KR20070090028A - 열전대 조립품 및 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융상의 온도를 연속적으로 측정하기 위한 열전대 조립품에 관한 것으로서, 제1 접합부(3)에서 서로 접촉하여 제1 열전대를 형성하는 제1 세라믹요소(1) 및 제2 세라믹요소(2), 제1 세라믹요소(1) 상에 위치한 제2 접합부(6)에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소로 형성되는 제2 열전대 및 제2 세라믹요소(2) 상에 위치한 제3 접합부(9)에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소(7, 8)로 형성되는 제3 열전대를 포함하고, 여기서 제2 열전대 및 제3 열전대의 양쪽 양의 다리(4, 7) 또는 양쪽 음의 다리(5, 8)는 제1 측정장치(10)에 연결되는 반면에, 제2 열전대 및 제3 열전대의 양쪽 다리(4, 5; 7, 8)는 제2 측정장치(11) 및 제3 측정장치(12)에 각각 연결된다. 또한, 용융상의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

Description

열전대 조립품 및 사용방법{THERMOCOUPLE ASSEMBLY AND METHOD OF USE}

본 발명은 용융상의 온도의 측정(또는 다른 고온에서의 응용)을 위한 열전대 조립품 및 상기 열전대 조립품을 이용하여 용융상의 온도를 측정(또는 다른 고온에서의 응용)하는 방법에 관한 것이다.

상이한 재료가 접합할 때 재료간의 접합온도에 관한 제베크 효과(Seebeck effect)에 의해서 기전력을 발생시킨다는 것이 공지되어 있다. 열전대는, 공지되어 있고 수 십년동안 주로 사용된 재료로 구성되어 있다. 불행하게도, 이러한 열전대에 사용되는 금속은 산화 경향 또는 사용중에 화학적으로 침식하는 경향이 있어서 장기간에 걸쳐 정확성이 보장되지 않는다. 임의의 비금속 재료, 예를 들면 세라믹이 또한 온도에 관련하여 기전력을 발생시킬 수 있다는 것이 이미 기술되었다. 세라믹은 상기 단점을 극복한다.

GB 2,288,908 또는 US 4,450,314는 예를 들면 용융상의 온도 측정 및 다른 고온에서의 응용을 위한 세라믹 열전대 조립품을 개시하고 있다. 이러한 열전대 조립품은 접합부에서 서로 접촉하는 제1 세라믹요소 및 제2 세라믹요소를 포함하고 하나의 세라믹요소는 다른 세라믹요소에 대하여 압박된다.

비록 세라믹 조립품이 이미 해당 기술에서 진일보했지만, 몇몇 특정 응용 분 야에서는 온도 측정의 정확성을 아직 증진시킬 필요가 있다는 점이 현재 자각되고 있다. 강철의 연속 주조, 열간가압소결 또는 주석조 표면에서의 리본유리 제조와 같이 특히 요구되는 응용을 위해서 2000℃ 정도의 높은 온도를 연속적이고 정확하게 감시하는 것이 실제로 요구된다.

전기적 측정이 이루어지는 제1 세라믹요소 및 제2 세라믹요소의 "저온 단부(cold ends)"에서 저온 접합부가 측정과정에서 중요한 에러를 알려주도록 충분한 크기의 기전력을 발생시키고, 이러한 에러는 접합 온도의 증가와 더불어 증가한다는 사실로부터 주된 문제점이 발생한다. 실제로 제조 및 비용면에서 제한이 있기 때문에, 긴 세라믹 열전대는 제작될 수 없다. 결론적으로, "저온 단부"는 고온 접합부에 비교적 가깝고 또한 비교적 고온에 노출된다. 그 때문에, 또한 상당한 기전력이 "저온 단부"의 세라믹/금속 접합부에서 발생된다. 기전력 판독계에서 판독을 변경시킬 이러한 기전력은 온도에 따라 변화하므로, 고온 접합부에서의 정확하고 연속적인 온도측정이 실현될 수 없다. 예를 들면, 150℃에서만 작동하는 탄화규소/이규화몰리브덴 열전대의 경우, "저온 단부"에서의 10℃의 증가는 최종온도를 대략 10℃만큼 낮게 결정할 것으로 평가되었다. 현재의 응용 범위 내에서, "저온 단부"라는 표현은 접합부(고온 접합부)와 반대되는 제1 세라믹요소 및 제2 세라믹요소의 단부를 의미한다.

고온 접합부 보상은 종래 기술에서 이미 제안되었다. 저온 단부의 냉각(불행하게도, 저온 단부의 냉각은 또한 고온 단부의 온도에도 영향을 줄 수 있거나 단지 비실용적일 수 있다), "저온 단부"에서 발생한 기전력을 무효화하는 기전력을 발생 시키는 전기회로의 사용(이는 그러나 복잡한 구조를 포함하고 세라믹 열전대 조립품에서는 신뢰할 수 없다) 등과 같은 다양한 시도가 있었다. 실제로, 제안된 해결책 중 어떤 것도 세라믹 열전대 조립품의 정확성을 현저하게 증진시켰다고 인정되지 않는다.

그러므로 단순하고, 신뢰할 수 있고(온도로부터 독립적인) 실용적인 방법을 사용하여 세라믹 열전대 조립품의 정확성을 증진시킬 필요가 있다.

제1 접합부에서 서로 접촉하여 제1 열전대를 형성하는 제1 세라믹요소 및 제2 세라믹요소를 포함하고 온도측정용 열전대 조립품에 있어서, 전술한 목적은 상기 조립품이 제1 세라믹요소 상에 위치한 제2 접합부에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소(일반적으로 금속 전도체)로 형성되는 제2 열전대 및 제2 세라믹요소 상에 위치한 제3 접합부에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소(일반적으로 금속 전도체)로 형성되는 제3 열전대를 더 포함할 때 달성되며, 여기서 제2 열전대 및 제3 열전대의 양쪽 양의 다리(positive legs) 또는 양쪽 음의 다리(negative legs)는 제1 측정장치에 연결되는 반면에, 제2 열전대 및 제3 열전대의 양쪽 다리는 제2 측정장치 및 제3 측정장치에 각각 연결되는 것을 알았다.

본 발명자는, 광범위한 온도에서 이러한 저온 접합부에서 발생한 기전력만을 전자수단에 의해서 정확하게 보상하는 것이 불가능하다는 것을 실로 깨달았고, 따라서 고온 접합부에서 실제 기전력을 계산하기 위해서 상기 기전력을 정확하게 측정하거나 계산한 후 이러한 기전력을 가산하거나 차감하기로 결정했다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 제1 측정장치는 기전력 판독계인 반면에, 제2 측정장치 및 제3 측정장치는 열전대 온도 측정장치이다. 그러한 경우에, 상기 저온 접합부에서 발생한 기전력은 측정된 온도값과 실험 데이터(교정곡선) 또는 이론적인 데이터(다항식 곡선)를 비교함으로써 계산 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 측정장치는 기전력 판독계이다. 명백하게, 각 측정장치의 커넥터를 포함하는 제2 및 제3 열전대의 두 다리 사이의 접합부에서, 불필요한 기전력이 또한 발생된다. 유리하게는, 제2 및 제3 기전력 판독계는 이러한 기전력을 위한 보상수단(예를 들면 전기회로)을 포함한다.

바람직하게는, 각 기전력 판독계의 커넥터뿐만 아니라 양쪽 열전대의 전도요소는 종래의 저온 접합부 보상수단이 사용될 수 있도록 금속 전도체로 되어 있다.

바람직하게는, 제1 및 제2 세라믹요소는 탄화규소, 알루미나 그라파이트계 조성물, 질화티타늄, 이규화몰리브덴, 탄화붕소, 이산화티타늄, 탄소 및 안정화 지르코니아 단독 또는 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성된다. 유리한 실시예에 따르면, 제1 세라믹요소는 이규화몰리브덴을 포함하고 제2 세라믹요소는 탄화규소 또는 질화티타늄을 포함한다.

다른 유리한 실시예에 따르면, 제1 세라믹요소는 탄화규소 또는 질화티타늄을 포함하고 제2 세라믹요소는 알루미나 그라파이트계 조성물을 포함한다. 적합한 알루미나 그라파이트계 조성물은 일반적으로 40~70wt.% 알루미나, 20~40wt.% 그라파이트, 2~10wt.% 탄소계 결합재를 포함하고, 잔여부는 마그네시아, 지르코니아, 실리카 등과 같은 다른 내화성 산화물이며, US-A-4721533에 개시되어 있는 조성물이 이러한 목적에 적합하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 세라믹요소는 내부 다리를 형성하고 제2 세라믹요소는 외부 덮개를 형성한다. 그 때문에, 제2 세라믹요소는 용융상에 의한 침습으로부터 제1 세라믹요소를 보호한다. 이러한 경우에, 제2 세라믹요소는 일반적으로 특정 시간 동안 용융상 침습을 견딜 수 있도록 선택되고, 이 경우의 매우 적합한 재료는 알루미나 그라파이트계 조성물이다.

이러한 실시예의 경우에는, 조립품은 바람직하게는 내부 다리 주위에 (바람직하게는 알루미나로 구성된) 전기적 절연슬리브를 더 포함한다. 이는 전기적 절연을 제공하고 로드(rod) 보유 및 진동완화를 제공하는데 도움을 준다.

경우에 따라서는, 과도한 로드 이동(특정 응용에서만)을 방지하기 위해 내부 다리를 절연하는 슬리브 주위에 위치하는 추가의 슬리브를 갖는 것이 또한 유리할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 예를 들면 US-A-4721533에 기술된 것과 같이 열전대 조립품이 세라믹 보호슬리브 내에 맞물리게 할 수 있다. 그러한 경우에, 제2 세라믹요소의 외벽 또는 보호슬리브의 내벽에 전기적 절연 코팅을 제공하는 것이 유리하다. 알루미나계 코팅은 특히 그러한 응용에 적합하다. 슬리브 자체는 GB-A-2263427에 개시된 것과 같이, 스토퍼, 침지노즐, 내부노즐, 내화성 플레이트 등과 같은 종래의 주조 요소의 일부로서 형성 가능하다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은,

a) 본 발명에 따른 열전대 조립품을 고온환경에 도입하는 단계로서, 제1 접합부가 측정되어야 하는 온도점에 또는 근처에 위치하고,

b) 제1, 제2 및 제3 측정장치로 제1, 제2 및 제3 기전력을 계산하거나 측정하는 단계;

c) 저온 접합부에서 발생한, 계산되거나 측정된 기전력을 가산하거나 차감함으로써 제1 (고온) 접합부에서 발생한 실제 기전력을 계산하는 단계;

d) c)단계에서 계산한 실제 기전력을 온도로 전환하는 단계를 포함하는 온도 측정방법에 관한 것이다.

예를 들면, 제2 및 제3 열전대의 양쪽 양의 다리가 기전력 판독계에 연결된다면, 판독계에 나타나는 전체 기전력은 제1 (고온) 접합부에서 발생한 기전력에 제1 세라믹요소의 저온 단부에서 발생한 (제2 측정장치를 사용하여 계산되거나 측정된 것과 같은) 기전력을 더하고 제2 세라믹요소의 저온 단부에서 발생한 (제3 측정장치를 사용하여 계산되거나 측정된 것과 같은) 기전력을 뺀 값과 동일할 것이다.

이로써, 제1 (고온) 접합부에서 발생한 기전력은, 예를 들면 교정곡선 또는 다항식 표현과 이 값을 비교함으로써 쉽게 산정되고 온도로 전환될 수 있다.

b)단계 내지 d)단계의 반복은 온도의 연속적인 측정을 제공할 것이다.

본 발명을 더 잘 설명하기 위한 관점에서, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 기술할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열전대 조립품을 도시한 개략도이다.

도 2는 전술한 방법을 사용하여 도 1의 열전대 조립품으로 결정된 온도를 도시하는 도표이다.

따라서, 도 1은 본 발명에 따른 용융상의 온도 측정을 위한 열전대 조립품을 개략적으로 도시한다. 이는 제1 접합부(3)에서 서로 접촉하여 제1 열전대를 형성하는 제1 세라믹요소(1) 및 제2 세라믹요소(2)를 포함한다. 사용중에, 접합부(3)는 용융상의 레벨 또는 그 아래에 위치한다. 제2 접합부(6)에서 서로 접촉하고 바람직하게는 금속 전도체인 두 개의 다른 전도요소로 형성된 제2 열전대는, 제1 세라믹요소(1)[바람직하게는 제1 세라믹요소(1)의 저온 단부 주위]에 위치한다. 제3 접합부(9)에서 서로 접촉하고 바람직하게는 금속 전도체인 두 개의 다른 전도요소(7, 8)로 형성된 제3 열전대는, 제2 세라믹요소(2)[바람직하게는 제2 세라믹요소(2)의 저온 단부 주위]에 위치한다. 제2 및 제3 열전대의 양쪽 양의 다리(4, 7) 또는 양쪽 음의 다리(5, 8)는 제1 측정장치(10)(예를 들면, 기전력 판독계)에 연결된다. 제2 및 제3 열전대의 양쪽 다리(4, 5; 7, 8)는 제2 및 제3 측정장치(11, 12)(예를 들면, 열전대 온도측정장치)에 각각 연결된다.

그 때문에, 고온 접합부(3)에서 발생한 기전력을 결정할 때 저온 단부에 발생하는 기전력을 정확하게 측정하여 고려할 수 있다. 고온 접합부에서 발생한 기전력은, 예를 들면 이 값을 교정곡선 또는 다항식 표현과 비교함으로써 쉽게 산정되고 온도로 전환될 수 있다. 매우 놀랍게도, 이러한 장치는 제1 기전력 판독계(10)에 연결되는 제2 및 제3 열전대의 양쪽 양의 다리(4, 7) 또는 양쪽 음의 다리(5, 8)를 사용함으로써 매우 간단하게 얻을 수 있다.

도 2는 용융강의 연속 주조에 사용되는 턴디쉬(tundish)에서 본 발명에 따른 열전대 조립품으로 연속적으로 측정한 온도 대 주조시간을 묘사한 곡선(연속적인 라인)을 도시한다. US-A-4721533에 개시한 바와 같이 열전대 조립품이 알루미나 그라파이트 보호슬리브 내로 삽입하고 턴디쉬로부터 유출하는 용융강 흐름을 제어하는 스토퍼 로드(rod) 근처에 위치시켰다. 주조공정의 초기[턴디쉬 상류의 래들(laddle)의 개방시]에, 온도가 빠르게 상승하였다. 열전대 조립품의 반응시간이 우수하게 나타났다. 약 90분 후에, 턴디쉬의 온도는 1450℃ 근처로 있었다; 이는 제1 래들의 말단과 일치한다. 새로운 래들을 적소에 배치하고 우수한 반응시간에 의해 온도가 다시 상승하였다. 다시 100분 후에, 제2 래들을 두고, 제3 래들을 적소에 배치하고 개방하였다. 전체 주조공정 동안, 턴디쉬의 반대 측에 위치하고, US-A-4721533에 개시된 것과 같이 비수비우스(VESUVIUS) 미국 법인에 의해 판매된 ACCUMETRIX 타입의 표준 열전대 조립품을 사용하여 대응하는 온도를 결정하였다. ACCUMETRIX 센서로 측정된 온도가 도 2에서 삼각형으로 묘사된다. 이는 양 시스템으로 측정한 온도가 주조공정에 따라 모두 완벽하게 대응하는 것을 도시한다. 이용 후에, 본 발명에 따른 열전대 조립품을 점검하였고 어떠한 손상도 관찰되지 않았다.

Claims (12)

1. 온도측정용 열전대 조립품으로서,

   제1 접합부(3)에서 서로 접촉하여 제1 열전대를 형성하는 제1 세라믹요소(1) 및 제2 세라믹요소(2);

   상기 제1 세라믹요소(1) 상에 위치한 제2 접합부(6)에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소(4, 5)로 형성되는 제2 열전대; 및

   상기 제2 세라믹요소(2) 상에 위치한 제3 접합부(9)에서 서로 접촉하는 두 개의 다른 전도요소(7, 8)로 형성되는 제3 열전대를 포함하고,

   상기 제2 열전대 및 상기 제3 열전대의 양쪽 양의 다리(4, 7;positive legs) 또는 양쪽 음의 다리(5, 8;negative legs)는 제1 측정장치(10)에 연결되며, 상기 제 2 열전대 및 상기 제3 열전대의 양쪽 다리(4, 5; 7, 8)는 제2 측정장치(11) 및 제3 측정장치(12)에 각각 연결되는 것인 열전대 조립품.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 측정장치(10)는 기전력 판독계이고, 제2 측정장치(11) 및 제3 측정장치(12)는 열전대 온도 측정장치인 것인 열전대 조립품.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 측정장치(10), 제2 측정장치(11) 및 제3 측정장치(12)는 기전력 판독계인 것인 열전대 조립품.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도요소(4, 5, 7, 8)는 금속전도체인 것인 열전대 조립품.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세라믹요소(1) 및 상기 제2 세라믹요소(2)는 탄화규소, 질화티타늄, 이규화몰리브덴, 탄화붕소, 이산화티타늄, 탄소, 안정화 지르코니아 및 알루미나 그라파이트계 조성물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것인 열전대 조립품.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세라믹요소는 내부 다리(1)를 형성하고 제2 세라믹요소는 외부 덮개(2)를 형성하며, 상기 외부 덮개(2)는 바람직하게는 알루미나 그라파이트계 조성물로 형성된 것인 열전대 조립품.
7. 제6항에 있어서, 상기 내부 다리(1) 주위에 전기적 절연슬리브(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전대 조립품.
8. 제7항에 있어서, 전기적 절연슬리브(13)는 본질적으로 알루미나로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립품.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 내부 다리(1)를 절연하는 슬리브(13) 주위에 추가의 슬리브(14)가 위치하는 것을 특징으로 하는 열전대 조립품.
10. a) 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열전대 조립품을 고온환경에 도입하는 단계로서, 상기 제1 접합부(3)가 측정되어야 하는 온도점에 또는 근처에 위치하는 것인 열전대 조립품 도입단계;

    b) 상기 제1, 제2 및 제3 측정장치로 제1, 제2 및 제3 기전력을 계산하거나 측정하는 단계;

    c) 상기 제1 접합부(3)에서 발생한 실제 기전력을 계산하는 단계;

    d) c)단계에서 계산한 실제 기전력을 온도로 전환하는 단계

    를 포함하는 용융상의 온도 측정방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 d)단계는 제1 접합부(3)의 온도를 정하기 위해서 상기 c)단계에서 계산된 실제 기전력과 교정곡선 또는 다항식 표현을 비교하는 것을 포함하는 것인 용융상의 온도 측정방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 온도의 연속적인 측정을 위해서 상기 b)단계 내지 d)단계를 반복하는 것을 포함하는 것인 용융상의 온도 측정방법.

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