KR102063963B1 - 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브 및 그 제조 방법과, 그 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법 - Google Patents

국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브 및 그 제조 방법과, 그 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 유체와 기상 유체가 존재하는 2상 유동에서 고속으로 유동하는 계면 속도를 측정할 때 젖음 현상이 발생하지 않도록 하여 신호 민감도를 개선하고, 계면 속도를 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 프로브 및 그 제조 방법과, 그 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브는, 2상 유동 계측장치의 프로브홀더에 고정된 지점으로부터 선단 쪽으로 일정 거리 떨어진 지점까지, 축방향을 따라 일정한 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제1테이퍼부; 및, 상기 제1테이퍼부의 끝단부에서 축방향을 따라 상기 제1테이퍼부보다 더 큰 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제2테이퍼부;를 포함한다.

Description

국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브 및 그 제조 방법과, 그 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법{Optical Fiber Probe for Measuring Local Two-Phase Flow Parameters And Its Manufacturing Method, And Method for Measuring Two-Phase Flow Parameters}
본 발명은 유체 유동의 변수를 측정하기 위한 광섬유 프로브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액적 및 기포가 존재하는 2상 유동 속에서 국소 2상 유동 인자를 측정하기 위한 연신된 원뿔형상 단일 광섬유 프로브(Stretched Conical Single Optical Fiber Probe, SC-SOFP) 및 그 제조 방법과, 그 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법에 관한 것이다.
2상 유동은 물-증기, 물-공기, 액적 및 기포-공기, 액적 및 기포-증기 등과 같이 특성이 다른 두 개의 유체가 서로 다른 상의 형태로 혼합되어 발생하는 유동으로, 원자력·조선·해양·바이오매스·석유화학과 같은 산업 분야에서 주로 나타난다. 특히, 원자력 분야에서 원자력 발전소의 안전성과 효율성을 증대시키기 위해 사고 상황에 대한 정확한 유동해석이 필요하며, 그에 따른 유동모델 개발을 위한 2상 유동 인자의 정확한 측정이 요구된다. 주요 2상 유동 인자로는 액적 및 기포 분율, 계면 면적밀도(IAC), 계면 속도 등이 있는데, 이러한 인자들을 측정하기 위해 다양한 측정 기법들이 선행 연구자들에 의해 개발되었다.
국소 2상 유동 변수를 측정하는 기법으로 컨덕턴스 센서 기법, 임피던스 센서 기법, 광섬유 프로브(probe) 기법 등이 있다. 그 중에 광섬유 프로브 기법은 상변화에 민감하게 반응하여 정확하게 상을 구분할 수 있는 특징을 가진다.
광섬유 프로브 기법은 광섬유에 공급된 레이저 빛이 광섬유를 따라 프로브 탐침부에 도달한 후, 광섬유 프로브가 노출된 매질의 굴절률에 따라 반사되어 되돌아오는 빛의 세기 차이를 이용한다. 빛의 세기는 전기적인 신호로 변환된다. 광섬유 프로브로부터 얻어진 신호를 이용하여 국소 지점에서의 기포 분율, 계면 속도, 액적 및 기포 크기 그리고 계면면적밀도 등의 유동인자를 측정할 수 있다.
일반적인 광섬유 프로브 기법에서 계면 속도는 두 개의 프로브를 일정한 간격을 갖게 일렬로 배치한 뒤, 두 프로브 사이의 거리와 상이 프로브를 통과하는 시간차를 이용하여 측정한다.
그러나 마이크로 크기의 액적 및 기포는 두 개의 프로브를 동시에 통과하지 못하는 경우가 있기 때문에 2중 센서 프로브법(Double sensor tip)을 통해 계면 속도를 측정하는 것이 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해 하나의 광섬유 프로브를 이용하여 계면 속도를 측정하는 방법이 제안되었다. 이 방법은 액적 및 기포 등 상이 광섬유 프로브를 통과할 때 나타나는 신호의 변화율이 계면 속도에 비례하는 것을 이용한다.
한편 종래의 광섬유 프로브는 화학적 에칭 기법을 이용하여 선단을 원추형으로 제작하거나(도 2의 (a) 도면 참조), 선단을 연마하여 프로브 축에서 일정 각도(예를 들어 35°)로 경사진 쐐기 형태로 제작하여(도 2의 (b) 도면 참조) 계면 속도 등 필요한 인자를 측정하고 있다.
그러나, 광섬유 프로브의 선단이 원추형으로 이루어진 형태는 액적의 속도가 저속에서 액적 및 기포를 검출하는 경우(도 3의 (a) 그래프)에서는 신호 변화가 뚜렷하지만, 20 m/s 이상이 되는 고속에서 액적 및 기포를 검출하는 경우(도 3의 (b) 그래프), 광섬유 프로브의 젖음 현상으로 인하여 액적 및 기포 신호의 기저(base) 높이가 변하거나 오버슈팅 하는 등 신호의 왜곡이 발생하는 문제가 있다. 도 3의 (a) 및 (b) 도면에서 가장 왼쪽은 원추형 모양의 광섬유 프로브를, 중앙은 35°각도로 표면이 연마된 쐐기 모양의 광섬유 프로브를 사용했을 때 검출되는 전기 신호를 나타낸 것으로, 액적의 속도(Ud)가 25 m/s의 고속에서 프로브 끝의 젖음 현상으로 인해 신호의 기저 높이가 변하거나 오버슈팅하는 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0352799호(2002.09.02. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0545728호(2006.01.17. 등록) 대한민국 공개특허 제10-2008-0012607호(2008.02.12. 공개)
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 액상 유체와 기상 유체(예를 들어 액적 및 기포)가 존재하는 2상 유동에서 고속으로 유동하는 계면 속도를 측정할 때 젖음 현상이 발생하지 않도록 하여 신호 민감도를 개선하고, 계면 속도를 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 프로브 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 단일 광섬유 프로브를 이용하여 고속으로 유동하는 액상 유체 또는 기상 유체의 속도 등의 변수를 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브는, 2상 유동 계측장치의 프로브홀더에 고정된 지점으로부터 선단 쪽으로 일정 거리 떨어진 지점까지, 축방향을 따라 일정한 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제1테이퍼부; 및, 상기 제1테이퍼부의 끝단부에서 축방향을 따라 상기 제1테이퍼부보다 더 큰 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제2테이퍼부;를 포함한다.
상기 제2테이퍼부의 외면과 중심축이 이루는 각도는 13.5°인 것이 바람직하다.
또한 상기 제1테이퍼부의 길이는 제2테이퍼부의 길이보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제1테이퍼부 및 제2테이퍼부는 석영 재질의 광섬유 이며, 제1테이퍼부 및 제2테이퍼부 외의 광섬유 외면은 사용하는 온도환경에 따라 폴리머로 코팅되거나 구리 또는 금 등의 전도성 금속으로 도금된다.
본 발명에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브를 제조하는 방법은,
(S1) 광섬유의 일단부를 축방향으로 연신하여 제1테이퍼부를 성형하는 단계; 및,
(S2) 상기 제1테이퍼부의 끝단부를 에칭 용액에 침지하여 에칭하여 제2테이퍼부를 성형하는 단계;
를 포함한다.
상기 에칭 용액으로는 불산 용액을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브를 이용하여 국소 2상 유동의 액상 유체 또는 기상 유체의 변수를 측정하는 방법은,
(S11) 상기 광섬유 프로브에 의해 검출된 원 신호를 1차 미분한 1차 미분 신호를 획득하는 단계;
(S12) 상기 1차 미분 신호를 미분하여 2차 미분 신호를 획득하는 단계; 및,
(S13) 상기 2차 미분 신호의 최소 최대 극값들과 1차 미분 신호의 최소 극값들을 시간 순으로 나열하여 액상 유체 또는 기상 유체를 판단하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 단계 (S13)에서는, 2차 미분 신호를 통해 검출한 최소 최대 극값들과 1차 미분 신호를 통해 검출한 최소 극값들을 시간 순으로 나열하여, 2차 미분 신호 최소 극값 - 1차 미분 신호 최소 극값 - 2차 미분 신호 최대 극값이 순차적으로 검출되는 경우를 액적 신호로 판단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광섬유 프로브의 센싱부가 제1테이퍼부와 제2테이퍼부의 2단 원추형으로 이루어져 상이 고속으로 유동하는 경우에서도 젖음 현상이 발생하지 않아 젖음 현상으로 인한 기저(base) 높이의 변화와 오버슈팅 등 신호의 왜곡 현상이 발생하지 않으며, 뚜렷한 신호 변화를 얻을 수 있다. 따라서 2상 유동에서 특정한 상(액적 또는 기포 등)의 변수를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 프로브(10)가 적용된 2상 유동 계측장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 원추형 및 쐐기형 선단을 갖는 종래의 광섬유 프로브와, 2단 원추형 선단을 갖는 본 발명에 따른 광섬유 프로브를 나타낸 단면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 액적의 속도(Ud) 및 액적의 크기(Dd)에 따라 종래의 광섬유 프로브와 본 발명의 광섬유 프로브에 의해 측정되는 전기 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 프로브의 제2테이퍼부를 성형하는 에칭 공정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 프로브에 의해 측정된 전기 신호 및 이 전기 신호의 1차 미분 신호 및 2차 미분 신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 프로브에 의해 측정되는 상 계면에서 신호 변화율(grd), 상이 광섬유 프로브를 통과하는 평균시간(△twet), 상의 분율(αd)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 베이지안 정규화를 기반으로 하여 탄젠트-시그모이드 전달 함수를 이용한 인공지능 학습기법의 구조 예이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브 및 그 제조 방법과, 그 프로브를 이용한 유체의 속도 측정 방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 프로브(10)가 적용된 2상 유동 계측장치를 나타낸 것으로, 2상 유동 계측장치는 프로브헤드(1)와, 상기 프로브헤드(1)로부터 일방향으로 연장되게 설치되는 제1가이드튜브(2)와, 상기 제1가이드튜브(2)의 선단부에 대략 'ㄱ'자 형태로 절곡되게 설치된 제2가이드튜브(3)와, 상기 제2가이드튜브(3)의 선단부에 설치되어 광섬유 프로브(10)를 고정하는 프로브홀더(4) 및, 상기 프로브헤드(1)와 제1가이드튜브(2)와 제2가이드튜브(3)와 프로브홀더(4)를 차례로 관통하여 설치되며 일단부와 프로브홀더(4)의 외부로 노출되는 광섬유 프로브(10)를 포함한다.
상기 프로브헤드(1)는 계측장치를 2상 유동의 유로 내에 투입하여 측정 작업을 수행할 때 사람이 손으로 잡고 지지하거나 다른 고정 구조물에 고정되는 부분이며, 광섬유 프로브(10)를 손상없이 레이저 발진부 및 수신부에 연결할 수 있도록 제작된다.
상기 제1가이드튜브(2)는 튜브 형태로 되어 광섬유 프로브(10)를 유로 내측으로 안내함과 더불어 광섬유 프로브(10)를 지지하는 지지체로서, SUS와 같은 금속 재질로 만들어질 수 있다.
상기 제2가이드튜브(3)는 제1가이드튜브(2)보다 작은 직경을 가지며, 광섬유 프로브(10)가 유동 방향으로 배치되도록 대략 'ㄱ'자 형태로 절곡된 형태를 갖는다. 상기 제1가이드튜브(2)와 제2가이드튜브(3)의 연결 부위는 에폭시 또는 은납으로 고정되고 밀봉된다.
상기 프로브홀더(4)는 상기 제2가이드튜브(3)의 선단부에 연결되어 외부로 노출된 광섬유 프로브(10)의 끝부분을 고정되게 지지한다. 상기 프로브홀더(4)에는 광섬유 프로브(10)의 직경과 대응하는 크기를 가지며 광섬유 프로브(10)가 통과하는 구멍이 관통되게 형성되어 있다. 상기 광섬유 프로브(10)는 프로브홀더(4)에 에폭시 또는 은납으로 고정된다. 광섬유 프로브(10)는 석영 재질로 된 광섬유의 외면에 코팅재(10c)가 코팅된 구조로 이루어질 수 있으며, 광섬유는 코어(core)(10a)와, 상기 코어(10a)의 외면을 둘러싸는 클래딩(cladding)(10b)으로 이루어질 수 있다.
그리고, 광섬유 프로브(10) 중 프로브홀더(4)의 외부로 노출된 제1테이퍼부(11) 및 제2테이퍼부(12) 이외의 부분은 코팅재(10c)로 코팅된 구조를 갖는다. 사용하는 온도 환경에 따라 상기 코팅재(10c)의 재질이 달라지는데, 상온에서 사용할 경우에는 코팅재(10c)가 폴리머로 된 것을 사용하며 이 경우에는 에폭시와 같은 수지를 사용하여 광섬유 프로브(10)를 프로브홀더(4)에 고정한다. 그리고 고온에서는 코팅재(10c)가 구리 또는 금 등의 전도성 금속으로 도금층으로 된 것을 사용하며, 이 경우 광섬유 프로브(10)를 은납을 사용하여 프로브홀더(4)에 고정하는 것이 바람직하다.
상기 광섬유 프로브(10)는 액상 유체와 기상 유체의 2상 유동(Two-phase flow)의 유로 내에 설치되어 액상 유체(예를 들어 액적) 또는 기상 유체(예를 들어 기포, 공기, 또는 증기)의 계면 속도, 계면 면적밀도(IAC), 기포 분율 등의 인자를 측정하는 센서의 기능을 수행한다.
상기 광섬유 프로브(10)는 도 2의 (c) 도면에 도시한 것과 같이 프로브홀더(4)에 고정된 지점으로부터 선단 쪽으로 일정 거리 떨어진 지점까지, 축방향을 따라 일정한 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제1테이퍼부(11), 및 상기 제1테이퍼부(11)의 끝단부에서 축방향을 따라 상기 제1테이퍼부(11)보다 더 큰 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제2테이퍼부(12)를 포함한다. 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)는 석영 재질의 광섬유 이다.
상기 광섬유 프로브(10)는 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)를 제외한 광섬유 부분의 직경이 대략 125㎛이며(도 2 참조), 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)는 선단부를 향해 점차적으로 직경이 줄어드는 원추형으로 이루어진다.
상기 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)의 중심축은 서로 동일하지만, 직경이 줄어지는 비율, 즉 기울기가 상이하므로 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)의 경계지점에 변곡점이 형성된다.
상기 제1테이퍼부(11)는 광섬유 프로브(10)를 축방향으로 연신하여 형성된 부분으로, 제2테이퍼부(12)의 길이보다 길게 형성되며, 제1테이퍼부(11)의 외면과 중심축이 이루는 각도는 제2테이퍼부(12)의 외면과 중심축이 이루는 각도보다 작다. 상기 제2테이퍼부(12)의 외면과 중심축이 이루는 각도는 13.5°인 것이 바람직하다.
상기 제2테이퍼부(12)는 에칭 공정을 통해 원추형으로 형성된 부분으로, 광섬유 프로브(10)의 선단부를 이루게 된다.
이와 같이 제1테이퍼부(11)와 제2테이퍼부(12)의 2단 원추형으로 이루어진 광섬유 프로브(10)는 도 3 (a) 및 (b)의 가장 오른쪽 그래프로 확인되어지는 바와 같이 액적이 저속인 경우 뿐만 아니라 액적이 고속인 경우에서도 신호 변화가 뚜렷하며, 젖음 현상으로 인한 기저(base) 높이의 변화와 오버슈팅 등 신호의 왜곡 현상이 발생하지 않는다. 따라서 2상 유동에서 특정한 상(액적 또는 기포 등)의 변수를 정확하게 측정할 수 있다.
이러한 광섬유 프로브(10)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
먼저 광섬유의 일단부를 축방향으로 연신하여 제1테이퍼부(11)를 성형한다. 상기 광섬유의 연신 공정은 마이크로 레이저 풀러(Micro-Laser Puller)를 사용하여 수행될 수 있다.
이어서 도 4에 도시한 것과 같이 상기 제1테이퍼부(11)의 끝단부를 에칭 용액에 일정 시간 동안 침지하는 에칭 공정을 수행하여 원추형의 제2테이퍼부(12)를 성형한다. 상기 에칭 용액으로는 불산 용액을 사용할 수 있으며, 에칭 시간은 10분 정도가 바람직하다.
다음으로 본 발명의 광섬유 프로브(10)를 이용하여 2상 유동의 액상 유체(예를 들어 액적)와 기상 유체(예를 들어 기포)를 구분하고, 액상 유체 또는 기상 유체의 변수 중 속도를 측정하는 방법에 대해 설명한다.
광섬유 프로브(10)로부터 얻어지는 전기신호에서 국소 액적 및 기포 변수들을 도출하기 위해서는 액상과 기상을 정확히 구분하는 것이 필요하다. 액상과 기상 신호의 기저 높이가 일정한 경우 출력신호 곡선의 일정한 높이를 기준으로 두 상을 구분할 수 있다. 그러나 도 5의 (a) 도면의 원 신호의 기상에 해당하는 기저신호 높이가 액적 또는 기포 등의 상이 통과한 후 변하는 문제가 있다. 본 발명은 출력신호의 1차 미분 및 2차 미분을 기반으로 액적 또는 기포의 경계를 감지하고, 이를 통해 액적 또는 기포의 속도와 밀도 등의 변수를 측정할 수 있는 방법을 제안한다.
광섬유 프로브(10)의 신호는 액적 또는 기포의 경계면을 통과할 때 급격한 변화가 생기게 된다. 도 5의 (a), (b), (c) 도면은 기포-액적 유동에서 얻어지는 전형적인 광섬유 프로브의 원 신호, 1차 미분 신호, 2차 미분 신호를 나타낸다. 1차 미분 신호(도 5의 (b) 도면 참조)는 상 1개가 통과할 때 신호 범위 내에서 최소값 하나를 갖는다. 2차 미분 신호(도 5의 (c) 도면 참조)의 최소값과 최댓값은 광섬유 프로브가 상을 통과할 때 상의 전면 및 후면 계면에 접촉하는 지점에서 얻어진다. 2차 미분 신호만을 이용하여 상의 계면을 검출하는 것이 가능하지만, 신호의 잡음에 의한 피크 발생으로 상 계면 식별에 오류가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 2차 미분 신호의 최소값 및 최댓값과 1차 미분 신호의 최소값을 함께 사용하여 상을 구별한다. 예를 들어, 2차 미분 신호를 통해 검출한 최소 최대 극값들과 1차 미분 신호를 통해 검출한 최소 극값들을 시간 순으로 나열하여, 2차 미분 신호 최소 극값 - 1차 미분 신호 최소 극값 - 2차 미분 신호 최대 극값이 순차적으로 검출되는 경우를 액적 신호로 판단한다.
이러한 광섬유 프로브(10)의 전기신호에 대한 1차 미분과 2차 미분을 이용하여 상의 계면을 감지하고, 이를 기반으로 계면 속도 변수를 계측할 수 있다.
계면 속도는 인공지능 학습기법을 이용한 국소 상 속도 측정법으로 측정할 수 있다.
상 속도를 결정하기 위한 인공지능 학습기법의 입력변수로 상(예를 들어 액적)이 단일 광섬유 프로브를 통과할 때 발생시키는 신호 변화율(grd), 상이 광섬유 프로브를 통과하는 평균시간(△twet), 상의 분율(αd)로 구성된 3가지 측정데이터를 사용하고 출력변수로는 계면 속도를 얻는다. 도 6의 그래프는 액적 또는 기포의 상 속도와 3가지 측정데이터 간의 관계를 보여준다.
인공지능 학습기법의 과정은 다음과 같다.
1) 입력 데이터 세트인 grd, △twet, αd에 대한 실험데이터와 출력변수인 액적 또는 기포 속도를 교정 테스트로 준비한다.
2) 입력 데이터로부터 무작위로 얻어진 데이터와 해당하는 액적 또는 기포 속도 사이의 관계는 베이지안 정규화를 이용하여 모델링한다.
3) 상기 학습 모델은 학습에 사용된 실험데이터를 제외하고 입력 데이터에서 무작위로 추출한 테스트 데이터를 사용하여 평가된다. 평가 후 계산된 바이어스 오류는 다음 단계의 가중치로 사용되는 각 테스트 데이터 항목에 의해 정의된다.
4) 학습 모델은 주어진 시간단계에서 사용된 학습 데이터를 제외하고 실험데이터에 대해 검증된다. 검증결과는 R-제곱값을 사용하여 정량화된다. R-제곱값이 허용기준을 충족시키지 못하면 2단계에서의 학습을 반복한다.
5) R-제곱값이 기준을 만족하면 학습이 완료된다.
본 발명에 사용된 인공지능 학습기법에는 숨겨진 총 30개의 뉴런으로 구성되며 탄젠트 시그모이드 전달함수가 사용된다. 숨겨진 레이어의 구조는 도 7과 같다.
상기 인공지능 학습기법의 수렴기준은 액적 또는 기포의 속도 계산 값과 측정 값 사이의 편차 제곱의 평균(Mean Square Error, MSE)을 기반으로 한다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1 : 프로브헤드 2 : 제1가이드튜브
3 : 제2가이드튜브 4 : 프로브홀더
10 : 광섬유 프로브 10a : 코어(core)
10b : 클래딩(cladding) 10c : 코팅재
11 : 제1테이퍼부 12 : 제2테이퍼부

Claims (8)

  1. 2상 유동 계측장치의 프로브홀더에 고정되며, 액상 유체와 기상 유체의 2상 유동(2-phase flow)의 유로 내에 설치되는 광섬유 프로브로서,
    상기 프로브홀더에 고정된 지점으로부터 선단 쪽으로 일정 거리 떨어진 지점까지, 축방향을 따라 일정한 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제1테이퍼부; 및,
    상기 제1테이퍼부의 끝단부에서 축방향을 따라 상기 제1테이퍼부보다 더 큰 비율로 점차적으로 직경이 줄어들면서 원추형으로 이루어지는 제2테이퍼부;
    를 포함하는 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2테이퍼부의 외면과 중심축이 이루는 각도는 13.5°인 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1테이퍼부의 길이는 제2테이퍼부의 길이보다 큰 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브.
  4. 제1항에 있어서, 제1테이퍼부 및 제2테이퍼부는 석영 재질의 광섬유 이며, 제1테이퍼부 및 제2테이퍼부 외의 광섬유 외면은 사용하는 온도환경에 따라 폴리머로 코팅되거나 전도성 금속으로 도금된 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브를 제조하는 방법으로서,
    (S1) 광섬유의 일단부를 축방향으로 연신하여 제1테이퍼부를 성형하는 단계; 및,
    (S2) 상기 제1테이퍼부의 끝단부를 에칭 용액에 침지하여 에칭하여 제2테이퍼부를 성형하는 단계;
    를 포함하는 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 에칭 용액은 불산 용액인 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 국소 2상 유동의 변수 측정용 광섬유 프로브를 이용하여 국소 2상 유동의 액상 유체 또는 기상 유체의 변수를 측정하는 방법으로서,
    (S11) 상기 광섬유 프로브에 의해 검출된 원 신호를 1차 미분한 1차 미분 신호를 획득하는 단계;
    (S12) 상기 1차 미분 신호를 미분하여 2차 미분 신호를 획득하는 단계; 및,
    (S13) 상기 2차 미분 신호의 최소 최대 극값들과 1차 미분 신호의 최소 극값들을 시간 순으로 나열하여 액상 유체 또는 기상 유체를 판단하는 단계;
    를 포함하는 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단계 (S13)에서는, 2차 미분 신호를 통해 검출한 최소 최대 극값들과 1차 미분 신호를 통해 검출한 최소 극값들을 시간 순으로 나열하여, 2차 미분 신호 최소 극값 - 1차 미분 신호 최소 극값 - 2차 미분 신호 최대 극값이 순차적으로 검출되는 경우를 액적 신호로 판단하는 광섬유 프로브를 이용한 유체의 변수 측정 방법.
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