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문제 정의
- 앞서 기술한 것처럼 매연측정기를 사용하게 되면 광 투과율의 정보를 통해 입자 농도가 높고 낮음의 정도인 광학밀도를 측정할 수 있다. 본 연구에서는 매연측정기와 유사한 형태의 실험 장치를 구성하고 매연측정장치의 핵심부품인 광학계(발광부/수광부)의 성능을 저가형의 레이저와 광검출기의 조합을 통해 구현할 수 있는 지를 평가해 보았다. 아울러 광투과율의 정보를 바탕으로 정량적인 입자의 농도를 예측하기 위해서 필요한 입자상물질의 무차원 광소멸계수를 실험적인 방법으로 측정해 보았다.
제안 방법
- 기본적으로 입자상물질의 광투과율을 측정하기 위해 사용된 광학부품은 측정의 신뢰성 확보를 위해 비교적 고가인 레이저 (Thorlab S2011)와 광검출기(Thorlab PDA100)를 사용하였으며, 본 논문에서는 이 구성을 일반형 장치(레이저/광검출기)로 명명하였다. 아울러 Fig.
- 본 연구에서는 디젤의 기준연료인 n-heptane 층류확산화염을 통해 입자상 물질을 발생시키고 TC로 유입시켜 광학밀도를 측정하였다. 또한 TC에 유입된 입자상물질을 중력식 필터법으로 농도를 측정한 뒤 광학적인 방법으로 측정한 농도와 비교하여 무차원 광소멸계수를 계산하였다. 계산된 n-heptane 입자상물질의 무차원 광소멸계수는 10.
- 본 연구에서는 디젤의 기준연료인 n-heptane 층류확산화염을 통해 입자상 물질을 발생시키고 TC로 유입시켜 광학밀도를 측정하였다. 또한 TC에 유입된 입자상물질을 중력식 필터법으로 농도를 측정한 뒤 광학적인 방법으로 측정한 농도와 비교하여 무차원 광소멸계수를 계산하였다.
- 기본적으로 입자상물질의 광투과율을 측정하기 위해 사용된 광학부품은 측정의 신뢰성 확보를 위해 비교적 고가인 레이저 (Thorlab S2011)와 광검출기(Thorlab PDA100)를 사용하였으며, 본 논문에서는 이 구성을 일반형 장치(레이저/광검출기)로 명명하였다. 아울러 Fig. 2에 제시되어 있는 바와 같이 주위에서 쉽게 구입하여 일반형 장치를 대체할 수 있는 레이저 모듈(LB650)과 광검출기(TSL12S)로 구성된 저가형 장치를 이용하여 측정된 광 투광율을 동일한 실험조건에서 일반형 장치로 부터 측정된 광투광율과 서로 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 매연측정기와 유사한 형태의 실험 장치를 구성하고 매연측정장치의 핵심부품인 광학계(발광부/수광부)의 성능을 저가형의 레이저와 광검출기의 조합을 통해 구현할 수 있는 지를 평가해 보았다. 아울러 광투과율의 정보를 바탕으로 정량적인 입자의 농도를 예측하기 위해서 필요한 입자상물질의 무차원 광소멸계수를 실험적인 방법으로 측정해 보았다.
- 아울러 본 연구에서는 기존 광학식 매연측정기의 광원 및 수광부를 저가형으로 제작해 보고자 관련 기초연구를 수행하였으며, 이를 위해 TC에 장착되어 있는 일반형 광학 부품(레이저 및 광검출기)를 저가형 레이저 모듈과 광검출기로 대체하여 그 성능을 비교ㆍ분석해 보았다.
- 7 μm인 유리섬유 필터가 장착되어 공기와 입자상물질이 혼합된 유동으로 부터 입자상물질만을 추출하도록 설계되어 있다. 이 때 입자상물질의 축적으로 발생될 수 있는 필터 양단의 압력 차를 보상하고 실험이 실시되는 동안 TC안으로 유입되는 공기의 유량이 일정하게 유지되도록 필터 후단에는 질량 유량계(mass flow meter, MFC)를 설치하였다. 채집 실험은 충분한 양의 입자상물질이 필터에 채집될 수 있도록 실험 조건에 따라 약 5분 동안 지속하였으며, 필터에 채집된 입자상물질의 질량은 정밀저울을 이용하여 측정하였다.
- 일반형 장치와 저가형 장치에서 계산된 광학밀도의 차이를 규명해 보기위해서 광검출기의 응답성을 살펴보았다. 광검출기의 응답성은 단위입력 광원의 강도 (watt)에 응답하는 출력 전류(전압)의 출력특성으로 나타낼 수 있으며, 실험에 사용된 광검출기의 응답성을 광원의 파장의 함수로 Fig.
- 채집 실험은 충분한 양의 입자상물질이 필터에 채집될 수 있도록 실험 조건에 따라 약 5분 동안 지속하였으며, 필터에 채집된 입자상물질의 질량은 정밀저울을 이용하여 측정하였다. 입자상물질의 질량은 채집 실험 전 필터의 무게를 측정하고, 채집 실험을 마친 후 필터의 무게를 각각 측정하여 각 필터 무게의 차를 이용하여 측정하였다.
- 이 때 입자상물질의 축적으로 발생될 수 있는 필터 양단의 압력 차를 보상하고 실험이 실시되는 동안 TC안으로 유입되는 공기의 유량이 일정하게 유지되도록 필터 후단에는 질량 유량계(mass flow meter, MFC)를 설치하였다. 채집 실험은 충분한 양의 입자상물질이 필터에 채집될 수 있도록 실험 조건에 따라 약 5분 동안 지속하였으며, 필터에 채집된 입자상물질의 질량은 정밀저울을 이용하여 측정하였다. 입자상물질의 질량은 채집 실험 전 필터의 무게를 측정하고, 채집 실험을 마친 후 필터의 무게를 각각 측정하여 각 필터 무게의 차를 이용하여 측정하였다.
- 입자상물질은 Wick버너의 연소과정에서 생성되며, Wick버너 화염 끝단으로부터 방출되는 입자상물질은 공기와 혼합되어 Transmission Cell (TC) 안쪽으로 유입된다. 확산화염으로부터 생성되는 입자상물질의 양은 Wick버너의 심지 높이를 조절함으로써 증발되는 연료량을 제어하는 방식으로 조절하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 입자상물질을 발생시키기 사용된 연료는 디젤 연료의 기준연료(Reference Fuel)로 알려진 순도 99.9% 이상의 n-heptane이다. 입자상물질은 Wick버너의 연소과정에서 생성되며, Wick버너 화염 끝단으로부터 방출되는 입자상물질은 공기와 혼합되어 Transmission Cell (TC) 안쪽으로 유입된다.
성능/효과
- 저가형으로 교체한 광학계를 통해 측정된 광학밀도의 변화도 일반형 레이저와 광검출기를 통해 측정된 광학밀도의 변화와 동일한 경향을 보였다. 다만 일반형 광검출기를 통해 측정된 광학밀도가 저가형 광검출기을 이용한 경우에 비해 다소 낮게 나타났고 TC에 유입된 입자상물질의 농도가 증가할수록 그 차이가 증가 하였다. 이는 일반형 광검출기는 근적외선 영역인 약 1000 nm에서 최고의 응답성을 보이는 반면 저가형 광 검출기는 가시광선 영역인 약 800 nm에서 최적의 응답성을 보이기 때문으로 사료된다.
- 결국, TC 에 유입된 입자상 물질이 농도가 증가할수록 계산된 광학밀도의 차이가 증가하는 현상은 일반형 광검출기와 저가형 광검출기 간의 상이한 응답성에 기인한 것으로 사료된다. 본 연구에서 광원으로 사용된 일반형 레이저와 저가형 레이저 모듈의 파장이 각각 635와 650 nm이기 때문에 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 800 nm 근처에서 가장 뚜렷한 응답성을 보이는 저가형의 광센서가 입사광의 크기변화에 더욱 민감하게 반응할 수 있고, TC로의 입자상물질의 유입이 증가함에 따라 광투과율(I/Io)의 크기가 더 낮아질 수 있다. 이 결과, Case별로 TC로 유입되는 입자상물질의 농도는 동일하지만 일반형 광검출기에 비해 저가형 광검출기를 통해 측정된 광학밀도가 높게 측정되는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 광원으로 사용된 일반형 레이저와 저가형 레이저 모듈의 파장이 각각 635와 650 nm이기 때문에 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 800 nm 근처에서 가장 뚜렷한 응답성을 보이는 저가형의 광센서가 입사광의 크기변화에 더욱 민감하게 반응할 수 있고, TC로의 입자상물질의 유입이 증가함에 따라 광투과율(I/Io)의 크기가 더 낮아질 수 있다. 이 결과, Case별로 TC로 유입되는 입자상물질의 농도는 동일하지만 일반형 광검출기에 비해 저가형 광검출기를 통해 측정된 광학밀도가 높게 측정되는 것으로 판단된다.
- 저가형으로 교체한 광학계를 통해 측정된 광학밀도의 변화도 일반형 레이저와 광검출기를 통해 측정된 광학밀도의 변화와 동일한 경향을 보였다. 다만 일반형 광검출기를 통해 측정된 광학밀도가 저가형 광검출기을 이용한 경우에 비해 다소 낮게 나타났고 TC에 유입된 입자상물질의 농도가 증가할수록 그 차이가 증가 하였다.
- 이는 일반형 광검출기는 근적외선 영역인 약 1000 nm에서 최고의 응답성을 보이는 반면 저가형 광 검출기는 가시광선 영역인 약 800 nm에서 최적의 응답성을 보이기 때문으로 사료된다. 즉 본 연구에서 광 투과율(광학밀도)를 측정하기 위해 사용한 광원은 일반형과 저가형 모두 633~650 nm의 파장대역을 사용하기 때문에, 저가형 광검출기의 응답성이 주어진 파장 대역에서 높고, TC로 유입되는 입자상물질의 농도가 증가할수록 저가형 광검출기로 측정한 광학밀도가 높이 지는 것으로 판단된다.
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