비분산 자외선 흡수법(NDUV)은 분자 자외선 흡수법을 사용하는 방법입니다. 특히, 오존(O3)은 특정 파장에서 자외선을 흡수하기 때문에 이 방법을 사용하여 O3가스를 측정할 수 있습니다. O3가스는 253.7nm의 자외선 영역에서 최대 흡수 대역을 갖기 때문에 이 파장은 농도를 측정하는 데 사용됩니다. 다음 섹션에서는 NDUV에 의한 샘플 가스에서 O3측정에 대해 설명합니다.
그림 1: NDUV를 사용한 가스 분석기의 기본 구조
자외선 광원에서 나오는 특정 파장(입사광)의 자외선은 챔버(가스 셀)에 도입된 샘플 가스에서 O3에 의해 흡수되어 측정됩니다. 흡수된 광에서 광 검출기가 있는 광학 필터를 통해 선택적으로 투과되는 UV를 측정합니다. 광 검출기의 측정을 위한 비어-람베르트 법칙에 따라 샘플 가스의 O3 농도가 계산됩니다. (그림 1)
자외선 흡수도와 가스 농도 사이의 관계는 비어-람베르트 법칙에 의해 결정됩니다.
입사광의 흡수량은 흡수 분자의 농도에 따라 다릅니다. 이 관계는 비어-람베르트 법칙으로 표현됩니다.
Ι = Ι0exp (-μcd)
Ι: 투과광 강도
Ι0: 입사광 강도
c: 흡수 분자의 농도(측정 성분)
μ: 흡수 계수 (분자와 파장에 의해 결정되는 상수)
d: 흡수 분자층(가스층)의 두께
NDUV를 사용하는 분석기를 UV 흡수 가스 분석기라고 합니다. 구조가 간단하고 유지 보수가 용이하며 연속 측정에 적합한 기능을 가지고 있어 O3의 측정에 사용됩니다.
그림 2: UV 흡수 가스 분석기의 구조 및 작동 원리
샘플 가스가 가스 셀을 통해 흐르는 동안 자외선(입사광)이 지속적으로 조사되면 샘플 가스의 O3는 가스 농도에 비례하여 자외선을 흡수합니다. O3의 농도가 증가함에 따라 가스 셀에서 흡수 된 UV의 양도 증가합니다. 가스 셀에서 흡수된 UV 광선은 광학 필터에 의해 선택되어 디텍터로 전달됩니다. 이 투과광은 광 검출기 (포토 다이오드)에 의해 검출되고, 샘플 가스 중 O3 농도는 검출 신호에 대한 신호 처리에 의해 지속적으로 측정됩니다.
교차 변조 방식: 샘플 가스에서 O3를 제거하여 생성된 레퍼런스 가스와의 교차 변조 방식은 감지 신호에 대한 노이즈 면역력을 향상시키고 UV 광원의 광도 감소 효과를 줄여줍니다.
교차 변조 방식은 솔레노이드 밸브 유닛에 의해 가스 전지의 가스를 주기적으로 전환하는 변조 방식입니다. 교차 변조 방식에서는 솔레노이드 밸브 유닛에 의해 샘플 가스와 비교 가스가 교대로 전환되어 가스 전지에 일정한 간격으로 유입되어 검출기 신호를 변조합니다. 이 변조된 감지 신호를 사용하면 노이즈가 감소하고 고정밀 연속 가스 측정이 가능합니다. 측정 성분이 포함되지 않은 기준 가스는 항상 농도가 0인 가스로 측정되기 때문에 분석기의 영점이 안정적입니다.
실제 교차 변조 방식은 스위칭 메커니즘(변조 메커니즘)을 위한 솔레노이드 밸브 장치를 사용하여 샘플 가스와 기준 가스를 하나의 가스 전지로 교대로 흐르게 합니다. 가스 전지로 유입되는 기준 가스는 오존 분해기를 사용하여 샘플 가스에서 O3를 제거하여 생성됩니다. (그림 3 참조)
그림 3: 오존(O3) 가스 분석기의 구조 및 작동 원리
교차 변조를 가진 NDUV에 의해, 광검출기에 의해 검출된 UV는 신호 처리에서 AC 신호(변조 신호)와 DC 신호로 나뉘어지며, AC 신호는 O3 농도로 증폭되고 O3 농도가 계산됩니다. 변조된 신호를 사용하면 감지 신호의 노이즈 내성이 향상됩니다.
UV 광원의 강도에 비례하는 DC 신호는 노화로 인한 UV 광원의 강도 감소를 보상하는 데 사용됩니다. 결과적으로, 분석기의 영점과 스팬 포인트는 장기간에 걸쳐 안정적입니다.
NDUV를 사용하는 가스 분석기는 이러한 구조 및 작동에 의해 샘플 가스 내 O3를 안정적이고 지속적으로 측정할 수 있습니다.
UV 흡수 가스 분석기는 광화학 스모그의 주요 원인인 O3의 연속 측정 및 모니터링에 주로 사용됩니다. 또한 반도체 클린룸의 오염 방지를 위해 O3를 모니터링하는 데 사용됩니다.
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