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KR101317059B1 - 멀티가스 분석용 자외선 측정장치 - Google Patents

멀티가스 분석용 자외선 측정장치 Download PDF

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KR101317059B1
KR101317059B1 KR1020130098328A KR20130098328A KR101317059B1 KR 101317059 B1 KR101317059 B1 KR 101317059B1 KR 1020130098328 A KR1020130098328 A KR 1020130098328A KR 20130098328 A KR20130098328 A KR 20130098328A KR 101317059 B1 KR101317059 B1 KR 101317059B1
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KR
South Korea
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light
gas
spectroscopic
lamp
spectroscopic means
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KR1020130098328A
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Inventor
연규철
Original Assignee
동우옵트론 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 프리즘을 이용하여 광을 파장별로 분산시키고 이렇게 분산된 광을 이용하여 측정대상 가스의 성분을 분석하는 가스 분석장치에 관한 것이다. 그 구성은; 자외선을 조사하기 위한 램프(10); 상기 램프(10)에서 조사되는 파장대역 별로 분광시키기 위한 분광수단; 상기 분광수단에 의해 필터링된 광이 일측으로 입사되고 타측으로 출사되도록 하며, 성분 분석을 위한 가스가 유입되는 가스유입구(31)와 유입된 가스가 배출되는 가스배출구(32)가 마련되는 광통(30); 상기 광통(30)에서 출사되는 광을 검출하는 검출부(50)를 포함하는 가스 분석장치에 있어서; 상기 분광수단은 상기 램프(10)와 상기 광통(50) 사이의 광경로 상에 설치되는 것으로서 프리즘(20), 홀로그래픽 그레이팅(21, holographic grating) 또는 브레이즈 그레이팅(22, brazed grating) 중 어느 하나로 구성되는 분광부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티가스 분석용 자외선 측정장치{Multi-Gas Analysis Device For Ultra-violet Measurements}
본 발명은 가스 분석장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 광학간섭필터를 이용하여 비분산 가스분석장치를 프리즘 또는 그레이팅을 이용하여 광의 특정파장 영역만이 가스셀로 통과시키게 하여 측정대상 가스의 성분을 분석하는 가스 분석장치에 관한 것이다.
산업시설의 굴뚝에서 배기되는 가스 또는 자동차 배기관에서 배기되는 가스의 성분 분석을 해야 할 필요성이 있다. 가스의 성분 분석을 위한 여러 방식이 있으나 본 발명은 그중 비분산자외선(NDUV, Non Dispersion Ultra-violet) 흡수식에 관한 것이다. 이 방식은 특정 성분의 가스가 특정 파장의 자외선을 흡수하는 성질을 이용한 것으로서 그의 개략적 구성이 도 1에 도시되어 있다.
비분산자외선 흡수식 가스 분석장치(100)는 광통(111) 내부로 성분 분석을 요하는 가스를 통과시키고 이와 동시에 램프(101)에서 발생되는 광을 광통(111)의 일측에 입사시키고 타측으로 출사시킨다. 한편 성분 분석을 필요로 하는 가스는 가스유입구(113)로 유입된 다음 가스배출구(115)를 통해 배출된다.
램프(101)와 반대편에는 검출기(119)를 설치하고 광통(111)을 통과한 광을 검출하여 광통(111)을 수직으로 통과하는 가스의 성분을 분석한다. 종래 이용되고 있는 비분산자외선 흡수식 가스 분석장치(100)는 램프(101)에서 조사되는 광중 일부 대역의 파장을 필터링하기 위해 복수 개의 밴드 패스 필터(105, 107, 109, band pass filter)를 이용한다. 그리고 이 필터(105, 107, 109)는 성분을 측정하고자 하는 가스의 종류만큼 구비되어야 하며, 중심축(X)을 중심으로 회전하는 원판 형태의 설치대(103)에 원주방향을 따라 설치된다. 도면부호 116과 117은 각각 렌즈를 나타낸다.
측정을 요하는 가스는 대표적으로 SO2, NO, NO2, NH3 등이 있다. 그리고 현재 성분분석을 필요로 하는 대부분의 가스는 자외선중 파장이 200 ~ 300nm의 대역 내에 집중되어 있다.
한편 특정 성분가스들의 흡수영역 간에는 간섭되는 변이구간이 있게 마련이다. 이 간섭구간에 의한 악영향을 최소화함으로써 보다 정확한 측정값을 얻기 위해서는 광통(111)으로 입사되는 광의 파장 대역이 1 ~2nm 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
그러나 종래의 필터(105, 107, 109)는 광의 파장 대역을 1 ~2nm 범위 내로 제작하기 매우 어렵다. 그래서 파장 대역별로 여러 개의 필터를 구비해야 하고 때로는 여러 개의 필터를 선택적으로 조합해야 할 때도 있어 사용이 매우 복잡하게 되어 있다.
대한민국 특허출원 제10-2008-0047896호 대한민국 특허출원 제10-2008-0106014호
위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은 비분산자외선 흡수법을 응용한 가스 분석장치를 제공하는 것에 있다. 좀 더 구체적으로는 램프에서 조사되는 자외선을 정밀하게 분광하여 이를 광통에 입사시킴으로써 최종 검출기에서 성분 가스의 간섭구간에 의한 악영향을 최소화시키며, 또한 램프에서 조사되는 광을 프리즘, 브레이즈 그레이팅(Brazed Grating) 또는 홀로그래픽 그레이팅(Holographic Grating)을 이용하여 좀 더 편리하게 동일한 파장 대역별로 선택하여 성분분석에 이용할 수 있는 방안을 제시하는 것이 본 발명의 목적이다.
위와 같은 목적은;
자외선을 조사하기 위한 램프; 상기 램프에서 조사되는 파장대역 별로 분광시키기 위한 분광수단; 상기 분광수단에 의해 필터링된 광이 일측으로 입사되고 타측으로 출사되도록 하며, 성분 분석을 위한 가스가 유입되는 가스유입구와 유입된 가스가 배출되는 가스배출구가 마련되는 광통; 상기 광통에서 출사되는 광을 검출하는 검출부를 포함하는 가스 측정장치에 있어서;
상기 분광수단은 상기 램프와 상기 광통 사이의 광경로 상에 프리즘, 홀로그래픽 그레이팅(holographic grating) 또는 브레이즈 그레이팅(brazed grating) 중 어느 하나로 구성되는 분광부재를 포함하며, 상기 분광부재에 의해 반사 또는 통과되는 특정 대역 파장의 광을 가스 분석에 이용하는 것을 특징으로 하는 멀티가스 분석용 자외선 측정장치에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 광통은 상기 분광수단을 통과하면서 분산된 여러 파장 대역의 광경로 상에 복수 개가 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 램프에서 조사되어 상기 분광수단에 입사되는 광의 조사방향이 변화될 수 있도록 상기 램프를 회전 기동시키기 위한 램프기동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 분광수단에서 출사되어 상기 광통에 입사되는 광의 경로가 변화될 수 있도록, 상기 분광수단을 회전 기동시키기 위한 분광수단기동부를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 램프기동부와 분광수단기동부는 병행 설치되도록 할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 분광수단은,
중심축을 기준으로 회전되는 기준판; 동일한 종류 및 형상으로 된 복수 개의 상기 분광부재가 상기 기준판의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 고정 설치되는 구성을 가지되;
상기 기준판에 설치되는 각 분광부재는 상기 기준판의 면방향에 대하여 기울기가 서로 다르게 고정 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면 분광수단으로서 간섭 필터를 사용하는 대신 프리즘, 홀로그래픽 그레이팅(holographic grating) 또는 브레이즈 그레이팅(brazed grating) 을 사용하고 있다. 분산되는 여러 파장 대역 중 어느 하나 이상을 선택하여 광통에 입사시키면 되기 때문에, 원하는 파장 대역을 극히 용이하게 선택하여 가스 분석에 이용할 수 있으며, 파장이 1 ~2nm의 작은 범위에 있는 광도 쉽게 취출하여 사용할 수 있다. 따라서 간섭 필터를 대신하여 가스분석을 용이하고도 정확하게 실시할 수 있는 자외선 흡수식 분석장치가 제공된다.
도 1은 종래기술에 의한 가스 측정장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가스 측정장치의 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가스 측정장치의 개략 구성도이다.
도 6은 홀로그래픽 그레이팅이 분광부재로 이용되는 경우의 본 발명에 의한 가스 측정장치의 개략 구성도이다.
도 7은 브레이즈 그레이팅이 분광부재로 사용되는 경우의 본 발명에 의한 가스 측정장치의 개략 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 2를 기본적으로 참조하여 설명하되 필요한 곳에서 도 3 내지 도 7을 인용하기로 한다.
장치의 기본적인 구성은 도 2에 도시된 바와 같으며 도 1에 도시된 종래의 장치와 기본적으로 유사한 구성을 가진다. 즉 램프(10, 자외선램프)는 광통(30)을 향해 자외선을 조사한다. 램프(10)와 광통(30) 사이에는 분광수단이 개입된다. 분광수단은 램프(10)에서 조사되는 광으로부터 일부 파장 대역의 광만이 광통(30)으로 입사되도록 하기 위한 필터링 수단으로서 후술된다. 렌즈(11)는 램프(10)에서 나온 광을 평행하게 해주는, 즉 평행광 형성수단으로서 기능한다.
광통(30)은 일측에는 광유입구(33)가 마련되고 타측에는 광출수구(34)가 마련되는 통체이다. 광통(30)에는 성분 분석을 요하는 가스가 유입되는 가스유입구(31)와 그 가스가 배출되는 가스배출구(32)가 각각 마련된다. 광유입구(33)와 광출수구(34)는 빛투과도가 높은 투시창이 각각 설치된다.
광통(30)을 기준으로 램프(10)와 반대되는 쪽에는 검출기(50)가 설치된다. 검출기(50)와 광통(30) 사이에는 광을 모으기 위한 집광수단으로서의 볼록렌즈(40)가 설치될 수 있다.
각 도면에 도시된 바에 의하면 광은 광통(30)을 관통하게끔 되어 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광통(30)에 입사된 후 회귀반사되도록 하고 반사되는 광을 이용하도록 할 수도 있다. 검출기(50)는 광통을 통과한 광을 분석하여 가스의 성분을 얻어내도록 한다.
본 발명에 의하면 분광수단으로 프리즘(20), 홀로그래픽 그레이팅(21, holographic grating) 또는 브레이즈 그레이팅(22, brazed grating) 중 어느 하나로 이루어진 분광부재를 이용한다. 프리즘(20)은 서로 예각을 이루는 한 쌍의 광학평면을 갖는 분광프리즘이며, 일측에서 입사되는 빛이 서로 다른 굴절률에 의해 출사방향에 따라 광을 선택할 수 있게 하는 공지의 광학기구이다. 홀로그래픽 그레이팅(21, holographic grating)은 프리즘과 유사한 기능을 하나 두께가 일정한 판재 형태를 가지는 것이다. 브레이즈 그레이팅(brazed grating)은 빛을 파장 대역 별로 다른 각도로 반사시키는 광학적 도구이다. 이들은 모두 공지사항으로서 더 이상의 상세한 설명을 생략한다. 이들 분광부재(20,21,22)는 본 발명 내에서 모두 유사한 방식으로 사용된다. 그러므로 이하에서는 프리즘(20)을 대표로 하여 설명하고 이어서 다른 분광부재(21,22)를 사용할 경우에 대하여 간략하게 도시 및 설명한다.
도 3을 참조하면, 프리즘(20)에 의하면 각기 다른 파장을 갖는 광(L1,L2,L3)이 각기 다른 방향으로 굴절하여 진행하게 된다. 광통(30)은 그중 어느 하나의 광(L2)의 광로상에 설치된다. 그러면 해당 광(L2)을 이용한 가스의 성분 분석이 이루어질 수 있는 것이다. 만약 다른 파장의 광(L1,L3)을 이용할 필요가 있을 때에는 도 3에 도시된 바와 같이 해당 광(L1,L3)의 진행경로 상에 각각 광통(30',30")을 배치하면 될 것이다.
도 3에서 검출기(50)는 도시가 생략되었으나 각 광통(30,30',30")마다 모두 검출기가 설치될 수도 있겠으나, 검출기는 어느 일지점에 설치한 상태에서 반사수단을 이용하여 광이 그 지점으로 모이도록 할 수도 있을 것이다.
경우에 따라서는 하나의 광통(30) 및 검출기를 도 3에 도시된 각 광통(30',30")의 위치로 회전 기동시킬 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서 하나의 광통(30)을 고정시킨 상태에서 프리즘(20) 및/또는 램프(10)를 기동시키고 있다. 램프(10)은 램프기동부(70)에 의해 고정점을 기준으로 원형 경로(R)를 따라 공전되도록 하며, 프리즘(20)은 분광수단기동부(60)에 의해 고정점을 중심으로 하여 일점쇄선으로 도시된 것처럼 자전되도록 할 수 있다. 램프(10)와 프리즘(20)이 각각의 기동부(70,60)에 의해 동시에 회전되도록 하는 것이 바람직하겠지만 그중 어느 하나만을 회전시킴으로써 유사한 효과를 얻을 수도 있다. 램프(10) 내지 프리즘(20)의 각 회전각도는 정밀하게 제어되어야 할 것이며 회전각도에 따른 파장의 변화량(Δλ)은 가스 성분 분석을 위한 변수로 이용되어야 할 것이다. 본 실시예에 의하면 한 개 씩의 램프(10), 프리즘(20) 및 광통(30)을 이용하여 다양한 파장의 광을 성분 분석에 이용할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예로서 도 1에 도시된 종래기술과 본 발명의 기술적 사상을 접목시킨 것으로 볼 수 있다. 즉 도 1에서 각 필터(105,107,109) 대신 프리즘(20)이 설치되는 구성이 본 실시예에 해당한다. 기준판(80)은 중심축(X)을 기준으로 회전되는 기준판(80)의 원주방향을 따라 복수 개의 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)가 설치되고 있다.
본 실시예에 의하면 복수 개의 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)이 기준판(80)에 동시에 설치되며 그중 어느 하나가 선택적으로 가스 분석에 이용될 수 있게 된다. 각 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)은 서로 다른 광학적 특성을 가지고 있을 수 있다. 만약 동일한 광학적 특성을 갖는 경우라면 후술되는 바와 같이 기준판(80)에 대한 설치 기울기(A, A')를 서로 달리함으로써 특정 파장을 선택하도록 할 수 있다.
기타 구성요소는 위에 설명된 바와 같다. 예를 들어 각 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)의 기준판(80)에 대한 설치 기울기(A, A')를 각각 다르게 할 수 있다. 만약 각 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)마다 특정 파장 대역의 광(λ1, λ2)을 광통(30)에 평행하게 입사되도록 기울기(A, A')를 다르게 결정한다면, 특정 단위 프리즘(20a, 20b, 20c, 20d)은 각기 다른 성분가스를 검출하기 위한 검출수단으로 이용될 수 있게 된다. 이는 다른 분광부재인 홀로그래픽 그레이팅(21, holographic grating) 및 브레이즈 그레이팅(22, brazed grating) 에도 동일하게 적용된다.
도 6은 홀로그래픽 그레이팅(21, holographic grating)이 분광부재로 이용되는 경우의 구성도이다. 동일한 형태를 갖는 복수 개의 홀로그래픽 그레이팅(21)이 기준판(80)의 면방향에 대하여 각기 다른 기울기로 설치된다. 도 6은 단면 구성도로서 서로 다른 기울기(B, B')로 설치되는 2개의 단위 홀로그래픽 그레이팅(21a, 21c)이 도시된다.
도 6은 광(L)이 제1단위 홀로그래픽 그레이팅(21a)에 입사되는 경우 회절을 통해 제1대역의 광(λ1)이 광통(30)으로 입사되게 된다.
만약 기준판(80)이 180°회전하여 동일한 광(L)이 제2단위 홀로그래픽 그레이팅(21c)에 입사되면, 제2대역의 광(λ2)이 광통(30)으로 입사될 것이다.
이렇게 기준판(80)을 회전시키면서 분광수단을 향해 광(L)을 주사하면 출사되는 특정 대역의 광(λ1, λ2 등)을 이용하여 성분가스를 측정할 수 있게 되는 것이다.
도 7은 브레이즈 그레이팅(22)이 사용되는 경우의 구성도이다. 기준판(80)에는 도 1에 도시된 바와 같은 방식으로 단위 브레이즈 그레이팅(22a, 22c)가 설치된다. 동일한 형태를 갖는 복수 개의 브레이즈 그레이팅(22)이 서로 조금씩 다른 기울기로 기준판(80)에 설치되고 있다.
광(L)이 도 5 또는 도 6과 같은 방식으로 주사되면 특정 파장의 광(λ1, λ2)이 광통(30)과 평행하게 반사되어 광통(30)에 입사되게 된다. 단위 브레이즈 그레이팅(22a, 22c) 역시 기울기(C,C')가 각각 다르게끔 기준판(80)에 설치된다.
결과적으로 도 5,6,7에 도시된 것은 동일한 분광부재(20,21,22)를 각각 다른 기울기(각도)로 설치함으로써 출사시 항상 광통에 입사되도록 하는 것이다. 분광부재(20,21,22)의 기울기에 따라 광통으로 입사되는 광의 파장이 다르게 될 것이고, 이는 설계자가 그 기울기를 정함으로써 원하는 파장 대역의 광을 얻을 수 있다는 의미가 된다. 그리고 이렇게 얻어지는 특정 파장 대역의 광은 성분가스의 분석에 종래의 방식으로 이용되게 되는 것이다.
전술한 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 가스 분석장치에 대해 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 램프 20 : 프리즘
21 : 홀로그래픽 그레이팅(holographic grating)
22 : 브레이즈 그레이팅(brazed grating)
30,30',30" : 광통 31 : 가스유입구
32 : 가스배출구 33 : 광유입구
34 : 광출수구 40 : 볼록렌즈
50 : 검출기 60 : 분광수단기동부
70 : 램프기동부 80 : 기준판

Claims (5)

  1. 자외선을 조사하기 위한 램프; 상기 램프에서 조사되는 파장대역 별로 분광시키기 위한 분광수단; 상기 분광수단에 의해 필터링된 광이 일측으로 입사되고 타측으로 출사되도록 하며, 성분 분석을 위한 가스가 유입되는 가스유입구와 유입된 가스가 배출되는 가스배출구가 마련되는 광통; 상기 광통에서 출사되는 광을 검출하는 검출부를 포함하는 가스 측정장치에 있어서;
    상기 분광수단은 상기 램프와 상기 광통 사이의 광경로 상에 설치되는 것으로서 프리즘, 홀로그래픽 그레이팅(holographic grating) 또는 브레이즈 그레이팅(brazed grating) 중 어느 하나로 구성되는 분광부재를 포함함으로써;
    상기 분광부재에 의해 반사 또는 통과되는 특정 대역 파장의 광을 가스 분석에 이용하며,
    상기 분광수단은;
    중심축을 기준으로 회전되는 기준판; 동일한 종류 및 형상으로 된 복수 개의 상기 분광부재가 상기 기준판의 원주방향을 따라 일정한 간격으로 고정 설치되는 구성을 가지되;
    상기 기준판에 설치되는 상기 각 분광부재는 상기 기준판의 면방향에 대하여 기울기가 서로 다르게 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티가스 분석용 자외선 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광통은 상기 분광수단을 통과하면서 분광된 여러 파장 대역의 광경로 상에 복수 개가 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티가스 분석용 자외선 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 램프에서 조사되어 상기 분광수단에 입사되는 광의 조사방향이 변화될 수 있도록 상기 램프를 회전 기동시키기 위한 램프기동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티가스 분석용 자외선 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분광수단에서 출사되어 상기 광통에 입사되는 광의 경로가 변화될 수 있도록, 상기 분광수단을 회전 기동시키기 위한 분광수단기동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티가스 분석용 자외선 측정장치.
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