Silicon Oil-Based 2-Channel Fiber-Optic Temperature Sensor Using a Subtraction Method

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.5.344 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

감법을 이용한 실리콘 오일 기반의 2채널 광섬유 온도 센서

이동은¹ · 유욱재¹ · 신상훈¹ · 김민건² · 송영범² · 김혜진² · 장경원¹ · 탁계래¹ · 이봉수^2,+

Silicon Oil-Based 2-Channel Fiber-Optic Temperature Sensor Using a Subtraction Method

Dong Eun Lee¹, Wook Jae Yoo¹, Sang Hun Shin¹, Mingeon Kim², Young Beom Song², Hye Jin Kim², Kyoung Won Jang¹, Gye Rae Tack¹, and Bongsoo Lee^2,+

Abstract

We developed a 2-channel fiber-optic temperature sensor (FOTS) using a temperature sensing probe, a fiber-optic coupler, trans- mitting optical fiber, and an optical time domain reflectometer (OTDR). The temperature sensing probe is divided into a sensing probe and a reference probe for accurate thermometry. A sensing probe is composed of a silicon oil, a FC terminator, a brass pipe, and a single- mode optical fiber and the structure of a reference probe is identical with that of the sensing probe excluding a silicon oil. In this study, we measured the modified optical powers of the light signals reflected from the temperature sensing probe placed inside of the water with a thermal variation from 5 to 70

C. Although the optical power of the reference probe was constant regardless of the temperature change, the optical power of the sensing probe decreased linearly as the temperature increased. As experimental results, the FOTS using a subtraction method showed a small difference ( i.e., hysteresis) in its response due to heating and cooling. The reversibility and repro- ducibility of the FOTS were also evaluated.

Keywords: Fiber-optic temperature sensor, Silicone oil, Fresnel reflection, OTDR, Subtraction method

1. 서 론

원자력 발전소는 핵 증기 관련 설비 계통인 1차 계통과 터빈 발전기 관련 설비 계통인 2차 계통 그리고 보조설비 계통으로 분류되는 원전 보조기기 설비(balance of plant, BOP) 계통으로 크게 3가지로 분류된다. 각 계통 중에서 원자로 내의 연료다발 에서 열을 흡수하여 증기발생기를 통해 증기를 발생시키는 핵 심 계통인 핵 증기공급 계통에 원자로 냉각재 계통(reactor coolant

system) 이 포함된다. 원자로 냉각재 계통은 원자로 용기, 증기 발생기, 원자로 냉각재 펌프, 배관 등으로 구성되어 있고, 노심 으로부터 열을 제거하여 핵연료의 건전성을 보장하며 원자로 냉 각재의 누설과 방사성 물질의 누출을 방지하는 역할을 수행한다[1].

원자력 발전소는 다양한 사고에 대비하여 비상사고를 예방할 수 있도록 설계되며, 배관에서 발생한 균열을 미리 발견하고 양 단순간파단(double ended guillotine break, DEGB)과 같은 가상 사고를 사전에 예방하는 개념으로 파단전 누설(leak-before-break, LBB) 개념이 원자로 냉각재 계통의 배관 설계에 적용된다. 양 단순간파단이 발생하면 배관 내부의 균열을 통해 냉각재가 누 설되고, 누설된 냉각재는 배관 주변에 심각한 영향을 미치게 된 다. 따라서, 원자로 냉각재 계통 배관에서의 냉각재 누설을 예 방하고 냉각재 상실사고로의 진행을 완화시키기 위해서 냉각재 의 미세누설을 실시간 모니터링 하는 것은 원자력 발전소의 안 전성 측면에서 매우 중요하다[2-6].

일반적으로 냉각재가 누설되는 것을 감지하기 위해서 배관 주 변의 공기 중 입자형 방사능 또는 기체 방사능 그리고 습도와 온도의 변화를 측정하는 방법이 사용된다. 또한 냉각재의 누설 과 누설 위치를 탐지하는 센서로는 세라믹 습도 센서(ceramic humidity sensor), 전위 센서(potential sensor), 레이저 센서(laser- based sensor), 마이크로폰 센서(microphone sensor) 등이 냉각

1건국대학교 의료생명대학 의학공학부 , BK21 플러스의공학실용기술

연구소(School of Biomedical Engineering, BK21 Plus Research Institute of Biomedical Engineering, Konkuk University)

268 Chungwon-daero, Chungju-si, Chungcheongbuk-do, 27478, Republic Of Korea

2중앙대학교 에너지시스템공학부(School of Energy Systems Engineering, Chung-Ang University)

84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seoul, 06974, Republic Of Korea

+Corresponding author: [email protected] (Received: Sep. 2, 2016, Accepted: Sep. 29, 2016)

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재의 누설 감지에 사용되고 있다[7]. 하지만 기존의 센서들은 감 지부의 표면에 불순물이 묻을 경우 감도가 낮아지고, 넓은 범위 에 설치하기 어려우며 장치의 수명이 짧다는 단점을 가진다. 하 지만, 광섬유 센서는 감지부의 크기가 작고 실시간 측정이 가능 하며, 배관의 크기에 제한을 받지 않고 원거리에서 넓은 누설 범위의 감시가 가능하다는 장점을 가지고 있다[8-10].

본 연구는 냉각재의 누설에 의한 온도 차이를 이용하여 냉각 재 배관의 누설 위치를 감지할 수 있는 분포형 다채널 광섬유 온도 센서(distributed multichannel fiber-optic temperature sensor, FOTS) 의 개발에 대한 연구의 일환으로 실리콘 오일(silicone oil) 을 기반으로 하는 2채널 광섬유 온도 센서를 제작하였다. 광원 및 광 계측장비로 사용한OTDR(optical time-domain reflectometer) 은 광섬유에서 발생되는 산란광 및 반사광을 이용하여 이벤트 가 발생한 지점과 거리 및 광 손실을 측정하는 장비로서 원거 리에서 실시간 광 신호의 측정이 가능하다[1,8,11,12]. 본 연구 에서는 제작된 광섬유 온도센서의 성능평가를 위하여 온도 변 화에 따른 실시간 출력신호를 측정하였고, 온도 감지 프로브를 구성하는 기준 프로브(reference probe)와 감지 프로브(sensing probe)로부터 발생한 각 반사광의 광 파워(optical power)의 차 이를 이용하는 감법(subtraction method)을 적용하여 출력신호를 분석하였다.

2. 연구 방법

Fig. 1 은 광섬유 온도 센서의 온도 감지 프로브의 구조를 보 여준다. 온도 감지 프로브를 구성하는 2개의 프로브 중에서 감지 프로브는 온도 감지물질(temperature sensing material), FC 터미네이터(FC terminator), 황동관(brass pipe) 및 굴절률 이 1.464인 싱글모드 광섬유(single-mode optical fiber, 980HP, Thorlabs, Inc)로 구성되고, 기준 프로브는 온도 감지물질을 제 외한 나머지 부품들로 구성된다. 온도에 따라 광학적 특성인 굴절률(refractive index)이 변하는 온도 감지물질로 사용한 실 리콘 오일(KF-54, Shin-Etsu)은 내열성이 뛰어난 무색투명의 액체이고, 25

C 의 온도에서 1.505의 굴절률을 가지며 사용 가 능한 온도범위는 –35~250

C 이다. 감지 프로브 내에 주입된 실 리콘 오일이 외부 물질과의 접촉으로 인해 물리적 또는 화학 적으로 변성되는 것을 방지하고, 온도에 대한 민감도를 높이 기 위해 열전도도(thermal conductivity)가 높은 황동 재질의 관을 사용하였다.

기준 프로브 및 감지 프로브의 연결을 위해 사용된 광섬유 커 플러(fiber-optic coupler, FCQ1315-FC, Thorlabs, Inc) 는 OTDR 내에 위치한 광원으로부터 광 신호 전송용 광섬유(transmitting optical fiber, 980HP, Thorlabs, Inc)를 통해 전송된 광 신호를 분 배한다. 분배된 광 신호는 온도에 따른 굴절률 변화에 의한 프 레넬 반사(Fresnel reflection)로 인하여 온도 감지 프로브로부터

반사되어 OTDR 내에 위치한 광 센서로 되돌아간다. 프레넬 반 사는 광 신호가 서로 다른 굴절률을 가지는 두 매질에 입사될 때, 두 매질의 경계면에서 광 신호의 일부가 반사되는 현상이 다. 온도 감지 프로브의 내부에 위치한 싱글모드 광섬유의 끝 단에서 코어(core)의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 온도 감지 물질이 접촉하면 입사된 광 신호의 일부가 경계면에서 반사된 다. 프레넬 반사에 의한 반사광의 광 파워(R)는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

식 (1)에서 온도 감지 프로브에 사용된 싱글모드 광섬유 코어 의 굴절률을 n

, 감지 프로브 내에서 광섬유의 끝 단과 접촉하 게 되는 실리콘 오일의 굴절률을 n

로 나타내면, 외부 온도에 따 라 변하는 실리콘 오일의 굴절률에 의해 달라지는 반사율을 획 득할 수 있다[1,8].

Fig. 2는 온도 감지 프로브를 공기 중에 설치하였을 때, 온 도 감지 프로브를 구성하는 싱글모드 광섬유의 길이에 따라 발생한 출력신호를 보여준다. 본 테스트에서는 10 m와 20 m 의 길이를 가지는 2개의 싱글모드 광섬유를 광섬유 커플러에 연결하였으며, 각각의 싱글모드 광섬유가 서로 다른 길이를 가 짐에 따라 OTDR에서 방출된 근적외선(near infrared) 광 신 호가 전송용 광섬유를 거쳐 광섬유 커플러에 의해 분배되고, 각각의 프로브로부터 반사된 후 다시 전송용 광섬유를 통해

R n

– n

n

+ n

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

=

Fig. 1. Structure of a temperature sensing probe.

Fig. 2. Distribution of the optical signals divided by a fiber-optic

coupler.

OTDR 내에 위치한 광 센서로 함께 되돌아 오더라도 반사광 의 광 피크(optical peak)가 독립적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 25

C의 온도에서 굴절률이 1.505인 실리콘 오일을 기반으로 하는 온도 감지 프로브, 광섬유 커플러, 전송용 광섬 유와 OTDR로 구성된 2채널 광섬유 온도 센서를 이용한 실험 구성을 보여준다. 정확한 온도의 측정을 위해 온도 감지 프로브 는 채널 1(CH 1)의 기준 프로브와 채널 2(CH 2)에 해당하는 감 지 프로브 즉, 2채널로 구성하였다. 각각의 프로브에 연결된 싱 글모드 광섬유는 원거리 측정을 위해 30 m와 40 m로 교체하였 으며, 온도 감지 프로브는 광섬유 커플러 및 100 m 길이의 전 송용 광섬유를 통해 OTDR로 연결된다. 수조 내에 설치된 기준 프로브와 감지 프로브 사이의 간격은 1 cm 이며, 냉온 플레이 트(cooling/heating plate, CP-7200GT, Intec)를 사용하여 수조에 채워진 물의 온도를 조절하였다. 또한 열전대(thermocouple, 54 II thermometer, Fluke) 를 기준 온도 센서로 사용하여 물의 온도 를 실시간 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 4 는 OTDR에 내장된 1,310 nm의 파장을 가지는 근적외 선 광원을 이용하여 측정한 감지 프로브 내 실리콘 오일의 유 무에 따른 출력신호의 변화를 보여준다. OTDR 내의 근적외선 광원으로부터 방출된 광 신호가 100 m 길이의 전송용 광섬유 및 광섬유 커플러를 통하여 40 m 길이의 싱글모드 광섬유에 연 결된 감지 프로브까지 전송된다. 실험 결과, 실리콘 오일을 감 지 프로브에 주입하지 않을 경우, 감지 프로브의 내부에 위치한 광섬유의 끝 단이 굴절률이 1인 공기와 접촉하게 되므로 광섬 유 코어와 접촉물질 사이의 굴절률의 차이가 커지며 이로 인해 프레넬 반사율 또한 높아진다. 반면 실리콘 오일을 주입할 경 우, 광섬유 코어와 접촉물질 사이의 굴절률 차이가 작아짐에 따

라 식 (1)에 의해 프레넬 반사율이 낮아지고 이에 따라 반사광 의 광 피크에서 광 파워가 작아지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 5는 5∼70

C의 온도범위 내에서 5

C 간격으로 물의 온 도를 높이거나 낮추면서 온도 변화에 따라 채널 1의 기준 프로 브로부터 반사되어 돌아오는 반사광의 광 파워의 변화를 보여 준다. 온도 감지물질인 실리콘 오일이 주입되지 않은 기준 프로 브의 경우에는 온도 변화에 무관하게 OTDR에서 감지되는 반 사광의 광 피크에서 광 파워가 일정한 값을 가지는 것을 확인 Fig. 3. Experimental setup using a 2-channel FOTS.

Fig. 4. Difference of optical powers of the 2-channel FOTS with or without a silicone oil.

Fig. 5. Variation of the output signals from the reference probe (CH 1) according to the temperature change.

Fig. 6. Variation of the output signals from the sensing probe (CH 2)

according to the temperature change.

할 수 있다. 온도의 상승 및 하강에 따른 광 파워는 0.08 dB이 하의 차이를 보였다.

Fig. 6 은 온도 변화에 따라 채널 2의 감지 프로브로부터 반사 되어 돌아오는 반사광의 광 파워의 변화를 보여주며, 물의 온도 변화에 따라 광 파워가 선형적으로 변하는 것을 볼 수 있다. 또 한 온도 감지물질로 사용한 실리콘 오일의 굴절률 변화가 온도 변화에 대해 가역성(reversibility)을 가지며, 온도의 상승 및 하 강에 따른 히스테리시스(hysteresis) 현상이 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 감지 프로브만을 사용할 경우, 외부 환 경의 영향으로 인해 광 파워의 기준값이 변할 수 있다. 따라서 기준 프로브와 감지 프로브에서의 기준값 변화를 동시에 측정 하고 그 차이를 이용하는 감법을 적용시킴으로써 오프셋(offset) 의 변동을 최소화 시켰다.

Fig. 7 은 감법을 이용하여 기준 및 감지 프로브로부터 발생한 광 신호의 차이(CH 1 – CH 2)를 온도에 따라 나타낸 그래프를 보여준다. 온도가 높아짐에 따라 기준 프로브의 광 파워는 일정 한 반면, 감지 프로브의 광 파워는 작아지며 이에 따라 기준 프 로브와 감지 프로브 사이의 광 파워의 차이가 선형적으로 커지 게 된다. 만약 광섬유 온도 센서가 외부 환경으로부터 영향을 받는다면 기준 프로브와 감지 프로브의 광 파워 기준값이 함께

변하게 되므로 감법을 적용함에 따라 오프셋의 변동을 최소화 시켜 온도를 정확하게 측정할 수 있게 된다.

Fig. 8은 온도 변화에 따른 광섬유 온도 센서의 가역성 및 재현성(reproducibility)을 실험한 결과를 보여준다. 공기 중의 온도는 20

C, 수조에 채워진 물의 온도는 70

C 로 유지하였으 며, 각각의 온도에서 측정시간은 15분으로 고정함으로써 재현 성을 일정하게 측정하였다. 광섬유 온도 센서의 감지 프로브 를 공기와 수조 내부로 각각 이동시켰을 때, 온도 차이에 따 라 반사광의 광 파워가 변하는 것을 볼 수 있고, 본 연구에서 제작한 광섬유 온도 센서가 가역성 및 재현성을 가지는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 온도에 따라서 굴절률이 변하는 실리콘 오일 기반의 2채널 광섬유 온도 센서를 제작하였다. 제작된 광섬유 온도 센서의 성능평가를 위하여 물의 온도 변화에 따른 출력신 호를 측정하였고, 온도의 정확한 측정을 위해 감법을 적용시켰다.

5~70

C의 온도범위에서 온도의 상승 및 하강에 따라 기준 프 로브와 감지 프로브의 출력신호를 동시에 측정한 결과, 기준 프 로브로부터 되돌아온 반사광의 광 파워는 온도 변화와 무관하 게 일정하고, 감지 프로브의 광 파워는 온도 변화에 따라서 선 형적으로 변하는 것을 확인하였다. 정확한 온도의 측정을 위해 감법을 적용하여 출력신호의 오프셋의 변동을 최소화시켰으며, 본 연구에서 제작한 광섬유 온도 센서가 가역성 및 재현성을 가 지는 것을 확인하였다.

본 연구에서 제작한 광섬유 온도 센서는 100 m 이상의 길이 를 가지는 광섬유를 이용하여 온도에 관한 정보를 가진 광 신 호를 온도 감지 프로브로부터 OTDR로 전송한다. 따라서 배관 에서의 냉각재 누설 감지에 광섬유 온도 센서를 적용시킬 경우, 원거리에서 온도를 실시간 측정할 수 있을 것으로 판단된다. 앞 으로의 연구 방향은 고온환경에서의 광 신호 전송 및 다채널 측 정을 위해 금속코팅 광섬유(metal-coated optical fiber)와 다채널 광섬유 커플러 또는 광섬유 스위치(fiber-optic switch)를 이용하 여 분포형 다채널 광섬유 온도센서를 제작한 후, 냉각재 배관을 모사한 고온환경에서 성능을 평가하는 것이다.

감사의 글

본 연구는 2016년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 원자력연구사업(No.

2014M2B2A9031841) 및 기초연구사업(No. 2015R1C1A1A02036364 and No. 2013R1A1A1061647)의 연구결과입니다.

Fig. 7. Relationship between the temperature of water and the dif- ference (CH 1 – CH 2) in output signals between the ref- erence and sensing probe.

Fig. 8. Reversibility and reproducibility of the fabricated FOTS.

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