KR100439656B1 - 초음파를 이용한 비접촉식 온도분포 계측장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파의 비선형 효과를 이용하여 기존의 측정 불가능했던 물성의 표면 및 내부 온도분포를 실시간으로 측정할 수 있는 비접촉식 온도분포 계측장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고출력의 임펄스 파를 매질 속으로 전송시켜 매질과 전송파 간의 비선형 결합을 유도시켜 음파의 비선형 정도를 별도의 연속 초음파의 위상 변조상태를 통하여 읽어내고 이를 복조함으로써 연속 초음파의 위상분포 (온도분포)를 실시간 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 매질 중에 비선형 효과를 일으키는 펌프파의 송파(送波) 및 수파(受波)를 수행하기 위한 초음파 진동수단과; 상기 초음파 진동수단으로부터 전기 및 음향 신호 변환을 수행하기 위한 발생장치수단과; 상기 발생장치수단으로부터 검파된 신호에 대해 연산처리를 수행하기 위한 신호처리수단과; 계측장치와 사용자의 안전을 위해 특정한 전류 이상이 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호수단과; 상기 신호처리수단으로부터 입출력되는 다량의 고속 데이터를 순차적으로 처리하기 위한 접속로직수단과; 외부와의 인터페이스를 제공하고 실시간 계측을 위한 정보처리를 수행하며, 전체 구성 요소의 제어 및 계측을 수행을 위한 제어수단과; 상기 제어수단에 의해 제어 및 계측된 신호들을 원격으로 접속되는 PC를 통해 외부에서 시리얼 통신으로 측정을 수행하기 위한 원격제어수단과; 상기 제어수단에 의해 제어 상태나 계측된 값을 표시하고 계측장치의 키입력을 수행하기 위한 키입력/표시수단을 포함하는 비접촉식 온도분포 계측장치가 제시된다.
Description
본 발명은 초음파의 비선형 효과를 이용하여 기존의 측정 불가능했던 물성의 표면 및 내부 온도분포를 실시간으로 측정할 수 있는 비접촉식 온도분포 계측장치에 관한 것이다.
보다 상세하게는 고출력의 임펄스 파를 매질 속으로 전송시켜 매질과 전송파 간의 비선형 결합을 유도시켜 음파의 비선형 정도를 별도의 연속 초음파의 위상 변조상태를 통하여 읽어내고 이를 복조함으로써 연속 초음파의 위상분포(온도분포)를 실시간 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적인 파동(음파)을 이용한 계측법으로는 파동의 온도(속도) 의존성을 전파시간으로 관측함으로써 온도(속도)를 측정하려는 것이 지금까지의 (선형적인) 측정계이다. 이 경우 실제 얻어지는 것은 음파가 지나간 방향의 평균적인 온도(속도)이다.
이와는 달리 매질 속을 진행 중인 초음파에 임펄스(impulse)적인 펌프파를 전송해 이때 매질의 물리적인 특성과의 상호작용에 의해 발생되는 위상의 온도 및 속도의존성(비선형효과)을 별도의 위상이 변조된 초음파로 읽어내어 변조 및 복조 신호처리 과정을 통해 음파의 위상 분포(즉 온도나 속도 분포)를 일시에 측정할 수가 있다. 이것은 원리적으로 공간상의 물리량의 분포를 측정하는 것이므로 측정선에 위치한 외벽등의 측정부위의 주위환경에 무관하게 실시간 계측이 가능하다는 커다란 이점이 있다.
이러한 비선형효과를 이용한 계측장치는 펌프파, 프로브파로 불리는 2개의 초음파를 사용한다. 펌프파는 비선형효과를 야기시키기 위해 고음압의 임펄스적인파동이 필요하다. 프로브파는 펌프파에 의해 유기된 비선형효과를 관측하기 위해 고주파수의 미소진폭의 연속파이다. 이들 두파가 중첩되어 결합이 이루어지는 경우 프로브파의 음속은 파자신의 음압변동에 의한 음속변화 뿐만 아니라 펌프파의 음압변동에 의한 음속의 변화를 받는다. 음속의 변동은 프로브파의 위상변조로 얻어진다. 비선형효과에 의한 프로브파의 위상변화는 측정대상 물성의 공간분포와 펌프파의 음압파형과의 함수 형태로 표시 된다. 이것에 의해 초음파 빔에 걸쳐있는 물성의 공간분포가 얻어진다.
즉, 고출력의 임펄스파(Impulse wave)를 매질 속으로 전송시켜 매질과 전송파간의 비선형 결합을 유도시켜 음파의 비선형의 정도를 별도의 연속 초음파의 위상변조(Phase shift) 상태를 통하여 읽어내고 이를 복조 함으로써 연속 초음파의 위상 분포(온도 또는 속도의 분포로 표현되어짐)를 실시간 측정할 수 있다.
기존의 적외선을 이용하면 표면의 온도분포는 측정할 수 있지만 물성 내부의 온도 분포는 알 수 없었다. 하지만 초음파를 이용한 본 발명의 계측기는 표면온도 뿐만 아니라 내부의 온도 분포 및 열흐름의 분포와 같은 기존의 불가능했던 정보를 측정할 수 있다.
또한, 초음파를 이용한 기술로 의료기기 및 탐상기, 유량계, 레벨메터, 두께 측정기 등의 여러 가지 제품이 개발되었으나, 초음파의 비선형성을 이용한 온도분포 계측장치는 아직 개발된 적이 없었다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 초음파 비선형 효과의 원리를 응용하여 고출력 초음파 송수신단 설계 및 펄스 앰프 설계와, 고정도 신호처리회로 및 프로그램 등을 개발하여 물성 내부의 온도 및 온도 분포들을 측정할 수 있는 계측 장치를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은
매질 중에 비선형 효과를 일으키는 펌프파의 송파(送波) 및 수파(受波)를 수행하기 위한 초음파 진동수단과; 상기 초음파 진동수단으로부터 전기 및 음향 신호 변환을 수행하기 위한 발생장치수단과; 상기 발생장치수단으로부터 검파된 신호에 대해 연산처리를 수행하기 위한 신호처리수단과; 계측장치와 사용자의 안전을 위해 특정한 전류 이상이 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호수단과; 상기 신호처리수단으로부터 입출력되는 다량의 고속 데이터를 순차적으로 처리하기 위한 접속로직수단과; 외부와의 인터페이스를 제공하고 실시간 계측을 위한 정보처리를 수행하며, 전체 구성 요소의 제어 및 계측을 수행을 위한 제어수단과; 상기 제어수단에 의해 제어 및 계측된 신호들을 원격으로 접속되는 PC를 통해 외부에서 시리얼 통신으로 측정을 수행하기 위한 원격제어수단과; 상기 제어수단에 의해 제어 상태나 계측된 값을 표시하고 계측장치의 키입력을 수행하기 위한 키입력/표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 비접촉식 온도분포 계측장치의 블록구성도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 펌프파 송파기 102 : 프로브파 송파기
104 : 프로브파 수신기 106 : 프로브파 발생기
108 : 프로브파 드라이브 110 : 펌프파 발생기
112 : 펌프파 드라이브 114 : 프로브파 검출기
116 : 밴드패스 필터 118 : 위상복조기
120 : 동기가산기 122 : 신호처리기
124 : 과전류 보호회로 126 : 접속로직기
128 : 대용량메모리 130 : 중앙처리부
132 : 통신제어기 134 : 외부통신부
136 : 표시장치 138 : 키버튼
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명에 의한 초음파의 비선형 효과를 수식적으로 규명하기로 한다.
주어진 엔트로피 S에서 기체 내의 음압의 변화는 매질의 밀도의 변화와 관계가 있다. 일반적으로 밀도의 변화가 미세하다고 가정했을 때 음압은 Taylor 급수로 전개되어진다.
여기서는 정압,는 정압시의 매질의 밀도이다. 종래의 선형파(Linear wave)에서는 Taylor급수의 일차항까지만 고려되어진다. 비선형파(Non-linear wave)인 경우에는 Taylor급수의 이차항까지 고려되어진다. 즉 수학식 1은 다음과 같이 주어진다.
여기서 A,B는 비선형 효과를 결정하는 크기들로서 다음과 같이 주어진다.
그리고, 비선형 파라메터(parameter)는 B/A로 정의되어진다. 상기의 수학식 3에서는 정압시 음파의 속도를 나타낸다. 이러한 비선형 효과를 고려했을 때의음파의 c는 수학식 2의 음압의 변화로 표시되어진다.
인 경우이다. 즉 압력변화가 양(+)인 곳에서는 음파의 속도가 증가한다는 것을 의미한다. 다시 말해 음파는 전파됨과 동시에 변형(dispersion) 되어진다. 이러한 변형은 음파의 위상(phase)변화와 관계되어지며, 그 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
그리고, 수학식 5를 이용하면, 압력변화에 따르는 음파의 위상의 변화를 구할 수 있다.
이 때,는 위상변화(phase shift) 파라메터(parameter)로서
정의되어진다. 따라서, 위치에 따르는 압력의 변화를 음파의 변동을 통하여 검출 가능하다는 것을 보여준다. 수학식 6은 음압의 속도 의존성을 나타내는 기본적인 식으로 초음파가 전파되어지는 매질에 따라 고유의 특정한 값을 갖는다.
특히, 매질이 기체인 경우 액체나 고체인 경우에 비해 구조적 변화가 작으므로 위상변화 파라메터에 포함되어 있는 비선형 파라메터 B/A는 일정하다고 볼 수 있다.
따라서, 기체 매질에서는 그 밖의 음속 밀도, 음압에 기여하는 파라메터 분포의 측정이 연구 대상이다. 여기서는 이들 파라메터의 발생 메카니즘을 수치적으로 정립하여 계측계을 위한 사양설계의 이론적 근거를 확립하고 각종 매질에 대한 위상변화 파라메터를 조사하여 매질에 따른 측정의 정확도를 추정한다.
이어서, 비선형 효과를 이용한 계측계의 응용에 대한 기본 원리를 살펴보면 다음과 같다.
비선형 효과를 이용한 계측계는 펌프파(pumping wave)와 프로브파(probe wave)를 사용한다. 펌프파는 비선형 효과를 나타내기 위하여 고음압의 임펄스적인 파동이며, 그리고 프로브파는 펌프파에 의해 야기되어진 비선형 효과를 관측하기 위한 고주파수의 미소 진폭의 연속적인 파동이다. 이들 두 파가 중첩되어 간섭현상이 일어나며 프로브파의 속도는 파 자신의 음압변동에 의한 속도변화와 펌프파의 음압변동에 의해 속도의 변화가 일어난다.
상기 수학식 8의 우변 두 번째 항은 프로브 파 자신의 음압변동에 의한 영향이고, 세 번째 항은 펌프파에 의한 영향이다. 두 음파의 음압에서 펌프파의 음압이 프로브파의 음압에 비해 충분히 크다고 한다면 전체 음압의 공간분포는 펌프파의 음압분포로 간주할 수 있다. 음파의 속도는 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.
우리가 측정하는 물리적 성질, 비선형성은 수학식 4에서 위상변조 파라메터와 관계되어진다. 결과적으로 음속의 변화는 프로브파의 위상변조로 나타난다. 송신파 발생기와 수신파 계측기간의 간격을이라고 하고, 펌프파가 이들 빔(beam)상에 분포하고 있다고 가정한다면, 프로브파의 위상변조는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서,는 위치에서 프로브파의 파수(wave number)이며,는 각 주파수이다. 최종적으로 검출되는 비선형 효과에 의한 프로브파의 위상변화는 다음과 같이 표현되어진다.
즉, 위상변화는 측정대상 물성분포와 펌프파의 음압 분포의 콘볼루션(convolution) 형태로 표시된다. 위상 변화량을 측정한다면 우리는 물성의 공간분포를 수학식 11식에서 푸리에(Fourier) 변환과 역 푸리에(Fourier) 변환을 이용하여 구할 수 있다.
상기와 같은 기본적인 개념을 기초로 하여 실제 조건들에 적용하여 계측계의 기본원리를 확립하게 된다.
이어서, 도 1에 도시된 비접촉식 온도분포 계측장치의 블록구성도에 대하여 살펴보기로 한다.
도 1에 도시된 계측장치는 펌프파 송파기(100), 프로브파 송파기(102), 프로브파 수신기(104)를 구비하여 매질 중에 비선형을 일으키는 펌프파의 송파(送波) 및 수파(受波)를 수행하기 위한 초음파 진동수단과; 프로브파 발생기(106), 프로브파 드라이브(108), 펌프파 발생기(110), 펌프파 드라이브(112), 프로브파 검출기(114), 밴드패스 필터(116), 위상복조기(118), 동기가산기(120)를 구비하여 상기 초음파 진동수단과의 전기/음향 신호 변환을 수행하기 위한 발생장치수단과;신호처리기(122)를 구비하여 상기 발생장치수단으로부터 검파된 신호에 대해 연산처리를 수행하기 위한 신호처리수단과; 과전류 보호회로(124)를 구비하여 계측장치와 사용자의 안전을 위해 특정한 전류 이상이 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호수단과; 접속로직기(126)를 구비하여 상기 신호처리수단으로부터 입출력되는 다량의 고속 데이터를 순차적으로 처리하기 위한 접속로직수단과; 대용량 메모리(128), 중앙처리부(130)를 구비하여 외부와의 인터페이스를 제공하고 실시간 계측을 위한 정보처리를 수행하며, 전체 구성 요소의 제어 및 계측을 위한 제어수단과; 통신제어기(132), 외부통신부(134)를 구비하여 상기 제어수단에 의해 제어 및 계측된 신호들을 원격으로 접속되는 PC를 통해 외부에서 시리얼 통신으로 측정을 수행하기 위한 원격제어수단과; 표시장치(136), 키버튼(138)를 구비하여 상기 제어수단에 의해 제어 상태나 계측된 값을 표시하고 계측장치의 키입력을 수행하기 위한 키입력/표시수단으로 구성되어 있다.
상기 펌프파 송파기(Pumping wave transmitter; 100)는 매질 중에 국소적인 비선형효과를 일으키는 고음압 임펄스적인 펌프파를 발생시키기 위한 진동자이다.
통상 500 볼트 정도의 고압 직류 전압을 100 uSec 정도의 짧은 시간 동안만 코일에 인가해주어 전자기장을 형성해 주면 얇은 금속판으로 구성된 진동판을 통하여 공기 진동이 발생하고, 이를 프로브파 진행선과 일치시켜 중첩 신호를 얻게 된다.
상기 프로브파 송파기(Probing wave transmitter; 102)는 펌프파에 의해 생긴 비선형효과를 관측하기 위한 파로서 공간분해능의 관점에서 파장이 짧은 파가필요하고 지향성이 좋아야 한다.
통상 215 kHz 정도의 사인파를 이용하고, 출력 전압은 측정할 대상의 거리에 따라 크게 해주면 되는데, 실용적으로 50 볼트 정도를 사용한다.
또한, 프로브파 송파기용 초음파 센서는 특정한 주파수에서 공진하는 상용의 초음파 센서를 이용하는데, 센서의 양단에 직접 사인파를 인가하면 지속적으로 진동하게 된다.
상기 프로브파 수신기(Probing wave receiver; 104)는 프로브파송파기(102)에서 보내오는 매질 중의 비선형효과를 수파하기 위한 진동자이다.
통상은 프로브파 송파기에 사용하는 초음파 진동센서와 동일한 것을 사용 하면 되고, 직류 전압의 바이어스(Bias)가 없는 상태로 수신용 신호처리부에 접속하여 사용한다. 센서의 수신 대역폭은 펌프파의 기본파 주파수 성분에 준하여 설정하게 되는데, 100 uSec의 펄스폭을 기준으로 할 경우 10 kHz 주파수 대역을 가지면 된다.
상기 프로브파 발생기(Probing wave generator; 106)는 프로브파 송파기(100)를 구동하는 전기신호를 발생시키기 위한 회로부로서 정밀 크리스탈 발진기에 의하여 기본파를 생성 하고, 원하는 주파수로의 자유로운 변환을 위한 위상 제어 발진부와; 구형파(Rectangular Wave)를 사인파로 만들어 주는 협대역 밴드 패스 필터(Narrow Band Pass Filter)부가 있다.
상기 프로브파 드라이브(Probing wave drive; 108)는 프로브파 발생기(106)에서 만들어진 프로브파를 증폭하여 프로브파 송파기센서(초음파 진동자)에 인가해주는 회로부로서 통상 1 ~ 2 볼트(V) 정도의 신호를 50 볼트(V) 정도가 되도록 증폭해 준다.
상기 펌프파 발생기(Pumping wave generator; 110)는 펌프파 드라이브에 인가해 주는 기준 펄스 신호를 만들어 주는 회로부로서 통상은 측정할 주기에 맞추어 단 1회의 펄스를 만들어 주게 된다.
측정 주기 즉, 펌프파의 펄스 주기는 1 Hz ~ 0.01 Hz 사이로 설정한다. 빠른 펄스 주기를 가질수록 측정 시간이 짧아지나 반면에 펌프파 드라이브(112)의 충전 전류를 크게 해주어야 한다. 이는 대전류 용량의 고압 전원 장치를 필요로 하게되는 문제가 발생되기 때문이다.
상기 펌프파 드라이브(Pumping wave drive; 112)는 펌프파 발생기(110)에서 만들어진 TTL 레벨(0 ~ 5 볼트 전압 레벨)의 펄스 신호를 통상 500 볼트 정도의 고압 펄스 신호로 변환하여 펌프파 송파기 센서를 구동하는 회로부이다.
이 부분의 기본 구성은 고압직류 전원으로, 인덕터로 기능하는 코일과 충전용 콘덴서의 직렬 연결 회로를 긴 시간 동안 충전한 다음, 펌프파 발생기(110)에서 만들어 주는 펄스의 폭에 맞추어 순간적으로 콘덴서의 충전 전류를 방전시켜, 고전압, 고전류의 방전 신호가 코일 양단에 유도되도록 구성한다.
상기 프로브파 검출기(Probing wave detector; 114)는 프로브파 수신기(104)에서 수신한 초음파를 전기신호로 변환해 증폭을 수행하는 회로부로 미소한 신호를 충분한 전압 레벨로 증폭하기 위하여 저잡음의 고이득 증폭기를 2단으로 접속하여 구성한다.
통상은 측정 대상의 직경이 클수록 즉, 송수신 초음파 센서의 거리가 멀수록 검출되는 신호의 크기가 작아지므로 충분한 신호대 잡음비를 확보하기 위하여 증폭 도를 높여 준다. 전체 증폭도가 60dB(1000 배 전압 증폭도) 내외가 되도록 한다.
상기 밴드패스 필터(Band pass filter; 116)는 프로브파 검출기(114) 회로에서 출력되는 신호 중 프로브파 성분만을 추출하기 위한 회로로서 그 중심 주파수는 프로브파의 주파수에 맞추어 설계한다.
통과 대역폭(Bandwidth)은 펌프파의 대역을 포함할 수 있도록 중심주파수를 기준으로 -5 ~ +5 kHz 정도 까지만 허용하면 된다. 이에 따라, 215 kHz 프로브파와 10 kHz 펌프파를 사용하는 경우 선택도(Q factor)가 21.5 정도되는 매우 예리한 협대역 밴드패스 필터 (Narrow band pass filter)를 구성해야 한다.
상기 위상 복조기(Phase demodulator; 118)는 위상변조를 받은 프로브파의 신호를 복조하기 위한 회로로서 밴드패스 필터(116)를 통과한 신호와 이 신호를 90 도 위상 변환시킨 신호를 가지고 두 신호의 위상차를 추출해내는 회로이다.
상기 동기 가산기(Synchronous adder; 120)는 펌프파의 송파와 동기해서 위상복조기(118)에서 출력하는 프로브파의 위상복조신호를 샘플링하여 저장한다.
상기 신호처리기(122)는 검출된 신호를 기준으로 하여, 신호 레벨이 너무 낮거나 할 경우 프로브파나 펌프파의 레벨을 재조정하는 등의 제반 신호처리에 관련된 기능을 수행하는 부분이다.
상기 과전류 보호회로(124)는 펌프파 드라이브(112)의 고전압 신호와 고전류 신호가 흐르게 되므로 장치의 안전과 사용자의 안전을 위하여 특정한 전류 이상으로는 흐르지 않도록 전류 제한 회로를 둔다.
상기 접속 로직기(126)는 신호처리기(122)와 중앙처리부(130) 사이에 위치하여 다량의 고속 데이터가 입출력되는 경우 중앙처리부(130)의 직접적인 도움 없이도 순간적인 처리가 가능하도록 구성한 회로부이다.
상기 대용량 메모리(128)는 검출기에서 발생한 신호는 측정 공간의 정밀도를 높이기 위하여 높은 샘플링 주파수와 높은 변환 분해능을 가지게 되므로 다량의 데이터가 발생하게 된다.
이에 따라서 고속으로 동작하는 대용량의 메모리부가 필요하고, 변환된 데이터는 우선적으로 이 곳에 임시 저장된 다음, 중앙처리부(130)에 의하여 개별로 처리된다. 통상은 접속로직기(126)에 의하여 한 방향에서는 쓰기를 전담하고, 다른 한 방향에서는 중앙처리부(130)에 의하여 읽어 내기를 전담하는 단방향의 메모리인 FIFO (First In First Out) 메모리를 사용한다.
상기 중앙처리부(130)는 전체 구성요소의 제어 및 계측을 담당하며, 외부와의 인터페이스를 관장하는 핵심 기능부이다. 통상 32 비트급의 고성능 마이크로 프로세서나 디지털 신호처리 전용 프로세서를 사용한다.
상기 통신 제어기(132)는 중앙처리부(130)에 의해서 제어 및 계측된 신호를 원격으로 접속되는 컴퓨터나 기타의 제어 장치에 접속하여 서로 간의 정보를 교환해 주기 위한 통신 규격의 제어를 담당하는 부분이다. 통상은 비동기식 직렬 접속 인터페이스(UART) 규격을 사용한다.
상기 외부 통신부(134)는 통신 제어기(132)의 인터페이스 규격을 물리적으로표현해 주는 전압 변환과 접속 콘넥터 등이 포함되는 부분으로서 통상 비동기식 직렬 접속 인터페이스(UART) 규격에는 9핀 콘넥터로 구성된 RS232 및 RS485 드라이브가 사용된다.
상기 표시 장치(136)는 제어 상태나 계측된 값을 시각적으로 표시해 주는 부분으로 통상은 그래픽 액정 표시 장치(Graphic LCD)를 사용한다.
상기 키 버튼(138)은 장치의 전반적인 제어를 수행하도록 중앙 처리부(130)에 인식시키기 위한 용도이다. 통상은 표시 장치(136)와 연동으로 몇 개의 키 버튼을 조합하여 전체 제어를 수행하도록 구성한다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 비접촉식 온도분포 계측장치에 따르면, 초음파의 비선형 효과를 이용하여 기존의 측정 불가능했던 물성의 표면 및 내부 온도분포를 실시간으로 측정할 수 있다.
이는 첫째, 주편의 내부온도를 측정하여 응고 과정을 진단하며 실시간 정보를 제공함으로서 철강의 품질 개선 및 최적 공정 제어가 가능하다.
둘째, 1회용 온도 센서의 낭비를 줄이며 간접 측정 및 샘플 측정의 부정확한 측정 방법을 개선하며, 지금까지 측정이 어려웠던 부분까지 정확한 측정이 가능하다.
세째, 화염이나 용접기의 온도 분포를 비접촉식으로 내부까지 측정할 수 있으므로 산업용으로 응용될 수 있다.
Claims (10)
- 매질 중에 비선형 효과를 일으키는 펌프파의 송파(送波) 및 수파(受波)를 수행하기 위한 초음파 진동수단과;상기 초음파 진동수단으로부터 전기 및 음향 신호 변환을 수행하기 위한 발생장치수단과;상기 발생장치수단으로부터 검파된 신호에 대해 연산처리를 수행하기 위한 신호처리수단과;계측장치와 사용자의 안전을 위해 특정한 전류 이상이 흐르는 것을 방지하기 위한 과전류 보호수단과;상기 신호처리수단으로부터 입출력되는 다량의 고속 데이터를 순차적으로 처리하기 위한 접속로직수단과;외부와의 인터페이스를 제공하고 실시간 계측을 위한 정보처리를 수행하며, 전체 구성 요소의 제어 및 계측을 수행을 위한 제어수단과;상기 제어수단에 의해 제어 및 계측된 신호들을 원격으로 접속되는 PC를 통해 외부에서 시리얼 통신으로 측정을 수행하기 위한 원격제어수단과;상기 제어수단에 의해 제어 상태나 계측된 값을 표시하고 계측장치의 키입력을 수행하기 위한 키입력/표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 진동수단은매질 중에 국소적인 비선형 효과를 일으키는 고음압 임펄스적인 펌프파를 발생시키기 위한 펌프파 송파기와;상기 펌프파에 의해 생긴 비선형 효과를 관측하기 위한 프로브파 송파기와;상기 프로브파 송파기로부터 매질 중의 비선형 효과를 수파하기 위한 프로브파 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 프로브파 송파기로는 초음파 센서가 사용되며, 특정한 주파수에서 공진하는 초음파 센서의 양단에 직접 사인파를 인가하여 지속적으로 진동시키는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 발생장치수단은상기 프로브파 송파기를 구동하는 전기신호를 발생시키기 위한 프로브파 발생기와;상기 프로브파 발생기에서 만들어진 프로브파를 증폭하여 프로브파 송파기에 인가해 주는 프로브파 드라이브와;상기 펌프파 구동을 위해 기준 펄스 신호를 만들어 주기 위한 펌프파 발생기와;상기 펌프파 발생기에서 만들어진 TTL 레벨의 펄스 신호를 고압 펄스 신호로 변환하여 펌프파 송파기를 구동하기 위한 펌프파 드라이브와;상기 프로브파 수신기에서 수신한 초음파를 전기신호로 변환해 증폭을 수행하는 프로브파 검출기와;상기 프로브파 검출기에서 출력되는 신호 중 프로브파 성분만을 추출하기 위한 밴드패스 필터와;위상변조를 받은 프로브파의 신호를 복조하기 위한 위상 복조기와;상기 펌프파의 송파와 동기해서 위상 복조기에서 출력하는 프로브파의 위상복조신호를 샘플링하여 저장하기 위한 동기 가산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 프로브파 수신기에는크리스탈 발진기에 의하여 기본파를 생성 하고, 원하는 주파수로의 자유로운 변환을 위한 위상 제어 발진부와;구형파를 사인파로 만들어 주는 협대역 밴드 패스 필터부가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 펌프파 발생기의 펌프파 펄스 주기는 1 Hz에서 0.01 Hz 사이로 설정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 펌프파 드라이브는고압직류 전원으로 인덕터로 기능하는 코일과 충전용 콘덴서의 직렬 연결 회로를 긴 시간 동안 충전한 다음, 펌프파 발생기에서 만들어 주는 펄스의 폭에 맞추어 순간적으로 콘덴서의 충전 전류를 방전시켜 고전압, 고전류의 방전 신호가 코일 양단에 유도되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 프로브파 검출기는 미소 신호를 충분한 전압 레벨로 증폭하기 위해 저잡음의 고이득 증폭기를 2단으로 접속하여 구성하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 밴드패스 필터의 통과 대역폭은 펌프파의 대역을 포함할 수 있도록 중심주파수를 중심으로 -5 ~ +5 kHz 정도 까지만 허용하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
- 청구항 4에 있어서, 상기 위상 복조기는 밴드패스 필터를 통과한 신호와, 90도 위상 변환시킨 신호를 가지고 두 신호의 위상차를 추출해 내는 것을 특징으로 하는 비접촉식 온도분포 계측장치.
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