KR101917041B1 - 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법 - Google Patents

열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법 Download PDF

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황철홍
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대전대학교 산학협력단
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Abstract

본 기술은 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 기술의 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치는 중공 구조의 쉴드부; 상기 쉴드부로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시키는 기체 유입부; 상기 쉴드부 내의 기체에 대해 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급하는 복사열 공급부; 상기 쉴드부의 내벽에 밀착되도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 측정하는 제1 열전대; 상기 쉴드부의 중공에 위치하도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 상기 복사열을 공급받은 기체 온도를 측정하는 제2 열전대; 및 상기 유입되는 기체의 온도와 유속, 상기 공급되는 복사열의 유속, 상기 제1 열전대의 측정 온도 및 상기 제2 열전대의 측정 온도에 기초하여 보정계수를 산출하는 처리부;를 포함한다. 본 기술은 복사열에 의한 온도 측정오차를 최소화할 수 있는 실용적이면서 심플한 구성을 갖는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Description

열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CALCULATING CORRECTION FACTOR FOR CORRECTING ERRORS IN TEMPERATURE MEASUREMENT USING THERMOCOUPLE}
본 발명은 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법과 이를 위한 열전대 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열전대를 이용한 온도 측정시 수반되는 오차를 보정하기 위한 보정계수를 산출하기 위한 장치 및 방법과 이를 위한 열전대 모듈에 관한 것이다.
두 개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도 차이를 주면 두 접점 사이에 전위차가 발생하며, 이를 열전현상(Thermo-electric effect) 또는 제베크(Seebeck) 효과라고 한다. 이때 발생한 전위차를 열기전력이라 한다. 이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 2개의 금속선의 조합에 의해 결정되며, 금속선의 굵기와 길이에는 큰 영향을 받지 않는다. 이러한 현상을 이용하는 것이 열전온도계 또는 열전대(Thermocouple)라고 한다.
최근 광학 및 이미지 처리 기법의 발전으로 다양한 비접촉식 온도 측정방식이 개발되고 있으나, 사용의 편의성 및 경제성 그리고 측정 정확도의 차원에서 열전대를 이용한 접촉식 방식은 학술적 및 실용적 분야에서 널리 적용되고 있다. 또한 자체적으로 0.1~1%의 오차를 가지며, 빠른 응답속도로 인해 대부분의 산업현장 및 고온 실험연구에 적용되고 있다.
온도 측정범위 및 온도에 따른 기전력의 선형성 등을 고려하여 다양한 종류의 열전대가 사용되고 있다.
특히 화재 및 연소분야에서는 크로멜(Chromel)과 알루멜(Alumel)의 두 금속을 적용하여 섭씨 기준 0~1200도의 온도 범위의 측정이 가능한 K-type 열전대가 널리 사용되고 있다.
두 금속선의 고온 접합부를 비드(Bead)라 부르며, 비드의 노출 유무에 따라 노출 비드형(또는 선단 노출형)과, 비드를 보호하기 위한 다양한 방식의 보호대 외피가 적용된 열전대로 분류될 수 있다.
노출 비드형 열전대는 고온, 고압 및 부식이 존재하는 공간에서 사용할 때 비드의 손상이 발생할 수 있지만, 온도 변화에 따른 응답속도가 빠르기 때문에 시간에 따른 온도변화의 현상이 중요한 화재 및 연소분야에서 주로 사용되고 있다.
화재 및 연소 분야에서 기체의 온도 측정을 위한 열전대가 설치될 때, 고온 기체에 의해 열전대 비드는 대류 열전달에 의해 온도가 상승하게 된다.
그러나 만약 열전대가 설치된 위치의 주위에 높은 열원이 존재한다면 이곳으로부터의 복사 열전달에 의해 열전대 비드는 근처 기체의 온도보다 높은 온도를 측정하게 된다.
특히 밀폐 또는 반밀폐 공간에서 화재가 발생된 경우를 고려해보면, 화재로 인하여 고온의 연소 생성물은 천장에서부터 바닥면으로 점차 하강하게 되며, 이 고온 상층부는 바닥면에 높은 복사열을 공급하게 된다.
개구부(Opening, 문 또는 창문) 근처에서는 외기가 유입되기 때문에 실제 기체온도는 상온에 가깝지만, 고온의 천장 또는 벽면으로부터의 복사 열전달에 의해 이 위치에 설치된 열전대는 실제 기체 온도보다 매우 높은 온도를 측정하게 된다.
선행 연구결과를 살펴보면, 구획화재 실험에서 복사열에 의한 열전대의 측정오차는 열전대 비드 근처의 기체온도가 낮을 때 그리고 주위의 복사열(또는 복사 열유속, Radiative heat flux, kW/m2)의 공급량이 많을 때 측정오차가 더욱 증가되는 것으로 알려져 있다.
이러한 이유로 복사열에 의한 열전대 측정오차의 보정을 위한 다양한 방식이 제안되고 있다.
그러나, 밀폐 또는 반밀폐된 화재공간에서 시간 및 공간에 따라 급변하는 파라미터들을 정의하여 오차를 보정하는 것은 매우 어렵다. 또한 측정값의 정확도를 향상시키기 위해 여러 부속 장치들도 제안된 바 있으나 구조가 매우 복잡하고 고비용이어서 현장에 적용하기는 쉽지 않은 실정이다.
본 발명의 발명자는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 실시예는 밀폐 및 반밀폐 공간의 화재 및 연소 환경에서 높은 주위 복사열이 존재할 때, 이 복사열에 의한 온도 측정오차를 최소화할 수 있는 실용적이면서 심플한 구성을 갖는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법과 이를 위한 열전대 모듈을 제공한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치는 중공 구조의 쉴드부; 상기 쉴드부로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시키는 기체 유입부; 상기 쉴드부 내의 기체에 대해 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급하는 복사열 공급부; 상기 쉴드부의 내벽에 밀착되도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 측정하는 제1 열전대; 상기 쉴드부의 중공에 위치하도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 상기 복사열을 공급받은 기체 온도를 측정하는 제2 열전대; 및 상기 유입되는 기체의 온도와 유속, 상기 공급되는 복사열의 유속, 상기 제1 열전대의 측정 온도 및 상기 제2 열전대의 측정 온도에 기초하여 보정계수를 산출하는 처리부;를 포함할 수 있다.
상기 기체 유입부는, 팬; 및 상기 팬으로부터 연장되고, 상기 기체를 가열하는 히터가 구비된 제1 파이프;를 포함할 수 있다.
상기 제1 파이프는, 상기 팬으로부터 제1 방향으로 연장하는 제1 연장부; 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하는 제2 연장부;를 포함하고, 상기 히터는 상기 제1 연장부에 코일 형태로 구비될 수 있다.
상기 제2 연장부로부터 상기 제2 방향으로 연장되고, 상기 쉴드부 및 상기 복사열 공급부가 장착되는 제2 파이프;를 더 포함하되, 상기 제2 파이프는, 상기 제2 연장부에 연결된 제1 부분; 상기 쉴드부 및 상기 복사열 공급부가 장착되는 제2 부분; 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 이격시키는 제3 부분;을 포함하고, 상기 제1 부분에 상기 쉴드부로 유입되는 기체의 온도를 측정하는 온도측정부 및 상기 쉴드부로 유입되는 기체의 유속을 측정하는 유속측정부가 구비될 수 있다.
상기 온도측정부는 2 이상의 열전대를 포함하고, 상기 유속측정부는 상기 온도측정부와 상기 복사열 공급부 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 방법은 중공 구조의 쉴드부로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시키는 단계; 상기 쉴드부 내의 상기 기체에 대해 외부로부터 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급하는 단계; 상기 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 제1 열전대를 이용하여 측정하고, 상기 쉴드부 내의 상기 복사열을 공급받은 기체 온도를 제2 열전대를 이용하여 측정하는 단계; 및 상기 유입되는 기체의 온도와 유속, 상기 공급되는 복사열의 유속 및 상기 측정된 내부벽면 온도에 기초하여 보정계수를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈은 제1 방향으로 연장하는 중공 구조의 쉴드부; 상기 쉴드부의 내벽에 밀착되도록 장착되어 상기 쉴드부의 내벽의 온도를 측정하는 제1 열전대; 및 상기 쉴드부의 중공 가운데에 위치하도록 장착되어 상기 쉴드부 내에 존재하는 기체의 온도를 측정하는 제2 열전대;를 포함할 수 있다.
상기 쉴드부는 소정의 직경을 갖는 원통형 파이프일 수 있다.
상기 쉴드부에는 표면을 따라 다수의 관통홀이 형성되고, 상기 다수의 관통홀은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 상기 쉴드부를 관통할 수 있다.
상기 다수의 관통홀은, 상기 쉴드부의 제1 부분에 형성되는 제1 관통홀들; 및 상기 쉴드부의 상기 제1 부분과 이격된 제2 부분에 형성되는 제2 관통홀들;을 포함하고, 상기 제1 열전대의 비드 및 상기 제2 열전대의 비드는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 이격시키는 제3 부분에 위치할 수 있다.
상기 쉴드부는, 일단에 인접하는 제1 부분; 타단에 인접하는 제2 부분; 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 이격시키는 제3 부분;을 포함하고, 상기 제1 열전대의 비드 및 제2 열전대의 비드는 상기 제3 부분에 위치할 수 있다.
상기 제3 부분에는 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 상기 쉴드부를 관통하는 개구가 형성되고, 상기 제1 열전대는 상기 중공을 통하여 상기 쉴드부 내로 도입되어 상기 쉴드부의 내벽의 온도를 측정하며, 상기 제2 열전대는 상기 개구를 통하여 상기 쉴드부 내로 도입되어 상기 기체의 온도를 측정할 수 있다.
본 기술은 밀폐 및 반밀폐 공간의 화재 및 연소 환경에서 높은 주위 복사열이 존재할 때, 이 복사열에 의한 온도 측정오차를 최소화할 수 있는 실용적이면서 심플한 구성을 갖는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치 및 방법과 이를 위한 열전대 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 이중-차폐 흡입형 열전대의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈의 사시도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 보정계수 산출 장치를 이용하여 노출-비드형 열전대와 이중-차폐 흡입형 열전대를 대상으로 입사되는 복사 열유속의 변화에 따른 온도측정 상대오차를 도시한 결과로서, 도 4a는 노출-비드형 열전대의 결과를, 도 4b는 이중-차폐 흡입형 열전대의 결과를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 심플-쉴드 열전대의 내부 벽면온도를 통해 유효 주위온도를 산출, 복사-대류 에너지 관계식(복사 보정식)을 보정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 기체 온도가 138℃이며, 단면 평균 유속이 1.0m/s일 때 입사되는 복사 열유속에 대하여 3종류의 열전대의 상대오차를 도시한 도면이다.
도 7은 구획화재에서 개구부 근처의 외부 유입 공기온도와 유사한 18℃의 기체온도에서 수행된 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈이 적용된 보정계수 산출 장치를 이용하여 화재 및 연소 환경에서 기체의 온도를 측정하는 과정을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 도시한 순서도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 이중-차폐 흡입형 열전대의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다. 도 1의 이중-차폐 흡입형 열전대(Double-shield aspirated thermocouple)는 이중 차폐라는 점에서 단일 차폐 형식의 본 발명과 대비될 수 있다.
이중-차폐 흡입형 열전대는 미국 국가항공자문위훤회(NACA)에서 개발한 방법으로서, 높은 복사열이 존재하는 공간에서 기체 온도를 매우 정확하게 측정할 수 있는 방법 중 하나이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이중-차폐 흡입형 열전대(10)는 이중 관(11) 내부에 열전대 비드(12)를 설치하여, 1차적으로 주위의 복사열을 차단함과 동시에, 하류에서 흡입 펌프를 통해 주위 유체를 흡입(Suction)하는 방법이다.
그 결과 비드 근처에는 흡입 유동에 의한 높은 유속의 유동장이 생성되어 유체와 비드 사이의 증가된 대류 열전달율에 의해 복사열에 의한 오차를 최소화 할 수 있다.
그러나 이러한 방법은 화재 및 연소환경에서 배기가스를 흡입으로 인한 다양한 문제점을 제거하기 위해 많은 추가적인 설비가 요구된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 흡입된 가스는 우선 그을음(Soot) 등을 제거하기 위한 필터(13), 수분을 제거하기 위한 아이스배스(Ice-bath)(14), 유량 조절을 위한 유량계(15), 그리고 진공펌프(Suction pump)(16)가 추가로 설치되어야 한다.
또한 도 1로부터 확인할 수 있듯이 이중-차폐 흡입형 열전대는 자체 구조가 매우 복잡하여, 가공 및 설치의 큰 어려움이 동시에 존재한다.
통상 구획화재 실험에서는 매우 많은 열전대의 설치가 요구되고, 이를 통해 연기층의 하강 속도, 구획 내부의 수직 온도 분포 등을 분석하게 되는데, 이중-차폐 흡입형 열전대는 제작 및 활용 측면에서 매우 비효율적이기 때문에, 대부분의 연구는 1~2 포인트(points)의 설치만이 이루어지고 있는 실정이다.
밀폐 및 반밀폐 공간의 화재 및 연소 환경에서 복사열에 의한 열전대의 온도 측정오차를 보정하기 위한 다른 방법으로서, 다중 노출-비드형 열전대 방법(Multiple bare-bead thermocouple method)이 있다.
다중 노출-비드형 열전대 방법은 다수의 비드 직경이 다른 동일한 Type의 열전대를 설치하여, 실시간으로 온도를 측정한 후에, 비드 직경이 0에 근접하는 외삽법(Extrapolation)을 통해 복사열의 영향을 배제할 수 있다.
최근에는 비드 직경이 다른 2개의 열전대를 통해 복사열에 의한 온도측정 보정이 가능한 2-열전대 프로브(Two-thermocouple probe) 방법이 제안되기도 하였다. 그러나 이러한 방법을 화재 및 연소에 적용하였을 때에는 비드 직경 차이로 인한 열전대의 응답시간(Response time)의 큰 차이로 이하여 실제 정확한 보정이 불가능하다는 연구결과가 제시된 바 있다.
가장 일반적으로 사용되고 있는 복사열에 의한 열전대 측정오차의 보정은 비드를 중심으로 대류 열전달과 복사열전달이 균형을 이루는 정상상태(Steady-state) 에너지 관계식의 적용이다.
Figure 112017100925504-pat00001
위 식에서 h는 대류 열전달 계수, Tg는 실제 기체 온도, Tb는 열전대에 의해 측정된 온도, F는 복사열전달 형상계수, εb는 비드의 방사율(Emissivity), σ는 스테판-볼츠만 상수, 그리고 T∞는 유효 주위온도(Effective surrounding temperature)이다.
즉, 열전대에 의해 측정된 온도 Tb를 위 식에 입력하여, 최종 실제 온도인 Tg를 얻어내는 것이다.
그러나 주위온도를 이미 알고 있는 개방공간에서의 실험과는 다르게, 밀폐 또는 반밀폐된 화재공간에서 시간 및 공간에 따라 급변하는 T∞를 정의할 방법이 존재하지 않는다.
이에 밀폐 및 반밀폐 구조 내부의 화재 및 연소환경에서는 위 복사 보정식의 적용이 어려운 상황이다.
또한 복사열에 의한 측정오차는 열전대 비드의 직경(또는 표면적)과 직접적으로 연관된다. 비드의 직경이 클수록 주위 열원으로부터의 복사 열전달률이 증가되며 복사 오차는 점차적으로 증가하게 된다. 한편, 작은 비드 직경을 적용하기 위해서는 작은 직경의 금속선이 적용되어야 하는데, 이는 높은 열에 의해 손상될 우려가 있어서 무한정 작은 직경의 비드를 적용하기도 어렵다. 이러한 이유로 화재 및 연소분야에서는 주로 0.3 mm ~ 1.0 mm의 비드 직경이 적용되고 있다.
이와 같이, 복사열에 의한 온도 오차 최소화의 관점에서만 바라본다면, 이중-차폐 흡입형 열전대가 가장 적합하나, 도 1에서 확인되듯이, 매우 복잡한 구조 및 추가적인 부대설비가 요구되어 그 결과 경제성 및 활용성 차원에서 한계가 존재한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 밀폐 및 반밀폐의 공간에서 높은 온도의 열원에 의해 주위로의 복사열이 존재할 때, 설치된 노출 비드형 열전대의 측정오차를 최소화하여, 보다 정확한 온도 측정이 가능하도록 하는 열전대가 제공될 수 있다.
또한 상당히 정확한 이중-차폐 방식에 비해 유사한 측정 정확도를 가지면서도 매우 심플한 구조, 비용 및 활용도 측면에서 큰 장점을 갖는 열전대가 제공될 수 있다.
본 기술은 기존의 이중-차폐 흡입형 열전대 대비 매우 심플한 구조를 갖고 있고, 흡입 유동을 적용하지 않기 때문에 경제성 및 활용성이 매우 우수하다.
본 기술은 단순히 주위 복사열을 차단하는 기능만이 아닌, 내부 벽면온도를 측정하고 이를 유효 주위온도(Effective surrounding temperature)를 도출할 수 있는 척도(indicator)로 활용함으로써, 기존에 화재 및 연소분야에서 활용하지 못했던 복사 오차 보정식(대류와 복사 에너지 관계식)의 활용이 가능한 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈의 사시도를 도시하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈(100)은, 쉴드부(110), 제1 열전대(120) 및 제2 열전대(130)를 포함한다.
쉴드부(110)는 제1 방향(A)으로 연장하는 중공(H) 구조를 갖는다.
쉴드부(110)는 소정의 직경을 갖는 원통형 파이프일 수 있다.
쉴드부(110)는 그 내부에 제1 열전대(120)와 제2 열전대(130)를 구비하므로, 열전대들(120, 130)을 주위 복사열로부터 차단하기 위한 구조를 갖는다.
쉴드부(110)는 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 일례로, SUS 304 강으로 제조될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 복사열의 흡수율이 낮은 재질(예를 들어, 세라믹)으로 제조되거나, 은박지로 도포되거나, 반사율이 높은 코팅액으로 도포되는 등 복사열 차폐기능을 위한 다양한 재질로 제조될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 쉴드부(110)는 좌측 일단에 인접하는 제1 부분(112), 우측 일단에 인접하는 제2 부분(114) 및 중간에서 제1 부분과 제2 부분을 이격시키는 제3 부분(116)으로 구획될 수 있다.
제1 부분(112)에는 후술하는 제1 관통홀들이 형성되고, 제2 부분(114)에는 후술하는 제2 관통홀들이 형성되며, 제3 부분(116)에는 후술하는 열전대들의 비드들이 위치될 수 있다.
또한, 제3 부분(116)에는 후술하는 제2 열전대의 도입을 위한 개구(O)가 형성될 수 있다. 개구(O)는 쉴드부(110)에 직접 형성될 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이, 쉴드부(110)로부터 외부로 돌출된 도입관(106)의 형태로도 형성될 수 있다. 도입관(106)의 형태로 개구(O)가 마련되는 경우, 후술하는 제2 열전대를 쉴드부 내에 고정하기에 보다 유리하다.
제1 열전대(120)는 쉴드부(110)의 내벽(W)에 밀착되도록 장착되어 쉴드부(110)의 내벽(W)의 온도를 측정한다.
제1 열전대(120)는 두 금속선들의 고온 접합부인 비드(122) 및 비드로부터 길게 뻗어나오는 리드(124)를 포함할 수 있다.
제1 열전대(120)는 중공(H)을 통하여 쉴드부(110) 내로 도입된다. 도면에 도시된 바와 같이, 제1 열전대는 외부로부터 중공을 통하여 쉴드부 내로 도입되고, 그 단부에 해당하는 비드(122)가 쉴드부의 제3 부분(116)에 도달할 때까지 도입되어, 비드(122)는 쉴드부 내벽 온도 측정을 위해 쉴드부의 내벽(W)에 밀착된다. 이와 함께, 비드(122)로부터 연장된 리드(124)도 쉴드부 내벽(W)에 밀착될 수 있다. 예를 들어, 리드가 다수의 여러 고정부재(미도시)에 의해 쉴드부의 내벽에 고정됨으로써 쉴드부의 내벽에 밀착될 수 있고, 이에 따라, 리드의 단부에 형성된 비드도 쉴드부의 내벽에 밀착될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1 열전대(120)의 비드(122)는 도입관(140) 하단에 인접하는 곳에서 내벽에 밀착될 수 있다.
제2 열전대(130)는 쉴드부(110)의 중공(H) 가운데에 위치하도록 장착되어 쉴드부(110) 내에 존재하는 기체의 온도를 측정한다.
제2 열전대(130) 또한 두 금속선들의 고온 접합부인 비드(132) 및 비드로부터 길게 뻗어나오는 리드(134)를 포함할 수 있다.
제2 열전대(130)는 개구(O)를 통하여 쉴드부(110) 내로 도입된다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 열전대는 외부로부터 개구를 통하여 쉴드부 내로 도입되고, 그 단부에 해당하는 비드(132)가 쉴드부의 제3 부분의 중공 가운데에 도달할 때까지 도입되어, 비드(132)는 쉴드부 내 기체의 온도를 측정할 수 있다.
제2 열전대의 비드(132)가 쉴드부의 제3 부분의 중공 가운데에 위치하는 특성상(즉, 비드가 중공 내 플로팅 상태로 존재해야 하는 특성상), 제2 열전대는 상기 도입관(106)을 통하여 쉴드부 내에 고정될 수 있다. 예를 들어, 도면에서는 설명의 편의를 위해 제2 열전대의 리드(134)가 가늘게 표시되어 있지만, 제2 열전대의 리드가 개구의 직경에 꼭 맞는 굵기로 형성됨으로써 제2 열전대는 쉴드부 내에 고정될 수 있다. 또는, 도입관에 별도의 조임쇠(미도시)를 구비시키고, 조임쇠가 리드를 도입관 내에서 단단히 고정할 때까지 조임쇠를 조여줌으로써 제2 열전대는 쉴드부 내에 고정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전대(120)와 제2 열전대(130)는 모두 K-타입일 수 있다. 그리고, 제1 열전대와 제2 열전대 각각의 비드 직경은 화재분야에 널리 사용되는 1mm일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 타입이나, 다른 크기의 직경도 적용될 수 있다.
쉴드부(110)에는 표면을 따라 다수의 관통홀(102, 104)이 형성된다.
다수의 관통홀(102, 104)은 제1 방향(A)에 교차하는 방향으로 쉴드부(110)를 관통하도록 형성된다.
다수의 관통홀(102, 104)은 기체의 흐름 방향이 쉴드부(110)의 연장 방향인 제1 방향(A)과 일치하지 않을 때, 오차를 최소화하기 위해 마련된다. 즉, 기체가 제1 방향(A)과 다른 방향으로 흐를 때에도, 다수의 관통홀(102, 104)을 통해 기체가 쉴드부(110) 내로 잘 유입되도록 함으로써, 쉴드부 내에 위치하는 열전대들(120, 130)이 기체의 온도를 측정함에 오차를 최소화한다.
다수의 관통홀(102, 104)은 쉴드부(110)의 제1 부분(112)에 형성되는 제1 관통홀들(102), 및 쉴드부의 제1 부분과 이격된 제2 부분(114)에 형성되는 제2 관통홀들(104)을 포함할 수 있다.
한편, 다수의 관통홀(102, 104)은 쉴드부(110)의 제3 부분(116)에 형성되지 않는다. 따라서, 쉴드부(110)는 제3 부분(116)에 구비된 제1 열전대의 비드(122) 및 제2 열전대의 비드(132)를 주위 복사열로부터 차단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치(100)를 도시하는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치(100)(이하, 설명의 편의를 위해, '보정계수 산출 장치'라 함)는 열전대 모듈(100), 기체 유입부(200), 복사열 공급부(400) 및 처리부(500)를 포함할 수 있다.
기체 유입부(200)는 팬(210) 및 제1 파이프(220)를 포함할 수 있다.
또한, 보정계수 산출 장치(100)는 온도측정부(312)와 복사열 공급부(400)가 장착되는 제2 파이프(300)를 더 포함할 수 있다.
열전대의 측정오차에 영향을 미치는 주요 인자로서, 기체의 유속(유량), 기체의 온도 및 복사 열유속이 존재하므로, 본 발명의 실시예에 따른 보정계수 산출 장치(20)는 상기 구성요소들을 통해 상기 주요 인자들의 독립적인 제어가 가능하도록 한다.
열전대 모듈(100)은 도 2에서 상술한 바와 같은 구조를 가질 수 있다. 즉, 보정계수 산출 장치(100)에 구비된 열전대 모듈(100)은 중공 구조의 쉴드부(110), 쉴드부의 내벽에 밀착되도록 장착되어 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 측정하는 제1 열전대(120), 및 쉴드부의 중공에 위치하도록 장착되어 쉴드부 내의 기체 온도를 측정하는 제2 열전대(130)를 포함할 수 있다.
기체 유입부(200)는 쉴드부(110)로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시킨다.
이를 위해, 기체 유입부(200)는 팬(210) 및 팬으로부터 연장 형성되는 제1 파이프(220)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 팬(210)은 쉴드부(110)로 소정의 유속을 갖는 기체가 유입되도록 기체를 불어넣는 송풍 기능을 할 수 있다. 제1 파이프(220)는 기체의 가열을 위한 히터(226)를 구비할 수 있다. 제1 파이프(220)는 튜브 형상으로서 기체의 흐름을 안내하는 역할도 수행한다.
히터(226)는 가스히터로서, 전기코일로 이루어질 수 있다. 이때, 히터(226) 역시 복사열을 수반하므로, 히터로부터의 복사열에 의한 측정오차를 차단하기 위해, 제1 파이프(220)에 유로 변경이 적용될 수 있다. 즉, 제1 파이프(220)는 팬(210)으로부터 일방향으로 연장하는 제1 연장부(222)와 제1 연장부와는 다른 방향으로 연장하는 제2 연장부(224)를 포함할 수 있다. 제1 연장부와 제2 연장부는 일체로 하나의 파이프를 형성하므로, 제1 연장부와 제2 연장부 사이에 절곡부(B)가 구비될 수 있다. 따라서, 히터(226)는 제1 연장부(222)에 코일 형태로 구비될 수 있다.
복사열 공급부(400)는 쉴드부(110) 내의 기체에 대해 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급한다.
복사열 공급부(400)는 복사 가열기, 복사 방열기, 또는 적외선 난방기일 수 있다.
복사열 공급부(400)는 제2 파이프(300)에 장착된다.
제2 파이프(300)는 상기 제1 파이프의 제2 연장부로부터 연장 형성된다. 제2 파이프(300)는 제2 연장부와 동일한 방향으로 연장할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 제2 파이프(300)는 제2 연장부(224)에 연결된 제1 부분(310), 복사열 공급부(400)가 장착되는 제2 부분(320), 및 제1 부분과 제2 부분을 이격시키는 제3 부분(330)으로 구획될 수 있다. 도면에서는 제1 부분(310)이 제2 파이프의 좌측 부분, 제2 부분(320)이 제2 파이프의 우측 부분, 그리고, 제3 부분(330)이 제2 파이프의 중간 부분에 해당한다.
제2 파이프의 제1 부분(310)에 쉴드부로 유입되는 기체의 온도를 측정하는 온도측정부(312) 및 쉴드부로 유입되는 기체의 유속을 측정하는 유속측정부(314)가 구비된다.
온도측정부(312)가 제1 부분(310)에 구비되는 것은 복사열 공급부(400)로부터의 복사열에 의한 온도 측정오차를 차단하기 위함이다.
전체적으로 보았을 때, 온도측정부(312)는 히터(226) 및 복사열 공급부(400)로부터 되도록 먼거리에 위치하도록 배치된다. 또한, 팬으로부터 공급된 기체의 흐름 방향(F)이 적어도 한번 변경된 이후에 온도측정부(312)를 통과할 수 있도록 배치된다. 상술한 바와 같이, 히터 및 복사열 공급부로부터 발생하는 복사열의 영향을 최대한 배제하기 위함이다.
이러한 구성요소들의 배치를 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 보정계수 산출 장치는 열전대의 측정오차에 영향을 미치는 주요 인자로서, 기체의 유속(유량), 기체의 온도 및 복사 열유속의 독립적인 제어가 가능하도록 한다.
온도측정부(312)는 제2 파이프(300) 내 보다 정확한 온도 측정을 위해, 다수개가 구비되는 것이 바람직하다. 도면에서는 3개의 열전대가 구비되는 것으로 가정하였으며, 3개의 열전대에서 측정되는 값들을 평균하여 기체의 온도로 정의할 수 있다. 또한, 보다 정확한 온도 측정을 위해, 3개의 열전대는 제2 파이프(300) 내부에서 반경방향을 따라 일정 간격으로 설치될 수 있다.
유속측정부(314)는 피토관(pitot tube)일 수 있다. 유속측정부(314)는 온도측정부(312)와 복사열 공급부(400) 사이에 배치될 수 있다.
제2 파이프(300)의 제2 부분(320)에 열전대 모듈(100)과 복사열 공급부(400)가 장착된다. 열전대 모듈(100)은 쉴드부(110)와 그 내부에 배치된 쉴드부 내부벽면 온도 측정을 위한 제1 열전대(120) 및 복사열 공급부로부터 복사열을 공급받은 기체 온도를 측정하기 위한 제2 열전대(130)를 포함하므로, 열전대 모듈(100) 외부에 복사열 공급부(400)가 장착될 수 있다. 즉, 복사열 공급부(400) 내측으로 열전대 모듈(100)이 장착될 수 있다.
처리부(500)는 위 구성요소들로부터 정보를 수집하여 보정계수를 산출한다.
구체적으로, 처리부(500)는 쉴드부(110)로 유입되는 기체의 온도와 유속, 복사열 공급부(400)에 의해 공급되는 복사열의 유속, 및 쉴드부(110) 내부벽면(W) 온도와 쉴드부(110) 내에서 쉴드부 내에서 복사열을 받은 기체의 온도에 기초하여 보정계수를 산출할 수 있다.
쉴드부로 유입되는 기체의 온도와 유속은 상기 온도측정부(312)와 유속측정부(314)로부터 획득될 수 있고, 복사열 공급부에 의해 공급되는 복사열의 유속은 복사열 공급부(400)로부터 직접 획득될 수 있으며, 쉴드부 내부벽면 온도는 제1 열전대(120)로부터, 그리고 쉴드부 내에서 복사열을 받은 기체의 온도는 제2 열전대(130)로부터 획득될 수 있다.
이를 위해, 처리부(500)는 온도측정부(312), 유속측정부(314), 제1 열전대(120), 제2 열전대(130) 및 복사열 공급부(400)와 연결되어 있을 수 있다.
처리부(500)에 의해 산출된 보정계수는 앞서 수학식 1에서 언급한 복사열에 의한 열전대 측정오차의 보정식(이하, 설명의 편의를 위해, '복사 보정식'이라 함)에 적용될 수 있다. 특히, 보정계수는 수학식 1의 유효 주위온도를 정의하는 데에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 보정계수 산출 장치에 따르면, 쉴드부의 내부 벽면온도를 측정하여, 이를 통해 복사 보정식의 활용까지 확대함으로써, 흡입 유동 등을 위한 부대설비가 필요하지 않는다. 따라서, 비교적 구조가 간소하고, 비용 및 활용도 차원에서 우수하다. 그 결과 화재 및 연소환경에서 여러 곳에 적용되어 정확한 온도 측정을 위해 활용 가능하다.
이하, 실험예를 통해 살펴본다. 먼저, 본 발명의 심플-쉴드 열전대(즉, 열전대 모듈, 100)의 제작과 보정계수 산출 장치(20)의 제작을 설명하고, 열전대 모듈이 적용된 보정계수 산출 장치를 통하여 보정계수를 도출하는 과정을 설명하며, 마지막으로, 보정계수가 반영된 복사 보정식을 이용하여 본 발명의 열전대 모듈의 성능을 평가하는 순서로 살펴본다.
<심플-쉴드 열전대의 제작 및 보정계수 산출 장치의 제작>
비교적 정확한 온도 측정이 가능한 이중-차폐 흡입형 열전대는 강제 흡입유동을 적용하여, 복사열에 비해 매우 큰 대류 열전달을 유도함으로써, 복사열에 의한 오차를 최소화 시킬 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이, 복잡한 구조, 낮은 경제성 및 활용성으로 인하여 다수의 온도 측정을 요구하는 구획화재 실험 등에 적용하는 데는 분명한 한계가 있다.
이에 본 실험예에서는 밀폐 및 반밀폐 공간의 화재 및 연소 환경에서 높은 주위 복사열이 존재할 때, 이 복사열에 의한 온도 측정오차를 최소할 수 있는 실용적이면서 단순한 새로운 열전대를 개발하는 것이다.
노출-비드형(Bare-bead) 열전대, 이중-차폐 흡입형(Double-shield aspirated) 열전대에 대비하여, 단일의 중공 구조의 쉴드부를 갖는 본 실험예의 열전대 모듈(100)을 심플-쉴드(Simple-shield) 열전대라 할 수 있다.
노출-비드형 열전대, 이중-차폐 흡입형 열전대, 및 개발된 심플-쉴드 열전대의 온도 측정 상대오차를 비교 검토한다.
사용된 열전대는 동일한 K-type으로 하였으며, 비드 직경은 복사 오차를 효과를 명확히 확인하기 위하여 화재분야에 널리 사용되는 1 mm를 적용하였다.
제작된 심플-쉴드 열전대(100)는 비드를 단순한 파이프 내부에 설치하여, 1차적으로 외부 복사열을 차단시켜 복사열에 의한 오차를 최소화한다(도 2 참조). 동시에 추가적인 복사 오차를 보정하기 위하여 내부에 설치된 열전대(120)를 통하여 내부 벽면온도를 측정, 여기에 실험적으로 산출된 보정계수를 적용하여 유효 주위온도를 도출, 최종 복사 보정식을 통해 보다 정확한 기체온도가 측정될 수 있도록 한다.
열전대의 측정오차에 영향을 미치는 주요 인자로서, 기체의 유속(유량), 기체의 온도 및 복사 열유속의 독립적인 제어가 가능한 보정계수 산출 장치(20)를 제작한다(도 3 참조).
팬(210), 가스히터(226), 복사 가열기(400)는 각각의 슬라이닥스와 연결되어 공급 전압을 통해 제어될 수 있다.
파이프(300) 내부에 반경방향에 따라 설치된 3개의 열전대(312)는 공급된 기체의 온도를 측정하기 위함이며, 정확한 측정을 위해 가스히터(226) 이후에 90도의 유로 변경을 적용하였다. 가스히터는 전기코일로 이루어졌기 때문에 이로 인한 복사열이 열전대에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.
또한 이들 열전대를 이용한 실제 기체의 온도 측정의 정확도를 위해 복사 가열기가 작동되기 이전에 온도 측정이 이루어졌다. 위와 마찬가지로 복사 가열기로부터의 복사열에 의한 온도 측정오차를 차단하기 위함이다.
결국 반경방향에 따라 설치된 3개의 열전대(312)에 의한 측정 온도는 실제 기체온도를 의미한다.
이후, 복사 히터(400) 중심부에 노출 비드형 열전대(Bare-bead TC), 이중-차폐 흡입형 열전대(Double-shield aspirated TC) 및 본 발명의 열전대 모듈(Simple-shield TC) 각각에 대해 실험을 수행하고, 최종적으로 기측정된 실제 기초온도 대비 상대 오차를 평가하였다. 상대오차의 식은 다음과 같다.
Figure 112017100925504-pat00002
도 4는 본 발명의 보정계수 산출 장치(20)를 이용하여 노출-비드형 열전대와 이중-차폐 흡입형 열전대를 대상으로 입사되는 복사 열유속의 변화에 따른 온도측정 상대오차를 도시한 결과이다. 도 4a가 노출-비드형 열전대의 결과를, 도 4b가 이중-차폐 흡입형 열전대의 결과를 도시한다.
파이프 내부의 단면 평균 유속은 1.35 m/s로 고정하였다.
도 4를 참조하면, 최대 복사 열유속에 해당되는 40 kW/m2의 조건에서 기체의 온도가 20도 일 때, 노출-비드형 열전대의 최대 상대오차는 80%로 매우 높다. 반면에 이중-차폐 흡입형 열전대는 5.4%로 매우 정확한 온도 측정이 가능함을 알 수 있다.
이러한 도 4의 결과를 바탕으로, 복사 보정식에 적용할 보정계수를 도출하기 위한 실험을 다음과 같이 수행한다.
<보정계수 도출 과정>
도 5는 본 발명의 심플-쉴드 열전대(100)의 내부 벽면온도(Tw)를 통해 유효 주위온도(T∞)를 산출, 복사-대류 에너지 관계식(복사 보정식)을 보정하는 과정을 나타낸 것이다.
보정 과정에서 그 전제가 되는 식은 다음과 같다.
Figure 112017100925504-pat00003
상기 수학식 3과 같이, 파이프(110)(즉, 쉴드부) 내부의 벽면온도(Tw)는 외부 복사 열유속(HF), 파이프의 방사율(ε), 비열(cp), 열전도도(k), 두께(δ) 및 길이 등(etc)의 형상에 의해 변화될 수 있으며, 동시에 유입되는 기체의 온도(Tg) 및 유속(U)에 의해서도 변화될 것으로 예상된다.
이때, 심플-쉴드 열전대(100)에 적용되는 파이프의 재질(SUS 304), 형상(직경 및 길이, 다공 크기 및 분포)을 고정하면, 방사율(ε), 비열(cp), 열전도도(k), 두께(δ) 및 길이 등(etc)의 변수는 고정될 수 있다.
그 결과, 내부 벽면온도(Tw)에 영향을 주는 주요 인자는 유입되는 기체의 온도(Tg) 및 유속(U) 및 외부에서 공급되는 복사 열유속(HF)이라 할 수 있다.
따라서, 외부 열유속(HF), 기체온도(Tg) 및 유속(U)의 변화에 따라 측정된 내부 벽면온도(Wall temperature, Tw)를 도 5a와 같이 도시할 수 있다.
그리고, 보정계수(Correction factor, α)가 적용된 유효 주위온도(T∞)를 다음 방법에 따라 산출하였다.
(1) 보정계수 산출 장치(20)에서 3개의 열전대(312)로 측정한 온도를 실제 기체온도 Tg라 한다.
(2) 다양한 열유속, 기체온도 및 유속에 따라 측정된 각 조건의 온도들을 Tb라 한다. Tb는 보정계수 산출 장치(20)에서 제2 열전대(130)로 측정한 온도이다.
(3) 이때, 수학식 1의 복사 보정식을 이용하면 T∞를 구할 수 있다. 수학식 1에서 h, F, εb, σ는 이론적으로 산출 및 적용될 수 있다. 예를 들어, 대류 열전달계수 h는 Whitaker's correlation을 통해 산출될 수 있고, F는 View factor로서, 본 발명에서 제작된 심플-쉴드 열전대의 경우 0.95의 값을 갖는다.
(4) 즉, 복사 열유속(HF), 기체온도(Tg) 및 기체유속(U)의 변화에 따라 측정된 온도를 수학식 1에 대입하면, 각 온도에 대한 T∞를 도출할 수 있다.
(5) 그러면, 다음 수학식을 근거로 T∞ = αTw가 되기 위한 보정계수 α를 도출할 수 있다. 그 과정을 도 5b와 같이 도시할 수 있다.
Figure 112017100925504-pat00004
Tw는 보정계수 산출 장치(20)에서 제1 열전대(120)로 측정한 온도이다. 즉, 수학식 4는 유효 주위온도(T∞)가 내부 벽면온도(Tw) 및 보정계수(α)를 통해 정의될 수 있음을 보여준다.
그 결과, 실험에서 고려된 열유속(HF), 기체온도(Tg) 및 유속(U)의 조건에서 보정계수 α는 평균적으로 1.57에 수렴됨을 확인할 수 있다.
(6) 결과적으로, 수학식 1의 복사 보정식은 다음과 같이 보정계수가 적용된 새로운 형태로 작성될 수 있다.
Figure 112017100925504-pat00005
수학식 5는 보정계수가 적용된 새로운 복사 보정식으로서, 본 발명의 심플-쉴드 열전대(100)를 이용한 온도측정시 측정오차의 보정을 위해 활용될 수 있다. 즉, 심플-쉴드 열전대(100)를 이용하여 밀폐 및 반밀폐 공간의 화재 및 연소 환경에서 온드를 측정할 때, 복사열에 의한 열전대의 온도 측정오차를 보정하기 위한 복사 보정식으로 활용될 수 있다.
참고로, 보정계수 α는 본 개발에 적용된 심플-쉴드 열전대의 재질, 형상 및 두께, 그리고 검토된 열유속 및 기체 온도 및 유속의 범위에서 산출된 것으로서, 이들이 변화된다면 새로운 보정계수의 도출이 이루어져야 한다.
도 5에서 제한된 실험조건들은 다음과 같은 의미를 갖는다. 밀폐 및 반밀폐 공간에서의 화재 시, 구획 내부의 유속(U)은 최대 2 m/s이며, 복사열에 의해 가장 큰 온도 측정오차를 갖는 위치는 개구부가 존재하는 (즉, 외기가 유입되는) 하층부이다. 따라서, 보정계수를 도출하기 위해 사용된 기체온도 138℃도 이하와 기체유속 2m/s 이하는 본 발명의 복사열에 의한 열전대의 온도 측정오차를 보정하기 위한 심플-쉴드 열전대의 적용조건에 적합한 것으로 볼 수 있다. 그리고, 입사되는 복사 열유속(HF)을 20 kW/m2으로 제한한 이유는 구획화재에서 플래시오버(flash over)가 발생되기 위해 고온 상층부에서 바닥면에 입사되는 복사 열유속의 조건이 20 kW/m2 이기 때문이다.
<심플-쉴드 열전대의 성능 평가>
수학식 5에 따른 복사 보정식의 적용이 가능한 본 실험예의 심플-쉴드 열전대(100)의 측정오차를 노출-비드형 열전대, 이중-차폐 흡입형 열전대와 비교 검토하였다.
도 6은 기체 온도가 138℃이며, 단면 평균 유속이 1.0m/s일 때 입사되는 복사 열유속에 대하여 3종류의 열전대의 상대오차를 도시한 도면이다.
참고를 위해, 심플-쉴드 열전대(100)의 경우, 단순 차폐 기능만이 적용된 측정온도(Simple-shield TC, Uncorrected)와 복사 보정이 적용된 온도(Simple-shield TC, Corrected)를 동시에 도시하였다.
플래시오버의 개시조건에 해당되는 복사 열유속 20 kW/m2의 조건에서 노출-비드형 열전대의 상대오차는 30%를 초과하는 반면에, 이중-차폐 흡입형 열전대는 약 3% 미만의 매우 정확한 결과를 보여주고 있다.
심플-쉴드 열전대를 이용한 보정이 고려되지 않은 온도의 상대오차는 약 17%이지만, 보정을 통해 12%의 오차 감소가 이루어짐을 볼 수 있다.
즉, 보정식 적용된 심플-쉴드 열전대는 이중-차폐 흡입형 열전대의 측정오차와 정량적으로 유사한 값을 보여주고 있다.
도 7은 구획화재에서 개구부 근처의 외부 유입 공기온도와 유사한 18℃의 기체온도에서 수행된 결과를 도시한 도면이다.
복사 열유속 20 kW/m2의 조건에서 노출-비드형 열전대의 상대오차는 70%에 근접하는 반면에, 이중-차폐 흡입형 열전대는 약 20%의 상당한 정확한 결과를 보여주고 있다.
심플-쉴드 열전대를 이용한 보정이 고려되지 않은 온도에서 상대오차는 약 25%이지만, 보정을 통해 15%의 오차 감소가 이루어짐을 볼 수 있다.
이는 복사 보정식을 적용할 수 있는 본 실험예의 심플-쉴드 열전대가 이중-차폐 흡입형 열전대 보다 정확한 측정 성능을 가짐을 보여준다. 또한, 이러한 결과는 본 실험예의 심플-쉴드 열전대가 노출-비드형 열전대의 복사열에 의한 측정오차가 가장 큰 위치(일례로, 하층부의 개구부 근처)에 적용되었을 때 최대의 성능을 가질 수 있음을 보여준다. 구획화재 시 하층부의 개구부 근처에서는 외부로부터 유입되는 공기에 의해 유속은 평균적으로 1~2m/s를 가지며, 유동의 방향성이 상당히 균일하기 때문에 심플-쉴드 열전대의 유용성은 매우 크다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈(100)과 보정계수 산출 장치(20)에 따르면, 이중-차폐 흡입형 열전대에 비해 심플한 구조, 높은 경제성 및 활용성을 가질 수 있다. 또한, 보정계수 산출 장치(20)는 화재 및 연소 환경과는 별도로 설치되어, 열전대 모듈(100)에 맞는 보정계수를 미리 산출하여 데이터베이스화 해 놓을 수 있어서, 실제 화재 및 연소 환경에서는 심플한 구성의 열전대 모듈(100)만으로 온도를 측정 후, 미리 산출되어 있는 보정계수를 적용함으로써 최종 온도를 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전대 모듈(100)이 적용된 보정계수 산출 장치(20)를 이용하여 화재 및 연소 환경에서 기체의 온도를 측정하는 과정을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 먼저, 열전대 모듈(100)이 적용된 보정계수 산출 장치(20)를 이용하여 열전대 모듈(100)에 맞는 보정계수(α)를 산출한다. 산출된 보정계수는 데이터베이스로 구축될 수 있다.
다음으로, 열전대 모듈(100)을 이용하여 화재 및 연소 환경에서 측정 대상 기체의 온도를 측정함으로써, 쉴드부 내의 내부벽면 온도(Tw) 및 쉴드부 내에 존재하는 기체의 온도(Tb) 정보를 획득한다. 쉴드부 내의 내부벽면 온도(Tw)는 제1 열전대(120) 측정값으로부터, 쉴드부 내에 존재하는 기체의 온도(Tb)는 제2 열전대(130) 측정값으로부터 획득할 수 있다.
이후, 본 발명의 실시예에 따른 보정계수가 적용된 복사 보정식(즉, 수학식 5)를 이용하여 최종적으로 해당 화재 및 연소 환경에서 측정 대상 기체의 온도(Tg)를 확인할 수 있다.
복사 보정식에는 앞선 단계에서 획득된 보정계수(α), 제1 열전대 측정값(Tw) 및 제2 열전대 측정값(Tb)이 활용될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, h, F, εb, σ는 이론적으로 산출 및 적용될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 이중-차폐 흡입형 열전대
20 : 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치
100 : 열전대 모듈, 심플-쉴드 열전대
110 : 쉴드부
120 : 제1 열전대
130 : 제2 열전대
200 : 기체 유입부
210 : 팬
220 : 제1 파이프
300 : 제2 파이프
310, 320, 330 : 제1 부분, 제2 부분, 제3 부분
400 : 복사열 공급부
500 : 처리부

Claims (12)

  1. 중공 구조의 쉴드부;
    상기 쉴드부로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시키는 기체 유입부;
    상기 쉴드부 내의 기체에 대해 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급하는 복사열 공급부;
    상기 쉴드부의 내벽에 밀착되도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 측정하는 제1 열전대;
    상기 쉴드부의 중공에 위치하도록 장착되어 상기 쉴드부 내의 상기 복사열을 공급받은 기체 온도를 측정하는 제2 열전대; 및
    상기 유입되는 기체의 온도와 유속, 상기 공급되는 복사열의 유속, 상기 제1 열전대의 측정 온도 및 상기 제2 열전대의 측정 온도에 기초하여 보정계수를 산출하는 처리부;를 포함하는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체 유입부는, 팬; 및
    상기 팬으로부터 연장되고, 상기 기체를 가열하는 히터가 구비된 제1 파이프;를 포함하는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 파이프는, 상기 팬으로부터 제1 방향으로 연장하는 제1 연장부; 및
    상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하는 제2 연장부;를 포함하고,
    상기 히터는 상기 제1 연장부에 코일 형태로 구비되는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 연장부로부터 상기 제2 방향으로 연장되고, 상기 쉴드부 및 상기 복사열 공급부가 장착되는 제2 파이프;를 더 포함하되,
    상기 제2 파이프는, 상기 제2 연장부에 연결된 제1 부분;
    상기 쉴드부 및 상기 복사열 공급부가 장착되는 제2 부분; 및
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 이격시키는 제3 부분;을 포함하고,
    상기 제1 부분에 상기 쉴드부로 유입되는 기체의 온도를 측정하는 온도측정부 및 상기 쉴드부로 유입되는 기체의 유속을 측정하는 유속측정부가 구비되는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도측정부는 2 이상의 열전대를 포함하고,
    상기 유속측정부는 상기 온도측정부와 상기 복사열 공급부 사이에 배치되는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 장치.
  6. 중공 구조의 쉴드부로 소정의 온도와 유속을 갖는 기체를 유입시키는 단계;
    상기 쉴드부 내의 상기 기체에 대해 외부로부터 소정의 복사열 유속을 갖는 복사열을 공급하는 단계;
    상기 쉴드부 내의 내부벽면 온도를 제1 열전대를 이용하여 측정하고, 상기 쉴드부 내의 상기 복사열을 공급받은 기체 온도를 제2 열전대를 이용하여 측정하는 단계; 및
    상기 유입되는 기체의 온도와 유속, 상기 공급되는 복사열의 유속 및 상기 측정된 내부벽면 온도에 기초하여 보정계수를 산출하는 단계;를 포함하는 열전대를 이용한 온도 측정오차 보정계수 산출 방법.
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