KR100465878B1 - 이광편광법을 이용한 분무측정방법 - Google Patents

이광편광법을 이용한 분무측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명한 액적으로 이루어진 분무의 특성 중 액적 크기, 즉 일반적으로 알려진 평균 면적크기(D21) 및 SMD(Sauter Mean Diameter)의 값과 분포 그리고 분무의 농도 분포를 측정하는 것으로
분무 이미지의 획득 및 처리 과정을 통하여 동일한 시간의 전체 분무 특성을 해석할 뿐만 아니라, 다른 입자 측정 방법에 비해 짧은 시간 안에 전체 분무 특성을 측정할 수 있는 이광편광법을 이용한 분무측정방법에 관한 것이다.
본 발명은 일반적인 입자측정장비의 점측정 방식이 아닌 2차원 이미지의 측정을 통해 분무 입자의 크기 및 분포를 구함으로써 측정 시간과 비용을 줄일 뿐만 아니라 고온·고압의 실제 분무조건에서도 분무의 특성을 파악하도록 한다.
본 발명의 측정방법은 이론적으로 알려진 입자의 편광 특성을 이용한 것으로서, 두개의 서로 다른 파장의 광을 사용하고 평균하는 방법으로 입자의 크기를 측정하는 것이다.

Description

이광편광법을 이용한 분무측정방법{The Method of Spray Measurement using the Dual Polarization of Two Colors}
본 발명은 투명한 액적으로 이루어진 분무의 특성 중 액적 크기, 즉 일반적으로 알려진 평균 면적크기(D21) 및 SMD(Sauter Mean Diameter)의 값과 분포 그리고분무의 농도 분포를 측정하는 것으로
분무 이미지의 획득 및 처리 과정을 통하여 동일한 시간의 전체 분무 특성을 해석할 뿐만 아니라, 다른 입자 측정 방법에 비해 짧은 시간 안에 전체 분무 특성을 측정할 수 있는 이광편광법을 이용한 분무측정방법에 관한 것이다.
투명한 액적의 빛에 대한 산란을 이용한 입자의 특성 측정은 여러 분야에서 널리 이용되고 있으며, 특히 액적의 산란 현상을 이용한 입자 크기 측정 방법은 Malvern 시스템과 PDA(Phase Doppler Anemometer)에서 구현되어 입자의 크기 또는 속도를 측정하는 기본적인 측정 도구로 보편화되었다.
또한 전체 분무 이미지를 획득하여 입자의 속도 및 크기를 측정하고자 하는 노력도 지속적으로 진행되고 있다.
입자의 빛에 대한 굴절이나 위치에 따른 위상차를 이용하여 입자 크기를 측정하는 Malvern 시스템과 PDA 등은 각각 레이저 광원의 궤적을 따른 선계측 방식과 점계측 방식을 이용하기 때문에 분무의 전체적인 특성을 파악하기 위해서 별도의 복잡한 데이터 처리 과정을 필요로 하며, 두 방식 모두 특정 광학적인 셋-업(set-up)으로 측정할 수 있는 액적의 크기가 제한적이다.
또한 분무가 유리창 등으로 둘러싸인 경우에 발생하는 신호의 편이, 측정 각도의 제한 등으로 인해 실제 분무가 일어나는 조건에서의 분무 측정이 어려운 실정이다.
입자의 2차원 Mie 산란 이미지의 획득을 통해 입자 특성을 파악하고자 하는 방법은 관측 각도(view angle)에 따라 획득된 이미지의 왜곡이 많아 이에 대한 보상 등이 정확히 이루어져야 한다.
분무 이미지의 획득을 통한 분무측정방법 중에 입자의 크기에 따라 편광 특성이 다르다는 점을 이용한 것이 있는데, 이는 Mie 산란 이론에서 입자의 크기는 입자의 편광비(수평 편광광과 수직 편광광의 강도비)에 비례한다는 것을 이용한 측정 방법이다.
이 방법에서는 여러 입자에 의해 산란되는 광을 평균하여 두 편광광의 강도비를 계산함으로써 입자의 평균 면적크기(D21)를 얻어낸다.
그러나 기존의 방법은 단일광을 사용하고 편광 방향을 수직, 수평으로만 사용하여 만족할 만한 결과를 보여주지 못했다.
이는 단일광에 대한 입자의 편광산란의 강도는 입사광의 파장 및 입자의 크기에 따라 선형적인 관계를 보여주지 못하기 때문이다.
또한 산란되는 편광광은 관측 각도에 따라 강도가 달라지는데, 단일광을 사용하는 경우 수직, 수평 편광을 사용해야 관측 각도 90°에서 산란광을 획득할 수 있다.
이 경우 입사광의 초기 강도와 입자를 지난 다음의 강도 비를 알아야 입자의 크기를 알 수 있다.
그러나 일반 분무의 경우 입사광이 여러 입자를 동시에 지나가기 때문에 한 입자의 입사 전후에 광의 강도를 알기가 쉽지 않아 측정에 어려움이 있다.
본 발명은 일반적인 입자측정장비의 점측정 방식이 아닌 2차원 이미지의 측정을 통해 분무 입자의 크기 및 분포를 구함으로써 측정 시간과 비용을 줄일 뿐만 아니라 고온·고압의 실제 분무조건에서도 분무 특성을 파악하도록 한다.
본 발명의 측정방법은 이론적으로 알려진 입자의 편광 특성을 이용한 것으로서, 두개의 서로 다른 파장의 광을 사용하고 평균하는 방법으로 입자의 크기를 측정하는 것이다.
도 1 는 본 발명의 전체적인 개략도
도 2 는 본 발명의 분무측정부에 대한 광학적인 배치도
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1 : 광원 2 : 분광기
3 : 광섬유 4 : 커플러
5 : 집광기 6 : 편광 큐브
7 : 다중 파장판 8 : 실린더형 빔 확장기
9 : 평면광 10 : 경반사판
11 : 필터 12, 14 : CCD 카메라
13 : 실린더형 렌즈 15 : 모니터
본 발명은 아르곤 이온 레이저를 사용하는 광원(1)에서 나온 빔이 분광기(2)에서 녹색(514.5㎜)과 보라색(476.5㎜)으로 분리되는 두개의 광으로 분리된 후, 광섬유(3)와 커플러(4) 및 집광기(5)를 거쳐 편광 큐브(6)로 들어가 합쳐진다.
편광 큐브(6)에서 두개의 광이 편광되고 합쳐진 후 다중 파장판(Multiple-order wave-length plate, WLP)(7)으로 유입되면 다중 파장판(7)은 녹색광의 편광 방향을 90°로 변경시켜 실린더형 빔 확장기(8)로 광을 보낸다.
실린더형 빔 확장기(8)를 통해 만들어진 평면광(9)은 경반사판(10)을 거치는데, 여기서 90°반사되어 나온 광을 칼라 CCD 카메라(12)로 획득하여 평면광의 세기를 측정하게 된다.
경반사판(10)을 지난 편광 평면광(9)은 두께를 조절 가능하도록 해주는 실린더형 렌즈(13)를 통과해 측정하고자 하는 분무로 입사한다.
입사된 녹색과 보라색 광은 서로 다른 편광에 의해 액적의 크기에 따라 서로 다른 강도로 산란되며, 액적에 입사된 녹색광 중 일부는 로다민-B에 의해 600nm 근처의 파장대로 형광된다.
이와 같이 편광된 산란광과 형광된 광은 칼라 CCD 카메라(12)(14)를 통해 모니터(15)로 보내진 후 모니터(15)에서 이미지의 크기와 초점을 확인하고, 후레임 그래버(16)에서 최종적인 이미지를 획득한다.
본 측정방법은 이론적으로 알려진 입자의 편광 특성을 이용한 것으로서, 두개의 서로 다른 파장의 광을 사용하고 평균하는 방법으로 입자의 크기를 측정하는 것이다.
즉, 본 측정방법은 수직, 수평 편광에 대한 입자의 선형성을 확보하기 위해 큰 관측 각도에 대한 평균, 두 가지 파장(이광)에 대한 평균을 사용하였다.
이렇게 함으로써 입사광의 편광이 수직 또는 수평이 아니고 45°가 되더라도 90°의 관측 각도에서 산란광을 획득할 수 있다.
본 측정방법은 두 대의 칼라 CCD 카메라(12)(14)를 사용하는데, 한대는 분무의 전체 산란광 이미지를 획득하며, 다른 하나는 분무로 입사하기 전의 평면광(Sheet Beam)의 이미지를 획득하여 보정 및 측정시에 액적의 입사광과 산란광의 비로 사용된다.
분무로 입사되기 전의 평면광 이미지로부터 얻을 수 있는 평면광의 강도 분포로부터 각 측정 지점에서의 입사광과 산란광의 비를 따로 계산할 수 있다.입사광에 대한 입자의 산란광은 아래와 같이 Mie 산란식에 의해 결정된다.[식 1]여기서 Io(x,y) : 어느 점(x, y)에서의 산란광의 크기Ioo(o,y) : 입사전의 입사광 크기(x=0은 입사전의 임의 기준 위치)Cs(x,y) = (π/4)ND2N : 산란 입자의 수D : 측정체적의 평균 입자의 직경입사광이 편광을 가지고 있고 측정하는 점이 입사광과 직각을 이루는 곳에서의 수직편광 및 수평편광에 대한 산란광의 강도는 다음과 같다.[식 2]Iu(x,y) = KuIou(0,y) N D2Ip(x,y) = KpIop(0,y) N D여기서 Ip(x,y) : 수직(vertical)편광 입사광에 의한 수직편광 산란광의 크기Ip(x,y) : 평행(parallel)편광 입사광에 의한 평행편광 산란광의 크기Iou(0,y) : 수직편광 광의 입사전의 입사광 크기Iop(0,y) : 수직편광 광의 입사전의 입사광 크기Ku: 수직편광 광의 산란 계수Kp: 평행편광 광의 산란 계수입자에 포함된 형광물질에 의한 형광되는 광의 크기는 다음과 같이 표시된다.[식 3]IF(x,y) = KFIoF(0,y) N D3여기서 IF(x,y) : 형광시키는 입사광에 의한 형광 산란광의 크기IoF(0,y) : 형광시키는 입사광의 입사전 크기KF: 형광 산란광의 산란 계수위의 식 1, 2, 3들에게 입자의 크기 및 입자농도를 구할 수 있다.여기서 D21(x,y) : 입자의 면적 크기D32(x,y) : 입자의 체적 크기(SMD)CV(x,y) : 입자의 농도즉, 여기서 산란광의 산란 계수의 비 Kp｜Ku, Ku｜KF은 크기를 알 수 있는 입자에 산란광을 측정하여 보정하면 나오는 상수이다.그리고 분무 측정하는 도중에 입사전의 광의 크기와 산란광의 크기의 비 Ip(x,y)｜Iop(0,y) , Iu(x,y)｜Iou(0,y) , IF(x,y)｜IoF(0,y) 를 측정하게 된다.이로써 입자의 크기와 농도를 측정할 수가 있다.또한 CCD 카메라 이미지에서 입사광과 산랑광의 비를 구하는 방법은 아래와 같다.CCD 카메라(12)의 경우 평면광의 이미지를 잡는 것으로 이를 각 색깔(편광이 다름, 하나의 수직편광, 다른 하나의 평행편광)에 대해 디지털화하여 입사광의 크기를 구할 수 있다.CCD 카메라(12)는 각각의 픽셀로 구성되어 있는 관계로 평면에 대해 (x, y) 2차원 배열로 지정된 지점에 대해 각 색깔에 대한 data 값을 가진다.각 색깔은 수직편광 및 평행편광으로 간주하여도 된다.입사광의 측정 크기예는 아래의 식4와 같다.[식 4]CCD 카메라(14)의 경우 분무하는 입자의 산란광을 잡는데 이 또한 각 색깔(편광이 다름)에 대해 디지털화한 데이타(data)값을 갖는다.CCD 카메라(14)는 픽셀을 가지고 있으므로 이 또한 평면 (x,y) 2차원 배열에 대한 data를 취득할 수 있다.산란광의 측정 크기예는 아래의 식 5와 같이 구해진다.[식 5]즉 여기서 입사광과 산란광과의 비는 각각의 픽셀에서의 값으로 나타난다.픽셀 배열 중 (0,1)에서 비는 I(0,1)/Io(0,1)=0/25이며, (x,1)에서 비는 I(x,1)/Io(0,1)=5/25이다. 이러한 배열로 계산을 수행하면 (x,y)에서 비는 I(x,y)/Io(0,y)=10/24로 전체 평면에 대한 비를 얻어 위 식에 대입하면 입자의 크기 및 농도 분포를 알 수 있다.
또한 Gaussian 분포를 갖는 광원을 사용시에는 측정의 정확도를 높일 수 있으며, 파장이 서로 다른 두 광원을 사용함으로써 칼라 카메라에서 자동적으로 색깔에 의해 편광 성분을 구분할 수 있다.
액적의 면적 크기(D21)만을 측정하고자 할 경우에는 이광편광 방법을 이용하면 광원의 종류에 관계없이 파장대가 다른 두개의 광원과 입사 광원의 파장을 획득할 수 있는 두대의 카메라가 있으면 응용이 가능할 것이다.
또한 본 측정방법은 물을 분무하고 광원으로 아르곤-이온(Ar-ion) 레이저를 사용하여 측정하는 경우, 물에 형광 물질인 로다민(Rhodamine)-B를 첨가하여 액적에 의해 형광(fluorescence)되어 나온 광을 동시에 계측하여 액적의 SMD 및 액적의 농도 분포를 측정할 수 있다.
로다민-B는 아르곤-이온 레이저에서 나오는 녹색광(514.5㎜)이 입사되면 600nm 근처의 형광 신호를 방출하는 특징이 있는데, 형광된 공의 세기는 액적의 SMD에 비례하므로 형광된 빔과 입사광의 비를 알면 액적의 SMD를 알 수 있다.
액적의 분포는 분무의 여러 이미지를 획득하여 평균함으로써 알 수 있는 것이다.
본 측정방법은 입자의 크기에 따라 산란광이 편광의 상태에 따라 세기가 다르다는 것을 이용한 것이므로 입사광의 세기 및 입사광 파장대에 따른 칼라 CCD 카메라(14)의 반응도를 정확히 알아야 한다.
외부의 빛에 의한 배경 노이즈의 처리가 없는 경우에 이미지를 획득하여 보상해 주면 된다.
입사광의 세기는 입사광 전의 칼라 CCD 카메라(12)로 측정할 수 있으며, 칼라 CCD 카메라의 입사광 파장대에 대한 반응도는 단색광으로 평면광을 만들어 이에 대한 세기를 알면 반응 상수값을 계산하여 보상하여 줄 수 있다.
위와 같은 방식으로 설치된 광학장치에 대한 보정이 끝나면 실제 분무 액적의 이미지에서 얻은 광의 세기를 대입하여 분무의 면적크기 및 SMD 그리고 액적의 분포를 측정할 수 있다.
도면중 미설명부호 11은 필터이다.
본 발명은 서로 직각인 편광을 가진 두가지 색깔의 광과 두대의 칼라 카메라를 사용하여 액적으로부터의 산란광의 편광비를 측정하여 빠른 시간과 작은 비용으로 전체 분무의 크기를 측정할 수 있는 것이다.
본 발명은 물을 분사하여 액적의 특성을 측정하는 경우 로다민-B를 사용하여 형광되는 광을 측정하여 액적의 SMD를 동시에 측정할 수 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 광원에서 나온 빔이 분광기에서 두개의 광으로 분리된 후 광섬유와 커플러 및 집광기를 거쳐 편광 큐브로 들어가 합쳐지고 다중 파장판과 실린더형 빔 확장기를 통하여 확장되는 입자의 크기를 측정함에 있어서,
    상기 실린더형 빔 확장기를 통하여 만들어진 평면광이 경반사판을 지날 때 반사되어 나온 평면광을 CCD 카메라로 획득하여 세기를 측정하고, 상기 경사판을 지나고 두께를 조정하는 실린더형 렌즈를 통과해 서로 다른 파장의 광이 서로 직각으로 편광된 이중광을 칼라 CCD 카메라로 획득하여 액적의 크기를 알기 위하여 광의 입사광과 산란광의 비를 필요로 하는 이미지를 측정하도록 함을 특징으로 하는 이광편광법을 이용한 분무측정방법.
  2. 물을 분무하고 광원으로 아르곤-이온 레이저를 사용하여 입자의 크기를 측정함에 있어서,
    물을 분사하여 액적의 특성을 측정하는 분무에서 로다민-B를 사용하여 형광되는 광을 칼라 CCD 카메라로 입사광의 세기 및 입사광의 파장대를 측정하고, 분무의 여러 이미지를 획득하여 액적의 SMD 및 액적의 분포를 측정하도록 함을 특징으로 하는 이광편광법을 이용한 분무측정방법.
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