다이오드 레이저를 이용한 배기가스 계측에 관한 연구

Abstract

파장 가변용 다이오드 레이저 시스템은 계측하고자 하는 대상 가스의 고유 흡수 파장을 가지는 빔을 조사하고 이 중 흡수되는 양을 측정하는 비교적 간단한 비접촉식 광 계측 기법을 이용한 계측기법이다. 이러한 계측 기법은 가시광 영역에서 적외선 영역까지 광범위한 파장 영역에 걸친 다양한 배기가스를 계측할 수 있을 뿐만 아니라, 수 천 ppm에서 수 ppb까지의 정밀 계측이 가능하다. 또한 연소 생성물을 동시에 실시간으로 관측할 수 있으므로 연소 진단에 유용하게 쓰일 수 있다. 상온에서 구동되는 DFB 방식과 VCSEL 방식의 다이오드 레이저 광원은 소형이고, 내구성이 우수할 뿐만 아니라 응답성이 빠르며, 광섬유와 함께 사용되므로 설치 및 유지보수가 쉬운 장점을 가지고 있다. 본 연구는 DFB 방식과 VCSEL 방식의 다이오드 레이저 광원의 특성을 분석하고 연소 시 발생하는 다양한 배기가스 중 CO, CO2, NO, O2 가스를 대상으로 직접 흡수기법과 파장 변조기법을 이용하여 높은 계측 강도 및 감도를 동시에 만족하는 흡수 신호 및 2f 신호의 검출을 통해 정량적으로 농도를 계측하는데 그 목적이 있다. 또한 이를 연소기에 적용하여 기존의 휴대용 가스 분석기와 농도 값 및 계측 오차 값을 비교함으로서 계측 결과를 비교, 분석하였다. 이를 위해 다이오드 레이저의 주입 전류와 조성 온도 변화에 따른 광원의 출력 및 파장 분석을 수행하였으며, 이는 각각의 대상가스의 계측에 필요한 중심 파장을 제어하여, 계측대상가스의 흡수 파장 대를 선별하고, 각 신호에 대해 온도와 압력 변화에 따른 분광학적 특성을 규명하였다. 또한 신호 잡음의 분석을 토대로 필터링과 선형 함수 피팅을 이용하여 신호 대 잡음비 및 계측 정밀도에 대한 영향을 고찰하였다. 이와 함께 표준가스 (Standard Gas)와 실 계측농도와의 비교를 통해 계측 신뢰성을 확보하였으며, 연소기 적용에 앞서 직접 흡수 기법을 통한 정량 계측 분해능과 파장 변조 기법을 이용한 정량 계측 분해능의 비교를 통해 수 ppm 이하의 농도 계측이 요구되는 가스종의 최적 계측 기법을 규명하였다.; TDLAS system in the flame field is advantageous because it provides the measured species concentration without intrusive probes that can perturb the flow or combustion process. The main objective of this research is to investigate the characteristics of TDLAS system for quantitative measurement of CO, CO₂, O₂, (NO) concentration. The design process of the DLAS system is required to determine the optimum wavelength for the conditions of the measurement environment(temperature, pressure) as well as to select the overall parameters (bandwidth, modulation index, phase, filtering, calibration, etc.). The optimum transition condition is determined by considering its line strength and isolation from H₂O interferences. Fundamental spectroscopic parameters for this transition were measured and compared with HITRAN data. Each diode laser for exhaust gas measurement is set to operate at near-IR using both DA and WMS methods. In addition, use of fiber-coupled optical elements makes such a sensor to be rugged and easily aligned. On-line data acquisition and processing can be operated with a PC running LabVIEW software. The results indicated that the gas concentrations of CO, CO₂, O₂, (NO) are accurately measured within ±1.5% error. When the WMS method is applied, the beam intensity is substantially increased 2-3 times higher than DA method. To evaluate the measurement accuracy, experimental reaults of WMS (Wavelength Modulation Spectroscopy) are compared with those of DA (Direct Absorption).