KR101383177B1 - 초고온 측정용 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

적응 칼만 필터를 이용한 초고온 측정용 온도 측정 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치는 텅스텐 합금으로 이루어진 로드 및 로드를 덮고 있는 덮개로 구성된 센싱 소자와, 센싱 소자의 로드와 전자 용접으로 결합되고 센싱 소자에서 반향된 반향파 신호를 전기 신호로 변환시키는 전자 신호처리단과, 전기 신호에 삽입되어 있는 랜덤하게 변화하는 잡음으로부터 전기 신호를 보정하는 신호 보정단과, 신호 보정단에서 보정된 전기 신호를 분석하여 온도를 측정하는 온도 측정단을 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 계측 신호에 대해서 약 20dB 이상 신호 대 잡음 비를 개선해 주어 초고온 측정에 있어서, 보다 정확한 온도 측정을 가능하게 해 준다.

Description

초고온 측정용 온도 측정 장치{TEMPERATURE MEASURING APPARATUS FOR MEASURING ULTRA-HIGH TEMPERATURE}

본 발명은 초고온 측정용 온도 측정 장치에 관한 것으로, 계측된 반향파 신호들의 지연 시간을 이용하여 열 속 및 프로파일(Profile) 측정시 신호 대 잡음 비 개선 효과를 가지는 초고온 측정용 온도 측정 장치에 관한 것이다.

기존의 고온을 측정하는 적외선 기술은 빛의 직진성 때문에 내부 용융물의 온도 측정이 불가능하여, 초고온 온도 범위(약 2300도 ~ 3000도)의 용융물 내부 온도를 측정하는 기술로 적합하지 않다.

본 출원인은 등록특허 제10-0467985호에서, 초음파와 텅스텐 센서를 이용한 초음파 온도 센서를 통해 검사체의 내면 초고온 온도 범위(약 2300도 ~ 3000도) 측정이 가능한 기술을 제공하였다.

한국등록특허 제10-0467985호(공개일 : 2002.06.22)

본 발명은 계측된 반향파 신호들의 지연 시간을 이용하여 열 속 및 프로파일(Profile) 측정시 약 20dB 이상의 신호 대 잡음 비 개선 효과를 가지는 초고온 측정용 온도 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치는, 텅스텐 합금으로 이루어진 로드 및 상기 로드를 덮고 있는 덮개로 구성된 센싱 소자; 상기 센싱 소자의 로드와 전자 용접으로 결합되고 상기 센싱 소자에서 반향된 반향파 신호를 전기 신호로 변환시키는 전자 신호처리단; 상기 전기 신호에 삽입되어 있는 랜덤하게 변화하는 잡음으로부터 상기 전기 신호를 보정하는 신호 보정단; 상기 신호 보정단에서 보정된 전기 신호를 분석하여 온도를 측정하는 온도 측정단을 포함한다.

여기서, 상기 신호 보정단은, 적응 칼만 필터를 포함하여, 상기 적응 칼만 필터를 통해 상기 전기 신호를 보정하는 것을 특징으로 한다.

상기 센싱 소자의 로드는, 외경이 동일한 크기의 너치(notch)가 다수 개 형성되어 있고 너치에 링 형상의 스탠드오프가 결합된 형태이거나, 외경이 서로 다른 층구조를 가지도록 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치는 상기 전자 신호처리단이, 코일이 감겨있는 자왜 소자와 자석이 대칭 구조를 이루고, 상기 자왜 소자는 상기 센싱 소자와 전자 용접으로 결합되며, 상기 자왜 소자와 자석을 케이스가 덮고 있도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치는 초고온 환경에서 열교란성 잡음의 발생으로 인해 계측 신호의 신호 대 잡음 비가 감소되는 것을 신호 보정을 통해 약 20dB 이상 개선시키는 효과를 제공한다.

그에 따라, 본 발명은 계측 신호에 대한 보다 향상된 분석 결과를 제공 가능해짐에 따라, 초고온 측정에 대해서, 보다 정확한 온도 측정을 가능하게 해 준다.

도 1은 초음파와 텅스텐 센서를 이용한 초고온 측정용 온도 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 칼만 적용 필터를 통한 신호 보정 후 약 20dB 이상의 신호 대 잡음 비가 개선된 효과를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 초음파와 텅스텐 센서를 이용한 초고온 측정용 온도 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.

간단하게 온도 측정 장치의 구성에 대해서 살펴보면, 온도 측정 장치는 센싱 소자(100)와, 전자 신호처리단(110)과, 온도 측정단(120)으로 구성된다. 센싱 소자(100)는 전자 신호처리단(110)의 자왜 소자(111)와 전자 용접으로 용융 결합되고, 전자 신호처리단(110)은 센싱 소자(100)에서 반향된 반향파 신호를 전기 신호로 변환시켜 온도 측정단(120)으로 제공한다.

여기서, 센싱 소자(100)는 텅스텐 합금 재료로 이루어진 로드(101)와 로드(101)를 덮고 있는 덮개(103)로 구성된다. 센싱 소자(100)의 로드(101)에는 같은 크기의 너치(notch)(105)가 다수 개 형성되어 있으며, 너치(105)에 링 형상의 스탠드오프(standoff)(107)가 결합되도록 구성된다. 스탠드오프(107)는 초고온 상태에서 로드(101)와 덮개(103)의 내부가 서로 가능한 접촉하지 않도록 하는 것으로, 텅스텐 재질로 되어 있으며, 너치(105)에 삽입되어 고정된다.

그리고, 전자 신호처리단(110)은 코일(115)이 감겨있는 자왜(Magnetostrictive) 소자(111)와 자석(113)이 대칭구조를 이루고, 이것을 케이스(117)가 덮고 있으며, 자왜 소자(111)와 상기 코일(115)로 결합된 케이블이 온도 측정단(120)과 전기적으로 연결되도록 구성된다. 따라서, 센싱 소자(100)의 로드(101)는 반향 소자로서, 상기 로드(101)에서 반향된 음향 에너지는 자왜 소자(111)의 자기적 변형을 유도하고, 이 변형은 다시 코일(115)에 자기장으로 유도되어 전기 에너지로 변환된다. 이와 반대로, 코일(115)에 전기 에너지를 가하면 자왜 소자(111)는 가해진 전기 에너지를 음향 에너지로 변환시켜 센싱 소자(100)의 로드(101)로 전달해 준다.

이러한 구성을 가지는 온도 측정 장치에 있어서, 계측 신호의 신호 대 잡음비를 감소시키는 요인 중의 하나는 신호 변환소자인 자왜 소자(111)와 텅스텐 센싱 소자(100)의 로드(101) 간에 서로 다른 용융점을 가지는 것에 의해 발생 된다. 즉, 자왜 소자(111)와 텅스텐 센싱 소자의 로드(101)를 상호 전자 용접할 경우, 특수 용융 결합을 이루지만 두 재료는 각각 매우 다른 용융점을 가지게 되는 기계적 용접 결합의 한계성 때문에 그 용융점에서 음향 임피던스의 미스 매칭(Mismatching)이 발생된다. 따라서, 자왜 소자(111)와 센싱 소자(100)의 로드(101) 간의 결합되는 부위에서 정량적 에너지 강등이 초래되면서 계측 신호의 신호 대 잡음 비는 현저히 감소된다.

또한, 텅스텐 센싱 소자(100)의 로드(101)와 그 로드(101)를 보호하는 덮개(103)의 결합은 온도의 전달 특성을 좋게 하기 위해서 로드(101)와 덮개(103)의 공간이 약 1~2mm 범위로 작게 구성된다. 그러나, 온도가 약 2300℃ 이상의 온도 범위에서는 센싱 소자(100)의 로드(101)에 약간의 변형이 발생 되어, 로드(101)와 덮개(103)의 공간이 일정하게 유지되지 못하게 될 수 있다. 그에 따라, 로드(101)와 덮개(103)는 불특정 위치에서 접점의 상태로 근접하게 되면서 절연파괴효과(insulator shunting effect)가 발생 가능하다. 이 절연파괴효과는 한순간 계측 신호의 진폭이 감쇠되는 변화와 함께 시간 변화성 잡음이 함께 동반하게 되면서 계측 신호의 신호 대 잡음비를 감소시키는 또 다른 요인으로 작용한다.

여기서, 자왜 소자(111)에서 발생한 전체 초음파 에너지(UTE)는 센싱 소자(100)의 로드(101)와 덮개(103) 사이에서 절연파괴효과가 발생될 때에, 아래의 <식 1> 내지 <식 3>과 같이 표현될 수 있다.

<식 1>

Ultrasonic Total Energy (UTE) = First Transmission Energy (FTE) + (by pass) Shunting Energy 1 (SE1)

<식 2>

First Transmission Energy (FTE) = Second Transmission Energy (STE) + (by pass) Shunting Energy 2 (SE2)

<식 3>

Second Transmission Energy (STE) = Third Transmission Energy (TTE) + (by pass) Shunting Energy 3 (SE3)

따라서, 절연파괴효과에 의해서 전체 초음파 에너지(UTE)의 손실된 총 에너지(UTSE)는 <식 4>와 같이 표현될 수 있다.

<식 4>

Ultrasonic Total Shunting Energy (UTSE) = SE1 + SE2 + SE3

여기서, UTSE는 대략 30-40 [dB] 정도의 값으로 추정되어 진다.

그리고, 절연파괴효과에 의한 시간 변화성 잡음의 발생은 에너지 진폭의 강등과 함께 랜덤하게 변화하는 열교란성 잡음으로 취급할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 온도 측정 장치에서 계측 신호의 에너지 강등과 함께 랜덤하게 변화하는 열교란성 잡음으로부터 계측 신호를 보정해 줌으로써 약 20dB 이상 신호 대 잡음비가 개선되도록 동작하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고온 측정용 온도 측정 장치의 구성을 간략하게 도시한 블럭도이다.

센싱 소자(100)와 전자 신호처리단(110)의 동작에 대해서는 앞서 살펴본 바와 동일하므로, 여기서는 설명을 생략하도록 한다.

반향파 신호들은 전자 신호처리단(110)을 통해 전기 신호 형태로 변환되고, 신호 보정단(130)은 그 전기 신호를 입력받는다. 그리고 신호 보정단(130)은 입력받은 전기 신호에 삽입되어 있는 랜덤하게 변화하는 열교란성 잡음으로부터 신호 보정을 수행하는 동작을 수행한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 신호 보정단(130)은 적응 칼만 필터를 포함하도록 구성되어, 적응 칼만 필터를 통해 입력받은 신호에 대한 보정을 수행하는 구성인 것을 특징으로 한다.

적응 칼만 필터의 동작은 초기 상태 조건에서 이전 단계의 오차가 포함된 예상값과 계측값의 비교를 통해서 다음 단계인 보정 단계를 거치는 수정 반복의 절차를 지속하게 된다. 적응 칼만 필터는 시간적 시차 범위에서 상기의 연속된 단계를 거치게 됨으로써 순간적 변화성 잡음을 최적의 개선된 값으로 보정해 주는 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치는 이러한 적응 칼만 필터를 통해 초고온 환경에 대한 계측의 불안전 조건에서도 온도 측정 장치의 연속적인 출력의 불확실성 관측 정보를 감시하고 비정상 신호에 대한 오류 진단 조건 확률 알고리즘을 적용함으로서 오류를 검출하며, 그 검출된 오류에 대하여 연속의 예측 및 추산 기능을 적용하여 상기 오류의 상태를 진단해 낸다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치는 약 2300℃ - 3000℃ 정도의 초고온을 측정하는 경우라 하더라도 적응 칼만 필터를 통해서 계측 신호에 대한 오류 상태를 진단하고 계측 신호를 잡음이 제거된 진(眞) 값으로 보정해 줄 수 있다.

온도 측정단(120)은 신호 보정단(130)에서 출력되는 보정된 신호들을 분석하여 반향파 신호들이 나타나는 시점 간에 지연 시간을 측정한다. 그리고 그 측정 결과에 따라서 온도를 측정하는 동작을 수행한다.

여기서, 온도 측정단(120)의 지연 시간 측정은 반사체의 끝단을 포함한 첫 번째 반사체의 위치와 두 번째의 반사체의 위치에서 반사된 반향파 신호를 이용하여 측정 가능하다. 센싱 소자의 로드 내 반사체인 각 너치의 위치로부터 반사되어 측정된 반향파 신호들의 지연 시간은 측정 대상의 온도에 따라 기준 곡선을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 온도 측정단(120)은 신호 보정단(130)을 통해 보정된 신호를 분석하여 온도 측정을 수행한다. 그에 따라, 기존에 열교란성 잡음으로 인해 신호 대 잡음 비가 감소된 신호들을 분석하여 온도 측정을 수행하는 것에 비해, 본 발명은 보다 정확한 온도 측정이 가능하게 해 준다. 다시 말해서, 본 발명에서 적응 칼만 필터에 의한 신호 보정은 약 20dB 이상 신호 대 잡음 비를 향상시키어 계측 신호에 대한 분석의 질을 높인다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따르면, 센싱 소자(100)의 로드(101)를 도 1에 도시된 바와 같이 외경이 동일한 구조를 가지도록 구성하는 것 이외에도, 외경이 서로 다른 층구조를 가지도록 구성이 가능하다.

센싱 소자(100)의 로드(101)가 외경이 서로 다른 층구조를 가지는 경우, 초고온 환경에서 센싱 소자(100)의 로드(101)의 형태에 변형이 발생 되어 덮개(103)와 불특정 위치에서 접점의 상태로 근접하게 되는 절연파괴효과(insulator shunting effect)를 좀 더 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 칼만 적용 필터를 통한 신호 보정 후 약 20dB 이상 신호 대 잡음 비가 개선된 효과를 나타내는 그래프이다.

자세하게, 도 3의 (a)는 950mm 길이를 가지는 센싱 소자(100)의 로드(101)를 이용해서 섭씨 1600도에서 계측된 오리지널 신호를 도시하고 있고, (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따라 칼만 적용 필터를 이용하여 상기 (a)에 도시된 신호를 보정한 결과를 도시하고 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 센싱 소자(100)의 첫 번째 반사체의 위치와 두 번째의 반사체의 위치에서 반사된 반향파 신호를 이용하여 온도 측정을 수행하는 방식은, 반향파 신호를 정확하게 분석해 내는 것이 중요하다. 그러나, 도 3의 (a)에 도시된 신호 형태는 초고온 환경 조건에서 발생된 열교란성 잡음에 의해서 신호 대 잡음 비가 떨어짐에 따라, 정확하게 첫 번째 반향파 신호와 두 번째 반향파 신호를 분석해 내기 어렵다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따라 칼만 적용 필터를 이용하는 경우, 도 3의 (a)에 도시된 신호가 (b)와 같이 약 20dB 이상 신호 대 잡음 비가 향상된 신호로 보정됨에 따라, 첫 번째 반향파 신호와 두 번째 반향파 신호를 명확하게 분석 가능해 진다.

그에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치는 첫 번째 반향파 신호와 두 번째 반향파 신호가 나타나는 시점 간에 지연 시간(도 3의 (b)에는 지연 시간이 426.3us 인 경우임)을 측정하고, 그 측정 결과에 따라서 초고온 온도 범위에 대해서도 정확한 온도 측정을 수행할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 센싱 소자 101 : 로드
103 : 덮개 105 : 너치
107 : 스탠드오프 110 : 전자 신호처리단
111 : 자왜 소자 113 : 자석
115 : 코일 117 : 케이스
120 : 온도 측정단 130 : 신호 보정단

Claims (4)

1. 텅스텐 합금으로 이루어진 로드 및 상기 로드를 덮고 있는 덮개로 구성된 센싱 소자;
   상기 센싱 소자의 로드와 전자 용접으로 결합되고 상기 센싱 소자에서 반향된 반향파 신호를 전기 신호로 변환시키는 전자 신호처리단;
   적응 칼만 필터를 포함하여, 상기 적응 칼만 필터를 통해 상기 전기 신호에 삽입되어 있는 랜덤하게 변화하는 열교란성 잡음으로부터 상기 전기 신호를 보정하는 신호 보정단;
   상기 신호 보정단에서 보정된 전기 신호를 분석하여 반향파 신호들이 나타나는 시점 간의 지연 시간을 측정하여, 측정 결과에 따라 온도를 측정하는 온도 측정단
   을 포함하는 초고온 측정용 온도 측정 장치.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 센싱 소자의 로드는,
   외경이 동일한 크기의 너치(notch)가 다수 개 형성되어 있고 너치에 링 형상의 스탠드오프가 결합된 형태이거나,
   외경이 서로 다른 층구조를 가지는 것인 초고온 측정용 온도 측정 장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 전자 신호처리단은,
   코일이 감겨있는 자왜 소자와 자석이 대칭 구조를 이루고, 상기 자왜 소자는 상기 센싱 소자와 전자 용접으로 결합되며, 상기 자왜 소자와 자석을 케이스가 덮고 있는 것인 초고온 측정용 온도 측정 장치.

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