Measurement of Temperature and Concentration Distributions for High-Temperature Gas by Using CT-TDLAS = CT-TDLAS를 이용한 고온 가스의 온도·농도 분포 산정에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis is mainly focused on the measurements of the temperature and concentration fields of a high pure propane(C3H8) gas. The temperature and concentration fields were measured by utilizing the laser absorption characteristics.
In order to measure the temperature and concentration fields, an optical tomograph measurement system has been constructed, in which laser technology and tomography technology were adopted.
The optical signals were obtained from the laser signals that had been passed through the combustion field of the propane gas, and these were used for reconstructing the temperature and concentration field.
TDLAS (tuneable diode laser absorption spectroscopy) principle has been adopted, in which the intensity of the laser passed through the combustion field is absorbed according to the concentration of the gas molecule. The concentration field has been measured by adopting the tomography technology.
The present measurement system, optical tomography system, constructed in this thesis is capable of measuring the temperature and concentration fields up to 1500 K.
To attain this goal, two key approaches had been adopted. Firstly, an auto profiling method has been constructed, which is capable of reconstructing very weak signals at the wavelength of 1395.2-1395.8 nm of laser. Secondly, the SMART(Simultaneous Multiple Algebraic Reconstruction Technique) algorithm has been adopted.
The temperature field measured by the constructed optical tomography was compared with those measured by thermocouples (B&R type), through which it was confirmed that the measurement discrepancy between them was within 7 %.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 고순도 Propane (C3H8)을 연료로 한 연소 시 발생하는 가스의 온도, 농도 측정에 관한 연구내용을 담고 있다. 가스의 온도와 농도분포는 수증기(H2O)의 레이저흡수특성을 이용하였다.
온도장과 농도장 측정을 위하여 레이저기술과 토모그래피(tomography)기술을 접목시킨 광학-토모그래피 측정시스템을 완성하였다. 고순도 프로판 가스의 연소장을 통과한 광학신호를 이용하여 온도와 농도장을 재구성하였다.
반도체 레이저로부터 나오는 빛이 가스분자의 농도에 따라 흡수되는 특성을 이용한 레이저 흡수법(TDLAS, tuneable diode laser absorption spectroscopy)을 적용하였고, 공간상에서의 농도분포를 측정하기 위하여서는 토모그래피 기술을 융합 접목하였다.

본 논문에 구현된 ‘광학-토모그래피 측정시스템’은 가스온도가 1500 K까지 농도분포를 측정할 수 있는 시스템이다.
이를 달성하기 위하여, 두 가지 핵심기술을 완성 적용하였다. 첫째, 고온부에서 반응하는 반도체레이저 파장(1395.2-1395.8 nm 파장대)에서 미약한 광학신호를 재구성할 수 있는 자동프로파일링 기술(auto profiling)을 적용하였으며, 둘째, 가스의 농도와 온도 분포를 동시에 측정할 수 있는 SMART 알고리듬 (Simultaneous Multiple Algebraic Reconstruction Technique)을 완성 적용하였다.
측정된 온도 값에 대한 검증을 위하여 열전대(B&R type)를 이용한 온도 측정값과 본 연구에서 개발한 ‘광학-토모그래피 측정시스템’에 의한 온도측정값을 비교한 결과, 측정 온도차이가 7 % 미만으로 나타났으며, 농도분포 측정에서의 상대오차도 동일한 수준으로 측정할 수 있음이 확인되었다.

목차 (Table of Contents)

• List of Table Ⅰ
• List of Figures Ⅱ
• Nomenclature Ⅵ
• Abstract Ⅶ
• 1. Introduction and Motivation 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Overview of thesis 4
• 2. Theoretical Background 5
• 2.1 A diode laser 5
• 2.2 Lambert-Beer’s law 9
• 2.3 Line strength 11
• 2.4 Line broadening function 15
• 2.5 Tomographic reconstruction algorithm 18
• 2.5.1 SMART method 21
• 3. Experimental Details 23
• 3.1 Experimental method 23
• 3.2 Data analysis 30
• 3.2.1 Initial treatment for absorption spectroscopy 30
• 3.2.2 Data process 33
• 4. Results and Discussion 35
• 4.1 Comparison performance of CT-TDLAS to thermocouple 35
• 4.2 Two-dimensional results using CT-TDLAS 40
• 5. Conclusions 47
• 5.1 Summary 47
• 4.2 Future works 48
• References 49
• Acknowledgement 55