혁신적인 파노라마 고온계의 원리, 장점 및 가능한 응용 분야

고온계는 정의된 측정 필드에서 측정 대상 표면의 열 복사를 감지하고 이를 사용하여 온도를 측정합니다. 측정 필드의 크기와 모양은 렌즈, 광학 구조 및 센서 기술에 의해 결정됩니다. 렌즈, 조리개 시스템 및 센서 기술의 기하학적 구조로 인해 현재까지 시중에 판매되는 장치는 일반적으로 둥근 측정 표면을 가지고 있습니다. 최근 새로운 유형의 광학 설계와 고품질 렌즈를 기반으로 직사각형 측정 필드를 갖춘 디바이스가 출시되었습니다. 다음 문서에서는 직사각형 측정 필드가 있는 고온계의 설계, 기능, 장점 및 가능한 응용 분야에 대해 설명합니다.

직사각형 측정 필드를 가진 고온계를 개발하는 아이디어는 비접촉식 온도 측정 기술에서 더 쉽고, 무엇보다도 더 안정적으로 해결할 수 있는 응용 분야가 있기 때문에 30년 전에 만들어졌습니다. 접촉식 측정과 달리 고온계 온도 측정의 가장 큰 장점은 고온계가 움직이는 물체를 측정하는 데 이상적이라는 점입니다. 물론 전제 조건은 측정할 물체가 고온계의 측정 필드에 있어야 한다는 것입니다. 와이어 생산의 예에서 볼 수 있듯이 측정 대상 물체가 생산 방향과 직각으로 진동하고 항상 측정 필드를 채우지 않는 경우 문제가 됩니다(그림 1).

지금까지는 이러한 어플리케이션 관련 측정 문제를 해결하기 위해 측정 필드가 매우 작은 단일 채널 고온계를 고온계 앞에 장착된 회전 거울과 함께 사용했습니다. 회전 또는 회전 거울은 주기적으로 측정 지점을 편향시킵니다. 고온계에 최대값을 저장함으로써 측정 지점이 물체에 의해 완전히 채워지는 시점에 온도가 기록됩니다. 고장에 취약한 이동식 메커니즘의 단점 외에도 감지 시간이 제한된다는 단점이 있습니다. 스캐닝 이동으로 인해 물체 온도는 연속적으로 기록되지 않고 주기적으로만 기록됩니다.

이러한 이유로 수년 전에는 순전히 광학적으로 직사각형 측정 필드를 생성하는 장치를 사용하려는 시도가 있었습니다. 특수 원통형 렌즈가 거울 캐비닛에서 알려진 것처럼 축 방향으로 측정 필드를 확산시켰습니다. 원칙적으로 이것은 해결책을 제공했습니다. 그러나 센서 측정 표면의 감도 분포가 고르지 않은 것이 문제였습니다. 또 다른 단점은 이 특수 렌즈의 가격이 비싸다는 것이었습니다. 또한 이 장치는 고정된 측정 거리에서만 사용할 수 있었습니다. 또 다른 어려움은 렌즈를 투과하는 시야의 광학 이미지가 왜곡되어 장치를 정렬하기 어렵다는 점이었습니다.

직사각형 측정 필드의 사용은 비율 고온계와 함께 사용하면 특히 흥미롭습니다. 비율 고온계는 측정 대상의 열 복사를 두 가지 파장 범위로 기록합니다. 두 스펙트럼 복사량의 몫은 온도에 비례하여 변화합니다. 이 측정 원리를 통해 측정 대상은 측정 필드보다 작을 수 있습니다. 단일 채널 고온계와 달리 차가운 배경 앞에 있는 뜨거운 측정 대상에 대해서도 정확한 온도가 결정됩니다.

위에서 설명한 원통형 렌즈를 사용한 솔루션과 달리, 새로운 파노라마 고온계의 직사각형 측정 필드는 조리개(3)와 센서(4)가 있는 편향 거울 사이의 검출기 측정 분기에 배치된 고정밀 조리개를 통해 구현됩니다(그림 2). 이를 통해 두 가지 근본적인 문제가 해결됩니다. 이 장치에는 특별한 모양의 렌즈가 필요하지 않으며 측정할 물체는 렌즈 투시 또는 비디오 카메라가 내장된 장치의 모니터 이미지에서 평소와 같이 초점이 맞춰져 표시됩니다.

이 혁신적인 광학 설계의 또 다른 장점은 뷰파인더나 모니터의 측정 필드 표시가 직사각형 측정 필드의 정확한 위치와 실제 크기 모두에 정확하게 표시된다는 것입니다. 이것이 기기의 올바른 정렬을 확인하고 보장하는 유일한 방법입니다.

파노라마 고온계를 개발하는 동안 또 다른 광학 과제를 해결해야 했습니다. 광학 이미징 오류와 측정 표면의 불균일한 감도 분포로 인해 비율 고온계는 일반적으로 측정 필드에서 측정 대상의 위치가 측정 온도에 눈에 띄는 영향을 미치는 특성이 있습니다. 측정 필드의 가장자리에서는 1000°C의 물체 온도에서 디스플레이가 30°C 이상 상승할 수 있습니다(그림 3).

생산상의 이유로 측정 대상의 직경이 변경되어 측정 필드가 다르게 채워지는 경우 기존 비율 고온계에서도 온도 표시의 변동이 발생할 수 있습니다.

이러한 물리적 효과를 최소화하기 위해 입구 조리개 전체 표면에 걸쳐 일관되게 우수한 이미징 특성을 갖는 광학용 정밀 렌즈가 개발되었습니다(최소 구면 수차). 또한 이 렌즈는 측정 파장과 가시 범위 모두에서 똑같이 선명한 이미지를 얻기 위해 종방향 색상 오차(색수차)가 최소화되었습니다. 또한 파노라마 고온계를 구현하려면 정밀 조리개와 고품질 센서로 구성된 광학 설정을 개발해야 했습니다. 그 결과, 새로운 파노라마 고온계는 예를 들어 측정 필드에서 와이어의 위치와 직경에 관계없이 일정한 측정값을 제공합니다.

광학 및 전기 부품의 모듈식 설계 덕분에 파노라마 고온계에는 여러 개의 초점을 맞출 수 있는 교체 가능한 렌즈를 장착할 수도 있습니다. 또한 측정 필드를 줄이기 위해 다양한 부착 렌즈를 각 렌즈의 전면 나사산에 나사로 고정할 수 있습니다. 따라서 원하는 측정 거리와 필요한 측정 필드 크기와 관련하여 다양한 광학 이미징 변형이 가능합니다(그림 4). 예를 들어, 직경 0.1mm의 전선도 감지할 수 있습니다.

작은 측정 대상이나 먼 측정 거리에서 고온계를 광학적으로 정렬하려면 고품질의 기계 장치가 필요합니다. 직사각형 측정 지점이 있는 장치가 이러한 조건에서 훨씬 쉽게 정렬할 수 있다는 것은 자명합니다(그림 5). 직사각형 측정 필드의 폭이 원형 측정 필드의 동급 장치보다 2~3배 더 크기 때문에 작업자가 조준할 때 장치를 손에 들고 있으면 휴대용 고온계에서 이러한 이점이 특히 두드러집니다. 따라서 보다 안전한 취급과 온도 감지가 가능합니다.

파노라마 고온계는 뜨거운 물체의 위치와 크기가 변할 수 있는 생산 공정이나 공작물의 가열 영역이 변동하는 열처리 시스템에서 작동 안정성이 뛰어나고 정렬이 훨씬 쉽습니다. 직사각형 측정 필드는 같은 면적의 원형 측정 필드보다 넓기 때문에 핫스팟이 측정 필드 밖으로 이동할 위험이 현저히 낮습니다.

대표적인 예로 재료를 구부려 용접하는 무한 튜브 생산이 있습니다. 재료는 인덕션 코일을 사용하여 가열됩니다. 작은 용접 지점의 위치가 변동될 수 있으므로 기존 장비에서는 용접 이음새가 측정 필드 외부에 위치하여 측정이 불가능할 수 있습니다(그림 6).

유리병 생산에서는 전단 시 유리 방울의 위치와 모양이 변합니다. 여기서도 파노라마 고온계는 측정 신뢰성을 높여줍니다. 재료의 온도 영향과 부분적으로 투명한 유리의 색상도 중요한 역할을 합니다. 파노라마 고온계의 비계 측정 방법을 사용하면 이러한 영향을 크게 줄일 수 있습니다.

와이어 드로잉 시스템에서 와이어는 열처리를 거칩니다. 와이어는 유도 코일을 고속으로 통과합니다. 가이드 롤러 사이에서 와이어의 진동은 피할 수 없습니다. 얇은 와이어의 경우 변동이 와이어 직경의 몇 배에 달할 수 있습니다. 이러한 조건에서는 정밀한 측정이 거의 불가능합니다.

금형에 붓는 동안 용융 금속의 수동 비접촉 온도 측정은 안전한 거리에서 수행됩니다. 측정 필드가 원형인 기존 장치를 사용하면 특히 래들의 기울기 각도에 따라 제트의 위치가 달라질 수 있기 때문에 고온계를 주입 제트와 정렬하기가 어렵습니다. 직사각형 측정 필드가 있는 장치는 다루기가 훨씬 쉽습니다(그림 7).

필라멘트나 X-선 튜브의 발열체와 같은 가장 작은 물체의 온도를 측정하는 경우 장치에 가장 높은 광학 요구 사항이 적용됩니다. 대부분의 경우 이러한 애플리케이션은 이전에는 소위 강도 비교 고온계로만 해결할 수 있었습니다. 이러한 장치를 사용하면 작업자가 내부 기준 라디에이터와 측정 대상 물체의 광도를 육안으로 비교하여 온도를 수동으로 측정합니다.

전자 측정 장치 사용의 어려움은 측정할 매우 작은 물체에 대한 장치를 기계적으로 정렬하는 데 있습니다. 파노라마 고온계를 사용하면 이러한 측정 작업을 훨씬 더 쉽게 해결할 수 있습니다.

비율 측정 원리로 인해 적용 분야는 600°C 이상의 온도로 제한됩니다. 또 다른 한계는 비율 고온계가 여전히 재현 가능한 측정값을 형성할 수 있는 부분 조도입니다.

이 값은 무엇보다도 측정 대상의 방사율과 절대 온도에 따라 달라집니다. 측정 범위가 시작될 때 복사에너지가 동일한 온도에서 흑체 방열기의 복사에너지의 10%인 경우 비율 고온계는 이미 신뢰할 수 있는 측정값을 제공할 수 있습니다. 측정 온도가 높아지면 더 큰 신호 감쇠가 허용됩니다. 감쇠는 방사율, 부분 조명 정도, 측정 대상 물체의 모양, 측정 영역의 증기, 먼지 및 연기와 같은 시각적 장애물에 의해 영향을 받습니다. 방사율이 0.6인 강철 와이어를 예로 들어 보겠습니다. 둥근 측정 대상의 경우 고온계에서 감지된 방사선이 부분적으로 매우 평평한 각도로 방출된다는 점도 고려해야 합니다. 그러면 안전 계수 1.5도 근사치로 포함됩니다. 부분 조명 정도, 측정 필드의 폭 및 최대 측정 거리는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

부분 조명 정도 = (분석 가능한 최소 신호 강도 ÷ 방사율) × 안전 계수

위의 예와 관련하여 고온계가 측정 값을 결정하려면 측정 필드가 최소 10 % ÷ 0.6 × 1.5 = 25 % 꽉 차 있어야 합니다. 측정값의 신뢰성을 나타내는 신호 강도는 고온계 디스플레이에 표시될 수 있습니다.

와이어 직경이 5mm인 경우 측정 범위 시작 시 측정 필드의 최대 폭은 5mm ÷ 0.25 = 20mm입니다.

파노라마 고온계의 경우 광학 분해능은 폭 DW(폭) 및 높이 DH(높이)에 대한 거리 비율(측정 거리 ÷ 측정 필드 크기)로 지정됩니다. 예를 들어 거리 비율 DW = 40 : 1을 기준으로 하면 최대 측정 거리는 40 × 20mm = 800mm가 됩니다. 또는 다른 방식으로 보면, 예를 들어 측정 거리가 500mm인 경우 거리 비율이 DW ≥ 500mm ÷ 20mm, 즉 ≥ 25 : 1인 렌즈를 사용하여 측정 필드가 측정 대상 물체에 충분히 비춰지도록 해야 합니다.

파노라마 고온계는 또한 측정 필드가 물체에 세로로 정렬되도록 작동할 수 있습니다. 이렇게 하면 측정 필드가 원형인 장치에 비해 고온계가 측정 대상의 더 넓은 영역을 포착할 수 있으므로 직경 0.1mm의 전선에도 사용할 수 있습니다.

파노라마 옵틱이 장착된 장치는 고정식 CellaTemp PA 장치 시리즈와 휴대용 CellaTemp PT 시리즈에 사용할 수 있습니다. 두 버전 모두 장치를 정렬하고 초점을 맞출 수 있는 투명 바이저가 있습니다. 고정형 CellaTemp PA는 컬러 비디오 카메라와 함께 사용할 수도 있습니다. 이를 통해 제어 센터의 모니터에서 물체의 정렬과 시야를 항상 모니터링할 수 있습니다. 측정 필드 표시 외에도 측정값과 측정 포인트 번호도 비디오 신호를 통해 전송되어 모니터 화면에 표시됩니다. 카메라의 특수 TBC 기능(목표 밝기 제어) 덕분에 강도는 일반적인 경우처럼 카메라의 전체 시야각이 아닌 노출 제어를 위해 측정 필드에만 기록됩니다. 즉, 차가운 배경 앞에 있는 작고 뜨거운 피사체가 모니터 이미지에 최적의 밝기로 표시되고 피사체가 과도하게 노출되지 않습니다.

이제 파노라마 광학 기능이 있는 두 가지 버전의 CellaTemp PKL 소형 고온계 시리즈도 출시되었습니다(그림 8). 이 장치에는 정렬을 확인할 수 있는 LED 파일럿 라이트가 있습니다. 이 조명은 위치뿐만 아니라 측정 필드의 실제 폭도 비추기 때문에 측정 대상에 맞춰 장치를 매우 쉽고 정확하게 정렬할 수 있습니다.

600°C 이상의 열 공정 및 온도에서 새로운 파노라마 고온계는 작은 물체나 긴 측정 거리에서 정렬이 어렵거나 핫스팟, 즉 감지할 핫스팟이 고정되어 있지 않은 경우 원형 측정 필드가 있는 이전 장치보다 확실히 우수합니다. 약 25%의 추가 비용도 높은 작동 신뢰성 덕분에 충분히 투자할 만한 가치가 있습니다.