KR20030095520A - 파장다중 방식의 온도 보정을 이용한 선형 광섬유분포온도측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 광섬유에 펄스형 광을 입사하여 생기는 산란광 중에 광섬유 주변 온도에 반응하는 파장신호와 광 펄스 입사 후 되돌아오는 산란광의 시간차를 이용하여 광섬유 주변의 온도를 측정하는 광섬유를 이용한 선형 분포온도 측정 장치에 관한 것으로 측정된 온도의 정확도를 높이기 위하여 광섬유 끝 단에 고안된 보정 회로를 부착하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 선형 분포온도 측정장치 이다.

Description

파장다중 방식의 온도 보정을 이용한 선형 광섬유 분포온도측정 장치 {Linear distributed temperature measurement equipment using wavelength multiplexing for temperature compensation}

본 고안은 광섬유를 센서로 이용하여 라만 산란광을 이용한 광섬유 선형 분포 온도측정 장치에 관한 것이다.

라만 산란광을 이용한 광섬유 선형온도 측정장치는 광섬유 한쪽 끝에 파장 λo의 레이저 펄스 광을 입사하면 광섬유 내에서는 λs의 스토크스광과 λas의 안티스토크스광, 2가지 성분의 라만 산란광이 발생된다. 이 두 가지 파장의 진폭 비율이 순수히 온도의 함수이고 광섬유 내에 거리 L인 곳으로부터 되돌아 오는 산란광을 광 펄스를 입력한 끝으로 되돌아오는 시간은 광섬유 내에 빛의 속도를 알고 있어서 산란광이 발생한 위치를 계산함으로써 광섬유가 깔려있는 상태에 광섬유 주변의 온도 분포를 측정하는 장치이다.

스토크스광과 안티스토크스광의 후방 산란광의 측정은 광섬유의 손실 및 파단점 측정에 사용되는 OTDR ( Optical Time Domain Reflectometer) 과 같은 측정방법으로 측정한다. 이러한 라만 산란광을 이용한 광섬유 선형 온도 측정 장치를 이용한 선형 분포 도 측정장치는 전력케이블의 길이방향 온도분포를 측정할 수 있어 송전 용량 제어등에 이용되기도 하고 케이블의 열화등에 의해서 생기는 부분적인 고열 발열 장소를 감지한다. 또한 각종 플랜트의 생산 라인과 설비의 온도 제어, 빌딩과 터널, 공동구 등의 화재 검지용으로 사용되어 화재 발생 위치를 알 수 있다.

종래의 선형 온도 분포 측정 장치는 온도 분포 측정을 한쪽 끝에서만 측정하므로 이론적으로는 센서용 광섬유의 길이 방향에 대한 정확한 온도 측정이 가능하나 실제적으로는 광원으로부터 멀리 떨어져 있는 편단에서 돌아오는 산란 광이 미약하여 끝 부분에 온도 측정오차가 경우에 따라 정방향이나 부방향으로 오차가 생겨 그 오차가 약 ± 2℃이하로 처리하기가 어렵다. 본 고안의 목적은 이러한 종래기술의 결점을 해결하고 멀리 떨어진 편단부의 온도 측정 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있는 부가 장치가 부착된 라만 산란광을 이용한 선형 광섬유 분포온도 측정 장치를 제공하는데 있다.

도1. 본 고안의 선형 광섬유 분포 온도 측정 장치 구성도

도2. 온도 데이터 교정 순서도

도3. 온도 교정 전,후의 측정 결과 예

도4. 종래의 선형 광섬유 분포 온도 측정 장치 구성도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호설명

도면에서 1a는 온도 보정 기능이 부가된 데이터 처리 회로, 1b는 종래의 보정 기능이 없는 데이터 처리 회로, 2a,2b는 평균화 회로, 3a,3b는 수광 회로, 4a는 온도 보정용 광분파기, 4b는 종래의 광분파기, 5는 센서용 펄스광원 , 6은 광분배기, 7은 센서용 광섬유, 8은 광아이솔레이터, 9는 광신호 변환용 E/O 변환기, 10은 온도 센서, 11은 온도 측정 회로, 12는 A/D변환 회로, 13은 P/S 변환회로 , 14는 온도 보정용 광섬유 권취부, 15는 온도데이터 수신회로 , 20은 온도 보정 기능이 부가된 분포 온도 측정 주장치, 21은 부장치, 22는 종래의 분포 온도 측정 장치

㉮ 본 고안의 광섬유 선형 분포온도 측정 장치는 센서용 펄스 광원을 갖는 라만 산란광을 이용한 광섬유 선형 분포온도 측정의 주장치를 센서용 광섬유에 접속하는 것과 동시에 그 센서용 광섬유의 원방 편단부에 센서용 광원의 파장과 다른 파장을 이용하여 편단 온도 정보를 송신하는 부장치를 설치하여 온도 측정 정밀도를 향상 시키는 것이다. 부 장치는 내장된 온도 센서로 센서용 광섬유의 편단 온도를 측정하여 그 온도 정보를 디지털 신호로 변환하고 센서용 광원과 다른 광원을 이용하여 주 장치로 전송하여, 온도 정보의 열화나 오차 없이 주 장치로 전송되어 주장치는 자신이 연산 한 광섬유 선형 온도 분포 측정 데이터를 부 장치로부터 받은 온도 정보를 기초로 하여 교정한다. 따라서 주 장치는 원방 편단에 온도 정밀도를 높게 보정할 수 있으며 전체 온도 분포 측정 결과에 대한 정밀도를 높일 수 있다. 또한 온도 분포 측정을 하는 부장치와 원방 편단에 온도를 측정하는 부장치는 센서용 광섬유를 이용하여 통신을 하므로 센서용 광섬유 외에 별도의 통신 회선 (예를 들면 별도의 유선 선로나 무선 통신 선로)이 불필요하며 센서용 광원과 다른 파장을 이용하여 데이터를 전송하는 파장다중 전송 방식을 사용하여 주 장치의 온도 측정 동작과 무관하게 온도 데이터를 보낼 수 있어 설치가 용이하고 이에 따르는 경제성, 조작성도 향상 된다.

도면과 실시 예를 참조하여 본 고안을 상세하게 설명한다.

도1은 본 고안에 의한 광섬유 선형 분포온도 측정 장치의 구성도로 센서용 광섬유 7과 이 센서용 광섬유 7 한쪽 편단에 접속된 라만 산란광을 이용한 광섬유 선형 분포온도 측정 장치로 구성된 주장치 20과 반대편 원방 편단에 접속되어 있는 부장치 21로 구성되어 진다.

주장치20은 센서용 펄스광원 5와 광원과 후방 산란광을 나누는 광분배기6, 후방 산란광 중에서 라만 산란광 2성분을 분리하고 부장치에 보내온 데이터 광신호를 분리하는 광분파기 4a, 안티스토크스광을 수광하는 수광부 3a, 평균화 처리부 2a 와 스토크스광을 수광하는 수광부 3b, 평균화 처리부 2b, 광데이터 수광기15, 두 파장의 평균화 처리 결과와 부장치21에서 보내온 온도 데이터를 이용하여 온도분포를 연산하는 보정하는 온도 보정 기능이 부가된 데이터 처리 회로 1a로 구성 된다.

또한 부장치 21은 원방 편단 센서용 광섬유의 권취부 14와 권취부 14의 온도를 측정하는 온도센서 10, 온도 측정회로 11, 그 아날로그 측정 결과를 디지털로 변환하는 A/D변환 회로부 12, A/D 변환기의 병렬 디지털 데이터 출력을 직렬 디지털데이터로 변환하는 병렬/직렬 변환 (P/S 변환)회로 13, 그 데이터를 센서용 광원 5와 다른 파장의 광신호로 변환하여 센서용 광섬유7를 통해서 주장치20로 보내는 광신호 변환용 E/O 변환기 9, 센서용 광원5의 광량으로부터 부장치21에 데이터 송신용 디지털 광원 9를 보호하기 위해 센서용 펄스광을 차단하는 광아이솔레이터 8로 구성된다.

주장치와 부장치는 서로 다른 파장의 광원을 이용하여 센서와 데이터 전송을 하므로 주장치와 부장치는 동기를 맞출 필요가 없이 동작할 수 있다.

주장치20및 구체적인 선형온도분포 측정 및 교정방법은 아래와 같다.

센서용 광섬유7에서 발생한 후방 산란광은 광분배기6과 광섬유 19b를 거쳐서 분파기4a에 입력된다. 분파기4a에서는 중심파장 λas과 λs의 두 파장으로 후방 산란광을 분리하여 각각 수광기 3a,3b로 광섬유 19c,19d를 통하여 전달된다. 수광부 3a,3b에 의해 전기신호로 바뀌어진 신호는 평균화 회로 2a, 2b에 의해서 OTDR측정법으로 연산하기 위한 fas(t)와 fs(t)신호로 연산 될 신호를 출력한다. 또한 광분파기4a에 또 하나의 분리 파장은 부장치에서 보내온 원방 편단의 온도데이터로 센서용 광원5의 λo와는 많이 떨어져있는 파장 λ1에 중심파장이 맞추어져 있다. 부장비 21의 온도 데이터는 센서용 광섬유 7을 통해서 광분배기 6을 거쳐 광섬유 19b를 거쳐 광분파기 4a에 의해 19e로 출력되어 온도 데이터 수광부 15에 전달되고 온도 데이터 수광부 15의 출력 데이터는 최종 온도 보정을 위하여 온도 보정 기능이 부가된 데이터 처리회로 1a로 입력된다.

온도 교정 기능이 부가된 데이터 처리회로 1a는 평균화 처리회로 2a,2b로부터 얻은 함수로부터 fas(t) / fs(t)의 연산을 수행하고 양 함수의 비가 순수 온도에 비례한다는 것과 광섬유 내에 거리 L에서 되돌아오는 후방 산란광이 광펄스가 입력된 광섬유 편단으로 되돌아 오는 시간은 광섬유 내에서의 빛의 속도를 Co라면, 펄스 입력 후 2L /Co 의 시간이 걸리는 것을 이용하여 거리에 따른 온도분포를 연산하여 선형으로 포설된 광섬유의 분포 온도를 얻는다. 또한 온도 교정기능이 부가된 데이터 처리 회로 1a는 평균화 회로 2a,2b로부터 얻은 두 후방산란광의 신호를 근거로 연산한 결과를 온도 데이터 수광부 15로부터 얻은 원방 광섬유 편단의 온도 데이터를 근거로 하여 교정을 한다 (그림2 참조) 이러한 방법에 의하여 센서용 광섬유의 길이방향 온도 측정 결과를 기존 방식과 비교하여 측정 오차를 줄일 수 있다.

본 고안은 원방 편단의 온도 정보를 디지털 데이터화 하여 별도의 통신선로를 사용하지 않고 센서용 광섬유를 이용하여 주장치인 분포 온도 측정장치에 전송함으로써 원방 편단의 온도를 정확히 알 수 있어 계산된 분포 온도의 보정을 할 수 있고 이러한 보정을 통하여 온도 측정의 정밀도를 높일 수 있다

Claims (2)

1. 라만 산란광을 이용한 광섬유 분포온도 측정 장치에서 센서용 광섬유7의 원격 편단에 온도 측정용 부전송 장치(21)을 이용하여 원격 편단에 온도를 측정하여 파장다중 방식으로 별도의 통신 선로 없이 센서용 광섬유7을 통하여 원방 편단의 온도를 광섬유 분포온도 측정 장치 20에 보내는 방식
2. 상기 방식으로 전송된 원방 편단의 온도 데이터를 이용하여 측정된 온도 데이터를 보정하는 알고리즘