WO2015046875A1 - 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템 - Google Patents

광센서를 포함하는 공연비 계측시스템 Download PDF

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WO2015046875A1
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fuel
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이창엽
김세원
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한국생산기술연구원
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    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/022—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an optical sensor, e.g. in-cylinder light probe
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1458—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with determination means using an estimation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D45/00—Electrical control not provided for in groups F02D41/00 - F02D43/00

Definitions

  • the present invention relates to a measurement system, and more particularly, by detecting only the ultraviolet wavelength region generated during the combustion of fuel in the combustor by the flame provided by the combustor, and maintaining an optimized air-fuel ratio through an analysis and calculation process. It relates to an air-fuel ratio measurement system including an optical sensor.
  • the air-fuel ratio of the flame section is a parameter that is directly linked to fuel consumption and energy efficiency, but is very difficult to measure.
  • Most large combustion systems infer the air-fuel ratio of the flame section by measuring the concentration of oxygen in the exhaust stage, and some engine premixed combustors often determine the air-fuel ratio by measuring light reflections from the chemiluminescence of the flame. .
  • the measurement technique related to the above uses a simple optical sensor mechanism and a camera device, so when the combustion flow is complicated in spatial resolution performance, it is difficult to optimize system performance as the measurement is performed to have spatial resolution in three dimensions. there was.
  • Patent Document 1 JP2010-101615 A
  • An object of the present invention for solving the above problems is to detect the ultraviolet wavelength region generated during the combustion of the fuel in the combustor by the flame provided by the combustor to maintain the optimized air-fuel ratio through the analysis and calculation process
  • An air-fuel ratio measurement system including an optical sensor is provided.
  • an object of the present invention is to provide an air-fuel ratio measurement system including an optical sensor for controlling the air volume for the optimized air-fuel ratio by controlling the air control device after the analysis and calculation based on the optical signal sensed by the optical sensor .
  • An air-fuel ratio measurement system including an optical sensor according to the present invention for solving the above problems comprises a combustion chamber supplied with fuel; A combustor in communication with the combustion chamber to provide a flame; An optical sensor for generating an electrical signal after receiving the optical signal generated while the fuel is burned by the flame; A fuel measurement sensor measuring an amount of fuel supplied to the combustor; An analysis module electrically connected to the optical sensor to convert the electrical signal into a switchable signal of an analysis type; And a calculation module analyzing the switching signal received from the analysis module and the fuel measurement signal received from the fuel measurement sensor to calculate an air-fuel ratio and a heat load.
  • the optical sensor is a photodiode (PD) or photomultiplier tube (PMT), and the optical signal is characterized in that the ultraviolet wavelength range of 250 ⁇ 600nm.
  • PD photodiode
  • PMT photomultiplier tube
  • the calculation module is characterized in that to maintain the optimized air-fuel ratio area by controlling the air amount supplied to the combustor by adjusting the air control device based on the calculated air-fuel ratio.
  • the present invention may detect only the ultraviolet wavelength region generated by the combustion of fuel in the combustor by the flame provided by the combustor, and maintain the optimized air-fuel ratio through an analysis and calculation process.
  • the present invention detects only the wavelength region corresponding to 250 ⁇ 600nm of the ultraviolet wavelength region to distinguish the actual flame and noise, so that the state of the combustion chamber accurately recognizes the effect of noise than when receiving the visible or infrared wavelength region This is less effective.
  • the present invention has the effect of maintaining the optimized air-fuel ratio by controlling the air control device for adjusting the air volume for the optimized air-fuel ratio after analyzing and calculating based on the optical signal sensed by the optical sensor.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a mechanism between the components of FIG. 1;
  • 3 is an excess air ratio graph showing the sensitivity according to the wavelength for selecting a specific wavelength (250 ⁇ 600nm) region
  • 5B is a graph of linear fit of FIG. 5A
  • Components constituting the air-fuel ratio measuring system including the optical sensor of the present invention may be used integrally or separately separated as needed. In addition, some components may be omitted depending on the form of use.
  • FIGS. 1 to 2 an air-fuel ratio measurement system 100 including an optical sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 2.
  • the photodiode 131 when light hits a diode, electrons and positive charge holes are generated, and current flows, and the magnitude of the voltage is almost proportional to the intensity of the light.
  • the phenomenon in which the voltage appears at the junction of the semiconductor as a result of the photoelectric effect is called the photovoltaic effect.
  • the photodiode 131 is characterized by fast response speed, wide sensitivity wavelength, and good linearity of photocurrent. It is mainly used in electronic devices such as CD players, fire alarms, and remote control receivers of televisions. It is also used to accurately measure light intensity.
  • the wavelength light signal according to the visible light there is also a risk of generating a lot of noise due to general natural light or other artificial light. Therefore, in order to obtain a signal similar to the optical signal provided by the actual flame, only the ultraviolet wavelength region is selectively taken and used. It is advantageous to.
  • the photodiode 131 or the photomultiplier tube 132 detects only an optical signal corresponding to an ultraviolet wavelength region, thereby minimizing the risk of noise, and thus can detect an optical signal most similar to an actual flame.
  • the analysis module 160 is electrically connected to the optical sensor 130 and serves to convert an electrical signal into a switchable signal of an analytic type.
  • the analysis module 160 includes a signal converter or an amplifier. Can be used.
  • the calculation module 170 maintains an optimized air-fuel ratio area by controlling the air amount supplied to the combustor 120 by adjusting the air control device 150 based on the calculated air-fuel ratio.
  • An analyzer and a controller may be configured to control the amount of air supplied from the air controller 150 based on the data analyzed by the analyzer.
  • the measurement wavelength range is 250 ⁇ 650nm, which is the area where major lycals (OH / CH / C2) emitted from flames emit light. Same as
  • a characteristic inversely proportional to the air-fuel ratio can be derived by integrating not only one wavelength but also a range of wavelength values.
  • photodiode sensors such as low-cost photodiodes, receive a signal over a certain range and represent the entire value as an electrical signal, so more optical devices with more filtering roles are needed to select only one wavelength point. Additionally needed.
  • the wavelength range over 600nm is in the form of visible light, infrared light, and so on.
  • the light generated when the wall of the combustion system or the end of the combustor is heated is visible light or infrared light. , PMT).
  • the photodiode signal in the ultraviolet region (290 nm) is constant regardless of the wall temperature of the combustion furnace, but the photodiode signal in the other wavelength region (760 nm and 920 nm) varies depending on the temperature of the wall surface. have.
  • the slope of the graph of the 'PD signal vs air-fuel ratio' relationship at each heat load must be constant, but it must be secured at a wavelength of 250 to 650 nm or more. There is a difficult problem.
  • the slope of the change amount according to the air-fuel ratio for each heat load is similar, and even if the linear fit with the same slope, there is little error, and thus the air-fuel ratio equation can be derived to obtain the air-fuel ratio regardless of the heat load.
  • FIG. 8 (a) and 8 (b) are measured using a photodiode sensor having a main reaction wavelength range of 650 to 700 nm and 900 nm to 1000 nm, respectively.
  • the photodiode signal VS air-fuel ratio according to the heat load variation is shown in FIG.
  • the slopes are different, and linear fit with the same slope causes too much error, making it difficult to derive the air-fuel ratio equation.
  • the air-fuel ratio measurement / calculation method is as follows.
  • the air-fuel ratio can be obtained by knowing the values of the ultraviolet sensor (here, photodiode sensor) and the pressure sensor of the fuel line, and it is possible to control the combustion system such as adjusting the pressure of the fuel line for the desired air-fuel ratio. .

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Abstract

본 발명은 연소기에서 제공하는 화염에 의해 연소기 내부의 연료가 연소되는 과정에서 생성되는 자외선 파장영역만을 감지한 후 분석 및 연산 과정을 통하여 최적화된 공연비를 유지하는 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 제공한다.

Description

광센서를 포함하는 공연비 계측시스템
본 발명은 계측시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소기에서 제공하는 화염에 의해 연소기 내부의 연료가 연소되는 과정에서 생성되는 자외선 파장영역만을 감지한 후 분석 및 연산 과정을 통하여 최적화된 공연비를 유지하는 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템에 관한 것이다.
일반적인 연소시스템에서, 화염부의 공연비는 연료의 소비 및 에너지 효율과 직접적으로 연결되는 파라미터이나, 이를 계측하기는 매우 어렵다. 대부분의 대형 연소시스템은 배기단에서 산소의 농도를 측정함으로서 화염부의 공연비를 유추하며, 일부 엔진의 예혼합 연소기는 화염의 화학 발광에 의한 광반사를 빛 계측하는 것에 의해 공연비를 판정하는 경우가 있다.
예를 들어, 광학 검파기의 앞에 파장 필터를 설치하는 방법은 기본적으로 OH, CH, C2이르고 CO2 등의 특정의 여기 상태의 화학종 각각으로부터의 총광반사의 부분 기여율을 식별하기 위해 사용된다.
이것에 의해 1개 이상의 이와 같은 화학종의 신호비를 공연비나 발열률, 가스 온도 등의 다양한 연소기 파라미터와 종래 방식으로 관련지을 수 있다.
즉, 상기와 관련한 계측기술은 단순한 광센서 기구 및 카메라 장치가 사용되므로 공간 분해 성능에 있어서 연소 흐름이 복잡한 경우, 삼차원으로의 공간 분해 성능을 갖도록 계측을 행함에 따라 시스템 성능의 최적화가 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 상기한 바와 같이 연소 프로세스의 제어를 개선하고 시스템 성능을 최적화하는 것은 해당분야에서 매우 중요한 것으로서, 공연비의 최적화를 위한 연소기 내부의 계측방법이 요구되고 있는 실정이다.
(특허문헌 1) JP2010-101615 A
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연소기에서 제공하는 화염에 의해 연소기 내부의 연료가 연소되는 과정에서 생성되는 자외선 파장영역만을 감지한 후 분석 및 연산 과정을 통하여 최적화된 공연비를 유지하는 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자외선 파장영역 중 250~600nm에 해당하는 파장영역만을 감지하여 실제 화염과 노이즈를 구분함으로써 연소실 내부의 상태를 정확하게 인지할 수 있는 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 광센서에 의해 감지된 광신호에 근거하여 분석 및 연산한 후 공기제어장치를 제어하여 최적화된 공연비를 위한 공기량을 조절하는 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템은 연료가 공급되는 연소실; 상기 연소실과 연통하여 화염을 제공하는 연소기; 상기 연료가 상기 화염에 의해 연소되면서 발생하는 광신호를 수신한 후 전기적 신호를 발생시키는 광센서; 상기 연소기로 공급되는 연료량을 측정하는 연료측정센서; 상기 광센서와 전기적으로 연결되어 상기 전기적 신호를 분석 가능한 형태의 전환신호로 전환시키는 분석모듈; 및 상기 분석모듈로부터 수신된 상기 전환신호 및 상기 연료측정센서로부터 수신된 연료측정신호를 분석하여 공연비와 열부하를 계산하는 연산모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광센서는 포토다이오드(Photodiode, PD) 또는 포토멀티플라이어튜브(photomultiplier tube, PMT)이고, 그리고 상기 광신호는 250~600nm의 자외선 파장영역인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 공연비 계측시스템은, 상기 연산모듈에 연결되어 상기 연소기로 공급되는 공기량을 제어하는 공기제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연산모듈은, 상기 계산된 공연비를 바탕으로 상기 공기제어장치를 조절하여 상기 연소기로 공급되는 공기량을 제어함으로써 최적화된 공연비 영역을 유지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연산모듈은, 상기 전환신호와 상기 연료측정신호를 받아 분석하는 해석장치; 및 상기 해석장치에서 분석된 데이터를 바탕으로 상기 공기제어장치에서 공급되는 상기 공기량을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명은 연소기에서 제공하는 화염에 의해 연소기 내부의 연료가 연소되는 과정에서 생성되는 자외선 파장영역만을 감지한 후 분석 및 연산 과정을 통하여 최적화된 공연비를 유지할 수 있다.
나아가, 본 발명은 자외선 파장영역 중 250~600nm에 해당하는 파장영역만을 감지하여 실제 화염과 노이즈를 구분함으로써 연소실 내부의 상태를 정확하게 인지하므로 가시광선이나 적외선 파장영역을 수신할 때보다 노이즈에 의한 영향이 적은 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광센서에 의해 감지된 광신호에 근거하여 분석 및 연산한 후 최적화된 공연비를 위한 공기량을 조절을 위해 공기제어장치를 제어함에 따라 최적화된 공연비를 유지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1의 구성요소 간의 메커니즘을 나타낸 개략도,
도 3은 특정 파장(250~600nm) 영역을 선정하기 위한 파장에 따른 감도를 나타낸 과잉공기비 그래프,
도 4는 공연비 측정 및 계산을 위한 파장에 따른 대수 스펙트럼의 응답 변화를 나타낸 그래프,
도 5의 (a)는 연소 후 배기가스 중 산소 농도(O2)에 따른 포토다이오드 신호의 변화를 나타낸 그래프,
도 5의 (b)는 도 5의 (a)를 linear fit한 그래프,
도 6은 공연비 측정 및 계산을 위해 압력에 따른 연료량(열부하)를 나타낸 그래프,
도 7은 연소실 벽면 온도에 따른 포토다이오드의 감도 변화를 나타낸 그래프,
도 8의 (a)는 과잉공기비에 따른 포토다이오드 출력신호(mV)의 변화를 나타낸 그래프, 및
도 8의 (b)는 도 9의 (b)를 linear fit한 그래프이다.
본 발명의 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템을 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.
본 발명에 따른 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템(100)의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템(100)을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템(100)은 연료가 공급되는 연소실(110), 연소실(110)에 화염을 제공하는 연소기(120), 연소실(110)에 삽입되어 연료가 화염에 의해 연소되면서 발생하는 광신호를 수신한 후 전기적 신호를 발생시키는 광센서(130), 연소기(120)로 공급되는 연료량을 측정하는 연료측정센서(140), 연소기(120)와 대향하도록 배치되어 연소기(120)로 공급되는 공기량을 제어하는 공기제어장치(150), 광센서(130)와 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 분석 가능한 형태의 전환신호로 전환시키는 분석모듈(160), 및 분석모듈(160)로부터 수신된 전환신호 및 연료측정센서(140)로부터 수신된 연료측정신호를 분석하여 공연비와 열부하를 계산하는 연산모듈(170)을 포함한다.
연소실(110)은 연료가 공급되어 연소되는 곳으로서, 중공 형상을 지니며, 이러한 연소실(110)은 공지기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
연소기(120)는 연소실(110)과 연통하도록 배치된다. 이때, 화염의 세기는 조절 가능하며, 이러한 연소기(120)는 연소실(110) 내부의 연료를 연소시키기 위한 화염을 제공하는 역할을 한다.
광센서(130)는 포토다이오드(Photodiode, PD)(131) 또는 포토멀티플라이어튜브(photomultiplier tube, PMT)(132) 중 어느 하나로 적용된다.
포토다이오드(131)는 빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다. 이처럼 광전 효과의 결과 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상을 광기전력 효과라고 한다.
이러한 포토다이오드(131)는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있다. 주로 CD 플레이어나 화재경보기, 텔레비전의 리모컨 수신부와 같은 전자제품 소자에 사용되며, 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위하여 활용되기도 한다.
포토멀티플라이어튜브(132)는 일반적으로 포토캐소드(Photocathode), 다이노드, 어노드로 구성되어 있다. 포토캐소드는 광전효과에 의해 일정 주파수 이상의 빛을 받으면 전자를 방출한다. 이 전자는 다이노드를 거치면서 증폭되고, 어노드에 이르러 외부 장비로 읽을 수 있는 정도의 전류 신호가 만들어지는 원리이다. 외부 장치를 거치지 않고 바로 신호가 증폭되기 때문에, 매우 약한 빛 신호를 감지하는데에 널리 사용된다. 보통 광전효과는 가시광선 이상의 주파수에 대하여 발생하므로, 그 이하 주파수의 빛에 대해서는 사용할 수 없다.
신틸레이터(Scintillator)는 광전 증폭관을 사용하여 높은 에너지의 빛, 즉 X 선이나 감마선을 측정하기 위해 사용되는 검출기의 일종으로, 광전증폭관과는 다른 계념이다. 하지만 X 선이나 감마선을 측정하는 경우, 신틸레이터를 광전증폭관에 부착하여 사용한다. 이를 통해 높은 에너지의 광자가 신틸레이터와 반응하여 가시광선 영역의 광자 다발로 바뀌며, 이를 광전증폭관이 측정한다. 이러한 방식의 광자 에너지 측정을 입자물리학 실험에서 매우 널리 사용된다.
상기한 포토다이오드(131)나 포토멀티플라이어튜브(132)는 화염으로 인한 빛의 파장 중 250~600nm의 자외선 파장영역인 광신호만 수신하여 적용하게 된다. 이유인 즉, 적외선에 따른 파장 광신호의 경우 연소실(110) 벽면 등이 가열되면서 발생하기도 하는데, 이는 실제 화염신호와 주변 노이즈의 구분이 어려워 정밀도 하락의 원인이 된다.
한편, 가시광선에 따른 파장 광신호의 경우 일반 자연광이나 여타 인공광에 의해 역시 많은 노이즈 발생의 위험이 존재하므로 실제 화염에서 제공되는 광신호와 유사한 신호를 획득하기 위해서는 자외선 파장 영역만을 선택적으로 받아들여 사용하는 것이 유리하다.
즉, 본 발명에 따른 포토다이오드(131)나 포토멀티플라이어튜브(132)는 자외선 파장영역에 해당하는 광신호만을 감지하여 노이즈 위험을 최소화시키므로 실제 화염과 가장 유사한 광신호를 감지할 수 있게 된다.
연료측정센서(140)는 연소기(120)를 연소기(120)로 공급되는 연료량을 측정한다. 이러한 연료측정센서(140)는 압력식 또는 열식 등의 유량계측이 가능한 센서라면 제한됨이 없음은 물론이다.
공기제어장치(150)는 연소기(120)로 공급되는 공기량을 제어하는 장치로서, 밸브 또는 게이트 형태로 연소기(120)로의 공기 공급량을 조절 가능하다.
분석모듈(160)은 광센서(130)와 전기적으로 연결되어 전기적 신호를 분석 가능한 형태의 전환신호로 전환시키는 역할을 하며, 이러한 분석모듈(160)은 변환기(signal converter)나 증폭기(Amplifier)가 사용될 수 있다.
본 발명에서는 변환기나 증폭기를 모두 적용하거나, 둘 중 어느 하나를 적용 가능하지만, 필요에 따라 변환기와 증폭기 모두 생략 가능하다.
연산모듈(170)은 계산된 공연비를 바탕으로 공기제어장치(150)를 조절하여 연소기(120)로 공급되는 공기량을 제어함으로써 최적화된 공연비 영역을 유지하며, 이러한 연산모듈(170)은 전환신호와 연료측정신호를 받아 분석하는 해석장치(Analyzer) 및 해석장치에서 분석된 데이터를 바탕으로 공기제어장치(150)에서 공급되는 공기량을 제어하는 컨트롤러(Controller)를 포함할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 광센서를 포함하는 공연비 계측시스템에 적용되는 측정 파장 영역의 선정, 공연비 측정, 계산 방법 및 온도에 따른 각 파장별 포토다이오드 신호 측정값을 설명한다.
우선, 측정 파장 영역 선정은 250~650nm는 화염에서 발생하는 주요 라이칼(OH/CH/C2) 등이 빛을 방사하는 영역으로서, 이러한 특정의 한 파장포인트를 지정하지 않고 범위로 지정한 이유는 다음과 같다.
첫째, 도 3에 도시된 바와 같이 한 파장값 뿐 아니라 일정한 범위의 파장값을 적분하여도 공연비에 반비례하는 특성 도출 가능하다.
둘째, 대부분의 저가형 포토다이오드 등 사용가능한 경제적인 포토다이오드센서들은 특정 범위에 걸쳐 신호를 수신하고 그 전체값을 전기신호로 표현하기 때문에 한파장 포인트만 선택하기 위해서는 오히려 더 많은 필터링 역할의 광학장치들이 추가적으로 필요하다.
셋째, 600nm 이상의 파장 영역은 가시광선, 적외선 등의 형태로서, 연소시스템의 벽면이나 연소기 끝단 등이 가열되면서 발생하는 빛은 가시광선이나 적외선이므로, 순수한 화염의 신호에 이들 신호가 잡음으로 센서(PD, PMT)에 전달될 수 있다.
상기한 바와 관련하여 온도에 따른 각 파장별 포토다이오드(Photo Diode) 신호 측정값은 도 7에 도시된 바와 같이 대상 중심파장이 다른 3가지 포토다이오드를 사용하여 신호값을 측정한 결과로서, 화염의 생성 후 연소로 내의 벽면 온도가 상승하는 과정 중에 측정된 각 포토다이오드 신호값을 그래프로 나타내고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 자외선 영역(290nm)의 포토다이오드 신호는 연소로 벽면의 온도에 관계없이 일정하나, 다른 파장영역의 (760nm, 920nm) 포토다이오드 신호는 벽면의 온도에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다.
이는 벽면에서 방사한 빛이 760mm, 920mm 파장영역에 해당하여, 순수히 화염에서만 발생하는 760mm, 920mm 파장영역의 신호세기를 구별해 내기 어려움을 나타낸다.
결국, 760mm, 920mm 파장영역을 사용하면, 벽면에서 온도가 상승함에 따라 방사하는 복사효과에 의해 노이즈가 발생하게 된다.
넷째, 한 열부하에서가 아닌, 여러 열부하에서의 공연비 분석을 위한 식을 도출하기 위해서는, 각 열부하에서의 'PD신호 VS 공연비'관계 그래프의 기울기가 일정해야 하나, 250~650nm 이상의 파장에서는 이를 확보하기 어려운 문제가 있다.
이와 관련하여 도 5에는 포토다이오드센서 신호와 공연비 관계에 대하여 도시하고 있다.
즉, 각 열부하별 공연비에 따른 변화량 기울기가 비슷하여 같은 기울기로 linear fit을 해도 오차가 적으며, 이로 인해 열부하에 관계없이 공연비를 구할 수 있는 공연비식을 도출 가능하게 된다.
한편, 도 8의 (a) 및 (b)는 각각 주 반응 파장영역이 650~700nm, 900nm~1000nm인 포토다이오드센서를 이용하여 측정한 결과로, 열부하 변동에 따른 '포토다이오드신호 VS 공연비'의 기울기가 상이하며, 같은 기울기로 linear fit을 하면 오차가 너무 커지며, 결국 공연비 식의 도출이 어렵게 된다.
한편, 공연비 측정/계산 방법은 다음과 같다.
우선, 사용할 포토다이오드 센서 선정하는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이 주로 230~335nm 파장 영역의 빛에 반응하는 포토다이오드 선정하는 것이 바람직하다.
다음, 센서활용을 위한 데이터베이스를 구축하는 것으로서, 연료 공연비 및 열부하별 신호를 계측한다.
다음, 각 부하별 '공연비 VS 포토다이오드 신호값'의 기울기가 비슷하므로 이들을 평균 기울기로 linear fit을 실시한다.
다음, 연료 공급부의 압력센서를 이용하여 압력과 연료량(열부하)의 관계를 실험으로 계측하고, 그 결과를 데이터베이스로 구축한다.
다음, 도 5의 (a) 와 (b)의 데이터베이스를 이용하여 아래의 [수학식 1]과 같은 공연비 식을 도출하는데, 상기한 공연비 식은 여기서 배기가스 O2 구하는 방식으로 도출하며, 공연비로 변환도 가능하다. 또한, 위 식의 계수는 센서 위치나 연소기 종류에 따라 달라질 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014008894-appb-M000001
마지막으로 위의 수학식을 이용하면, 자외선 센서(여기서는 포토다이오드센서 사용)와 연료라인의 압력센서 값을 알면 공연비를 구할 수 있으며, 원하는 공연비를 위해 연료라인의 압력 조절 등 연소시스템 제어가 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 연료가 공급되는 연소실;
    상기 연소실과 연통하여 화염을 제공하는 연소기;
    상기 연료가 상기 화염에 의해 연소되면서 발생하는 광신호를 수신한 후 전기적 신호를 발생시키는 광센서;
    상기 연소기로 공급되는 연료량을 측정하는 연료측정센서;
    상기 광센서와 전기적으로 연결되어 상기 전기적 신호를 분석 가능한 형태의 전환신호로 전환시키는 분석모듈; 및
    상기 분석모듈로부터 수신된 상기 전환신호 및 상기 연료측정센서로부터 수신된 연료측정신호를 분석하여 공연비와 열부하를 계산하는 연산모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광신호는 250~600nm의 자외선 파장영역인 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공연비 계측시스템은, 상기 연산모듈에 연결되어 상기 연소기로 공급되는 공기량을 제어하는 공기제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연산모듈은, 상기 계산된 공연비를 바탕으로 상기 공기제어장치를 조절하여 상기 연소기로 공급되는 공기량을 제어함으로써 최적화된 공연비 영역을 유지하는 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산모듈은,
    상기 전환신호와 상기 연료측정신호를 받아 분석하는 해석장치; 및
    상기 해석장치에서 분석된 데이터를 바탕으로 상기 공기제어장치에서 공급되는 상기 공기량을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는 포토다이오드(Photodiode, PD) 또는 포토멀티플라이어튜브(photomultiplier tube, PMT)인 것을 특징으로 하는,
    공연비 계측시스템.
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