KR102388374B1 - 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법은, 화약을 폭발시켜 충격파관 내에 유동장을 구성하는 단계; 상기 폭발에 따른 연소 생성물인 가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 폭발 화염의 종축 방향으로 설치하는 단계; 상기 2차원 광학 측정 장치에 구성된 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물의 파장에 대응하는 스펙트럼을 취득하는 단계; 상기 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 단계; 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 상기 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 단계; 및 상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
아래의 설명은 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템에 관한 것이고, 구체적으로는 충격파관(shock tube) 내에서 발생하는 고온, 고압 환경에서 광학 측정 방식으로 고온 가스의 온도를 측정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
폭발물은 건설, 광산, 토목과 같은 산업 분야뿐만 아니라, 군사 등의 목적으로 많은 분야에서 사용하고 있다. 따라서 다양한 화학물질과 폭파 방식에 따른 어느 정도의 폭발력이 어떻게 작용하는지에 대해 이해하는 것은 매우 중요하다. 특히, 고온, 고압조건에서의 동적 열 현상 계측 및 열 특성 분석에 대한 중요도가 높아지고 있다.
화약 기폭 시 화학물질의 열화학 반응으로 극도로 밝은 빛을 생성하고, 고속으로 팽창을 수반하며, 폭발은 주변공기가 압축되면서 충격파(shock wave)가 발생한다. 특히, 폭발 시 발생하는 고온, 고압 및 짧은 시간 동안 급변하는 환경이 주어지게 됨으로써 동적 열 현상 계측에는 계측 장비의 반응 속도, 안정성, 정확성 등과 같은 요구조건이 따른다. 이를 위해 동적 열 현상 계측에 필요한 요구조건을 모두 수용할 수 있는 폭발 화염 온도 계측 기술이 필요하다.
그러나, 현재의 고온가스의 온도 측정 방식은 측정부 측면에 설치한 1점(pointwise)에 대한 표본 추출 방식이므로 불규칙한 흐름을 보이는 온도 측정에 어렵고, 0.4s 이내에 급변하는 온도 과정을 보이기에 응답성이 떨어지는 한계가 있다.
한국공개특허 10-2013-0087933호는 이러한 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치에 관한 것으로, 수신부의 오염을 저감시키는 구조의 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
구체적으로, 일 실시 예는 충격파관(shock tube) 내에서 발생하는 고온, 고압 환경에서 고온 가스의 온도를 측정하기 위한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 일 실시 예는 다열 TDL(tunable diode laser) 기법을 응용한 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 충격파관(shock tube) 내의 종 방향 온도를 측정함으로써, 폭발 시 발생하는 고온, 고압 및 짧은 시간 동안 급변하는 환경에서도 정확하고 안정성 있게 온도를 측정하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법은, 화약을 폭발시켜 충격파관 내에 유동장을 구성하는 단계; 상기 폭발에 따른 연소 생성물인 가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 폭발 화염의 종축 방향으로 설치하는 단계; 상기 2차원 광학 측정 장치에 구성된 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물의 파장에 대응하는 스펙트럼을 취득하는 단계; 상기 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 단계; 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 상기 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 단계; 및 상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충격파관 내에 고온의 유동장을 구성하는 단계는, 화약을 기폭시켜 유동장이 상기 충격파관을 따라 방출되게 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2차원 광학 측정 장치는, 상기 충격파관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수 개의 TDL을 포함하고, 복수 개의 TDL은 광 송신부 및 광 수신부를 포함할 수 있다.
상기 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법은, 상기 2차원 광학 측정 장치는, 상기 복수 개의 TDL 중 인접한 2개의 TDL 사이에 마련되는 열전대를 더 포함하고, 상기 광 송신부 및 광 수신부 각각은 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저를 포함할 수 있다.
상기 광 송신부는 복수 개로 구비되고, 복수 개의 광 송신부 중 일부의 광 송신부는 제 1 방향으로 레이저 빔을 송신하고, 나머지 광 송신부는 상기 제 1 방향에 교차하는 제 2 방향으로 레이저 빔을 송신할 수 있다.
상기 복수 개의 광 송신부는 격자 구조의 레이저 빔을 형성할 수 있다.
상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계는, 상기 복수 개의 TDL 각각에서 동시에 취득한 상기 광 신호 정보를 층별로 취합하여, 상기 캘리브레이션 시험을 수행한 데이터를 바탕으로 최종 온도 정보를 재구성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물에 대응하는 스펙트럼을 취득하는 단계는, 1395nm 영역의 DFB 다이오드 레이저를 통해 파장을 선택하여 상기 충격파관 내의 온도를 정밀하고 빠른 속도로 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 단계는, 상기 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 실내 조건에서 알 수 있는 온도로 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템은, 화약을 폭발시켜 충격파관 내에 고온의 유동장을 구성하는 유동장 구성부; 상기 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 포함하고, 상기 2차원 광학 측정 장치에 구성된 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물의 파장에 대응하는 스펙트럼을 취득하고, 상기 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 광 신호 정보 취득부; 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 캘리브레이션부; 및 상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 온도 재구성부를 포함할 수 있다.
상기 2차원 광학 측정 장치는, 상기 충격파관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수 개의 TDL을 포함하고, 복수 개의 TDL은 광 송신부 및 광 수신부를 포함할 수 있다.
상기 온도 재구성부는, 상기 2차원 광학 측정 장치의 복수 개의 TDL에서 동시에 취득한 상기 광 신호 정보를 취합하여, 상기 캘리브레이션 시험을 수행한 데이터를 바탕으로 최종 온도 정보를 재구성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템은, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정을 위한 2차원 광학 측정 장치이며, 각각 광 송신부 및 광 수신부를 포함하고, 상기 충격파관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수 개의 TDL(Tunable Diode Laser); 및 상기 복수 개의 TDL 중 인접한 2개의 TDL 사이에 마련되는 열전대를 포함할 수 있다.
상기 광 송신부 및 광 수신부 각각은 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저를 포함할 수 있다.
상기 광 송신부는 복수 개로 구비되고, 복수 개의 광 송신부 중 일부의 광 송신부는 제 1 방향으로 레이저 빔을 송신하고, 나머지 광 송신부는 상기 제 1 방향에 교차하는 제 2 방향으로 레이저 빔을 송신할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템에 따르면, 다열 TDL(tunable diode laser) 기법을 응용한 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 충격파관(shock tube) 내의 종 방향 온도를 측정함으로써, 폭발 시 발생하는 고온, 고압 및 짧은 시간 동안 급변하는 환경에서도 정확하고 안정성 있게 온도를 측정할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법 및 시스템에 따르면, 폭발 시 발생하는 고온, 고압 및 짧은 시간 동안 급변하는 환경에서 계측 장비의 반응 속도, 안정성, 정확성 등과 같은 요구조건을 만족시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 2차원 광학 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 폭발 시간에 따른 TDL 신호의 DC 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 캘리브레이션 수행 후 온도로 재구성한 각 층별 결과를 나타내는 도면이다.
도 1은 일 실시예에 따른 2차원 광학 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 폭발 시간에 따른 TDL 신호의 DC 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 캘리브레이션 수행 후 온도로 재구성한 각 층별 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
아래의 실시예들은 충격파관(Shock tube) 내에서 발생하는 고온, 고압 환경에서 고온 가스의 온도를 측정하기 위한 기술을 제공한다. 특히, 연료의 연소 시 발생하는 H2O 파장에 대응하는 1395nm 영역의 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저를 이용하여 0.4s 내의 시간 동안 4bar 이상의 급격한 고압변화가 주어지는 환경에서 온도를 취득하는 것에 초점이 맞추어져 있다. 여기서, 파장에 대응한다는 것은, 파장에 민감하다는 것을 의미한다. 또한, 광 신호의 분석 시 다열 신호의 세기의 동일화를 위하여 일반화를 통한 정규화(normalizing)를 수행하고, 다열의 TDL 결과를 종합하여 종축 방향 중 한 층의 온도를 재구성할 수 있다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관(shock tube) 내 고온 측정 방법 및 시스템을 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 2차원 광학 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정을 위한 2차원 광학 측정 장치는 광 송신부(111) 및 광 수신부(112), TDL(Tunable Diode Laser)(110, 120 및 130) 및 광학 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 2차원 광학 측정 장치는 각각 다이오드 레이저를 포함하는 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)와, 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)가 적어도 하나 이상 구성되어 하나의 열을 형성하는 TDL(110, 120 및 130), 그리고 TDL(110, 120 및 130)이 복수 개의 층으로 구성되는 광학 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. 이에 따라 화약을 폭발시켜 충격파관(shock tube)(10) 내에 고온의 유동장을 구성한 후, 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스(G)의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 폭발 화염의 종축 방향으로 설치하여, 2차원 공간의 광 신호 정보를 취득할 수 있다.
광 송신부 및 광 수신부(111, 112)는 다이오드 레이저를 포함하는 광 송신부 및 다이오드 레이저를 포함하는 광 수신부로 구성될 수 있다. 특히, 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)는 DFB 다이오드 레이저를 포함하는 광 송신부 및 DFB 다이오드 레이저를 포함하는 광 수신부로 구성될 수 있다.
TDL(110, 120 및 130)은 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)가 적어도 하나 이상 구성되어 하나의 열을 형성함에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)가 8열로 이루어진 TDL(110, 120 및 130)이 구성될 수 있다.
그리고, 광학 측정부는 TDL(110, 120 및 130)이 복수 개의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 광 송신부 및 광 수신부(111, 112)가 8열로 이루어진 TDL(110, 120 및 130)이 총 3개의 층으로 구성될 수 있다. 이 때, 하나의 TDL(110, 120 및 130) 층마다 x축으로 4열, y축으로 4열인 격자 구조로 형성하여 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 측정할 수 있다.
여기서, 2차원 광학 측정 장치는 TDL(110, 120 및 130)의 복수 개의 층의 사이 공간에 구성되는 열전대(Thermocouple)(140)를 더 포함할 수 있다. 열전대(140)는 기존에 온도 측정에 사용되는 장치로, 충격파관(shock tube)(10) 내의 종 방향의 온도 데이터의 비교를 위해 구성될 수 있다. 따라서 광학 측정부를 통해 측정된 온도 데이터와 열전대(140)를 통해 측정된 온도 데이터를 비교할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3층으로 구성된 2차원 광학 측정 장치의 경우를 예를 들어 설명할 수 있다.
폭발 화염의 종축 방향으로 2차원 광학 측정 장치를 설치하여 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스(G)가 내부로 유동됨에 따라 광학 측정부를 통해 고온가스(G)의 온도를 측정할 수 있다. 여기서, 2차원 광학 측정 장치는 제1 TDL(110), 제2 TDL(120) 및 제3 TDL(130)을 포함할 수 있고, 각각의 제1 TDL(210), 제2 TDL(120) 및 제3 TDL(130)은 적어도 하나 이상의 광 송신부(111) 및 광 수신부(112)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 TDL(110) 및 제2 TDL(120)의 사이 공간에 제1 열전대(141)가 구성되고, 제2 TDL(120) 및 제3 TDL(130)의 사이 공간에 제2 열전대(142)가 구성될 수 있다. 여기서, 제1 열전대(141) 및 제2 열전대(142)는 각각 적어도 하나 이상의 열전대로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 충격파관(shock tube)(10)에 각 층별로 8열의 TDL(110, 120 및 130)을 3층으로 구성하고, 각 층 중간 지점에 열전대(140)를 각각 장착할 수 있다. 한 층에 설치된 TDL(110, 120 및 130)에는 x축 방향으로 4열의 레이저 빔, y축 방향으로 4열의 레이저 빔을 이용하여 격자 구조를 형성할 수 있다. 광 신호를 구성을 하기 위해 DFB 다이오드 레이저(1395nm)를 사용하고, 다열 레이저 빔의 구성을 위해 광 분배기를 활용하여 총 24 패스의 레이저 광원을 확보할 수 있다. 또한, 광 수신을 위해 레이저가 송신되는 반대 방향으로 24 패스의 광 검출기를 설치하여 광 신호를 수신하며, 한 대의 레이저 빔의 배분으로 인해 약해진 신호를 증폭기를 활용하여 증폭 후 데이터 수집기로 신호를 수집할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템에 의해 수행되는 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법은, 화약을 폭발시켜 충격파관(shock tube) 내에 고온의 유동장을 구성하는 단계(S110), 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 폭발 화염의 종축 방향으로 설치하는 단계(S120), 2차원 광학 측정 장치에 구성된 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물인 H2O 파장에 민감한 스펙트럼을 취득하는 단계(S130), 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 단계(S140), 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 단계(S150), 및 충격파관(shock tube) 내에 설치된 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계(S160)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 실시예들은 광학 측정 방식에 의거한 충격파관(shock tube) 내 고온 측정방법 및 시스템을 다룬다. 특히, 폭발 시 발생하는 고온, 고압 및 짧은 시간 동안 급변하는 환경이 주어지게 됨으로써 동적 열 현상 계측에는 계측 장비의 반응 속도, 안정성, 정확성 등과 같은 요구조건이 따른다. 충격파관(shock tube) 내의 종 방향 온도 데이터 비교를 위해 기존 온도 측정에 사용되는 열전대(Thermocouple)를 배치하며, 다열 TDL(tunable diode laser) 기법을 응용한 광학 측정 장치를 배치하여 측정 비교할 수 있다. 2차원 배열의 광 송신부와 광 수신부는 총 8열로 3개의 층으로 구성하여 충격파관(shock tube) 내 종 방향 가스온도 측정을 구현할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법의 각 단계에 대해 설명한다.
일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법은 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템을 예를 들어 보다 구체적으로 설명할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템(300)은 유동장 구성부(310), 광 신호 정보 취득부(320), 캘리브레이션부(330) 및 온도 재구성부(340)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(S110)에서, 유동장 구성부(310)는 화약을 폭발시켜 충격파관(shock tube) 내에 고온의 유동장을 구성할 수 있다.
단계(S120)에서, 광 신호 정보 취득부(320)는 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 포함할 수 있다. 2차원 광학 측정 장치는 폭발 화염의 종축 방향으로 설치될 수 있다. 보다 구체적으로, 광 신호 정보 취득부(320)는 충격파관(shock tube)의 시험 섹션(test section)에서 안전거리를 두고 화약을 기폭시켜 고온, 고압의 유동장이 충격파관(shock tube)의 내부 관을 따라 방출되게 할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 2차원 광학 측정 장치는 각각 다이오드 레이저를 포함하는 광 송신부 및 광 수신, 광 송신부 및 광 수신부가 적어도 하나 이상 구성되어 하나의 열을 형성하는 TDL(Tunable Diode Laser), 및 TDL이 복수 개의 층으로 구성되는 광학 측정부를 포함할 수 있다. 여기서 광 송신부 및 광 수신부는 DFB 다이오드 레이저를 포함하는 광 송신부 및 DFB 다이오드 레이저를 포함하는 광 수신부로 구성될 수 있다.
또한, 2차원 광학 측정 장치는 TDL의 복수 개의 층의 사이 공간에 구성되는 열전대(Thermocouple)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 2차원 광학 측정 장치는 광 송신부 및 광 수신부가 8열로 이루어진 TDL이 총 3개의 층으로 구성되며, 하나의 TDL 층마다 x축으로 4열, y축으로 4열인 격자 구조로 형성하여 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시에 측정할 수 있다.
이 후, 단계(S130)에서, 광 신호 정보 취득부(320)는 2차원 광학 측정 장치에 구성된 다이오드 레이저를 이용하여 연소 생성물인 H2O 파장에 민감한 스펙트럼을 취득할 수 있다. 이 때 1395nm 영역의 DFB 다이오드 레이저를 이용하여 반응도가 가장 높은 파장을 선택하여 충격파관(shock tube) 내의 온도를 정밀하고 빠른 속도로 측정할 수 있다.
그리고, 단계(S140)에서, 광 신호 정보 취득부는 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득할 수 있다.
단계(S150)에서, 캘리브레이션부(330)는 실내 조건을 활용한 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정할 수 있다. 보다 구체적으로 캘리브레이션부(330)는 캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 실내 조건에서 알 수 있는 온도로 보정할 수 있다.
단계(S160)에서, 온도 재구성부(340)는 충격파관(shock tube) 내에 설치된 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성할 수 있다. 보다 구체적으로, 온도 재구성부(340)는 2차원 광학 측정 장치의 TDL(Tunable Diode Laser)의 각 층에서 동시에 취득한 광 신호 정보를 층별로 취합하여, 캘리브레이션 시험을 수행한 데이터를 바탕으로 최종 온도 정보를 재구성할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 폭발 시간에 따른 TDL 신호의 DC 변화를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템으로부터 폭발 시간에 따른 TDL 신호의 DC[V]의 변화를 나타낸다. 여기서, 제1 TDL(110), 제2 TDL(120) 및 제3 TDL(130)의 각 신호의 DC[V]의 변화를 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 캘리브레이션 수행 후 온도로 재구성한 각 층별 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 3의 결과로부터 실내 조건(room condition)에서의 구할 수 있는 DC를 기준의 캘리브레이션(calibration)을 수행한 후 온도로 재구성한 각 층별 결과를 나타낸다. 여기서, 제1 TDL(110), 제2 TDL(120) 및 제3 TDL(130)의 각 신호의 온도로 재구성한 결과를 나타낸다.
이상과 같이, 실시예들에 따르면 충격파관(shock tube) 내에서 발생하는 고온, 고압 환경에서 고온 가스의 온도를 측정하기 위해 광학 측정 방식을 활용할 수 있다. 특히, 연료의 연소 시 발생하는 H2O 파장에 민감한 1395nm 영역의 DFB 다이오드 레이저를 이용하여 0.4s 내의 시간 동안 4bar 이상의 급격한 고압변화가 주어지는 환경에서 온도를 취득할 수 있다. 또한, 광 신호 분석 시 다열 신호의 세기의 동일화를 위하여 일반화를 통한 정규화(normalizing)를 수행할 수 있다. 다열의 TDL 결과를 종합하여 종축 방향 중 한 층의 온도를 재구성할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 화약을 폭발시켜 충격파관 내에 유동장을 구성하는 단계;
상기 폭발에 따른 연소 생성물인 가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 폭발 화염의 종축 방향으로 설치하는 단계;
상기 충격파관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수 개의 TDL을 포함하는 상기 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 단계 -상기 복수 개의 TDL은 광 송신부 및 광 수신부를 포함함-;
캘리브레이션 시험을 통해 상기 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 단계; 및
상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계 -상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 단계는, 상기 복수 개의 TDL 각각에서 동시에 취득한 상기 광 신호 정보를 층별로 취합하여, 상기 캘리브레이션 시험을 수행한 데이터를 바탕으로 최종 온도 정보를 재구성하는 단계를 포함함-;
를 포함하고,
상기 2차원 광학 측정 장치는, 상기 복수 개의 TDL 중 인접한 2개의 TDL 사이에 마련되는 열전대를 더 포함하고,
상기 광 송신부 및 광 수신부 각각은 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저를 포함하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 충격파관 내에 고온의 유동장을 구성하는 단계는, 화약을 기폭시켜 유동장이 상기 충격파관을 따라 방출되게 하는 단계를 포함하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 송신부는 복수 개로 구비되고,
복수 개의 광 송신부 중 일부의 광 송신부는 제 1 방향으로 레이저 빔을 송신하고, 나머지 광 송신부는 상기 제 1 방향에 교차하는 제 2 방향으로 레이저 빔을 송신하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 복수 개의 광 송신부는 격자 구조의 레이저 빔을 형성하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 방법.
- 화약을 폭발시켜 충격파관 내에 고온의 유동장을 구성하는 유동장 구성부;
상기 폭발에 따른 연소 생성물인 고온가스의 온도를 측정하기 위한 2차원 광학 측정 장치를 포함하고, 상기 2차원 광학 측정 장치를 이용하여 TDL(Tunable Diode Laser) 기법 및 다열 배치를 통해 2차원 공간의 광 신호 정보를 동시 취득하는 광 신호 정보 취득부;
캘리브레이션 시험을 통해 광 신호 정보로부터 알 수 있는 DC 레벨을 온도 정보로 보정하는 캘리브레이션부; 및
상기 충격파관 내에 설치된 상기 2차원 광학 측정 장치로부터 취득한 상기 광 신호 정보를 최종 온도 정보로 재구성하는 온도 재구성부를 포함하고,
상기 2차원 광학 측정 장치는, 상기 충격파관의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 복수 개의 TDL을 포함하고,
복수 개의 TDL은 광 송신부 및 광 수신부를 포함하고,
상기 온도 재구성부는, 상기 2차원 광학 측정 장치의 복수 개의 TDL에서 동시에 취득한 상기 광 신호 정보를 취합하여, 상기 캘리브레이션 시험을 수행한 데이터를 바탕으로 최종 온도 정보를 재구성하고,
상기 2차원 광학 측정 장치는, 복수 개의 TDL 중 인접한 2개의 TDL 사이에 마련되는 열전대를 더 포함하고,
상기 광 송신부 및 광 수신부 각각은 DFB(distributed feedback) 다이오드 레이저를 포함하는, 광학 측정 방식에 의한 충격파관 내 고온 측정 시스템. - 삭제
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