KR102423481B1 - 의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 saw 온도센서 시스템을 구비한 수배전반 - Google Patents

의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 saw 온도센서 시스템을 구비한 수배전반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수배전반에 관한 것으로서 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 구동신호를 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점에 설치된 하나 이상의 SAW 온도센서로 송신하고, 각 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 반사신호로부터 온도 측정지점의 온도를 판독함으로써 각 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 노이즈 환경에서도 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 높은 정확도로 측정할 수 있는 수배전반에 관한 것이다.

Description

의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 SAW 온도센서 시스템을 구비한 수배전반 {DISTRIBUTING BOARD HAVING SURFACE ACOUSTIC WAVE TEMPERATURE SENSOR WITH HIGH ACCURACY USING PSEUDORANDOM BINARY SEQUENCE}
본 발명은 수배전반에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 SAW 온도센서 시스템을 구비한 수배전반에 관한 것이다.
일반적으로, 수배전반은 집단거주지역(APT), 빌딩, 학교, 공장, 항만, 공항, 상, 하수 처리장, 변전소, 중공업 플랜트, 지하철, 화학단지, 제절소 등의 광범위한 전력 수용가에서 특고압의 전력을 저압으로 변환하여 해당 설비에게 공급하는 수배전계통에 설치되어 전력 감시, 제어 및 보호를 위하여 사용된다.
이러한 수배전반 내의 개폐기, 차단기, 변성기, 변압기, 부스바 등의 전력 설비들은 대부분의 경우 온도를 계측 하여 과열여부를 검출할 필요성이 매우 크다. 예를 들면 개폐기, 차단기 등은 각각 인입 및 인출 단자대를 포함하고 있어 이에 대한 온도를 검출하여 과열에 의한 열화여부를 판단할 필요가 있다. 또한, 모선과 모선 간, 또는 모선과 분기선 등의 부스바 및 케이블 등의 접속부 등은 접속부의 느슨함이나 이물질 등의 영향으로 접촉저항이 증가함으로써 과열이 진행되어 화재로 이어지는 경우가 상당히 자주 발생하고 있다.
수배전반 내부의 온도 감시를 위해 종래에는 주로 아크 검출, 열화상 카메라, 적외선 센서, 광케이블 무선 온도 센서 등이 이용되었다. 그러나, 아크 검출이나 열화 검출 방식은 고가의 장비를 사용함에도 불구하고 간접적인 온도 검출밖에 할 수 없으며, 무선 온도 센서의 경우에도 전원으로 건전지를 이용하기 때문에 주기적으로 건전지를 교체하여야 하므로 유지/보수의 면에서 많은 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 비접촉 방식으로 온도를 측정할 수 있는 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW) 센서를 이용한 SAW 온도센서 시스템이 개발되었다. SAW 센서는 파동을 이용한 센서로서, 구조가 간단하고 움직이는 부분이 없으므로 외부의 진동이나 충격에 대하여 잘 견디며, 동작은 RF(Radio Frequency) 안테나에 의해 가능하므로 별도의 전원공급이 없이도 작동이 가능하고, 대량생산이 용이하며 가격이 싸다는 장점이 있다.
종래의 SAW 온도센서 시스템을 이용하여 온도를 감지하는 배전반의 예로서 대한민국 등록특허 제10-1396545호 “다중온도센서 센싱 시스템을 구비한 배전반”가 있다. 제10-1396545호에는 배전반 내에 SAW 온도 센서 12개를 구비하여 배전 설비의 각 접속점들의 온도를 모두 각각 감지하도록 구성됨으로써 각 접속점의 온도를 빠짐없이 실시간 감시할 수 있는 배전반을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 종래 기술에 의하면 SAW 온도센서로 신호를 송신하고, SAW 온도센서로부터 신호를 수신하는 송수신 장치의 신호에 비해 SAW 온도센서로부터의 반사 신호의 세기가 미약한 특성으로 인해 주변 환경에 따라 노이즈 발생 또는 신호의 일부 누락 등의 문제가 쉽게 발생하게 되고, 이는 송수신 장치로 하여금 반사신호의 계측을 어렵게 하며 결과적으로 이러한 문제들은 온도 측정 결과의 신뢰도를 하락시킨다.
높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤수열의 데이터를 변조하여 생성된 신호를 이용하여 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점에 설치된 하나 이상의 SAW 온도센서를 구동시킴으로써 SAW 온도센서와 리더기와의 거리, 주변의 노이즈 등 주변환경의 영향을 받지 않으면서 SAW 온도센서로부터 반사신호를 정확하게 계측하여 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 측정할 수 있는 SAW 온도센서 시스템을 구비한 수배전반을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수배전반은 내부에 수용공간을 형성하는 하우징; 상기 하우징 내부의 제1 지점에 설치되고, 외부로부터 구동신호를 수신하는 것에 대응하여 상기 제1 지점의 온도 정보를 포함하는 반사신호를 송신하는 제1 SAW 온도센서; 및 상기 제1 SAW 온도센서에 상기 구동신호를 생성하여 송신하고, 상기 제1 SAW 온도센서로부터 송신되는 반사신호를 수신하여 상기 수신된 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독하는 리더기로 구성되고, 상기 리더기는 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 데이터를 반송파를 이용하여 변조함으로써 상기 구동신호를 생성한다.
상기 하우징 내부의 제2 지점에 설치되고, 상기 구동신호를 수신하는 것에 대응하여 상기 제2 지점의 온도 정보를 포함하는 반사신호를 송신하는 제2 SAW 온도센서를 더 포함할 수 있다.
상기 리더기는 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하고, 검증 결과 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호에 대응하여 반사된 신호인 경우에 상기 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독할 수 있다.
상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서의 각각은 신호를 송수신하는 센서안테나; 상기 센서안테나를 통해 수신된 구동신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT(inter-digital transducer); 및 상기 IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 반사파를 생성하여 상기 센서안테나로 방출하는 반사판을 포함하고, 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서 각각의 공진주파수는 상기 각 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도에 따라 변화되고, 상기 반사파는 상기 리더기에 의해 송신된 구동신호의 주파수가 상기 각 SAW 온도센서의 공진주파수와 동일한 경우 생성되며, 상기 각 SAW 온도센서의 반사판에 의해 생성된 반사파는 상기 각 SAW 온도센서로부터의 반사신호로서 상기 각 SAW 온도센서의 센서안테나를 통해 송신될 수 있다.
상기 제1 지점의 온도에 따라 변화되는 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역은 상기 제2 SAW 온도센서의 공진주파수 대역과 상이하며, 서로 겹치지 않을 수 있다.
상기 리더기는 상기 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 의사랜덤데이터 생성부; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내의 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 상기 구동신호를 생성하고, 상기 생성된 구동신호를 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서로 송신하는 구동신호 송신부; 상기 구동신호의 송신 후에 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 반사신호 수신부; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 상기 반사신호 수신부에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호 송신부에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 상관관계 분석부; 및 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독하는 온도 판독부를 포함할 수 있다.
상기 반사신호 수신부에 의해 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정하는 데이터 처리부를 더 포함하고, 상기 데이터 처리부는 상기 구동신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되지 않으면 상기 반송파의 주파수를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내에서 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 구동신호 송신부를 제어할 수 있다.
상기 데이터 처리부는 상기 구동신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되면 상기 반송파의 주파수를 상기 제2 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내에서 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 구동신호 송신부를 제어할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산에 의해 생성되는 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열 또는 상기 반사데이터의 이진수열을 로테이트하며 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산을 수행함으로써 상기 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고, 상기 각 결과 데이터 세트는 상기 각 로테이트에 대응하여 수행된 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타낼 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 ‘0’을 ‘-1’로 치환하고, 상기 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1 및 1의 값을 모두 합산하여 복수 개의 상관관계 값을 산출함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하면 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호를 상기 구동신호 송신부에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호로 결정할 수 있다.
상기 리더기는 상기 각 지점의 온도에 따라 변화되는 상기 각 SAW 온도센서의 공진주파수 값과 상기 각 SAW 온도센서의 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되는 데이터 저장부를 더 포함하고, 상기 온도 판독부는
상기 데이터 처리부에 의해 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 상기 구동신호 송신부가 송신한 구동신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수로 결정하고, 상기 결정된 제1 SAW 온도센서의 공진주파수에 대응하는 온도 값을 상기 데이터 저장부에 저장된 매핑테이블로부터 판독함으로써 상기 제1 SAW 온도센서가 설치된 제1 지점의 온도를 결정할 수 있다.
높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 구동신호를 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점에 설치된 하나 이상의 SAW 온도센서로 송신하고, 각 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 반사신호로부터 온도 측정지점의 온도를 판독함으로써 각 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 노이즈 환경에서도 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 높은 정확도로 측정할 수 있다.
이에 더해, 각 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증하고, SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증된 이후에 반사신호로부터 온도를 판독함으로써 보다 정확하게 수배전반 내부의 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 온도 측정 시스템이 구비된 수배전반의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 SAW 온도센서의 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 리더기의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 리더기의 의사랜덤데이터 생성부의 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 의사랜덤데이터 생성부의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터 및 구동신호 송신부에 의해 생성된 구동신호를 도시한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 리더기의 상관관계 분석부의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 상관관계 분석부에 의해 반사신호를 검증한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 온도에 따른 SAW 온도센서의 공진주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 저장부에 저장된 매핑테이블의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 SAW 온도센서를 이용한 고정확도의 온도 측정 시스템을 구비한 수배전반에 관한 것으로서, 간략하게 ‘수배전반’으로 호칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수배전반(100)의 구성도이다. 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 수배전반(100)은 하우징(110), 복수 개의 SAW 온도센서(120), 리더기(130)로 구성된다.
하우징(110)은 바닥판(110a), 측벽(110b), 및 상판(110c)으로 구성되어 내부에 수용공간을 형성하고, 본 발명의 실시예에 따른 수배전반(100)의 외형을 형성한다. 하우징(110) 내부의 수용공간에는 수배전반(100)의 개폐기(미도시), 차단기(미도시), 변성기(미도시), 변압기(미도시), 부스바(110d) 등의 설비들이 설치된다.
복수 개의 SAW 온도센서(120)는 하우징(110)의 벽면 또는 하우징(110) 내부에 설치된 설비들(예컨대, 부스바(110d))의 온도 측정이 필요한 지점에 각각 설치되고, 외부로부터 구동신호를 수신하는 것에 대응하여 설치된 지점의 온도 정보를 포함하는 반사신호를 송신한다. 본 발명의 일 실시예에서, 하나의 SAW 온도센서(120)가 하우징(110)의 내부에 설치되는 것도 물론 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 각 SAW 온도센서(120)의 구성도이다. 도 2를 참조하여 살펴보면, 각 SAW 온도센서(120)는 센서안테나(210), IDT(inter digital transducer)(220), 압전기판(230) 및 반사판(240)으로 구성된다.
센서안테나(210)는 리더기(130)로부터 구동신호를 무선 수신하고, 구동신호에 대응하여 발생된 반사신호를 무선 송신한다. IDT(220)는 센서안테나(210)를 통해 수신된 구동신호에 의해 표면탄성파를 발생시킨다. IDT(220)에 의해 발생된 표면탄성파는 압전기판(230)을 진동시키며 전파되고, 반사판(240)은 전파된 표면탄성파를 반사하여 반사파를 생성한다. 이렇게 생성된 반사파는 IDT(220)를 경유하여 센서안테나(210)를 통해 송신되며, 리더기(130)는 이러한 반사파의 신호를 해당 SAW 온도센서(120)로부터의 반사신호로서 수신한다. SAW 온도센서(120)의 각 구성요소 및 각 구성요소의 동작은 본 실시예가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 기술이므로 본 발명에 따른 실시예의 설명이 장황해지는 것을 방지하기 위해 보다 상세한 설명은 생략한다.
복수 개의 SAW 온도센서(120) 각각은 주변 온도에 따라 센서의 물성이 변화하여 공진주파수가 선형적으로 변화한다. 예컨대, 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 제1 SAW 온도센서는 20℃에서 421MHz의 공진주파수를 갖고, 120℃에서 420MHz의 공진주파수를 가질 수 있다. 이때, 복수 개의 SAW 온도센서(120) 각각의 온도에 따라 변화하는 공진주파수의 대역은 서로 상이하며 서로 겹치지 않는다. 예컨대, 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 제1 SAW 온도센서는 설치된 지점의 온도에 따라 420MHz 내지 421MHz 범위에서 공진주파수가 변화하고, 제2 SAW 온도센서는 설치된 지점의 온도에 따라 422MHz 내지 423MHz 범위에서 공진주파수가 변화하며, 제3 SAW 온도센서는 설치된 지점의 온도에 따라 424MHz 내지 425MHz 범위에서 공진주파수가 변화할 수 있다.
한편, 각 SAW 온도센서(120)가 송신하는 반사신호와 관련하여, 각 SAW 온도센서(120)로부터의 반사신호는 리더기(130)로부터 수신된 구동신호의 주파수가 각 SAW 온도센서(120)의 공진주파수와 동일한 경우에 신호가 증폭되어 생성된다.
다시 말하면, 리더기(130)는 송신한 모든 구동신호에 대응하여 모든 SAW 온도센서(120)로부터 반사신호를 수신하는 것이 아니라, 리더기(130)가 송신한 구동신호를 수신한 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 구동신호의 주파수와 동일한 공진주파수를 갖는 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터만 반사신호를 수신하게 된다. 예컨대, 리더기(130)가 422.001MHz의 주파수를 갖는 구동신호를 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신하면, 422MHz 내지 423MHz의 공진주파수를 갖는 제2 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하게 된다.
이러한 점을 이용하면, 리더기(130)가 복수 개의 SAW 온도센서(120)에 대응하는 복수 개의 공진주파수 대역 내에서 주파수를 스윕하여 변조된 구동신호를 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신한 후 어떤 주파수의 구동신호의 송신에 대응하여 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나로부터 반사신호가 수신되었는지를 검출하는 것에 의해 반사신호를 송신한 SAW 온도센서(120)를 특정할 수 있고, 특정된 SAW 온도센서(120)의 공진주파수를 결정할 수 있으며, 결정된 SAW 온도센서(120)의 공진주파수에 기초하여 특정된 SAW 온도센서(120)가 설치된 지점의 온도를 측정할 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 10을 참조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 구동신호를 송신하고, 복수 개의 온도센서(120) 중 어느 하나로부터 반사신호를 수신하여, 수신한 반사신호로부터 반사신호를 송신한 SAW 온도센서(120)가 설치된 지점의 온도를 판독하는 과정을 구동신호의 주파수를 스윕하며 반복함으로써 수배전반(100) 내부의 복수 개의 지점의 온도를 판독하는 리더기(130)에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 리더기(130)의 구성도이다. 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 리더기(130)는 의사랜덤데이터 생성부(310), 구동신호 송신부(320), 반사신호 수신부(330), 데이터 처리부(340), 상관관계 분석부(350), 온도 판독부(360) 및 데이터 저장부(370)로 구성된다.
본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 구성 요소들은 특정 기능을 제공하는 하드웨어로 구현될 수도 있고, 특정 기능을 제공하는 소프트웨어가 기록된 메모리, 프로세서, 버스 등의 조합으로 구현될 수도 있음을 이해할 수 있다. 상기된 각 구성 요소는 반드시 별개의 하드웨어로 구현되는 것은 아니며, 여러 개의 구성 요소가 공통 하드웨어, 예를 들어 프로세서, 메모리, 버스 등의 조합에 의해 구현될 수도 있다.
한편, 도 1에는 하우징(110)의 내부에 리더기(130)가 설치되는 모습이 도시되어 있으나, 사용자가 원한다면 리더기(130)를 하우징(110)의 외부에 설치하는 것도 가능하며, 이때 원활한 신호 송수신을 위해 리더기(130a)의 안테나는 하우징(110)의 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
의사랜덤데이터 생성부(310)는 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신되기 위한 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성한다. 본 발명의 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의한 의사랜덤데이터 생성은 미리 생성되어 데이터 저장부(370)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(310)는 쉬프트 레지스터(shift register)를 응용한 난수발생기(pseudo random number generator)로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(310)의 회로를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(310)는 n개의 플립플롭(flip-flop)(410), XOR 게이트(420), 클럭(미도시)으로 구성된다. n개의 플립플롭(410)으로 구성된 쉬프트 레지스터에 XOR 게이트(420)를 연결하여 구성됨으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 이때, 쉬프트 레지스터를 구성하는 플립플롭(410)의 개수는 필요에 따라 설정될 수 있다. n개의 플립플롭(410)으로 구성된 의사랜덤데이터 생성부(310)는 최대 2n-1 비트의 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(310)는 13개의 플립플롭(410)으로 구성되어 2047 비트의 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 그러나 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자라면 의사랜덤데이터 생성부(310)를 구성하는 플립플롭(410)의 수 및 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성되는 의사랜덤데이터의 비트 수를 사용환경 및 조건에 맞도록 적절하게 설정할 수 있음이 자명하다.
한편, 의사랜덤데이터의 비트가 길어질수록 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 신호가 노이즈에 강하여 반사신호의 검증이 유리한 장점이 있으나, 신호의 전송시간이 오래 걸려 신속한 온도 측정이 저해되고, 의사랜덤데이터의 비트가 짧아질수록 신속한 온도 측정이 가능해지나 적은 노이즈에도 반사신호의 검증이 어려울 수 있으므로 의사랜덤데이터 생성부(310)는 신호전송 환경에 따라 의사랜덤데이터 생성에 이용되는 플립플롭(410)의 수를 조절하여 생성되는 의사랜덤데이터의 비트 수를 조절하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(310)의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5는 13개의 플립플롭(410)을 이용하여 2047 비트의 의사랜덤데이터를 생성하도록 구현된 의사랜덤데이터 생성부(310)의 동작을 예시로서 도시한다. 도 5에서 각 사각형은 의사랜덤데이터 생성부(310)를 구성하는 각 플립플롭(410)을 나타내며, 각 사각형 안에 기재된 숫자(0 또는 1)는 각 플립플롭(410)에 저장되어 있는 데이터를 나타낸다. 각 플립플롭(410)에 의사랜덤데이터 생성을 위한 클럭 펄스가 인가되면 각 플립플롭(410)에 저장된 데이터는 좌측방향의 다음 플립플롭(410)으로 쉬프트된다. 이때, 12번 플립플롭(410a) 및 13번 플립플롭(410b)에 저장되어 있던 데이터가 XOR 게이트에 입력되어 XOR 연산이 수행되어 XOR 연산 결과 값이 새롭게 1번 플립플롭(410c)에 저장되고, 3번 플립플롭(410d)에 저장되는 데이터는 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장된다.
도 5a는 의사랜덤데이터 생성부(310)의 일 시점의 데이터 저장 상태를 도시한 도면이다. 맨 우측의 1번 플립플롭(410c)에는 1이 데이터로 저장되어 있고, 이후 2번부터 13번까지의 플립플롭에는 0이 데이터로 저장되어 있다. 또한, 3번 플립플롭(410d)에 저장된 데이터 0이 의사랜덤데이터의 비트값으로 저장되었다. 도 5a의 시점에서 한 번의 클럭 펄스가 인가된 후의 상태를 도시한 도 5b를 참조하면, 클럭 펄스 인가 직전의 1번 플립플롭(410c) 내지 12번 플립플롭(410a)에 저장된 데이터들이 좌측으로 쉬프트되어 2번 플립플롭 내지 13번 플립플롭(410b)에 저장된 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 5a에서 13번 플립플롭(410b)에 저장되어 있던 데이터 값 ‘0’은 제거되었으며, 도 5a에서 12번 플립플롭(410a) 및 13번 플립플롭(410b)에 저장되어 있던 데이터 값의 XOR 연산의 결과값인 ‘0’이 1번 플립플롭에 저장되었다. 또한, 3번 플립플롭(410d)에 저장된 데이터 0이 클럭 펄스 인가 직전에 비트 값이 저장된 의사랜덤데이터 비트의 다음 비트에 저장되었다. 이렇게 데이터가 쉬프트되며 XOR 연산을 수행하면서 의사랜덤데이터의 길이는 길어지게 된다.
이렇게 데이터 쉬프트를 반복하면서 XOR 연산을 수행하고, 3번 플립플롭(410d)에 저장된 값을 의사랜덤데이터의 비트값으로 저장하는 과정을 반복하다보면 생성된 의사랜덤데이터가 주기성을 갖게 되는데, 이때 의사랜덤데이터의 주기가 2047비트이고, 따라서 의사랜덤데이터 생성부(310)는 2047 비트의 주기를 갖는 의사랜덤데이터를 생성하게 된다.
본 예시에서는 12번 플립플롭(410a) 및 13번 플립플롭(410b)에 저장된 데이터가 XOR 연산되고, 3번 플립플롭(410d)에 저장된 데이터가 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장되는 구성을 개시하고 있으나, 통상에 기술자에게 있어서 XOR 연산이 수행되는 데이터가 저장되는 플립플롭 및 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장되는 데이터가 저장되는 플립플롭은 임의로 선정될 수 있음이 자명할 것이다.
위와 같은 방식으로 의사랜덤데이터 생성부(310)는 m 비트의 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 의사랜덤데이터는 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 가지고 있어 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(330)에 의해 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계를 분석하기에 매우 유리하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(310)는 미리 생성되어 데이터 저장부(370)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 데이터 저장부(370)에는 하나 이상의 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터가 저장될 수 있으며, 각 의사랜덤데이터의 비트 수는 상이할 수 있다. 의사랜덤데이터 생성부(310)는 온도 판독이 요청되면 데이터 저장부(370)에 저장된 하나 이상의 의사랜덤데이터 중 신호송수신 환경에 따라 적절한 비트 수를 갖는 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(310)는 일반적인 경우 쉬프트 레지스터를 이용한 난수발생기를 이용하여 의사랜덤데이터를 생성하고, 신호송수신환경에 변화가 생기거나, 높은 온도판독 정밀도가 요구되는 등 예외적인 상황에서는 미리 생성되어 데이터 저장부(370)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성하는 것도 가능하다.
구동신호 송신부(320)는 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 아날로그 형식의 구동신호를 생성하고, 생성된 구동신호를 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 전송한다.
본 발명의 실시예에서 구동신호 송신부(320)는 PSK(phase shift keying) 방식을 이용하여 의사랜덤데이터를 변조할 수 있다. 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 도시하는 도 6a 및 구동신호 송신부(320)에 의해 의사랜덤데이터가 변조되어 생성된 구동신호를 도시하는 도 6b를 참조하여 살펴보면, 의사랜덤데이터는 0 또는 1의 값을 가지는 디지털 데이터이고, 구동신호 송신부(320)에 의해 의사랜덤데이터가 변조되어 생성된 구동신호는 아날로그 파형 신호임을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 구동신호 송신부(320)는 반송파의 주파수를 스윕(sweep)하여 의사랜덤데이터를 변조하여 구동신호를 생성하고 SAW 온도센서(120)로 송신한다. 이때 구동신호 송신부(320)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 범위는 구동신호를 수신하는 복수 개의 SAW 온도센서(120)가 측정할 수 있는 온도범위에 대응하는 공진주파수 대역을 모두 포함하도록 설정될 수 있다.
예컨대, 세 개의 SAW 온도센서(120)가 수배전반(100)의 하우징(110) 내에 설치되고, 제1 SAW 온도센서의 온도에 따른 제1 공진주파수 대역이 420MHz 내지 421MHz, 제2 SAW 온도센서의 온도에 따른 제2 공진주파수 대역이 422MHz 내지 423MHz, 제3 SAW 온도센서의 온도에 따른 제3 공진주파수 대역이 424MHz 내지 425MHz라면, 구동신호 송신부(320)는 420MHz 내지 421MHz, 422MHz 내지 423MHz, 424MHz 내지 425MHz 범위 내에서 주파수를 스윕하며 의사랜덤데이터를 변조한 후 안테나(130a)를 통해 세 개의 SAW 온도센서(120)로 송신할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 하우징(110) 내에 15개의 SAW 온도센서(120)가 설치된 경우의 각 SAW 온도센서(120)의 공진주파수 대역을 예시로 도시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 구동신호 송신부(320)는 15개의 SAW 온도센서(120)에 대해 최저 420MHz부터 최고 450MHz까지 15개의 공진주파수 대역 내에서 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조한 후 15개의 SAW 온도센서(120)로 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 구동신호 송신부(320)는 복수 개의 SAW 온도센서(120)에 대응하는 복수 개의 공진주파수 대역 중 일부의 공진주파수 대역 내에서만 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조하여 송신하는 것도 가능하다. 이 경우, 선택된 일부의 공진주파수 대역에 대응하는 SAW 온도센서(120)에 대해서만 온도 판독이 수행된다.
한편, 구동신호 송신부(320)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격은 본 발명의 실시예에 따른 리더기(130)에 요구되는 온도 측정 정밀도에 따라 설정될 수 있다. 구동신호 송신부(320)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 작으면 신호 송수신 및 신호 처리에 많은 시간이 소요되지만 보다 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 반면, 구동신호 송신부(320)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 크면 신호 송수신 및 신호 처리의 횟수가 줄어들어 빠르게 온도를 측정할 수 있으나, 온도 측정 결과 값의 신뢰도는 낮아진다. 따라서, 온도 측정 목적이나 측정 환경 등을 고려하여 주파수 스윕 간격을 설정해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 구동신호 송신부(320)는 1kHz 간격으로 반송파의 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조함으로써 구동신호를 생성하고, 생성된 구동신호를 안테나(130a)를 통해 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신할 수 있다. 예컨대, 구동신호 송신부(320)는 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 m 비트의 의사랜덤데이터를 420MHz의 반송파로 변조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신한 이후 다시 m 비트의 의사랜덤데이터를 420.001MHz의 반송파로 변조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신할 수 있다.
반사신호 수신부(330)는 구동신호 송신부(320)의 구동신호 송신 후에 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터 아날로그 형태의 반사신호를 수신하여 디지털 형태의 데이터로 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성한다.
본 발명의 실시예에서 반사신호 수신부(330)는 안테나(130a)를 통해 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하고, 수신된 반사신호를 PSK 방식을 이용하여 복조할 수 있다.
데이터 처리부(340)는 반사신호 수신부(330)에 의해 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정한다. 데이터 처리부(340)는 구동신호 송신부(320)에 의해 구동신호가 송신된 후 미리 설정된 시간 기간 동안 반사신호 수신부(330)에 의해 반사신호가 수신되는지 확인한다.
데이터 처리부(340)는 반사신호의 수신확인 결과에 따라 의사랜덤데이터를 변조하는 반송파의 주파수가 스윕되는 주파수 대역을 설정하고, 설정된 주파수 대역 내의 주파수를 이용하여 의사랜덤데이터가 변조되도록 구동신호 송신부(320)를 제어한다.
예를 들면, 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 제1 SAW 온도센서의 온도에 따른 제1 공진주파수 대역이 420MHz 내지 421MHz, 제2 SAW 온도센서의 온도에 따른 제2 공진주파수 대역이 422MHz 내지 423MHz, 제3 SAW 온도센서의 온도에 따른 제3 공진주파수 대역이 424MHz 내지 425MHz이고, 구동신호 송신부(320)에 의해 제1 공진주파수 대역에 포함되는 420.001MHz의 주파수를 갖는 반송파로 변조된 구동신호가 송신되었다고 가정한다.
구동신호의 송신 이후 미리 결정된 시간 기간 동안 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나(즉, 제1 SAW 온도센서)로부터 반사신호가 수신되지 않았다면, 데이터 처리부(340)는 제1 공진주파수 대역 내에서 주파수를 스윕하여, 예컨대, 420.002MHz의 주파수를 갖는 반송파로 의사랜덤데이터를 변조한 후 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 재송신하도록 구동신호 송신부(320)를 제어한다.
이는 제1 SAW 온도센서의 온도에 따른 공진주파수를 결정하기 위한 것이며, 이와 같이 제1 SAW 온도센서의 제1 공진주파수 대역 내에서 주파수를 스윕하며 의사랜덤데이터를 변조하여 송신하는 과정을 반복함에 따라 제1 SAW 온도센서의 공진주파수를 결정하고, 이로부터 제1 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도를 판독할 수 있다.
한편, 구동신호의 송신 이후 미리 결정된 시간 기간 동안 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나(즉, 제1 SAW 온도센서)로부터 반사신호가 수신되었다면, 데이터 처리부(340)는 제1 공진주파수 대역을 제외한 다른 공진주파수 대역, 예컨대, 제2 공진주파수 대역 내에서 주파수를 스윕하여, 예컨대, 422.001MHz의 주파수를 갖는 반송파로 의사랜덤데이터를 변조한 후 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 재송신하도록 구동신호 송신부(320)를 제어한다.
이는, 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신함에 의해 제1 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도가 결정되었는 바, 제2 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도를 결정하기 위함이다. 이와 같이 데이터 처리부(340)는 의사랜덤데이터를 변조하는 주파수 대역을 변경하여 의사랜덤데이터를 변조하고 송신하는 과정을 반복하도록 구동신호 송신부(320)를 제어함으로써 반사신호 수신부(330)가 복수 개의 SAW 온도센서(120)의 모두로부터 순차적으로 반사신호를 획득할 수 있고, 이로부터 하우징(110) 내의 모든 온도 측정 지점의 온도를 결정할 수 있다.
상관관계 분석부(350)는 반사신호 수신부(330)에 의해 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다.
보다 구체적으로, 상관관계 분석부(350)는 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(330)에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상관관계 분석 결과에 따라 복수 개의 SAW 온도센서(120)중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다.
상관관계 분석부(350)는 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터의 이진수열과 반사신호 수신부(330)에 의해 복조된 반사데이터의 이진수열을 비트별로 XNOR 연산하여 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고, 생성된 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 분석한다.
이때, 상관관계 분석부(350)는 반사데이터의 이진수열 또는 의사랜덤데이터의 이진수열 중 하나를 로테이트(rotate) 하며 XNOR 연산을 수행함으로써 복수 개의 결과 데이터 세트를 형성한다. 각 결과 데이터 세트는 각 로테이트에 대응하여 수행된 의사랜덤데이터의 이진수열과 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상관관계 분석부(350)의 결과 데이터 세트 생성을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 7은 m비트의 반사데이터가 로테이트 되며 m비트의 의사랜덤데이터와 XNOR 연산이 수행되는 모습을 도시한다. 도 7을 참조하여 살펴보면, 의사랜덤데이터의 비트 각각의 데이터는 반사데이터의 대응하는 비트 각각의 데이터와 XNOR 연산된다(도 7a). 이러한 한 번의 XNOR 연산에 의해 m 비트의 0 또는 1로 구성된 결과 데이터 세트가 하나 생성된다.
이후, 상관관계 분석부(350)에 클럭 펄스가 인가되면 반사데이터의 비트 값은 1비트씩 로테이트되어 클럭 펄스 인가 전 첫 번째 비트 값인 1이 두 번째 비트값이 되고, m번째 비트 값인 0이 첫 번째 비트값이 된다(도 7b). 이렇게 반사데이터의 비트값이 1비트씩 로테이트 되면, 또 다시 m비트의 의사랜덤데이터의 비트 각각의 데이터와 반사데이터의 대응하는 비트 각각의 데이터의 XNOR 연산이 수행된다.
이러한 반사데이터와 의사랜덤데이터의 XNOR 연산은 반사데이터가 로테이트에 의해 최초의 데이터로 돌아올 때까지 계속되고, 따라서, 최초 XNOR 연산 이후 m-1번의 로테이트에 의해 m 비트의 이진수열로 구성된 결과 데이터 세트가 m개 생성된다.
이후, 상관관계 분석부(350)는 각 결과 데이터세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다.
보다 구체적으로, 상관관계 분석부(350)는 생성된 m개의 결과 데이터 세트 각각의 상관관계 값을 산출함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다. 본 발명이 실시예에 따른 상관관계 분석부(350)는 각 결과 데이터 세트를 구성하는 m 비트의 이진수열을 구성하는 0의 값을 -1로 치환하고, 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1과 1의 값을 모두 합산함으로써 각 결과 데이터 세트의 상관관계 값을 산출할 수 있다.
예컨대, m 비트의 0과 1로 구성된 어느 하나의 결과 데이터 세트에서 k개의 비트의 값이 0이고, m-k개의 비트의 값이 1인 경우, 이 결과 데이터 세트의 상관관계 값은 -k+(m-k)가 된다. 이렇게 m개의 결과 데이터 세트 각각에 대해 상관관계 값을 산출하면, 총 m개의 상관관계 값이 산출된다.
상관관계 분석부(350)에 의한 상관관계 값 산출 과정의 이해를 돕기 위해, 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 1011100의 7비트 의사랜덤데이터가 생성되고, 반사신호 수신부(330)에 의해 복조된 반사데이터가 1011100의 7비트 데이터라고 가정한다.
첫 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1011100)에 의해 1111111의 결과 데이터 세트가 생성되고, 생성된 결과 데이트 세트의 상관관계 값은 7(1+1+1+1+1+1+1)가 된다. 상관관계 분석부(350)에 클럭펄스가 인가되면 반사데이터가 로테이트되어 0111001이 되고, 두 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0111001)에 의해 0011010의 결과 데이터 세트가 생성되며, 상관관계 값은 -1(-1-1+1+1-1+1-1)이 된다. 이와 같은 방식으로, 연산을 수행하면 세 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1110010)의 상관관계 값은 -1, 네 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1100101)의 상관관계 값은 -1, 다섯 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1001011)의 상관관계 값은 -1, 여섯 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0010111)의 상관관계 값은 -1, 그리고 마지막 일곱 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0101110)의 상관관계 값은 -1이 된다.
이로부터, 송신된 구동신호와 반사되어 수신된 반사신호가 동일한 경우(즉, 의사랜덤데이터와 반사데이터가 동일한 경우)에는 의사랜덤데이터 및 반사데이터의 비트 수와 동일한 값이 상관관계 값 중 가장 큰 최대값으로 산출되고, 최대값을 제외한 나머지는 -1 또는 1의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 상관관계 분석부(350)는 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 반사신호 수신부(330)에 의해 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다.
한편, 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 반사신호 수신부(330)로 수신되는 과정에서 노이즈 등으로 인해 제대로 취득이 되지 않는 경우, 구동신호 송신부(320)로부터의 구동신호에 대응하여 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터 반사신호가 생성된 경우에도 반사신호 수신부(330)에 의해 복조된 반사데이터가 의사랜덤데이터와 상이한 이진수열로 구성된 데이터를 가질 수 있다.
예컨대, 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 1011100의 7비트 의사랜덤데이터가 변조되어 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신되고, 이에 대응하여 생성된 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터의 반사신호가 반사신호 수신부(330)로 수신되고 복조되는 과정에서 노이즈에 의해 두 번째 및 일곱 번째 비트 값이 변경된 1111101의 7비트 데이터로 취득될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 상관관계 분석부(350)에 의해 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계 값을 산출해보면, 3, -1, -1, -1, -1, -1, 3의 상관관계 값이 산출된다.
이와 같이, 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터는 PRBS 데이터의 높은 자기상관특성 및 낮은 상호상관특성으로 인해 의사랜덤데이터에 대응하여 동일한 데이터값을 갖는 반사데이터와의 XNOR 연산뿐 아니라, 의사랜덤데이터에 대응하여 생성되었지만 그 비트의 값이 일부 변경된 반사데이터와의 XNOR 연산에서 또한 다른 값들과 비교하여 값이 큰 하나 이상의 상관관계 값들을 획득할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상관관계 분석부(350)는 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터 수신된 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계 값들 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하는 경우에는 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터의 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 것으로 결정하고, 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계 값들 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나도 존재하지 않는 경우에는 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터의 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
도 8은 다양한 실시예에서의 상관관계 분석부(350)에 의해 결정된 상관관계 값들을 나타내는 도면이다. 도 8은 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 반사신호 수신부(330)에 의해 수신된 2047 비트의 반사데이터의 상관관계 값들을 산출하여 나타낸다. 도 8a는 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 수신된 2047 비트의 반사데이터의 비트의 값이 모두 동일한, 즉 어떠한 데이터의 손실 없이 반사 신호가 수신된 경우, 도 8b는 2047 비트 중 1362비트의 데이터가 동일한 경우, 도 8c는 2047 비트 중 336개의 데이터가 동일한 경우, 그리고 도 8d는 2047 비트 중 0개의 데이터가 동일할 경우의 복수 개의 상관관계 값을 도시한다.
도 8a를 참조하면, 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 수신된 2047 비트의 반사데이터의 비트 값이 모두 동일한 경우에는 상관관계 값 중 최대 값이 의사랜덤데이터 및 반사데이터의 비트의 수와 같은 2047을 나타내는 것을 알 수 있다. 이 경우 상관관계 분석부(350)는 반사신호 수신부(330)에 의해 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 2047 비트 중 1362비트의 비트값이 동일한 경우에도 값이 500이 넘는 최대값이 복수 개의 상관관계 값들 중에서 네 번 검출됨을 알 수 있다. 이 경우 미리 설정된 임계값이 500인 경우 상관관계 분석부(350)는 수신된 반사신호가 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다. 그러나, 보다 정밀한 온도 측정을 위해 미리 설정된 임계값이 1000인 경우, 상관관계 분석부(350)는 반사신호 수신부(330)에 의해 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
도 8c 및 도 8d는 상관관계 값 세트에서 양의 최대값을 갖지 않으므로, 상관관계 분석부(350)는 반사신호 수신부(330)에 의해 수신된 반사신호가 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
이와 같이, 상관관계 분석부(350)가 의사랜덤데이터 생성부(310)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(330)에 의해 수신되어 복조된 반사데이터의 상관관계 값을 XNOR 연산을 통해 산출하고, 산출된 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 하나 이상의 상관관계 값을 갖는지를 확인하는 것을 통해 반사신호 수신부(330)에 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)로부터 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임을 검증함에 따라 노이즈 등의 환경의 장애에 의해 신호의 수신이 양호하지 않는 상황에서도 반사신호 수신부(330)에 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)로부터 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 것임을 보다 정확하게 판단할 수 있고, 이는 온도 측정 결과값의 신뢰도를 상승시킨다.
온도 판독부(360)는 상관관계 분석부(350)에 의해 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 것임이 결정되면, 수신된 반사신호로부터 어느 하나의 SAW 온도센서(120)에 의해 감지된 온도를 판독한다.
데이터 저장부(370)에는 복수 개의 SAW 온도센서(120)의 각각의 SAW 온도센서의 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되어 있다. 도 9는 SAW 온도센서(120)의 온도에 따른 SAW 온도센서(120)의 공진주파수 값을 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 매핑테이블을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, SAW 온도센서(120)에 의해 측정된 측정대상의 온도가 높을수록 SAW 온도센서(120)의 공진주파수는 선형적으로 작아진다.
온도 판독부(360)는 상관관계 분석부(350)에 의해 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 구동신호 송신부(320)에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 것임이 검증되면, 수신된 반사신호에 대응하는 송신된 구동신호의 주파수를 반사신호를 송신한 SAW 온도센서(120)의 공진주파수로 결정할 수 있다. 다시 말해, 온도 판독부(360)는 데이터 처리부(340)에 의해 어느 하나의 SAW 온도센서(120)로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 구동신호 송신부(320)가 송신한 구동신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 반사신호를 송신한 어느 하나의 SAW 온도센서(120)의 공진주파수로 결정할 수 있다.
예컨대, 온도 판독부(360)는 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 제1 SAW 온도센서의 제1 공진주파수 대역이 420MHz 내지 421MHz이고, 구동신호 송신부(320)가 의사랜덤데이터를 420.001MHz의 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신한 후 어느 하나의 SAW 온도센서(즉, 제1 SAW 온도센서)로부터 반사신호가 수신되지 않았고, 의사랜덤데이터를 제1 공진주파수 대역 내의 420.005MHz의 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신한 후 어느 하나의 온도센서(즉, 제1 SAW 온도센서)로부터 반사신호가 수신되었다면, 온도 판독부(360)는 제1 SAW 온도센서의 공진주파수를 420.005MHz로 결정할 수 있다.
온도 판독부(360)는 반사신호를 송신한 어느 하나의 SAW 온도센서(120)의 공진주파수가 결정되면, 어느 하나의 SAW 온도센서(120)의 공진주파수에 대응되는 온도 값을 데이터 저장부(370)에 저장된 각 SAW 온도센서(120)가 설치된 지점의 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블로부터 판독함으로써 반사신호를 송신한 어느 하나의 SAW 온도센서(120)가 감지한 온도를 결정할 수 있다.
도 10을 참조하여 살펴보면, 온도 판독부(360)는 구동신호 송신부(320)가 의사랜덤데이터를 424.002MHz의 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 복수 개의 SAW 온도센서(120)로 송신한 후 어느 하나의 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었다면, 해당 반사신호가 복수 개의 SAW 온도센서(120) 중 제3 SAW 온도센서로부터 송신된 것이고, 제3 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도가 119.8℃ 임을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수배전반에 따르면 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 구동신호를 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점에 설치된 복수 개의 SAW 온도센서로 송신하고, 각 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 반사신호로부터 온도 측정지점의 온도를 판독함으로써 각 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 노이즈 환경에서도 수배전반 내 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 높은 정확도로 측정할 수 있다.
이에 더해, 각 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증하고, SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증된 이후에 반사신호로부터 온도를 판독함으로써 보다 정확하게 수배전반 내부의 하나 이상의 온도 측정지점의 온도를 측정할 수 있다.
이렇게 온도 판독부(360)에 의해 결정된 하우징(110) 내부의 복수 개의 지점의 온도는 하우징(110)에 구비된 디스플레이(미도시), 사용자의 컴퓨터의 모니터 등을 통해 표시될 수 있고, 사용자는 이를 통해 수배전반 내부의 중요 지점들의 온도를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로해석되어야 할 것이다.
100: 수배전반
110: 하우징
120: SAW 온도센서
130: 리더기
310: 의사랜덤데이터 생성부
320: 구동신호 송신부
330: 반사신호 수신부
340: 데이터 처리부
350: 상관관계 분석부
360: 온도 판독부
370: 데이터 저장부

Claims (15)

  1. 내부에 수용공간을 형성하는 하우징;
    상기 하우징 내부의 제1 지점에 설치되고, 외부로부터 구동신호를 수신하는 것에 대응하여 상기 제1 지점의 온도 정보를 포함하는 반사신호를 송신하는 제1 SAW 온도센서; 및
    상기 제1 SAW 온도센서에 상기 구동신호를 생성하여 송신하고, 상기 제1 SAW 온도센서로부터 송신되는 반사신호를 수신하여 상기 수신된 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독하는 리더기를 포함하고,
    상기 리더기는
    의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 의사랜덤데이터 생성부;
    상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내의 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 상기 구동신호를 생성하고, 상기 생성된 구동신호를 상기 제1 SAW 온도센서로 송신하는 구동신호 송신부;
    상기 구동신호의 송신 후에 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 반사신호 수신부;
    상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 상기 반사신호 수신부에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호 송신부에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 상관관계 분석부; 및
    상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독하는 온도 판독부를 포함하고,
    상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산에 의해 생성되는 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 내부의 제2 지점에 설치되고, 상기 구동신호를 수신하는 것에 대응하여 상기 제2 지점의 온도 정보를 포함하는 반사신호를 송신하는 제2 SAW 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 리더기는 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 리더기에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하고, 검증 결과 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 구동신호에 대응하여 반사된 신호인 경우에 상기 반사신호로부터 상기 제1 지점의 온도 정보를 판독하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서의 각각은
    신호를 송수신하는 센서안테나;
    상기 센서안테나를 통해 수신된 구동신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT(inter-digital transducer); 및
    상기 IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 반사파를 생성하여 상기 센서안테나로 방출하는 반사판을 포함하고,
    상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서 각각의 공진주파수는 상기 각 SAW 온도센서가 설치된 지점의 온도에 따라 변화되고,
    상기 반사파는 상기 리더기에 의해 송신된 구동신호의 주파수가 상기 각 SAW 온도센서의 공진주파수와 동일한 경우 생성되며, 상기 각 SAW 온도센서의 반사판에 의해 생성된 반사파는 상기 각 SAW 온도센서로부터의 반사신호로서 상기 각 SAW 온도센서의 센서안테나를 통해 송신되는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 지점의 온도에 따라 변화되는 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역은 상기 제2 SAW 온도센서의 공진주파수 대역과 상이하며, 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사신호 수신부에 의해 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정하는 데이터 처리부를 더 포함하고,
    상기 데이터 처리부는 상기 구동신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되지 않으면 상기 반송파의 주파수를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내에서 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 구동신호 송신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 상기 구동신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되면 상기 반송파의 주파수를 상기 제2 SAW 온도센서의 공진주파수 대역 내에서 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 제1 SAW 온도센서 및 상기 제2 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 구동신호 송신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열 또는 상기 반사데이터의 이진수열을 로테이트하며 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산을 수행함으로써 상기 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고,
    상기 각 결과 데이터 세트는 상기 각 로테이트에 대응하여 수행된 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타내는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 ‘0’을 ‘-1’로 치환하고, 상기 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1 및 1의 값을 모두 합산하여 복수 개의 상관관계 값을 산출함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하면 상기 제1 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호를 상기 구동신호 송신부에 의해 송신된 구동신호에 대응하여 반사된 신호로 결정하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 리더기는 상기 각 설치된 지점의 온도에 따라 변화되는 상기 각 SAW 온도센서의 공진주파수 값과 상기 각 SAW 온도센서의 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되는 데이터 저장부를 더 포함하고,
    상기 온도 판독부는
    상기 데이터 처리부에 의해 상기 제1 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 상기 구동신호 송신부가 송신한 구동신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 상기 제1 SAW 온도센서의 공진주파수로 결정하고,
    상기 결정된 제1 SAW 온도센서의 공진주파수에 대응하는 온도 값을 상기 데이터 저장부에 저장된 매핑테이블로부터 판독함으로써 상기 제1 SAW 온도센서가 설치된 제1 지점의 온도를 결정하는 것을 특징으로 하는 수배전반.
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