KR100398415B1 - 가열물체의 온도 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열물체, 특히 가열된 모든 종류의 강재 표면온도를 방사온도계로 정도 좋게 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명에서는 가열물체 표면온도를 방사온도계로 측정하는 방법에 있어서, 가열물체 온도측정표면에 근접하게 반사판을 배치하고, 그 반사판 후면에 단열부재를 부착하여 반사판 온도와 가열물체 표면온도가 근접하도록 하는 구조로, 반사판과 단열부재를 관통하도록 연결되게 관통개구부를 형성하고, 이 관통개구부를 통하여 단열부재 후방에 설치된 방사온도계로 그 측정파장을 0.8 mu m 이하로 한정하여 가열물체의 표면온도를 측정한다.

Description

가열물체의 온도측정방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING TEMPERATURE OF HEATING BODY}

본 발명은 가열물체 특히 철판, 형강, 강재 슬라브 등의 가열강재 표면온도 측정에 적합한 온도측정방법 및 장치에 관한 것이다.

강재 제조공정에 있어서 강재 표면온도를 정확하게 측정하는 것은 공정관리나 품질관리상 매우 중요하다. 강재 표면온도 측정에는 일반적으로 방사온도계가 사용되고 있고, 가열강재에 있어서는 온도측정영역이 600∼1400℃이므로 통상, 태양전지를 응용한 Si 소자가 온도측정검출기로써 사용되고 있다.

상기 Si 소자는 측정파장온도 피크가 0.9 mu m 부근에 있으며, 그 파장대역은 일반 탄소강의 압연강재와 같이 두꺼운 산화막으로 덮여 있고 산화막 조성도 거의 일정한 재료에서는 산화막 방사율이 비교적 높음으로 정도 높게 온도측정이 가능하다고 생각된다.

그러나, 고 Si 함유강재, 스테인레스 강재 등에 있어서는 산화막 두께나 조성변화가 커서 표면산화막 방사율이 변화하게 되며, 그 결과 Si 소자를 검출기로 하는 방사온도계로 이들 강재 표면온도를 측정하는 경우에는 큰 측정오차가 생기는 문제점이 있다.

본 발명자들은 가열된 고 Si 함유강재, 스테인레스 강재 등 표면온도측정시 발생되는 상기 종래 문제점을 해결하기 위해 연구를 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 모든 가열강재에 대해서 정도 좋게 온도측정이 가능할 뿐만 아니라 강재이외 가열물체의 표면온도측정에도 적용될 수 있는 가열물체의 온도측정방법 및 장치를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 부합되는 가열물체의 온도측정장치의 일례를 나타내는 단면개략 도

도 2는 본 발명에 부합되는 가열물체의 온도측정장치의 다른 예를 나타내는 일부 단면 개략도

도 3은 본 발명에 부합되는 가열물체의 온도측정장치의 사용상태의 일예를 나타내 사용상태도

도 4는 방사온도계에 의한 온도측정에 있어서 피측정물체의 방사율과 측정파장과의 관계를 나타내는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 온도측정장치 2: 반사판

3: 단열부재4: 방사온도계

5: 관통개구6: 반사판

7: 기준온도계8: 내열관상부재(耐熱管狀部材)

9: 열전대10: 신호처리장치

11: 제어장치 12: 간격(H)측정장치

13: 구동장치 14: 가이드용 롤러

15: 가열 죤16: 균열 죤

S: 가열물체(가열강판)

본 발명은 가열물체의 표면온도를 방사온도계로 측정하는 방법에 있어서, 가열물체 의 온도측정표면에 근접하게 반사판을 배치하고, 그 반사판 후면에 단열부재를 부착하여 반사판 온도와 가열물체 온도가 거의 일치하도록 구성하고, 반사판과 단열부재를 관통하도록 연결되게 형성된 관통개구부를 통해서 단열부재 후방에 설치된 방사온도계로 그 측정파장영역을 0.6 mu m 이하로 한정하여 가열물체의 표면온도를 측정하는 가열물체 온도측정방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 온도측정방법에 있어서, 반사판 온도와 가열물체 의 표면온도와의 차를 특정의 근접한 범위로 유지하면서 방사온도계로 가열물체의 온도를 측정하는 가열물체 온도측정방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 가열물체 표면온도를 방사온도계로 측정하는 장치에 있어, 가열물체의 온도측정표면에 근접하게 배치된 반사판과, 이 반사판 후면에 부착된 단열부재와 이 단열부재 후방에 설치한 방사온도계를 구비하고, 상기 반사판 및 단열부재를 관통하도록 연결되게 형성된 관통개구부를 통해서 측정파장영역을 0.6 mu m 이하로 한정한 반사온도계로 가열물체의 온도를 측정하도록 구성되는 가열물체의 온도측정장치에 관한 것이다.

또한,본 발명은 상기 본 발명의 온도측정장치에, 반사판 온도를 측정하는 장치와 반사판과 단열부재를 상하로 움직이게 하는 구동장치를 부가하고; 그리고 반사판 온도와 가열물체 표면온도와의 차가 특정의 근접한 범위를 벗어난 경우에 반사판과 가열물체 표면과의 간격을 조정하도록 상기 반사판과 단열부재를 상하로 움직이게 하는 구동장치를 구동시키기 위한 제어장치를 구비하는 가열물체의 온도측정장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서는 방사온도계 온도측정파장을 0.6 mu m 이하, 또는 0.5∼0.6 mu m로 하고, 가열물체의 온도측정표면에 근접하여 단열재로 덮은 반사판을 배치하여 측정부분에 유사 흑체조건을 실현하는 것을 특징으로 하고, 이들 특징에 의해 산화막을 갖은 모든 강재에 대해서 정도 좋게 온도측정이 가능하게 된다.

본 발명에서는 방사온도계 온도측정파장을 0.6 mu m 이하로 함으로써 다음과 같은 특징을 얻을 수 있다.

(1) 통상 가열강재의 경우에는 거의 모든 재료에 대한 산화막 방사율이 0.8 이상의 높은 값을 나타내고,

(2) 방사온도계의 n값(n = 14388/ lambda T, lambda 는 방사온도계의 측정파장( mu m), T는 측정온도(K)임.)이 높게 되어 방사율 변동에 대한 측정오차가 적게 된다.

본 발명에 있어서는 가열물체 온도측정표면에 근접하게 단열재로 덮혀진 반사판을 배치함으로써 다음과 같은 특징을 얻을 수 있다.

(1) 방사온도계 측정파장을 짧게 하면 주변광 영향을 받기 쉽게 되지만, 반사판 폐광효과에 의해 주변광 영향을 줄일 수 있고,

(2) 반사판이 가열되면 반사판과 가열물체 사이에서 반사판으로 부터의 방사에너지와 가열물체 표면으로 부터의 방사에너지가 다중 반사를 일으켜 온도측정부분에서 근사 흑체조건이 실현되어 반사율 영향을 보다 줄일 수 있다.

우선, 방사온도계의 온도측정파장이 측정오차에 미치는 영향에 대해서 고찰한다.

산화막이 없는 스테인레스 강판(후판) 및 표면에 여러 가지 두께의 산화막을 형성한 스테인레스 강판(SUS304강판)의 방사율과 측정파장과의 관계를, 열연강판 방사율과 측정파장과의 관계와 대비하여 도 4에 나타내었다.

도 4에서의 방사율은 재료를 진공로에 장입하여 스테인레스 강판에 대해서는 850℃, 열연강판에 대해서는 530∼770℃로 가열하여 고감도의 분광광도계를 사용하여 측정한 것이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 표면광택이 있고 산화막이 없는 스테인레스 강판의 방사율은 낮지만, 산화막이 형성되면 짧은 파장영역에서는 급격하게 방사율이 높게 되며, 특히, 파장이 0.5∼0.6 mu m 부근과 통상 방사온도계에서 사용되고 있는 0.9 mu m 부근에서는 방사율에 큰 차가 생기고 있는 것을 알 수 있다.

측정대상의 방사율이 높은 것이 보다 정확하게(정도 좋게) 온도를 측정함에 있어서 중요하므로, 측정파장영역을 0.6 mu m 이하, 예를 들면 0.5∼0.6 mu m로 하는 것은표면에 산화막을 갖는 강재의 온도측정에 있어서 유리하다 할 수 있다.

측정파장과 온도오차와의 관계는 하기 식(1)및(2)와 같이 나타낼 수 있다.

T/T = (1/n)( )

n = 14388/T lambda

상기 식(1)및(2)에서,T는 방사율이 변하면서 생기는 온도오차, T는 측정온도(K),는 온도오차의 원인으로 되는 방사율 변동값, epsilon 는 강재 방사율, lambda 는 방사온도계 측정파장( mu m)을 나타낸다.

상기 식(1)및(2)에서 알 수 있는 바와 같이, 측정파장이 1/2로 되면 n값은 2배로 되어 방사율 변동에 의한 온도오차가 1/2로 된다.

이와 같이, 측정파장을 짧게 하면 정도가 좋은 온도측정을 할 수 있게 된다.

구체적인 예로서, 스테인레스강판의 표면온도를 측정파장 0.5 mu m와 0.95 mu m로 측정한 경우의 온도오차를 구하여 하기 표 1에 나타내었다.

하기 표 1에 있어서 지시온도는 온도계 방사율을 1.0으로 설치한 경우의 지시온도를, 오차는 열전대에 의한 실측값과의 차이 온도이다.

하기 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 측정파장이 0.5 mu m인 경우가 0.95 mu m인 경우에 비해 오차는 1/4 정도로 감소하고 있다.

즉, 이 예는 측정파장을 선택함으로써 방사율 영향을 대폭적으로 줄일 수 있음을 나타내는 것이다.

시료 No.	강판온도(실측)(℃)	측정파장( mu m)	방사율	지시온도(℃)	오 차(℃)
1122334455	950950950950950950950950950950	0.50.950.50.950.50.950.50.950.50.95	0.780.570.820.650.850.730.890.670.890.76	937.2896.9939.8908.9941.6919.7944.0911.7941.6923.5	- 12.8- 53.1- 10.2- 41.1- 8.4- 30.3- 6.0- 38.3- 8.4- 26.5

다음에, 가열물체, 예를 들면 강판 표면온도측정부에 근접하게 단열구조의 반사판(예를 들면 백색 알루미나의 후면에 단열부재를 부착한 것)을 배치한 경우의 온도측정상의 효과에 대해서 고찰하면 강판과 반사판 사이에 생기는 방사에너지의 주고 받음에 대하여 하기 식(3) 및 (4)가 성립한다.

G₁= e_aF(t_a) + G₂(1-e_a)

G₂= e_oF(t_c) + G₁(1-e_o)

여기서, G₁는 강판에서 반사판을 향하는 방사에너지 강도, G₂는 반사판에서 강판을향하는 방사에너지 강도, e_a는 강판의 방사율, t _a 는 강판의 온도, F(t)는 온도 t의 흑체가 방사하는 에너지 강도, e_c는 반사판의 방사율, t_c는 반사판 온도이다.

상기 식(3) 및 (4)에서 G₂를 소거하면 하기 식(5)를 얻을 수 있다.

G₁= (e_aF(t_a) + (e_c(1-e_a)/F(t_c))/(1-(1-e_c)(1-e_a))

여기서, G₁는 방사온도계가 측정하는 방사온도신호가 된다.

강판표면에 근접하게 배치한 반사판 표면온도 t_c는 반사판 후면을 단열하면, 강판온도에 근접한 온도까지 가열된다.

일 예로서, 강판온도 t_a와 반사판 온도 t_c의 관계를 조사하여 하기 표 2에 나타내었다. 이 관계는 직경이 30cm이고 원판모양인 반사판(방사율: 0.3, 반사판 후면은 두께가 약 10cm 단열재로 덮혀 있슴)을 강판에서 30cm 위쪽에 배치하여 측정한 것이다.

강 판 온 도 (ta)	반사판 온도 (tc)
7008009001000	648756862975

상기 표2의 값을 이용하여 예를 들면 강판온도가 900℃인 경우의 강판온도와 방사온도계의 지시온도(지시)를 상기 식(5)를 이용하여 구하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

이때, 측정파장은 0.5 mu m로 하였다.

하기 표 3에 나타난 바와 같이, 반사판을 배치함으로써 하기 표1의 결과는 개선되고 보다 정도 좋게 온도측정이 가능함을 확인할 수 있다.

강판온도(℃)	반사판온도(℃)	방사율	지시온도(℃)	오차(℃)
900900900900	862862862862	0.800.850.900.95	896.3879.3898.3899.2	- 3.7- 2.7- 1.7- 0.8

상기에서와 같이 반사판을 배치함으로써 보다 정도 좋게 온도를 측정할 수 있는 것은 상기 식(5)에서 알 수 있는 바와 같이 반사판이 가열되면 반사판 표면으로 부터의 방사에너지와 강판 표면으로 부터의 방사에너지가 다중반사를 일으켜, 온도측정부 근방에 근사 흑체조건이 실현되기 때문이다.

근사 흑체조건이 실현되어 있으면, 방사온도계가 측정하는 강판표면으로 부터의 방사에너지 강도 G₁에서 구할 수 있는 휘도온도와 반사판 온도가 같게 즉, t_a= t_c= t 로 됨으로서 상기 식(5)의 G₁은 하기 식(6) 및 (7)과 같이 된다.

G₁= (e_aF(t) + (e_O(1-e_a)/F(t))/(1-(1-e_O)(1-e_a)) = F(t)

G₁= G₂

상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, G₁은 강판의 방사율과는 무관계하게 되어, 온도t의 흑체를 측정하고 있는 것과 동등하게 되며, 강판의 방사율과는 관계없이 정도 좋게 온도를 측정할 수 있다.

발명자들은 가열강재 표면에 대향하여 차폐부재를 배치하고 차폐부재 후면에 단열부재를 부착하여 차폐부재 및 단열부재를 관통하도록 연결되게 형성된 관통 개구부를 통하여 가열강재로 부터의 방사에너지를 단열부재 뒤쪽에 설치된 방사온도계로 검출하여 가열강재의 표면온도를 측정하는 장치를 구성하고, 차폐부재 온도를 실측하여 가열강재 표면온도와의 차가 특정근방범위에 있으면 유사 흑체조건이 실현되어 방사온도계에 의한 지시온도가 실제 피가열강재 표면온도를 나타내고 있음을 확인할 수 있도록 하여 방사온도계 지시온도가 가열강재의 표면온도에 가까워지도록 수정을 하는 기능을 갖은 가열물체 온도측정방법을 제안하여 특허출원한 바 있다.(일본특원평 10-218950호)

본 발명에 있어서도 반사판온도를 열전대 등으로 측정하여, 방사온도계 지시온도와의 차를 모니터링함으로써 발명자들이 제안한 상기 일본특원평10-218950호에 언급한 원리와 같게 양호한 측정정도가 실현되고 있는가 어떤가를 확인하는 것이 가능하고 방사온도계에 의한 지시온도가 가열강판 표면온도를 크게 벗어난 경우에는 일본특원평10-218950호와 같은 수단을 이용함으로써 방사온도계에 의한 지시온도가 가열강재 표면온도에 가까워지도록 수정을 하는 것도 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 발명에 부합되는 온도측정장치의 일례가 도 1에 나타나 있는데, 도 1을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 부합되는 온도측정장치는, 도 1에 나타난 바와 같이, 가열물체(S)의 온도측정표면에 근접하게 배치된 반사판(2), 이 반사판(2)의 후면에 부착한 단열부재 (3), 및 이 단열부재(3)의 후방에 설치한 방사온도계(4)를 구비하고; 그리고 상기 반사판(2) 및 단열부재(3)를 관통하도록 관통개구부(5)를 연결되게 형성하여 그 관통개구부(5)를 통하여 가열물체(S)의 온도를 방사온도계의 측정파장을 0.6 mu m이하, 또는 0.5 ∼ 0.6 mu m로 한정하여 측정하도록 측정장치(1)을 구성한다.

예를 들면, 반사판(2)는 직경 30cm의 백색 알루미늄으로 구성되고, 그 후면을 두께 10cm의 단열재(3)으로 덮고, 거기에 스테인레스 강판으로 이루어진 반사판(6)이 부착된다.

상기 반사판(6)은 필요에 따라 부착되는 것으로서, 실시 상태에 따라서는 상기 반사판의 부착을 생략할 수도 있다.

도 1에서 부호 8은 강관 등의 내열관상부재를 나타내며, 내부를 수냉시키는 구조가 바람직하다.

도 3과 같이, 가열 죤(15) 및 균열 죤(16)으로 이루어지는 스테인레스 강판의 소둔라인에 도 1의 온도측정장치(1)를 설치하여 가열 죤(15)에서 나온 스테인레스 강판(가열판재(S)라 함)의 온도를 방사온도계로 측정한다.

또한, 온도측정장치(1)에는 반사판(2)의 온도를 실측하기 위한 열전대(9)를 부착하고(도 1 참조), 또한, 내면을 금도금한 반구상(半球狀)의 반사판에 Si온도계를 부착한 기준온도계(7)(도 1 참조)를 가열강재(S)에 근접시켜 가열판재(S)의 표면온도의 실측도 하였으며, 그 실측결과는 하기 표 4에 나타내었다.

강종SUS	가열강재실측온도(℃)	방사온도계지시온도(℃)	반사판 온도(℃)	오차(℃)
304304316316316	931915899926915	938.2917.3900.5926.5918.7	908887871902889	2.22.31.50.51.7

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 온도측정결과는 양호한 측정정도를 나타내고 있음을 알 수 있다.

또한, 방사온도계 지시온도와 반사판 온도의 차는 30℃이내임을 알 수 있다.

또한, 방사온도계 지시온도가 표준온도계에 의한 실측 온도 보다 약간 높게 나타나는 것은 기준온도계 정도가 약간 낮다는 것에 기인하는 것이다.

실제의 온도측정에 있어서는, 도 1에서와 같이, 가열판재(S)와 반사판(2)와의 간격 H(도 1참조)를 측정하는 장치(12)를 설치하고, 열전대(9)로 실측한 반사판(2)의 온도와 방사온도계(4)로 검출한 가열판재(S)의 표면온도와의 차를 신호처리장치(10)에서 산출하여 그 값이 특정의 근접한 범위를 넘은 경우에는 가열판재(S)의 표면과 반사판(2)와의 간격(H)를 조정하여 반사판(2)의 온도와 가열판재(S)의 표면온도와의 차를 일정범위내로 안정시키기 위해 제어장치(11)를 거쳐서 반사판(2)와 단열부재(3)을 상하운동시키는 구동장치(13)을 구동시켜 간격(H)를 조정(미세하게)하여정확한 온도측정을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는 상기 반사판(2)를 가능한 한 가열물체 표면온도에 근접시켜서 온도측정정도를 높이기 위해 단열부재(3)의 내부에 히터를 집어 넣고, 반사판(2)를 가열하여 열손실을 막는 방법을 채용하는 것도 가능하며, 이 경우에는 열전대 대신에 열류계를 설치하여 단열부재중의 열류가 0으로 되도록 히터로 가열하여 열손실을 막는 것도 가능하다.

또한, 실제 제조라인, 예를 들면, 열간압연라인 등에서는 강판상부에 항상 반사판을 근접시켜 배치하는 것은 압연작업에 방해가 됨으로 바람직하지 않다.

이 경우에는 온도측정중에만 반사판을 근접시키는 것이 가능하도록 도 2와 같이 반사판(2)의 양측에 강판(S)에 접촉할 수 있는 가이드 롤용 롤러(14)를 설치하여 측정시에 장치를 하강시켜 반사판(2)를 강판(S)표면에 근접시켜 온도를 측정하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 가열물체, 특히 모든 종류의 가열강재 표면온도를 방사온도계로 정도 좋게 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 측정중 방사온도계에 의한 지시온도가 정확하게 가열물체 표면온도를 지시하고 있는 것이 확인 가능하도록 방사온도계에 의한 지시온도가 가열물체 표면온도를 크게 벗어난 경우에는 방사온도계 지시온도가 가열물체 표면온도에 근접하도록 수정할 수 있도록 한 가열물체 온도측정 방법 및 장치를 제공하는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 이동하고 있는 가열물체 표면온도의 정확한 측정도 가능한 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 가열물체의 표면온도를 방사온도계로 측정하는 방법에 있어서, 가열물체 온도측정표면에 반사판을 배치하고 그 반사판 후면에 단열부재를 부착하여 반사판 온도와 가열물체 표면온도가 근접하도록 구성하여 반사판과 단열부재를 관통하도록 연결되어 형성된 관통개구부를 통해서 단열부재 후방에 설치된 방사온도계로 그 측정파장영역을 0.5∼0.6 mu m로 한정하여 가열물체의 표면온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 가열물체의 온도측정방법
2. 가열물체의 표면온도를 방사온도계로 측정하는 장치에 있어서, 가열물체의 온도측정표면에 근접하게 배치된 반사판과, 이 반사판 후면에 부착된 단열부재와, 이 단열부재 후방에 설치된 방사온도계를 구비하고; 그리고 상기 반사판 및 단열부재에는 상기 방사온도계에 의한 가열물체의 온도 측정을 가능하게 하는 관통개구부가 연속되게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열물체의 온도측정장치