KR19990044469A - 진정 온도 결정을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR19990044469A
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Abstract

(a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계(50), (b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적 방출들 간의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계(50), (c) 상기 특성을 이용하여 에러에 관계되는 인자를 결정하는 단계(54) 그리고 (d) 상기 보정 인자에 근거한 상기 목적물의 현재 온도를 계산하는 단계(56)를 포함하는 진정 온도 결정 방법. 바람직하게는, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율을 나타내는 값들을 가지는 벡터이다.

Description

진정 온도 결정을 위한 방법 및 장치
많은 산업상의 프로세스에서는 그 프로세스가 수행되는 물질의 진정 온도, 즉, 열역학적 온도의 정밀한 모니터링이 요구된다. 어떤 프로세스에서는, 온도 편차는 프로세스 실패를 나타낸다. 다른 프로세스에서는, 온도 및/또는 방사율의 변화는 모니터되는 프로세스의 진행을 나타낸다. 정밀한 온도 모니터링이 요구되는 프로세스의 예들로서 금속 제련과 작업(working), 유리 및 유리 제품 제조, 세라믹 소성, 집적 회로 가공, 발전, 화학 제품 및 의약 제조 그리고 다른 많은 산업 프로세스들이 있다.
프로세스의 민감함, 온도 측정 장치의 반응 속도 또는 환경 조건 때문에, 많은 경우에 열전쌍을 이용하는 것과 같이 프로세스가 진행되는 물질의 온도를 직접 측정하는 것은 실용적이지 않다. 온도는 프로세스가 진행되는 물질의 방사적 방출에 근거하여 결정된다. 전형적으로, 이러한 방출들은 직접 검출되지 않는다. 왜냐하면, 그것들은 뜨거운 공기나 연기 같은 방해 매체(intervening medium)를 통과해야 하기 때문이다. 이러한 매체는 보통 알려지지 않고 다양한 전달 스펙트럼을 가진다.
몇 가지 비접촉식 온도 측정 방법이 알려져 있다. 목적물에서 방출되는 방사선의 총량에 근거한 목적물의 온도를 결정하는 온도 측정 방법을 일반적으로 휘도 고온계(brightness pyrometer)라고 부른다. 전형적으로, 어떤 공간적인 방향에서 그리고 어떤 파장 범위에서 방출되는 방사선만이 측정된다. 휘도 고온계는 "Traite de Pyrometric Optique", by C. Ribaud, Paris, 1931 에 보다 상세히 설명되어 있다.
휘도 고온계의 주된 한계는 측정되는 목적물의 방사율(ε)과 방해 매체의 전달 스펙트럼(τ)의 곱이 측정시 마다 알려져 있을 때에만 결정되는 온도가 옳다는 점이다.
제1 파장에서 방출되는 광의 강도와 제2 파장에서 방출되는 광의 강도와의 비율에 근거한 온도를 결정하는 온도 결정 방법들은 일반적으로 색 비율 온도 측정법(color-ratio pyrometry)이라 한다. 이러한 온도 측정 방법은 위에서 인용한 "Traite de Pyrometric Optique", "Optishe pyrometrie", by F. Hoffman and C. Tingwaldt, published by Braunschweig, 1938 그리고 "휘도 에러 및 2색형 스펙트럼 방사선 고온계에 대한 몇가지 고찰(Some Consideration of Error of Brightness and Two-Color Types Spectral Radiation Pyrometer)", by E.S. Pyatt, in British Applied Physics, Vol. 15, No. 5, pp. 264-268, 1954 에 기술되어 있다.
방사율과 매체 전달 스펙트럼의 곱이 일정하거나 그레이(gray)하고 시간이나 파장에 대해서 변하지 않을 경우에만 색 비율 고온 측정 방법(color-ratio pyrometric method)을 사용하여 높은 정확도로 온도 결정을 할 수 있다. 상기 곱의 값은 알려질 필요가 없다. 이러한 제한을 극복하기 위해서, 진보된 방법은 3개 또는 4개의 파장들의 강도 비율들을 이용한다. 상기 진보된 방법은 "고속 비율 고온 측정법(High Speed Ratio Pyrometry)", by G.A.Hornbeck, in a symposium on "과학과 산업에서의 온도, 그것의 측정과 통제(Temperature, its Measurement and Control in Science and Industry)", Vol. 3, p. 2425, 뉴욕, 1962, "1500 ℃ 이하에서의 다색 고온 측정법의 리뷰(A Review of Multicolor Pyrometry for Temperature Below 1500 ℃)", by P.M. Reynolsa, in British Applied Physics, Vol. 15 pp. 579-589, 1964, and in "실제 물체의 진정 온도 측정, 광학적 고온 측정법과 그 장치(Measurement True Temperature Real-Bodies, Method and Apparatus Optical Pyrometry)", by E.D.Glazman and I.I. Novikov in Science 1983, pp. 21-27, Moskva 1983(러시아어판)에 설명되어 있다. 상기 3 파장 방법에서, 고정확도의 결과를 위한 요건은 ε(λ1,T) * ε(λ3,T) = ε2(λ2,T) 이다. 여기서, λi는 파장이고 T 는 상기 목적물의 진정 온도이다. 상기 4 파장 방법에서, 고정확도의 결과를 위한 요건은 ε(λ1,T) * ε(λ4,T) = ε(λ2,T) * ε(λ3,T) 이다.
다른 고온 측정 방법, 즉 다파장 고온 측정법은:
(a) 상술한 고온 측정 방법들 중의 하나를 사용하여 여러 파장들에서 겉보기(apparent) 온도의 결정; 및
(b) 파장에 대한 방사율의 의존성의 모델에 근거하여 진정 온도를 추정하는 온도 측정 방법에 대한 일반적인 명칭이다.
다파장 기술은 "열 방사의 스펙트럼으로부터 물질의 방사율의 결정 및 광학적 고온 측정법의 최적 방법(Determination of Emissivity of a Substance from the Spectrum of its Thermal Radiation and Optimal Method of Optical Pyrometry)", by D.Y. Swet, "고온-고압(High Temperature-High Pressures)", Vol. 8, pp. 493-498, 1976, "다파장 고온 측정법(Multi-Wavelength Pyrometry)", by P.B. Coates, Metrology, No. 17, pp. 103-109, 1981 and "비접촉식 온도 측정(Noncontact Temperature Measurement) 1, 보간법에 기초한 기술(Interpolation Based Techniques)", by M.A. Khan, C. Allemand and T.W. Eagar, Rev. Sci. Instrum, 62(2), pp. 392-402, 1991에 보다 상세히 설명되어 있다.
다파장 고온 측정 기술의 제한은 많은 경우에 측정된 온도들 간의 차이들이 하나 이상의 방사율 모델에 의해서 설명되어져서 진정 온도가 올바른 모델 없이는 결정될 수 없다는 점에 있다. 여러 응용에 있어서, 단순한 모델을 사용했을 때 만족스러운 결과들이 많았다는 것을 주목해야 한다.
다파장 고온 측정법에 적합한 몇 가지 근사 방법이 위에서 인용된 "방사율의 결정(Determination of Emissivity)", "다파장 고온 측정법(Multi-Wavelength Pyrometry)" 그리고 "비접촉식 온도 측정(Noncontact Temperature Measurement)" 에 기술되어 있다. 그러나, 이러한 방법들은 방사율의 파장에 대한 의존도가 일반적으로 알려졌을 때에만 유용하다. 그렇지 않으면, 진정 온도 결정에서의 에러가 상술한 처음 두 개의 고온 측정 기술 중의 하나를 사용하는 진정 온도 결정에서의 에러보다 훨씬 더 클 것이다.
대부분의 알려진 고온 측정 기술들의 주요한 한계는 방사율 변화를-특히, 그러한 변화가 사전에 예측될 수 없는 경우에-다룰 수 없다는 점이다.
본 발명은 광학 고온계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모니터하는 프로세스 동안의 온도 편차의 결정에 관한 것이다.
본 발명은 하기의 도면들과 결합된 후술할 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 더 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 목적물의 온도를 측정하도록 활용된 고온계 시스템의 실행을 측면에서 본 개략적인 부분 단면도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이며,
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치에 대한 바람직한 교정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이고,
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치에 대한 다른 바람직한 교정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이며,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치에 대한 또 다른 바람직한 교정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치를 측면에서 본 개략적인 부분 단면도이며,
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치를 측면에서 본 개략적인 부분 단면도이다.
본 발명의 여러 관점 중 하나의 목적은 방사율이 시간 및/또는 파장에 따라 변하기조차 하는 물체의 진정 온도의 정확한 측정을 가능하게 하는 고온 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 관점 중 다른 하나의 목적은 고온계와 상기 측정되는 물체 사이에 위치하는 매체에서의 변화에 정확도가 크게 영향을 받지 않는 고온 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 관점 중 다른 하나의 목적은 높은, 바람직하게는 1％를 초과하는 정확도를 가지는 고온 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 관점 중 다른 하나의 목적은 방사율 값의 형태로 정확도 증가 입력을 받을 수 있는 고온 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 관점 중 다른 하나의 목적은 목적물의 다양한 (varying) 방사율을 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 이에 더하여, 본 발명의 여러 실시예들에서, 상기 목적물의 진정 온도는 상기 측정되는 방사율의 정확도를 증가시키는 데 이용될 수 있다.
본 발명의 여러 관점 중 다른 하나의 목적은 온도, 결정화 상태 및 화학적 조성과 같은 산업상의 프로세스의 물리적인 계수(parameter)들을 모니터하는 방법을 제공하고, 상기 프로세스가 어떤 한계를 넘을 때 피드백을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 목적물의 진정 온도 결정 방법은:
(a) 상기 목적물로부터 방사적 방출들(radiative emissions)을 측정하는 단계;
(b) 상기 방출들의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계;
(c) 상기 결정된 특성과 복수의 특성들 간의 정합(match)을 찾아내는 단계; 및
(d) 상기 복수의 특성들 각각과 관련된 적어도 하나의 값에 근거한 상기 목적물의 진정 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방사적 방출들은 복수의 불연속 파장들에 대해서 측정된다. 본 발명의 바람직한 실시예들에서, 바람직하게는, 20개미만, 더 바람직하게는 10개미만, 가장 바람직하게는, 6개미만의 파장들이 사용된다.
방사성 방출들의 바람직한 특성은 벡터인데, 거기에서 각 성분은 적어도 두 개의 다른 파장들 간의 기능적인 관계를 나타낸다. 바람직하게는, 각 성분은 휘도 온도들의 역수들 간의 차이이다. 상기 휘도 온도들은 상기 휘도 온도 결정 방법을 상기 측정된 방출들에 적용하여 결정된다.
바람직하게 각 특성과 관련된 값들은 부정확하게 결정된 온도들을 보정하기 위한 보정 인자들, 바람직하게는 방사율들이다. 따라서, 이 보정 인자들을 사용하여 휘도 온도들의 하나가 보정되어 진정 온도를 가져올 수 있다. 대안으로서, 보정 인자들이 사용되어 색-비율 온도(color-ratio temperature)를 보정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 교정(calibration)은:
(a) 목적물로부터 방사적 방출들을 측정하는 단계;
(b) 보정값을 결정하여 상기 방출들을 사용하여 결정된 온도를 상기 목적물의 진정 온도로 보정하는 단계; 및
(c) 상기 측정된 방사성 방출들을 상기 결정된 보정값 또는 상기 진정 온도와 함께 저장하는 단계를 포함한다.
하나의 바람직한 실시예에서 열전쌍을 사용하여 상기 진정 온도가 결정된다. 다른 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 방사율에 의해서 상기 진정 온도가 결정된다. 또 다른 하나의 바람직한 실시예에서, 적어도 상기 보정 인자를 결정하기 위해서, 상기 진정 온도가 이미 결정된 온도와 같다고 추정된다. 그러한 경우에, 유도된 보정 인자를 사용하여 상기 방사성 방출들로부터 결정된 온도들 중의 하나를 보정함으로써 현재의 진정 온도가 추정된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예로서 목적물의 진정 온도 결정의 방법은:
(a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
(b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적인 방출 사이에서의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
(c) 상기 특성을 이용하여 에러에 관계되는 인자를 결정하는 단계; 및
(d) 상기 보정 인자에 근거한 상기 목적물의 현재 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 인자를 결정하는 단계는:
상기 결정된 특성과 복수의 저장된 특성과의 정합(match)을 시도하여 정합 특성을 찾아내는 단계; 및
상기 정합 특성과 관련된 인자를 보상(retrieve)하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 인자를 결정하는 단계는:
상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 수득된 방사선과 이미 수득된 온도에 근거한 새로운 인자를 결정하는 단계; 및
상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 새로운 인자 또는 상기 이미 수득된 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 더 포함한다.
상기 결정된 특성과 상기 복수의 저장된 특성이 벡터들인 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 정합을 시도하는 단계는, 바람직하게는:
저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
대안으로서 또는 추가하여, 상기 계산하는 단계는:
상기 인자와 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 온도를 결정하는 단계; 및
상기 인자를 이용하여 상기 결정된 온도의 에러를 보정(correcting)하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 결정된 온도는 휘도 온도이다.
대안으로서 또는 추가하여, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율(emissivity)을 나타내는 값을 가지는 벡터이다.
상기 결정된 특성이 벡터인 본 발명의 바람직한 실시예에서, 바람직하게는, 특성을 결정하는 단계는:
상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장이다. 더 바람직하게는, 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장이다. 가장 바람직하게는, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장이다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체(interposing medium)를 통하여 수득된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다파장 고온계 교정(calibrating) 방법은:
(a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
(b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적 방출들 사이에서의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
(c) 상기 대상물의 현재 온도를 추정(estimating)하는 단계;
(d) 상기 현재 온도와 상기 방사적 방출들로부터 결정되는 온도 사이에서의 불일치와 관련된 인자를 결정하는 단계; 및
(e) 상기 보정 인자 또는 상기 현재 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 측정된 방사율을 이용하여 수득된 방사선으로부터 온도를 결정하는 단계를 포함한다. 대안으로서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 저장된 방사율을 이용하여 수득된 방사선으로부터 온도를 결정하는 단계를 포함한다. 대안으로서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 직접 상기 온도를 측정하는 단계를 포함한다.
대안으로서, 현재 온도를 추정하는 단계는 이미 결정된 온도를 활용하는 단계를 포함한다. 대안으로서, 현재 온도를 추정하는 단계는 상기 수득된 방사선과 이미 결정된 방사율로부터 현재 온도와 현재 방사율을 추정하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 방법은 직접 측정된 온도와 상기 수득된 방사선으로부터 방사율을 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 결정된 특성을 저장하는 단계는:
상기 결정된 특성을 이미 저장된 특성들과 정합시키려고 시도하는 단계; 및
상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 인자 또는 상기 현재 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 포함한다.
상기 특성들이 벡터들인 본 발명의 더 바람직한 실시예에서, 정합을 시도하는 단계는 바람직하게:
저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 소정의 회수의 측정에서 정합의 성공률이 소정의 값을 초과할 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계들을 반복하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율을 나타내는 값들의 벡터이다.
상기 결정된 특성이 벡터인 본 발명의 바람직한 실시예에서, 특성을 결정하는 단계는 바람직하게:
상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장이다. 더 바람직하게는 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장이다. 가장 바람직하게는, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체를 통하여 수득된다.
바람직하게는, 상기 인자는 상기 수득된 방사선에 근거한다.
인자를 결정하는 단계는 바람직하게:
상기 수득된 방사선에 근거한 복수의 휘도 온도를 결정하는 단계; 및
각 파장에서 상기 결정된 현재 온도와 상기 휘도 온도 사이의 불일치와 관련된 방사율을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 진정 방사율 결정 방법은:
(a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
(b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적 방출간의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
(c) 상기 특성을 이용하여 인자를 결정하는 단계; 및
(d) 상기 인자에 근거하여 상기 목적물의 현재 방사율을 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 인자를 결정하는 단계는:
상기 결정된 특성과 복수의 저장된 특성과의 정합을 시도하여 정합 특성을 찾아내는 단계; 및
상기 정합 특성과 관련된 인자를 보상하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 인자를 결정하는 단계는:
상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 수득된 방사선과 이미 수득된 온도에 근거한 새로운 인자를 결정하는 단계; 및
상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 새로운 인자 또는 상기 이미 수득된 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 더 포함한다.
상기 결정된 특성과 상기 복수의 저장된 특성은 벡터들인 본 발명의 바람직한 실시예에서, 정합을 시도하는 단계는 바람직하게:
저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 계산하는 단계는:
상기 인자와 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 제1 온도를 결정하는 단계;
상기 인자를 이용하여 상기 제1 온도의 에러를 보정하는 단계;
상기 목적물의 방사율에 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 제2 온도를 결정하는 단계; 및
제2 파장에서 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이에 근거한 상기 목적물의 방사율을 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 온도는 휘도 온도이다.
바람직하게는, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율을 나타내는 값을 가지는 벡터이다.
상기 결정된 특성은 벡터인 본 발명의 바람직한 실시예에서, 특성을 결정하는 단계는, 바람직하게는:
상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장이다. 더 바람직하게는, 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장이다. 가장 바람직하게는, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장이다.
바람직하게는, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체를 통하여 수득된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 목적물(12)의 온도를 측정하도록 활용된 고온계 시스템의 실행을 측면에서 본 개략적인 부분 단면도이다. 고온계(14)는 개재 매체(18)를 통하여 용기(10)에 담겨진 용융 금속과 같은 목적물(12)의 온도를 결정한다. 전형적으로 금속 작업 상황에서, 고온계(14)는 알려진 일정한 전달 스펙트럼을 가지는 전달판(20)에 의해서 주위 환경으로부터 보호된다. 열전쌍(16)은 후술하는 바와 같이 교정을 위해서 선택적으로 제공된다.
목적물(12)의 진정 온도를 측정하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예는 목적물(12)의 휘도 파이로미트리에 근거한다. 목적물(12)의 휘도 온도가 흑체 모델을 이용하여 계산된다면, 하기 수학식 1은 블랙(black, 방사율 ε=1) 보다는 그레이(gray, ε≠1)에 의해서, 그리고 개재 매체(18)와 판(20)의 효과를 감소시키는 것에 의해서 야기되는 결정 온도에서의 에러를 기술하는 것으로 알려져 있다.
여기서, Tb는 목적물(12)의 결정된 휘도 온도, T는 목적물(12)의 진정 온도, λ는 휘도 온도가 결정되는 파장, C2는 알려진 열역학적 상수, ε(λ,T)는 파장과 온도의 함수인 방사율 그리고 τ(λ)는 개재 매체(18)와 판(20)의 전달 스펙트럼이다.
상기 수학식 1은 진정 온도, 방사율 및 개재 매체(18)와 판(20)의 전달 스펙트럼의 세 개의 미지수를 포함한다. 그러나, 목적물(12)의 두 개의 휘도 온도의 차를 구하면, 그것은 목적물(12)의 진정 온도에 직접 종속되지 않고, 목적물(12)의 방사율, 그리고 개재 매체(18)와 판(20)의 전달 스펙트럼에만 종속된다.
인지될 수 있듯이, 파장 λ1과 파장 λ2에서의 목적물(12)의 방사율 차가 같은 여러 온도가 존재하기 때문에 유일한 차값 R(λ1,λ2)은 그 단독으로 목적물(12)의 진정 온도를 나타내지 않는다. 더욱이, τ(λ)는 랜덤 함수(random function)이고 그렇게(as such) 노이즈를 추가한다(adds noise).
다른 파장들에서 휘도 온도의 여러 다른 값들을 모아서 차 벡터R을 형성한다면 이 차 벡터는 에러 휘도 온도를 진정 온도로 번역(translating)하기 위한 특별한 보정 인자를 나타낸다는 것을 본 발명자는 발견하였다. 게다가, 상대적으로 낮은 차수(order)의 벡터조차 τ(λ)의 노이즈 효과를 극복할 수 있을 정도로 강하다. 바람직하게, 복수의 파장에서 목적물(12)의 휘도 온도를 측정하고 동시에 차 벡터R의 각 성분을 두 개의 연속적인 휘도 온도의 역수들 간의 차에 맞추는 것에 의해서 차 벡터R이 얻어진다.
따라서, 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 목적물(12)의 방사율을 이용하여 목적물(12)의 휘도 온도가 보정되어 목적물(12)의 진정 온도를 결정할 수 있다. 전형적으로 정확하게 측정될 수 없는 이 방사율을 사전에 알 수 있고 차 벡터R과 결합될 수 있다. 따라서, 목적물(12)의 진정 온도는 휘도 온도의 측정과 보정값들, 즉 방사율들의 저장된 표에 근거하여 결정될 수 있다.
다양한 조건하에서 복수의 차 벡터R이 같은 진정 온도를 나타낼 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 목적물(12)의 방사율이 목적물(12) 내에서의 화학 변화 때문에 변한다면, 차 벡터R은 목적물(12)의 온도가 변하지 않는다 해도 변할 것이다.
목적물(12)의 진정 온도가 알려지거나 결정된다면, 복수의 파장의 각각에서 방사율들이 그 파장에서의 진정 온도와 휘도 온도로부터 계산될 수 있다는 것을 수학식 1로부터 이해할 수 있을 것이다. 역으로, 휘도 온도와 방사율이 알려져 있다면 진정 온도가 계산될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이다. 먼저, 참조 번호 50에 표시된 것처럼, 휘도 온도 벡터T b 는 복수의 파장에서 목적물(12)의 방사적 방출들을 측정하고 차 벡터R을 계산하여 결정된다. 계산된 벡터R은 고온계(14)에 저장된 복수의 참조 벡터(reference vector)들R'과 비교된다. 정합이 발견되면,R'과 결합하여(in association with) 저장된 방사율 벡터ε'를 보상한다(retrieve)(54 참조). 보상된 방사율 벡터를 수학식 1의 보정 인자로서 사용하여 적어도 하나의T b 에서의 휘도 온도를 보정하여(56 참조) 진정 온도를 수득한다. 대안으로서, 여러 휘도 온도가 보정되고 보정된 온도들의 가중 평균(weighted average)이 목적물(12)의 진정 온도로서 산출된다.
정합이 발견되지 않으면,R과 마지막으로 결정된 온도에 근거하여 방사율 벡터ε이 계산된다(62). 차 벡터R과 그것의 결합된 방사율 벡터ε이 나중의 사용(참조 번호 52 와 54에 나타나 있는 것처럼)을 위하여 고온계(14)에 저장된다. 목적물(12)의 온도가 상대적으로 천천히 변하기 때문에 하나 또는 둘의 연속적인 부정합(no-match) 상황들은 보통 유도된 방사율 벡터ε에서의 에러들을 야기하지 않는다. 그러나, 부정합 상황들의 실행(run)은 보통 목적물(12)의 온도 및/또는 방사율이 예기치 않은 방식으로 변하는 것을 나타낸다. 이 경우에,R벡터는 미지 상황을 나타내고 에러 신호가 전형적으로 나온다. 다단계 과정에서, 다른 복수의R'벡터들은 과정들의 각 단계에 대해서 저장된다.
바람직한 고온계(14) 교정 방법은 열전쌍(16)을 활용한다(도 1). 상기 교정 방법은 도 2와 관련하여 기술된 온도 결정 방법과 유사하다. 이 교정 방법은 목적물(12)의 방사율이 목적물(12)의 온도의 변화가 작거나 없을 때조차 상당한 양만큼 변하는 이 교정 방법이 바람직하다. 새로운 화합물들이 계속 합성되고 분해되고 각 화합물이 다른 방사율을 가지는 휘발성 화학 과정이 그러한 과정의 한 예이다.
전형적으로, 교정 과정은 모니터되는 특별한 과정에 정합된다. 정의된 시작과 끝을 가지는 과정이 모니터된다면, 보통 많은 과정들이 교정 데이터를 제공하기 위해서 활용된다. 연속 과정이 모니터된다면, 충분한 교정 데이터가 수득될 때까지 교정 과정이 전형적으로 계속된다. 교정 데이터가 충분한 지 여부를 추정하는 바람직한 방법은 새로운R벡터들과 저장된R'벡터들, 즉 충돌률(hit rate) 간의 성공적인 정합과 실패한 정합간의 비율을 결정하는 것이다. 이 충돌률은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 통계적인 방법들을 사용하여 결정될 수 있다. 이에 더하여, 다단계 과정에서, 고온계(14)는 각 단계마다 분리되어 교정될 수 있다.
교정 과정을 시작하기 위해서, 열전쌍을 목적물(12)과 접촉하도록 위치시키고 목적물(12)의 온도를 안정하게 읽을 수 있도록 한다. 열전쌍을 이용한 이러한 최초의 측정 후에 열전쌍(16)은 필요치 않게 된다. 도 2와 관련하여 기술된 방법을 사용하여 목적물(12)의 온도가 결정되고, 계산된 방사율 벡터ε은 그것의R벡터와 결합하여 저장된다. 상기 교정 과정에서 부정합 상황들의 실행들은 완전히 용인될 수 있고 예측 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
진정 온도를 결정하기 위하여 열전쌍(16)을 사용하는 것에 대한 대안으로서, 도 3B를 참조하여 후술하는 바와 같이, 방사율 입력은 휘도 온도들의 하나를 보정하는 데 사용될 수 있다. 보정된 휘도 온도는 열전쌍 온도와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
바람직하게, 교정과 고온계(14)의 사용간에 명확한 구별은 없다. 고온계(14)가 계속적으로 측정 환경으로 교정되고 적응된다. 상당한 양의 교정이 수행된 후에 부정합의 오랜 실행이 있을 때, 상술한 것처럼 에러 신호가 발생할 것이다. 전형적으로, 각 과정은 그 자체의 최소 교정 실행과 허용된 길이의 부정합 상황들을 가진다.
상술한 교정 및 측정 방법들에서, 두 개의 차 벡터R과R'을 정합시키는 기술이 중요하다. 바람직하게, 하나의 벡터의 각각의 그리고 모든 성분이 다른 벡터의 대응 성분의 정해진 비율-예를 들어 3％-이내이면, 두 벡터간의 정합이 성공적이라고 정의된다. 대안으로서, 다른 형태의, 예를 들어, 상기 벡터들의 크기 비율이 어떤 범위 이내이면 정합으로 고려되는 방법들이 사용된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 차 벡터들R'과 그들의 결합된 방사율 벡터들ε'을 알기 위해서 신경망(neural network)이 사용된다. 대안으로서, 교정 정보가 교정 데이터의 분석에 의해서 결정될 수 있는 다차원 기능으로서 저장될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치에 대한 바람직한 교정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이다. 도 2에 관련하여 기술된 교정 방법과 다르게, 도 3a의 교정 방법은 바람직하게 교정 전체에 걸쳐서 열전쌍(16)을 사용한다. 도 3a의 교정 방법은 온도 변화율이 방사율 변화율과 같은 차수(order)의 크기일 때 특히 바람직하다.
교정은T b 를 측정하고 차 벡터R을 계산하여 시작된다(70 참조). 다음에, 열전쌍으로부터 유도된 진정 온도의 입력을 사용하여 방사율 벡터ε이 차 벡터R로부터 계산된다(수학식 1).
차 벡터R이 고온계(14)에 저장된 어떤 벡터R'과도 정합하지 않으면, 차 벡터R과 그것과 결합된 방사율 벡터ε이 고온계(14)에 저장된다.
상기 교정 단계들은 바람직하게는 (R과R'의) 원하는 정합 충돌률에 도달할 때까지 반복된다.
어떤 경우들에 있어서는, 어떤 직접적인 접촉 방법을 사용하여 목적물(12)의 진정 온도를 측정하는 것이 실용적이지 않다. 이러한 경우들에 있어서, 다른 교정 방법이 바람직할 것이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진정 온도 결정 장치에 대한 다른 바람직한 교정 방법을 보여주는 일반적인 흐름도이다. 도 3b의 교정 방법은 또한 온도 변화율이 방사율 변화율과 유사한 경우에 적당하다. 열전쌍을 사용하여 목적물(12)의 진정 온도를 수득하는 대신, 측정 파장들 중의 하나에서 목적물(12)의 방사율 값이 사용된다. 전형적으로, 이 방사율 값은 알려진 방사 프로필에 근거한 메모리 뱅크에 저장되거나 방사율 측정 장치를 사용하여 방사율이 측정될 것이다.
교정은T b 를 측정하고 그로부터R'을 계산하여 시작된다(80 참조). 다음에, 특정 파장에서T b 의 측정된 휘도 온도와 목적물(12)의 방사율 입력(84)을 사용하여 목적물(12)의 진정 온도가 계산된다. 방사율들이 저장되고 실제 시간(real-time)으로 측정되지 않는 곳에, 각 값이 측정된 휘도 온도에 대응하도록 방사율이 표로서 저장되거나, 대안으로서 각 값은 방사율이 변할 것으로 알려진 모니터되는 과정의 한 단계와 결합될 것이다.
방사율 벡터ε은 (참조 번호 82) 계산된 진정 온도를 이용하여 차 벡터R로부터 계산될 것이다.
차 벡터R이 고온계(14)에 저장된 어떤 벡터R'과도 정합되지 않는다면, 차 벡터와 그것과 관련된 방사율 벡터ε은 고온계(14)에 저장된다.
상기 교정 단계들은 바람직하게는 (R과R'의) 원하는 정합 충돌률에 도달할 때까지 반복될 것이다.
어떤 경우들에 있어서는, 도 3a나 도 3b를 참조하여 기술된 교정 방법을 사용하는 것이 실용적이지 않다. 온도 변화율의 크기가 방사율 변화율의 크기와 유사하면 후술할 교정 방법이 바람직할 것이다.
교정 과정을 시작하기 위하여, 열전쌍(16)을 목적물(12)과 접촉하도록 위치시키고 목적물(12)의 온도를 안정하게 읽을 수 있도록 한다. 열전쌍(16)을 이용한 이러한 최초의 측정 후에 열전쌍(16)은 필요치 않게 된다. 목적물(12)의 휘도 온도 가 측정되고 차 벡터R이 휘도 온도T b 로부터 결정된다.ε이 열전쌍으로부터 진정 온도를 사용하여T b 로부터 계산되고R과 결합하여 저장된다. 도 2와 도 3a를 참조하여 기술된 보정 사이클과 유사한 최초의 교정 사이클이 이로서 끝난다. 이어지는 교정 사이클들은T b 의 측정과T b 로부터R의 결정으로써 시작된다.ε과 진정 온도는 둘 다 마지막 사이클 이래로 변화된 것으로 가정된다. 그러나, 후술할 수학식들을 풀어서 T와ε new 를T b 와 이미 결정된ε으로부터 추정한다.
여기서,
n 개의 휘도 온도가 사용되면, κ의 근사는 n-2의 차수를 가진다. κ의 더 높은 차수는 바람직하게는 0으로 가정된다. 더 많은 파장이 사용되면, 추정의 정확도가 증가한다.
상술한 교정 방법들을 참조하여 기술한 바와 같이ε new 와R이 저장되고 새로운 교정 사이클이 시작된다.
상술한 방법들에서 차 벡터와 결합하여 방사율 벡터를 저장하는 것이 기술된다. 방사율 값들을 저장하는 것이 필요치 않다는 것이 이해되어야 한다. 저장되는 것은 에러와 관련된 인자이다. 예를 들면, 차 벡터와 결합하여 진정 온도가 저장된다면, 방사율 값들은 진정 온도가 보상될 때 계산될 수 있다. 따라서, 요구되는 것은 차 벡터와 결합하여 저장된 값(들)이 측정된 휘도 온도들 중의 적어도 하나에 대해서 보정 인자를 재구성(reconstruct)할 수 있도록 작용하여야 한다는 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온계(90)의 개략적인 측면도이다. 방사적 방출들은 목적물(12)에 의해서 방사되며, 방해 물질(intervening material, 18)을 통과하고, 충돌하는(impinging) 방사선에 대응하는 신호들을 발생시키는 방사선 검출기(100)에 의해서 검출된다. 바람직하게는, 렌즈(92)와 조리개(94)를 이용하여 방사적 방출들의 한 부분을 검출기(100)로 향하게 한다. 대안으로서 또는 부가적으로, 고 방사율 튜브 또는 고 반사율의 물질로 구성된 튜브와 같은 다른 유형의 웨이브 가이드(wave guide)가 사용된다. 웨이브 가이딩(wave guiding) 방법간의 선택은 측정되는 목적물(12)의 상기 부분의 크기와 측정 영역에서의 반사량에 달려 있다.
상술한 바와 같이, 목적물(12)의 진정 온도는 복수의 휘도 온도들로부터 결정되며, 그 각각은 다른 파장에서 결정된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 복수의 색 필터들(102)을 가지는 다중 필터 초퍼 휠(multi-filter chopper wheel, 98)은 방사적 방출들을 선택적으로 걸러서(filter), 좁은 파장의 방사선만이 어떤 시간에 검출기(100)에 도달한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 예를 들어, 0.7μ, 0.8μ, 0.9μ 및 1μ의 전달 파장을 가지는 네 개이 필터가 사용된다. 각 필터의 전달 스펙트럼은 바람직하게는 약 10 ㎚ 만큼 넓으나, 더 좁거나 더 넓은 스펙트럼 폭들이 사용될 수 있다. 바람직하게, 필터들(102)이 휠 둘레를 둘러싸도록 형성되며 모터(104)가 휠(98)을 회전시켜서 어떤 순간에도 하나의 필터(102)만이 검출기와 목적물(12) 사이에 배치된다. 바람직하게, 렌즈와 같은 대물 광학 장치(objective optics, 96)가 넓은 광선 안으로 방사적 방출들을 형성하여 필터들(102)에서의 작은 비균일성들(non-uniformites)이 결국 평균치가 된다(averaged out).
휠(98)의 각 위치는, 바람직하게는, 예를 들어 광학 계수기(optical counter, 106)와 같은 검출기에 의해서 검출된다. 필터(102)들의 각각의 각 위치에 대응하는 위치들에서 휠 안에 구멍들이 형성된다. 필터들 중의 하나가 목적물(12)과 검출기(100) 사이에 배치될 때, 휠(98) 안의 구멍이 광원으로부터의 광이 휠(98)을 통과하여 검출기(100)에 충돌하게 한다. 그래서, 제1 신호가 계수기(106)에 의하여 발생된다. 휠(98)의 비필터부(non-filter portion)가 목적물(12)과 검출기 사이에 배치될 때, 휠(98)은 광이 광원으로부터 검출기로 통과하는 것을 막음으로써, 제2 신호가 계수기(106)에 의해서 발생된다. 이에 더하여, 계수기(106)는 휠(98) 및 검출기(100)로부터의 신호프로세싱 사이에 동시 메카니즘(synchronization mechanism)으로서 유용하다.
대안으로서, 휠(98)의 각 위치(angular position)는 검출기(100)에 대한 충돌에서의 정지들(pauses)로부터 결정될 수 있다. 바람직하게는, 필터들 간의 각 거리(angular distance)는 동일하지 않다. 따라서, 휠(98)에 대한 참조 각 위치(reference angular position)는 방사선의 검출기(100)에 대한 충돌에서의 정지들의 길이를 분석함으로써 결정될 수 있다. 대안으로서, 종래의 다른 회전 결정 수단은 현재 작동하는 필터를 결정하기 위해서 사용된다.
바람직하게, 휠(98)은 0.02초와 같은 짧은 시간에 회전을 완료한다.
복수의 개개의 파장들에서 방출하는 방사선을 검출하는 다른 방법들이 그 기술 분야에서 알려져 있으며 필터 초퍼 휠(98) 대신에 작동한다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에서 프리즘이 방사적 방출을 차동적으로 디프랙트(differentially defract)하기 위해 사용되고 검출기(100)는 디프랙트된 스펙트럼을 통하여 움직인다.
검출기(100)에서 발생한 신호들은 상술한 바와 같이 프로세서(112)에 의해서 진행되어 진정 온도를 결정한다. 전형적으로, 검출기(100)는 아날로그-디지탈 변환기(116)에 의해서 디지탈 신호로 전환되기 전에, 바람직하게는 전치 증폭기(preamplifier, 114)에 의해서 증폭된 아날로그 신호를 발생시킨다.
바람직하게는, 고온계(90)는 결정된 진정 온도 및/또는 결정된 방사율을 디스플레이하는 국부 디스플레이(local display, 122)를 가진다. 바람직하게, 포트(port, 124)는 고온계(90)를 원격 디스플레이, 통제 컴퓨터(controlling computer)와 같은 외부 장치에 또는 데이터 전달(transfer)을 위해서 연결한다. 포트(124)는 전압 출력(voltage output)과 같은 아날로그 포트나 대안으로서 RS232 또는 RS485 같은 디지탈 포트를 사용할 수 있다.
바람직하게는, 입력 포트(118)는 상술한 바와 같은 교정을 위해서, 열전쌍과 같은 외부 소스(source)로부터 온도 신호를 입력시키기 위해 사용된다. 부가적으로 또는 대안으로서, 고온계(90)는 상술한 바와 같이 방사율 값을 입력시키기 위한 입력 포트를 가진다.
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 다중 채널 고온계(multi-channel pyrometer, 140)의 개략적인 측면도이다. 도 5와 관련하여 기술된 일련의(serial) 고온계(90)는 전형적으로 방사율 및/또는 온도의 급속한 변화를 가지는 목적물(12)들의 온도를 측정하는데 적절하지 않다. 다중 채널 고온계(140)는 동시에 여러 파장에서 방사적 방출들을 측정하므로 0.01초 같은 더 짧은 샘플링 시간이 가능하다.
고온계(90)에 관련하여 기술한 바와 같이, 이상에서 기술된 광학 장치(optics, 92)와 조리개(94) 또는 다른 수단은 방사적 방출들을 모은다. 거울 시스템이나 프리즘과 같은 광학 스플리터(optical splitter, 142)는 방사선의 부분들을 복수의 검출기의 각각으로 향하게 한다. 그것의 각각은 충돌하는 방사선에 대응하는 신호를 발생시킨다. 복수의 필터들(146)이 스플리터(142)와 검출기들(146) 사이에 배치되므로 각 검출기(146)는 그것과 결합된 하나의 필터(144)를 가진다. 필터들(144)은 도 5의 필터들(102)에 대응한다. 검출기들(146)에 의해서 발생된 신호들은 이어서 상술한 바와 같은 신호들을 프로세스하는 프로세서(112)로 통과된다.
바람직하게, 멀티플렉서(multiplexer, 148)는 신호들을 검출기들로부터 아날로그-디지탈 전환기(116)로 다중화한다(multiplex). 대안으로서, 전환기(116)는 복수의 채널들을 가지고 있어서, 다중화(multiplexing)가 필요치 않다. 또 다른 방법으로서, 검출기등은 멀티플렉서(148)에 의해서 다중화되거나 프로세서(112)로 보내지는 디지탈 신호들을 발생시킨다. 대안으로서, 프로세서(112)는 복수의 디지탈 입력 채널들을 가지고 있기 때문에 그것은 직접 복수의 검출기들(146)에 연결된다.
상술한 방법들과 장치들은 특히 프로세스 모니터링(process monitoring)에 유용하다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 온도 모니터링이 수행된다. 산업상 프로세스의 각 단계에서, 물질의 온도는 온도들의 범위 내이어야 한다. 측정 온도가 요구되는 범위 내가 아니면, 특별한 프로세스 단계에서, 프로세스 편차(process deviation)가 검출된다. 물질의, 전형적으로는, 거울의 방사율 변화들은 물질의 화학적 성질과 결정성에 있어 변한다. 어떤 프로세스들에 있어서는, 물질에 대한 원하는 효과가 실현될 때까지 한 단계가 수행된다. 따라서, 한 단계의 끝이 물질의 방사율에서의 변화들을 모니터함으로써 결정된다. 대안으로서 또는 부가적으로, 물질의 승인 범위(accepted range)로부터의 편차들은 그 프로세스의 편차를 나타낸다.
도 5와 관련하여 기술된 본 발명의 실시예에 의한 고온계는 제강소에서 시험된다. 이 실시예에서, 프로세서(112)는 개인용 컴퓨터(PC)였고 전환기(116)는 표준 A/D 카드였다. 컴퓨터 소프트웨어는 이스라엘 특허 출원 No. 115,192(출원일: 1995. 9. 6, 발명의 명칭: 실제 물체의 진정 온도 측정 방법 및 장치, 양수인: Thermodevice LTD.)의 일부로서 포함되어 있다. 그것의 개시 내용은 여기에서 참고로서 포함된다. 고온계는 탠디쉬(tandish)로부터 그리고 용융 철의 버키트(bucket)에서 흘러나오는 용융 철의 온도를 계속적으로 결정하기 위해서 사용되었다. 온도 범위는 1000 내지 2000 ℃ 였다. 용융 철의 온도는 변하는 방사율들 및 연기와 같은 방해 물질들을 포함하는 환경 조건에서 0.5％의 정확도까지 결정되었다. 비교를 위해서, 본 발명의 고온계에 병행하여 휘도 고온계와 색 비율 고온계가 용융 철의 온도를 측정하기 위하여 사용되었다. 이에 더하여, 참고용으로, 온도들이 또한 열전쌍(백금-백금로듐)을 사용하여 측정되었다.
표 1은 이 실험에서 수득된 온도 측정 결과들의 정확도를 요약한다. 모든 결과들은 열전쌍에 의하여 측정된 온도들과 비교하여 보여진다.
휘도 고온계 색 비율 고온계 진정 온도 고온계
탠디쉬를 통한 흐름 -4％ 내지 -10％ +2％ 내지 +10％ ±0.5％ 내지 ±10％
버키트 -4％ 내지 -10％ +4％ 내지 +10％ ±8％ 내지 ±1.2％
제2 실험에서, 흑체 방사원의 온도가 다양한 필터들을 통하여 보여진 것으로서 측정되었다. 이 실험에서, 흑체의 온도는 휘도 고온계, 색 고온계 및 본 발명의 실시예에 의해서 제조된 고온계를 사용하여 측정되었다.
표 2는 6개의 실험을 열거한다. 각 실험에서 사용된 필터는 다른 것이었고 다양한 흑체 온도들이 주어졌다.
필터 유형 온도 (℃)
흑체 휘도 고온계 색 비율 고온계 진정 온도 고온계
없음 1361 1361 1367 1358
쇼트(Shot) Kb-2 1361 1068 오프 스케일 1357
노랑 1361 1341 1373 1358
유리
파이렉스 1361 1322 1396 1356
물 + 1006 오프 스케일(Off Scale) 1010 1001
유리
렉산(Lexan) 1006 995 992 1000
실험은 1995년 6월 24일, 매사츄세츠(Massachusetts), 콩코드(Concord), 윌리엄슨 주식회사(Williamson corporation)에서 수행되었다. 본 실험에서 사용하는 휘도 고온계와 색 비율 고온계는 둘 다 상기 윌리엄슨 주식회사에서 구성된 모델들이다.
본 발명은 방사율에 근거한 휘도 온도들을 보정하기 위해서, 휘도 온도들과 보정 인자들을 사용하는 것으로서 일반적으로 기술되어 왔다. 본 발명의 작용 실시예들(operative embodiments)에서 휘도 온도들 대신에 색 비율 온도들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 차 벡터들을 색 온도들의 역수들 간의 차에 근거하기 및 보정 인자들에서 적절한 변화들 만들기. 색 고온 측정법(color pyrometry)이 본 발명을 실행하는 근거로서 휘도 고온 측정법(brightness pyrometry) 대신에 사용된다면, 보정 인자들은 본 발명의 방법에 근거한 휘도 고온 측정법(brightness pyrometry)에서 바람직한 것으로서 방사율들 대신에 방사율 비율들(emissivity ratios)에 근거할 것이다. 색 및 휘도 온도간의 관계는 다음과 같다.
본 발명의 범주가 정합 벡터로서 차 벡터를 사용하는 것에 한정되지 않음을 또한 이해하여야 한다. 하나의 온도와 모든 다른 온도들 간의 차이로 구성되는 벡터들과 같은 그러한 다른 벡터들이 수학식들에서 적절한 변화들을 가지고 사용될 수 있다. 그러한 벡터들은 적어도 두 개의 다른 파장에서 그리고 직접적으로 온도에 종속되지 않음으로써, 적어도 방사적 방출들 간의 관계에 기능적으로 관련된 것으로 일반적으로 특징지워진다. 게다가, 유일한 값이 벡터 대신에 사용될 수 있다. 그러나, 현재의 컴퓨터 기술에서 유일한 값들조차 싱글 디지트 이진수들(single digit binary numbers)의 벡터들로서 저장된다.
게다가, 본 발명이 적은 수-특히 네 개-의 파장들을 사용하는 것으로서 기술되었다 할 지라도, 더 크거나 더 작은 수의 파장들이 더 크거나 더 작은 정확도로서 사용되어질 수 있다.
본 발명이 상술한 것에 의해서 한정되지 않는다는 것은 본 기술 분야의 숙련된 사람에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 범주는 후술할 청구항들에 의해서만 제한된다.

Claims (42)

  1. (a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
    (b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적인 방출 사이에서의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
    (c) 상기 특성을 이용하여 에러에 관계되는 인자를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 보정 인자에 근거한 상기 목적물의 현재 온도를 계산하는 단계를 포함하는 진정 온도(true temperature) 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인자를 결정하는 단계는:
    상기 결정된 특성과 복수의 저장된 특성과의 정합(match)을 시도하여 정합 특성을 찾아내는 단계; 및
    상기 정합 특성과 관련된 인자를 보상(retrieve)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 인자를 결정하는 단계는:
    상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 수득된 방사선과 이미 수득된 온도에 근거한 새로운 인자를 결정하는 단계; 및
    상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 새로운 인자 또는 상기 이미 수득된 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성 및 상기 복수의 저장된 특성은 벡터들이고, 상기 정합을 시도하는 단계는:
    저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산하는 단계는:
    상기 인자와 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 온도를 결정하는 단계; 및
    상기 인자를 이용하여 상기 결정된 온도의 에러를 보정(correcting)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 결정된 온도는 휘도(brightness) 온도인 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율(emissivity)을 나타내는 값을 가지는 벡터인 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성은 벡터이고, 상기 특성을 결정하는 단계는:
    상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체(interposing medium)를 통하여 수득되는 것을 특징으로 하는 진정 온도 결정 방법.
  13. (a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
    (b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적 방출들 사이에서의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
    (c) 상기 대상물의 현재 온도를 추정(estimating)하는 단계;
    (d) 상기 현재 온도와 상기 방사적 방출들로부터 결정되는 온도 사이에서의 불일치와 관련된 인자를 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 보정 인자 또는 상기 현재 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 포함하는 다파장 고온계 교정(calibrating) 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 측정된 방사율을 이용하여 수득된 방사선으로부터 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 저장된 방사율을 이용하여 수득된 방사선으로부터 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 직접 상기 온도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 상기 수득된 방사선과 이미 결정된 방사율로부터 현재 온도와 현재 방사율을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  18. 제17항에 있어서, 직접 측정된 온도와 상기 수득된 방사선으로부터 방사율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 현재 온도를 추정하는 단계는 이미 결정된 온도를 활용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성을 저장하는 단계는:
    상기 결정된 특성을 이미 저장된 특성들과 정합시키려고 시도하는 단계; 및
    상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 인자 또는 상기 현재 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 특성들은 벡터들이고, 정합을 시도하는 단계는:
    저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 소정의 회수의 측정에서 정합의 성공률이 소정의 값을 초과할 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율을 나타내는 값들의 벡터인 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  24. 제13항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성은 벡터이고 특성을 결정하는 단계는:
    상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  25. 제13항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  26. 제13항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  27. 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  28. 제13항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체를 통하여 수득되는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  29. 제13항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인자는 상기 수득된 방사선에 근거하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  30. 제13항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 인자를 결정하는 단계는:
    상기 수득된 방사선에 근거한 복수의 휘도 온도를 결정하는 단계; 및
    각 파장에서 상기 결정된 현재 온도와 상기 휘도 온도 사이의 불일치와 관련된 방사율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 고온계 교정 방법.
  31. (a) 복수의 파장으로 목적물에서 방출되는 방사선을 수득하는 단계;
    (b) 하나 이상의 파장에서 수득된 방사적 방출간의 관계에 근거한 수득된 방사선의 특성을 결정하는 단계;
    (c) 상기 특성을 이용하여 인자를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 인자에 근거하여 상기 목적물의 현재 방사율을 계산하는 단계를 포함하는 진정 방사율 결정 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 인자를 결정하는 단계는:
    상기 결정된 특성과 복수의 저장된 특성과의 정합을 시도하여 정합 특성을 찾아내는 단계; 및
    상기 정합 특성과 관련된 인자를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 인자를 결정하는 단계는:
    상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 수득된 방사선과 이미 수득된 온도에 근거한 새로운 인자를 결정하는 단계; 및
    상기 정합의 시도가 실패할 경우, 상기 새로운 인자 또는 상기 이미 수득된 온도와 관련하여 상기 결정된 특성을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  34. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성 및 상기 복수의 저장된 특성은 벡터들이고, 상기 정합을 시도하는 단계는:
    저장된 벡터를 선택하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분이 상기 저장된 벡터의 상응 성분의 3％ 이내인지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산하는 단계는:
    상기 인자와 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 제1 온도를 결정하는 단계;
    상기 인자를 이용하여 상기 제1 온도의 에러를 보정하는 단계;
    상기 목적물의 방사율에 관련된 에러를 가지며 상기 수득된 방사선에 근거하는 제2 온도를 결정하는 단계; 및
    제2 파장에서 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이에 근거한 상기 목적물의 방사율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제2 온도는 휘도 온도인 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  37. 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인자는 적어도 하나의 방사율을 나타내는 값을 가지는 벡터인 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  38. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 특성은 벡터이고, 상기 특성을 결정하는 단계는:
    상기 복수의 파장의 각각에서 수득된 방사선을 휘도 온도로 전환하는 단계; 및
    상기 결정된 특성의 각 성분을 두 파장의 상기 휘도 온도차의 역수로 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  39. 제31항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 20개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  40. 제31항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 10개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  41. 제31항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 파장은 6개미만의 파장인 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
  42. 제31항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적물에 의해서 방출된 방사선은 다양한 전달 스펙트럼을 가지는 개재하는 매체를 통하여 수득되는 것을 특징으로 하는 진정 방사율 결정 방법.
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