선박 건조과정에서 이면부의 도장손상은 용접과정에서 과도한 입열량(heat input)에 따른 전도의 영향으로 손상 방지를 위해서는 용접온도 계측에 의한 적절한 입열량 제어가 필요하다. 온도 계측에는 접촉식, 비접촉식 방법이 있으며 열화상 시스템은 대표적인 비접촉식 방법이다. 하지만 일반적인 열화상 시스템의 탐지센서(detector)는 고온물체에서 방출되는 복사량(radiant quantity)이 과도하면 백화현상(saturation)으로 인해 온도계측이 불가능해진다. 따라서 본 논문에서는 열화상 시스템에 집속되는 과도한 복사량을 차단하기 위해 중성밀도필터(neutral density filter)를 결합하여 고온 물체의 온도를 $3000^{\circ}C$까지 정량적으로 계측하기 위한 복사 에너지필터링을 연구하였다.
선박 건조과정에서 이면부의 도장손상은 용접과정에서 과도한 입열량(heat input)에 따른 전도의 영향으로 손상 방지를 위해서는 용접온도 계측에 의한 적절한 입열량 제어가 필요하다. 온도 계측에는 접촉식, 비접촉식 방법이 있으며 열화상 시스템은 대표적인 비접촉식 방법이다. 하지만 일반적인 열화상 시스템의 탐지센서(detector)는 고온물체에서 방출되는 복사량(radiant quantity)이 과도하면 백화현상(saturation)으로 인해 온도계측이 불가능해진다. 따라서 본 논문에서는 열화상 시스템에 집속되는 과도한 복사량을 차단하기 위해 중성밀도필터(neutral density filter)를 결합하여 고온 물체의 온도를 $3000^{\circ}C$까지 정량적으로 계측하기 위한 복사 에너지 필터링을 연구하였다.
In a shipbuilding process, thermal damage to the ship structure at the rear end results from an excessive heat input and conduction during welding process. To prevent such damage, appropriate control of the heat input, based on welding temperature measurement, is required. For temperature measuremen...
In a shipbuilding process, thermal damage to the ship structure at the rear end results from an excessive heat input and conduction during welding process. To prevent such damage, appropriate control of the heat input, based on welding temperature measurement, is required. For temperature measurement, contact and non-contact methods are available; the thermography system is a popular non-contact temperature measurement. When the intensity of radiation from a high-temperature object is excessive, however, detecting the sensors of ordinary thermography systems leads to an inability in measuring the temperature due to saturation. Hence, this study suggests use of a neutral density filter that prevents an excessive amount of radiation from being accumulated in a thermography system, and thus makes it possible to quantitatively measure an object's temperature as high as $3000^{\circ}C$.
In a shipbuilding process, thermal damage to the ship structure at the rear end results from an excessive heat input and conduction during welding process. To prevent such damage, appropriate control of the heat input, based on welding temperature measurement, is required. For temperature measurement, contact and non-contact methods are available; the thermography system is a popular non-contact temperature measurement. When the intensity of radiation from a high-temperature object is excessive, however, detecting the sensors of ordinary thermography systems leads to an inability in measuring the temperature due to saturation. Hence, this study suggests use of a neutral density filter that prevents an excessive amount of radiation from being accumulated in a thermography system, and thus makes it possible to quantitatively measure an object's temperature as high as $3000^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구에서는 고온 계측 열화상 시스템 구현을 위한 복사에너지 필터링 연구를 위해 열화상 시스템의 기반이 되는 흑체복사와 탐지이론을 고찰하였다. 또한 열화상 시스템에 입사하는 복사에너지 값을 필터를 적용하지 않은 case 1과 필터를 적용한 case 2로 분류하고 특성곡선을 작성하기 위해 실험과 이론적 수치적분을 수행하였다.
이와 같은 방법을 이용하여 본 논문에서는 열화상 시스템에 집속되는 과도한 복사에너지를 일정부분 차단하기 위해 투과율(transmissivity,τ)이 약 50%인 중성밀도필터(neutral density filter)를 결합하여 고온의 물체를 3000℃까지 정량적으로 계측하기 위한 복사에너지 필터링을 연구하였다.
가설 설정
1) 열화상 시스템에 입사하는 복사에너지는 탐지기의 응답특성에 따라 그 양이 결정된다.
제안 방법
흑체시스템의 온도는 최대 1700℃까지 설정할 수 있으며 총 9개의 온도에서 복사에너지 필터링을 하지 않은 case 1과 필터링을 적용한 case 2로 나누어 계측하였다. 각각 온도에서 카메라는 50Hz의 속도로 6초간 300 frame을 저장하고 흑체시스템 중앙에서 방사한 값을 평균하여 이를 교정곡선 작성 데이터로 활용하였다.
고온계측에 필요한 교정곡선은 1700℃ 이내에서 흑체시스템(black-body system)을 사용하였다. 계측하지 못한 영역은 흑체복사법칙(black-body radiation law)과 열화상 카메라 탐지 이론을 통해 특성곡선을 작성하고 1000℃이상의 고온영역을 비교 분석하여 선형외삽법을 통해 구현하였다.
본 연구에서는 고온 계측 열화상 시스템 구현을 위한 복사에너지 필터링 연구를 위해 열화상 시스템의 기반이 되는 흑체복사와 탐지이론을 고찰하였다. 또한 열화상 시스템에 입사하는 복사에너지 값을 필터를 적용하지 않은 case 1과 필터를 적용한 case 2로 분류하고 특성곡선을 작성하기 위해 실험과 이론적 수치적분을 수행하였다.
본 연구에서는 이를 방지하기 위해 카메라 스펙트럼 영역에서 투과율이 약 τ=50%로 균일한 중성밀도필터를 사용하여 복사량을 감소시켰다.
본 연구의 목표를 만족하고 신뢰성 있는 온도계측 결과를 얻기 위해서는 3000℃를 구현할 수 있는 흑체시스템을 사용하여 교정곡선을 작성해야 한다. 하지만 국내의 고성능 흑체시스템은 1700℃ 이내의 온도를 구현할 수 있기 때문에 외삽법을 이용하여 미계측영역을 예측하였다.
열화상 카메라는 FLIR의 A655sc 모델로 렌즈는 적외선 대역의 파장이 투과하도록 게르마늄 렌즈를 사용하고 비냉각식 마이크로 볼로미터 (uncooled microbolometer) 탐지기를 사용한다. 실험 카메라는 FLIR사에서 제공하는 소프트웨어를 이용하여 데이터를 저장, 분석하고 사용자가 교정곡선을 작성할 수 있어 R&D 분야에서 주로 사용된다.
위의 결론을 토대로 실험에서 계측하지 못한 고온 영역의 교정곡선은 1000℃부터 1700℃까지의 실험자료를 최소자승법을 통해 선형방정식으로 표현하고 선형외삽법을 이용하여 3000℃까지 작성하였다. 연구를 통해 작성한 고온계측용 교정곡선은 이론적 계산 결과와 실험에 의한 결과 값의 경향을 비교 분석하여 작성한 결과이다.
5와 같다. 카메라와 표적 사이의 거리는 최소 초점거리(25 cm)를 만족하면서 최대한 대기투과율을 높이기 위해 30 cm로 하였으며, 실험실 온도 24.7℃, 습도 40% 환경에서 실험을 수행하였다.
본 연구의 목표를 만족하고 신뢰성 있는 온도계측 결과를 얻기 위해서는 3000℃를 구현할 수 있는 흑체시스템을 사용하여 교정곡선을 작성해야 한다. 하지만 국내의 고성능 흑체시스템은 1700℃ 이내의 온도를 구현할 수 있기 때문에 외삽법을 이용하여 미계측영역을 예측하였다. 이를 위해 300-1700℃ 구간의 실험값과 이론적 계산 값의 경향 및 상관관계를 파악하기 위해 상관분석을 수행하였다.
흑체시스템의 온도는 최대 1700℃까지 설정할 수 있으며 총 9개의 온도에서 복사에너지 필터링을 하지 않은 case 1과 필터링을 적용한 case 2로 나누어 계측하였다. 각각 온도에서 카메라는 50Hz의 속도로 6초간 300 frame을 저장하고 흑체시스템 중앙에서 방사한 값을 평균하여 이를 교정곡선 작성 데이터로 활용하였다.
대상 데이터
Fig. 3에서 보이는 것처럼 본 실험에 사용한 열화상 카메라 탐지기의 응답 특성 구간은 약 7.5-18 μm이다.
본 연구에서 교정곡선 작성을 위한 흑체시스템은 FLIR사의 실험시설을 사용하였다. 실험을 위한 개략적 구도는 Fig.
데이터처리
하지만 국내의 고성능 흑체시스템은 1700℃ 이내의 온도를 구현할 수 있기 때문에 외삽법을 이용하여 미계측영역을 예측하였다. 이를 위해 300-1700℃ 구간의 실험값과 이론적 계산 값의 경향 및 상관관계를 파악하기 위해 상관분석을 수행하였다. Case 1과 case 2의 상관계수 결과는 온도와 계산값이 각각 99.
이론/모형
이와 같은 방법을 이용하여 본 논문에서는 열화상 시스템에 집속되는 과도한 복사에너지를 일정부분 차단하기 위해 투과율(transmissivity,τ)이 약 50%인 중성밀도필터(neutral density filter)를 결합하여 고온의 물체를 3000℃까지 정량적으로 계측하기 위한 복사에너지 필터링을 연구하였다. 고온계측에 필요한 교정곡선은 1700℃ 이내에서 흑체시스템(black-body system)을 사용하였다. 계측하지 못한 영역은 흑체복사법칙(black-body radiation law)과 열화상 카메라 탐지 이론을 통해 특성곡선을 작성하고 1000℃이상의 고온영역을 비교 분석하여 선형외삽법을 통해 구현하였다.
성능/효과
2) 파장에 따라 투과율이 균일한 중성밀도필터를 사용할 경우 열화상 시스템에 입사하는 복사에너지는 투과율 영향에 의해 그 값이 비율적으로 감소한다.
3) 원적외선 대역의 열화상 시스템은 고온 영역(1000℃ 이상)에서 온도 대비 복사에너지 값이 높은 선형성을 보인다.
이를 위해 300-1700℃ 구간의 실험값과 이론적 계산 값의 경향 및 상관관계를 파악하기 위해 상관분석을 수행하였다. Case 1과 case 2의 상관계수 결과는 온도와 계산값이 각각 99.87%, 99.86%로 온도와 실험 결과값은 각각 99.75%, 99.84%로 계산되었다. 이는 온도와 계산값 그리고 실험 결과 값의 선형성이 높다는 것을 나타낸다.
결과적으로 이론적 계산값은 카메라의 탐지기가 일정구간의 복사에너지에만 반응하기 때문에 전체 파장대역이 아닌 6-18 μm 영역만 적분하였다.
하지만 온도에 따른 복사에너지의 순간변화율을 계산하여 변화율 오차가 0.02%이하인 1000℃이상의 결과값만을 반영하여 상관분석을 하면 모든 조건에서 상관계수 결과값이 99.98% 이상으로 선형성이 더 높다는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
후속연구
연구를 통해 작성한 고온계측용 교정곡선은 이론적 계산 결과와 실험에 의한 결과 값의 경향을 비교 분석하여 작성한 결과이다. 따라서 향후 더 높은 온도를 구현할 수 있는 신뢰성 있는 흑체시스템을 이용한 검증이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 용접과정에서 나타나는 과도한 입열량은 어떠한 현상을 일으키는가
선박 건조과정에서 용접에 의한 이면부의 도장 손상은 선박의 품질 문제뿐만 아니라 재작업으로 인한 추가적인 시간과 비용을 발생시킨다. 선박의 용접과정에서 나타나는 과도한 입열량(heat input) 은 이면 도장부분에 열화손상 및 열 변형을 일으킨다. 따라서 도장 손상을 방지하기 위해 용접온도 계측에 의한 적정한 입열량 제어가 필요하다.
열화상 시스템은 최근 어디에 사용되고 있는가
초기에 열화상 시스템은 주로 군수용 목적으로 사용되었으나 최근에는 적외선 기술의 발전과 보편화에 따라 상업용으로 꾸준히 확대되고 있다. 주로 전기의 누전이나 합선, 건물의 단열상태 및 화재 감시가 있으며 물체의 높은 온도를 측정하고자하는 목적으로 제철 및 제강, 유리, 정유 산업 등에서 사용되고 있다[1].
선박 건조과정에서 용접에 의한 이면부의 도장 손상의 단점은 무엇인가
선박 건조과정에서 용접에 의한 이면부의 도장 손상은 선박의 품질 문제뿐만 아니라 재작업으로 인한 추가적인 시간과 비용을 발생시킨다. 선박의 용접과정에서 나타나는 과도한 입열량(heat input) 은 이면 도장부분에 열화손상 및 열 변형을 일으킨다.
참고문헌 (12)
Y. T. Jung, "Infrared Sensor's Principle & Application," Infothebooks, South of Korea, pp. 9-30, 59-120, (2012)
T. L. Bergman, F. P. Incropera, D. P. DeWitt and A. S Lavine, "Fundamentals of Heat and Mass Transfer," John Wiley & Sons, pp. 836-853 (2008)
FLIR System, "Ultimate Infrared Handbook for R&D Professionals," pp. 5-48 (2008)
Cedip Infrared Systems, "Calibration Procedure," pp. 3-7 (2005)
I. H. Lee, "Easyflow Regression Analysis," pp. 31-38 (2014)
S. H. Park, "Design of Experiment," pp. 1-16, 227-278 (2003)
Y. J. Cho, "Study for ship infrared signature measurement result calibration and validation method," Study Report, pp. 26-48 (2009)
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M. S. Lee, H. Y. Heo, J. G. Park, S. H. Cho and T. W. Jang, "A study of prediction in burn damage temperature at weld backside," Proceedings of the KWJS Autumn Conference, p. 5 (2009)
B. S. Ahn, Y. S. Hong, E. S. Jung, T. Y. Kang and E. G. Kang, "A development of absorption layer optimization process for high performance micro bolometer detector," Proceedings of The Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference, pp. 1579-1580 (2010)
G. Lefever-Button, J. F. Lindblom and F. R. Powell, "Ultrathin film neutral density filter set for the infrared," Proc. SPIE 3425, Optical Diagnostic Methods for Inorganic Transmissive Materials, pp. 64-72 (1998)
S. G. Kaplan, L. M. Hanssen, A. L. Migdall and G. Lefever-Button, "Characterization of high-OD ultrathin infrared neutral density filters," Proc. SPIE 3425, Optical Diagnostic Methods for Inorganic Transmissive Materials, pp. 56-63 (1998)
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