[논문]적외선 열화상 기술을 이용한 원자력 배관의 온도측정과 보정에 관한 연구

김경석; 정현철; 박찬주; 김동수; 정덕운; 장호섭

적외선 열화상 기술을 이용한 원자력 배관의 온도측정과 보정에 관한 연구
A Study on Measuring the Temperature and Revising the Result When Measuring the Temperature of NPP Pipes Using Infrared Thermography 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.29 no.5, 2009년, pp.421 - 426

김경석 (조선대학교 기계설계공학과) , 정현철 (조선대학교 기계설계공학과) , 박찬주 (조선대학교 대학원 기계설계공학과) , 김동수 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과) , 정덕운 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과) , 장호섭 (조선대학교 레이저응용 신기술개발 연구센터)

초록
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열화상 카메라와 대상물의 측정 위치에 따른 방사각도에 따라 방사율은 달라지게 된다. 이로 인해 열화상 시스템을 이용한 온도 측정시 나타나는 온도 분포는 절대적 온도로 볼 수 없다. 대상체의 실제 표면 온도가 일정하더라도 열화상 카메라로 측정된 온도는 방사율 값에 따라 오차를 가지게 된다. 본 논문에서는 동일 온도로 가열된 원통 형태를 가지는 대상체와 평면 형태를 가지는 대상체의 온도를 열화상 카메라를 이용하여 측정하였다. 측정된 표면 온도값을 통하여 화각에 의한 방사율 보정표와 방사각도의 영향에 의한 반사율 보정식을 구하였으며 이를 바탕으로 측정 온도의 오차보정을 수행하였다. 그리고 방사 각도와 화각에 따른 온도 영향을 원자력 배관의 결함 검출에 적용하여 더욱 신뢰성 있는 표면 온도값을 획득하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The emissivity is different because the emitted angle changes according to the position of the infrared thermography camera and object. Because of this, the temperature distribution expressed when measuring the temperature by using the infrared thermography system is not the accuracy temperature. Although the real surface temperature is constant, the temperature measured by using infrared thermography camera have error in accordance with the value of emissivity. In this paper, the temperatures of the round cylindrical object and the flat square object that heated to the equal temperature were measured by infrared thermography camera. The emissivity calibration formula and correction table are made with the affect of the view angle and emission angle form the surface temperature value. The error of measured temperature values are corrected by using the emissivity calibration formula and correction table, and apply to defect detection of the nuclear power plant pipe. From the calibration method, reliability surface temperature values were obtained.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

3) 검출소자와 측정점 사이의 화각과 방사각에 의한 측정온도의 영향을 분석하여 수정된 방사율을 측정온도에 고려하여 측정값 오차를 보정하는 기법을 제시하였다.
4) 원자력발전소 배관시험편의 내부 결함을 측정하였으며 본 연구에서 제시한 오차 보정 기법을 이용하여 측정된 온도의 보정을 수행하여 보다 신뢰성 있는 온도값을 획득하였다.
따라서 본 논문에서는 동일 온도로 가열된 원통 형태를 가지는 대상체와 평면 형태를 가지는 대상 체의 온도를 열화상 카메라를 이용하여 측정하였으며, 열전대(thermocouple)를 이용한 표면 온도 측정값과의 비교를 통하여 방사 각도와 측정영역에 따른 측정 온도의 오차보정을 수행 하였다. 또 적외선 열화상 기술을 이용한 원자력발전소 배관(NPP)의 결함 검출에 온도 오차 보정을 적용하였다.
따라서 본 논문에서는 동일 온도로 가열된 원통 형태를 가지는 대상체와 평면 형태를 가지는 대상 체의 온도를 열화상 카메라를 이용하여 측정하였으며, 열전대(thermocouple)를 이용한 표면 온도 측정값과의 비교를 통하여 방사 각도와 측정영역에 따른 측정 온도의 오차보정을 수행 하였다. 또 적외선 열화상 기술을 이용한 원자력발전소 배관(NPP)의 결함 검출에 온도 오차 보정을 적용하였다.
물체를 일정온도까지 가열시키는 장치인 진공가열챔버 (제작: Samheung Instrument) 는 250 °C 까지 가열 가능하며 일정 온도(51 °C)로 장시간 유지하여 대상물의 전체 표면 온도가 일정하게 제작하였다.
본 논문에서는 열화상 카메라를 이용하여 원통시험편과 육면체 시험편의 표면 온도 측정 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
시험편의 전영역을 동일 온도로 가열하였으나 열화상 카메라를 이용하여 표면 온도를 측정하였을 때 위치에 따른 온도차를 확인하였다. 본 연구에서는 측정거리와(distance) 측정영역의 상관관계에 의한 방사율의 감소와 측정면의 방사 방향과 측정센서가 이루는 각도에 의한 방사율의 감소를 보정하여 참값에 가까운 온도를 구하였다. 식 (4) 와 (5)는 열화상 카메라를 통화여 얻은 측정 온도 (TI )와 실제방사율(ε_a) 그리고 보정방사율(ε_c)의 관계에 의한 실제 온도(T_A)의 관계를 나타낸다.
1과 같으며 시험편의 물성은 Table 1에 나타내었다. 시험편은 물성과 표면 조도가 같으며 시험편의 폭을 동일하게 제작하여 측정 위치의 비교를 용이 하게 하였다. 원자력 배관 시험편은 ASTM A106 Gr.
시험편의 전영역을 동일 온도로 가열하였으나 열화상 카메라를 이용하여 표면 온도를 측정하였을 때 위치에 따른 온도차를 확인하였다. 본 연구에서는 측정거리와(distance) 측정영역의 상관관계에 의한 방사율의 감소와 측정면의 방사 방향과 측정센서가 이루는 각도에 의한 방사율의 감소를 보정하여 참값에 가까운 온도를 구하였다.
물체를 일정온도까지 가열시키는 장치인 진공가열챔버 (제작: Samheung Instrument) 는 250 °C 까지 가열 가능하며 일정 온도(51 °C)로 장시간 유지하여 대상물의 전체 표면 온도가 일정하게 제작하였다. 시험편의 표면은 방사율을 1에 가깝게 유지하기 위하여 흑색 방사페인트(방사율: 0.95)를 도포 하였다. 온도 측정은 시험편의 중앙부를 기준으로 동일 가로축 선상의 온도를 측정 하였다.
95)를 도포 하였다. 온도 측정은 시험편의 중앙부를 기준으로 동일 가로축 선상의 온도를 측정 하였다. Fig.
진공 압력 챔버를 이용하여 시험편의 전영역이 동일한 온도(51 °C)가 되도록 가열한 후 서서히 냉각 하였으며 그에 대한 온도 추이를 적외선 열화상 장비(infrared thermography equipment)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 시험편은 동일한 표면 온도를 가지는 3차원 물체의 위치에 따른 온도 추이를 측정하기 위하여 직경과 재질이 일정한 원통형 시험편과 비교를 위한 직육면체 시험편을 사용하였다. 시험편은 산업현장에 많이 사용되는 스테인리스 강(STS304)이며, 형상은 Fig.
본 연구에 사용한 시험편은 동일한 표면 온도를 가지는 3차원 물체의 위치에 따른 온도 추이를 측정하기 위하여 직경과 재질이 일정한 원통형 시험편과 비교를 위한 직육면체 시험편을 사용하였다. 시험편은 산업현장에 많이 사용되는 스테인리스 강(STS304)이며, 형상은 Fig. 1과 같으며 시험편의 물성은 Table 1에 나타내었다. 시험편은 물성과 표면 조도가 같으며 시험편의 폭을 동일하게 제작하여 측정 위치의 비교를 용이 하게 하였다.
적외선 열화상 장치는 Silver 480(FLIR Co.) 상용 제품을 사용 하였으며, 분해능은 0.02 °C이다.

성능/효과

1) 물체의 온도 측정시 검출소자와 측정점이 이루는 화각의 영향이 오차의 주된 영향임을 확인 하였다.
2) 방사 각도의 영향은 중심(90°)을 기준으로 20°이후에서 영향만을 고려하고 20°이전의 영향은 무시해도 무방함을 확인하였다.
4를 통해 얻은 원통형 시험편과 육면체 시험편의 중심 가로축 선상의 온도 선도이다. 원통형 시험편과 직육면체 시험편 둘 다 중앙과 양측면부 사이에서 온도 차이가 났음을 확인하였으며 특히 원통형 시험편의 측면 온도가 크게 다름을 확인하였다. 이 결과를 통해 IR 카메라를 통해 측정된 원통형 시험편과 직육면체 시험편의 표면온도가 실제와 다르게 측정됨을 확인할 수 있었으며 두 시험편의 위치에 따른 온도 변화 선도의 차이를 확인하였다.
원통형 시험편과 직육면체 시험편 둘 다 중앙과 양측면부 사이에서 온도 차이가 났음을 확인하였으며 특히 원통형 시험편의 측면 온도가 크게 다름을 확인하였다. 이 결과를 통해 IR 카메라를 통해 측정된 원통형 시험편과 직육면체 시험편의 표면온도가 실제와 다르게 측정됨을 확인할 수 있었으며 두 시험편의 위치에 따른 온도 변화 선도의 차이를 확인하였다. 오차 수정은 평면과 곡면을 각각 고려하여야 함을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 제시한 방사율을 고려한 측정값 오차 보정기법을 이용하여 열화상 카메라를 이용한 원자력발전소 배관결함 검출기법이 현장에서 유용하게 활용될 것으로 예상된다.
원자력발전소의 배관은 내부에 흐르는 유체에 의한 침식과 부식에 의해 배관벽 두께가 얇아지는 현상(배관감육)이 발생한다. 이러한 배관내 감육결함의 검출시 열화상기술의 적용은 기존의 비파괴 검사기법의 제약을 해소해 줄 수 있어 산업현장에서의 활용도가 높을 것으로 예상된다. 하지만 열화상기술을 이용한 원자력발전소 배관의 결함검출기법의 적용은 배관표면의 정확한 온도의 계측이 선행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열화상 카메라를 이용하여 원통시험편과 육면체 시험편의 표면 온도 측정 실험을 한 결과는 무엇인가?	1) 물체의 온도 측정시 검출소자와 측정점이 이루는 화각의 영향이 오차의 주된 영향임을 확인 하였다. 2) 방사 각도의 영향은 중심(90°)을 기준으로 20°이후에서 영향만을 고려하고 20°이전의 영향은 무시해도 무방함을 확인하였다. 3) 검출소자와 측정점 사이의 화각과 방사각에 의한 측정온도의 영향을 분석하여 수정된 방사율을 측정온도에 고려하여 측정값 오차를 보정하는 기법을 제시하였다. 4) 원자력발전소 배관시험편의 내부 결함을 측정하였으며 본 연구에서 제시한 오차 보정 기법을 이용하여 측정된 온도의 보정을 수행하여 보다 신뢰성 있는 온도값을 획득하였다. 본 연구에서 제시한 방사율을 고려한 측정값 오차 보정기법을 이용하여 열화상 카메라를 이용한 원자력발전소 배관결함 검출기법이 현장에서 유용 하게 활용될 것으로 예상된다.
	방사율은 무엇에 따라 달라지게 되는가?	열화상 카메라와 대상물의 측정 위치에 따른 방사각도에 따라 방사율은 달라지게 된다. 이로 인해 열화상 시스템을 이용한 온도 측정시 나타나는 온도 분포는 절대적 온도로 볼 수 없다.
	적외선 열화상기술이란?	적외선 열화상기술(infrared thermography: IRT) 은 이 방출된 에너지양을 측정하여 검출 에너지양과 온도의 상관관계로부터 물체의 온도화상을 제공한다. 일반적으로 적외선 열화상기술에 의한 비파괴 검사는 적외선영상 또는 열영상으로 나타내고 이를 통해 보여지는 결함부와 건전부의 온도차 즉, 2차원 이미지로 제공되는 열화상에서 온도장의 왜곡을 관찰함으로써 결함의 유무를 판별한다[1].

참고문헌 (5)

X. P. V. Maldague, 'Trends in optical nondestructive testing and inspection,' Rastogi P. K., Inaudi D, Editors, Elsevier Science, Switzerland (2000)
M. Planck, 'Ueber Eeine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung,' Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2, pp. 163-180 (1900)
Walter Bich, 'Newton's laws, Planck's principle, and metrology in chemistry,' Accreditation and Quality Assurance, Vol. 11, No. 12, pp. 638-639 (1993)

상세보기
김원태, 최만용, 박해원, 한용기 '내부결함을 갖는 블록의 열화상 패턴 및 온도 프로파일 해석', 국비파괴검사학회 춘계학술대회 논문집, pp. 164-169 (2004)
김태환, 김순걸, 김원태 '열영상 적외선 방사율 보정 알고리즘에 따른 온도계측 연구', 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 논문집, pp. 86-89 (2009)

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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