KR20190048836A - Alignment System for TDLAS of Simultaneous Measurement of Multicomponent Gas using Micro Optical Passage - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 높은 농도와 낮은 농도의 기체를 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a system for measuring the concentration or temperature of a multicomponent gas emitted into the atmosphere in a combustion system by using a TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) technique, The present invention relates to a device and a method for simultaneously measuring a concentration and a low concentration of gas.
Description
본원 발명은 연소시스템에서 대기로 방출되는 배기가스의 농도를 광 계측하는 장치에 필요한 정렬 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 높은 농도와 낮은 농도의 기체를 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an alignment system for an optical metrology apparatus for measuring the concentration of exhaust gas emitted from a combustion system to the atmosphere, and more particularly, to a system for measuring the concentration or temperature of a multicomponent gas emitted to the atmosphere from a combustion system, Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (LNA) method, and to an apparatus and method for simultaneously measuring high concentration and low concentration of gas.
LAS, 특히 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 파장가변형 다이오드레이저 흡수 분광법)는 최근 에너지, 환경 분야에서 크게 각광받고 있는 계측 기술이다. 이는 실시간으로 몇 가지 가스 종의 농도나 온도를 정밀 측정할 수 있으며, 측정이 어려운 대형 연소시스템에도 적용이 가능하여 다양한 형태로 응용 되고 있다.LAS, especially TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), is a measuring technology that has recently been widely recognized in the fields of energy and environment. It can be applied to large combustion systems which can measure precisely the concentration and temperature of several gas species in real time and it is difficult to measure.
TLDAS의 농도측정 기본원리는 도 1에서 보는 바와 같이 Beer-Lambert 법칙에 따라 가스의 광 흡수 특성에서 기인한다. DAS 계측 기법의 기본원리인 Beer-Lambert 법칙은 물질의 길이(Optical path length) L에 입사되는 빛의 세기(I0)와 투과된 빛의 세기(I) 비에 대한 관계식으로 아래 식(1)과 같이 표현된다. 여기서, 흡수계수(Absorption coefficient)인 kv와 길이 L은 흡광도(Absorbance)인 α(v)로 정리하면 식(2)와 같다. 이렇게 얻어진 흡광도는 식(3)을 통해 흡광도의 면적인 A를 구하여 식(4)에 적용하여 농도를 구하게 되는데, 흡광도는 길이와 비례하기 때문에 길이가 늘어날수록 흡광도의 면적은 커지게 된다. 왜냐하면, 길이가 늘어나면 레이저 빛이 가스 분자와 많이 부딪혀 흡수가 더 많이 일어나기 때문이다. 따라서 측정 길이가 늘어날수록 흡광도의 면적이 커지게 되어 쉽게 농도를 산출할 수 있다.
The basic principle of measuring the concentration of TLDAS originates from the light absorption characteristics of the gas according to the Beer-Lambert law as shown in Fig. The Beer-Lambert law, which is the basic principle of the DAS measurement technique, is a relational expression for the intensity of light (I 0 ) incident on the optical path length L and the intensity of transmitted light (I) . Here, the absorption coefficient k v and the length L are summarized by the absorbance α (v), as shown in Equation (2). The absorbance is obtained from Equation (3), which is A, which is the area of the absorbance, and the concentration is obtained by applying Equation (4). Since the absorbance is proportional to the length, the absorbance increases as the length increases. Because, as the length increases, the laser light strikes the gas molecules more and causes more absorption. Therefore, as the measurement length increases, the area of the absorbance becomes larger and the concentration can be easily calculated.
모든 가스는 정해져 있는 특정한 몇 가지 파장의 빛을 흡수한다. 대표적인 예로 760.21㎚ 파장의 빛을 다른 가스 종은 통과시키지만 산소는 이를 흡수한다. 즉 760.21nm의 빛을 발진해서 산소가 포함된 가스영역에 통과시키면, 그 파장의 빛은 다른 가스 종의 영향을 받지 않고 산소의 영향만 받으므로, 흡수된 양 및 모양을 분석하면 산소의 농도나 온도를 계측해 낼 수 있는 원리이다.Every gas absorbs light of some specific wavelength that is fixed. As a typical example, light of 760.21 nm wavelength is passed through other gas species, but oxygen absorbs it. In other words, when light of 760.21 nm is emitted and passed through a gas region containing oxygen, the light of the wavelength is affected only by oxygen without being affected by other gas species. Therefore, by analyzing the absorbed amount and shape, It is a principle that can measure temperature.
대기환경에 영향을 미치는 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㎛)로 나눌 수 있다. 그 중 중적외선에서는 분자의 흡수를 일으키는 분자의 진동이나 회전운동 모드들이 집중되어 있어, 빛의 파장을 흡수하는 분자의 특성을 이용한 DAS 계측 기법에 적용되어 측정 대상 가스의 농도나 온도를 계측하는 방법에 아주 탁월하다.Gas species affecting the atmosphere are mostly absorbed in the infrared region where the near infrared ray (0.8 μm - 1.5 μm), the mid-infrared ray (1.5 μm - 5.6 μm) , And far-infrared ray (5.6 탆 - 1000 탆). Among them, in the infrared, concentration and temperature of the gas to be measured are measured by applying to the DAS measurement technique using the characteristic of the molecule absorbing the wavelength of light because the vibration and rotation modes of the molecules that cause the absorption of molecules are concentrated in the infrared It is very prominent in.
대기환경에 대한 국내 환경 규제가 강화되면서, 미량의 환경오염물질에 대한 신뢰성이 요구되면서, 정확성이 높은 실시간 정밀 계측이 필요하다. 기존에 가스의 농도를 계측하는 장치는 주로 측정 대상의 가스를 수집하여 계측하는 방법이 많이 사용되고 있어 계측하는데 시간이 소요되어 연속적으로 측정이 불가능하다. 그리고 실시간으로 계측이 요구되는 발전소의 대형 보일러, 제철소, 화학 공업플랜트 등 대기환경에 영향을 미치는 시설에서는 환경규제 및 에너지 절감을 위한 운전 제어 등에 적용할 수 있는 계측 시스템이 매우 절실하다.As domestic environmental regulation on the atmospheric environment is strengthened, reliability of the trace amount of environmental pollutants is required, and accurate real time precision measurement is needed. Conventionally, a device for measuring the concentration of gas is mainly used for collecting and measuring the gas to be measured, and it takes a long time to measure it, making it impossible to measure continuously. In a facility that affects the atmospheric environment, such as a large boiler, a steel mill, or a chemical industrial plant, where the measurement is required in real time, a measurement system that can be applied to environmental regulation and operation control for energy saving is very urgent.
DAS 계측 기법은 레이저를 이용한 방법으로 실시간으로 측정 대상 가스의 농도를 계측할 수 있으며, 신뢰성과 정밀도가 매우 높아 다양한 시설에서 대기환경 오염에 대처할 수 있어 그 가치가 매우 높다. 하지만, 적외선 영역에서의 광학 정렬이 매우 어려워 실제로 적용하기 어렵지만, 본원 발명의 제안으로 간단한 광학 구성도와 빛의 검출을 통해, 환경오염물질을 발생시키는 시설과 대기환경 감시에도 적용하여, 실시간으로 가스의 농도를 계측하여 운전 제어와 대기환경 오염물질에 대해 대처와 예방이 가능하다.The DAS measurement method can measure the concentration of the gas to be measured in real time using a laser, and the reliability and precision are very high, so that it can cope with the atmospheric pollution in various facilities. However, since the optical alignment in the infrared region is very difficult, it is difficult to actually apply it. However, the present invention proposes a simple optical structure and light detection to apply to the facility for generating environmental pollutants and the atmospheric environment monitoring, By measuring the concentration, it is possible to cope with and prevent operation control and air pollutants.
특허문헌 1은 복합 포물 집속체에 관한 것으로서, 광원을 정렬하지 않아도 포물선 형태의 집속체로 인해서 광원이 중심부의 쪽으로 반사되고 중심부에는 광섬유가 배치되어 이를 취합하는 기구에 관한 것이다. 그러나 특허문헌 1은 일종의 볼록 렌즈와 같은 집광 역할을 하는 것으로서 근거리에서는 별도의 정렬을 진행하지 않아도 적용될 수 있으나, 본원과 같이 원거리에서 요구하는 정렬과 관련된 해결책은 제시하지 않고 있다.Patent Document 1 relates to a complex parabolic reflector, and more particularly, to a parabolic reflector that reflects a light source toward a central portion and arranges optical fibers in a central portion thereof by a parabolic-shaped light integrator without arranging the light sources. However, Patent Document 1 has a light collecting function such as a convex lens, and can be applied without a separate alignment at a short distance, but does not provide a solution related to alignment required at a long distance as in the present invention.
특허문헌 2는 레이저 회절 패턴을 이용한 부품의 마이크로 구멍 정렬방법 및 정렬 시스템에 관한 것으로서 복수개 부품의 각 구멍 간의 수직 정렬을 레이저 빔을 이용한 회절패턴을 형성시킴으로써 각 부품을 정렬하는 방법에 관한 것이다. 복수개 부품의 각 구멍의 수직 정렬이 바르지 않을 때 회절 패턴이 아예 나타나지 않거나, 또는 회절 패턴이 한쪽으로 치우치게 되어 이를 통해서 각 수직 부품의 정렬을 확일 할 수 있는 방법이다. 그러나 도 2에서 알 수 있듯이 특허문헌 2는 매우 근접한 수직 부품(도 2의 기호 번호 102 및 103)을 정렬하기 위한 것으로서 본원 발명에서 필요한 배기단에서의 원거리 정렬에 대한 해결책과는 거리가 멀다.Patent Document 2 relates to a micro-hole aligning method and an aligning system for a component using a laser diffraction pattern, and relates to a method of aligning each component by forming a diffraction pattern using a laser beam in vertical alignment between holes of a plurality of components. The diffraction pattern does not appear at all when the vertical alignment of each hole of the plurality of components is not correct, or the diffraction pattern is biased to one side, and the alignment of each vertical component can be confirmed through this. However, as can be seen from FIG. 2, Patent Document 2 is for aligning very close vertical parts (symbol numbers 102 and 103 in FIG. 2) and is far from a solution for remote alignment at the exhaust end required in the present invention.
특허문헌 3은 고출력 레이저를 정렬시키기 위한 검출기에 관한 것으로서, 검출기가 각각의 4개의 독립된 영역으로 나누어져 있고, 레이저가 중심부에 정확히 정렬된 경우에는 4개의 영역에서 동일한 에너지가 검출되고 한쪽으로 치우친 경우에는 불균등한 에너지가 검출되어 이를 통해서 방향성을 확인하고 정렬할 수 있는 장치에 관한 것이다. 그러나 이와 유사한 종래의 정렬 장치가 본원 발명과 관련 기술에 적용하기 어려운 점은 본원 발명은 거리가 멀기 때문에 우선 정렬에 사용되는 검출기 범위 내로 정렬하는 것 자체가 어렵다는 점이다.Patent Literature 3 relates to a detector for aligning a high output laser, in which the detector is divided into four independent regions, and when the laser is accurately aligned in the central region, the same energy is detected in four regions, Uneven energy is detected and through which the direction can be identified and aligned. However, it is difficult to apply similar conventional alignment devices to the present invention and related arts, since the present invention is difficult to align itself within the detector range used for alignment first.
그러나 농도 차이가 큰 기체의 신호를 측정면서 동시에 정렬을 할 수 있는 장치에 관한 기술을 아직까지 제시되지 않았다.
However, no technology has yet been presented for a device capable of simultaneously aligning while measuring signals of a gas having a large concentration difference.
본원 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 높은 농도와 낮은 농도의 기체를 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a system for measuring the concentration or temperature of a multicomponent gas discharged into the atmosphere from a combustion system using TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for detecting misalignment between a laser light source and a photodetector and simultaneously measuring a gas having a high concentration and a low concentration.
본원 발명은 DAS의 측정 한계를 높이며, 다종의 가스를 측정할 수 있는 광학 구조와 적외선 영역의 광학 정렬을 쉽게 하기 위해 다음과 같이 구성한다. 먼저 다종 가스를 측정할 경우, 각각의 가스는 고유의 파장에서 반응하여 진동과 회전운동으로 흡수를 일으키기 때문에 선강도의 값은 천차만별이다. 이 선강도는 흡수 길이에 비례하며, 다른 두 종의 가스를 같은 흡수 길이로 측정하더라도 다른 한 쪽의 가스의 선강도 값이 작을 경우 흡수 면적이 나타나질 않기 때문에 측정하기가 매우 어려워 다종의 가스를 측정하기에 적합한 조건을 찾는 것이 매우 힘들다.The present invention increases the measurement limit of the DAS and is configured as follows to facilitate the optical alignment of the infrared region and the optical structure capable of measuring various gases. First, when measuring multiple gases, each gas reacts at its own wavelength and absorbs it by vibration and rotational motion, so the value of the line strength varies widely. This line strength is proportional to the absorption length, and even if two different types of gases are measured with the same absorption length, it is very difficult to measure because the absorption area does not appear when the linearity value of the other gas is small. It is very difficult to find a condition suitable for measurement.
본원 발명에서는 거울을 이용하여 측정할 광경로(Optical path length)를 길게 하는 것이다. 여기서, 광경로는 레이저 빛이 지나가는 경로로써 흡수 길이와 같다. 광경로가 길어지기 위해서는 빛을 반사시키는 거울의 특성을 이용한다. 거울을 사용하여 광경로가 2배 이상으로 늘어나게 되어, 측정하고자 하는 낮은 농도의 가스를 측정하기에 용이하다. 광경로가 늘어나면 흡광도의 면적이 커지기 때문에 측정 대상의 가스를 계측하여 농도를 산출하기 쉬워진다.In the present invention, the optical path length to be measured using a mirror is lengthened. Here, the optical path is the path through which the laser beam passes and is equal to the absorption length. In order for the optical path to be long, the characteristic of the mirror reflecting the light is used. By using a mirror, the light path is increased more than twice, so it is easy to measure low concentration gas to be measured. Since the area of the absorbance increases when the light path is increased, the concentration can be easily calculated by measuring the gas to be measured.
다른 종의 가스를 측정하기 위해 거울2에 작은 홀을 내어 다른 파장을 가진 레이저 빛이 빠져 나갈 수 있게 하여 가스를 측정하고, 다른 파장은 거울2에서 거울1로 반사되어 광경로가 길어진 상태로 가스를 측정할 수 있다.To measure gases of different species, a small hole is placed in mirror 2 to allow laser light with different wavelengths to escape, and gas is measured. The other wavelength is reflected from mirror 2 to mirror 1, Can be measured.
다음으로 같은 광학 구성도에서 거울에 홀이 있는 부분을 이용하여 적외선 영역의 광학 정렬을 쉽게 처럼 할 수 있다. 보통 광학 정렬을 할 때, 가시광선 영역(0.4㎛ - 0.8㎛)에서 설계된 광학 구성도를 따라 레이저 빛의 경로가 눈에 보이기 때문에 광학 정렬을 쉽게 할 수 있지만, 적외선 영역에서는 레이저 빛의 경로가 눈에 보이지 않아 광학 정렬이 매우 어렵다. 이 점을 보완하기 위해 광경로를 늘리기 위해 사용된 거울2에 미세한 홀로 소량의 레이저 빛 광량을 광검출기(Photodetector, PD)로 판단하여, 설계된 광경로로 레이저 빛이 제대로 진행되고 있는지 확인이 가능하다. 거울의 홀로 레이저 빛이 통과하게 되면, 미세한 광량의 손실이 예상되지만 설계한 광경로를 따라 빛이 진행되고 있음을 알려주기 때문에 DAS 계측 기법에서 어려웠던 중적외선 영역에서의 광학 정렬을 용이하게 할 수 있으며, 미세한 광량 손실은 측정 결과에 큰 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 보통 중적외선 영역에서의 레이저 빛들을 가시광선 영역에 비해 광량이 매우 크며, 가스 분자들의 진동과 회전 운동을 활발하게 만들어 주기 때문이다.Next, the optical alignment of the infrared region can be easily made using a portion with a hole in the mirror in the same optical configuration. When optical alignment is usually performed, the optical alignment can be made easy because the path of the laser light is visible along the designed optical configuration in the visible region (0.4 μm - 0.8 μm). However, in the infrared region, The optical alignment is very difficult. In order to compensate for this, it is possible to judge whether the laser light is proceeding properly by the designed optical path by judging a small amount of laser light amount as a photodetector (PD) in the mirror 2 used to increase the light path . If the laser beam passes through the mirror's hole, a slight amount of light loss is expected. However, because it indicates that the light travels along the designed optical path, optical alignment in the mid-infrared region can be facilitated , The minute amount of light loss does not greatly affect the measurement result. This is because laser light in the medium-infrared region is much larger than visible light region and vibrates and rotates the gas molecules.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서, 상기 레이저부는 분포궤한형 레이저광원1과 분포궤한형 레이저광원2인 2개의 레이저 광원을 시준렌즈2를 통해서 집광하여 조사하고, 상기 집광된 레이저가 통과하는 상기 측정부는 측정된 기체가 있는 영역을 통과하는 상기 집광된 레이저를 일부 반사시키고 일부 통과시키는 거울1, 거울1에서 일부 반사된 상기 집광된 레이저를 다시 반사시키는 거울2, 상기 거울2에서 반사된 상기 집광된 레이저가 측정된 기체가 있는 영역을 통과한후 필터2를 사용하여 상기 레이저광원1의 레이저만 집광하는 시준렌즈1을 포함하여, 상기 광검출부는 상기 거울1을 통과한 상기 집광된 레이저를 필터1을 사용하여 상기 레이저광원2의 강도만 측정하는 신호검출기2, 상기 시준렌즈1에서 집광된 레이저광원1의 강도만 측정하는 신호검출기1을 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS를 제공한다.In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a laser processing apparatus comprising: a laser unit for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing analysis using the laser beam, wherein the laser unit includes two laser light sources, a distributed beam type laser source 1 and a distributed beam type laser source 2, 2, the measuring unit through which the condensed laser passes is a mirror 1 for partially reflecting and partially passing the condensed laser beam passing through the region where the measured gas is present, A collimator 2 for reflecting the laser again, a collimator lens 1 for condensing only the laser beam of the laser beam source 1 using the filter 2 after the condensed laser beam reflected from the mirror 2 passes through the region where the measured gas exists, The optical detector includes a signal detector 2 for measuring the intensity of the laser light source 2 using the filter 1, It provides a multi-gas measurements simultaneously TDLAS including a signal detector 1 to measure only the intensity of the laser light source 1, condensing on the collimator lens group 1.
본원 발명의 제2양태는 중적외선 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 존재하며 상기 레이저빔이 통과하는 측정부; 상기 측정부를 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;를 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS에 있어서, 상기 레이저부는 분포궤환형레이저 또는 양자폭포레이저의 광원을 시준렌즈2를 통해서 집광하여 조사하고, 상기 집광된 레이저가 통과하는 상기 측정부는 측정된 기체가 있는 영역을 통과하는 상기 집광된 레이저를 일부 반사시키고 일부 통과시키는 거울1, 거울1에서 일부 반사된 상기 집광된 레이저를 다시 반사시키는 거울2, 상기 거울2에서 반사된 상기 집광된 레이저가 측정된 기체가 있는 영역을 통과한 상기 집광된 레이저를 집광하는 시준렌즈1을 포함하여, 상기 광검출부는 상기 거울1을 통과한 상기 집광된 레이저의 강도를 측정하는 신호검출기2, 상기 시준렌즈1에서 집광된 레이저의 강도를 측정하는 신호검출기1을 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS을 제공한다.A second aspect of the present invention provides a laser processing apparatus comprising: a laser section for irradiating a medium infrared laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor for performing analysis using the laser beam, wherein the laser unit collects and irradiates the light source of the distributed feedback laser or the quantum laser through the collimator lens 2, Wherein the measuring unit through which the laser beam passes is a mirror 1 for partially reflecting and partially passing the condensed laser beam passing through the region where the measured gas is present, a mirror 2 for reflecting back the condensed laser beam partially reflected at the mirror 1, And a collimator lens 1 for condensing the condensed laser beam having passed through the area where the measured condensed laser beam is reflected by the condenser lens 2 and for measuring the intensity of the condensed laser beam passing through the mirror 1 And a signal detector 1 for measuring the intensity of the condensed laser beam in the collimator lens 1, Hour TDLAS.
본원 발명의 제3양태는 상기 레이저광원은 레이저 조절기를 이용하여 온도와 전류를 조절하고, 함수발생기를 사용하여 레이저의 파장을 변조하는 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 제공한다.The third aspect of the present invention provides a multi-gas simultaneous measurement TDLAS in which the laser light source modulates temperature and current using a laser regulator and modulates the wavelength of the laser using a function generator.
본원 발명의 제4양태는 상기 시준렌즈1과 시준렌즈2는 같은 측면에 위치하며, 상기 거울1과 거울2는 모두 대칭되는 타측면에 위치하는 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 제공한다.In a fourth aspect of the present invention, the collimating lens 1 and the collimating lens 2 are located on the same side, and both the mirror 1 and the mirror 2 are symmetrically located on the other side.
본원 발명의 제5양태는 신호검출기1는 오실로스코프(320) 및 데이타처리장치(340)에 의해서 처리되는 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 제공한다.The fifth aspect of the present invention provides a multi-gas simultaneous measurement TDLAS in which the signal detector 1 is processed by an
본원 발명의 제6양태는 본원 발명에 따른 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 사용하여 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 사용하여 다종 가스의 농도를 측정하는 방법을 제공한다.A sixth aspect of the present invention provides a method for measuring the concentration of multiple gases using the TDLAS using simultaneous multi-gas measurement using the multi-gas simultaneous TDLAS according to the present invention.
본원 발명의 제7양태는 본원 발명에 따른 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 사용하여 다중 가스 동시 측정 TDLAS를 사용하여 중적외선 영역의 레이저 장비를 광학 정렬하는 방법을 제공한다.
A seventh aspect of the present invention provides a method for optically aligning a laser apparatus in a medium-infrared region using a multi-gas simultaneous measurement TDLAS using a multi-gas simultaneous measurement TDLAS according to the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 다종가스 동시 측정 TDLAS 시스템은 본원 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연소시스템에서 대기로 방출되는 다종가스(multicomponent gas)의 농도 또는 온도를 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)기법을 사용하여 측정하는 시스템에 있어서 레이저 광원과 광검출부의 부정렬을 검출하고 높은 농도와 낮은 농도의 기체를 동시에 측정할 수 있다는 장점이 있다
As described above, the TDLAS system for simultaneous multi-gas measurement according to the present invention solves the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a TDLAS system for simultaneously measuring the concentration or temperature of a multicomponent gas In the system using the TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) technique, it is possible to detect the misalignment between the laser light source and the photodetector portion and to simultaneously measure the high concentration and low concentration of gas
도 1은 파장가변형 다이오드레이저 흡수분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 'TDLAS')에서 Beer-Lambert 법칙에 따른 계산식을 보여준다.
도 2는 본원 발명에 일실시예에 따른 TDLAS 장치의 개략도이다.
도 3은 본원 발명에 또 다른 일실시에 따른 DLAS 장치의 개략도이다.
도 4는 통상적인 TDLAS 장치의 개략도이다.FIG. 1 shows a calculation formula according to the Beer-Lambert rule in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (hereinafter referred to as 'TDLAS').
2 is a schematic diagram of a TDLAS apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a DLAS apparatus according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram of a typical TDLAS device.
이하에서는, 본원 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited thereto.
TDLAS는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser)를 이용한 계측시스템으로서 최근 들어서 실시간 계측 시스템 중 많은 관심을 받고 있다. 도 4는 대표적인 TDLAS 관련 구성으로서 TDLAS 자체에 대한 기술적 사항은 특허문헌 4, 5, 6에 기재된바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.TDLAS is a measuring system using a tunable diode laser. Recently, it has received much attention in real time measurement system. FIG. 4 is a representative TDLAS-related configuration, and technical matters concerning the TDLAS itself are described in Patent Documents 4, 5 and 6. A detailed description thereof will be omitted.
TDLAS 장비는 대체적으로 레이저빔을 조사하는 레이저부; 측정을 위한 기체가 포집되며 상기 레이저빔이 통과하는 측정 셀; 상기 측정 셀을 통과한 레이저빔이 집광되는 광검출부; 상기 레이저빔을 이용하여 분석을 수행하는 프로세서부;로 구성된다.The TDLAS equipment generally comprises a laser part for irradiating a laser beam; A measurement cell for collecting gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector unit in which the laser beam passing through the measurement cell is condensed; And a processor unit for performing analysis using the laser beam.
레이저부는 파장가변형 다이오드 레이저(Tunable Diode Laser) 또는 분포궤환형 레이저(Distributed Feedback laser)일 수 있다. 통상적으로 레이저는 파장이 고정되어 있으나 다이오드 레이저를 사용함으로써 파장을 변조할 수 있으며, 이는 함수 생성기를 통해서 변조가 가능하다.The laser portion may be a tunable diode laser or a distributed feedback laser. Generally, a laser has a fixed wavelength, but a wavelength can be modulated by using a diode laser, which can be modulated by a function generator.
도 2는 다종의 가스를 측정하기 위해 설계된 광학 구성도이며, 거울1(110)과 거울2(120)를 사용하여 광경로를 2배로 늘리고, 거울2(120)에 작은 홀을 내어 다른 파장의 레이저 빛을 보내서 동시에 다른 가스 종을 측정할 수 있다. 분포궤환형레이저(Distributed Feed Back Laser, DFB Laser)1(230)과 2(240)는 레이저 조절기(Laser controller)(220)를 이용하여 온도와 전류를 조절하고, 함수발생기(Function Generator)(210)를 사용하여 레이저 빛의 파장을 변조시킨다. 이렇게 변조된 파장들은 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)(250)을 통과하여 다른 두 파장이 한 광섬유(Optical Fiber)를 통과하여 시준렌즈(Collimating lens)2(260)에 집광되고 거울2(120)로 평행하게 빛이 진행된다. 거울2(120)에서 홀이 있는 곳으로 평행된 빛이 필터2(350)를 통해 분포궤환형레이저2(240)의 파장만 신호검출기2(370)에 검출하고, 나머지 거울2(120)에서 반사된 빛은 거울1(110)로 진행되어 필터1(360)을 통과하여 분포궤환형레이저1(230)의 파장만 시준렌즈1(310)에 집광되는데, 이때 파장은 광경로가 2배로 길어진 상태로 집광되기 때문에 흡수 강도(면적)이 커진다. 따라서 선강도의 값이 큰 차이가 나는 다른 다종의 가스는 선강도가 매우 작은 가스의 흡수 길이를 한 쪽은 길게, 선강도가 큰 가스는 흡수 길이를 짧게 하여, 동시에 온도나 농도를 같이 측정 할 수 있다.FIG. 2 is an optical configuration diagram designed to measure various kinds of gases. The mirror 1 (110) and the mirror 2 (120) are used to double the optical path and a small hole is formed in the mirror 2 (120) Other gas species can be measured simultaneously by sending laser light. Distributed Feed Back Laser (DFB Laser) 1 230 and 2 240 adjust the temperature and current using a
도 3은 중적외선 영역의 레이저를 사용할 경우의 광학 구성도를 보여준다. 도 2와 다른 부분은 필터의 유무 차이인데, 중적외선 영역의 레이저의 광학 정렬에서 거울2(120)의 홀을 통해 빛을 광검출기로 계측하여 설계된 레이저 빛의 경로를 제대로 진행되고 있는지에 대한 판단을 쉽게 내기 위해 사용된다. 일반적으로 레이저 파장에 해당하는 렌즈와 광섬유를 이용하여 광학 구성도를 설계하는데, 만약 다른 파장의 레이저를 중적외선 영역의 광학 설계한 곳에 레이저의 빛을 입사시키면 왜곡 현상 및 렌즈에 코팅되어 있는 부분에 의해 빛이 차단되기도 한다. 특히 이런 현상은 중적외선 영역의 파장이 사용되는 광학계에서 쉽게 정렬하기 위해 눈에 보이는 가시광선의 빛을 입사시키면 중적외선 영역에서 사용되는 렌즈 위에 코팅 때문에 가시광선 영역의 빛이 차단되어 가시광선을 이용한 광학 정렬은 할 수 없고, 근적외선의 영역의 레이저 빛은 심한 왜곡 현상으로 중적외선 광학계에 적용하여 광학 정렬을 할 수 없다. 중적외선 영역의 레이저의 빛은 분포궤한형레이저의 한계로 인해 일반적으로 광량이 강한 양자폭포레이저(Quantum Cascade Laser, QCL)를 사용한다. 눈에 보이지 않고 빛의 광량이 매우 세기 때문에 광학 정렬시 매우 조심해야하므로, 빛의 경로를 파악하는 것이 중요하기 때문에 거울2(120)의 홀의 역할이 매우 크다. 이 홀은 빛의 세기를 미세하게 감소시킬 수 있지만 가스 측정 시 큰 영향은 없으며, 빛의 진행을 확인할 수 있는 역할을 한다. 따라서 중적외선 영역에서의 광학 정렬을 좀 더 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.FIG. 3 shows an optical configuration diagram when a laser in the mid-infrared region is used. In the optical alignment of the laser in the middle infrared region, light is measured through the hole of the mirror 2 (120) by a photodetector to determine whether the path of the designed laser light is proceeding properly It is used to make it easy to pay. In general, when designing an optical structure using a lens and an optical fiber corresponding to a laser wavelength, if laser light of a different wavelength is incident on an optical design of a middle infrared region, distortion occurs and a portion coated on the lens Light is also blocked by. Particularly, this phenomenon is caused by the fact that when visible light is incident on the optical system in which the wavelength of the infrared region is used, the visible light is blocked due to the coating on the lens used in the infrared region, Alignment can not be performed, and laser light in the near-infrared region is severely distorted and can not be optically aligned by applying to the infrared optical system. In the mid-infrared region, the laser beam uses a quantum cascade laser (QCL), which generally has a strong light intensity due to the limitations of the distributed beam type laser. Since it is important to grasp the path of the light, the role of the mirror 2 (120) plays a very large role, since it is invisible and the intensity of the light is very intense. This hole can reduce the intensity of light to a small degree, but it does not have a big influence on the gas measurement, and it can confirm the progress of the light. Therefore, there is an advantage that the optical alignment in the middle infrared region can be made easier.
다종의 가스를 측정 할 때, Beer-Larmbert 법칙에 따라 가스의 광경로를 늘리면 흡광도의 면적이 커지므로 선강도가 상대적으로 작은 가스의 파장의 광경로를 길게 해주며, 선강도가 큰 가스의 파장은 거울에 홀로 입사되어 동시에 다른 두 종의 가스를 측정할 수 있게 되어, 가스의 온도와 농도를 동시에 측정할 수 있다. 또한 중적외선 영역에서의 광학 정렬 시, 거울의 홀에 입사된 미세한 빛의 광량으로 설계된 광경로를 따라 빛의 진행방향을 파악 할 수 있기 때문에 좀 더 쉽게 중적외선 파장영역에서의 광학 정렬이 매우 쉽고, 간편하다.When measuring various kinds of gases, increasing the optical path of the gas according to the Beer-Larmbert law increases the area of the absorbance, thereby lengthening the optical path of the wavelength of the gas having a relatively small intensity, Can enter the mirror alone and simultaneously measure the other two gases, so that the temperature and concentration of the gas can be measured at the same time. In addition, optical alignment in the mid-infrared region can be more easily performed because the direction of the light can be grasped along the optical path designed by the light amount of the minute light incident on the hole of the mirror in the optical alignment in the middle infrared region , easy.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
110
거울 1
120
거울 2
210
함수발생기
220
레이저 조절기
230
분포궤환형레이저1
240
분포궤환형레이저2
250
파장분할다중화장치
260
시준렌즈2
310
시준렌즈1
320
신호검출기1
330
오실로스코프
340
데이타처리장치
350
필터2
360
필터1
370
신호검출기2110 Mirrors 1
120 Mirrors 2
210 Function Generator
220 laser regulator
230 distributed feedback laser 1
240 distributed feedback laser 2
250 wavelength division multiplexing device
260 Focusing Lens 2
310 collimation lens 1
320 Signal Detector 1
330 Oscilloscope
340 data processing device
350 Filter 2
360 filter 1
370 signal detector 2
Claims (7)
상기 레이저부는 분포궤한형 레이저광원1과 분포궤한형 레이저광원2인 2개의 레이저 광원을 시준렌즈2를 통해서 집광하여 조사하고,
상기 집광된 레이저가 통과하는 상기 측정부는 측정된 기체가 있는 영역을 통과하는 상기 집광된 레이저를 일부 반사시키고 일부 통과시키는 거울1, 거울1에서 일부 반사된 상기 집광된 레이저를 다시 반사시키는 거울2, 상기 거울2에서 반사된 상기 집광된 레이저가 측정된 기체가 있는 영역을 통과한후 필터2를 사용하여 상기 레이저광원1의 레이저만 집광하는 시준렌즈1을 포함하여,
상기 광검출부는 상기 거울1을 통과한 상기 집광된 레이저를 필터1을 사용하여 상기 레이저광원2의 강도만 측정하는 신호검출기2, 상기 시준렌즈1에서 집광된 레이저광원1의 강도만 측정하는 신호검출기1을 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS.
A laser unit for irradiating a laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor unit for performing analysis using the laser beam, the multi-gas simultaneous measurement TDLAS comprising:
The laser unit collects and irradiates two laser light sources, that is, a distributed light source 1 and a distributed light source 2, through a collimator lens 2,
The measuring unit through which the condensed laser passes includes a mirror 1 for partially reflecting and partially passing the condensed laser passing through the region where the measured gas is present, a mirror 2 for reflecting the condensed laser partially reflected from the mirror 1, And a collimator lens (1) for condensing only the laser beam of the laser beam source (1) using a filter (2) after the condensed laser beam reflected from the mirror (2) passes through a region where the measured gas exists,
The optical detector includes a signal detector 2 for measuring the intensity of the laser light source 2 using the filter 1, a signal detector 2 for measuring only the intensity of the laser light source 1 condensed in the collimator lens 1, Simultaneous multi gas measurement TDLAS including.
상기 레이저부는 분포궤환형레이저 또는 양자폭포레이저의 광원을 시준렌즈2를 통해서 집광하여 조사하고,
상기 집광된 레이저가 통과하는 상기 측정부는 측정된 기체가 있는 영역을 통과하는 상기 집광된 레이저를 일부 반사시키고 일부 통과시키는 거울1, 거울1에서 일부 반사된 상기 집광된 레이저를 다시 반사시키는 거울2, 상기 거울2에서 반사된 상기 집광된 레이저가 측정된 기체가 있는 영역을 통과한 상기 집광된 레이저를 집광하는 시준렌즈1을 포함하여,
상기 광검출부는 상기 거울1을 통과한 상기 집광된 레이저의 강도를 측정하는 신호검출기2, 상기 시준렌즈1에서 집광된 레이저의 강도를 측정하는 신호검출기1을 포함하는 다중가스 동시 측정 TDLAS.
A laser unit for irradiating an intermediate infrared laser beam; A measurement unit having a gas for measurement and through which the laser beam passes; A photodetector part in which the laser beam passing through the measurement part is condensed; And a processor unit for performing analysis using the laser beam, the multi-gas simultaneous measurement TDLAS comprising:
The laser unit collects and irradiates the light source of the distributed feedback laser or the quantum water laser through the collimator lens 2,
The measuring unit through which the condensed laser passes includes a mirror 1 for partially reflecting and partially passing the condensed laser passing through the region where the measured gas is present, a mirror 2 for reflecting the condensed laser partially reflected from the mirror 1, And a collimator lens (1) for condensing the condensed laser beam reflected by the mirror (2) and passing through a region where the measured gas is condensed,
Wherein the optical detector comprises a signal detector (2) for measuring the intensity of the condensed laser beam passed through the mirror (1), and a signal detector (1) for measuring the intensity of the condensed laser beam in the collimator lens (1).
상기 레이저광원은 레이저 조절기를 이용하여 온도와 전류를 조절하고, 함수발생기를 사용하여 레이저의 파장을 변조하는 다중 가스 동시 측정 TDLAS.3. The method according to claim 1 or 2,
The laser source is a multi-gas simultaneous measurement TDLAS that modulates temperature and current using a laser regulator and modulates the wavelength of the laser using a function generator.
상기 시준렌즈1과 시준렌즈2는 같은 측면에 위치하며, 상기 거울1과 거울2는 모두 대칭되는 타측면에 위치하는 다중 가스 동시 측정 TDLAS.
3. The method according to claim 1 or 2,
The collimating lens 1 and the collimating lens 2 are located on the same side, and both the mirror 1 and the mirror 2 are symmetrically positioned on the other side.
신호검출기1는 오실로스코프(320) 및 데이타처리장치(340)에 의해서 처리되는 다중 가스 동시 측정 TDLAS.
3. The method according to claim 1 or 2,
The signal detector 1 is a multi-gas simultaneous measurement TDLAS that is processed by an oscilloscope 320 and a data processing unit 340.
A method for measuring the concentration of multiple gases using TDLAS according to claim 1.
A method for optically aligning laser devices in the mid-infrared region using a multi-gas simultaneous measurement TDLAS according to claim 2.
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| KR102056794B1 (en) | 2019-12-18 |
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