KR20160134904A - 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템 - Google Patents

자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예는 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 벡터값을 기준으로 인식 후 이러한 인식 결과를 토대로 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 자동 정렬시킬 수 있는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템은, 방출하는 레이저가 연소실의 내부를 관통하도록 설치되는 레이저 방출부와, 상기 레이저 방출부의 방출된 레이저가 투과되어 해당 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향 판단을 위한 영상을 획득하는 레이저 진행 이미지 촬상부와, 상기 레이저 방출부에서 방출된 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향을 상기 레이저 진행 이미지 촬상부를 통해 획득되는 영상을 토대로 분석하고 그 분석 결과에 따라 상기 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 정렬시키는 레이저 정렬부를 포함할 수 있다.

Description

자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템{Combustion gas measurement system with automatic alignment function for beam}
본 발명의 실시 예는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에 관한 것으로서, 예컨대, 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 벡터값을 기준으로 인식 후 이러한 인식 결과를 토대로 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 자동 정렬시킬 수 있는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에 관한 것이다.
미국에서 생산되는 전기의 많은 부분은 석탄 연소 발전소에서 생산된다. 세계적으로도 비슷하게 전기 생산의 많은 부분을 주요 에너지원인 석탄에 의존하고 있다. 핵발전에 의해 생기는 폐기물과 관련된 장기간의 환경문제와 태양열 발전과 관련된 비효율을 고려하면, 가까운 장래에는 석탄이 주요 에너지원으로서의 지위를 유지할 것 같다. 또한, 막대한 세계적인 석탄 매장량은 현재와 같은 비율로 사용하여도 최소한 200년 동안 에너지를 생산하기에 충분하다.
그러나, 석탄 화력 발전에 관련된 오염물질의 방출을 감소시키고 석탄 화력 발전 프로세스의 전체적인 효율을 올리라는 강한 요구가 있어 왔으며, 앞으로도 계속될 것이다. 전통적으로, 발전소와 다른 산업 연소 시설에 있어서, 연소 프로세스의 효율과 오염물질방출의 정도는 채취한 가스 샘플을 비분산적외선(NDIR) 광도측정법(photometry)과 같은 기술로 측정하여 그 농도를 간접적으로 산출하였다. 가스채취시간과 최종분석시간 사이에는 의미 있는 지연이 있을 수 있기 때문에, 샘플 채취시스템은 연소 프로세스의 폐 루프 제어에는 적절하지 않다. 또한, 채취과정은 일반적으로 한 점 측정이 되기 때문에, 그 결과가 매우 변화가 심하며, 동적인 연소실 내의 측정된 물질의 실제 농도를 나타낼 수도 있고 아닐 수도 있다.
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. 파장가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(tunable diode laser absorption spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)은 연소가스의 성분, 온도, 등의 연소 파라미터를 측정하는 매우 유망한 기술이다. 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. 파장가변형 다이오드 레이저가 발명된 이래, 연소 프로세스를 감지하고 제어하기 위한 여러 TDLAS 기술들이 개발되어 왔다.
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.
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.
미국특허 5,813,767은 연소실에서 이루어지는 연소와 오염물질들을 모니터링 하기 위해 유사한 시스템을 기재하고 있다. 이 미국특허는 관측된 흡수특성의 모양의 도플러 넓음(Doppler broadening)을 온도분석을 위한 기초로 사용하는 간접 분광기술을 사용한다.
Teichert, Fernholz, Ebert는 실험실 분석기술로서의 TDLAS를 실제 석탄발전설비의 보일러 화구 내에서 특정 연소 파라미터를 계측할 수 있는 실행가능한 현장 기술로 확장하였다. 그들의 논문, "Simultaneous in situ Measurement of CO, H2O, Gas Temperature in a Full-Sized, Coal-Fire Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers,"(Applied Optics, 42(12):2043, 20 April 2003)에서 저자들은 석탄 화력발전소에서 직접흡수 분광기술의 성공적인 실행을 보여주고, 석탄연소프로세스의 매우 크고 격렬한 성질에 기인하는 기술적인 도전들에 대해 논의한다. 특히, 종래의 석탄화력발전소의 연소실은 지름이 10~20m 이다. 이러한 화력 발전소는 미분탄을 땐다, 따라서 연소프로세스는 많은 먼지 때문에 레이저 빛의 전달이 곤란하고, 매우 다양한 파장의 빛을 방출하게 된다.
또한, 발전소의 연소조건하에서는 다양한 강한 교란이 발견된다. 연소실을 통과하는 전체적인 빛의 통과율은 광대역 흡수, 입자들에 의한 분산, 또는 반사율의 변동에 따른 빔 조향(beam steering)의 결과로 시간에 따라 극적으로 변동할 것이다. 또한, 검출기 신호에 간섭을 끼칠 수 있는 연소하는 석탄입자로부터 강렬한 열방사도 있다. 또, 발전소 보일러의 외부환경도 TDLAS 검출 또는 제어시스템의 실행에 문제를 일으킨다. 예를 들면, 전자부품, 광학부품 또는 다른 민감한 분광기술 구성부품들은 강한 열로부터 먼 위치에 있거나, 적절하게 차폐되거나 냉각되어야 한다. TDLAS 시스템의 실행이 이러한 조건하에서는 매우 어렵다고 할지라도 TDLAS는 석탄연소 프로세스를 모니터하고 제어하는데 가장 적합하다.
한국등록특허 10-1072657호에서는 TDLAS 실행의 문제들을 해결하기 위한 센싱장치가 제시되어 있다.
센싱장치는 고온 온도 측정과 가스 농도 동시 측정장치에 사용하는 일정한 발진 주파수를 갖는 한 개 이상의 다이오드 레이저가 광 섬유에 연결되어 발신 광학부에 연결된다. 발신 광학부는 연소실 또는 석탄 또는 가스 화력 발전소의 보일러 등과 같은 프로세서 실과 작용적으로 연결되고, 프로세서 실은 발신 광학부와 광학적으로 연통되고 프로세서 실을 관통하여 발사된 다중화 레이저 출력을 수신하는 수신광학부와 연결된다. 여기서, 발신 광학부에는 광의 출력 방향을 조절하여 광을 집속하기 위한 발신측 얼라인먼트 기구가 연결되고, 수신 광학부에는 광의 수집 효율을 최대화시키기 위한 수신측 얼라인먼트 기구가 연결되어 광학부를 조절하도록 하고 있다.
그러나 종래의 센싱장치는 레이저의 수신부가 연소실 내부와 같은 고온의 환경에 노출된 상태로 설치되고, 이에 따라 수신부의 보호를 위한 부가 설비가 필요하거나 이를 행하지 않을 경우 수신부의 수명이 짧아지는 등의 현상이 발생되었다.
또한 레이저의 수신부에 레이저가 수신되는 것을 전제 조건으로 레이저의 출력 방향 조절이 가능하므로, 발신부를 통해 방출되는 레이저가 수신부에 수신되지 못하는 상태로 해당 발신부가 위치될 때 발신부에 대한 정렬 기능이 이루어질 수 없는 등의 현상이 발생되었다.
한국등록특허 제10-1072657호(2011.10.11.공고), “연소제어 및 모니터링 방법 및 장치” 한국등록특허 제10-0358543호(2002.10.25.공고), “내연기관용 연소제어장치 및 연소제어방법”
본 발명의 실시 예는 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 벡터값을 기준으로 인식 후 이러한 인식 결과를 토대로 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 자동 정렬시킬 수 있는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 제공한다.
또한 본 발명의 실시 예는 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 분석하여 해당 레이저의 진행 방향을 인식함에 따라, 레이저 방출부의 방출된 레이저가 광센서 등의 수신부에 수신되지 않는 조건에서도 해당 레이저의 진행 방향 인식 및 그를 토대로 한 레이저 방출 방향의 정렬이 가능한 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 제공한다.
또한 본 발명의 실시 예는 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 분석하여 해당 레이저의 진행 방향을 인식함에 따라, 연소실의 내부와 같은 고온의 환경에 레이저 수신을 위한 광센서 등의 수신부를 노출시키지 않으면서 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 제공한다.
또한 본 발명의 실시 예는 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 작업자가 육안으로 확인하면서 이를 토대로 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템은, 방출하는 레이저가 연소실의 내부를 관통하도록 설치되는 레이저 방출부와, 상기 레이저 방출부의 방출된 레이저가 투과되어 해당 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향 판단을 위한 영상을 획득하는 레이저 진행 이미지 촬상부와, 상기 레이저 방출부에서 방출된 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향을 상기 레이저 진행 이미지 촬상부를 통해 획득되는 영상을 토대로 분석하고 그 분석 결과에 따라 상기 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 정렬시키는 레이저 정렬부를 포함할 수 있다.
또한 상기 레이저 진행 이미지 촬상부는 규칙적으로 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 이미지 촬상소자 또는 CMOS나 CCD를 포함하는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 정렬부는 상기 레이저 진행 이미지 촬상부로부터 획득된 영상으로부터 레이저 궤적의 벡터값이나 방향을 인식하는 이미지 처리 알고리즘을 통해 상기 레이저 방출부에서 방출되는 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 정렬부는 상기 이미지 촬상소자, CMOS, CCD 중 어느 하나의 규칙적으로 배열된 소자별 레이저 세기 감지값을 토대로 상기 레이저 진행 이미지 촬상부에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 정렬부는 상기 레이저 세기 감지값들을 통해 벡터값을 도출하여 상기 벡터값을 통해 상기 레이저 진행 이미지 촬상부에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 방출부는 그 파장이 350∼3000(㎚) 범위에 있는 레이저를 방출하는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 진행 이미지 촬상부는 투과되는 레이저의 진행 방향과 수직을 이루는 배치 상태로 설치되는 것일 수 있다.
또한 상기 레이저 진행 이미지 촬상부를 통해 획득되는 영상을 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 레이저 방출부에서 방출되는 레이저를 수신하는 레이저 수신부와, 상기 레이저 수신부의 레이저 수신에 따른 신호를 입력받아 상기 연소실 내 가스의 농도와 온도를 산출하는 가스정보 산출부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 레이저 수신부는 수신되는 레이저의 파장 변환에 따른 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 광센서일 수 있다.
또한 상기 가스정보 산출부는 상기 레이저 수신부에서 입력되는 디지털 신호를 푸리에 변환식에 대입하여 각각의 흡수 피크를 특정 주파수의 함수 형태로 정의해서 분리하는 알고리즘을 포함하고 상기 알고리즘을 통해 분리되어 생성된 함수에 포크트(Voigt) 함수를 대입하여 온도에 따른 흡수신호의 선폭 변화를 보정 후 적분하는 방법으로 상기 연소실 내 가스의 농도와 온도를 산출하는 알고리즘을 포함할 수 있다.
또한 상기 레이저 수신부에서 입력되는 디지털 신호의 노이즈로 인해 특정 주파수의 함수가 생성되지 않을 시 해당 디지털 신호의 일정구간을 지정하고 지정된 구간에서 나타나는 흡수신호 크기를 전압의 절대값으로 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 벡터값을 기준으로 인식 후 이러한 인식 결과를 토대로 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 자동 정렬시킬 수 있으므로, 연소실의 내부와 같은 고온의 환경에 레이저 수신을 위한 광센서 등의 수신부를 노출시키지 않으면서 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있게 된다.
또한 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 분석하여 해당 레이저의 진행 방향을 인식하는 것이므로, 레이저 방출부의 방출된 레이저가 광센서 등의 수신부에 수신되지 않는 조건에서도 해당 레이저의 진행 방향 인식 및 그를 토대로 한 레이저 방출 방향의 정렬이 가능하게 된다.
또한 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 작업자가 육안으로 확인하면서 이를 토대로 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있게 된다. 그리고 이를 통해 레이저 자동 정렬 시스템의 이상 시에도 연소실 내 레이저 영상을 획득하는 장치 및 그 디스플레이 장치만 정상적으로 작동되면 레이저의 방출 방향을 정확하게 정렬할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 개념적으로 예시한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에서 요부 구조를 보인 도면
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에서 요부의 다른 배치 상태를 보인 도면
도 4 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에서 연소실 내 레이저 영상의 획득 예를 보인 도면
도 7은 연소실 내 가스 농도 측정을 위한 기본 원리를 개념적으로 예시한 도면
도 8은 연소실 내 가스 농도 측정을 위한 기본 원리를 수식으로 예시한 도면
도 9는 연소실 내 가스의 온도 측정을 위한 기본 원리를 수식으로 예시한 도면
도 10은 연소실 내 가스의 온도가 측정된 제1 실험데이터를 예시한 도면
도 11은 도 10의 제1 실험데이터에 따른 파장영역을 예시한 도면
도 12는 연소실 내 가스의 온도가 측정된 제2 실험데이터를 예시한 도면
도 13은 도 12의 제2 실험데이터에 따른 파장영역을 예시한 도면
도 14는 연소실 내 가스의 온도가 측정된 제3 실험데이터를 예시한 도면
도 15는 도 14의 제3 실험데이터에 따른 파장영역을 예시한 도면
도 16은 연소실 내 가스의 온도 및 농도 측정을 위한 선폭변화 메커니즘을 예시한 도면
도 17은 온도에 따른 신호의 선폭 변화를 보정하기 위한 수식 알고리즘을 예시한 도면
도 18은 도 17에 따른 수식 알고리즘의 적용 결과를 예시한 도면
이하의 본 발명에 대한 상세한 설명들은 본 발명이 실시될 수 있는 실시 예이고 해당 실시 예에 대한 예시로써 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시하기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한 각각의 기재된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서 후술되는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
발명에서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한 명세서에 기재된 “…부”,　＂…모듈“ 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 개념적으로 예시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템(100)은, 레이저 방출부(110), 레이저 진행 이미지 촬상부(120), 레이저 정렬부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템(100)은 디스플레이부(140), 레이저 수신부(150), 가스정보 산출부(160)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 방출부(110)는 방출시키는 레이저가 연소실(200)의 내부를 관통하도록 설치되며, 이러한 레이저 방출부(110)는 그 파장이 350∼3000(㎚) 범위에 있는 레이저를 방출하는 것일 수 있다.
레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 레이저 방출부(110)에서 방출되는 레이저의 연소실(200) 내 진행 상태의 영상을 획득하는 것으로서, 이러한 레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 CMOS나 CCD 또는 다른 종류의 이미지 촬상소자를 포함하는 형태일 수 있다. 즉, 레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 규칙적으로 배열되는 소자를 포함하는 형태로써, 상기 소자의 예로는 포토다이오드가 있다.
도 2는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)의 일례를 도시한 것으로서, 레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 복수의 포토다이오드(122)가 격자형으로 배치된 이미지 촬상소자(121)를 포함하여 구성된다. 부연 설명하면, 본 실시 예에서는 포토다이오드가 640×480의 배치, 다시 말해 가로로 640개, 세로로 480개가 배치되는 형태를 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1로 돌아가서, 레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 투과되는 레이저의 진행 방향과 수직을 이루는 배치 상태로 설치될 수 있다.
본 실시 예에서는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)가 레이저 방출부(110)로부터 방출되는 레이저의 직진 방향에 위치하는 형태를 예로 하였으며, 이때 레이저 진행 이미지 촬상부(120)가 레이저 수신부(150)와 마주보는 일렬의 배치 상태를 이루는 것을 예로 하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 진행 이미지 촬상부(120)는 레이저 방출부(110)로부터 방출되어 직진하다가 반사경(121)을 통해 반사되는 일부 레이저와 수직을 이루도록 배치되어 반사경(121)을 통해 반사되는 레이저를 투과시키는 형태일 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 레이저 정렬부(130)는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)로부터 획득되는 영상을 분석하여 레이저 방출부(110)에서 방출되는 레이저의 연소실(200) 내 진행 방향을 판단하며, 레이저 정렬부(130)는 그 판단 결과를 토대로 레이저 방출부(110)의 레이저 방출 방향을 정렬시킨다.
여기서, 레이저 정렬부(130)는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)로부터 획득된 영상으로부터 레이저 궤적의 벡터값이나 방향을 인식하는 이미지 처리 알고리즘을 통해 레이저 방출부(110)에서 방출되는 레이저의 연소실(200) 내 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다.
또한 레이저 정렬부(130)는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)에 포함되는 CMOS, CCD 또는 그밖의 이미지 촬상소자들의 규칙적으로 배열된 소자별 레이저 세기 감지값을 토대로 상기 레이저 진행 이미지 촬상부(120)에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다. 특히 레이저 정렬부(130)는 상기 레이저 세기 감지값들을 통해 벡터값을 도출하여 도출된 벡터값을 통해 레이저 진행 이미지 촬상부(120)에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것일 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템에서 연소실 내 레이저 영상의 획득 예를 보인 도면이다.
도면을 참조한 설명에 앞서, 도 1을 참조하여 부연 설명하면, 연소실(200)의 내부에는 완전히 연소되지 못한 탄소입자와 무기질의 재(ash), 기타 여러 가지 입자들이 혼재되어 있고, 이에 따라 연소실(200)에 레이저가 입사되면 연소실(200) 내 입자들이 레이저의 일부를 산란시킨다. 그리고 이러한 레이저의 산란 현상을 통해 해당 레이저의 진행 방향이 아닌 곳에서도 레이저를 관측할 수 있다.
즉, 연소실(200) 내에서 레이저 영상 획득부(120)를 통해 촬영되는 레이저 영상이 도 4나 도 6의 도시 상태일 수 있음은 레이저가 진행하는 연소실(200)의 내부 공간에 미세한 입자들이 존재하기 때문이며, 만약 연소실(200)의 내부 공간에 입자들이 전혀 존재하지 않는 것을 가정하면 레이저의 진행 방향이 아닌 곳에서는 도 4나 도 6의 도시된 영상이 획득될 수 없다.
즉, 광의 관측을 위해서는 광이 관측자(인간의 눈, 광디텍터 등)에 도달해야 하며, 따라서 밀폐된 공간에서 레이저가 일정 방향으로 조사되는 상황에서, 해당 공간에 입자들이 전혀 존재하지 않는다면 레이저가 산란되지 않고, 이에 따라 레이저는 진행경로로 직진하므로, 이렇게 직진하는 레이저의 진행 경로와 벗어난 위치에서는 레이저의 궤적을 관측할 수 없다.
이러한 관점에 따라 도 4 및 도 6의 영상을 분석하면, 도 4는 레이저 방출부(110)에서 레이저가 1시 방향으로 방출되고 있음을 확인시켜주고, 따라서 레이저 방출부(110)의 레이저를 방출하는 각도가 7시 방향으로 이동하여 정렬되어야 함을 인식시켜 준다. 또한 도 6은 레이저 방출부(110)에서 레이저가 5시 방향으로 방출되고 있음을 확인시켜주며, 따라서 레이저 방출부(110)의 레이저를 방출하는 각도가 11시 방향으로 이동하여 정렬되어야 함을 인식시켜 준다.
도 5를 참조하여 더 구체적으로 설명하면, 도 4의 영상에 대해 레이저 진행 이미지 촬상부(120)에 포함된 포토다이오드(122)별 광 세기 감지값을 출력하면 도 5처럼 된다. 다시 말해, 포토다이오드(122)별 레이저의 세기를 출력하면 도 5와 같은 형태가 된다. 그리고 각 포토다이오드(122)에 조사되는 레이저의 세기를 명암(밝기)으로 환산하면 해당 레이저의 방향을 알 수 있고, 이를 통해 해당 레이저의 벡터값을 도출할 수 있다.
도 5에서는 벡터값의 크기(스칼라량)가 9이고 방향은 1시 방향인 것이 예시된 것이다.
상술한 구성에 의해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템(100)은 레이저 방출부(110)에서 방출된 레이저가 그를 수신하는 레이저 수신부에 수신되지 않더라도 해당 레이저의 벡터값을 인식하고 이를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 파악할 수 있다.
그리고 이를 통해서 보일러, 연소실의 내부와 같은 고온의 환경에 광센서 등의 레이저 수신부를 노출시키지 않으면서 레이저 방출부(110)의 레이저 정렬을 수행할 수 있는 이점을 제공한다.
다시 도 1로 돌아가서, 디스플레이부(140)는 레이저 진행 이미지 촬상부(120)를 통해 획득되는 영상정보를 표시하는 기능을 한다. 이러한 디스플레이부(140)에 의해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템(100)에 이상이 발생하거나 레이저 정렬부(130)에 이상이 발생하여 레이저의 벡터값을 인식하는 기능이 정상적으로 작동하지 못하더라도, 작업자는 디스플레이부(140)를 통해 표시되는 영상을 통해 현재 연소실(200) 내 레이저의 진행 방향을 육안으로 용이하게 확인할 수 있다.
레이저 수신부(150)는 레이저 방출부(110)에서 방출되는 레이저를 수신한다. 그리고 본 실시 예에서는 이러한 레이저 수신부(150)가 수신되는 레이저의 파장 변환에 따른 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 광센서인 것을 예로 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가스정보 산출부(160)는 레이저 수신부(150)의 레이저 수신에 따른 신호를 입력받아 연소실(200) 내 가스의 농도와 온도를 산출한다.
여기서, 가스정보 산출부(160)는 레이저 수신부(150)에서 입력되는 디지털 신호를 푸리에 변환식에 대입하여 각각의 흡수 피크를 특정 주파수의 함수 형태로 정의해서 분리하는 알고리즘을 포함한다. 또한 가스정보 산출부(160)는 상기 알고리즘을 통해 분리되어 생성된 함수에 포크트(Voigt) 함수를 대입하여 온도에 따른 흡수신호의 선폭 변화를 보정 후 적분하는 방법으로 연소실(200) 내 가스의 농도와 온도를 산출하는 알고리즘을 포함한다.
또한 가스정보 산출부(160)는 레이저 수신부(150)에서 입력되는 디지털 신호의 노이즈로 인해 특정 주파수의 함수가 생성되지 않을 시 해당 디지털 신호의 일정구간을 지정하고 지정된 구간에서 나타나는 흡수신호 크기를 전압의 절대값으로 측정하는 것일 수 있다.
그리고 가스정보 산출부(160)의 알고리즘을 통해 온도를 산출하기 위한 광의 흡수 파장은 아래와 같다.
파장영역 1 = λ1= 7079.17629㎝-1, λ2= 7079.85512㎝-1 ;
파장영역 2 = λ1= 6799.37218㎝-1, λ1-1=6799.64883㎝-1,
λ2= 6800.98291㎝-1 ;
파장영역 3 = λ1 = 6890.45256cm-1, λ2= 6890.94662cm-1 , λ3= 6891.18625cm-1, λ4= 6891.29376cm-1
도 7 내지 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템을 통해 연소실 내 가스의 농도와 온도가 산출되는 과정을 나타낸 것으로서, 각 도면이 나타내는 바를 열거하면 아래와 같다.
도 7은 연소실 내 가스 농도 측정을 위한 기본 원리를 개념적으로 예시한 도면이고, 도 8은 연소실 내 가스 농도 측정을 위한 기본 원리를 수식으로 예시한 도면이며, 도 9는 연소실 내 가스의 온도 측정을 위한 기본 원리를 수식으로 예시한 도면이다.
그리고 도 10 내지 도 15는 연소실 내 가스의 온도가 측정된 제1 실험데이터 내지 제3 실험데이터 및 이러한 제1 실험데이터 내지 제3 실험데이터별 그에 따른 파장영역을 예시한 도면이다.
도 16은 연소실 내 가스의 온도 및 농도 측정을 위한 선폭변화 메커니즘을 예시한 도면이다.
그리고, 도 17은 온도에 따른 신호의 선폭 변화를 보정하기 위한 수식 알고리즘을 예시한 도면이고, 도 18은 도 17에 따른 수식 알고리즘의 적용 결과를 예시한 도면이다.
상술한 도 1 내지 도 18을 참조한 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템은, 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 통해 해당 레이저의 진행 방향을 벡터값을 기준으로 인식 후 이러한 인식 결과를 토대로 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 자동 정렬시킬 수 있게 하므로, 연소실의 내부와 같은 고온의 환경에 레이저 수신을 위한 광센서 등의 수신부를 노출시키지 않으면서 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있게 한다.
또한 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 분석하여 해당 레이저의 진행 방향을 인식하는 것이므로, 레이저 방출부의 방출된 레이저가 광센서 등의 수신부에 수신되지 않는 조건에서도 해당 레이저의 진행 방향 인식 및 그를 토대로 한 레이저 방출 방향의 정렬을 가능케 한다.
또한 연소실 내의 레이저 진행 방향에 대한 영상정보를 작업자가 육안으로 확인하면서 이를 토대로 레이저 방출부의 레이저 정렬이 정확하게 이루어질 수 있게 하고, 이를 통해 레이저 자동 정렬 시스템의 이상 시에도 연소실 내 레이저 영상을 획득하는 장치 및 그 디스플레이 장치만 정상적으로 작동되면 레이저의 방출 방향을 정확하게 정렬할 수 있게 한다.
이상과 같이 본 설명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술되는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템
110 : 레이저 방출부
120 : 레이저 진행 이미지 촬상부
121 : 이미지 촬상소자
122 : 포토 다이오드
123 : 반사경
130 : 레이저 정렬부
140 : 디스플레이부
150 : 레이저 수신부
160 : 가스정보 산출부
200 : 연소실

Claims (12)

  1. 방출하는 레이저가 연소실의 내부를 관통하도록 설치되는 레이저 방출부;
    상기 레이저 방출부의 방출된 레이저가 투과되어 해당 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향 판단을 위한 영상을 획득하는 레이저 진행 이미지 촬상부;
    상기 레이저 방출부에서 방출된 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향을 상기 레이저 진행 이미지 촬상부를 통해 획득되는 영상을 토대로 분석하고 그 분석 결과에 따라 상기 레이저 방출부의 레이저 방출 방향을 정렬시키는 레이저 정렬부를 포함하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 진행 이미지 촬상부는 규칙적으로 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 이미지 촬상소자 또는 CMOS나 CCD를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 정렬부는 상기 레이저 진행 이미지 촬상부로부터 획득된 영상으로부터 레이저 궤적의 벡터값이나 방향을 인식하는 이미지 처리 알고리즘을 통해 상기 레이저 방출부에서 방출되는 레이저의 상기 연소실 내 진행 방향을 판단하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 레이저 정렬부는 상기 이미지 촬상소자, CMOS, CCD 중 어느 하나의 규칙적으로 배열된 소자별 레이저 세기 감지값을 토대로 상기 레이저 진행 이미지 촬상부에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 정렬부는 상기 레이저 세기 감지값들을 통해 벡터값을 도출하여 상기 벡터값을 통해 상기 레이저 진행 이미지 촬상부에 투과된 레이저의 진행 방향을 판단하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출부는 그 파장이 350∼3000(㎚) 범위에 있는 레이저를 방출하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 진행 이미지 촬상부는 투과되는 레이저의 진행 방향과 수직을 이루는 배치 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 진행 이미지 촬상부를 통해 획득되는 영상을 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출부에서 방출되는 레이저를 수신하는 레이저 수신부;
    상기 레이저 수신부의 레이저 수신에 따른 신호를 입력받아 상기 연소실 내 가스의 농도와 온도를 산출하는 가스정보 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저 수신부는 수신되는 레이저의 파장 변환에 따른 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 광센서인 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가스정보 산출부는 상기 레이저 수신부에서 입력되는 디지털 신호를 푸리에 변환식에 대입하여 각각의 흡수 피크를 특정 주파수의 함수 형태로 정의해서 분리하는 알고리즘을 포함하고 상기 알고리즘을 통해 분리되어 생성된 함수에 포크트(Voigt) 함수를 대입하여 온도에 따른 흡수신호의 선폭 변화를 보정 후 적분하는 방법으로 상기 연소실 내 가스의 농도와 온도를 산출하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 레이저 수신부에서 입력되는 디지털 신호의 노이즈로 인해 특정 주파수의 함수가 생성되지 않을 시 해당 디지털 신호의 일정구간을 지정하고 지정된 구간에서 나타나는 흡수신호 크기를 전압의 절대값으로 측정하는 것을 특징으로 하는 자동 광 정렬 기능을 갖는 연소가스 측정 시스템.
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