measurement cell for collecting gas for measurement and through which the laser beam passes
  • a photodetector unit in which the laser beam passing through the measurement cell is condensed
  • And a processor unit for performing analysis using the laser beam.
  • the laser portion may be a tunable diode laser or a distributed feedback laser.
  • a laser has a fixed wavelength, but a wavelength can be modulated by using a diode laser, which can be modulated by a function generator.
  • FIG. 5 is a graphical representation of a phenomenon that may occur in the case of interference using a double slit.
  • a grating pattern is generated at a distance D distance by the effect of diffraction and interference.
  • the waveform in Fig. 5 schematically shows the intensity of the lattice pattern.
  • the waveform pattern can be used for a single slit or a slit of three or more.
  • the spacing of the grating pattern is difficult to control and the grating pattern does not appear wide. It is preferable to use a double slit.
  • the width of the slit itself can be adjusted according to the slit of 0.01 mm to 0.2 mm. If the slit is smaller than the above range, the amount of light passing through the slit is too small to obtain a clear gap. If the slit is wider than the above range, It is opaque.
  • the interval between the slits in the double slits is typically 200 to 500 mm, but in the case of the discharge end according to the present invention, a wider gap may be used.
  • the double slit alignment method according to the present invention has the advantage of being able to converge to a fixed position quickly because alignment can be imparted.
  • the laser light source having a shorter or longer wavelength can be used, or if the interval of the slits is widened, the interval of w1 is reduced.
  • D is a fixed value and it is usually advantageous to use a laser as the light source for alignment at the discharge end, which usually has a higher output than the laser for measurement. Therefore, the wavelength ⁇ can be regarded as a fixed value. Therefore, it is preferable to adjust the interval s of the slits.
  • D is very large, such as the outlet stage, a very wide s may be needed to obtain a reasonable value of w1.
  • a method of dividing one light source into two by using a splitter and adding a single slit to each light source to increase the value of s is preferable. A schematic diagram related to this is shown in Fig.
  • a light source may be divided into two light sources 1 and 2 by using a splitter in a light source, and a single slit may be used for each light source to show the effect of the double slit .
  • a proper interval can be obtained as w1 even if the distance is very long, such as the discharge end.
  • the TDLAS alignment system for simultaneous measurement of multiple gases is capable of quickly aligning within the operable time range even when a variety of gas exists and a distance is long, .
  • the search range of the laser light source for alignment at the initial stage is easily narrowed, thereby greatly shortening the alignment time .
  • the TDLAS alignment system for simultaneous measurement of multiple gases is capable of quickly aligning within the operable time range even when a variety of gas exists and a distance is long, .
  • the search range of the laser light source for alignment at the initial stage is easily narrowed, thereby greatly shortening the alignment time .

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Abstract

본원 발명은 배출단과 같이 내부에 많은 기체가 존재하고 거리가 먼 경우에 TDLAS를 활용할 수 있도록 운용 가능한 시간내에서 빠르게 정렬할 수 있는 장치 및 이를 이용한 정렬 방법이다. 정렬을 위해서 이중 슬릿을 사용함으로써 정렬에 대한 방향성을 알 수 있어 빠른 시간에 수렴할 수 있는 정렬 방법을 제공한다.

Description

다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템
본원 발명은 연소시스템에서 대기로 방출되는 배기가스의 농도를 광 계측하는 장치에 필요한 정렬 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 이를 교정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
LAS, 특히 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 파장가변형 다이오드레이저 흡수 분광법)는 최근 에너지, 환경 분야에서 크게 각광받고 있는 계측 기술이다. 이는 실시간으로 몇 가지 가스 종의 농도나 온도를 정밀 측정할 수 있으며, 측정이 어려운 대형 연소시스템에도 적용이 가능하여 다양한 형태로 응용 되고 있다.
TLDAS의 농도측정 기본원리는 도 1에서 보는 바와 같이 Beer-Lambert 법칙에 따라 가스의 광 흡수 특성에서 기인한다.
모든 가스는 정해져 있는 특정한 몇 가지 파장의 빛을 흡수한다. 대표적인 예로 760.21㎚ 파장의 빛을 다른 가스 종은 통과시키지만 산소는 이를 흡수한다. 즉 760.21nm의 빛을 발진해서 산소가 포함된 가스영역에 통과시키면, 그 파장의 빛은 다른 가스 종의 영향을 받지 않고 산소의 영향만 받으므로, 흡수된 양 및 모양을 분석하면 산소의 농도나 온도를 계측해 낼 수 있는 원리이다.
전 세계적으로 환경 문제가 사회적 이슈로 크게 부각됨에 따라 공해 물질의 저감 노력이 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내에서도 마찬가지로 이에 대한 연구와 노력이 계속되고 있다. 그 중에서도 산업체에서 발생하는 질소 산화물과 같은 유해 가스를 줄이기 위한 방안 중 연소 시스템의 배기단에서 실시간으로 농도와 온도 등을 계측함으로써 최적의 운전 조건을 도출하여 공해 물질을 저감하는 방식이 널리 사용되고 있다. 이러한 계측에 TDLAS를 도입하려는 노력이 계속되고 있다.
기존 액체 및 기체를 매질로 하는 레이저를 이용한 계측 기술은 대부분 고출력의, 고가인 레이저를 사용해야 하며, 측정값이 직접적으로 얻어지는 것이 아니라 얻어진 자료의 분석이 필요하므로 사용법이 복잡하고, 기기의 특성상 세심한 주의가 요구되는 등의 그 문제점이 있었다. 파장 변조 분광기법 및 광섬유를 이용한 TDLAS 기법은 크기를 줄였을 뿐만 아니라 내구성을 높였고, 응답성이 빠르며, 광섬유와 함께 사용하여 설치 및 유지보수가 쉽고, 또한 연소 생성물을 동시에 실시간으로 관측할 수 있게 하여 연소 시스템의 모니터링에 매우 유용하다.
그러나 산업체의 연소 시스템의 배기단은 그 직경 또는 일측에서 타측까지의 거리가 10여미터 이상인 경우가 많아 광원 레이저를 광검출부에 정렬시키는 것이 매우 어려운 문제가 되고 있다. 검출 대상의 거리가 짧은 경우에는 광원인 레이저가 도달하는 부분을 눈으로 확인하면서 광원의 경사면을 조절하여 수작업으로 정렬을 하였다. 그러나 연소 시스템의 배기단은 거리가 멀어 광원인 레이저가 도달하는 부분을 육안으로 확인하는 것도 어렵고 확인하여도 이를 눈으로 보고 경사면을 조절해 정렬하는 것이 실질적으로는 거의 불가능에 가까울 만큼 매우 시간이 많이 걸리고 어려운 작업이다. 강하고 직진성이 높은 레이저의 특성으로 인해 큰 규모의 배기단에서도 광 검출법을 사용할 수 있게 되었지만, 위와 같은 실제적인 정렬 문제로 현장에 도입하는 것이 쉽지 않다.
특허문헌 1은 복합 포물 집속체에 관한 것으로서, 광원을 정렬하지 않아도 포물선 형태의 집속체로 인해서 광원이 중심부의 쪽으로 반사되고 중심부에는 광섬유가 배치되어 이를 취합하는 기구에 관한 것이다. 그러나 특허문헌 1은 일종의 볼록 렌즈와 같은 집광 역할을 하는 것으로서 근거리에서는 별도의 정렬을 진행하지 않아도 적용될 수 있으나, 본원과 같이 원거리에서 요구하는 정렬과 관련된 해결책은 제시하지 않고 있다.
특허문헌 2는 레이저 회절 패턴을 이용한 부품의 마이크로 구멍 정렬방법 및 정렬 시스템에 관한 것으로서 복수개 부품의 각 구멍 간의 수직 정렬을 레이저 빔을 이용한 회절패턴을 형성시킴으로써 각 부품을 정렬하는 방법에 관한 것이다. 복수개 부품의 각 구멍의 수직 정렬이 바르지 않을 때 회절 패턴이 아예 나타나지 않거나, 또는 회절 패턴이 한쪽으로 치우치게 되어 이를 통해서 각 수직 부품의 정렬을 확일 할 수 있는 방법이다. 그러나 도 2에서 알 수 있듯이 특허문헌 2는 매우 근접한 수직 부품(도 2의 기호 번호 102 및 103)을 정렬하기 위한 것으로서 본원 발명에서 필요한 배기단에서의 원거리 정렬에 대한 해결책과는 거리가 멀다.
특허문헌 3은 고출력 레이저를 정렬시키기 위한 검출기에 관한 것으로서, 검출기가 각각의 4개의 독립된 영역으로 나누어져 있고, 레이저가 중심부에 정확히 정렬된 경우에는 4개의 영역에서 동일한 에너지가 검출되고 한쪽으로 치우친 경우에는 불균등한 에너지가 검출되어 이를 통해서 방향성을 확인하고 정렬할 수 있는 장치에 관한 것이다. 그러나 이와 유사한 종래의 정렬 장치가 본원 발명과 관련 기술에 적용하기 어려운 점은 본원 발명은 거리가 멀기 때문에 우선 정렬에 사용되는 검출기 범위 내로 정렬하는 것 자체가 어렵다는 점이다.
상기와 같이 배출단과 같이 내부에 많은 기체가 존재하고 거리가 먼 경우에 TDLAS를 활용할 수 있는 정렬에 대한 뚜렷한 해결책은 현재까지 제시되지 않고 있다.
(특허문헌 1) 미국 등록특허공보 제5727108호 (1998.05.10.)
(특허문헌 2) 대한민국 공개특허공보 제2007-0052789호 (2007.05.22.)
(특허문헌 3) 미국 등록특허공보 제4793715호(1988.12.27.)
(특허문헌 4) 대한민국 등록특허공보 제0481433호 (2005.03.28.)
(특허문헌 5) 대한민국 공개특허공보 제2006-0124111호 (2006.12.05.)
(특허문헌 6) 대한민국 공개특허공보 제2004-0064506호 (2004.07.19.)
본원 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배출단과 같이 내부에 많은 기체가 존재하고 거리가 먼 경우에 TDLAS를 활용할 수 있도록 운용 가능한 시간내에서 빠르게 정렬할 수 있는 장치 및 이를 이용한 정렬 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서, 상기 레이저부에 광원 앞에 배치되는 이중 슬릿; 상기 광검출부에 나타나는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 이동부;를 추가한 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템을 제공한다.
본원 발명의 제2양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서, 상기 레이저부의 레이저 광원을 2개로 분배하는 분배기; 상기 분배기에 의해서 각각 분배된 개별 광원 앞에 배치되는 단일 슬릿; 상기 광검출부에 나타나는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 이동부;를 추가한 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템을 제공한다.
이때 상기 슬릿 자체의 너비는 0.01㎜에서 0.2㎜이다.
상기 이중 슬릿에서의 슬릿 간격 또는 상기 단일 슬릿 사이의 간격을 조절함으로써 상기 격자 무늬의 간격을 조절할 수 있다.
또한 상기 이동부는 상기 격자 무늬의 이동에 따라서 빛의 강도가 커지는 방향으로 이동한다.
상기 레이저부의 광원을 광원과 광검출부 정렬 할 때는 출력이 더 큰 것으로 교체한다.
본원 발명의 제3양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS를 정렬하는 방법에 있어서,
1) 상기 레이저부에 광원 앞에 배치되는 이중 슬릿을 배치하는 단계;
2) 상기 레이저부 광원에 의해서 생성되는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 단계;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 방법을 제공한다.
본원 발명의 제4양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS를 정렬하는 방법에 있어서,
1) 상기 레이저부의 레이저 광원을 2개로 분배하는 단계;
2) 상기 분배기에 의해서 각각 분배된 개별 광원 앞에 단일 슬릿을 배치하는 단계;
3) 상기 개별 광원에 의해서 생성되는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 단계;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 방법을 제공한다.
이때 상기 이동하는 단계는 상기 격자 무늬의 이동에 따라서 빛의 강도가 커지는 방향으로 이동한다.
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2는 특허문헌 2에서 발췌한 레이저 회절 패턴을 이용한 부품의 마이크로 구멍 정렬 방법에 관한 개략도이다.
도 3은 특허문헌 3에서 발췌한 검출기를 사용한 정렬기의 예시다.
도 4는 TDLAS 장치의 개략도이다.
도 5는 이중 슬릿을 이용할 경우 발생하는 빛의 강도를 개략적으로 보여준 도면이다.
도 6은 본원 발명의 다른 실시예의 하나로서 하나의 광원을 분배기를 사용하여 2개로 나눈 후 각각에 단일 슬릿을 적용한 경우의 예시이다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다. 도 4는 대표적인 TDLAS 관련 구성으로서 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 4, 5, 6에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
TDLAS 장비는 대체적으로 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 포집되며 상기 레이저빔이 통과하는 측정 셀; 상기 측정 셀을 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;로 구성된다. 본원 발명이 적용되는 배출단의 경우에는 측정을 위한 별도의 측정 셀이 존재하지 않고, 배출단 내의 기체 그대로 측정하게 된다.
레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다. 통상적으로 레이저는 파장이 고정되어 있으나 다이오드 레이저를 사용함으로써 파장을 변조할 수 있으며, 이는 함수 생성기를 통해서 변조가 가능하다.
도 5는 이중 슬릿을 이용한 간섭의 경우에 나타날 수 있는 현상을 도식적으로 표시한 것이다. 하나의 광원이 간격 s를 갖는 슬릿을 통과하게 되면 회절 및 간섭의 효과로 D 거리만큼 떨어져 있는 곳에 격자 무늬를 생성한다. 도 5에서의 파형은 격자 무늬의 강도를 도식적으로 나타낸 것이다.
파형의 무늬는 단일 슬릿 또는 3중 이상의 슬릿에서도 사용이 가능하나, 단일 슬릿은 아래에서 언급한 바와 같이 격자 무늬의 간격 조절이 힘들고 격자 무늬가 넓게 나타나지 않고, 3중 이상은 격자 무늬의 방향성을 파악하기 힘든바, 이중 슬릿이 바람직하다.
슬릿 자체의 너비는 0.01㎜에서 0.2㎜등 편의에 따라서 조절할 수 있으나, 상기 범위보다 작은 경우에는 통과하는 빛의 양이 작아서 선명한 간격을 얻을 수 없고 상기 범위보다 넓은 경우에는 회절이 많아서 격자 무늬 경계가 불투명하다. 이중 슬릿에서 슬릿 사이의 간격은 통상적으로 200에서 500㎜가 사용되나, 본원 발명과 같은 배출단의 경우에는 더 넓은 간격도 사용될 수 있다.
배출단과 같은 먼 거리의 측정 환경일 경우 레이저 광원에서 광검출부로 이중 슬릿을 이용하여 빛을 조사할 경우 광검출부를 중심으로 도 5와 같은 격자 무늬의 빛이 생성된다. 만약에 광원과 광검출부가 제대로 정렬이 되어 있다면, 광검출부를 좌우로 움직였을 때 또는 광원을 좌우로 움직일 경우, 오히려 빛의 강도가 줄어들게 될 것이다.
다른 경우로서 광원과 광검출부가 제대로 정렬이 되지 않은 상태라면, 광검출부를 좌우로 움직이거나 광원을 좌우로 움직일 경우, 제대로 정렬이 되는 방향이라면 빛의 세기가 커질 것이며, 제대로 된 정렬에서 더 벗어나는 경우에는 빛의 세기가 작아질 것이다. 이와 같이 본원 발명에 따른 이중 슬릿에 의한 정렬 방법은 정렬에 대한 방향성을 부여할 수 있어 빠르게 정위치로 수렴할 수 있는 장점이 있다.
격자 무늬 하나의 간격이 w1이고, 이때 사용한 광원의 파장이 λ일 때 다음과 같은 식으로 표시된다.
λ=(w1 x s)/D
따라서, 정렬을 위한 광을 조사함에도 불구하고 광검출부 주변에서 격자무늬가 너무 넓어서 제대로 나타나지 않거나, 너무 좁게 나타난다면, 위의 식에서 격자 무늬 간격인 w1을 조절할 필요가 있다. 방법은 파장이 더 짧거나 긴 레이저 광원을 사용할 수 있고, 또는 슬릿의 간격을 넓히면 w1의 간격이 줄어들게 된다. 배출단에서는 이미 D는 고정값이며 통상적으로 배출단에서 정렬을 위한 광원으로서는 통상 측정을 위한 레이저보다 출력이 높은 레이저를 사용하는 것이 유리하다. 그러므로 파장 λ도 고정값으로 볼 수 있다. 따라서 가능한 방법은 슬릿의 간격 s를 조절하는 것이 바람직하다. 배출단과 같이 D가 매우 큰 경우에는 적당한 w1의 값을 얻기 위해서는 매우 넓은 s가 필요할 수 있다. 이러한 경우에는 하나의 광원을 분배기를 사용하여 2개로 나누고 각각의 광원에 단일 슬릿을 부가하여 s의 값을 크게 하는 방법이 바람직하다. 이와 관련한 개략도를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 볼 수 있듯이 광원(light source)에서 분배기(splitter)를 사용하여 광원을 2개인 light source 1 및 light source 2로 나눈 후 각각의 광원에 싱글 슬릿을 사용하여 이중 슬릿의 효과를 나타낼 수 있다. 이 경우 슬릿의 간격을 매우 넓게 할 수 있으므로 배출단과 같이 거리가 매우 먼 경우라도 적당한 간격은 w1 값을 도출할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템은 통상적인 단거리가 아닌 배출단과 같이 내부에 다양한 기체가 존재하고 거리가 먼 경우에도 운용 가능한 시간 범위 내에서 빠르게 정렬할 수 있다는 효과가 있다. 특히 종래의 검출기를 사용하여 정렬하는 방식에 대비하여 우선적으로 넓은 범위에서 정렬에 대한 방향성을 제시함으로써, 초기 단계에 정렬을 위한 레이저 광원의 검색 범위를 쉽게 좁혀주고 이로 인해 정렬에 걸리는 시간을 대폭 단축시킬 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 다종가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템은 통상적인 단거리가 아닌 배출단과 같이 내부에 다양한 기체가 존재하고 거리가 먼 경우에도 운용 가능한 시간 범위 내에서 빠르게 정렬할 수 있다는 효과가 있다. 특히 종래의 검출기를 사용하여 정렬하는 방식에 대비하여 우선적으로 넓은 범위에서 정렬에 대한 방향성을 제시함으로써, 초기 단계에 정렬을 위한 레이저 광원의 검색 범위를 쉽게 좁혀주고 이로 인해 정렬에 걸리는 시간을 대폭 단축시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서,
    상기 레이저부에 광원 앞에 배치되는 이중 슬릿; 상기 광검출부에 나타나는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 이동부;를 추가한 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  2. 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서,
    상기 레이저부의 레이저 광원을 2개로 분배하는 분배기; 상기 분배기에 의해서 각각 분배된 개별 광원 앞에 배치되는 단일 슬릿; 상기 광검출부에 나타나는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 이동부;를 추가한 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬릿에서 상기 슬릿 자체의 너비는 0.01㎜에서 0.2㎜인 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이중 슬릿에서의 슬릿 간격 또는 상기 단일 슬릿 사이의 간격을 조절함으로써 상기 격자 무늬의 간격을 조절하는 것인 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동부는 상기 격자 무늬의 이동에 따라서 빛의 강도가 커지는 방향으로 이동하는 것인 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저부의 광원을 광원과 광검출부 정렬 할 때는 출력이 더 큰 것으로 교체하는 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 시스템.
  7. 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS를 정렬하는 방법에 있어서,
    1) 상기 레이저부에 광원 앞에 배치되는 이중 슬릿을 배치하는 단계;
    2) 상기 레이저부 광원에 의해서 생성되는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 단계;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 방법.
  8. 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS를 정렬하는 방법에 있어서,
    1) 상기 레이저부의 레이저 광원을 2개로 분배하는 단계;
    2) 상기 분배기에 의해서 각각 분배된 개별 광원 앞에 단일 슬릿을 배치하는 단계;
    3) 상기 개별 광원에 의해서 생성되는 격자 무늬의 강도에 따라서 상기 레이저부 또는 상기 광검출부의 위치를 이동하는 단계;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 이동하는 단계는 상기 격자 무늬의 이동에 따라서 빛의 강도가 커지는 방향으로 이동하는 것인 다중가스 동시 측정 TDLAS 정렬 방법.
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