KR102223357B1 - Fbg센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 제어 시스템 - Google Patents

Fbg센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 제어 설비기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FBG센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 계장 시스템에 관한 것이다.
개시된 산업용 제어 시스템은 위험지역 내,외의 현장에 설치된 다수의 직독식 계장들과, 상기 직독식 계장들로부터 측정값을 광신호로 전송받기 위한 FBG 인테로게이트와, 상기 FBG 인테로게이트의 데이터를 입력받아 현장 설비를 제어하기 위한 컨트롤러와, 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 현장 설비의 운전상태를 제어하기 위한 액츄에이터를 포함한다. 개시된 일 실시예의 직독식 계장은 현장 설비의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부와, 상기 온도 감지부의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 온도 지시부와, 상기 온도 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서와, 부품들을 수용하고 상기 온도 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징과, 상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여 현장설비의 온도 측정값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 측정값을 광신호로 전송할 수 있도록 되어 있다.

Description

FBG센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 제어 시스템{Direct reading instrument using FBG sensor and industrial control system using the same}
본 발명은 산업용 제어 설비기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FBG센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 계장이란 계기장치(Instrument)의 약자로서 설비 즉, 플랜트(Plant) 운전에 있어서 설비의 운전상태를 판정해주고 조정해주는 것을 의미한다. 여기서, 운전상태란 온도, 유량, 압력, 수위, 무게, 비중 등을 말하며, 온도 측정용 계기(Temperature Gauge), 유량 측정용 계기(Flow Rate Guage), 압력 측정용 계기(Pressure Gauge), 수위 측정용 계기(Level Guage) 등에 의해 운전상태가 측정된다.
통상 공장이나 각종 플랜트 등과 같은 다양한 산업시설에는 온도, 압력, 유량, 수위 등을 측정하여 표시하기 위한 계측용 계기장치와, 제어신호에 따라 유량 등을 조절하기 위한 모터나 밸브와 같은 액츄에이터, 및 계측용 계기장치의 측정값을 이용하여 이들을 제어하는 PLC 컨트롤러, 또는 분산제어시스템(DCS)들이 설치되어 사용되고 있다.
예컨대, 대한민국 특허청 등록특허공보에 등록번호 제10-1494217호로 공고된 '계장 시스템 및 제어방법'은 다수의 시설 단지 내에 설치되는 시설물을 모니터링하는 계장 시스템에서 다수의 센서에서 수집된 센싱 정보에 기초하여 시설물에 대한 파라미터 변동 정보를 생성하는 복수의 제어반과, 파라미터 변동 정보에 기초하여 시설물에 대한 이벤트 발생 여부를 판단하고, 이벤트 발생 시 하나 이상의 조치 매뉴얼을 추천하는 관리 서버를 포함하고 있다.
한편, 종래 산업현장에 설치된 직독식 계장들은 현장에서만 계측값을 육안으로 관찰할 수 있으므로 자동화 시스템이나 제어 시스템에 사용하기 위해서는 직독식 계장에 전기적인 전송기가 부가될 필요가 있다.
그런데 전기적인 전송기는 과전류나 과전압에 의해 전기적인 쇼크가 발생되거나 접점에서 아크가 발생되어 화재나 폭발 등의 위험이 있다.
특히, 최근에는 산업안전이 주요 화두로 대두되고 있고, 정유공장이나 석유화학공장과 같이 위험지역(Hazardous area)에서 사용되는 전기제품(계장)은 가연성 가스나 증기 또는 분진에 인화되거나 착화되어 발생되는 폭발사고를 방지하기 위해 전기설비의 방폭(Explosion-Proof, Anti-explosion) 성능이 요구되고 있다. 즉, 방폭지역에 사용되는 전기기기(계장)는 소정의 방폭 규격을 만족해야 하며, 이와 같이 위험지역에서 사용되는 전기기기의 방폭 구조로는 내압 방폭구조와, 본질안전 방폭구조, 및 압력 방폭구조가 있다.
내압 방폭구조(Flame-proof; d)는 용기 내부에서 폭발성가스 또는 증기의 폭발시 용기가 그 압력에 견디며, 접합면이나 개구부 등을 통해서 외부의 폭발성가스에 인화될 우려가 없도록 전기설비를 전폐 구조의 특수 용기에 넣어 보호한 것으로, 용기 내부에서 발생되는 점화원이 용기 외부의 위험원에 점화되지 않도록 하고, 만약 폭발시에는 이때 발생되는 폭발압력에 견딜 수 있도록 한 구조이다.
본질안전 방폭구조(intrinsic safety type; i)는 방폭지역에서 전기(전기기기와 권선 등)에 의한 스파크, 접점단락 등에서 발생되는 전기적 에너지를 제한하여 사고를 예방 또는 차단하는 구조이다.
압력 방폭구조(Pressurized type; p)는 전기설비 용기 내부에 공기, 질소, 탄산가스 등의 보호가스를 봉입하여 해당 용기의 내부에 가연성 가스 또는 증기가 침입하지 못하도록 한 구조로서, 정상운전에 필요한 운전실과 같이 큰 용기와 기기에 사용된다.
온도 측정용 계기(Temperature Gauge), 유량 측정용 계기(Flow rate Guage), 압력 측정용 계기(Pressure Gauge), 수위 측정용 계기(Level Guage)와 같은 직독식 계장에 광격자(FBG: Fiber Bragg Grating) 센서를 활용하여 직독식 계장의 변위량(측정값)을 광신호로 전송한다면 전기 전송 구조에서 발생할 수 있는 전기적인 쇼크가 없어 방폭 성능을 만족할 수 있고, 따라서 산업현장의 안전성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은 산업현장에서 사용되는 직독식 계장에 FBG(Fiber Bragg Grating)센서를 활용하여 방폭성능을 충족시킬 수 있는 FBG센서를 활용한 직독식 계장 및 이를 이용한 산업용 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 FBG센서를 갖는 직독식 계장을 이용한 산업용 제어 시스템을 개시한다.
개시된 산업용 제어 시스템은 위험지역의 현장에 설치된 다수의 직독식 계장들과, 상기 직독식 계장들로부터 측정값을 광신호로 전송받기 위한 FBG 인테로게이트와, 상기 FBG 인테로게이트의 데이터를 입력받아 현장 설비를 제어하기 위한 컨트롤러와, 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 현장 설비의 운전상태를 제어하기 위한 액츄에이터를 포함한다.
상기 직독식 계장들은 현장의 온도, 압력, 유량, 액위, 무게, 밀도, 비중 등을 감지하기 위한 계측계장들로서, 온도 계측기, 압력 계측기, 유량 계측기, 수위 계측기, 밀도계, 비중계 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 FBG센서를 갖는 직독식 계장을 개시한다.
개시된 직독식 계장은, 현장의 운전상태를 감지하기 위한 운전상태 감지수단과, 상기 운전상태 감지수단의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 운전상태 지시부와, 상기 운전상태 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서와, 부품들을 수용하고 상기 운전상태 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징과, 상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여 현장설비의 운전상태 측정값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 측정값을 광신호로 전송할 수 있도록 된 것이다.
상기 운전상태 측정값은 현장설비나 현장매체의 온도, 유량, 액위 또는 수위, 압력, 무게, 비중, 밀도 중 어느 하나일 수 있다. 상기 운전상태 지시부는 상기 운전상태 감지수단에 의한 감지값을 지침의 회전량으로 변환하는 구동수단을 포함하고, 상기 FBG센서는 상기 구동수단의 변위량을 광신호로 검출하는 것이다.
또한 개시된 일 실시예의 직독식 계장은 현장 설비의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부와, 상기 온도 감지부의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 온도 지시부와, 상기 온도 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서와, 부품들을 수용하고 상기 온도 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징과, 상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여 현장설비의 온도 측정값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 측정값을 광신호로 전송할 수 있도록 되어 있다.
또한 개시된 다른 실시예의 직독식 계장은 현장 설비의 압력을 감지하기 위한 압력 감지부와, 상기 압력 감지부의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 압력 지시부와, 상기 압력 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서와, 부품들을 수용하고 상기 압력 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징과, 상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여 현장설비의 압력 측정값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 측정값을 광신호로 전송할 수 있도록 된 것이다.
그리고 개시된 다른 실시예의 직독식 계장은, 현장 설비의 유량이나 액위를 검출하기 위한 검출부와, 상기 검출부의 검출값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 지시부와, 상기 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서와, 부품들을 수용하고 상기 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징과, 상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여 현장의 유량이나 액위 검출값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 검출값을 광신호로 전송할 수 있도록 된 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 현장에서 육안으로 측정값을 확인할 수 있음과 동시에 광케이블을 통해 측정값을 광신호로 전송하므로 전기적인 쇼크가 없어 방폭 성능을 만족할 수 있음과 아울러 산업현장의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 FBG 센서를 사용하므로 전자기 간섭(EMI)와 같은 외란에 영향을 받지 않고, 습기에 의한 부식으로부터 안전하며, 적은 손실로 원거리 계측이 가능한 장점이 있다.
특히, FBG센서는 변형률이나 온도에 대하여 선형적인 특성을 가지므로 정확한 검출이 가능하고, 시스템 구축이 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, FBG센서를 활용한 직독식 계장을 이용한 산업용 제어 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 활용되는 FBG센서의 구조와 응답특성을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장에 FBG센서를 장착하는 예를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장의 지시부에 FBG 센서를 설치한 예의 상세도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장의 변위량을 확대하여 FBG센서를 활용하는 개념을 도시한 개략도,
도 6은 본 발명이 적용될 수 있는 수위 계측기의 개략도,
도 7은 본 발명을 레벨 게이지의 수위 지시부에 적용한 구체적인 예이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, FBG센서를 활용한 직독식 계장을 이용한 산업용 제어 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 산업용 제어 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 위험지역의 현장(F)에 설치된 다수의 직독식 계장들(10)과, 직독식 계장들(10)로부터 측정값을 광신호로 전송받기 위한 FBG 인테로게이트(20), FBG 인테로게이트(20)의 데이터를 입력받아 현장 설비를 제어하기 위한 PLC 컨트롤러(30), PLC 컨트롤러의 제어신호에 따라 현장 설비의 운전상태를 제어하기 위한 액츄에이터(40)로 구성된다. 바람직하게는 FBG 인테로게이트(20)와 PLC 컨트롤러(30)는 안전지역의 운전실(C)에 설치되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 직독식 계장들(10)은 현장(F)에 설치되어 온도, 압력, 유량, 액위, 무게 등을 감지하기 위한 계측계장(이하 '계측기'라 한다)들로서, FBG센서가 장착되어 측정값을 광신호로 운전실(C)의 FBG 인테로게이트(FBG Interrogate; 20)로 전송할 수 있도록 되어 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따라 현장(F)에 설치된 직독식 계장(10)들은 전기를 사용하지 않아 방폭 성능을 충족시켜줄 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 직독식 계장(10)으로서 온도 계측기(110), 압력 계측기(120), 유량 계측기(130), 수위 계측기(140)를 예로 들어 설명하기로 한다.
직독식 온도 계측기(110)는 현장 설비의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부(111)와, 온도 감지부(111)의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 온도 지시부(112)와, 온도 지시부(112)의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서(113)와, 부품들을 수용하고 온도 지시부(112)의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징(115)과, 하우징(115)에 형성되어 FBG센서(113)에 광신호를 연결하기 위한 광포트(114)로 구성된다.
이와 같이 구성된 직독식 온도 계측기(110)는 현장 설비의 온도를 지침으로 표시하여 현장에서 육안으로 볼 수 있게 함과 아울러 FBG센서(113)가 온도에 대응하는 변위량을 광신호로 변환하여 광케이블(102-1)을 통해 운전실(C)의 FBGI(20)로 전송한다.
직독식 압력 계측기(120)는 현장 설비의 압력을 감지하기 위한 압력 감지부(121)와, 압력 감지부(121)의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 압력 지시부(122)와, 압력 지시부(122)의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서(123)와, 부품들을 수용하고 압력 지시부(122)의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징(125)과, 하우징(125)에 형성되어 FBG센서(123)에 광신호를 연결하기 위한 광포트(124)로 구성된다.
이와 같이 구성된 직독식 압력 계측기(120)는 현장 설비의 압력을 지침으로 표시하여 현장에서 육안으로 볼 수 있게 함과 아울러 FBG센서(123)가 감지된 압력에 대응하는 변위량을 광신호로 변환하여 광케이블(102-2)을 통해 운전실(C)의 FBGI(20)로 전송한다.
직독식 유량 계측기(130)는 현장 설비의 유량을 검출하기 위한 유량 검출부(131)와, 유량 검출부(131)의 검출값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 유량 지시부(132)와, 유량 지시부(132)의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서(133)와, 부품들을 수용하고 유량 지시부(132)의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징(135)과, 하우징(135)에 형성되어 FBG센서(133)에 광신호를 전송하기 위한 광포트(134)로 구성된다.
이와 같이 구성된 직독식 유량 계측기(130)는 현장 설비의 유량을 지침으로 표시하여 현장에서 육안으로 볼 수 있게 함과 아울러 FBG센서(133)가 검출된 유량에 대응하는 변위량을 광신호로 변환하여 광케이블(102-3)을 통해 운전실의 FBGI(20)로 전송한다.
직독식 수위 계측기(140)는 현장 설비의 수위를 검출하기 위한 수위 검출부(141)와, 수위 검출부(141)의 검출값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 수위 지시부(142)와, 수위 지시부(142)의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서(143)와, 부품들을 수용하고 수위 지시부(142)의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징(145)과, 하우징(145)에 형성되어 FBG센서(143)에 광신호를 전송하기 위한 광포트(144)로 구성된다.
이와 같이 구성된 직독식 수위 계측기(140)는 현장 설비의 수위를 지침으로 표시하여 현장에서 육안으로 볼 수 있게 함과 아울러 FBG센서(143)가 검출된 수위에 대응하는 변위량을 광신호로 변환하여 광케이블(102-4)을 통해 운전실의 FBGI(20)로 전송한다.
직독식 계장의 FBG센서(113,123,133,143)는 도 2에 도시된 바와 같이 광대역의 광이 입사되면 광섬유 코어 부분의 일정 주기의 굴절률 변화에 의하여 다음 수학식 1의 브래그 조건에 맞는 특정 파장(Bragg 파장;λB)만 반사되고, 나머지는 통과하게 된다. 격자 간격과 유효 굴절률의 함수로 표현되는 브래그 파장(λB)은 다음 수학식 1과 같이 구해진다.
Figure 112019089628041-pat00001
수학식 1에서, ne 는 광섬유의 유효 굴절률, Λ는 제작된 격자 간격이다. 수학식 1에 따르면, 브래그 파장(λB)은 유효 굴절률(ne)과 브래그 격자 주기(Λ)에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 그리고 유효 굴절률과 격자의 주기는 온도나 변형률과 같은 외란에 의해 변화하므로 역으로 브래그 파장의 변화정도를 알면 외부에서 가해진 외란의 물리량을 환산할 수 있다. 즉, FBG는 반사파장이 온도와 변형률(스트레인)의 변화에 거의 선형적으로 변화하므로 그 파장 변화를 읽어내어 온도나 스트레인을 구할 수 있다.
브래그 파장의 변화량은 다음 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019089628041-pat00002
수학식 2에서 Pe는 광탄성 상수이고, Δε는 광섬유 격자에 가해진 변형률 변화량, α는 광섬유의 온도에 따른 팽창 계수이며, ε는 온도에 의한 광섬유 굴절률 변화, 그리고 ΔT는 광섬유 격자에 가해진 온도변화이다.
본 발명의 실시예에서는 직독식 계장의 지침이나 구동계의 변형을 감지하기 위한 것이므로, 온도 변화를 무시할 경우 변형률과 브래그 파장의 관계는 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019089628041-pat00003
FBG 인테로게이트(20)는 현장에 설치된 직독식 계장들(10)과 광테이블(102-1,102-2,102-3)을 통해 각각 연결되어 각 직독식 계장들(10)이 감지한 측정값을 광신호로 전송받아 디지털 데이터로 변환한 후 PLC 컨트롤러(30)로 전달한다.
FBG 인테로게이트(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(SLD:Super luminescent Laser Diode; 21), 써큘레이터(Circulator;22), 광스위치(23), 광필터(24), 수광소자(25), 신호처리기(DSP;26)로 구성되어 FBG 센서(113,123,133,143)에 광원(21)에서 발생된 광을 입사시킨 후 FBG 센서(113,123,133,143)로부터 반사된 광을 수광하여 피크 검출을 통해 검출된 브래그 파장의 변화량을 디지털 데이터로 변환하여 컨트롤러(30)로 출력한다.
SLD(21)는 파장에 상관없이 평탄한 광량을 생성하고, 써큘레이터(22)는 SLD에서 생성된 입사광을 광스위치측으로 전송하고 광스위치측으로부터 수신된 반사광을 광필터측으로 전송한다.
광스위치(23)는 다수 채널의 FBG센서(113,123,133,143)와 연결하기 위해 제어신호에 따라 선택된 광케이블 중 하나로 광신호를 입사하고 반사광을 수광하여 써큘레이터측으로 전달한다.
광필터(24)는 반사광의 파장을 광량으로 변환하기 위한 것으로서, Fabry-Perot 가변장 필터나 LTOF(Linear Transmittance Optical Filter) 필터를 사용할 수 있다. LTOF는 SLD에 의한 FBG센서의 반사파장의 크기가 일정하다고 할 때 파장의 크기에 따라 다른 크기의 광량을 출력한다. 따라서 이 광량의 크기를 측정하면 결과적으로 파장을 알 수 있고, 이 파장의 변화로부터 상기 수학식 3에 따라 직독식 계장의 지침이나 구동부의 변형률을 구할 수 있다. 수광소자(25)로는 포토다이오드나 CCD와 같은 이미지센서 등을 사용할 수 있다.
이와 같이 FBG 인테로게이트(20)는 직독식 계장(10)의 지침이나 구동계의 변형에 의한 FBG 센서의 피크 파장의 섭동(disturbance)을 측정하여 직독식 계장(10)의 측정값을 검출한다. 이때 FBG센서(113,123,133)의 불균일한 외란에 의해 잡음과 왜곡이 발생되므로 잡음에 강건한 피크 검출 알고리즘이 필요하다. 즉, 피크를 검출하는 기술이 FBG 인테로게이터(20)의 정도(accuracy)를 결정하는 중요한 요소이다. 다양한 피크 검출 알고리즘이 적용될 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 다음 수학식 4와 같은 중심점 알고리즘(centroid algorithm)과 수학식 5와 같은 가우시안 근사법(Gaussian fitting)을 사용한다.
Figure 112019089628041-pat00004
수학식 4에서 N은 스펙트럼 벡터의 크기를 나타내고, 와 는 각각 i 번째 파장과 진폭을 나타낸다. 중심점 알고리즘에서 스펙트럼 중심점으로 파장의 변이를 결정한다.
가우시안 근사법은 Gauss-Nwwton 알고리즘을 이용하여 다음 수학식 5와 같이 자승오차를 최소화하여 구한다.
Figure 112019089628041-pat00005
수학식 5에서 A, C, V는 조정계수이고, yi는 λi파장에 대한 진폭이다. 수학식 5의 가우시안 모델에 다항식 근사법을 적용하여 다음 수학식 6과 같이 각 파장에 대한 진폭을 구할 수 있다.
Figure 112019089628041-pat00006
수학식 6에서 n은 다항식 모델의 차수이고, yi는 i번째 파장의 진폭을 나타내며, λi는 i번째 파장이고, cj는 다항식 계수이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장에 FBG센서를 장착하는 예를 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장의 지시부에 FBG 센서를 설치한 예의 상세도이다.
도 3을 참조하면, 설비 파이프를 통해 흐르는 유량은 검출하기 위한 유량계나 설비의 파이프를 지나는 매체의 압력을 감지하기 위한 압력계와 같은 직독식 계장(10)은 회전식 지침으로 측정값을 표시하여 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 되어 있다. 이러한 직독식 계장(10)의 내부에 본 발명의 실시예에 따라 FBG센서(113,123,133,143)가 회전식 지침을 구동하는 구동계통에 스크류나 접착제 등으로 장착되어 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서 FBG 센서(113,123,133,143)를 직독식 계장(10)의 지침이나 구동부에 결합하는 방식은 FBG센서의 일단을 고정점에 부착하고 타단을 지침이나 구동부에 접착하여 지침의 회전이나 구동부의 이동에 따른 변형률을 감지한다.
도 4를 참조하면, 포인터의 회전으로 측정값을 표시하는 직독식 계장(10)에서 포인터(11)를 회전시키는 지축에 어답터(16)를 설치한 후 한쌍의 커플링(17-1,17-2)을 이용하여 FBG센서(113/123/133/143)의 양단을 고정하고 있다.
이와 같은 FBG 센서 장착구조에서 FBG 센서(113,123,133,143)를 구조물에 부착 혹은 삽입하는 과정에서 구조물의 기하학적 특성이나 결함 등에 의해 구조물에 변형률 구배가 발생할 수 있으며, 이는 센서의 격자 부분에 작용할 경우 센서 피크신호의 안정성에 영향을 미처 측정 오차로 작용하게 된다. 따라서 FBG 센서 장착시 주변의 영향을 최소화할 수 있는 위치와 장착점을 찾는 것이 중요하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 직독식 계장의 변위량을 확대하여 FBG센서를 활용하는 개념을 도시한 개략도이다.
직독식 계장(10)의 구동범위가 좁아 FBG센서(113/123/133/143)가 변형률을 감지하기 어려울 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 구동범위를 확대하기 위한 기어(9-1,9-2)를 부가한 후 FBG센서(113,123,133,143)를 구동부에 장착하여 변형률을 크게 하여 보다 정확하게 감지하게 할 수도 있다.
도 5를 참조하면, Mechanical Gauge Bourdon Tube의 경우에 베이스(1), 튜브(2), 브라켓(3), 핀1(4), 브라켓(5), 탭(6), 핀2(7), 섹터(8), 기어(9), 링크(16), 포인터(11), 핀3(12) 내지 핀6(15)으로 이루어진 구조에서 본 발명의 실시예에 따라 구동범위를 확대하기 위한 부가기어 1(9-1)과 부가기어 2(9-2)를 추가하여 FBG센서(113,123,133,143)가 변형률을 보다 쉽게 감지하게 할 수도 있다.
도 6은 본 발명이 적용될 수 있는 수위 계측기의 개략도이고, 도 7은 본 발명을 레벨 게이지의 수위 지시부에 적용한 구체적인 예이다.
본 발명이 적용될 수 있는 수위 계측기(140)는 도 6에 도시된 바와 같이 와이어(141b)에 연결된 플로트(141a)를 탱크(도 7의 50)에 삽입한 후 탱크와 플렌지(141c)를 통해 체결하여 설치한다. 그리고 수위 계측기(140)는 탱크의 액위(수위)에 따라 플로트(141a)의 높이가 변화되는 것을 하우징(145)에 설치된 관측창을 통해 수위 지시부(142)가 지침으로 표시할 수 있도록 되어 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 탱크에서 수위가 변화되었을 때 플로트(141a)의 부력변화와 함께 와이어(141b)에 걸린 무게가 변하게 되며, 내부 콘스턴트 스프링(도 7의 155)에 의해 균형이 이루어질 때까지 폴로트 및 와이어의 길이가 변하게 된다. 즉, 수위가 내려가면 부력의 감소로 와이어(141b)에 걸리는 무게가 증가하여 스프링(155)은 풀리고, 수위가 증가하면 와이어(141b)에 걸리는 무게가 가벼워져 스프링(155)은 감기게 된다. 현장의 수위 지시부(142)는 와이어의 길이 변화를 기어에 의해 지침의 지시로 변환하여 수위를 표시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 탱크(50) 내부의 액위에 의해 플로트(151)가 상승하거나 하강하면 콘스턴트 코일 스프링(155)에 의해 측정 테이프(152)가 감기면서 기어 계통(154)을 변속하여 수위를 표시하는 방식의 레벨 게이지의 수위 표시부(150)를 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7의 레벨 게이지는 수위를 감지하기 위해 와이어(141b)를 이용하느냐 측정 테이프(152)를 이용하느냐의 감지방식에 차이가 있을 뿐이고, 유사한 기어 메커니즘을 사용하여 지침의 회전으로 표시하므로 본 발명은 두가지 방식의 레벨 게이지에 모두 적용할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 도 7에 도시된 수위 표시부(150)를 예로 들어 설명한다.
도 7을 참조하면, 수위 표시부(150)는 플로트(151)에 연결된 측정 테이프(152)와, 플로트(151)에 연결된 측정 테이프(152)의 장력이 일정하도록 테이프 와인딩 풀리(156)를 회전시켜 측정 테이프(152)의 길이를 가변시키는 콘스턴트 코일 스프링(155)과, 측정 테이프의 길이 변화에 따라 CW 혹은 CCW 방향으로 회전되는 스프로켓 풀리(157)와, 스프로켓 풀리(157)의 회전에 따라 지침(153)을 회전시켜 수위를 표시하는 기어 메커니즘(154)과, 기어 메커니즘(154)에 연동되어 수위 변화에 따른 변위량을 감지하여 광신호로 전송하는 FBG센서(159)로 구성된다.
기어 메커니즘(154)은 지침(153)을 회전시키기 위한 포인터 기어(154-1)와 변위량을 확대하기 위한 부가기어(154-2)를 포함할 수 있고, FBG 센서(159)는 구동 범위를 확대하기 위한 부가기어(154-2)에 설치될 수 있다. 또한 다른 실시예로서 커플링 수단(158)을 통해 연동되는 다른 구동부에 FBG센서(159)를 설치할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 수위 표시부(150)는 플로트(151)의 부력에 의해 측정 테이프(152)가 이동하면서 스프로켓 풀리(157)를 회전시키고, 스프로켓 풀리(157)의 회전은 동일 축에 연결된 기어 메커니즘(154)을 구동하여 포인터 기어(154-1)에 의해 지침(153)의 회전으로 수위를 표시하여 육안으로 관측할 수 있게 한다.
즉, 수위가 내려가면 부력의 감소로 플로트(151)에 걸리는 무게가 증가하여 측정 테이프(152)가 탱크측으로 당겨지면서 테이프 와인딩 풀리(156)가 회전하게 되고, 이에 따라 콘스턴트 코일 스프링(155)이 회전되면서 반발력이 증가하여 평형에 도달할 때까지 회전된다. 반대로 수위가 증가하면 플로트(151)에 걸리는 무게가 가벼워져 콘스턴트 코일 스프링(155)의 반발력에 의해 테이프 와인딩 풀리(156)가 반대로 회전하면서 측정 테이프(152)를 감게 된다. 이와 같이 수위에 따라 측정 테이프(152)의 길이가 변하면서 스프로켓 풀리(157)를 CW 방향이나 CCW 방향으로 회전시키게 되고, 이에 따라 스프로켓 풀리(157)에 연결된 기어 메커니즘(154)이 작동되어 수위를 지침(153)으로 표시하게 된다. 그리고 기어 메커니즘(154)에 연동된 FBG센서(159)는 변위량을 광신호로 변환하여 FBGI(20)측으로 전송하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 직독식 계장으로서 온도 계측기, 압력 계측기, 유량 계측기, 수위 계측기를 예로 들어 설명하였으나 다양한 다른 종류의 직독식 계장에도 그대로 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 기 설치된 직독식 계장에도 적용될 수 있고, 새로운 형태의 직독식 계장으로 제품화하여 제공될 수도 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 직독식 계장 20: FBG 인테로그레이트
21: 광원(SLD) 22: 써큐레이터
23: 광스위치 24: 광필터
25: 수광소자 26: DSP
30: 컨트롤러 40: 액츄에이터
100: 산업용 제어 시스템 110: 온도 계측기
120: 압력 계측기 130: 유량 계측기
140: 수위 계측기 150: 레벨 게이지
F: 현장 C: 운전실

Claims (5)

  1. 위험지역 내, 외의 현장에 설치된 다수의 직독식 계장들;
    상기 직독식 계장들로부터 측정값을 광신호로 전송받기 위한 FBG 인테로게이트;
    상기 FBG 인테로게이트의 데이터를 입력받아 현장 설비를 제어하기 위한 컨트롤러; 및
    상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 현장 설비의 운전상태를 제어하기 위한 액츄에이터를 포함하는 FBG센서를 활용한 직독식 계장을 이용한 산업용 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직독식 계장들은
    현장의 온도, 압력, 유량, 액(수)위, 무게, 비중, 밀도 등을 감지하기 위한 계측계장들로서, 온도 계측기, 압력 계측기, 유량 계측기, 수위 계측기, 무게 계측기, 비중계, 밀도계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 FBG센서를 활용한 직독식 계장을 이용한 산업용 제어 시스템.
  3. 현장의 운전상태를 감지하기 위한 운전상태 감지수단;
    상기 운전상태 감지수단의 감지값을 육안으로 관측할 수 있도록 지침으로 표시하는 운전상태 지시부;
    상기 운전상태 지시부의 변위량을 광신호로 검출하기 위한 FBG센서;
    부품들을 수용하고 상기 운전상태 지시부의 지시값을 육안으로 볼 수 있는 관측창을 제공하는 하우징; 및
    상기 하우징에 형성되어 상기 FBG센서에 광신호를 연결하기 위한 광포트를 포함하여
    현장설비의 운전상태 측정값을 현장에서 육안으로 관측할 수 있도록 표시함과 동시에 측정값을 광신호로 전송할 수 있도록 된 FBG센서를 활용한 직독식 계장.
  4. 제3항에 있어서, 상기 운전상태 측정값은
    현장설비나 현장매체의 온도, 유량, 액위 또는 수위, 압력, 무게, 비중, 밀도 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 FBG센서를 활용한 직독식 계장.
  5. 제3항에 있어서, 상기 운전상태 지시부는 상기 운전상태 감지수단에 의한 감지값을 지침의 회전량으로 변환하는 구동수단을 포함하고,
    상기 FBG센서는 상기 구동수단의 변위량을 광신호로 검출하는 것을 특징으로 하는 FBG센서를 활용한 직독식 계장.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003287411A (ja) * 2002-03-27 2003-10-10 Tokyo Sokki Kenkyusho Co Ltd Ｆｂｇ式角度センサ並びにこれを用いた変位計及び傾斜計
KR20130114516A (ko) * 2012-04-09 2013-10-18 주식회사 싸이트로닉 탱크 상태의 실시간 모니터링을 이용한 해양 구조물의 정적 및 동적 포지셔닝 시스템 및 방법

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