KR20120046993A - 원자력 발전소 냉각계통의 ｐＨ 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 ｐＨ 측정 시스템 - Google Patents

원자력 발전소 냉각계통의 ｐＨ 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 ｐＨ 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 pH 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체 채널로 삽입되는 광섬유의 외주면을 보호튜브로 둘러싸고, 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 방수막을 형성한 후, 상기 방수막의 표면에 졸-겔(sol-gel)법으로 형성된 다공성의 pH 반응막을 구비함으로써 광섬유가 고온?고압의 유체에 직접 접촉되어 열화되는 것을 방지함과 동시에, 졸-겔법을 통해 형성된 다공성의 pH 반응막 내에 pH 반응물질을 함침시켜 사용함으로써 pH 반응물질의 열화를 효과적으로 방지할 수 있어 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경 하에서의 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 pH 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브는, 코어와 클래딩으로 이루어져 광을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유에서 유체 채널에 삽입되는 부분의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브와; 상기 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 연결되어, 상기 보호튜브의 내부를 밀폐시키는 방수막과; 상기 방수막 상부에 구비되며, 유체와 반응하여 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 함침되어 있는 pH 반응막; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 단부에 연결되며, 몸체에는 몸체 외부를 흐르는 유체를 몸체 내부로 유입시키기 위해 몸체를 가로지르며 관통하는 유입구가 형성되어 있는 캡;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

원자력 발전소 냉각계통의 ｐＨ 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 ｐＨ 측정 시스템{An fiber-optic probe for measuring the pH of coolant system of nuclear power plant and the pH measurement system using the same}
본 발명은 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 pH 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체 채널로 삽입되는 광섬유의 외주면을 보호튜브로 둘러싸고, 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 방수막을 형성한 후, 상기 방수막의 표면에 졸-겔(sol-gel)법으로 형성된 다공성의 pH 반응막을 구비함으로써 광섬유가 고온?고압의 유체에 직접 접촉되어 열화되는 것을 방지함과 동시에, 졸-겔법을 통해 형성된 다공성의 pH 반응막 내에 pH 반응물질을 함침시켜 사용함으로써 pH 반응물질의 열화를 효과적으로 방지할 수 있어 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경 하에서의 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 pH 측정 시스템에 관한 것이다.
가압경수로(Pressurized Water Reactor, PWR)에서의 증기발생기(Steam Generator, SG)는 원자로에서 발생되어 1차 냉각계통으로 운반된 열을 이용하여 증기를 발생시키고, 발생된 증기를 2차 냉각계통을 통해 전달하여 터빈을 동작시킨다. 이러한 증기발생기의 기본구조는 통상 역U자형의 전열관을 갖는 열교환기로서 관 내를 1차 냉각재가, 관 외를 2차 냉각재가 흐르는 구조로 이루어지고, 관판, 관지지판 및 진동멈춤쇠 등을 통해 고속으로 흐르는 냉각재에 의한 진동으로부터 전열관을 지지하고 있다.
이때, 증기발생기의 전열관이 파손되는 경우, 고압의 1차 냉각계통으로부터 2차 냉각계통으로 냉각재가 누설되고, 그 양이 많으면 사고의 확대를 방지하기 위하여 비상노심냉각계통이 작동하는 사태까지 발생하게 된다.
전열관의 파손은 주로 전열관의 부식에 의한 감육(減肉)현상에 의해 발생하게 되는데, 이러한 전열관의 부식은 증기발생기 내부를 흐르는 냉각재의 pH와 밀접한 관련이 있다.
따라서 최근에는 2차 냉각재의 pH 제어를 위해 암모니아, 몰포린(morpholine), 에탄올아민(ethanolamine, ETA) 등의 pH 제어제를 사용하고 있으며, 이러한 2차 냉각재의 pH에 대한 정확한 측정과 제어는 전열관의 건전성을 유지하기 위해서는 상당히 중요한 공정이다.
그런데 현재까지의 원자력발전소의 pH 측정 시스템에서는 고온에서의 pH를 정확하게 측정하는 것이 어렵기 때문에, 정기적으로 시료를 채취하여 냉각시킨 후 상온에서의 pH를 측정하고 그를 바탕으로 전열관 내를 흐르는 고온의 냉각재의 pH를 추정하는 방식으로 냉각재의 pH를 검출하고 그에 검출결과에 따라 냉각재의 pH를 제어하고 있다.
그러나 이러한 pH 측정방식은 온도에 따른 화학반응에 대한 정확한 지식이 요구되고, 과도상태와 같은 비상 상황에 대한 즉시 대처가 어렵기 때문에 고온에서의 pH를 보다 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 공정은 상당히 중요해진다.
현재 개발된 고온 pH 센서로는 YSZ(Yittria-Stabilized Zirconia) 세라믹 막(ceramic membrane)을 이용하는 전극이 있으며, 이러한 전극은 pH를 측정하기 위하여 고온 기준전극을 필요로 한다. 그러나 고온 기준전극의 경우, 시간이 경과함에 따라 기준전위의 편향이 나타나고, 수명이 짧은 단점이 있으며, 작은 충격에도 파손되기 쉽고, YSZ 전극과 기준전극 사이에 측정되는 미세한 전위차는 발전소 환경에서 전자기파간섭(electro-magnetic interference, EMI)에 의한 영향을 받기 쉽다는 단점이 있어, YSZ와 같은 세라믹 막을 이용한 전극은 실제로 적용되기 보다는 주로 실험실의 고온 환경에서 부식 손상을 연구하기 위한 센서로 활용되고 있는 실정이다.
한편, 미국 EPRI(Electric Power Research Institute)는 1994년도부터 광섬유를 이용한 pH 센서의 개발을 시작하여, 2000년도에는 200℃의 온도에서 pH를 측정할 수 있는 광섬유 pH 센서를 개발하였다. 그러나 이러한 센서를 적용하여 pH를 측정하는 경우에 있어서도, 결국 고온의 시료를 채취하고, 이에 pH 반응물질을 주입하여 pH 반응물질이 변색되는 현상을 광섬유를 사용하여 측정하고 있을 뿐이어서, 200℃ 정도의 고온 시료를 냉각 과정 없이 직접 pH를 측정한다는 점에서만 일부 차이를 보이고 있을 뿐, 앞에서 설명한 종래의 pH 측정방법과 그 기본 측정 루틴(routine)이 동일하다.
즉, 상술한 pH 센서를 적용한다 하더라도 원자력 발전소의 냉각계통에서와 같이 300℃ 이상의 고온 냉각재의 pH를 인시츄(in-situ)로 측정할 수 없으며, 또한 유체와 반응하는 pH 반응물질을 지속적으로 투입하여야 한다는 문제점이 여전히 존재한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 유체 채널로 삽입되는 광섬유의 외주면을 보호튜브로 둘러싸고, 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 방수막을 형성한 후, 상기 방수막의 표면에 졸-겔(sol-gel)법으로 형성된 다공성의 pH 반응막을 구비함으로써 광섬유가 고온?고압의 유체에 직접 접촉되어 열화되는 것을 방지함과 동시에, 졸-겔법을 통해 형성된 다공성의 pH 반응막 내에 pH 반응물질을 함침시켜 사용함으로써 pH 반응물질의 열화를 효과적으로 방지할 수 있어 원자력 발전소의 냉각계통과 같이 고온?고압 환경 하에서의 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브 및 이를 이용한 pH 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브는, 코어와 클래딩으로 이루어져 광을 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유에서 유체 채널에 삽입되는 부분의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브와; 상기 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 연결되어, 상기 보호튜브의 내부를 밀폐시키는 방수막과; 상기 방수막 상부에 구비되며, 유체와 반응하여 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 함침되어 있는 pH 반응막; 및 일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 단부에 연결되며, 몸체에는 몸체 외부를 흐르는 유체를 몸체 내부로 유입시키기 위해 몸체를 가로지르며 관통하는 유입구가 형성되어 있는 캡;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브를 이용한 pH 측정 시스템은, 유체 채널에 삽입되어 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 형성되어 있는 프로브와; 상기 프로브로부터 연장되는 광섬유와; 상기 광섬유의 끝단에 연결되는 광 커플러와; 상기 광 커플러에 제1광섬유를 통해 연결되고, 일정한 파장의 광을 방출하는 광원과; 상기 광 커플러에 제2광섬유를 통해 연결되어, 상기 제2광섬유를 통해 전송되는 광을 검출하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 이용하여 유체의 pH값을 출력하는 광신호처리부; 및 상기 광신호처리부에서 출력된 pH값을 입력받아 외부로 출력하는 pH 출력부;를 포함하여 구성되어, 상기 광원으로부터 방출되어 상기 프로브의 pH 반응물질을 투과하며 파장이 변경된 광을 상기 광 커플러를 통해 수광하여 검출함으로써 유체의 pH값을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브는, 프로브를 구성하는 광섬유가 보호튜브와 방수막을 통해 고온의 유체에 직접 접촉되지 않고, pH 반응물질이 내구성이 좋은 pH 반응막 내에 함침되어 구성되기 때문에, 유체에 의한 열화를 방지할 수 있어, 고온?고압 환경 하에서 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 장기간 동안 사용이 가능하여 잦은 교체에 따라 소요되는 유지비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 광섬유 프로브의 내부 구성을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브를 유체 채널을 형성하는 벽체의 관공에 삽입한 상태를 보여주는 도면.
도 4는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브를 이용한 pH 측정 시스템의 구성을 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 광섬유 프로브의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브(100)는, 코어(미도시)와 클래딩(미도시)으로 이루어져 광을 전송하는 광섬유(110)와; 상기 광섬유(110)의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브(120)와; 상기 보호튜브(120)에 둘러싸인 광섬유(110)의 단부에 연결되어 보호튜브(120) 내부를 밀폐시키는 방수막(140)과; 상기 방수막(140) 상부에 구비되며, 유체와 반응하여 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 함침되어 있는 pH 반응막(142); 및 일측에 개방부(133)가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부(133)를 통해 보호튜브(120)에 둘러싸인 광섬유(110)의 단부에 연결되며, 몸체에는 몸체 외부를 흐르는 유체를 몸체 내부로 유입시키기 위해 몸체를 가로지르며 관통하는 유입구(134)가 형성되고, 상기 개방부(133)에 대향하는 위치의 몸체 내벽에는 상기 광섬유(110)를 통해 입사되는 광을 반사시키는 반사막(138)이 형성되어 있는 캡(130);을 포함하여 구성된다.
광섬유(110)는 기본적으로 소정의 반사율을 갖는 물질로 이루어진 코어와, 코어와 반사율이 서로 다른 물질로 이루어진 클래딩으로 구성되는 유리 광섬유로 구성된다.
또한, 고온?고압 환경 하에서의 광섬유(110)의 열화를 방지하기 위해, 상기 클래딩의 외주면에는 내열성이 좋은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 주석(Sn) 등의 금속물질을 코팅하였다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 광섬유(110)는 다시 보호튜브(120) 내에 삽입되어 유체 채널로 삽입되게 되는데, 보호튜브(120)는 스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되고 있으며, 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금은 내화학성 및 내열성이 우수한 재질로서, 고온?고압 환경의 유체 채널에 노출되는 광섬유(110)를 효과적으로 보호할 수 있다.
보호튜브(120)는 내부에 광섬유(110)를 삽입하기 위한 중공부(122)가 형성되어 있고, 일측 단부, 즉 캡(130)이 연결되는 몸체 상부 외주면에는 캡(130)과의 결합을 위한 나사산(126)이 형성되어 있다. 이때, 광섬유(110)와 보호튜브(120)의 결합시 보호튜브(120) 내부에 유체가 유입되는 것을 방지하기 위하여 광섬유(110)의 외주면과 보호튜브(120)의 내주면이 상호 밀착되도록 구성하는 것이 좋다.
캡(130)이 연결되는 보호튜브(120)의 끝단에는 방수막(140) 및 pH 반응막(142)을 수용하기 위한 삽입홈(124)이 형성되며, 보호튜브(120)의 삽입홈(124)에 삽입되는 방수막(140)은 보호튜브(120) 내에 삽입된 광섬유(110)의 단부에 밀착되어 보호튜브(120) 내부를 밀폐시키도록 연결된다.
방수막(140)은 고온?고압의 유체 채널 내에 직접 노출되기 때문에 내열성 및 내화학성이 우수하고, 광섬유(110)를 통해 전달되는 광을 투과시킬 수 있는 투명한 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 예로서 유리나 석영, 또는 사파이어 등이 사용될 수 있다.
방수막(140)의 상부에 구비되는 pH 반응막(142)은 졸-겔(sol-gel)법을 통해 형성된 다공성의 물질로서, 내부에 pH 반응물질이 함침되어 있는 형태로 구성된다.
통상적으로 졸-겔은 실리콘이나 금속 알콕사이드(metal alkoxide) 단위 전구체(precursor)를 기반으로 합성한 용액에서 생성된 입자 형태의 졸 또는 고분자 형태의 졸이 겔화 과정을 통해 무기질 망상조직(network)으로 변화되어 생성되는 물질로서, 건조과정을 통해 경화되면서 기계적 강도가 강화되어 다공질의 박막이나 코팅재료 등으로 사용될 수 있다. 또한, 졸-겔공정은 높은 균질성과 낮은 소성온도(firing temperature), 다공성 고분자막을 비교적 간단한 방법으로 제조할 수 있는 방법으로, 다른 환경 인자에 대한 저항성이 크고, 빛의 투과성이 우수하기 때문에 광학 센서 제작에 유용하다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 졸-겔법을 통해 내구성이 좋은 pH 반응막(142)을 형성하고, pH 반응막(142)을 형성하는 과정에서 유체의 pH 측정을 위한 pH 반응물질을 함침시켜 구성함으로써 고온?고압의 환경 하에서도 장기간 사용이 가능하도록 하였다.
또한, 본 발명에서는 pH 반응막(142)을 다공성의 실리콘 산화물로 형성하였고, 졸-겔 용액으로 물이나 물과 알콜의 혼합 용매에 실리카 전구체로서의 TEOS(TetraEthyl OrthoSilicate)와 실란 결합제로서의 GPTMS(GlycidoxyPropyl TriMethoxySilane)를 1 : 1 ~ 3 : 1의 부피비로 혼합하고, 산 촉매제로서 염산과 pH 반응물질을 첨가하여 상온에서 20시간 이상 교반함으로써 졸-겔 용액을 제조하고, 제조된 졸-겔 용액을 방수막(140) 상부에 코팅하여 상온에서 3 ~ 7일 동안 건조시킨 후 65 ~ 70℃의 오븐에서 경화시켜 pH 반응막(142)을 형성하였다.
이렇게 형성된 방수막(140) 및 pH 반응막(142)은 삽입홈(124)에 삽입되어 상기 광섬유(110)의 단부에 밀착, 결합되는데, 이때, 상술한 바와 같이 구성되는 광섬유 프로브(100)는 고압의 유체 채널에 직접 삽입되기 때문에, 보호튜브(120)와 방수막(140) 및 pH 반응막(142) 사이의 연결부위를 통해 유체가 유입되어 광섬유(110)를 손상시키는 것을 방지하기 위해, 삽입홈(124)을 형성하는 보호튜브(120)의 내벽과 방수막(140) 및 pH 반응막(142)의 연결부위에는 내열성을 갖는 오링이나 별도의 실런트 등의 밀폐부재(150)를 이용한 방수처리를 수행하는 것이 좋다.
캡(130)은 광섬유(110)를 삽입시킬 수 있도록 내부에는 몸체 일측에 개방부(133)가 형성되어 있는 중공부(132)가 형성되고, 몸체 외부를 흐르는 유체를 중공부(132)로 유입시킬 수 있도록 몸체를 관통하며 중공부(132)를 가로지르는 유입구(1134)가 형성되며, 보호튜브(120)와 결합되는 개방부(133)의 입구측 내주면에는 보호튜브(120)에 형성되어 있는 나사산(122)과의 결합을 위한 나사홈(136)이 형성되어 있다.
캡(130)은 개방부(133)를 통해 보호튜브(120)에 둘러싸여져 방수막(140) 및 pH 반응막(142)이 연결되어 있는 광섬유(110)를 중공부(132)로 삽입시킨 상태로 보호튜브(120)의 일측 단부에 연결되며, 연결시 보호튜브(120)의 외주면에 형성되어 있는 나사산(124)과 캡(130)의 내주면에 형성되어 있는 나사홈(136)의 나사결합을 통해 연결된다.
상술한 구성의 캡(130)은 앞서 설명한 보호튜브(120)와 마찬가지로 내화학성이 좋아 유체에 의해 쉽게 부식되지 않는 스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성하였다.
이렇게 구성된 프로브(100)를 고온?고압의 유체 채널에 삽입하면, 유체 채널을 흐르는 유체는 상기 캡(130)에 형성된 유입구(134)를 통해 캡(130) 내부의 중공부(132)를 통과하여 흐르게 되고, 이에 따라 pH 반응막(142) 내에 함침되어 있는 pH 반응물질은 상기 유체의 pH에 따라 그 색상이 변화하게 된다.
이때, 상술한 유체와의 반응을 통해 색상이 변화된 pH 반응물질에 광섬유(110)를 통해 전송되는 광을 투사하면, 투사된 광의 광학적 특성, 즉 광의 파장이 변경되게 되고, 이렇게 변경된 파장을 갖는 광을 다시 상기 광섬유(110)를 통해 수광하여 분석함으로써 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있게 된다. 이때, 상기 개방부(132)에 대향하는 위치의 캡(130) 몸체 내벽에 반사율이 높은 물질로 이루어진 반사막(138)을 형성하게 되면, 상기 pH 반응물질을 투과하며 발생되는 변경된 파장의 광의 검출효율을 더욱 높일 수 있다.
즉, 캡(130) 내벽에 형성되는 반사막(138)은 광섬유(110)를 통해 전송되어 방수막(140)과 pH 반응막(142)을 투과한 광을 반사시켜 다시 광섬유(110)로 입사시키게 되며, 그 재료로는 반사율이 높은 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광섬유 프로브(100)는 고온?고압의 유체 채널에 삽입되어 유체 채널을 따라 흐르는 유체의 pH를 측정하게 되는데, 유체의 흐름에 의해 프로브(100)가 유체 채널 내로 유실될 우려가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 프로브(100)를 유체 채널을 형성하는 벽체(700)에 형성된 관공(710)에 삽입할 때 프로브(100)의 하부측이 관공(710)보다 큰 직경을 갖도록, 보호튜브(120)의 외주면에 테이퍼 또는 단턱 형태로 구성되는 이탈방지턱(128)을 구성하여 유체 채널 내부로 프로브(100)가 유실되는 것을 방지하였다.
또한, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 구성을 통해, 고온?고압 환경 하의 유체 채널 내에서 광섬유가 유체에 직접 접촉되어 열화되는 것을 방지하는 동시에, 내구성이 향상된 pH 반응막을 이용하여 구성된 프로브를 통해, 유체의 pH를 정확하게 측정할 수 있도록 pH 측정 시스템을 구현하였다.
즉, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브를 이용한 pH 측정 시스템에서는, 광섬유(110)를 보호튜브(120) 내에 삽입하고 광섬유(110)의 단부에 방수막을 연결하여 광섬유(110)가 유체와 직접 접촉되는 것을 방지함과 동시에, 방수막(140) 상부에 졸-겔법을 통해 형성되어 내구성을 향상된 pH 반응막(142)이 구비된 프로브(100)를 적용하고, 유체의 pH에 대응하여 파장이 변경된 광을 프로브(100)를 통해 전송받아 검출하여, 검출된 광의 파장을 통해 유체의 pH를 측정함으로써 고온?고압의 환경 하에서도 정확한 유체의 pH 측정이 가능하게 되었다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 프로브를 이용하여 구성된 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정 시스템에 대하여 설명한다.
도 4는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브를 이용한 pH 측정 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정 시스템은, 유체 채널에 삽입되어 유체의 pH에 따라 색상이 변경되는 pH 반응물질이 형성되어 있는 광섬유 프로브(100)와; 상기 광섬유 프로브(100)로부터 연장되는 광섬유(110)와; 상기 광섬유(110)의 끝단에 연결되는 광 커플러(300)와; 상기 광 커플러(300)에 제1광섬유(214)를 통해 연결되고, 일정한 파장의 광을 방출하는 광원(400)과; 상기 광 커플러(300)에 제2광섬유(212)를 통해 연결되어, 상기 제2광섬유(212)를 통해 전송되는 광을 검출하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 이용하여 유체의 pH값을 출력하는 광신호처리부(500); 및 상기 광신호처리부(500)에서 출력된 pH값을 입력받아 외부로 출력하는 pH 출력부(600);를 포함하여 구성된다.
상기 광섬유 프로브(100)는 유체 채널에 삽입되어, 캡(130)에 형성된 유입구(134)를 통해 중공부(132)로 유입된 유체와의 반응에 의해 색상이 변화된 pH 반응물질에 광섬유(110)를 통해 전송되는 광을 투사하고, 투사된 광이 pH 반응물질을 투과하면서 파장이 변경된 광을 다시 광섬유(110)를 통해 수광하여 전송한다.
이때, 프로브(100)로부터 연장되는 광섬유(110)는 프로브(100)를 구성하는 광섬유와 동일한 구성을 갖게 되고, 이러한 광섬유(110)는 고압?고온 환경 하에서 견딜 수 있도록 광섬유를 구성하는 클래딩의 표면에 금속물질을 코팅하여 구성된 것으로서, 매우 고가(高價)이므로 시스템을 구성하는데 비용을 증가시키게 된다. 따라서 프로브(100)의 후단으로 연장되어 수광된 광을 광 커플러(300)로 전달하는 광섬유를 구성함에 있어서는, 상기 프로브(100)의 후단으로 연장되는 광섬유(110)에 광 커넥터(200)를 이용하여 비교적 저가(低價)의 유리광섬유(210)나 플라스틱 광섬유(210)를 연결하여 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 구성을 통하여, 본 발명에 따른 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정 시스템에서는, 광원(400)에서 방출되어 제1광섬유(214)를 통해 광 커플러(300)에 전달된 광은, 광 커플러(300)에 연결된 광섬유(110)를 통해 프로브(100)로 전송되고, 상기 프로브(100)에서 유체의 pH에 따라 파장이 변경된 광은 다시 광섬유(110)를 통해 광 커플러(300)로 전송되며, 광 커플러(300)를 통과하는 과정에서 파장이 변경된 광만이 선별되어 제2광섬유(212)를 통해 광신호처리부(500)로 전송되게 된다.
이후 광신호처리부(500)는 제2광섬유(212)를 통해 전송된 광을 검출하여 검출된 광을 분광분석함으로써 유체의 pH값을 출력하고, 광신호처리부(500)에서 출력되는 유체의 pH값은 pH 출력부(600)를 통해 실시간으로 외부로 출력된다. 이때, pH 출력부(600)로는 컴퓨터나 pH 지시계가 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 프로브 110 : 광섬유
120 : 보호튜브 122 : 중공부
126 : 삽입홈 128 : 이탈방지턱
130 : 캡 134 : 유입구
138 : 반사막 140 : 방수막
142 : pH 반응막 150 : 밀폐부재
200 : 광 커넥터 210 : 유리광섬유(플라스틱 광섬유)
212 : 제2광섬유 214 : 제1광섬유
300 : 광 커플러 400 : 광원
500 : 광신호처리부 600 : pH 출력부

Claims (10)

  1. 코어와 클래딩으로 이루어져 광을 전송하는 광섬유와;
    상기 광섬유에서 유체 채널에 삽입되는 부분의 외주면을 둘러싸도록 형성되는 보호튜브와;
    상기 보호튜브로부터 노출되는 광섬유의 단부에 연결되어, 상기 보호튜브의 내부를 밀폐시키는 방수막과;
    상기 방수막 상부에 구비되며, 유체와 반응하여 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 함침되어 있는 pH 반응막; 및
    일측에 개방부가 형성된 중공형의 몸체로 형성되어, 상기 개방부를 통해 보호튜브에 둘러싸인 광섬유의 단부에 연결되며, 몸체에는 몸체 외부를 흐르는 유체를 몸체 내부로 유입시키기 위해 몸체를 가로지르며 관통하는 유입구가 형성되어 있는 캡;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래딩의 외주면에는,
    알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 한가지의 금속물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호튜브는,
    스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방수막은,
    유리, 석영판 또는 사파이어로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 pH 반응막은,
    졸-겔 용액으로 물 또는 물과 알콜의 혼합 용매에 실리카 전구체로서의 TEOS(TetraEthyl OrthoSilicate)와 실란 결합제로서의 GPTMS(GlycidoxyPropyl TriMethoxySilane)를 1 : 1 ~ 3 : 1의 부피비로 혼합하고, 산 촉매제로서 염산과 pH 반응물질을 첨가하여 상온에서 20시간 이상 교반함으로써 졸-겔 용액을 제조하고, 상기 졸-겔 용액을 상기 방수막 상부에 코팅하여 상온에서 3 ~ 7일 동안 건조시킨 후 65 ~ 70℃의 오븐에서 경화시켜 형성된 투명재질의 실리콘산화물인 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호튜브의 끝단에는 상기 방수막 및 pH 반응막을 수용하기 위한 삽입홈이 형성되고,
    상기 방수막 및 pH 반응막은 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 광섬유의 단부에 밀착되도록 구성되되,
    상기 삽입홈을 형성하는 보호튜브의 내벽과 상기 방수막 및 pH 반응막의 연결부위는 밀폐부재가 개재되어 방수처리되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡은,
    스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡의 내부에는,
    상기 개방부에 대향하는 위치의 캡 몸체 내벽에는,
    알루미늄(Al), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 한 가지 금속물질로 형성되는 반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호튜브의 후단부 외주면에는,
    테이퍼 또는 단턱 형태로 구성되는 이탈방지턱이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정을 위한 광섬유 프로브.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 기재된 광섬유 프로브를 이용하여 원자력 발전소 냉각계통의 pH를 측정하는 시스템에 있어서,
    유체 채널에 삽입되어 유체의 pH에 따라 색상이 변화되는 pH 반응물질이 형성되어 있는 프로브와;
    상기 프로브로부터 연장되는 광섬유와;
    상기 광섬유의 끝단에 연결되는 광 커플러와;
    상기 광 커플러에 제1광섬유를 통해 연결되고, 일정한 파장의 광을 방출하는 광원과;
    상기 광 커플러에 제2광섬유를 통해 연결되어, 상기 제2광섬유를 통해 전송되는 광을 검출하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 이용하여 유체의 pH값을 출력하는 광신호처리부; 및
    상기 광신호처리부에서 출력된 pH값을 입력받아 외부로 출력하는 pH 출력부;
    를 포함하여 구성되어,
    상기 광원으로부터 방출되어 상기 프로브의 pH 반응물질을 투과하며 파장이 변경된 광을 상기 광 커플러를 통해 수광하여 검출함으로써 유체의 pH값을 측정하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 냉각계통의 pH 측정 시스템.
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