KR20060038526A - 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치 - Google Patents

미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은, 화력 발전소에서 배출되는 미연 탄소분의 실시간 측정시 발생할 수 있는 간섭 오차를 초단파 펄스를 이용하여 방지하고, 정확도를 높여 보일러 성능 및 효율 관리의 기본 이용 툴로 활용케 할 수 있으며, 안테나의 사용 크기가 줄어듦에 따라 비교적 설치 및 유지 보수가 쉽도록 하는, 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치에 관한 것으로서,
RF 신호를 발생시키기 위한 오실레이터와, 상기한 오실레이터에서 발생한 RF 신호를 펄스 형태로 변조하여 초단파 펄스를 발생시켜서 송신기 안테나를 통하여 방사시키는 모듈레이터와, 수신안테나로 들어오는 신호중에서 반사되어 들어온 전자파 신호는 윈도우잉처리를 통하여 제거함으로써 수신안테나로 직진하여 들어온 전자파 신호만을 통과시키는 다중경로 제거부를 포함하여 이루어진다.
미연 탄소분, 다중경로, 수신안테나, 오실레이터, 모듈레이터

Description

미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치{Microwave instrument for measuring carbon in ash}
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 모듈레이터의 구성도이다.
도 3은 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 다중경로 제거부의 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 오실레이터 2 : 모듈레이터
3 : 다중경로 제거부 10 : 초단파 발생부
11 : 믹서 31 : 검출기
32 : 아날로그 디지탈 컨버터 33 : 디지탈 신호 처리기
이 발명은 미연 탄소분 측정기기 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말 하자면 화력 발전소에서 배출되는 미연 탄소분의 실시간 측정시 발생할 수 있는 간섭 오차를 초단파 펄스(ultra short pulse)를 이용하여 방지하고, 정확도를 높여 보일러 성능 및 효율 관리의 기본 이용 툴로 활용케 할 수 있으며, 안테나의 사용 크기가 줄어듦에 따라 비교적 설치 및 유지 보수가 쉽도록 하는, 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치에 관한 것이다.
석탄을 연료로 사용하는 화력 발전 보일러에 있어서 불완전 연소되어 배출되는 미연 탄소분의 실시간 측정은 보일러의 효율 및 성능 관리에 있어 매우 중요한 인자이다.
종래의 미연 탄소분의 실시간 측정방법은, 보일러 덕트 내로 흐르는 석탄회에 전자파의 일종인 마이크로파를 송신기를 통하여 조사하고, 이와 같이 석탄회에 조사된 마이크로파의 일부가 석탄회에 포함된 탄소와 만나서 흡수되거나 반사된 후, 수신기로 입력되는 마이크로파의 양을 분석하여 이루어지게 된다.
이와 같이 미연 탄소분을 측정하는 과정에서, 송신기의 송신 안테나에서 수신기의 수신 안테나 방향으로 조사된 전자파는 송신 안테나의 빔 폭만큼 공기중으로 퍼지게 되는데, 이렇게 퍼진 전자파들 중에서 수신 안테나 방향을 통하여 수신 안테나로 직진하여 들어가는 전자파가 존재하는가 하면 수신 안테나 방향과 다른 방향으로 진행하다가 미연 탄소입자와 만나는 경우도 발생한다.
탄소 입자는 전기를 잘 통하게 해주는 도체와 같은 성질이 있어서, 전자파와 만나게 되면 일부 흡수를 하고 대부분 반사를 하게 된다.
이와 같이 반사된 전자파의 경로가 바뀌게 되어서 다시 수신안테나로 들어갈 수가 있는데 이러한 경우를 다중경로 현상이라고 한다.
미연 탄소분 측정기기는 송수신기 안테나 사이에 존재하는 미연 탄소분의 양에 따라서 수신기의 신호세기가 변화하는 원리를 사용하는데, 상기한 다중경로 현상이 나타나게 되면 원래의 신호와 간섭현상이 발생하여 수신신호가 불규칙적으로 나타난다.
따라서 종래의 미연 탄소분의 측정기기는, 송신기에서 조사된 전자파가 미연 탄소분과 만나 수신기로 들어가는 과정에서 다중 경로(multipath)가 발생하게 되고, 이와 같이 다중경로로 들어온 신호가 다른 신호와 간섭현상을 일으켜 탄소량 측정에 오차를 유발시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 제거하기 위해서는 다중경로 영향을 줄여야 하는데, 다중경로 영향을 줄이기 위하여 사용될 수 있는 간단한 방법은 안테나의 빔폭을 상당히 좁게 하는 것이 될 수 있다.
그러나 이렇게 안테나의 빔폭을 줄이기 위해서는 안테나의 크기가 동시에 커지게 된다.
일반적으로 10dB 테이퍼링(tapering)된 파라볼라 안테나의 경우는 다음과 같은 안테나 공식이 쓰인다.
G ≒ 6 (4πA) / λ2 ≒ 6 (D / λ)2
W ≒ 60°(λ/D)
여기에서 G는 이득이며, D는 직경이며, λ는 파장이며, W는 빔폭이다.
상기한 수식에 의하면, 파라볼라 안테나의 직경(D)이 1m이고, 주파수가 10GHz이면 파장(λ)이 0.03m가 되어서, 안테나의 이득(G)은 38dB가 되고, 빔폭(W)은 1.8°가 된다. 따라서, 빔폭(W)을 1°로 줄이기 위해서는 약 2m의 직경(D)인 안테나를 필요로 하게 된다.
이렇게 안테나가 커지게 되면 안테나를 구동시켜주는 페데스탈(pedestal)의 기구부도 동시에 커지게 되어, 비용(cost)가 증가는 물론, 미연 탄소량 측정장치의 덕트 외벽 설치 자체가 문제가 된다.
안테나의 크기를 크게 하지 않고서 좁은 빔폭을 얻기 위해서 주파수를 증가시키는 방법이 있으나, 이와 같이 주파수를 더 올리게 되면 작은 안테나 크기로 좁은 빔폭을 얻을 수는 있지만, 이 역시도 RF 소자들이 고주파 대역으로 올라가면서 가격이 고가가 되는 단점이 있다.
한편, 미국특허 930,399에서는 마이크로파를 이용한 미연 탄소분의 세미실시간(semi-real time ) 분석 방식에 대해 기술하고 있다.
상기한 미국특허 930,399에서 개시되어 있는 기술은 마이크로파의 감쇠와 위상 변화를 이용하여 미연 탄소분의 양을 측정하는 기술로서, 덕트내로 흐르는 석탄 회에 직접 마이크로파를 조사하는 방식이 아닌, 일정량의 석탄 회의 포집 후, 이곳에 마이크로파를 조사하는 방식을 채택하고 있다.
상기한 미국특허 930,399에서 개시되어 있는 기술을 적용할 경우에는, 직접 석탄 회의 흐름에 전자파를 조사하는 방식이 아니기 때문에 다중경로(multipath)로 인한 간섭 오차는 일어나지 않지만, 실시간으로 미연 탄소량을 측정할 수 없으며, 이와 더불어 석탄 회의 포집과 분석 후 이의 덕트로의 재 주입을 위한 기계적 장치가 설치되어야 하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화력 발전소에서 배출되는 미연 탄소분의 실시간 측정시 발생할 수 있는 간섭 오차를 초단파 펄스(ultra short pulse)를 이용하여 방지하고, 정확도를 높여 보일러 성능 및 효율 관리의 기본 이용 툴로 활용케 할 수 있으며, 안테나의 사용 크기가 줄어듦에 따라 비교적 설치 및 유지 보수가 쉽도록 하는, 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, RF 신호를 발생시키기 위한 오실레이터와, 오실레이터에서 발생한 RF 신호를 펄스(pulse) 형태로 변조하여 초단파 펄스(ultra short pulse)를 발생시켜서 송신기 안테나를 통하여 방사시키는 모듈레이터와, 수신안테나로 들어오는 신호중에서 반사되어 들어온 전자파 신호는 윈도우잉처리를 통하여 제거함으로써 수신안테나로 직진하여 들어온 전자파 신호만을 통과시키는 다중경로 제거부를 포함하여 이루어진다.
또한, 이 발명의 구성은, 상기한 다중경로 제거부는, 펄스형태로 이루어진 고주파 신호인 전자파 신호의 포락선(envelope)만을 추출해 내서 비디오(video) 신호대역의 아날로그 신호로 전환하는 검출기(detector)와, 이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 아날로그 디지탈 컨버터(AD converter)와, 이렇게 디 지털로 변환된 신호에 윈도우(window)를 씌워 주는 디지탈 신호 처리기(DSP)를 포함하여 이루어진다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 구성은, RF 신호를 발생시키기 위한 오실레이터(1)와, 오실레이터(1)에서 발생한 RF 신호를 펄스 형태로 변조하여 초단파 펄스를 발생시켜서 송신기 안테나를 통하여 방사시키는 모듈레이터(2)와, 수신안테나로 들어오는 신호중에서 반사되어 들어온 전자파 신호는 윈도우잉처리를 통하여 제거함으로써 수신안테나로 직진하여 들어온 전자파 신호만을 통과시키는 다 중경로 제거부(3)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 모듈레이터의 구성도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 모듈레이터(2)는, 초단파 펄스(Ultra short pulse)를 발생시키는 초단파 발생부(10)와, 오실레이터(1)의 RF 신호를 초단파 펄스로서 믹싱하기 위한 믹서(11)로 구성되어 있으며, 초단파 발생부(10)와 믹서(11)를 이용하여 오실레이터(1)에서 발생한 RF 신호를 펄스(pulse) 형태로 변조하여 출력한다.
도 3은 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 다중경로 제거부의 구성도이다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 다중경로 제거부(3)는, 펄스형태로 이루어진 고주파 신호인 전자파 신호((가'), (나')의 포락선만을 추출해 내서 비디오 신호대역의 아날로그 신호로 전환하는 검출기(31)와, 이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 아날로그 디지탈 컨버터(32)와, 이렇게 디지털로 변환된 신호에 윈도우를 씌워 주는 디지탈 신호 처리기(33)를 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치의 작용은 다음과 같다.
이 발명은 석탄을 이용하는 화력 발전 보일러에서 배출되는 미연 탄소량을 실시간으로 측정하기 위한 시스템의 송수신기에 관련된 기술로서, 전자파를 이용한 측정기법을 사용한다. 그리고, 화력 발전 보일러에서 배출되는 미연 탄소량을 보다 정확하게 측정하기 위해 송신기에서 조사되는 전자파의 간섭 현상을 제거하는 기술을 사용한다.
이 발명의 구성에 있어서, 오실레이터(1)는 RF 신호를 발생시키는 역할을 하며, 모듈레이터(2)는 초단파 펄스(ultra short pulse)를 발생시켜서 송신기 안테나를 통하여 방사시키는 역할을 한다. 즉, RF 송수신기의 변조 오실레이터(1)에서 발생한 CW(continuos wave) 고주파 신호를 극히 짧은 펄스와 혼합하여 초단파 펄스(ultra short pulse)의 전자파를 안테나로 방출시킨다.
(가)는 송신기 안테나에서 방사된 전자파가 수신기로 직진한 경우를 나타내며 (나)는 공기 중으로 방사된 전자파가 미연 탄소와 만나서 수신안테나로 반사되어 들어간 경우를 나타내는데, (가')은 수신안테나로 직진하여 들어온 전자파 신호를 표현한 것이고 (나')는 반사되어 들어온 전자파 신호를 나타낸 것이다.
다중경로 제거부(3)는 수신안테나로 반사되어 들어온 전자파 신호(가')를 제거하고 수신안테나로 직진하여 들어온 신호(나')만 통과시킨다. 즉, 송신기에서 상당히 짧은 펄스를 사용하여 조사하고 수신기에서는 처음 도착한 펄스 신호 이외에는 윈도우(window)를 씌워서 제거하여 간섭 효과를 방지하는 것이다.
τ = l/c
fs > 1/τ
여기에서, τ은 펄스폭이고, l은 다중경로 길이이고, c는 광속도이고, fs 는 샘플율(sapling rate)이다.
위의 수식을 이용하면, 다중경로 길이(l)가 1m라면 이러한 반사파를 제거하기 위해서 펄스폭(τ)은 3.3nsec가 되는 것을 사용하고 아날로그 디지탈 컨버터(33)의 샘플율(fs)은 300MHz 이상을 채택하면 된다.
아날로그 디지탈 컨버터(32)에서 디지털로 변환된 신호는 일정 크기의 문턱값(threshold) 이상의 값이 되면 디지탈신호처리기(33)에 의하여 윈도우(window) 처리에 들어간다. 이때 윈도우(window) 형태는 간단히 사각형 윈도우(rectangular window)를 사용한다.
디지탈신호처리기(33)는 송신기에서 펄스가 발생된 이후 수신기의 신호 처리단에서 두 번째 문턱값을 넘는 신호는 다중경로(multipath)에 의한 영향으로 간주하고 이를 무시한다. 그리고, 첫 번째 문턱값(threshold)을 넘은 신호는 반사된 신호가 아닌 것으로 간주하고 그 크기를 메모리에 저장하여 이후 데이터 처리단에서 미연분의 함량을 계산할 때 사용한다.
즉, 디지탈신호처리기(33)는 수신기로 들어온 초단파 펄스(ultra short pulse)를 고속으로 샘플링하여 처음 들어온 펄스(pulse)에 윈도우(window)을 씌우게 되는데, 이는 다중경로(multipath)에 대한 구체적인 해결방안 없이 주파수를 높이는 방식으로 작은 빔폭을 구현하여 다중경로(multipath)를 줄이는 방식에 비해, 근본적인 오차 원인의 발생을 제거함과 동시에 비교적 광범위하고 넓은 빔폭의 마이크로파를 사용할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라 이 발명은, 저주파수대의 넓은 빔폭을 갖는 마이크로파를 이용하여 미연 탄소량을 실시간 측정하는 방식에서 발생할 수 있는 다중경로(multipath) 간섭효과를 방지할 수 있어 측정 정밀도를 높일 수가 있다.
또한, 저주파수대의 빔폭을 사용하여 미연 탄소량을 실시간으로 측정할 비교적 작은 안테나를 사용할 수 있어 기기 비용 저감 및 설치의 용이성을 갖도록 하였으며, 궁극적으로 기기의 오차값을 최소한 줄여줄 수 있어 분석의 신뢰성을 제공할 수 있다.
이 발명에 의한 초단파 펄스(Ultra Short Pulse)를 이용한 미연 탄소분 측정기기의 전자파 송수신기는 다음의 특징과 기대 효과를 갖는다.
첫 번째는 마이크로파를 이용한 미연 탄소량의 측정에 있어 다중경로에 의한 간섭효과로 발생하는 오차를 없앴을 수 있다.
두 번째는 비교적 넓은 빔폭의 마이크로파를 이용할 수 있기 때문에 송, 수신부의 안테나 크기를 줄일 수 있다.
세 번째는 미연 탄소량을 측정하기 위한 마이크로파의 사용 주파수대가 비교적 광범위 할 수 있어 기술의 확장성을 가질 수 있다.
이상의 실시예에서 살펴 본 바와 같이 이 발명은, 화력 발전소에서 배출되는 미연 탄소분의 실시간 측정시 발생할 수 있는 간섭 오차를 초단파 펄스(ultra short pulse)를 이용하여 방지하고, 정확도를 높여 보일러 성능 및 효율 관리의 기본 이용 툴로 활용케 할 수 있으며, 안테나의 사용 크기가 줄어듦에 따라 비교적 설치 및 유지 보수가 쉽도록 하는, 효과를 갖는다.

Claims (2)

  1. RF 신호를 발생시키기 위한 오실레이터와,
    상기한 오실레이터에서 발생한 RF 신호를 펄스 형태로 변조하여 초단파 펄스를 발생시켜서 송신기 안테나를 통하여 방사시키는 모듈레이터와,
    수신안테나로 들어오는 신호중에서 반사되어 들어온 전자파 신호는 윈도우잉처리를 통하여 제거함으로써 수신안테나로 직진하여 들어온 전자파 신호만을 통과시키는 다중경로 제거부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 다중경로 제거부는, 펄스형태로 이루어진 고주파 신호인 전자파 신호의 포락선만을 추출해 내서 비디오 신호대역의 아날로그 신호로 전환하는 검출기와,
    이러한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 아날로그 디지탈 컨버터와,
    이렇게 디지털로 변환된 신호에 윈도우를 씌워 주는 디지탈 신호 처리기(DSP)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미연 탄소분 측정기기용 다중경로 제거장치.
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