KR20030054634A - Emissivity measure of steel surface using multi-wavelength intensity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철강시편 복사율 측정장치에 관한 것으로, 고온의 철강 시편에서 방출되어 슬릿을 통해 들어온 광이 슬릿(1)을 통과하면, 광의 경로에 각각 설치된 다수의 전반산 오목거울(2 내지 5)로 광로를 변경시켜 제1 및 제2 삼각 프리즘(6, 7)에 입사시켜 다수의 단색광이 되게 하고, 상기 다수의 단색광을 적외선 센서 어레이를 통해 광전변환시켜 분석 컴퓨터에 동시에 입력시키며 분석 컴퓨터가 여러 개의 파장별 복사율을 동시에 도출하게 한다. 이에 의해, 본 발명은 파장별 단색 복사율 측정시 반복실험을 해야하는 종래 방법의 단점을 하여, 종래의 방법에 의한 반복실험시 온도 재현성 미흡에 의한 측정오차를 배제할 수 있으며 실험시간을 현저히 단축시킬 수 있다.The present invention relates to a device for measuring the emissivity of steel specimens, and when light emitted from the hot steel specimens passes through the slits passes through the slits (1), a plurality of totally recessed concave mirrors (2 to 5) respectively installed in the path of the light. The optical path is changed to be incident on the first and second triangular prisms 6 and 7 to produce a plurality of monochromatic light, and the monochromatic light is photoelectrically converted through an infrared sensor array to be simultaneously input to the analysis computer. Allows you to derive emissivity for each wavelength simultaneously. Accordingly, the present invention has the disadvantage of the conventional method that should be repeated in the measurement of monochromatic emissivity for each wavelength, it is possible to eliminate the measurement error due to insufficient temperature reproducibility during the repeated experiment by the conventional method and significantly shorten the experiment time have.
Description
본 발명은 철강 시편의 표면 복사율 측정 장치에 관한 것으로, 특히 적외선 영역의 여러개 파장의 복사에너지를 동시에 측정하고 이들 값들의 상호관계에 의해 복사율을 산출하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring surface emissivity of steel specimens, and more particularly, to an apparatus for simultaneously measuring the radiant energy of several wavelengths in an infrared region and calculating the emissivity by the correlation of these values.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 반사율 측정장치의 개략도로서, 일본기술 문헌 "Journal of research vol.89, No.1, 1984"에 기재되어 있다. 상기 장치는 반원상에 복수로 배치되어 있는 검출기(23)를 반원의 중심을 축으로 해서 180도 회전시키고, 반원의 중심에 위치한 피측정 물체(22)의 표면에 대해서 레이져 광원(21)을 경사지게 입사시켜, 피측정 물체(22)의 표면에서 반사된 레이져 광을 반원상의 각 위치에 대해 광검출기 어레이(23)에서 수광하게 한다.1 is a schematic view of a reflectance measuring apparatus for measuring the emissivity of an object surface according to an exemplary embodiment of the present invention, which is described in Japanese Patent Document "Journal of research vol. 89, No. 1, 1984". The apparatus rotates the detectors 23 arranged on a semicircle 180 degrees about the center of the semicircle and tilts the laser light source 21 with respect to the surface of the object to be measured 22 positioned at the center of the semicircle. Incidentally, the laser light reflected from the surface of the object to be measured 22 is received by the photodetector array 23 for each position on the semicircle.
그런데, 도 1에 도시된 종래의 기술은 측정장치(23)와 피측정 물체(22)의 표면과의 리프트(lift) 오프(off)를 해결하기가 불가능한 문제가 있다. 즉, 반원의 중심에 물체의 표면이 위치해야 되는데 피측정 물체의 두께가 바뀌면 표면이 반원의 중심으로부터 벗어나게 되므로 입사광과 반사광의 각도가 바뀌게 되어서 광검출기가 정확한 광량을 측정할 수 없게된다.However, the conventional technique shown in FIG. 1 has a problem that it is impossible to solve the lift off between the measuring device 23 and the surface of the object under measurement 22. That is, the surface of the object should be located at the center of the semicircle. If the thickness of the object under test is changed, the surface is off from the center of the semicircle, so that the angle of the incident light and the reflected light is changed so that the photodetector cannot measure the exact amount of light.
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 반사율 측정장치의 개략도로서, 문헌 "광분산 측정 및 구조, (John, C Stove, 1990)"에 기술되어 있다. 상기 장치는 레이저광원(33)과 하프미러(half mirror: 34)와 초퍼(chopper:35)와, 광검출기(36,37,38) 및 적분구(31)를 포함하고, 반구방향 전체에 대한 각각 측정되고 있는 반사광을 적분구(31)를 이용하여 집광하고 측정하기 때문에 전반사광을 순간적으로 측정하는 것이다. 그러나, 종래의 제2 실시예는 적분구(31)의 피측정 물체(32)의 표면에 접촉시키지 않고서는 충분한 측정정도를 얻을 수 없기 때문에 비접촉식의 측정이 불가능하다.FIG. 2 is a schematic diagram of a reflectance measuring apparatus for measuring the emissivity of an object surface according to another conventional embodiment, which is described in the document "Light dispersion measurement and structure, (John, C Stove, 1990)". The apparatus comprises a laser light source 33, a half mirror 34 and a chopper 35, photodetectors 36, 37, 38 and an integrating sphere 31, with respect to the entire hemispherical direction. Since the reflected light being measured is collected and measured by using the integrating sphere 31, the total reflection light is measured in an instant. However, in the second conventional embodiment, a non-contact measurement is impossible because a sufficient measurement accuracy cannot be obtained without contacting the surface of the measurement target object 32 of the integrating sphere 31.
도 3은 종래의 또 다른 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 방사식 온도측정장치의 개략도로서, 일본특허 평4-43928호 공보에 기재되어 있다.3 is a schematic view of a radiation temperature measuring apparatus for measuring the emissivity of an object surface according to another conventional embodiment, which is described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-43928.
상기 장치는 검출기(44)가 취부된 방사선 검출헤드(41)의 반구형 캐비티(42)와 피측정 물체(43)의 표면의 거리를 2단계 이상 변화시켜 데이터를 측정한다. 방사율이 이미 알려진 물체를 이용하여 측정함으로써 반사율과 거리와의 관계가 있어야 연산이 가능하며, 이 연산결과와 측정으로부터 피 측정물체의 표면 방사율을 구한다. 이때, 캐비티(42) 속에서 다중 반사강도의 거리의 변화와 사전에 구해진 방사율과 관계가 항상 일정하다는 것이 전제 되어야한다. 그러나 이런 관계는 물체표면의 반사특성이 오로지 방향성 확산반사이거나 완전확산반사일 경우에만 성립하고 물체표면이 방향성 확산반사와 완전확산반사의 두가지 반사 특성을 동시에 가질 경우에는 성립하지 않는다. 대부분 고온 강판은 두가지 반사특성을 모두 갖는 경우에 해당되기 때문에 이 방법의 적용이 어려운 문제가 있다.The device measures data by changing the distance between the hemispherical cavity 42 of the radiation detection head 41 on which the detector 44 is mounted and the surface of the object under measurement 43 by two or more steps. By measuring the emissivity using a known object, the relationship between reflectance and distance can be used to calculate the surface emissivity of the object under measurement. At this time, it should be assumed that the relationship between the change of the distance of the multiple reflection intensities in the cavity 42 and the previously obtained emissivity is constant. However, this relationship is established only when the reflective property of the object surface is only directional diffuse reflection or fully diffused reflection, and it does not hold when the object surface has both reflective properties of directional diffuse reflection and full diffuse reflection at the same time. Most of the high-temperature steel sheet is a case that has both reflection characteristics, there is a problem that the application of this method is difficult.
또한, 위3가지의 종래 방법들은 온도에 대한 정보를 제공하지 않으므로 시편의 온도를 알기 위해서는 다른 측정수단을 동원하여 측정하지 않으면 안되는 문제가 있다.In addition, the above three conventional methods do not provide information on the temperature, so in order to know the temperature of the specimen, there is a problem in that it is necessary to mobilize other measuring means.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고온 철강시편의 표면 복사율을 비접촉식으로 측정하는데 있어서 적외선 영역의 여러 개의 파장을 동시에 측정하고 고체 표면이 갖는 복사율의 변화 특성이 연속적이라는 점을 이용하여 최적 알고리듬에 의한 시편의 온도와 여러 개 파장의 복사율을 동시에 산출하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems. In the non-contact measurement of surface emissivity of high-temperature steel specimens, several wavelengths of the infrared region are simultaneously measured and the change in emissivity of the solid surface is continuous. The aim is to calculate the temperature of the specimen and the emissivity of several wavelengths by the optimal algorithm simultaneously.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 반사율 측정장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an apparatus for measuring reflectance for measuring emissivity of an object surface according to an exemplary embodiment.
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 반사율 측정장치의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a reflectance measuring apparatus for measuring an emissivity of an object surface according to another exemplary embodiment of the prior art.
도 3은 종래의 또 다른 실시예에 따른 물체표면의 복사율을 측정하기 위한 방사식 온도측정장치의 개략도이다.3 is a schematic view of a radiation temperature measuring apparatus for measuring the emissivity of the surface of the object according to another embodiment of the prior art.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철강시편 복사율 측정 장치의 구성도이다.4 is a block diagram of a steel specimen emissivity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장치에 의해 측정된 여러 개의 파장에 대한 복사강도를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the radiation intensity for several wavelengths measured by the device according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 장치에 의해 측정한 복사강도의 실제측정값과 이론값을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the actual measured value and the theoretical value of the radiation intensity measured by the apparatus of the present invention.
도 7은 본 발명에 의해 산출된 철강시편의 복사율 그래프이다.Figure 7 is a graph of the emissivity of the steel specimens calculated by the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: 초퍼 2,3,4,5,8: 전반사 오목거울1: chopper 2,3,4,5,8: total reflection concave mirror
6, 7: 삼각 프리즘 9: 적외선 검출기 어레이6, 7: triangular prism 9: infrared detector array
10: 분석 컴퓨터10: analysis computer
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 철강시편 복사율 측정장치는,Steel specimen emissivity measuring apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem,
고온의 철강 시편에서 방출되어 슬릿을 통해 들어온 광을 주기적으로 통과 또는 차단시키는 초퍼; 상기 초퍼를 통과한 광의 경로를 변경시키기 위해 광의 진행 방향에 각각 설치된 다수의 전반산 오목거울; 상기 경로 변경되어 입사하는 광을 광의 굴절율에 따라 파장별로 분산시키는 1 및 제2 삼각 프리즘; 상기 제2 삼각 프리즘에 의해 단색광으로 분산된 다수의 광을 반사시켜 경로를 변경시키는 전반사 오목거울; 상기 전반사 오목거울로부터 입사되는 다수의 단색광을 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 적외선 센서 어레이; 및 적외선 센서어레이의 출력을 입력받아다수의 단색광의 파장별 복사강도를 산출하고, 이를 내장된 알고리즘을 통해 연산하여 상기 철강시편의 온도 및 각 파장별 복사율을 산출하는 분석 컴퓨터를 포함한다.A chopper emanating from the hot steel specimen to periodically pass or block light entering the slit; A plurality of totally recessed concave mirrors each provided in a traveling direction of the light to change a path of the light passing through the chopper; First and second triangular prisms to disperse the path-changed incident light for each wavelength according to the refractive index of the light; A total reflection concave mirror for changing a path by reflecting a plurality of light dispersed in the monochromatic light by the second triangular prism; An infrared sensor array for converting and outputting a plurality of monochromatic light incident from the total reflection concave mirror into an electrical signal; And an analysis computer that receives the output of the infrared sensor array, calculates radiation intensity for each wavelength of a plurality of monochromatic light, and calculates the radiation intensity for each of the steel specimens by calculating the radiation intensity by the built-in algorithm.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 철강시편 복사율 측정장치을 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a steel specimen emissivity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철강시편 복사율 측정 장치의 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 슬릿을 통해 들어온 광은 초퍼(chopper) (1)에 의해 단속적으로 통과하게 된다. 초퍼(1)는 부채모양의 진동막으로서 진동운동을 하여 주기적으로 광을 통과, 차단시키는 역할을 한다.4 is a block diagram of a steel specimen emissivity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, light entering through the slit is intermittently passed by the chopper 1. The chopper 1 serves as a fan-shaped vibrating membrane to vibrate and periodically pass and block light.
초퍼(1)를 통과한 광은 화살표 방향으로 진행하여 전반사 오목거울(2 내지 5)들에 의해 반사되어 경유하면서 광로가 가변된다. 오목거울(5)에 의해 반사된 광은 두개의 삼각 프리즘(6, 7)을 통과하여 파장별로 분산된다.Light passing through the chopper 1 travels in the direction of the arrow and is reflected by the total reflection concave mirrors 2 to 5, while the optical path is varied. The light reflected by the concave mirror 5 passes through two triangular prisms 6 and 7 and is dispersed for each wavelength.
두 개의 삼각 프리즘(6, 7)은 광의 굴절율이 파장에 따라 달라지는 성질을 이용하여 입사하는 광을 연속적인 단색광으로 분해한다. 따라서, 두 개의 삼각 프리즘(6,7)에 의해 분산된 광은 전반사 오목거울(8)을 거쳐 적외선 센서 어레이(9)에 의해 연속파장에 걸쳐 동시에 측정된다.The two triangular prisms 6 and 7 decompose the incident light into continuous monochromatic light using the property that the refractive index of the light varies with the wavelength. Thus, the light scattered by the two triangular prisms 6 and 7 is simultaneously measured over continuous wavelengths by the infrared sensor array 9 via the total reflection concave mirror 8.
적외선 센서어레이(9)에 의해 측정된 파장별 복사강도는 분석 컴퓨터(10)에 의해 수집되어 내장된 알고리듬에 따라 철강시편의 온도를 계산하고 각 파장별 복사율을 산출하게 된다.The radiation intensity for each wavelength measured by the infrared sensor array 9 is collected by the analysis computer 10 to calculate the temperature of the steel specimen according to the built-in algorithm and calculate the radiation rate for each wavelength.
상기 분석 컴퓨터(10)에 의해 산출된 여러 파장에 대한 복사 강도, 파장별 복사율, 단색 복사율은 도 5, 도 6, 도 7에 도시된 바와 같은 값을 나타낸다.Radiation intensities, wavelength-specific emissivity, and monochromatic emissivity for various wavelengths calculated by the analysis computer 10 represent values as shown in FIGS. 5, 6, and 7.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장치에 의해 측정된 여러 개의 파장에 대한 복사강도를 나타낸 그래프로서, X축에 나타난 파장은 1.3 ~ 4.7μm 범위의 영역으로서 160개의 독립적으로 배열된 적외선 검출기에 의해 동시 측정된다. Y축은 이들 각 파장에서의 철강시편 표면으로부터 방출된 복사에너지의 강도를 나타내고 있다.FIG. 5 is a graph showing radiation intensities for several wavelengths measured by an apparatus according to an embodiment of the present invention, in which wavelengths on the X-axis range from 1.3 to 4.7 μm in 160 independently arranged infrared detectors. By simultaneous measurement. The Y axis shows the intensity of radiant energy emitted from the steel specimen surface at each of these wavelengths.
도 5와 같이, 연속적인 파장의 복사강도를 동시에 측정하면 고체표면의 복사율 거동특성과 최적화 알고리듬을 통해 철강시편의 실제 온도를 구할 수 있다. 즉 여러 개의 파장별 복사강도를 측정하고 이들값의 기울기, 최고에너지를 갖는 파장의 위치등을 분석함으로서 온도를 직접 측정하지 않고도 계산할 수가 있다.As shown in Figure 5, by measuring the radiation intensity of the continuous wavelength at the same time, the actual temperature of the steel specimen can be obtained through the emissivity behavior characteristics and optimization algorithm of the solid surface. In other words, it can be calculated without measuring the temperature by measuring the radiation intensity for each wavelength and analyzing the slope of these values and the position of the wavelength with the highest energy.
도 6은 도 5에서 측정된 파장별 철강시편의 복사강도를 이용하여 시편의 온도를 구한 후, 동일온도에서 복사율이 1인 물체의 이론적인 복사강도를 나타낸 것이다. 그래프의 실선(803, 998)으로 나타낸 것은 철강시편의 실제 파장별 복사강도(측정값)를 나타낸 것이고 점선(803b, 998b)은 동일온도에서 복사율이 1인 물체의 복사강도(이론값) 이다.FIG. 6 shows the theoretical radiant strength of an object having an emissivity of 1 at the same temperature after obtaining the temperature of the specimen using the radiant strength of the steel specimen for each wavelength measured in FIG. 5. The solid lines 803 and 998 in the graph represent the actual wavelength-specific radiation intensity (measured value) of the steel specimens, and the dotted lines 803b and 998b represent the radiation intensity (theoretical value) of the object having an emissivity of 1 at the same temperature.
도 7은 도 6에서와 같이 철강시편의 파장별 복사강도(측정값)와 동일온도의 복사율이 1인 물체의 복사강도(이론값)의 비를 각 파장별 나타낸 것이다. 물체의 파장별 복사율은 다음과 같이 정의된다.FIG. 7 shows the ratio of the radiation intensity (measured value) for each wavelength of the steel specimen to the radiation intensity (theoretical value) of an object having an emissivity of 1 at the same temperature, as shown in FIG. 6. The emissivity for each wavelength of an object is defined as
ελ는 철강 시편의 복사율이고, Iλ,b는 측정된 철강 시편의 실제 복사 강도이며, I0는 복사율이 1인 물체의 복사강도(이론치)이다.ε λ is the emissivity of the steel specimen, I λ, b is the actual radiation strength of the measured steel specimen, and I 0 is the radiation intensity (theoretical value) of the object with emissivity of 1.
상기에서, 복사율이 1인 물체의 복사강도(I0)는 플랭크(Planck) 법칙에 의해 구할 수 있으며, 온도(T), 파장(λ)에 해당하는 복사강도는 다음의 수학식 1로 구할 수 있다.In the above, the radiation intensity (I 0 ) of an object having an emissivity of 1 can be obtained by the Planck law, and the radiation intensity corresponding to temperature (T) and wavelength (λ) can be obtained by the following equation (1). have.
상기에서, h=6.6256 × 10-34J·s, k=1.3805 ×10-23J/K,In the above, h = 6.6256 × 10 −34 J · s, k = 1.3805 × 10 −23 J / K,
Co= 2.998 × 108m/s이다.C o = 2.998 × 10 8 m / s.
따라서, 도 7에 도시된 그래프는 철강시편의 각 파장에서의 단색 복사율을 나타낸다.Thus, the graph shown in FIG. 7 shows monochromatic emissivity at each wavelength of the steel specimen.
이와 같이, 본 발명은 도 5와 같이 철강 시편의 파장별 복사강도를 동시에 측정하여 시편의 온도를 산출하고 동일 온도에 대한 이론적인 복사 강도를 이용하여 도 7에 도시된 바와 같이 철강 시편의 파장별 복사율을 산출할 수가 있다.As described above, the present invention calculates the temperature of the specimen by simultaneously measuring the radiation intensity for each wavelength of the steel specimen as shown in Figure 5 and by the wavelength of the steel specimen as shown in Figure 7 using the theoretical radiation intensity for the same temperature Emissivity can be calculated.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only and not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 철강 시편의 복사율 측정시 적외선 파장별 복사강도를 동시 측정하여 이를 온도값으로 산출함으로써 시편의 온도값을 다른 수단으로 측정해야만 하는 종래 방법의 단점을 해소한다. 또한, 본 발명은 광학 프리즘을 이용하여 철강 시편으로부터 방출된 광을 파장별로 분광시키는 방법으로 여러 개의 파장별 복사율을 동시에 도출하게 되므로 파장별 단색 복사율 측정시 반복실험을 해야하는 종래 방법의 단점을 하여, 종래의 방법에 의한 반복실험시 온도 재현성 미흡에 의한 측정오차를 배제할 수 있으며 실험시간을 현저히 단축시킬 수 있다.The present invention solves the shortcomings of the conventional method in which the temperature value of the specimen must be measured by other means by simultaneously measuring the infrared radiation intensity by infrared wavelength when measuring the radiation rate of the steel specimen. In addition, the present invention is a method of spectroscopy of the light emitted from the steel specimen by wavelength using an optical prism at the same time to derive a plurality of wavelength-specific emissivity at the same time as a disadvantage of the conventional method that must be repeated when measuring the monochromatic emissivity by wavelength Measurement errors due to insufficient temperature reproducibility during repeated experiments by the conventional method can be eliminated and the experiment time can be significantly shortened.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20011226 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |