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KR-20260061016-A - METHODS AND DEVICES TO DETERMINE A TEMPERATURE WITH A THERMOCOUPLE

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Abstract

본 발명은 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하는 방법, 고온 환경의 온도를 결정하는 방법, 본 발명의 방법을 수행하도록 구성된 열전대 시스템 및 열전대 장치에 관한 것이다.

Inventors

  • 네이엔스 귀도
  • 벡스 게르트-얀

Assignees

  • 헤라우스 일렉트로-나이트 인터내셔날 엔. 브이.

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251020
Priority Date
20241025

Claims (15)

  1. 열전대의 저온 접합부(cold junction)의 온도를 결정하는 방법으로서, i) 온도(T1)에서의 위치(p1)에 열전대를 제공하는 단계로서, 상기 열전대는 2개의 서모와이어(thermowire)들을 포함하고, 각각의 서모와이어는 측정 단부 및 저온 단부를 포함하며, 상기 서모와이어들은 측정 접합부에서의 그들의 측정 단부들에서 서로 연결되는, 상기 열전대를 제공하는 단계; ii) 위치(p1)에서의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 제공하는 단계; iii) 시점(t1)에서 상기 온도 센서로 상기 온도(T1)를 측정하는 단계; iv) 상기 시점(t1)에서 상기 열전대의 전압 신호(V1)를 측정하는 단계; v) 상기 온도(T1) 및 상기 전압 신호(V1)에 기초하여 상기 시점(t1)에서의 상기 서모와이어들의 상기 저온 단부들의 온도(T 저온 (t1))를 결정하는 단계 를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도(T 저온 (t1))는 0℃의 저온 접합부 및 온도(T1)의 측정 접합부를 갖는 열전대에 대해 획득될 전압 신호와 상기 측정된 전압 신호(V1) 사이의 차이(ΔV(t1))의 계산에 기초하여 결정되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전대는 위치(p1)로부터 제2 위치(p2)로 이동되도록 구성되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서모와이어들 중 적어도 하나는 텅스텐(W) 또는 귀금속을 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전대는 고속 열전대(fast thermocouple)인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항의 방법을 수행하도록 구성된, 열전대 시스템.
  7. 열전대로 고온 환경의 온도를 결정하는 방법으로서, 제1항 내지 제5항에 따른 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하는 방법의 상기 단계들; 및 vi) 상기 열전대를 위치(p1)로부터 상기 고온 환경에서의 온도(T2)의 제2 위치(p2)로 이동시키는 단계; vii) 시점(t2)에서 상기 열전대의 전압 신호(V2)를 측정하는 단계; viii) 상기 시점(t1)에서의 상기 저온 접합부의 상기 온도(T 저온 (t1)) 및 전압 신호(V2)에 기초하여 상기 시점(t2)에서의 상기 고온 환경의 상기 온도(T2)를 결정하는 단계 를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 온도(T2)는 상기 시점(t1)에서 결정된 상기 저온 접합부의 상기 온도(T 저온 (t1))에, 상기 전압 신호(V2)를 지칭하는 온도 값(T 고온 )을 가산함으로써 결정되는, 방법.
  9. 열전대로 고온 환경의 온도를 결정하는 방법으로서, i) 온도(T1)에서의 위치(p1)에 열전대를 제공하는 단계로서, 상기 열전대는 2개의 서모와이어들을 포함하고, 각각의 서모와이어는 측정 단부 및 저온 단부를 포함하며, 상기 서모와이어들은 측정 접합부에서의 그들의 측정 단부들에서 서로 연결되는, 상기 열전대를 제공하는 단계; ii) 위치(p1)에서의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 제공하는 단계; iii) 시점(t1)에서 상기 온도 센서로 상기 온도(T1)를 측정하는 단계; iv) 상기 시점(t1)에서 상기 열전대의 전압 신호(V1)를 측정하는 단계; v) 0℃의 저온 접합부 및 온도(T1)의 측정 접합부를 갖는 열전대에 대해 획득될 전압 신호(V 0℃ (T1))와 상기 측정된 전압 신호(V1) 사이의 차이(ΔV(t1))를 계산하는 단계; vi) 상기 열전대를 위치(p1)로부터 상기 고온 환경에서의 온도(T2)의 제2 위치(p2)로 이동시키는 단계; vii) 시점(t2)에서 상기 열전대의 전압 신호(V2)를 측정하는 단계; viii) 0℃의 저온 접합부 및 온도(T1)의 측정 접합부를 갖는 열전대에 대해 획득될 상기 전압 신호(V 0℃ (T1))와 상기 시점(t1)에서의 상기 측정된 전압 신호(V1) 사이의 상기 차이(ΔV(t1)) 및 상기 전압 신호(V2)에 기초하여 상기 시점(t2)에서의 상기 고온 환경의 상기 온도(T2)를 결정하는 단계 를 포함하는, 방법.
  10. 제7항 및 제8항 또는 제9항의 방법을 수행하도록 구성된, 열전대 장치.
  11. 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하기 위한 열전대 시스템으로서, I) 위치(p1)에서의 열전대로서, 상기 열전대는 2개의 서모와이어들을 포함하고, 각각의 서모와이어는 측정 단부 및 저온 단부를 포함하며, 상기 서모와이어들은 측정 접합부에서의 그들의 측정 단부들에서 서로 연결되고, 상기 저온 단부들은 저온 접합부에서 한 쌍의 연결 수단들에 연결되는, 상기 열전대; II) 위치(p1)에서의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서; III) 각각이 저온 접합부 연결 단부 및 반대편의 단부를 포함하는 한 쌍의 연결 수단들로서, 상기 서모와이어들의 상기 저온 단부들은 상기 저온 접합부에서 상기 한 쌍의 연결 수단들의 상기 저온 접합부 연결 단부들에 연결되는, 상기 한 쌍의 연결 수단들; IV) 상기 반대편 단부들에서 상기 연결 수단들에 연결되며, a) 상기 서모와이어들의 상기 저온 단부들의 온도를 결정하기 위해 상기 열전대의 신호 및 상기 온도 센서의 신호를 처리하도록 구성되고/되거나, b) 상기 열전대의 신호 및 상기 온도 센서의 신호를 처리하고, 0℃의 저온 접합부 및 온도(T1)의 측정 접합부를 갖는 열전대에 대해 획득될 전압 신호(V 0℃ (T1))와 측정된 전압 신호 사이의 차이(ΔV)를 계산하도록 구성된, 처리 수단 을 포함하는, 열전대 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 둘 모두의 연결 수단들은 동일한 재료로 제조되는, 열전대 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 서모와이어들 중 적어도 하나는 텅스텐(W) 또는 귀금속을 포함하는, 열전대 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전대는 고속 열전대인, 열전대 시스템.
  15. 고온 환경의 온도를 결정하기 위한 열전대 장치로서, 제11항 내지 제14항에 따른 열전대 시스템; 및 V) 상기 열전대를 위치(p1)로부터 제2 위치(p2)로 이동시키도록 구성된 이동 수단 을 포함하고, 상기 열전대는 위치(p1)로부터 상기 고온 환경에서의 상기 제2 위치(p2)로 이동되도록 구성되며, 상기 처리 수단은 상기 제2 위치(p2)에서의 상기 열전대의 신호, 및 a) 상기 시작 위치(p1)에서의 상기 저온 접합부의 온도, 및/또는 b) 0℃의 저온 접합부 및 온도(T1)의 측정 접합부를 갖는 열전대에 대해 획득될 상기 전압 신호(V 0℃ (T1))와 측정된 전압 신호(V1) 사이의 차이(ΔV) 를 처리함으로써 상기 고온 환경의 상기 온도를 결정하도록 구성되는, 열전대 장치.

Description

열전대로 온도를 결정하는 방법 및 장치{METHODS AND DEVICES TO DETERMINE A TEMPERATURE WITH A THERMOCOUPLE} 본 발명은 열전대의 저온 접합부(cold junction)의 온도를 결정하는 방법, 고온 환경의 온도를 결정하는 방법, 본 발명의 방법을 수행하도록 구성된 열전대 시스템 및 열전대 장치에 관한 것이다. 특히, 철강 산업에서 채용되는 금속 제조 공정 동안, 금속 용융물의 몇몇 파라미터들은 야금 공정, 예를 들어 욕(bath) 화학적 성질 또는 그러한 용융물의 온도의 제어에 중요하다. 이들 변수를 지속적으로 그리고/또는 주기적으로 모니터링하는 능력은 경제적 및 품질 이유들 둘 모두에서 매우 바람직하다. 정확한 모니터링은 과열에 의해 야기되는 에너지 소비 및 과잉 처리에 의해 야기되는 재료 소모를 크게 감소시킬 수 있다. 이들 공정 관련 파라미터들을 결정하는 방법들 및 장치들은 해당 분야에서 알려져 있으며, 대개는 적어도 센서를 지닌 일회용 프로브(probe)의 사용을 수반한다. 전형적으로, 프로브는 드롭-인(drop-in) 센서의 형태로 또는 랜스 조립체(lance assembly)에 의해 용융물의 표면 아래로 가져와진다. 산업 응용에서, 열전대는, 특히 고온의 측정이 요구될 때, 온도 센서로서 빈번히 채용된다. 열전대는 "고온" 접합부로서 지정된 접합점에서 연결되는 상이한 재료들의 2개의 도체를 포함한다. 제벡 효과(Seebeck effect)로 인해, 자유 단부들과 고온 접합부(hot junction) 사이에 온도 구배가 존재할 때, 도체들의 자유 단부들을 가로질러 전압이 발생된다. 이러한 전압은 열전대의 재료 조합, 및 저온 접합부로도 지칭되는 자유 단부들과 고온 접합부 사이의 온도 차이에 의존한다. 결과적으로, 저온 접합부에서의 온도 및 시스템의 온도 특성이 알려져 있다면, 전압은 고온 접합부에서의 온도를 결정하기 위해 채용될 수 있다. 측정될 온도에 따라, 상이한 재료 조합들, 예를 들어 S-형 열전대(Pt/PtRh10), R-형 열전대(Pt/PtRh13) 또는 C-형 열전대(WRe5/WRe26)가 통상적으로 공지되고 표준화되어 있다. 열전대 시스템은 일반적으로 다수의 구성요소, 즉 열전대 자체, 와이어 또는 케이블, 열전대 회로의 신호를 수신하고 처리하기에 적합한 처리 기구, 및 적어도 전형적으로 저온 접합부의 기준점의 온도를 측정하는 센서를 포함한다. 실제 열전대와 원격에 위치된 측정 기구 사이의 거리를 가교하기 위해 적용되는 와이어들은 3개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 제1 유형의 와이어는 열전대 자체의 도체와 동일한 재료로 제조된 연장 와이어이다. 많은 응용에서, 열전대의 도체는 백금 또는 백금 합금과 같은 귀금속으로 구성되어, 센서 및 매칭되는 연장 와이어(extension wire)에 비용이 많이 들게 한다. 이들 고가의 재료의 사용을 줄이기 위해, 시스템의 비용을 제한하는 데 보상 와이어(compensation wire)가 널리 사용된다. 보상 와이어들은 이들이 함께 사용되는 열전대 와이어들과 대략 동일한 열전 특성들을 갖는 재료로 제조되는데, 즉 200℃ 미만의 온도에서, 대응하는 열전대에 의한 바와 동일한 열전 전압이 생성된다. 그러한 보상 와이어들은 그들의 작동 온도가 소정 범위 내에서 유지되면 비용과 성능 사이에서 허용가능한 절충을 허용한다. 예를 들어, Pt10Rh 와이어와 조합된 순수 Pt 와이어를 포함하는 S-형 열전대의 경우, 사용될 보상 와이어들은 Cu 와이어 및 CuNi 와이어이다. 그러나, 또한 이들 보상 와이어는 비용이 많이 들 수 있다. 또한, 이들은 소정 종류의 열전대에 대해 이용가능하지 않거나, 예를 들어 너무 높은 강성으로 인해 의도된 응용 설정에 적합하지 않은 특성을 가질 수 있다. 이들은 또한 온도가 측정되어야 하는 환경과 양립할 수 없다. 특히 고온 응용의 경우, 적합한 와이어들이 이용가능하지 않을 수 있다. 모든 경우들에서, 보상 와이어들에 의한 열전대의 교정이 필요하다. 또한, 의도된 응용에 관한 열전대는 한 번만 사용될 수 있는 일회용 품목이며, 각자의 보상 와이어에 대해서도 동일하게 적용된다. 따라서, 연장 또는 보상 와이어의 사용 없이 열전대를 사용하는 방법 및 장치가 바람직하다. 열전대 응용을 위한 제3 유형의 와이어는 전기 연결에 사용되는 간단한 전기 도체이고 널리 이용가능한 연결 와이어이다. 열전대로 온도를 측정하기 위하여, 예를 들어 외부의 추가적인 센서에 의한 측정에 의하여 저온 접합부의 온도를 알거나, 저온 접합부를 알려진 온도로 조절할 필요가 있다. 가장 간단한 경우에, 저온 접합부는 예컨대 얼음욕 내에서의 0℃이다. 저온 접합부가 0℃가 아닐 때, 실제 고온 접합부 온도를 결정하기 위해 저온 접합부의 온도를 찾아야 한다. 예를 들어, 유럽 특허 출원 공개 제2428780 A2호는 저온 접합부에 근접하게 장착된 온도 센서를 채용하는 방법을 개시한다. 국제 출원 공개 WO 2015032592 A1호는 온도 측정과 연관된 처리 장치에서 기준 온도를 측정함으로써 저온 접합부의 온도를 결정하는 방법을 개시한다. 대안적으로, 보상 방법이 적용될 수 있다. 그러한 보상은 저온 접합부 보상으로 지칭된다. 원격 환경에서의 고온이 결정되어야 할 때, 저온 접합부 온도의 측정은 가능하지 않을 수 있거나 복잡한 기구류와 연관될 수 있어, 측정 절차에 비용이 많이 들게 하고 오류가 발생하기 쉽게 한다. 따라서, 연장 또는 보상 와이어의 사용 없이 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하는 방법 및 시스템이 바람직하다. 본 발명의 목적은 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 추가적인 목적은 연장 또는 보상 와이어의 이용 없이 열전대로 온도를 결정하는 방법을 제안하는 것이다. 추가의 목적은 방법의 적용 비용을 감소시키는 것이다. 또한, 이 방법들은 모든 종류들의 열전대들에 적용가능하여야 한다. 추가적으로, 온도 결정을 위한 방법은 고온 측정에 적용가능하여야 한다. 또한, 이 방법은 원격 측정 위치들에서 적용가능하여야 한다. 본 발명의 추가의 목적은 범용적으로 사용될 수 있는 개선된 열전대 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 열전대 시스템은 응용들에서, 특히 귀금속으로 제조된 열전대가 사용되는 경우에, 비용을 감소시켜야 한다. 추가의 목적은 고온 환경의 온도를 결정하는 열전대 시스템을 포함하는 열전대 장치를 제공하는 것이다. 또한, 적합한 연장 또는 보상 와이어에 대한 필요성 없는 열전대 시스템 및 장치가 제공되어야 한다. 열전대 시스템 및 장치는 소정 종류의 열전대 또는 제한된 온도 범위에 대한 제약 없이 사용가능하여야 한다. 제1 양태에서, 본 발명은 열전대의 저온 접합부의 온도를 결정하는 방법으로서, i) 온도(T1)에서의 위치(p1)에 열전대를 제공하는 단계로서, 열전대는 2개의 서모와이어(thermowire)들을 포함하고, 각각의 서모와이어는 측정 단부 및 저온 단부를 포함하며, 서모와이어들은 측정 접합부에서의 그들의 측정 단부들에서 서로 연결되는, 상기 열전대를 제공하는 단계; ii) 위치(p1)에서의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 제공하는 단계; iii) 시점(t1)에서 온도 센서로 온도(T1)를 측정하는 단계; iv) 시점(t1)에서 열전대의 전압 신호(V1)를 측정하는 단계; v) 온도(T1) 및 전압 신호(V1)에 기초하여 시점(t1)에서의 서모와이어들의 저온 단부들의 온도(T저온(t1))를 결정하는 단계 를 포함하는, 방법을 제공한다. 본 방법의 단계 iii) 내지 단계 v)는 단계 i) 및 단계 ii) 후에 수행되고, 단계 v)는 단계 iii) 및 iv) 후에 수행된다는 것이 이해되어야 한다. 놀랍게도, 연관된 전기 신호와 함께 열전대의 고온 접합부의 온도의 외부 측정이 저온 접합부의 기준 온도를 결정하기에 적합하다는 것이 밝혀졌다. 통상적으로 적용되는 방법들과 대조적으로, 고온 접합부의 온도만이 측정되고 저온 접합부의 온도의 측정은 요구되지 않는다. 최신 기술에 따른 방법들에서, 저온 접합부의 온도는 기준 온도로서 측정 또는 제어된다. 본 발명의 방법 및 연관된 열전대 시스템은 열전대-특정 보상 와이어들에 대한 필요성 없이 단순화된 측정 설정을 허용한다. 본 출원 내에서, 특정 값 또는 파라미터의 "측정"과 "결정" 사이에 구별이 이루어진다. "측정"은 획득된 데이터의 추가 처리 없이 각자의 파라미터 또는 값이 각자의 장치에 의해 직접 획득되는 단계로서 이해되어야 한다. 측정 동안에 신호의 변환이 포함될 수 있는데, 예를 들어 아날로그로부터 디지털 신호로의 변환이다. 파라미터 또는 값이 "결정"될 때, 적절한 수단에 의해 획득된 신호는 원하는 파라미터 또는 값을 획득하기 위해 추가로 처리된다. 그러한 처리 단계는 예를 들어 계산 단계, 수학 함수의 적용, 및/또는 기준 그래프 또는 표와의 매칭일 수 있다. 본 발명의 방법은 2개의 서모와이어들을 포함하는 열전대를 제공하는 단계를 포함한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 2개의 서모와이어들은 상이한 재료들로 제조된다. 다시 말하면, 제1 서모와이어는 제1 재료를 포함하고, 제2 서모와이어는 제1 재료와 상이한 제2 재료를 포함한다. 서모와이어들은 금속, 예를 들어 백금(Pt)과 같은 귀금속, 텅스텐(W)과 같은 금속, 또는 합금, 예를 들어 백금-로듐(PtRh) 합금과 같은 귀금속 합금, 또는 예를 들어 레늄(Re, WRe)과 조합되어 W를 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 본 발명 내에서, 귀금속은 백금 금속, 금 및 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속이다. 백금 금속은 소위 백금족의 금속, 즉 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 및 루테늄(Ru)이다. 원칙적으로, 본 발명의 방법은 모든 쌍의 서모와이어들 또는 모든 유형의 열전대로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 서모와이어들 중 적어도 하나는 텅스텐(W) 또는 귀금속을 포함하고, 더 바람직하게는, 서모와이어들 중 적어도 하나는 텅스텐(W)을 포함한다. 텅스텐을 포함하는 서모와이어들은 서모와이어들이