KR101557983B1 - 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반) - Google Patents

비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반) Download PDF

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Abstract

비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반)이 개시된다. 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반을 포함하는 배전반에 있어서, 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하고 검출된 온도를 송신하는 비접촉 IR(infrared) 온도 감지 센서; 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서로부터 감지된 온도를 RS485/2라인을 통해 수신하고, 수신된 온도의 건전성 평가 지수를 산출하고, 상기 수신된 온도 및 상기 산출된 건전성 평가 지수를 송신하고, 상기 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 상기 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하는 메인 컨트롤러(main controller); 상기 메인 컨트롤러로부터 온도를 수신하여 디스플레이하고, 메뉴 인터페이스를 통해 입력되는 사용자의 명령에 따라 상기 메인 컨트롤러를 동작 제어하는 임베디드 터치 패널(embedded touch panel)을 구성한다.

Description

비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반){HIGH VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, LOW VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, DISTRIBUTING BOARD, MOTOR CONTORL BOARD HAVING AN INTELLIGENT FUNCTION OF MONITORING DETERIORATION}
본 발명은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등을 포함하는 배전반에 관한 것으로서, 구체적으로는 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반에 관한 것이다.
종래의 수배전반은 고압 또는 저압 전압을 부하 말단으로 안정적으로 배분하고 관리하기 위한 구성이다.
수배전반은 수많은 배선과 개폐기, 차단기, 계전기 등의 부품이 밀집되어 있고, 그 기능이 상시 동작하면서 열화와 노후화 그리고 화재 발생으로까지 이어지는 사고가 빈번하게 발생될 수밖에 없다.
이러한 수배전반의 특성상 그 열화와 화재 등을 미리 감지하고 미연에 방지하기 위한 수단이 강구되고 있다.
그 중 열화에 특히 취약한 부위의 열을 감지하여 대처하는 것인데, 수배전반 내부에는 수많은 장치들이 내장되어 있고 그 배선도 매우 복잡하여 일일이 모두 모니터링하기가 쉽지는 않다.
다만, 기존에는 적외선 센서를 이용하여 열화를 감지하는 방안이 있으나, 적외선 센서의 개수가 매우 많고 그 배선 또한 매우 복잡하여 오히려 노이즈 증가로 인하여 온도의 정확한 측정과 전달에 문제가 발생하고 있다.
배선의 복잡성은 다양한 전자기파의 발생으로 인해 노이즈가 상당히 심각한 문제가 된다.
또한, 초기에는 그 열화 부위에 정확하게 조준하여 적외선 센서를 설치한다하여도 시간이 지남에 따라 그 방향이나 초점이 틀어져 감지가 필요한 부위에 대한 감지가 이루어지지 않아 무용지물이 되는 문제가 발생하고 있다.
이에, 이러한 배선의 복잡성과 노이즈를 줄이는 방안과 IR 센서의 감지 방향이나 피사체를 정확하고 신속하게 교정할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
한편, 기존의 수배전반 온도 감지 방식은 주로 열화 감시 대상 부위가 특정 임계 온도를 넘어서는지를 판단하여 위험 여부를 이분법적으로 판단하고 있다. 그러나, 열화나 온도 상승은 연속적으로 상태의 변화가 심하며 단순히 임계 온도를 기준으로 열화를 판단할만큼 간단하지는 않다.
또한, 기존 방식은 온도 상승이 커지거나 열화가 심화되는지 등의 열화의 변화 추이도 알 수가 없다는 문제가 있다.
그러므로, 열화 상태를 좀 더 세밀하고 정확하게 판단할 방안이 요구되며, 그에 따른 열화 허용 여부에 대한 자동 알고리즘도 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반(고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반)을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반은, 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하고 검출된 온도를 송신하는 비접촉 IR(infrared) 온도 감지 센서; 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서로부터 감지된 온도를 RS485/2라인을 통해 수신하고, 수신된 온도의 건전성 평가 지수를 산출하고, 상기 수신된 온도 및 상기 산출된 건전성 평가 지수를 송신하고, 상기 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 상기 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하는 메인 컨트롤러(main controller); 상기 메인 컨트롤러로부터 온도를 수신하여 디스플레이하고, 메뉴 인터페이스를 통해 입력되는 사용자의 명령에 따라 상기 메인 컨트롤러를 동작 제어하는 임베디드 터치 패널(embedded touch panel)을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 메인 컨트롤러로부터 온도 및 건전성 평가 지수를 수신하여 저장하고 디스플레이하며, 상기 저장된 온도의 변화 추이 및 상기 건전성 평가 지수에 따른 열화 상태를 분석하여 저장하고 디스플레이하는 퍼스널 컴퓨터(personal computer)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 메인 컨트롤러는, 상기 건전성 평가 지수를 하기 수학식에 의해 산출하고, [수학식]
Figure 112014087323877-pat00001
여기서,
Figure 112014087323877-pat00002
는 건전성 확률,
Figure 112014087323877-pat00003
는 i번째 데이터의 가중치,
Figure 112014087323877-pat00004
는 i번째 데이터의 기대값,
Figure 112014087323877-pat00005
는 i번째 데이터의 입력값이며, 상기
Figure 112014087323877-pat00006
는 하기 수학식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy membership function)이고, [수학식]
Figure 112014087323877-pat00007
여기서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 퍼지 소속 함수는, 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서에 부착되며 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서가 감지하고자 하는 상기 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 표적에 대해 레이저 신호를 주사하는 가시광선 레이저 포인터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 가시광선 레이저 포인터는, 발진기에서 500 ms 주기의 정현파 신호를 발생시키는 슈미트 트리거 회로를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상술한 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반(고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반)에 의하면, 수배전반 내 부스바 접속부에 대한 각 요소들의 허용기준 경계의 불확실성을 처리하고 보다 효과적인 소속 정도를 설정하고 부스바 접속부의 건전성 즉 열화 정도나 열화 여부를 평가할 수 있는 효과가 있다.
특히 온도 감지 대상 부위의 재료의 물리적 성질에 따라 열화 여부와 열화 허용 여부를 판단함으로써, 단순한 온도만이 아니라 재료별로 정확한 열화 상태를 진단 가능하다.
또한, 비접촉 IR 온도 감지 센서에서 메인 컨트롤러로 송신되는 온도 데이터와 메인 컨트롤러에서 비접촉 IR 온도 감지 센서로 제공되는 전원을 총 4가닥이 아닌 2가닥의 라인으로 구성함으로써, 설치가 용이해지고 배선의 복잡성을 감소시키는 효과가 있다. 또한 배선이 줄어듬에 따라 그에 따른 노이즈도 감소되는 효과가 있다.
한편, 레이저 포인터를 적외선 감지 대상의 피사체에 정확하게 조준하여 초기 설치시에 비접촉 IR 센서 모듈의 방향을 설정할 수 있을 뿐만 아니라 설치 후 오랜 시간이 지난 후 비접촉 IR 온도 감지 센서의 방향이 틀어지는 것을 확인하여 교정할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반의 블록 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반의 측단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 IR 센서 모듈의 전달 함수의 네트워크 다이어그램이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 IR 온도 감지 센서의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 IR 온도 감지 센서의 회로도이다.
도 3a 내지 도3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 포인터의 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반의 블록 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수를 이용한 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반의 측단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 적외선 온도 변화 감시 진단 기능을 갖는 배전반(100)은 비접촉 IR(infrared) 온도 감지 센서(110), 메인 컨트롤러(main controller)(120), 임베디드 터치 패널(embedded touch panel)(130), 퍼스널 컴퓨터(personal computer)(140), 가시광선 레이저 포인터(visible light laser pointer)(150)를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서 본 발명에 있어 배전반(100)은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 배전반(100)은 내부의 부스바(bus bar)라든가 케이블 접속부 등의 열화로 인한 화재 등의 위험이 있는 부위의 적외선 감지를 통해 미리 화재나 고장을 방지하고 실시간 모니터링하기 위한 구성이다.
수배전반의 각 접속부의 열화 정도를 판단하기 위해 본 발명에서는 건전성 평가 지수를 산출하여 판단하도록 구성된다. 건전성 평가 지수는 수배전반의 각 접속부의 온도를 통해 산출한 열화 정도를 나타내는 것으로서, 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)를 통해 그 열화 여부나 열화의 허용 정도가 정밀하고 정확하게 평가될 수 있다.
삭제
한편, 본 발명에서는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)와 메인 컨트롤러(120) 간의 배선을 데이터선 2 라인과 전원선 2 라인으로 구성하지 않고 2 라인으로 데이터 송신 및 전원 공급을 모두 하도록 구성되어 배선을 줄일 수 있다. 배선을 줄여 전체적인 신호의 노이즈가 감소하게 된다.
그리고 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)에 부착된 가시광선 레이저 포인터(150)를 온도 감지 대상인 부스바 등의 접속부에 조사하여 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)가 정확하게 온도 감지 대상을 향하고 있는지 판단할 수 있도록 구성된다. 초기 설치시뿐만 아니라 오랜 시간 경과후 물리적으로 방향이 틀어지는 것도 확인 가능하기 때문에 초기 설치 및 유지 보수에 도움이 된다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부(10)의 적외선을 감지하여 온도를 검출하고 검출된 온도를 메인 컨트롤러(120)로 송신하도록 구성될 수 있다.
비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부(10)와 같이 열화나 화재의 취약 지점에서 방사되는 적외선을 감지하여 지점의 온도를 검출한다.
여기서, 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 온도를 주파수 변조하여 메인 컨트롤러(120)로 송신하도록 구성될 수 있다.
이때, 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 전원 전압에 그 온도 신호를 실어 송신하도록 구성될 수 있다. 이에, 기존처럼 전원용 2가닥 라인과 온도 신호용 2가닥 라인으로 총 4가닥 라인을 구성할 필요없이 2가닥 라인으로 가능해진다.
이하, 온도 검출 알고리즘에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
한편, 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 먼저 I/F 포트를 통해 더미 데이터(dummy data)를 쓰고 읽어 자기 진단을 하는데 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)의 사양에서 보증하는 보정 값을 일정 주기마다 리로드(reload)하여 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)의 값을 보정한다.
이때, 주위의 온도는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)로부터 주위 온도를 검출하고 ADC 포트를 통해 온도 값을 읽는다.
비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 온도를 검출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 저대역 필터는 ADC 샘플링한 신호를 왜곡시키지 않으며, 안티-앨리어싱의 효과를 극대화하기 위해 ADC 입력단에 아날로그의 저대역 필터를 부착한다.
한편, FIR 필터는 아날로그의 저대역 필터를 거쳐서 입력된 신호를 디지털의 FIR 필터의 구동 함수를 적용하여 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)의 주파수 영역인 1-100 kHz 대역만 통과시키도록 구성된다.
FIR 함수는 필터 입력으로 한한 길이의 신호를 입력할 수 없으므로 유한한 길이의 입력 128차까지의 데이터만 입력하여 계산하도록 구성된다.
이로 인한 신호의 불연속을 제거하기 위하여 신호 양끝을 0으로 줄어들게 만들어야 하므로 해밍 윈도우잉 함수(Hamming Windowing Function)를 사용하여 FIR 필터를 구현한다.
즉, FIR 필터의 함수는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112014087323877-pat00008
여기사, 입력 데이터는 128 비트이므로 M이 128이고, x[n]은 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 임의의 온도 신호이고, y[n]은 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 온도 신호로 구성될 수 있다.
여기서, 필터 계수 bk를 구하여 위 수학식 1에 대입하고 함수의 출력을 산출한다.
함수의 출력을 산출하는 프로세스에 대해 잠시 설명한다.
y(n)은 다음 수학식 2와 같이 전개될 수 있다.
Figure 112014087323877-pat00009
여기서, y(n)은 인덱스 n에서 FIR 필터의 출력 샘플이고, x(n)은 인덱스 n에서의 FIR 필터의 입력 샘플이다.
전달 함수(transfer function)는 다음 수학식 3과 같이 전개된다.
Figure 112014087323877-pat00010
그리고 네트워크 다이어그램은 도 1c와 같이 표현될 수 있다.
도 1c를 참조하면, H(0), H(1), H(2), ···, H(N)은 필터 계수이고, x(n-1), x(n-2), ···, x(n-N)은 필터 상태이고, x(n)은 필터 입력이고, y(n)은 필터 출력이다.
필터 출력을 도출해 내기 위해서는 필터 계수인 H(0)-H(128-1)까지 구해야 한다.
한편, 입력 신호의 속성을 알아내기 위해서는 FFT 연산을 통해 신호의 크기와 주파수를 산출해 낸다.
이러한 FFT 연산을 수행하는 함수로는 신호를 복원하여 다시 아날로그 신호로 출력하는 시스템이 아니므로 연산 속도의 성능을 향상하기 위해서는 실수 부분(real part)만 연산하도록 하는 실수 FFT 모듈(real FFT module)을 사용한다.
이에 필요한 FFT 함수는 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
여기서, k는 0부터 N-1이고,
Figure 112014087323877-pat00012
은 트위들 팩터(twiddle factor)로서 복소수 연산으로 진행되며 이 부분의 N 포인트가 FFT 연산의 정확도를 좌우하는 요소가 된다.
이 N 포인트가 크면 클수록 연산 결과가 정확해지나 연산 속도가 문제가 될 수 있게 되므로, 이 값을 적절히 선정하도록 구성된다. 여기서는 N을 128 포인트로 정의하여 신호 파형에 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)를 적용하여 FFT 연산을 수행하도록 구성된다.
이에 앞서, FFT 연산을 위한 데이터를 수집하도록 구성된다. FFT 연산에 필요한 데이터로는 FIR 필터 출력 데이터로서 Filter_Out[ADC_cnt] Array Buffer의 값, 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)값인 해밍 129 어레이(HAMMING 128 Array) 값, FFT 크기 세이브 버퍼 포인터(FFT Magnitude Save Buffer Pointer), FFT 연산용 버퍼 포인터, 버퍼 길이(BUFFER_LENGTH)는 512 워드(word)로 한다. 이 연산의 결과로 도출되는 것은 검출 신호의 피크 크기(Peak Magnitude)와 피크 주파수(Peak Frequency) 등이다.
잠시 도 2a 및 도 2b를 참조한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 IR 온도 감지 센서의 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 IR 온도 감지 센서의 회로도이다.
여기서, 도 2a의 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 -30℃ ~ +500℃의 측정 온도 범위를 갖는 것이 바람직하며, 측정 응답 속도는 5 ms정도인 것이 바람직하다.
한편, 도 2b에서는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)가 -30 ℃ ~ +500 ℃까지의 피사체의 온도를 측정할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 레퍼런스 출력 신호인 1.225 [Vdc]와 그 측정된 온도 계수에 따라 온도에 비례하는 아날로그 출력을 내보내는 회로와 연결된다. 온도 감도는 15 mV/℃로 구성될 수 있다.
한편, 온도 데이터는 소정의 주파수로 변환되어 C1을 통해 정전류원으로 들어오는 전원 라인에 더해진다.
그리고 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 측정 입력 전압 Vdc를 주파수로 변환하여 1 Hz ~ 10 KHz의 범위로 동작한다. 발진 주파수 출력은 다음과 같이 산출될 수 있다.
비접촉 IR 온도 감지 센서(110)는 측정용 Vdc 입력단자로 입력되는 값에 따라 임계치에 각각 비교 전압 출력과 변환 주파수 출력, 그리고 전류 출력으로 출력한다.
이때, 주파수 출력 이득의 설정을 위해 R4, VR5를 사용하고, 허용 오차 조정을 위해 R1, C2, R2를 사용한다
피측정체로부터 측정된 U2의 온도 출력 레벨(AOT)은 소자 U1으로 입력되며, U2의 AOR(REFERNCE LEVEL)과 비교하여 출력차에 대한 레벨에 대해 주파수 변환이 이루어진다.
소자 U1의 단자 F-OUT으로 출력된 변환된 주파수는 Q1에서 임피던스 변환이 이루어진 후 C5를 통해 정전류원 소스의 입력 접속점 J1으로 연결되어 전원 라인에 주파수 신호를 출력하게 된다.
각부의 전원 공급은 J1에서 입력된 전류원 소스를 정전압 소스(+5V)로 변환하여 각부의 전원으로 공급하게 된다.
정전류원 소스 J1으로 출력된 변환 주파수는 메인 컨트롤러에서 주파수 신호측만 분리하여 증폭한 후, 주파수를 다시 전압 신호로 변환해주는 F-V 카운터(미도시)에 의해 DC 전압 신호로 변환 후 측정 온도로 표시되게 된다.
다시 도 1a를 참조한다.
메인 컨트롤러(120)는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)로부터 감지된 온도를 RS485/2라인을 통해 수신하여 온도 감지 대상에 대하여 온도 내지는 과열의 건전성 평가 지수를 산출하도록 구성될 수 있다.
메인 컨트롤러(120)는 건전성 평가 지수를 다음 수학식 1에 의해 산출하도록 구성될 수 있다.
Figure 112014087323877-pat00013
여기서,
Figure 112014087323877-pat00014
는 건전성 확률,
Figure 112014087323877-pat00015
는 i번째 데이터의 가중치,
Figure 112014087323877-pat00016
는 i번째 데이터의 기대값,
Figure 112014087323877-pat00017
는 i번째 데이터의 입력값이다.
건전성 평가 지수는 온도 감지 대상의 열화 정도와 열화에 따른 허용 여부를 나타내며, 각 데이터의 기대값들의 가중치 합으로 구성된다.
기대값은 다음 수학식 6과 같이 구성된다.
Figure 112014087323877-pat00018
여기서, 기대값은 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)로서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점으로 구성된다.
여기서, a, b, λ, υ는 사용자에 의해 선택되어 결정되는 값으로서, 그 선택과 조정에 따라 특정 검출값에 따른 기대값을 사용자가 결정할 수 있게 된다.
예를 들어, 퍼지 소속 함수는 그 인자들의 선택에 따라 다음 표 1과 같이 다르게 설정될 수 있다.
Figure 112014087323877-pat00019
여기서 a, b는 구간 최소값 및 구간 최대값으로 온도값으로 설정될 수 있다.
이러한 인자들의 선택에 따라 기대값들의 변화가 달라지게 되며 그 선정이 매우 중요하다.
여기서 도 3a 내지 도 3c를 잠시 참조한다.
도 3a 내지 도3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
도 3a는 소속함수 2, 도 3b는 소속함수 3, 도 3c는 소속함수 6에 대한 출력 그래프로서, 각 그래프는 인자들의 설정에 따른 기대값의 변화 추이를 그대로 나타낸다. 즉, 최대치, 최소치, 기울기 등이 그대로 나타나 건전성 평가를 위한 기준이 설정됨을 알 수 있다.
이와 같이 퍼지 소속 함수는 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되는데, λ가 커지면 기울기가 커지고, υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.
그 예시는 다음 표 2와 같다.
Figure 112014087323877-pat00020
즉, 인자들을 온도에 대한 값으로 설정하면, 표 2의 예시와 같이 될 수 있는데, 여기서는 공기중의 무도금 상태의 동부스바에 대한 건전성 평가지수를 산출하기 위한 인자의 설정 예시이다. 접속부 온도 상승한도 및 접속부 최고 허용 온도는 접속부의 재질에 따라 달라지게 된다.
본 예시에서는 주위온도 40℃를 기준으로 최대 75℃까지 설정되어 있으므로 최소값을 10℃, 최대값을 75℃로 설정하였다. 접속부 최고 허용한도는 공기 중의 무도금 상태에 대한 동부스바가 105℃까지 규정되어 있으므로 최소 값을 50℃로, 최대 값을 105℃로 설정하였다.
온도 기울기는 정해진 주기 동안 단위 시간 당 온도의 기울기가 최소 30°에서 최대 75°로 설정하였으며, 전류 기울기는 결상이나 단락 등의 원인으로 정해진 주기 동안 단위 시간 당 전류의 기울기가 최소 30°에서 최대 85°로 설정하였다.
각 항목 별 곡선의 기울기 λ와 굴절점 υ는 수배전반 업체에서 제공하는 부스바의 과열로 인한 화재 발생 및 단선 등의 결과 데이터를 참조하여 값을 선정한다. 건전성 평가지수 연산에 필요한 각 항목 별 가중 값은 각각 0.25로 설정하였다.
메인 컨트롤러(120)는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)로부터 수신된 온도 및 직접 산출된 건전성 평가 지수를 퍼스널 컴퓨터(150)로 송신하도록 구성될 수 있다.
그리고 메인 컨트롤러(120)는 앞서 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하도록 구성될 수 있다.
임베디드 터치 패널(130)은 메인 컨트롤러(120)로부터 온도를 수신하여 디스플레이하고, 메뉴 인터페이스를 통해 입력되는 사용자의 명령에 따라 메인 컨트롤러(120)를 동작 제어하기 위한 구성이다.
퍼스널 컴퓨터(140)는 메인 컨트롤러(120)로부터 온도 및 건전성 평가 지수를 수신하여 저장하고 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
그리고 퍼스널 컴퓨터(140)는 그 저장된 온도의 변화 추이 및 건전성 평가 지수에 따른 열화 상태를 분석하여 저장하고 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
한편, 퍼스널 컴퓨터(140)는 여러 대의 배전반(100)과 원격 연결되어 동작하도록 구성될 수 있다.
가시광선 레이저 포인터(150)는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)에 부착되며 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)가 감지하고자 하는 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부(10)의 표적에 대해 레이저 신호를 주사하도록 구성될 수 있다.
즉, 가시광선 레이저 포인터(150)는 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)와 동일한 방향과 초점을 향하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 포인터의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 슈미트트리거를 이용하여 레이저 신호를 생성하도록 구성되어 있음을 알 수 있다.
이는 사용자가 비접촉 IR 온도 감지 센서(110)를 처음 설치할 때, 대상 물체와 센서 중심부와의 초점 및 거리 조정을 위해 사용되며, 센서 초점의 불일치에 의한 부정확한 온도 검출의 오류를 방지할 수 있도록 한다.
슈미트 트리거 회로는 U4A의 발진기에서 500 ms 주기의 정현파 신호를 발생시켜 동작한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 비접촉 IR 온도 감지 센서
120: 메인 컨트롤러
130: 임베디드 터치 패널
140: 퍼스널 컴퓨터
150: 가시광선 레이저 포인터

Claims (6)

  1. 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반을 포함하는 배전반에 있어서,
    부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하고 검출된 온도를 송신하는 비접촉 IR(infrared) 온도 감지 센서;
    상기 비접촉 IR 온도 감지 센서에 부착되며 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서가 감지하고자 하는 상기 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 표적에 대해 레이저 신호를 주사하여 상기 비접촉 IR 온도 감지 센서가 온도 감지 대상을 향하고 있는지 판단하며 발진기에서 500 ms 주기의 정현파 신호를 발생시키는 슈미트 트리거 회로를 포함하는 가시광선 레이저 포인터;
    상기 비접촉 IR 온도 감지 센서로부터 감지된 온도를 RS485/2라인을 통해 수신하고, 수신된 온도의 건전성 평가 지수를 산출하고, 상기 수신된 온도 및 상기 산출된 건전성 평가 지수를 송신하고, 상기 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 상기 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어하는 메인 컨트롤러(main controller);
    상기 메인 컨트롤러로부터 온도를 수신하여 디스플레이하고, 메뉴 인터페이스를 통해 입력되는 사용자의 명령에 따라 상기 메인 컨트롤러를 동작 제어하는 임베디드 터치 패널(embedded touch panel)을 포함하되,
    상기 비접촉 IR 온도 감지 센서는 온도를 주파수 변조하여 상기 메인 컨트롤러로 송신하는 것으로, 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 온도를 검출하도록 구성되며,
    상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되며,
    상기 FIR 필터는 128 비트의 입력 데이터를 처리 가능한 다음 수학식의 함수,
    [수학식]
    Figure 112015084875518-pat00037

    여기서, M은 128, x[n]은 상기 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 온도 신호이고, y[n]은 상기 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 온도 신호,
    로 구성되고,
    상기 메인 컨트롤러는,
    상기 건전성 평가 지수를 하기 수학식,
    [수학식]
    Figure 112015084875518-pat00038

    여기서,
    Figure 112015084875518-pat00039
    는 건전성 확률,
    Figure 112015084875518-pat00040
    는 i번째 데이터의 가중치,
    Figure 112015084875518-pat00041
    는 i번째 데이터의 기대값,
    Figure 112015084875518-pat00042
    는 i번째 데이터의 입력값,
    에 의해 산출하고,
    상기
    Figure 112015084875518-pat00043
    는 하기 수학식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy membership function),
    [수학식]
    Figure 112015084875518-pat00044

    여기서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점,
    이고,
    상기 비접촉 IR(infrared) 온도 감지 센서는,
    -30 ℃ ~ +500 ℃까지의 피사체의 온도를 측정할 수 있도록 구성되고, 레퍼런스 출력 신호인 1.225 [Vdc]와 그 측정된 온도 계수에 따라 온도에 비례하는 아날로그 출력을 내보내는 회로와 연결되는 것을 특징으로 하는 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤러로부터 온도 및 건전성 평가 지수를 수신하여 저장하고 디스플레이하며, 상기 저장된 온도의 변화 추이 및 상기 건전성 평가 지수에 따른 열화 상태를 분석하여 저장하고 디스플레이하는 퍼스널 컴퓨터(personal computer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 소속 함수는,
    미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 적외선 온도변화를 이용한 지능형 열화 감시진단기능의 배전반.
  5. 삭제
  6. 삭제
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