KR102118280B1 - 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법에 있어서, 소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수와 소정의 이득 파라미터의 곱을 온도 함수로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과, 소정의 선폭 이득 파라미터와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하는 단계와, 상기 이득 파라미터 초기값들, 상기 지수 파라미터 초기값들, 상기 선폭 이득 파라미터 초기값들 및 상기 선폭 지수 파라미터 초기값들을 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정하는 단계와, 수정된 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초하여 최적 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 흡수스펙트럼의 최적화된 보정 계수를 검출한 후 이를 적용하여 이론 스펙트럼과 실제 스펙트럼 간의 오차를 보정함으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 흡수스펙트럼의 최적화된 보정 계수를 검출한 후 이를 적용하여 이론 스펙트럼과 실제 스펙트럼 간의 오차를 보정함으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 토모그래피를 기반으로 하여 선폭 함수 및 선강도 함수에 기초한 최적 파라미터를 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
엔진 등에서 배출되는 NOx, COx, HC, SO2와 같은 배기가스는 지구온난화와 대기환경의 오염을 일으키는 주성분으로 이를 저감시키기 위하여 국제기구는 각종 규제를 하고 있는 실정이다.
이와 관련하여, 레이저 흡수 분광법(TDLAS; tunable diode laser absorption spectroscopy)는 가스분자의 온도와 농도를 측정하고자 할 때 사용되며, 빠른 응답성과 비접촉식으로 엔진 등으로부터의 배기가스의 2차원 온도장 및 농도장 측정을 가능케 하므로 최근에 연소장의 해석에 많이 적용되고 있다.
특히, TDLAS시스템에서 측정된 흡수 스펙트럼을 정확하게 커브 피팅(curve fitting)하여 온도와 농도로 환산하는 기술은 측정값의 신뢰도를 결정짓는데, 그 과정에서 스펙트럼의 선폭확장(line broadening)에 의한 영향이 크다. 지금까지 TDLAS시스템에서는 온도장과 농도장을 CT(computed tomography)법으로 재구성(reconstruction)할 때, 레이저빔의 선폭확장은 일반적으로 이론적 또는 경험적으로 결정하여 왔다.
하지만, 실제 연소시스템에서는 연소과정에서 연소생성물과 불순물 등이 발생하게 되는데, 이들에 의하여 레이저빔의 흡수스펙트럼은 영향을 받게 된다. 이로 인하여 이론적인 선폭확장은 실제의 선폭확장과 다르게 되어, 온도장과 농도장 계산에 있어서 오차발생의 원인이 된다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스의 2차원 온도를 측정 시 적용 가능한 소정 온도에 대한 선폭 함수 및 선강도 함수에 기초하되, 토모그래피를 기반으로 이론계산값과 측정값과의 오차가 가장 적은 최적 파라미터를 결정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법은, 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법에 있어서, 소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수와 소정의 이득 파라미터의 곱을 온도 함수로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과, 소정의 선폭 이득 파라미터와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하는 단계와, 상기 이득 파라미터 초기값들, 상기 지수 파라미터 초기값들, 상기 선폭 이득 파라미터 초기값들 및 상기 선폭 지수 파라미터 초기값들을 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정하는 단계와, 수정된 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초하여 최적 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치는, 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치에 있어서, 소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수와 소정의 이득 파라미터의 곱을 온도 함수로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과, 소정의 선폭 이득 파라미터와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하는 선폭확장값 계산부와, 상기 이득 파라미터 초기값들, 상기 지수 파라미터 초기값들, 상기 선폭 이득 파라미터 초기값들 및 상기 선폭 지수 파라미터 초기값들을 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정하는 파라미터 수정부와, 수정된 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초하여 최적 파라미터를 결정하는 최적 파라미터 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 흡수스펙트럼의 최적화된 보정 계수를 검출한 후 이를 적용하여 이론 스펙트럼과 실제 스펙트럼 간의 오차를 보정함으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 단일 레이저 빔으로도 2차원 분포로 저온부와 고온부 가스의 온도 및 농도의 동시 측정을 수행 가능하여 복수의 레이저 사용 성능을 발휘할 수 있으므로, 비용 절감 효과와 실시간 계측 시 계산처리 방식을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정을 위한 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량을 나타낸 그래프이고,
도 5는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 파라미터 각각에 대응되는 선강도 함수에 기초하여 특정 온도에서의 선강도값에 대한 자동 피팅을 수행한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 도 4에 기초한 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량에 해당하는 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 함께 나타낸 그래프이고,
도 7은 도 6에 기초한 실험값과 도 1의 이론데이터 저장부에 기저장된 파장별 흡수량에 대한 이론값에 기초하여 도 1의 에러값 산출부에서 최소 에러값을 검출한 후 이에 대응되는 특정 온도에서의 파장별 흡수량에 대한 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법을 나타낸 순서도이고,
도 9는 도 8에 도시된 최적 파라미터 결정 방법을 더욱 상세하게 나타낸 순서도이고,
도 10은 도 2의 가스 발생부로 플랫 버너를 적용한 경우의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정을 위한 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량을 나타낸 그래프이고,
도 5는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 파라미터 각각에 대응되는 선강도 함수에 기초하여 특정 온도에서의 선강도값에 대한 자동 피팅을 수행한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 도 4에 기초한 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량에 해당하는 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 함께 나타낸 그래프이고,
도 7은 도 6에 기초한 실험값과 도 1의 이론데이터 저장부에 기저장된 파장별 흡수량에 대한 이론값에 기초하여 도 1의 에러값 산출부에서 최소 에러값을 검출한 후 이에 대응되는 특정 온도에서의 파장별 흡수량에 대한 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법을 나타낸 순서도이고,
도 9는 도 8에 도시된 최적 파라미터 결정 방법을 더욱 상세하게 나타낸 순서도이고,
도 10은 도 2의 가스 발생부로 플랫 버너를 적용한 경우의 일례를 나타낸 도면이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정을 위한 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량을 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 1의 선폭확장값 계산부에 의해 계산된 복수 개의 파라미터 각각에 대응되는 선강도 함수에 기초하여 특정 온도에서의 선강도값에 대한 자동 피팅을 수행한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 4에 기초한 복수 개의 온도 범위 각각에 대한 파장별 흡수량에 해당하는 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 함께 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6에 기초한 실험값과 도 1의 이론데이터 저장부에 기저장된 파장별 흡수량에 대한 이론값에 기초하여 도 1의 에러값 산출부에서 최소 에러값을 검출한 후 이에 대응되는 특정 온도에서의 파장별 흡수량에 대한 실험값과 이를 자동 피팅한 피팅값을 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 파라미터 결정 장치는, 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정을 위한 시스템은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 레이저부(21; tunable laser), 광분배부(22; fiber splitter), 집광부(23; collimator), 측정셀(24; measurement cell), 열전대부(25; thermocouple), 가스 발생부(26; burner), 검출부(27; detector) 및 분석부(28; analyzer)를 포함한다.
가스 발생부(26)는 소정의 엔진과 연결되어 배기가스 등의 가스를 발생하는 것으로서, 소정의 버너(burner)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 버너는 도 10에 도시된 바와 같이 횡단면상에서의 온도가 균일하게 연소를 하는 플랫 버너(flat burner)일 수 있으며, 이 경우, 매번 실험 때마다 연소에 의한 단면 전체에 있어 온도가 균일하게 유지되게 된다.
측정셀(24)은 가스 발생부(26)의 상면으로부터 소정 거리 이격 배치되며 가스 발생부(26)에 의해 생성된 배기가스를 전달받아 수용한 상태로, 후술할 집광부(23)에 의해 통과된 빔을 조사받아 배기가스에 통과시키는 역할을 한다.
예컨대, 측정셀(24)은 '가로x세로' 기준으로 '24x24'에 대응되는 총 576개의 셀로 구성되되 각각의 셀의 지름이 70[mm]일 수 있다.
열전대부(25)는 소정 금속의 기전력을 이용한 온도 센서로서 측정셀(24)에서의 온도를 측정하는 역할을 한다.
레이저부(21)는 측정 영역인 측정셀(24)로 가변 파장 레이저(tunable laser) 빔을 조사할 수 있다. 예컨대, 레이저부(21)는 주사 범위 0.6[nm]의 다이오드 레이저를 사용하고, 레이저의 스캔 주파수는 1kHz로 설정할 수 있다.
광분배부(22)는 레이저부(21)에서 조사된 레이저 빔을 복수 개의 빔으로 분할할 수 있다. 예컨대, 레이저 빔은 32개(또는 그 이상으로 추가 가능하다)의 빔으로 분할할 수 있다. 이때, 레이저 빔은 3차원 배열을 형성할 수 있다.
집광부(23)는 광분배부(22)에 의해 분할된 복수 개의 빔을 가스가 발생하는 가스 발생부(26)의 상측에 위치한 측정 영역인 측정셀(23)을 통과시킬 수 있다.
검출부(27)는 가스 발생부(26)의 각 층(layer)에서 레이저 빔이 측정 영역을 통과 후 나오는 광학 신호를 획득할 수 있다.
분석부(28)는 측정 영역인 측정셀(23)을 통과한 레이저의 광학 신호를 분석함으로써, 온도와 특정 파장에서의 레이저의 흡수강도 특성을 기반으로 측정 영역의 레이저 빔이 교차하는 지점에서 특정 파장에서의 흡수 특성을 재구성하여 가스의 이론상 온도 및 농도 분포를 계산할 수 있다.
여기서, 분석부(28)는 레이저 빔의 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅(fitting) 방식으로 토모그래피 기술을 이용하여 재구성하며, 가스의 임의의 온도에서의 흡수 스펙트럼 분포를 이용하여 특정 파장에서 자동적으로 파형을 넓히거나 좁히는 방법으로 이론상의 파형과 실험상의 파형을 반복 비교하여 최종적으로 닮은 파형을 확정하고, 레이저 흡수분광법(TDLAS; Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)을 이용하여 가스분자의 온도와 농도 분포를 계산할 수 있으며, 이에 관한 기본 원리는 Beer-Lambert 법칙으로 설명할 수 있다.
이와 관련하여, 일반적으로 빛이 흡수 매체를 통과할 때 흡수 및 투과된 빛의 세기는 Beer-Lambert 법칙에 의거하여 단위 부피 내의 기체의 입자수인 농도와 관련이 있으며, 흡수량 레이저의 초기 신호(입사광)와 투과된 신호(투과광)의 강도비는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Iλ은 투과된 빛의 강도를 나타내고, Iλ0은 입사광의 초기 강도를 나타내고, Aλ는 파장(λ)에서의 빛의 흡수량을 나타내며, 아래첨자 i,j는 각각 기체의 종, 흡수라인을 나타내며, Si,j는 온도함수인 선강도(line strength)를 나타내고, ni는 i종 기체의 수밀도(number density)를 나타내고, L은 흡수 길이를 나타내고, GVi,j는 선폭함수(broadening function)를 나타낸다.
전술한 수학식 1을 빛의 흡수량(A)에 관한 수식으로 정리하면 아래의 수학식 2와 같다.
여기서, Vd는 도플러 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 도플러폭을 나타내고, Vc(t)는 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 충돌폭을 나타낸다.
이와 관련하여, 만약 실제 레이저빔에 의해 가스분자의 흡수가 일어나면, 온도와 압력의 영향 및 분자 상호간의 충돌로 인하여 선형 함수(line shape function)의 형태로 스펙트럼의 선폭확장이 발생하게 된다.
이러한 상기 선폭확장(G)에 대한 값은, 상기 수학식 2에 기재된 바와 같이, 도플러 선폭확장(doppler broadening)의 영향을 고려한 경우의 도플러 폭(doppler width)과 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장(collisional broadening)의 영향을 고려한 경우의 충돌 폭(collisional width)의 합, 즉, 'G = Vc(t) + Vd'으로 나타낼 수 있다.
이때, 상기 도플러 폭의 이론상 반폭을 결정하는 수식은 아래의 수학식 3과 같이 정리할 수 있다.
여기서, V0는 중심 주파수에서의 파수(wave number)를 나타내고, T는 온도(K)를 나타내며, M은 기체의 분자량을 나타낸다.
또한, 상기 충돌 폭의 이론상 반폭(half width) 함수식은 아래의 수학식 4와 같이 정리할 수 있으며, 이를 온도에 관한 함수로 정리하면 아래의 수학식 5와 같다.
여기서, P는 기체의 압력을 나타내고, Xi는 대상가스의 몰 분율을 나타내고, 
와 ni는 각각 표준온도(298K)에서의 선폭 확장 계수(collisional broadening coefficient)와 온도 의존 계수(coefficient of temperature dependence)를 나타낸다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 파라미터 결정 장치는 크게 초기값 저장부(120), 함수정보 저장부(140), 선폭확장값 계산부(200), 이론데이터 저장부(160), 에러값 산출부(300), 파라미터 수정부(400) 및 최적 파라미터 결정부(500)를 포함하여 구성된다.
함수정보 저장부(140)는 소정의 데이터베이스 형태로 마련될 수 있으며, 복수 개의 선강도 함수들(S(T))과 기설정된 포이트(Voight) 선폭함수(Vc(t)) 각각에 대한 함수 정보를 저장한다.
이때, 선강도 함수(S(T))는 소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수(e-(B1/kT))와 소정의 이득 파라미터(Ai)의 곱을 온도 함수(Q(T))로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 것일 수 있다.
이와 관련하여 선강도 함수(S(T))에 대한 수식을 정리하면 아래의 수학식 6과 같다.
여기서, Ai는 이득 파라미터를 나타내고, Bi는 지수 파라미터를 나타내고, T는 온도(K)를 나타내며, Q(T)는 분자의 에너지상태량에 관계하는 온도의 함수에 해당하는 분배함수(partition function)를 나타내는 것으로서, 'Q(T) = a + bT + cT2 + dT3' 와 같은 3차식의 함수로 나타낼 수 있다.
아래의 표 1은 상기 분배함수에 기초하여 온도 구간별로 사용된 계수의 값을 나타낸 것이다.
상기 표 1에 기초하여 300 내지 1500K 내의 온도 범위에 대한 a,b,c,d값을 계산하여 산출하면, 'Q(T) = 4 * E-07T3 * 0.0002T2 + 0.6904T - 60.024'로 정리할 수 있다.
이 경우, 상기 수학식 6은 일반적인 선강도에 대한 온도 함수를 나타내는 아래의 수학식 7에 기초한 것으로서, 기설정된 값을 가지는 플랑크상수인 h[J·s]와 볼츠만 상수인 k[J/K]와 빛의 속도인 c[cm/s]와 더불어 전술한 'Q(T) = 4 * E-07T3 * 0.0002T2 + 0.6904T - 60.024'를 이용하여 정리한 결과, 상기 수학식 6과 같이 하나의 이득 파라미터(Ai)와 하나의 지수 파라미터(Bi)만을 가지는 수식으로 간략화할 수 있게 된다.
여기서, T0는 표준온도를 나타내고, E''는 저준위 에너지(lower state energy)를 나타내고, h[j·s]는 플랑크 상수를 나타내고, k[J/K]는 볼츠만 상수를 나타내고, c[cm/s]는 빛의 속도를 나타낸다.
한편, 포이트 선폭함수(Vc(t))에 대한 수식을 정리하면 아래의 수학식 8과 같다.
여기서, E는 선폭 이득 파라미터를 나타내고, F는 선폭 지수 파라미터를 나타내며, T는 온도(K)를 나타낸다.
여기서, 상기 수학식 8은 전술한 상기 수학식 5를 간략화하여 정리한 아래의 수학식 9에 기초하여 나타낸 것으로서, Vc은 △Vc *에 대응되고, E는 
에 대응되고, 298(K)는 표준온도로서 T0에 대응되고, F는 nj에 대응됨을 확인할 수 있다.
이때, 선폭 이득 파라미터인 'E'는 본 파장대에서 0.11 내지 0.18의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
초기값 저장부(120)는 소정의 데이터베이스 형태로 마련될 수 있으며, 선강도 함수(S(T))에 기초한 복수 개의 이득 파라미터(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7) 및 지수 파라미터(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)와, 선폭함수(Vc(t))에 기초한 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F) 각각에 대한 초기값을 저장한다.
파라미터 수정부(400)는 초기값 저장부(120)에 기저장된 이득 파라미터 초기값들(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7), 지수 파라미터 초기값들(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)를 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정한다.
여기서, 파라미터 수정부(400)는 에러값 산출부(300)에 의한 에러값의 계산이 완료되면 이득 파라미터(A1~A7), 지수 파라미터(B1~B7), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F) 각각의 값을 기존값과 다르게 변경할 수 있다.
아래의 표 2는 초기값 저장부(120)에 기저장된 복수 개의 선강도 함수(S(T))에 대응되는 복수 개의 이득 파라미터(Ai) 및 지수 파라미터(Bi)와, 포이트 선폭함수(Vc(t))에 대응되는 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F) 각각에 대한 초기값과 파라미터 수정부(400)에 의해 수정 가능한 계수범위를 파라미터별로 정리하여 나타낸 것이다.
예컨대, 상기 표 2를 참조하면, 제1 선강도함수(S1(T))에 대응되는 제1 이득 파라미터(A1) 및 제1 지수 파라미터(B1) 각각의 초기값인 '856.7207' 및 '448.389'는 초기값 저장부(120)에 기저장된 상태로, 파라미터 수정부(400)는 에러값 산출부(300)에 의한 에러값의 계산이 최초로 완료될 때, 제1 이득 파라미터(A1)의 값은 초기값인 '856.7207'과는 다른 값을 갖도록 계수범위(830~880) 내에서 수정하고, 제1 지수 파라미터(B1)의 값은 초기값인 '448.389'와는 다른 값을 갖도록 계수범위(420~470) 내에서 수정할 수 있다. 또한, 만약 선폭 이득 파라미터(E)의 초기값이 '0.11'로 초기값 저장부(120)에 기저장된 상태라면, 파라미터 수정부(400)는 에러값 산출부(300)에 의한 에러값의 계산이 최초로 완료될 때, 선폭 이득 파라미터(E)의 값이 초기값인 '0.11'과는 다른 값을 갖도록 계수범위(0.11~0.18) 내에서 수정할 수 있다.
선폭확장값 계산부(200)는 함수정보 저장부(140)에 기저장된 복수 개의 선강도 함수들(S(T))과 포이트 선폭함수(Vc(t))에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산한다.
여기서, 선폭확장값 계산부(200)는, 파라미터 수정부(400)에 의해 이득 파라미터(Ai), 지수 파라미터(Bi), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)가 각각 수정되는 경우, 수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수 개의 선강도 함수(S(T))들과 수정된 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)에 기초한 포이트 선폭함수(Vc(t))에 기초하여 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 재계산할 수 있다.
이때, 상기 온도 범위에 대한 충돌에 의한 선폭확장값은 보이트 선폭함수(Vc(t))에 대한 수식인 상기 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있고, 상기 온도 범위에 대한 흡수량(A)은 상기 수학식 2, 상기 수학식 6 및 상기 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.
에러값 산출부(300)는 선폭확장값 계산부(200)에 의해 계산된 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 상기 충돌에 의한 선폭확장값(ExT,n)에 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값(ThT,n)의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값(error)을 계산한다.
아래의 수학식 10은 에러값(error)에 대한 수식을 정리하여 나타낸 것으로서, 여기서, ExT,n은 선폭확장값 계산부(200)에 의해 계산된 소정의 온도 범위에 대한 선폭확장값을 나타내고, ThT,n은 해당 온도 범위에 대응하여 기저장된 이론데이터값을 나타낸다.
이때, 상기 이론 데이터값은 이론데이터 저장부(160)에 기저장된 상태일 수 있으며, 이론데이터 저장부(160)는 일반적인 적외선 스펙트럼과 달리 매우 복잡하고 많은 전이선들로 구성되는 고해상도 적외선 스펙트럼을 확인하는 데 필수적인 자료로서 대기 중에 있는 여러 분자들의 적외선 흡수 선을 모두 나열함에 따라, 특정 전이선이 아산화질소(N2O)에 해당하는 것인지 아니면 다른 분자의 것인지를 확인하기 위한 확인 작업 시 사용되는 고해상도 투과 분자 흡착 데이터베이스(HITRAN; high-resolution transmission molecular absorption database)일 수 있다.
여기서, 에러값 산출부(300)는, 파라미터 수정부(400)에 의해 이득 파라미터(Ai), 지수 파라미터(Bi), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)가 각각 수정되는 경우, 수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수 개의 선강도 함수(S(T))들과 수정된 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초한 포이트 선폭함수(Vc(t))를 이용하여 복수 개의 에러값(Error)들을 산출할 수 있다.
또한, 에러값 산출부(300)는, 선폭확장값 계산부(200)에 의한 재계산에 따른 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값과 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값을 재계산할 수 있다.
아래의 수학식 11은 T1=300K, T2=400K, T3=500K, T4=600K, T5=700K, T6=800K, T7=900K, T8=1000K일 때 각각의 온도 범위에 대한 에러값을 복수 개의 파장 길이 각각에 대하여 각각 산출하는 수식을 정리하여 나타낸 것이다.
여기서, T는 온도(K)를 나타내고, n은 파장 길이의 개수를 나타내고, ExT,n은 선폭확장값 계산부(200)에 의해 계산된 소정의 온도 범위(T1~T8)에 대한 선폭확장값을 나타내고, ThT,n은 해당 온도 범위에 대응하여 기저장된 이론데이터값을 나타낸다.
이때, 상기 파장 길이의 개수인 'n'은 도 7에 도시된 바와 같이 '0.002[nm]'의 단위를 기준으로 하는 경우 총 245개일 수 있다.
예컨대, 상기 도 7을 참조하면, n의 총 개수가 245개이고 '0.002[nm]'의 단위마다 증가하도록 하는 경우, n=1일 때 파장 길이가 '1388.028'라면, n=5일 때 파장 길이는 n=1일 때의 파장 길이인 '1388.028'에서 '0.002×4'를 더한 값인 '1388.036'이 된다.
즉, 상기 수학식 11에 의하면, 에러값 산출부(300)는 선폭확장값 계산부(200)에 의한 재계산에 따른 선폭확장값( ExT,n)과 이에 대응하여 기저장된 이론데이터값(ThT,n) 간의 차분값의 제곱에 대응하는 에러값(error)을 'n'의 값(1≤n≤245)에 따른 파장 길이별로 각각 산출한 후 'T'의 값(1≤T≤8)에 따른 온도 범위별 에러값의 합을 산출하는 순으로 수행하게 된다.
이와 관련하여, 300K, 400K, 450K, 550K, 600K, 700K 각각의 온도 범위일 때, 파장 길이별 흡수량은 각각 도 4에 도시된 그래프(41,42,43,44,45,46)와 같이 나타낼 수 있다.
아래의 표 3은 소정의 파장 길이(1388.328nm)일 때, 복수 개의 온도 범위(x) 각각에 대한 제1 이득 파라미터(A1) 및 제2 지수 파라미터(B1)에 대한 제1 선강도 함수(S1(T))의 계산값(y)과, 상기 계산값(y) 및 기저장된 이론데이터에 기초한 에러값의 합(sum error)를 정리하여 나타낸 것이다.
여기서, x는 복수 개의 온도 범위(T1=300K, T2=400K, T3=500K, T4=600K, T5=700K, T6=800K, T7=900K, T8=1000K)를 나타내고, y는 선강도를 나타내고, y_fitting은 선강도를 자동 피팅한 값을 나타내고, fitting은 제1 이득 파라미터(A1) 및 제2 지수 파라미터(B1) 각각을 피팅한 값을 나타낸다.
이와 관련하여, 제1 선강도 함수(S1)에 대한 온도범위별 선강도값을 자동 피팅한 값(FITTING)과 해당 온도범위에 대응하여 기저장된 이론데이터값(HITRAN)을 함께 나타낸 그래프는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
최적 파라미터 결정부(500)는 에러값 산출부(300)에 의해 산출된 복수 개의 에러값들 중 가장 낮은 에러값을 가지는 경우에 있어서의 이득 파라미터들(Ai), 지수 파라미터들(Bi), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)를 각각 최적 파라미터들로 결정한다.
이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 300K, 400K, 450K, 550K, 600K, 700K 각각의 온도 범위일 때, 파장 길이별 흡수량(Absorption)에 대한 실험값(Experiment)과 해당 실험값을 자동 피팅한 값(Fitting)이 거의 일치하는 그래프 파형, 즉, 기저장된 이론값과 유사한 파형을 나타냄으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토모그래피 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 9는 도 8에 도시된 최적 파라미터 결정 방법을 더욱 상세하게 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 최적 파라미터 결정 방법은, 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 것이 바람직하다.
이하, 도 8 및 도 9와 더불어 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 파라미터 결정 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 기저장된 실험데이터를 로딩한다(S20).
여기서, 상기 S20 단계는 추후 에러값(error) 계산 단계에서 사용되는 상기 실험데이터를 미리 로딩해놓기 위한 것으로서, 비록 상기 도 9에는 가장 처음에 수행하는 단계로 기재되어 있긴 하나, 상기 에러값을 계산하는 단계(S200) 이전에 해당하는 그 어떤 순서, 예컨대, S120 단계와 S140 단계 사이, S160 단계와 S200 단계 사이 등에 위치할 수도 있다.
다음으로, 기저장된 복수 개의 선강도 함수들(S(T)) 및 포이트 선폭함수(Vc(t))에 대한 함수 정보에 기초하여, 상기 선강도 함수(S(T))에 포함된 이득 파라미터들(Ai) 및 지수 파라미터들(Bi)과 상기 포이트 선폭함수에 포함된 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수파라미터(F) 각각의 초기값을 설정한다(S120).
여기서, 상기 복수 개의 선강도 함수들(S(T))은, 소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수(e-(B1/kT))와 소정의 이득 파라미터(A1)의 곱을 온도 함수(Q(T))로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 것일 수 있으며, 이를 수학식으로 정리하면 상기 수학식 6으로 나타낼 수 있다. 상기 수학식 6에 관한 구체적인 설명 및 도출 과정은 이미 서술한 바 생략하기로 한다.
또한, 포이트 선폭함수(Vc(t))는, 소정의 선폭 이득 파라미터(E)와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터(F)로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 것일 수 있으며, 이를 수학식으로 정리하면 상기 수학식 8로 나타낼 수 있다. 상기 수학식 8에 관한 구체적인 설명 및 도출 과정은 이미 서술한 바 생략하기로 한다.
다음으로, 기저장된 포이트 선폭함수(Vc(t))와 상기 S120 단계에 설정된 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수파라미터(F) 각각의 초기값에 기초하여, 소정의 온도 범위에 대한 충돌에 의한 선폭확장값을 계산한다(S140).
이때, 상기 온도 범위에 대한 충돌에 의한 선폭확장값은 전술한 상기 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.
다음으로, 기저장된 복수 개의 선강도 함수들(S(T))과 상기 S120 단계에 설정된 이득 파라미터들(Ai) 및 지수 파라미터들(Bi) 각각의 초기값에 기초하여, 소정의 온도 범위에 대한 흡수량(A)을 계산한다(S160).
이때, 상기 온도 범위에 대한 흡수량(A)은 전술한 상기 수학식 2, 상기 수학식 6 및 상기 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.
다음으로, 상기 S140 단계에 계산된 소정의 온도 범위에 대한 선폭확장값(ExT,n)에 해당 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값(ThT,n)의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값(error)을 계산한다(S220).
여기서, 상기 에러값(error)에 대한 수식은 전술한 상기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있으며, 상기 수학식 10에 관한 구체적인 설명은 이미 서술한 바 생략하기로 한다.
이때, 상기 이론 데이터값은, 일반적인 적외선 스펙트럼과 달리 매우 복잡하고 많은 전이선들로 구성되는 고해상도 적외선 스펙트럼을 확인하는 데 필수적인 자료로서 대기 중에 있는 여러 분자들의 적외선 흡수 선을 모두 나열함에 따라, 특정 전이선이 아산화질소(N2O)에 해당하는 것인지 아니면 다른 분자의 것인지를 확인하기 위한 확인 작업 시 사용되는 고해상도 투과 분자 흡착 데이터베이스(HITRAN; high-resolution transmission molecular absorption database)로부터 획득될 수 있다.
다음으로, 상기 S120 단계에 기설정된 이득 파라미터 초기값들(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7), 지수 파라미터 초기값들(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)를 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 수정한다(S300).
여기서, 상기 S300 단계는, 상기 S200 단계에 의한 에러값(error)의 계산이 완료되면 이득 파라미터(A1~A7), 지수 파라미터(B1~B7), 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F) 각각의 값을 기존값과 다르게 변경할 수 있다.
다음으로, 상기 S220 단계에 의한 에러값(error) 계산 횟수가 기설정된 횟수(Z) 이상인지를 판단하여, 상기 횟수(Z) 이상이면 다음 단계로 넘어가고, 그렇지 않은 경우엔 상기 S300 단계에 수정된 파라미터를 이용하여 상기 S140 단계부터 상기 S220 단계를 다시 수행한다(S400).
즉, 상기 S400 단계에 의하면, 상기 S300 단계에 수정된 이득 파라미터(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7) 및 지수 파라미터(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)에 기초한 복수개의 선강도 함수들(S1(T),S2(T),S3(T),S4(T),S5(T),S6(T),S7(T))과 상기 S300 단계에 수정된 선폭 이득 파라미터(E) 및 선폭 지수 파라미터(F)에 기초한 포이트 선폭함수(Vc(t))에 기초하여 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 기설정된 횟수만큼 재계산하고(S140,S160), 상기 재계산에 따른 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값과 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값을 기설정된 횟수(Z)만큼 재계산하여 상기 복수 개의 에러값들을 산출할 수 있게 된다(S420).
이때, 상기 복수 개의 에러값을 산출하는 수식은 전술한 상기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있으며, 상기 수학식 11에 관한 구체적인 설명은 이미 서술한 바 생략하기로 한다.
여기서, 상기 S420 단계는, 상기 S140 및 상기 S160 단계에 의한 재계산에 따른 선폭확장값( ExT,n)과 이에 대응하여 기저장된 이론데이터값(ThT,n) 간의 차분값의 제곱에 대응하는 에러값(error)을 'n'의 값(1≤n≤245)에 따른 파장 길이별로 각각 산출한 후 'T'의 값(1≤T≤8)에 따른 온도 범위별 에러값의 합을 산출하는 순으로 수행하게 된다.
다음으로, 상기 S420 단계에 의해 계산된 복수 개의 에러값 데이터 및 모든 파라미터값을 저장한 상태에서, 최소 에러값 및 이에 대응되는 시점의 파라미터값(A1~A7,B1~B7,E,F)을 검출한 후(S520), 검출된 파라미터값을 최적 파라미터들로 결정한 후 이를 기록한다(S540).
이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 300K, 400K, 550K 각각의 온도 범위일 때, 파장 길이별 흡수량(Absorption)에 대한 실험값(Experiment)과 해당 실험값을 자동 피팅한 값(Fitting)이 거의 일치하는 그래프 파형, 즉, 기저장된 이론값과 유사한 파형을 나타냄으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있게 된다.
이에 따라, 전술한 본 발명에 의하면, 흡수스펙트럼의 최적화된 보정 계수를 검출한 후 이를 적용하여 이론 스펙트럼과 실제 스펙트럼 간의 오차를 보정함으로써, 실험의 특성상 발생할 수 있는 변수를 최소화하여 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 단일 레이저 빔으로도 2차원 분포로 저온부와 고온부 가스의 온도 및 농도의 동시 측정을 수행 가능하여 복수의 레이저 사용 성능을 발휘할 수 있으므로, 비용 절감 효과와 실시간 계측 시 계산처리 방식을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위에 속하는 것으로 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: 초기값 저장부
140: 함수 정보 저장부
160: 이론데이터 저장부
200: 선폭확장값 계산부
300: 에러값 산출부
400: 파라미터 수정부
500: 최적 파라미터 결정부
140: 함수 정보 저장부
160: 이론데이터 저장부
200: 선폭확장값 계산부
300: 에러값 산출부
400: 파라미터 수정부
500: 최적 파라미터 결정부
Claims (10)
- 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 최적 파라미터 결정 방법에 있어서,
소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수와 소정의 이득 파라미터의 곱을 온도 함수로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과, 소정의 선폭 이득 파라미터와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하는 단계;
상기 이득 파라미터 초기값들, 상기 지수 파라미터 초기값들, 상기 선폭 이득 파라미터 초기값들 및 상기 선폭 지수 파라미터 초기값들을 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정하는 단계; 및
수정된 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초하여 최적 파라미터를 결정하는 단계;를 포함하고,
상기 선폭확장값을 계산하는 단계는
아래의 수학식 I에 따른 상기 포이트 선폭함수를 이용하여 소정의 온도 범위에 대한 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하며,
(수학식 I)
(Vc는 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장의 영향을 고려한 경우에 대한 포이트 선폭함수이고, E는 선폭 이득 파라미터이고, F는 선폭 지수 파라미터이고, T는 온도)
상기 포이트 선폭함수에 대한 상기 수학식 I과 아래의 수학식 II에 따른 상기 선강도 함수를 이용하여, 소정의 온도 범위에 대한 흡수량을 아래의 수학식 III에 따라 계산하는 것
(수학식 II)
(수학식 III)
(T는 온도이고, Si(T)는 소정 온도에 대한 선강도 함수이고(1≤i≤7), Ai는 이득 파라미터이고(1≤i≤7), Bi는 지수 파라미터이고(1≤i≤7), Q(T)는 분자의 에너지상태량에 관계하는 온도의 함수에 해당하는 분배함수이고, A는 빛의 흡수량이고, ni는 i종 기체의 수밀도이고, L은 흡수 길이이고, Vd는 도플러 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 도플러폭이고, Vc는 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 충돌폭이고, G는 도플러 선폭확장과 충돌에 의한 선폭확장을 모두 고려한 경우의 선폭확장값)
을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수정하는 단계와 상기 결정하는 단계 사이에,
수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과 수정된 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초한 포이트 선폭함수를 이용하여 복수개의 에러값들을 산출하는 단계;를 더 포함하며,
상기 에러값은, 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 상기 충돌에 의한 선폭확장값에 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 방법. - 제2항에 있어서,
상기 결정하는 단계는,
상기 복수개의 에러값들 중 가장 낮은 에러값을 가지는 경우에 있어서의 이득 파라미터들, 지수 파라미터들, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 최적 파라미터들로 결정하는 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 방법. - 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 에러값들을 산출하는 단계는,
수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수개의 선강도 함수들과 수정된 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 재계산하는 단계;
재계산에 따른 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값과 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값을 재계산하는 단계; 및
상기 수정하는 단계부터 상기 에러값을 재계산하는 단계를 기설정된 횟수만큼 반복하여 복수개의 에러값들을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 방법. - 가스가 발생하는 측정 단면에 레이저 빔의 배열을 통과시켜 상기 레이저빔이 교차하는 지점에 대한 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼에 대한 자동 피팅 방식으로 상기 가스의 2차원 온도 및 농도 분포를 동시에 측정하는 경우에 이용되는 최적 파라미터 결정 장치에 있어서,
소정의 지수 파라미터를 가지는 지수함수와 소정의 이득 파라미터의 곱을 온도 함수로 나눈 값으로 이루어지되, 기설정된 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 지수 파라미터 초기값들에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과, 소정의 선폭 이득 파라미터와 상기 가스의 측정 온도와 기설정된 표준온도와의 비를 거듭제곱하는 소정의 선폭 지수 파라미터로 이루어지되, 기설정된 선폭 이득 파라미터 초기값들과 기설정된 선폭 지수 파라미터 초기값들에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 소정의 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하는 선폭확장값 계산부;
상기 이득 파라미터 초기값들, 상기 지수 파라미터 초기값들, 상기 선폭 이득 파라미터 초기값들 및 상기 선폭 지수 파라미터 초기값들을 기설정된 범위 내에서 기존값과는 다르게 값을 변경하도록 하여 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 각각 수정하는 파라미터 수정부; 및
수정된 이득 파라미터, 지수 파라미터, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초하여 최적 파라미터를 결정하는 최적 파라미터 결정부;를 포함하고,
상기 선폭확장값 계산부는,
아래의 수학식 I에 따른 상기 포이트 선폭함수를 이용하여 소정의 온도 범위에 대한 충돌에 의한 선폭확장값을 계산하며,
(수학식 I)
(Vc는 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장의 영향을 고려한 경우에 대한 포이트 선폭함수이고, E는 선폭 이득 파라미터이고, F는 선폭 지수 파라미터이고, T는 온도)
상기 포이트 선폭함수에 대한 상기 수학식 I과 아래의 수학식 II에 따른 상기 선강도 함수를 이용하여, 소정의 온도 범위에 대한 흡수량을 아래의 수학식 III에 따라 계산하는
(수학식 II)
(수학식 III)
(T는 온도이고, Si(T)는 소정 온도에 대한 선강도 함수이고(1≤i≤7), Ai는 이득 파라미터이고(1≤i≤7), Bi는 지수 파라미터이고(1≤i≤7), Q(T)는 분자의 에너지상태량에 관계하는 온도의 함수에 해당하는 분배함수이고, A는 빛의 흡수량이고, ni는 i종 기체의 수밀도이고, L은 흡수 길이이고, Vd는 도플러 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 도플러폭이고, Vc는 분자 상호간 충돌에 의한 선폭확장의 영향을 고려한 경우의 충돌폭이고, G는 도플러 선폭확장과 충돌에 의한 선폭확장을 모두 고려한 경우의 선폭확장값)
것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 장치. - 제5항에 있어서,
수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수 개의 선강도 함수들과 수정된 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초한 포이트 선폭함수를 이용하여 복수개의 에러값들을 산출하는 에러값 산출부;를 더 포함하며,
상기 에러값은, 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 상기 충돌에 의한 선폭확장값에 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 장치. - 제6항에 있어서,
상기 최적 파라미터 결정부는,
상기 복수개의 에러값들 중 가장 낮은 에러값을 가지는 경우에 있어서의 이득 파라미터들, 지수 파라미터들, 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터를 최적 파라미터들로 결정하는 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 장치. - 제6항에 있어서,
상기 파라미터 수정부는,
상기 이득 파라미터, 상기 지수 파라미터, 상기 선폭 이득 파라미터 및 상기 선폭 지수 파라미터를 기설정된 횟수만큼 수정하고,
상기 선폭확장값 계산부는,
수정된 이득 파라미터 및 지수 파라미터에 기초한 복수개의 선강도 함수들과 수정된 선폭 이득 파라미터 및 선폭 지수 파라미터에 기초한 포이트 선폭함수에 기초하여 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값을 기설정된 횟수만큼 재계산하며,
상기 에러값 산출부는,
재계산에 따른 상기 온도 범위에 대한 흡수량 및 충돌에 의한 선폭확장값과 상기 온도 범위에 대한 기설정된 이론 데이터값의 차분들에 대한 제곱합에 기초한 에러값을 기설정된 횟수만큼 재계산하여 상기 복수 개의 에러값들을 산출하는 것을 특징으로 하는 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 측정에 이용되는 토모그래피 기반 최적 파라미터 결정 장치. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080091144A (ko) * | 2005-12-16 | 2008-10-09 | 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 | 배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치 |
| JP2016186464A (ja) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 三菱重工業株式会社 | ガス分析装置、燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、ガス分析方法 |
| KR101672699B1 (ko) | 2014-08-28 | 2016-11-04 | 연세대학교 산학협력단 | 토모그래피 장치 및 그의 기하 보정 방법 |
| KR20160134904A (ko) * | 2015-05-13 | 2016-11-24 | 주식회사 아이스기술 | 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템 |
| KR101839704B1 (ko) * | 2016-10-17 | 2018-03-19 | 한국해양대학교 산학협력단 | 레이저 빔의 특정파장 자동 피팅법 및 토모그래피 기술 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 계측 방법 및 시스템 |
| KR101885991B1 (ko) | 2017-02-23 | 2018-08-07 | 광주과학기술원 | 실시간 해양환경 모니터링을 위한 음향 토모그래피 시스템 및 그 방법 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080091144A (ko) * | 2005-12-16 | 2008-10-09 | 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 | 배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치 |
| KR101672699B1 (ko) | 2014-08-28 | 2016-11-04 | 연세대학교 산학협력단 | 토모그래피 장치 및 그의 기하 보정 방법 |
| JP2016186464A (ja) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 三菱重工業株式会社 | ガス分析装置、燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、ガス分析方法 |
| KR20160134904A (ko) * | 2015-05-13 | 2016-11-24 | 주식회사 아이스기술 | 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템 |
| KR101839704B1 (ko) * | 2016-10-17 | 2018-03-19 | 한국해양대학교 산학협력단 | 레이저 빔의 특정파장 자동 피팅법 및 토모그래피 기술 기반 가스의 2차원 온도 및 농도 분포 동시 계측 방법 및 시스템 |
| KR101885991B1 (ko) | 2017-02-23 | 2018-08-07 | 광주과학기술원 | 실시간 해양환경 모니터링을 위한 음향 토모그래피 시스템 및 그 방법 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102492772B1 (ko) * | 2021-09-13 | 2023-01-27 | 연세대학교 산학협력단 | 미세입자 분포 추정 장치 및 방법 |
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