적외선 가스 분석기 구조 및 구성 요소 기능
그림 6은 적외선 가스 분석기 구조의 예를 보여줍니다. 이는 표 1에 나열된 기능을 가진 주요 부품의 조합으로 구성됩니다.
그림 6: 적외선 가스 분석기의 구조
그림 6은 적외선 가스 분석기 구조의 예를 보여줍니다. 이는 표 1에 나열된 기능을 가진 주요 부품의 조합으로 구성됩니다.
그림 6: 적외선 가스 분석기의 구조
| 1) 적외선 광원 | 2.5-25μm의 중적외선 파장을 포함하는 적외선 복사광을 방출합니다. |
| 2) 초퍼 | 적외선 광원으로부터 샘플 셀과 기준 셀에 일정한 주기로 공급되는 간헐적 적외선 복사(변조 메커니즘의 한 종류) |
| 3) 샘플 셀, 리퍼런스 셀 | 샘플 셀은 측정된 구성 요소를 포함하는 샘플 가스를 흘려 보내는 가스 셀입니다. 레퍼런스 셀은 레퍼런스 가스를 흘려 보내거나 둘러싸여 있는 가스 셀이며, 적외선 복사에 대한 광학 경로가 됩니다. |
| 4) 광학필터 | 측정된 성분의 흡수된 특정 파장의 적외선 복사만을 투과시키는 다층 멤브레인 필터 |
| 5) 측정 성분 별 검출기 | 측정된 성분의 적외선 흡수 변화를 감지하기 위한 센서를 포함하는 감지 메커니즘 |
| 6) 간섭 성분 보정용 검출기 | 측정 성분에 대한 간섭 성분의 영향을 보정하기 위해 간섭 성분의 적외선 흡수 변화를 감지하는 센서를 포함한 감지 메커니즘 |
| 7) 신호 처리 | 검출된 신호 5, 6에 대한 신호처리를 통해 측정성분의 농도를 계산 |
사진 1 : 주요 구성품으로 구성된 적외선 가스 분석기의 예
사진 1은 주요 구성 요소로 구성된 적외선 가스 분석기의 예를 보여줍니다. 다양한 시장 요구에 신속하게 대응하기 위해 HORIBA 적외선 가스 분석기의 핵심 구성 요소인 적외선 광원, 샘플 셀, 리퍼런스 셀, 광학 필터 및 검출기를 자체적으로 제조합니다.
이 섹션에서는 실제 적외선 가스 분석기의 작동 원리를 설명합니다. 적외선 가스 분석기의 기본 구조(그림 4)는 리퍼런스 셀, 초퍼 및 공압식 디텍터(그림 5)를 통합하며 표 2의 세 가지 주요 기능(그림 6, 사진 1)을 사용하여 가스 농도를 측정할 수 있습니다.
| 1) 측정성분 검출기능 | 샘플 가스 내 측정 성분에 상응하는 흡수된 적외선 복사선을 감지합니다. |
| 2) 변조기능 | 측정 정확도를 높이기 위해 적외선 광원에서 나오는 적외선 복사는 일정한 간격으로 간헐적으로 방출되고, 검출기 신호는 변조된 신호로 출력됩니다. |
| 3) 간섭성분에 대한 보정기능 | 측정 성분에 대한 간섭 성분 효과를 보상하기 위해 간섭 성분의 농도에 상응하는 적외선 흡수를 감지합니다. |
이 섹션에서는 샘플 가스가 배기가스일 경우, 배기가스 내의 CO를 측정하는 경우의 작동 원리를 설명합니다.
두 개의 가스 셀(샘플 셀과 비교 셀)을 사용합니다. NDIR 측정 원리에 따라 각 가스 셀에서 발생하는 적외선 흡수량의 차이는 공압식 디텍터에서 콘덴서 마이크로폰에 의해 압력 차이로 감지되고, 압력 차이를 이용하여 샘플 가스 내의 측정 성분의 농도를 측정합니다. 측정 성분의 농도를 측정하는 디텍터를 측정 성분의 메인 디텍터라고 합니다(그림 6).
샘플 셀, 레퍼런스 셀 및 콘덴서 마이크로폰의 기능 및 작동(그림 7)
그림 7: 분석기의 기본 작동 원리
공압식 디텍터(그림 5) 내부에서 측정 성분인 CO는 콘덴서 마이크로폰 다이어프램으로 분리된 두 챔버에 담겨 있습니다. 디텍터 내 콘덴서 마이크로폰의 다이어프램은 두 챔버 사이의 압력 차이로 인해 움직이며, 이 다이어프램과 백 플레이트로 형성된 커패시터의 정전용량이 변하고, 압력 차이가 전기 신호로 감지됩니다.
리퍼런스 셀에는 적외선 복사를 흡수하지 않는 N2와 같은 불활성 가스가 봉입되어 있습니다. 이 셀에서는 적외선이 흡수되지 않고 CO에 대한 흡수 파장의 적외선만 광학 필터를 통과하여 리퍼런스 셀 아래의 검출기 오른쪽 챔버로 들어갑니다. 봉입된 CO는 투과된 적외선을 흡수하고 열을 발생시켜 챔버 압력을 높이고 다이어프램을 일정한 압력으로 지속적으로 밀어냅니다.
한편, 적외선 복사는 배기가스 중의 CO 농도에 따라 샘플 셀에 흡수된다. 샘플 셀에 흡수된 후 특정 파장의 적외선 복사는 CO의 적외선 흡수 파장에 대한 광학 필터에 의해 선택적으로 투과되어 샘플 셀 아래의 검출기의 좌측 챔버로 들어가 좌측 챔버에 둘러싸인 CO에 의해 흡수된 적외선 복사의 양에 해당하는 압력으로 다이어프램을 밀게 된다. 이때, 다이어프램은 좌측 및 우측 챔버 사이의 압력 차이에 의해 이동한다(이동하지 않거나 좌측 챔버로 이동. 압력은 좌측 챔버 ≦ 우측 챔버). 이 압력 차이는 배기가스 중의 CO의 적외선 흡수로 변환되어 전기 신호로 출력되고, 이는 신호 처리 장치에 의해 CO 가스 농도 값으로 변환된다.
콘덴서 마이크로폰은 다이어프램과 백플레이트 사이의 거리 차이가 다이어프램의 좌우측의 압력 차이에 대응하여 변할 때 정전용량의 변화를 감지합니다. 측정 성분 가스의 농도 변화가 거의 없고 다이어프램의 움직임이 적고 느리더라도 적외선 광원의 적외선 복사가 일정한 간격으로 중단되어 다이어프램을 일정한 간격으로 진동시키고 미세한 농도 변화를 정확하게 측정할 수 있습니다. 이러한 일련의 작업을 변조라고 합니다.
초퍼의 기능 및 작동
그림 8: 초퍼 오퍼레이션 vs 적외선 공급
구체적으로는 적외선 광원 아래에서 초퍼라고 불리는 나비넥타이 모양의 얇은 판을 회전시켜 변조 동작을 수행하는 기구입니다(그림 8).
이 얇은 판을 회전시키면, 샘플 셀과 리퍼런스 셀의 각 적외선 광원의 적외선 복사량은 주기적으로 0%에서 100%까지 연속적으로 변합니다. 예를 들어, 초퍼가 두 셀의 적외선 광원과 완전히 겹치면(회전 각도: 0도), 두 셀 모두에서 적외선 복사가 생성되지 않고, 콘덴서 마이크로폰 다이어프램이 팽창하지 않습니다. 반대로, 겹치지 않으면(회전 각도: 90도), 적외선 광원으로부터 100%의 적외선이 두 셀에 공급됩니다.
그림 9: 적외선 가스 분석기 작동 및 측정 성분 농도 신호 감지
1)과 2)를 결합함으로써, 콘덴서 마이크로폰은 샘플 셀로 흐르는 측정 성분(배기 가스의 CO)의 농도에 비례하는 측면 압력 차이를 감지하는 것이 가능합니다(그림 9).
샘플 가스에 포함된 측정 성분 이외의 가스 중 측정 성분의 적외선 흡수 파장과 겹치는 파장을 가진 일부 가스가 공존할 수 있습니다. 이 가스를 간섭 성분이라고 합니다. (그림 10 그래프: 측정 성분과 간섭 성분의 적외선 흡수 파장 및 적외선 흡수량) 간섭 성분이 공존하는 경우, 측정 성분 출력 신호의 주 검출기에는 간섭 성분에 의해 흡수된 적외선이 포함되므로 이 효과를 제거해야 합니다. 이 효과를 제거하기 위해 간섭 성분에 대한 보정 검출기는 샘플 가스의 간섭 성분 농도에 해당하는 적외선 흡수를 검출합니다.
간섭 성분에 대한 보정 검출기의 기능 및 작동
그림 10: 간섭 성분에 대한 보정 검출기 및 간섭 효과에 대한 보정 후 측정 성분 신호 획득
간섭 성분에 대한 보정 검출기는 측정 성분에 대한 주 검출기와 동일한 적외선 복사 광 경로 및 변조 기능이 있도록 배치됩니다(그림 10). 간섭 보정용 검출기는 또한 측정 성분에 대한 주 검출기와 동일한 유형의 공압식 검출기(그림 5) 입니다. 측정 성분에 대한 주 검출기에서 측정 성분과 간섭 성분에 의해 흡수된 나머지 적외선은 간섭 성분에 대한 보정 검출기로 전송됩니다. 이 전송된 적외선은 간섭 성분에 대한 보상 검출기에 포함된 간섭 보정 가스에 의해 흡수되고 콘덴서 마이크로폰에 의해 압력 차이로 감지됩니다. 이것은 간섭 성분의 농도에 해당하는 보정 신호(B)를 감지합니다(그림 10 그래프 간섭 성분 보정 신호). 신호 처리에서 측정 성분에 대한 주 검출기의 출력 신호(A)에서 간섭 성분에 대한 보정 검출기의 출력 신호(B)를 빼면 간섭 보정이 있는 측정 성분의 농도를 얻을 수 있습니다.
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