KR100375877B1 - 중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형관에 초음파를 주사하였을 때 관의 중심에서 반사파의 세기가 가장 크다는 원리를 이용하여 원형관들의 위치를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템 및 그 측정방법을 제공한다. 측정시스템은 작업자에 의해 조작가능한 조작기; 조작기에 연결되며 조작기에 위해 입력된 조작신호를 제어하는 서보 제어기; 서보 제어기에 연결되며 조작신호에 따라 원자로내의 원형관에 대해 수직하게 초음파를 주사하며, 초음파를 상하로 왕복동시킬 수 있는 초음파 주사장치; 초음파 주사장치의 초음파 주사위치를 측정하기 위한 엔코더; 엔코더에 연결되어 그로부터 수신된 펄스를 계산하기 위한 펄스 카운터; 원형관으로 주사되어 반사되는 반사파를 수신하기 위한 초음파 신호처리 장치; 펄스카운터로부터 계산된 신호값 및 상기 초음파 신호처리 장치로부터 수신된 신호값을 처리하기 위한 중앙처리장치; 및 중앙처리장치로부터 처리된 결과를 도식적으로 나타내기 위한 디스플레이로 구성된다.

Description

중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템{System for measuring location of cylindrical tube in heavy water reactor}

본 발명은 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원형관에 초음파를 주사하였을 때 관의 중심에서 반사파의 세기가 가장 크다는 원리를 이용하여 원형관의 위치를 정확하고 안전하게 측정할 수 있는 원형관 위치 측정시스템 및 그 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전력을 생산하는 발전소는 사용되는 동력원에 따라, 수력발전소, 화력발전소, 원자력발전소 등으로 구분된다. 이 중에서 원자력 발전소에서 사용되는 원자로 중 하나의 예로서 중수로 원자로가 있다. 이 중수로 원자로는 상부에 반응장치가 설치된 입방체형의 구조체를 구비한다. 그 구조체의 내부에는 칼란드리아 쉘, 딤벌, 칼란드리아 엔드 등이 설치되어 있다. 특히, 원자로의 내부에는 공급기 파이프, 칼란드리아 튜브와 같은 다수의 원형관이 상호 수직하게 또는 수평하게 설치되어 있다.

한편, 중수로 원자로는 주지된 바와 같이 그것의 안전을 위해 원자로 내부를 정기적으로 또는 수시로 검사하여야 한다. 이 같은 검사들 중 필수적으로 행해져야 하는 하나의 검사로서, 각각의 원형관의 현재위치를 정확히 측정하는 검사가 있는 바, 이는 원자로안의 관들의 현재 위치를 측정해야 상호 교차하는 원형관들의 접촉여부를 파악할 수 있기 때문이며, 이는 원자로 안전상 매우 필수적인 사항이다

그러나, 원자력 발전소에 설치된 중수로 원자로 내부에 존재하는 많은 관들은 원통형의 원자로안에서 방사화되어 있어 사람이 접근할 수 없으므로, 현재까지는 각각의 관의 위치를 정확히 검사할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 초음파를 이용하여 대상물의 위치를 측정하려는 제안이 있었으나, 실제로 구현하는 것은 여전히 해결과제로 남아 있다. 참고로, 종래의 초음파를 이용한 거리 측정방식에 의하면, 위치를 측정할 대상물에 초음파 신호를 프로브에서 주사한 후 그 대상 물체에서 초음파가 반사한 뒤 초음파 프로브에 도달하기까지의 시간을 이용하여 거리를 측정하는 방식이며, 결국 이 방법은 프로브에서 대상 물체까지의 거리를 측정하는 방법이다.

그러나, 이 같은 일반적이고 이론적인 거리측정방법은 초음파 측정 거리가 초음파의 감쇠로 인해 수중에서는 제한적인 문제점이 있다. 즉, 중수로 원자로내 원형관의 위치는 접근할 수 있는 지역에서 예컨대, 7m에서 14m정도 떨어져 있어 기존의 초음파 측정 방법으로는 거리를 측정할 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점 및 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 원형관에 초음파를 주사하였을 때 원형관의 중심에서 반사파의 세기가 자장 크다는 원리를 이용하여 원형관의 위치를 정확히 측정할 수 있는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 원격위치에서 초음파를 이용하여 원형관의 위치 및 상태를 정확히 측정할 수 있는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원형관 측정 시스템 및 그 측정방법을 행하기 위한 이론적 근거를 보여주는 모식도.

도 2는 본 발명에 따른 중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템의 전체적인 구성도.

도 3은 도 1의 초음파 주사장치의 구성을 상세히 보여주는 측면도.

도 4는 도 2의 초음파 주사장치의 주사방향 및 수직성 검증 방법을 보여주는 측면도.

도 5a 및 5b는 도 2의 측정 시스템을 이용한 원형관의 위치를 측정한 결과를 보여주는 그래프 및 표.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

10: 조작기 12: 서버제어기

14: 초음파 주사장치 16: 지지판

18: 서보모터 24: 프로브

28: 안내관 34: 탭

40: 중앙처리장치 42: 디스플레이

이 같은 목적들은 초음파를 이동거리에 수직하게 원형관에 주사하여 반사파의 세기를 이용하여 중수로 원자로의 원형관의 기준점에서의 거리를 측정하기 위한 시스템에 있어서, 측정자 또는 작업자가 조작할 수 있는 조작기; 상기 조작기에 연결되며 조작기에 위해 입력된 조작신호를 제어하는 서보 제어기; 상기 서보 제어기에 연결되며 조작신호에 따라 원자로내의 원형관에 대해 수직하게 초음파를 주사하기 위해, 상기 서보제어기에 연결되는 서보모터와, 일단부에 원자로의 원형관에 초음파를 주사하기 위한 프로브를 포함하며, 상하로 왕복동가능한 초음파 주사장치; 상기 초음파 주사장치의 초음파 주사위치를 측정하기 위해 상기 서보모터 1회전당 1개의 펄스를 발생시키기 위한 엔코더; 상기 엔코더에 연결되어 그로부터 수신된 펄스를 계산하여 상기 프로브의 이동거리를 계산하기 위한 펄스 카운터; 상기 프로브로부터 상기 원형관으로 주사되어 반사되는 반사파를 수신하기 위한 초음파 신호처리 장치; 상기 프로브의 이동거리를 계산하기 위한 펄스카운터로부터 계산된 프로브 이동거리 신호값 및 상기 초음파 신호처리 장치로부터 수신된 초음파 신호값을 처리하기 위한 중앙처리장치; 및 상기 중앙처리장치로부터 처리된 결과를 도식적으로 나타내기 위한 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템에 의해 달성될 수 있다.

상기 목적들은 또한, 중수로 원자로의 원형관들의 기준점에서의 상대적인 위치를 측정하기 위한 방법에 있어서, 원자로에 대해 초음파 주사장치를 배치하는 단계; 상기 주사장치의 안착부를 원자로의 바닥에 안착시키는 단계; 상기 조작기의 노브를 조작하여 서버모터를 작동시켜 지지바를 이동시켜 프로브를 상기 원형관에 대해 수직하게 위치시키는 단계; 상기 프로브의 수직 이동거리를 측정하는 단계; 상기 프로브로부터 초음파를 원형관에 주사한 후 반사파를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 프로브의 이동거리 및 반사파를 처리하여 원형관의 위치를 도식적으로 디스플레이 하는 단계를 포함하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정방법에 의해 달성될 수 있다.

먼저 본 발명에 따른 중수로 원자로의 원형관의 위치를 초음파를 이용하여 측정하는 원리를 도 1을 참조로하여 설명하면, 기본적인 원리는 원형관(T)에 초음파를 주사하면 그 원형관(T)의 중심부에서 반사파의 크기가 가장 크다는 특성을 이용한다. 즉, 초음파를 초음파 프로브(P)를 수직 또는 수평으로 이동시켜 원형관(T)과 그 프로브와의 거리를 일정하게 이동시키면서 원점에서의 이동거리와 반사파의 세기를 동시에 측정하여 원형관의 현재위치를 화면(D)에 디스플레이 하여 반사파의 변화를 측정함으로써 위치를 검사할 수 있는 것이다. 여기서, 화면(D)에 디스플레이되는 초음파의 변화를 관찰해 보면, 원점에서 프로브(P)를 이동시키면서 원형관(T)에 도달하기 전까지는 반사파가 나오지 않다가 원형관(T)의 상부에 초음파가 부딪히면 반사파가 발생하기 시작한다. 이 후, 원형관(T)의 중심에 프로브(P)가 도달하면 반사파의 세기가 가장 커지게 된다. 또한, 프로브(P)가 원형관(T)의 중심에서 멀어질수록 다시 반사파의 세기는 작아지며, 원형관(T)에서 벗어나면 반사파는 다시 사라지게 된다. 본 발명은, 전술된 바와 같은 초음파를 이용한 거리 측정 방식 또는 그 이론을 이용하는 것이다.

도 4에 있어서, 본 발명에 따른 중수로 원자로의 원형관 위치 측정 시스템은 측정자 또는 작업자가 조작할 수 있는 조이스틱과 같은 조작기(10)를 구비하며, 조작기(10)에는 서보 제어기(12)가 연결되어 있어, 후술되는 초음파 주사장치의 서버모터의 작동을 제어한다. 서보 제어기(12)에는 초음파 주사장치(14)가 연결된다.

초음파 주사장치(14)는 도 2 및 도 3에 상세히 도시된 바와 같이, 소정의 위치에 고정되거나 지지될 수 있는 장방형의 지지판(16)을 구비한다. 지지판(16)에는 서보 제어기(12)에 연결되는 서보 모터(18)가 설치된다. 서보 모터(18)에는 그것의 작동에 의해 회전 구동되는 볼스크류(20)가 연결된다. 볼스크류(20)에는 가이드(22)가 상하로 이동 가능하게 결합되어 있으며, 그 가이드(22)는 지지판(16)에 의해 지지된다. 가이드(22)에는 그 가이드의 이동에 따라 동일방향으로 상하로 이동가능하며 단부에 초음파를 주사할 수 있는 프로브(24)가 형성된 지지바(26)가 고정된다.

또한, 지지판(16)의 하부에는 프로브(24) 및 지지바(26)를 안내하기 위한 안내관(28)이 수직방향으로 강하하는 방식으로 설치된다. 안내관(28)의 내부에는 지지바(26)의 원할한 이동을 위해 베어링(30)이 설치되는 것이 바람직하다. 그리고, 안내관(28)의 단부에는 원자로 바닥에 지지될 수 있는 안착부(32)가 일체로 형성된다. 또한, 그 안내관(28)의 측부에는 일정간격으로 다수의 탭(34)이 형성된다. 각각의 탭(34)들은 프로브(24)가 지날 때 반사파가 피크로 되게 함으로써, 측정대상 원형관을 구분할 수 있음은 물론 그 원형관의 위치정보에 대한 계산시 기준위치를 확보할 수 있는 역할을 한다.

초음파 주사장치(14)의 서보모터(18)에는 지지체 또는 프로브가 이동되는 거리를 측정하기 위한 엔코더(36)가 연결된다. 엔코더(36)는 초음파 주사장치(14)의 초음파 주사위치를 측정하기 위해 상기 서보모터(18)가 1회전할 때 1개의 펄스를 발생시키는 역할을 한다. 그 엔코더(36)에는 펄스 카운터(38)가 연결되어 있어, 엔코더(36)로부터 수신되는 펄스를 계산한다. 펄스 카운터(38)는 예컨대, 산업용 컴퓨터로 될 수 있는 중앙처리장치(40)에 연결된다. 그 중앙처리장치(40)에는 물론 펄스카운터(38)로부터 계산된 신호값을 처리하기 위하 DI보드(42)를 구비한다. 또한, 중앙처리장치(40)에는 프로브(24)로부터 원형관으로 주사되어 반사되는 반사파를 수신하기 위한 초음파 신호처리 장치(44)가 연결된다. 보다 구체적으로는, 중앙처리장치(40)에는 초음파 신호처리 장치(44)로부터 수신된 펄스값을 수신하여 처리하기 위한 고속 A/D보드(46)가 제공되는 것이 바람직하다. 한편, 중앙처리장치(40)에는 그 중앙처리장치에서 처리된 반사파를 그래프와 같은 도식으로 나타내어 원자로 내에 설치되어 있는 원형관들의 중심위치를 관찰 할 수 있도록 모니터와 같은 디스플레이(48)가 설치되는 것이 바람직하다.

선택적으로, 도 4에는 초음파 주사장치(14)의 초음파 주사방향과 이동거리간의 수직성을 확보하기 위한 검사장비(50)가 도시되어 있다. 즉, 프로브(24)를 통한 초음파의 주사 방향이 그것의 이동거리에 대해 정확히 수직을 이루어야 측정될 원형관이 멀리 있어도 측정 오차가 줄어들게 되므로 측정장치는 필수적으로 검사가 행해 져야 한다. 여기서, 초음파 주사방향과 이동거리의 각도(α)에 따른 측정오차율은 하기식과 같다.

오차율(%) = 1- sinα (1)

한편, 전술된 바와 같은 검사를 위해, 검사장치(50)는 물이 채워진 수조(52)와, 그 수조(52)내에 동일간격으로 이격 배치된 기준원형관(54)을 구비하고 있어,각각의 원형관(54)에 대해 측정된 이동거리를 이전에 측정된 이동거리와 비교하고 이를 기초로 하여 프로브의 방향을 조절함으로써, 측정장치의 수직성을 확보할 수 있는 것이다.

또한, 선택적으로, 측정장치의 정확한 측정을 위해서는 안내관 또한 정확하게 수직을 이루어야 하므로, 안내관의 수직기울기를 측정하여 이를 교정해야 한다. 즉, 초음파 주사 방향이 이동거리와 정확히 수직이 되어야 정확한 위치 측정이 가능할 뿐 아니라 이송관의 수직 기울기 또한 제로(0)가 되어야 원자로의 원형관의 위치를 오차없이 정확히 측정할 수 있는 것이다. 여기서, 안내관의 기울기에 따른 위치오차는 하기식(2)와 같다.

오차 = l/cosα+ (d - ltanα)sinα- l ≒ dsinα

오차율 = dsinα/l

식중, d는 프로브에서 대상 원형관 까지의 거리이고, l은 이동거리이며, α는 주사방향과 이동거리간의 각도이다.

상기 안내관 기울기 검사방법에 의하면, 해당 원자로에서는 높은 방사선이 발생하므로 수직 기울기를 측정하기 위해서는 기존의 높은 정밀도를 가진 전자식 장비를 사용할 수 없으므로 높은 정밀도를 가지면서 수직기울기를 측정하기 위해 수직추를 설치하여 수직기울기를 측정하였다.

이하, 본 발명에 따른 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템의 작동 및그 시스템을 이용한 중수로 원자로의 원형관의 위치를 측정하는 방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저 작업자는 해당 원형관을 측정하기 위한 원자로에 대해 초음파 주사장치(14)를 배치한다. 이때, 초음파 주사장치(14)의 안착부(32)를 예컨대, 원자로의 바닥에 안착시킴으로써 측정장치의 안정적인 고정을 유지한다. 이후, 검사자 또는 작업자가 조작기(10)의 키 또는 노브를 조작하면 그 신호가 서보 제어기(12)를 통해 초음파 주사장치(14)의 서버모터(18)로 전달되어 그 서보모터가 일방향으로 회전된다. 서보모터(18)가 회전됨에 따라 볼스크류(20)가 회전되며, 이와 동시에 예컨대, 가이드(22)가 하방으로 이동됨에 따라 지지바(26)가 하방으로 이동됨으로써, 그 지지바(26)의 단부에 구비된 프로브(24)가 초기 위치에 배치된다. 한편, 지지바(26)는 이미 안착부(32)에 의해 원자로에 안정적으로 고정된 안내관(28)에 의해 수직하게 안내됨은 물론 베어링(30)에 의해 원할하게 하방으로 이동된다.

이후, 프로브(24)로부터 원형관(T)으로 초음파가 주사된다. 한편, 프로브(24)의 이동중에 초음파가 주사되는 경우 그 초음파가 안내관(28)의 측부에 일정간격으로 형성된 다수의 탭(34)에 의해 반사되면 그 반사파가 피크가 되는 바, 이를 측정의 기준으로 할 수 있다. 즉, 이 같은 위치의 획득은 서보모터로부터의 신호가 안내관의 측부에 구비된 탭을 지날 때 반사파가 최대 또는 피크로 되어 측정하고자 하는 원형관을 구분할 수 있음은 물론 그 원형관의 위치를 판독할 수 있는 것이다.

또한, 이와 같은 초음파 주사장치(14)의 프로브(24)가 이동하면서 초음파를 주사할 때, 서보모터(18)에 연결된 엔코더(36)에 의해 그 프로브(24)가 이동되는 거리가 측정되어, 펄스 카운터(38)를 거쳐 중앙처리장치(40)의 DI보드(42)에서 신호값이 처리된다. 동시에, 프로브(24)로부터 원형관으로 주사되어 반사되는 반사파는 초음파 신호처리 장치(44)에 의해 수신되어 중앙처리장치(40)의 A/D보드(46)로 공급되어 그 펄스값이 처리된다. 이후, 중앙처리장치(40)는 프로브의 이동거리 및 반사파를 기초로하여 산출한 초음파 반사파의 세기를 해당 원형관을 단위로 하여 디스플레이(48)에 그래프 또는 도식적으로 표시하여 원자로 내에 설치되어 있는 원형관들의 위치를 측정할 수 있는 것이다.

이와 같이, 측정된 원형관들의 상태가 도 5a에 그래프로 도시되어 있는 바, 이에 따르면, 원형관에 초음파를 주사할 때 반사되어 나오는 음파의 세기를 이동거리에 따라 측정된 것으로서, 원형관의 중심에서 가장 큰 반사파, 즉, 피크가 측정되는바, 이들 각각의 피크간의 간격을 계산하면 원형관의 위치를 측정해낼 수 있는 것이다. 즉, 디스플레이에 나타나는 그래프 또는 도식은 프로브로부터 발사되는 초음파가 원형관에 도달되어 반사되는 반사파를 파장으로 나타낸 것으로서, 원형관의 중심에서 피크값을 나타내므로 상대적으로 그 원형관의 수직위치를 측정해낼 수 있는 것이다. 참고적으로, 본 발명에 따라 실험한 결과, 실제적인 거리와 본 시스템에 의해 측정한 거리의 오차율은 최대 0.17%로 매우 정밀하다. 따라서, 원형관들의 정확한 위치 및 그들의 상대적인 위치를 정확히 측정할 수 있는 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템에 의하면, 원형관에 초음파를 주사하였을 때 관의 중심에서 반사파의 세기가 가장 크다는 원리를 이용하여 원거리에서 원형관들의 위치를 정확하게 측정할 수 있을뿐 아니라 이들 상호간의 상태를 정확히 측정할 수 있으므로 측정의 정확성 및 안전성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 거리 측정을 초음파 반사파의 도달시간에 의존하지 않고 일반적인 거리 측정 메카니즘을 이용하기 때문에 측정 거리의 제한성이 없는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 초음파를 이동거리에 수직하게 원형관에 주사하여 반사파의 세기를 이용하여 중수로 원자로의 원형관의 기준점에서의 거리를 측정하기 위한 시스템에 있어서,

   측정자 또는 작업자가 조작할 수 있는 조작기;

   상기 조작기에 연결되며 조작기에 위해 입력된 조작신호를 제어하는 서보 제어기;

   상기 서보 제어기에 연결되며 조작신호에 따라 원자로내의 원형관에 대해 수직하게 초음파를 주사하기 위해, 상기 서보제어기에 연결되는 서보모터와, 일단부에 원자로의 원형관에 초음파를 주사하기 위한 프로브를 포함하며, 상하로 왕복동가능한 초음파 주사장치;

   상기 초음파 주사장치의 초음파 주사위치를 측정하기 위해 상기 서보모터 1회전당 1개의 펄스를 발생시키기 위한 엔코더;

   상기 엔코더에 연결되어 그로부터 수신된 펄스를 계산하여 상기 프로브의 이동거리를 계산하기 위한 펄스 카운터;

   상기 프로브로부터 상기 원형관으로 주사되어 반사되는 반사파를 수신하기 위한 초음파 신호처리 장치;

   상기 프로브의 이동거리를 계산하기 위한 펄스카운터로부터 계산된 프로브 이동거리 신호값 및 상기 초음파 신호처리 장치로부터 수신된 초음파 신호값을 처리하기 위한 중앙처리장치; 및

   상기 중앙처리장치로부터 처리된 결과를 도식적으로 나타내기 위한 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 주사장치는

   상기 서보 모터가 설치되는 지지판;

   상기 서보 모터에 연결되어 회전 구동되는 볼스크류;

   상기 볼스크류에 상하로 이동 가능하게 결합되는 가이드;

   상기 가이드에 고정되는 프로브가 형성되는 지지바; 및

   상기 지지바를 안내하기 위한 안내관을 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 초음파 주사장치의 안내관의 내부에는 상기 지지바의 원활한 이동을 위해 그 지지바와 접하는 베어링이 설치되며, 상기 안내관이 원자로 바닥에 안정적으로 지지될 수 있는 안착부가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템.
4. 제 2항에 있어서, 상기 안내관의 측부에는 일정간격으로 다수의 탭이 형성되며, 측정대상 원형관의 이동거리 측정의 정확도를 검증하기 위해 상기 프로브가 상기 탭을 지날때 초음파를 반사시켜 상기 탭의 실제 간격과 상기 프로브에서 측정한 탭간의 이동거리를 비교하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정시스템.
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 따른 측정 시스템으로 중수로 원자로의 원형관들의 기준점에서의 상대적인 위치를 측정하기 위한 방법에 있어서,

   원자로에 대해 초음파 주사장치를 배치하는 단계;

   상기 주사장치의 안착부를 원자로의 바닥에 안착시키는 단계;

   상기 조작기의 노브를 조작하여 서버모터를 작동시켜 지지바를 이동시켜 프로브를 상기 원형관에 대해 수직하게 위치시키는 단계;

   상기 프로브의 수직 이동거리를 측정하는 단계;

   상기 프로브로부터 초음파를 원형관에 주사한 후 반사파를 측정하는 단계; 및

   상기 측정된 프로브의 이동거리 및 반사파를 처리하여 원형관의 위치를 도식적으로 디스플레이 하는 단계를 포함하는 중수로 원자로의 원형관 위치 측정방법.
6. 제 1항에 따른 원형관 위치 측정시스템의 초음파 주사장치의 초음파 주사방향과 그 방향과 이동경로와의 수직성을 검증하기 위한 방법에 있어서,

   이동경로와 수직하게 주사하는 프로브와 이동경로와 일정각도로 주사하는 프로브를 이용하여 수직하게 주사하는 프로브로 측정된 이동거리와, 일정 각도로 주사하는 프로브로 측정된 이동거리를 비교하여 프로브 이동경로의 연직성을 검사하는 것을 특징으로 하는 초음파 주사방향 및 수직성 검증방법.