KR100420876B1 - 온도측정시스템과 이러한 온도측정시스템의 감지기 유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체의 적어도 일부의 물체온도(T_v)를 비접촉측정하기 위한 온도측정시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 물체에 근접하여 배치되는 감지기유니트(2)를 구비하고 제1및 제2금속판(4,14)으로 구성된다. 온도감지기가 각 판에 배치되어 제1판(4)과 제2판(14)의 온도를 나타내는 제1및 제2감지기신호(10,18)를 발생한다. 또한 이 시스템은 물체온도(T_v)를 측정하는 제어유니트(12)를 포함한다. 칼만필터가 사용되는 것이 좋다.

Description

온도측정시스템과 이러한 온도측정시스템의 감지기유니트

본 발명은 어떠한 물체의 적어도 일부분의 물체온도(T_v)를 비접촉측정하기 위한 온도측정시스템에 관한 것으로, 물체에 근접하여 배치될 수 있게 되어 있으며 제1금속판으로 구성되고 이에 이 제1금속판의 온도(T_P1)을 나타내는 제1감지신호를 발생토록 제1온도감지기가 배치된 감지기유니트와, 물체온도(T_v)를 측정하기 위하여 제1감지신호를 처리하는 제어유니트가 구비된 온도측정시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 온도측정시스템에 사용되는 감지기유니트에 관한 것이며 온도측정시스템이 구비된 이미지재생기에 관한 것이다.

이러한 종류의 온도측정시스템은 이미 공지되어 있으며, 특히 복사기나 프린터와 같은 재생시스템의 가열된 회전로울러와 가열된 무단벨트의 표면온도를 측정하는데 사용된다. 이러한 경우에 있어서, 표면온도는 상기 물체온도와 같다. 여기에서 온도측정시스템은 물체온도를 측정하고 제어하기 위한 측정 및 제어시스템의 일부를 구성한다. 이들 조건에서 일어나는 한가지 문제점은 감지기유니트가 물체온도를 측정하기 위하여 회전로울러나 이동벨트에 접촉하는 경우 이들이 손상될 수도 있다는 점이다. 회전로울러 또는 이동벨트는 긁히거나 그밖의 영향을 받을 수 있다. 만약 물체와 접촉하지 않고 물체온도를 측정하고자 한다면 감지기유니트 제1금속판이 물체 또는 물체의 일부와는 상이한 온도를 감지하게 되는 문제가 일어난다. 이는 특히 제1금속판으로부터 주위로의 알려지지 않는 열의 흐름에 의한 것이다. 따라서 물체온도는 정확히 측정될 수 있다. 미국특허 제5 287 155호에서는 제1금속판이 정지된 상태와 가열된 로울러와 접촉하는 순간에 제1금속판의 온도를 측정하고 이를 제1금속판이 로울러와 접촉하지 않을 때 제1금속판의 측정된 온도와 비교하는 방법이 제시되고 있다. 이들 측정값으로부터 차동온도가 측정되고 이는 제1금속판이 로울러와 접촉하지 않을 때에 측정된 온도에 대한 보정값으로서 이용된다. 그러나, 이러한 방법의 결점은 제1금속판이 정지된 로울러와 접촉시 로울러에 손상을 주는 위험이 있다는 점이다. 로울러가 움직이지 않을 때라도 이는 예를 들어 제1금속판에 의하여 충격을 받을 수 있다. 또한 이러한 공지의 방법은 공기습도와 주위온도와 같은 주위조건의 변화때문에 보정값이 시간이 지남에 따라서 눈에 띄지 않을 정도로 떨어질 수 있으므로 충분히 정확하다고 볼 수 없다. 또한 로울러가 정지되어 있을 때에 측정된 보정값은 로울러가 움직일 때의 보정값과는 상이할 것이다. 로울러의 운동는 예를 들어 감지기유니트 부근의 공기가 유동하도록 하고 이러한 공기의 유동이 주위조건에 영향을 주어 온도측정시스템의 정확도에 영향을 준다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 결점을 해결하는데 있으며, 본 발명은 감지기 유니트가 제1금속판으로부터 일정한 간격을 둔 제2금속판을 구비하고 제2금속판의 온도(T_P2)를 나타내는 제2감지신호를 발생토록 제2온도감지기가 배치되어 있으며, 제어유니트가 물체온도(T_v)를 측정하기 위하여 제1 및 제2감지신호를 조합하여 처리함을 특징으로 한다.

본 발명에 따라서, 제2비접촉온도측정이 제2금속판에 의하여 수행되고 새로운 정보가 물체온도에 대하여 얻어지며 이 정보는 제1금속판에 의하여 얻은 정보와는 적어도 부분적으로 독립적인 것이다. 이러한 부분적인 독립성은 제2금속판이 제1금속판에 비교하여 물체에 대해 상이한 위치를 점유한다는 사실에 의하여 이루어진다. 환언컨데, 제2금속판은 한편으로는 감지기유니트의 주위온도(T₀)와, 다른 한편으로는 물체의 온도(T_v)사이의 안정상태비율(T₀/T_v)이 서로 상이한 경우에 한편으로는 제1금속판의 온도(T_P1)와, 다른 한편으로는 제2금속판의 온도(T_P2)가 서로 다르게 제1금속판에 대하여 상이하게 배치된다. 따라서, 물리적인 구조에 기초하여 물체온도는 주위조건이 변화하는 경우에도 완벽한 비접촉방식에 의하여 매우 정확하게 측정될 수 있다. 만약 요구된 경우 주위온도가 제1금속판과 제2금속판의 측정온도에 기초하여 결정될 수 있다. 이는 또한 물체온도의 측정시 주위온도의 영향이 배제될 수 있음을 의미한다.

온도측정시스템의 상기 독립성과 정확성은 제1금속판과 제2금속판이 서로 크기가 다르게 이들을 구성하므로서 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 온도측정시스템의 특정실시형태에 따라서, 제1 및 제2금속판은 서로 대향되게 배치되는 내면과 외면으로 구성되고 제1 및 제2금속판의 내면은 서로 대면한다. 이러한 구성의 잇점은 제1금속판에 의하여 얻은 물체온도에 관한 정보가 제2금속판에 의하여 얻은 물체온도에 관한 정보와 거의 독립적으로 상이하게 되는 점이다. 따라서 시스템의 측정정확도는 더욱 증가할 것이다.

또한 제2금속판에는 제1금속판의 방향으로 제2금속판의 내면으로부터 연장된직립측벽이 구비되어 있으며, 제1금속판이 제2금속판의 측벽으로 둘러싸인 공간내에 배치되고 이 제1금속판은 실제로 제2금속판과 물체사이에 놓이게된다. 따라서, 제1금속판으로부터 주위로의 열류(熟流)는 거의 제로이다. 이러한 구성으로 제1금속판에 의하여 얻은 정보와 제2금속판에 의하여 얻은 정보는 서로 크게 상이한 독립성을 가지므로시 시스템의 측정확도가 증가할 것이다.

온도측정시스템의 아주 유리한 실시형태에 따라서, 제어유니트는 제1 및 제2 감지기신호에 기초하여 물체온도(T_v)를 측정하기 위한 칼만필터(Kalman filter)로 구성된다. 칼만필터의 이용으로 물체온도는 물체, 제1금속판, 제2금속판과 주위사이, 그리고 부가하여 각 제1 및 제2금속판의 열용량 사이의 모든 열전달율을 고려하여 측정될 수 있도록 한다.

특히, 칼만필터는 제1금속판의 온도(T_P1), 제2금속판의 온도(T_P2), 물체온도(T_v)와 감지기유니트의 주위온도(T₀)로 이루어지는 적어도 3개의 상태변수를 갖는 모델에 기초하여, 그리고 제1금속판의 온도(T_P1)와 제2금속판의 온도(T_P2)로 이루어지는 측정량에 의하여 구성된다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 공지의 온도측정시스템을 보인 예시도.

제2도는 본 발명에 따른 온도측정시스템의 제1실시형태를 보인 구성도.

제3도는 제2도 또는 제5도에 따른 온도측정시스템의 칼만필터의 예시형태를 보인 구성도.

제4도는 제2도 또는 제5도에 따른 온도측정시스템의 제어유니트의 예시형태를 보인 구성도.

제5도는 본 발명에 따른 온도측정시스템의 제2실시형태를 보인 구성도.

제6도는 제5도의 감지기유니트를 보인 구성도.

제7도는 물체온도(TV)의 단계적 변화에 응답하는 모델을 보인 그래프.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

2- 감지기유니트 4,14- 금속판

10,18- 감지기신호 12- 제어유니트

제1도는 공지된 온도측정시스템(1)을 보이고 있다. 이 온도측정시스템(1)은 이 예에서 금속판(4)과 이 금속판(4)에 배치된 온도 감지용온도감지기(6)로 구성된 온도감지기유니트(2)로 구성된다. 이 예에서 금속판은 물체(8)에 근접하여 배치되고 이 물체의 온도 T_v는 온도측정시스템(1)에 의하여 측정된다.

온도감지기(6)는 금속판(4)의 온도 T_P를 나타내는 감지기신호를 발생토록 금속판(4)상에 배치된다. 이들 감지기신호는 라인(10)을 통하여 제어유니트(12)로 보내지고 이 제어유니트에서는 물체온도 T_v의 측정을 위하여 감지기 신호를 처리한다.

이 시스템은 다음과 같이 작동한다. 제1도에서 보인 바와 같이, 물체 또는 그 일부에서 측정될 온도를 T_v라 하였다. 그리고 감지기유니트(2)의 온도를 T₀라 하였다. 또한 금속판은 이 금속판이 전체적으로 온도가 동일할 것으로 가정되는 물질로 만들어진다. 따라서 금속판(4)은 동이나 알루미늄과 같이 열전도성이 우수한 물질로 만들어진다. 금속판의 온도는 T_P라 표시하였다. 잘 알려진 열역학 제1법칙에 기초하여 다음의 식이 성립한다.

여기에서 C_TP는 금속판(4)의 열용량과 같고, Q_VP는 물체(8)로부터 금속판(4)으로의 일류와 같으며 Q_P0는 금속판(4)으로부터 주위로의 열류이다.

또한 다음의 식들이 가정될 수 있다.

여기에서 C_VP는 금속판(4)에 대한 물체(8)의 열전도율을 나타내고 G_OP는 주위로부터 판으로의 열전도율을 나타낸다. 상기 식(2)(3)은 물리적인 가정에 기초한다. 근복적으로는 다른 가정도 가능하다. 예를 들어 한편으로는 열류와 다른 한편으로는 온도사이의 비선형관계의 가정도 가능하다.

식(2)(3)과 식(1)을 대입하면 다음 식으로 설명된다.

식(4)은 두개의 미지수, 즉 T_v와 T₀를 갖는 등식이다. 이는 물체온도 T_v의 해답을 직접 구할 수 없음을 의미한다. 다만 열전도율 GOP이 무시되는 경우에만 안정상태 (dT_P/dt = 0) T_v= T_P를 얻을 수 있다. 그러나, 일반적으로는 이러한 종류의 가정은 T_v의 측정에 있어 상당한 오류를 가져온다. 만약 T_v가 예를 들어 100℃정도이고 주위온도 T₀가 예를 들어 40℃인 경우에 Tv의 측정에 있어서, 오류, 즉 T_v와 T_P사이의 차이는 수 ℃나 될 것이다. 만약 물체(8)가 예를 들어 복사기나 프린터의 가열된 로울러이고, 온도측정시스템(1)이 측정 및 제어회로의 일부를 구성하므로서 로울러(8)의 온도 T_v가 요구된 값으로 설정되는 경우에 이러한 종류의 오류는 허용할 수 없을 정도록 크게된다.

제2도는 본 발명에 따른 온도측정시스템(13)을 보인 것으로, 제1도의 구성부분과 일치하는 부분에 대하여서 제1도와 동일한 부호로 표시하였다. 제2도에서 보인 바와 같이, 감지기유니트(2)에는 제1금속판(4)이 구비되어 있으며 이 금속판에는 이 제1금속판(4)의 온도를 나타내는 제1감지기신호를 발생토록 제1온도감지기(6)가 배치된다. 또한 감지기유니트(2)에는 제1금속판(4)으로부터 일정한 간격을 두고 제2금속판(14)이 구비되어 있으며 이는 이 제2금속판(14)의 온도(T_P2) 나타내는 제2감지기신호를 발생토록 배치된 제2온도감지기(16)를 갖는다. 제1 및 제2감지기신호는 각각 라인(10)과 라인(18)을 통하여 제어유니트(12)에 공급되며 이 제어유니트는 물체온도(T_v)를 결정하기 위하여 이들 신호를 조합하여 처리한다.

에너지보존의 법칙에 기초하여 온도 T_P1에 대하여 다음 식이 적용 된다.

여기에서 C_TP1은 제1금속판의 열용량이고, T_P1은 제1금속판의 온도이며, Q_VP1은 물체(8)로부터 제1금속판으로의 열류이고, Q_P10은 제1금속판으로부터 주위로의 열류이며, Q_P2P1은 제2금속판(14)으로부터 제1금속판(4)으로의 열류이다. 유사하게 에너지보존의 법칙에 기초하여 제2금속판에 대하여 다음 식이 적용된다.

여기에서 C_TP2는 제2금속판(14)의 열용량이고, T_P2는 제2금속판의 온도이며, Q_VP2는 물체로부터 제2금속판으로의 열류이고, Q_P20는 제2금속판으로부터 주위로의 열류이다. 다시 한번 제1도에 관련하여 언급된 바와 같이 다음의 가설을 얻을 수 있다.

식(5)(6)에 식(7)을 대입하면 다음과 같다.

등식(12)(13)은 감지기모델을 나타낸다. 감지기모델의 유도는 제1금속판의 온도가 전체적으로 같고 제2금속판의 온도도 역시 전체적으로 같다는 가정하에 기초하고 있다. 또한 제1 및 제2금속판의 열용량은 물체, 제1금속판 및 제2금속판사이의 공기의 열용량보다 몇 배나 크다는 것을 가정하였다. 끝으로 제1 및 제2온도감지기는 각각 제1 및 제2금속판의 온도를 정확히 측정하는 것으로 가정되었다. 감지기 모델은 두개의 미지수 T_v와 T₀를 갖는 두개의 선형차동등식으로 구성된다. 일반적으로 이러한 비교는 이들이 독립적인 경우에 해결된다. 식(12)(13)는 정적인경우에 있어서 다음과 같이 변환될 수 있다.

등식(14)(15)은 두개의 미지수 T_v와 T₀를 갖는 두개의 선형등식을 구성한다. 미지수 T_v와 T₀는 행렬식 G의 답이 0가 아닌 경우에 이들 등식으로부터 해답을 얻을 수 있다. 여기에서 행렬식은 다음과 같다.

물리적인 구성에 기초하여 행렬식 G의 답은 일반적으로 0가 아니다. 미지수 T_v와 T₀는 행렬식 G의 답이 1에 근접할 때에 비례하여 보다 정확히 해결될 수 있다. 따라서 해답은 행렬식으로부터의 아날로그 독립지수이다.

제2도에서, 제1 및 제2금속판(4)(14)은 물체로부터 상이한 거리에 배치된다. 이는 제1 및 제2금속판이 서로 상이하게 "관측"함을 의미한다. 이는 또한 등식(14)(15)이 서로 관계가 없다는 점을 의미한다. 또한 이 예시에서 제2금속판이 제1금속판과는 크기가 상이하다는 사실이 상기 등식이 서로 독립되는 것에 기여한다.

좋기로는, 제어유니트가 제1 및 제2감지기신호에 기초하여 물체온도 T_v를 측정하기 위한 칼만필터를 포함하는 것이 좋다. 이후 상세히 설명되는 바와같이,칼만필티는 등식(12)(13)의 해법을 제공토록 구성될 수 있다.

이러한 칼만필더 구성함에 있어서 그 수치화는 다음과 같이 수행될 수 있다. 무엇보다도 먼저 필터설계에 관하여 물체온도 T_v와 주위온도 T₀는 변하지 않는 것으로 가정된다.

이는 물체온도 T_v와 주위온도 T₀가 등식(12)(13)에 의하면 정의되는 감지기시스템의 상태변수로서 해석될 수 있음을 의미한다. 만약 물체(8)가 예를 들어 복사기 또는 프린터의 가열된 로울러 또는 프린터의 가열된 로울러 또는 가열된 무단이동벨트인 경우에 이러한 가설은 일반적으로 진실일 필요는 없다. 주위와 물체의 온도변화는 일반적으로 20℃/분 이하이므로 이 경우에 있어서 등식(17)(18)도 충분히 유효한 것으로 가정될 수 있다. 온도 T_v와 T₀를 떠나서, 온도 T_P1과 T_P2로 역시 감지기 모델의 상태변수로서 해석될 수 있다. 그리고 등식(12)(13)은 다음과 같이 다시 작성될 수 있다.

여기에서,

그리고 A = 4 × 4 계통행렬식이다. 등식(17)(18)에 따른 가설에 기초하여 행렬식A의 하측 두 열의 개수는 0과 같을 것이다. 만약에 제1금속판으로부터 주위로의 열류가 0라고 가정된다면 행렬식 A를 다음과 같이 간단히 유도할 수 있다.

그러나, 후자의 가설을 설정하는 것은 중요치 않다. 일반적으로 상부 열의 모든 계수는 0이 아닐 것이다. 행렬식의 계수값을 결정하기 위하여 이후 설명되는 가능성 있는 수단은 상기 가설이 없는 경우에도 적용될 수 있다.

모델등식(19)-(22)의 해법을 제공하는 값사이의 차이, 즉 상태변수의 실제값과 초기변수의 가정값사이의 차이는 두가지 이유, 즉 모델오류와 측정오류에 기인한다. 모델에러는 다음의 식을 만족하는 실제 상태량을 요구하므로서 미지항으로 고려되지 않을 수 있다.

다음 식이 모델오류에 대하여 적용된다.

여기에서 w₁(t), w₂(t), w₃(t) 및 w₄(t)는 각각 모든 물리적인 가설이 등식(19)에 따른 모델에 완벽하게 정확치 아니하다는 사실에 의하여 도입된 오류를 나타낸다. 이에 관련하여 시스템 노이즈(또는 간섭)가 있게 됨을 언급할 수 있다.

측정오류는 다음식에 의하여 미지항에서는 고려되지 아니한다.

여기에서,는 측정오류를 포함하는 관측된 변수를 나타낸다.

또한,

여기에서 v₁(t)는 제1온도감지기(6)의 측정오류이고 v₂(t)는 제2온도감지기(16)의 측정오류이다. 이에 관련하여 관측잡음(측정잡음)은의 경우에 관련된다.

계통행렬식 A의 계수는 등식(12)(13)의 열전달계수에 직접 관련된다. 계통행렬식 A과 또한 상기 열전달계수를 결정하기 위하여 단위시간당 물체의 온도 T_v와 주위온도 T₀은 적외선카메라에 의하여 측정될 수 있다. 동시에 단위시간당 제1금속판의 온도 T_P1와 제2금속판의 온도 T_P2는 각각 온도감지기(6)와 온도감지기(16)에 의하여 측정될 수 있다.

이러한 측정은 다음과 같이 표현될 수 있는 정확히 가정된 측정값의 결과를 보인다.

행렬식 A의 계수는 값 J에 대하여 다음의 기준을 최소화하므로서 결정될 수 있다.

여기에서 E는 예상된 값에 대하여 알려진 기호이고는 등식(19)에 따른 감지기 모델로부터 얻은 값이다.

행렬식 A의 계수를 결정하기 위하여 등식(24)에 따른 가설이 이용될 수 있다. 그러나, 계통행렬식 A의 계수에 대한 다른 가설없이 등식(30)에 따라 행렬식 A의 계수를 결정할 수 있다. 등식(17)(18)에 따른 가설에 기초하여 행렬식 A의 하측두 열의 계수가 0과 동일하게 사전에 선택될 것이다. 예를 들어 "확장형" 또는 "적응형" 필터링에 의하여 달리 행렬식 A의 계수를 결정할 수도 있다. 등식(30)에 따라 상기 언급된 방법은 따라서 이들 계수를 결정하는 단 한가지의 방법에 지나지 않는다.

행렬식 A의 계수가 상기와 같이 결정된 후에, 제어유니트(12)의 칼만필터는 다음과 같이 결정될 수 있다. 이를 위하여 제3도는 공지된 칼만필터를 보인 다이아그램이다. 수평점선 위의 부분(I)은 실제시스템이고 점선 아래의 부분(11)은 칼만필터(19)이다.

제3도의 다이아그램에서,

는 시간 t0 에서의 초기상태를 나타내고,

는 x(t)의 추정된 초기상태를 나타내며,

는 x(t)의 추정상태를 나타내고,

는 x(t)의 변화를 나타내며,

는 x(t)의 추정변화를 나타내고,

는 추정y(t)를 나타내며,

K는 2 × 4 배율행렬을 나타낸다.

다음의 파라메타, 즉 추정초기상태와 배율행렬 K의 계수는 제3도에따른 칼만필터에서 정하여져야한다. T_v와 T₀의 초기추정 값은 정적인 상태에 대하여 등식(12)(13)을 풀어 얻을 수 있다. T_P1과 T_P2에 대한 초기추정값과 같이 t=0 에서의 측정값은 명백한 선택이다. 이로부터, 다음 식은 T_v와 T₀에 대한 초기추정으로서 적용된다.

이로써 추정초기상태 x(t0)가 알려진다.

필티파라매타, 즉 행렬 K의 계수는 어느 정도 임의상수이다. 칼만필터이론은의 알려진 가정통계학적 특성, 즉 알려진 편차와를 갖는 표준(가우시안)확률밀도에 기초하여 행렬 K의 선택에 이르는 방법을 제공한다. 이들 계수의 최적값은 다음 기준 J'를 최소화하여 추정된다.

여기에서는 상기 언급된 바와 같이 정확히 가정된 감지기로 한번에 측정될 수 있다. 상기 최소화방법은 상업적으로 입수 가능한 컴퓨터 프로그램에 의하여 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 이제 모든 필터파라메타가 결정되고 제어유니트는 신뢰가능한 값을 제공할 것이다. 이는 다음과 같이 간주될 것이다.제3도에 따른 칼만필터의 고려로부터 다음식이 적용된다.

또한

따라서 등식(33)애 등식(34)를 대입하면 다음과 같다.

만약 등식(35)이 등식(25)으로부터 감산되는 경우,는 등식(27)에 의하여 치환되어 다음 식이 성립된다.

여기에서

등식(36)으로부터 행렬 K의 확대는 오류 e(t)가 신속히 0을 향하여 수렴토록함이 명백하게 된다. 초기상태가 역전된 형태에서 선택되는 경우에서도 오류는 최종적으로 0을 향하여 수렴할 것이다. 다른 한편으로 K의 확대로 측정오류로의 보다 강한 반작용의 결과를 가져온다. 이는 상기 언급된 K의 최적선택이 측정잡음과 시스템잡음사이의 관계에 종속된 절충으로 구성된다. 이러한 선택이 칼만(부시)필터로서 설명된다.

제3도에 따른 칼만필터(점선 아래의 부분II)가 제어유니트(12)에 실현되는방법이 제4도에서 설명될 것이다. 제2도, 제3도 및 제4도에서 서로 같은 부분에는 동일한 부호로 표시하였다. 여기에서 온도감지기(6)(16)는 NTC저항으로 구성되었다. 온도감지기(6)는 공지된 저항(20)과 직렬로 연결된다. 마찬가지로, 온도감지기(16)도 공지된 저항(22)과 직렬로 연결된다. 또한 직렬연결된 온도감지기(6)와 저항(20), 그리고 직렬연결된 온도감지기(16)와 저항(22)이 공통의 DC 전원(24)애 병렬로 연결된다. 온도감지기(6)와 저항(20)사이의 접속점(26)에서 DC전압은 제1금속금속판(4)의 측정된 온도T_P1+v₁(t)의 지표가 된다. 마찬가지로 제2온도감지기(16)와 저항(22)사이의 접속점(28)에서의 전압은 제2금속판(14)의 측정된 온도 T_P2+v₂(1)의 지표가 된다.에 대하여 이와 같이 하여 얻은 값이 칼만필터(19)에 공급된다. 칼만필터(19)는 출력신호를 발생하고 이 신호는 라인(32)을 통하여 선택유니트(34)에 공급된다. 선택유니트(34)는 추후 처리를 위하여 신호로부터성분을 선택한다.

제5도와 제6도는 본 발명에 따른 감지기유니트의 우선실시형태를 보인 것이다. 다시 감지기유니트(2)는 제1금속판(4)과 제2금속판(14)으로 구성된다. 여기에서 제1 및 제2금속판은 각각 서로 대면하는 내면(36)(38)으로 구성된다. 제2금속판(14)에는 측벽(40)이 구비되어 있으며 이는 제1금속판(4)을 향하여 제2금속판(14)의 내면(38)으로부터 연장된다. 이들 측벽은 제1금속판이 제2금속판(14)의 측벽(40)으로 둘러싸이는 공간내에 배치될 수 있는 길이를 갖는다. 이 실시형태에서 제1및 제2금속판은 플라스틱 연결부(42)로 서로 연결된다. 이 연결부의 특징은 이들이 열을 거의 전도하지 않는 점이다.

측벽(40)에 의하여 제1금속판은 제1금속판과 주위사이의 열교환을 최소화하는 보호덮개(캡)을 구성한다. 만약 제1금속판과 주위사이의 열교환이 무시될 수만 있다면 제1금속판의 온도는 측정을 위한 물체(8)와 제2금속판의 열교환에만 따를 것이다. 이 경우에 있어서 제2금속판은 물체, 제1금속판 및 주위와 열교환된다. 주요 열류는 제5도에서 보인 바와 같이 일어날 것이다. 다시 제1금속판의 온도는 전체적으로 동일하고 제2금속판의 온도도 전체적으로 동일하다고 가정된다. 이러한 가설은 예를 들어 제1 및 제2금속판을 알루미늄이나 동으로 제작하는 경우 쉽게 만족하게 될 것이다. 또한 제1 및 제2금속판의 열용량은 물체, 제1금속판 및 제2금속판사이의 공기의 열용량보다 매우 크다고 가정된다. 제1 및 제2금속판의 열용량이 작을 필요는 없다. 만약 제3도와 제4도에 관련하여 언급된 바와 같이 칼만필터가 사용되는 경우 감지기유니트의 관성은 칼만필터에 의하여 처리되어 이 관성이 제거된다. 환언컨데, 만약 감지기유니트가 온도점프를 측정토록 요구되는 경우에 금속판 온도의 온도응답은 지수가 될 것이다. 이와 같이 칼만필터는 이들 신호를 처리하여 칼만필터출력에서 온도점프가 측정된다. 이러한 예의 하나가 제7도에 도시되어 있다.

상기 가설은 등식(12)(13)에 따른 감지기모델의 결과인 반면에 G_OP1=0은 제1금속판과 주위사이의 열교환이 무시될 수 있다는 가정하에 관련하여 가정될 수 있다. 이러한 가설에 기초하여 계통행렬 A과 배율행렬 K의 성분은 제3도에 관련하여 설명된 바와 같이 다시 추정될 수 있다.

제5도와 제6도에 따른 감지기유니트의 한 가지 잇점은 물체온도가 매우 정확히 재구성될 수 있다는 점이다. 그 원인은 특히 제1금속판으로부터 주위로의 열류가 무시될 수 있다는 사실에 기인한다. 감지기 모델의 복잡성은 이와 같이 감소되는 반면에 모델의 정확성은 증가한다. 이 경우에 있어서 제1금속판의 온도는 물론 Q_P2P1에 의하여만 측정된다.

제5도와 제6도에 따른 실시형태의 다른 잇점은 이것이 공기습도와 같은 파라메타변수에 저항한다는 점이다. 공기습도는 공기의 비열전도율에 상당한 영향을 주는 것으로 잘 알려져 있다. 이와같이 G_XY의 수치값은 공기습도에 따라 변화한다. 그러나 이는 정적인 온도분포가 G_XY의 절대값에 다르지 아니하고 이들 사이의 관계에 따라 달라지는 등식(31)으로부터 추정된다. 필터(19)는 모든 G_XY값이 예를 들어 상수 K로 20℃이상 또는 이하가 되는 경우에 계속하여 작동할 것이다.

감지기유니트의 정확성은 물체로부터 제2금속판으로의 열류 Q_VP2가 물체로부터 제1금속판으로의 열류 Q_VP1, 제1금속판으로부터 제2금속판으로의 열류 Q_P1P2와, 제2금속판으로부터 주위로의 열류 Q_OP2에 대하여 작은 경우에 더욱 개선될 수 있다. 따라서 감지기의 정확성을 향상시키기 위하여 제1금속판의 외면(44)은 흑색이 좋다. 물론 이는 물체로부터 제1금속판의 열류 Q_VP1의 크기를 증가시키는 것에 관련될것이다. 아울러 흑색외면(44)은 감지기유니트가 덜 오염되게 한다. 또한 제1 및 제2금속판의 내면은 반사성인 것이 좋다. 예를 들어 이는 제1 및 제2금속판을 반사성 알루미늄으로 제작하므로서 이루어질 수 있다.

시스템의 정확성이 상기 언급된 바와 같이 증가한다는 것을 등식(14)(15)(16)으로부터도 알 수 있다. 예를 들어 주위와 제1금속판 사이의 열류가 무시되고 물체로부터 제2금속판으로의 열류가 나머지 열류에 대하여 작은 경우 행렬 G의 개수 G_OP1과 G_VP2는 계수 G_VP1과 G_OP2에 비하여 작을 것이다. 수학적으로 이는 행렬 G의 비벡타사이의 각도가 90° 에 근접함을 의미한다. 극단의 경우에 있어서, 이 각도가 90° 와 같은 경우 등식(14)(15)은 전적으로 독립할 것이며 감지기시스템의 정확성이 기계적인 구조에 대하여 최적하게 될 것이다.

좋기로는 감지기유니트가 실제로 물체(8)와 제1금속판(4)사이의 온도차이(T_v-T_P1). 제1및 제2금속판(4)(14)사이의 온도차이(T_P1-T_P2)와, 제2금속판(14)과 주위사이의 온도차이(T_P2-T₀)가 서로 거의 같도록 구성된다. 상기 온도차이는 등식(12)(13)의 변수이다. 이들 변수는 모두 동일하므로 칼만필터(19)에서 측정오류배율은 가능한 한 작을 것이다.

제5도의 예에서, 제1금속판과 제2금속판사이의 거리 d1는 물체와 제1금속판사이의 거리 d2의 두배와 거의 같다. 그러나, 다른 거리들이 적당할 수도 있다. 중요한 것은 제1금속판의 제2금속판으로 둘러싸인 공간내에 전적으로 배치되는 것이다. 이 경우에 있어서 열류 Q_OP1은 매우 작을 것이다. 만약 제1금속판과 제2금속판사이의 거리가 제1금속판과 물체사이의 거리에 대하여 작을 때에 제1금속판과 물체사이의 거리변화의 영향은 상대적으로 작을 것이다. 이는 물체가 가열된 회전로울러 또는 가열된 무단벨트일 때에 중요하다. 제1금속판과 제2금속판사이의 거리 d1이 약 1mm-6mm인 것이 좋다. 예를 들어 제1금속판과 제2금속판의 두께는 약 0.5mm이다. 만약 판이 너무 두꺼우면 이 판의 온도는 전체적으로 동일하지 않을 것이다. 판이 너무 얇으면 감지기유니트는 너무 취약해지고 판의 열용량이 물체, 제1금속판 및 제2금속판사이의 공기의 열용량에 비하여 너무 작게 된다.

본 발명은 상기 예시된 실시형태로 한정되지 아니한다. 예를 들어 제어유니트(12)에는 제1및 제2감지기신호를 샘플링하고 디지탈화하기 위한 제1 및 제2 A/D 변화기유니트(46)(48)가 구비될 수 있다. 이 경우에서 칼만필터(19)는 디지탈필터이고 추후 처리를 위하여 이에 디지탈감지기신호가 공급된다. 예를 들어 제1 및 제2 A/D 변환기 유니트는 8-비트 해상도로 구성된다. 20-120℃의 예상측정범위에서 해상도는 약 0.4℃이다. 그러나 12-비트 A/D 변환기 유니트가 사용되는 경우 상기 언급된 시스템잡음이 감소할 것이다. 샘플링시간은 감지기유니트(2)에 의하여 측정될 최소응답시간보다 10배 이하가 좋다.

이 예에서 △t=1.28초가 선택될 수 있다. 아날로그신호를 처리하는데 적합한 제3도에 따른 칼만필터는 이후 요약하여 설명되는 바와 같이 공지된 디지탈구성일 수 있다. 다음 식은 등식(25)으로부터 유도될 수 있다.

만약가의 i번째 샘플링디지탈값이고, △t가 샘플링시간일 때에 다음 식이 등식(38)으로부터 유도될 수 있다.

등식(39)으로부터 간단히 정리하면 다음과 같다.

등식(40)은 다음과 같이 다시 정리될 수 있다.

마찬가지로 등식(27)(30)(32)(35)는 다음 등식과 같으며 이는 디지탈 칼만필터에 사용될 수 있다.

만약 감지기유니트가 제5도에 따라서 구성되고 또한 제1금속판으로부터 주위로의 열류가 0이면 행렬 A'에 적용가능한 다음 식을 간단히 유도할 수 있다.

끝으로, 칼만필터의 디지탈변형이 제3도에서 괄호안에 도시되어 있다.

완성을 위하여 본문에 사용된 칼만필터라는 용어는 확장형 칼만필터와 적응형 칼만필터를 포함하는 것에 유의하여야 한다. 또한 필터설계에 있어서 다른 선택도 가능하다. 예를 들어 3개의 상태변수가 4개대신에 기본으로 선택될 수 있다. X의 3개 상태변수는 예를 들어에 대하여 T_v, T_P1및 T_P2일 수 있다. 주위에 대한 열류가 이러한 모델에서는 전적으로 무시될 수 있다는 것은 어느 정도 큰 값으로 표현될 수 있다. 로버트공학에 통상적으로 사용되는 비선형필터 알고리즘이 실현될 수 있다.

이들 변형형태는 본 발명의 범위내에 속하여야 한다.

Claims (24)

1. 물체의 적어도 일부분의 물체온도(T_v)를 비접촉으로 측정하기 위한 것으로, 상기 물체에 근접하여 배치되고 제1금속판으로 구성되어 이에 상기 제1금속판의 온도(T_P1)를 나타내는 제1감지신호를 발생토록 제1온도감지기가 배치된 감지기유니트와 상기 물체온도(T_v)를 측정하기 위하여 제1감지신호를 처리하는 제어유니트가 구비된 온도측정시스템에 있어서, 상기 감지기유니트가 상기 제1금속판으로부터 간격을 두고 배치된 제2금속판을 구비하고 상기 제2금속판의 온도(T_P2)를 나타내는 제2감지신호를 발생토록 배치된 제2온도감지기를 가지며, 상기 제어유니트는 물체온도(T_v)를 측정하기 위하여 제1및 제2감지신호를 조합하여 처리함을 특징으로 하는 온도측정시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지기유니트의 주위온도(T0)와 물체온도(T_v) 사이의 안정상태비율(T₀/T_v)에서 주위온도(T₀)와 물체 온도(T_v)가 서로 다른 경우 제1금속판의 온도(T_P1)와 제2금속판의 온도(T_P2)사이의 비율(T_P1/T_P2)에서 제1금속판의 온도(T_P1)와 제2금속판의 온도(T_P2)도 역시 서로 다르도록 상기 제2금속판이 상기 제1금속판에 대하여 배치됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판이 각각 양측의 내면과 외면으로 구성되고 상기 제1금속판과 상기 제2금속판의 내면이 서로 대향되어 있음을 특징으로 하는 온도측정시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판이 적어도 편평하고 서로 평행함을 특징으로 하는 온도측정시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 제2금속판에 상기 제1금속판의 방향으로 상기 제2금속판의 내면으로부터 연장된 측벽이 구비되고, 상기 제1금속판이 상기 제2금속판의 상기 측벽으로 둘러싸인 공간내에 배치되며, 상기 제1금속판이 상기 제2금속판과 상기 물체 사이에 배치됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
6. 제3항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판의 내면이 각각 반사성임을 특징으로 하는 온도측정시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판의 내면중 적어도 하나가 반사성 알루미늄으로 제작됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
8. 제3항에 있어서, 상기 제1금속판의 외면이 흑색임을 특징으로 하는 온도측정시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판이 적어도 열전도성이 없는 연결수단으로 연결됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
10. 제5항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판사이의 거리가 상기 물체와 상기 제1금속판사이의 온도차이(T_v-T_P1), 상기 제1금속판과 상기 제2금속판사이의 온도차이(T_P1-T_P2), 그리고 상기 제2금속판파 주위사이의 온도차이(T_P2-T₀)가 적어도 동일하도록 선택됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
11. 제5항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판사이의 거리가 상기 제1금속판과 상기 물체사이의 거리에 두배가 되게 선택됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
12. 제4항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판 사이의 거리가 1mm-6mm임을 특징으로 하는 온도측정시스템.
13. 제4항 또는 12항에 있어서, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판의 면적이 2㎠-20㎠임을 특징으로 하는 온도측정시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1온도감지기에 제1온도감응저항이 구비됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1온도감응저항이 NTC 저항으로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
16. 제1항에 있어서, 상기 제2온도감지기에 제2온도감응저항이 구비됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
17. 제16항에 있어서, 상기 제2온도감응저항이 NTC 저항으로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
18. 제1항에 있어서, 상기 제어유니트가 제1및 제2감지신호에 기초하여 물체온도(T_v)를 측정하기 위한 필터로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
19. 제18항에 있어서, 상기 필터가 칼만필터로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 필터가 각각 제1금속판의 온도(T_P1). 제2금속판의 온도(T_P2)와 물체온도(T_v)로 구성된 적어도 3개의 상태변수를 갖는 모델을 기초로 하여 구성되고 측정된 변수는 상기 제1금속판의 온도(T_P1)와 상기 제2금속판의 온도(T_P2)로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 필터가 상기 제1금속판의 온도(T_P1), 상기 제2금속판의 온도(T_P2), 상기 물체온도(T_v)와 상기 감지기유니트의 주위온도(T₀)로 구성되는 상태변수를 갖는 모델을 기초로 하여 구성되고, 측정된 변수는 상기 제1금속판의 온도(T_P1)와 상기 제2금속판의 온도(T_P2)로 구성됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
22. 제21항에 있어서, 상기 모델이 다음 차동등식에 기초함을 특징으로 하는 온도측정시스템.

    (여기에서, C_P1은 제1금속판의 열용량, C_P2는 제2금속판의 열용량, G_VP1은 물체와 제1금속판사이의 열전달계수, G_VP2는 물체와 제2금속판의 열전달계수, G_OP1은 감지기유니트의 주위와 제1금속판사이의 열전달계수, G_OP2는 감지기유니트의 주위와 제2금속판사이의 열전달계수, G_P1P2는 제1금속판과 제2금속판사이의 열전달계수, T_v는 측정될 물체온도, T₀는 감지기유니트의 주위온도, T_P1은 제1금속판의 온도, T_P2는 제2금속판의 온도이다.)
23. 제5항 또는 제22항에 있어서, 상기 모델에서 주위로부터 상기 제1금속판으로의 열전달계수 G_OP1가 0으로 가정됨을 특징으로 하는 온도측정시스템.
24. 제18항에 있어서, 상기 제어유니트가 감지신호를 샘플링하여 디지탈화하기 위한 A/D 변환기유니트로 구성되고, 상기 필터가 디지탈감지신호가 공급되는 디지탈 필터임을 특징으로 하는 온도측정시스템.