KR101465787B1 - 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법 - Google Patents

광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서에 관한 것으로서, 일정 길이로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 광섬유 내부를 통해 진행하는 광을 반사시킬 수 있도록 광섬유의 일단에 형성된 반사막을 갖는 라인 광섬유 유니트와, 광섬유의 타단을 통해 광섬유 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 된 광송신부와, 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신부와, 광송신부의 구동을 제어하고, 광수신부로부터 출력되는 신호로부터 광섬유 외부에서 발생하여 광섬유내로 수신된 외부광에 대한 광섬유의 외부광 입사 위치를 산출하는 신호처리부를 구비한다. 이러한 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법에 의하면, 정상동작의 모니터링이 가능하면서도 외부광 발생위치 파악이 용이하고, 센싱경로에 대응하여 하나의 라인형태로 광섬유를 배설하면 되기 때문에 루프방식에 비해 소요되는 광섬유의 길이가 줄어들고, 광섬유의 동일 종단면에 대향되게 광송신부 및 광수신부를 설치할 수 있어 집적효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법{optical line sensor for detecting arc position and method therefor}
본 발명은 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법에 관한 것으로서, 상세하게는 아크 발생 위치 검출과 함께 정상 작동 유무를 판단할 수 있도록 된 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법에 관한 것이다.
고압 배전반, 저압 배전반, 전동기 제어반, 분전반 내에는 전기가 도통되는 컨덕터들 사이에서 절연체 파괴에 의한 아크광(arc flash)이 발생할 수 있다.
이러한 아크 플래시의 발생은 내부의 전력기기의 심각한 손상을 야기시킬 수 있어 아크 플래시의 발생 여부를 검출하기 위한 다양한 센싱 방식이 제안되어 있다.
이러한 아크 플래시 센싱 방식 중 광섬유를 이용하여 아크광을 검출하는 방식이 알려져 있다.
국내 등록특허 제10-1250895호에는 광섬유의 일단면을 통해 입사된 아크광을 광섬유 타단으로 전송하여 이미지 센서를 통해 아크광을 검출하는 아크 위치 검출장치가 개시되어 있다. 그런데 상기 아크 위치 검출장치는 아크광의 발생을 감지하기 위한 센싱 포인트가 다수인 경우 각 센싱 포인트마다 광섬유의 일단이 각각 배치되게 설치되어야 하기 때문에 설치 위치의 증가에 대응되어 센싱광을 전달하는 광섬유 및 광검출기의 수가 증가하는 문제점이 있고, 정상동작하는지를 모니터링할 수 없는 단점이 있다.
또 다른 방식으로서 국내 공개특허 제10-2010-0125810호에는 루프 형태로 설치된 광섬유의 양단에 각각 광전변환소자를 설치하여 수광신호의 수신시간 차이를 이용하여 아크 발생위치를 산출하는 장치가 개시되어 있다. 그런데, 상기 장치는 정상작동 여부를 모니터링 할 수 없는 단점이 있다.
또 다른 방식으로서, 국내 등록특허 제10-0996627호에는 루프 형태로 된 두 개의 광섬유가 마련되고, 하나의 광섬유의 일단을 통해 광송신기에 의해 펄스 광을 입사시켜 또 다른 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신기를 적용함으로써 정상작동 여부를 판단할 수 있는 아크센서가 적용된 고압/저압 배전반 시스템이 개시되어 있다. 그런데, 이러한 구조는 광섬유 루프 경로를 반드시 형성해야 하는 단점과, 아크 발생 유무만 알 수 있도록 되어 있을 뿐 아크 발생 위치를 광섬유 루프 경로를 따르는 다양한 위치에서 파악할 수 없는 단점이 있다. 또한, 광송신기와 광수신기를 상호 다른 광섬유에 각각 배치하여야 하기 때문에 집적효율이 떨어지는 단점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 집적효율을 높일 수 있고, 센싱경로에 대해 요구되는 광섬유 길이를 최소화하여 구조를 단순화하면서도 정상작동 여부의 모니터링이 가능하고, 아크 발생 위치를 추적할 수 있는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서는 일정 길이로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 상기 광섬유 내부를 통해 진행하는 광을 반사시킬 수 있도록 상기 광섬유의 일단에 형성된 반사막을 갖는 라인 광섬유 유니트와; 상기 광섬유의 타단을 통해 상기 광섬유 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 된 광송신부와; 상기 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신부와; 상기 광송신부의 구동을 제어하고, 상기 광수신부로부터 출력되는 신호로부터 상기 광섬유 외부에서 발생하여 상기 광섬유내로 수신된 외부광에 대한 상기 광섬유의 상기 외부광 입사 위치를 산출하는 신호처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 광수신부는 수광면이 상기 광섬유의 타단의 종단면과 나란하게 되게 배치되어 있고, 상기 광송신부는 상기 광수신부의 수광면과 상기 광섬유의 타단의 종단면 사이영역을 통해 상기 광섬유의 타단의 종단면에 경사지게 광을 입사시킬 수 있도록 설치된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 외부광 입사위치 산출방법은 일정 길이로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 상기 광섬유 내부를 통해 진행하는 광을 반사시킬 수 있도록 상기 광섬유의 일단에 형성된 반사막을 갖는 라인 광섬유 유니트와, 상기 광섬유의 타단을 통해 상기 광섬유 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 된 광송신부와, 상기 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신부와, 상기 광송신부의 구동을 제어하고, 상기 광수신부로부터 출력되는 신호로부터 상기 광섬유 외부에서 발생하여 상기 광섬유내로 수신된 외부광에 대한 상기 광섬유의 상기 외부광 입사 위치를 산출하는 신호처리부를 구비하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서의 외부광 입사위치 산출방법에 있어서, 가. 상기 광송신부에서 상기 기준광을 발생시켜 상기 광섬유의 타단을 통해 입사시키는 단계와; 나. 상기 광수신부로부터 입사광에 대응되어 출력되는 신호가 상기 기준광에 대응되는 제1출력신호보다 높게 설정된 제2출력신호 이상의 제1반응신호가 수신되면, 상기 제1반응신호가 수신된 제1시간과, 상기 제1반응신호 이후에 상기 반사막을 경유하여 상기 제2출력신호 이상의 제2반응신호가 수신된 시간의 차이인 지연시간을 측정하는 단계와; 다. 상기 지연시간과 상기 신호처리부에 기록되어 있는 상기 광섬유의 전체길이와, 상기 신호처리부에 기록된 광섬유 내의 빛의 속도값으로부터 상기 외부광의 발생위치를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법에 의하면, 정상동작의 모니터링이 가능하면서도 외부광 발생위치 파악이 용이하고, 센싱경로에 대응하여 하나의 라인형태로 광섬유를 배설하면 되기 때문에 루프방식에 비해 소요되는 광섬유의 길이가 줄어들고, 광섬유의 동일 종단면에 대향되게 광송신부 및 광수신부를 설치할 수 있어 집적효율을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서의 아크광 발생위치를 산출하는 과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 3 및 도 4는 아크광의 발생에 따른 광검출기의 수광신호의 예를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서 및 그 외부광 입사위치 산출방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서(100)는 라인 광섬유 유니트(110), 광송신부(120), 광수신부(130) 및 신호 처리부(140)를 구비한다.
라인 광섬유 유니트(110)는 일정 길이로 하나의 라인으로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면(115)을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유(112)와, 광섬유(112) 내부를 통해 진행하는 광을 일단(113)에서 반사시킬 수 있도록 광섬유(112)의 일단(113)에 형성된 반사막(118)을 갖는 구조로 되어 있다.
광섬유(112)는 코어와 클래드로 이루어져 있고, 외부로부터 발생된 외부광이 클래드를 통해 입사가 가능한 플라스틱 광섬유(POF;Plastic Optical Fiber), PCF(plastic clad Fiber), HPCF(Hard Polymer Clad Fiber) 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
POF(Plastic Optical Fiber), PCF(plastic clad Fiber), HPCF(Hard Polymer Clad Fiber)는 코어의 직경이 수 백 마이크로미터(μm) 내지 수 밀리미터(mm)로서 일반 통신용 광섬유인 실리카 광섬유보다 큰 직경을 가지므로 아크광과 같은 외부광의 발생에 따른 광신호의 검출에 적합하다.
반사막(118)은 금(Au), 알루미늄(Al)과 같은 고 반사물질로 형성되면 된다.
광송신부(120)는 광원이 마련되어 있고, 광섬유(112)의 반사막(118)이 형성된 일단(113) 맞은편의 타탄(114)을 통해 광섬유(112) 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 설치되어 있다.
광수신부(130)는 광섬유(112)의 타단(114)을 통해 출력되는 광을 수신하는 광검출기가 마련되어 있으며, 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 신호 처리부(140)에 출력한다.
광수신부(130)로 적용되는 광검출기의 수광면(132)은 광섬유(112)의 타단(114)의 종단면과 나란하게 되게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우 광송신부(120)는 광수신부(130)의 수광면(132)과 광섬유(112)의 타단(114)의 종단면 사이영역을 통해 광섬유(112)의 타단(114)의 종단면에 경사지게 광을 입사시킬 수 있도록 설치되면 된다.
신호 처리부(140)는 광송신부(120)의 구동을 제어하고, 광수신부(130)로부터 출력되는 신호로부터 광섬유(112) 외부에서 외부광의 발생유무를 판단하고, 외부광이 발생한 경우 발생한 외부광에 대한 광섬유(112)의 외부광 입사 위치를 산출한다.
입력부(142)는 적용되는 광섬유(112)의 전체길이 정보, 광섬유(112)내에서의 빛의 속도값 등 외부광 검출위치를 산출하기 위해 요구되는 정보를 입력하는데 이용될 수 있도록 마련될 수 있고, 신호처리부(140)에 미리 설정해 놓은 경우 생략될 수도 있다.
표시부(144)는 신호처리부(140)에 제어되어 외부광 발생위치 정보를 표시하며, 본 센서(100)의 적용용도에 따라 생략될 수도 있다.
한편, 도시되지는 않았지만 신호 처리부(140)와 접속되어 신호 처리부(140)에서 출력되는 외부광 발생 위치정보를 외부기기로 전송하는 인터페이스가 더 마련될 수 있음은 물론이다.
이러한 센서(100)는 수전반, 배전반, 분전반, 전동기 제어반 중 적어도 하나를 포함하는 전력제어반(미도시) 내에 라인 광섬유 유니트(110)를 설치하여 외부광인 아크광을 수광할 수 있도록 구축될 수 있다.
이 경우 신호 처리부(140)는 아크광의 발생 유무 및 아크광 발생시 산출된 아크 발생 위치정보를 보호 계전기(200)로 출력하도록 구축될 수 있다.
또한, 도시된 예와 다르게 전력 제어반 이외의 외부광 발생 검출이 요구되는 곳에 라인 광섬유 유니트(110)가 설치되는 경우 신호처리부(140)는 외부광 발생 위치 또는 외부광 발생유무 정보를 요구하는 타 기기로 전송하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 이러한 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서(110)의 외부광의 일 예인 아크광의 발생위치 산출과정을 설명한다.
적용되는 광섬유(112) 내에서의 광전파속도를 산출한다(단계 210). 여기서 광전파속도(V)는 자유공간상의 빛의 속도를 광섬유(112) 코어 유효굴절율로 나누어 구한 값이 된다.
또한, 광섬유(112)의 전체 길이(Ltotal)을 측정한다(단계 220).
이와 같이 구한 광섬유(112)의 전체길이와, 광섬유(112) 내의 빛의 속도값은 신호처리부(140)에 미리 기록시켜 놓는다.
또한, 광섬유(112)를 설치한 설치 위치(x,y,z)에 대한 좌표값을 데이터 베이스화 하여 신호 처리부(140)에 기록한다(단계 230). 이와는 다르게 광섬유(112)의설치 위치정보를 신호 처리부(140)와 접속되어 신호 처리부(140)로부터 제공되는 정보로부터 실제 좌표정보를 산출하도록 별도의 서버(미도시)가 마련된 경우 서버에 좌표정보를 기록할 수도 있다.
이러한 초기값 셋팅이 완료되어 외부광 검출 영역에 설치된 이후에 작동이 개시되면, 신호 처리부(140)는 설정된 구동방식에 따라 기준광인 펄스광이 설정된 듀티로 발생되도록 광송신부(120)를 제어하고, 광섬유(112)의 타단(114)을 통해 기준광인 펄스광을 입사시킨다.
여기서, 펄스광은 연속적으로 출력되거나 간헐적으로 출력되게 설정할 수 있음은 물론이다.
이후, 신호처리부(140)는 광수신부(130)로부터 출력되는 신호가 기준광에 대응되는 제1출력신호보다 높게 설정된 제2출력신호 이상의 제1반응신호가 수신되면, 제1반응신호가 수신된 제1시간과, 제1반응신호 이후에 반사막(118)을 경유하여 제2출력신호 이상의 제2반응신호가 수신된 시간의 차이인 지연시간(Tdelay)을 측정한다(단계 240).
여기서 제2출력신호는 감도를 고려하여 제1출력신호보다 높게 적절하게 설정하면 된다.
즉, 도 1에서 아크광(A) 발생에 의해 광섬유(112)로 입사된 광 중 반사막(118) 반대편의 광섬유(112) 타단으로 바로 진행하는 순방향 아크광에 대응되는 제1반응신호와, 순방향과 반대 방향인 반사막(118)을 향해 진행한 후 반사되어 광섬유(112)의 타단으로 진행하는 역방향 아크광에 대응되는 제2반응신호의 수신 시간차인 지연시간을 측정한다.
아크 발생위치가 반사막(118)에 가까워 지연시간의 차이가 적은 경우 도 3에서와 같이 순방향 아크광인 제1아크광이 수신된 시간과, 역방향 아크광인 제2아크광이 수신된 시간의 차이를 측정하면 된다.
또한, 아크 발생위치가 광섬유(112)의 타단(114)에 더욱 가까운 위치인 경우 순방향 아크광의 수신시간과 역방향 아크광의 수신시간의 차이가 더 크게 발생하고, 도 3에 도시된 바와 같이 순방향 아크광이 수신된 시간과 역방향 아크광이 수신된 시간의 차이인 지연시간이 더 길어진다.
이러한 지연시간의 측정이 완료되면 신호처리부(140)는 측정된 지연시간과 신호처리부(140)에 기록되어 있는 광섬유의 전체길이와, 광섬유 내의 빛의 속도값으로부터 아크광의 발생위치를 산출한다(단계 250).
여기서, 반사막(118)의 위치를 제로로 하여 광섬유의 타단(114)까지의 방향으로 아크광 발생 위치를 산출하도록 된 경우 지연시간에 광섬유 내의 빛의 속도값을 승산하여 구한 제1거리값을 그대로 아크 발생위치 값으로 결정하면되고, 이와는 다르게 광섬유(112)의 타단(114)의 위치를 제로로 하여 반사막(118) 방향으로 아크 발생 위치를 산출하도록 된 경우 앞서 광섬유 전체길이에서 앞서 구한 제1거리값을 차감한 값을 아크 발생위치 값으로 산출하면 된다.
이후, 새로운 아크광이 발생했는지를 판단하고(단계 260)고, 새로운 아크광이 발생된 것으로 판단되면 앞서 단계 240 내지 250을 수행한다.
이상에서 설명된 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서(100)는 아크광 이외의 다양한 광감지 예를 들면, 조명을 켜고 끌때에 대한 조명 가동상태의 모니터링용 또는 화재발생시의 불꽃, 가스렌지의 불꽃, 텔레비젼의 불빛 등 이상여부 또는 가동여부를 빛에 의해 판단하기 위한 다양한 용도로 사용될 수 있음은 물론이다.
110: 라인 광섬유 유니트 120: 광송신부
130: 광수신부 140: 신호 처리부

Claims (5)

  1. 일정 길이로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 상기 광섬유 내부를 통해 진행하는 광을 반사시킬 수 있도록 상기 광섬유의 일단에 형성된 반사막을 갖는 라인 광섬유 유니트와;
    상기 광섬유의 타단을 통해 상기 광섬유 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 된 광송신부와;
    상기 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신부와;
    상기 광송신부의 구동을 제어하고, 상기 광수신부로부터 출력되는 신호로부터 상기 광섬유 외부에서 발생하여 상기 광섬유내로 수신된 외부광에 대한 상기 광섬유의 상기 외부광 입사 위치를 산출하는 신호처리부;를 구비하고,
    상기 신호처리부는 상기 광송신부에서 상기 기준광을 발생시키도록 제어하고, 상기 광수신부로부터 입사광에 대응되어 출력되는 신호가 상기 기준광에 대응되는 제1출력신호보다 높게 설정된 제2출력신호 이상의 제1반응신호가 수신되면, 상기 제1반응신호가 수신된 제1시간과, 상기 제1반응신호 이후에 상기 반사막을 경유하여 상기 제2출력신호 이상의 제2반응신호가 수신된 시간의 차이인 지연시간을 측정하고, 상기 지연시간과 상기 광섬유의 전체길이 정보와, 상기 광섬유 내의 빛의 속도값으로부터 상기 외부광의 발생위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유는 플라스틱 광섬유, HPCF, PCF 중 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광수신부는 수광면이 상기 광섬유의 타단의 종단면과 나란하게 되게 배치되어 있고, 상기 광송신부는 상기 광수신부의 수광면과 상기 광섬유의 타단의 종단면 사이영역을 통해 상기 광섬유의 타단의 종단면에 경사지게 광을 입사시킬 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유는 수전반, 배전반, 분전반, 전동기 제어반 중 적어도 하나를 포함하는 전력제어반 내에 설치되어 아크광을 수광할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서.
  5. 일정 길이로 연장되며 연장방향을 따르는 외측면을 통해 외부광을 수광할 수 있도록 된 광섬유와, 상기 광섬유 내부를 통해 진행하는 광을 반사시킬 수 있도록 상기 광섬유의 일단에 형성된 반사막을 갖는 라인 광섬유 유니트와, 상기 광섬유의 타단을 통해 상기 광섬유 내로 기준광을 입사시킬 수 있도록 된 광송신부와, 상기 광섬유의 타단을 통해 출력되는 광을 수신하는 광수신부와, 상기 광송신부의 구동을 제어하고, 상기 광수신부로부터 출력되는 신호로부터 상기 광섬유 외부에서 발생하여 상기 광섬유내로 수신된 외부광에 대한 상기 광섬유의 상기 외부광 입사 위치를 산출하는 신호처리부를 구비하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서의 외부광 입사위치 산출방법에 있어서,
    가. 상기 광송신부에서 상기 기준광을 발생시켜 상기 광섬유의 타단을 통해 입사시키는 단계와;
    나. 상기 광수신부로부터 입사광에 대응되어 출력되는 신호가 상기 기준광에 대응되는 제1출력신호보다 높게 설정된 제2출력신호 이상의 제1반응신호가 수신되면, 상기 제1반응신호가 수신된 제1시간과, 상기 제1반응신호 이후에 상기 반사막을 경유하여 상기 제2출력신호 이상의 제2반응신호가 수신된 시간의 차이인 지연시간을 측정하는 단계와;
    다. 상기 지연시간과 상기 신호처리부에 기록되어 있는 상기 광섬유의 전체길이와, 상기 신호처리부에 기록된 광섬유 내의 빛의 속도값으로부터 상기 외부광의 발생위치를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광감지 위치 추적형 광섬유 라인 센서의 외부광 입사위치 산출방법.
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