WO2021095952A1 - 저장탱크 누출가스 검출장치 - Google Patents

저장탱크 누출가스 검출장치 Download PDF

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WO2021095952A1
WO2021095952A1 PCT/KR2019/015762 KR2019015762W WO2021095952A1 WO 2021095952 A1 WO2021095952 A1 WO 2021095952A1 KR 2019015762 W KR2019015762 W KR 2019015762W WO 2021095952 A1 WO2021095952 A1 WO 2021095952A1
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WO
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storage tank
laser
gas
light source
disposed
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/015762
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English (en)
French (fr)
Inventor
이창엽
유미연
박대근
김대해
Original Assignee
한국생산기술연구원
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/38—Investigating fluid-tightness of structures by using light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • 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
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
    • G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers

Definitions

  • the present invention relates to a storage tank leak gas detection apparatus, and specifically, to an apparatus and method for detecting gas leaking from a large-scale tank storing gas or liquid using a laser.
  • Multi-family housing facilities such as apartments have separate storage facilities for storing LPG. It is a 1.6 ton or 2.9 ton, and it is periodically filled using a 10-ton bulky that is transported by truck.
  • Storage tanks with a diameter of 10 meters or more or storage tanks with a height of 10 meters or more installed in industrial complexes such as Ulsan and Yeocheon have limitations in detecting leaked gas early as a detection method used in small-scale gas storage tanks. Although a plurality of gas detection devices are installed adjacent to the storage tank to detect leaking gas, explosion accidents caused by gas leakage in the storage tank continue to occur both domestically and globally.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 19427172 relates to an apparatus and method for inspecting a secondary barrier for a liquefied natural gas storage tank, comprising: a laser generator for generating a laser beam; A beam expander for expanding the laser beam; A slit structure through which the laser beam passing through the beam expander passes to have a predetermined wavelength; And a detector for detecting an ultrasonic signal, wherein the laser beam generated from the laser generator passes through the beam expander and the slit structure and hits the main secondary barrier coupled on the lower insulating board of the liquefied natural gas storage tank, thereby generating ultrasonic waves.
  • Republic of Korea Patent Publication No.1947172 is to detect leakage of a storage tank storing cryogenic liquefied natural gas at a very low temperature, and it is intended to detect poor adhesion of the secondary barrier of a storage tank composed of a primary barrier and a secondary barrier. It relates to a method of detecting and inspecting ultrasonic waves leaking out of a vehicle barrier. Although detection is performed using a laser, this is to determine whether the barrier of the storage tank itself is abnormal by examining the ultrasonic waves, and is different from a device that directly detects gas leaking to the outside.
  • Japanese Patent Publication No. 6071519 relates to a gas leak detection system.
  • a gas leak detection system As an improvement of the conventional technology that specifies only the direction of gas leakage by a sensor arranged in a circle around a light source and a rotating light source, reflective optical systems are arranged at regular intervals at a specific distance, and the light reflected from each reflective optical system is improved.
  • the present invention relates to a system for detecting a gas leak at a specific interval by providing a detection unit capable of detecting and then sequentially irradiating light to the reflective optical system and using a value detected therefrom.
  • 6071519 aims to detect a specific leak location, and for this purpose, a plurality of reflectors must be arranged according to their positions, and light sources must be sequentially irradiated to the reflector.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 6071519 is for specifying a position, and there is a problem in that a light source must be controlled in order to irradiate light in accordance with a plurality of reflectors and their positions.
  • the detailed technical field is different from the present invention in that it is a technique that specifies the location after it is confirmed that it has already leaked.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 1649574 is a gas leak detection device for drones.
  • a gas detector that measures the concentration of gas using an LED light source is mounted on a drone, which is an unmanned aerial vehicle, and the gas leaks from the gas pipe while flying along the gas pipeline. It relates to a device capable of accurately detecting and identifying a location, and monitoring gas leaking from a facility with a high structure such as a gas storage tank.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 1649574 uses a drone, which is not always usable, and is different from the present invention in that it can only monitor a desired part for a certain period of time.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 1469017 relates to a toxic gas detection and alarm device using an infrared spectroscopy, and a toxic gas detection and alarm method using the same. It detects toxic gas molecules using an infrared spectroscopy, and the laser is aligned and distance. It is used for measurement and is a device that intensively monitors only a specific area.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2014-185914 relates to a fuel leak detection apparatus and method, and is a method of photographing and analyzing a laser beam as if scanning a specific area in order to detect a leak of LNG, and then photographing it with a CCD or the like.
  • a minute leaking gas with only a CCD or the like, there is a difference in detailed technology from the present invention, which is intended to be detected early.
  • the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a stable device capable of always detecting minute leaking gas in the vicinity of a storage tank and a detection method using the same.
  • the present invention comprises: a laser light source for irradiating a laser; A reflector disposed around the outer periphery of the storage tank to reflect the laser irradiated from the laser light source so that the trajectory of the reflected laser passes close to the outer surface of the storage tank; A light detection unit disposed at an end of the laser trajectory reflected by the reflection unit and condensing the laser; It provides a gas leak detection apparatus for a storage tank comprising; a processor unit that performs analysis using the laser detected by the photodetector.
  • the gas leak detection device according to the present invention is a gas leak detection device using TDLAS.
  • the reflector may include a plurality of reflectors disposed around the outer periphery of the storage tank so that the trajectory of the reflected laser traverses the outer periphery of the storage tank at least once.
  • the reflector may include a plurality of reflectors disposed around the outer periphery of the storage tank so that the trajectory of the reflected laser may pass through all of the upper and side surfaces of the storage tank.
  • the laser light source unit is disposed above or below the storage tank, and the reflecting unit is disposed on the opposite side of the laser light source unit in the form of a coil, starting from the laser light source unit and gradually lowering or gradually increasing the trajectory of the reflected laser. It may include a plurality of reflectors disposed to reach the photodetector.
  • the laser light source unit, the reflection unit, and the light detection unit may all be disposed on the same plane, and the reflecting unit may include a plurality of reflectors disposed so that the trajectory of the reflected laser can traverse the outer periphery of the storage tank only once. .
  • the plane on which the laser light source, reflector, and photodetector are disposed is placed at a height of less than 1 meter from the ground when the gas to be detected is a gas heavier than air, and adults when the gas to be detected is a gas lighter than air. Can be placed at a height above the eye level of the
  • the laser light source unit, the reflection unit, and the light detection unit may be fixed to at least three or more pillars disposed around the storage tank.
  • the present invention also provides a method of detecting a gas leak in a storage tank by the gas leak detection device.
  • minute leaking gas can be detected in the vicinity of the storage tank at all times, 2) minute leakage can be detected by cumulative scanning around the storage tank using one light source, and 3) mechanical movement It is a very economical device and method that can detect all large-scale storage tanks with only one pair of light source and sensor unit, and 4) light source and sensor unit can detect all large-scale storage tanks with only one pair.
  • TDLAS' Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus in which a laser trajectory is disposed on a lower surface of a storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus in which a laser trajectory is disposed on an upper surface of a storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus in which a laser trajectory is disposed on an entire side of a storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus in which a laser trajectory is disposed on the entire side and upper surface of a storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • a measurement method using a laser capable of real-time measurement without sampling the gas to be measured is receiving great attention.
  • Many gas species are mainly absorbed in the infrared region, where the infrared region is near-infrared ray (0.8 ⁇ m-1.5 ⁇ m), mid-infrared ray (1.5 ⁇ m-5.6 ⁇ m), far-infrared ray (Far-infrared ray). infrared ray, 5.6 ⁇ m-1000 ⁇ m).
  • the vibration and rotational motion modes of molecules that cause the absorption of molecules are concentrated, so it is applied to the DAS (Direct Absorption Spectroscopy) measurement technique that uses the characteristics of molecules that absorb the wavelength of light to measure the concentration or temperature of the gas to be measured It has an excellent effect on how to measure.
  • DAS Direct Absorption Spectroscopy
  • Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy uses a variable-wavelength laser as a light source.
  • the absorption amount is proportional to the optical path length (L).
  • the values of the main variables for improving the measurement are the measurement distance (L) and temperature (T).
  • the measurement distance L does not change, but the temperature T continues to change depending on the season, day and night.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus 100 in which a laser trajectory is disposed on a lower surface of a storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • the laser irradiated from the laser light source 10 is reflected by the reflecting unit 40 provided in the support unit 30 installed around the storage tank to create a laser trajectory that goes around the bottom of the storage tank once, and then detected by the laser detection unit 20. do.
  • the leaked gas is heavier than air, and by creating a laser trajectory at the lower end of the storage tank 50, it is possible to quickly detect the leaking gas that is heavier than air.
  • the laser light source 10 may be installed together with the support unit 30 on which the laser detection unit 20 is installed, or may be installed on a separate support unit.
  • the height of the laser trajectory is preferably 1 meter or less. A height that does not affect the human eye is more desirable.
  • the reflective portion 40 is also disposed on the back side of the storage tank 50.
  • all of the laser detection units used in TDLAS can be used.
  • the laser light source 10 may be any laser to which TDLAS may be applied, and the reflector 40 may use a mirror or a prism.
  • the gas leak detection apparatus is to detect a gas leak from a storage tank quickly and provide it to a user or an administrator rather than specifying the location of the gas leak.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus 200 in which a laser trajectory is disposed on an upper surface of a storage tank 50 according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 200 according to FIG. 3 moves the trajectory of the laser to the top of the storage tank 50 in the apparatus 100 according to FIG. 2. In this case, it is preferable to apply when the leaked gas is lighter than air.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas leak detection device 300 in which a laser trajectory is disposed on the entire side of a storage tank 50 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a storage tank 50 according to an embodiment of the present invention.
  • It is a schematic diagram of a gas leak detection apparatus 400 in which a laser trajectory is arranged on the entire side and the upper surface.
  • FIG. 5 is a change in the reflection angle of the reflection part 40 disposed at the top of the support part 30 so that the gas leak detection device according to FIG. 4 is improved so that it can be detected from the upper surface of the storage tank 50.
  • the gas leak detection apparatuses 300 and 400 according to FIG. 4 or 5 have a coil shape while the laser irradiated from the laser light source 10 disposed above or below the storage tank 50 circumscribes the outer circumference of the storage tank 50 As shown, the reflective part 40 is disposed to be gradually directed downward or upward.
  • FIGS. 4 and 5 the diagram is illustrated from bottom to top, but it can be changed from top to bottom.
  • the present invention comprises: a laser light source for irradiating a laser; A reflector disposed around the outer periphery of the storage tank to reflect the laser irradiated from the laser light source so that the trajectory of the reflected laser passes close to the outer surface of the storage tank; A light detection unit disposed at an end of the laser trajectory reflected by the reflection unit and condensing the laser; It provides a gas leak detection apparatus for a storage tank comprising; a processor unit that performs analysis using the laser detected by the photodetector.
  • the present invention also provides a method of detecting a gas leak in a storage tank by the gas leak detection device.
  • the present invention relates to a storage tank leak gas detection device, specifically, to an apparatus and method for detecting gas leaking from a large-scale tank storing gas or liquid using a laser, and can be used in industry.

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Abstract

본원발명은 레이저를 조사하는 레이저광원부; 상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 저장탱크의 외면을 근접하게 지나가도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 반사부; 상기 반사부에서 반사된 레이저 궤적의 말단에 배치되며 상기 레이저를 집광하는 광검출부; 상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치 및 이를 이용하여 가스누출을 검출하는 방법에 관한 것이다.

Description

저장탱크 누출가스 검출장치
본 출원은 2019년 11월 15일자 대한민국 특허출원 제2019-0146749호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원발명은 저장탱크 누출가스 검출장치로서, 구체적으로 가스 또는 액체를 저장하는 대규모 탱크에서 누출되는 가스를 레이저를 이용하여 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
아파트 등의 공동주택 시설은 LPG를 저장하기 위한 별도의 저장 시설을 운영하고 있는 곳이 있다. 1.6톤 또는 2.9톤의 규모로서 트럭으로 운송되는 10톤 규모의 벌크로리를 사용하여 주기적으로 충전을 한다.
상기와 같은 소규모의 가스 저장탱크는 주로 과충전으로 인해서 가스가 누출되는 사고가 발생한다. 저장탱크 주변에 하나의 스팟을 검출할 수 있는 가스 검출장치를 단수 또는 복수 개 설치함으로써 누출되는 가스를 조기에 검출할 수 있다.
울산, 여천 등의 공단에 설치되는 지름 10미터 이상의 저장탱크 또는 높이 10미터 이상의 저장탱크는 소규모 가스 저장탱크에서 사용되는 검출 방법으로는 누출가스를 조기에 검출하는데 한계가 있다. 저장탱크에 인접하여 복수개의 가스 검출장치를 설치하여 누출가스를 검출하고 있지만, 저장탱크 내의 가스누출에 의한 폭발 사고가 국내는 물론 전세계적으로 계속적으로 발생하고 있다.
대규모 저장탱크는 가스가 누출될 수 있는 면적이 넓고, 또한 탱크의 상부 등에서 노출될 경우에는 바람의 영향으로 검출장치에서 전혀 검출을 하지 못하는 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 대규모 저장탱크 전면에 다수의 검출장치를 배치하는 것은 비경제적일 뿐만 아니라, 다수의 검출장치를 계속적으로 점검, 관리하는 것도 매우 어려운 일다.
대한민국 등록특허공보 제1947172호는 액화 천연가스 저장탱크용 2차 방벽 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생기; 레이저 빔을 확대시키는 빔 확대기; 빔 확대기를 지난 레이저 빔이 소정의 파장을 갖도록 통과되는 슬릿 구조체; 및 초음파 신호를 검출하는 검출기를 포함하되, 레이저 발생기로부터 발생된 레이저 빔이 빔 확대기 및 슬릿 구조체를 지나 액화 천연가스 저장탱크의 하부 단열 보드 상에 결합되는 주 2차 방벽에 부딪힘으로써 초음파가 생성되고, 생성된 초음파가 주 2차 방벽 상에 보조 2차 방벽을 접착시키기 위한 접착층을 통과하는 동안 보조 2차 방벽 밖으로 누출되어 검출기에서 검출되는 장치에 관한 것이다. 대한민국 등록특허공보 제1947172호는 온도가 매우 낮은 초저온 액화 천연가스를 저장하는 저장탱크의 누출을 감지하기 위한 것으로서, 1차 방벽 및 2차 방벽으로 구성된 저장탱크의 2차 방벽의 접착 불량 등을 2차 방벽 밖으로 누출되는 초음파를 검출하여 검사하는 방법에 관한 것이다. 레이저를 사용하여 검출을 하고 있으나, 이는 상기 초음파를 검사하여 저장탱크의 방벽 자체의 이상 여부를 판별하기 위한 것으로서 외부로 누출되는 가스를 직접 검출하는 장치와는 차이가 있다.
일본 등록특허공보 제6071519호는 가스누출 감지시스템에 관한 것이다. 광원을 중심으로 원형으로 배치되는 센서와 회전하는 광원에 의해서 가스누출의 방위만을 특정하는 종래의 기술을 개선한 것으로서, 특정 거리에 일정한 간격으로 반사 광학계를 배치하고 각각의 반사 광학계에서 반사되는 광을 검출할 수 있는 검출부를 마련한 후 상기 반사 광학계에 순차적으로 광을 조사하여 이들로부터 검출되는 값을 활용하여 특정 간격에서의 가스누출을 감지하는 시스템에 관한 것이다. 일본 등록특허공보 제6071519호는 구체적인 누출 위치를 감지하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이를 위해서 다수의 반사체를 위치에 따라 배치하고 또한 광원을 순차적으로 해당 반사체에 조사해야 한다. 일본 등록특허공보 제6071519호는 위치를 특정하기 위한 것으로서 다수의 반사체와 이들에 위치에 맞추어서 광은 조사하기 위해서 광원을 제어해야 하는 문제점이 있다. 본원발명과는 달리 이미 누출된 것이 확인된 이후에 위치를 특정하는 기술인 점에서 본원발명과는 세부 기술분야가 다르다.
대한민국 등록특허공보 제1649574호는 드론 탑재용 가스누출 감지장치로서 LED 광원을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 가스감지기를 무인 비행체인 드론에 탑재하여 가스의 관로를 따라 비행하면서 가스배관에서 누출되는 가스를 정확하게 검출하여 위치를 파악할 수 있고, 가스저장탱크와 같은 높은 구조의 시설물에서 누출되는 가스를 감시할 수 있는 장치에 관한 것이다. 대한민국 등록특허공보 제1649574호는 드론을 사용하고 있는바, 상시로 사용할 수 있는 것이 아니며, 일정 시간 동안 원하는 부위만을 감시할 수 있다는 점에서 본원발명과는 세부 기술분야가 다르다.
대한민국 등록특허공보 제1469017호는 적외선 분광기를 이용한 독성가스 검출 및 경보 장치 및 이를 이용한 독성가스 검출 및 경보 방법에 관한 것으로서, 적외선 분광기를 사용하여 독성가스 분자를 검출하는 것이며, 레이저는 얼라인과 거리 측정을 위해서 사용되며, 특정한 지역만을 집중적으로 감시하는 장치이다.
일본 공개특허공보 제2014-185914호는 연료누출 검출장치 및 방법에 관한 것으로서, LNG의 누출을 검출하기 위해서 특정 지역에 스캔하듯이 레이저를 조사한 이후 이를 CCD 등으로 촬영하여 분석하는 방법이다. 그러나 단순히 CCD 등만으로 미세한 누출가스를 검출하는 것이 어렵기 때문에 조기에 검출하고자 하는 본원발명과는 세부기술에 차이가 있다.
상기와 같이 대규모 저장탱크의 전체 주변에서 미세한 누출가스를 상시로 검출할 수 있는 안정적인 장치 및 이를 이용한 검출방법은 아직까지 제시되지 않았다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저장탱크의 주변에서 미세한 누출가스를 상시로 검출할 수 있는 안정적인 장치 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본원발명은 레이저를 조사하는 레이저광원부; 상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 저장탱크의 외면을 근접하게 지나가도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 반사부; 상기 반사부에서 반사된 레이저 궤적의 말단에 배치되며 상기 레이저를 집광하는 광검출부; 상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치를 제공한다.
본원발명에 따른 가스누출 검출장치는 TDLAS를 사용한 가스누출 검출장치다.
상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 외주변을 적어도 1회 순회할 수 있도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 복수의 반사경을 포함할 수 있다.
상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 상면 및 측면 전부를 지나갈 수 있도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 복수의 반사경을 포함할 수 있다.
상기 레이저광원부는 상기 저장탱크의 상부 또는 하부 배치되며, 상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 레이저광원부로부터 시작하여 코일 형태로 점점 내려가거나 점점 올라가서 상기 레이저광원부와 수직 기준으로 반대쪽에 배치된 상기 광검출부로 도달하게 배치되는 복수의 반사경을 포함할 수 있다.
상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부는 모두 동일평면에 배치되고, 상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 외주변을 1회만 순회할 수 있도록 배치되는 복수의 반사경을 포함할 수 있다.
상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부가 배치되는 평면은 검출하고자 하는 가스가 공기보다 무거운 가스일 경우는 지상에서 1미터 이내의 높이에 배치되고, 검출하고자 하는 가스가 공기보다 가벼운 가스일 경우는 성인의 눈 높이 이상의 높이에 배치될 수 있다.
상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부는 상기 저장탱크 주변에 배치된 적어도 3개 이상의 기둥에 고정될 수 있다.
본원발명은 또한 상기 가스누출 검출장치에 의해서 저장탱크의 가스누출을 검출하는 방법을 제공한다.
본원발명은 1) 저장탱크의 주변에서 미세한 누출가스를 상시로 검출할 수 있고, 2) 하나의 광원을 사용하여 저장탱크 주변을 누적 스캔함으로써, 미세한 누출을 검출할 수 있으며, 3) 기계적으로 이동하는 부분이 없기 때문에 고장의 우려가 매우 낮고, 4) 광원과 센서부가 1쌍만으로 대규모 저장탱크 전부를 검출할 수 있는 매우 경제적인 장치 및 방법이다.
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크 하면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치의 모식도이다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크 상면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치의 모식도이다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크 측면 전체에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치의 모식도이다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크 측면 전체 및 상면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치의 모식도이다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
CO, CO2, NOx, SOx 등 다양한 가스들의 농도를 계측하는데 있어 측정 대상의 가스를 샘플링 하지 않고, 실시간 계측이 가능한 레이저를 이용한 계측 방법이 크게 각광받고 있다. 많은 가스 종들은 주로 적외선 영역에서 흡수가 이루어지는데, 여기서 적외선 영역은 근적외선(Near-infrared ray, 0.8㎛ - 1.5㎛), 중적외선(Mid-infrared ray, 1.5㎛ - 5.6㎛), 원적외선(Far-infrared ray, 5.6㎛ - 1000㎛)으로 나눌 수 있다. 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS(Direct Absorption Spectroscopy) 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 탁월한 효과를 나타내고 있다.
파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')는 광원으로 파장가변형 레이저를 사용하는데, 계측 영역을 투과하기 전의 초기 레이저 강도(I0)와 계측 영역을 지나 흡수가 일어난 후의 레이저 강도(I)의 비를 비교하여 농도와 온도를 구하는 방법이다. 이는 Beer-Lambert 법칙을 근거로 한다.
도 1의 식에서 알 수 있듯이 흡수량은 광학적 측정거리(optical path length, L)에 비례하는 것을 알 수 있다. 누출가스를 측정하는 환경에서 각 누출가스의 농도가 아주 미세하다고 가정하면 계측 향상을 위한 주요 변수 값은 측정거리(L)와 온도(T)가 된다. 본원발명에 따른 가스누출 검출장치는 측정거리(L)은 변하지 않지만 계절, 밤낮 등에 따라 온도 T는 계속 변하게 된다. 이하 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 6, 7, 8에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크 하면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치(100)의 모식도이다.
레이저 광원(10)으로부터 조사된 레이저는 저장탱크 주변에 설치된 지지부(30)에 마련된 반사부(40)에 반사되어 저장탱크 하단 주변을 1회 순회하는 레이저 궤적을 만든 후 레이저 검출부(20)에서 검출된다.
도 2의 경우에는 누출가스가 공기보다 무거운 경우로서, 저장탱크(50)의 하단부에 레이저 궤적을 만듦으로써 공기보다 무거운 누출가스를 빠르게 검출할 수 있다. 도 2에 레이저 광원(10)을 별도로 표시하였으나, 레이저 광원(10)은 레이저 검출부(20)가 설치된 지지부(30)에 같이 설치되거나 별도의 지지부에 설치될 수 있다. 이때 상기 레이저 궤적의 높이는 1미터 이하가 바람직하다. 사람의 눈에 영향을 주지 않는 높이가 더욱 바람직하다. 도 2에 있어서 도면에서는 직접 표시되지 않았지만, 저장탱크(50)의 뒷면에도 반사부(40)가 배치되어 있다. 레이저 검출부(20)는 TDLAS에 사용되는 레이저 검출부 모두가 사용가능하다. 상기 레이저 광원(10)은 TDLAS가 적용될 수 있는 레이저는 모두 가능하며, 반사부(40)는 거울 또는 프리즘을 사용할 수 있다.
본원발명에 다른 가스누출 검출장치는 가스가 누출되는 위치를 특정하기 보다는 저장탱크에서 가스가 누출될 경우 빠르게 감지하여 이를 사용자 또는 관리자에게 제공하기 위함이다.
도 3는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크(50) 상면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치(200)의 모식도이다. 도 3에 따른 장치(200)는 도 2에 따른 장치(100)에서 레이저의 궤적을 저장탱크(50)의 상부로 이동한 것이다. 이러한 경우는 누출가스가 공기보다 가벼울 경우 적용하는 것이 바람직하다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크(50) 측면 전체에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치(300)의 모식도이며, 도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 저장탱크(50) 측면 전체 및 상면에 레이저 궤적이 배치된 가스누출 검출장치(400)의 모식도이다. 도 5는 도 4에 따른 가스누출 검출장치를 개량하여 저장탱크(50) 상면에서도 검출이 되도록 지지부(30) 최상단에 배치된 반사부(40)의 반사 각도를 변경한 것이다.
도 4 또는 도 5에 따른 가스누출 검출장치(300, 400)는 저장탱크(50)의 상부 또는 하부에 배치된 레이저 광원(10)에서 조사되는 레이저가 저장탱크(50) 외주부를 일주하면서 코일 형태와 같이 점점 더 하부로 향하거나 상부로 향하게 반사부(40)가 배치된 것이다. 도 4 및 도 5에서는 하부에서 상부로 향하게 도식화 되어 있으나, 상부에서 하부로도 변경할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본원발명은 레이저를 조사하는 레이저광원부; 상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 저장탱크의 외면을 근접하게 지나가도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 반사부; 상기 반사부에서 반사된 레이저 궤적의 말단에 배치되며 상기 레이저를 집광하는 광검출부; 상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치를 제공한다.
본원발명은 또한 상기 가스누출 검출장치에 의해서 저장탱크의 가스누출을 검출하는 방법을 제공한다.
100, 200, 300, 400 : 가스누출 검출장치
10 : 레이저 광원
20 : 레이저 검출부
30 : 지지부
40 : 반사부
50 : 저장탱크
본원발명은 저장탱크 누출가스 검출장치로서, 구체적으로 가스 또는 액체를 저장하는 대규모 탱크에서 누출되는 가스를 레이저를 이용하여 검출하는 장치 및 방법에 관한 것인바 산업상 이용 가능하다.

Claims (8)

  1. 레이저를 조사하는 레이저광원부;
    상기 레이저광원부에서 조사된 레이저를 반사시켜 상기 반사되는 레이저의 궤적이 저장탱크의 외면을 근접하게 지나가도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 반사부;
    상기 반사부에서 반사된 레이저 궤적의 말단에 배치되며 상기 레이저를 집광하는 광검출부;
    상기 광검출부에서 검출된 레이저를 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 외주변을 적어도 1회 순회할 수 있도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 복수의 반사경을 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 상면 및 측면 전부를 지나갈 수 있도록 상기 저장탱크 외주변에 배치되는 복수의 반사경을 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광원부는 상기 저장탱크의 상부 또는 하부 배치되며,
    상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 레이저광원부로부터 시작하여 코일 형태로 점점 내려가거나 점점 올라가서 상기 레이저광원부와 수직 기준으로 반대쪽에 배치된 상기 광검출부로 도달하게 배치되는 복수의 반사경을 포함하는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부는 모두 동일평면에 배치되고,
    상기 반사부는 상기 반사되는 레이저의 궤적이 상기 저장탱크의 외주변을 1회만 순회할 수 있도록 배치되는 복수의 반사경을 포함하는 대치되는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부가 배치되는 평면은 검출하고자 하는 가스가 공기보다 무거운 가스일 경우는 지상에서 1미터 이내의 높이에 배치되고, 검출하고자 하는 가스가 공기보다 가벼운 가스일 경우는 성인의 눈 높이 이상의 높이에 배치되는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광원부, 반사부, 광검출부는 상기 저장탱크 주변에 배치된 적어도 3개 이상의 기둥에 고정되는 저장탱크의 가스누출 검출장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스누출 검출장치에 의해서 저장탱크의 가스누출을 검출하는 방법.
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