KR101317630B1 - 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배관의 벽면에서 레이저 광을 발생시켜 유체의 흐름과 함께 산란되는 광을 검출하여, 다차원의 유속을 산출할 수 있는 광 간섭 유속계에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계는 레이저 광을 발생시키는 광발생기, 상기 광발생기에서 발생한 상기 레이저 광을 일정 비율로 분할하는 광분할기, 상기 광분할기에서 제공되는 상기 레이저 광을 배관에 집광하는 집광기, 상기 배관의 유체를 통해 산란된 상기 레이저 광 신호로 전자기파 강도를 검출하는 광검출기 및 상기 광검출기에서 검출된 상기 전자기파 강도를 이용하여, 상기 유체의 속도를 산출하는 유속산출기를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계{A common-path optical interferometer for measuring multi-dimensional flow velocity components}
본 발명은 유속을 측정하는 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 배관의 벽면에서 레이저 광을 발생시켜 유체의 흐름과 함께 산란되는 광을 검출하여, 유속을 산출할 수 있는 광 간섭 유속계에 관한 것이다.
일반적으로 배관의 유속을 측정하기 위해서는 3차원 초음파 유속계를 주로 사용하며, 종래 초음파 유속계의 측정 원리는 [도 7]에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 센서 사이에 전달되는 초음파 도달시간의 차이를 측정하고, 이를 유속으로 환산한다.
하지만 종래 초음파 유속계는 대한민국 등록특허 공보 제10-0311555호(2001. 09. 26)에 기재된 초음파 유량계와 같이, 유속의 크기에 따라 실험 계수(K-factor, metering coefficient)가 달라지므로, 낮은 유속에서 측정 정밀도가 다소 떨어지는 문제점이 있었다. 여기서, 실험 계수는 기준 유속계에서 측정된 유속에 대한 초음파 유속계 측정값의 상대적인 비율을 의미한다. 실험 계수는 동일한 유속 조건에서 여러 번 측정하여 평균과 표준편차를 산출하는데, 유속이 낮을수록 초음파 유속계의 실험계수에 대한 표준편차는 증가한다. 다시 말하면, 유속이 낮을수록 초음파 유속계의 재현도(reproducibility)가 낮아지는 단점이 있었다.
종래 초음파 유속계의 유속 측정 원리를 설명하면 다음과 같다.
초음파의 음속을 Csound [m/s], 유체 속도를 V [m/s], 초음파의 진행 방향과 유체 흐름의 진행 방향 사이의 각도를 θ [°], 두 개의 초음파 센서(ultrasound sensor, US) 사이의 거리를 L [m]라고 정의하면, Csound와 V는 다음과 같은 [수학식 1] 및 [수학식 2]로 표현된다.
Figure 112012030139542-pat00001
Figure 112012030139542-pat00002
단, t1는 US1에서 US2까지의 경로를 따라 지나가는 초음파의 도달시간 [s]이며, t2는 US2에서 US1까지의 경로를 따라 지나가는 초음파의 도달시간 [s]이다. 이 때, 유체 속도의 방향에 따라 초음파가 두 개의 초음파 센서 사이를 통과하는데 걸리는 시간은 차이가 발생한다. 따라서 음속은 다음 [수학식 3]으로 산출되며, 유체 속도는 다음 [수학식 4]로 산출된다.
Figure 112012030139542-pat00003
Figure 112012030139542-pat00004
대한민국 공개특허 공보 10-0311555B1, 2001. 09. 26, 2쪽 내지 4쪽.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 목적은 레이저 광로 간섭계를 형성하고, 이러한 광 간섭계를 이용하여, 정밀도가 높은 유속 측정 장치를 제공하는데 있다.
다른 목적은, 집광기를 적어도 하나 이상의 채널로 형성하여, 다차원의 유속 측정이 가능하도록 하는데 있다.
또 다른 목적은, 광분할기를 적어도 하나 이상으로 구성하여, 각 채널 별로 일정 비율의 레이저 광을 제공하는데 있다.
또 다른 목적은, 주파수산출부를 포함하여, 유속 환산에 필요한 도플러주파수 천이량에 따른 맥놀이주파수를 산출하는데 있다.
또 다른 목적은, 유속환산부를 더 포함하여, 맥놀이주파수를 이용하여, 유속을 환산하는데 있다.
또 다른 목적은, 집광기에 광섬유를 더 포함하여, 레이저 광의 전달력을 향상시키는데 있다.
본 발명에 따른 광 간섭 유속계는 레이저 광을 발생시키는 광발생기, 상기 광발생기에서 발생한 상기 레이저 광을 일정 비율로 분할하는 광분할기, 상기 광분할기에서 제공되는 상기 레이저 광을 배관에 집광하는 집광기, 상기 배관의 유체를 통해 산란된 상기 레이저 광 신호로 전자기파 강도를 검출하는 광검출기 및 상기 광검출기에서 검출된 상기 전자기파 강도를 이용하여, 상기 유체의 속도를 산출하는 유속산출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 집광기는 제1집광기와 제2집광기가 한 쌍으로 구성된 집광채널을 적어도 하나 이상 포함하며, 각 집광채널은 상기 배관을 사이에 두고 집광 방향이 마주보도록 배치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 광분할기는 상기 집광채널의 수에 따라 적어도 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 유속산출기는 상기 광검출기를 통해 검출된 광의 도플러주파수를 측정하는 주파수산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 유속산출기는 상기 주파수산출부에서 산출된 맥놀이주파수와 상기 전자기파산출부에서 산출된 전자기파의 강도를 이용하여, 유체의 속도를 산출하는 유속환산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 집광기는 레이저 광의 전달이 용이한 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계는 레이저 광로 간섭계를 이용한 다차원 유속 측정이 가능함에 따라 높은 분해능으로 안정적으로 유속을 측정할 수 있으며, 낮은 유속에서도 측정의 정밀도가 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 광분할기를 적어도 하나 이상으로 구성함으로써, 각 채널 별로 일정 비율의 레이저 광을 제공할 수 있으며, 각 채널의 속도 성분을 검출하기 용이한 효과가 있다.
또한, 주파수산출부를 포함함으로써, 매질의 구성없이, 유속 환산에 필요한 도플러주파수 천이량에 따른 맥놀이주파수를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 유속환산부를 더 포함함으로써, 맥놀이주파수를 이용하여, 유속을 환산하기 용이한 효과가 있다.
또한, 집광기에 광섬유를 더 포함함으로써, 레이저 광의 전달력을 향상시키고, 나아가 광검출 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 전체 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 집광부의 배치모습을 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 첫 번째 실시예를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광 간섭 유속계에 있어서, 유속산출기의 상세 구성을 나타내는 구성도.
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 두 번째 실시예를 나타내는 도면.
도 7은 종래 초음파 유속계의 구성을 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
[도 1]은 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 구성을 나타내는 광발생기(10), 광분할기(20), 집광기(30), 광검출기(40) 및 유속산출기(50)를 포함한다.
상기 광발생기(10)는 유속 측정을 위한 레이저 광을 발생시키는 역할을 하며, 본 발명과 같이 유속 측정을 위해 레이저 광을 사용할 경우, 종래 초음파 유속계에 있어서 요구되는 별도의 매질이 필요하지 않다. 또한 초음파 유속계에 있어서 초음파의 도달시간은 유속에 반비례하지만, 광 간섭 유속계에 있어서 레이저 광을 사용하여 측정되는 맥놀이주파수는 유속에 정비례한다. 따라서 레이저 광을 사용하면, 유속이 낮을수록 초음파 유속계의 실험계수의 재현도가 저하되는 문제점을 해결할 수 있다. 레이저 광을 사용하면 높은 분해능으로 유속 측정이 가능하여, 낮은 유속에서 측정 정밀도 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
상기 광분할기(20)는 상기 광발생기(10)에서 발생한 상기 레이저 광을 일정 비율로 분할하는 역할을 하며, 본 발명의 실시예에서는 2×2 커플러 또는 1×2 커플러를 이용하였으며, 광 분할은 일정한 비율로 설정되도록 하였다.
또한, 본 발명에 따른 상기 광분할기(20)는 상기 집광기(30)의 채널 수에 따라 복수 개로 구성이 가능하며, 각 광분할기(20)에서 분할되는 광은 비교적 균등하게 배분되는 것이 바람직하다.
상기 집광기(30)는 상기 광분할기(20)에서 제공되는 상기 레이저 광을 배관에 집광하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 상기 집광기(30)는 [도 2]에 도시된 바와 같이, 제1집광기(31)와 제2집광기(32)가 한 쌍으로 구성되어 집광채널을 형성하게 되며, 상기 집광채널은 복수개로도 형성이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 집광채널의 제1집광기(31)와 제2집광기는 상기 배관(1)을 사이에 두고 집광 방향이 마주보도록 배치한다.
이러한 집광기의 배치를 통해, 레이저 광이 지나가는 광경로를 공유하는 간섭계(common-path optical interferometer)를 형성할 수 있으며, 이러한 광 간섭계를 구성 시, 비교적 단순화된 광섬유 광학계를 가지고 맥놀이주파수 측정이 가능한 장점이 있다.
상기 광검출기(40)는 상기 배관의 유체를 통해 산란된 상기 레이저 광을 검출하는 역할을 하며, [도 3]은 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 첫 번째 실시예를 나타내는 도면으로, 2×2 커플러로 구성되며, 50:50의 비율로 광을 분할하는 상기 광분할기(40)의 일측은 상기 광발생기(10)가 연결되고, 타측에는 상기 광검출기(40)로 구성된다.
이때, 제1집광기(31)와 상기 제2집광기(32)가 서로 마주 바라보도록 하여 제1광경로(CL1 → CL2)와 제2광경로(CL2 → CL1)를 완성한다. 제1집광기(31)와 상기 제2집광기(32) 사이에는 유체 흐름이 존재하는 영역이 있어서, 유체 흐름과 광 경로 사이의 각도는 θ이다.
상기 제1광경로(CL1 → CL2)와 제2광경로(CL2 → CL1)를 통해 이동된 레이저 광이 상기 광분할기(20)를 통해 광검출기(40)에 전달되고, 상기 광검출기(40)는 레이저 광 신호를 검출하여, 전자기파의 강도를 신호로서 측정하게 되는 것이다.
상기 유속산출기(50)는 상기 광검출기(40)와 연결되어, 상기 광검출기(40)에서 검출된 상기 전자기파 강도를 이용하여, 상기 유체의 속도를 산출하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 상기 유속산출기(50)는 [도 4]에 도시된 바와 같이, 주파수산출부(51) 및 유속환산부(52)를 포함한다.
상기 주파수산출부(51)는 상기 광검출기(40)를 통해 검출된 광 신호의 도플러주파수를 측정하는 역할을 한다.
레이저 광을 이용하여, 도달시간의 차이에 따른 유속을 측정하기 위해서는 매우 짧은 시간동안 지나는 레이저 광을 측정해야 하므로 실제로 구현하기는 매우 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명에 있어서, 레이저 광 전달에 따른 산란 입자를 이용한 도플러주파수를 측정하고, 이를 유속으로 환산하는 방법을 이용한다.
즉, 스모크 입자(smoke)와 같은 산란 입자가 유체의 흐름과 함께 V의 속도로 이동하면, 도플러 효과에 의해 산란입자가 레이저 광을 산란시키므로, 이러한 도플러주파수를 유체의 속도로 환산할 수 있는 것이다.
만일 주파수 f를 가진 레이저 광이 진행하는 방향과 V속도로 움직이는 입자의 진행 방향과 일치하면 (CL1 → CL2), 제1레이저 광의 도플러주파수 천이량은 다음 [수학식 5]로 산출할 수 있다.
Figure 112012030139542-pat00005
만약 레이저 광이 진행하는 방향과 속도 V로 움직이는 입자의 진행 방향이 서로 반대 방향이면 (CL2 → CL1), 제2레이저 광의 도플러주파수 천이량은 다음 [수학식 6]과 같이 주어진다.
Figure 112012030139542-pat00006
또한, 상기 제1레이저 광과 상기 제2레이저 광이 합성되면, 맥놀이가 발생하고, 맥놀이주파수는 다음 [수학식 7]과 같다.
Figure 112012030139542-pat00007
따라서 맥놀이주파수 fBeating을 측정하면 유체 흐름을 따라 움직이는 입자의 속도 V를 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 제1광경로(CL1 → CL2)와 제2광경로(CL2 → CL1)에 대해, 전자기파의 관점에서 더 자세하게 기술하면 다음과 같다.
먼저, [도 2]에 도시된 바와 같이, 제1광경로(CL1 → CL2)를 따라 지나가는 선형 편광된 전자기파(또는 레이저 파장)를 ECL1 → CL2으로 가정하고, 다음 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012030139542-pat00008
단, ω 는 레이저 광의 회전 주파수 [rad/s] 이고,
Figure 112012030139542-pat00009
는 레이저 광의 진행 방향을 따라가는 파수 벡터 [1/m]로서, k=2π/λ=2πf/c=ω/c 이다. (단, λ는 레이저 광의 파장 길이 [m] 이고, f는 레이저 광의 주파수 [Hz] 이다.)
Figure 112012030139542-pat00010
는 편광 방향을 나타내는 단위 벡터, Eo는 전자기장의 크기,
Figure 112012030139542-pat00011
은 공간상의 임의의 위치를 나타내는 벡터 [m],ø1 는 공간상의 원점과 시간 t=0 s 일 때의 전자기파의 위상 [rad] 이다.
또한, [도 2]에 도시된 바와 같이, 산란입자가 V의 속도로 움직이고, 산란입자의 진행 방향과
Figure 112012030139542-pat00012
의 진행 방향이 이루는 각도를 θ라고 하면,
Figure 112012030139542-pat00013
는 다음 [수학식 9]와 같다.
Figure 112012030139542-pat00014
상기 [수학식 9]가 성립하는 이유는 레이저 광이 광 경로 1을 지나가는 데 소요되는 시간 t가 매우 짧기 때문에, [수학식 10]과 같이 t 시간 동안 움직이는 산란입자의 속도를 일정하다고 가정할 수 있기 때문이다.
Figure 112012030139542-pat00015
또한, 상기 [수학식 8]을 정리하면 다음 [수학식 11]과 같이 정리된다.
Figure 112012030139542-pat00016
이와 마찬가지로 제2광경로(CL2 → CL1)를 지나가는 선형 편광된 전자기파 ECL2→ CL1는 다음 [수학식 12]와 같이, 나타낼 수 있다.
Figure 112012030139542-pat00017
단, ø2 는 공간상의 원점과 시간 t=0 s 일 때의 전자기파의 위상 [rad] 이고, [수학식 12]의 exp 함수 내부의 Vcosθ/c 의 부호는 마이너스(-)가 된다. 그 이유는 산란입자 속도 V의 진행 방향과 레이저 광의 진행방향이 서로 반대방향이므로, cos(π-θ)=-cos(θ) 가 성립하기 때문이다.
또한 상기 광검출기(40)를 통해 측정된 전자기파의 강도(intensity)는 [수학식 11]과 [수학식 12]를 합성한 전자기파의 제곱에 해당하는 에너지 밀도를 레이저 광의 한 주기 동안 적분한 값에 해당한다. 전자기파의 에너지 밀도는 다음 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012030139542-pat00018
단, *는 켤레 복소수를 의미한다. [수학식 13]을 계산하기 위해, 삼각함수 공식 cos(x-y)=cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y), cos(2x)=2cos2(x)-1 을 사용하여 정리하면, 다음 [수학식 14]와 같다.
Figure 112012030139542-pat00019
Figure 112012030139542-pat00020
단,
Figure 112012030139542-pat00021
이다. 전자기파의 강도는 [수학식 15]와 같이, 한 주기 동안의 적분값에 의해 주어진다.
Figure 112012030139542-pat00022
단, T는 주기 [s] 이다. 그런데, [수학식 11]과 [수학식 12]에 나타낸 복소수 함수에 있어서 상기 [수학식 15]는 켤레 복소수의 곱으로 표현되므로, 전자기파의 강도는 다음 [수학식 16]과 같다.
Figure 112012030139542-pat00023
Figure 112012030139542-pat00024
상기 [도 3]에서 상기 제1광경로(CL1 → CL2)와 제2광경로(CL2 → CL1)는 공유되므로, 거리가 같고, ø1=ø2이다. 따라서 2×2 커플러에서 합성된 두 개의 레이저 광이 PD에 검출될 때 나타나는 신호는 다음 [수학식 17]과 같다.
이때, (2Vcosθ/c)f 는 [수학식 3]에서 나타낸 맥놀이주파수이므로, 이러한 맥놀이주파수를 이용하여, 유속 측정이 가능한 것이다.
상기 속도환산부(52)는 상기 주파수산출부(51)를 이용하여, 맥놀이주파수를 산출하면 상기 주파수 산란입자의 속도 V를 산출할 수 있게 되는 것이다.
[도 5]는 본 발명에 따른 광 간섭 유속계의 두 번째 실시예의 개념을 나타내는 도면으로, 상기 집광기(30)를 3개의 채널 즉, 제1채널(33) 내지 제3채널(37)로 구성하였으며, 상기 광분할기(20)도 제1광분할기(21)와 제2광분할기(22)로 구성하여, 각 채널별로 속도 성분(Vx, Vy, Vz)을 검출할 수 있도록 하였다.
즉, 상기 광발생기(1)에 1×2 coupler로 구성된 상기 제1광분할기(21)를 연결하여, 30 : 70의 비율로 광을 분할하고, 상기 제1광분할기(21)의 일단부에 위치한 제1채널(33)을 통해 제1속도성분(Vx)을 검출한다.
또한, 상기 제1광분할기(21)의 타단부와 연결되고, 1×2 coupler로 구성된 상기 제2광분할기(22)를 이용하여, 50 : 50의 비율로 광 분할을 하고, 상기 제2광분할기(22)의 양단에 위치한 제2채널(35) 및 제3채널(37)을 통해 제2속도성분 및 제3속도성분(Vy, Vz)을 검출하게 된다.
이때, 속도 성분 검출에 사용되는 레이저 광의 출력은 전체 출력을 100으로 가정할 때, 각각 30:35:35의 비율로 비교적 균등하게 배분된다.
또한, 본 발명에 따른 상기 집광기(30)는 레이저 광의 전달이 용이한 광섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
[도 6]은 [도 5]에 도시된 광 간섭 유속계의 상기 집광부(30) 및 광검출기(40)의 일실시예를 나타내는 도면으로, 각 채널을 이용하여 3차원의 유속 측정이 가능하도록 한다.
즉, 한 개의 속도 성분을 측정하기 위해 한 쌍의 집광기가 서로 마주 바라보는 형태로 배열되고, 집광기 사이의 빈 공간에 산란입자가 포함된 유체 흐름이 있으면, 도플러 효과에 의해 유체 속도가 측정된다.
단, 한 쌍으로 구성된 상기 집광기(30)는 광 정렬이 잘 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 간섭 유속계를 적용하면, 레이저 광의 경로를 공유하는 간섭계를 이용하여, 높은 분해능으로 안정적으로 유속을 측정할 수 있으며, 낮은 유속에서 유속계의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 누릴 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 광 간섭 유속계로 구현할 수 있다.
1 : 배관
3 : 제1초음파발생장치
5 : 제2초음파발생장치
10 : 광발생기
20 : 광분할기
21 : 제1광분할기
22 : 제2광분할기
30 : 집광기
31 : 제1집광기
32 : 제2집광기
33 : 제1채널
35 : 제2채널
37 : 제3채널
40 : 광검출기
41 : 제1광검출기
42 : 제2광검출기
43 : 제3광검출기
50 : 유속산출기
51 : 주파수산출부
52 : 유속환산부

Claims (8)

  1. 레이저 광을 발생시키는 광발생기;
    상기 광발생기에서 발생한 상기 레이저 광을 일정 비율로 분할하는 광분할기;
    상기 광분할기에서 제공되는 상기 레이저 광을 배관에 집광하는 집광기;
    상기 배관의 유체를 통해 산란된 상기 레이저 광 신호로 전자기파 강도를 검출하는 광검출기 및
    상기 광검출기에서 검출된 상기 전자기파 강도를 이용하여, 상기 유체의 속도를 산출하는 유속산출기를 포함하고,
    상기 집광기는
    제1집광기와 제2집광기가 한 쌍으로 구성된 집광채널을 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 제1집광기와 제2집광기는 상기 배관을 사이에 두고 집광 방향이 마주보도록 배치하는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광분할기는,
    상기 집광채널의 수에 따라 적어도 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유속산출기는,
    상기 광검출기를 통해 검출된 광 신호의 도플러주파수를 측정하는 주파수산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유속산출기는,
    상기 주파수산출부에서 산출된 맥놀이주파수를 이용하여, 유체의 속도를 환산하는 유속환산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 집광기는,
    레이저 광의 전달이 용이한 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 광분할기는 2×2 커플러 또는 1×2 커플러를 포함하며, 광 분할은 상기 집광채널 간에 일정한 비율로 설정되는 것을 특징으로 하는 다차원 유속 측정을 위한 광 간섭 유속계.
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