KR20200010820A - 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법 - Google Patents

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KR20200010820A
KR20200010820A KR1020180085364A KR20180085364A KR20200010820A KR 20200010820 A KR20200010820 A KR 20200010820A KR 1020180085364 A KR1020180085364 A KR 1020180085364A KR 20180085364 A KR20180085364 A KR 20180085364A KR 20200010820 A KR20200010820 A KR 20200010820A
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조수길
박상현
김형우
강관구
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 진동 전달부가 진동원의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 본체에 전달하는 단계; (b) 상기 본체의 내부에 구비된 압전 소자가 상기 진동 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환하는 단계; (c) 제어부가 상기 변환된 전기 에너지를 인가받아 상기 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우, 전기 에너지 추출부가 상기 진동원의 고장 발생시 생성된 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계; 및 (e) 적외선 발생부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선을 생성하고, 상기 생성된 적외선을 전송하여 상기 비정상적인 현상의 발생을 알리는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법{A malfunction prediction method using piezoelectric energy harvesting}
본 발명은 압전 에너지 하베스팅에 관한 것으로, 특히 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등 진동원의 이상을 간단하고 편리하게 진단하고, 압전 자가 발전 전력을 활용하여 진동을 계측하여 전력 공급 케이블이나 배터리 없이 저비용으로 진동원의 고장을 예지하며, 작동 공간의 제약없이 적외선을 전송하여 사용자에게 진동원의 이상 여부를 알릴 수 있는 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법에 관한 것이다.
최근에, 다양한 모바일 기기와 무선 센서 노드들(wireless sensor nodes)의 등장으로 인하여, 에너지 하베스팅 기술에 대한 시장의 요구가 증가하고 있다.
한편, 이러한 에너지 하베스팅 기술에 의해 수확된 에너지를 효율적으로 기기에 전달함과 동시에 이를 제어하는 장치의 저 전력화는 필수적이라 할 수 있다.
일반적으로 에너지 하베스팅 회로는 전력을 생산하는 하베스터, 생성되는 에너지를 직류성분으로 변환하는 정류기, 그리고 정류기에서 출력되는 에너지를 배터리나 대용량 커패시터에 저장하는 충전 회로로 구성된다.
한편, 상기 하베스터는 압전 소자나 진동 에너지를 전력으로 전환하는 소자를 포함하는데, 상기 소자는 최대 전력점이 존재하며, 이는 입력되는 진폭과 주파수에 의해 결정된다.
압전 물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 혹은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 변환 매체로서 다양한 응용 분야를 갖는다.
현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다. 이러한 압전 발전기는 주기적인 진동이 있는 기계류, 건축물, 교량 등에 설치하거나 이동하는 차량과 사람의 하중의 변화를 이용하기 위하여 일반 도로 또는 주차장 등에 설치하기도 하며, 건물의 실내 바닥재로서 설치하기도 한다.
이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.
한편, 외부로부터 가해지는 진동을 이용하기 위한 압전 발전기는 일반적으로 외팔보(Cantilever) 구조를 갖는다.
외팔보 구조의 압전 발전기는 외부의 진동 주파수와 외팔보의 고유 진동수가 같아지는 경우 공진 현상이 일어나면서 전기에너지가 도출된다.
그런데, 종래에는 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등의 진동원의 고장이 발생한 경우, 별도의 진동 계측 센서, 전력 공급 케이블 및 배터리를 구비하여 예지해야 하는 한계가 있었다.
이에, 본 발명자들은 종래의 압전 에너지 하베스팅 시스템의 한계를 극복하고 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등의 진동원에 비정상적인 현상이 발생한 경우, 별도의 진동 계측 센서의 추가 없이 진동원의 이상을 간편하게 진단하고, 작동 공간의 제약 없이 사용자에게 진동원의 이상 여부를 신속하고 정확하게 알릴 수 있는 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 발명하기에 이르렀다.
KR 10-2015-0107258 A1
본 발명의 목적은 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등의 진동원에 고장 예지 장치를 부착하여 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 감지하고, 고장 발생시 생성된 전력을 통해 적외선을 전송하여 사용자에게 진동원의 이상 여부를 알리는 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법은 (a) 진동 전달부가 진동원의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 본체에 전달하는 단계; (b) 상기 본체의 내부에 구비된 압전 소자가 상기 진동 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환하는 단계; (c) 제어부가 상기 변환된 전기 에너지를 인가받아 상기 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우, 전기 에너지 추출부가 상기 진동원의 고장 발생시 생성된 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계; (e) 적외선 발생부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선을 생성하고, 상기 생성된 적외선을 전송하여 상기 비정상적인 현상의 발생을 알리는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 상기 (c) 단계는 상기 제어부가 상기 진동원에 의해 발생된 전기 에너지 발생 크기를 통하여 기 설정된 진동 주파수와 비교하는 단계; 상기 진동원의 진동 주파수에 해당하는 전기 에너지가 상기 기 설정된 전기 에너지 크기와 동일한 경우에는 상기 제어부가 상기 진동원의 동작이 정상적인 것으로 판단하여 정상 동작을 유지시키는 단계; 및 상기 진동원의 진동 주파수가 상기 기 설정된 전기 에너지 보다 높아졌을 경우에는 상기 제어부가 상기 진동원에 비정상적인 현상이 발생한 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 상기 (f) 단계는 상기 전기 에너지 추출부 내 정류기가 상기 조절된 진동 주파수의 교류 성분을 인가받아 상기 직류 전류로 전환하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 상기 (g) 단계는 상기 적외선 발생부 내 적외선 생성부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 상기 적외선을 생성하는 단계; 및 상기 적외선 발생부 내 송신부가 상기 생성된 적외선을 무선 통신으로 외부 수신부에 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 상기 외부 수신부는 상기 무선 통신으로 전송된 적외선을 수신받아 전송 스위치 또는 알람의 형식으로 상기 진동원의 비정상적인 현상 발생 사실을 알리는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 상기 진동 전달부는 상기 본체의 케이스 바닥판 외면에 점착성 물질이 도포되거나 일부분이 자성 물질로 이루어져 상기 진동원에 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 진동원의 고유 주파수는 수학식
Figure pat00001
으로 결정되고, 상기 K는 상기 진동원의 기계적 유효 강성이고, 상기 m은 상기 진동원의 유효 질량인 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 게시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등 진동원의 진동 주파수가 낮아지는 현상을 감지하여 진동원의 이상을 간단하고 편리하게 진단할 수 있게 된다.
또한, 진동원에 비정상적인 현상의 발생에 따라 낮아진 진동원의 진동 주파수를 이용하여 압전 자가 발전이 가능하고, 압전 소자의 진동 주파수를 이용하여 고장이 발생한 진동원에서 생성된 전력을 사용하여 적외선을 사용자에게 전송함으로써, 진동원의 이상 여부를 신속하고 정확하게 알리므로, 작동 공간의 제약이나 송신부 배터리 및 전력선의 별도의 장치의 추가가 필요 없이 저비용으로 진동원의 고장을 진단하게 된다.
도 1은 선박 또는 해양 플랜트에서 일반적으로 사용되는 배관의 외형 사진이다.
도 2는 도 1에 도시된 배관에 설치되는 구조물이 분리된 사진 및 구조물이 결합된 배관의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치의 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 진동 전달부(100)의 외형 사진이다.
도 5는 도 3에 도시된 진동원에서 출력되는 공진 주파수의 파형도이다.
도 6은 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 전기 에너지 추출부(300)의 회로도이다.
도 7은 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 적외선 발생부(400)의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.
더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.
이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, 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"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.
또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.
한편, 상기 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 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.
하지만, 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 한다.
또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "부", "기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.
이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
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 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
도 1은 선박 또는 해양 플랜트에서 일반적으로 사용되는 배관의 외형 사진이다.
도 2는 도 1에 도시된 배관에 설치되는 구조물이 분리된 사진 및 구조물이 결합된 배관의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치의 블록도로서, 진동 전달부(100), 전기 에너지 추출부(300), 적외선 발생부(400) 및 제어부(500)를 구비한다.
도 8은 본 발명의 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 내지 도 3 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
진동 전달부(100)가 진동원의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 본체에 전달한다(S100).
본체의 내부에 구비된 압전 소자가 진동 전달부(100)로부터 진동 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환한다(S200).
제어부(500)가 압전 소자로부터 변환된 전기 에너지를 인가받아 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단한다(S300).
제어부(500)에서 비정상적인 현상의 발생으로 판단되지 않은 경우에는 정상 동작을 유지하고(S450), 제어부(500)에서 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우(S400),
전기 에너지 추출부(300)가 진동원의 고장 발생시 생성된 전력을 인가받아 전류 성분을 직류 전류로 전환한다(S500).
적외선 발생부(400)가 전기 에너지 추출부(300)에서 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선을 생성하고(S600), 생성된 적외선을 전송하여 비정상적인 현상의 발생을 알린다(S700).
도 4는 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 진동 전달부(100)의 외형 사진이다.
도 5는 도 3에 도시된 진동원에서 출력되는 공진 주파수의 파형도이다.
도 6은 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 전기 에너지 추출부(300)의 회로도로서, 주파수 공진부(320) 및 정류기(340)를 구비한다.
도 7은 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 적외선 발생부(400)의 회로도로서, 송신부(420) 및 적외선 생성부(440)를 구비한다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 장치의 유기적인 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 선박 또는 해양 플랜트에서 배관의 고정 방식, 운용 압력, 속도, 각종 밸브에 따라 공진 주파수가 기 설정되어 있는데, 배관에 피로 손상 또는 특이 하중 발생 등 비정상적인 현상이 발생한 경우, 주파수가 변경된다.
이를 감지하기 위하여 본 발명에 따른 고장 예지 장치는 본체의 케이스 외면에 구비되는 진동 전달부(100)가 선박 또는 해양 플랜트에서 진동하는 구조물 또는 진동하는 기계 장치 등의 진동원에 부착된다.
진동 전달부(100)는 본체 케이스 바닥판의 외면에 점착성 물질이 도포될 수도 있고, 바닥판의 일부분이 자성 물질로 이루어지는 형태일 수도 있다.
본체 내부에는 진동원의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자가 패키징된다.
압전 소자는 도시하지는 않았지만 압전체, 탄성판과 압전체 사이에 배치되는 제1 전극 및 압전체 상에 배치되는 제2 전극을 구비한다.
압전체는 압전성을 갖는 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등의 재료로 형성된다.
진동원의 진동에 의해 탄성판 및 압전 소자가 진동하여 변형함에 따라 전기 에너지의 생성이 가능하다.
한편, 압전 재료를 이용하여 압전 에너지 하베스팅 소자를 제작하는 경우 공진 주파수가 존재한다.
이 공진 주파수는 유효 전기 기계 결합 계수에 의해 결정된다.
일반적으로 압전 세라믹은 유효 전기 기계 결합 계수가 작고, 압전 단결정은 1.0(기계적 에너지를 전기적 에너지 변환하는 효율=100%)에 가까운 큰 값을 갖는다.
압전 에너지 하베스팅 소자의 기본적인 출력 특성을 측정하기 위해서, 낮은 진동이 가해진 상태에서 압전 에너지 하베스팅 소자의 끝단에 저항을 연결하고, 연결된 저항에 흐르는 전류를 측정하거나, 저항 양단에 걸리는 전압을 측정한다.
압전 소자, 본 실시예에서는 진동원의 공진 주파수는 다음의 수학식 1로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
여기에서, K는 진동원의 기계적 유효 강성(stiffness)이고, m은 진동원의 유효 질량을 나타낸다.
압전 소자의 유효 전기 기계 결합 계수의 변화는 주파수뿐만 아니라, 전기적 출력에 가장 큰 영향을 준다.
예를 들어, 배관에 피로 손상 또는 특이 하중 발생 등 비정상적인 현상이 발생하는 경우, 배관 무게(m)의 변화 없이 진동원의 기계적 유효 강성(K)이 낮아져 수학식 1에 따라 공진 주파수가 낮아진다.
전기 에너지 추출부(300)는 진동원의 고장 발생시 생성된 전력을 인가받아 주파수 공진부(320)에서 전기 에너지 효율을 높이고 정류기(340)를 이용하여 생성된 전력의 교류 전류 성분을 직류 전류로 전환한다.
이때, 정류기(340)는 풀 브릿지(full-bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 타입으로 4 개 또는 2 개의 다이오드로 구성되고, 정류기(340)의 후단에는 직류 전압의 리플(ripple)을 줄이기 위한 커패시터가 연결된다.
본 실시예에서는 도 6 도시된 바와 같이, 4 개의 다이오드로 구성된 풀 브릿지(full-bridge) 타입을 사용한다.
적외선 발생부(400)는 전기 에너지 추출부(300)에서 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선을 생성하고, 생성된 적외선을 송신부(420)를 통해 무선 통신으로 외부 수신부에 전송한다.
외부 수신부는 적외선 발생부(400)에서 전송된 전기 에너지를 인가받아 전송 스위치 또는 알람 등의 형식으로 배관에 발생한 피로 손상 또는 특이 하중 발생 등 비정상적인 현상을 작업자에게 알린다.
예를 들어, 진동 전달부(100)가 본체의 케이스 외면에 구비되어 선박에서 진동하는 배관에 부착되어 있다고 가정한다.
진동 전달부(100)는 배관의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 본 발명의 고장 예지 장치의 본체에 전달한다.
본체 내부에 구비된 압전 소자가 배관의 진동 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환하면, 제어부(500)는 변환된 전기 에너지를 인가받아 배관에 발생한 특이 하중 등 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단한다.
제어부(500)는 배관의 진동 주파수를 측정하여 기 설정된 진동 주파수와 비교한다.
만일, 측정된 진동 주파수가 기 설정된 진동 주파수와 동일할 때에는 제어부(500)가 배관의 동작이 정상적인 것으로 판단하여 정상 동작을 유지시킨다.
반면, 측정된 진동 주파수가 기 설정된 진동 주파수 미만으로 낮아졌을 때에는 제어부(500)가 배관의 동작에 이상, 즉 비정상적인 현상이 발생한 것으로 판단한다.
전기 에너지 추출부(300)는 진동원의 고장 발생시 생성된 전력의 전류 성분을 인가받아 정류기(340)를 이용하여 직류 전류로 전환한다.
적외선 발생부(400)는 전기 에너지 추출부(300)에서 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선 생성부(440)를 통해 적외선을 생성하고, 생성된 적외선을 송신부(420)를 통해 무선 통신으로 전송한다.
외부 수신부는 적외선 발생부(400)에서 무선 전송된 적외선을 수신받아 전송 스위치 또는 알람 등의 형식으로 작업자에게 배관에 특이 하중 발생의 비정상적인 현상이 발생한 사실을 알린다.
이와 같이, 본 발명은 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등의 진동원에 고장 예지 장치를 부착하여 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 감지하고, 고장 발생시 생성된 전력을 통해 적외선을 전송하여 사용자에게 진동원의 이상 여부를 알리는 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법을 제공한다.
이를 통하여, 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등 진동원의 진동 주파수가 낮아지는 현상을 감지하여 진동원의 이상을 간단하고 편리하게 진단할 수 있게 된다.
또한, 진동원에 비정상적인 현상의 발생에 따라 낮아진 진동원의 진동 주파수를 이용하여 압전 자가 발전이 가능하고 압전 소자의 진동 주파수를 이용하여 고장이 발생한 진동원에서 생성된 전력을 사용하여 적외선을 사용자에게 전송함으로써, 진동원의 이상 여부를 신속하고 정확하게 알리므로, 작동 공간의 제약이나 송신부 배터리 및 전력선의 별도의 장치의 추가가 필요 없이 저비용으로 진동원의 고장을 진단하게 된다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 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: 진동 전달부
300: 전기 에너지 추출부
320: 주파수 공진부
340: 정류기
400: 적외선 발생부
420: 송신부
440: 적외선 생성부
500: 제어부

Claims (7)

  1. (a) 진동 전달부가 진동원의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 본체에 전달하는 단계;
    (b) 상기 본체의 내부에 구비된 압전 소자가 상기 진동 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환하는 단계;
    (c) 제어부가 상기 변환된 전기 에너지를 인가받아 상기 진동원에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하는 단계;
    (d) 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우, 전기 에너지 추출부가 상기 진동원의 고장 발생시 생성된 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계; 및
    (e) 적외선 발생부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 적외선을 생성하고, 상기 생성된 적외선을 전송하여 상기 비정상적인 현상의 발생을 알리는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    상기 제어부가 상기 진동원에 의해 발생된 전기 에너지 발생 크기를 통하여 기 설정된 진동 주파수와 비교하는 단계;
    상기 진동원의 진동 주파수에 해당하는 전기 에너지가 상기 기 설정된 진동 주파수에 해당하는 전기 에너지와 동일한 경우에는 상기 제어부가 상기 진동원의 동작이 정상적인 것으로 판단하여 정상 동작을 유지시키는 단계; 및
    상기 진동원의 진동 주파수에 해당하는 전기 에너지가 상기 기 설정된 진동 주파수에 해당하는 전기 에너지보다 높아졌을 경우에는 상기 제어부가 상기 진동원에 비정상적인 현상이 발생한 것으로 판단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는
    상기 전기 에너지 추출부 내 정류기가 상기 조절된 진동 주파수의 교류 성분을 인가받아 상기 직류 전류로 전환하는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는
    상기 적외선 발생부 내 적외선 생성부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 상기 적외선을 생성하는 단계; 및
    상기 적외선 발생부 내 송신부가 상기 생성된 적외선을 무선 통신으로 외부 수신부에 전송하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 외부 수신부는
    상기 무선 통신으로 전송된 적외선을 수신받아 전송 스위치 또는 알람의 형식으로 상기 진동원의 비정상적인 현상 발생 사실을 알리는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 전달부는
    상기 본체의 케이스 바닥판 외면에 점착성 물질이 도포되거나 일부분이 자성 물질로 이루어져 상기 진동원에 부착되는 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    수학식
    Figure pat00002
    으로 결정되고,
    상기 K는 상기 진동원의 기계적 유효 강성이고, 상기 m은 상기 진동원의 유효 질량인 것을 특징으로 하는,
    압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 방법.

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