KR20130079932A - Quantitative plif apparatus for measuring a mixtture distribution - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은 정성적인 PLIF 계측방법에 적용하여 정량화를 달성하는 PLIF 정량화 장치에 관한 것이다.Embodiments of the present invention are directed to a PLIF quantification device that achieves quantification by applying to a qualitative PLIF measurement method.
도 1은 종래 널리 사용되는 정성적 기법에 의한 PLIF 구성도이다. 이 장치로는 촬영한 이미지에 포함된 잡음이나 왜곡을 수정할 수 없고 유동의 대략적 분포만 확인할 수 있다.1 is a diagram illustrating a PLIF configuration using a conventional qualitative technique widely used. The device can't correct noise or distortion in the captured image, only the approximate distribution of the flow.
종래 PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence) 정성적인 계측 방법은 특정 레이저 파장에 반응할 수 있는 시더(seeder)를 기체 혼합물에 넣고 레이저를 조사하여 여기 상태에서 기저상태로 천이되면서 형광신호를 보내며 이때의 형광신호는 ICCD(Intensified CCD카메라)에 기록되며 기록된 각 위치에서의 강도는 혼합기내 시더(seeder)의 농도와 비례하는 것으로 알려져 있으며 이러한 효과를 이용하여 정성적인 방법으로 널리 사용되고 있다.The conventional PLAR (Planar Laser-Induced Fluorescence) qualitative measuring method puts a seeder capable of reacting to a specific laser wavelength in a gas mixture, irradiates a laser, transitions from an excited state to a ground state, and transmits a fluorescent signal. Signals are recorded on ICCDs (Intensified CCD cameras), and the intensity at each recorded position is known to be proportional to the concentration of seeder in the mixer and is widely used in a qualitative manner using this effect.
그러나, 종래 기술에 사용되는 펄스레이저는 그 특성상 강도가 매 펄스마다 불규칙하다. 이러한 편차는 정성적인 이미지의 시간 누적을 통하여 정성적인 농도장의 비교분석은 가능하지만 오차의 누적은 정량화에 오히려 멀어지게 하는 요인이 된다. 또한, 정량화를 위하여 반드시 있어야 할 자료중의 하나는 실제 시더(seeder)의 농도 값이다. 측정되는 관심면은 이미 혼합기체와 시더(seeder)가 희석된 상태일수도 있으며 몰농도 1인 시더(seeder)의 공급부가 레이저 조사면에 나타날 수도 있겠으나 이때의 레이저 강도가 계속 변화하기 때문에 오차를 가지고 있는 상태의 이미지가 기록된다. PLIF 형광신호는 매우 약하며(이 신호를 증폭하기 위해 ICCD사용) 일반적으로 이미지의 누적 평균이 불가피하다. 따라서 각각의 이미지를 정량화(Normalize)시키는 일련의 작업이 필요하다.However, the pulse laser used in the prior art has an irregular intensity in every pulse due to its characteristics. Such deviation is possible to analyze qualitative concentration field through time accumulation of qualitative image, but accumulation of error is far from quantification. In addition, one of the essential data for quantification is the actual seeder concentration value. The measured surface of interest may already be a mixture of gas and seeder dilution, and the supply of seeder with a molar concentration of 1 may appear on the laser irradiation surface. The image of the state you have is recorded. The PLIF fluorescence signal is very weak (using ICCD to amplify this signal) and usually the cumulative average of the images is inevitable. Therefore, a series of tasks are needed to normalize each image.
본 발명의 일실시예는 이미지센서에 관심영역과 함께 여러 오차 원인이 될 수 있는 인자들을 동시에 기록함으로써 시간 및 공간적인 오차를 크게 줄일 수 있는 PLIF 정량화 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a PLIF quantification device that can significantly reduce time and spatial errors by simultaneously recording the factors that may cause various errors together with the region of interest in the image sensor.
상기의 일실시예를 이루기 위한, PLIF 정량화 장치는, 농도를 구하고자 하는 대상이 되는 유동장; 기준 농도 백퍼센트의 기체를 분기한 유로; 및 레이저를 상기 유동장과 상기 유로에 출력하여 이미지를 촬영해서 획득된 이미지를 처리하여 상기 유동장의 농도를 계산하는 촬영기를 포함한다.PLIF quantification apparatus for achieving the above embodiment, the flow field to be the target to obtain the concentration; Flow path branching gas at a reference concentration of one hundred percent; And an imager for outputting a laser to the flow field and the flow path to process an image obtained by photographing an image and calculating a concentration of the flow field.
본 발명의 일실시예에 따르면, ICCD에는 레이저 조사에 의해 형광신호를 발산하는 혼합기 내부의 시더(seeder)의 농도뿐만 아니라 동시에 레이저의 입사강도, 레퍼런스 시더(seeder)의 농도가 ICCD에 기록됨으로써 시/공간 오차를 최소화하여 정량화를 달성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ICCD records not only the concentration of the seeder inside the mixer that emits a fluorescence signal by laser irradiation, but also the incident intensity of the laser and the concentration of the reference seeder are recorded on the ICCD. Quantification can be achieved by minimizing the spatial error.
도 1은 종래 널리 사용되는 정성적 기법에 의한 PLIF 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정량화 PLIF 장치로 기존의 PLIF 장치에 레이저 강도의 상대적 변화를 나타낼 수 있는 광케이블과 기준 형광강도 값으로 사용될 농도 100%의 기체를 분기한 유로를 추가한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정량화를 위한 ICCD기록 이미지로 같은 화면 안에 농도를 구하고자 하는 유동장과 기준 농도의 형광 강도, 레이저 빛이 포함되어 있어 이 세 가지 신호에 대하여 한 번에 백그라운드 신호를 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 평면의 강도 프로파일을 나타낸 그림이다. 레이저 평면은 공간적으로 불균일한 강도를 갖기 때문에 이를 보정하기 위한 정보이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정량화 PLIF 순서도이다. 여기에 나타낸 바와 같이 구하고자 유동장, 그 유동장의 백그라운드, 평면 레이저의 프로파일, 레이저 프로파일을 구하기 위한 백그라운드를 각각 따로 촬영해야 정량화에 필요한 모든 정보를 획득할 수 있다.1 is a diagram illustrating a PLIF configuration using a conventional qualitative technique widely used.
2 is an exemplary diagram in which a quantitative PLIF device according to an embodiment of the present invention adds an optical cable capable of indicating a relative change in laser intensity to a conventional PLIF device and a flow path branching gas having a concentration of 100% to be used as a reference fluorescence intensity value; to be.
FIG. 3 is an ICCD recording image for quantification according to an embodiment of the present invention. In the same screen, a background signal is included at a time for these three signals at the same time. Can be removed.
4 is a diagram showing an intensity profile of a laser plane according to an embodiment of the present invention. Since the laser plane has a spatially nonuniform intensity, it is information for correcting this.
5 is a quantified PLIF flowchart according to an embodiment of the present invention. As shown here, the flow field, the background of the flow field, the planar laser profile, and the background for obtaining the laser profile are separately photographed to obtain all the information necessary for quantification.
본 발명은 혼합기내에서 특정 기체성분의 거동이나 농도를 계측하는 일은 연소시스템(내연기관, 외연기관)에서 가장 기본적인 연구 활동에 속하며 레이저 등을 갖춘 실험환경에서 비접촉식 방법을 사용함으로써 현상을 보다 정밀하게 계측할 수 있다.In the present invention, measuring the behavior or concentration of a specific gas component in a mixer is one of the most basic research activities in a combustion system (internal combustion engine or external combustion engine), and more precisely the phenomenon is achieved by using a non-contact method in an experimental environment equipped with a laser. I can measure it.
그러나 종래의 방식은 레이저를 이용하여 정성적인 계측에만 활용이 되었으며 정확한 농도장의 계측(예를 들자면, 연료의 몰분율 또는 당량비 확보를 위한)은 어렵다.However, the conventional method has been utilized only for qualitative measurement using a laser, and accurate measurement of concentration field (for example, for securing molar fraction or equivalent ratio of fuel) is difficult.
본 발명은 이미지센서에 관심영역과 함께 여러 오차 원인이 될 수 있는 인자들을 동시에 기록함으로써 시간 및 공간적인 오차를 크게 줄일 수 있다.The present invention can greatly reduce the temporal and spatial error by simultaneously recording the factors that may cause various errors together with the region of interest in the image sensor.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정량화 PLIF 장치로 기존의 PLIF 장치에 레이저 강도의 상대적 변화를 나타낼 수 있는 광케이블과 기준 형광강도 값으로 사용될 농도 100%의 기체를 분기한 유로를 추가한 예시도이다.2 is an exemplary diagram in which a quantitative PLIF device according to an embodiment of the present invention adds an optical cable capable of indicating a relative change in laser intensity to a conventional PLIF device and a flow path branching a gas having a concentration of 100% to be used as a reference fluorescence intensity value; to be.
유동장은 기체를 포함하는 농도를 구하고자 하는 대상이 되고, 유로는 기준 농도 백퍼센트의 기준기체를 포함한다.The flow field is subject to the concentration containing gas, and the flow path contains a reference gas at a reference concentration of one hundred percent.
촬영기는 레이저를 유동장과 유로에 출력하여 유동장의 기체를 통과하는 것에 관한 제1 이미지와 유로의 기준기체를 통과하는 것에 관한 제2 이미지를 촬영해서 획득된 제1, 제2 이미지를 처리하여 유동장에 포함된 기체의 농도를 계산한다. 촬영기가 촬영한 이미지에 살펴보면 다음과 같다.The camera processes the first and second images obtained by outputting a laser to the flow field and the flow path, and captures a first image about passing through the gas in the flow field and a second image about passing through the reference gas in the flow path. Calculate the concentration of gas involved. Looking at the image taken by the camera is as follows.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정량화를 위한 ICCD기록 이미지로 같은 화면 안에 농도를 구하고자 하는 유동장과 기준 농도의 형광 강도, 레이저 빛이 포함되어 있어 이 세 가지 신호에 대하여 한 번에 백그라운드 신호를 제거할 수 있다.FIG. 3 is an ICCD recording image for quantification according to an embodiment of the present invention, which includes a flow field, a fluorescence intensity of a reference concentration, and a laser light to determine concentrations in the same screen. Can be removed.
빔스플리터와 광파이버는 레이저의 강도를 제1, 제2 이미지로 확인하기 위해 사용되고, 유로는 테프론 튜브이다.The beam splitter and the optical fiber are used to confirm the intensity of the laser in the first and second images, and the flow path is a Teflon tube.
촬영기는 백그라운드 이미지 Ib와 유동장에 대응한 실제 이미지 Iri를 촬영한다.The camera photographs the background image Ib and the actual image Iri corresponding to the flow field.
정규화부는 백그라운드를 제거한 이미지를 레이저 강도 신호로 정규화한다.The normalizer normalizes the image from which the background is removed by the laser intensity signal.
여기서, Iri는 실제 이미지이고, Ib는 백그라운드 이미지이고, Il_i는 각 이미지에 촬영된 레이저 강도를 정규화한 것이다.Here, Iri is a real image, Ib is a background image, and Il_i is a normalization of the laser intensity photographed in each image.
평균부는 촬영된 제1 이미지의 평균을 계산한다.The average part calculates an average of the photographed first images.
여기서, Iri는 실제 이미지이고, Ib는 백그라운드 이미지이고, Il_i는 각 이미지에 촬영된 레이저 강도를 정규화한 것이고, N은 촬영된 이미지 수이다.Here, Iri is a real image, Ib is a background image, Il_i is a normalized laser intensity photographed in each image, and N is the number of images taken.
계산부는 제1 이미지의 평균을 레이저 평면 프로파일로 나누어 상관값을 계산한다.The calculation unit calculates a correlation value by dividing the average of the first image by the laser plane profile.
여기서, Icorr은 상관값이고, Iave는 제1 이미지의 평균이고, L은 레이저 평면 프로파일이다.Where Icorr is the correlation value, Iave is the mean of the first image, and L is the laser plane profile.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 평면의 강도 프로파일을 나타낸 그림이다. 레이저 평면은 공간적으로 불균일한 강도를 갖기 때문에 이를 보정하기 위한 정보이다.4 is a diagram showing an intensity profile of a laser plane according to an embodiment of the present invention. Since the laser plane has a spatially nonuniform intensity, it is information for correcting this.
출력부는 상관값을 레퍼런스 신호강도로 나누어 정량화된 형광 이미지를 출력한다.The output unit outputs the quantified fluorescence image by dividing the correlation value by the reference signal intensity.
여기서, Icorr은 상관값이고, Iref는 레퍼런스 신호강도이고, If는 얻고자 하는 형광 이미지이다.Here, Icorr is a correlation value, Iref is a reference signal strength, and If is a fluorescence image to be obtained.
연산부는 제1 이미지에 관한 유동장의 정량화된 형광 이미지를 기준 농도 백퍼센트의 기체의 정량화된 형광 이미지인 제2 이미지로 나누어 몰분율을 계산한다.The calculating unit calculates the molar fraction by dividing the quantified fluorescence image of the flow field with respect to the first image by the second image, which is a quantified fluorescence image of gas at a reference concentration of 100%.
결국, 형광신호 강도와 형광물질의 분자수의 관계를 이용하여 정리하면, 위 수학식 5에 의하여 구한 If값이 바로 실제 유동장에서의 몰분율임을 알 수 있다. 여기에 실제 사용된 기체분자의 몰중량을 이용하면 질량으로 나타낸 정량화된 농도 역시 구할 수 있다.As a result, if the arrangement is made using the relationship between the fluorescence signal intensity and the number of molecules of the fluorescent material, it can be seen that the If value obtained by Equation 5 is the mole fraction in the actual flow field. Using the molar weight of the gas molecules actually used here, the quantified concentration in mass can also be obtained.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정량화 PLIF 순서도이다. 여기에 나타낸 바와 같이 구하고자 유동장, 그 유동장의 백그라운드, 평면 레이저의 프로파일, 레이저 프로파일을 구하기 위한 백그라운드를 각각 따로 촬영해야 정량화에 필요한 모든 정보를 획득할 수 있다.5 is a quantified PLIF flowchart according to an embodiment of the present invention. As shown here, the flow field, the background of the flow field, the planar laser profile, and the background for obtaining the laser profile are separately photographed to obtain all the information necessary for quantification.
정량화 장치는 유동장의 로우 이미지를 획득하고(501) 유동장의 백그라운드 로우 이미지를 획득하여(502) 평균한(503) 평균 이미지를 획득한다(504).The quantification apparatus acquires a low image of the flow field (501) and obtains a background low image of the flow field (502) and averages (503) an average image (504).
정량화 장치는 유동장의 로우 이미지와 평균 이미지를 차 연산하고(505) 정규화한 후(506) 평균화를 거쳐(507) 평균 이미지를 출력한다(508).The quantization device calculates the difference between the low image and the average image of the flow field (505), normalizes (506) and then averages (507) the output of the average image (508).
정량화 장치는 평면 레이저의 프로파일 로우 이미지를 획득하고(509) 레이저 프로파일의 백그라운드 로우 이미지를 획득하여(510) 평균한(511) 평균 이미지를 획득한다(512).The quantization apparatus acquires a profile low image of the planar laser (509), obtains a background low image of the laser profile (510), and averages (511) an average image (512).
정량화 장치는 평면 레이저의 프로파일 로우 이미지와 평균 이미지를 차 연산하고(513) 평균화를 거쳐(514) 평균 이미지를 출력한다(515).The quantization apparatus calculates a difference between the profile low image and the average image of the planar laser (513) and averages (514) the output of the average image (515).
정량화 장치는 유동장의 평균 이미지와 평면 레이저의 평균 이미지에 기반하여 상관값을 계산하고(516) 정량화 이미지를 출력한다(517).The quantization apparatus calculates a correlation value based on the average image of the flow field and the average image of the planar laser (516) and outputs the quantized image (517).
정량화 장치는 정량화 이미지와 기준 신호(518)에 기반하여 정량화를 수행하고(519) 정량화 이미지를 출력한다(520).The quantization apparatus performs quantization based on the quantized image and the reference signal 518 (519) and outputs the quantized image (520).
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 구성들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from these descriptions. It is therefore to be understood that within the scope of the appended claims, the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. .
Claims (7)
농도 백퍼센트의 기준기체를 포함하는 유로; 및
상기 유동장으로 출력된 레이저가 상기 기체를 통과하는 것에 관한 제1 이미지를 생성하고, 상기 유로로 출력한 레이저가 상기 기준기체를 통과하는 것에 관한 제2 이미지를 생성하며, 상기 제1, 2 이미지를 처리하여 상기 기체의 농도를 계산하는 촬영기
를 포함하는 PLIF 정량화 장치.A flow field containing gas;
A flow path containing a reference gas at a concentration of one hundred percent; And
Generate a first image of the laser output to the flow field passing through the gas, a second image of the laser output to the flow path passing through the reference gas, and generate the first and second images Camera to process and calculate the concentration of the gas
PLIF quantification apparatus comprising a.
상기 촬영기는,
상기 제1 이미지를, 상기 제2 이미지로 나누어, 상기 기체의 농도로서 몰분율을 계산하는 연산부
를 포함하는 PLIF 정량화 장치.The method of claim 1,
The camera,
A calculating unit for dividing the first image into the second image and calculating a mole fraction as the concentration of the gas
PLIF quantification apparatus comprising a.
상기 촬영기는,
상기 제1 이미지의 평균을 계산하는 평균부;
상기 제1 이미지의 평균을 레이저 평면 프로파일로 나누어 상관값을 계산하는 계산부; 및
상기 상관값을 레퍼런스 신호강도로 나누어 정량화된 형광 이미지를 출력하는 출력부
를 포함하는 PLIF 정량화 장치.The method of claim 2,
The camera,
An average unit for calculating an average of the first image;
A calculator configured to calculate a correlation value by dividing the average of the first image by a laser plane profile; And
Output unit for outputting a quantified fluorescence image by dividing the correlation value by the reference signal intensity
PLIF quantification apparatus comprising a.
상기 연산부는,
상기 제1 이미지에 관해 상기 출력된 형광 이미지를, 상기 기준 기체의 정량화된 형광 이미지인 상기 제2 이미지로 나누어 상기 몰분율을 계산하는, PLIF 정량화 장치.The method of claim 3,
The operation unit,
And calculating the mole fraction by dividing the output fluorescence image with respect to the first image by the second image which is a quantified fluorescence image of the reference gas.
상기 레이저의 강도를 상기 제1, 2 이미지로 확인하기 위해 사용되는 빔스플리터와 광파이버
를 더 포함하는 PLIF 정량화 장치.The method of claim 1,
Beam splitter and optical fiber used to check the intensity of the laser in the first and second images
PLIF quantification device further comprising.
상기 유로는,
테프론 튜브인 PLIF 정량화 장치.The method of claim 1,
The flow path includes:
PLIF quantification device, which is a Teflon tube.
상기 촬영기는,
상기 이미지에 촬영된 레이저 강도 신호를 정규화하는 정규화부
를 포함하는 PLIF 정량화 장치.The method of claim 1,
The camera,
Normalization unit for normalizing the laser intensity signal photographed in the image
PLIF quantification apparatus comprising a.
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