KR100260142B1 - 핵연료 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법 및 장치 - Google Patents

핵연료 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

열 영향부의 허용 불가능한 깊이 투과에 대한 핵연료 튜브 단부상에 레이저 마킹된 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 핵연료 튜브상에 위치하는 바코드 라벨의 평균 그레이 레벨값은 선결된 기준값과 비교된다. 개시된 방법에 있어서, 핵연료튜브 표면상에 위치하는 바코드 라벨이 광학적으로 감지되어 바코드 라벨을 나타내는 이산 디지털값 세트가 생성된다. 바코드 라벨을 나타내는 평균 디지털값이 계산되며, 평균 디지털값이 선결된 기준값과 비교된다.

Description

핵연료 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법 및 장치
제1도는 본 발명에 의해 레이저 마킹된 바코드 라벨을 모니터 하기 위한 방법 및 장치를 포함하며, 핵연료 튜브 제조시에 사용되는 튜브 마킹 테이블을 도시하는 개략도.
제2도는 연료튜브의 레이저 마킹을 모니터하기 위한 방법 및 장치를 나타내는 예시도.
제3(a)-(c)도는 시일링 플러그 및 연료펠릿을 구비한 핵연료튜브의 단부 및 열영향부의 여러가지 깊이 투과 상태를 도시하는 단면도.
제4도는 열 영향부의 깊이 투과를 모니터 하기 위해 제1도 및 제2도의 프로세서에 의해 실시된 조작상태를 예시하는 개략적인 플로우 차트.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 핵연료 튜브 12 : 연료봉 공급 테이블
14 : 레이저 마킹 챔버 16 : 바코드 라벨 모니터링
20 : 오프셋 드라이브 메카니즘 21 : 연료봉 언로딩 테이블
22 : 프로세서 24 : 라벨 판독기
30 : 카메라 60 : 모니터
본 발명은 열 영향부(heat affected zone)의 허용불가능한 투과 깊이에 대한 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터 하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 열 영향부의 허용 불가능한 투과깊이에 대한 핵연료 튜브 단부에 레이저 마킹된 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
핵연료 튜브의 제작에 있어서, 핵연료 튜브는 핵연료 튜브에 레이저 마킹된 바코드 라벨로 식별하도록 마킹된다. 바코드 라벨은 원자로심의 제조공정을 통해 원자로심 로딩(loading)시에 특정 연료튜브의 식별표시로 남아 있다. 레이저 마킹챔버에 삽입되어 현저한 산소대기하에서 레이저로 마킹된다. 실제 바코드 라벨마크는 레이저의 에너지가 튜브면으로 향할 때 연료튜브의 표면 산화시에 나타난다. 바코드 라벨을 형성하는 산화면은 전형적으로 표면상에 나타난다. 그러나, 열영향부의 실제투과는 레이저 마킹공정의 임계파라미터이며 정밀한 모니터링을 요한다. 열영향부는 레이저에너지에 의해 영향을 받는 튜브벽면으로의 깊이를 말하며 이로 인해 금속특성이 변화된다.
전형적으로, 단지 12퍼센트의 열영향부의 튜브벽투과가 바람직하다. 열영향부의 그 이상의 투과는 바람직하지 못하다. 2차적으로 중요한 것은 열영향부의 투과 깊이가 너무 얕은데 있다. 예를들면, 레이저 마킹챔버의 산호함량이 너무 낮으면, 이를테면 산소가스라인이 파괴되거나 산소가스 흐름밸브가 고장나면, 열영향부의 투과가 얕아지며 바코드 라벨의 실제 그레이라벨이 외관상 너무 옅어서, 즉, 희미한 색조의 그레이를 띠므로, 연료튜브 제조 및 로딩시에 확실하게 식별할 수 없게 된다. 이와 같은 경우에는 충분한 열이 발생되지 않았다. 한편, 주 관심사는 열 영향부의 너무 깊은 투과 가능성에 있다. 레이저가 전력선 변동, 레이저 램프 노화 또는 레이저원에 대한 레이저 튜브의 기하학적 구조 변화로 인해 익스커션(excursion) 된다면, 열영향부의 깊이는 소망하는 것보다 커지며, 그 결과, 연료튜브의 구조적 짜임새가 약화될 것이다. 열 영향부가 소망하는 것보다 커지는 경우에는, 바코드 라벨에 대한 평균 그레이 레벨은 열영향부의 투과깊이 및 허용가능한 바코드 라벨을 갖는 바코드 라벨의 평균 그레이레벨보다 더 어두워질 것이다.
지금까지, 널리 알려진 품질관리 및 검사기법은 레이저로 마킹된 튜브샘플의 파괴 시험 및 열 영향부의 금속조직측정을 이용하였다. 전형적으로, 임의로 뽑은 튜브샘플이 파열되고, 바코드 라벨을 갖는 튜브샘플이 에칭되어 레이저 마킹을 모니터 하도록 열영향부의 깊이가 현미경으로 측정되었다. 튜브가 허용 불가능한 것으로 결정된다면, 레이저 또는 레이저 마킹챔버의 산소함량이 필요에 따라 조절된다. 이와 같은 형태의 파괴시험은 양호한 연료튜브가 파괴될 위험이 있고, 또한 파괴시험용으로 연료튜브를 임의로 추출한다는 것은 100%의 완전한 튜브검증방식이 아니기 때문에 비실용적이다. 열영향부의 바람직하지 못한 깊이 투과를 입은 샘플링된 로트(lot)의 일부가 아닌 튜브가 있을 수도 있다. 열영향부의 깊이가 증대됨에 따라 더 어두운 레벨로 변화하는 바코드 라벨의 평균 그레이 레벨과 같이 알려진 파라미터를 갖는 튜브를 시험하는 것이 더욱 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 열영향부의 허용 불가능한 깊이 투과에 대한 핵연료튜브의 단부와 같은 표면상의 바코드 라벨의 레이저마킹을 모니터하는 방법 및 장치를 제공하는데 있으며, 알려진 선결된 기준값과 비교하므로써 바코드라벨의 평균 그레이레벨을 이용한다.
본 발명에 있어서, 핵연료튜브의 단부와 같은 표면상의 바코드 라벨의 레이저 마킹은 선결된 기준값과 표면상에 위치하고 있는 바코드 라벨의 평균그레이 레벨값을 비교하므로써 열영향부의 허용불가능한 깊이 투과에 대해 모니터된다. 양호한 방법에 있어서, 표면상에 위치하는 바코드 라벨은 광학적으로 감지된다. 바코드 라벨을 나타내는 이산 디지털값이 생성되며, 감지된 바코드 라벨을 나타내는 평균 디지털값이 계산된다. 이 평균디지털값은 선결된 기준값과 비교되며, 계산된 평균 디지털값이 선결된 기준값보다 크거나 작으면 바코드가 거부된다.
선결된 기준값은 상위 임계값 및 하위 임계값을 규정하는 상한값 및 하한값을 갖는 디지털값의 범위로 이루어져 있다. 선결된 기준값은 시험될 바코드 라벨의 표면상의 기준값으로서 비교 가능한 표면상에 레이저 마킹된 다수의 허용가능한 바코드 라벨을 광학적으로 감지하므로써 설정된다. 허용가능한 바코드 라벨을 나타내는 디수의 이산 디지털값의 세트가 생성되며 평균 디지털값이 다수의 허용 가능한 바코드 라벨에 대해 계산된다. 선결된 기준값은 평균디지털값으로부터 설정되며, 상한값 및 하한값은 평균디지털값을 기준으로 설정된다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 핵연료 튜브 단부상의 바코드 라벨의 레이저 마킹 검사시에 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적 및 장점은 도면과 관련하여 훨씬 더 충분하게 이해될 것이다.
이제부터 특히 제1도를 참조하면, 핵연료 튜브(11)가 핵연료 튜브 공급 테이블(12)로부터 이송되고 종래의 워킹 빔 어셈블리에 의해 테이블을 가로질러 옆으로 이동되는 튜브마킹테이블(17)이 개략적으로 나타나있다. 테이블을 가로질러 이동할 때에, 각각의 튜브는 식별 바코드 라벨(15)을 구비한 튜브단부가 약 50kW전력의 레이저에 의해 레이저 마킹되는 레이저마킹팸버(14)속으로 각각 개별적으로 이동된다(제2도). 튜브단부가 레이저 마킹챔버내에서 마킹된 후에, 바코드 라벨은 바코드 라벨의 평균 그레이레벨이 본 발명에 따라 선결된 기준값과 비교되는 블록(16)으로 표시된 모니터링 스테이션에서 모니터된다. 본 발명이 핵연료튜브제조 및 그 위에 새겨진 바코드 라벨의 모니터링에 관하여 기술될지라도, 본 발명의 방법 및 장치는 다수의 다른 표면상에 레이저 마킹된 바코드라벨을 모니터하기 위해 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
튜브(11)상의 바코드라벨(15)이 모니터된 후에, 튜브는 워킹 빔 어셈블리에 의해 이동되며 라벨(17)은 식별하기 위해 판독된다. 그 다음에 저울(18)에서 튜브(11)의 무게를 단다. 이와 같은 조작을 통해, 튜브(11)는 연료봉공급테이블(12)로부터 튜브마킹테이블(10)로 이송되며, 한 튜브가 레이저 마킹과 같은 여러 튜브위치로 이동됨에 따라, 다른 튜브(11)가 다른 위치, 예를 들면, 튜브상의 바코드라벨(15)이 모니터되는 위치로 이송된다. 바코드라벨이 하자가 있는 것으로 결정되면 즉, 열영향부가 너무 깊거나 너무 얕으면, 연료튜브(11)는 종래의 오프 및 드라이브 메카니즘(20)에 의해 다른 튜브로부터 거부된 다음에 연료봉 언로딩 테이블(21)로 이송된다. 프로세서(22)는 허용 불가능한 튜브의 무게를 재고 거부하는 동안에 각각의 튜브(11)의 적절한 식별을 위해 프로세서(22)에 작동가능하게 연결된 종래의 바코드라벨 판독기(24) 및 연료봉 공급 테이블(12)의 작동을 제어한다. 튜브가 허용 불가능하기 때문에 거부되면, 검사자는 허용 불가능한 튜브를 눈으로 식별하여 허용불가능한 튜브를 홀딩빈(holding bin) 또는 다른 구역으로 분리시킬 수 있다.
연료튜브는 레이저 마킹챔버(14)속의 산소-아르곤 대기하에서 식별 바코드라벨(17)로 레이저 마킹된다. 실제 바코드 라벨(15) 마크는 레이저의 에너지 출력이 튜브 표면과 접촉된 후 연료 튜브(11) 표면이 산화될 때 나타난다. 연료튜브(11)상에 사용된 바코드 라벨(15)은 전형적으로 종래의 대부분의 식별 바코드라벨과 비교하여 약간 좁고 넓은 54개의 라인으로 되어 있다.
예시된 핵연료튜브는 지르코늄으로 제조되며 약 0.375인치의 직경 및 약 0.018-0.020인치의 벽두께를 갖는다. 레이저 마킹시에, 소망하는 열 영향부의 실제 깊이 투과는 최대 12퍼센트인 것이 바람직하며, 최적값은 약 8-10퍼센트, 즉, 열 영향부의 깊이 투과에 대해 약 0.002 인치이다 최소깊이 투과가 약 6 또는 7 퍼센트인 것이 바람직하다. 열 영향부의 투과 깊이가 너무 얕으면 튜브 금속에 영향을 미치지 않으나, 바코드 라벨은 연한 색조 즉, 희미한 색조의 회색을 띨 것이다. 열 영향부의 깊이 투과가 얕으면 바코드 라벨마킹이 너무 연한 색조, 즉, 희미한 그레이를 띠기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 연한 색조의 그레이 및 불량한 깊이 투과로 인해 연료튜브의 딘부에서 빠르게 마모되는 연료 튜브 바코드 라벨을 나타낼 것이다.
레이저 빔이 전력선 변동, 레이저램프 노화, 레이저원에 대한 튜브의 기하학적 구조변화로 익스커션될 때와 같이, 열 열향부의 깊이가 소망하는 것보다 더 크면, 연료튜브는 레이저 투과지점에서 약화될 것이다, 이와같은 경우에는, 바코드라벨 마킹은 통상 바람직한 열영향부 깊이 투과에 대한 바코드 라벨 마킹과 비교할 때 매우 어두울 것이다. 이와 같은 경우에 있어서의 바코드 라벨식별은 문제가 되지 않는다. 그러나, 연료 튜브는 레이저 투과지점에서 약화되며 바람직하지 못한 결과가 일어날 수 있다. 예를 들면, 종종, 연료튜브는 시일링 플러그(28, 제3(a)도)에 대해 위치되는 스프링(26)을 포함하고 있다. 시일링 플러그는 연료튜브(11)에 용접되어 있으며, 시일링 플러그(28)에 대해 위치하고 있는 스프링(26)은 연료튜브에 유지되어 있는 핵연료 펠릿(도시되지 않음)을 한쪽으로 치우치게 한다. 열 영향부의 깊이가 소망하는 것보다 크다면, 발생된 열은 스프링의 탄성, 펠릿의 바이어싱에 역효과를 미치게 하여 핵연료튜브의 핵분열 작용에 영향을 미치게 된다.
전술한 바와 같이, 바코드 라벨 그레이레벨은 레이저 마킹챔버(14)의 산소 함량 및 레이저 출력의 함수이다. 마킹영역에서의 열 영향부는 레이저 빔 에너지의 일차함수이다. 따라서, 바코드 라벨 마킹의 그레이레벨은 산소흐름 및 레이저 에너지의 양호한 인디케이터이며 튜브(11)가 모니터되고 열 영향부의 불량한 깊이 투과 상태인 것으로 결정된 후에 조절될 수 있다. 본 발명은 열 영향부의 깊이 투과가 허용 가능한가의 여부를 결정하기 위해 바코드 라벨의 평균 그레이레벨과 선결된 기준값을 비교한다.
제2도를 참조하면, 바코드 라벨 모니터링 시스템은 레이저 마킹된 바코드 라벨(15)을 포함하는 튜브상의 타겟 영역의 이차원 영상을 얻기 위한 페어차일드(Fairchild) CCD카메라(렌즈를 구비함)와 같이 상업상 이용 가능한 종래 형태의 비디오 카메라일 수도 있는 비디오 카메라(30)를 포함하고 있다. 바코드 라벨(15)은 통상적인 실내 형광일 수도 있는 광원(32)에 의해 비춰진다. 조명 진동수가 소망하는 결과를 얻도록 변경될 수 있다는 것은 당해 기술분야의 숙련공들에 의해 이해될 것이다. 비디오 카메라(30)는 고분해 비디오신호를 얻도록 블랙 앤 화이트 모드로 작동되는 고분해능 비디오 컬러카메라일 수도 있다. 비디오 카메라(30)는 그레이 스케일 휘도 데이터의 512×512×8비트를 얻도록 비디오 신호를 디지털화하고 평균 그레이 스케일 값을 얻기 위한 소프트웨어 및 하드웨어를 포함하고 있는 다목적용 데이터 프로세서(22)에 결합되어 있다. 디지털화한 그레이 스케일 데이터는 프로세서가 평균 그레일 스케일 값을 측정할 때만 필요로 하도록 비디오 카메라에 의해 생성될 수 있다는 당해 기술분야의 숙련공들에게 이해될 것이다.
제4도를 참조하면, 제1도 및 제2도의 프로세서에 의해 수행된 조작 절차가 기술될 것이다. 레이저 마킹된 바코드 라벨의 허용 불가능한 깊이 투과에 대한 연료튜브의 모니터링시에, 프로세서는 블록(40)에 도시된 바와 같이 카메라 비디오 신호를 디지털화하므로써 또는 직접 바코드 라벨로 감지된 영역에 대한 그레이 스케일 값을 얻는다. 프로세서에 의한 카메라 제어조작은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있어서 여기서 상세히 기술할 필요는 없다. 일단 512×512 디지털 영상 배열이 얻어지면, 모든 지점에 대한 그레이 스케일 값이 합계되며 합계된 값은 시험된 연료튜브의 바코드라벨에 대한 평균 디지털 값을 계산하도록 값들의 총수, 즉, 블록(42)에서 512×512으로 나눠진다. 이 평균값은 상하 임계값으로 규정된 선결된 기준값과 비교된다. 평균값이 임계값 이상 또는 이하이면, 튜브는 블록(44)에서 도시된 바와 같이 거부된다. 튜브가 불량품으로 결정될 때, 제1도에 도시된 바와 같이 튜브 마킹테이블(10)의 종래 튜브 오프셋 드라이브수단(20)에 의해 다른 튜브로부터 거부된다.
선결된 기준값(허용가능한 바코드 라벨에 대해)이 사전에 측정되거나 계산된 값을 기준으로 하여 프로세서(22)에서 미리 설정된다는 것은 당해 기술분야의 숙련공들에게 이해될 것이다. 전형적으로, 다수의 튜브상의 알려진 허용 가능한 바코드 라벨은 블록(50)에서 각각의 알려진 연료 튜브에 대한 허용 가능한 바코드 라벨을 나타내는 다수의 이산 디지털값 세트를 얻도록 광학적으로 감지된다. 다수의 허용 가능한 바코드 라벨에 대한 평균 디지털값은 블록(52)에서 계산되며 선결된 기준값은 블록(54)에서 평균 디지털값으로부터 설정된다. 선결된 기준값은 깊이 투과의 퍼센트범위, 즉, 8-12 퍼센트에 상응하는 허용 가능한 범위의 그레이 스케일 값을 규정하는 상하 임계값을 갖는 값의 범위인 것이 바람직하다.
예를 들면, 그레이의 64레벨이 프로세서에 의해 분석되어 식별된다면, 허용 가능한 다수의 튜브에 대한 바람직한 평균그레이 레벨이 40이면, 그레이 레벨의 35와 43 사이의 범위값은 허용 가능하다. 핵연료 튜브단부의 주사시에, 바코드라벨에 인접하는 다른 영역이 주사될 것이다. 소프트웨어는 주위의 광효과를 필터링하도록 적절한 알고리즘을 포함하고 있다. 바코드 라벨이 없는 튜브 부분은 백그라운드를 형성한다. 백그라운드의 픽셀은 주위의 빛을 필터링 하도록 바코드 라벨의 픽셀과 대조된다. 빛의 양은 벌브 또는 다른 주위 빛과 같은 인자에 의해 변화될 수 있다. 따라서, 튜브의 실제 반사율은 변화한다. 시스템의 검정에 있어서, 허용 가능한 바코드 라벨을 갖는 단일 핵연료 튜브가 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 선결된 기준값을 설정하기 위하여 허용 가능한 바코드 라벨을 갖는 다수의 연료튜브를 사용하는 것이 더 바람직하다. 모니터링을 통하여, 히스토그램차트는 모니터링 조작결과를 입증하는 영상모니터에 디스플레이 될 수 있다(블록(60)).
제3(a)-(c)도에 예시된 바와 같이, 핵연료튜브(11)의 단부에 대한 열 영향부의 세가지 형태의 깊이 투과 부분을 개략적으로 도시하고 있다. 제3(a)도는 튜브벽 두께의 약 10퍼센트 범위내에 있는 열 영향부의 허용 가능한 깊이 투과를 도시하고 있다. 이러한 열 영항부의 깊이 투과는 선결된 기준값내에서 평균 그레이 스케일을 가질 것이다. 제3(b)도는 열영향부의 허용 불가능한 깊이 투과를 예시하고 있다. 바코드 라벨의 어두운 정도가 판독할 수 있을 정도로 허용 가능하지만, 열 영향부가 너무 깊어서 튜브, 및 튜브에 위치하고 시일링 플러그에 인접하는 스프링에 역효과를 미칠 것이다. 이러한 튜브는 거부된다. 제3(c)도는 열 영향부의 얕은 투과를 예시하고 있으며, 옅은 색조의 그레이로서 매우 엷은 색상을 띤다. 그와 같은 마크의 평균 그레이 스케일 값은 선결된 기준값 이상일 것이며 이와 같은 튜브는 거부될 것이다.

Claims (9)

  1. 열 영향부의 허용 불가능한 깊이 투과에 대한 튜브(11)상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터 하는 방법에 있어서, 튜브표면의 선결된 영역에 레이저 마킹된 바코드 라벨을 나타내는 이차원 배열의 디지털값을 갖는 이차원 영상을 생성하는 단계(40), 바코드 라벨에 상응하는 평균 디지털 값을 계산하는 단계(42), 및 평균 디지털값을 선결된 기준값에 비교하는 단계(44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 계산된 평균 디지털 값이 선결된 기준값보다 클 때 튜브를 거부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 계산된 평균 디지털값이 선결된 기준값보다 작을 때 튜브를 거부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 선결된 기준값은 상하위 임계값을 규정하는 상한값 및 하한값을 갖는 디지털값의 범위로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 순서대로 다수의 튜브를 모니터하여 허용 불가능한 바코드 라벨을 갖는 것으로 모니터된 튜브를 허용 가능한 튜브로부터 거부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  6. 열 영향부의 허용 불가능한 깊이 투과에 대한 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법에 있어서, 튜브 표면에 레이저 마킹된 허용 가능한 바코드 라벨의 이차원 배열로 된 디지털값을 갖는 이차윈 디지털 영상을 생성하는 단계(50), 허용 가능한 바코드 라벨을 나타내는 디지털값 배열에 대한 평균값을 계산하는 단계(52), 평균값으로부터 선결된 임계기준값을 결정하는 단계(54), 미지의 튜브 표면상에 위치한 바코드 라벨의 이차원 배열로 된 디지털 값을 갖는 이차원 디지털 영상을 생성하는 단계(40), 미지의 바코드 라벨을 나타내는 디지털 값 배열에 대한 평균값을 계산하는 단계 (42), 및 계산된 평균값과 임계기준값을 비교하는 단계(44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 미지의 바코드 라벨의 계산된 평균 디지털 값이 선결된 기준값보다 클 때 튜브를 가부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 미지의 바코드 라벨의 계산된 평균 디지털 값이 선결된 기준값보다 작을 때 튜브를 거부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 다수의 바코드 라벨을 나타내는 다수의 디지털값 배열로부터 평균값을 계산하는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브상의 바코드 라벨의 레이저 마킹을 모니터하는 방법.
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