보고서 정보
주관연구기관 |
한국표준과학연구원 Korea Research Institute of Standards and Science |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2012-05 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
지식경제부 Ministry of Knowledge Economy |
등록번호 |
TRKO201300025101 |
과제고유번호 |
1415116695 |
사업명 |
원자력융합원천기술개발 |
DB 구축일자 |
2013-09-14
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키워드 |
벤투리 유량계.오리피스 유량계.유출계수.초음파 유량계.유량계 교정.토모그래피.라돈 변환.건식 다회선 초음파 유량계.
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초록
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핵심기술
시간 디지털 변환 장치를 이용하여 초음파 신호의 송신·수신에 따른 초음파 도달시간의 차이를 (25 ~ 100) ps 단위로 측정하는 기술이 핵심이다.
최종목표
원자력 발전소에서 설치되어 사용 중인 오리피스 또는 벤투리 유량계의 유출계수를 교정하기 위한 건식 단회선/3회선/다회선 초음파 유량계 개발
개발내용 및 결과
1차년도 연구에 대한 중간 평가된 의견을 반영하여,
1) 활용도를 높일 수 있는 구체적인 목표 및 계획 수립, 추진
- 적용대상 선정, 정확도 등 개발사양 및 검증방안 구체화
핵심기술
시간 디지털 변환 장치를 이용하여 초음파 신호의 송신·수신에 따른 초음파 도달시간의 차이를 (25 ~ 100) ps 단위로 측정하는 기술이 핵심이다.
최종목표
원자력 발전소에서 설치되어 사용 중인 오리피스 또는 벤투리 유량계의 유출계수를 교정하기 위한 건식 단회선/3회선/다회선 초음파 유량계 개발
개발내용 및 결과
1차년도 연구에 대한 중간 평가된 의견을 반영하여,
1) 활용도를 높일 수 있는 구체적인 목표 및 계획 수립, 추진
- 적용대상 선정, 정확도 등 개발사양 및 검증방안 구체화
- 불확도 0.8 % 이내 도달 가능한 연구 계획 보완
2) 과제 사업관리(공정, 연계산업 분야)에 대한 노력
3) 고온-고압 설비에서의 유량 검교정을 위한,
건식 단회선 및 다회선 초음파 유량계를 개발하는 데에 중점을 두었다.
연구를 진행하는 동안, 초음파 비파괴 검사에서 주로 사용되는 고속 디지타이저를 이용한 측정 방식보다는 시간-디지털 변환(Time-to-Disigal Conversion)을 이용한 측정 방식이 더 효과적이라는 것을 알게 되었고, 기존에 계획한 연구 내용을 대폭 수정하였다. 이를 위해, 시간-디지털 변환을 이용한 전달시간차 방식의 초음파 유량계 하드웨어와 소프트웨어를 자체적으로 제작했다. 또한 자체 제작한 초음파 유량 센서의 성능을 향상시키기 위해 PEI를 센서재질로 사용하였고, 공진 주파수를 정의하기 위한 PZT 압전 소자의 직경과 두께를 설계하여 초음파 유량 센서를 제작하였다. 건식 단회선 초음파 유량계의 1차 시제품을 가지고 자체 제작된 초음파 유량 센서와 상용 초음파 유량 센서의 성능을 비교한 결과, 자체 제작된 유량 센서의 초음파 수신 감도가 더 높은 것을 확인했다. 건식 초음파 유량계 하드웨어의 출력이 기준 유량에 선형적으로 비례하는 것도 확인했다. 그러나 1차 시제품에서는 초음파 유량계 하드웨어와 PC의 통신이 원활하지 않아, 초당 10개의 데이터를 수집하는 정도에 그쳤다. 따라서 건식 단회선 초음파 유량계의 2차 시제품에서는 마이크로 컨트롤러를 도입하였고, 초음파 유량계 하드웨어와 PC의 통신 속도를 향상시켜, 초당 400개의 데이터를 수집할 수 있었다.
건식 초음파 유량계의 측정 정확도를 향상시키기 위해서는, 습식 초음파 유량계에서 사용되는 유량 공식 대신에, 건식 초음파 유량계에 맞는 유량 측정공식을 자체적으로 개발했다. 먼저, 건식 단회선 유량계에 대해서는 초음파 경로를 따라 지나가는 배관 내부 유체의 음속과 유속, 초음파 유량 센서의 설치위치에 대한 보정값을 미지수로 두고 반복 계산하여 음속과 유속을 측정하도록 하였다. 그 다음으로, 건식 3회선 유량계에 대해서는 /자형과 V자형 초음파 경로를 혼합시켜, 배관 내부의 직경을 측정하지 않더라도 삼각법에 의해 배관내부의 직경과 배관 내부 유체의 음속, 유속을 측정하도록 하였다. 끝으로, 건식 다회선 유량계에 대해서는 상류측과 하류측에 설치된 초음파 유량 센서들의 설치 거리를 계산하기 위한 공식을 개발하였다. 각각의 경우에 대해 유도된 유량 측정 공식들은 서로 연관되어 있어서, 만약 공식 유도 과정을 처음부터 다시 반복하면, 단회선 또는 다회선의 구분없이 건식 초음파 유량계에 적합한 유량 측정 공식을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
건식 초음파 유량계용 소프트웨어의 개발에도 많은 시간과 노력을 들였다. 1차년도에는 LabVIEW를 기반으로 하는 윈도우 프로그램을 개발하였으나, 2차년도에는 Microsoft Visual C#을 기반으로 하는 윈도우 프로그램을 개발하여, 자체 제작된 건식 초음파 유량계 하드웨어로부터 빠른 속도로 데이터를 주고받을 수 있도록 했다. 또한 1차년도에서 검토했던 고속 다채널 디지타이저 방식의 초음파 신호 측정용 Visual C++ 프로그램을 보완 제작함으로써, 건식 초음파 유량계에 사용되는 초음파 센서의 초음파 직진성(또는 확산성)을 실험적으로 확인할 수 있도록 했다. Visual C#과 Visual C++로 작성된 프로그램들은 .NET 기반의 소프트웨어이므로, 향후 윈도우 또는 안드로이드 기반의 태블릿PC에서 사용 가능한 소프트웨어로서 변환이 가능할 것으로 예상된다.
따라서 2차년도 연구에서는 전반적으로 1차년도 연구의 중간 평가결과를 반영한 연구를 진행하였고, 이에 따라 연구 시작 전에 제안했던 고속 다채널 디지타이저를 이용한 초음파 유량 토모그래피 구현보다는 시간-디지털 변환방식을 이용한 건식 단회선/다회선 초음파 유량계 개발 방향에 중점을 두었다. 산업체로의 응용 가능성을 염두에 두고 2차년도 연구를 진행했기 때문에 연구개발 방향에 중간에 변경되었고, 이에 따라 건식 단회선 초음파 유량계에 대한 1차, 2차 시제품을 완성하는 데 상당한 시일이 소요되었다. 이로 인해 전체적으로 계획된 일정이 지연되었다. 1차년도 중간 평가결과를 반영하여 현재까지 진행된 사항을 정리하면 다음과 같다.
1) 활용도를 높일 수 있는 구체적인 목표 및 계획 수립, 추진
- 적용대상을 1차 계통(주급수) 유량계가 아니라 2차 계통 유량계로 목표를 변경했다.
- 습식 초음파 유량계와 건식 초음파 유량계의 차이점을 비교한 다음, 측정 원리에서부터 초음파 센서 제작, 초음파 유량계용 하드웨어 및 소프트웨어를 자체적으로 개발했다.
2) 과제 사업관리(공정, 연계산업 분야)에 대한 노력
- 건식 초음파 유량계의 측정 불확도를 낮추기 위해 다채널 디지타이저를 이용한 측정 방식에서, 시간-디지털 변환 장치를 이용한 측정 방식으로 연구개발 방향을 변경하는 과정에서 시제품 제작 등의 일정이 많이 지연되었다.
(2012년말까지 지연된 일정을 소화할 예정임)
3) 고온-고압 설비에서의 유량 검교정
- KRISS 내부 유량측정 설비에서 측정 불가능한, 고온-고압 설비로서 KOLAS 국가교정기관, 한국지역난방공사 등에서 현장시험을 위한 장소를 섭외하였고, 건식 초음파 유량계의 시제품 개발 지연에 따른 현장 시험을 늦어도 2012년 9월까지는 마무리할 예정이다.
기술개발배경
o 발전 효율
- 정확한 유량 측정은 발전 효율을 평가할 때 영향을 끼침
- 배관 내의 이물질 축적에 의해 오리피스 유량계의 성능이 저하됨
o 현장 교정
- 주기적으로 유출 계수를 교정하여 유량 측정 정확도를 높여야 함
- 기존 교정 방법으로는 원자력 발전용 유량계의 교정이 불가함
o 측정 편의성
- 현장 교정 시, 건식 초음파 유량계를 기준 유량계를 활용하면, 교정 업무의 효율 향상이 예상됨
- 습식 다회선 초음파 유량계가 건식 초음파 유량계보다 더 좋은 측정 불확도 성능을 나타내나, 원자력 발전소의 특성상 초음파 센서에 대한 유지보수가 어려움
핵심개발기술의 의의
o 건식 단회선 초음파 유량계
- 반복 계산을 통해, 배관 내부 유체의 음속과 유속, 초음파 센서의 설치 거리를 보정할 수 있도록 유량 측정 공식을 개발함
- 최신 반도체 부품을 사용하여 하드웨어를 독자적으로 설계, 제작함
- Visual C#으로 소프트웨어를 개발하여 향후 태블릿 PC로 확장성을 고려함
o 건식 3회선 초음파 유량계
- /자, V자 형태의 초음파 경로를 결합하여, 초음파 센서 3개를 가지고 배관내부 직경을 삼각법으로 측정할 수 있는 유량 측정 공식을 개발함
- 배관 규격보다는 초음파 도달시간 차이를 가지고 배관 내부 직경을 계산하므로, 배관 내부의 스케일 축적이나 유속분포 특성을 고려한 유량 측정이 가능할 것으로 판단됨
o 건식 다회선 초음파 유량계
- 습식 초음파 유량계에서 사용되는 유량 측정 공식을 바탕으로, 다채널 초음파 센서들의 설치거리를 계산하는 공식을 유도했음
- 향후 건식 단회선/3회선 초음파 유량계에서부터 유도되는 공식을 활용하면, 건식 다회선 초음파 유량계에 맞는 공식을 다시 유도할 수 있을 것으로 판단됨
따라서 연구 시작 전에 알려진 건식 초음파 유량계에 비해 유량계의 종류가 다양해졌고, 독자적으로 측정 원리를 개발했으며, 국내 기술로 건식 초음파
유량계에 대한 하드웨어와 소프트웨어를 제작했음. (그러나 초음파 유량계 하드웨어에 사용된 ASIC 등 핵심 부품들은 여전히 외국에서 수입되어야 제작이 가능함)
적용분야
ㅇ 원전용 2차 계통에 적용하기 위한 건식 단회선/다회선 초음파 유량계
ㅇ 원전용 오리피스 / 벤투리 유량계 현장 교정
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