KR101223105B1 - 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블로 된 분포형 광섬유 센서에서 온도를 측정하고자 하는 부위를 제외한 부분은 금속재의 직선형 튜브와 단열재로 외부의 영향을 차단하고, 상기 분포형 광섬유 센서 케이블의 노출된 부분들에서 온도를 측정토록 함으로써, 분포형 광강도 광섬유 센서(1)로서의 장점들은 그대로 살리면서도 브래그 격자형 광섬유 센서에 유사한 향상된 온도 측정 감도를 시현할 수는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치에 관한 것이다.

Description

분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치{Multi-points Temperature Measuring Equipment by using Optical Fiber Censor}

본 발명은 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블로 된 분포형 광섬유 센서에서 온도를 측정하고자 하는 부위를 제외한 부분은 금속재의 직선형 튜브와 단열재로 외부의 영향을 차단하고, 상기 분포형 광섬유 센서 케이블의 노출된 부분들에서 온도를 측정토록 함으로써, 분포형 광강도 광섬유 센서(1)로서의 장점들은 그대로 살리면서도 브래그 격자형 광섬유 센서에 유사한 향상된 온도 측정 감도를 시현할 수 있는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치에 관한 것이다.

1970년대 초반부터 본격적으로 개발되어 지금은 널리 알려진 광섬유는, 전자 신호 대신 빛을 이용한 광통신에 이용되어 통신기술에 혁신을 가져왔으며, 광섬유 센서는 또한 광섬유의 중요한 활용 분야이다.

센서응용의 경우 광섬유는 측정할 물리량이 있는 곳에 손쉽게 빛을 전달하는 역할뿐 아니라, 광섬유를 구성하고 있는 유리를 매개로 빛과 측정하고자 하는 외부신호 사이에 상호작용을 일으키게 하는 역할을 한다. 대부분의 광섬유 센서에서는 광섬유에 가해지는 외부 물리량의 변화(신호)에 의해 광섬유 속을 진행하는 빛에 유도되는 여러 가지 특성 변화를 측정하게 되는데, 외부에서 가해지는 신호에는 온도, 압력, 전기장, 자기장, 회전, 화학물질의 농도, 기계적인 움직임 등 거의 모든 종류의 물리량들이 포함된다. 이와 같은 여러 가지 빛의 특성 변화를 읽어, 우리가 원하는 외부 물리량의 변화를 측정하는 것이 광섬유 센서의 기본 원리이다.

일반적인 광섬유는 도 1과 같이 굴절률이 다른 클래딩(fiber cladding)과 코어(fiber core)로 구성되어 있으며, 클래딩의 외부를 폴리머 커팅과 재킷으로 감싸고 있다. 빛을 전달하는 매개체인 코어로 입사된 빛은 코어와 클래딩의 굴절률 차로 인하여 빛의 전반사가 일어나며, 클래딩을 통해 빛이 새어 나가지 않고 코어를 통해서만 빛이 전달되게 되는 것이다. 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 입사할 때, 그 경계 면에서 빛이 100% 반사되는 현상을 빛의 전반사라고 한다.

광섬유센서는 측정 범위에 따라 일점형, 분포형 및 다중형으로 분류할 수 있다.

다중형 센서는 하나의 광섬유에 2개 이상의 일점형 센서가 설치되어 있는 형태로, 광섬유 자체가 센싱 소자로서의 기능과 계측신호 정보전송으로서의 기능을 동시에 수행한다. 대표적인 센서로는 브래그 격자 광섬유센서(Fiber Bragg Grating Sensor, FBG)가 있다.

분포형 광섬유 센서는 펄스광을 광섬유 내부에 입사시키고 온도변화 등의 외부자극으로 인하여 광섬유에 인장 등의 힘이 발생되면 그 정도에 따라 광손실이 증가하며 이때 후방산란(back scattering)되어 되돌아온 빛의 광섬유 길이에 따른 광손실을 측정하여 온도의 변화를 관측할 수 있다. 분포형 광섬유 센서의 대표적인 것으로는 OTDR (Optical Time Domain Reflectometry)로, 단일 광섬유를 이용하여 대상의 전체적인 온도분포를 측정하는데 유용하다.

분포형 광강도 센서는 단순히 광섬유를 통해 검출되는 빛의 양에 기초를 두고 검출부에서 손실된 광량을 직접 검출하기 때문에 제작이 쉽고, 견고하며, 신호처리가 단순하다는 장점이 있지만, 간섭형 센서 (다중형 브래그 격자 센서)에 비하여 측정 감도가 낮은 단점이 있다.

다중형 브래그 격자 센서와 분포형 광강도 센서의 구성 원리가 도2에 나타나 있다. 광섬유 브래그(Bragg)격자 배열형 센서(FBG)는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다.

격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다. 광섬유 브래그 격자 배열형 센서의 온도 측정 원리가 도 3에 나타나 있다.

분포형 광섬유센서는 측정가능거리는 30 km이상으로 브래그 격자 배열형 센서의 측정가능거리인 2 km 보다 성능이 우수하지만, 상기하였듯이 측정 감도가 낮은 단점을 가지고 있다.

실제 분포형 광섬유 센서와 브래그 격자 배열형 센서의 실 테스트 결과를 도 4와 도 5에 나타내었다. 도 4는 브래그 격자형 광섬유 센서 온도 측정 결과를 예시적으로 나타낸 그래프이다. 도 5는 분포형 광섬유 센서 온도 측정 결과를 예시적으로 나타낸 그래프이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 브래그 격자 배열형 센서의 경우는 각각의 브래그 격자 위치가 하나의 온도를 측정하는 지점으로서, 측정하고자 하는 대상의 위치에 따른 정확한 온도를 계측할 수 있다. 하지만 격자 수가 증가할수록 제조비의 부담이 증가하며, 특히 일정기간 사용 후 교체를 해야 하는 개소에는 비용의 문제가 훨씬 심각하게 고려되어야 한다. 분포형 광섬유 센서의 경우는 도 5에 나타난 바와 같이 제일 높은 온도가 112m, 117m 부위인 것으로 측정되었으나, 그 이외 부분의 온도는 정확한 검출이 곤란하다. 따라서 브래그 격자에 비하여 측정 감도가 낮고, 정확한 위치에서의 정량적 온도 값을 나타내 주지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 분포형 광강도 광섬유 센서의 설치구조를 개선하여, 간섭형 (브래그 격자형 광섬유 센서) 센서에 비하여 낮은 측정 감도를 개선하고, 정확한 위치에서 정량적 온도 값을 계측할 수 있는 분포형 광강도 광섬유 센서의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치는, 케이블로 된 분포형 광섬유 센서와; 상기 분포형 광섬유 센서에서 온도를 측정하고자 하는 부위를 제외한 부분을 내장 하고 있는 다수의 금속재의 직선형튜브와; 상기 직선형 튜브의 외측에 설치되는 단열재로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 직선형 튜브와 직선형 튜브 사이에는 상기 분포형 광섬유 센서가 삽입 고정되도록 내면에 홈이 형성된 금속제의 고리형 튜브가 연결 결합되어 있는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 고리형 튜브는 상기 직선형 튜브와 직선형 튜브 사이에 용접 결합된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 단열재는 상기 직선형 튜브 외측에 감기는 테이프 상이거나, 상기 직선형 튜브 외측에 도포되는 내화물인 것을 특징으로 하고, 또한 상기 고리형 튜브의 홈에 삽입되는 상기 분포형 광섬유 센서는 1회 이상 감아 돌아 삽입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 분포형 광강도 광섬유 센서(1)로서의 장점들은 그대로 살리면서도 브래그 격자형 광섬유 센서에 유사한 정확한 온도 측정 감도를 시현할 수 있다. 특히 고리부를 구성한 분포형 광섬유 센서(1) 케이블을 이용하여 센서 케이블의 길이를 길게 함으로써 해당 고리부의 온도 측정 감도를 높일 수 있으며, 필요 시에는 고리형 튜브(4) 내부에서 센서 케이블을 여러 번 감아 돌려 더욱 향상된 감도의 온도 측정이 가능하게 된다.

도 1은 일반적인 광섬유의 구성요소 및 전반사 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 측정 범위에 따른 광섬유 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 광섬유 브래그 격자 배열형 센서의 온도측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 브래그 격자형 광섬유 센서 온도 측정 결과를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 분포형 광섬유 센서 온도 측정 결과를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 단열재(3)가 있는 부분인 X-X를 절개하여 우측에서 본 단면도이다.
도 8은 고리형 튜브(4)의 Y-Y 단면을 위에서 본 단면도이다.

본 발명의 주된 특징은 분포형 광섬유 센서를 이용한 온도 측정시스템에 있어서, 광섬유 온도 센서 케이블을 고리형 튜브 부위에 2m 이상 삽입하여 온도 측정 시 검출되는 감도를 높이고, 고리형 튜브 사이에 단열을 하는 직선형 튜브를 이용하여 고리형 튜브에 삽입된 광섬유 센서의 온도 측정 위치를 명확히 한 것이다.

따라서, 상기와 같이 구성된 분포형 광섬유 온도센서 구조를 이용하여 온도를 측정 할 수 있는 시스템에 의하면, 고리부와 직선부의 온도 차이를 명확히 구분할 수 있기 때문에, 측정하고자 하는 지점의 온도를 명확히 할 수 있도록 하는데 주안점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성 및 작용을 보다 상세하게 설명한다. 도 6은 본 발명의 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 단열재(3)가 있는 부분인 X-X를 절개하여 우측에서 본 단면도이다. 도 8은 고리형 튜브(4)의 Y-Y 단면을 위에서 본 단면도이다.

본 발명의 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도 계측장치는, 도 6에 나타난 바와 같이 케이블로 된 분포형 광섬유 센서(1)와; 상기 분포형 광섬유 센서에서 온도를 측정하고자 하는 부위를 제외한 부분을 내장하고 있는 다수의 금속재인 직선형 튜브(2)와; 상기 직선형 튜브의 외측에 설치되는 단열재(3)로 구성된다.

상기 직선형 튜브(2)와 직선형 튜브(2) 사이에는 상기 분포형 광섬유 센서(1)가 삽입 고정되도록 내면에 홈(5)이 형성된 금속제의 고리형 튜브(4)가 연결 결합될 수 있다.

상기에서 분포형 광섬유 센서(1) 케이블은 일직선으로 배선되면서, 직선형 튜브(2)와 직선형 튜브(2) 사이에서 상기 분포형 광섬유 센서(1)가 일부 노출되도록 구성할 수 있으며, 다른 방법으로는 직선형 튜브(2)와 직선형 튜브(2) 사이에, 내면에 홈(5)이 형성된 금속제의 고리형 튜브(4)가 연결 결합되도록 하고, 상기 분포형 광섬유 센서(1)가 직선부와 고리부 전체에 결쳐 끈김없이 배선되도록 할 수 있다.

본 발명에서, 상기 직선부의 단열재(3)가 잇는 부분을 외부에서 관찰하면, 단열재(3)가 상기 분포형 광섬유 센서(1) 케이블을 덮고 있는 형상이 된다. 도 7은 단열재(3)가 있는 부분 X-X의 단면을 우측에서 본 도면이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 단열재가 있는 부분의 단면을 보면, 단열재(3)의 하부에는 직선형 튜브(2)가 설치되어 있으며, 그 직선형 튜브(2)의 내측 공동으로 분포형 광섬유 센서(1)가 내장되어 지나가는 구조이다. 여기서 상기 직선형 튜브(2)는 용접의 편의상 금속제로 만들어 진다.

상기 직선형 튜브(2)와 직선형 튜브(2)의 사이에 고리부를 형성하는 경우에는, 고리부에 상기 분포형 광섬유 센서(1)가 끈김없이 삽입 고정되도록 내면에 홈(5)이 형성된 금속제의 고리형 튜브(4)가 연결 결합된다. 도 8에 나타난 바와 같이 금속제 고리형 튜브(4)는 파이프의 지름을 길이 방향으로 2등분한 형태로서 상부가 개방된 모양을 가지며, 그 내부의 홈(5)에 분포형 광섬유 센서(1) 케이블 내장된다.

상기 직선형 튜브(2) 또는 고리형 튜브(4)를 구성하는 파이프의 지름은 그 속에 내장되는 분포형 광섬유 센서(1) 케이블의 굵기, 또는 개수에 따라 조정될 수 있으나, 통상 3 ~ 5cm의 것을 사용한다. 상기 금속제 고리형 튜브(4)의 길이는 분포형 광섬유 센서(1)의 노출 길이를 고려하여 자유로이 결정 가능 하나, 바람직하게는 2 ~ 3 미터로 하는 것이 좋다. 상기 금속제 고리형 튜브(4)는 상기 직선형 튜브(2)와 직선형 튜브(2) 사이에 용접 결합된다.

상기 단열재(3)는 상기 직선형 튜브(2)의 외측에 감기는 테이프 형태를 취할 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 직선형 튜브(2) 외측에 내화물을 도포하는 방식이 될 수 있다. 또한 상기 고리형 튜브(4)에 내장되는 분포형 광섬유 센서(1) 케이블은 직전의 직선형 튜브(2)에서 건너 온 하나의 케이블 만을 내장하여 다음의 직선형 튜브(2)로 통과할 수도 있으나, 필요에 따라서는 상기 고리형 금속제 튜브(4)에서 1회 이상 감아 돌아 권취된 후 뒤이어 지는 직선부의 직선형 튜브(2)로 보낼 수 있다.

상기한 바와 같이 직선부와 고리부를 두고 온도를 측정하는 것은 분포형 광섬유 센서(1) 케이블에 의한 온도 측정에 있어서, 분포형 광섬유 센서(1) 케이블의 다수의 여러 부분들을 단열재로 차단하는 반면, 분포형 광섬유 센서(1) 케이블이 노출되는 부부들은 다수의 측정부를 구성하도록 하여, 그 다수의 측정부를 통하여 정확한 온도 측정이 가능토록 함으로써, 분포형 광섬유 센서(1)로서의 장점들은 그대로 살리면서 브래그 격자형 광섬유 센서에 유사한 온도 측정 감도를 시현할 수 있도록 한 것이다. 특히 고리부를 구성한 분포형 광섬유 센서(1) 케이블을 이용하는 경우에는 센서 케이블의 길이를 2미터 이상으로 함으로써 온도 측정 감도를 높일 수 있으며, 필요 시에는 고리형 튜브(4) 내부에서 센서 케이블을 여러 번 감아 돌려 한층 향상된 감도의 온도 측정이 가능하게 된다.

1 : 분포형 광섬유 센서 2 : 직선형 튜브 3 : 단열재
4 : 고리형 튜브 5 : 홈

Claims (5)

1. 케이블로 된 분포형 광섬유 센서와; 상기 분포형 광섬유 센서에서 온도를 측정하고자 하는 부위를 제외한 부분을 내장하고 있는 다수의 금속재의 직선형튜브와; 상기 직선형 튜브의 외측에 설치되는 단열재로 구성되되,
   상기 직선형 튜브와 직선형 튜브 사이에는 상기 분포형 광섬유 센서가 삽입 고정되도록 내면에 홈이 형성된 금속제의 고리형 튜브가 연결 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 고리형 튜브는 상기 직선형 튜브와 직선형 튜브 사이에 용접 결합된 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치
4. 제1항에 있어서,
   상기 단열재는 상기 직선형 튜브 외측에 감기는 테이프 상이거나, 상기 직선형 튜브 외측에 도포되는 내화물인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치
5. 제1항에 있어서,
   상기 고리형 튜브의 홈에 삽입되는 상기 분포형 광섬유 센서는 1회 이상 감아 돌아 삽입되는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서를 이용한 다점형 온도계측장치
   

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