KR101796588B1 - 발광 고온 용융체의 낙하속도 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 스트로보를 이용하여 발광 고온 용융체의 낙하속도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 레이저 광원(110)과; 상기 레이저 광원(110)을 복수의 평면 평행광으로 변환시키는 평면평행 광학계(120)와; 상기 레이저 광원(110)의 파장대 영역의 광만을 선택적으로 투과시키는 광필터부(130)와; 상기 광필터부(130)를 통해 측정 대상물에서 발생되는 산란광을 검출하게 되는 영상신호 검출부(140)와; 상기 영상신호 검출부(140)에서 검출된 영상정보로부터 측정 대상물의 낙하속도를 산출하게 되는 속도산출부(150)를 포함한다.

Description

발광 고온 용융체의 낙하속도 측정장치{Drop velocity measurement system of a light-emitting hot met}
본 발명은 레이저 스트로보를 이용하여 발광 고온 용융체의 낙하속도를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
전기유도로에서 고온으로 가열된 혼합금속 용융물질이 냉각수 탱크의 상부에 투입되어 낙하할 경우 그 중심부에서 고온에 의한 자체 발광이 일어나면서 낙하하게 된다. 그 낙하물의 낙하속도를 측정하기 위하여 고속 프레임 카메라를 사용하여 연속 영상을 얻어 이를 통해 낙하속도를 측정하고 있다. 용융물질은 수중으로 낙하하면서 물에 직접 노출된 표면의 구성 물질들이 급속하게 냉각되어 본체에서 이탈하여 분산이 일어나고 분산된 조각들은 냉각되어 즉시 발광이 중지가 된다. 따라서 측정대상이 되는 용융물질의 중심부와 낙하하는 도중에 생성된 분산물질의 영상을 동시에 카메라에 촬영하기에는 서로 간에 계조가 지나치게 차이가 나서 만족할 만한 영상을 얻기가 어렵다. 이를 극복하기 위하여 외부 조명을 사용하기도 하나 현실적으로 카메라의 영상이 포화되는 것을 막기에는 충분치 않다.
또한 사용된 카메라의 위치에서 볼 때에 근거리에서 원거리로 갈수록 벌어지는 시야각의 차이로 인해 발생하는 높이 차의 오류를 이차원적인 영상으로 보정하기는 불가능하다.
한편, 레이저를 이용하여 물체의 속도 또는 유체의 속도장(velocity field)을 측정하는 장치가 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 이와 같이 레이저를 사용한 속도 측정장치는 레이저 광원을 평면광(planar light)으로 변환하여 측정 대상 물체에 조사하고 반사된 광을 카메라로 검출하여 그 영상신호를 분석하여 측정 대상 물체의 속도를 측정하게 된다.
그러나 이와 같은 종래기술의 레이저를 이용한 속도 측정장치는 고온 용융체를 대상으로 하는 경우에 반사광을 카메라로 검출하는 과정에서 영상이 포화되어 정확한 영상 정보를 얻을 수 없으며, 또한 카메라의 위치에 따라서 시야각의 차이에 의해 발생하는 높이 차의 오류를 이차원적인 영상만으로 보정하기가 어려운 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2006-0001361호(공개일자: 2006.01.06)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 레이저를 이용하여 발광 고온 용융체의 낙하속도를 측정하기 위한 장치를 제공하고자 하는 것이다.
특히 본 발명은 고온의 발광 용융체를 측정 대상으로 하여 발생될 수 있는 영상검출수단의 영상의 포화를 방지하며, 영상검출수단과 낙하 측정 대상물과의 거리에 따른 시야각의 차이에서 발생하는 높이 차의 오류를 방지할 수 있는 낙하속도 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 용융체의 낙하속도 측정장치는, 레이저 광원과; 상기 레이저 광원을 복수의 평면 평행광으로 변환시키는 평면평행 광학계와; 상기 레이저 광원의 파장대 영역의 광만을 선택적으로 투과시키는 광필터부와; 상기 광필터부를 통해 측정 대상물에서 발생되는 산란광을 검출하게 되는 영상신호 검출부와; 상기 영상신호 검출부에서 검출된 영상정보로부터 측정 대상물의 낙하속도를 산출하게 되는 속도산출부;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 레이저 광원은 적어도 서로 다른 파장 영역대의 레이저 광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 평면평행 광학계는, 서로 이웃하는 평면 평행광이 서로 다른 파장을 갖고 배치됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 평면평행 광학계는, 상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 광을 다수의 레이저 광으로 분배하는 광분배기와; 상기 광분배기에서 분배된 레이저 광을 평면광으로 변환하는 복수의 평면광 광학기구;를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 평면광 광학기구는 높이 조절이 가능한 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는, 상기 평면광 광학기구는, 시준기, 원통형 렌즈 및 반월형 렌즈로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 낙하속도 측정장치는, 특정 파장대의 레이저 광을 평면 평행광의 레이저 조명을 스트로보로 사용하며, 고온 용융체의 낙하 시에 발생되는 산란광을 레이저 광원과 동일한 파장 영역의 광만을 선별적으로 투과시키는 광필터부를 사용하여 영상정보를 획득함으로써 발광 고온 용융체에서 발생되는 자체 발광에 의하여 영상신호 검출부의 영상이 포화되는 것을 방지하며, 또한 영상정보 검출부의 2차원 영상에 수반되는 왜곡의 한계를 해소하고 3차원 동영상 정보를 획득하여 고온 용융체의 낙하 속도를 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 적어도 서로 다른 파장 영역대의 레이저 광원을 사용하여 서로 이웃하는 평면 평행광이 서로 다른 파장을 갖고 배치하며, 각 파장 영역의 광을 복수의 영상신호 검출부를 사용하여 영상 정보를 획득함으로써, 평면 평행광을 조밀하게 배치가 가능하여 보다 정확한 위치(높이) 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 낙하속도 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명에서 평면 평행광을 예시하여 보내주는 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 낙하속도 측정장치의 평면평행 광학계의 구성도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낙하속도 측정장치의 영상신호 검출부를 보여주는 구성도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 낙하속도 측정장치는, 레이저 광원(110)과; 상기 레이저 광원을 복수의 평면 평행광으로 변환시키는 평면평행 광학계(120)와; 상기 레이저 광원의 파장대 영역의 광원을 선택적으로 투과시키는 광필터부(130)와; 상기 필터(130)를 통해 측정 대상물에서 발생되는 산란광을 검출하게 되는 영상신호 검출부(140)와; 상기 영상신호 검출부(140)에서 검출된 영상정보로부터 측정 대상물의 낙하속도를 산출하게 되는 속도산출부(150)를 포함한다.
레이저 광원(110)은 특정 파장대(λ)의 레이저광을 발생시키며, 이때 레이저 광원은 이득매질에 따라서 고체 레이저, 가스 레이저, 반도체 레이저 등과 같은 다양한 주지의 레이저장비에 의해 제공될 수 있다.
광학계(120)는 레이저 광원을 복수의 평면 평행광으로 변환시키기 위한 것으로, 주지의 광학기구 또는 광회로 소자가 조합되어 제공될 수 있다. 본 실시예에서 광학계(120)는 레이저 광원을 복수의 레이저 빔으로 분할하기 위한 광분배기(121)와, 광분배기(121)와 광섬유(121a)에 의해 연결되는 복수의 시준기(122)와, 각 시준기(122)에 마련된 원통형 렌즈(123) 및 반월형 렌즈(124)를 포함할 수 있다.
광분배기(121)에서 분할된 레이저 광은 시준기(122)를 통해 원통형 렌즈(123)와 반월형 렌즈(124)를 통과하여 평면광으로 변환되어 냉각수 용기(101) 내에 조사된다.
한편 레이저광을 평면광으로 변환하기 위한 시준기(122), 원통형 렌즈(123) 및 반월형 렌즈(124)로 구성된 평면광 광학기구는 복수 개가 수평하게 마련되어 복수의 평면 평행광을 발생시킬 수 있다. 바람직하게는, 평면광 광학기구 사이의 수직 높이를 조정하여 평면광 사이의 간격을 조절할 수 있으며, 이에 대해서는 관련 도면을 참고하여 다시 설명한다.
냉각수 용기(101) 내에 형성된 평면 평행광은 지면에 수직방향으로 평행하게 다수의 평면광을 형성하여 레이저 스트로보로 사용되며, 이러한 평형 평행광은 그 두께를 충분히 얇게 형성이 가능하여 측정 대상물의 낙하 시에 높이 정보를 제공하기에 충분한다.
광필터부(130)는 레이저 광원의 협소한 선폭의 파장대(~λ)만을 선택적으로 투과시키는 것으로, 고온의 용융체가 냉각수 용기(101) 내에서 낙하하여 평면 평행광들을 통과하면서 발생된 레이저 산란광(λ)만이 투과되고 고온 용융체에서 흑체복사의 형태로 넓은 선폭에 걸쳐 방사되는 빛의 대부분은 차단된다.
영상신호 검출부(140)는 광필터부(130)에서 필터링이 이루어진 산란광을 검출하기 위한 것으로, 주지의 CCD 카메라 등에 의해 제공될 수 있다.
참고로 본 실시예에서는 이해를 돕기 위하여 광필터부(130)와 영상신호 검출부(140)를 구분하여 도시하였으나, 광필터부(130)는 영상신호 검출부(140)를 구성하는 광학렌즈 등과 결합되어 영상신호 검출부(140)의 일부 구성으로 제공될 수도 있음을 이해하여야 할 것이다.
속도산출부(150)는 영상신호 검출부(140)에서 취득된 영상으로부터 고온 용융체의 낙하속도를 산출한다.
도 2는 본 발명에서 평면 평행광을 예시하여 보내주는 도면이다.
도 2에서와 같이, 수직방향으로 수평하게 형성된 복수의 평면 평행광(125)은 영상신호 검출부에서 본 영상은 영상신호 검출부의 시야각으로 말미암아 광축을 벗어나게 되면 그 면적이 점차 증가하게 되며, 본 실시예에서는 복수의 평면 평행광 중에서 가운데 위치하는 평면 평행광과 같은 높이에 영상신호 검출부가 배치되는 것으로 예시한 것이다.
따라서 영상신호 검출부의 위치에서 평면 평행광(125)이 서로 겹쳐지지 않도록 평면 평행광(125)들 사이의 간격(d)은 충분히 이격되게 배열됨이 바람직하다. 이러한 평면 평행광(125)들 사이의 간격(d)은 평면평행 광학계(120)(도 1 참고)에서 평면광을 발생시키는 광학기구(122)(123)(124)들 사이의 간격을 조정하여 이루어질 수 있다.
고온 용융체(1)가 낙하하여 평면 평행광(125)들을 통과할 때마다 레이저 산란광이 발생되며, 이 산란광은 광필터부를 거쳐 영상신호 검출부에서 검출이 이루어져 속도산출부로 전달되며, 속도산출부에서는 평면 평행광(125)들 사이의 간격(d)과 고온 용융체(1)가 각 평면 평행광(125)들을 통과하는 소요시간으로부터 낙하속도를 계산할 수 있다.
본 발명에서 평면 평행광(125)들 사이의 간격(d)은 등간격일 수 있으며, 또는 앞서 설명한 것과 같이 영상신호 검출부의 위치에서 영상이 서로 겹쳐지지 않는 범위 내에서 서로 다른 간격으로 배치될 수 있으며, 이때 평면 평행광(125)들 사이의 설정 간격은 속도산출부에 초기 입력값으로 입력될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 낙하속도 측정장치의 평면평행 광학계의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낙하속도 측정장치의 영상신호 검출부를 보여주는 구성도이다.
본 발명의 다른 실시예로서, 평면 평행광들 사이의 간격이 커서 측정 정밀도가 충분히 확보되지 않는 경우에는 다파장의 레이저 광원을 사용하여 평면 평행광들 사이의 간격을 조밀하게 배치하여 낙하속도의 측정이 이루어질 수 있다.
구체적으로 도 3을 참고하면, 본 실시예의 낙하속도 측정장치는, 서로 다른 파장(λ1,λ2,λ3)의 레이저 광원을 발생시키는 다파장 레이저 광원(210)과, 다파장 레이저 광원(210)에서 발생된 서로 다른 파장의 레이저광을 파장별로 분리하기 위한 복수의 제1광분배기(220)와, 제1광분배기(220)에서 분리된 각 파장의 레이저광을 복수의 레이저광으로 분배하기 위한 복수의 제2광분배기(230)와, 제2광분배기(230)에서 분배된 각 레이저광을 평면광으로 변환시키기 위한 복수의 평면광 광학기구(240)를 포함할 수 있다.
다파장 레이저 광원(210)은 서로 다른 파장(λ1,λ2,λ3)의 레이저 광원을 발생 가능한 범위 내에서 단일 레이저장비일 수 있으며, 또는 복수의 레이저장비에 의해 제공될 수 있다.
각 평면광 광학기구(240)는 앞서 실시예와 동일하게 시준기, 원통형 렌즈 및 반월형 렌즈로 구성될 수 있으며, 평면광 광학기구들 사이의 높이(간격) 조정이 가능하여 평면 평행광들 사이의 간격 조정이 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명에서 제2광분배기(230)에서 평면광 광학기구(240)로 분배되는 레이저광은 서로 이웃하는 평면 평행광이 서로 다른 파장을 갖도록 배치됨을 특징으로 한다.
본 실시예는 다파장 레이저 광원(210)은 서로 다른 3개의 파장(λ1,λ2,λ3)의 레이저광을 발진하는 경우에 평면 평행광은 λ1,λ2,λ3이 순차적으로 번갈아서 배치될 수 있다. 이때, 영상신호 검출부의 위치에서 본 영상에서 동일 파장(λ1)의 평면 평행광이 서로 겹쳐지지 않도록 일정 간격(d)을 유지함이 바람직하며, 서로 다른 파장의 평면 평행광은 서로 겹쳐져서 배치되어도 무방할 것이다.
다음으로, 도 4를 참고하면, 본 실시예의 낙하속도 측정장치는, 다파장 레이저 광원에서 발생된 파장(λ1,λ2,λ3) 영역의 광원만을 선별적으로 반사시키는 복수의 광분할기(251)(252)(253)와, 각 광분할기(251)(252)(253)에서 반사된 광의 영상신호를 검출하게 되는 복수의 영상신호 검출부(261)(262)(263)와, 각 영상신호 검출부(261)(262)(263)에서 검출된 영상정보로부터 고온 용융체의 낙하속도를 산출하게 되는 속도산출부(270)를 포함한다.
광분할기(251)(252)(254)는 다파장 레이저 광원에서 발생된 파장(λ1,λ2,λ3) 영역의 광원만을 선별적으로 반사시키게 되며, 각 광분할기(251)(252)(253)와 대응되어 영상신호 검출부(261)(262)(263)가 마련되어 해당 파장대의 광검출이 이루어져 검출된 영상신호는 속도산출부(270)로 전달된다.
속도산출부(270)는 각 영상신호 검출부(261)(262)(263)의 영상들을 하나의 영상으로 통합하여 고온 용융체의 낙하속도 산출이 이루어지며, 이때 바로 이웃하여 서로 겹쳐진 평면 평행광은 파장대로 식별이 가능하므로 단일 파장대의 레이저 광원을 이용한 평면 평행광보다 조밀하게 배치가 가능하여 보다 정확한 위치(높이) 정보를 제공할 수 있다.
본 실시예에서 각 영산신호 검출부(261)(262)(263)와 대응되어 특정 파장만을 선택적으로 반사시키는 광분할기(251)(252)(253)를 예시하여 설명하였으나, 앞서 실시예에서와 같이 특정 파장만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 광필터가 사용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 레이저 광원 120 : 평면평행 광학계
121 : 광분배기 121a : 광섬유
122 : 시준기 123 : 원통형 렌즈
124 : 반월형 렌즈 130 : 광필터부
140, 261, 262, 263 : 영상신호 검출부
150, 270 : 속도산출부 210 : 다파장 레이저 광원
220 : 제1광분배기 230 : 제2광분배기
240 : 평면광 광학기구 251, 252, 253 : 광분할기

Claims (6)

  1. 단일 파장의 레이저광을 발생시키는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원을 복수의 평면 평행광으로 변환시키는 평면평행 광학계와;
    상기 레이저 광원의 파장대 영역의 광만을 선택적으로 투과시키는 광필터부와;
    상기 광필터부를 통해 측정 대상물에서 발생되는 산란광을 검출하게 되는 영상신호 검출부와;
    상기 영상신호 검출부에서 검출된 영상정보를 이용하여 상기 평면 평행광들 사이의 통과 소요시간과 간격으로부터 측정 대상물의 낙하속도를 산출하게 되는 속도산출부;를 포함하며,
    상기 평면평행 광학계는,
    상기 레이저 광원에서 발생된 레이저 광을 다수의 레이저 광으로 분배하는 광분배기와;
    상기 광분배기에서 분배된 레이저 광을 평면광으로 변환하는 복수의 평면광 광학기구와;
    상기 영상신호 검출부에서 측정이 이루어지는 복수의 평면 평행광이 서로 겹쳐지지 않도록 상기 평면광 광학기구 사이의 간격을 조절하기 위한 간격조절부를 포함하는 고온 용융체의 낙하속도 측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 평면광 광학기구는, 시준기, 원통형 렌즈 및 반월형 렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 고온 용융체의 낙하속도 측정장치.
KR1020160051023A 2016-04-26 2016-04-26 발광 고온 용융체의 낙하속도 측정장치 KR101796588B1 (ko)

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