KR20230021918A - Ultrasonic temperature sensing apparatus of using magnetostrictive principle and sensing method thereof - Google Patents

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Abstract

Provided is an ultrasonic temperature measuring apparatus using a magnetostrictive principle. The ultrasonic temperature measuring apparatus comprises: a magnetostrictive wire used as an ultrasonic waveguide; a reflection point unit fixed and disposed at one position in the longitudinal direction of the wire; a pulse transmitting unit disposed at one end of the wire to apply a pulse current to the wire, providing the periphery of the wire with a second magnetic field in a circumferential direction with respect to the wire; a wire fixing unit disposed on the other side of the wire to fix the wire; and a receiving unit for measuring the temperature of the reflection point unit through a first sensing coil unit that detects a change due to a third magnetic field if the second magnetic field moves along the wire so that the third magnetic field is formed in the point at which the second magnetic field meets the reflection point unit. Therefore, the ultrasonic temperature measuring apparatus can measure the temperature of an object to be measured by using the wire, which is a solid, as an ultrasonic waveguide.

Description

자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치 및 그의 측정 방법{ULTRASONIC TEMPERATURE SENSING APPARATUS OF USING MAGNETOSTRICTIVE PRINCIPLE AND SENSING METHOD THEREOF}Ultrasonic temperature measuring device using magnetostriction principle and measuring method thereof

본 발명은 자기변형원리를 이용한 온도 측정 장치 및 그의 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 자기변형 와이어에 대한 비틀림 파를 검출하여 피측정대상에 대한 온도를 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature measuring device using the magnetostriction principle and a method for measuring the same, and more particularly, to a device and method capable of measuring the temperature of an object to be measured by detecting a torsion wave of a magnetostrictive wire.

온도는 물리적 상태량 중 하나이며, 변위(Displacement), 압력(Pressure), 저항(Resistance), 주파수(Frequency) 등 다른 물리량을 먼저 계측한 뒤 이를 변환하는 방법으로 측정된다. 현재 산업 전반에 걸쳐 가장 많이 이용되는 것은 저항값의 변화를 통해 온도를 측정하는 방식의 열전대(Thermocouple)이다. 열전대는 온도를 측정하고자 하는 지점에 직접 부착, 설치하기 때문에 설치가 간단, 용이하며 열 관성이 낮고, 측정 오차가 작은 장점이 있다.Temperature is one of the physical properties, and is measured by first measuring other physical quantities such as displacement, pressure, resistance, and frequency, and then converting them. Currently, the most widely used throughout the industry is a thermocouple that measures temperature through a change in resistance value. Since the thermocouple is directly attached and installed at the point where the temperature is to be measured, it has advantages of simple and easy installation, low thermal inertia, and small measurement error.

그러나, 동일한 온도 조건하에서 장기간 사용할 경우, 온도 변화는 없지만 계측되는 저항값이 서서히 떨어지는 드래프트 오류(Draft error)가 발생할 수 있고, 설치 과정에서 용접 상태(Poor junction connection)에 영향을 받기 때문에 주기적으로 교정(Calibration) 작업이나 교체를 해주어야 한다. 또한, 열전대는 측정하고자 하는 지점에 부착된 단일 지점에서의 온도를 측정하기 때문에 열 분포를 확인하거나 다양한 지점에서의 온도 측정이 요구되는 경우에는 그 측정 수 만큼 설치해야 한다는 단점이 있었다.However, if used for a long time under the same temperature conditions, a draft error may occur in which the measured resistance value gradually decreases even though there is no temperature change. (Calibration) work or replacement is required. In addition, since the thermocouple measures the temperature at a single point attached to the point to be measured, if heat distribution is checked or temperature measurement at various points is required, the number of measurements must be installed.

최근 다중 지점(Multi-level 또는 Multi-point) 측정이 요구되는 기술적 니즈로 인해 초음파 도파로를 이용한 초음파 방식의 온도 측정에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 기존 초음파를 이용한 온도 측정 기술은 대부분 기체를 매질로 사용하는 방식으로 송, 수신부의 표면 관리, 측정 대상과 송, 수신부 사이의 장애물 영향, 주변 환경에 의한 난반사 등 다양한 문제점이 있었다.Recently, due to the technical need for multi-level or multi-point measurement, research on ultrasonic temperature measurement using an ultrasonic waveguide has been conducted. However, most of the existing temperature measurement technologies using ultrasonic waves have various problems such as surface management of the transmitter and receiver, influence of obstacles between the measurement target and the transmitter and receiver, and diffuse reflection due to the surrounding environment.

한국등록특허공보 제10-1954567 초음파 도파로를 이용한 표면 온도 측정 장치Korean Registered Patent Publication No. 10-1954567 Surface temperature measuring device using ultrasonic waveguide 일본등록특허공보 제4453023 위치 검출 장치 부착 유체 압실린더Japanese Patent Registration No. 4453023 Fluid Pressure Cylinder with Position Detection Device 한국등록특허공보 제10-0635397 실시간 온도보정을 수행하는 초음파에 의한 두께 측정 방법Korean Registered Patent Publication No. 10-0635397 Thickness measurement method by ultrasound performing real-time temperature correction

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고체인 와이어를 초음파 도파로로 사용하여 피측정대상 물체의 온도를 측정할 수 있는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention have been made to solve the above problems, and an ultrasonic temperature measuring device using a magnetostriction principle capable of measuring the temperature of an object to be measured using a solid wire as an ultrasonic waveguide, and We want to provide that method.

또한, 온도 측정이 이루어지는 공간에 대한 구조적 제한(곡선, 곡면 등)과 주변 환경에 따른 측정 한계를 해결할 수 있는 온도 측정 장치 및 측정 방법을 제공하고자 한다.In addition, it is intended to provide a temperature measuring device and measuring method capable of solving the structural limitations (curve, curved surface, etc.) of the space where the temperature measurement is performed and the measurement limitation according to the surrounding environment.

또한, 온도 측정 장치에 적용 가능한 온도 측정 알고리즘을 제공하고자 한다. 이를 통해, 온도 측정 장치 및 그 측정 방법의 신뢰성을 보다 확보하고자 한다. 또한, 본 장치의 각 구성요소 사이의 결합 관계를 용이하게 하여 유지, 관리가 편리하도록 한다.In addition, it is intended to provide a temperature measurement algorithm applicable to a temperature measurement device. Through this, it is intended to further secure the reliability of the temperature measuring device and its measuring method. In addition, by facilitating the coupling relationship between each component of the device, maintenance and management are convenient.

또한, 나선형 자기장에 의해 발생하는 비틀림 파에 의한 자기장 변화 및 와이어의 비틀림 변위를 측정하고자 한다. 이를 통해, 온도 뿐만 아니라, 동시에 측정되는 물리량을 더 확대하고자 한다. 기존 초음파 방식의 측정 장치에 존재하는 측정 불감대 영역을 감소시키고자 한다.In addition, it is intended to measure magnetic field change and torsional displacement of a wire due to torsion waves generated by a spiral magnetic field. Through this, it is intended to further expand not only the temperature but also the physical quantity measured simultaneously. It is intended to reduce the measurement deadband area existing in the existing ultrasonic measuring device.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 초음파 도파로로 사용되는 자기변형 와이어; 상기 와이어의 길이 방향 중 어느 일 위치에 고정 배치되는 반사지점부; 상기 와이어의 일단에 배치되며, 상기 와이어에 펄스 전류를 인가하여 상기 와어어의 주변에 상기 와이어에 대한 원주 방향의 제2자기장을 제공하는 펄스송신부; 상기 와이어의 타측에 배치되어, 상기 와이어를 고정시키는 와이어고정부; 및 상기 와이어를 따라 상기 제2자기장이 이동하여 상기 반사지점부와 만나는 지점에서 제3자기장이 형성되면, 상기 제3자기장에 의한 변화를 검출하는 제1센싱코일부를 통해 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 수신유닛;을 포함하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치를 제공한다.Embodiments of the present invention to solve the above problems, the magnetostrictive wire used as an ultrasonic waveguide; a reflection point portion fixedly disposed at any one position in the length direction of the wire; a pulse transmitter disposed at one end of the wire and applying a pulse current to the wire to provide a second magnetic field around the wire in a circumferential direction with respect to the wire; a wire fixing unit disposed on the other side of the wire and fixing the wire; And when the second magnetic field moves along the wire and a third magnetic field is formed at a point where it meets the reflection point, the temperature of the reflection point is measured through a first sensing coil that detects a change by the third magnetic field. It provides an ultrasonic temperature measuring device using a magnetostriction principle including a receiving unit for measuring.

상기 반사지점부는 상기 와이어의 주변에 상기 와이어에 대한 축 방향의 제1자기장을 제공하는 마그네틱 재질인 것이 바람직하다.Preferably, the reflection point portion is a magnetic material providing a first magnetic field in an axial direction with respect to the wire around the wire.

상기 반사지점부가 복수 개가 형성되면, 상기 반사지점부의 각 온도값에 대한 평균이 온도 측정의 대상에 대한 온도인 것이 바람직하다.When a plurality of reflection point parts are formed, it is preferable that the average of the temperature values of the reflection point part is the temperature of the object to be measured.

상기 수신유닛은 상기 제1센싱코일부를 통해 반사 신호를 분석하는 신호처리부;를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c시간 사이의 시간 차이인 제d시간차를 이용하여 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 온도측정알고리즘을 내장하는 것이 바람직하다.The receiving unit further includes a signal processing unit analyzing a reflected signal through the first sensing coil unit, wherein the signal processing unit detects a change in the second magnetic field and a change in the third magnetic field. It is preferable to embed a temperature measurement algorithm for measuring the temperature of the reflection point portion using the d-th time difference, which is the time difference between the c-th times at which is detected.

상기 신호처리부는, 어느 일 기준 온도에서 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b1시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c1시간 사이의 시간 차이인 제d1시간차를 미리 산출하고, 온도 측정의 대상을 통해 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b2시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c2시간 사이의 시간 차이인 제d2시간차를 실시간 산출한 후, 상기 제d2시간차와 상기 제d1시간차 사이의 시간 차이인 제d3시간차를 최종 산출하여, 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 것이 바람직하다.The signal processing unit calculates in advance a d1th time difference, which is a time difference between a b1th time when a change by the second magnetic field is detected and a c1th time when a change by the third magnetic field is detected in a certain day reference temperature, After calculating the d2th time difference, which is the time difference between the b2th time at which the change by the second magnetic field is detected and the c2th time at which the change by the third magnetic field is detected through the object of temperature measurement, in real time, the d2th time difference is calculated. Preferably, the temperature of the reflection point portion is measured by finally calculating the d3-th time difference, which is the time difference between the time difference and the d1-th time difference.

상기 온도측정알고리즘은 상기 반사지점부의 온도가 상승하는 온도상승구간과 상기 반사지점부의 온도가 하강하는 온도하강구간에 따라 서로 다른 것이 바람직하다.Preferably, the temperature measuring algorithm is different according to a temperature rising section in which the temperature of the reflection point portion rises and a temperature falling section in which the temperature of the reflection point portion decreases.

상기 수신유닛은 상기 제3자기장에 의한 변화를 검출하여 상기 와이어의 비틀림 변위를 측정하는 제2센싱코일부;를 더 포함하고, 상기 제1센싱코일부의 배치 위치에 따라 측정불감대영역이 서로 다른 위치에 형성되며, 상기 제2센싱코일부는 상기 측정불감대영역 내에 배치되는 것이 바람직하다.The receiving unit further includes a second sensing coil unit configured to measure a torsional displacement of the wire by detecting a change by the third magnetic field, and the measurement dead band area is mutually dependent on the arrangement position of the first sensing coil unit. It is formed at a different position, and the second sensing coil is preferably disposed within the measurement dead zone.

자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치 중 수신유닛에 내장되는 온도측정알고리즘에 의한 온도 측정 방법으로서, 상기 제1센싱코일부를 통해 반사 신호를 수집하는 제1단계; 미리 설정되는 어느 일 기준온도에서 초음파의 전파 시간을 산출하고, 피측정대상에 대해 초음파의 전파 시간을 산출한 후, 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이를 계산하는 제2단계; 온도상승구간 및 온도하강구간에서 상기 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이를 입력값으로 하는 함수를 각각 산출하는 제3단계; 및 상기 함수를 이용하여 피측정대상의 실시간 온도를 산출하는 제4단계;를 포함하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 방법을 제공한다.A temperature measurement method using a temperature measurement algorithm embedded in a receiving unit among ultrasonic temperature measurement devices using a magnetostriction principle, comprising: a first step of collecting a reflected signal through the first sensing coil unit; A second step of calculating the propagation time of the ultrasonic wave at a predetermined reference temperature, calculating the propagation time of the ultrasonic wave for the object to be measured, and then calculating the difference in the propagation time of the ultrasonic wave according to the temperature change; A third step of calculating a function having, as an input value, a difference in propagation time of ultrasonic waves according to the temperature change in a temperature rising section and a temperature falling section, respectively; and a fourth step of calculating the real-time temperature of the object to be measured using the function.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.According to the problem solving means of the present invention as described above, various effects including the following can be expected. However, the present invention is not established when all of the following effects are exhibited.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치는 고체인 와이어를 초음파 도파로로 사용하여 피측정대상 물체의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정이 이루어지는 공간에 대한 구조적 제한(곡선, 곡면 등)과 주변 환경에 따른 측정 한계를 해결할 수 있다. 또한, 온도 측정 장치에 적용 가능한 온도 측정 알고리즘을 제공하여, 온도 측정 방법의 신뢰성을 보다 확보할 수 있다. An ultrasonic temperature measurement device using a magnetostriction principle according to an embodiment of the present invention may measure the temperature of an object to be measured by using a solid wire as an ultrasonic waveguide. In addition, it is possible to solve the structural limitations (curve, curved surface, etc.) of the space where the temperature measurement is made and the measurement limitation according to the surrounding environment. In addition, by providing a temperature measurement algorithm applicable to a temperature measurement device, reliability of the temperature measurement method can be further secured.

또한, 나선형 자기장에 의해 발생하는 비틀림 파에 의한 자기장 변화 및 와이어의 비틀림 변위를 측정할 수 있다. 이를 통해, 온도 뿐만 아니라, 동시에 측정되는 물리량을 더 확대할 수 있다. 또한, 기존 초음파 방식의 측정 장치에 존재하는 측정 불감대 영역을 감소시킬 수 있다.In addition, it is possible to measure the magnetic field change and the torsion displacement of the wire due to the torsional wave generated by the spiral magnetic field. Through this, it is possible to further expand not only the temperature but also the physical quantity measured at the same time. In addition, it is possible to reduce a measurement deadband area existing in an existing ultrasonic measuring device.

도 1은 일 실시예에 따른 초음파 방식의 온도 측정 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1의 온도 측정 원리를 보여주는 도면.
도 3은 펄스 전류가 인가된 경우, 제1센싱코일부에서 검출되는 초기 신호 및 반사 신호에 대한 그래프를 보여주는 도면.
도 4는 제1코일 내지 제4코일에 대한 개략도.
도 5는 자기변형 와이어의 온도 상승 구간에서, 인가되는 펄스 전류(Excitation pulse)와 반사지점부에서 반사되는 반사 신호(검출 신호, Detection signal)에 대한 오실로스코프 그래프를 보여주는 도면.
도 6은 자기변형 와이어의 온도 하강 구간에서, 인가되는 펄스 전류(Excitation pulse)와 반사지점부에서 반사되는 반사 신호(검출 신호, Detection signal)에 대한 오실로스코프 그래프를 보여주는 도면.
도 7은 도 1의 온도상승구간에서 3차 지수함수에 대한 추세선을 보여주는 그래프.
도 8은 도 1의 온도하강구간에서 3차 다항함수에 대한 추세선을 보여주는 그래프.
도 9는 일 실시예에 따른 초음파 방식의 온도 측정 방법의 개략적인 흐름도.
1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic temperature measuring device according to an embodiment.
Figure 2 is a view showing the temperature measurement principle of Figure 1;
3 is a diagram showing a graph of an initial signal and a reflected signal detected from a first sensing coil unit when a pulse current is applied;
Figure 4 is a schematic diagram of the first to fourth coils.
5 is a diagram showing an oscilloscope graph of a pulse current (excitation pulse) applied and a reflected signal (detection signal) reflected from a reflection point portion in a temperature rise section of a magnetostrictive wire.
6 is a diagram showing an oscilloscope graph of a pulse current (excitation pulse) applied and a reflected signal (detection signal) reflected from a reflection point portion in a temperature decreasing period of a magnetostrictive wire.
7 is a graph showing a trend line for a tertiary exponential function in the temperature rise section of FIG. 1;
8 is a graph showing a trend line for a tertiary polynomial function in the temperature decreasing section of FIG. 1;
9 is a schematic flowchart of an ultrasonic temperature measurement method according to an embodiment.

본 개시의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In order to fully understand the configuration and effects of the present disclosure, preferred embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present disclosure is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various forms and various changes may be made. Hereinafter, in the description of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted if it is determined that the related known functions may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention as obvious matters to those skilled in the art.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may only be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present disclosure.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Terms used in the embodiments of the present disclosure may be interpreted as meanings commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 초음파 방식의 온도 측정 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 온도 측정 원리를 보여주는 도면이며, 도 3은 펄스 전류가 인가된 경우, 제1센싱코일부에서 검출되는 초기 신호 및 반사 신호에 대한 그래프를 보여주는 도면이고, 도 4는 제1코일 내지 제4코일에 대한 개략도이다.1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic temperature measuring device according to an embodiment, FIG. 2 is a diagram showing the temperature measuring principle of FIG. 1, and FIG. 3 is a first sensing coil part when a pulse current is applied. It is a diagram showing a graph of an initial signal and a reflected signal detected in , and FIG. 4 is a schematic diagram of the first to fourth coils.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치는 와이어(100), 반사지점부(200), 펄스송신부(300), 와이어고정부(400), 수신유닛(500), 장력조절부(600) 등을 포함할 수 있다.1 to 4, the ultrasonic temperature measuring device using the magnetostriction principle according to an embodiment of the present invention includes a wire 100, a reflection point unit 200, a pulse transmission unit 300, and a wire fixing unit. 400, a receiving unit 500, a tension adjusting unit 600, and the like may be included.

자기변형이란, 자기장 속에서 강자성체 재료 내부의 자구(magnetic domain)가 자기장의 방향으로 정렬하면서 외형이 변하는 것 또는 이 반대의 현상을 모두 통칭한다. 자기변형은 1차원 자기장과 2차원 자기장 효과로 나뉘는데, 1차원 자기장 효과 중 줄 효과는 강자성체 재료 주변에 한 축 방향의 자기장을 인가하면 재료 내부의 자구가 인가된 자기장 방향으로 정렬되면서 길이 방향으로 변화하는 현상을 의미한다. 이를 대표적으로 자기변형효과라고 지칭한다.Magnetostriction refers to a phenomenon in which a magnetic domain inside a ferromagnetic material changes its appearance while being aligned in the direction of a magnetic field in a magnetic field or the opposite phenomenon. Magnetostriction is divided into one-dimensional magnetic field effect and two-dimensional magnetic field effect. Among the one-dimensional magnetic field effect, the Joule effect changes in the longitudinal direction when a magnetic field in one axis direction is applied around a ferromagnetic material, as the magnetic domains inside the material are aligned in the direction of the applied magnetic field. means a phenomenon This is typically referred to as the magnetostrictive effect.

2차원 자기장 효과에는 위드만 효과 등이 있다. 2차원 자기장 효과는 1차원 자기장 효과를 기반으로 한다. 강자성체 재료 주변에 예를 들어, 영구자석을 위치시키면 축 방향의 자기장이 형성되고, 재료에 직접 전류를 인가하면 원주 방향 자기장이 형성된다. 그리고, 축 방향과 원주 방향 자기장이 동시에 인가되면 어느 일 지점에서 만나 합 벡터 방향의 비틀어진 나선형 자기장이 유도된다. 그리고, 이를 통해 재료는 비틀어지는데, 이를 위드만 효과라고 한다.The two-dimensional magnetic field effect includes the Wiedman effect and the like. The two-dimensional magnetic field effect is based on the one-dimensional magnetic field effect. For example, when a permanent magnet is placed around a ferromagnetic material, an axial magnetic field is formed, and when a current is applied directly to the material, a circumferential magnetic field is formed. Further, when the axial and circumferential magnetic fields are simultaneously applied, they meet at a certain point and a twisted spiral magnetic field in the direction of the sum vector is induced. And, through this, the material is twisted, which is called the Wiedmann effect.

와이어(100)는 초음파 도파로로 사용되며, 강자성체인 자기변형 재료로 형성된다. 이 때, 와이어(100)의 직경은 1mm 이하인 것이 바람직하다. 초음파 도파로로 와이어(100)를 사용하면 10m 이상 긴 거리 측정이 가능하고, 외부 환경(먼지나 기름 등)에 대한 강건성이 우수하다는 장점을 갖는다. 또한, 와이어(100)는 휨이 가능한 형태인 바, 직선(평면) 뿐만 아니라 곡선(곡면) 등 다양한 형체에 고정, 설치 가능하다. The wire 100 is used as an ultrasonic waveguide and is made of a ferromagnetic magnetostrictive material. At this time, the diameter of the wire 100 is preferably 1 mm or less. When the wire 100 is used as an ultrasonic waveguide, it is possible to measure a long distance of 10 m or more and has excellent robustness to an external environment (dust, oil, etc.). In addition, since the wire 100 has a bendable shape, it can be fixed and installed in various shapes such as a straight line (flat surface) as well as a curved surface (curved surface).

또한, 일 실시예에 따른 와이어(100)는 직경이 1mm 이하인 바, 미세 공간 등 기존 구조적 한계에 따른 설치 어려움 등의 문제점을 해결할 수 있다. 일 실시예에 따른 와이어(100)는 니켈-철 합금인 Ni50Fe50을 사용하며, 직경은 1mm이다. 와이어(100)는 온도 측정의 대상에 예를 들어, 고온용 접착제를 통해 부착될 수 있다. 그 결과, 피측정대상의 표면 열은 와이어(100)로 원활하게 전달될 수 있다.In addition, the wire 100 according to one embodiment can solve problems such as installation difficulties due to existing structural limitations such as a bar having a diameter of 1 mm or less and a microspace. The wire 100 according to one embodiment uses a nickel-iron alloy, Ni 50 Fe 50 , and has a diameter of 1 mm. The wire 100 may be attached to a target for temperature measurement through, for example, a high-temperature adhesive. As a result, surface heat of the object to be measured can be smoothly transferred to the wire 100 .

반사지점부(200)는 펄스송신부(300)를 통해 인가되는 펄스 전류가 반사되는 지점을 의미한다. 반사지점부(200)는 와이어(100)의 길이 방향 중 어느 일 위치에 고정 배치되어, 와이어(100) 주변에 와이어(100)에 대한 축 방향의 제1자기장(HA)을 제공한다. 이런, 반사지점부(200)는 동일 세기를 갖는 축 방향의 제1자기장을 와이어(100) 주변에 지속적으로 인가할 수 있다. 일 실시예에 따른 반사지점부(200)는 원기둥 형상이며, 마그네틱 재질로 형성될 수 있다. 또한, 반사지점부(200)는 와이어(100)의 외주연 예를 들어, 와이어의 상측 공간에 고정될 수 있다.The reflection point part 200 means a point where the pulse current applied through the pulse transmission part 300 is reflected. The reflection point unit 200 is fixedly disposed at any one position in the longitudinal direction of the wire 100 and provides a first magnetic field H A in the axial direction with respect to the wire 100 around the wire 100 . The reflection point unit 200 may continuously apply a first magnetic field having the same intensity in the axial direction around the wire 100 . The reflection point unit 200 according to an embodiment has a cylindrical shape and may be formed of a magnetic material. In addition, the reflection point unit 200 may be fixed to the outer periphery of the wire 100, for example, to a space above the wire.

또한, 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 와이어(100)의 외주면에 형성되는 적어도 하나 이상의 홈(미도시)으로 형성되는 보조반사지점부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 와이어(100)에 대한 원주 방향의 제2자기장이 이동하여 홈과 만나는 지점에서 종파(Longitudinal Wave)가 형성될 수 있다. 그리고, 이런 종파에 의한 변화는 제1센싱코일부(510)를 통해 검출되어, 보조반사지점부의 온도를 측정할 수 있도록 한다.In addition, the temperature measuring device according to an embodiment may further include an auxiliary reflection point formed of at least one groove (not shown) formed on an outer circumferential surface of the wire 100 . At this time, a longitudinal wave may be formed at a point where the second magnetic field in the circumferential direction of the wire 100 moves and meets the groove. In addition, the change due to the longitudinal wave is detected through the first sensing coil unit 510, so that the temperature of the auxiliary reflection point unit can be measured.

일 실시예에 따라, 반사지점부(200)가 복수 개가 형성되면, 반사지점부(200)의 각 온도값에 대한 평균이 온도 측정의 대상에 대한 온도일 수 있다. 이는 와이어(100)에 대한 길이 방향의 온도 구배가 심한 경우, 다중 측정을 통해 온도 편차를 보상할 수 있도록 한다.According to an exemplary embodiment, when a plurality of reflection point portions 200 are formed, an average of temperature values of the reflection point portions 200 may be the temperature of the object to be measured. This makes it possible to compensate for the temperature deviation through multiple measurements when the temperature gradient in the length direction of the wire 100 is severe.

또한, 다른 실시예에 따라, 반사지점부(200)와 적어도 하나 이상의 보조반사지점부가 배치되는 경우, 각 온도값에 대한 평균이 온도 측정의 대상에 대한 온도일 수 있다. 이는 와이어(100)에 대한 길이 방향의 온도 구배가 심한 경우 다중 측정을 통해 온도 편차를 보상하기 위함이다.Also, according to another embodiment, when the reflection point portion 200 and at least one auxiliary reflection point portion are disposed, the average of each temperature value may be the temperature of the object to be measured. This is to compensate for the temperature deviation through multiple measurements when the temperature gradient in the length direction of the wire 100 is severe.

펄스송신부(300)는 와이어(100)의 일단에 배치되며, 와이어(100)에 펄스 전류를 인가하여 와어어의 주변에 와이어(100)에 대한 원주 방향 제2자기장(HC)을 제공한다. 제2자기장은 와이어(100)를 따라 이동한다. 한편, 펄스 전류는 예를 들어, 컴퓨터, 데이터 수집 장치 및 전류 앰프를 순차적으로 거쳐 형성된다. 컴퓨터에 의해 인가될 펄스 파형이 설계되면, 데이터 수집 장치를 통해 펄스 파형이 출력되고, 이는 전류 앰프의 입력으로 입력되어 전압 대 전류 증폭비를 갖는 펄스 전류로 변환되어 와이어(100)에 인가된다. 한편, 인가되는 펄스 전류의 크기에 따라 제2자기장의 크기 역시 달라진다.The pulse transmission unit 300 is disposed at one end of the wire 100 and applies a pulse current to the wire 100 to provide a circumferential second magnetic field H C with respect to the wire 100 around the wire. The second magnetic field moves along the wire 100. Meanwhile, the pulse current is formed sequentially through, for example, a computer, a data acquisition device, and a current amplifier. When a pulse waveform to be applied is designed by the computer, the pulse waveform is output through the data acquisition device, which is input to an input of a current amplifier, converted into a pulse current having a voltage-to-current amplification ratio, and applied to the wire 100. Meanwhile, the magnitude of the second magnetic field also varies according to the magnitude of the applied pulse current.

와이어고정부(400)는 와이어(100)의 타측에 배치되어, 와이어(100)를 고정시킨다.The wire fixing part 400 is disposed on the other side of the wire 100 to fix the wire 100.

수신유닛(500)은 와이어(100)를 따라 제2자기장이 이동하여 반사지점부(200)와 만나는 지점에서 제3자기장(HT)이 형성되면, 제3자기장에 의한 변화를 검출하는 제1센싱코일부(510)를 통해 반사지점부(200)의 온도를 측정한다. When the third magnetic field (H T ) is formed at a point where the second magnetic field moves along the wire 100 and meets the reflection point unit 200, the receiving unit 500 detects a change by the third magnetic field. The temperature of the reflection point part 200 is measured through the sensing coil part 510 .

반사지점부(200)가 마그네틱인 경우, 제3자기장은 제1자기장과 제2자기장의 각 비율에 따른 나선형 자기장의 형태일 수 있다. 한편, 나선형 자기장이 순간적으로 유도되면 와이어(100)가 순간적으로 비틀어지면서 비틀림 파가 형성된다. 이 때, 수신유닛은 제2센싱코일부(520)를 통해 이런 와이어(100)의 비틀림 변위를 측정할 수 있다. 그리고, 수신유닛(500)은 와이어(100)의 일측에 배치될 수 있다.When the reflection point portion 200 is magnetic, the third magnetic field may be in the form of a spiral magnetic field corresponding to each ratio of the first magnetic field and the second magnetic field. Meanwhile, when a spiral magnetic field is instantaneously induced, a torsion wave is formed as the wire 100 is momentarily twisted. At this time, the receiving unit may measure the torsional displacement of the wire 100 through the second sensing coil unit 520 . Also, the receiving unit 500 may be disposed on one side of the wire 100.

제2자기장이 와이어(100)를 따라 이동할 때, 미소 관점에서 와이어(100)의 길이 방향으로 국부적 변형이 발생한다. 그 결과, 수신유닛(500)은 펄스송신부(300)에서 발생되는 제2자기장이 수신유닛(500)을 통과하면, 이를 유도 전압의 형태로 감지할 수 있다. 이 때, 감지되는 초기 신호에 대한 검출 시간을 T0라고 한다. 한편, 유도 전압에 대한 감지는 특히, 제1센싱코일부(510)를 통해 이루어질 수 있다.When the second magnetic field moves along the wire 100, local deformation occurs in the longitudinal direction of the wire 100 from a microscopic point of view. As a result, when the second magnetic field generated by the pulse transmission unit 300 passes through the receiving unit 500, the receiving unit 500 can sense it in the form of an induced voltage. At this time, the detection time for the detected initial signal is referred to as T 0 . Meanwhile, sensing of the induced voltage may be performed through the first sensing coil unit 510 .

제2자기장이 수신유닛(500)을 통과하여 와이어(100)를 따라 계속 이동하면 반사지점부(200)에 의한 축 방향의 자기장인 제1자기장과 만나게 된다. 그리고, 그 지점에서는 동시에 두 종류의 자기장이 만나면서 합 벡터 방향으로 나선형 자기장인 제3자기장(HT)이 형성된다. 이 때, 와이어(100)는 제3자기장에 의한 변화에 의해 순간적으로 비틀어졌다가 다시 원래 상태로 복귀하게 된다. 그리고, 순간적인 비틀림 변형에 의해 와이어(100)에는 비틀림 파(Torsional wave)인 초음파가 유도되며, 이는 와이어(100)의 양 방향으로 전파된다.When the second magnetic field continues to move along the wire 100 after passing through the receiving unit 500, it encounters the first magnetic field, which is a magnetic field in the axial direction by the reflection point unit 200. And, at that point, the third magnetic field (H T ), which is a spiral magnetic field in the direction of the sum vector, is formed as the two types of magnetic fields meet at the same time. At this time, the wire 100 is momentarily twisted by the change by the third magnetic field and then returns to its original state. In addition, ultrasonic waves, which are torsional waves, are induced in the wire 100 by the instantaneous torsional deformation, which propagates in both directions of the wire 100.

비틀림 파의 발생 위치에서 바로 수신유닛(500)을 향해 전파되는 비틀림 파가 제1센싱코일부(510)를 통과하면 이 때, 감지되는 반사 신호에 대한 검출 시간을 T1이라고 한다. 여기서, 초음파의 전파 시간(TOF)은 T1-T0 이다. TOF는 제1센싱코일부(510)에서 반사지점부(200)의 위치까지 제1자기장이 이동하고, 반사지점부(200)에서 형성된 비틀림 파가 바로 제1센싱코일부(510)로 돌아온 시간을 의미한다.When the torsion wave propagating toward the receiving unit 500 directly from the location where the torsion wave is generated passes through the first sensing coil unit 510, the detection time for the reflected signal detected at this time is referred to as T 1 . Here, the time of propagation (TOF) of ultrasonic waves is T 1 -T 0 . TOF is the time when the first magnetic field moves from the first sensing coil part 510 to the position of the reflection point part 200 and the torsion wave formed at the reflection point part 200 returns to the first sensing coil part 510 means

한편, 초음파의 전파 속도는 온도에 따라 변화하게 된다. 그리고, 반사지점부(200)의 위치는 고정되어 있는 바, 초음파의 전파 시간(TOF)은 온도에 의존적인 관계가 된다. 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간의 차이(DTOF)는 어느 일 기준 온도에서 초음파의 전파 시간(TOFR)과, 온도 측정의 대상을 통해 산출되는 초음파의 전파 시간(TOFC) 사이의 관계로 표현할 수 있다. (DTOF = TOFC - TOFR) 즉, 초음파의 전파 시간(TOFC)을 측정하면, DTOF를 이용하여, 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정이 가능하다.On the other hand, the propagation speed of ultrasonic waves changes according to the temperature. Also, since the position of the reflection point portion 200 is fixed, the time of propagation (TOF) of ultrasonic waves is dependent on temperature. The difference in propagation time of ultrasonic waves according to temperature change (DTOF) is expressed as the relationship between the propagation time of ultrasonic waves (TOF R ) at a certain day's reference temperature and the propagation time of ultrasonic waves (TOF C ) calculated through the object of temperature measurement. can (DTOF = TOF C - TOF R ), that is, by measuring the time of propagation of ultrasonic waves (TOF C ), it is possible to measure the ultrasonic temperature using the magnetostriction principle using DTOF.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1센싱코일부(510)는 솔레노이드 구조의 제1코일(511) 및 1축 헬름홀츠 구조의 제2코일(512) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 제1코일(511)은 구리 재질의 셀프-본딩 와이어가 1000턴(turn) 감겨지는 방법으로 형성될 수 있다. 그리고, 제1코일(511) 내부 중앙에는 일정 직경의 홀(hole 또는, 공극)이 형성될 수 있다.The first sensing coil unit 510 according to an embodiment of the present invention may include any one of a first coil 511 of a solenoid structure and a second coil 512 of a uniaxial Helmholtz structure. The first coil 511 according to an embodiment may be formed by winding a self-bonding wire made of copper by 1000 turns. Also, a hole or air gap having a predetermined diameter may be formed in the center of the first coil 511 .

한편, 제2코일(512)인 헬름홀츠 구조는 제1코일(511)인 솔레노이드 구조에 비해 와이어(100)의 변화를 감지하는데 있어 미세한 자기장 변화를 보다 더 잘 감지할 수 있다. 이 때, 제2코일(512)의 형상 조건은 두 개의 원형 코일이 동일 축 선상에 평행으로 배치되고, 두 원형 코일 사이의 거리(L2)는 원형 코일의 반경(R)과 동일해야 한다.On the other hand, the Helmholtz structure of the second coil 512 can better detect minute changes in the magnetic field in detecting changes in the wire 100 compared to the solenoid structure of the first coil 511 . At this time, the condition of the shape of the second coil 512 is that two circular coils are arranged in parallel on the same axis, and the distance L2 between the two circular coils must be equal to the radius R of the circular coil.

또한, 제1센싱코일부(510)의 배치 위치에 따라 측정불감대영역(A)이 서로 다른 위치에 형성되며, 제2센싱코일부(520)는 측정불감대영역(A) 내에 배치될 수 있다. 측정불감대영역(A)은 초음파를 이용하는 측정 장치에서 존재하기 마련이다. 이는 반사지점부(200)가 수신유닛(500) 내의 제1센싱코일부(510)에 근접하여 위치하게 되면, 펄스송신부(300)에서 인가되는 펄스 신호와 반사지점부(200)에 의한 반사 신호(초음파)가 서로 중첩되어 검출신호가 구별되지 않는 현상에 의해 발생할 수 있다.In addition, the measurement deadband region A is formed at different positions according to the arrangement position of the first sensing coil unit 510, and the second sensing coil unit 520 may be disposed within the measurement deadband region A. there is. The measurement deadband region A is bound to exist in a measuring device using ultrasonic waves. This is because when the reflection point unit 200 is positioned close to the first sensing coil unit 510 in the receiving unit 500, the pulse signal applied from the pulse transmission unit 300 and the reflected signal by the reflection point unit 200 (ultrasound) may be caused by a phenomenon in which detection signals are not distinguished due to overlapping with each other.

또한, 반사지점부(200)가 와이어(100)의 타단에 근접하여 위치하게 되면, 제3자기장에 의해 형성되는 비틀림 파로 인해 1) 반사지점부(200)에서 제1센싱코일부(510)로 직접 반사되는 것과 2) 반사지점부(200)에서 와이어고정부(400) 방향으로 이동한 후, 와이어고정부(400)에서 반사되어 제1센싱코일부(510)로 이동하는 것 사이의 차이가 작게 된다. 이로 인해 측정불감대영역(A)이 발생할 수 있다. In addition, when the reflection point unit 200 is located close to the other end of the wire 100, a torsion wave formed by the third magnetic field 1) moves from the reflection point unit 200 to the first sensing coil unit 510. The difference between direct reflection and 2) moving from the reflection point part 200 to the wire fixing part 400 and then reflecting from the wire fixing part 400 and moving to the first sensing coil part 510 become small As a result, a measurement deadband region (A) may occur.

수신유닛(500)은 측정불감대영역(A)을 줄이기 위해 제2센싱코일부(520)를 더 포함한다. 제2센싱코일부(520)는 2축 헬름홀츠 구조의 제3코일(521) 및 3축 헬름홀츠 구조의 제4코일(522) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 2축 구조는 1축 구조에서 수직 방향으로 헬름홀츠 구조가 더 추가되는 것을 의미한다. 1축 구조가 X축 방향인 경우, 2축 구조는 XY축 방향 및 XZ축 방향 중 어느 하나가 된다. 이 때, 3축 구조는 XYZ축 방향이 된다.The receiving unit 500 further includes a second sensing coil unit 520 to reduce the measurement deadband area A. The second sensing coil unit 520 may include any one of the third coil 521 having a 2-axis Helmholtz structure and the fourth coil 522 having a 3-axis Helmholtz structure. The biaxial structure means that a Helmholtz structure is further added in the vertical direction from the monoaxial structure. When the 1-axis structure is in the X-axis direction, the 2-axis structure is in either the XY-axis direction or the XZ-axis direction. At this time, the three-axis structure becomes the XYZ axis direction.

이 때, 제3코일(521) 및 제4코일(522)은 제3자기장에 의해 형성되는 비틀림 파가 와이어고정부(400)를 통해 반사되어 제2센싱코일부(520)로 이동하는 반사 신호를 검출한다. 비틀림 파는 2방향(와이어(100)의 축 방향과 와이어(100)의 원주 방향)의 자기장을 발생시킨다. 그리고, 이는 와이어(100)의 비틀림 변위를 형성한다.At this time, in the third coil 521 and the fourth coil 522, the torsion wave formed by the third magnetic field is reflected through the wire fixing part 400 and moves to the second sensing coil part 520. detect The torsion wave generates a magnetic field in two directions (the axial direction of the wire 100 and the circumferential direction of the wire 100). And, this forms a torsional displacement of the wire 100.

일 실시예에 따른 제2센싱코일부(520)는 제3자기장에 의한 변화를 검출하여 와이어(100)의 비틀림 변위를 측정할 수 있다. 종래 와이어(100)에 대한 비틀림 변위를 측정하기 위해, 와이어 등에 스트레인 게이지를 설치 부착하였으나, 일 실시예에 따른 와이어(100)의 직경은 1mm 이하인 바, 스트레인 게이지를 설치하는 것이 불가능하다. 제2센싱코일부(520)는 이런 문제점을 해결할 수 있다.The second sensing coil unit 520 according to an embodiment may measure the torsional displacement of the wire 100 by detecting a change due to the third magnetic field. In order to measure torsional displacement of the conventional wire 100, a strain gauge has been installed and attached to a wire, etc. However, since the diameter of the wire 100 according to one embodiment is 1 mm or less, it is impossible to install the strain gauge. The second sensing coil unit 520 can solve this problem.

또한, 제2센싱코일부(520)는 비틀림 파에 의한 자기장을 측정할 수 있다. 이 때, 제3코일(521)은 2축 헬름홀츠 구조를 갖는 바, 축 별(2개)로 전압값을 각각 측정할 수 있다. 제2센싱코일부(520)는 각 전압값의 비율, 벡터 합을 이용하여 자기장을 측정하게 된다. 한편, 제4코일(522)은 3축 헬름홀츠 구조를 갖는 바, 축 별(3개)로 전압값을 각각 측정할 수 있다. Also, the second sensing coil unit 520 may measure a magnetic field generated by a torsion wave. At this time, since the third coil 521 has a two-axis Helmholtz structure, voltage values can be measured for each axis (two). The second sensing coil unit 520 measures the magnetic field using the ratio and vector sum of each voltage value. Meanwhile, since the fourth coil 522 has a three-axis Helmholtz structure, voltage values can be measured for each axis (three).

일 실시예에 따른 수신유닛(500)은 단일 부품으로 형성되며, 제1센싱코일부(510)를 통해 반사지점부(200)의 온도 측정 뿐만 아니라, 제2센싱코일부(520)를 통해 와이어(100)의 변위 및 제3자기장 측정이 가능한 바, 복수 개의 물리량을 동시에 측정할 수 있다.The receiving unit 500 according to an embodiment is formed as a single component, measures the temperature of the reflection point 200 through the first sensing coil unit 510, and wire through the second sensing coil unit 520. Since the displacement of (100) and the third magnetic field can be measured, a plurality of physical quantities can be measured simultaneously.

이 때, 와이어(100)는 제3코일(521) 및 제4코일(522) 중 어느 하나를 관통하거나 또는 나란하게 배치되는 것이 바람직하다. 와이어(100)는 제3코일(521) 및 제4코일(522) 중 어느 하나의 내부 중앙을 관통할 수 있다. 또한, 와이어(100)는 제3코일(521) 및 제4코일(522) 중 어느 하나와 평행하게 배치될 수 있다.At this time, it is preferable that the wire 100 passes through any one of the third coil 521 and the fourth coil 522 or is disposed side by side. The wire 100 may pass through the inner center of any one of the third coil 521 and the fourth coil 522 . In addition, the wire 100 may be disposed parallel to any one of the third coil 521 and the fourth coil 522 .

수신유닛(500)은 제1센싱코일부(510)를 통해 반사 신호를 분석하는 신호처리부(530)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 신호처리부(530)은 제2센싱코일부(520)를 통해 반사 신호를 분석할 수도 있다. 한편, 신호처리부(530)는 제1센싱코일부(510)를 통해 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b시간(T0)과 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c시간(T1) 사이의 시간 차이인 제d시간차(TOF)를 이용하여, 반사지점부(200)의 온도를 측정하는 온도측정알고리즘을 내장할 수 있다.The receiving unit 500 may further include a signal processing unit 530 analyzing a reflected signal through the first sensing coil unit 510 . Here, the signal processing unit 530 may analyze the reflected signal through the second sensing coil unit 520 . Meanwhile, the signal processing unit 530 uses the first sensing coil unit 510 to detect the change due to the second magnetic field at the bth time (T 0 ) and at the cth time (T 1 ) when the change due to the third magnetic field is detected. ), a temperature measurement algorithm for measuring the temperature of the reflection point portion 200 may be embedded using the d-th time difference (TOF), which is a time difference between the time difference.

구체적으로, 신호처리부(530)는 어느 일 기준 온도에서 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b1시간과 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c1시간 사이의 시간 차이인 제d1시간차를 미리 산출할 수 있다. 여기서, 제d1시간차는 전술한 어느 일 기준 온도에서 초음파의 전파 시간인 TOFR 이다.Specifically, the signal processing unit 530 pre-calculates the d1th time difference, which is the time difference between the b1th time at which a change by the second magnetic field is detected and the c1th time at which the change by the third magnetic field is detected in a certain day reference temperature. can do. Here, the d1 th time difference is TOF R , which is the propagation time of ultrasonic waves at any one of the aforementioned reference temperatures.

또한, 신호처리부(530)는 온도 측정의 대상을 통해 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b2시간과 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c2시간 사이의 시간 차이인 제d2시간차를 실시간 산출할 수 있다. 또한, 제d2시간차는 전술한 초음파의 전파 시간인 TOFC 이다.In addition, the signal processing unit 530 calculates the d2th time difference, which is the time difference between the b2th time at which the change by the second magnetic field is detected and the c2th time at which the change by the third magnetic field is detected through the object of temperature measurement, in real time. can do. In addition, the d2th time difference is TOF C , which is the propagation time of the above-described ultrasonic waves.

이를 통해, 신호처리부(530)는 제d2시간차와 제d1시간차 사이의 시간 차이인 제d3시간차를 최종 산출하여 반사지점부의 온도를 측정할 수 있다. 그리고, 제d3시간차는 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간의 차이(DTOF)에 해당된다.Through this, the signal processor 530 may measure the temperature of the reflection point by finally calculating the d3-th time difference, which is the time difference between the d2-th time difference and the d1-th time difference. And, the d3th time difference corresponds to the difference in propagation time (DTOF) of ultrasonic waves according to temperature change.

도 5는 자기변형 와이어의 온도 상승 구간에서, 인가되는 펄스 전류(Excitation pulse)와 반사지점부에서 반사되는 반사 신호(검출 신호, Detection signal)에 대한 오실로스코프 그래프를 보여주는 도면이고, 도 6은 자기변형 와이어의 온도 하강 구간에서, 인가되는 펄스 전류(Excitation pulse)와 반사지점부에서 반사되는 반사 신호(검출 신호, Detection signal)에 대한 오실로스코프 그래프를 보여주는 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing an oscilloscope graph of an excitation pulse applied and a reflection signal (detection signal) reflected from a reflection point in a temperature rise section of a magnetostrictive wire, and FIG. 6 is a view showing magnetostriction It is a diagram showing an oscilloscope graph of the pulse current (excitation pulse) applied in the temperature drop section of the wire and the reflected signal (detection signal) reflected from the reflection point.

도 7은 도 1의 온도 상승 구간에서 3차 지수함수에 대한 추세선을 보여주는 그래프이고, 도 8은 도 1의 온도 하강 구간에서 3차 다항함수에 대한 추세선을 보여주는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing a trend line for a cubic exponential function in the temperature rising section of FIG. 1 , and FIG. 8 is a graph showing a trend line for a cubic polynomial function in the temperature decreasing section of FIG. 1 .

도 6 내지 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 온도측정알고리즘은 반사지점부의 온도가 상승하는 온도상승구간과 반사지점부의 온도가 하강하는 온도하강구간에 따라 서로 다른 것을 특징으로 한다. 즉, 온도 측정 대상에 있어, 온도가 상승하는 추세에 있는 경우와, 온도가 하강하는 추세에 있는 경우를 달리한다. 이는, 자기변형 와이어(100)의 재료적 특성이 엘에 대한 히스테리시스를 가지고 있으며, 초음파의 전파 속도가 온도에 의존적인 관계인 것 등에 기인한다.Referring to FIGS. 6 to 8 , the temperature measuring algorithm according to an embodiment is characterized in that a temperature rising section in which the temperature of a reflection point portion rises and a temperature falling section in which the temperature of a reflection point portion decreases are different from each other. That is, with respect to the temperature measurement object, the case where the temperature tends to rise and the case where the temperature tends to decrease are different. This is due to the fact that the material properties of the magnetostrictive wire 100 have hysteresis with respect to L, and that the propagation speed of ultrasonic waves is temperature dependent.

예를 들어, 온도상승구간에서 반사지점부의 온도(T온도상승구간)는 3차 지수함수의 형태를 갖는 것이 바람직하다.For example, in the temperature rising section, the temperature of the reflection point (T temperature rising section ) preferably has a form of a cubic exponential function.

T온도상승구간 = a1*e(DTOF/a2) + b1*e(DTOF/b2) + c1*e(DTOF/c2) + d (여기서, a1, b1, c1, a2, b2, c2 및 d는 와이어의 재료 등 테스트 조건에 따라 변동되는 임의의 상수이고, e는 무리수인 자연 대수를 의미한다.)T temperature rise section = a1*e (DTOF/a2) + b1*e (DTOF/b2) + c1*e (DTOF/c2) + d (where a1, b1, c1, a2, b2, c2, and d are arbitrary constants that vary depending on test conditions such as wire material, and e is an irrational natural logarithm) do.)

또한, 온도하강구간에서 반사지점부의 온도(T온도하강구간)는 3차 다항함수의 형태를 갖는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the temperature of the reflection point portion (T temperature falling section ) in the temperature decreasing section has a form of a cubic polynomial function.

T온도하강구간 = a*(DTOF)3 + b*(DTOF)2 + c*(DTOF) + d (여기서, a, b, c 및 d는 와이어의 재료 등 테스트 조건에 따라 변동되는 임의의 상수이다.)T temperature drop section = a*(DTOF) 3 + b*(DTOF) 2 + c*(DTOF) + d (Here, a, b, c and d are arbitrary constants that vary depending on test conditions such as wire material.)

따라서, 반사지점부(200)의 위치가 고정되어 있더라도, 온도의 변화에 따라 각 반사 신호에서 유효신호지점(Effective signal point)이 달라진다. 신호처리부(530)는 유효신호지점을 통해 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c시간(T1)을 검출하게 된다. 여기서, 유효신호지점은 검출되는 반사 신호 중 관심영역을 분석할 때, 전압최대값에 해당될 수 있다. 이와 같이 전압최대값이 측정되면, 그 시간이 전술한 T1이 된다.Therefore, even if the position of the reflection point unit 200 is fixed, the effective signal point of each reflected signal varies according to the change in temperature. The signal processing unit 530 detects the c-th time T 1 at which the change by the third magnetic field is detected through the effective signal point. Here, the valid signal point may correspond to a maximum voltage value when analyzing a region of interest among detected reflected signals. When the maximum voltage value is measured in this way, the time becomes the aforementioned T 1 .

장력조절부(600)는 와이어(100)의 장력을 변경시킨다. 장력조절부(600)는 와이어(100)의 일측에 배치되어 주변 환경의 온도, 습도 등의 조건에 따라 와이어(100)에 일정 크기의 장력을 인가할 수 있다.The tension control unit 600 changes the tension of the wire 100. The tension control unit 600 is disposed on one side of the wire 100 and may apply a certain amount of tension to the wire 100 according to conditions such as temperature and humidity of the surrounding environment.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치는 수신유닛(500)에 내장되는 온도측정알고리즘을 포함할 수 있다. 그리고, 온도측정알고리즘에 의한 온도 측정 방법은 제1단계 내지 제4단계를 포함할 수 있다.An ultrasonic temperature measurement device using a magnetostriction principle according to an embodiment of the present invention may include a temperature measurement algorithm built into the receiving unit 500 . In addition, the temperature measurement method using the temperature measurement algorithm may include first to fourth steps.

도 9는 일 실시예에 따른 초음파 방식의 온도 측정 방법의 개략적인 흐름도이다. 이를 참조하면, 제1단계는 제1센싱코일부(510)에서 반사 신호를 수집하는 단계이다.9 is a schematic flowchart of a method for measuring temperature using an ultrasonic method according to an exemplary embodiment. Referring to this, the first step is a step of collecting reflected signals from the first sensing coil unit 510 .

제2단계는 미리 설정되는 어느 일 기준온도에서 초음파의 전파 시간을 산출하고, 피측정대상에 대해 초음파의 전파 시간을 산출한 후, 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이를 계산하는 단계이다. 전술한 것처럼, 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간의 차이(DTOF)는 어느 일 기준 온도에서 초음파의 전파 시간(TOFR)과 온도 측정의 대상을 통해 산출되는 초음파의 전파 시간(TOFC) 사이의 관계로 표현할 수 있다. (DTOF = TOFC - TOFR)The second step is a step of calculating the propagation time of the ultrasonic wave at a predetermined reference temperature, calculating the propagation time of the ultrasonic wave for the object to be measured, and then calculating the difference in the propagation time of the ultrasonic wave according to the temperature change. As described above, the difference in propagation time of ultrasonic waves according to temperature change (DTOF) is the difference between the propagation time of ultrasonic waves ( TOFR ) at a certain day reference temperature and the propagation time of ultrasonic waves (TOF C ) calculated through the object of temperature measurement. relationship can be expressed. (DTOF = TOF C - TOF R )

그 다음, 제3단계는 온도상승구간 및 온도하강구간에서 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이(DTOF)를 입력값으로 하는 함수를 각각 산출하는 단계이다. 일 실시예에 따른 온도측정알고리즘은 온도상승구간과 온도하강구간에서 서로 다른 함수를 사용하게 된다. 예를 들어, 온도상승구간에서 반사지점부의 온도(T온도상승구간)는 전술한 것처럼, 3차 지수함수의 형태를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 온도하강구간에서 반사지점부의 온도(T온도하강구간)는 전술한 것처럼, 3차 다항함수의 형태를 갖는 것이 바람직하다.Then, the third step is a step of calculating each function having the propagation time difference (DTOF) of ultrasonic waves according to the temperature change in the temperature rising section and the temperature falling section as an input value. The temperature measurement algorithm according to an embodiment uses different functions in a temperature rising section and a temperature falling section. For example, as described above, the temperature of the reflection point portion (T temperature rise section ) in the temperature rise section preferably has a form of a cubic exponential function. In addition, the temperature of the reflection point (T temperature falling section ) in the temperature decreasing section preferably has the form of a cubic polynomial function as described above.

제4단계는 함수를 이용하여 피측정대상의 실시간 온도를 산출하는 단계이다. 예를 들어, 피측정대상이 온도가 상승하는 공간에 위치하는 경우, 피측정대상에 대한 온도는 다음에 의해 산출될 수 있다. 아래 수식에, DTOF를 입력하면 온도를 산출할 수 있다.The fourth step is a step of calculating the real-time temperature of the object to be measured using a function. For example, when the object to be measured is located in a space where the temperature rises, the temperature of the object to be measured may be calculated as follows. The temperature can be calculated by entering DTOF in the formula below.

T온도상승구간 = a1*e(DTOF/a2) + b1*e(DTOF/b2) + c1*e(DTOF/c2) + d (여기서, a1, b1, c1, a2, b2, c2 및 d는 임의의 상수이고, e는 무리수인 자연 대수를 의미한다.)T temperature rise section = a1*e (DTOF/a2) + b1*e (DTOF/b2) + c1*e (DTOF/c2) + d (where a1, b1, c1, a2, b2, c2, and d are arbitrary constants, and e is an irrational natural logarithm).

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the above has been described with reference to the illustrated embodiments of the present invention, these are only examples, and those skilled in the art to which the present invention belongs can variously It will be apparent that other embodiments that are variations, modifications and equivalents are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 와이어 200: 반사지점부
300: 펄스송신부 400: 와이어고정부
500: 수신유닛 600: 장력조절부
510: 제1센싱코일부 520: 제2센싱코일부
511: 제1코일 512: 제2코일
521: 제3코일 522: 제4코일
530: 신호처리부

A: 측정불감대영역
100: wire 200: reflection point
300: pulse transmission unit 400: wire fixing unit
500: receiving unit 600: tension adjusting unit
510: part of the first sensing coil 520: part of the second sensing coil
511: first coil 512: second coil
521: third coil 522: fourth coil
530: signal processing unit

A: measurement dead band

Claims (8)

초음파 도파로로 사용되는 자기변형 와이어;
상기 와이어의 길이 방향 중 어느 일 위치에 고정 배치되는 반사지점부;
상기 와이어의 일단에 배치되며, 상기 와이어에 펄스 전류를 인가하여 상기 와어어의 주변에 상기 와이어에 대한 원주 방향의 제2자기장을 제공하는 펄스송신부;
상기 와이어의 타측에 배치되어, 상기 와이어를 고정시키는 와이어고정부; 및
상기 와이어를 따라 상기 제2자기장이 이동하여 상기 반사지점부와 만나는 지점에서 제3자기장이 형성되면, 상기 제3자기장에 의한 변화를 검출하는 제1센싱코일부를 통해 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 수신유닛;을 포함하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
magnetostrictive wires used as ultrasonic waveguides;
a reflection point portion fixedly disposed at any one position in the length direction of the wire;
a pulse transmitter disposed at one end of the wire and applying a pulse current to the wire to provide a second magnetic field around the wire in a circumferential direction with respect to the wire;
a wire fixing unit disposed on the other side of the wire and fixing the wire; and
When a third magnetic field is formed at a point where the second magnetic field moves along the wire and meets the reflection point, the temperature of the reflection point is measured through a first sensing coil that detects a change by the third magnetic field. Ultrasonic temperature measuring device using the magnetostriction principle including a; receiving unit to.
제1항에 있어서,
상기 반사지점부는 상기 와이어의 주변에 상기 와이어에 대한 축 방향의 제1자기장을 제공하는 마그네틱 재질인 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The ultrasonic temperature measuring device using the magnetostriction principle, characterized in that the reflection point portion is a magnetic material that provides a first magnetic field in the axial direction with respect to the wire around the wire.
제2항에 있어서,
상기 반사지점부가 복수 개가 형성되면, 상기 반사지점부의 각 온도값에 대한 평균이 온도 측정의 대상에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
According to claim 2,
When a plurality of reflection point portions are formed, the average temperature of each temperature value of the reflection point portion is the temperature of the object to be measured.
제1항에 있어서,
상기 수신유닛은 상기 제1센싱코일부를 통해 반사 신호를 분석하는 신호처리부;를 더 포함하고,
상기 신호처리부는 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c시간 사이의 시간 차이인 제d시간차를 이용하여 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 온도측정알고리즘을 내장하는 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The receiving unit further includes a signal processing unit analyzing a reflected signal through the first sensing coil unit,
The signal processing unit measures the temperature of the reflection point by using a d-th time difference, which is a time difference between a b-th time at which a change by the second magnetic field is detected and a c-th time at which a change by the third magnetic field is detected. Ultrasonic temperature measurement device using the magnetostriction principle, characterized in that the temperature measurement algorithm is embedded.
제4항에 있어서, 상기 신호처리부는,
어느 일 기준 온도에서 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b1시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c1시간 사이의 시간 차이인 제d1시간차를 미리 산출하고,
온도 측정의 대상을 통해 상기 제2자기장에 의한 변화가 검출되는 제b2시간과 상기 제3자기장에 의한 변화가 검출되는 제c2시간 사이의 시간 차이인 제d2시간차를 실시간 산출한 후,
상기 제d2시간차와 상기 제d1시간차 사이의 시간 차이인 제d3시간차를 최종 산출하여, 상기 반사지점부의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
The method of claim 4, wherein the signal processing unit,
Calculate in advance a d1th time difference, which is a time difference between a b1th time at which a change by the second magnetic field is detected and a c1th time at which a change by the third magnetic field is detected in a certain day reference temperature;
After calculating the d2th time difference, which is the time difference between the b2th time when the change by the second magnetic field is detected and the c2th time when the change by the third magnetic field is detected through the object of temperature measurement, in real time,
An ultrasonic temperature measuring device using the magnetostriction principle, characterized in that the temperature of the reflection point is measured by finally calculating the d3-th time difference, which is the time difference between the d2-th time difference and the d1-th time difference.
제4항에 있어서,
상기 온도측정알고리즘은 상기 반사지점부의 온도가 상승하는 온도상승구간과 상기 반사지점부의 온도가 하강하는 온도하강구간에 따라 서로 다른 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
According to claim 4,
The temperature measurement algorithm is an ultrasonic type temperature measuring device using the magnetostriction principle, characterized in that the temperature rising section in which the temperature of the reflection point portion rises and the temperature falling section in which the temperature of the reflection point portion decreases are different from each other.
제1항에 있어서,
상기 수신유닛은 상기 제3자기장에 의한 변화를 검출하여 상기 와이어의 비틀림 변위를 측정하는 제2센싱코일부;를 더 포함하고,
상기 제1센싱코일부의 배치 위치에 따라 측정불감대영역이 서로 다른 위치에 형성되며, 상기 제2센싱코일부는 상기 측정불감대영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치.
According to claim 1,
The receiving unit further includes a second sensing coil unit configured to measure a torsional displacement of the wire by detecting a change by the third magnetic field,
According to the arrangement position of the first sensing coil unit, measurement deadband regions are formed at different positions, and the second sensing coil unit is disposed within the measurement deadband region. measuring device.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 장치 중 수신유닛에 내장되는 온도측정알고리즘에 의한 온도 측정 방법으로서,
상기 제1센싱코일부를 통해 반사 신호를 수집하는 제1단계;
미리 설정되는 어느 일 기준온도에서 초음파의 전파 시간을 산출하고, 피측정대상에 대해 초음파의 전파 시간을 산출한 후, 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이를 계산하는 제2단계;
온도상승구간 및 온도하강구간에서 상기 온도 변화에 따른 초음파의 전파 시간 차이를 입력값으로 하는 함수를 각각 산출하는 제3단계; 및
상기 함수를 이용하여 피측정대상의 실시간 온도를 산출하는 제4단계;를 포함하는 자기변형원리를 이용한 초음파 방식의 온도 측정 방법.
A temperature measuring method using a temperature measuring algorithm built in a receiving unit among ultrasonic temperature measuring devices using the magnetostriction principle according to any one of claims 1 to 7,
A first step of collecting a reflected signal through the first sensing coil unit;
A second step of calculating the propagation time of the ultrasonic wave at a predetermined reference temperature, calculating the propagation time of the ultrasonic wave for the object to be measured, and then calculating the difference in the propagation time of the ultrasonic wave according to the temperature change;
A third step of calculating a function having, as an input value, a difference in propagation time of ultrasonic waves according to the temperature change in a temperature rising section and a temperature falling section, respectively; and
A fourth step of calculating the real-time temperature of the object to be measured using the function; an ultrasonic temperature measurement method using the magnetostriction principle, comprising:
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