KR100316440B1 - 야금공정에서하나이상의표면의위치를동시에측정하기위한방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 야금공정에서 슬래그 표면과 금속욕 표면의 위치들을 동시에 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 야금공정 즉 전로 작업공정에서, 장입량을 결정하기 위해 금속의 실제 부피를 측정하는 것뿐만 아니라, 금속욕 상부 슬래그 층의 두께를 측정하는 것도 중요하다. 이를 위해 여러가지 수단이 수행되었으나, 기계적 수단 없이 원거리에서 상기 표면들을 신속하고 정확하게 측정하는 방법은 아직까지 알려진 바가 없다. 본 발명에서는 특정 주파수 대역에 걸친 고주파를 상기 표면들에 수직으로 전송하고, 수신기를 사용하여 전송된 파동에 대해 반사된 파동의 위상을 비교하여 이러한 과제를 해결하는 방법이 개시되어 있다. 다수의 주파수 채널에 대하여 위상 변화가 측정되고, 주파수 공간으로부터 시간 지연 공간으로의 변환을 이용하여 위치들을 구한다. 본 발명의 방법은 기준 높이로부터 멀리 떨어져있고 큰 거리를 두고 분리되어 있는 중첩 표면들을 측정하는데 적합하다. 본 발명의 방법에 의해 측정되는 에러는 2mm 정도로 작다. 안테나로서 간섭계가 사용되면, 데이터는 개구면에서도 얻어지고, 이에 따라 표면의 3차원 구조가 형성될 수 있다.

Description

야금공정에서 하나 이상의 표면의 위치를 동시에 측정하기 위한 방법
본 발명은 야금 공정에 있어서, 하나 이상의 표면의 위치들을 동시에 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
전로, 레이들, 전기아크로 및 다른 야금용기들에 있어서, 슬래그 표면의 정확한 위치 및, 슬래그와 액체 금속 사이 계면의 위치를 아는 것이 바람직하다. 특히 전로 작업 공정에서, 장입량을 결정하기 위해 금속의 실제 부피를 측정하는 것뿐만 아니라, 금속욕 상부 슬래그 층의 두께를 측정하는 것도 중요하다. 이를 위해서, 비록 종래에 많은 방법이 사용되었지만, 신속 정확하고 신뢰성 있는 방법은 아직까지는 없다. 또 한편 예를 들어 야금용기라이닝의 두께를 조절하기 위해서, 다른 표면들의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 것이 바람직하다.
물리학에 있어서, 전자기파의 파두(wave front) 패턴 변화는 매우 민감한 탐침으로서 이용될 수 있다. 전자기파는 다양한 물리적 특성을 가지는 매질을 통과하는데, 이때 매질의 성분에 따라 특유한 방식으로 그 진폭 및 위상이 변한다. 그러므로 전자기파가 그 진폭이 감쇠되고 전파속도가 변하는 방식으로 매질을 통과할 때는, 그 연속 복사(continuum radiation)가 영향을 받아, 계면에서의 위상이 갑작스럽게 변화될 것이다. 고주파 대역(radio band)의 전자기파는, 분상 영역(dusty area) 내로 더욱 깊이 침투할 수 있고, 세라믹 재료 예를 들어 슬래그를 관통할 수 있기 때문에 특별한 관심의 대상이 되고 있다.
유럽 특허 제 60 597호에 따르면, 전송되는 파동과 반사되는 파동 사이의 간섭에 의해 특정 주파수의 정상파 패턴이 만들어진다. 이 특정 주파수는 정상파의 영(null)의 위치들에 의해서 결정되며, 이렇게 결정된 신호의 파장은 하나의 표면 위치를 나타낸다. 그러나 이러한 기술에 의해서는 단지 하나의 표면 위치만이 구해질 수 있는데, 이에 따라 야금산업 분야에서 사용되는 방법으로서의 유용성이 상당히 제한된다. 더욱이 이 방법에서는 정상파의 위상이 아닌 진폭이 측정되기 때문에 해상도와 분석력이 심각하게 제한된다.
독일 특허 제 2 812 871호에 따르면, 전송 신호가 주파수에서 스위핑되고, 반사 및 전송되는 신호가 혼합되어 저주파(LF) 신호가 만들어지는경우, 거리가 측정될 수 있다. 이러한 저주파 신호의 주파수는, 송신기의 스위핑 시간과 비교되는 반사 신호의 시간 지연에 의존한다. 그러나 이 방법도 하나의 표면만을 탐지한다.
미합중국 특허 제 4,818,930호 및 국제 공개공보 제 91/10899호에 따르면, 전송되는 신호의 편광각(angle of polarization)은 2개의 표면에서 큰 각도로 반사되는 경우에 변하게 될 것이다. 이들 공보의 방법들은 모두 단일주파수를 브루스터 각보다 큰 각도로 표면으로 전송하며, 두 표면들 사이의 층 두께 및 전송된 파장의 계수(modulus)만을 탐지할 수 있다.
상기 특허 공보들에서는 주파수 대역에 걸친 위상 변화에 대하여 설명되어 있지 않으며, 표면들에 대하여 직각으로 장착된 안테나 장치를 이용하여 다수의 표면 위치들을 동시에 탐지할 수 있는 방법도 나타나 있지 않다. 상기 특허들 중 어디에도 다수의 표면들을 3차원 화상(imaging)으로까지 확장시키는 것에 대해서는설명되어 있지 않다. 본 발명에서 제공되는 방법은 상기 종래의 방법들과는 상당히 다르다.
본 발명의 목적은, 야금공정에 있어서 하나 이상의 표면 위치를 신속하고 정확하며 신뢰성 있게 동시에 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 이하의 구성을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
특정 주파수 대역에 걸친 고주파 신호를 전송하는 단계, 상기 표면들로부터 반사된 신호들을 수신하는 단계, 상기 주파수 대역에 걸쳐서 전송된 신호와 반사된 신호들 사이의 위상 차이를 측정하는 단계, 및 주파수 영역으로부터 시간 영역으로의 변환을 만들어 상기 위치들을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
또 본 발명에 의하면, 상술한 방법에 있어서, 상기 주파수 대역에 걸쳐서 불연속적인 주파수 단계들에서 신호 발생기를 단계화하고 각각의 주파수 단계에 대해 반사되는 신호를 수신하는 단계, 상기 주파수 대역에 걸쳐서 각각의 상기 주파수 단계에서 전송된 신호와 반사된 신호의 위상 차이를 비교하는 단계, 및 상기 위치들로부터 얻어진 주파수 영역으로부터 시간 영역으로의 불연속적인 변환을 만들어 상기 위치들을 도출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상술한 방법에 있어서, 장착된 안테나로부터 원편파로 고주파 신호를 전송하여, 전송된 파동이 상기 표면에 수직으로 조준되며, 반사된 파동은 동일한 안테나에 반대 원편파로 수신되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또 상기 방법에서, 상기 신호들의 위상들은, 각각의 불연속적인 주파수 채널에 대해, 주파수면에서의 공액 복소수 곱을 함으로써, 즉 시간 영역에서의 상호 상관함수에 의해 비교되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은, 상술한 방법 중 어느 하나에 있어서, 상기 안테나가 간섭계에 의해서 형성되며, 상기 표면들의 3차원 구조가, 주파수 및 개구면으로부터 시간 및 화상면(image plane)으로의 3차원적 변환에 의해 이미지로 형성되는 방법을 제공한다.
한 신호의 다른 신호에 대한 시간 지연은, 푸리에 공간 또는 주파수 공간에서, 주파수 위상의 선형 이동이 된다. 측정하고자 하는 표면을 향해 목표 신호가 전송되고 반사되면, 이들 신호의 상대적인 위상은 주파수에 따라서 선형적으로 변한다. 만약 어떤 주파수 대역에 걸쳐 단계적으로 신호를 측정하고, 주파수에 대해 위상을 도시하면 기준 신호(reference signal)에 대한 반사신호의 시간 지연에 대응하는 기울기를 가지는 직선이 된다. 따라서 이와 같이 주파수를 단계적으로 변화시키는 시스템에 의해 거리가 측정될 수 있다. 이와 달리 신호가 반투명 매질 쪽으로 전송되는 경우, 이 신호 중 일부는 반사되며, 다른 일부는 매질을 관통해 전파되고, 다음 표면에서 반사되며, 이때 굴절지수가 다시 변화된다. 이렇게 이중으로 반사된 파동들은, 기준 신호의 공액 복소수에 의해 복소수 곱이 되는 경우, 보다 복잡한 위상 곡선을 나타낸다. 이 위상 곡선은 주파수의 함수로 나타난다. 그러므로 임의의 특정한 주파수 대역에 걸친 주파수 채널에서, 복소수 진폭(Complex amplitude)의 형태로 데이터가 채취되면, 양 표면 모두에 대한 거리가 구해질 수 있다. 개구면(aperture plane)의 간섭계에 의해서 신호가 전송되고 수신되면, 두표면의 완전한 3차원 구조가 구성될 수 있다. 이는 둘 이상의 표면이 존재하는 혼합물의 경우에도 마찬가지로 적용된다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
제 1 도는 다수의 표면의 위치를 측정하기 위한 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
제 2 도는 본 발명이 적용될 수 있는 야금용기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
제 3 도는 제 1 도 및 제 2 도를 참조하여 설명되는 실험을 통해서 얻어진 주파수 대역의 포인트-스프레드-함수(point-spread-function; PSF)를 나타내는 도면이다.
제 4 도는 같은 실험을 통해서 얻어진 슬래그 표면과 금속욕(metal bath) 표면으로부터 반사될 신호를 나타내는 도면이다.
제 1 도 및 제 2 도에 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 신호는 신호 발생기(1)를 이용하여, 정의된 주파수에서 만들어진다. 이러한 신호는 케이블을 거쳐서 전력 분할기(powerspliter; 2)로 전송된다. 여기에서 하나의 경로가 케이블을 통해서 안테나(3)로 연결된다. 제 2 경로는 케이블을 거쳐서 위상 비교기(4)로 연결되며, 이는 기준 신호로서 사용된다. 안테나는 원편파(circular polarization)로서의 고주파 신호를 레이들(10) 형태의 야금용기로 전송한다. 이 신호는 야금용기(10)의 금속욕 표면에 대하여 수직인 각도로 조준되며, 제 2 도에 도시된 바와 같이 슬래그 표면 및 금속욕 표면으로부터 반사되고, 반사수가 홀수이기 때문에, 방향이 반대인 원편파 상태로 동일 안테나(3)에 의하여 수신된다. 수신된 신호는 케이블을 통해서 위상 비교기(4)로 전송되고, 위상 비교기에서 기준 신호의 공액 복소수에 의해 곱해진다. 공액 복소수 곱(complex conjugate multification)의 위상과 진폭은 컴퓨터(5)에 의해서 표에 저장되고, 상기 신호 발생기(1)는 주파수를 한 단계 옮겨서 신호를 발생시키며, 이에 의해 새로운 측정값이 얻어진다. 이러한 절차는 임의의 주파수 대역에 걸쳐 정해진 수의 주파수 채널이 개별적으로 측정될 때까지 계속된다. 이러한 장비는 데이터를 저장하고 신호를 분석하는 컴퓨터에 의해서 제어된다.
시간 to및 주파수 w에서 수신된 기준파(reference wave)는 다음과 같이 표현된다.
제 1 표면으로부터 반사되며, 동일한 수신시간 to에 관계되는 신호는 다음과 같이 표현된다.
제 2 표면으로부터 반사되며, 동일한 수신시간 to에 관계되는 신호는 다음과 같이 표현된다.
Dlslag 및 Dlbad는 제 2 도에 나타나 있다.
Dlslag는 레벨(11)로 표시된, 안테나에서의 기준점으로부터 제 1 표면(슬래그 표면)까지의 거리이고, Dlbad는 2개의 표면(슬래그 표면 및 금속욕 표면) 사이의 거리이다. 여기서 c는 공기 중에서 빛의 속도이고, nslag는 두 표면 사이에서 매질의 굴절지수이다. 따라서 반사된 신호와 기준 신호의 공액복소수 곱, 즉 시간 영역에서의 상호 상관함수(cross correlation)는 다음과 같이 나타낸다.
또는 주파수가 통과 대역 Bpass(Wl, Wh)로 제한된다면,
역 푸리에 변환(inverse Fourier-transform)를 주파수면을 시간 평면(지연 또는 거리면)으로 변환시킨다. Bpass(wl, wh)는 Rect(wl, wh)로 근사될 수 있다. 따라서 역 푸리에 변환의 결과는 다음과 같다.
시스템의 시간 지연 응답은 보통 광학에서는 포인트 스프레드 함수(point spread function)로서 불리며, 이 경우에는 주파수 통과 대역의 푸리에 변환이다. 이러한 응답을 기지의 거리에서 금속 반사체(metal reflector)의 응답을 조사함으로써 측정된다. 그러면 측정된 포인트 스프레드 함수를 사용하는 디콘볼루션(deconvolving)에 의해, 관찰된 신호로부터 표면들에 대한 거리들을 구할 수 있다. 이 거리가, 시간 좌표계의 이동(translation) 즉 Dt'= Dt - 2Dlref/c를 통해 특정 기준 레일(Dlref)로 인용될 수 있다. 기준 레벨은 신호 경로에서 이전에 측정된 금속 반사체 또는 금속 콘테이너의 테두리일 수 있다. 변환에는 깊이 방향 구조도 포함된다. 송신기와 수신기 안테나로서 간섭계를 사용함으로써 개구면에서도 데이터가 얻어진다면, 개구면에 걸친 추가적인 2차원 변환에 의해, 나머지 2차원에 걸친 구조도 나타날 것이다. 안테나로서 간섭계가 사용되는 경우, 이러한 개구면 내의 각 측정점에 대한 측정값은, 아래와 같이 개구면에 관련된 항(aperture-plane term)도 가지게 될 것이다.
여기서 Qx, Qy는 화상면(image plane)의 위치이고, u, v는 간섭계 요소들의 푸리에 개구면 내 위치이다. 이 경우, 간섭계 요소는 개별적인 고주파 혼 안테나들(radio horn antennas)로서 구성되며, 혼 안테나들의 신호는 기준 신호의 복소수에 의해 복소수 곱이 이루어질 뿐만 아니라, 각각 다른 신호들과 상호 상관된다(cross correlated). 송신 간섭계는 표면들에 대해 평행한 평면 파두(plane wave front)를 만들어낼 것이다. 수신 간섭계는 파두에 걸쳐 위상의 변화를 탐지하여 상술한 바와 같이 표면들의 위치를 측정한다. 그러나 3차원의 경우에는 위상 변화의 탐지는 표면들의 영역에 걸쳐서 이루어진다.
상기한 기술 및 장치는 금속욕이 철(iron)인 시험에서 사용되었다. 금속욕의 상부는 야금설비로부터 공지된 조성의 용융 슬래그였다. 제 4 도에는 금속욕의 표면뿐만 아니라 슬래그 표면에 대해 탐지한 결과가 도시되어 있다. 여기서 레벨은 임의로 선택된 기준 레벨(노의 바닥)이다. 이러한 방식으로, 2차 야금(레이들 정련)에서의 슬래그 두께가, 보다 높은 정확도(1-2㎜)에로 측정될 수 있다.
제 3 도는 최량의 실험에 대한, 주파수 대역의 포인트 스프레드 함수(PSF)를 나타낸다.
이상 설명한 본 발명의 방법에 의하면, 측정되는 에러는 2㎜ 정도로 작게 된다.

Claims (5)

  1. 야금 공정에서 하나 이상의 표면의 위치를 동시에 측정하기 위한 방법에 있어서, 특정 주파수 대역에 걸친 고주파 신호를 전송하는 단계, 상기 표면들로부터 반사된 신호들을 수신하는 단계, 상기 주파수 대역에 걸쳐서 전송될 신호와 반사된 신호들 사이의 위상 차이를 측정하는 단계, 및 주파수 영역으로부터 시간 영역으로의 변환을 만들어 상기 위치들을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 주파수 대역에 결쳐서 불연속적인 주파수 단계들에서 신호 발생기를 단계화하고 각각의 주파수 단계에 대해 반사되는 신호를 수신하는 단계, 상기 주파수 대역에 걸쳐서 각각의 상기 주파수 단계에서 전송된 신호와 반사된 신호의 위상 차이를 비교하는 단계, 및 상기 위치들로부터 얻어진 주파수 영역으로부터 시간 영역으로의 불연속적인 변환을 만들어 상기 위치들을 도출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 장착된 안테나로부터 원편파로 고주파 신호를 전송하여, 전송된 파동이 상기 표면에 수직으로 조준되며, 반사된 파동은 동일한 안테나에 반대 원편파로 수신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 신호들의 위상들은, 각각의 불연속적인 주파수 채널에 대해, 주파수면에서의 공액 복소수 곱을 함으로써, 즉 시간 영역에서의 상호 상관함수에 의해 비교되는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나가 간섭계에 의해서 형성되며, 상기 표면들의 3차원 구조가, 주파수 및 개구면으로부터 시간 및 화상면(image plane)으로의 3차원적 변환에 의해 이미지로 형성되는 방법.
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