KR20030044378A

KR20030044378A - 반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계

Info

Publication number: KR20030044378A
Application number: KR1020010075102A
Authority: KR
Inventors: 조뇌하; 이효식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-09

Abstract

본 발명은 반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계에 관한 것으로, 철강공정에서 측정대상이 고온이고 고속으로 이동되며 다양한 조도의 철판을 제조하는 공정에서 사용되고 있는 방사온도계에서 정확한 온도를 측정하여 제품의 품질을 균일화하고 안정된 제품을 생산하는데 필요한 방사율 보정온도계에 관한 것이다.

본 발명은 발광강도를 변조할 수 있는 고휘도 LED를 사용하여 이 고휘도 LED에서의 변조광을 렌즈와 반구미러를 통해 평행광속으로 하여 강판표면에 직각으로 투사하고, 이때 강판표면으로부터의 정반사광과 산란반사광의 반사정보를 이용하여 방사율 측정 및 보정을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계를 제공한다.

Description

반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계{STRIP TEMPERATURE MEASURING THERMOMETER UTILIZING OPTICAL REFLECTION INFORMATION}

본 발명은 반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계에 관한 것으로, 고온 및 고속으로 열처리를 행하는 연속소둔로에서 소재의 다양성 즉 철판의 조도의 차이에 의한, 혹은 강판의 산화에 대한 온도측정기에서 온도 검출시 반사정보를 이용하여 보정율을 컨트롤 온도의 정합성에 신뢰성을 부여하고 제품의 정합성을 얻기 위한 방사율 보정 온도계 장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉연강판의 열처리 라인에서는 방사형 온도계를 이용하여 고온 고속으로 이동하는 강판의 온도를 측정하여 열원을 제어하여 강판의 소둔을 행하고 있다. 그러므로 로내의 강판의 정확한 온도 제어는 제품의 품질과 직결되는 문제라고 할 수 있다.

종래의 온도측정 장치를 살펴보면 저방사율(0.2~0.4)의 냉연강판 표면온도를 측정하는 기존 수직 파이로미터(pyrometer)(도1)는 강판의 표면상태, 강종, 로내의 난방사등의 조건에 따라 측정온도의 오차발생 정도가 심각하여 그 신뢰도가 낮은 실정이며 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 파이로미터 방사율 설정에 따른 문제점;

방사율 설정은 접촉식 온도계로 측정된 온도에 근거하여 방사 온도계의 보정율 조정을 통해 최적방사율을 설정하게 된다. 그러나 방사율 설정시 다음과 같은 문제점이 있다.

가) 접촉식 온도계로 측정시 작업에 따라 강종, 강판의 표면상태, 로내 난반사조건의 변화등 가변되는 작업조건에 대응할 수 없다.

나) 방사율 조건의 미세 오류에 대한 측정온도의 에러 폭이 크다(표1 참조).

방사율 ±0.05 변화에 따른 온도변화
방사율	0.35	0.36	0.37	0.38	0.39	0.40	0.41	0.42	0.43	0.44
온도	708	675	674	668	678	670	660	664	650	640

(2) 강판의 표면 특성의 변화에 의한 영향;

저 방사율의 냉연강판 표면온도를 측정하는 기존 수직 파이로미터는 미세한 표면 특성의 변화에도 심한 온도 헌팅을 나타낸다.

강판의 특성변화의 대표적인 예로서 용접부 전후의 조도 두께 편차 및 더미코일(DUMY coil)의 표면 산화를 들 수 있다.

도2는 기존 파이로미터에서 측정된 용접부 전후의 온도 프로파일을 보여 준다. 정상부위와 주어진 용접부의 온도 헌팅은 표면 특성의 변화에 따른 강판의 반사율 변화에 그 원인이 있다. 기존 수직 파이로미터는 셋트된 단일 방사율에 의해 보정이 되므로 소재 표면 특성의 변화에 따른 방사율의 보정이 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 효과있게 해소할 수 있는 더욱 개선된 온도계 장치를 제공할 목적에서 연구된 것이다.

도1은 기존 방사온도계의 개요도,

도2는 기존 방사온도계 용접부전후 온도측정 프로파일 그래프,

도3은 진공로의 구성 개요도,

도4는 산화에 따른 반사율의 변화도,

도5는 조도에 다른 반사율 분포도,

도6은 정점각 θ와 법선에서 그 각도까지의 반사율의 적분 계산치 변화 그래프,

도7은 반구의 반사측정 모식도,

도8은 반사의 측정영역 모식도,

도9는 본 발명의 전체 구성도,

도10은 경사각도에 대하여 정규한 산란 반사광의 성분 변화도,

도11은 본 발명의 방사율과 샘플로 측정한 방사율의 비교도,

도12는 본 온도계와 열전대온도계의 측정 온도 비교도,

도13은 산화진행중의 로에서 측정한 본 온도계와 기존 방사온도계의 실측정 온도비교도.

이하에서 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

1) 표면 거칠기와 광학 반사특성

표면의 조도와 방사율의 관계에 대해서 살펴 보면, 불투명체의 경우는 키르히호프의 법칙에서 다음의 식이 관계되어 반구반사율을 정확하게 측정하면 방사율을 구할 수 있다.

ε = 1 - R -------- (식1)

여기서 ε=방사율, R=반구반사율

표면의 조도가 비교적 작은 경우에는 반사광이 한정된 각도에 집중하기 때문에 소형에서 간단한 광학계로 측정이 가능하다. 그러나 일반적으로 냉연강판은 표면이 거칠고 반사광은 폭넓게 분포한다.

냉연강판의 표면거칠기와 반사특성과의 관계를 정량적으로 평가하여 반사광 검출용 광학계를 설계하기 때문에 연속소둔로에서 열처리되는 냉연강판의 3수준 샘플로 하여 반사광 강도의 각도분포를 측정했다.

중심선평균거칠기(Ra)는 각각 0.48, 0.68, 1.33 ㎛이다.

도5에 결과를 나타내었다. 광원은 중심파장 약 800mm, 반치폭 50mm의 발광 다이오드(LED)를 평행광속으로 하여 법선에 대하여 6°의 방향에서 상기의 샘플에 입사시켰다.

Ra가 1.33㎛인 샘플에서 반사광은 정반사 조건에 가까운 각도에 집중하는 것을 알 수 있다. 반구반사율은 하기 식 2로 표시된다.

R = ∫R( θ)cos( θ)dω= ∫∫R( θ)cos( θ)sin( θ)død θ

= π∫R( θ)sin2( θ)d θ-----------(식2)

여기서 ω, ø, θ는 각각 입체각, 법선을 주심으로 한 방위각, 정점의 각이다.

냉연강판의 표면은 균일하고 랜덤한 거칠기를 갖고 있기 때문에 반사율은 방위각에는 의존하지 않고 일정하므로 정점각 θ에만 의존한다고 가정한다. R(θ)로써 도5의 반사율 분포를 이용하여 θ와 법선에서 그 각도까지의 반사율의 적분치와의 관계를 계산한 결과를 도6에 나타낸다.

종축은 샘플의 반사율의 적분치를 반구반사율로써 정규화하고 있다.

θ가 35°까지의 적분치는 Ra가 1.33㎛의 샘플로 반구반사율 85%, Ra O.48㎛에서는 93%가 된다. 양쪽의 치를 상하한으로 하여 평균을 구한다.

그 역수로써 정반사 조건에서 35°까지 각도의 반사광을 보정하여 4.5%이내의 오차에서 반구 반사율이 구해진다.

2) 반사광 측정의 광학계

본 발명은 로내에 설치되므로 광학계의 외형을 작게 하고 넓은 각도 범위의 도7c의 방법을 고안하였다.

법선 방향에서 투사한 광원의 반사광은 θ가 0°에서 15°까지의 각도성분(정반사광성분)과 15°에서 35°까지의 각도 성분(산란반사광선분)으로 분리하여 시야 제한이 있기 때문에 광원을 모을 수 있는 광 검출기에서 측정한다.

이 방법으로 냉연강판표면상의 반사율 측정부의 면적을 도8에 나타내었다.

정반사광 성분과 산란반사광 성분은 각각 도8a의 S1,S2의 부분에서의 반사광을 측정하고 있다. 여기에서 본래의 산란반사광의 성분은 도8b의 사선으로 표시한 θ가 15°에서 35°의 범위 S3를 전부 측정할 필요가 있지만 실제로 측정하고 있는 면적 S1,S2는 그내의 일부이기 때문에 방사기준 샘플을 이용하여 교정에 의하여 보정을 행한다.

광원에는 LED를 사용하여 소형에서 발열이 적고 고휘도의 광투사가 가능하게 되어 측정 대상물이 고온의 경우에서도 고 SN비(신호와 잡음의 비)로 반사광 측정이 가능하다.

나아가서, 상술한 바를 기초로 본 발명의 구성을 설명한다.

1) 광학계의 구성

도9는 본 발명에 따른 온도계의 전체 구성도인데, 이를 참조하여 설명하면 라이트소스로서 평행광속의 광원에는 방사온도계의 검출 파장과 거의 동일파장의 약 880nm에 중심발광 파장이 있고 판폭치가 50nm의 발광 스펙트럼을 갖는 고휘도 LED를 사용하여 가동전류에 따라 100HZ에서 거대파장으로 발광강도를 변조한다.

이 고휘도 LED에서의 변조광을 렌즈와 반구미러(Half 미러)를 통해서 평행광속으로 하여 냉연강판에 직각으로 투사한다. 정반사광 성분측정용 광검출기는 평행광속과 동축상에 설치하면 함께 열방사광의 측정도 겸하게 된다.

산란반사광 성분은 특히 냉연강판의 경사에 의한 측정치의 변동이 크다.

도10는 경사각도에 대하여 정규화한 산란반사광 성분의 변화를 나타내고 있다.

파선으로 표시한 한 방향만의 산란반사광 측정에서는 2°의 경사에서도 약50%의 측정오차가 있으며, 상호간에 대응하는 2개의 방향에서의 측정치를 평균한 경우에는 3°의 경사에도 측정치가 5°정도이다.

따라서 도9에서는 생략하고 있지만 산란반사광 성분의 광검출기는 원주방향에 90°마다에 등간격으로 4개소 설치하여 이 검출기에서의 평균치를 산란반사광 강도로 함으로써 측정 대상인 냉연강판의 경사에 동반한 반사광 검출기의 변동을 저감한다.

LED의 발광강도는 온도에 따라서 변화하기 때문에 반구미러를 통과한 광의 일부를 검출하여 기준 광도로 하여 보정을 행한다.

정반사광, 산란반사광, 기준광강도는 LED가 발광한 타이밍과 동기하여 측정한다. 정반사광 성분의 검출기에서는 LED가 소광한 타이망과 동기한 출력을 열방사 휘도로 하여 측정한다.

각각의 출력은 연산장치에 의해 위 식1,2에 의해 방사율의 계산을 행한다.

흑체로를 사용하여 미리 교정한 열방사휘도와 온도와의 관계로부터 방사율로 보정하여 실 온도로 하여 출력한다.

2) 광학계 냉각장치

광학계의 측정부는 연속소둔로의 고온환경에서 사용되므로 수냉각을 행하고 창부에는 질소가스로 측정부 내부를 퍼지하여 방사전열에 의한 내부온도 상승을 방지하고 있다.

3) 광학계 조정장치

광학계는 장기간에 걸쳐 사용하는 관계로 오염이 될 수 있으므로 이러한 오염을 감지하기 위하여 측정부의 하부에는 알미늄 미러와 흑색 도료를 도포한 냉연강판을 취부한 기준반사판을 설치한다.

이 기준반사판은 외부에서의 지시에 의하여 전동으로 회전을 시킬 수가 있으며 알미늄 흡착 미러를 측정하는 경우는 반사율이 0.97, 흑색도료의 경우는 반사율이 0.04로 하여 캘리브레이션을 행한다.

이러한 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

1) 산화에 따른 방사율 측정 온도 평가

냉연 강판을 진공를 사용하여 서서히 산화시켜 소정의 방사율에 달했을 때 공기읠 도입을 정지하여 산화의 진행을 정지시키는 방법으로 산화상태에 따라서 방사율이 다른 방사율 기준이 다른 샘플을 5종류를 작성하였다.

산화하지 않은 상태에서 방사율은 가장낮은 0.42이고, 산화에 따라서 방사율이 포화한 상태에서 0.9였다.

또한, 전체의 방사율은 파장 0.93㎛에 있어서의 차이다.

이 샘플과 광학계 조정장치의 알미늄 미러와 흑색 도료를 도포한 냉연강판을 포함하여 7종류를 샘플하여 다음 식3을 이용하여 반사율 측정법의 교정을 행한다.

반사율=(C1×정반사광 휘도/기준광강도)+(C2×산란반사광휘도/기준광강도)------(식3)

(1)알미늄 흡착 미러를 사용하여 반사율 0.97이 되도록 C1을 조정한다.

이때 당연 미러는 경면 반사특성을 나타내기 때문에 식3의 우측2항은 0이다.

(2) 다음에 남은 6종류의 방사율 기준 샘플을 전부 측정하여 식3에서 직선회기 계산을 이용하여 C2를 결정한다.

그 결과 실측 방사율과 반사율에서 얻어진 방사율과의 오차는 Table1에 나타낸 것처럼 최대에서 약 ±7% 정도이고 실용상 충분한 정도에서의 방사율측정이 가능한 것을 확인하였다.

실 방사율	측정(평가) 방사율	방사율 오차(%)
0.42	0.423	2.9
0.59	0.55	6.8
0.7	0.657	6.2
0.85	0.79	-7.1
0.9	0.85	-5.5
0.9	0.96	0

Table. 1 방사율 평가 결과

2) 표면 거칠기에 따른 방사율측정 온도평가

이상 교정에 사용한 방사율 기준 샘플과는 별도로 표면거칠기와 방사율이 다른 냉연강판을 18종류 작성하여 본 온도계의 방사율측정 온도를 평가했다.

표면거칠기는 Ra 0.90, 1.36, 1.44㎛의 3수준으로 평가를 행했다.

이 표면거칠기는 산화중의 방사율의 변화를 측정한 강판과 비교하면 Ra가 커지면 산란 반사 성분도 커져, 반사율의 측정정도가 나빠질 가능성을 생각할 수 있다.

그러나 도11에 나타낸 것처럼 양자의 방사율 대응은 양호하여 0.37~0.91의 방사율 범위에서 측정 정도는 2σ에서 약 13%였다.

흑체로에서 교정한 결과로써 본 온도설계 Table 1에 나타낸 온도 측정 범위에 있어서 방사온도계의 지수 n은 700℃와 950℃에서 각각 16과 13이 되므로 측정온도는 절대온도에 대하여 1%이하가 된다.

Items	specifications
온도범위	650~950℃
방사성범위	0.3~1.0
검출기	실리콘 포토 다이오드(0.93㎛)굴절 Dec'1 산란, Dec' 4
Light source	IR LED(880nm, 50nm)
Light diameter	100mm
Measuring time	1s

Table 2

다음에 냉연강판을 700℃까지 가열하여 산화에 따라서 방사율을 증가시켰을 때 본 온도계의 측정치와 냉간압연 표면에 열전대를 용착하여 측정한 측정치를 비교한 데이터를 도12에 나타내었다.

방사율은 약 0.4에서 0.74까지 변화하고 있지만 측정온도는 ±8℃정도로 위에서 서술한 n에서의 추정이 거의 타당한 것이 확인되었다.

3) 본 온도계와 기 방사온도계의 실측평가

본 온도계를 연속소둔로내에서의 가열대 출측에 시험적으로 설치하여 같은 위치에 기설치되어 있는 방사율을 고정하여 설정한 통상의 온도계와 실측온도를 비교하여 보았다. 연속 소둔로는 통상 불활성가스로 치환되어 조업을 하고 있지만 이때는 정기수리 직전이기 때문에 보통의 경우에는 일어날 수 없는 온도저하와 산화 상태를 발생시켰다.

냉연강판의 온도는 내열성의 바퀴를 구비한 주행중 고온의 냉연강판에서도 안정한 온도의 측정이 가능한 접촉식 온도계를 이용하여 측정했다.

도13에 그 결과를 나타내었다.

본 온도계는 600℃에서 850℃의 온도범위에서 접촉식 온도계와의 온도차이는 ±10℃였다.

그러나 방사율 보정 기능을 갖지 않은 방사온도계는 650℃근방부터 저온의 영역에서 100℃이상의 오차가 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

이것은 냉연강판 표면이 산화에 동반하여 방사율이 0.4에서 0.9로 급격하게 상승하였기 때문에 방사휘도가 증가하여 온도가 급격하게 증가하여 온도를 높게 측정한 것이 원인임을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은 소둔로내의 온도측정 파이로미터의 소재의 조건에 따른 즉각적인 방사율의 조정을 통하여 항상 실온의 측정이 가능하여 강판의 실온에 근접한 온도 측정이 보장되고, 주변조건의 변화에 관계없이 보정율이 변하여 온도를 측정하므로 강판의 재질 변화시 온도 정합성이 양호하며, 온도 헌팅 범위가 축소되므로 재질안정화 및 소둔온도 편차가 적어 신강종 개발가능성을 높여 주고, 온도편차 감소로 안정된 로 연소 컨트롤이 가능하므로 생산성향상을 가져올 수 있는 것등의 효과가 있다.

Claims

거대파장으로 발광강도를 변조할 수 있는 고휘도 LED를 사용하여 이 고휘도 LED에서의 변조광을 렌즈와 반구미러를 통해 평행광속으로 하여 강판표면에 직각으로 투사하고, 이때 강판표면으로부터의 정반사광과 산란반사광의 반사정보를 이용하여 방사율 측정 및 보정을 행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반사정보를 이용한 방사율 보정 온도계.