KR100428891B1 - 레이저를 이용한 비접촉식 전류 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 사용하여 전류가 흐르는 도선 주위에 형성된 자기장을 자기광학 효과를 이용하여 측정함으로써, 전선에 흐르는 전류를 비접촉식으로 측정하는 측정장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 레이저로부터 발생된 레이저빔은 편광판을 통과하면서 선형으로 편광되어 자기광학 매질에 입사된다. 입사된 빔은 도선주위에 형성된 자기장에 배치된 자기광학 매질을 통과하면서 패러데이 효과에 의하여 편광각이 회전하게 된다. 자기광학 매질로부터 출력된 빛은 편광판에 대하여 45도의 각을 이루고 있는 편광 빛살가르게에 의하여 편광성분들로 나뉘어지게 되며, 편광 빛살가르게에서 출력된 편광성분들은 각각의 편광 빛살가르게 출력단에 위치한 광다이오드에서 검출된다.

광다이오드에서 검출된 출력은 차등증폭기로 빼어주며 그 차이를 이용하여 연산기에서 도선에 흐르는 전류를 계산하고, 그 결과는 광신호 출력기에서 출력시킨다. 본 발명은 차등증폭기를 사용하여 검출된 출력을 차등 증폭하므로 레이저의 세기잡음에 영향을 받지 않는 자기장 및 전류 측정장치를 구성할 수 있다.

Description

레이저를 이용한 비접촉식 전류 측정장치 {Contactless current measuring apparatus using laser}

본 발명은 레이저를 이용하여 전류를 정확히 측정할 수 있는 비 접촉식 전류 측정장치에 관한 것이다.

전류를 사용하고 있는 발전소, 변전소, 지하철, 전철, 그리고 여러 공장에서는 전기 사용량의 관리, 분배제어, 수급조정 등을 원활히 수행하기 위하여 전류의 관리를 매우 중요하게 취급하고 있다. 따라서, 안정성 및 재현성을 확보하기 위한 계측장비의 개발을 통해 전류를 정확히 측정하는 기술이 요청되었다.

레이저를 이용한 전류의 측정은 그 측정방식이 비접촉식이고 높은 정확도를 갖기 때문에 다양한 분야에 적용할 수 있는 우수한 측정기술이다. 이런 측정기술은 레이저를 사용하여 전류가 흐르는 도선 주위에 형성된 자기장을 광자기 효과를 이용하여 측정하기 때문에, 안전성과 정확성이 보장된다.

도 1은 전류 주위에 광섬유 코일을 감아 전류를 측정하기 위한, 종래기술에 의한 전류측정 장치를 도시하고 있다. 종래에는 이러한 자기광학 효과를 이용하여 자기장 및 전류의 세기를 측정하는 방법으로써 측정대상인 도선을 중심으로 하여 광섬유를 코일 형태로 감은 후 이 광섬유에 편광된 레이저 광선을 입사시키고, 도선에 흐르는 전류에 의하여 발생된 자기장으로 인하여 회전한 편광축의 회전 각도를 측정함으로써 전류의 세기를 구하였다. 그러나 이 방법은 광섬유를 측정하고자 하는 도선의 둘레에 코일 형태로 감아야 하므로 전류 센서의 설치 및 해체가 용이하지 않다. 또한, 광섬유의 경우 베르데(Verdet)상수가 작기 때문에 전류측정에 대한 검지율을 높이기 위해서는 코일 형태로 많은 횟수를 감아주어야 하며, 광섬유를 코일로 감는 과정에서 발생되는 변형 스트레스(stress)에 의해 광섬유의 복굴절성이 인가되기 때문에 광섬유로 부터 출력되는 빛의 편광상태가 영향을 받는다. 이러한 복굴절성은 온도, 압력, 음향잡음등 주변 환경에 영향을 받기 때문에 높은 신뢰도를 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유의 베르데 상수가 작음을 보완하기 위해 검출된 출력을 '차등 증폭기'를 사용하여 검출되는 출력을 증폭시킬 수 있도록 하였고, 광섬유를 코일로 감는 과정에서 발생하는 광섬유의 복굴절성을 없애기 위해 측정 대상인 도선의 주위에 자기광학 효과를 나타내는 '막대형 센서'를 위치시키고, 이 센서에 레이저 광선을 통과시켜 레이저 광선의 편광축의 회전 각도를 측정함으로써, 자기장 및 전류를 측정하는 장치 및 그 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 전류 주위에 광섬유 코일을 감아 전류를 측정하기 위한, 종전기술에 의한 전류측정 장치이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 전류 측정장치의 개략도이고,

도 3은 전류가 흐르고 있는 도선과 직교하는 막대형 센서내에서의 자기장의 크기와 방향을 나타내고,

도 4는 도 2에 도시한 레이저를 이용한 전류 측정장치로 측정한 전류의 측정결과를 도시한 그래프이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 레이저빔 발생장치; 상기 레이저빔 발생장치에서 방출된 레이저빔의 진행경로에 배치되어 이 빔을 편광시키는 편광판; 전류가 흐르는 도선주위에 배치되어 상기 편광된 레이저빔을 통과시키는 막대형 자기광학매질; 상기 도선의 주위에 형성된 자기장에 의하여 상기 막대형 광학매질을 통과한 레이저빔이 회전하는 회전각을 측정하는 회전각 측정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비접촉식 전류 측정장치가 제공된다.

상기의 비접촉식 자기장 및 전류 측정장치는, 레이저 광선을 편광으로 만들고, 상기 편광된 광선을 자기광학 매질에 입사시키고, 측정하고자 하는 도선에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장의 영향으로 회전된 광선의 회전각을 측정하기 위해 상기 회전된 편광을 성분별로 나누어 각각의 광다이오드에 의해 전류의 세기로 변환시키고, 상기 변환된 전류의 세기를 증폭시켜서 연산기로 보내면, 연산기에서 도선에 흐르는 전류를 계산하고, 상기 계산결과를 광신호 출력기에 출력하게 된다.

아래에서, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 전류 측정장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저빔을 이용한 자기장 및 전류의 측정장치의 개략도이다.

레이저(201)로부터 발생된 레이저 광선은 편광판(202)를 통과하면서 선형으로 편광되어 자기광학 매질(203)에 입사된다. 입사된 광선은 전류가 흐르는 도선(204)에 의해서 자기장이 인가된 자기광학 매질(203)을 통과하면서 패러데이 효과에 의하여 편광각이 회전하게 된다. 이렇게 회전된 빛이 회전각 측정부(211)로 전달된다. 자기광학 매질(203)로부터 출력된 빛은 편광판(202)에 대하여 45도의 각을 이루고 있는 편광 빛살가르게(205)에 의하여 편광성분들로 나뉘어지게 되며, 이 편광성분들은 편광 빛살가르게(205) 출력단에 위치한 광다이오드(206, 207)에서 검출된다.

광다이오드(206, 207)에서 검출된 출력은 차동증폭기(208)와 연산기(209)를거쳐 광신호 출력기(210)에서 출력된다. 본 발명은 차등증폭기를 사용하여 검출된 출력을 차동 증폭(differential amplification)하므로 레이저빔의 세기잡음에 영향을 받지 않는 자기장 및 전류 측정장치를 구성할 수 있다.

도 3은 전류가 흐르고 있는 도선과 직교하는 막대형 센서내에서의 자기장의 크기와 방향을 나타낸다. 도 1과 같은 코일형 배치의 종전 센서는 중심에 전류가 흐르므로, 코일 각 지점에서의 자기장이 동일하다. 그러나 본원 발명에서와 같이 막대형으로 배치한 구조에서는 막대 각 지점에서의 자기장이 달라지지만 상기의 문제점은 센서와 도선과의 상대적거리보다 막대형 센서의 길이를 길게 함으로써 제거된다. 그 이유는 다음과 같다.

Ampere의 법칙은 닫혀진 경로에 대한 선적분으로부터 주어진다. 도 3과 같이 전류가 흐르고 있는 도선과 직교하는 직선 경로에 대하여 자기장을 선적분하면 아래 [수학식 1]과 같다.

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따라서 직선경로를 따라 전파해 간 빛의 Faraday 회전각은 아래 [수학식 2]가 되어 직선경로에 대한 Faraday 회전각으로 부터 전류를 구할 수 있음을 알 수 있다.

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값은 베르데 상수이고,는 자기장에 의한 회전각을 나타낸다.

직선경로의 길이, 즉 자기광학 매질의 길이가 매우 긴 경우에는 [수학식 2]는 아래 [수학식 3]과 같이 근사된다.

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상기 [수학식 3]으로부터 전류를 구하면,

로 나타낼 수 있고, 또한 도선이 직선경로의 중앙에 위치하는 경우에는 상기 [수학식2]는 아래 [수학식5]와 같이 쓸 수 있다.

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[수학식 5]로 부터 전류를 구하면 아래 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

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따라서와을 알면 [수학식 6]를 이용하여, 회전각 측정부(211)에서 측정된 Faraday 회전각로 부터 전류를 구할 수 있다.값이 충분히 클 경우 [수학식 4]를 이용하여 전류를 구할 수 있으나, 도선이 굵은 경우 [수학식 6]을 이용하여 전류값을 계산하는 것이 보다 정확하며, 이러한 계산과정은 상기 연산기(209)에서 수행된다. 도 3에서는 도선은 지면을 통과하는 방향으로 막대형자기광학매질을 지면상에 표시되어 있으나 Ampere법칙은 임의의 폐곡선과 쇄교하는 전류에 대하여 성립하므로, 도선과 동일평면에 존재하지 아니하는 자기광학매질에 대해서는 모두 상기의 식이 적용되어질 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 자기장 및 전류 측정장치에서 측정한 전류의 측정 결과를 도시한 그래프로서, 전류의 크기를 1,800mA 까지 변화시키면서 측정한 결과이다. 실시예에서 사용한 막대형 자기광학 매질의 경우는 비교예에서 사용한 광섬유 코일의 경우보다 전류의 세기에 따른 출력신호가 크게 나타나 매우 정밀하게 전류를 측정하는 것이 가능함을 나타내고 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 레이저를 이용한 자기장 및 전류 측정장치는 자기광학 매질을 사용하여 입사되는 레이저 광선의 편광축의 회전 각도를 측정함으로써, 비접촉식 방법으로 자기장 및 전류를 연속적으로 측정할 수 있다.

이상에서 본 발명의 레이저를 이용한 자기장 및 전류의 측정장치 및 그 측정방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 레이저빔을 발생하는 레이저빔 발생장치;

   상기 레이저빔의 진행경로에 배치되어, 상기 레이저빔 발생장치에서 방출된 레이저빔을 편광시키는 편광판;

   전류가 흐르는 도선 주위에 배치되어, 상기 편광된 레이저빔을 통과시키는 자기광학매질; 및

   상기 자기광학매질을 통과한 편광 레이저빔이 상기 도선의 둘레에 형성된 자기장에 의하여 회전하는 회전각을 측정하는 회전각 측정부로 이루어진 비접촉식 전류측정장치에 있어서,

   상기 자기광학 매질은 길이l의 직선 막대형이고, 상기 도선과 동일 평면상에 위치하지 않도록 도선 주위에 거리h만큼 이격되어값이 π/ 2값에 근접하도록 배치될 때, 상기 도선에 흐르는 전류는 하기 수학식에 의해 구해지는 비접촉식 전류측정장치.

   (단,: 베르데 상수,: 자기장에 의한 회전각, μ₀: 투자율)
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전각 측정부는 자기광학 매질을 통과한 레이저광을 성분별로 분할하기 위한 편광 빛살가르게;

   상기 편광 빛살가르게에 의해 성분별로 나누어진 레이저광을 전류로 발생시키는 광 다이오드들을 구비한 비접촉식 자기장 및 전류 측정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 회전각 측정부는 상기 광 다이오드들로 부터 발생한 전류의 차를 증폭시키기 위한 차등증폭기를 포함한 비접촉식 자기장 및 전류 측정장치.