1

제6장

오염물질의 분석법

Prof. Byung-Chul ChoiSchool of Mechanical Systems EngineeringChonnam Nat. Univ.

제동토크 및 제동동력

qds

l

Fw

(1) Prony Brake

회전체와 고정자 사이의 마찰력 : 고정자에 힘이 작용Work W, dW = Ff R dq dsBrake torque, T = Ff R = Fw lBrake power, Pb = dW/dt = Ff Rdq/dt = FfRw = Fwlw

= T w = T(N.m)(2pN(rps)) x 10-3

FfR

2

(2) 수동력계

물의 마찰력과 교반력 이용.

- 마찰력:회전자와 고정자 사이의 유체 점성력 이용.

- 교반형:회전자의 임펠러에서 고정자의 임펠러에 유체가 이동하는 결합력 사용

교반형

마찰력형

(3) 전기동력계

(a) DC Dynamometer

(b) AC Dynamometer

측정 정밀도가 높고 부하조절 범위가 높다.

3

(c) Eddy Current(EC) Dyno.

- 케이싱에 고정한 환상의 권선여자코일, 치차모양의 회전자, 그사이의 와전류 링으로 구성.

- 여자코일에 자로가 형성, 회전자로 자로를 끊어 주면, 와전류링에 와전류가 발생하여 제동력을 얻는다.

- 와전류에 의해 열발생, 냉각수로 냉각.

- 토크는 Prony Dyno. 와 같이 케이싱의 요동 이용으로 측정.

EC Dynamometer 원리

Electro-magnetic

4

Dynamometer 성능 비교

수동력계 전기동력계AC DC EC

1. 기능 흡수 흡수/구동 흡수/구동 흡수

2. 조작성 양호 양호 양호 양호

3. 안정성 조금나쁨 양호 양호 조금좋음

4. 과도응답성 조금나쁨 양호 양호 조금좋음

5. 정밀도 조금나쁨 양호 양호 조금좋음

6. 전력회생 불가 가능 가능 불가

7. 유틸리티 냉각수 전원 전원 냉각수

8. 가격 저가 고가 고가 저가

자동차 배출가스의 샘플링장치

5

A absorbation cell A absorbation cell

C diaphragm of capacitive sensor C diaphragm of capacitive sensor

D detector D detector

E IR emitter E IR emitter

F compensation cell F compensation cell

M rotating modulator M rotating modulator

R reference cell N cell containing gas to be analyzed

S differential measurement signal S differential measurement signal

(a) Positive-filter analyzer (b) Negative-filter analyzer

NDIR 분석기

Bear-Lambert Law

I = e-kcL

k : 흡수계수c : 가스농도L : 셀길이

분광기 분석법

NDIR 분석기의 구조(Horiba사)

CO, CO2

6

반도체 다이오드 레이저 분광기

- 단색광선 발산-파장은 조작 온도로 조절-가스 농도Bear-Lambert Law

I = e-kcLk : 흡수계수c : 가스농도L : 셀길이

-다성분 동시 분석,실시간 측정가스흐름에서 직접 측정

IC

반도체 다이오드 레이저 분광기

H2O spectra recorded during HCCI engine

7

FTIR 분광기 원리

- 간섭계 이용 : 2.5-14 μm 이용• 적외선-beamsplit-두 광-가동거울1-가동거울2-고정거울-반사-beamsplit(두 가동거울동일 축을 중심으로 회전)--재입사한 두 적외선에 광로차(2) 연속스펙트럼 파장은 광로차가 변할 때 간섭계에서 맥동(3) 광로차로 위상이 어긋난적외선이 검출기에 도달(4)Interferogram(5)Fourier Transform(PC)

파장별 적외선 강도 데이터

FTIR 분광기 원리

(6) 간섭계를 떠난 빛이가스셀을 통과

(7) 각기 다른 가스의 흡수분광에상응하는 분광요소 흡수

(8) 정량 – reference spectrum database

(9) 성분별 파장을 미리 결정(10) 성분 농도 미지수(11) 8+9+10 연립방정식 연산

8

FTIR 계측 예

CH4 catalytic reaction spectra

FTIR 계측 예

CH4 NO

NO2

9

화학발광법(Chemiluminescence, CLD)

NO + O3 → NO2· + O2NO2· → NO2 + hν (590-2500 nm)

NOx=NO+NO2

O3

Ni cat.NOx

NO

NO+NO2

NO2⇒NO

FID(Flame ionization Detector)

THC

10

Individual HC

산소 자기압력 측정법

ΔP = 1/2 H2 . X . CH : 자계의 강도, X : 상자성체의 자화율, C: 상자성체의 농도

11

산소센서 및 센서 출력

대기배기가스 다공질 Pt층

세라믹코팅층

V(+)

(-)

기전력V

0

1

rich lean

Stoichiometric

산소센서표면의산소농도

Zr2O3소자

Pt, Zr2O3 : 산소농도차검출, 고온상태에서소자의양면이산소농도차가있으면기전력발생

질량분석계(Mass spectrography)

mv2/r = HevH :자기장 세기(N) V : 양이온 속도(m/s) M : 질량(kg) e : 전하량(Coulomb)

양이온을 가속 전압v(N/s)로 가속운동에너지는EK = 1/2 mv2 = eV

양이온의 질량/전하량m/e = H2r2/(2V)m/e는 r, H , V의 함수m/e ∝r, at H,V=const.

12

n-octane의 질량스펙트럼

Gas-Chromatograph 구조

13

Theory

(1) The Separation Process :Sample components are carried the by a mobile phase through a bed of stationary phase.

Individual species are retarded by the stationary phase based on various interactions such as surface adsorption, relative solubility and charge.

(2) Qualitative Analysis Chromatography is a ‘blind’ method indicating the presence of a substance but what it is.

Qualitative data can be obtained by using the retention data which is characteristics of a substance.

Detector produce a response/unit concentration so standards must be used.

Gas-Chromatography(GC)

Column

Bead column

porous layer

conventional

Porous Layer Open Tube

Wall CoatedOpen Tube

Packed Open(capillary)

Detector : Require the high sensitivity, rapid response and large linear range

Thermal Conductivity Detector (TCD) :- Change in resistance of a wire based on variations in the thermal conductivity

of the gas evolving from a column.- Peak response is a function the TC value for a species so you must standardize

for each event of interest.

Flame Ionization Detector (FID)- Combustible sample- Production of ions in a flame result in a current that can be measured.- Make-up gas required to maintain an optimum flow-capillary column.

Column and Detector of GC

14

TCD(Thermal Conductivity Detector)

휘이트스톤 브리지

FID(Flame Ionization Detector)

15

Thermal Conductivity Detector

Flame Ionization Detector

Detector of GC

Chromatograms of LIHCs at inlet and outlet of Pd/Rh Catalyst

min2 4 6 8 10 12

pA

19

20

21

22

23

24

FID1 A, (KWJ\C-130000.D)

Area: 0.375675 Area: 1.0941

Area: 1.4918

Area: 3.61275

Area: 8.18799

Area: 1.37343 Area: 1.80732

Area: 5.03987

Area: 2.09559

Area: 3.17896

Area: 7.68647

Area: 1.61893 Area: 1.37098 Area: 0.703744

Area: 2.45674 Area: 2.00101

Met

hane

Eth

ane

eth

ylene

Pro

pane

pro

pylen

e is

obut

ane

n-b

utan

e

Tra

ns-2

-But

ene

1-B

uten

e

2,2

-dim

ethy

lprop

ane

Cis-

2-bu

tene 2-m

ethy

lbuta

ne

n-p

enta

ne

1,3

-but

adien

e

1-p

ente

ne

2,2

-dim

ethy

lbuta

ne

2-m

ethy

lpent

ane

n-h

exan

e

Eth

yl Ac

etyle

ne

1-h

exen

e

min2 4 6 8 10 12

pA

20

22

24

26

28

FID1 A, (KWJ\C-130005.D)

Area: 0.390169 Area: 1.20036 Area: 1.23162

Area: 2.95758

Area: 0.243463 Area: 1.45129 Area: 1.69518

Area: 0.203234 Area: 0.363125

Area: 4.36677 Area: 1.12722

Area: 7.52226

Area: 0.887497

Meth

ane

Etha

ne et

hylen

e P

ropa

ne

prop

ylene

isob

utane

n-bu

tane

1-Bu

tene

2,2-

dimeth

ylpro

pane

Cis-

2-bu

tene 2-

methy

lbutan

e

n-pe

ntane

1,3-

butad

iene

1-pe

ntene

2,2-

dimeth

ylbuta

ne

2-me

thylpe

ntane

n-he

xane

1-he

xene

Inlet of Cat.

Outlet of Cat.

16

Conversion of Light Individual Hydrocarbons on catalyst

-20

0

20

40

60

80

100

100 200 300 400 500

Temp(℃)

Conversion(%)

C1 C2C3 C4C5 C6

ECD(Electron Capture Detector)

방사선 동위원소 자연붕괴β입자 이용운반기체 질소가 검출기통과 – 63Ni 동위원소의붕괴로 생성한 β입자와충돌 – 이온화– 2차 전자 발생à고정전압으로 조정된양극으로 이동à기준전류

-운반기체 N2+용질(전자포착)전류 감소(량)으로 정량화

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High Performance Liquid-Chromatograph

Homework 3

1.자동차 배출가스 규제를 위한 배기계측에서CVS법을 채택하는 이유는 ?

2. Bear-Lambert 법칙을 설명하라.3. 반도체 다이오드 레이저 분광기의 원리와

FTIR 분광분석기의 원리의 차이점을 설명하라.4. NDIR 분석기의 원리를 설명하고 분석

가능한 성분을 조사하라.5. CLD 분석기의 원리를 설명하고 분석

가능한 성분을 조사하라.6. GC 분석기의 원리를 설명하고 분석

가능한 성분을 조사하라 .