KR20210147009A - 비접촉 온도 센서 - Google Patents

Abstract

재료 블랭크(3)의 온도를 측정하는 데 사용하기에 적합한 비접촉 온도 센서(1)를 개시한다. 온도 센서(1)는 하우징(5), 하우징(5)의 전방 단부에 있는 개구(7), 하우징(5) 내에 위치된 반사기(13), 반사기(13)의 전방 표면과 후방 표면 사이에 위치되는 적어도 하나의 애퍼처(15), 및 반사기(13)의 후방에 위치된 광 검출기 장치(17)를 포함한다. 광 검출기 장치(17)는 적어도 하나의 애퍼처(15)를 통과하는 광을 수광할 수 있고 적외선 광의 파장의 적어도 2개의 범위를 검출할 수 있도록 배향된다. 광 검출기 장치(17)는 적외선 광의 파장의 적어도 2개의 범위 각각에 대한 데이터를 출력한다.

Description

비접촉 온도 센서

본 발명은 표면의 온도를 측정하기 위한 비접촉 온도 센서에 관한 것으로, 특히, 프레싱과 같은 성형 공정을 금속 블랭크가 거치기 전에, 당해 금속 블랭크의 표면 상의 한 지점의 온도를 측정하기 위한 센서에 관한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 블랭크는 미리 규정된 형상으로 절단되고 성형 공정에의 입력 재료인, 알루미늄과 같은 얇은 금속 시트이다.

본 출원인의 HFQ(Hot Form Quench) 공정에서는, 전형적으로 섭씨 400도에서 600도 사이인, 알루미늄 합금 블랭크의 로컬 기준 온도에 대한 매우 정확한 온도 측정을 얻을 필요가 있다. 매우 정확한 온도 측정은 섭씨 400도에서 섭씨 600도 범위 내에서 ± 3도로 본다. (i) 재료 템퍼링 공정의 재현성 및 생산 온도 반복성을 모니터링, (ii) 블랭크가 올바른 온도에 있을 때 성형 공정이 수행되도록 보장, (iii) 블랭크의 냉각을 모니터링, 그리고 (iv) 가열 공정이 원하는 방식으로 작동하는지 보장하기 위해 매우 정확한 온도 측정이 요구된다. 이는 프로세스가 성공적임을, 즉 완성된 성형품이 사양에 맞는 것을 보장한다. 블랭크의 온도를 비접촉으로 측정하기 위해 현재 입수할 수 있는 온도 센서는, 충분한 정확도로 온도를 안정적으로 측정할 수 없기 때문에, 출원인의 성형 공정에서 사용하기에 적합하지 않다.

본 발명은, 본 출원인의 HFQ 공정에 적용하는 것 외에도, 정확한 온도 측정이 요구되는 다른 공정에 적용하기에 적합하다.

고온 물체의 온도를 구하는 방법은 무수히 많이 존재하지만, 그들 각각은 본 출원인의 프로세스에 적용할 때 상당한 단점을 갖는다.

측정 방법은 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 열전대 및 서미스터와 같은 접촉 방법과 물체에 의해 방출되는 빛의 스펙트럼 밀도의 온도 의존성을 이용하는 고온계(pyrometer)와 같은 비접촉 방법이 있다. 여기서 빛이라는 용어는, 가시광선의 스펙트럼과 인접하는 영역을 포함하는 전자기 복사의 스펙트럼 영역, 즉 한쪽 끝의 적외선 복사에서 다른 쪽 끝의 자외선 복사까지를 의미하는 데 사용된다. 본 출원은 측정 방법의 두 번째 범주에 속하는 발명에 관한 것이다.

정확한 접촉 측정 시스템은 고온 물체의 표면과의 양호한 접촉을 요구한다. 이러한 접촉은 용접 또는 접합(cementing)에 의해 달성될 수 있지만, 이러한 방법은 구성요소의 표면에 해가되고 생산 시스템으로 확장될 때 많은 비용이 소요된다. 비영구적인 힘 접촉을 제공하기 위해 스프링 시스템이 사용될 수 있지만 이러한 접촉은 접촉 표면에 먼지가 쌓이는 데 민감하고 기계적 마모에 취약하다. 따라서, 이는 생산 환경에도 적합하지 않다.

접촉 측정 시스템의 문제를 극복하기 위해, 많은 산업 공정에서 열복사(전자기 적외선 복사) 고온계를 사용하여 센서가 구성요소에 접촉함이 없이 간접적으로 당해 구성요소의 온도를 측정한다. 이 유형의 고온계는, 규정된 파장 범위에 걸쳐서, 물체의 표면에서 방출되는 열복사를 측정한다. 이어서 복사 에너지는 표면 온도와 방출된 복사 에너지 사이의 알려진 관계에 따라 온도로 변환된다. 앞서 언급한 관계는 물체의 표면 특성에 따라 재료 의존적이다. 이 재료 의존성은 종종 표면 방사율이라고 하는 단일의 스칼라 항으로 단순화된다.

압연기에서 사용되는 것과 같이 그 가공 중 알루미늄 합금의 온도를 측정하기 위한 기존의 시스템은, 알루미늄 합금이 압연기를 통과할 때 알루미늄 합금의 경로를 따라 위치된 다수의 고온계를 포함한다. 압연기 환경에서, 압연기를 통과하는 알루미늄 합금의 표면이 양호하게 제어되며 알려진 특성을 가지고 있기 때문에, 기존 온도 센서를 사용하여 공정을 양호하게 제어할 수 있을 만큼 충분히 정확한 온도 판독을 쉽게 얻을 수 있다. 이에 대하여, 본 출원인이 가공하고자 하는 알루미늄 합금 블랭크는 상이한 압연기로부터 나오므로 상이한 제조 공정을 거치게 되며 그 결과 상이한 물리적 특성을 갖는다. 기존의 온도 측정 센서는 재료의 방사율에 영향을 미치는 물리적 및 화학적 특성의 변동을 충분히 잘 보상하지 못한다. 특히, 기존의 센서는 단일의 블랭크 내 및 상이한 블랭크들 사이에서 발생하는 표면 방사율의 변동을 적절하게 보상하지 못한다. 방사율의 이러한 차이는 예를 들어 시트 전체(또는 다른 시트와 비교하여 어느 한 시트로부터)의 표면 거칠기, 또는 시간 경과에 따라 변동하는, 알루미늄 합금의 표면에 형성되는 산화물 층의 조성 및 두께의 변동으로 인해 발생한다.

블랭크의 순간 방사율이 고온계에 의해 사용되는 파장에 걸쳐 정확하게 결정될 수 있다면, 해당 방사율을 사용하여 열복사 판독으로부터 온도 계산의 정확도를 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 열복사 판독을 관련된 블랭크 온도에 매핑하기 위해 보다 포괄적인 수단이 식별될 수 있다면, 고온계의 정확도가 향상될 수 있다. 그러나 현재 이러한 상관 관계를 결정하려면 생산 환경에서 즉각적인 판독을 제공하는 데 적합하지 않은 고가의 장비가 요구된다. 대신에 본 발명은, 고온계에 의해 검출된 열복사의 강도와, 대응하는 표면 온도의 계산이, 블랭크의 열복사의 스펙트럼의 온도 변동에 최소한 민감하게 유지하면서, 블랭크의 표면 방사율에 덜 민감하도록, 블랭크에 의해 방출되는 열복사를 조작하기 위해 다수의 기술을 이용한다.

온도 측정의 정확성을 결정하기 위해 본 출원인은, 비접촉 온도 센서가 셀프 에러 추정 기능을 가질 수 있는 시스템을 구현하였다.

본 발명의 온도 센서는 가시광선 카메라 및 적외선 카메라로도 구성된 품질 보증 시스템의 일부로서 사용하기 위한 것이다. 이 시스템에서 온도 센서는 기준 영역의 온도를 측정하고 시스템은 해당 온도 측정을 사용하여 적외선 카메라를 사용하여 생성된 열 지도를 교정(calibration)한다.

본 발명의 목적은, 금속 블랭크의 온도 측정에 적합한 고정밀 비접촉 온도 센서를 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은, 종축 X-X를 가지는 비접촉 온도 센서를 제공하며, 당해 비접촉 온도 센서는: 하우징; 상기 하우징의 전방 단부에 있는 개구(opening); 상기 하우징 내에 위치된 반사기; 상기 반사기의 전방 표면과 후방 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 애퍼처(aperture); 상기 반사기의 후방에 위치된 광 검출기 장치(arrangement)를 포함하고, 상기 광 검출기 장치는 상기 적어도 하나의 애퍼처를 통과하는 광을 수광할 수 있도록 배향되고; 상기 광 검출기 장치는 적외선 광의 파장의 적어도 2개의 범위인, 적외선 광의 파장의 제1 범위 및 적외선 광의 파장의 제2 범위를 검출할 수 있으며, 적외선 광의 파장의 상기 제1 및 제2 범위는 이산적이며; 상기 광 검출기 장치는 적외선 광의 파장의 상기 적어도 2개의 범위 각각에 대한 데이터를 출력한다. 상기 광 검출기 장치에 의해 출력되는 데이터는 신호의 디지털 또는 아날로그 표현이다.

바람직한 실시형태에서, 비접촉 온도 센서는 적외선 광원을 더 포함한다.

바람직하게는, 2개의 적외선 광원인, 제1 파장의 적외선 광을 생성할 수 있는 제1 적외선 광원 및 제2 파장의 적외선 광을 생성할 수 있는 제2 적외선 광원이 있다.

상기 적외선 광원에 의해 생성되는 적외선 광의 상기 제1 및 제2 파장은, 각각, 상기 광 검출기 장치에 의해 검출 가능한 적외선 광의 파장의 제1 범위 및 적외선 광의 파장의 제2 범위 내에 있다.

바람직하게는, 적외선 광원은 미러의 전방에 위치된다.

바람직하게는, 상기 적외선 광원은 개별적으로 또는 별개의 그룹으로 배열되는 복수의 분리된 적외선 발광 디바이스를 포함하고, 그리고 상기 개별적인 적외선 발광 디바이스 또는 적외선 발광 디바이스의 상기 별개의 그룹은 서로 이격되어 있도록 배향된다.

바람직하게는, 상기 복수의 분리된 적외선 발광 디바이스는 축 X-X에 대해 횡방향으로 배향되고 종축 X-X와 동축으로 정렬되는 좁은 환형 플랫폼의 전방을 향하는 측에 위치된다.

상기 광 검출기 장치는 단일의 광 검출 모듈 내의 둘 이상의 개별 광 검출기의 배열일 수 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제1 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 다른 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제2 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있다.

다르게는, 상기 광 검출기 장치는 둘 이상의 개별 광 검출기의 배열일 수 있으며, 각각의 검출기는 별개의 광 검출 모듈 내에 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제1 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 다른 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제2 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있다.

유리하게는, 비접촉 온도 센서는, 상기 종축 X-X와 정렬되며 상기 적어도 하나의 애퍼처에 인접하여 이의 후방에 위치된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함한다.

유리하게는, 상기 적어도 하나의 렌즈는, 상기 종축 X-X와 정렬되거나 또는 상기 종축 X-X에 평행한 축과 정렬되고, 상기 적어도 하나의 애퍼처의 후방에 위치된 평면-오목 렌즈이다.

추가 이점을 제공하기 위해, 상기 종축 X-X와 정렬되거나 또는 상기 종축 X-X에 평행한 축과 정렬되고, 상기 적어도 하나의 애퍼처의 후방에 위치된 적어도 하나의 양면 볼록 렌즈(bi-convex lens)가 또한 제공된다.

평면 오목 렌즈와 양면-볼록 렌즈를 제공하는 것은, 이중 렌즈 배열로 집속된 빛이 적외선 검출기에 입사되어 센서 헤드 전체가 조사되도록 함을 보장한다. 이것은, 측정 에러의 도입을 줄여서 온도 센서의 높은 정확도를 보장하는 데 도움이 된다.

바람직하게는, 반사기는 오목 미러이다. 그러나, 미러는 다른 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 미러는 평탄할 수 있다.

바람직하게는, 미러는 하우징 외부에 있는 초점(FP)을 갖는다.

미러의 초점(FP)은 유리하게는 하우징의 전방면으로부터 50mm 내지 100mm 사이의 거리에 위치된다.

바람직하게는, 광 검출기는 InGaAs 포토다이오드와 같은 포토다이오드 센서를 사용한다. 대안적으로, 광 검출기는 열전퇴 센서(thermopile sensor)를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 광 검출기는 적어도 하나의 애퍼처와 직접적인 시선으로 배향된다.

바람직하게는, 상기 개구는 고투과율 재료로 만들어진 윈도우이다. 대안적으로, 먼지와 같은 이물질이 하우징으로 침입하는 것을 방지하기 위해 상기 개구에 공기의 공급이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 가시 범위에서의 광을 생성할 수 있는 가시 광원이 또한 제공되며, 여기서 가시 광원으로부터의 가시광은 순방향으로 지향된다.

바람직하게는, 발광 디바이스를 제어하기 위한 컨트롤러가 또한 제공된다. 더욱 바람직하게는, 컨트롤러는 발광 디바이스를 ON 상태와 OFF 상태 사이에서 빠르게 스위칭할 수 있다.

두 신호의 진폭이 예측 가능한 관계에 따라 온도에 따라 다르게 변할 것이기 때문에 두 개의 이산적 파장 범위에 대한 적외선 복사의 독립적인 검출은 단일 파장 범위에 대한 검출과 비교할 때 유리하다. 이것은, 단일 파장 검출기의 매그니튜드(magnitude)에만 의존하는 것이 아니라 두 신호 매그니튜드 간의 관계를 사용하여 블랭크 온도를 계산할 수 있음을 의미한다. 이러한 방법은 잘 알려져 있지만 전형적으로 블랭크 방사율이 i) 두 파장 모두에 대한 단일 값이고 그리고 ii) 오프라인 교정 후 타이트한 범위 내에서 일정하다는 가정에 의존한다. 본 출원인은 반사 디스크 또는 미러와 같은 반사기를 사용하여 블랭크의 겉보기 방사율을 향상시킴으로써, 두 파장 범위의 상대적 매그니튜드가 그 두 파장 사이의 블랭크의 방사율 변화에 덜 민감하다는 것을 발견하였다. 이것이 본 출원인의 산업적 적용에 적용될 때 전자의 방법의 정확성을 향상시키는 유익한 결과를 가짐이 본 출원인에 의해 발견되었다.

바람직하게는 검출기는 근적외선(NIR) 및 단파장 적외선(SWIR) 복사 파장에 민감하다. 이러한 스펙트럼은 섭씨 수백 도의 온도로 가열된 코팅되지 않은 알루미늄이 전형적으로 중적외선(MWIR) 또는 장적외선(LWIR) 복사 파장보다 이들 영역에서 더 높은 스펙트럼 에너지를 갖기 때문에 유용하다. 고려되는 온도 범위에 걸쳐서, NIR 및 SWIR 파장 대역은 두 개의 이산적 파장 범위에서 표면으로부터 복사되는 파워의 차이가 표면 온도의 강건한 펑션(function)인 요구되는 특성을 제공한다.

바람직하게는, 검출기에 의해 검출된 제1 및 제2 파장 스펙트럼은, H₂O 및 CO₂와 같은 공기의 성분에 의해 실질적으로 흡수되는 파장을 회피하도록 선택된다.

바람직하게는, 광 검출기는 상기 애퍼처와 직접적인 시선으로 배향된다.

이하, 다음 도면을 참조하여 본 발명의 양태를 단지 예로서 보다 구체적으로 설명하며, 도면 중에서:
도 1은, 비접촉 온도 센서의 제1 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 2는, 비접촉 온도 센서의 제1 실시형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은, 거리와 센서 신호의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 비접촉 온도 센서의 제2 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 5는, 비접촉 온도 센서의 제3 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 6은, 비접촉 온도 센서의 제4 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 7은, 블랭크의 배향이 적외선 광원에 대해 검출된 신호 강도를 어떻게 변화시키는지를 예시하는 개략도이다.
도 8은, 도 7에 나타낸 3개의 상이한 블랭크 배향에 대한 교정된 상대 신호 강도의 개략도이다.
도 9는, 3가지의 상이한 블랭크 배향에 대한 상대적 신호 강도를 보여주는 그래프이다.
도 10은, 3가지의 상이한 블랭크 배향에 대한 상대적 신호 강도를 보여주는 막대 차트이다.
도 11은, 비접촉 온도 센서 연산 과정을 나타낸 도면이다.

도 1에 본 발명의 제1 실시형태가 도시되어 있다. 비접촉 온도 센서(1)는, 당해 센서(1)의 종축 X-X이 블랭크(3)의 평탄한 표면에 수직이 되도록, 사용 시, 측정할 알루미늄 합금 블랭크(3)에 대해 명목상으로 정렬되는 자립형(self-contained) 디바이스이다. 센서(1)는 원형 단면의 보어를 갖는 관형의 금속 하우징(5)을 포함하고, 광투과성 글라스 판으로 형성된 윈도우(7)에 의해 전방 단부에서 폐쇄된다. 전방 단부는 사용 중에 블랭크(3)에 가장 가까운 온도 센서(1)의 단부이다. 후방 단부는 블랭크(3)로부터 가장 멀리 떨어져 있다. 9개의 적외선 발광 디바이스(11, 12, 14)를 포함하는 환형의 조명 링(9)이 윈도우(7)의 후방에서 축 X-X와 동축으로 위치된다. 3개의 서로 다른 사양의 발광 디바이스(11, 12, 14)의 3개 그룹이 있으며, 각각의 사양은 서로 다른 광의 파장을 방출한다. 그룹 1은 발광 디바이스(11)를 포함하고 그룹 2는 발광 디바이스(12)를 포함한다. 그룹 1 및 그룹 2의 디바이스는 적외선 스펙트럼의 광을 방출한다. 그룹 3은 가시 스펙트럼의 광을 방출하는 발광 디바이스(14)를 포함한다. 발광 디바이스(11, 12, 14)는 3개의 발광 디바이스, 클러스터 1(G1이라고도 함), 클러스터 2(G2라고도 함) 및 클러스터 3(G3라고도 함)의 3개의 클러스터로 이격되어 있다. 그룹 1, 그룹 2 및 그룹 3의 발광 디바이스(11, 12, 14) 각각의 하나는 각 클러스터(G1, G2 또는 G3)에 포함된다. 클러스터는 환형의 조명 링(9)의 둘레 주위에 등거리로 위치된다. 발광 디바이스(11, 12, 14)는 그들로부터 방출된 광이 순방향, 즉 블랭크(3)를 향하도록 배향된다. 발광 디바이스(11, 12, 14)를 위한 컨트롤러(미도시)가 발광 디바이스(11, 12, 14) 각각이 그 상태를 개별적으로 온과 오프 사이에서 변경될 수 있도록 하며 그리고 발광 디바이스(11, 12, 14)의 상태에 대해 순서대로 변경될 수 있도록 한다. 제어 시스템은 발광 디바이스(11, 12, 14)의 상태를 신속하게 변경할 수 있는 능력을 갖는다. 상태는 상이한 속도(rate)로, 전형적으로 1Hz와 1kHz 사이의 속도로 스위칭될 수 있다. 최대 스위칭 속도는 디바이스(11, 12, 14)의 최대 스위칭 속도 및 검출 장비의 최대 작동 주파수와 같은 요인에 따라 달라진다.

고반사 표면을 갖는 오목한 금도금 미러(13)가 또한, 조명 링(9)의 후방에 하우징(5) 내에 위치되며, 그 주축은 종축 X-X와 동축이다. 미러(13)의 초점 'FP'는 블랭크(3)의 다른 측에서 온도 센서(1)에 인접한 쪽으로 위치되므로, 사용 시, 미러(13)에 의해 반사된 빛의 가능한 최대 비율이 블랭크(3)의 표면에 입사된다. 미러(13)의 직경에 비해 상대적으로 작은 직경을 갖는 애퍼처(15)는 종축 X-X을 따라 미러(13)를 통과한다. 애퍼처(15)를 통과하는 빛을 검출기에 초점을 맞추기 위해 평면-오목 렌즈(16)가 미러(13)의 후방에 위치되며 축 X-X과 동축이고 애퍼처(15)에 인접하며 양면 볼록 렌즈(18)가 평면-오목 렌즈(16)의 후방에 위치되며 그리고 또한 축 X-X와 동축이다. 평면-오목 렌즈(16)를 통과하는 모든 광은 양면 볼록 렌즈(18)로 향하여 이를 통과하여 추가 초점 맞춤을 거치게 된다. 양면 볼록 렌즈(18)를 통과한 빛은 X-X축과 일직선상에 위치된 적외선 광 검출기(17)에 입사된다. 적외선 광 검출기(17)는 2개의 센서(D1, D2) 및 2개의 대역통과 필터(미도시)를 갖는 포토다이오드 어셈블리를 포함하는 센서 헤드(미도시)를 갖는다. 양면 볼록 렌즈(18)에 의해 적외선 광 검출기(17)에 입사되는 적외선 광의 풀(pool)은 센서 헤드의 면적과 실질적으로 동일한 면적을 가지므로, 사용 시, 적외선 광이 센서 헤드 전체에 입사된다. 적외선 광 검출기(17)는 적외선 복사의 2개의 상이한 좁은 파장 범위, 전형적으로 1300㎚에 중심을 둔 좁은 범위 및 1550㎚에 중심을 둔 좁은 범위를 독립적으로 검출할 수 있다. 적외선 발광 디바이스(11, 12)에 의해 방출되는 적외선 광의 두 파장은, 적외선 광 검출기(17)가 그들을 독립적으로 검출할 수 있고 두 검출 범위 사이의 혼선(cross-talk)을 무시할 수 있도록 선택된다. 빛의 제3 파장은 발광 디바이스(14)에 의해 방출되고 가시광선 스펙트럼으로부터 선택되어 디바이스를 설정하고 검사하는 것을 돕는다. 바람직하게는 청색광과 같은 저파장 광이 적외선 광 검출기(17)에서 의도하지 않은 검출을 최소화하도록 선택될 수 있다. 발광 디바이스(11, 12)는 IRED(Infrared Emitting Diodes)이다. 발광 디바이스(14)는 발광 다이오드(LED)이다.

온도 센서(1)는, 예를 들어 가열 디바이스로부터 성형 프레스로 블랭크를 이송할 때 블랭크(3)를 유지하는데 사용되는 그립퍼(미도시) 내에 위치될 수 있다. 그립퍼 내 온도 센서(1)의 위치는 온도 센서(1)와 블랭크(3) 사이에 원하는 거리가 유지되는 것을 보장하는 데 도움이 되기 때문에 유리하다.

사용 시, 온도 센서(1)는 섭씨 수백 도의 온도, 전형적으로 섭씨 400도와 섭씨 600도 사이, 예를 들어 섭씨 450도와 550도 사이의 온도로 사전에 가열된 알루미늄 합금 블랭크(3)에 매우 근접하게 위치된다. 온도 센서(1)는 예를 들어 섭씨 485도에서 섭씨 350도로 냉각될 때 블랭크(3)의 냉각을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 온도 센서는 전체 냉각 곡선을 모니터링하거나 또는 두 온도 사이, 전형적으로 섭씨 550도와 섭씨 250도 사이를 모니터링할 수 있다. 온도 센서(1)는 냉각 제어 시스템의 일부를 형성할 수 있다.

두 번째 사용에서, 온도 센서(1)는 섭씨 수백 도의 온도, 전형적으로 섭씨 400도와 섭씨 600도 사이, 예를 들어 섭씨 450도와 500도 사이의 온도로 가열되는 알루미늄 합금 블랭크(3)에 매우 근접하게 위치된다. 온도 센서(1)는 가열 제어 시스템의 일부를 형성할 수 있다.

낮은 온도를 측정할 때, 온도 센서(1)는 그의 낮은 온도 검출 범위를 확장하기 위해 낮은 온도 펑션을 사용할 수 있다. 이러한 펑션은 발광 디바이스(11, 12)에 의해 방출되는 적외선 광의 두 검출된 파장 범위 중 보다 더 긴 것만을 사용할 수 있다. 이는, 더 긴 파장의 적외선 복사가 배경 잡음 이상에서 검출할 수 없는 저온의 모니터링을 허용하기 때문에 유리하다. 이 컷-오프는 섭씨 250도에서 350도 사이의 온도에서 발생할 수 있다. 컷-오프 온도 이하 저온 펑션을 사용하여 온도 센서(1)의 검출 범위의 하한 온도 한계를 줄일 수 있다. 예를 들어, 이 펑션을 사용하여 온도 하한 한계가 섭씨 300도에서 아래로 섭씨 250도까지 확장될 수 있다.

블랭크(3)와 온도 센서(1) 사이의 거리는 1mm보다 작거나 1,000mm 클 수 있다. 거리는 전형적으로 10mm에서 100mm이다. 온도 측정이 충분히 정확한지 확인하기 위해 온도 센서(1)와 블랭크(3) 사이의 거리 변화를 최소화하거나 모니터링하는 것이 중요하다. 또한 블랭크(3)가 온도 센서(1)에 대해 수직인지 아니면 정렬이 잘못된 것인지를 파악하는 것도 중요하다. 적외선 광 검출기(17)와 조합하여 환형의 조명 링(9)에 제공된 발광 디바이스(11, 12)는 온도 센서(1)와 블랭크(3) 사이의 거리 및 온도 센서(1)와 블랭크(3) 사이의 배향 모두의 변화를 검출하는 데 활용될 수 있다.

디바이스 상태라는 용어는, 개별적으로 '온' 또는 '오프'로 설정될 수 있는 적외선 발광 디바이스(11, 12)의 설정을 나타내는 데 사용된다. 발광 디바이스(11, 12) 상태는 빠르게 스위칭될 수 있다. 발광 디바이스(11,12) 상태는 1Hz 이상의 속도로 스위칭될 수 있다. 디바이스 상태는 100Hz 이상의 속도로 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 디바이스 상태는 1kHz의 속도로 스위칭될 수 있다. 최대 스위칭 속도는 발광 디바이스(11, 12)의 최대 스위칭 속도 및 검출기(17)의 최대 동작 파장과 같은 인자에 의존한다. 더 느린 스위칭 속도는 전형적으로 검출기(17)로부터의 출력 중의 다수의 샘플이 취해지는 것을 허용할 것이고 이는 검출된 신호에서 감소된 노이즈로 이어질 수 있고 차례로 온도 측정 에러를 감소시킬 수 있다. 더 빠른 스위칭 속도는 예를 들어 블랭크(3) 온도가 빠르게 변하는 경우에 유리할 수 있는 짧은 시간 동안 더 많은 온도 판독을 취할 수 있도록 한다.

교정은, 적외선 발광 디바이스(11, 12)의 다양한 설정 하에서 온도 센서(1)로부터 출력되는 신호와 다양한 블랭크 온도, 표면 조건, 표면 화학, 블랭크 표면 법선으로부터의 검출 각도의 편차 그리고 블랭크(3)와 온도 센서(1) 사이의 거리 하에서 모니터링되는 블랭크(3)의 온도 사이의 관계를 결정하는 데 사용되는 프로세스이다. 교정 동안, 블랭크(3)의 온도는 알려져 있으며, 예를 들어 블랭크(3)에 부착하고 교정된 열전대 온도 측정 디바이스를 모니터링함으로써 기록된다.

현재 실시형태에서, 온도 센서(1)는 표를 사용하여 교정된다. 출력은 보간될 수 있는 룩업 테이블을 제공한다. 다른 보정 방법도 가능하며, 예를 들어 머신 러닝을 사용하여 다양한 입력 신호로부터 블랭크(3) 온도를 결정하는 블랙박스 방법을 개발할 수 있다. 룩업 테이블의 데이터는 다항식 방정식 또는 다차원 매개변수 방정식의 세트와 같은 다중 매개변수 방정식 세트를 사용하여 보간될 수 있다.

교정하는 동안, 온도 센서(1)는 다수의 유용한 교정 상태를 검출할 수 있다. 교정 데이터는 온도 센서(1) 자체를 사용하여 수집되거나 자매 온도 센서로부터 전송될 수 있다.

다양한 블랭크(3) 조건의 많은 조합에 대해, 파장 범위 1 및 파장 범위 2에 대한 적외선 광 검출기(17)의 출력이 발광 디바이스(11, 12) 상태를 통해 순환하는 동안 기록된다. 블랭크(3) 조건의 각 조합에 대해 적어도 하나의 사이클이 완료된다.

현재 예에서, 디바이스 상태는 다음과 같다: 모든 적외선 발광 디바이스(11, 12)(IRED) OFF; 클러스터 1의 모든 적외선 발광 디바이스(11)(IRED)는 ON, 다른 모든 것들은 OFF; 클러스터 2의 모든 적외선 발광 디바이스(12)(IRED)는 ON, 다른 모든 것은 OFF; 클러스터 3의 모든 적외선 발광 디바이스(12)(IRED)는 ON이고 나머지는 모두 OFF임. 따라서, 적외선 발광 디바이스(11, 12) 상태의 단일 사이클은 4개의 이산적인 적외선 발광 디바이스(11, 12) 상태를 갖는다. 가시파장 스펙트럼의 발광 디바이스(14)(LED)는 이 교정 예에서 사용되지 않고 켜져 있거나 꺼져 있을 수 있다.

표면 온도; 표면 질감; 표면 화학; 블랭크 표면 법선으로부터 검출 각도의 편차; 및 블랭크와 온도 센서(1) 사이의 거리:의 블랭크 특성 및 매개변수를 변경하여 생성된 다차원 공간 내에서 신호 출력 데이터 포인트의 데이터 클라우드를 얻는 것이 본 교정 연습의 목적이다. 특성 및 매개변수는 온도 센서(1)가 작동할 것으로 예상되는 예상된 그리고 극한 조건의 범위를 반영하도록 선택된다. 이는 블랭크가 존재하지 않고 윈도우(7) 앞에 차가운 블랭크가 있는 경우를 포함한다.

설명된 예시적인 교정 시스템에서, 블랭크 온도 이외의 블랭크 특성 및 매개변수를 기록할 필요가 없다. 이는 그러한 데이터가 교정 데이터 세트 내에서 명시적이지 않기 때문이다.

발광 디바이스(11, 12) 상태를 순환하는 것이 유리하며, 이는 온도 센서(1)로부터 블랭크(3)의 거리 및 블랭크(3)와 온도 센서(1) 사이의 법선으로부터의 각도 편차에 관한 데이터 클라우드 내의 암시적 데이터에 기여한다. 발광 디바이스(11, 12)(IRED)가 켜지면 그들에 의해 방출되는 적외선 광이 블랭크(3)에 입사된다. 블랭크(3)는 발광 디바이스(11, 12)로부터의 적외선 광을 반사하여 이것이 미러(13)에 입사되고, 이어서 미러(13)는 그 적외선 광을 블랭크(3)로 재반사한다. 이러한 일련의 반사가 일어나고 적외선 광은 애퍼처(15)를 통과하고 이 적외선 광의 강도를 측정하는 적외선 광 검출기(17)에 의해 검출된다. 온도 센서(1)에 근접한 블랭크와 온도 센서(1) X-X 축에 수직인 블랭크로 수집된 데이터 포인트는 3개의 IRED 클러스터 각각에 대해 균일하고 강한 신호 강도를 보여줄 것이다. 신호 강도는 검출 디바이스로부터의 증가된 신호 출력으로서 검출될 것이다. 제1 비교에서, 축 X-X의 법선 평면으로부터 경사진 블랭크는, 축 X-X에 대한 반사가 더 이상 대칭이지 않기 때문에, 발광 디바이스(11, 12)(IRED)의 3개 클러스터 각각 사이에서 신호 강도의 변화를 가져올 것이다. 제2 비교에서, 온도 센서(1)로부터 더 멀리 위치된 블랭크(3)는 적외선 광 검출기(17)로부터의 신호 출력의 보다 덜 현저한 증가를 가져올 것이다.

위의 데이터가 유리한 이유는, 적외선 광 검출기(17)에 도달하는 적외선 광에 대한 미러(13)의 정확한 효과가 블랭크의 각도와 온도 센서(1)로부터 블랭크의 거리 모두에 의존하기 때문이다. 위의 방법을 사용하여, 이러한 효과는 교정 데이터 클라우드 내에 암시적으로 캡처된다.

두 다른 파장에서 적외선 광을 방출하는 두 상이한 발광 디바이스(11, 12)를 사용하면, 디바이스(11, 12)에 의해 방출되는 적외선 광의 두 파장에서 미러(13)의 성능을 암시적으로 캡처하는 데이터를 제공하기 때문에, 온도가 도출될 수 있는 정확도를 증가시킨다. 다른 컨피겨레이션 하에서는 추가 데이터를 사용하여 온도 센서(1)의 성능에 대한 진단을 제공할 수 있다.

각 행에서 개별 열에 나열되는 교정 테이블을 생성하기 위한 교정 연습의 출력이고, 사이클을 형성하는 4개의 이산적인 적외선 발광 디바이스(11, 12) 상태 각각 아래 온도 센서(1)의 출력이다. 각 발광 디바이스(11, 12) 상태에 대해 2개의 파장 범위 출력이 있으므로 테이블에는 8개의 열이 있다. 마지막 9번째 열에는 교정된 온도 측정 디바이스(1)를 사용하여 측정된 블랭크 표면 온도가 기록된다.

결과 테이블의 일부 후처리가, 예를 들어 외떨어진(outlying) 데이터를 제거하거나 다차원 데이터 클라우드 내에서 대략적으로 겹치는 데이터 포인트를 평균화하거나 데이터 클라우드를 평활화하기 위해 수행될 수 있다.

이제 위의 교정된 온도 센서(1)가 블랭크(3)의 온도를 모니터링하는 데 사용될 수 있는 방법에 대한 예가 제공된다.

가시파장 발광 디바이스(14)(LED)는, 온도 센서(1)가 켜져 있고 블랭크(3) 상의 관심 영역을 향하고 있다는 시각적 피드백을 제공하도록 조명된다.

상술한 바와 같은 발광 디바이스(11, 12) 상태는 순환된다. 예를 들어, 각각의 발광 디바이스(11, 12) 상태는 발광 디바이스(11, 12) 상태가 다음 상태로 업데이트되기 전에 100ms 또는 10ms 동안 활성일 수 있다.

온도 센서(1)가 발광 디바이스(11, 12) 상태를 순환하는 동안, 적외선 검출기(17)로부터의 출력 신호가 모니터링된다. 사이클이 완료되면, 4개의 발광 디바이스(11, 12) 상태 각각과 관련된 출력 신호가 룩업 테이블과 비교된다. 룩업 알고리즘은, 대응하는 블랭크 온도와 함께, 교정 테이블로부터 가장 가까운 엔트리를 식별하는 데 사용된다. 새로운 외삽 교정 테이블 행을 계산하기 위해 외삽이 수행된다. 결과로서 얻어지는 온도 열의 숫자는 블랭크(3)의 측정 온도로서 주어진다. 온도는 기록 목적으로 타임스탬프에 대해 기록될 수 있다. 온도는 예를 들어 열화상 카메라의 교정을 위한 정확한 온도 측정을 제공하기 위해 다른 장비로 전달될 수 있다.

우선적으로, 외삽 프로세스와 관련된 데이터가 캡처되고 온도 판독 내에서 에러를 추정하는 데 사용된다. 예를 들어, 가장 가까운 테이블 엔트리로부터의 상한 및 하한 온도가 블랭크(3)의 실제 표면 온도의 잠재적 범위에 대한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다.

임의의 오정렬의 배향 및 정도를 결정하기 위해 적외선 발광 디바이스(11, 12)는 순서대로 켜질 수 있고 광 강도 측정이 적외선 발광 디바이스(11, 12)의 켜짐 및 꺼짐에 대응하는 그 순서의 시점에서 적외선 검출기(17)에 의해 취해질 수 있다. 이러한 광 강도 측정은 블랭크(3)가 어느 방향으로 그리고 얼마나 경사졌는지를 결정하기 위해 처리될 수 있다.

적외선 광원(11, 12)의 3개의 클러스터(G1, G2, G3)는 환형의 조명 링(9) 상에 제공되고 그 둘레 주위에 균등하게 이격된다. 적외선 광 검출기(17)의 2개의 검출기(D1 및 D2)는 3개의 클러스터(G1, G2 및 G3) 각각 내의 각각의 2개의 적외선 광원(11, 12)으로부터의 신호의 강도를 각각 검출할 수 있다. 도 7의 개략도에서 클러스터 G1, G2 및 G3의 거동은 사용된 두 파장 각각에 대해 유사하다고 가정한다. 클러스터(G1, G2, G3)의 적외선 광원(11, 12)은 스위치 온 및 오프되므로 적외선 광원(11, 12) 각각으로부터의 신호의 강도를 측정할 수 있다. 활성화 순서(sequence)는 아래의 표에 나타내어져 있다.

블랭크 온도가 일정하다고 가정할 수 있을 만큼 검출기 판독이 충분히 빨리 취해지면, 클러스터 G1, G2 및 G3와 관련된 에너지는 다음과 같이 계산될 수 있다:

여기서 N은 클러스터 번호 1-3이고 W는 파장(이 경우 1300㎚ 또는 1550㎚)이다.

이러한 예에서 클러스터 G1, G2 및 G3 각각은 도 7에 도시된 바와 같이 2개의 별개의 적외선 광원(11, 12)을 갖는다. 이러한 적외선 광원(11, 12) 중 하나는 1300㎚의 파장을 갖는다. 적외선 광원(11, 12) 중 다른 하나는 1550㎚의 파장을 갖는다.

블랭크(3)가 비접촉 온도 센서(1)에 정확히 수직이 되도록 배향되고 각각의 신호 강도가 교정되면, 비접촉 온도 센서(1)가 각 클러스터 G1, G2 및 G3에서 검출하는 에너지의 양은 (도 8의 막대 차트의 왼쪽 부분에서 볼 수 있는 것처럼) 실질적으로 동일하다.

블랭크(3)가 경사진 경우, 즉 블랭크(3)가 비접촉 온도 센서(1)와 정확히 수직이 아닌 경우라면 비접촉 온도 센서(1)가 각 클러스터 G1, G2, G3로부터 검출하는 에너지의 양이 다르며 이는 (도 8의 막대 차트의 중간 및 오른쪽 부분에서 볼 수 있는 것처럼) 경사 각도와 관련될 수 있다. 하나의 경사진 배향에서 클러스터 G1에서 검출된 에너지의 양이 검출된 가장 높은 양일 수 있다. 다른 경사진 배향에서 클러스터 G3에서 검출된 에너지의 양이 가장 높은 양일 수 있다. 블랭크(3)의 온도의 측정에 대한 이의 관련성은 블랭크(3)가 경사지면 측정된 온도가 부정확할 것이라는 점이다.

도 9는 (위와 같이) 식 1에 의해 계산되고, 최대 신호 강도에 대해 정규화된(따라서 최대값은 1임) 개별 클러스터 강도 G1, G2 및 G3의 그래프이다. 데이터는 3가지 다른 배향, '평탄(flat)'; '경사(tilt) 1'; 및 '경사 2'로 위치된 비접촉 온도 센서(1) 앞에 고온의 블랭크(3)를 유지함으로써 수집되었다. 이것은, (i) 광원(11, 12)에 의해 방출된 에너지가 각 컨피겨레이션에 대해 시간에 따라 거의 일정하고(따라서 향후의 계산을 가능하게 함) 그리고 (ii) 3개의 클러스터 G1, G2 및 G3에 대한 강도가 배향에 따라 변한다는 것을 보여준다. 이것은, 비접촉 온도 센서(1)가 3개의 클러스터 G1, G2 및 G3의 상대적인 강도에 기초하여 블랭크(3)의 경사를 검출할 수 있음을 보여준다.

도 10은 평탄 블랭크(3)('평탄') 및 2개의 경사진 블랭크(3)('경사 1' 및 '경사 2')에 대한 3개의 클러스터 G1, G2 및 G3에 대해 비접촉 온도 센서(1)에 의해 검출된 에너지를 보여주는 막대 차트이다.

도 11은 비접촉 온도 센서(1)가 알려진 표준 2-주파수 고온계와 비교하여 더 나은 온도 정확도를 갖게 하는 프로세스를 예시한다. 도 11의 항목 1에 나타낸 신경망에 의한 초기 교정은, 상이한 경사 각도 및 블랭크 표면 마감에 대해, 3개의 클러스터 G1, G2 및 G3의 강도의 상이한 조합을 계산하기 위해 사용될 수 있다.

나타낸 데이터는 비접촉 온도 센서(1) 앞에 고온의 블랭크(3)를 유지하여 수집되었다. 블랭크(3)는 온도 측정에 대한 경사의 효과를 보여주고 표준 2-주파수 고온계를 본 발명의 비접촉 온도 센서(1)와 비교하기 위해 데이터를 수집하는 기간 동안 진동 운동을 받았다.

블랭크(3)의 진동과 검출된 후속 강도가 도 11의 항목 2의 그래프에 나타내져 있다. 신호 강도는 각각 물결 모양을 나타내는 1300㎚ 및 1550㎚ 파장 적외선 광원(11, 12) 모두에 대해 시간에 대해 점철되었다.

시간에 대한 표준 2-주파수 고온계에 의해 결정된 온도 에러는 도 11의 항목 3에 나타내져 있다. 에러는 블랭크(3)의 움직임으로 인해 변동한다.

비접촉 온도 센서(1)는 두 개의 상이한 파장에 대한 적외선 광원(11, 12)의 클러스터 GI, G2 및 G3과 같은, 추가(extra) 피처를 가지고 있으므로, 추가 데이터는 블랭크(3)가 비접촉 온도 센서(1)에 대해 경사진 각도와 관련된 계산된 검출된 프로덕트를 계산하는 데 사용되었다.

이 새로운 방법론의 사용과 계산의 통합은 도 11의 항목 5에 나타낸 바와 같이 온도 에러를 줄이는 것이 가능함을 의미한다.

도 4에 본 발명의 제2 실시형태가 나타내어져 있다. 비접촉 온도 센서(101)는 또한, 제1 실시형태와 많은 피처를 공유하는 자립형 디바이스이며 동일한 방식으로 블랭크(103)에 대해 사용 시 배향되도록 의도된다. 온도 센서(101)는, 제1 실시형태와 같이, 동일한 관형의 금속 하우징(105), 윈도우(107), 미러(113) 및 미러 애퍼처(115)를 갖는다. 또한, 그것은 애퍼처(115)를 통과하는 광을 수광할 수 있도록 미러(109)의 후방에 위치되는 빔 스플리터(131)를 가지고 있다. 빔 스플리터(131)는 블랭크(3)로부터 방출된 적외선을 종축 X-X에 수직으로 연장하는 횡방향 성분과 종축 X-X를 따라 또는 종축 X-X에 평행하게 연장하는 종방향 성분으로 분할한다. 제1 광학 필터(133)는, 광의 종 방향 성분이 하우징(105)의 보어 내에 위치된 제1 적외선 검출기(135)에 도달하기 전에 필터링되도록 하우징(105) 내에 배열된다. 제2 광학 필터(137)는, 광의 횡 방향 성분이 하우징(105)의 측벽에 있는 애퍼처 내에 위치된 제2 적외선 검출기(139)에 도달하기 전에 필터링되도록 하우징(105) 내에 배열된다. 제1 적외선 검출기(135)와 제2 적외선 검출기(139)는 900 내지 1700㎚인 동일한 대역폭을 갖는다. 제1 광학 필터(133)는 1300㎚ 파장의 적외선 복사를 통과시키는 협역 통과 필터이다. 제2 광학 필터(137)는 1550㎚ 파장의 적외선 복사를 통과시키는 협역 통과 필터이다.

사용 시, 온도 센서(101)는 섭씨 수백 도의 온도로 가열된 알루미늄 합금 블랭크(103)에 근접하게 위치된다. 블랭크(103)에 의해 방출된 적외선 복사는 윈도우(107)를 통과하여 미러(113)에 입사된다. 그 적외선 복사는 제1 실시형태에서와 동일한 방식으로 그리고 동일한 이유로 블랭크(103)의 표면으로 여러 번 반사된다. 적외선 복사는 미러(113)의 애퍼처(115)를 통과하여 빔 스플리터(131)와 접촉할 것이다. 빔 스플리터(131)는 적외선 복사의 일부를 제1 적외선 광 검출기(135)로 보낼 것이다. 제1 적외선 광 검출기(135)를 향해 보내진 적외선 복사는 제1 광학 필터(133)를 통과한다. 제1 광학 필터(133)는 1300㎚의 파장을 갖는 적외선 복사만이 제1 적외선 광 검출기(135)에 도달하도록 허용한다. 빔 스플리터(131)는 적외선 복사의 다른 부분을 제2 적외선 광 검출기(139) 쪽으로 보낼 것이다. 제2 적외선 광 검출기(139)를 향해 보내진 적외선 복사는 제2 광학 필터(137)를 통과한다. 제2 광학 필터(137)는 1550㎚의 파장을 갖는 적외선 복사만이 제2 적외선 광 검출기(139)에 도달하도록 허용한다.

도 5에 본 발명의 제3 실시형태가 도시되어 있다. 비접촉 온도 센서(201)는 또한, 제1 및 제2 실시형태와 많은 피처를 공유하는 자립형 디바이스이며, 동일한 방식으로 블랭크(203)에 대해 사용 시 배향되도록 의도된다. 온도 센서(101)는, 제1 실시형태와 같이, 동일한 관형의 금속 하우징(205), 윈도우(207), 미러(213) 및 미러 애퍼처(215)를 갖는다. 또한, 그것은 애퍼처(115)를 통과하는 광을 수광할 수 있도록 미러(109)의 후방에 위치되는 빔 스플리터(231)를 갖는다. 빔 스플리터(231)는 각진 반사기로서 작용한다. 2개의 파장 광원(251)이 각진 반사기(231)의 횡방향으로 위치되며 광원(251)으로부터의 임의의 적외선 복사가 각진 반사기(231)에 부딪치고 애퍼처(215)를 통해 알루미늄 합금 블랭크(203) 쪽으로 편향되도록 정렬된다. 광원(251)은 2개의 이산적인 파장의 적외선 복사를 생성하고, 이들 파장 각각은 2-파장 적외선 광 검출기(235)에 의해 검출가능하며, 이는 아래에서 더 상세히 설명된다. 각진 반사기(231)는 광원(251)으로부터의 전자기 복사를 애퍼처(215)를 통해 지향시켜 블랭크(203)와 접촉하도록 한다. 2-파장 적외선 광 검출기(235)는 오목 미러(213)의 후방에 위치되고 1300㎚ 또는 1550㎚의 파장을 갖는 적외선 복사를 검출할 수 있다. 2-파장 적외선 광 검출기(235)는 두 원하는 파장 부근에 협 대역폭을 갖기 때문에 검출기(235) 앞에 광학 필터를 배치할 필요가 없다.

사용 시, 알루미늄 합금 블랭크(203)의 온도를 결정하기 위해, 온도 센서(201)는 제1 실시형태의 것과 유사한 방식으로 작동한다. 온도 센서(201)는 섭씨 수백 도의 온도로 가열된 블랭크(203)에 근접하게 위치된다.

제3 실시형태는 레이더, 라이더 또는 기계적 측정 장치와 같은 임의의 적절한 방법을 사용하여 블랭크(203)와 온도 센서(1) 사이의 거리를 측정하는 수단을 포함한다. 블랭크(203)와 온도 센서(201) 사이의 거리가 결정되면, 그 거리는, 블랭크(203)가 상승된 온도에 있는 결과 블랭크(203) 자체에서 방출되는 적외선 광의 강도로부터 온도 측정을 생성하는 과정에서 사용될 수 있다.

도 6에 본 발명의 제4 실시형태가 나타내어져 있다. 제4 실시형태는 제1 실시형태와 많은 피처를 공유한다. 비접촉 온도 센서(301)는, 센서(301)의 종축 X-X이 블랭크(303)의 평탄한 표면에 수직이 되도록, 사용 시, 측정할 알루미늄 합금 블랭크(3)에 대해 명목상으로 정렬되는 자립형 디바이스이다. 센서(301)는 원형 단면의 보어를 갖는 관형의 금속 하우징(305)을 포함하고, 광투과성 글라스 판으로 형성된 윈도우(307)에 의해 전방 단부에서 폐쇄된다. 전방 단부는 사용 시 블랭크(303)에 가장 가까운 온도 센서(301)의 단부이다. 후방 단부는 블랭크(303)로부터 가장 멀다. 9개의 적외선 발광 디바이스(311, 312, 314)를 포함하는 환형의 조명 링(309)이 윈도우(307)의 후방에 위치되며 축 X-X와 동축이다. 3개의 상이한 사양의 발광 디바이스(311, 312, 314)의 3개의 그룹이 있으며, 각각의 사양은 상이한 파장의 광을 방출한다. 그룹 1은 발광 디바이스(311)를 포함하고 그룹 2는 발광 디바이스(312)를 포함한다. 그룹 1 및 그룹 2의 디바이스는 적외선 스펙트럼의 광을 방출한다. 그룹 3은 가시 스펙트럼의 빛을 방출하는 발광 디바이스(14)를 포함한다. 발광 디바이스(311, 312, 314)는 3개의 발광 디바이스의 클러스터인 클러스터 1, 클러스터 2 및 클러스터 3으로 이격되어 있다. 그룹 1, 그룹 2 및 그룹 3의 발광 디바이스(311, 312, 314) 각각 중 하나는 각 클러스터에 포함된다. 클러스터는 환형의 조명 링(309)의 둘레 주위에 등거리로 위치된다. 발광 디바이스(311, 312, 314)는 그들로부터 방출된 광이 순방향, 즉 블랭크(303)를 향하도록 배향된다. 발광 디바이스(311, 312, 314)를 위한 컨트롤러(미도시)가 발광 디바이스(311, 312, 314) 각각이 그 상태를 개별적으로 온과 오프 사이에서 변경될 수 있도록 하며 그리고 발광 디바이스(311, 312, 314)의 상태에 대해 순서대로 변경될 수 있도록 한다. 제어 시스템은 발광 디바이스(311, 312, 314)의 상태를 신속하게 변경할 수 있는 능력을 갖는다. 상태는 상이한 속도로, 전형적으로 1Hz와 1kHz 사이의 속도로 스위칭될 수 있다. 최대 스위칭 속도는 디바이스(311, 312, 314)의 최대 스위칭 속도 및 검출 장비의 최대 작동 주파수와 같은 요인에 따라 달라진다.

고반사 표면을 갖는 평탄한 금도금 미러(313)가 또한, 조명 링(309)의 후방에 하우징(305) 내에 위치되며, 그 주축은 종축 X-X와 동축이다. 미러(313)의 직경에 비해 상대적으로 작은 직경을 각각 가지는 두 개의 애퍼처(315a 및 315b)가 종축 X-X에 평행한 미러를 통과한다. 각 애퍼처(315a, 315b)의 종축 사이의 거리는 미러(313) 직경의 1/5이다. 분리 거리는, 블랭크의 측정 지점이 서로 충분히 가까워서 블랭크의 거의 동일한 지점으로부터 일관된 온도 측정을 보장하도록 애퍼처들을 서로 가깝게 유지하면서, 광 검출기(317a, 317b)를 수용하기에 충분한 공간이 있도록 선택된다. 전형적인 미러 직경은 50mm이고 전형적인 애퍼처 직경은 0.1mm에서 5mm 사이이다. 각각의 애퍼처(315a, 315b)를 통과한 광은 각각 애퍼처의 종축과 일직선 상에 위치하는 적외선 광 검출기(317a, 317b)에 입사된다. 적외선 광 검출기(317a, 317b) 각각은 센서 및 대역통과 필터(미도시)를 구비하는 포토다이오드 어셈블리를 포함하는 센서 헤드(미도시)를 갖는다. 적외선 광 검출기(317a, 317b)에 입사되는 적외선 광의 풀은 센서 헤드의 면적과 실질적으로 동일한 면적을 가지므로, 사용 시 적외선 광은 센서 헤드 전체에 입사된다. 적외선 광 검출기(317a, 317b)는 각각 독립적으로 적외선 복사의 상이한 좁은 파장 범위, 전형적으로 1300㎚를 중심으로 하는 좁은 범위 및 1550㎚를 중심으로 하는 좁은 범위를 검출할 수 있다. 적외선 발광 디바이스(311, 312)에 의해 방출되는 적외선 광의 두 파장은, 적외선 광 검출기(317a, 317b)가 그들을 독립적으로 검출할 수 있고 그 두 검출 범위 사이의 혼선이 무시될 수 있도록 선택된다. 광의 제3 파장이 발광 디바이스(314)에 의해 방출되며 가시광 스펙트럼으로부터 선택되어 디바이스를 설정하고 검사하는 것을 돕는다. 바람직하게는 청색광과 같은 저파장 광이, 적외선 광 검출기(317a, 317b)에서 의도하지 않은 검출을 최소화하도록 선택될 수 있다. 발광 디바이스(311, 312)는 IRED(Infrared Emitting Diodes)이다. 발광 디바이스(314)는 발광 다이오드(LED)이다.

Claims (20)

1. 종축 X-X를 가지는 비접촉 온도 센서로서:
   하우징;
   상기 하우징의 전방 단부에 있는 개구(opening);
   상기 하우징 내에 위치된 반사기;
   상기 반사기의 전방 표면과 후방 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 애퍼처(aperture);
   상기 반사기의 후방에 위치된 광 검출기 장치(arrangement)
   를 포함하고,
   상기 광 검출기 장치는 상기 적어도 하나의 애퍼처를 통과하는 광을 수광할 수 있도록 배향되고;
   상기 광 검출기 장치는 적외선 광의 파장의 적어도 2개의 범위인, 적외선 광의 파장의 제1 범위 및 적외선 광의 파장의 제2 범위를 검출할 수 있으며, 적외선 광의 파장의 상기 제1 및 제2 범위는 이산적(discrete)이며;
   상기 광 검출기 장치는 적외선 광의 파장의 상기 적어도 2개의 범위 각각에 대한 데이터를 출력하는, 비접촉 온도 센서.
2. 제1항에 있어서,
   적외선 광원을 더 포함하는, 비접촉 온도 센서.
3. 제2항에 있어서,
   2개의 적외선 광원인, 제1 파장의 적외선 광을 생성할 수 있는 제1 적외선 광원 및 제2 파장의 적외선 광을 생성할 수 있는 제2 적외선 광원을 포함하는, 비접촉 온도 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적외선 광원에 의해 생성되는 적외선 광의 상기 제1 및 제2 파장은, 각각, 상기 광 검출기 장치에 의해 검출 가능한 적외선 광의 파장의 제1 범위 및 적외선 광의 파장의 제2 범위 내에 있는, 비접촉 온도 센서.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 적외선 광원은 미러의 전방에 위치되는, 비접촉 온도 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 적외선 광원은 개별적으로 또는 별개의 그룹으로 배열되는 복수의 분리된 적외선 발광 디바이스를 포함하고, 그리고 상기 개별적인 적외선 발광 디바이스 또는 적외선 발광 디바이스의 상기 별개의 그룹은 서로 이격되어 있도록 배향되는, 비접촉 온도 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수의 분리된 적외선 발광 디바이스는 축 X-X에 대해 횡방향으로 배향되고 종축 X-X와 동축으로 정렬되는 환형 플랫폼의 전방을 향하는 측에 위치되는, 비접촉 온도 센서.
8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 검출기 장치는 단일의 광 검출 모듈 내의 둘 이상의 개별 광 검출기의 배열이고, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제1 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 다른 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제2 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있는, 비접촉 온도 센서.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 검출기 장치는 둘 이상의 개별 광 검출기의 배열이고, 각각의 검출기는 별개의 광 검출 모듈 내에 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제1 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있으며, 상기 둘 이상의 개별 광 검출기 중 다른 하나는 적외선 광의 파장의 상기 제2 범위 내의 적외선 광을 검출할 수 있는, 비접촉 온도 센서.
10. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종축 X-X와 정렬되며 상기 적어도 하나의 애퍼처에 인접하여 이의 후방에 위치된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함하는, 비접촉 온도 센서.
11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈는 상기 종축 X-X와 정렬되거나 또는 상기 종축 X-X에 평행한 축과 정렬되고, 상기 적어도 하나의 애퍼처의 후방에 위치된 평면-오목 렌즈인, 비접촉 온도 센서.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 종축 X-X와 정렬되거나 또는 상기 종축 X-X에 평행한 축과 정렬되고, 상기 적어도 하나의 애퍼처의 후방에 위치된 적어도 하나의 양면 볼록 렌즈(bi-convex lens)를 더 포함하는, 비접촉 온도 센서.
13. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기는 오목 미러(concave mirror)인, 비접촉 온도 센서.
14. 제13항에 있어서,
    상기 미러는 상기 하우징의 외부에 있는 초점(FP)을 가지는, 비접촉 온도 센서.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 미러의 상기 초점(FP)은 상기 하우징의 전방면으로부터 50mm 내지 100mm 사이의 거리에 위치되는, 비접촉 온도 센서.
16. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 검출기 장치는 상기 적어도 하나의 애퍼처와 직접적인 시선으로 배향되는, 비접촉 온도 센서.
17. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구는 고투과율 재료로 만들어진 윈도우인, 비접촉 온도 센서.
18. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    가시 범위의 광을 생성할 수 있는 가시광원을 더 포함하고, 상기 가시광원으로부터의 가시광은 순방향(forward direction)으로 지향되는, 비접촉 온도 센서.
19. 제3항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 광원을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는, 비접촉 온도 센서.
20. 제19항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 발광 디바이스를 ON 상태로부터 OFF 상태로 스위칭할 수 있는, 비접촉 온도 센서.

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