KR101193492B1 - 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선을 투과시켜 전송하는 광섬유의 일측 단부에 캡을 연결하여, 캡의 내주면을 통해 방출되는 적외선을 광섬유로 전송하도록 프로브를 구성하고, 이를 냉각계통의 유체 채널에 직접 삽입하여 유체와 열평형이 이루어진 캡의 내주면에서 방출되어 광섬유를 통해 전송되는 적외선을 검출하여 유체의 온도를 측정함으로써 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경에서 프로브의 부식이나 전자기파의 영향 없이 보다 정확한 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브는, 코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;을 포함하여 구성되어, 상기 캡의 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 상기 적외선 방출물질로부터 방출되는 적외선을 상기 광섬유를 통해 전송하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브는, 코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;을 포함하여 구성되어, 상기 캡의 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 상기 적외선 방출물질로부터 방출되는 적외선을 상기 광섬유를 통해 전송하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선을 투과시켜 전송하는 광섬유의 일측 단부에 캡을 연결하여, 캡의 내주면을 통해 방출되는 적외선을 광섬유로 전송하도록 프로브를 구성하고, 이를 냉각계통의 유체 채널에 직접 삽입하여 유체와 열평형이 이루어진 캡의 내주면에서 방출되어 광섬유를 통해 전송되는 적외선을 검출하여 유체의 온도를 측정함으로써 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경에서 프로브의 부식이나 전자기파의 영향 없이 보다 정확한 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소의 냉각계통은 통상 원자로의 노심에서 발생하는 열을 제거하기 위한 1차 냉각계통과, 증기발생기를 통해 1차 냉각계통의 열을 터빈 측으로 전달하는 2차 냉각계통으로 구성되며, 각 냉각계통은 수많은 고압?고온의 배관을 포함하고 있다.
또한, 이러한 1차 냉각계통의 경우, 원자로 내 환경에 노출되기 때문에 냉각재가 방사선에 의해 오염되어 있어, 냉각계통을 흐르고 있는 냉각재의 온도 분포 및 변화를 측정하기 위해서는 고온?고압의 환경에서도 충분히 견딜 수 있고 내구성이 높은 계측설비가 필요하다.
이에 따라 종래의 가압경수로(Pressurized Water Reactor, PWR)에서는 주로 RTD(Resistance Temperature Detector)와 TC(ThermoCouple)를 이용하여 냉각재의 온도를 측정하고 있다.
그러나 RTD의 경우, 냉각재의 온도 측정에 있어서 비교적 양호한 측정 결과를 보이고 있으나, 그 설치되는 위치에 따라 1.0 ~ 8.0초 정도의 응답시간 지연이 발생하고, 전극으로 사용되는 백금선의 마모, 화학물질 침투에 따른 균열 및 지시 오류 등의 문제점이 발생하였다.
특히, 1차 냉각수 온도의 계단변화(step change)는 안전을 위한 원자로 비상정지(scram)의 원인이 되기 때문에 실시간 계측과 즉각적인 대응이 요구되는데, 이러한 응답시간의 지연 때문에 즉각적인 대응이 늦어져 노심용융 등과 같은 중대사고가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
또한, TC의 경우, 오염에 취약하여 부식되기 쉽고, 전자기파에 의한 영향으로 온도 측정이 불안정하며, 300℃ 이상의 고온으로 갈수록 측정 오차가 증가하고 잡음 출력 또는 포화출력 등에 의해 그 정확도가 낮아지는 문제점이 있다.
따라서 고온?고압 환경 하의 냉각계통에서 흐르는 냉각재의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 빠른 응답속도를 갖는 실시간 계측장치가 요구되어 왔다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 적외선을 투과시켜 전송하는 광섬유의 일측 단부에 캡을 연결하여, 캡의 내주면을 통해 방출되는 적외선을 광섬유로 전송하도록 프로브를 구성하고, 이를 냉각계통의 유체 채널에 직접 삽입하여 유체와 열평형이 이루어진 캡의 내주면에서 방출되어 광섬유를 통해 전송되는 적외선을 검출하여 유체의 온도를 측정함으로써 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경에서 프로브의 부식이나 전자기파의 영향 없이 보다 정확한 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브는, 코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;을 포함하여 구성되어, 상기 캡의 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 상기 적외선 방출물질로부터 방출되는 적외선을 상기 광섬유를 통해 전송하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템은, 유체 채널에 삽입되어 유체의 온도에 대응하여 방출되는 적외선을 전송하는 신호 프로브 및 기준 프로브로 구성되는 적외선 광섬유 프로브와; 상기 신호 프로브 및 상기 기준 프로브에 연결되어, 상기 신호 프로브 및 기준 프로브를 통해 전송되는 적외선을 각각 검출하여 검출된 적외선 신호에 따른 전기신호를 각각 출력하는 적외선 검출기; 및 상기 적외선 검출기에서 출력된 전기신호를 입력받아 입력된 두 신호 값의 차이에 근거하여 유체의 온도를 산출하는 마이크로 프로세서;를 포함하여 구성되며, 상기 신호 프로브 및 기준 프로브는 각각, 코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;을 포함하여 구성되되, 상기 신호 프로브와 기준 프로브의 캡 내벽에는 각각 적외선 방사율이 서로 다른 적외선 방출물질이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브는, 외부 오염 및 전자기파에 안정적이고 응답속도가 우수한 적외선 광섬유와, 광섬유의 일측 단부에 연결되어 유체의 온도에 대응하는 적외선을 방출시키는 캡을 포함하여 구성되는 간단한 구성으로 원자력 발전소 냉각계통과 같은 고온?고압 환경에서의 유체 온도를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템은, 적외선 방사율이 서로 다른 한 쌍의 프로브를 이용하여 유체의 온도를 측정하기 때문에 외부환경에 따른 오프셋 기준전압의 변화에 영향을 받지 않고 유체의 온도를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 적외선 광섬유 프로브의 내부 구성을 보여주는 단면도.
도 3은 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 적외선 광섬유 프로브의 내부 구성을 보여주는 단면도.
도 3은 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템의 구성을 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브는, 적외선을 전송하는 광섬유의 일측 단부에 적외선을 방출시키는 캡을 연결하여 구성되고, 이렇게 형성된 프로브를 고온?고압의 유체 채널에 직접 삽입하여 유체의 온도에 대응하여 캡 내부에서 발생되는 적외선을 광섬유를 통해 적외선 검출기로 전송하여 변환된 전기신호에 따라 유체의 온도를 검출할 수 있다.
흑체 방출에서 스테판-볼츠만의 법칙(Stefan-Boltzmann's law)에 따르면, 열원에서 방출되는 적외선의 강도(Intensity, I)는 열원의 온도(T)에 비례하며, 그 관계는 아래의 [수학식 1]과 같다.
(I는 적외선의 강도(Intensity), ε는 방사율(emissivity), σ는 스테판-볼츠만 상수(σ=5.67×10-12[W/(㎠?K4)]), T는 열원의 온도)
상기 [수학식 1]에 따르면, 열원에서 방출되는 적외선의 강도(I)는 열원의 온도(T)가 동일한 경우, 열원이 갖는 방사율(ε)에 따라 변화됨을 알 수 있다.
또한, 빈의 변위법칙(Wien's displacement law)에 따르면 열원에서 방출되는 적외선의 최대방출파장(λmax)은 열원의 온도(T)와 관계되며, 그 관계는 하기의 [수학식 2]와 같다.
(단위 ㎛?K)
상기 [수학식 2]에 따르면, 실온 27℃의 열원에서 방출되는 적외선의 최대방출파장(λmax)은 9.66㎛이고, 300℃의 열원에서 방출되는 적외선의 최대방출파장(λmax)은 5.067㎛이므로, 열원의 온도가 높아질수록 최대방출파장(λmax)은 짧아지는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명은 상기와 같은 원리를 적용하여, 고온?고압의 유체 채널에 직접 삽입된 적외선 광섬유 프로브를 이용하여, 유체의 온도에 대응하여 프로브에 결합된 캡으로부터 방출되는 적외선을 전송받아, 전송된 적외선 강도(파장)의 측정을 통해 유체의 온도를 실시간으로 정확하게 측정하는데 그 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 적외선 광섬유 프로브의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 적외선 광섬유 프로브(100, 200)는, 코어(112)와 클래딩(114)으로 이루어지는 광섬유(110)와; 상기 광섬유(100)의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브(120); 및 일측에 개방부(133)가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부(133)를 통해 보호튜브(120)에 둘러싸인 광섬유(110)의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡(130);을 포함하여 구성된다.
광섬유(110)는 적외선을 투과시켜 전송하는 적외선 광섬유로서, 소정의 반사율을 갖는 물질로 이루어진 코어(112)와, 코어(112)와 반사율이 서로 다른 물질로 이루어진 클래딩(114)으로 구성된다.
적외선 광섬유는 하기의 [표 1]에 보여지는 바와 같이, 실버 할라이드(silver halide) 광섬유, 사파이어(sapphire) 광섬유, 캘커제나이드(chalcogenide) 광섬유 또는 중공(hollow) 광섬유 등이 있으며, 이러한 광섬유는 통상적으로 고온?고압의 극한 환경에서 견딜 수 있도록 구성되고, 외부 오염 및 전자기파에 의한 영향을 받지 않으며, 그 응답 속도도 빠르다는 이점이 있다. 본 발명에서는 300℃ 이상의 고온?고압 환경에서의 비교적 넓은 범위의 온도를 측정하는 것을 목적으로 하고 있으므로, 온도 측정 환경에 적합하도록 녹는점이 412℃이고, 전송되는 적외선의 전송파장 범위가 3 ~ 16㎛로 비교적 넓은 실버 할라이드 광섬유를 사용하였다.
| 녹는점(℃) | 전송파장 범위(㎛) | |
| 실버 할라이드 광섬유 | 412 | 3 ~ 16 |
| 캘커제나이드 광섬유 | 245 | 4 ~ 11 |
| 사파이어 광섬유 | 2030 | 0.5 ~ 3.1 |
| 중공 광섬유 | 150 | 0.9 ~ 25 |
또한, 고온?고압 환경 하에서의 광섬유(110)의 열화를 방지하기 위해, 상기 클래딩(114)의 외주면에는 녹는점이 343℃로 비교적 높은 PEEK(polyetheretherketone) 폴리머를 코팅하고, 그 위에 녹는점이 327℃이며 강한 내화학성을 갖는 테프론(poly tetrafluoroethylene, Teflon) 테이프를 부착하였다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 광섬유(110)는 다시 보호튜브(120) 내에 삽입되어 유체 채널로 삽입되게 되는데, 보호튜브(120)는 스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되고 있으며, 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금은 내화학성 및 내열성이 우수한 재질로서, 고온?고압 환경의 유체 채널에 노출되는 광섬유(110)를 효과적으로 보호할 수 있다.
보호튜브(120)는 내부에 광섬유(110)를 삽입할 수 있도록 중공의 원통형으로 형성되고, 일측 단부, 즉 캡(130)이 연결되는 몸체 상부 외주면에는 캡(130)과의 결합을 위한 나사산(122)이 형성되어 있다. 이때, 광섬유(110)와 보호튜브(120)의 결합시 보호튜브(120) 내부로 유체가 유입되는 것을 방지하기 위하여 광섬유(110)의 외주면과 보호튜브(120)의 내부면이 상호 밀착되도록 구성하는 것이 좋다.
캡(130)은 광섬유(110)를 삽입시킬 수 있도록 내부에는 몸체 일측에 개방부(133)가 형성되어 있는 중공부(132)가 형성되고, 보호튜브(120)와 결합되는 개방부(133)의 입구측 내주면에는 보호튜브(120)에 형성되어 있는 나사산(122)과의 결합을 위한 나사홈(134)이 형성되어 있다.
캡(130)은 개방부(133)를 통해 보호튜브(120)에 둘러싸인 광섬유(110)를 중공부(132)로 삽입시킨 상태로 보호튜브(120)의 일측 단부에 연결되며, 연결시 보호튜브(120)의 외주면에 형성되어 있는 나사산(124)과 캡(130)의 내주면에 형성되어 있는 나사홈(134)의 나사결합을 통해 연결된다.
여기에서 캡(130)과 보호튜브(120)의 연결시 광섬유(110)의 단부가 캡(130)의 개방부(133)의 입구측에 위치하도록 하여, 광섬유(110)의 단부가 중공부(132)의 내벽으로부터 소정 거리 이격되도록 구성함으로써 캡(130)에서 발생하는 적외선이 광섬유(110)의 단부를 통해 충분하게 입사될 수 있도록 하는 것이 좋다. 다시 말해서, 광섬유(110)의 단부가 중공부(132)의 내벽에 연결되는 경우에는 광섬유(110)가 밀착된 캡(130) 부분에서 방출되는 적외선만이 광섬유(110)로 입사되지만, 광섬유(110)의 단부를 캡(130)의 중공부(132) 내벽으로부터 소정 거리 이격시켜 연결하게 되면, 캡(130)의 내벽으로부터 방출되는 적외선이 광섬유(110)로 효율적으로 입사될 수 있기 때문에, 광섬유(110)로 입사되는 적외선의 선량이 증가하여 광섬유(110)에 연결되는 적외선 검출기에서 보다 효과적으로 적외선을 검출할 수 있다는 이점이 있다.
이렇게 구성되는 프로브(100)는 고압의 유체 채널에 직접 삽입되기 때문에 보호튜브(120)와 캡(130)의 연결부위를 통해 유체가 유입되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 보호튜브(120)와 캡(130)의 연결부위에 내열성을 갖는 오링(O-ring)이나 별도의 실런트(sealant) 등의 밀폐부재(미도시)를 이용하여 방수처리하는 것이 바람직하다.
상술한 구성의 캡(130)은 보호튜브(120)와 마찬가지로 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금으로 형성될 수 있다. 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금은 유체의 온도에 대응하는 파장을 갖는 적외선을 방출하며, 내화학성이 좋아 유체에 의해 쉽게 부식되지 않는다. 그러나 캡(130)을 구성하는 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금의 경우, 적외선 방사율(ε)이 0.01 정도로 상당히 낮은 편이어서, 캡(130)의 내벽에 이들 구성물질보다 방사율이 높은 적외선 방출물질(140)을 형성함으로써 캡(130)의 내벽으로부터 방출되는 적외선의 방사량을 증가시켜 광섬유(110)에 연결되는 적외선 검출기에서의 적외선 검출능을 향상시킬 수 있다.
캡(130)의 내벽에 형성되는 적외선 방출물질(140)은, 내열성이 우수하고, 캡(130)의 방사율보다 높은 방사율을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 이때, 적외선 방출물질(140)은 방사율(ε)이 1인 흑체가 사용되는 것이 가장 이상적이나, 그 외에도 비교적 우수한 방사율(ε)을 갖는 다양한 물질이 적용될 수도 있다. 이러한 적외선 방출물질(140)로는 방사율이 1에 가까운 검정색 도료나, 석면(asbestos), 청동(bronze) 페인트, 황동(brass), 카본(carbon) 등이 사용될 수 있으며, 이와 같이 캡(130)의 내벽에 방사율이 높은 적외선 방출물질(140)을 형성함으로써 캡(130) 내부에서 발생되는 적외선의 강도를 높여 광섬유(110)에 연결되는 적외선 검출기를 통한 검출 효율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 통해, 본원발명에 따른 적외선 광섬유 프로브(100)는, 프로브가 삽입된 유체의 온도에 대응하여 캡(130)으로부터 방출되는 적외선을 검출하고, 이를 전기신호로 변환하여 유체의 온도를 측정하게 된다.
다만, 이 경우 측정이 수행되는 외부환경의 변화에 따라 오프셋 기준전압(offset reference voltage) 등이 변동되는 경우가 발생할 수 있어, 매 측정시마다 유체 온도 측정 결과에 있어서의 높은 정확도와 재현성을 갖기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 한 개의 적외선 광섬유 프로브만을 이용하여 유체의 온도를 측정하고자 하는 경우, 주어진 외부환경의 영향에 따라 측정된 유체의 온도 측정 결과를 보정하기 위해 오프셋 전압 및 관계식을 상황에 따라 보정해주는 장치나 프로그램이 필요하다는 부가적인 어려움이 따를 수 있다.
본 발명에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 서로 다른 적외선 방사율을 갖는 적외선 방출물질이 코팅된 캡이 각각 적용된 한 쌍의 프로브를 구성하여 온도 측정 위치에 삽입하고, 각각의 프로브를 통해 전달되는 적외선을 검출하여, 검출된 적외선에 따라 출력되는 전기신호의 차이를 비교함으로써 유체의 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 구성된 온도 측정 시스템을 구현하였다.
즉, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템에서는, 유체 채널에 삽입되어 유체 온도를 측정하기 위한 광섬유 프로브를 구성함에 있어서, 캡(130) 내부에 비교적 적외선 방사율이 높은 적외선 방출물질(140)이 코팅된 신호 프로브(100)와, 신호 프로브(100)에 비해 상대적으로 낮은 적외선 방사율을 갖는 적외선 방출물질(240)이 캡(130) 내부에 코팅된 기준 프로브(200)의 한 쌍으로 이루어진 광섬유 프로브를 구비하여, 각각의 프로브(100, 200)를 통해 전송되는 적외선을 검출하여 얻어진 전기신호의 신호 값 차이를 비교함으로써 유체의 정확한 온도를 검출할 수 있도록 구성하였다. 이때, 기준 프로브(200)의 캡(130) 내부에 코팅되는 적외선 방출물질(240)은 캡(130)을 구성하는 스테인레스 스틸보다 작은 값의 방사율을 갖는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등이 사용될 수 있고, 경우에 따라 캡(130) 내부에 적외선 방출물질을 별도로 코팅하지 않은 상태 그대로 사용할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템에서는, 서로 다른 방사율을 갖는 적외선 방출물질이 캡 내부에 코팅된 한 쌍의 광섬유 프로브를 구성하고, 각각의 프로브의 캡 내부에 코팅된 적외선 방출물질의 방사율 차이에 의해 서로 다른 강도로 방출되는 적외선을 검출하여, 검출된 적외선 신호에 따른 전기신호의 신호 값 차이를 통해 유체의 온도를 측정함으로써 외부환경에 따른 오프셋 기준전압의 변동에 관계없이 정확한 유체 온도의 측정이 가능하게 되었다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 프로브를 이용하여 구성된 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 온도 측정 시스템에 대하여 설명한다.
도 3은 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 온도 측정 시스템은, 유체 채널에 삽입되어 유체의 온도에 대응하여 방출되는 적외선을 전송하는 신호 프로브(100) 및 기준 프로브(200)로 구성되는 적외선 광섬유 프로브와; 상기 신호 프로브(100) 및 기준 프로브(200)에 각각 연결되어, 상기 신호 프로브(100) 및 기준 프로브(200)를 통해 각각 전달되는 적외선을 검출하여 검출된 적외선 신호에 따른 전기신호를 각각 출력하는 적외선 검출기(300); 및 적외선 검출기(300)에서 출력된 전기신호를 각각 입력받아 입력된 두 신호 값의 차이에 근거하여 유체의 온도를 산출하는 마이크로 프로세서(500);를 포함하여 구성된다.
신호 프로브(100)와 기준 프로브(200)의 캡(130) 내부에는 서로 다른 방사율을 갖는 적외선 방출물질(140, 240)이 각각 코팅되어 있어, 유체의 온도에 대응하여 캡(130) 내부에서 방출되는 적외선은 각각의 적외선 방출물질(140, 240)의 방사율에 따라 서로 다른 강도를 가지며 방출되어 광섬유(110)를 통해 적외선 검출기(300)로 전송되게 된다. 전술한 바와 같이 신호 프로브(100)의 캡(130) 내부에는 비교적 적외선 방사율이 높은 적외선 방출물질(140)이 코팅되어 있고, 기준 프로브(200)의 캡(130) 내부에는 신호 프로브(100)의 캡(130) 내부에 코팅된 적외선 방출물질(140)의 적외선 방사율에 비해 상대적으로 작은 값의 적외선 방사율을 갖는 적외선 방출물질(240)이 코팅되어 있기 때문에, 각각의 프로브(100, 200)의 캡(130)에서 방출되는 적외선의 강도에 차이가 발생하게 된다.
적외선 검출기(300)는 광섬유(110)를 통해 전송되는 적외선을 각각 입사시켜 각각의 적외선에 대응하는 전기신호를 출력한다. 적외선 검출기(300)는 측정온도의 적외선 방출 파장 범위에 따라 열전쌍열(thermopile), HgCdTe(Mercury Cadmium Telluride, MCT) 센서, 초전형(Pyroelectric) 센서 또는 볼로미터(Bolometer) 등이 사용될 수 있다. 이때, 광섬유(110)를 통해 전송되는 적외선의 강도가 약한 경우, 적외선 검출기(300)에서 출력되는 전기신호의 변화가 미미하게 나타날 수 있기 때문에, 보다 정확한 온도변화를 측정하기 위해서는 적외선 검출기(300)와 마이크로 프로세서(500) 사이에 적외선 검출기(300)에서 출력되는 전기신호를 적절하게 증폭시켜 마이크로 프로세서(500)로 전달하기 위한 증폭수단(400)이 구비되는 것이 좋다.
마이크로 프로세서(500)는 적외선 검출기(300)에서 출력된 전기신호를 각각 입력받아 입력된 두 신호 값의 차이를 이용하여 유체의 온도를 산출하고, 마이크로 프로세서(500)에 연결되는 디스플레이(600)를 통해 산출된 유체의 온도를 표시한다. 이와 같이 마이크로 프로세서(500)에서는 적외선 검출기(300)를 통해 입력된 신호 값의 차이를 이용하여 유체의 온도를 산출하기 때문에 외부환경에 따른 오프셋 기준전압을 보정하는 등의 번거로움 없이 유체의 온도를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 신호 프로브 110 : 광섬유
112 : 코어 114 : 클래딩
120 : 보호자켓 122 : 나사산
130 : 캡 132 : 중공부
133 : 개방부 134 : 나사홈
140 : 적외선 방출물질 200 : 기준 프로브
300 : 적외선 검출기 400 : 증폭기
500 : 마이크로 프로세서 600 : 디스플레이
112 : 코어 114 : 클래딩
120 : 보호자켓 122 : 나사산
130 : 캡 132 : 중공부
133 : 개방부 134 : 나사홈
140 : 적외선 방출물질 200 : 기준 프로브
300 : 적외선 검출기 400 : 증폭기
500 : 마이크로 프로세서 600 : 디스플레이
Claims (12)
- 코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와;
상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및
일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;
을 포함하여 구성되되,
상기 클래딩의 외주면에는,
PEEK(polyetheretherketone) 폴리머가 코팅되고, 상기 PEEK 폴리머 코팅 위에 테프론(poly tetrafluoroethylene, Teflon) 테이프를 부착한 후, 상기 보호튜브로 둘러싸도록 구성되어,
상기 캡의 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 상기 적외선 방출물질로부터 방출되는 적외선을 상기 광섬유를 통해 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 제 1 항에 있어서,
상기 광섬유는,
실버 할라이드(silver halide) 광섬유인 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 보호튜브는,
스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 제 1 항에 있어서,
상기 캡의 개방부 입구측 내주면에는 나사홈이 형성되고,
상기 캡과 연결되는 상기 보호튜브의 단부 외주면에는 나사산이 형성되어,
상기 캡에 형성된 나사홈과 상기 보호튜브에 형성된 나사산의 나사결합을 통해 상기 캡과 보호튜브가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 제 5 항에 있어서,
상기 캡과 상기 보호튜브의 연결부위는,
밀폐부재를 개재하여 방수처리되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 제 1 항에 있어서,
상기 캡은,
스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 제 1 항에 있어서,
상기 캡의 내벽에 코팅되는 적외선 방출물질은,
검정색 도료, 석면, 청동, 황동, 카본, 은(silver) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 물질을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브. - 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 온도 측정 시스템에 있어서,
유체 채널에 삽입되어 유체의 온도에 대응하여 방출되는 적외선을 전송하는 신호 프로브 및 기준 프로브로 구성되는 적외선 광섬유 프로브와;
상기 신호 프로브 및 상기 기준 프로브에 연결되어, 상기 신호 프로브 및 기준 프로브를 통해 전송되는 적외선을 각각 검출하여 검출된 적외선 신호에 따른 전기신호를 각각 출력하는 적외선 검출기; 및
상기 적외선 검출기에서 출력된 전기신호를 입력받아 입력된 두 신호 값의 차이에 근거하여 유체의 온도를 산출하는 마이크로 프로세서;
를 포함하여 구성되며,
상기 신호 프로브 및 기준 프로브는 각각,
코어와 클래딩으로 이루어져 적외선을 전송하는 광섬유와;
상기 광섬유의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브; 및
일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 상기 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 일측 단부에 연결되며, 몸체 내벽에는 몸체 외부를 흐르는 유체의 온도에 대응하여 적외선을 방출시키는 적외선 방출물질이 코팅되어 있는 캡;
을 포함하여 구성되되,
상기 신호 프로브와 기준 프로브의 캡 내벽에는 각각 적외선 방사율이 서로 다른 적외선 방출물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 신호 프로브의 캡 내벽에 코팅되는 적외선 방출물질은,
검정색 도료, 석면, 청동, 황동 및 카본으로 이루어지는 군에서 선택되는 한 가지 물질을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 기준 프로브의 캡 내벽에 코팅되는 적외선 방출물질은,
은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 적외선 검출기와 상기 마이크로 프로세서 사이에는,
상기 적외선 검출기에서 출력된 전기신호를 증폭시켜 상기 마이크로 프로세서로 전달하기 위한 증폭기가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 적외선 광섬유 프로브를 이용한 온도 측정 시스템.
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|---|---|---|---|---|
| KR101283095B1 (ko) | 2012-06-28 | 2013-07-05 | 주식회사 아이스기술 | 보일러 튜브의 온도 측정장치 |
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| WO2012060562A3 (ko) | 2012-06-28 |
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| WO2012060562A2 (ko) | 2012-05-10 |
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