KR101072657B1 - 연소제어 및 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

연소제어 및 모니터링 방법 및 장치

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KR101072657B1
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앤드류 디. 샤페이
제임스 하웰
헨릭 호프반더
비. 피. 마스터슨
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졸로 테크놀러지스, 아이엔씨.
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Abstract

센싱장치는 각각 일정한 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저와, 다이오드 레이저의 출력과 광학적으로 연결되며, 또 발신측 광섬유에 광학적으로 연결되는 멀티플렉서로 구성된다. 다중화 레이저 빛은 발신측 광섬유를 통해 발신 광학부로 전송된다. 발신 광학부는 연소실 또는 석탄이나 가스 화력 발전소의 보일러 등과 같은 프로세스 실과 작용적으로 연결되어 있다. 또한, 수신 광학부는 상기 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 수신한다. 수신 광학부는 광섬유에 광학적으로 연결되어 다중화 레이저 출력을 디멀티플렉서로 전송한다. 디멀티플렉서는 레이저 빛을 역다중화하며, 선택된 발진 주파수의 빛을 검출기에 광학적으로 연결한다. 검출기는 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감하다.
연소제어, 다중화, 레이저 빛, 에셜 격자, 얼라인먼트 빔, 광섬유

Description

연소제어 및 모니터링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE MONITORING AND CONTROL OF COMBUSTION}
본 발명은 연소 프로세스를 모니터하고 제어하기 위한 방법과 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소 프로세스를 모니터하고 제어하기 위해 조절 가능한 다이오드 레이저 흡수분광기의 사용에 관한 것이다.
미국에서 생산되는 전기의 많은 부분은 석탄 연소 발전소에서 생산된다. 세계적으로도 비슷하게 전기 생산의 많은 부분을 주요 에너지원인 석탄에 의존하고 있다. 핵발전에 의해 생기는 폐기물과 관련된 장기간의 환경문제와 태양열 발전과 관련된 비효율을 고려하면, 가까운 장래에는 석탄이 주요 에너지원으로서의 지위를 유지할 것 같다. 또한, 막대한 세계적인 석탄 매장량은 현재와 같은 비율로 사용하여도 최소한 200년 동안 에너지를 생산하기에 충분하다.
그러나, 석탄 화력 발전에 관련된 오염물질의 방출을 감소시키고 석탄 화력 발전 프로세스의 전체적인 효율을 올리라는 강한 요구가 있어 왔으며, 앞으로도 계속될 것이다. 전통적으로, 발전소와 다른 산업 연소 시설에 있어서, 연소 프로세스의 효율과 오염물질방출의 정도는 채취한 가스 샘플을 비분산적외선(NDIR) 광도측정법(photometry)과 같은 기술로 측정하여 간접적으로 결정하였다. 가스채취시간과 최종분석시간 사이에는 의미 있는 지연이 있을 수 있기 때문에, 샘플 채취시스템은 연소 프로세스의 폐 루프 제어에는 적절하지 않다. 또한, 채취과정은 일반적으로 한 점 측정이 되기 때문에, 그 결과가 매우 변화가 심하며, 동적인 연소실 내의 측정된 물질의 실제 농도를 나타낼 수도 있고 아닐 수도 있다.
레이저 기반 광학 성분센서는 최근에 추출측정기술과 관련되어 관심을 끌고 있다. 레이저 기반 측정기술은 현장에서 즉시 측정을 할 수 있고, 또한 동적 프로세스제어에 적합한 고속의 피드백을 제공한다는 이점이 있다. 파장가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(tunable diode laser absorption spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)은 연소가스의 성분, 온도, 등의 연소 파라미터를 측정하는 매우 유망한 기술이다. TDLAS는 전형적으로 근적외선(near-infrared)과 중적외선(mid-infrared) 스펙트럼 영역에서 작동하는 다이오드 레이저를 사용한다. 통신산업에서 사용하기 위해 적절한 레이저들이 광범위하게 개발되어 왔다. 그러므로 그 레이저들은 TDLAS 응용을 위해 즉시 사용될 수 있다. 연소 프로세스을 감지하고 제어하기 위한 다양한 TDLAS 기술들이 개발되어 왔다. 파장변조 분광기술, 주파수변조 분광기술, 직접흡수 분광기술 등이 일반적으로 알려져 있다. 이러한 기술들은 연소실에 존재하는 가스들의 특성인 레이저 빛이 연소실을 통과하고 특정 스펙트럼 밴드에서 흡수된 후 검출기에 의해 수신된 레이저 빛의 양과 성질 사이의 일정한 관계에 기반을 두고 있다. 검출기에 의해 수신된 흡수 스펙트럼은 온도와 같은 관련 연소 파라미터 외에 분석중인 가스 성분의 양을 결정하는데 사용된다.
예를 들면, 미국 특허출원 2002/0031737A1(Von Drasek 외)은 고온 프로세스 를 모니터링 및/또는 제어용 파장가변 다이오드 레이저를 사용한 방법 및 장치를 기재하고 있다. 이 특허는 수많은 연소 성분의 상대농도, 온도, 다른 파라미터들을 결정하기 위해 직접 흡수 분광기술을 사용하는 데 특징이 있다. 미국특허 5,813,767은 연소실에서 이루어지는 연소와 오염물질들을 모니터링하기 위해 유사한 시스템을 기재하고 있다. 이 미국특허는 관측된 흡수특성의 모양의 도플러 넓음(Doppler broadening)을 온도분석을 위한 기초로 사용하는 간접 분광기술을 사용한다.
Teichert, Fernholz, Ebert는 실험실 분석기술로서의 TDLAS를 실제 석탄발전설비의 보일러 화구 내에서 특정 연소 파라미터를 계측할 수 있는 실행가능한 현장 기술로 확장하였다. 그들의 논문, "Simultaneous in situ Measurement of CO, H2O, Gas Temperature in a Full-Sized, Coal-Fire Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers,"(Applied Optics, 42(12):2043, 20 April 2003)에서 저자들은 석탄 화력발전소에서 직접흡수 분광기술의 성공적인 실행을 보여주고, 석탄연소프로세스의 매우 크고 격렬한 성질에 기인하는 기술적인 도전들에 대해 논의한다. 특히, 종래의 석탄화력발전소의 연소실은 지름이 10~20m 이다. 발전소는 미분탄을 땐다, 따라서 연소 프로세스는 많은 먼지 때문에 레이저 빛의 전달이 곤란하고, 매우 발광하게 된다. 또한, 발전소의 연소조건하에서는 다양한 강한 교란이 발견된다. 연소실을 통과하는 전체적인 빛의 통과율은 광대역 흡수, 입자들에 의한 분산, 또는 반사율의 변동에 따른 빔 조향(beam steering)의 결과로 시간에 따라 극적으로 변동할 것 이다. 또한, 검출기 신호에 간섭을 끼칠 수 있는 연소하는 석탄입자로부터 강렬한 열방사도 있다. 또, 발전소 보일러의 외부 환경도 TDLAS 검출 또는 제어시스템의 실행에 문제를 일으킨다. 예를 들면, 전자부품, 광학부품 또는 다른 민감한 분광기술 구성부품들은 강한 열로부터 먼 위치에 있거나, 적절하게 차폐되거나 냉각되어야 한다. TDLAS 시스탬의 실행이 이러한 조건하에서는 매우 어렵다고 할지라도 TDLAS는 석탄연소 프로세스를 모니터하고 제어하는데 가장 적합하다.
본 발명은 상기와 같은 TDLAS 실행의 문제들을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면은 센싱장치이다. 상기 센싱장치는 각각 선택된 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저와, 다이오드 레이저의 출력과 광학적으로 연결되며, 또 발신측 광섬유에 광학적으로 연결하는 멀티플렉서로 구성된다.
다중화 레이저 빛은 발신측 광섬유를 통해 발신 광학부로 전송된다. 발신 광학부는 연소실, 또는 석탄 또는 가스 화력 발전소의 보일러 등과 같은 프로세스 실과 작용적으로 연결되어 있다. 또한, 수신 광학부는 상기 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 수신한다. 여기서 사용되는 "연결된(coupled)", "광학적으로 연결된(optically coupled)", 또는 "광학적으로 연통된(in optical communication with)"이라는 표현은 빛이 중간의 매개부품 또는 빈 공간을 통하거나 또는 통하지 않고 제1구성부품으로부터 제2구성부품으로 통과할 수 있는 대응부품들 사이의 기능적 관계로 정의 된다. 수신 광학부는 광섬유에 광학적으로 연결되어 다중화 레이저 출력을 디멀티플렉서로 전송한다. 디멀티플렉서는 레이저 빛을 역다중화하며, 선택된 발진 주파수의 빛을 검출기와 광학적으로 연결한다. 검출기는 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감하다. 또한, 센싱장치는 멀티플렉서의 앞에 별개의 대응되는 입력 광섬유와 광학적으로 연결된 다이오드 레이저와 디멀티플렉서의 출력에 광학적으로 연결된 검출기를 포함한다. 상기 발신측 광섬유는 싱글 모드 광섬유이고, 상기 수신측 광섬유는 다중 모드 광섬유이다. 또한, 센싱장치는 발신측 광섬유에 광학적으로 연결되며, 프로세스 실과 작용적으로 연결된 한 개 이상의 발신 및 수신 광학부에 광학적으로 연결되는 발신측 광학 경로기구를 더 포함한다. 발신측 광학 경로기구는 광 스위치, 광 스플리터, 또는 통상적으로 이용할 수 있는 기성품의 통신 광학 경로장치이다. 또한, 센싱장치는 검출기로부터 입력을 받고, 공지의 레이저 분광기술을 사용하여 검출기 데이터로부터 연소 파라미터를 결정하는 데이터 처리시스템을 더 포함한다. 또한, 센싱장치는 상기 데이터 처리시스템과 연동하여 동작하며 상기 연소 파라미터에 영향을 주는 수단을 더 포함한다. 예를 들면, 센싱장치는 공기 흐름, 연료흐름, 또는 촉매나 화학 약품 첨가제와 같은 연소 입력의 폐루프 제어를 제공할 수 있으며, 제어는 데이터 처리시스템에 의해 결정된 연소 파라미터에 따라 데이터 처리시스템에 응답한다.
상기 센싱장치는 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서에 에셜 격자를 사용할 수 있다. 멀티플렉서와 디멀티플렉서는 광학 웨이브 가이드와 콜리메이팅 초점 광학을 더 포함한다. 콜리메이팅/초점 광학부에 연결된 굴절 에셜 격자는 복수의 넓은 간격 파장의 빛을 동시에 역다중화하는 홈 간격과 브레이즈 각을 갖는다. 적당한 에셜 격자는 670nm과 같거나 큰 파장과 5200nm와 같거나 작은 파장을 다중화 또는 역다중화할 수 있다. 이때, 에셜 격자는 2차 내지 14차의 회절 차수에서 동작한다. 또, 에셜 격자의 홈 간격(groove space)은 약 171.4lines/mm이고, 에셜 격자의 블레이즈 각은 약 52.75도이다.
또한, 센싱장치는 모든 다이오드 레이저 중 일부에만 광학적으로 연결되는 멀티플렉서와, 멀티플렉서의 출력과 멀티플렉스 되지 않은(비다중화) 다이오드 레이저에 광학적으로 연결된 광 커플러를 포함한다. 상기 광 커플러는 일정 길이의 전달 광섬유를 통해 발신 광학부와 광학적으로 연통된다. 전달 광섬유의 일정 길이는 모드 노이즈를 최소화하도록 결정된다. 예를 들면, 전달 광섬유의 길이는 3m와 같거나 짧도록 구성되고, 1240nm 이하의 파장, 특히 760nm의 파장은 광섬유를 통해 전달되는 동안 다중 모드(multi-modal)가 되지않는 Corning SMF 28 광섬유로 제조된다.
또한, 센싱장치는 수신측 모드 노이즈를 최소화할 수 있도록 상기 수신측 다중 모드 광섬유의 단면을 기계적으로 조작할 수 있는 수단을 포함한다. 단면을 조작하는 적절한 수단의 예는 광섬유에 고정되며 세로축 주위로 비트는 동작을 제공하는 수신측 광섬유의 세로축에 평행한 축을 갖는 모터를 포함한다. 비틈 동작은 +360도와 -360도 사이를 반복적으로 운동하며, 최소 10Hz의 속도로 운동하여, 전달된 신호를 효과적으로 평균화시키고, 수신측 모드 노이즈를 감소시킨다.
또한, 센싱장치는 상기 수신 광학부와 작용적으로 연결되며, 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향에 대해 수신 광학부를 조정하는 수신측 얼라인먼트 기구를 더 포함한다. 얼라인먼트 기구는 발신 광학부로부터 수신 광학부로 수신되는 레이저 빛의 양을 증가시킨다. 얼라인먼트 기구는 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향에 거의 직교하는 제1축과 제2축과, 제1축에 대해 직교하는 제1 및 제2직교축을 따라 수신 광학부를 틸트할 수 있도록 한다. 수신 광학부를 틸트하기 위해 스테퍼 모터가 사용되며, 데이터 처리시스템이 상기 수신측 얼라인먼트 기구에 연결되며, 상기 데이터 처리시스템은 상기 수신측 광섬유와 광학적으로 연결된 검출기로부터 상기 검출기로 인입되는 다중화 레이저 출력의 강도에 관련되는 데이터를 수신하고, 상기 수신측 얼라인먼트 기구가 상기 수신 광학부를 조절하도록 한다. 또한, 얼라인먼트를 위한 기준으로 사용되는 별개의 얼라인먼트 빔이 상기 수신 광학부에 발사될 수 있다. 발신 광학부를 얼라인먼트 하고, 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향을 조절하기 위한 유사한 얼라인먼트 기구가 센싱장치의 발신측에 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 연소 프로세스 센싱방법이다. 연소 프로세스 센싱방법은 복수의 선정된 발진 주파수로 레이저 빛을 생성하는 단계; 상기 레이저 빛을 다중화하는 단계; 발신측 광섬유로 프로세스 위치까지 상기 다중화 레이저 빛을 전송하는 단계;로 구성된다. 프로세스 위치는 가스 또는 석탄 화력발전소의 보일러와 같은 연소실이다. 상기 방법은 상기 다중화 레이저 빛을 연소 프로세스를 관통하여 발사하는 단계; 수신측 광섬유에서 상기 다중화 레이저 빛을 수신하는 단계; 상기 다중화 레이저 빛을 역다중화하는 단계; 및 상기 한 주파수의 역다중화 레이저 빛을 검출기로 전송하는 단계;를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 검출기의 출력으로부터 연소 파라미터를 결정하는 단계와 상기에서 결정된 연소 파라미터에 따라 상기 연소 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 에셜 격자 기반 다이오드 레이저 분광 가스 센싱장치이다. 상기 센싱장치는 각각 선택된 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저와 상기 다이오드 레이저와 광학적으로 연결되며, 선택된 발진 주파수로 레이저 빛을 다중화할 수 있도록 하는 일정 선 간격과 일정 블레이즈 각을 갖는 입력 에셜 격자를 포함한다. 상기 장치는 상기 에셜 격자로부터 다중화 레이저 빛을 수신하도록 상기 에셜 격자에 광학적으로 연결된 근접 단부를 갖는 광섬유를 포함한다. 또한, 발신 광학부는 상기 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되며, 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 프로세스 실을 관통해 레이저 빛이 발사되도록 방향이 조절된다. 상기 장치는 상기 발신 광학부와 광학적으로 연결되며, 선택된 발진 주파수로 레이저 빛을 역다중화할 수 있도록 하는 일정 선 간격과 일정 블레이즈 각을 갖는 출력 에셜 격자를 더 포함한다. 또한, 상기 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감한 검출기는 출력 에셜 격자에 광학적으로 연결된다. 또한 상기 장치는 상기 발신 광학부 및 상기 출력 에셜 격자와 광학적으로 연통되는 수신 광학부를 더 포함한다. 또한, 한 개 이상의 콜리메이팅 광학부가 상기 출력 에셜 격자와 대응되는 검출기 사이에 광학적으로 연결되어 있다, 다이오드 레이저 분광 가스 센싱장치의 에셜 격자는 복수의 파장 범위를 복수의 중심 파장을 중심으로 하는 각각의 복수의 파장 범위로 거의 동시에 (역)다중화할 수 있도록 하는 일정 홈 간격(groove spacing)과 일정 블레이즈 각을 갖는다. 적절한 에셜 격자는 670nm과 같거나 크고, 5200nm와 같거나 작은 파장을 갖는 광 채널을 (역)다중화할 수 있다. 이러한 에셜 격자는 2차 내지 14차의 굴절율 차수에서 동작하며, 에셜 격자의 홈 간격은 약 171.4lines/mm이고, 상기 에셜 격자의 블레이즈 각은 약 52.75도이다.
본 발명의 또 다른 측면은 복수의 선정된 발진 주파수로 레이저 빛을 생성하는 단계; 에셜 격자로 상기 레이저 빛을 다중화하는 단계; 상기 다중화된 레이저 빛을 연소 프로세스를 관통하여 발사하는 단계; 에셜 격자로 상기 다중화 레이저 빛을 역다중화하는 단계; 및 상기 한 주파수의 역다중화 레이저 빛을 검출기로 전송하는 단계;를 포함하는 연소 프로세스 센싱방법이다. 이 방법은 상기 검출기의 출력으로부터 연소 파라미터를 결정하는 단계와 상기에서 결정된 연소 파라미터에 따라 상기 연소 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 선택된 발진 주파수를 갖으며, 각각 별개의 입력 광섬유의 근접 단부에 연결되는 한 개 이상의 다이오드 레이저를 포함하는 다이오드 레이저 분광기에 사용되는 발신측 광학 시스템이다. 이 시스템은 상기 입력 광섬유 중의 일부의 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되며, 상기 입력 광섬유 중의 일부 입력 광섬유로부터 발사된 다중화 레이저 빛을 발신측 광섬유의 근접 단부에 광학적으로 연결하는 멀티플렉서를 더 포함한다. 일반적으로, 다이오드 레이저와 멀티플렉서는 연소 프로세스 실로부터 멀리 위치한 기후 조절된 방에 위치될 것이다. 상기 시스템은 상기 발신측 광섬유의 먼 단부와 멀티플렉스 되지 않은 입력 광섬유의 먼 단부를 광학적으로 연결하며, 발신측 광섬유로부터 나오는 다중화 레이저 빛과 상기 멀티플렉스 되지 않은 입력 광섬유로부터 나오는 비다중화 레이저 빛을 전달 광섬유의 근접 단부에 광학적으로 연결하는 커플러를 포함한다. 일반적으로 커플러는 연소 프로세스의 근처에 위치한다. 상기 시스템은 전달 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되는 발신 광학부를 더 포함한다. 일반적으로, 상기 발신측 광 시스템에 사용되는 광섬유는 싱글 모드 광섬유이다. 전달 광섬유의 길이는 모드 노이즈를 최소화하도록 정해진다. 특히, 파장이 짧은, 예를 들면 760nm, 레이저 빛은 파장이 긴, 예를 들면 1240~5200nm, 레이저 빛과 함께 다중화되고, 다중화된 빔은 적절한 상업적으로 이용할 수 있는 통신 광섬유로 전송된다. 이 광섬유는 큰 굽힘율과 전체적인 전달 스펙트럼에 대해 다른 전달손실이 없으며, 상대적으로 작은 파장은 먼 거리에서는 다중 모드가 된다. 그래서, 전달 광섬유 길이는 모드 노이즈의 발생을 최소화할 수 있도록 선정된다. 예를 들면, 전달 광섬유의 길이는 3m 이하이고, Corning SMF 28 광섬유로 만들어지며, 760nm 파장을 갖는 레이저 빛은 커플러로부터 발신 광학부로 중대한 다중 모드화되지 않고 전달될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 수신측 다중 모드 광섬유의 근접 단부에 광학적으로 연결되는 수신 광학부와 수신측 모드 노이즈를 줄이기 위해 상기 수신측 다중 모드 광섬유의 단면을 기계적으로 조작하는 수단을 포함하는 다이오드 레이저 분광기에 사용되는 수신측 광학 시스템이다. 기계적 조작은 상기 세로축 주위로 상기 수신측 다중 모드 광섬유를 비트는 것을 포함한다. 상기 수신측 다중 모드 광섬유의 단면을 기계적으로 조작하는 수단은, 상기 수신측 다중 모드 광섬유와 작용적으로 연결된 모터를 포함하며, 상기 광섬유의 단면은 상기 모터의 축 위치에 관련되어 고정되며, 상기 모터 축은 +360도와 -360도 사이에서 반복적으로 운동한다. 모터 축의 운동 주파수는 최소한 10Hz이며, 상기 전달된 신호를 효과적으로 평균화시킬 수 있으며, 수신측 모드 노이즈 효과를 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 일정한 발진 주파수를 갖는 다이오드 레이저와, 상기 다이오드 레이저에 광학적으로 연결되며, 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 프로세스 실을 관통하는 투영 빔을 따라 레이저 빛을 발사하도록 방향이 조절되는 발신 광학부를 포함하는 다이오드 레이저 분광기 가스 센싱장치이다. 상기 장치는 또한, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 상기 레이저 빛을 받는 수신 광학부와 상기 수신 광학부에 광학적으로 연결된 광섬유를 포함한다. 또한, 수신 광학부는 상기 발신 광학부로부터 상기 수신 광학부에 의해 수신되고 광섬유로 연결되는 레이저 빛의 양을 최대로 하기 위해상기 투영 빔에 대해 상기 수신 광학부를 조정하는 수신측 얼라인먼트 기구 및 상기 광섬유에 광학적으로 연결되며, 상기 일정한 발진 주파수에 민감한 검출기와 작용적으로 연결된다. 상기 수신측 얼라인먼트 기구는, 상기 투영 빔에 거의 직교하는 제1축과 제2축에 대해 직교하며, 제1 및 제2직교축을 따라 상기 수신 광학부를 틸트하는 수단을 포함한다. 상기 수신 광학부를 틸트하는 수단은 스테퍼 모터이다. 상기 센싱장치는 상기 발신 광학부에 의해 발사되고, 상기 수신 광학부에 의해 수신되는 빛의 얼라인먼트 빔; 및 상기 검출기와 상기 수신측 얼라인먼트 기구에 작용적으로 연결되며, 상기 검출기로부터 상기 검출기에 연결된 상기 얼라인먼트 빔의 강도(strength)에 관련되는 데이터를 수신하고, 또한 상기 검출기로 인입되는 상기 얼라인먼트 빔의 강도를 최대로 하기 위해 상기 수신측 얼라인먼트 기구가 상기 수신 광학부를 상기 투영 빔에 정렬되도록 하는 데이터 처리시스템;을 포함한다. 또한, 상기 가스 센싱장치는 상기 발신 광학부를 정렬시키고, 상기 투영 빔의 방향을 조절하는 발신측 얼라인먼트 기구를 더 포함한다. 발신 광학부는 상술한 수신 광학부와 실질적으로 거의 동일하다.
본 발명의 또 다른 측면은 다이오드 레이저 분광기 가스 센싱 광학시스템의 정렬방법이다. 상기 방법은 빛의 얼라인먼트 빔을 생성하는 단계와, 프로세스 실을 관통하여 상기 얼라인먼트 빔을 발사하는 단계와, 상기 프로세스 실과 작용적으로 연결된 수신 광학부로 상기 얼라인먼트 빔을 수신하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 수신 광학부로부터 나온 상기 얼라인먼트 빔을 광섬유를 통해 검출기로 광학적으로 연결하는 단계와 수신 광학부로부터 상기 광섬유로 연결된 상기 얼라인먼트 빔의 강도를 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 수신 광학부로부터 상기 광섬유로 연결된 상기 얼라인먼트 빔의 강도를 최대로 하기 위해상기 수신 광학부를 정렬하는 단계를 포함한다. 다이오드 레이저 분광기 가스 센싱 광학시스템의 정렬방법은 제1 및 제2직교축을 따라 상기 수신 광학부를 틸트시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 얼라인먼트 빔은 발신 광학부에 의해 발사되고, 상기 발신 광학부는 상기 수신 광학부로부터 상기 광섬유로 연결된 상기 얼라인먼트 빔의 강도를 최대로 하기 위해 정렬된다.
본 발명의 또 다른 측면은 연소 프로세스에서 파장변조 다이오드 레이저 흡수 분광기에 의한 NO 센싱방법이다. 상기 NO 센싱방법은 약 670nm 파장의 레이저 빛을 생성하는 단계와, 발신측 광섬유로 가스 프로세스 위치까지 상기 레이저 빛을 전송하는 단계와, 상기 레이저 빛을 가스 프로세스를 관통하여 발사하는 단계와, 수신측 광섬유에서 상기 레이저 빛을 수신하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 레이저 빛을 상기 수신측 광섬유를 통해 검출기로 전송하는 단계와 상기 검출기에서 상기 검출기로 전송된 상기 레이저 빛에 관련된 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 신호로부터 NO2 농도를 계산하는 단계와, 상기 NO2 농도로부터 NO 농도를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 NO 센싱방법은 670nm 파장의 레이저 빛을 제공함으로써 구현된다. 상기 약 670nm 파장을 갖는 레이저 빛은, 다이오드 레이저로 약 1340nm 파장을 갖는 레이저 빔을 생성하는 단계와, 주기적으로 반전된 준위상 정합 웨이브가이드(quasi-phase matched periodically poled waveguide)로 주파수를 배가(frequency-doubling)하는 단계에 의해 발생된다. 적절한 웨이브가이드는 주기적으로 반전된 준위상 정합 리튬 니오베이드 웨이브가이드(quasi-phase matched periodically poled litium Niobate waveguide)이다.
도 1은 본 발명에 의한 센싱장치의 개략도,
도 2는 연소실 근처의 구성요소에 광학적으로 연결된 원거리에 위치한 구성요소를 특징으로 하는 본 발명의 센싱장치의 개략도,
도 3은 복수의 센싱 그리드를 특징으로 하는 본 발명의 일 측면을 나타낸 도면,
도 4는 종래 기술에 의한 단일 빔 가스 검출장치를 나타낸 도면,
도 5는 종래 기술에 의한 복수 빔 가스 검출장치를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에서 에셜 격자를 사용한 경우를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 의한 에셜 격자 기반 다이오드 레이저 분광기 가스 센싱장치를 나타낸 도면,
도 8은 모드 노이즈를 최소화하기에 적합한 발신측 광학 시스템을 나타낸 도면,
도 9는 광섬유 연결된 가스 센싱장치를 나타낸 도면,
도 10은 발신 및 수신 광학부 사이의 빛 손실을 나타낸 도면,
도 11은 광섬유 시스템의 각도 허용 원뿔을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 의한 얼라인먼트 기구를 나타낸 개략도이다.
센싱장치( Sensing Apparatus )
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 연소 프로세스를 센싱하고, 모니터하며 제어하는데 적합한 센싱장치에 관한 것이다. 이 센싱장치(10)는 근주파수역 또는 중주파수역의 일정한 주파수에서 발진하는 일련의 파장가변 다이오드 레이저로(12)부터의 레이저 빛을 이용하는 파장가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(tunable diode laser absorption spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)을 사용한다. 파장가변 다이오드 레이저(12) 각각의 출력은 싱글 모드 광섬유(14)인 개별적인 광섬유에 연결되어 멀티플렉서(16, multiplexer)로 전달된다. 여기서 사용되는 "연결된", "광학적으로 연결된", 또는 "광학적으로 연통된"이라는 표현은 빛이 중 간의 매개부품 또는 빈 공간을 통하거나 또는 통하지 않고 제1구성부품으로부터 제2구성부품으로 전달될 수 있는 관련 부품 사이의 기능적 관계를 의미한다. 발생된 일부 또는 전 주파수의 레이저 빛은 멀티플렉서(16)에서 다중화되어 복합 선택 주파수를 갖는 다중화 탐사빔을 형성한다. 다중화 탐사빔은 발광측 광섬유(18)에 연결되고, 도 1에 연소실(22)로 표시된 프로세스 챔버와 작용적으로 연결된 발신 광학부(20, pitch optic) 또는 콜리메이터(collimator)로 전달된다.
발신 광학부(20)는 연소실(22)을 관통해 다중화 탐사빔을 발사할 수 있도록 설치되어 있다. 수신 광학부(24, catch optic)는 발신 광학부(20)와 광학적으로 연통된 연소실(22)을 가로 지러 위치한다. 수신 광학부(24)는 발신 광학부(20)의 대략 맞은 편에 설치되는 것이 바람직하며, 연소실(22)과 작용적으로 연결된다. 수신 광학부(24)는 연소실(22)을 통해 발사된 다중화 탐사빔을 수광할 수 있도록 설치된다. 수신 광학부(24)는 수신 광학부(24)에 의해 수광된 다중화 탐사빔을 디멀티플렉서(28)로 전달하는 수광측 광섬유(26)에 연결된다. 수신 광학부(24)에 의해 수신된 다중화 탐사빔은 디멀티플렉서(28)에서 역다중화되고, 역다중화된 레이저 빛의 각각의 파장은 출력 광섬유(30)로 연결된다.각각의 출력 광섬유(30)는 차례로 검출기(32)에 광학적으로 연결된다. 각 검출기(32)는 일반적으로 탐사빔을 형성하기 위해 다중화된 레이저 빛의 선택 주파수 중의 하나에 대해 민감한 광검출기이다. 검출기(32)는 검출기 주파수로 검출기(32)로 전송된 빛의 성질과 양에 따른 전기신호를 발생시킨다. 각 검출기(32)의 전기신호는 디지털화되어 데이터 처리시스템(34)에서 분석된다. 아래에서 상세히 설명하는 바와 같이, 디지털화되고 분석된 데이터 는 연소실(22) 내의 여러 가스 성분의 농도와 연소온도 등을 포함하는 프로세스 실 내에서 물리적 파라미터들을 인식하기 위해 사용될 수 있다. 데이터 처리시스템(34)은 피드백 루프(36)를 통해 연소제어장치(38)로 신호를 보낼 수 있으며, 이에 의해 선정된 프로세스 파라미터들을 능동적으로 제어할 수 있다. 연소 프로세스에 있어서, 제어된 프로세스 파라미터들은 연료공급속도(예컨대, 미분탄), 산소공급속도, 촉매 또는 화학약품 첨가속도를 포함한다. 센싱장치(10)의 발광측과 수광측의 전자부품과 광학부품들을 광섬유로 연결하면, 파장가변 다이오드 레이저(12), 검출기(32), 데이터 처리시스템(34)과 같이 예민하고 온도에 민감한 장치들을 안정적인 동작환경을 갖는 제어룸에 설치할 수 있다. 그러면, 비교적 환경에 강한 발신 광학부(20)와 수신 광학부(24)만이 연소실(22)의 열악한 환경 근처에 설치된다.
도 2는 광섬유로 연결된 다중화 센싱 시스템(40)의 전체적인 부품배치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 센싱 시스템(40)은 일반적으로 시스템 랙(42), 브레이크아웃 박스(44, breakout box), 발신 광학부(48)를 갖는 트랜스미터 헤드(46), 수신 광학부(52)를 갖는 리시버 헤드, 및 연결광섬유들을 포함한다. 시스템 랙(42)은 연소실(54)로부터 원거리, 예를 들면, 1킬로미터에 위치된 원격 제어룸에 설치하는 것이 바람직하다. 제어룸은 전형적으로 조절된 환경을 갖는다. 시스템 랙(42)은 레이저(56), 검출기(58), 파장 멀티플렉서(60), 파장 디멀티플렉서(62)를 포함한다. 또한, 시스템 랙(42)은 시스템 전자부품들과 제어 소프트웨어들을 포함한다(도 2에 미도시). 시스템 랙(42)은 선택적으로 얼라인먼트 광원(64)을 포함할 수 있다.
시스템 랙(42)과 브레이크아웃 박스(44)를 연결하는 광섬유는 일반적으로 표준 싱글 모드 통신 광섬유(single-mode telecom optical fiber)를 사용한다. 이 종류의 광섬유는 저렴하고, 쉽게 이용할 수 있으며, 손실이 적고, 광 스위치, 스플리터, 파장분할 멀티플랙서와 같은 빛을 조작하는 여러가지 기성의 통신부품에 레이저 빛을 사용할 수 있도록 해준다. 광섬유를 사용하지 않으면, 레이저 빛은 빈 공간을 통해 연소실(54)까지 도달되기 때문에 장치를 구성하기가 매우 어려울 것이다. 또한, 민감한 전자부품과 광학부품을 연소실(54)에 매우 가깝게 설치하여야만 할 것이다.
또한, 도 2에는 브레이크아웃 박스(44)가 도시되어 있다. 브레이크아웃 박스(44)는 보일러 가까이에 위치할 수 있도록 내환경성이 좋도록 포장되어 있다. 브레이크아웃 박스는 아래에서 설명하는 바와 같이 광신호들이 다중화 트랜스미터-수신기 헤드쌍으로 전송되도록 하는데 사용되는 광스위치들, 스플리터들, 커플러들(집합적으로 66)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이 시스템 부품들의 세번째 그룹은 트랜스미터 헤드(46)와 리시버 헤드(50)이다. 트랜스미터 및 리시버 헤드(46,50)의 광부품과 전자부품은 광섬유(68)로 전달된 빛을 평행광선으로 변환하고, 그 광선이 정확하게 연소실(54)을 통하여 지나도록 하고, 연소실(54)의 반대측에서 그 광선을 받고, 그 광선이 광섬유(70)로 연결되도록 하여야만 한다. 이러한 기능을 하는 광학부품들은 전송거리, 연소지역에서의 교란, 전송되는 광선의 질, 광섬유(70)의 코어 사이즈에 따라 선정된다. 광섬유의 코아 지름은 50 microns이 바람직하다. 이보다 지름이 더 큰 코아는 더 많은 레이저 빛을 받아들이나 또한 더 많은 배경 빛을 받아들인다. 수신측(리시버)에 광섬유를 사용하는 것은 몇 가지 유리한 점이 있다. 특히, 레이저 빛과 같은 위치에서 같은 방향으로 전송된 빛만 광섬유(70)로 초점이 맞혀 진다. 이것은 감지되는 배경 빛의 량을 많이 감소시킨다. 다른 실시예로, 빛은 여러개의 수신기 광섬유 중 한 개로 받아들여지고, 광 스위치나 다른 광 경로기기가 검출기(58)까지의 경로를 이루는 하나의 광섬유로부터 빛을 선택할 수 있다.
수신측에 광섬유 커플링을 사용하기 위해서는 트랜스미터와 리시버 양측의 얼라인먼트 공차가 정밀하게(트랜스미터 및 리시버 포인팅 양쪽에 대해 0.5 milliradian 이하) 유지되어야 한다. 이하에서 설명하는 얼라인먼트 시스템은 가혹한 발전소 환경에서 이러한 공차를 만족시킬 수 있도록 해준다. 다중화 레이저 신호들이 동시에 효과적으로 발신되고 수신될 수 있도록 발신 광학부(48)와 수신 광학부(52)의 양쪽이 660nm부터 1650nm까지의 파장에 대해 주문 설계되고 수차 보정된 것이 바람직하다.
복수의 센싱 광학부를 갖는 센싱장치
도 1을 참조하면, 한 개의 연소실(22)에 한 개 이상의 발신 광학부(20)와 수신 광학부(24) 세트를 갖는 것을 특징으로 하는 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 다중화 탐사빔은 도 1에 도시된 바와 같이 광 스위치(72)와 같은 경로기기에 의해 각 발신 광학부(20)로 발신된다. 적절한 경로기기는 탐사빔을 최소의 감쇠로 소정 차례로 각 발신 광학부/수신 광학부로 발신하도록 구성된 광 스위치들이나 다중화 탐사빔의 일부분을 동시에 각 광학부로 발신하는 광 스플리터를 포함한다.
유사한 광 경로기기가 각 수신 광학부(24)에 의해 수신된 다중화 탐사빔의 부분을 수신측 디멀티플렉서(28)로 전송하기 위해 시스템의 수신측에 적용할 수 있다. 이는 도 1에는 멀티 모드 광스 위치(74)로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 실시예는 2개의 발신 광학부와 수신 광학부를 갖는 것을 나타내나, 시스템은 여러개의 발신 광학부와 수신 광학부의 세트를 구비할 수 있다. 시스템의 발신 광학부와 수신 광학부 양측에 광섬유 커플링과 (역)다중화 탐사빔을 사용함으로써, 여러개의 발신 광학부와 수신 광학부를 한 세트의 레이저(12)와 검출기(32)로 구성할 수 있다. 광학의 다중화 기술을 사용하지 않으면, 각각의 트랜스미터/리시버 쌍에 대해 별개의 레이저와 검출기와 광케이블 및 이 모든 것에 대한 켈리브레이션이 필요할 것이다. 아래에서 상세히 설명하는 바와 같이, 다중화 트랜스미터/리시버 쌍은 전체 연소실(22)이나 하류 가스 프로세스를 감지하기 위한 것과 같이 다른 곳에 대해 일차원 또는 이차원 이상의 센싱 그리드로 구성될 수 있다. 매우 단순화된 센싱 그리드의 개략적인 예로서 도 3에 화구 센싱 그리드(76, fireball sensing grids)와 하류 센싱 그리드(78, downstream sensing grid)가 도시되어 있다. 또한, 본 발명은 광섬유로 연결하기 때문에 쉽게 이용 가능한 통신부품을 긍정적으로 사용할 수 있게 해준다. 예를 들면, 광섬유 스위치는 측정을 위해 다중화 탐사빔을 다른 장소로 전달하는데 사용될 수 있다. 1xN 광 스위치(N은 최대로 8임)는 여러 공급업자로부터 기성품으로 쉽게 이용할 수 있다. N이 16까지의 스위치는 주문생산이 가능하다.
한 개의 스위치와 복수 쌍의 발신 광학부와 수신 광학부는 연소실의 다른 위 치에서 가스 성분의 연속적인 탐사를 위해 사용될 수 있다. 평균된 결과가 만족스러운 상태에서는 다른 빔 경로의 연속 탐사는 사용할 수 있다. 그러나, 어떤 경우에는 전체 센싱 그리드의 동시적인 탐사가 필요하다. 예를 들면, 어떤 연소 프로세스 흐름에 매우 빈번한 변동이 있거나, 충격관(shock tubes) 또는 충격터널과 같이 그 흐름이 매우 짧은 시간만 존재하는 경우이다. 이러한 경우에는 1xN 스플리터를 사용한다. 그 스플리터는 탐사 빔을 그리드에서 다른 장소를 차지하는 N개의 가지로 나눈다. 전체 그리드가 동시에 발광하기 때문에 2차원 분석이 매우 빠르게 수행될 수 있다. 그러나, 동시적인 2차원 분석은 각 빔경로를 위한 수광측의 각 구성부품, 디멀티플렉서, 검출기, A/D 카드, 때로는 컴퓨터까지를 포함하는 구성부품을 요구할 것이다.
그러면, 스위치들과 스플리터들을 사용하는 실시예는 탐사지역의 2차원 단면을 어느 정도 거친 단층촬영(coarse tomography)으로 재구성할 수 있도록 한다. 가스농도의 단층촬영을 위해 다이오드 레이저들을 사용하는 것은 공지된 기술이다. 그러나, 본 발명에서는 파장 다중화된 탐사 빔을 사용하기 때문에 의미 있는 추가적인 효과를 얻을 수 있다. 파장 다중화 빔을 사용하면 한 개 이상의 흡수선의 분광분석을 동시적으로 할 수 있다. 그러면, 아래에서 설명하는 온도결정과 같이 한 개 이상의 선에 의존하는 TDLAS 기술이 전체 센싱 그리드에 대해 수행될 수 있다. 이러한 방법에 의해 온도와 가스 성분 농도가 지도 형식으로 표시될 수 있다.
SCR 과 SNCR 에서 단층촬영의 응용
상술한 거친 단층촬영의 응용예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예 는 석탄 또는 가스 화력발전소 보일러 배출물로부터 질소산화물(NOx)을 감소시키기 위한 SCR(Selective Catalytic Reduction)과 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)에서 암모니아의 분사를 최적화하는데 관계된 것이다. 이 예에서, 암모니아 또는 요소 분사기(80)의 매트릭스는 보일러 배출물의 유로에 설치된다. 질소산화물의 농도를 최소화하기 위해서 과잉된 암모니아(또는 요소)가 배출물에 첨가될 수 있다. 질소산화물은 심하게 규제되고 매우 바람직하지 않은 대기오염원이다. 첨가된 암모니아는 화학적으로 질소산화물을 감소시켜, 무해한 질소 가스와 물을 형성한다. 그러나, 첨가되는 초과 암모니아(또는 요소)의 양은 최소화되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이 화학물질들은 그 자체가 독성이 있는 대기오염물질이고 매우 비싸기 때문이다. 일반적으로 초과되는 암모니아의 농도는 3~5ppm 이하인 것이 바람직하다. 그러나, 발전소 연소 배출물에서 질소산화물의 분포는 일정하지 않고, 또한 일시적으로 안정적 이지도 않다. 또한, 하나 이상의 암모니아 분사기가 일정 시간에 막혀 암모니아 농도가 국부적으로 낮아지고, 질소산화물의 농도는 국부적으로 상승할 수도 있다. 상기에서 설명한 하류에 설치된 TDLAS 그리드(78) 센싱으로 암모니아 또는 질소산화물의 공간상의 농도를 모니터할 수 있는 능력을 갖는 본 발명은 불균일한 암모니아 분포를 감지하고 그것을 완화시킬 수 있다. 그래서, 2차원 성분 농도를 갖는 암모니아 분사 그리드(76)의 최적화와 분사기들에 대한 개별 제어를 통해 SCR/SNCR 프로세스를 최적화할 수 있다. 검출기와 암모니아 분사기들을 데이터 처리시스템에 연결하여 암모니아 분사기들이 자동 피드백 제어되도록 할 수 있다.
여기에서 설명하는 최적화된 암모니아 슬립(slip) 검출 시스템은 질소산화물 농도를 모니터하는 기능을 갖는 것이 바람직하다. 질소산화물은 NO와 NO2 둘다를 포함한다. 불행히도 견고한 NIR 다이오드 레이저는 단지 1.7~1.8micron 지역에서 발생하는 2차 NO 배진동 전이(second NO overtone transition)에만 접근할 수 있다. 이 전이는 너무 약해서 대부분의 배출물 흐름에 존재하는 상대적으로 저농도인 NO를 검출할 수 없다. 그러므로, 직접적으로 NO의 농도를 모니터하는 것은 실질적이 아니다. 그러나, NO2 는 NO를 형성하는 과정과 동일한 과정으로 만들어 진다. 발전산업에서 열 질소산화물 프로세스(thermal NOx process)로 알려진 이 과정은 NO와 NO2 를 생산한다. 일반적인 조건하에서 NO는 전체 질소산화물의 농도에서 대략 95%를 차지하고, NO2 는 나머지 5%를 차지한다. 정확한 비율은 온도와 주변의 산화 퍼텐셜(oxidizing)에 좌우된다. 상술한 바와 같이, 이 기술은 채취된 가스의 온도도 결정할 수 있다. 그러나, NO와 NO2의 농도는 서로 추종할 것이라고 예상된다. 그래서, NO2는 NO의 대용 분석 성분으로 사용될 수 있다. 본 발명은 670nm의 파장으로 NO2 를 모니터할 수 있는 기능을 제공한다. 이 파장은 주기적으로 반전된 위상 정합 리튬 니오베이드 웨이브가이드(phase-mached periodically poled litium Niobate waveguide)에서 배가된 주파수(frequency-doubled)인 1340nm DFB (distributed- feedback) 레이저를 사용하여 얻을 수 있다. NO2 의 농도는 NO 농도의 5%에 불과할 지라도 NO2의 흡수력은 10배 정도 강하다. 그래서, NO2는 보일러에 존재하는 농도에서 쉽게 검출할 수 있기 때문에, 질소산화물의 감소 프로세스의 최적화를 쉽게 할 수 있도록 한다.
파장가변 레이저 흡수 분광기
본 발명은 레이저 분광기 기술분야의 기술을 갖고 있는 자들에게 알려진 기술들을 사용하여 TDLAS를 수행한다. 일반적으로 TDLAS는 표적 환경을 통해 레이저 빛을 전송하고, 일산화탄소나 산소와 같은 표적 가스에 기인하는 특정 파장에서 레이저 빛의 흡수를 검출함으로써 이루어진다. 검출된 빛을 분광분석하면, 레이저 경로를 따라 가스의 종류와 양을 알 수 있다. 직접 흡수 분광법의 상세한 내용은 Teichert, Fernholz, Ebert의 "Simultaneous in situ Measurement of CO, H2O, and Gas Temperature in a Full-Sized, Coal-Fired Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers,"(Applied Optics, 42(12):2043, 20 April 2003)에 기재되어 있다. 그 내용은 여기에서 전체적으로 참조될 것이다. 레이저 흡수 분광기의 비접촉 성질 때문에 다른 탐침(probes)을 사용할 수 없는 석탄 화력발전소의 연소 지역과 같은 가혹한 환경 또는 가연성이나 독성이 있는 환경에 적합하다. 레이저 빛(laser light)을 사용하면, 심한 감쇠환경(통상 99.9% 이상의 빛 손실)에서 빛의 전달을 검출하는데 필요한 고광도(high brightness)를 얻을 수 있다. 목표 응용분야의 가혹한 조건에 더 잘 견디도록 하기 위해, 레이저 빛은 보호된 광섬유를 통해 표적 환경으로 전송된다.
온도와 여러개의 연소 프로세스 구성성분 가스들을 효과적으로 감지하기 위해서는 여러개의 넓은 간격 주파수의 레이저 빛을 갖는 TDLAS의 성능이 필요하다. 선택된 주파수는 모니터할 전이(transition)의 흡수선과 매치(match)가 되어야 한다. 예를 들면, 상기에서 설명한 바와 같이, 대략적인 방사된 NO 농도에 대해 670nm의 파장에서 NO2를 모니터하는 것이 유용하다. 또한, 석탄 화력 설비 보일러에서 산소, 물(온도), 일산화탄소를 모니터 하는 것이 매우 유용하다. 적절한 흡수선과 적절한 레이저 주파수는 연소실을 관통하는 레이저 탐사 경로 길이가 10m이고, 각 성분의 몰분율이 CO(1%), O2(4%),CO2(10%), H2O(10%)라는 가정하에서 결정될 수 있다. 주파수를 선택하기 위해서는 프로세스 온도는 석탄 화력발전에서 일반적으로 관측되는 온도보다 약간 높은 1800K로 가정할 수 있으며, 쿠션(cushion)은 계산에 있어서 안전율의 역할을 한다.
예를 들면, 다음 기준을 만족하는 3개의 흡수선이 TDLAS로 선택될 수 있다.
1. 각각 ~ 1000, 2000, 3000 cm-1의 낮은 상태의 에너지
2. 차례로 공명에 의한 대략 20%의 빔 흡수율(absorption)에 이르는 대략 0.1~0.4의 편리한 흡광도(absorbance)를 제공할 것.
3. 값이 싸고, 출력이 크며, DFB 다이오드 통신 레이저를 이용할 수 있는 1250 내지 1650nm 영역에서 전이를 사용하는 최적환경,
4. 전이는 쉽게 다중화할 수 있도록 분리되어야 한다.
5. 선택된 파장은 존재하는 (디)멀티플렉서 격자(grating)에 의해 효율적으로 회절되어야 한다.
적절한 수분선들(water lines)은 다음 파장에서 발생한다.
파장(nm) 파수(cm-1) 저 준위 에너지(cm-1) 격자 차수 1800K와 10M에서 흡수율 UNP 회절 효율(model)
1349.0849 7412.432 1806.67 6.87 19.7% 81%
1376.4507 7265.062 3381.662 6.73 28.1% 77%
1394.5305 7107.872 1045.058 6.65 6.8% 72%
다른 연소 가스와의 간섭은 없다. 가장 간섭될 것 같은 성분인 CO2는 모형화되어, 1,3~1,4 미크론 영역에서는 강하고 간섭되는 선들이 존재하지 않는다.
비슷하게, 적절한 일산화탄소선은 상술한 Ebert의 논문에 기초하여 선택될 수 있다. 적절한 일산화탄소선은 석탄 화력 설비 보일러에서 R(24)선을 사용하는 1559.562nm에서 발견된다. 이 선의 선택은 수분과 이산화탄소와의 간섭을 피한다. 기지의 회절격자(grating)는 광통신 C 밴드에 있기 때문에 기지의 회절격자는 이 파장영역에서 매우 효과적이다. 이 파장에서의 흡광도(absorbance)는 0.7% 정도이다.
또한, 산소는 760.0932nm에서 측정할 수 있다. 바람직한 (디)멀티플렉싱 회절격자 효율은 이 영역에서 40%로 계산된다. 그러나 적절한 이러한 측정 효율을 얻기 위해서는 적절한 레이저 출력이 이용되어야 한다.
이하에서 설명되는 바와 같이, TDLAS 센싱장치의 발신측(pitch side)과 수신측(catch side) 양쪽에 광섬유 커플링(fiber coupling)을 사용하기 위해서는 발신 광학부와 수신 광학부의 엄격한 얼라인먼트가 필요하다. 능동적인 얼라인먼트가 선택된 얼라인먼트 파장에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 사용가능한 얼라인먼트 파장 중의 하나는 660nm이다. 왜냐하면, 고출력(45 mW) 다이오드가 이 주파수에서 사용가능하고, 660nm는 14차 격자 작용(order grating operation)의 최고치 근처이기 때문이다. 다른 얼라인먼트 파장은 적절하게 결정될 수 있다.
본 발명의 TDLAS를 위한 탐사빔에 다중화하기 위해 선택된 파장들을 표 2에 요약하였다. 이 파장 세트는 석탄 화력발전소의 센싱과 제어를 위해 적절한 TDLAS 센싱장치의 일 실시예를 위한 것이며, 다른 파장 세트도 사용가능함은 당연하다.
목적 파장(nm)
얼라인먼트 660
O2 b-a band 760.0932
H2O (중간 온도 라인) 1349.0849
H2O (고 온도 라인) 1376.4507
H2O (저 온도 라인) 1394.5305
CO (2,0)overtone의 R(24) 1559.562
다중화 빔을 사용하는 TDLAS 의 특정 이익
파장 다중화 탐사빔을 사용하는 TDLAS의 특별한 이점은 온도측정의 정확성을 향상시키는 것이다. TDLAS로 정확한 농도측정을 하기 위해서는 모니터하는 가스의 온도를 알아야 한다. 분자 흡수(molecular absorption) 강도(strength)는 온도의 함수이다. 그래서, 흡수 특성(absorption feature)의 진폭을 농도로 변환하기 위해서는 온도를 알아야만 한다. CO와 같은 연소 성분의 농도를 측정하려는 종래의 방법은 정량화에 오차를 일으키는 부정확한 온도 측정 때문에 곤란을 겪었다. 특히, 전통적으로 온도 측정과 조화되지 않는 다이오드 레이저 기반 암모니아 슬립 모니터에는 더욱 그러하다. 본 발명에 의한 센싱 시스템에서, 온도는 2개 이상의 분자 수분 라인(molecular water lines)의 강도비(ratio of the intensity)를 측정함으로써 결정할 수 있다. 두 라인의 통합된 강도의 비는 온도만의 함수이다(전 시스템의 압력이 일정하다고 가정). 그래서, 원칙적으로, 두 개의 라인으로 정확한 온도를 얻을 수 있다. 그러나, 불균일한 온도분포의 경우(일반적으로 산업적인 연소 프로세스에서 발견된다.)에는 두 개의 라인만으로 온도분포를 결정할 수 없다. 불균일한 온도분포의 경우에는, 두 개의 라인은 단지 "경로 평균(path-averaged)" 온도만을 결정할 수 있다. 대조적으로, 3개 이상 라인(같은 성분)의 통합된 진폭을 측정하면 온도 불균일성을 검출할 수 있다. Sanders, Wang, Jeffries, Hanson이 탐사분자로 산소를 사용하여 이러한 기술을 구현한 일 예가 "Applied Optics"(vol.40,num.24,20 August 2001)에 기재되어 있다. 바람직한 기술은 시선을 따라 측정한 최고 강도(peak intensity)의 분포가 평균온도 500K의 경로와 일치하지 않는다는 사실에 기반을 두고 있다. 예를 들면, 그 경로의 절반은 300K이고 나머지 반은 700K이다.
더 정확한 온도측정을 할 수 있다는 이점 외에, 다중화 탐사빔을 사용하면, 하나 이상의 연소 가스 성분을 동시에 모니터링할 수 있으며, 연소 프로세스를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
에셜 격자( echelle grating ) 장치
본 발명의 이점은 통신산업에 사용하기 위해 설계된 비교적 싸고 쉽게 이용할 수 있는 광학부품을 사용하는 데서 얻을 수 있다. 통신장치는 시스템의 발신측과 수신측을 광섬유로 연결하는데 사용된다. 통신장치는 상당히 근접하고 일정 값(예컨대, 0.8nm)으로 이격된 파장들로 다중화된 광선을 받아들 일 수 있는 광 멀티플렉서를 사용한다. 그리고, 광선은 싱글 모드 광섬유로 연결된다. 디멀티플렉서는 반대의 과정을 수행한다. 통신장비는 일반적으로 가장 널리 사용되는 광학(Optical) C-band인 1528~1563nm를 포함하는 1520 내지 1620nm의 파장범위에서 동작하도록 설계되어 있다.
(디)멀티플렉서의 경우에는 물리적으로 동일한 기기가 빛이 통과하는 방향에 따라 다중화 또는 역다중화를 위해 사용된다. 또, 여기에서 사용되는 "멀티플렉서(multiplexer)" 또는 "먹스(mux)"는 다중화 및 역다중화 기능을 포함하는 것으로 이해하면 된다.
광 멀티플렉서는 먹스/디먹스 기능을 구현하기 위해 여러가지 기술을 사용할 수 있다. 그러나, 에셜 격자 기반의 먹스(echelle grating-based muxes)는 매우 간단하고 소형화된 설계가 가능하다는 이점이 있다. 에셜 격자는 비교적 거친 회절 격자로서, 일반적으로 45도 이상의 블레이즈 각(blaze angle)을 갖으며, 1차 이상의 차수에서 동작한다. 고차 동작(high order operation)과 결합된 격자의 경로 선 간격은 큰 각 분산(angular dispersion)을 얻을 수 있다. 따라서, 장치를 소형화할 수 있다.
일부 통신장치는 광 멀티플렉서에 의해 동시에 지원되는 C band 바깥의 다른 파장(예를 들면 1310nm)을 요구한다. 또한, 본 발명에 의한 TDLAS 센싱 제어장치와 같은 통신분야 이외의 응용분야는 넓은 간격으로 분리된 파장, 약 100s nm의 간격으로 레이저 빛을 다중화할 필요가 있다. 도 4 내지 도 7에는 에셜 격자 기반의 다중화 센싱 장치의 이점을 나타내는 예가 도시되어 있다. 도 4는 빛(84)이 일측에서 화염(86)을 관통하여 주사되는 가스 센싱장치(82)가 도시되어 있다. 화염(86)의 다른 쪽에 위치한 센서(88)가 전달된 빛을 검출하고, 화염(86)의 가스에 의해 어느 정도의 빛이 흡수되었는가를 판단한다. 도 4에 도시된 장치에서, 한 개의 광선만이 화염(86)을 관통한다. 빛의 파장은 특정 가스에 흡수 파장에 대응되도록 선정될 수 있다. 다른 예로, 빛은 화염(86)을 통과한 후 프리즘처럼 여러 파장으로 분산되는 백광(white light)을 사용할 수도 있다. 그리고, 관심이 있는 각 파장에서의 흡수를 측정할 수 있다.
좀 더 정교한 종래의 기술에 의한 장치가 도 5에 도시되어 있다. 이 장치는 n개의 분리된 광선(90A~90n)이 화염(92)을 통과하도록 되어 있다. 각 광선(90A~90n)은 파장이 다르며, 화염(92)의 반대쪽에 있는 센서(94A~94n)는 선택된 가스의 상대적인 양을 나타내는 각 파장의 흡수량을 측정한다. 복수의 별개 빔을 사용하는 방법에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째로, 화염에의 접근성이 제한적이다. 제한된 공간을 통해 복수의 광선을 발사하는 것은 불가능하지는 않지만 불편한 점이 있다. 둘째로, 화염에는 불균일한 포켓뿐만 아니라 교란이 존재한다. 복수의 빔은 아무리 가깝게 설치한다고 해도 동일한 측정공간을 통과할 수 없다. 따라서, 일정하고 비교가능한 결과를 얻을 수 없다. 끝으로, 발사 및 센싱 광부품과 검출기는 단일 광 장치에 비해 복수 광 장치에서 더 복잡하고 비싸다.
본 발명에 의한 에셜 격자 멀티플렉서에 기초한 센싱장치는 종래 기술에 비해 현저한 이점이 있다. 에셜 격자는 45도 이상의 블레이즈 각을 가지며, 1차 이상의 차수에서 동작할 수 있기 때문에 특수한 유연성을 제공한다. 예를 들면, Zolo Technologies사의 ZmuxTM 은 174.4lines/mm의 라인 간격과 52.75도의 블레이즈 각을 갖는 기계적으로 만들어진 격자를 가지며, 6차 1545nm에서 리트로(Littrow) 구성에서 동작하도록 최적화되어 있다. 리트로 마운트를 위한 격자 식은 다음과 같다.
mλ=2dsinθb (1)
여기서, m은 차수(order), λ는 파장, d는 줄 사이의 간격, θb 는 블레이즈 각이다.
특정 격자에서, mλ는 상수이다. 상기에서 예로 들은 Zmux 격자는 mλ=6(1.545)=9.27 microns이다. 이런 격자는 6차 1.545 microns에서 최적 효율을 발휘한다. 그러나, 상기 격자는 또한 다른 차수에서도 마찬가지로 매우 높은 효율을 제공한다. 예를 들면, 7차는 9.27/6=1.32 microns에서 발생한다. 그러면, Zmux와 같은 격자는 1310nm 뿐만 아니라 C band 빛을 고효율로 동시에 다중화할 수 있다. 도 6은 콜리메이터에 의해 한 개의 광선으로 조준된 빛을 다중화하는 에셜 격자를 나타내고 있다.
넓은 간격, 흔히 100s nm 이상으로 레이저 빛을 다중화하는 통신 분야 이외의 응용분야는 본 발명과 밀접한 관련이 있다. 본 TDLAS에 기반을 둔 가스 센싱장치와 같은 응용에서는, 탐사빔을 구성하는 모든 파장 성분이 동일한 영역을 샘플로 한다는 점이 중요하며, 한가지의 성분을 조사하거나 또는 여러 성분을 조사하기 위해 많은 파장이 필요할 수도 있다. 이와 같은 응용에서는 에셜 격자 기반의 먹스/디먹스가 유일한 해결책이다. 예를 들면, 상술한 에셜 기반의 디/멀티플렉서는 각 파장영역이 다른 격자 차수에 대응되는 표 3의 중앙 파장에 대해 충분한 파장 영역을 다중화할 수 있다.
차수(order) 중심파장(central wavelenght) (microns) 대략적 파장 범위(microns)
2 4.63 4.40~4.80
3 3.09 2.90~3.30
4 2.32 2.15~2.40
5 1.85 1.70~1.95
6 1.55 1.50~1.57
7 1.32 1.24~1.39
4차를 초과하는 높은 차수는 대응되는 좁은 파장 범위에서 다중화될 수 있다. 이런 파장 모두에 대해 싱글 모드 전달이 쉽게 이용할 수 있는 광섬유에서는 불가능하다는 점이 현저하다. 본 발명의 가스 센싱장치(104)의 한 예가 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예는 상술한 종래 기술에 대해 다중화 레이저 출력을 사용하는 TDLAS의 이점을 빛나게 해준다. 도 7의 실시예에서, n개의 레이저 광원(106A~106n)은 넓은 간격으로 이격된 파장에서 동작하며, 에셜 격자(108)에 의해 단일 광섬유(110)로 다중화된다. 단일 광섬유(110)로부터 나오는 빛은 콜리메이터나 발신 광학부(112)에 의해 평행광이 되어 분석될 샘플(114, 예를 들면 화염)을 관통하여 지나간다. 샘플(114)을 통과한 후 빛은 다른 에셜 격자(116)에 의해 역다중화된다. 각 파장으로 전달된 빛은 대응되는 광 검출기(118A~118n)에 의해 검출된다. 레이저들(106A~106n)은 좁은 공간에 대해 조절되어 있고, 샘플(114)에 의한 흡수는 스캔된 각 공간에 대해 모니터 된다. 시험 중인 가스는 이러한 방법으로 완전히 인식되고 계량화된다. 가스온도와 압력과 같은 다른 파라미터들은 마찬가지로 측정될 수 있다. 또한, 넓은 간격 파장 에셜 격자 먹스/디먹스 기술은 날 숨에서 가스를 측정하는 의료장비로 사용할 수 있으며, 화학전의 화학약품을 검출하는 방어무기로 사용할 수도 있다. 에셜 기반 먹스와 적/녹/청 커플러 기기를 사용함으로써 디스플레이와 미시적인 비젼 기술 분야에서도 응용이 가능하다.
모드 노이즈( mode noise )
넓은 간격 파장으로부터 다중화된 한 신호를 필요로 하는 본 발명의 TDLAS 시스템의 광학적 연결장치와 이와 유사한 장치는 모드 노이즈의 감소와 고효율이 광집적이라는 상반된 설계요구 때문에 많은 설계상의 도전이 존재한다. 여기서 모드 노이즈는 측정될 프로세스 실로 들어가거나 나오는 빛을 모으고 전달하는 데 사용되는 광섬유의 코어에서 불균일한 시간과 파장이 변화되는 빛 분포로부터 기인하는 검출된 빛의 신호레벨의 변화로서 정의된다.
다중 모드 광섬유에서, 굴절율의 변화에 따라 다른 모드가 다른 속도로 전달된다. 광섬유에서의 밀도분포(intensity distribution)는 다른 유효 경로 길이(effective path lengths)를 통과한 모든 전파 모드(propagating modes)의 간섭에 의해 스펙클 패턴(speckle pattern)이 된다. 만일 스펙클 패턴의 모든 빛이 모이고 검출된다면, 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭이 정확히 상쇄되어, 총 전달 출력은 파장이나 광섬유의 길이에 따라 변하지 않을 것이다. 만일 클리핑(clipping), 비네팅(vignetting) 등의 손실이 있으면, 정확하게 상쇄되지 않는다. 따라서, 검출되는 출력은 파장 및/또는 시간에 따라 변한다. 길이가 z인 광섬유에서 검출된 출력의 일반 식은 다음과 같다.
Figure 112005055620614-pct00001
(2)
여기서, P0 = 파장과 관련없는 평균 출력(power)
Ei = i번째 횡모드에서 빛의 진폭
cij = i번째와 j번째 횡모드 사이의 겹치기 적분
Δnij = i번째와 j번째 모드 사이의 굴절률 차이
ΔΦij = 온도와 응력(stress)에 따른 i번째와 j번째 모드 사이의 상 쉬프트(phase shift) 이다.
정규직교 모드(orthonormal modes)와 손실이 없는 경우에, cij = 0이다. 그러나, 빔 클리핑, 비네팅, 다른 모드 손실이 있는 경우는 cij ≠ 0이다. 이것이 평균 전달 출력에서 리플(ripples)을 일으킨다.
50 microns의 코어를 갖는 일반적인 경사형 굴절률 광섬유는, 전체적인 굴절률 변화, Δn,는 ~1%이다. 그러나 대부분의 모드는 광섬유 코어 중심에 가까우면 많은 전달시간을 소비한다. 그래서, 일반적으로 Δnij ≤ 0.0005이다. 일반적으로 이용하는 광섬유인 GIF50은 대략 135 모드를 지원하며, 주어진 합리적으로 얻을 수 있는 빔 클리핑 레벨로 파장 스캔을 하는 동안 현저한 모드 노이즈를 발생시킬 정도로 거칠다.
구체적인 모드 노이즈의 예로서, 모드 노이즈가 존재하는 가장 간단한 시스템: 일차원에서 최하의 모드만을 지원하고, 정규직교 차원에서 두개의 최하 모드를 지원하는 직사각형의 웨이브가이드(waveguide)를 생각할 수 있다.
Figure 112005055620614-pct00002
광섬유를 따라 z점에서의 농도는:
I(x)=|E1 + E2|2 이고 총 출력은 P=∫|E1 + E2|2 dx (3)
여기서, 적분은 클리핑과 비네팅의 효과를 포함하여야 한다.
클리핑이 없으면, P ~ E1 2 + E2 2이며, 파장에 의존하지 않는다. 클리핑을 추가하는 것은 적분의 한계를 변화시키게 된다. 클리핑은 추가 항 ~E1E2cosΔΦ로 표현된다. 여기서 ΔΦ=ΔkL=2πΔnL/λ이다.
만일 싱글모드 광섬유가 본 발명의 수신측 광학 연결장치에 사용된다면, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 본 발명의 수신측 광학 연결장치는 2가지 이유 때문에 다중모드 광섬유를 사용해야 한다. 첫째는, 측정 체적(10m를 초과하는 측정 경로를 갖는 연소실)을 횡단한 후에 싱글 모드(Gaussian spatial distribution) 빔은 상당히 질적으로 저하된다. 그래서, 이와 같이 심하게 왜곡된 빔을 싱글 모드 광섬유로 연결하는 커플링 효율이 매우 나쁘다. 빔이 측정 체적을 통과할 때 주로 검댕과 날리는 재에 의해 분산되고 가려져서 크기가 3~4배로 감쇠되기 때문에 이것을 받아들일 수 없다. 싱글 모드 광섬유를 사용함으로써 발생하는 추가적인 감쇄가 측정을 방해할 것이다. 둘째로, 화구(fireball)에서 굴절빔 조향효과(refractive beam steering effects)가 빔의 위치와 지향점을 불안정하게 만든다. 이와 같이 주어진 영향하에서, 규칙적으로 싱글 모드 광섬유의 코어를 "맞추는 것(hit)"이 어렵다.
반면에, 다중 모드 광섬유의 코어는 싱글 모드 광섬유의 표적 단면적 보다 최소 25배가 된다. 따라서, 빔 조향(steering)효과는 현저하게 감소된다. 또한, 다중 모드 광섬유의 연결 효율은 빛의 공간 모드와 관계가 없기 때문에, 화구를 지나 질이 나빠진 빔도 문제가 되지 않는다.
그러나, 다중 모드 광섬유 연결에서 발생하는 모드 의존성 손실(mode dependent losses)은 중요한 설계상의 도전이다. 다중 모드 광섬유의 코어로부터 발산되는 광 분포는 랜덤 스펙클 패턴이다. 즉, 광섬유의 다른 모드 사이에서 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭(constructive and destructive interference)에 의해 생기는 밝은 부분과 어두운 부분으로 된 랜덤 패턴(random pattern)이다. 만일, 스펙클 패턴이 시간과 파장의 함수로 변하지 않는다면, 문제가 되지 않는다. 그러나, 빔이 다중 모드 수신측 광학 연결장치의 어디엔가 클립되면, 특히 파장의 함수로서 스펙클 패턴의 느린 변화는 모드 노이즈를 일으킬 수 있다. 이 클리핑은 피할 수 없고 단지 줄일 수 있을 뿐이다. 그러므로, 시스템의 검출 감도를 향상시키기 위해서는 모드 노이즈를 줄이기 위한 추가적인 측정이 실행되어야 한다.
모드 노이즈를 줄이기 위한 몇가지 방법이 있다. 상기의 식 2로부터 모드 노이즈는 다음에 의해 감소될 수 있다.
1) 모드 의존 손실을 줄인다. 즉, 클리핑을 감소시켜 cij 를 적게 유지한다.
2) z를 감소시켜, 모드 노이즈의 주기를 관심있는 흡수선의 주기보다 훨씬 크도록 증가시킨다.
3) 낮은 분산(dispersion) 광섬유를 사용하여 Δnij 를 줄인다.
4) 모드를 변경한다; 그러나, 모든 모드 변경 기술이 아래에 설명하는 것처럼 동일한 효과가 되지 않도록 한다.
본 발명의 수신 광학부는 모드 노이즈를 줄이기 위해 상기의 모든 것을 포함하도록 설계되고 구성되었다. 수신 광학부는 시스템의 얼라인먼트가 거의 완전하게 이루어 진다면, 빔 클리핑(beam clipping)이 낮은 레벨에서 발생하도록 설계되어 있다. 다중 모드 광섬유의 길이를 최소로 유지하도록 고안되어 있다. 그러나, 어떤 응용에서는 제어 전자부품을 환경적으로 제어된 장소에 위치시키기 위해서 z가 길어져야만 한다. Δnij 의 값은 최고급의 저 분산 다중 모드 광섬유를 사용하여 감소시킬 수 있다. 또한, 최상의 결과는 수신측 다중 모드 광섬유를 기계적으로 조작하여 모드를 변경함으로써 얻을 수 있다.
다중 모드 광섬유에 존재하는 스펙클 패턴은 시간과 파장의 함수로서 또한 광섬유의 기계적 위치의 함수로서 변화한다. 광섬유를 구부리고 특정 방법으로 광섬유를 만드는 것이 스펙클 패턴이 변화하도록 할 수 있다. 이와 같은 기계적 조작이 일정 기간 연속적이로 이루어지면 광섬유로부터 발산되는 광의 공간분포가 상대적으로 균일한 패턴으로 평균화된다. 본 발명의 주파수 변환기의 핵심은, 피할 수 없는 낮은 레벨의 빔 클리핑을 조건으로 하여, 모드 노이즈를 만들지 않는 대체로 일정한 광선을 생산하도록 다중 모드 광섬유를 기계적으로 조작함으로써 모드 노이즈를 감소시키는 것이다.
광섬유 조작에 대한 어떤 특정 모드는 다른 것보다 모드 노이즈를 감소시키는데 더 효과적이다. 특히, 광섬유 상의 어떤 점에 대해 세로(z) 축으로 광섬유를 비트는 것은 스펙클 패턴을 변화시킨다. 특히, z축 주위로 스펙클 패턴을 회전시키면 현저한 변화가 얻어진다. 광섬유가 기계적으로 회전하는 만큼 패턴이 축 주위로 회전하지 못한다는 사실이 중요하다. 두번째 효과는 실제 빛 분포가회전에 의해 다소 변한다는 것이다. 스펙클 패턴의 회전은 광섬유에 응력에 의해 유기되는 굴절률 변화에 의해 일어나지 않는다. 그렇지만 이것은 스펙클 농도 패턴에서 적은 변화를 설명할 수 있다. 오히려, 회전은 광섬유가 비틀림 동작을 받았을 때 웨이브 가드를 완전히 추종할 수 있는 능력이 없는 빛에 기인한다. 이런 관찰결과는 수신측 광학 연결장치에 다중 모드 광섬유를 사용함으로써 발생하는 모드 노이즈를 실제적으로 소거하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예는 다중 모드 광섬유가 배치되고 고정되는 중공 축 모터를 사용하는 것이다. 광섬유의 먼 쪽 부분은 모터 축 쪽 부분보다 빠르고, 모터는 반복적으로 +360도로 회전했다 -360도로 회전하는 스윕(sweep)운동을 한다. 이와 같은 동작의 주기는 10 Hertz 이상인 것이 바람직하다. 그러면, 전달되는 신호가 효과적으로 평균화되고 수신측의 모드 노이즈의 영향도 현저하게 감소된다.
또한, 본 발명의 발신측 광학 연결장치는 측정 영역을 통해 전달되는 모든 파장에 대해 싱글 모드 빔을 만들 필요성 때문에 중대한 설계적 도전을 제공한다. 만일 싱글 모드 광섬유가 발신측 광학 연결장치에 사용될 수 있다면, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 광섬유는 제한된 파장 창(limited wavelength window)에 대해 싱글 모드 웨이브 가이드로 동작할 뿐이다. 특정한 광섬유에 대한 단파장 차단 이상에서는 빛은 여러개의 고차 공간 모드로 광섬유를 통해 전달될 수 있다. 빛이 광섬유에 있을 때, 이러한 고차 모드는 간섭되어 스페클 패턴을 형성한다. 스펙클 패턴은 시간과 파장에 따라 변화한다. 심지어는 소량의 빔 클리핑(beam clipping)도 측정에서 노이즈를 일으킨다.
반대로, 전달되는데 필요한 가장 짧은 파장에 맞는 싱글 모드 차폐장치를 갖는 광섬유가 선택되면, 긴 파장은 광섬유로 연결될 때 많이 손실될 것이고, 광섬유는 긴 파장들에 대해 광범위한 굽힘 손실을 나타낼 것이다.
1.67microns 정도로 긴 파장과 760nm 또는 670nm 정도로 짧은 파장을 다중화할 필요성 때문에 본 발명에 의한 광섬유가 연결되고 파장 다중화 TDLAS 센싱 및 제어장치에서 이러한 문제는 민감하다. 싱글 모드 동작을 제공하고, 넓은 범위의 파장에 대해 높은 연결 효율과 낮은 굽힘 손실을 갖는 상업적으로 이용할 수 있는 싱글 광섬유는 알려진 것이 없다. 광결정 섬유(photonic crystal fiber)가 장래에 이러한 딜레마에 대한 해결책을 제공할 수 있을 것이다. 그러나 현재 광결정 섬유 기술은 유아기에 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 670nm 또는 760nm 부터 1,67micron 까지 싱글 모드 빔으로 다중화하고 빛을 발산하는 문제를 싱글 모드 차단장치보다 더 짧은 파장에 대해 고차 공간 모드를 허용하지 않는 다중 모드 광섬유(120)의 매우 짧은 전달부를 사용함으로써 어느 정도 해결하였다. 상기의 식 2를 참조하면, 다중 모드 광섬유의 길이 L이 짧은 경우, 모드 노이즈는 최소화된다. 이러한 경우에 760nm의 빛이 1280nm의 차단 파장을 갖는 싱글 모드 광섬유(예컨대, Corning SMF 28)의 짧은 부분에 연결되면, 760nm 빛은 최소한 수 미터동안 싱글 모드를 유지한다. 그러므로 발신측 모드 노이즈에 대한 해결책은 1280nm 보다 긴 파장에 대해서는 싱글 모드이고 빛이 측정 지역을 통과하도록 평행 광으로 되기 전에 지나가는 매우 짧은 거리에서 760nm 에 대해서는 다중 모드인 광섬유에 760nm 빛을 연결하는 것이다.
이러한 시스템의 개략도가 도 8과 도 2에 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 넓은 간격의 레이저 주파수로 레이저를 발사하는 복수의 다이오드 레이저 원(120)이 별개의 싱글 모드 광섬유(122A-122n)에 연결되어 있다. 1349nm와 1670nm 사이의 파장으로 레이저를 발사하는 다이오드 레이저는 멀티플렉서(124)로 다중화된다. 멀티플렉서(124)의 출력은, 1349nm - 1670nm의 범위의 파장을 갖으며 많은 전달 손실이 없고 모드 노이즈가 없는 빛을 전달하기 위한 적절한 치수를 갖는 발신측 광섬유(126)에 연결된다. 이러한 파장에 적절한 광섬유는 Corning SMF 28이다. 그러나, 760nm 입력이 SMF 28 광섬유로 다중화되고 연결된다면 비교적 짧은 거리를 전달된 후 다중 모드가 될 것이다. 따라서, 760nm 레이저의 출력은 SMF750과 같은 1280nm 이하의 파장에 대해 싱글 모드인 광섬유에 연결된다. 입력 광섬유(122n)에 전달된 레이저 빔과 발신측 광섬유(126)에 전달된 다중화 레이저 빛은 발신 광학부(128) 근처에 연결될 수 있다. 커플러(130)와 발신 광학부(128)는 짧은 길이의 전달 광섬유(132)에 의해 광학적으로 연결되는 것이 바람직하다. 전달 광섬유(132)는 큰 손실없이 연결되고 다중화된 파장 모두를 전달하도록 선택된다. 도 8에 도시된 시스템에 적절한 전달 광섬유는 Corning SMF 28이다. 전달 광섬유가 비교적 짧으면, 전달 광섬유(132)에 연결된 760nm 레이저 빛은 다중 모드 거동을 나타내지 않을 것이다. 도 8에 도시된 시스템과 광섬유에 대해서, 현저한 다중 모드 노이즈를 피하기 위해서 전달 광섬유는 길이 3m이하로 유지되어야 한다.
유사한 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 여기서, 커플러(136)는 760nm 다이오드 레어저와 상당히 긴 파장을 갖는 다이오드 레이저의 다중화 빔으로부터의 입력을 수신한다.
얼라인먼트 시스템
본 발명의 센싱 시스템은 발신 광학부와 수신 광학부가 열영향, 바람, 진동에 의해 움직이는 보일러나 다른 열악한 프로세스 실에 고정될지라도 발신 광학부와 수신 광학부가 최적의 얼라인먼트를 유지할 수 있도록 하는 자동 얼라인먼트 특징을 포함하는 것이 바람직하다. 본 시스템의 가장 바람직한 실시예에서, 발신 광학부와 수신 광학부는 피드백 제어되는 경사 스테이지에 설치된다. 센서가 전부 광섬유로 연결되어 있기때문에 발신 광학부와 수신 광학부는 경사 스테이지에 설치되어야 한다. 그래서, 입력 광섬유에 직접 연결된 콜리메이팅 발신 광학부에 의해 다중화 빛이 측정 지역을 가로질러 발시되고, 수신 광학부는 전달된 빛을 다중 모드 광섬유인 출력 광섬유에 직접 연결한다. 따라서, 수신 광학부는 발신 광학부로부터 발사된 빔과 동일 직선상에 있도록 방향이 조절되어야 한다. 이것은 촛점이 맞추어진 전달빔이 다중 모드 수신 광섬유의 수광 원뿔(acceptance corn) 내에 도착하도록 하기 위해 필요하다.
전달된 레이저 빛을 강렬한 배경 빛(예컨대, 석탄 난로의 화염에서 나오는 빛)과 구별하기 위해, 검출기의 시야와 초점이 입력 레이저 빛과 동일한 방향과 위치를 갖는 빛 만을 검출하도록 제한될 수 있다. 이것은 적절한 검출기에 연결된 광섬유에 검출된 빛이 초점을 맞추도록 함으로써 편리하게 할 수 있다. 본 발명의 실시예의 기본적인 광학 시스템의 설계가 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 도 9의 트랜스미터(136)는 발신 광학부(138) 또는 1층 이상의 콜리메이팅 렌즈와 같은 콜리메이터와 관련 고정부와, 얼라인먼트 구조 및 전자부품으로 구성된다. 비슷하게 도 9의 리시버(140)는 수신 광학부(142) 또는 발신 광학부(138)와 유사한 구조를 갖는 콜리메이터와 관련 고정부 및 얼라인먼트 전자부품으로 구성된다. 트랜스미터-리시버 상의 효율과 배경 구별은 얼라인먼트 공차와 연결되어 있다. 높은 효율과 식별력을 위해, 트랜스미터와 리시버에 대한 얼라인먼트 공차는 매우 엄격하다. 전달된 빛의 대부분이 도 10에 도시된 바와 같이 수신 광학부(146)의 광학구경(clear aperture)을 맞추도록 트랜스미터는 정확하게 조정되어야 한다. 전형적인 시스템에서는 이것은 10m의 전달거리에 대해 1cm의 공차 또는 1milliradian이 된다. (5~30m 사이의 목표 거리와 1~3cm 사이의 발사 점 크기를 가지면, 회절은 영향이 작다.)
도 11에 도시된 것처럼, 리시버의 각 수용율(angular acceptance)은 수신 광학부(150) 초점 길이로 나눈 광섬유 코어(148) 지름에 의해 결정된다. 초점 길이가 짧아 지면 각 수용율이 늘어나고, 리시버의 광학구경은 그에 대응하여 작아진다. 적절한 광학구경과 각 수용율을 갖는 절충물은 50mm 초점 길이 렌즈와 50 micrometer 코어 광섬유를 사용하는 것이다. 이것은 2cm의 광학구경과 1-milliradian의 광수용 원뿔로 귀착된다.
그러므로 바람직한 얼라인먼트 시스템은 2개의 광학부가 양쪽의 팁(tip)과 틸트(tilt), 전체로 4자유도에서 1 miliradian의 공차로 서로 가리키도록 설치하여야 한다. 이 4 자유도는 타측의 4차원 얼라인먼트(팁, 틸트, x,y에서 측면 위치)에 따르는 일측의 거칠은 얼라인먼트에 의해 수행될 수 있다. 그러나 이것은 큰 측면 동작이 허용되는 것을 가정한다. 표적 환경에 대한 접근 포트가 1인치 정도로 작을 수 있기 때문에 이것은 잠재적으로 문제가 되는 해결방법이다. 또 다른 방법으로, 측면운동에 대해 제한된 공간만 이용 가능할 경우, 양단의 적극적 끝단 얼라인먼트는 적절한 얼라인먼트를 보장할 수 있다.
발신 광학부와 수신 광학부의 정밀한 얼라인먼트는 열악하고 변동하는 환경에서 유지되어야한다. 진동과, 바람에 의한 부하와, 온도 변화와, 다른 구조적 변동은 트랜스미터와 리시버의 광기계부(optomechanics)에서 기계적 크리프(creep)에 따라, 얼라인먼트가 틀어질 수 있다. 또한, 미스얼라인먼트는 청소를 위해 트랜스미터와 리시버 헤드를 분리하였다가 재조립하는 주기적인 메인티넌스 후에 발생할 수 있다. 이상적으로 본 발명의 광학 시스템은 시스템의 미스얼라인먼트가 50 milliradian에 가까움에도 불구하고, 1 milliradian의 광학 얼라인먼트를 유지할 수 있다. 또한, 얼라인먼트 시스템은 정전된 경우에 자세를 유지하고, 전체적인 신호 손실을 견딜 수 있으며, 얼라인먼트를 잃지 않고 오프되어야 한다. 마지막으로, 시스템 자체는 노출된 산업환경에서 장기간 동안 연속적으로 충분히 기능할 수 있을 정도로 튼튼한 것이 바람직하다.
도 12는 조정 가능한 발신 광학부 또는 수신 광학부의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다. 트랜스미터와 리시버는 설계상으로 유사하다. 트랜스미터는 광섬유로부터 발사되는 빛을 평행 광으로 만들고, 리시버는 그 평행광을 받아 광섬유로 초점을 맞춘다. (이런 광학 시스템을 통해 빛을 반대 방향으로 보내는 것도 가능하며, 트랜스미터와 리시버의 대부분의 구성요소들은 동일하다.) 트랜스미터와 리시버 광학부는 환경으로부터 보호하기 위해 NEMA-4 밀봉을 하여 설치될 수 있다. 다음 설명은 트랜스미터나 리시버에 적용된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 콜리메이트 전 광섬유/렌즈 쌍(152)은 광축에 수직하게 팁(tip) 및 틸트(tilt)하도록 설치된 구동 틸트 스테이지(154)에 고정되어 있다. 2개의 직접 구동 스테퍼 모터(156, direct-drive stepper motor)에 의해 팁과 틸트가 수행된다. 이 모터들은 이더넷이나 이와 유사한 연결을 통해 컴퓨터로 제어된다. 이런 연결은 전기적 간섭을 피하기 위해 광섬유를 통해 이루어질 수 있다. 스테퍼 모터(156)는 전원이 나갔을 때 자세를 유지한다. 따라서 광학 얼라인먼트는 정전에 의해 영향을 받지 않는다.
주기적이거나 연속적인 시스템 얼라인먼트를 하는 동안에, 제어 컴퓨터는 전달되고 검출되는 레이저 빛의 양을 모니터한다. 도 3의 광원(64)과 같이 연속적 또는 주기적 얼라인먼트를 위해 별도의 얼라인먼트 파장이 제공되는 것이 바람직하다. 미스얼라인먼트는 검출되는 신호를 감소시킬 것이다. 자동 얼라인먼트 모드에서, 컴퓨터는 검출된 신호를 측정하여, 두개의 모터 중 한 모터를 제어하여 일방향으로 소량 동작하도록 한다. 그후, 검출된 신호를 다시 측정한다. 만일 신호가 증가하면, 컴퓨터는 신호가 증가하지 않을 때까지 동일 방향으로 이동하도록 모터를 제어한다. 다음으로, 컴퓨터는 다른 스테퍼 모터를 제어하여 직교축을 따라 이동하도록 하여 검출된 신호가 최대가 되도록 한다. 그 후, 컴퓨터는 다른 센서 헤드에 대해 상기의 전 과정을 반복한다. 검출된 신호가 중가하면, 검출기 증폭 게인은 자동적으로 감소한다. 따라서 자동 얼라인먼트 과정은 신호 크기의 수십 배 동안 계속 진행된다. 자동 얼라인먼트 시스템은 수 나노와트에서 수 밀리와트의 검출 동력으로 작동할 수 있다.
이 "hill-climbing" 알고리즘은 강한 노이즈에 의해 신호가 거의 손실된 후에도 시스템을 조정할 수 있고, 빔 차단, 정전, 기계적 충격 외에, 제어 전자부품의 한계에 의해 다른 얼라인먼트 시스템을 틀어지게 할 수 있는 기타 다른 방해들을 견딜 수 있다. 자동 얼라인먼트를 위해 요구되는 것은 설치된 공간에서 한정된 신호이다. 설치 조건에 따라서는 자동 얼라인먼트는 매시간과 같이 일정 간격으로 주지적으로 수행되거나, 또는 수일간 동작 후와 같이 장기간이 경과된 후 필요한 때에 수행될 수 있다. 제어 컴퓨터는 검출된 신호를 모니터하여, 신호가 미리 설정된 기준치 이하고 떨어지면 자동 조정을 할 수 있다.
트랜스미터와 리시버 모듈은 산업적인 응용에 유용한 다른 특징을 포함할 수 있다. 추가되는 센서가 청소나 메인티넌스를 위해 모들이 제거되는 것을 인식하면, 안전을 위해 모든 레이저가 오프된다. 도 12에 도시된 바와 같이 모든 전기적 광학적 연결은 힌지(158)를 통해 이루어 진다. 따라서, 모든 연결은 메인티넌스에 의해 방해받지 않는다. 박스(160, enclosure)는 민감한 내부 광학부품이 오염되는 것을 방지한다. 힌지의 동작범위는 작업자가 다치는 것을 막기 위해 제한된다. 각 센서는 자동 얼라인먼트 시에는 10와트 이하의 입력 전원이 필요하고, 자동 얼라인먼트가 완료된 후에는 0.1와트 이하의 전원이 필요하다.
다른 응용분야에 대해서는 설계를 달리하는 것이 좋다. NEMA-4 밀봉이 요구되지 않는다면, 크기와 무게를 상당히 줄일 수 있다. 전달거리가 달라지면, 다른 초점거리와 광학구경을 갖는 광학부품을 사용하는 것이 신호를 수신하는 것을 최적화할 수 있다. 전 광섬유-렌즈 조립체를 이동시켜 지향점을 제어하는 상술한 스테퍼 모터 구동 틸트 스테이지의 다른 예로서, 광섬유는 렌즈에 대해 측면으로 이동하도록 하는 것이다. 그러면, 훨씬 적은 중량을 이동시켜 동일하게 지향점을 변경시킬 수 있다. 피에조전기(piezoelectric) 부품이나 보이스 코일(voice coils)과 같은 다른 전자기계부품이 자동 얼라인먼트 시스템의 속도를 올리기 위해 사용될 수 있다.
상술한 얼라인먼트에 추가하여, 발신 및 수신 광학부의 특정한 선정은 몇 가지 방법으로 본 발명의 TDLAS 센싱 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
(1) 검출기에 연결된 신호의 세기는 발신/수신 효율에 따른다.
(2) 검출기에 연결되는 원하지 않는 주위 발산(background emission)의 양은 수신 광학부의 너비(etendue)에 따른다.
(3) 760nm에서의 모드 노이즈 효과는 발신/수신 구성에 매우 민감하다.
(4) 노이즈 특성(안정되면 적고, 거칠게 흔들리면 커지는)은 발사되는 빔 크기에 따르는 것으로 예측된다. 큰 발사 빔이 바람직하다.
(5) 시스템 미스얼라인먼트의 감도는 발신 및 수신 초점 거리(focal length)와 관련 광섬유 크기의 직접 함수이다.
전형적인 석탄 화력발전소 연소 지역의 매우 단순화된 그림이 광학부품의 선택 분석을 위해 이용될 수 있다. 이런 분석의 목적은 화구를 지나는 레이저빔에 대한 일반적인 영향에 중점을 두고 있다. 화구를 관통하는 레이저 빔은 3가지 영향을 받는다.
(1) 검댕이 빛의 일부를 흡수한다.
(2) 큰 각도의 굴절과 분산이 빛의 일부가 수신 광학부에 도달하는 것을 방해한다.
(3) 빛은 수많은 작은 온도 경사부(thermal gradient)를 통과하며, 무작위로 진행방향이 변화되나 끝내 수신 광학부에 도달한다.
상기에서 빛의 3번째 카테고리만이 수광을 위해 이용될 수 있다. 광선이 화구를 통과하는 동안에 많이 굴절된다고 가정하면, 광선의 방향은 임의의 경로를 따라서 최초의 방향에서 벗어날 수 있다. 만일 광선이 유사하나 동일하지는 않은 이동을 하는 다른 광선들로 구성된 큰 빔의 일부분이라고 하면, 빔에 대한 화구의 영향은 4가지의 변화를 일으킨다.
(1) 빔의 전체적인 방향의 변화
(2) 빔 중심위치의 변화
(3) 빔 크기의 변화
(4) 빔 발산(divergence)/파면 평탄도(wavefront flatness)의 변화
이 4가지의 변화는 집광효율에 영향을 줄 수 있는 빔에 대한 주요한 영향을 모두 포함하는 파라미터이다.
빛의 광선 방향이 화구에서 임의로 드리프트(drift) 되면, 광선의 방향은 표준 산란 의존성에 따라 최초 방항(명목상 최적인)에서 벗어날 것이다. 그러나, 본래의 축으로부터 빛의 광선의 거리는 그 광선의 이전 방향에 따른다. 그래서, 화구에 의해 결정되는 주어진 rms beam steering의 양에 빔 오프셋(beam offset) 양이 직접 비례할 것으로 예상된다. 만일 화구를 통과하는 레이저빔이 최초 크기에 몇 배로 확대된다면, 동일한 관계가 최종 빔 크기와 최종 빔 발산 사이에도 유지된다.
만일 수신 광학부로 입사되는 빛의 각도, 위치, 빔 크기를 알 수 있다면, 집광효율(light collection efficiency)을 개략적으로 계산할 수 있다. 이 계산은 simple ray optic, flat-top intensities, 및 광섬유의 수치구경(NA, numerical aperture) 내로 광섬유의 코어로 조준된 수신 광학부에 입사되는 빛의 양의 단순 계산을 가정한다. 최종 결과는 오프셋 각도 공간(offset-angle space)에서 "언덕(hill)"이다. 최적의 얼라인먼트를 가정하면, 집광효율은 언덕의 꼭대기에 근접할 것이다. 그러나, 빔 각도와 위치가 변함에 따라 집광효율은 급속하게 언덕을 넘거나 언덕 주위로 이동할 것이다. 집광효율 언덕은 가능한 한 높고 넓은 것이 바람직하다. 이 언덕에 대해 몇 가지 점에 대해 설명한다.
(1) 만일 수신 광학부가 입사되는 모든 빔을 받을 수 있어 집광효율이 100%가 될 만큼 충분히 크지 않다면, 집광효율 언덕의 최고 높이(빔 오프셋과 틸트가 0인 경우)는 수신 광학부 너비의 제곱에 비례한다.
(2) 언덕은 타원형이고, 수신부 초점거리를 변화시켜 장축과 단축을 만든다.
(3) 빔 지터(beam jitter)에 기인하는 집광효율의 변동은 노이즈 원이다.
상기와 같은 분석기술에 따르면, 다른 발신부/수신부 조합의 신호 대 노이즈 비를 비교할 수 있다. 적산성 노이즈가 동일하다면, 단지 화구 배경 노이즈(background noise) 또는 검출기 노이즈가 지배적인 경우에만 다른 수신 광학부의 최종 성능이 다르다.
본 발명의 목적은 상술한 실시예들을 완전히 실현하는 것이다. 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 행할 수 있는 단순한 구성요소의 치환, 부가, 삭제, 변경은 본 발명의 청구범위 기재 범위 내에 속하게 된다.
본 발명의 센싱장치에 의하면 파장 다중화된 탐사 빔을 사용하기 때문에 한 개 이상의 흡수선의 분광분석을 동시적으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 더 정확한 온도측정을 할 수 있다는 이점 외에, 다중화 탐 사빔을 사용하면, 하나 이상의 연소 가스 성분을 동시에 모니터링 할 수 있으며, 연소 프로세스를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 이점은 통신산업에 사용하기 위해 설계된 비교적 싸고 쉽게 이용할 수 있는 광학부품을 사용하는 데서 얻을 수 있다.
본 발명의 센싱 시스템은 자동 얼라인먼트를 구비하기 때문에, 발신 광학부와 수신 광학부가 열영향, 바람, 진동에 의해 움직이는 보일러나 다른 열악한 프로세스 실에 고정될지라도 발신 광학부와 수신 광학부가 최적의 얼라인먼트를 유지할 수 있다.

Claims (82)

  1. 각각 선택된 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저;
    상기 한 개 이상의 다이오드 레이저와 광학적으로 연결되며, 다중화된 레이저를 출력하고, 상기 다중화 레이저 출력을 발신측 광섬유의 근접단부에 광학적으로 연결하는 멀티플렉서;
    발신측 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되며, 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 다중화된 레이저 출력을 상기 프로세스 실을 관통해 발사되도록 방향이 조절되는 발신 광학부;
    상기 프로세스 실과 작용적으로 연결되며, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통되고, 상기 프로세스 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 받는 수신 광학부;
    근접 단부에서 수신 광학부에 광학적으로 연결된 수신측 광섬유;
    상기 수신측 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되며, 레이저 빛을 각각 선택된 발진 주파수로 역다중화하는 디멀티플렉서; 및
    상기 디멀티플렉서와 광학적으로 연결되며, 상기 선택된 발진 주파수 중의 하나에 민감한 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 다이오드 레이저의 각각을 멀티플렉서와 광학적으로 연결 하는 입력 광섬유; 및
    디멀티플렉서의 출력을 상기 검출기로 연결하는 출력 광섬유;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치
  3. 제 1 항에 있어서,
    발신측 광섬유는 싱글 모드 섬유인 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신측 광섬유는 다중 모드 섬유인 것을 특징으로하는 센싱장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    발신측 광섬유의 먼 단부에 광학적으로 연결되며, 한 개 이상의 발신 광학부에 광학적으로 더 연결되는 발신측 광학 경로기구; 및
    수신측 광섬유의 근접 단부에 광학적으로 연결되며, 한 개 이상의 수신 광학부에 광학적으로 더 연결되는 수신측 광학 경로기구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발신측 광학 경로기구는 광스위치와 광 스플리터 중의 어느 하나인 것을 특징으로하는 센싱장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기로부터 입력을 받고, 연소 파라미터를 결정하는 데이터 처리시스템을 더 포함하는 것을 특징으로하는 센싱장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 데이터 처리시스템과 연동하여 동작하며 상기 연소 파라미터에 영향을 주는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로하는 센싱장치..
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티플렉서와 디멀티플렉서 중의 어느 하나는 에셜 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 멀티플렉서와 디멀티플렉서 중의 어느 하나는,
    하나의 광학신호로 다중화된 별개의 파장들의 복수의 광채널을 전파하는 다중화 광학 웨이브 가이드;
    일정 초점 길이에서 상기 다중화 광학 웨이브 가이드에 광학적으로 연결되는 콜리메이팅/초점 광학부; 및
    상기 콜리메이팅/초점 광학부에 광학적으로 연결되는 에셜 격자;를 포함하며,
    상기 에셜 격자는 복수의 파장 범위를 복수의 중심 파장을 중심으로 하는 각각의 복수의 파장 범위로 동시에 (역)다중화할 수 있도록 하는 일정 홈 간격(groove spacing)과 일정 블리에즈 각을 더 포함하며, 상기 복수의 중심 파장의 각각은 일정한 에셜 격자 동작 차수에 대응되는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각각 다른 파장을 갖는 복수의 광 채널의 파장은 670nm과 같거나 크고, 5200nm와 같거나 작은 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    에셜 격자 동작 차수는 2차 내지 14차인 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 에셜 격자의 홈 간격(groove space)은 171.4lines/mm이고, 상기 에셜 격자의 블레이즈 각은 52.75도인 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는 상기 모든 다이오드 레이저 중 일부에만 광학적으로 연결되며,
    상기 발신측 광섬유의 먼 단부와 멀티플렉스 되지 않은 입력 섬유의 먼 단부 를 광학적으로 연결되며, 발신측 광섬유로부터 나오는 다중화 레이저 빛과 상기 멀티플렉스 되지 않은 입력 광섬유로부터 나오는 비다중화 레이저 빛을 광학적으로 연결하고, 상기 발신 광학부와 광학적으로 연통된 광 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 커플러는 일정 길이의 전달 광섬유를 통해 발신 광학부와 광학적으로 연통되며, 상기 전달 광섬유의 일정 길이는 모드 노이즈가 일정 레벨 이하로 유지할 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다중화 레이저 빛의 파장범위는 1240nm 내지 5200nm 이고, 비다중화 레이저 빛의 파장은 1240nm 보다 적은 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 커플러는 일정 길이의 전달 광섬유를 통해 발신 광학부와 광학적으로 연통되며, 상기 전달 광섬유의 일정 길이는 상기 비다중화 레이저 빛이 상기 전달 광섬유를 통과하는 동안 다중 모드(multi-modal)로 되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 비다중화 입력 광섬유는 SM 750 광섬유이고, 발신측 광섬유와 전달 광섬유는 SMF 28 광섬유인 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전달 광섬유의 길이는 3m와 같거나 짧은 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    수신측 모드 노이즈를 최소화할 수 있도록 상기 수신측 다중 모드 광섬유의 단면을 기계적으로 조작할 수 있는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신측 다중 모드 광섬유는 광섬유의 길이에 평행한 세로축을 가지며, 상기 기계적 조작은 상기 세로축 주위로 상기 수신측 다중 모드 광섬유를 비트는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 수신측 다중 모드 광섬유의 단면을 기계적으로 조작하는 수단은 상기 수신측 다중 모드 광섬유와 함께 동작하는 모터를 포함하며, 상기 광섬유의 단면은 상기 모터의 축 위치에 관련되어 고정되며, 상기 모터 축은 +360도와 -360도 사이에서 반복적으로 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 모터 축의 왕복 운동의 주파수는 전달된 신호를 효과적으로 평균화시킬 수 있으며, 수신측 모드 노이즈 효과를 줄일 수 있을 정도인 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 모터 축 왕복운동 주파수는 10Hz와 같거나 큰 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 광학부와 작용적으로 연결되며, 상기 수신측 광섬유로 연결되는 레이저 빛의 양이 증가되도록 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향에 대해 상기 수신 광학부를 조정하는 수신측 얼라인먼트 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 수신측 얼라인먼트 기구는, 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향에 직교하는 제1축과 제2축에 대해 직교하며, 제1 및 제2직교축을 따라 수신 광학부를 틸트하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 수신 광학부를 틸트하는 수단은 스테퍼 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    데이터 처리시스템이 상기 수신측 얼라인먼트 기구에 작용적으로 더 연결되며, 상기 데이터 처리시스템은 상기 수신측 광섬유와 광학적으로 연결된 상기 검출기로부터 상기 검출기로 인입되는 다중화 레이저 출력의 강도에 관련되는 데이터를 수신하고, 또한 상기 검출기로 인입되는 상기 다중화 레이저 출력의 강도를 최대로 하기 위해 상기 수신측 얼라인먼트 기구가 상기 수신 광학부를 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 발신 광학부를 얼라인먼트 하고, 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향을 조절하기 위한 발신측 얼라인먼트 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 발신측 얼라인먼트 기구는, 상기 다중화 레이저 출력의 발사 방향에 직교하는 제1축과 제2축에 대해 직교하며, 제1 및 제2직교축을 따라 발신 광학부를 틸트하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 발신 광학부를 틸트하는 수단은 스테퍼 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 데이터 처리시스템은 상기 검출기로 인입되고 수신 광학부에 의해 수신되는 상기 다중화 레이저 출력의 강도를 최대로 하기 위해 상기 발신측 얼라인먼트 기구가 상기 다중화 레이저 출력의 방향을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 센싱장치.
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