KR100514416B1 - 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법 - Google Patents

칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 관한 것으로서, 연료와 형광염료가 포함된 혼합연료를 인젝터를 통해 분사하고, 상기 인젝터를 통해 분사되는 혼합연료를 향하여 상기 혼합연료의 분사방향에 대해 교차하는 방향으로 레이저 평면광을 조사(照射)하는 조사(照射)단계; 산란신호를 제거하는 광필터를 장착한 칼라 디지털 카메라(color digital camera)로, 상기 레이저 평면광이 조사된 영역 내의 혼합연료의 평면 분무 이미지를 촬영하는 촬영단계; 및 상기 칼라 디지털 카메라에 의해 촬영되어 기록된 최종이미지에서 레드(Red) 채널과 그린(Green) 채널 중 어느 하나의 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하는 검지(檢知)단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 고가의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용하지 않고 비교적 저렴한 상용 디지털 카메라를 사용하더라도 검출된 신호의 신뢰성을 유지할 수 있어 광학적 패터네이터(patternator)를 다양한 분야에 적용 가능하도록 한다.

Description

칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법{Method for measuring planar distribution of fuel spray using color digital camera}
본 발명은, 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저에 의한 형광을 이용하여 유동을 교란시키지 않으면서 고해상도로 액체 연료 분포의 균일성과 대칭성을 2차원적으로 파악할 수 있는, 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 관한 것이다.
현재의 에너지 수요 중 상당 부분은 연소기 내로 액체 연료를 분무하여 연소시키는 방식을 사용하고 있다. 이러한 액체 연료를 이용하는 연소기에서 성능을 높임과 동시에 저공해 연소기술을 구현하기 위해서는 설계와 개발 단계에서부터 분무 특성을 향상시키고 연료와 산화제의 혼합을 증대시키도록 하는 분무 시스템의 최적화가 필요하다. 이를 위해서는 무엇보다도 연소 성능뿐만 아니라 연소 안정성과 관련되어 있는 분무분포를 정확하고 용이하게 측정할 수 있어야 한다.
연료분무의 질량분포 측정방법으로 종래에는 기계적인 분류장치(mechanical patternator)를 주로 사용하여왔다. 이는 일정 시간동안 단위셀에 포집된 분무량으로부터 질량플럭스를 직접 측정하는 방식인데, 공간 분해능이 낮고 분무장을 교란시킨다는 문제점이 있었다. 따라서, 최근에는 비접촉방식의 위상 도플러 입자 분석기(PDPA:Phase Doppler Particle Analyzer)가 널리 사용되고 있는데, PDPA는 실시간으로 액적의 크기와 속도에 대한 정확한 정보를 제공하여 주고, 주어진 정보들을 이용하여 액적의 수밀도나 액체 체적 유량 등을 계산해 낼 수 있다. 그러나 점 측정 방식이라는 한계로 인해 3차원 현상인 분무의 전체적인 특성을 분석하기 위해서는 상당히 많은 시간을 요하는 문제점이 있었다.
따라서 분무를 더욱 신속하고 정확하게 파악할 수 있는 광학적 패터네이터(patternator)와 같은 대체 진단 기법이 필요한 실정으로, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 평면 이미지 기법을 이용한 광학적 패터네이터(patternator)는 레이저에 의한 형광과 산란광을 이용, 유동을 교란시키지 않으면서 고해상도로 액체 연료 분포의 균일성과 대칭성을 2차원적으로 파악할 수 있는 장치로서, 특히 형광 신호가 물질의 체적에 비례함을 이용하는 평면 액체 레이저 유도 형광(Planar Liquid Laser Induced Fluorescence) 기법은 분무의 2차원 질량 분포를 정량적으로 측정하는데 있어서 매우 유용한 방법으로 떠오르고 있다.
이러한 평면 액체 레이저 유도 형광(Planar Liquid Laser Induced Fluorescence) 기법을 이용하여 분무분포를 측정하는 장치는, 기본적으로 연료 탱크와 고압가스탱크 등으로 구성된 연료공급부와, 광섬유를 이용하여 레이저 평면광을 만들어내는 광학부와, 분무가 이루어지는 시험부와, 신호를 검출하여 저장하는 검지부로 이루어진다. 이러한 구성으로, 시험부의 인젝터에 의해 분무가 이루어지면 이를 향하여 광학부에서 레이저 평면광을 조사하고 검지부의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라가 분무 상태를 촬영하게 되며, CCD 카메라로부터 검출되는 신호를 바탕으로 분무분포를 측정하게 된다.
그런데, 종래의, 광학적 패터네이터(patternator)를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 있어서는, 신뢰할 수 있는 측정결과를 얻기 위해서 상당한 고가의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용하여야 하기 때문에 경제적인 이유 등에 의해 광학적 패터네이터(patternator)가 극히 제한적인 분야에만 사용되고 다양한 분야에 적용되지 못하고 있는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 고가의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용하지 않고 비교적 저렴한 상용 디지털 카메라를 사용하더라도 검출된 신호의 신뢰성을 유지할 수 있어 광학적 패터네이터(patternator)를 다양한 분야에 적용 가능하도록 하는, 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료와 형광염료가 포함된 혼합연료를 인젝터를 통해 분사하고, 상기 인젝터를 통해 분사되는 혼합연료를 향하여 상기 혼합연료의 분사방향에 대해 교차하는 방향으로 레이저 평면광을 조사(照射)하는 조사(照射)단계; 산란신호를 제거하는 광필터를 장착한 칼라 디지털 카메라(color digital camera)로, 상기 레이저 평면광이 조사된 영역 내의 혼합연료의 평면 분무 이미지를 촬영하는 촬영단계; 및 상기 칼라 디지털 카메라에 의해 촬영되어 기록된 최종이미지에서 레드(Red) 채널과 그린(Green) 채널 중 어느 하나의 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하는 검지(檢知)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 형광신호는 상기 최종이미지에서 레드(Red) 채널 신호만을 분리하여 출력된 것이 바람직하다.
그리고, 상기 촬영단계에서는, 상기 혼합연료의 일측에서 상기 레이저 평면광을 조사(照射)하여 제1이미지를 촬영하고 상기 혼합연료의 분무축선에 대해 상기 일측과 대향되는 타측에서 상기 레이저 평면광을 조사(照射)하여 제2이미지를 촬영하며, 상기 최종이미지는 상기 제1이미지와 상기 제2이미지의 기하평균을 취하여 처리된 이미지인 것이 레이저 강도 감소를 보정할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 촬영단계는, 상기 칼라 디지털 카메라가 상기 레이저 평면광의 조사(照射)방향에 대해 수직인 평면에서 상기 레이저 평면광의 조사(照射)평면의 측부에서 상기 혼합연료이 분무축선에 대해 경사지게 위치하여 촬영하며, 상기 최종이미지는, 상기 칼라 디지털 카메라에 촬영된 이미지를 상기 조사(照射)평면의 정면에서 본 이미지로 전환시키는 이미지 처리과정을 통하여 보정된 이미지인 것이 낙하하는 분무를 피하여 측부에서 촬영된 이미지를 정면에서 본 이미지로 전환시킬 수 있게 되어 바람직하다.
한편, 상기 조사(照射)단계 전에 상기 혼합연료와 동일한 성분의 혼합연료를 수정 셀(quartz cell)에 충전시키고 상기 수정 셀 내의 혼합연료를 향하여 레이저 평면광을 조사(照射)하여 상기 혼합연료의 형광신호분포를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 검지(檢知)단계는, 상기 촬영단계의 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정하도록 상기 최종이미지를 상기 형광신호분포를 기초로 보정하는 단계를 더 포함하도록 구성하면 측정 시 조사(照射)되는 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법은, 다양한 엔진의 인젝터(injector)를 통해 분사되는 연료분무의 질량분포를 측정하는 데 적용될 수 있으나, 이하에서는 로켓엔진에 많이 이용되는 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터(injector)를 통해 분사되는 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 한정하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법을 수행하기 위한 장치 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법을 수행하기 위한 장치는, 연료를 저장하며 측정 시 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 광섬유(23)를 이용하여 레이저 평면광(25)을 만들어내는 광학부(20)와, 분무가 이루어지는 시험부(30)와, 신호를 검출하여 저장하는 검지부(40)를 구비한다.
연료공급부(10)는 연료탱크(11)와 고압가스탱크(13) 등으로 구성되며, 광학부(20)는 연속레이저인 아르곤 이온(Ar-ion) 레이저(21)와 광섬유(23)로 구성되어 분사되는 혼합연료(50)분무를 향하여 측부에서 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하게된다. 그리고 시험부(30)는 연료를 분사하는 인젝터(31)를 구비하며, 검지부(40)는 촬영을 위한 칼라 디지털 카메라(color digital camera)(41)와 신호 처리를 위한 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer)(45)를 구비하는데, 본 실시 예의 경우, 칼라는 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue)모드로 12비트(bit) 방식으로 기록하며 해상도는 2160x1440 이고, 카메라의 노출시간은 분무의 시간평균을 고려하여 0.5초로 한다.
그리고 본 실시 예에서는 514.5nm의 파장에 형광을 일으키기 위하여 형광염료(Fluorescein, C20H12O5)를 알코올에 용해시킨 후 4배 부피의 물로 희석한 혼합연료(50)를 사용하며, 550nm이상의 파장만을 통과시키는 광필터(43)를 칼라 디지털 카메라(41)에 장착하여 514.5nm의 산란신호를 제거하고 형광신호만이 칼라 디지털 카메라(41)에 기록되도록 한다.
본 발명에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법은, 학술적으로 평면 액체 레이저 유도 형광 기법에 기초하고 있는데, 이 기법은 액적내에 균일하게 분포된 형광물질의 광흡수율이 작을 경우 그 형광신호의 크기는 액적의 부피에 비례한다는 사실에 기초하고 있다. 이하에서는 이 원리에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터(31)의 분무특성을 설명하면, 도 2는 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터 형상을 도시한 도면이고, 도 3a는 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터의 분무 패턴을 스트로보스코프를 사용하여 촬영한 순간 사진이며, 도 3b는 도 3a의 개략적인 액적 속도 분포도이다. 이 들 도면에 도시된 바와 같이, 두 제트의 충돌로 형성된 액막(liquid sheet)은 충돌파(impact wave)에 의해 액주(liquid ligament)로 분열되고 이 액주는 다시 액적으로 미립화된다. 이러한 액막의 분열 메커니즘으로 인해 대부분의 분무가 x-z의 2차원 평면상에 존재하게 된다. 이브리힘(Ibrahim)과 프르젝바스(Przekwas)에 의하면, 이 액막은 중앙(x=y=0)에서 최대 두께를 가지므로 중앙에서 매우 큰 액적이 형성되어 국소적인 고밀도 분무를 이루게 된다.
한편, 돔브로스키(Dombrowski)와 후퍼(Hooper)에 따르면 미립화 과정에서 에너지의 소산이 일어나지 않기 때문에 액막, 액주, 액적 모두 제트의 분사속도(Vj)와 동일한 속도를 가진다. 따라서 도 3b에서와 같이 액주나 액적이 충돌점을 중심으로 하는 원호를 이룬다고 가정하면, 임의의 위치 (x,y,z)에서 액적 속도의 z 방향 성분(Vd,z)은 다음과 같이 표현된다.
(1)
다음으로, 카메라의 (i,j) 픽셀에 기록되는 형광신호의 크기(G(i,j))에 관한 다음과 같이 표현되는 식을 살펴본다.
(2)
여기서 C는 상수이며, Io는 입사되는 레이저광의 강도로서 픽셀 내에서 동일하다고 가정한다. 또한, nk는 액적의 크기로 구분된 집합 중에서 k번째 크기(dk)를 갖는 집합의 수밀도를 의미하는데, 카메라의 노출시간(t) 동안 측정 단위체적(V)에 존재하는 평균 액적의 수로서, 다음과 같이 정의된다.
(3)
여기서 tm,k는 k번째 집합의 m 번째 액적의 통과시간을, Mk는 k번째 집합의 총 액적수를 의미한다.
수밀도는 시간에 대한 평균값이므로 식(2)의 신호강도는 단위체적을 통과하는 액적의 부피가 아니라 측정시간동안 단위체적 내에 존재하는 액적의 평균부피, 즉 공간적인 액적의 농도를 의미하게 된다. 더욱이 식(2)의 상수는 평면 액체 레이저 유도 형광 기법만으로는 측정할 수 없기 때문에 식(2)는 액적의 상대적인 농도분포를 의미하게 된다.
마지막으로, 위에서 얻은 상대적인 분무 농도를 절대적인 질량플럭스로 전환시키는 식을 살펴본다. 식(3)의 액적의 통과시간은 레이저광의 두께(h)를 액적의 z방향 속도(Vd,z)로 나누어 구할 수 있으므로 다음과 같이 표현될 수 있다.
(4)
이때, 같은 픽셀에 존재하는 액적은 모두 Vd,z의 속도를 갖는다고 하면, 식(4)는 다음으로 표현된다.
(5)
이제 식(5)을 식(2)에 대입하여 다음 식을 얻는다.
(6)
여기서 레이저광의 두께가 한 픽셀의 크기와 비슷하므로 단위체적(V)을 레이저광의 두께와 한 픽셀의 면적(A)의 곱(hA)으로 표현하였다.
한편, (i,j) 픽셀에서의 질량플럭스()는 Δt의 노출시간 동안 한 픽셀의 면적을 통과하는 액적의 총 질량으로서 다음과 같이 정의된다.
(7)
여기서 ρl은 액체의 밀도를 의미한다. 식(6)과 식(7)로부터 다음과 같은 상대적인 질량플럭스를 구할 수 있다.
(8)
한편, 측정평면을 통과하는는 총 분무 유속( ) 은 z축을 따라 보존되어야 하므로 다음의 식이 성립한다.
(9)
위의 식으로부터 상수 C를 구하여 식(8)에 대입 하고, 식(1)로부터 얻은 액적의 속도로부터 최종적으로 다음의 정량적인 질량플럭스를 구할 수 있다.
(10)
결론적으로, 디지털 카메라의 (i,j) 픽셀에 기록되는 형광신호의 크기를 측정하면, 식(2)에 의해서는 액적의 상대적인 농도분포를 알 수 있게 되고, 식(10)에 의해서는 정량적인 질량플럭스를 구할 수 있게 되어 연료분무의 질량분포를 측정할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법을 적용하기 위해서는, 분무 액적에서 발생하는 형광신호의 강도와 칼라 디지털 카메라 CCD 센서에 기록되는 신호강도의 선형성이 확인되어야 한다. 이를 위하여, 형광신호의 강도는 입사하는 레이저광의 강도에 비례하므로 입사 레이저의 강도에 대해 센서에 기록되는 신호강도의 선형성을 도 4a와 같은 장치를 구성하여 조사(調査)하였는데, 우선 혼합연료(50)를 가득 채운 수정 셀(quartz cell)에 슬릿(slit)을 내어 레이저 평면광(25)이 최소로 입사되도록 하고, 다음으로 형광신호가 산란신호와 분리되도록 광필터(43)가 장착된 칼라 디지털 카메라(41)를 수직으로 설치하여 수정 셀(quartz cell)을 정면에서 촬영하였다. 다시 레이저 강도를 최소강도에서 최고강도로 점차 증가시키며 형광신호 촬영을 반복하여 이미지를 기록하고 기록된 이미지에서 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue) 채널을 분리하고, 각각의 채널에서 검출된 신호가 레이저 강도에 대해 선형성이 성립하는지 확인하였다.
도 4b는 입사 레이저 강도에 대한 칼라 디지털 카메라의 R, G, B 채널의 신호강도 변화를 보여주고 있다(B 채널의 경우 광필터(43)에 의해 블루(Blue) 파장이 제거되므로 신호가 거의 기록되지 않는다). 먼저 레이저 강도가 180mW에 이르면 R, G두 채널 모두 포화상태에 이르러 더 이상 신호가 증가하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이러한 신호의 포화 현상은 최대 강도 255(12bit의 신호를 이미지 처리과정의 편의를 위해 8bit로 전환하였기 때문에 최대 255강도를 갖는다) 이하에서 발생하는데, G 채널의 신호는 R 채널에 비해 광필터(43)에 의해 더 많은 광량이 제거되므로 G 채널의 포화강도(170)가 R 채널(244) 보다 더 낮다. 한편, 카메라의 노출시간에 따른 형광신호의 변화를 보여주는 도 4c에서도 도 4b와 같은 강도에서 신호의 포화현상이 발생하고 있음을 알 수 있다. 그러나 이는 입사 레이저 강도를 충분히 낮추어 포화를 방지하고 촬영된 이미지의 강도가 포화강도 이하임을 확인한다면 피할 수 있다.
한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, R, G채널의 경우, 레이저 강도가 100mW일 때까지 신호강도가 레이저 강도에 선형적으로 증가하였으나 이보다 높은 강도에서는 선형성이 유지되지 않고 있다. 이는 100mW 이상의 강도에서 형광(또는 산란) 신호가 매우 강하여 측정대상이 아닌 영역의 형광신호까지 기록되는 이차방출에 의한 효과로 판단된다. 이러한 사실은 입사 레이저 광도가 30mW로 낮은 도 4c에서는 포화 강도에 도달하기 전까지 이와 같은 비선형 증가가 보이지 않는 데서도 알 수 있다. 결론적으로 본 발명에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 있어서는 이차방출을 피할 수 있는 레이저 강도를 찾는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.
이제 형광신호의 이차방출을 고려해보면, 도 5a 및 도 5b는 충돌점으로부터 5cm와 8cm의 위치에서 입사 레이저의 강도에 따른 x축의 형광신호 분포를 도시하고 있는데, 도 5a로부터 레이저의 강도가 90mW 이상일 때, 분무가 집중되는 중앙부에서 형광신호의 강도가 이보다 낮은 레이저 강도에서 보다 25% 정도 높다는 것을 알 수 있다. 따라서 5cm 후방의 분무장에서 이차방출을 유발하는 최소 레이저 강도는 90mW 전후일 것으로 예측된다. 8cm 후방(도 5b)에서는 분무의 집중이 보다 완화되므로 110mW의 강도에서만 이차방출로 인한 오차가 발생함을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b의 결과로부터, 이차방출을 피하기 위해 레이저의 입사강도를 낮추어야 함을 알 수 있다. 그러나 입사강도가 감소함에 따라 형광 신호에 대한 잡음 비가 증가하여 30mW에서의 결과와 같이 형광신호의 크기가 작은 바깥영역에서 변동이 심하게 나타난다. 따라서 이차방출을 피하면서 높은 신호 대 잡음 비를 얻을 수 있는 입사광의 강도를 선택하는 것이 본 발명에 따른 측정방법에 있어서 매우 중요하다. 본 실시 예에서는 도 5a 및 도 5b의 결과로부터 70mW를 최적의 입사광 강도로 결정하였다.
이러한 일련의 검증 작업과 입사광 강도 결정이 완료되면 이러한 조건 하에서 연료분무의 질량분포를 측정할 수 있는데, 본 발명의 일 실시 예에 따른 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 혼합연료(50)를 인젝터(31)를 통해 분사하고, 인젝터(31)를 통해 분사되는 혼합연료(50)를 향하여 혼합연료(50)의 분사방향에 대해 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)한다.
그런 다음에, 산란신호를 제거하는 광필터(43)를 장착한 칼라 디지털 카메라(41)로, 레이저 평면광(25)이 조사된 영역 내의 혼합연료(50)의 평면 분무 이미지를 촬영한다.
이 때 분무되는 혼합연료(50)의 일측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제1이미지를 촬영하고 혼합연료(50)의 분무축선에 대해 일측과 대향되는 타측에서 제2이미지를 촬영한다. 즉 좌측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제1이미지를 촬영하고 난 뒤 다시 우측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제2이미지를 촬영한다.
마지막으로, 칼라 디지털 카메라(41)에 의해 촬영된 제1이미지와 제2이미지의 기하평균을 취하여 처리된 최종이미지에서 레드(Red) 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 전술한 식(2) 또는 식(10)으로부터 각각 액적의 상대적인 농도분포 또는 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하여 이를 표시장치 등에 표시하거나 저장장치 등에 저장하게 된다.
위에서, 칼라 디지털 카메라(41)에 의해 촬영된 제1이미지와 제2이미지의 기하평균을 취하여 처리된 기록된 최종이미지로부터 형광신호를 검출하는 것에 대하여 설명하였는데, 이는 레이저 평면광(25)이 분무를 통과할 때 액적들에 의한 감쇠 현상이 강하게 일어나므로 광원의 조사방향에 가까운 위치에서 신호가 강하게 나타나는 것 즉 레이저광의 강도 감소를 보정하기 위한 것이다.
이러한 보정 외에도, 일반적으로 레이저 평면광(25)의 강도는 그 수평위치에 대하여 가우시안(Gaussian) 분포를 이루므로 이를 보정해 줄 필요가 있다. 만약 이를 보정하고자 하는 경우에는 연료분무의 질량분포를 측정하기 전에, 혼합연료(50)와 동일한 성분의 혼합연료(50)를 수정 셀(quartz cell)에 충전시키고 수정 셀 내의 혼합연료(50)를 향하여 레이저 평면광(25)을 조사하여 혼합연료(50)의 형광신호분포를 측정하여 이 데이터를 저장해 놓은 뒤, 형광신호를 검출하기 전에 최종이미지를 미리 측정한 형광신호분포 데이터를 기초로 보정하면 된다.
또한 칼라 디지털 카메라(41)는 레이저 평면광(25)의 조사(照射)평면의 수직방향에서 촬영하는 것이 가장 바람직함에도 불구하고 낙하하는 분무를 피하여 측부에서 촬영할 수 밖에 없으므로 이 때 측정면의 위치에 따라 카메라까지의 거리가 달라지므로 원근 효과에 의해 이미지가 왜곡되어 나타난다. 만약 이를 보정하고자 하는 경우에는, 측정면에 정사각형의 격자를 두어 왜곡된 이미지를 얻고 원래의 정사각형으로 바꾸어주도록 하는 유사(Affine) 변환 행렬을 구하여, 이 유사 변환 행렬을 기초로 형광신호를 검출하기 전에 최종이미지를 보정하면 된다.
이상과 같이, 혼합연료(50)를 인젝터(31)를 통해 분사하고 혼합연료(50)의 분사방향에 대해 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하는 조사(照射)단계와, 산란신호를 제거하는 광필터(43)를 장착한 칼라 디지털 카메라(41)로 레이저 평면광(25)이 조사된 영역 내의 혼합연료(50)의 평면 분무 이미지를 촬영하는 촬영단계와, 칼라 디지털 카메라(41)에 의해 촬영되어 기록된 이미지에서 레드(Red) 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 연료분무의 질량분포를 검지하는 검지단계를 마련함으로써, 고가의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용하지 않고 비교적 저렴한 상용 디지털 카메라를 사용하더라도 검출된 신호의 신뢰성을 유지할 수 있어 광학적 패터네이터(patternator)를 다양한 분야에 적용 가능하도록 한 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법이 제공된다.
전술한 실시 예에서는, 혼합연료(50)가, 알코올에 형광염료를 용해시키고 4배 부피의 물로 희석화된 것에 대하여 상술하였으나 혼합연료는 측정방법의 목적에 맞도록 다양한 종류의 연료와 형광염료로 다양하게 배합될 수 있음은 당연하다.
또한, 전술한 실시 예에서는, 칼라 디지털 카메라(41)에 의해 촬영되어 기록된 이미지에서 레드(Red) 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 연료분무의 질량분포를 검지하는 것에 대하여 상술하였으나, 이는 레드(Red) 채널의 포화강도와 민감도가 그린(Green) 채널의 포화강도와 민감도보다 높기 때문으로 그린(Green) 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하더라도 연료분무의 질량분포를 검지할 수 있다면 이를 기초로 할 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고가의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용하지 않고 비교적 저렴한 상용 디지털 카메라를 사용하더라도 검출된 신호의 신뢰성을 유지할 수 있어 광학적 패터네이터(patternator)를 다양한 분야에 적용 가능하도록 한 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법을 수행하기 위한 장치 구성도,
도 2는 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터 형상을 도시한 도면,
도 3a는 라이크 더블렛(like-doublet) 인젝터의 분무 패턴을 스트로보스코프를 사용하여 촬영한 순간 사진,
도 3b는 도 3a의 개략적인 액적 속도 분포도,
도 4a는 형광신호에 대한 칼라 카메라 센서의 선형성 검증을 위한 실험장치의 개략도,
도 4b는 레이저 강도에 따른 형광신호의 크기를 도시한 그래프,
도 4c는 레이저 강도가 30mW일 때 카메라의 노출시간에 따른 형광신호의 크기를 도시한 그래프,
도 5a와 도 5b는 충돌점으로부터 각각 5cm와 8cm의 위치에서 입사 레이저의 강도에 따른 x축의 형광신호의 분포를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 연료공급부 11 : 연료탱크
13 : 고압가스탱크 20 : 광학부
21 : 레이저 23 : 광섬유
25 : 레이저 평면광 30 : 시험부
31 : 인젝터 40 : 검지(檢知)부
41 : 칼라 디지털 카메라 43 : 광필터
45 : 퍼스널 컴퓨터(PC) 50 : 혼합연료
51 : 수정 셀(quartz cell)

Claims (5)

  1. 연료와 형광염료가 포함된 혼합연료를 인젝터를 통해 분사하고, 상기 인젝터를 통해 분사되는 혼합연료를 향하여 상기 혼합연료의 분사방향에 대해 교차하는 방향으로 레이저 평면광을 조사(照射)하는 조사(照射)단계;
    산란신호를 제거하는 광필터를 장착한 칼라 디지털 카메라(color digital camera)로, 상기 레이저 평면광이 조사된 영역 내의 혼합연료의 평면 분무 이미지를 촬영하는 촬영단계; 및
    상기 칼라 디지털 카메라에 의해 촬영되어 기록된 최종이미지에서 레드(Red) 채널과 그린(Green) 채널 중 어느 하나의 채널 신호만을 분리하여 출력된 형광신호를 기초로 하여 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하는 검지(檢知)단계;를 포함하며,
    상기 조사(照射)단계 전에 상기 혼합연료와 동일한 성분의 혼합연료를 수정 셀(quartz cell)에 충전시키고 상기 수정 셀 내의 혼합연료를 향하여 레이저 평면광을 조사(照射)하여 상기 혼합연료의 형광신호분포를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 검지(檢知)단계는, 상기 촬영단계의 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정하도록 상기 최종이미지를 상기 형광신호분포를 기초로 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광신호는 상기 최종이미지에서 레드(Red) 채널 신호만을 분리하여 출력된 것을 특징으로 하는 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촬영단계에서는, 상기 혼합연료의 일측에서 상기 레이저 평면광을 조사(照射)하여 제1이미지를 촬영하고 상기 혼합연료의 분무축선에 대해 상기 일측과 대향되는 타측에서 상기 레이저 평면광을 조사(照射)하여 제2이미지를 촬영하며,
    상기 최종이미지는 상기 제1이미지와 상기 제2이미지의 기하평균을 취하여 처리된 이미지인 것을 특징으로 하는 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촬영단계는, 상기 칼라 디지털 카메라가 상기 레이저 평면광의 조사(照射)방향에 대해 수직인 평면에서 상기 레이저 평면광의 조사(照射)평면의 측부에서 상기 혼합연료이 분무축선에 대해 경사지게 위치하여 촬영하며,
    상기 최종이미지는, 상기 칼라 디지털 카메라에 촬영된 이미지를 상기 조사(照射)평면의 정면에서 본 이미지로 전환시키는 이미지 처리과정을 통하여 보정된 이미지인 것을 특징으로 하는 칼라 디지털 카메라를 이용한 연료분무의 평면분포 측정방법.
  5. 삭제
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