KR20010072531A - 비접촉 온도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 측정 센서, 그 중에서도 특히 광학적인 방법을 이용하여 전기적인 신호없이 비접촉 상태에서 온도를 측정하는 비접촉 온도 센서에 대한 것으로, 종래의 열전기적 온도 센서들의 단점을 보완하여 온도 보정이 용이하고 센서와 분석 회로가 직접 연결되어 있지 않아도 온도를 측정할 수가 있다.

Description

비접촉 온도 센서{Non-contact mode temperature sensor}

본 발명은 온도 측정 센서, 그 중에서도 특히 광학적인 방법을 이용하여 전기적인 신호없이 비접촉 상태에서 온도를 측정하는 비접촉 온도 센서에 대한 것이다.

최근 고온, 고압, 극저온 등의 극한 상황에서 동작하는 전자 소자가 각광을 받으면서 온도를 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 센서의 수요가 증가하고 있다. 기존의 온도 센서는 주로 열전기적(thermo-electric)성질을 이용하여 열적인 온도 변화를 전기적인 신호로 바꾸어 측정하는 방식이 주류를 이루고 있다.

기존의 방식 중 몇가지 예를 들어보면, 다른 종류의 두 금속 접합부에서 발생하는 기전력이 온도에 따라 달라지는 성질을 이용하는 열전쌍(thermo-couple), 특정 물질의 자발 분극(spontaneous polarization)이 온도에 의존하는 성질을 이용한 초전(pyroelectric)소자 등 주로 온도에 따른 전기적 물성의 변화를 측정하여 온도를 측정하는 방법이 대부분이다.

그러나, 열전기적 성질을 이용하는 기존의 센서는 최종 출력이 전기적인 신호이기 때문에 분석 회로에 입력하기 용이하다는 장점은 있지만, 반면 온도에 따른 전기적 물성들의 변화량이 상대적으로 작아서 보정(calibration)이 어렵고 센서와 분석 회로가 반드시 연결되어 있어야 한다는 제약을 안고 있다.

본 발명의 목적은 이러한 기존의 열전기적 온도 센서들의 단점을 극복하여 보정이 용이하고 센서와 분석 회로가 직접 연결되어 있지 않아도 온도를 측정할 수 있는 센서를 개발하는데 있다.

도 1은 본 발명의 온도 센서의 전체 시스템 구조를 나타내는 도면.

도 2는 TGS(Triglysine Sulfate)온도 측정부의 구조를 간단히 나타내는 도면.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 다음과 같다.

첫째, 온도를 측정하고자 하는 대상에 복굴절(birefringence) 성질을 갖는 작은 단결정만 부착시키면 분석회로와 직접 연결시킬 필요가 전혀 없다는 점이다.

둘째, 물질의 광학적 성질은 전기적 성질에 비해 매우 높은 정밀도로 측정될 수 있어서 광학적 성질인 복굴절을 이용한 온도 센서는 기존의 센서에 비해서 보정이 용이하고 높은 정밀도를 얻을 수 있다는 점이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 특징을 좀 더 자세히 설명하기로 한다.

본 발명의 복굴절을 이용한 온도 센서는 도 1과 같이, 광원(light source), 온도 측정부(probe), 보상기(compensator), 검출기(detector) 등 네 부분과 전체를조정하는 조정부(control system)로 이루어진다.

여기서 광원은 기본적으로 단색광을 내는 장치라면 어떤 것이든 사용이 가능하지만, 취급의 용이성이나 빛이 온도 측정부의 강유전성 물질에 손상(damage)을 주지 않아야 한다는 점 등을 고려해 볼 때, 반도체 레이저가 가장 적절하다. 반도체 레이저 이외에도 헬륨-네온(He-Ne) 기체 레이저, 나트륨 램프 등을 사용할 수도 있다.

온도 측정부는 미리 온도에 따른 복굴절의 변화량이 잘 보정(calibration)되어 있는 강유전성 물질(ferroelectric material)의 단결정(single crystal)이다. 광원에서 나온 빛이 온도 측정부를 지나면서 복굴절을 일으키고 그 크기는 온도에 민감하게 변화하므로, 온도 측정에 유용하게 이용될 수 있다. 이와 같이 온도 변화에 따라 복굴절 정도가 변하는 강유전성 물질은 매우 다양하며, 물질에 따라 복굴절의 온도 의존성이 민감한 온도 영역이 조금씩 다르기 때문에, 센서에게 요구되는 측정 범위에 따라 적절한 물질을 선택한다. -170 ℃ 이하의 저온에서는 KDP(Potassium(Kalium) Dihydrogen Phospate), 상온 이하 질소 비등점(- 196 ℃)이상의 온도 영역에서는 TGS(TriGlysine Sulfate), 상온 이상 700℃ 정도까지의 고온영역에서는 석영(quartz) 또는 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃) 등이 다년 간의 연구로부터 복굴절의 온도 의존성 자료가 확립되어 있으므로 요구되는 온도 영역에 따라 위의 단결정 들을 사용하도록 한다. 도 2에 간단한 온도 측정부의 구조가 예시되어 있다.

도 1에 나타난 보상기는 온도 측정부의 복굴절 변화를 감지하는 중요한 부분이다. 복굴절의 측정 방법에는 회전분석(Rotating analyzer)법, 써너몬트(Sernamont)법, 에링하우스(Ehringhaus)법, 바베뉴-솔레이유(Babenieu-Soleillou)법 등 다양한 방법이 있으며, 과거 백여 년 간의 결정 광학적인(crystal-optic) 연구 결과들이 매우 잘 누적/확립되어서 널리 이용되고 있다. 각각의 복굴절 측정 방법들은 모두 본 발명의 목적인 비접촉 온도 센서에 응용될 수 있으나 일단 장치가 간단하고 취급이 용이한 에링하우스 보상기가 가장 유용하다고 생각된다. 에링하우스 보상기는 복굴절과 출력값의 관계가 복잡한 비선형이어서 보정하기가 까다롭다는 단점이 있지만, 구조가 간단하여 상품화에 적합하기 때문이다.

측정된 신호를 검출하는 검출기는 측정부와 보상기를 통과한 레이저 빛의 강도를 측정할 수 있는 광 다이오드(photo diode)이며 상업적으로 판매되는 부품을 이용하여 손쉽게 구현할 수 있으며 각각의 광 다이오드의 특성과 광원인 레이저의 종류를 비교하여 적절한 기종을 선택하면 된다.

또한, 조정부는 주로 보상기와 검출기에서 들어 오는 신호를 분석하고 보상기를 구동시켜 복굴절 값을 결정하는 역할을 한다. 지금까지 학술 연구에서는 주로 프로그램된 개인용 컴퓨터를 이용하였으나 그 과정이 복잡하지 않으므로 제품화에 알맞은 간소한(compact) 조정장치로 쉽게 대체할 수 있다. 조정 장치에서는 기존의 복굴절 데이터가 입력되어 있어 측정된 복굴절 값과 비교함으로써 측정 대상의 온도를 결정하는 과정을 거친다.

이상의 온도 센서 시스템은 조정부에 입력된 온도-복굴절 데이터를 압력-복굴절 데이터로 교체함으로써 비접촉 압력 센서 시스템으로도 전용이 가능하다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 열전기적 성질 대신 광학적 성질을 이용하여 온도를 측정하기 때문에 보다 정밀한 온도 측정이 가능하며, 기존의 열전기적 온도 센서들이 측정부와 조정부가 반드시 전기적으로 연결되어 있어야 했던 것과 달리 분리될 수 있기 때문에 측정부와 조정부를 연결하기 곤란한 특수 상황이나 극한 상황에서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (4)

1. 광원(light source)과, 측정 대상물에 부착되어 상기 광원으로부터 발생한 광을 복굴절시키는 온도 측정부(probe)와, 상기 온도 측정부의 복굴절 변화를 감지하는 보상기(compensator)와, 상기 온도 측정부와 보상기를 통과한 광의 강도를 측정하기 위한 검출기(detector)와, 상기 보상기와 검출기에서 들어 오는 신호를 분석하고 보상기를 구동시켜 복굴절 값을 결정하는 조정부(control system)를 포함하는 비접촉 온도 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 온도 측정부는 단결정(single crystal)으로 된 강유전체 물질(ferroelectric material)임을 특징으로 하는 비접촉 온도 센서.
3. 제 2항에 있어서, 상기 강유전체 물질은 KDP(Potassium(Kalium) Dihydrogen Phospate), TGS(TriGlysine Sulfate), 석영(quartz) 또는 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 비접촉 온도 센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 검출기는 광 다이오드(photo diode)임을 특징으로 하는 비접촉 온도 센서.