KR0134654B1 - 광파이버를 사용한 온도측정장치 및 방법 - Google Patents
광파이버를 사용한 온도측정장치 및 방법Info
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Abstract
금속관이 피복된 광파이버 ; 고온액체를 수용하는 로에 설치된 온도를 측정하기 위하여 사용되는 노즐 ; 상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 가스공급수단 ; 상기 노즐을 통하여 상기 피복광파이버의 일단을 그 고온액체중에 보내는 광파이버 공급수단과 ; 그리고 상기 피복광파이버 내를 전파된 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 방사온도계를 포함하여 이루어지는, 광파이버를 사용한 온도측정장치가 개시된다. 금속관이 피복된 광파이버를 준비하는 공정 ; 고온액체를 수용하는 로에 설치된 노즐을 통하여 그 피복광파이버를 고온액체중에 보내는 공정 ; 상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 공정 ; 상기 피복광파이버의 타단에 접속된 방사온도계에 의해 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 공정을 포함하여 이루어지는 광파이버를 사용한 온도측정방법이 개시된다.
Description
제1도는 본 발명의 실시예-1에 따른 광파이버에 의한 측온장치의 구성을 도시한 블록도이고,
제2도는 안쪽을 세라믹으로 한 금속의 단관(單官)에 의해 구성된 측온노즐의 한 예를 도시하는 도면이고,
제3도는 실시예-1에 의한 온도측정 결과의 한 예를 도시하는 도면이고,
제4도는 실시예-1에 의한 열전대(熱電對 : thermoelectric couple) 지시치와 광파이버 온도계 지시치와의 대비를 도시하는 도면이고,
제5도는 실시예-2에 따른 광파이버에 의한 측온장치의 구성을 도시하는 블록도이고,
제6도는 실시예-2에 의한 온도측정 결과의 한 예를 도시하는 도면이고,
제7도는 실시예-2에 의한 열전대 지시치와 광파이버 온도계 지시치와의 대비를 도시하는 도면이고,
제8도는 실시예-2에 의한 노즐막힘 방지효과를 도시하는 도면이고,
제9도는 실시예-3에 있어서 온도측정 결과의 한 예를 도시하는 도면이고,
제10도는 실시예-3에 있어서 열전대 지시치와 광파이버 온도계 지시치와의 대비를 도시하는 도면이고,
제11도는 실시예-3에 의한 노즐 막힘 방지효과를 도시하는 도면이고,
제12도는 본 발명의 실시예-4에 관한 광파이버에 의한 고온액체의 측온장치의 구성을 도시하는 블록도이고,
제13도는 실시예-4에 있어서 온도측정 결과의 한 예를 도시하는 도면이고,
제14도는 실시예-4에 있어서 열전대 지시치와 광파이버 온도계 지시치와의 대비를 도시하는 도면이고,
제15도는 실시예-4에 의한 노즐 막힘 방지효과를 도시하는 도면이고,
제16도는 광파이버의 씰(seal) 장치의 구성을 도시하는 단면도이고,
제17도는 제16도 실시예의 A-A, B-B 및 C-C의 각 단면도이고,
제18도는 제16도의 광파이버의 씰장치를 적용한 측온장치의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명은 광파이버를 사용하여 고온액체의 온도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히 연속적으로 온도측정이 가능한 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
로 내의 용탕온도를 계측하는 방법으로서는 종래 예를 들면 강의 정련로인 용선(溶銑)을 탈탄처리하는 전로 등에 있어서는 서브랜스 방식 또는 인력에 의한 열전대 계측법이 실시되고 있다. 서브랜스 방식에서는 로(용기)의 원재료 투입구 등에서 렌스상(狀) 가동체의 랜스선단에 취부된 측온계에 의하여 온도계측이 실시된다.
따라서 서브랜스 방식에 있어서는 다음과 같은 지장이 있었다.
먼저 로(용기)의 크기에 비례하여 측온장치가 거대화한다. 또 측온계가 한 번만 쓰고 버리기 때문에 측온마다 측온체를 교환할 필요가 있으며 그 교환장치가 부속적으로 필요하게 된다. 또 측온마다 소모식 열전대의 교환을 요하기 때문에 조업(操業)처리시의 용융온도의 측정은 간헐적으로 하지 않으면 안되고 또 측온체를 쓰고 버리는 경제적인 이유에 의해 빈번히 측온할 수가 없다. 따라서 처리종점이 실적온도(室績溫度)와 목표온도가 반드시 일치하지 않으며 에너지로스의 발생, 생산코스트의 상승 및 생산성의 저해등이 생기는 일도 있었다.
다음에 로 내의 온도를 연속적으로 측정하는 방법의 공지문헌으로서는 예를 들면 일본국 특개소 61-91529호 공보에 개시되어 있는 것이 있다. 이 문헌에 의한 측온법은 광파이버를 사용하여 로 내의 측온을 하는 것이나 노즐 선단부에 광파이버 선단이 고정되어 있기 때문에 노즐 선단으로부터 취입되고 있는 가스층을 통하여 측은하는 것으로 되며 측정 정도(精度)상 큰 문제가 있다. 또 광파이버 선단은 고온에 장시간 쬐는 것으로 되어 경시변화(經時變化)에 의한 문제도 있다.
또 특개소 63-203716호 공보에 있어서는 용강온도를 연속적으로 측정하여 취련중(吹鍊中) 및 종점의 온도가 목표치로 되도록, 또 승온 속도의 변화율로부터 종점에서의 성분량을 추정하는 용강의 정련제어방법에 있어서는 [전로 등의 반응용기의 저부, 측벽 혹은 상부로부터 광파이버를 용강중에 침지하여 광파이버와 접속하는 방사(放射)온도계에 의해 용강온도를 연속적으로 측정하는 방법을 사용할 수 있다]로 기재되어 있으나 그 구체적인 기술(記述)은 없고 기술적 내용은 불명이다.
본원 출원인은 먼저 출원한 일본국 특원평 4-78736호(특개평 5-24896호 공보)에 있어서 금속관 피복 광파이버의 선단부를 측온엘리먼트로하여 용강중에 삽입하여 이 광파이버의 선단부에서는 혹체방사조건(黑體放射條件)이 성립한다고 하는 계측원리를 이용하여 광파이버의 타단에 방사온도계를 접속하여 온도계측을 하는 장치 및 금속관 피복 광파이버를 보냄과 동시에 되감는 광파이버 반송수단을 설치하여 용강의 온도계측을 하는 시간만 금속관 피복광파이버의 선단부를 고온 액체중에 단시간 삽입하고 계측완료 후 바로 그 선단부를 빼올려 이 측은 엘리먼트로서 사용한 선단부는 절단하고 다음의 계측시에는 새로운 선단부를 사용하여 계측하는 온도측정장치를 제안하였다.
그러나, 특원평 4-78736호(특개평 5-24896호 공보)에 의한 온도측정장치는 간헐적인 측온 장치이며 또 일정시간 또는 측온마다 측온 엘리먼트로서 사용한 광파이버 선단부의 절단을 요하고 있었다. 따라서 이 장치에서는 장기간의 연속측정을 할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 고온액체의 온도를 장시간 측정할 수 있고 또 응답성이 빠르고 측정정도가 좋은 광파이버를 사용한 온도측정장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이하에 의해 이루어지는 광파이버를 사용한 온도 측정장치를 제공한다.
·금속관이 피복된 광파이버 ;
·고온액체를 수용하는 로에 설치된 온도를 측정하기 위하여 사용되는 노즐, 이 노즐의 일단은 로에 수용된 고온액체에 접하며 타단으로부터 상기 피복 광파이버가 삽입된다 ;
·상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 가스공급수단;
·상기 노즐을 통하여 상기 피복광파이버의 일단을 그 고온액체중에 보내는 광파이버 공급수단, 이 피복 광파이버의 일단으로부터 고온액체가 방사하는 스펙트럼 광이 들어온다 ; 그리고
·상기 피복광파이버의 타단에 접속되고, 그 피복광파이버 내를 전파된 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 방사온도계.
더욱 본 발명은 이하의 공정으로 이루어지는 광파이버를 사용한 온도측정방법을 제공한다.
·금속관이 피복된 광파이버를 준비하는 공정 ;
·고온액체를 수용하는 로에 설치된 노즐을 통하여 상기 피복 광파이버를 고온액체중에 내보내는 공정, 상기 노즐의 일단은 로에 수용된 고온액체에 접하고 있는 상기 피복광파이버의 일단으로부터 고온액체가 방사하는 스펙트럼광이 들어온다 ;
·상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 공정 ;
·상기 피복광파이버의 타단에 접속된 방사온도계에 의해, 상기 피복광파이버 내를 전파된 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 공정.
본 발명에 있어서는 금속관으로 피복된 광파이버가 사용된다. 온도를 측정할 고온액체를 수용하는 로의 로벽에는 로 내의 고온액체의 온도를 측정하기 위하여 측온 노즐이 설치되어 있다. 이 노즐의 일단은 로에 수용된 고온액체에 접하며, 타단으로부터는 그 금속관이 피복된 광파이버가 삽입된다. 상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 가스 공급수단을 통해 그 노즐내 에 가스가 공급된다. 이 가스는 상기 노즐과 금속관이 피복된 광파이버의 사이의 틈을 통하여 로내의 고온액체중에 취입된다. 삽입된 금속관이 피복된 광파이버의 일단은 광파이버 공급수단에 의해 그 고온액체중에 보내어진다. 고온액체에 접하는 상기 피복광파이버의 일단으로부터 고온액체가 방사하는 스펙트럼광이 들어온다. 상기 피복광파이버의 타단은 방사온도계에 접속되어 그 피복광파이버 내를 전파된 스펙트럼광으로부터 고온액체의 온도가 구하여진다.
상기 광파이버 공급수단은 피복광파이버가 미리 감겨진 드럼, 드럼으로부터 그 피복광파이버를 내보내는 롤러, 이 롤러를 구동하는 모터, 송출속도를 검출하는 검출수단과 그 피복광파이버의 보내는 속도를 제어하는 속도제어수단으로 이루어진다. 모터를 구동함으로써 롤러가 구동되어 드럼으로부터 그 피복파이버가 송출된다. 보내는 속도는 검출수단인 검출기에 의하여 검출된다. 보내는 속도는 검출기의 출력신호에 의거하여 속도제어수단인 콘트롤러에 의해 제어된다.
상기 금속판 피복광파이버는 노즐 내에 삽입되며 그 노즐과 피복광파이버의 간격을 통하여 고온액체 내에 노즐 막힘 방지 가스가 취입된다. 따라서 노즐의 내경과 금속관 피복광파이버의 외경과의 비가 1.5에서 3.5인 것이 바람직하다.
측온노즐은 연와 또는 세라믹에 의해 구성된 노즐, 금속단관에 의해 구성된 노즐, 또는 안쪽을 세라믹으로 한 금속단관에 의해 구성된 노즐 중에서 선택된 어느 노즐이 사용된다. 이측은 노즐은 내관과 외관으로 이루어지는 2중관 구조로 하여도 좋다. 피복광파이버가 상기 내관 내에 삽입되어 내관과 외관의 사이의 틈을 통하여 노즐의 막힘을 방지하기 위한 가스가 공급된다.
상기 가스공급수단은 가스종별선택수단과 가스유속제어수단으로 구성된다. 상기 가스공급수단은 또한 가스압력감지수단을 가져도 좋다.
가스종별선택수단은 상기 광파이버 공급수단에 의한 그 피복광파이버의 송출의 난이상황에 따라 상기 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택한다. 가스유속제어수단은 상기 노즐의 고온액체에 접하는 선단에서의 불어내는 가스의 선유속(線流速)을 50-500Nm/sec의 범위내로 제어한다. 노즐막힘 방지가스로서는 불활성가스, 불활성가스와 산화성가스의 혼합가스, 산화성 가스중 어느 것인가가 선택된다.
가스 압력검지수단은 측온노즐에 취입하는 노즐막힘방지가스의 압력을 검출한다. 가스종별선택수단은 그 압력검출수단의 출력신호 및 상기 피복광파이버의 송출속도검출수단의 출력신호에 따라 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택하여도 좋다.
상기 가스공급수단에 의해 노즐막힘방지가스가 측온노즐에 취입되는데 취입유량을 제어하는 것이 바람직하다. 상기 가스로서 불활성가스를 흐르게 할 때, 그 유량이 너무 많으면 노즐의 선단에 머쉬룸(mushroom)이 형성된다. 이 머쉬룸은 용융금속이 부분적으로 응고한 스폰지상의 덩어리이다. 이 머쉬룸에 의해 상기 피복광파이버를 삽입할 수 없게 된다. 머쉬룸의 생성에 대하여는 산소를 불으로써 머쉬룸을 용해하여 그 피복광파이버의 공급할 수 있게 하는 것도 생각되나 산소를 취입할 경우 노즐의 용손(溶損)이 문제로 된다. 또 노즐 출구 근방에서 금 속의 산화반응이 일어나 측정정도가 나쁘게 된다.
노즐선단에 생성되는 머쉬룸에 관하여는 가스의 온도, 가스의 종류, 유량 및 용탕온도, 용탕성분간의 관계를 아래에 나타내는 식(1)의 조건을 만족할 때, 노즐선단에 측온의 장해로 되는 머쉬룸이 형성되지 않는 것이 발견되었다. 따라서, 식(1)에 나타내는 범위로 가스유량을 제어함으로써 머쉬룸의 생성을 방지하면서 연속적으로 측온하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에 산소를 취입할 필요가 없고, 노즐의 용손이나 측온정도의 저하도 방지할 수 있다.
{Q·M·CP·(Tm-Tg)}/(Tm-T1)4×107····(1)
여기서 Q : 취입가스유량[Nℓ/min, Tm : 용탕온도 [K]
Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K]
CP : 용탕온도에서의 취입가스의 비열 [J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량,
[실시예-1]
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파이버에 의한 측온장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 동 도면에 있어서, 10은 광파이버 공급장치이며, 금속관피복광파이버(11), 모터(12), 롤러(13), 보내는 콘트롤러(14), 전송속도검출기(15), 광파이버드럼(16) 및 방사온도계(17) 에 의해 구성된다. 20은 로 내에 금속관 피복광파이버(11)를 삽입하기 위한 측온노즐이며, 측온풍구(測溫風口)라고도 한다. 21은 측온노즐(20)과 결합되는 광파이버가이드이며, 금속관피복광파입너(11)를 끼움과 동시에 노즐막힘 방지가스가 공급된다. 30은 노즐막힘 방지가스 공급장치이며, 압력/유량조정기(31,32), 공급가스콘트롤러(33), 공급가스생성부(34) 및 가스압력검출기(35)에 의해 구성된다. 40은 예를 들면 전로, 전기로 등의 로이다. 또, 도시의 예에 있어서는 로(40)의 측벽에 측온노즐(20)을 설치한 예에 대하여 나타내고 있으나 측온노즐(20)은 로(40)의 저부에 설치하여도 좋다.
본 실시예에 관한 광파이버에 의한 측온장치는 고온액체의 온도 예를 들면 로 내의 용량온도를 측정하는 경우에 금속관 피복광파이버(11)의 선단부를 노즐막힘 방지가스(예를 들면 질소가스 N2)와 함께 로 내의 용융금속 또는 슬래그에 직접 삽입하여 이 금속관 피복광파이버(11)의 선단부가 고온에 의해 용손하므로 이 용손한 만큼 새 광파이버를 끊어짐 없이 보내어 공급을 계속함으로써 연속적인 온도측정을 가능하게 하는 것이다. 여기서 광파이버를 로 내로 보낼 때 노즐막힘 방지가스의 압력이 광파이버에 인가되므로 이 가압에 대한 강도확보와 내부의 광파이버를 보호하기 위함이다.
이 광파이버를 피복하는 금속관으로는 예를 들면 스테인레스관을 사용한다. 이 스테인레스의 융점은 1400-1430℃정도이므로 고온의 용강중에 삽입하여도 바로 녹지 않으며 수초간은 광파이버를 보호하고 있다. 또 이 실시예에서는 광파이버도 1600℃이상의 연화점(軟化點)을 가진 석영계 유리로 형성되어 있으므로 단시간은 용융하지 않고 그 형상을 보지할 수가 있다.
이 실시예에 있어서 금속관 피복광파이버(11)는 외경이 1.2mm의 것이 사용되고 있다.
측온노즐(20)은 예를 들면 연와 또는 세라믹에 의해 구성된 것, 금속의 단관에 의해 구성된 것, 또는 안쪽을 세라믹으로 한 금속의 단관에 의해 구성된 것 등이 있으며 더욱 금속의 단관 또는 안쪽을 세라믹으로 한 금속의 단관에 의해 구성된 측온노즐의 바깥쪽에 동심(同心)으로 금속관을 설치, 안쪽의 측온노즐의 외경과 바깥쪽의 금속관의 내경과의 사이에 설치한 틈이 노즐막힘 방지가스 공급장치(30)에 접속되는 2중관 구조의 것도 있다.
측온노즐(20)은 그 일단이 고온액체에 접하고 그 타단은 광파이버가이드(21)와 기밀로 결합되며, 이 광파이버가이드(21)쪽으로부터 금속관 피복광파이버(11)가 삽통되어 고온액체에 삽입된다. 또 측온노즐(20)의 내경과 금속관 피복광파이버(11)의 외경과의 사이에는 틈이 설치되며 이 틈에는 광파이버가이드(21)를 통해 노즐막힘 방지가스가 취입된다.
제2도는 본 실시예에 있어서 안쪽을 세라믹으로 한 금속의 단관에 의해 구성된 측온 노즐의 일예를 도시하는 도면이다. 제2도의 측온노즐(20)은 스테인레스판(20a) 의 안쪽에 세라믹관(20b)을 배치한 구조로 되어 있다. 이 예에서는 스테인레스판(20a)의 소재로서 SUS304를 사용하며 세라믹관(20b)의 소재로서 질화실리콘(Si3N4)를 사용하였으나 세라믹은 이것이 한정되는 것은 아니고 질화붕소(BN)나 산화지르코늄(ZrO2) 등을 사용하여도 좋다. 또 세라믹관 대신에 금속관의 내면에 세라믹코팅을 한 것이라도 좋다.
여기서 스테인레스관(20a)의 안쪽에 세라믹관(20b)을 배치한 이유를 설명한다. 측온노즐(20)이 스테인레스관(20a)만인 경우에는 온도 측정중에 광파이버의 피복관(스테인레스관)과 측온노즐(20)이 융착하여 금속관 피복광파이버(11)의 전송이 정지되며 온도의 연속적인 측정을 할 수 없을 때가 있다. 이 지장을 회피하기 위해 안쪽에 세라믹관(20b)을 배치한 구조로 함으로써 측온노즐(20)과 광파이버의 피복관과는 융착하지 않도록 된다.
제2도의 실시예에 있어서 상기 스테인레스관(20a)와 세라믹관(20b)으로 구성된 측온노즐(20)은 내경이 4.0mm, 외경이 8.0mm, 길이는 약 1000mm의 것을 사용하였다. 또 스테인레스(예를 들면 SUS304)의 단관노즐의 경우는 내경이 2.0mm, 외경이 4.0mm 정도의 것을 사용하였다.
광파이버가이드(21)는 광파이버 공급장치(10)로부터 연속적으로 송출되는 금속관 피복광파이버(11)를 노즐하면서 노즐막힘방지 가스공급장치(30)로부터 공급되는 노즐막힘 방지가스와 함께 측온노즐(20)을 통하여 로(40) 내의 용탕에 보내는 기능을 갖는다.
광파이버가이드(21)의 일단은 측온노즐(20)의 고온액체에 접하지 않는 쪽의 일단과 기밀로 접속되며 그 타단은, 금속관 피복광파이버(11)는 통과할 수 있으나 노즐막힘 방지가스는 광파이버 공급장치(10)쪽으로 누설하지 않도록 예를 들면 2중실 씰(seal)등이 설치된 고도의 기밀구조로 되어 있다. 설치된 틈(20d)에는 노즐막힘 방지가스(30)로부터의 배관이 결합되어 상기 가스가 공급된다.
이와 같이 광파이버가이드(21)는 측온노즐(20)과 다른 부재로 구성되어 있으나 광파이버를 노즐막힘방지가스와 함께 로(40)내에 보내는 기능은 모두 동일하며 넓은 의미로는 측온노즐(20)의 일부를 구성하는 부재라고 볼 수 있다.
광파이버가이드(21)와 기밀로 접속된 측온노즐(20)로부터는 금속관 피복광파이버(11)의 송출과 함께 노즐막힘 방지가스로(40) 내의 용탕으로 취출된다.
이 경우에 용탕중에 있어서의 노줄막힘방지가스의 부상영역내(浮上領域內)에서는 기포가 생성되므로 이 기포생성영역내에 금속관 피복광파이버(11)의 선단이 들어가면 온도측정정도가 저하된다. 예를 들면 측오노즐(20)을 수평면보다 하향에 있는 경사각(예를 들면 30도정도)을 가지도록 설치하고 금속관 피복광파이버(11)의 선단이 가스의 부상영역내에 들어가지 않도록 하는 것이 바람직하다.
광파이버공급장치(10)은 광파이버가이드(21) 및 측온노즐(20)을 통해 금속관 피복광파이버(11)를 연속적 또는 단속적으로 로(40) 내로 보내는 기능을 갖는다. 이 때문에 전송콘트롤러(14)는 모터(12)를 구동하여 광파이버드럼(16) 내에 미리 말려있는 금속관 피복광파이버(11)를 송출하나 이 경우에 전송속도검출기(15)에 의해 광파이버의 전송속도를 검출하며 이 검출치에 의해 전송속도가 소정의 값이 되도로 제어하고 있다.
이 실시예에서는 광파이버의 연속적인 전송속도는 5mm/sec로서, 단속적인 전송속도는 10mm/sec로 10초간 보내고 그후 20초 정지하는 동작을 반복하도록 하고 있다. 이 광파이버의 송출은, 노즐막힘 방지가스와 함께 로(40) 내에 삽입되는 금속관 피복광파이버(11)의 선단부가 시간의 경과에 따라 용손해가므로 이 용손한 부분만(즉 소모한 부분) 새 광파이버를 끊이지 않고 공급하기 위하여 행하여진다. 그리고 이 새광파이버를 끊임없이 공급함으로써 연속적인 온도계측이 가능하게 된다.
송출속도검출기(15)는 예를 들면 단위시간 내에 있어서 센서용 롤러의 회전각도로부터 전송속도를 구할 수 있으며 이 검출신호는 전송콘트롤러(14) 및 노즐막힘방지가스 공급장치(30)내의 공급가스콘트롤러(33)로 공급된다.
그리고 이 전송속도검출기(15)의 검출치가 정상의 범위 내인지 아닌지에 의해 광파이버 송출의 난이 상태를 판별할 수가 있다. 예를 들면 측온 노즐(20)의 선단이 막히면 전송속도는 저하한다. 전송콘트롤러(14)는 전송속도가 정상의 범위보다 저하하면 모터(12)의 구동을 정지시켜 장치의 고장을 방지하고 있다.
본 발명에 있어서는 흑체방사조건이 성립하면 그 방사스펙트럼분포로부터 절대온도를 산출할 수 있다고 하는 계측원리를 이용하고 있다. 이 때문에 로(40) 내에 삽입된 금속관피복광파이버(11)의 선단으로부터 용탕이 방사하는 스펙트럼광을 입력하여 이 스펙트럼광이 광파이버 내를 전파하여 방사온도계(17)로 입력한다.
방사온도계(17)에는 예를 들면 그 파장의 휘도출력의 비교로부터 온도를 구하는 2색온도계나 방사광이 휘도출력으로부터 직접온도를 구하는 적외방사온도계 등이 있으며 입력하는 광스펙트럼 신호로부터 각각의 측정방식에 따라 온도를 산출하며, 이 산출된 온도신호는 전기신호로서 출력되어 예를 들면 도시하지 않은 계록계(計錄計) 등에 공급된다.
노즐막힘방지가스 공급장치(30)가 광파이버가이드(21)에 공급하는 가스로서는 불활성가스(이 예에서는 질소가스), 산화성가스(이 예에서는 산소가스) 및 불활성가스와 산화가스와의 혼합가스(이 혼합비는 가변설정이 가능하다)의 3종류의 가스의 어느 것인가를 선택하여 사용한다. 또 이 가스종별의 선택은 광파이버 공급장치(10)에 의한 금속관 피복광파이버(11)의 송출의 난이 상황에 따라 수동 또는 자동에 의해 행하여진다. 또 제1도의 실시예는 이 가스 종별이 자동선택되는 경우를 나타내고 있다.
노즐막힘 방지가스공급장치(30) 내의 공급가스콘트롤러(33)는 가스압력검출기(35)의 검출신호 및 광파이버 공급장치(10) 내의 전송속도검출기(15)의 검출신호를 입력하여 이 2개의 검출신호의 값에 따라 상기 3종류의 노즐막힘 방지가스의 어느 것인가를 자동적으로 선택하여 이 선택결과에 의거한 제어신호를 각각 압력/유량조정기(31) 및 (32)에 공급한다.
압력/유량조정기(31)(32)에는 압력조정기, 유량조정기, 제어밸브 등이 포함되어 있으며 각각 입력되는 질소가스, 산소가스를 제어신호에 따라 압력 및 유량으로서 공급가스 생성부(34)에 공급한다. 공급가스 생성부(34)에서는 질소가스, 산소가스 또는 양자의 혼합가스 어느것인가가 소정의 압력으로 생성되고 여기에서 광파이버가이드(21)로 공급된다.
가스압력검출기(35)는 공급가스생성부(34)가 광파이버가이드(21)에 공급하는 가스압력을 검출하며 이 검출치를 공급가스콘트롤러(33)에 공급한다. 이것은 측온노즐(20)의 선단이 막히면 공급하는 가스의 불어내는 양이 감소하며 가스압력의 검출치가 상승하므로 이 검출치가 정상 범위 내인지 아닌지에 의해 측온노즐(20)의 선단의 막힘상태를 판별할 수 있기 때문이다. 공급가스콘트롤러(33)는 이 공급가스 압력 검출치와 상기 광파이버 전송 속도검출치에 의해 측온노즐(200의 선단의 막힘상태를 판별하여 가스종별의 자동선택을 행한다.
제1도의 실시예에 있어서 공급가스콘트롤러(33)는 광파이버전송속도 검출치 및 공급가스 압력검출치가 정상범위의 경우에는 측온노즐(20) 및 로(40)내에 삽입된 금속관 피복광파이버(11)를 보호하기 위하여 노즐막힘 방지가스로서 냉각효과가 있는 불활성가스(제1도에서는 질소가스)를 선택하고 있다. 그러나 불활성가스를 흐르게 할 때 그 유량이 너무 많으면 측온노즐(20)의 선단에 머쉬룸(용융금속이 부분적으로 응고한 스폰지상의 덩어리)이 생성되어 금속관 피복광파인버(11)의 삽입할 수 없게 된다. 또 반대로 불활성가스의 유량이 너무 적으면 측온노즐(20)의 선단에 용탕이 들어온다.
제1도의 실시예에 있어서는 압력/유량조정기(31)에 의해 조정된 광파이버가이드(21)에의 질소가스의 취입량은 5.0Nm3/Hr(1389cc/sec)로 하고 측온노즐(20)의 선단에서의 가스의 선유속은 50-500Nm/sec의 범위내에서 최적의 값이 되도록 조절하고 있다. 또 이 선유속을 확보하기 위하여는 측온노즐(20)의 내경과, 금속관 피복광파이버(11)의 외경과의 비는 거의 1.5-3.5의 범위로 하는 것이 가장 바람직하다.
상기와 같이 질소가스를 불어넣어 온도계측을 행하여도 로(40) 내의 측온노즐(20)의 선단에서의 머쉬룸의 생성 등에 의해 광파이버 전송속도가 저하하고 공급가스압력이 상승할 때가 있다. 이 경우에는 공급가스콘트롤러(33)는 노즐막힘방지가스로서 질소가스에 산소가스를 소정의 비율로 혼합한 혼합가스를 선택한다. 이 혼합가스의 혼합비는 가변설정이 가능하지만 통상은 측온노즐(20)의 보호의 관점으로부터 산소가스의 혼합비는 최대라도 50%까지로 한정하는 것이 좋다.
공급가스콘트롤러(33)는 상기 선택 결과에 의거하여 압력/유량조정기(31) 및 (32)를 제어하여 상기 소정의 혼합비의 혼합가스를 생성시키고 이것을 광파이버가이드(21)에 불어넣어 머쉬룸 등을 용해시켜 그 부착을 방지할 수가 있다. 그러나 강고한 머쉬룸 부착 등에 의해 혼합가스의 불어내는 것으로는 광파이버의 전송속도 및 공급가스 압력이 정상범위로 되돌아오지 않는 경우가 있으므로 이 경우에는 공급가스콘트롤러(33)는 노즐막힘 방지가스로서 단시간만 산소가스를 선택하여 이 산소가스에 의한 용해를 행하도록 하고 있다.
제3도는 어느 전로에서의 하기의 측정조건에 있어서 광파이버를 사용한 온도측정 결과의 한예를 나타내는 도면이다.
(1) 측온노즐 형식 : 복합단관노즐
노즐의 내경/외경 : 4.0mm/8.0mm
재질 : SUS304 + Si3N4
(2) 광파이버 구조 : 스테인레스관피복
외경 : 1.2mm
(3) 가수취입 종류 : 질소가스
취입량 : 5.0Nm3/Hr
불어내는 속도 : 121Nm/sec
(4) 광파이버 전송속도 : 5mm/sec(연속), 또는 10mm/sec(단속)
제3도에 있어서 상하로 변동하고 있는 파형이 광파이버에 의한 측정온도이며 정도확인을 위한 서브랜스측을 간헐적으로하여 이때의 열전대에 의한 측정온도를 검은 동그라미로 나타내었다. 광파이버에 의한 측정피크치와 열전대에 의한 측정치와의 차는 평균으로 4℃였다. 여기서 측정온도 1600℃에 대한 오차 4℃는 0.25%의 측정정도이며 상당히 좋은 정도였다.
또 광파이버의 전송속도는 연속에서 5mm/sec의 경우와, 10mm/sec에서 10초간 송출하고 그 후 20초간 정지하는 단속적인 경우에서 거의 동일한 측정결과를 얻었다. 또 노즐막힘 가스로서 필요에 따라 질소가스와 산소가스와의 혼합가스의 취입을 실시함으로써 광파이버 삽입정지의 트러블은 발생하지 않았다.
제4도는 열전대 지시치(TS)와 광파이버 온도계 지시치(Tf)와의 대비를 나타내는 도면이며 가로축에 TS를 세로축에 Tf를 나타내며 광파이버에 의한 측정치를 □표로 나타내고 있다. 제4도의 □표는 거의 TS=Tf의 직선상에 분포하고 있으며 양호한 측정결과인 것을 나타내고 있다.
[실시예 -2]
제5도는 본 발명의 일 실시예에 관한 광파이버에 의한 측온장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예에는, 제1도의 실시예와의 대비로서, 산소가스의 압력/유량을 조정하는 압력/유량조정장치(32)가 생략되어 있으며 산소가스는 공급되지 않는다. 그 대신에 후술하는 바와 같이 압력/유량조정장치(31)는 질소가스의 유량을 어느 범위 내로 되도록 조정하고 있다.
제6도는 어느 전로에서의 하기 측정조건에 있어서 광파이버를 사용한 온도측정결과의 일예를 나타내는 도면이다.
(1) 측온노즐 형식 : 복합단관노즐
노즐의 내경/외경 : 3.0mm/7.0mm
재질 : SUS304 + Si3N4
(2) 광파이버 구조 : 스테인레스관피복
외경 : 1.2mm
(3) 가스취입 종류 : 질소가스
취입량 : 2-20.9Nm3/Hr
(4) 광파이버 전송속도 : 5mm/sec(연속),
또는 10mm/sec(단속)
(5) 용융 [c] : 4.2%-0.02%
온도 : 1250-1650℃
제6도에 있어서 상하로 변동하고 있는 파형이 광파이버에 의한 측정온도이며 정도확인을 위한 서브랜스측정을 간헐적으로하여 이때의 열전대에 의한 측정온도를 검은 동그라미로 나타내었다. 광파이버에 의한 측정피크치와 열전대에 의한 측정치와의 차는 평균으로 4℃였다. 여기서 측정온도 1600℃에 대한 오차 4℃는 0.25%의 측정정도이고 제3도의 예와같이 상당히 좋은 정도였다.또 광파이버의 전송속도는 연속에서 5mm/sec의 경우와, 10mm/sec에서 10초간 송출하고 그 후 20초간 정지하는 단속적인 경우에서 거의 동일한 측정결과를 얻었다.
제7도는 열전대 지시치(TS)와 광파이버 온도계 지시치(Tf)와의 대비를 나타내는 도면이며 가로축에 TS를 세로축에 Tf를 나타내며 광파이버에 의한 측정치를 □표로 나타내고 있다. 제7도의 □표는 거의 TS=Tf의 직선상에 분포하고 있으며 양호한 측정결과인 것을 나타내고 있다.
제8도는 제5도의 실시예에 있어서 취입가스유량을(1)식의 조건을 보지한 경우와 그 이외의 경우(질소가스만을 공급하여(1)식의 조건을 보지하지 않았던 경우)이 파이버의 전송한 정지한 빈도를 비교하여 나타낸 도면이다. 동 도면으로부터 본 발명에 의하면 안정한 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면 고온액체의 온도를 측정하는 경우에 금소관 피복광파이버의 선단부를 노즐막힘방지가스와 함께 측온노즐을 통하여 직접 고온액체에 삽입하여 상기 광파이버의 선단부가 고온에 의해 용손한 만큼만 새 광파이버를 끊임없이 송출하여 공급을 계속하도록 하였으므로 장기간의 연속측정이 가능하며 응답성이 빠르고 측정정도도 좋은 광파이버에 의한 측온장치를 얻을 수가 있다.
또 본 발명에 의하면 상기 노즐막힘방지가스로서 냉각효과가 있는 블활성가스, 머쉬룸 등의 용해효과가 있는 불활성가스와 산화성가스와의 혼합가스 또는 산화성가스의 어느 것인가를 선택하여 공급할 수 있도록 하였으므로 측정중에 측온노즐의 선단이 머쉬룸 등의 부착으로 막혀 광파이버의 전송이 곤란하게 되는 것이 없어졌다.
또 본 발명에 의하면 측온노즐의 내경과 금속관 피복광파이버의 외경과의 비가 1.5-3.5의 범위가 되도록 하였으므로 측온노즐에서의 선단에서의 불어내는 가스의 선유속을 50-500Nm/sec의 범위 내에서 소정속도로 제어할 수가 있게 되었다.
또 본 발명에 의하면 연와 또는 세라믹에 의해 구성된 측온노즐 안쪽을 세라믹으로 한 금 속의 단관에 의해 구성된 측온노즐을 사용할 수 있도록 하였으므로 광파이버의 피복관과 측온노즐이 융착하여 광파이버의 이송이 정지되는 사고를 회피할 수 있게 되었다.
또 본 발명에 의하면 금속의 단관 또는 안쪽을 세라믹으로 한 금속의 단관에 의해 구성된 측온노즐의 바깥쪽에 더욱 금속관을 설치한 2중관 구조의 측온노즐로서, 안쪽의 측온노즐과 바깥쪽의 금속관과의 사이의 틈에서도 노즐 막힘 방지가스를 불어내도록 하였으므로 측온노즐의 내구성이 향상하고 장기간의 사용이 가능하게 되었다.
또 본 발명에 의하면 광파이버의 전송속도를 검츨하는 속도검출수단의 출력 신호 및 측온노즐에 불어넣은 노즐막힘 방지가스의 압력을 검출하는 압력검출기의 출력신호에 따라 측오노즐에 불어넣은 상기 2종류의 노즐막힘 방지가스의 어느 것인가를 자동적으로 선택하여 공급하도록 하였으므로 장기간의 연속측정의 경우에 측정작업의 성력화(省力化)가 진행되어 자동적인 측정이 가능하게 되었다.
본 발명에 의하면 고온액체의 온도를 측정하는 경우에 노즐 막힘 방지가스유량을 적정하게 콘트롤함으로써 노즐선단에서의 머쉬룸의 생성을 방지할 수가 있으므로 장기간의 연속측정이 가능하며 응답성이 빠르고 측정 정도도 좋은 광파이버에 의한 고온액체의 측온이 가능하게 된다.
본 발명에 있어서는 광파이버공급수단은 미리 드럼에 감겨진 금속관 피복광파이버의 한단을 측온노즐을 삽통시켜 용기 내의 고온액체중의 연속적 또는 단속적으로 보내어 금속관 피복광파이버의 타단에 접속된 방사온도계는 용기 내의 고온액체의 온도를 계측한다. 이측은 노즐의 내벽과 금속관 피복광파이버의 외주부와의 사이에 형성되는 틈에는 노즐막힘방지가스가 공급되며 측온노즐의 선단쪽이 막혀지는 것을 방지한다.
그런데 측온노즐에 예를 들면 알루미나 등의 세라믹의 파이프나 마그카본(MgO-C) 등의 내화물에 관통구멍을 뚫는 것을 사용하면 그 측온노즐이 사용중에 열응력, 열충격 등에 의해 파단해 버리는 일이 있어 그 경우에는 용탕의 측온노즐 내로의 침입에 의해 측온노즐이 막혀 측온 불능으로 된다. 이 때문에 본 발명에 있어서는 이 측온노즐에 스테인레스 등의 금속관을 사용한다. 또 노즐막힘방지를 위하여 이 금속관에 알곤, 질소 등의 불활성가스를 공급하지만 불활성가스를 흘릴 때 그 양이 너무 많으면 측온노즐의 선단에 머쉬룸이 형성되며 이 경우에도 측온노즐이 막혀 금속관 피복광파이버의 삽입을 할 수 없게 된다.
머쉬룸의 생성에 대하여는 산소를 불므로서 머쉬룸을 용해하여 광파이버의 공급을 가능하게 하는 것도 생각되나 산소를 분 경우에는 측온노즐의 용손이 문제로 된다. 또 측오노즐의 출구근방에서 금속의 산화반응이 일어나 측정정도가 나빠진다.
따라서 노즐막힘 방지용의 가스유량은 적은 편이 좋으나 너무 적으면 반대로 측온노즐의 금속관이 용융해버려 금속관피복광파이버와 용착하여 여기 측온불능으로 될 때가 있다.
본 발명자 등은 금속관으로 이루어지는 측온노즐을 사용하여 광파이버를 공급할때의 측온노즐의 선단의 용융에 관하여 여러 가지 실험을 거듭하여 가스의 온도, 가스의 종류, 유량 및 용량온도, 용탕성분 및 노즐경간의 관계를 상기의 (2)식이 조건을 만족하도록 한 때 측온노즐의 선단의 용융이 없는 상태에서 안정하게 연속적으로 광파이버를 공급할 수 있는 것을 발견하였다. 따라서 (2)식에 나타내는 범위로 가스유량을 조정함으로써 금속관(측온노즐)의 용융을 방지하면서 장시간 안정하게 연속적으로 측온할 수 있다.
Q·M·CP·(Tm-Tg)/Tm-T1 3.0×106·····(2)
여기서 Q : 취입가스유량[Nl/mi]
Tm : 용탕온도 [K]
Tl : 용탕의 응고온도[K]
Tg : 취입가스의 온도[K]
CP : 용탕온도에서의 취입가스의 비열 [J/Kg·K]
M : 취입가스의 분자량
[실시예 -3]
실시예-2의 제5도의 블록도에 도시된 측온장치를 사용하여 온도측정이 행하여진다. 측정시에 공급가스압력검출치와 광파이버 전송속도검출치에 의해 측온노즐(20)의 선단의 막힘 상황이 판단되며 공급가스콘트롤러(33)에 의해 가스유량이 조정된다. 조정시에는 공급가스콘트롤러(33)는 (2)식을 만족하도록 압력/유량조정기(31)에 제어신호를 보낸다.
제9도에는 어느 전로에서의 하기 측정조건에 있어서 광파이버를 사용한 온도측정 결과의 한 예를 도시하는 도면이다.
(1) 측온노즐 형식 : 금속단관노즐
노즐의 내경/외경 : 2.0mm/4.0mm
재질 : SUS304
(2) 광파이버 구조 : 스테인레스관피복
외경 : 1.2mm
(3) 가수취입 종류 : 알곤
온도 : 상온
취입량 : 0.5-5.0Nm3/Hr
(4) 광파이버 전송속도 : 5mm/sec(연속), 또는
10mm/sec(단속)
(5) 용탕 [c] : 4.2%-0.02%
온도 : 1250-1650℃
제9도에 있어서 상하로 변동하고 있는 파형이 광파이버에 의한 측정온도이며 정도확인을 위한 서브랜스측정을 간헐적으로하여 이때의 열전대에 의한 측정온도를 검은 동그라미로 나타내었다. 광파이버에 의한 측정피크치와 열전대에 의한 측정치와의 차는 평균으로 4℃였다. 여기서 측정온도 1600℃에 대한 오차 4℃는 0.25%의 측정정도이며 제3도의 상당히 좋은 정도였다.또 광파이버의 전송속도는 연속에서 5mm/sec의 경우와, 10mm/sec에서 10초간 송출하고 그 후 20초간 정지하는 단속적인 경우에서 거의 동일한 측정결과를 얻었다.
제10도는 열전대 지시치(TS)와 광파이버 온도계 지시치(Tf)와의 대비를 나타내는 도면이며 가로축에 TS를 세로축에 Tf를 나타내며 광파이버에 의한 측정치를 □표로 나타내고 있다. 제10도의 □표는 거의 TS=Tf의 직선상에 분포하고 있으며 양호한 측정결과인 것을 나타내고 있다.
제11도는 상기의 실시예를 실시한 때, 즉 가스유량을(2)식으로 보지한 경우와 그 이외의 경우로서 노즐막힘에 의해 광파이버를 공급할 수 없게 될 때까지 연속하여 측정한 시간을 비교하여 나타낸 도면이다. 도면으로부터 본 발명에 의해 안정하게 장기간 측정 가능한 것을 알 수 있다.
본 발명에 있어서는 광파이버공급수단은 미리 드럼에 감겨진 금속관 피복광파이버의 일단을 측온노즐을 삽통시켜 용기 내의 고온액체중의 연속적 또는 단속적으로 보내어 금속관 피복광파이버의 타단에 접속된 방사온도계는 용기 내의 고온액체의 온도를 계측한다. 이측은 노즐의 내벽과 금속관 피복광파이버의 외주부와의 사이에 형성되는 틈에는 노즐막힘방지가스가 공급되며 측온노즐의 선단쪽이 막혀지는 것을 방지한다.
또 본 발명에 있어서는 금속관 피복광파이버를 단속적으로 공급하므로 연속적으로 공급하는 것에 비하여 대폭으로 광파이버의 소비량을 절약할 수 있으며 코스트를 절감할 수 있다. 예를 들면 일반의 전로(용선을 탈탄 취련하여 용광을 얻은 정련로)조업에 있어서 1배치의 취련은 15분 정도이지만 10mm/sec로 연속적으로 광파이버를 공급한 경우의 소비량은 9m로 된다. 여기서 광파이버를 10초간 연속공급하고 그후 10초간 정지하는 단속(간헐)공급에 있어서는 광파이버의 소비량은 반분으로 되며 10초공급, 20초정지와 같은 단속공급에서는 1/3, 또한 5초공급, 20초정지와 같은 단속공급에서는 1/5로 되며, 1배치에서의 광파이버의 소비량을 2m이하까지 절감할 수 있다.
그런데 장시간의 측온을 계속하면 측온노즐이 고온으로 되지만, 그 경우에 광파이버를 공급하지 않는 정지시기에 있어서는 광파이버의 피복관(금속)과 측온노즐을 구성하는 금속관과의 접촉에 의해 금속끼리가 융착해버려 광파이버의 공급이 불능으로 될 때가 있다. 그러나 본 발명에 있어서는 이 정지시기에 광파이버 공급장치에 의하여 광파이버를 공급방향의 전후로 진동시키므로 금속끼리의 융착을 막을 수 있으며 장시간 안정하게 측온할 수 있다.
[실시예-4]
제12도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파이버에 의한 측온방측의 구성을 나타내는 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 장치에는 제5도의 실시예의 장치에 대하여 금속관 피복광파이버(11)를 공급방향의 전후로 진동시키는 진동장치(51)와 진동콘트롤러(52)가 부가되어 있다.
제12도의 실시예에 있어서는 공급가스콘트롤러(33)는 광파이버전송속도 검출치 및 공급가스 압력검출치가 정상범위의 경우에는 측온노즐(20) 및 로(40) 내에 삽입된 금소관 피복광파이버(11)를 보호하기 위하여 노즐막힘 방지가스로서 냉각효과가 있는 불활성가스(제12도에서는 알곤)을 선택하고 있다.
제13도는 전로에서의 하기 측정조건에 있어서 광파이버를 사용한 온도측정결과의 한 예를 나타내는 도면이다. 측온노즐(20)의 설치위치는 제12도에 나타내는 로복부, 용탕탕면으로부터 400mm 밑의 위치이다.
(1) 측온노즐 형식 : 단관노즐
노즐의 내경/외경 : 2.0mm/4.0mm
재질 : SUS 310
(2) 광파이버 구조 : 스테인레스관 피복
외경 : 1.2mm
(3) 가스취입 종류 : 알곤
취입량 : 1.0Nm3/Hr
(4) 광파이버 전송속도 : 10mm/sec(20초 정지, 5초공급)
(5) 광파이버진동 : 진폭 ±5mm, 매분 180회
(6) 용탕 [c] : 4.2%-0.02%
온도 : 1250-1650℃
제13도에 있어서 상하로 변동하고 있는 파형이 광파이버에 의한 측정온도이며, 정도확인을 위한 서브랜스측정을 간헐적으로하여 이때의 열전대에 의한 측정온도를 검은 동그라미로 나타내었다. 도면에 있어서 측온파형이 낮은 시기는 파이버 공급을 정지하고 있는 시기이다. 광파이버에 의한 측정피크치와 열전대에 의한 측정치와의 차는 평균으로 4℃였다. 여기서 측정온도 1600℃에 대한 오차 4℃는 0.25%의 측정정도이며 제법 좋은 정도였다.
제4도는 열전대 지시치(TS)와 광파이버 온도계 지시치(Tf)와의 대비를 나타내는 도면이며 가로축에 TS를 세로축에 Tf를 나타내며 광파이버에 의한 측정치를 □표로 나타내고 있다. 제14도의 □표는 거의 TS=Tf의 직선상에 분포하고 있으며 양호한 측정결과인 것을 나타내고 있다.
제15도는 본 실시예를 실시한 시기, 즉 파이버 공급하지 않는 시기에 진폭 ±5mm로 매분 180회 진동시킨 경우와, 진동하지 않는 경우의 파이버의 전송이 불가능으로 된 빈도를 비교하여 나타낸 도면이다. 도면으로부터 본 발명에 의하면 안정한 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 온도측정장치에서는 가이드파이프를 통과하는 광파이버로부터의 가스누출을 방지하는 실(SCAL)장치가 설치되어 있다.
광파이버의 씰장치는 광파이버·가이드파이프를 통하여 송급되는 광파이버를 그 송출족에 대하여 실하는 광파이버의 실장치에 있어서 광파이버의 직경보다 작은 직경의 구멍을 가지며 광파이프의 축방향에 따라 배치된 복수개의 씰고무와, 씰고무의 사이에 인접하여 배치된 백업링과, 실고무에 인접하여 배치되며 씰용 오일이 압입되는 랜턴링을 가지며 양쪽에 광파이버·가이드파이프가 접속된 씰 장치본체 내에 이들의 씰고무 및 링을 수납하고 있다.
본 씰 장치는 고무의 탄력성을 이용한 것으로서 예를 들면 광파이버의 피송급(被送給)쪽의 가이드파이프에 노즐막힘 방지가스를 공급하며 그 가이드파이프를 통과하는 광파이버로부터의 가스누출을 방지하도록 한 것이다. 로 온도를 계측하는 경우에는 노즐 막힘 방지가스를 광파이버 . 가이드파이프에 유량과 압력을 콘트롤하여 합류시키고 측온노즐의 선단으로부터 용탕에 광파이버와 함께 보내고 있다. 여기서 광파이버는 폭이 좁고(예를 들면 5mm폭), 광파이버경(예를 들면 01.2mm)보다 작은 직경의 구멍 (예를 들면 01mm)이 씰고무를 통과함으로써 광파이버의 공급쪽에 대한 씰링이 이루어진다.
또 본 씰장치는 씰성능을 향상시키고 또한 그 슬라이드저항을 작게하기 위하여 폭이 좁은 (예를 들면 5mm폭) 실고무를 복수개(예를들면 4개)를 나란히하고 있다. 그리고 씰고무의 사이에 설치된 백업링은 실고무의 변형을 방지하는 역할을 떠맡고 있다. 또 랜턴링을 통해 씰고무간에 오일을 압입함으로써 윤활작용을 얻어 광파이퍼의 씰고무의 구멍을 통과시킬 때의 슬라이드 저항을 작게하고 있다.
제16도는 광파이버의 씰장치의 구성을 나타낸 단면도이다. 씰장치 본체(1)는 도시하는 것과 같이 중공부분이 형성되어 있으며 여기에는 씰고무(2), 백업링(3) 및 씰고무(2)가 랜턴링(4)을 중심으로하여 좌우로 배치되어 있다. 따라서 이 실시예에 있어서는 4개의 씰고무(2)가 배치되어 있는 것으로 된다. 씰고무(2)의 중심부에는 광파이버(5)의 직경 1.2mm에 대하여 약간 작은 직경 1mm의 구멍이 설치되어 있다. 씰장치 본체(1)의 양단에는 나사가공이 되어 있으며 광파이버·가이드파이프(6) 및 씰누름(9)이 각각 접속되어 있다. 또 이 씰누름(9)에 있어서도 나사가공이 되어 있으며, 광파이버(5)의 공급쪽의 광파이버·가이드파이프(6)가 접속되어 있다. 랜턴링(4)에는 오일씰 급지구(給脂口)(8)로부터의 씰용 오일(7)이 배압(背壓)에 의하여 압입되어 있다. 이 씰용오일을 노즐막힘 방지가스 압력 + 1Kg/cm2으로 압입하면 씰고무(2)에 대하여 노즐막힘 방지가스압에 대한 배압으로되어 씰효과가 더욱 향상한다. 오일의 종류는 윤활성이 있는 것이라면 유효하다. 또 씰고무(2)의 구멍경은 작게 하면 씰성능은 향상되지만 통과저항이 크게 되어 공급불능이 되여 반대로 멍경을 크게 하면 누출의 문제가 있어 광파이버 직경의 80-85% 정도가 바람직하다.
제17도의 (a),(b),(c)는 제16도의 A-A 단면도, B-B 단면도 및 C-C 단면도이며 씰고무(2), 백업링(3) 및 랜턴링(4)의 단면을 각각 나타내고 있다.
여기서 광파이버(5)가 광파이버·가이드파이프(6)를 통하여 씰고무(2)를 통과할 때는 씰고무(2)의 구멍경 1mm에 대하여 광파이버(5)의 직경이 1.2mm로 크기 때문에 씰고무(2)는 넓혀진다. 이것에 대한 반력을 이용하여 광파이버(5)로부터의 누출을 방지하고 있다. 그리고 씰고무(2)를 광파이버(5)의 축방향으로 복수개(4개) 배치함으로써 그 씰효과를 더욱 높히고 있다. 광파이버(5)가 씰고무(2)를 통과할 때, 씰고무(2)가 변형하여 말려들어가는 것을 방지하기 위해 본 실시예에 있어서는 백업링(3)을 설치하였다. 또 백업링(3)의 구멍경을 예를 들면 3mm로 함으로써 씰고무(2)의 탄력, 반력 등의 움직임을 가능하게 하고 있다. 또한 랜턴링(4)에 후입(厚入)하는 씰용 오일은 어떠한 오일이라도 사용가능하다.
본 실시예에 있어서는 씰고무(2)를 통과할 때의 슬라이드저항을 작게할 목적으로 씰고무(2)의 폭을 5mm로 하고 씰효과를 올리기 위하여 씰고무(2)를 4개 병설하고 씰고무(2)의 중간에는 랜턴링(4)을 설치하여 오일씰급지구(8)로부터 씰용오일(7)을 압입하여 씰고무(2)의 통과 슬라이드 저항을 작게하여 광파이버·가이드파이프(6)(도면의 좌측)으로부터의 노즐막힘방지가스의 역류를 씰링하고 있다. 이와 같이하여 슬라이드 저항을 작게함으로써 광파이버 등의 전송속도(슬라이드하여 통하는 속도)는 50mm/분-800mm/분으로 넓은 범위의 전송속도에 대하여 썰링할 수가 있다.
제18도는 제16도의 광파이버의 씰장치를 적용한 측온장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
Claims (30)
- ·금속관이 피복된 광파이버; ·고온액체를 수용하는 로에 설치된 온도를 측정하기 위하여 사용되는 노즐, 여기서 이 노즐의 일단은 로에 수용된 고온액체에 접하고 타단으로부터 그 피복 광파이버가 삽입되며; ·상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 가스공급수단; ·상기 노즐을 통하여 상기 피복광파이버의 일단을 그 고온액체중에 보내는 광파이버 공급수단, 여기서 상기 피복 광파이버의 일단으로부터 고온액체가 방사하는 스펙트럼 광이 들어오며; 그리고 ·상기 피복광파이버의 타단에 접속되며, 그 피복광파이버 내를 전파된 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 방사온도계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 온도측정장치는 더욱 상기 광파이버 공급수단에 의한 피복광파이버의 송출의 난이 상황에 따라 그 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택하는 가스 종별선택수단을 갖는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서 상기 가스공급수단은 그 노즐의 고온액체에 접하는 선단에서의 불어내는 가스의 선유속을 50-500Nm/sec의 범위 내로 제어하는 유속제어수단을 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐과 피복광파이버는 그 노즐의 내경과 금속광파이버의 외경과의 비가 1.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 연와로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 세라믹으로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 금속 단관에 의해 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 안쪽을 세라믹으로한 금속 단관으로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 내관과 외관으로 되는 2중관이고, 피복광파이버가 상기 기관내에 삽입되며, 내관과 외관의 사이의 틈을 통하여 노즐의 막힘을 방지하기 위한 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제9항에 있어서, 상기 내관은 세라믹을 내장(Wall lining)한 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 광파이버공급수단은 그 피복광파이버의 전송속도를 검출하는 속도검출수단과 그 속도검출수단의 출력신호에 의거하여 그 피복광파이버의 전송속도를 제어하는 전송속도 제어수단을 가지며, 상기 가스 공급수단은 상기 노즐에 취입하는 가스의 압력을 검출하는 압력검출 수단, 상기 압력검출수단의 출력신호 및 그 속도검출수단의 출력신호에 따라 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택하는 종별선택수단을 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 광파이버 공급수단은 피복광파이버가 미리 감겨진 드럼, 드럼으로부터 상기 피복광파이버를 보내는 롤러, 이 롤러를 구동하는 모터, 송출속도를 검출하는 검출기와 전송속도 콘트롤러를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 광파이어 공급수단은 그 피복광파이버를 공급방향의 전후로 진동시키는 진동장치를 가지며, 이 진동장치는 피복광파이버를 고온액체중에 보내지 않는 정지시기에 작동되는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 공급수단은 하기의 식을 만족하는 하기의 식을 만족하는 유량에 가스유량을 제어하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.(Q·M·CP·(Tm-Tg)/Tm-T1 4×107여기서, Q : 취입가스유량[Nℓ/min], Tm : 용탕온도[K], Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K], CP : 용탕온도에서의 취입가스의 비열[J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량)
- 제1항에 있어서, 상기 가스공급수단은 하기의 식을 만족하는 유량에 가스유량을 제어하는 수단을 가는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.(Q·M·CP·(Tm-Tg)/Tm-T1 3×106여기서, Q : 취입가스유량[Nℓ/min], Tm : 용탕온도[K], Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K], CP : 용탕온도에서의 취입가스의 비열[J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량)
- 제1항에 있어서, 상기 광파이버 공급수단은 피보광파이버가 그것을 통하여 노즐에 안내되는 가이드 파이프와, 그 가이드파이프와 피복광파이버를 씰링하는 씰장치를 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제16항에 있어서, 상기 씰장치는 광파이어의 직경보다 작은 직경의 구멍을 가지며 광파이버의 축방향에 따라 배치된 복수개의 씰고무와 상기 씰고무의 사이에 인접하여 배치된 백업링과, 상기된 씰고무에 인접하여 배치되며 씰용 오일이 압입되는 랜턴링을 가지며 양쪽에 상기 광파이버·가이드파이프가 접속된 씰장치 본체내에 이들의 씰고무 및 링을 수납하고 있는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- ·금속관이 피복된 광파이버를 준비하는 공정; ·고온액체를 수용하는 로에 설치되고 그 일단이 상기 고온액체를 접하고 있는 노즐을 통하여, 고온액체가 방사하는 스펙트럼광이 한쪽 끝으로 들어오는 상기 피복광파이버를 고온액체중에 보내는 공정; ·상기 노즐의 막힘을 방지하기 위하여 그 노즐 내에 가스를 공급하는 가스를 공급하는 공정; ·상기 피복광파이버의 타단에 접속된 방사온도계에 의해 그 피복광파이버 내를 전파한 스펙트럼광으로부터 온도를 구하는 공정을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 더욱 상기 광파이버를 고온액체중에 보내는 공정이 있어서 그 피복광파이버의 송출의 난이 상황에 따라 그 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정장치.
- 제19항에 있어서, 상기 노즐 내에 취입되는 가스는 불활성 가스, 불활성가스와 산화성가스의 혼합가스, 산화성가스중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 노즐로의 가스의 공급은 그 노즐의 선단에서의 불어내는 가스의 선유속이 50-500Nm/sec 범위내가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 노즐과 피복광파이버는 그 노즐이 내경과 금속관 피복광파이버의 외경과의 비가 1.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 노즐 내관과 외관으로 되는 이중관이고 피복광파이버가 상기 내관내에 삽입되며 내관과 외관 사이의 공간을 통해 노즐의 막힘을 방지하기 위한 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 피복광파이버를 고온액체중에 보내는 공정은 그 피복광파이버의 전송속도를 검출하는 공정과 그 속도 검출수단의 출력신호에 의거하여 그 피복광파이버의 전송속도를 제어하는 공정을 가지며, 상기 노즐에 가스를 공급하는 공정은 상기 노즐에 취입하는 가스의 압력을 검출하는 공정, 그 압력검출공정의 출력신호 및 그 속도 검출공정의 출력신호에 따라 노즐에 취입하는 가스의 종류를 선택하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 피복광파이버를 보내는 공정은 그 피복광파이버를 연속적으로 고온액체중에 보내는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 피복광파이버를 보내는 공정은 그 피복광파이버를 연속적으로 고온액체중에 보내는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 피복광파이버를 보내는 공정은 그 피복광파이버를 단속적으로 고온액체중에 보내며 피복광파이버를 고온액체중에 보내지 않는 정지시기에 그 피복광파이버를 공급방향의 전후로 진동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.
- 제 18항에 있어서, 상기 노즐에의 가스공급은 하기의 식을 만족하는 가스유량을 가지고 행하여지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.(Q·M·CP·(Tm-Tg)/Tm-T1 4×107: 여기서, Q : 취입가스유량[Nℓ/min], Tm : 용탕온도 [K], Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K], CP: 용탕온도에서의 취입가스의 비열[J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량)
- 제18항에 있어서, 상기 노즐에의 가스공급은 하기의 식을 만족하는 가스유량을 가지고 행하여지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법.(Q·M·CP·(Tm-Tg)/Tm-T1 3×106: 여기서, Q : 취입가스유량[Nℓ/min], Tm : 용탕온도 [K], Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K], CP: 용탕온도에서의 취입가스의 비열[J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량)
- 제18항에 있어서, 상기 노즐에의 가스공급은 하기의 식을 만족하는 가스유량을 가지고 행하여지는 것을 특징으로 하는 광파이버를 사용한 온도측정방법3×106{Q·M·CP·(Tm-Tg)}/(Tm-T1) 4×107: 여기서, Q : 취입가스유량[Nℓ/min], Tm : 용탕온도[K], Tl : 용탕의 응고온도[K], Tg : 취입가스의 온도[K], CP : 용탕온도에서의 취입가스의 비열[J/Kg·K], M : 취입가스의 분자량)
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