KR101358094B1 - ２ｄ 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치 - Google Patents

２ｄ 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치에 관한 것으로서, 수배전반의 온도분포를 측정하는 2D 서모파일 어레이 센서(100);
상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)에 의해 측정된 온도분포 측정신호를 온도구배에 부합하는 영상정보로 변환하는 영상정보 변환부(200); 및
상기 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 온도차에 따라 8가지 색으로 표시한 프로토타입 정보를 디스플레이하고, 상기 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과시 열화 감지정보를 생성하는 열화감지 검출부(300);를 포함하되,
상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)는 게르마늄 렌즈 또는 실리콘 렌즈로 구성되어 8um 내지 12um의 적외선 파장대역으로 수배전반의 온도분포를 측정하되, 32*31의 해상도를 가지며, 수배전반과 10mm의 초점 거리를 유지하도록 ID별로 복수개로 설치되고,
상기 영상정보 변환부(200)는 기 설정된 ID별로 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각으로부터 수배전반의 온도분포 측정신호를 인가받아 온도구배에 부합하도록 영상정보로 변환하되, 기준온도에서 목표물의 온도(수배전반의 온도)를 차감하여 영상정보를 생성하며,
상기 수배전반의 온도는, 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각의 열을 변수 (C)로 설정하고, 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 열과 행을 변수 (C,R)로 설정한 이후, 온도분포 측정신호에 포함된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 절대 전압과 대응하도록 [수학식 1]을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치.
[수학식 1]
VAbs(C,R)=VPix(C,R)+VTh(C,R)+VelOFF(C)
이때, VelOFF(C)는 증폭기의 전자 오프셋이고, VTh(C,R)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 온도 오프셋이며, VPix(C,R)는 증폭한 2D 서모파일 어레이 센서(100) 전압이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 수배전반 내부에 설치된 2D 서모파일 어레이 센서가 추출한 신호를 온도구배에 부합하도록 열화상영상으로 변환하고, 변환된 열화상영상으로부터 검출한 수배전반 내부의 온도상태에 따라 수배전반의 열화발생 여부를 감지하는 효과가 있다.

Description

２Ｄ 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치{SWITCHGEAR DETERIORATION DETECTION APPARATUS FOR USING 2D THERMOPILE ARRAY SENSOR}
본 발명은 독일 하이만사에서 제작되어 가까운 거리에서 물체의 구별이 가능한 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 수배전반 내부에 설치된 2D 서모파일 어레이 센서가 추출한 신호를 온도구배에 부합하도록 열화상영상으로 변환하고, 변환된 열화상영상으로부터 검출한 수배전반 내부의 온도상태에 따라 수배전반의 열화발생 여부를 감지하는 기술에 관한 것이다.
적외선(Infrared Ray: IR)기술은 피사체의 실물을 보여주는 것이 아닌 피사체의 표면으로부터 복사(방사)되는 전자파의 일종인 적외선 파장 형태의 에너지(열)를 검출, 피사체 표면 복사열의 강도를 측정하여 강도의 양에 따라 각각의 다른 색상으로 표현해주는 것이다.
이를 수배전반 설비에 적용하면 전류의 영향에 의해 발생하는 열을 감지하여 설비의 이상 유무를 판별할 수 있다.
도 1을 참조하여 2012년 한국전기안전공사 통계자료에 의하면, 수배전 설비에서 발생한 사고는 총 7,500여건으로 이들 중에서 수배전용개폐기 및 컷 아웃 스위치에서 가장 많은 14.7%의 사고가 발생하였고, 그 다음으로 변압기, 계기용변성기, 인입전선로, 전력퓨즈, 차단기류 순으로 발생하였다.
한편, 도 2는 전기설비 사고 형태별 분포 현황을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기설비에 의한 사고형태를 살펴보면 단순한 보호장치 동작으로 29%의 사고가 발생하였으며, 지락에 의한 사고가 1,710건 발생하였다.
또한, 크고 작은 형태로 사고가 발생하는 것을 알 수 있으며, 수배전반에서 발생하는 사고가 적지 않음을 알 수 있다.
전술한바와 같이, 다수 발생하는 수배전설비에서 사고를 사전에 방지하는 것은 무엇보다 중요하며, 이러한 수배전설비의 사고 방지 기술은 나날이 발전하고 있다.
특히, 수배전반 내부에 감지센서를 부착하여 수배전반을 개폐하지 않고도 실시간으로 내부 상태를 파악할 수 있는 시스템들이 다수 생산되고 있다.
일반적으로 수배저반 내부의 설비 이상 여부는 전기안전관리자들이 상태 확인을 할 수 있는 계측장비를 사용하여 이상여부를 확인하며, 이때 적외선 열화상 카메라가 많이 이용된다.
이러한, 적외선 열화상 카메라는 사고 취약부분인 접속부 등에서 발생하는 열을 감지하여 이상여부를 확인하는 것으로 많이 이용되고 있으며, 한국등록특허 제10-1095598(적외선 온도센서를 이용한 수배전반 접속부 열화진단시스템)외에 다수의 특허문헌이 개시되어 있다.
전술한 선행특허의 경우, 적외선 온도센서를 이용한 수배전반 내 접속부 온도 및 주변온도를 검출하고, 그 검출된 온도데이터를 분석하여 수배전반 내 접속부의 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 적외선 열화상 카메라는 약 일천만원 대의 고가이며, 수배전반에 상시로 고정하여 사용하는데 무리가 있어 전기안전관리자들이 수배전반을 열고 진단해야만 하고, 실시간으로 이상여부를 확인할 수 없다는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1095598(2011.12.12)
본 발명의 목적은, 수배전반 내부에 설치된 2D 서모파일 어레이 센서가 추출한 신호를 온도구배에 부합하도록 열화상영상으로 변환하고, 변환된 열화상영상으로부터 검출한 수배전반 내부의 온도상태에 따라 수배전반의 열화발생 여부를 감지하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치는, 수배전반의 온도분포를 측정하는 2D 서모파일 어레이 센서(100);
상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)에 의해 측정된 온도분포 측정신호를 온도구배에 부합하는 영상정보로 변환하는 영상정보 변환부(200); 및
상기 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 온도차에 따라 8가지 색으로 표시한 프로토타입 정보를 디스플레이하고, 상기 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과시 열화 감지정보를 생성하는 열화감지 검출부(300);를 포함하되,
상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)는 게르마늄 렌즈 또는 실리콘 렌즈로 구성되어 8um 내지 12um의 적외선 파장대역으로 수배전반의 온도분포를 측정하되, 32*31의 해상도를 가지며, 수배전반과 10mm의 초점 거리를 유지하도록 ID별로 복수개로 설치되고,
상기 영상정보 변환부(200)는 기 설정된 ID별로 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각으로부터 수배전반의 온도분포 측정신호를 인가받아 온도구배에 부합하도록 영상정보로 변환하되, 기준온도에서 목표물의 온도(수배전반의 온도)를 차감하여 영상정보를 생성하며,
상기 수배전반의 온도는, 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각의 열을 변수 (C)로 설정하고, 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 열과 행을 변수 (C,R)로 설정한 이후, 온도분포 측정신호에 포함된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 절대 전압과 대응하도록 [수학식 1]을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치.
[수학식 1]
VAbs(C,R)=VPix(C,R)+VTh(C,R)+VelOFF(C)
이때, VelOFF(C)는 증폭기의 전자 오프셋이고, VTh(C,R)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 온도 오프셋이며, VPix(C,R)는 증폭한 2D 서모파일 어레이 센서(100) 전압이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 수배전반 내부에 설치된 2D 서모파일 어레이 센서가 추출한 신호를 온도구배에 부합하도록 열화상영상으로 변환하고, 변환된 열화상영상으로부터 검출한 수배전반 내부의 온도상태에 따라 수배전반의 열화발생 여부를 감지하는 효과가 있다.
도 1은 2012년 한국전기안전공사 통계자료를 도시한 도면.
도 2는 전기설비 사고 형태별 분포 현황을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치의 2D 서모파일 어레이 센서에 대한 인터페이스 설계를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치의 센서 제어부에 대한 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치의 프로토타입 정보를 온도차에 따라 8가지 색으로 표시한 것을 도시한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법을 도시한 순서도.
도 8은 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법의 제S20단계의 세부과정을 도시한 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법의 제S40단계의 세부과정을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치(A)는, 수배전반의 온도분포를 측정하는 2D 서모파일 어레이 센서(100), 2D 서모파일 어레이 센서(100)에 의해 측정된 온도분포 측정신호를 열이 흐르고 있는 방향의 단위 길이당 온도차인 온도구배(temperature gradient) 각각을 영상정보로 변환하는 영상정보 변환부(200), 및 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 온도차에 따라 각각 8가지의 상이한 색으로 표시하고, 온도별로 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하는 프로토타입 정보를 디스플레이하되, 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과시 열화 감지정보를 생성하는 열화감지 검출부(300)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치(A)의 세부구성에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 2D 서모파일 어레이 센서(100)는 게르마늄 렌즈 또는 실리콘 렌즈로 구성되어 8um 내지 12um의 적외선 파장대역으로 수배전반의 온도분포를 측정하되, 32*31의 해상도를 가지며, 수배전반과 10mm의 초점 거리를 유지하도록 ID별로 복수개로 설치된다.
도 4의 (a)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)가 단일 모듈로 구성된 것을 도시한 인터페이스 설계도이고, 도 4의 (b)는 서모파일 어레이 센서(100)가 복수개로 구성된 것을 도시한 인터페이스 설계도이다.
여기서, SCK는 양방향성이며, (SPI)는 데이터 전송 중에는 마스터로 동작한다. 이때, 데이터 전송을 중지하려면 'x'명령을 보내거나 SS라인을 ON/OFF한다. 또한, 복수개의 센서를 연결할 경우, 단 하나만 슬레이브(Slave)로 선택하여 구동된다.
그리고, 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 회로도는 도 5에 도시된 바와 같이, CONT, 1MHZ, SCLK_ASIC, DATA_ASIC, VS를 마이크로 컨트롤러에 연결하고, OUT_A1, OUT_A2는 ADC에 연결되도록 구성된다.
이때, VS는 인터럽트 서비스 루틴에 연결하고, DATA_ASIC과 SCKL_ASIC은 디지털 입출력과 연결되며, SBY는 디지털 출력에 연결하고, SBY=low이고 내부 SY=high인 경우, 외부 레퍼런스를 사용한다.
또한, VDD 5V를 유지하여 VSS에 제공하고, C17과 C16은 센서의 핀에 가장 가깝도록 배치하며, 트리며 R4를 픽셀 포인트 가변 조정에 사용하도록 한다.
그리고, LM4041-1.2는 IC1처럼 노드 V1225에서 1.225V가 되도록 처리한다. LM4041-ADJ는 IC7처럼 노드 VCMC에서 낮은 임피던스 전압을 생성하도록 처리한다.
한편, 영상정보 변환부(200)는 기 설정된 ID별로 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각으로부터 수배전반의 온도분포 측정신호를 인가받아 온도구배에 부합하도록 영상정보로 변환하되, 기준온도에서 목표물의 온도(수배전반의 온도)를 차감하여 영상정보를 생성한다.
이때 수배전반의 온도는, 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각의 열을 변수 (C)로 설정하고, 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 열과 행을 변수 (C,R)로 설정한 이후, 온도분포 측정신호에 포함된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 절대 전압과 대응하도록 [수학식 1]을 통해 도출된다.
[수학식 1]
VAbs(C,R)=VPix(C,R)+VTh(C,R)+VelOFF(C)
이때, VelOFF(C)는 증폭기의 전자 오프셋이고, VTh(C,R)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 온도 오프셋이며, VPix(C,R)는 증폭한 2D 서모파일 어레이 센서(100) 전압이다.
그리고, 열화감지 검출부(300)는 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 도 6에 도시된 바와 같이, 온도차에 따라 8가지 색으로 표시한 프로토타입 정보를 생성하여 디스플레이하되, 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과하는 경우, 수배전반에 열화가 감지된 것으로 판단하여 생성한 열화 감지정보를 기 설정된 관리자 단말기로 전송한다.
이때, 프로토타입 정보는 온도별로 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하며, 열화 감지정보는 열화가 감지된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 ID정보를 포함한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 2D 서모파일 어레이 센서(100)가 수배전반의 온도분포를 측정한다(S10).
이어서, 영상정보 변환부(200)가 2D 서모파일 어레이 센서(100)에 의해 측정된 온도분포 측정신호를 온도구배에 부합하는 영상정보로 변환한다(S20).
뒤이어, 열화감지 검출부(300)가 영상정보를 온도차에 따라 8가지 색으로 표시한 프로토타입 정보를 디스플레이 한다(S30).
그리고, 열화감지 검출부(300)가 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과시 열화 감지정보를 생성한다(S40).
이하, 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법의 제S20단계에 대한 세부과정에 대해 살피면 아래와 같다.
제S10단계 이후, 영상정보 변환부(200)가 기 설정된 ID별로 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각으로부터 수배전반의 온도분포 측정신호를 인가받는다(S21).
이어서, 영상정보 변환부(200)가 온도분포 측정신호에 포함된 온도값 각각을 온도구배에 부합하도록 분류한다(S22).
그리고, 영상정보 변환부(200)가 기준온도에서 수배전반의 온도를 차감하고, 분류된 온도구배에 부합하도록 영상정보를 생성한다(S23).
이때, 수배전반의 온도는 [수학식 1]을 통해 도출된다.
[수학식 1]
VAbs(C,R)=VPix(C,R)+VTh(C,R)+VelOFF(C)
이때, VelOFF(C)는 증폭기의 전자 오프셋이고, VTh(C,R)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 온도 오프셋이며, VPix(C,R)는 증폭한 2D 서모파일 어레이 센서(100) 전압이다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 방법의 제S40단계에 대한 세부과정을 살피면 아래와 같다.
제S30단계 이후, 열화감지 검출부(300)가 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과하는지 여부를 판단한다(S41).
제S41단계의 판단결과, 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과하는 경우, 열화감지 검출부(300)가 수배전반에 열화가 감지된 것으로 판단하여 열화 감지정보를 생성한다(S42).
그리고, 열화감지 검출부(300)가 열화 감지정보를 기 설정된 관리자 단말기로 전송한다(S43).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
A: 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치
100: 2D 서모파일 어레이 센서 200: 영상정보 변환부
300: 열화감지 검출부

Claims (3)

  1. 수배전반의 온도분포를 측정하는 2D 서모파일 어레이 센서(100);
    상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)에 의해 측정된 온도분포 측정신호를 열이 흐르고 있는 방향의 단위 길이당 온도차인 온도구배(temperature gradient) 각각을 영상정보로 변환하는 영상정보 변환부(200); 및
    상기 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 온도차에 따라 각각 8가지의 상이한 색으로 표시하고, 온도별로 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하는 프로토타입 정보를 디스플레이하고, 상기 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과시 열화 감지정보를 생성하는 열화감지 검출부(300);를 포함하되,
    상기 2D 서모파일 어레이 센서(100)는 게르마늄 렌즈 또는 실리콘 렌즈로 구성되어 8um 내지 12um의 적외선 파장대역으로 수배전반의 온도분포를 측정하되, 32*31의 해상도를 가지며, 수배전반과 10mm의 초점 거리를 유지하도록 ID별로 복수개로 설치되고,
    상기 영상정보 변환부(200)는 기 설정된 ID별로 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각으로부터 수배전반의 온도분포 측정신호를 인가받아 온도구배에 부합하도록 영상정보로 변환하되, 기준온도에서 목표물의 온도(수배전반의 온도)를 차감하여 영상정보를 생성하며,
    상기 수배전반의 온도는, 복수개의 2D 서모파일 어레이 센서(100) 각각의 열을 변수 (C)로 설정하고, 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 열과 행을 변수 (C,R)로 설정한 이후, 온도분포 측정신호에 포함된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 절대 전압과 대응하도록 [수학식 1]을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치.
    [수학식 1]
    VAbs(C,R)=VPix(C,R)+VTh(C,R)+VelOFF(C)
    이때, VelOFF(C)는 증폭기의 전자 오프셋이고, VTh(C,R)는 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 온도 오프셋이며, VPix(C,R)는 증폭한 2D 서모파일 어레이 센서(100) 전압이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열화감지 검출부(300)는,
    상기 영상정보 변환부(200)로부터 인가받은 영상정보를 온도차에 따라 각각 8가지의 상이한 색으로 표시하고, 온도별로 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하는 프로토타입 정보를 생성하여 디스플레이하되,
    상기 프로토타입 정보에 포함된 온도값이 기 설정된 온도값을 초과하는 경우, 수배전반에 열화가 감지된 것으로 판단하여 생성한 열화 감지정보를 기 설정된 관리자 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로토타입 정보는,
    온도별로 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하며, 열화 감지정보는 열화가 감지된 2D 서모파일 어레이 센서(100)의 ID정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 2D 서모파일 어레이 센서를 이용한 프로토타입의 수배전반 열화 감지 장치.
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