KR101785896B1 - Method and system for simultaneous measurement of temperature, concentration, and velocity distribution of gas using 3d array of tdlas based laser beam - Google Patents

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Abstract

TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법은, 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계; 및 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A simultaneous measurement method and system of gas temperature, concentration and velocity distribution using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array is presented. A method of measuring a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment includes: passing laser beams arranged three-dimensionally in a measurement region where gas is generated in a measurement unit; And measuring a velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting a correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions.

Description

TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF TEMPERATURE, CONCENTRATION, AND VELOCITY DISTRIBUTION OF GAS USING 3D ARRAY OF TDLAS BASED LASER BEAM}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and system for simultaneously measuring temperature, concentration, and velocity distribution of a gas using a three-dimensional array of laser beams based on TDLAS,

아래의 실시예들은 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다. The following embodiments relate to a method and system for simultaneously measuring temperature, concentration and velocity distributions of a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array.

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. 파장가변다이오드레이저 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)은 연소가스의 성분, 온도 등의 연소 파라미터를 측정하는 매우 유망한 기술이다. Laser based optical component sensors have recently attracted attention in connection with extraction measurement technology. Laser-based measurement techniques have the advantage of being able to perform immediate field measurements and provide high-speed feedback suitable for dynamic process control. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (hereinafter referred to as TDLAS) is a very promising technique for measuring combustion parameters such as the composition of combustion gas and temperature.

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. 파장가변 다이오드 레이저가 발명된 이래, 연소 프로세스를 감지하고 제어하기 위한 여러 TDLAS 기술들이 개발되어 왔다.TDLAS typically uses diode lasers that operate in the near-infrared and mid-infrared spectral regions. Suitable lasers have been extensively developed for use in the telecommunications industry. The lasers can therefore be used immediately for TDLAS applications. Since the invention of wavelength variable diode lasers, several TDLAS techniques have been developed for sensing and controlling the combustion process.

예를 들어 파장변조 분광기술, 주파수변조 분광기술, 직접흡수 분광기술 등이 일반적으로 알려져 있다. 이러한 기술들은 연소실에 존재하는 가스들이 흡수할 수 있는 파장을 가진 레이저 빛이 연소실을 통과하면서 특정 스펙트럼 밴드에서 흡수되면 검출기에 의해 수신된 레이저 빛의 세기가 가스의 농도와 반비례 관계에 있다는 점에 그 기반을 두고 있다. 검출기에 의해 수신된 흡수 스펙트럼은 온도와 같은 관련 연소 파라미터 외에 분석중인 가스 성분의 양을 결정하는데 사용된다.For example, wavelength modulation spectroscopy techniques, frequency modulation spectroscopy techniques, and direct absorption spectroscopy techniques are generally known. These techniques are based on the fact that the intensity of the laser light received by the detector is inversely proportional to the concentration of the gas when the laser light with wavelengths that can be absorbed by the gases in the combustion chamber is absorbed in the specific spectral band as it passes through the combustion chamber . The absorption spectrum received by the detector is used to determine the amount of gas component being analyzed in addition to the associated combustion parameters such as temperature.

예를 들면, 미국 특허출원 2002/0031737A1(Von Drasek 외)은 고온 프로세스를 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.For example, U.S. patent application 2002 / 0031737A1 (Von Drasek et al.) Describes a method and apparatus using a tunable diode laser for monitoring and / or controlling high temperature processes. This patent is characterized by the use of direct absorption spectroscopy techniques to determine the relative concentration, temperature and other parameters of a large number of combustion components.

또한, 한국출원특허 10-2016-0134624호는 이러한 레이저 빔의 특정파장 자동 피팅법 및 토모그래피 기술 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 계측 방법 및 시스템에 관한 기술을 기재하고 있다.Korean Patent Application No. 10-2016-0134624 discloses a technology for a method of automatically measuring a specific wavelength of a laser beam and a method and system for simultaneously measuring two-dimensional temperature and concentration distribution of a gas based on tomography technology.

그러나 기존의 TDLAS 기반의 온도와 농도 분포 측정 기술은 속도 분포를 측정할 수 없다. However, the existing TDLAS-based temperature and concentration distribution measurement technique can not measure the velocity distribution.

실시예들은 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 레이저 빔을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔들이 가스가 통과하는 측정 영역을 통과하여 얻어진 광학신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정하는 기술을 제공한다. Embodiments describe a method and system for simultaneous measurement of temperature, concentration and velocity distributions of a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array, more specifically, three-dimensional laser beams are arranged three-dimensionally, Dimensional velocity distribution of a cross-section from an optical signal obtained through a measurement region passing through the measurement region.

실시예들은 TDLAS를 이용하되 레이저 빔 배열을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 동시에, 온도 및 농도를 측정하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. Embodiments use TDLAS to measure the velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting the correlation amount between the three-dimensional laser beam signals by arranging the laser beam array three-dimensionally, and at the same time, TDLAS Concentration, and velocity distributions using a three-dimensional array of laser-based laser beams.

일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법은, 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계; 및 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는, TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 상기 측정 영역에서 상기 레이저 빔에 의해 형성되는 각 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산한 다음, 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구할 수 있다. A method of measuring a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment includes: passing laser beams arranged three-dimensionally in a measurement region where gas is generated in a measurement unit; And measuring a velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting a correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions, The step of detecting a coefficient of cross-correlation and measuring a velocity distribution of a gas passing through the measurement region may include measuring a velocity distribution of the laser beam in each layer of the measurement unit based on TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) Acquiring a real-time absorption spectrum from an optical signal that has passed through the measurement region and calculating a correlation coefficient of absorption coefficients of each cell on each lattice formed by the laser beam in the measurement region -correlation) is calculated, it is determined that the same gas has passed through the region where the correlation coefficient has the largest value, It can be obtained a gas velocity profile by dividing the distance between the crossing points in the time difference eoteonaen through an absorption spectrum.

상기 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계는, 상기 측정부의 상기 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사하는 단계; 조사된 상기 레이저 빔을 빔 스플리터를 이용하여 복수개의 빔으로 분할하는 단계; 및 분할된 상기 복수개의 빔을 집광부를 이용하여 가스가 발생하는 상기 측정 영역의 상기 측정 영역을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. The step of passing three-dimensionally arranged laser beams through a measurement area where gas is generated in the measurement part includes: irradiating a tunable laser beam to the measurement area of the measurement part; Dividing the irradiated laser beam into a plurality of beams using a beam splitter; And passing the divided plurality of beams through the measurement area of the measurement area where the gas is generated using the light collecting part.

상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는, 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들이 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정할 수 있다. Wherein the step of measuring the correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions and measuring the velocity distribution of the gas passing through the measurement area comprises the steps of: After passing through the measurement area, the two-dimensional velocity distribution of the cross-section can be measured from the obtained optical signal.

상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는, 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득하는 단계; 상기 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 이용하여, 상기 측정 영역의 각 격자상에서의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산하는 단계; 및 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 단계를 포함할 수 있다. Wherein the step of measuring the correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions and measuring the velocity distribution of the gas passing through the measurement region comprises the steps of: Obtaining an emerging optical signal; Calculating a coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients on the respective gratings of the measurement region using the real-time absorption spectrum from the optical signal; And determining a velocity distribution by determining that the same gas has passed through a place where the correlation coefficient has the largest value and dividing the distance between points where the same gas passes through the time difference obtained through the absorption spectrum .

온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 상기 측정 영역의 상기 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. Calculating a theoretical temperature and concentration distribution of the gas by reconstructing an absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects the measurement region based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength; As shown in FIG.

상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는, 상기 측정 영역을 통과한 상기 레이저 빔의 흡수특성을 감지하는 단계; 및 상기 측정 영역을 통과한 상기 레이저 빔의 상기 광학 신호를 분석하고 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. Wherein calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises: sensing an absorption characteristic of the laser beam passing through the measurement area; And analyzing the optical signal of the laser beam that has passed through the measurement area and calculating a temperature and concentration distribution.

상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는, 상기 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)할 수 있다. The step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas may be reconstructed using a tomographic technique in an automatic fitting manner for the absorption spectrum at a specific wavelength of the laser beam.

상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는, 상기 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산할 수 있다. Wherein calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises repeatedly comparing the theoretical and experimental waveforms by automatically broadening or narrowing the waveform at a specific wavelength using an absorption spectrum distribution at an arbitrary temperature of the gas To finally determine the resembling waveform and to calculate the theoretical temperature and concentration of the gas.

상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는, 상기 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 피크 값 중 복수 개의 특정파장을 선택하는 단계; 상기 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하는 단계; 기설정된 오차 범위 내에서 최종 파형을 확정하는 단계; 및 확정된 최종 파형에서 상기 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 실험상의 파형은 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정 장치를 이용한 실험에서 획득되거나 기설정된 데이터로 주어질 수 있다. Wherein the step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises the steps of: selecting a plurality of specific wavelengths among the peak values using the absorption spectrum distribution; Repeatedly comparing the theoretical waveform and the experimental waveform by automatically widening or narrowing the waveform at the specific wavelength; Determining a final waveform within a predetermined error range; And calculating the theoretical temperature and concentration of the gas at a determined final waveform, wherein the experimental waveform is obtained in an experiment using a device for simultaneous measurement of two-dimensional temperature and concentration distribution of gas, have.

다른 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템은, 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 레이저부; 및 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 가스 측정부를 포함하고, 상기 가스 측정부는, TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 상기 측정 영역에서 상기 레이저 빔에 의해 형성되는 각 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산한 다음, 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a gas measurement system using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array, comprising: a laser unit for passing laser beams arranged in three dimensions in a measurement region where gas is generated; And a gas measuring unit for measuring a coefficient of cross-correlation between the laser beams arranged in three dimensions and measuring a velocity distribution of the gas passing through the measuring region, wherein the gas measuring unit comprises a tunable diode (TDLAS) A laser beam is irradiated on each of the gratings formed by the laser beam in the measurement region to obtain a real-time absorption spectrum from an optical signal that passes through the measurement region in each layer of the measurement unit based on laser absorption spectroscopy A correlation coefficient between the absorption coefficients of each cell of the cell is calculated and then it is determined that the same gas has passed through the cell having the largest correlation coefficient, The velocity distribution can be obtained by dividing the distance between the passing points by the time difference obtained through the absorption spectrum.

상기 레이저부는, 상기 측정부의 상기 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사하는 레이저; 상기 레이저에서 조사된 상기 레이저 빔을 복수개의 빔으로 분할하는 빔 스플리터; 및 상기 빔 스플리터에서 분할된 상기 복수개의 빔을 가스가 발생하는 상기 측정부의 상기 측정 영역을 통과시키는 집광부를 포함할 수 있다. Wherein the laser unit comprises: a laser for irradiating a tunable laser beam to the measurement area of the measurement unit; A beam splitter for dividing the laser beam irradiated by the laser into a plurality of beams; And a condensing unit for passing the plurality of beams divided by the beam splitter through the measurement area of the measurement unit where the gas is generated.

상기 가스 측정부는, 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들이 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정할 수 있다. The gas measuring unit may measure the two-dimensional velocity distribution of the cross-section from the obtained optical signal after the laser beams arranged in three dimensions pass through the measurement region in each layer of the measurement unit.

상기 가스 측정부는, 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득하는 검출부; 상기 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 이용하여, 상기 측정 영역의 각 격자상에서의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산하는 분석부; 및 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 계산부를 포함할 수 있다.Wherein the gas measuring unit comprises: a detecting unit that obtains an optical signal from each layer of the measuring unit, the optical signal coming after the laser beam passes through the measuring region; An analyzer for calculating a coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients on the respective gratings of the measurement region using the real-time absorption spectrum from the optical signal; And a calculation unit that determines that the same gas has passed through the place where the correlation coefficient has the largest value and divides the distance between the points where the same gas passes through the time difference obtained through the absorption spectrum to obtain a velocity distribution .

상기 가스 측정부는, 온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 상기 측정 영역의 상기 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다. The gas measuring unit reconstructs an absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects the measurement region based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength to determine a theoretical temperature and concentration The distribution can be calculated.

상기 가스 측정부는, 상기 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)하며, 상기 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산할 수 있다. The gas measuring unit reconstructs the laser beam using a tomography technique in an automatic fitting manner for the absorption spectrum at a specific wavelength, and uses the absorption spectrum distribution at an arbitrary temperature of the gas to determine By repeating the theoretical waveform and the experimental waveform repeatedly by widening or narrowing the waveform automatically at the wavelength, the final resembling waveform can be determined and the theoretical temperature and concentration of the gas can be calculated.

실시예들에 따르면 TDLAS를 이용하되 레이저 빔 배열을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 동시에, 온도 및 농도를 측정하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 방법 및 시스템을 제공할 수 있다. According to embodiments, the velocity distribution of the gas passing through the measurement region is measured by detecting the correlation amount between the three-dimensional laser beam signals by arranging the laser beam array three-dimensionally using TDLAS, A method and system for simultaneously measuring the temperature, concentration, and velocity distribution of a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array can be provided.

도 1은 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 일 실시예에 따른 가스의 속도 분포 측정이 가능한 3차원 레이저 빔 배열 센서를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 속도를 구하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일반적인 레이저 빔의 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 6개의 대표 파장의 흡수스펙트럼 곡선을 나타내는 도면이다.
도 8은 6개(또는 N개)의 대표파장의 온도에 따른 선강도 곡선을 나타내는 도면이다.
1 is a block diagram illustrating a gas measurement system using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array in accordance with one embodiment.
FIG. 2 is a view for explaining a configuration of a system for simultaneously measuring temperature, concentration, and velocity distribution using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment.
3 is a view showing a three-dimensional laser beam array sensor capable of measuring a velocity distribution of a gas according to an embodiment.
4 is a diagram for explaining the principle of obtaining a velocity according to an embodiment.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a gas measurement method using a three-dimensional array of laser beams based on a TDLAS according to an embodiment.
6 is a diagram for explaining an arrangement of a general laser beam.
7 is a diagram showing absorption spectrum curves of six representative wavelengths.
Fig. 8 is a view showing the longevity curve according to the temperature of six (or N) representative wavelengths.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

아래의 실시예들은 레이저 빔을 3차원적으로 배열하여 이들 레이저 빔들이 가스가 통과하는 측정 영역을 통과하여 얻어진 광학신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정하는 기술에 관한 것이다. 더 구체적으로, 파장가변다이오드레이저 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)을 이용하되 레이저 빔 배열을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 기술을 제시하고 있다.
The following embodiments relate to techniques for three-dimensionally arranging laser beams and measuring the two-dimensional velocity distribution of the cross-section from the optical signals obtained by passing these laser beams through a measurement area through which the gas passes. More specifically, by using a tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), a laser beam array is three-dimensionally arranged to detect a correlation amount between three-dimensional laser beam signals, And the simultaneous measurement of gas temperature, concentration, and velocity distribution using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array.

도 1은 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템을 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a gas measurement system using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array in accordance with one embodiment.

도 1은 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템을 나타내는 것으로, TDLAS 기반으로 3차원으로 배열된 레이저 빔을 이용하여 가스의 온도, 농도 및 속도 분포를 동시에 측정할 수 있다. FIG. 1 illustrates a gas measurement system using a three-dimensional array of TDLAS-based laser beams according to an embodiment. The temperature, concentration, and velocity distributions of a gas can be simultaneously measured using a laser beam arranged in a three- have.

일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템(100)은 레이저부(110) 및 가스 측정부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다. The gas measuring system 100 using the TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment may include a laser unit 110 and a gas measuring unit 120.

레이저부(110)는 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시킬 수 있다. The laser unit 110 can pass laser beams arranged in three dimensions in a measurement region where gas is generated.

여기에서 레이저부(110)는 레이저(111), 빔 스플리터(112) 및 집광부(113)를 포함할 수 있다. Here, the laser unit 110 may include a laser 111, a beam splitter 112, and a condenser 113.

레이저(111)는 측정부의 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사할 수 있다. 여기에서 측정부는 측정 대상을 의미하며, 측정 영역은 가스가 발생되는 측정부의 한 부분이 될 수 있다. 예를 들어 레이저(111)는 주사 범위 0.6 nm의 다이오드 레이저(NTT Electronics Co., NLKE5GAAA)를 사용하고, 레이저의 스캔 주파수는 1 kz로 설정할 수 있다.The laser 111 can irradiate a tunable laser beam to the measurement area of the measurement part. Here, the measurement unit means the measurement object, and the measurement area can be a part of the measurement unit where the gas is generated. For example, the laser 111 uses a diode laser with a scanning range of 0.6 nm (NTT Electronics Co., NLKE5GAAA), and the laser scanning frequency can be set to 1 kz.

빔 스플리터(beam splitter)(112)는 레이저(111)에서 조사된 레이저 빔을 복수개의 빔으로 분할할 수 있다. 예컨대 레이저 빔은 16개(또는 그 이상으로 추가 가능하다)의 빔으로 분할될 수 있다. 이 때, 레이저 빔은 3차원 배열을 형성할 수 있다. The beam splitter 112 can divide the laser beam irradiated by the laser 111 into a plurality of beams. For example, the laser beam can be split into 16 beams (or more). At this time, the laser beam can form a three-dimensional array.

집광부(collimator)(113)는 빔 스플리터(112)에서 분할된 복수개의 빔을 가스가 발생하는 측정부의 측정 영역을 통과시킬 수 있다. The collimator 113 may pass the plurality of beams divided by the beam splitter 112 through a measurement area of the measurement part where the gas is generated.

그리고, 가스 측정부(120)는 3차원으로 배열된 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정할 수 있다. The gas measuring unit 120 may measure the velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting a coefficient of cross-correlation between three-dimensionally arranged laser beams.

가스 측정부(120)는 3차원으로 배열된 레이저 빔들이 측정부의 각 층(layer)에서 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정할 수 있다. The gas measuring unit 120 can measure the two-dimensional velocity distribution of the passage cross-section from the obtained optical signal after the laser beams arranged in three dimensions pass through the measuring region in each layer of the measuring unit.

여기에서 가스 측정부(120)는 검출부(121), 분석부(122) 및 계산부(123)를 포함할 수 있다. Here, the gas measuring unit 120 may include a detecting unit 121, an analyzing unit 122, and a calculating unit 123.

검출부(detector)(121)는 측정 대상인 측정부의 각 층(layer)에서 레이저 빔이 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득할 수 있다. The detector 121 can acquire an optical signal in which the laser beam passes through the measurement region in each layer of the measurement unit as the measurement target.

분석부(analyzer)(122)는 측정 영역을 통과한 레이저의 광학 신호를 분석할 수 있다.An analyzer 122 may analyze the optical signal of the laser that has passed through the measurement area.

더 구체적으로, 분석부(122)는 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 이용하여, 토모그래피(tomography) 기술에 의하여 측정 영역의 각 격자상에서의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산할 수 있다. More specifically, the analysis unit 122 calculates a coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients on the respective gratings of the measurement region by tomography technique using the real-time absorption spectrum from the optical signal .

계산부(123)는 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구할 수 있다.The calculation unit 123 can determine that the same gas has passed through the place where the correlation coefficient has the greatest value and can calculate the velocity distribution by dividing the distance between the points where the same gas has passed by the time difference obtained through the absorption spectrum.

더욱이, 가스 측정부(120)는 속도 분포뿐 아니라 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다. 아래에서 설명되는 가스 측정부(120)는 가스 측정부(120)의 계산부(123)가 될 수 있다.Furthermore, the gas measuring unit 120 can calculate the temperature distribution and the concentration distribution as well as the velocity distribution. The gas measuring unit 120 described below may be the calculating unit 123 of the gas measuring unit 120.

가스 측정부(120)는 온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 측정 영역의 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다. The gas measuring unit 120 reconstructs the absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam of the measurement region crosses, based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength, Can be calculated.

가스 측정부(120)는 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)하며, 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산할 수 있다. The gas measuring unit 120 reconstructs the laser beam using a tomography technique using an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength, By repeating the theoretical waveform and the experimental waveform repeatedly by widening or narrowing the waveform automatically at the wavelength, the final resembling waveform can be determined and the theoretical temperature and concentration of the gas can be calculated.

더욱이, 가스 측정부(120)는 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 피크 값 중 N 개의 특정파장을 선택하고 N 점 알고리즘(N-points algorithm)을 이용하여 이론상의 파형과 실험상의 파형에서의 흡수계수의 오차가 기설정된 최소값이 될 때까지 반복 비교하여 온도 및 농도 분포를 재구성할 수 있다. 예컨대, N 점 알고리즘(N-points algorithm)은 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 피크 값 중 6개의 특정파장을 선택하여 형성되는 6점 알고리즘이 될 수 있다. Furthermore, the gas measuring unit 120 selects the N specific wavelengths of the peak values using the absorption spectrum distribution, and calculates the error of the absorption coefficient in the theoretical waveform and the experimental waveform using the N-point algorithm The temperature and the concentration distribution can be reconstructed by repeatedly comparing until the temperature reaches the predetermined minimum value. For example, the N-points algorithm may be a six-point algorithm that is formed by selecting six specific wavelengths of peak values using an absorption spectrum distribution.

더 구체적으로, 가스 측정부(120)는 초기값 설정부, 온도 및 농도 재구성부, 및 최소값 판단부를 포함하여 이루어질 수 있다. More specifically, the gas measurement unit 120 may include an initial value setting unit, a temperature and concentration reconstruction unit, and a minimum value determination unit.

초기값 설정부는 온도 및 농도의 초기값을 설정할 수 있다. 예를 들어 초기값 설정부는 MLOS(multiply line of sight) 기법을 사용하여 초기 흡수값을 결정하여 재구성 계산을 실시할 수 있다.The initial value setting unit can set the initial values of the temperature and the concentration. For example, the initial value setting unit can perform the reconstruction calculation by determining the initial absorption value using a multiply line of sight (MLOS) technique.

온도 및 농도 재구성부는 온도 및 농도의 초기값에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서의 흡수 특성을 재구성할 수 있다. 예를 들어 온도 및 농도 재구성부는 MART (Multiplicative algebraic reconstruction technique)법을 사용하여 재구성할 수 있다. 이 방법은 주어진 흡수값과 레이저를 따라 합으로 구해진 흡수값의 오차가 최소가 되도록 반복 계산할 수 있다. The temperature and concentration reconstruction section can reconstruct the absorption characteristics at a specific wavelength using the absorption spectrum distribution at the initial values of temperature and concentration. For example, the temperature and concentration reconstruction part can be reconstructed using the MART (Multiplicative algebraic reconstruction technique) method. This method can be repeatedly calculated so that the error of the absorption value obtained by summing up the given absorption value and the laser is minimized.

최소값 판단부는 재구성된 온도 및 농도의 이론상의 신호와 실험상의 신호의 흡수계수의 차이가 최소값인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어 최소값 판단부는 재구성된 온도의 최종 수렴여부는 목표치 흡수량과 계산된 흡수량의 차가 최소가 되도록 MSE (Mean Squared Errors) 방식을 사용할 수 있다. The minimum value determination unit can determine whether the difference between the theoretical signal of the reconstructed temperature and concentration and the absorption coefficient of the experimental signal is the minimum value. For example, the minimum value determination unit can use the MSE (Mean Squared Errors) method so that the final convergence of the reconstructed temperature can minimize the difference between the target amount of absorption and the calculated absorption amount.

이러한 초기값 설정부, 온도 및 농도 재구성부, 및 최소값 판단부를 포함하는 N점 알고리즘(N-points algorithm)을 이용하여 이론상의 신호와 실험상의 신호의 흡수계수의 차이가 최소값이 될 때까지 반복하여 계산할 수 있다. The N-point algorithm including the initial value setting unit, the temperature and density reconstruction unit, and the minimum value determining unit is repeated until the difference between the theoretical signal and the experimental signal absorption coefficient becomes the minimum value Can be calculated.

실시예들에 따르면 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술에 접목하여 온도 및 농도 분포를 동시에 계산함으로써, 직경이 큰 배기관을 통과하는 배기가스의 배출량을 보다 정확하게 계산할 수 있다. 더욱이 온도 및 농도 분포와 함께 속도 분포를 동시에 계산할 수 있다. According to the embodiments, the emission amount of the exhaust gas passing through the exhaust pipe having a large diameter can be measured by simultaneously calculating the temperature and the concentration distribution by combining the laser beam with the tomography technique by an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength It can be calculated accurately. Furthermore, the velocity distribution can be calculated simultaneously with temperature and concentration distributions.

이는, 가스 배출량을 측정하기 위한 가스의 이론상 온도와 농도 값을 계산하는 이론적 방법이 될 수 있다. This can be a theoretical method for calculating the theoretical temperature and concentration values of a gas for measuring gas emissions.

다음으로, 가스 배출량을 측정하기 위한 실제 실험적 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Next, a practical experimental method for measuring the gas emission amount will be described in detail.

도 2는 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스의 온도, 농도 및 속도 분포 동시 측정 시스템의 구성을 나타내고, 도 2b는 측정부의 상세도의 예를 나타낸다. FIG. 2 is a view for explaining a configuration of a system for simultaneously measuring temperature, concentration, and velocity distribution using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment. FIG. 2A shows a configuration of a system for simultaneously measuring the temperature, concentration, and velocity distribution of a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array, and FIG. 2B shows an example of a detailed view of the measuring unit.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 연소 엔진에 대한 다수의 레이저 빔의 경로를 채택하는 연소 엔진에 대한 실제 실험의 예를 나타낸다. 여기에서 레이저 빔의 경로는 3차원으로 배열되며, 아래에서는 16개(또는 그 이상으로 추가 가능하다)의 레이저 빔의 경로를 예를 들어 설명하기로 한다. Referring to Figures 2a and 2b, there is shown an example of an actual experiment for a combustion engine employing a plurality of laser beam paths to a combustion engine. Here, the path of the laser beam is arranged in three dimensions, and the path of the laser beam of 16 (or more) laser beams will be described below as an example.

H2O 가스의 1388 nm 흡수스펙트럼을 측정하기 위해서 레이저(210)는 주사 범위 0.6 nm의 다이오드 레이저(NTT Electronics Co., NLKE5GAAA)를 사용하고, 레이저의 스캔 주파수는 1 kz로 설정할 수 있다. 레이저(210)에서 조사된 레이저 빔은 빔 스플리터(OPNETI CO., SMF-28e 1310nm SWBC 1x6)(220)에 의해 16개의 빔으로 분할될 수 있다. 레이저 신호는 포토다이오드(Hamamatsu Photonics, G8370-01)에서 검출되고, 검출된 신호는 데이터 레코더(8861 Memory Highcoda HD Analog16, HIOKI)에 저장될 수 있다. 그리고 셀(240)의 측정 직경은 70 mm(또는 임의로 조정 가능하다)이다. In order to measure the 1388 nm absorption spectrum of the H 2 O gas, the laser 210 uses a diode laser with a scanning range of 0.6 nm (NTT Electronics Co., NLKE5GAAA), and the laser scanning frequency can be set to 1 kz. The laser beam irradiated by the laser 210 can be divided into 16 beams by a beam splitter (OPNET CO., SMF-28e 1310 nm SWBC 1x6) 220. The laser signal is detected by a photodiode (Hamamatsu Photonics, G8370-01), and the detected signal can be stored in a data recorder (8861 Memory Highcoda HD Analog 16, HIOKI). And the measurement diameter of the cell 240 is 70 mm (or optionally adjustable).

엔진(FUJI HEAVY INDUSTRIES, 주식, EX13)(260)은 부하 없이 작동될 수 있다. 배기 파이프의 직경은 22mm이고 길이는 160mm이다. 100μm 직경 (KMT-100-100-120)을 가진 열전대(thermocouple)(230)는 중심 영역에서의 온도 측정을 위해 사용될 수 있다. 빔 조향에 발생한 노이즈를 제거하기 위해 다항식 노이즈 저감 방법(polynomial noise reduction technique)을 사용하고, 모든 신호는 흡수스펙트럼 패턴으로 변환할 수 있다.The engine (FUJI HEAVY INDUSTRIES, Inc., EX13) 260 can be operated without load. The diameter of the exhaust pipe is 22 mm and the length is 160 mm. A thermocouple 230 with a 100 μm diameter (KMT-100-100-120) can be used for temperature measurement in the central region. A polynomial noise reduction technique can be used to remove the noise generated by beam steering, and all signals can be converted into absorption spectrum patterns.

다시 말하면, 가스의 온도 및 농도 분포 동시 측정을 위해서 레이저부의 파장가변 레이저(tunable laser)(210)에서 나온 레이저 빔을 빔 스플리터(220)를 이용하여 복수개의 빔으로 분할한 후 엔진(260) 또는 엔진(260)과 연결된 배기관 등의 가스 발생부에 통과시킬 수 있다. 그리고 가스 발생부를 통과한 레이저 신호를 가스 측정부의 분석부(250) 등에서 분석하여 가스 배출량을 확인할 수 있다. In other words, for simultaneous measurement of the temperature and concentration distribution of the gas, the laser beam emitted from the tunable laser 210 of the laser part is divided into a plurality of beams by using the beam splitter 220, And can be passed through a gas generating portion such as an exhaust pipe connected to the engine 260. The analyzer 250 of the gas measuring unit can analyze the laser signal passing through the gas generating unit to check the gas emission amount.

이 때, 레이저(210)는 3차원적으로 배열되어 3차원 레이저 빔 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정할 수 있다.
At this time, the laser 210 is arranged three-dimensionally and can detect the velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting the correlation amount between the three-dimensional laser beam signals.

도 3는 일 실시예에 따른 가스의 속도 분포 측정이 가능한 3차원 레이저 빔 배열 센서를 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a three-dimensional laser beam array sensor capable of measuring a velocity distribution of a gas according to an embodiment.

도 3는 일 실시예에 따른 가스의 속도 분포 측정이 가능한 3차원 레이저 빔 배열 센서(300)의 예를 나타내는 것으로, TDLAS를 이용하되 후술할 도 6에서 설명하는 레이저 빔의 배열을 도 3에 도시된 바와 같이 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔(310) 간의 상관량(또는 상관계수)을 검출함으로써 측정 영역(330)을 통과하는 가스(Gas)의 속도 분포를 측정할 수 있다. 3 shows an example of a three-dimensional laser beam array sensor 300 capable of measuring the velocity distribution of a gas according to an embodiment. The arrangement of the laser beams described in FIG. 6, which will be described later using TDLAS, The velocity distribution of the gas passing through the measurement region 330 can be measured by detecting the correlation amount (or correlation coefficient) between the three-dimensional laser beams 310 by arranging the three-dimensional laser beams 310 as shown in FIG.

즉, 3차원적으로 배열된 레이저 빔(310)이 가스가 통과하는 측정 영역(330)을 통과하여 얻어진 광학신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정할 수 있다. 여기에서, 도면부호 320은 센서 배열을 나타내며, 340은 레이저 빔이 통과하는 창을 나타낸다.That is, the two-dimensional velocity distribution of the cross-section can be measured from the optical signal obtained by passing the laser beam 310 arranged three-dimensionally through the measurement region 330 through which the gas passes. Here, reference numeral 320 denotes a sensor array, and reference numeral 340 denotes a window through which the laser beam passes.

이와 같이, TDLAS를 이용해 측정하는 센서는 파장 가변형 다이오드 레이저인 레이저 빔(310)을 측정 영역(330)에 쏜 후, 이를 통과해 나오는 레이저 양을 통해 가스의 농도를 측정할 수 있다. 이 때, TDLAS는 고정된 파장 값이 아니라 가변형으로 변화를 부여함으로써 흡수하는 모양까지 측정 가능해 정밀도가 높다. As described above, the sensor measuring the TDLAS can shoot the laser beam 310, which is a wavelength variable diode laser, in the measurement region 330, and then measure the concentration of the gas through the amount of laser passing therethrough. At this time, the TDLAS can be measured not only by a fixed wavelength value but also by changing the shape of the TDLAS so that it can be absorbed.

더욱이, 레이저 빔(310) 배열을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔(310) 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역(330)을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정할 수 있다.
Further, the velocity distribution of the gas passing through the measurement region 330 can be measured by arranging the arrangement of the laser beams 310 three-dimensionally and detecting the correlation amount between the three-dimensional laser beam 310 signals.

도 4는 일 실시예에 따른 속도를 구하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining the principle of obtaining a velocity according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 측정부의 측정 영역(측정 볼륨)(430)은 3차원으로 배열된 레이저 빔이 통과할 수 있다. 이 때 집광부(collimator)(410)는 3차원 배열을 형성하며, 빔 스플리터에서 분할된 복수개의 빔을 가스가 발생하는 측정부의 측정 영역(430)을 통과시킬 수 있다. 그리고 검출부(detector)(420)는 3차원 배열을 형성하며, 측정 대상인 측정부의 측정 영역(430)각 층(layer)에서 레이저 빔이 측정 영역(430)을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득할 수 있다. Referring to FIG. 4, a measurement region (measurement volume) 430 of the measurement section can pass through a laser beam arranged in three dimensions. At this time, the collimator 410 forms a three-dimensional array, and a plurality of beams divided by the beam splitter can pass through the measurement area 430 of the measurement part where the gas is generated. The detector 420 forms a three-dimensional array and can acquire an optical signal that passes through the measurement region 430 in each layer of the measurement region 430 of the measurement portion to be measured .

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 레이저 빔이 측정 영역(430)을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 측정 영역(430)에서 레이저 빔에 의해 형성되는 각 층의 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산할 수 있다. 각 층의 격자상에서 상기의 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 볼 수 있다. A laser beam is passed through the measurement region 430 at each layer of the measurement section based on TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), and then a real-time absorption spectrum is obtained from the obtained optical signal, Correlation coefficients of the absorption coefficients of the respective cells on the lattice of each layer formed by the absorption coefficient of each layer can be calculated. It can be seen that the same gas passes through the lattice of each layer where the correlation coefficient has the largest value.

즉, 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리(dS)를 흡수스펙트럼을 얻어낸 시각 차이(dt)로 나누게 되면 속도 분포(u)를 구할 수 있다. 여기에서 속도 분포(u)는 상관계수가 가장 큰 곳의 위치로부터 구할 수 있으며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다. That is, the velocity distribution (u) can be obtained by dividing the distance dS between the points where the same gas passes through the time difference dt obtained the absorption spectrum. Here, the velocity distribution u can be obtained from the position where the correlation coefficient is the largest, and can be expressed as the following equation.

[식 1] [Formula 1]

u = dS/dtu = dS / dt

따라서 실시간의 농도 분포, 온도 분포 및 속도 분포를 동시에 얻을 수 있다.
Therefore, real-time concentration distribution, temperature distribution, and velocity distribution can be obtained at the same time.

도 5는 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법을 나타내는 흐름도이다. FIG. 5 is a flowchart illustrating a gas measurement method using a three-dimensional array of laser beams based on a TDLAS according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법은 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계(510), 및 3차원으로 배열된 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계(520)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 5, a method of measuring a gas using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an embodiment includes passing laser beams arranged in three dimensions in a measurement region where gas is generated in a measuring unit 510 ), And measuring a velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting a correlation coefficient (coefficient of cross-correlation) between the three-dimensionally arranged laser beams.

그리고, 온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 측정 영역의 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계(530)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. And reconstructing the absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects the measurement region based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength to calculate the theoretical temperature and concentration distribution of the gas 530).

실시예들에 따르면 TDLAS를 이용하되 레이저 빔 배열을 3차원적으로 배열하여 3차원 레이저 빔 신호들 간의 상관량을 검출함으로써 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 동시에, 온도 및 농도를 측정할 수 있다. According to embodiments, the velocity distribution of the gas passing through the measurement region is measured by detecting the correlation amount between the three-dimensional laser beam signals by arranging the laser beam array three-dimensionally using TDLAS, can do.

아래에서 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법의 각 단계에 대해 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, each step of the gas measurement method using the TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to one embodiment will be described in more detail with an example.

일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법은 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템을 이용하여 더 구체적으로 설명할 수 있다. 일 실시예에 따른 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템은 레이저부 및 가스 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. The gas measurement method using the TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to one embodiment can be more specifically explained using the gas measurement system using the TDLAS-based three-dimensional array of laser beams according to the embodiment described in FIG. The gas measurement system using the TDLAS-based laser beam three-dimensional array according to an exemplary embodiment may include a laser part and a gas measuring part.

단계(510)에서, 레이저부는 측정 대상인 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시킬 수 있다. In step 510, the laser part may pass laser beams arranged in three dimensions in a measurement area where gas is generated in the measurement part to be measured.

더 구체적으로, 레이저부는 측정부의 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사할 수 있다. 그리고 조사된 레이저 빔을 빔 스플리터를 이용하여 복수개의 빔으로 분할하고, 이후, 분할된 복수개의 빔을 집광부를 이용하여 가스가 발생하는 측정 영역의 측정 영역을 통과시킬 수 있다. More specifically, the laser section can irradiate a tunable laser beam into the measurement region of the measurement section. Then, the irradiated laser beam is divided into a plurality of beams by using a beam splitter, and then, the plurality of divided beams are passed through a measurement region of a measurement region where a gas is generated by using a light collecting portion.

단계(520)에서, 가스 측정부는 3차원으로 배열된 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정할 수 있다. 즉, 가스 측정부는 3차원으로 배열된 레이저 빔들이 측정부의 각 층(layer)에서 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정할 수 있다.
더 구체적으로, 가스 측정부는 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 레이저 빔이 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득하고, 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 측정 영역에서 레이저 빔에 의해 형성되는 각 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산할 수 있다. 이후, 가스 측정부는 각 격자상에서 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구할 수 있다. 한편, 가스 측정부는 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피(tomography) 기술을 이용하여 흡수 특성을 재구성(reconstruction)할 수 있다. 이때, 재구성된 흡수 특성을 통해 흡수계수를 산정하는 경우 이 흡수계수들을 통해 상관계수를 구할 수 있다. 즉, 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피(tomography) 기술을 이용하여 재구성된 흡수 특성을 통해 측정 영역의 레이저 빔이 형성하는 각 격자상에서의 각 셀의 흡수계수들끼리의 상관계수를 구할 수 있다.
In step 520, the gas measuring part may measure the velocity distribution of the gas passing through the measurement area by detecting a coefficient of cross-correlation between three-dimensionally arranged laser beams. That is, the gas measuring unit can measure the two-dimensional velocity distribution of the passage cross-section from the obtained optical signal after the laser beams arranged in three dimensions pass through the measurement region in each layer of the measurement unit.
More specifically, the gas measuring unit acquires an optical signal from each layer of the measurement unit after passing through the measurement region based on TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), acquires a real-time absorption spectrum from the optical signal , A coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients of each cell on each lattice formed by the laser beam in the measurement region can be calculated. Thereafter, the gas measurement section determines that the same gas has passed through the lattice where the correlation coefficient is the largest, and the velocity distribution is obtained by dividing the distance between the points where the same gas passes through the time difference obtained through the absorption spectrum have. Meanwhile, the gas measuring unit can reconstruct the absorption characteristic using a tomography technique as an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects. In this case, when the absorption coefficient is estimated through the reconstructed absorption characteristic, the correlation coefficient can be obtained through these absorption coefficients. That is, the absorption coefficients of the respective cells on the respective gratings formed by the laser beam of the measurement region through the reconstructed absorption characteristic using the tomography technique as an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength Can be obtained.

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그리고, 단계(530)에서, 가스 측정부는 온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 측정 영역의 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다. Then, in step 530, the gas measuring unit reconstructs the absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam of the measurement region crosses, based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength, Temperature and concentration distributions can be calculated.

보다 상세하게, 가스 측정부는 측정 영역을 통과한 레이저 빔의 흡수특성을 감지할 수 있다. 이후, 측정 영역을 통과한 레이저 빔의 광학 신호를 분석하고 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다. More specifically, the gas measuring unit can sense the absorption characteristic of the laser beam passing through the measurement region. Then, the optical signal of the laser beam passing through the measurement area can be analyzed and the temperature and concentration distribution can be calculated.

가스 측정부는 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)할 수 있다. The gas measuring unit can reconstruct the laser beam using a tomograpping technique as an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength.

이러한 가스 측정부는 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산할 수 있다. Such a gas measuring unit repeatedly compares the theoretical waveform with the experimental waveform by automatically broadening or narrowing the waveform at a specific wavelength using the absorption spectrum distribution at a certain temperature of the gas to finally determine a waveform that resembles the theoretical waveform, Can be calculated.

보다 구체적으로, 가스 측정부는 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 피크 값 중 복수 개의 특정파장을 선택하고, 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교할 수 있다. 그리고 기설정된 오차 범위 내에서 최종 파형을 확정하여, 확정된 최종 파형에서 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산할 수 있다. More specifically, the gas measuring unit can repeatedly compare the theoretical waveform with the experimental waveform by selecting a plurality of specific wavelengths among the peak values using the absorption spectrum distribution and automatically widening or narrowing the waveform at a specific wavelength. Then, the final waveform can be determined within a predetermined error range, and the theoretical temperature and concentration of the gas can be calculated in the final waveform determined.

여기에서, 실험상의 파형은 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정 장치를 이용한 실험에서 획득되거나 기설정된 데이터로 주어질 수 있다.
Here, the experimental waveforms can be obtained from experiments using the apparatus for simultaneous measurement of the two-dimensional temperature and concentration distribution of the gas or given predetermined data.

도 6은 일반적인 레이저 빔의 배열을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for explaining an arrangement of a general laser beam.

도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 빔은 서로 교차되며 측정 단면에 파장가변 레이저(tunable laser) 빔을 통과시켜 레이저 빔이 교차하는 지점에서의 특정파장에서의 흡수 특성을 재구성(reconstruction)할 수 있다. As shown in FIG. 6, the laser beams cross each other and can reconstruct an absorption characteristic at a specific wavelength at a crossing point of the laser beam by passing a tunable laser beam through the measurement cross section .

한편, 가스 배출량을 측정하기 위한 방법으로 레이저 빔이 교차하는 지점에서의 특정파장에서의 흡수 특성을 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)함으로써 가스의 이론상 온도와 농도 값을 자동으로 계산하는 이론적 방법과 16개(또는 그 이상으로 추가 가능하다)의 레이저 빔의 경로를 채택하는 연소 엔진에 대한 실제 실험적 방법이 있다. On the other hand, a theoretical method for automatically calculating the theoretical temperature and concentration values of gas by reconstructing the absorption characteristics at a specific wavelength at the intersection of the laser beam using the tomography technique, There is an actual experimental method for a combustion engine that employs a path of 16 laser beams (or more).

아래에서 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 측정 기술에 대해 하나의 예를 들어 더 구체적으로 설명한다. Below, a two-dimensional temperature and concentration distribution measurement technique of gas will be described in more detail with an example.

파장가변다이오드레이저 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)은 가스 분자의 온도와 농도를 측정하고자 할 때 사용되며, 기본 원리는 Beer-Lambert 법칙으로 설명할 수 있다. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) is used to measure the temperature and concentration of gas molecules. The basic principle can be explained by Beer-Lambert's law.

빛이 흡수 매체를 통과할 때 흡수 및 투과된 빛의 세기는 단위 부피 내의 기체의 입자수인 농도와 관련이 있으며, 흡수량 레이저의 초기 신호(입사광)와 투과된 신호(투과광)의 강도비는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.When the light passes through the absorption medium, the intensity of the light absorbed and transmitted is related to the concentration, which is the number of particles in the gas in the unit volume. The intensity ratio of the initial signal (incident light) to the transmitted signal (transmitted light) As shown in Fig.

[식 2][Formula 2]

Figure 112017063686731-pat00001
Figure 112017063686731-pat00001

여기서,

Figure 112017063686731-pat00002
은 투과된 빛의 강도를,
Figure 112017063686731-pat00003
은 입사광의 초기강도를 나타내고,
Figure 112017063686731-pat00004
Figure 112017063686731-pat00005
파장을 가진 빛의 흡수량을 나타내며, 아래첨자 i, j,
Figure 112017063686731-pat00006
는 각각 가스(기체)의 종(species), 레이저 경로(laser paths), 파장(wavelength)을 나타낸다.
Figure 112017063686731-pat00007
는 온도함수인 선강도(line-strength),
Figure 112017063686731-pat00008
는 선폭함수(broadening function)를 나타낸다. here,
Figure 112017063686731-pat00002
The intensity of the transmitted light,
Figure 112017063686731-pat00003
Represents the initial intensity of incident light,
Figure 112017063686731-pat00004
The
Figure 112017063686731-pat00005
Represents the amount of absorption of light with wavelength, subscript i , j ,
Figure 112017063686731-pat00006
Respectively denote the species of gas (gas), laser paths, and wavelength.
Figure 112017063686731-pat00007
Line-strength, which is a temperature function,
Figure 112017063686731-pat00008
Represents a broadening function.

선폭확장은 분자가 빛을 흡수할 때 온도와 압력의 영향으로 발생하는 선형함수 형태를 가질 수 있다. 그리고 n i 는 종 가스의 수밀도(number density), L은 흡수 길이를 나타낼 수 있다. 온도함수인 선강도는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.Line width expansion can take the form of a linear function that occurs due to the effects of temperature and pressure when a molecule absorbs light. And n i is the number density of the gas and L is the absorption length. The line strength, which is a temperature function, can be expressed by the following equation.

[식 3][Formula 3]

Figure 112017063686731-pat00009
Figure 112017063686731-pat00009

여기서,

Figure 112017063686731-pat00010
는 표준온도(296K),
Figure 112017063686731-pat00011
(lower state energy)는 저준위 에너지,
Figure 112017063686731-pat00012
는 플랑크상수, k [J/K]는 볼츠만 상수, c [cm/s]는 빛의 속도, Q(T)는 분배함수(partition function)로서 분자의 에너지 상태량에 관계하는 4차식의 온도함수로 나타낼 수 있다. here,
Figure 112017063686731-pat00010
(296K), < / RTI >
Figure 112017063686731-pat00011
(lower state energy) is a low-level energy,
Figure 112017063686731-pat00012
Is the Planck's constant, k [J / K] is the Boltzmann constant, c [cm / s] is the speed of light, and Q ( T ) is the partition function. .

수많은 선강도 값들 중에서 무시해도 될 정도의 작은 선강도를 가지는 파장들은 제외시키고, 높은 선강도를 가지는 대표파장을 선정할 수 있다. 예컨대 높은 선강도를 가지는 6개의 대표파장을 선정할 수 있다. Excluding wavelengths having a small line strength that can be ignored among a plurality of linearity values, a representative wavelength having a high line intensity can be selected. For example, six representative wavelengths having a high line intensity can be selected.

표 1은 HITRAN2008database에서 제공하는 선정된 대표파장에서의 H2O 분자의 선강도와 저준위에너지 값을 나타낸다.Table 1 shows the strength and low energy level of H 2 O molecules at the selected representative wavelength provided by HITRAN2008 database.

[표 1][Table 1]

Figure 112017063686731-pat00013
Figure 112017063686731-pat00013

도 7은 6개의 대표 파장의 흡수스펙트럼 곡선을 나타내는 도면이다. 7 is a diagram showing absorption spectrum curves of six representative wavelengths.

도 7a 및 7b는 #1 내지 #6(#N)으로 표시되는 6개(또는 N개)의 대표파장을 이용해 만들어진 흡수스펙트럼 곡선으로, 6개(또는 N개)의 대표파장의 흡수 패턴은 서로 다른 온도에서 분명하게 서로 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 7A and 7B are absorption spectrum curves generated by using six (or N) representative wavelengths indicated by # 1 to # 6 (#N), and absorption patterns of six (or N) It can be seen that they appear clearly different at different temperatures.

도 8은 6개(또는 N개)의 대표파장의 온도에 따른 선강도 곡선을 나타내는 도면이다. Fig. 8 is a view showing the longevity curve according to the temperature of six (or N) representative wavelengths.

도 8에 도시된 바와 같이, 도 7에서의 #1 내지 #6(#N)으로 표시되는 6개(또는 N개)으로 표시되는 6개(또는 N개)의 대표파장을 300K에서 1500K까지의 온도 변화에 따른 선강도를 나타낼 수 있다.
As shown in Fig. 8, six (or N) representative wavelengths represented by six (or N) wavelengths represented by # 1 to # 6 (#N) And can show the line strength according to the temperature change.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor, microcomputer, field programmable array (FPA) A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing apparatus may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device As shown in FIG. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (15)

TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법에 있어서,
측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계; 및
3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계
를 포함하고,
상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는,
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 상기 측정 영역에서 상기 레이저 빔에 의해 형성되는 각 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산한 다음, 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
In a gas measurement method using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array,
Passing laser beams arranged in three dimensions in a measurement region where gas is generated in the measurement unit; And
Detecting a coefficient of cross-correlation between the laser beams arranged in three dimensions and measuring a velocity distribution of the gas passing through the measurement region
Lt; / RTI >
The step of measuring a velocity distribution of a gas passing through the measurement region by detecting a correlation coefficient of the three-dimensionally arranged laser beams,
A method of measuring a position of an object to be measured, the method comprising: obtaining a real-time absorption spectrum from an optical signal that passes through the measurement region in each layer of a measurement unit based on TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) A coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients of each cell on each lattice is calculated and then it is determined that the same gas has passed through the cell having the largest correlation coefficient, The velocity distribution is obtained by dividing the distance between the points where the same gas is passed by the time difference obtained through the absorption spectrum
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
제1항에 있어서,
상기 측정부에서 가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 단계는,
상기 측정부의 상기 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사하는 단계;
조사된 상기 레이저 빔을 빔 스플리터를 이용하여 복수개의 빔으로 분할하는 단계; 및
분할된 상기 복수개의 빔을 집광부를 이용하여 가스가 발생하는 상기 측정 영역의 상기 측정 영역을 통과시키는 단계
를 포함하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
The method according to claim 1,
The step of passing three-dimensionally arranged laser beams through a measurement region where gas is generated in the measurement unit,
Irradiating a tunable laser beam to the measurement area of the measurement unit;
Dividing the irradiated laser beam into a plurality of beams using a beam splitter; And
Passing the divided plurality of beams through the measurement area of the measurement area where the gas is generated using the light collecting part
A method of measuring gas using a three dimensional array of TDLAS based laser beams.
제1항에 있어서,
상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는,
3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들이 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of measuring the velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting the correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions comprises:
The three-dimensionally arranged laser beams pass through the measurement region in each layer of the measurement section and then measure the two-dimensional velocity distribution of the cross section from the obtained optical signal
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
제1항에 있어서,
상기 3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 단계는,
상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득하는 단계;
상기 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 이용하여, 상기 측정 영역의 각 격자상에서의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산하는 단계; 및
상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 단계
를 포함하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of measuring the velocity distribution of the gas passing through the measurement region by detecting the correlation coefficient between the laser beams arranged in three dimensions comprises:
Acquiring an optical signal in each layer of the measurement section after the laser beam passes through the measurement region;
Calculating a coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients on the respective gratings of the measurement region using the real-time absorption spectrum from the optical signal; And
Obtaining a velocity distribution by dividing the distance between the points where the same gas passes and the time difference obtained through the absorption spectrum by determining that the same gas has passed through where the correlation coefficient has the largest value,
A method of measuring gas using a three dimensional array of TDLAS based laser beams.
제1항에 있어서,
온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 상기 측정 영역의 상기 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계
를 더 포함하고,
상기 3차원 배열의 레이저 빔을 이용하여 상기 측정 영역에 통과시킴으로써 상기 가스의 온도 분포, 농도 분포 및 속도 분포를 동시에 측정하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
The method according to claim 1,
Calculating a theoretical temperature and concentration distribution of the gas by reconstructing an absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects the measurement region based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength;
Further comprising:
And simultaneously measuring the temperature distribution, the concentration distribution, and the velocity distribution of the gas by passing the laser beam in the three-dimensional array through the measurement region
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
제5항에 있어서,
상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는,
상기 측정 영역을 통과한 상기 레이저 빔의 흡수특성을 감지하는 단계; 및
상기 측정 영역을 통과한 상기 레이저 빔의 광학 신호를 분석하고 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계
를 포함하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises:
Sensing an absorption characteristic of the laser beam passing through the measurement area; And
Analyzing an optical signal of the laser beam that has passed through the measurement area and calculating a temperature and concentration distribution
A method of measuring gas using a three dimensional array of TDLAS based laser beams.
제5항에 있어서,
상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는,
상기 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises:
Reconstruction using a tomography technique as an automatic fitting method for the absorption spectrum at a specific wavelength of the laser beam
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
제7항에 있어서,
상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는,
상기 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises:
By repeating the theoretical waveform and the experimental waveform repeatedly by widening or narrowing the waveform automatically at a specific wavelength by using the absorption spectrum distribution of the gas at an arbitrary temperature, the finally resembling waveform is determined, and the theoretical temperature of the gas and Calculating the concentration
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
제8항에 있어서,
상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하는 단계는,
상기 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 피크 값 중 복수 개의 특정파장을 선택하는 단계;
상기 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하는 단계;
기설정된 오차 범위 내에서 최종 파형을 확정하는 단계; 및
확정된 최종 파형에서 상기 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산하는 단계
를 포함하고,
상기 실험상의 파형은 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정 장치를 이용한 실험에서 획득되거나 기설정된 데이터로 주어지는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of calculating the theoretical temperature and concentration distribution of the gas comprises:
Selecting a plurality of specific wavelengths among the peak values using the absorption spectrum distribution;
Repeatedly comparing the theoretical waveform and the experimental waveform by automatically widening or narrowing the waveform at the specific wavelength;
Determining a final waveform within a predetermined error range; And
Calculating the theoretical temperature and concentration of the gas in the final waveform to be determined
Lt; / RTI >
The experimental waveform is obtained by experiment using a device for simultaneous measurement of two-dimensional temperature and concentration distribution of gas or given by predetermined data
A gas measuring method using a three dimensional array of laser beams based on TDLAS.
TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템에 있어서,
가스(Gas)가 발생되는 측정 영역에 3차원으로 배열된 레이저 빔들을 통과시키는 레이저부; 및
3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들 간의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 검출하여 상기 측정 영역을 통과하는 가스의 속도 분포를 측정하는 가스 측정부
를 포함하고,
상기 가스 측정부는,
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 기반으로 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 획득하여, 상기 측정 영역에서 상기 레이저 빔에 의해 형성되는 각 격자상에서의 각 셀(cell)의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산한 다음, 상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
A gas measurement system using a TDLAS-based laser beam three-dimensional array,
A laser unit for passing laser beams arranged in three dimensions in a measurement region where gas is generated; And
A gas measurement unit for detecting a coefficient of cross-correlation between the laser beams arranged in three dimensions and measuring a velocity distribution of the gas passing through the measurement region,
Lt; / RTI >
Wherein the gas measuring unit comprises:
A method of measuring a position of an object to be measured, the method comprising: obtaining a real-time absorption spectrum from an optical signal that passes through the measurement region in each layer of a measurement unit based on TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) A coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients of each cell on each lattice is calculated and then it is determined that the same gas has passed through the cell having the largest correlation coefficient, The velocity distribution is obtained by dividing the distance between the points where the same gas is passed by the time difference obtained through the absorption spectrum
A gas measurement system using a TDLAS based laser beam three-dimensional array.
제10항에 있어서,
상기 레이저부는,
상기 측정부의 상기 측정 영역으로 가변파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사하는 레이저;
상기 레이저에서 조사된 상기 레이저 빔을 복수개의 빔으로 분할하는 빔 스플리터; 및
상기 빔 스플리터에서 분할된 상기 복수개의 빔을 가스가 발생하는 상기 측정부의 상기 측정 영역을 통과시키는 집광부
를 포함하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
11. The method of claim 10,
The laser unit includes:
A laser for emitting a tunable laser beam to the measurement region of the measurement unit;
A beam splitter for dividing the laser beam irradiated by the laser into a plurality of beams; And
A beam splitter for splitting said plurality of beams into a plurality of beams,
A gas measurement system using a three dimensional array of TDLAS based laser beams.
제10항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
3차원으로 배열된 상기 레이저 빔들이 상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 측정 영역을 통과한 다음 얻어진 광학 신호로부터 통과 단면의 2차원 속도 분포를 측정하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the gas measuring unit comprises:
The three-dimensionally arranged laser beams pass through the measurement region in each layer of the measurement section and then measure the two-dimensional velocity distribution of the cross section from the obtained optical signal
A gas measurement system using a TDLAS based laser beam three-dimensional array.
제10항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
상기 측정부의 각 층(layer)에서 상기 레이저 빔이 상기 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득하는 검출부;
상기 광학 신호로부터 실시간 흡수스펙트럼을 이용하여, 상기 측정 영역의 각 격자상에서의 흡수계수들끼리의 상관계수(coefficient of cross-correlation)를 계산하는 분석부; 및
상기 상관계수가 가장 큰 값을 가진 곳이 동일한 가스가 통과한 것으로 판단하여, 상기 동일한 가스가 통과한 지점간의 거리를 흡수스펙트럼을 통해 얻어낸 시각 차이로 나누어 속도 분포를 구하는 계산부
를 포함하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the gas measuring unit comprises:
A detector for acquiring an optical signal from each layer of the measurement unit after the laser beam passes through the measurement area;
An analyzer for calculating a coefficient of cross-correlation between the absorption coefficients on the respective gratings of the measurement region using the real-time absorption spectrum from the optical signal; And
Calculating a velocity distribution by dividing the distance between the point where the same gas passes and the time difference obtained through the absorption spectrum,
A gas measurement system using a three dimensional array of TDLAS based laser beams.
제10항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
온도와 특정파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 상기 측정 영역의 상기 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정파장에서의 흡수특성을 재구성(reconstruction)하여 상기 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산하며, 상기 3차원 배열의 레이저 빔을 이용하여 상기 측정 영역에 통과시킴으로써 상기 가스의 온도 분포, 농도 분포 및 속도 분포를 동시에 측정하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the gas measuring unit comprises:
Calculating a theoretical temperature and concentration distribution of the gas by reconstructing an absorption characteristic at a specific wavelength at a point where the laser beam intersects the measurement region based on the temperature and the absorption intensity characteristic of the laser at a specific wavelength, And simultaneously measuring the temperature distribution, the concentration distribution, and the velocity distribution of the gas by passing the laser beam in the three-dimensional array through the measurement region
A gas measurement system using a TDLAS based laser beam three-dimensional array.
제14항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
상기 레이저 빔의 특정파장에서의 흡수스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성(reconstruction)하며, 상기 가스의 임의의 온도에서의 흡수스펙트럼 분포를 이용하여 특정파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고 가스의 이론상의 온도 및 농도를 계산하는 것
을 특징으로 하는 TDLAS 기반 레이저 빔 3차원 배열을 이용한 가스 측정 시스템.
15. The method of claim 14,
Wherein the gas measuring unit comprises:
Reconstructing the laser beam using a tomograpping technique in an automatic fitting manner for the absorption spectrum at a specific wavelength of the laser beam and automatically correcting the waveform at a specific wavelength using the absorption spectrum distribution at an arbitrary temperature of the gas. To repeatedly compare the theoretical waveform and the experimental waveform in such a way as to broaden or narrow the waveform to finally determine the waveform to resemble and to calculate the theoretical temperature and concentration of the gas
A gas measurement system using a TDLAS based laser beam three-dimensional array.
KR1020170084392A 2017-03-28 2017-07-03 Method and system for simultaneous measurement of temperature, concentration, and velocity distribution of gas using 3d array of tdlas based laser beam KR101785896B1 (en)

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