KR19980051097A - 다중파장 복사온도 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉식 측정체의 온도를 측정하는 복사온도 측정방법중에서 여러개의 파장영역에서 측정한 복사에너지를 이용하여 온도를 계산하는 다중파장 복사온도 측정방법에 관한 것으로, 측정체로부터 복사되는 빛을 분산시키는 그래이팅(G)과, 분산된 빛은 원하는 파장별로 측졍할 수 있는 포토다이오드 어레이(PA)로 구성된 광학계를 사용하여, 측정체의 빛을 여러파장에서 선택적으로 분리하여 같은 지점 및 같은 시점의 정보를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 다중파장 복사온도 측정방법.

Description

다중파장 복사온도 측정방법

본 발명은 비접촉식 측정체의 온도를 측정하는 복사온도 측정방법중에서 여러개의 파장영역에서 측정한 복사에너지를 이용하여 온도를 계산하는 다중파장 복사온도 측정방법에 관한 것이다. 종래에 사용되고 있는 다중파장 복사온도계의 광학장치는 측정체로부터 복사된 빛을 3개 이상의 다른 파장의 광학필터를 장착한 원형판올 돌려서 3개 이상의 다른 파장영역에서 복사에너지를 측정한다. 그리고 그 복사에너지로부터 온도를 계산하게 된다. 이 광학장치의 경우에는 원형판을 제어용 모터와 측정의 시작위치를 알리는 검출기를 사용하여 정교하게 구동시키므로 3개 이상의 각각 다른 필터를 통해서 해당 파장에 대한 복사에너지를 얻게 된다. 그러나 이와같은 광학장치에서는 기계적으로 원형판을 회전시키면서 시간 간격을 두고 한 파장씩 측정해야만 하는데 이는 고속으로 움직이는 물체의 온도를 측정하는 경우에는 3개 이상의 파장에서 측정된 복사에너지가 서로 다른 위치에 대한 측정값이 되므로 3개 이상의 파장에 대한 복사에너지로부터 온도를 계산해야하는 다중파장식 측정방법에 있어서, 측정오차가 심하게 발생하였다. 또한 측정체의 온도가 급격히 변하는 경우에서도 역시 측정상의 오차를 수반 할 수 있다. 그리고 이 장치에서는 원형판을 정교하게 구동하는 별도의 구동장치가 필요하므로 장치가 복잡해지고 기계적인 구동으로 인하여 재현성이 떨어진다. 그리고 또 다른 형태의 다중파장용 광학장치로서 빔스플리터(Beam Splitter)의 기능올 갖춘 광학필터를 복사에너지 빛의 광축에 따라 여러개 배열하여 각각의 파장에 대한 복사에너지를 측정하여 온도를 계산하는 복사온도계를 들 수 있는데, 이 경우에는 복사에너지 빛이 여러개의 광학필터를 투과시켜야 되므로 빛의 세기가 약해져서 센서의 감도 범위를 벗어나 측정이 어렵게 된다. 또한 온도의 측정정도를 높여야 될 경우, 선택 파장의 수를 늘려야 되는데, 이때 필터의 기능을 갖춘 빔스플리터, 렌즈, 광검출기 등의 광학부품을 추가시켜야 되므로 장치가 그 만큼 븍잡해진다. 이와같은 다중파장용 복사온도계의 경우에 측정가능한 파장의 수를 많으면 많을수록 온도를 측정함에 있어서 온도를 계산하는 분량은 늘어나지만 그 정도가 높아진다. 상기와 같은 빔스플리터의 기능을 갖춘 여러개의 광학필터를 채택한 다중파장용 복사온도계는 파장의 수를 늘리는데 그 한계가 있으므로 정확한 온도를 산출하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 측정체로부터 복사된 빛을 분산시켜주는 그래이팅 G와 슬릿 S 및 그 분산된 빛을 감지할 수 있는 다수의 포토셀이 선형적으로 배열되어 있는 포토다이오드 어레이를 이용하여 다중파장 복사온도를 측정하는 방법을 제공함에 목적이 있는 것이다. 이와 같은 목적을 갖는 본 발명의 특징은 복사온도를 측정함에 있어서, 측정체로부터 복사되는 빛을 분산시키는 그래이팅(G)과, 분산된 빛은 원하는 파장별로 측정할 수 있는 포토다이오드 어레이(PA)로 구성된 광학계를 사용하여, 측정체의 빛을 여러파장에서 선택적으로 분리하여 같은 지점 및 같은시점의 정보를 동시에 측정함에 의한다.

도 1은 본 발명의 다중파장 복사온도측정용 광학장치의 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

Ll,L2 : 렌즈 P : 핀홀(pinhole)

G : 그래이팅(grating) S : 슬릿(slit)

PA : 포토다이오드 어레이(photodiode array)

본 발명은 측정체로부터 복사되는 빛은 수광렌즈(L1)을 통해서 광학장치로 수광되게 되는데, 이 빛은 측정체의 온도에 상응하는 연속된 파장별 복사에너지의 세기가 합해져 있는 일종의 백석광이다. 이와 같이 수광된 빛은 핀홀(P)를 거쳐 복사된 빛이 아닌 잡음광을 공간적으로 필터링되어 잡음이 제거되도록 되어 있다. 잡음광이 제거된 빛은 렌즈(L2)를 통해서 평행광선으로 만들어져서, 그래이팅(G)로 입사된다. 이와 같이 그래이팅(G)로 입사된 빛은 파장별로 분산되어 슬릿(S)를 통과한다. 이 분산된 빛은 슬릿(S)의 개구폭에 따라 분산된 빛에 대한 상(image)이 포토다이오드 어레이(PA)에 맺히는 상의 크기를 결정한다. 슬릿(S)를 통과한 빛은 포토다이오드 어레이(PA)의 파장별로 교정된 포토셀에 수광되어 진다. 복사에너지에 대하여 동시에 관찰할 수 있는 전체 파장영역은 그래이팅 (G)의 그루브 넘버(groove number)와 포토다이오드 어레이(PA)의 크기에 따라 결정되고, 파장에 대한 분해능은 그래이팅(G)의 그루브 넘버(groove number)와 포토다이오드 어레이(PA)를 구성하고 있는 포토셀의 크기에 따라 결정된다. 이러한 기능의 그레이팅과 포토다이오드 어레이(PA)를 사용해서 그래이팅 각도를 조절하여 전체파장영역을 선택하고, 윈하는 파장의 빛에 대하여 프토다이오드 어레이(PA)를 구성하고 있는 포토셀을 선택함으로써 각각의 포토셀에서 적절한 파장폭을 갖는 복사에너지에 대한 포토셀의 전기적인 신호를 검출하게 된다. 이상과 같은 선택된 포토셀의 전기적인 신호로부터 복사온도 계산알리고즘올 사용해서 복사온도를 계산하게 된다. 이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

4개의 파장을 사용하는 다중파장 복사온도계의 경우에 대해서 살펴 보도록 하겠다. 그래이팅(G)과 포토다이오드 어레이(PA)의 포토셀 위치를 전체 파장영역과 파장에 따라 미리 교정한 후, 포토다이오드 어레이(PA) 가운데 중심파장이 λ1=l.1㎛, λ2=1.3㎛, λ3=1.5㎛, λ4=1.7㎛인 서로 다른 4개의 포토셀을 선택하여 각 셀당의 파장대역폭이 3.5mm으로 선정된 다중파장 복사온도계를 사용하여 측정체의 복사에너지를 같은 지점 및 같은 시점에 대하여 4개의 파장에 대한 포토셀의 출력을 동시에 측정이 가능하였다. 이때 사용한 그래이팅의 그루브 수는 200 grooves/mm이며 파장의 분해능에 따라 선정할 수 있다. 또한 포토다이오드 어레이형 포토셀으로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 인듐갈륨아세나이드(InGaAs), 레드설파이드(PbS), 레드셀나이드(PbSe) 등이 있으며 측정하고자 하는 측정체 온도영역에 따라 포토셀을 선택하여 사용될 수 있다. 그리고 이 경우에는 4개의 파장에 대하여 사용한 경우의 예를 살펴보았는데, 광검출기, 필터, 렌즈등의 광학부품을 추가없이 파장의 수를 4개 이상으로 선택할 수 있는 것이 또 하나의 장점이다

이상과 같은 본 발명은 측정체로부터 복사된 빛을 분산시켜주는 그래이팅 G와 슬릿 S 및 그 분산된 빛을 감지할 수 있는 다수의 포토셀이 선형적으로 배열되어 있는 포토다이오드 어레이를 이용하여 다중파장 복사온도를 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다

Claims (1)

1. 복사온도를 측정함에 있어서, 측정체로부터 복사되는 빛을 분산시키는 그래이팅(G)과, 분산된 빛은 원하는 파장별로 측정할 수 있는 포토다이오드 어레이(PA)로 구성된 광학계를 사용하여, 측졍체의 빛을 여러파장에서 선택적으로 분리하여 같은 지점 및 같은 시점의 정보를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 다중파장 복사온도 측정방법.