KR102025272B1

KR102025272B1 - 광섬유 센서 시스템

Info

Publication number: KR102025272B1
Application number: KR1020170165295A
Authority: KR
Inventors: 이봉수; 김혜진; 신상훈
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-09-25
Also published as: KR20190065782A

Abstract

광섬유 센서 시스템이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은, 광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서, 전송용 광섬유를 통해 상기 습도센서에 광신호를 송신하고, 상기 습도센서의 습도감지물질에서 반사되는 광신호를 수집하는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometor), 상기 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도를 측정하는 측정장치를 포함한다.

Description

광섬유 센서 시스템{Fiber-optic sensor system}

본 발명은 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로, 특히 냉각재 배관 외부의 습도와 온도를 동시에 측정하여, 냉각재 배관의 누설 여부를 원격에서 실시간으로 모니터링하는 광섬유 센서 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유(optical fiber)는 고주파 및 전자기파에 간섭을 받지 않고, 방사선 환경에서 사용이 가능하며 신호의 원거리 전송이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 광섬유는 광신호의 전송부로서의 일반적인 역할뿐만 아니라 감지부로 사용이 가능하기 때문에 광섬유 기반의 물리, 생물, 화학, 방사선 센서는 산업계, 의료계를 비롯한 원자력 계통 분야 등에서 널리 사용되고 있다.

한편, 최근 원자력발전소(원전) 가동호기 및 운전년수가 증가함에 따라 원전 배관에서의 결함발생 가능성 및 손상 사례가 점차 증가 추세를 보이고 있다. 중수로형 원전에서는 원자로 냉각재로 중수를 사용하고 있으며, 방사능 누출을 예방하기 위하여 폐회로 순환으로 냉각을 하게 된다. 운전 중 배관의 손상 및 결함으로 인한 냉각재의 감소는 원자로 핵연료 냉각률을 부족하게 하여 노심 안전성에 치명적인 결과를 초래할 수 있고, 열교환기 혹은 격납용기에서 대기 중으로 고방사화 중수가 누설될 경우에는 작업자의 피폭을 초래할 수 있다. 따라서 1차 및 2차 계통에서 냉각재를 원격에서 실시간으로 감시하는 것은 원자로 냉각 안정성뿐만 아니라 작업자 보호 측면에서 매우 중요하다. 현재 원자로 냉각재 계통의 누설을 감시하는 방법은 여러 가지가 사용되고 있으나 실시간으로 누설 부위 여러 곳을 감시하는 방법은 여전히 연구 중인 상태이고, 이에 따라 각 계통의 배관 및 밸브의 누설 여부 확인 및 실시간 감시에 대한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.

이에 관련하여, 발명의 명칭이 "광섬유 센서를 이용한 액위계, 수준기, 압력계 및 온도계"인 일본공개특허 제2006-047018호가 존재한다.

본 발명의 목적은 원거리에서 원자로 냉각재 배관의 파단 전 누설(leak before break, LBB)을 조기에 감지할 수 있고, 실시간으로 냉각재 누설 위치의 탐지가 가능한 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은, 광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서, 전송용 광섬유를 통해 상기 습도센서에 광신호를 송신하고, 상기 습도센서의 습도감지물질에서 반사되는 광신호를 수집하는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometor), 상기 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도를 측정하는 측정장치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 습도감지물질은 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethyl cellulose, HEC), 증류수(Distilled water)가 일정한 비율로 혼합된 하이드로젤일 수 있다.

바람직하게는, 상기 광신호의 세기는 상기 습도감지물질의 굴절률에 따라 변하고, 상기 습도감지물질의 굴절률은 습도에 따라 변할 수 있다.

바람직하게는, 상기 측정장치는, 기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 상기 수집된 광신호의 세기를 비교하여, 습도를 산출할 수 있다.

바람직하게는, 상기 광섬유 센서 시스템은 상기 광계측기에서 송신한 광신호를 상기 전송용 광섬유를 통해 수신하여 복수의 습도센서에 분배하고, 상기 복수의 습도센서에서 반사된 광신호들을 광계측기로 전송하는 광 커플러를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수의 습도센서는 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 냉각계통 배관의 서로 다른 거리에 설치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 측정장치는, 상기 습도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서가 설치된 위치를 측정할 수 있다.

바람직하게는, 상기 습도센서는, 상기 광신호를 수신하는 광섬유, 상기 광섬유의 일 종단에 습도감지물질이 코팅된 감지부, 상기 광섬유의 타 종단에 광계측기, 전송용 광섬유, 광커플러 중 적어도 하나와 연결되는 커넥터를 포함하고, 상기 습도감지물질은 습도변화에 따라 굴절률이 변하는 하이드로젤일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은, 광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서, 광섬유의 일 종단의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 상기 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 온도센서, 전송용 광섬유를 통해 광신호를 송신하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사되는 광신호를 수집하는 광계측기, 상기 광계측기에서 송신한 광신호를 전송용 광섬유를 통해 수신하여 상기 습도센서 또는 온도센서에 분배하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사된 광신호들을 상기 광계측기로 전달하는 광커플러, 상기 광계측기에서 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도 또는 온도를 측정하는 측정장치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 습도센서는 광섬유와 습도감지물질의 접촉부에서 광신호를 반사하고, 상기 온도센서는 수용액과 광섬유의 접촉부에서 광신호를 반사할 수 있다.

바람직하게는, 상기 습도센서는, 상기 광신호를 수신하는 광섬유, 상기 광섬유의 일 종단에 습도감지물질이 코팅된 감지부, 상기 광섬유의 타 종단에 광계측기, 전송용 광섬유, 광커플러 중 적어도 하나와 연결되는 커넥터를 포함하고, 상기 습도감지물질은 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 다이메틸설폭시화물(DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(HEC), 증류수가 일정한 비율로 혼합된 하이드로젤로, 습도변화에 따라 굴절률이 변할 수 있다.

바람직하게는, 상기 온도센서는, 상기 광커플러와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유, 상기 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스, 상기 케이스 내부에 충진된 온도감지물질, 상기 케이스와 상기 광섬유를 연결하는 커넥터를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 케이스 내에서 상기 온도감지물질과 접촉하며, 상기 온도감지물질은 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 실리콘 오일일 수 있다.

바람직하게는, 상기 습도센서와 온도센서가 각각 복수개인 경우, 복수의 습도센서와 온도센서는 각각 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 냉각계통 배관의 서로 다른 위치에 설치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 측정장치는, 기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 상기 수집된 광신호의 세기를 비교하여 습도를 산출하고, 기 저장된 광신호의 세기별 온도 데이터와 상기 수집된 광신호의 광신호의 세기를 비교하여 온도를 산출하며, 상기 습도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서가 설치된 위치를 측정하고, 상기 온도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 온도센서가 설치된 위치를 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 광신호를 방출하고, 습도 변화에 따라 굴절률이 변하는 습도감지물질이 코팅된 습도센서에서 반사된 광신호를 수집하는 OTDR을 이용함으로서, 원거리에서 원자로 냉각재 배관의 습도와 누설 위치를 측정할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 실시간 온도 및 습도 동시 측정이 가능한 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템을 구성함으로써, 냉각재 배관의 온도 및 습도 분포의 변화를 원격에서 실시간으로 측정할 수 있고, 이를 통해 냉각재 배관의 파단 전 미세누설을 조기에 감지할 수 있으며, 원자로의 안정성 측면에서 관리가 용이해짐에 따라 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 즉, 열교환기 혹은 격납용기에서 대기 중으로 고방사화 중수가 누설될 경우에 발생하는 작업자의 피폭을 줄일 수 있으며, 관리가 용이해짐에 따라 냉각재 누설 모니터링에 대한 시간 및 비용을 절감하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 원거리에서 냉각재 배관의 넓은 누설 범위를 실시간으로 감시할 수 있고, 원자력 발전소에서 원자로 냉각재의 부족으로 인한 작업자의 피폭 및 발전소 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 광 계측기로 사용된 OTDR은 광섬유에서 발생한 특정 이벤트의 위치 및 응답신호의 변화 값을 실시간으로 획득할 수 있기 때문에, 온/습도 동시 측정 및 실시간 모니터링이 가능하고, 다채널을 이용하여 감시가 필요한 부분에 광섬유 온/습도센서를 분포시킬 수 있으며, 이를 통해 넓은 범위의 감시 및 감시 영역의 정밀한 측정이 가능하다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다중 모드 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 단일 모드 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템에서 파장이 1,310nm와 1,550nm일 때, 습도변화에 따른 반사광의 세기(파워)를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시된 값들을 습도 50%일 때를 기준으로 보정한 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 1,310nm 파장에서 서로 다른 길이의 습도센서를 이용하여 측정한 습도 변화에 따른 광신호를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 50%일 때 4개의 습도센서가 반사하는 광신호의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 1부터 채널 4까지 습도를 증가시키면서 획득한 광 파워 변화에 대한 광계측기의 출력결과와 측정한 출력 신호의 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템이 연결된 OTDR의 출력 신호를 측정한 그래프를 나타낸다.
도 13은 온도 변화에 따른 온도 센서들의 출력신호를 나타낸 그래프이다.
도 14는 습도 변화에 따른 습도 센서들의 출력신호를 나타낸 그래프이다.
도 15는 도 11에 도시된 온도센서를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에 기재된 분포형 센서 시스템(distribute sensor system)이란, 여러 부분에 센서를 설치하여 센서들의 출력신호롤 동시에 원거리에서 모니터링할 수 있는 시스템을 말한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각재 누설 감지를 위한 광섬유 센서 시스템은 습도센서(100), 광계측기(400) 및 측정장치(500)를 포함한다.

습도센서(100)는 광섬유 기반의 습도센서로, 냉각재의 배관 외부에 설치될 수 있다. 습도센서(100)는 단채널로 구성될 수 있다. 여기서, 단채널은 하나의 습도센서(100)를 이용하여 배관의 습도를 측정하는 것을 나타낸다. 구체적으로, 단채널은 광계측기(400)에서 생성된 광이 전송용 광섬유(300)를 통해 메이팅 슬리브(200)로 전달된 후, 메이팅 슬리브(200)에서 전송용 광섬유(300)를 통해 하나의 습도센서(100)에 광을 전달하는 것을 나타낸다.

이러한 습도센서(100)는 광섬유의 끝단에 습도를 감지할 수 있는 습도감지물질이 코팅된 감지부, 광섬유에서 감지부의 반대쪽 끝단에 광계측기(400)를 연결하기 위한 커넥터가 구비된다. 여기서, 습도감지물질은 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethyl cellulose, HEC), 증류수(Distilled water)가 일정한 비율로 혼합된 하이드로젤일 수 있다.

습도센서(100)에서 습도감지물질이 코팅되어있지 않은 반대쪽 광섬유 끝단에는 커넥터로 연결되어 광 계측기(400)와의 정확한 연결을 가능하게 한다.

이러한 광섬유 기반 습도센서(100)에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하기로 한다.

광계측기(400)는 전송용 광섬유(300)를 통해 습도센서(100)에 광신호를 송신하고, 습도센서(100)의 습도감지물질에서 반사되는 광신호를 수집한다. 즉, 광계측기(400)는 습도센서(100)에서 광섬유와 습도감지물질이 접촉하는 부분에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집할 수 있다. 여기서, 접촉하는 부분에서 반사되어 되돌아오는 광신호는 습도감지물질의 굴절률 변화에 따라 그 세기가 변하고, 습도감지물질의 굴절률은 습도 변화에 따라 변한다. 이러한 광계측기(400)는 예컨대, OTDR(optical time-domain reflectometer)일 수 있다.

OTDR은 광원과 광 계측을 동시에 할 수 있는 기기로, 주로 광섬유의 부설공사나 보수공사 시에 광섬유의 장애점 또는 손실특성을 검출하는데 사용되고 있다. OTDR에서 생성한 광신호를 피측정 광섬유에 입사시켜 광선로의 손실이 발생하는 지점에서의 프레넬 반사 또는 광섬유 내의 레일리 산란광을 검출함으로써, 수 초 이내에 전 구간의 손실과 각 부위의 손실을 측정해 내며, 전 구간의 길이와 각 접점의 구간 길이를 측정해 낼 수 있기 때문에 보통 수백 km까지 광 통신 링크를 측정 할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 OTDR의 계측법을 이용하여 광섬유 기반의 습도센서(100)를 연결한 후 습도 변화에 따른 광신호의 세기를 측정하는데 활용한다. OTDR의 물리적 특성은 아래 표 1과 같다.

OTDR(400)은 기기 내부에 장착된 광원에서 광신호가 방출되어 전송용 광섬유(300)를 통해 습도센서(100)의 감지부까지 전송시키고, 감지부 내에서 프레넬 반사에 의해 다시 되돌아오는 광신호의 세기를 값으로 출력한다.

전송용 광섬유(300)는 광계측기(400)에서 방출된 광신호를 습도센서(100)의 감지부까지 전송하고, 습도 변화에 따라 감지부에서 반사되는 광신호를 광 계측기(400)로 전송한다.

측정장치(500)는 광계측기(400)에서 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도를 측정한다. 즉, 측정장치(500)는 기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 수집된 광신호의 세기를 비교하여, 습도를 산출할 수 있다. 여기서, 기준 광신호의 세기별 습도에 대한 데이터는 측정장치 내부 또는 외부의 저장부에 저장될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면, 도 3은 다중 모드 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면, 도 4는 단일 모드 광섬유 기반 습도센서를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 기반 습도센서(100)는 일정 길이를 갖는 광섬유(110), 광섬유(110)의 일 종단에 형성된 감지부(120), 광섬유(110)의 타 종단에 형성된 커넥터(130)를 포함한다.

광섬유(110)는 광신호를 감지부(120)까지 전송하고, 습도 변화에 따라 감지부(120)에서 반사되는 광신호를 광 계측기로 전송하는 역할을 한다.

이러한 광섬유(110)는 코어(core)와 클래딩(cladding)으로 구성되고, 둥근 코어를 클래딩으로 균일하게 감싼 형태로 만들어진다. 코어는 굴절률이 큰 물질로 이뤄지며 광신호를 운송하고, 클래딩은 코어보다 굴절률이 작은 물질로 이뤄져 있으며 신호를 코어에 가두는 역할을 한다. 광섬유(110)의 코어는 유리, 플라스틱 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

또한, 광섬유(110)는 전파 모드에 따라 단일 모드 광섬유(single-mode fiber)와 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber)로 나뉠 수 있다. 여기서 전파 모드는 코어 및 클래딩 경계면에 대한 광파의 입사각, 경계면에서의 경계조건 등에 따라 광파의 전달이 제한되는 현상을 말한다. 다중 모드 광섬유는 광 코어 내에 수많은 광선(혹은 전파 모드)이 진행할 수 있으며, 단일 모드 광섬유는 전송 가능한 전파 모드의 수가 하나뿐인 광섬유를 말한다.

한편, 본 발명은 원전 냉각재 배관의 누설을 감지하기 위해 센서를 설치한 것으로, 광섬유(110)로 플라스틱 광섬유를 사용할 수 있으나, 원전 냉각재의 배관과 같은 고온 환경에서 사용 가능한 광섬유를 사용해야 한다. 예컨대, 실리카 코어 광섬유, 금속 코팅 광섬유 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

감지부(120)는 광섬유(110)의 일 종단면에 습도감지물질(122)을 코팅되어 있다. 즉, 감지부(120)는 광섬유(110)의 단부를 튜브(124a, 124b)가 둘러싸고 있고, 튜브(124a, 124b)가 둘러싸인 광섬유(110)의 종단면에 습도감지물질(122)이 코팅된 것이다.

튜브(124a, 124b)는 광섬유(110)가 다중 모드 광섬유(110a)인 경우 도 3에 도시된 바와 같이 금속 튜브(124a)일 수 있고, 단일 모드 광섬유(110b)인 경우 도 4에 도시된 바와 같이 수축 튜브(124b)일 수 있다. 튜브(124a, 124b)는 내부에 광섬유(110)가 삽입될 수 있는 홀이 형성되고, 이 홀 내에 광섬유(10)가 삽입된다. 튜브의 홀에 광섬유를 삽입함으로써, 광섬유(124a, 124b)를 고정시킬 수 있다. 튜브(124a, 124b)는 광섬유보다 더 큰 외경을 가지고 있기 때문에, 물질의 접착과 고정을 좋게 하여 안정적으로 균일하게 습도감지물질(122)의 코팅을 가능하게 하는 장점이 있다. 따라서, 습도감지물질 코팅 시, 단순히 플라스틱 재질인 광섬유에 코팅을 하는 것보다 튜브(124a, 124b)를 사용하는 것이 코팅하기에 더 용이할 수 있다.

습도감지물질(122)은 광섬유(110)에 코팅되어 습도를 감지하는 구성이다. 이러한 습도 감지 물질(122)은 광섬유(110)와 결합이 용이한 광계측기 사용을 위해 습도에 따라 광학적 특성이 변해야 하고, 실시간으로 습도를 측정해야 하므로 짧은 반응 및 회복시간을 가져야 하며, 안정적인 신호를 출력해야 하는 동시에 재현성이 좋아야 하고, 원거리 측정에 용이한 광섬유를 이용하기 때문에 광섬유의 끝단에 코팅 및 부착이 잘 되어야 하는 조건을 만족해야 한다. 이러한 조건을 만족하는 습도 감지 물질(122)은 습분 함량에 따라 굴절률이 변하는 하이드로젤일 수 있다. 하이드로젤은 물을 분산매로 하는 젤로서, 하이드로졸(hydrosol)이 냉각으로 인하여 유동성을 상실하거나, 혹은 3차원 망목 구조(network structure)와 미결정(crystallite) 구조를 갖는 친수성 고분자가 물을 함유, 팽창하여 형성될 수 있다. 고분자로 이루어진 하이드로젤은 고흡수성을 나타내는 것이 많으며 흡수성 고분자(water absorbing polymer)로서 다방면에 실용화되고 있다.

이러한 하이드로젤에 기반한 습도감지물질(122)은 예컨대, 염화코발트(cobalt chloride, CoCl₂)와 메탄올(methyl alcohol, CH₃OH)의 혼합, HEC와 PVDF의 혼합 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이때, 염화코발트와 메탄올은 0.1 g : 3.5 ml의 비율을 이용할 수 있다.

바람직하게는, 습도감지물질(122)은 폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethyl cellulose, HEC), 그리고 증류수(Distilled water)를 일정한 비율로 혼합하여 제조한 물질일 수 있다. 즉, 습도감지물질(122)은 HEC를 증류수에 용해하고, PVDF를 DMSO에 용해한 후, 증류수에 용해된 HEC 용액과 DMSO에 용해된 PVDF 용액을 각각 상온까지 식힌 후, 교반하여 생성된 균일한 혼합상태의 하이드로젤일 수 있다. 이때, 교반으로 제조된 하이드로젤은 용액의 온도에 따라 점성도가 다르기 때문에, 용액의 온도를 일정하게 맞추기 위해 습도와 온도가 유지되는 항온항습기에 넣어 실온(room temperature)상태인 약 26℃ 까지 온도를 감소시킨다.

상기와 같은 방법으로 제조된 습도감지물질(122)은 광섬유 끝단에 코팅되는 것으로, 하이드로젤 기반의 습도감지물질(122)은 물질의 수분함량의 변화에 따라 굴절률이 변하는 특성을 가지고 있으며, 습도감지물질(122)의 초기 굴절률은 PVDF와 DMSO가 혼합된 용액과 HEC와 증류수가 혼합된 용액의 비율로 결정된다. HEC와 증류수가 혼합된 HEC 용액과 PVDF와 DMSO가 혼합된 PVDF 용액의 비율이 4:1일 경우, 습도 변화에 대해 상대적으로 더 민감하고 안정적으로 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 습도 측정을 위한 하이드로젤의 구성물질인 HEC와 PVDF의 최적의 혼합 비율은 4 : 1일 수 있다.

감지부(120)는 습도감지물질(122)인 하이드로젤을 딥 코팅 방법으로 광섬유(110)에 부착하여 제조한 것이다. 딥 코팅 방법은 피코팅재인 광섬유 표면에 하이드로젤을 코팅하여 전구체(precursor)층을 형성한 후 적당한 온도로 소성하여 도막을 얻는 방법이다. 피코팅재를 코팅용액에서 들어올리는 속도와 코팅용액의 점도로 인해 피코팅재 표면에 맺히는 전구체의 두께가 결정된다. 따라서 광섬유(110)에 일정한 두께의 하이드로젤을 코팅하기 위해서는 일관된 하이드로젤 용액의 온도와 딥 코팅 기계를 통해 일정한 속도로 광섬유(110)를 들어올리는 것이 중요하다.

커넥터(130)는 광계측기, 전송용 광섬유, 광커플러 중 하나와 연결하기 위한 구성으로, SMA 커넥터(subminiature version A connector, 130a), FC 터미네이터(130b) 등일 수 있다. 즉, 광섬유(110)가 다중 모드인 경우 도 3에 도시된 바와 같이 SMA 커넥터(130a)일 수 있고, 단일 모드인 경우 도 4에 도시된 바와 같이 FC 터미네이터(130b)일 수 있다.

도 3과 도 4에서 살핀 바와 같이, 습도센서(100)는 광섬유(110)의 전파 모드에 따라 감지부(120)의 튜브(124a, 124b)와 커넥터(130a, 130b)의 구성이 상이하다.

이하에서는 단일 모드 광섬유 기반의 습도센서를 이용하여 광섬유 센서 시스템을 구성한 경우 습도 측정 결과에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템에서 파장이 1,310nm와 1,550nm일 때, 습도변화에 따른 반사광의 세기(파워)를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 두 파장 모두 습도가 증가함에 따라 반사된 광신호의 세기(optical power)는 선형적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 1,310nm 파장일 때 측정한 광 파워 값이 1,550nm 파장일 때 측정한 광 파워 값보다 전체적으로 더 높은 것을 알 수 있다. 습도 95%에서 1,310nm일 때 출력된 값이 1,550nm일 때 출력된 값보다 0.5dB 더 높게 측정되었으며, 습도가 감소함에 따라 그 차이가 점점 벌어지고 습도 50%에서는 0.97dB까지 차이가 남을 알 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 값들을 습도 50%일 때를 기준으로 보정한 결과 그래프이다. 도 6을 참조하면, 1,310nm 파장일 때 측정한 결과의 기울기가 1,550nm 파장일 때보다 더 가파른 것을 확인할 수 있다. 습도변화에 따른 광 파워 그래프에서 기울기는 습도에 따른 센서의 민감도를 의미하며, 이는 1,310nm파장일 때가 1,550nm 파장일 때보다 더 민감하게 반응한다는 것을 나타낸다. 실제로, 빛의 파장은 그 길이가 짧을수록 산란 발생 확률이 높고, 길어질수록 투과율이 높아지는 특성을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 1,310nm 파장에서 서로 다른 길이의 습도센서를 이용하여 측정한 습도 변화에 따른 광신호를 비교한 그래프이다. 이는 전송용 광섬유가 100m일 때와 200m일 때 10m 길이의 습도센서를 연결한 후, 습도변화에 따라 반사되어 돌아오는 광신호의 광 파워를 분석한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 50~95%의 습도 범위에서 5%씩 측정된 광 파워 값은 전송용 광섬유와 습도센서를 포함한 전체 광섬유 길이가 110m일 때보다 210m일 때가 전체적으로 약 0.4dB정도 낮게 측정됨을 확인할 수 있다. 이 결과를 통해 광섬유 길이가 길어짐에 따라 측정되는 광 파워 값이 점차 낮아지는 것을 알 수 있다. 그러나 단일 모드 광섬유 기반의 습도센서는 전송용 광섬유의 길이가 200m이상으로 길어도 충분히 습도 측정이 가능하다는 것을 확인할 수 있으며, 그 이상으로 광섬유 길이가 길어도 습도 측정이 가능함을 확인할 수 있다.

이를 통해, 서로 다른 길이의 복수의 습도센서를 설치하여 냉각재 누설 감지를 위한 광섬유 센서 시스템을 구성할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각재 누설 감지를 위한 광섬유 센서 시스템은 복수의 습도센서(110), 광커플러(600), 광계측기(400) 및 측정장치(500)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은 분포형 센서 시스템(distribute sensor system)으로, 냉각재 배관의 여러 부분에 습도센서(100)를 설치하여 습도센서들(110)의 출력 신호를 동시에 원거리에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템이다. 즉, 광섬유 센서 시스템은 복수개의 습도센서(100)가 설치된 배관의 습도 및 그 위치를 원거리에서 실시간으로 모니터링 가능하게 하는 시스템이다.

이러한 광섬유 센서 시스템은 서로 다른 길이의 습도센서(100)가 복수개로 구성되는 점, 복수개의 습도센서(100)에 광신호를 분배하는 광커플러(600)가 이용되는 점, 그리고, 습도뿐만 아니라 그 위치도 측정되는 점을 제외하고, 도 1에 개시된 광섬유 센서 시스템과 유사하다. 이에 따라, 이하의 서술에서 앞서 도 1에 개시된 사항과 중복되는 사항은 생략하기로 한다.

습도센서(100)는 복수개로 구성되는 점을 제외하고, 도 1 및 도 2를 참조로 개시된 습도센서와 거의 유사하다. 즉, 습도센서(100)는 복수개의 습도센서를 구비한 형태를 갖고, 이들 각각의 습도센서의 감지부는 습도감지물질이 코팅되어 있다.

습도센서(100)는 다채널로 형성된다. 여기서, 다채널은 하나의 전송용 광섬유(300)와 광 커플러(600)가 연결되고, 광 커플러(600)와 복수개의 습도센서들(100)이 연결되는 구성을 나타낸다. 즉, 도 1에서 언급한 단채널의 경우 습도센서가 하나만 이용된 것과는 달리, 다채널은 복수개의 습도센서들(100)이 이용되는 것을 나타낸다.

다채널로 구성된 습도센서(100) 각각은 길이 즉, 각 습도센서의 광섬유의 길이는 상이하다. 복수개 습도센서 각각의 길이가 동일할 경우, 다른 위치의 습도센서(100)에서 측정된 결과더라도 동일한 거리에서의 이벤트로 받아들이게 되어 신호의 피크값이 중첩되기 때문이다. 각 습도센서의 광섬유의 길이가 서로 다르면, 습도센서의 길이가 다를 수 있다.

복수개의 습도센서(100)는 각각 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 냉각재 배관의 서로 다른 거리에 배치된다. 습도센서(100)에서 반사되어 되돌아간 광신호의 세기는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 습도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다. 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이 10m길이의 습도센서(100a)(Ch.1), 20m길이의 습도센서(100b)(Ch.2), 30m길이의 습도센서(100c)(Ch.3), 40m길이의 습도센서(100d)(Ch.4)를 1x4 광 커플러(600)에 연결할 수 있다.

광섬유 센서 시스템은 습도센서(100)가 복수개로 구성되더라도, 광 커플러(600)와 광계측기(400) 사이의 연결은 하나의 전송용 광섬유(300)만 있으면 된다.

광커플러(600)는 광계측기(400)에서 송신한 광신호를 전송용 광섬유(300)를 통해 수신하여 복수의 습도센서(100)에 분배하고, 복수의 습도센서(100)에서 반사된 광신호들을 광계측기(400)로 전송한다. 이때, 복수개의 습도센서(100)는 광 커플러(600)에 연결되고, 습도센서 각각의 길이는 서로 상이하다.

광 커플러(600)에 복수개의 습도센서(100)를 연결하여 분포형 다채널 광섬유 센서시스템을 구성할 수 있다. 본 발명에서는 1x4 광 커플러(600)에 4개의 습도센서(100)를 연결한 경우를 예로 설명하였으나, 이는 설명의 이해를 돕기 위함이고, 광커플러(600)는 다양한 개수의 습도센서(100)를 연결할 수 있는 구성으로 변경 가능하다. 또한, 하나의 광 커플러(600)가 구비된 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템이 아닌, 광커플러(600)를 복수개 설치하고, 각 광커플러(600)에 복수개의 습도센서(100)를 연결하여 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템을 구성할 수도 있다. 이때, 습도센서(100)는 광섬유의 길이가 서로 상이하고, 커넥터를 통해 광 커플러(600)에 연결된다.

광 커플러(600)를 이용하여 분산형 다채널 광섬유 센서 시스템을 구성할 경우, 각 채널들 사이의 길이 차이가 최소 1.5m이상 되어야 각 채널들의 독립된 광신호를 정확하게 획득할 수 있다. 따라서, 광커플러(600)와 연결된 복수개의 습도센서(100)는 최소 1.5m 이상 길이 차이가 나도록 설치할 수 있다.

이러한 광 커플러(600)의 물리적 특성은 아래 기재된 표 2와 같다.

광계측기(400)는 전송용 광섬유(300)를 통해 습도센서(100)에 광신호를 송신하고, 습도센서(100)의 습도감지물질에서 반사되는 광신호를 수집한다.

광계측기(400)는 내장된 광원으로부터 광신호를 발생시켜 전송용 광섬유(300)를 통해 광커플러(600)로 전송하고, 광커플러(600)에서 분배된 광신호는 습도 변화에 따른 습도감지물질(예컨대, 하이드로젤)의 굴절률에 따라 다채널의 습도센서로부터 반사되어 내부에 있는 광센서로 되돌아간다. 되돌아간 광신호의 세기(optical power)는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 습도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다. 이러한 광계측기(400)는 예컨대, OTDR(optical time-domain reflectometer)일 수 있다.

측정장치(500)는 광계측기(400)에서 수집된 광신호의 세기를 근거로 습도와 위치를 측정하는 기능을 한다. 즉, 측정장치(500)는 수집된 광신호의 세기와 기준 광신호의 세기의 비교를 통해 배관의 습도를 측정하는 기능을 한다. 이때, 기준 광신호의 세기별 습도에 대한 데이터는 측정장치(500) 내부 또는 외부 저장부에 저장될 수 있다. 또한, 측정장치(230)는 습도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서가 설치된 위치를 측정할 수 있다.

살핀 바와 같이, 측정장치(500)는 각 습도센서(100)에서 반사된 광신호를 이용하여 각 습도센서(100)가 설치된 배관의 습도를 측정함과 동시에 각 습도센서(100)가 설치된 위치를 측정할 수 있다.

따라서, 복수개의 습도센서(100)를 원자로 냉각계통 배관에 설치하면, 정상 배관과 미세 결함으로 인한 비정상 배관의 습도 차이를 통해 원거리에서 조기에 미세 누설을 감지할 수 있다.

이하에서는 4개의 습도센서를 1 x 4 광 커플러에 연결한 분포형 4채널 광섬유 센서 시스템을 이용하여 습도를 측정한 결과를 설명하기로 한다. 이때, OTDR의 내부에 위치한 근적외선 광원의 파장은 1,310nm이고, 각 습도센서는 10m, 20m, 30m, 40m 길이를 가지는 단일 모드 광섬유로 구성된 것으로 가정하기로 한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 50%일 때 4개의 습도센서가 반사하는 광신호의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 광계측기의 출력 결과, 서로 다른 길이를 가지는 각 채널들로부터 발생하는 광신호가 각각 독립적으로 발생되어 측정된 것을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 1부터 채널 4까지 습도를 증가시키면서 획득한 광 파워 변화에 대한 광계측기의 출력결과와 측정한 출력 신호의 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 50 ~ 95%의 습도범위에서 각 채널 4개의 광 파워를 측정한 결과는 습도가 높아짐에 따라 측정된 광 파워가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 습도 변화에 따라 각 채널에서 출력된 광 파워의 변화는 서로 비슷한 추세를 가지는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 한 채널의 광 신호 변화는 다른 채널의 광신호 변화에 영향을 주지 않으며 개별적으로 변하므로 서로 독립적으로 측정됨을 알 수 있다. 따라서 다채널 광섬유 센서 시스템의 각 채널을 이용하여 실시간으로 분포된 습도를 측정함과 동시에 각 채널이 설치된 위치정보의 확인이 동시에 가능함을 알 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은 분포형 센서 시스템으로, 냉각계 배관의 여러 부분에 적어도 하나의 습도센서(100)와 적어도 하나의 온도센서(700)를 설치하여 습도센서들(100)과 온도센서들(700)의 출력 신호를 동시에 원거리에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템이다. 즉, 광섬유 센서 시스템은 복수개의 습도센서(100)가 설치된 배관의 습도 및 위치는 물론, 복수의 온도센서(700)가 설치된 배관의 온도 및 위치를 원거리에서 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은 습도센서(100)와 온도센서(700)가 복수개로 구성되는 점, 복수개의 습도센서(100)와 온도센서(700)에 광신호를 분배하는 광 커플러(600)가 이용되는 점, 그리고, 습도와 온도의 동시 측정 및 그 위치도 측정되는 점을 제외하고, 도 8에 개시된 광섬유 센서 시스템과 유사하다. 이에 따라, 이하의 서술에서 앞서 도 8을 참조로 개시된 사항과 중복되는 사항은 생략하기로 한다.

습도센서(100)와 온도센서(700)는 각각 적어도 하나 이상 구비한 형태를 가지므로, 다채널을 형성하게 된다. 여기서, 다채널은 하나의 전송용 광섬유(300)와 광 커플러(600)가 연결되고, 광 커플러(600)와 적어도 하나의 습도센서(100)와 적어도 하나의 온도센서(700)가 연결되는 구성을 나타낸다. 즉, 도 8에서 언급한 다채널의 경우 복수의 습도센서만을 이용된 것과는 달리, 도 11에서의 다채널은 적어도 하나 이상의 습도센서(100)와 적어도 하나 이상의 온도센서(700)가 이용되는 것을 나타낸다.

다채널로 구성된 습도센(700)서와 온도센서(700) 각각은 길이 즉, 각 습도센서(100)와 각 온도센서(700)의 광섬유의 길이는 상이하다. 습도센서들(100)과 온도센서들(700) 각각의 길이가 동일할 경우, 다른 위치의 습도센서(100) 또는 온도센서(700)에서 측정된 결과더라도 동일한 거리에서의 이벤트로 받아들이게 되어 신호의 피크값이 중첩되기 때문이다. 각 습도센서(100) 및 온도센서(700)의 광섬유의 길이가 서로 다르면, 습도센서(100) 및 온도센서(700)의 길이가 다를 수 있다.

각 습도센서(100)와 온도센서(700)는 냉각재 배관의 서로 다른 거리에 배치된다. 즉, 습도센서(100)가 복수개인 경우, 복수의 습도센서(100)는 각각 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 냉각계통 배관의 서로 다른 거리에 설치된다. 습도센서(100)에서 반사되어 되돌아간 광신호의 세기는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 습도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다. 온도센서(700)가 복수개인 경우, 복수의 온도센서(700)는 각각 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 냉각계통 배관의 서로 다른 거리에 설치된다. 온도센서(700)에서 반사되어 되돌아간 광신호의 세기는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 온도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다.

온도 센서(700)는 광커플러(600)와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유, 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 온도감지물질을 포함하는 감지부를 포함한다. 여기서, 온도감지물질은 증류수, 굴절률 정합 오일, 실리콘 오일 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 온도센서에 대한 상세한 설명은 도 15를 참조하기로 한다.

광섬유 센서 시스템은 습도센서(100)와 온도센서(700)가 복수개로 구성되더라도, 광 커플러(600)와 광계측기(400) 사이의 연결은 하나의 전송용 광섬유(300)만 있으면 된다.

광 커플러(600)는 광계측기(400)에서 송신한 광신호를 전송용 광섬유(300)를 통해 수신하여 습도센서(100) 또는 온도센서(700)에 분배하고, 습도센서(100) 또는 온도센서(700)에서 반사된 광신호들을 광계측기(400)로 전달한다. 이때, 각 습도센서(100)와 온도센서(700)는 광 커플러(600)에 연결되고, 각각의 길이는 서로 상이하다. 따라서, 각 센서에서 반사되어 되돌아간 광신호의 세기는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 습도와 온도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다.

광 커플러(600)에 1개의 습도센서와 1개의 온도센서를 연결하여 분포형 2채널 광섬유 센서 시스템을 구성할 수도 있으나, 복수개의 습도센서와 복수개의 온도센서를 연결하여 분포형 다채널 광섬유 센서시스템을 구성할 수도 있다. 또한, 여기에서는 하나의 광 커플러(600)가 구비된 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템을 설명하였으나, 광커플러(600)를 복수개 설치하고, 각 광커플러(600)에 복수개의 습도센서(100)와 복수개의 온도센서(700)를 연결하여 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템을 구성할 수도 있다.

광 커플러(600)를 이용하여 분산형 다채널 광섬유 센서 시스템을 구성할 경우, 각 채널들 사이의 길이 차이가 최소 1.5m 이상 되어야 각 채널들의 독립된 광신호를 정확하게 획득할 수 있다. 따라서, 광커플러(600)와 연결된 습도센서(100)와 온도센서(700)는 최소 최소 1.5m 이상 길이 차이가 나도록 설치할 수 있다.

광계측기(400)는 전송용 광섬유(300)를 통해 광신호를 송신하고, 습도센서(100) 또는 온도센서(700)에서 반사되는 광신호를 수집한다. 즉, 광계측기(400)는 내장된 광원으로부터 광신호를 발생시켜 전송용 광섬유(300)를 통해 광커플러(600)로 전송하고, 광커플러(600)에서 분배된 광신호는 습도센서(100)와 온도센서(700)의 말단에서 각각 반사되어 내부에 있는 광센서로 되돌아간다. 이때, 습도센서(100)는 광섬유와 습도감지물질의 접촉부에서 광신호를 반사하고, 온도센서(700)는 수용액과 광섬유의 접촉부에서 광신호를 반사한다. 되돌아간 광신호의 세기(optical power)는 서로 다른 광섬유 길이 차이에 의해 독립적으로 감지되기 때문에 습도 및 온도를 동시에 여러 곳에서 측정할 수 있게 된다.

광계측기(400)에서 송출된 광신호는 전송용 광섬유(300)를 통하여 습도센서(100) 또는 온도센서(700)의 감지부까지 전송되고, 각각의 감지부에서 냉각게 배관의 온도와 습도에 따른 감지 물질의 굴절률 변화에 의해 프레넬 반사가 발생한다. 따라서 서로 다른 광섬유 길이를 가지는 각각의 습도센서(100) 또는 온도센서(700)로부터 발생된 광신호의 세기를 온도 및 습도 변화에 따라 측정할 수 있다. 이러한 광계측기(400)는 예컨대, OTDR(optical time-domain reflectometer)일 수 있다.

습도센서(100)와 온도센서(700)의 감지부와 광 커플러(600) 사이를 연결하는 광섬유가 서로 다른 길이를 가짐에 따라 광신호가 분배된 후 거리에 따라 서로 독립적으로 반사광의 피크(peak)가 발생한다. 즉, 서로 다른 특정 길이를 가지는 습도센서(100) 또는 온도센서(700)로부터 발생하는 광신호가 각각 독립적으로 측정된다. 동일한 길이를 가지는 습도센서(100) 또는 온도센서(700)를 광 커플러(600)에 연결하면 광신호가 반사되는 이벤트 지점이 서로 겹쳐져서 측정되므로 반드시 서로 다른 길이를 가지는 광섬유를 사용하여야 한다.

측정장치(500)는 광계측기(400)에서 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도 또는 온도를 측정한다. 즉, 측정장치(500)는 기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 수집된 광신호의 세기를 비교하여 습도를 산출하고, 기 저장된 광신호의 세기별 온도 데이터와 수집된 광신호의 세기를 비교하여 온도를 산출할 수 있다.

또한, 측정장치(500)는 습도와 온도가 측정된 위치를 각각 측정할 수 있다. 즉, 측정장치(500)는 습도센서(100)에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서(100)가 설치된 위치를 판별하고, 온도센서(700)에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 온도센서가 설치된 위치를 판별할 수 있다.

상기와 같이 구성된 복수개의 습도센서(100)와 온도센서(700)를 원자로 냉각계통 배관에 설치하면, 정상 배관과 미세 결함으로 인한 비정상 배관의 습도와 온도 차이를 통해 원거리에서 조기에 미세 누설을 감지할 수 있다.

이하, 2개의 온도센서(700a, 700b)와 2개의 습도센서(100a, 100b)를 1 x 4 광 커플러(600)에 연결한 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템을 예시로 하여 설명하기로 한다. 이때, OTDR의 내부에 위치한 근적외선 광원의 파장은 1,310nm이고, 습도센서는 각 10, 30 m길이의 광섬유로 구성되며, 온도센서는 각 20, 40m 길이의 광섬유로 구성된 것으로 가정하기로 한다.

도 12는 분포형 다채널 광섬유 센서 시스템이 연결된 OTDR의 출력 신호를 측정한 그래프를 나타낸다. 도 12를 참조하면, OTDR의 출력 결과, 서로 다른 길이를 가지는 각 채널들로부터 발생하는 광신호가 각각 독립적으로 발생되어 측정된 것을 확인할 수 있다.

도 13은 온도 변화에 따른 온도 센서들의 출력신호를 나타낸 그래프이다. 측정 온도 범위는 10 ~ 70℃까지이며 5℃ 간격으로 온도를 변경시키면서 반사되어 돌아오는 광신호의 세기를 측정한 결과이다. 도 13을 참조하면, 두 온도센서 모두가 온도가 높아짐에 따라 온도센서의 출력 신호가 감소하는 것을 확인할 수 있고, 각 온도센서의 출력신호 변화의 추세는 온도에 따라 동일한 것을 알 수 있다.

도 14는 습도 변화에 따른 습도 센서들의 출력신호를 나타낸 그래프이다. 측정 습도 범위는 50 ~ 95%까지이며 5% 간격으로 습도를 변경시키면서 반사되어 돌아오는 광신호의 세기를 측정한 것이다. 도 14를 참조하면, 두 습도센서 모두가 습도가 높아짐에 따라 습도 센서의 출력 신호가 감소하는 것을 확인할 수 있고, 습도 변화에 따른 각 습도센서의 출력신호의 변화 추세는 동일한 것을 확인할 수 있다.

도 15는 도 11에 도시된 온도센서를 설명하기 위한 도면이다.

도 15를 참조하면, 온도센서(700)는 광신호를 수신하는 광섬유(710), 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 온도감지물질(724)을 포함하는 감지부(720)를 포함한다.

감지부(720)는 페롤(미도시), 광섬유(710)의 단부를 둘러싸고 있는 케이스(722), 케이스 내부에 충진된 온도감지물질(724), 케이스(722)와 광섬유(710)를 연결하는 커넥터(726)를 포함한다.

페롤은 광섬유(710)와 감지부(720)를 연결시키는 커넥터(726)의 일 측에 위치된다. 또한, 페룰은 내부에 광섬유(710)가 삽입될 수 있는 홀이 형성되고, 이 홀 내에 광섬유(710)가 삽입된다.

케이스(722)는 온도감지물질(724)이 내부에 충진되고, 이러한 온도감지물질(724)은 케이스(722)와 페롤에 의해 밀봉될 수 있다. 또한, 케이스(722)는 냉각수 계통의 배관에 설치되어야 하므로, 냉각수 또는 외부 즉 공기의 온도 변화에 민감하게 반응할 수 있는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 케이스(722)는 열전도율이 우수한 스테인리스강 재질의 케이스로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 케이스(722)는 스테인리스 강으로 이루어질 수 있지만, 이는 단지 예시일 뿐이고, 열전도도가 높은 다양한 재질로 형성될 수 있다.

온도감지물질(724)은 케이스(722)의 내부에 충진되고, 케이스(724), 페룰에 의해 밀봉된다. 광섬유 센서 시스템은 감지부(720)내에 충진된 온도감지물질(724)과 광섬유(710)의 접촉부에서 반사된 광의 세기를 이용한다. 즉, 온도감지물질(724)은 접촉부에서 반사되는 광의 세기가 온도에 따라 명확하게 변하게 하는 물질로 이루어져야 한다.

이러한 온도감지물질(724)은 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 물질로, 예컨대, 증류수, 굴절률 정합 오일, 실리콘 오일 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 온도감지물질(724)인 실리콘 오일은 내열성이 뛰어난 무색투명의 액체로, 25℃의 온도에서 1.505의 굴절률을 가진다. 실리콘 오일을 온도감지물질로 사용할 경우, -35℃ ~ 250℃의 온도 범위에서 계측이 가능하다.

커넥터(726)는 전송용 광섬유의 지지 및 온도감지물질과의 평평한 접촉을 위한 구성으로, 예컨대, FC 터미네이터일 수 있다.

이러한 감지부*720)는 일정한 길이(예컨대, 9.0 mm의 직경과 21.5 mm의 길이)를 가지고 있으며, 전송용 광섬유가 연결된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 습도센서
110 : 광섬유
120 : 감지부
130 : 커넥터
200 : 메이팅 슬리브
300 : 전달용 광섬유
400 : 광계측기
500 : 측정장치
600 : 광커플러
700 : 온도센서
710 : 광섬유
720 : 감지부

Claims

광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서;
광섬유의 일 종단의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 상기 케이스 내부에 충
진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 온도센서;
전송용 광섬유를 통해 상기 습도센서 또는 온도센서에 광신호를 송신하고, 상기 습도센서 또는 온도센서 반사되는 광신호를 수집하는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometor); 및
상기 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도 또는 온도를 측정하는 측정장치;
를 포함하고,
상기 온도센서는,
광신호를 수신하는 광섬유;
상기 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스;
상기 케이스 내부에 충진된 온도감지물질; 및
상기 케이스와 상기 광섬유를 연결하는 커넥터를 포함하고,
상기 광섬유는 상기 케이스 내에서 상기 온도감지물질과 접촉하며,
상기 온도감지물질은 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제1항에 있어서,
상기 습도감지물질은,
폴리플루오르화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(hydroxyethyl cellulose, HEC), 증류수(Distilled water)가 일정한 비율로 혼합된 하이드로젤인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광신호의 세기는 상기 습도감지물질의 굴절률에 따라 변하고, 상기 습도감지물질의 굴절률은 습도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제1항에 있어서,
상기 측정장치는, 기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 상기 수집된 광신호의 세기를 비교하여, 습도를 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제1항에 있어서,
상기 OTDR에서 송신한 광신호를 상기 전송용 광섬유를 통해 수신하여 복수의 습도센서에 분배하고, 상기 복수의 습도센서에서 반사된 광신호들을 광계측기로 전송하는 광 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복수의 습도센서는 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 상기 측정장치로부터 서로 다른 거리에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제6항에 있어서,
상기 측정장치는,
상기 습도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서가 설치된 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제1항에 있어서,
상기 습도센서는,
상기 광신호를 수신하는 광섬유;
상기 광섬유의 일 종단에 습도감지물질이 코팅된 감지부; 및
상기 광섬유의 타 종단에 광계측기, 전송용 광섬유, 광커플러 중 적어도 하나와 연결되는 커넥터를 포함하고,
상기 습도감지물질은 습도변화에 따라 굴절률이 변하는 하이드로젤인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서;
광섬유의 일 종단의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 상기 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 온도센서;
전송용 광섬유를 통해 광신호를 송신하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사되는 광신호를 수집하는 광계측기;
상기 광계측기에서 송신한 광신호를 전송용 광섬유를 통해 수신하여 상기 습도센서 또는 온도센서에 분배하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사된 광신호들을 상기 광계측기로 전달하는 광커플러; 및
상기 광계측기에서 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도 또는 온도를 측정하는 측정장치;
를 포함하고,
상기 온도센서는,
상기 광커플러와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유;
상기 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스;
상기 케이스 내부에 충진된 온도감지물질; 및
상기 케이스와 상기 광섬유를 연결하는 커넥터를 포함하고,
상기 광섬유는 상기 케이스 내에서 상기 온도감지물질과 접촉하며,
상기 온도감지물질은 온도변화에 따라 굴절률이 변하는 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제9항에 있어서,
상기 습도센서는 광섬유와 습도감지물질의 접촉부에서 광신호를 반사하고,
상기 온도센서는 수용액과 광섬유의 접촉부에서 광신호를 반사하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제9항에 있어서,
상기 습도센서는,
상기 광신호를 수신하는 광섬유;
상기 광섬유의 일 종단에 습도감지물질이 코팅된 감지부; 및
상기 광섬유의 타 종단에 광계측기, 전송용 광섬유, 광커플러 중 적어도 하나와 연결되는 커넥터를 포함하고,
상기 습도감지물질은 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 다이메틸설폭시화물(DMSO), 하이드록시에틸셀룰로스(HEC), 증류수가 일정한 비율로 혼합된 하이드로젤로, 습도변화에 따라 굴절률이 변하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
삭제
광섬유의 일 종단면에 습도감지물질이 코팅된 적어도 하나의 습도센서;
광섬유의 일 종단의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 상기 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 온도센서;
전송용 광섬유를 통해 광신호를 송신하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사되는 광신호를 수집하는 광계측기;
상기 광계측기에서 송신한 광신호를 전송용 광섬유를 통해 수신하여 상기 습도센서 또는 온도센서에 분배하고, 상기 습도센서 또는 온도센서에서 반사된 광신호들을 상기 광계측기로 전달하는 광커플러; 및
상기 광계측기에서 수집된 광신호의 세기에 근거하여 습도 또는 온도를 측정하는 측정장치;
를 포함하고,
상기 습도센서와 온도센서가 각각 복수개인 경우, 복수의 습도센서와 온도센서는 각각 서로 다른 길이의 광섬유를 갖고, 상기 측정장치로부터 서로 다른 거리에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
제13항에 있어서,
상기 측정장치는,
기 저장된 광신호의 세기별 습도 데이터와 상기 수집된 광신호의 세기를 비교하여 습도를 산출하고, 기 저장된 광신호의 세기별 온도 데이터와 상기 수집된 광신호의 광신호의 세기를 비교하여 온도를 산출하며,
상기 습도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 습도센서가 설치된 위치를 측정하고, 상기 온도센서에서 반사된 광신호와 기 설정된 기준 광신호의 차에 근거하여 해당 온도센서가 설치된 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.