Sensor Technology for Flowmeter & FT-IR

Sensor TechnologyforFlowmeter & FT-IR 정보통신학과 1학기 신민철

목 차 • 초음파 유량계 • - 시간차 측정방법 • 2. FT-IR 가스분석기 • - FT-IR 의 원리

연구 목표 * 굴뚝 TMS 자동측정기기 개발 및 국산화 1) 초음파를 이용한 굴뚝배출가스 유량 측정기기 개발 2) FT-IR광원의 흡광도를 이용한 SOx, NOx, CO2 측정기기 개발 Sensor

초음파 유량계 • 측정방식 : 초음파의 전달시간차 방식 • 사용펄스 : 5개 구형파 • 사용주파수 : 50KHz • 감지방식 : Cross Correlation기법을 이용한 위상탐지 • -진폭탐지가 아닌 위상탐지방식(FM라디오처럼 깨끗한신호) • 수십 pico-seconds의 분해능이 가능한 • 미세시간 측정기술 (특허10-0532041)

비행기의 비행시간은 ? 14시간 17시간

AIRLINE TIMES FROM(airport code) TotalTime TO (airport code) KAL 101 2/22 11:00 2/22 10:30 Seoul(Inchun) New York (SFO) 14h KAL 102 2/25 12:30 2/26 17:10 New York(JFK) Seoul(Inchun) 17h 비행기 스케쥴표

왜 비행시간이 다를까 ? 기상상태를 확인해 보자 비행기 스케쥴표 항상 바람은 서쪽에서 동쪽으로 분다!

UP기준점 DN기준점 시간차 측정방법 시간차 = DN기준점 – UP기준점

초음파 센서 • 초음파 센서 • - 진동 주파수 : 50KHz • - 진동자 종류 : P5 • - 센서 외부 : 스테인레스 스틸

초음파 발생신호 • 펄스 발생과 출력회로 • - 입력신호 : LVTTL • - 구동주파수 : 50KHz • - 발생펄스수 : 5개 • - 출력신호 : +/-15V

초음파 송수신신호 송신펄스와 수신파형 확대된 수신파형 • - 센서거리 : 250mm • 구동주파수 : 50KHz • 발생 펄스수 : 5개 • -송신전압 : +/-15V

Cross Correlation • 원리 : UP방향 초음파 센서와 DOWN방향 초음파 센서의 파형을 일치 • 시키는 작업을 하여 두 신호의 기준점을 정하여 초음파의 전달 • 시간 차이로 발생된 초음파 파형의 이격거리를 측정하는 기술 • 중요점 : 두 초음파 센서의 파형이 완벽히 일치하여야 Cross • Correlation결과가 정확해진다. 일치된 센서의 Cross Correlation 불일치된 센서의 Cross Correlation

센서보드 • 수십 Pico-Second의 분해능이 가능한 매우 정밀한 설계 • 세계적으로 2~3개 회사만이 가진 매우 어려운 기술

초음파유량계 • 액체용 센서 및 기체용 센서 제작 • ARM(2440)을 기반으로 하는 Embedded Board로 구성

현장 사진 • 대형의 파이프 (수자원공사, 인천공항)

현장 사진 • 소형 파이프 (약품투입 및 작동유 측정)

FT-IR의 원리

Nicolet 사의 간섭계 장점 - 안정성이 좋음 - 간단한 광학계 구성 - 분해능 제한 없음 단점 - 재연성이 좋지 않음 - 광정열의 미세조정 요구 - 보상이 필요한 빔분리기

ABBN 사의 간섭계 장점 - 보상 불필요한 빔분리기 - 광학계 미세조정 불필요 - 재연성, 반복성 좋음 단점 - 양면코팅 빔분리기 - 간섭계 구성이 어려움 - 회전이동에 따른 분해능 제한

본연구 특허출원 간섭계 발명의 명칭 : 단면코팅된 빔분리기를 사용한 퓨리에변환 적외선 분광기 출원번호 : 10-2005-0118223 장점 - 보상 불필요한 빔분리기 - 단면코팅 빔분리기 - 비교적 간단한 광학계 - 광학계 미세조정 불필요 - 재연성, 반복성 좋음 - 직선이동에 의한 분해능 제한 없음 단점 - 빔분리기의 투과, 반사율 이 다를 경우 광신호감소

FT-IR 가스분광기 제작 사진 특허출원 미켈슨 간섭계 Retroreflector 빔 분리기 검출기 Ge 렌즈 광원 가스 셀

FT-IR 가스분광기 부품 0. 광원 : Globar 램프 (SiC 봉, 1100 K, 1 – 20 mm) 0. Ge 렌즈 : IR 광을 모아줌 0. 빔분리기 : IR 광을 두개의 광으로 나눔 (Maker판매 안함, 자체제작) 0. Retroreflector : IR 광을 정확하게 평행으로 반사 (Au 코팅) 0. 가스셀 : IR 광을 10cm의 셀에 여러 번 반사하여 광 경로가 2.3m가 됨 0. 검출기 : HgCdTe 검출기 (1 – 10 mm)

단면 코팅 빔분리기 제작 사진 • - KBr window에 Ge 코팅 • KBr window를 구입 Ge • 을 직접코팅 • FT-IR 핵심부품인 빔분 • 리기 제작기술 확보 • 투과특성 : 42-55% (3- • 10 mm)

한국표준과학연구원의 표준인증가스 • N2 : 99.9999% • N2+SO2 : 1578.3 ppm • N2+NOx : 1349.5 ppm • N2+CO : 1523.2 ppm • 각 가스용기에는 2단계 • 압력조절기와 정밀 유 • 량계 (50cc/min) 부착 • 하여 정밀한 유량조절 • 가능

FT-IR 가스분광기 측정 N2-N0x의 FT-IR 흡광도 N2의 FT-IR 스펙트럼

오염가스 농도에 대한 FT-IR 흡광도 N2+SO2 N2+CO N2+NOx

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