KR20220053327A - 광학 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

광학 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는, 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우를 구비하는 가열로; 상기 중공에 배치되는 튜브를 구비하고, 상기 튜브 내에 시편의 배치가 가능한 시편 배치부 및 상기 튜브 내에 배치된 시편을 상기 윈도우를 통해 촬영하도록 배치되는 촬영부를 포함하고, 상기 가열로에 의해 상기 시편이 가열되는 상태에서 상기 촬영부에 의해 상기 시편의 이미지가 획득될 수 있다.

Description

광학 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPTICAL MEASURING}
본 발명은 광학 측정 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 핵연료 거동 분석을 위해 고온 조건에서 핵연료 피복관의 변형 시험을 수행하기 위한 광학 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
냉각재 상실 사고(Loss of Coolant Accident, LOCA)와 같은 원자로 사고 조건에서, 핵연료 거동을 분석하기 위해서는 고온(일반적으로, 600~1200℃) 조건에서의 피복관 변형 시험이 요구된다. 고온 변형 실험은 목적에 따라 등온조건 또는 과도가열조건에서 수행되며, 정량적인 평가를 위하여 실시간으로 변형량 측정이 필요하다.
등온 또는 과도가열의 정밀한 고온 제어의 수행에는 적외선(IR) 가열로가 효과적이다. 그러나 적외선 가열로의 경우 실시간 계측장비 적용에는 많은 제약이 존재한다.
구체적으로, 적외선 가열로는 구조상 접촉식 변형측정 장비인 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)의 설비에 제약이 있다. 또한, 적외선 특성 때문에 비접촉식 레이저 센서 및 DIC(Digital Image Correlation) 계측기의 적용이 불가능하다.
한편, 자외선(UV) 파장의 레이저 센서의 경우 적외선(IR) 영향에서 일부 활용이 가능하나, 쿼츠 튜브 및 피복관의 곡면 형상은 레이저의 굴절을 일으키며, 피복관의 곡면 형상을 측정하거나 변형 과정에서 일정한 지점의 변화를 측정하는 것이 어려운 문제가 있다.
이와 같은 상황 속에서, 적외선 가열로를 이용한 고온 조건에서의 핵연료 피복관 변형 시험 시 피복관의 변형을 비접촉식으로 정확하게 측정할 수 있게 해주는 광학 측정 기술의 개발이 요구되고 있다.
JP 2986964 B2
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 적외선 가열로를 이용한 고온 조건에서의 핵연료 피복관 변형 시험 시 피복관의 변형을 비접촉식으로 정확하게 측정할 수 있게 해주는 광학 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 핵연료 피복관의 시편의 경계가 정확하게 나타나는 이미지를 효과적으로 획득할 수 있게 해주는 광학 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온 조건에서의 핵연료 피복관 변형 시험 시 불확도를 정밀하게 파악할 수 있게 해주는 광학 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우를 구비하는 가열로; 상기 중공에 배치되는 튜브를 구비하고, 상기 튜브 내에 시편의 배치가 가능한 시편 배치부 및 상기 튜브 내에 배치된 시편을 상기 윈도우를 통해 촬영하도록 배치되는 촬영부를 포함하고, 상기 가열로에 의해 상기 시편이 가열되는 상태에서 상기 촬영부에 의해 상기 시편의 이미지가 획득될 수 있는 광학 측정 장치가 제공된다.
이때, 상기 가열로는 적외선(IR) 가열로로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 중공은 다각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 중공과 상기 튜브는 길이 방향 일단과 타단 사이의 일부 구간의 길이 방향 단면적이 확장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 튜브는 석영 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 시편 배치부는, 상기 튜브의 일단 측에 배치되어 상기 시편을 고정하는 시편 고정부 및 상기 튜브의 일단 측에 배치되어 상기 시편의 내부로 기체 압력을 공급하는 압력 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 시편 배치부는, 상기 튜브의 타단 측에 배치되는 불활성 가스 주입부 및 상기 불활성 기체 주입부와 연결되어 상기 튜브의 내부로 상기 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 측정 장치는, 상기 튜브 내의 온도를 측정하도록 배치되는 온도계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 촬영부는, 상기 시편을 촬영하는 카메라 및 가시광선 영역의 파장만을 투과시키도록 상기 카메라의 전방에 배치되는 밴드 패스 필터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시편은 핵연료 피복관으로서, 길이 방향을 따라 중공이 형성된 몸체 및 상기 몸체의 외면에 형성된 페인트층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 측정 장치는, 상기 촬영부에 의해 획득된 이미지를 분석하여 상기 시편의 경계를 추출하는 이미지 분석부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 측정 장치는, 서로 상이한 외경으로 형성된 복수의 구간을 가지는 검증 시편을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우를 구비하는 가열로를 준비하고, 상기 중공 내에 배치되는 석영 재질의 튜브 내에 핵연료 피복관의 시편을 배치하는 단계; 상기 가열로 내의 시편을 가열하며, 상기 윈도우를 통해 상기 시편을 촬영하는 단계 및 상기 시편의 변형 정도를 파악하기 위하여 촬영된 시편의 이미지를 분석하는 단계를 포함하는 광학 측정 방법이 제공된다.
이때, 상기 시편은 외면에 페인트층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 시편을 가열하며 촬영하는 단계는 상기 시편의 내부로 기체 압력이 공급되고, 상기 튜브의 내부로 불활성 기체가 공급되는 상태에서 진행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 핵연료 피복관의 시편이 가열되는 상태에서 촬영부에 의해 촬영된 시편의 이미지를 분석하여 시편의 변형 정보를 정확하게 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시편이 배치되는 부분에 확경부를 구비하는 튜브, 시편에 형성된 페인트층 등을 통해 촬영된 시편의 이미지에서 시편의 경계가 명확하게 나타나도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상이한 직경으로 형성된 다수의 구간을 포함하는 별도의 검증 시편을 통해 핵연료 피복관 변형 시험 시 불확도를 정밀하게 파악할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 사용되는 핵연료 피복관의 시편을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 작동 모습을 단면으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에서 얻어진 시편의 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 변형예의 작동 모습을 단면으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에서 얻어진 시편의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 이미지 분석부에 의해 이미지가 처리되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 의해 얻어진 시편의 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 9는 검증 시편을 나타낸 도면이다.
도 10은 검증 시편을 다양한 밝기에서 촬영한 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 11은 다양한 밝기에서의 검증 시편 이미지의 오차를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 사용되는 핵연료 피복관의 시편을 나타낸 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 작동 모습을 단면으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는 핵연료 피복관 고온변형 실험의 온도 제어에 효과적인 적외선(IR) 가열로에 적용 가능한 이미지 분석을 수행하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는 가열로 내의 중공에 배치된 튜브에 핵연료 피복관 시편을 배치한 상태에서, 상기 시편을 가열하며 촬영할 수 있도록 구성되며, 촬영된 이미지를 분석함으로써 고온(예를 들면, 600~1200℃ 조건에서의 피복관 변형 정도를 정확하게 측정할 수 있게 해준다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는 가열로(10), 시편 배치부(20), 촬영부(30), 온도계(40) 및 이미지 분석부(50)를 포함할 수 있다.
가열로(10)는 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우(13)를 구비한다. 이때, 가열로(10)는 적외선(IR) 가열로로 이루어질 수 있다. 적외선 가열로는 시험 시 온도제어에 효과적인 장점이 있다.
가열로(10)의 중공은 다각 기둥 형상(예를 들면, 육각 기둥 형상)으로 형성될 수 있다. 즉, 가열로(10)는 중공을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 가열로(10)가 이러한 형태를 가질 경우 상기 중공으로의 열전달이 균일하게 이루어질 수 있다. 또한, 윈도우(13)는 가열로(10)의 일면에 형성될 수 있다.
가열로(10)의 제어는 가열로(10)와 연결된 가열 제어부(미도시)에 의해 이루어질 수 있다. 가열로(10)는 제어에 따라 등온 또는 과도가열 등을 수행할 수 있다. 이때, 가열온도는 600~1200℃가 될 수 있다.
시편 배치부(20)는 튜브(21), 시편 고정부(22), 불활성 기체 주입부(23), 압력 공급부(24) 및 기체 공급부(25)를 포함할 수 있다.
튜브(21)는 가열로(10)의 중공에 배치되고, 튜브(21) 내에는 시편(100) 배치된다. 튜브(21)는 냉각재 상실 사고(LOCA) 모사 실험 시 시편(100) 주변 분위기 조성을 위해 사용된다. 구체적으로, 튜브(21) 내에 시편(100)이 배치된 상태에서 불활성 기체가 튜브(21) 내로 공급됨으로써 시편(100)이 산소와 반응하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 튜브(21)는 상기 중공을 따라 상기 중공을 관통하여 배치된다. 즉, 튜브(21)는 상기 중공 내에 라이너와 같은 형태로 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 튜브(21)와, 튜브(21)가 배치되는 중공은 길이 방향 일단과 타단 사이의 일부 구간의 길이 방향 단면적이 확장되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 중공은 길이 방향 일단과 타단 사이의 일부 구간이 폭방향으로 확장되어 형성되고, 튜브(21) 가운데 상기 중공의 확장 구간에 배치되는 부분은 확경되어 형성될 수 있다.
더욱 상세하게, 본 발명의 일 실시예에서, 튜브(21)의 일단과 타단의 소정 구간은 제 1 직경으로 이루어진 소경부(21a)로 이루어지고, 튜브(21)의 일단과 타단 사이는 제 1 직경보다 큰 제 2 직경으로 형성된 대경부(21b)로 형성되어 있다.
도 4에는 도 3에서 얻어진 시편의 이미지가 나타나 있다. 도 4에 나타난 이미지는 시편(100) 가운데 튜브(21)의 대경부(21b)에 배치된 부분이 촬영된 것이다. 이를 살펴보면, 튜브(21)의 대경부(21b)는 가열로(10) 내의 적외선 램프와의 간격을 좁힘으로써 적외선 램프의 잔상이 튜브(21)에 맺히는 것을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 촬영된 이미지에 램프의 잔상으로 인한 블러(blur)가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 변형예의 작동 모습이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 가열로(10)의 중공은 확장 구간을 포함하고 있지 않으며 그 길이 방향 단면적이 균일하게 형성되어 있다. 이에 따라 튜브(21) 역시 대경부(21b) 보다 작은 단일한 직경을 가지고 그 길이 방향 단면적이 균일하게 형성되어 있다.
도 6에는 도 5에서 얻어진 시편의 이미지가 나타나 있다. 도 6을 참조하면, 도 5와 같은 변형예에 의할 경우 튜브(21)와 가열로(10) 내의 적외선 램프 사이의 간격이 상대적으로 커지게 되어 적외선 램프의 잔상이 튜브(21)에 맺히게 되고, 이로 인하여 촬영된 이미지에 램프의 잔상으로 인한 블러(blur)가 나타남을 확인할 수 있다.
한편, 튜브(21)는 석영 재질로 이루어질 수 있다. 석영은 투명한 성질을 가지고 있어, 튜브(21) 내에 배치된 시편(100)의 촬영이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 석영은 불활성 분위기의 조성에 적합한 성질을 가지고 있다.
시편 고정부(22)는 튜브(21)의 일단 측에 배치되어 시편(100)을 고정한다. 시편 고정부(22)는 핵연료 피복관과 같은 관형 시편을 고정하는 임의의 방식을 채택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 시편 고정부(22)는 시편(100)의 일단은 고정하되, 시편(100)의 타단은 열에 의해 변형(신장)될 수 있는 형태로 시편(100)을 고정할 수 있다. 이에 따라 가열로(10)에 의한 가열 시 시편(100)은 타단 측으로 변형될 수 있다.
불활성 가스 주입부(23)는 튜브(21)의 타단 측에 배치된다. 불활성 가스 주입부(23)는 불활성 가스가 튜브(21) 내로 주입될 수 있는 인터페이스를 제공할 수 있다. 불활성 가스는 시편(100)이 고온 환경에서 산소와 반응하여 산화되는 것을 방지하여 준다.
압력 공급부(24)는 튜브(21)의 일단 측에 배치되어 시편(100)의 내부로 기체 압력을 공급한다. 압력 공급부(24)는 기체를 공급하는 관과, 관로를 개폐하는 밸브 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 시험 대상이 되는 시편(100)은 내부에 핵연료가 장전되는 것이 예정되어 있는 핵연료 피복관이다. 실제 핵연료 피복관에 핵연료를 장전할 때에는 내부에 헬륨(He)이 충전(30bar 이상)되고, 운전 과정에서 핵분열 가스가 발생되므로 핵연료 피복관의 내압이 상승하게 된다. 그러나 시험 과정에서는 실제 핵연료가 사용되지 않는다. 이에 따라 내부 자유체적(Free volume)을 유사하게 하기 위해 시편(100) 내에는 알루미나로 제작된 모의 펠렛(핵연료)이 장착되고, 압력 공급부(24)는 원자로 운전 과정에서의 내부 압력을 모사하기 위해 시편(100)의 내부로 기체 압력을 공급한다.
예를 들면, 압력 공급부(24)는 불활성 기체를 소정의 압력으로 공급할 수 있다. 이때, 불활성 기체는 아르곤(Ar)이 될 수 있다.
기체 공급부(25)는 불활성 기체 주입부(23)와 연결되어 튜브(21)의 내부로 불활성 기체를 공급한다. 전술한 바와 같이, 불활성 기체는 고온 환경에서 시편(100)이 산소와 반응하는 것을 방지하여 준다.
기체 공급부(25)는 기체를 공급하는 관과, 관로를 개폐하는 밸브 등을 포함할 수 있다. 이때, 불활성 기체는 아르곤(Ar)이 될 수 있다.
촬영부(30)는 튜브(21) 내에 배치된 시편(100)을 윈도우(13)를 통해 촬영하도록 배치된다. 본 발명의 일 실시예에서, 촬영부(30)는 가열로(10)의 외부에 촬영 방향이 윈도우(13) 측으로 형성되도록 배치되어 있다.
촬영부(30)는 가열로(10)에 의해 시편(100)이 가열되는 상태에서 촬영을 수행하여 시편(100)의 이미지를 획득한다. 본 발명의 일 실시예에서, 촬영부(30)는 카메라(31) 및 밴드 패스 필터(32)를 포함한다.
카메라(31)는 시편(100)을 촬영한다. 예를 들면, 카메라(31)는 DSLR 카메라일 수 있다. 또한, 이미지의 왜곡을 최소화하기 위해 카메라(31)에는 접사렌즈가 장착될 수 있다.
카메라(31)의 해상도와 촬영 속도는 필요에 따라 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치를 이용한 시험에서 측정의 정밀성은 해상도에 비례하며, 데이터의 양은 촬영속도에 비례한다.
밴드 패스 필터(32)는 가시광선 영역의 파장 만을 투과시키도록 카메라(31)의 전방에 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가열로(10)는 적외선 가열로로 이루어질 수 있으며, 적외선 가열로 사용 시 온도 및 가열 속도에 따라 출력이 변화하여 이미지 밝기에 영향을 미치는 문제점이 있다. 밴드 패스 필터(32)는 이미지 밝기에 상관없이 가시광선 영역의 파장(380nm~780nm)만을 투과시킴으로써 촬영되는 이미지의 밝기의 편차를 줄여준다.
온도계(40)는 튜브(21) 내의 온도를 측정하도록 배치된다. 온도계(40)에 의해 측정된 온도는 시험 조건에 대한 데이터로서 수집될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 온도계(40)는 튜브(21)의 일측을 통하여 튜브(21) 내로 삽입 배치되어 있다. 고온 조건에서의 피복관 변형 시험 시 열이 집중적으로 가해지는 시편(100)의 중앙 부분의 온도 측정이 중요하므로, 온도계(40)는 시편(100)의 중앙 부분 근방의 온도를 측정할 수 있는 형태로 배치되는 것이 바람직하다.
이미지 분석부(50)는 촬영부(30)에 의해 획득된 이미지를 분석하여 시편(100)의 경계를 추출한다. 추출된 경계를 통해 시편(100)의 직경 변화가 계산될 수 있다. 이미지 분석부(50)의 분석 결과를 통해 고온 조건에서의 시편(100)의 변형 정도가 산출될 수 있다. 다시 말하면, 이미지 분석부(50)는 시편(100)의 경계를 탐지하여 피복관의 외경에 해당하는 경계를 추출하고, 이를 통해 경계 변화를 계산하는 광학 측정법을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이미지 분석부(50)는 이미지에서 시편(100)의 경계를 추출하고, 그 직경의 변화를 계산하기 위한 프로그램이 설치된 컴퓨터로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 사용되는 핵연료 피복관의 시편(100)은 길이 방향을 따라 중공이 형성된 몸체(110) 및 몸체(110)의 외면에 형성된 페인트층(120)을 포함한다. 페인트층(120)은 고온용 검은색 스프레이로 페인팅되어 이루어질 수 있다.
페인트층(120)이 형성되어 있지 않을 경우 시편(100)의 금속 표면의 빛 반사로 인해 시편(100)과 가열로(10)의 적외선 램프 사이의 뚜렷한 구분이 어려워지고, 이미지의 추출 시 시편(100)의 표면에 맺힌 빛에 의해 불필요한 경계가 추출되어 시편(100)의 직경 측정의 정확도가 저하된다. 그러나 시편(100)의 몸체(110)의 외면에 페인트층(120)이 형성된 경우 시편(100)의 표면 반사가 방지되므로 이미지 분석 시 시편(100)의 경계를 정확하게 추출할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치의 이미지 분석부에 의해 이미지가 처리되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 이미지 분석부(50)는 개개의 이미지를 처리할 때, 우선 이미지를 읽어드린다(도 7의 1)). 이어서, 이미지를 크로핑(cropping)하고(도 7의 2)), 이미지를 회색조로 변환한다(RGB to Gray)(도 7의 3)). 또한, 회색조로 변환된 이미지 내에서 에지들을 검출하고(edge detection)(도 7의 4)), 시편(100)의 경계를 구분한다(도 7의 5)).
이때, 시편(100)의 경계는 명암의 차이가 크게 나타나는 지점으로 구분될 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서, 시편(100)은 페인트층(120)을 구비하고, 이로 인해 시편(100)의 이미지는 주위 보다 어둡게 나타나므로, 이미지 분석 시 명암의 차이가 크게 나타나는 시편(100)의 경계가 용이하게 추출될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치에 의해 얻어진 시편의 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 가열시간의 경과에 따라 얻어진 이미지들에 대한 이미지 분석부(50)의 분석을 통해 특정 시점에서의 시편(100)의 경계와, 시편(100)이 터지는 시점 등을 특정할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9에는 검증 시편이 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는, 상기한 구성들 외에, 서로 상이한 외경으로 형성된 복수의 구간을 가지는 검증 시편(60)을 더 포함할 수 있다. 더욱 상세하게, 검증 시편(60)은 길이 방향을 따라 중공이 형성된 몸체 및 상기 몸체의 외면에 도포된 페인트층을 포함하되, 상기 몸체는 서로 상이한 외경으로 형성된 복수의 구간을 가질 수 있다.
검증 시편(60)은 실측치와 이미지 상에서의 픽셀 수를 비교하기 위한 것이므로 실제 핵연료 피복관으로 만들어질 필요는 없다. 예를 들면, 검증 시편(60)은 SUS 재질로 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치는 절대 치수가 아닌 기준치수로부터 상대적인 치수를 측정한다. 이미지의 픽셀 하나는 촬영 조건에 따라 상이한 길이에 대응될 수 있다. 따라서 시편의 실측치와 이미지 분석 결과를 비교하여 특정 촬영 조건에서의 픽셀 하나의 길이(예를 들면, 1 픽셀=0.011㎜)가 도출될 수 있다.
시편의 실측치는 다양한 직경에 대해 얻어질 필요가 있는데, 이를 위하여 검증 시편(60)은 서로 상이한 외경을 형성된 복수의 구간을 가진다. 도 9에 나타난 검증 시편(60)의 직경은 ① 및 ⑦ 구간에서 10㎜, ② 및 ⑥ 구간에서 13㎜, ③ 및 ⑤ 구간에서 16㎜, ④ 구간에서 20㎜가 될 수 있다.
도 10은 검증 시편을 다양한 밝기에서 촬영한 이미지들을 나타낸 도면이다. 또한, 도 11은 다양한 밝기에서의 검증 시편 이미지의 오차를 나타낸 그래프이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 검증 시편(60)을 다양한 밝기에서 촬영하고, 해당 이미지들을 분석하여 산출된 검증 시편(60)의 각 구간에서의 직경과, 검증 시편(60)의 각 구간에서의 실측치(마이크로 미터를 이용한 측정값)를 비교함으로써 광학 측정의 오차를 산출할 수 있다.
실측치와 광학 측정의 오차는 측정장비가 가질 수 있는 불확실성과 관련하여 산출된 불확도에 대한 검증을 수행하는 지표로도 사용될 수 있다. 도 11에서 실측치와 광학 측정 사이의 오차는 산출된 불확도 범위 내로 나타나고 있으며, 이를 통해 기존에 산출된 불확도를 검증할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 방법의 순서도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 방법은 시편을 배치하는 단계(S10), 가열로를 가열하며 시편을 촬영하는 단계(S20) 및 촬영된 이미지를 분석하는 단계(S30)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치를 통해 수행될 수 있다.
시편을 배치하는 단계(S10)에서, 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우(13)를 구비하는 가열로(10)를 준비하고, 상기 중공 내에 배치되는 석영 재질의 튜브(21) 내에 핵연료 피복관의 시편(100)을 배치한다.
이때, 가열로(10)는 적외선 가열로가 될 수 있다. 한편, 가열로(10)의 중공과 튜브(21)의 형상, 튜브(21)의 역할 등은 앞서 설명한 바와 같다.
가열로를 가열하며 시편을 촬영하는 단계(S20)에서, 가열로(10)에 의해 시편(100)이 가열되며, 윈도우(13)를 통해 시편(100)이 촬영될 수 있다. 시편(100)의 촬영은 촬영부(30)에 의해 수행될 수 있다.
이때, 가열로(10)는 등온 또는 과도가열 등을 수행할 수 있으며, 가열온도는 600~1200℃가 될 수 있다. 또한, 본 단계는 시편(100)의 내부로 기체 압력이 공급되고, 튜브(21)의 내부로 불활성 기체(예를 들면, 아르곤)가 공급되는 상태에서 진행될 수 있다.
또한, 본 단계에서, 촬영은 카메라(31)의 전방에 가시광선 영역만을 통과시키는 밴드 패스 필터(32)가 배치된 상태에서 이루어질 수 있다.
촬영된 이미지를 분석하는 단계(S30)에서, 시편(100)의 변형 정도를 파악하기 위하여 촬영된 시편의 이미지를 분석한다. 전술한 바와 같이, 시편(100)은 표면에서의 반사를 방지하기 위한 페인트층(120)을 구비하고 있으므로, 이미지 내에서 시편(100)의 경계가 정확하게 추출될 수 있다. 촬영된 이미지의 분석과 관련된 자세한 내용은 앞서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 적외선 가열로를 사용한 피복관 고온변형 시험에 비접촉식 광학 측정을 효율적으로 적용할 수 있으며, 이에 따라 피복관 시편(100)의 실시간 변형데이터를 효과적으로 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 가열로
20: 시편 배치부
30: 촬영부
40: 온도계
50: 이미지 분석부

Claims (15)

  1. 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우를 구비하는 가열로;
    상기 중공에 배치되는 튜브를 구비하고, 상기 튜브 내에 시편의 배치가 가능한 시편 배치부 및
    상기 튜브 내에 배치된 시편을 상기 윈도우를 통해 촬영하도록 배치되는 촬영부를 포함하고,
    상기 가열로에 의해 상기 시편이 가열되는 상태에서 상기 촬영부에 의해 상기 시편의 이미지가 획득될 수 있는 광학 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열로는 적외선(IR) 가열로로 이루어지는 광학 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공은 다각 기둥 형상으로 형성되는 광학 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중공과 상기 튜브는 길이 방향 일단과 타단 사이의 일부 구간의 길이 방향 단면적이 확장되어 형성되는 광학 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는 석영 재질로 이루어지는 광학 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편 배치부는,
    상기 튜브의 일단 측에 배치되어 상기 시편을 고정하는 시편 고정부 및
    상기 튜브의 일단 측에 배치되어 상기 시편의 내부로 기체 압력을 공급하는 압력 공급부를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편 배치부는,
    상기 튜브의 타단 측에 배치되는 불활성 가스 주입부 및
    상기 불활성 기체 주입부와 연결되어 상기 튜브의 내부로 상기 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브 내의 온도를 측정하도록 배치되는 온도계를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬영부는,
    상기 시편을 촬영하는 카메라 및
    가시광선 영역의 파장만을 투과시키도록 상기 카메라의 전방에 배치되는 밴드 패스 필터를 포함하는 광학 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편은 핵연료 피복관으로서,
    길이 방향을 따라 중공이 형성된 몸체 및
    상기 몸체의 외면에 도포된 페인트층을 포함하는 광학 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬영부에 의해 획득된 이미지를 분석하여 상기 시편의 경계를 추출하는 이미지 분석부를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    서로 상이한 외경으로 형성된 복수의 구간을 가지는 검증 시편을 더 포함하는 광학 측정 장치.
  13. 내부에 형성된 중공과, 외부에서 상기 중공이 촬영될 수 있도록 형성된 윈도우를 구비하는 가열로를 준비하고, 상기 중공 내에 배치되는 석영 재질의 튜브 내에 핵연료 피복관의 시편을 배치하는 단계;
    상기 가열로 내의 시편을 가열하며, 상기 윈도우를 통해 상기 시편을 촬영하는 단계 및
    상기 시편의 변형 정도를 파악하기 위하여 촬영된 시편의 이미지를 분석하는 단계를 포함하는 광학 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 시편은 외면에 페인트층이 형성된 광학 측정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 시편을 가열하며 촬영하는 단계는 상기 시편의 내부로 기체 압력이 공급되고, 상기 튜브의 내부로 불활성 기체가 공급되는 상태에서 진행되는 광학 측정 방법.
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