KR101597625B1 - 비접촉식 두께 편차 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력이용시설 에서 방사선준위가 높아 방사선에의한 피폭위험 때문에 사람이 직접 접근하여 측정하기 어려운 지역의 배관 및 튜브와 인체 또는 환경에 유해한 물질을 담고 있는 보관용기 두께의 편차를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 비접촉 두께 편차 측정장치 및 방법을 개시(introduce)한다. 상기 비접촉식 두께 편차 측정장치는, 회전판, 열공급기, 표면온도분포측정기 및 프로세서를 포함한다. 비접촉식 두께 편차 측정방법은, 제6항에 기재된 비접촉식 두께 편차 측정장치를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께의 편차를 측정하는 비접촉식 두께 편차 측정방법이며, 회전단계, 열공급단계, 표면온도 측정단계 및 표면온도 처리단계를 수행한다.

Description

비접촉식 두께 편차 측정 장치 및 방법 {Non-contact measuring unit and method for deviation of the thickness}

본 발명은 두께의 편차를 측정하는 장치에 관한 것으로, 방사성물질 또는 강한 독성물질을 밀봉하여 보관하는 용기의 내부 부식 등에 의한 두께 변화 정도를 외부에서 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 비접촉 두께 편차 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

원자력 이용시설 또는 일반산업 시설을 운영하는 과정에서 불가피하게 발생되는 방사성 또는 강한 독성물질 등을 장기간 보관하거나 운반하는 경우가 종종 있다. 이때, 보관물 상태 또는 보관 환경에 따라 보관용기 전체 또는 일부의 두께가 부식 또는 마모에 의해 균일하지 않게 얇아질 수 있다. 최악의 경우 보관용기에 천공이 생겨 보관하고자 하는 내용물이 외부로 누출되기도 한다. 보관하고 있는 위험 물질의 누출은 산업 발달에 따른 보관 용기와 기간의 증가로 불가피한 측면이 있다. 그러나 내용물질이 외부 환경으로 누출되는 경우에는 자연과 생태계 파괴는 물론 인체에 까지 악영향을 미칠 수 있다. 그러므로 위험 물질이 외부로 누출될 수 있는 긴급상황을 미연에 탐지하여 위험물질의 누출 가능성을 최소한으로 하는 것이 매우 중요하다.

보관물질의 누출 원인 중 하나는 보관용기의 불량에 의한 것이다. 보관용기의 불량은 상술한 바와 같이 부식 또는 마모 등에 의한 천공을 고려할 수 있다. 천공을 눈으로 확인할 수 있는 정도라면 이미 보관물질의 누출이 발생하고 난 후가 될 것이다. 이런 상황을 방지하기 위하여 천공이 발생하기 전에 천공 발생이 임박한 보관용기를 사전에 발견하는 것이 필요하다.

보관용기에 저장된 물질이 노출되었을 때 인체에 치명적인 해를 끼치는 화학물질 또는 방사능 물질인 경우, 사람이 직접 보관용기를 눈으로 검사하거나 장비를 이용하더라도 보관용기에 근접하여 검사하는 경우에는 방사선 피폭을 포함한 여러 가지 위급한 상황을 언제든 배제할 수 없다는 문제가 있다.

또한 검사를 수행하여야 하는 보관용기의 수가 상당히 많은 경우, 사람 육안에 의한 검사는 검사 시간에 따른 막대한 비용이 요구되며 천공이 발생하기 전에는 발견할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 인체 또는 환경에 매우 유해한 물질을 담고 있는 보관용기의 두께 편차 영상을 얻기 위하여 보관용기에 비접촉식 방식으로 열 에너지를 전달하고 보관용기가 외부로 복사하는 열 에너지를 측정하는 장치와 측정된 신호로부터 두께 편차를 영상화하는 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정장치는, 회전판, 열공급기, 표면온도분포측정기 및 프로세서를 포함한다. 상기 회전판은 상부에 안착된 피측정 물체를 회전시킨다. 상기 열공급기는 상기 피측정 물체에 일정한 양의 열을 공급한다. 상기 표면온도분포측정기는 상기 피측정 물체의 표면을 동일한 크기의 복수 개의 화소로 구분하고, 각각의 화소의 표면온도를 상기 피측정 물체와 비접촉 상태로 일정한 시간 동안 측정한다. 상기 프로세서는 상기 표면온도로부터 최초 측정 시점에서의 상기 피측정 물체의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 상기 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 각각의 화소에서 계산한 후, 각각 화소들의 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율의 차이를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께의 편차를 검출한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정방법은, 도 1 및 청구항 제6항에 기재된 비접촉식 두께 편차 측정장치를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께 편차를 측정하는 비접촉식 두께 편차 측정방법이며, 회전단계, 열공급단계, 표면온도 측정단계 및 표면온도 처리단계를 수행한다. 상기 회전단계는 상기 회전판이 상부에 안착된 상기 피측정 물체를 일정한 속도로 회전시킨다. 상기 열공급단계는 상기 열공급기가 회전하는 상기 피측정 물체의 표면에 일정한 열을 공급한다. 상기 표면온도 측정단계는 상기 열공급기에 의한 열공급이 완료된 후, 상기 표면온도분포측정기는 상기 피측정 물체의 표면을 동일한 크기의 복수 개 화소로 구분하고 각각 화소의 표면온도를 일정한 시간 동안 측정한다. 상기 표면온도 처리단계에서 상기 프로세서는 일정 시간 동안 측정된 상기 표면온도로부터 최초 측정 시점에서의 상기 피측정 물체의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 상기 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 계산하고, 각각의 화소들 사이의 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율의 차이를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께의 편차를 검출한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정장치 및 측정방법을 사용하여 보관용기의 두께 편차를 측정하는 본 발명을 사용하는 경우, 독성이 매우 강하거나 긴 시간 동안 강한 방사선을 방출하는 물질 등의 보관이 장기간 요구되는 저장용기의 건전성 평가를 통해 위험물 저장용기 관리에 대한 효율화를 극대화하는 동시에 검사원에 미치는 리스크를 크게 감소시키는 장점이 있다.

밀봉된 용기의 건전성 뿐만 아니라 방사선준위가 높아 사람이 직접 접근하여 측정하기 어려운 장치의 배관 및 다수의 튜브 등의 내부 부식, 마모 또는 열화에 의한 두께 변화 편차를 비접촉식으로 검출함으로써 기기의 안전성과 관리에 매우 획기적인 기여가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 방식의 개념도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정장치의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정장치(100)는, 회전판(110), 열공급기(120), 온도측정기(130), 프로세서(140) 및 디스플레이(150)를 포함한다.

회전판(110)은 상부에 안착된 피측정 물체(160)를 회전시킨다. 열공급기(120)는 피측정 물체(160)에 일정한 양의 열을 공급한다. 표면온도분포측정기(130)는 피측정 물체(160)의 표면을 동일한 크기의 복수 개의 화소로 구분하고, 각각의 화소의 표면온도를 피측정 물체(160)와 비접촉인 상태로 일정한 시간 동안 연속적으로 측정한다. 프로세서(140)는 측정된 표면온도로부터 최초 측정 시점의 피측정 물체(160)의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 계산한 후, 각각 화소들의 최초표면온도 및 표면온도감쇄율의 편차를 이용하여 피측정 물체(160)의 두께 편차를 검출하며, 최초표면온도 및 표면온도감쇄율을 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호로 각각 변환한다. 디스플레이(150)는 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호를 디스플레이한다.

프로세서(140)는 피측정 물체(160)의 물리적 특징에 따라, 회전판(110)의 회전여부, 회전횟수 및 회전속도 그리고 열공급기(120)에 설정되는 온도를 결정한다. 여기서 피측정 물체의 물리적 특징이라 함은 피측정 물체의 두께 및 재질을 의미하며, 회전판(110)이 회전하는 동안에 열을 공급하는 방식과 공급 정도에 따라 회전속도를 조절하는 것도 가능하다.

열공급기(120)는, 연속적 공급, 주기적 공급 및 임펄스식 공급 중 하나의 형태로 피측정 물체(160)에 열을 공급한다. 어떠한 형태로 열을 공급하더라도, 피측정 물체(160)에 표면에 동일한 열에너지가 공급되도록 하는 것이 중요하다.

도 1에는 열공급기(120)가 2차원적인 플레이트의 형태로 도시되어 있지만, 일자형 슬릿형태로 공급하는 것도 가능하며, 각 방식 공히 피측정 물체(160)의 적어도 한 면에서 공급되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 핵심 아이디어는, 해당 물체의 표면이 다른 물질의 여러 겹으로 구성되었더라도 각각의 겹이 2차원으로 균일하다고 가정할 때, 물체 표면의 두께가 동일할 경우 열의 전달능력, 또는 열적 거동 특성의 변화가 동일하다는 사실을 전제하고 있다. 동일한 열을 물체 여기서는 보관용기의 표면에 공급한 후, 일정시간 동안 보관용기 표면의 열적 거동 특성을 분석하면 두께가 서로 다른 부분에서의 열적 거동 특성의 편차를 검출할 수 있다는 것이다.

이하에서는, 도 1에 도시된 비접촉식 두께 편차 측정장치를 이용하여 보관용기의 두께의 편차를 측정하는 방법에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 측정방법은, 도 1에 도시된 비접촉식 두께 편차 측정장치를 이용하여 피측정 물체의 두께의 편차를 측정하는 방법으로써, 회전단계(210), 열공급단계(220), 표면온도 측정단계(230), 표면온도 처리단계(240) 및 디스플레이 단계(250)를 포함한다.

회전단계(210)에서는 회전판(110)이 상부에 안착된 피측정 물체(160)를 일정한 속도로 회전시킨다. 열공급단계(220)에서는 열공급기(120)가 회전하는 피측정 물체(160)의 표면에 일정한 열을 공급한다. 표면온도 측정단계(230)에서는 열공급기(120)로부터의 열공급이 완료된 후, 표면온도분포측정기(130)가 피측정 물체(160)의 표면을 동일한 크기의 복수 개 화소로 구분하고 각각 화소의 표면온도를 일정한 시간 동안 측정한다.

표면온도 처리단계(240)에서는 프로세서(140)가 표면온도로부터 최초 측정당시의 피측정 물체(160)의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 계산하고, 일정한 동일 측정시간을 기준으로 각각의 화소들 사이의 최초표면온도 및 표면온도감쇄율의 차이를 이용하여 피측정 물체(160)의 두께의 편차를 측정한다. 또한 최초표면온도 및 표면온도감쇄율을 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호로 각각 변환한다. 디스플레이 단계(250)는 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호를 재생한다.

여기서 열공급단계(220)에서 피측정 물체(160)에 열을 공급할 때, 회전판(110)이 정수 단위로 회전하는 기간 동안 열을 공급하도록 하는 것이 바람직하다.

측정된 표면온도를 이용하여 두께의 편차를 검출하는 방식을 설명하면 아래와 같다.

시간의 편차에 따른 표면온도(ψ)는, 수학식 1과 같이 모델링 할 수 있다.

여기서 α는 최초표면온도, β는 표면온도감쇄율이고 t는 시간이다.

동일한 양의 열 에너지를 표면전체에 공급하였으므로 최초표면온도(α)는 특별한 사정이 없는 한 각 부분에서 동일하지만, 두께의 차이에 따라 표면온도가 감쇄하는 정도에 차이가 발생할 것이므로, 측정된 표면온도(ψ)을 시간 별로 분석하면, 각 부분에서의 표면온도감쇄율(β)을 계산할 수 있다.

수학식 1의 근거는 열의 공급이 중단될 경우, 이전에 공급된 열에너지가 지수함수으로(exponentially) 감소할 것이라는 경험을 반영한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 비접촉식 두께 편차 방식의 개념도이다.

도 3(a)는 보관용기의 사시도이고, 도 3(b)는 보관용기의 일부를 복수 개의 화소로 구분한 것이고, 도 3(c)는 복수 개의 화소의 일부에 부여한 고유번호를 나타내며, 도 3(d)는 도 3(c)에 도시된 3부분에서의 표면온도(ψ)의 시간에 따른 변화를 나타내고, 도 3(e)는 도 3(c)에 도시된 3부분에서의 표면온도(ψ)의 시간에 따른 변화를 수식으로 표현한 것이며, 마지막으로 도 3(f)는 도 3(c)에 도시된 3부분에서의 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β)을 영상으로 표시한 것이다.

도 3(d)를 참조하면, 3부분(i-1, i, i+1) 각각에서의 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β)를 나타낸다. 도 3(a)를 참조하면, 보관용기가 만들어 질 때부터의 근본적인 두께의 차이에 의해, 3부분(i-1, i, i+1) 각각에서의 최초표면온도(α)가 발생하였으며, 보관 중 부식, 마모 등에 의한 두께의 변화에 의해 표면온도감쇄율(β)이 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 여기서 변수 i는 화소의 위치를 나타낸다.

도 3(f)의 경우 서로 다른 값을 가지는 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β) 때문에, 일정한 편차를 가지는 형태로 도시되었지만, 동일한 값을 가지는 경우 서로 구분할 수 없을 정도로 표시될 것이다. 또한 도 3(f)에는 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β) 각각을 도시하였지만, 이들의 비율에 대한 영상을 디스플레이하는 것도 가능하다. 이 때 두께가 얇을 수록 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β)의 변화가 커지는 경향이 있는데, 두께가 얇아지는 원인에 따라 그 경향과 정도가 다를 수 있지만, 두께의 편차에 따라 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β)의 변화가 있다는 사실은 변하지 않는다.

상술한 바와 같이, 보관용기의 표면온도(ψ)를 비접촉식으로 측정하고, 측정된 표면온도(ψ)를 이용하여 보관용기의 각 부분에서 최초표면온도(α)와 표면온도감쇄율(β)의 차이를 계산하고 이를 디스플레이 함으로써, 보관용기의 두께 편차를 용이하게 측정할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.

110: 회전판
120: 열공급기
130: 온도측정기
140: 프로세서
150: 디스플레이

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
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5. 삭제
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7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 상부에 안착된 피측정 물체를 회전시키는 회전판;
    상기 피측정 물체에 일정한 양의 열을 공급하는 열공급기;
    상기 피측정 물체의 표면을 동일한 크기의 복수 개의 화소로 구분하고, 각각의 화소의 표면온도를 상기 피측정 물체와 비접촉 상태로 일정한 시간 동안 측정하는 표면온도분포측정기; 및
    상기 표면온도로부터 최초 측정시점의 상기 피측정 물체의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 상기 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 계산한 후, 각각 화소들의 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율의 차이를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께의 편차를 검출하는 프로세서;를 포함하며,
    디스플레이를 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율을 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호로 각각 변환하며,
    상기 디스플레이는 상기 최초표면온도 영상신호 및 상기 표면온도감쇄율 영상신호를 재생하고,
    상기 프로세서는 상기 피측정 물체의 물리적 특징에 따라, 상기 회전판의 회전여부, 회전횟수 및 회전속도 그리고 상기 열공급기에 설정되는 온도를 결정하며,
    상기 피측정 물체의 물리적 특징은, 상기 피측정 물체의 두께 및 재질인 것을 특징으로 하고,
    상기 열공급기는, 연속적 공급, 주기적 공급 및 임펄스식 공급 중 하나의 형태로 상기 피측정 물체에 열을 공급하거나,
    상기 열공급기는, 일자형 슬릿형태 및 2차원적인 플레이트 형태 중 하나로 상기 피측정 물체의 적어도 한 면에서 공급되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 두께 편차 측정장치를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께 편차를 측정하는 비접촉식 두께 편차 측정방법에 있어서,
    상기 회전판이 상부에 안착된 상기 피측정 물체를 일정한 속도로 회전시키는 회전단계;
    상기 열공급기가 회전하는 상기 피측정 물체의 표면에 일정한 열을 공급하는 열공급단계;
    상기 열공급기에 의한 열공급이 완료된 후, 상기 표면온도분포측정기는 상기 피측정 물체의 표면을 동일한 크기의 복수 개 화소로 구분하고 각각 화소의 표면온도를 일정한 시간 동안 측정하는 표면온도 측정단계; 및
    상기 프로세서는 일정 시간 동안 측정된 상기 표면온도로부터 최초 측정 시점의 상기 피측정 물체의 표면온도인 최초표면온도 및 시간에 따른 상기 표면온도의 감쇄율인 표면온도감쇄율을 계산하고, 각각 화소들 사이의 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율의 차이를 이용하여 상기 피측정 물체의 두께의 편차를 검출하는 표면온도 처리단계;를 포함하며,
    상기 열공급단계는, 상기 피측정 물체의 정수 단위의 회전 기간 동안 열을 공급하고,
    상기 표면온도 처리단계는, 상기 최초표면온도 및 상기 표면온도감쇄율을 최초표면온도 영상신호 및 표면온도감쇄율 영상신호로 각각 변환하는 과정을 더 수행하며,
    상기 최초표면온도 영상신호 및 상기 표면온도감쇄율 영상신호를 재생하는 디스플레이 단계;를 더 포함하고,
    시간의 편차에 따른 상기 표면온도 ψ는,
    

    

    의 관계를 가지며,
    여기서 α는 상기 최초표면온도, β는 상기 표면온도감쇄율이고 t는 시간인 것을 특징으로 하는 비접촉식 두께 편차 측정방법.

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