KR101417771B1 - 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 다수의 2차원 서모파일 어레이 센서로 구성되어, 수배전반 내부의 온도를 감지하여 열화상 영상을 획득하는 어레이 센서부; 및, 상기 열화상 영상으로부터 사전에 정해지는 설정 온도 레벨(이하 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역을 구하고, 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 감시 장치를 포함하고, 상기 어레이 센서는, 적외선을 통과시켜 모으는 렌즈를 구비하는 렌즈부; 2차원 어레이 형태로 이루어진 다수의 서모파일 픽셀로 구성되어, 상기 적외선을 감지하여 상기 픽셀들의 전기신호로 변환하는 픽셀어레이부; 영상 신호처리를 하기 위하여, 2차원 어레이로 배열된 픽셀의 전기신호를 순차적으로 판독하는 신호처리부; 및, 순차적으로 판독한 전기신호를 이용하여 2차원 열화상 영상을 생성하는 이미지 처리부를 포함하는 구성을 마련한다.

Description

2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법 { A deterioration monitoring system for a distributing board on based IR image using 2 Dimensional thermopile array and the method thereof }

본 발명은 2차원 서모파일 어레이 센서를 이용하여 수배전반의 구조에 따라 이상 유무를 판별함으로써, 하나의 열화 감시 방법으로 특고압 및 고압 배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등의 열화를 모두 감시할 수 있는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 설비 영역별 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 영역을 구하고, 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산하여 그 영역 및 평균 온도의 변화치를 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 설비 영역별 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수배전반은 집단거주지역(APT), 빌딩, 학교, 공장, 항만, 공항, 상, 하수 처리장, 변전소, 중공업 플랜트, 지하철, 화학단지, 제철소 등의 광범위한 전력 수용가에서 특고압의 전력을 저압으로 변환하여 해당 설비에게 공급하는 수배전 계통에 설치되어 전력 감시, 제어 및 보호를 위하여 사용된다.

수배전반은 용량별로 3.6㎸ 또는 7.2㎸의 수배전 계통에 사용되는 고압반(switchgear)과, 22.9㎸, 24㎸, 25.8㎸ 등에 사용 가능한 특별 고압반으로 구분되고, 저압부에서는 저압배전반, 분전반, 모터제어반으로 구분할 수 있다. 또한, 수배전반은 그의 형식에 따라 가스절연개폐장치(C-GIS: Cubicle type Gas Insulated Switchgear), 특고압 폐쇄 배전반(MCSG: Metal Clad SwitchGear), 1㎸∼25.8㎸의 수배전 계통에 사용되는 특고압격실형 배전반(Medium Compartment Switchgear) 등이 있다.

이들 수배전반은 안전성 및 내구성의 품질개선 차원에서 차단 성능이 우수한 진공차단기(VCB: Vacuum Circuit Breaker)를 수납하여 기능성과 안전성에 역점을 두고 설계되거나, 콤팩트한 사이즈에도 불구하고 강력하고 편리한 성능을 구현하여 수배전반의 유지 보수를 편리하게 하는 쪽으로 개발되고 있다.

이런 수배전반의 내부는 통상적으로 특고압측과 저압측으로 구분될 수 있되, 부연 설명하면, 설비를 기준으로 할 때, 전력 제공자인 한국전력에서 전기를 받는 수전설비가 위치한 쪽과, 수전설비를 통해 수전된 전기를 공장 또는 사용자가 필요로 하는 전압 또는 용량으로 변경 공급하는 변압기 혹은 단락사고 등과 같은 사고로부터 전체 설비를 보호하는 차단기 등을 구비한 배전설비가 위치한 쪽으로 구분 가능하다.

종래에는 특고압 및 고압 수배전반이나,저압배전반,분전반,모터제어반 등을 비롯한 전력설비의 온도 및 노후화에 의한 열화 정도를 측정하기 위해서는 별도의 온도측정기나 열화상 카메라를 이용하여 측정하고자 하는 부분에 직접 투사하여 온도 측정 및 열화 상태를 점검하였으며, 규정된 점검 기준에 의해 주기적으로만 측정하고, 또 목측에 의한 외관상태만을 점검하여 그 상태를 추정하는 경우가 대부분이다. 따라서 수배전 설비의 건전성 및 열화에 의한 사고를 사전에 예방하지 못하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하고자 열화상 카메라를 이용하여 수배전반의 열 온도를 비접촉식으로 측정하는 기술들이 제시되고 있다. 일례로서, 수배전반의 판넬 문에 디스플레이 장치를 설치하고, 판넬 문 내부에 열화상카메라를 설치하여 열화상 카메라에 의해 측정되는 내부의 온도를 판넬 문의 디스플레이장치에 나타내는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 열화상 카메라를 수배전반 내에 탑재시켜 상시 수배전반을 감시하되, 열화상 카메라에서 촬영된 영상에서 열감지부분과 열감지부분과 이웃하는 부분의 평균 픽셀(pixel)차를 구하고, 그 차이가 기설정된 수치 이상일 때에만 이상 상황으로 감지하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 2].

그러나 열화상 카메라가 수배전반 내부의 다양한 부품들에 대한 열을 전체적으로 촬상하기 때문에, 각 부품별로 구분하여 온도가 표시되거나 이상 감지 온도를 다르게 판단해야 하나, 상기 선행기술들은 이러한 문제점을 해결하고 있지 못하다.

한편, 배전반의 버스-바 연결단자에 온도튜브를 장착하고, 단자부분의 발열로 온도튜브의 색이 변하는 것을 카메라를 통해 영상으로 획득하여 부하가 걸린 상태에서도 버스-바의 발열을 점검하는 기술이 제시되고 있으나[특허문헌 3], 온도튜브를 별도로 설치해야 한다는 문제점이 있다.

[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-0947785호 (2010.03.15.공고) [특허문헌 2] 한국등록특허 제10-0984679호 (2010.10.01.공고) [특허문헌 3] 한국등록특허 제10-1190244호 (2012.10.12.공고)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2차원 서모파일 어레이 센서를 이용하여 특고압 및 고압 배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등의 구조에 따라 이상 유무를 판별하되, 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 영역을 구하고, 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산하여 그 영역 및 평균 온도의 변화치를 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 설비 영역별 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 센서 기반 수배전반(특고압 및 고압 배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등 포함) 열화감시 시스템에 관한 것으로서, 다수의 2차원 서모파일 어레이 센서로 구성되어, 수배전반 내부의 온도를 감지하여 열화상 영상을 획득하는 어레이 센서부; 및, 상기 열화상 영상으로부터 사전에 정해지는 설정 온도 레벨(이하 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역을 구하고, 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 감시 장치를 포함하고, 상기 어레이 센서는, 적외선을 통과시켜 모으는 렌즈를 구비하는 렌즈부; 2차원 어레이 형태로 이루어진 다수의 서모파일 픽셀로 구성되어, 상기 적외선을 감지하여 상기 픽셀들의 전기신호로 변환하는 픽셀어레이부; 영상 신호처리를 하기 위하여, 2차원 어레이로 배열된 픽셀의 전기신호를 순차적으로 판독하는 신호처리부; 및, 순차적으로 판독한 전기신호를 이용하여 2차원 열화상 영상을 생성하는 이미지 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 전기신호들을 하나의 행 씩 선로를 읽어내고, 읽어낸 하나의 행에 대하여 증폭기로 신호를 증폭하고, 적분기로 신호를 적분하는 컬럼 방식에 의해 2차원 어레이의 전기신호를 읽어들이는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 이미지 처리부는, 실제 온도를 구하기 위한 사전에 정해진 4개의 주위온도 보정점에서 사전에 추정된 실제 주위온도와 선형 보간을 하여 온도 오프셋을 구하고, 상기 온도 오프셋을 이용하여 각 픽셀의 실제 온도를 구하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 이미지 처리부는, 열화상 영상으로부터 히스토그램 함수를 구한 뒤, 전 영역에 걸쳐 히스토그램 크기를 사전에 정해진 특정값 P로 제한하고, 상기 P값을 기준으로 히스토그램 크기가 제한된 새로운 히스토그램 함수를 구하고, 새로운 히스토그램을 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도분포 영역을 변환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 감시 장치는, 초기에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 설정 영역(이하 제1 설정영역)을 구하고, 상기 제1 설정영역의 평균온도(이하 제1 평균온도)를 구하고, 소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 설정영역(이하 제2 설정영역)을 구하고, 상기 제2 설정영역의 평균온도(이하 제2 평균온도)를 구하여, 상기 제2 설정영역이 상기 제1 설정영역에 비하여 크기가 증가된 증가율과, 상기 제2 평균온도가 상기 제1 평균온도에 비하여 높아진 증가율을 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 감시 장치는, 초기에 획득한 열화상 영상으로부터 온도에 대한 히스토그램의 분포도(이하 제1 분포도)를 구하고, 소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 온도에 대한 히스토그램의 분포도(이하 제2 분포도)를 구하고, 상기 제1 및 제2 분포도에서 각각 무게중심, 분포의 편중도, 평균온도를 구하여, 상기 제2 분포도의 무게중심, 분포의 편중도, 및 평균온도가 상기 제1 분포도의 무게중심, 분포의 편중도, 및 평균온도에 비하여 이동한 이동 방향과 이동 크기를 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 서모파일 어레이 센서로부터 수배전반 내부의 온도를 감지하여 획득된 열화상 영상을 수신하여, 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법에 관한 것으로서, (a) 초기에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 설정 영역(이하 제1 설정영역)을 구하는 단계; (b) 상기 제1 설정영역의 평균온도(이하 제1 평균온도)를 구하는 단계; (c) 소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 설정영역(이하 제2 설정영역)을 구하는 단계; (d) 상기 제2 설정영역의 평균온도(이하 제2 평균온도)를 구하는 단계; 및, (e) 상기 제2 설정영역이 상기 제1 설정영역에 비하여 크기가 증가된 증가율과, 상기 제2 평균온도가 상기 제1 평균온도에 비하여 높아진 증가율을 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템 및 그 방법에 의하면, 2차원 서모파일 어레이 센서를 이용하여 수배전반의 구조에 따라 이상 유무를 판별함으로써, 하나의 열화 감시 방법으로 특고압 수배전반부 및 고압 수배전반부의 열화를 모두 감시할 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 서모파일 어레이 센서부의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 센서의 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 어레이 센서부의 구성 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 센서 어레이에서 신호를 읽어내는 방식을 도시한 것.
도 6은 본 발명에 따른 이미지 처리부의 전원 바이어스 공급회로의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 이미지 처리부에 의한 열화상의 화질 향상 방법을 설명하는 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 열화상 처리 방식에 따른 히스토그램 변환 및 대조비 개선 원리를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 열화상 센서모듈에서 데이터를 전송하는 구성도.
도 10은 본 발명에 따른 센서모듈(SENSOR)과 외부 콘트롤러(μC) 사이의 SPI(Serial Peripheral Interface) 직렬 인터페이스에 대한 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 센서모듈에서 외부 콘트롤러(μC)로 센서값 데이터를 전송하는 방법을 설명하는 흐름도.
도 12는 본 발명에 따른 SPI(Serial Peripheral Interface) 직렬 인터페이스 방식에 의한 통신 타이밍의 클럭도.
도 13은 본 발명에 따른 센서모듈에서의 명령들을 표시한 표.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 수배전반 열화감시 시스템에서의 제어 방법을 설명하는 흐름도.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 감지된 온도의 보정 데이터의 헤더 및 전송형식을 표시한 표.
도 16은 본 발명에 따른 온도 오프셋을 이용한 현재 온도 계산을 설명하기 위한 그래프.
도 17은 본 발명에 따른 콘트롤러의 하드웨어의 구성에 대한 블록도.
도 18은 본 발명에 따른 콘트롤러의 CPU 블록의 회로 구성도.
도 19는 본 발명에 따른 스위치(Switch) 입력 회로의 구성도.
도 20은 본 발명에 따른 스위치(Switch) 입력 회로의 입력 포트의 입력값을 나타낸 표.
도 21은 본 발명에 따른 이더넷 블록의 구성도.
도 22는 본 발명에 따른 이더넷 블록의 회로 구성도.
도 23은 본 발명에 따른 LCD 제어블록의 회로구성도.
도 24는 본 발명에 따른 콘트롤러에서 사용하고 있는 LCD 제어 부분의 설계 회로도.
도 25는 본 발명에 따른 라이트 제어(Light Control) 부분의 구성 회로도.
도 26은 본 발명에 따른 안정적인 상태에서의 LCM_LEDA 출력 파형도.
도 27 및 도 28은 본 발명에 따른 메모리 구성인 낸드 플래시 메모리 블록의 회로 구성도.
도 29는 본 발명에 따른 열화상 감시 시스템의 함체 전면도.
도 30은 본 발명에 따른 사용자 인터페이스의 경보 화면.
도 31은 종래기술에 의한 적외선 센서에 의한 포인트 온도 감지 방식의 일례를 나타낸 도면.
도 32는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 설명하는 흐름도.
도 33은 본 발명의 제2 실시예에 따른 설정영역의 최초 온도 분포.
도 34는 본 발명의 제2 실시예에 따른 설정영역의 소정의 시간 후의 온도 분포.
도 35는 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 설명하는 흐름도.
도 36은 본 발명의 제3 실시예에 따른 설정영역의 소정의 시간 후의 온도 분포.
도 37은 본 발명의 제3 실시예에 따른 설정영역의 최초 영역 및 소정의 시간 후의 확장 영역을 도시한 도면.
도 38은 본 발명의 제4 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 설명하는 흐름도.
도 39는 본 발명의 제5 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 설명하는 흐름도.
도 40은 본 발명의 제5 실시예에 따른 설정영역의 소정의 시간 후의 온도 분포도.
도 41은 본 발명의 제6 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 설명하는 흐름도.
도 42는 본 발명의 제6 실시예에 따른 열화상 영상의 온도 히스토그램을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템은 수배전반(10)에 설치된 어레이 센서부(20), 감시 장치(30), 및, 원격 서버(40)로 구성된다. 추가적으로, 감시장치(30)의 부하율을 모니터링 하는 부하율 모니터링 장치(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 부하율은 변압기의 용량 대비 현재의 부하전력의 백분률로 구한다.

어레이 센서부(20)는 다수의 어레이 센서 또는 열화상 카메라(21)로 구성된다. 어레이 센서 또는 열화상 카메라(21)는 수배전반(10)의 내부에 설치되어, 수배전반(10) 내부에 구비된 설비(11)의 열을 화상으로 측정한다. 구체적으로, 수배전반(10)의 내부 일측에 적어도 하나의 열화상 카메라(21)가 설치된다. 바람직하게는, 열화상 카메라(21)는 수배전반(10)의 도어가 구비된 내부 측면에 설치된다.

또한, 수배전반(10)의 내부에 설치되는 기기 또는 설비(11)는 부스바, 진공차단기(VCB), 계기용변압기(PT), 전력량계량기(MOF), 부하개폐기(LBS), 부싱소자 등과 같이, 각종 몰드형 절연기기와 기기 연결 부품 및 절연 열화 예측이 요구되는 구성품 등이다. 예컨대, 본 발명의 수배전반 열화감시 시스템은 수배전반 내부의 저압측 구성장치인 배선용차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 각종 배전 라인 등의 설비를 감시하는 장치로서 응용하여 사용할 수 있음은 물론이다.

한편, 어레이 센서부(20)와 감시 장치(30), 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 각각 네트워크에 의해 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 바람직하게는, 어레이 센서부(20) 및 감시 장치(30)는 UDP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결되고, 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 TCP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결된다.

어레이 센서부(20)는 앞서 설명한 바와 같이 부스바, 차단기, MOF, CT, PT 및 변압기 등의 고압기기를 포함하는 수배전반 내에 있는 구성 설비(11)의 온도를 감지하는 센서로 구성된다. 바람직하게는 어레이 센서부(20)는 2차원 서모파일 어레이 센서에 의한 열화상 카메라(21)이다. 어레이 센서부(20)에 의해 촬영된 영상은 2차원의 열화상 영상으로서, 촬영된 수배전반의 내부 영역 영상이고, 각 셀 값은 해당 부분의 온도를 나타내는 수치 값이다. 또한, 열화상 영상은 각 셀 값에 따라 또는 각 부분의 온도에 따라 색상을 표시한다.

한편, 열화상 카메라(21)의 설치 방식은 고정식, 회전식, 이동식 등으로 구분될 수 있고, 상기 방식들이 모두 적용할 수 있다. 고정식은 다수의 카메라를 수배전반(10) 내부 여러 곳에 설치하여 내부 전체의 열화상을 촬영하는 방식이다.

회전식은 한 곳에 카메라를 설치하되, 상기 카메라가 상하좌우 등 회전이 가능하여, 넓은 시야각으로 수배전반(10) 내부 전체를 촬상할 수 있다. 즉, 회전식은 수배전반을 구성하는 주요기기 및 상대적으로 발열정도가 높은 기기들을 고정된 위치에서 온도를 측정할 수 있도록 하며, 이때 고정된 위치에서 팬 틸트 기능을 하여 보다 효율적으로 열 및 화상을 감지할 수 있도록 한다. 회전식도 다수의 카메라를 설치하여 이용할 수 있다. 회전식인 경우, 열화상 카메라(200)의 팬틸트 범위가 70도의 범위를 가지고 있으며, 열화상 카메라의 열화감지 범위각은 상향 및 하향으로 각각 45도를 가지고 있다. 따라서, 상기 열화상 카메라의 열화감지범위는 전체적으로 약 160도 범위의 수배전반 열화감지가 가능하므로, 수배전반 후상단에 설치시 수배전반 구조를 정사각입면체라 가정하면 수배전반의 범위를 초과하는 감지 범위를 가지고 있다.

또한, 이동식으로 설치하는 경우는 고정식으로 다수의 열화상 카메라를 설치하는 것과는 달리 레일방식으로 열반된 수배전반 사이를 측정하고자 하는 구성 설비로 원격 조정하여 이동시켜 온도를 측정하는 방식이다.

다음으로, 감시 장치(30)는 어레이 센서부(20)로부터 열화상 영상을 수신하고, 수신한 열화상 영상을 분석하여 이상 유무를 판단한다. 감시 장치(30)는 수배전반(10) 내부 영역에 대한 배치구성도 또는 배치 구성의 이미지를 저장하고, 저장된 배치구성도를 이용하여 열화상 영상을 수배전반의 구성에 따라 분리한다. 그리고 감시 장치(30)는 분리된 영상 별로 해당 영역의 평균 온도를 계산하고, 기준 온도와 비교하거나 온도 상승값을 구하여 구성별로 이상 유무를 판단한다. 또한, 감시 장치(30)는 열화상 영상을 디스플레이에 표시하거나, 이상 유무를 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자 등에 알린다.

바람직하게는, 감시 장치(30)는 수배전반(10)에 부착하여 설치될 수 있다. 예를 들어, 어레이 센서부(20)는 수배전반(10) 내부에 설치하고, 수배전반(10) 외부에 감시 장치(30)를 설치할 수 있다. 이때, 내부에 설치된 열화상 카메라(21)로부터 열화상 영상을 획득하고, 감시 장치(30)가 이 영상을 분석하여 수배전반(10) 내부의 이상 유무를 판단할 수 있다.

원격 서버(40)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 서버 장치 등 컴퓨팅 처리 기능을 가진 장치로서, 네트워크를 통해 감시 장치(30)와 연결되어, 감시 장치(30)로부터 열화상 영상 또는 판단된 데이터 등을 수신한다.

원격 서버(40)는 감시 장치(30)와 역할을 분담하여 처리할 수 있다. 예를 들어, 감시 장치(30)는 실시간으로 열화상 영상을 구하여 간단한 비교만 수행하여 이상 여부를 감시하고, 원격 서버(40)는 열화상 영상에서의 구성 설비의 영역을 구하거나, 임계값 등을 설정하거나 관리하는 등의 기능을 수행한다. 특히, 원격 서버(40)는 데이터 저장 용량이나 컴퓨팅 능력 등 뛰어난 성능을 가지고 있고, 감시 장치(30)는 현장에 설비된 장비로서 원견 서버(40)에 비하여 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 성능 차를 감안하여, 원격서버(40)와 감시 장치(30) 간의 기능을 분담할 수 있다. 이하에서는, 감시 장치(30)에서 상기 모든 기능을 수행하는 것으로 설명한다.

또한, 감시장치(30)에는 부하율 모니터링 장치(50)가 연결되어, 부하율을 모니터링 한다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 센서(21)의 구성에 대하여 도 2 내지 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 2차원 서모파일 어레이 센서(21)의 전체 구성에 대한 블록도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 열화상 카메라로서 사용되는 2차원 서모파일 어레이 센서(21)는 렌즈부(210), 픽셀어레이부(220), 신호처리부(230), 및, 이미지 처리부(240)로 구성된다.

한편, 도 3은 렌즈를 중심으로 한 렌즈부 및 픽셀어레이의 구성을 도시한 것이고, 도 4는 2차원 서모파일 어레이 센서(21)의 픽셀어레이부(220), 신호처리부(230), 및, 이미지 처리부(240) 등의 구성에 대한 블록도이다.

2차원 서모파일 어레이 센서(21)는 대상물체의 광학 정보를 적외선 광학계를 통해 순서대로 적외선 검출기에 집광하고, 적외선 검출기는 광학 정보를 전기적 신호 차로 변화시킨 다음 적절한 신호처리를 통해 눈으로 볼 수 있는 영상을 재현한다.

도 3에서 보는 바와 같이, 렌즈부(210)는 적외선을 통과시켜 모으는 렌즈로 구성된다. 특히, 렌즈부(210)는 고성능 게르마늄 이중 렌즈나 실리콘 단일 렌즈 등으로 구성된다. 바람직하게는, 90도 시야각을 가진다. FOV는 광학규칙에 따라 다음 수식에 의해 계산된다..

[수학식 1]

f = 렌즈의 초점거리

P = 픽셀부의 피치

N_{Col / Row} = 픽셀부의 행렬 개수이며 FOV가 수직이냐 수평이냐에 따라 다르다.

마찬가지로 FOV가 주어지면 초점거리는 다음과 같이 계산된다.

[수학식 2]

또한, 픽셀어레이부(220)는 다수의 서모파일 픽셀로 구성된 서모파일 픽셀 어레이(221)와, 각 셀에서의 측정값을 열 온도 어레이로 생성하는 PCB 기판(222)으로 구성된다. 픽셀 어레이(221)는 적외선 등을 통해 열을 감지하는 셀로서, 렌즈부(210)의 렌즈 구성과 같이 설계된다. 즉, 렌즈의 FOV(Field of View)와 픽셀 어레이의 크기가 결정된다. PCB 기판(222)은 각 셀에 대한 바이어스(bias) 정정 회로나, 제어/타이밍 회로, 어레이 행렬의 다중화기(multiplexer) 등으로 구성된다.

도 4와 같이, 픽셀어레이부(220)는 아날로그 적외선(IR)을 감지하여 전기신호로 변환하는 광 다이오드(photodiode) 부분이고, 신호처리부(230)는 발생된 전기신호를 영상 신호처리에 적합하도록 순차적으로 읽어내는 판독(readout) 회로이다.

신호처리부(230)의 판독회로는 고 집적이 가능한 실리콘 기판이 주고 이용되며 시간지연적분 및 검출신호의 다중화는 CMOS를 이용하여 캐패시터 스위칭 방식으로 처리된다

신호처리부(230)에서 2차원 센서 어레이 신호 검출은 크게 픽셀단위(Pixelwise) 방식, 시리얼(Serial) 방식, 컬럼(Columnwise) 방식의 3가지로 나눌 수 있으며, 적외선 센서의 전기적 특성에 따라 증폭기 및 적분기의 배치와 칩 면접 및 소비 전력을 고려하여 시스템에 맞는 적절한 방식을 선택하게 된다.

픽셀단위(Pixelwise) 방식의 처리 방법은 각 픽셀이 검출 소자 D, 증폭기 A, 그리고 적분기 I로 구성되어 있으며 검출 소자의 저항 변화에 의한 전압 신호는 증폭기 및 적분기를 통해 증폭되고 적분된다. 픽셀단위(Pixelwise) 방식의 장점은 검출 대역폭을 낮추어 설계할 수 있고 신호검출을 위한 제어회로의 구성이 단순한 이점은 있으나 각 셀마다 검출 소자와 증폭기 및 적분기가 필요하므로 소비 전력이 매우 크고 칩 면적을 많이 차지한다는 단점이 있다.

시리얼(Serial) 방식의 처리 방법은 각각의 셀에 스위치만을 두어 검출회로에서 읽어 들이는 순서를 제어하는 방식이다. 상기 방식은 하나의 증폭기와 적분기만을 사용하기 때문에, 검출회로가 단순해져 소형화가 가능하고, 전력 소비도 현저히 줄어드는 이점은 있다. 그러나 하나의 검출회로가 부담해야 할 셀의 수가 많기 때문에 검출 대역폭이 매우 높으며 전체 잡음전압도 증가하게 된다.

이러한 상기한 두 가지 방식을 조합한 컬럼(Columnwise) 방식의 처리 방법을 구현하였다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 신호처리부(230)의 컬럼(Columnwise) 방식은 검출 소자 D로부터 한 행씩 선로를 읽어 낸다. 그래서 신호처리부(230)는 하나의 행 단위로 증폭기(I)에 의해 신호를 증폭하고, 적분기(I)에 의해 신호를 적분한다.

상기와 같은 컬럼(Columnwise) 검출방식은 픽셀단위(Pixelwise) 방식에 비해 소비 전력이 적고 칩 면적을 적게 차지하며 시리얼(Serial) 방식 보다 검출 대역폭이 낮아서 높은 해상도에 적합한 이점을 갖는다.

다음으로, 이미지 처리부(240)의 전원 바이어스 공급회로의 구성에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6a에서 보는 바와 같이 일반적으로 MCU(machine control unit)에 인터페이스되는 신호처리부 및 이미지 처리부(Image Signal Processor) 회로는 외부 직류 바이어스 기준 전원과 동상신호 전원이 변할 경우, 각 화소 데이터 값이 불안정하여 실제 온도 데이터 값이 변해 오차의 원인으로 작용한다.

일반적으로 사용되는 회로는 도 6a와 같이 동상신호전압 VCMC(Common Mode Voltage)와 기준전원 V_REF의 입력값은 커패시터 470nF를 이용하여 구현한다.

본 발명에서는 외부 기준전원이 불안정상태 일 때 동상신호 및 기준 전원을 도 6b와 같이 전압 레퍼런스 집적회로(Voltage Reference IC)를 LM4041을 이용하여 구현하였다.여기서 기준전원 V_REF는 1.225V가 넘지 않도록 설계하였다. 여기서 동상신호전압이 낮은 임피던스 전압을 생성하도록 가변저항기 R4를 이용하여 조절할 수 있도록 설계하였다.

회로에서 샘플링된 유효데이터 VS는 MCU의 인터럽트 서비스 루틴을 트리거시키기 위해 연결되고, 타이머 기능에 의해서 클럭 주파수 1 MHz를 생성시킨다.

도 6b에서 신호 처리부(Image Signal Processor)의 단자 CONT, SCLK_ASIC, DATA_ASIC는 MCU의 디지털 입출력단자에 연결하고 OUT_A1과 OUT_A2는 AD변환기에 연결한다.

단자 SBY가 대기상태일 때 SBY=LOW이면 내부 기준전압을 적용하고,SBY=HIGH이면 외부 기준전압을 적용한다.

다음으로, 어레이 센서(21)의 이미지 처리부(240)에 의한 열화상의 화질 향상 방법에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.

열 화상은 농도분포가 일부 영역에 편중되어 있어 대조비가 낮은 화상이다. 대조비가 낮으면 화상이 선명치 못하고, 대상물체의 식별이 어려워진다. 따라서 대조비 성분을 최대로 조절하여 화질을 향상시켜야 한다. 화질 향상을 위해 이미지 처리부(Image Processor)에서 히스토그램과 화상의 농도분포를 이용하여 화질을 향상시키기 위한 방법을 구현하였다.

일반적인 화상처리에 있어서 많이 이용하는 농도변환 방법으로는 히스토그램 평활화 방법이 있다. 이 방법은 농도 분포를 평탄하게 만들어 대조비를 개선시키는 방법으로서, 히스토그램 상에서 상대적인 농도분포 크기를 비교하여 전 영역에 걸쳐 고르게 펼치는 방식이다. 이 방법은 간단하면서도 대조비 대선 효과가 우수하기 때문에 일반 가시광선 영상처리에 많이 이용한다. 그러나 농도분포가 작은 영역은 상대적으로 큰 영역 보다 적게 펼쳐지며, 경우에 따라서는 오히려 원 농도분포 영역보다 줄어들 수 있다. 농도분포가 작은 영역에 중요 물체나 표적이 있는 경우 식별이 어렵게 되고 히스토그램 평활화를 그대로 열화상에 적용할 경우 오히려 화질이 악화될 수 있다.

본 발명에서는 이러한 열 화상의 농도분포에 적합한 대조비 개선 방법으로서 히스토그램 가변방식의 적응형 농도분포 변환 방법을 설계하였다.

이 방법은 농도분포 비교 시 전체 히스토그램 크기를 모두 비교하지 않고, 영상에 따라 적절하게 크기 레벨을 제한한다. 즉, 히스토그램 크기를 제한하여 큰 영역이 상대적으로 과도하게 펼쳐지는 것을 막는 방식이다.

도 8에 본 발명에 의한 열화상 처리 방식에 따른 히스토그램 변환 및 대조비 개선 원리를 나타낸다.

먼저, 입력 영상으로부터 기본 히스토그램 함수를 구한 뒤, 전 영역에 걸쳐 히스토그램 크기를 특정값 P로 제한한다. 즉, P값을 기준으로 히스토그램 크기가 제한된 검은부분의 새로운 히스토그램 함수를 구한다. 그 다음 가변된 새로운 히스토그램을 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도분포 영역을 변환시켜 대조비를 향상시킨다. 그 결과를 보면 도 8에서와 같이 농도분포 크기가 서로 다른 A, B 두 영역이 서로 비슷하게 골고루 펼쳐져 대조비가 효과적으로 개선됨을 알 수 있다. 여기서 히스프로그램 크기 조절값 P는 표적이 위치한 영역에 따라 표적 식별 관점에서 최적 조절값이 달라질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 어레이 센서부(200)의 열화상 센서모듈에서 데이터를 전송하는 구성에 대하여 도 9 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 앞서 픽셀어레이부(220)에서 적외선을 감지하여 변환된 전기신호를 신호처리부(230)에 전송하는 구성에 대한 구현 방법이다.

도 9에서 보는 바와 같이, 센서모듈의 콘트롤러와 MMI 장치 간의 데이터 송.수신은 이더넷 UDP를 경유하여 행해지되 통신 인터페이스 방식은 SPI 통신 인터페이스를 이용하여 행해진다.

통신 인터페이스 사양은 다음과 같다.

데이터 포맷 : 8 data bits

프레임 싱크(Frame Sync) : None

모듈 선택(Module Selection) : SS-Pin

클럭(Clock Edge Select) : 시리얼 출력 데이터(Serial output data)는 아이들 클럭(idle clock) 상태에서 활성 클럭(active clock) 상태로 천이할 때 변화한다.

SPI 데이터 입력(Data Input) 취득 : SCK 클럭(Clock)의 비활성 단계에서 활성 단계로 될 때(SCK 클럭 활성 상태는 하이레벨, 비활성 상태는 로우레벨)

SCK 주파수 : 10MHz

도 10에서는 보는 바와 같이, 센서모듈(SENSOR)은 SPI(Serial Peripheral Interface) 직렬 인터페이스 방식으로 감지된 데이터를 외부 콘트롤러(μC)로 전송한다. 이때, 도 10(a)와 같이 1개의 센서 모듈을 연결하거나, 도 10(b)와 같이 2개 이상의 센서 모듈을 연결할 수 있다.

SCK 신호는 양방향성이다. 센서모듈은 데이터 전송 중에는 마스터로 동작하기 때문이다. 데이터 전송을 중지하려면 ‘x’ 명령을 보내거나 SS라인을 껐다 켜면 됩니다. 여러 개의 센서모듈을 연결할 경우 단 하나만 슬레이브로 선택해야 한다. 여러 개를 슬레이브로 선택하면 SPI 버스에서 충돌이 생기며 센서모듈에 손상이 생길 수 있다.

센서모듈에서 외부 콘트롤러(μC)로 센서값 데이터를 전송하는 방법은 도 11a에 도시된 바와 같다. 이때, SPI(Serial Peripheral Interface) 직렬 인터페이스 방식의 SS(Slave Select), SCK(Serial Clock), SDI(Serial Data Input), SDO(Serial Data Output) 등 신호들의 통신 타이밍은 도 12에 도시된 바와 같다. 도 12(a)는 명령 수신의 통신 타이밍이고, 도 12(b)는 응답 송신의 통신 타이밍이다.

명령을 ASCII 값으로 보내고 각각의 명령은 CL(0x0D), LF(0x0A)를 끝에 붙여 구별한다. 일례로서, 도 13과 같은 아스키 값을 이용하여 송수신에 사용하는 명령들을 사용할 수 있다.

또한, 센서값을 연속하여 수신하는 방법은 도 11b에 도시된 바와 같다. 도 11b와 같이, 1회 또는 연속으로 센서값을 수신하려면 모듈을 SPI 마스터와 슬레이브로 필요에 따라 전환한다. 외부 컨트롤러는 μC로 표기하고 센서모듈은 마스터로 설정한다.

하나의 데이터는 16비트 값으로 전송한다. 하나의 패킷에 여러 개의 데이터 프레임이 포함될 경우도 있다. UART와 SPI 장치는 16비트 각을 보낼 때 LSB를 먼저 보낸다. 패킷 인덱스를 제외한 모든 데이터는 16비트 값이다.

한편, 센서모듈의 콘트롤러와 MMI 장치 간의 통신 프로토콜을 요약한 것이 도 11c에 도시된 바와 같다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따라 수배전반 열화감시 시스템에서의 제어 방법을 도 14를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 14a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 수배전반 열화감시 시스템에서의 제어 방법의 메인 프로세스는 크게 3가지의 프로세스로 나뉘어진다.

첫번째 메인 프로세스, 두번째 UDP 프로세스, 세번째 UI 프로세스이다.

첫번째 메인 프로세스에서는 타이머 인터럽트 서비스 프로세스에서 일정한 주기로 행해지고 있는 키 스캔(Key scan) 프로세스를 통해 읽혀진 키(Key) 값을 UDP 프로세스 혹은 UI 프로세스로 전달해 주는 기능을 갖는다.

두번째 UDP 프로세스에서는 메인 콘트롤러와 2D 어레이 이미지 센서 모듈( 2D Array Image Sensor Module)과의 데이터 송.수신 기능 갖고 있다.

소켓 프로세스에서는 SPI 인터페이스에 의한 제어를 통해 이더넷 UDP를 경유하여 2D 어레이 이미지 센서 모듈과 UDP 통신 프로토콜에 따라 데이터를 송.수신한다.

세번째 UI 프로세스에서는 LCD 디스플레이에 열화상과 메뉴 및 데이터 그래프등을 표현해 주기 위한 표시 기능(Draw Function)들로 이뤄져 있다.

표시 기능(Draw Function)은 5개로 구분하며, 그 중 그리기 임시 그래프 기능(Draw temp Graph function)은 실시간 변화하는 온도의 분포를 열화상 동영상의 모습으로 항상 화면에 보여주고 있도록 기능을 구성한다.

나머지 4개 기능(function)으로는 표시 세부 메인 윈도우(Draw detail main window), 표시 메뉴 윈도우(Draw Menu window), 표시 알람 설정 윈도우(Draw Alarm setting window), 표시 알람 리스트 윈도우(Draw Alarm list window)로 구성한다.

표시 세부 메인 윈도우(Draw detail main window) 기능에서는 온도 히스토그램 이나 트랜드 화면을 구성해 주기 위한 기능을 구현한다. 표시 메뉴 윈도우(Draw Menu window) 기능에서는 콘트롤러의 환경설정, 경보설정을 위한 설정 창을 준비하여 어떤 임의의 값을 입력할 수 있도록 하는 기능과 경보현황을 list-up해 볼 수 있는 버튼과 디스플레이 창을 나타내주는 기능을 구현한다. 표시 알람 설정 윈도우(Draw Alarm setting window) 기능에서는 알람 설정을 입력해 주기 위한 설정 창과 입력 버튼 등의 디스플레이 창을 나타내주는 기능을 구현한다. 표시 알람 리스트 윈도우(Draw Alarm list window) 기능에서는 알람이 발생 한 경우 그 이벤트를 기록해 놓는데 그 기록되어 있는 내용들을 읽어 내어 표시해주는 기능을 구현한다.

도 14b에서 보는 바와 같이, 타이머(Timer) 프로세스는 메인 프로세스를 운영하기 위해 필요한 지연(Delay) 프로세스들의 시간(Time) 값을 제공해 준다. 여기서는 10mSec, 200mSec, 500mSec 타이머들을 준비해 놓는다. 또한 타이머 프로세스에서는 일정한 주기로 키(Key) 값들의 변화를 감지하기 위해 키 스캔(Key scan) 프로세스를 타이머 인터럽트 서비스(Timer Interrupt Service) 프로세스에서 10mSec 간격으로 처리하고 있다.

도 14c에서 보는 바와 같이, 온도 데이터를 센서 모듈로 부터 받아 화상 데이터로 처리를 하기 위한 프로세스로서 그 처리 과정은 다음과 같다.

통신 계층(Communication Layer)을 통해 수신된 온도 데이터를 데이터 프로세스를 통해 켈빈(Kelvin) 온도 값으로 부터 섭씨 온도 값으로 변환하여 프레임 드로우(Frame draw) 프로세스로 넘겨준다. 이 섭씨 온도 값에는 최대/최소/평균 값 3가지 종류로 구분되어진 값들이 들어있다.

프레임 드로우(Frame draw) 프로세스에서는 우선 각 각의 픽셀에 해당하는 온도 값과 그에 맞는 픽셀 컬러로 변환한다. 그리고 온도 분포에 따른 히스토그램 데이터를 최소 온도 부터 최대 온도까지 12개 막대 그래프로 디스플레이(Display)할 수 있도록 만든다.

이미지 회전 90CCW 기능(Image Rotate 90CCW Function)에서는 원본 이미지가 90도 오른쪽으로 기울어져 입력되는 경우가 있는 데 이러한 이미지를 다시 왼쪽으로 90도 회전 시키기 위한 기능을 구현한다. 업 스케일 이미지 기능(Up scale Image Function)에서는 32x31의 해상도를 갖는 이미지를 226x218로 스케일(scale)를 확대하여 4.3인치 LCD 디스플레이의 해상도에 맞추는 기능을 구현한다.

드로우 히스토그램 기능(Draw Histogram Function)에서는 앞의 프로세스에서 12개 막대 그래프를 그릴 수 있도록 만들어 놓은 히스토그램 데이터를 이용하여 히스토그램 그래프를 그리기(draw)하는 기능을 구현한다.

드로우 트렌드 그래프 기능(Draw trend graph function)에서는 전체 영역 중에서 3군데 영역을 사전에 설정하여 놓고 그 각 영역의 최대온도 값을 산출해 놓는다. 이 최대 온도의 변화 추이를 1분 단위로 계산하여 3 군데 영역에 대해 각각의 트랜드 그래프로 표시한다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따라 감지된 온도 데이터를 보정하는 방법을 도 15 내지 도 16을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

센서모듈의 보정 설정값을 얻으려면 ‘k’ 명령으로 하나의 온도 데이터 프레임을 요청한다. 이때 센서모듈로부터 자동으로 보정에 사용하는 설정값을 읽는다. 온도 데이터 프레임을 수신한 뒤에 ‘M’ 명령으로 장치의 실제 설정값을 요청한다. 응답은 다음과 같은 정보를 포함한다.

"PIXCvsTA X, BFL3 X, F814 X, THvsTA X IGNORE_ELOFF X ELOFF32 X SBY Y FC X EXP Z”

위에서 X, Y, Z 등은 장치에 관련된 상수이다. X=”true” 또는 “false”, Y=”1” 또는 “0”, Z는 소수점 아래가 2자리인 10진수 이다. 예: “3.47”. 이 상수를 저장한 뒤 공식에 넣어 계산한다.

다음은 ‘w’ 명령으로 보정 상수값을 요청한다. 센서모듈은 도 15a에 나와있는 보정 정보를 응답할 것이다. 색칠된 상수값을 저장한다. 저장한 모든 상수값은 “상수이름”을 참고해서 이름 붙인다. 만약 예문에서 색칠된 부분이 없고 “상수이름”에도 없다면 저장할 필요가 없다.

다음으로, 도 15b와 같은 헤더 다음에 바로 픽셀에 연관된 상수 또는 보정 데이터가 전송된다. 패킷(UDP)의 개수와 라인(UART)의 개수는 장치의 종류에 따른 픽셀 수와 같이 다르다. 각각의 패킷/라인은 다음과 같다.

픽셀번호, 온도1(X), 픽셀상수1(X), 온도2(X), 픽셀상수(X), 온도3(X), 픽셀상수3(X), 온도4(X), 픽셀상수4(X)

X는 위의 라인에서 픽셀번호를 의미한다. 픽셀 연관 상수 모두를 저장한다.

다음으로, 온도와 픽셀 상수를 위한 각각 네 개의 주위온도 보정점에서 보정한다. 적분과 두 보정점 사이의 오프셋(각각의 온도 오프셋과 픽셀 상수용), 두 보정점 사이의 선형보간은 계산에 유용하다. 이를 이용하면 실제 주위온도에 아주 정밀하게 근접하다.

다음 예는 픽셀 0에서 데이터를 취합한 후 도 15a와 도 15b에 따라 만든 것이다. 선형보간은 온도 오프셋의 예에서 보인다. 실제 주위온도는 300K로 추정한다.

300K에서 픽셀0의 실제 온도 오프셋을 이용한 계산의 예가 도 16에 도시되고 있다.

도 16에서 보는 바와 같이, 실제 온도 오프셋 V_Th(C,R)을 계산하기 위해 선형보간으로 충분하다. (C,R)은 행과 열을 뜻하며 값과 연관되어 있다. 픽셀 상수를 계산에도 같은 방법으로 처리하는 것이 바람직하다.

다음으로, 주위온도를 구하는 방법에 대하여 설명한다.

주위온도는 다음 [수학식 3]으로 계산한다.

[수학식 3]

단, T_Amb는 실제 주위온도 (소수점 한자리의 절대온도)이고,

PTAT_i 는 N번째의 PTAT값 이고. N은 장치에 따라 다르다.

다음으로, 측정 대상(오브젝트)의 온도를 구하는 방법을 설명한다.

열은 (C)로 픽셀과 연관된 열과 행은 (C,R)로 변수이름을 표시한다.

수신한 픽셀 절대 전압은 증폭기의 전자 오프셋 V_elOff(C), 픽셀의 온도 오프셋 V_Th(C,R), 증폭한 픽셀 전압 V_Pix(C,R)로 구성되어 있습니다.

V_Abs(C,R) = V_Pix(C,R) + V_Th(C,R) + V_elOff(C)

전자 오프셋을 픽셀 전압에 상응하기 위해 모듈로-n-체크 방식을 사용한다. 증폭기의 갯수로 픽셀 번호를 나누고 나머지가 전자 오프셋과 일치한다.

장치가 "IGNORE_ELOFF false”라는 보정 설정을 가지고 있으면 수신한 픽셀의 절대 전압에서 증폭기 V_elOff(C)의 전자 오프셋을 뺄셈처리 한다. 그대로 두면 전자 오프셋이 ‘0’으로 설정될 수 있다.

IGNORE_ELOFF false → V_Abs(C,R) - V_elOff(C) = V_Pix(C,R) + V_Th(C,R)

IGNORE_ELOFF ture → V_Abs(C,R) = V_Pix(C,R) + V_Th(C,R)

다음 단계는 온도 오프셋을 맞추려는 뺄셈처리를 위해 픽셀 증폭 전압을 구한다.

IGNORE_ELOFF false → V_Pix(C,R) = V_Abs(C,R) - V_elOff(C) - V_Th(C,R)

IGNORE_ELOFF ture → V_Pix(C,R) = V_Abs(C,R) - V_Th(C,R)

앞에서 언급했듯이 V_Th(C,R)은 T_h1(C,R), T_h2(C,R), T_h3(C,R), T_h4(C,R)에서 각각 두 개의 온도 오프셋 값 사이를 선형보간으로 처리해야만 실제 주위온도 T_Amb에 근접한다.

다음 단계는 실제 픽셀 상수 P_ixC(C,R)를 얻기 위해 선형보간을 한다. 이는 현재의 T_Amb와 연관성이 있다.

오브젝트 온도 T_O는 소수점 아래 한자리의 절대온도로써 다음 [수학식 4]로 계산한다.

[수학식 4]

ε는 복사열을 받은 픽셀 표면의 배출계수입니다. VDM은 VDM 상수와 같게 만드는 배율기이다. X는 EXP상수와 같게 만들기 위한 지수입니다. VDM과 EXP는 ‘M’ 명령을 보내면 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 감시 장치(30)로 구현된 콘트롤러의 하드웨어 구성에 대하여 도 17 내지 도 28을 참조하여 설명한다.

앞서 본 바와 같이, 수배전반 열화감시 시스템은 2D 어레이(Array) 형태의 이미지 센서(Image Sensor)로 부터 온도 데이터를 받아 TFT LCD 창에 화상 화면으로 표시하여주는 시스템으로서, 이더넷(Ethernet) 통신 라인을 통해 피 측정물의 표면 온도 값을 32 x 31개 픽셀 별 온도 값으로 2D 어레이(Array) 센서 모듈로 부터 받는다.

또한, 표면 온도 데이터를 받아 열화상 데이터로 만들어 4.3인치 TFT LCD에 표시한다. 이때 열화상의 특정 영역을 선택하여 그 영역의 온도 변화를 감시하면서 알람 설정 값과 비교 판단하며, 판단 결과에 따라 설정 값 이상이 되면 알람을 띄워주면서 이벤트(Event) 기록을 한다. 또한, 도 1과 같이, 일례로서, 최대 4개 까지 연결할 수 있는 센서 모듈(센서부), 감시장치 또는 콘트롤러 1 대, 원격지 모니터링 PC 서버 1 대 등으로 구성될 수 있다.

도 17에서 보는 바와 같이, 감시 장치(30)로 구현된 콘트롤러의 하드웨어 구성(Hardware Feature)의 일례를 다음과 같이 구현할 수 있다.

프로세서로서, 32-bit EISC 아키텍쳐 마이크프로세서(Architecture Microcontroller)를 채택한다. 상기 마이크로프로세서는 5단계 파이프라이닝, 108MIPS(108MHz System Clock에서) 명령어 처리 속도를 가지고 있고, 16MBytes SRAM 메모리를 내장한다. 또한, LCD 콘트롤러(Controller)를 내장하고, RGB 888 or 565 출력, RGB 모드에서 800 x 600 해상도(resolution)까지 지원한다. 또한, LCD는 4.3인치 TFT 컬러 LCD를 채택하고, 해상도는 480 x 272, 컬러는 RGB-stripe, 인터페이스는 디지털 방식이고, 이더넷 통신 UDP 프로토콜을 채택하고, RS-485 MODBUS 통신 방식을 채택한다.

콘트롤러의 CPU 블록의 회로 구성은 도 18과 같다. CPU는 adStar(D16MF512)이고, 클럭(CLOCK)은 10MHz X-TAL이고, 전원(VCC)은 3.3V 이다. 스위치(Switch) 입력은 74HC148을 이용하여 입력 포트 수를 최소화한다. 내부메모리는 SRAM 16MBytes, FLASH 512KBytes로 구성된다.

스위치(Switch) 입력 회로의 구성은 도 19와 같다. 스위치 입력 회로를 구성하기 위해 CPU 입력포트 8개가 필요하다. 4개의 포트로 해결하기 위해 외부에 74HC148 IC를 채택하는 것이 바람직하다.

스위치 입력 포트는 CPU의 포트(PORT) P0.0 ~ P0.3으로 할당하여 구성한다. P0.3의 논리 입력 값이 ‘High’ 상태에서 ‘Low’ 상태로 바뀌었을 때 CPU Port P0.0 ~ P0.2 까지의 논리 입력 값을 도 20의 표에 대입하여 어느 스위치가 눌려 졌는지를 알 수 있다.

도 20의 표에서 보는 바와 같이, 스위치가 눌려진 경우 스위치(SWITCH) 입력의 논리가 ‘High’에서 ‘Low’로 바뀐다. 논리 ‘High’는 H로 명기하고 ‘Low’는 L로 명기 한다. ‘X’라고 표시된 것은 입력 논리가 H이든 L이든 무관한 경우이다.

이더넷 블록의 구성이 도 21에 도시되고 있다. 일반적인 ENC28J60이더넷 칩을 사용한 이더넷(Ethernet) 구성도이다. 특히, 이더넷 블록의 회로 구성은 도 22와 같다.

도 22에서 보는 바와 같이, 2D 어레이 센서 모듈과의 데이터 송.수신을 위해 이더넷 칩(ENC28J60)을 채택하여 회로를 구성한다. 또한, 상기 이더넷 칩은 CPU의 SPI 통신 인터페이스를 통해 콘트롤하도록 설계된다.

SPI 통신 인터페이스 핀은 다음과 같다.

- ETH_INT0 : 데이터 수신 시 CPU에 인터럽트를 발생한다.

- ETH_SI : CPU로 부터 이더넷 칩으로 데이터 혹은 코멘드(Command)를 써 넣기 위한 포트

- ETH_SO : CPU가 이더넷 칩으로 부터 데이터 혹은 이터넷 칩의 상태(Status)를 읽어 들이기 위한 포트이다.

- ETH_SCK : 이더넷 칩과 데이터 송.수신을 할 때 각 비트와의 동기를 맞추기 위해 필요한 클럭의 출력 포트

- ETH_CS : 이더넷 칩과의 데이터 송.수신을 하는 동안 해당 칩을 선택해 주는 출력 포트로서, 로 신호(Low Signal)가 출력되면 선택된 것을 의미한다.

그리고 클럭 스피드는 25MHz로 설계하는 것이 바람직하다.

다음으로, LCD 제어블록의 회로구성은 도 23과 도 26에 도시된 바와 같다.

도 23의 블록도에서 각 Signal Line의 기능은 다음과 같다.

LCD Color R0-R7 Data : 빨강 색상 데이터

LCD Color G0-G7 Data : 녹색 색상 데이터

LCD Color B0-B7 Data : 파랑 색상 데이터

LCD Dot Clock : LCD 화면의 최소 단위의 점에 해당하는 도트(Dot)를 뿌려주기 위한 동기 클럭 신호

LCD H Sync : 수평 주사의 시작을 알리는 동기 신호

LCD V Sync : 수직 주사의 시작을 알리는 동기 신호

LED_A : LCD 백라이트 용 LED의 어노드(Anode) 극 출력

LCD_K : LCD 백라이트 용 LED의 캐소드(Cathode) 극 출력

도 24에서, 상기 콘트롤러에서 사용하고 있는 LCD 제어 부분의 설계 회로로서 도 23에서 명기한 신호 선들과의 연관 관계는 아래와 같다

LCD Color R0-R7 Data : LCD_R0 ~ LCD_R7

LCD Color G0-G7 Data : LCD_G0 ~ LCD_G7

LCD Color B0-B7 Data : LCD_B0 ~ LCD_B7

LCD Dot Clock : PVCLK

LCD H Sync : PHSYNC

LCD V Sync : PVSYNC

LED_A : LCM_LEDA

LCD_K : LCD_LEDK

또한, 도 25는 라이트 제어(Light Control) 부분의 구성 회로로서, 앞서 회로 구성에서 명기한 신호 선들과의 연관 관계는 아래와 같다

LED_A : LCM_LEDA

LCD_K : LCD_LEDK

상기 콘트롤러의 출력 전압은 PWM 모양의 파형을 갖추고 있으며 안정적인 상태에서의 LCM_LEDA 출력 파형은 도 26과 같이 약 30V PEAK 값을 6uSec 간격으로 출력한다.

마지막으로, 메모리 구성인 낸드 플래시 메모리 블록의 회로 구성은 도 27 및 도 28에 도시되고 있다.

도 27의 메모리 블록도에서 표기되어 있는 제어 신호의 속성은 다음과 같다.

NF_nBusy : 낸드 플래시 메모리가 동작 중에 있는지 아니면 읽기/쓰기(Read/Write) 혹은 삭제(Erase) 동작을 수행 할 준비가 되어 있는지를 알려주는 포트 논리 상태 ‘H’일 때 준비 상태, ‘L’ 이면 바쁜 상태

NF_nRE : 낸드 플래시로 부터 데이터를 읽어 오기 위한 제어 신호 , ‘L’로 신호를 만들고 NF_D0 ~ NF_D7 포트로 부터 데이터를 읽어간다.

NF_nCS : 낸드 플래시 메모리 칩을 선택할 수 있도록 해주는 제어 신호, 칩이 바쁠 때는 이 제어 신호를 무시한다.

NF_CLE/SD_CLK : 이 제어 신호는 낸드 플래시를 제어 할 때 혹은 SD 메모리를 제어 할 때 번갈아 가며 선택하여 제어 신호를 출력 한다. 낸드 플래시를 제어 할 때는 낸드 플래시 제어 명령어를 명령어 레지스터로 보내기 위해 사용한다. SD 메모리를 제어할 때는 SD 메모리의 클럭 신호를 출력하는 포트로 사용한다. NF_nWE 제어 신호가 ‘H’로 상승 시 명령이 전달.

NF_ALE/SD_CMD : 낸드 플래시의 주소 레지스터로 주소 값을 전달 할 때 사용하는 제어 출력, NF_nWE 제어 신호가 ‘H’로 상승 시 주소 전달.

NF_nWE : NF_CLE 혹은 NF_ALE 제어 신호와 함께 명령이나 주소를 전달 할 때 사용하는 제어 출력_

NF_nWP : 낸드 플래시 메모리의 파워(Power)가 전환 될 때 뜻하지 않는 삭제/쓰기 동작을 방지하기 위한 쓰기방지(Write Protect) 제어 출력, 논리 값 ‘H’ 일 때 낸드 플래시 메모리에 데이터를 읽고 쓰기가 가능해진다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 열화상 감시 시스템의 사용자 인터페이스 구성에 대하여 도 29 내지 도 30을 참조하여 설명한다.

도 29에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열화상 감시 시스템의 사용자 인터페이스는 사용자 또는 관리자의 명령을 받아들이는 각종 스위치들 및, 각종 상태를 알려주는 LED 표시등들로 구성된다. 도 29는 시스템 장치의 함체의 정면의 인터페이스를 보여주고 있다.

도 29의 함체 정면 하단에 다음과 같은 스위치들이 구성된다.

모니터링 스위치는 온도 실시간 표시 창을 불러내기 위한 것이고, 이벤트 스위치는 경보 이력을 읽어 보기 위해 경보 현황 창을 불러내기 위한 것이다. 또한, 취소 스위치는 설정하려던 행위(ACTION)을 취소하고 이전 창으로 이동 할 때 사용하기 위한 스위치이고, 확인 스위치는 설정 내용을 최종 확인하고 저장할 때 사용된다. 또한, 커서키 스위치들은 상하좌우(UP/DOWN/LEFT/RIGHT) 스위치들로 이뤄져 있고, 메뉴 창에서 항목에 해당하는 칸과 칸 사이를 이동하려 할 때 또는 어떤 설정 값의 숫자를 변경하려 할 때 사용된다.

처음 메인 화면에서 이 커서키를 조작하여 이동 할 수 있는 아이콘들은 (a) 표시 범위의 자동 혹은 수동, (b) 히스토그램 혹은 트렌드, (c) 환경설정, 경보현황, 경보설정 등이다.

한편, 도 29의 함체 정면의 좌우에는 LED 표시등들이 구성된다.

정상 상태 LED는 경보 설정 해 놓은 값 이하의 온도가 입력되고 있을 때 온(ON) 경보를 알리고, 알람 상태에서는 오프(OFF) 상태이다. 알람 상태 LED는 경보 설정 이상의 온도 값이 센싱 될 때 온(ON) 혹은 블링킹(BLINKING)으로 표시된다. PC 링크(Link) LED는 이 콘트롤러의 상위 기종인 PC 서버와 연결되어 통신이 원활히 행해지고 있는지를 알려주는 인디케이터로서, 정상 일 때 블링킹(BLINKING)으로 표시된다. 또한, TX 표시등은 송신 데이터가 있을 때 블링킹되고, RX 표시등은 수신 데이터가 있을 때 블링킹된다.

2D 어레이(Array) 표시등은 2차원 어레이 열화 온도 센서와의 통신이 원활한지를 알려주는 인디케이터로서, 정상 일 때 블링킹으로 표시된다. 또한, 2D 어레이의 TX 표시등은 송신 데이터가 있을 때 블링킹되고, RX 표시등은 수신 데이터가 있을 때 블링킹된다.

또한, 도 29의 함체 정면의 중앙에는 열화상 영상(또는 열화상 이미지)와 열화상 영상에 대한 특징값이나 통계치 등을 표시한다. 기본적으로 표시범위 설정은 자동 설정으로 되어 있고 감시 대상의 특성을 알 경우에 수동 설정을 선택한다.

자동 설정의 경우, 2차원 어레이 센서(2D Array Sensor)로부터 전송되어 온 온도 값을 산술 분석하여 형상으로 인식하기 용이한 색 분포 표시 범위를 매회 자동으로 표시한다.

수동 설정의 경우, 매회 자동으로 바꿔가며 표시하는 경우 최대, 최소치와 평균치의 색 범위가 자동으로 바뀌어서 색으로 특정 값을 인식하기 어려운 문제가 있어 감시대상의 특성이 어느 정도 파악이 된 경우 수동 설정 기능을 활용하여 온도 표시 범위를 설정한다.

표시 범위 창에서 수동 라디오 버튼을 선택하게 되면 우측 상단에 표시범위 수동 설정 창의 ΔT(최대 최소 간의 차이 값), 그리고 Tc(온도표시 범위 중심 값)을 설정한다. 이 때 히스토그램 창의 X 축 왼쪽 끝에는 최소온도 값이 계산되어 표시되고 오른쪽 끝에는 최대 온도 값이 표시된다. 예를들어 Tc 값이 25.0도인경우 ΔT 값을 10.0으로 하면, 최대 온도 값은 30.0도, 최소 온도 값은 20.0도로 된다. 이 범위를 벗어나는 값의 색은 수동으로 설정한 최대 값 또는 최소 값으로 대치한 뒤 표시한다.

한편, 열화상 감시 시스템의 사용자 인터페이스를 통해, 시스템의 각종 환경을 설정하기 위한 메뉴들이 표시되고, 해당 메뉴에 의해, 장치 시스템 IP주소 설정, 센서모듈 IP주소 설정, 날짜 설정, 특정영역 모니터링 설정, 열화상 카메라의 팬/틸트 설정 등의 기능을 수행할 수 있다.

특히, 특정영역 모니터링 설정 기능을 통해, 모니터링 하고자 하는 영역을 설정할 수 있다. 예를 들어, 화상 화면 상에 3군데의 특정 영역을 선정하여 온도가 열화 되어 가고 있는 현상을 모니터링 하기 위해 필요한 설정이다. 이때, 특정 영역은 소정의 설정레벨 온도 기준 이상인 영역들로 선정될 수 있다. 해당 영역의 최대/최소/평균 온도를 표시한다. 또한, 관리자에 의해 특정 영역을 임의로 정하여 해당 영역이 설정될 수 있다. 다수의 영역이 설정되는 경우에는, 각각의 영역을 설정하기 위해 L1, L2, L3로 영역 번호를 구분하고, L1, L2, L3의 영역이 정해지고 나면 우측에 있는 화상 화면에 색상 별로 해당 영역을 사각형으로 나타내어 그 영역의 최대/최소/평균 온도를 표시한다.

주위 평균 온도는 전 화면의 전체 평균 온도 값을 표시한다. 이때 최대/최소/평균 온도 그리고 주위 온도의 표시는 L1, L2, L3 각 영역의 온도들을 소정의 시간 간격(약 5초 간격)으로 돌아가며 표시해 주고 그 때 화상 화면에는 지금 표시하고 있는 해당 영역의 사각형의 외곽을 굵게(BOLD) 처리하여 표시한다. 또한 이 L1,L2,L3의 최대 온도 값을 활용하여 메인 화면에서 보여주고 있는 트렌드 화면을 구성한다.

또한, 사용자 인터페이스를 통해, 센서모듈(열화상 카메라)의 좌우 또는 상하의 각도(앵글)를 조정함으로써, 원하는 특정 영역을 열화상으로 촬상하기 위한 환경 설정 기능이다. 상기 설정 창에서 입력한 값에 따라 팬/틸트(PAN/TILT) 모터가 회전하여 카메라의 정면 방향을 이동시킨다. 이동 중에 멈추고자 할 때는 취소 스위치를 누른다. 바람직한 팬/틸트의 설정 범위는 다음과 같다. 팬(PAN, X축 포지션)의 설정 범위는 -47° ~ +31°이고, 틸트(TILT, Y축 포지션)의 설정 범위는 -159° ~ +159°이고, 팬/틸트의 조정 속도의 설정 범위는 1°/sec ~ 5 °/sec이다.

또한, 사용자 인터페이스를 통해, 알람 또는 경보를 하기 위한 기준을 경보 설정 기능에 의해 수행될 수 있다. 경보 설정 기능에는 특정 영역 경보 설정, 주위 온도 상승의 경보 설정, 열화지수 설정 등에 대한 설정 기능을 갖는다. 특정영역의 평균 온도와 주위 평균 온도 값을 활용하여 열화지수를 산출한다. 구체적인 열화지수 산출 방법은 이하에서 구체적으로 설명한다.

한편, 도 30에서 보는 바와 같이, 경보 메시지를 화면의 일부분에 표시하되, 주의 경보 메시지, 경계 경보 메시지, 긴급 경보 메시지 등으로 구분된다.

주의 경보 메시지 표시 방법은 상기 메시지에서 xx는 해당 특정 설정 영역의 번호로 표시되고, 황색 띠를 1초 간격으로 블링킹한다. 또한, 경계 경보 메시지 표시 방법은 상기 메시지에서 xx는 해당 특정 설정 영역의 번호로 표시되고, 주황색 띠를 1초 간격으로 블링킹한다. 또한, 긴급 경보 메시지 표시 방법은 상기 메시지에서 xx는 해당 특정 설정 영역의 번호로 표시하고, 적색 띠를 1초 간격으로 블링킹한다. 또는, 주의 경보는 적색 LED 점등을, 경계 경보는 적색 LED 1.5초 간격 점멸을, 긴급 경보는 적색 LED 0.3초 간격 점멸 등으로 알릴 수 있다.

동시에 여러 개의 메시지가 들어 오는 경우에는 먼저 표시하던 메시지를 10초간 유지 한 후 그 다음 메시지를 표시한다. 이러한 메시지는 6개까지만 메시지 표시 저장 장소에 갖고 있고 그 이상은 버린다. 경보 메시지는 취소 스위치를 눌러 닫을 수 있고 또한 가만히 놓아두어도 소정의 시간(약 10초) 후에 자동으로 사라지게 한다.

또한, 경보를 발생시키는 영역을 화상 화면에 표시한다. 도 30의 화상 화면의 네모 박스는 설정 영역을 나타낸다. 그 안에 설정 값과 감지 최대 온도 값을 표시한다. 예를 들어, 도 30에 표시된 "50/65"에서 50은 경보 설정 기준 온도이고, 60은 감지 최대 온도이다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따라 열화지수(건전성 지수)를 계산하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. 특정영역의 평균 온도와 주위 평균 온도 값을 활용하여 열화지수를 산출한다.

접속부위 온도에 대한 멤버쉽 파라미터는 다음과 같이 설정한다.

- 50도 이하이면 100점

- 80도 이상이면 5점

접속부위 온도 지수를 계산하는 예를 설명한다.

접속부위 온도에 대한 멤버쉽 파라미터 (x는 접속부 온도, v는 점수)가 다음과 같다고 가정한다.

[수학식 5]

xl : 80 , vl : 5 ===> 상수

xh : 50 , vh : 100 ===> 상수

따라서 x가 xh 보다 작거나 같으면 v = vh, x가 xl 보다 크거나 같으면 v = vl 이다.

위 경우가 둘 다 아니면 다음 식에 의해 계산한다.

[수학식 6]

멤버쉽 값 v = ((vh - vl)/(xh - xl)) (x - xl) + vl

예를들어 x = 55이면,

v = ((100-5)/(50-80)) (55-80) + 5

= (95/-30) (-25) + 5 = -3.1 x -25 + 5 = 82.5

예를들어 x = 60이면.

v = ((100-5)/(50-80)) (60-80) + 5

= (95/-30) (-20) + 5 = -3.1 x -20 + 5 = 67

온도차이 지수를 계산하는 예를 설명한다.

온도차이에 대한 멤버쉽 파라미터 (x는 접속부 온도 - 주위온도 온도차, v는 점수)는 다음과 같다.

[수학식 7]

xl : 30 , vl : 5 ===> 상수

xh : 5 , vh : 100 ===> 상수

따라서 x가 xh 보다 작거나 같으면 v = vh, x가 xl 보다 크거나 같으면 v = vl

위 경우가 둘 다 아니면 다음 식에 의해 계산한다.

[수학식 8]

멤버쉽 값 v = ((vh - vl)/(xh - xl)) (x - xl) + vl

예를들어 x = 20이면,

v = ((100-5)/(5-30)) (20-30) + 5

= (95/-25) (-10) + 5 = -3.8 x -10 + 5 = 43

예를들어 x = 10이면

v = ((100-5)/(5-30)) (10-30) + 5

= (95/-25) (-20) + 5 = -3.8 x -20 + 5 = 81

온도열화지수는 다음 수학식 9에 의해 구해진다.

[수학식 9]

온도열화지수(건전성지수) = 접속온도지수 * 0.7 + 온도차이지수 * 0.3

예를들어 접속 온도가 55도이고 온도차이가 20이면,

온도열화 지수 = 82.5 * 0.7 + 43 * 0.3 = 57.75 + 12.9 = 70.65

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 31 내지 도 33를 참조하여 설명한다.

대부분의 수배전반에서 적용하고 있는 적외선 센서는 포인트 온도 감지 방식으로서, 부스바 및 단자대의 목표 지점 외에 주변 지점에 대한 온도를 함께 검출하여 검출된 값들을 평균하여 1점의 온도로 나타내는 센서이다. 그렇기 때문에, 목표점과 센서간의 거리와 초점에 대한 제약이 많아 정확한 온도를 얻고자 하는 경우, 적외선 센서의 설치 방향 및 각도에 민감하여 사용이 제한적이다.

일례로서, 도 31의 이미지에서, 가운데 1-4번 지점에 대한 각 영역의 온도가 각각 40℃, 50℃, 60℃, 70℃ 라고 하면, 이 적외선 센서는 포인트 온도 검출 방식이므로 4개의 점의 온도를 각각 개별적으로 검출할 수 없다. 대신 1~4개의 점들의 온도를 평균한 값으로서, 한 점의 온도인 55℃로 나타낸다.

이와 같이, 종래기술에 의한 포인트 방식의 적외선 센서는 주변지점의 온도를 함께 평균하여 산출함으로써 정확한 온도 산출이 어렵다.

반면에, 2차원 배열의 2D 어레이 방식의 적외선 카메라는 사용자가 지정한 관심영역의 각 화소에 대한 온도를 직접 계측할 수 있으므로, 관심 영역 뿐만 아니라 그 주변의 각 화소에 대한 온도 분포를 동시에 계측할 수 있다. 따라서 수배전반의 정확한 대상 지점의 국부 과열의 열화 추이 및 감시 진단에 필수적으로 사용할 수 있다.

수배전반의 R, S, T 각 상에 흐르는 전류를 계측하여 불평형률이 5% 이하일 때, 2D 어레이 센서는 이와 동기를 맞추어 온도를 계측한다. 그 후, 접속부의 온도가 각각 상이하다고 하면, 이를 접촉불량으로 인식하여 부스바 과열 현상으로 판단한다.

한편, 도 32에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법은 (a) 설정레벨에 따른 영역 설정 단계(S41); 평균 온도 계산 단계(S42); 소정의 시간후 온도 재계산 단계(S43); 및 이상 상태 판단 단계(S44)로 구성된다.

먼저, 설정온도 레벨에 따른 열화상 모습을 화면에 나타낼 수 있도록 한다. 즉, 설정온도 레벨 이상인 온도의 영역만을 화면에 나타낸다(S41).

다음으로, 관심 대상인 각 영역에 대한 평균 온도를 계산한다. 특히, 설정온도 레벨(또는 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역에 대한 평균 온도를 계산한다(S42).

도 33(a)의 경우, 설정레벨이 48℃ 이상인 경우의 영역으로서, 4×4 배열의 영역이고 그 영역의 평균 온도는 51.4℃(51.375℃)이다. 이때, 픽셀의 개수는 모두 16개이다. 도 33(b)의 경우, 설정레벨이 52℃ 이상인 경우의 영역으로서, 20개 픽셀의 영역이고 그 영역의 평균 온도는 54.2℃이다.

다음으로, 소정의 시간이 경과한 후, 해당 영역의 평균 온도를 계산한다(S43). 그리고 설정영역에 대해 재 계산된 평균 온도가 사전에 정해진 임계 온도 이상이면 이상 상태로 감지한다(S44). 한편, 임계 온도는 재계산되는 경과 기간에 따라 달리 정할 수 있고, 경과 기간도 다수 개로 정할 수 있다. 예를 들어, 1시간 후, 1일 후, 1주일 후 등으로 경과 기간을 정할 수 있다.

예를 들어, 1시간 후 해당 영역의 평균 온도가 60℃ 이상이면 설정 레벨에 따른 경보를 출력한다. 도 34의 경우, 4×4 배열의 영역의 평균 온도는 60℃이다. 따라서 경보를 출력하게 된다. 또는 1주일 후 해당 영역의 평균 온도가 80℃ 이상이면 설정 레벨에 따른 경보를 출력하도록 설정할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 35 내지 도 37을 참조하여 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법은 앞서 설명한 제2 실시예의 방법과 동일하며, 다만, 평균 온도를 재계산할 때 설정 영역도 설정레벨에 따라 다시 설정하는 점에서 차이가 있다.

도 35에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법은 (a) 설정레벨에 따른 영역 설정 단계(S51); 평균 온도 계산 단계(S52); 소정의 시간후 영역 재설정 단계(S53); 온도 재계산 단계(S54); 및 이상 상태 판단 단계(S55)로 구성된다.

먼저, 설정온도 레벨에 따른 열화상 모습을 화면에 나타낼 수 있도록 한다. 즉, 설정온도 레벨 이상인 온도의 영역만을 화면에 나타낸다(S51).

다음으로, 관심 대상인 각 영역에 대한 평균 온도를 계산한다. 특히, 설정온도 레벨(또는 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역에 대한 평균 온도를 계산한다(S52). 앞서 제2 실시예의 도 33와 같이 평균 온도를 계산한다.

다음으로, 소정의 시간이 경과한 후, 측정된 열화상 데이터를 이용하여, 설정온도 레벨 이상인 온도의 영역을 재설정한다(S53). 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 영역을 다시 구한다. 그리고 해당 재설정 영역의 평균 온도를 다시 계산한다(S54).

다음으로, 재설정 영역에 대해 재 계산된 평균 온도가 사전에 정해진 임계 온도 이상이거나, 재설정 영역의 증가율이 사전에 정해진 임계 영역 증가율 이상인지를 비교하여 이상 상태로 감지한다(S55). 즉, 이때 구한 평균 온도가 소정의 기준 온도 보다 높고 해당 영역의 크기가 증가된 증가량에 따라 경보 여부를 결정한다.

도 33(a)의 예와 같이, 설정레벨이 48℃ 이상인 경우를 설명한다. 도 36과 같이, 소정의 시간 후에, 설정레벨이 48℃ 이상인 경우, 설정레벨 이상의 온도를 갖는 영역이 8×4 배열의 영역으로 그 크기가 2배로 커졌다. 즉, 픽셀의 크기가 32 픽셀로서, 초기의 16(=4×4) 픽셀 보다 2배로 커졌다. 또한, 해당 영역의 평균 온도가 55℃로서, 초기의 평균 온도 40.4℃ 보다 커졌다. 따라서 전체 열량은 2~3배 증가한 것이므로, 이때, 경고를 발생한다.

도 37을 참조하여 다른 예를 설명한다. 초기 화면에서, 설정 레벨(예를 들어, 38℃) 이상인 영역의 픽셀 개수는 모두 58개이고, 이때의 평균 온도가 40℃라고 측정된다. 도 37에서 흰색 픽셀들이 초기 화면(열화상 화면)에서 설정 레벨 이상인 영역들로 표시된다. 1시간 후, 설정 레벨(38℃) 이상인 영역이 추가적으로 36개가 늘어나서, 전체 픽셀의 개수가 94개가 되었다. 그리고 해당 영역의 전체 평균 온도는 55℃로 증가되었다. 도 37에서 회색 픽셀들이 추가적으로 늘어난 픽셀들을 나타낸다.

다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 38를 참조하여 설명한다.

도 38에서 보는 바와 같이, 먼저, 열화상 영상에서 주위 온도를 계산한다(S61). 그리고 소정의 시간이 경과한 후, 주위 온도를 재계산하여(S62), 재계산된 주위 온도가 사전에 정해진 임계 주위온도 보다 크게 높아지는 경우에 이상 상태로 감지한다(S63).

예를 들어, 초기 열화상 영상에서 주위 온도가 35℃로 계산되었는데, 1시간 후에 재측정하여 재계산된 주위 온도가 40℃가 되었다면, 이상상태로 감지하여 알람을 알린다. 또는, 1주일 후 주위 온도가 41℃ 이상이 되면 역시 알람을 알린다.

다음으로, 본 발명의 제5 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 39 내지 도 40을 참조하여 설명한다.

본 발명의 제5 실시예는 앞서 설명한 제2 실시예의 방법과 동일하며, 다만, 평균 온도를 재계산할 때 설정 영역 내의 특정 내부 영역에 한정하여 온도를 재계산하는 점에서 차이가 있다.

도 39에서 보는 바와 같이, 설정온도 레벨에 따른 열화상 모습을 화면에 나타낼 수 있도록 한다. 즉, 설정온도 레벨 이상인 온도의 영역만을 화면에 나타낸다(S71). 그리고 설정온도 레벨(또는 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역에 대한 평균 온도를 계산한다(S72).

다음으로, 도 40의 예와 같이, 소정의 시간이 경과한 후, 측정된 열화상 데이터를 이용하여, 설정 영역 내의 특정 내부 영역의 평균온도를 계산한다(S73). 내부 영역의 평균 온도가 사전에 정해진 내부 영역의 임계 온도 이상이면 이상 상태로 감지한다(S74).

즉, 1시간 또는 1주일 후, 도 40의 중앙 부분의 영역에서 설정 레벨 온도 보다 급격하게 온도가 증가하는 경우, 경보를 알린다.

다음으로, 본 발명의 제6 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 41 및 도 42을 참조하여 설명한다.

본 발명의 제6 실시예에 따른 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법은 열화상 영상의 온도값(또는 픽셀값)들을 히스토그램으로 표시하여, 평균값과 히스토그램의 분포에 따라 이상 유무를 판단하는 방법이다.

먼저, 열화상 영상으로부터 온도에 대한 히스토그램의 초기 분포도(이하 제1 분포도)를 생성한다(S81). 도 42에서 보는 바와 같이, x축은 온도이고, y축은 해당 온도의 픽셀 개수(N)이다. 또한, 히스토그램의 분포도에 평균값 또는 무게중심을 표시한다.

그리고 소정의 시간이 경과한 후의 열화상 영상을 획득하고, 이로부터 현재의 히스토그램의 분포도(이하 제2 분포도)를 생성한다(S82).

그리고 상기 제1 및 제2 분포도를 비교하여 이상 유무를 판단한다(S83). 제1 및 제2 분포도의 비교는 무게중심, 분포의 편중도, 평균 온도에 의하여 판단한다.

먼저, 제2 분포도에서 무게중심이 제1 분포도에 비하여 어느 쪽으로 이동하고 어느 만큼 이동했는지에 의해 이상 유무를 판단한다. 즉, 상기 제2 분포도의 무게중심이 상기 제1 분포도의 무게 중심에 비하여 오른쪽으로 이동하고 이동량이 많으면 이상 상태로 감지한다.

또한, 제2 분포도의 분포의 편중도가 제1 분포도에 비하여, 오른쪽으로 많이 이동하면 이상 상태로 감지한다.

또한, 제2 분포도의 평균값이 오른쪽으로 많이 이동하면 이상 상태로 감지한다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 수배전반 11 : 구성 설비
20 : 어레이 센서부 21 : 열화상 카메라
30 : 감시 장치 40 : 원격 서버
210 : 렌즈부 220 : 픽셀어레이부
230 : 신호처리부 240 : 이미지 처리부

Claims (7)

1. 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서,
   다수의 2차원 서모파일 어레이 센서로 구성되어, 수배전반 내부의 온도를 감지하여 열화상 영상을 획득하는 어레이 센서부; 및,
   상기 열화상 영상으로부터 사전에 정해지는 설정 온도 레벨(이하 설정 레벨) 이상의 온도를 갖는 영역을 구하고, 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 감시 장치를 포함하고,
   상기 어레이 센서는,
   적외선을 통과시켜 모으는 렌즈를 구비하는 렌즈부;
   2차원 어레이 형태로 이루어진 다수의 서모파일 픽셀로 구성되어, 상기 적외선을 감지하여 상기 픽셀들의 전기신호로 변환하는 픽셀어레이부;
   영상 신호처리를 하기 위하여, 2차원 어레이로 배열된 픽셀의 전기신호를 순차적으로 판독하는 신호처리부; 및,
   순차적으로 판독한 전기신호를 이용하여 2차원 열화상 영상을 생성하는 이미지 처리부를 포함하고,
   상기 신호처리부는, 상기 전기신호들을 하나의 행 씩 선로를 읽어내고, 읽어낸 하나의 행에 대하여 증폭기로 신호를 증폭하고, 적분기로 신호를 적분하는 컬럼 방식에 의해 2차원 어레이의 전기신호를 읽어들이는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 이미지 처리부는, 실제 온도를 구하기 위한 사전에 정해진 4개의 주위온도 보정점에서 사전에 추정된 실제 주위온도와 선형 보간을 하여 온도 오프셋을 구하고, 상기 온도 오프셋을 이용하여 각 픽셀의 실제 온도를 구하는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 이미지 처리부는, 열화상 영상으로부터 히스토그램 함수를 구한 뒤, 전 영역에 걸쳐 히스토그램 크기를 사전에 정해진 특정값 P로 제한하고, 상기 P값을 기준으로 히스토그램 크기가 제한된 새로운 히스토그램 함수를 구하고, 새로운 히스토그램을 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도분포 영역을 변환시키는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 감시 장치는,
   초기에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 설정 영역(이하 제1 설정영역)을 구하고, 상기 제1 설정영역의 평균온도(이하 제1 평균온도)를 구하고,
   소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 설정영역(이하 제2 설정영역)을 구하고, 상기 제2 설정영역의 평균온도(이하 제2 평균온도)를 구하여,
   상기 제2 설정영역이 상기 제1 설정영역에 비하여 크기가 증가된 증가율과, 상기 제2 평균온도가 상기 제1 평균온도에 비하여 높아진 증가율을 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 감시 장치는, 초기에 획득한 열화상 영상으로부터 온도에 대한 히스토그램의 분포도(이하 제1 분포도)를 구하고, 소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 온도에 대한 히스토그램의 분포도(이하 제2 분포도)를 구하고, 상기 제1 및 제2 분포도에서 각각 무게중심, 분포의 편중도, 평균온도를 구하여, 상기 제2 분포도의 무게중심, 분포의 편중도, 및 평균온도가 상기 제1 분포도의 무게중심, 분포의 편중도, 및 평균온도에 비하여 이동한 이동 방향과 이동 크기를 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
   
7. 2차원 서모파일 어레이 센서로부터 수배전반 내부의 온도를 감지하여 획득된 열화상 영상을 수신하여, 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법에 있어서,
   (a) 초기에 획득한 열화상 영상으로부터 사전에 정해지는 설정 레벨 이상의 온도를 갖는 설정 영역(이하 제1 설정영역)을 구하는 단계;
   (b) 상기 제1 설정영역의 평균온도(이하 제1 평균온도)를 구하는 단계;
   (c) 소정의 시간 후에 획득한 열화상 영상으로부터 상기 설정 레벨 이상의 온도를 설정영역(이하 제2 설정영역)을 구하는 단계;
   (d) 상기 제2 설정영역의 평균온도(이하 제2 평균온도)를 구하는 단계; 및,
   (e) 상기 제2 설정영역이 상기 제1 설정영역에 비하여 크기가 증가된 증가율과, 상기 제2 평균온도가 상기 제1 평균온도에 비하여 높아진 증가율을 이용하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 서모파일 어레이 열화상 기반의 수배전반 열화감시 방법.
   

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