본 발명은 가스 검출 장치에 관한 것으로, 특히 빛의 회절 특성에 따라 시료 가스내 포함되는 복수의 가스별 농도를 측정할 수 있는 광학식 다중 가스 검출 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a gas detection device, and more particularly, to an optical multi-gas detection system capable of measuring the concentration of multiple gases contained in a sample gas according to the diffraction characteristics of light.
대기 오염이 나날이 가속화됨에 따라 대기 환경 모니터링의 수단으로서 가스의 농도를 측정하는 가스 검출 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 공지의 가스 검출 장치에는 반도체식, 접촉 연소식 또는 전해질 방식 등 여러 방식이 존재하나, 특히 대기중에서 이산탄소나 일산화탄소 등과 같이 안정적인 화학적 상태를 갖는 가스를 측정하는 데 광학식 가스 검출 방식이 가장 적합한 것으로 알려져 있다.As air pollution worsens, interest in gas detection devices that measure gas concentrations as a means of monitoring the atmospheric environment is growing. While various types of gas detection devices exist, including semiconductor, catalytic combustion, and electrolytic, optical gas detection is known to be the most suitable for measuring gases with stable chemical states in the atmosphere, such as carbon dioxide and carbon monoxide.
일반적으로, 광학식 가스 검출 장치는 기체 분자의 흡수 스펙트럼을 이용하여 각 기체의 성분을 알아내는 것으로, 공지된 광학식 가스 검출 장치 중 하나로서, 비분산 적외선(Non-Dispersive Infrared; NDIR) 센서는 가스 분자가 특정 파장의 광(적외선)을 흡수하는 특성을 이용하여 농도에 대한 광 흡수율을 측정함으로써 가스 농도를 구하는 센서이다.In general, optical gas detection devices use the absorption spectrum of gas molecules to identify the components of each gas. As one of the known optical gas detection devices, the non-dispersive infrared (NDIR) sensor is a sensor that measures the light absorption rate for concentration by utilizing the characteristic of gas molecules absorbing light (infrared) of a specific wavelength, thereby obtaining gas concentration.
여기서, 특정 가스 분자는 특정 파장대의 광만을 흡수하는 특성이 있음에 따라 가스 분자에 여러 파장의 광을 조사하고, 이 중 타겟팅한 가스 분자가 흡수하는 파장대의 광에 대해서만 필터로 걸러내어 측정할 수 있다.Here, since a specific gas molecule has the characteristic of absorbing only light of a specific wavelength range, light of various wavelengths can be irradiated on the gas molecule, and only the light of the wavelength range absorbed by the targeted gas molecule can be filtered out and measured.
이에 따라, NDIR은 검출기에 해당 파장만을 투과시키는 광 필터를 부착하기만 하면 됨에 따라, 분산방식에 비하여 시스템이 간단하고 비용이 적게 소요되며, 가스 선택성 및 측정 신뢰성이 높다는 장점이 있다.Accordingly, NDIR has the advantages of being simpler and less expensive than the distributed method, and of high gas selectivity and measurement reliability, as it only requires attaching a light filter that transmits the corresponding wavelength to the detector.
도 1은 종래 기술에 따른 비분산 적외선 센서(NDIR; 1)의 내부 구조를 나타낸 도면으로서, 종래의 NDIR 센서(1)는 적외선 광원(3), 도파관(5), 필터(6) 및 검출기(7)로 이루어진다.FIG. 1 is a drawing showing the internal structure of a non-dispersive infrared sensor (NDIR; 1) according to a prior art. The prior art NDIR sensor (1) is composed of an infrared light source (3), a waveguide (5), a filter (6), and a detector (7).
적외선 광원(3)은 적외선을 방출하며, 방출된 적외선은 도파관(5)을 통해 검출기(7)로 전달된다. 도파관(5)의 내부로는 공기 가스가 유입되고, 적외선 광원(3)에서 방출된 적외선 광이 진행하며 도파관(5)내에 유입되는 공기 가스를 통과하게 된다. 여기서, 적외선 광이 도파관(5)을 통하여 진행하는 동안 검출하고자 하는 타겟 가스(tg)와 접촉할 수 있고, 적외선 광이 공기 내의 타겟 가스(tg)와 접촉하면 그 가스의 고유진동에 해당하는 파장대역은 타겟 가스(tg)에 의해 흡수된다.An infrared light source (3) emits infrared light, and the emitted infrared light is transmitted to a detector (7) through a waveguide (5). Air gas flows into the inside of the waveguide (5), and infrared light emitted from the infrared light source (3) propagates and passes through the air gas flowing into the waveguide (5). Here, while the infrared light propagates through the waveguide (5), it can come into contact with a target gas (tg) to be detected, and when the infrared light comes into contact with the target gas (tg) in the air, the wavelength band corresponding to the natural vibration of the gas is absorbed by the target gas (tg).
그리고, 도파관(5)은 적외선 광원(3)에서 방출된 적외선을 검출기(7)에 전달하는데, 도파관(5)과 검출기(7) 사이에는 적외선 광의 파장대역 중 일부를 통과시키는 필터(6)가 하나 이상이 배치된다. 여기서, 필터(6)는 특성에 따른 파장대역만을 통과시킬 수 있고, 이에 검출기(7)는 필터를 통과한 특정 파장대역의 적외선을 검출할 수 있다.And, the waveguide (5) transmits the infrared light emitted from the infrared light source (3) to the detector (7), and between the waveguide (5) and the detector (7), one or more filters (6) that pass a portion of the wavelength band of the infrared light are arranged. Here, the filter (6) can pass only a wavelength band according to its characteristics, and thus the detector (7) can detect the infrared light of a specific wavelength band that has passed through the filter.
이에 따라, 검출기(7)는 복수 개의 필터를 통과한 적외선 광의 세기를 이용하여 공기에 포함되어 있는 타겟 가스(tg)의 농도를 측정할 수 있다. 구체적으로, 공기 내의 타겟 가스(tg)가 적외선 중 특정 파장대역을 선택적으로 흡수함에 따라, 검출기(7)는 공기 속을 통과하고 난 후 특정 파장 대역에 해당하는 적외선 성분이 얼마만큼 가스에 흡수되었는가의 측정을 통해 공기 중에 존재하는 타겟 가스(tg)의 농도를 측정할 수 있다. 즉, 특정 타겟 가스(tg)의 농도가 높을수록 그에 상응하는 특정 파장대역에 해당하는 적외선의 세기가 낮아지고, 반면 공기 중에 타겟 가스(tg)의 농도가 낮을수록 그에 상응하는 특정 파장대역의 적외선의 세기가 크게 나타나게 된다.Accordingly, the detector (7) can measure the concentration of the target gas (tg) contained in the air by using the intensity of the infrared light passing through the plurality of filters. Specifically, since the target gas (tg) in the air selectively absorbs a specific wavelength band among the infrared rays, the detector (7) can measure the concentration of the target gas (tg) present in the air by measuring how much of the infrared component corresponding to the specific wavelength band is absorbed by the gas after passing through the air. That is, the higher the concentration of the specific target gas (tg), the lower the intensity of the infrared ray corresponding to the specific wavelength band, and on the other hand, the lower the concentration of the target gas (tg) in the air, the greater the intensity of the infrared ray corresponding to the specific wavelength band.
그러나, 이러한 구조의 NDIR 센서(1)를 탑재한 광학식 가스 검출 장치는, 하나의 광 도파관에 대하여 가스를 주입 한 후 적외선 광을 조사하여 측정 절차를 수행해야 하고, 이후 다른 종류의 가스를 분석하고자 하면 광 도파관 내부에 충진된 가스를 완전히 배출하고, 이후 다시 가스를 주입 및 분석을 수행해야 하는 형태로 절차를 진행함에 따라, 측정 시간이 상당히 지연되며 다양한 가스를 동시에 측정하는 것이 어려움이 있다.However, an optical gas detection device equipped with an NDIR sensor (1) of this structure must perform a measurement procedure by injecting gas into one optical waveguide and then irradiating infrared light, and then, if a different type of gas is to be analyzed, the gas filled inside the optical waveguide must be completely discharged, and then gas must be injected and analyzed again. As a result, the measurement time is significantly delayed and it is difficult to measure various gases simultaneously.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 시준기 및 회절기 등의 다양한 광학소자를 이용하여 하나의 시료 가스에 대하여 다양한 가스 성분에 대한 분석을 동시에 진행할 수 있는 광학식 다중 가스 검출 시스템을 제공하는 데 과제가 있다.The present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide an optical multi-gas detection system capable of simultaneously analyzing various gas components for one sample gas using various optical elements such as a collimator and a diffractometer.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템은, 광원, 상기 광원으로부터 출사된 광을 일 방향으로 전환하는 시준기, 상기 시준기로부터 입사되는 광을 파장별로 분리된 N(N은 자연수)개의 광으로 출사하는 광 변환 필름, 양측단에 입광부 및 출광부가 형성되고, 시료 가스가 충진되는 내부 공간이 N개의 채널 영역으로 구획되고, 상기 입광부를 통해 서로 다른 파장대의 광이 각각 상기 채널 영역으로 입사되어 전반사에 의해 상기 출광부 방향으로 진행되도록 하는 광 도파관, 각 채널 영역내 진행하는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 N개의 필터, 상기 필터를 통과하여 입사하는 특정 파장의 광을 선택적으로 수광하는 N개의 검출기 및, 상기 검출기와 전기적으로 연결되어 가스 성분에 대한 측정 결과를 수신하는 측정 장치를 포함할 수 있다.In order to solve the above-mentioned problem, an optical multi-gas detection system according to a preferred embodiment of the present invention may include a light source, a collimator that converts light emitted from the light source into one direction, a light conversion film that emits light incident from the collimator into N (N is a natural number) light rays separated by wavelength, an optical waveguide having a light inlet and a light outlet formed at both ends, an internal space filled with a sample gas divided into N channel regions, and light of different wavelengths incident through the light inlet into the channel regions and propagating toward the light outlet by total reflection, N filters that selectively pass light of a specific wavelength propagating within each channel region, N detectors that selectively receive light of a specific wavelength incident through the filters, and a measuring device that is electrically connected to the detectors and receives a measurement result for a gas component.
상기 광 변환 필름은, 입광면으로 입사되는 광을 회절시켜 N개의 파장대별로 각각 분리하여 상기 광 도파관의 입광부 방향으로 출광시키는 것일 수 있다.The above-mentioned optical conversion film may diffract light incident on the light-incident surface to separate it into N wavelength bands and emit the light in the direction of the light-incident portion of the optical waveguide.
상기 광 변환 필름은, 서로 다른 파장대에서 광을 회절시키는 적어도 둘 이상의 광학 부재를 포함할 수 있다.The above light conversion film may include at least two optical members that diffract light at different wavelengths.
또한, 본 발명의 시스템은, 상기 광 변환 필름과 상기 광 도파관 사이에 배치되고, 상기 광 변환 필름으로부터 입사되는 광을 회절 또는 굴절시켜 광 경로를 변경하는 보조 광학 필름을 포함할 수 있다.Additionally, the system of the present invention may include an auxiliary optical film disposed between the light conversion film and the optical waveguide, and changing the optical path by diffracting or refracting light incident from the light conversion film.
상기 측정 장치는, 상기 N개의 검출기로부터 아날로그 파형인 제N 검출신호를 각각 수신하여 디지털 파형으로 변환하는 A/D 컨버터, 디지털 파형의 제N 검출신호 내 존재하는 노이즈를 저감하여 상기 제N 검출신호의 선형성을 보상하는 노이즈 제거부, 노이즈가 제거된 제N 검출신호에 따라, 각 채널 영역에 대응하는 가스의 농도를 수치화하는 가스 검출부 및, 시료 가스 내 포함된 복수의 가스 성분에 대한 농도값을 사용자 단말에 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.The above measuring device may include an A/D converter that receives Nth detection signals, which are analog waveforms, from the N detectors and converts them into digital waveforms, a noise removal unit that reduces noise present in the Nth detection signals of the digital waveforms to compensate for linearity of the Nth detection signals, a gas detection unit that digitizes the concentration of gas corresponding to each channel area according to the Nth detection signals from which noise has been removed, and an output unit that outputs concentration values for a plurality of gas components included in the sample gas to a user terminal.
상기 측정 장치는, 사용자 단말의 입력에 따라, 측정된 농도값에 대하여 가스 성분 검출 결과에 영향을 주는 하나 이상의 환경요소에 대한 보상계수를 적용하는 광 보상부를 더 포함할 수 있다.The above measuring device may further include an optical compensation unit that applies a compensation coefficient for one or more environmental factors that affect the gas component detection result to the measured concentration value according to an input of a user terminal.
상기 광 도파관의 표면에 스크류 형태로 설치되는 냉각관과 연결되어 외부로부터 냉각수를 상기 냉각관에 공급함으로써, 상기 광 도파관의 온도를 일정수준 이하로 유지하는 온도 조절 장치를 더 포함할 수 있다.A temperature control device may further be included that is connected to a cooling tube installed in a screw shape on the surface of the optical waveguide and supplies cooling water to the cooling tube from the outside, thereby maintaining the temperature of the optical waveguide below a certain level.
본 발명의 실시예에 따르면, NDIR 센서를 이용한 가스 검출 시스템으로서, 하나의 광원으로부터 광을 파장대 별로 분할 및 광 방향을 변환하여 복수의 광 경로가 형성된 광 도파관에 입사시키고, 서로 다른 파장대의 광을 검출하는 복수의 검출기를 구비함으로써, 반복적으로 검출 과정을 거치거나, 다수의 검출 시스템을 이용하지 않고도 한번에 다양한 가스 성분에 대한 검출을 수행할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, a gas detection system using an NDIR sensor is provided, which divides light from a single light source into wavelengths and converts the direction of the light to form a plurality of optical paths by dividing the light into wavelengths and by having a plurality of detectors that detect light of different wavelengths, thereby having the effect of performing detection for various gas components at once without having to repeat the detection process or use a plurality of detection systems.
도 1은 종래의 NDIR 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 전체 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 전체 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 탑재되는 광 변환 필름의 구조를 예시한 도면이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of a conventional NDIR sensor.
FIG. 2 is a drawing showing the overall structure of an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drawing showing the overall structure of an optical multi-gas detection system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a drawing showing the structure of a measuring device of an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 and FIG. 6 are drawings illustrating the structure of a light conversion film mounted in an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the invention.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.The present invention as described above will be described in detail through the attached drawings and examples.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It should be noted that the technical terms used herein are used solely to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Furthermore, unless specifically defined otherwise, the technical terms used herein should be interpreted in the same sense as would be generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains, and should not be interpreted in an overly broad or overly narrow sense.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.Furthermore, if technical terms used in the present invention are incorrect and fail to accurately express the spirit of the invention, they should be replaced with technical terms that can be accurately understood by those skilled in the art. Furthermore, general terms used in the present invention should be interpreted according to their dictionary definitions or according to the context, and should not be interpreted in an overly narrow sense.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "consist of" or "include" should not be construed to necessarily include all of the components or steps described in the invention, and should be construed to mean that some of the components or steps may not be included, or that additional components or steps may be included.
또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Additionally, terms including ordinal numbers, such as "first" and "second," used in the present invention may be used to describe components, but the components should not be limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component could be referred to as a "second component," and similarly, a second component could also be referred to as a "first component."
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Regardless of the drawing numbers, identical or similar components are given the same reference numbers and redundant descriptions thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.Furthermore, when describing the present invention, detailed descriptions of related known technologies will be omitted if they are deemed to obscure the gist of the present invention. Furthermore, it should be noted that the attached drawings are intended solely to facilitate understanding of the spirit of the present invention and should not be construed as limiting the spirit of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템을 상세히 설명한다.Hereinafter, an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 전체 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a drawing showing the overall structure of an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템(100)은, 광원(110), 광원(110)으로부터 출사된 광을 일 방향으로 전환하는 시준기(120), 시준기(120)로부터 입사되는 광을 파장별로 분리된 N(N은 자연수)개의 광으로 출사하는 광 변환 필름(130), 광 변환 필름(130)과 광 도파관(150) 사이에 배치되고, 광 변환 필름(130)으로부터 입사되는 광을 회절 또는 굴절시켜 광 경로를 변경하는 보조 광학 필름(140), 양측단에 입광부 및 출광부가 형성되고, 시료 가스가 충진되는 내부 공간이 N개의 채널 영역으로 구획되고, 입광부를 통해 서로 다른 파장대의 광이 각각 상기 채널 영역으로 입사되어 전반사에 의해 상기 출광부 방향으로 진행되도록 하는 광 도파관(150), 각 채널 영역내 진행하는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 N개의 필터(160), 필터를 통과하여 입사하는 특정 파장의 광을 선택적으로 수광하는 N개의 검출기(170) 및, 그 검출기(170)와 전기적으로 연결되어 가스 성분에 대한 측정 결과를 수신하는 측정 장치(180)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, an optical multi-gas detection system (100) according to an embodiment of the present invention comprises: a light source (110), a collimator (120) that converts light emitted from the light source (110) into one direction, a light conversion film (130) that emits light incident from the collimator (120) into N (N is a natural number) light rays separated by wavelength, an auxiliary optical film (140) that is arranged between the light conversion film (130) and the optical waveguide (150) and changes the optical path by diffracting or refracting the light incident from the light conversion film (130), an optical waveguide (150) that has a light input portion and a light output portion formed at both ends, an internal space filled with a sample gas is divided into N channel regions, and light of different wavelengths is incident into the channel regions through the light input portion and propagates toward the light output portion by total reflection, N filters (160) that selectively pass light of a specific wavelength propagating in each channel region, and a light of a specific wavelength incident through the filter. It may include N detectors (170) that selectively receive light and a measuring device (180) that is electrically connected to the detectors (170) and receives measurement results for gas components.
광원(110)은, NDIR 센싱을 위한 광을 발생시켜 일 방향으로 조사하는 것으로, 출광면이 후술하는 광 도파관(150)에 형성되는 복수의 입사면과 대향하여 일정거리 이격되어 배치될 수 있다.The light source (110) generates light for NDIR sensing and irradiates it in one direction, and the light-emitting surface can be positioned at a certain distance from the plurality of incident surfaces formed in the optical waveguide (150) described later.
특히, 광원(110)으로부터 생성된 광은 출광면을 따라 수평선과 평행한 방향으로 진행할 뿐만 아니라, 수평선을 중심으로 분산되어 퍼지는 형태로 진행함에 따라, 후술하는 시준기(120)를 통해 일 방향으로 집광될 수 있다.In particular, the light generated from the light source (110) not only travels in a direction parallel to the horizon along the light-emitting surface, but also travels in a form that is dispersed and spreads out around the horizon, so that it can be focused in one direction through the collimator (120) described later.
이러한 광원(110)로는 공지의 발광 다이오드(LED)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 광원(110)이 발하는 광은 가시광 또는 자외광 일 수 있으며, 가시광인 경우 출력되는 광의 파장은 400 ㎚ 내지 410 ㎚의 범위내 일 수 있다. 또한, 자외광인 경우 광의 파장은 310 ㎚ 내지 380 ㎚의 범위내 일 수 있다.As the light source (110), a known light emitting diode (LED) may be used, but is not limited thereto. The light emitted by the light source (110) may be visible light or ultraviolet light, and in the case of visible light, the wavelength of the light emitted may be within the range of 400 nm to 410 nm. In addition, in the case of ultraviolet light, the wavelength of the light may be within the range of 310 nm to 380 nm.
시준기(120)는 광원(110)의 출광면과 대응하도록 배치되어 광원(110)으로부터 출광되는 광을 시준(collimate)하여 입사된 광이 수평선과 평행하도록 광 경로를 변환함으로써, 광 도파관(150) 방향으로 진행하는 대부분의 광이 광 변환 필름(130)에 입사되도록 한다.The collimator (120) is arranged to correspond to the light-emitting surface of the light source (110) and collimates the light emitted from the light source (110) to change the light path so that the incident light is parallel to the horizontal line, thereby allowing most of the light traveling in the direction of the optical waveguide (150) to be incident on the light conversion film (130).
즉, 시준기(120)는 광원(110)로부터 출광된 빛이 대부분 광 변환 필름(130) 방향으로 집중되도록 하여 광 손실을 최소화함으로써, 하나의 광원(110)만으로 다중 가스 검출 시스템을 구현할 수 있도록 한다.That is, the collimator (120) minimizes light loss by concentrating most of the light emitted from the light source (110) toward the light conversion film (130), thereby enabling a multi-gas detection system to be implemented using only one light source (110).
광 변환 필름(130)은 시준기(120)에 의해 집중된 빛을 회절시켜 복수의 파장대별로 분할하여 광 진행로에 위치한 광 도파관(150)에 형성된 복수의 입광면 방향으로 출사시킬 수 있다.The light conversion film (130) can diffract light focused by the collimator (120) to divide it into multiple wavelength bands and emit it in the direction of multiple light-incident surfaces formed in the optical waveguide (150) located in the optical path.
상세하게는, 광 변환 필름(130)은 도광 부재 및 홀로그래피 회절 부재 등, 복수의 광학 부재가 겹쳐진 구조로 형성될 수 있다. 광 변환 필름(130)은 465±5 nm(B), 521±5 nm(G), 634±5 nm(R)의 삼원색을 비롯한 복수의 파장 영역을 서로 다른 각도로 회절시킬 수 있으며, 회절 효율이 각 파장에 대하여 최대가 되도록 설계될 수 있다.In detail, the light conversion film (130) can be formed in a structure in which a plurality of optical members, such as a light guide member and a holographic diffraction member, are overlapped. The light conversion film (130) can diffract a plurality of wavelength regions, including the three primary colors of 465±5 nm (B), 521±5 nm (G), and 634±5 nm (R), at different angles, and can be designed so that the diffraction efficiency is maximized for each wavelength.
또한, 광 변환 필름(130)은 파장대별로 회절된 광에 대하여 진행방향이 서로 다른 각도를 갖도록 변환할 수 있으며, 이에 따라 변환된 서로 다른 파장의 광들은 각각 해당 광 도파관(150)의 입사면 방향으로 진행될 수 있다.In addition, the light conversion film (130) can convert the light diffracted by wavelength to have different angles in the direction of propagation, and accordingly, the converted light of different wavelengths can propagate in the direction of the incident surface of the corresponding optical waveguide (150).
이러한 광 변환 필름(130)의 구조에 대한 상세한 설명은 후술한다.A detailed description of the structure of this light conversion film (130) will be described later.
보조 광학 필름(140)은 전술한 광 변환 필름(130)의 출광면과, 광 도파관(150)의 입사면 사이에 개재될 수 있고, 광 변환 필름(130)으로부터 회절된 서로 다른 파장의 광이 입사되고, 일정 각도로 회절 또는 굴절되어 광 도파관(150)에 파장대별로 분리 형성된 입사면에 도달하도록 한다.The auxiliary optical film (140) can be interposed between the light-emitting surface of the aforementioned light conversion film (130) and the incident surface of the optical waveguide (150), and allows light of different wavelengths diffracted from the light conversion film (130) to be incident and diffracted or refracted at a certain angle to reach the incident surface formed separately by wavelength in the optical waveguide (150).
이러한 보조 광학 필름(140)은 본 발명의 다중 가스 검출 시스템(100)이 한번에 검출할 수 있는 가스 종류, 즉 광 도파관(150) 내부에 구획된 광 경로의 개수에 대응하도록 구비될 수 있으며, 회절 또는 굴절 광학 부재로 구현될 수 있다.These auxiliary optical films (140) may be provided to correspond to the types of gases that the multi-gas detection system (100) of the present invention can detect at one time, i.e., the number of optical paths partitioned inside the optical waveguide (150), and may be implemented as diffractive or refractive optical members.
광 도파관(150)은 검출하고자 하는 하나 이상의 가스 성분이 시료 가스가 주입되는 가스 인입부와, 내부에 충진된 가스 시료가 외부로 배출되는 가스 배출부가 형성될 수 있고, 일측으로 λA, λB, λC 및 λD의 파장대별 광이 각각 분리되어 입사되도록 복수개로 분리된 입사면 및 그 입사면에 대향하는 위치에 출사면이 형성될 수 있다.The optical waveguide (150) may be formed with a gas inlet portion where a sample gas containing one or more gas components to be detected is injected, and a gas discharge portion where a gas sample filled inside is discharged to the outside, and may be formed with a plurality of separated incident surfaces and an emission surface at a position opposite to the incident surfaces so that light of wavelengths λA, λB, λC, and λD are respectively separated and incident on one side.
또한, 광 도파관(150)의 내부공간은 분리된 복수의 입사면에 대응하여 복수의 구역으로 구획되어 있어, 분리된 공간별로 서로 다른 파장대의 광이 출사면 방향으로 진행할 수 있다.In addition, the internal space of the optical waveguide (150) is divided into multiple zones corresponding to multiple separate incident surfaces, so that light of different wavelengths can propagate in the direction of the emission surface in each separated space.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 도파관(150)의 내측면으로는 광반사율이 높은 금속층이 코팅될 수 있다. 금속층은 입사되는 적외선 광에 대한 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있고, 이러한 금속으로는 금(Au)이 이용될 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the inner surface of the optical waveguide (150) may be coated with a metal layer having a high optical reflectivity. The metal layer may be formed of a metal having a high reflectivity for incident infrared light, and gold (Au) may be used as such a metal.
이러한 구조에 따라, 광 도파관(150)의 내부 공간에 시료 가스가 충진되고 그 시료 가스에 특정 가스 성분이 존재하면, 내부 경로를 진행하는 특정 파장대의 그 파장대에 대응하는 가스 성분에 흡수되어 광 강도가 감소되게 된다. 이에 따라, 시스템(100)은 광 감도가 감소된 광을 검출기에서 수광함으로써, 해당 가스 성분의 농도를 측정할 수 있다.According to this structure, when a sample gas is filled in the internal space of the optical waveguide (150), and a specific gas component exists in the sample gas, the light intensity is reduced by absorption by the gas component corresponding to the specific wavelength band traveling through the internal path. Accordingly, the system (100) can measure the concentration of the corresponding gas component by receiving light with reduced light sensitivity at a detector.
필터(160)는 검출을 원하는 가스 성분의 파장대역에 따라 입사되는 광의 출사를 제한함으로써 특정 파장의 광 만이 검출기(170)에 입사되도록 하는 것으로, 광 도파관(150)의 출광면과 인접하여 후술하는 검출기(170)의 입사면과 대향하도록 배치되며, 해당 가스 성분을 보다 효과적으로 검출할 수 있도록 한다.The filter (160) restricts the emission of incident light according to the wavelength band of the gas component to be detected, thereby allowing only light of a specific wavelength to be incident on the detector (170). It is positioned adjacent to the light-emitting surface of the optical waveguide (150) and facing the incident surface of the detector (170) described below, thereby enabling more effective detection of the corresponding gas component.
일례로서, 필터(160)는 CO2에 대한 검출 정확도를 높이기 위한 입사되는 광의 파장을 약 4.266 ㎛로 필터링 할 수 있으며, 그 이외의 파장을 갖는 광은 필터(160)를 통과하지 못함에 따라, 그 가스 성분의 농도만을 보다 정확히 측정할 수 있게 된다.As an example, the filter (160) can filter the wavelength of incident light to about 4.266 ㎛ to increase the detection accuracy forCO2 , and light with a wavelength other than that cannot pass through the filter (160), so that only the concentration of the gas component can be measured more accurately.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 도파관(150)이 검출하고자 하는 가스 성분별 복수개의 구역으로 구획됨에 따라, 광 도파관(150)의 출사면 측에 각 구역별로 서로 다른 파장 대역에 대한 복수개의 필터(160)가 설치될 수 있다.And, according to an embodiment of the present invention, as the optical waveguide (150) is divided into a plurality of zones for each gas component to be detected, a plurality of filters (160) for different wavelength bands can be installed for each zone on the emission surface side of the optical waveguide (150).
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 도파관(150)의 각 구역마다 설치되는 복수개의 필터(160)는 각각 필터마다 고유의 필터링 특성에 따라 필터별로 고정된 오직 하나의 파장대에 해당하는 광을 필터링하는 고정형 필터가 이용될 수 있고, 또는 검출하고자 하는 가스 성분에 대하여, 신호인가에 따라 최대 흡수 대역의 교정이 가능함에 따라 적합한 특성을 갖는 가변형 필터가 이용될 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, a plurality of filters (160) installed in each section of the optical waveguide (150) may be fixed filters that filter light corresponding to only one wavelength band fixed for each filter according to the filtering characteristics unique to each filter, or a variable filter having suitable characteristics may be used because correction of the maximum absorption band is possible according to the signal input for the gas component to be detected.
상기의 가변형 필터의 경우, 필터의 양단에 인가되는 전압의 크기에 따라 광 흡수 대역이 전환됨에 따라, 사용자는 광 도파관(150)의 각 광 진행경로에 대하여 의도한 가스를 검출하도록 전압신호를 입력하여 검출 대상인 가스 성분을 재설정할 수 있다.In the case of the above variable filter, as the light absorption band is switched depending on the magnitude of the voltage applied to both ends of the filter, the user can reset the gas component to be detected by inputting a voltage signal to detect the intended gas for each light propagation path of the optical waveguide (150).
검출기(170)는 광 도파관(150)의 각 분할된 영역에서 복수의 필터(160)에 대응되도록 출광면에 배치되고, 각각의 필터(160)를 통해 입사되는 광을 검출하여 광 세기에 따른 아날로그 전기신호를 생성하여 연결된 측정 장치(180)에 출력할 수 있다.The detector (170) is arranged on the light-emitting surface to correspond to a plurality of filters (160) in each divided area of the optical waveguide (150), and detects light incident through each filter (160) to generate an analog electrical signal according to the light intensity and output it to a connected measuring device (180).
이러한 검출기(170)로는, 파이로일렉트릭(pyroelectric), 볼로메타(bolometer) 및 써모파일(thermopile) 등의 열형 감지소자가 사용될 수 있으며, 이러한 소자들은 입사하는 에너지의 양에 따라 변화되는 물질의 물리적 특성을 전기적 신호화하여 해당 가스 성분의 농도를 감지할 수 있다.As such detectors (170), thermal sensing elements such as pyroelectric, bolometer, and thermopile can be used, and these elements can detect the concentration of the corresponding gas component by electrically signaling the physical properties of the material that change depending on the amount of incident energy.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템(100)은, 검출기(170)와 전기적으로 연결되는 측정 장치(180)를 통해 각 광 경로별로 검출된 가스 성분에 대한 측정 결과를 분석할 수 있다.In addition, the optical multi-gas detection system (100) according to an embodiment of the present invention can analyze the measurement results for gas components detected for each optical path through a measurement device (180) electrically connected to the detector (170).
측정 장치(180)는 광 도파관(150)에 설치되는 복수의 검출기(170)와 전기적으로 연결되어 가스 성분 검출에 따른 검출 신호를 입력받고, 이를 분석하여 가스 종류에 따른 농도값을 출력할 수 있다. 검출기(170)로부터 입력되는 검출 신호는 아날로그 파형의 전기신호로서, 측정 장치(180)는 그 전기신호를 디지털 파형으로 변환하고, 검출부를 통해 수치화된 농도값을 도출하게 된다.The measuring device (180) is electrically connected to a plurality of detectors (170) installed in the optical waveguide (150), receives a detection signal according to the detection of a gas component, analyzes the signal, and outputs a concentration value according to the type of gas. The detection signal input from the detector (170) is an electrical signal in an analog waveform, and the measuring device (180) converts the electrical signal into a digital waveform and derives a digitized concentration value through the detection unit.
전술한 기능을 구현하기 위한 측정 장치(180)의 구조에 대한 상세한 설명은 후술한다.A detailed description of the structure of the measuring device (180) for implementing the above-described function will be described later.
또한, 측정 장치(180)는 유선 또는 무선으로 연결되는 사용자 단말의 제어에 의해 구동될 수 있고, 단말상에서 분석 결과인 가스 성분을 표시하도록 산출된 농도값을 제공할 수 있다.In addition, the measuring device (180) can be driven by the control of a user terminal connected by wire or wirelessly, and can provide the calculated concentration value to display the gas component as an analysis result on the terminal.
한편, 본 발명의 가스 검출 시스템(100)에 적용된 검출기(170)는 온도에 따라 그 측정결과가 달라질 수 있으며, 이에 시스템(100)은 검출기(170)가 설치되는 광 도파관(150)의 온도를 일정 범위 내로 유지시키기 위한 수단인 온도 조절 장치(190) 및 광 도파관(150)의 표면에 하나 이상이 부착되는 형태로 설치되어 광 도파관(150)의 표면 온도를 측정하고, 측정 결과를 온도 조절 장치(190)에 제공하는 온도 센서(191)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the detector (170) applied to the gas detection system (100) of the present invention may have different measurement results depending on the temperature, and thus the system (100) may further include a temperature control device (190) which is a means for maintaining the temperature of the optical waveguide (150) in which the detector (170) is installed within a certain range, and a temperature sensor (191) which is installed in a form in which at least one is attached to the surface of the optical waveguide (150) to measure the surface temperature of the optical waveguide (150) and provide the measurement result to the temperature control device (190).
전술한 구조에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템은, 하나의 광원으로부터 출사된 광을 회절 또는 굴절 등 광학적으로 변환하고, 복수의 파장대별 광 경로가 형성된 광 도파관 및 파장대별 필터를 거쳐 검출기를 통해 가스 성분을 동시에 검출함으로써, 가스 시료에 포함되는 복수의 가스 성분을 반복 검출시도 없이 한번에 검출할 수 있다.According to the structure described above, the optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention optically converts light emitted from a single light source, such as by diffraction or refraction, and simultaneously detects gas components through a detector through an optical waveguide and a wavelength-specific filter having a plurality of wavelength-specific optical paths formed therein, thereby enabling detection of multiple gas components included in a gas sample at once without repeated detection attempts.
이하, 전술한 구조에서 방열 특성을 보완한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템을 상세히 설명한다. 이하의 실시예에서 광학식 다중 가스 검출 시스템을 구성하는 각 구성요소 중 일부는 전술한 실시예에서 개시된 것과 동일한 기능 및 구성을 갖는 동일 구성요소 일 수 있으며, 이에 대한 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, an optical multi-gas detection system according to another embodiment of the present invention, which complements the heat dissipation characteristics of the aforementioned structure, will be described in detail. In the embodiments below, some of the components constituting the optical multi-gas detection system may be identical components having the same functions and configuration as those disclosed in the aforementioned embodiments, and a redundant description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 전체 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a drawing showing the overall structure of an optical multi-gas detection system according to another embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템(200)은, 광원(210), 광원(210)으로부터 출사된 광을 일 방향으로 전환하는 시준기(220), 시준기(220)로부터 입사되는 광을 파장별로 분리된 N(N은 자연수)개의 광으로 출사하는 광 변환 필름(230), 광 변환 필름(230)과 광 도파관(250) 사이에 배치되고, 광 변환 필름(230)으로부터 입사되는 광을 회절 또는 굴절시켜 광 경로를 변경하는 보조 광학 필름(240), 양측단에 입광부 및 출광부가 형성되고, 시료 가스가 충진되는 내부 공간이 N개의 채널 영역으로 구획되고, 입광부를 통해 서로 다른 파장대의 광이 각각 상기의 채널 영역으로 입사되어 전반사에 의해 상기 출광부 방향으로 진행되도록 하는 광 도파관(250), 각 채널 영역내 진행하는 특정 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 N개의 필터(260), 필터를 통과하여 입사하는 특정 파장의 광을 선택적으로 수광하는 N개의 검출기(270) 및 그 검출기(270)와 전기적으로 연결되어 가스 성분에 대한 측정 결과를 수신하는 측정 장치(280)를 포함하고, 더불어 광 도파관(250)의 온도가 일정 범위 내로 유지되도록 제어하는 온도 조절 장치(290), 광 도파관(250)의 일측에 설치되어 실시간으로 온도를 측정하는 온도 센서(291), 광 도파관(250)의 표면을 둘러싸는 형태로 설치되어 냉각수의 흐름을 통해 광 도파관(250)을 일정 온도 이하로 낮추는 냉각관(294) 및 그 냉각관(294)과 연결되어 냉각수를 공급 및 순환시키는 냉각수 순환장치(295)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, an optical multi-gas detection system (200) according to an embodiment of the present invention comprises: a light source (210), a collimator (220) that converts light emitted from the light source (210) into one direction, a light conversion film (230) that emits light incident from the collimator (220) into N (N is a natural number) light rays separated by wavelength, an auxiliary optical film (240) that is arranged between the light conversion film (230) and the optical waveguide (250) and changes the optical path by diffracting or refracting the light incident from the light conversion film (230), an optical waveguide (250) that has a light input portion and a light output portion formed at both ends, an internal space filled with a sample gas is divided into N channel regions, and light of different wavelengths is incident on each of the channel regions through the light input portion and propagates toward the light output portion by total reflection, N filters (260) that selectively pass light of a specific wavelength propagating in each channel region, and a filter (260) that selectively passes light of a specific wavelength incident through the filter. It may include N detectors (270) that selectively receive light and a measuring device (280) that is electrically connected to the detectors (270) and receives measurement results for gas components, and further includes a temperature control device (290) that controls the temperature of the optical waveguide (250) to be maintained within a certain range, a temperature sensor (291) that is installed on one side of the optical waveguide (250) and measures the temperature in real time, a cooling pipe (294) that is installed in a form that surrounds the surface of the optical waveguide (250) and lowers the temperature of the optical waveguide (250) below a certain temperature through the flow of cooling water, and a cooling water circulation device (295) that is connected to the cooling pipe (294) and supplies and circulates cooling water.
광원(210)은, NDIR 센싱을 위한 광을 발생시켜 일 방향으로 조사하는 것으로, 출광면이 후술하는 광 도파관(250)에 형성되는 복수의 입사면과 대향하여 일정거리 이격되어 배치된다. 여기서, 생성된 광은 광원(210)의 출광면을 따라 수평선과 평행한 방향 및 수평선을 중심으로 분산되어 퍼지는 형태가 된다.The light source (210) generates light for NDIR sensing and irradiates it in one direction, and is positioned with its light-emitting surface facing a plurality of incident surfaces formed in the optical waveguide (250) described later and spaced apart from each other by a certain distance. Here, the generated light is dispersed and spread in a direction parallel to the horizontal line along the light-emitting surface of the light source (210) and centered on the horizontal line.
시준기(220)는 광원(210)의 출광면과 대응하도록 배치되어 출광되는 광을 시준하여 입사된 광이 수평선과 평행하도록 광 경로를 변환함으로써, 시준기(220)를 통화하는 대부분의 광이 광 변환 필름(230)을 향하도록 한다.The collimator (220) is arranged to correspond to the light-emitting surface of the light source (210) and collimates the light emitted therefrom, thereby converting the light path so that the incident light is parallel to the horizontal line, thereby causing most of the light passing through the collimator (220) to be directed toward the light conversion film (230).
광 변환 필름(230)은 시준기(220)에 의해 집중된 빛을 회절시켜 복수의 파장대별로 분할하여 광 진행로에 위치한 광 도파관(250)에 형성된 복수의 입광면 방향을 향하도록 한다. 이때, 광 변환 필름(230)은 파장대별로 회절된 광에 대하여 진행방향이 서로 다른 각도를 갖도록 변환할 수 있으며, 이에 따라 변환된 서로 다른 파장의 광들이 광 도파관(250)의 입사면을 향하도록 한다.The light conversion film (230) diffracts the light focused by the collimator (220) and divides it into a plurality of wavelength bands, and directs it toward a plurality of light-incident surfaces formed in the light waveguide (250) located in the light path. At this time, the light conversion film (230) can convert the light diffracted by wavelength band so that the propagation direction has different angles, and accordingly, directs the converted light of different wavelengths toward the incident surface of the light waveguide (250).
보조 변환 필름(240)은 전술한 광 변환 필름(230)의 출광면과, 광 도파관(250)의 입사면 사이에 개재되어 광 변환 필름(230)으로부터 입사되는 광을 광 도파관(250)에 파장대별로 분리 형성된 입사면에 도달하도록 한다.The auxiliary conversion film (240) is interposed between the light-emitting surface of the aforementioned light conversion film (230) and the incident surface of the light waveguide (250), and allows light incident from the light conversion film (230) to reach the incident surface formed by separating the light by wavelength in the light waveguide (250).
광 도파관(250)은 일측으로 λA, λB, λC 및 λD의 파장대별 광이 각각 분리되어 입사되며, 그 내부공간은 분리된 복수의 입사면에 대응하여 복수의 구역으로 구획되어 있어, 분리된 공간별로 서로 다른 파장대의 광이 출사면 방향으로 진행할 수 있다.The optical waveguide (250) is separated into light of wavelengths λA, λB, λC, and λD and incident on one side, and its internal space is divided into a plurality of zones corresponding to a plurality of separated incident surfaces, so that light of different wavelengths can propagate in the direction of the emission surface in each separated space.
이러한 구조에 따라, 광 도파관(250)의 내부 공간을 통과하는 특정 파장대의 광은 내부에 충진된 시료 가스의 가스 성분에 의해 흡수되어 광 강도가 감소되게 된다. 그리고, 광 감도가 감소된 광은 검출기에 의해 수광되어 해당 가스 성분의 농도를 측정할 수 있게 된다.According to this structure, light of a specific wavelength passing through the internal space of the optical waveguide (250) is absorbed by the gas components of the sample gas filled inside, thereby reducing the light intensity. Then, the light with reduced light sensitivity is received by a detector, enabling the concentration of the corresponding gas component to be measured.
필터(260)는 검출을 원하는 가스 성분의 파장대역에 따라 입사되는 광의 출사를 제한함으로써 특정 파장의 광 만이 검출기(270)에 입사되도록 하는 것으로 광 도파관(250) 내 각각의 구역별로 서로 다른 파장 대역에 대한 복수개의 필터(260)가 설치될 수 있다.The filter (260) restricts the emission of incident light according to the wavelength band of the gas component to be detected, thereby allowing only light of a specific wavelength to be incident on the detector (270). A plurality of filters (260) for different wavelength bands can be installed in each section within the optical waveguide (250).
검출기(270)는 광 도파관(250)의 각 분할된 영역에서 복수의 필터(260)에 대응되도록 출광면에 배치되고, 각각의 필터(260)를 통해 입사되는 광을 검출하여 광 세기에 따른 아날로그 전기신호를 생성하여 연결된 측정 장치(280)에 출력할 수 있다.The detector (270) is arranged on the light-emitting surface to correspond to a plurality of filters (260) in each divided area of the optical waveguide (250), and detects light incident through each filter (260) to generate an analog electrical signal according to the light intensity and output it to a connected measuring device (280).
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템(200)은, 검출기(270)와 전기적으로 연결되는 측정 장치(280)를 통해 각 광 경로별로 검출된 가스 성분에 대한 측정 결과를 분석할 수 있다.In addition, the optical multi-gas detection system (200) according to another embodiment of the present invention can analyze the measurement results for gas components detected for each optical path through a measuring device (280) electrically connected to the detector (270).
온도 조절 장치(290)는 검출기(270)가 설치되는 광 도파관(250)의 온도를 일정 범위 내로 유지시키기 위한 수단으로서, 광 도파관(250)에 설치되는 하나 이상의 온도 센서(291)와 연결되어 실시간으로 측정된 온도를 수신하고, 현재 온도가 기준 온도를 초과할 경우, 후술하는 냉각수 순환장치(295)를 제어하여 냉각수를 통해 광 도파관(250)의 온도를 낮출 수 있다.The temperature control device (290) is a means for maintaining the temperature of the optical waveguide (250) in which the detector (270) is installed within a certain range, and is connected to one or more temperature sensors (291) installed in the optical waveguide (250) to receive the temperature measured in real time, and when the current temperature exceeds the reference temperature, the temperature control device (290) can be lowered through the cooling water by controlling the cooling water circulation device (295) described later.
온도 센서(291)는 광 도파관(250)의 표면에 하나 이상이 부착되는 형태로 설치되어 광 도파관(250)의 표면 온도를 측정하고, 온도 조절 장치(290)와 전기적으로 연결되어 측정 결과를 전송할 수 있다. 특히, 온도 센서(291)는 광 도파관(250)상에서 열 전도가 가장 많이 발생하는 광원(210)과 가장 인접한 위치에 복수개가 설치되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.The temperature sensor (291) is installed in a form in which one or more are attached to the surface of the optical waveguide (250) to measure the surface temperature of the optical waveguide (250) and can transmit the measurement result by being electrically connected to the temperature control device (290). In particular, it is preferable that a plurality of temperature sensors (291) are installed at a position closest to the light source (210) where the most heat conduction occurs on the optical waveguide (250), but this is not limited thereto.
냉각관(294)은 내부로 냉각수가 흐르는 배관 부재로서, 광 도파관(250)의 길이방향으로 반복하여 감긴 스크류 구조일 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 광 도파관(250)은 분리되어 서로 다른 채널을 이루는 복수의 구역으로 나누어지며, 냉각관(294)은 분리된 각 구역마다 개별적으로 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.The cooling pipe (294) is a pipe member through which cooling water flows, and may have a screw structure that is repeatedly wound in the longitudinal direction of the optical waveguide (250). In particular, according to an embodiment of the present invention, the optical waveguide (250) is divided into a plurality of sections that are separated and form different channels, and the cooling pipe (294) may be formed in a form that individually surrounds each of the separated sections.
그리고, 냉각관(294)의 양 끝단은 후술하는 냉각수 순환장치의 입출구에 연결되어 내부로 냉각수가 순환하게 된다.And, both ends of the cooling pipe (294) are connected to the inlet and outlet of the cooling water circulation device described later, so that the cooling water circulates inside.
냉각수 순환장치(295)는 냉각관(294)의 양 끝단에 연결되고, 온도 조절 장치(290)의 제어에 따라, 냉각수를 냉각관(294)의 일 끝단에 공급하고, 타 끝단으로부터 배출되는 냉각수를 다시 냉각관(294)에 재공급함으로써, 냉각수가 일정 속도로 순환되도록 한다.A cooling water circulation device (295) is connected to both ends of a cooling pipe (294), and, under the control of a temperature control device (290), supplies cooling water to one end of the cooling pipe (294), and re-supplies cooling water discharged from the other end back to the cooling pipe (294), thereby allowing the cooling water to circulate at a constant speed.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 측정 장치의 구조를 설명한다.Hereinafter, the structure of a measuring device of an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템의 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a drawing showing the structure of a measuring device of an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 구비되어 시료 가스로부터 복수의 특정 가스에 대한 농도를 검출하는 측정 장치(180)는, N개의 검출기로부터 아날로그 파형인 제N 검출신호를 각각 수신하여 디지털 파형으로 변환하는 A/D 컨버터(181), 디지털 파형의 제N 검출신호 내 존재하는 노이즈를 저감하여 제N 검출신호의 선형성을 보상하는 노이즈 제거부(182), 노이즈가 제거된 제N 검출신호에 따라, 각 채널 영역에 대응하는 가스의 농도를 수치화하는 가스 검출부(183), 시료 가스 내 포함된 복수의 가스 성분에 대한 농도값을 사용자 단말에 출력하는 출력부(184) 및, 사용자 단말의 입력에 따라, 그 농도값에 대하여 가스 성분 검출 결과에 영향을 주는 하나 이상의 환경요소에 대한 보상계수를 적용하는 광 보상부(185)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, a measuring device (180) for detecting the concentration of a plurality of specific gases from a sample gas, which is provided in an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention, may include an A/D converter (181) that receives Nth detection signals in analog waveforms from N detectors and converts them into digital waveforms, a noise removal unit (182) that reduces noise existing in the Nth detection signals in the digital waveforms to compensate for the linearity of the Nth detection signals, a gas detection unit (183) that digitizes the concentration of a gas corresponding to each channel area according to the Nth detection signals from which noise has been removed, an output unit (184) that outputs concentration values for a plurality of gas components included in the sample gas to a user terminal, and an optical compensation unit (185) that applies a compensation coefficient for one or more environmental factors that affect the gas component detection result to the concentration values according to an input of the user terminal.
A/D 컨버터(181)는 N개의 검출기로부터 아날로그 파형인 검출신호를 각각 수신하여 디지털 파형으로 변환하여 노이즈 제거부(182)에 전달할 수 있다. 또한, A/D 컨버터(181)는 검출신호를 아날로그-디지털 변환 이전에 낮은 레벨의 검출신호를 증폭기 등을 통해 일정레벨 이상 증폭하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.The A/D converter (181) can receive detection signals in the form of analog waveforms from N detectors, convert them into digital waveforms, and transmit them to the noise removal unit (182). In addition, the A/D converter (181) can further include an amplifier that amplifies a low-level detection signal to a certain level or higher through an amplifier or the like before analog-to-digital conversion.
노이즈 제거부(182)는 A/D 컨버터(181)에 의한 변환과정 이후 디지털 파형의 검출신호에 발생한 수 있는 노이즈 신호를 감쇄할 수 있다. 특히, 검출신호에 대한 증폭 과정에서 노이즈 신호까지 함께 증폭됨에 따라 분석시 오류가 발생할 수 있으며, 노이즈 제거부(182)는 이러한 오차 발생을 최소화할 수 있다.The noise removal unit (182) can attenuate noise signals that may occur in the detection signal of the digital waveform after the conversion process by the A/D converter (181). In particular, errors may occur during analysis as noise signals are also amplified during the amplification process for the detection signal, and the noise removal unit (182) can minimize the occurrence of such errors.
가스 검출부(183)는 노이즈가 제거된 각 가스 성분에 대응하는 제N 검출신호에 따라, 각 채널 영역에 대응하는 가스의 농도를 수치화할 수 있다.The gas detection unit (183) can digitize the concentration of gas corresponding to each channel area according to the Nth detection signal corresponding to each gas component from which noise has been removed.
가스 검출부(183)는 제N 검출기(170)로부터 제공된 검출신호와, 각 가스별 기준값과의 비교를 통해 농도값을 산출할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제N 검출기(170)는 검출하고자 하는 가스 성분에 대응하는 파장대역의 필터를 통과하여 검출된 검출신호로서, 각 가스 성분별 기준값과의 차를 산출하여 농도값으로 환산할 수 있다.The gas detection unit (183) can calculate a concentration value by comparing the detection signal provided from the Nth detector (170) with a reference value for each gas. In the embodiment of the present invention, the Nth detector (170) can calculate the difference between the detection signal detected by passing through a filter of a wavelength band corresponding to the gas component to be detected and the reference value for each gas component and convert it into a concentration value.
시료 가스 내 포함된 복수의 가스 성분에 대한 산출된 농도값을 출력할 수 있으며, 본 발명의 가스 검출 시스템은 사용자 단말과 연결되어 가스 농도 측정 결과를 사용자 단말(300)에 제공할 수 있다.The calculated concentration values for multiple gas components included in the sample gas can be output, and the gas detection system of the present invention can be connected to a user terminal to provide the gas concentration measurement results to the user terminal (300).
이를 위한 구성으로서, 출력부(184)는 사용자 단말(300)과 유선 또는 무선으로 연결되어 가스 검출부(183)에 의해 산출된 각 가스 성분별 농도값을 사용자 단말(300)에 전송할 수 있다.As a configuration for this, the output unit (184) can be connected to the user terminal (300) by wire or wirelessly to transmit the concentration value for each gas component calculated by the gas detection unit (183) to the user terminal (300).
사용자 단말(300)은 거치형PC, 노트북 등의 마이크로프로세서가 탑재된 컴퓨터 장치일 수 있고, 가스 시료에 대하여 분석이 완료된 가스 성분별 농도값을 수신하여 화면상에 표시할 수 있다.The user terminal (300) may be a computer device equipped with a microprocessor, such as a desktop PC or laptop, and may receive concentration values for each gas component for which analysis has been completed for a gas sample and display them on a screen.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말(300)은, 현재 구동중인 측정 장치(180)에 대하여 온도 상승에 따른 검출 성능 저하를 최소화하기 위한 기능을 더 제공할 수 있다.In addition, the user terminal (300) according to an embodiment of the present invention can further provide a function for minimizing a decrease in detection performance due to a temperature rise for a currently operating measurement device (180).
상세하게는, 측정 장치(180)에는 냉각수를 이용한 온도 조절 장치(190) 및, 표면온도를 측정할 수 있는 하나 이상의 온도 센서(291)가 설치될 수 있고, 사용자 단말(300)은 온도 센서(291)로부터 현재 측정 장치(180)의 표면 온도를 실시간으로 수신 및 화면상에 표시할 수 있다. 또한, 사용자는 사용자 단말(300)에 표시되는 현재 온도에 따라, 측정 장치(180)에 설치되는 온도 조절 장치(190)를 직접 제어하여 냉각수를 측정 장치(180)에 공급함으로써 구동 온도를 일정수준 이하로 낮출 수 있다.In detail, a temperature control device (190) using cooling water and one or more temperature sensors (291) capable of measuring surface temperature may be installed in the measuring device (180), and the user terminal (300) may receive the current surface temperature of the measuring device (180) from the temperature sensor (291) in real time and display it on the screen. In addition, the user may directly control the temperature control device (190) installed in the measuring device (180) according to the current temperature displayed on the user terminal (300) to supply cooling water to the measuring device (180), thereby lowering the operating temperature below a certain level.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가스 검출 시스템은, 전술한 측정 장치(180)에 의한 가스 검출 결과의 정확도를 더욱 높이기 위한 부가 수단을 더 구비할 수 있다.Meanwhile, the gas detection system according to the embodiment of the present invention may further include additional means to further increase the accuracy of the gas detection result by the above-described measuring device (180).
상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 제N 검출기(170) 자체의 측정 편차, 측정 신호에 대한 노이즈 영향 등, 다양한 환경적 요소로 인하여 디지털로 변환된 결과에 많은 영향을 줄 수 있다.In detail, the result converted to digital can be greatly affected by various environmental factors, such as the measurement deviation of the N detector (170) itself according to the embodiment of the present invention, the influence of noise on the measurement signal, etc.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 측정 장치(180)에 의해 산출된 소정의 보상계수를 적용하여 농도값을 조정하는 기능을 더 포함할 수 있다.Therefore, the embodiment of the present invention may further include a function of adjusting the concentration value by applying a predetermined compensation coefficient calculated by the measuring device (180).
이를 위한 구성으로서, 광 보상부(185)는 사용자 단말(300)의 입력에 따라, 가스 검출시 가스 성분 검출 결과에 영향을 주는 하나 이상의 환경요소에 대한 보상계수를 적용할 수 있다. 이러한 보상계수는 환경요소로서, 광원에 의한 측정시 온도를 비롯하여, 필터의 흡광 특성, 광 도파관내 광 경로의 두께 및 길이, 검출기의 민감도 등을 고려하여 결정될 수 있다.As a configuration for this, the optical compensation unit (185) can apply a compensation coefficient for one or more environmental factors that affect the gas component detection result during gas detection, according to the input of the user terminal (300). Such compensation coefficient can be determined by considering environmental factors such as temperature during measurement by a light source, absorption characteristics of a filter, thickness and length of an optical path in an optical waveguide, sensitivity of a detector, etc.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 탑재되는 광 변환 필름의 단면 구조에 대한 예시를 통해 본 발명의 기술적 사상을 상세히 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described in detail through an example of a cross-sectional structure of a light conversion film mounted on an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6은 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 탑재되는 광 변환 필름의 구조를 예시한 도면이다.FIG. 5 and FIG. 6 are drawings illustrating the structure of a light conversion film mounted in an optical multi-gas detection system according to an embodiment of the invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 탑재되는 광 변환 필름(130)은 단층의 홀로그래픽 회절 광학 부재로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 5, the light conversion film (130) mounted on the optical multi-gas detection system according to an embodiment of the present invention can be implemented as a single-layer holographic diffractive optical member.
광 변환 필름(130)은 광원으로부터 출광된 광이 입사하여, 서로 회전각이 다른 평행한 파장의 광들로 변환하는 광학 부재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 변환된 광은 각각 다른 각도로 출광될 수 있다.The light conversion film (130) may include an optical member that converts light emitted from a light source into light of parallel wavelengths with different rotation angles. Accordingly, the converted light may be emitted at different angles.
이러한 광 변환 필름(130)에는 간섭 줄무늬가 형성될 수 있다. 도 5에서는, 간섭 줄무늬는 경사각이 서로 상이함에 따라, 각각 수용되는 광을 제1 파장(λA), 제2 파장(λB), 제3 파장(λC) 및 제4 파장(λD)의 4개의 분할하여 회절하는 구조를 예시하고 있다. 그 광성분의 개수 및 출광각은 간섭 줄무늬의 종류에 따라 결정됨에 따라, 검출하고자 하는 가스의 종류를 결정하게 된다.Interference fringes can be formed on this light conversion film (130). In Fig. 5, the interference fringes illustrate a structure in which the received light is divided into four wavelengths, a first wavelength (λA), a second wavelength (λB), a third wavelength (λC), and a fourth wavelength (λD), and diffracted, as the angles of inclination are different from each other. The number of light components and the light emission angle are determined according to the type of interference fringes, thereby determining the type of gas to be detected.
즉, 본 발명의 시스템에서 한번에 검출할 수 있는 가스 성분의 개수는 광 변환 필름에서 회절하는 파장대역의 개수에 대응할 수 있다.That is, the number of gas components that can be detected at one time in the system of the present invention can correspond to the number of wavelength bands diffracted by the light conversion film.
또한, 도 6을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 광학식 다중 가스 검출 시스템에 탑재되는 광 변환 필름(130)은 둘 이상의 홀로그래픽 회절 광학 부재가 서로 접합된 구조로 구현될 수 있다.In addition, referring to FIG. 6, the light conversion film (130) mounted on the optical multi-gas detection system according to the embodiment of the present invention can be implemented in a structure in which two or more holographic diffractive optical members are bonded to each other.
구체적으로, 제1 홀로그래피 부재(131)에는 제1 파장(λA)의 빛을 회절하고 제1 경사각을 갖는 간섭 줄무늬와, 제1 파장(λA)과 서로 다른 파장대역인 제2 파장(λB)의 빛을 회절하고 제2 경사각을 갖는 간섭 줄무늬가 형성될 수 있다.Specifically, the first holographic member (131) may form an interference fringe that diffracts light of a first wavelength (λA) and has a first inclination angle, and an interference fringe that diffracts light of a second wavelength (λB) that is a different wavelength band from the first wavelength (λA) and has a second inclination angle.
또한, 제1 홀로그래피 부재(131)의 일면으로는 제2 홀로그래피 부재(132)가 서로 중첩되어 결합될 수 있다.Additionally, a second holographic member (132) can be combined with one side of the first holographic member (131) by overlapping each other.
제2 홀로그래피 부재(132)는 전술한 제1 및 제2 파장(λA, λB)과 서로 다른 제3 파장(λC)의 빛을 회절하고 제3 경사각을 갖는 간섭 줄무늬와, 제3 파장(λC)과 서로 다른 파장대의 제4 파장(λD)의 빛을 회절하고 제4 경사각을 갖는 간섭 줄무늬가 형성될 수 있다.The second holographic member (132) can form interference fringes that diffract light of a third wavelength (λC) different from the first and second wavelengths (λA, λB) described above and have a third inclination angle, and interference fringes that diffract light of a fourth wavelength (λD) of a different wavelength band from the third wavelength (λC) and have a fourth inclination angle.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.While the above description contains many specific details, it should be construed as illustrative of preferred embodiments rather than limiting the scope of the invention. Therefore, the invention should be defined not by the described embodiments, but by the claims and their equivalents.
100 : 광학식 다중 가스 검출 시스템110, 210 : 광원
120, 220 : 시준기130, 230 : 광 변환 필름
140, 240 : 보조 광학 필름150, 250 : 광 도파관
160, 260 : 필터170, 270 : 검출기
180, 280 : 측정 장치181 : A/D 컨버터
182 : 노이즈 제거부183 : 가스 검출부
184 : 출력부185 : 광 보상부
190, 290 : 온도 조절 장치191, 291 : 온도센서
294 : 냉각관295 : 냉각수 순환장치
300 : 사용자 단말100: Optical multi-gas detection system 110, 210: Light source
120, 220: collimator 130, 230: light conversion film
140, 240: Auxiliary optical film 150, 250: Optical waveguide
160, 260: Filter 170, 270: Detector
180, 280: Measuring device 181: A/D converter
182: Noise removal unit 183: Gas detection unit
184: Output section 185: Optical compensation section
190, 290: Temperature control device 191, 291: Temperature sensor
294: Cooling tube 295: Cooling water circulation device
300: User terminal
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