KR101094076B1 - 투자율 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 투자율 측정 장치는 자기장 발생부, 제1 자기 센서, 제2 자기 센서, 차동 증폭부, 환산부 및 표시부를 포함한다. 자기장 발생부는 투자율 측정 대상에 대하여 일정한 세기의 자기장을 인가한다. 제1 자기 센서는 투자율 측정 대상의 주위에 위치한다. 제2 자기 센서는 투자율 측정 대상과 제1 자기 센서 사이에 위치하고 상기 제1 자기 센서와 함께 차동 출력 전압을 발생시킨다. 환산부는 상기 제1 자기 센서와 제2 자기 센서로부터의 차동 출력 전압을 투자율로 환산한다. 표시부는 환산부로부터의 투자율을 표시한다.

투자율 측정 장치, 자기장, 자화

Description

투자율 측정 장치{Apparatus for measuring magnetic permeability}

본 발명은, 투자율 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 측정하는 장치에 관한 것이다.

제철 또는 제강의 공정에 있어서, 투자율 측정 장치는 제품의 조성, 품질 및 공정의 정확도를 평가하기 위하여 사용된다.

도 1은 종래의 투자율 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 자화 특성 그래프이다. 도 1에서 참조 부호 H는 투자율 측정 대상에 인가되는 자장의 세기를 가리킨다. 참조 부호 B는 자화된 투자율 측정 대상으로부터의 자속들의 밀도를 가리킨다. 참조 부호 C1과 C2는 자화 특성 곡선들로서, C2의 특성곡선을 가진 대상의 투자율이 C1의 것에 비하여 높다.

도 1을 참조하면, 종래의 투자율 측정 장치들은 자기-포화 상태의 자속 밀도(B1,B2) 또는 보자력(保磁力, coercive force, H1,H2)을 검출하여 이에 비례한 투자율로 환산하였다.

상기와 같은 종래의 투자율 측정 장치에 의하면, 자기-포화 상태의 자속 밀 도(B1,B2) 또는 보자력(H1,H2)을 검출하기 위하여 변하는 세기의 자기장 즉, 교류 자기장을 인가하여야만 한다. 이에 따라 다음과 같은 문제점들이 있다.

첫째, 변하는 세기의 자기장을 어느 한 측정 대상에 인가하는 데에 상당한 시간이 소요됨에 따라, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 빠르게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

물론, 보다 빠른 측정을 위하여 교류 자기장의 전원 주파수를 높일 경우, 측정의 정확도가 떨어진다.

둘째, 교류 자기장으로 인하여 발생되는 상호 인덕턴스의 영향을 배제하기가 어렵다.

본 발명의 목적은, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 고속으로 측정할 수 있고, 교류 자기장으로 인하여 발생되는 상호 인덕턴스의 영향을 배제할 수 있는 투자율 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 투자율 측정 장치는 자기장 발생부, 제1 자기 센서, 제2 자기 센서, 차동 증폭부, 환산부 및 표시부를 포함한다.

상기 자기장 발생부는 투자율 측정 대상에 대하여 일정한 세기의 자기장을 인가한다.

상기 제1 자기 센서는 상기 투자율 측정 대상의 주위에 위치한다.

상기 제2 자기 센서는 상기 투자율 측정 대상과 상기 제1 자기 센서 사이에 위치하고 상기 제1 자기 센서와 함께 차동 출력 전압을 발생시킨다.

상기 환산부는 상기 제1 자기 센서와 제2 자기 센서로부터의 차동 출력 전압을 투자율로 환산한다.

상기 표시부는 상기 환산부로부터의 투자율을 표시한다.

본 발명의 상기 투자율 측정 장치에 의하면, 일정한 세기의 자기장이 인가되고, 상기 제1 자기 센서와 제2 자기 센서로부터의 차동 출력 전압에 따라 투자율이 구해진다.

여기에서, 일정한 세기의 자기장이 사용되므로, 측정의 정확도를 높이기 위하여 투자율 측정 대상이 자기-포화되지 않을 정도로 큰 세기의 자기장이 인가되어야 한다.

그런데, 상기 자기 센서들은 개별적으로 포화 출력 전압을 가지게 되어 아무리 센 자속 밀도가 입력되더라도 일정한 포화 출력 전압을 출력하는 구간이 존재한다.

하지만, 본 발명의 경우, 차동 출력 전압을 발생시키기 위하여 상기 제1 자기 센서가 개재됨에 따라, 상기 제2 자기 센서의 기준 전위가 상기 제1 자기 센서의 출력 전위만큼 상승한다. 따라서, 상기 제2 자기 센서에 포화 출력 전압보다 높은 전압에 상응하는 자속들이 입력되더라도 상기 차동 출력 전압은 포화 출력 전압보다 낮아진다.

따라서, 일정하고 충분한 세기의 자기장을 인가하더라도 자기 센서의 포화 오류가 발생되지 않는다.

따라서, 본 발명의 상기 투자율 측정 장치에 의하면, 일정한 세기의 자기장을 사용하면서 정확하게 투자율을 측정할 수 있음에 따라, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 고속으로 측정할 수 있고, 교류 자기장으로 인하여 발생되는 상호 인덕턴스의 영향을 배제할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 투자율 측정 장치를 보여준다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 투자율 측정 장치는 자기장 발생부(21), 제1 자기 센서(22a), 제2 자기 센서(22b), 차동 증폭부(23), 환산부(24), 표시부(25) 및 거리 측정부(26)를 포함한다.

자기장 발생부(21)는 투자율 측정 대상(20)에 대하여 일정한 세기의 자기장을 인가한다. 예를 들어, 자기장 발생부(21)에서 코일에 직류 전류가 흐름에 따라 상기 코일로부터 일정한 세기의 자기장이 발생된다. 또는, 자기장 발생부(21)는 영구 자석일 수도 있다.

제1 자기 센서(22a)는 투자율 측정 대상(20)의 주위에 위치한다.

제2 자기 센서(22b)는 투자율 측정 대상(20)과 제1 자기 센서(22a) 사이에 위치하고 제1 자기 센서(22a)와 함께 차동 출력 전압(Vb-Va)을 발생시킨다.

차동 증폭부(23)는 제1 자기 센서(22a)와 제2 자기 센서(22b)로부터의 차동 출력 전압(Vb-Va)을 증폭한다.

환산부(24)는 차동 증폭부(23)의 출력 전압을 투자율로 환산한다. 환산부(24)는 아날로그-디지털 변환부(ADC, Analog-to-Digital Converter, 241)와 연산부(242)를 포함한다.

아날로그-디지털 변환부(ADC, 241)는 차동 증폭부(23)의 출력 전압을 디지털 신호로 변환한다. 연산부(242)는 아날로그-디지털 변환부(ADC, 241)로부터의 디지털 신호를 입력받아, 차동 증폭부(23)의 출력 전압을 투자율로 환산한다.

표시부(25)는 환산부(24)로부터의 투자율을 표시한다.

거리 측정부(26) 예를 들어, 레이저를 사용한 거리 측정부(26)는, 자기장 발생부(21)와 투자율 측정 대상(20) 사이의 거리를 측정하여, 측정된 결과의 거리 데 이터를 연산부(242)에 제공한다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 자속 밀도는 상기 거리의 제곱에 반비례한다. 여기에서, 로울러(roller) 등이 사용되어 자기장 발생부(21)와 투자율 측정 대상(20) 사이의 거리가 항상 일정할 경우, 거리 측정부(26)는 불필요하다.

거리 측정부(26)가 사용될 경우, 연산부(242)는 거리 측정부(26)로부터의 거리 데이터에 따라 차동 증폭부(23)의 출력 전압을 투자율로 환산한다.

도 3은 도 2의 제1 자기 센서(22a)와 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위를 보여준다.

도 3을 참조하면, 상자성체의 측정 대상(201)인 경우, 상자성체의 투자율이 1이므로, 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va1)와 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb1)가 동일하다.

또한, 투자율이 낮은 강자성체의 측정 대상(202)인 경우, 측정 대상(202)의 투자율이 1보다 높으므로, 보다 가까운 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb2)가 높아지고 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va2)가 낮아진다.

그리고, 투자율이 높은 강자성체의 측정 대상(203)인 경우, 측정 대상(202)의 투자율이 매우 높으므로, 보다 가까운 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb3)가 더욱 높아지고 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va3)가 더욱 낮아진다.

도 4는 도 2의 투자율 측정 대상(20)의 초기 자화 특성을 보여주기 위한 그래프이다. 도 4에서 참조 부호 H는 투자율 측정 대상(20)에 인가되는 자장의 세기를 가리킨다. 참조 부호 B는 자화된 투자율 측정 대상(20)으로부터의 자속들의 밀 도를 가리킨다. 참조 부호 C41은 투자율이 높은 측정 대상의 초기 자화-특성 곡선을 가리킨다. 참조 부호 C42는 투자율이 낮은 측정 대상의 초기 자화-특성 곡선을 가리킨다.

도 5는 도 4의 자속 밀도들(B22, B23)에 따라 도 2의 제1 자기 센서(22a)와 제2 자기 센서(22b) 각각의 출력 전위(V)를 보여주는 그래프이다. 도 5에서 참조 부호 La는 제1 자기 센서(22a)의 입출력 특성 라인을 가리킨다. 참조 부호 Lb는 제2 자기 센서(22b)의 입출력 특성 라인을 가리킨다.

도 2, 4 및 5를 참조하면, 본 발명에 따른 투자율 측정 장치에 있어서, 일정한 세기의 자기장이 인가되고, 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb2 또는 Vb3)에서 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va2 또는 Va3)가 감산되며, 감산된 결과의 차동 전압(Vb2-Va2, Vb3-Va3)에 따라 투자율이 구해진다.

여기에서, 일정한 세기(Hb)의 자기장이 인가되었을 때, 측정 대상(20)의 초기 투자율에 따라 자속밀도(B22, B33)가 변한다.

또한, 어느 한 자속 밀도(B22 또는 B33)에서, 자기 센서와 측정 대상(20) 사이의 거리가 가까운 경우(22b)와 먼 경우(22a)에 각각 서로 다른 출력 전위(V)를 나타낸다.

그런데, 자기 센서들(22a, 22b)은 개별적으로 포화 출력 전압(Vs)을 가지게 되어 아무리 센 자속 밀도가 입력되더라도 일정한 값(Vs)을 출력하는 구간이 존재한다.

초기 투자율이 낮은 경우의 자속 밀도(B22)에 있어서, 측정 대상(20)과 가깝 게 위치한 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb2)는 측정 대상(20)과 멀리 위치한 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va2)보다 높다. 따라서, 그 차동 출력 전압(Vb2-Va2)에 따라 투자율을 구할 수 있다.

초기 투자율이 높은 경우의 자속밀도(B33)에 있어서, 측정 대상(20)과 가깝게 위치한 제2 자기 센서(22b)의 출력 전위(Vb3)는 측정 대상(20)과 멀리 위치한 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va3)보다 높다. 따라서, 그 차동 출력 전압(Vb2-Va2)에 따라 투자율을 구할 수 있다.

초기 투자율이 높은 경우의 자속밀도(B33)에 있어서, 측정 대상(20)과 가깝게 위치한 제2 자기 센서(22b)만이 존재할 경우, 그 출력 전압(Vb3)이 포화 출력 전압(Vs)으로 강하되므로, 정확한 투자율을 계산할 수 없다.

하지만, 차동 출력 전압(Vb3-Va3)을 발생시키기 위하여 제1 자기 센서(22a)가 개재됨에 따라, 제2 자기 센서(22b)의 기준 전위가 제1 자기 센서(22a)의 출력 전위(Va3)만큼 상승한다. 따라서, 제2 자기 센서(22b)에 포화 출력 전압(Vs)보다 높은 전압에 상응하는 자속들이 입력되더라도 차동 출력 전압(Vb3-Va3)은 포화 출력 전압(Vs)보다 낮아진다.

따라서, 일정하고 충분한 세기의 자기장을 인가하더라도 자기 센서의 포화 오류가 발생되지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 도 1의 투자율 측정 장치에 의하면, 일정한 세기(Hb1)의 자기장을 사용하면서 정확하게 투자율을 측정할 수 있음에 따라, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 고속으로 측정 할 수 있고, 교류 자기장으로 인하여 발생되는 상호 인덕턴스의 영향을 배제할 수 있다.

도 6은 도 2의 제1 자기 센서(22a)와 제2 자기 센서(22b)가 홀(Hall) 센서인 경우의 결선 상태를 보여준다.

도 6을 참조하면, 제1 홀 센서(22a)와 제2 홀 센서(22b) 각각에 동일한 전원(VCC-GND)이 인가된다. 제1 홀 센서(22a)와 제2 홀 센서(22b) 각각의 한 출력 단자들은 서로 연결된다. 제1 홀 센서(22a)의 나머지 한 출력 단자로부터 제1 출력 전위(Va)가 발생되고, 제2 홀 센서(22b)의 나머지 한 출력 단자로부터 제2 출력 전위(Vb)가 발생된다.

즉, 제1 홀 센서(22a)의 나머지 한 출력 단자와 제2 홀 센서(22b)의 나머지 한 출력 단자로부터 차동 출력 전압(Vb-Va)이 발생된다.

도 7은 도 2의 제1 자기 센서(22a)와 제2 자기 센서(22b)가 MR(Magneto- Resistance) 센서, GMR(GiantMagneto-Resistance) 센서 및 GMI(GiantMagneto- Impedance) 센서 중에서 어느 하나인 경우의 결선 상태를 보여준다.

도 7을 참조하면, 제1 자기 센서(22a)의 정극성 전원 단자와 제2 자기 센서(22b)의 부극성 전원 단자 사이에 동일한 전원(VCC-GND)이 인가된다. 제1 자기 센서(22a)의 어느 한 출력 단자와 제2 자기 센서(22b)의 어느 한 출력 단자는 서로 연결되어, 이 연결 지점에서 제2 자기 센서(22b)의 제2 출력 전위(Vb)가 발생된다. 제1 자기 센서(22a)의 나머지 한 출력 단자와 제2 자기 센서(22b)의 나머지 한 출력 단자는 서로 연결되어, 이 연결 지점에서 제1 자기 센서(22a)의 제1 출력 전 위(Va)가 발생된다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 투자율 측정 장치에 의하면, 일정한 세기의 자기장이 인가되고, 제1 자기 센서와 제2 자기 센서로부터의 차동 출력 전압에 따라 투자율이 구해진다.

여기에서, 일정한 세기의 자기장이 사용되므로, 측정의 정확도를 높이기 위하여 투자율 측정 대상이 자기-포화되지 않을 정도로 큰 세기의 자기장이 인가되어야 한다.

그런데, 자기 센서들은 개별적으로 포화 출력 전압을 가지게 되어 아무리 센 자속 밀도가 입력되더라도 일정한 전압을 출력하는 구간이 존재한다.

하지만, 본 발명의 경우, 차동 출력 전압을 발생시키기 위하여 제1 자기 센서가 개재됨에 따라, 제2 자기 센서의 기준 전위가 제1 자기 센서의 출력 전위만큼 상승한다. 따라서, 제2 자기 센서에 포화 출력 전압보다 높은 전압에 상응하는 자속들이 입력되더라도 차동 출력 전압은 포화 출력 전압보다 낮아진다.

따라서, 일정하고 충분한 세기의 자기장을 인가하더라도 자기 센서의 포화 오류가 발생되지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 투자율 측정 장치에 의하면, 일정한 세기의 자기장을 사용하면서 정확하게 투자율을 측정할 수 있음에 따라, 제철 또는 제강의 공정 라인에서 연속적으로 유입되는 대상들의 투자율을 고속으로 측정할 수 있고, 교류 자기장으로 인하여 발생되는 상호 인덕턴스의 영향을 배제할 수 있다.

본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 정의된 발명의 사상 및 범위 내에서 당업자에 의하여 변형 및 이용될 수 있다.

히스테리시스 특성과 관련된 파라메터를 측정하는 데에 이용될 수 있다.

도 1은 종래의 투자율 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 자화 특성 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 투자율 측정 장치를 보여주는 도면이다.

도 3은 도 2의 제1 자기 센서와 제2 자기 센서의 출력 전위를 보여주는 도면이다.

도 4는 도 2의 투자율 측정 대상의 초기 자화 특성을 보여주기 위한 그래프이다.

도 5는 도 4의 자속 밀도들에 따라 도 2의 제1 자기 센서와 제2 자기 센서 각각의 출력 전위를 보여주는 그래프이다.

도 6은 도 2의 제1 자기 센서와 제2 자기 센서가 홀(Hall) 센서인 경우의 결선 상태를 보여주는 도면이다.

도 7은 도 2의 제1 자기 센서와 제2 자기 센서가 MR(Magneto-Resistance) 센서, GMR(GiantMagneto-Resistance) 센서 및 GMI(GiantMagneto-Impedance) 센서 중에서 어느 하나인 경우의 결선 상태를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20...측정 대상, 21...자기장 발생부,

22a....제1 자기 센서, 22b...제2 자기 센서,

23...차동 증폭부, 24...환산부,

25...표시부, 241...아날로그-디지털 변환부,

242...연산부.

Claims (5)

1. 투자율 측정 대상에 대하여 일정한 세기의 자기장을 인가하는 자기장 발생부;

   상기 투자율 측정 대상의 주위에 위치하는 제1 자기 센서;

   상기 투자율 측정 대상과 상기 제1 자기 센서 사이에 위치하고, 상기 제1 자기 센서와 함께 차동 출력 전압을 발생시키는 제2 자기 센서;

   상기 제1 자기 센서와 제2 자기 센서로부터의 차동 출력 전압을 투자율로 환산하는 환산부; 및

   상기 환산부로부터의 투자율을 표시하는 표시부를 포함한 투자율 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생부에서,

   코일에 직류 전류가 흐름에 따라 상기 코일로부터 일정한 세기의 자기장이 발생되는 투자율 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 자기장 발생부가 영구 자석인 투자율 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 환산부가,

   상기 차동 출력 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부; 및

   상기 아날로그-디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 입력받아, 상기 차동 출력 전압을 투자율로 환산하는 연산부를 포함한 투자율 측정 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 자기장 발생부와 상기 투자율 측정 대상 사이의 거리를 측정하여, 측정된 결과의 거리 데이터를 상기 연산부에 제공하는 거리 측정부를 더 포함하여,

   상기 연산부가 상기 거리 측정부로부터의 거리 데이터에 따라 상기 차동 출력 전압을 투자율로 환산하는 투자율 측정 장치.

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