KR20110019958A - 광섬유센서를 이용한 선박 화물창의 온도측정방법 - Google Patents

광섬유센서를 이용한 선박 화물창의 온도측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이격거리를 두고 광섬유에 직렬로 연결된 복수의 온도센서를 멤브레인의 주름부와 멤브레인 지지부 사이에 형성된 내부공간에 배치하고 상기 온도센서 각각의 온도측정 결과로부터 상기 멤브레인의 온도분포를 실시간으로 도출함으로서 멤브레인 타입 화물창의 온도분포를 모니터링하는 방법을 제공한다. 이때, 상기 온도센서는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서이거나 Raman 스펙트럼 또는 Brillouin 스펙트럼을 이용한 센서를 이용할 수 있다. 한편, 상기 멤브레인은 종방향 및 횡방향으로 다수개의 주름부가 멤브레인 지지부 상에 형성되어 있으며, 이때 주름부의 내부는 주름부의 연장방향을 따라 비어있는 내부공간을 형성함에 따라 멤브레인 주름부의 내부공간은 종방향과 횡방향으로 상호 교차되면서 연결되게 될 수 있다. 따라서, 상기 온도센서는 주름부에 의해 형성된 경로를 따라 배치되며, 일예로서 종방향 또는 횡방향으로 평행하게 연장되는 다수의 주름부 내부공간의 경로를 따라 지그재그 형태로 배열될 수 있다.
선박 화물창, 온도측정, 광섬유센서

Description

광섬유센서를 이용한 선박 화물창의 온도측정방법 {A measurement method for temperature of cargo tank by optical fiber sensor}
본 발명은 선박 내 구조물의 온도상태를 모니터링(monitoring)하는 방법에 관한 것으로서, 특히 LNG 선박에 장착되는 화물창의 온도상태를 실시간으로 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 영하 163℃로 냉각해 그 부피를 6백분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체를 말한다. 이러한 액화천연가스가 에너지자원으로 등장함에 따라 이 가스를 에너지로 이용하기 위해서 생산기지로부터 수요지까지 대량으로 수송할 수 있는 효율적인 운송방안이 검토되어 왔으며, 이러한 노력의 일환으로 대량의 액화천연가스를 해상으로 수송할 수 있는 액화천연가스 운반선이 나타나게 되었다.
일반적으로, LNG는 초저온 액체(Cryogenic liquid)이므로, 단열을 위하여 다중 구조를 가지는 화물창에 저장된다. 이중 멤브레인 형식의 화물창(10)에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 선체(1) 내측에 스터드 볼트(미도시)에 의해 부착 고정되는 단열패널의 2차 방벽(12)과 주름부가 형성되어 있는 금속 멤브레인(membrane) 및 상기 멤브레인을 지지하는 멤브레인 지지대로 이루어진 1차방벽(14)으로 구성되어 있으며, 1차 방벽(14)과 2차 방벽(12) 사이에 삽입되는 단열재(15)로 보온 및 밀폐를 통해 외부에서의 잠입 열량에 의한 기화가스의 발생이 최소가 되도록 한다. 이때 멤브레인은 극저온 상태의 LNG와 직접적으로 접촉되므로 응력 변화에 대응할 수 있도록 저온 취성에 강한 금속 재질로 제작되며, 반복적인 온도 변화 및 LNG의 하중 변화에 대한 팽창 및 수축이 가능한 구조를 가지도록 제작된다.
이러한 LNG를 저장하는 화물창에 있어서, LNG는 폭발성이 있으므로 화물창 내에 안전하게 저장되지 못하고 외부로 유출되면 매우 위험한 사고를 유발할 우려가 있다. 따라서 화물창의 철저한 기밀은 무엇보다도 중요하며, 이러한 화물창의 상태를 실시간으로 체크함으로써 LNG가 안전하게 저장되고 있는 지 여부를 확인하는 것은 매우 중요하다. 일예로서 만일 화물창의 1차 방벽(14)이 손상되어 그 손상된 부위로 LNG의 리크(leak)가 발생시 LNG가 외부환경에 노출되면서 매우 위험한 사고로 연결될 수 있다. 따라서, 이러한 리크 발생의 조짐이 보일 때 신속하게 조치하기 위해서는 화물창의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있어야 한다.
본 발명은 화물창의 온도분포를 실시간으로 측정함으로써 화물창의 LNG 저장 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 즉, 화물창의 손상으로 인해 LNG의 리크가 발생시, 리크 발생 영역 주변의 온도가 급격하게 냉각되며, 따라서 화물창의 온도를 실시간으로 측정하여 온도의 급격한 냉각 여부를 감시하여 LNG의 리크 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있게 된다. 이때 이러한 화물창의 국부적인 영역에 대해서만 온도상태를 모니터링 한다면 화물창의 실제 LNG 저장상태를 정확하게 반영할 수 없게 된다. 따라서 다수개의 온도센서를 이용하여 가능한한 화물창 전체로 분산된 영역의 온도를 측정할 수 있으면서도 이러한 다수개의 온도센서 장착에 따른 복잡함과 번거로움이 발생하지 않게 하는 실시간 온도측정방법의 제공이 필요하다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이격거리를 두고 광섬유에 직렬로 연결된 복수의 온도센서를 멤브레인의 주름부와 멤브레인 지지부 사이에 형성된 내부공간에 배치하고 상기 온도센서 각각의 온도측정 결과로부터 상기 멤브레인의 온도분포를 실시간으로 도출함으로서 멤브레인 타입 화물창의 온도분포를 모니터링하는 방법을 제공한다.
이때, 상기 온도센서는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서이거나 Raman 스펙트럼 또는 Brillouin 스펙트럼을 이용한 센서를 이용할 수 있다.
한편, 상기 멤브레인은 종방향 및 횡방향으로 다수개의 주름부가 멤브레인 지지부 상에 형성되어 있으며, 이때 주름부의 내부는 주름부의 연장방향을 따라 비어있는 내부공간을 형성함에 따라 멤브레인 주름부의 내부공간은 종방향과 횡방향 으로 상호 교차되면서 연결되게 될 수 있다.
따라서, 상기 온도센서는 주름부에 의해 형성된 경로를 따라 배치되며, 일예로서 종방향 또는 횡방향으로 평행하게 연장되는 다수의 주름부 내부공간의 경로를 따라 지그재그 형태로 배열될 수 있다.
이때 상기 온도센서는 상기 내부공간 내의 멤브레인 지지부 상에 장착 될 수 있다.
본 발명에 의할 시, 화물창 내부의 멤브레인 상에 종방향 및 횡방향으로 형성된 주름부 내부공간의 경로를 따라 하나의 광섬유에 직렬로 연결된 다수의 온도센서를 설치함에 따라 복수개의 온도센서를 설치하는 경우에 발생되는 복잡함과 번거로움이 없이도 화물창의 전체 온도분포를 보다 정확하게 실시간 모니터링함으로써 화물창의 상태의 변화에 대한 정확한 예측을 가능하게 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2에는 본 발명에 이용되는 온도측정장치의 일실시예가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 온도측정장치(20)는 광섬유(21)와 이 광섬유에 직렬로 연결된 복수개의 온도센서(22)로 구성된 센서 어레이(array)(23)와 온도측정에 이용되는 파장 대역을 포함하는 빛을 광섬유(21)를 통해 온도센서(22)로 전송하거나 온도센서(22)로부터 광섬유(21)를 통해 전송된 정보를 처리하여 표시부를 통해 사용자에게 온도분포에 관한 정보를 모니터와 같은 표시부를 통해 제공하는 센서처리부(24)를 포함한다.
이때 온도센서는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서(fiber Bragg grating sensor, 이하 FBG 센서)이거나, Raman 스펙트럼 또는 Brillouin 스펙트럼을 이용한 센서일 수 있다.
이 중 일예로서 FBG 센서를 온도센서로 이용하는 경우의 온도측정방법에 대해서 설명한다. 도 3를 참조하여 FBG 센서에 의한 온도측정의 원리를 설명하면 다음과 같다. FBG센서는 광섬유에 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 즉, 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 이때 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되며 이에 따라 반사되는 빛의 파장의 이동이 발생한다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장의 이동량을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3의 좌측 도면과 같이 FBG 센서에 광폭의 파장 대역을 갖는 광원(λ1, λ2, λ3, λ4) 이 입사되면, FBG 센서에 이미 형성된 격자 에 따라 입사된 파장 대역 중 특정 파장(λ3)의 빛만 반사하게 되고 나머지 (λ1, λ2, λ4)파장은 투과된다. 이때 반사된 빛의 파장은 FBG 센서에 형성된 격자의 간격이 변화됨에 따라 이동하게 되며(도 3의 우측 도면), 따라서 이렇게 파장의 이동으로부터 격자 간격의 변화, 즉 변형율을 도출하게 된다. 이때 변형율은 온도의 함수이므로 반사된 파장의 이동으로부터 계산된 변형율로부터 FBG 센서 위치에서의 온도를 계산할 수 있다. 따라서, 이러한 원리로 도출된 온도를 모니터 등과 같은 표시장치를 통해 제공함으로써 사용자는 FBG 센서 위치 영역에서의 온도정보를 얻을 수 있게 된다.
따라서, 도 2와 같이 특정 대역의 파장만을 반사시킬 수 있는 FBG 센서(22)를 하나의 광섬유(23)에 직렬로 연결시키고, FBG 센서마다 반사되는 빛의 파장을 모두 다르게 함으로써 각 FBG 센서가 위치하는 영역에서의 온도측정이 동시에 가능하게 된다.
도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예로서 상술한 FBG 센서 어레이를 이용한 화물창의 온도측정방법을 설명한다. 도 4는 화물창 내부의 형성된 멤브레인의 주름부 내부공간에 FBG 센서 어레이를 배열한 모습을 예시한 것이며, 도 5는 주름부 연장방향에 수직한 방향으로 절단한 단면을 도시한 것이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 금속 멤브레인(40)은 열과 하중의 변화에 팽창 및 수축이 용이하도록 종방향(41) 및 횡방향(42)으로 다수개의 주름부가 형성되어 있다. 이때 멤브레인의 주름부(51)는 그 하부의 멤브레인 지지부(52)와 비어있는 내부공간(53)을 형성하게 되며, 이러한 멤브레인 주름부의 내부공간(53)은 종방향과 횡방향으로 상호 교차되 면서 연결되게 된다. 따라서 이러한 주름부 내부공간이 형성한 경로를 따라서 한가닥 광섬유(21)에 다수개의 FBG 센서(22)가 직렬로 연결되는 FBG 센서 어레이를 배치함에 의해 멤브레인 전체 영역에 대해서 FBG 센서를 용이하게 장착할 수 있다. 도 4의 내부공간에 배열된 광섬유(21) 및 FBG 센서(22)는 도면표시를 보다 간단하기 위해 일부만을 투시하여 표시하였다. FBG 센서 어레이를 배열함에 있어서는, FBG 센서 어레이를 종방향 또는 횡방향으로 연장하는 평행한 복수개의 주름부 내부공간에 의해 형성된 경로를 따라 지그재그로 배치할 수 있는바, 일예로서 도 4에 도시된 바와 같이 종방향으로 지그재그로 전부 배치한 후 연속해서 다시 횡방향으로 지그재그로 전부 배치할 수 있다. 이러한 FBG 센서 어레이의 배열은 목적하는 바에 따라 다양하게 배열할 수 있다.
이때 광섬유에 직렬로 연결되는 FBG 센서의 이격거리를 적절하게 조절할 수 있는바, 이는 요구되는 온도분포 데이터의 정확도에 따라 탄력적으로 적용될 수 있다. 즉, 보다 정밀한 온도분포의 도출이 필요한 영역에서는 FBG 센서의 이격거리를 좁혀 FBG 센서 밀도를 높이나 그러한 필요성이 상대적으로 낮은 영역에 대해서는 이격거리를 좁혀 불필요한 FBG 센서의 사용을 방지할 수 있다. 이렇게 FBG 센서
어레이를 멤브레인 내부공간에 배치한 후 멤브레인의 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 방법은 다음과 같다. 센서처리부(24)에서 소정 대역범위의 파장을 광섬유(21)를 통해 FBG 센서 어레이에 직렬로 이격 배치된 복수의 FBG 센서(22)로 전송하면, FBG 센서(22) 각각은 기 설정된 특정파장에 대해서만 반사하고 그 외의 파장들은 모두 투과시킨다. 이때 각 FBG 센서(22)는 멤브레인의 주름부 내부공간의 자신이 놓여있는 영역의 온도에 반응하여 브래그 격자의 변형을 유발하게 되며, 이로 인해 각 FBG 센서(22)에서 반사되는 파장은 변형률에 대응하는 값만큼 이동하게 된다. 센서처리부(24)는 각 FBG 센서(22)에서 반사되는 파장의 이동량을 측정 및 계산하여 이를 온도로 환산환 후 표시부를 통해 각 FBG 센서에 해당되는 온도를 표시하게 된다. 따라서 화물창 내부에 저장되는 LNG와 최근접 접촉하는 멤브레인에서의 온도분포를 실시간으로 정확하게 모니터링함으로써 화물창의 온도상태에 대한 정보를 정확하게 알 수 있게 된다.
이때 FBG 센서(22)는 주름부 내부공간의 어떠한 영역에도 장착될 수 있다. 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, 주름부(51)와 함께 내부공간(53)을 이루는 멤브레인 지지부(52)의 상부에 장착할 수 있다.
이와 같이 FBG 센서 어레이를 멤브레인 주름부 내부공간에 장착함으로써 1차 방벽 상태의 건전성을 실시간으로 확인할 수 있다. 만약 1차 방벽의 손상 등으로 인하여 LNG의 리크가 발생하면, LNG가 1차 방벽 뒤쪽으로 흐르게 되며 이로 인해 급격한 온도저하가 발생한다. 이 경우 본 발명에서 제안한 방법에 의하면 실시간으로 LNG 저장탱크 전체의 온도를 측정하고 있기 때문에 온도의 급격한 저하로부터 LNG의 리크 발생을 바로 알 수 있게 되면, 리크의 발생영역도 정확하게 인지할 수 있게 된다.
도 1은 LNG 저장을 위한 멤브레인 타입 화물창의 개략도 이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 어레이를 이용한 온도측정장치이다.
도 3은 본 발명의 FBG 센서의 온도측정 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 멤브레인 내부에 장착된 FBG 센서 어레이를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 주름부의 연장방향에 수직하게 절단한 단면을 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 온도측정장치 21 : 광섬유
22 : 온도센서 23 : 센서 어레이
24 : 센서처리부 40 : 멤브레인
41 : 종방향 주름부 42 : 횡방향 주름부

Claims (4)

  1. 멤브레인 타입 화물창의 온도분포를 모니터링하는 방법에 있어서,
    이격거리를 두고 광섬유에 직렬로 연결된 복수개의 온도센서를 멤브레인의 주름부와 상기 상기 멤브레인 지지부 사이에 형성된 내부공간에 배치하고,
    상기 온도센서 각각의 온도측정 결과로부터 상기 멤브레인의 온도분포를 실시간으로 도출하는
    멤브레인 타입 화물창의 온도분포 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도센서는 광섬유 브래그 격자 배열형 센서이거나 Raman 스펙트럼 또는 Brillouin 스펙트럼을 이용한 센서인 멤브레인 타입 화물창의 온도분포 모니터링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도센서는 온도측정에 이용되는 파장 대역을 포함하는 빛을 상기 광섬유를 통해 전송받고,
    상기 광섬유를 통해 전송받은 정보를 처리하여 표시부를 통해 온도분포에 대 한 정보를 제공하는 센서처리부에 연결되는 멤브레인 타입 화물창의 온도분포 모니터링 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도센서는 종방향 또는 횡방향으로 연장하는 평행한 복수개의 상기 주름부 내부공간에 의해 형성된 경로를 따라 지그재그로 배치되는 멤브레인 타입 화물창의 온도분포 모니터링 방법.
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