KR101381613B1 - 온도 계측을 이용한 전력소자의 이상 진단시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 계측을 이용한 전력소자의 이상 진단시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 소자들의 열영상을 얻을 수 있는 열영상카메라(110)와; 상기 열영상카메라에서 검출하는 열영상과 대응되어 그 실영상을 얻을 수 있는 실영상카메라(120)와; 상기 열영상카메라(110) 및 실영상카메라(120)를 일체로 위치 이동이 가능한 구동 기구부(130)와; 소자들의 작동 전의 대기의 기준온도를 검출하기 위한 온도검출부(140)와; 상기 구동 기구부(130)를 제어하여 설정된 위치와 각도에서 상기 열영상카메라(110) 및 실영상카메라(120)로부터 영상 데이터를 수신 가능하며, 상기 온도검출부(140)를 통해 검출된 기준온도와 각 소자들의 작동 전의 열영상으로부터 각 소자들의 보정 방사율을 산출하고 각 소자들의 보정 방사율을 적용하여 소자들의 작동 후 열영상으로부터 각 소자들의 온도를 모니터링하여 그 이력정보를 데이터베이스화하여 각 소자들의 이상 여부를 판정하게 되는 메인컴퓨터(150)를 포함하여, 소자의 온도를 자동으로 취득하여 체계적인 관리가 가능하며, 또한 측정된 소자의 온도 정보에 대한 이력정보로부터 소자의 비정상적인 작동을 파악할 수 있으며, 사전에 특성의 변화를 관찰하여 고장을 예측하여 안정적인 운영에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

온도 계측을 이용한 전력소자의 이상 진단시스템{Trouble diagnosis system for power elements using temperature monitoring}
본 발명은 온도 계측을 이용한 전력소자의 이상 진단시스템에 관한 것으로, 특히 전력계통의 전기, 전자 소자들의 온도를 정확하고 효율적으로 계측하고 측정된 온도 이력정보를 체계적으로 관리하여 전력소자의 이상 여부를 진단 예측할 수 있는 이상 진단시스템에 관한 것이다.
원자력 발전은 기본적으로 원자로 내에서 핵분열 반응을 일으켜 이때 발생되는 열에너지를 이용하여 증기를 생성시키고 이 증기로 터빈을 구동하여 전기를 공급하는 것이다.
원자로 내에는 핵분열 반응을 제어하기 위하여 복수 개의 제어봉이 설치되며, 제어봉은 핵분열 반응의 중개를 하는 열중성자를 흡수하기 쉬운 붕소·카드뮴·하프늄 등을 스테인리스강 또는 알루미늄으로 피복하여 제작된다.
제어봉을 노심에 삽입하면 열중성자가 흡수되어 노의 반응도가 낮아지고, 반대로 상기 제어봉을 인출하면 노의 반응도가 높아진다.
제어봉을 구동하는 제어 계통에는 여러 가지의 기구물과 코일, 코어 등이 결합되어 제어봉을 삽입시키거나 인출시키는데 이런 기구물을 제어하는 것들은 전자회로로 구성되어 있다[참고문헌: 등록특허 제10-1111262호(등록일자: 2012.01.25)].
한편 전자회로의 고장이나 열화는 대부분 전기, 전자소자에서 생기는 발열에 의해 발생되며, 특히 제어봉 제어계통에서는 고온고압의 원자로내부에 제어봉을 삽입하고 인출하는 작동에 대전력을 사용하게 되어 전력소자와 퓨즈 등에서 많은 열이 발생한다.
이런 발열은 소자의 특성을 열화시켜 정상 작동을 하고 있는 소자라 하더라도 고장으로 발전할 가능성이 매우 크고 바로 원자로 가동 중의 고장으로 이어질 가능성이 크기 때문에 제어봉 제어계통 전자회로 소자의 온도측정과 감시는 원자로의 정상 운전에 매우 중요한 점검요소가 된다.
도 1은 일반적인 제어봉 구동시스템의 구성도이며, 도 1을 참조하여 일반적인 제어봉 제어계통에 대하여 살펴보도록 한다.
제어봉(10)의 주위에는 복수의 제어봉코일(20)이 설치되며, 이 제어봉코일(20)에 전류를 흘려주어 제어봉(10)을 상하 방향으로 이동시킨다.
제어봉코일(20)은 올림코일(21), 이동코일(22) 및 정지코일(23)을 포함하며, 올림코일(21)과 이동코일(22)은 제어봉(10)을 상하 이동시키는 기능을 하며, 정지코일(23)은 제어봉(10)을 일정 위치에 정지시키는 기능을 한다.
이러한 제어봉코일(20)은 전력함(30)과 연결되며, 전력함(30)은 제어봉코일(20)에 필요한 구동전류를 공급하는 역할을 한다.
전력함(30)은 논리함(40)을 통해 주제어부(50)에 의해 제어가 이루어지며, 구체적으로는 논리함(40)은 주제어부(50)로부터 제어신호를 받아서 명령을 해석하여 전력함(30)에 필요한 신호를 발생시키는 역할을 한다.
또한, 전력함(30)과 논리함(40)에는 적당한 시기에 구동신호를 주도록 하는 복수의 전자카드(61)(62)가 연결된다.
전자카드(61)(62)는 전력함(30) 및 논리함(40)과 각종 신호를 주고받으며 적절한 시기에 적당한 전류가 제어봉코일(20)에 공급이 이루어질 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
도 2는 일반적인 전력함의 3상 정류 및 정류소자의 스위칭 구성을 보여주는 회로도이다.
도 2를 참고하면, 전력함의 정류 및 코일 구동 회로를 도시하였는데 다수의 퓨즈(F), 정류소자(SCR), 다이오드(D), 저항(R), 초크코일(C)과 보호회로로 구성되어 있다.
한편, 원자로는 반응을 제어하기 위하여 제어봉을 정해진 위치에서 유지하고 있거나 삽입, 인출 동작을 반복하기 때문에 전력함에는 상시 전류가 흐르고 있으며, 정지 시에는 약 4암페어, 인출 시에는 약 40암페어의 전류가 흐른다. 이 전류는 전류 통전 회로상의 모든 소자를 발열시키게 되며, 특히 정류소자, 저항, 퓨즈에서 열이 많이 발생한다. 반도체의 특성 상 발열이 되는 소자는 저항이 낮아지게 되고 저항이 낮은 소자는 열을 더 발생하는 경향이 있으며, 따라서 이런 악순환에 의해 소자의 파괴가 일어나게 된다. 따라서 원자로의 안정적인 운전을 위해서는 제어회로의 방열 대책과 더불어 특정소자의 이상 발열을 측정하고 감시하는 것이 매우 중요하다.
종래에는 이와 같은 제어봉 제어계통의 전자회로 소자의 온도측정을 위하여 수동이동형 열영상 측정장비를 정비원이 직접 수작업에 의해 온도 측정이 이루어지고 있으며, 따라서 촬영시간이 장시간 소요되고 열영상 특성요소인 촬영각도, 측정거리, 그리고 방사율 등이 측정시마다 차이가 발생하는 등 근원적인 문제점으로 인하여 측정 데이터의 정확도가 저하되며, 따라서 데이터에 대한 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.
일반적으로 열영상카메라에서 검출된 영상정보로부터 정확한 온도를 산출하기 위해서는 방사율의 보정이 이루어져야 하며, 이는 촬영 대상 물체의 표면 재질의 특성에 따라서 열영상카메라의 검출특성에 달라지게 되므로, 검출된 신호를 물체의 방사율 계수로 보정하여야 정확한 촬영 대상 물체의 온도를 얻을 수가 있는 것이다.
방사율(emissivity)은 물체가 외부 적외선 에너지를 흡수, 투과 및 반사하는 비율을 말하며, 외부에너지를 흡수만하고 반사하지 않는 물체를 흑체(Blackbody)라 하며, 이때의 방사율(ε)값은 "1"로 규정된다. 일반적인 물체들은 표면상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라서 흡수, 반사하는 에너지량이 변화하며, 흡수하고 반사하는 에너지 비율을 흑체를 기준으로 할 때 실제로 "1"보다 작은 값을 갖게 된다.
적외선 카메라를 이용하여 설비를 점검할 때 적절한 방사율을 적용하지 않으면 점검 대상의 온도편차가 발생하게 되므로, 점검 대상에 맞는 적절한 방사율을 적용해 주는 것이 보다 정확한 점검을 위해 필요하다. 일반적으로 방사율 측정에서는 샘플을 가열해 표면으로부터의 적외선 방사량을 측정하고, 동일 온도 조건에서 흑체로 등의 기준 방사원으로부터의 적외선 방사량과 비교하여 구한다.
한편, 등록특허공보 제10-0552233호(등록일자: 2006.02.07)(이하, "선행기술문헌"이라 함)는 CCD카메라와 열영상의 매핑을 이용한 열영상 관측화면의 방사율 보정기법을 제안하고 있으며, CD카메라와 열영상카메라가 탑재된 이동로봇을 이용하여 정상 가동중인 중수로형 원자력발전소의 칼란드리아 전면부 주위를 순회하면서 핵연료 교체 시에 발생할 수 있는 중수 누출, 핵연료 교체장비의 이상상태를 점검할 수 있도록 하는 것이다.
상기 선행기술문헌의 방사율 보정방법은 서로 다른 재질의 방사율에 대하여 온도평형에 의해 서로 다른 재질은 동일한 온도를 갖는다는 가정에 따라서 다른 재질의 방사율을 1.0으로 표준화하여 주요기기의 재질에 대한 방사율 데이터를 얻을 수 있음을 제안하고 있다.
그러나 이와 같은 방사율 보정방법은 전력소자의 적용 시에 체결 특성상 체결부위의 접촉(선접촉 또는 면접촉) 불량 시에 온도 상승이 발생될 수 있으며, 따라서 서로 다른 재질이 동일한 온도를 갖는다는 온도평형을 이용한 방사율 보정은 점검개소를 누락하는 결과를 초래하여 적용이 불가한 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 개선된 방사율 보정을 적용하여 열영상카메라를 사용하여 원자력발전소의 제어봉 제어계통의 전기, 전자소자들, 특히 발열이 많이 발생하는 전력함과 같은 전력소자들의 온도를 정확하게 계측하며, 또한 측정된 각 전력소자들에 대한 온도 이력정보를 체계적으로 관리하여 전력소자의 이상 여부를 진단 예측할 수 있는 전력소자 이상 진단시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템은, 소자들의 열영상을 얻을 수 있는 열영상카메라와; 상기 열영상카메라에서 검출하는 열영상과 대응되어 그 실영상을 얻을 수 있는 실영상카메라와; 상기 열영상카메라 및 실영상카메라를 일체로 위치 이동이 가능한 구동 기구부와; 소자들의 작동 전의 대기의 기준온도를 검출하기 위한 온도검출부와; 상기 구동 기구부를 제어하여 설정된 위치와 각도에서 상기 열영상카메라 및 실영상카메라로부터 영상 데이터를 수신 가능하며, 상기 온도검출부를 통해 검출된 기준온도와 각 소자들의 작동 전의 열영상으로부터 각 소자들의 보정 방사율을 산출하고 각 소자들의 보정 방사율을 적용하여 소자들의 작동 후 열영상으로부터 각 소자들의 온도를 모니터링하여 그 이력정보를 데이터베이스화하여 각 소자들의 이상 여부를 판정하게 되는 메인컴퓨터에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 상기 실영상카메라로부터 취득한 패턴의 좌표값에 의해 상기 열영상카메라를 설정된 위치로 보정이 이루어지도록 상기 구동 기구부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 상기 열영상카메라로부터 취득한 열영상과 함께 상기 실영상카메라로부터 동시에 취득한 실영상의 패턴인식에 의해 얻어진 좌표값에 의해 열영상 이미지에 대해 오프셋 조정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 소자들에 대한 위치정보가 기록된 데이터베이스를 포함하며, 이 데이터베이스에 기록된 소자들의 위치 정보를 참조하여 각 소자에 대해 동일 위치와 각도에서 계측이 이루어지도록 상기 구동 기구부의 구동을 제어하여 상기 열영상카메라로부터 취득된 열영상에서 각 소자에 대한 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 시간과 반복횟수에 따라서 변화하는 소자의 온도 추이를 기록하며, 그 변화율로부터 소자의 이상 여부를 판정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단방법은, 설비 내에 배치되는 다수의 각종 전기 또는 전자 소자들의 온도를 비접촉식으로 계측하며, 각 소자들에 대한 온도 이력정보를 이용하여 소자들의 이상여부를 진단 예측하기 위한 이상 진단방법으로서, 소자들의 작동 전의 대기의 기준온도(T0)를 검출하고 소자들의 열영상으로부터 각 소자들의 보정 방사율을 산출하며, 다음의 수학식과 같이 각 소자들의 보정 방사율(ε)을 적용하여 소자들의 작동 후 열영상으로부터 각 소자들의 온도를 모니터링하여 이를 데이터베이스화하며, 각 소자들의 이력정보를 이용하여 소자들의 이상 여부를 진단함으로써 달성될 수 있다.
[수학식]
Figure 112012095373206-pat00001
; T1는 소자온도(방사율 보정 전 열영상에서의 소자 온도), T0는 검출된 기준온도
바람직하게는 본 발명의 진단방법에 있어서, 각 소자들의 이력정보로부터 온도 변화율로부터 소자의 이상 여부를 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템 및 그 방법은, 설비 내에 배치되는 다수의 각종 전기 또는 전자 소자들의 온도를 지속적으로 모니터링하여 각 소자의 온도 이력정보를 데이터베이스화하여 체계적인 관리가 가능하며, 또한 측정된 소자의 온도 정보에 대한 추이를 비교 판정이 가능하여 소자의 비정상적인 작동을 파악할 수 있으며, 사전에 특성의 변화를 관찰하여 고장을 예측하고 경보를 통하여 발전소의 안정적인 운영에 기여할 수 있는 효과가 있다.
다른 한편으로, 본 발명은 열영상으로부터 검출된 소자 온도에 대하여 개선된 보정 방사율을 적용하여 보다 정확한 소자 온도이 가능하여 전력소자의 이상 여부 판정에 대한 판정 및 예측 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 제어봉 구동시스템의 구성도,
도 2는 일반적인 전력함의 3상 정류 및 정류소자의 스위칭 구성을 보여주는 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템의 전체 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템에 있어서, 구동 기구부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템에 의한 소자의 온도 계측 과정을 보여주는 흐름도,
도 6은 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템에 있어서, 메인컴퓨터 상에서 소자에 대한 온도 취득점 설정 예시를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 전력소자의 이상 진단시스템에 있어서, 메인컴퓨터 상에서 온도 측정 및 분석 예시를 보여주는 도면.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이며, 이하의 특정한 구조나 기능적 설명들은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 실시예에서 설명되는 전기 또는 전자 소자(이하, "소자"는 전기소자 또는 전자소자를 모두 포괄하여 지칭함)는 원자력 발전소의 전력함 또는 논리함을 구성하는 소자들을 예시하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 발전설비 또는 기타 산업설비 내에 배치되는 대전력 제어가 이루어지는 전력소자를 포함한 각종 소자들이 모두 해당될 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명의 실시예로써 설명되는 원자로 내의 제어봉과, 이 제어봉을 구동하기 위한 제어봉코일과, 이 제어봉코일에 구동전류를 공급 제어하기 위한 주제어부, 논리함, 및 전력함 등은 종래기술과 동일하며, 따라서 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 필요에 따라서는 종래기술의 설명 및 도면을 참고하여 설명될 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참고하면, 본 발명은 제어봉 제어계통의 소자들의 열영상을 얻을 수 있는 열영상카메라(110)와; 그 실영상을 얻을 수 있는 실영상카메라(120)와; 열영상카메라(110) 및 실영상카메라(120)를 일체로 정해진 위치로 이동시킬 수 있는 구동 기구부(130)와; 소자들의 작동 전의 대기의 기준온도를 검출하기 위한 온도검출부(140)와; 구동 기구부(130)의 구동을 제어하며, 열영상카메라(110) 및 실영상카메라(120)로부터 영상 데이터를 수신하고 온도검출부(140)의 검출 온도를 반영하여 각 소자에 대한 보정 방사율을 산출하고 각 소자들의 보정 방사율을 적용하여 소자들의 작동 후의 온도를 모니터링하여 그 이력정보를 저장하고 관리하고 이상 여부를 판정하게 되는 메인컴퓨터(140)를 포함한다.
열영상카메라(110)는 촬영되는 영상이 가시광 영역이 아닌 적외선을 검출하여 온도에 대한 영상정보를 얻기 위한 것으로, 주지의 적외선 저-저도 카메라 또는 적외선 열영상카메라가 이용될 수 있다.
실영상카메라(120)는 주지의 일반 카메라로써, 본 발명에서 실영상카메라는 열영상카메라(110)와 동일한 위치에 대해 동일한 크기의 실영상을 얻는 기능을 수행한다.
구동 기구부(130)는 열영상카메라(110)와 실영상카메라(120)로부터 모니터링 대상 소자들에 대한 영상 정보를 얻기 위하여 열영상카메라(110)와 실영상카메라(120)를 이동시키는 기능을 수행한다.
이를 위하여 구동 기구부(130)는 모니터링 대상 소자들의 전체 영역(예를 들어, 전력함에 마련되는 소자들의 배치 영역)으로 열영상카메라/실영상카메라를 이동시킬 수 있는 구조를 갖는다.
일례로써, 도 4는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 전기, 전자소자의 영상정보를 계측하기 위한 수단으로써, 구동 기구부의 바람직한 실시예를 보여주고 있다.
도 4를 참고하면, 구동 기구부(130)는 수평프레임(131)과, 이 수평프레임(131)에 대해 직선 이동이 가능하게 마련되는 수평가동부(132)와, 이 수평가동부(132)에 수직하게 고정되는 수직빔(133)과, 이 수직빔(133)에 의해 안내되어 상하 이동 가능하게 마련되는 카메라 고정용 브라켓(134)을 포함한다. 한편, 구동 기구부(130)는 가동부인 수평가동부(132)와, 카메라 고정용 브라켓(134)을 구동하기 위한 서보모터, 리니어 모터 등과 같은 주지의 구동수단을 포함한다.
수평프레임(131)에는 하부에 바퀴(131a)가 마련될 수 있으며, 따라서 구동 기구부(130)의 위치 이동이 가능하다.
카메라 고정용 브라켓(134)에는 열영상카메라와 실영상카메라가 고정되어 설치되며, 바람직하게는 열영상카메라와 실영상카메라 각각의 각도 또는 위치 조정이 가능하도록 카메라를 구동하기 위한 구동수단(서보모터 등)이 마련될 수 있다.
수평가동부(132)는 메인컴퓨터에 의해 제어가 이루어지는 구동수단(미도시)이 마련되어 수평프레임(131)을 따라서 직선 이동이 가능하며, 또한 카메라 고정용 브라켓(134)은 메인컴퓨터에 의해 제어가 이루어지는 별도의 구동수단(미도시)이 마련되어 수직빔(133)을 따라서 상하 이동이 가능하다.
따라서 카메라 고정용 브라켓(134)에 위치하는 열영상카메라/실영상카메라는 수평가동부(132)의 x방향의 가동범위와, 카메라 고정용 브라켓(134)의 z방향의 가동범위에 의해 결정되는 xz평면 상에서 메인컴퓨터에 의해 제어되어 자유롭게 위치 조정이 가능하다.
다시 도 3을 참고하면, 온도검출부(140)는 각 소자의 보정 방사율을 산출하기 위하여 기준온도를 검출하기 위한 것으로서, 주지의 접촉식 온도계가 이용될 수 있다. 본 발명에서 각 소자에 대한 보정 방사율 산출은 다시 구체적으로 설명되겠으나 본 발명에서는 보정 방사율 산출 시에 소자들의 작동 전의 기준온도를 기초로 하여 각 소자에 대한 방사율 보정이 이루어짐을 주요 기술상의 특징 중의 하나로 하는 것이다.
참고로, 본 발명에서 기준온도는 소자가 배치되는 공간의 대기 온도를 의미하며, 이때 각 소자는 전력이 공급되지 않은 작동 전의 상태로서 대기와는 열평형 상태를 유지하여 대기와 각 소자는 온도평행 상태에 있음을 의미한다. 보다 구체적으로는 대기 온도는 모니터링 대상 소자들이 배치된 실내 공간의 온도가 대기 온도가 될 것이다. 한편, 본 발명에서 대기 온도의 검출은 직접적으로 대기 온도를 검출하는 것을 의미할 것이나, 소자의 작동 전의 온도와 대기 온도는 온도평형 상태이므로, 그 직접적인 의미에만 한정될 필요 없이 개별 소자의 온도 검출로도 이해될 수 있을 것이다.
다음으로 메인컴퓨터(150)는 열영상카메라(110) 및 실영상카메라(120)로부터 영상 데이터를 수신하며, 취득된 영상 데이터로부터 소자의 온도를 추출하고 소자의 위치, 영상취득 위치, 영상 위치 보정을 위한 패턴 인식이 이루어지며, 소자들의 작동 후의 온도를 지속적으로 모니터링하고 그 이력정보를 데이터베이스화하여 각 소자들의 이상 여부를 판정하거나 예측할 수가 있다.
또한 메인컴퓨터(150)는 구동 기구부(130)의 구동을 제어하여 열영상카메라와 실영상카메라의 위치를 조정할 수 있다. 한편, 메인컴퓨터(150)와 구동 기구부(130) 사이에는 구동 기구부(130)를 직접 구동하게 되는 콘트롤러(160)가 마련될 수 있으며, 메인컴퓨터(140)는 콘트롤러(160)를 통해서 구동 기구부(130)를 구동할 수가 있다. 이러한 콘트롤러(160)는 열영상카메라와 실영상카메라를 구동하게 되는 구동 기구부(130)의 구동수단(리니어모터, 서보모터 등)에 따라서 필요한 구동신호를 출력할 수 있도록 제작되며, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 메인컴퓨터(150)가 직접 구동 기구부(130)를 구동하는 것으로 설명하도록 한다.
또한 메인컴퓨터(150)는 데이터를 기록하여 저장하는 주지의 데이터베이스(DB)가 마련될 수 있으며, 이러한 데이터베이스에는 영상 취득위치, 영상취득 위치에서의 기준점이 되는 패턴, 영상 내에서 소자의 위치, 각 소자의 검출 온도 이력정보 등이 저장되어 관리될 수 있다.
구체적으로, 메인컴퓨터(150)는 설정모드(151), 측정모드(152), 분석모드(153) 및 데이터베이스모드(154)를 포함한다.
설정모드(151)는 영상취득위치, 영상 내에서 소자의 위치, 카메라(이하, "카메라"는 열영상카메라와 실영상카메라를 모두 지칭하여 사용됨)의 설정, 구동 기구부의 구동수단(서보모터 등)에 대한 설정과, 실영상과 열영상이 동일한 크기, 동일한 목표물(소자)을 취득하기 위한 카메라의 위치 보정 기능을 포함한다. 참고로, 도 6에서는 본 발명의 실시예에서 메인컴퓨터 상에서 소자에 대한 온도 취득점 설정 예시를 보여주는 도면이다.
측정모드(152)는 구동 기구부의 구동수단(서보모터 등)을 구동하여 미리 설정된 위치로 카메라를 이동시키고 실영상을 취득하여 위치 보정을 위한 패턴(pattern) 인식, 이에 따른 상대 오프셋(OFFSET) 위치의 취득, 열영상의 취득을 포함한다. 실영상과 열영상의 처리를 위하여 영상처리에 필요한 이미지(IMAGE)의 보정, 확대 축소, 명암과 대비의 조정과 같은 모든 영상처리 알고리즘을 포한한다.
본 발명에서 각 소자들에 대한 위치정보가 기록된 데이터베이스를 포함하며, 따라서 각 소자들의 온도를 모니터링하는 과정에서 데이터베이스에 기록된 소자들의 위치 정보를 참조하여 각 소자에 대해 동일 위치(거리)와 각도에서 계측이 이루어짐으로써, 각 소자에 대한 온도 이력정보를 데이터베이스화하여 각 소자의 이상 여부를 판정함에 있어서 온도 측정변수를 고려하지 않아도 무방할 것이다.
분석모드(153)는 열영상카메라(110)로부터 취득한 열영상 이미지로부터 열영상 내에 위치한 각 소자의 온도를 추출한다. 열영상은 측정점의 계산된 방사율에 따라 실제의 온도가 달라지므로 개별 소자의 재료 특성과 표면 특성을 고려하고 전원 공급 전(즉, 작동 전) 상온(즉, 기준온도)에서 측정된 열영상을 이용하여 각 측정기기의 데이터베이스화된 방사율이 자동 계산되어 실제 온도로 보정이 이루진다.
전원이 인가되지 않은 조건하에서는 각 소자의 발열 원인이 제거되어 실내에 위치한 기기는 상온(대기 온도)과 동일 온도를 갖게 되며, 따라서 소자에 전원 공급 후 발열에 따른 각 소자의 표면상태 변화 및 주변 온도 변화가 미미함에 따라 기준온도를 측정하고 상온에서의 각 열영상의 소자 온도(보정전 온도)를 측정하면 각 소자의 재료 특성과 표면의 특성에 따른 각 소자의 개별 보정 방사율을 계산할 수 있다.
일반적으로 각 물질은 반사율, 흡수율, 투과율로 표현되는 각각의 특성을 가지고 있으며, Kirchhoff법칙(온도 T에서 물체의 스펙트럼 방사율은 같은 온도에서 흑체가 방사한 복사에 대한 물체의 흡수율과 같다.)에 의하면 흡수율은 방사율과 동일하고 불투명한 재질(투과율 = 0)인 전자, 전자 소자에 대해서 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
방사율(ε) = 흡수율(α) = 1 - 반사율(ρ)
이와 같이 표현되는 방사율은 각 소자의 재료 특성과 표면 특성에 따라서 달라지게 되며, 특히 각 소자의 제조 특성 상 표면에 절연처리나 불연 처리가 이루어지므로 가공과정에서 표면에 많은 변화가 있을 수 있기 때문에 소재의 원재료 특성만으로 방사율을 결정하기가 어렵다. 또한 각 소자의 제조사로부터 이러한 데이터를 제공받기는 매우 어려운 실정이다. 다른 한편으로, 각 소자의 방사율은 흑체를 사용하여 정확한 방사율을 결정할 수가 있을 것이나, 각 소자에 대한 방사율을 흑체를 이용하여 결정하는 것은 매우 번거로운 작업이다.
따라서, 본 발명에서는 주변환경이 크게 변경되지 않는 조건에서 각 소자의 이상 진단을 위하여 효율적으로 각 소자의 방사율을 결정하고자 하는 것이다.
구체적으로 본 발명에서는 발열 원인이 제거된 상태인 소자의 전원 공급 전의 배치된 소자의 열영상으로부터 소자에 대한 보정전 소자온도(T1)를 얻으며, 이 보정전 소자온도를 소자와 온도평형 상태인 대기 기준온도(T0)와 일치하도록 하는 보정을 통하여 보정 방사율을 산출함으로써 다음의 [수학식 2]와 같이 표현되는 개별 소자의 보정 방사율(ε)을 얻을 수가 있다.
[수학식 2]
Figure 112012095373206-pat00002
; ε0는 보정전의 고유 방사율, T1은 소자온도(방사율 보정 전 열영상에서의 소자 온도), T0는 검출된 기준온도(대기 온도)
한편, [수학식 2]에서 소자의 고유 방사율(ε0)을 1로 적용하여 보정 방사율을 결정할 수도 있을 것이다.
이와 같이 산출된 보정 방사율은 소자들의 전원이 공급된 이후에 각 소자의 모니터링 과정에서 열영상에 대한 소자의 온도 검출 시에 보정값으로 적용되어 개별 소자의 정확한 온도를 구할 수 있다.
데이터베이스모드(144)는 열영상 취득 위치, 열영상 내 소자의 위치, 열영상 촬영각도 등 영상위치 보정을 위한 패턴을 관리하며, 취득된 소자의 온도를 저장하고 분석하는 기능을 포함한다. 데이터베이스 모드는 기본적으로 취득된 데이터를 여러 가지 통계적 기법이나 수학적 알고리즘에 의하여 테이터를 가공하여 트렌드의 분석이나 그래프 도시, 열화의 예측을 한다.
도 5는 본 발명에 따른 원자로 제어봉 제어계통 소자 온도측정장치에 의한 온도측정 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 설정모드를 통하여 미리 영상 취득위치, 영상취득 위치에서의 기준점이 되는 패턴, 영상 내에서 소자의 위치는 미리 메인컴퓨터의 데이터베이스에 저장이 이루어진다. 메인컴퓨터의 데이터베이스에 저장된 데이터는 여러 번의 측정에서도 동일한 위치에서 영상을 취득하기 위하여 사용된다.
메인컴퓨터의 측정모드에서 검출 대상 소자의 위치데이터를 이용하여 카메라를 이동시키며, 실영상을 취득한다(S10).
취득된 실영상에서 데이터베이스에 저장된 기준 패턴을 인식하여 상대좌표를 추출하고 오프셋(OFFSET)이 처리 가능한 영역에 있는지 여부를 판단한다(S20).
이때, 오프셋(OFFSET)이 기준값보다 큰 경우에는 다시 카메라의 위치를 이동시켜 오프셋(OFFSET)이 기준값 이하가 되어 처리 가능한 영역에 포함될 때까지 카메라의 위치를 조정한다(S30).
메인컴퓨터는 오프셋(OFFSET)이 기준값 이하가 되어 처리 가능한 수준으로 떨어지면 열영상을 취득하며, 열영상을 오프셋(OFFSET) 만큼 이동하여 열영상을 보정한다. 최종적으로 이동된 열영상으로부터 데이터베이스에 저장된 소자 위치 정보로부터 해당 소자표면의 열영상 측정 온도 변수를 자동 보정하여 해당 소자에 대한 온도를 추출한다(S40).
이와 같이 추출된 소자에 대한 온도 데이터는 다양한 통계 처리기법에 의해 온도 변화 추이, 편차, 맥동의 예측, 소자 파괴의 예측 등에 사용될 수 있으며, 이러한 통계기법은 어느 하나에 국한되지 않고 구현 가능한 모든 기법이 이용될 수 있다.
따라서 메인컴퓨터는 시간과 반복횟수에 따라서 변화하는 소자들의 온도 추이를 기록하며, 그 변화율로부터 소자에 대한 고장 판정이 가능하다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 제어봉 제어계통 전기, 전자소자 온도측정 장치에 있어서, 메인컴퓨터 상에서 온도 측정 및 분석 예시를 보여주고 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 제어봉 20 : 제어코일
30 : 전력함 40 : 논리함
50 : 주제어부 61, 62 : 전자카드
110 : 열영상카메라 120 : 실영상카메라
130 : 구동 기구부 140 : 온도검출부
150 : 메인컴퓨터 151 : 설정모드
152 : 측정모드 153 : 분석모드
154 : 데이터베이스모드 160 : 콘트롤러

Claims (7)

  1. 설비 내에 배치되는 다수의 각종 전기 또는 전자 소자들의 온도를 비접촉식으로 계측하며, 각 소자들에 대한 온도 이력정보를 이용하여 소자들의 이상여부를 진단 예측하기 위한 이상 진단시스템으로서,
    소자들의 열영상을 얻을 수 있는 열영상카메라와;
    상기 열영상카메라에서 검출하는 열영상과 대응되어 그 실영상을 얻을 수 있는 실영상카메라와;
    상기 열영상카메라 및 실영상카메라를 일체로 위치 이동이 가능한 구동 기구부와;
    소자들의 작동 전의 대기의 기준온도를 검출하기 위한 온도검출부와;
    상기 구동 기구부를 제어하여 설정된 위치와 각도에서 상기 열영상카메라 및 실영상카메라로부터 영상 데이터를 수신 가능하며, 상기 온도검출부를 통해 검출된 기준온도와 각 소자들의 작동 전의 열영상으로부터 각 소자들의 보정 방사율을 산출하고 각 소자들의 보정 방사율을 적용하여 소자들의 작동 후 열영상으로부터 각 소자들의 온도를 모니터링하여 그 이력정보를 데이터베이스화하여 각 소자들의 이상 여부를 판정하게 되는 메인컴퓨터를 포함하며,
    상기 메인컴퓨터는 상기 실영상카메라로부터 취득한 패턴의 좌표값에 의해 상기 열영상카메라를 설정된 위치로 보정이 이루어지도록 상기 구동 기구부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 이상 진단시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 상기 열영상카메라로부터 취득한 열영상과 함께 상기 실영상카메라로부터 동시에 취득한 실영상의 패턴인식에 의해 얻어진 좌표값에 의해 열영상 이미지에 대해 오프셋 조정을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 이상 진단시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 소자들에 대한 위치정보가 기록된 데이터베이스를 포함하며, 이 데이터베이스에 기록된 소자들의 위치 정보를 참조하여 각 소자에 대해 동일 위치와 각도에서 계측이 이루어지도록 상기 구동 기구부의 구동을 제어하여 상기 열영상카메라로부터 취득된 열영상에서 각 소자에 대한 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 이상 진단시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메인컴퓨터는 시간과 반복횟수에 따라서 변화하는 소자의 온도 추이를 기록하며, 그 변화율로부터 소자의 이상 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 전력소자의 이상 진단시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
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