KR101321418B1 - 평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 의하면 스케일의 두께에 따른 공진주파수 값의 변화를 이용하여 한 주파수에서의 반사계수 값만으로 스케일 두께의 측정이 가능하여 저비용 저 전력을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법{Parallel plate waveguide resonator and measuring method for thickness of steel oxide using the same}

본 발명은 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 열연강판이나 후판 표면에는 가열 및 압연도중에 두꺼운 산화층이 생기는데 이를 스케일이라 한다. 이러한 스케일의 두께는 제조 공정에 따라 변하며, 최종제품의 품질에도 영향을 미치기 때문에 이를 측정하고 관리하는 것이 필요하다.

종래에는 스케일의 두께를 측정하기 위하여 철강 강판을 세로로 절단하고 연마하여 그 단면을 광학 현미경이나 전자현미경으로 측정하는 방법을 사용하였다. 그런데, 이러한 방법은 두께를 측정하기 위한 시료 준비와 측정에 많은 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 측정 위치에 따라 두께 편차가 큰 문제점이 있었다.

한편, 강판을 절단하지 않고 스케일층의 두께를 측정하기 위해, 자기 유도 방식의 센서를 사용할 수 있으나, 이러한 센서를 이용하는 경우에는 정확한 스케일 두께의 정량적인 측정이 어려우며, 또한 강판의 온도가 높을 경우 센서의 출력치가 달라져 측정이 불가능한 문제점이 있다.

또한 강판을 절단하지 않고 스케일층의 두께를 측정하기 위해, 광을 사용할 수 있으나, 이러한 경우에는 나노미터 단위의 얇은 스케일층의 두께는 측정이 가능하지만 수십 마이크로미터 내지 수 밀리미터 단위의 두꺼운 스케일층의 두께는 측정이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 양 측면이 개방되어 스케일 두께를 측정하고자 하는 측정대상물질의 삽입과 제거가 용이한 평행평판 도파관 공진기를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 스케일 두께를 알고있는 복수개의 철강 시편의 공진주파수 변화를 측정하여 데이터화하고 실제 철강의 공진주파수 변화를 측정하여 이를 비교함으로써 철강 스케일의 두께를 예측할 수 있는 평행평판 도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기는 상부 플레이트, 상기 상부 플레이트와 평행하게 형성된 하부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 제1측면과 상기 하부 플레이트의 제1측면을 연결하여 상기 평행평판 도파관 공진기의 제1 측면을 밀폐시키는 제1 측면 플레이트, 상기 상부 플레이트의 제2측면과 상기 하부 플레이트의 제2측면을 연결하여 상기 평행평판 도파관 공진기의 제2 측면을 밀폐시키는 제2 측면 플레이트 및 공진기의 내부에 전자파 모드를 여기시키기 위해 상기 상부 플레이트에 형성된 동축케이블을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법은, (a) 스케일의 두께를 알고 있는 복수개의 철강 시편을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 각각 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정하여 스케일 두께에 따른 공진주파수 변화값을 데이터화 기준 공진주파수 측정단계, (b) 스케일 두께를 측정하고자 하는 철강을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정하는 실제 공진주파수 측정단계 및 (c) 상기 기준 공진주파수 측정단계에서 데이터화된 공진주파수의 변화값과 상기 실제 공진주파수 측정단계에서 측정된 공진주파수 변화값을 비교하여 측정하고자 하는 철강의 스케일 두께를 예측하는 철강 스케일 두께 측정단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기 및 이를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 의하면 스케일의 두께에 따른 공진주파수 값의 변화를 이용하여 한 주파수에서의 반사계수 값만으로 스케일 두께의 측정이 가능하여 저비용 저 전력을 구현할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 반사계수를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기 내부의 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법의 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 스케일이 없을 경우와 네 가지 두께의 스케일 모델의 경우에 대한 공진 주파수의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 스케일의 두께에 따른 공진주파수 변화값을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 제1튜너를 사용하는 경우의 효과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 제2튜너를 사용하는 경우의 효과를 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

일반적으로 공진기는 내부에 삽입된 물질의 형태 및 전기적 특성에 따라 공진주파수가 변화하며, 이 성질을 이용하여 형태를 알고 있는 물질의 전기적 특성 혹은 전기적 특성을 알고 있는 물질의 모양을 유추할 수 있다.

공진기 내부에 전자파 모드의 형태가 변화하지 않는 범위의 물질을 삽입하여 물질의 특성을 얻는 방법을 cavity perturbation 방법이라 한다. 이때 삽입되는 물질의 특성과 변화하는 공진주파수의 관계는 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

분모에서는 적분 구간이 V₀로 공진기 내부 전체이고 분자에서는 V'로 물질이 삽입된 부분이다. 이를 통해 공진기 내부로 삽입되는 스케일의 두께가 두꺼울수록 공진주파수의 변화가 크게 나타남을 알 수 있다.

여기서, ω는 perturbation에 의해 변화된 공진기 주파수, ω₀는 perturbation 전의 공진기 주파수, E₀는 공진기 내부의 전계분포, H₀는 공진기 내부의 자계분포, ε는 perturbation이 없는 경우의 공진기 내부 물질의 유전율, μ는 perturbation이 없는 경우의 공진기 내부 물질의 투자율,Δε는 삽입된 물질의 유전율 Δμ는 삽입된 물질의 투자율을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기(100)는 상부 플레이트(110), 하부 플레이트(120), 제1 측면 플레이트(130), 제2 측면 플레이트(140) 및 동축케이블(150)을 구비한다.

하부 플레이트(120)는 상부 플레이트(110)의 하부에 상부 플레이트와 평행하게 형성된다.

제1 측면 플레이트(130)는 상부 플레이트(110)의 제1측면과 하부 플레이트(120)의 제1측면을 연결하여 평행평판 도파관 공진기(100)의 제1 측면을 밀폐시킨다.

제2 측면 플레이트(140)는 상부 플레이트(110)의 제2측면과 하부 플레이트(120)의 제2측면을 연결하여 평행평판 도파관 공진기(100)의 제2 측면을 밀폐시킨다.

동축케이블(150)은 평행평판 도파관 공진기(100)의 내부에 전자파 모드를 여기시키기 위해 상부 플레이트(110)에 형성된다.

이때 동축케이블(150)은 상부 플레이트(110)를 관통하여 평행평판 도파관 공진기(100)의 내부에 삽입되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 평행평판 도파관 공진기(100)는 평행평판 도파관의 제3 측면 및 제4 측면이 개방되어 스케일의 두께를 측정하고자 하는 철강의 삽입 및 제거가 용이하도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기의 경우 평행평판 도파관의 제3 측면 및 제4 측면이 개방되어 있어서 전자파가 도파관 내부에 완전히 갇히지 않고 양 옆으로 새어나오는 fringing field가 존재하게 된다. 따라서 상부플레이트(110)와 하부플레이트(120)를 연결시키는 제1 측면 플레이트(130) 및 제2 측면 플레이트(140)를 도파관의 너비보다 더 크게 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기는 완전히 차폐된 구조가 아니므로 공진기의 Q값이 낮아져 측정의 정확도가 떨어지게 된다. 따라서 제1 측면 플레이트(130)에는 공진특성을 향상시키기 위한 제1튜너(160)를 형성하고, 상기 제2 측면 플레이트(140)에는 스케일로 인해 낮아진 공진주파수를 원래의 공진주파수로 보정하는 공진주파수 보정용의 제2튜너(170)를 형성하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 반사계수를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기 내부의 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이 동축케이블(150)을 이용하여 평행평판 도파관 공진기(100)의 내부에 전자파 모드를 여기시키면 공진기의 구조에 의해 1/2 파장 공진 및 1 파장 공진이 발생하게 된다.

도 3의 (a)는 375 MHz 부근의 1/2 파장 공진에서의 전기장의 분포를 나타내는 것이고, 도 3의 (b)는 750 MHz 부근의 1 파장 공진에서의 전기장의 분포를 나타내는 것이다.

측정될 스케일이 낀 철강은 평행평판 도파관 공진기의 중앙에 위치하게 되는데 1/2 파장 공진에서는 전기장이 중앙에 집속되어 있어서 전자파 모드가 흐트러지게 되므로 양 끝 쪽으로 전기장이 분포하는 1 파장 공진을 이용하여 스케일의 두께를 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기와 같이 양 옆이 열린 평행평판도파관 구조를 갖는 경우 스케일의 측정을 위한 강판의 삽입과 제거에는 유리하지만 이로 인해 공진기 내부의 전자파 모드를 정확한 식으로 나타낼 수 없게 된다. 즉, 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기를 사용하여 강판의 스케일 두께를 측정하는 경우 식 (1)에 따른 계산을 통해서는 측정이 불가능하다.

따라서 본 발명에서는 이미 두께를 알고 있는 스케일에 대한 공진 주파수 값의 변화 데이터를 수집한 후 이 데이터를 이용하여 측정하는 방법을 사용하였다. 또한 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기의 경우 완전히 차폐된 구조가 아니므로 공진기의 Q 값이 낮게 나타나 측정의 정확도가 떨어지는 문제가 있는데 이러한 문제를 튜너를 사용하여 보완하였다.

이하에서는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기를 이용하여 철강 스케일의 두께를 측정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법의 공정 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면 본 발명에 따른 평행평판도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법은 기준 공진주파수 측정단계(S410), 실제 공진주파수 측정단계(S420) 및 철강 스케일 두께 측정단계(S430)를 구비한다.

상기 기준 공진주파수 측정단계(S410)에서는 스케일의 두께를 알고 있는 복수개의 철강 시편을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 각각 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정하여 스케일 두께에 따른 공진주파수 변화 값을 데이터화한다.

상기 실제 공진주파수 측정단계(S420)에서는 스케일 두께를 측정하고자 하는 철강을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정한다.

상기 철강 스케일 두께 측정단계(S430)에서는 상기 기준 공진주파수 측정단계에서 데이터화된 공진주파수의 변화값과 상기 실제 공진주파수 측정단계에서 측정된 공진주파수 변화값을 비교하여 측정하고자 하는 철강의 스케일 두께를 예측한다.

도 5에 도시된 바와 같이 평행평판 도파관 공진기의 중앙에 전기강판과 서로 다른 두께를 가지는 스케일 모델을 위치시키고 두께에 따른 공진 주파수의 변화를 측정하였다. 스케일 모델로는 스케일과 비슷한 전기적 특성을 갖는 FR4 기판을 이용하였고, 두께는 각각 410㎛, 603㎛, 738㎛, 981㎛로 하였다.

도 6은 스케일이 없을 경우와 네 가지 두께의 스케일 모델의 경우에 대한 공진 주파수의 변화를 나타내는 도면이다. 도 6을 참고하면 각각의 공진 주파수는 753.25 MHz, 748.25 MHz, 745.25 MHz, 743.00 MHz, 739.50 MHz 임을 알 수 있다.

도 7은 스케일의 두께에 따른 공진주파수 변화값을 나타내는 도면이다.

도 7과 같이 스케일의 두께에 따른 공진 주파수 변화값의 데이터를 축적해 둔다면 이를 이용하여 임의의 두께를 가지는 스케일에 대한 공진 주파수를 측정하여 그 두께를 예측할 수 있다.

도 7을 참고하면 두께에 따른 공진 주파수의 변화가 거의 선형적이며 이 측정 방식의 분해능은 약 14 kHz/1㎛임을 알 수 있다. 본 시스템에서 공진 주파수의 떨림이 20 kHz 이내로 측정되므로 이 측정 방식은 1 내지 2㎛ 가량의 두께 분해능을 가짐을 예측할 수 있다.

도 1에 도시된 제1튜너(160)를 이용하면 하나의 주파수 시스템으로도 측정이 가능하다. 식 (1)에서 공진기 내부에 유전체 혹은 자성체를 삽입할 경우 공진 주파수가 낮아지는 현상을 보이지만, 자기장이 강한 곳에 도체를 삽입하는 경우에는 식 (2)에서 알 수 있는 바와 같이 공진 주파수가 높아지게 된다.

따라서 스케일로 인해 낮아진 공진주파수를 제1튜너(160)를 이용하여 본래의 공진 주파수로 보정할 수 있고, 제1튜너(160)가 삽입된 깊이를 스케일의 두께에 대하여 데이터화함으로써 스케일의 두께를 측정하는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 제1튜너를 사용하는 경우의 효과를 나타내는 도면이다.

도 8을 참고하면 410㎛ 두께의 스케일 모델에 의해 낮아진 공진 주파수가 제1튜너에 의해 다시 본래의 공진 주파수로 보정되었음을 알 수 있다.

이 때 제1튜너(160)의 삽입으로 인해 공진기의 Q 값이 크게 낮아진 것을 확인 할 수 있으나 실제 스케일의 두께는 수십㎛ 단위인 것을 감안할 때 제1튜너가 삽입되는 깊이는 훨씬 작아짐을 알 수 있고, 이에 의한 Q 값의 변화는 크지 않을 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 평행평판 도파관 공진기의 제2튜너를 사용하는 경우의 효과를 나타내는 도면이다.

도 9를 참고하면 제2 측면 플레이트에 설치된 제2튜너(170)의 경계조건(boundary condition)을 변화시킴으로써 공진기의 Q값이 증가되는 것을 알 수 있으며 제작된 공진기의 특성 및 측정 시 삽입되는 철강의 특성에 따라 제2튜너가 삽입되는 깊이를 달리하여 원하는 Q값을 얻을 수 있다.

살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 평행평판 도파관(PPW) 공진기 및 평행평판 도파관(PPW) 공진기의 perturbation을 이용하여 철강 스케일의 두께를 측정하는 방법에 의하면 철강의 형태에 따라 튜너 및 주파수의 조정이 필요하여 초기의 조정(calibration) 작업이 필요하지만 한 주파수에서의 반사계수 값만으로 측정이 가능하여 저비용 저 전력을 구현할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 평행평판 도파관 공진기에 있어서
   상부 플레이트;
   상기 상부 플레이트와 평행하게 형성된 하부 플레이트;
   상기 상부 플레이트의 제1측면과 상기 하부 플레이트의 제1측면을 연결하여 상기 평행평판 도파관 공진기의 제1 측면을 밀폐시키는 제1 측면 플레이트;
   상기 상부 플레이트의 제2측면과 상기 하부 플레이트의 제2측면을 연결하여 상기 평행평판 도파관 공진기의 제2 측면을 밀폐시키는 제2 측면 연결 플레이트; 및
   공진기의 내부에 전자파 모드를 여기시키기 위해 상기 상부 플레이트에 형성된 동축케이블;을 구비하되,
   상기 동축케이블은
   상기 상부 플레이트를 관통하여 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 삽입되며,
   상기 평행평판 도파관 공진기의 제3 측면 및 제4 측면이 개방되어 측정 대상물질의 삽입 및 제거가 용이한 것을 특징으로 하는 평행평판 도파관 공진기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1 측면 플레이트에 공진특성을 향상시키기 위한 제1튜너가 더 구비된 것을 특징으로 하는 평행평판 도파관 공진기.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제2 측면 플레이트에 공진주파수 보정용의 제2튜너가 더 구비된 것을 특징으로 하는 평행평판 도파관 공진기.
   
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 평행평판 도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법에 있어서,
   (a) 스케일의 두께를 알고 있는 복수개의 철강 시편을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 각각 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정하여 스케일 두께에 따른 공진주파수 변화값을 데이터화 기준 공진주파수 측정단계;
   (b) 스케일 두께를 측정하고자 하는 철강을 상기 평행평판 도파관 공진기의 내부에 위치시킨 후 공진주파수의 변화를 측정하는 실제 공진주파수 측정단계; 및
   (c) 상기 기준 공진주파수 측정단계에서 데이터화된 공진주파수의 변화값과 상기 실제 공진주파수 측정단계에서 측정된 공진주파수 변화값을 비교하여 측정하고자 하는 철강의 스케일 두께를 예측하는 철강 스케일 두께 측정단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 평행평판 도파관 공진기를 이용한 철강 스케일 두께 측정방법.

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