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기획특집 <특집: 활약하는 적외선 계측> 2-color(Ratio) 비접촉식 적외선 온도계의 원리와 적용사례 소개

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작성자 댓글 0건 조회 453회 작성일 22-07-01 13:49

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그림 1. 투컬러 온도계의 측정원리: 오른쪽 수식에 있는 ‘온도측정에 악영향을 주는 인자들’은 측정시야를 가리는 

장애물, 수증기, 분진 등의 악영향을 예로 들 수 있다. 



자연계의 모든 물체는 절대온도 K(-273.16℃) 이상에서 적외선 에너지를 방사한다.


비접촉식 적외선 온도계(Non-contact Infrared Thermometer)는 물체표면에서 방사된 열(熱), 즉, 적외선 에너지를 적외선센서로 받아들인 후 이를 측정 가능한 전기적인 신호로 바꿔서 디스플레이 상에 측정된 온도값을 나타낸다.


이런 원리로 인해 비접촉식 적외선 온도계는 측정되는 물체와 직접 접촉하지 않고도 온도를 측정함으로써 여러 산업현장에서 다양한 공정 감시 및 관리를 신속하고 효과적으로 할 수 있다. 따라서 효율적인 공정가동과 최적의 생산조건을 이룰 수 있다. 


2-Color 적외선온도계는 Ratio(비율) 온도계라고도 하며 일반적인 적외선 온도계와 접촉식 온도계로는 온도측정이 어렵거나 좁은 시야, 반사가 많은 재질의 물체를 측정하는데 적용이 많이 되는 제품이다. two-color 적외선 온도계(이하 ‘투컬러 온도계’로 표기)의 원리와 대표적인 적용사례들에 대한 내용을 설명하고자 한다.


투컬러 온도계의 측정원리와 장점

(1) 투컬러 온도계의 측정원리

투컬러 온도계는 근소한 차이의 각기 다른 파장영역대(例. 1.0μm와 1.6μm)를 갖는 두 개의 detector들이 각각 감지한 열에너지를 비율로써 계산하여 측정온도값을 산출한다. 투컬러 온도계에 내장되는 detector는 대부분 단원소반도체인 Si/Si-Layered Detector이나 III-V족 3종화합물반도체인 InGaAs가 이용된다.


<그림 1>과 같이 투컬러 온도계는 각기 다른 파장영역대를 가진 두 개의 detector에 의해 측정된 두 시그널값들을 비교, 측정온도값을 산출함으로써 일반센서들(one-color sensor)에 비해 측정물체의 방사율 변화에 대하여 훨씬 정확한 장점이 있다. 투컬러 온도계는 두 개의 detector가 내장되어있기 때문에 구조상 두 개의 optical channel과 두 개의 electrical channel로 구성되어 있다. 투컬러 센서의 각각의 두 detector가 받아들이는 시그널을 S1, S2라고 하고 각 detector의 두 반응파장대에 따른 두 방사율값을 ε1, ε2라고 하면 투컬러 센서가 측정하는 온도값은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 


T = B/[A + ln(ε1/ε2) - ln(S1/S2)]

A, B : 측정시 결정되는 constants

T : 측정온도값


위에서 보듯이 측정온도값은 두 시그널의 比(S1/S2)와 두 방사율의 比(ε1/ε2)에 의해 결정되므로 측정온도값은 실제 방사율값변화(예. 표면분포에 따라서 합금성분이 다른 금속, 반사가 심한 금속 등)에 대해 덜 민감하다.


(2) 투컬러 온도계의 장점

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그림 2. 투컬러 온도계로 극복할 수 있는 악조건들 ; 투컬러 온도계를 사용해야만 극복할 수 있는 악조건들을 보여준다. 일반적인 적외선 온도계(one-color 온도계)로는 정확한 측정이 불가능한 조건들이다. 




앞서 언급한 측정원리로 인해 투컬러 센서는 다음과 같은 장점들이 있다.

· 만일 측정물체가 장애물에 의해 측정할 부분이 부분적으로 가려져도(간헐적, 또는 영구적으로 가려질 때) 정확하게 온도를 측정한다. 측정부분이 가려질 때 두 detector가 받은 시그널 S1, S2는 같은 비율로 감소를 하기 때문에 S1/S2는 센서의 측정시야가 장애를 받아도 같은 값을 유지한다.

·  대기 중의 연기, 분진, 입자가 큰 먼지 등에 의해 측정물체가 가려져도 정확하게 측정을 한다.

·  센서의 렌즈에 이물질이 쌓여도 정확한 측정을 한다.

·  센서의 측정사이즈보다 측정할 물체가 작아도(예. wire, etc) 정확한 온도측정을 한다; 이 경우, 측정물체의 주변의 온도를 무시하고 측정물체만의 온도를 측정한다.

·  측정하는 동안 물체의 방사율(emissivity)이 변하는 경우, 또는 표면분포에 따라 합금성분이 다른 금속표면(例. 알루미늄합금의 용탕)의 경우에도 정확한 온도측정을 한다.


추가적으로 투컬러 온도계는 다음과 같은 경우들에도 적용된다.

·  방출한 에너지를 감소시킬 수 있는 물체나 환경(grill, screen, channels, small opening) 을 통해서 측정할 때 

·  윈도우 물질(例. sapphire, 강화유리)을 투과하여 측정을 할 때, 먼지나 습기 등의 윈도우 표면 위에 축적으로 인하여 예견하지 못한 윈도우 투과율의 변화가 있을 때

·  센서가 렌즈 표면 위에 쌓이는 먼지나 습기들에 영향을 받을 때 

·  측정물체가 측정시계보다 작을 때, 또는 측정물체가 센서의 측정시야 안에서 움직일 때는 방출되는 에너지는 감소한다. 그러나 투컬러 온도계로 측정할 경우, 감지되는 에너지의 비율은 변하지 않기 때문에 2-color 센서가 측정하는 온도값은 여전히 정확하다. 다음의 두 가지 예들은 측정물체가 측정시계보다 작을 때 2-color 센서가 사용되는 대표적인 경우이다.

· 전선이나 막대기 형태의 물체를 측정: 측정시계보다 작거나, 또는 측정물체가 측정시계 안에서 예측하지 못한 움직임이나 진동이 있을 수 있다. 

·  흐르고 있는 용융된 유리: 측정시계보다 작거나 1-color 센서로는 일관된 측정을 할 수 없다.


Dirty Window Alarm 기능; Energy Attenuation의 report

투컬러 온도계는 센서가 감지하는 적외선 에너지의 감쇠(減衰, attenuation)를 사용자에게 알리는 ‘Dirty Window Alarm 기능’이 있다. 앞서 설명한 예를 들면, 투컬러 온도계는 측정물체가 장애물에 의해 측정할 부분이 95%가 가려지고(간헐적, 또는 영구적으로 가려질 때) 측정 부분의 5%만 시야가 확보되도 정확하게 온도를 측정하는데 이 ‘전체측정면적(100%) 중 측정할 부분이 가려지는 비율(?%)’을 바로 Energy Attenuation이라고 할 수 있다. 


따라서 Energy Attenuation 값이 0~94%일 때 정상적인 온도측정상태에 해당된다. 투컬러 온도계의 전용소프트웨어는 이 Energy Attenuation을 실시간으로 알 수 있게 함으로써 사용자는 현재측정온도값 또는 저장된 측정온도값의 신뢰도를 파악할 수 있다. 만약 Energy Attenuation이 계속 증가하다가 95%에 도달했다면 사용자는 현장에서 측정물체의 시야를 가리는 장애물을 제거하거나 센서헤드의 렌즈부분을 청결하게 하면 Energy Attenuation을 정상적인 상태로 복귀시킬 수 있을 것이다. 물론, 사용자의 공정이나 측정환경에 따라서 차이는 있겠지만 대부분의 온도측정상태에서는 Energy Attenuation이 90% 미만일 것이다. Dirty Window Alarm 기능은 U.S. Patent No. 5,815,410을 갖고 있다.


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그림 3. 측정온도범위가 700~1800℃인 투컬러 온도계의 온도범위에 따른 허용될 수 있는 Energy Attenuation이다; 측정온도값이 950℃이상부터 허용될 수 있는 Energy Attenuation의 percentage는 95%로 높아진다.





..(후략) 


지구무역상사

본 기사는 2022년  7월호에 게재되었습니다. 

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