KR19990045696A - 광센서장치 및 그에 이용되는 신호처리회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광센서장치 및 그에 이용되는 신호처리회로에 관한 것으로서, 광전류센서 신호처리회로(11)는 광전류센서(10)가 계측대상의 전류를 검지하지 않을 때 최초 광전류센서(10)에 소정 강도의 직류광을 공급하고, 계속해서 그 광의 강도를 광전류센서 신호처리회로(11)로 되돌아온 광신호의 강도가 미리 정해진 값에 같아지도록 조절하며, 광전류센서(10)가 전류를 검지했을 때 광전류센서(10)로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 전류를 계측하여 필터회로를 포함하지 않는 구성으로도 정확한 계측을 실시할 수 있고, 그 결과 LED를 펄스적으로 구동할 수 있어 소비전력이 적은 광센서장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

광센서장치 및 그에 이용되는 신호처리회로
본 발명은 광센서장치에 관한 것으로서, 보다 특정적으로는 광을 강도 변조하는 것에 의해 전류나 전압 등의 물리량을 계측하는 강도 변조형 광센서장치(이하, 광센서장치) 및 그에 이용되는 신호처리회로에 관한 것이다.
광센서장치는 패러디효과나 포켈스 효과 등을 이용하여 광을 강도 변조하는 것에 의해 전류, 전압 등의 물리량의 계측을 실시하는 장치이다(예를 들면 일본 특개소 62-150170호 공보에 기재). 이들 광센서장치는 고내압성, 고절연성의 특징을 살려 전력분야에서 특히 배전선의 전류/전압계측장치나 사고검출장치로서 사용되고 있다. 또한, 최근에는 광센서의 고성능화, 저비용화에 따라 널리 사용되는 계측기로서의 응용도 생각되고, 그를 위한 광센서 신호 처리 회로의 개발도 불가피해지고 있다.
도 3은 종래의 광전류센서장치의 구성의 한 예를 나타내는 블록도이다. 도 3의 장치는 광전류 센서(30) 및 광전류센서 신호처리회로(31)를 구비하고, 이들 광전류센서(30)와 광전류센서 신호처리회로(31)가 광커넥터(32)를 통하여 광파이버(33)에 의해 접속되어 있다. 광전류센서 신호처리회로(31)는 O/E변환회로(311), 뺄셈회로(312), 필터회로(313), LED구동회로(314) 및 LED(315)를 포함한다.
광전류센서(30)는 도시하지 않은 자기광학결정을 포함하고, 계측하고자 하는 전류(에 의해 생기는 자계)의 변화를 검지하고, 검지결과에 따라서 광을 강도 변조한다. 광전류센서 신호처리회로(31)는 광전류센서(30)에 광(직접광)을 공급하고, 또 광전류센서(30)가 변조하여 얻어진 광신호에 기초하여 전류값을 산출한다. 여기서, 직류광이라는 것은 LED(315)를 직류전류로 구동했을 때의 출력광이다(이하 동일).
여기서, 광전류센서(30)가 AC전류 신호(Isinωt)에 대해 m의 강도 변조율을 갖는다면 광전류센서 신호처리회로(31)에서 광전류센서(30)를 향해서 출력되는 광의 강도(P0)와, 광전류센서(30)로부터 광전류센서 신호처리회로(31)로 되돌아온 광신호의 강도(P)와의 관계는 수학식 1이 된다.
P=αP0(1+m·sinωt)
단, α는 광전류센서(30), 광커넥터(32), 광파이버(33) 등으로의 광투과 손실에 대응하는 계수이다.
광전류센서 신호처리회로(31)는 수학식 1에서 나타내어지는 강도(P)에서 m·sinωt의 부분만을 추출하는 것에 의해 전류값(Isinωt(∝m·sinωt))를 얻고 있다.
광전류센서 신호처리회로(31)에서는 O/E변환회로(311)가 광전류센서(30)로부터의 광신호를 O/E변환한다. 뺄셈회로(312)는 O/E변환회로(311)가 변환하여 얻어진 전기신호에서 미리 정해진 값(K)을 뺀다. 필름회로(313)는 O/E변환회로(311)가변환하여 얻어진 전기신호에서 DC성분(Vα)를 추출한다. LED구동회로(314)는 LED(315)를 구동하기 위한 구동전류를 제어한다. LED(315)는 전해진 구동전류에 따라서 광전류센서(30)로 공급하기 위한 광을 출력한다.
이하에서는 도 3의 장치가 전류를 계측하는 기본 동작을 설명한다. 최초, 광전류센서 신호처리회로(31)에 있어서, 미리 정해진 초기 구동전류가 전해지는 것에 의해 LED(315)에서 광이 출력된다. 이와같이 하여 광전류센서 신호처리회로(31)에서 강도(P0)로 출력된 광은 광파이버(33)중을 전파하여 광전류센서(30)에 입력되고, 거기서 강도 변조된 후, 다시 광파이버(33)중을 전파하여 광전류센서 신호처리회로(31)로 되돌아온다. 광전류센서 신호처리회로(31)에서는 되돌아온 광의 강도(P)를 O/E변환회로(311)가 전류값(V)으로 변환하고, 또 변환하여 얻어진 전류값(V)에서 뺄셈회로(312)가 DC성분에 해당하는 값(K)을 빼는 것에 의해 m·sinωt가 추출된다.
상기 기본 동작에 있어서, 전류값(V)에 포함되는 DC성분의 값(Vα)은 광전류센서(30), 광커넥터(32), 광파이버(33) 등으로의 광투과손실 때문에 뺄셈회로
(312)에서 빼내어지는 값(K)과 일치하지 않고, 또는 그들 각 구성요소의 경년(經年)변화 등에 의해 변동하기 때문에 그대로는 정확한 전류값 Isinωt(∝m·sinωt)이 얻어지지 않는다. 따라서, 도 3의 장치에서는 필터회로(313)를 설치하여 O/E변환회로(311)가 변환하여 얻어진 전류값(V)에서 DC성분(Vα)을 추출하고, 추출한 Vα가 항상 일정값(K)과 일치하도록 LED구동회로(314)가 LED(315)의 구동전류를 조정한다.
상기 구동전류를 조정하는 동작은 APC(Auto Power Control)이라고 불리우고 있다. 이 APC 동작의 결과, 수학식 1로 나타낸 광전류센서 신호처리회로(31)의 입출력의 관계는 수학식 2와 같이 된다.
P=k(1+m·sinωt)
단, k는 정수이다.
따라서, 수학식 2로 나타내어지는 강도(P)를 O/E변환회로(311)가 변환하여 얻어지는 전류값(V)은 수학식 3으로 나타내어진다.
V=K(1+m·sinωt)
단, K는 정수이다.
또한, 수학식 3으로 나타내어지는 전류값(V)이 뺄셈회로(312)에 입력되고, 거기서 V에서 일정값(K)이 빼내어진다. 그 결과, 뺄셈회로(312)로부터의 출력(Vout)은 수학식 4와 같이 된다.
Vout=V-T=K·m·sinωt(∝m·sinωt)
이와같이 하여 도 3의 장치는 뺄셈회로(312)로부터의 출력(Vout)에 의해 전류값Isinωt(∝m·sinωt)을 얻을 수 있다.
도 4는 종래의 광전류센서장치의 구성의 다른 한 예를 나타내는 블록도이다. 도 4의 장치는 광전류센서(40) 및 광전류센서 신호처리회로(41)를 구비하고, 이들 광전류 센서(40)와 광전류센서 신호처리회로(41)가 광커넥터(42)를 통하여 광파이버(43)에 의해 접속되어 있다. 광전류센서 신호처리회로(41)는 O/E변환회로(411), 필터회로(412), 뺄셈회로(413), 제산회로(414), LED구동회로(415) 및　LED(416)을 포함한다.
광전류센서(40)는 도시하지 않은 자기광학결정을 포함하고, 계측하고자 하는 전류(에 의해 생기는 자계)의 변화를 검지하고, 검지결과에 따라서 광을 강도 변조한다. 광전류센서 신호처리회로(41)는 광전류센서(40)에 광을 공급하고, 또 광전류센서(40)가 변조하여 얻어진 광신호에 기초하여 전류값을 산출한다.
여기서, 광전류센서(40)가 AC전류신호(Isinωt)에 대해 m의 강도변조율을 갖으면 광전류센서 신호처리회로(41)로부터 광전류센서(40)를 향하여 출력되는 광의 강도(P0)와 광전류센서(40)에서 광전류센서 신호처리회로(41)로 되돌아온 광신호의 강도(P)와의 관계는 수학식 1과 같이 된다. 광전류센서 신호처리회로(41)는 수학식 1에서 나타내어지는 강도(P)에서 m·sinωt의 부분만을 추출하는 것에 의해 전류값(Isinωt(∝m·sinωt))를 얻고 있다. 이 점으로 도 4의 장치는 도 3의 장치와 같지만 강도(P)에서 m·sinωt의 부분을 추출하는 수단이 도 3의 장치와 다르다.
광전류센서 신호처리회로(41)에서는 LCD구동회로(415)가 LED(416)를 구동하기 위한 구동전류를 제어한다. 그때, LED구동회로(415)는 출력하는 구동전류를 미리 정해진 일정값에 같아지도록 제어하고 있다. LED(416)은 전해진 구동전류에 따라서 광전류센서(40)로 공급하기 위한 광을 출력한다. O/E변환회로(411)는 광전류센서(40)로부터의 광신호를 O/E변환한다. 필터회로(412)는 O/E변환회로(411)가 변환하여 얻어진 전기신호에서 DC성분(Vα)를 추출한다. 뺄셈회로(413)는 O/E변환회로(411)가 변환하여 얻어진 전기신호에서 필터회로(412)가 추출한 DC성분을 뺀다. 나눗셈회로(414)는 뺄셈회로(413)가 빼서 얻어진 값을 필터회로(412)가 추출한 DC성분으로 나눗셈한다.
이하에는 도 4의 장치가 전류를 계측하는 동작을 설명한다. 최초, 광전류센서 신호처리회로(41)에 있어서, 미리 정해진 일정한 구동전류가 전해지면 그에 따라서 LED
(416)에서 광이 출력된다. 이와같이 하여 광전류센서 신호처리회로(41)에서 강도(P0)로 출력된 광은 광파이버(33)중을 전파하여 광전류센서(40)에 입력되고, 거기서 강도 변조된 후, 다시 광파이버(33)중을 전파하여 광전류센서 신호처리회로(41)로 되돌아온다. 광전류센서 신호처리회로(41)에서는 되돌아온 강도(P)를 O/E변환회로(411)가 전류값(V)으로 변환한다. 이 O/E변환회로(411)의 출력(V)은 수학식 5와 같이 나타내어진다.
V=kVO(1+m·sinωt)
단, kVO는 강도(P)를 전류값으로 변환했을 때의 αPO에 해당하는 전류값이다.
다음으로, 수학식 5로 나타내어지는 전류값(V)이 필터회로(412)에 입력된다. 필터회로(412)는 V에서 수학식 6에서 나타내어지는 DC성분인 전류값(Vα)을 추출한다.
Vα＝kVO
다음으로, O/E변환회로(411)의 출력(V)와 필터회로(412)의 출력(Vα)이 뺄셈회로(413)에 입력되고, 또 이 뺄셈회로(413)로부터의 출력과 필터회로(412)로부터의 출력(Vα)이 나눗셈회로(414)에 입력된다. 그 결과, 나눗셈회로(414)로부터의 출력(Vout)은 수학식 7과 같이 된다.
Vout=(V-Vα)/Vα=m·sinωt
이와같이 도 4의 장치는 나눗셈회로(414)로부터의 출력(Vout)에 의해 전류값(Isinωt(∝m·sinωt)를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 도 3 및 도 4의 장치에서는 모두 계측 대상의 전류에 의한 이외의 강도 변조가 초래하는 계측 오차가 제거되어 계측을 정확하게 실시할 수 있다. 도 3 및 도 4 이외의 종래의 광전류센서장치 또는 광전압 센서 장치 등 다른 종래의 강도 변조형 광센서장치에서도 상기와 같은 구성을 가진 신호처리회로에 의해 원하는 물리량의 계측을 실시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 각 종래의 광센서장치에서는 모두 계측중 항상 LED가 구동되어 있다. LED의 구동에는 많은 전력을 필요로 하기 때문에 이 구동전류를 포함하여 전체로서 수백mW의 전력이 광센서 신호처리회로에 항상 공급되어 있을 필요가 있었다.
종래의 광센서 장치는 배전자동화의 일환으로서 설치되고, 배전선의 부하의 감시나 사고정보 등의 검출을 주안으로서 사용되고 있다. 그 때문에, 동일 장소에 장기간 설치되는 것이 많고, 필요한 전력도 항상 공급되어 있어 문제는 없었다. 하지만, 예를 들면 부하의 감시의 경우, 최근에는 여러 가지 장소에서 부하의 변화 등을 파악할 필요가 생기고, 그 때문에 상설(常設)이 아니라 어디라도 간단히 측정할 수 있는 휴대용의 광센서장치가 요구되고 있다. 이와같은 장치를 실현하기 위해서는 소비전력을 적게 하여 전지 등의 용량이 제한된 전지에 의해 장치를 동작시키는 것이 필요해진다.
소비전력을 적게 하는데는 예를 들면 LED를 펄스적으로 구동하는 것이 생각되지만 이하의 이유로 인해 그것이 용이하지 않다. 즉, 광센서장치에서는 정확한 계측값을 얻기 위해 O/E변환하여 얻어진 전기신호에서 DC성분을 추출하는 처리가 불가피하다. 그때문에 종래의 광센서장치는 모두 도 3 또는 도 4의 장치가 그렇듯이 DC성분 추출을 위한 필터회로를 포함하고 있다. 필터회로는 일반적으로 시정수가 크고, 신호가 입력되기 때문에 안정되기까지 수초∼수십초가 걸린다. 따라서, 종래의 광센서장치에서는 항상 LED를 구동시켜 DC성분을 추출하는 동작을 연속적으로 실시할 필요가 있고, LED를 펄스적으로 구동할 수 없었다.
따라서, 본 발명의 목적은 필터회로를 포함하지 않는 구성이라도 정확한 계측을 실시하고, 그 결과 예를 들면 LED를 펄스적으로 구동할 수 있어 소비전력이 적은 광센서장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 광전류센서장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 도 1의 장치가 전류를 계측하는 동작을 나타내는 플로우차트,
도 3은 종래의 광전류센서장치의 구성의 한 예를 나타내는 블록도, 및
도 4는 종래의 광센서장치의 구성의 다른 한 예를 나타내는 블록도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 광전류센서 11 : 광전류센서 신호처리회로
12 : 광커넥터 13 : 광파이버
14 : 전원SW 15 : 전지
112 : 뺄셈회로 113 : A/D변환회로
114 : 아날로그부 전원회로 116 : 표시회로
118 : LED
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이하와 같은 특징을 가지고 있다.
본 발명의 제 1 국면은 대상으로 하는 물리량의 변화를 광학적으로 포착하여 계측하는 광센서장치에 있어서,
공급된 광을 계측하고자하는 물리량의 변화에 따라서 강도 변조하는 광센서와,
광센서에 광을 공급하고, 또 광센서가 강도 변조하여 얻어진 광신호를 처리하여 물리량의 계측값을 구하는 신호처리회로를 구비하고,
신호처리회로는,
광센서에 공급하기 위한 광을 출력하는 광추력수단과,
광센서에서 출력되는 광신호를 처리하여 물리량을 계측하는 계측수단, 및
광출력 수단을 제어하는 제어수단을 포함하고,
제어수단은 광센서가 물리량을 검지하지 않은 초기 모드에서는 광출력수단으로부터 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급시키고, 계측수단에 입력되는 광신호의 강도가 미리 정해진 값이 되도록 상기 직류광의 강도를 조절하고,
광센서가 물리량을 검지하는 계측 모드에서는 광출력수단으로부터 광센서에 대해 초기모드에서 조정된 강도를 가진 펄스광을 공급시키고,
계측수단은 광출력수단으로부터 광센서에 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 물리량을 계측하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같이, 제 1 국면에서 신호처리회로는 광센서가 계측하고자 하는 물리량을 검지하지 않을 때, 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급하고, 그 광의 강도를 신호처리회로로 되돌아온 광신호의 강도가 미리 정해진 값에 같아지도록 조절한다. 여기서, 직류광이라는 것은 발광소자 등을 직류 전류로 구동했을 때의 출력광이다. 그리고, 광센서가 물리량을 검지하고 있을 때, 광센서로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 물리량을 계측한다. 이것에 이해 종래와 달리 필터회로를 구비하지 않아도 정확한 계측을 실시할 수 있다. 또한, 필터회로를 구비하고 있지 않기 때문에 광센서가 물리량을 검지하고 있을 때, 광센서에 펄스광을 공급하여 계측을 실시하도록 할 수 있고, 그 결과 시간적으로 변동하는 전류값을 정확하게, 또 적은 소비전력으로 계측할 수 있다.
제 2 국면은 제 1 국면에 있어서,
계측수단은,
광센서가 강도 변조하여 얻어진 광신호를 광/전기변환하는 O/E변환수단과,
O/E변환수단이 변환하여 얻어진 전기신호를 아날로그/디지털 변환하는 A/D변환수단, 및
A/D변환수단이 변환하여 얻어진 디지털 신호를 기초로 물리량의 계측값을 산출하는 연산수단을 포함하고 있다.
상기와 같이, 제 2 국면에서는 광센서로부터의 광신호를 O/E변환한 후, 또 A/D변환하고, 얻어진 디지털 신호를 기초로 물리량의 계측값을 산출하도록 했기 때문에 펄스광에 적합한 계측 처리를 실시할 수 있다.
제 3 국면은 제 2 국면에 있어서, 연산수단은 광출력수단에서 광센서에 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 펄스광의 강도가 저레벨인 각 기간, 동작속도가 상대적으로 늦은 전력절감모드로 동작하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같이, 제 3 국면에서는 연산수단이 계측실행시에는 동작속도가 상대적으로 빠른 통상 모드로 동작하고, 계측 정지시에는 동작 속도가 상대적으로 늦은 전력절감모드로 동작하기 때문에 더욱 적은 소비전력으로 계측을 실시할 수 있다.
제 4 국면은 제 2 국면에 있어서, 제어수단은 계측모드에서는 또 펄스광을 공급시키는 처리에 동기하여 O/E변환수단 및 A/D변환수단을 동작/정지시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같이, 제 4 국면에서는 O/E변환수단 및 A/D변환수단도 펄스적으로 동작하기 때문에 보다 적은 소비전력으로 계측을 실시할 수 있다.
제 5 국면은 제 4 국면에 있어서, 연산수단은 광출력수단에서 광센서에 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 펄스광의 강도가 저레벨에 있는 각 기간, 동작속도가 상대적으로 늦은 전력 절감 모드로 동작하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같이, 제 5 국면에서는 연산수단이 계측실행시는 동작속도가 상대적으로 빠른 통상모드로 동작하고, 계측 정지시에는 동작속도가 상대적으로 늦은 전력 절감 모드로 동작하기 때문에 더욱 적은 소비전력으로 계측을 실시할 수 있다.
제 6 국면은 제 1 국면에 있어서, 제어수단은 광센서가 물리량을 검지하지 않은 계측개시전에 한 번만 초기모드로 동작하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기와 같이 제 6 국면에서는 계측 개시전에 한 번정도 APC를 실시하기 때문에 APC에 요하는 소비전력을 절약할 수 있다.
제 7 국면은 대상으로 하는 물리량의 변화를 광학적으로 포착하여 계측하는 광센서장치에 이용되는 신호처리회로로서,
광센서장치에는 공급된 광을 계측하고자 하는 물리량의 변화에 따라서 강도 변조하는 광센서가 설치되고,
광센서에 공급하기 위한 광을 출력하는 광출력수단과,
광센서로부터 출력되는 광신호를 처리하여 물리량을 계측하는 계측수단, 및
광출력수단을 제어하는 제어수단을 포함하며,
제어수단은,
광센서가 물리량을 검지하지 않은 초기 모드에서는 광출력수단으로부터 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급시키고, 계측수단에 입력되는 광신호의 강도가 미리 정해진 값이 되도록 상기 직류광의 강도를 조절하고,
광센서가 물리량을 검지하는 계측 모드에서는 광출력수단으로부터 광센서에 대해 초기 모드에서 조정된 강도를 가진 펄스광을 공급시키고,
계측수단은 광출력 수단으로부터 광센서에 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 물리량을 계측하는 것을 특징으로 하고 있다.
이하, 본 발명의 한 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 광전류 센서의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1의 장치는 광전류센서(10), 광전류센서 신호처리회로(11), 전원(SW)(스위치)(14) 및 전지(15)를 구비하고, 광전류센서(10)와 광전류센서 신호처리회로(11)가 광커넥터(12)를 통하여 광파이버(13)에 의해 접속되어 있다. 또한, 광전류센서 신호처리회로(11)와 전지(15)는 전원SW(14)에 의해 서로 접속/절단된다. 또한, 도 1의 장치는 예를 들면 배전선을 전송되는 전류를 임의의 위치로 계측하는데 이용되고, 1∼2m의 봉(奉)의 한 단에 광전류센서(10)가 설치되고, 또 봉의 중간 정도에 광전류센서 신호처리회로(11), 전원SW(14) 및 전지(15)가 설치된 구조를 가지고 있다. 작업자는 봉의 타단을 잡아 광전류 센서(10)를 배전선에 가깝게 하여 계측 작업을 실시한다.
광전류센서 신호처리회로(11)는 O/E변환회로(111), 뺄셈회로(112), A/D변환회로(113), 아날로그부 전원회로(114), 연산처리회로(115), 표시회로(116), 디지털부 전원회로(117) 및 LED(118)를 포함한다. 연산처리회로(115)는 연산부(115a), 메모리(115b) 및 LED구동제어부(115c)를 포함하고 있다.
광전류센서(10)는 도시하지 않은 자기광학결정을 포함하고, 계측하고자 하는 전류(에 의해 생기는 자계)의 변화를 검지하고, 검지결과에 따라서 광을 강도 변조한다.
바꿔말하면, 자기광학결정에서는 전류에 의해 생긴 자계의 변화에 따라서 편광면이 회전하여 투과광량이 변화한다. 광전류센서(10)는 이 자기광학결정의 성질을 이용하여 전류의 변화를 광의 강도 변화로 변환하고 있다. 광전류센서 신호처리회로(11)는 광전류센서(10)에 광(직접광)을 공급하고, 또 광전류센서(10)가 변조하여 얻어진 광신호에 기초하여 전류값을 산출한다.
여기서, 광전류센서(10)가 AC전류신호(Isinωt)에 대해 m의 강도 변조율을 갖으면 광전류센서 신호처리회로(11)로부터 광전류센서(10)를 향해서 출력되는 광의 강도(P0)와, 광전류센서(10)로부터 광전류센서 신호처리회로(11)로 되돌아온 광신호의 강도(P)의 관계는 수학식 1과 같이 된다. 광전류센서 신호처리회로(11)는 수학식 1로 나타내어지는 강도(P)가 m·sinωt의 부분만을 추출하는 것에 의해 전류값Isinωt(∝m·sinωt)를 얻고 있다.
광전류센서 신호처리회로(11)에서는 LED(118)가 전해진 구동전류에 따라서 광전류센서(10)로 공급하기 위한 광(직접광)을 출력한다. O/E변환회로(111)는 광전류센서(10)로부터의 광신호를 O/E변환한다. 뺄셈회로(112)는 O/E변환회로(111)가 변환하여 얻어진 전기신호에서 미리 정해진 값(K)을 뺀다. A/D변환회로(113)은 뺄셈회로(112)가 빼서 얻어진 아날로그값을 A/D변환한다. 아날로그부 전원회로(114)는 LED(118), O/E변환회로(111), 뺄셈회로(112) 및 A/D변환회로(113)(이하, 이들 각 요소를 정리하여 아날로그부라고 함)에 전원전류를 공급한다.
연산처리회로(115)는 A/D변환회로(113)가 A/D변환하여 얻어진 디지털 데이터에 기초하여 LED(118)에 공급되는 구동전류를 조절하고, 또 아날로그부 전원회로(114)의 공급동작을 제어한다. 연산처리회로(115)에서는 연산부(115a)가 상기 구동전류조절을 실시하기 위한 연산을 실시하고, 메모리(115b)는 연산에 필요한 각종 데이터 연산시의 중간 데이터 등을 기억한다. LED구동제어부(115c)는 LED(118)를 구동하기 위한 구동전류(직류전류)를 제어한다. 여기서 말하는 제어는 전류값을 시간적으로 변화시키는 처리, 예를 들면 전류값을 항상 일정값으로 조절하거나(초기모드시), 펄스적으로 변화시키는(계측모드시) 등의 처리를 가리킨다.
표시회로(116)는 연산부(115a)의 연산 결과 등을 표시한다. 디지털부 전원회로(117)는 연산처리회로(115) 및 표시회로(116)(이하, 이들 각 요소를 정리하여 디지털부라고 함)에 전원 전류를 공급한다.
도 2는 도 1의 장치가 전류를 계측하는 동작을 나타내는 플로우차트이다. 이하에는 도 1의 장치가 전류를 계측하는 동작을 도 2를 이용하여 설명한다. 이제 작업자는 도시하지 않은 배전선을 전송되는 전류를 계측하려고 하고 있다. 작업자는 광전류센서(10)가 배전선에서 떨어진 위치에 있는 상태에서 전원SW(14)을 ON으로 한다. 따라서, 전지(15)에서 전원전류의 공급이 개시된다(단계(S201)). 전원전류의 공급이 개시되면 도 1의 장치는 최초, APC(Auto Power Control)을 실시한다(단계S202). 이하, 이 단계(S202)의 APC동작에 대해서 상세하게 설명한다.
단계(S202)에서는 LED구동제어부(115c)가 초기 모드의 상태에 있고, 최초, 그 제어에 의해 LED(118)에 미리 정해진 초기 구동전류(직류전류)가 연속적으로 공급되면 따라서 LED(118)로부터 광(직류광)이 출력된다. 또한, 미리 설명하면 다음 단계(S203)에서는 LED(구동제어부(115c)가 계측 모드의 상태로 이행하고, 그 제어에 의해 LED(118)에 단계(S202)의 APC의 결과 얻어진 보정 후의 구동전류가 펄스적으로 공급되고, 따라서 LED(118)에서 펄스광이 출력된다.
이와같이 하여 광전류센서 신호처리회로(11)로부터 강도(P0)로 출력된 광은 광파이버(13)중을 전파하여 광전류센서(10)에 입력되고, 그 후 다시 광파이버(13)중을 전파하여 광전류센서 신호처리회로(11)로 되돌아온다. 강도(P)로 되돌아온 광은 광전류센서(10)가 배전선에서 떨어진 위치에 있기 때문에 강도 광변조를 받지 않고 P와 PO의 관계는 수학식 8과 같이 된다.
P=αPO
단, α는 광전류센서(10), 광커넥터(12), 광파이버(13) 등으로의 광투과 손실에 대응하는 계수이다.
즉, 되돌아온 광을 O/E 변환하여 얻어지는 전기신호에는 DC성분만 포함되기 때문에 종래와 같이 필터회로를 설치하지 않고 그 전류값을 계측하는 것만으로 DC성분이 얻어지게 된다.
다음으로, 광전류센서 신호처리회로(11)에서는 O/E변환회로(111)가 되돌아온 광의 강도(P)를 O/E변환하고, 뺄셈회로(112)는 변환하여 얻어진 아날로그 전류값에서 미리 정해진 값(K)을 뺀다. 다음으로, A/D변환회로(113)가 빼서 얻어진 아날로그 전류값을 샘플링에 의해 A/D변환하고, 얻어진 디지털 데이터를 연산처리회로(115)에 전한다. 연산처리회로(115)에서는 연산부(115a)가 전해진 디지털 데이터에 기초하여 뺄셈회로(112)가 빼서 얻어지는 아날로그 전류값이 0이 되는 구동전류값을 산출한다. 산출결과는 메모리(115b)에 기억되고, 또 LED구동 제어부(115c)가 전해진다.
LED구동 제어부(115c)는 전해진 산출 결과에 기초하여 LED(118)에 전해지는 구동전류값을 조정한다. 그 결과, 광전류센서(10)가 배전선의 근방으로 이동되어 전류의 계측이 개시되었을 때, 전류에 의한 이외의 강도 변조가 초래하는 강도 오차가 보정되어 정확한 계측을 실시할 수 있다(후술). 이상에서 단계(S202)의 APC동작이 완료된다. 이후, 도 1의 장치에서는 전원이 다시 투입되기까지 APC는 실행되지 않는다.
여기서, 포착하면 계측 대상의 전류에 의한 이외의 강도 변조의 크기는 광파이버(13) 등 전송로의 응력의 시간에 따른 변화나 LED(118), O/E변환회로(111)에 포함되는 PD의 시간에 따른 악화 등에 의해 장기간에 걸쳐 서서히 변화해간다. 따라서, 배전선에 고정하여 장기간 연속해서 전류 계측을 실시하는 종래의 장치의 경우, 항상 APC동작을 실시할 필요가 있지만 본 발명이 목적으로 하는 휴대용의 광전류센서장치의 경우에는 연속 사용 시간은 길어도 수시간 정도이고, 그 정도의 시간내에 상기와 같은 변화가 일어나는 것은 거의 없다. 따라서, 전원 SW(14)가 ON된 직후 1회만큼 APC동작을 실시하면 충분히 정확한 전류계측이 가능하다.
단계(S202)의 APC동작이 완료되면 표시회로(116)에 의해 그 요지가 표시된다. 표시에 따라서 작업자가 광전류센서(10)를 배전선 근방으로 이동시키면 도 1의 장치에서는 전류 계측을 개시한다(단계(S203). 이하, 이 단계(S203)의 전류 계측 처리에 대해서 상세히 설명한다.
계측 개시후, 광전류센서 신호처리회로(11)로 되돌아온 광은 광전류센서(10)에 의해 강도 변조를 더해지고 있다.
광전류센서 신호처리회로(11)에서는 최초, O/E변환회로(111)가 되돌아온 광의 강도(P)를 O/E변환한다. 다음으로, 뺄셈회로(112)는 O/E변환회로(111)가 변환하여 얻어진 아날로그 전류값으로부터 미리 정해진 값(K)을 뺀다. 이때, 빼서 얻어진 아날로그 전류값은 단계(S202)의 APC동작의 결과, 광전류센서(10)에 의해 가해지는 강도 변조에 해당하는 AC성분만이 포함되어 있다. 다음으로, A/D변환회로(113)는 뺄셈하여 얻어진 아날로그 전류값을 샘플링하는 것에 의해 A/D변환한다. 그리고, 변환하여 얻어진 디지털 데이터가 연산처리회로(115)에 전해지고, 이상에서 단계(S203)의 계측처리가 완료된다.
디지털 데이터가 전해지면 연산처리회로(115)에서는 연산부(115a)가 최초, 아날로그부 전원회로(114)에 지시하여 아날로그부(LED(118), O/E변환회로(111), 뺄셈회로(112) 및 A/D변환회로(113)로의 전원 전류의 공급을 정지시키고(단계(S204)), 계속해서 전해진 디지털 데이터에 기초하여 전류값을 산출한다(단계(S205)).그리고, 얻어진 산출 결과가 표시회로(116)에 의해 표시된다(단계(S206)).
이와같이, 도 1의 장치에서는 광전류센서 신호처리회로(11)는 광전류센서(10)가 계측 대상의 전류를 검지하지 않을 때 광전류 센서(10)에 미리 정해진 강도의 직류광을 연속적으로 공급하고, 그 광의 강도를 광전류센서 신호처리회로(11)로 되돌아온 광신호의 강도가 미리 정해진 값과 같아지도록 조절한다. 그리고, 광전류센서(10)가 전류를 검지하고 있을 때 광전류 센서(10)에서 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 전류값을 계측한다. 이것에 의해 도 1의 장치는 도 3 또는 도 4의 장치와 달리 필터 회로를 구비하지 않아도 정확한 계측을 실시할 수 있다.
또한, 도 1의 장치에서는 광전류센서(10)로부터의 광신호를 O/E변환한 후, 또 A/D변환하고, 얻어진 디지털 신호를 기초로 전류의 계측값을 산출하도록 했기 때문에 펄스광에 적합한 계측 처리를 실시할 수 있다(후술).
또한, 도 1의 장치에서는 계측 종료 후, 아날로그부, 특히 LED(118)로의 전원 전류의 공급을 정지하도록 했기 때문에 소비전력이 적어진다.
그리고, 도 1의 장치는 시정수가 큰 필터 회로를 포함하지않은 구성이기 때문에, 예를 들면 이하와 같이 하여 펄스적인 계측을 실시할 수 있다. 즉, 단계(S206)의 산출 결과 표시가 개시된 시점에서 연산부(115a)가 전력 절감 모드로 이행한다(단계(S207)). 연산부(115a)는 전력 절감 모드로는 동작속도가 이행전의 통상모드의 경우 보다도 늦어지고, 소비전력이 적어진다. 산출 결과의 표시는 연산처리회로(115)로부터 표시회로(116)로의 지시가 있기까지 계속해서 실시된다.
다음으로, 연산부(115a)는 전력 절감 모드로 이행하고나서 미리 설정된 시간(예를 들면 1초)이 경과했는지 여부를 판단하고(단계(S208)), 경과한 시점에서 통상 모드로 이행한다(단계(S209)). 또한, 연산부(115a)는 전원SW(14)가 OFF되었는지 여부를 판단하고(단계(S210)), OFF되어 있지 않으면 아날로그부 전원회로(114)에 지시하여 아날로그부로의 전원전류의 공급을 재개시킨다(단계(S211)). 그 후, 단계(203)의 처리로 되돌아가고, 상기 동작이 반복된다. 전원SW(14)가 OFF된 경우에는 동작을 정지한다. 상기 펄스적인 계측이라는 것은 이와같이 하여 계측 실행/정지를 반복하는 것을 말한다.
또한, 반복시의 단계(S203)의 계측에서는 LED구동제어부(115c)는 LED(118)에 전해지는 구동전류값을 제어 메모리(115b)에 기억되어 있는 값에 같아지도록 제어한다.
이와같이 하여 펄스적인 계측 동작을 실시하는 것에 의해 도 1의 장치는 시간적으로 변동하는 전류값을 정확하게, 또 적은 소비전력으로 계측할 수 있다. 그 결과, 전원으로서 용량이 작은 전지(15)를 이용할 수 있게 된다. 또한, 상기와 같은 1초 주기 정도의 펄스적인 동작이라도 연속적인 동작과 비교하여 계측장치로서의 기능에 부족함이 없다. 왜냐하면 계측시, 광전류센서(10)에 자계를 검지시키고 나서 계측값이 표시되고, 또 작업자가 그것을 판독하기까지 통상, 적어도 수초를 필요로 하기 때문이다.
또한, 본 실시형태에서는 도 1에 나타낸 광전류센서(10)를 구비한 광전류센서장치에 대해서 설명했는데, 광전압센서를 구비한 광전압센서장치라도 좋다. 또는 다른 물리량의 변화에 따라서 광을 강도변조하는 광센서를 구비한 장치이면 어떤 광센서장치라도 좋다. 모든 장치로도 도 1의 광전류센서 신호처리회로(11)와 동일한 회로 구성으로 신호처리회로를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 광전류센서(10)에 공급하는 광을 출력하는 소자로서 LED(118)를 이용했지만 LD 등 다른 발광소자를 이용해도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 APC와 계측을 동일한 처리계로 실시하고 있는데 APC를 실시하는 계와 계측을 실시하는 계와 별도로 설치해도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 단계(S202)의 APC동작에 있어서, AC아날로그신호의 다이나믹렌지를 크게 하는 목적으로 AC아날로그 신호에서 일정값(K)을 뺄셈회로(112)에서 빼고, 뺄셈 결과의 아날로그 전류값이 0이 되도록 LED(118)의 구동 전류값을 조정하는 구성으로 했지만 뺄셈회로(112)를 이용하지 않고, O/E변환회로(111)의 출력이 미리 정해진 아날로그 전류값이 되도록 LED(118)의 구동전류값을 조정하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 전원SW(14)가 ON된 직후의 1회만 자동적으로 APC동작을 실시하고 있는데 광전류센서 신호처리회로(11)에 리셋SW를 또 설치하고, 광전류센서(10)가 자계를 검지하지 않은 상태에서 작업자가 이 리셋SW를 누르는 것에 의해 임의의 타이밍으로 APC동작을 실시할 수 있도록 해도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 APC동작후 일정시간마다 펄스적으로 계측동작을 실시하고 있는데 광전류센서 신호처리회로(11)에 계측SW을 또 설치하고, 전원SW(14)가 ON되어 APC동작이 실시된 후, 아날로그부로의 전원 전류의 공급이 정지되고, 또 연산부(115a)도 전력 절감 모드로 이행한 상태에서 작업자에 의해 계측SW가 눌려졌을때만 연산부(115a)가 통상 모드로 이행하고, 또 아날로그부로의 전원 전류의 공급이 개시되도록 해도 좋다. 이 경우, 작업자가 계측SW를 눌렀을 때에만 계측이 실시되기 때문에 소비전력이 더욱 적게 완료된다.
또한, 본 실시형태에서는 연산처리회로(115)가 아날로그부 전원회로(114)를 제어하여 아날로그부로의 전원 전류의 공급을 정지/개시시키고 있는데 아날로그부 자체가 전력 절감 모드를 갖고, 연산처리회로(115)가 직접적으로 아날로그부의 모드 교체를 실시하도록 해도 좋다(예를 들면, LED(118)의 발광동작을 정지시키는 경우, LED구동제어부(115c)가 구동전류값을 0으로 제어하고, 발광동작을 실시하는 경우에는 메모리(115b)에 기억된 값에 같아지도록 제어한다.).
또, 본 실시형태에서는 전원으로서 전지(15)를 사용하고 있는데, 더욱 용량이 큰 밧테리, 또는 AC전원 등을 이용하는 경우에도 소비전력을 줄이는 효과가 얻어지는 것은 물론이다.
비록 본 발명이 상세히 기술되고 도시되었지만, 이는 설명과 예시일 뿐이고, 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지와 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.
신호처리회로(11)는 광센서(10)가 계측하고자 하는 물리량을 검지하지 않을 때, 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급하고, 그 광의 강도를 신호처리회로로 되돌아온 광신호의 강도가 미리 정해진 값에 같아지도록 조절함으로써 필터회로를 구비하지 않아도 정확한 계측을 실시할 수 있고 LED를 펄스적으로 구동할 수 있어 소비전력이 적은 광센서장치를 제공한다.

Claims (7)

  1. 대상으로 하는 물리량의 변화를 광학적으로 포착하여 계측하는 광센서장치에 있어서,
    공급된 광을 계측하고자 하는 물리량의 변화에 따라서 강도 변조하는 광센서; 및
    상기 광센서에 광을 공급하고, 또 상기 광센서가 강도변조하여 얻어진 광신호를 처리하여 상기 물리량의 계측값을 구하는 신호처리회로를 구비하고,
    상기 신호처리회로는,
    상기 광센서에 공급하기 위한 광을 출력하는 광출력수단;
    상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 처리하여 상기 물리량을 계측하는 계측수단, 및
    상기 광출력수단을 제어하는 제어수단을 포함하고,
    상기 제어수단은,
    상기 광센서가 상기 물리량을 검지하지 않은 초기 모드에서는 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급시키고, 상기 계측수단에 입력되는 광신호의 강도가 미리 정해진 값이 되도록 상기 직류광의 강도를 조절하고,
    상기 광센서가 상기 물리량을 검지하는 계측 모드에서는 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 대해 상기 초기모드로 조정된 강도를 가진 펄스광을 공급시키고,
    상기 계측수단은 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 상기 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 상기 물리량을 계측하는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측수단은,
    상기 광센서가 강도 변조하여 얻어진 광신호를 광/전기 변환하는 O/E변환 수단;
    상기 O/E변환수단이 변환하여 얻어진 전기신호를 아날로그/디지털 변환하는 A/D변환수단; 및
    상기 A/D변환수단이 변환하여 얻어진 디지털신호를 기초로 상기 물리량의 계측값을 산출하는 연산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연산수단은 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 상기 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 펄스광의 강도가 저레벨인 각 기간, 동작속도가 상대적으로 늦은 전력 절감 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 계측모드에서는 또 상기 펄스광을 공급시키는 처리에 동기하여 상기 O/E변환수단 및 상기 A/D변환수단을 동작/정지시키는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산수단은 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 상기 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 펄스광의 강도가 저레벨인 각 기간, 동작속도가 상대적으로 늦은 전력 절감 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 광센서가 상기 물리량을 검지하지 않은 계측 개시전에 한번만 상기 초기 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 광센서장치.
  7. 대상으로 하는 물리량의 변화를 광학적으로 포착하여 계측하는 광센서장치에 사용되는 신호처리회로에 있어서,
    상기 광센서장치에는 공급된 광을 계측하고자 하는 물리량의 변화에 따라서 강도 변조하는 광센서가 설치되고,
    상기 광센서에 공급하기 위한 광을 출력하는 광출력수단;
    상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 처리하여 상기 물리량을 계측하는 계측수단; 및
    상기 광출력수단을 제어하는 제어수단을 포함하고,
    상기 제어수단은,
    상기 광센서가 상기 물리량을 검지하지 않은 초기 모드에서는 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 미리 정해진 강도의 직류광을 공급시키고, 상기 계측수단에 입력되는 광신호의 강도가 미리 정해진 값이 되도록 상기 직류광의 강도를 조절하고,
    상기 광센서가 상기 물리량을 검지하는 계측 모드에서는 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 대해 상기 초기 모드에서 조정된 강도를 가진 펄스광을 공급시키고,
    상기 계측수단은 상기 광출력수단으로부터 상기 광센서에 상기 펄스광이 공급되어 있을 때, 상기 광센서로부터 출력되는 광신호를 전기적으로 처리하여 상기 물리량을 계측하는 것을 특징으로 하는 신호처리회로.
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