KR102462081B1 - Temperature monitoring system for electrical equipment using temperature sensor of fiber optic probe type - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a temperature degradation monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of a fiber optic probe type and, more specifically, to a temperature degradation monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of a fiber optic probe type which has a probe on an end of optical fiber to include a temperature-sensitive layer in which the characteristic curve of light changes in accordance with a temperature change to detect and monitor the internal temperature of electric equipment without the effect of vibration or fluid (insulating oil, insulating gas, etc.). To achieve the objective, according to the present invention, the temperature degradation monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of a fiber optic probe type comprises: a degradation detection device detecting electric equipment and the internal temperature of the electric equipment; and a monitoring device monitoring based on the temperature detected by the degradation detection device. The degradation detection device includes: an optical fiber temperature sensor part including optical fiber having a core and a clad layer enclosing the core, and a probe provided on an end of the optical fiber; a light source part outputting an optical signal; an optical circulator receiving the optical signal outputted by the light source part through a first port to allow the optical signal to enter the optical fiber temperature sensor part through a second port, and receiving the optical signal reflected from the optical fiber temperature sensor part through the second port to output the optical signal to a third port; a light detection part receiving the optical signal outputted by the optical circulator to detect a reflection optical signal; and a temperature detection part detecting temperature based on the reflection optical signal detected by the light detection part.

Description

광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템{TEMPERATURE MONITORING SYSTEM FOR ELECTRICAL EQUIPMENT USING TEMPERATURE SENSOR OF FIBER OPTIC PROBE TYPE}TEMPERATURE MONITORING SYSTEM FOR ELECTRICAL EQUIPMENT USING TEMPERATURE SENSOR OF FIBER OPTIC PROBE TYPE

본 발명은 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 끝단에 프로브를 구성하여 온도 변화에 따라 광의 특성곡선이 변화하는 온도 감응층을 포함함으로써, 진동 또는 유체(절연유, 절연 가스 등)의 영향없이 전기설비 내부 온도를 검출하여 모니터링할 수 있는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature deterioration monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of a fiber optic probe type, and more particularly, by including a temperature sensitive layer in which a characteristic curve of light changes according to a temperature change by configuring a probe at the end of an optical fiber. , It relates to a temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe type that can detect and monitor the internal temperature of electrical equipment without the influence of vibrations or fluids (insulating oil, insulating gas, etc.).

분전반, MCC, 변압기, 개폐기 및 차단기와 같은 전기설비는 주로 학교나 빌딩, 아파트단지, 공장 등과 같은 집단 전력수요처에 설치되어 변전소로부터 공급되는 고압 전력을 저전압의 상용전압으로 변전하여 해당 설비에 공급한다.Electrical equipment such as distribution boards, MCCs, transformers, switchgears and circuit breakers are mainly installed in schools, buildings, apartment complexes, factories, etc., where collective power demand is established. .

이러한 전기설비를 비롯한 전기설비 내부의 변압기, 개폐기, 차단기, MOF 등이 열화되거나 과부하 상태 등이 발생하게 되면, 전기설비 내부의 온도가 상승하게 되고, 이러한 온도 상승이 정해진 임계치를 초과할 경우에는 전기화재가 발생하거나 내부 전기 장치들이 파손되고, 이로 인해 인명 피해가 발생하기도 한다When the transformer, switchgear, circuit breaker, MOF, etc. inside the electrical equipment including these electrical equipment deteriorate or an overload condition occurs, the temperature inside the electric equipment rises. Fires or internal electrical devices are damaged, resulting in personal injury.

이에, 배전반 등의 전력설비 내부 온도를 측정하여 이상 여부를 판단하기 위한 다양한 기술이 개발되었다.Accordingly, various technologies have been developed for measuring the internal temperature of power equipment such as a switchboard and determining whether there is an abnormality.

광섬유를 이용한 배전반 내부의 온도를 검출하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1519929호에 광섬유 온도센서를 구비한 수배전반의 지능형 열화 진단 시스템 및 그 방법이 개시되었다.As a technology for detecting the temperature inside a switchboard using an optical fiber, an intelligent deterioration diagnosis system for a switchboard having an optical fiber temperature sensor and a method thereof are disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1519929.

상기 기술에서 광섬유 센서는 일정한 거리를 두고 있는 두 개의 캐비티(cavity) 면으로 구성되어 광의 간섭현상을 통해 입사광과 반사광과의 위상차와 광경로의 차를 추출하는 광섬유 간섭계를 이용하여, 추출된 위상차 및 광경로의 차로부터 온도 변화를 감지하도록 구성된 것이나, 일정한 거리마다 2개의 캐비티를 형성하기가 어렵고, 형성된 캐비티를 통해 입사광 또는 반사광의 손실되어 온도 검출시 오류가 발생될 수 있다.In the above technology, the optical fiber sensor is composed of two cavity surfaces spaced apart from each other and uses an optical fiber interferometer that extracts the phase difference between incident light and reflected light and the difference in optical path through light interference, the extracted phase difference and Although it is configured to detect a temperature change from a difference in optical paths, it is difficult to form two cavities at regular distances, and incident light or reflected light is lost through the formed cavities, which may cause an error in temperature detection.

또한, 등록특허공보 제10-1542538호에는 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템이 개시되었다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-1542538 discloses an arc monitoring system of a switchboard having a fiber optic loop sensor.

상기 기술은 광섬유 케이블의 측면 상에 격자형태로 스크래치 패턴이 형성되고 밴드패스 필터로 구성되는 다수의 광입사부가 구성되는 광섬유 루프센서가 구성되는데, 이러한 광섬유 루프센서의 스크래치 패턴이 일률적으로 고르게 형성시킬 수 없어 온도 검출에 오류가 발생될 수 있다.In the above technology, a scratch pattern is formed on the side of the optical fiber cable in a grid shape and a fiber optic loop sensor is configured with a plurality of light incident parts composed of a band pass filter. Otherwise, an error may occur in the temperature detection.

또한, 광섬유를 이용한 온도센서의 경우, 온도를 검출하는 과정에서 진동이 발생되게 되면, 입사광이 광섬유에 구성된 캐비티(또는 스크래치 등)를 통과하는 과정에서 진동에 의해 위상차가 변경되어 정확한 온도를 검출할 수 없는 문제점이 발생된다.In addition, in the case of a temperature sensor using an optical fiber, if vibration is generated in the process of detecting the temperature, the phase difference is changed by the vibration while the incident light passes through a cavity (or scratch, etc.) configured in the optical fiber to accurately detect the temperature. An impossible problem arises.

등록특허공보 제10-1519929호(2015. 05. 07.)Registered Patent Publication No. 10-1519929 (2015. 05. 07.) 등록특허공보 제10-1542538호(2015. 07. 31.)Registered Patent Publication No. 10-1542538 (2015. 07. 31.)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 광섬유의 끝단에 온도 변화에 따라 광의 특성곡선의 변화하는 온도 감응층을 구성하여 진동의 영향없이 전기설비 내부 온도를 검출할 수 있는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the problem to be solved in the present invention is to configure a temperature-sensitive layer that changes the characteristic curve of light according to the temperature change at the end of the optical fiber to control the internal temperature of the electrical equipment without the influence of vibration. An object of the present invention is to provide a system for monitoring temperature deterioration of electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type that can be detected.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템은 전기설비와 상기 전기설비의 내부 온도를 검출하는 열화검출장치 및 상기 열화검출장치에서 검출된 온도에 기초하여 모니터링하는 모니터링장치를 포함하고, 상기 열화검출장치는 코어와 상기 코어를 감싸는 클래드층을 갖는 광섬유, 상기 광섬유 끝단에 구성되는 프로브를 포함하는 광섬유 온도센서부; 광신호를 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광신호를 제 1포트를 통해 입력받아 제 2포트를 통해 상기 광섬유 온도센서부로 입사시키고, 상기 광섬유 온도센서부에서 반사되는 광신호를 상기 제 2포트로 입력받아 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터; 상기 광서큘레이터에서 출력되는 광신호를 수신하여 반사 광신호를 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 검출된 반사 광신호에 기초하여 온도를 검출하는 온도검출부를 포함한다.The temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe method according to the present invention for solving the above problems is a deterioration detection device for detecting the internal temperature of the electric equipment and the electric equipment, and the deterioration detected by the deterioration detection device. and a monitoring device for monitoring based on temperature, wherein the deterioration detection device includes: an optical fiber having a core and a cladding layer surrounding the core, and an optical fiber temperature sensor unit including a probe configured at an end of the optical fiber; a light source for outputting an optical signal; The optical signal output from the light source unit is received through a first port, is incident on the optical fiber temperature sensor unit through a second port, and the optical signal reflected from the optical fiber temperature sensor unit is received through the second port and is transmitted to a third port. an optical circulator outputting; a photodetector configured to receive an optical signal output from the optical circulator and detect a reflected optical signal; and a temperature detection unit configured to detect a temperature based on the reflected light signal detected by the light detection unit.

여기서, 상기 프로브는 상기 광섬유의 끝단에 설치되고 온도변화에 따라 파장 및 광량을 가변시키는 온도 감응층; 상기 온도 감응층의 외측에 배치되어 상기 온도 감응층에서 출력되는 광원을 반사시키는 반사층; 및 상기 광섬유, 온도 감응층 및 반사층의 외부를 감싸는 보호층을 포함한다.Here, the probe includes a temperature-sensitive layer installed at the end of the optical fiber and varying the wavelength and amount of light according to temperature change; a reflective layer disposed outside the temperature-sensitive layer to reflect the light source output from the temperature-sensitive layer; and a protective layer surrounding the optical fiber, the temperature sensitive layer, and the reflective layer.

이때, 상기 프로브는 온도 감응층의 표면을 연마하여 이물질을 제거하고, 이물질이 제거된 상기 온도 감응층의 일면에 반사층에 해당하는 반사물질을 증착시킨 후, 상기 온도 감응층에 증착된 반사층의 박리현상을 방지하기 위해 반사층의 상면에 코팅층을 형성한 후에 소정의 크기로 분할하며, 형성된 상기 코팅층을 제거하는 과정으로 제조될 수 있다.At this time, the probe removes foreign substances by polishing the surface of the temperature-sensitive layer, deposits a reflective material corresponding to the reflective layer on one surface of the temperature-sensitive layer from which the foreign substances are removed, and then peels the reflective layer deposited on the temperature-sensitive layer In order to prevent development, the coating layer is formed on the upper surface of the reflective layer, then divided into predetermined sizes, and the formed coating layer is removed.

또한, 상기 온도 감응층은 비소화 갈륨(Gallium arsenide, GaAs)으로 구성될 수 있다.In addition, the temperature-sensitive layer may be made of gallium arsenide (GaAs).

또한, 상기 광섬유의 끝단면과 상기 온도 감응층을 접합시키는 방열 접착제의 굴절율(refractive index)은 1.3 ~ 1.6의 범위로 이루어질 수 있다.In addition, the refractive index of the heat dissipating adhesive bonding the end surface of the optical fiber and the temperature sensitive layer may be in the range of 1.3 to 1.6.

또한, 상기 광검출부는 광검출소자; 상기 광검출소자에서 획득된 반사 광신호의 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 증폭하는 증폭회로; 및 상기 증폭회로에서 증폭된 전압 신호의 잡음을 제거하는 잡음 저감회로를 포함한다.In addition, the photodetector includes a photodetector; an amplifier circuit for converting and amplifying the current signal of the reflected optical signal obtained by the photodetector into a voltage signal; and a noise reduction circuit for removing noise of the voltage signal amplified by the amplifier circuit.

또한, 상기 광검출소자는 중심파장이 915nm이고, 대역폭은 85nm로 구성될 수 있다.Also, the photodetector may have a center wavelength of 915 nm and a bandwidth of 85 nm.

본 발명에 의하면, 배전반 등의 전력설비에 적용하여 열화 및 온도의 이상 여부를 감지할 수 있고, 온도센서의 설치가 곤란한 가스절연개폐기(GIS, Gas Insulated Switchgear) 또는 변압기의 절연유, 권선 등의 분진, 습기 및 가스 등의 악조건 상황에서 온도를 검출하여 모니터링할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to detect deterioration and abnormality in temperature by applying it to power equipment such as switchboards, and it is difficult to install a temperature sensor in a gas insulated switchgear (GIS) or transformer insulation oil, dust such as winding It has the advantage of being able to detect and monitor the temperature in adverse conditions such as , moisture and gas.

또한, 온도를 측정하는 과정에서 광신호와 반사되는 광신호를 이용하여 온도를 검출하기 때문에, 온도 측정 시 전류를 동반하지 않아 온도 측정에 따른 폭발을 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the temperature is detected using the optical signal and the reflected optical signal in the process of measuring the temperature, there is an advantage in that the temperature measurement does not accompany the current, thereby preventing the explosion caused by the temperature measurement.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템이 전기설비의 배전반에 적용된 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템이 전기설비의 변압기에 적용된 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 열화검출장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광섬유 온도센서부의 구조(a)와 온도 감응층의 특성 곡선(b)을 나타낸 도면,
도 5는 온도 감응층에 대한 반사, 흡수 및 통과 특성의 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 반사층의 반사율에 대한 증착 두께를 시험한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 방열 접착제의 굴절율을 시험한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 프로브를 제작하는 과정의 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광원부의 LD드라이버회로도,
도 10은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광원부의 TEC회로도,
도 11은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광검출부의 회로도,
도 12는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광검출소자의 온도 측정 및 분해능에 대한 성능 평가 그래프를 나타낸 것이다.
1 is a schematic configuration diagram in which a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of a fiber optic probe type according to the present invention is applied to a switchboard of an electrical equipment;
2 is a schematic configuration diagram in which a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention is applied to a transformer of an electrical equipment;
3 is a configuration diagram of a deterioration detection device applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe method according to the present invention;
4 is a view showing the structure (a) of the optical fiber temperature sensor unit applied to the temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe type according to the present invention and the characteristic curve (b) of the temperature-sensitive layer;
5 is a graph of reflection, absorption and transmission characteristics for a temperature sensitive layer;
6 is a graph of a deposition thickness test for reflectance of a reflective layer applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention;
7 is a graph showing a test of the refractive index of a heat-dissipating adhesive applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention;
8 is a flowchart of a process of manufacturing a probe applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe method according to the present invention;
9 is an LD driver circuit diagram of a light source unit applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention;
10 is a TEC circuit diagram of a light source applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe method according to the present invention;
11 is a circuit diagram of a photodetector applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention;
12 is a graph showing the performance evaluation graph for the temperature measurement and resolution of the photodetector applied to the temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe method according to the present invention.

다음으로, 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Next, a preferred embodiment of a temperature deterioration monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe type according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the same reference numerals are used for technical elements having the same function, and repeated detailed descriptions are omitted to avoid overlapping descriptions.

또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.In addition, the examples described below are illustratively shown in order to effectively show the preferred embodiments of the present invention, and should not be construed to limit the scope of the present invention.

본 발명은 광섬유의 끝단에 온도 변화에 따라 광의 특성곡선이 변화하는 온도 감응층을 구성하여 진동의 영향없이 배전반 내부 온도를 검출하여 모니터링할 수 있는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention configures a temperature-sensitive layer in which the characteristic curve of light changes according to the temperature change at the end of the optical fiber, thereby detecting and monitoring the temperature inside the switchboard without the influence of vibration. It is about the monitoring system.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템이 전기설비의 배전반에 적용된 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 변압기에 적용된 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a schematic configuration of a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention is applied to a switchboard of an electrical equipment, and FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration applied to a transformer. .

첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템은 전기설비(예를 들면, 배전반, 변압기 등)의 온도를 검출하는 열화검출장치(10)와 상기 열화검출장치(10)에서 검출된 온도에 기초하여 모니터링하는 모니터링장치(20)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention is a deterioration detection system that detects the temperature of an electric equipment (eg, a switchboard, a transformer, etc.) It is configured to include a device 10 and a monitoring device 20 for monitoring based on the temperature detected by the deterioration detection device 10 .

도 1은 본 발명에 따른 온도 열화 모니터링 시스템이 배전반(1)에 설치된 예시를 나타낸 것이고 도 2는 본 발명에 따른 온도 열화 모니터링 시스템이 변압기(2)에 설치된 예시를 나타낸 것이다.1 shows an example in which the temperature degradation monitoring system according to the present invention is installed in the switchboard 1 and FIG. 2 shows an example in which the temperature degradation monitoring system according to the present invention is installed in the transformer 2 .

첨부된 도 1에서 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 온도 열화 모니터링 시스템은 배전반(1)의 내부 주요 부분에 대한 온도를 검출하여 모니터링할 수 있도록 구성된다.As shown in the accompanying Figure 1, the temperature deterioration monitoring system according to the present invention according to the present invention is configured to detect and monitor the temperature of the internal main part of the switchboard (1).

또한, 첨부된 도 2에서 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 온도 열화 모니터링 시스템은 변압기(2)의 내부 주요 부분에 대한 온도를 검출하여 모니터링할 수 있도록 구성된다.In addition, as shown in the accompanying Figure 2, the temperature deterioration monitoring system according to the present invention according to the present invention is configured to detect and monitor the temperature of the internal main part of the transformer (2).

특히, 본 발명에 따른 온도 열화 모니터링 시스템은 -200 ~ +260℃ 온도 범위 내열성 및 내한성 소재의 프로브로 제작되어 변압기 내부 절연유의 이상 온도뿐만 아니라 가스절연 개폐장치(G.I.S : Gas Insulated Switchgear)의 가스(SF6) 온도를 검출할 수 있도록 구성된다. 이에, 온도 검출이 난해한 장치 및 장소의 온도를 검출하여 모니터링할 수 있기 때문에 전기설비에 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.In particular, the temperature deterioration monitoring system according to the present invention is made of a probe made of heat-resistant and cold-resistant material in the temperature range of -200 to +260 ° C. SF6) is configured to detect temperature. Accordingly, since it is possible to detect and monitor the temperature of devices and places where temperature detection is difficult, there is an advantage that it can be used universally in electrical installations.

도 3은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 열화검출장치의 구성도이다.3 is a block diagram of a deterioration detection device applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 열화검출장치는 전기설비 내부에 설치되는 광섬유 온도센서부(100), 광원부(200), 광서큘레이터(300), 광검출부(400) 및 온도검출부(500)를 포함하여 구성된다.3, the deterioration detection device applied to the temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe method according to the present invention is an optical fiber temperature sensor unit 100 and a light source unit 200 installed inside the electric equipment. ), an optical circulator 300 , a light detection unit 400 and a temperature detection unit 500 .

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광섬유 온도센서부의 구조(a)와 온도 감응층의 특성 곡선(b)을 나타낸 도면이다.4 is a view showing the structure (a) of the optical fiber temperature sensor unit applied to the temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe type according to the present invention and the characteristic curve (b) of the temperature sensitive layer.

첨부된 도 4의 (a)는 광섬유 온도센서부의 단면도를 나타낸 것으로서, 상기 광섬유 온도센서부(100)는 광섬유(110)와 상기 광섬유(110)의 끝단(선단)에 구성되는 프로브(120)를 포함하여 구성된다.Attached Fig. 4 (a) shows a cross-sectional view of the optical fiber temperature sensor unit, the optical fiber temperature sensor unit 100 is the optical fiber 110 and the probe 120 configured at the tip (tip) of the optical fiber 110. consists of including

광섬유(110)는 직진을 하는 광(빛)을 섬유 내부에서 굴절하게 하여 원하는 곳으로 이동하게 할 수 있는 것으로서, 내부의 코어(111)와 상기 코어(111)를 감싸는 클래딩(112)으로 구성된다.The optical fiber 110 can refract light (light) traveling in a straight line to move to a desired place by refracting it in the fiber. It consists of an inner core 111 and a cladding 112 surrounding the core 111 .

프로브(120)는 광섬유(110)의 끝단에 설치되어 온도는 검출하는 것으로서, 온도를 검출하고자 하는 위치(예를 들면, 전기설비 내부 등)에 설치된다.The probe 120 is installed at the end of the optical fiber 110 to detect the temperature, and is installed at a position to detect the temperature (eg, inside an electrical equipment, etc.).

상기 프로브(120)는 상기 광섬유(110)의 끝단에 설치되고 온도 감응층(121), 반사층(122) 및 보호층(123)을 포함하여 구성된다.The probe 120 is installed at the end of the optical fiber 110 and includes a temperature sensitive layer 121 , a reflective layer 122 , and a protective layer 123 .

온도 감응층(121)은 광섬유(110)의 끝단에 설치되어 온도변화에 따라 입사된 광신호의 파장 및 광량을 가변시키게 된다.The temperature-sensitive layer 121 is installed at the end of the optical fiber 110 to change the wavelength and the amount of light of the incident optical signal according to the temperature change.

이러한, 상기 온도 감응층(121)을 이루는 물질로는 비소화 갈륨(Gallium arsenide, GaAs) 또는 갈륨 인화물(Gallium Phosphide, GaP) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The material constituting the temperature-sensitive layer 121 may be made of either gallium arsenide (GaAs) or gallium phosphide (GaP).

본 발명에서 상기 온도 감응층(121)은 비소화 갈륨(GaAs)을 적용하였다.In the present invention, gallium arsenide (GaAs) is applied to the temperature-sensitive layer 121 .

첨부된 도 4의 (b)를 참조하면, 온도 감응층(121)은 주변온도에 따라 비소화 갈륨의 광파장이 변화되게 되고, 변화되는 광파장을 이용하여 온도를 검출할 수 있게 되는 것이다.Referring to the accompanying FIG. 4 (b), in the temperature-sensitive layer 121, the light wavelength of gallium arsenide changes according to the ambient temperature, and the temperature can be detected using the changed light wavelength.

도 5는 온도 감응층에 대한 반사, 흡수 및 통과 특성의 그래프를 나타낸 것이다.5 shows a graph of reflection, absorption, and transmission characteristics for a temperature sensitive layer.

첨부된 도 5를 참조하면, 온도 감응층(121)으로 적용된 비소화 갈륨(GaAs)에 대한 복소 굴절률(complex refractive index)의 파장별 그래프에 근거하면, 광의 흡수를 나타내는 흡광계수(Extinction coefficient)가 광파장 850nm 대역에서 0을 보이고 있다. 이에, 광파장이 850nm 이상의 대역에서는 광신호가 흡수되지 않고 통과하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 attached, based on a graph of a complex refractive index for gallium arsenide (GaAs) applied as the temperature-sensitive layer 121 for each wavelength, an extinction coefficient indicating absorption of light is 0 is shown in the optical wavelength band of 850 nm. Accordingly, it can be seen that the optical signal passes without being absorbed in a band having a wavelength of 850 nm or more.

즉, 비소화 갈륨(GaAs)으로 이루어진 온도 감응층(121)에서 광파장이 흡수되지 않고 통과하려면 광파장(광신호)은 최소한 850nm 이상이여야 한다.That is, in order for the light wavelength to pass through the temperature sensitive layer 121 made of gallium arsenide (GaAs) without being absorbed, the light wavelength (optical signal) must be at least 850 nm.

이에, 광신호 파장이 850nm 이상으로 이루어지되 광신호를 반사시킬 수 있는 반사값을 조정하여 광파장을 최소화 할 수 있도록 구성될 수 있다.Accordingly, the optical signal wavelength is 850 nm or more, but it may be configured to minimize the optical wavelength by adjusting a reflection value capable of reflecting the optical signal.

반사층(122)은 온도 감응층(121)의 외측에 배치되어 상기 온도 감응층에서 출력되는 광원을 반사시킨다.The reflective layer 122 is disposed outside the temperature-sensitive layer 121 to reflect the light source output from the temperature-sensitive layer.

상기 반사층(122)에 적합한 재료로서, 은(Ag), 구리(Cu) 및 금(Au) 중에서 선택될 수 있다.A suitable material for the reflective layer 122 may be selected from silver (Ag), copper (Cu), and gold (Au).

도 6은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 반사층의 반사율에 대한 증착 두께를 시험한 그래프이다.6 is a graph showing a test of deposition thickness for reflectance of a reflective layer applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 6을 참조하면, 은(Ag), 구리(Cu) 및 금(Au) 각각에 대해 증착 두께를 증가하면서 반사율을 시험한 결과, 반사층(122)이 90% 이상의 반사율을 갖기 위해서, 상기 반사층(122)의 두께는 최소 40nm 이상이 증착되어야 하는 것을 알 수 있었다.6, as a result of testing the reflectance while increasing the deposition thickness for each of silver (Ag), copper (Cu) and gold (Au), in order for the reflective layer 122 to have a reflectance of 90% or more, the It was found that the thickness of the reflective layer 122 should be deposited at least 40 nm or more.

상기 구성에서, 반사층(122)은 상기 온도 감응층(121)에 증착된다.In the above configuration, the reflective layer 122 is deposited on the temperature sensitive layer 121 .

그러나 상기 온도 감응층(121)은 상기 광섬유(110)의 끝단에 접합 설치되게 되는데, 광섬유(110)에 온도 감응층(121)을 접합시키기 위해서는 결합제가 요구된다.However, the temperature-sensitive layer 121 is attached to the end of the optical fiber 110 , and a binder is required to bond the temperature-sensitive layer 121 to the optical fiber 110 .

본 발명에서는 상기 광섬유의 끝단면과 상기 온도 감응층을 접합시키는 방열 접착제를 결합제로 사용한다.In the present invention, a heat-dissipating adhesive for bonding the end surface of the optical fiber and the temperature-sensitive layer is used as a binder.

이때, 상기 방열 접착제에 의해서 광신호가 굴절되어 손실될 수 있다.In this case, the optical signal may be refracted and lost by the heat dissipation adhesive.

도 7은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 방열 접착제의 굴절율을 시험한 그래프이다.7 is a graph showing a test of the refractive index of a heat-dissipating adhesive applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 7의 시험은 온도 감응층(121)의 두께 650㎛, 은으로 이루어진 반사층(122)의 두께 50nm로 구성하고, 굴절율을 1.3 ~ 1.9로 조정하여 반사율을 시험하였다.In the attached test of FIG. 7 , the thickness of the temperature-sensitive layer 121 was 650 μm and the thickness of the reflective layer 122 made of silver was 50 nm, and the reflectance was tested by adjusting the refractive index to 1.3 to 1.9.

첨부된 도 7을 참조하면, 광신호 파장이 850nm에서 방열 접착제의 굴절율은 1.6 이하에서 상기 반사층(122)에 의한 광신호는 90% 이상 반사됨을 알 수 있다.7, it can be seen that when the optical signal wavelength is 850 nm and the refractive index of the heat dissipating adhesive is 1.6 or less, the optical signal by the reflective layer 122 is reflected by 90% or more.

따라서 상기 광섬유의 끝단면과 상기 온도 감응층을 접합시키는 방열 접착제의 굴절율(refractive index)은 1.3 ~ 1.6의 범위로 설정될 수 있다.Accordingly, the refractive index of the heat dissipating adhesive bonding the end surface of the optical fiber and the temperature-sensitive layer may be set in the range of 1.3 to 1.6.

한편, 광섬유(110)의 끝단에 방열 접착제를 이용하여 프로브(120)를 접합한 상태에서, 광섬유(110)에 접합된 프로브(온도 감응층 및 반사층)의 이탈을 방지하고, 잡음의 유입을 방지하기 위해 상기 프로브(120)의 외측과 상기 광섬유(110)의 일부는 보호되어야 한다.On the other hand, in a state in which the probe 120 is bonded to the end of the optical fiber 110 using a heat-dissipating adhesive, the probe (temperature-sensitive layer and reflective layer) bonded to the optical fiber 110 is prevented from detaching and noise is prevented from entering. In order to do this, the outside of the probe 120 and a part of the optical fiber 110 must be protected.

보호층(123, 도 4 참조)은 상기 광섬유(110)의 끝단 일부, 온도 감응층(121) 및 반사층(122)의 외부를 감싸 보호하는 것으로서, -200 ~ +260℃ 온도 범위에서 변형되지 않도록 내열성 및 내한성 소재인 PTFE(Polyterafluoroethlene)재질로 패키징 된다. 이에, 상기 보호층(123)의 구성으로 인하여 변압기의 절연유 속에 침전시켜 온도를 검출하거나 절연 가스 등의 내부에 설치하여 온도를 검출할 수 있으며, 종래 온도센서가 배치되기 어려운 열악한 위치(절연유, 절연가스, 물 등)에도 배치시켜 온도를 검출할 수 있는 장점이 있다.The protective layer 123 (refer to FIG. 4 ) covers and protects the outside of the end portion of the optical fiber 110, the temperature-sensitive layer 121 and the reflective layer 122, so as not to be deformed in a temperature range of -200 to +260°C. It is packaged with PTFE (Polyterafluoroethlene), which is a heat- and cold-resistant material. Accordingly, due to the configuration of the protective layer 123, it is possible to detect the temperature by depositing it in the insulating oil of the transformer or to detect the temperature by installing it inside an insulating gas, etc. Gas, water, etc.) has the advantage of being able to detect the temperature.

여기서, 상기 광섬유 온도센서부(100)의 프로브(120)를 제작하는 과정에 대해서 설명한다.Here, a process of manufacturing the probe 120 of the optical fiber temperature sensor unit 100 will be described.

도 8은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 프로브를 제작하는 과정을 나타낸 것이다.8 is a diagram illustrating a process of manufacturing a probe applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 8을 참조하면, 프로브(120)의 제작 과정은 온도 감응층 폴리싱, 반사층 증착, 코팅층 형성, 다이싱 및 코팅층 제거 단계순으로 이루어진다.Referring to FIG. 8 , the manufacturing process of the probe 120 is performed in the order of temperature-sensitive layer polishing, reflective layer deposition, coating layer formation, dicing, and coating layer removal steps.

온도 감응층 폴리싱단계는 비소화 갈륨(GaAs)의 표면을 연마하여 이물질을 제거하는 과정이다.The temperature-sensitive layer polishing step is a process of removing foreign substances by polishing the surface of gallium arsenide (GaAs).

반사층 증착 단계는 폴리싱이 완료된 온도 감응층의 일면에 반사층에 해당하는 반사물질(예, Ag)을 증착시키는 과정이다. 이때, 증착되는 반사층의 두께는 최소 50nm이다.The reflective layer deposition step is a process of depositing a reflective material (eg, Ag) corresponding to the reflective layer on one surface of the temperature-sensitive layer that has been polished. At this time, the thickness of the reflective layer to be deposited is at least 50 nm.

코팅층 형성 단계는 다이싱 단계에서 온도 감응층에 증착된 반사층의 박리현상을 방지하기 위해 반사층의 상면에 코팅층을 형성하는 과정이다.The coating layer forming step is a process of forming a coating layer on the upper surface of the reflective layer to prevent peeling of the reflective layer deposited on the temperature sensitive layer in the dicing step.

상기 코팅층 형성 단계에서 코팅은 AZ5214 물질을 스핀 코팅(Spin-coating)으로 PR(Photo Resist)의 패턴을 형성하여 이루어질 수 있다.In the coating layer forming step, the coating may be performed by spin-coating the AZ5214 material to form a photo resist (PR) pattern.

다이싱 단계는 상기 코팅층 형성 단계가 완료된 비교적 넓은 판(웨이퍼)을 소정의 크기로 분할하는 단계이다.The dicing step is a step of dividing a relatively wide plate (wafer) on which the coating layer forming step has been completed into predetermined sizes.

이때, 분할되는 크기는 광섬유의 직경에 따라 다르게 분할될 수 있으나, 다이싱 단계에서 다이싱되는 면이 거칠기 때문에 광섬유의 코어를 충분히 덮을 수 있도록 코어 직경의 2 ~ 3배 크기로 다이싱되게 한다.At this time, the divided size may be divided according to the diameter of the optical fiber, but since the surface to be diced in the dicing step is rough, the dicing is made to be 2 to 3 times the diameter of the core so as to sufficiently cover the core of the optical fiber.

예를 들어, 광섬유 코의 직경이 200㎛인 경우, 다이싱되는 크기는 대략 400×400㎛ 또는 600×600㎛의 크기로 분할하는 것이 바람직하다.For example, when the diameter of the optical fiber nose is 200 mu m, the size to be diced is preferably divided into a size of approximately 400 x 400 mu m or 600 x 600 mu m.

코팅층 제거 단계는 상기 코팅층 형성 단계에서 코팅된 코팅층을 제거하는 단계이다.The coating layer removing step is a step of removing the coating layer coated in the coating layer forming step.

다음으로, 광신호를 광섬유 온도센서부(100)의 광섬유(110)로 송신(입사)시키고, 상기 광섬유(110)에서 반사되는 반사 광신호를 통해 온도를 검출하는 구성에 대해서 설명한다.Next, a configuration for transmitting (incident) an optical signal to the optical fiber 110 of the optical fiber temperature sensor unit 100 and detecting the temperature through the reflected optical signal reflected from the optical fiber 110 will be described.

광원부(200, 도 3 참조)는 광신호를 생성하여 출력하는 것으로서, 생성된 광신호는 광섬유 온도센서부(100)의 광섬유(110)를 통해 프로브(120)로 입사되게 된다.The light source unit 200 (refer to FIG. 3 ) generates and outputs an optical signal, and the generated optical signal is incident on the probe 120 through the optical fiber 110 of the optical fiber temperature sensor unit 100 .

프로브(120)로 입사된 광신호가 프로브(120)에서 흡수되지 못하고 반사될 수 있도록 상기 광신호는 파장 850 ~ 900nm의 파장을 갖도록 구성된다.The optical signal is configured to have a wavelength of 850 to 900 nm so that the optical signal incident to the probe 120 is not absorbed by the probe 120 and can be reflected.

이에, 상기 광원부(200)는 광원을 통해 광신호를 출력하는 LD드라이버회로와 온도 제어를 통해 상기 LD드라이버회로에서 출력되는 안정적인 광신호를 출력시키기 위한 TEC회로를 포함하여 구성된다.Accordingly, the light source unit 200 includes an LD driver circuit for outputting an optical signal through the light source and a TEC circuit for outputting a stable optical signal output from the LD driver circuit through temperature control.

도 9는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광원부의 LD드라이버회로도를 나타낸 것이다.9 is a circuit diagram of an LD driver of a light source unit applied to a temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 9를 참조하면, LD드라이버회로(210)는 LD(Laser Diode, 213)에서 출력되는 광신호의 광파장 및 대역폭을 유지하기 위해 안정적인 전원을 공급할 수 있도록 바이어스 회로(211)를 포함한다.9, the LD driver circuit 210 includes a bias circuit 211 to supply stable power to maintain the optical wavelength and bandwidth of the optical signal output from the LD (Laser Diode, 213).

상기 바이어스 회로(211)는 전압이나 전류의 동작점을 미리 결정하는 것으로서, 동작점을 기준으로 LD(213)가 파장 및 대역폭을 유지하는 역할을 한다. The bias circuit 211 determines an operating point of a voltage or current in advance, and the LD 213 maintains a wavelength and a bandwidth based on the operating point.

또한, 상기 LD드라이버회로(210)에는 출력되는 광신호의 파장 및 대역폭을 기초하여 프로브에서 반사되는 광신호의 유효성을 모니터링하기 위한 피드백 회로인 모니터링 회로(212)가 구성된다.In addition, the LD driver circuit 210 is configured with a monitoring circuit 212 as a feedback circuit for monitoring the validity of the optical signal reflected from the probe based on the wavelength and bandwidth of the output optical signal.

한편, LD가 장시간 동작될 경우 LD에서 발생되는 온도 상승효과로 인한 광신호의 광파장 및 광파워가 변화하여 계측용 레이저로서 기능이 저하되는 경우 온도 검출에 상당한 오류를 일으키는 원인으로 부각된다. 또한, LD의 온도 상승에 기인하여 LD에서 출력되는 광신호는 타원의 광신호로 출력되어 비점 수차의 원인을 만들어낸다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 TEC(ThermoI Electric Cooler) 회로를 이용하여 LD의 온도를 제어할 수 있도록 냉각 시스템을 개발하고, LD에서 방출되는 광신호를 원형으로 변화시켜 균일한 가우시안 분포로 출력되게 하여, LD의 온도에 의한 파장 및 출력 광 파워의 변화값을 방지하도록 구성된다.On the other hand, when the LD is operated for a long time, the optical wavelength and optical power of the optical signal due to the temperature increase effect generated in the LD is changed and the function of the laser for measurement is deteriorated, which is highlighted as a cause of significant error in temperature detection. In addition, due to the temperature rise of the LD, the optical signal output from the LD is output as an elliptical optical signal, which causes astigmatism. In order to solve this problem, in the present invention, a cooling system is developed to control the temperature of the LD using a TEC (ThermoI Electric Cooler) circuit, and the optical signal emitted from the LD is changed in a circular shape to output a uniform Gaussian distribution. It is configured to prevent the change value of the wavelength and output optical power due to the temperature of the LD.

도 10은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광원부의 TEC회로도를 나타낸 것이다.10 is a TEC circuit diagram of a light source applied to the temperature deterioration monitoring system of an electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 10을 참조하면, TEC회로(220)는 TEC(Thermol electric Cooler) 소자(221)가 정격전류를 넘지 않도록 차단하기 위한 전류차단 회로(222)와 TEC loop가 발진하는 것을 방지하는 회로로 구성되었다. 즉, 외부온도가 상승하면 Thermistor의 저항값은 감소하게 되고 TH-V(온도-전압의 관계)의 전압이 상승하게 되며 IC의 출력전압을 증가시킨다.10, the TEC circuit 220 is a current blocking circuit 222 for blocking the TEC (Thermol electric cooler) element 221 not to exceed the rated current and a circuit for preventing the TEC loop from oscillating. was composed That is, when the external temperature rises, the resistance of the thermistor decreases, the voltage of TH-V (temperature-voltage relationship) rises, and the output voltage of the IC increases.

따라서 IC의 출력 전압은 온도 증가에 따라 TEC 소자의 (+)에서 TEC 소자의 (-)쪽으로 전류가 흐르게 되고, 이에 TEC 소자(221)의 냉각작용을 일으키므로 Thermistor의 저항값을 증가시켜 설정 온도로 안정화 된다.Therefore, as the output voltage of the IC increases, a current flows from the (+) side of the TEC element to the (-) side of the TEC element as the temperature increases, causing a cooling action of the TEC element 221. is stabilized with

광서큘레이터(300, 도 3 참조)는 광원부(200)에서 출력되는 광신호를 제 1포트를 통해 입력받아 제 2포트를 통해 상기 광섬유 온도센서 부(100)로 입사시키고, 상기 광섬유 온도센서부(100)에서 반사되는 광신호를 상기 제 2포트로 입력받아 제3 포트로 출력하는 기능을 수행한다.The optical circulator 300 (refer to FIG. 3 ) receives the optical signal output from the light source unit 200 through a first port and enters it into the optical fiber temperature sensor unit 100 through a second port, and the optical fiber temperature sensor unit It performs a function of receiving the optical signal reflected from (100) to the second port and outputting it to the third port.

상기 광서큘레이터(300)는 공지의 구성이 적용될 수 있은 것으로서, 상세한 설명은 생략한다.As the optical circulator 300 may have a known configuration, a detailed description thereof will be omitted.

광검출부(400, 도 3 참조)는 광서큘레이터(300)에서 출력되는 광신호를 수신하여 반사광원을 검출하는 것으로서, 상기 광서큘레이터(300)의 제3 포트에서 출력되는 광신호, 즉, 광섬유 온도센서부(100)에서 반사되는 반사 광신호를 검출한다.The photodetector 400 (refer to FIG. 3 ) receives the optical signal output from the optical circulator 300 and detects the reflected light source, and the optical signal output from the third port of the optical circulator 300, that is, The reflected optical signal reflected from the optical fiber temperature sensor unit 100 is detected.

도 11은 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광검출부의 회로도를 나타낸 것이다.11 is a circuit diagram of a photodetector applied to a temperature deterioration monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe type according to the present invention.

첨부된 도 11을 참조하면, 상기 광검출부(400)는 광서큘레이터(300)에서 출력되는 반사 광신호를 수신하는 광검출소자(410), 증폭회로(420) 및 잡음 저감회로(430)를 포함하여 구성된다.11 , the photodetector 400 includes a photodetector 410 that receives a reflected optical signal output from the optical circulator 300 , an amplifier circuit 420 , and a noise reduction circuit 430 . is composed by

광검출소자(410)는 반사 광신호를 수신하는 다이오드로서, 광파장 850nm 이상의 대역을 갖는 Si 기반 포토 다이오드로 구성될 수 있다.The photodetector 410 is a diode that receives a reflected light signal, and may be formed of a Si-based photodiode having a band of light wavelength of 850 nm or more.

도 12는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템에 적용된 광검출소자의 온도 측정 및 분해능에 대한 성능 평가 그래프를 나타낸 것이다.12 is a graph showing the performance evaluation graph for the temperature measurement and resolution of the photodetector applied to the temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe method according to the present invention.

첨부된 도 12의 (a)는 중심파장 890nm, 대역폭 70nm인 광검출소자를 이용하여 온도 측정 및 분해능의 성능 평가 그래프이고, 도 12의 (b)는 중심파장 915nm, 대역폭 85nm인 광검출소자를 이용하여 온도 측정 및 분해능의 성능 평가 그래프이다.Attached Fig. 12 (a) is a performance evaluation graph of temperature measurement and resolution using a photodetector having a center wavelength of 890 nm and a bandwidth of 70 nm, and (b) of FIG. 12 is a photodetecting device having a center wavelength of 915 nm and a bandwidth of 85 nm. It is a performance evaluation graph of temperature measurement and resolution.

도 12의 (a)를 참조하면, 중심파장 890nm 및 대역폭 70nm인 광검출소자인 경우, 비선형구간이 존재하고 저온(-30℃ 부근) 구간과 고온(110 ~ 150℃) 구간에서 온도 검출이 모호한 것으로 도출되었다. 즉, 저온 구간과 고온 구간에서 측정 분해능이 저하됨을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 12 , in the case of a photodetector having a center wavelength of 890 nm and a bandwidth of 70 nm, a non-linear section exists and temperature detection is ambiguous in a low temperature (around -30 ° C) section and a high temperature (110 ~ 150 ° C) section. was derived That is, it can be seen that the measurement resolution is lowered in the low-temperature section and the high-temperature section.

반면, 도 12의 (b)를 참조하면, 중심파장 915nm 및 대역폭 85nm인 광검출소자인 경우, 전체적으로 선형적인 형태를 보이고 저온부터 고온까지 전체적으로 측정 분해능이 우수한 것으로 도출됨을 알 수 있다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 12 , in the case of a photodetector having a central wavelength of 915 nm and a bandwidth of 85 nm, it can be seen that the overall linear shape is shown and the overall measurement resolution is excellent from low to high temperature.

따라서, 광검출소자(410)는 중심파장이 915nm이고, 대역폭은 85nm인 포토 다이오드로 구성될 수 있다.Accordingly, the photodetector 410 may be formed of a photodiode having a center wavelength of 915 nm and a bandwidth of 85 nm.

증폭회로(420)는 광검출소자(410)에서 획득된 광신호의 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 증폭한다.The amplifying circuit 420 converts the current signal of the optical signal obtained by the photodetector 410 into a voltage signal and amplifies it.

상기 광검출소자(410)에서 수신되는 반사 광신호는 전류 형태의 신호로 수신되고, 전류 신호는 증폭회로(420)에서 전압 신호로 변환되어 증폭되게 된다.The reflected optical signal received by the photodetector 410 is received as a signal in the form of a current, and the current signal is converted into a voltage signal in the amplifier circuit 420 and amplified.

첨부된 도 11에 도시된 광검출부(400)는 2개의 반사 광신호를 수신하여 증폭 및 잡음을 제거하는 회로도로서, 증폭기의 (+) 단자에 입력되는 전압을 연속하여 연결하면 복수의 반사 광신호를 수신할 수 있는 광검출부(400)를 구성할 수 있다.The photodetector 400 shown in FIG. 11 is a circuit diagram for receiving two reflected optical signals to amplify and remove noise. When a voltage input to the (+) terminal of the amplifier is continuously connected, a plurality of reflected optical signals It is possible to configure the photodetector 400 that can receive the .

또한, 상기 증폭회로(420)는 증폭기, 저항(R301)과 및 커패시터(C300)가 병렬로 연결되어 피드백 신호의 위상 편이를 방지할 수 있게 된다.In addition, in the amplifier circuit 420, the amplifier, the resistor R301, and the capacitor C300 are connected in parallel to prevent a phase shift of the feedback signal.

잡음 저감회로(430)는 상기 증폭회로(420)에서 증폭된 전압 신호의 잡음을 제거한다.The noise reduction circuit 430 removes noise from the voltage signal amplified by the amplifier circuit 420 .

온도검출부(500)는 상기 광검출부(400)에서 검출된 반사 광신호에 기초하여 온도를 검출한다.The temperature detector 500 detects a temperature based on the reflected light signal detected by the photodetector 400 .

상기 온도검출부(500)는 온도의 변화에 대응하여 온도 감응층(121)으로 입사된 광신호가 반사되고, 입사 및 반사되는 과정에서 광파장이 천이되어 특성이 가변되는 원리를 이용하여 온도를 검출하게 된다.The temperature detection unit 500 detects the temperature using the principle that the optical signal incident to the temperature sensitive layer 121 is reflected in response to a change in temperature, and the optical wavelength is shifted during the incident and reflected process to change the characteristics. .

모니터링장치(20, 도 1 및 2 참조)는 열화검출장치(10)로부터 전송된 검출 온도에 기초하여 해당 전기설비의 온도를 표시하고 이상 온도로 판단되는 경우 이상신호를 출력한다.The monitoring device 20 (refer to FIGS. 1 and 2 ) displays the temperature of the corresponding electrical equipment based on the detected temperature transmitted from the deterioration detection device 10 and outputs an abnormal signal when it is determined that the temperature is abnormal.

이때, 상기 모니터링장치(20)는 중앙집중 방식으로 다수의 열화검출장치(10)에 연계하여 전력설비 전체의 온도 또는 열화를 감시하도록 구성될 수 있다.In this case, the monitoring device 20 may be configured to monitor the temperature or degradation of the entire power facility in connection with a plurality of degradation detection devices 10 in a centralized manner.

즉, 상기 모니터링장치(20)는 열화검출장치(10)로부터 전송된 온도를 수신하고, 수신된 온도를 분석하여 전기설비의 이상 유무를 판단한다. 모니터링장치(20)는 전기설비서의 온도를 모니터링하고, 기준 온도와 비교하거나 온도 상승값을 구하여 전체, 또는, 설비 구성별로 이상 유무를 판단한다.That is, the monitoring device 20 receives the temperature transmitted from the deterioration detection device 10 and analyzes the received temperature to determine whether there is an abnormality in the electrical equipment. The monitoring device 20 monitors the temperature of the electrical equipment, compares it with a reference temperature or obtains a temperature rise value to determine whether there is an abnormality in the whole or in each equipment configuration.

또한, 모니터링장치(20)는 측정된 내부 또는 설비의 온도를 영상으로 디스플레이에 표시하거나, 이상 유무를 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자 등에 알린다.In addition, the monitoring device 20 displays the measured internal or facility temperature as an image on the display, or when detecting the presence or absence of an abnormality, notifies the manager of the detected matter as an alarm.

즉, 모니터링장치(20)는 열화검출장치(10)에서 검출된 내부 온도, 및, 각 설비의 온도에 기초하여 상기 전기설비 내부의 열화 상태를 추론하는 진단하고, 진단된 상기 하우징 내의 열화 상태 정보에 따라 상기 하우징의 내부 상태를 제어하거나 알람 신호를 발생한다.That is, the monitoring device 20 makes a diagnosis by inferring the deterioration state inside the electrical equipment based on the internal temperature detected by the deterioration detection device 10 and the temperature of each equipment, and the diagnosed deterioration state information in the housing Controls the internal state of the housing or generates an alarm signal.

본 발명에 의하면, 배전반 등의 전력설비에 적용하여 열화 및 온도의 이상 여부를 감지할 수 있고, 온도센서의 설치가 곤란한 가스절연개폐기(GIS, Gas Insulated Switchgear) 또는 변압기의 절연유, 권선 등의 분진, 습기 및 가스 등의 악조건 상황에서 온도를 검출하여 모니터링할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to detect deterioration and abnormality in temperature by applying it to power equipment such as switchboards, and it is difficult to install a temperature sensor in a gas insulated switchgear (GIS) or transformer insulation oil, dust such as winding It has the advantage of being able to detect and monitor the temperature in adverse conditions such as , moisture and gas.

또한, 온도를 측정하는 과정에서 광신호와 반사되는 광신호를 이용하여 온도를 검출하기 때문에, 온도 측정 시 전류를 동반하지 않아 온도 측정에 따른 폭발을 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the temperature is detected using the optical signal and the reflected optical signal in the process of measuring the temperature, there is an advantage in that the temperature measurement does not accompany the current, thereby preventing the explosion caused by the temperature measurement.

상기에서는 본 발명에 따른 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속한다.In the above, a preferred embodiment of the temperature deterioration monitoring system for electrical equipment using the temperature sensor of the optical fiber probe type according to the present invention has been described, but the present invention is not limited thereto, and the claims and description of the invention, It is possible to carry out various modifications within the scope, and this also falls within the scope of the present invention.

1: 배전반 2: 변압기
10: 열화검출장치 20: 모니터링장치
100: 광섬유 온도센서부 110: 광섬유
111: 코어 112: 클래드
120: 프로브 121: 온도 감응층
122: 반사층 123: 보호층
200: 광원부 300: 광서큘레이터
400: 광검출부 500: 온도검출부
1: Switchgear 2: Transformer
10: deterioration detection device 20: monitoring device
100: optical fiber temperature sensor unit 110: optical fiber
111: core 112: clad
120: probe 121: temperature sensitive layer
122: reflective layer 123: protective layer
200: light source unit 300: optical circulator
400: light detection unit 500: temperature detection unit

Claims (7)

전기설비와 상기 전기설비의 내부 온도를 검출하는 열화검출장치 및 상기 열화검출장치에서 검출된 온도에 기초하여 모니터링하는 모니터링장치를 포함하고,
상기 열화검출장치는,
코어와 상기 코어를 감싸는 클래드층을 갖는 광섬유, 상기 광섬유 끝단에 구성되는 프로브를 포함하는 광섬유 온도센서부;
광신호를 출력하는 광원부;
상기 광원부에서 출력되는 광신호를 제 1포트를 통해 입력받아 제 2포트를 통해 상기 광섬유 온도센서부로 입사시키고, 상기 광섬유 온도센서부에서 반사되는 광신호를 상기 제 2포트로 입력받아 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터;
상기 광서큘레이터에서 출력되는 광신호를 수신하여 반사 광신호를 검출하는 광검출부; 및
상기 광검출부에서 검출된 반사 광신호에 기초하여 온도를 검출하는 온도검출부;
를 포함하고,
상기 프로브는,
상기 광섬유의 끝단에 설치되고 온도변화에 따라 파장 및 광량을 가변시키는 온도 감응층;
상기 온도 감응층의 외측에 배치되어 상기 온도 감응층에서 출력되는 광원을 반사시키는 반사층; 및
상기 광섬유, 온도 감응층 및 반사층의 외부를 감싸는 보호층;
을 포함하며,
상기 광원부는,
광원을 통해 광신호를 출력하는 LD드라이버회로; 및
온도 제어를 통해 상기 LD드라이버회로에서 출력되는 광신호를 출력시키기 위한 TEC회로;
를 포함하고,
상기 LD드라이버회로는,
LD(Laser Diode)에서 출력되는 광신호의 광파장 및 대역폭을 유지하기 위해 전원을 공급하는 바이어스 회로; 및
상기 프로브에서 반사되는 광신호의 유효성을 모니터링하기 위한 피드백 회로인 모니터링 회로;
를 포함하여 구성되고,
상기 TEC회로는,
TEC(ThermoI Electric Cooler) 소자를 이용하여 상기 LD의 온도를 제어하되, 상기 TEC 소자가 정격전류를 넘지 않도록 차단하기 위한 전류차단 회로;
를 포함하며,
상기 광검출부는,
광검출소자;
증폭기, 저항과 및 커패시터가 병렬로 연결되어 상기 광검출소자에서 획득된 반사 광신호의 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 증폭하는 증폭회로; 및
상기 증폭회로에서 증폭된 전압 신호의 잡음을 제거하는 잡음 저감회로;
를 포함하고,
상기 광검출소자는,
중심파장이 915nm이고, 대역폭은 85nm인 것을 특징으로 하는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템.
Comprising a deterioration detection device for detecting the internal temperature of the electrical equipment and the electrical equipment, and a monitoring device for monitoring based on the temperature detected by the deterioration detection device,
The deterioration detection device,
an optical fiber having a core and a cladding layer surrounding the core, and an optical fiber temperature sensor unit including a probe configured at an end of the optical fiber;
a light source for outputting an optical signal;
The optical signal output from the light source unit is received through a first port, is incident on the optical fiber temperature sensor unit through a second port, and the optical signal reflected from the optical fiber temperature sensor unit is received through the second port and is transmitted to a third port. an optical circulator outputting;
a photodetector configured to receive an optical signal output from the optical circulator and detect a reflected optical signal; and
a temperature detection unit configured to detect a temperature based on the reflected light signal detected by the light detection unit;
including,
The probe is
a temperature-sensitive layer installed at the end of the optical fiber and varying the wavelength and amount of light according to temperature change;
a reflective layer disposed outside the temperature-sensitive layer to reflect the light source output from the temperature-sensitive layer; and
a protective layer surrounding the outside of the optical fiber, the temperature sensitive layer and the reflective layer;
includes,
The light source unit,
an LD driver circuit outputting an optical signal through a light source; and
a TEC circuit for outputting an optical signal output from the LD driver circuit through temperature control;
including,
The LD driver circuit comprises:
a bias circuit for supplying power to maintain an optical wavelength and bandwidth of an optical signal output from a laser diode (LD); and
a monitoring circuit as a feedback circuit for monitoring the effectiveness of the optical signal reflected from the probe;
consists of,
The TEC circuit is
A current blocking circuit for controlling the temperature of the LD using a TEC (ThermoI Electric Cooler) device, but blocking the TEC device from exceeding the rated current;
includes,
The photodetector,
photodetector;
an amplifier circuit in which an amplifier, a resistor and a capacitor are connected in parallel to convert and amplify the current signal of the reflected optical signal obtained from the photodetector into a voltage signal; and
a noise reduction circuit for removing noise from the voltage signal amplified by the amplifier circuit;
including,
The photodetector is
A temperature deterioration monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe method, characterized in that the central wavelength is 915 nm and the bandwidth is 85 nm.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 프로브는,
온도 감응층의 표면을 연마하여 이물질을 제거하고, 이물질이 제거된 상기 온도 감응층의 일면에 반사층에 해당하는 반사물질을 증착시킨 후, 상기 온도 감응층에 증착된 반사층의 박리현상을 방지하기 위해 반사층의 상면에 코팅층을 형성한 후에 소정의 크기로 분할하며, 형성된 상기 코팅층을 제거하는 과정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
The probe is
After the surface of the temperature-sensitive layer is polished to remove foreign substances, and a reflective material corresponding to the reflective layer is deposited on one surface of the temperature-sensitive layer from which the foreign substances are removed, to prevent peeling of the reflective layer deposited on the temperature-sensitive layer After forming a coating layer on the upper surface of the reflective layer, dividing it into predetermined sizes, and removing the formed coating layer.
청구항 1에 있어서,
상기 온도 감응층은,
비소화 갈륨(Gallium arsenide, GaAs)인 것을 특징으로 하는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
The temperature sensitive layer,
A temperature degradation monitoring system for electrical equipment using a temperature sensor of an optical fiber probe method, characterized in that it is gallium arsenide (GaAs).
청구항 1에 있어서,
상기 광섬유의 끝단면과 상기 온도 감응층을 접합시키는 방열 접착제의 굴절율(refractive index)은 1.3 ~ 1.6의 범위인 것을 특징으로 하는 광섬유 프로브 방식의 온도센서를 이용한 전기설비의 온도 열화 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
The temperature deterioration monitoring system of electrical equipment using a temperature sensor of the optical fiber probe method, characterized in that the refractive index of the heat-dissipating adhesive bonding the end face of the optical fiber and the temperature-sensitive layer is in the range of 1.3 to 1.6.
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