KR100681693B1

KR100681693B1 - 방사온도 계측기용 광학적 외란차단 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100681693B1
Application number: KR1020050099905A
Authority: KR
Inventors: 김성완; 강덕홍; 김기홍
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-02-09
Also published as: WO2007046574A1; US20080259994A1

Abstract

본 발명은 고체상태의 피가열물을 가열하는 가열공정에 있어 로온제어를 위하여, 방사온도계를 이용한 로내 피가열물의 표면온도측정을 하는 방사온도 계측기용 광학적 외란차단 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 방사온도계를 이용한 측정에 있어서, 측정 대상물로부터 반사, 방사 또는 중간 복사관여 매개물에 의해 방사된 적외선 수평광을 집광하는 전방렌즈; 상기 전방렌즈를 통과한 적외선광중 측정 대상물에서 방사된 적외선광만을 받아들이는 핀홀; 상기 전방렌즈와 동일한 사양으로 핀홀을 통과한 적외선 광을 수평광으로 만들어 주는 후방렌즈; 상기 후방렌즈로부터 지나온 광을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈를 지나온 광의 온도를 측정하는 방사온도계(Pyrometer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 서술한 바와 같은 직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 종래의 방사온도계를 이용한 측정시 거리선택 필터를 채용함으로써, 측정환경내의 외란 요인들 제거에 의한 계측의 정확성 및 신뢰성 확보가 가능하고, 이로 인한 피가열물의 실측온도 제공이 가능하여 가열공정의 연소제어 고도화, 조업의 안정화, 생산재의 품질향상을 기대할 수 있다. 또한 종래방식인 수냉보호관 채용시 나타나는 냉각수 설비 공급, 유지/보수문제, 거대한 설비인 보호관 설치문제 등을 해소할 수 있다. 또한 기존 수냉식 보호관에 비해 거리선택 필터는 방사온도계와의 장착의 편리성과 제작단가의 저렴함과 무엇보다도 계측의 신뢰성향상을 가져오는 장점이 있다.

방사온도계, 렌즈, 핀홀

Description

방사온도 계측기용 광학적 외란차단 시스템 및 방법 {Error Source Radiance Optical Filtering Method and System in Infrared Radiation Thermometer}

도 1은 종래의 방사온도 계측기 이용시 외란의 요인 분석도.

도 2는 종래의 수냉식 보호관을 채용한 외란차단 시스템 구성도.

도 3은 종래의 보상방식을 채용한 외란차단 시스템 구성도.

도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 거리선택 기본원리 설명도.

도 5는 본 발명에 따른 거리선택을 이용한 외란차단 방법을 나타내는 실시도.

도 6은 본 발명에 따른 거리선택을 이용한 외란차단 방법을 나타내는 제작도.

도 7은 본 발명에 따른 거리선택을 이용한 외란차단 방법 및 실시예에 따른 실험장치 개략도.

도 8a, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 외란차단용 필터 채용 유,무시 나타나는 선형성, 편향성 그래프.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 외란차단용 필터 채용 유,무시 나타나는 표본평균, 이동평균 그래프.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 - 측정 대상물 2 - 측정영역

3 - 고온복사체 4 - 복사관여 물질

5 - 전방렌즈 6 - 핀홀(Pinhole)

7 - 후방렌즈 8 - 집광렌즈

9, 26 - 방사온도계 (Pyrometer)

10 - 렌즈 초점 11 - 측정대상물의 상부 한 지점

12 - 측정 대상물의 하부 한 지점

13 - (측정대상물의 상부 한 지점(11)에 대하여 맺히는) 상의 위치

14 - (측정대상물의 하부 한 지점(12)에 대하여 맺히는) 상의 위치

21 - 전기히터 22 - 열전대

23 - 측정 대상물(시편) 24 - 발열체 (외란)

25 - 외란차단용 필터 C - 중심축

본 발명은 고체상태의 피가열물을 가열하는 가열로공정에 있어 로온제어를 위하여, 방사온도계를 이용한 로내 피가열물의 표면온도측정을 하는 방사온도 계측기용 광학적 외란차단 시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래의 기술을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 방사온도 계측기 이용시 외란의 요인 분석도로서, 즉 직화식 가열방법에 의해 피가열물을 가열하는 가열공정에서 방사온도계측기법을 적용하여 피가열물의 온도측정시 일반적으로 발생하는 외란요인들을 나타낸 것이다. 방사온도계는 측정 대상물인 피가열물이 방사하는 적외선 에너지를 흡수하여 온도로 바꾸어 주는 계측기인데 반해, 실제 적용시에는 측정 대상물 주위의 고온 복사체 및 화염으로부터 반사되어 방사온도계로 들어오는 적외선파와 로내에 차있는 고온의 연소배가스 (CO_2,H₂O) 및 불완전 연소에 의해 발생하는 검뎅이(soot)등에 의한 흡수, 산란 그리고 방사에 의하여 방사온도계로 들어오는 적외선파 등의 원하지 않는 적외선 에너지의 계측기내 유입으로 계측의 정확도와 신뢰성이 많이 떨어져 실 공정에 활용이 거의 되지 않고 있는 실정이다.

도 2는 종래의 수냉식 보호관을 채용한 외란차단 시스템 구성도로서, 수냉식 보호관(water cooled sight tube)를 로내에 삽입하여 측정대상물 주위로부터 방사되어 오는 적외선 파를 차단하는 방법 (US patent 4,093,193)으로 수냉식 보호관 설치시 적용길이의 한계로 완벽한 외부 외란요인 차단이 힘들고, 수냉식 보호관 내부에 차있는 복사관여매질 (CO_2,H₂O, soot 등)에 의한 외란은 차단할 수 가 없는 문제점이 있다. 또한 수냉식 보호관 냉각을 위한 냉각수 순환에 따른 관련 부대설비 증가와 국부적인 냉각불균일에 의한 수냉식 보호관의 파손현상이 발생하는 문제가 발생한다.

도 3은 종래의 보상방식을 채용한 외란차단 시스템 구성도로서, 측정 대상물 의 주위에 있는 고온의 복사체에 의한 배경복사 방지를 목적으로 두 대의 방사온도계를 이용하여, 한 대는 대상물 온도측정, 나머지 한대는 배경복사량을 측정하여 배경복사에 의한 반사량을 보상하여 주는 방법 (US patent 4,144,758)이다. 이 방법은 측정 대상물 주위의 모든 고온의 복사체에 의한 배경복사의 평균적인 보상방법으로 주위 배경 복사체의 온도가 다양할 경우 완벽한 배경복사 보상이 힘들며, 또한 방사온도계를 2대 이상 사용함으로써 설치, 유지 및 보수에 대한 어려움의 증대, 그리고 수냉식 보호관방법과 마찬가지로 복사관여매질에 의한 외란차단은 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 종래의 방사온도계를 이용한 측정시 나타나는 계측의 외란요인들을 차단하는 거리선택 필터 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 방사온도 계측기 사용시 거리선택을 이용한 외란차단 시스템은 직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 방사온도계를 이용한 측정에 있어서, 측정 대상물로부터 반사, 방사 또는 중간 복사관여 매개물에 의해 방사된 적외선 수평광을 집광하는 전방렌즈; 상기 전방렌즈를 통과한 적외선광중 측정 대상물에서 방사된 적외선광만을 받아들이는 핀홀; 상기 전방렌즈와 동일한 사양으로 핀홀을 통과한 적외선 광을 수평광으로 만들어 주는 후방렌즈; 상기 후방 렌즈로부터 지나온 광을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈를 지나온 광의 온도를 측정하는 방사온도계(Pyrometer)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전방렌즈는 재질이 상기 방사온도계의 관심파장영역에 대하여 통과율이 높은 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 방사온도 계측기 사용시 거리선택을 이용한 외란차단 방법은 측정하고자 하는 대상물의 영역에서 방사되는 관심파장의 적외선 광만을 통과시킨 후 방사온도계의 집광렌즈로 집광을 시켜 외란 요소를 걸러내기 위하여 측정 대상물로부터 반사, 방사 또는 중간 매개물에 의해 방사된 적외선 수평광을 전방렌즈에 의해 집광하여 핀홀로 전달하는 단계; 상기 전방렌즈와 동일한 사양의 후방렌즈에 의해 수평광을 유지시키는 단계; 상기 후방렌즈로부터 지나온 광을 집광렌즈에 의해 집광하는 단계; 및 상기 집광렌즈를 지나온 광의 온도를 방사온도계로 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 기본원리는 최대한 원하는 거리에서 방사되는 광만을 방사온도계로 보내는 것이다.

도4a는 본 발명에 따른 거리선택 기본원리 설명도로서, 카메라의 기본원리를 나타낸 것으로, 렌즈의 초점거리를 적절히 조절함으로써 대상물(object)의 상이 필 름에 정확히(밝게) 맺히고, 초점거리 조절이 제대로 되지 않을 경우에는 필름에 상이 흐리게 맺히게 된다. 즉, 초점거리 조절정도에 따라 대상물에서 나오는 빛이 필름에 밝게 맺히거나 아니면 흐리게 맺히게 된다. 이 원리를 이용하여, 방사온도 계측기의 외란차단 방법으로 구현하기 위한 기본 사상은 적외선 파장대의 광에 대한 투과율이 좋은 렌즈와 핀홀을 이용하여 원하는 거리에 있는 측정 대상물에서의 방사되는 적외선 광만을 집중적으로 선택하는 것이다.

또한, 도면에 도시되어 있는 것과 같이 C는 빛이 지나가고 렌즈가 배열되는 중심축이다.

도 4b는 본 발명에 따른 거리선택 기본원리 설명도로서, 렌즈 초점거리 50mm, 핀홀직경 1mm의 경우에 대상물과의 거리가 100~1,000mm로 변화될 경우 대상물의 면적에서 방사되는 광의 양 중 핀홀 투과량이 측정 대상물과의 거리에 따라 변화의 경향을 잘 나타내 주고 있다. 즉, 측정 대상물의 거리가 1,000m인 경우 측정 대상물에서 나오는 적외선 광의 67.1%가 핀홀을 통과함을 의미한다.

도 5는 본 발명에 따른 거리선택에 의한 방사온도 계측기의 외란차단 방법을 나타낸 도면이다. 방사온도계(9)는 측정 대상물(1)의 국부영역인 측정영역(2)의 온도를 측정하는 것이 목적이다. 이때 올바른 계측을 위하여는 측정영역(2)으로부터 나오는 관심 있는 적외선 파장만을 방사온도계(9)의 집광렌즈(8)로 집광해야 한다. 하지만 주위 고온복사체(3)(또는 화염)에서 방사되는 적외선 파가 측정영역(2)에 도달한 후 다시 반사에 의해 집광렌즈(8)로 집광되는 문제와 방사온도계(9)와 측정영역(2) 사이에 존재하는 (또는 할 수 있는)복사관여 매질에 의한 흡수, 산란 및 방사에 의한 원하지 않는 적외선 광이 집광렌즈(8)로 집광되는 문제로 인하여, 방사온도계(9)의 측정온도는 정밀도 및 신뢰성을 상실하게 된다. 이에 대하여, 본 발명에서는 전방렌즈(5), 핀홀(6)과 후방렌즈(7)을 방사온도계(9)와 측정영역(2)사이의 중심축상에 놓이도록 위치시킴으로써 상기 문제를 이하에 나타낸 원리로 해결할 수 있게 된다.

먼저 측정 대상물(1)의 측정영역(2)에서 측정대상물의 상부 한 지점(11)에서 방사되는 적외선 중 수평광은 전방렌즈(5)에 의해 전방렌즈 우측 렌즈초점(10)을 지나게 되며, 이는 다시 핀홀(6)을 통과하고, 측정물질의 상부 한 지점(11)에서 방사되는 적외선 중 전방렌즈(5)의 측정물질의 상부 한 지점(11)을 지나는 광은 전방렌즈(5)에 의해 수평광이 되어 핀홀(6)을 통과하며, 측정물질의 상부 한 지점(11)에서 방사되는 적외선 중 전방렌즈(5)의 중심축을 지나는 광은 직진광이 되어 핀홀 (6)을 통과한다. 이와 같은 방법에 의해 측정 대상물(1)의 측정영역(2)의 한 지점인 측정물질의 상부 한 지점(11)은 핀홀(6)의 측정대상물의 상부 한 지점(11)에 대하여 맺히는 상의 위치(13)지점에 상이 맺히게 된다. 같은 방법으로 측정 대상물(1)의 측정영역(2)의 한 지점인 측정대상물의 하부 한 지점(12)은 핀홀(6)의 측정대상물의 하부 한 지점(12)에 대하여 맺히는 상의 위치(14)에 상이 맺히게 된다. 이때 측정 대상물(1)의 측정영역(2)에서 방사되는 적외선 광을 핀홀(6)을 통과시키기 위해서는 전방렌즈(5)와 측정 대상물(1)사이의 거리 L1에 따라 광학 및 기하학적 특성을 고려한 전방렌즈(5)의 초점거리 L3 그리고 핀홀(6)의 구경을 선정한다. 또한 전방렌즈(5)의 재질은 사용 방사온도계의 관심파장영역에 대하여 통과율 높은 재질을 선정한다.

위와 같이 핀홀(6)내부를 통과하는 광들을 직접 집광렌즈(8)로 보내게 되면 많은 광량이 집광렌즈(8)로 집광되지 않고 외부로 발산되는 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 집광효율을 높이기 위하여 전방렌즈(5)와 동일한 사양의 후방렌즈(7)을 전, 후방렌즈(5),(7)이 공유하는 초점에 대칭으로 놓이게 하여 핀홀(6)을 통과한 적외선 광을 후방렌즈(7)에 의해 집광렌즈(8)로 모이게 한다. 이때 역시 집광효율을 극대화 하기 위하여는 광학 및 기하학적 특성을 고려한 후방렌즈(7)와 집광렌즈(8)사이의 거리 L4를 선정하여야 한다.

상기의 전술한 방법에 의해 측정 대상물이 측정영역에서 방사되는 적외선 광만을 방사온도계로 보내기 때문에 측정대상물과 계측기 사이의 복사관여매질의 영향을 제거할 수 있고 또한 측정대상물의 측정영역의 크기를 최소화 함으로써 주위 고온의 배경 반사체의 영향을 최소화 할 수 있게 된다.

도 6은 상기 방법에 의해 구현된 거리선택 필터의 제작도면의 한 예를 나타낸 것이다.

[실시예]

본 발명에 의한 거리선택 필터에 의한 방사온도계의 외란차단 방법에 대한 검증 및 확인을 위한 실험을 실시하였다. 도 7은 개략적인 실험장치의 구성도를 나타낸 도면이다. 실험장치는 방사온도계(26), 외란차단용 필터(25), 발열체(외란)(24) (고온 발열체), 측정 대상물(시편)(23), 시편온도 측정용 열전대(22), 전기히터(21)로 구성되어 있다. 본 실험에서 방사온도계(26)와 측정 대상물(23)사이의 거리는 1,054mm, 발열체(외란)(24)과 측정 대상물(23) 사이의 거리는 570mm 이다. 그리고 사용한 방사온도계(26)는 Dual wave 방사온도계 (Williamson㈜, 측정영역 직경 18mm, 대상물과의 거리 1M)를 사용하였으며, 전기히터(21)는 1.5KW의 용량으로 카트리지(cartridge)방식을 이용하여 시편을 최대 800 ℃ 까지 가열할 수 있도록 설계하였다. 그리고 외란차단용 필터(25)내의 렌즈의 초점은 50mm, 외란(24)은 2개의 봉 형태의 발열체로 이루어져 있으며 발열체 봉(직경 20mm, 발열체 중심간의 거리 20mm)의 표면온도는 900℃로 유지하였다. 시편(23)의 온도는 580℃, 620℃, 660℃의 3가지 경우에 대하여 외란차단용 필터(25)의 채용 유무에 따라 실험을 실시하였다.

실험방법은 Sampling 속도는 0.1초 이고, 시편(23)의 온도유지는 피이드백(feedback) 받아 제어하는 On-Off 제어방식으로 이루어지고, 시편(23)의 온도는 시편(23)의 두께(20mm)의 중앙에 설치한 K-type 열전대(22)의 측정치로 정의하며, 시편(23)의 온도가 목표 설정온도에 도달 한 후 ±5℃이내로 안정화 되었을 때 data 측정/수집을 하였다.

도 8은 상기 실시예의 결과인 거리 선택 필터 채용유무에 따른 계측기의 수용가능성을 파악하기 위하여 %선형성(linearity), %편향성(bias)를 나타낸 도면이다. 거리선택 미채용시 %선형성, %편향성(도 8b)은 각각 60.2%와 37.4%로 이는 수용할 수 없는 측정시스템이고, 반면 거리선택 필터 채용시 %선형성, %편향성(도 8a)은 각각 1.0%와 0.2%로 우수한 측정시스템으로 판정이 되었다.

도 9는 상기 실시예의 결과인 시편온도가 580℃에서 필터채용 유무에 따른 표본평균(

) 및 표본이동평균 (R)을 나타낸 도면이다. 거리선택 필터 미채용시 표본평균에서 적색으로 나타나는 이상치들이 많이 나타났고, 거리선택필터 채용의 경우와 비교한 결과 약 60℃ 높게 측정됨을 알 수 있었다.

다음의 Table 1에 본 발명에 따른 거리선택 필터적용 효과를 정리하여 나타낸 것이다.

Table 1 거리선택 필터채용 유무에 따른 계측의 정확도와 정밀도(실시예)

구분		Multi-wave pyrometer
구분		필터 미채용시	필터 채용시
정확도	%Bias	37.4%	0.2%
정확도	%Linearity	60.2%	1.0%
정밀도	580.0℃	56.56℃	1.503℃
	620.0℃	28.2℃	-1.162℃
	660.0℃	660.0℃	0.722℃

종래의 기술(필터 미채용시)은 %bias와 %linearity가 10% 이상으로 계측기로 수용이 불가한 상태이며, 본 발명에 따른 거리선택 필터를 채용한 계측방식은 %bias와 %linearity가 모두 1%이하로 계측기로 수용 가능한 시스템이며, 또한 정밀도 시편의 온도 580℃, 620℃, 660℃의 모든 경우에 대하여 2.0℃ 이하로 외란에 대한 거리선택필터의 효과가 입증되었다.

이상으로부터 거리선택 필터채용에 따른 외란차단이 효과가 있음을 확인 할 수 있었다.

상기 서술한 바와 같은 직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 종래의 방사온도계를 이용한 측정시 거리선택 필터를 채용함으로써, 측정환경내의 외란 요인들 제거에 의한 계측의 정확성 및 신뢰성 확보가 가능하고, 이로 인한 피가열물의 실측온도 제공이 가능하여 가열공정의 연소제어 고도화, 조업의 안정화, 생산재의 품질향상을 기대할 수 있다. 또한 종래방식인 수냉보호관 채용시 나타나는 냉각수 설비 공급, 유지/보수문제, 거대한 설비인 보호관 설치문제 등을 해소할 수 있다. 또한 기존 수냉식 보호관에 비해 거리선택 필터는 방사온도계와의 장착의 편리성과 제작단가의 저렴함과 무엇보다도 계측의 신뢰성향상을 가져오는 장점이 있다. 마지막으로 일반 가열설비의 여러 산업공정에서 방사온도계측의 신뢰성부족으로 사용을 기피하거나 설치를 하였어도 피가열물의 측정온도를 활용하지 않는 상황에서 피가열물의 온도정보 부재로 인한 여러가지 문제점(생산성, 원단위, 조업의 안정성, 생산품질)을 해결하기 위한 기본 판온정보를 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

직화식 또는 간접 가열식 가열로내 피가열물의 표면온도를 방사온도계를 이용한 측정에 있어서,

측정 대상물로부터 반사, 방사 또는 중간 매개물에 의해 방사된 적외선 수평광을 집광하여 전달하는 전방렌즈;

상기 전방렌즈로부터 지나온 적외선광중 측정 대상물에서 방사된 적외선광만을 받아들이는 받아들이는 핀홀;

상기 전방렌즈와 동일한 사양으로 핀홀을 통과한 적외선 광을 수평광으로 만들어 주는 역할을 하는 후방렌즈;

상기 후방렌즈로부터 지나온 광을 집광하는 집광렌즈; 및

상기 집광렌즈를 지나온 광의 온도를 측정하는 방사온도계(Pyrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사온도 계측기 사용시 거리선택을 이용한 외란차단 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 전방렌즈는

재질이 상기 방사온도계의 관심파장영역에 대하여 통과율이 높은 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 방사온도 계측기 사용시 거리선택을 이용한 외란차단 시스템.
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측정하고자 하는 대상물의 영역에서 방사되는 관심파장의 적외선 광만을 통과시킨 후 방사온도계의 집광렌즈로 집광을 시켜 외란 요소를 걸러내기 위하여 측정 대상물로부터 반사, 방사 또는 중간 매개물에 의해 방사된 적외선 수평광을 전방렌즈에 의해 집광하여 핀홀로 전달하는 단계;

상기 전방렌즈와 동일한 사양의 후방렌즈에 의해 수평광을 유지시키는 단계;

상기 후방렌즈로부터 지나온 광을 집광렌즈에 의해 집광하는 단계; 및

상기 집광렌즈를 지나온 광의 온도를 방사온도계로 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사온도 계측기 사용시 거리선택을 이용한 외란차단 방법.