KR101614851B1 - 광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 1차로 온도를 측정하고, 측정된 온도에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하며, 기체의 흡수파장에 따른 흡광도를 이용하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 정밀 계측하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 측정대상가스의 온도분포를 1차로 측정하고, 상기 측정온도 중 온도분포길이를 정밀하게 구하기 위한 온도를 선택하는 온도 측정 및 선택 단계; 측정대상가스의 흡수파장에 따른 흡광도를 연산하는 흡광도 분석 단계; 상기 흡수파장에 따른 흡광도가 연산되면, 흡광도를 이용하여 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 온도분포길이 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기에서 기재된 광학적 온도분포 정밀계측 방법을 구현하기 위한 프로그램인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 프로그램을 기록한 기록 매체인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은, Pyrometry 방법을 이용해 온도분포를 1차로 측정하고, 측정된 온도 중 일부를 선택하여, 선택온도의 분포길이를 정밀하게 구하는 것으로, 흡수파장에 따른 흡광도 및 선택온도에 따른 선강도를 이용하여, 선택온도의 분포길이를 정확하게 구함으로써, 연소시스템 내의 온도 분포도를 정확하게 구할 수 있다. 따라서 본 발명은 연소시스템 내의 정확한 온도 분석을 통해, 보일러 연소 제어를 통한 연료 절감 및 온실가스 배출 저감에 기여가 가능하고, 실시간 온도 분석을 통해 연소시스템에서 가장 역동적인 연소실 내부의 실시간 감시로 파괴나 손실에 대한 예방 및 대처가 가능하며, 정밀한 온도값을 활용한 연소시스템의 제어를 통해 대기 오염 물질 생성의 원천적 차감이 가능한 효과가 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 1차로 온도를 측정하고, 측정된 온도에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하며, 기체의 흡수파장에 따른 흡광도를 이용하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 정밀 계측하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 측정대상가스의 온도분포를 1차로 측정하고, 상기 측정온도 중 온도분포길이를 정밀하게 구하기 위한 온도를 선택하는 온도 측정 및 선택 단계; 측정대상가스의 흡수파장에 따른 흡광도를 연산하는 흡광도 분석 단계; 상기 흡수파장에 따른 흡광도가 연산되면, 흡광도를 이용하여 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 온도분포길이 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기에서 기재된 광학적 온도분포 정밀계측 방법을 구현하기 위한 프로그램인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 프로그램을 기록한 기록 매체인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은, Pyrometry 방법을 이용해 온도분포를 1차로 측정하고, 측정된 온도 중 일부를 선택하여, 선택온도의 분포길이를 정밀하게 구하는 것으로, 흡수파장에 따른 흡광도 및 선택온도에 따른 선강도를 이용하여, 선택온도의 분포길이를 정확하게 구함으로써, 연소시스템 내의 온도 분포도를 정확하게 구할 수 있다. 따라서 본 발명은 연소시스템 내의 정확한 온도 분석을 통해, 보일러 연소 제어를 통한 연료 절감 및 온실가스 배출 저감에 기여가 가능하고, 실시간 온도 분석을 통해 연소시스템에서 가장 역동적인 연소실 내부의 실시간 감시로 파괴나 손실에 대한 예방 및 대처가 가능하며, 정밀한 온도값을 활용한 연소시스템의 제어를 통해 대기 오염 물질 생성의 원천적 차감이 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 온도 분포를 정밀 계측하기 위한 '광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법'에 관한 것이다.
현재 제철 가열로 등 공업로와 산업용/발전용 보일러와 같은 연소시스템에서는 연소 효율 향상을 통한 연료의 완전 연소 및 에너지 효율 증대가 시스템 운영을 위한 가장 중요한 인자 중 하나이며, 이를 위해 연소시스템 내 조건 분석을 위한 필수적인 요소가 온도 분포 계측이다.
연소시스템 내의 정확한 온도 분석은 보일러 연소 제어를 통한 연료 절감 및 온실가스 배출 저감에 기여가 가능하고, 실시간 온도 분석을 통해 연소시스템에서 가장 역동적인 연소실 내부의 실시간 감시로 파괴나 손실에 대한 예방 및 대처가 가능하다. 정밀한 온도값을 활용한 연소시스템의 제어는 대기 오염 물질 생성의 원천적 차감 및 로내 저감 기술 적용 가능성 증대 유도가 가능하며, 이는 고가의 후처리 설비의 투자비/유지비 저감에 기여할 수 있다.
한편 최근 TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 방법을 이용한 온도 계측이 각광을 받고 있다. TDLAS 기반의 광학적 측정 장치를 활용하면, 상대적으로 정밀한 온도 계측이 가능하며, 거의 실시간으로 온도값 산출이 가능하고, 비접촉식으로 연소시스템 내에 전형 영향을 주지 않음과 동시에 유지/보수가 용이하고, 긴 수명이 보장된다.
그러나 TDLAS 방법은 레이저 기반의 측정 방식으로, 도 1에 도시된 바와 같이 지나간 경로의 평균 온도를 측정한다. 즉 TDLAS를 이용한 계측은 기본적으로 선적분 방법으로 레이저가 지나간 선의 평균 온도로 계산된다. 이는 상대적으로 높은 편차의 최고/최저의 온도값을 가지고 있는 연소시스템에서는 큰 오차를 수반하는 원인이 되며, 평균값이 전체 온도를 대변하지 못하는 상황이 발생할 수도 있다.
또한 온도계측 방법으로는 Pyrometry 방법이 사용된다. 이러한 Pyrometry방법은 고체나 기체의 복사파를 이용하는 pyrometer(고온계)를 통해 온도 계측이 가능하다. 그러나 pyrometry 방법은 측정의 정밀도가 보장되지 않는다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, Pyrometry 방법을 이용한 온도계측 및 기체의 흡수파장에 따른 흡광도를 이용한 온도계측을 통해 연소시스템에서의 온도분포를 정밀하게 측정하는 '광학적 온도분포 정밀계측 장치 및 방법'을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 1차로 온도를 측정하고, 측정된 온도에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하며, 기체의 흡수파장에 따른 흡광도를 이용하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 정밀 계측하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 측정대상가스의 온도분포를 1차로 측정하고, 상기 측정온도 중 온도분포길이를 정밀하게 구하기 위한 온도를 선택하는 온도 측정 및 선택 단계; 측정대상가스의 흡수파장에 따른 흡광도를 연산하는 흡광도 분석 단계; 상기 흡수파장에 따른 흡광도가 연산되면, 흡광도를 이용하여 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 온도분포길이 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기에서 기재된 광학적 온도분포 정밀계측 방법을 구현하기 위한 프로그램인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 프로그램을 기록한 기록 매체인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은, Pyrometry 방법을 이용해 온도분포를 1차로 측정하고, 측정된 온도 중 일부를 선택하여, 선택온도의 분포길이를 정밀하게 구하는 것으로, 흡수파장에 따른 흡광도 및 선택온도에 따른 선강도를 이용하여, 선택온도의 분포길이를 정확하게 구함으로써, 연소시스템 내의 온도 분포도를 정확하게 구할 수 있다. 따라서 본 발명은 연소시스템 내의 정확한 온도 분석을 통해, 보일러 연소 제어를 통한 연료 절감 및 온실가스 배출 저감에 기여가 가능하고, 실시간 온도 분석을 통해 연소시스템에서 가장 역동적인 연소실 내부의 실시간 감시로 파괴나 손실에 대한 예방 및 대처가 가능하며, 정밀한 온도값을 활용한 연소시스템의 제어를 통해 대기 오염 물질 생성의 원천적 차감이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 문제점을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치를 개락적으로 나타낸 구성도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 다양한 실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 H2O 흡수파장에 따른 흡수신호 및 흡광면적 분석 과정을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 10은 O2 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 11은 고온에서의 O2 흡수신호를 나타낸 데이터도이고,
도 12는 O2 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 13은 H2O 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 14는 H2O 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치를 개락적으로 나타낸 구성도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 다양한 실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 H2O 흡수파장에 따른 흡수신호 및 흡광면적 분석 과정을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 10은 O2 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 11은 고온에서의 O2 흡수신호를 나타낸 데이터도이고,
도 12는 O2 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 13은 H2O 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고,
도 14는 H2O 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 설명한다.
1. 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 기체의 흡수파장을 이용한 온도 분포 정밀 계측 장치를 개략적으로 나타낸 구성도로서, 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 분포 정밀 계측 장치를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1실시예에 따른 온도 분포 정밀 계측 장치는 발진기(10)와, 수광기(20)와, 데이터분석기(30)와, 파형발생기(40) 및, 제어기(50)를 포함하여, 연소로 내의 온도 분포를 정밀 계측한다.
발진기(10)는 광을 발진하는 다이오드레이저(11)와, 광이 역방향으로 흐르는 것을 막아주는 아이솔레이터(12)와, 광을 원하는 비율로 분기하는 커플러(13)와, 광신호를 직진의 형태로 검출대상 가스에 발진하는 발진부(14)와, 레이저의 강도 및 파장 변화를 조절하는 다이오드레이저컨트롤러(15)를 갖추고서, 레이저 광이 연소로 내의 가스를 통과하도록 다양한 파장으로 레이저 광을 발진한다.
상기 다이오드레이저(11)는 다이오드레이저의 마운트(16)에 연결되어 있으며, 다이오드레이저컨트롤러(15)의 신호에 따라 광을 발진한다.
상기 발진부(14)는 광신호를 직진의 형태로 측정대상가스에 발진하는 역할을 한다. 보통 발진부(14)는 콜리메이터가 구비되어 콜리메이터가 기능을 대부분 담당한다. 이때 콜리메이터는 광학 케이블을 따라 전달된 빛이 직진할 수 있도록 하는 것으로, 발진부(14)는 광케이블을 통과하지 않고 다이오드레이저에서 레이저가 직접 발진할 경우, 콜리메이터의 구성이 필요치 않을 수도 있다.
상기 다이오드레이저컨트롤러(15)는 제어기(50)에 의해 작동제어되어, 다이오드 레이저의 변화를 조절한다. 이때 다이오드레이저컨트롤러(15)는 온도와 전류의 크기를 변화시킴으로써 다이오드레이저(11)의 강도 및 파장, 주파수, 온도를 변화시킬 수 있다. 한편 다이오드레이저컨트롤러(15)는 필요에 따라서는 제어기(50)에 작동제어되지 않고 독립적으로 작동제어될 수도 있다.
또한 상기 아이솔레이터(12) 및 커플러(13)는 필수사항은 아니며, 상황에 따라서 구비되지 않을 수도 있다.
수광기(20)는 측정대상가스로부터의 복사파에 따른 광신호 또는 발진기(10)로부터의 광신호를 수신하는 PD(Photo Diode)센서 타입의 수광부(21)를 갖추며, 수신한 광신호를 데이터분석기(30)에 전달한다. 이때 수광기(20)는 복사파에 따른 광신호 또는 발진기(10)에 따른 광신호를 시차를 두고 수신한다. 여기서 수광기(20)와 발진기(10) 사이에는 포커싱렌즈(FL)가 설치되어 수광기(20)가 일정지점에 대한 복사파 광신호를 수신한다. 한편 Pyrometry 방법을 이용한 측정방법과, 본 발명에 따른 기체의 흡수파장을 이용한 온도 분포 계측방법에서 분석하는 파장범위는, 수광기(20)에서 받을 수 있는 영역대 안에 포함되도록 한다.
또한 수광기(20)는 필요에 따라서 광이 역으로 흐르는 것을 막아주는 아이솔레이터(22)와, 광신호를 수신하고 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 광검출기(23)를 갖추며, 이를 통해 가스를 통과한 레이저 광으로부터 다수의 흡수신호를 검출한다. 여기서 상기 수광기(20)는 콜리메이터를 더 구비할 수 있으며, 콜리메이터는 측정대상가스를 지나온 광신호를 광학 케이블를 통해 광검출기에 전달한다. 이때 콜리메이터는 광학 케이블을 사용하지 않는 시스템에서는 구비되지 않을 수도 있다. 이때 아이솔레이터, 광검출기, 콜리메이터의 설치위치는 설계에 따라 다양하게 실시될 수 있다.
데이터분석기(30)는 락인증폭기(31)와, 오실로스코프(32)와, 흡광도분석모듈(33)과, 온도분석모듈(35)과, 측정온도선택모듈(36)및, 온도분포길이분석모듈(34)을 갖추고서, 선택온도에 대한 온도분포길이를 분석한다.
상기 락인증폭기(31)는 수광기(20)의 수광부(21)로부터 수신한 흡수신호와 파형발생기(40)로부터 수신한 정현파의 신호를 통해 흡수신호 모양과 가까운 1차 조화신호 또는 흡수 중심 파장에서 최고 높이를 갖는 2차 조화신호를 추출할 수 있다. 또한 락인 증폭기(31)는 파장변조기법을 활용할 경우 필수적이나, 직접흡수기법이 적용될 경우 필수적인 장치는 아니다.
상기 오실로스코프(32)는 신호를 쉽게 인지할 수 있도록 화면에 출력할 수 있게 한다. 또한 오실로스코프(32)는, 파형발생기(40)의 신호, 수광기(20)의 광검출기(23)의 신호, 락인 증폭기(31)의 신호 등을 육안으로 인지할 수 있게 한다. 오실로스코프(32)는 분석자의 편리성 증대를 위한 것으로 필수적인 장치는 아니다.
흡광도분석모듈(33)은 각각의 흡수파장에 따른 흡광도를 연산한다. 본 실시예에서 상기 흡광도는 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)에서 사용되는 직접흡수기법(DAS, Direct Absorption Spectroscopy)의 수학식 1 및 수학식 1에서 유도되는 수학식 2를 통해 연산된다.
수학식 1 및 수학식 2에서 Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 온도에 따른 선강도, L = 흡수길이, A = 흡광도를 나타낸다. 여기서 측정대상가스의 압력 및 농도는 일정하다고 가정되며, 흡수파장의 각 온도에서의 선강도는 이미 알려진 값이다.
온도분석모듈(35)은 수광기(20)로부터의 복사파에 따른 광신호를 분석하여, 일정지점에서의 온도를 측정한다.
측정온도선택모듈(36)은 온도분석모듈(35)에서 Pyrometry 방법으로 측정된 온도 중에서 온도분포길이를 구하기 위한 온도를 자동으로 선택한다.
온도분포길이분석모듈(34)는 상기 흡광도와, 측정온도선택모듈(36)에서 선택한 온도 값 및 상기 온도 값에 따른 선강도를 이용하여, 상기 선택온도에 따른 흡수길이(이하 온도분포길이)를 연산한다.
즉 온도분포길이분석모듈(34)은 상기 흡광도 및 선강도를 수학식 3에 대입하여 상기 선택온도에 따른 온도분포길이를 연산한다.
여기서 상기 수학식 3은 수학식 2에서 수학식 4로 유도되고, 수학식 4에서 매트릭스 형태인 수학식 5로 유도되며, 수학식 5에서 다시 유도된다.
그리고 수학식 3에서 수학식 6와 같은 최소제곱법(Least-square algorithm)을 이용하여, 수학식 7이 유도된다.
수학식 3 내지 수학식 7에서 Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 선택온도에 따른 선강도, A = 일정 흡수파장에서의 흡광도, L = 선택온도 전체의 온도분포길이(흡수길이), Lj = 일정 선택온도의 온도분포길이, m = 흡수파장의 수, n = 선택온도의 수를 나타낸다. 여기서 측정대상가스의 압력 및 농도는 일정하다고 가정되며, 흡수파장의 각 온도에서의 선강도는 이미 알려진 값이다.
한편 상기 수학식 3에서 흡수파장의 수를 선택온도의 수보다 1개 이상 많게 한다. 이는 흡수파장의 수와 선택온도의 수를 동일하게 하여, 미지수와 방정식을 동일하게 할 경우, 온도분포길이의 값이 부정확하게 산출되기 때문이다. 즉 흡수파장의 수와 선택온도의 수를 1개 차이 이상으로 하였을 경우 가장 정확도가 높은 해 값이 산출되었으며, 이와 같이 흡수파장의 수와 선택온도의 수 차이에 따른 해 값을 구하기 위해 최소제곱법이 사용된다.
파형발생기(40)는 제어기(50)에 의해 작동제어되어, 레이저 신호의 모양이 다양하게 송출되도록 한다. 이러한 파형 모양으로는 톱니파, 삼각파, 변조합성파, 사각파, 사인파, 코사인파 또는 임의의 혼합파 등이 될 수 있다. 한편 파형발생기(40)는 필요에 따라서는 제어기(50)에 의해 작동제어되지 않고 독립적으로 작동제어될 수도 있다. 파형발생기(40)에서 발생된 파형은 다이오드레이저로 보내져 발진되는 레이저광의 신호로 사용된다.
제어기(50)는 발진기(10) 및 파형발생기(40)를 작동제어한다. 이때 제어기(50)는 파형발생기(40)의 파형발생을 제어하거나, 발진기(10)의 다이오드레이저컨트롤러의 온도/전류값을 제어하여, 발진기(10)가 레이저 광을 발진하도록 한다. 또한 본 실시예에서 제어기(50)는 수광기(20) 및 데이터분석기(30)를 제어하도록 할 수도 있다.
한편 본 실시예에서는 데이터를 입력하기 위한 입력유닛 및 데이터 처리에 따른 상황을 표시하는 디스플레이유닛이 더 구비될 수 있으며, TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)에서 사용되는 일반적인 구성이 더 포함될 수 있다.
2. 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 다양한 실시예
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 다양한 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 다양한 실시예를 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치는, 제1실시예의 수광기(20)가 발진기(10)로부터의 광신호를 수신하는 제1수광기(20a)와, 일정지점에서의 복사파에 따른 광신호를 수신하는 제2수광기(20b)를 갖춘다. 이때 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)는 서로 위치를 바꿀 수 있게 구성되어, 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)가 나란히 배치된 상태에서, 제1수광기(20a)가 광신호 수신 위치에 배치되면 제1수광기(20a)는 발진기(10)로부터의 광신호를 수신하고, 제2수광기(20b)가 광신호 수신 위치에 배치되면 제2수광기(20b)는 일정지점에 대한 복사파에 따른 광신호를 수신한다. 여기서 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)의 위치변환은 회전형 구조 또는 슬라이드형 구조를 통해 이루어진다.
상기 제2실시예는 이와 같이 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)를 구비함으로써, 발진기(10)에 따른 광신호와 복사파에 따른 광신호가 완전히 파장이 다르더라도 광신호의 분석을 정확하게 수행할 수 있으며, 별도로 광분리를 수행할 필요가 없기 때문에 광신호가 약하더라도 광신호의 분석을 정확하게 수행할 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 제3실시예는, 제1실시예의 수광기(20)가 발진기(10)로부터의 광신호를 수신하는 제1수광기(20a)와, 일정지점에서의 복사파에 따른 광신호를 수신하는 제2수광기(20b)를 갖추고, 발진기(10)와 수광기(20) 사이에 광분리를 위한 광분리기(LS)가 구비된다.
이때 광분리기(LS)는 발진기(10)로부터의 광신호 및 복사파에 따른 광신호를 파장대별로 분리하여 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)로 각각 보내거나, 상기 광신호들 자체를 나누어 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)로 각각 보낸다. 이때 광분리기(LS)는 Beam splitter나 coated lens가 적용된다.
상기 제3실시예는 이와 같이 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)를 구비함으로써, 발진기(10)에 따른 광신호와 복사파에 따른 광신호가 완전히 파장이 다르더라도 광신호의 분석을 정확하게 수행할 수 있으며, 상기와 같이 별도로 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)의 위치변환을 수행하는 구조를 갖추지 않아도 됨으로, 구조가 간단하여 제조가 편리하다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 제4실시예는, 제3실시예에서 일정지점의 복사파에 따른 광신호를 수신하기 위한 포커싱렌즈(FL)의 위치를 변형할 수 있다. 이때 포커싱렌즈(FL)는 제1수광기(20a) 또는 제2수광기(20b)의 전방에 설치된다.
상기 제4실시예는 이와 같이 포커싱렌즈(FL)의 설치위치를 변형함으로써, 설계 구조의 다양성을 이룰 수 있어, 제조가 편리하다.
또한 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 제5실시예는, 제3실시예에서 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)의 전방에 필터(Filter, F)가 구비되어, 파장을 선별적으로 각각의 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)에 보낼 수 있다.
상기 제5실시예는 이와 같이 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)에 파장을 선별적으로 보냄으로써, 보다 정확한 광신호 분석을 통한 온도계측이 가능하다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치의 제6실시예는 제3실시예에서 제1수광기(20a) 및 제2수광기(20b)의 전방에 집광렌즈(L)가 구비된다. 이때 집광렌즈(L)는 수광기(20)가 작거나 집광이 필요할 경우 사용된다.
상기 제6실시예는 이와 같이 집광을 통해 보다 정확한 온도계측이 가능하다.
한편 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치는 상기와 같은 실시예들을 상황에 맞춰 선택적으로 사용함으로써, 온도계측의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
3. 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 방법
도 9는 H2O 흡수파장에 따른 흡수신호 및 흡광면적 분석 과정을 설명하기 위한 데이터도로서, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 온도 분포 정밀 계측 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 기체의 흡수파장을 이용한 온도 분포 정밀 계측 방법은 온도 측정 및 선택 단계(S10)와, 흡광도 분석 단계(S20)와, 온도분포길이 분석 단계(S30)를 포함하여, 연소로 내의 온도 분포를 정밀 계측한다.
(
S10
) 온도 측정 및 선택 단계
분포길이를 구하고자 하는 온도를 연소로 내에서 측정한다.
본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치는 포커싱렌즈(FL)의 초점거리를 조절하여 측정하고자 하는 지점에 초점을 맞추고, 수광기(20)는 측정지점의 복사파에 따른 광신호를 수신하며, 데이터분석기(30)의 온도분석모듈(35)은 측정지점의 복사파에 따른 온도를 1차로 분석한다. 즉 연소로 내에서의 온도를 Pyrometry 방법으로 측정한다.
이후 본 실시예에서 데이터분석기(30)는 상기 Pyrometry 방법으로 분석된 온도 값에서 최저온도 및 최대온도를 선택하고, 최저온도와 최대온도 사이에서 일정온도를 선택한다. 이때 데이터분석기(30)를 통해 상기 최저온도, 최대온도, 일정온도가 자동으로 선택되도록 할 수 있지만, 작업자가 육안으로 Pyrometry 방법에 의한 온도값을 확인한 후, 별도의 입력유닛을 통해 온도값을 입력할 수도 있다.
한편 본 실시예에서는 데이터분석기(30)가 선택한 선택온도를 1100.0℃(온도값 1, 최소온도), 1201.2℃(온도값 2, 일정온도), 1221.4℃(온도값 3, 최대온도)로 한다.
(
S20
) 흡광도 분석 단계
상기 연소로 내의 가스에서 상기 선택온도의 개수 보다 1개 많은 흡수파장 수을 검출하여 흡수파장에 따른 흡광도를 연산한다.
본 실시예에서 흡수파장은 H2O 흡수파장을 이용하며, 4개의 흡수파장(1347.85nm, 1348.10nm, 1395.69nm, 1395.85nm)을 선정한다.
한편 발진기(10)를 통해 연소로 내로 레이저 광이 발진하면, 수광기(20)가 이를 수광하여 전기적인 신호로 변환되며, 이렇게 측정된 흡수신호는 데이터분석기(30)로 전송된다. 이때 데이터분석기(30)의 흡광도분석모듈(33)은 상기 흡수신호를 이용하여 수학식 2를 통해 흡수파장에 따른 흡광도를 연산한다. 여기서 H2O 흡수파장에 따른 흡수신호 및 흡광면적 분석 과정은 도 3을 통해 확인할 수 있다.
(
S30
) 온도분포길이 분석 단계
상기 각각의 흡수파장에 따른 흡광도가 연산되면, 상기 흡광도와, 선택온도 값 및 선택온도 값에 따른 선강도를 이용하여, 선택온도가 분포한 온도분포길이를 연산한다.
본 실시예에서 데이터분석기(30)의 온도분포길이분석모듈(34)은 상기 흡광도를 이용하여 상기 수학식 3을 통해 흡수파장에 따른 흡광도를 대입한 후, 수학식 6을 이용하여 수학식 7을 도출하며, 수학식 7을 통해 각각의 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 구할 수 있다.
본 실시예에서는 H2O 흡수파장을 이용하여 온도분포길이를 구한다. 이는 H2O는 흡수파장의 범위가 넓고 다양하며, 강한 흡수신호를 보여, 온도 계측이 매우 유리하기 때문이다. 도 10은 O2 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고, 도 11은 고온에서의 O2 흡수신호를 나타낸 데이터도이고, 도 12는 O2 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고, 도 13은 H2O 흡수파장을 이용하여 측정된 온도와 실제 온도 간의 오차율을 설명하기 위한 데이터도이고, 도 14는 H2O 흡수파장을 이용한 온도 분할 실험을 통해 온도 구배 별 오차율을 설명하기 위한 데이터도로서, 도 10 내지 도 14를 참조하여, H2O 흡수파장을 이용할 경우 가장 정확한 온도 측정이 가능한 이유를 설명하면 다음과 같다.
O2 흡수파장을 이용할 경우, 도 10에 도시된 바와 같은 흡수신호를 보이며, O2 흡수파장을 이용해 측정된 온도는 1.9%의 오차율을 보인다. 또한 도 11에서 알 수 있듯이, 고온에서는 O2의 흡수신호가 매우 약해 정확한 온도측정이 어렵다. 나아가 O2 흡수파장을 이용하여 온도분포를 구할 경우 도 12에서 알 수 있듯이, 구간별 최소 오차율은 5.4%이고, 최대 오차율은 10%이며, 평균 오차율은 7.7%로 오차율이 매우 큼을 알 수 있다.
그러나 H2O 흡수파장을 이용할 경우, 도 13에 도시된 바와 같은 흡수신호를 보이며, H2O를 이용해 측정된 온도는 매우 정확한 0.1%의 오차율을 보인다. 또한 H2O 흡수파장을 이용하여 온도분포를 구할 경우 도 14에서 알 수 있듯이, 구간별 최소 오차율은 0.2%이고, 최대 오차율은 6.4%이며, 평균 오차율은 3.3%로, O2 흡수파장을 이용한 것에 비해 매우 정확도가 높은 것을 확인할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 선택온도를 3개로 하여 온도계측을 하였지만, Pyrometry 방법으로 측정한 온도에서 다수의 온도를 선택하고 이렇게 선택된 선택온도를 통해 다수의 스텝을 나눔으로써 온도계측을 더욱 정밀하게 할 수 있다. 또한 본 실시예에서는 측정대상을 연소로로 하였지만, 본 발명에 따른 광학적 온도분포 정밀계측 장치가 설치될 수 있는 측정대상이면 다양한 구조에 대한 온도측정이 가능하다.
또한 본 실시예에서 상기 기체의 흡수파장을 이용한 온도 분포 정밀 계측 방법은 프로그램화 되어 기록매체에 기록된다.
여기서, 「프로그램」이란 임의의 언어나 기술 방법으로 기술된 데이터 처리 방법이며, 소스 코드나 바이너리 코드 등의 형식을 불문한다. 또한, 「프로그램」은, 반드시 단일적으로 구성되는 것으로 한정되지 않고, 복수의 모듈이나 라이브러리로서 분산 구성되는 것이나, OS(Operating System)으로 대표되는 별개의 프로그램과 협동하여 그 기능을 달성하는 것을 포함한다. 또한, 프로그램은, 기록 매체에 기록되어 있으며, 기록 매체에 기록된 프로그램을 각 장치로 판독하기 위한 구체적인 구성이나 판독 수순이나 판독후의 인스톨 수순 등에 관해서는, 주지의 구성이나 수순을 사용할 수 있다.
또한, 「기록 매체」란 임의의 「가반용의 물리 매체」나 임의의 「고정용의 물리 매체」나 「통신 매체」를 포함하는 것으로 한다. 또한, 「가반용의 물리 매체」란 플렉시블 디스크나 광자기 디스크나 ROM이나 EPROM이나 EEPROM이나 CD-ROM이나 MO나 DVD 등이다. 「고정용의 물리 매체」란 각종 컴퓨터 시스템에 내장되는 ROM이나 RAM이나 HD 등이다. 「통신 매체」란, LAN이나 WAN이나 인터넷 등의 네트워크를 개재하여 프로그램을 송신하는 경우에 프로그램을 보유하는 매체를 말한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 Pyrometry 방법으로 정성적 온도분포를 분석한 후, 이렇게 분석된 온도에서 최저온도, 최대온도, 최저온도 및 최대온도 사이의 다수의 온도를 선택한 후, 선택온도의 분포길이를 구하는 것으로, 흡수파장에 따른 흡광도 및 선택온도에 따른 선강도를 이용하여, 선택온도의 분포길이를 정확하게 구할 수 있다.
또한 본 발명은 수학식 3을 유도한 후 흡수파장에 따른 흡광도를 대입함으로써, 선택온도가 분포한 온도분포길이를 정확하게 구할 수 있으며, H2O 흡수파장을 이용함으로써, 그 정밀도가 더욱 향상된다.
따라서 본 발명은 연소로 내의 최저온도, 최대온도, 최저온도 및 최대온도 사이의 온도를 임의로 설정하거나 상기 온도에 대한 데이터를 구비하고 있을 필요가 없으며, Pyrometry 방법으로 온도분포를 자동으로 측정한후 흡수파장을 이용한 온도계측방법을 통해 보다 정확하게 온도분포길이를 구함으로써, 연소로 내의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
10; 발진기 20; 수광기
20a; 제1수광기 20b; 제2수광기
30; 데이터분석기 33; 흡광도분석모듈
34; 온도분포길이분석모듈 35; 복사파분석모듈
40; 파형발생기 50; 제어기
FL; 포커싱렌즈 LS; 광분리기
F; 필터 L; 집광렌즈
20a; 제1수광기 20b; 제2수광기
30; 데이터분석기 33; 흡광도분석모듈
34; 온도분포길이분석모듈 35; 복사파분석모듈
40; 파형발생기 50; 제어기
FL; 포커싱렌즈 LS; 광분리기
F; 필터 L; 집광렌즈
Claims (23)
1차로 온도를 측정하고, 측정된 온도에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하며, 기체의 흡수파장에 따른 흡광도를 이용하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 정밀 계측하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치에 있어서,
상기 온도 분포 정밀 계측 장치는,
레이저 광이 측정대상가스를 통과하도록 하는 발진기;
광신호를 거르는 필터 또는 집광렌즈가 구비하며 상기 발진기로부터의 광신호를 수신하는 제1수광기와, 광신호를 거르는 필터 또는 집광렌즈가 구비하며 상기 측정대상가스의 복사파에 따른 광신호를 수신하는 제2수광기와, 상기 발진기와 제1수광기 및 제2수광기 사이에 위치하여 발진기로부터의 광신호 및 측정대상가스의 복사파에 따른 광신호로 광분리를 위한 광분리기와, 제1수광기 및 제2수광기의 전방에 배치되는 포커싱렌즈를 구비하여 측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 다수의 흡수파장에 따른 흡수신호를 검출하는 수광기;
각각의 흡수신호에 따른 흡광도를 분석하는 흡광도분석모듈과, 측정대상가스의 온도분포를 상기 광신호를 이용하여 1차로 분석하는 온도분석모듈과, 온도분석모듈에서 분석된 온도 중에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하는 측정온도선택모듈과, 흡광도분석모듈로부터의 흡광도와, 측정온도선택모듈로부터의 선택온도 값 및 선택온도 값에 따른 선강도를,
(m = 흡수파장의 수, n = 선택온도의 수, A = 흡광도, Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 선택온도에 따른 선강도, L = 선택온도 분포길이)
식에 대입하되, 선택온도의 수 3개, 흡수파장의 수는 4개로 하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 온도분포길이분석모듈을 갖춘 데이터분석기;
를 포함하며,
상기 흡수파장으로 H2O 흡수파장을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
상기 온도 분포 정밀 계측 장치는,
레이저 광이 측정대상가스를 통과하도록 하는 발진기;
광신호를 거르는 필터 또는 집광렌즈가 구비하며 상기 발진기로부터의 광신호를 수신하는 제1수광기와, 광신호를 거르는 필터 또는 집광렌즈가 구비하며 상기 측정대상가스의 복사파에 따른 광신호를 수신하는 제2수광기와, 상기 발진기와 제1수광기 및 제2수광기 사이에 위치하여 발진기로부터의 광신호 및 측정대상가스의 복사파에 따른 광신호로 광분리를 위한 광분리기와, 제1수광기 및 제2수광기의 전방에 배치되는 포커싱렌즈를 구비하여 측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 다수의 흡수파장에 따른 흡수신호를 검출하는 수광기;
각각의 흡수신호에 따른 흡광도를 분석하는 흡광도분석모듈과, 측정대상가스의 온도분포를 상기 광신호를 이용하여 1차로 분석하는 온도분석모듈과, 온도분석모듈에서 분석된 온도 중에서 온도분포길이를 측정하기 위한 온도를 선택하는 측정온도선택모듈과, 흡광도분석모듈로부터의 흡광도와, 측정온도선택모듈로부터의 선택온도 값 및 선택온도 값에 따른 선강도를,
(m = 흡수파장의 수, n = 선택온도의 수, A = 흡광도, Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 선택온도에 따른 선강도, L = 선택온도 분포길이)
식에 대입하되, 선택온도의 수 3개, 흡수파장의 수는 4개로 하여, 선택온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 온도분포길이분석모듈을 갖춘 데이터분석기;
를 포함하며,
상기 흡수파장으로 H2O 흡수파장을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 데이터분석기의 온도분포길이분석모듈은 상기 식에서 최소제곱법을 이용하여, 설정온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
상기 데이터분석기의 온도분포길이분석모듈은 상기 식에서 최소제곱법을 이용하여, 설정온도가 분포하는 온도분포길이를 연산하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
제2항에 있어서,
상기 최소제곱법을 이용할 시,
(m = 흡수파장의 수, n = 선택온도의 수, A = 흡광도, Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 선택온도에 따른 선강도, L = 선택온도분포길이)
식을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
상기 최소제곱법을 이용할 시,
(m = 흡수파장의 수, n = 선택온도의 수, A = 흡광도, Xabs = 측정대상가스의 농도, P = 측정대상가스의 압력, S(T) = 선택온도에 따른 선강도, L = 선택온도분포길이)
식을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학적 온도분포 정밀계측 장치.
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|---|---|---|---|---|
| KR20200028244A (ko) | 2018-09-06 | 2020-03-16 | 한국생산기술연구원 | 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법 |
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| WO2020071570A1 (ko) * | 2018-10-05 | 2020-04-09 | 한국생산기술연구원 | 미세먼지 전구물질 농도 및 온도의 2차원 측정 및 이의 능동제어 방법 |
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