온도 측정은 접촉식과 비접촉식 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 실제로 열전대(thermocouple)와 Pt 100 센서는 첫 번째 범주에서 가장 널리 사용되는 대표적 장치입니다. 이들은 측정 대상과 접촉해야 하며, 기본적으로 대상과 동일한 온도를 측정합니다. 이로 인해 상대적으로 느린 응답 특성을 보입니다. 비접촉식 센서는 물체가 방출하는 적외선(IR) 에너지를 측정하며, 응답 시간이 빠르고 움직이는 물체나 진공 상태에 있거나 다른 이유로 접근이 불가능한 물체를 측정하는 데 자주 사용됩니다.
적외선 온도계 또는 고온계는 연구 및 산업 분야에서 널리 사용되는 고도로 발전된 센서입니다. 이 글은 이 측정 원리의 기반이 되는 이론과, 잠재적 사용자가 직면하는 다양한 응용 분야별 매개 변수를 처리하는 데 이 이론이 어떻게 도움이 될 수 있는지 이해하기 쉽게 설명합니다.
적외선 온도 측정의 기본
소개
Abb. 1 전자기 스펙트럼
이론 및 기본 사항
적외선은 1666년 아이작 뉴턴 경이 프리즘을 통해 햇빛을 통과시켜 무지개 색으로 분리하면서 발견했습니다. 1880년 윌리엄 허셜 경은 개별 색의 상대 에너지를 결정함으로써 다음 단계로 나아갔습니다. 그는 또한 가시 스펙트럼 너머의 에너지도 발견했습니다. 1900년대 초에는 플랑크, 슈테판, 볼츠만, 빈, 키르히호프가 전자기 스펙트럼의 활동을 더욱 정의하고 적외선 에너지를 설명하는 정량적 데이터와 방정식을 확립했습니다.
적외선 온도계는 절대 영도(0° 켈빈) 이상의 온도를 가진 모든 물질과 물체에서 방출되는 적외선을 측정하여 온도를 측정합니다. 가장 간단한 설계에서는 렌즈가 적외선 에너지를 감지기에 초점을 맞추고, 감지기는 이 에너지를 전기 신호로 변환합니다. 주변 온도를 보정한 후 이 신호를 표시할 수 있습니다. 이 구성을 사용하면 측정 대상과 접촉하지 않고 일정 거리에서 온도를 측정할 수 있습니다. 따라서 적외선 온도계는 열전대나 다른 센서를 사용할 수 없거나 부정확한 결과를 제공할 수 있는 측정 작업에 적합합니다. 대표적인 예로는 움직이는 물체나 아주 작은 물체, 살아있는 부품 또는 독성이 강한 화학물질의 측정, 강한 전자기장에서의 측정, 진공 또는 기타 밀폐된 환경에서의 물체 측정, 빠른 응답 시간이 필요한 애플리케이션 등이 있습니다.
적외선 온도계의 최초 설계는 19세기부터 존재해 왔습니다. 1911년에 출판된 Charles A. Darling의 저서 "Pyrometry"에서 몇 가지 개념이 소개되었습니다.
이러한 개념을 실용화할 수 있는 기술이 나오기까지는 1930년까지 시간이 걸렸습니다. 그 이후로 이러한 기기는 지속적으로 발전해 왔으며, 그 과정에서 광범위한 지식과 응용 경험이 축적되었습니다. 오늘날 이 개념은 표준 측정 방법으로 자리 잡았으며 산업 및 연구 분야에서 사용되고 있습니다.
적외선 온도계는 절대 영도(0° 켈빈) 이상의 온도를 가진 모든 물질과 물체에서 방출되는 적외선을 측정하여 온도를 측정합니다. 가장 간단한 설계에서는 렌즈가 적외선 에너지를 감지기에 초점을 맞추고, 감지기는 이 에너지를 전기 신호로 변환합니다. 주변 온도를 보정한 후 이 신호를 표시할 수 있습니다. 이 구성을 사용하면 측정 대상과 접촉하지 않고 일정 거리에서 온도를 측정할 수 있습니다. 따라서 적외선 온도계는 열전대나 다른 센서를 사용할 수 없거나 부정확한 결과를 제공할 수 있는 측정 작업에 적합합니다. 대표적인 예로는 움직이는 물체나 아주 작은 물체, 살아있는 부품 또는 독성이 강한 화학물질의 측정, 강한 전자기장에서의 측정, 진공 또는 기타 밀폐된 환경에서의 물체 측정, 빠른 응답 시간이 필요한 애플리케이션 등이 있습니다.
적외선 온도계의 최초 설계는 19세기부터 존재해 왔습니다. 1911년에 출판된 Charles A. Darling의 저서 "Pyrometry"에서 몇 가지 개념이 소개되었습니다.
이러한 개념을 실용화할 수 있는 기술이 나오기까지는 1930년까지 시간이 걸렸습니다. 그 이후로 이러한 기기는 지속적으로 발전해 왔으며, 그 과정에서 광범위한 지식과 응용 경험이 축적되었습니다. 오늘날 이 개념은 표준 측정 방법으로 자리 잡았으며 산업 및 연구 분야에서 사용되고 있습니다.
측정 원리
이미 언급했듯이 0°C 이상의 온도를 가진 모든 물체는 적외선을 방출합니다. 적외선은 가시광선과 전파 사이에 있는 전자기 스펙트럼의 일부입니다. 적외선 방사선의 파장은 그림 1과 같이 0.7µm에서 1000µm에 이릅니다. 그러나 실제로는 이 주파수 범위에서 0.7~20 µm의 파장만 온도 측정에 적합합니다. 현재 20µm 파장 이상에서 방출되는 소량의 에너지를 측정할 수 있을 만큼 감도가 높은 감지기는 없습니다. 에너지가 온도의 4승에 비례하여 증가합니다.
곡선(그림 2)은 700K~1300K의 온도 범위에서 흑체가 방출하는 에너지를 나타냅니다. 그림에서 볼 수 있듯이 대부분 가시광선 범위를 벗어나는 적외선 복사는 사람의 눈으로는 감지할 수 없지만, 작동 원리와 애플리케이션에서 발생하는 문제를 이해하려면 이 복사를 가시광선으로 생각하면 도움이 됩니다.
많은 측면에서 적외선 복사는 실제로 가시광선처럼 작동합니다. 적외선 방사선은 방사선 발생원으로부터 직선으로 이동하며 빔 경로에 있는 물체에 의해 반사되거나 흡수될 수 있습니다. 사람의 눈에는 투명하지 않은 대부분의 물체에서 적외선 방사선은 부분적으로 반사되고 부분적으로 흡수됩니다. 흡수된 에너지 중 일부는 내부에서 반사되고 일부는 다시 방출됩니다. 이는 유리, 가스, 얇은 투명 플라스틱 필름과 같이 사람의 눈에 투명한 물체에도 적용됩니다. 그러나 일부 방사선은 물체를 투과하기도 합니다. 그림 3은 이러한 과정을 보여줍니다. 이러한 과정을 모두 합쳐서 물체 또는 재료의 방출 계수라고 부르는 것에 기여합니다.
곡선(그림 2)은 700K~1300K의 온도 범위에서 흑체가 방출하는 에너지를 나타냅니다. 그림에서 볼 수 있듯이 대부분 가시광선 범위를 벗어나는 적외선 복사는 사람의 눈으로는 감지할 수 없지만, 작동 원리와 애플리케이션에서 발생하는 문제를 이해하려면 이 복사를 가시광선으로 생각하면 도움이 됩니다.
많은 측면에서 적외선 복사는 실제로 가시광선처럼 작동합니다. 적외선 방사선은 방사선 발생원으로부터 직선으로 이동하며 빔 경로에 있는 물체에 의해 반사되거나 흡수될 수 있습니다. 사람의 눈에는 투명하지 않은 대부분의 물체에서 적외선 방사선은 부분적으로 반사되고 부분적으로 흡수됩니다. 흡수된 에너지 중 일부는 내부에서 반사되고 일부는 다시 방출됩니다. 이는 유리, 가스, 얇은 투명 플라스틱 필름과 같이 사람의 눈에 투명한 물체에도 적용됩니다. 그러나 일부 방사선은 물체를 투과하기도 합니다. 그림 3은 이러한 과정을 보여줍니다. 이러한 과정을 모두 합쳐서 물체 또는 재료의 방출 계수라고 부르는 것에 기여합니다.
Abb. 2 흑체의 방사 속성
Abb. 3 열 교환 및 복사
가시광선과 마찬가지로 표면의 광택이 높을수록 더 많은 에너지를 반사합니다. 따라서 표면 마감도 방사율에 영향을 미칩니다. 온도를 측정할 때는 적외선 불투과성이고 방사율이 낮은 물체의 경우 특히 중요합니다. 광택이 나는 스테인리스 스틸로 만들어진 물체는 표면이 거친 동일한 물체보다 방사율이 현저히 낮습니다. 가공 후(예: 선삭 후) 거친 물체에는 작은 홈과 불규칙한 부분이 많아 공작물의 반사율이 크게 감소합니다.
에너지 보존 법칙에 따르면 투과, 반사 및 방출(흡수) IR 에너지 계수의 합은 1이어야 합니다.
σλ + αλ + τλ = 1
또한 방출 계수는 흡수 계수와 동일합니다:
ελ = αλ
다음이 적용됩니다:
ελ = 1 - σλ+ τλ
에너지 보존 법칙에 따르면 투과, 반사 및 방출(흡수) IR 에너지 계수의 합은 1이어야 합니다.
σλ + αλ + τλ = 1
또한 방출 계수는 흡수 계수와 동일합니다:
ελ = αλ
다음이 적용됩니다:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 블랙 바디, 그레이 바디, 컬러풀한 스포트라이트 비교
이 계수는 플랑크 방정식에서 파장에 대한 표면의 특성을 설명하는 변수로 사용할 수 있습니다. 불투명한 물체의 경우 방정식은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다:
ελ = 1 - σλ
적외선을 반사하지도 투과하지도 않는 물체를 흑체라고 합니다. 자연 흑체는 알려져 있지 않습니다. 이론적 목적과 다른 물체를 계산하기 위해 흑체의 방출 계수는 1.0입니다. 실제로는 작은 원통형 입구가 있는 적외선 불투과성 구를 사용하여 실제 흑체에 가장 근접한 근사치를 구할 수 있습니다. 이러한 물체의 내부 표면은 0.998의 방사율을 갖습니다.
방사율은 동일한 온도에서 회색체와 흑체가 방출하는 열 복사의 비율을 측정한 값입니다. 회색 물체는 모든 파장에서 동일한 방출 계수를 가지며 흑체보다 적외선을 적게 방출하는 물체입니다. 유색 복사체는 금속과 같이 파장에 따라 복사 계수가 변하는 물체입니다.
ελ = 1 - σλ
적외선을 반사하지도 투과하지도 않는 물체를 흑체라고 합니다. 자연 흑체는 알려져 있지 않습니다. 이론적 목적과 다른 물체를 계산하기 위해 흑체의 방출 계수는 1.0입니다. 실제로는 작은 원통형 입구가 있는 적외선 불투과성 구를 사용하여 실제 흑체에 가장 근접한 근사치를 구할 수 있습니다. 이러한 물체의 내부 표면은 0.998의 방사율을 갖습니다.
방사율은 동일한 온도에서 회색체와 흑체가 방출하는 열 복사의 비율을 측정한 값입니다. 회색 물체는 모든 파장에서 동일한 방출 계수를 가지며 흑체보다 적외선을 적게 방출하는 물체입니다. 유색 복사체는 금속과 같이 파장에 따라 복사 계수가 변하는 물체입니다.
재료에 따라 방출 계수도 다르기 때문에 주어진 온도에서 다른 강도의 적외선 복사를 방출합니다. 이는 일반적으로 페인트의 재질이 물체의 재질과 명확하게 다른 경우가 아니라면 색상의 영향이 아닙니다. 이러한 경우의 예로는 알루미늄 입자가 다량 함유된 금속 효과 페인트가 있습니다. 대부분의 페인트는 색상 톤에 관계없이 동일한 방출 계수를 갖습니다. 반면 알루미늄은 방출 계수가 매우 다르기 때문에 금속 효과 페인트의 방출 계수가 달라집니다.
물체의 구성과 표면 구조 외에도 세 번째 요소인 센서의 스펙트럼 범위가 방출 계수에 간접적인 영향을 미칩니다. 이는 물체에는 직접적인 영향을 미치지 않지만 센서가 물체가 방출하는 스펙트럼을 인식하는 방식에 영향을 줍니다.
유리, 플라스틱 또는 실리콘과 같이 부분적으로 투명한 재료는 해당 선택적 필터와 함께 범위에서 측정할 수 있습니다.
물체의 구성과 표면 구조 외에도 세 번째 요소인 센서의 스펙트럼 범위가 방출 계수에 간접적인 영향을 미칩니다. 이는 물체에는 직접적인 영향을 미치지 않지만 센서가 물체가 방출하는 스펙트럼을 인식하는 방식에 영향을 줍니다.
유리, 플라스틱 또는 실리콘과 같이 부분적으로 투명한 재료는 해당 선택적 필터와 함께 범위에서 측정할 수 있습니다.
Abb. 5 파장의 함수로서 다양한 재료의 방출 계수
이전 단락에서 방출 계수가 적외선 온도 측정에서 특히 중요한 매개 변수라는 것을 분명히 알 수 있었습니다. 측정 대상의 방출 계수를 정확히 알고 측정에 고려하지 않으면 측정된 값이 정확하지 않을 가능성이 매우 높습니다. 배출 계수를 결정하는 방법에는 기본적으로 두 가지가 있습니다. 표에서 배출 계수를 구하거나 비교 측정을 통해 배출 계수를 결정할 수 있습니다. 그러나 표의 데이터는 일반적으로 이상적인 실험실 조건에서 결정되기 때문에 특히 낮은 계수에서 큰 편차를 유발하는 환경적 영향은 고려되지 않습니다. 또한 표에는 기본 측정 온도와 측정 파장이 명시되어 있지 않습니다. 첫 번째 근사치로서 표 값은 확실히 매우 유용합니다. 비교 측정을 위해 열전대 또는 기타 온도 센서로 측정 대상을 측정한 후 적외선 온도계에서 방출 계수를 설정하여 동일한 온도를 표시하도록 합니다. 일반적으로 대부분의 불투명한 비금속 물질은 0.85~0.95의 높고 비교적 안정적인 방출 계수를 갖습니다. 대부분의 비산화 금속 재료의 경우 방출 계수는 0.2~0.5 범위이며, 금, 은 및 알루미늄은 이보다 더 낮은 방출 계수를 가지고 있습니다. 따라서 이러한 금속의 온도는 주변 복사의 반사 성분이 물체 복사와 같은 크기이거나 더 높기 때문에 적외선 온도계로 측정하기 어렵습니다.
재료의 방출 계수를 결정하는 것은 거의 항상 가능하지만, 재료가 일정한 방출 계수를 가지지 않고 온도에 따라 변하는 경우 문제가 발생합니다. 이는 대부분의 금속뿐만 아니라 실리콘이나 고순도 단결정 세라믹과 같은 일부 다른 재료에도 적용됩니다. 여기서 비교 측정 및 조정은 공정 임계 온도에서 수행해야 합니다.
온도 측정의 기반이 되는 방정식과 공식은 오랫동안 알려져 있고 입증되었습니다. 사용자가 적외선 온도계를 사용하는 일상적인 작업에서 이러한 공식을 사용할 필요는 거의 없을 것입니다. 그러나 이러한 기본 사항에 대한 지식이 있으면 특정 변수와 매개변수가 서로 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있습니다. 가장 중요한 공식을 요약하면 다음과 같습니다:
1. 키르히호프의 복사 법칙
주어진 온도 T와 파장 l에서 방사율 e는 흡수율
e = α
이로부터 실제 물체의 복사율 øλ은 같은 온도에서 흑체 øs에 물체의 방사율을 곱한 것과 같습니다
øλ = ε * øs
2. 스테판-볼츠만 법칙
물체의 온도 T가 클수록 주어진 방사율 ε와 방사 표면 A(k = 상수)에 대해 더 많은 복사 전력 P가 방출됩니다
P = k*ε*A*T4
3. 빈의 변위 법칙
에너지 복사의 최대가 위치하는 파장은 온도가 증가함에 따라 단파장 범위로 이동합니다.
λmax = 2.89 * 103 μmK/T
4. 플랑크 방정식
이 방정식은 파장, 온도 T 및 복사 전력 사이의 관계를 설명합니다.
재료의 방출 계수를 결정하는 것은 거의 항상 가능하지만, 재료가 일정한 방출 계수를 가지지 않고 온도에 따라 변하는 경우 문제가 발생합니다. 이는 대부분의 금속뿐만 아니라 실리콘이나 고순도 단결정 세라믹과 같은 일부 다른 재료에도 적용됩니다. 여기서 비교 측정 및 조정은 공정 임계 온도에서 수행해야 합니다.
온도 측정의 기반이 되는 방정식과 공식은 오랫동안 알려져 있고 입증되었습니다. 사용자가 적외선 온도계를 사용하는 일상적인 작업에서 이러한 공식을 사용할 필요는 거의 없을 것입니다. 그러나 이러한 기본 사항에 대한 지식이 있으면 특정 변수와 매개변수가 서로 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있습니다. 가장 중요한 공식을 요약하면 다음과 같습니다:
1. 키르히호프의 복사 법칙
주어진 온도 T와 파장 l에서 방사율 e는 흡수율
e = α
이로부터 실제 물체의 복사율 øλ은 같은 온도에서 흑체 øs에 물체의 방사율을 곱한 것과 같습니다
øλ = ε * øs
2. 스테판-볼츠만 법칙
물체의 온도 T가 클수록 주어진 방사율 ε와 방사 표면 A(k = 상수)에 대해 더 많은 복사 전력 P가 방출됩니다
P = k*ε*A*T4
3. 빈의 변위 법칙
에너지 복사의 최대가 위치하는 파장은 온도가 증가함에 따라 단파장 범위로 이동합니다.
λmax = 2.89 * 103 μmK/T
4. 플랑크 방정식
이 방정식은 파장, 온도 T 및 복사 전력 사이의 관계를 설명합니다.
적외선 온도계의 개념
적외선 온도계는 기본적으로 다음과 같은 기능 블록으로 구성됩니다:
1. 물체가 방출하는 에너지에 초점을 맞추는 렌즈
2. 복사 에너지를 전기 신호로 변환하는 감지기
3. 온도계를 측정 대상의 특성에 맞게 방출 계수를 조정합니다.
4.온도계의 온도가 출력 신호에 포함되지 않도록 하는 주변 온도 보정
수년 동안 대부분의 시중에서 판매되는 적외선 온도계는 이 개념을 따랐습니다. 이 온도계는 적용 분야가 제한적이었고, 돌이켜보면 만족스러운 측정 결과를 제공하지 못했습니다. 그러나 당시의 기준으로는 완벽하게 적절하고 매우 견고했습니다.
1. 물체가 방출하는 에너지에 초점을 맞추는 렌즈
2. 복사 에너지를 전기 신호로 변환하는 감지기
3. 온도계를 측정 대상의 특성에 맞게 방출 계수를 조정합니다.
4.온도계의 온도가 출력 신호에 포함되지 않도록 하는 주변 온도 보정
수년 동안 대부분의 시중에서 판매되는 적외선 온도계는 이 개념을 따랐습니다. 이 온도계는 적용 분야가 제한적이었고, 돌이켜보면 만족스러운 측정 결과를 제공하지 못했습니다. 그러나 당시의 기준으로는 완벽하게 적절하고 매우 견고했습니다.
Abb. 6 적외선 온도계의 블록 다이어그램
최신 적외선 온도계는 이러한 기본 개념을 기반으로 하지만 시간이 지남에 따라 크게 개선되었습니다. 가장 중요한 차이점은 다양한 유형의 감지기 사용, IR 신호의 선택적 필터링, 감지기 신호의 선형화 및 증폭, 4-20mA 또는 0-10V DC와 같은 표준화된 온도 출력 신호입니다. 그림 6은 최신 적외선 고온계의 블록 다이어그램을 보여줍니다.
IR 온도 측정의 가장 큰 발전은 아마도 적외선 방사를 위한 선택적 필터의 도입으로 이루어졌을 것입니다. 이를 통해 더 민감한 감지기와 더 안정적인 신호 증폭기를 사용할 수 있게 되었습니다. 초기 적외선 온도계는 사용 가능한 감지기 출력 신호를 얻기 위해 넓은 적외선 스펙트럼에 의존했지만, 최신 감지기에는 1μm 이상의 대역폭이면 충분합니다. 스펙트럼을 좁히고 특정 파장을 선택해야 하는 이유는 탄소 또는 수소 함량으로 인해 측정에 온도가 포함되지 않아야 하는 매체를 통해 측정을 수행해야 하는 경우가 많기 때문입니다. 또한 광범위한 적외선 스펙트럼을 투과하는 물체나 가스의 온도를 측정해야 하는 경우도 있습니다.
- 8~14 μm: 더 먼 거리에서도 공기 습도의 영향을 배제합니다.
- 7.9 μm: 넓은 범위에서 적외선 투과성이 있는 얇은 플라스틱 필름을 측정할 수 있습니다.
- 3.86 μm: 화염 및 연소 배기가스 내 CO2 및 수증기 간섭을 효과적으로 억제합니다.
IR 온도 측정의 가장 큰 발전은 아마도 적외선 방사를 위한 선택적 필터의 도입으로 이루어졌을 것입니다. 이를 통해 더 민감한 감지기와 더 안정적인 신호 증폭기를 사용할 수 있게 되었습니다. 초기 적외선 온도계는 사용 가능한 감지기 출력 신호를 얻기 위해 넓은 적외선 스펙트럼에 의존했지만, 최신 감지기에는 1μm 이상의 대역폭이면 충분합니다. 스펙트럼을 좁히고 특정 파장을 선택해야 하는 이유는 탄소 또는 수소 함량으로 인해 측정에 온도가 포함되지 않아야 하는 매체를 통해 측정을 수행해야 하는 경우가 많기 때문입니다. 또한 광범위한 적외선 스펙트럼을 투과하는 물체나 가스의 온도를 측정해야 하는 경우도 있습니다.
- 8~14 μm: 더 먼 거리에서도 공기 습도의 영향을 배제합니다.
- 7.9 μm: 넓은 범위에서 적외선 투과성이 있는 얇은 플라스틱 필름을 측정할 수 있습니다.
- 3.86 μm: 화염 및 연소 배기가스 내 CO2 및 수증기 간섭을 효과적으로 억제합니다.
온도 범위는 측정에 가장 적합한 파장을 선택하는 데 중요한 역할을 합니다. 그림 2에서 흑체에 대한 플랑크 방정식을 보면 온도가 증가함에 따라 복사 곡선의 최대값이 단파장 범위로 이동하는 것을 알 수 있습니다. 스펙트럼 범위를 선택적으로 선택할 필요가 없는 응용 분야에서도 스펙트럼 범위를 가능한 한 단파로 좁은 구간으로 제한하는 것이 유리할 수 있습니다. 한 가지 장점은 파장이 짧은 금속의 경우 많은 물체의 유효 방출 계수가 가장 높다는 것입니다. 또한 그림 7에서 볼 수 있듯이 스펙트럼 범위가 좁은 센서는 측정 대상의 방출 계수 변화에 영향을 덜 받기 때문에 이러한 제한은 정확도에 유리한 영향을 미칩니다.
그림 7. 서로 다른 파장에서의 잘못된 방사율의 의존성
건설적인 디자인
적외선 온도계는 광학, 전자, 기술, 크기 및 하우징 측면에서 다양한 구성으로 제조됩니다. 그러나 공통적인 것은 IR 신호로 시작하여 전자 출력 신호로 끝나는 신호 처리 체인입니다. 이 일반적인 측정 체인은 렌즈 및/또는 광섬유, 필터, 디텍터로 구성된 광학 시스템에서 시작됩니다.
애플리케이션 관점에서 볼 때 시야각은 광학의 필수 특성, 즉 주어진 거리에서 측정 지점이 얼마나 큰가 하는 것입니다. 측정 거리와 측정 지점 직경의 비율은 거리 비율로 설명됩니다. 실제로는 초점 거리가 고정된 고온계와 초점 조절이 가능한 광학 장치 중에서 선택할 수 있습니다. 고정 광학 장치가 있는 장치는 초점에 있는 물체에만 초점을 맞춥니다. 다른 측정 거리에서는 측정 지점 직경이 계산된 거리 비율에 비례하여 불균형하게 증가합니다. 이러한 광학 장치는 주로 큰 물체에 적합합니다. 작은 물체나 측정 거리가 긴 물체에는 초점 조절이 가능한 광학 장치를 사용하는 것이 좋습니다. 측정 거리의 조정이 가능하기 때문에 초점 광학 장치가 있는 고온계는 훨씬 더 유연하게 사용할 수 있습니다.
측정 스폿 직경을 지정하고 비교할 때는 해당 사양이 방사 전력의 몇 퍼센트를 나타내는지 아는 것이 중요합니다. 예를 들어, 에너지의 98%를 기준으로 한 측정 스폿은 90%의 출력을 기준으로 한 직경보다 두 배 더 큽니다. 이는 특히 고온계 측정 지점과 같은 크기의 작은 타겟의 경우 상당한 측정 오류로 이어질 수 있습니다.
광학장치의 또 다른 측면은 타겟의 조준입니다. 조준 보조 장치가 없는 장치에서는 렌즈가 표면에 고정되어 표면 온도를 측정합니다. 이는 무엇보다도 충분히 큰 물체에 정렬되어 있고 정밀한 측정이 필요하지 않은 고정식 센서에 적용됩니다. 더 먼 거리에서 측정하는 작은 물체나 기기의 경우 렌즈 투과형 광학 장치, 광점 또는 레이저 빔 형태의 조준 장치가 필수적입니다.
고온계의 감도는 여러 가지 감지기와 필터를 사용하여 결정됩니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 납 황화물 감지기가 가장 높은 감도를 제공하고 열전대가 가장 낮은 감도를 제공합니다. 대부분의 감지기는 광전 원리(입사된 적외선 복사가 전압 신호를 유발)에 따라 작동하거나 광전도성(입사된 적외선 복사가 저항을 변화)을 기반으로 합니다.
낮은 방사 에너지로 인해 저온에서는 그에 상응하는 광대역 스펙트럼 범위가 필요하므로 측정 파장이 길어집니다. 더 높은 온도에서는 협대역 필터를 사용하면 감도가 크게 감소합니다. 이는 파장에 따른 간섭을 최소화합니다.
애플리케이션 관점에서 볼 때 시야각은 광학의 필수 특성, 즉 주어진 거리에서 측정 지점이 얼마나 큰가 하는 것입니다. 측정 거리와 측정 지점 직경의 비율은 거리 비율로 설명됩니다. 실제로는 초점 거리가 고정된 고온계와 초점 조절이 가능한 광학 장치 중에서 선택할 수 있습니다. 고정 광학 장치가 있는 장치는 초점에 있는 물체에만 초점을 맞춥니다. 다른 측정 거리에서는 측정 지점 직경이 계산된 거리 비율에 비례하여 불균형하게 증가합니다. 이러한 광학 장치는 주로 큰 물체에 적합합니다. 작은 물체나 측정 거리가 긴 물체에는 초점 조절이 가능한 광학 장치를 사용하는 것이 좋습니다. 측정 거리의 조정이 가능하기 때문에 초점 광학 장치가 있는 고온계는 훨씬 더 유연하게 사용할 수 있습니다.
측정 스폿 직경을 지정하고 비교할 때는 해당 사양이 방사 전력의 몇 퍼센트를 나타내는지 아는 것이 중요합니다. 예를 들어, 에너지의 98%를 기준으로 한 측정 스폿은 90%의 출력을 기준으로 한 직경보다 두 배 더 큽니다. 이는 특히 고온계 측정 지점과 같은 크기의 작은 타겟의 경우 상당한 측정 오류로 이어질 수 있습니다.
광학장치의 또 다른 측면은 타겟의 조준입니다. 조준 보조 장치가 없는 장치에서는 렌즈가 표면에 고정되어 표면 온도를 측정합니다. 이는 무엇보다도 충분히 큰 물체에 정렬되어 있고 정밀한 측정이 필요하지 않은 고정식 센서에 적용됩니다. 더 먼 거리에서 측정하는 작은 물체나 기기의 경우 렌즈 투과형 광학 장치, 광점 또는 레이저 빔 형태의 조준 장치가 필수적입니다.
고온계의 감도는 여러 가지 감지기와 필터를 사용하여 결정됩니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 납 황화물 감지기가 가장 높은 감도를 제공하고 열전대가 가장 낮은 감도를 제공합니다. 대부분의 감지기는 광전 원리(입사된 적외선 복사가 전압 신호를 유발)에 따라 작동하거나 광전도성(입사된 적외선 복사가 저항을 변화)을 기반으로 합니다.
낮은 방사 에너지로 인해 저온에서는 그에 상응하는 광대역 스펙트럼 범위가 필요하므로 측정 파장이 길어집니다. 더 높은 온도에서는 협대역 필터를 사용하면 감도가 크게 감소합니다. 이는 파장에 따른 간섭을 최소화합니다.
적외선 센서 시스템의 응답 동작을 최적화하려면 감지기의 스펙트럼 곡선과 그 특성을 고려해야 합니다.
적외선 온도계의 전자 장치는 궁극적으로 선형 전류 0(4) - 20mA 또는 전압 신호 0(2)-10V를 생성하기 위해 감지기의 출력 신호를 선형화합니다. 선형화는 이제 마이크로프로세서를 사용하는 소프트웨어로 수행되는 경우가 많습니다.
이를 통해 아날로그 선형화에 비해 더 넓은 측정 범위에서 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
신호는 디지털화되어 인터페이스로 출력되거나 컨트롤러, 표시기 또는 레코더에 공급될 수도 있습니다. 구성에 따라 적외선 온도계에는 알람, 간헐적 측정을 위한 최소/최대 메모리 조정, 측정 간격 및 응답 시간 조정, 샘플 및 홀드 기능과 같은 추가 기능이 있습니다.
처음에 언급한 것처럼 비접촉 온도 측정의 장점은 응답 시간이 짧다는 점입니다. 저온 장치용 열전 감지기는 30ms의 응답 시간을 달성합니다. 광전 고온 감지기는 응답 시간이 2ms입니다.
응답 시간이 빠른 센서를 애플리케이션에 사용하는 경우 제어 루프의 다른 구성 요소도 해당 처리 또는 작동 속도를 허용해야 합니다.
적외선 온도계의 전자 장치는 궁극적으로 선형 전류 0(4) - 20mA 또는 전압 신호 0(2)-10V를 생성하기 위해 감지기의 출력 신호를 선형화합니다. 선형화는 이제 마이크로프로세서를 사용하는 소프트웨어로 수행되는 경우가 많습니다.
이를 통해 아날로그 선형화에 비해 더 넓은 측정 범위에서 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
신호는 디지털화되어 인터페이스로 출력되거나 컨트롤러, 표시기 또는 레코더에 공급될 수도 있습니다. 구성에 따라 적외선 온도계에는 알람, 간헐적 측정을 위한 최소/최대 메모리 조정, 측정 간격 및 응답 시간 조정, 샘플 및 홀드 기능과 같은 추가 기능이 있습니다.
처음에 언급한 것처럼 비접촉 온도 측정의 장점은 응답 시간이 짧다는 점입니다. 저온 장치용 열전 감지기는 30ms의 응답 시간을 달성합니다. 광전 고온 감지기는 응답 시간이 2ms입니다.
응답 시간이 빠른 센서를 애플리케이션에 사용하는 경우 제어 루프의 다른 구성 요소도 해당 처리 또는 작동 속도를 허용해야 합니다.
Abb. 8 서로 다른 센서의 스펙트럼 곡선
단색 측정: 한 파장에서 온도 측정
단일 파장 온도 측정은 주어진 파장에서 표면에서 방출되는 에너지를 측정합니다. 이러한 기기의 디자인은 간단한 외부 디스플레이가 있는 휴대용 프로브부터 물체에 초점을 맞춘 보기 창에 온도가 표시되는 정교한 휴대용 기기까지 다양합니다. 메모리 및 인쇄 기능도 사용할 수 있습니다. 고정식 온라인 센서의 스펙트럼은 외부 전자 장치가 있는 간단한 소형 감지기부터 PID 컨트롤러가 통합된 견고하고 복잡한 어셈블리까지 다양합니다. 광섬유, 투과형 광학, 레이저 조준 장치, 수냉식 및 스캐너 시스템은 공정 모니터링 및 제어에 사용되는 옵션입니다. 최근에는 비디오 카메라가 통합된 고온계도 출시되어 측정 외에도 제어실에서 측정 지점을 광학적으로 제어할 수 있습니다. 크기, 성능, 견고성, 유연성 및 신호 처리 측면에서 큰 차이가 있습니다.
애플리케이션을 계획하고 설계할 때 센서 구성, 필터, 온도 범위, 광학, 응답 시간 및 방출 계수는 세부적으로 고려해야 하는 중요한 기준입니다.
IR 스펙트럼 범위와 온도 범위의 선택은 항상 특정 애플리케이션과 함께 고려해야 합니다. 그림 2에 표시된 스펙트럼 곡선을 보면 단파장은 고온에 더 적합하고 저온은 긴 파장 범위에서 측정해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 유리나 플라스틱 필름과 같은 투명한 물체를 측정하려면 협대역의 선택적 필터가 필요합니다. 예를 들어, 폴리텐 필름의 CH 흡수 범위는 3.43 μm이며, 이 지점에서는 적외선 방사가 투과되지 않습니다. 마찬가지로 많은 유리와 유사한 소재는 약 5μm에서 불투명 범위를 갖습니다. 반대로 최대 2μm 범위의 필터가 있는 센서를 사용하면 진공 또는 압력 챔버와 같이 유리창을 통해 측정할 수 있습니다. 측정 지점이 제한적이거나 주변 온도가 높은 챔버에서 측정하기 위한 또 다른 옵션은 광섬유 케이블을 사용하는 것입니다.
따라서 단일 파장을 사용하는 적외선 온도 측정은 일관된 제품 품질을 위해 제품 온도 제어가 필수적인 많은 응용 분야에 충분한 다목적이지만 간단한 기술입니다.
애플리케이션을 계획하고 설계할 때 센서 구성, 필터, 온도 범위, 광학, 응답 시간 및 방출 계수는 세부적으로 고려해야 하는 중요한 기준입니다.
IR 스펙트럼 범위와 온도 범위의 선택은 항상 특정 애플리케이션과 함께 고려해야 합니다. 그림 2에 표시된 스펙트럼 곡선을 보면 단파장은 고온에 더 적합하고 저온은 긴 파장 범위에서 측정해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 유리나 플라스틱 필름과 같은 투명한 물체를 측정하려면 협대역의 선택적 필터가 필요합니다. 예를 들어, 폴리텐 필름의 CH 흡수 범위는 3.43 μm이며, 이 지점에서는 적외선 방사가 투과되지 않습니다. 마찬가지로 많은 유리와 유사한 소재는 약 5μm에서 불투명 범위를 갖습니다. 반대로 최대 2μm 범위의 필터가 있는 센서를 사용하면 진공 또는 압력 챔버와 같이 유리창을 통해 측정할 수 있습니다. 측정 지점이 제한적이거나 주변 온도가 높은 챔버에서 측정하기 위한 또 다른 옵션은 광섬유 케이블을 사용하는 것입니다.
따라서 단일 파장을 사용하는 적외선 온도 측정은 일관된 제품 품질을 위해 제품 온도 제어가 필수적인 많은 응용 분야에 충분한 다목적이지만 간단한 기술입니다.
비율 측정: 두 개 이상의 파장에서 온도 측정
적외선 온도계로 온도를 정확하게 측정하는 데 방출 계수가 중요한 역할을 하거나 빔 경로에 중간 매체가 있다는 점을 고려할 때, 연구자들이 이러한 간섭으로부터 독립적으로 온도를 측정할 수 있는 센서를 개발하기 위해 노력하는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이에 대한 일반적이고 입증된 접근 방식은 비율 또는 다중 색상 측정입니다. 이 방법은 한 파장에서의 절대적인 에너지 양이 아닌 두 파장에서의 에너지 비율을 측정합니다. "멀티컬러 측정"이라는 단어는 눈에 보이는 색상과 온도를 결합하는 오래된 아이디어에서 유래했습니다. 이 아이디어와 용어는 이제 다소 구식이지만 여전히 일반적으로 사용됩니다.
이 개념의 효과는 측정 대상의 표면 특성이나 측정 대상에 대한 시야각에 위치한 장애물의 변화가 두 감지기에 의해 동일한 방식으로 인식된다는 사실에 기반합니다. 따라서 센서 출력 신호 간의 비율은 동일하게 유지되며 측정된 온도도 동일하게 유지됩니다. 그림 9는 이 원리에 따라 작동하는 고온계의 단순화된 그림을 보여줍니다.
이 개념의 효과는 측정 대상의 표면 특성이나 측정 대상에 대한 시야각에 위치한 장애물의 변화가 두 감지기에 의해 동일한 방식으로 인식된다는 사실에 기반합니다. 따라서 센서 출력 신호 간의 비율은 동일하게 유지되며 측정된 온도도 동일하게 유지됩니다. 그림 9는 이 원리에 따라 작동하는 고온계의 단순화된 그림을 보여줍니다.
그림 9 비율 측정
절대값 대신 비율을 측정하면 위에서 설명한 조건에서 알 수 없거나 변화하는 방출 계수로 인한 부정확성을 피할 수 있습니다. 또한 먼지, 증기, 고정물 또는 창문과 같은 차가운 물질로 시야의 일부가 가려진 경우에도 온도가 정확하게 측정됩니다.
물체와 센서 사이의 매질이 특정 파장을 선택적으로 감쇠시키지 않는 한 비율은 일정하게 유지되므로 온도계로 측정된 온도도 일정하게 유지됩니다.
따라서 이 방법은 시멘트 가마에서의 온도 측정이나 금속의 진공 용융과 같이 공정 중에 안개가 끼는 창문을 통한 측정과 같이 다른 측정 기술로는 해결이 어렵거나 불가능한 응용 분야에 적합합니다. 그러나 이러한 동적 변화는 두 센서에서 동일하게 감지되어야 하며, 즉 변화가 모든 파장에 동일하게 영향을 미쳐야 합니다.
물론 이 방법에는 고려해야 할 한계도 있습니다. 비율 측정은 알루미늄과 같은 유색 이미터에는 적합하지 않습니다. 마찬가지로 투과율이 변하는 창문이나 뜨거운 파이렉스에서는 측정할 수 없습니다. 또한 이 방법은 배경 온도가 측정 대상의 온도보다 높은 경우 배경 온도를 기록 및 측정하는 경향이 있습니다.
물체와 센서 사이의 매질이 특정 파장을 선택적으로 감쇠시키지 않는 한 비율은 일정하게 유지되므로 온도계로 측정된 온도도 일정하게 유지됩니다.
따라서 이 방법은 시멘트 가마에서의 온도 측정이나 금속의 진공 용융과 같이 공정 중에 안개가 끼는 창문을 통한 측정과 같이 다른 측정 기술로는 해결이 어렵거나 불가능한 응용 분야에 적합합니다. 그러나 이러한 동적 변화는 두 센서에서 동일하게 감지되어야 하며, 즉 변화가 모든 파장에 동일하게 영향을 미쳐야 합니다.
물론 이 방법에는 고려해야 할 한계도 있습니다. 비율 측정은 알루미늄과 같은 유색 이미터에는 적합하지 않습니다. 마찬가지로 투과율이 변하는 창문이나 뜨거운 파이렉스에서는 측정할 수 없습니다. 또한 이 방법은 배경 온도가 측정 대상의 온도보다 높은 경우 배경 온도를 기록 및 측정하는 경향이 있습니다.
그림 10은 온도에 따라 방출 계수가 변하는 다양한 제품의 예를 보여줍니다. 예를 들어 흑연은 종종 높고 일정한 방출 계수를 갖는다고 자연스럽게 가정합니다. 반대로 20°C~1100°C 범위에서 방출 계수는 0.4에서 0.65로 증가합니다.
파장에 따라 방출 계수가 변하는 유색 방사체의 경우, 전체 파장 범위의 에너지를 측정하는 멀티컬러 온도계가 있습니다. 이러한 어플리케이션은 해당 제품의 표면 특성에 대한 상세한 분석이 선행되어야 합니다. 방출 계수, 온도, 파장 및 표면 화학 사이의 관계를 분석해야 합니다. 이 데이터는 다양한 파장에서의 방출을 의미 있는 방식으로 온도와 연관시키는 알고리즘을 설정하는 데 사용할 수 있습니다.
시야에 측정에 사용되는 파장 중 하나에 해당하는 입자 크기가 있는 매체가 있으면 비율도 왜곡됩니다.
이러한 제한에도 불구하고 비율 측정은 여러 애플리케이션에서 매우 잘 작동합니다. 일부 응용 분야에서는 이 방법이 온도를 측정하는 유일한 합리적인 솔루션은 아니더라도 가장 좋은 방법입니다.
파장에 따라 방출 계수가 변하는 유색 방사체의 경우, 전체 파장 범위의 에너지를 측정하는 멀티컬러 온도계가 있습니다. 이러한 어플리케이션은 해당 제품의 표면 특성에 대한 상세한 분석이 선행되어야 합니다. 방출 계수, 온도, 파장 및 표면 화학 사이의 관계를 분석해야 합니다. 이 데이터는 다양한 파장에서의 방출을 의미 있는 방식으로 온도와 연관시키는 알고리즘을 설정하는 데 사용할 수 있습니다.
시야에 측정에 사용되는 파장 중 하나에 해당하는 입자 크기가 있는 매체가 있으면 비율도 왜곡됩니다.
이러한 제한에도 불구하고 비율 측정은 여러 애플리케이션에서 매우 잘 작동합니다. 일부 응용 분야에서는 이 방법이 온도를 측정하는 유일한 합리적인 솔루션은 아니더라도 가장 좋은 방법입니다.
Abb. 10 많은 재료의 경우 온도에 따라 방출 계수가 달라집니다. 이 그림은 몇 가지 일반적인 재료를 보여줍니다.
요약
그림 11은 애플리케이션의 필수 요소를 다시 한 번 보여줍니다. 여기서 가장 중요한 측면은 측정할 물체의 표면입니다. 적합한 기기를 선택할 때는 측정 대상의 크기, 온도 범위, 방출 계수, 스펙트럼 감도 및 응답 시간을 고려해야 합니다.
또한 가장 적합한 기기를 선택할 때는 화염, 적외선 복사 히터, 유도 용광로 및 대기 특성(먼지, 오염된 창문, 연기, 열 등)과 같은 주변 조건도 고려해야 합니다.
또한 가장 적합한 기기를 선택할 때는 화염, 적외선 복사 히터, 유도 용광로 및 대기 특성(먼지, 오염된 창문, 연기, 열 등)과 같은 주변 조건도 고려해야 합니다.
그림 11 간섭 요인
적외선 온도 측정은 새로운 애플리케이션에 맞게 지속적으로 최적화되고 적용되고 있는 성숙한 기술입니다. 연구뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 매일 그 가치를 입증하고 있습니다. 기본 기술을 제대로 이해하고 모든 관련 애플리케이션 파라미터를 고려한다면, 이 측정 방법은 일반적으로 기기를 신중하게 설치했다면 원하는 결과를 얻을 수 있습니다. 여기서 주의한다는 것은 센서가 사양 내에서 작동하고 광학부에 오염과 침전물이 생기지 않도록 충분한 예방 조치를 취했음을 의미합니다.
따라서 온도계 제조업체를 선택할 때 한 가지 기준은 보호 및 설치 액세서리를 사용할 수 있는지 여부여야 합니다. 이러한 액세서리를 통해 센서를 신속하게 제거하고 필요한 경우 교체할 수 있는 정도도 고려해야 합니다. 이러한 지침을 준수하면 최신 적외선 온도계는 열전대 또는 Pt100 센서보다 더 안정적으로 작동하는 경우가 많습니다.
따라서 온도계 제조업체를 선택할 때 한 가지 기준은 보호 및 설치 액세서리를 사용할 수 있는지 여부여야 합니다. 이러한 액세서리를 통해 센서를 신속하게 제거하고 필요한 경우 교체할 수 있는 정도도 고려해야 합니다. 이러한 지침을 준수하면 최신 적외선 온도계는 열전대 또는 Pt100 센서보다 더 안정적으로 작동하는 경우가 많습니다.