KR101263244B1 - 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템 - Google Patents

전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템 Download PDF

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이정호
권명주
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Abstract

본 발명은 전력망이나 전력 설비의 대상물이 설치된 현장에 대한 자기 변화, 소음, 진동 및 불꽃 발생을 센싱하여 대상물의 상태를 체크하여 사고를 예방하는 상시 안전 감시 시스템시스템을 개시하며, 자성물질이 코팅된 제1 압전단결정체를 포함하며 전력망이나 전력 설비에 포함된 대상물에 설치되고 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 가짐으로써 상기 대상물에 흐르는 전류에 의하여 형성되는 전기장이 상기 자성물질에 영향을 미쳐서 상기 제1 압전단결정체에 변위가 발생하면 상기 변위에 대응하는 자기 센싱 신호를 출력하는 자기 감응 센서; 상기 자기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 유무선 통신망을 통하여 전송하는 변환기; 상기 대상물이 설치된 현장에서 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 표시하며 상기 대상물의 상태를 확인하는 기능을 제공하는 뷰어; 및 상기 전력망이나 상기 전력 설비를 운용하며 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 상기 대상물의 상태를 확인하며 상기 유무선 통신망을 통한 상기 뷰어의 요청에 대응하여 상기 대상물의 상태 정보를 제공 및 상기 대상물의 동작 제어를 수행하는 통합 서버;를 를 포함함을 특징으로 한다.

Description

전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템{Off-site safety surveilance system in electric power network or utilities}
본 발명은 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력망이나 전력 설비의 대상물이 설치된 현장에 대한 자기 변화, 소음, 진동 및 불꽃 발생을 센싱하여 대상물의 상태를 체크하여 사고를 예방하도록 개선한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전력망이나 전력 설비는 여러 사고 요인을 포함하고 있으며 안정적인 전력 공급이 보장되어야 한다.
따라서, 전력 망이나 전력 설비의 상태를 감지하여 고장이나 이상 그리고 화재 등에 대한 사전 진단 및 예방 수단의 마련이 필요하다.
그러나, 전력망이나 전력 설비를 이루는 부품들은 작업자나 감시자가 관측할 수 없는 위치에 설치되거나 감시자가 관측할 수 없는 상태로 설치되는 경우가 대부분이어서 대상물의 상태를 미리 인지하는 것이 어렵고 사전에 큰 사고로 전이되지 않도록 예방하는 것이 쉽지 않다.
종래에는 전력망이나 전력 설비의 상태를 체크하기 위하여 부하를 이용한 전압 또는 전류의 센싱을 기초로 한 센서를 이용한 시스템이 구성되는 것이 일반적이었으나, 이는 전원이 전력망이나 전력 설비에 종속됨으로써 전력망 전체 또는 전력 설비 전체에 이상이 발생한 경우 원활한 동작이 보장되기 어려운 단점이 있다.
따라서, 위와 같은 중요한 설비나 현장을 상시 감시할 수 있는 체계, 시스템의 구축이 절실히 요구된다.
본 발명은 압전, 유전 및 초전 특성 중 적어도 하나 이상의 물리적 특성을 갖는 소재를 사용한 센서로써 전력망이나 전력 설비에 구성되는 대상물의 상태를 사전 감지하는 상시 안전 감시 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 전력망이나 전력 설비에 종속되지 않은 전원을 가지며 압전단결정체를 이용하여 전기장을 센싱하여 상기 대상물의 상태를 감지하는 자기 감응 센서를 이용하여서 센싱하고 원격지에서 상기 대상물의 상태를 점검할 수 있는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 전력망이나 전력 설비의 대상물에 대하여 음향, 진동 및 불꽃 발생을 감지하는 보조 센서를 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 갖도록 구성하고 상기 자기 감응 센서와 상기 보조 센서의 센싱 결과를 조합하여 상기 대상물의 상태를 판단하여 대상물의 상태 판단의 정확성을 확보할 수 있는 상시 안전 감시 시스템을 제공함을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 자기 감응 센서 및 상기 보조 센서는 상기 대상물이 설치된 현장의 자기 변화, 진동, 음파들 중 적어도 하나 이상을 에너지 원으로 사용하는 에너지 하베스트 센서로 구성하여 독립된 전원을 확보할 수 있는 상시 안전 감시 시스템을 제공함을 또다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용상 편의성 및 경제성을 확보하기 위하여 스마트폰으로 상기 뷰어를 구성하는 상시 안전 감시 시스템을 제공함을 또다른 목적으로 한다.
본 발명에 따른 상시 안전 감시 시스템은, 자성물질이 코팅된 제1 압전단결정체를 포함하며 전력망이나 전력 설비에 포함된 대상물에 설치되고 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 가짐으로써 상기 대상물에 흐르는 전류에 의하여 형성되는 전기장이 상기 자성물질에 영향을 미쳐서 상기 제1 압전단결정체에 변위가 발생하면 상기 변위에 대응하는 자기 센싱 신호를 출력하는 자기 감응 센서; 상기 자기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 유무선 통신망을 통하여 전송하는 변환기; 상기 대상물이 설치된 현장에서 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 표시하며 상기 대상물의 상태를 확인하는 기능을 제공하는 뷰어; 및 상기 전력망이나 상기 전력 설비를 운용하며 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 상기 대상물의 상태를 확인하며 상기 유무선 통신망을 통한 상기 뷰어의 요청에 대응하여 상기 대상물의 상태 정보를 제공 및 상기 대상물의 동작 제어를 수행하는 통합 서버;를 포함함을 특징으로 한다.
여기에서, 본 발명은 제2 압전단결정체를 포함하는 음향 센서; 상기 제2 압전단결정체를 포함하는 진동 센서; 및 초전체를 포함하며 일면에 형성된 윈도우를 통하여 외부 불꽃의 열이 상기 초전체에 전달되면 그에 대응하여 동작하는 불꽃 센서;중 적어도 하나 이상을 포함하며 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 갖는 보조 센서를 더 포함하며, 상기 뷰어와 상기 서버에서 상기 대상물의 상태는 상기 자기 감응 센서와 상기 보조 센서의 센싱 결과를 조합으로 판단할 수 있다.
그리고, 상기 자기 감응 센서 및 상기 보조 센서는 상기 대상물이 설치된 현장의 자기 변화, 진동, 음파들 중 적어도 하나 이상을 에너지 원으로 사용하는 에너지 하베스트 센서로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 압전단결정체와 상기 초전체는 PMN-PT를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 PMN-PT는 하기 화학식 1과 같은 조성을 갖는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
여기서,
[P]는 산화납[PbO, PbO2, Pb3O4]이고,
[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO2]이고,
[N]은 산화나이오비움[Nb2O5]이고,
[T]는 산화티탄[TiO2]이고,
[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,
상기 화학식 1에서,
0.4≤x≤0.8이고,
0.0001≤y≤0.4이고,
0.0001≤z≤0.4이고,
0.0001≤p≤0.4이고,
0.0001≤s≤0.4이다.
또한, 상기 PMN-PT는 단결정으로서 <111> 또는 <001>의 배향을 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 음향 센서 및 상기 진동 센서는, 실리콘 상에 상기 제2 압전단결정체가 구성되고, 상기 제2 압전단결정체 상에 다수의 전극이 형성되며, 상기 제2 압전단결정체의 측면과 상면에 페시베이션막이 형성되고 상기 패시베이션막은 상기 전극이 노출되도록 오픈된 구조를 가질 수 있다.
그리고, 상기 불꽃 센서는 상기 초전체가 대상물이나 주변에서 불꽃에 의하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)가 발생함에 따라 생성되는 4.0 내지 4.6 ㎛의 파장을 감지하여 전기적 신호로 출력하는 구조를 가질 수 있다.
그리고, 상기 불꽃 센서는, 윈도우가 형성된 메탈 케이스; 상기 메탈 케이스와 결합되는 하부 커버; 상기 메탈 케이스와 상기 하부 커버가 결합된 내부에 실장되는 기판; 상기 기판의 상기 윈도우를 지향하는 면에 설치되며 일면에 전극이 형성된 상기 초전체; 상기 초전체를 기판(135)에 지지하여 설치하는 지지대(140); 및 기판의 이면에 증폭기, 칩저항 및 핀을 포함하는 실장물;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 뷰어는 상기 대상물이 설치된 현장에서 사용되는 스마트폰으로 구성되며 상기 대상물의 이상 유무를 확인하는 기능을 갖는 어플리케이션이 설치될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 전원이 전력망이나 전력 설비에 종속되지 않고 압전체를 이용하여 전기장을 센싱하여 상기 대상물의 상태를 감지하는 자기 감응 센서를 이용하여서 센싱하고 원격지에서 상기 대상물의 상태를 점검할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전기장 센싱과 더불어 음향, 진동 및 불꽃 발생을 보조적으로 감지하여서 자기 감응 센서의 센싱 결과와 조합함으로써 대상물의 상태 판단의 정확성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 일반적으로 사용되는 스마트폰으로 뷰어를 구성할 수 있어서 사용상 편의성 및 경제성이 확보되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 블록도.
도 2는 도 1에 구성되는 자기 감응 센서의 구성을 나타내는 개략도.
도 3은 도 1에 구성되는 음향 센서 또는 진동 센서의 구성을 나타내는 단면도.
도 4는 도 1에 구성되는 불꽃 센서의 구성을 나타내는 사시도.
도 5는 뷰어 또는 모니터에서 표시되는 화면의 일예를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템은 도 1과 같이 실시될 수 있으며, 도 1은 전력망 또는 전력 설비에 자기 감응 센서(10)와 보조 센서(20)가 구성될 수 있으며, 보조 센서(20)는 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 구성에 이용되는 센서는 초전, 유전 및 압전의 물리적 특성 중 적어도 하나 이상의 물리적 특성을 갖는 소재를 사용하여 전력망이나 전력 설비에 구성되는 대상물의 상태를 사전 감지하도록 구성될 수 있다.
여기에서, 후술되는 도 2로 구성되는 자기 감응 센서(10)는 압전 특성을 이용하여 구성될 수 있고, 도 3으로 구성되는 음향 센서(22) 및 진동 센서(24)는 압전 또는 유전 특성을 이용하여 구성될 수 있고, 도 4로 구성되는 불꽃 센서(26)는 초전 특성을 이용하여 구성될 수 있다.
그리고, 도 1의 실시예는 변환기(30)를 포함하며, 변환기(30)는 센서 신호 변환부(32)와 모뎀(34)을 포함한다. 변환기(30)는 자기 감응 센서(10)에서 출력되는 자기 센싱 신호를 주 센싱 신호로 이용하고 보조 센서로 구성되는 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)의 센싱 결과를 보조 센싱 신호로 이용할 수 있으며, 주 센싱 신호와 보조 센싱 신호를 조합하여 그 결과를 유무선 통신망을 통하여 뷰어(40) 및 통합 서버(50)로 전송하는 구성을 가질 수 있다. 이 경우 단일 센싱에 의한 센싱 정보가 제공되는 것보다 복합적인 센싱 정보가 제공될 수 있으므로 신뢰성 있는 센싱 정보가 뷰어(40) 및 통합 서버(50)를 통하여 확인될 수 있다.
한편, 센서 신호 변환부(32)는 자기 감응 센서(10)와, 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)에서 출력되는 미세한 센싱 신호를 증폭하여 모뎀(34)으로 전달하며, 모뎀(34)은 유선 또는 무선 통신을 수행할 수 있는 것으로 구성될 수 있으며 유무선망을 통하여 통신을 수행하는 기능을 갖는다.
여기에서, 센서 신호 변환부(32)는 마이크로 컨트롤 유니트를 포함하여 구성될 수 있으며 자기 감응 센서(10)와, 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)에서 출력되는 미세한 센싱 신호를 증폭하고 유무선으로 전송하기 위한 신호 형태(패킷 등)로 변환하여 출력하는 기능을 갖는다.
모뎀(34)은 유무선 통신망을 통하여 뷰어(40) 또는 통합 서버(50)와 유선 또는 무선으로 통신을 수행하여서 양방향으로 데이터를 송수신하며, 무선 통신을 위하여 지그비(Zig-Bee), 블루투스(Blue-Tooth), 시디엠에이(CDMA), 엘비에스(Location Based Service), 알에프 아이디(RFID) 등 다양한 기술이 적용될 수 있으며, 모뎀(34)은 이용하고자 하는 통신망에 대응한 프로토콜을 갖도록 구성될 수 있다.
그리고, 뷰어(40)는 통신모듈(42)과 신호 처리부(44) 및 표시장치(46)를 포함하는 장치가 이용될 수 있다. 뷰어(40)는 대상물이 위치한 장소에 현장 작업자가 손쉽게 시각적으로 확인할 수 있도록 고정 설치된 전용 단말기로 구성될 수 있다. 그리고, 뷰어(40)는 이동식 단말기로 구성될 수 있으며, 일예로 뷰어(40)는 현장 사용자가 소지하며 어플리케이션을 설치한 스마트폰이 이용될 수 있다.
뷰어(40)에서 통신 모듈(42)은 유무선 통신망을 통하여 변환기(30)의 모뎀(34) 또는 통합 서버(50)와 통신을 수행하기 위한 것이며, 표시 장치(46)는 센싱 신호에 따라 대상물의 상태를 파형도 등으로 표시하기 위한 것이며 터치 스크린으로 구성될 수 있다. 그리고, 신호 처리부(44)는 프로그램에 의하여 통신 모듈(42)로 전달된 센싱 신호를 표시하거나 유무선 통신망을 통하여 통합 서버(50)와 통신을 수행하여 대상물의 상태 정보를 수집 및 표시하기 위한 기능을 포함할 수 있다.
그리고, 통합 서버(50)는 유무선 통신망을 통하여 전력망이나 전력 설비에 접속되어 이들을 운용하는 기능을 포함하며, 유무선 통신망을 통하여 전송되는 감응 센서의 자기 센싱 신호를 전달받아서 대상물의 상태를 확인하며 유무선 통신망을 통한 뷰어의 요청에 대응하여 대상물의 상태 정보를 제공하거나 대상물을 제어하는 동작을 수행하는 구성을 갖는다.
뷰어(40)와 통합 서버(50)는 도 5와 같이 표시되는 화면에 의해서 대상물의 상태를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로 구성되는 자기 감응 센서(10)는 주 센서로 이용되며 도 2와 같이 전류가 흐르는 전선(100)과 같은 전력망이나 전력 설비의 대상물에 인접하게 설치될 수 있으며 자성 물질(102)이 코팅된 압전단결정체(104)를 포함한 구성을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 자기 감응 센서(10)는 전선(100)의 전류 흐름에 대응하여 전기를 발생하는 동작을 하며 이때 발생하는 전기는 자기 센싱 신호로 출력된다.
본 발명에 따른 자기 감응 센서(10)를 구성하는데 이용되는 압전단결정체(104)는 센싱 감도를 증가시키기 위하여 압전변위계수가 큰 PMN-PT를 이용하는 것이 바람직하다.
여기에서, PMN-PT는 릴랙서(Relaxor)인 마그네슘 니오브산연(PMN : Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)과 압전체인 티탄산연(PT : PbTiO3)의 고용체 단결정으로 이루어진 압전단결정체이다.
한편, PMN-PT는 자기, 음향, 진동 및 불꽃에 대한 빠른 응답속도를 갖고 노이즈 특성이 우수한 하기 화학식 1과 같은 조성을 갖는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
여기서,
[P]는 산화납[PbO, PbO2, Pb3O4]이고,
[M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO2]이고,
[N]은 산화나이오비움[Nb2O5]이고,
[T]는 산화티탄[TiO2]이고,
[L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,
상기 화학식 1에서,
0.4≤x≤0.8이고,
0.0001≤y≤0.4이고,
0.0001≤z≤0.4이고,
0.0001≤p≤0.4이고,
0.0001≤s≤0.4이다.
또한, 상기한 PMN-PT 초전 재료는 단결정으로 성장시켜 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 결정의 배향을 <111>로 하는 경우 초전 재료가 매우 우수한 성능을 갖고, 센서의 응답 속도 및 노이즈 수준이 크게 개선된다. 아울러, 상기 초전 재료의 배향을 <001>로 한 경우에도 우수한 응답 속도 및 노이즈 특성을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 이용되는 압전단결정체 재료인 PMN-PT를 일반 압전체 세라믹과 폴리머와 물성 비교한 결과는 아래 <표 1>과 같으며, <표 1>을 통하여 본 발명에 따른 압전단결정체로 이용되는 PMN-PT 단결정의 압전변위계수가 다른 것들에 비하여 월등함을 알 수 있다. 참고로, 아래 <표 1>는 IEEE 표준에 따른 공진법(Resonant Measurement)를 이용하여 측정된 결과이다.
물성 PVDF PZT-5A PZT-5H PZT-3203HD PMN-PT 단결정
밀도(kg/m3) 1780 7750 7500 7800 8000
유전상수 12 1600 3400 3800 >5000
유전손실(％) - 2 2 2 <0.5
전기기계결합계수(k33)(％) 11 70.5 75 75 93
압전변위계수(daa)(pC/N) 30 374 593 650 >2200
압전전압계수(gaa)(×10-3Vm/N) 2 24.8 19.7 19 44
아울러, 본 발명에 따른 압전단결정체(104)로 이용되는 PMN-PT와 비교 대상인 PZN-PT 또는 LiNbO3는('LN'으로 표시됨) 각각 아래 <표 2>와 같은 물성을 가짐을 알 수 있다.
물성 PMN-PT PZN-PT LN
압전변위계수(daa) 2200 2000 6
전기기계결합계수(k33) 0.93 0.92 0.02
Kt 0.75 0.58 0.49
전기광학적 특성(pm/V) 130 - 30
유전상수
(after pooling)		 5000-6000 3000 43
여기에서, Kt는 두께모드의 전기기계결합계수를 의미한다.
상술한 물성을 갖는 본 발명에 따른 압전단결정체(104)로 구성되는 자기 감응 센서(10)는 전선(100)과 같은 대상물에는 흐르는 전류에 의하여 형성되는 자기장에 감응하여 센싱 동작을 수행한다.
즉, 전선(100)에는 전류의 흐름에 따른 자기장이 형성된다. 이때 자기장은 플래밍의 오른손 법칙으로 설명될 수 있다. 전류의 흐름에 따른 자기장은 자성 물질(102)에 영향을 미치고, 그에 따라 자성 물질(102)이 코팅된 압전단결정체(104)에 변위가 발생된다. 압전단결정체(104)는 변위에 대응한 전기적 신호를 발생한다. 결과적으로 압전단결정체(104)는 전류의 흐름에 따른 변위에 대응하는 전기적 신호를 자기 센싱 신호로 출력한다.
자기 감응 센서(10)는 상술한 도 2와 같은 구성을 가짐에 따라서 정상적인 전류의 흐름 또는 비정상적인 전류의 흐름을 감지하여 그에 대응하는 센싱 신호를 출력할 수 있다.
한편, 음향 센서(22)는 도 3과 같이 구성될 수 있으며, 실리콘(110) 상에 압전단결정체인 PMN-PT(112)가 구성되고, PMN-PT(112) 상에는 다수의 전극(114)이 형성된 구성을 갖는다. 그리고, 측면과 상면에 패시베이션막(116)이 형성되고, 패시베이션막(116)은 전극(114)이 형성된 부분이 오픈된 구조를 갖는다. 여기에서 실리콘(110)은 기판을 이루고 전극(114)은 PMN-PT(112) 상에 흐르는 전류를 외부로 인출하기 위한 구성이다.
음향 센서(22)는 전력망이나 전력 설비의 대상물에 인접하게 설치되어서 대상물이나 주변에서 발생하는 소리를 감지한다. 즉, 소리에 대응하여 PMN-PT(112)는 전류를 생성하여 출력하고, 결과적으로 음향 센서(22)는 소리를 감지한 센싱 신호를 출력한다.
또한, 진동 센서(24)도 도 3과 같이 구성될 수 있으며, 그에 따라서 진동 센서(24)는 전력망이나 전력 설비의 대상물에 인접하게 설치되어서 대상물이나 주변에서 발생하는 진동을 감지한다. 즉, 진동에 대응하여 PMN-PT(112)는 전류를 생성하여 출력하고, 결과적으로 진동 센서(22)는 진동을 감지한 센싱 신호를 출력한다.
여기에서, 음향 센서(22)와 진동 센서(24)는 이상 징후시 발생하는 소리나 진동을 변위로 인식하며 소리나 진동에 의하여 발생하는 변위에 대응하는 센싱신호를 전류로 출력하고 전력망이나 전력 설비에서 통상적으로 발생하는 소리나 진동과 구분하기 위하여 센싱 신호의 주파수나 전압의 패턴과 크기를 구분하여 필터링하도록 설정됨이 바람직하다.
한편, 불꽃 센서(26)는 도 4와 같이 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 불꽃 센서(26)는 불꽃이 발생하면 생성하는 신호를 감지하는 것으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 불꽃에 의하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)가 발생하면 일산화탄소 또는 이산화탄소에 의하여 생성되는 4.0 내지 4.6 ㎛의 파장을 감지하여 전기적 신호로 출력하는 센서로 구성될 수 있다.
이와 같은 기능을 갖는 본 발명에 따른 불꽃 센서(26)에 대하여 구체적으로 살펴보면, 불꽃 센서(26)는 일면에 윈도우(130)가 형성된 메탈 케이스(132)를 포함하며, 메탈 케이스(132)는 하부 커버(134)와 결합되어서 내장된 부품을 보호하는 구성을 갖는다.
메탈 케이스(132)와 하부 커버(134)가 결합된 내부에는 기판(135)이 실장되며, 기판(135)은 윈도우(130)를 지향하는 면에는 전극(136)이 형성된 초전체(138)가 지지대(140)에 지지되어 설치되고 이면에는 증폭기(142) 및 칩 저항(144) 등을 포함하는 실장물이 실장된 구성을 갖는다. 그리고, 기판(135)의 이면의 회로는 하부 커버(134)를 관통하여 외부와 전기적인 커넥션을 이루기 위한 핀(146)들이 실장물로 포함되어 구성된다.
상술한 바와 같은 구성을 가짐으로써 불꽃 센서(26)는 전력망이나 전력 설비의 대상물에 인접하게 설치되어서 대상물이나 주변에서 발생하는 불꽃을 감지한다. 즉, 초전체(138)는 대상물이나 주변에서 불꽃이 발생하여서 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)가 발생하면 일산화탄소 또는 이산화탄소에 의하여 생성되는 4.0 내지 4.6 ㎛의 파장을 감지하여 전극(136)을 통하여 전기적 신호로 출력한다.
여기에서, 초전체(138)는 PMN-PT가 이용될 수 있으며, PMN-PT를 이용하여 본 발명에 따른 불꽃 센서(26)를 제작하여 일반 단결정과 특성을 비교한 데이터는 아래 <표 3>과 같다.
물질 RV[V/W] Noise[nV/Hz1/2] D*[cmHz1/2/w]
조건 500K, 10Hz, 25℃ 10Hz, BW1Hz, 25℃ 500K, 10Hz, BW1Hz 25℃
PMN-PT 189 52 7.3×108
LiTaO3 374 248 3.0×108
<표 3>에서 RV는 응답속도(Resposivity)이고, BW는 대역폭을 의미하며, D*는 감도를 의미한다.
상술한 <표 3>과 같이 PMN-PT로 제작한 본 발명에 따른 불꽃 센서(26)는 노이즈가 적어서 D* 값이 LiTaO3 보다 2배 정도 높게 계측된 결과를 확인할 수 있다. 즉, 손실이 작기 때문에 압전단결정체를 이용한 본 발명에 따른 불꽃 센서(26)는 2배의 감도 향상 효과를 기대할 수 있다.
한편, 상술한 자기 감응 센서(10) 및 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)는 대상물이 설치된 현장의 자기 변화, 진동, 음파들 중 적어도 하나 이상을 에너지 원으로 사용하는 에너지 하베스트 센서로 구성됨으로써 전력망이나 전력 설비와 독립된 전원을 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 감응 센서(10) 및 음향 센서(22), 진동 센서(24) 및 불꽃 센서(26)의 데이터 수집에 필요한 소비 전력량이 적기 때문에 에너지 하베스트 센서로 구성될 수 있으며, 전력망이나 전력 설비의 진동, 소음, 폐열, 빛 또는 전자파 등을 에너지 원으로 수집하여 이용하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예는 압전, 유전, 초전 특성의 소재를 이용하여 상시 안전 감시 체계를 확보할 수 있어서, 대상물의 상태를 고장이나 이상이 발생하기 전에 감지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 실시예로 구성되는 자기 감응 센서, 음향 센서, 진동 센서 및 불꽃 센서는 적어도 둘 이상이 하나의 통합형 센서로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 통합형 센서는 압전 단결정의 전극이 코발트 등의 자성체 전극으로 구성된 것이 이용될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 실시예는 전원이 전력망이나 전력 설비에 종속되지 않고 센싱 동작을 수행하며, 자기 감응 등의 방식으로 다양하게 대상물의 상태를 감지하며 원격지에서 대상물의 상태를 점검할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 실시예는 자기 감응과 더불어 음향, 진동 및 불꽃 감지 결과와 조합하여 센싱 결과를 확보할 수 있으므로 대상물의 상태 판단의 정확성을 확보할 수 있다.
10 : 자기 감응 센서 20 : 보조 센서
22 : 음향 센서 24 : 진동 센서
26 : 불꽃 센서 30 : 변환기
32 : 변환부 34 : 모뎀
40 : 뷰어 42 : 통신 모듈
44 : 신호처리부 46 : 표시장치
50 : 통합 서버 100 : 전선
102 : 자성물질 104 : 압전단결정체
110 : 실리콘 112 : PMN-PT
114 : 전극 116 : 패시베이션막
130 : 윈도우 132 : 메탈 케이스
134 : 하부 커버 135 : 기판
136 : 전극 138 : 초전체
140 : 지지대 142 : 증폭기
144 : 칩저항 146 : 핀

Claims (13)

  1. 자성물질이 코팅된 제1 압전단결정체를 포함하며 전력망이나 전력 설비에 포함된 대상물에 설치되고 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 가짐으로써 상기 대상물에 흐르는 전류에 의하여 형성되는 전기장이 상기 자성물질에 영향을 미쳐서 상기 제1 압전단결정체에 변위가 발생하면 상기 변위에 대응하는 자기 센싱 신호를 출력하는 자기 감응 센서;
    상기 자기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 유무선 통신망을 통하여 전송하는 변환기;
    상기 대상물이 설치된 현장에서 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 표시하며 상기 대상물의 상태를 확인하는 기능을 제공하는 뷰어; 및
    상기 전력망이나 상기 전력 설비를 운용하며 상기 유무선 통신망을 통하여 전송되는 상기 감응 센서의 상기 자기 센싱 신호를 전달받아서 상기 대상물의 상태를 확인하며 상기 유무선 통신망을 통한 상기 뷰어의 요청에 대응하여 상기 대상물의 상태 정보를 제공 및 상기 대상물의 동작 제어를 수행하는 통합 서버;를 포함하며,
    제2 압전단결정체를 포함하는 음향 센서;
    상기 제2 압전단결정체를 포함하는 진동 센서; 및
    초전체를 포함하며 일면에 형성된 윈도우를 통하여 외부 불꽃의 열이 상기 초전체에 전달되면 그에 대응하여 동작하는 불꽃 센서;중 적어도 하나 이상을 포함하며 상기 전력망이나 전력 설비에 독립된 전원을 갖는 보조 센서를 더 포함하고,
    상기 뷰어와 상기 서버에서 상기 대상물의 상태는 상기 자기 감응 센서와 상기 보조 센서의 센싱 결과를 조합으로 판단하며,
    상기 제1 및 제2 압전단결정체와 상기 초전체는 PMN-PT를 포함하고,
    상기 PMN-PT는 하기 화학식 1과 같은 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
    [화학식 1]
    s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]
    여기서,
    [P]는 산화납[PbO, PbO2, Pb3O4]이고,
    [M]은 산화마그네슘[MgO], 산화아연[ZnO] 또는 산화지르코늄[ZrO2]이고,
    [N]은 산화나이오비움[Nb2O5]이고,
    [T]는 산화티탄[TiO2]이고,
    [L]은 리튬, 백금, 금, 은, 팔라디움, 로디움, 인디움, 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 망간, 구리, 이트리움, 이터비움, 나이오븀, 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속, 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 탄산염이며,
    상기 화학식 1에서,
    0.4≤x≤0.8이고,
    0.0001≤y≤0.4이고,
    0.0001≤z≤0.4이고,
    0.0001≤p≤0.4이고,
    0.0001≤s≤0.4이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기 감응 센서 및 상기 보조 센서는 상기 대상물이 설치된 현장의 자기 변화, 진동, 음파들 중 적어도 하나 이상을 에너지 원으로 사용하는 에너지 하베스트 센서로 구성되는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PMN-PT는 단결정으로서 <111> 또는 <001>의 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 음향 센서 및 상기 진동 센서는,
    실리콘 상에 상기 제2 압전단결정체가 구성되고, 상기 제2 압전단결정체 상에 다수의 전극이 형성되며, 상기 제2 압전단결정체의 측면과 상면에 패시베이션막이 형성되고 상기 패시베이션막은 상기 전극이 노출되도록 오픈된 구조를 갖는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불꽃 센서는 상기 초전체가 대상물이나 주변에서 불꽃에 의하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)가 발생함에 따라 생성되는 4.0 내지 4.6 ㎛의 파장을 감지하여 전기적 신호로 출력하는 구조를 갖는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 불꽃 센서는,
    윈도우가 형성된 메탈 케이스;
    상기 메탈 케이스와 결합되는 하부 커버;
    상기 메탈 케이스와 상기 하부 커버가 결합된 내부에 실장되는 기판;
    상기 기판의 상기 윈도우를 지향하는 면에 설치되며 일면에 전극이 형성된 상기 초전체;
    상기 초전체를 기판(135)에 지지하여 설치하는 지지대(140); 및
    기판의 이면에 증폭기, 칩저항 및 핀을 포함하는 실장물을 포함하는 전력망이나 전력설비의 상시 안전 감시 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자기 감응 센서, 상기 음향 센서, 상기 진동 센서 및 상기 불꽃 센서 중 적어도 둘 이상이 하나의 통합형 센서로 구성되는 전력망이나 전력설비의 상시 안전 감시 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 통합형 센서는 압전 단결정의 전극이 자성체 전극인 것으로 구성되는 전력망이나 전력설비의 상시 안전 감시 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자성체 전극은 코발트를 포함한 것으로 이루어지는 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 뷰어는 상기 대상물이 설치된 현장에서 사용되는 스마트폰을 포함하며 상기 대상물의 이상 유무를 확인하는 기능을 갖는 어플리케이션이 설치된 전력망이나 전력 설비의 상시 안전 감시 시스템.
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