KR101239770B1 - 감마선을 이용한 액면레벨 계측기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 초고온 용해액, 부식성 화학물질 등이 내장된 용기내 액상 물질의 양을 측정하기 위해 외부에서 방사선을 투과시켜 비접촉식으로 액상물질의 레벨이나 상태 등을 측정할 수 있는 감마선 액면레벨 계측기를 제공하는데 있다.
본 발명의 감마선을 이용한 제철소의 고로 액면레벨 계측기는 몰드가 채워진 용기(8)를 사이에 두고 감마선을 생성 방출하는 방사선 선원부(10)와 이 방사선 선원부에 대향하는 위치에 NaI(Tl)섬광체(3)를 포함하는 검출부(4)를 배치하여 몰드 액면을 통과한 선원부의 감마선이 상기 NaI(Tl)섬광체에 흡수되도록 하고 이에 의해 NaI(Tl)섬광체에서 발생한 광자를 PMT(2)로 증폭하여 흡수된 광전자량을 측정하는 것으로 제철소 고로의 몰드레벨을 계측할 수 있게 구성하되, 상기 NaI(Tl)섬광체(3)는 외부로부터의 습기침투를 차단하기 위해 알루미늄으로 밀봉시키고, 상기 NaI(Tl)섬광체(3)상에는 PMT(2)를 배치한 후 덮개(17)로 밀폐시키며, 상기 검출부(4)전체는 스텐레스강으로 케이싱하고, 상기 검출부(4)와 방사선 선원부(10)는 고로의 몰드 용기(8)에 인접한 위치에 서로 대향 배치된 한 쌍의 스탠드(4-1,10-1)에 각각 설치하고, 이들 스탠드는 각각의 이동장치(4-2,10-2)에 의해 상, 하로 연동 제어되게 구성하고, 상기 방사선 선원부(10)와 검출부(4)에는 각각 고로의 고열 차단용 워터자켓을 설치하는 것을 특징으로 한다.

Description

감마선을 이용한 액면레벨 계측기{A liquid level meter using gamma rays}

본 발명은 방사성 동위원소를 이용하여 액면의 레벨을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 감마선 방출체(선원부)와 NaI(Tl)섬광체를 이용하여 초고온 용해액, 부식성 화학물질 등이 내장된 용기의 액면레벨을 외부에서 측정할 수 있는 비접촉식 투과방식의 감마선을 이용한 액면레벨 계측기에 관한 것이다.

물, 오일, 액화가스 등의 액체가 채워진 용기의 액면레벨을 측정하는 방법으로 다양한 방법이 알려져 있다. 그 대표적인 예로 용기의 측면에 투명한 액면계를 설치하여 액체의 레벨을 육안으로 측정할 수 있게 하는 방법, 초음파를 액체표면에 송신하고 액면에서 반사되는 시간을 측정하여 액면레벨을 측정하는 방법, 액체의 표면에 플로트를 띄우고 플로트의 높낮이를 측정하는 방법, 다수의 전극봉을 액체에 삽입하고 기준봉과 검출봉 사이의 전기 전도율을 검출하여 액면레벨을 측정하는 방법 등이 있다.

다른 액면 검출방식으로 용기 안에 채워져 있는 액체의 수위를 측정하기 위하여 액면 검출관의 내측에 자성을 갖는 플로트를 띄우고 액면검출관 외부에서 자력검출센서를 상하로 이동시키면서 자성체 플로트로부터 발산되는 자력을 검출하여 액체의 레벨을 검출할 수 있도록 하는 액면레벨 검출장치가 제안된바 있다.

위와 같은 액면레벨 검출방식은 기구적인 장치를 직접 계측대상 액상물질에 접촉시키게 되므로 검출대상 액상물질이 초고온 용해액이거나 부식성 화학물질일 경우 센서 등이 초고온이나 부식에 견딜 수 없어 제철소의 고로내 몰드레벨이나 플랜트 설비의 탱크내 유독 및 고부식성 화학물질의 액면레벨 검출에는 적용할 수 없다.

또한, 널리 알려져 있는 초음파나 레이저빔 등을 이용한 비접촉식의 액면레벨 계측방식도 그 측정 빔이 금속탱크나 고로의 내화벽을 투과하지 못하므로 제철소 고로의 몰드 레벨이나 플랜트 설비의 화학물질 저장탱크의 액면레벨을 검출하는데 적용할 수 없다.

따라서 정유화학 플랜트, 제철소의 고로, 원자력발전소, 원유시추 및 정유 FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)설비에서 취급하는 초고온 또는 유독성 및 부식성의 액상물질들을 정확히 계측계량하여 각각의 설비에서 생산되는 제품의 품질향상과 신뢰성을 높일 수 있는 비접촉식 액면레벨 검출기의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 정유플랜트의 탱크 레벨, 화학플랜트의 밀도 계측, 제철플랜트의 몰드레벨, 글라스플랜트의 레벨계측 등에 전자파 방사선인 감마선을 적용하여 비접촉식 투과방식으로 액면레벨을 정확히 계측할 수 있도록 선원부의 감마선을 이용하여 무한수명과 제조방법에서 유연성이 있는 섬광계수기로 액면레벨을 계측하는데 있다.

본 발명의 감마선을 이용한 액면레벨 계측기는 몰드가 채워진 용기를 사이에 두고 감마선을 생성 방출하는 방사선 선원부와 이 방사선 선원부에 대향하는 위치에 NaI(Tl)섬광체를 포함하는 검출부를 배치하여 몰드 액면을 통과한 선원부의 감마선이 상기 NaI(Tl)섬광체에 흡수되도록 하고 이에 의해 NaI(Tl)섬광체에서 발생한 광자를 PMT로 증폭하여 흡수된 광전자량을 측정하는 것으로 제철소 고로의 몰드레벨을 계측할 수 있게 구성하되, 상기 NaI(Tl)섬광체는 외부로부터의 습기침투를 차단하기 위해 알루미늄으로 밀봉시키고, 상기 NaI(Tl)섬광체상에는 PMT 배치한 후 덮개로 밀폐시키며, 상기 검출부전체는 스텐레스강으로 케이싱하고, 상기 검출부와 방사선 선원부는 고로의 몰드 용기에 인접한 위치에 서로 대향 배치된 한 쌍의 스탠드에 각각 설치하고, 이들 한 쌍의 스탠드는 각각의 이동장치에 의해 상, 하로 연동 제어되게 구성하고, 상기 방사선 선원부와 검출부에는 각각 고로의 고열 차단용 워터자켓을 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 감마선을 이용한 액면레벨 계측기는 정유화학 플랜트설비 탱크의 액상물질 레벨측정, 원유운반선, LNG/LPG 운반선, 화학물질 운반선과 같은 특수 목적선의 탱크 레벨측정, 원자력발전소의 저장탱크의 레벨측정 등 접근이 어려운 산업현장에서 비접촉식의 정확한 액면레벨 계측에 광범위하게 적용할 수 있다.

특히, 본 발명의 감마선을 이용한 액면레벨 계측기는 계측제어설비의 플랜트 장비 내 설치 및 철거의 용이성과 투과방식에 따른 레벨 계측의 정밀성으로 플랜트 공정 설비의 신뢰성을 향상시켜 생산제품의 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 감마선을 이용한 액면레벨 계측기의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 감마선을 이용한 액면레벨 섬광 검출부의 회로블록 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 섬광 검출부의 외형 구성도이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는 각각 방사선 선원부의 정면도, 측면도, 평면도이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c는 각각 검출부의 정면도, 측면도, 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이용한 액면레벨 계측기의 실시예시도이다.

본 발명에 따른 방사성 동위원소 감마선을 이용한 액면레벨 계측기는 정유플랜트의 탱크 레벨, 화학플랜트의 밀도 계측, 제철플랜트의 몰드레벨, 글라스플랜트의 레벨계측 등 다양한 분야에서 유동성이 높은 초고온 용해액이나 부식성 화학물질 액면레벨의 검출에 적합하도록 설계된 것으로, 본 발명에서 구현하고 있는 액면레벨 측정기술은 비접촉식으로 섬광체의 투과에 따른 광자량 계측을 통하여 밀폐 용기내의 유동성 액체의 액면레벨을 정확히 계측하게 된다.

방사성 동위원소를 이용한 액면레벨 계수기는 비접촉식 비파괴 형식으로 측정 대상 액체의 움직이는 속도에 관계없이 액면레벨을 측정할 수 있으며, 움직이는 액체의 방향에 관계없이 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한 대상 액체의 밀도를 결정할 수 있다.

본 발명의 방사성 동위원소로서 방사선을 이용한 액면레벨 계수기에는 방사선의 흡수원리를 이용하거나 반사원리를 이용할 수 있으며 이것은 물체의 공정과정에 따라 선택적으로 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 감마선을 이용한 액면레벨 계측기의 개략도이다.

여기에서 참고되는 바와 같이 용기(8)를 사이에 두고 양쪽으로 방사선 선원부(Cs-137)(10)와 검출부(4)를 배치하여 상기 방사선 선원부에서 방사되는 감마선 이 상기 용기(8)내의 액상내용물(9)에 투사되어 이를 통과한 감마선에 의해 검출부(4)내의 NaI(Tl)섬광체(3)가 반응하도록 하고 이 NaI(Tl)섬광체 반응에 따른 광자가 PMT(광전자증배관)(2)에서 증폭된 후 PCB(1)에서 증폭 및 필터링되어 펄스신호로 출력(7)되게 구성하고 있다. 여기에서 도면부호 5,6은 전원 라인이다.

도 2는 본 발명에 따른 감마선을 이용한 액면레벨 섬광계수기의 검출부의 회로블록 구성도이다.

여기에서는 검출부(4)내 PCB(1)의 구체적인 회로구성을 보이고 있는데, NaI(Tl)섬광체(3)를 거쳐 PMT(광전자증배관)(2)에서 증폭된 광자는 PCB 내의 DC차단기(11)를 거쳐 직류노이즈가 유입되는 것이 차단되게 구성하고 상기 DC차단기를 거친 광자신호는 OP앰프(12)를 거쳐 연산증폭 처리된 후 필터(13)를 거쳐 최종 검출신호로 출력(7)되게 구성하고 있다.

또한 외부의 전원(16)은 전원라인(6)을 거쳐 레귤레이터(14)와 고전압발생기(15)에서 각각 안정화되고 승압되어 레귤레이터(14)의 출력은 상기 OP앰프(12)와 필터(13)에, 그리고 고전압 발생기(15)의 출력은 PMT(2)에 고전압의 구동전압으로 인가되게 연결하여 구성한다.

도 3은 본 발명에 따른 섬광계수기 검출부(4)의 외형 구성도로써, NaI(Tl)섬광체(3)상에 PMT(2)을 배치한 후 덮개(17)로 밀폐시킨 구성을 보이고 있다.

여기서 NaI(Tl)섬광체(3)는 외부로부터의 습기침투(조해성)를 차단하기 위해 알루미늄으로 밀봉시킨다. 또한 검출부(4)전체는 스텐레스강으로 케이싱한다.

특정 용기(8)의 액상내용물(9)의 액면레벨을 검출하기 위해서는 도 4a 내지 도 4c와 도 5a 내지 도 5c 및 도 6에서 보이고 있는 바와 같이, 상기 용기(8)에 인접한 위치에 용기를 사이에 두고 서로 대향하는 위치에 스탠드(4-1,10-1)를 설치하고, 이들 스탠드(4-1,10-1)에 각각 검출부(4)와 방사선 선원부(10)를 설치하며, 이들 검출부(4)와 방사선 선원부(10)는 각각의 이동장치(4-2,10-2)에 의해 상기 스탠드(4-1,10-1)가 상, 하로 이동되게 설치한다.

상기 각각의 이동장치(4-2,10-2)에 의한 검출부(4)와 방사선 선원부(10)의 상, 하 위치이동은 서로 연동 제어되게 설계한다.

방사선 선원부(10)와 검출부(4)를 이용한 제철소 고로의 몰드레벨 계측을 위한 섬광계수기 구축시, 방사선 선원부(10)와 검출부(4)가 고로의 고열에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 이들 방사선 선원부(10)와 검출부(4)에 워터자켓을 적용할 수 있다.

상기 워터자켓은 고열로부터 장비를 보호하기 위해 제철소 등에서 널리 사용되는 통상의 냉각수를 방열수단으로 이용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 섬광계수기를 이용한 액면레벨 측정과정을 살펴보면, 먼저 방사선 선원부(10)에서 발생한 감마선이 용기(8)내의 액상내용물(9)의 액면을 통과하여 검출부(4)의 NaI(Tl)섬광체(3)에 입사된다. NaI(Tl)섬광체에 입사된 감마선은 광자를 만들어내 PMT(광전자증배관)(2)에서 증폭된다.

광전자증배관에서 증폭된 신호는 PCB(1)내의 DC차단기(11)를 거쳐 직류노이즈가 필터링된 후 OP앰프(12)를 거쳐 연산증폭 처리된 다음, 필터(13)를 거쳐 최종 검출신호로 출력(7)된다.

외부에서 공급되는 전원(16)은 전원라인(6)을 거쳐 레귤레이터(14)에서 안정화 된 후 상기 OP앰프(12)와 필터(13)에 동작전압으로 인가되고, 고전압발생기(15)를 거치면서 승압된 고전압 출력은 PMT(2)에 구동전압으로 인가된다.

고속의 베타선에 의한 제동복사선의 발생은 아래와 같으나 감마선 이용시 이의 발생 가능성이 없으므로 다른 방사선에 대한 영향은 거의 없다.

매질을 통과하는 전자선은 궤도전자를 여기 및 전리시킴으로서 에너지를 잃어가는데 어떤 고속 전자선은 흡수물체와 상호작용하여 연속 엑스선을 방출하면서 그 에너지를 잃어가는 경우가 있다. 이때 발생되는 엑스선은 제동복사선(전자가 핵의 쿨롱장에서 급속히 감속될 때 생김)의 대략

에 비례한다. 여기서

는 흡수체의 원자번호이고

은 하전입자의 질량이다.

감마선이나 엑스선은 입자의 성질을 공유하고 있지만 입자의 의미가 강한 광자라는 말을 사용하며, 상호작용이란 감마선이 물질내에서 흡수되거나 에너지를 잃어가는 과정을 말한다.

본 발명에 따른 감마선을 이용한 액면레벨 측정원리는 다음과 같다.

방사 감마선이 입사되면 발광하는 NaI(Tl)섬광체(3)와 이 섬광을 전기신호로 변화시킴과 동시에 이것을 증배하는 PMT(광전자증배관)(2)에 의해 섬광계수기(Scintillation Counter)가 성립된다. 감마선은 검출부내 섬광물질과 상호 작용하여 광자를 생성시키며 이렇게 생성된 광자는 음극에 유도되어 광전자를 발생한다.

이 광전자는 증배관의 다이노드를 거치면서 약 10⁶배로 증배되어 최종적으로 양극에 수집됨으로써 전하펄스가 형성된다. 이때 NaI(Tl)섬광체(3)는 조해성이 아주 크고 외부의 온도 변화에도 결정 자체가 균열이 가며 외부 충격에 약하므로 검출기 제작 및 사용시 세심한 주의가 필요하다.

따라서 NaI(Tl)섬광체(3)제작시 외부의 습기침투를 방지하고 기계적 강도를 보강하기 위해 알루미늄을 이용하여 밀봉한다.

본 발명에 따른 액면 레벨 측정은 반사원리를 이용한 것으로 산란 감마선의 에너지

은 다음 수식과 같다.

여기서,

는 입사 감마선의 에너지, Φ는 산란 감마선의 각,

은 전자의 정지질량에너지(511keV)이다. 따라서, 산란각이 180˚일 때 산란 감마선의 에너지

는 48.29 KeV이고 산란각이 작을수록 산란 감마선의 에너지가 커진다.

방사선(감마선)과 물질과의 상호작용시 광전효과(Photoelectric effect), 콤퓨턴산란(Compton scattering), 전자쌍생성(Pair production)을 하며 상호작용할 총 확률은 콤퓨턴 단면적, 광전효과 단면적, 전자쌍생성 단면적 확률의 합과 같다.

콤퓨턴 단면적은 감마선의 에너지와 측정 물질의 원자번호에 의존함을 알 수 있으며, 콤퓨턴 산란이 일어날 확률은 감마선이 통과하는 측정 물질의 원자수량에 관련되고 측정 대상 물체의 밀도에 따라 콤퓨턴 산란이 비례함을 알 수 있다. 이 원리를 이용하여 배관 내의 액면레벨 등을 측정할 수 있게 되는 것이다.

1 : PCB 2 : PMT
3 : NaI(Tl)섬광체 4 : 검출부
4-1 : 스탠드 4-2 : 이동장치
8 : 용기 9 : 액상내용물
10 : 방사선 선원부 10-1 : 스탠드
10-2 : 이동장치 11 : DC차단부
12 : OP앰프 13 : 필터
14 : 레귤레이터 15 : 고전압 발생기

Claims (1)

1. 고로를 사이에 두고 감마선을 생성 방출하는 방사선 선원부(10)와 이 방사선 선원부에 대향하는 위치에 NaI(Tl)섬광체(3)를 배치하여 고로내 몰드 액면을 통과한 상기 방사선 선원부의 감마선이 상기 NaI(Tl)섬광체에 흡수되게 하고, 이에 따라 상기 NaI(Tl)섬광체에 흡수된 광전자량을 측정하여 제철소 몰드의 액면레벨을 계측하는 고로 액면레벨 계측기에 있어서, 외부로부터의 습기침투를 차단하기 위해 알루미늄으로 밀봉된 상기 NaI(Tl)섬광체(3)상에는 PMT(광전자증배관)(2)를 배치한 후 덮개(17)로 밀폐시켜 구성하고, 스텐레스강으로 케이싱된 검출부(4)는 상기 NaI(Tl)섬광체(3)를 거쳐 PMT(2)에서 증폭된 광자신호가 DC차단기(11)를 거치면서 직류 노이즈가 차단된 후 OP앰프(12)에서 증폭되어 필터(13)를 거쳐 최종 검출신호로 출력(7)되게 구성하고, 외부의 전원전압은 전원라인(6)을 거쳐 레귤레이터(14)와 고전압발생기(15)에서 각각 안정화되고 승압되어 상기 OP앰프(12)와 필터(13) 및 PMT(2)에 각각 회로동작전압과 고전압의 구동전압으로 인가되게 구성하고, 상기 검출부(4)와 방사선 선원부(10)는 고로의 몰드 용기(8)에 인접한 위치에 서로 대향 배치된 스탠드(4-1)와 스탠드(10-1)에 각각 설치하고, 이들 스탠드(4-1,10-1)는 각각의 이동장치(4-2,10-2)에 의해 상, 하로 연동 제어되게 구성하고, 상기 방사선 선원부(10)와 검출부(4)에는 각각 고로의 고열 차단용 워터자켓을 설치하여 구성하는 것을 특징으로 하는 감마선을 이용한 액면 레벨 계측기.

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