KR102257355B1 - 내화물의 온도측정 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 내화물의 온도 측정 시스템은 상기 내화물과 이격되어 온도를 측정하는 비접촉식 온도 측정부; 측정된 온도 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 보정 또는 산출하는 연산 제어부; 상기 데이터 저장부, 연산 제어부와 사용자를 연계하는 서버; 및 상기 데이터 및 연산 제어부의 산출 결과를 사용자에게 알람하는 알람부; 를 포함하며, 상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식 및 주변 물체의 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 내화물 특히 침지 노즐과 같은 고온의 내화물 온도측정 방법 및 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 적외선 방사 온도계를 사용하여 비접촉식으로 침지 노즐의 온도를 측정하되 보정 요인 및 보정 알고리즘을 이용하여 보다 정확하게 내화물의 온도를 측정하는 내화물의 온도측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
침지 노즐과 같은 내화물은 주로 철강의 연속 주조 공정에 사용되며 일정 기간의 사용이 지나면 폐기시키거나 손상이 발생하여 교환이나 수리가 필요하다. 그런데, 이러한 내화물의 사용에 따른 수명, 사용 상태 등에 대한 정보를 빠르게 확인하지 못하는 경우 내화물의 공급이나 수급에 즉각적인 대응을 하기 어려운 문제점이 발생한다. 이러한 문제점은 다시 철강 제품의 생산성과 상품성을 떨어뜨리는 문제가 되는 것이다.
특히, 턴디쉬에서 몰드로 용강을 주입하기 위한 침지노즐의 경우 고열의 용강이 통과하는 부분으로, 용강이 통과될 때 용강에 의한 용손이나 통과되는 용강의 열 손실을 최소화하기 위해 침지노즐을 적정온도 이상으로 예열 한 후 사용한다. 만일, 예열이 잘 이뤄지지 않은 경우 제품의 불량이 발생하거나 침지노즐이 막히는 문제점이 있다.
본 출원의 출원인 자체 조사결과, 침지노즐을 사용하는 현장(1개소)에서 한 해 발생하는 부적합 예열로 인한 문제는 5건 내지 7건이 발생하고 있으며 1건의 문제 발생 시 소요되는 재 경비는 대략 1억 전후의 비용이 소요된다. 즉, 한 해에 침지노즐 관련하여 발생하는 총 문제(불량) 건수 대비 대략 38퍼센트가 침지노즐이 적정온도 이상으로 예열되지 못한 부적합 예열로 인해 발생하는 것이다.
또한, 침지노즐은 고온의 작업 환경에서 오랜 시간 동안 견디기 위해 예열 과정이 쉽지 않으며 주로 내부 분압을 이용하여 침지노즐 내부로 고온의 열기를 압송 예열하여 침지노즐을 예열하고 있다. 이때, 침지노즐의 예열 온도를 측정하기 위해 연속 측온 튜브의 온도 기준으로 측정하는데, 이 경우 이물질에 의해 막히거나 스토퍼 개도율 저하 발생 시 침지노즐의 예열 온도를 정확하게 판단하지 못하는 어려움이 발생한다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 침지노즐의 정확한 예열온도를 측정하여 부적합 예열로 인한 문제점을 제거하려는 내화물의 온도측정 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템은 상기 내화물과 이격되어 온도를 측정하는 비접촉식 온도 측정부; 측정된 온도 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 보정 또는 산출하는 연산 제어부; 상기 데이터 저장부, 연산 제어부와 사용자를 연계하는 서버; 및 상기 데이터 및 연산 제어부의 산출 결과를 사용자에게 알람하는 알람부; 를 포함한다.
또한, 상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식 및 주변 물체의 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비접촉식 온도 측정부는, 렌즈, 조리개, 필터, 광학적 신호를 전기적인 신호로 변화시키는 적외선 센서 및 상기 전기적인 신호를 온도로 환산하는 신호 처리부로 구성되며, 상기 신호 처리부는 물체의 복사온도 측정, 물체의 밝기온도 측정, 물체의 컬러온도 또는 2색 컬러 측정에 따른 알고리즘을 적용하고, 상기 필터의 파장 대역은 측정하려는 상기 내화물의 재료 특성에 따라 변경하여 오차를 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내화물은 예열이 필요한 침지노즐로 마련되며, 상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해 열전대에 의한 측정 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교하고, 필요 시 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 보정하며, 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 산정하여 반영하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산 제어부의 기 설정된 알고리즘은, 시간 경과 및 측정된 상기 침지노즐의 내부 온도에 따라 상기 알고리즘에 포함된 변수들이 변화되는 것을 보정하기 위해, 각각의 상기 변수에 시간 및 온도에 따른 소정의 상수를 곱하여 보정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 내화물의 온도 측정방법은 비접촉식 온도 측정부에 의해 상기 내화물의 표면 온도를 측정하는 단계; 측정온도를 보정하기 위한 보정 인자 도출 단계; 상기 보정 인자의 가중치 산정 단계; 기 설정된 상관 관계식 또는 알고리즘을 통해 연산 및 산출하는 단계; 및 보정된 상기 내화물의 온도 데이터를 획득하는 단계; 를 포함하며, 상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식 및 주변 물체의 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내화물은 예열이 필요한 침지노즐로 마련되며, 상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해 열전대에 의한 측정 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교하고, 필요 시 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 보정하며, 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 산정하여 반영하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비접촉식 온도 측정부에 의해 측정된 온도 데이터를 저장하는 온도 데이터 저장단계; 기 설정된 조건 및 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 연산 제어하는 단계; 및 상기 데이터를 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이 함으로써 사용자에게 모니터링이 가능하도록 하는 디스플레이 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터를 빅 데이터로 활용하되, 인공지능 기술을 적용하여 반복 학습과 이를 통한 정보의 예측 가능성을 높이고, 현장에 마련된 각각의 구성요소들이 서로에게 데이터를 송신 및 수신 가능한 IoT기술이 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템 및 방법은 침지노즐의 정확한 예열온도를 측정하여 부적합 예열로 인한 문제점을 제거하려는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템에 관한 간략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템의 구성 사이의 관계를 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 방법의 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 1차 테스트 사진,
도 5는 1차 테스트 결과에 따라 예열시간에 따른 열전대와 비접촉식 온도 측정부의 측정 온도값의 변화추이를 보여주는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 2차 테스트 결과 도표,
도 7은 본 발명에 따라 보정된 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 따른 내부 외부의 온도 사이의 상관 결과를 보여주는 도표,
도 8은 온도별 방사율의 변화를 보여주는 그래프,
도 9 및 도 10은 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 의한 측정온도를 비교한 도표 및 그래프,
도 11 및 도 12는 온도 측정 실험에 따른 비교 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템의 구성 사이의 관계를 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 방법의 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 1차 테스트 사진,
도 5는 1차 테스트 결과에 따라 예열시간에 따른 열전대와 비접촉식 온도 측정부의 측정 온도값의 변화추이를 보여주는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 2차 테스트 결과 도표,
도 7은 본 발명에 따라 보정된 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 따른 내부 외부의 온도 사이의 상관 결과를 보여주는 도표,
도 8은 온도별 방사율의 변화를 보여주는 그래프,
도 9 및 도 10은 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 의한 측정온도를 비교한 도표 및 그래프,
도 11 및 도 12는 온도 측정 실험에 따른 비교 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 내화물(침지노즐)의 온도측정 시스템 및 방법에 관하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 전반에 있어서 정보 값을 지칭하는 데이터 및 데이터 베이스는 상황에 따라 동일한 의미로 활용될 수 있으며 데이터의 적립과 저장을 통해 새로운 의미가 발생한 경우 기존의 데이터는 데이터 베이스로 지칭될 수도 있을 것이다.
설명한 바와 같이 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템은 적외선 방사온도 측정 방법(비접촉식)을 이용한다. 물론, 이러한 비접촉식 온도측정 구성은 이미 공지된 기술이다. 다만, 측정하려는 대상의 성질, 특성에 따라 상기 비접촉식 온도측정에 의해 측정된 값이 정확하지 않기 때문에 이를 보정하기 위해 보정 인자를 도출하고 관계식 및 알고리즘을 정립하여 적용하는 것이 중요한 것이다.
본 발명에 따른 내화물의 온도 측정 시스템은 상기 내화물(10)과 이격되어 온도를 측정하는 비접촉식 온도 측정부(100); 측정된 온도 데이터를 저장하는 데이터 저장부(600); 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 보정 또는 산출하는 연산 제어부(200); 상기 데이터 저장부(600), 연산 제어부(200)와 사용자를 연계하는 서버(300)를 포함한다.
또한, 상기 데이터 및 연산 제어부의 산출 결과를 사용자에게 알람하는 알람부(500) 및 디스플레이부를 포함할 수 있다. 물론, 상기 알람부(500) 및 디스플레이부는 하나의 구성으로 통합될 수도 있으며 사용자의 요구사항 및 작업현장의 상황에 따라 다양하게 변경될 수도 있다.
상기 연산 제어부(200)가 정확한 온도 값을 산출 위해 적용하는 상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 상관 관계식을 이용한다. 방사율은 앞서 설명한 바와 같이 물체가 방사, 반출하는 에너지(적외선)의 비율을 말하는 것이며 대부분 물체의 방사율은 이미 정보를 가지고 있다.
다만, 정확한 방사율을 모르거나 새로운 물체의 경우 방사율을 선정해야 하는데, 이때에는 다음과 같은 절차를 포함하여 측정할 수 있다. (1)측정 대상물의 온도를 정밀한 온도 조절기(또는 접촉식 온도계)를 이용하여 일정 온도까지 올린다. 적외선 온도계로 방사율 값을 조절하여 정확한 온도가 나오도록 보정을 한다. (2)비교적 낮은 온도인 경우 방사율을 알고 있는 특수 플라스틱 스티커를 대상물에 붙여서 온도를 올린다. 방사율을 알고 있는 값을 이용해서 스티커의 온도를 측정한다. 스티커를 제거한 후 대상물의 온도가 스티커의 온도와 같이 되도록 방사율을 조절한다. (3)높은 온도를 측정하는 경우 측정하고자 하는 재료를 이용해서 간이 흑체를 만든다. 홀의 깊이는 최소한 구멍 직경의 6배 이상이 되도록 한다. 또한 구멍의 직경은 적외선 온도계의 광학정 측정 직경보다 커야 한다. 적외선 온도계로 구멍 내부의 온도를 측정하고 물체의 표면을 측정하여 비교하면 물체 표면의 방사율을 결정할 수 있다. (4)물체 표면의 일부에 코팅을 할 수 있는 환경이라면 거의 방사율이 1인 윤기 없는 검은색 페인트를 칠하고 이 페인트 부분의 온도를 적외선 온도계로 측정한다. 그 다음 페인트가 없는 부분의 물체 온도를 측정해서 방사율을 보정한다.
또한, 상기 알고리즘은 주변 물체에 의한 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 적외선 방사 온도계의 경우 다양한 요인에 의한 보정이 매우 중요하며 상술한 물체 자체의 방사율 이외에도 주변 사물에 의한 물체 표면의 반사율도 중요한 것이다.
만일 측정 대상물 옆에 매우 높은 온도를 가진 물체가 있다면 고온의 물체로부터 측정하고자 하는 대상 물체로 복사하게 되고 대상 물체의 겉보기 온도는 실제 온도보다 높게 측정되기 때문이다. 또한, 측정 대상물 옆에 낮은 온도의 물체가 가까이에서 복사를 하게 되면 겉보기 온도는 실제 온도보다 낮게 측정되는 것이다. 물론, 주변에 열원체가 없는 상황이라면 상기 반사율은 크게 고려하지 않고 방사율만 고민하여도 충분할 것으로 보인다.
본 발명에 따른 상기 비접촉식 온도 측정부(100)는 적외선 온도 측정 방식을 사용한다. 적외선은 가시광선과 원적외선 파장의 사이에 있는 전자기적 스펙트럼의 부분을 차지하고 있는 영역으로서 전자기적 스펙트럼은 여러 다른 방사의 집단으로 볼 수 있다. 이것들에는 감마선과 엑스선, 자외선 광, 가시적외선방사, 마이크로파와 라디오주파수들이 있는데, 적외선 파장은 가시광선보다 긴 파장을 갖고 있으며, 적외선은 눈으로 볼 수 없다.
이러한 비접촉식 온도 측정은 표적에서 나오는 적외선 에너지를 빠른 속도로 측정하며 움직이는 물체나 간헐적으로 나타나는 물체의 온도를 측정하기에 적격이며 진공 중에 있는 물체나 환경적으로 위험한 상태이거나 위치적인 한계나 안전문제로 인하여 접근이 불가능한 물체를 측정하기에 적격이다.
이와 달리 접촉식 온도감지기들은 표적물의 온도와 함께 같은 온도로 되어 측정된다. 예를 들면 온도계 속에 들어 있는 수은은 공기의 온도를 받아들여 팽창하거나 수축한다. 접촉식 감지기가 다른 온도에 노출되면 온도가 같아지기 위해서는 얼마간의 시간이 필요하며, 이를 감지기의 반응시간이라고 부른다. 이와 같이 비접촉식 온도 측정수단인 적외선 온도감지기는 멀리서도 대단히 짧은 반응시간에 측정을 할 수 있기 때문에 사용하기 편리한 것이다.
본 발명에 따른 비접촉식 온도측정의 원리는 설명하면 다음과 같다. 열 적외선 감지기는 들어오는 방사의 세기를 열로서 변환하여 열 감지기의 온도를 상승시키고, 이 온도의 변화는 전자적인 신호로 바뀌어서 증폭되어 표시기로 표시된다.
여기서 방사에 대해 추가 설명하면, 모든 물체는 계속적인 원자의 진동이 일어나고 있는데 높은 에너지의 원자는 더욱 많이 진동하게 된다. 이러한 원자들을 비롯한 모든 충전된 질량의 진동은 전자기적인 파동을 일으킨다.
물체의 온도가 높으면 높을수록 진동은 빨라져서 보다 높은 스펙트럼 방사에너지를 내게 되며, 그 결과 모든 물체는 그 물체의 온도와 그 스펙트럼 방사율에 따른 파장분배를 가진 비율로 계속적으로 방사를 하게 되는 것이다.
가시영역은 가시각으로서 기기가 볼 수 있는 영역이며 기기의 광학적인 특정에 따라 결정된다. 가시영역은 표적에서 떨어진 거리 대 표적물의 직경의 비를 말하며, 표적이 작으면 작을수록 더욱 가까이에서 측정해야 한다. 따라서, 표적의 크기가 작으면 온도 측정기를 더욱 가까이 갖고 가서 표적 이외의 영역이 측정되지 않도록 해야 하는 것이다.
여기서 가장 중요한 방사율은 어떤 물체가 에너지를 발산하거나 흡수하는 능력을 말하는데, 완벽한 발산체는 방사율을 1을 가지고 있는 물체이며, 100%의 입사 에너지를 발산하는 것을 말한다. 방사율 0.8을 가진 물체는 80%를 흡수하여 20%의 입사에너지를 반사하는 것이다.
방사율의 정의는 주어진 온도에서 물체에 의해 방사된 에너지와, 같은 온도에서 완벽한 발사체에 의해 방출된 에너지와의 비를 말하며, 모든 방사율 값은 0.00에서 1.0에 들어오게 된다.
본 발명에 따른 상기 비접촉식 온도 측정부(100)는 렌즈, 조리개, 필터, 광학적 신호를 전기적인 신호로 변화시키는 적외선 센서 및 상기 전기적인 신호를 온도로 환산하는 신호 처리부로 구성된다.
상기 신호 처리부는 물체의 복사온도 측정, 물체의 밝기온도 측정, 물체의 컬러온도 또는 2색 컬러 측정에 따른 알고리즘을 적용하고, 상기 필터의 파장 대역은 측정하려는 상기 내화물의 재료 특성에 따라 변경함으로써 측정 오차를 줄일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 내화물의 온도 측정 시스템에서 상기 내화물은 예열이 필요한 침지노즐(10)로 마련되며, 비접촉식 온도 측정부(100)로는 적외선 방사온도계(110)가 이용된다. 특히, 상기 적외선 방사온도계(110)의 측정 온도 값을 보정하기 위한 연산 제어부(200)가 마련되어 기 설정된 알고리즘과 보정 요건들을 함께 연산 및 제어할 수 있다.
특히 도시된 바와 같이 상기 침지노즐(10)은 일정 두께(t)를 가지므로 내부와 외부의 온도 차이가 발생할 수 있다. 따라서 상기 비접촉식 온도측정부(100)의 측정 온도 값과 상기 침지노즐 내부의 온도 값 사이에 발생할 수 있는 온도 차에 영향을 줄 수 있는 요인(두께, 재료, 세라믹 울 등)들을 상기 알고리즘에서 함께 반영할 수 있다.
상기 알고리즘 및 보정 요인을 찾고 상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해서는 열전대(서로 다른 종류의 금속을 접속한 것으로 열전 효과를 일으키는 금속선을 이용하여 광범위한 온도 범위를 측정, 미도시)에 의한 측정 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교한다. 필요 시 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 보정하며, 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 산정하여 반영할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 비접촉식 온도 측정부(100)는 연산 제어부(200)와 연결되고, 기 설정된 알고리즘을 이용한 보정부(210) 상기 온도 측정부의 측정 값을 보정하고 이때 상기 파라미터인 방사율 내지 반사율 등이 반영될 수 있다.
상기 방사율을 산정하여 상기 침지노즐의 내부 온도를 기준으로 상기 비접촉식 온도 측정부의 온도를 보정하려는 관계식은 다음과 같은 식을 이용할 수 있으며, 이를 통해 실측 온도에 따른 복사율(방사율)을 구하고 온도를 산출하며 온도에 따라 복사율이 달라 짐을 알 수 있다. 즉, 침지노즐을 예열할 때에 온도가 높아질수록 복사율이 조금씩 줄어든다는 것을 알 수 있다.
이는 여러 번의 실험 결과 실제 측정 온도와 복사율 보정에 따른 실제 온도 예상치를 수식으로 나열하기 위한 것이며 도출된 수정 복사율은 Y = -Ax +B의 형식을 따르는 1차식 함수로서 x축이 증가할수록 Y의 값이 줄어드나 계수 A의 값이 -0.00003인 아주 작은 값이어서 기울기는 매우 작다.
따라서 온도가 증가할 수록 초기 침지노즐의 복사율에서 조금씩 줄어든다는 의미가 되는 것이다. 가령, 아래의 식을 사용하여 온도가 400도일때 즉 x의값에 400을 넣고 계산하면 복사율은 0.8988, 온도가 1000도일때는 복사율이 0.8808 이 되므로 침지노즐의 온도가 증가할수록 복사율이 줄어드는 것을 알 수 있다.
Emissivity : y = -0.00003x + 0.9108 (R2 = 0.984, R은 열 저항)
이는 여러 번의 실험 결과 실제 측정 온도와 복사율 보정에 따른 실제 온도 예상치를 수식으로 나열하기 위한 것이며 도출된 수정 복사율은 Y = -Ax +B의 형식을 따르는 1차식 함수로서 x축이 증가할수록 Y의 값이 줄어드나 계수 A의 값이 -0.00003인 아주 작은 값이어서 기울기는 매우 작다.
따라서 온도가 증가할 수록 초기 침지노즐의 복사율에서 조금씩 줄어든다는 의미가 되는 것이다. 가령, 아래의 식을 사용하여 온도가 400도일때 즉 x의값에 400을 넣고 계산하면 복사율은 0.8988, 온도가 1000도일때는 복사율이 0.8808 이 되므로 침지노즐의 온도가 증가할수록 복사율이 줄어드는 것을 알 수 있다.
Emissivity : y = -0.00003x + 0.9108 (R2 = 0.984, R은 열 저항)
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또한, 상기 연산 제어부(200)의 기 설정된 알고리즘은, 시간 경과 및 측정된 상기 침지노즐의 내부 온도에 따라 상기 알고리즘에 포함된 변수들이 변화되는 것을 보정하기 위해, 각각의 상기 변수에 시간 및 온도에 따른 소정의 상수를 곱하여 보정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 내화물의 온도 측정방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 비접촉식 온도 측정부에 의해 상기 내화물의 표면 온도를 측정하는 단계(S100), 측정온도를 보정하기 위한 보정 인자 도출 단계(S200), 상기 보정 인자의 가중치 산정 단계(S300), 상기 설정된 상관 관계식 또는 알고리즘을 통해 연산 및 산출하는 단계(S400) 및 보정된 상기 내화물의 온도 데이터를 획득하는 단계(S500)를 포함한다.
상기 연산 제어부(200)가 정확한 온도 값을 산출 위해 적용하는 상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 상관 관계식을 이용한다. 방사율은 앞서 설명한 바와 같이 물체가 방사, 반출하는 에너지(적외선)의 비율을 말하는 것이며 대부분 물체의 방사율은 이미 정보를 가지고 있다.
또한, 상기 알고리즘은 주변 물체에 의한 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 적외선 방사 온도계의 경우 다양한 요인에 의한 보정이 매우 중요하며 상술한 물체 자체의 방사율 이외에도 주변 사물에 의한 물체 표면의 반사율도 중요한 것이다.
상기 내화물은 예열이 필요한 침지노즐로 마련되며, 상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해 열전대에 의한 측정 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교하고, 필요 시 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 보정하며, 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 산정하여 반영하는 것을 특징으로 한다.
특히 상기 침지노즐(10)은 일정 두께(t)를 가지므로 내부와 외부의 온도 차이가 발생할 수 있다. 따라서 상기 비접촉식 온도측정부(100)의 측정 온도 값과 상기 침지노즐 내부의 온도 값 사이에 발생할 수 있는 온도 차에 영향을 줄 수 있는 요인(두께, 재료, 세라믹 울 등)들을 상기 알고리즘에서 함께 반영할 수 있다.
상기 알고리즘 및 보정 요인을 찾고 상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해서는 열전대(서로 다른 종류의 금속을 접속한 것으로 열전 효과를 일으키는 금속선을 이용하여 광범위한 온도 범위를 측정, 미도시)에 의한 측정 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교한다. 필요 시 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 보정하며, 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 산정하여 반영할 수 있다.
또한, 상기 비접촉식 온도 측정부에 의해 측정된 온도 데이터를 저장하는 온도 데이터 저장단계; 기 설정된 조건 및 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 연산 제어하는 단계; 및 상기 데이터를 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이 함으로써 사용자에게 모니터링이 가능하도록 하는 디스플레이 단계;를 더 포함할수 있다.
또한, 상기 데이터를 빅 데이터로 활용하되, 인공지능 기술을 적용하여 반복 학습과 이를 통한 정보의 예측 가능성을 높이고, 현장에 마련된 각각의 구성요소들이 서로에게 데이터를 송신 및 수신 가능한 IoT기술이 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 데이터 활용 및 학습방법에 적용될 상기 인공지능 기술은 일반적으로 데이터 마이닝을 말하며 이는 데이터 베이스 내에서 어떠한 방법(순차 패턴, 유사성 등)에 의해 관심 있는 지식을 찾아내는 과정 또는, 대용량의 데이터 속에서 유용한 정보를 발견하는 과정이며, 기대했던 정보뿐만 아니라 기대하지 못했던 정보를 찾을 수 있는 기술을 의미한다.
본 발명에 따른 학습 방법에 적용될 상기 딥 러닝은 컴퓨터가 여러 데이터를 이용해 마치 사람처럼 스스로 학습할 수 있게 하기 위해 인공 신경망(ANN: artificial neural network)을 기반으로 구축한 한 기계 학습 기술을 말한다.
딥 러닝은 인간의 두뇌가 수많은 데이터 속에서 패턴을 발견한 뒤 사물을 구분하는 정보처리 방식을 모방해 컴퓨터가 사물을 분별하도록 기계를 학습시킨다. 이와 같이 딥 러닝 기술을 적용하면 사람이 모든 판단 기준을 정해주지 않아도 컴퓨터가 스스로 인지, 추론, 판단할 수 있게 된다. 음성·이미지 인식과 사진 분석 등에 광범위하게 활용된다.
따라서, 상기 침지노즐의 상태에 대한 정보를 정리, 분석하고 이를 통해 컴퓨터가 스스로 인지, 추론, 판단을 할 수 있으므로 사용자에게 상기 침지노즐의 예열 온도를 예측하게 함으로써 사용상 편리함을 제공하게 되는 것이다.
또한, 비교 및 분석한 데이터는 실시간 사용자에게 디스플레이 함으로써 사용자가 상기 침지노즐의 상태 및 예열 온도를 실시간 모니터링 할 수 있는 것이다. 이때, 디스플레이의 방식은 사용자에 대한 직접 알람 또는 종합 제어실을 통한 동시 판단 도 가능하며, 사용자에게 직접 알람하는 경우 사용자의 휴대용 단말, PDA 또는 스마트폰, 태블릿 PC 등을 통해서도 알람이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 1차 테스트 사진이고 도 5는 상기 1차 테스트 결과에 따라 예열시간에 따른 열전대와 비접촉식 온도 측정부의 측정 온도값의 변화추이를 보여주는 그래프이다.
상기 1차 테스트의 목적은 비접촉식 온도 측정부를 이용하여 예열 중 상기 침지노즐의 표면온도 측정 가능성을 확인하는 것이다. 측정 방법은 Pyrometer 사양: 측정범위(300-1600℃), 방사율(0.95), 측정 거리: SEN과 1.5M 거리 측정, 측정 위치: SEN 중앙부 (목지부에서 30cm 하부) 이다.
도 6은 본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 실험하기 위한 2차 테스트 결과 도표로서 목적은 재질의 온도에 따른 복사율 보정 시험이다. 방법은 1) T/C1(표면), T/C2(내부), Pyrometer 온도 변화 비교 2) 방사율 0.95→0.9 변경 측정이며, 그 결과는 1) Ceramic paper 미 부착으로 보온효과 감소 → 온도 상승 속도 저하 (800℃부근 한계) 2) T/C 부착 본드(ALON)와 산방제간 접착 X → T/C 탈락 (750℃ 부근) 3) 전반적으로, T/C1(표면)이 TC2(내부)와 pyrometer 보다 월등히 낮은 온도 측정됨 → 초기부터 온도 상승 속도 저하 발생 (T/C의 부착 문제) 4) 방사율 0.9로 조정 후에도, TC2(내부) 보다 40~60℃ 낮게 측정되었다.
도 7은 본 발명에 따라 진행된 3차 테스트이며 보정된 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 따른 내부 외부의 온도 사이의 상관 결과를 보여주는 도표이고 도 8은 온도별 방사율의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 3차 테스트의 목적은 연속 측온과 복사율 보정 상관 관계 검증으로서 1,2,3차 실험 결과 SEN 내부 TC의 온도를 기준으로 Pyrometer의 온도를 보정한 결과는 다음과 같이 설명할 수 있으며 상기 방사율을 산정하여 상기 침지노즐의 내부 온도를 기준으로 상기 비접촉식 온도 측정부의 온도를 보정하려는 관계식은 다음과 같은 식을 이용할 수 있다.
이를 통해 실측 온도에 따른 복사율(방사율)을 구하고 온도를 산출하며 온도에 따라 복사율이 달라 짐을 알 수 있다. 즉, 침지노즐을 예열할 때에 온도가 높아질수록 복사율이 조금씩 줄어든다는 것을 알 수 있다.
이는 여러 번의 실험 결과 실제 측정 온도와 복사율 보정에 따른 실제 온도 예상치를 수식으로 나열하기 위한 것이며 도출된 수정 복사율은 Y = -Ax +B의 형식을 따르는 1차식 함수로서 x축이 증가할수록 Y의 값이 줄어드나 계수 A의 값이 -0.00003인 아주 작은 값이어서 기울기는 매우 작다.
따라서 온도가 증가할 수록 초기 침지노즐의 복사율에서 조금씩 줄어든다는 의미가 되는 것이다. 가령, 아래의 식을 사용하여 온도가 400도일때 즉 x의값에 400을 넣고 계산하면 복사율은 0.8988, 온도가 1000도일때는 복사율이 0.8808 이 되므로 침지노즐의 온도가 증가할수록 복사율이 줄어드는 것을 알 수 있다.
이를 통해 실측 온도에 따른 복사율(방사율)을 구하고 온도를 산출하며 온도에 따라 복사율이 달라 짐을 알 수 있다. 즉, 침지노즐을 예열할 때에 온도가 높아질수록 복사율이 조금씩 줄어든다는 것을 알 수 있다.
이는 여러 번의 실험 결과 실제 측정 온도와 복사율 보정에 따른 실제 온도 예상치를 수식으로 나열하기 위한 것이며 도출된 수정 복사율은 Y = -Ax +B의 형식을 따르는 1차식 함수로서 x축이 증가할수록 Y의 값이 줄어드나 계수 A의 값이 -0.00003인 아주 작은 값이어서 기울기는 매우 작다.
따라서 온도가 증가할 수록 초기 침지노즐의 복사율에서 조금씩 줄어든다는 의미가 되는 것이다. 가령, 아래의 식을 사용하여 온도가 400도일때 즉 x의값에 400을 넣고 계산하면 복사율은 0.8988, 온도가 1000도일때는 복사율이 0.8808 이 되므로 침지노즐의 온도가 증가할수록 복사율이 줄어드는 것을 알 수 있다.
Emissivity : y = -0.00003x + 0.9108 (R2 = 0.984, R은 열 저항)
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또한, 1차, 2차, 3차 실험의 보정된 온도별 Emissivity는 거의 유사하고 3차의 상관곡선식이 약간 차이가 발생하였으며(0.00003과 0.00004의 차이 정도로 미미함), 또한, 도출된 온도별 Emissivity 상관관계식을 이용하면 연주공장의 SEN 내부온도를 정확하게 측정할 수 있었다.
도 9 및 도 10은 비접촉식 온도측정부의 측정온도와 열전대에 의한 측정온도를 비교한 도표 및 그래프, 도 11 및 도 12는 온도 측정 실험에 따른 비교 그래프이다. 이러한 측온 시험에 따르면,
(1) 파이로메타 온도 측정 구간: 300℃ 이상 가능 (2) 온도 편차 심하게 발생: T.C 측온구 보온 조치 미 실시 (3) 600 ~ 700 ℃ 구간 온도 교차 발생하였으며,
또한, (1)온도 편차 미 발생: T.C 측온구 보온 조치 (2)주조시 SEN 온도: 1370℃ (3)예열 종료시 1,2 Strand 온도 편차: 약 47 ℃ 의 결과를 얻었다. 이에 따라 현장 온도 추가 측정 및 복사율, 방사율등의 요건 등의 조정이 필요하였으며 이에 따른 보정, 알고리즘에 대한 결과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
본 발명에 따른 내화물의 온도측정 시스템 및 방법은 침지노즐의 예열온도를 정확히 측정하여 부적합 예열에 의한 문제점을 해결하는 내화물의 온도측정 시스템 및 방법에 이용될 수 있다.
10: 내화물(침지노즐) 100: 비접촉식 온도측정부
110: 적외선 방사온도계 200: 연산제어부
210: 보정부 230: 파라미터(매개변수)
300: 서버 400: 통신부
500: 알람부
110: 적외선 방사온도계 200: 연산제어부
210: 보정부 230: 파라미터(매개변수)
300: 서버 400: 통신부
500: 알람부
Claims (8)
- 내화물의 온도 측정 시스템에 있어서,
상기 내화물과 이격되어 온도를 측정하는 비접촉식 온도 측정부;
측정된 온도 데이터를 저장하는 데이터 저장부;
기 설정된 조건 또는 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식 및 주변 물체에 의한 반사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식을 동시에 적용한 알고리즘을 이용하여 상기 온도 데이터를 보정 또는 산출하는 연산 제어부;
상기 데이터 저장부, 연산 제어부와 사용자를 연결하는 서버; 및
상기 데이터 및 연산 제어부의 산출 결과와 이를 통한 상기 내화물의 상태정보를 예측 및 분석하여 실시간으로 사용자의 휴대용 단말을 통해 제공 및 알람하는알람부; 를 포함하며,
상기 내화물은 내부에 용강이 이동하되 소정 온도 이상의 예열이 필요한 침지노즐로서,
상기 침지노즐이 일정 두께(t)를 가짐에 따라 발생하는 상기 침지노즐의 내부와 외부의 온도 차이가 상기 용강의 품질을 결정하므로, 상기 침지노즐의 두께 및 재질(세라믹)을 상기 알고리즘의 보정변수 중 하나로 선정하고,
상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해 열전대에 의한 상기 침지노즐의 내부 또는 외부 측정 값 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교하고, 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 상기 측정 값을 보정하며, 상기 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 포함하되,
상기 방사율을 모르거나 새로운 재질에 관한 방사율은 대상물을 일정 온도까지 상승시킨 후 상대적으로 낮은 온도의 경우에는 방사율을 알고 있는 플라스틱 스티커를 이용하고 상대적으로 높은 온도의 경우에는 간이 흑체를 이용하여 방사율을 조정하는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 비접촉식 온도 측정부는,
필터; 광학적 신호를 전기적인 신호로 변화시키는 적외선 센서; 및 상기 전기적인 신호를 온도로 환산하는 신호 처리부; 를 포함하며,
상기 신호 처리부는 물체의 복사온도 측정, 물체의 밝기온도 측정, 물체의 컬러온도 또는 2색 컬러 측정에 따른 알고리즘을 적용하고,
상기 필터는 상기 내화물의 재료 특성에 따라 파장 대역을 변경함으로써 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 시스템.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 연산 제어부의 기 설정된 알고리즘은,
시간 경과 및 측정된 상기 침지노즐의 내부 온도에 따라 상기 알고리즘에 포함된 변수들이 변화되는 것을 보정하기 위해, 각각의 상기 변수에 시간 및 온도에 따른 소정의 상수를 곱하여 보정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 시스템.
- 제 1항, 제 2항 및 제 4항 중 어느 한 항에 따른 내화물의 온도측정 시스템을 이용한 내화물의 온도 측정방법에 있어서,
비접촉식 온도 측정부에 의해 상기 내화물의 표면 온도를 측정하는 단계;
측정온도를 보정하기 위한 보정 인자를 도출하는 단계;
상기 보정 인자의 가중치를 산정하는 단계;
기 설정된 알고리즘을 통해 상기 내화물의 온도를 보정하여 연산 및 산출하는 단계; 및
보정된 상기 내화물의 온도 데이터를 저장 및 활용하는 단계; 를 포함하며,
상기 알고리즘은 내화물의 방사율에 따른 보정변수(파라미터)가 반영된 관계식 및 주변 물체의 반사율에 따른 보정 변수(파라미터)가 반영된 관계식을 함께 적용하며,
상기 내화물은 소정 온도 이상의 예열이 필요한 침지노즐로 마련되며,
상기 침지노즐의 예열 적정온도를 확인하기 위해 열전대에 의한 상기 침지노즐의 내부 또는 외부 측정 값 및 상기 비접촉식 온도 측정부에 의한 측정 값을 비교하고, 기 설정된 조건 또는 알고리즘을 통해 상기 측정 값을 보정하며, 상기 기 설정된 조건은 온도 별 적정 방사율을 포함하며,
상기 방사율을 모르거나 새로운 재질에 관한 방사율은 대상물을 일정 온도까지 상승시킨 후 상대적으로 낮은 온도의 경우에는 방사율을 알고 있는 플라스틱 스티커를 이용하고 상대적으로 높은 온도의 경우에는 간이 흑체를 이용하여 방사율을 조정하는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서,
상기 비접촉식 온도 측정부에 의해 측정된 온도 데이터를 저장하는 온도 데이터 저장단계; 기 설정된 조건 및 알고리즘을 통해 상기 온도 데이터를 연산 제어하는 단계; 및 상기 데이터를 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이 함으로써 사용자에게 모니터링이 가능하도록 하는 디스플레이 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 데이터를 활용하되, 인공지능 기술을 적용하여 반복 학습과 이를 통한 내화물 온도 정보의 예측 가능성을 높이고, 현장에 마련된 각각의 구성요소들이 서로 데이터를 송신 및 수신 가능한 IoT 기술이 적용되는 것을 특징으로 하는 내화물의 온도측정 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020190007981A KR102257355B1 (ko) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | 내화물의 온도측정 방법 및 시스템 |
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| KR1020190007981A KR102257355B1 (ko) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | 내화물의 온도측정 방법 및 시스템 |
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|---|---|
| KR20200091135A KR20200091135A (ko) | 2020-07-30 |
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| KR1020190007981A KR102257355B1 (ko) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | 내화물의 온도측정 방법 및 시스템 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20090056141A (ko) * | 2007-11-30 | 2009-06-03 | 현대제철 주식회사 | 연속주조용 침지노즐 예열장치 및 그 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2943176B2 (ja) | 1989-10-19 | 1999-08-30 | ミノルタ株式会社 | 赤外線撮像装置 |
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