KR200367121Y1 - 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기 - Google Patents

미세입자 측정용 레이저 입자 계수기 Download PDF

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Abstract

본 고안은 대기 중에 부유하는 미세 입자(Particles)를 입자의 크기별 수 농도로 측정하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원부와; 입자 측정 방(chamber)과; 상기 입자 측정 방의 양쪽에 관통하게 형성된 공기 흡입구 및 공기 배기구와; 상기 입자 측정 방의 내부에 형성되어 입자에 산란된 광원이 발생하는 입자 측정공간과; 광신호 수광부로 구성되어 입자의 크기별 수 농도를 측정하는 레이저 입자 계수기로 상기 입자 측정방의 내부 벽은 나사 피치 또는 요철모양을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성의 본 고안에 따르면, 산란된 광원이 내부벽면에서 재 반사되어 광신호 수광부에 검출됨으로써 측정 신호의 노이즈로 작용하는 것을 배제하는 효과가 있다.

Description

미세입자 측정용 레이저 입자 계수기 {OPTICAL PARTICLE COUNTER FOR SUB-MICRON PARTICLES}
본 고안은 대기 중에 부유하는 미세 입자(Particles)를 입자의 크기별 수 농도로 측정하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원부와; 입자 측정 방(chamber)과; 광 신호 수광부로 구성되어 공기중의 미세 입자에 의해 산란된 레이저 신호를 관측하여 입자의 크기와 수 농도를 측정하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기에 관한 것이다.
도 1은 레이저 빔의 산란 특성을 이용하여 미세 입자의 크기와 수 농도를 측정하는 종래의 레이저 입자 계수기의 단면도 이다.
레이저 입자 계수기는 크게 보면 광원부(110)와; 입자 측정 방(chamber)(120)과; 광 신호 수광부(130)로 구성된다. 광원부의 레이저(111)는 광원부의 집광렌즈(112, 113)를 통해서 입자 측정 공간(123)에 집광되어 공기 흡입구(121)를 통해 유입된 대기 중에 부유하는 미세 입자에 의한 산란 빛을 만들게 된다. 미세 입자에 의해 산란된 빛은 수광부의 집광렌즈(131)에서 모아져서 광 신호 검출기(132)에 검출된다.
광 신호 검출기(132)에 의해 검출된 광 신호는 입자의 크기에 비례하여 높은 값을 가지며, 검출기의 검출 빈도로 입자의 수 농도를 측정하게 된다.
일반적으로 미세 입자에 의해 산란된 빛은 입자의 크기에 비례하여 광 신호 검출기에서의 검출량이 다르므로 입자의 산란 신호를 해석하면 입자의 크기를 계산 할 수 있다. 또한, 미세한 입자( 1 micron 이하)의 입자의 크기를 측정하기 위해서는 미량의 산란 빛을 측정하여야 한다. 이 때, 산란 빛을 제외한 광 신호가 광 신호 검출기(132)에 입사하는 것을 차단하는 것이 중요하다. 수광부 집광렌즈(131)의 중심부분에 형성되어 있는 빔 덤프(133)는 광원부로부터 입사하여 산란 되지 않는 레이저 빔이 광 신호 검출기(132)에 검출 되지 않도록 차단하는 기능을 한다.
그러나, 산란 되지 않고 직접 입사하는 레이저 빔은 빔 덤프(133)를 통해 차단 되기는 하나, 입자 측정 공간의 내벽(124)에서 일부 반사 되거나, 입자 측정 공간(123)의 구조물에 의해 일부 재 반사되는 빛은 수광부 집광렌즈(131) 를 투과하여 광신호 검출기(132)에 검출되게 되다.
일반적으로 상기와 같은 신호는 일정한 세기로 관측되어 측정 신호를 해석하는 단계에서 노이즈로 일괄적으로 제거 하여 신호를 해석하게 된다. 그러나, 1 micron 이하의 미세 먼지에 의해 산란 되는 광 신호를 측정 할 때는 상기 산란신호의 크기가 미약하여 상기 노이즈와 구별하기 어려운 문제가 발생한다.
본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 입자 측정 방(120,220) 및 광신호 수광부의 레이저 빔에 노출된 부분을 나사 피치 또는 요철 모양으로 하는 독특한 모양으로 구성하여 관측 광 경로 이외의 광 신호가 입자 측정 공간 내벽(124, 224)에서 재 반사되는 효과를 해소하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 레이저 입자 계수기 단면도이다.
도 2는 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 사시도이다.
도 3은 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 일 실시 예에 따른 단면도이다.
도 4는 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 일 실시 예에 따른 입자 측정 공간의 단면 사시도이다.
도 5는 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 다른 실시 예에 따른 단면도이다.
도 6은 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 또 다른 실시 예에 따른 단면도이다.
도 7은 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 측정 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 고안에 따른 미세입자 측정용 레이저 입자 계수기의 빔 덤프의 단면 사시도이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
110, 210 ; 광원부111, 211 ; 레이저
112, 113 ; 렌즈 212 ; 광원부 집광 렌즈
120, 220 ; 입자 측정 방 121, 221 ; 공기 흡입구
122, 222 ; 공기 배기구123, 223 ; 입자 측정 공간
124, 224 ; 입자 측정 공간 내벽
225 ; 레이저 집광 경로(pass)226 ; 레이저 광원 집광 영역
130, 230 ; 광 신호 수광부131, 231 ; 수광부 집광 렌즈 A
132 ; 광 신호 검출기133 ; 빔 덤프
232 ; 수광부 집광 렌즈 B234 ; 광 신호 검출기
235 ; 광 신호 수광부 내벽
236 ; 빔 덤프
전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기는 광원부와; 입자 측정 방(chamber)와; 상기 입자 측정방의 내부에 형성되어 광원부에서부터 입사하는 레이저가 미세 입자에 의해 산란된 빛이 발생하는 입자 측정공간과; 상기 입자 측정방의 일 측에서 입자 측정공간까지 관통하게 형성되어 미세 입자(particle)를 포함한 대기를 상기 입자 측정 공간에 주입하기 위한 공기 흡입구와; 상기 입자 측정공간부터 상기 입자 측정방의 또 다른 일 측에 관통하게 형성되어 측정 후의 대기를 입자 측정 공간에서 배출하기 위한 공기 배기구와; 상기 입자 측정방의 내부에 형성되어 광원부로 부터 입사한 레이저를 상기 입자 측정공간까지 안내하기 위한 레이저 집광 경로와; 상기 입자 측정방과 연결되어 광신호를 집광하여 검출하기 위한 광 신호 수광부와; 상기 광신호 수광부의 내부에 형성되는 수광부 집광 렌즈 및 광 신호 검출기와; 산란되지 않는 레이저 빔의 광 신호 검출기로의 직접 조사를 막기 위한 빔 덤프와; 상기 입자 측정 공간의 내벽 및 상기 광 신호 수광부 내벽 및 상기 레이저 집광 경로 내벽에 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 입자 측정 공간 및 상기 광 신호 수광부 내벽 및 상기 레이저 집광 경로 내벽에 형성된 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 보다 촘촘하게 형성 할 수록 산란되는 빛이 벽면에서 난반사하는 횟수를 증가시켜 불필요한 산란 빛의 소멸을 증가 시켜 광 신호 검출기의 측정 신호 노이즈를 더욱 줄이게 된다. 나사 피치 모양은 본 고안의 일 실시 예에서 제시한 톱니모양 이외에 다른 형태로도 제작이 가능하며 나사 피치의 간격 및 크기의 변형은 본 고안이 속하는 통상의 지식분야에서 용이함은 명백하다.
또한, 상기 빔 덤프의 내벽을 상기 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성하여 빔 덤프에 의한 재 반사로 강한 레이저 빛이 입자 측정 공간으로 유입되는 것을 방지하고자 한다.
상기와 같은 구성의 본 고안에 따르면, 산란된 광원이 내부벽면에서 재 반사되어 측정 신호의 노이즈로 작용하는 것을 배제하는 효과가 있다.
이하에서는 본 고안에 따른 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 하며, 각 도면에 도시된 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일부재를 가리킨다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기는 크게 광원부(210)와, 상기 광원부와 연결되어 있는 입자 측정 방(220)과, 상기 입자 측정 방과 연결되어 산란광을 집광하고 검출하는 광 신호 수광부(230)가 구비된다.
도 3은 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기의 일 실시 예에 따른 단면도로 본 고안의 구성 및 기능에 대해 명확하고 상세하게 설명하고자 한다.
본 고안에 따른 광원부는 광원부(210)의 내부에 설치되어 측정 광원을 발생하는 레이저(211)와; 상기 레이저(211)에서 발생한 측정 레이저 광원이 입자 측정 공간에 입사하기 전에 집광하기 위한 광원부 집광 렌즈(212)를 구비한다. 상기 레이저(211)는 반도체 레이저, 헬륨-네온 레이저, Nd:YAG 레이저, 색소 레이저, 적외선 레이저, 아르곤 레이저 중 어느 것을 사용하여도 무방하나, 본 고안에서는 가격이 싸고 크기가 작은 반도체 레이저를 사용하였다. 상기 광원부 집광 렌즈(212)는 집광하고자 하는 레이저 광원의 모양에 따라 구면 렌즈, 실린더 렌즈 중 어느 것을 선택하여 사용하여도 무방하다. 또한, 도 3에는 명시되지는 않았지만, 상기 광원부 집광 렌즈와 입자 측정 방의 연결 부분에 O-링 실링이 구비되어 입자 측정 공간와 구획되어 공기의 흐름이 차단도록 구성하는 것은 본 고안에 속한 통상의 지식 범위에서는 명백하다.
또한, 본 고안에 따른 입자 측정 방(220)은 입자 측정 방의 내부에 형성되어 상기 광원부 집광 렌즈(212)을 투과하여 입사한 레이저 광원을 입자 측정 공간(223)까지 안내하기 위한 레이저 집광 경로(225); 역시 상기 입자 측정 방의 내부에 형성되어 상기 레이저 집광 경로를 관통하여 입사하는 레이저 광원이 미세 입자에 의해 산란된 빛이 발생하는 입자 측정 공간(223)과; 상기 입자 측정 방(220)의 일측에 입자 측정 공간(223)까지 관통하게 형성되어 미세 입자를 포함한 대기를 상기 입자 측정공간에 주입하여 레이저 광원의 집광영역(226)과 교차되는 곳에서 미세 입자에 의한 레이저 광원의 산란이 일어나도록 하기 위한 공기 흡입구(221)와; 상기 입자 측정공간부터 상기 입자 측정방의 또 다른 일 측에 관통하게 형성되어 측정 후의 대기를 입자 측정 공간에서 배출하기 위한 공기 배기구(222)와; 상기 레이저 집광 경로(225)와 입자 측정 공간(223)의 내벽은 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성된 것이 바람직한바, 상기와 같은 구성의 레이저 집광 경로(225) 및 입자 측정 공간(223)의 모양에 따르면, 상기 공기 흡입구(221)에 의해 주입된 미세 입자에 의해 산란된 레이저 광원 중 직접 광 신호 수광부로 조사되지 않고 입자 측정 공간에서 반사 또는 재 반사 되어 광 신호 수광부로 조사되는 일부의 레이저 광원을 제거하는 효과가 있다.
이러한 구성에 따라 상기 레이저 집광 경로(225)는 광원부(210)에서 입사하는 레이저 광원을 입자 측정공간(223)에 안내할 때 광 경로 이외의 빛을 제거 하는 슬릿 또는 핀홀 역할을 한다. 도 3과 같이 레이저 집광 경로(225)는 미세 입자가 주입되는 공기 흡입구(221) 근처까지 연장 되거나 본 고안에 따른 다른 실시예인 도 5와 같이 레이저 집광 경로의 범위(길이)는 짧게 구성하는 등의 변화 역시 본 고안에 따른다. 광원부(210)와 레이저 집광경로(225)가 구획되는 부분과 공기 흡입구의 거리는 광원부 집광 렌즈(212)의 초점 거리에 따른다.
또한, 본 고안에 따른 광 신호 수광부는 상기 입자 측정방과 연결되어 미세 입자에 의해 산란된 레이저 광원의 광 신호를 집광하여 검출하는 기능을 한다. 본 고안에 따른 광 신호 수광부는 상기 입자 측정 공간(223)에서 발생한 산란된 레이저 광원을 광 신호 수광부로 모아주기 위한 수광부 집광렌즈 A(231)와 상기 수광부 집광 렌즈 A(231)에 의해 모인 광 신호를 광 신호 검출기의 측정 부분에 집광하기 위한 수광부 집광렌즈 B(232)와; 상기 수광부 집광 렌즈 쌍에 의해 모인 광 신호를 최종적으로 검출하는 광 신호 검출기(234)와; 상기 수광부 집광 렌즈 A(231)의 중심부분에 입자 측정 공간을 향하여 솟은 모습으로 형성되어 있는 빔 덤프(236)와; 광 신호 수광부의 내부에 형성된 공간에서 산란된 레이저 광원의 재 반사가 이루어 질 수 있는 광 신호 수광부 내벽(235)과; 상기 광 신호 수광부 내벽(235)과 상기 빔 덤프(236)의 안쪽 면은 나사 피치 또는 요철 모양의 홈으로 형성된 것이 바람직한 바, 상기와 같은 구성의 광 신호 수광부 내벽과 빔 덤프의 모양에 따르면, 입자 측정 공간에서 입사되어 산란된 레이저 광원 중 직접 광 신호 검출기(234)로 집광되지 않고 광신호 수광부 내벽에서 반사 또는 재반사 되어 노이즈 광 신호로 검출되는 일부의 레이저 광원을 제거하는 효과가 있다. 더욱이 빔 덤프(236)는 산란되지 않는 레이저 광원을 완전히 차단하기 위하여 광원부(210)에서 입사되어 레이저 광원과 마주 보는 부분에 구비되며, 안쪽으로 형성된 나사 피치 또는 요철 모양의 홈에 의한 흡수 효과를 높이게 된다. 상기의 효과를 극대화하기 위해 빔 덤프는 수광부 집광 렌즈의 중심 부분에 입자 측정 공간을 향해 오목한 요철로 형성되며, 도 3과 같이 상기 입자 측정 공간(223)에서 수광부 집광 렌즈 A(231)로 직접 조사되는 산란된 레이저 측정 광원의 경로를 확보하기 위하여 수광부 집광 렌즈 A(231)의 중심부분에 삽입되어 구비하는 것이 바람직하나 본 고안에 따른 또 다른 일 실시예인 도 6과 같이 수광부 집광 렌즈 A의 입자 측정 공간 방향면의 중심부에 접착되어 돌출되게 구비하는 등의 변화 역시 본 고안의 범위에 따른다.
도 4는 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기의 일실시 예에 따른 입자 측정 공간(223)의 단면 사시도이다.
도 7은 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기의 일실시 예에 따른 입자 측정 공간의 단면도로 미세 입자에 의한 레이저 광원의 산란 현상을 설명하고자 한다.
본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기에서 광원부(210)에서 입사한 레이저 광원은 상기 입자 측정 공간(223)의 레이저 광원 집광 영역(226)에서 집광된다. 또한, 공기 흡입구(221)를 통해 주입된 미세입자는 상기 레이저 광원 집광 영역과 교차 하면서 상기 광원부에서 입사한 상기 레이저 광원을 산란 시키게 된다.
이러한 원리에 따라 산란 된 레이저 광원은 상기 입자 측정 공간의 모든 방향으로 방사하게 되며, 상기 방사한 산란광 중 수광부 집광 렌즈 A(231)로 입사한 레이저 광원은 광 신호 수광부에서 산란 신호로 해석이 된다.
도 8은 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기의 빔 덤프의 단면 사시도이다.
이상과 같은 본 고안에 따른 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기는 내부의 내벽에 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 구성하여 입자에 의한 레이저 광원의 산란 신호의 양을 측정하여 입자의 크기 및 수 농도를 측정하는 할 때 필수적으로 발생하는 배경신호 값을 효과 적으로 제거함으로써, 배경 신호에 묻혀 측정되지 않는 미세 입자에 의한 산란 신호를 배경신호와 구분 할 수 있는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기를 얻는 효과가 있다.
또한, 광원부에서 입사하는 레이저 광원이 미세 입자와 산란하기 전에 레이저 집광 경로를 통해 입사함으로 해서 깨끗한 레이저 광원을 갖는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기를 얻는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 광원부와, 입자 측정 방과, 광신호 수광부로 구성되는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기에 있어서;
    상기 입자 측정 방의 내부에 형성되어 있는 입자 측정 공간과,
    상기 입자 측정 공간의 내벽이 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입자 측정 방의 내부에 형성되어 상기 광원부와 상기 입자 측정 공간을 연결하기 위한 레이저 집광 경로와,
    상기 레이저 집광 경로의 내벽이 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 집광 경로는 상기 광원부와 접합한 상기 입자 측정 방의 한쪽 끝에서 상기 입자 측정 공간의 레이저 광원 집광 영역까지 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광 신호 수광부의 내부에 수광부 집광 렌즈와,
    상기 수광부 집광 렌즈의 중심 부분에 상기 입자 측정 공간을 향하여 오목한(빈 캔) 모양으로 돌출한 모습으로 형성된 빔 덤프를 구성하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 빔 덤프는 상기 수광부 집광 렌즈의 중심부분에 삽입되어 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 빔 덤프의 안쪽 면은 나사 피치 또는 요철 모양의 홈을 형성하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 미세 입자 측정용 레이저 입자 계수기.
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