KR101782052B1 - 화염 진단 장치 및 이에 의한 화염 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시 예는 광파이버를 이용하여 노 외부와 내부의 다양한 위치에서 화염 관측이 가능하여 화염 관측의 정밀도가 향상된 화염 진단 장치 및 이에 의한 화염 제어방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 화염 진단 장치는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부; 광파이버부에 의한 화염자발광의 신호를 이차원(2D) 이미지화하는 촬상부; 광파이버부와 촬상부 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터부; 및 광파이버부, 촬상부와 광학필터부를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부;를 포함한다.

Description

화염 진단 장치 및 이에 의한 화염 제어방법{AN APPARATUS FOR MONITORING THE FLAME AND A METHOD FOR CONTROLLING THE FLAME}
본 발명은 화염 진단 장치 및 이에 의한 화염 제어방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광파이버를 이용하여 노 외부와 내부의 다양한 위치에서 화염 관측이 가능하여 화염 관측의 정밀도가 향상된 화염 진단 장치 및 이에 의한 화염 제어방법에 관한 것이다.
에너지 고갈 문제와 환경문제로 최근 고효율 저공해 연소시스템에 대한 관심이 증대되고 있다. 이에 따라, 고효율 저공해 연소시스템을 위한 버너 및 해당 버너의 효율적인 운전방식에 대한 연구 등, 보다 근본적인 관점에서 상당히 많은 연구와 개발이 진행되고 있다.
현재 일반적으로 적용되는 화염 감시 및 화염당량비 계측 장치는, 크게 배기가스계측방식과 광계측방식으로 나눌 수 있다. 배기가스계측방식의 경우, 계측 정밀도가 높고 절대값을 통한 계측이 가능하다는 장점이 있으나, 배기가스의 이동시간과 계측시간의 지연이 발생한다는 단점이 있다. 그리고, 광계측방식의 경우, 화염을 직접 계측하는 방식으로서 지연시간이 거의 없다는 장점이 있지만, 절대적인 계측 정밀도는 낮다는 단점이 있다.
그리고, 종래기술의 화염 광계측 시스템은, 화염 전체의 광 강도를 계측하거나, 계측 프로브 위치에 따른 직선영역(Line strength)만 스캔하여 계측영역이 제한된다는 단점이 있다.
한편, 일반적인 화염의 상태를 대표하는 변수로 화염당량비가 있다. 화염당량비는 화염을 위해 공급되는 연료와 공기의 비율을 의미하며, 이러한 화염당량비의 분포는 화염의 상태를 유추하고 정의하기에 매우 중요한 요소이다.
대한민국 등록특허 제10-1340952호(발명의 명칭: 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 제어방법, 이하 종래기술1이라 한다.)에서는, 가정용 보일러에 사용되는 중공의 버너 및 상기 버너의 하부에 위치하는 연소실로 구성된 구성비 제어모듈, 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창, 상기 버너와 상기 연소실이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그, 상기 관측창을 향하도록 상기 연소실의 상기 관측창 외부에 배치되는 포토다이오드센서, 상기 버너와 연통하는 제 1 파이프 상에 배치되는 급기팬, 연소시 상기 관측창을 통해 전달되는 화염의 복사열에 의한 상기 포토다이오드센서의 온도상승을 방지하고 상기 포토다이오드센서의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치 및 상기 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 포토다이오드를 통해 인가되어 급기팬의 회전속도를 제어하는 제어부를 포함하는 공연비 제어장치가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-1340952호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 실시간으로 화염을 감시함과 동시에 화염 구조를 파악하여 화염 상태를 진단하는 장치를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 화염 진단 장치를 이용하여 최저의 공연비 운전을 유도하며 이에 따라 전체 연소 시스템에서 고효율 운전이 가능하도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부; 상기 광파이버부에 의한 상기 화염자발광의 신호를 이차원(2D) 이미지화하는 촬상부; 상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터부; 및 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부;를 포함하고, 상기 프로세서부는 상기 광학필터부에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 포함된 라디칼의 농도분포를 분석하여 화염당량비를 도출하며, 상기 광파이버부에 의한 상기 화염자발광의 인식으로 화염라디칼의 국부적 농도 차이에 대한 계측을 통해 화염당량비 분포 계측이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 광파이버부는 노에 구비되고 상기 광파이버를 거치할 수 있는 거치대에 결합하는 결합부를 포함하고, 상기 결합부는 자석을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 광파이버부는 복수 개 구비되고, 상기 촬상부가 각각의 광파이버부로부터 상기 화염자발광의 신호를 선택적으로 이미지화할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촬상부는, 디지털카메라로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 광학필터부는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촬상부는 복수 개 설치되고, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터부가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부; 상기 광파이버부에 의한 상기 화염자발광의 신호를 이미지화하는 촬상부; 상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터부; 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부; 상기 프로세서부에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 버너에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부; 상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부; 및 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 연료조절부 또는 상기 공기조절부는, 엑추에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, (ⅰ) 광파이버부와 촬상부 사이에 광학필터부를 설치하는 단계; (ⅱ) 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅲ) 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득하는 단계; (ⅳ) 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하는 단계; 및 (ⅴ) 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치에서 칸투어(contour) 형태로 표현하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, (ⅰ) 광파이버부와 촬상부 사이에 광학필터부를 설치하는 단계; (ⅱ) 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅲ) 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계; (ⅳ) 상기 (ⅲ)단계의 상기 프로세서부의 데이터 처리에 따라, 제어부에서 연료조절부 또는 공기조절부로 제어신호를 출력하는 단계; (ⅴ) 상기 제어신호에 의해, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부가 버너로 공급되는 연료량과 공기량을 조절하는 단계; 및 (ⅵ) 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부에서 경고를 표시하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 관측창이 필수적인 기존의 광계측 시스템과 다르게, 노 외부와 내부의 다양한 위치에서 화염의 당량비 분포에 대해 관측이 가능하여 화염 관측의 정밀도가 향상된다는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 지속적으로 화염에 포함된 여러 라디칼의 농도 분포를 분석하여 그에 대한 데이터를 수집하여 이용하므로, 실시간으로 화염을 감시할 수 있고, 동시에 화염당량비 분포의 측정을 통한 화염 구조의 계측을 수행할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 실시간으로 화염 구조의 계측을 수행할 수 있어, 이에 대한 데이터를 기반으로 자동 운전 제어가 가능하여 최저의 공연비를 갖는 효율적인 운전이 가능하고, 광학필터와 촬상장치를 사용하는 단순한 구성을 가져 기온이나 습도 등의 주변환경 변화에 민감하지 않다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 화염자발광에 포함된 OH, CH 및 C2라디칼 광 파장 피크값에 대한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 진단 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 화염 진단 장치의 구성도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템 구성도이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 화염의 실제 이미지이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 CH라디칼 강도의 그래프이다.
도9는 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 C2라디칼 강도의 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 화염자발광에 포함된 OH, CH 및 C2라디칼 광 파장 피크값에 대한 그래프이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 진단 장치의 구성도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 화염 진단 장치는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부(10); 광파이버부(10)에 의한 화염자발광의 신호를 이차원(2D) 이미지화하는 촬상부(20); 광파이버부(10)와 촬상부(20) 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터부(30); 및 광파이버부(10), 촬상부(20)와 광학필터부(30)를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부(40);를 포함하고, 프로세서부(40)는 광학필터부(30)에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 포함된 라디칼의 농도분포를 분석하여 화염당량비를 도출할 수 있다.
그리고, 광파이버부(10)에 의한 화염자발광의 인식으로 화염라디칼의 국부적 농도 차이에 대한 계측을 통해 화염당량비 분포 계측이 수행될 수 있다. 이는 화염의 당량비 분포 계측이 가능함을 말할 수 있다.
기존의 광계측 시스템에서는 노(furnace)(60)의 측벽의 고정된 위치에 관측창이 구비되고, 이러한 관측창을 통해서만 화염을 관찰하였으나, 본 발명의 화염 진단 장치에서는, 노(60)에 복수 개의 렌즈부(61)를 구비시키고 각 렌즈부(61)에 광파이버부(10)를 연결하여 복수 개의 위치에서 화염을 관찰할 수 있다.
또한, 노(60) 측벽에 구비된 렌즈부(61)를 통해서뿐만 아니라, 노(60) 내부에 광파이버를 화염으로부터 보호할 수 있는 보호장비와 렌즈를 마련하여, 노(60) 내부에서 화염을 관찰할 수도 있다.
기존의 화염 감시 시스템이 상당한 크기의 관측창이 필요한 반면, 본 발명의 화염 진단 장치는 광학파이버를 적용함으로써 다양한 위치에서 화염의 국부적인 부분에 대한 화염 농도 차이를 계측할 수 있으므로, 화염에 대한 다양한 접근이 가능하고 화염의 각 부분에 대한 정밀한 화염 농도 계측이 가능하여 화염상태에 대한 분석 성능이 향상될 수 있다.
광파이버부(10)는 노(60)에 구비되고 광파이버를 거치할 수 있는 거치대(63)에 결합하는 결합부(12)를 포함하고, 결합부(12)는 자석을 구비할 수 있다.
광파이버부(10)의 결합부(12)를 거치대(63)에 결합하면, 광파이버부(10)는 렌즈부(61)를 통해 입사되는 화염자발광을 인식할 수 있다.
거치대(63)와 결합부(12)는 나사 결합 방식으로 결합할 수 있으나, 신속한 화염 관찰 위치 변경을 위해서는 결합과 결합 해제가 용이하도록 결합부(12)에 자석이 구비되어 자석의 인력에 의해 결합부(12)와 금속 재질의 거치대(63)가 결합할 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 화염자발광에는 OH리다칼, CH라디칼 또는 C2라디칼이 포함될 수 있다. 화염자발광의 파장 대역 중 자외선영역과 가시광영역에서는 소정의 화학종에 대한 파장대에서 피크가 나타날 수 있다. OH리다칼, CH라디칼 또는 C2라디칼은 연소반응의 주요한 화학종으로서 자외선영역과 가시광영역에서 피크의 강도가 크다. 이러한 화염자발광의 각 화학종에 대한 피크의 크기는 각 화학종 라디칼의 농도로 나타낼 수 있으며 그에 따라 화염 상태를 진단할 수 있다. 본 발명은, 상기한 라디칼의 농도가 화염당량비의 변화에 따라 변화하는 것을 이용하여, 특정 화학종 라디칼의 자발광 강도와 화염당량비의 관계를 유도하는 화염당량비 분포의 계측을 목적으로 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 화염 진단 장치의 구성도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 광파이버부(10)는 복수 개 구비되고, 촬상부(20)가 각각의 광파이버부(10)로부터 화염자발광의 신호를 선택적으로 이미지화할 수 있다.
단일의 광파이버부(10)는 복수 개의 거치대(63) 중 선택적으로 하나의 거치대(63)와 결합할 수 있고, 이에 따라 복수 개의 위치에서 화염에 대한 관찰을 수행할 수 있다.
다만, 화염 관찰의 환경 특성 상 광파이버부(10)의 이동이 용이하지 않은 상황이 있을 수 있고, 이러한 경우 복수 개의 광파이버부(10)가 복수 개의 거치대(63)에 결합하여 복수 개의 위치에 동시에 화염에 대한 관찰을 수행할 수 있다.
이 때, 다각 방향에서 동시에 관찰된 화염에 대해 복합적으로 분석을 수행할 수 있다. 또는, 광신호제어부(11)에서 복수 개의 광파이버부(10) 중 선택되는 광파이버부(10)의 화염자발광 신호만 촬상부(20)로 전달하여, 전달된 화염자발광의 신호가 촬상부(20)에서 이미지화되도록 할 수 있다.
다각 방향에서 동시에 관찰된 화염에 대해 동시에 화염자발광 신호를 수집하여 이미지화하기 위해 복수 개의 광파이버부(10) 각각에 결합하는 복수 개의 촬상부(20)가 마련될 수 있다.
촬상부(20)는, 디지털카메라로 형성될 수 있다.
촬상부(20)로 일반적으로 사용하는 디지털카메라를 사용할 수 있어, 저렴한 비용으로 시스템을 구성할 수 있고, 단순한 구성으로 인해 유지 및 보수가 용이할 수 있다. 그리고, 촬상부(20)는 실시간 촬상을 통해 지속적으로 화염의 이미지를 프로세서부(40)로 전송할 수 있다.
그리고, 촬상부(20)는 이미지 촬상장치로써, 이차원(2D) 계측을 수행하여 계측 장치가 별도로 이동하지 않아도 화염의 국부적 농도 차이의 계측이 가능할 수 있다.
프로세서부(40)가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치(80)를 더 포함할 수 있다.
광파이버부(10)에 인식된 화염자발광의 신호는 광학필터부(30)에 의해 필터링되고, 광학필터부(30)를 통해 필터링된 특정 라디칼에 대한 특정 파장의 광에 의해 형성된 화염이미지는 실시간으로 촬상부(20)에서 촬상되어 프로세서부(40)로 전송되고, 프로세서부(40)에서 화염이미지에 대한 데이터를 처리하여 디스플레이장치(80)에 칸투어(contour) 방식으로 표현함으로서, 화염의 상태 및 구조에 대해 실시간 감시가 가능할 수 있다. 화염의 실제 이미지와 특정 라디칼의 분포이미지의 비교 및 그에 대한 분석은 후단에 설명하기로 한다.
보다 넓은 영역에서 화염에 대한 감시 및 구조계측을 위해 화염과 광파이버부(10) 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)가 더 설치될 수 있다.
광각렌즈(wide-angle lens)는 노(60)에 구비된 렌즈부(61)에 고정적으로 설치되거나 광파이버부(10)의 결합부(12)에 설치될 수도 있다.
광학필터부(30)는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 기능을 구비할 수 있다.
이에 따라, 라디칼의 종류를 달리 하여 감시 및 계측을 실시하는 경우, 광학필터부(30)를 교체하는 과정 없이, 필터링되는 광의 파장 대역을 제어신호로 변경하여, 변경된 파장 대역에 맞는 라디칼의 농도 분포에 대한 데이터를 수집할 수 있다.
촬상부(20)는 복수 개 설치되고, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 광학필터부(30)가 복수 개의 촬상부(20) 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치될 수 있다.
촬상부(20)가 복수 개 설치되고, 그 각각에 별개의 파장 대역을 가지는 광학필터부(30)를 설치하는 경우, 복수 개의 화학종 라디칼에 대한 정보를 단일 장치에서 획득할 수 있다. 이에 따라, 화염 상태에 대한 감시 및 화염 구조에 대한 계측의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 복수 개의 광파이버부(10)와 복수 개의 촬상부(20)에 의해 복합적인 감시 및 계측이 수행될 수 있다.
이하, 화염 진단 방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 광학파이버부와 촬상부(20) 사이에 광학필터부(30)를 설치할 수 있다.
둘째 단계에서, 광학파이버부와 촬상부(20) 및 광학필터부(30)를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(40)에서 화염이미지에 대한 데이터를 처리할 수 있다.
상세한 데이터 처리 방법에 대해서는, 후단의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 기재되어 있다.
프로세서부(40)가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치(80)에서 표현될 수 있다.
이에 따라, 실시간의 화염의 상태 및 구조에 대해 관찰이 가능하고, 화염의 구조가 정밀하게 표현될 수 있으며, 이러한 화염의 구조에 대한 이미지를 데이터화하기 용이할 수 있다.
다섯째 단계에서, 프로세서부(40)의 이미지처리에 의해 화염당량비별 라디칼 강도를 그래프로 표현할 수 있다.
이하, 본 발명의 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템 구성도이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템은, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부(10); 광파이버부(10)에 의한 화염자발광의 신호를 이미지화하는 촬상부(20); 광파이버부(10)와 촬상부(20) 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터부(30); 광파이버부(10), 촬상부(20)와 광학필터부(30)를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부(40); 프로세서부(40)에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부(70); 제어부(70)로부터 제어신호를 입력 받아 버너(62)에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부(100); 제어부(70)로부터 제어신호를 입력 받아 버너(62)에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부(110); 및 프로세서부(40)의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부(90);를 포함할 수 있다.
연료조절부(100) 또는 공기조절부(110)는, 엑추에이터를 포함할 수 있다.
제어부(70)는, 연료조절부(100) 및 공기조절부(110)로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신할 수 있다.
연료조절부(100)와 공기조절부(110)가 엑추에이터로 형성되고, 제어부(70)에서 연료조절부(100) 및 공기조절부(110)를 무선으로 제어하면, 인터넷 시스템을 이용하여 원격으로 화염에 대한 감시 및 계측이 가능할 수 있다.
프로세서부(40)는, 상기의 디지털화된 데이터에 의해 특정 라디칼의 농도 분포에 의해 유도된 화염당량비 값을 사용자가 설정한 화염당량비 분포 범위(이하, 레퍼런스데이터(reference data)라 한다.)와 비교하여, 실시간의 화염당량비 값이 레퍼런스데이터를 벗어나는 경우, 해당 오차에 대해 제어부(70)로 에러신호를 전송할 수 있다. 제어부(70)는 레퍼런스데이터에 대해 오차가 발생하지 않도록 연료조절부(100) 및 공기조절부(110)에 제어신호를 송신할 수 있다. 그리고, 제어부(70)는 연료유량계(101) 또는 공기유량계(111)로부터 정보를 수신하여 제어신호에 따라 유량이 조절되고 있는지 피드백을 할 수 있다. 이에 따라, 연료조절부(100) 및 공기조절부(110)에 대한 제어는 실시간이며 지속적으로 수행될 수 있다.
프로세서부(40)는 가스분석기(50)와 연결되어, 가스분석에 대한 정보를 처리하여 제어부(70)로 데이터 송신할 수 있다.
경고표시부(90)는 회전 경광등 또는 LED경광등을 사용하여, 시각적으로 경고를 인식하도록 할 수 있다. 또한, 경고표시부(90)는 사이렌 또는 디지컬알람장치를 사용하여, 청각적으로 경고를 인식하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 경고표시부(90)로 시각적 인식 장치 또는 청각적 인식 장치를 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서부(40)는, 상기의 디지털화된 데이터에 의해 특정 라디칼의 농도 분포에 의해 유도된 화염당량비 값을 사용자가 설정한 화염당량비 분포 범위(이하, 레퍼런스데이터(reference data)라 한다.)와 비교하여, 실시간의 화염당량비 값이 레퍼런스데이터를 벗어나는 경우, 해당 오차에 대해 경고표시부(90)로 에러신호를 전송할 수 있다. 경고표시부(90)는 에러신호에 의해 경고표시를 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 광파이버부(10)와 촬상부(20) 사이에 광학필터부(30)를 설치할 수 있다.
둘째 단계에서, 광파이버부(10), 촬상부(20)와 광학필터부(30)를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
첫째 단계와 둘째 단계 사이에, 화염이미지를 회색조로 변환하는 단계가 더 포함될 수 있다.
화염이미지를 회색조로 변환함으로서, 각 픽셀 간 명도비를 향상시켜, 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하는데 용이할 수 있다.
셋째 단계에서, 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득할 수 있다.
넷째 단계에서, 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리할 수 있다.
화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하여 수치화할 수 있고, 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균을 산정하고 각 당량비별로 구분하여 그래프화할 수 있다. 이 때, 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균 값이 해당 라디칼의 강도 값에 해당할 수 있다.
다섯째 단계에서, 프로세서부(40)가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치(80)에서 칸투어(contour) 형태로 표현할 수 있다.
상기의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 의해, 특정 라디칼 농도 분포의 평균 값에 의한 해당 라디칼의 강도를 측정할 수 있고, 이러한 특정 라디칼의 강도는 화염당량비별로 차등되게 나타날 수 있다. 특정 라디칼의 강도와 화염당량비는 서로 상관되는 수치를 가져 그래프로 표현되고, 이에 따라, 특정 라디칼의 강도를 측정하여 실시간의 화염당량비 값을 도출할 수 있다.
이하, 본 발명의 화염 진단 장치에 의한 화염 제어방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 광파이버부(10)와 촬상부(20) 사이에 광학필터부(30)를 설치할 수 있다.
둘째 단계에서, 광파이버부(10), 촬상부(20)와 광학필터부(30)를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(40)가 화염이미지에 대한 데이터를 처리할 수 있다.
상세한 데이터 처리 방법에 대해서는, 상기의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 기재되어 있다.
넷째 단계에서, 셋째 단계의 프로세서부(40)의 데이터 처리에 따라, 제어부(70)에서 연료조절부(100) 또는 공기조절부(110)로 제어신호를 출력할 수 있다.
다섯째 단계에서, 제어신호에 의해, 연료조절부(100) 및 공기조절부(110)가 버너(62)로 공급되는 연료량과 공기량을 조절할 수 있다.
여섯째 단계에서, 프로세서부(40)의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부(90)에서 경고를 표시할 수 있다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 화염의 실제 이미지이며, 도6은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이고, 도7은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도6의 경우, CH라디칼을 대상으로 중심파장 432㎚의 광학필터부(30)를 적용하였고, 도7의 경우, C2라디칼을 대상으로 중심파장 511㎚의 광학필터부(30)를 적용하였다.
CH라디칼과 C2라디칼은 가시광선 영역의 파장 대역을 가져, 일반적으로 사용되는 모든 디지털카메라를 이용하여 계측이 가능하다. 또한, UV필터가 적용되지 않은 디지털카메라를 통해 OH라디칼(308㎚)에 대하여 유사한 결과의 획득이 가능할 수 있다.
도5, 도6 및 도7에서 보는 바와 같이, CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프 또는 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프의 형태가 실제 화염이미지의 형태를 표현함을 확인할 수 있었다. 그리고, 실제 화염이미지에서는 경계가 불명확하여 계측이 용이하지 않은 화염 구조에 대해서도 정밀한 계측이 가능함을 확인하였다.
또한, 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 화염 진단 장치는, 화염상태(당량비) 변화에 따라 국부적 농도차가 변화하는 것을 감지할 수 있으며, 특히, 도 6에서 보는 바와 같이, 당량비가 증가함에 따라 화염의 후류에 형성되는 국부적 고농도 라디칼 영역의 변화를 쉽게 확인할 수 있었다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부(40)의 이미지처리에 의한 화염당량비별 CH라디칼 강도의 그래프이고, 도9는 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부(40)의 이미지처리에 의한 화염당량비별 C2라디칼 강도의 그래프이다.
도8 및 도9의 그래프는, 변수 값으로 설정된 각 화염당량비에 의한 화염의 이미지 정보를, 상기의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법을 통해 수치화하고, 그 결과 도출된 라디칼의 강도와 화염당량비의 관계를 표현한 것이다.
도8 및 도9에서 보는 바와 같이, 각 라디칼 강도 값은 각 화염당량비별로 특정한 값을 갖게 되므로, 본 발명인 화염 진단 장치를 이용하여 측정한 라디칼 강도 값에 의해 화염당량비 값을 도출할 수 있음을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 광파이버부
11 : 광신호제어부
12 : 결합부
20 : 촬상부
30 : 광학필터부
40 : 프로세서부
50 : 가스분석기
60 : 노
61 : 렌즈부
62 : 버너
63 : 거치대
70 : 제어부
80 : 디스플레이장치
90 : 경고표시부
100 : 연료조절부
101 : 연료유량계
110 : 공기조절부
111 : 공기유량계

Claims (12)

  1. 화염자발광을 입사 받아 인식하는 광파이버를 구비하는 광파이버부;
    상기 광파이버부에 의한 상기 화염자발광의 신호를 이차원(2D) 이미지화하는 촬상부;
    상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키며, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 광학필터부;
    상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 통해 화염이미지를 획득한 후, 회색조로 변환된 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득하고, 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리해서 수치화하여 라디칼 농도 분포를 측정하며, 상기 화염이미지정보의 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균 값을 산정하여 라디칼 강도 값을 획득하는 프로세서부;
    상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 상기 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치;
    화염이 형성되는 노의 내부 또는 외부에 결합하고, 상기 광파이버부를 거치할 수 있는 금속 재질의 거치대; 및
    상기 광파이버부에 구비되고, 자석을 구비하여 상기 자석의 인력에 의해 상기 거치대와 결합하는 결합부;를 포함하고,
    상기 프로세서부는 상기 광학필터부에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 대한 상기 라디칼 농도 분포를 분석하고 상기 라디칼 강도 값을 이용하여 화염당량비를 도출하며,
    복수 개의 상기 광파이버부에 의해 상기 화염자발광이 인식되고, 상기 촬상부가 각각의 상기 광파이버부로부터 상기 화염자발광의 신호를 선택적으로 이미지화하여, 국부적 상기 라디칼 강도 값 차이에 대한 계측을 통해 화염당량비 분포 계측이 수행되고,
    상기 광파이버부는, 상기 결합부와 상기 거치대의 결합 또는 결합 해제에 의해, 상기 노의 내부 또는 외부에서 화염 관찰 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촬상부는, 디지털카메라로 형성되는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학필터부는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 촬상부는 복수 개 설치되고, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터부가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치되는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치.
  8. 청구항 1의 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템에 있어서,
    화염자발광을 입사 받아 인식하는 상기 광파이버를 구비하는 상기 광파이버부;
    상기 광파이버부에 의한 상기 화염자발광의 신호를 이미지화하는 상기 촬상부;
    상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키며, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 광학필터부;
    상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 통해 화염이미지를 획득한 후, 회색조로 변환된 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득하고, 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리해서 수치화하여 라디칼 농도 분포를 측정하며, 상기 화염이미지정보의 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균 값을 산정하여 라디칼 강도 값을 획득하는 프로세서부;
    상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 상기 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치;
    화염이 형성되는 노의 내부 또는 외부에 결합하고, 상기 광파이버부를 거치할 수 있는 금속 재질의 거치대;
    상기 광파이버부에 구비되고, 자석을 구비하여 상기 자석의 인력에 의해 상기 거치대와 결합하는 결합부;
    상기 프로세서부에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부;
    상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 버너에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부;
    상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부; 및
    상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부;를 포함하고,
    상기 프로세서부는 상기 광학필터부에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 대한 상기 라디칼 농도 분포를 분석하고 상기 라디칼 강도 값을 이용하여 화염당량비를 도출하며,
    복수 개의 상기 광파이버부에 의해 상기 화염자발광이 인식되고, 상기 촬상부가 각각의 상기 광파이버부로부터 상기 화염자발광의 신호를 선택적으로 이미지화하여, 국부적 상기 라디칼 강도 값 차이에 대한 계측을 통해 화염당량비 분포 계측이 수행되고,
    상기 광파이버부는, 상기 결합부와 상기 거치대의 결합 또는 결합 해제에 의해, 상기 노의 내부 또는 외부에서 화염 관찰 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료조절부 또는 상기 공기조절부는, 엑추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치를 이용한 화염 제어 시스템.
  11. 청구항 1의 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 있어서,
    (ⅰ) 상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 상기 광학필터부를 설치하는 단계;
    (ⅱ) 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 이용하여 상기 화염이미지를 획득하는 단계;
    (ⅲ) 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 상기 화염이미지정보를 획득하는 단계;
    (ⅳ) 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하는 단계; 및
    (ⅴ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 상기 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 상기 디스플레이장치에서 칸투어(contour) 형태로 표현하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법.
  12. 청구항 1의 화염 진단 장치에 의한 화염 제어방법에 있어서,
    (ⅰ) 상기 광파이버부와 상기 촬상부 사이에 상기 광학필터부를 설치하는 단계;
    (ⅱ) 상기 광파이버부, 상기 촬상부와 상기 광학필터부를 이용하여 상기 화염이미지를 획득하는 단계;
    (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계;
    (ⅳ) 상기 (ⅲ)단계의 상기 프로세서부의 데이터 처리에 따라, 제어부에서 연료조절부 또는 공기조절부로 제어신호를 출력하는 단계;
    (ⅴ) 상기 제어신호에 의해, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부가 버너로 공급되는 연료량과 공기량을 조절하는 단계; 및
    (ⅵ) 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부에서 경고를 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화염 진단 장치에 의한 화염 제어방법.
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