KR20220057305A - 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법 및 질량 유량 측정 시스템 - Google Patents

유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법 및 질량 유량 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부공간을 통해 기체가 일 방향으로 유동하고, 일 측부에 광학창이 형성된 유로, 입사된 파장 가변 레이저를 상기 광학창을 통해 상기 유로 내부로 반사시키는 제1 외부 반사거울, 상기 광학창에 대향되는 상기 유로의 타 측부에 배치되는 내부 반사거울, 상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저를 상기 제1 외부 반사거울로 반사시키는 제2 외부 반사거울 및 상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저의 광량을 측정하는 광센서를 포함하는 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 좁은 유로 내 고속으로 유동하는 기체의 질량 유량을 비접촉 방식으로 측정할 수 있게 한다.

Description

유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법 및 질량 유량 측정 시스템{NON-CONTACT MASS FLOW RATE MEASUREMENT METHODOLOGY FOR HIGH SPEED FLOW IN A NARROW FLOW PASSAGE AND MASS FLOW RATE MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 좁은 유로 내 고속유동 기체의 질량 유량을 비접촉 방식으로 측정하는 방법 및 측정 시스템에 관한 것이다.
기체 상태의 고속유동의 질량 유량을 정확히 측정하는 것은 그 유동 내에서 일어나는 화학 반응 환경을 정밀히 조성하고 제어하는 데에 있어 매우 중요하다.
유동의 질량 유량을 측정하기 위해 피토 튜브(Pitot tube), 핫와이어 시스템(Hot-wire system) 등 다양한 기술이 존재하고 있으나, 대부분 센서의 측정 부분을 유동에 직접 노출시키거나, 센서 자체를 유동 내부에 삽입하는 방법이 많다. 하지만 고속 유동 환경에서는 이러한 센서의 삽입 자체가 유동 자체의 교란을 일으키거나, 고속 유동과 벽면 사이에 존재하는 경계층에서의 온도 상승에 의해 내구성 문제가 발생할 수 있으므로, 비접촉식 방식으로 고속 유동의 질량 유량을 측정하는 기술이 중요하다.
파장 가변 다이오드 레이저를 사용하는 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, 이하 TDLAS)은 비접촉식 방식으로 유동 특성(밀도, 속도)을 측정하는 기법이다. 레이저가 유동을 통과할 때 유동 내의 기체 분자가 특정 파장 영역에서 레이저를 일부 흡수하게 되며, 이로 인해 광센서에서는 광량 손실이 된 레이저 신호가 측정된다. 레이저의 파장이 시간에 따라 변하므로 파장에 따른 흡수선이 측정되며, 이 흡수선을 분석하여 유동 특성을 계산, 질량 유량을 계산한다.
TDLAS를 이용한 정확한 질량 유량 계산을 위해선, 유동에 대해 기울어진 레이저에 대하여 충분히 광량 손실이 된 흡수선과 이에 대한 파장 정보가 필요하다. 하지만 좁은 유로 내에서는 유동 내를 통과하는 레이저의 진행 거리가 짧아 충분한 광량 손실이 일어나지 않을 수 있으며, 이는 흡수선이 약해지게 하여 질량 유량 계산에 필요한 유동의 밀도 계산에 큰 오차를 야기할 수 있다. 또한, 정확한 속도 측정을 위해 모든 레이저 경로가 유동에 대해 일관된 각도를 가져야 하며, 이에 따른 흡수선의 파장 이동을 정확히 측정할 수 있어야 한다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국등록특허공보 제10-2056767호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 좁은 유로 내 고속으로 유동하는 기체의 질량 유량을 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 방법 및 측정 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 유동 기체의 비접촉 방식의 질량 유량 측정 시스템은, 내부공간을 통해 기체가 일 방향으로 유동하고, 일 측부에 광학창이 형성된 유로, 입사된 파장 가변 레이저를 상기 광학창을 통해 상기 유로 내부로 반사시키는 제1 외부 반사거울, 상기 광학창에 대향되는 상기 유로의 타 측부에 배치되는 내부 반사거울, 상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저를 상기 제1 외부 반사거울로 반사시키는 제2 외부 반사거울 및 상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저의 광량을 측정하는 광센서를 포함한다.
그리고, 경사 파형을 생성하는 함수 발생기, 상기 경사 파형에 따라 상기 파장 가변 레이저에 인가되는 전류를 제어하는 레이저 전류 제어기 및 상기 경사 파형에 따라 상기 파장 가변 레이저의 온도를 제어하는 레이저 온도 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광센서에 의해 측정된 흡수선을 이용하여 상기 기체의 속도를 계산하는 속도 계산기를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광센서에 의해 측정된 흡수선을 이용하여 상기 기체의 밀도를 계산하고, 상기 속도 계산기에 의해 계산된 속도 및 상기 밀도 계산기에 의해 계산된 밀도로부터 상기 기체의 질량 유량을 계산하는 밀도 및 질량 유량 계산기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 파장 가변 레이저는 상기 기체의 유동 방향에 경사지게 입사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 외부 반사거울에 의해 상기 제1 외부 반사거울에 반사된 상기 파장 가변 레이저는 상기 광학창을 통해 상기 내부 반사거울에 재입사되고, 상기 내부 반사거울에 재입사되는 상기 파장 가변 레이저의 진행 경로는 이전 입사 경로와 상이한 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법은, 상기 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템에 의해 상기 유로 내 기체가 정지 상태일 때의 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계, 상기 유로 내 기체가 유동 상태일 때의 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계, 상기 정지 상태일 때의 흡수선과 상기 유동 상태일 때의 흡수선의 중심 파장의 차이를 계산하는 단계 및 상기 중심 파장의 차이 및 상기 파장 가변 레이저가 상기 내부 반사거울에 입사하는 각도로부터 상기 기체의 유동 속도를 계산하는 단계를 포함한다.
나아가, 상기 유로 내 기체가 유동 상태일 때의 흡수선에 대한 이론적인 흡수선을 계산하는 단계, 상기 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계에 의해 측정된 흡수선과 상기 이론적인 흡수선을 계산하는 단계에 의해 계산된 흡수선이 일치될 때의 압력 및 온도를 산출하는 단계 및 상기 압력 및 온도를 이용하여 상기 기체의 유동 밀도를 계산하는 단계를 더 포함한다.
보다 나아가, 상기 기체의 유동 속도를 계산하는 단계에 의해 계산된 유동 속도 및 상기 기체의 유동 밀도를 계산된 상기 유동 밀도를 이용하여 상기 기체의 질량 유량을 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 센서와 같은 접촉식이 아닌 비접촉 방식으로 고속유동하는 기체의 질량 유량을 측정할 수 있으므로 좁은 유로 내를 고속 유동하는 기체의 질량 유량의 측정이 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이등변 삼각형 모양 레이저 진행 경로 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유로 내 유동에 대한 질량 유량 측정에 대한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 내 유동의 속도 산출 방법에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 내 유동의 밀도 산출 방법에 대한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 내 유동의 질량 유량 산출 방법에 대한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시 예에 따른 좁은 유로 내 고속유동에 대한 비접촉 방식의 질량 유량 측정 방법에 대한 구성도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 좁은 유로 내 고속유동에 대한 비접촉 방식의 질량 유량 측정 방법은 파장 가변 레이저와 레이저 전류 및 온도 제어기, 내부 유동에 레이저를 진입하게 하는 광학창, 유로 내 레이저 반사를 위한 반사거울, 유로 외부에서의 레이저 반사를 위한 경사진 반사거울, 레이저 광량을 측정하기 위한 광센서를 포함하고, 상기 광학 구성으로부터 측정된 유동 내 기체 분자의 흡수선으로부터 속도를 측정하는 방법을 포함하며, 흡수선 분석을 통해 구해진 유동의 밀도 정보와 내부 유로의 단면적을 이용하여 유동의 질량 유량을 계산하는 방법을 포함한다.
실시 예에 있어서, 파장 가변 레이저에는 경사 파형 및 경사를 포함한 혼합 파형의 전류 또는 온도 조절 전류가 인가될 수 있으며, 이에 따라 레이저의 파장을 경사 파형 및 경사를 포함한 혼합 파형으로 생성할 수 있다.
실시 예에 있어서, 파장 가변 레이저에서 출력되는 레이저는 0.1~100 Hz, 100 Hz~1 kHz, 1 kHz~10 kHz, 10 kHz~100 kHz, 100 kHz~1 MHz의 주파수의 파형을 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 파장 가변 레이저가 좁은 유로 내에서 유동에 대해 일관된 각도를 유지한 채 긴 진행 거리를 가질 수 있게끔 하는, 유동 방향에 거의 평행한 이등변 삼각형 모양의 레이저 진행 경로를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 레이저 진행 경로에서 레이저 방향 성분 중 유동에 수직한 방향 성분이 존재하여, 이에 따른 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로도 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 이등변 삼각형 혹은 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로 구성에서, 반사거울을 향한 레이저 경로와 반사거울에서 반사되어 나오는 레이저 경로는 유로 내 유동과 거의 같은 각도를 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 이등변 삼각형 혹은 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로 구성을 위해 경사진 반사거울은 한 쌍이 사용될 수 있으며, 경사진 반사거울 각각은 이격되어 마주하도록 설치될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광학창과 유로 내 레이저 반사를 위한 반사거울은 평행하게 설치되거나, 또는 평행하지 않게 설치될 수 있다.
실시 예에 있어서, 유로 외부에서 레이저가 진행할 때, 레이저는 진공 상태를 통과하거나 유로 내 기체의 구성 성분을 포함하지 않는 기체를 지날 수 있다.
실시 예에 있어서, 질량 유량 측정을 위한 유동 내 기체 분자의 흡수선은 최소 하나를 포함하며, 정확도 향상을 위해 인접한 둘 이상의 흡수선 또는 인접하지 않은 둘 이상의 흡수선을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 흡수선 형상 및 세기는 레이저가 통과한 유동의 온도와 압력, 그리고 레이저의 유동 내에서 진행한 광경로 길이의 함수이며, 파장에 따른 레이저 흡수량 측정값과 내부 유로의 형상, 그리고 광경로 형태를 사용하여 계산될 수 있다.
실시 예에 있어서, 흡수선의 파장 위치는 유동의 속력과 상기 레이저 진행 방향과 유동의 속도 방향 사이 각도의 함수이며, 도플러 현상의 원리를 사용하여 계산될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명 실시의 구체적인 설명을 서술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이등변 삼각형 모양 레이저 진행 경로 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 레이저 방향 성분 중 유동 방향에 수직한 방향 성분이 존재하게끔 하여 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로가 구성되었을 때의 도면이며, 도 3은 도 1과 도 2의 레이저 진행 경로 구성을 포함하는 유로 내 고속유동에 대한 비접촉 방식의 질량 유량 측정 방법에 대한 구성도이다.
도 1, 도 2, 그리고 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 좁은 유로 내 고속유동에 대한 비접촉 방식의 질량 유량 측정 방법은 파장 가변 레이저(1), 레이저 전류 제어기(11), 레이저 온도 제어기(12), 함수 발생기(13), 유로 내부 반사거울(7), 유로 외부의 경사진 제1 외부 반사거울(5), 제2 외부 반사거울(6), 광학창(3), 광센서(8), 고속 유동의 속도 계산기(14), 고속 유동의 밀도 및 질량 유량 계산기(15)를 포함한다.
도 3을 참조하여 레이저 발진 방법을 설명하면 다음과 같다. 함수 발생기(13)에서 경사 파형 혹은 경사를 포함한 혼합 파형을 생성하며, 이는 레이저 전류 제어기(11)나 레이저 온도 제어기(12)에 입력되어 파장 가변 레이저(1)의 파장을 경사 파형 혹은 경사를 포함하는 혼합 파형의 형태로 변화시키게 된다. 파장 가변 레이저(1)는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)형이나 DFB(Distributed Feedback Laser)형이 사용될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하여 레이저 진행 경로(2)를 설명하면 다음과 같다. 레이저는 제1 외부 반사거울(5)의 측면을 비껴가며 진입하여, 광학창(3)을 통과하여 유로(4) 내로 진입하게 되며, 고속 유동(9)을 통과한다. 이어 유로 내부 반사거울(7)에 반사되어 다시 광학창(3)을 통과하여 제2 외부 반사거울(6)에 도달한다. 유로 내 레이저는 내부 반사거울(7)의 법선과 특정 각도(10)를 이룬다. 이등변 삼각형 모양의 레이저 진행 경로를 사용할 경우, 제2 반사거울(6)의 옆으로 비껴가며 나와 광센서(8)에 도달한다. 광센서(8)는 레이저의 광량을 측정한다. 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로를 사용할 경우, 유로 내부 반사거울(7)에서 반사된 레이저는 제2 반사거울(6)에 반사되어 다시 제1 반사거울(5)로 돌아오며, 다시 반사되어 상기 설명된 레이저 진행을 유동 방향에 수직하게 이동하며 반복한다. 레이저 방향 성분 중 유동에 수직한 방향 성분의 크기와 경사진 외부 반사거울(5,6), 광학창(3), 유로 내부 반사거울(7)의 크기에 따라 삼각 나선 모양의 레이저 진행 경로의 반복 회수를 조절할 수 있다.
광학창(3)은 유리, 석영, 사파이어, 폴리카보네이트 등의 재료로 구성될 수 있으며, 경사진 외부 반사거울(5,6)과 유로 내부 반사거울(7)은 알루미늄, 은, 금 등의 재료로 구성될 수 있다. 또한, 스테인레스 스틸, 강화 유리 석영 등의 광투과성 광물로 제작될 수 있다.
광센서(8)는 파장 가변 레이저(1)의 파장에 따라 결정되며, 가시광에서 근적외선 영역에서는 실리콘을, 적외선 영역에서는 게르마늄 혹은 InGaAs을 사용한 광센서가 사용될 수 있다.
유로 외부에서 레이저가 레이저 진행 경로(2)를 진행할 때, 레이저는 진공 상태를 통과하거나 유로 내 기체 구성 성분을 포함하지 않는 기체를 지나게 되며, 이로 인해 레이저의 흡수가 유로 내 유동에 의해서만 발생한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 내 유동의 속도 산출 방법에 대한 블록도이며, 도 5는 유로 내 유동의 밀도 산출 방법에 대한 블록도이며, 도 6은 유로 내 유동의 질량 유량 산출 방법에 대한 블록도이다.
도 4를 참조하여 유동의 속도를 산출하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 유로 내 기체가 정지 상태일 때, 이에 대한 흡수선(16)을 측정하고, 이 흡수선의 중심 파장
Figure pat00001
(17)을 기록한다. 이어 유로에 고속유동이 흐를 때 이에 대한 흡수선(18)을 측정하고, 이 흡수선의 중심 파장
Figure pat00002
(19)을 기록한다. 흡수선의 중심 파장의 차이
Figure pat00003
는 유동(9)의 방향과 레이저의 진행 경로(2)가 특정 각도를 가지기 때문에 생기는 도플러 효과에 의해 발생한다. 도플러 효과는
Figure pat00004
에 의해 계산될 수 있으며(20), 이 때
Figure pat00005
는 레이저 진행 경로(2)와 유로 내부 반사거울(7)의 법선 사이 각도(10)이고,
Figure pat00006
는 광속이다. 측정된 값들과 상수를 통해 유동 속도
Figure pat00007
를 산출할 수 있다(21).
도 5를 참조하여 유동의 밀도를 산출하는 방법을 설명하는 다음과 같다. 먼저 고속 유동에 의한 흡수선을 측정(22)하며, 이 때 최소 한 개의 흡수선(27) 혹은 정확도 향상을 위해 인접한 둘 이상의 흡수선(27, 28) 또는 인접하지 않은 둘 이상의 흡수선(27, 28)을 측정한다. 이어 측정된 흡수선에 대해 이론적인 흡수선을 계산(23)한다. 측정된 흡수선(27, 28)을 계산된 흡수선(29, 30)에 일치시키는 맞춤이 수행(24)되며, 이 때 흡수선은 압력
Figure pat00008
와 온도
Figure pat00009
의 함수이므로 이를 변화해가면서 두 흡수선을 일치시키며, 일치될 때의 압력과 온도를 산출(25)한다. 유동의 밀도는 이상기체 상태방정식인
Figure pat00010
을 사용하여 앞서 산출된 압력과 온도(25)를 대입하여 계산되어 질 수 있으며(26), 이 때
Figure pat00011
은 기체 상수이다.
도 4, 도 5와 도 6을 참조하여 유로 내 유동의 질량 유량 산출 방법을 설명하면 다음과 같다. 유로 내 유동의 질량 유량은
Figure pat00012
의 식으로 구해질 수 있으며, 이 때
Figure pat00013
는 유동의 밀도,
Figure pat00014
는 유동의 속도,
Figure pat00015
는 유로의 단면적이다. 도 4를 통해 구해진 유동의 속도(21)와 도 5를 통해 구해진 유동의 밀도(26), 그리고 유로의 단면적 정보를 이용해 유동의 질량 유량(31)을 구할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 구체적으로 서술한다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시 예에 따른 좁은 유로 내 고속유동에 대한 비접촉 방식의 질량 유량 측정 방법에 대한 구성도이다. 파장 가변 레이저(32)는 중심 파장 760 nm를 가지는 DFB 타입의 레이저이며, 대기 중에 존재하는 산소의 A-X 천이에 따른 760~761 nm 사이의 흡수선들을 측정할 수 있다. 파장 가변 레이저(32)는 레이저 전류 제어기(33)과 레이저 온도 제어기(34)에 의해 제어되며, 이들 제어기들은 경사 파형과 일정한 전압을 발생하는 함수 발생기(35)에 의해 제어된다. 고속유동(39)은 유로(36) 내부를 흐르며, 유로의 폭(37)은 50 mm, 유로의 높이(38)는 40 mm이다. 유로 내부 반사거울(40)의 폭(41)은 40 mm이며, 길이는 10 mm이며, 알루미늄 면을 연마한 후 알루미늄 증착을 통해 제작된다. 광학창(42)은 사파이어 소재로 제작되며, 폭은 유로와 동일하게 50 mm, 길이(43)는 66 mm, 높이(44)는 25 mm이다. 제1 외부 반사거울(45)과 제2 외부 반사거울(46)은 동일한 형태와 크기를 가지며, 폭(49) 38 mm, 유로 내부 반사거울(40)과 이루는 각도(47,48)는 60도이다. 두 경사진 반사거울은 알루미늄 소재로 제작되어 반사면을 연마한 후 알루미늄 증착을 통해 제작된다. 유로 내에서 레이저 진행 경로는 삼각 나선 모양이며, 3~4회의 회전이 이루어진다. 레이저의 광량을 측정하는 광센서(50)는 가로 10 mm와 세로 10 mm의 크기를 가지는 정사각형 형태의 실리콘 포토다이오드가 사용된다. 광센서를 통해 측정된 흡수선 신호를 사용하여, 도 4에서 설명된 방법으로 속도 계산기(51)에 의해 속도 계산이 수행되며, 도 5와 도 6에서 설명된 방법으로 밀도 및 질량 계산기(52)에 의해 밀도 및 질량 유량 계산이 수행된다.
본 발명은 이상과 같이 비접촉 방식에 의해 고속유동의 질량 유량을 측정 가능하게 함으로써, 좁은 유로의 고속 유동에 대해 질량 유량의 측정이 가능하게 한다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
1 : 파장 가변 레이저
2 : 레이저 진행 경로
3 : 광학창
4 : 유로
5 : 제1 외부 반사거울
6 : 제2 외부 반사거울
7 : 내부 반사거울
8 : 광센서
9 : 고속 유동
10 : 레이저 진행 경로와 내부 반사거울의 법선 사이 각도
11 : 레이저 전류 제어기
12 : 레이저 온도 제어기
13 : 함수 발생기
14 : 속도 계산기
15 : 밀도 및 질량 유량 계산기

Claims (9)

  1. 내부공간을 통해 기체가 일 방향으로 유동하고, 일 측부에 광학창이 형성된 유로;
    입사된 파장 가변 레이저를 상기 광학창을 통해 상기 유로 내부로 반사시키는 제1 외부 반사거울;
    상기 광학창에 대향되는 상기 유로의 타 측부에 배치되는 내부 반사거울;
    상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저를 상기 제1 외부 반사거울로 반사시키는 제2 외부 반사거울; 및
    상기 내부 반사거울에 의해 반사되어 상기 광학창을 통과한 상기 파장 가변 레이저의 광량을 측정하는 광센서를 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    경사 파형을 생성하는 함수 발생기;
    상기 경사 파형에 따라 상기 파장 가변 레이저에 인가되는 전류를 제어하는 레이저 전류 제어기; 및
    상기 경사 파형에 따라 상기 파장 가변 레이저의 온도를 제어하는 레이저 온도 제어기를 더 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광센서에 의해 측정된 흡수선을 이용하여 상기 기체의 속도를 계산하는 속도 계산기를 더 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광센서에 의해 측정된 흡수선을 이용하여 상기 기체의 밀도를 계산하고, 상기 속도 계산기에 의해 계산된 속도 및 상기 밀도 계산기에 의해 계산된 밀도로부터 상기 기체의 질량 유량을 계산하는 밀도 및 질량 유량 계산기를 더 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저는 상기 기체의 유동 방향에 경사지게 입사하는 것을 특징으로 하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 외부 반사거울에 의해 상기 제1 외부 반사거울에 반사된 상기 파장 가변 레이저는 상기 광학창을 통해 상기 내부 반사거울에 재입사되고,
    상기 내부 반사거울에 재입사되는 상기 파장 가변 레이저의 진행 경로는 이전 입사 경로와 상이한 것을 특징으로 하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템.
  7. 청구항 1의 유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 시스템에 의해 상기 유로 내 기체가 정지 상태일 때의 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계;
    상기 유로 내 기체가 유동 상태일 때의 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계;
    상기 정지 상태일 때의 흡수선과 상기 유동 상태일 때의 흡수선의 중심 파장의 차이를 계산하는 단계; 및
    상기 중심 파장의 차이 및 상기 파장 가변 레이저가 상기 내부 반사거울에 입사하는 각도로부터 상기 기체의 유동 속도를 계산하는 단계를 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유로 내 기체가 유동 상태일 때의 흡수선에 대한 이론적인 흡수선을 계산하는 단계;
    상기 흡수선의 중심 파장을 측정하는 단계에 의해 측정된 흡수선과 상기 이론적인 흡수선을 계산하는 단계에 의해 계산된 흡수선이 일치될 때의 압력 및 온도를 산출하는 단계; 및
    상기 압력 및 온도를 이용하여 상기 기체의 유동 밀도를 계산하는 단계를 더 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기체의 유동 속도를 계산하는 단계에 의해 계산된 유동 속도 및 상기 기체의 유동 밀도를 계산된 상기 유동 밀도를 이용하여 상기 기체의 질량 유량을 계산하는 단계를 더 포함하는,
    유동 기체의 비접촉 방식 질량 유량 측정 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2020016472A (ja) * 2018-07-23 2020-01-30 東京都下水道サービス株式会社 ガス濃度測定装置
JP2020118625A (ja) * 2019-01-28 2020-08-06 日本電信電話株式会社 流体測定装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102056767B1 (ko) 2017-10-31 2019-12-18 한국생산기술연구원 프로브형 광학 계측 장치
JP2020016472A (ja) * 2018-07-23 2020-01-30 東京都下水道サービス株式会社 ガス濃度測定装置
JP2020118625A (ja) * 2019-01-28 2020-08-06 日本電信電話株式会社 流体測定装置

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