KR20090056492A

KR20090056492A - 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기 및 기체 온도측정 방법

Info

Publication number: KR20090056492A
Application number: KR1020070123662A
Authority: KR
Inventors: 김찬수; 홍성덕; 김용완; 이원재; 장종화
Original assignee: 한국원자력연구원; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: KR101153872B1

Abstract

본 발명은 복사간섭 보정 기능이 가능한 기체 온도 측정기 및 이를 이용한 기체 온도 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체 이송관의 온도 측정용 포트에 직경이 서로 다른 한 쌍의 열전대를 삽입하여, 각각의 열전대에서 검출되는 온도를 이용하여 열전대 표면으로부터 주위 표면으로의 복사 열손실을 보정함으로써, 이송관 내부를 유동하는 기체의 온도를 보다 정확하게 검출할 수 있는 기체 온도 측정기 및 이를 이용한 기체 온도 측정 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기는, 중공 원통형의 하우징튜브와; 서로 다른 직경을 가지고, 온도 측정단이 상기 하우징튜브의 외부로 노출되도록 상기 하우징튜브 내에 구비되는 한 쌍의 열전대;를 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.

기체 온도 측정기, 열복사, 복사간섭, 온도 보정, 열전대

Description

복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기 및 기체 온도 측정 방법{A device for measuring gas temperature with radiation interference compensation and the measurement method}

열전대(thermocouple)는 제베크(seeback) 효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속을 접합하여 만든 센서로서, 내구성이 좋아 발전소나 제철소 등의 극한 환경에서 널리 이용되고 있다. 여기서, 제베크 효과란 서로 다른 두 종류의 금속을 조합하였을 때 접합된 양단의 온도가 서로 다르면 이 두 금속 사이에 열기전력이 발생하게 되는 현상으로, 이를 이용하면 두 금속 사이의 기전력 측정을 통해 두 접점간의 온도차를 알 수 있게 된다.

도 1은 이와 같은 열전대를 이용한 종래의 유체 온도 측정 방법을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 유체 온도 측정 방법은 열전대(5)를 유체 이송관(1)에 구비된 온도 측정용 포트(2)에 삽입하여 관내를 유동하는 유체의 온도(T_g)를 측정하게 된다. 이 때 열전대(5)의 온도 측정단(5a)은 유체로부터의 대류 열전달(convection)로 인해 온도가 상승하게 되며, 상승된 온도(T_t)에 비례하는 열전대(5)의 출력 신호로부터 유체의 온도를 측정할 수 있다.

그러나, 열전대(5) 표면으로부터 주위 표면 즉, 이송관(1)의 내벽면으로 열전대(5) 표면과 이송관 내벽 표면 간의 온도차(T_t-T_s)에 의한 열복사(radiation)가 발생하게 되는데, 특히 관내를 유동하는 유체가 고온의 기체인 경우, 기체의 열전달 계수(h)가 상대적으로 적어 기체로부터 열전대(5)로의 대류 열전달이 적게 일어나며, 기체 온도와 주위 표면 온도 간의 차이가 상대적으로 커서 복사 열손실로 인한 측정 오차 역시 증가하게 되므로, 정확한 유체 온도를 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.

이와 같이 기체 온도 측정 시 기존의 열전대가 가지는 단점을 보완하기 위한 기술로서 흡인온도계(suction pyrometer)가 있다. 흡인온도계는 측정하고자하는 기체를 순간적으로 매우 빠른 속도로 빨아들여 기체의 열전달 계수를 급격히 증가시킴으로써 기체의 온도를 보다 근접하게 측정하고자 하는 기술이다.

그러나, 흡인온도계는 화재 진압 시 내부 온도를 측정하는 경우와 같이 압력 유지가 필요 없고 오직 온도 측정만을 목적으로 할 때는 매우 유용하나, 일정한 압력을 유지해야 하는 계통 내 온도를 측정하는 경우에는 적용하기 어렵다는 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 또다른 종래의 기체 온도 측정 방법이 아래의 문헌 1에 기재되어 있다.

[문헌 1]

S.Brohez, C.Devosalle, G.Marlair. A two-thermocouples probe for radiation corrections of measured temperatures in compartment fires. Fire Safety Journal; 2004, p399-411

도 2는 상기 문헌 1에 기재된 기체 온도 측정 방법을 나타내는 도면이다.

상기 문헌 1에 따르면, 도 2에서와 같이, 객실(6)의 일측면과 전면에 각각 직경이 다른 열전대(5-1, 5-2)를 설치하여 서로 다른 위치의 열전대로부터 측정되는 온도값의 차이를 이용하여 열전대의 복사 열손실을 보정함으로써, 객실(6) 내의 화재시에 객실(6) 내부의 기체 온도를 측정할 수 있다.

그러나 상기 방법과 같이 다른 위치에 두 개의 열전대를 설치하여 기체 온도를 측정하는 방법은 공간 내부의 온도 구배가 매우 작을 경우에는 공간 내부의 기체 온도를 비교적 정확하게 측정할 수 있으나, 내부 유동으로 인해 공간 내 온도 구배가 클 경우 특정 지점의 온도를 정확히 측정하는 데에는 한계가 있으며, 두번째 열전대를 설치하기 위한 열전대 설치 포트가 추가로 요구되어 장치 및 온도 측정 과정이 복잡해지며 그에 따른 비용이 증가한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 기체 이송관의 온도 측정용 포트에 직경이 서로 다른 한 쌍의 열전대를 삽입하여, 각각의 열전대에서 검출되는 온도를 이용하여 열전대 표면으로부터 주위 표면으로의 복사 열손실이 보정된 기체 온도를 산출함으로써, 측정된 기체 온도에 대한 정확도를 향상시키는 데에 있다.

또한, 직경이 다른 한 쌍의 열전대를 소정 거리 이격시켜 일체형으로 구성하여 기체 이송관 상에 구비된 기존의 온도 측정용 포트에 삽입하여 별도의 포트를 추가하지 않고도 복사 열손실을 보정할 수 있도록 함으로써, 장치를 보다 단순화시키는 동시에 이송관 내를 유동하는 기체의 온도를 보다 용이하고 정확하게 측정하는 데에 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 중공 원통형의 하우징튜브와; 서로 다른 직경을 가지고, 온도 측정단이 상기 하우징튜브의 외부로 노출되도록 상기 하우징튜브 내에 구비되는 한 쌍의 열전대;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기를 제공한다.

또한 본 발명은, 한 쌍의 열전대를 기체 이송관 내부의 기체 유동 방향과 수직으로 배열되도록 온도 측정용 포트에 삽입시키고, 상기 삽입된 각 열전대에서 검출되는 온도를 이용하여 열전대 표면으로부터 주위 표면으로의 복사 열손실을 보정 함으로써 기체 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 기체 온도 측정 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 기체 온도 측정기 및 이를 이용한 기체 온도 측정 방법은, 직경이 서로 다른 한 쌍의 열전대를 기체의 유동 방향에 수직으로 배열되도록 기체 이송관의 온도 측정용 포트에 삽입시킨 상태에서 각 열전대에서 검출되는 온도를 이용하여 복사 열손실이 보정된 기체 온도를 산출함으로써, 유동 방향에 따른 온도 구배가 큰 고온의 기체 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 여러 포트에 열전대를 설치할 필요없이 하나의 포트 내에 한 쌍의 열전대를 삽입할 수 있으므로, 장치의 구성이 단순해지고 온도 측정이 용이하여 기체 온도 측정 작업에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 효과도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 온도 측정기의 구조를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 기체 온도 측정기를 기체 이송관에 장착한 상태를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 온도 측정기는 중공 원통형의 하우징튜브(30)와, 서로 다른 직경을 가지고, 온도 측정단이 하우징튜브(30)의 외부로 노출되도록 하우징튜브(30) 내에 구비되는 한 쌍의 열전대(10, 20)로 구성된다.

한 쌍의 열전대(10, 20)는 각각 열전대 센서용 세라믹봉(12)과 세라믹봉(12)의 외벽을 둘러싸는 열전대 가이드 튜브(11)로 구성되어 열전대(10, 20)의 온도 측정단이 하우징튜브(30)의 일단을 지나 외부로 노출되도록 구성되는데, 이들 열전대(10, 20)를 구성하는 세라믹봉(12, 22) 내에는 제베크 효과에 따라 열기전력을 발생시키도록 서로 다른 종류의 두 금속이 접합되어 있다.

각 열전대(10, 20)에는 한 쌍의 전선(17, 27)이 연결되어 하우징튜브(30)의 상면에 형성되어 있는 관통구(35)를 통해 외부로 인출되는데, 각 열전대(10, 20)에 연결된 한 쌍의 전선(17, 27) 사이에는 해당 열전대의 온도 측정단 온도에 비례하는 기전력이 인가되어, 이들과 연결된 외부 기기가 인가된 기전력을 측정함으로써 해당 열전대의 온도 측정단 온도를 구할 수 있다. 이와 같이 한 쌍의 열전대(10, 20)로부터 검출되는 온도를 이용하면 열전대(10, 20) 표면으로부터 기체 이송관 내벽면과 같은 주위 표면으로의 복사 열손실을 보정하여 열전대(10, 20) 설치 지점에서의 기체 온도를 용이하게 산출할 수 있는데, 온도 산출 방법에 대한 상세한 내용은 후술하여 설명하기로 한다.

이와 같이 구성된 온도 측정기는, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 열전대(10, 20)가 기체의 유동 방향과 수직으로 배열되도록 기체 이송관(1)의 온도 측정용 포트에 삽입된다. 여기서, 한 쌍의 열전대(10, 20)는 동일한 지점의 기체 온도를 측정하기 위하여 서로 가까운 위치에 위치하도록 구비되어 있는데, 그 간격이 너무 가까운 경우에는 하나의 열전대가 다른 열전대의 표면 부근을 유동하는 기체 의 속도 분포에 영향을 주게 되어 온도 측정에 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 열전대(10, 20) 간의 간격을 다른 열전대 표면의 경계층을 침범하지 않는 범위 내에서 최소화하는 것이 바람직하다. 모의실험 결과, 열전대(10, 20) 간의 간격을 최소한 1 mm 이상으로 유지하였을 때 각 열전대(10, 20)가 서로의 경계층을 침범하지 않고 검출 온도에 오차가 발생하지 않는 것으로 나타났다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 온도 측정기의 구조를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 온도 측정기는 상하가 개구되어 있는 중공 원통형의 하우징(130)과, 하우징(130) 내부에 끼워 맞춰지는 밀폐체(150)와, 서로 다른 직경을 가지고, 밀폐체(150)의 상하를 관통하여 온도 측정단이 하우징(130)의 하부 개구를 지나 하우징(130)의 하부로 노출되도록 구비되는 한 쌍의 열전대(110, 120)를 포함하여 구성된다. 또한, 하우징(130)의 상부에는 하우징(130)의 상단 외벽과 나사 체결되는 덮개(140)가 구비되며, 하우징(130) 외부로 노출된 한 쌍의 열전대(110, 120) 사이에는 열전대(110, 120) 간의 거리를 일정하게 유지시키기 위한 스페이서(170)가 구비된다.

하우징(130)의 하부 외벽 둘레에는 나사부(139)가 형성되어 있어 기체 이송관의 온도 측정용 포트에 형성되어 있는 나사부에 용이하게 체결할 수 있으며, 덮개(140)의 상면에는 각 열전대(110, 120)의 전선(117, 127)을 외부로 인출시키기 위한 관통구(135)가 형성되어 있다.

밀폐체(150)는 기체 온도 측정기가 기체 이송관의 온도 측정용 포트에 체결되었을 때, 하우징(130)의 하부 개구를 통해 기체가 누출되는 것을 차단시키는 기능을 한다. 여기서, 밀폐체(150)의 상부 둘레와 하우징(130) 내벽 사이에는 고정링(160)을 구비하여 밀폐체(150)를 하우징(130) 내부에 긴밀하게 고정시키도록 하는 것이 바람직하다.

스페이서(170)는 두 열전대(110, 120)의 하우징(130) 외부로 노출된 부위의 서로 대향하는 일측면에 각각 접합되어 두 열전대(110, 120) 간의 거리를 일정하게 유지시켜준다. 기체 이송관 내부를 유동하는 기체의 속도가 매우 빠른 경우에는 고속의 기체로부터 가해지는 힘에 의하여 각 열전대(110, 120)의 온도 측정단 부위에 휨변형(bending)이 발생하게 되는데, 휨변형량의 크기는 열전대의 직경에 따라 달라지게 되며 그로 인해 각 열전대(110, 120) 간의 간격이나 배열 방향에 변동이 발생할 수 있다. 따라서, 스페이서(170)를 하우징(130) 외부로 노출된 한 쌍의 열전대(110, 120) 사이에 구비하여 각 열전대(110, 120)가 일정 거리를 유지한채 긴밀하게 결합되도록 해줌으로써, 휨변형에 의해 열전대(110, 120)의 간격 또는 배열 방향이 변동되는 것을 방지해 줄 수 있다.

본 실시예의 열전대(110, 120)는 전술한 제1 실시예의 열전대(10, 20)와 그 구조 및 기능이 동일하며, 각 열전대(110, 120)를 이용하여 기체 온도를 측정하는 방법 역시 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 전술한 각 실시예에 따른 기체 온도 측정기를 사용하여 기체 이 송관의 온도 측정용 포트 하나에 서로 다른 직경을 가지는 한 쌍의 열전대를 삽입함으로써 관내를 유동하는 기체 온도를 산출하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

먼저 앞에서 참조한 도 1을 다시 한번 참조하여, 유체가 유동하는 관 내에 열전대가 삽입된 상태에서 에너지 평형을 고려하면 다음과 같다.

기체로부터의 대류 열전달과 열전대 표면에서 주위 표면 즉, 관의 내벽면으로의 복사 열전달은 아래의 수학식 1과 같이 서로 에너지 평형을 이루게 된다.

(여기서, h : 대류 열전달 계수, A : 열전달 면적, ε : 복사율, σ : 슈테판볼츠만 상수, T_g : 기체 온도, T_t : 열전대 온도, T_s : 주위 표면 온도)

본 발명에서는 직경이 다른 한 쌍의 열전대가 기체의 유동방향에 수직으로 배열되므로, 각 열전대에 대하여 상기 수학식을 본 발명에 적용하면 다음의 수학식 2 및 수학식 3을 얻을 수 있다(각각의 열전대는 아랫첨자 1과 2로 구분).

상기 수학식 2와 수학식 3을 연립하여 풀면 아래의 수학식 4를 얻을 수 있 다.

여기서, 각 열전대에 대한 대류 열전달 계수(h₁, h₂)는 기체의 유동 속도와 해당 열전대의 직경에 의해 결정되며, 복사율(ε)은 열전대의 재질에 따라 구해지므로, 상기 수학식 4에 각 열전대의 검출 온도(T₁, T₂)와 각 열전대에 대한 기체의 대류 열전달 계수(h₁, h₂)및 열전대의 복사율(ε)을 대입하면, 기체 온도 측정기가 삽입된 위치에서의 기체 온도를 최종적으로 산출할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 열전대를 이용한 종래의 유체 온도 측정 방법을 나타내는 도면.

도 2는 서로 다른 위치에 설치된 직경이 다른 두 열전대를 이용한 종래의 기체 온도 방법을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 온도 측정기의 구조를 나타내는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 기체 온도 측정기를 기체 이송관에 장착한 상태를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 온도 측정기의 구조를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유체 이송관 2 : 온도 측정용 포트

5, 10, 20, 110, 120 : 열전대 11 : 열전대 가이드 튜브

12 : 세라믹봉 17, 27, 117, 127 : 전선

30 : 하우징튜브 130 : 하우징

140 : 덮개 150 : 밀폐체

160 : 고정링 170 : 스페이서

Claims

기체 이송관 내부를 따라 유동하는 기체의 온도를 측정하기 위한 온도 측정기에 있어서,

중공 원통형의 하우징튜브와;

서로 다른 직경을 가지고, 온도 측정단이 상기 하우징튜브의 외부로 노출되도록 상기 하우징튜브 내에 구비되는 한 쌍의 열전대;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
제 1항에 있어서,

상기 각 열전대는,

내부에 서로 다른 종류의 두 금속이 접합되어 있는 열전대 센서용 세라믹봉과;

상기 세라믹봉의 외벽을 둘러싸는 열전대 가이드 튜브;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
기체 이송관 내부를 따라 유동하는 기체의 온도를 측정하기 위한 온도 측정기에 있어서,

상하가 개구되어 있는 중공 원통형의 하우징과;

상기 하우징 내부에 끼워 맞춰지는 밀폐체와;

서로 다른 직경을 가지고, 상기 밀폐체의 상하를 관통하여 온도 측정단이 상기 하우징의 하부로 노출되도록 상기 하우징 내에 구비되는 한 쌍의 열전대와;

상기 하우징의 상단 외벽과 나사 체결되어 상기 하우징의 상부에 구비되는 덮개;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
제 3항에 있어서,

상기 밀폐체의 상부 둘레와 상기 하우징의 내벽 사이에는,

상기 밀폐체를 상기 하우징 내부에 긴밀하게 고정시켜주는 고정링이 구비되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
제 3항에 있어서,

상기 하우징의 하부 외벽 둘레에는,

기체 이송관의 온도 측정용 포트에 체결될 수 있는 나사부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
제 3항에 있어서,

상기 하우징 외부로 노출된 한 쌍의 열전대 사이에는,

상기 한 쌍의 열전대 간의 거리를 일정하게 유지시켜주기 위한 스페이서가 구비되는 것을 특징으로 하는 복사간섭 보정이 가능한 기체 온도 측정기.
서로 직경이 다른 한 쌍의 열전대를 기체 이송관 상에 구비된 온도 측정용 포트에 삽입하여 기체 이송관 내를 유동하는 기체의 온도를 측정하는 방법에 있어서,

상기 한 쌍의 열전대를 기체 이송관 내부의 기체 유동 방향과 수직으로 배열되도록 온도 측정용 포트에 삽입시키고,

상기 삽입된 각 열전대에서 검출되는 온도를 이용하여 열전대 표면으로부터 주위 표면으로의 복사 열손실을 보정함으로써 기체 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 기체 온도 측정 방법.
제 7항에 있어서,

상기 기체 온도 측정 방법은,

상기 삽입된 각 열전대에서 검출되는 온도를 아래의 수식에 대입하여 복사 열손실이 보정된 기체 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 기체 온도 측정 방법.

(수식)

(T_g : 기체 온도, T₁, T₂: 각 열전대의 검출 온도, h₁, h₂ : 각 열전대에 대한 기체의 대류 열전달 계수, ε : 복사율, σ : 슈테판볼츠만 상수)