본 논문은 다중 가스 필터 휠 (multi gas filter correlation wheel: multi GFC wheel)을 갖는 비분산 적외선법(NDIR method : non-dispersive infrared method)을 이용하여 대기 중 다종환경오염물질(CO, $SO_2$, NOx 등)을 동시에 실시간 측정할 수 있는 광학분석장치 개발을 위한 미세신호 검출 알고리즘을 제안한다. MCT(mercury cadmium telluride) 센서를 통해 측정된 각각의 환경오염물질의 미세신호는 고유한 NDIR 흡수 특성을 갖는다. 제안한 방법은 임계값과 하나의 외부 동기신호를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 각각의 오염물질 특정농도에 해당하는 데이터를 분리 검출한다.
본 논문은 다중 가스 필터 휠 (multi gas filter correlation wheel: multi GFC wheel)을 갖는 비분산 적외선법(NDIR method : non-dispersive infrared method)을 이용하여 대기 중 다종환경오염물질(CO, $SO_2$, NOx 등)을 동시에 실시간 측정할 수 있는 광학분석장치 개발을 위한 미세신호 검출 알고리즘을 제안한다. MCT(mercury cadmium telluride) 센서를 통해 측정된 각각의 환경오염물질의 미세신호는 고유한 NDIR 흡수 특성을 갖는다. 제안한 방법은 임계값과 하나의 외부 동기신호를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 각각의 오염물질 특정농도에 해당하는 데이터를 분리 검출한다.
In this paper, we propose a minute signal detection algorithm for a development of optical analyzer, using the non-dispersive infrared method with multi gas filter correlation wheel, that can measure various environmental air-pollution materials (CO, SO2, NOx, etc.) in real-time. The MCT(mercury cad...
In this paper, we propose a minute signal detection algorithm for a development of optical analyzer, using the non-dispersive infrared method with multi gas filter correlation wheel, that can measure various environmental air-pollution materials (CO, SO2, NOx, etc.) in real-time. The MCT(mercury cadmium telluride) sensor can detect minute signals those show and absorption characteristic of each environmental pollution materials. In the proposed method, a corresponding data of each environmental pollution materials can be separated by an external trigger and threshold values in the measured continuous signals.
In this paper, we propose a minute signal detection algorithm for a development of optical analyzer, using the non-dispersive infrared method with multi gas filter correlation wheel, that can measure various environmental air-pollution materials (CO, SO2, NOx, etc.) in real-time. The MCT(mercury cadmium telluride) sensor can detect minute signals those show and absorption characteristic of each environmental pollution materials. In the proposed method, a corresponding data of each environmental pollution materials can be separated by an external trigger and threshold values in the measured continuous signals.
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문제 정의
본 논문에서는 다종의 배출가스 오염물질을 동시에 측정하기 위해 개발된 다중 GFC 휠을 갖는 NDIR 분석 장치에서 이용한 다종오염물질의 농도 분석을 위한 미세신호 검출 방법을 제안한다. NDIR 분석장치는 최대 6개의 측정물질을 동시에 측정하기 위해 12개의 필터채널을 갖도록 설계되었고, 제안한 방법에서 회전하는 GFC 휠의 동작 특성인 회전속도를 고려하여 신호 취득을 위한 샘플링 주파수 (sampling frequency)와 유효 데이터 수의 관계를 유도하고자 한다.
제안 방법
검출 방법을 제안한다. NDIR 분석장치는 최대 6개의 측정물질을 동시에 측정하기 위해 12개의 필터채널을 갖도록 설계되었고, 제안한 방법에서 회전하는 GFC 휠의 동작 특성인 회전속도를 고려하여 신호 취득을 위한 샘플링 주파수 (sampling frequency)와 유효 데이터 수의 관계를 유도하고자 한다. 그리고 임계값과 하나의 외부 동기신호 (external trigger)를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 다양한 오염물질의 측정항목별 신호를 구분하는 알고리즘을 제시한다.
변환된 디지털 신호는 여러 종류의 측정항목별 데이터로 구성되는 순차신호 (sequence)이다. 각각의 오염물질에 해당하는 데이터는 신호처리 검출 알고리즘을 사용하여 구분한다. 이때 회전하는 다중 가스 필터 상관 휠의 동기신호 검출을 위해 외부에 장착된 광 트리거 센서 (external optical trigger sensor)를 이용한다.
NDIR 분석장치는 최대 6개의 측정물질을 동시에 측정하기 위해 12개의 필터채널을 갖도록 설계되었고, 제안한 방법에서 회전하는 GFC 휠의 동작 특성인 회전속도를 고려하여 신호 취득을 위한 샘플링 주파수 (sampling frequency)와 유효 데이터 수의 관계를 유도하고자 한다. 그리고 임계값과 하나의 외부 동기신호 (external trigger)를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 다양한 오염물질의 측정항목별 신호를 구분하는 알고리즘을 제시한다. 제안한 방법의 성능은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증한다.
측정된 데이터의 분석을 위해서는 각 측정항목별 정확한 구분과 펄스 신호로부터 측정항목에 해당하는 유효 데이터 취득이 필요하다. 먼저 측정항목에 해당하는 신호구분을 위해 GFC 외경에 부착된 광 커플러를 통한 트리거 신호와 임계 값 (threshold value)을 사용하여 다중 GFC 휠의 1 사이클(cycle)에 대한 정확한 동기를 찾는다. 연속적인 펄스 신호로 구성되는 다중 신호로부터 측정항목 구분은 트리거 신호를 기준으로 임계값(处妇叮)을 사용하여 펄스 수를 카운트(count)하여 해당 측정항목의 기준 셀 및 측정 셀 신호를 찾는다.
챔버를 나온 빛은 IR 센서에 의해각 채널의 적외선 흡수에너지가 측정되어 전기적 신호인 전압으로 변환된다. 이러한 각 채널의 IR 흡수 신호로부터 각각의 측정물질별 기준셀 신호와 측정셀의 출력신호의 흡수도 차 (differential absorption)를 계산하여 각 측정물질의 농도를 구한다. 이때 검출기는 한 쌍의 기준 셀과 측정 셀을 번갈아 가며 통과한 빛을 검출하므로 검출기 출력신호는 기준펄스와 측정펄스로 변조된 펄스 형태를 갖는다.
제안한 알고리즘의 성능확인을 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 하였다. 한국표준과학연구원에서 설계.
연속적인 펄스 신호로 구성되는 다중 신호로부터 측정항목 구분은 트리거 신호를 기준으로 임계값(处妇叮)을 사용하여 펄스 수를 카운트(count)하여 해당 측정항목의 기준 셀 및 측정 셀 신호를 찾는다. 펄스신호 진폭에 부가된 고주파 잡음으로 사이클 내에서 고정된 임계값인 THcnt 을 사용하여 펄스 수를 카운트할 때 오류가 발생할 수있으므로 다음과 같은 방법을 사용하였다.
대상 데이터
NDIR 검출기를 통해 측정된 신호는 매우 낮은 레벨의 아날로그 신호이며 전처리 증폭기(pre-amplifier)를 이용하여 증폭한 후 ADC(analog to digital converter) 에 의해 디지털 신호로 변환된다. 변환된 디지털 신호는 여러 종류의 측정항목별 데이터로 구성되는 순차신호 (sequence)이다.
데이터처리
그리고 임계값과 하나의 외부 동기신호 (external trigger)를 사용하여 연속적으로 측정된 신호로부터 다양한 오염물질의 측정항목별 신호를 구분하는 알고리즘을 제시한다. 제안한 방법의 성능은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증한다.
한국표준과학연구원에서 설계.제작한 NDIR 다종오염물질 측정시스템의 출력신호를 사용하여 제안한 신호 검출 알고리즘의 성능을 평가하였다.
성능/효과
그림 8에서 외부 트리거 신호가 5[V]에서 0[V]로 변한 횟수는 총 14번이며 초기화를 위해 첫번째 동기신호가 사용되었고 마지막 동기신호는 1 사이클에 해당하는 펄스 수가 완전하지 않으므로 데이터 취득에 사용되지 않으므로 데이터 처리를 위해 알고리즘으로 검출된 외부 트리거 신호는 12이다. 결과로부터 검출 알고리즘이 트리거 신호와의 동기 및 각 가스별 Ngfc를 정확히 검출했음을 알 수 있다. 그림 8 (a)에서 IR 신호의 TH血느 0~1 [V]이며 고주파 잡음과 저주파 잡음이 부가되었음을 알 수 있다.
비분산 적외선(NDIR)법에 의한 환경 대기시료 중 다종오염물질을 실시간으로 동시에 측정하는 다중오염물질 측정시스템에서 NDIR 검출기 개발을 위한 다중 가스 필터 상관(GFC) 휠의 회전속도 및 샘플링 주파수, 유효데이터 취득을 위한 식을 유도하고 연속적인 다중 펄스 신호로부터 각각의 측정항목별 데이터 검출을 위한 알고리즘을 제안하였다 실제 설계, 제작된 다중 GFC 휠을 사용하여 개발된 시스템으로부터 취득한 데이터를 사용하여 실행한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 취득 데이터를 이론적으로 예측할 수 있는 식의 유효함을 보였고, 이를 바탕으로 여러 종류의 대기오염물질별 데이터 취득을 위해 제안한 검출 알고리즘의 우수한 성능을 확인하였다.
그러나 그림 8의 검출 알고리즘에서 측정된 데이터 중 기준셀과 측정셀 출력값을 구하기 위해 상위 了%의 데이터만을 사용하므로 이러한 샘플 취득 시 발생하는 오차는 실제 데이터를 처리하는데 있어 영향을 주지 않는다. 이러한 결과로부터 제안한 검출 알고리즘의 가스 종 구분 성능과 데이터 취득 성능이 우수함을 알 수 있다. 그림 9와 그림 10은 각각 TH***의 변화와 검출 알고리즘에 의해 찾은 CO, NO, S(》에 해당하는 기준셀 및 측정셀 출력값을 나타낸다.
먼저 샘플링 주파수 九가 고정되어 있다고 가정하면 GFC 휠의 회전 속도가 증가함에 따라 IR 검출기에 의해 측정된 아날로그 신호로부터 변환된 디지털 신호의 샘플 수는 감소하게 된다. 측정항목별 기준 셀과 측정 셀에 해당하는 각각의 가스 필터로부터 획득된 신호에는 전원, IR 센서, 전처리 증폭기, 그리고 AZD 변환과정에서 부가된 잡음 신호를 포함하고 있으므로 유효 SNR(signal to noise ratio) 확보와 효과적인 잡음제거를 위해 샘플링 주파수 결정에 유의해야 한다. 반면, 다중 GFC 휠의 회전속도가 고정되어 있다면 샘플링 주파수 九가 증가함에 따라 데이터샘플 수는 증가하게 된다.
참고문헌 (6)
K. Kaneyasu, K. Otsuka, Y. Setoguchi, S. Sonoda, T. Nakahara, and I. Aso, "Acarbon dioxide gas sensor based on solid electrolyte for air quality control", Sensors and Actuators B, 66, pp. 56-58, 2000
M. Arndt and M. Sauer, "Spectroscopic carbon dioxide sensor for automotive applications", In Proc. of the IEEE Sensors 2004,Vienna, vol. 1, pp. 252-255, NJ. Oct., 2004
김우석, 손덕영, 박영무, 유재석, 이종화, "비분산 적외선 분광법을 이용한 CO2 농도 고속 분석기의 Sampling Module 특성에 관한 실험적 연구", 대한기계학회논문집, B, 제27권, 제3호, pp. 398-405, 2003
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