KR20080112212A

KR20080112212A - 2색 화염 영상 고온계

Info

Publication number: KR20080112212A
Application number: KR1020087021256A
Authority: KR
Inventors: 존 티. 휴스턴; 사이먼 에프. 요셉
Original assignee: 다이아몬드 파워 인터내셔날, 인코포레이티드
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-12-24
Also published as: CA2637260A1; WO2007089742A1; US20070177650A1; JP2009525488A; EP1979728A1

Abstract

물체, 보일러 연소 지역, 또는 버너 화염으로부터 방출되는 2가지 색깔을 온도 영상으로 맵핑하기 위해 광학 시스템 및 컬러 카메라를 사용한다. 상기 컬러 카메라는 정렬 문제를 감소시키고 동일한 광학 경로를 이용하도록, 각각의 컬러를 위해 점재된 픽셀을 갖는 컬러 비디오 칩을 이용한다. 또한, 광학 시스템은 단일의 이중 대역 통과 필터를 사용하므로써, 광학 소자의 갯수를 제거하고 광학 시스템을 통한 복사 손실을 최소화하여 시스템의 동적 범위를 개선시킨다.

스펙트럼, 검출기, 비디오 카메라, 프로세서, 필터

Description

2색 화염 영상 고온계{TWO-COLOR FLAME IMAGING PYROMETER}

본 발명은 일반적으로 연소 장치에 사용하기 위한 광학 고온계용 시스템에 관한 것이다.

광학 고온계는 물체 또는 매체의 스펙트럼 복사 방출도에 기초하여 물체 또는 매체의 온도가 결정되는 측정 기법이다. 이러한 기법은 연소 처리과정의 평가 및 대형 연소장치내에서의 표면 포울링 상태 등을 포함하여, 다양한 용도로 사용되고 있다. 전형적으로, 이러한 용도를 위한 비디오 고온계는 광의 하나의 파장 대역이 제2광학 경로 아래에서 처리되도록, 두개의 광학 경로를 이용한다. 각각의 광학 경로는 두개의 분리된 영상을 생성하며, 이러한 영상들은 두개의 단색 비디오 카메라에 포커싱되거나 또는 단일의 단색 비디오 카메라의 두개의 비중첩 영역에 포커싱된다. 이러한 디자인중 하나가 미국 특허 제5.225.893호에 개시되어 있다.

상술한 종래기술의 경우에 있어서, 일치하는 광학 경로는 이중 파장 고온계 보상을 위한 영상의 적절한 수렴 및 촛점을 보장하기 위하여, 광학 경로 길이 균등화 뿐만 아니라 카메라 또는 카메라들의 공간상에서 매우 정밀한 영상 정렬을 요구한다. 오정렬, 진동, 및 열팽창 등으로 인한 광학 경로의 길이 또는 공간 정렬의 진동은 상당한 온도측정 에러 및 빈약한 영상으로 나타나게 된다.

상술한 바를 감안할 때 비디오 고온계를 위한 개선된 시스템에 대한 요망이 존재하는 것이 명백하다.

언급된 결점 및 관련 기술의 기타 다른 한계점을 극복할 뿐만 아니라 상술한 바와 같은 요망사항을 만족함에 있어서, 본 발명은 연소 장치에 사용하기 위한 비디오 고온계를 위한 개선된 시스템을 제공한다.

본 발명의 시스템은 로(furnace) 등과 같은 물체, 보일러 연소 지역, 또는 버너 화염으로부터 방출되는 2가지 색깔을 온도 영상으로 맵핑하기 위해 광학 시스템 및 컬러 카메라를 사용한다. 상기 컬러 카메라는 정렬 문제를 감소시키고 동일한 광학 경로를 이용하도록, 각각의 컬러를 위해 점재된 픽셀을 갖는 컬러 비디오 칩을 이용한다. 시스템에서는 RGB(적색-녹색-청색) 또는 CyGrMgYe(청록색-녹색-심홍색-황색) 컬러 비디오 카메라가 사용된다. 또한, 광학 시스템은 단일의 이중 대역 통과 필터를 사용하므로써, 광학 소자의 갯수를 제거하고 광학 시스템을 통한 복사 손실을 최소화하여 시스템의 동적 범위를 개선시킨다.

본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도1은 본 발명에 따른 비디오 고온계 시스템의 사시도.

도2는 본 발명에 따른 이중 대역 통과 필터의 전송 특징을 도시한 그래프.

도3은 본 발명에 따른 RGB 컬러 카메라를 위한 정점 스펙트럼 응답을 도시한 그래프.

도4는 본 발명에 따른 CyGrMgYe 4색 카메라를 위한 정점 스펙트럼 응답을 도시한 그래프.

도1에는 본 발명의 원리를 채택한 시스템(50)이 도시되어 있다. 그 주요 부품으로서, 시스템(50)은 광학 시스템(57)과 컬러 비디오 카메라(62)를 포함한다.

시스템(50)은 로, 보일러 등과 같은 물체(52) 및 버너 화염의 등온선 형상 온도 맵핑과 원격 관찰을 제공한다. 주로 로(furnace) 또는 보일러 온도 측정을 위한 것이지만, 시스템(50)은 스펙트럼내에서 복사하는 물체 또는 매체의 온도와 컬러 카메라(62)의 조도 범위를 정밀하게 측정한다. 물체(52)는 선(54)으로 도시된 바와 같은 광학 복사선을 방출한다. 광학 복사선(54)은 물체(52)를 통해 전송되고, 광학 시스템(57)에 의해 수신된다.

광학 시스템(57)은 컬러 카메라(62)의 컬러 검출기(60)에 물체(52)의 포커싱 영상을 형성하는 대물 렌즈(56)를 포함한다. 대물 렌즈(56)는 이중 대역 패스 필터(58)와 광학적으로 연결되어 있다. 이중 대역 패스 필터(58)는 광의 2파장 대역을 전송하지만, 그 광 파장을 차단한다. 이중 대역 패스 필터(58)를 통해 전송된 광은 컬러 검출기(60)에 도달되어, 컬러 카메라(62)에 의해 검출된다. 따라서, 시스템(50)은 두개의 분리된 광학 경로를 요구하지 않으며, 그대신 컬러 카메라(62)의 단일의 컬러 검출기(60)에 영상을 형성하기 위해, 이중 대역 패스 필터(58) 및 단일의 광학 경로를 사용한다. 컬러 카메라(62)의 각각의 픽셀에는 두개의 컬러가 분리되어 포커싱되기 때문에, 다수의 CCD 어레이의 공간 정렬이 필요없다. 또한, 두개의 컬러는 동일한 광학 경로를 사용하기 때문에, 경로의 길이가 균등할 필요가 없다.

또한, 컬러 카메라(62)는 종래의 3색 RGB(적색-녹색-청색) 형태의 카메라이거나, 또는 컬러 카메라(62)는 새로운 4색 보완형 CyGrMgYe(청록색-녹색-심홍색-황색) 형태의 카메라일 수도 있다. 각각의 컬러는 가시광의 파장 대역에 감응하는 픽셀 세트를 나타낸다. 각각의 픽셀 세트는 컬러 카메라(62)의 컬러 검출기(60)에 교차하는 패턴으로 배치된다. 다수의 컬러 픽셀이 배치되어 있는 기타 다른 단일 검출기 컬러 카메라는 상술한 카메라로 대체될 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 카메라는 두개의 컬러가 용이하게 디스플레이되어 다양한 하드웨어 및 소프트 패키지에 의해 처리될 수 있게 하는 표준 인터페이스를 제공한다. 스펙트럼 응답이 각각의 카메라 형태에 대해 상이하더라도, 선택된 카메라를 위해 이중 대역 패스 필터(58)가 설계될 수 있다. 또한, 통상적으로 사용될 수 있는 컬러 카메라 및 가시 스펙트럼 옵틱은 경비를 저렴하게 하며, 우아한 상용 솔루션을 제공하기 위해 용이한 부품이 사용될 수 있게 한다.

이중 대역 패스 필터(58)는 도2에 도면부호 70 및 72로 도시된 바와 같이 두개의 협소한 대역을 통과하도록 설계된다. 각각의 파장 대역(70, 72)은 픽셀 세트의 감성 대역에 대응한다. 또한, 각각의 대역(70, 72)은 각각의 픽셀 세트의 대응하는 감성 대역 보다 더욱 협소하거나 제한적이다. 대역(70)은 최소 컷오프 파장(WL1)과, 최대 컷오프 파장(WL2)을 갖는다. 따라서, 대역(70)의 대역폭은 WL1 과 WL2 사이의 범위, 즉 BW1 이다. 이와 마찬가지로, 대역(72)은 최소 컷오프 파장(WL3)과, 최대 컷오프 파장(WL4)을 갖는다. 따라서, 대역(72)의 대역폭은 WL3 과 WL4 사이의 범위, 즉 BW2 이다. 이중 대역 패스 필터(58)는 오직 선택된 파장 대역만을 통과하는 특수한 광학 필터를 구성하거나 또는 짧은 패스 틸터와 긴 패스 필터 그리고 대역(70, 72)에 따라 두개의 모드를 발생시키는 노치 필터 등과 같은 3개의 분리된 광학 필터를 단일의 광학 장치에 집적시키므로써 실행될 수 있다. 이러한 중첩되는 필터로 이중 대역 패스 필터(58)를 구축하므로써, 짧은 패스 필터는 대역(72)의 가장 긴 파장(WL4)까지 파장을 통과시키도록 선택되며, 긴 패스 필터는 대역(70)의 가장 짧은 파장(WL1) 이하로 파장을 통과시키도록 선택된다. 상기 두개의 필터는 WL1 과 WL4 사이의 모든 파장을 통과시키는 매우 넓은 대역 패스 필터를 형성한다. 노치 필터는 대역(70)의 가장 긴 파장(WL2)과 대역(72)의 가장 짧은 파장(WL3) 사이의 파장을 차단하도록 선택된다. 상기 노치 필터는 WL2 까지의 파장을 통과시키고, WL2 와 WL3 사이의 파장을 차단하며, WL3 이상의 파장을 통과시킨다. 스펙트럼 응답은 대역(70)을 위해 (WL1 + WL2)/2 과 대역(72)을 위해 (WL3 + WL4)/2 의 중앙 파장을 갖는 3개의 필터 제품이다. 또한, 대역(70)의 대역폭(BW1)은 WL2 - WL1 이며, 대역(72)의 대역폭(BW2)은 WL4 - WL3 이다. 또한, 이중 대역 패스 필터는 두개의 필터를 사용하여 제조된다. 예를 들어, WL1 과 WL4 사이의 파장을 통과시키기 위해서는 하나의 매우 넓은 대역 패스 필터가 사용되며, WL2 와 WL3 사이의 파장을 차단하기 위해서는 노치 필터가 사용된다.

도3에는 RGB 컬러 카메라에 대한 스펙트럼 응답이 제공되어 있으며, 적색에 대한 스펙트럼 응답은 도면부호 80 으로 도시되어 있고, 녹색 및 청색에 대한 스펙트럼 응답은 도면부호 82 및 84로 각각 도시되어 있다. 온도 연산에 대한 가장 정확한 컬러 및 최적의 광학 신호를 얻기 위하여, 이중 대역 피스 필터의 두개의 대역(BW1, BW2)은 두개의 컬러 카메라의 스펙트럼 정점을 밀착시켜 매칭시킨다. RGB 형태의 컬러 카메라인 경우, 정점 스펙트럼 응답은 청색에 대해 470 나노미터에, 녹색에 대해서는 540 나노미터에, 적색에 대해서는 650 나노미터에 집중된다. 따라서, 이중 대역 패스 필터는 대역(70)에 대해서는 470 나노미터에서, 대역(72)에 대해서는 540 나노미터에서, 대역(70)에 대해서는 470 나노미터에서, 대역(72)에 대해서는 650 나노미터에서, 또는 대역(70)에 대해서는 540 나노미터에서, 대역(72)에 대해서는 650 나노미터에서 집중된다. 협소한 대역 파장에 대한 스펙트럼 응답을 제한하므로써, 컬러 검출기(60)상의 각각의 픽셀에서 온도를 해결하기 위해 하기의 식(1)에 제공된 플랑크의 법칙이 사용된다.

W(λ, T) = ε^*C1/(λ^{5 *}(exp(C2/λT)-1)) (1)

W(λ, T): 물체 또는 매체의 스펙트럼 복사 방출도

ε: 물체 또는 매체의 복사율

λ: 복사선의 파장

T: 물체 또는 매체의 온도

C1, C2: 상수

2색 고온계에서는 복사율이 동일하거나 또는 일정한 비율을 갖는 2개의 상이한 파장이 선택되어, 두개의 식을 나타내게 된다.

W₁(λ₁, T) = ε₁ ^*C1/(λ₁ ^{5 *}(exp(C2/λ₁T)-1)) (2)

W₂(λ₂, T) = ε₂ ^*C1/(λ₂ ^{5 *}(exp(C2/λ₂T)-1)) (3)

W₁ 및 W₂는 선택된 파장(λ_{1 ,}λ₂)에서의 측정된 스펙트럼 복사 방출도이고, ε₁, ε₂는 각각의 파장에서의 복사율이다.

이러한 식들의 동시 해결(대수학적 연산)은 이러한 식들의 가타 다른 모든 항이 알려져 있거나 동일하기 때문에, 온도(T)를 제공한다.

가시 스펙트럼(380 또는 780 나노미터) 등과 같이 상대적으로 짧은 파장이 사용될 때, "-1" 은 상기 두 식에서 무시할 수 있어서 단일의 비교식을 생성하는 더욱 간단한 동시 해결을 허용한다.

T = (C2^*((1/λ₂)-(1/λ₁)))ln((1/λ₁)/(1λ₂)⁵ ^*(W₁/W₂)) (4)

상기 (C2^*((1/λ₂)-(1/λ₁)))ln((1/λ₁)/(1λ₂)⁵ 는 모든 온도에서 파장의 쌍에 대해 일정하며, 비교식은 하기처럼 더욱 간단해질 수 있다.

T = K^*(W₁/W₂) (5)

2색 비디오 고온계인 경우, 온도의 공간 분포는 각각의 카메라 픽셀에 대한 온도를 해결하므로써 확인될 수 있다.

도4에는 CyGrMgYe 보완형 컬러 카메라를 위한 스펙트럼 응답이 도시되어 있다. 청록색에 대한 스펙트럼 응답은 도면부호 90이고; 녹색, 심홍색, 황색에 대한 스펙트럼 응답은 도면부호 92, 94, 96 으로 각각 도시되었다. 보완형 컬러 커메라인 경우, 정점 스펙트럼 응답은 약 450 나노미터이고, 심홍색에 대해서는 610 나노미터, 청록색에 대해서는 510 나노미터, 녹색에 대해서는 540 나노미터, 황색에 대해서는 550 나노미터이다. 이러한 정점 파장중 두개는 2색 온도 연산을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 온도 측정 정밀성에 대한 최적의 색갈을 위하여, 응답 중첩이 큰 정점 파장의 쌍은 회피된다. 예를 들어, 스펙트럼 응답의 정점 파장에서 중첩이 크기 때문에 녹색 및 황색을 이용하기가 어렵다. 그러나, 하기와 같은 파장의 쌍, 즉 450 나노미터 및 540 나노미터(Mg 및 Gr 채널), 450 나노미터 및 550 나노미터(Mg 및 Ye 채널), 610 나노미터 및 510 나노미터(Mg 및 Cy 채널), 또는 610 나노미터 및 540 나노미터(Mg 및 Gr 채널)이 효과적으로 사용될 수 있다. 컬러 카메라(62)의 내부 컬러 필터를 따라 이중 대역 패스 필터(58)의 조합은 이중 파장 멀티픽셀 고온계를 제공하며, 이러한 고온계는 간단한 비교식 T = K^*(W₁/W₂)을 위한 두개의 복사값(W1, W2)을, 관찰 필드에서 각각의 픽셀을 위한 RS-170A 등과 같은 표준 컬러 비디오 신호 포맷으로 제공한다. 상기 K는 두개의 복사값 사이에서 시스템(50)의 감성을 조정하기 위한 상수와 동일하다.

비디오 프로세서(64)는 표준 컬러 비디오 신호 포맷에서 복사값(W1, W2)을 분리된 컬러로 수신하고, 간단한 비교식 T = K^*(W₁/W₂)을 사용하여 각각의 픽셀에 대한 온도를 연산한다. 따라서, 비디오 프로세서(64)는 물체(52)의 온도 분포에 대한 실시간 등온 등고선을 비디오 디스플레이(66)에 대한 표준 컬러 비디오 신호로 제공한다. 또한, 비디오 프로세서는 수신된 컬러중 하나 또는 둘에 따라 관찰 필드의 비디오를 발생하기 위해 제공된 비디오 신호를 이용한다.

또한, 두개 이상의 파장이 상술한 바와 동일한 방식으로 사용될 수 있으며, 그 결과는 온도 측정을 제공하도록 조합될 수 있다. RGB 컬러 검출기의 경우, 모두 3개의 채널이 사용되며, 3개의 모드 대역 패스 필터는 상술의 이중 모드 필터로 대체될 수 있다.

본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims

광학 복사선을 방출하는 물체의 온도를 측정하기 위한 고온계 시스템에 있어서,

다수의 사진 소자를 포함하는 컬러 검출기가 구비된 컬러 비디오 카메라와,

물체로부터의 광학 복사선을 컬러 검출기상에 포커싱하기 위한 광학 시스템과,

제1 및 제2사진 소자로부터의 신호에 기초하여 물체의 온도를 결정하는 프로세서를 포함하며,

상기 다수의 사진 소자는 광의 제1컬러 스펙트럼을 검출하는 제1소자세트와, 광의 제1컬러 스펙트럼을 검출하는 제2소자세트를 포함하며; 상기 광학 시스템은 컬러 검출기를 갖는 광학 경로에 적어도 하나의 필터를 포함하며; 상기 필터는 광의 제1컬러 스펙트럼과 중첩되는 제1스펙트럼 대역과, 광의 제2컬러 스펙트럼과 중첩되는 제2스펙트럼 대역을 전송하는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 물체로부터의 광학 복사선은 단일의 광학 경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 컬러 비디오 카메라는 RGB 컬러 비디오 카메라인 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 470 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 540 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 470 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 650 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 540 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 650 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 컬러 비디오 카메라는 CyGrMgYe 컬러 비디오 카메라인 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제7항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 450 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 550 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제7항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 450 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 540 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제7항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 450 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 610 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제7항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 510 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 610 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제7항에 있어서, 필터는 제1 및 제2대역 외측으로 광을 차단하며, 상기 제1대역은 약 540 나노미터의 파장에서 집중되고, 제2대역은 약 610 나노미터의 피장에서 집중되는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 프로세서는 T = K^*(W₁/W₂)에 기초하여 온도를 연산하며, 상기 T는 물체의 온도이고, W₁은 제1소자 세트의 측정된 스펙트럼 방출도이고, W₂은 제2소자 세트의 측정된 스펙트럼 방출도인 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 제1스펙트럼 대역은 광의 제1컬러 스펙트럼 보다 협소하고, 제2스펙트럼 대역은 광의 제2컬러 스펙트럼 보다 협소한 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.
제1항에 있어서, 물체로부터의 광학 복사선은 단일의 광학 경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 고온계 시스템.