KR101498386B1 - 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템 - Google Patents

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 유체 저장 탱크에 대한 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 본 발명은 극저온 유체 저장 탱크의 둘 이상의 지점에 설치되어 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 및 변형률을 측정하기 위한 둘 이상의 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서 패키지 모듈, 상기 FBG 센서 패키지 모듈에 다파장 신호를 송신하고, 상기 FBG 센서 패키지 모듈에서 반사되는 단파장 신호를 수신하기 위한 신호 송수신 장치 및 상기 신호 송수신 장치에서 수신한 단파장 신호를 분석하여 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 상태 및 변형률 상태를 모니터링하는 컴퓨터를 포함한다. 본 발명에 의하면 FBG 센서를 이용하여 LNG 저장 탱크와 같은 극저온 유체 저장 탱크의 온도와 변형률을 동시에 측정할 수 있으며, 보다 안전하고 정확하게 극저온 유체 저장 탱크의 온도와 변형률을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템 {Monitoring system of cryogenic liquid storage tank using fiber bragg grating sensor}
본 발명은 극저온 유체 저장 탱크에 대한 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 극저온 유체 저장 탱크의 온도 및 변형률을 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것이다.
우리나라는 배관을 통해 직접 공급받는 미국이나 유럽과 달리 천연가스를 초저온으로 액화시킨 LNG(Liquified Natural Gas, 액화천연가스)를 도입하여 소비자에게 공급하고 있다. 따라서 국내의 천연가스의 수요증가와 함께 LNG를 저장하기 위한 저장탱크의 수요 역시 증가하고 있다.
LNG 저장탱크는 구조물의 결함이나 파손으로 인하여 사고가 발생할 경우 산업 전반에 미치는 파급효과가 크고 인명 및 재산상의 막대한 피해를 초래할 수 있으므로, 저장구조물의 사용연한 동안 구조적 안정성을 확보할 필요가 있다.
따라서 저장구조물의 설계 시에 LNG의 압력 및 온도 등 운전조건에 대한 고려가 이루어져야 한다. 특히 최근에 LNG 저장탱크의 규모가 점차적으로 대형화되어가고 있는 경향을 보이고 있다. 그리고 LNG 저장탱크나 질소 저장탱크 같은 구조물은 교량, 빌딩, 댐과 같은 일반적인 사회기반시설물과는 달리 극저온 상태의 액체를 안전하게 저장할 수 있도록 극저온 액체의 거동 및 열전달 특성을 충분히 감시하여야 한다. 그리고 LNG 저장탱크와 같이 특별히 안전이 요구되는 구조물은 지진에 의해 구조물이 손상되는 경우 막대한 피해가 발생한다. 따라서 지진에 의한 구조물의 피해를 최소화하기 위하여 구조물의 동적 거동을 정확히 파악할 필요가 있다. 따라서 검사자의 직접적인 상태 평가보다는 실시간으로 저장탱크의 온도와 변형을 원격으로 모니터링하는 기술이 요구된다.
LNG 저장탱크의 사고 시 방호방식에 따라 단일 방호탱크, 이중방호탱크, 완전방호탱크의 세 가지로 분류되는데, 최근에는 완전방호탱크가 주로 건설되는 추세이다.
도 1은 완전방호탱크(Full Containment Tank)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 완전방호탱크는 금속재료의 내조(inner tank)(7)와 콘크리트구조의 외조(outer tank)(1)와, 절연층(Insulation)(5)으로 구성되며, 센서(3)가 내장되어 있는 구조이다. 여기서 내조(7)와 외조(1) 모두 저온 연성 조건을 만족해야 한다.
외조(1)는 내조(7)의 정상 운전시, LNG의 액압 하중 및 온도하중을 견딜 수 있도록 설계되고 시공되며, 내조(7) 파괴 시 누출된 액체를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 가스의 누출도 방지할 수 있도록 설계되고 시공된다.
LNG 저장탱크는 손상 시 가스누출에 의한 2차 피해가 심각하므로 건물이나 교량 등 일반 토목구조물에 비해 내진설계기준이 엄격하게 적용되는 편이다. 따라서 절연층(5)에 해당되는 영역의 내조의 표면에 센서(3)를 적용하여 온도와 변형을 동시에 측정하는 방식으로 내조(7)의 상태를 모니터링하고, 2차 피해를 미연에 방지할 수 있는 시스템을 구성한다.
한편, 교량, 빌딩 등 구조물의 응력은 구조물의 상태를 평가하기 위하여 매우 중요한 측정항목이며, 일반적으로 구조물의 응력은 스트레인 게이지를 이용하여 변형률(strain)을 측정한 다음 탄성계수를 곱하여 응력으로 환산한다.
이러한 변형률 측정을 위하여 종래에는 전기저항식 변형률 게이지를 많이 사용하였으나, 전기저항식 센서류는 케이블 길이에 따라서 노이즈가 증가되는 단점이 있어, 대형 구조물 측정시 많은 단점을 내포하고 있으며, 장기 계측시 자기열 효과에 의하여 센싱부가 부식되는 등 장기적인 내구성에 적지 않은 문제점이 있었다. 또한, 하나의 센서마다 각각 수십에서 수백 미터의 케이블 포설이 필요하기 때문에 많은 인력이 필요할 뿐만 아니라, 획득된 신호의 품질도 양호하지 못한 단점이 있었다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 교량, 댐, 빌딩과 같은 산업기간 시설물의 장기계측시 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유센서를 적용하는 사례가 점점 늘어가고 있는 추세이다.
현재, 광섬유 센서(Optical Fiber Sensor)로 응응하여 활발한 연구가 진행되고 있는 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)은 광섬유 레이저 및 필터, 펄스압축 등에 이용되고 있으며, 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 장점은 단일 센서를 이용한 측정뿐만 아니라 단일 광섬유 안에 여러 개의 센서를 삽입하여 여러 지점의 물리적 변화량을 측정할 수 있고, 센서에서 반사되어 돌아온 파장을 측정하기가 용이하다는 것이다.
FBG 광섬유센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러 개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플렉싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.
광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 광섬유 코어 안에 주기적인 굴절률을 만들어 구성하며, 외부의 물리적 변화에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서에 의해 반사된 광신호의 중심 파장이 물리적 변화량만큼 변화한다. 따라서, 파장 변화량을 검출한다면 물리적 변화량을 계산할 수 있는 것이다.
대한민국 등록특허 10-1082467
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 센서를 이용하여 극저온 유체 저장 탱크의 온도와 변형률 상태를 모니터링할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 극저온 유체 저장 탱크의 둘 이상의 지점에 설치되어 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 및 변형률을 측정하기 위한 둘 이상의 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서 패키지 모듈, 상기 FBG 센서 패키지 모듈에 다파장 신호를 송신하고, 상기 FBG 센서 패키지 모듈에서 반사되는 단파장 신호를 수신하기 위한 신호 송수신 장치 및 상기 신호 송수신 장치에서 수신한 단파장 신호를 분석하여 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 상태 및 변형률 상태를 모니터링하는 컴퓨터를 포함한다.
상기 FBG 센서 패키지 모듈은 상기 극저온 유체 저장 탱크에서 설치된 지점의 온도를 측정하기 위한 제1 FBG 센서와, 상기 극저온 유체 저장 탱크에서 상기 제1 FBG 센서가 설치된 지점의 변형률을 측정하기 위한 제2 FBG 센서를 포함하는 FBG 센서 패키지와, 상기 신호 송수신 장치에서 나오는 다파장 신호를 분기시켜서 상기 제1 FBG 센서와 상기 제2 FBG 센서에 각각 보내기 위한 커플러(Coupler)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 표면에 부착되어 있지 않고, 상기 제2 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 표면에 부착되는 방식으로 구현될 수 있다. 이때, 상기 제2 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 절연층(insulation) 영역의 내조(inner tank) 벽면 표면에 부착될 수 있다.
상기 극저온 유체 저장 탱크의 절연층 영역의 내조 벽면 표면에 2 이상의 FBG 센서 패키지 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 극저온 유체 저장 탱크의 내조 벽면 표면 뿐만 아니라 내조 바닥에 2 이상의 FBG 센서 패키지 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현될 수 있다.
상기 유체 저장 탱크 모니터링 시스템은 상기 FBG 센서 패키지 모듈에서 반사되는 단파장 신호를 수신하여 신호 스펙트럼을 출력하기 위한 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer)를 더 포함할 수 있다.
상기 광원 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)일 수 있다.
본 발명에 의하면 FBG 센서를 이용하여 LNG 저장 탱크와 같은 극저온 유체 저장 탱크의 온도와 변형률을 동시에 측정할 수 있으며, 보다 안전하고 정확하게 극저온 유체 저장 탱크의 온도와 변형률을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 완전방호탱크(Full Containment Tank)의 단면도이다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러의 빛의 세기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속된 커플러에 의한 빛의 세기 변화를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 패키지 모듈의 개략도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
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 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber bragg grating sensor, FBG sensor)의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유의 코어(Core)에 주기적인 격자을 만들고, 이에 따른 빛의 굴절률 변화를 이용한다. 즉, 브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 굴절률이 변하는 경계면에서 빛을 반사시키게 되는데, 브래그 조건(Bragg condition)에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외 다른 파장의 빛은 브래그 격자를 통과하게 된다. 브래그 조건은 다음 수학식과 같다.
Figure 112013097359157-pat00001
여기서, ne는 광섬유 격자의 유효 굴절률(effective refractive index)로서 빛이 광섬유 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며, Λ는 광섬유 코어에 새겨진 격자의 간격(grating period)을 의미한다.
즉, 수학식 1과 같은 브래그 조건(Bragg Condition)에 해당하는 브래그 파장 의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외에 다른 파장의 빛은 통과하게 되는 것이다.
수학식 1로 나타낼 수 있는 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 광섬유 브래그 격자에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.
광섬유 브래그 격자 센서는 측정량이 브래그 반사 파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 광섬유 브래그 격자의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사 파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.
광섬유 브래그 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.
격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자 센서에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다.
광섬유 브래그 격자 센서의 가장 큰 응용 중의 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 예를 들면, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시에 콘크리트 내에 광섬유 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도를 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다.
도 3은 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광대역 광원(210)에서 광대역 광을 광섬유(230)에 입사시키면, 굴절률이 변하는 경계면에서 빛이 반사되고, 이들 중 수학식 1과 같은 브래그 조건에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 그 외 다른 빛은 브래그 격자를 통과하여 전송된다.
광 검출기(220)는 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되는 빛을 검출하는 역할을 한다.
도 3에서, 입력 스펙트럼 파형(a), 브래그 격자를 통과하여 전송된 신호 파형(b), 반사된 신호 파형(c)이 도시되어 있다.
수학식 1은 유효 굴절률과 격자의 주기로 표시되는데, 이는 온도와 변형률의 함수라고 할 수 있으며, 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 브래그 파장 λB가 변한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 변화된 브래그 파장 ΔλB를 측정함으로써 광섬유 격자에 가해진 온도나 변형률을 계산할 수 있으며, 이에 대한 수학식은 다음과 같다.
Figure 112013097359157-pat00002
수학식 2에서 αf는 온도에 의한 광 섬유의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)이고, ξf는 온도에 의한 광 섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수(thermo-optic coefficient)이고, ρe는 광 탄성 계수로서, 다음 수학식 3의 관계를 갖는다.
Figure 112013097359157-pat00003
여기서, ρ11과 ρ12는 변형률 광학 텐서(strain-optic constant)의 성분이고, n은 코어의 굴절률이고, υ는 광섬유의 프와송의 비(Poisson’s ratio)이다. 광탄성 상수 ρe는 gemanosilicate glass의 경우 대략 0.22의 값을 가진다.
수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 다음 수학식과 같이 온도와 변형률 측정을 할 수 있다.
Figure 112013097359157-pat00004
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템은 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서(sensor) 패키지(package) 모듈(module)(100), FBG 인테로게이터(Interrogator)(200), 컴퓨터(300), 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer, OSA)(400)를 포함한다.
FBG 센서 패키지 모듈(100)은 극저온 유체 저장 탱크(10)의 둘 이상의 지점에 설치되어 극저온 유체 저장 탱크(10)의 온도 및 변형률을 측정하는 역할을 한다.
FBG 인테로게이터(200)는 FBG 센서 패키지 모듈(100)에 다파장 신호를 송신하고, FBG 센서 패키지 모듈(100)에서 반사되는 단파장 신호를 수신하는 역할을 한다. FBG 인테로게이터(200)는 신호 송수신 장치의 일 실시예이며, 실시예에 따라 다양한 신호 송수신 장치가 사용될 수 있다.
컴퓨터(300)는 FBG 인테로게이터(200)에서 수신한 단파장 신호를 분석하여 극저온 유체 저장 탱크(10)의 온도 상태 및 변형률 상태를 모니터링한다. 본 발명에서 컴퓨터(300)는 데이터 신호 처리 프로그램을 이용하여 극저온 유체 저장 탱크(10)의 상태를 모니터링한다.
본 발명에서 FBG 센서 패키지 모듈(100)은 FBG 센서 패키지(110)와 커플러(120)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 FBG 센서 패키지 모듈(100)은 극저온 유체 저장 탱크(10)의 절연층 영역의 내조 벽면 표면에 2 이상의 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현된다.
또한, FBG 센서 패키지 모듈(100)은 극저온 유체 저장 탱크(10)의 내조 벽면 표면 뿐만 아니라 내조 바닥에 2 이상의 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현될 수 있다.
광 스펙트럼 분석기(400)는 FBG 센서 패키지 모듈(100)에서 반사되는 단파장 신호를 수신하여 신호 스펙트럼을 출력하는 역할을 한다.
본 발명에서 FBG 센서 패키지 모듈(100)은 두 개의 FBG 센서를 이용하여 동일한 지점에서 두 개의 파라미터를 측정할 수 있는 듀얼 센싱(Dual Sensing)을 할 수 있는 모듈이다.
본 발명에서 FBG 센서 패키지 모듈(100)은 FBG 센서의 데이터를 수집할 수 있는 FBG 인테로게이터(200)를 기준으로 커플러(120)를 포함한 패키지 세트(Package Set)를 하나의 모듈로 정의한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 패키지 모듈의 개략도이다.
도 7을 참조하면, FBG 센서 패키지(110)는 극저온 유체 저장 탱크(10)에서 설치된 지점의 온도를 측정하기 위한 제1 FBG 센서(114)와, 극저온 유체 저장 탱크(10)에서 제1 FBG 센서(114)가 설치된 지점의 변형률을 측정하기 위한 제2 FBG 센서(112)를 포함하여 이루어진다.
커플러(Coupler)는 FBG 인테로게이터(200)에서 나오는 다파장 신호를 분기시켜서 제1 FBG 센서(114)와 제2 FBG 센서(112)에 각각 보낸다.
제1 FBG 센서(114)는 온도를 측정하기 위하여 극저온 유체 저장 탱크(10)의 표면에 부착되어 있지 않다.
제2 FBG 센서(112)는 변형률(strain)을 측정하기 위하여 극저온 유체 저장 탱크(10)의 표면에 부착되어 있다.
본 발명에서 제2 FBG 센서(112)는 극저온 유체 저장 탱크(10)의 절연층(insulation) 영역의 내조(inner tank) 벽면 표면에 부착될 수 잇다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러의 빛의 세기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 커플러(120)는 빛이 하나의 케이블을 통해 이동하면서 여러 개의 분기를 통해 빛이 나눠지거나, 또는 여러 개의 분기된 빛을 하나로 병합시키는 원리를 갖고 있다.
이에 따라 본 발명에서는 도 5에서와 같이 빛의 세기가 (100-α:α)으로 2개로 분기되는 커플러(120)를 이용하여 하나의 FBG 센서 패키지 모듈(100)을 정의한다.
본 발명에서는 FBG 센서 패키지 모듈(100)을 이용하여 극저온 유체 저장 탱크(10)의 온도와 변형률을 동시에 측정할 수 있다.
본 발명에서는 접착제로 구조물에 부착된 제2 FBG 센서(112)에서는 부착된 지점의 변형률을 측정할 수 있고, 동시에 스트레인에 대해 영향이 없는 미부착된 제1 FBG 센서(114)를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
그리고, 본 발명에서 구조물에 부착하여 변형률을 측정하는 제2 FBG 센서(112)와 온도를 측정하는 제1 FBG 센서(114)의 브래그 조건을 달리하면, 두 개의 파라미터를 동시에 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속된 커플러에 의한 빛의 세기 변화를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 다수의 지점의 온도와 변형률을 측정할 수 있도록 커플러(120)를 이용하여 FBG 센서 패키지 모듈을 연속적으로 연결하는 방식으로 구현할 수 있다. 이러한 방법을 적용하면 극저온 유체 저장 탱크의 전체적인 변형률과 온도분포 상태를 모니터링할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서의 온도 측정 성능과 특성을 확인하기 위해 다음과 같은 기초 실험을 수행하였다. 실험은 환경챔버(Environmental Chamber 3119-407, Instron Co.)를 이용하여 온도 조건을 정밀하게 제어하면서 측정을 수행하였다.
챔버 내부에 FBG 센서와 측정의 정확도를 확인하기 위한 열전대(Thermocouple)을 추가로 배치하여 실험 장치를 구성하였으며, FBG 센서의 반사되는 빛의 경향이 온도에 따라 어떻게 거동하는지 확인하기 위해 Broadband Light Source와 OSA(Optical Spectrum Analysis) 장비를 이용하여 반사파장의 강도를 측정하였다.
실험에 사용된 FBG 센서는 외부 요인의 영향을 최소화하기 위해 리코팅을 하지 않은 센서(ATGRTING Co.) 두개를 사용하고, FBG 센서의 신호 취득을 위해 FBG 인테로게이터 (IFIS 100, Fiberpro Co.)를 사용하였다. 챔버 내부의 온도 분포 양상을 고려하여 센서가 있는 위치에서의 온도를 정확히 측정하기 위해, T 타입의 열전대를 FBG 센서에 최대한 근접시켜 배치하였다. 열전대의 온도 신호는 DAQ 장치(NI-9211, National Instrument Co.)를 이용하여 수집하였다. 그리고 온도 하강에 따른 반사파장의 빛 강도가 어떻게 변하는지 확인하기 위해 서큘레이터(Circulator)를 FBG 센서에 연결하였고, Broadband Light Source(83437A, Agilent Co.)를 이용하여 빛의 신호를 보내고 반사되는 브래그 파장을 OSA(Optical Spectrum Analyzer)(MS9710C, Anritsu Co.) 장비로 온도에 따른 빛의 강도를 측정하였다.
본 실험에서는 약 20℃의 실온(Room Temperature; RT)에서부터 약 -160℃까지의 온도 구간에서 온도를 연속적으로 감소시키며 FBG 센서와 열전대의 데이터를 저장하였고 이들 데이터를 이용해 온도를 측정하였다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
FBG 센서와 열전대의 데이터를 취득하여 다음과 같이 신호를 분석하였다.
도 8은 실온(20℃)에서 -160℃까지 온도 구간에서 FBG 센서의 시간에 따른 파장 변화와 열전대의 온도 변화를 동시에 나타내고 있다. 그리고 FBG 센서의 브래그 파장 변화를 온도 변화에 따라 나타내면 도 9와 같다.
도 9의 그래프에서 Third Lagrange Polynomial Fitting을 적용하여 온도(T)에 따른 파장의 변화를 3차 다항식으로 도출하였고, 표 1과 같이 함수식으로 수식화하였다.
Figure 112013097359157-pat00005
표 1의 다항식을 그래프로 나타내면 도 10과 같으며, 이 다항식을 이용하여 계산한 온도는 열전대에서 측정된 온도와 일치함을 확인할 수 있다. 결국 본 실험을 통해 제시한 FBG 센서의 온도 변화에 따른 브래그 파장 변화 실험식을 이용한다면 극저온의 온도를 성공적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11의 그래프는 서모 커플에 의한 측정 결과와 FBG 센서를 이용한 측정 결과를 비교한 그래프이다.
추가적으로 극저온에서 브래그 파장의 광강도를 측정하였고 그 경향을 정규화하면 도 12와 같이 나타남을 확인하였다. 측정 결과, 실온에서 극저온으로 온도가 변함에 따라 브래그 파장의 광강도는 큰 변동이 없음을 확인하였다. 따라서 극저온 환경에서도 FBG 센서의 신호 사라짐 현상 없이 온도를 성공적으로 측정할 수 있음을 확인하였다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10 극저온 유체 저장 탱크 100 FBG 센서 패키지 모듈
110 FBG 센서 패키지 120 커플러
200 FBG 인테로게이터 300 컴퓨터
400 OSA

Claims (8)

  1. 극저온 유체 저장 탱크의 둘 이상의 지점에 설치되어 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 및 변형률을 측정하기 위한 둘 이상의 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서 패키지 모듈;
    상기 FBG 센서 패키지 모듈에 다파장 신호를 송신하고, 상기 FBG 센서 패키지 모듈에서 반사되는 단파장 신호를 수신하기 위한 신호 송수신 장치; 및
    상기 신호 송수신 장치에서 수신한 단파장 신호를 분석하여 상기 극저온 유체 저장 탱크의 온도 상태 및 변형률 상태를 모니터링하는 컴퓨터를 포함하는 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 FBG 센서 패키지 모듈은,
    상기 극저온 유체 저장 탱크에서 설치된 지점의 온도를 측정하기 위한 제1 FBG 센서와, 상기 극저온 유체 저장 탱크에서 상기 제1 FBG 센서가 설치된 지점의 변형률을 측정하기 위한 제2 FBG 센서를 포함하는 FBG 센서 패키지와,
    상기 신호 송수신 장치에서 나오는 다파장 신호를 분기시켜서 상기 제1 FBG 센서와 상기 제2 FBG 센서에 각각 보내기 위한 커플러(Coupler)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 표면에 부착되어 있지 않고, 상기 제2 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 표면에 부착되어 있는 것임을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 FBG 센서는 상기 극저온 유체 저장 탱크의 절연층(insulation) 영역의 내조(inner tank) 벽면 표면에 부착되어 있는 것임을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 극저온 유체 저장 탱크의 절연층 영역의 내조 벽면 표면에 2 이상의 FBG 센서 패키지 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 극저온 유체 저장 탱크의 내조 벽면 표면 뿐만 아니라 내조 바닥에 2 이상의 FBG 센서 패키지 모듈이 연속적으로 연결되는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체 저장 탱크 모니터링 시스템은 상기 FBG 센서 패키지 모듈에서 반사되는 단파장 신호를 수신하여 신호 스펙트럼을 출력하기 위한 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer)를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)인 것임을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 모니터링 시스템.
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