KR20020002105A - 발열체 방사온도 측정방법 및 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 정지 및 고속 이동중의 발열체 온도측정시, 주위와 온도차이를 가지고 있는 발열체의 형상, 길이, 폭 등의 측정과 각 부위별 온도분포 특성 및 경향특성 값을 이동 유무에 무관하고 정확하게 측정할 수 있는 발열체의 방사온도 측정방법 및 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 발열체의 수직위치에 설치되며 발열체의 크기와 이격거리에 따라 다각으로 구성되는 다면경회전체(20); 상기 다면경회전체를 중심으로 그 둘레에 직교하여 서로 마주하는 방식으로 배치되며 또한 상기 다면경회전체를 통하여 발열체의 반사 투과되는 적외선 에너지의 양을 발열체에 대해 90각도에서 측정하는 것으로 2차원 평면측정을 수행하는 4개의 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13); 기준펄스 입력을 받아 샘플링주기를 정하여 상기 방사에너지 센싱모듈에 의한 발열체의 방사량 검출 값과 상기 다면경회전체의 회전수 검출속도 값과 투과용 거울의 각도 검출 값을 연산 처리하여 정지 또는 고속이동 중인 발열체의 온도분포 및 경향 값을 산출해내는 상기 방사에너지 센싱모듈별 4개의 보조 CPU(30); 상기 보조 CPU의 각 모듈별 연산 검출 출력값을 받아 연산 처리하여 그 결과를 표시하고 출력하는 주CPU(50); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이동중인 발열체의 온도측정, 형상측정 등을 정확하게 측정할 수 있으며, 2차원 평면상에서 발열체의 정확한 온도변화와 경향을 최소의 오차범위내에서 측정할 수 있는 효과가 나타난다.

Description

발열체 방사온도 측정방법 및 측정장치{Method of radiation temperature measurement to a heating elements and apparatus thereof}

본 발명은 이동중인 발열체와 정지 중인 발열체의 온도측정에 관한 것으로, 특히 주위와 온도차이를 가지고 있는 발열체의 형상, 길이, 폭 등의 측정과 함께 각 부위별 온도분포 특성 및 경향특성을 정확하게 측정하여 온도맵 형태로 표현할 수 있는 발열체의 방사온도 측정방법 및 그 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 발열체의 온도측정은 접촉식 온도계를 주로 사용한다. 그러나 고온 발열체의 온도를 측정하고자 하는 경우에는 측정대상물의 방사에너지를 이용하는 비접촉식 온도계를 사용한다.

비접촉식 방사온도계는 접촉식 온도계에 비하여 측정 정도가 떨어진다. 따라서 비접촉식 방사온도계는 정확한 온도측정용이 아니라 온도 경향관리에 적합하다.

발열체의 방사에너지를 이용하여 그의 온도를 측정하게 되는 방사온도계는 대상물의 정확한 온도를 계측할 수 없기 때문에 주로 측정대상물의 온도분포 및 경향추이 분석에 주로 이용되어 왔다.

전통적으로 방사온도계는 그 측정방식에 있어 다음의 두 가지 기술을 나눌 수 있다.

그 하나는 측정대상물의 측정범위을 한 점으로 고정하고 그 한 점만 계속 측정하는 방법이고, 다른 하나는 회전거울을 이용하여 측정할 일정영역을 주사하는 것으로 측정대상물의 온도를 측정하는 방법이다.

한 점으로 위치를 고정하는 전자의 측정방법은 움직이는 대상물의 이동 경로에 방사온도계를 고정 설치하여 같은 위치에서 연속적으로 온도 측정한다. 즉, 위치 변화는 대상물에 의해 이루어진다.

일정영역을 주사하여 온도를 측정하는 후자의 측정방법은 넓은 면적을 가지고 있는 대상물의 온도측정에 적합하다.

본 발명은 회전거울을 이용하여 측정대상물의 온도를 측정하는 후자의 기술분야에 초점이 맞추어져 있다.

지금까지는 주사방식을 통한 일정영역의 온도방식은 하나의 검출기와 하나의 반사형 거울을 이용하여 왔다. 이러한 방식은 이동중인 발열체를 측정하기 위해 개발된 방법으로 반사형 거울에 의해 한 방향으로 계속 주사하도록 하고 있고, 이때 대상물체는 다른 한 방향으로 진행을 하고 있기 때문에 전체 면적을 측정할 수가 있는 것이다.

회전거울을 이용한 비접촉식 온도측정 방식에서는 그 방사온도계를 이동하는 물체에 대해 수직방향으로 주사하도록 설치한다.

그러나, 상기 두 가지 방법에 의한 발열체의 온도측정에는 모두 주사속도가 제한되어 있고, 빠르게 움직이는 대상물의 온도 측정 시에는 주사간격이 넓어지게 되어, 측정하고자 하는 영역의 온도 값의 횟수가 빈약하여 정도가 낮아진다.

또, 대상물이 정지하거나 저속일 경우 같은 영역만 반복하여 주사하게 되므로 온도 경향 및 분포를 측정할 수가 없는 단점이 있다.

지금까지의 기술은 대상물체의 한 점을 측정하는 고정용 온도계에서 발전되어, 한 점의 위치를 변경하거나 넓은 영역을 측정하기 위해 방사온도계 내부에 반사용 거울 및 렌즈를 추가하여 이를 움직이도록 함으로써 일정영역을 주사하여 온도를 측정하여 왔다.

이와 같은 방법은 방사용 거울이 움직이면 방사에너지의 반사 각도가 달라지게 된다. 그러나 반사용 거울은 한 방향으로 만 움직이는 것이 허용되어 이동하는 물체에 적용되어 왔다. 대상물이 한 방향으로 이동한다고 할 때, 방사온도계는 이동 경로와 직각 방향으로 주사하기 때문에 평면 측정이 가능하다.

이러한 방법 역시 한 방향으로 만 회전하기 때문에, 발열체가 정지상태이거나 저속으로 움직일 경우에는 같은 위치를 반복 측정하게 되는 현상이 나타나게 되고, 고속으로 움직이는 대상물의 경우에는 그 측정간격이 넓어져 측정정도가 현실성 없게 떨어진다.

따라서 지금까지의 기술을 이용하면 일정속도로 진행하거나, 한 방향으로 진행하는 대상물에만 적용이 가능하였다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로, 다각면경을 가지는 회전거울블록을 중심에 두고, 투과용 거울과 검출기를 서로 90도 대칭적으로 배열하여 양방향 측정이 2차원 평면상에서 가능하게 하고, 정지한 물체에서 고속 이동하는 물체까지 고속 측정이 가능하게 한 발열체의 방사온도 측정방법 및 측정장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발열체 방사온도 측정원리를 설명하는 개념도이다.

도 2는 본 발명에 따른 발열체온도 측정값의 2차원표시 설명도이다.

도 3은 본 발명에 따른 발열체 방사온도 측정장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 검출신호가 CPU 내에서 처리될 때의 타임그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 발열체 방사온도 측정과정을 설명하는 흐름도이다.

도 6은 본 발명에 따른 발열체 측정시의 신호처리에 관련된 타임챠트이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10,11,12,13 : 방사에너지 센싱모듈 20 : 다면경회전체

21 : 리플렉터 30 : 보조CPU

31 : 펄스발생기 32 : 파워콘트롤러

33 : 레이저발생기 34 : 포토센서

35 : 펄스신호처리기 36 : 모터구동회로

37,38 : 모터 39,40 : 포토센서

41,42 : 펄스신호처리기 50 : 주CPU

60 : 발열체 111 : 투과용 거울

112 : 적외선검출기 113 : 증폭기

114 : 신호변환기 115 : 미분회로

116 : 온도검출회로

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측정장치는 발열체의 수직위치에 설치되며 발열체의 크기와 이격거리에 따라 다각으로 구성되는 다면경회전체와, 상기 다면경회전체를 중심으로 그 둘레에 직교하여 서로 마주하는 방식으로 배치되며 또한 상기 다면경회전체를 통하여 발열체의 반사 투과되는 적외선 에너지의 양을 발열체에 대해 90각도에서 측정하는 것으로 2차원 평면측정을 수행하는 4개의 방사에너지 센싱모듈과, 기준펄스 입력을 받아 샘플링주기를 정하여 상기 방사에너지 센싱모듈에 의한 발열체의 방사량 검출 값과 상기 다면경회전체의 회전수 검출속도 값과 투과용 거울의 각도 검출 값을 연산 처리하여 정지 또는 고속이동 중인 발열체의 온도분포 및 경향 값을 산출해내는 상기 방사에너지 센싱모듈별 4개의 보조 CPU와, 상기 보조 CPU의 각 모듈별 연산 검출 출력값을 받아 연산 처리하여 그 결과를 표시하고 출력하는 주CPU를 포함한다.

또한 본 발명의 측정방법은 전원 온에 의해 시스템구동이 개시될 때, 최근의 기억된 값들과 다면경회전체와 투과용 거울의 회전속도, 샘플링 주기를 정하여 다면경회전체의 회전속도를 설정치로 일치시키는 단계와, 발열체의 온도측정을 위한 샘플링주기의 설정이 완료되면 스타트 스캔신호 입력여부를 판단하는 단계와, 상기 스타트스캔 입력여부 판단단계에서 스타트신호가 입력되면 스타트 각도 값을 인식하고 측정온도값 입력이 있으면 이를 미분하여 에지펄스를 생성시키는 단계와, 상기 단계에서 생성된 에지펄스의 (+)펄스 시간간격(t+)과 (-)펄스의 시간간격(t-)을 측정하여 두 값을 평균하는 것으로 에지검출 위치를 정하는 단계와, 상기의 에지 검출 위치에서 출력되는 값으로 발열체의 길이와 폭을 검출하여 각 센싱모듈 담당 CPU에 입력하여 온도검출회로에 의한 발열체의 온도검출 값에 연산 처리시키는 단계와, 상기 각 모듈별 발열체의 온도검출 데이터와 발열체의 형상정보를 주 CPU에서 일괄 처리하여 해당 발열체의 부위별 온도분포 및 경향 특성을 출력하는 단계를 포함한다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 발열체의 방사온도 측정장치를 발열체 측에서 바라본 상태도이다. 여기에서 참고되는 바와 같이, 다면경회전체(20)는 그 축을 중심으로 360도 회전가능 한 사다리꼴 형상의 거울들을 연속적으로 배열시켜 다각면경 상태가 만들어지도록 설계된다. 이때 거울면은 수직위치의 발열체의 방사에너지를 90도 방향 전환시켜 각 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13)로 전달되게 배치한다.

다면경회전체의 각 면경의 등분은 단면 반사용, 양면 반사용, 삼각 반사용에서 9각 반사용까지 제작 가능하다. 그러나 반사 각도는 측정하고자 하는 대상물의 크기에 맞게 선정해야 한다.

90도로 반사가 가능한 다면경회전체(20)주위에는 직교 축 상에서 서로 대응하는 4개의 방사에너지 모듈을 설치하여 상기 다면경 회전체가 1회전할 때마다 4개의 방사에너지 센싱모듈(TM)(10,11,12,13 ; TM00, TM01, TM02, TM03)에 순차적으로 발열체의 방사에너지를 전달하도록 구성한다.

따라서 상기 TM들은 다면경회전체의 회전에 의해 연속하여 방사에너지를 받게 된다. 즉, 대체로 원통형상 회전거울을 이용하면 4개의 검출모듈(TM)에 측정신호를 동시에 전달시킬 수 있으며 각 검출모듈은 독립적으로 입력신호를 처리할 수 있어야 한다. 만일, 각각의 검출모듈마다 독립적으로 신호를 처리하지 않고 동시에 처리한다면 그 측정위치를 일치 할 수가 없을 것이다. 90도 간격으로 배열된 TM에 동시에 도달되지 않게 하기 위해 다면경의 반사판 수를 적절히 선정할 필요가 있다.

한 면이 진행할 때 4개의 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13)에 방사에너지가 순차적으로 도달되게 하기 위해서는 그들은 대칭적 구조로 배치되어야 한다. 4개의 검출기에 방사에너지가 동시에 도달하게 되면 신호처리가 복잡하여 실효성이 없어진다. 그러므로, 측정하고자 하는 대상물의 크기에 따라 폭과 길이방향의 각도 비를 고려하여 반사각을 설정할 필요가 있다.

실 예로 본 발명에서는 폭과 길이 비를 8:12로 구성하여 당사 제품 중 제일 큰 후판 제품을 고려하여 길이 방향을 조금 길게 측정하도록 하였다. 이는 후판과 같은 플레이트나 슬라브는 그 길이 방향이 일반적으로 크기 때문이다.

따라서 폭 방향 2개, 길이방향 2개이므로, 길이 방향 센싱모듈 2개 ×각도 비 12도+폭 방향 센싱모듈 2개 ×각도 비 8도=40도가 된다.

본 발명에서 적용한 길이와 폭 방향 비를 고려할 때 한 면을 40도의 각도로 설정하면 회전체의 면경수는 360 = 40도 ×9 이므로 9면경이 된다.

그러므로 본 발명에서 적용한 회전용 거울을 기준으로 할 때 1회전 시마다 9번의 측정점이 센싱모듈에 도달된다. 만일, 단면 또는 양면 등 다각형(n) 반사 방법을 적용하면 위의 공식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 길이 방향 센싱모듈 2개 ×각도 비(길이방향)+폭 방향 센싱모듈 2개 ×각도 비(폭 방향)= 해당각도가 구해지게 된다. 또, 360도에서 해당각도를 나누면 반사 횟수가 구해진다.

이러한 원리로 온도를 측정하면, 낮은 회전 주파수에도 불구하고 그 면경수 배율만큼(본 발명의 9면경 적용시 9배)빠른 속도로 측정하는 것이 가능하다.

다면경회전체(20)는 한 점을 연속하여 측정하는 것이 가능하며 또한 측정 속도를 향상시킨다.

서로 대칭으로 배열된 4개의 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13)은 평면 2차원 측정이 가능하게 하는 한다.

투과용 거울의 입사각 및 투과각은 측정 대상물에 따라 다르게 결정한다. 예를 들어, 센싱을 위해 설치되는 높이(H)에서 측정하고자 하는 폭/길이(2L)를 결정하면 입사 및 투과 각도는 tanθ(L/H)가 된다.

실시 예에서, 높이 22m와 폭/길이 8m를 적용하여 투과용 거울의 입사/투과 한계각도를 10도로 배분하였다. 그러나 일반적인 물체의 형상이 정사각형보다 직사각형인 경우가 많으므로 여기서는 폭 방향은 8도, 길이방향은 12도로 적용하였다. 투과용 거울(111)은 검출기에서 방사에너지를 집광할 수 있도록 볼록 각도를 주고 그 초점 거리에 적외선 검출기(112)를 설치한다. 검출기는 투과용 거울의 초점거리와 검출기 소자의 마스크의 크기를 고려하여 설치한다.

도 2는 다면경회전체(20)와 4개의 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13)을 이용하여 임의의 발열체에 대해 측정할 경우 각 센싱모듈에 의해 다면경 회전체를 n 회차까지 회전시켜 해당 발열체의 폭측정, 길이측정, 온도분포 특성, 경향특성 값을 도식적으로 표시될 수 있음을 보여주고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 발열체 방사온도 측정장치의 구성을 보이고 있다.

여기에서 펄스발생기(31)는 4개의 센싱모듈을 각각 담당하는 보조CPU(30)와 상기 4개의 보조CPU의 각 모듈별 데이터를 받아들여 통합연산처리하기 위한 주CPU(50)에 기분펄스를 제공하게 된다. 실 적용 예에서 기준주파수는 400MHz를 이용하였으며, 이것에 의해 샘플링주기가 결정된다.

보다 상세하게 설명하기 위하여 실 예를 참고로 하면, 9면의 다면경회전체를 분당 1200RPM으로 회전시킬 경우에 1회전 시마다 각 센싱모듈은 9의 방사에너지 센싱값을 얻는다. 따라서 각각의 검출기는 분당 1200 ×9 = 10800회 검출이 가능하다. 여기서 4개의 검출기를 순차적으로 처리하기 위해서는 10800의 4배인 43200회의 연산을 CPU가 처리할 수 있어야 한다.

분당 43,200회(초당 2,592,000회)의 온도 검출신호 출력값(아날로그 신호 값)을 정확하게 복원하기 위해서는 보통 6배 이상의 샘플링주기로 인식해야 한다. 그러므로, 초당 2,592,000회 검출하고, 1회 검출 시마다 분해능을 우수하게 적용시키기 위해서는 그 샘플링 주기가 높을수록 유리하다.

여기서는 15,552,000이상이면 각 검출기에서 신호구분이 가능하다.

400MHz이상의 펄스발생기를 사용할 경우 상기 계산에 의한 15.552MHz 보다 25.7배나 우수한 샘플링이 가능하다. 최근에는 그 샘플링 주기가 수십 GHz이상인회로도 제작되고 있으므로 이를 본 발명에 적용할 경우 측정정도를 더욱 향상시키는 것이 가능하다. 400MHz의 샘플 주기를 적용할 경우 분해능은 다음과 같다.

하나의 검출기에서 측정 가능한 속도는 한 면(각도 : 40도)에서 폭과 길이 각 8도, 12도이므로 8:12의 배율을 적용하고 2개로 구성되어 있으므로 400,000,000 ×8/12 ×1/2 =133.33MHz이다. 즉 약 133.3MHz의 속도로 온도를 측정할 수 있게 된다. 이것을 지금까지의 온도측정 기술을 비교해 볼 때, 회전주파수의 분해능이 수십MHz일 때보다 월등히 우수한 분해능을 가진다.

레이저발생기(33)에는 파워 콘트롤러(32)로부터 동작 전원전압이 인가되게 구성하고, 이 레이저 발생기에서 출력되는 빔은 모터(38)에 의해 회전 구동하게 되는 다면경회전체(20) 상부의 리플렉터를 통해 포토센서(34)에 의해 검출되게 구성한다.

상기 레이저발생기(33)는 그의 동작을 위한 파워공급을 받아 직경이 작고 직진성이 우수한 빔을 발생한다. 상기 파워콘트롤러(32)는 상기 레이저빔의 전원과 출력 값을 일정하게 조절 유지하는 기능을 수행하게 된다. 이것은 검출기인 포토센서의 검출출력을 안정적으로 유지시켜 주어 펄스신호처리기(35)에서 생성되는 측정 시작신호(Scan Start)를 신뢰성 있게 만들게 한다. 상기 레이저빔은 포토센싱 출력 값을 선명하고 강하게 유지시켜 검출기의 신뢰성을 더욱 높이게 된다.

투과용 거울(111)의 움직이는 각도를 한정적으로 유지하기 위한 기능으로 최대 검출 각도에 각각 포토센서(39,40)를 설치한다.

이 포토센서(39,40)는 각각 펄스신호처리기(41,42)에서 처리되어 투과용 거울의 집광영역이 검출기에 주사 할 수 있는 각도를 고려하여 설치한다. 설정된 범위의 각도를 벗어나지 못하도록 제한하기 위한 것으로, 그 각도 영역을 확인하는 온/오프신호를 발생하여 해당 보조CPU(30)에 제공한다. 투과용 거울의 설정 각에 따라 스위치의 위치가 조절된다.

상기 펄스신호처리기(35)에서 출력되는 펄스신호 출력은 모터구동회로(36)에 제공되어 상기 다면경회전체 구동용 모터(38) 및 투과용 거울 구동용 모터(37)에 제공되게 구성한다.

상기 모터구동회로(38)는 회전 속도를 설정하여 일정한 속도로 회전하기 위한 기능으로 우수한 정밀도를 가진 모터를 제어하게 된다. 상기 모터는 목표속도에 도달하는 시간이 빠른 응답성이 우수한 모터를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 투과용 거울을 통해 집속된 발열체의 방사에너지는 적외선검출기(112)를 통해 증폭기(113)에서 증폭된 후 신호변환기(114)에 입력되게 구성한다. 이 신호변환기(114)의 출력은 미분회로(115)와 온도검출회로 (116)를 통해 상기 보조 CPU(30)에 제공되게 구성한다.

상기 적외선검출기(111)와 신호변환기(114)는 온도측정과 발열체의 에지(Edge)를 구분하기 위한 기능을 수행한다.

발열체에서 방사되는 적외선 방사에너지는 다면경회전체(20) 및 투과용 거울(111)을 거쳐 적외선검출기(111)에 도달된다. 이 신호는 증폭기(113)와 신호변환기(114)를 거쳐 온도검출회로(116)에 발열체의 검출온도 값으로 제공된다.

즉, 발열체에서 방사되는 미약한 온도검출 출력신호는 신호변환기(114)에서아날로그의 연속신호 형태로 출력된다. 상기 신호변환기는 이 신호를 미분회로(115)를 거쳐 온도 변화량이 큰 경계부분에서 펄스신호를 발생시킨다.

발열체의 검출온도 파형은 저온에서 고온으로 또는 고온에서 저온으로 변화되는 경계지점에서 사인 파형으로 나타나는데, 이 신호를 다시 미분하면 급속한 온도변화 부분에서 미분 값이 +펄스와 -펄스로 나타나게 된다. 이러한 펄스 파형은 발열체의 경계부분을 인식하는 에지 검출신호로서 보조 CPU(30)에 입력된다.

상기 에지 검출신호는 다면경회전체(20)에 부착된 거울이 1회전(360도)할 때 대칭 구조인 4개의 검출기에서 순차적으로 온도 검출신호와 에지 검출신호가 발생되어 해당 보조 CPU에 입력되게 된다.

상기 CPU(30)는 온도검출신호, 에지 검출신호, 포토스위치 온/오프 신호, 모터속도, 기준주파수 등의 입출력 신호를 처리한다. 이들 4개의 보조 CPU(30)는 대칭구조로 배열된 4개의 투과용 거울의 시작과 끝 각도, 그리고 온도검출소자의 출력 신호와 회전용 거울의 회전수 등을 받아 주CPU(50)에 그 측정 결과를 송신한다.

적외선검출기(112)를 온도측정대상인 발열체에 대해 90도 방향으로 대칭 배치된 각각의 모듈은 각각의 보조 CPU를 가지고 있으며, 하나의 보조 CPU는 한 개의 기준주파수(펄스발생기의 출력), 회전수 검출펄스(펄스신호 처리기의 출력), 각도 검출용 펄스(펄스신호 처리기의 출력), 에지 검출펄스(미분회로출력), 온도검출신호 아날로그 출력(신호변환기 출력)을 입력을 받아 처리하게 되며, 이렇게 처리된 각 모듈별 각각의 데이터 측정값을 주 CPU(5)로 전송하여 여기에서 연산 처리되어 그 결과 값들이 저장되고 인쇄 출력되게 된다.

상기 주CPU(50)는 독립된 4개의 CPU에서 처리된 온도측정결과를 기준주파수에 동기하는 기능을 수행한다. 다면경회전체(20)가 9면경으로 제작되었을 때, 1회전할 때 각 모듈을 담당하는 보조 CPU에서는 온도검출신호를 9회 측정하게 된다. 서로 마주보는 TM00과 TM02는 같은 위치에 있는 서로 반대 방향으로 측정하였으므로, TM00의 측정값과 TM02측정값을 평균하면 보다 신뢰성 있는 정확한 온도 측정이 가능하다.

주CPU는 각각의 CPU에서 처리된 온도결과 값을 연속으로 제공받고, 기준주파수 신호와 회전수 검출신호를 받아 처리한다. 가령, 길이 측정영역은 TM00을 담당하는 CPU00과 TM02를 담당하는 CPU02의 측정한 값의 평균한 값이며, 횟수는 1회전 시 측정한 결과 값의 평균이다. 1회전 평균한 값은 TM00을 담당하는 CPU00에서 9회, TM02를 담당하는 CPU02에서 9회를 평균한 값이 되며, 측정값의 인식주기는 기준주파수의 주기와 같고 회전수는 펄스신호 처리기(35)에서 발생되는 검출신호를 기준으로 한다.

도 4는 본 발명에 따라 각 모듈에서 담당 보조 CPU에 입력되는 신호를 처리하는 과정을 시간영역으로 구분하여 표시한 것으로, 발열체의 온도와 에지를 구분하는 원리를 설명하고 있다.

9개의 면을 가지는 다면경회전체(20)상의 회전거울은 일종의 반사거울과 같은 역할을 하며, 레이저발생기와 포토센서를 통해 회전용 거울이 1회전 할 때마다 9개의 펄스를 얻는다.

이러한 펄스는 펄스신호기에서 처리되어 담당 보조 CPU(30)에 스타트스캔 신호로 제공된다. 펄스발생기(31)는 검출되는 각종신호를 샘플링하는 주기를 결정하는데 이용된다. 본 발명에서는 400MHz의 주기로 검출소자의 출력 값을 인식하도록 설계하고 있으며, 이는 본 발명에서의 분해능과 일치한다.

신호변환기(114)에서 출력되는 온도검출신호출력 값은 냉간(저온)에서 열간(고온)으로 열간(고온)에서 냉간(저온)으로 변화되는 에지 부분에서는 온도출력이 급격히 변화하게 되므로, 이러한 온도 변화량을 미분회로로서 1차미분 및 2차미분하면 급속한 변화를 에지 부근에서 얻을 수 있어 에지를 기준으로 하는 펄스 파형을 만들 수 있다.

상기 펄스 파형은 온도 변화량에 따라 다소 시간적인 차이를 가질 수 있으나, 측정하고자 하는 발열체와 상온의 온도차를 고려한 일정한 변화량만을 선별하면 보다 정확한 에지를 인식 할 수 있는 장점이 있다.

두 개의 검출모듈에서 서로 다른 방향(+펄스, -펄스)에서 검출하며 선별된 에지발생 위치를 상호 비교함으로 발열체의 정확한 폭을 알 수 있다.

상기 다면경회전체(20)는 1회전 시마다 9등분된 각각의 측정값에서 스타트 스캔용으로 사용할 펄스를 발생한다. 측정온도결과 값(TM00)은 스타트 스캔신호의 입력을 받으면 에지구분 신호가 미분회로를 통해 입력되므로 그 값이 일정 값 이상일 경우에 온도측정값을 샘플링 주기 또는 간격으로 인식한다.

다면경회전체가 1회전할 때마다 투과용 거울은 일정한 각도로 움직이고, 최대이동 가능한 각도에 투과형 포토센서를 설치하여 최대각도를 검출할 수 있다. 포토센서에서 최대각도가 검출되면 다시 반대각도로 이동하여 거기에서 다시 최대각도를 검출하게 된다. 이러한 방법으로 각도 변화를 주면서 온도를 검출하는 것이 가능하게 되는 것이다.

측정 길이 및 측정 폭은 회전용 거울과 발열체와의 이격 거리에 따라 결정이 되어진다. 먼저 회전용 거울의 반사각은 수직방향에서 90도로 유지함으로 바로 아래에 있는 측정 대상물을 측정할 수 있다. 측정영역은 회전용 거울의 이격 거리에 따라 결정되고, 측정하고자 하는 대상물의 크기에 따라 측정높이 H를 조정한다. 예를 들어보면 높이 22m로 이격 할 경우 주사각도 8도 일 경우 5.6m, 주사각도 12도 일 경우 8.4m의 측정영역을 갖게 된다.

도 5는 본 발명에 다른 발열체의 반사온도 측정과정을 설명하는 흐름도이다. 여기에서 참고되는 바와 같이, 전원 온에 의해 시스템구동이 개시되면 최근의 기억된 값들을 불러와 초기조건을 설정한다. 시스템의 초기치는 다면경회전체와 투과용 거울의 회전속도, 그리고 샘플링 주기를 포함한다.

상기 온도측정치 샘플링주기는 기준주파수의 측정을 통하여 결정되도록, 다면경회전체의 회전속도와 설정치를 지속적으로 비교하여 일치할 때까지 회전속도 스캔타임을 재설정 하게 된다.

발열체의 온도측정을 위한 샘플링주기의 설정이 완료되면 스타트 스캔신호 입력여부를 판단하여 스타트신호가 인식되면 스타트 각도 값을 입력하고, 에지검출용 펄스의 성분(+,-)을 인식한다.

이어서 에지검출의 기간간격(t+)을 측정하고, (-)펄스의 시간간격(t-)을 측정하여 두 값을 평균하는 것으로 에지검출 위치를 정한다.

에지검출 간격 중 (+)펄스의 기간간격은(t+)은 (t+)=(t+)-{(t+)-(t-)}/2의 식으로 구해지고, 에지검출 간격 중 (-)펄스의 기간간격(t-)은 (t+)=(t-)+{(t+)-(t-)}/2의 식으로 구해진다.

온도검출신호는 샘플주기로 연속 인식하여 기록 저장한다.

에지 검출 위치가 정해지고 샘플링 주기로 인식한 실제 측정온도 출력 값이 얻어지면 보조 CPU에서는 주 CPU로 해당 값들을 출력한다. 최대 각도 값이 되면 측정을 정지하고 상기 절차를 반복한다.

이를 단계별로 정리하여 설명하면 다음과 같다.

제1단계에서는 전원 온에 의해 시스템구동이 개시될 때, 최근의 기억된 값들과 다면경회전체와 투과용 거울의 회전속도, 샘플링 주기를 정하여 다면경회전체의 회전속도를 설정치로 일치시키는 과정을 실행한다.

제2단계는 앞에서 발열체의 온도측정을 위한 샘플링주기의 설정이 완료되면 스타트 스캔신호 입력여부를 판단한다.

제3단계에서는 상기 제2단계의 스타트스캔 입력여부 판단단계에서 스타트신호가 입력되면 스타트 각도 값을 인식하고 측정온도값 입력이 있으면 이를 미분하여 에지펄스를 생성시킨다.

제4단계에서는 상기 제3단계에서 생성된 에지펄스의 (+)펄스 시간간격(t+)과 (-)펄스의 시간간격(t-)을 측정하여 두 값을 평균하는 것으로 에지검출 위치를 정한다.

제5단계에서는 상기의 에지 검출 위치에서 출력되는 값으로 발열체의 길이와폭을 검출하여 각 센싱모듈 담당 CPU에 입력하여 온도검출회로에 의한 발열체의 온도검출 값에 연산 처리시킨다.

제6단계에서는 상기 각 모듈별 발열체의 온도검출 데이터와 발열체의 형상정보를 주 CPU에서 일괄 처리하여 해당 발열체의 부위별 온도분포 및 경향 특성정보를 출력한다.

도 6은 본 발명에 따른 방사온도 측정시의 신호처리에 관련된 타임챠트를 보이고 있다.

여기에서 CPU00, CPU01, CPU02, CPU03은 상기 방사에너지 모듈 TM00, TM01, TM02, TM03에 각각 설치되어 입력신호를 연산 처리하고 제어출력을 발행하는 각 담당별 보조 CPU이다. 따라서 9면경회전체의 한 면의 각도는 40도이므로 상기 9면경회전체가 회전하면 순차적으로 TM00모듈의 검출 CPU00에는 측정영역의 길이 방향으로 1회 측정값이 입력되어 처리되고, TM01 모듈의 검출 CPU01은 CPU00의 측정이 끝나는 시점부터 시작하여 측정영역의 폭 방향으로 1회 측정한다.

마찬가지로 검출 CPU02측정이 끝나는 시점부터 CPU03가 측정영역의 폭 방향으로 1회 측정한다. 따라서 한 면이 회전할 때 각 검출기는 동일위치를 7.5㎲이내 2회 측정할 수 있어 고속측정이 가능하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 이동중인 발열체의 온도측정, 형상측정, 폭과 길이 측정 등을 정확하게 측정 기록할 수 있으며, 발열체의 정확한 위치에 따른 온도변화를 측정하여 기록할 수 있는 특유의 효과가 나타나게 된다.

또한 본 발명은 카메라를 이용한 영상처리 기술, 방사에너지를 이용한 온도 측정기술, 적외선 광학을 이용한 처리 기술 등에서 적용 가능하며 기존의 검출방식에 대비할 때 동일조건에서 다면경수(9)배의 회전속도 증가효과에 다른 고속측정 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 같은 영역을 서로 반대 방향에서 번갈아 측정하기 때문에 측정 오차를 줄일 수 있다.

Claims (2)

1. 발열체에 대한 비접촉식 방사온도 측정장치에 있어서, 발열체의 수직위치에 설치되며 발열체의 크기와 이격거리에 따라 다각으로 구성되는 다면경회전체(20); 상기 다면경회전체를 중심으로 그 둘레에 직교하여 서로 마주하는 방식으로 배치되며 또한 상기 다면경회전체를 통하여 발열체의 반사 투과되는 적외선 에너지의 양을 발열체에 대해 90각도에서 측정하는 것으로 2차원 평면측정을 수행하는 4개의 방사에너지 센싱모듈(10,11,12,13); 기준펄스 입력을 받아 샘플링주기를 정하여 상기 방사에너지 센싱모듈에 의한 발열체의 방사량 검출 값과 상기 다면경회전체의 회전수 검출속도 값과 투과용 거울의 각도 검출 값을 연산 처리하여 정지 또는 고속이동 중인 발열체의 온도분포 및 경향 값을 산출해내는 상기 방사에너지 센싱모듈별 4개의 보조 CPU(30); 상기 보조 CPU의 각 모듈별 연산 검출 출력값을 받아 연산 처리하여 그 결과를 표시하고 출력하는 주CPU(50); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체의 방사온도 측정방법 및 측정장치.
2. 발열체에 대한 비접촉식 방사온도 측정방법에 있어서, 전원 온에 의해 시스템구동이 개시될 때, 최근의 기억된 값들과 다면경회전체와 투과용 거울의 회전속도, 샘플링 주기를 정하여 다면경회전체의 회전속도를 설정치로 일치시키는 단계와, 발열체의 온도측정을 위한 샘플링주기의 설정이 완료되면 스타트 스캔신호 입력여부를 판단하는 단계와, 상기 스타트스캔 입력여부 판단단계에서 스타트신호가입력되면 스타트 각도 값을 인식하고 측정온도값 입력이 있으면 이를 미분하여 에지펄스를 생성시키는 단계와, 상기 단계에서 생성된 에지펄스의 (+)펄스 시간간격(t+)과 (-)펄스의 시간간격(t-)을 측정하여 두 값을 평균하는 것으로 에지검출 위치를 정하는 단계와, 상기의 에지 검출 위치에서 출력되는 값으로 발열체의 길이와 폭을 검출하여 각 센싱모듈 담당 CPU에 입력하여 온도검출회로에 의한 발열체의 온도검출 값에 연산 처리시키는 단계와, 상기 각 모듈별 발열체의 온도검출 데이터와 발열체의 형상정보를 주 CPU에서 일괄 처리하여 해당 발열체의 부위별 온도분포 및 경향 특성을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체의 방사온도 측정방법.