KR101159215B1 - 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치에 관한 것으로, 하나의 다이오드레이저를 사용하여 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 이로 인해 노이즈 등의 발생에 의한 실험 오차를 줄임으로써, 정확한 계측이 가능함은 물론, 제조가 용이하고, 제조단가가 합리적이며, 사용이 편리한 효과가 있다.
Description
본 발명은 다이오드레이저를 이용한 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치에 관한 것이다.
종래에는 수증기의 흡수 신호를 측정하여 온도를 계측하였다. 수증기는 넓은 파장 영역에서 다양한 흡수 천이 파장을 가지고 있다는 장점 때문에 온도 계측을 위해서 많이 사용되었다.
또한 상기 온도계측 기술은 온도를 측정하기 위해서 서로 다른 파장을 가지는 3개 이상의 다이오드레이저가 필요하였다.
하지만 두 개 이상의 다이오드레이저를 이용하여 측정 시스템을 구축할 경우 하나의 다이오드레이저를 이용할 때에 비해 상대적으로 많은 부가 장치들이 필요하다. 이들 부가 장치들은 광학 장비 이용하는 기술에서 노이즈를 발생시켜 계측 오차를 만든다.
한편 연소 과정에서 가장 중요한 산소의 농도와 온도를 동시에 계측하는 종래의 계측기술은 수증기와 산소의 흡수 신호를 각각 측정하여야 했다. 이때 수증기를 측정하기 위한 다이오드레이저와 산소를 측정하기 위한 다이오드레이저의 흡수천이 파장 차이가 매우 크다.
산소를 측정하기 위해 760nm 근처의 흡수 천이 파장을 이용하며, 수증기를 측정하기 위하여 1300nm 근방의 흡수 천이 파장을 이용한다. 그러므로 산소의 농도와 온도를 측정하기 위해서는 파장 차이가 많이 나는 두 개 이상의 다이오드레이저가 필요하다. 이로 인해 장치가 복잡해지며 노이즈 발생 확률이 높아진다. 또한 흡수 천이 파장의 차이가 크므로 이들 파장을 모두 포괄할 수 있는 광학 장치 구축이 매우 어렵다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 하나의 다이오드레이저를 이용하여, 측정대상가스의 온도와 농도를 동시에 계측할 수 있고, 측정장치의 구성이 간단하며, 실험 오차를 줄일 수 있는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은,
레이저광이 측정대상가스를 통과하도록 발진하는 발진기; 측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 서로 간섭 현상이 일어나지 않는 한 쌍의 흡수 천이 파장에서 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 전기적 신호로 검출하는 수광기; 수광기로부터 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 수신하고, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 수신된 신호를 분석하여, 측정대상가스의 온도 및 농도를 측정하는 한편, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 측정대상가스의 초기 농도를 구하고, 측정된 농도값으로부터 광흡수율이 계산되면 광흡수율과 미리 설정된 설정값의 비교를 통해 측정기법을 변화시킬 것인 지를 결정하는 데이터분석기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 레이저 광의 발진을 위해 레이저 신호의 모양이 다양하게 송출되도록 하는 파형발생기가 보강구비된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발진기, 수광기, 데이터분석기 및, 파형발생기를 작동제어하거나, 그 중 어느 하나를 작동제어하는 제어기가 보강구비된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광흡수율(AR)은,
로 연산되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 측정대상가스는 산소이며, 상기 한 쌍의 흡수 천이 파장은,
흡광도가 아래와 같은 범위를 가지고,
저준위 상태 에너지 값이 250(cm-1) 이상이며, 저준위 상태 에너지 차이가 80(cm-1)이상 가지며, 파장 간의 차이가 1(cm-1)이고, 흡수신호 간에 서로 간섭현상이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 한 쌍의 흡수 천이 파장은 {760.21nm, 760.26nm}, {760.074nm, 760.093nm}, {759.83nm, 759.86nm} 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발진기의 레이저 광 발진 파장 범위는 600nm~1700nm 인 것을 특징으로 한다.
레이저광이 측정대상가스를 통과하도록 발진하는 발진기; 측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 서로 간섭 현상이 일어나지 않는 한 쌍의 흡수 천이 파장에서 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 전기적 신호로 검출하는 수광기; 수광기로부터 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 수신하고, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 수신된 신호를 분석하여, 측정대상가스의 온도 및 농도를 측정하는 한편, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 측정대상가스의 초기 농도를 구하고, 측정된 농도값으로부터 광흡수율이 계산되면 광흡수율과 미리 설정된 설정값의 비교를 통해 측정기법을 변화시킬 것인 지를 결정하는 데이터분석기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 레이저 광의 발진을 위해 레이저 신호의 모양이 다양하게 송출되도록 하는 파형발생기가 보강구비된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발진기, 수광기, 데이터분석기 및, 파형발생기를 작동제어하거나, 그 중 어느 하나를 작동제어하는 제어기가 보강구비된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광흡수율(AR)은,
로 연산되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 측정대상가스는 산소이며, 상기 한 쌍의 흡수 천이 파장은,
흡광도가 아래와 같은 범위를 가지고,
저준위 상태 에너지 값이 250(cm-1) 이상이며, 저준위 상태 에너지 차이가 80(cm-1)이상 가지며, 파장 간의 차이가 1(cm-1)이고, 흡수신호 간에 서로 간섭현상이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
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또한 상기 발진기의 레이저 광 발진 파장 범위는 600nm~1700nm 인 것을 특징으로 한다.
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상기와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 다이오드레이저를 사용하여 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 이로 인해 노이즈 등의 발생에 의한 실험 오차를 줄임으로써, 정확한 계측이 가능함은 물론, 제조가 용이하고, 제조단가가 합리적이며, 사용이 편리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 구성을 설명하기 위한 개략도이고,
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실험 데이터를 나타낸 데이터도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실험 데이터를 나타낸 데이터도이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명의 제1실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치는 발진기(10)와, 수광기(20)와, 데이터분석기(30)와, 파형발생기(40)와, 제어기(50)를 갖춘다.
상기 발진기(10)은 광을 발진하는 다이오드레이저(11)와, 광이 역방향으로 흐르는 것을 막아주는 아이솔레이터(12)와, 광을 원하는 비율로 분기하는 커플러(13)와, 광신호를 직진의 형태로 측정대상가스에 발진하는 발진부(14)와, 레이저의 강도 및 파장 변화를 조절하는 다이오드레이저 컨트롤러(15)를 갖춘다.
상기 다이오드레이저(11)는 다이오드레이저의 마운트(16) 연결되어 있으며, 다이오드레이저 컨트롤러(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 다이오드레이저 컨트롤러(15)는 제어기(50)에 의해 작동제어되어, 다이오드 레이저의 변화를 조절한다. 이때 다이오드레이저 컨트롤러(15)는 온도와 전류의 크기를 변화시킴으로써 다이오드 레이저의 강도 및 파장, 주파수, 온도를 변화시킬 수 있다. 한편 다이오드레이저 컨트롤러(42)는 필요에 따라서는 제어기(50)에 작동제어되지 않고 독립적으로 작동제어될 수도 있다.
또한 상기 아이솔레이터(12) 및 커플러(13)는 필수적인 것은 아니며, 상황에 따라 없을 수도 있다.
상기 수광기(20)는 광신호를 받는 수광부(21)와, 광이 역방향으로 흐르는 것을 막아주는 아이솔레이터(22)와, 광신호를 수신하고 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 광검출기(23)를 갖춘다.
상기 수광부(21)는 콜리메이터를 구비하며, 콜리메이터는 측정대상가스를 지나온 광신호를 광학 케이블를 통해 광검출기(23)에 전달한다. 이때 콜리메이터는 광학 케이블을 사용하지 않는 시스템에서는 필요하지 않을 수도 있다.
상기 데이터분석기(30)은 락인증폭기(31)와, 오실로스코프(32)와, 데이터분석모듈(33)을 갖춘다.
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 일부 잡음을 제거한다.
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 장치를 아니다.
상기 데이터분석모듈(33)은 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 측정된 신호를 분석하고 농도값을 저장한다. 이때 데이터분석모듈(33)은 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 따라 온도를 분석하는 온도분석모듈(33a)과, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 따라 농도를 분석하는 농도분석모듈(33b)을 갖춘다.
한편 상기 데이터분석기(30)는 제어기(50)에 의해 작동제어될 수도 있다.
상기 파형발생기(40)는 제어기(50)에 의해 작동제어되어, 레이저 신호의 모양이 다양하게 송출되도록 한다. 이러한 파형 모양으로는 톱니파, 삼각파, 사각파, 사인파, 코사인파 또는 임의이 혼합합 등이 될 수 있다. 한편 파형발생기(40)는 필요에 따라서는 제어기(50)에 의해 작동제어되지 않고 독립적으로 작동제어될 수도 있다.
상기 제어기(50)는, 다이오드레이저 컨트롤러(15) 및 파형발생기(40)를 작동제어한다. 이때 제어기(50)는 파형발생기(40)의 파형발생을 제어하거나, 다이오드컨트롤럴(15)의 온도/전류값을 제어하여, 발진기(10)가 레이저 광을 발진하도록 한다.
한편 상기 하나의 다이오드레이저(11)를 이용하여 측정가스의 농도와 온도를 동시에 계측하기 위해서는 흡수 천이 파장 선정이 매우 중요하다. 동시에 2개 이상의 흡수신호를 측정하기 위해서는 아래의 조건을 만족하는 한 쌍의 흡수 천이 파장을 선정하여야 한다.
산소를 예를 들어, 아래의 조건을 충족하는 흡수 천이 파장을 선정한다.
첫째, 측정 온도 범위 내에서 알맞은 흡수신호 크기를 가지는 파장을 선정해야 한다. 흡수신호가 너무 크거나 너무 작으면 오차가 커지거나 신호 측정이 불가능해진다. 흡수신호의 크기는 흡광도 값이 기준이 된다. 흡광도의 최고값은 0.05로 정하며 최저값은 노이즈를 고려하여 10- 3 으로 정한다. 이를 식으로 표현하면 아래의 수학식 1(산소의 경우)과 같다.
S: 선강도(Line Strength), 온도만의 함수로써 측정대상가스의 온도 측정에 이용되며, 기존 데이터베이스에서 발췌하거나, 실험을 통해 미리 준비된 데이터베이스를 활용
P: 전체압력(Total Pressure), 압력센서를 활용하여 측정대상가스의 압력측정
xi: 몰농도(Mole Fraction), 직접흡수기법을 통해 구한 측정대상가스의 농도값
L: 흡수길이(Path Length), 발진부(14)부터 수광부(21)까지의 레이저 광의 거리
φ: 선형태함수(Line Shape Function), 측정신호를 통해 계측.
측정하고자 하는 온도 범위는 296K에서 803K로 정하였다. 측정 온도 범위 내에서 위 조건에 알맞은 선강도 값을 가지는 흡수 천이 파장 34개를 선정한다.
둘째, 저준위 상태 에너지 값이 250(cm-1) 이상인 흡수 천이 파장을 선별한다. 수학식 2에서 저준위 상태 에너지, E''가 클수록 상온의 선강도, S(T0)의 영향이 줄어든다. 그러므로 공기 퍼징과 같이 실험 장치로 들어오는 상온의 산소가 흡수하는 에너지로 인한 실험 오차를 최소화할 수 있다. 이 조건에 맞는 20개의 파장을 선별한다.
k: Boltzmann 상수
h: Planck 상수
c: 빛 속도
E'': 저준위 상태 에너지
셋째, 저준위 상태 에너지의 차이가 80(cm-1) 이상이 되는 한 쌍의 흡수 천이 파장을 선별한다. 한 쌍의 흡수 천이에서 각각의 저준위 상태 에너지의 차이가 클수록 온도 측정 민감도가 증가한다. 흡수 천이 파장이 다양하지 않은 산소의 경우 저준위 상태 에너지의 차이가 1000(cm-1) 이상이 되는 한 쌍의 흡수 천이 파장이 없다. 그러므로 상대적으로 차이가 많이 나는 80(cm-1) 이상의 저준위 상태 에너지의 차이를 가지는 흡수 천이 파장 한 쌍을 선별한다.
넷째, 한 쌍의 흡수 천이 파장 차이가 1(cm-1) 이내인 흡수 신호 한 쌍을 선별한다. 파장 차이가 1(cm-1) 이상일 경우 하나의 다이오드레이저(11)로 동시에 두 흡수 신호를 계측하기 어렵다. 또한 두 흡수신호 사이에는 서로 간섭 현상이 일어나지 않는 한 쌍의 흡수 천이 파장들을 선정한다. 도 2에서 도 4는 셋째 조건에서 잘못된 흡수 천이 파장 선정으로 인한 흡수신호가 겹치는 경우를 보여주며, 도 3은 소프트웨어 후처리 후 흡수신호를 그래프로 나타낸 것이다. 도 4는 후 처리된 흡수신호를 바탕으로 흡광도를 구한 그래프를 나타낸 것이다.
이와 같이 잘못된 흡수 천이 파장 선정으로 인해 흡수신호가 겹쳐 흡광도의 넓이를 구하지 못하는 경우가 발생한다. 이 경우에는 산소 농도 및 온도 계측이 불가능하다.
마지막으로 파장 범위는 다이오드레이저(11)의 상용화를 고려하여 600nm~1700nm로 정하였다.
이들 다섯 가지 단계를 거쳐서 최종적으로 적용가능한 수 쌍의 흡수 천이 파장을 선정한다.
표 1은 측정대상이 산소일 경우, 최종적으로 선정된 세 쌍의 흡수 천이 파장을 예시로 보여주고 있다. 이 외에도 위 조건에 부합하는 흡수 천이 파장이 있을 수 있다.
| 1번 흡수 천이 파장(nm) | 2번 흡수 천이 파장(nm) | |
| 1 | 760.21 | 760.26 |
| 2 | 760.074 | 760.093 |
| 3 | 759.83 | 759.86 |
도 5에서 도 7은 표 1에서 1번째 흡수 천이 한 쌍을 이용하여 흡수신호를 측정한 것이다. 그래프에서 보듯이 서로 다른 흡수 천이 파장을 가지는 신호가 간섭없이 측정되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 산소 농도 및 온도를 동시에 계측가능하다.
상기와 같이 선정된 흡수 천이 파장을 이용하여 본 발명에 따른 계측 광학시스템을 통한 산소 농도 및 온도 동시 측정을 살펴보면 다음과 같다.
상기 선정된 흡수 천이 파장 한 쌍을 이용하여 온도를 계측한다.
즉 상기 제어기(50)는 다이오드레이저 컨트롤러(15) 및 파형발생기(40)를 제어하여 다이오드레이저(11)의 파장을 미세하게 변화시킨다. 이때 발진기(10)의 다이오드레이저(11)는 1번 흡수 천이 파장 근처에서(도 5의 하늘색 원) 에너지 흡수가 일어나고 파장이 증가하면서 2번 흡수 천이 파장 근처에서(도 5의 노란색 원) 두 번째 에너지 흡수가 일어난다. 이렇게 동시에 측정된 흡수신호는 직접흡수기법의 경우 광검출기(23)를 통해 데이터분석모듈(33)로 들어가며, 파장변조기법의 경우 광검출기(23)를 통해 데이터분석기(30)의 락인증폭기(31)로 들어가 2f 신호로 변환한 후 데이터분석모듈(33)로 들어간다. 데이터분석모듈(33)에서 후 처리된 흡수신호는 계산을 통해 흡광도의 넓이 및 2f 신호의 높이를 계산한다.
한편 상기 직접흡수기법에서 선강도는 흡광도의 넓이에 비례하며, 흡광도의 넓이(A)의 비는 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
A1: 1번 흡수 천이 파장 근처에서 측정된 흡수신호의 흡광도의 넓이
A2: 2번 흡수 천이 파장 근처에서 측정된 흡수 신호의 흡광도의 넓이
따라서 상기 식을 이용하여 온도를 계측할 수 있다.
또한 상기 파장변조기법에서 선강도는 Fourier 상수 H에 비례한다. Fourier 상수 H는 흡수신호의 높이 2f에 비례한다. 그러므로 2f 흡수신호의 높이는 다음과 같이 표현된다.
2f1: 1번 흡수 천이 파장 근처에서 측정된 2f 흡수신호의 높이
2f2: 2번 흡수 천이 파장 근처에서 측정된 2f 흡수신호의 높이
H2 ,1: 1번 흡수 천이 파장에서 Fourier 급수의 2차 상수
H2 ,2: 2번 흡수 천이 파장에서 Fourier 급수의 2차 상수
상기와 같이 직접흡수기법과 파장변조기법을 통해 온도를 측정할 수 있다.
또한 이들 결과에서 A1,A2,2f1,2f2 값은 측정값이며, 이 값들을 통해 산소의 농도를 구할 수 있다.
상기 직접흡수기법에 따른 측정대상가스의 농도는 아래의 수학식 5를 통해 계산할 수 있다.
X(Mole Fraction): 구하고자 하는 대상가스의 농도값
A(Integrated Area): 적분된 면적값, A1값 또는 A2값
P(Total Pressure):전체압력, L(Path Length):흡수길이, S(Line Strength):선강도
Φ(Line Shape Function):선형함수, T(Temperature):온도, v(Wavelength):파장.
상기 전체압력은 압력센서를 이용하여 측정대상가스의 압력을 측정하여 구하며, 흡수길이는 발진기(10)부터 수광기(20)까지 레이저광이 진행하는 길이이며, 선형함수는 측정대상가스를 통과한 레이저광을 분석하여 획득하며 레이저광이 측정대상가스를 통과하면 특정 파장대에서 빛을 흡수하여 종 형상이 되는데 이 흡수형상을 함수로 나타낸 것이다. 적분된 면적값은 선형함수의 면적을 적분하여 획득한다. 선강도는 특정 주파수대역에서 빛을 흡수하는 흡수강도를 의미하며, 특정 온도 및 압력에서 흡수강도를 측정한 기존 데이터베이스를 이용하여 획득하거나, 기존데이터베이스에 없는 경우에는 실험을 통해 데이터베이스를 구축하여 사용할 수 있다.
또한 상기 파장변조기법에 따른 측정대상가스의 농도는 아래의 수학식 6을 통해 계산할 수 있다.
직접흡수기법에 대한 수학식 5과 동일한 기호는 수학식 5과 동일하므로 설명을 생략한다.
H2(Second Harmonic Fourier Coefficient): Fourier 급수의 2차 상수, H2 , 1값 또는 H2 , 2값
a(Modulation Amplitude): 합성변조파의 진폭, 
: 평균 파장
H2는 흡수신호를 퓨리에급수 전개를 하여 획득한다.
이하 본 발명의 제2실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제2실시예는 광흡수율 분석이후의 명령에 따라 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 선택된다.
본 발명의 제2실시예에서 데이터분석기(30)의 데이터분석모듈(33)은 광흡수율분석모듈(33c)이 보강 구비된다.
상기 광흡수율분석모듈(33c)은 수광기(20) 및 농도분석모듈(33b)에서 신호를 전송받아 광흡수율을 계산하고, 계산된 광흡수율이 설정값보다 큰 경우 직접흡수기법을 선택하고, 설정값보다 작은 경우 파장변조기법을 선택한다. 이때 파장변조기법이 선택되는 경우, 락인증폭기(31)는 수광기(20) 및 파형발생기(40)로부터 신호를 전송받아 2차 조화신호를 생성하여 온도분석모듈(33a) 및 농도분석모듈(33b)로 전송하고, 제어기(50)는 광흡수율분석모듈(33c)에서 선택되는 농도측정 기법에 따라 파형발생기(40)에서 발생되는 파형을 제어한다.
더욱 상세하게는 상기 광흡수율분석모듈(33c)은 흡수신호 또는 2차 조화신호와 농도분석모듈(33b)에서 계산된 농도값을 입력받아 수학적 프로세스를 진행하여 광흡수율을 계산한다. 또한 계산된 광흡수율을 바탕으로 기 설정된 설정값과의 비교를 통해 농도계측에 사용될 기법을 선택한다. 즉 계산된 광흡수율이 설정값보다 높은 경우에는 직접흡수기법을 선택하고, 설정값보다 낮은 경우에는 파장변조기법을 선택한다. 설정값은 보다 정밀한 농도의 측정을 위해 이를 기준으로 하여 농도계측기법의 변화가 필요한 기준값을 의미하며, 상황에 따라 다르나 0.01 ~ 0.2 사이의 값을 가진다.
또한 상기 제어기(50)는 광흡수율분석모듈(33c)에서 선택된 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 따라 파형발생기(40)를 제어하여 직접흡수기법이 선택되는 경우에는 램프파 또는 삼각파를 발생시키도록 제어하며, 파장변조기법이 선택되는 경우에는 램프파 또는 삼각파에 정현파를 합성한 변조합성파를 발생시키도록 제어한다.
상기 광흡수율계산을 수학식 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
수학식 5와 동일한 기호는 수학식 5와 동일한 것으로 설명을 생략한다.
AR: 광흡수율(Absorption Rate), α: 흡수계수(Absorption Coefficient),
L: 흡수길이(Path Length), S: 선강도(Line Strength), P: 전체압력(Total Pressure), Xd: 몰농도(Mole Fraction), φ: 선형함수(Line Shape Function), T: 온도(Temperature), v: 파장(Wavelength).
상기 광흡수율은 상기와 같은 수학식 7를 통해 계산되며, Xd(Mole Fraction)는 직접흡수기법을 통해 구한 측정대상가스의 농도값이며, 농도계산에 파장변조기법이 적용되는 경우 파장변조기법으로 계측한 농도값을 넣어 광흡수율을 계산하면 된다.
10; 발진기 11; 다이오드레이저 12; 아이솔레이터
13; 커플러 14; 발진부 15; 다이오드레이저 컨트롤러 16; 다이오드레이저 마운트 20; 수광기
21; 수광부 22; 아이솔레이터 23; 광검출기
30; 데이터분석기 31; 락인증폭기 32; 오실로스코프
33; 데이터분석모듈 33a; 온도분석모듈 33b; 농도분석모듈
33c; 광흡수율분석모듈 40; 파형발생기 50; 제어기
13; 커플러 14; 발진부 15; 다이오드레이저 컨트롤러 16; 다이오드레이저 마운트 20; 수광기
21; 수광부 22; 아이솔레이터 23; 광검출기
30; 데이터분석기 31; 락인증폭기 32; 오실로스코프
33; 데이터분석모듈 33a; 온도분석모듈 33b; 농도분석모듈
33c; 광흡수율분석모듈 40; 파형발생기 50; 제어기
Claims (8)
- 레이저광이 측정대상가스를 통과하도록 발진하는 발진기;
측정대상가스를 통과한 레이저 광을 수광하여, 서로 간섭 현상이 일어나지 않는 한 쌍의 흡수 천이 파장에서 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 전기적 신호로 검출하는 수광기;
수광기로부터 제1흡수신호 및 제2흡수신호를 수신하고, 직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 수신된 신호를 분석하여, 측정대상가스의 온도 및 농도를 측정하는 한편,
직접흡수기법 또는 파장변조기법에 의해 측정대상가스의 초기 농도를 구하고, 측정된 농도값으로부터 광흡수율이 계산되면 광흡수율과 미리 설정된 설정값의 비교를 통해 측정기법을 변화시킬 것인 지를 결정하는 데이터분석기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 제1항에 있어서,
상기 레이저 광의 발진을 위해 레이저 신호의 모양이 다양하게 송출되도록 하는 파형발생기가 보강구비된 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발진기, 수광기, 데이터분석기 및, 파형발생기를 작동제어하거나, 그 중 어느 하나를 작동제어하는 제어기가 보강구비된 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 광흡수율(AR)은,
로 연산되는 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 제1항에 있어서,
상기 측정대상가스는 산소이며,
상기 한 쌍의 흡수 천이 파장은,
흡광도가 아래와 같은 범위를 가지고,
저준위 상태 에너지 값이 250(cm-1) 이상이며, 저준위 상태 에너지 차이가 80(cm-1)이상 가지며, 파장 간의 차이가 1(cm-1)이고, 흡수신호 간에 서로 간섭현상이 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 흡수 천이 파장은 {760.21nm, 760.26nm}, {760.074nm, 760.093nm}, {759.83nm, 759.86nm} 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 제6항에 있어서,
상기 발진기의 레이저 광 발진 파장 범위는 600nm~1700nm 인 것을 특징으로 하는 가스 온도 및 농도 동시 계측 광학장치.
- 삭제
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