[논문]레이저흡수분광법(TDLAS) 기반 가스온도분포 산정을 위한 상호상관계산 알고리듬 개발

최두원; 김광남; 조경래; 심준환; 김동혁; 도덕희

doi:10.7316/khnes.2016.27.1.127

Abstract ▼ AI-Helper

Most of reconstruction algorithms for the calculation of temperature distributions in CT (computed tomography)-TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) are based upon two-line thermometry method. This method gives unstable calculation convergence due to signal noise, bias error, and signa...

Most of reconstruction algorithms for the calculation of temperature distributions in CT (computed tomography)-TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) are based upon two-line thermometry method. This method gives unstable calculation convergence due to signal noise, bias error, and signal mis-matches. In this study, a new reconstruction algorithm based on cross-correlation for temperature calculation is proposed. The patterns of the optical signals at all wave lengths were used to reconstruct the temperature distribution. Numerical test has been made using phantom temperature distributions. Using these phantom temperature data, absorption spectra for all wave lengths were constructed, and these spectra were regarded as the signals that would be obtained in an actual experiments. Using these virtually generated experimental signals, temperature distribution was once again reconstructed, and was compared with those of the original phantom data. Calculation errors obtained by the newly proposed algorithm were slightly large at high temperatures with small errors at low temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 직경이 큰 배기관을 통과하는 배기가스의 배출량을 보다 정확하게 계산하는데 필요한 단면 상의 온도분포를 산정함에 있어서, 특정파장에서만의 레이저빔 흡수강도의 최대값대신에 모든 파장에서의 흡수강도 신호들의 패턴(pattern)을 매칭(matching) 시켜 온도분포를 재구성할 수 있는 새로운 계산알고 리듬 개발에 관한 내용을 담고 있다.
본 연구에서는 배기가스의 2차원 온도분포를 계측에 있어서 CT-TDLAS, MART법 및 흡수값의 패턴 비교(일명 상호상관계산알고리듬)를 통한 온도분포 계측 방법을 제안 및 개발하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 레이저 빛의 흡수강도가 높은 몇몇 점을 이용하는 대신에, 계측구간 내에 있는 모든 파장의 흡수강도를 이용하여 온도와 농도를 계산함에 있어서 정도를 향상시키는 것에 연구의 목적이 있다.

제안 방법

CT-TDLAS를 이용하여 가상(phantom)의 가우시안 온도분포를 가지는 데이터를 생성하는 방법을 제안하였으며 이를 이용하여 이론적인 Laser 흡수값을 구하는 방법을 제안하였다. 이어서 개발된 알고리듬 으로 온도계측 성능평가를 수행하였다.
또 구한 값은 5°K 간격의 테이블에서 얻어진 값이므로 주위 값을 이용한 2차 curve fitting을 사용하여 최적의 온도값을 구하였다.
. 또, HITRAN에서 제공되어지는 정보는 주어진 파장에서의 선값이므로 Voigt profile을 적용하여 실험을 통해 얻어지는 흡수패턴으로 수정하였다. 온도에 의해 구해진 흡수패턴은 농도가 1일 때의 값이므로 실제 계산된 흡수패턴과 큰 차이를 가진다.
본 연구에서는, 계측영역내의 모든 파장의 흡수 값을 사용하여 온도를 구하였다. 이를 위해, 농도가 1일 때, 270~1000°K 까지의 온도를 5°K 간격으로 147개 파장에 따른 흡수값들의 분포테이블 Table 1 과 식 (1)을 이용하여 구하였다.
오차계산에서의 수렴조건으로서 계산된 온도 값의 변화가 10E -20 보다 적으면서 그 값이 변하지 않을때까지 반복계산을 수행하였다. 수렴조건을 만족하지 않을 경우, 구해진 온도값을 이용하여 새로운 흡수값을 구하고, 셀에서의 흡수값과의 오차의 10% 만큼 셀에서의 흡수계수를 수정하고 수렴될 때까지 b~d 과정을 반복 수행하였다.
CT-TDLAS를 이용하여 가상(phantom)의 가우시안 온도분포를 가지는 데이터를 생성하는 방법을 제안하였으며 이를 이용하여 이론적인 Laser 흡수값을 구하는 방법을 제안하였다. 이어서 개발된 알고리듬 으로 온도계측 성능평가를 수행하였다. 기존의 두 지점 계수비교에 의한 온도분포 계측기법(two line thermometry)에 비해 안정적 수렴 계산을 확보할 수 있었다.

대상 데이터

Table 1은 HITRAN2008 database⁸⁾ 에서 제공하는 H 2O의 파장 및 흡수강도 값으로 본 연구에서는 파장이 1388.0~1388.6 사이의 40개의 모든 값을 사용하 였다. 농도 및 온도가 정해지면 다음 식을 이용하여 온도에 따른 주어진 파장에서의 흡수값을 구할 수 있다.
본 연구에서 개발되어진 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 11 x 11의 격자 및 식 (7)의 가우시안 분포 (gaussian distribution)를 이용하여 가상(phantom)의온도 데이터를 생성하였다.
본논문에서 사용된 온도 및 가스농도장(수밀도를 나타냄)은 11×11 (121 cell)의 정사각형 mesh로 구성되어 있으며, 셀의 단위길이(L)는 4 mm이다.

이론/모형

TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy)는 가스분자의 온도와 농도를 측정하고자 할때 사용되며, 이 이론은 Fig. 1에 나타낸 Lambert-Beer 의 법칙을 기반으로 하는데, 입사광과 투과광의 강도는 다음 식 (1)로 나타낼 수 있다.
Tomographic Reconstruction 방법은 많은 연구분 야에서 널리 많이 사용되어지는 MART (Multiplicative algebraic reconstruction technique)법을 사용하여 재구성 하였다. 이 방법은 주어진 흡수값과 Laser를 따라 합으로 구해진 흡수값의 오차가 최소가 되도록 반복 계산하는 방법으로 식 (3)을 적용하여 계산하였다.
CT와 같이 일반적으로 재구성 알고리듬(reconstruction algorithm)에서는 초기값은 결과에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 많이 사용되는 MLOS(multiply line of sight) 기법⁷⁾ 을 사용하여 초기 흡수값을 결정하여 재구성 계산을 실시하였다.

성능/효과

계산된 결과로부터는 저온부에서는 온도계산상 상대오차가 약 8%로 확인되었으며 고온부에서는 약 25%였다. 고온부에서의 오차원인으로서는 측정점의부족에 따른 것으로 판단되는데, 계측점의 증대 및상관식의 개선을 통하여 오차를 줄일 수 있을 것으로 보인다.
이어서 개발된 알고리듬 으로 온도계측 성능평가를 수행하였다. 기존의 두 지점 계수비교에 의한 온도분포 계측기법(two line thermometry)에 비해 안정적 수렴 계산을 확보할 수 있었다.
즉, 최대값에서는 약 150°K, 최소값에서는 약 25°K 정도의 오차가 있음을 알 수있었다.

후속연구

계산된 결과로부터는 저온부에서는 온도계산상 상대오차가 약 8%로 확인되었으며 고온부에서는 약 25%였다. 고온부에서의 오차원인으로서는 측정점의부족에 따른 것으로 판단되는데, 계측점의 증대 및상관식의 개선을 통하여 오차를 줄일 수 있을 것으로 보인다.
즉, 최대값에서는 약 150°K, 최소값에서는 약 25°K 정도의 오차가 있음을 알 수있었다. 이는 온도가 높은 곳에서는 주변의 정보를 필요이상으로 많이 참조되어 계산된 관계로 오차가크게 나타남을 알 수 있었으며, 향후 개선사항으로 남아 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Tomographic Reconstruction 방법이란?	Tomographic Reconstruction 방법은 많은 연구분 야에서 널리 많이 사용되어지는 MART (Multiplicative algebraic reconstruction technique)법을 사용하여 재구성 하였다. 이 방법은 주어진 흡수값과 Laser를 따라 합으로 구해진 흡수값의 오차가 최소가 되도록 반복 계산하는 방법으로 식 (3)을 적용하여 계산하였다.
	TDLAS는 언제 사용되는가?	TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy)는 가스분자의 온도와 농도를 측정하고자 할때 사용되며, 이 이론은 Fig. 1에 나타낸 Lambert-Beer 의 법칙을 기반으로 하는데, 입사광과 투과광의 강도는 다음 식 (1)로 나타낼 수 있다.
	two line thermometry 방법의 단점은?	계산된 각 셀(cell)에서의 흡수값으로부터 온도를 구하기 위해, 흡수값 중 최대값을 보이는 두 파장에 서의 비를 사용하는 방법(two line thermometry) 1-3) 에서는 특정 두 개의 주파수의 흡수값의 비가 선형 비례하는 특성을 이용하기 때문에 쉽게 온도를 구할수 있다. 그러나 이러한 방법은 이론계산에서 높은 정도를 얻을 수 있으나, 실제 실험에서 발생되어지는잡음, 계측장비의 오차, 또는 계측된 데이터로부터 원하는 주파수상에서의 흡수값으로 변환할 때 생기는 오차들에 의하여 측정신호에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 오차를 줄이고 계측 정도를 높이기 위해서 보다 많은 파장에서의 정보를 사용하여 온도를 구할 필요가 있다.

참고문헌 (9)

Y. Deguchi, Industrial applications of Laser Diagnostics, CRS Press, Taylor & Francis, 2011.
M. Yamakage, K. Muta, Y. Deguchi, S. Fukada, T. Iwase, T. Yoshida, "Development of direct and fast response exhaust gas measurement," SAE Paper 20081298, 2008.
P. Wright, N. Terzijaa, J. L. Davidsona, S. Garcia-Castillo, C. Garcia-Stewart, S. Pegrumb, S. Colbourneb, P. Turnerb, S. D. Crossleyc, T. Litt, S. Murrayc, K. B. Ozanyana, and H. McCanna, "High-speed chemical species tomography in a multi-cylinder automotive engine," Journal of Chemical Engineering, 158(1), pp. 2-10, 2010.

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F. Wang, K. F. Cen, N. Li, J. B. Jeffries, Q. X. Huang, J. H. Yan, and Y. Chi, "Two-dimensional tomography for gas concentration and temperature distributions based on tunable diode laser absorption spectroscopy," Meas. Sci. Technol. 21, 045301 (10pp), 2010.

상세보기
L. Ma and W. Cai : Numerical investigation of hyperspectral tomography for simultaneous temperature and concentration imaging, APPLIED OPTICS, 47(21), pp. 3751-3759, 2008.

상세보기
D. W. Choi, M.G. Jeon, G.R. Cho, T. Kamimoto, Y. Deguchi and D.H. Doh, Performance Improvements in Temperature Reconstructions of 2-D Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS), Journal of Thermal Science, Vol. 25, No. 1, pp. 84-89, 2016.

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G.E. Elsinga, F. Scarano, B. Wieneke, and B. W. van Oudheusden. Tomographic particle image velocimetry, Experiments in Fluids, Vol. 41, pp. 933-947, 2006.

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L.S. Rothman, I.E. Gordon, A. Barbe, D. ChrisBenner, P.F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L.R. Brown, A. Campargue, J.-P. Champion, K. Chance, L.H.Coudert, V. Dana, V.M. Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, R.R.Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W.J. Lafferty, J.-Y. Mandin, S.T. Massie, S.N. Mikhailenko, C.E. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O.V. Naumenko, A.V. Nikitin, J. Orphal, V.I. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C.P. Rinsland, M. Rotger, M. Simeckova, M.A.H. Smith, K. Sung, S.A. Tashkun, J. Tennyson, R.A. Toth, A.C. Vandaele, and J. VanderAuwera, "The HITRAN2008 molecular spectroscopic database," Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 110, pp. 533-572 2009.

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R. R. Gamache, S. Kennedy, R. Hawkins, L. S. Rothman, Jounal of Molecular Structure 517-518 pp. 407-425, 2000.

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