KR102550344B1 - 온도 측정 기능의 히팅 케이블, 이의 제조방법, 캘리브레이션 방법 및 이를 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템 - Google Patents

온도 측정 기능의 히팅 케이블, 이의 제조방법, 캘리브레이션 방법 및 이를 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전원에 연결될 한 쌍의 모선; 모선에 의해 공급된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열선; 및 열에너지가 이용되는 전기 히트 트레이싱의 온도 측정에 사용되는 광파이버센서를 포함하도록 구성되는, 히팅 케이블을 개시한다. 본 발명에 따르면, 광파이버센서가 내장된 히팅 케이블 기반의 히트 트레이싱이 가능하다.

Description

온도 측정 기능의 히팅 케이블, 이의 제조방법, 캘리브레이션 방법 및 이를 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템{HEATING CABLE WITH TEMPERATUR MEASUREMENT FUNCTION, METHOD FOR MANUFACTURIN, CALIBRATION THEREOF AND GAS PIPE MONITORING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 온도 측정 기능의 히팅 케이블, 이의 제조방법, 캘리브레이션 방법 및 이를 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트 트레이싱에 사용되는 케이블로서 배관의 온도를 측정할 수 있는 센서 기능을 갖는 히팅 케이블, 이의 제조방법, 온도 캘리브레이션 방법 및 이를 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템에 관한 것이다.
히트 트레이싱(heat tracing)은 단열재를 통해 일어나는 열손실을 교환해줌으로써 탱크 또는 파이프 내부의 유체의 온도를 일정하게 유지하는 것을 말하며, 이러한 히트 트레이싱은 파이프 또는 탱크의 동파를 방지하거나 유체의 온도를 유지하기 위해 적용된다.
대표적인 히트 트레이싱에는 두 가지 방법이 있는데, 유체순환 트레이싱과 전기 히트 트레이싱 방식이 있다. 유체순환 트레이싱의 일종인, 스팀 트레이싱은 폭 넓게 사용되고 있으나 트레이싱 시스템 설치와 유지비용이 크다는 단점이 있다. 반면에 전기 히트 트레이싱은 히팅 케이블을 사용하는 방식으로, 적용지역에 맞춰 최적의 히팅 케이블이 선택될 수 있고, 상대적으로 적은 비용으로 히트 트레이싱을 운영할 수 있을 뿐 아니라, 시스템의 설계와 제어가 용이하다는 장점이 있다.
전체적인 전기 히트 트레이싱 시스템은 히팅 케이블 외에도 다른 구성요소가 필요하다. 히팅 케이블뿐만 아니라, 그와 함께 필요한 전원연결 및 분기용 접속장치와 단말처리 장치 등이 있다.
주위 온도에 따라 출력이 자동적으로 변화하는 자율제어형 히팅 케이블은 PTC(Positive Temperature coefficient) 특성을 갖고 있는 고분자 복합재료를 발열체로 사용한다. 이러한 고분자 복합재료는 고분자 수지에 전기전도성을 부여하는 카본블랙을 첨가하여 만들어지며, 발열체를 구성하는 복합재료는 케이블 길이 방향과 평행한 부스 와이어 사이에서 전류를 흐르게 하는 도전 통로를 형성한다.
자율제어형 히팅 케이블의 부스 와이어 사이에 존재하는 도전통로의 수는 온도에 따라 변화한다. 케이블 주위의 온도가 감소할 때, 발열체는 미시적으로 수축이 일어나며 이는 부스 와이어 사이에서 많은 도전통로를 생성하여 저항을 감소시킨다. 반대로 온도가 증가할 때, 발열체는 팽창이 일어나 도전통로가 감소하며 전기저항을 증가시킨다. 이것을 소위 PTC 현상 (Positive Temperature coefficient)이라 하며, 이런 현상이 자율제어형 히팅 케이블의 기본적인 작동원리가 된다.
발열체의 도전통로에 전류가 흐르면 주울열(Joule heat)에 의해 열이 발생하여 발열체의 온도가 올라간다. 온도가 상승하면 발열체는 미시적으로 팽창하므로 발열체의 전기저항을 증가시키며 그 결과, 히팅 케이블의 출력을 자동적으로 감소시킨다.
한편 PTC 소자의 장점에도 불구하고 히트 트레이싱 시스템에 PCT 소자가 사용되는 경우, 자율제어 원리 때문에 일정 온도 이상 가열이 어려운 경우가 있으며, 가열에 따른 열변화가 늦은 것이 단점으로 거론된다.
히팅 케이블에 관련된 기술로서 등록공보 제10-1449308호의 등록 발명은 광센서 케이블이 구비된 전력 케이블 및 이를 이용한 히팅 시스템에 관한 것으로, 히팅 케이블을 포함하는 히팅 장치에 관한 구성을 개시하는 데 그치고, 히팅 케이블의 구체적인 구성이 개시되어 있지 않다.
한국 등록공보 제10-1449308호 (2014.10.08 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 광파이버센서에 기반하는 온도 측정 기능의 히팅 케이블을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 온도 측정 기능의 히팅 케이블이 이용되는 히트 트레이싱에 있어서 온도 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 온도 측정 및 온도 제어 기능의 가스 배관 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블은, 전원에 연결될 한 쌍의 모선(copper bus line); 모선에 의해 공급된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열선; 및 열에너지가 이용되는 전기 히트 트레이싱(electric heat tracing )의 온도 측정에 사용되는 광파이버센서(optical fiber sensor)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 광파이버센서는, 유리 광파이버(glass optical fiber) 또는 플라스틱 광파이버(plastic optical fiber)인 것을 특징으로 한다.
또한, 히팅 케이블은 모선과 열선 사이를 절연하는 1차절연물질을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 히팅 케이블은 모선과 상기 열선 사이를 절연하는 1차절연물질을 더 포함하고, 열선은, 모선을 따라 상기 1차절연물질 상에서 나선을 형성하도록 구성될 수 있다.
또한, 히팅 케이블은 모선과 상기 열선이 연결되는 연결접점부를 더 포함하고, 연결접점부는, 일정한 간격으로 상기 열선을 상기 한 쌍의 모선과 번갈아 가며 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 광파이버센서는, 입사된 특정 파장의 레이저 광에 대해 일정 위치마다 산란시켜 상기 히트 트레이싱의 온도 및 위치 측정에 사용될 산란광을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르니 히팅 케이블 제조방법은, 전원에 연결될 한 쌍의 모선(copper bus line)을 1차절연물질을 이용하여 절연 처리하는 단계; 열선을 상기 1차절연물질 위에 상기 모선을 따라 나선형으로 감는 단계; 열선을 한 쌍의 모선 각각에 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 연결접점부를 일정한 간격으로 생성하는 단계; 및 연결접점부 및 열선을 2차절연물질을 이용하여 절연 처리하는 단계를 포함하되, 2차절연물질 내에 광파이버센서를 포함시키는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블의 캘리브레이션 방법은, 라만 광학 시간 도메인 반사계(ROTDR)에 기반하는 광파이버센서가 포함된 히팅 케이블을 이용한 히트 트레이싱 배관을 흐르는 유체의 상변화를 일으키는 온도 변화를 측정하는 단계; 유체의 압력 변화를 측정하는 단계; 및 온도 변화 및 압력 변화 간의 시간 지연 및 상기 유체의 상평형도를 이용하여 열선의 온도 변화를 수정하는 단계를 포함하되, 히팅 케이블은, 일정한 간격으로 열선을 한 쌍의 모선과 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 연결접점부를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템은, 광파이버센서를 포함하는 히팅 케이블; 가스 배관에 설치된 적어도 하나 이상의 센서로부터 가스 배관에 관한 센싱 정보를 수신하는 통신 장치; 가스 배관을 포함하는 배관 계통에 관한 그래픽 모델을 이용하여 상기 센싱 정보를 표시하는 HMI(Human-machine Interface) 모듈; 가스 배관을 통해 공급되는 물질에 관한 상기 센싱 정보를 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하는 제어부를 포함하되, 제어부는, 그래픽 모델에서 센싱 지점의 위치 정보와 온도 정보를 함께 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하고, 상기 히트 케이블의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 가스 배관 모니터링 시스템은, 물질에 관한 상평형 데이터를 저장하는 저장 장치를 더 포함하고, 제어부는, 상평형 데이터에 기반하여, 상기 물질의 상태 정보를 이용하여 상기 물질의 상변화의 위험도를 단계를 나누어 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 가스 배관 모니터링 시스템은, 광파이버센서를 이용하여 가스 배관의 온도를 계측하는 분포 온도 계측장치(Distributed Temperature Sensor, DTS)를 더 포함하고, 통신 장치는, DTS로부터 가스 배관의 온도 측정 지점에 관한 위치 정보 및 온도 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
또한, 통신 장치는, 가스 배관에 설치된 압력 센서로부터 가스 배관 내 물질의 압력 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
또한, 가스 배관 모니터링 시스템은, 가스 배관을 통해 공급되는 물질의 상태 유지를 위한 히터를 구동하는 히터 모듈을 더 포함하고, 제어부는, 센싱 정보에 기반하여 상기 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 히터 모듈은, 가스 배관의 노출 형태에 따라 독립적으로 설치된 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 히터 모듈은, 지하에 매설된 배관, 공기에 노출된 배관, 옥내에 설치된 배관, 및 옥외에 설치된 가스 배관을 구별하여 설치된 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 제어부는, 히터 모듈의 히터 턴온(turned on) 동작을 제어하는 경우, 상기 가스 배관의 온도 변화에 기반하되, 상기 가스 배관의 온도 변화보다 먼저 계측되는 상기 가스 배관 내의 물질의 압력 변화를 이용하여 상기 히터 모듈의 히터 턴오프(turned off) 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 통신 장치는, 가스 배관의 노출 형태에 따라 설치된 온도 센서로부터 상기 가스 배관의 외부 온도 정보를 수신하고, 제어부는, 센싱 정보를 이용하여 상기 가스 배관의 온도 정보와 상기 외부 온도 정보와의 차이를 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 제어부는, 과거에 수집된 외부 온도와 가스 배관 온도와의 상관관계에 관한 데이터셋을 이용하는 학습을 통해 훈련된 인공지능 모델을 이용하여 상기 가스 배관의 외부 온도 정보에 기반하여 상기 물질의 상변화의 위험도를 미리 예측하도록 구성될 수 있다.
또한, 센서는, 하나의 케이블 내에 광파이버(Optical Fiber) 및 가스 배관의 가열에 사용되는 히팅 케이블(Heating Cable)이 포함된, 광파이버 센서(Optical Fiber Sensor)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, HMI 모듈은, 스카다(SCADA) 시스템에서 사용되는 HMI 모듈을 포함하고, 가스 배관 모니터링 시스템은, 스카다(SCADA) 시스템에 포함되거나, 스카다 시스템과 연동하도록 구성될 수 있다.
또한, 히터 모듈은, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 이용하여 상기 히터를 구동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 방법은, 제조 공정에 가스를 공급하기 위해 설치된 가스 배관 계통에 관한 가상의 모델을 구성하는 단계; 가스 배관에 설치된 적어도 하나 이상의 센서로부터 가스 배관에 관한 센싱 정보를 수신하는 단계; 및 가상의 모델에 관한 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface)를 이용하여 상기 센싱 정보를 표시하는 단계를 포함하되, HMI 모듈의 제어를 통해 상기 그래픽 모델에서 센싱 지점의 위치 정보와 온도 정보가 함께 표시되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 광파이버센서가 내장된 히팅 케이블 기반의 히트 트레이싱이 가능하다.
또한, 온도 센서 및 열선이 내장된 히팅 케이블을 통해 배관의 온도 제어가 가능하다.
또한, 히트 트레이싱에서 측정된 온도 및 압력을 이용하고, 유체의 상평형 데이터를 기반으로 광파이버센서의 캘리브레이션이 가능하다.
또한, 온도 측정 기능의 히팅 케이블을 이용하여 온도 모니터링 및 제어가 가능하 가스 배관 모니터링 시스템 구축이 가능하다.
도 1은 광파이버에 입사된 광의 산란을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 광의 산란의 종류를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파이버센서의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열선의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블 제조방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블을 이용하는 가스 배관 모니터링 시스템의 네트워크 관계도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 장치의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템의 결선도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 방법의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템의 GUI 예시도이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
광파이버센서는 광파이버 자체가 센서로 기능하는 것인데, 센서부에 전원이 필요하지 않고, 전자 유도의 영향을 받지 않고 계측이 가능한 것이 장점이다. 광파이버를 센서로서 사용하려는 시도는 1970년대부터 시작되어 현재는 많은 종류의 광파이버센서가 사용되고 있다.
특히 분포형 온도 계측 장치는 일반적으로 DTS(Distributed Temperature Sensor)라 불리며 1980년대 후반에 실용화, 제품화된 것으로 광파이버센서 중에서도 역사가 오래되어 많은 산업 분야에서 사용되고 있다.
DTS는 라만 광학 시간 도메인 반사계(Raman Optical Time Domain Reflectometer)라고도 불린다.
라만 산란광은 레일레이 산란광보다 3자릿 수 정도 약한 빛이기 때문에 산란 효율이 높은 멀티 모드형 광파이버를 사용해도 광원의 고출력화는 필수적이다. 장거리 측정인 경우 초기에는 레이저가 이용됐지만, 최근에는 반도체 레이저와 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier)를 이용한 방식이 일반적이다.
광파이버에 펄스광을 입사시키면 그 광펄스는 광파이버 안에 전파된다. 이 광펄스는 광파이버 안에 전파되면서 각부에서 극히 소량이긴 하지만 산란하면서 감쇠한다. 이 산란광의 대부분은 레일레이 산란광이라 불리며 광파이버 내의 미소 굴절률의 흔들림에 의해 발생하는 것으로, 그 파장은 입사한 빛과 동일하다.
산란광 안에서는 광파이버의 석영 분자의 격자 진동과 에너지 교환을 하며 그 결과 입사광의 파장이 약간 시프트 되는 경우가 있다. 이것을 라만 산란광이라고 한다.
도 1은 광파이버에 입사된 광의 산란을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 단일 파장(λlaser)의 레이저 광이 분자와 충돌하면, 3가지 종류의 산란이 발생한다. 3가지의 산란은 서로 다른 주파수에서 발생하는데, 입사광과 동일한 파장의 산란에 해당하는 Rayleigh Scattering, 입사광보다 작은 파장의 산란에 해당하는 Anti-Stokes Raman Scattering 그리고 입사광보다 큰 파장의 산란에 해당하는 Stokes Raman Scattering이 묘사되어 있다.
도 2는 광의 산란의 종류를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, Rayleigh 산란, Brillouin Stokes, Brillouin Anti-Stokes, Raman Stokes, 및 Raman Anti-Stokes 산란의 주파수 범위가 묘사되어 있다.
라만 산란광에 는 2가지 성분이 있다. 하나는 격자 진동에 에너지를 부여한 빛이 장파장 측으로 시프트하는 스토크스광이며, 또 하나는 안티 스토크스광이다. 특히 안티 스토크스광의 강도는 산란이 발생한 위치에서 광파이버 온도에 의해 크게 변화한다. 따라서 라만 산란광의 강도를 측정하면 라만 산란광이 발생한 장소의 온도 정보를 알 수 있다.
광파이버 내에서 산란한 빛은 그 대부분이 광파이버 밖으로 방출되지만, 일부는 광파이버 안으로 역진하여 입사단으로 되돌아간다. 펄스광을 입사하고 나서 산란광이 입사단에 되돌아올 때까지의 시간을 계측하면 광파이버 내의 전파 속도는 이미 알고 있기 때문에 그 산란광이 발생한 위치 정보를 알 수 있다. 이 위치 정보와 온도 정보를 조합하여 정리하면 광파이버 전체 길이의 온도 분포를 계측할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 기능의 히팅 케이블은, 라만 안티 스토크스광을 이용하여 온도를 측정하는 기능을 갖는 히팅 케이블로서, 히트 트레이싱의 온도 측정에 사용되는 광파이버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 온도 측정 기능의 히팅 케이블을 이용하여 히트 트레이싱 외에, 가스 배관 모니터링이 가능하다. 이하 온도 측정 기능의 히팅 케이블에 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블은, 니크롬 열선이나 나선형으로 모선과 일정 구간에서 지그재그로 접속이 되며, 일정한(1m) 가열 구간을 형성하고 있는 병렬식 히터 이기에 어느 부위에서 절단을 하더라도 각 구간내에서는 일정한 전력을 낼 수 있다.
사용전압과 전력에 맞추어 규격이 정해져 있으며, 저항치를 조정함으로써 다양한 용도의 전압과 전력 사용에 용이하도록 제작이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블의 예시도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 히팅 케이블(310)은, 한 쌍의 모선(311), 1차절연물질(312), 열선(313), 2차절연물질(314), 차폐 쉴드(315), 최종 외피(316) 및 광파이버센서(317) 및 연결접점부(318)를 포함하도록 구성될 수 있다.
한 쌍의 모선(copper bus line)(311)의 일단에는 단자가 형성되고, 단자는 커넥터를 통해 전원 단자에 연결될 수 있다. 모선(311)의 타단의 양 극은 서로 폐회로를 이룬다. 한 쌍의 모선 중에 어느 한 선이 접지될 수 있다.
1차절연물질(312)은 모선(311)과 열선(323) 사이를 절연하는 실리콘 고무 등으로 구현될 수 있다.
열선(313)은 모선(311)에 의해 공급된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 기능을 갖는다. 열선(313)은 높은 저항을 갖는 금속 또는 이들의 합금, 예를 들어 구리-니켈, 니켈-크롬, 또는 철-니켈 등의 합금체로 구현될 수 있다.
주석 도금 동선, 예를 들어 직경 1.25mm 두 가닥의 모선(311)이 평행하게 나란히 있고, 열선(313)에 해당하는 발열체, 예를 들어 니켈 크롬 발열체가 1차 절연된 평행 도선 주위를 나선형으로 감싸고 있으며 일정한 간격, 예를 들어 1m 간격으로 평행한 모선(311)의 양 가닥과 번갈아 가며 접촉하여 발열 회로를 구성한다.
열선(313)은, 모선(311)을 따라 1차절연물질(312) 상에서 나선을 형성하도록 구성될 수 있다. 히팅 케이블(310)은, 히팅 능력에 따라 일정 길이 내에 있는 나선의 수가 서로 다르게 구성될 수 있다. 히팅 능력이 서로 다른 히팅 케이블(310)은 서로 다른 환경에 설치된 배관의 히트 트레이싱에 사용될 수 있다.
히팅 케이블(310)은 모선(311)과 열선(313)이 연결되는 연결접점부(318)를 포함하도록 구성될 수 있다. 연결접점부(318)는, 일정한 간격으로 열선(313)을 한 쌍의 모선(311)과 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 즉 연결접점부(318)에 의해 일정 간격마다 모선(311)과 열선(313) 간에 병렬 회로가 생성된다.
2차절연물질(314)은 연결접점부(318) 및 모선(311)과 차폐 쉴드(315) 사이를 절연시킨다.
차폐 쉴드(315)는 히팅 케이블(310)의 외부에서 유입되는 노이즈를 차폐하는 역할을 한다. 차폐 쉴드(315)는 실제 금속선이 직조식으로 짜인 형태로 구현될 수 있다.
최종 외피(316)가 차폐 쉴드(315)를 감싸게 된다. 최종 외피는 PVC 소재 등이 사용될 수 있다. 금속관이 최종 외피(316)를 감싸도록 추가될 수 있다. 이 경우 금속관에 대한 접지가 필요하다.
광파이버센서(317)는 열에너지가 이용되는 전기 히트 트레이싱(electric heat tracing )의 온도 측정에 사용될 수 있다. 광파이버센서(317)는, 입사된 특정 파장의 레이저 광을 일정 위치마다 산란시켜 히트 트레이싱의 온도 및 위치 측정에 사용될 산란광을 출력하는 역할을 한다.
광파이버센서(317)의 소재는 유리 광파이버(glass optical fiber) 또는 플라스틱 광파이버(plastic optical fiber)일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파이버센서의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 광파이버센서(317)는 내부의 코어(317a)와 외부의 클래딩(cladding)(317b)을 포함하도록 구성될 수 있다. 코어(317a) 자체만으로는 히팅 케이블(310) 제작 공정 상에서 손상될 수 있으므로 파손을 방지하기 위해 금속박, 예를 들어 스태인레스 재질의 클래딩(317b)이 입혀질 수 있다.
클래딩(317b)과 코어(317a)는 재료에 빛을 퍼뜨리는 속도인 굴절률(refractive indices)이 서로 다른다. 정상 임계각(normal ritical angle)을 최소화하면 내부 전반사(internal reflection)를 최대로 할 수 있으므로 빛은 최소한의 감쇄(attenuation)로 수 킬로미터를 이동할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열선의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 한 쌍의 모선(311)과 열선(313)으로 이루어진 회로가 묘사되어 있다. 히팅 케이블(310)은 병렬식 저항의 전기 히터이다. 주석 도금 동선(1.25mmSQ) 재질의 모선(211) 두 가닥이 평행하게 나란히 있고, 금속 합금의 저항체, 예를 들어 니켈 크롬 발열체가 1차 절연된 평행 모선(311) 주위를 나선형으로 감싸고 있으며 일정한 간격, 예를 들어 1m 간격으로 평행한 동선과 번갈아 가며 접촉한다.
히팅 케이블(310)은 니크롬 열선이 나선형으로 모선과 일정 구간에서 지그재그로 접속이 되며, 일정한(1m) 가열 구간을 형성하고 있는 병렬식 히터이다. 히팅 케이블(310)의 어느 부위를 절단을 하더라도 각 구간 내에서 일정한 전력을 소모한다. 히팅 케이블(310)은, 사용전압과 전력에 맞추어 규격이 정해져 있다. 히팅 케이블(310)은, 열선(313)의 저항치를 조정함으로써 다양한 크기의 전압 및 전력에 사용할 수 있도록 제작될 수 있다.
열선(313)은 니켈 크롬 합금의 재질로 구현될 수 있고, 내구성이 우수한 것이 특징이다. 히팅 케이블(310)은, 내열성, 내화학성, 내유성, 난연성 및 전기적인 특성이 뛰어난 실리콘 고무 재질의 1차절연물질 및 2차절연물질(314)을 포함하고 있어 다른 히터에 비해 안정성 및 유연성을 갖는다.
모선(311)과 열선(313)은 연결 접합부(318)에서 서로 전기적으로 접합한다. 따라서, 열선(313)에는 비발열구간(a)과 발열구간(b)이 교대로 나타난다.
이하 히팅 케이블 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블 제조방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 히팅 케이블 제조방법(S100)은, 모선의 절연 처리(S110), 열선의 설치(S120), 접점부 생성(S130), 열선의 절연 처리(S140) 및 광파이버센서의 설치(S150)를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 3및 도 7을 참조하여 구체적으로 각 단계를 살펴보면 다음과 같다.
S110 단계에서 전원에 연결된 한 쌍의 모선(311)이 1차절연물질(312)을 이용하여 절연 처리될 수 있다.
S120 단계에서 모선(311)을 따라 열선(313)이 1차절연물질(312) 위에 나선형으로 감길 수 있다.
S130 단계에서 열선(313)을 모선(311)과 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 연결접점부(318)가 일정 간격으로 생성될 수 있다.
S140 단계에서 연결접점부(318) 및 열선(313)이 2차절연물질(314)을 이용하여 절연 처리될 수 있다.
S150 단계에서 2차절연물질(314) 내부에 광파이버센서(317)를 포함시킬 수 있다.
히팅 케이블(310)을 통해 측정되는 온도는, 실제적으로 열선(313)에 의해 발생된 열이 광파이버센서(317)에 전달되어 측정된 온도에 해당한다. 그런데 히트 트레이싱에서 배관에 전해진 열선의 온도가 배관 내의 유체에 전달되어 유채의 온도를 높이기 위해서는 일정 시간이 지나야 한다. 즉 광파이버센서(317)를 통해 측정된 온도와 현재 배관 내의 유체의 온도 사이에는 차이가 발생하게 된다. 따라서 캘리브레이션을 통해 광파이버센서(317)에서 측정된 온도를 측정 시간에 따라 온도 차만큼 보상해 주어야 한다.
열선(313)을 이용하여 액체 상태의 유체를 기체 상태로 변환시키기 위해 열을 전달하는 경우, 열이 가해지기 시작한 후, 제1 구간에서 열선의 온도가 상승하다가(0~t1), 일정 시간이 지나면 온도 상승률이 현저히 떨어지는 구간이 발생하고(t1~t2, 제2 구간), 다시 온도 상승률이 높아지기 시작하는 구간(t2~, 제3 구간)이 이어진다. 여기서, 제2 구간은 액체 상태에서 기체 상태로 상태 변화 구간에 해당한다.
열선의 온도 변화에 따라, 열선의 열이 배관에 전달되므로, 배관 또는 배관 내의 유체의 온도는 대체로 열선의 온도 변화에 따르나 시간 지연이 발생하게 된다.
유체의 온도 변화에 따라 압력도 변하게 되는데, 유체의 압력의 변화는, 유체가 흐르는 배관 내에 설치된 압력계를 이용하면, 실시간으로 측정이 가능하다. 즉 위에서 제2 구간이 시작되는 시점(t1) 및 제3 구간이 시작되는 시점(t2)에 시간 지연이 발생하므로, 열선의 온도 변화에 대응하는 압력의 변곡점은 각각 t1+Δt1, t2+Δt2이다. 따라서, 유체의 온도는 열선의 온도에서 시간 지연 구간의 온도 상승분을 보상해야 한다. 시간 지연 구간은 열선의 온도 분포 및 유체의 압력 분포를 통해 관찰될 수 있다.
유체의 상평도는 유체의 고체, 액체 및 기체가 존재하는 구간의 압력 및 온도 정보를 나타낸다. 따라서 액체 및 기체의 경계에 해당하는 기화 곡선을 이용하면 압력 값 변화에 대한 온도 값 변화를 알 수 있다. 따라서, 해당 변곡점에서 압력의 변화를 측정하고, 유체의 상평도를 이용하여 온도 값 변화의 예측이 가능하게 된다. 그리고 온도 값 변화와 Δt1 및 Δt2을 이용하여 광파이버 센서를 이용하여 측정된 온도에 대한 보상이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 캘리브레이션 방법(S200)은, 유체의 상변화를 일으키는 열선의 온도 변화를 측정하는 단계 (S210), 열선의 온도 변화에 따른 유체의 압력 변화를 측정하는 단계(S220) 및 온도 변화 및 압력 변화 간의 시간 지연 및 유체의 상평형도를 이용하여 열선의 온도 분포를 수정하는 단계(S230) 포함하도록 구성될 수 있다.
구체적으로 S110 단계에서 배관 내의 유체가 액체인 상태에서 히팅 케이블(310)의 광파이버센서(317)를 이용하여 온도 측정이 시작한다. 배관 내의 유체를 액체 상태에서 기체 상태로 상변화시키기 위해서 히터 제어기(400)를 이용하여 열선(313)에 열을 가하기 시작하고, 계속해서 배관의 온도가 측정된다. 그리고 열선의 온도는 배관에 전달되고 배관 내의 유체는 액체 상태에서 기체 상태로 상변화되고 온도가 점점 상승하게 된다. 배관의 온도 변화에 있어서, 유체의 상변화로 온도 변화가 현저히 떨어지는 구간의 시작점(t1) 및 종료점(t2)이 탐지 될 수 있다.
기체의 상평형도는 삼중점을 중심으로 기화곡선과 승화곡선이 만나는 형상이다. 따라서 암모니아 또는 이산화탄소에 대해 S210 단계의 실험을 하는 경우, 일정 시점에서 배관 내의 유체는 기체에서 액체로 변하는 구간에 있게 되고, 이 구간은 다른 구간과 비교하여 압력 변화에 차이가 발생하게 된다. 즉 액화 상태 파악이 가능해 진다.
S220 단계에서 열선이 공급하는 열에 의한 배관 또는 유체의 온도 변화에 따라 유체의 압력도 함께 변화한다. 유체의 온도 변화는 측정된 열선의 온도 변화에 대체적으로 따르지만, t1, t2 특정에 있어서 시간 지연이 발생될 수 있다.
유체의 압력 변화는 배관의 실린더에 설치된 압력계를 이용하여 실시간 측정이 용이한 것이 특징이다.
S230 단계에서 기화 구간이 시작되는 시점의 정보 및 기체의 상평형도, 즉 상평형 데이터에 기반하여 실제 배관의 온도에 가까운 온도가 측정될 수 있다. 예를 들어 측정된 온도 값, 시간 지연값(Δt1), 특정 기체의 온도/압력 변화율, 및 압력 값을 아는 경우, 측정된 온도 값에서 시간 지연값 동안의 온도를 보정하는 캘리브레이션을 통해 실제 배관의 온도가 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 방법 및 시스템에 의하면, 배관을 따라 온도 측정 기능의 히팅 케이블이 설치되고, DTS를 이용하여 라만 안티 스토크스광의 산란광에 기반하여 배관의 전체 길이의 온도 분포가 파악될 수 있고, 가스 배관의 길이 방향으로 길어지는 설비의 온도 감시가 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템의 네트워크 관계도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배관 모니터링 장치(100)와 다른 구성요소 간의 네트워크 연결 관계가 묘사되어 있다. 도 8과 같이 가스 배관 모니터링 시스템(10)은 가스 배관 모니터링 장치(100), 분포 온도 계측장치(Distributed Temperature Sensor, DTS)(200), 센서(300), 히팅 케이블(310), 히터 제어기(400), 가스 제어기(500) 및 사용자 단말(600)과 네트워크(700)를 통해 통신 가능하도록 서로 연결될 수 있다.
가스 배관 모니터링 시스템(10)은, HMI(human-machine interface)의 모니터링 기능을 제어하고, 히팅 케이블(310)에 의한 가스 배관의 히팅 기능을 제어하고, 모니터링 중에 알람의 설정, 동작 및 해제 등의 알람 기능을 제어하고, 각종 데이터셋의 학습을 통해 훈련된 인공지능 모델의 학습, 테스트 및 동작을 제어할 수 있는 가스 배관 모니터링 장치(100)를 포함하도록 구성될 수 있다.
가스 배관 모니터링 장치(100)는, 컴퓨팅 장치, 즉 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 가스 배관 모니터링 장치(100)는 단일의 장치 또는, 상기 열거된 기능을 각각 수행하는 장치들의 집합 형태로 구현될 수 있다.
DTS(200)는, 가스 배관의 온도를 계측하는 분포 온도 계측장치(Distributed Temperature Sensor, DTS)로서 광파이버센서(317)를 이용하여 가스 배관에 대해 온도를 측정하고, 측정 지점의 위치 정보 및 온도 정보를 출력하는 기능을 한다. DTS(200)는, 광원부, 수신부, 신호처리부, 온도 측정부, 및 위치 측정부를 포함하도록 구성될 수 있다.
광파이버 내에서 빛의 속도를 알고 있으므로 산란광이 되돌아오는 시간을 측정하면 산란광이 발생한 위치가 계산될 수 있다. 산란되어 되돌아온 광신호 중에 온도에 따라 진폭이 달라지는 라만(Raman) 산란광이 있는데, 입사광과 산란광의 파장의 비를 측정하여 광섬유의 절대 온도가 계산될 수 있다. Rayleigh 산란광 = 입력광의 1/1000이고, 스토크스광, 안티-스토크스광 = Rayleigh 산란광의 1/1000이다.
DTS(200)의 경우 응답거리가 1m 이상이기 때문에 국소적으로 발열 또는 온도 상승하는 부분의 온도 파악에는 적합하지 않은 경우도 있지만, 광파이버를 미리 코일 형태로 묶은 것을 사용하면 응답 거리가 길다는 결점을 보완해 시공될 수 있다.
센서(300)는 서로 다른 기능을 수행하는 하나 이상의 센서들을 포함하도록 구성될 수 있다. 센서(300)에는 광파이버센서가 내장된 히팅 케이블(310), 배관 내의 물질의 압력을 계측하는 압력 센서, 배관 외부의 온도, 예를 들어 배관이 설치된 옥내 및 옥외의 공기 온도, 배관이 매설된 지하의 온도를 측정하는 온도 센서가 포함될 수 있다.
히팅 케이블(310)은, 하나의 케이블 내에 센서 기능을 하는 광파이버(optical fiber) 및 가스 배관의 가열에 사용되는 열선(thermal wire)을 포함하도록 구성될 수 있다. 따라서 광파이버와 열선을 하나의 공정을 통해 배관에 설비하는 것이 가능하다.
히터 제어기(400)는, 센싱 정보에 기반하여 히터의 턴온(turned on) 동작 및 턴오프(turned off) 동작을 자동으로 제어하는 기능을 한다. 가스 배관 모니터링 장치(100)는 PLC 장치와 같은 장치를 이용하여 히터 제어기(400)를 제어할 수 있다.
가스 제어기(500)는, 가스 배관을 통해 공급되는 가스, 예를 들어 반도체 공정에 사용되는 특수가스의 공급 제어, 예를 들어 에어밸브 및 솔레노이드 밸브 등의 전자장치의 제어를 통해 가스의 공급을 제어하는 기능을 한다. 가스 제어에도 PLC 장치가 이용될 수 있다.
사용자 단말(600)은, 가스 배관 모니터링 장치(100)를 서버로 하는 클라이언트에 해당한다. 사용자 단말(600)은, 클라이언트 PC, 모바일 단말 형태로 구현될 수 있다. 사용자는 클라이언트 PC를 이용하거나, 개인 모바일 단말을 이용하여 웹브라우저를 통해 가스 배관 모니터링 장치(100)에 접속할 수 있다.
네트워크(700)는 유선 및 무선 네트워크, 예를 들어 시리얼 통신, LAN(local area network), WAN(wide area network), 인터넷(internet), 인트라넷(intranet) 및 엑스트라넷(extranet), 그리고 모바일 네트워크, 예를 들어 셀룰러, 3G, LTE, WiFi 네트워크, 애드혹 네트워크 및 이들의 조합을 비롯한 임의의 적절한 통신 네트워크 일 수 있다.
네트워크(700)는 허브, 브리지, 라우터, 스위치 및 게이트웨이와 같은 네트워크 요소들의 연결을 포함할 수 있다. 네트워크(700)는 인터넷과 같은 공용 네트워크 및 안전한 기업 사설 네트워크와 같은 사설 네트워크를 비롯한 하나 이상의 연결된 네트워크들, 예컨대 다중 네트워크 환경을 포함할 수 있다. 네트워크(700)에의 액세스는 하나 이상의 유선 또는 무선 액세스 네트워크들을 통해 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 히팅 케이블(310)은 가스 배관 모니터링 시스템(10)의 구성요소로서 사용될 수 있다. 이하 히팅 케이블(310)이 이용되는 가스 배관 모니터링 장치(100)에 대해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 장치의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 장치(100)는, 제어부(110), 입력 장치(120), 출력 장치(130), 저장 장치(140), 통신 장치(150), 및 메모리(160)를 포함하도록 구성될 수 있다. 그리고 메모리(160)는 HMI 모듈(161), 히터 모듈(162), 알람 모듈(163), 및 인공지능 모델(164)을 저장할 수 있다.
제어부(110)는 프로세서 형태로 구현될 수 있으며, 입력 장치(120), 출력 장치(130), 저장 장치(140), 통신 장치(150), 및 메모리(160)의 기본적인 동작을 제어하는 기능을 한다. 그 밖에 제어부(110)는 가스 배관 모니터링 방법의 실행과 관련하여, 하드웨어 또는 소프트웨어 형태로 구현될 수 있는 HMI 모듈(161), 히터 모듈(162), 알람 모듈(163), 및 인공지능 모델(164)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부(110)는, 가스 배관을 통해 공급되는 물질에 관한 센싱 정보를 표시하게 HMI 모듈을 제어할 수 있다. 제어부(110)는, 그래픽 모델에서 센싱 지점의 위치 정보와 온도 정보를 함께 표시하게 HMI 모듈(161)을 제어할 수 있다.
입력 장치(120)는, 사용자 입력 장치(120)에 해당하는 마우스, 키보드 및 터치 스크린 등을 포함할 수 있다. 넓은 범위의 가스 배관 모니터링 시스템(10)은 입력 장치(120)로서 DTS(200)를 포함하도록 구성될 수 있다.
출력 장치(130)는 가스 배관의 상태 모니터링이 가능한 모니터, 배관 내의 물질의 상태 변화의 위험도를 소리로 출력하는 스피커를 포함할 수 있다.
저장 장치(140)는, 각종 정보 및 데이터, 예를 들어 물질에 관한 상평형 데이터를 저장할 수 있다. 이 경우 제어부(110)는, 상평형 데이터에 기반하여, 상기 물질의 상태 정보를 이용하여 상기 물질의 상변화의 위험도를 단계를 나누어 표시하게 HMI 모듈(161)을 제어할 수 있다.
통신 장치(150)는, 가스 배관에 설치된 적어도 하나 이상의 센서로부터 가스 배관에 관한 센싱 정보를 수신할 수 있다. 또한 통신 장치(150)는 DTS로부터 가스 배관의 온도 측정 지점에 관한 위치 정보 및 온도 정보를 수신하도록 구성될 수 있다. 통신 장치(150)는, 가스 배관에 설치된 압력 센서로부터 가스 배관 내 물질의 압력 정보를 수신하도록 구성될 수 있다.
또한, 통신 장치(151)는, 가스 배관의 노출 형태에 따라 설치된 온도 센서로부터 상기 가스 배관의 외부 온도 정보를 수신하고, 제어부(110)는, 센싱 정보를 이용하여 가스 배관의 온도 정보와 상기 외부 온도 정보와의 차이를 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하도록 구성될 수 있다.
메모리(160)는, 프로그램 형태로 구현된 HMI 모듈(161), 히터 모듈(162), 알람 모듈(163), 및 인공지능 모델(164)을 저장, 즉 로드할 수 있다.
HMI 모듈(161)은 가스 배관을 포함하는 배관 계통에 관한 그래픽 모델을 이용하여 상기 센싱 정보를 표시하는 기능을 한다. HMI 모듈(161)은 에디팅 기능을 통해, 현실의 가스 배관을 표현한 가상의 가스 배관 계통의 그래픽 모델을 CAD를 이용하여 구현할 수 있다.
히터 모듈(162)은 가스 배관을 통해 공급되는 물질의 상태 유지를 위한 히터를 구동하는 기능을 한다. 히터 모듈(162)은, 가스 배관의 노출 형태에 따라 독립적으로 설치된 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 지하 매설 구간, 지상 옥외 구간 및 지상 옥외 구간으로 배관의 온도 분포가 유사한 구간을 나누어, 해당 구간 별로 설치된 히터를 턴온 및 턴오프한다. 제어부(110)는, 센싱 정보에 기반하여 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
히터 모듈(162)은, 지하에 매설된 배관, 공기에 노출된 배관, 옥내에 설치된 배관, 및 옥외에 설치된 가스 배관을 구별하여 설치된 히터의 구동을 제어하도록 구성될 수 있다. 이 경우 제어부(110)는, 히터 모듈의 히터 턴온(turned on) 동작을 제어하는 경우, 가스 배관의 온도 변화에 기반하되, 가스 배관의 온도 변화보다 먼저 계측되는 상기 가스 배관 내의 물질의 압력 변화를 이용하여 상기 히터 모듈의 히터 턴오프(turned off) 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
히터 모듈(162)은, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 이용하여 상기 히터를 구동하도록 구성될 수 있다.
알람 모듈(163)은, 센싱 정보, 예를 들어 물질의 온도 및 압력 정보와 물질의 상평형 데이터에 기반하여, 물질의 상변화의 위험도가 높은 단계에 이르면, 시각 및 청각 중에서 적어도 하나의 방법을 통해 이를 알리는 기능을 한다. 가스 배관 내의 물질, 예를 들어 암모니아나 이산화탄소는 상온에서 기체로 존재하지만, 삼중점의 분포에 따라 특정 압력에서, 기체의 온도가 임계 온도 아래로 떨어지면, 승화 또는 액화를 하게 되고, 가스의 원활한 공급을 위해 이러한 상변화를 미리 방지해야 한다.
인공지능 모델(164)은, 과거에 수집된 빅데이터를 이용하여 외부 온도와 가스 배관 온도와의 관계에 대해 학습을 통해 훈련된 예측 모델에 해당한다. 제어부(110)는, 과거에 수집된 외부 온도와 가스 배관 온도와의 상관관계에 관한 데이터셋을 이용하는 학습을 통해 훈련된 인공지능 모델을 이용하여 가스 배관의 외부 온도 정보에 기반하여 상기 물질의 상변화의 위험도를 미리 예측하도록 구성될 수 있다.
스카다(SCADA) 또는 감시 제어 데이터 취득(Supervisiroy Control Aand Data Acquisition)은 원거리에 있는 설비들을 집중 감시하거나 제어하기 위한 시스템이다. 다양하고 복잡한 설비를 간소화, 자동화하고 이들 설비와 계통들을 한곳에서 효과적으로 감시, 제어, 측정하여 분석, 처리함으로써 설비 및 계통의 합리적 운용 및 효율적인 에너지 관리를 가능하게 만드는 시스템이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 HMI 모듈(161)은, 스카다(SCADA) 시스템에서 사용되는 HMI 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 가스 배관 모니터링 시스템(10)은, 스카다(SCADA) 시스템에 포함되거나, 스카다 시스템과 연동하도록 구성될 수 있다. 따라서, 가스 배관 모니터링 방법 및 시스템은, 스카다 시스템 내에서, 수행되고 이에 기반하여 히터의 제어가 가능하도록 구성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템의 결선도이다.
도 11을 참조하면, 가스 배관 모니터링 장치(100)는 서버로서, 사용자 단말(600)이 클라이언트로서 이더넷을 통해 통신 연결될 수 있다. 가스 배관 모니터링 장치(100)는 히터 제어기(400)와도 이데넷을 통해 통신 연결될 수 있다. 사용자는 서버인 가스 배관 모니터링 장치(100)에 연결된 출력 장치(130)인 모니터링 모니터 및 사용자 단말(600)을 이용하여 가스 배관의 상태를 모니터링 할 수 있다. 또한, 사용자는 클라이언트 사용자 단말(600)을 통해 히터 제어기(400)의 동작을 제어할 수 있다.
히터 제어기(400)는 DTS(200)와 이더넷 Modbus 프로토콜을 이용하여 통신할 수 있다.
히터 제어기(400)는 DTS(200)와 이더넷 모드버스(Ethernet Modbus) 프로토콜을 이용하여 시리얼 통신이 가능하게 연결될 수 있고, 센서(300)의 동작에 따른 센싱 정보에 기반하여 히터를 제어하도록 구성될 수 있다. 히터는 센서(300)와 동일한 케이블 내에 위치하도록 구성될 수 있다.
DTS(200)는 레이저 광을 송출하고 산란광을 수신한다. 그리고 DTS(200)는 산란광의 특징을 분석함으로써 가스 배관의 온도 정보 및 위치 정보를 출력할 수 있다.
가스 제어기(500)는 히터가 내장된 센서(300)가 측정하는 가스 배관의 각종 전자 밸브를 제어하는 기능을 한다. 가스 제어기(500)도 PLC 등을 매개로 시리얼 또는 이더넷을 통해 가스 배관 모니터링 시스템(10)에 통신 연결될 수 있다.
히터 제어기(400), DTS(200) 및 가스 제어기(500)는, 가스의 종류 별로 복수 개로 구성될 수 있다. 도 5를 참조하면 NH3 가스에 대해 Line A 내지 Line C가 구비되고, DTS(210) 및 가스 제어기(510)가 배정되고, 각 Line은 독립 채널을 구성한다. CO2 가스에 대해 Line D 및 Line E가 구비되고, DTS(220) 및 가스 제어기(510)가 배정되고, 마찬가지로 각 Line은 독립 채널을 구성한다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 방법의 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 방법(S300)은, 가스 배관에 관한 가상의 모델 구성(S310), 가스 배관에 설치된 센서로부터 센싱 정보 수신(S320), 가상의 모델에 관한 GUI를 이용하여 센싱 정보 표시(S330) 및 가스 배관의 온도를 조절하기 위해 히터 제어(S340)를 포함하도록 구성될 수 있다.
가스 배관 모니터링 시스템(10)은, 제조 공정에 가스를 공급하기 위해 설치된 가스 배관 계통에 관한 가상의 모델을 구성할 수 있다(S310).
가스 배관 모니터링 시스템(10)은, 가스 배관에 설치된 적어도 하나 이상의 센서로부터 가스 배관에 관한 센싱 정보를 수신할 수 있다(S320).
가스 배관 모니터링 시스템(10)은, 가상의 모델에 관한 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface)를 이용하여 상기 센싱 정보를 표시할 수 있다(S330).
가스 배관 모니터링 시스템(10)은, HMI 모듈의 제어를 통해 상기 그래픽 모델에서 센싱 지점의 위치 정보와 온도 정보를 함께 표시할 수 있다(S340).
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 배관 모니터링 시스템의 GUI 예시도이다.
도 13을 참조하면, 전체 GUI 화면은, 전체 메뉴, 구간 정보 항목, 상세 정보 항목, 연계 시스템 정보 항목, 및 섹션 정보 항목을 포함하도록 구성될 수 있다.
전체 메뉴에는, 홈(Home), 모니터링 정보에 관한 히스토리(History), 요약(Summary) 및 환경 세팅(Settings)의 하부 메뉴가 포함되도록 구성될 수 있다.
구간 정보 항목에서, 가스 배관의 섹션이 선택될 수 있고, 선택된 섹션에 대한 온도 정보 및 위치 정보가 상세정보 항목에 표시될 수 있다.
도 13을 다시 참조하면, 반도체 공정에 가스를 공급하는 가스 배관 계통의 가상 모델이 묘사되어 있다. VDS는 Valve Dispensing System 의 약자로서, 가스를 공급하는 소스에 해당한다. VDS에서 공급된 가스는 배관을 통해, FAB(Fabrication)를 거쳐, GIB(Gas Isolating Box) 또는 GCS(Gas Chemical System)까지 운반된다. 전체 가스 배관은, 공급에서 소비까지, 복수의 채널, 예를 들어 제1 채널 내지 제4 채널, 복수의 섹션, 예를 들어 제1 섹션 내지 제6 섹션으로 구분될 수 있다. 하나의 채널에는 하나의 가스가 흐르고, 동일한 가스가 흐르는 하나의 채널이라도, 해당 채널의 섹션이 위치하는 환경, 예를 들어 지상/지하, 옥내/옥외에 따라 배관의 온도는 다르게 나타날 수 있다.
가스 배관은, 가스가 흐르는 메인 관, 메인 관에 접촉되어 메인 관의 온도를 측정하고, 메인 관을 가열하는 케이블 및 메인 관과 케이블을 감싸는 보온재를 포함하도록 구성될 수 있다. 메인 관에 접촉되는 케이블은, 광파이버센서와 히팅 케이블을 포함하도록 구성될 수 있다.
단일의 광파이버센서는 하나의 배관에 대응되게 설치되고, 하나의 채널을 구성할 수 있다. 하나의 채널은 복수의 섹션을 구성하므로, 각 섹션의 온도는 거리 및 배관의 설치 장소에 따라 다르게 나타날 수 있다.
하나의 채널은, 섹션 별로 복수 개의 독립한 히팅 케이블이 지정될 수 있다. 예를 들어 CO2 가스를 운반하는 제1 채널의 가스 배관에서, 제1 섹션 내지 제6 섹션은 독립적으로 히팅이 이루어지게 히팅 케이블이 설계될 수 있다. 즉 옥외에 설치된 제 4 섹션에 추가 히팅 케이블이 설치될 수 있다. 또는 지하에 설치된 제5 섹션에 대해서는 온도의 변화가 적은 섹션에 해당되어, 다른 섹션과 독립된 히팅 케이블이 사용될 수 있다.
상세 정보 항목에는, 선택된 섹션에 대해 채널 별 온도 정보 및 위치 정보가 표시될 수 있다.
연계 시스템 정보 항목에는, 온도(TEMPERATURE), 시스템(SYSTEM), DTS 및 센서(SENSOR) 항목이 있어서 이에 관한 정보 등이 표시될 수 있다.
섹션 정보 항목에는, 각 섹션에 대해 온도 단계 별로 서로 다른 색을 이용하여 물질의 명칭과 물질이 흐르는 배관의 온도가 표시될 수 있다. 이 경우, 물질의 상변화가 우려되는 섹션에 대해서 위험도가 표시될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 배관을 통해 공급되는 물질의 위치에 따른 온도 정보가 표시되고, 온도 정보에 기반하여 히터 제어를 통한 가스 배관의 온도 제어가 가능하다.
또한, 가스 배관을 통해 공급되는 물질의 온도 정보에 기반하여 가스 배관의 히팅을 통해 물질의 상변화에 대응할 수 있다.
또한, 인공지능 모델을 이용하여 가스 배관의 외부 온도 정보에 기반하여 물질의 상변화의 위험도가 미리 예측될 수 있다.
또한, SCADA 시스템을 이용하거나 이와 연동하여 가스 배관 모니터링이 가능하다.
또한, 온도 측정 기능의 히팅 케이블을 이용하여 온도 모니터링 및 제어가 가능하 가스 배관 모니터링 시스템 구축이 가능하다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100: 가스 배관 모니터링 장치
110: 제어부(controller)
120: 입력 장치(input interface)
130: 출력 장치(output interface)
140: 저장 장치(storage device)
150: 통신 장치(transducer)
160: 메모리(memory)
161: HMI 모듈(Human-to-Machine Interface)
162: 히터 모듈(heater module)
163: 알람 모듈(alarm module)
164: 인공지능 모델(Artificial Intelligence)
200: DTS(Distributed Temperature Sensor)
300: 센서
310: 히팅 케이블
311: 모선
312: 1차절연물질
313: 열선
314: 2차절연물질
315: 차폐쉴드
316: 외부 피복
317: 광파이버센서
318: 연결접점부
330: 히터 제어기(heater controller)
400: 가스 제어기(gas controller)

Claims (9)

  1. 전원에 연결될 한 쌍의 모선(copper bus line);
    상기 모선에 의해 공급되는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 열선;
    상기 한 쌍의 모선과 상기 열선 사이를 절연하는 1차절연물질;
    상기 열선을 상기 한 쌍의 모선과 번갈아 가며 일정한 간격으로 전기적으로 연결하는 연결접점부;
    상기 열에너지가 이용되는 전기 히트 트레이싱(electric heat tracing )의 온도 측정에 사용되는 광파이버센서(optical fiber sensor);
    외부에서 유입되는 노이즈를 차단하는 차폐 쉴드;
    상기 차폐 쉴드를 감싸는 최종 외피; 및
    내부에 상기 광파이버센서를 포함하고, 상기 연결접점부 및 상기 한 쌍의 모
    선과 상기 차폐 쉴드 사이를 절연하는 2차절연물질을 포함하고,
    상기 한 쌍의 모선 중에 어느 한 선이 접지되고, 상기 모선의 일단에는 단자가 형성되고, 상기 단자는 커넥터를 통해 전원 단자에 연결되고, 상기 한 쌍의 모선의 타단의 양 극은 서로 폐회로를 이루도록 구성되는,
    히팅 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광파이버센서는,
    유리 광파이버(glass optical fiber) 또는 플라스틱 광파이버(plastic optical fiber)인 것을 특징으로 하는,
    히팅 케이블.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열선은,
    상기 모선을 따라 상기 1차절연물질 상에서 나선을 형성하도록 구성되는,
    히팅 케이블.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광파이버센서는,
    라만 광학 시간 도메인 반사계(ROTDR)에 기반하여 입사된 특정 파장의 레이저 광에 대해 일정 위치마다 산란시켜 상기 히트 트레이싱의 온도 및 위치 측정에 사용될 산란광을 출력하는,
    히팅 케이블.
  7. 전원에 연결될 한 쌍의 모선(copper bus line)을 1차절연물질을 이용하여 절연 처리하는 단계;
    열선을 상기 1차절연물질 위에 상기 모선을 따라 나선형으로 감는 단계;
    상기 열선을 상기 한 쌍의 모선 각각에 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 연결접점부를 일정한 간격으로 생성하는 단계;
    상기 연결접점부 및 열선을 2차절연물질을 이용하여 절연 처리하는 단계;
    상기 2차절연물질 내에 광파이버센서를 포함시키는 단계; 및
    차폐 쉴드를 이용하여 히팅 케이블의 외부에서 유입되는 노이즈를 차단하는 단계를 포함하도록 구성되는,
    히팅 케이블 제조방법.
  8. 라만 광학 시간 도메인 반사계(ROTDR)에 기반하는 광파이버센서가 포함된 히팅 케이블을 이용한 히트 트레이싱 배관을 흐르는 유체의 상변화를 일으키는 온도 변화를 측정하는 단계;
    상기 유체의 압력 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 온도 변화 및 압력 변화 간의 시간 지연 및 상기 유체의 상평형도를 이용하여 열선의 온도 변화를 수정하는 단계를 포함하되,
    상기 히팅 케이블은,
    일정한 간격으로 열선을 한 쌍의 모선과 번갈아 가며 전기적으로 연결하는 연결접점부를 포함하도록 구성되는,
    캘리브레이션 방법.
  9. 광파이버센서를 포함하는 히팅 케이블;
    가스 배관에 설치된 적어도 하나 이상의 센서로부터 가스 배관에 관한 센싱 정보를 수신하는 통신 장치;
    상기 가스 배관을 포함하는 배관 계통에 관한 그래픽 모델을 이용하여 상기 센싱 정보를 표시하는 HMI(Human-machine Interface) 모듈; 및
    상기 가스 배관을 통해 공급되는 물질에 관한 상기 센싱 정보를 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 히팅 케이블은 상기 히팅 케이블의 외부에서 유입되는 노이즈를 차단하는 차폐 쉴드를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 그래픽 모델에서 센싱 지점의 위치 정보와 온도 정보를 함께 표시하게 상기 HMI 모듈을 제어하고, 상기 히팅 케이블의 온도를 제어하도록 구성되는,
    가스 배관 모니터링 시스템.
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