KR20220016403A - sleeve still surface temperature measuring apparatus and measuring method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법에 관한 것으로서, 고온 슬리브강의 표면에 레이저빔을 조사하고 표면으로부터 발생되는 음파를 검출하여 온도를 측정하는 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for measuring the temperature of a non-contact high-temperature sleeve steel based on laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing and a method for measuring the temperature thereof. To a non-contact high temperature sleeve steel temperature measuring device and method for measuring the temperature based on ultrasonic flaw detection and wave number signal processing.
접촉식 온도측정 방법으로는 크게 열전쌍 (thermo-couple)을 활용하는 방법과 온도에 따른 저항변화를 측정하는 방법이 있다. 두 방법 모두 전도에 의한 열전도 현상을 활용하기 때문에 온도측정 대상체와 밀착이 필요하며 측정대상 열이 충분히 전도되기까지 약 30초 정도의 대기 시간이 요구된다. 접촉식 온도측정 방법은 측정 대상체가 외부물질 접촉에 민감하거나, 이동 중이거나 또는 접근이 불가능한 환경에 놓인 경우 적용할 수 없는 단점이 있다.As a contact-type temperature measurement method, there are largely a method using a thermo-couple and a method of measuring resistance change according to temperature. Since both methods utilize the heat conduction phenomenon by conduction, close contact with the temperature measurement object is required, and a waiting time of about 30 seconds is required for the measurement object heat to be sufficiently conducted. The contact temperature measurement method has a disadvantage in that it cannot be applied when the measurement target is sensitive to contact with an external material, is moving, or is placed in an environment that is inaccessible.
특히, 제강과정에서 압연과정을 거쳐 생성되는 판형상의 슬리브 강(sleeve still)의 경우 연속적으로 이동 중이며 표면이 고온이기 때문에 접촉식 측정방법을 적용하기 어렵다.In particular, in the case of a plate-shaped sleeve still produced through a rolling process in the steelmaking process, it is difficult to apply a contact measurement method because it is continuously moving and the surface is high.
이와 같은 어려움을 극복하기 위해 비접촉 온도측정 방법이 개발되었다. 통상적인 비접촉식 온도측정 방법은 대상이 방출하는 적외선 에너지가 온도에 따라 다르다는 현상을 활용한다. 적외선 온도계는 렌즈, 필터, 광학 디텍터, 증폭회로 및 선형회로로 구성된다. 적외선 온도계의 렌즈는 대상 표면의 측정점으로부터 방출되는 빛 에너지를 모으고 필터는 해당 빛에서 디텍터가 감지할 수 있는 파장의 빛만 통과시키고 이는 디텍터에서 측정된다. 디텍터에서 측정되는 신호는 매우 작기 때문에 증폭기를 거치면서 증폭되며, 이 신호는 선형화 회로에서 물체의 방사율 (emissivity)을 고려하여 온도 값으로 변환된다. 적외선 온도측정 방법은 5초 이내에 온도측정이 가능하고 비접촉식이라는 장점으로 현재 많은 산업계에 활용되고 있다. To overcome these difficulties, a non-contact temperature measurement method was developed. A conventional non-contact temperature measurement method utilizes the phenomenon that the infrared energy emitted by an object varies with temperature. The infrared thermometer consists of a lens, a filter, an optical detector, an amplifier circuit and a linear circuit. The lens of the infrared thermometer collects the light energy emitted from the measurement point on the target surface, and the filter passes only the light of the wavelength that the detector can detect from the light, which is measured by the detector. Since the signal measured by the detector is very small, it is amplified while passing through the amplifier, and this signal is converted into a temperature value in consideration of the emissivity of the object in the linearization circuit. Infrared temperature measurement method can measure temperature within 5 seconds and has the advantage of being non-contact, and is currently being used in many industries.
한편, 구조물 건전성 모니터링과 비파괴 검사를 목적으로 초음파 탐상 기술이 활용된다. 초음파는 빠른 시간 내 측정대상체 전반으로 전파되며 작은 물성변화에도 민감하게 반응하기 때문에 측정대상체의 표면 또는 내부 결함탐지에 널리 활용된다. 온도변화 발생 시 매질의 기계적 특성이 변화함에 따라 초음파 거동도 변화하기 때문에 초음파 탐상을 통한 온도측정이 가능하다. 국내 등록특허 제10-0467985호에는 초음파 온도 측정장치가 개시되어 있으나, 텅스텐 합금으로 된 센싱소자를 적용하고 있어 제작이 용이하지 않으며 일정면적에 대해 스캔하면서 온도분포 정보를 얻기가 어려운 단점이 있다.Meanwhile, ultrasonic flaw detection technology is used for structural health monitoring and non-destructive testing. Ultrasound is widely used to detect surface or internal defects of a measurement object because it propagates quickly throughout the measurement object and responds sensitively to small changes in physical properties. When the temperature change occurs, the ultrasonic behavior changes as the mechanical properties of the medium change, so it is possible to measure the temperature through ultrasonic flaw detection. Although Korean Patent Registration No. 10-0467985 discloses an ultrasonic temperature measuring device, it is difficult to manufacture because a sensing element made of a tungsten alloy is applied, and it is difficult to obtain temperature distribution information while scanning a certain area.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 레이저를 이용하여 슬리브 강의 표면의 온도를 측정할 수 있는 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and a non-contact high temperature sleeve steel temperature measuring apparatus and method for measuring the temperature of a non-contact high temperature sleeve steel based on laser ultrasonic flaw detection and wave number signal processing capable of measuring the temperature of the surface of the sleeve steel using a laser. Its purpose is to provide
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치는 고온 슬리브강의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 스캔 위치의 충격포인트들로 조사하는 레이저빔 조사부와; 상기 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 상기 고온 슬리브강에 기준레이저빔을 조사하고, 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 기준 레이저빔에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 초음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와; 상기 레이저 빔조사부로부터 상기 충격 레이저빔이 상기 고온 슬리브강에 조사되게 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 초음파 정보를 이용하여 상기 고온 슬리브강 표면의 온도를 산출하는 산출부;를 구비하고, 상기 산출부는 수신된 초음파 신호를 스캔위치의 각 충격포인트에 해당하는 가진점에 맞게 3차원데이터로 배치하고, 배치된 3차원데이터에 대해 시간 방향에서 역순으로 배치한 초음파 전파영상을 획득하고, 획득된 상기 초음파 전파영상에 대해 대표 주파수신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차에 해당하는 대표응답을 도출하고, 도출된 대표응답을 파수영역신호로 변환한 후 대표파수를 추출하고, 추출된 대표파수에 대응되는 온도값을 룩업테이블로부터 추출하여 온도를 산출한다.In order to achieve the above object, the non-contact high temperature sleeve steel temperature measuring device based on laser ultrasonic flaw detection and wave number signal processing according to the present invention irradiates an impact laser beam to the impact points of the scan position so as to generate sound waves on the surface of the high temperature sleeve steel. and a laser beam irradiation unit; A reference laser beam is irradiated to the high-temperature sleeve steel at a measurement position different from that of the impact laser beam, and a detection laser beam reflected from the high-temperature sleeve steel is received from the high-temperature sleeve steel. a laser beam-based measuring unit for measuring ultrasonic information generated in response to irradiation of an impact laser beam; Controlling the driving of the laser beam irradiator so that the impact laser beam from the laser beam irradiator is irradiated to the high-temperature sleeve steel, and calculating the temperature of the surface of the high-temperature sleeve steel using the ultrasonic information measured from the laser beam-based measuring unit and a calculator that arranges the received ultrasound signal as three-dimensional data to match the excitation point corresponding to each impact point of the scan position, and arranges the three-dimensional data in reverse order in the time direction. Acquire an ultrasonic wave image, derive a representative response corresponding to the phase difference between the representative frequency signal and the time domain signal of each excitation point for the obtained ultrasonic wave image, convert the derived representative response into a wavenumber domain signal, and then represent The wavenumber is extracted, and the temperature value corresponding to the extracted representative wavenumber is extracted from the lookup table to calculate the temperature.
바람직하게는 상기 레이저빔 조사부는 상기 충격 레이저빔을 출사하는 제1레이저광원과; 상기 제1레이저광원에서 출사되는 충격 레이저빔이 설정된 스캔 위치의 충격포인트로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부;를 구비하고, 상기 레이저빔 기반 측정부는 상기 기준 레이저빔을 출사하는 제2레이저광원과; 상기 기준레이저빔을 제1경로와 상기 제1경로와 직교하는 방향의 제2경로로 분할하여 출력하는 제1빔스플릿터와; 상기 제1경로를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 상기 고온 슬리브강으로부터 반사되는 광은 상기 제2경로와 나라한 제3경로로 반사시키는 제2빔스플릿터와; 상기 제2경로를 통해 진행되는 광을 상기 제1경로와 나란한 제4경로로 반사시키는 제1미러와; 상기 제1미러에서 반사되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광과 상기 제3경로를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광은 제5경로로 투과시키고, 상기 제3경로를 통해 진행되는 광은 상기 제5경로로 진행되게 반사시키는 제3빔스플릿터와; 상기 제3빔스플릿터에서 상기 제5경로로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부에 제공하는 광검출기;를 구비한다.Preferably, the laser beam irradiation unit comprises: a first laser light source for emitting the impact laser beam; and a scan unit for adjusting a path so that the impact laser beam emitted from the first laser light source is irradiated to an impact point of a set scan position, wherein the laser beam-based measuring unit includes a second laser light source emitting the reference laser beam ; a first beam splitter for dividing the reference laser beam into a first path and a second path in a direction orthogonal to the first path; a second beam splitter for passing the light traveling through the first path and reflecting the light reflected from the high-temperature sleeve steel to a third path that is different from the second path; a first mirror for reflecting the light traveling through the second path to a fourth path parallel to the first path; The light that is reflected from the first mirror and proceeds through the fourth path and the light that proceeds through the third path is disposed at a position where it can be incident and the light that proceeds through the fourth path is transmitted to the fifth path a third beam splitter that transmits the light and reflects the light traveling through the third path to travel through the fifth path; and a photodetector that detects the interference light traveling through the fifth path from the third beam splitter and provides it to the calculator.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강 온도 측정장치의 온도 측정방법은 고온 슬리브강의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 스캔 위치의 충격포인트들로 조사하는 레이저빔 조사부와, 상기 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 상기 고온 슬리브강에 기준레이저빔을 조사하고, 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 기준 레이저빔에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 초음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와, 상기 레이저 빔조사부로부터 상기 충격 레이저빔이 상기 고온 슬리브강에 조사되게 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 초음파 정보를 이용하여 상기 고온 슬리브강 표면의 온도를 산출하는 산출부를 구비하는 온도 측정장치의 온도측정방법에 있어서, 가. 수신된 초음파 신호를 스캔위치의 각 충격포인트에 해당하는 가진점에 맞게 3차원데이터로 배치하는 단계와; 나. 배치된 상기 3차원데이터에 대해 시간 방향에서 역순으로 배치한 초음파 전파영상을 획득하는 단계와; 다. 획득된 상기 초음파 전파영상에 대해 대표 주파수신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차에 해당하는 대표응답을 도출하는 단계와; 라. 도출된 상기 대표응답을 파수영역신호로 변환한 후 대표파수를 추출하는 단계와; 마. 추출된 상기 대표파수에 대응되는 온도값을 대표파수에 대응되는 온도값이 기록된 룩업테이블로부터 추출하여 온도를 산출하는 단계;를 포함한다.In addition, in order to achieve the above object, the method for measuring the temperature of the non-contact high temperature sleeve steel temperature measuring device based on laser ultrasonic flaw detection and wave number signal processing according to the present invention scans the impact laser beam so as to generate sound waves on the surface of the high temperature sleeve steel. A laser beam irradiator that irradiates to the impact points of , and a reference laser beam is irradiated to the high-temperature sleeve steel at a measurement position different from that of the impact laser beam, and is reflected from the high-temperature sleeve steel to the reference laser beam A laser beam-based measuring unit that receives a detection laser beam and measures ultrasonic information generated in response to irradiation of the impact laser beam from the high-temperature sleeve steel, and the impact laser beam from the laser beam irradiation unit is irradiated to the high-temperature sleeve steel In the temperature measuring method of a temperature measuring device having a calculator for controlling the driving of the laser beam irradiator so as to be able to, and calculating the temperature of the surface of the high-temperature sleeve steel using the ultrasonic information measured from the laser beam-based measuring unit, . arranging the received ultrasound signal as three-dimensional data according to the excitation point corresponding to each impact point of the scan position; me. acquiring ultrasonic wave images arranged in a reverse order in a time direction with respect to the arranged 3D data; All. deriving a representative response corresponding to a phase difference between a representative frequency signal and a time-domain signal of each excitation point with respect to the obtained ultrasonic wave image; La. converting the derived representative response into a wavenumber domain signal and then extracting a representative wavenumber; mind. and calculating a temperature by extracting a temperature value corresponding to the extracted representative wavenumber from a lookup table in which a temperature value corresponding to the representative wavenumber is recorded.
본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법에 의하면, 레이저를 이용하여 고온 슬리브강 표면의 온도를 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing-based non-contact temperature measuring device and temperature measuring method of the high temperature sleeve steel according to the present invention, it is possible to precisely measure the temperature of the high temperature sleeve steel surface using a laser.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 레이저빔 조사부의 구성 예를 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 레이저빔 기반 측정부의 구성 예를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 레이저빔 조사부에서 충격레이저빔의 스캔 포인트의 일 예를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 도 1의 온도 측정장치의 온도 산출과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 6은 측정된 초음파 전파신호를 3차원으로 재배열하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 도 6의 과정을 거쳐 재배열된 3차원 데이터로부터 초음파 전파 영상을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 8은 도 7의 초음파 전파 영상으로부터 대표응답을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 도 8의 대표응답으로부터 대표파수를 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 도 1의 산출부에서 온도를 측정하는데 이용되는 대표파수와 온도와의 관계를 나타내 보인 그래프이다.1 is a view showing an apparatus for measuring the temperature of a non-contact high-temperature sleeve steel based on laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing according to the present invention;
Figure 2 is a perspective view showing an example of the configuration of the laser beam irradiation unit of Figure 1,
3 is a view showing a configuration example of the laser beam-based measuring unit of FIG. 1,
Figure 4 is a view showing an example of the scan point of the impact laser beam in the laser beam irradiation unit of Figure 1,
5 is a flowchart showing a temperature calculation process of the temperature measuring device of FIG. 1;
6 is a view for explaining a process of rearranging the measured ultrasonic wave signal in three dimensions;
7 is a view for explaining a process of generating an ultrasonic wave image from 3D data rearranged through the process of FIG. 6;
8 is a view for explaining a process of deriving a representative response from the ultrasonic wave image of FIG. 7;
9 is a diagram for explaining a process of deriving a representative wave number from the representative response of FIG. 8;
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the representative wave number used to measure the temperature in the calculator of FIG. 1 and the temperature.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus for measuring the temperature of a non-contact high temperature sleeve steel based on laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing and a method for measuring the temperature according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing an apparatus for measuring the temperature of a non-contact high-temperature sleeve steel based on laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치(100)는 레이저빔 조사부(110), 레이저빔 기반 측정부(150), 산출부(170) 및 표시부(180)를 구비한다.1, the laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing-based non-contact high temperature sleeve
레이저빔 조사부(110)는 고온 슬리브강(10)의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 조사한다.The laser
여기서, 고온 슬리브강(10)은 제강과정에서 고로(20)에서 용출되는 쇳물을 정련하고 압연롤러를 거쳐 판형상으로 제조되는 강을 말하며 컨베이어벨트를 통해 이송된다.Here, the high-
레이저빔 조사부(110)의 상세 구조를 도 2를 함께 참조하여 설명한다. 레이저빔 조사부(110)는 산출부(170)에 제어되어 충격 레이저빔(112a)을 출사하는 제1레이저광원(112)과, 제1레이저광원(112)에서 출사되는 충격 레이저빔(112a)이 설정된 스캔 위치의 충격포인트들로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부(120)로 되어 있다.A detailed structure of the laser
제1레이저광원(112)은 고온 슬리브강(10)에 충격을 인가하여 고온 슬리브강(10)으로부터 초음파가 발생할 수 있는 정도의 충격 레이저빔(112a)을 출사하는 파워를 갖는 것을 적용한다. 제1레이저광원(112)은 충격 레이저빔(112a)의 출사시기에만 충격레이저빔(112a)이 출사되게 산출부(170)에 제어된다.The first
스캔부(120)는 통상적인 구조로 구축되면 되고, 제1레이저광원(112)에서 출사되는 광에 대해 조사면을 기준으로 제1방향에 대한 조사방향을 제1반사경(121)의 각도를 조정하여 조정하는 제1방향조정기(123)와, 제1반사경(121)을 거쳐 진행되는 광에 대해 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2반사경(122)의 각도를 조정하여 조정하는 제2방향조정기(122)로 구축될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2방향조정기(123)(124)는 산출부(170)에 의해 제어되며 제1 및 제2반사경(121)(122)의 회전중심으로부터 연장된 회전축을 회전구동하는 모터가 적용되어 있고, 도시된예와 다른 방식으로 제1 및 제2반사경(121)(122)을 회전시키는 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.The
이러한 레이저빔 조사부(110)는 산출부(170)에 제어되어 설정된 충격 레이저빔(112a)의 발생간격마다 충격 레이저빔(112a)이 출사되게 하고, 스캔부(120)는 산출부(170)에 제어되어 스캔 영역에 대해 설정된 스캔위치의 충격포인트로 충격 레이저빔(112a)이 조사되게 경로를 조정한다. 일 예로서, 스캔부(120)에 의해 조사되는 충격 레이저빔(112a)은 도 4에 도시된 바와 같이 참조부호 116으로 표기된 스캔 위치의 충격포인트에 순차적으로 화살표 방향을 따라 조사되게 구축될 수 있다. 이 경우 다수의 충격포인트들에 대한 온도 정보를 추출할 수 있다. The
레이저빔 기반 측정부(150)는 충격 레이저빔(112a)의 조사위치(116)와는 다른 측정위치(m)의 고온 슬리브강(10)에 기준레이저빔(152)을 조사하고, 고온 슬리브강(10)으로부터 기준 레이저빔(152)에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 고온 슬리브강(10)으로부터 충격 레이저빔(112a)의 조사에 반응하여 발생되는 음파 정보를 측정하고 도 3을 함께 참조하여 설명한다.The laser beam-based
레이저빔 기반 측정부(150)는 제2레이저광원(151), 제1빔스플릿터(161), 제2빔스플릿터(162), 제1미러(155), 제3빔스플릿터(163), 광검출기(165)를 구비한다.The laser beam-based
제2레이저광원(151)은 기준 레이저빔을 출사한다. 제2레이저광원(151)은 측정모드에서는 연속적으로 기준 레이저빔을 출사하도록 제어된다.The second
제1빔스플릿터(161)는 제2레이저광원(151)에서 출사되는 기준레이저빔을 제1경로(157)와 제1경로(157)와 직교하는 방향의 제2경로(158)로 분할하여 출력한다.The
참조부호 153은 광빔을 변조하기 위해 제1경로(157) 상에 설치되는 광변조기이고, 기계적, 물리적 방식의 변조기 및 그 밖의 변조기를 적용하면 된다.
제2빔스플릿터(162)는 제1경로(157)를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 고온 슬리브강(10)으로부터 반사되는 광은 제2경로(158)와 나란한 제3경로(159)로 반사시킨다.The
제1미러(155)는 제2경로(158)를 통해 진행되는 광을 제1경로(157)와 나란한 제4경로(160)로 반사시킨다.The
제3빔스플릿터(163)는 제1미러(155)에서 반사되어 제4경로(160)를 통해 진행되는 광과 제3경로(159)를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 제4경로(160)를 통해 진행되는 광은 제5경로(164)로 투과시키고, 제3경로(159)를 통해 진행되는 광은 제5경로(164)로 진행되게 반사시켜 간섭광을 생성한다. The
광검출기(165)는 제3빔스플릿터(163)에서 제5경로(164)로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부(170)에 제공한다.The
산출부(170)는 레이저 빔조사부(110)로부터 충격 레이저빔이 고온 슬리브강(10)에 조사되게 레이저빔 조사부(110)의 구동을 제어하고, 레이저빔 기반 측정부(150)의 광검출기(165)에서 수신된 정보로부터 음파 정보를 획득하고, 이 음파 정보를 이용하여 고온 슬리브강(10) 표면의 온도를 산출하며, 산출된 온도정보를 표시부(180)를 통해 표시한다.The
이 경우 산출부(170)는 스캔대상 영역에 대해 제1방향(X)과 제1방향(X)과 직교하는 제2방향(Y)을 따라 설정된 복수 개의 충격 포인트(116)들에 대해 충격 레이저빔(112a)이 설정된 가진 간격으로 조사되게 레이저빔 조사부(110)를 제어한다. 여기서, 가진 주파수는 50KHz 이상, 충격레이저빔이 조사되는 시간인 가진시간은 1/1000 초 이내 및 충격 포인트(116) 사이의 간격인 가진 간격은 1mm이내로 적용할 수 있고, 측정 환경에 따라 적절하게 조정 및 변경하면 된다. In this case, the
다음으로 산출부(170)는 각 충격포인트(116)들에 대해 충격레이저빔(112a)이 조사된 후 레이저빔 기반 측정부(150)로부터 수신된 초음파 신호를 이용하여 온도를 측정하고 그 과정을 도 5를 참조하여 설명한다.Next, the
먼저, 산출부(170)는 수신된 초음파 신호를 스캔위치의 각 충격포인트(116)에 해당하는 가진점에 맞게 3차원데이터로 배치한다(단계 210). 여기서, 3차원 데이터는 가진점에 대응되는 2차원 초음파 신호를 시간축으로 3차원이 되게 배열한 데이터를 말한다. 또한, 양질의 초음파 신호를 획득하기 위해 초음파 신호에 대한 샘플링 주파수는 2MHz이상을 적용한다. 또한, 도 6을 통해 이해할 수 있는 바와 같이, 레이저빔 기반 측정부(150)로부터 수신된 초음파 신호는 1차원으로 배열된 데이터이며, 1차원으로 배열된 데이터 신호에 대해 개별 가진점 가진시 소요되는 시간에 맞게 분리한 후, 스캔 경로 상의 각 가진점의 위치에 맞게 재배열한다. 참고로 도 4에서는 가진점이 가로열로 9개 세로열로 9개가 적용되어 있으나, 도 6에서는 도면의 복잡성을 피하기 위해 가로열로 5개 세로열로 5개로 표시하여 예시하였다.First, the
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이 앞서 과정에서 생성한 3차원데이터에 대해 시간 방향에서 역순으로 배치한 초음파 전파영상을 획득한다(단계 220). Next, as shown in FIG. 7 , ultrasonic wave images arranged in the reverse order in the time direction with respect to the 3D data generated in the previous process are acquired (step 220).
이러한 과정을 통해 초음파 전파 영상이 생성되는 원리는 다음과 같다. 원론적으로 왜곡 없는 초음파 전파 영상을 획득하기 위해서는 일반적인 카메라 촬영과 같이 검사 영역을 동시에 측정하는 것이 필요하다. 그러나 초음파 신호 측정의 경우 카메라 장비로 수행할 수 없기 때문에 레이저 장비를 통해 검사 영역 내의 다수 측정점에 대한 신호를 획득하여 영상을 생성한다. 초음파 탐상에서 동일한 에너지와 입력 신호로 같은 위치에서 가진을 수행하면 전반 영역에서 발생하는 초음파 전파 양상은 매번 가진을 수행할 때 마다 동일하다고 가정할 수 있다. 따라서 측정 위치를 변경해도 가진과 측정 시점이 일치하면 각 측정점에서 획득된 초음파 신호는 카메라 촬영과 같이 동시에 모든 영역의 초음파 신호를 획득한 것으로 볼 수 있다. 고정된 위치에서 가진을 수행하고 측정점을 이동시키면 스캔 후 초음파 전파 영상을 생성할 수 있는 원리는 위와 같다. 반대로 본 발명에서 수행하는 초음파 탐상은 측정점은 고정되어 있고 가진점이 이동된다. 따라서, 시간역순방식(Time reversal method) 이론을 기반으로 측정점에서 획득한 신호를 시간의 역순으로 재생시키면 측정점과 가진점이 서로 바뀌었을 때와 동일한 신호를 얻을 수 있기 때문에 같은 원리에 의해 초음파 전파 영상을 얻을 수 있다. The principle of generating an ultrasonic wave image through this process is as follows. In principle, in order to acquire an ultrasonic wave image without distortion, it is necessary to measure the inspection area at the same time as in general camera photography. However, since ultrasonic signal measurement cannot be performed with camera equipment, signals for multiple measurement points in the inspection area are acquired through laser equipment to generate images. In ultrasonic flaw detection, if excitation is performed at the same location with the same energy and input signal, it can be assumed that the ultrasonic propagation pattern generated in the first half area is the same every time excitation is performed. Therefore, even if the measurement position is changed, if the excitation and the measurement time coincide with each other, the ultrasound signal acquired at each measurement point can be regarded as acquiring the ultrasound signal of all areas at the same time as when photographing with a camera. The principle of generating an ultrasonic wave image after scanning by performing excitation at a fixed position and moving the measurement point is as above. Conversely, in the ultrasonic flaw detection performed in the present invention, the measuring point is fixed and the excitation point is moved. Therefore, based on the time reversal method theory, if the signal acquired at the measuring point is reproduced in the reverse order of time, the same signal as when the measuring point and the excitation point are exchanged can be obtained. can be obtained
다음으로, 획득된 초음파 전파영상에 대해 대표 주파수신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차에 해당하는 대표응답을 도출한다(단계 230). 가진에 의한 신호는 사각형 펄스 파형이기 때문에 다양한 주파수를 포함한다. 따라서 효과적인 신호처리를 위해 먼저 시간영역으로 주파수 필터링을 수행하며, 주파수 범위는 대상의 특성을 고려하여 적절하게 결정하면 된다. 다음으로 도 8과 같이 초음파 전파 영상을 대표하는 응답을 획득한다. 대표응답은 대표 주파수 신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차이를 의미한다. 해당 대표응답을 얻는 과정에서 효과적인 신호중첩을 통해 이동 중이거나 표면이 고르지 못한 대상에서 획득된 신호라 하더라도 신호대 잡음비(SNR)을 향상시킬 수 있다. 이 과정으로 영상을 대표하는 2차원 대표응답 영상을 아래의 수학식 1을 통해 얻는다.Next, a representative response corresponding to the phase difference between the representative frequency signal and the time domain signal of each excitation point is derived for the obtained ultrasonic wave image (step 230). Since the signal by excitation is a square pulse waveform, it contains various frequencies. Therefore, for effective signal processing, frequency filtering is first performed in the time domain, and the frequency range may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the target. Next, a response representative of the ultrasonic wave image is acquired as shown in FIG. 8 . The representative response means the phase difference between the representative frequency signal and the time domain signal at each excitation point. Signal-to-noise ratio (SNR) can be improved even if the signal is acquired from a moving object or an uneven surface through effective signal superposition in the process of obtaining the representative response. Through this process, a two-dimensional representative response image representing the image is obtained through
여기서, T는 초음파 전파영상의 전체시간이고,where T is the total time of the ultrasonic wave image,
r(x,y)는 대표응답이고, v(x,y,t)는 초음파 전파 영상 내 각 위치(x,y)의 응답이고, f는 초음파 가진 주파수이고, exp(-j2πft)는 정현파 생성식이다.r(x,y) is the representative response, v(x,y,t) is the response of each position (x,y) in the ultrasonic wave image, f is the ultrasonic excitation frequency, and exp(-j2πft) is the sine wave generation it is expression
이후 도 9와 같이 생성된 대표 응답을 2차원 푸리의 변환 기법을 적용하여 파수영역(파수 도메인) 신호로 변환한다(단계 240). 스캔 표면이 평평하거나 굴곡이 심하지 않을 경우, 통상적으로 파수 성분은 도넛형태 (torus shape)를 띄기 때문에 지름크기로 표현할 수 있다. 이후, 파수영역 내에서 대표파수를 추출하고, 이로부터 온도를 산출한다(단계 250). Thereafter, the representative response generated as shown in FIG. 9 is converted into a wavenumber domain (wavenumber domain) signal by applying a two-dimensional Fourier transform technique (step 240). If the scan surface is flat or not very curved, the wavenumber component usually has a torus shape, so it can be expressed in terms of diameter. Thereafter, a representative wavenumber is extracted in the wavenumber region, and a temperature is calculated therefrom (step 250).
먼저, 초음파 영상의 대표 파수(Kr)는 파수 영역에서 최대 값을 갖는 지점과 원점 간 반지름을 도출함으로써 선정된다. 즉, 대표파수는 아래의 수학식 2를 통해 산출된다. First, the representative wavenumber Kr of the ultrasound image is selected by deriving the radius between the point having the maximum value in the wavenumber region and the origin. That is, the representative wave number is calculated through
여기서, Kx와 Ky는 파수영역에서 최대값의 위치이다.Here, Kx and Ky are the positions of the maximum values in the wavenumber region.
한편, 초음파는 매질의 변화에 따라 동일한 주파수에도 이동속도, 크기 및 파장이 변화한다. 온도변화 발생 시 대상의 물리적 특성(밀도 및 강성 등)이 바뀌기 때문에 매질이 변하게 되고 이는 온도에 따른 초음파의 전파속도와 대표 파수도 바뀐다. On the other hand, the movement speed, size, and wavelength of ultrasonic waves change even at the same frequency according to the change of the medium. When the temperature changes, the physical properties (density and stiffness, etc.) of the object change, so the medium changes, which in turn changes the propagation speed and representative wave number of ultrasonic waves according to the temperature.
따라서, 추출된 대표파수에 대응되는 온도값을 대표파수에 대응되는 온도값이 기록된 룩업테이블(미도시)로부터 추출하여 온도를 산출한다. 여기서, 룩업테이블은 도 10에 도시된 바와 같이 산출부(170)내에 마련된 것으로 대표파수와 온도와의 관계를 실험에 의해 구한 값이 기록되어 있고, 이로부터 온도를 산출할 수 있다.Accordingly, the temperature is calculated by extracting the temperature value corresponding to the extracted representative wave number from a lookup table (not shown) in which the temperature value corresponding to the representative wave number is recorded. Here, as shown in FIG. 10 , the lookup table is provided in the
이상에서 설명된 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법에 의하면, 고온 슬리브 강(10)과 같이 용융상태에서 냉각에 의해 표면이 고체화 될 때, 표면 방사율이 급격하게 변화하는 상황에서도 정확한 온도측정이 가능하다. 또한 전 과정(가진-신호측정-신호처리-온도환산)이 빠르게 완료되기 때문에 실시간 온도측정을 수행할 수 있다. 이러한 장점들로 인해 슬리브 강의 정확한 냉각시점을 알 수 있고 냉각 이후 공정들을 적기에 적용할 수 있기 때문에 공정 효율화와 함께 작업자의 안전도 향상시킬 수 있다.According to the above-described laser ultrasonic flaw detection and wavenumber signal processing-based temperature measuring device and temperature measuring method for non-contact high-temperature sleeve steel, when the surface is solidified by cooling in a molten state like the high-
또한, 본 장치를 통해 스캔 영역을 늘릴 경우 국소영역뿐 아니라 대상 면 전체영역에 대한 온도 맵도 작성이 가능하다. 또한 획득된 초음파 신호를 기존에 사용되는 비파괴검사 기법에 적용할 경우 온도측정과 함께 표면결함 탐지를 통한 품질검사 분야에도 확장될 수 있다.In addition, when the scan area is increased through this device, it is possible to create a temperature map for not only a local area but also the entire area of the target surface. In addition, when the acquired ultrasonic signal is applied to the existing non-destructive inspection technique, it can be expanded to the field of quality inspection through surface defect detection along with temperature measurement.
110: 레이저빔 조사부 112:제1레이저광원
120: 스캔부 150: 레이저빔 기반 측정부
151: 제2레이저광원 155: 제1미러
161: 제1빔스플릿터 162: 제2빔스플릿터
163: 제3빔스플릿터 165: 광검출기
170: 산출부 180: 표시부110: laser beam irradiation unit 112: first laser light source
120: scan unit 150: laser beam-based measurement unit
151: second laser light source 155: first mirror
161: first beam splitter 162: second beam splitter
163: third beam splitter 165: photodetector
170: calculation unit 180: display unit
Claims (3)
상기 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 상기 고온 슬리브강에 기준레이저빔을 조사하고, 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 기준 레이저빔에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 상기 고온 슬리브강으로부터 상기 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 초음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와;
상기 레이저 빔조사부로부터 상기 충격 레이저빔이 상기 고온 슬리브강에 조사되게 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 초음파 정보를 이용하여 상기 고온 슬리브강 표면의 온도를 산출하는 산출부;를 구비하고,
상기 산출부는
수신된 초음파 신호를 스캔위치의 각 충격포인트에 해당하는 가진점에 맞게 3차원데이터로 배치하고, 배치된 3차원데이터에 대해 시간 방향에서 역순으로 배치한 초음파 전파영상을 획득하고, 획득된 상기 초음파 전파영상에 대해 대표 주파수신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차에 해당하는 대표응답을 도출하고, 도출된 대표응답을 파수영역신호로 변환한 후 대표파수를 추출하고, 추출된 대표파수에 대응되는 온도값을 룩업테이블로부터 추출하여 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강 온도 측정장치.a laser beam irradiator for irradiating an impact laser beam to impact points of a scan position so as to generate a sound wave on the surface of the high temperature sleeve steel;
A reference laser beam is irradiated to the high-temperature sleeve steel at a measurement position different from that of the impact laser beam, and a detection laser beam reflected from the high-temperature sleeve steel to the reference laser beam is received from the high-temperature sleeve steel. a laser beam-based measuring unit for measuring ultrasonic information generated in response to irradiation of an impact laser beam;
The driving of the laser beam irradiator is controlled so that the impact laser beam from the laser beam irradiator is irradiated to the high-temperature sleeve steel, and the temperature of the surface of the high-temperature sleeve steel is calculated using the ultrasonic information measured from the laser beam-based measuring unit. and a calculation unit to
the calculation unit
The received ultrasound signal is arranged as 3D data according to the excitation point corresponding to each impact point of the scan position, and the ultrasound propagation image arranged in reverse order in the time direction is obtained with respect to the arranged 3D data, and the obtained ultrasound For the radio image, a representative response corresponding to the phase difference between the representative frequency signal and the time domain signal of each excitation point is derived, the derived representative response is converted into a wavenumber domain signal, and then the representative wave number is extracted and corresponding to the extracted representative wave number A non-contact high temperature sleeve steel temperature measuring device based on laser ultrasonic flaw detection and wave number signal processing, characterized in that the temperature is calculated by extracting the temperature value from the lookup table.
상기 충격 레이저빔을 출사하는 제1레이저광원과;
상기 제1레이저광원에서 출사되는 충격 레이저빔이 설정된 스캔 위치의 충격포인트로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부;를 구비하고,
상기 레이저빔 기반 측정부는
상기 기준 레이저빔을 출사하는 제2레이저광원과;
상기 기준레이저빔을 제1경로와 상기 제1경로와 직교하는 방향의 제2경로로 분할하여 출력하는 제1빔스플릿터와;
상기 제1경로를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 상기 고온 슬리브강으로부터 반사되는 광은 상기 제2경로와 나라한 제3경로로 반사시키는 제2빔스플릿터와;
상기 제2경로를 통해 진행되는 광을 상기 제1경로와 나란한 제4경로로 반사시키는 제1미러와;
상기 제1미러에서 반사되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광과 상기 제3경로를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광은 제5경로로 투과시키고, 상기 제3경로를 통해 진행되는 광은 상기 제5경로로 진행되게 반사시키는 제3빔스플릿터와;
상기 제3빔스플릿터에서 상기 제5경로로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부에 제공하는 광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강 온도 측정장치.According to claim 1, wherein the laser beam irradiation unit
a first laser light source emitting the impact laser beam;
A scanning unit for adjusting the path so that the impact laser beam emitted from the first laser light source is irradiated to the impact point of the set scan position;
The laser beam-based measuring unit
a second laser light source emitting the reference laser beam;
a first beam splitter for dividing the reference laser beam into a first path and a second path in a direction orthogonal to the first path;
a second beam splitter for passing the light traveling through the first path and reflecting the light reflected from the high-temperature sleeve steel to a third path that is different from the second path;
a first mirror for reflecting the light traveling through the second path to a fourth path parallel to the first path;
The light that is reflected from the first mirror and proceeds through the fourth path and the light that proceeds through the third path is disposed at a position where it can be incident and the light that proceeds through the fourth path is transmitted to the fifth path. a third beam splitter that transmits the light and reflects the light traveling through the third path to travel through the fifth path;
and a photodetector that detects the interference light traveling from the third beam splitter to the fifth path and provides it to the calculator.
가. 수신된 초음파 신호를 스캔위치의 각 충격포인트에 해당하는 가진점에 맞게 3차원데이터로 배치하는 단계와;
나. 배치된 상기 3차원데이터에 대해 시간 방향에서 역순으로 배치한 초음파 전파영상을 획득하는 단계와;
다. 획득된 상기 초음파 전파영상에 대해 대표 주파수신호와 각 가진점의 시간영역 신호 간 위상차에 해당하는 대표응답을 도출하는 단계와;
라. 도출된 상기 대표응답을 파수영역신호로 변환한 후 대표파수를 추출하는 단계와;
마. 추출된 상기 대표파수에 대응되는 온도값을 대표파수에 대응되는 온도값이 기록된 룩업테이블로부터 추출하여 온도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강 온도 측정장치의 온도측정방법.A laser beam irradiator that irradiates an impact laser beam to impact points of a scan position to generate sound waves on the surface of the high temperature sleeve steel, and a reference laser beam to the high temperature sleeve steel at a measurement position different from the irradiation position of the impact laser beam A laser beam-based measuring unit for irradiating a laser beam and measuring ultrasonic information generated in response to the irradiation of the impact laser beam from the high-temperature sleeve steel by receiving a detection laser beam reflected from the high-temperature sleeve steel with respect to the reference laser beam; , control the driving of the laser beam irradiator so that the impact laser beam from the laser beam irradiator is irradiated to the high-temperature sleeve steel, and measure the temperature of the surface of the high-temperature sleeve steel using the ultrasonic information measured from the laser beam-based measuring unit In the temperature measuring method of a temperature measuring device having a calculation unit for calculating,
go. arranging the received ultrasound signal as three-dimensional data according to the excitation point corresponding to each impact point of the scan position;
me. acquiring ultrasonic wave images arranged in a reverse order in a time direction with respect to the arranged 3D data;
All. deriving a representative response corresponding to a phase difference between a representative frequency signal and a time-domain signal of each excitation point with respect to the obtained ultrasonic wave image;
La. converting the derived representative response into a wavenumber domain signal and then extracting a representative wavenumber;
mind. Calculating the temperature by extracting the temperature value corresponding to the extracted representative wave number from a look-up table in which the temperature value corresponding to the representative wave number is recorded; Temperature measurement method of steel temperature measuring device.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020200096079A KR102493099B1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | sleeve still surface temperature measuring apparatus and measuring method thereof |
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KR (1) | KR102493099B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4963587B2 (en) * | 2006-10-18 | 2012-06-27 | 株式会社小野測器 | Laser Doppler vibrometer |
JP5446008B2 (en) * | 2010-01-22 | 2014-03-19 | 国立大学法人長岡技術科学大学 | Temperature measurement method using ultrasonic waves |
-
2020
- 2020-07-31 KR KR1020200096079A patent/KR102493099B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4963587B2 (en) * | 2006-10-18 | 2012-06-27 | 株式会社小野測器 | Laser Doppler vibrometer |
JP5446008B2 (en) * | 2010-01-22 | 2014-03-19 | 国立大学法人長岡技術科学大学 | Temperature measurement method using ultrasonic waves |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR102493099B1 (en) | 2023-01-30 |
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