KR20080112770A - 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기 - Google Patents

전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기 Download PDF

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KR20080112770A
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Abstract

본 발명은 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 광/전변환부와 아날로그 신호처리부와 실시간 계측제어부 및 디스플레이부를 구비하여 광 출력 각각에 대하여 나누셈기를 사용한 신호처리 회로를 통해서 광섬유전류센서에 사용된 광원의 강도 변화와 광학 부품의 사용으로 발생하는 삽입 손실 및 광학계 정렬의 변화 등으로 인한 광량의 변화에 대하여 안정한 편광도를 측정할 수 있게 하는 광 신호처리기를 특징으로 한다.
Figure P1020070061602
광섬유전류센서, 광 신호처리기, 광량 변화, 광전 변환부, 디스플레이부

Description

전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기{Optical Signal Processor in Fiber-Optic Current Transducer for Electric Equipments}
도 1은 기존의 아날로그 신호처리 회로도
도 2는 본 발명의 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기의 회로도
도 3은 본 발명의 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 대한 구성도
도 4는 본 발명의 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 대한 전체 외형도
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
210, 211. 광검출기 220, 221. 전치 증폭기
230, 240. 대역통과 필터 231, 241. 저역통과 필터
250, 251. 나누셈기 260. 가산기
300. 광/전변환부 400. 아날로그 신호처리부
500. 실시간 계측제어부 510. 레벨시프트(Level Shifter)
520. 마이크로프로세서(μ-processor) 600. 디스플레이부
본 발명은 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 광/전변환부와 아날로그 신호처리부와 실시간 계측제어부 및 디스플레이부를 구비하여 광 출력 각각에 대하여 나누셈기를 사용한 신호처리 회로를 통해서 광섬유 전류센서에 사용된 광원의 강도 변화와 광학 부품의 사용으로 발생하는 삽입 손실 및 광학계 정렬의 변화 등으로 인한 광량의 변화에 대하여 안정한 편광도를 측정할 수 있게 하는 광 신호처리기에 관한 것이다.
일반적으로 대전류 측정에 사용되고 있는 철심형 변류기(Current Transducer)는 자기 포화 특성 및 철 공진 현상으로 인한 전력공급의 불안정성 및 측정 전류의 크기에 따른 부피 및 무게 증가와 장착이 어렵다는 단점이 있었으며, 이를 개선하고자 페르데이(Faraday) 자기광학 효과와 암페어(Ampere) 주회법칙에 기초한 광섬유 전류 센서에 대한 연구가 진행되어 왔다.
광섬유전류센서는 전자기 간섭에 대한 영향이 없고, 높은 동적 범위 및 폭넓은 대역폭 그리고 절연 문제의 해소로 인한 부피 및 무게 감소 또한 절연에 따른 SF6 가스와 기름 등이 필요 없으므로 환경 친화적인 장점이 있다.
이와 같은 광섬유전류센서(Fiber Optic Current Sensor : FOCS)는 간섭법을 이용한 광섬유전류센서(Interferometric Fiber Optic Current Sensor : IFOCS)와 편광측정법을 이용한 광섬유전류센서(Polarimetric Fiber Optic Current Sensor : PFOSC)의 두 가지 형태로 나누어진다.
간섭법을 이용한 광섬유전류센서(IFOCS)의 경우에는 사그낙(Sagnac) 간섭계를 이용하는 것으로 고정밀도의 비가역적 위상 천이를 측정하여 정밀한 전류 계측이 가능하고 넓은 동적 범위를 가지지만, 외부환경 변화(특히 외부 진동)에 아주 민감하다는 단점이 있었다.
편광측정법을 이용한 광섬유전류센서(PFOCS)의 경우에는 선편광된 입사광의 비가역적인 편광 회전을 측정함으로써 전류측정이 가능하며, 간섭법을 이용한 광섬유전류센서에 비해 구성이 간단하지만, 정확한 편광 회전을 측정하기가 어렵다는 단점이 있었다.
그리고 광섬유전류센서의 실용화에 있어서 가장 큰 장해 요인으로는 센싱 광섬유의 복굴절 변화나 외부의 온도 변화 및 진동에 의한 센서의 감도 저하 문제로 측정 전류의 오차를 유발한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상기와 같이 측정 전류의 오차는 광섬유전류센서의 감도를 안정화하는 방식을 통해 측정 건류의 오차를 줄이는 것으로 좀 더 상세하게는 전자적인 방법을 적용하여 광섬유전류센서를 구성하는 광 부품에서 발생하는 광 손실이나 편광 변화로 인한 출력 광의 변화로 발생하는 오차를 보상하는 방식을 제공하여, 편광측정법을 이용한 광섬유전류센서에 대하여 전자적인 방법으로 출력 광의 변화에 따른 오차를 보상하는 광 신호처리기를 제공 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 휘한 것으로, 상세한 설명은 첨부되는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 기존의 아날로그 신호처리 회로도이고, 도 2는 본 발명의 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기의 회로도이며, 도 3은 본 발명의 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 대한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 광섬유전류센서의 광 신호처리기에 대한 전체 외형도이다.
먼저 편광형 광섬유전류센서(PFOCS)의 측정원리를 살펴보기로 하자.
편광측정법에 의해 전류를 측정하는 방법은 페르데이(Faraday) 효과를 이용하여, 인가전류에 의해 발생한 자기장에 비례하는 편광의 회전각을 측정하는 것이다.
그림 1은 본 발명에서 적용한 편광형 광섬유전류센서(PFOCS)의 구성도를 나타내었는데, 광전부는 광원의 파장 안정성을 고려하여 설계된 구동부와 광 신호처리부로 구성된다.
여기서 구동부는 상용제품을 사용하므로 설명에서 제외하기로 하고, 본 발명의 구성인 광 신호처리기의 설계 및 구현에 대하여 설명하기로 한다.
Figure 112007045418351-PAT00001
[그림 1. 편광형 광섬유전류센서의 구성도]
일반적으로 편광형 광섬유전류센서(PFOCS)의 경우 센싱 광섬유의 출력단의 편광 빔 분할기에 의한 두 개의 광 출력 신호를 광 검출기를 이용하여 검출할 수 있는데, 두 개의 광 신호는 ac성분과 dc성분을 포함하고 있으며, 이는 광 검출기에 의해 전기적인 신호로 변환되어 아날로그 회로를 이용해 신호처리된다.
기존의 아날로그 신호처리 회로는 도 1에서 도시한 바와 같이, 편광도
Figure 112007045418351-PAT00002
를 측정하기 위해서 광검출기(110, 111)와 전치 증폭기(120, 121)와 가산기(131)와 감산기(130) 및 나누셈기(140)로 구성되며, 이러한 아날로그 회로 구성에 있어서 편광형 광섬유전류센서에서 발생할 수 있는 광량의 변화에 따른 출력 신호의 변화를 안정화시킬 수 없으므로 인하여 측정된 편광도
Figure 112007045418351-PAT00003
를 통해 계산된 전류 값은 많은 오차를 유발한다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 안정화된 편광도를 측정하기 위해서 도 2와 같이 광검출기(210, 211)와 전치 증폭기(220, 221)와 대역통과 필터(230, 240) 및 저역통과 필 터(231, 241)와 나누셈기(250, 251) 그리고 가산기(260) 등으로 구성된 광 신호처리 회로가 구비된다.
여기서 출력 광 신호의 ac 성분과 dc 성분을 검출하기 위해서 기존의 신호처리 방식에 비하여 대역통과 필터(230, 240) 및 저역통과 필터(231, 241)를 추가하였고, 광 출력 각각에 대하여 나누셈기(250, 251)를 사용하였다.
일반적으로 편광형 광섬유전류센서의 출력 광 신호는 ac 및 dc 성분이 포함된 형태인 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007045418351-PAT00004
Figure 112007045418351-PAT00005
만약 선복굴절
Figure 112007045418351-PAT00006
가 아주 작다고 가정하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007045418351-PAT00007
Figure 112007045418351-PAT00008
여기서, dc 성분은
Figure 112007045418351-PAT00009
이고 ac 성분은
Figure 112007045418351-PAT00010
이다.
만약 편광형 광섬유전류센서에서 발생하는 광량의 변화 즉, 광학소자들의 연결부에서의 손실로 인한 출력 광의 변화를 고려할 경우에는 출력 광의 세기는 다음 식으로 표현할 수 있다.
Figure 112007045418351-PAT00011
Figure 112007045418351-PAT00012
여기서,
Figure 112007045418351-PAT00013
과
Figure 112007045418351-PAT00014
각각은 편광형 광섬유전류센서에서 유발된 광 출력의 변화량을 나타낸다.
만약 도 1의 아날로그 신호처리 회로를 이용해 편광도
Figure 112007045418351-PAT00015
를 측정한다면, 이는
Figure 112007045418351-PAT00016
식과 같이 광량 변화를 나타내는
Figure 112007045418351-PAT00017
과
Figure 112007045418351-PAT00018
에 종속인 함수가 되므로 손실 등에 의해 안정한 편광도를 측정할 수 없다.
그러나 도 2의 경우를 고려해 보면 대역통과 필터(230, 240)는 전류 신호에 비례하는 ac 성분을 검출하고 저역통과 필터(231, 241)는 광 강도에 비례하는 dc 성분을 검출하게 된다.
따라서 나누셈기(250, 251)를 이용하여 ac 성분을 dc 성분으로 정규화시킴으로써
Figure 112007045418351-PAT00019
및
Figure 112007045418351-PAT00020
의 변화에 대하여 무관한 편광도를 얻을 수 있다.
이는
Figure 112007045418351-PAT00021
식에 나타낸 것처럼 광량 변화에 대한 성분들을 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라 편광도의 감도도 2배 증가시킴을 알 수 있다.
본 발명은 편광형 광섬유전류센서의 광 신호처리기를 구현하기 위해서 도 3에 도시한 바와 같이 편광형 광섬유전류센서의 광 신호처리기를 구성한다.
도 3을 좀 더 상세하게 설명하자면 광검출기(210, 211) 및 전치증폭기(220, 221)로 구성된 광/전변환부(300)와, 대역통과필터(230, 240) 및 저역통과필터(231, 241)와 나눗셈기(250, 251) 그리고 가산기(260)로 구성된 아날로그 신호처리부(400)와, 실시간 계측제어부(500)와, 측정 전류를 표시할 수 있는 디스플레이부(600)로 구성되어 진다.
여기서, 실시간 계측제어부(500)는 아날로그 신호처리부(400)의 출력 신호는 레벨시프트(Level Shifter)(510)의 입력으로 인가되어 인가 전류에 따른 광 출력 신호를 DC 전압으로 전환시켜서 LCD 디스플레이부(600)를 위해 사용한 마이크로프로세서(μ-processor)(520)의 ADC 입력으로 이용된다.
그리고 마이크로프로세서(520)는 ATmega 128로서 저가이면서 고속인 유사 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 칩으로 CMOS 형태의 8비트 마이크로프로 세서이며, ATmega 128의 ADC는 10비트 분해능에 입력 전압 범위는 dc 0V에서 최대 5V의 특성을 가기게 된다.
도 4는 도 3을 기초로 하여 제작한 광 신호처리기의 전체 외형을 나타낸 것이다.
상기의 설명과 같이 본 발명은 광/전변환부(300)와 아날로그 신호처리부(400)와 실시간 계측제어부(500) 및 디스플레이부(600)를 구비하여 광 출력 각각에 대하여 나누셈기를 사용한 신호처리 회로를 통해서 광섬유전류센서에 사용된 광원의 강도 변화와 광학 부품의 사용으로 발생하는 삽입 손실 및 광학계 정렬의 변화 등으로 인한 광량의 변화에 대하여 안정한 편광도를 측정할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 광섬유전류센서로부터 발생하는 출력신호를 각각 전기적인 신호로 처리하여 출력하는 광검출기(210, 211)와 상기의 광검출기(210, 211)로부터 출력신호를 증폭하는 전치증폭기(220, 221)로 구성된 광/ 전변환부(300)와,
    상기 광/전변환부(300)의 전치증폭기(220, 221)에서 증폭된 출력신호에 대하여 교류성분을 검출하기 위한 대역통과필터(230, 240)와 직류성분을 검출하기 위한 저역통과필터(231, 241)가 구비되어 교류성분 및 직류성분을 검출하며 상기에서 검출된 교류성분 및 직류성분의 정규화를 위한 신호처리를 수행하는 나눗셈기(250, 251)에서 교류성분 및 직류성분을 정규화하고 상기 나눗셈기(250, 251)에서 정규화된 출력신호를 가산처리하는 가산기(260)로 구성된 아날로그 신호처리부(400)와,
    상기 아날로그 신호처리부(400)의 가산기(260)에서 가산처리된 출력신호는 레벨시프트(510)의 입력으로 인가되고 레벨시프트로 인가된 출력신호는 마이크로프로세서(520)에 의하여 인가전류에 따른 광 출력 신호를 DC 전압으로 전환시켜 전류를 측정하는 실시간 계측제어부(500)와,
    상기 실시간 계측제어부(500)에서 측정된 전류를 표시하는 디스플레이부(600)로 구성된 것을 특징으로 하는 전력기기용 고안정성 광섬유전류센서의 광 신호처리기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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