KR20020052762A - 반도체레이저를 이용한 온도측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체의 온도를 측정하는 방법에 있어서, 온도를 측정하기 위한 물체에 강한 빛을 조사한 후에 표면의 흡수율에 따른 온도 상승을 측정하여 물체의 복사율을 감지하여 물체의 진온도를 측정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 온도측정대상물에 강한 빛을 조사하고 상기 온도측정대상물의 표면 흡수율에 따른 온도상승을 측정하여 온도측정대상물의 진온도를 측정하는 온도측정방법에 있어서, 복사에너지를 측정하는 파장과 다른 반도체레이저(laser diode)를 초핑하여 상기 반도체레이저의 세기를 변조한 후 조사하는 단계와, 상기 반도체레이저를 검출하는 검출기의 신호가 직류 오프셋으로 상승함과 동시에 초핑주파수와 같은 주파수의 변조가 발생하여 상기 직류 오프셋과 변조진폭이 상기 온도측정대상물의 표면온도에 비례적으로 상승하는 단계와, 상기 반도체레이저 열 여기를 이용하여 시편의 복사율에 무관한 온도를 측정하는 단계를 포함하는 반도체레이저를 이용한 온도측정방법이 제공된다.

Description

반도체레이저를 이용한 온도측정방법{Measurement method of emissivity free temperature using laser diode}

본 발명은 반도체레이저(LD; Laser Diode)를 이용한 온도측정방법에 관한 것이며, 특히, 측정대상물에 강한 빛을 조사한 후에 측정대상물의 표면의 흡수율에따른 온도상승을 측정하여 측정대상물의 진온도를 측정하는 온도측정방법에 관한 것이다.

현대 산업공정에서 온도는 역학적 변수로서, 압력 및 유량과 함께 가장 빈번히 측정되는 요소이다. 최근 산업공정의 자동화가 가속되면서 공정은 동적이면서 비접촉식 측정을 요구하게 된다. 기존의 온도 측정은 열전대나 산업용 저항온도계로 대표되는 접촉식 온도계가 모든 공정에서 사용되었으나, 최근 산업공정의 자동화가 가속화되면서 접촉식을 사용할 수 없는 공정들이 늘어나게 되고, 최근 들어서는 비접촉 원격 측정이 가능한 복사 온도계의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.

최근 복사온도계의 검출기로 사용되는 적외선 센서들의 성능이 향상되고 가격이 저렴해지면서 온도측정의 영역이 확대되고, 측정의 신뢰도 또한 커지게 되었다. 철강이나 유리산업에 국한하여 사용하던 공정용 복사온도계가 폴리에틸렌을 비롯한 유기필름의 생산공정에까지 도입되고 있는데, 이는 온도 측정영역은 물론 측정파장대역이 광범위한 복사온도계가 개발되고 있다는 것을 보여준다.

그러나, 복사율에 의한 온도측정의 불확실성 문제는 상존하고 있기 때문에 복사율에 무관한 측정 기술의 개발이 필요하게 되었다. 예를 들면, 파이로메타(Pyrometer)는 외부에서 설정하여 주는 강종별 복사율에 따른 측온을 하여야만 보다 정확한 소재 온도 측정이 가능하다. 그러나 조업현장에서는 일일이 모든 강종의 성분 구성에 따라 일일이 정확한 방사율을 설정할 수 없어 특성 방사율을 설정한 후 모든 강종(소재)에 대한 동일한 방사율로서 강판(Strip)의 온도를 측정하기 때문에 소재의 진온도를 알 수 실정이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 기존 복사율 측정에 의한 온도측정의 불확실성 문제를 해결하기 위해 제공된 것으로서, 반도체 레이저를 이용하여 온도검사대상체에 조사하고 동시에 표면의 흡수율에 따른 온도상승을 측정하여 물체의 복사율을 알아내는 온도검사대상체의 진온도 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 고온 시편의 열복사와 레이저에 의한 열복사를 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 LEFT(Laser Emissivity Free Thermometry)에 의한 온도매개변수의 변화를 나타낸 그래프이며,

도 3은 도 2에 도시된 매개변수의 측정오차가 1%일 때의 상대 온도측정오차를 나타내는 그래프이다.

도 4는 실험측정 데이터 및 이론결과 데이터를 나타내는 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 정형적인 복사 20 : 고온 시편

40 : 반도체레이저 여기 50 : 진폭

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 온도측정대상물에 강한 빛을 조사하고 상기 온도측정대상물의 표면 흡수율에 따른 온도상승을 측정하여 온도측정대상물의 진온도를 측정하는 온도측정방법에 있어서, 복사에너지를 측정하는 파장과 다른 반도체레이저(laser diode)를 초핑하여 상기 반도체레이저의 세기를 변조한 후 조사하는 단계와, 상기 반도체레이저를 검출하는 검출기의 신호가 직류 오프셋으로 상승함과 동시에 초핑주파수와 같은 주파수의 변조가 발생하여 상기 직류 오프셋과 변조진폭이 상기 온도측정대상물의 표면온도에 비례적으로 상승하는 단계와, 상기 반도체레이저 열 여기를 이용하여 시편의 복사율에 무관한 온도를 측정하는 단계를 포함하는 반도체레이저를 이용한 온도측정방법이 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 반도체레이저를 이용한 온도측정방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 일반적인 고온 시편의 열복사와 레이저에 의한 열복사를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 LEFT(Laser EmissivityFree Thermometry)에 의한 온도매개변수의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 3은 도 2에 도시된 매개변수의 측정오차가 1%일 때의 상대 온도측정오차를 나타내는 그래프이며, 도 4는 실험측정 데이터 및 이론결과 데이터를 나타내는 그래프이다.

도 1의 (a)는 고온 시편의 열복사를 나타낸 개략도로서, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 온도가 일정한 고온의 시편(20)으로부터 나오는 복사 에너지는 플랑크의 복사 법칙과 같이 파장에 따라 분포한다. 이와 같은 정형적인 파장(10)에서의 복사에너지는 시간에 따라 일정하게 나타난다. 한편, 도 1의 (b)는 레이저에 의한 열복사를 나타낸 개략도로서, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 시편(20)에 복사 에너지를 측정하는 파장과 다른 연속 발진 반도체레이저를 초핑하여 세기를 변조하여 조사하면, 시편(20)의 표면온도는 어느 정도 일정하게 상승하여, 레이저 여기(40)가 없을 때에 비하여, 검출기의 신호가 직류 오프셋으로 상승하고 동시에 초핑 주파수와 같은 주파수의 변조가 발생하게 된다. 이런 직류 오프셋 크기와 변조 진폭(50)은 원래의 직류신호 보다 훨씬 작은 정도로서, 반도체레이저의 출력이 높지 않다면, 오프셋과 변조 진폭(50)은 표면의 온도상승과 비례한다.

한편, 레이저의 출력이 일정한 경우에는 온도 상승이 시편의 흡수율(물체가 불투명할 경우 복사율)과 비례하게 되는데, 실제로는 이 비례 상수를 제거하기 위하여 파장이 다른 두 대의 레이저로 여기시키고, 측정 파장이 다른 검출기로 검출하게 된다. 바로 이러한 점이 레이저 열 여기를 사용하여 시편의 복사율에 무관한 온도측정을 가능하게 하는 것이다.

파장이 λl인 레이저의 세기를 변조하여 조사할 때 발생하는 온도 변조에 의한 파장 λt에서 검출되는 검출기의 광 전류 세기는 수학식 1과 같이 표현된다.

여기에서, C_l은 광학계와 시편 사이의 레이저 투과율이고, P_l은 레이저 출력이고, R_t은 검출기의 감응도(responsivity)이고, Δλ_t는 검출계의 파장 선폭이고, L_o (λ,T)는흑체의 분광 복사 휘도(spectral radiance)이고, ε은 시편의 복사율이고, Ω는 광학계가 바라보는 입체각이고, 아래첨자 l은 레이저를 나타내며, 아래첨자 t는 복사온도계의 파장에 해당하는 양이다.

G_l(t)는 시편의 열적응답과 레이저 세기의 공간 분포의 컨벌루션(convolution)으로 표현되는 함수로서, 레이저의 변조에 의하여 온도의 변조가 발생하는 부분이 복사온도계 표적에 완전히 포함될 때에 파장이 다른 두 레이저의 여기로 발생하는 이 함수들의 비는 일정하다. 즉, 이는 수학식 2와 같이 계산된다.

그리고, 무한 공간을 점유하는 불투명 시편에 대한 컨벌루션으로 표현되는 함수는 수학식 3과 같이 계산된다.

여기에서, K는 열전도이고, ω는 레이저의 변조 주파수이며, D는 시편의 열확산도(thermal diffusivity)이다.

따라서, LEFT(Laser Emissivity Free Thermometry; 레이저 방사율에 무관한 온도측정)는 어떤 제한적인 조건을 만족할 경우에 시편의 열확산도를 측정할 수 있는 장치로 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.

파장이 다른 두 대의 레이저와, 이 파장과 같은 대역을 사용하는 이색 복사온도계를 사용하여, 여기파장과 측정 파장 대역을 다르게 하여 얻어지는 두 개의 열 여기신호의 비는 수학식 1을 사용하면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 4를 얻기 위하여 여기신호의 비를 취하면서 시편의 열역학적 온도와 파장을 제외한 모든 변수들은 상쇄되어 없어지게 된다. 즉, 복사율에 무관한 온도 측정이 가능하게 되고 이 방법을 LEFT(Laser Emissivity Free Thermometry)라고 한다.

이 방법에서 복사온도계가 다른 파장대역을 하나 더 측정할 수 있도록 기능을 추가하고, 파장 λt에서 직류 복사에너지를 하나 더 측정한다. 파장 λt에서 직류 복사에너지에 의한 검출기의 광 전류는 수학식 5와 같이 계산된다.

이 때, 레이저 여기에 의한 변조세기와 직류세기의 비를 수학식 6과 같이 취하면 이 신호의 비는 단순히 두 파장에서 분광 복사 휘도의 비로 표현된다.

즉, 또 다른 방법의 복사율 무관 측정법을 얻을 수 있게 되고, 또 다른 LEFT(Laser Emissivity Free Thermometry)를 구현할 수 있다.

상기의 수학식에서와 같이 신호 비는 분광 복사 휘도의 비에 비례하거나 또는 분광 복사 휘도의 온도에 대한 편미분의 비에 비례한다. 이런 두 경우 모두, 어떤 한 온도에서 비례 상수를 결정하면 다른 온도에서 열역학적 온도측정이 가능하게 된다. 분광 복사 휘도에 대하여 플랑크(Planck)의 분포함수를 윕(Wien)의 분포 함수를 근사하면 신호의 비로 표현되는 온도 매개 변수 γ(T)를 수학식 7과 같이나타낼 수 있다.

한편, 도 2는 840 nm와 1450 nm의 두 대역을 사용할 때 LEFT의 신호 비로 얻어지는 온도 매개변수와 온도의 관계를 보이는 그래프이다.

도 2에 도시된 그래프를 살펴보면, 온도가 증가함에 따라 매개 변수의 상대 값이 절대온도의 제곱에 따라 감소한다는 것을 알 수 있다.

수학식 7을 온도에 대하여 편미분하여 실험에서 측정한 매개변수의 상대 불확도가 온도 측정의 상대 불확도에 미치는 영향을 수학식 8과 같이 계산한다.

온도 측정의 상대 불확도는 절대온도와 매개변수의 상대 불확도에 비례하고 파장 차이에 반비례한다.

도 3은 매개 변수의 측정 불확도가 1 %일 때 온도 측정에 미치는 상대 불확도를 600℃에서 1500℃까지 계산한 그래프이다. 도 3에 도시된 그래프의 계산 결과로부터 1500℃ 까지 4.5 ℃이하의 불확도를 얻기 위해서 매개변수의 측정 불확도가 1 % 이상이 되면 절대로 불가능하다는 사실을 알 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, LEFT를 이용한 진온도 측정 적용 실험 그래프로서, 동그라미로 표시된 데이터는 텅스텐 전구의 온도를 변화시키면서 광열신호를 측정하고 그 신호의 비(온도변수)를 측정한 것이다. 마름모로 표시된 데이터는 수학식 7로 계산한 것이다. 760도씨 이하에서 이론값이 없는 것은 760도씨 이하에서는 전구의 진온도를 측정할 수 없기 때문이다. 900도씨 이상에서 이론과 실험이 잘 일치함을 도 4롤 통해 알 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체레이저를 이용한 온도측정방법은 측정 대상물체에 반도체레이저를 이용하여 강한 빛을 조사한 후 표면의 흡수율에 따른 온도상승을 측정하여 진온도 측정을 가능하게 하는 기술로서, 복사율에 의한 측정 불확도 뿐만 아니라, 주위 배경 열복사의 물체표면 중에서 반사측정구간에 존재하는 가스 등에 의한 흡수로부터 야기되는 불확실성을 배제할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 반도체레이저를 이용한 온도측정방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (1)

1. 온도측정대상물에 강한 빛을 조사하고 상기 온도측정대상물의 표면 흡수율에 따른 온도상승을 측정하여 온도측정대상물의 진온도를 측정하는 온도측정방법에 있어서,

   복사에너지를 측정하는 파장과 다른 반도체레이저(laser diode)를 초핑하여 상기 반도체레이저의 세기를 변조한 후 조사하는 단계와,

   상기 반도체레이저를 검출하는 검출기의 신호가 직류 오프셋으로 상승함과 동시에 초핑주파수와 같은 주파수의 변조가 발생하여 상기 직류 오프셋과 변조진폭이 상기 온도측정대상물의 표면온도에 비례적으로 상승하는 단계와,

   상기 반도체레이저 열 여기를 이용하여 시편의 복사율에 무관한 온도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체레이저를 이용한 온도측정방법.