KR20160065613A - 전압 측정 장치 및 전압 센서 - Google Patents

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Abstract

전압 측정 장치가 개시된다. 본 전압 측정 장치는, 교류 전압을 전송하는 전선과 접촉 가능하며, 상기 전선의 표면에서 상기 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력하는 접촉부, 상기 접촉부와 직렬 연결되는 용량성 소자 및 상기 접촉부에서 출력되는 유도 전압 및 상기 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압을 이용하여 상기 교류 전압의 크기를 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

전압 측정 장치 및 전압 센서{VOLTAGE MEASUREMENT DEVICE AND VOLTAGE SENSOR}
본 발명은 전압 측정 장치 및 전압 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 전압이 인가된 전선의 표면에서 유도된 유도 전압을 이용하여 교류 전압을 산출하는 전압 측정 장치 및 전선의 표면에서 유도되는 유도 전압을 보다 효율적으로 감지하기 위한 전압 센서에 관한 것이다.
제조 설비 및 시설을 갖춘 공장에서는 제조품의 생산 효율을 높이기 위해 제조시 사용되는 전기 제조 장치에서 소비되는 전력 효율을 높이기 위한 노력을 기울이고 있다. 예를 들어, 제조사에서는 역률을 높이기 위해 제조 장치에 입력되는 전류 및 전압의 위상을 측정하여 위상을 동상으로 맞추는 PFC 전력 제어를 이용하였다.
또한, 탄소 배출량을 줄이고 환경 친화적인 제조 설비를 구축하기 위하여 소비 전력을 줄이기 위한 노력이 이루어지는 최근 현황, 그리고 제조 장치의 이상 동작시 전력 소비가 증가하는 점을 이용하여 간접적으로 제조 장치의 이상을 감지함으로써, 제품의 품질과 제조 장치의 신뢰성을 유지하기 위해서, 제조 장치로 입력되는 전류 및 전압의 측정과 모니터링은 매우 중요하다.
기존에 전압을 측정하기 위해서는, 전력을 분배하는 분전반에서 전력을 차단하고, 각 제품이 생산되는 라인에 전원을 공급하는 전선을 절단한 후 전압 측정 장치를 연결 및 설치하였다. 이 경우, 항시 전력 공급이 유지될 필요가 있을 수 있고, 전원을 오프한 후 재가동 시간이 오래 걸리는 설비가 있을 수 있는 등 전력공급이 중단되는 시간으로 인해 막대한 손실이 발생할 수 있었다. 또한, 기존의 측정 방식은 전압 측정 장치를 전선에 연결 및 설치하기 위한 작업에 수반되는 인력 및 작업의 규모가 상당하여 낭비가 심한 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 교류 전압이 인가된 전선의 표면에서 유도된 유도 전압을 이용하여 교류 전압을 산출하는 전압 측정 장치 및 전선의 표면에서 유도되는 유도 전압을 보다 효율적으로 감지하기 위한 전압 센서를 제공하는 데 있다.
상술한 목적으로 달성하기 위한 본 실시예에 따른 전압 측정 장치는, 교류 전압을 전송하는 전선과 접촉 가능하며, 상기 전선의 표면에서 상기 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력하는 접촉부, 상기 접촉부와 직렬 연결되는 용량성 소자 및 상기 접촉부에서 출력되는 유도 전압 및 상기 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압을 이용하여 상기 교류 전압의 크기를 산출하는 제어부를 포함한다.
이 경우, 상기 전압 측정 장치는, 상기 접촉부를 상기 용량성 소자와 연결 또는 단선시키는 스위칭부;를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는, 상기 접촉부가 상기 용량성 소자와 연결되도록 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 제2 전압에 대한 정보를 수신하고, 상기 접촉부가 상기 용량성 소자와 단선되도록 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 유도 전압에 대한 정보를 수신할 수 있다.
한편, 상기 전선은 상기 교류 전압이 인가되는 도선을 기설정된 두께의 절연체로 감싸는 피복을 포함하며, 상기 접촉부는, 상기 전선과 커패시턴스를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는, 상기 접촉부에서 출력되는 상기 유도 전압의 크기인 제1 전압값, 상기 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압의 크기인 제2 전압값 및 상기 용량성 소자의 커패시턴스를 이용하여 상기 전선과 상기 접촉부간에 형성된 상기 커패시턴스 및 상기 교류 전압의 크기를 산출할 수 있다.
한편, 상기 전압 측정 장치는, 신호를 외부로 출력하기 위한 저항을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 유도 전압 및 상기 제2 전압이 상기 저항에 순차적으로 인가되도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 전압 측정 장치는, 상기 산출된 교류 전압의 크기를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 접촉부는, 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 힌지 연결되는 제2 몸체를 포함하고, 상기 전선을 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 배치하여 서로 형합하였을 때, 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 탄력적으로 변형되어 상기 전선과 용량 결합(capacitive coupling)할 수 있다.
이 경우, 상기 접촉부는, 상기 전선을 제거하면, 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 변형된 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 원형으로 복원될 수 있다.
한편, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은, 탄성력을 갖는 형상 가변 부재 및 상기 형상 가변 부재를 감싸는 전압유도부재를 포함하고, 상기 전압 센서는, 상기 제1 및 제2 몸체가 서로 형합하였을 때, 상기 두 전압유도부재가 대면하는 사이에 상기 전선이 배치되도록 구비될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은, 상기 전선에 교류 신호가 인가되면, 상기 용량 결합에 의해 상기 전압유도부재로 유도된 상기 유도 전압을 외부로 전달하기 위한 신호전달부재를 더 포함하고, 상기 두 신호전달부재는, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체가 형합하면, 서로 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은, 외부로부터 유입되는 전자파를 차단하기 위한 쉴드부재 및 상기 신호전달부재와 상기 쉴드부재의 접촉을 방지하기 위한 절연체를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 접촉부는, 상기 두 신호전달부재 중 적어도 하나와 연결된 내부 도체와, 상기 쉴드부재 및 접지와 연결된 외부 도체로 구성되는 동축 케이블을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 접촉부는, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 형합을 유지하기 위한 록킹부재를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센서는, 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 힌지 연결되는 제2 몸체를 포함하고, 전선을 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 배치하여 서로 형합하였을 때, 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 탄력적으로 변형되어 상기 전선과 용량 결합(capacitive coupling)을 함으로써, 상기 전선에 인가된 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정 장치의 간략한 구성을 나타내는 블럭도,
도 3은 도 2의 전압 측정 장치의 구체적인 구성을 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정 장치의 회로도,
도 5는 도 4의 전압 측정 장치의 제1 스위치 상태에서의 등가 회로도,
도 6은 도 4의 전압 측정 장치의 제2 스위치 상태에서의 등가 회로도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센서의 상면도, 후면도, 정면도 및 측면도,
도 8은 도 7의 전압 센서의 사용 방법을 예시하는 측단면도, 그리고,
도 9는 도 7의 전압 센서의 사용 상태를 예시하는 정단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 측정 시스템(90)은 복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3), 복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3), 전력 측정 모듈(40) 및 사용자 단말 장치(50)를 포함한다.
복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3)는 전원이 공급되는 라인에 연결된다. 구체적으로, 복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3)는 3상 전원이 공급되는 장치의 소비 전압을 측정하기 위해, 세 개의 R, S, T 전선의 표면에 접촉하여 연결될 수 있다. 다시 말하면, 전압 센서(100)는 전선의 피복을 따라 둘러싸는 형태로 결착되어 전선과 연결될 수 있다.
그리고, 연결된 복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3)는 전선을 따라 인가된 전압에 의해 유도된 유도 전압의 신호를 출력한다.
복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3)는 전원이 공급되는 라인에 연결된다. 구체적으로, 복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3)는 3상 전원이 공급되는 장치의 소비 전류를 측정하기 위해, 중심 배선으로부터 각 장치로 분기되는 R, S, T 전선에 각각 연결될 수 있다. 여기서 전선에 연결되는 전류 센서(30)의 연결 방식은 전선의 표면에 부착된 비접촉 방식이거나 전선을 절단하여 연결한 접촉 방식이 될 수 있다.
그리고, 연결된 복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3)는 연결 방식에 따라 전류를 감지한 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서가 비접촉식 방식으로 전선과 연결된 경우, 홀 효과(hall effect)에 따른 유도 전류로 출력되는 신호가 전류를 감지한 신호가 될 수 있다.
전력 측정 모듈(40)은 복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3) 및 복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3)로부터 출력된 신호를 수신한다. 구체적으로, 전력 측정 모듈(40)은 복수의 전압 센서(100-1, 100-2, 100-3) 및 복수의 전류 센서(30-1, 30-2, 30-3)와 연결되어, 각 센서들이 위상별 전선의 전압 및 전류 감지한 신호들을 수신할 수 있다.
전력 측정 모듈(40)은 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 전력 측정 모듈(40)은 각 전압 센서(100) 및 전류 센서(30)에서 수신한 아날로그 신호를 수치화한 데이터 신호로 변환할 수 있다.
전력 측정 모듈(40)은 각 전압 센서(100) 및 전류 센서(30)에서 수신한 신호에 기초하여 전력을 계산하기 위한 정보를 사용자 단말 장치(50)에 전송한다. 구체적으로, 전력 측정 모듈(40)은 각 전압 센서(100) 및 전류 센서(30)에서 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환한 디지털 신호의 정보를 통신 인터페이스를 이용하여 사용자 단말 장치에 전송할 수 있다. 예를 들어, 전력 측정 모듈(40)은 교류 형태의 감지 신호를 RMS로 계산한 각 위상별 전압 및 전류의 크기로 디지털화하여 무선 통신 인터페이스, 예를 들어, 단말 대 단말 장치간 근거리 통신을 가능케 하는 와이파이, 블루투스, 지그비, 적외선 통신, UHF 및 VHF와 같은 RF 통신 등을 이용해 사용자 단말 장치(50)로 전송할 수 있다. 도 1에서는 근거리 무선 통신을 이용하여 사용자 단말 장치(50)로 직접 전송함으로써, 전력 측정 모듈(40)의 설치 및 전력 측정의 편의를 도모할 수 있도록 하였으나, 구현시에는 유무선 통신망을 거쳐 전송하거나, 유선으로 직접 연결하여 전송할 수 있다. 또한, 도 1에서는 전력 측정 모듈(40)과 사용자 단말 장치(50)가 서로 분리된 구성으로 도시하였으나, 구현시에는 각 센서들의 신호를 직접 수신하는 하나의 단말 장치로 구현될 수 있다.
사용자 단말 장치(50)는 전선에 흐르는 전압 및 전류를 계산한다. 구체적으로, 사용자 단말 장치(50)는 전력 측정 모듈(40)로부터 수신한 정보에 기초하여 전선에 흐르는 전압 및 전류의 크기를 산출할 수 있다.
사용자 단말 장치(50)는 서로 다른 장치의 소비 전력을 측정하기 위해 설치된 복수의 전력 측정 모듈(40)로부터 정보를 수신할 수 있다.
사용자 단말 장치(50)는 계산된 전압, 전류, 전력 및 에너지 중 적어도 하나를 사용자에게 제공할 수 있다. 구체적으로, 사용자 단말 장치(50)는 계산된 수치 또는 교류 전원의 파형을 표시하는 디스플레이부를 통해 사용자에게 직접적인 전압 및/또는 전류를 표시할 뿐만 아니라, 전력, 에너지, 역률, 전압 변동률, 부하 안정도 및 전압 안정도와 같은 부가 정보를 표시할 수 있다.
도 1에서는 전력 측정 시스템(90)이 배선용 차단기(MCCB(10, 20))가 포함된 분전반에서 전원이 분배되는 전선의 근처에 설치되어 전력을 측정하는 것으로 도시하였으나, 구현시에는 직접 소비 전력을 측정하기 위한 장치로 입력되는 전선에 설치되어 측정할 수 있다.
이상과 같은 전력 측정 시스템은 보다 간편하고 효율적이며, 측정 대상이 되는 장치의 전원의 차단 없이 비접촉식의 전압 측정이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정 장치의 간략한 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 전압 측정 장치(200)는 접촉부(210), 용량성 소자(220) 및 제어부(230)를 포함한다.
접촉부(210)는 교류 전압을 전송하는 전선과 접촉할 수 있다. 여기서, 전선과의 접촉이란, 전원의 전압이 전달될 수 있도록 주로 구리 또는 알루미늄 재질로 형성되는 전선의 도체와의 접촉이 아니라, 전력의 누설을 방지하고 외상이나 부식으로부터 보호하기 위한 외장 피복(sheath)에 접촉하는 것을 말한다. 피복은 도선의 장축을 따라 도선을 감싸는 기설정된 두께의 절연체로 형성될 수 있다.
접촉부(210)는 교류 전압을 전송하는 전선의 표면에서 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력한다. 구체적으로, 전선의 표면에 접촉된 접촉부(210)는 도체를 둘러싸는 전선의 피복에 의해 전선의 도체로부터 이격되어, 전선과 커패시턴스를 가질 수 있다. 이에 따라, 전선과 용량 결합(capacitive coupling)된 접촉부(210)는 전선의 도체에 인가된 교류 전압에 의해 유도 전압이 유도될 수 있다. 그리고, 접촉부(210)에 유도된 유도 전압은 접촉부(210)의 외부로 출력될 수 있다.
접촉부(210)는 전선과 접촉하여, 전선의 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력한다는 점에서, 전선의 교류 전압을 감지하기 위한 전압 센서로 부를 수 있다. 접촉부(210)의 구체적인 구성 및 동작에 대한 설명은 도 7 내지 도 9를 참조하여 후술한다.
용량성 소자(220)는 접촉부(210)와 직렬 연결된다. 구체적으로, 용량성 소자(220)는 접촉부(210)에 유도된 유도 전압이 출력되는 선을 따라 직렬 연결될 수 있다.
여기서 용량성 소자(220)는 용량(capacity)를 갖는 전기 소자를 말한다. 예를 들어, 커패시터와 같이 서로 다른 전위를 갖는 이격된 전극 사이에 전기장이 형성되어 에너지가 저장되는 소자가 될 수 있다.
제어부(230)는 전압 측정 장치의 각 구성을 제어한다. 구체적으로, 제어부(230)는 전압을 측정하기 위한 각 구성의 기능 및 동작들을 제어할 수 있다.
제어부(230)는 접촉부(210)에서 출력되는 유도 전압 및 용량성 소자(220)에서 출력되는 제2 전압을 이용하여 교류 전압의 크기를 산출할 수 있다. 구체적으로, 제어부(230)는 접촉부(210)에서 출력되는 유도 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 유도 전압에 대한 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 제어부(230)는 접촉부(210)에서 출력된 유도 전압이 접촉부(210)와 직렬 연결된 용량성 소자(220)를 거쳐 출력된 제2 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 제2 전압에 대한 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 제어부(230)가 수신하는 유도 전압에 대한 정보 및 제2 전압에 대한 정보는 시간에 따라 가변하는 교류의 아날로그 신호를 샘플링한 디지털 신호의 데이터일 수 있으며, 또는 아날로그 신호를 저대역통과 필터링을 하여 평균한 값을 디지털화한 신호의 데이터일 수 있다. 즉, 제어부(230)는 유도 전압에 대한 크기인 제1 전압값과 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압의 크기인 제2 전압값을 수신할 수 있다.
제어부(230)는 기저장된 용량성 소자(220)의 정전 용량을 더 이용하여 전선에 인가된 교류 전압의 크기를 산출할 수 있다. 또한, 제어부(230)는 유도 전압 또는 제2 전압의 신호를 분석하여 교류 신호의 주파수를 파악하고, 파악된 주파수를 더 이용하여 전선에 인가된 교류 전압의 크기를 산출할 수 있다. 한편, 전압 측정 장치(200)가 상용의 교류 전원을 사용하는 장치의 전압을 측정하기 위해서만 사용되는 경우, 제어부(230)는 기저장된 교류 전원의 주파수를 이용하여 교류 전압의 크기를 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(230)는 접촉부(210)가 갖는 커패시턴스의 임피던스 및 용량성 소자(220)의 임피던스를 계산하기 위하여 상용 교류 전원의 주파수인 60Hz를 사용할 수 있다.
이상과 같은 전압 측정 장치는 교류 전압을 전송하는 전선에 비접촉식 전압의 측정이 가능하여, 설비의 전원을 끄는 일 없이 간단한 설치만으로 전자 장치가 사용하는 전압을 측정할 수 있다.
도 3은 도 2의 전압 측정 장치의 구체적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 전압 측정 장치(200)는 접촉부(210), 용량성 소자(220), 제어부(230), 스위칭부(240), 저항(250) 및 디스플레이부(260)를 포함한다.
접촉부(210)는 교류 전압을 전송하는 전선과 접촉 가능하며, 전선의 표면에서 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력한다. 접촉부(210)의 구성 및 기능은 도 2의 접촉부(210)와 동일한바 구체적인 설명은 생략한다.
용량성 소자(220)는 접촉부(210)와 직렬 연결된다. 용량성 소자(220)는 이미 알고 있는 커패시턴스를 갖는 전자 소자일 수 있다. 용량성 소자(220)의 구성 및 기능은 도 2의 용량성 소자(220)와 동일한바 구체적인 설명은 생략한다.
스위칭부(240)는 접촉부(210)를 용량성 소자(220)와 연결 또는 단선시킨다. 구체적으로, 스위칭부(240)는 제어부(230)의 제어에 따라 접촉부(210)가 출력하는 유도 전압의 신호가 용량성 소자(220)로 전달될 수 있도록 접촉부(210)와 용량성 소자(220)를 직렬 연결시키거나, 유도 전압의 신호가 용량성 소자(220)를 거치지 않고 제어부(230)로 전달될 수 있도록 접촉부(210)와 용량성 소자(220)를 단선시킬 수 있다.
저항(250)은 접촉부(210)에서 출력되는 유도 전압 또는 용량성 소자(220)에서 출력되는 제2 전압을 인가받는다. 구체적으로, 저항(250)은 제어부(230)로 전달할 유도 전압 및 제2 전압에 대한 정보로서 출력 전압을 생성하기 위하여 이미 알고 있는 저항값을 갖는 저항 소자를 접촉부(210)의 출력 및 용량성 소자(220)의 출력에 연결하여 접촉부(210)에서 출력되는 유도 전압 또는 용량성 소자(220)에서 출력되는 제2 전압을 인가받을 수 있다.
디스플레이부(260)는 제어부(230)에서 산출된 결과를 표시한다. 구체적으로, 디스플레이부(260)는 사용자에게 제어부(230)로부터 산출된 교류 전압 크기를 비롯한 다양한 정보를 표시할 수 있다.
제어부(230)는 전압 측정 장치(200)의 각 구성을 제어한다. 접촉부(210)와 용량성 소자(220)를 제어하기 위한 제어부(230)의 동작 및 기능은 도 2의 제어부(230)와 동일한바 구체적인 설명은 생략한다.
제어부(230)는 스위칭부(240)를 제어하여 접촉부(210)와 용량성 소자(220)간의 연결을 제어한다. 구체적으로, 제어부(230)는 접촉부(210)가 용량성 소자(220)와 연결되도록 스위칭부(240)를 제어하여 용량성 소자(220)에서 출력하는 제2 전압에 대한 정보를 수신하고, 접촉부(210)가 용량성 소자(220)와 단선되도록 스위칭부(240)를 제어하여 접촉부(210)에서 출력하는 유도 전압에 대한 정보를 수신하도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(230)는 얻고자 하는 정보에 따라 접촉부(210)가 용량성 소자(220) 또는 곧바로 저항(250)과 선택적으로 연결되도록 스위칭부(240)를 제어할 수 있다. 여기서 제어부(230)는 순차적으로 스위칭부(240)가 제1 연결 상태로 연결되도록 제어하여, 용량성 소자(220)에서 출력하는 제2 전압에 대한 정보를 얻고, 스위칭부(240)가 제2 연결 상태로 연결되도록 제어하여, 접촉부(210)에서 출력하는 유도 전압에 대한 정보를 얻을 수 있으며 그 역의 순서로 제어하여 유도 전압에 대한 정보 및 제2 전압에 대한 정보를 획득하도록 할 수 있다.
이상과 같은 전압 측정 장치는 교류 전압을 전송하는 전선에 비접촉식 전압의 측정이 가능하여, 설비의 전원을 끄는 일 없이 간단한 설치만으로 전자 장치가 사용하는 전압을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정 장치의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 교류 전압(420)이 전송되는 전선(410)의 전압을 측정하기 위한 회로는 전선(410)에 접촉된 접촉부(210'), 스위칭부(440), 용량성 소자(450), 저항(460) 및 출력단(470)을 포함한다.
전선(410)은 도선을 따라 교류 전압 Vs(420)이 인가되고 있고, 유전체인 피복을 사이에 두고 전선의 표면에 접촉된 접촉부(210')와 도선 사이에는 용량 결합에 의한 커패시턴스 C1(430)가 존재한다.
접촉부(210)는 스위치부(440)의 제1 핀과 연결되어, 도선의 교류 전압(420)에 의해 접촉부(210)에 유도된 유도 전압을 스위치부(440)에 전달한다.
스위치부(440)는 제어부(미도시)의 제어에 의해 제1 핀을 제2 핀 또는 제3 핀과 선택적으로 연결한다.
그리고, 스위치부(440)의 제2 핀에는 용량성 소자 C2(450)의 일단이 연결되고, 제3 핀에는 저항 R(460)의 일단 및 출력단 Vo(470)이 연결된다. 즉, 스위치부(440)가 제1 핀을 제2 핀 또는 제3 핀 중 어느 하나로 선택적으로 연결하는 동작에 따라, 접촉부(210)를 용량성 커패시터 C2(450)와 연결하거나 출력단 Vo(470) 및 저항 R(460)과 연결할 수 있다.
스위칭부(440)의 스위치 상태에 따라 선택적으로 연결된 회로의 구성을 도 5 및 도 6을 참조하여 후술한다.
도 5는 도 4의 전압 측정 장치의 제1 스위치 상태에서의 등가 회로도이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 스위칭부(440)가 제1 스위치 상태에서 제1 핀과 제2 핀을 연결함에 따라, 전선(410)의 도선과 접촉부(210') 사이에 형성된 커패시턴스 C1(430)은 용량성 소자 C2(450)와 직렬 연결된다.
그리고, 접촉부(210')에서 유도된 유도 전압은 용량성 소자 C2(450)를 거쳐 저항 R(460)에 인가됨으로써, 출력단(470)에 제1 전압 Vo1이 출력된다. 여기서, 출력되는 Vo1은, Vs와 접지 사이에 직렬연결된 두 커패시터 C1(430), C2(450)와 저항 R(460)에서 Vs(420)가 저항 R(460)으로 전압이 분배되는 비율을 계산하는 다음과 같은 수식에 의해 도출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Vs는 전선의 도선을 통해 전송되는 교류 전압 Vs(420)의 크기(Volt), ω는 교류 전압 Vs의 각주파수(rad/s), C3는 직렬 연결된 C1(430) 및 C2(450)의 총 커패시턴스이고, 1/C3 = 1/C1 + 1/C2로 계산되며, 1/(jωC3)는 C3의 리액턴스(Ω), R 은 저항 R(460)의 리지스턴스(Ω)이다.
도 6은 도 4의 전압 측정 장치의 제2 스위치 상태에서의 등가 회로도이다.
도 6을 참조하면, 도 4의 스위칭부(440)가 제2 스위치 상태에서 제1 핀과 제3 핀을 연결함에 따라, 전선(410)의 도선과 접촉부(210) 사이에 형성된 커패시턴스 C1(430)은 저항 R(460) 및 출력단(470)과 연결된다.
그리고, 접촉부(210)에서 유도된 유도 전압은 바로 저항 R(460)에 인가됨으로써, 출력단(470)에는 제2 전압 Vo2이 출력된다. 여기서, 출력되는 Vo2는, Vs와 접지 사이에 직렬 연결된 커패시터 C1과 저항 R에서 Vs가 저항으로 전압이 분배되는 비율을 계산하는 다음과 같은 수식에 의해 도출될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Vs는 전선의 도선을 통해 전송되는 교류 전압 Vs(420)의 크기(Volt), ω는 교류 전압 Vs의 각주파수(rad/s), C1은 용량 결합한 접촉부(210)가 갖는 커패시턴스, 1/(jωC1)는 C1의 리액턴스(Ω), R 은 저항 R(460)의 리지스턴스(Ω)이다.
이상과 같이, 스위칭부(440)의 스위칭으로 인해 접촉부(210)에 연결되는 회로의 구성이 달라짐으로써, 두 가지 상이한 출력 전압 Vo1, Vo2 및 이 두 출력 전압 Vo1, Vo2를 계산하는 두 가지 수식을 얻을 수 있다. 또한, 용량성 소자 C2(450)의 커패시턴스와 저항(460)의 리지스턴스는 이미 알고 있는 값이므로, 교류 전압 Vs 및 접촉부(210)와 전선 사이에 용량 결합된 커패시턴스 C1(430)을 미지수로 하는 수식 1 및 수식 2의 연립방정식에 의해, Vs와 C1 을 계산할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센서의 상면도, 후면도, 정면도 및 측면도이다.
전압 센서(100)는 전체적인 형상이 입방체의 구조를 가질 수 있으며, 힌지 결합된 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)로 구분할 수 있다. 여기서, 전압 센서(100)의 형상은 도 7의 입방체로 한정되지 아니하며, 전선의 표면에 접촉할 수 있는 둥근 원통형, 토로이드형 등 다양할 수 있다. 또한, 전선을 감싸기 위해 구분되는 몸체의 개수는 도 7의 두 개로 한정되지 아니하며, 한 개 또는 셋 이상일 수 있다.
전압 센서(100)는 상부의 제1 몸체(110)과 하부의 제2 몸체(120)로 구분될 수 있다. 그리고, 전압 센서(100)의 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)는 힌지 결합되어 두 몸체가 서로 맞닿도록 형합하거나 힌지 결합된 반대편에서 개방하여 두 몸체가 분리되도록 할 수 있다.
힌지 결합된 두 몸체(110, 120) 사이에는 전선이 자리할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 몸체(110, 120)가 개방된 상태에서, 그 사이에 전선을 위치시키고 제1 및 제2 몸체(110, 120)를 형합할 수 있다. 이를 위하여, 전압 센서(100)의 내부를 보호하고 외관을 형성하는 경성의 전압 센서 케이스에는 전선이 관통하기 위한 구멍이 서로 마주하는 양면에 구비될 수 있다.
힌지 부재(130)는 제1 및 제 몸체(110, 120)의 힌지 결합을 위해 전압 센서(100)의 케이스에 구비될 수 있다. 힌지 부재(130)는, 도 7에 도시된, 축을 중심으로 제1 몸체의 일부와 제2 몸체의 일부가 조립되어 회전되도록 하는 구성으로 제한되지 아니하며, 제1 및 제2 몸체(110, 120)의 일부가 연결되어 있고 내구성 있는 구부릴 수 있는 소재 등으로 구성될 수 있다.
록킹 부재(140)는 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)의 형합을 유지할 수 있도록 한다. 구체적으로, 록킹 부재(140)는 제1 및 제2 몸체(110, 120)가 힌지 결합된 일측면의 반대 측면에 위치하여, 제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120) 사이에 전선을 위치시키고 형합하였을 때, 탄성에 의해 다시 분리되지 않도록, 형합을 유지하도록 할 수 있다.
도 8은 도 7의 전압 센서의 사용 방법을 예시하는 측단면도이다.
도 8을 참조하면, (a)에서는 힌지 결합된 제1 및 제2 몸체(110, 120)를 개방한 사이에 전선(150)을 배치시킨 단면을 나타낸다. 그리고, (b)에서는 전선을 배치시킨 상태에서 제1 및 제2 몸체(110, 120)를 형합하였을 때의 단면을 나타낸다.
제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120)는 각각 형상 가변 부재(111, 121), 전압유도부재(112, 122), 신호전달부재(113, 123), 절연체(114, 124), 쉴드부재(115, 125) 및 케이스(116, 126)을 포함한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120)가 전선(150)과 닿는 면의 부재는, 제1 및 제2 몸체(110, 120)가 서로 형합하면서, 전선(150)의 외주면과 밀착하도록 탄력적으로 변형된다.
그리고, 형합된 제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120)를 개방하고, 전선(150)을 제거하면 전선(150)의 외주면과 밀착하도록 변형되었던 제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120)의 일부는 원형으로 복원될 수 있다.
제1 몸체(110) 및 제2 몸체(120)에는 전선(150)과 밀착하기 위하여 탄성력을 갖는 형상 가변 부재(111, 121)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 형상 가변 부재(111, 121)는 스폰지나 우레탄과 같이 부피의 가변 정도가 크고 복원력이 좋은 소재가 사용될 수 있다.
전압 센서(100)는 전선(150)과 용량 결합(capacitive coupling)을 한다. 그리고, 용량 결합의 결합력을 높이기 위해서는 전선(150)의 중심에 있는 도선과 최대한 가까이 결합하도록 하고, 전도성이 높은 도체를, 도선과 커패시턴스를 생성하는 부재로서 사용할 수 있다.
도체라는 성질상, 탄성력은 매우 작고, 변형이 어렵고, 복원력이 약한 점에서, 높은 탄성을 갖는 형상 가변 부재(111, 121)에 얇은 금속 천으로 이루어진 전압유도부재(112, 122)를 감싸서 변형 및 복원이 가능토록 할 수 있다.
신호전달부재(113, 123)는 전압유도부재(112, 122)에 연결되어 신호를 외부로 전달한다. 구체적으로, 신호전달부재(113, 123)는 용량 결합된 전압유도부재(112, 122)로부터 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 전달받아 외부로 출력할 수 있다. 신호전달부재(113, 123)는 도체로 구성되며, 제1 몸체(110)의 전압유도부재(112)와 제2 몸체(120)의 전압유도부재(122) 전체에 유도된 유도 전압을 전달받을 수 있도록, 제1 및 제2 몸체(110, 120)가 형합하면 제1 및 제2 몸체의 신호전달부재(113, 123)가 연결되어, 전선과 밀착된 전압유도부재(112, 122)를 둘러싸는 형상이 되도록 구성될 수 있다.
쉴드부재(115, 125)는 전압 센서(100)의 외부로부터 유입되는 전자파를 차단한다. 구체적으로, 쉴드부재(115, 125)는 외부의 전자파로 인한 교류 전압 감지 신호에 노이즈가 생성되는 것을 차단할 수 있다. 이를 위하여 쉴드부재(115, 125)는 형합시에 신호전달부재(113, 123)를 감싸는 차폐형 구조를 가질 수 있다.
그리고, 쉴드부재(115, 125)로 신호전달부재(113, 123)의 신호가 빠져나가는 것을 막기 위해, 쉴드부재(115, 125)와 신호전달부재(113, 123) 사이에는 절연체(114, 124)가 자리할 수 있다.
케이스(116, 126)는 외부 충격으로부터 내부 부재들을 보호하고 외관을 형성한다.
여기서, 유도 전압에 의한 신호를 외부로 출력하기 위하여, 동축 케이블(160)이 사용될 수 있다. 동축 케이블(160)은 신호를 전달하는 내부 도체(161)와 접지와 연결된 외부 도체(163), 내부 도체(161)와 외부 도체(163) 사이에 위치한 절연체(163) 및 피복(164)을 포함할 수 있다.
내부 도체(161)는 신호전달부재(113, 123)과 연결되고, 외부 도체(163)는 쉴드부재(115, 125)와 연결될 수 있다.
전압 센서(100)에서 감지된 신호를 출력하는 동축 케이블(160)은 도 4의 스위칭부(440)와 연결될 수 있다.
도 8을 참조한 이상의 설명에서는 전압 센서(100)의 절연체(114, 124) 및 케이스(116, 126)가 별도의 분리된 구성으로 설명하였으나, 구현시에는, 플라스틱 사출 성형 방식 등을 이용하여 ABS 수지와 같은 내구성과 절연성이 높은 물질로서, 절연체(114, 124) 및 케이스(116, 126)를 하나의 구성으로 제작할 수 있다.
도 9는 도 7의 전압 센서의 사용 상태를 예시하는 정단면도이다.
도 9를 참조하면, 제1 몸체(110)와 제2 몸체(120) 사이에 전선(150)이 관통하고 있고, 피복(151)을 사이에 두고 도선(152)과 전압유도부재(112, 122)가 용량 결합을 한다.
전선(152)이 교류 전압을 전송하면, 유도 전압이 전압유도부재(112, 122)에 유도되어, 신호전달부재(113, 123)로 전달된다.
그리고, 신호전달부재(113, 123)의 외각 층에는 절연체(114, 124)와 쉴드부재(115, 125)가 적층되어, 내부를 보호한다.
이상과 같은 전압 센서(100)는 전선의 외주면을 따라 밀착하는 구조를 가지는바, 효율적이고 높은 유도 전압을 출력할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.
100: 전압 센서 110: 제1 몸체
120: 제2 몸체 130: 힌지 부재
140: 록킹 부재 150: 동축 케이블
200: 전압 측정 장치 210: 접촉부
220: 용량성 소자 230: 제어부
240: 스위칭부 250: 저항
260: 디스플레이부

Claims (15)

  1. 전압 측정 장치에 있어서,
    교류 전압을 전송하는 전선과 접촉 가능하며, 상기 전선의 표면에서 상기 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력하는 접촉부;
    상기 접촉부와 직렬 연결되는 용량성 소자; 및
    상기 접촉부에서 출력되는 유도 전압 및 상기 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압을 이용하여 상기 교류 전압의 크기를 산출하는 제어부;를 포함하는 전압 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부를 상기 용량성 소자와 연결 또는 단선시키는 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 접촉부가 상기 용량성 소자와 연결되도록 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 제2 전압에 대한 정보를 수신하고,
    상기 접촉부가 상기 용량성 소자와 단선되도록 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 유도 전압에 대한 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전선은 상기 교류 전압이 인가되는 도선을 기설정된 두께의 절연체로 감싸는 피복을 포함하며,
    상기 접촉부는,
    상기 전선과 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 접촉부에서 출력되는 상기 유도 전압의 크기인 제1 전압값, 상기 용량성 소자에서 출력되는 제2 전압의 크기인 제2 전압값 및 상기 용량성 소자의 커패시턴스를 이용하여 상기 전선과 상기 접촉부간에 형성된 상기 커패시턴스 및 상기 교류 전압의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    신호를 외부로 출력하기 위한 저항;을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 유도 전압 및 상기 제2 전압이 상기 저항에 순차적으로 인가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산출된 교류 전압의 크기를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부는,
    제1 몸체; 및
    상기 제1 몸체에 힌지 연결되는 제2 몸체;를 포함하고,
    상기 전선을 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 배치하여 서로 형합하였을 때, 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 탄력적으로 변형되어 상기 전선과 용량 결합(capacitive coupling)하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접촉부는,
    상기 전선을 제거하면, 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 변형된 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 원형으로 복원되는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은,
    탄성력을 갖는 형상 가변 부재; 및
    상기 형상 가변 부재를 감싸는 전압유도부재;를 포함하고,
    상기 전압 센서는,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체가 서로 형합하였을 때, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각의 전압유도부재가 대면하는 사이에 상기 전선이 배치되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 전압 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은,
    상기 전선에 교류 신호가 인가되면, 상기 용량 결합에 의해 상기 전압유도부재로 유도된 상기 유도 전압을 외부로 전달하기 위한 신호전달부재;를 더 포함하고,
    상기 두 신호전달부재는,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체가 형합하면, 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 각각은,
    외부로부터 유입되는 전자파를 차단하기 위한 쉴드부재; 및
    상기 신호전달부재와 상기 쉴드부재의 접촉을 방지하기 위한 절연체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 두 신호전달부재 중 적어도 하나와 연결된 내부 도체와,
    상기 쉴드부재 및 접지와 연결된 외부 도체로 구성되는 동축 케이블;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 접촉부는,
    상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 형합을 유지하기 위한 록킹부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 측정 장치.
  15. 제1 몸체; 및
    상기 제1 몸체에 힌지 연결되는 제2 몸체;를 포함하고,
    전선을 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이에 배치하여 서로 형합하였을 때, 상기 제1 및 제2 몸체의 일부가 상기 전선의 외주면과 밀착하도록 탄력적으로 변형되어 상기 전선과 용량 결합(capacitive coupling)을 함으로써, 상기 전선에 인가된 교류 전압에 의해 유도된 유도 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 센서.
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