KR100191209B1 - 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

파장 변환 물질로서 뜨거운 환경 혹은 물체로부터 나오는 복사광의 스펙트럼을 변환하여 저온으로부터 고온의 온도를 원격 검출하도록한 복사형 광온도 감지 시스템이다. 상기의 시스템은 뜨거운 환경에 놓여진 복사체로부터 프랑크 방정식에 의해 방출되는 복사광의 스펙트럼중 소망하는 스펙트럼만을 필터링하여 출력하는 제1필터링수단과, 상기 필터링 수단으로부터 출력되는 복사광의 스펙트럼을 미리 설정된 대역 이하의 스펙트럼으로 변환하여 출력하는 파장변환수단과, 상기 파장변환수단으로부터 출력되는 스펙트럼을 미리 설정된 파장을 가지는 광신호만을 필터링하여 출력하는 제2필터링수단과, 상기 제2필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호를 미리 결정된 계산에 의거하여 온도값으로 처리하는 신호처리수단으로 구성되어 있다.

Description

파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템

제1도는 본 발명에 따른 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템의 구성도.

제2도는 본 발명에 이용되는 파장변환물질(18)의 흡수 및 방출 스펙트럼도.

제3도는 본 발명에 따른 제1의 구체적 실시 예시도로서, 이는 복사체(12)가 계측 장소로부터 비교적 장거리에 위치되어 사용될 수 있는 경우의 구성도이다.

제4도는 본 발명에 따른 제2의 구체적 실시 예시도로서, 이는 복사체(12)가 계측 장소로부터 비교적 짧은 거리에서 사용될 수 있는 경우의 구성도를 나타낸 것이다.

제4a도는 투과형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이고,

제4b도는 반사형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이다.

제5도는 본 발명에 따른 제3의 구체적 실시 예시도로서,

제5a도는 광학 촛점기와 투과형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이고,

제5b도는 광학 촛점기와 반사형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 고온 환경 12 : 복사체

14 : 복사광 16 : 광학필터

18 : 파장변환물질 20,54 : 광학필터

22 : 포토센서 24 : 신호처리부

30 : 필터링광 32 : 파장변환광

34 : 필터링광 36 : 온도 대응신호

40 : 감지부 42 : 러드

44 : 광결합기 46,48 : 광섬유

50 : 광학 초점기 52 : 반사형 파장변환물질

본 발명은 복사형 광온도 센서 시스템에 관한 것으로, 특히 파장 변환 물질로서 특정 물체(Radiation emitting object)로부터 나오는 복사광의 스펙트럼을 변환하여 저온으로부터 고온의 온도를 원격 검출(Remote sensing)하도록 한 복사형 광온도 감지 시스템에 관한 것이다.

현재 열을 발산하는 물체 혹은 뜨거운 환경(Hot environment)에 있는 물체의 온도를 전기적인 온도측정 방법으로 측정하는 방법은 열전쌍(Thermocouple)이나 RTD를 이용하는 방법이 있다. 그러나 상기와 같은 방법을 이용한 온도측정기들은 전자파 간섭(Electromagnetic interference), 정확도, 응답속도, 고온측정에 많은 문제점이 발생되고 있다. 상기 온도측정기들이 가지고 있는 문제점들은 광섬유 초입단에 온도를 감지하는 감지부를 부착하고, 상기 감지부로 발생되는 복사광으로부터 온도를 검출해내는 광온도 측정 방법으로 다소 해결할 수 있다.

상기와 같은 광온도 측정방법은 복사체로부터 방출되는 복사광을 광섬유 등과 같은 광전송로로서 신호처리부에 전송하여 온도로 계산하는 방법이다. 이와같은 광온도 측정기술은 크게 두가지로 나뉘어 진다.

첫째로는 Ray Dils 특허(미국 특허번호 4,576,486호와 4,750,139호)와 Georgay Tregay 특허(미국 특허번호 4,794,619호), James Stewart 특허(미국 특허번호 3,626,758호)등의 예를 들 수 있다. 상기한 특허들에는 광온도의 감지에 관한 기술이 각각 기재되어 있으며, 특허된 기술들은 흑체(Blackbody) 혹은 흑체공동(Blackbody cavity)으로 된 감지부를 광섬유 끝에 부착형태로 구성한 다음 감지부에서 방출하는 빛의 세기와 스펙트럼의 분포를 분석함으로써 온도를 계산해내는 기술을 가르치고 있다. 이들 특허에서는 광섬유, 광학필터, 포토디텍터등으로 구성된 것이 일반적이다. 상기와 같은 구성으로 광온도를 측정하는 방법은 절대온도가 0° K가 아닌 어떤 물체에서든지 빛을 방출하게되는 것을 이용한 것이다. 예를들면, 흑체이거나 흑체와 유사한 물체에서 방출되는 빛은 프랑크복사 방정식에 따르는 스펙트럼 분포와 세기를 가지고 있다. 따라서 종전의 고온을 측정하는 대표적 광기술로는 흑체물질(Blackbody material) 이나 흑체공동(Blackbody cavity)으로 이루어진 감지부를 광섬유 혹은 러드(Rod)의 끝부분에 구성한 다음 감지부에서 방출하는 빛의 세기와 스펙트럼의 분포를 분석함으로써 감지부의 온도를 계산해내는 방법임을 알 수 있다. 이와 같은 방법의 경우 감지부를 측정하고자하는 곳에 접촉하여야 하기 때문에 고온을 측정하기 위해서는 고온에서 견딜 수 있는 사파이어와 같은 러드(Rod)를 사용하여야 한다. 감지부의 온도에 대응되는 빛이 광섬유나 상기와 같은 사파이어의 러드를 통해서 수신부에 전달되면 여기에서 한개 혹은 한개 이상의 광필터, 포토다이오드를 거쳐서 특정 스펙트럼에서의 빛의 세기에 비례하는 전기신호가 발생된다. 이 전기신호는 다시 증폭되고 신호처리되어 결국은 온도값으로 환산된다.

두번째로는 Kenneth Wickersheim 특허(미국 특허번호 4,859,079)에 기재된 방법을 예로 들 수 있다. 이건 특허에 기재된 기술은 감지부에서 나오는 복사 에너지를 광섬유를 통하여 적외선 흡수기(Infrared absorber)에 전부 흡수시킨 후 복사 에너지의 흡수에 의해 상승된 적외선 흡수기의 온도를 2차온도 센서로 직접 측정함으로써 감지부의 온도를 산출하는 기술을 가르치고 있다. 여기서 온도를 감지하기 위한 장치는 흑체 혹은 공동(Cavity), 광섬유, 적외선 흡수기 및 포토디텍터로 구성되어 있다.

그러나 상기와 같이 광섬유 끝에서 방출하는 흑체복사로부터 온도를 검출하는 종래의 기술들은 대부분 복사 에너지가 적외선 쪽에 분포하고 있는 고온의 측정에는 적합하나 낮은 온도, 예를들면, 500℃ 이하에서 발생되는 복사에너지의 광을 온도로 검출할 수 없는 문제가 발생된다. 또한 이와같은 종래의 온도감지장치에서는 복사온도가 적외선 쪽에 분포한 것만을 감지함으로써 500℃ 이하의 온도측정에 쉽지 않은 문제가 있어왔다.

따라서 본 발명의 다른 목적은 파장변환물질을 이용하여 물체로부터 방출되는 복사광의 스펙트럼을 낮은 파장을 갖는 스펙트럼의 빛으로 변환하여 광범위한 범위의 온도를 용이하게 검출할 수 있는 복사형 광온도 감지 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 뜨거운 환경에 위치된 복사체로부터 방출되는 복사광을 원격지에서 용이하게 검출할 수 있도록 한 복사형 광온도 감지 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 파장변환물질을 이용하여 물체로부터 방출되는 복사광의 스펙트럼을 광전송로에 투명하고 실리콘 광검출기가 민감한 반응을 하는 스펙트럼으로 변환하여 광범위한 범위의 온도를 원격지에서 용이하게 검출할 수 있는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 파장변환물질을 이용하여 250℃ 내지 3500℃까지의 온도를 용이하게 측정할 수 있는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 뜨거운 환경에 놓여진 복사체로부터 프랑크 방정식에 의해 방출되는 복사광의 스펙트럼중 소망하는 스펙트럼만을 필터링하여 출력하는 제1필터링수단과, 상기 필터링 수단으로부터 출력되는 복사광의 스펙트럼을 미리 설정된 대역 이하의 스펙트럼으로 변환하여 출력하는 파장변환수단과, 상기 파장변환수단으로부터 출력되는 스펙트럼을 미리 설정된 파장을 가지는 광신호만을 필터링하여 출력하는 제2필터링수단과, 상기 제2필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호를 미리 결정된 계산에 의거하여 온도값으로 처리하는 신호처리수단으로 구성함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템의 구성도로서, 뜨거운 환경(Hot environment)(10)에 위치되어 복사광(14)을 방출하는 복사체(Radiation emitting object)(12)와, 상기 복사광(14)을 입사하는 위치에 놓여져 상기 복사광(14)의 스펙트럼중 일부를 차단하여 필터링된 필터링광(30)을 출사하는 광학필터(16)와, 상기 광학필터(16)로부터 출사되는 필터링 광신호의 스펙트럼을 미리 설정된 파장을 가지는 대역의 스펙트럼으로 변환하여 파장변환광(32)을 투과 혹은 반사하여 방출하는 파장변환물질(18)과, 상기 파장변환물질(18)로부터 투과 혹은 반사 방출되는 파장변환광(32)의 입사 위치에 놓여져 상기 파장변환광(32)의 스펙트럼중 일부를 차단하여 필터링된 필터링광(34)을 출사하는 광학필터(20)와, 상기 광학필터(20)로부터 출사되는 필터링광(34)을 수광하여 이에 대응된 온도 대응신호(36)를 출력하는 포토센서(22)와, 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36)를 처리하여 온도값으로 환산하는 신호처리부(24)로 구성되어 있다.

제2도는 본 발명에 이용되는 파장변환물질(18)의 흡수 및 방출 스펙트럼도로서, 이는 복사체(12)에서 방출하는 빛의 스펙트럼의 분포 즉, 복사광(14)의 스펙트럼(100)과, 상기 복사광(14)의 스펙트럼(100)을 1차로 흡수하여 재방출하는 파장변환물질(18)의 흡수 스펙트럼(110) 및 방출 스펙트럼(120)을 도시한 것이다. 상기 제2도를 살피면, 복사체(12)의 온도가 800°K일때 상기 복사체(12)로부터 방출되는 복사광(14)의 강도는 파장 0.8㎛에서 굉장히 작지만 파장변환물질(18)을 이용하여 광섬유에 민감하고 실리콘으로 제작되어진 포토디텍터가 민감하게 반응하는 파인 0.8㎛ 근처에서 재방출한 경우 훨씬 큰 빛을 얻을 수 있음을 보여주고 있다.

이와같은 파장변환물질(18)은 이미 범용화된 일렉트론 트랩핑 물질(Electron traping materials)등 이와 유사한 물질이 사용될 수 있다.

우선 제1도와 제2도를 참조하여 복사체의 온도를 측정하는 본 발명의 복사형 광온도 감지 시스템의 동작예를 설명한다.

지금 제1도에 도시된 바와같이 뜨거운 환경(10)내에 열을 방출하는 복사체(12)가 있으면, 상기 복사체(12)로부터는 프랑크 복사방정식에 따르는 복사광(14)이 방출된다. 상기의 복사광(14)은 광학필터(16)의 통과에 의해 특정 파장대역의 스펙트럼이 제거된 필터링광(30)으로 되어 파장변환물질(18)로 입사된다. 이때 상기 복사체(12)가 흑체 공동의 형태로 되어 광을 전송하는 광섬유 혹은 이와 유사한 성질을 가지는 물체 예를들면, 사파이어 혹은 석영등의 러드(Rod)의 끝에 형성되어 있고, 상기 광학필터(16)가 이상적인 광학필터(λ_1,2=차단파장)라 가정하면, 이를 통하여 파장변환물질(18)에 입사(흡수)되는 총 방사력(Radiation power) P₁(T)은 하기식(1)과 같이 된다.

여기서, L(λ, T)은 하기 식(2)과 같으며, 이는 복사체(12)의 방출 스펙트럼(100)을 나타낸다. 그리고, α(λ)는 파장변환물질(18)의 흡수 스펙트럼(110)을 나타내며, 상기 흡수 스펙트럼(110)은 상기 제2도와 같은 분포를 가지고 있다.

단, 식(2)에서 A=흑체 혹은 흑체 공동구의 면적, ε=흑체공동의 방사율(emissivity), C₁은 3.741×10^-16W·M²이고, C₂=1.4338×10^-2M·K이다.

그리고 상기 파장변환물질(18)로부터 재방출되는 파장변환광(32)의 방사(Emission) 스펙트럼(120)을 β(λ)라 하고 이 방사 스펙트럼(120)이 제2도에 도시된 바와같다면, 이는 광학필터(20)를 통하여 특정 스펙트럼이 차단되어진 필터링광(34)으로서 포토센서(22)에 입력된다. 여기서, 상기 광학필터(20)가 이상적인 필터(λ_3,4=차단파장)라 가정하면, 상기 파장변환물질(18)에서 재방출되는 파장변환광(32)은 거의 손실 없이 포토센서(22)에 입사된다. 상기에서 광학필터(20)를 사용하는 이유는 파장 변환 물질(18)에서 재방출된 빛만을 혹은 재방출된 빛중 일부만을 걸러내기 위함이다.

상기 광학필터(20)로부터 출사되는 필터링광(34)을 입력하는 상기 포토센서(22)는 입사된 광을 전기신호로 변환하여 필터링광(34)에 대응한 온도 대응신호(36)를 출력한다. 여기서 온도 대응신호(36)란 함은 포토다이오드와 같은 수광소자 등으로 구성되는 포토센서(22)에 광이 입사시 이를 전기적 신호로 변환한 것임을 알 수 있다. 이때 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36)를 P₂(T)라 하면 이는 하기 3식과 같이 표시될 수 있다.

여기서 C는 파장변환물질(18)의 변환효율이며, R(λ)은 포토센서(22)의 응답성(Responsitivy)이다.

위 제3식은 복사체(12)로부터 방출되는 복사광(14)의 방출도 L(λ,T)가 온도에 따라서 변하기 때문에 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36) P₂(T)도 또한 온도에 따라서 변한다는 것을 말해 준다. 이 때문에 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36) P₂(T)가 측정되면 복사체(12)의 온도를 알아낼 수 있게 된다. 상긴 포토센서(22)의 출력 P₂(T)의 측정은 범용화된 신호처리부(24)를 이용하여 행할 수 있다.

상기와 같은 구성중 광학필터(16)(20)로는 광 밴드패스 필터(optical band pass filter) 혹은 장파 통과 필터(longwave pass filter)가 사용될 수 있다. 그리고, 포토센서(22)로는 실리콘 포토다이오드가 가장 적합하지만 경우에 따라서는 게르마늄(Germanium)이나 InGaAs 포토다이오드를 사용할 수도 있다. 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36)는 이미 잘 알려진 방법의 신호 처리에 의해 온도로 변환된다. 예를들면, 신호처리부(24)는 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36)를 소정의 레벨로 증폭하고, 상기 증폭된 온도 대응신호(36)를 전술한 제3식에 포함된 함수 β(λ), α(λ)와 파라미터 A, C, ε, λn과의 연산에 의해 전술한 제3식의 P₂(T)를 온도로 치환한다.

상기 신호처리부(24)가 포토센서(22)로 부터 출력되는 전기신호를 온도 신호로 처리하는 예를 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다. 복사체(12)의 온도가 증가되면 광학필터(16)로 입사되는 빛의 양이 증가된다. 따라서 파장변환물질(18)에서 재방출되는 빛의 양도 증가되기 때문에 광학필터(20)를 통하여 포토센서(22)에 입사되는 빛의 양도 증가된다. 상기와 같은 원인에 의해 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도 대응신호(36)는 입사되는 광신호 즉 필터링광(34)에 선형적으로 비례하여 변화되며, 이는 신호처리부(24)내의 증폭회로에서 소정의 레벨로 증폭된다. 상기 증폭된 신호는 미리 저장된 프로그램에 따라서 온도로 환산된다. 여기서 미리 저장된 프로그램이라 함은 온도와 상기 포토센서(22)에 입사되는 광출력 사이의 관계식[식2]를 기초로 작성된 것이며, 이는 적어도 한점(온도) 이상에서의 온도 캘리브레이션 값이 저장되어야 한다.

한편, 상기한 제1도의 설명중 제2도와 유사한 방출 및 흡수스펙트럼을 갖는 파장변환 물질(18)로는 일렉트론 트랩핑 물질(Electron traping materials)등 이와 유사한 물질이 사용될 수 있는데, 방출 및 흡수 스펙트럼의 피크파장은 ET 물질의 종류에 따라 다르다. 상기 제1도와 같이 구성된 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템의 온도 감지 감도는 파장변환 물질(18)의 흡수 스펙트럼(110)이 복사체(12)의 방출도가 큰 파장(2000° K 이하에서 1.1㎛ 이상) 근처에 있을수록 좋고, 방출스펙트럼(120)은 잡음 특성이 우수한 실리콘(silicon) 포토다이오드의 감지파장대역(0.8㎛∼0.9㎛)안에서 있으면 좋다.

상기한 바와 같이 제1도와 같은 구성을 가지는 본 발명의 복사형 광온도 감지 시스템은 파장변환물질을 이용하여 복사체(12)의 방출 스펙트럼중 특정한 대역의 스펙트럼만을 흡수하고, 이를 실리콘 포토다이오드에 민감하게 반하는 낮은 스펙트럼의 대역의 파장으로 재방출함으로써 약 200℃ 내지 3500℃ 까지의 온도를 측정할 수 있게된다.

상기 제1도와 같은 기본 구성을 이용하여 원거리에서 복사체의 온도를 측정할 수 있는 경우의 여러 실시예를 설명하기로 한다.

[제1의 구체적 실시예의 동작]

제3도는 본 발명에 따른 제1의 구체적 실시 예시도로서, 이는 복사체(12)가 계측장소로부터 비교적 장거리에 위치되어 사용될 수 있는 경우의 구성도이다. 이는 파장변환 물질(18)에서 방출되는 스펙트럼을 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로를 통해 원거리로 전송하여 복사체의 온도를 원격지에서 측정하는 예를 나타낸 것이다.

제3도는 온도에 민감한 뜨거운 환경(Hot environment)내에 위치되는 복사체(radiation emitting object)(특히, 고온흑체재질)를 벌크(bulk)나 공동(cavity)의 형태로 광섬유 혹은 러드(rod)등의 전송로(42)의 끝에 부착시켜 감지부(40)를 구성하였다. 상기와 같은 감지기(40)의 부착 방법은 러드 혹은 광섬유등의 전송로(42)의 끝에 공동 혹은 벌크 모양으로 블랙바디(blackbody)의 재질이나 고온재질을 코팅, 서포팅(sputtering) 혹은 증착함으로써 손쉽게 제작할 수 있다. 이때 상기 러드의 재질로서는 범용적으로 사용되는 석영, 사파이어, 루비 혹은 투명한 고온 세라믹 재질이나 고온의 유리 재질을 사용할 수 있다.

상기 감지부(40)에서 방출되는 빛(복사광)(14)의 스펙트럼은 감지부(40)에 부착된 투명한 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로(42)로 전송되어 상기 전송로(42)의 끝에 결합된 광학필터(16)에 입사된다. 상기 광학필터(16)와 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로(42), 후술할 전송로(46)와 포토센서(22)간의 결합은 주로 투명한 접착제를 접합하고자 하는 물질 사이에 발라서 결합하는데 구조물(Mounts)등을 이용하여 결합할 수도 있다. 상기 광학필터(16)는 전송되어 온 복사광(14)을 필터링하여 파장변환 물질(18)에 입사시킨다. 이때 상기 광학필터(16)는 감지기(40)로부터 방출되는 복사체의 복사광(14)과 주위 빛과 혼합되어진 광을 대역필터링하여 후술하는 파장변환물질(18)의 흡수 스펙트럼 파장대역의 복사광(14)만을 출사시키기 위함이다. 상기와 같이 필터링된 광은 상기 광학필터(16)에 결합된 파장변환물질(18)에 입사되어 전부 흡수된다.

상기의 파장변환물질(18)은 제2도에서 전술한 바와 같이 흡수된 스펙트럼을 실리콘계의 포토다이오드에 민감한 파장 대역의 스펙트럼으로 파장을 변환하여 파장변환광(32)을 재방출한다. 상기 파장변환물질(18)에서 재방출된 파장변환광(32)은 렌즈와 같은 광결합기(44)를 통해서 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로(46)에 전송된 후 광필터(20)를 거쳐서 포토센서(22)에 입사된다. 이때 상기의 광결합기(44)는 포커싱의 단일 렌즈(Single lens) 혹은 자동 촛점기능 가지는 줌 렌즈(Zoom lens)로 구성할 수 있으며, 이들을 모두 포함하여 파장변환물질(18)로부터 방출되는 빛의 촛점을 전송로(46)에 결상시킬 수 있다. 이와같이 렌즈등의 광결합기(44)를 사용하여 광을 결합하는 이유는 파장변환물질(18)로부터 재방출되는 빛이 산란 될 수 있기 때문에 상기 재방출 빛을 전송로(46)에 집광시키어 양호한 전송효율을 가지기 위함이다.

상기에서 광학필터(20)는 파장변환물질(18)에서 파장변환되지 않고 재방출된 빛과 함께 포토센서(22)에 입사하는 빛을 걸러내기 위해서 사용한다. 이러한 목적을 원활히 달성하기 위해서 광학필터(20)는 파장변환물질(18)에서 재방출되는 빛만을 그대로 통과시킬 수 있는 통과파장대역(Wavelength range of transmission)을 갖고 있어야 한다. 또한 광학필터(16)는 파장변환되지 않았으면서도 파장변환물질(18)에서 재방출된 빛과 파장이 비슷한 광을 제거한다.

따라서 상기 포토센서(22)에는 전술한 바와 같은 파장변환 물질(18)의 재방출 빛만이 입사된다. 그러므로, 상기 포토센서(22)로부터 출력되는 온도대응 신호(36)의 크기는 전술한 식 3과 거의 같게됨을 알 수 있다. 따라서 상기 포토센서(22)로 입사되는 광신호의 크기는 감지부(40)의 온도와 상관관계가 있음을 알 수 있다. 상기와 같은 광신호를 수광하는 포토센서(22)는 수광된 빛에 대응되는 온도 대응신호(36)를 신호처리부(24)로 출력하며, 상기의 신호처리부(24)는 전술한 바와 같이 온도 대응신호(36)를 온도신호로 환산한다.

상기 제1실시예와 같은 구성은 파장변환물질(18)에서 방출되는 스펙트럼을 광섬유등의 전송로(42)(46)틀 통해서 전송한 뒤 멀리 떨어진 위치에서 온도를 감지(remote sensing)하는 경우임으로, 파장변환물질(18)의 방출스펙트럼이 범용으로 사용되는 실리카계 광섬유의 저손실 영역(800∼900nm, 1300nm, 1550nm)에 속하도록 파장변환 물질을 선택하는 것이 좋다. 온도가 200℃인 복사체에서 방출되는 빛의 세기는 파장 1.6㎛에서 상대적으로 크기 때문에 파장변환물질을 사용하여 파장 0.8㎛ 근처로 효율적으로 변환시켜 줄 수 있다면 실리콘 포토다이오드와 범용 광섬유를 이용해서 장거리에서 200℃이하의 온도까지도 측정할 수 있다. 200℃의 온도측정에 필요한 파장변환 물질의 변환효율은 대략 0.1%정도이다. 이와 같은 파장변환물질에는 전술한 바와 같은 ET 재질이 있는데, 대표적인 ET재질로는 Quantax사의 Q42, Q16, Q11-T가 있다. Q42의 absorption 피크파장은 1.1㎛이고, 방사(emission) 피크파장은 0.65㎛이다. 파장변환물질(18)과 광학필터(16)의 결합방법은 액체상태의 파장변환물질(18)을 사용하는 경우와 파장변환물질이 코팅된 판을 사용하는 경우에 따라 다르다. 예를들면, 파장변환물질(18)이 액체 상태로 있는 경우 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로(42) 혹은 광학필터등 원하는 곳에 바르거나 도포(dopping)하여 쓸수 있으며, 파장변환물질이 코팅된 판을 사용하는 경우에는 적당한 크기로 짤라 투명한 접착제를 발라서 원하는 물질에 부착시킬수 있다.

상기 제1구체적 실시예는 파장변환물질(18)과 광전송로등을 이용하여 복사체의 온도를 비교적 장거리에서 측정함으로써 저온으로부터 고온의 온도를 보다 용이하게 측정할 수 있다.

[제2의 구체적 실시예의 동작]

제4도는 본 발명에 따른 제2의 구체적 실시 예시도로서, 이는 복사체(12)가 계측장소로부터 비교적 짧은 거리에서 사용될 수 있는 경우의 구성도로, 제4a도는 투과형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이고, 제4b도는 반사형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이다. 상기 제4a도와 제4b도는 제3도와 같이 방사도가 높은 고온의 재질을 벌크나 공동의 형태로 광섬유 혹은 러드의 끝에 부착시켜 만든 감지부를 측정하고자 하는 물체에 직접 접촉시켜 방출하는 빛을 파장변환물질에 흡수시킨뒤 재방출시킴으로써 온도를 측정하는 접촉식 광온도측정 시스템이다.

우선 제4a도를 살펴보면 전술한 제3도의 구성과 거의 유사함을 알 수 있다. 제3도와의 차이점은 파장변환물질(18)이 광섬유등으로 구성되는 전송로(46)의 끝에 위치하고 있어서 복사광(14)이 포토센서(22)에 입사되기 직전에 감지기(40)로부터 출력되는 복사광(14)의 파장을 상기 포토센서(22)에 민감하게 반응하는 스펙트럼의 파장으로 변환하도록 되어 있다.

상기와 같은 구성에 의해 전술한 제3도의 구성보다는 비교적 간단한 구성으로 근거리에서 복사체의 온도를 측정할 수 있게된다.

제4b도는 제4a도와는 달리 파장변환물질(18)을 반사형의 파장변환물질(52)로 사용한 것이다. 그리고, 상기 파장 변환 물질(52)의 반사 방출표면에 광섬유 혹은 전술한 바와 같은 재질을 가지는 러드등의 전송로(48)를 전술한 방법으로 결합하여 반사되는 파장변환광(32)을 다른 위치에서 포토센서(22)로 수광하여 온도를 측정하도록 하였으며, 이의 동작은 전술한바와 같다. 상기 제4b도와 같은 구성에서 사용되는 반사형 파장변환물질(52)의 예로는 적외선 카드에 널리 사용되고 있는 Q32-R, Q42-R, Q31-R등이 있으며, 이와 같은 물질을 사용하여 제4b도와 같은 구성을 가지고 근거리에서 복사체의 온도를 측정할 수 있다.

상기한 제4a도와 제4b도에서 광학필터(20)는 파장변환물질(18) 또는 반사형 파장 변환물질(52)로부터 방출되는 방출스펙트럼만을 통과시키기 위한 필터이다.

[제3의 구체적 실시예의 동작]

제5도는 본 발명에 따른 제3의 구체적 실시 예시도로서, 제5a도는 광학 촛점기와 투과형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이고, 제5b도는 광학 촛점기와 반사형 파장변환물질을 사용한 경우의 구성도이다. 상기 제5a도와 제5b도는 측정기는 감지부없이 측정하고자 하는 물체나 뜨거운 환경(Hot environment)(10)에서 방출되는 빛을 광섬유 혹은 러드와 같은 전송로(46)에 집광하여 온도를 측정하는 비 접촉식 광온도 측정 시스템이다.

제5a도에 나타난 측정기의 구성은 렌즈등의 광학기로 구성된 광학 촛점기(focusing optics)(50)를 이용하여 물체에서 방출되는 빛을 파장변환물질(18)에 일단 집광시킨 후 상기 집광된 빛의 파장을 변환하여 온도를 측정하는 구성이다.

상기 제5a도와 같은 구성의 광학 촛점기(50)에 물체로부터 방출되는 빛이 입사되면, 상기 물체로부터의 빛은 상기 광학 촛점기(50)에 의해 파장변환물질(18)에 집광된다. 이때 상기 파장변환물질(18)은 전술한 바와 같이 실리콘계의 포토다이오드가 민감하게 반응하는 파장을 가지는 빛으로 변환하여 파장변환광(32)을 전송로(46)로 방출시킨다. 상기 전송로(46)는 전술한 바와 같이 광섬유 혹은 러드등의 재질로 구성된 것이다. 따라서 상기 파장변환물질(18)로부터 재방출된 빛은 상기 전송로(46)와 광학필터(20)를 통하여 포토센서(22)로 입사된다. 이때 상기 포토센서(22)는 전술한 바와 같이 온도 대응신호(36)를 신호처리부(24)로 출력한다.

제5b도에 나타난 측정기의 구성은 물체로부터 방출되는 빛의 스펙트럼중 특정한 스펙트럼만을 광학필터(54)를 통하여 선택하고, 광학 촛점기(focusing optics) (50)를 이용하여 상기 선택된 빛의 스펙트럼을 반사형 파장변환물질(52)에 일단 집광시킨 후, 상기 파장변환물질(52)로부터 재방출되어 반사된 빛을 광결합기(44)를 통해서 전송로(46)로 수광하여 온도를 검출하는 온도측정기이다. 즉, 제5b도와 같은 온도측정기는 특정한 파장을 가지는 온도를 비접촉 방식으로 측정하는데 유용하게 사용할 수 있다.

발명에서 설명된 다수의 실시예들에서는 물체 혹은 파장변환물질에서 방출되는 빛을 효율적으로 전달하기 위하여 광섬유등과 같은 재질의 전송로를 사용한 예들을 설명하였으나, 빛의 전달거리가 충분할 때에는 이들을 사용하지 않고서도 파장변환물질만을 사용하여 본원발명의 목적을 달성할 수 있음에 유의하여야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 물체에서 나오는 복사광의 적외선 스펙트럼을 파장변환물질을 사용하여 광섬유에 투명하고 광검출소자에 민감한 스펙트럼으로 변환함으로써 3500℃ 에서 200℃ 까지의 온도를 멀리 떨어진 위치에서도 정확히 측정할 수 있는 이점이 있다.

Claims (25)

1. 열을 방출하는 물체 혹은 뜨거운 환경으로부터 방출되는 복사형 광도를 감지하는 광온도 감지 시스템에 있어서, 상기의 물체 혹은 뜨거운 환경에 열적으로 접촉되어 복사광을 방출하는 복사 수단과, 상기 복사수단으로부터 출력되는 복사광의 스펙트럼을 미리 설정된 파장 이하의 스펙트럼으로 변환하여 재방출하는 파장변환수단과, 상기 파장변환수단으로부터 방출되는 스펙트럼을 필터링하여 미리 설정된 파장을 가지는 광신호를 출력하는 필터링수단과, 상기 필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호에 대응한 온도값을 출력하는 신호처리수단으로 구성함을 특징으로하는 파장 변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 신호처리수단은, 상기 필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 수광하여 이에 대응된 광온도 대응신호를 출력하는 포토센서와, 상기 포토센서로부터 출력되는 광온도 대응신호를 처리하여 온도값으로 환산하는 신호처리부로 구성함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 파장변환수단은, 일렉트론 트랩핑 물질이 코팅된 코팅판임을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 복사수단과 상기 파장변환수단의 사이에는, 상기 복사수단으로부터 방력되는 복사광을 상기 파장변환수단에 광전송하는 제1광전송로를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 복사수단은, 상기의 제1광전송로의 초입단에 고온 흑체 재질이 벌크 혹은 공동의 형태로 부착되어 구성함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1광전송로와 상기 파장변환수단의 사이에는 상기 복사수단으로부터 방출되는 광신호를 필터링하여 상기 파장변환수단으로 방출하는 광학필터를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 광학필터는, 수광되는 광의 파장대역을 밴드패스필터링하는 광학필터임을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
8. 제4항에 있어서, 상기 파장변환수단과 상기 필터링수단의 사이에는, 상기 파장변환수단으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼을 상기 필터링수단에 전달하는 제2광전송로를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 파장변환수단과 상기 제2광전송로의 사이에는 상기 파장변환수단으로부터 재방출되는 빛을 상기 제2전송로에 집광하는 광결합기를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
10. 제2항 또는 제4항 내지 제8항중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 포토센서는, 수광량에 대응하는 광온도 대응신호를 출력하는 실리콘 포토다이오드임을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 파장변환수단은, 소정의 스펙트럼을 가지는 빛의 파장을 흡수하여 이를 상기 포토다이오드에 민감한 파장의 스펙트럼으로 변환하는 일렉트론 트랩핑 물질임을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1,제2전송로들 각각은, 광섬유인 것을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
13. 제11항에 있어서, 상기 제1,제2전송로들 각각은, 고온유리 재질의 러드인 것을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
14. 열을 방출하는 물체 혹은 뜨거운 환경으로부터 방출되는 복사형 광온도를 감지하는 복사형 광온도 감지 시스템에 있어서, 상기의 물체 혹은 뜨거운 환경에 열적으로 접촉되어 복사광을 방출하는 복사 수단과, 상기 복사수단으로부터 출력되는 복사광의 스펙트럼을 미리 설정된 파장 이하의 스펙트럼으로 재방출하여 반사하는 파장변환수단과, 상기 파장변환수단으로부터 재방출 반사되는 스펙트럼을 필터링하여 미리 설정된 파장을 가지는 광신호를 출력하는 필터링수단과, 상기 필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 수광하여 이에 대응된 광온도 대응신호를 출력하는 광감지수단과, 상기 광감지수단으로부터 출력되는 광온도 대응신호를 처리하여 온도값으로 환산하는 신호처리부로 구성함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 복사수단과 상기 파장변환수단의 사이에는, 상기 복사수단으로부터 출력되는 복사광을 상기 파장변환수단에 전달하는 제1광전송로를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 파장변환수단과 상기 필터링수단의 사이에는, 상기 파장변환수단으로부터 재방출 반사되는 빛의 스펙트럼을 상기 필터링수단을 통하여 상기 광감지수단에 전달하는 제2광전송로를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
17. 열을 방출하는 물체 혹은 뜨거운 환경으로부터 방출되는 복사형 광온도를 감지하는 복사형 광온도 감지 시스템에 있어서, 상기 물체 혹은 뜨거운 환경에 근접 위치되어 상기 물체 혹은 뜨거운 환경으로부터 방출되는 복사광의 일부를 집광하고, 상기 집광된 복사광을 흡수하여 보다 낮은 파장의 스펙트럼으로 재방출하는 집광 파장변환 수단과, 상기 집광 파장 변환 수단으로부터 재방출되는 빛의 스펙트럼을 필터링하여 미리 설정된 파장을 가지는 광신호를 출력하는 광필터링수단과, 상기 필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 전기신호로 변환하고, 상기 전기신호에 대응한 온도값을 출력하는 신호처리수단으로 구성함을 특징으로하는 파장 변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 신호처리수단은, 상기 광필터링수단으로부터 출력되는 광신호를 수광하여 이에 대응된 광온도 대응신호를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드로부터 출력되는 광온도 대응신호를 처리하여 온도값으로 환산하는 신호처리부로 구성함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
19. 제18항에 있어서, 상기 집광 파장변환 수단은, 소정의 스펙트럼을 가지는 빛의 파장을 흡수하여 이를 상기 포토다이오드에 민감한 파장을 가지는 빛의 스펙트럼으로 변환하여 상기 광필터링수단으로 방출하는 파장변환물질과, 상기 방출되는 복사광의 일부를 집광하여 상기 파장변환물질의 흡수면에 결상시키는 광학 촛점수단으로 구성함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 광학 촛점수단은, 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하여 상기 복사광을 상기 파장변환수단에 입사시킴을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 광학 촛점수단은, 상기 방출되는 복사광을 밴드패스 필터링하여 상기 파장변환수단으로 방출하는 광학필터를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
22. 제21항에 있어서, 상기 광학필터는, 상기 렌즈와 상기 파장변환 수단의 사이의 위치에 설치함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
23. 제21항에 있어서, 상기 광학필터는, 상기 렌즈의 앞 혹은 두면에 위치함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
24. 제21항에 있어서, 상기 파장변환 수단과 상기 광학필터링수단의 사이에는, 상기 파장변환수단으로부터 재방출되는 빛을 상기 광학필터링 수단에 전송하는 전송로를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.
25. 제24항에 있어서, 상기 파장변환 수단과 상기 전송로의 사이에는 상기 파장변환수단으로부터 재방출되는 빛을 상기 전송로에 집광하는 광결합기를 더 포함함을 특징으로하는 파장변환물질을 이용한 복사형 광온도 감지 시스템.