KR102036257B1 - 침수 또는 누수감지를 위한 광센서 - Google Patents

Abstract

누수 및 침수를 센싱할 수 있는 광센서는 코어와 클래드를 포함하는 광섬유, 상기 광섬유를 각각 포함하고, 제1연결부, 제2연결부를 포함하고; 상기 제1연결부의 종단의 광출력이 상기 제2연결부의 일단의 광입력으로 커플링되며, 상기 제2연결부의 타단은 상기 제1연결부의 입력으로 들어온 출력광원을 출력하고, 상기 출력된 광원은 수침부를 지나서, 미러부에 의해서 반사되어, 다시 상기 제2연결부의 타단으로 커플링되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 광센서를 이용한 센싱 시스템도 광원부, 수신부를 포함한다.

Description

침수 또는 누수감지를 위한 광센서 및 이를 이용한 센싱 시스템{OPTICAL SENSOR FOR SUBMERGENCE DETECTION AND SYSTEM USING IT}

본 발명은 침수 또는 누수감지 센싱 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광센서를 이용한 침수 또는 누수감지 센싱 시스템에 관한 것이다.

20세기 이후 지구는 많은 기상이변으로 인해 자연재해의 위험성이 더욱 커지고 있다. 특히, 토목/건축 구조물들의 대형화는 이러한 구조물의 붕괴에 따른 재해 규모를 더욱 크게 하는 요인이 되고 있다. 댐의 경우 1963년 이탈리아의 Vajont댐붕괴, 1976년 미국 아이다호주의 Teton댐 붕괴 등의 사례에서 알 수 있는 바와 같이, 붕괴시 그 피해규모가 상상을 초월하여 경제, 산업적 측면 뿐 아니라 인명상의 피해를 가늠하기 어려울 정도로 막대한 손실을 초래할 수 있고, 국내의 경우에도 1996년과 1999년 2회에 걸쳐 연천댐이 붕괴되어 파주군 전체가 침수되는 피해를 겪은 사례에서 알 수 있듯이 댐붕괴에서 완전히 자유롭지는 못한 실정이다.

댐의 유지관리를 위해 많은 계측시스템들이 설치되어 댐의 시공초기부터 댐시공후 지속적인 유지관리가 이루어지고 있으나 많은 부분에서 망실되거나 사용이 불가능한 경우가 많다. 특히, 댐체의 변형에 대해서는 콘크리트댐의 경우 콘크리트 외벽의 균열이 발생하는 초기증상이 나타나게 되는데, 이러한 경우 계측관리를 위한 안전점검 담당자들의 직접적 현장 접근 및 관찰이 어려울 뿐 아니라, 균열의 진행정도를 파악하기도 어렵다. 또한 최근 들어 기상이변에 의한 집중호우의 발생이 빈번해지고, 우리나라 연평균강우량(1200~1400mm)의 2/3이상이 하절기에 집중되는 강우 특성에 의해 저류구조물의 위험성은 더욱 커지고 있는 실정이다.

댐 계측의 경우, 댐의 변위를 기록하는 계측기는 대부분 자동계측을 요하지만 댐체의 변형이나 댐체 외벽의 변형 및 변위는 수동계측에 의존하는 것이 일반적이어서 상기와 같은 위험상황이 있는 경우에 댐체의 변형 진행과정이나 붕괴 발생 순간 및 과정의 파악에 따른 경계발령 및 사후조치의 조속한 시행이 사실상 불가능하여 만에 하나 발생할 수 있는 댐의 붕괴시 신속한 대응이 불가능한 문제점이 있다.

한편, 광센서는 광섬유 격자 등을 이용하여 센싱하는 기술이 많이 공지되었다. 광섬유 격자를 이용하는 경우에는 편광에 대한 영향때문에, 측정되는 값이 센싱에 대한 값인지, 아니면 입력광의 편광에 의한 영향인지 판단이 어려운 문제가 있다. 이러한 문제때문에 입력광이 광대역 광원을 저미어서 사용하는 경우가 많았지만, 광대역 광원을 저미어서 사용을 하면, 수신되는 광신호의 세기가 너무 작아서, 원격으로 측정이 곤란한 문제가 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 댐과 같은 수리시설의 누수 또는 침수를 실시간으로 정밀하게 원격으로 센싱할 수 시스템을 제안하는 것이다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 일 실시예인 누수 또는 침수를 센싱할 수 있는 광센서는 코어와 클래드를 포함하는 광섬유, 상기 광섬유를 각각 포함하고, 제1연결부, 제2연결부를 포함하고; 상기 제1연결부의 종단의 광출력이 상기 제2연결부의 일단의 광입력으로 커플링되며, 상기 제2연결부의 타단은 상기 제1연결부의 입력으로 들어온 출력광원을 출력하고, 상기 출력된 광원은 수침부를 지나서, 미러부에 의해서 반사되어, 다시 상기 제2연결부의 타단으로 커플링되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2연결부는 경사부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1연결부와 제2연결부 사이에는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 종래 광센서보다 정확도 높고, 설치가 용이한 장점이 있다.

또한, 종래에는 누수 여부만을 판단할 수 있지만, 본 발명의 경우에는 누수되는 양을 판단할 수있고, 설치과정에서 생기는 손실 및 운용중에 생기는 손실을 보상해줄 수 있는 장점이 있다.

또한, 침수지역에는 전원을 공급할 수 없기 때문에, 센싱 대상이 되는 곳에 무전원으로 원거리에서 센싱을 할 수 있는 장점이 있다.

도 1 본 발명의 광센서의 제1실시예
도 2 본 발명의 광센서의 제2실시예
도 3 본 발명의 광센서를 이용한 침수 또는 누수 감지 시스템

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 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 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 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 의해서 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.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광센서를 이용한 침수 또는 누수감지 센싱 시스템에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 광센서에 대한 제1실시예이다.

광센서(100)은 제1연결부(110), 제2연결부(120), 경사부(130), 광섬유코어(140), 광섬유 클래딩(150), 필터부(160), 출력광원(170), 미러부(180), 수침부(190)를 포함한다.

제1연결부(110)와 제2연결부(120)는 멀티모드 또는 싱글모드인 광섬유 코어(140)를 갖고, 광섬유 클래딩(150)으로 구성된 광섬유를 포함한다.

센싱을 위한 입력광원(미도시)가 제1연결부(110)의 광섬유 코어(140)로 들어가면, 제2연결부(120)의 광섬유 코어(140)의 커플링되어, 제2연결부(120)의 종단으로 출력광원(170)으로 수침부(190)로 출력된다.

출력광원(170)은 광원이 NA(numerical aperture)가 존재하기 때문에 소정의 각도(세타1)를 갖고 출력된다.

출력된 출력광원(170)은 미러부(180)에 의해서 반사되고, 반사되어 들어온 출력광원(170)은 다시 제2연결부(120)의 광섬유 코어(140)으로 커플링된다.

반사되어 돌아오는 출력광원(170)의 세기는 미러의 성능, 거리 등에 의해서 최초로 결정된다. 결정된 출력광원(170)의 세기는 수침부(190)의 내부에 공기로 되어 있는 조건에서 결정된 것이다.

수침부(190)에 물이 있게 되면, 출력되고, 반사되어 돌아오는 출력광원(170)의 각도가 변하게 된다. 그 이유는 공기의 굴절률은 1인 반면, 물의 굴절률은 1이 아니기 때문이다. 물의 굴절률은 통상 1.33이지만 측정대상의 물의 종류에 따라 변화할 수 있기 때문에 설정을 통해서 변경할 수 있다.

수침부(190)에 물이 유무에 따라서도 반사되어 돌아오는 출력광원(170)의 세기가 다르지만, 물의 양에 따라서 출력광원(170)의 세기가 다르게 된다. 이 부분에 대해서도 미리 수신되는 출력광원(170)의 세기를 물의 양에 따라, 측정을 하고 이를 레퍼런스로 이용을 하면, 물의 유무 외에도, 물의 양까지 알 수 있을 것이다.

수침부(190)는 다양한 형태로 구성할 수 있지만, 침수 또는 누수되는지 여부를 판단하는 곳에 형태에 따라 변경되어질 수 있다.

누수 또는 침수된 물이 흘러가는 형태로 구성할 수 있다. 고여있는 형상으로 구현을 하면, 누수 또는 침수가 되게 되면, 상기 광센서를 설치한 곳을 파헤쳐서, 수침부(190)에 고여있는 물을 제거하거나, 광센서를 변경해야 하는 번거로움이 있다. 그래서, 물이 흘러가는 형태로 구성을 하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 형태를 구현하기 위해서는 후술할 경사부(130)은 성능을 향상시키기 위한 구성요소라 할 것이다.

제2연결부(120)의 종단이 단면으로 되어 있는 경우에는 물이 그 단면에 계속해서 존재하여, 오차를 생성시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우에는 경사부(140)을 구성하여, 제2연결부(120)는 경사부(130)을 포함할 수 있다.

경사부(130)는 원뿔의 형상을 하는 것이 바람직하고, 원뿔, 즉 제2연결부(120)의 종단이 광섬유와 함께 평평한 단면을 구성하는 것이 바람직하다. 원뿔의 평평한 단면의 직경은 광섬유의 직경보다 최소한으로 큰 것이 바람직하다. 광섬유는 광섬유 코어, 광섬유 클래딩, 코팅부를 포함하고 있기 때문에, 상기 단면의 직경은 코팅부의 직경보다 최소한으로 큰 것이 바람직할 것이다. 그 이유는 단면의 면적을 최소화해야지, 잔류물에 의해서 생성되는 오차를 최소화할 수 있기 때문이다.

광센서(100)은 설치과정 및 운용과정에서 벤딩 등에 의해서 출력광원의 크기를 감소시킨다. 본 시스템의 경우에는 반사되는 출력광원(190)의 세기에 의해서 센싱을 하는 것이기때문에, 물에 의해서 세기감소 외에 다른 요소에 의한 세기감소가 있으면, 센싱의 정확도가 현저하게 떨어지게 된다.

본 발명은 이러한 점을 극복하기 위해서, 필터부(160)을 제1연결부(110)와 제2연결부(120)의 사이게 형성할 수 있다. 필터부(160)은 소정의 파장은 반사시키고, 그 외의 파장에 대해서는 통과시키는 필터인 것이 바람직하다.

즉, 출력광원(170)의 파장을 제1파장이라고 하고, 상태 모니터링을 위한 광원의 파장을 제2파장이라고 하면, 제1파장의 광원은 별다른 영향없이 통과시키고, 제2파장의 광원은 반사시키는 것이다. 이렇게 하면, 실시간으로 센싱에 의해서 세기가 감소되는 것인지, 물에 의해서 감소가 되는 것인지 판단할 수 있다. 즉, 물이 있을 경우에는 제1파장의 광원의 세기는 감소하는 반면, 제2파장의 광원의 세기는 감소하지 않고, 시스템의 선로에 문제가 있을 경우에는 제1, 2파장의 광원의 세기가 모두 감소하고, 그 감소양이 동일하면, 외부영향이 있다고 판단할 수 있을 것이다. 만약 제1파장의 세기가 감소되는 양이 제2파장의 세기가 감소되는 양보다 클 경우에는 그 차이만큼 수침부의 물에 의해서 감소하는 것으로 판단할 수 있을 것이다.

다음은 센싱되는 정확도를 향상시키기 위한 본 발명의 광센서의 제2 실시예이다. 출력광원(170)이 미러부(180)에 닿는 면적이 커져서, 소정의 각도가 커지면, 굴절률 변화에 의한 반사되는 정도가 더 커지게 된다. 하지만, 미러부(180)와 제2연결부(120)의 거리를 무작정 멀리하면 센싱 정확도가 상승하지는 않는다. 그 이유는 미러부(180)과 제2연결부(120)의 거리가 커질수록, 반사되어 다시 커플링되기가 어렵기 때문이다.

본 발명은 이러한 문제를 동시에 해결하기 위해서, 도2와 같은 구조를 제안한다. 미러부(180)은 굴곡부(181)을 포함하는 구조이다. 굴곡부(181)는 오목하게 들어가 있는 구조이어야 한다. 오목하게 들어가게 되면, 거리는 상대적으로 길어지지만, 포커싱이 되는 효과가 발생하여, 거리가 길어져서k 커플링되는 양이 줄어드는 정도를 보상할 수 있는 효과가 있다.

상기 굴곡부(181)은 포커싱 효율을 높이기 위한 소성의 패턴을 포함할 수 있다. 이는 출력광원(170)의 발산되는 크기, 미러부와의 거리에 따라서 결정되어질 수 있다.

따라서 제2실시예의 경우에는 수침부(190)에 물을 더 정확하게 센싱할 수 있다.

도 3은 본 발명의 광센서를 적용한 센싱 시스템이다.

상기 시스템은 광원부(200), 수신부(300), 커플러(400), 매설광선로(10)으로

광원부(200)는 제1파장의 출력광원(170)과 선로의 모니터링을 위한 제2파장의 모니터링광원(미도시)을 포함한다. 각각의 광원은 서로 다른 파장이기 때문에 동시에 송신할 수도 있고, 순차적으로 송신, 소정의 스케쥴링에 의해서 각각 송신할 수 있다. 다만 동시에 송신을 위해서는 WDM커플러(미도시)를 이용해야만 한다.

수신부(300)는 미러부(180)에 의해서 반사되어 들어오는 제1파장의 출력광원의 세기를 측정할 수 있다. 또한, 모니터링 광원을 사용하는 경우에는 필터부(160)에서 반사되어 들어오는 제2파장의 모니터링 광원을 수신하여 그 세기를 측정할 수 있다.

광원부(200)와 수신부(300)는 커플러(400)로 연결되어질 수 있다. 커플러(400)의 출력은 매설광선로(10)에 커플링되어 입력되어지고, 매설광선로(10)의 출력은 광센서(100)에 커플링되어져서, 실시간으로 모니터링을 할 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 광센서
110 제1연결부
120 제2연결부
130 경사부
140 광섬유코어
150 광섬유 클래딩
160 필터부
170 출력광원
180 미러부
190 수침부

Claims (4)

1. 코어와 클래드를 포함하는 광섬유,
   상기 광섬유를 각각 포함하고, 제1연결부, 제2연결부를 포함하고;
   상기 제1연결부의 종단의 광출력이 상기 제2연결부의 일단의 광입력으로 커플링되며,
   상기 제2연결부의 타단은 상기 제1연결부의 입력으로 들어온 출력광원을 출력하고,
   상기 출력된 광원은 수침부를 지나서, 미러부에 의해서 반사되어, 다시 상기 제2연결부의 타단으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 누수 또는 침수를 센싱할 수 있으며,
   상기 미러부는 오목하게 들어가 있는 굴곡부를 포함하며, 상기 굴곡부에 의해 상기 미러부로 진입하는 광이 포커싱되며,
   상기 굴곡부는 포커싱 효율을 높이기 위한 소정의 패턴을 포함하며, 상기 소정의 패턴은 출력광원의 발산되는 크기 및 미러부까지의 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 광센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2연결부는 경사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 누수 또는 침수를 센싱할 수 있는 광센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1연결부와 제2연결부 사이에는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 누수 또는 침수를 센싱할 수 있는 광센서.
   
4. 삭제

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