KR100985341B1 - 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 레이저를 이용하여 강재의 표면 온도를 상승시키고 상기 강재 표면의 흡수율에 따라 다르게 발생하는 온도 상승의 크기를 측정하여 강재의 복사율을 측정함으로써 상기 강재의 온도를 정확하게 측정하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은, 제1 및 제2 파장의 반도체 레이저를 각각 발진하는 제1 및 제2 반도체 레이저 발진수단; 상기 제1 및 제2 레이저 발진수단에서 발진된 각 레이저가 전송되는 제1 및 제2 광섬유; 상기 제1 및 제2 광섬유를 통해 각각 전송된 레이저를 집광하여 온도를 측정할 강재로 상기 집광된 레이저를 조사하고, 상기 레이저가 조사된 강재로부터 발생된 열복사 에너지 및 상기 발진된 레이저에서 발생된 열복사 에너지를 수집하는 집광수단; 상기 집광수단에 의해 집광된 열복사 에너지의 신호가 전송되는 제3 및 제4 광섬유; 상기 전송된 열복사 에너지 신호 중 상기 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 필터링하는 제1 및 제2 광필터링수단; 상기 필터링된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2 검출수단; 및 상기 검출된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 이용하여 강재의 온도를 연산하는 온도연산수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 강재의 복사율을 몰라도 실제 온도에 가깝게 온도를 측정할 수 있으므로 기존에 문제가 되는 복사율이 시편마다 달라지면 정확한 시료의 온도를 측정하기 어려운 문제를 해결할 수 있다.
반도체 레이저, 복사율, 광섬유, 열복사 에너지
Description
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정원리를 보이는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 광검출수단에서의 온도 검출신호를 보이는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 광검출기를 검증하기 위한 InGaAS 광 검출기의 유효파장을 보이는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Si 광검출기를 검증하기 위한 Si 광검출기의 유효파장을 보이는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 온도 측정장치와 이색 온도계의 온도 측정결과를 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 강재 21 : 제1 반도체 레이저 발진수단
22 : 제2 반도체 레이저 발진수단 23 : 제1 광섬유
24 : 제2 광섬유 25 : 집광수단
26 : 제3 광섬유 27 : 제4 광섬유
28 : 제1 광필터링수단 29 : 제2 광필터링수단
30 : 제1 광검출수단 31 : 제2 광검출수단
32 : 제1 차단수단 33 : 제2 차단수단
35 : 온도연산수단
본 발명은 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 레이저를 이용하여 강재의 표면 온도를 상승시키고 상기 강재 표면의 흡수율에 따라 다르게 발생하는 온도 상승의 크기를 측정하여 강재의 복사율을 측정함으로써 상기 강재의 온도를 정확하게 측정하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치에 관한 것이다.
현대 산업 공정에서 온도는 압력, 유량과 함께 가장 빈번히 측정되는 역학적인 변수이다. 최근 산업 공정의 자동화가 가속되면서 공정은 동적이면서도, 비접촉적인 측정을 요구하게 되었다. 과거 온도 측정의 경우를 살펴보면 열전대나 산업용 저항온도계로 대표되는 접촉식 온도계가 모든 공정에서 사용되었으나 접촉식을 고집할 수 없는 공정들이 늘어나면서 최근 들어서는 비접촉 원격 측정이 가능한 복사 온도계의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 최근 20년간 복사온도계의 검출기로 사용되는 적외선 센서들의 성능이 향상되고 가격이 저렴해지면서 온도 측정의 영역이 확대되고, 한편으로 측정의 신뢰도가 높아지면서 이런 산업계의 요구에 부흥할 수 있게 된 것은 다행한 일이다. 국내의 경우를 보면 이제까지 거의 철강이나 유리 산업에 국한되어 사용되던 자동화 공정용 복사온도계를 폴리에틸렌을 비롯한 유기 필름의 생산 공정에 까지 도입하려는 적극적인 시도가 이루어지고 있는 것은 온도 측정 영역은 물론 측정 파장 대역이 다양한 복사온도계가 개발되고 있다는 증거라 할 수 있을 것이다.
이런 긍정적인 측면의 이면에는 이 온도계의 이름이 시사하는 것처럼 복사율에 의한 불확도 문제는 상존하고 있었던 것이 현실이다. 이러한 복사율에 의한 온도 측정의 불확도 문제를 해결하기 위한 노력들은 복사온도계의 개발 시점부터 계속되어 오고 있다. 복사율에 무관한 측정기술의 개발과 복사율 측정이라는 양 끝단으로부터 해결의 실마리를 찾으려는 노력이 시작하였고, 경우에 따라서는 두 기술을 용합한 여러 가지 기술들이 시도되었다. 그 결과 상황에 맞는 적당한 기술들이 개발되어 성공적으로 활용되고 있는 것은 다행한 일이다. 그렇지만 어떤 특별한 상황을 상정하고 개발된 기술들은 복사율의 근본적인 문제를 해결하기에는 그 역량이 부족한 응급 처방에 불가한 것들이었다.
한편, DeWitt와 Kunz는 크립톤과 아르곤 이온 레이저를 시편에 조사하고 발생된 복사율을 측정하여 시편의 온도를 측정함으로써 레이저 이용기술의 가능성을 보여주었다. 이러한 측정법은 laser absorption radiation thermometry, laser absorption pyrometry 또는 photo-thermal pyrometry로 불린다. 최근 들어서는 이 기술의 중요성이 부각되어 유럽 연합의 공동 프로젝트로 수행되고 있다. 또한 영국 NPL의 Edwards등은 유럽 공동 프로젝트뿐 아니라 독자적인 프로젝트를 수행하여, 현재까지 가장 실용적인 장비로 활용이 가능한 연구 결과를 내고 있다. 그렇지만 이러한 방법은 복사율의 정화도 문제가 근본적으로 해결되지 않아 온도측정이 정확하지 않았으며, Edward가 연구중인 장비마저도 레이저를 모두 반도체 레이저로 대체하지 못하고 있는 실정이라 전체 장비의 크기는 물론 가격이 만만치 않은 것이 현실이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광섬유를 통해 전송된 서로 다른 파장의 반도체 레이저를 렌즈에서 집광하여 강재에 조사한 후 발생된 열복사 에너지를 상기 렌즈에서 수집하여 상기 광섬유를 통해 검출기로 전송하여 상기 열복사 에너지에 따른 강재의 온도를 검출함으로써 복사율 없이도 정확하게 강재의 온도를 측정할 수 있는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치는, 제1 및 제2 파장의 반도체 레이저를 각각 발진하는 제1 및 제2 반도체 레이저 발진수단; 상기 제1 및 제2 레이저 발진수단에서 발진된 각 레이저가 전송되는 제1 및 제2 광섬유; 상기 제1 및 제2 광섬유를 통해 각각 전송된 레이저를 집광하여 온도를 측정할 강재로 상기 집광된 레이저를 조사하고, 상기 레이저 가 조사된 강재로부터 발생된 열복사 에너지 및 상기 발진된 레이저에서 발생된 열복사 에너지를 수집하는 집광수단; 상기 집광수단에 의해 집광된 열복사 에너지의 신호가 전송되는 제3 및 제4 광섬유; 상기 전송된 열복사 에너지 신호 중 상기 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 필터링하는 제1 및 제2 광필터링수단; 상기 필터링된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2 광검출수단; 및 상기 검출된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 이용하여 강재의 온도를 연산하는 온도연산수단을 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 강재로부터 산란된 레이저가 상기 제1 및 제2 광검출수단으로 들어가는 것을 각각 차단하는 제1 및 제2 차단수단을 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저(이하, '레이저'라 한다)를 이용한 강재의 온도 측정원리를 보이는 개략도이다. 도 1(a)는 외부 에너지가 없는 경우 고온의 시편에서 방출되는 복사에너지를 도시하고 있으며, 도 1(b)는 고온의 시편을 레이저로 여기시키는 경우 방출되는 복사에너지를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 고온의 시편(예를 들어, 강재)(10)으로부터 방출되는 복사 에너지는 플랑크(Planck)의 복사 법칙에 의하여 파장에 따라 다르게 분포한다. 복사 에너지는 온도가 일정하기 때문에 도 1(a)와 같이 어떤 한 파장에서 시간에 따라 일정하 다. 그러나 도 1(b)에서와 같이 시편에 복사 에너지를 측정하는 파장과 다른 연속 발진 레이저를 쵸핑하여 세기를 변조하여 조사하면(파장이 다른 레이저를 가정하는 것은 시편에서 반사되어 검출기로 입사하는 레이저 에너지를 무시하기 위해서), 시편의 표면 온도는 어느 정도 일정하게 상승하여 레이저 여기가 없을 때에 비하여 검출기의 신호가 직류 옵셋으로 상승하고 동시에 레이저를 쵸핑하는 주파수와 같은 주파수의 변조가 발생하게 된다. 이 직류 옵셋 크기와 변조 진폭이 원래의 직류 신호보다 훨씬 작을 정도로 레이저의 출력이 높지 않다면, 옵셋과 변조 진폭은 표면의 온도 상승에 비례한다. 레이저의 출력이 일정한 경우 이 온도 상승은 시편의 흡수율(물체가 불투명할 경우에는 흡수율과 복사율은 같다)에 비례하게 된다. 실제로는 이 비례 상수를 제거하기 위하여 파장이 다른 두 대의 레이저로 여기시키고, 측정 파장이 다른 검출기로 검출하게 된다. 바로 이 점이 레이저 열 여기를 사용하여 시편의 복사율에 무관한 온도 측정을 가능하게 하는 것이다. 여기서 발생되는 변조 세기는 직류 옵셋 보다 훨씬 작기 때문에, 큰 신호 속에 묻혀 있는 작은 신호를 회복시킬 수 있는 위상 민감 검출(phase sensitive detection) 기술이 필수적이다.
이 기술을 이론적으로 설명하면 다음과 같다. 파장이 λl 인 레이저의 세기를 변조하여 조사할 때 발생하는 온도 변조에 의한 파장 λt 에서 검출되는 검출기의 광 전류 세기(
)는 하기의 수식 1과 같이 표현된다.
[수식1]
여기서 C
l
은 시편으로 레이저를 조사하는 광학계와 상기 시편 사이의 레이저 투과율이고, P
l 은 레이저 출력, R
t 는 검출기의 감응도(responsivity),
△λ
t
는 검출계의 파장 선폭, Lo(l,T) 는 흑체의 분광 복사 휘도(spectral radiance), ε은 시편의 복사율, Ω는 광학계가 바라보는 입체각이다. 여기는 아래 첨자 l은 레이저의 에 해당하는 것이고, t는 복사에너지의 파장에 해당하는 양이다. G
l
(t) 는 시편의 열적 응답과 레이저 세기의 공간 분포의 포갬(convolution)으로 표현되는 함수이며, 레이저의 변조에 의하여 온도의 변조가 발생하는 부분이 복사온도계 표적에 완전히 포함될 때 파장이 다른 두 레이저의 여기로 발생하는 이 함수들의 비는 일정하다. 즉,
[수식2]
반 무한 공간을 점유하는 불투명 시편에 대해서는,
[수식3]
여기서, K 는 열전도도이고, ω는 레이저의 변조 주파수이고, D 는 시편의 열확산도(thermal diffusivity)이다. 따라서, 본 발명에 따른 온도 측정장치는 어떤 제한적인 조건을 만족할 경우 시편의 열확산도를 측정할 수 있는 장치로 변형이 가능하다는 것을 짐작할 수 있다.
두 대의 파장이 다른 레이저와 이 파장과 같은 대역을 사용하는 이색 복사온도계를 사용하여, 여기 파장과 측정 파장 대역을 다르게 하여 얻어지는 두 개의 열 여기 신호의 비는 상기 수식 3을 사용하면 다음의 수식 4와 같이 쓸 수 있다.
[수식4]
어떤한 온도에서 비례 상수를 결정하면 다른 온도에서 열역학적 온도 측정이 가능하게 된다. 분광 복사 휘도에 대하여 플랑크(Planck)의 분포함수를 빈(Wien)의 분포 함수로 가정하면,
[수식 5]
신호의 비로 표현되는 온도 매개 g(T)는 다음의 관계식을 만족한다.
[수식 6]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치는, 제1 및 제2 파장의 반도체 레이저(이하, '레이저'라 한다)를 각각 발진하는 제1 및 제2 레이저 발진수단(21)(22), 상기 제1 및 제2 레이저 발진수단(21)(22)에서 발진된 각 레이저가 전송되는 제1 및 제2 광섬유(23)(24), 상기 제1 및 제2 광섬유(23)(24)를 통해 각각 전송된 레이저를 집광하여 온도를 측정할 강재(10)로 상기 집광된 레이저를 조사하고, 상기 레이저가 조사된 강재(10)로부터 발생된 열복사 에너지 및 상기 발진된 레이저에서 발생된 열복사 에너지를 수집하는 집광수단(25), 상기 집광수단(25)에 의해 집광된 열복사 에너지의 신호가 전송되는 제3 및 제4 광섬유(26)(27), 상기 전송된 열복사 에너지 신호 중 상기 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 필터링하는 제1 및 제2 광필터링수단(28)(29); 상기 필터링된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 검출하는 제1 및 제2 광검출수단(30)(31) 및 상기 검출된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 이용하여 강재(10)의 온도를 연산하는 온도연산수단(34)을 포함한다. 여기서, 상기한 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치는, 바람직하게는 상기 레이저가 조사된 강재(10)로부터 산란된 레이저로 인해 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)이 포화되는 것을 방지하기 위한 제1 및 제2 차단수단(32)(33)을 추가로 포함할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 온도 측정장치의 동작을 구체적으로 설명한다. 도 2를 참조하면, 제1 레이저 발진수단(21)은 반도체 레이저 소자를 구비하고, 제1파장의 반도체 레이저를 제1광섬유(optical fiber)(23)를 통해 집광수단(25)으로 발진한다. 또한, 제2 레이저 발진수단(22)은 반도체 레이저 소자를 구비하고, 제2파장의 반도체 레이저를 제2광섬유(24)를 통해 상기 집광수단(25)으로 발진한다. 여기서, 상기 제1 반도체 레이저 발진수단(21)으로부터 발진되는 제1파장의 레이저는 바람직하게는 1450nm 파장의 여기 레이저이며, 상기 제2 반도체 레이저 발진수단(22)으로부터 발진되는 제2파장의 레이저는 바람직하게는 850nm 파장의 여기 레이저이다. 또한 상기 집광수단(25)은 바람직하게는 렌즈(lens)이다.
상기 제1 및 제2 광섬유(23)(24)는 상기 제1 및 제2 레이저 발진수단(21)(22)으로부터 발진된 각 레이저광을 집광수단(25)으로 전송한다. 상기 집광수단(25)은 상기 제1 및 제2 파장의 레이저광을 집광하여 온도 측정대상인 시편(예를 들어, 강재)(10)에 조사한다. 이와 같이 상기 집광수단(25)에 의해 집광된 레이저광이 상기 강재(10)에 조사되는 경우 상기 강재(10)에는 열복사 에너지가 발생되며, 또한 상기 집광된 레이저에 의한 여분의 열복사 에너지가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 복합적인 열복사 에너지는 상기 집광수단(10)에 의해 수집되고 상기 수집된 열복사 에너지 신호는 제3 및 제4 광섬유(26)(27)로 들어가게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 광섬유는 4가닥으로 이루어지며 두 가닥(23)(24)으로는 상기 제1 및 제2 반도체 레이저 발진수단(21)(22)에서 발진된 반도체 레이저광이 들어오고 다른 두 가닥(26)(27)으로는 상기한 바와 같이 수집된 열복사 에너지가 전송된다.
상기 제3 및 제4 광섬유(26)(27)를 통하여 전송된 열복사 에너지는 각각 제1 및 제2 광검출기(30)(31)로 들어가는데, 상기 제1 및 제2 광검출수단(31)(32)의 전단에 각각 위치한 제1 및 제2 광필터링수단(28)(29)에 의하여 각각 상기 제1 및 제2 파장에 해당하는 열복사 에너지만 필터링되어 들어가게 된다. 다시 말하면, 상기 제3 및 제 4 광섬유(26)(27)를 통하여 전송되는 열복사 에너지 신호는 상기 제1 및 제2 광필터링수단(28)(29)에 의해 상기한 제1 파장(바람직하게는 1450nm) 및 제2 파장(바람직하게는 850nm)의 열복사 에너지 신호만 상기 제1 및 제2 광검출수단(31)(32)으로 들어가게 된다.
상기 온도연산수단(34)은 상기 제1 및 제2 광검출수단(31)(32)에서 검출된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 이용하여 강재(10)의 온도를 연산한다. 상기 온도 연산은 바람직하게는 도 1에서 설명한 수식 1 내지 수식 6을 이용하여 온도를 연산한다. 상기한 온도 연산은 상기한 수식 1 내지 수식 6을 통해 설명하였으므로 이하에서는 설명을 생략한다.
상기 제1 및 제2 광검출수단(31)(32)은 상기 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 수신하고 상기 열복사 에너지 신호에 대응하는 온도를 검출한다. 상기 광검출수단(31)(32)은 바람직하게는 특정 알고리즘을 이용하여 상기 열복사 에너지 신호에 매핑되는 온도를 검출하게 된다. 상기와 같이 상기 두개의 광검출수단(31)(32)에서 검출된 두 개의 열복사 에너지 신호는 LEFT(Laser Emissivity Free Thermometry)로 전송되고 상기 LEFT는 상기한 수식 1 내지 수식 6를 이용하여 상기 강재(10)의 온도값을 계산하게 된다.
여기서, 주의할 것은 상기 제1 및 제2 레이저 발진수단(21)(22)에서 발진되는 여기 레이저 중 하나의 여기 레이저가 상기 강재(10)에 조사될 때 상기 강재(10)의 표면에서 산란된 레이저로 인해 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)이 포화되는 것을 방지하기 위해 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)의 전단에 각각 제1 및 제2 차단수단(28)(29)이 설치되는 것이 바람직하다. 만약 하나의 여기 레이저의 동작시 상기 강재(10)의 표면으로부터 레이저가 산란되어 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)으로 들어오게 되어 포화상태가 되면 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)은 파손될 우려가 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)의 전단에 각각 상기 제1 및 제2 차단수단(28)(29)이 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 차단수단(28)(29)은 전체 온도 측정장치와 연계하여 자동으로 동작하도록 한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치에서, 상기 4개의 광섬유(23)(24)(26)(27)는 상기 집광수단(25) 및 강재(10)에서 발생될 수 있는 전자기적 노이즈의 영향을 배제하도록 충분한 길이를 갖는 것이 바람직하다, 이와 같이 상기 광섬유는 충분한 길이를 가지므로 원거리에서도 온도 측정이 가능하다. 상기 광섬유(23)(24)(26)(27) 및 상기 집광수단(25)을 사용하여 여기 레이저의 출력을 상기 강재(10) 표면까지 10% 정도의 손실로 전송할 수 있다. 보다 더 바람직하게는 상기 광섬유(23)(24)(26)(27)는 각각 파장 850nm 레이저 광 전송, 파장 1450 nm 레이저 광 전송, Si 파장대 열복사 에너지 신호 전송 및 InGaAs 파장대 열복사 에너지 신호 전송을 수행한다. 광축 배열을 위한 레이저 포인터는 850nm, 1450nm 레이저용 광섬유를 사용한다.
상기한 바와 같이, 온도 측정대상재인 상기 강판(10)에 사용할 여기 레이저로는 각각 1450nm 및 850nm 대역 반도체 레이저(laser diode)를 사용한다. 상기 레이저는 외부에서 가하는 TTL 입력 수준에 따라 온/오프 된다. 상기 레이저 여기 주파수는 외부에서 입력하는 TTL 파형의 주파수에 의해 결정된다. 본 발명의 일 실시예에서는 바람직하게는 20Hz 또는 40Hz 주파수를 사용한다.
상기 광검출수단(30)(31)은 바람직하게는 포토 다이오드(photodiode)를 사용한다. 더 바람직하게는 상기 제1 및 제2 광검출수단(30)(31)은 각각 1450nm 대역의 InGaAs 검출기(detector) 및 850nm 대역의 Si 검출기(detector)를 사용한다. 나아가, 상기 광검출기(30)(31)의 전단에 위치하는 제1 및 제2 광필터링수단(28)(29)은 광 잡음을 제거하고 원하는 파장 대역의 광 신호만을 얻기 위한 광 대역 통과 필터(optical band-pass filter)를 사용한다. 따라서, 상기 각 필터는 1450nm 및 850nm 파장의 광 신호를 추출하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 광검출수단에서의 온도 검출신호를 보이는 그래프로서, 도 3(a)는 제1 광검출수단에서의 온도 검출신호의 크기를 나타내며, 도 3(b)는 제2 광검출수단에서의 온도 검출신호의 크기를 나타낸다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에서 1450nm 및 850nm 파장을 갖는 두 개의 여기 레이저가 강재(10)에 조사하는 경우, 850nm 파장의 여기 레이저에 대하여 제1 광검출수단(30)의 InGaAs 검출기에서 검출한 1450nm 파장의 열복사 에너지 신호를 도 3(a)에 도시한 것이며, 1450nm 파장의 여기 레이저에 대하여 제2 광검출수단(31)의 Si 검출기에서 검출한 850nm 파장의 열복사 에너지 신호를 도 3(b)에 도시한 것이다. LEFT에서 상기 검출된 두 개의 열복사 에너지 신호를 이용하여 온도를 계산하게 되면 900.23℃가 된다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 레이저 TTL 입력신호가 5V가 되면 레이저가 발진되어 강재(10)를 가열하게 되고 이 경우 상기 강재(10)의 온도는 올라가는 것을 알 수 있다. 또한, 다시 레이저 TTL 입력신호가 0V가 되면 레이저 발진이 중단되어 가열이 끝나 상기 강재(10)는 냉각되는 것을 알 수 있다. 이러한 가열, 냉각 구간을 18회 반복하여 그 반복패 턴을 록-인 앰프를 통해 구하면 도 3과 같이 된다. 상기 록-인 앰프의 입력은 각 광검출기 신호이고, 기준 입력은 레이저 TTL 입력 신호이다. 도 3의 화면의 AC/DC에서 AC가 선택되면 파형의 AC 성분만을 록-인 앰프가 처리하여 출력값은 AC 성분의 기준 신호에 대한 상대적 크기이다. 여기서는 위상차는 고려하지 않고 단지 크기 성분만을 고려한다.
도 3에 도시된 화면 상단의 I1(Si)는 Si 검출기 신호의 AC 성분 크기를 나타내며, I2(InGaAs)는 InGaAs 검출기 신호의 AC 성분 크기를 나타낸다. γ(T)는 Si과 InGaAs 검출기 신호의 크기를 나눈 값으로서 온도 파라메터이고 이 값을 이용하여 보정과 온도 계산이 가능하다. 보정 온도를 입력하면 K가 계산되고, 그 K를 한번 입력하면 그 이후는 γ(T)와 K에 의해 온도가 계산되어 화면에 나타난다. 계산된 온도는 유효 파장과 대단히 밀접한 관계가 있으므로 보정시 유효 파장을 정확히 기입하는 것이 중요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 InGaAs 광검출기를 검증하기 위한 InGaAS 광 검출기의 유효파장을 보이는 그래프이다. 도 4(a)는 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치에서의 InGaAs 검출기의 유효성을 검증하기 위하여 예를 들어, 흑연(graphite) 시편에 850nm 파장의 여기 레이저를 조사한 후 InGaAs 검출기에서 열복사 에너지 신호의 검출값을 도시하고 있다. 도 4(a)를 참조하면, 500℃에서부터 970℃까지의 온도 영역에서 검출한 InGaAs 검출기의 열복사 에너지 신호의 검출값이다. 도 4(b)는 도 4(a)의 곡선을 빈(Wien)의 분포 함수를 사용하여 최소 제곱법으로 직선 맞춤한 것이다. 도 4(b)에서 상기 직선 맞춤 과정에서 얻은 직선의 기울기는 691626.6이고 InGaAs 검출기의 유효 파장은 1/691626.6=1446nm로 상기 제1 광필터링수단(28)의 중심파장 1450nm와 거의 일치하고 있다. 따라서, 이러한 InGaAs 검출기는 교정이 완료된 것으로서 본 발명에 적용이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Si 광검출기를 검증하기 위한 Si 광검출기의 유효파장을 보이는 그래프이다. 도 5(a)는 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치의 Si 검출기의 유효성을 검증하기 위하여 예를 들어, 흑연 시편에 1450nm 파장의 여기 레이저를 조사한 후 Si 검출기에서 열복사 에너지 신호의 검출값을 도시하고 있다. 도 5(a)를 참조하면, 500℃에서부터 970℃까지의 온도 영역에서 검출한 Si 검출기의 열복사 에너지 신호의 검출값이다. 도 5(b)는 도 5(a)의 곡선을 빈(Wien)의 분포 함수를 사용하여 최소 제곱법으로 직선 맞춤한 것이다. 도 5(b)에서 상기 직선 맞춤 과정에서 얻은 직선의 기울기는 1188029.3이고 Si 검출기의 유효 파장은 1/1188029.3=842nm로 상기 제2 광필터링수단(29)의 중심파장 850nm와 거의 일치하고 있다. 따라서, 이러한 Si 검출기는 교정이 완료된 것으로서 본 발명에 적용이 가능하다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 온도 측정장치와 이색 온도계의 온도 측정결과를 비교한 그래프로서, 도 6은 복사율이 1인 흑체와 비슷한 흑연(graphite)에 대한 본 발명의 온도 측정장치와 상용의 이색 온도계의 온도 측정결과를 도시한 것이고 도 7은 복사율이 0.83~0.88인 스테인레스(STS430)열연코일에 대한 본 발명의 온도 측정장치와 이색 온도계의 온도 측정결과를 도시한 것이며, 도 8은 복사율이 0.68~0.72인 스테인레스(STS304J1-11)열연코일에 대한 본 발명의 온도 측정장치와 이색 온도계의 온도 측정결과를 도시한 것이다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 당 기술분야에서 상용되는 이색 온도계와 본 발명에 따른 온도 측정장치에서의 흑연에 대한 온도 측정결과는 거의 일치함을 알 수 있다. 즉, 기울기는 1에 가까운 1.0027로 나타나고 R2은 1에 가까운 0.9953으로 나타낸다. 따라서, graphite에 대해서는 상용의 이색 온도계와 본 발명에 따른 온도 측정장치의 온도 측정결과는 거의 일치한다고 볼 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 온도 측정장치에서 측정한 최고 온도인 1051℃에서 이색 온도계 측정값을 이용하여 온도 보정 계수 K를 구하여 다른 온도를 계산한다. 두 장치에서 계산한 온도값의 기울기가 다른 것은 본 발명의 온도 측정장치는 복사율에 무관한 온도를 계산하지만, 상용의 이색 온도계는 일정한 복사율을 사용하기 때문이다. 따라서, 일반적으로 온도 측정 대상인 시편의 표면 온도가 상승할수록 복사율은 감소하는 경향이 있어서 본 발명의 온도 측정장치에서 측정한 온도의 기울기가 더 큰 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 온도 측정장치에서는 복사율의 영향없이 온도를 측정하기 때문에 복사율에 기인한 온도 측정오차를 줄일 수 있다.
도 8을 참조하면, 실험대상인 STS304J1-11은 상기한 STS430보다 복사율이 낮기 때문에 본 발명의 온도 측정장치에서 측정한 온도값과는 더 큰 오차를 보인다. 그 이유는 상기 STS304J1-11은 낮은 복사율이 낮기 때문에 이색 온도계에서는 해당 시편의 온도가 낮은 것으로 판단하여 온도를 측정하기 때문이다. 도 8에서는 상기한 STS430에서 계산된 온도 보정 계수 K를 이용하여 본 발명의 온도 측정장치의 온도측정값을 계산한 것이다. 만약, 두 샘플 시편의 복사율이 일치한다면 1051℃에서 두 곡선이 일치해야 하지만 상기한 바와 같이 STS304의 복사율(0.68~0.72)이 STS430(0.83~0.88)에 비해 낮은 값을 가지므로 낮은 온도에서 두 곡선이 교차하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 온도 측정장치의 온도 측정 결과는 이색 온도계와 열전대와 비교하였을 때 유사한 온도 계측 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 하나의 온도 보정 데이터를 이용하여 시편의 복사율에 무관한 온도계를 구현할 수 있는 장치를 구현하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치를 이용하면 시편의 복사율과 무관하여 온도를 측정할 수 있으며, 외부 배경 광의 영향은 물론 광로 상에 존재하는 입자들에 의한 흡수가 클 경우에도 정확한 온도 측정이 가능함을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 온도 측정장치에서 검출한 시편의 온도와 상용되고 있는 이색 온도계의 온도 측정결과를 비교해 보면 유사한 결과를 얻을 수 있으며 이로써 복사율에 무관하게 온도를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
상기한 상세한 설명 및 도면의 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 상세한 설명 및 도면의 내용에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 강재의 복사율을 몰라도 실제 온도에 가깝게 온도를 측정할 수 있으므로 기존에 문제가 되는 복사율이 시편마다 달라지면 정확한 시료의 온도를 측정하기 어려운 문제를 해결할 수 있다.
Claims (6)
- 제1 및 제2 파장의 반도체 레이저를 각각 발진하는 제1 및 제2 반도체 레이저 발진수단;상기 제1 및 제2 반도체 레이저 발진수단에서 발진된 각 레이저가 전송되는 제1 및 제2 광섬유;상기 제1 및 제2 광섬유를 통해 각각 전송된 레이저를 집광하여 온도를 측정할 강재로 상기 집광된 레이저를 조사하고, 상기 레이저가 조사된 강재로부터 발생된 열복사 에너지 및 상기 발진된 레이저에서 발생된 열복사 에너지를 수집하는 집광수단;상기 집광수단에 의해 집광된 열복사 에너지의 신호가 전송되는 제3 및 제4 광섬유;상기 전송된 열복사 에너지 신호 중 상기 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 각각 필터링하는 제1 및 제2 광필터링수단;상기 필터링된 제1 및 제2 파장을 갖는 열복사 에너지 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2 광검출수단; 및상기 검출된 제1 및 제2 파장의 열복사 에너지 신호를 이용하여 강재의 온도를 연산하는 온도연산수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 온도 측정장치.
- 제 1항에 있어서,상기 강재로부터 산란된 레이저가 상기 제1 및 제2 광검출수단으로 들어가는 것을 각각 차단하는 제1 및 제2 차단수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1 및 제2 반도체 레이저는 각각 1450nm 및 850nm 파장의 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1 및 제2 광검출수단은 각각 InGaAs 검출기 및 Si 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 집광수단은 렌즈(lens)인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온도 측정장치.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제1 및 제2 광필터링수단은 각각 1450nm 및 850nm 파장의 신호를 통과시키는 광 대역통과필터인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 강재의 온 도 측정장치.
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