KR102350709B1 - 전류 측정 장치 - Google Patents

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이정민
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Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 측정 장치는 감지대상(1) 측에 설치되어 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 제 1 아날로그 신호를 출력하는 코일부(100); 상기 코일부(100)의 출력단자에 연결되어 상기 코일부(100)가 출력하는 제 1 아날로그 신호를 입력 받고, 상기 제 1 아날로그 신호의 유지시간을 확장하여 생성되는 제 2 아날로그 신호를 출력하는 지연회로부(200); 및 상기 지연회로(200)가 출력하는 제 2 아날로그 신호를 입력 받고 상기 입력 받은 제 2 아날로그 신호를 분석하는 계측모듈(300)을 포함한다.

Description

전류 측정 장치{Current Measurement Apparatus}
본 발명은 대전류 측정에 이용되는 전류 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 비접촉식 방식으로 전류를 측정하기 위해 로고스키 코일이 사용된다. 로고스키 코일은 측정 대상을 감싸는 형태로 설치되며 전자기 유도 현상을 통해 측정 대상에 흐르는 전류에 대응하는 전기 시그널(예를 들어, 전압)을 출력할 수 있다.
로고스키 코일의 장점은 큰 역동 범위와 넓은 주파수 반응 그리고 전자기 간섭에 강한 저항력을 들을 수 있다. 로고스키 코일의 독특한 구조는 순수한 광학 센싱에서 생기는 열에 의한 문제나 진동 문제를 피하게 해준다. 로고스키를 사용한 전기 기기는 미래의 전류 측정 기기로 각광을 받아서 향후에 전기 기기의 디지털화와 자동화된 전기 측정 그리고 계전기 보호를 발전시키는 방향으로 트랜드를 이끌어 나아가고 있다.
한국공개특허 제10-2020-0060945호 (공개일 : 2020.06.02.)
종래기술은 로고스키 코일이 권취되는 코어의 자기 포화 현상 때문에 측정 범위에 한계가 있다는 문제점이 있다.
그리고, 종래기술은 로고스키 코일 외측 노이즈에 취약하다는 문제점이 있다.
그리고, 종래기술은 수 마이크로초 동안 발생하는 임펄스 전류 측정을 위해서는 고가로 전류 측정 장치가 제작되어야 하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 코어의 자기 포화 현상을 제거할 수 있고, 외측 노이즈에 대한 영향을 최소화할 수 있고, 저가인 전류 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 측정 장치는 감지대상(1) 측에 설치되어 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 제 1 아날로그 신호를 출력하는 코일부(100); 상기 코일부(100)의 출력단자에 연결되어 상기 코일부(100)가 출력하는 제 1 아날로그 신호를 입력 받고, 상기 제 1 아날로그 신호의 유지시간을 확장하여 생성되는 제 2 아날로그 신호를 출력하는 지연회로부(200); 및 상기 지연회로(200)가 출력하는 제 2 아날로그 신호를 입력 받고 상기 입력 받은 제 2 아날로그 신호를 분석하는 계측모듈(300)을 포함한다.
여기서, 상기 코일부(100)는 중공형 코어(110)의 제 1 선단측에서 코어(110)의 제 2 선단측으로 트위스트로 꼬이면서 진행하는 코일(120)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 지연회로부(200)는 상기 코일부(100)의 제 1 아날로그 신호의 출력 특성을 보정하는 가변저항(250)을 포함할 수 있다.
본 발명은 중공형의 코어를 이용해 자기 포화 현상을 최소화할 수 있다.
본 발명은 코어 외측에 트위스트 방식으로 코일을 권취하는 것에 의해 외부 노이즈 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명은 수마이크로초 동안 발생하는 임펄스 신호의 지속시간을 늘리는 것에 의해, 저가의 전류 측정 장치를 이용해서도 수마이크로초 동안 발생하는 임펄스 신호의 계측이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1의 코일부의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 코일부의 세부 구성도이다.
도 4는 코일부가 외부 노이즈를 상쇄시키는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 지연회로부의 세부 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 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 설명하였다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성 요소로부터 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 접속 되어 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 구성 요소가 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 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전류 측정 장치에 대하여 설명한다. 이때, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 종래 주지된 사항에 대한 설명은 생략하거나 간단히 한다.
도 1을 참조하면, 전류 측정 장치는 코일부(100), 지연회로부(200) 및 계측모듈(300)을 포함할 수 있다.
코일부(100)는 감지대상(1, 예를 들어 전선 또는 부스바) 측에 설치되어 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호(예를 들어, 전압)을 출력할 수 있다.
지연회로부(200)는 코일부(100)의 출력단자에 연결되어 코일부(100)가 출력하는 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호를 입력 받고, 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호의 유지 시간을 확장할 수 있다. 이하, 코일부(100)가 출력하는 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호를‘제 1 아날로그 신호’라고 지칭한다. 그리고, 지연회로(200)가 코일부(100)로부터 입력 받아 유지 시간을 확장한 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호를 ‘제 2 아날로그 신호’라고 지칭한다.
계측모듈(300)은 지연회로(200)가 출력하는 제 2 아날로그 신호를 입력 받을 수 있다. 계측 모듈(300)은 입력 받은 제 2 아날로그 신호를 분석할 수 있다. 이때, 계측 모듈(300)은 제 2 아날로그 신호로부터 감지대상(1)에 흐르는 전류를 계측하거나 감지대상(1)에서의 전기적인 이상 이벤트(예를 들어, 고장 전류 유입) 유무를 감지할 수 있다.
도 2를 참조하면, 코일부(100)는 본체(10) 및 출력단자(160)를 포함할 수 있다.
본체(10)는 일측이 개방된 링 형상일 수 있다. 전류 계측시, 본체(10)의 내측에 감지 대상(1)이 삽입될 수 있다.
출력단자(160)는 본체(10)의 일측에서 외부로 노출될 수 있다. 출력단자(160)는 양(+)출력단자(161) 및 음(-)출력단자(162)를 포함할 수 있다.
감지 대상(1)에 흐르는 전류를 소스로 한 전자기 유도 현상을 통해, 출력단자(160)는 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 전기적인 아날로그 신호(제 1 아날로그 신호)를 출력할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본체(10)는 코어(110), 코일(120), 절연테이프(130), 금속차폐부재(140), 절연부재(150)를 포함할 수 있다.
코어(110)는 본체(10)의 형상과 동일하게 일측이 개방된 링형상일 수 있고 코어(110)는 중공형일 수 있다. 코어(110)의 내측이 중공형이어서 코어(110)의 내측은 공기(Air)로 채워질 수 있다. 코어(110) 내측이 공기로 채워지는 것에 의해, 대전류 계측시 코어(110)에서의 자기 포화 현상이 발생하지 않을 수 있다.
코일(120)은 절곡될 수 있다. 그리고, 코일(120)의 절곡된 지점은 코어(110)의 제 1 선단 측에 위치할 수 있다. 코일(120)은 절곡된 지점을 기준으로 제 1 측에 위치한 제 1 부분(121)과 절곡된 지점을 기준으로 제 2 측에 위치한 제 2 부분(122)을 포함할 수 있다. 코일(120)의 제 1 부분(121)은 코어(110)의 제 1 선단측에서 코어(110)의 제 2 선단측으로 진행하면서 코어(110)에 제 1 방향(예를 들어, 시계 방향)으로 권취될 수 있다. 그리고, 코일(120)의 제 2 부분(122)은 코어(110)의 제 1 선단측에서 코어(110)의 제 2 선단측으로 진행하면서 코어(110)에 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 권취될 수 있다. 그리고, 코어의 제 1 부분(121)과 코어의 제 2 부분(122)은 한번의 권취(달리 표현하면 한번의 턴(Turn)) 마다 상호 교차하며 접촉할 수 있다. 정리하면, 단일 코일(120)은 코어(110)의 제 1 선단측에서 코어(110)의 제 2 선단측으로 트위스트로 꼬이면서 진행할 수 있다. 코일(120)의 제 1 부분(121)의 선단은 본체(10) 외부로 노출되어 코일부의 양출력단자(161)를 형성할 수 있다. 코일(120)의 제 2 부분(122)의 선단은 본체(10) 외부로 노출되어 코일부의 음출력단자(162)를 형성할 수 있다.
절연테이프(130)는 코일(120)의 외측에 위치하며 코어(110)에 부착될 수 있다. 이에 의해, 코일(120)이 코어(110)에 안정적으로 고정될 수 있다. 절연테이프(130)는 코일(120)이 권취되는 전구간에 걸쳐 코어(110)에 감기는 방식으로 코어(110)에 부착될 수 있다.
금속 차폐 부재(140)는 절연테이프(130) 외측에 위치할 수 있다. 금속 차폐 부재(140)는 외부 노이즈가 본체(10) 내부로 유입하는 것을 차단할 수 있다. 금속 차폐 부재(140)는 코일(120)이 권취되는 전구간에 걸쳐 링 형상으로 설치될 수 있다.
절연부재(150)는 본체(10)의 외형을 형성하며, 내부에 코어(110), 코일(120), 절연테이프(130) 및 금속 차폐 부재(140)를 수용할 수 있으며, 외측으로, 코일부의 양출력단자(161) 및 코일부의 음출력단자(162)를 노출시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 코일(120)이 트위스트 방식으로 꼬이게 되면 외부 노이즈에 의해 코일(120)에 유기되는 전류는 코일(120)의 교차점을 기준으로 상쇄될 수 있음을 알 수 있다. 이는 교차점을 기준으로 양측의 전류가 대칭되어 교차점에서 대칭되는 전류가 서로 상쇄되기 때문이다.
도 5를 참조하면, 지연회로부(200)는 코일부의 양출력단자(161)에 전기적으로 연결되는 양입력단자(211) 및 코일부의 음출력단자(162)에 전기적으로 연결되는 음입력단자(212)를 포함할 수 있다.
그리고, 지연회로부(200)는 제 1 라인(1)을 매개로 양입력단자(211)에 전기적으로 연결되는 양츨력단자(261) 및 제 2 라인(2)을 매개로 음입력단자(212)에 연결되는 음출력단자(262)를 포함할 수 있다.
그리고, 지연회로부(200)는 제 1 라인(1)과 제 2 라인(2)에 병렬로 연결되는 제 3 라인(3)을 포함할 수 있다. 제 3 라인(3)에는 커패시터(220)가 설치될 수 있다.
그리고, 지연회로부(200)는 제 1 라인(1)과 제 3 라인(3)이 서로 접속하는 제 1 접속 노드(a)와 양출력단자(261) 사이에서 제 1 라인(1)에 설치되는 제 1 다이오드(240) 및 가변저항(250)을 포함할 수 있다. 제 1 다이오드(240) 및 가변저항(250)은 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 제 1 다이오드(240)의 애노드는 제 1 접속노드(a) 측에 연결되고, 제 1 다이오드(240)의 캐소드는 양출력단자(261) 측에 연결될 수 있다.
지연회로부(200)는 제 2 라인(2)과 제 3 라인(3)이 서로 접속하는 제 2 접속 노드(b)와 음입력단자(212) 사이에서 제 2 라인(2)에 설치되는 제 2 다이오드(230)를 포함할 수 있다. 제 2 다이오드(230)의 애노드는 제 2 접속노드(b) 측에 연결되고, 제 2 다이오드(230)의 캐소드는 음입력단자(212) 측에 연결될 수 있다.
지연회로부(200)는 제 1 아날로그 신호를 양입력단자(211) 및 음입력단자(212)를 통해 입력을 받을 수 있다. 이때, 제 1 아날로그 신호는 수 마이크로초의 주기를 가지는 임펄스 형태의 신호일 수 있다. 이때, 제 1 아날로그 신호는 양(+)성분과 음(-)성분을 가지는 교류 형태의 신호일 수 있다.
제 1 아날로그 신호는 커패시터(220)를 충전시킬 수 있다. 이때, 제 2 다이오드(230)는 커패시터(220)의 충전시 역방향 전류는 차단하는 것에 의해 제 1 아날로그 신호에서 음성분이 커패시터(220)에 유입하는 것을 차단할 수 있다. 즉, 제 2 다이오드(230)는 커패시터(220) 충전시 제 1 아날로그 신호를 직류 형태로 정류할 수 있다.
커패시터(220)에 충전된 전압은 커패시터(220)의 방전 특성에 따라, 제 1 다이오드(240) 및 가변저항(250)을 거쳐 양출력단자(261)로 출력될 수 있다. 커패시터(220)의 방전시간은 커패시터의 정전용량을 가변하여 조정할 수 있다. 커패시터의 방전 특성에 따라, 임펄스 형태의 제 1 아날로그 신호의 유지 시간을 지연(또는 확장)시킬 수 있다. 따라서, 저가의 계측 모듈(300)로도 정확도를 가지면서, 수마이크로초 동안 발생하는 임펄스 전류를 측정할 수 있다.
그리고, 가변저항(250)의 저항값을 조정하여 지연회로부(200)의 출력 전압에 대한 보정(Calibration)을 할 수 있다. 코일부(100)의 제작시 코일(120)을 손으로 권취하므로, 제작된 코일(100)의 출력 특성은 상이할 수 있다. 따라서, 가변저항(250)의 저항값을 조정하여 지연회로부(200)가 코일부(100)의 출력 특성(제 1 아날로그 신호의 출력 특성)의 오차를 보정할 수 있다. 그리고, 가변저항(250)은 저항값에 의해 제 1 아날로그 신호가 대부분 커패시터를 충전하게 할 수 있다.
100 : 코일부
200 : 지연회로부
300 : 계측모듈

Claims (3)

  1. 감지대상(1) 측에 설치되어 감지대상(1)에 흐르는 전류에 대응하는 제 1 아날로그 신호를 출력하는 코일부(100);
    상기 코일부(100)의 출력단자에 연결되어 상기 코일부(100)가 출력하는 제 1 아날로그 신호를 입력 받고, 상기 제 1 아날로그 신호의 유지시간을 확장하여 생성되는 제 2 아날로그 신호를 출력하는 지연회로부(200); 및
    상기 지연회로부(200)가 출력하는 제 2 아날로그 신호를 입력 받고 상기 입력 받은 제 2 아날로그 신호를 분석하는 계측모듈(300)을 포함하고,
    상기 코일부(100)는 중공형 코어(110)의 제 1 선단측에서 상기 코어(110)의 제 2 선단측으로 트위스트로 꼬이면서 진행하는 단일 코일(120)을 포함하고,
    상기 단일 코일(120)은 절곡되고,
    상기 코일(120)의 절곡된 지점은 상기 코어(110)의 제 1 선단 측에 위치하고,
    상기 코일(120)은 절곡된 지점을 기준으로 제 1 측에 위치한 제 1 부분(121)과 절곡된 지점을 기준으로 제 2 측에 위치한 제 2 부분(122)을 포함하고,
    상기 코일(120)의 제 1 부분(121)은 상기 코어(110)의 제 1 선단측에서 상기 코어(110)의 제 2 선단측으로 진행하면서 상기 코어(110)에 제 1 방향으로 권취되고,
    상기 코일(120)의 제 2 부분(122)은 상기 코어(110)의 제 1 선단측에서 상기 코어(110)의 제 2 선단측으로 진행하면서 상기 코어(110)에 상기 제 1 방향과 반대되는 제 2 방향으로 권취되고,
    상기 코어(110)의 제 1 부분(121)과 상기 코어의 제 2 부분(122)은 한번의 권취마다 상호 교차하며 접촉하고,
    상기 단일 코일(120)은 상기 코어(110)의 제 1 선단측에서 상기 코어(110)의 제 2 선단측으로 트위스트로 꼬이면서 진행하고,
    상기 단일 코일(120)의 제 1 부분(121)의 선단은 본체(10) 외부로 노출되어 상기 코일부(100)의 양출력단자(161)를 형성하고,
    상기 코일(120)의 제 2 부분(122)의 선단은 상기 본체(10) 외부로 노출되어 상기 코일부(100)의 음출력단자(162)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연회로부(200)는 상기 코일부(100)의 제 1 아날로그 신호의 출력 특성을 보정하는 가변저항(250)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
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