KR20170122873A - 비-분산 적외선을 이용한 복합 가스 측정기 및 측정 방법 - Google Patents

비-분산 적외선을 이용한 복합 가스 측정기 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 복합 가스 측정기 및 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 비-분산 적외선을 이용하여 복합 가스를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기는, 광을 생성하는 광원; 상기 광을 전달하는 다수의 광 도파관; 상기 전달된 광을 검출하는 다수의 광 검출 센서; 및 상기 광원이 상기 다수의 광 도파관 중 어느 하나를 통해 상기 다수의 광 검출 센서 중 어느 하나로 광을 제공하도록 상기 광원을 구동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

Description

비-분산 적외선을 이용한 복합 가스 측정기 및 측정 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING MULTI-GAS BY USING NON-DISPERSIVE INFRARED}
본 발명은 광학식 복합 가스 측정기 및 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 비-분산 적외선을 이용하여 복합 가스를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어 대기오염과 각종 유해물질로 인한 공기질에 대한 인식이 사회 전체적으로 확산되고 있다. 특히, 산업체에서는 유해가스로 인한 인명사고가 지속적으로 발생하고 있어 유해가스를 비롯한 실내외 공기질을 측정할 수 있는 장치에 대한 관심이 고조되고 있다.
공기질 관리에 대한 필요성은 비단 산업현장에서만 대두되는 것은 아니다. 현재 다중이용시설에 대한 실내공기질관리법은 보육시설, 노인전문병원, 찜질방, 터미널 등 여러 시설에 대한 공기질 유지관리기준을 책정하여 시설 내 공기질을 공고하도록 의무화하고 있다.
공기질 관리에 사용되는 가스 측정기는 반도체 소자나 촉매 등을 이용하는 접촉식 가스 측정기와 비-분산 적외선을 이용하는 광학식 가스 측정기가 있다. 이 중 광학식 가스 측정기는 접촉식 가스 측정기에 비해 선택성과 내구성이 우수하여 주기적인 보정이 필요하지 않으며 5년 이상의 긴 수명을 갖는다. 이와 같이 광학식 가스 측정기는 한 번 설치되면 유지관리가 용이하므로 산업체나 다중이용시설과 같은 곳에서 더욱 유용하다.
그러나, 기존의 광학식 가스 측정기는 고가의 계측 장비로서 여러 시설에 널리 보급되기 어려웠으며, 이러한 가스 측정기는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는 단순한 구성으로 여러 종류의 가스를 측정할 수 있는 복합 가스 측정기 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 광 검출 센서의 출력 신호로부터 가스 농도를 획득하기 위해 기존의 광학식 가스 측정기에서 사용되던 신호 처리 및 연산 과정을 보다 단순화시켜 가스 측정에 요구되는 리소스 양을 줄일 수 있는 복합 가스 측정기 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기는, 광을 생성하는 광원; 상기 광을 전달하는 다수의 광 도파관; 상기 전달된 광을 검출하는 다수의 광 검출 센서; 및 상기 광원이 상기 다수의 광 도파관 중 어느 하나를 통해 상기 다수의 광 검출 센서 중 어느 하나로 광을 제공하도록 상기 광원을 구동시키는 구동부를 포함할 수 있다.
상기 광원은 적외선 파장 대역의 광을 생성할 수 있다.
상기 광 도파관은 내부가 금속으로 코팅된 중공형 관을 포함할 수 있다.
상기 복합 가스 측정기는 내부에 상기 광 도파관이 마련되는 하우징을 더 포함하며, 상기 광 도파관은 상기 하우징에 제공된 공기 통로에 연결될 수 있다.
상기 광 도파관은: 일단에 상기 광원이 배치되고, 타단에 상기 광 검출 센서가 배치되며, 상기 광원을 중심으로 상기 다수의 광 도파관이 방사상으로 배치될 수 있다.
상기 구동부는: 상기 광원이 각각의 광 도파관을 통해 해당 광 도파관에 매칭된 광 검출 센서로 광을 제공하도록 상기 광원을 회전시킬 수 있다.
상기 복합 가스 측정기는, 상기 광 검출 센서로부터 출력된 신호를 반전 증폭시키는 다수의 반전 증폭기; 및 기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매칭되는 가스 농도를 획득하는 처리부를 더 포함할 수 있다.
각각의 반전 증폭기는: 해당 반전 증폭기에 연결된 광 검출 센서에 대응하는 가스에 따라 결정된 서로 다른 이득을 갖고, 상기 가스에 따라 결정된 서로 다른 오프셋 전압을 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정 방법은, 광을 생성하는 단계; 광 검출 센서로부터 출력된 신호를 반전 증폭시키는 단계; 기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매칭되는 가스 농도를 획득하는 단계; 및 광원이 상기 광 검출 센서와 다른 광 검출 센서를 향해 광을 조사하도록 상기 광원을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 광학식 가스 측정기에 비해 보다 단순화된 구조로 구성되고 보다 단순화된 과정으로 여러 종류의 가스를 측정할 수 있는 복합 가스 측정기 및 측정 방법을 제공할 수 있어 가스 측정기의 가격을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 광 챔버를 개략적으로 설명하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 광 챔버 단면을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 광 챔버 내부를 예시적으로 나타내는 사시도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 예시적인 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정 방법의 예시적인 흐름도이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)의 광 챔버를 개략적으로 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 복합 가스 측정기(210)는 광원(211), 다수의 광 도파관(212), 다수의 광 검출 센서(213) 및 구동부(214)를 포함한다.
상기 광원(211)은 광을 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광원(211)은 적외선 파장 대역의 광을 생성할 수 있으나, 상기 광원(211)이 생성하는 광의 파장 대역은 이에 제한되지 않는다.
상기 광 도파관(212)은 광원(211)에서 생성된 광을 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광 도파관(212)은 내부가 금속으로 코팅된 중공형 관을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 도파관(212)은 적외선 파장 대역의 광 반사율이 높은 금속으로 코팅될 수 있으며, 알루미늄, 은, 금 및 구리 중 적어도 하나로 코팅될 수 있다.
상기 광 도파관(212)의 내부를 금속으로 코팅함으로써 도파관을 통한 광 전달 시 광 손실을 줄일 수 있으며 도파관의 부식을 방지할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)의 광 챔버 단면을 예시적으로 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기의 광 챔버 내부를 예시적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 복합 가스 측정기(210)는 내부에 상기 광 도파관(212)이 마련되는 하우징(2101)을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징(2101)은 광 도파관(212)을 비롯하여 광원(211), 광 검출 센서(213) 등 광학적으로 가스 농도를 계측하기 위해 요구되는 구성요소들이 구비되는 광 챔버를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광 도파관(212)은 상기 하우징(2101)에 제공된 공기 통로(2102, 2013)에 연결될 수 있다.
이 실시예에서, 상기 광 도파관(212)은 길이 방향의 측면에 구멍이 형성될 수 있으며, 상기 공기 통로(2102, 2103)가 그 구멍에 연결됨으로써 상기 광 도파관(212)으로 공기가 드나들 수 있다.
나아가, 상기 공기 통로(2102, 2103)는 상기 하우징(2101)의 외측면으로 이어지는 캐비티(2104)에 연통되어, 하우징 바깥의 공기가 상기 캐비티(2104)와 상기 공기 통로(2102, 2103)를 거쳐 상기 광 도파관(212)으로 유입될 수 있다.
상기 광 검출 센서(213)는 상기 광 도파관(212)을 통해 상기 광원(211)으로부터 전달되는 광을 검출한다.
상기 광 도파관(212)은 일단에 상기 광원(212)이 배치되고, 타단에 상기 광 검출 센서(213)가 배치될 수 있다.
나아가, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 광 도파관(212)은 상기 광원(212)을 중심으로 하여 다수의 광 도파관(2121, 2122, 2123)이 방사상으로 배치될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)의 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
상기 구동부(214)는 광원(211)이 다수의 광 도파관(2121, 2122, 2123) 중 어느 하나를 통해 다수의 광 검출 센서(2131, 2132, 2133) 중 어느 하나로 광을 제공하도록 상기 광원(211)을 구동시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구동부(214)는 광원(211)이 각각의 광 도파관을 통해 해당 광 도파관에 매칭된 광 검출 센서로 광을 제공하도록 상기 광원(211)을 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 도 4 내지 도 7을 참조하면, 상기 구동부(미도시)는 광원(211)을 회전시킴으로써 광을 조사하는 발광 소자(2111)가 각각의 광 도파관 및 그에 매칭된 광 검출 센서를 향하도록 할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 광원(211)이 다수의 광 도파관(2121, 2122, 2123) 및 그에 매칭된 다수의 광 검출 센서(2131, 2132, 2133)를 향해 순차적으로 광을 제공하도록 상기 광원(211)을 회전시킬 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이 먼저 광원(211)이 제 1 광 도파관(2121)과 제 1 광 검출 센서(2131)를 향해 광을 제공한 뒤, 도 5와 같이 상기 구동부는 광원(211)을 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전시켜(예컨대, 시계 방향으로 45°만큼 회전시킴) 광원(211)이 제 2 광 도파관(2122)과 제 2 광 검출 센서(2132)를 향해 광을 제공할 수 있도록 한다.
그 다음으로, 도 6과 같이 상기 구동부는 광원(211)을 다시 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전시켜(예컨대, 시계 방향으로 45°만큼 회전시킴) 광원(211)이 제 3 광 도파관(2123)과 제 3 광 검출 센서(2133)를 향해 광을 제공할 수 있도록 한다.
그 뒤, 도 7과 같이 상기 구동부는 광원(211)을 기 설정된 방향으로 기 설정된 각도만큼 회전시킴으로써(예컨대, 반시계 방향으로 90°만큼 회전시키거나 시계 방향으로 270°만큼 회전시킴) 광원(211)이 다시 제 1 광 도파관(2121)과 제 1 광 검출 센서(2131)를 향해 광을 제공할 수 있도록 한다.
만약 상기 복합 가스 측정기(210)가 일정 구역에서 가스를 지속적으로 측정한다면, 상기 구동부(214)는 전술한 과정과 같이 광원(211)을 반복적으로 회전시켜 제 1 내지 제 3 광 검출기(2121, 2122, 2123) 및 제 1 내지 제 3 광 검출 센서(2131, 2132, 2133)를 통해 가스를 연속적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각각의 광 검출 센서는 해당 광 검출 센서를 통해 측정하고자 하는 측정대상가스가 흡수하는 파장의 광은 투과시키고 다른 파장의 광은 차단하는 광 필터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 광 검출 센서(2131)는 이산화탄소를 측정하기 위해 4.26 μm ± 0.18의 파장을 통과시키는 제 1 광 필터를 포함하고, 제 2 광 검출 센서(2132)는 일산화탄소를 측정하기 위해 4.64 μm ± 0.18의 파장을 통과시키는 제 2 광 필터를 포함하고, 제 3 광 검출 센서(2133)는 이산화질소를 측정하기 위해 5.30 μm ± 0.18의 파장을 통과시키는 제 3 광 필터를 포함할 수 있다.
그 결과, 본 발명의 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)는 광 검출 센서(213)의 개수에 대응하는 다수의 가스를 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)의 예시적인 블록도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 복합 가스 측정기(210)는 광 챔버에 구비된 제 1 내지 제 3 광 검출 센서(2131, 2132, 2133)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 복합 가스 측정기(210)가 포함하는 광 검출 센서의 개수는 이에 제한되지 않으며 측정대상가스의 개수에 따라 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복합 가스 측정기(210)는 다수의 반전 증폭기(2151, 2152, 2153)를 더 포함할 수 있다. 상기 반전 증폭기는 상기 광 검출 센서(2131, 2132, 2133)로부터 출력되는 출력 신호를 반전 증폭시킨다.
또한, 상기 복합 가스 측정기(210)는 처리부(2141)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 처리부(2141)는 기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매칭되는 가스 농도를 획득할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에서 상기 복합 가스 측정기(210)는 광 검출 센서(213)의 출력 신호를 반전 증폭기로 반전 증폭시킨 뒤, 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 참조하여 반전 증폭된 출력 신호의 전압 크기에 대응하는 가스 농도를 해당 광 검출 센서로 측정하고자 하는 측정대상가스의 농도로 결정할 수 있다.
이 실시예에서, 기준 데이터는 전압 크기와 그에 매칭되는 가스 농도가 테이블 구조로 구성되어 상기 처리부(2141)에 구비된 저장장치(예컨대, 메모리, 레지스터 등)에 저장될 수 있으나 상기 기준 데이터의 구조는 이에 제한되지 않는다.
이와 같은 상기 복합 가스 측정기(210)의 가스 농도 산출 과정은 기존의 광학식 가스 측정기에 적용되지 않은 신규한 것으로, 본 발명의 실시예는 이러한 산출 과정을 통해 기존에 비해 신호 처리 및 연산 과정을 단순화시켜 가스 측정에 요구되는 리소스 양을 줄임으로써 가스 측정기의 가격을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 각각의 반전 증폭기는 해당 반전 증폭기에 연결된 광 검출 센서에 대응하는 가스(즉, 측정대상가스)에 따라 결정된 서로 다른 이득을 갖고 상기 가스에 따라 결정된 서로 다른 오프셋 전압을 공급받아, 상기 광 검출 센서의 출력 신호를 반전 증폭시킬 수 있다.
상기 처리부(2141)가 반전 증폭된 출력 신호로부터 그에 대응하는 가스 농도를 획득하는데 있어 디지털 방식으로 데이터를 처리하기 위해, 상기 복합 가스 측정기(210)는 아날로그-디지털 변환기(2161, 2162, 2163)를 더 포함할 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환기(2161, 2162, 2163)는 상기 반전 증폭기(2151, 2152, 2153)에 의해 반전 증폭된 아날로그 방식의 출력 신호를 디지털 방식의 신호로 변환할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 복합 가스 측정기(210)는 DC-DC 컨버터(2144)를 더 포함하여, 상기 복합 가스 측정기(210)로 공급되는 전압 V1의 전원 신호를 전압 V2로 강압시켜 상기 처리부(2141)에 공급할 수 있다.
나아가, 상기 복합 가스 측정기(210)는 온도를 측정하는 온도 센서(2143) 및 습도를 측정하는 습도 센서(2143) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 복합 가스 측정기(210)는 공기질 측정 시, 온도/습도 센서(2143)를 이용하여 온도 및 습도 중 적어도 하나를 측정한 뒤, 다수의 가스(예컨대, 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소)를 순차적으로 측정할 수 있다.
상기 온도/습도 센서(2143)와 상기 처리부(2141)는 I2C(Inter Integrated Circuit)(2171) 기반으로 데이터를 주고 받을 수 있다.
상기 복합 가스 측정기(210)에 의해 측정된 가스의 농도에 관한 데이터는 Zigbee 모듈(2142)을 통해 무선으로 전송될 수 있다. 상기 Zigbee 모듈(2142)은 상기 복합 가스 측정기(210)를 센서 노드로 하는 센서 네트워크에서 데이터를 수집하는 코디네이터로 상기 측정된 가스 농도에 관한 데이터를 전송할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 가스 측정 방법(40)의 예시적인 흐름도이다.
상기 복합 가스 측정 방법(40)은 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 복합 가스 측정기(210)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 복합 가스 측정 방법(40)은 광을 생성하는 단계(S410), 광 검출 센서(213)로부터 출력된 신호를 반전 증폭시키는 단계(S420), 기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매치되는 가스 농도를 획득하는 단계(S430), 및 광원(211)이 상기 광 검출 센서(213)와 상이한 광 검출 센서를 향해 광을 조사하도록 상기 광원(211)을 회전시키는 단계(S440)를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.
210: 복합 가스 측정기
211: 광원
212: 광 도파관
213: 광 검출 센서
214: 구동부
2101: 하우징
2102, 2103: 공기 통로
2104: 캐비티
2121: 제 1 광 도파관
2122: 제 2 광 도파관
2123: 제 3 광 도파관
2131: 제 1 광 검출 센서
2132: 제 2 광 검출 센서
2133: 제 3 광 검출 센서
2141: 처리부
2142: Zigbee 모듈
2143: 온도/습도 센서
2151, 2152, 2153: 반전 증폭기

Claims (9)

  1. 광을 생성하는 광원;
    상기 광을 전달하는 다수의 광 도파관;
    상기 전달된 광을 검출하는 다수의 광 검출 센서; 및
    상기 광원이 상기 다수의 광 도파관 중 어느 하나를 통해 상기 다수의 광 검출 센서 중 어느 하나로 광을 제공하도록 상기 광원을 구동시키는 구동부를 포함하는 복합 가스 측정기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 적외선 파장 대역의 광을 생성하는 복합 가스 측정기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관은 내부가 금속으로 코팅된 중공형 관을 포함하는 복합 가스 측정기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 가스 측정기는 내부에 상기 광 도파관이 마련되는 하우징을 더 포함하며,
    상기 광 도파관은 상기 하우징에 제공된 공기 통로에 연결되는 복합 가스 측정기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관은:
    일단에 상기 광원이 배치되고, 타단에 상기 광 검출 센서가 배치되며,
    상기 광원을 중심으로 상기 다수의 광 도파관이 방사상으로 배치되는 복합 가스 측정기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동부는:
    상기 광원이 각각의 광 도파관을 통해 해당 광 도파관에 매칭된 광 검출 센서로 광을 제공하도록 상기 광원을 회전시키는 복합 가스 측정기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 센서로부터 출력된 신호를 반전 증폭시키는 다수의 반전 증폭기; 및
    기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매칭되는 가스 농도를 획득하는 처리부를 더 포함하는 복합 가스 측정기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각각의 반전 증폭기는:
    해당 반전 증폭기에 연결된 광 검출 센서에 대응하는 가스에 따라 결정된 서로 다른 이득을 갖고, 상기 가스에 따라 결정된 서로 다른 오프셋 전압을 공급받는 복합 가스 측정기.
  9. 광을 생성하는 단계;
    광 검출 센서로부터 출력된 신호를 반전 증폭시키는 단계;
    기 저장된 가스 농도별 전압 크기에 대한 기준 데이터를 기반으로 상기 반전 증폭된 신호의 전압 크기에 매칭되는 가스 농도를 획득하는 단계; 및
    광원이 상기 광 검출 센서와 다른 광 검출 센서를 향해 광을 조사하도록 상기 광원을 회전시키는 단계를 포함하는 복합 가스 측정 방법.
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