KR0160239B1 - 광학섬유를 사용하는 온도측정방법과 기구 - Google Patents

광학섬유를 사용하는 온도측정방법과 기구 Download PDF

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Abstract

고온의 액체로부터 발산된 광을 수용;
수용된 광을 브랜칭 필터를 두개의 광선으로 분리;
제1복사온도계에 의해 제1광선으로부터 제1웨이브밴드의 광의 탐지;
제1웨이브밴드의 광을 온도로 변환;
제2복사온도계에 의해 제2광선으로부터 제2웨이브밴드의 광을 탐지;
제2웨이브밴드의 광을 온도로 변환;
제1복사온도계에 고유한 온도변환상수, 전도손실지수, 복사온도계로부터 출력된 온도등으로 이루어진 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법.

Description

광학섬유를 사용하는 온도측정방법과 기구
제1도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정기구의 예를 설명.
제2도는 섬유의 소모와 교정전의 오차(error) 사이의 관계를 표시.
제3도는 섬유의 소모와 교정후의오차 사이의 관계를 도시.
제4도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정기구의 또다른 예를 도시.
제5도는 섬유의 소모와 종래기술에 따른 교정후의 오차 사이 관계의 도시.
제6도는 전달과정동안 석영 광학섬유를 통한 전도손실을 나타내는 특성도.
제7도는 전달과정동안 석영 광학섬유를 통한 전도손실을 나타내는 또다른 특성도.
제8도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정기구의 또다른 예.
제9도는 섬유의 소모와 본 발명에 따른 오차 사이의 관계를 도시.
제10도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정기구의 또다른 예.
제11도는 섬유의 소모와 본 발명에 따른 교정후 오차 사이의 관계를 도시.
제12도는 섬유의 소모와 본 발명에 따른 교정후 오차 사이의 또다른 관계를 도시.
본 발명은 광학섬유를 사용하여 온도를 측정하는 방법과 그 기구에 관한 것이다.
소모형의 열전쌍(thermocouples)이 용융금속의 온도를 결정하는데 널리 사용되어 왔다. 분리형의 센서탐지기(detachable sensor probes)는 일회용이므로, 온도측정이 간헐적(intermittent)이다.
센서탐지기가 모든 측정에서 교체되어야 하므로, 센서탐지기의 고가(高價)로 인하여 증대되는 많은 양의 측정이 어렵다. 그리고 자동작동(automatic operation)이 또한 어렵다. 부가하여 탐지기의 직경은 30mm 또는 그 이상의 크기이고, 길이가 1m 또는 그 이상이므로 좁은 공간에서의 측정을 하기 힘든 점이 있다. 용융금속의 계속적인 온도측정에 대한 요구가 증대되고 있다.
이런 상황에 부합되는 실제적인 기구가 도입되어 왔다. 그 기구는 용융금속에 담그는 세라믹 보호튜브를 사용한다. 열전쌍(thermocouple)이 보호튜브안에 삽입되어 계속적인 온도측정을 수행한다.
이 방법의 문제점은 보호튜브의 내구성이고(durability), 그 방법은 오직 40∼50시간만 온도측정을 수행한다. 이 방법은 또한 보호튜브가 고가(高價)라는데 문제가 있으며, 온도의 변화에 민감하게 반응하지 못한다.
위에 기술한 문제를 해결하기 위해서, 발명가들은 용융금속의 온도측정장비와 레벨(level) 측정장비를 제안했고, 그 장비들은 JP-A-248960/93에 소개되어 있다(JP-A는 여기서 단순히 일본공개특허공보를 언급). 특허공보에 따르면, 온도계는 용융금속안으로 금속튜브로 덮여진 광학섬유를 계속적으로 담근 후 광학섬유를 통해 전달되는 적외선을 탐지함에 의해 용융금속의 온도를 계속적으로 결정한다.
금속튜브의 덮개로 인해 광학섬유의 기계적 강도가 향상되어 광학섬유는 용융금속안으로 담글 수 있다.
그러나 온도측정 과정에 광학섬유를 소비하는 그런 타입의 복사온도계는 섬유길이의 감소와 함께 전도손실이 감소하며, 지시온도가 증가하고, 측정오차가 발생하며, 그리고 탐지된 광의 양(量)이 복사온도계의 용량을 초과할 만큼 증가하는 단점이 있다.
통신용 석영광학섬유, GI섬유(클래드(clad) 직경에 대한 코어(core) 직경의 비가 50/125㎛)가 광도파관(light waveguide, 導波管)으로 사용될 때, 그리고 고온표적에서 발산되는 복사광이 광학섬유의 일단부로부터 도입될 때, 수용파장이 0.9㎛를 가지고 있는 Si 탐지기(detector)와 적외선 복사온도계가 약 1200℃에서 온도측정을 위해 광학섬유의 반대쪽 단부에 위치하고 있을 때, 발생된 오차는 광학섬유 길이의 100m 감소당 약 10℃이다.
위에 기술한 광학섬유의 길이감소에 의한 측정오차를 상쇄시키기 위한 방법이 있다. 그 방법에 의하면 광학섬유의 공급길이가 터치로울(touch-roll)과 같은 메카니즘에 의해 결정되고, 그 감소량이 섬유의 공지된 전도손실로부터 결정되어 오차를 교정한다. 그러나 이 방법을 수행하는 장비가 복잡하다. 더구나 광학섬유의 전도손실 특성의 비균등성(non-uniformity)이 약 1km에 이르는 긴 광학섬유에 대한 정확하고 충분한 교정을 얻는 것을 방해한다.
수백미터의 길이를 가진 광학섬유의 감소 교정을 위한 만족스러운 교정은 섬유의 전도손실의 정확한 값이 알려지기까지는 얻을 수 없다.
열전쌍 같은 다른 온도측정수단을 필요로 하지 않는 광학섬유의 길이의 보정방법은 본 발명의 발명자가 출원한 JP-A-142049/93에 공개되어 있다.
공개된 내용은 서로 다른 파장의 빛을 탐지하는 각 적외선 온도계의 두장치를 사용하는 소모형 광학섬유 온도계를 기술하고 있다.
참온도는 각 파장에서 광학섬유의 전도손실특성의 차이점을 사용하여 결정한다(두개의 파장을 사용하는 광학섬유길이의 교정방법).
JP-A-142049/93에 공개된 두개의 파장을 사용한 광학섬유의 길이감소에 대한 교정방법은 아래 기술한 문제점들을 가지고 있다.
(1)JP-A-142049/93은 빈 방정식(wien's euqation)에서 단일 스펙트럼에 대한 교정 방정식을 유추한다. 그러나 보통의 복사 온도계는 단일 스펙트럼을 가지지 않은 어떤 밴드넓이의 스펙트럼들(spectra of certain band width)을 가진 광(光)을 수용한다.
따라서 보통의 복사온도예를 수정된 방정식에 적용하는 것이 보통이다. 여기서 수정된 방정식은 빈 방정식 대신에 스펙트럼광의 밴드를 위한 온도전환 방정식으로서 A, B, C의 실험적으로 정의된 상수를 사용한다.
그 결과 실제 복사온도계로부터 얻은 변환결과와 각 교정방정식의 기초가 되는 온도변환 방정식의 결과 사이에 오차가 나타난다.
(2) JP-A-142049/93에 기술된 교정방식은 유도과정에서 근사값을 적용하므로, 그것은 근사오차를 포함한다.
따라서 충분히 좁은 수용 광스펙트럼 밴드의 조건하에 변환방정식으로서 빈 방정식을 사용하는 복사온도계에서 조차 계산중의 교정오차는 실제관찰동안 광학섬유 소모의 증가를 일으킨다.
그 결과 1℃ 이내로 교정오차를 유지하기 위해 섬유길이는 400m 또는 그 이하로 제한되어야 한다.
본 발명은 소모형 광학섬유를 사용하여 온도를 측정하는 방법과 기구를 제공하는 것이 목적이다.
여기서 고온의 용융금속의 온도는 높은 반응속도하에서 오차 ±2℃ 이내의 높은 정확도를 가지고 측정되며, 심지어 예로 1km의 긴 광학섬유가 사용될 때에도 비용이 저렴하다.
이 목적을 달성하기 위하여, 첫째, 본 발명은 고온 액체로부터 발산된 광을 소모형 광학섬유의 일단에서 수광하고, 상기 수광된 광이 소모형 광학섬유를 통해 상기 소모형 광학섬유의 타단으로 전도되는 단계와; 수광된 광을 브랜칭 필터를 통해 2개의 광선으로 나누는 단계와; 제1복사온도계로 2개의 광선중 제1광선에서 제1웨이브밴드의 광을 검파하는 단계와; 제1온도를 출력하기 위해 제1웨이브밴드의 광을 온도로 변환하는 단계와; 제2복사온도계로 2개의 광선중 제2광선에서 상기 제1웨이브밴드와 다른 제2웨이브밴드의 광을 검파하는 단계와; 제2온도를 출력하기 위해 제2웨이브밴드의 광을 온도로 변환하는 단계와; 제1복사온도계의 2개의 고유한 제1온도변환 상수와, 제1복사온도계에 관한 제1웨이브밴드에서의 제1전도손실지수와, 제1복사온도계에서 출력된 제1온도를 사용하여 참온도를 계산하고, 그리고 제2복사온도계의 2개의 고유한 제2온도변환 상수와, 제2복사온도계에 관한 제2웨이브밴드에서의 제2전도손실지수와 제2복사온도계에서 출력된 제2온도를 사용하여 참온도를 계산하는 단계를 구비하는 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법을 제공한다.
두 번째로, 본 발명은 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용한 후 반대쪽 단부로 광을 전달하는 소모형 광학섬유; 수용광을 두개의 광선으로 분리하는 브랜칭 필터(a branching filter); 두 광선중의 제1광선으로부터 제1웨이브밴드의 광을 탐지하고, 제1웨이브밴드의 광을 온도로 변환하여 제1온도를 출력하는 제1복사온도계; 두 광선중의 제2광선으로부터 제1웨이브밴드와는 다른 제2웨이브밴드의 광을 탐지하고, 제2웨이브밴드의 광을 온도로 변환하여 제2온도를 출력하는 제2복사온도계; 제1복사온도계에 고유한 첫 번째 두 온도변환 상수, 제1복사온도계에 의한 제1웨이브밴드에서의 제1전도손실지수, 제1복사온도계로부터 출력된 제1온도를 사용하여, 또한 제2복사온도계에 고유한 두 번째 두 온도변환 상수, 제2복사온도계에 의한 제2웨이브밴드에서의 제2전도손실지수, 제2복사온도계로부터 출력된 제2온도를 사용하여 참온도를 계산하기 위한 계산수단을 구비하는 소모형 광학섬유를 사용하여 온도를 측정하는 기구를 제공한다.
세 번째로, 본 발명은 소모형 광학섬유를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공하는데 본 방법은 다음의 단계들로 이루어 진다.
소모형 광학섬유의 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용하고, 수용광을 소모형 광학섬유의 다른쪽 단부로 소모형 광학섬유를 통하여 전도하는 단계;
수용광을 브랜칭 필터를 통해 두 광선으로 분리하는 단계;
파장λa인 협소한 밴드광(a narrow band light of a wavelength)을 통과할 수 있도록 하기 위해 제1웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제1광선을 여과하는 제1여과단계;
제1복사온도계에 의해 파장λa인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하는 제1탐지단계;
온도Ta를 출력하기 위해, 파장λa인 협소한 밴드광을 온도로 변환시키는 제1변환단계;
파장λb인 협소한 밴드광을 통과할 수 있도록 하기 위해 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제2광선을 여과하는 제2여과단계; 제2복사온도계에 의해 파장λb인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하는 제2탐지단계; 온도Tb를 출력하기 위해, 파장λb인 협소한 밴드광을 온도로 변환시키는 제2변환단계; 다음의 방정식을 이용한 참온도T의 계산단계;
T = (1/Daλa- 1/Dbλb) / (1/DaλaTa- 1/DbλbTb)
여기서,
T : 참온도
λa: 제1복사온도계의 파장
Da: 파장λa에서의 광학섬유의 전도손실지수
Ta: 제1복사온도계로부터 출력된 온도
λb: 제2복사온도계의 파장
Db: 파장λb에서의 광학섬유의 전도손실지수
Tb: 제2복사온도계로부터 출력된 온도
네 번째로, 본 발명은 소모형 광학섬유를 이용하여 온도를 측정하는 기구를 제공하는 데, 본 기구는 다음의 것들로 이루어 진다.
일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용하여 반대쪽 단부로 광을 전달하는 소모형 광학섬유;
수용광을 두 광선으로 분리하는 브랜칭 필터(branching filter);
파장λa인 협소한 밴드광을 통과할 수 있도록 두 광선중의 제1광선을 여과하는 제1웨이브셀렉티브필터;
파장λa인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하며, 파장λa인 협소한 밴드광을 온도Ta로 변환시켜서 온도Ta를 출력하는 제1복사온도계;
파장λb인 협소한 밴드광을 통과할 수 있게 두 광선중의 제2광선을 여과하는 제2웨이브셀렉티브필터;
파장λb인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하며, 그것을 온도로 변환시켜서 온도Tb를 출력하는 변환시키는 제2복사온도계;
다음의 방정식을 이용하는 참온도를 계산하기 위한 수단;
T = (1/Daλa- 1/Dbλb) / (1/DaλaTa- 1/DbλbTb)
여기서,
T : 참온도
λa: 제1복사온도계의 파장
Da: 파장λa에서의 광학섬유의 전도손실지수
Ta: 제1복사온도계로부터 출력된 온도
λb: 제2복사온도계의 파장
Db: 파장λb에서의 광학섬유의 전도손실지수
Tb: 제2복사온도계로부터 출력된 온도
다섯 번째로, 본 발명은 다음의 단계들로 구성되는 소모형 광학섬유를 이용하는 온도측정방법을 제공한다.
소모형 광학섬유의 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용하고, 그 수용광을 소모형 광학섬유의 반대쪽 단부에 섬유를 통하여 전도하는 단계;
웨이브셀렉티브필터(wave selective filter)에 의해 기지정된 중심파장을 가진 협소한 밴드스펙트럼형 광만을 통과할 수 있도록 수용광을 여과하는 단계;
그리고 협소한 밴드스펙트럼형 광을 복사온도계의 온도로 변환하는 단계.
여섯 번째로, 본 발명은 다음의 것들로 구성되는 소모형 광학섬유를 이용하여 온도를 측정하는 기구를 제공한다.
일단부에서 고온의 액체로부터 발산되는 광을 수용하고 반대쪽 단부로 광을 전달하는 소모형 광학섬유;
기지정된 중심파장을 갖고 있는 협소한 밴드스펙트럼 광만을 통과시키기 위해 수용광을 여과하는 웨이브셀렉티브필터;
협소한 밴드스펙트럼 광을 탐지하고 스펙트럼 광을 온도로 변환하는 복사온도계.
일곱 번째로, 본 발명은 다음의 단계로 구성되는 소모형 광학섬유를 이용하는 온도측정을 위한 방법을 제공한다.
소모형 광학섬유의 일단부에서 고온의 액체로부터 발산되는 광을 수용하고, 그 수용광을 소모형 광학섬유를 통해 그 섬유의 반대쪽 단부로 전도하는 단계;
수용광을 브랜칭 필터를 통해 두 광선으로 분리하는 단계;
기지정된 중심파장과 웨이브밴드를 가지고 있는 제1스펙트럼 광만을 통과시키기 위해 제1웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제1광선을 여과하는 제1여과단계;
제1복사온도계에 의해 스펙트럼 광을 탐지하고 탐지된 스펙트럼 광을 온도로 변환시켜서 온도Ta를 출력하는 제1탐지단계;
기지정된 중심파장을 가지고 있는 제2스펙트럼 광만을 통과시키기 위해 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제2광선을 여과하는 제2여과단계;
제2복사온도계에 의해 스펙트럼 광을 탐지하고 스펙트럼 광을 온도로 변환시켜서 온도Tb를 출력하는 제2탐지단계;
제1복사온도계와 제2복사온도계에 고유한 온도변환 상수와 제1스펙트럼광과 제2스펙트럼과에 관한 광학섬유의 전도손실정보, 그리고 온도Ta, Tb를 이용한 참 온도의 계산단계.
여덟 번째로, 본 발명은
고온액체로부터 발산된 광을 일단부에서 수광하여 그 광을 타단부로 전도하는 소모형 광학섬유와;
수광된 광을 2개의 광선으로 나누는 브랜칭 필터와;
미리 설정된 중심파장 및 웨이브 밴드를 갖는 제1스펙트럼광만을 통과시키기 위해 2개의 광선중 제1광선을 여과하는 제1웨이브 셀렉티브 필터와;
온도Ta를 출력하기 위해 제1스펙트럼광을 수광 및 검파하여 제1스펙트럼광을 온도로 변환하는 제1복사온도계와;
미리 설정된 중심파장 및 제1스펙트럼광의 웨이브 밴드와 다른 웨이브 밴드를 갖는 제2스펙트럼광을 통과시키기 위해 2개의 광선중 제2광선을 여과하는 제2웨이브 셀렉티브필터와;
온도Tb를 출력하기 위해 제2스펙트럼광을 수광 및 검파하여 제2스펙트럼광을 온도로 변환하는 제2복사온도계와;
제1복사온도계 및 제2복사온도계의 고유한 온도변환상수와, 제1스펙트럼광 및 제2스펙트럼광에 관한 광학섬유의 전도손실정보와, 온도Ta및 온도Tb를 사용하여 참온도T를 계산하는 수단을 구비하는 소모형 광학섬유를 이용한 온도측정장치를 제공한다.
[실시예의 기술]
[실시예 -1]
본 발명에서 온도를 측정하는 방법에 있어, 소모형 광학섬유가 이용된다. 고온액체로부터 발산된 광이 소모형 광학섬유의 일단부에서 수용된다.
수용광이 소모형 광학섬유를 통해 소모형 광학섬유의 반대쪽 단부로 전도된다. 수용광이 브랜칭 필터를 통해 두개의 광선으로, 즉 제1광선과 제2광선으로 분리된다. 제1광선으로부터, 제1웨이브밴드의 광이 제1복사온도계에 의해 탐지된다.
제1웨이브밴드의 탐지된 광이 제1온도를 출력하기 위해 온도로 변환된다.
제2광선으로부터 제2웨이브밴드의 광이 제2복사온도계에 의해 탐지된다.
제2웨이브밴드의 탐지된 광이 제2온도를 출력하기 위해 온도로 변환된다.
고온액체의 참온도가 계산되는데 이는 제1복사온도계의 고유한 첫 번째 두 온도 변환상수, 제1복사온도계에 의한 제1웨이브밴드에서의 제1전도손실지수, 그리고 제1복사온도계로부터 제1온도, 그리고 제2복사온도계의 고유한 두 번째 두 온도변환상수, 제2복사온도계에 의한 제2웨이브밴드에서의 두 번째 전도손실지수, 그리고 제2복사온도계로부터 두 번째 온도를 이용하여 계산된다.
참온도 T는 다음 방정식을 이용하여 계산된다.
여기서,
더 나아가 참온도 T는 다음 방정식에 의해 계산된다.
여기서,
본 발명의 온도측정의 또다른 방법에 대해서도 광학섬유가 또한 사용된다.
고온의 액체로부터 발산된 광이 소모형 광학섬유의 일단부에 수용된다.
수용광은 소모형 광학섬유를 통해 소모형 광학섬유의 반대쪽 단부로 전도된다.
수용광은 브랜칭 필터를 통해 제1광선과 제2광선으로 분리된다. 제1광선은 제1파장λa의 제1협소 밴드광(a first harrow band light)을 통과하기 위해 여과된다.
제1파장 λa의 제1협소밴드광이 수용된 후 제1복사온도계에 의해 탐지된다.
제1파장 λb의 탐지된 제1협소밴드광은 제1온도 Ta의 출력을 위해 온도로 변환된다.
제2광선이 제2파장 λb의 제2협소밴드광을 통과하기 위해 여과된다.
제2파장 λb의 제2협소밴드광이 수용된 후 제2복사온도계에 의해 탐지된다.
제2파장 λb의 탐지된 제2협소밴드광이 제2온도 Tb의 출력을 위해 온도로 변환된다.
참온도 T가 다음 방정식에 의해 계산된다.
여기서,
[보기 - 1]
첫째, 광학섬유 전도의 감소에 의한 복사온도계의 민감특성이 아래 기술된다.
흑체(black body)의 스펙트럼 복사광도 L(λ,T)은 플랑크법칙에 기초한 방정식(4)에 의해 표현된다.
여기서,
방정식(4)는의 범위안에서 빈 방정식(5)에 의해 근사화된다.
보통의 복사온도계에 있어서, 광도 시그날은
JIS(새로운 온도측정 p256, Instrumentation and Automatic Control Academy)에 의한 실험에 의해 결정된 계수 A,B,C를 이용하는 근사방정식(6)를 사용하여 온도로 변환된다.
제1도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정을 위한 기구의 보기를 나타낸다.
제1도에서,
참조번호 1은 금속튜브로 덮여진 광학섬유를 나타낸다. 2는 광학컨넥터(optical connector), 3은 아래 기술할 9를 통해 장치 4와 설계된 소모형 광학섬유 온도계를 나타낸다.
참조번호 4는 광선분리기(a beam splitter)와 같은 브랜칭 필터인데, 이것은 광학컨텍터 2를 통해 금속튜브로 덮여진 광학섬유를 1의 일단부로부터 들어간 광선을 분산하고, 분산된 스펙트럼 그룹은 2개의 포토탐지기(photodetector)5,6의 각각에 발산한다.
포토탐지기 5는 입사광선(incident light)을 수용하고, 파장λa(예로, λa=0.85㎛)에 집중된 특정 스펙트럼 광 밴드를 탐지한다.
포토탐지기 6은 입사광선을 수용한 후 파장λb(예로, λb=1.0㎛)에 집중된 특정의 스펙트럼 광 밴드를 탐지한다.
따라서, 포토탐지기 5와 6은 예를 들면 웨이브밴드 셀렉티브필터(wave band selective filter), 포토 다이오드(photo diode, Si포토다이오드 또는 Ge포토다이오드가 수용 및 탐지 광 밴드에 의존하여 사용가능), 시그널증폭기로 구성될 수 있다. 참조번호 7은 포토탐지기 5에서 탐지된 시그날을 온도로 변환시키고 지시온도 Ta를 발생시키는 온도변환기이다.
참조번호 8은 포토탐지기 6에서 탐지된 시그날을 온도로 변환시키고, 지시온도 Tb를 발생시키는 온도변환기이다.
포토탐지기 5와 온도변환기 7은 No.1 모노크롬(monochrome) 복사온도계를 구성하고, 포토탐지기 6과 온도변환기 8은 No.2 모노크롬 복사온도계를 구성한다.
제1도에 나타난 No.1, No.2 모노크롬 복사온도계는 각각 어떤 밴드넓이를 가진 스펙트럼 광을 분리하여 수용하는 것으로 단일 스펙트럼 광을 수용하지 않는다. 그리고 방정식(3)을 사용하고 고유상수 Aa, Ba, Ca, 그리고 Ab, Bb, Cb를 각각 사용한다.
참조번호 9는 참온도를 계산하기 위한 계산부를 표시한다.
계산부 9는 아래에 기술된 특수계산 방정식에 기초하여 교정을 통한 후 용융금속 15의 참온도를 계산한다. 여기서 계산방정식은 이하 기술된 것들을 이용한다.
No.1 모노크롬 복사온도계에 고유한 온도변환을 위한 두개의 상수 Aa, Ba 그리고 광수용과 탐지웨이브밴드에서의 광필터의 전도손실지수 Da, 지시온도 Ta이는 모두 No.1 모노크롬 복사온도계에 대한 것이다.
그리고 No.2 모노크롬 복사온도계에 고유한 온도변환을 위한 두개의 상수 Ab, Bb 그리고 광수용과 탐지웨이브밴드에서의 광 필터의 전도손실지수 Db, 지시온도 Tb이는 모두 No.2 모노크롬 복사온도계에 의한 것이다.
제1도의 No.1과 No.2 모노크롬 복사온도계가 일정한 밴드스펙트럼 광으로부터 온도변환을 수행하므로, 계산부에 의한 교정방정식은 상황에 적합하다.
참조번호 12는 광학섬유 피드드럼(feed drum)을 나타내고 13은 광학섬유 피드롤러(feed roller)를 나타내며, 14는 주형을 표시하, 15는 용융금속, 16은 잠김노즐, 17은 분말을 나타낸다. 금속튜브로 덮여진 광학섬유 1은 통신에 사용되는 석영섬유이다.
SUS 튜브와 같이 덮개재료로서 금속튜브를 이용함으로써, 금속튜브로 덮여진 광학섬유 1은 기계적 강도가 향상되고 용융금속 15안으로 잠길 수 있게 된다.
용융금속 15안에 잠긴 금속튜브로 둘러싸인 광학섬유 1이 매우 고온에서 시간에 따라 소비되므로, 광학섬유 피드드럼 12 주위에 감기고 소모된 길이를 보충하기 위한 금속튜브로 덮여진 광학섬유를 위한 메카니즘이 준비된다. 그 메카니즘이 구비된 온도계를 소모형 광학섬유 온도계로 부른다.
제1도에서 소모형 광학섬유온도계에 의하면, 광학섬유의 단부에서 들어온 적외선이 전도손실 때문에 광학섬유의 반대쪽 단부로부터 발산될때까지 전도과정동안 감소된다.
광학섬유의 감소특성은 파장의 기능이다. 비록 현재 이용되는 석영 광학섬유가 성능에서 큰 향상을 보여줄지라도, 전도손실은 보통 정상파장 0.9㎛당 2∼3dB/km이고, 파장 1.5㎛당 0.2∼0.5dB/km이다.
제6도와 제7도는 광학섬유의 공지의 관찰된 전도손실을 보여준다.
제6도는 통신석영 광학섬유의 전도손실을 나타내는 특성그래프이다(시마다와 하야시다(Shimada and Hayashida), 광학섬유케이블 p52 Ohm Co., Ltd.,(1987)).
제7도는 또한 통신 석영광학섬유의 전도손실을 나타내는 특성도(시마다와 하야시다 (Shimada and Hayashida, 광학섬유케이블 p56, Ohm Co., Ltd., (1987)이다.
두개의 도표 모두 섬유길이에 의해 영향을 받는 소모형 광학섬유 온도계의 출력을 나타낸다.
파장 0.9㎛를 가진 모노크롬 복사온도계와 GI섬유(코어지름/클래드지름이 50/125㎛)를 이용한 흑체노(a black body furance)에 기한 실험에 의하면, 약 +10℃ 정도의 더 높은 표시온도가 길이 100m에서 참조온도의 비교된 섬유 10m 길이에서 관찰된다.
따라서, 본 발명의 소모형 광학섬유 온도계는 심지어 섬유길이가 짧아질 때에도 최초의 값을 유지하고 더욱 정확한 온도를 결정할 수 있도록 하기 위해 개발되었다.
그러므로, 광학섬유의 감소된 길이의 효과를 제거하기 위해 제1도의 소모형 광학섬유 온도계는 각각 두개의 다른 파장의 일정 밴드넓이를 결정하는 두 복사온도계를 사용한다.
시스템에 따르면, 광학섬유는 금속튜브로 덮여진 광학섬유 1의 일단부에서 용융금속 15으로부터 발산된 스펙트럼광을 수용하는 도파관으로서 사용된다.
광학섬유 1의 다른쪽 단부에서 전도된 광은 브랜칭 필터 4에 의해 두개의 스펙트럼형 그룹으로 분산된다.
분산된 스펙트럼 그룹의 각각은 No.1, No.2 모노크롬 복사온도계의 각각에 전달된다.
복사온도계는 각각 다른 파장 λa,λb에서 집중된 스펙트럼광의 일정 밴드넓이를 수용 후 탐지한다.
그리고 탐지된 시그널을 각각 지시온도 Ta,Tb를 발생시키기 위해 온도로 변환한다.
두 지시온도 Ta,Tb로부터 참온도 T를 결정하기 위한 계산부 9에서 교정계산에 의한 절차가 아래에 기술된다.
두 모노크롬 복사온도계의 지시값, 이 값은 표준값에 의해 계산, 이 섬유길이가 축소될 때 차이가 있다.
두 값 사이의 차이는 참온도의 결정을 위해 이용되고 계산방법은 다음과 같다.
(1) 교정방정식이 적외선 복사온도계에 의해 결정되는 복사광도와 빈 방정식(5)에 의해 표현되는 온도 사이의 관계의 경우에 유래한다.
적외선 복사온도계의 포토탐지기의 반응웨이브밴드가 충분히 좁을 때, 그리고 반응웨이브밴드가 단일 스펙트럼으로서 취급받을 때, 방정식이 적용될 수 있다. 모노크롬 복사온도계의 각각의 효과적인 파장이 λa,λb로서 간주된다(㎛).
섬유가 표준길이에 있을 때 온도계의 눈금을 잰다.
모노크롬 복사온도계의 각각에 의해 수용된 광의 복사광도는 Ea, Eb로 된다.
다음 빈 방정식(5a)와 (5b)가 파생된다.
여기서 Ca'와 Cb'는 각 복사온도계의 특수한 상수이다.
길이 X의 광학섬유를 통한 광전도 손실에 기한 감소는 일반적으로 다음 방정식에 의해 표현된다.
R(X) = EXP(-DX)
그러므로, 만약 광학섬유의 길이가 표준길이로부터 X만큼 감소(소모)한다면, 수용광의 양은 감소한 양과 동일한 양만큼 증가한다.
그 다음, 그점에서 모노크롬 복사온도계의 광도출력 Ea와 Eb가 각각 방정식(7)(8)에 의해 기술된다.
광학섬유 X의 소모에서 지시온도가 Ta, Tb로 취급될 때,
Ea와 Eb는 방정식(9)와 (10)에 의해 표현된다.
Ea와 Eb는 방정식(7)(8)(9)와 (10)으로부터 제거된다. 그리고 그 결과는 대수상관(logarithmic correlation)에 의해 재배열되고 방정식(11)(12)가 파생된다.
다음에 X는 방정식(11)과 (12)로부터 제거되고, 방정식은 방정식(3)을 얻기 위해 참온도 T의 관점에서 표현된다.
방정식(3)은 유추동안 근사값을 사용하지 않는다. 따라서 그것은 섬유길이의 영향을 제거한다. 또는 오차를 제거한다. 그리고 가능한 적외선 복사온도계에 의해 탐지된 복사광도와 빈방정식에 의해 표현된 참값 사이의 관계가 빈방정식에 의해 표현되는 범위에서 참온도 T를 결정하게 된다.
(2) 다음 단계는 적외선 복사온도계의 탐지웨이브밴드가 일정 넓이를 가지고 있고, 탐지웨이브밴드가 단일 스펙트럼으로 취급될 수 없는 그런 경우에서 교정방정식을 유추하는 것이다. 이 경우에 복사광도와 온도 사이관계는 A,B,C 상수를 사용하는 방정식(6)에 의해 표현된다.
온도계는 표준섬유길이에서 눈금이 읽어지고, 그점에서 모노크롬 복사온도계에 의해 수용된 광의 복사광도는 Ea와 Eb로 취급된다. 그 다음, 복사온도계의 각각의 상수 A,B,C, Aa,Ba,Ca, Ab,Bb,Cb는 방정식(6a)와 (6b)에서 참온도 T와의 관계를 표현하기 위해 사용된다.
광학섬유의 표준길이로부터 길이 X의 감소에서 모노크롬 복사온도계의 광도출력 Ea와 Eb는 각각 방정식(13)과 (14)에 의해 표현된다.
온도지시값이 Ta와 Tb로서 될 때, Ea와 Eb는 방정식(15)(16)으로서 표현될 수 있다.
그 다음 Ea와 Eb는 방정식(13)(14)(15)(16)으로부터 제거된다. 그리고 그 결과가 대수관계에 재배열되고, 방정식(17)(18)이 파생된다.
X가 방정식(17)과 (18)로부터 제거될 때, 방정식(19)가 파생된다.
방정식(10)는 참온도 T를 위해 풀어지고 방정식(20)을 산출한다.
방정식(20)은 유도과정을 통하여 근사값을 사용하지 않는다. 그래서 섬유길이의 영향을 제거하고 또한 오차를 계산한다. 그리고 적외선 복사온도계에 의해 탐지된 복사광과 참온도 사이의 관계가 방정식(9)에 의해 표현되는한 참온도 T를 결정하게 된다.
방정식(20)이 복잡하고 계산에 시간이 소요되므로 단순한 교정을 위한 근사 방정식이 파생된다.
관계 AT》B가 일반적으로 온도 1500℃에서 나타나고, λ의 1∼2㎛에 있다는 사실에 집중하면, 그 다음 [1/(AT+B)]가 대략 [1/AT - B/(AT)2]과 동일하게 취급된다.
만약 근사값이 사용되면, 방정식(19)는 방정식(21)로서 표현된다.
더 나아가 [Ta-T《Ta]와 [Tb-T《Tb]의 관계를 고려할 때, (1/Ta+1/T)의 값이 대략 2/Ta와 같다. 그리고 (1/Tb+1/T)의 값이 대략 2/Tb와 같다. 이들 근사관계를 이용함으로써, 방정식(21)은 방정식(22)로서 쓰여진다.
방정식(22)가 참온도 T를 위해 풀어지면 방정식(1)이 유도된다.
광학섬유길이 X의 영향을 제거한 후 참온도 T는 두 적외선 복사온도계의 지시값 Ta와 Tb, 각 복사온도계의 특성을 나타내는 상수 A,B,C 사이에 Aa,Ba와 Ab,Bb의 상수의 각쌍, 그리고 각 복사온도계의 측정파장에서 전도손실지수 Da와 Db등을 사용하는 방정식(20) 또는 (1)에 의해 결정된다. 자료들이 디지탈 신호로 전환되고 디지탈 신호 프로세서(DSP)와 중앙처리장치(CPU)가 디지탈 계산을 수행하는 경우에 방정식(1)이 사용될 수 있다.
그러나 방정식(1)을 계산하는 아나로그 회로에서 방정식은 너무 복잡하다.
이 관점에서 아나로그 회로에 의해 계산을 단순화하기 위해 다음 계산이 도입된다.
만약 {1/Ta-1/T}가 대략 {(T-Ta)/T2}과 같고 {1/Tb-1/T}가 대략 {(T-Tb)/T2}과 같다면, 그 관계가 방정식(22)에 적용되면 그 다음 방정식(22a)가 파생된다.
방정식(22a)가 참온도 T를 위해 풀어지고, 방정식(23)이 유도된다.
더 나아가 표적의 온도범위가 Ta와 Tb의 관점에서 알려지고, 지시온도의 근사값 Ta', Tb'가 알려져 있는 경우가 연구된다.
예를 들어 표적의 온도범위가 1400℃∼1600℃의 범위를 가지는 것으로 알려져 있을 때, 그 온도범위의 중간값 1500℃는 근사값으로서 고정될 수 있다.
그 경우에 방정식(23)은 방정식(2)에 의해 근사화된다.
방정식(2)가 Ta와 Tb에 선형이고, 그 계수가 알려져 있고 미리 결정되기 때문에, 방정식(2)의 계산은 단순한 아나로그회로를 가지고도 재생될 수 있다.
제2도는 온도측정에서 복사온도계의 섬유길이의 소모에 의해 발생한 지시오차를 보여준다. 관찰조건은 아래와 같다.
(1) No.1 모노크롬 복사온도계(monochrome radiation thermometer)
Si 탐지기(detector)(중심파장 λa= 0.85㎛ 주위의 일정 밴드넓이)
No.2 모노크롬 복사온도계
Si 탐지기(중심파장 λb= 1.0㎛ 주위의 일정 밴드넓이)
(2) 통신용 광학섬유, GI 50/125
전도손실 2.65dB/km (λa= 0.85㎛)
전도손실 1.8dB/km (λb= 1.0㎛)
덮개튜브 : SUS 튜브, 외경 1.2mm
(3) 각 온도계는 일정스펙트럼 밴드너비를 가지고 있다. 특성을 나타내는 상수는 아래와 같다.
제2도는 측정온도 T가 1500℃이고, 섬유소모길이가 × (km)인 경우에 각 모노크롬 적외선 복사온도계의 지시값의 오차를 보여준다.
No.1 복사온도계(파장 0.85㎛)의 오차는 파선에 의해 나타나며, No.2 복사온도계(파장 1.0㎛)의 오차는 실선으로 나타난다.
제2도는 두 모노크롬 복사온도계에서 지시된 값이 1Km의 섬유소모에서 약 100℃의 지시오차를 보여주고, 100m의 섬유소모에서 약 10℃의 지시오차를 보여준다.
제3도는 제1도에 나타난 소모형 광학 섬유온도계 3을 사용하는 제2도에서 관찰된 오차의 교정을 보여준다.
제3도는 교정방정식(1)(2)와 (3)을 각각 사용하는 제2도에서 관찰된 값에 적용하는 교정계산 후의 오차를 나타낸다.
제3도의 일점쇄선(the chain line)은 복사온도계의 탐지 웨이브밴드가 충분히 협소하고 빛이 단일 스펙트럼으로 취급되며 방정식(3)이 적용되는 경우이다.
그 경우에 있어서 교정후의 2℃ 이내의 오차는 섬유소모가 200m에 다소 못미칠 때 나타난다. 오차발생의 이유는 다음과 같다.
제1도의 No.1, No.2 복사온도계의 각각은 일정밴드폭을 가진 스펙트럼 광을 수용하고 고유상수 Aa,Ba,Ca와 Ab,Bb,Cb를 포함하는 온도 변환방정식을 사용하는 온도변환을 수행한다.
그럼에도 불구하고 교정방정식(3)은 복사온도계가 단일스펙트럼 광을 수용하는 것으로 가정하고 빈방정식(wien's equation)을 사용한다.
그 결과, 온도변환과 교정사이에 불일치(mismatch)가 발생한다.
한편, 상수 A,B,C를 포함하는 교정방정식(1)(2)를 사용하고, 일정스펙트럼 밴드너비를 고려한 후 발생하는 에러가 있다.
방정식(1)과 (2)에 대한 오차는 각각 파선과 실선에 의해 표시된다.
양 경우는 800m 정도의 섬유소모에 2℃내외의 대략적 오차를 보여주는데, 그 오차는 실제 적용에서 만족스러운 범위이다.
다음은 교정방정식(3)에 적합한 소모형 광학섬유 온도계의 구조의 보기이다.
제4도는 본 발명의 소모형 광학섬유온도계의 구조의 본보기 2이다.
제4도와 제1도의 구조사이에는 차이점이 있다. 제4도의 구조에는 소모형 광학섬유온도계 3A에 협소한 밴드웨이브셀렉티브필터(a narrow band wave selective filter) 10,11이 부가되었고, 온도변환기 7.8이 온도변환기 7A,8A로 단순히 변환되었다. 그리고 계산부 9가 단지 계산부 9A로 변환되었다.
협소한 밴드웨이브셀렉티브필터 10,11 모두가 포토탐지기 5,6 전방에 위치한다.
이들 협소밴드웨이브셀렉티브필터 10,11은 각각 다른 파장 λa,λb를 가지고, 그리고 광이 단일 스펙트럼으로서 포토탐지기 5,6 안에서 각각 조작될 수 있는 정도로 충분히 협소한 스펙트럼들을 가지고 각 광을 발산한다. 그 경우에 따라서 빈방정식(5)이 수용된다.
온도변환기 7A,8A는 빈 반정식에 기초한 온도변환을 수행한다. 그리고 지시온도 Ta,Tb를 각각 발생한다.
제4도에서 계산부 9A는 교정방정식(3)을 사용하여 용융금속 15의 참온도 T를 계산할 수 있다. 이 교정방정식에는 두 복사온도계, 수용 및 탐지 파장 λa,λb, 파장 λa,λb에서의 광학섬유 전도손실 Da,Db로부터 발생한 지시온도 Ta,Tb를 이용한다.
교정방정식(3)은 근사계산을 포함하지 않으므로, 교정후의 오차는 거의 0으로 감소한다. 교정방정식(3)의 영향을 유효하게 하기 위해, 제5도는 JP-A-142049/93에 기술된 교정방정식을 사용하는 교정후의 오차를 보여준다.
제5도는 JP-A-142049/93에 기술된 전통적인 교정계산의 결과를 나타낸다. 겨기서 오차는 섬유소모 600m 초과마다 2℃가 된다.
교정방정식은 근사계산을 포함하므로 오차가 나온다. 그와 같은 근사계산에 의해 야기된 오차는 완전히 방정식(3)을 이용하여 제거할 수있다.
위에 서술한 바처럼, 본 발명에 따라, 소모형 광학섬유 온도계는 광학섬유의 일단부에서 고온 표적으로부터 발산된 복사광을 수용한다. 그리고 수용된 복사광을 그곳을 통하여 전달 후 광학섬유의 또다른 단부로부터 발산된 복사광을 온도로 변환시키기 위해 수용하고 탐지하는 복사온도계를 이용하여 고온표적의 온도를 결정한다.
거기서 광학섬유의 다른쪽 단부로부터 발산된 광은 브랜칭 필터를 통해 두개의 스펙트럼군(spectral groups)으로 분사된다. 스펙트럼군의 각각은 두 복사온도계의 각각으로 도입된다.
두 복사온도계의 각각은 서로 다른 광 웨이브밴드(light wave band)를 수용하고 탐지한다. 그리고 탐지된 광을 각각의 지시온도를 발생하기 위해 온도로 변환한다.
계산수단(calculation means)은 고온표적의 참온도를 계산하는데, 이는 다음의 것들을 사용해서 얻는다. 즉 각 복사온도계에 고유한 온도변환용 각 쌍의 상수, 각 광수용 탐지웨이브밴드에서의 광학섬유의 전도손실정보, 그리고 각 복사온도계의 지시온도 등을 사용한다.
결과적으로, 배열(configuration)은 감소된 섬유길이의 영향을 제거할 수 있게 한다. 그 영향은 종래의 소모형 광학섬유 온도계의 가장 심각한 문제였다.
그리고 용융금속같은 고온표적의 온도를 연속적으로 매우 높은 정확도를 가지고, 매우 큰 반응속도를 가지고 결정할 수 있게 해준다. 그리고 열전쌍을 사용하는 종래의 소모형 잠김온도계 대신에 저렴한 비용을 가져온다. 특히, 1Km 정도의 긴 섬유의 사용이 가능함에 의해 경제성이 향상되며, 계산작업의 감소로 인해 유지능력이 향상되므로, 응용분야는 급격히 넓어지게 된다. 예를 들어 철 제조과정은 변환기, 전기로, 용융노 그리고 연속주조에서 주입과 같은 매우 정교한 온도조절의 현저한 효과를 보여준다. 이점에서 본 발명의 산업적 가치는 막대하다. 본 발명에 따라 두 복사온도계는 각 온도계에 대해 다른 파장주위에 한정된 밴드너비를 가진 스펙트럼광을 사용하여 지시온도를 결정한다. 그리고 계산수단은 고온표적의 참온도 T를 계산하기 위해 방정식(1)을 사용한다.
그 결과로서, 표적의 1500℃ 주위에서 2℃ 이내의 오차를 가지고 매우 큰 정확도의 측정이 섬유 800m의 소비에 이를 때까지 얻어진다.
본 발명에 따라 고온표적의 온도범위가 알려질 때, 그리고 두 복사온도계의 지시온도의 근사값이 결정될 때, 계산수단은 고온표적의 참온도를 지시온도에 직선인 방정식(2)를 사용하여 계산할 수 있다.
그 결과, 단순한 아나로그 회로가 계산수단을 이루고, 그것은 저가에 높은 정확도에 높은 반응속도를 주는 도구를 부여한다.
본 발명에 따라, 두 복사온도계의 각각은 서로 다른 파장을 가지고 단일 스펙트럼 광으로서 수용되어지는 협소한 밴드너비(a narrow band width)를 사용하여 지시온도를 결정한다.
그리고, 계산수단은 고온표적의 참온도를 계산하는데, 이는 단순계산방정식인 방정식(3)을 이용하며 그것은 근사계산을 포함하지 않는다. 그 결과 단순하고 값싼 도구가 매우 정확한 온도의 결정을 수행한다.
[실시예 - 2]
본 발명의 온도측정을 위한 방법에서, 소모형 광학섬유가 이용된다. 고온액체로부터 발산된 광이 소모형 광학섬유의 일단에서 수용된다. 수용된 광이 소모형 광학섬유를 통하여 소모형 광학섬유의 반대쪽 단부로 전달된다.
수용광은 웨이브셀렉티브필터에 의해 여과되어 기지정된 중심파장을 가진 협소한 밴드스펙트럼 광을 유일하게 통과한다. 협소한 밴드스펙트럼 광이 복사온도계에 의해 온도로 전환된다.
협소한 밴드스펙트럼 광의 중심파장이 1.55㎛ 또는 거의 1.55㎛ 정도가 바람직하다. 더구나, 웨이브셀렉티브필터는 중심파장에 ±0.1㎛의 전도밴드를 가지는 것이 바람직하다.
복사온도계는 수용과 탐지장치로서 InGaAs 포토 다이오드를 가진다.
온도측정을 위한 또다른 방법에서, 소모형 광학섬유가 또한 사용된다. 고온의 액체로부터 발산된 광이 소모형 광학섬유의 일단부에서 수용된다. 수용된 광은 중심파장을 광학섬유를 통하여 소모형 광학섬유의 다른쪽 단부로 수용된다.
수용광은 브랜칭 필터를 통해 두개의 광선으로 분리된다. 즉 제1광선과 제2광선으로 분리된다. 제1광선은 제1웨이브셀렉티브필터에 의해 여과되어 기지정된 중심파장을 갖는 제1웨이브밴드의 제1스펙트럼 광만을 통과시킨다.
통과한 스펙트럼 광은 제1복사온도계에 의해 수용되고 탐지된다. 그리고 온도로 변환된다.
제2광선은 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 여과되어 기지정된 중심파장을 갖는 제2웨이브밴드의 제2스펙트럼만을 통과시킨다.
제2스펙트럼 광은 제2복사온도계에 의해 탐지되어 온도로 변환된다.
제1복사온도계와 제2복사온도계에 고유한 온도변환상수 그리고 제1스펙트럼 광과 제2스펙트럼 광에 관한 광학섬유의 전도손실정보, 1복사온도계와 제2복사온도계로부터 나온 온도 Ta,Tb를 사용하여 참온도 T가 계산된다.
제1웨이브셀렉티브필터에 의해 여과된 제1웨이브밴드의 제1스펙트럼 광과 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 여과된 제2웨이브밴드의 제2스펙트럼 광은 파장의 면에서 서로 다르다.
협소한 밴드스펙트럼 광의 중심파장은 1.55㎛ 또는 1.55㎛ 근처가 바람직하다.
더구나 웨이브셀렉티브필터는 중심파장에 ±0.1㎛의 전도밴드를 가지는 것이 바람직하다.
제1복사온도계는 광수용탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고 있다. 제2복사온도계는 광수용 탐지장치로서 Si 포토다이오드를 가지고 있다.
[보기 - 2]
첫째, 광학섬유의 감소를 고려한 복사온도계의 민감특성이 아래 기술된다. 흑체(black body)의 스펙트럼 복사광도 L(λ,T)은 플랑크 법칙(plank's law)에 기초한 방정식(24)에 의해 표현된다.
여기서,
λ : 파장
T : 절대온도(k)
C1: 5.9548 × 10-7W·㎡
C2: 0.014388m·k
방정식(24)는 λT≤λmT(λTm = 2.8978-3× 10m·k)의 범위안에서 빈 방정식(25)에 의해 근사화 된다.
보통의 복사온도계에서, 광도 시그널(brightness signals)은 JIS(새로운 온도 측정 p256, Instrumentation and Automatic Control Academy)에 따른 실험에 의해 결정된 계수 A,B,C를 사용하는 근사방정식(26)을 사용하여 온도로 변환된다.
제8도는 본 발명의 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정기구의 보기를 보여준다.
제8도에서, 참조번호 101은 금속튜브로 덮여진 광학섬유를 나타내고, 102는 광학컨넥터, 103은 협소한 밴드웨이브셀렉티브필터 105와 포토다이오드 107, 그리고 온도변환기 109를 포함하는 소모형 광학섬유 온도계를 나타낸다.
협소 밴드웨이브 셀렉티브필터 105는 예로 간섭필터에 의해 구성되고 얇은 막에 의해 야기된 광의 간섭을 이용하는 특정웨이브밴드(이 예에서는, 1.55±0.025㎛)의 전도를 허용한다.
포토다이오드 107은 이 예에서 InGaAs 장치의 것을 사용하고 105를 통해 전도된 1.55±0.025㎛ 웨이브밴드의 광을 수용하고 탐지된다.
온도변환기 109는 InGaAs 포토다이오드 107에 의해 수용되고 탐지된 출력신호를 온도로 바꾸어 지시온도 T를 발생한다.
제8도의 모드에서, 지시온도 T는 변환상태(교정계산이 적용하지 않는다)로서 사용되므로, 온도변환기 10는 방정식(25)와 (26)중의 하나를 사용할 수 있다.
포토다이오드 107과 온도변환기 109는 모노크롬 복사온도계를 구성한다.
참조번호 112는 광학섬유 피드드럼(feed drum)을 나타낸다.
113은 광학섬유 피드롤러(feed roller), 114는 주형(a mold), 115는 용융금속, 116은 잠김노즐(immersion nozzle), 117은 분말을 나타낸다.
금속튜브로 뒤덮인 광학섬유 101은 통신용 석영섬유이다. 덮개재료로서 SUS 튜브 같은 금속튜브를 이용함에 의해 센서로 이용되는 금속튜브로 덮힌 광학섬유 101은 기계적 강도가 증가되고 용융금속 115에 잠기게 한다.
용융금속 115에 잠긴 금속튜브로 덮힌 광학섬유가 고온환경에서 시간에 따라 소모되므로, 소모된 길이를 보충하기 위하여 성공적으로 풀릴 수 있게 광학섬유 피드르럼 112 주위에 감겨진 금속튜브로 덮인 광학섬유 101을 위한 메카니즘이 준비된다.
그런 메카니즘이 구비된 온도계를 소모형 광학섬유 온도계로 부른다. 제8도는 온도측증을 위해 오직 단일 웨이브밴드를 이용한다. 그래서 온도계는 단일 파장의 소모형 광학섬유 온도계로 부른다.
제8도에서 소모형 광학섬유 온도계에 따라, 광학섬유의 끝에서 나온 적외선은 전달과정동안 감소하는데 그것은 전도손실 때문에 광학섬유의 다른쪽 단부로부터 그것이 발산될 때까지 감소한다.
광학섬유의 감소특성은 파장의 함수(function)이다. 비록 현재 이용할 수 있는 석영 광학섬유의 성능이 현저하게 향상되고는 있지만, 전도손실은 보통 정상파장 0.9㎛에 대해 2∼3dB/km, 파장 1.5㎛에 대해 0.2∼0.5dB/km가 된다.
제6도와 제7도는 출판되어 있는 광학섬유의 관찰된 전도손실의 일부를 보여준다. 양도표 모두 소모형 광학섬유 온도계의 출력이 섬유길이에 의해 영향을 받는 것을 나타낸다. 0.9㎛의 파장과 GI 섬유(core지름/clad지름 50/125㎛)를 사용하는 모노크롬 복사온도계를 이용하는 흑체노(a black body furance)에서의 실험에 따르면, 100m의 길이당 참조온도와 비교해 섬유의 10m 길이당 약 10℃ 더 높게 관찰된다.
따라서, 본 발명의 소모형 광학섬유온도계는 심지어 섬유길이가 짧아질 때에도 최초의 지시값을 유지하며 매우 정확한 온도를 결정할 수 있도록 하기 위해 개발되었다.
제8도에 따르면, 온도측정은 금속튜브로 덮여진 광학섬유 101의 길이가 참조섬유길이일 때 수행되고, 모노크롬 복사온도계에 의해 수용된 광의 복사광도는 E로 취급한다.
여기서 E는 빈 방정식(Wien's equation)에 의해 표현된다(25A).
여기서 C'는 각 온도계의 고유한 상수이다. 일반적으로 섬유길이 X에서 광전도 손실에 의한 감소는 다음 방정식에 의해 표현된다.
그러므로, 광학섬유의 길이가 참조길이로부터 X만큼 감소(소모) 되었을 때, 수용광은 위에 기술된 감소량과 동일한 양만큼 증가한다. 그때 모노크롬 복사온도계의 광도출력 E'는 방정식(25B)에 의해 쓰여진다.
광학섬유가 X만큼 소모되었을 때, 그때 지지온도값이 T'로 표현되면, 그 다음 E'는 방정식(25C)에 의해 표현된다.
결과적으로 광학섬유가 소모되었을 때, 온도측정에서 방정식(25A)에서 온도지시값 T와 방정식(25C)에서 온도지시값 T'는 서로 일치하지 않는다.
그리고 그 차이 ΔT = T' - T는 지시오차가 된다. 광학섬유의 감소특성은 파장의 함수이다.
제6도와 제7도에서 본 것처럼, 일반적으로 파장이 길면 길수록 감소는 점점 작다. 그럼에도 불구하고 감소는 OH군 흡수밴드 때문에 1.4㎛ 근처에서 증가한다.
Ge 포토다이오드는 0.8∼1.8㎛까지 범위의 광범위하고 민감한 웨이브밴드를 가지므로, Ge 복사온도계는 측정동안 온도계가 고온에 노출되었기 때문에 그리고 섬유 끝단부는 침투한 수소원자 때문에 그 질이 변경되므로 또한 전도손실지수 D가 1.4㎛에서 OH군 흡수밴드에서 증가하기 때문에 안정한 지시값을 줄 수 없다. 한편, 제8도에서 소모형 광학섬유온도계 103은 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터 105를 가지는데, 이것은 InGaAs 포토다이오드 107의 입사면에서 오직 중심파장 1.55±0.025㎛의 광만 통과하게 한다.
1.4㎛의 흡수밴드의 효과를 수용하지 않는 웨이브밴드 때문에, 광학섬유의 전도손실지수 D의 값은 약 0.3dB/km로 낮다.
따라서, 결정될 온도가 1500℃일 때, 100m의 섬유소모당 지시값이 오직 2∼3℃ 차이만을 동반한다.
부가하여, OH군 흡수밴드가 포함되지 않는한, Ge 복사온도계에서 발생할 수 있는 지시온도값의 불안정이 없다.
더 나아가, 탐지장치로 InGaAs 포토다이오드 107을 사용하므로, 심지어 탐지광의 양이 협소밴드 웨이브셀렉티브필터 105를 통하여 감소될지라도 광은 다크크런트(dark current)에서 혼합되지 않고, 좋은 S/N 비율에서 광의 양을 탐지하게 허용해준다.
제9도는 제8도의 소모형 광학섬유온도계를 사용한 관찰결과이다. 제9도의 실선은 InGaAs 포토다이오드가 사용되었을 경우를 나타낸다. 파선은 Si 포토다이오드를 비교대상으로서 사용한 경우를 나타낸다.
제9도에서 금속튜브로 덮인 광학섬유 101은 금속튜브는 직경 1.2mm를 가진 SUS로 만들어졌고, 광학섬유는 (코어직경/클래드직경 50/125㎛)의 GI섬유를 가진 통신용 석영섬유로 만들어진다. 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터 105의 전도 웨이브밴드는 1.55±0.025㎛ 이다.
제9도의 실선은 섬유소모가 1km에 이를 때에도 약 25℃의 측정 오차를 준다. 제8도의 구조를 가진 소모형 광학섬유온도계가 사용될 때, 만약 광학섬유의 소모가 측정점으로부터 100m 이내에 있다면, 그 다음 약 ±2℃의 정확도에서 온도측정이 항상 가능하다.
그러므로, 섬유는 매 100m 소모당 표준길이를 가진 것으로 대체될 수 있다. 간헐적인 온도측정을 위해, 소모형 광학섬유 온도계는 항상 매측정마다 약 40∼50mm 소모된다.
그 다음 심지어 측정빈도가 한시간에 3번으로 선택될 경우에 또는 하루에 3×24=72번으로 될 때, 100m 섬유의 하나의 드럼이 약 1달동안 계속 온도를 결정하는 것이 가능하다(72×30=2160 측정횟수)
그 결과 제8도의 구조를 가지는 단일 파장을 사용하는 소모형 광학섬유온도계는 정확성의 문제를 불러일으키지 않고, 교정계산 없이 실제 응용분야에서 사용된다.
제8도는 교정계산을 적용하지 않고 단일파장을 사용하는 소모형 광학섬유온도계를 설명한다. 다음은 두 파장을 사용하고 섬유길이에 대해 교정계산을 하여주는 측정방법에 대한 기술이다.
두 파장을 가진 섬유길이 교정방법에서, 광학섬유의 끝단부로부터 들어온 복사광은 두 개의 스펙트럼군으로 분산된다. 각 군의 각각은 다른 탐지웨이브밴드를 가진 별개의 모노크롬 복사온도계에 도입된다. 그리고 두 지시온도 Ta,Tb가 결정된다.
참온도 T를 결정하기 위해 교정계산이지시온도 Ta,Tb에 적용된다.
교정절차는 아래와 같다.
두 모노크롬 복사온도계의 표준값에 의해 교정된 지시값은 섬유길이가 짧을 때는 차이가 있다. 두 값의 차이는 참온도를 결정하는데 사용된다. 그 계산방법은 다음과 같다.
(1) 교정방정식은 적외선 복사온도계에 의해 결정된 복사광과 온도사이의 관계가 빈방정식(25)에 의해 표현되는 경우에 유도된다.
적외선 복사온도계의 포토탐지기의 반응웨이브밴드가 충분히 좁을 때, 그리고 반응웨이브밴드가 단일 스펙트럼으로서 취급될 때, 방정식이 적용가능하다. 각 모노크롬 복사온도계의 유효 파장은 λa와 λb(㎛)로서 취급된다.
온도는 섬유가 표준길이에 있을 때 계산된다. 모노크롬 복사온도계의 각각에 의해 수용된 광의 복사광은 Ea와 Eb로 취급된다.
다음 빈방정식(25a)와 (25b)가 유도된다.
여기서, Ca'와 Cb'는 각 복사온도계의 고유한 상수이다.
만약 광학섬유가 표준길이에서 X만큼 길이가 감소(소모)되면, 광의 양은 R(X) = EXP(-DX)와 동등 양만큼 증가한다. 그점에서 모노크롬 복사온도계의 광도출력 Ea와 Eb는 방정식(27)(28)에 의해 각각 씌여진다.
광학섬유 X의 소모에서 온도지시값이, Ta,Tb로 취급될 때, Ea와 Eb는 방정식(29)와 (30)에 의해 씌여진다.
Ea와 Eb는 방정식(27)(28)(29)와 (30)으로부터 제거된다. 그리고 그 결과는 대수관계에 의해 재배열된다. 방정식(31)과 (32)는 유도된다.
그 다음 X는 방정식(31)과 (32)로부터 제거된다. 그리고 방정식은 방정식(33)을 얻기 위해 참온도 T의 입장에서 쓰여진다.
방정식(33)은 유도과정을 통하여 근사치를 사용하지 않는다. 그래서 그것은 섬유길이의 효과를 없애고 또는 오차를 제거한다. 그리고 적외선 복사온도계에 의해 탐지된 복사광의 참온도 사이의 관계가 빈방정식에 의해 표현되는 한 참온도 T를 결정할 수 있게 허용한다.
(2) 다음 단계는 적외선 복사온도계의 탐지웨이브밴드가 일정 너비를 가지고 있고 탐지웨이브밴드는 단일스펙트럼으로서 취급되지 않는 경우에 교정방정식을 유도하는 것이다.
이 경우에 복사광도와 온도사이 관계는 A,B와 C 상수를 사용하는 방정식(26)에 의해 표현된다.
온도계는 표준섬유길이에서 측정되고 그점에서 모노크롬 복사온도계에 의해 수용된 광의 복사광도는 Ea와 Eb로서 취급된다.
그 다음 각 복사온도계의 상수 A,B,C, Aa,Ba,Ca, Ab,Bb,Cb는 방정식(26a)(26b)에서 참온도 T와의 관계를 표현하는데 사용된다.
광학섬유의 표준길이로부터 길이 X의 감소에서 모노크롬 복사온도계의 광도출력 Ea와 Eb는 각각 방정식(34)(35)에 의해 표현된다.
온도지시값이 Ta와 Tb로서 취급될 때 Ea와 Eb는 방정식(36)과 (37)로서 표현될 수 있다.
그 다음 Ea와 Eb는 방정식(34)(35)(36)(37)로부터 제거된다. 그리고 그 결과는 대수관계에 의해 재배열된다. 그리고 방정식(38)과 (39)가 유도된다.
X가 방정식(38)(39)로부터 제거될 때 방정식(40)이 유도된다.
방정식(40)은 참온도 T를 위해 풀어지며, 방정식(41)이 유도된다.
방정식(41)은 유도과정을 통하여 근사치를 사용하지 않는다. 그래서 그것은 오차가 없는 섬유길이의 영향을 제거하고 적외선 복사온도계에 의해 탐지된 복사광과 온도사이의 관계가 방정식(26)에 의해 표현되는 한 참온도 T를 결정하기 위해 허용한다.
방정식(41)는 복잡하고 계산에 시간이 소요되므로, 단순교정을 위한 근사방정식이 유도된다.
AT 》 B의 관계가 온도 1500℃ 근처 그리고 파장1∼2㎛에서 나타나는 것에 주의를 하면 그 다음 [1/(AT+B)]는 대략 [1/AT-B(AT)2]으로 취급될 수 있다.
만약 근사치가 사용되면, 방정식(40)은 방정식(42)로서 표현된다.
더 나아가, [Ta-T《Ta]와 [Tb-T《Tb]의 관계를 고려할 때, (1/Ta+1/T)의 값은 대략 2/Ta와 같고, (1/Tb+1/T)의 값은 대략 2/Tb와 같다.
이들 근사관계를 사용함에 의해 방정식(42)은 방정식(43)으로서 표현된다.
방정식(43)이 참온도 T를 위해 풀어지고, 방정식(44)가 유도된다.
광학섬유길이 X의 영향을 제거후 참온도 T는 두 적외선 복사온도계의 지시값 T와 T는 각 복사온도계의 특성을 나타내는 상수 A,B,C 가운데 Aa,Bb와 Ab,Bb의 각 쌍, 그리고 각 복사온도계의 파장측정에서 전도손실계수 Da와 Db를 사용 방정식(41) 또는 (44)로부터 계산에 의해 결정된다.
데이타가 디지탈시그널로 변환되고 디지탈시그날처리장치(DSP)와 중앙처리장치(CPU)가 디지탈 계산을 수행하는 경우에, 방정식(44)가 사용되어질 수 있다.
그러나 방정식(44)를 수행하는 아나로그회로에서 방정식은 너무 복잡하다. 이런 관점에서, 아나로그회로에 의해 계산을 단순화하기 위해 다음 근사화가 도입된다.
만약 {1/Ta-1/T}가 대략 {(T-Ta)/T2)}과 같고, {1/Tb-1/T}가 대략 {(T-Tb)/T2)}과 같은 관계가 방정식(43)에 작용되면, 그 다음 방정식(43a)가 유도된다.
방정식(43a)가 참온도 T 값을 위해 풀어지면, 방정식(45)가 유도된다.
더 나아가, 표적의 온도범위가 Ta와 Tb의 관점에서 알려지고 지시온도 Ta', Tb'의 근사값이 알려진 경우가 연구된다.
예를 들면, 표적의 온도범위가 1400∼1600℃의 범위로 알려져 있을 때, 그 온도범위의 중간값 1500℃가 근사값으로서 될 수 있다.
그 경우에, 방정식(45)는 방정식(46)에 의해 근사화 된다.
방정식(46)이 Ta와 Tb를 향해 선형이므로 그리고 그들의 계수가 알려져 있고 미리 결정되어 있으므로, 방정식(46)의 계산은 심지어 단순한 아나로그회로를 가지고도 재생될 수 있다.
다음단계는 지시온도값의 오차가 얼마나 되는지 결정하는 것이다. 그리고 참온도의 측정된 값에 대응되는 상수의 오차가 얼마나 되는지 결정하는 것이다.
예를 들면, 두 적외선 복사온도계의 탐지된 스펙트럼이 단일 스펙트럼으로 취급될 수 있는 경우를 고려해 보자.
두 온도계의 지시값 Ta, Tb, 각 적외선 복사온도계의 유효파장 λa, λb유효파장에서 광학섬유의 전도손실계수 Da, Db는 방정식(33)을 사용하는 섬유의 끝단부에서 참온도 T를 결정하는데 사용되곤 한다.
만약 T, Ta, Tb의 값이 대략적으로 서로 거의 동일한 값이라면, 그 다음 참온도 T의 측정된 값의 오차 dT는 방정식(47)에 주어진다.
다음 단계는, 방정식(47)에 의해 참온도 T의 오차 dT의 크기의 관점에서, 두 복사온도계 모두 Si 복사온도계를 사용하는 경우(A)와 둘중에 하나는 InGaAs 복사온도계를 사용하고 나머지 하나는 Si 복사온도계를 사용하는 경우(B)를 비교하는 것인데
(A) 두 복사온도계 모두 Si 복사온도계를 사용하는 경우에서,
방정식(47)의 dT는 Si 포토다이오드가 양 적외선 복사온도계에 대한 탐지장치로 사용되고 두개의 다른 파장이 λa= 0.85㎛, λb= 1.0㎛로서 취급되는 조건하에 평가되어야 한다.
전도손실지수는 관찰된 값 Da= 2.68dB/km 또는 Db= 1.8dB/km을 사용할 때,
λa, λb, Da, Db가 T = 1500℃이고, 섬유길이 1km의 조건하에 방정식(47)로 대입될 때,
그 다음 dT는 방정식(48)에 의해 표현된다.
방정식(48)에서, 지시값은 두 적외선 복사온도에 영향을 주고 측정된 온도오차 dTa와 dTb는 약 5배 증폭된다. 그리고 부호는 서로 역이 된다.
따라서, 만약 양 dTa또는 dTb가 같은 양극을 가진다면, 그 다음 값은 서로 취소될 것이다.
그러나 그들이 다른 극성이라면 그 다음 그 값에 더해질 것이다. 전도손실 Da와 Db의 값이 정확치 않고 그것들이 1%의 오차를 가지고 있을 때, 참온도 T는 약 5℃의 온도오차를 가지고 있다.
결론적으로, (A)의 경우에, 심지어 두 모노크롬 복사온도계의 정확도가 ±2℃일 때, 섬유길이의 교정후에 지시온도값의 정확도가 최악의 경우에도 ±10℃까지 감소될 수 있다.
전도손실 D,와 Db에 포함된 오차의 효과가 중요하므로, 광학섬유의 각 관찰된 웨이브밴드에서 전도손실의 정확한 값이 필요하다.
(B) 두 복사온도계의 하나는 InGaAs 복사온도계를 사용하고 나머지는 Si 복사온도계를 사용하는 경우가 다음에 논의된다.
보기로서, 두 복사온도계의 하나는 제8도에 나타난 모노크롬 복사온도계를 사용한다. 거기서 광수용 장치는 InGaAs 포토다이오드이고, 1.55㎛의 중심파장을 갖는 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터는 광수용면에 장착된다. 그리고 다른 복사온도계는 Si 포토다이오드를 사용한다.
이들 두 복사온도계의 지시값 Ta와 Tb는 방정식(33)을 사용하여 T를 결정하기 위해 보정계산기로 들어간다.
λa= 0.9㎛, λb= 1.55㎛, Da= 2,2dB/km, Db= 0.3dB/km가 방정식(47)에 도입될 때, dT는 T = 1500℃, X = 1km의 조건하에 방정식(49)에 의해 표현된다.
방정식(49)에서, InGaAs 복사온도계의 관찰된 온도오차 dTb는 매우 적은 증폭을 가지고 dT에 반영된다. 그리고 Si 복사온도계의 관찰된 온도오차 dTa는 참온도의 오차를 계산하는데 별 영향을 주지 않는다.
비록 전도손실오차가 5% 일지라도, T의 종국적인 오차는 오직 1.5℃이다. 따라서 (B)의 경우에, 두 복사온도계의 정확도가 ±℃일 때 교정계산후의 정확도는 ±3℃ 이내이다.
더 나아가, 전도손실 Da, Db의 정확한 값이 요청되지 않으므로, 카타로그나 OTDR(optical pulse tester)로부터 취해진 관찰값이 사용될 수 있고, 그것은 계산작업을 매우 간단히 한다.
교정계산후의 참온도의 정확도가 경우(A)와 (B) 사이에 비교될 때, 경우(B)는 (A)보다 두 복사온도계 시스템으로서 우수하다.
복사온도계의 탐지스펙트럼이 일정밴드를 가지고 방정식(26)이 빈방정식(25) 대신에 적용될 때, 방정식(33)과 다른 교정계산방정식, 예를들면 방정식(44)와 (46)이 필요하다. 그 경우에 교정계산후의 참온도의 정확성은 경우(A)보다 경우(B)가 또한 더욱 좋다.
제10도는 본 발명의 소모형 광학섬유온도계의 또다른 구조의 보기를 보여주는 그림이다.
제10도에서 참조번호 101, 102, 105, 107, 109와 112∼117 등은 제8도의 것과 동일한 것을 나타낸다.
참조번호 3A는 두 다른 파장에서 온도측정을 수행하는 No.1, No.2 모노크롬 복사온도계를 포함하고, 교정계산을 수행하는 계산부 111을 포함하는 소모형 광학섬유온도계이다.
참조번호 104는 광선분리기(beam splitter)로서 브랜칭 필터를 나타낸다. 그것은 금속튜브로 덮인 광학섬유일단 101로부터 발산된 광을 광컨넥터 102를 통하여 두 스펙트럼군으로 분산된다.
두 스펙트럼군중의 하나의 스펙트럼광은 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터 105로 발산되고 다른 스펙트럼광은 웨이브밴드 셀렉티브필터 106에 발산된다.
협소한 밴드웨이브 셀렉태브필터 105는 제8도에 나타난 것과 같으나, 그것은 InGaAs 포토다이오드 107에 1.55±0.025㎛ 파장의 협소밴드광을 전도한다.
웨이브밴드 셀렉티브필터 106은 칼라글래스의 웨이브셀렉티브필터에 의해 구성되는데, 예를 들면, Si 포토다이오드 108에 0.7∼1.1㎛까지의 범위의 파장의 밴드광을 전도한다.
참조번호 109,110은 각각 포토다이오드 107,108의 탐지시그널을 수용하기 위한 온도변환기이다.
온도변환기 109는 InGaAs 포토다이오드 107에 파장 1.55±0.025㎛에서 스펙트럼광을 수용, 탐지하며 발생시키는 탐지시그널의 기초위에 온도변환을 수행한다.
그리고 지시온도 Ta를 발생한다. 비슷한 방법에서, 온도변환기 110은 Si 포토다이오드 108이 파장범위 0.7∼1.1㎛에서 스펙트럼광을 수용하고 탐지할 때 발생된 탐지시그널에 기초한 온도변환을 수행함에 의해 지시온도 Tb를 발생한다.
이 본보기에서, 온도변환기 109,110은 온도변환방정식으로서 일정스펙트럼광을 변환하기 전에 기술된 방정식(26)을 사용하고, 그리고 각각 특정상수 Aa, Ba, Ca, Ab, Bb, Cb를 사용한다.
InGaAs 포토다이오드 107과 온도변환기 109는 No.1 모노크롬 복사온도계를 구성하고, Si 포토다이오드 108과 온도변환기 110은 No.2 모노크롬 복사온도계를 이룬다.
참조번호 111은 계산부를 나타내는데, 그것은 No.1, No.2 복사온도계로부터 발생된 지시온도값 Ta, Tb로부터 광학섬유길이의 효과를 제거하기 위해 교정방정식을 통하여 참온도 T를 계산한다.
계산부 111은 방정식(41)(44) 또는 (46)의 어느 하나를 사용하여 계산을 수행한다. 계산부 111이 디지탈시그날프로세서(DSP) 또는 중앙처리장치(CPU)로 구성되고, 그것이 디지탈 계산을 수행할 때 방정식(44)의 계산은 오직 입력자료가 디지탈시그널로 변환될 까지 용이해 진다.
또한 계산부가 아나로그계산기로 이루어질 때, 방정식(46)은 방정식(46)이 선행근사방정식으로 쉽게 계산이 된다.
적정계산방정식은 정확도, 계산시간, 가격 등을 고려해 선택되어야 한다. 방정식(44)가 계산부 11에 대한 계산방정식으로 채택되는 경우에, 참온도 T는 방정식(44)로부터 결정되는데 방정식(44)는 다음의 것들을 이용한다.
No.1, No.2 복사온도계에 특정한 온도 변환을 위한 두상수 Aa, Ba와 Ab, Bb, 각 광수용 탐지웨이브밴드에서의 광학섬유전도손실 Da, Db, 각 복사온도계에서 발생된 두개의 지시온도 Ta, Tb.
제11도는 계산부 111이 교정계산방정식(44)를 사용하는 제10도의 소모형 광학섬유온도계의 관찰결과를 보여준다.
제11도의 실선은 제10도의 구조를 가지고 방정식(44)에 의해 교정에 적용된 InGaAs 포토다이오드와 Si 포토다이오드를 사용하여 작성되었다.
제11도의 파선은 양 파장을 위한 Si 포토다이오드를 사용하고 방정식(44)에 의해 교정이 적용된 것을 비교하여 작성되었다. 제11도의 실선에서, 심지어 2km의 섬유소모가 일어났고, 교정 후 오차는 1.5℃ 정도로 작았고, 실선은 매우 정확한 측정이 파선과 비교할 때 가능하다는 것을 나타낸다.
방정식(46)이 계산부 11에 대한 교정방정식으로서 채택되는 경우에, 참온도 T는 No.1, No.2 복사온도계에 특정한 온도변환을 위한 두 상수 Aa, Ba, Ab, Bb, 각 광수용 탐지웨이브밴드에서의 광학섬유전도손실 Da, Db, 각 복사온도계에서 발생된 두 지시온도 Ta, Tb, 그리고 두 지시값에 근사값 Ta', Tb'를 사용하는 방정식(46)으로부터 결정된다.
방정식(46)이 선형이므로, 아나로그회로를 구성하는 단순한 계산부 11에 적용된다. 제12도는 계산부 111이 교정계산방정식(46)을 사용하는 제10도의 소모형 광학섬유의 관찰 결과이다.
제12도의 실선은 제10도의 구조를 가지면서 방정식(46)에 의해 교정이 된 InGaAs 포토다이오드와 Si 포토다이오드를 사용하여 작성되었다.
제12도의 파선은 양 파장을 위한 Si 포토다이오드를 사용하고 방정식(46)에 의해 교정된 것을 비교하기 위해 작성되었다.
제12도의 실선에서, 심지어 1km의 섬유소모가 일어나도, 오차는 교정 후 ±2℃만큼 작다. 이 경우는 근사 계산을 사용하므로 정확도는 제11도의 실선의 경우보다 낮다.
그럼에도 불구하고 실선의 경우는 파선의 경우보다 우수하다. 그리고 전자는 섬유소모 100m에서 오차가 약 0.2℃를 보여주어 실제적 사용에 충분한 정확성을 보여준다.
제10도에서 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터 105의 특성은 중심파장 1.55㎛와 보기로서 ±0.025㎛안의 전도밴드너비이다.
그러나 본 발명은 그 특성에 한정되지 않는다. 중심파장은 OH군의 흡수밴드인 1.4㎛를 피할 필요가 있다.
파장은 1.55㎛의 근처일 수 있고, 만약 웨이브밴드가 연속단계에서 온도로 변환하기 위해 광수용 탐지장치로 필요한 탐지시그날을 제공한다면 긴 파장측을 향해 1.55㎛로부터 이동될 수도 있다.
전도밴드너비는 예로 중심파장으로부터 ±0.1㎛ 정도 넓어질 수 있다. 만약 탐지광 양이 S/N 비의 감소를 동반하지 않고 증가한다면, 전도밴드너비의 확장은 수용가능하다.
위에 기술한 바처럼, 본 발명에 따르면, 소모형 광학섬유온도계는 광학섬유의 일단부에서 고온표적으로부터 발산된 복사광을 수용하고 수용된 복사광을 그곳을 통하여 전도하여 광학섬유의 타단부로부터 복사광을 수용하고 탐지하여 온도로 변환시키는 복사온도계를 사용하여 고온표적의 온도를 결정한다.
그리고 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터는 광학섬유의 타단부로부터 발산된 광에서 중심파장 1.55㎛ 또는 그 근처를 가지는 오직 협소한 밴드스펙트럼광의 전도를 허용하기 위해 그리고 전도된 광을 복사온도계가 수용하고 탐지하게 하기 위해 제공된다.
그 결과, 표적의 온도가 1500℃ 근처인 경우에, 온도오차는 광학섬유소모의 100m내에서 2∼℃가 된다.
따라서, 만약 광학섬유가 매 100m의 소모마다 새로운 표준길이로 대체된다면, 긴 기간의 계속적 측정이 복사온도계의 지시온도에 교정계산을 적용하지 않고 위에 기술한 정확도에서 얻어진다.
본 발명에 따라, 협소한 밴드웨이브 셀렉티브필터는 중심파장에 ±0.1㎛ 범위에서 전도밴드를 갖는다.
그러므로, 1.4㎛ 근처에서 OH군의 흡수밴드의 효과가 나타나지 않고, 복사온도계는 단일스펙트럼을 취급하는 빈 근사방정식을 사용할 수 있다.
본 발명에 따라, 복사온도계는 광수용탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고 구비된다. 탐지장치가 InGaAs 포토다이오드로 사용되므로 심지어 탐지된 광의 양이 협소밴드웨이브 셀렉티브필터를 통과함에 의해 감소될 때, 광은 다크커런트(dark-current)에서 혼합되지 않고, 광의 양을 적합한 S/N비에서 탐지하게 허용한다.
본 발명에 따라, 소모형 광학섬유온도계는 광학섬유의 일단에서 고온표적으로부터 발산된 복사광을 수용, 광을 그곳을 통해 전도, 타단부로부터 발산된 광을 수용하고 탐지하여 고온표적의 참온도를 결정한다.
광학섬유의 타단부로부터 발산된 광이 두 스펙트럼군으로 분산되고, 그룹의 각각이 제1복사온도계 및 제2복사온도계에 전도되며, 거기서 제1복사온도계는 도입된 광의 중심파장이 1.55㎛ 또는 그 근처에 이르게 하거나, 전도밴드너비를 중심파장에 ±0.1㎛ 범위안에 되게 만들고 광을 온도로 변환하는 협소밴드웨이브 셀렉티브필터를 거쳐 광을 수용하고 탐지한다.
제2복사온도계는 제1복사온도계에 의해 수용되고 탐지된 웨이브밴드와 상이한 웨이브밴드를 가지는 광을 전도하고 탐지된 광을 온도로 변환시키는 웨이브밴드 셀렉티브필터를 거쳐 도입된 광을 수용하고 탐지한다.
계산수단은 온도변환을 위한 상수를 이용하여 특정방정식에 기준한 고온표적의 참온도를 계산한다. 그리고 그 상수는 제1,제2복사온도계에 각각 특정한 것이고, 광수용-탐지웨이브밴드의 각 범위내에 광학섬유의 전도손실정보를 사용하고, 각 복사온도계의 각각으로부터 발생된 온도변환후에 지시온도를 사용한다.
그 배열은 감소된 섬유길이의 영향을 제거할 수 있게 하며, 그 영향은 종래의 소모형 광학섬유온도계의 가장 심각한 문제이다. 그리고 용융금속같은 것을 계속적으로 매우 정확하게, 매우 높은 반응 속도로, 매우 저가로 고온표적의 온도를 결정할 수 있게 한다.
특히, 약 1km의 긴 섬유의 사용이 가능하게끔 경제의 향상과, 계산량의 감소에 의해 유지능력이 향상되므로, 응용분야는 급격히 넓다.
예를 들어, 제철과정에서 컨버터, 전기노, 용융노, 연속주조에서의 턴디쉬에서 온도조절의 현저하고 향상된 정확도를 보여준다.
본 발명에 따라, 제1복사온도계는 광을 수용하고 탐지하는 광수용 탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드가 구비되며, 제2복사온도계는 광을 수용하고 탐지하는 광수용탐지장치로서 Si 포토다이오드가 구비된다.
그러므로, 이들 두 수용탐지장치의 모두는 바람직한 S/N 비율로 입사각의 수용과 탐지를 행하며 반면 Ge 포토다이오드보다 소음이 덜하고 심지어 작은 양의 입사광에서 조차 다크커런트(dark current)와 혼합되지 않는다.

Claims (27)

  1. 고온 액체로부터 발산된 광을 소모형 광학섬유의 일단에서 수광하고, 상기 수광된 광이 소모형 광학섬유를 통해 상기 소모형 광학섬유의 타단으로 전도되는 단계와; 수광된 광을 브랜칭 필터를 통해 2개의 광선으로 나누는 단계와; 제1복사온도계로 2개의 광선중 제1광선에서 제1웨이브밴드의 광을 검파하는 단계와; 제1온도를 출력하기 위해 제1웨이브밴드의 광을 온도로 변환하는 단계와; 제2복사온도계로 2개의 광선중 제2광선에서 상기 제1웨이브밴드와 다른 제2웨이브밴드의 광을 검파하는 단계와; 제2온도를 출력하기 위해 제2웨이브밴드의 광을 온도로 변환하는 단계와; 제1복사온도계의 2개의 고유한 제1온도변환 상수와, 제1복사온도계에 관한 제1웨이브밴드에서의 제1전도손실지수와, 제1복사온도계에서 출력된 제1온도를 사용하여 참온도를 계산하고, 그리고 제2복사온도계의 2개의 고유한 제2온도변환 상수와, 제2복사온도계에 관한 제2웨이브밴드에서의 제2전도손실지수와 제2복사온도계에서 출력된 제2온도를 사용하여 참온도를 계산하는 단계를 구비하는 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 참온도는 다음의 방정식을 사용하여 계산하는 온도측정방법.
    여기서,
  3. 청구항 제1항에 있어서, 상기 참온도는 다음의 방정식을 사용하여 계산하는 온도측정방법.
    여기서,
  4. 청구항 제1항에 있어서, 상기 광학섬유로서는 통신용 석영섬유를 사용함을 특징으로 하는 소모형 광학섬유를 이용한 온도측정방법.
  5. 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용한 후 그곳에서 타단부로 광을 전도하는 소모형 광학섬유; 수용광을 두개의 광선으로 분리하는 브랜칭 필터; 두 광선중의 제1광선으로부터 제1웨이브밴드의 광을 탐지하고, 제1웨이브밴드의 광을 온도로 변환하여 제1온도를 출력하는 제1복사온도계; 두 광선중의 제2광선으로부터 제1웨이브밴드와는 다른 제2웨이브밴드의 광을 탐지하고, 제2웨이브밴드의 광을 온도로 변환하여 제2온도를 출력하는 제2복사온도계; 제1복사온도계에 고유한 첫 번째 두 온도변환 상수, 제1복사온도계에 의한 제1웨이브밴드에서의 제1전도손실지수, 제1복사온도계로부터 출력된 제1온도를 사용하여, 또한 제2복사온도계에 고유한 두 번째 두 온도변환 상수, 제2복사온도계에 의한 제2웨이브밴드에서의 제2전도손실지수, 제2복사온도계로부터 출력된 제2온도를 사용하여 참온도를 계산하기 위한 계산수단을 구비하는 소모형 광학섬유를 이용하는 온도측정기구.
  6. 청구항 제5항에 있어서, 상기 계산수단은 다음 방정식을 사용하여 참온도를 계산하는 온도측정기구.
    여기서,
  7. 청구항 제5항에 있어서, 상기 계산수단은 다음의 방정식을 이용하여 참온도를 계산하는 온도측정기구.
    여기서,
  8. 청구항 제5항에 있어서, 상기 광학섬유는 통신용 석영섬유인 온도측정기구.
  9. 다음의 단계로 이루어진 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법 : 소모형 광학섬유의 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용하고, 수용광을 소모형 광학섬유의 다른쪽 단부로 소모형 광학섬유를 통하여 전도하는 단계; 수용광을 브랜칭 필터를 통해 두 광선으로 분리하는 단계; 파장λa인 협소한 밴드광을 통과할 수 있게 제1웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제1광선을 여과하는 제1여과단계; 제1복사온도계에 의해 파장λa인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하는 제1탐지단계; 파장λa인 협소한 밴드광을 온도로 변환시켜 온도Ta를 출력하는 제1변환단계; 파장λb인 협소한 밴드광을 통과할 수 있게 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제2광선을 여과하는 제2광선을 여과하는 제2여과단계; 제2복사온도계에 의해 파장λb인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하는 제2탐지단계; 파장λb인 협소한 밴드광을 온도로 변환시켜 온도Tb를 출력하는 제2변환단계; 다음의 방정식을 이용한 참온도의 계산단계;
    여기서,
  10. 청구항 제9항에 있어서, 상기 광학섬유로서는 통신용 석영섬유를 사용함을 특징으로 하는 온도측정방법.
  11. 다음을 구비하는 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정용 기구. 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용한 후 타단부로 광을 전도하는 소모형 광학섬유; 수용광을 두개의 광선으로 분리하는 브랜칭필터; 파장λa인 협소한 밴드광을 통과하기 위해 두개의 광선중의 제1광선을 여과하기 위한 제1웨이브셀렉티브필터; 파장λa인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하며, 파장λa인 협소한 밴드광을 온도로 변환시켜서 온도Ta를 출력하는 제1복사온도계; 파장λb인 협소한 밴드광을 통과할 수 있게 두 광선중의 제2광선을 여과하기 위한 제2웨이브셀렉티브필터, 파장λb인 협소한 밴드광을 수용하고 탐지하며, 파장λb인 협소한 밴드광을 온도로 변환시켜서 온도Tb를 출력하는 제2복사온도계; 다음의 방정식을 이용한 참온도(T)의 계산수단 :
    여기서,
  12. 청구항 제9항에 있어서, 상기 광학섬유는 통신용 석영섬유인 온도측정기구.
  13. 다음의 단계로 구성되는 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법: 소모형 광학섬유의 일단부에서 고온의 액체에서 발산되는 광을 수용하고, 수용광을 소모형 광학섬유를 통해 그 섬유의 타단부로 전도하는 단계; 웨이브세렉티브필터에 의해 기지정된 중심파장을 갖는 협소한 밴드스펙트럼광만을 통과시키기 위해 수용된 광을 여과하는 단계; 그리고 복사온도계에 의해 협소한 밴드스펙트럼광을 온도로 변환하는 단계.
  14. 청구항 제13항에 있어서, 상기 중심파장은 1.55㎛인 온도측정방법.
  15. 청구항 제13항에 있어서, 상기 웨이브셀렉티브필터는 중심파장의 ±0.1㎛의 범위안에 전도밴드를 가지고 있는 온도측정방법.
  16. 청구항 제13항에 있어서, 상기 복사온도계로서는 광수용 및 탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고 있는 것을 사용함을 특징으로 하는 온도측정방법.
  17. 다음 것들로 이루어진 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정용 기구: 일단부에서 고온의 액체로부터 발산된 광을 수용하고 타단부로 광을 전도하는 소모형 광학섬유; 기지정된 중심파장을 갖는 협소한 밴드스펙트럼광만을 통과하기 위해 수용광을 여과하는 웨이브셀렉티브필터; 그리고 협소한 밴드스펙트럼광을 탐지하고 스펙트럼광을 온도로 변환시키는 복사온도계.
  18. 청구항 제17항에 있어서, 상기 중심파장은 1.55㎛인 온도측정기구.
  19. 청구항 제17항에 있어서, 상기 웨이브셀렉티브필터는 중심파장의 ±0.1㎛의 범위안에 전도밴드를 가지고 있는 온도측정기구.
  20. 청구항 제17항에 있어서, 상기 복사온도계는 광수용 및 탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고 있는 온도측정기구.
  21. 다음의 단계로 이루어진 소모형 광학섬유를 사용하는 온도측정방법 : 소모형 광학섬유의 일단부에서 고온액체로부터 발산된 광을 수용하고, 수용광을 소모형 광학섬유를 통해 소모형 광학섬유의 타단부로 전도하는 단계; 수용광을 브랜칭필터를 통해 두개의 광선으로 분리하는 단계; 기지정된 중심파장과 웨이브밴드를 가지는 제1스펙트럼광만을 통과시키기 위해 제1웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제1광선을 여과하는 제1여과단계; 제1복사온도계에 의해 스펙트럼광을 탐지하고 탐지된 스펙트럼광을 온도로 변환시켜서 온도Ta를 출력하는 제1탐지단계; 기지정된 중심파장과 웨이브밴드를 가지는 제2스펙트럼광만을 유일하게 통과시키기 위해 제2웨이브셀렉티브필터에 의해 두 광선중의 제2광선을 여과하는 제2여과단계; 제2복사온도계에 의해 스펙트럼광을 탐지하고 탐지된 스펙트럼광을 온도로 변환시켜서 온도Tb를 출력하는 제2탐지단계; 제1복사온도계와 제2복사온도계에 고유한 온도변환상수, 제1스펙트럼광과 제2스펙트럼광에 관한 광학섬유의 전도손실지수, 온도Ta,Tb를 사용하는 참온도T의 계산단계.
  22. 청구항 제21항에 있어서, 상기 제1중심파장은 1.55㎛의 중심파장과 1.55±0.1㎛의 밴드를 가진 온도측정방법.
  23. 청구항 제21항에 있어서, 상기 제1스펙트럼광은 중심파장이 1.55㎛ 근처이고, 중심파장의 ±0.1㎛의 밴드를 가진 온도측정방법.
  24. 청구항 제21항에 있어서, 상기 제1복사온도계로서는 광수용 및 탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고 있는 것을 사용하고, 상기 제2복사온도계로서는 광수용 및 탐지장치로서 Si 포토다이오드를 가지고 있는 것을 사용함을 특징으로 하는 온도측정방법.
  25. 고온액체로부터 발산된 광을 일단부에서 수광하여 그 광을 타단부로 전도하는 소모형 광학섬유와; 수광된 광을 2개의 광선으로 나누는 브랜칭 필터와; 미리 설정된 중심파장 및 웨이브 밴드를 갖는 제1스펙트럼광만을 통과시키기 위해 2개의 광선중 제1광선을 여과하는 제1웨이브 셀렉티브필터와; 온도Ta를 출력하기 위해 제1스펙트럼광의 웨이브 밴드와 다른 웨이브 밴드를 갖는 제2스펙트럼광을 통과시키기 위해 2개의 광선중 제2광선을 여과하는 제2웨이브 셀렉티브필터와; 온도Tb를 출력하기 위해 제2스펙트럼광을 수광 및 검파하여 제2스펙트럼광을 온도로 변환하는 제2복사온도계와; 제1복사온도계 및 제1복사온도계의 고유한 온도변환상수와, 제1스펙트럼광 및 제2스펙트럼광에 관한 광학섬유의 전도손실정보와, 온도Ta및 온도Tb를 사용하여 참온도T를 계산하는 수단을 구비하는 소모형 광학섬유를 이용한 온도측정장치.
  26. 청구항 제25항에 있어서, 상기 제1스펙트럼광은 중심파장이 1.55㎛와 1.55±0.1㎛의 밴드를 가지는 온도측정장치.
  27. 청구항 제25항에 있어서, 상기 제1복사온도계는 광수용 및 탐지장치로서 InGaAs 포토다이오드를 가지고, 상기 제2복사온도계는 광수용 및 탐지장치로서 Si 포토다이오드를 가지는 온도측정장치.
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