KR101805094B1 - 고전압 전위에서의 온도 측정 - Google Patents

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Abstract

고전압 전위에서 온도 측정을 하기 위한 어레인지먼트가 설명된다. 광학 변류기의 온도를 측정하기 위한 에너지는 정확히 하나의 광다이오드에 의해 제공된다. 광다이오드에는 광원으로부터의 광이 공급되고, 광원으로부터의 광은 광 도파관을 통해 광다이오드로 안내된다.

Description

고전압 전위에서의 온도 측정{TEMPERATURE MEASUREMENT AT HIGH-VOLTAGE POTENTIAL}
본 발명은, 전자 온도 센서(electronic temperature sensor)를 이용하는 고전압 전위(high-voltage potential)에서의 온도 측정을 위한 어레인지먼트(arrangement)에 관한 것으로, 전자 온도 센서는 광학 변류기(optical current transformer)의 온도를 측정하고 그리고 전자 온도 센서는 광원을 통해 전기 에너지(electrical energy)를 공급받는다.
광학 변류기들은 오랜 시간 동안 알려져 왔다. 일반적으로, 변류기는 교류들의 무전위 측정(potential-free measurement)을 위해 센서 헤드(sensor head)를 갖는 측정 트랜스듀서(measuring transducer)일 것으로 이해된다. 광학 변류기들은 측정을 위해 패러데이 효과(Faraday effect)를 이용한다. 패러데이 효과는 투과성 매질을 통과시 선형 편광 전자기파(linearly polarized electromagnetic wave)의 편광의 회전을 설명하며, 투과성 매질에서는 시간에 걸쳐 일정한 자기장이 그 파(wave)의 전파 방향과 평행하게 적용된다.
광학 변류기들은 또한, 고전압 전위에서 점점 더 이용되고 있다. 이러한 광학 변류기는 예컨대, DE 198 02 191 B4로부터 알려져 있다.
패러데이 효과는 일반적으로 온도-의존적인데, 그 이유는 편파(polarized wave)의 회전이 투과성 매질의 재료 특성들에 좌우되고, 그리고 상기 특성들이 온도에 따라 변화되기 때문이다. 측정의 평가 동안 온도 의존성이 고려되지 않는 경우, 이는 교류에 대해 결정된 측정 값들의 경우에서 측정 오차들을 초래할 수 있다. 이러한 측정 오차들을 보상(compensate)하기 위해, 종래 기술에 따라 고전압 전위에서 부가적인 온도 측정이 수행된다. 이러한 경우, 온도 측정은 전자적 및 광학적 양쪽 모두로 수행될 수 있다.
광학 온도 센서(optical temperature sensor)들은 예컨대, 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating)들에 기초하는 센서들이다. 온도-의존 광학 밴드-에지 필터(temperature-dependent optical band-edge filter)로서 기능하는 반도체 엘리먼트(semiconductor element)들을 가진 센서들 또는 크리스탈(crystal)들의 형광성의 온도-의존 감쇠 시간(temperature-dependent decay time)을 활용하는 센서들이 또한 알려져 있다. 광학 온도 센서들의 단점들은 전자 센서들과 비교하여 그 광학 온도 센서들의 더 높은 복잡성에 있다.
종래 기술에 따르면, 전자 온도 센서들은 마이크로프로세서(microprocessor)들에 의해 구현되는 디지털 센서(digital sensor)들이다. 디지털 신호 프로세싱(digital signal processing)에 기초하는 이러한 온도 센서들은 수 볼트(few volts)의 범위의 높은 동작 전압을 요구한다. 더욱이, 그 센서들에는 충분한 전기 에너지(electrical energy)가 계속해서 공급되어야 한다.
전기 에너지에 대한 수요를 커버(cover)하기 위해, 고전압 전위에서의 온도의 디지털 측정(digital measurement)의 경우에서, 측정 태스크(measurement task)를 이행하기 위해 광 도파관(optical waveguide)에 의해 에너지를 공급받는 센서들이 알려져 있다. 이러한 경우, 강력한 레이저(laser) 광이 광 도파관에 의해 그라운드 스테이션(ground station)으로부터 광학 변류기로 안내된다. 디지털 온도 측정을 위해 충분한 에너지를 제공하기 위해, 100 mW 내지 500 mW의 범위의 파워(power)를 가진 강력한 레이저들이 통상적으로 이용된다. 변류기 또는 온도 센서 내에는, 레이저 광을, 디지털 온도 센서(digital temperature sensor)의 동작을 위한 전기 에너지로 변환하는 복수의 광수신기들로 이루어진 어레인지먼트가 존재한다. 측정 태스크가 이행된 후에, 측정 신호는 추가의 광 도파관을 통해 그라운드 스테이션으로 다시 전달된다. 이용되는 레이저들의 매우 높은 광학 파워(great high optical power)를 고려하면, 충분한 동작 안전성이 항상 보장되어야 한다.
본 발명은, 온도 센서가 단순한 방식으로 구성되고 그리고 신뢰적으로 기능하고 그리고 전자 온도 측정이 낮은 에너지 수요(low energy demand)를 갖는, 전자 온도 측정을 이용하는 고전압 전위에서의 광학 변류기를 위한 어레인지먼트를 제공하는 목적에 기초한다.
그 목적은 독립 청구항의 특징들을 포함하는 어레인지먼트에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들 및 발전들은 독립 청구항에 종속되는 청구항들에서 명시된다.
고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 본 발명에 따른 어레인지먼트는, 고전압 전위에서의 광학 변류기, 변류기의 온도를 측정하기 위한 전자 온도 센서, 정확히 하나의 광다이오드(photodiode), 광을 제 1 광원으로부터 광다이오드로 안내하기 위한 제 1 광 도파관, 및 측정 신호를 그라운드 스테이션에 송신하기 위한 제 2 광 도파관을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전자 온도 센서의 동작을 위해 필요한 에너지는 하나의 광다이오드에 의해 이용가능해진다. 제 1 광 도파관에 의해 제 1 광원으로부터 광다이오드로 안내되는 광은 유리하게 에너지 공급(energy supply)을 위해 이용된다. 정확히 하나의 광다이오드의 이용은 구성이 단순한 방식으로 형성되는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 컴포넌트(component)들의 수가 감소되기 때문이다.
하나의 유리한 실시예에서, 전자 온도 센서는 온도-의존 저항기(temperature-dependent resistor)를 가진 공진 회로(resonant circuit)이다. 공진 회로의 고유 주파수/공진 주파수는 그 공진 회로의 댐핑(damping)에 의존하며, 그 댐핑은 온도-의존 저항기에 의해 좌우된다. 일반적으로, 댐핑이 증가될 때, 공진 회로의 고유 주파수가 감소된다. 변류기의 온도의 결과로서 온도-의존 저항기의 저항이 바뀌는 경우, 고유 주파수는 천이된다. 결과적으로, 고유 주파수는 온도의 측정치이다.
언급되는 아날로그 실시예(analog embodiment)에 관하여 특히 유리한 것은, 그 아날로그 실시예가 디지털 측정들과 비교하여 낮은 에너지 수요를 필요로 한다는 것이다. 따라서, 전기 에너지에 대한 수요는 하나의 광 다이오드에 의해 커버(corver)될 수 있다.
하나의 특히 유리한 실시예에서, 제 2 광원, 특히 LED가 공진 회로의 전기 회로 내에 피팅된다(fitted). 결과적으로, 제 2 광원은 공진 회로의 고유 주파수에 대응하는 주파수를 가진 광을 주기적으로 방출한다. 공진 회로의 고유 주파수는 온도에 의존하여서, 제 2 광원의 주파수는 측정된 온도의 아날로그 측정치(analog measure)를 나타낸다. 그 다음으로, 제 2 광원의 아날로그 광학 신호(analog optical signal)는 제 2 광 도파관을 통해 그라운드 스테이션에 송신될 수 있다.
유리하게, 전자 온도 센서는 전기 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장소(energy store)를 갖는다. 제 1 광원의 광은 광원으로부터 광다이오드로 안내되며, 광다이오드는 전기 에너지를 발생시키기 위해 이 광을 이용한다. 광다이오드에 의해 발생된 전기 에너지는 유리하게 에너지 저장소에 저장된다. 결과적으로, 제 1 광원은 저-전력 광원으로서 설계될 수 있다. 하나의 유리한 실시예에서, 에너지 저장소는 커패시터(capacitor) 또는 어큐뮬레이터(accumulator)이고, 커패시터가 특히 유리하다. 커패시터가 시간 간격(time interval)들에서 온도 측정을 가능하게 하는 것이 특히 유리하다. 결과적으로, 전기 에너지의 소비가 감소되는데, 그 이유는 예컨대, 분 당 1회의 측정이 온도 측정을 위해 충분하기 때문이다.
하나의 유리한 발전에서, 제 1 광원의 광 파워(light power)는 5 mW 미만이거나 또는 5 mW와 동등하다. 1 mW 미만이거나 또는 1 mW와 동등한 파워가 특히 유리하다. 결과적으로, 온도 센서에는 낮은 파워 레벨(low power level)이 공급될 수 있다. 낮은 파워가 측정 태스크를 이행하기에 충분하지 않은 경우, 충분한 에너지가 이용가능할 때까지, 에너지 저장소에서의 저장(storage)이 유리하게 수행될 수 있다. 400 nm 내지 700 nm의 가시 범위(visible range)의 레이저를 제 1 광원으로서 이용하는 것이 편리하다. 이용되는 레이저의 파워가 1 mW 미만인 경우, 레이저는 제 2 레이저 보호 클래스(laser protection class)와 연관된다. 그러므로, 어떠한 특수한 예방 조치들도 취해질 필요가 없다. 결과적으로, 구성 및 또한 핸들링(handling)이 상당히 단순해질 수 있다.
하나의 유리한 실시예에서, 제 1 광원은 LED로서 설계된다. LED가 비용-효과적이고, 그럼에도 불구하고, 온도 센서에 공급하기 위해 또는 에너지 저장소를 채우기 위해 충분한 에너지를 제공하는 것이 특히 유리하다.
온도 센서는 광학 변류기 내에 통합될 수 있다. 온도 센서는 유리하게는 그 변류기의 센서 헤드(sensor head) 바로 가까이에 통합될 수 있다. 결과적으로, 패러데이 효과(Faraday effect)의 온도 의존성이 상당히 더 양호하게 보상될 수 있다.
하나의 특히 유리한 발전에서, 온도 센서는 광학 변류기의 이미 존재하는 광 도파관들을 이용한다.
온도 센서의 제 1 및 제 2 광 도파관들은 표준 다중모드 광 도파관(standard multimode optical waveguide)들일 수 있다. 특히, 50 ㎛ 내지 62 ㎛의 범위의 코어 직경(core diameter)들을 가진 광 도파관들이 이용될 수 있다. 코어의 이러한 작은 직경들을 이용할지라도, 본 발명에 따른 온도 센서의 동작을 위해 충분한 에너지가 여전히 제공될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 예시적 실시예에 기초하여 아래에서 설명되며, 도면에서,
도 1은 고전압 전위에서의 광학 변류기의 아날로그 온도 측정(analog temperature measurement)을 위한 어레인지먼트를 도시한다.
도 1은 고전압 전위에서의 온도 측정을 위한 어레인지먼트(1)를 도시하며, 어레인지먼트(1)는 광학 변류기(2), 전자 온도 센서(4), 제 1 및 제 2 광 도파관(6, 8), 및 제 1 발광 다이오드(light emitting diode)(10)를 포함하고, 제 1 발광 다이오드(10)는 그라운드 스테이션(24) 내에 놓인다. 게다가, 온도 센서(4)는 정확히 하나의 광다이오드(12), 커패시터(14), 제어 유닛(control unit)(16), 및 공진 회로(18)를 포함한다. 부가하여, 제 2 LED(20) 및 온도-의존 저항기(22)가 공진 회로(18)의 전기 회로 내에 놓인다. 이러한 경우, 저항기(22)는 예컨대, 서미스터(thermistor), PT100, 열전소자(thermoelement), 또는 그 밖의 반도체 센서(semiconductor sensor)일 수 있다.
제 1 발광 다이오드(10)의 광은 제 1 광 도파관(6)을 통해 전자 온도 센서(4) 내의 광다이오드(12)로 안내된다. 바람직하게, 광 도파관들(6, 8)은 표준 다중모드 광 도파관(standard multimode optical waveguide)들 또는 200/220 ㎛ 하드 클래딩 실리카 광 도파관(hard cladding silica optical waveguide)들일 수 있다. 50 ㎛ 또는 62 ㎛의 코어 직경(core diameter)을 가진 표준 다중모드 광 도파관들이 특히 유리하다. 제 1 발광 다이오드(10)는 5 mW 미만의 또는 5 mW와 동등한 낮은 파워를 갖는다. 1 mW 미만의 또는 1 mW와 동등한 파워가 특히 유리하다. 이러한 낮은 파워는 통상적으로 광학 변류기(2)의 온도의 측정에 충분하지 않아서, 광다이오드(12)에서 발생된 전기 에너지가 제어 유닛(16)에 의해 결정된 시간 기간 동안 커패시터(14)에 저장된다. 제 1 발광 다이오드(10)는 커패시터(14)의 충전(filling) 동안 연속적으로 동작한다. 제어 유닛(16)은 저장된 전기 에너지가 측정 태스크를 이행하기에 충분할 때를 규정하고, 그 다음으로, 온도를 측정하는 목적을 위해 커패시터(14)에 저장된 전기 에너지를 공진 회로(18)가 이용가능하게 만든다. 예로서, 분 당 커패시터(14)의 1회 방전(discharge)이 충분하다.
공진 회로(18)에 의한 온도 측정의 아날로그(analog) 및 그에 따른 에너지-절약 프로세싱(energy-saving processing)이 특히 유리하다. 공진 회로(18)의 고유 주파수는 온도-의존 저항기(22)에 좌우된다. 제 2 LED(20)는 공진 회로(18)의 전압으로 동작한다. 결과적으로, 제 2 LED(20)는 공진 회로(18)의 온도-의존 고유 주파수로 주기적으로 광을 방출한다. 그러므로, 제 2 LED(20)의 주파수는 변류기(2)의 온도의 측정치이다. 그 다음으로, 제 2 LED(20)의 주기적 광은 그 후에, 제 2 광 도파관(8)에 의해 그라운드 스테이션(24)에 통신된다.
마이크로프로세서들을 이용함으로써 온도의 측정이 디지털적으로(digitally) 실현되는 경우, 광다이오드(12)의 전압은 통상적으로, 측정 태스크를 이행하기에 충분하지 않다. 그러므로, 전압을 증가시키기 위해 스텝-업 컨버터(step-up converter)를 이용하는 것이 편리하다.
일반적으로, 온도의 측정 신호는 또한, 펄스-폭-변조 광학 신호(pulse-width-modulated optical signal)로서 제 2 광 도파관(8)에 의해 그라운드 스테이션(24)에 안내될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고전압 전위(high-voltage potential)에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(arrangement)(1)로서,
    고전압 전위에서의 광학 변류기(optical current transformer)(2),
    상기 변류기(2)의 온도를 측정하기 위한 전자 온도 센서(electronic temperature sensor)(4),
    상기 전자 온도 센서(4)의 에너지 공급(energy supply)을 위한 제 1 광 도파관(optical waveguide)(6),
    그라운드 스테이션(ground station)(24)으로의 상기 전자 온도 센서(4)의 측정 신호의 데이터 송신(data transmission)을 위한 제 2 광 도파관(8), 및
    제 1 광원(10)
    을 포함하고,
    상기 전자 온도 센서(4)는 정확히 하나의 광다이오드(photodiode)(12)를 포함하고, 그리고 상기 제 1 광 도파관(6)은 상기 광원(10)으로부터의 광을 상기 광다이오드(12)에 안내하도록 설계되는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서(4)는 전기 공진 회로(electrical resonant circuit)(18)로서 설계되고,
    상기 공진 회로(18)는 온도-의존 저항기(temperature-dependent resistor)(22)를 포함하는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진 회로(18)는 제 2 광원(20)을 포함하는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 온도 센서(4)는 전기 에너지(electrical energy)를 저장하기 위한 적어도 하나의 에너지 저장소(energy store)(14)를 포함하는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광원(10)의 광 파워(light power)는 5 mW 미만이거나 또는 5 mW와 동등한,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광원(10)은 LED인,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 센서(4)는 상기 변류기(2)의 센서 헤드(sensor head) 내에 통합되는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 도파관들(6, 8)은 표준 다중모드 섬유(standard multimode fiber)들로서 설계되는,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 광원(20)은 LED 인,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광원(10)의 광 파워는 1 mW 미만이거나 또는 1 mW와 동등한,
    고전압 전위에서 온도를 측정하기 위한 어레인지먼트(1).
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