[논문]레이저 유도 플라즈마 분광분석법을 이용한 연소 가스 온도 측정 기술

이석환; 김용규; 강웅; 정욱철; 이주현; 김성훈; 양인영

레이저 유도 플라즈마 분광분석법을 이용한 연소 가스 온도 측정 기술
Measurement of combustion gas temperature using laser-induced breakdown spectroscopy

한국추진공학회 2017년도 제48회 춘계학술대회논문집, 2017 May 31, 2017년, pp.285 - 289

이석환 (한국표준과학연구원) , 김용규 (한국표준과학연구원) , 강웅 (한국표준과학연구원) , 정욱철 (한국표준과학연구원) , 이주현 (한국표준과학연구원) , 김성훈 (한국표준과학연구원) , 양인영 (한국항공우주연구원 엔진시스템 연구팀)

초록
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레이저 유도 플라즈마 분광분석법 (Laser-induced breakdown spectroscopy : LIBS) 은 기존의 레이저 기반의 연소 진단 기법들의 약한 신호세기, 복잡한 장비 구성, 낮은 정확도 등의 단점을 보완하는 기법이다. 본 연구에서는 LIBS를 활용하여 스크램 제트 엔진의 연소 가스 온도를 측정하기 위한 기초 연구가 수행되었다. 스크램 제트 엔진에서 사용되는 Jet A-1 연료로 스프레이 화염을 만들고 교정된 열전대로 화염 상부에서의 가스 온도를 측정하였다. 그리고 열전대의 온도 측정위치와 동일한 지점에서의 LIBS 신호를 획득하였다. LIBS 스펙트럼을 분석하여 LIBS 신호와 열전대로 측정된 기준 온도와의 보정곡선을 얻었다. 그래서 본 연구를 통해 LIBS를 활용하여 연소 가스의 온도를 in-situ 하게 측정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Laser-induced breakdown spesctroscopy (LIBS) is a technique that complements the disadvantages of conventional laser-based combustion diagnosis techniques such as weak signal strength, complex equipment configuration, and low accuracy. In this study, basic research was carried out to measure the combustion gas temperature of scramjet engines using LIBS. Spray flames were generated from Jet A-1 fuel used in scramjet engines and gas temperatures were measured at the top of the flames with a calibrated thermocouple. The LIBS signals were acquired at the same points as the temperature measurement positions of the thermocouple. The LIBS spectra were analyzed to obtained a calibration curve between the LIBS signal and the reference temperature measured at the thermocouple. Therefore, it was confirmed that the combustion gas temperature can be measured in-situ using LIBS.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 LIBS를 활용하여서 초음속 연소기의 연소 가스의 온도를 in-situ 로 측정하기 위한 기초 연구로 스크램 제트 엔진에서 사용하는 연료인 Jet A-1 연료를 사용한 화염에서의 온도를 LIBS로 측정하는 연구가 수행되었다. LIBS로부터 얻은 신호와 교정된 온도계로 측정된 기준 온도와의 보정곡선을 얻었다.
본 연구에서는 초음속 연소기의 연소 가스 온도를 측정하기 위해 LIBS를 활용하여 가스 온도를 측정하는 연구가 수행되었다. 실제 초음속 연소기에 사용되는 Jet A-1 연료를 활용하여 스프레이 화염을 만들고 교정된 열전대를 이용하여 위치에 따른 온도를 측정하였다.

제안 방법

펄스 폭은 5 ns 이고 빔 직경은 9 mm 이었다. 150 mm 초점거리를 갖는 렌즈에 에너지를 조사하여 플라즈마를 발생시켰고 발생된 플라즈마는 60 mm 초점 거리를 갖는 렌즈를 통과하여 분광기(Andor Holospec-F/1.8)으로 보내어졌다. 분광기는 545 nm에서 917 nm 까지의 범위의 파장을 0.
본 연구에서는 LIBS를 활용하여서 초음속 연소기의 연소 가스의 온도를 in-situ 로 측정하기 위한 기초 연구로 스크램 제트 엔진에서 사용하는 연료인 Jet A-1 연료를 사용한 화염에서의 온도를 LIBS로 측정하는 연구가 수행되었다. LIBS로부터 얻은 신호와 교정된 온도계로 측정된 기준 온도와의 보정곡선을 얻었다.
실제 초음속 연소기에 사용되는 Jet A-1 연료를 활용하여 스프레이 화염을 만들고 교정된 열전대를 이용하여 위치에 따른 온도를 측정하였다. 그리고 같은 위치에서의 LIBS 측정을 통하여 위치에 따른 스펙트럼을 얻었다. LIBS 스펙트럼 분석을 통하여 base 신호가 온도와 반비례의 직선형의 관계가 있음을 확인하였다.
열전대의 교정값은 Table 2 와 같다. 그리고 열전대를 활용하여 측정한 동일한 지점에서 LIBS 측정을 수행하였다. LIBS 측정을 위해서 Nd:YAG 펄스 레이저 (Q-smart 850, Quantel)가 사용되었다.
온도 측정은 soot 이나 남아있는 연료의 미립자의 영향을 받지 않기 위해서 노즐로부터 120 mm 떨어진 곳에서 측정되었다. 기준 온도 측정을 위해서 교정된 열전대를 활용하여 온도 측정을 수행하였다. 열전대의 교정값은 Table 2 와 같다.
레이저가 조사된 후 일정시간동안에 전자-전자 충돌로 인해서 노이즈로 작용하게 되는 continuum 이 발생하는데 이를 피하기 위해서 레이저 조사 후 2 μs 의 지연시간 후 200 ns 의 노출시간동안 분광신호를 측정하였다.
본 연구에서는 초음속 연소기의 연소 가스 온도를 측정하기 위해 LIBS를 활용하여 가스 온도를 측정하는 연구가 수행되었다. 실제 초음속 연소기에 사용되는 Jet A-1 연료를 활용하여 스프레이 화염을 만들고 교정된 열전대를 이용하여 위치에 따른 온도를 측정하였다. 그리고 같은 위치에서의 LIBS 측정을 통하여 위치에 따른 스펙트럼을 얻었다.
1 은 본 연구에서 사용된 실험셋업을 보여준다. 연소가스의 온도를 측정하고자 Jet A-1 연료를 사용하여 실제 화염을 만들었다. 연료는 펌프(Dosing pump, Simdos)를 사용하여 5 mL/min 의 유량으로 노즐로 보내어졌고 공기압축기로부터 공기가 MFC(Mass flow controller) 를 통하여 노즐로 보내어졌다.
노즐은 Siphon 노즐(Delavan SN30609-2) 사용하였고 압축된 공기를 노즐 팁으로 보내어 강학 압력으로 연료를 미립화 시키는 원리가 사용되었다. 온도 측정은 soot 이나 남아있는 연료의 미립자의 영향을 받지 않기 위해서 노즐로부터 120 mm 떨어진 곳에서 측정되었다. 기준 온도 측정을 위해서 교정된 열전대를 활용하여 온도 측정을 수행하였다.
화염으로부터 멀어져 있기 때문에 온도가 Jet A-1 연료 화염의 단열온도 (Adiabatic temperature, 2093 ℃)보다 훨씬 낮은 온도를 보여주는 것을 확인할 수 있다. 측정은 화염의 방사방향(X 축)으로 이루어졌다. Fig.

대상 데이터

그리고 열전대를 활용하여 측정한 동일한 지점에서 LIBS 측정을 수행하였다. LIBS 측정을 위해서 Nd:YAG 펄스 레이저 (Q-smart 850, Quantel)가 사용되었다. 레이저 에너지는 100 mJ 로 고정 하였고 second harmonic generator를 이용하여서 532 nm 파장을 사용하였다.
연료는 펌프(Dosing pump, Simdos)를 사용하여 5 mL/min 의 유량으로 노즐로 보내어졌고 공기압축기로부터 공기가 MFC(Mass flow controller) 를 통하여 노즐로 보내어졌다. 노즐은 Siphon 노즐(Delavan SN30609-2) 사용하였고 압축된 공기를 노즐 팁으로 보내어 강학 압력으로 연료를 미립화 시키는 원리가 사용되었다. 온도 측정은 soot 이나 남아있는 연료의 미립자의 영향을 받지 않기 위해서 노즐로부터 120 mm 떨어진 곳에서 측정되었다.

성능/효과

그리고 같은 위치에서의 LIBS 측정을 통하여 위치에 따른 스펙트럼을 얻었다. LIBS 스펙트럼 분석을 통하여 base 신호가 온도와 반비례의 직선형의 관계가 있음을 확인하였다. 이를 이용하면 초음속 연소기의 연소가스 온도를 in-situ 하게 측정 할 수 있을 것이다.

후속연구

5 에 나타난 것과 같이 base 신호와 온도는 서로 반비레의 관계에 있으며 직선형의 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 이 보정곡선을 이용하면 LIBS 측정으로 in-situ 하게 연소가스의 온도를 측정할 수 있을 것이다.
LIBS 스펙트럼 분석을 통하여 base 신호가 온도와 반비례의 직선형의 관계가 있음을 확인하였다. 이를 이용하면 초음속 연소기의 연소가스 온도를 in-situ 하게 측정 할 수 있을 것이다.

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