고압 연소 압력 측정 시스템 | TDLAS 광학 압력 센싱 + 16채널 100MS/s 디지타이저 솔루션

응용 배경

한 연구 기관에서 고압 연소 압력 측정 시스템 개발 시, 분자 농도가 압력 측정에 미치는 간섭 문제를 해결하기 위해 이중 파장 레이저 흡수 분광(Two-wavelength Laser Absorption Spectroscopy) 압력 센싱 신기법을 채택했습니다.

이 기술 혁신은 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 연소 진단을 현재의 온도·농도 측정에서 "온도·농도·압력"의 3차원 다중 파라미터 측정으로 확장할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

본 솔루션은 다음 분야에 핵심 활용됩니다.

• 항공기 엔진 연소실 진단
• 로켓 엔진 연소 시험
• 가스터빈 성능 평가
• 내연기관(ICE) 연소 분석
• 친환경 수소 연소 연구

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도전 과제

1. 기존 접촉식 압력 센서 한계

고압 연소 환경에서 기존 접촉식(Contact-type) 압력 센서는 다음 문제에 직면합니다.

• 저내열성 — 고온에 노출 시 손상
• 고온 감도 표류 — 측정값 신뢰성 저하
• 연소 유동장 간섭 — 센서 자체가 유동에 영향

2. 기존 TDLAS 한계

• 분자 농도 변화의 영향을 받음
• 측정 정밀도와 응용 범위 제한

이 두 가지 문제를 동시에 해결하는 새로운 접근이 필요했습니다.

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솔루션

고객은 위 도전에 대응하기 위해 이중 파장 레이저 흡수 분광 압력 센싱 신기법을 제안했습니다.

측정 원리

[H₂O 분자]
   ↕ 흡수
[Laser 1: 1343 nm] ─┐
                    ├─→ [Lorentz 선폭 측정]
[Laser 2: 1392 nm] ─┘            ↓
                          [두 선의 선형 조합]
                                 ↓
                          [압력 역산(Inversion)]
                                 ↓
                          [분자 농도 면역 압력 측정]

 

 

핵심 원리:

• H₂O 분자의 1343 nm 및 1392 nm 부근 두 흡수선 사용
• 두 흡수선의 Lorentz 선폭(Linewidth) 의 선형 조합으로 압력 역산
• 분자 농도에 영향받지 않는 압력 측정 실현

검증된 사양:

• 473 K ~ 1273 K (200℃ ~ 1000℃) 온도 범위
• 정밀 보정된 조합 계수
• 측정 정밀도 3%
• 측정 속도 20 kHz
• 비접촉, 고온 환경 적합

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데이터 수집 시스템

데이터 수집·제어 시스템은 모듈화 PXI 플랫폼 기반으로 구축되었으며, PXIe 버스로 데이터 전송을 수행합니다.

시스템 구성

[고압 연소 챔버] (473~1273 K)
   ↑ 1343 nm + 1392 nm 레이저
   ↓ H₂O 흡수 후 통과한 광
[광검출기 (PD)] x 16ch
        ↓
[PXIe-69848 디지타이저 #1] (8ch)
[PXIe-69848 디지타이저 #2] (8ch)
        ↓
   ├── 각 채널 14비트 100 MS/s
   ├── 동기 수집
   └── 외부 트리거 50 kHz 재트리거
                ↓
[PXIe-63987w 컨트롤러] (Intel i7)
                ↓
[PXIe-62590 9슬롯 섀시] (8 GB/s 대역폭)
                ↓
[PXIe-826-2T 디스크 어레이] (2 TB)
                ↓
[SeeSharp 분석]
├── 두 파장 흡수선 추출
├── Lorentz 선폭 계산
├── 압력 역산 + 출력
└── 데이터 저장/리플레이

 

핵심 특장점

1. 16채널 고속 디지타이저

• 2장의 PXIe-69848 캐스케이드
• 각 채널 100 MS/s 동기 수집
• 다중 파장 동시 측정 가능

2. 50 kHz 재트리거(Re-trigger)

• 외부 트리거 주파수 최대 50 kHz
• 빠른 연소 과도 현상 캡처

3. 대용량 스토리지

• PXIe-826-2T (2 TB 디스크 어레이)
• 장시간 연속 데이터 저장

4. 고속·고정밀 데이터 처리

• PXIe-63987w 컨트롤러로 실시간 처리
• 수집, 저장, 표시, 재생, 내보내기, 후처리, 분석 통합

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사용 제품

하드웨어

PXIe-62590 — 9슬롯 PXIe 섀시

• 8 GB/s 시스템 대역폭
• 고속 운영 + 데이터 전송 보장

PXIe-63987w — PXIe 컨트롤러

• Intel i7 프로세서
• 고성능·안정성 보장

PXIe-69848 — 고속 디지타이저

• 8채널 14비트 100 MS/s
• 16채널 구성을 위해 2장 사용
• 50 kHz 외부 재트리거 지원

PXIe-826-2T — 2TB 디스크 어레이

• 충분한 저장 공간
• 데이터 처리 능력

소프트웨어

SeeSharp® — C# 기반 오픈소스 측정 제어 플랫폼

• 별도 라이선스 비용 없음
• 광 신호 처리 + 흡수선 분석
• 실시간 압력 역산 라이브러리

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적용 가능 분야

본 솔루션은 다음과 같은 고온 광학 측정에 활용됩니다.

• TDLAS 다중 파라미터 측정 (온도/농도/압력)
• 항공기 엔진 연소실 진단
• 로켓 엔진 연소 시험
• 가스터빈 성능 평가
• 내연기관(ICE) 연소 분석
• 수소 연소(Hydrogen Combustion) 연구
• 극초음속(Hypersonic) 추진 연구
• 연소실 압력장(Pressure Field) 측정
• 비접촉 고온 유동 진단
• 광학 가스 센서 R&D
• 분광 분석 시스템

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왜 JYTEK 인가?

1. 풍부한 PXI 제품 라인업
다양한 연구 요구 충족

2. 검증된 성능과 신뢰성
데이터 수집의 정밀도와 효율 보장

3. 전문 기술 지원
기술적 난제 신속 해결

4. SeeSharp® 측정 제어 플랫폼
강력하고 사용하기 쉬운 개발 환경

5. POC(Proof of Concept) 서비스
도입 전 무상 검증으로 사양 적합성 사전 확인

6. 비용 효율성
기존 고가 장비 대비 우수한 성능 + 합리적 가격

7. 한국 직접 기술지원
제이와이텍코리아 엔지니어가 현장 대응 + 빠른 응답

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결과

JYTEK과의 협력을 통해 고객은 고속·고정밀 이중 파장 레이저 흡수 분광 압력 센싱 시스템을 성공적으로 개발했습니다.

• ✅ 고온 연소 환경에서 비접촉 압력 측정 실현
• ✅ 분자 농도 면역 측정 정밀도 3% 달성
• ✅ 측정 속도 20 kHz
• ✅ 16채널 100 MS/s 동기 수집
• ✅ 50 kHz 외부 재트리거 지원

본 사례는 JYTEK이 항공기 엔진, 로켓 엔진, 가스터빈 등 첨단 추진 시스템 R&D에 핵심적인 데이터 수집 인프라를 제공한다는 것을 보여줍니다. 친환경 수소 연소, 극초음속 추진 등 첨단 에너지·항공우주 연구에 직접 활용 가능합니다.