KR20050065772A - 유도전류를 이용한 온도측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성 물체의 물성변화를 검출하여 간접적으로 물체의 온도를 측정함으로서 종래 고온 도체의 온도를 비접촉식으로 측정하는 방사온도측정시스템이 갖고 있는 외란의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 가열 및 냉각설비의 운전향상을 도모하여 최종생산품의 품질향상 및 공정의 최적화를 달성할 수 있는 유도전류를 이용한 온도측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 유도전류를 이용한 온도측정장치는, 고온상태의 측정대상물(11)에 외부 교류전원에 의하여 발생되는 제1자장을 인가하기 위한 자장발생기(1); 상기 자장발생기(1)로부터 발생되어 측정대상물(11)을 통과하는 제1자장에 의하여 측정대상물(11) 내부에 발생되는 유도전류에 의하여 변화된 제2자장을 검출하여 그에 상응하는 전압으로 출력하기 위한 출력전압 검출기(2); 상기 출력전압 검출기(2)로부터 출력되는 전압을 이용하여 온도로 변환하기 위한 연산기(3); 상기 연산기(3)에서의 측정대상물의 온도변환에 필요한 전압-온도 보정식 데이터를 저장하는 메모리(4); 및 상기 연산기(3)에 의하여 변환된 온도를 표시하기 위한 온도표시기(5);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도전류를 이용한 온도측정장치{Device for measuring the temperature of hot conductive material using the eddy current}
본 발명은 도전성 물체의 물성변화를 검출하여 간접적으로 물체의 온도를 측정함으로서 종래 고온 도체의 온도를 비접촉식으로 측정하는 방사온도측정시스템이 갖고 있는 외란의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 가열 및 냉각설비의 운전향상을 도모하여 최종생산품의 품질향상 및 공정의 최적화를 달성할 수 있는 유도전류를 이용한 온도측정장치에 관한 것이다.
제철소에서는 철광석을 제련하기 위하여 고온으로 가열하는 작업이 주종을 이루고 있다. 이러한 고온상태의 소재, 특히 금속 등과 같은 전기 전도성 물질들의 온도를 측정하는 것은 제품의 품질에 영향을 끼치기 때문에 매우 정확하게 온도를 측정하는 작업이 요구된다. 그러나 고온상태인 소재의 온도를 온도계를 이용하여 직접 접촉하여 측정하는 것은 정확한 측정치를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 작업에 수반되는 위험도가 크기 때문에 실제 수행하기 어려운 단점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 방사온도계를 각 공정에 적용하여 사용하고 있다.
그러나 방사온도계를 이용한 온도측정은, 가혹한 가열 및 냉각공정에 적용함에 있어서 문제점이 발생되었다. 즉, 대표적인 가열공정인 재가열로에 적용할 경우에 온도 측정대상물과 방사온도계 사이에 고온의 연소가스, 특히 복사참여매질인 H20, CO2, 및 그을음(soot) 등에 의하여 방사온도계의 측정값에 큰 오류가 발생된다. 이로 인하여 재가열로 공정제어에 어려움을 겪게 된다.
또한 대표적인 냉각공정인 압연공정의 경우에는 600-1100 ℃ 사이의 고온소재에 상온의 물로 냉각함으로서 소재표면에 복사참여매질인 냉각수 잔류층 및 고온의 증기가 발생되어 소재의 온도를 방사온도계로 측정하기 불가능하게 된다. 이로 인하여 공정상 최적의 온도관리가 불가능하여 최종제품의 품질이 저하된다.
더욱이, 소재표면에 생성되는 산화스케일층에 의하여 소재내부의 온도를 측정하기 어려운 문제점이 있었다. 이와 같은 이유로 인하여 방사온도계가 아닌 고정도의 비접촉식 온도측정시스템이 요구되고 있는 형편이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 도전성 물체의 물성변화를 검출하여 간접적으로 물체의 온도를 측정함으로서 종래 고온 도체의 온도를 비접촉식으로 측정하는 방사온도측정시스템이 갖고 있는 외란의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 가열 및 냉각설비의 운전향상을 도모하여 최종생산품의 품질향상 및 공정의 최적화를 달성할 수 있는 유도전류를 이용한 온도측정장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비접촉식 온도측정장치는, 고온상태의 측정대상물에 외부 교류전원에 의하여 발생되는 제1자장을 인가하기 위한 자장발생기; 상기 자장발생기로부터 발생되어 측정대상물을 통과하는 제1자장에 의하여 측정대상물 내부에 발생되는 유도전류에 의하여 변화된 제2자장을 검출하여 그에 상응하는 전압으로 출력하기 위한 출력전압 검출기; 상기 출력전압 검출기로부터 출력되는 전압을 이용하여 온도로 변환하기 위한 연산기; 상기 연산기에서의 측정대상물의 온도변환에 필요한 전압-온도 보정식 데이터를 저장하는 메모리; 및 상기 연산기에 의하여 변환된 온도를 표시하기 위한 온도표시기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 유도전류를 이용한 온도측정장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 온도측정장치는 금속과 같이 도전성을 가지며 고온상태의 측정대상물(또는 시험편)의 온도를 접촉식이 아닌 비접촉식으로 측정하기 위한 것으로서, 특히 자기장을 인가할 때 유도전류에 의하여 발생되는 자기장의 변화량을 검출하고 그에 따른 전압값을 이용하여 온도를 비접촉식으로 측정하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 온도측정장치의 개략적인 구성도이다.
도시된 바와 같이, 온도측정장치는, 도전성이며 고온상태인 측정대상물(11)에 제1자장을 인가하기 위한 것으로 측정대상물과 일정거리 갭(D1)을 가지고 설치되는 자장발생기(1)와, 상기 자장발생기(1)로부터 발생되어 측정대상물(11)을 통과하는 제1자장에 의하여 측정대상물(11) 내부에 발생되는 유도전류에 의하여 변화된 제2자장을 검출하여 그에 상응하는 전압으로 출력하기 위한 것으로 측정대상물(11)과 일정거리 캡(D2)을 가지는 설치되는 출력전압 검출기(2)와, 상기 출력전압 검출기(2)로부터 출력되는 전압을 이용하여 온도로 변환하기 위한 연산기(3)와, 상기 연산기(3)에서의 측정대상물의 온도변환에 필요한 전압-온도 보정식 데이터를 저장하는 메모리(4)와, 그리고 상기 연산기(3)에 의하여 변환된 온도를 표시하기 위한 온도표시기(5)를 포함하고 있다. 또한 도 2는 도 1의 자장발생기(1)와 출력전압 검출기(2)의 일실시예들이다.
먼저, 본 발명에 의하여 유도전류(와전류)를 이용한 온도측정원리를 설명하면 다음과 같다. 측정대상물이 도전성 물체(도체)인 경우에는 전기전도도(electric conductivity)는 온도에 따라서 변화되는 특성을 갖는다. 따라서 측정대상물(또는 시험편)에 시간에 따라서 변화하는 자장(磁場)을 인가하고, 이 때 대상물 내부에서 생성되는 유도전류인 와전류(eddy current)에 의하여 변화되는 자장을 계측하여 간접적으로 측정대상물의 온도를 비접촉식으로 계측할 수 있는 것이다.
상기 자장발생기(1)는 제1자장을 발생시켜서 측정대상물(11)에 인가하기 위한 것으로서, 측정대상물(11)로부터 일정거리 갭(D1)을 가지고 자장을 인가하게 된다. 자장발생기(1)에 의하여 인가된 자장은 측정대상물(11)을 통과하면서 와전류인 유도전류(도 2의 15)를 발생시키고, 이 유도전류(15)에 의하여 변화되는 제2자장을 출력전압 검출기(2)를 이용하여 검출한다.
상기 출력전압 검출기(2)도 또한 측정대상물(11)과 일정거리 갭(D2)을 가지고 설치된다. 출력전압 검출기(2)는 자장을 검출하고 그에 상응하는 전압값으로 변환하는 것이다.
출력전압 검출기(2)에 의하여 출력되는 전압값은 연산기(3)에 입력된다. 상기 연산기(3)는 전압값을 그에 상응하는 온도값으로 변환하기 위한 것으로서, 메모리(4)에 저장되어 있는 측정대상물에 대하여 설정된 보정식을 이용하여 전압값을 온도값으로 환산한다.
상기와 같이 온도값을 환산한 후에 온도표시기(5)를 통하여 표시하게 된다. 상기 온도표시기(5)는 통상의 LCD 장치를 이용하거나 또는 컴퓨터의 모니터를 이용할 수 있다.
도 2는 도 1의 자장발생기(1)와 출력전압 검출기(2)의 일실시예이다.
도면에서 자장발생기(1)는 교류전류를 공급하는 정압원(12), 자장인가용 1차 코일(13) 및 1차 코일(13)이 일단부에 감겨진 마그네틱 코어(17)로 구성되고, 출력전압검출기(2)는 상기 코어(17)의 타단부에 감겨진 자장검출용 2차 코일(16)을 포함하는 일실시예이다. 실제로 코어(17)와 1차 및 2차 코일(13,16)에 의하여 전자석이 구성된다. 코어(17)의 양단부와 측정대상물(11) 사이에는 간극(gap)(도 1에서의 D1,D2)이 형성되어 있다. 상기 간극은 동일한 값을 갖도록 코어(17)가 설치된다. 또한 1차 및 2차 코일(13,16)을 감아줄 때 하나의 코어(17)를 공용함으로서 온도측정장치의 구조를 간단하게 제작할 수 있다. 상기 정압원(12)에 의한 교류전류는 고주파 또는 저주파 모두 사용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 온도측정장치의 작동상태는 다음과 같다.
정압원(12)에 의하여 교류전류가 인가되면, 자장인가용 1차 코일(13)에 의하여 코어(17)에서 자장(14)이 발생되고, 발생된 자장(14)은 측정대상물(11)을 투과하게 된다. 이 자장(14)은 측정대상물(11)의 일정 깊이의 내부를 통과하여 자장검출용 2차 코일(16)로 귀환한다. 이 때 외부 고주파 또는 저주파 교류전류에 의해 발생된 자속이 고온의 측정대상물(11) 내부를 통과하면서 시간에 따라서 변화된다.
이러한 변화에 따라서, 패러데이법칙에 의해 측정대상물(11) 내부에 유도기전력이 발생하게 되며, 이 때 렌츠의 법칙에 의하여 측정대상물(11) 내부를 흐르는 자속밀도를 감쇄시키는 방향으로 유도전류(15)가 흐르게 된다.
이 때 흐르는 유도전류(15)의 세기는 측정대상물(11)의 전기전도도에 비례하게 되며, 동시에 측정대상물(11)의 전기전도도는 측정대상물(11) 내부의 온도에 의존하는 물리량값이다.
따라서 측정대상물(11)을 통과한 후에 코어(17)를 통과하는 자속밀도는 감소하게 되며, 이 변화된 자장의 신호를 자장검출용 2차 코일(16)을 통하여 측정하게 된다. 이 측정된 자장검출값을 전압신호로 변환하고, 해당 측정대상물(11)에 대한 보정식을 메모리(4)로부터 가져와 연산기(3)에서 측정대상물(11)의 온도로 환산하여 출력하게 된다.
도 3에 도시된 것은 본 발명에 의한 온도측정장치의 출력전압과 온도 사이의 관계를 도시한 것으로서, 온도영역에 따라서 세 구간으로 나누어지며, 출력신호(전압)과 온도와의 선형성이 우수한 것으로 나타난 것을 알 수 있다. 이 때 기준이 되는 것은 큐리(curie) 온도로서, 약 720℃ 까지는 전압에 따라 선형적으로 변화하고, 720-800℃ 까지는 선형적으로 감소, 800℃ 이상에서는 선형적으로 증가한다. 본 발명에서는 이러한 전압-온도 변화의 특성을 이용하여 보정식을 설정하며, 메모리(4)에 저장된다.
이와 같은 본 발명에 의하면 도전성 물체의 물성변화를 검출하여 간접적으로 물체의 온도를 측정함으로서 종래 고온 도체의 온도를 비접촉식으로 측정하는 방사온도측정시스템이 갖고 있는 외란의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 가열 및 냉각설비의 운전향상을 도모하여 최종생산품의 품질향상 및 공정의 최적화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 온도측정장치의 개략적인 구성도,
도 2는 도 1의 자장발생기 및 전압검출기의 일실시예도,
도 3은 본 발명에 의한 출력전압과 온도관계를 나타내는 그라프.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1 : 자장발생기 2 : 출력전압 검출기
3 : 연산기 4 : 메모리
5 : 온도표시기 11: 측정대상물
12: 정압원 13: 자장인가용 1차 코일
14: 자장 15: 유도전류
16: 자장검출용 2차 코일 17: 코어

Claims (2)

  1. 고온상태의 측정대상물(11)에 외부 교류전원에 의하여 발생되는 제1자장을 인가하기 위한 자장발생기(1); 상기 자장발생기(1)로부터 발생되어 측정대상물(11)을 통과하는 제1자장에 의하여 측정대상물(11) 내부에 발생되는 유도전류에 의하여 변화된 제2자장을 검출하여 그에 상응하는 전압으로 출력하기 위한 출력전압 검출기(2); 상기 출력전압 검출기(2)로부터 출력되는 전압을 이용하여 온도로 변환하기 위한 연산기(3); 상기 연산기(3)에서의 측정대상물의 온도변환에 필요한 전압-온도 보정식 데이터를 저장하는 메모리(4); 및 상기 연산기(3)에 의하여 변환된 온도를 표시하기 위한 온도표시기(5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전류를 이용한 온도측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자장발생기(1)가 교류전류를 공급하는 정압원(12), 자장인가용 1차 코일(13) 및 1차 코일(13)이 일단부에 감겨진 마그네틱 코어(17)를 포함하고, 출력전압검출기(2)는 상기 코어(17)의 타단부에 감겨진 자장검출용 2차 코일(16)과 전압계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전류를 이용한 온도측정장치.
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