KR20210033646A - 이동 평균을 이용한 광섬유 분포온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 분포온도 측정장치를 개시한다. 본 발명에 따른 측정장치는, 입사된 펄스광에 의해 광섬유 내에서 발생한 산란광에서 라만 산란광을 분리하는 광분파기; 상기 광분파기에서 분리된 라만 산란광을 전기적 신호로 변환하는 수광부; 설정된 샘플링 주기(T) 동안 검출된 다수의 광량 데이터에 대한 기본 평균값을 산출하는 기본 평균화부; 설정된 이동평균기간(Tm) 및 이동간격에 따라 광량 데이터에 대한 이동 평균값을 산출하는 이동 평균화부; 기본 평균값을 이용한 온도 계산과 이동 평균값을 이용한 온도 계산 중에서 적어도 하나를 수행하는 온도계산부; 온도 계산을 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장부; 상기 컴퓨터 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함한다.
본 발명에 따르면, 라만 산랑광의 샘플링 데이터에 대한 기본 평균값을 이용하여 최대한 신속하게 분포온도를 산출할 수 있고, 동시에 이동 평균값을 이용하여 매우 정확한 분포온도를 산출할 수 있다.

Description

이동 평균을 이용한 광섬유 분포온도 측정 장치{Optical fiber distributed temperature measuring device using moving average}

본 발명은 광섬유 분포온도 측정장치에 관한 것으로서, 구체적으로 라만 산란광을 샘플링한 데이터에 대하여 이동평균을 수행함으로써 신속하면서도 정밀한 온도 측정이 가능한 광섬유 분포온도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 영역에 분포되거나 긴 거리를 따라 분포된 복수의 지점에서 원하는 측정값을 얻기 위해서는 각 지점마다 센서를 설치하고, 통신망을 이용하여 각 센서와 관제장치를 연결해야 한다.

그런데 이 방식에 의하면, 각 지점마다 센서를 설치해야 하므로 센서망 구축에 많은 시간과 인력이 소요되는 문제가 있고, 사람이 접근하기 어려운 장소에는 센서를 설치할 수 없어 측정값을 얻을 수 없는 한계가 있다. 또한 전자파 간섭이 심한 환경에서는 센서가 오작동을 하는 문제가 있고, 폭발 위험이 높은 환경에는 센서를 설치하기 어려운 문제도 있다.

최근에는 이러한 문제를 해결할 수 있는 광섬유를 활용한 센서에 대한 관심이 커지고 있다.

광섬유 센서는 수 내지 수십 km의 길이를 갖는 광섬유의 일단에서 소정 파장의 레이저 펄스광을 입사시킨 후에 광섬유 내에서 발생한 산란광을 수신하여 광섬유 주변의 온도, 압력, 변형률 등의 측정값을 일정 거리마다 획득하는 센서이다.

이러한 광섬유 센서를 이용하면 복수 지점마다 설치된 센서를 몇 가닥의 광섬유로 대체할 수 있으므로 센서 설치에 소요되는 시간과 인력을 줄일 수 있고, 주변 전자파의 영향을 거의 받지 않아 측정값의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있고 폭발 위험이 높은 환경에도 사용할 수 있는 이점이 있다.

광섬유 센서에서 활용하는 내부 산란광에는 레일리(Rayleigh) 산란광, 라만(Raman) 산란광, 브릴루앙(Brillouin) 산란광 등이 있으며, 레일리 산란광은 주로 광섬유의 손실이나 단락 위치를 찾는데 활용되고, 라만 산란광은 주로 광섬유 주변의 온도를 측정하는데 활용되고, 브릴루앙 산란광은 주로 광섬유의 변형률을 측정하는데 활용된다.

이 중에서 레일리 산란광은 입사광과 같은 파장을 가지며 산란광 중에서 진폭이 가장 큰 특징이 있다.

또한 라만 산란광은 입사광 보다 파장이 작은 스토크스(Stokes)광과 입사광보다 파장이 큰 안티스토크스(anti-Stokes) 광으로 나누어지며, 스토크스광의 진폭은 온도변화에 따른 변화량이 적은 반면에 안티스토크스광은 온도변화에 따라 그 진폭이 민감하게 변하는 특징이 있다. 따라서 스토크스광과 안티스토크스광의 광량을 분석하면 광섬유 주변의 온도를 계산할 수 있다.

브릴루앙 산란광도 입사광 보다 파장이 작은 스토크스광과 입사광보다 파장이 큰 안티스토크스광으로 나누어지지만 파장 변화가 라만 산란광에 비하여 매우 작아서 레일리 산란광의 파장에 근접한 파장을 갖는다.

한편, 광섬유 분포온도 측정장치는 광섬유 내에서 발생한 라만 산란광(스토크스광 및 안티스토크스광)을 수광하여 전기적 신호로 변환하고, 소정의 신호처리를 거친 후에 디지털 데이터로 변환하고, 설정된 샘플링기간 동안 샘플링된 다수의 디지털 데이터를 평균화하고, 스토크스광의 평균값과 안티스토크스광의 평균값의 비율을 이용하여 소정의 알고리즘에 따라 광섬유 주변의 분포온도를 산출한다.

광섬유의 길이를 따라 주변의 분포온도를 산출하기 위해서는 측정장치로부터 떨어진 거리와 각 지점의 온도를 각각 산출해야 한다. 거리는 레이저 펄스광을 입사한 후 라만 산란광이 측정장치로 되돌아오는 시간과 광속을 이용하여 산출하고, 온도는 스토크스광과 안티스토크스광의 광량비를 이용하여 산출할 수 있다.

이러한 광섬유 분포온도 측정장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다.

일 예로서, 전력케이블을 따라 설치하면 전력케이블 전체의 온도를 소정 간격마다 측정할 수 있으므로 송전 용량을 예측하고 전력케이블의 열화에 의해 발생하는 부분적인 고온 발열 위치를 감지할 수 있다.

다른 예로서, 각종 산업 플랜트의 생산 라인과 설비의 온도 제어를 위해 사용될 수 있다.

또 다른 예로서, 빌딩, 터널, 공동구 등의 화재 감지용으로도 사용될 수 있다.

그런데 광섬유 내에서 발생하는 라만 산란광의 광량은 입사광의 약 10^-6 정도에 불과하기 때문에 변환된 전기적 신호의 크기가 매우 미약하며, 이로 인해 노이즈에 의한 영향을 많이 받게 되어 측정 정확도가 낮아질 수 있다.

이에 따라 광섬유 분포온도 측정장치에서는 노이즈 필터를 사용하는 것은 물론이고 가급적 많은 회수(예, 1,000번 이상)의 샘플링을 수행한 후 샘플링된 데이터를 평균함으로써 노이즈의 영향을 최소화하고 있다. 평균화에 사용되는 데이터의 개수가 많을수록 노이즈의 영향이 감소되어 정확도가 향상될 수 있기 때문이다. 다만, 측정 정확도를 높이기 위하여 평균화 회수를 늘리면 측정시간이 길어지는 문제가 있다.

따라서 광섬유 분포온도 측정장치에 요구되는 측정 정확도와 측정시간은 용도에 따라 적절히 선택되어야 한다.

일 예로서, 터널 화재 감시용 측정장치는 화재 발생 여부를 실시간으로 감지하여 최대한 신속하게 경보를 발생하고 차량 진입을 차단해야 하므로 측정시간을 수 초 이내로 최대한 단축시키는 것이 바람직하다.

다른 예로서, 정밀 계측이 요구되는 산업용 측정장치는 측정시간이 수 내지 수십 분이 걸리더라도 정확한 온도를 검출할 수 있어야 한다.

이러한 이유로 현재 다양한 종류의 광섬유 분포온도 측정장치가 용도에 따라 개발되어 판매되고 있다. 즉, 짧은 시간에 온도를 측정하여 화재를 감지하는 화재감지용 광섬유 분포온도 측정장치와 장시간 동안 측정하여 정확한 온도를 검출할 수 있는 산업용 광섬유 분포온도 측정장치가 각각 다른 모델로 상품화되어 판매되고 있다.

그런데 광섬유 분포온도 측정장치를 전력케이블 등과 같이 화재 위험이 있는 감시대상체의 상태를 감시하는 용도로 사용하는 경우에는, 짧은 시간에 온도변화를 검출하는 신속측정기능과 장기간 측정을 통해 높은 정확도의 측정값을 출력하는 정밀측정기능을 모두 갖춘 광섬유 분포온도 측정장치를 사용하는 것이 바람직하다.

그러나 종래의 광섬유 분포온도 측정장치는 사용 전에 미리 온도 측정시간과 온도 정밀도를 선택해야 하므로 신속측정기능과 정밀측정기능을 동시에 구현할 수 없는 문제가 있다.

한국등록특허 제10-1356986호(2014.02.05 공고)

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 광섬유 주변의 온도 변화를 최대한 신속하게 검출할 수 있는 신속측정기능과 정확한 온도 측정이 가능한 정밀측정기능을 동시에 구현할 수 있는 광섬유 분포온도 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 입사된 펄스광에 의해 광섬유 내에서 발생한 산란광에서 라만 산란광을 분리하는 광분파기; 상기 광분파기에서 분리된 라만 산란광을 전기적 신호로 변환하는 수광부; 설정된 샘플링 주기(T) 동안 검출된 다수의 광량 데이터에 대한 기본 평균값을 산출하는 기본 평균화부; 설정된 이동평균기간(Tm) 및 이동간격에 따라 광량 데이터에 대한 이동 평균값을 산출하는 이동 평균화부; 상기 기본 평균값을 이용한 온도 계산과 상기 이동 평균값을 이용한 온도 계산 중에서 적어도 하나를 수행하는 온도계산부; 온도 계산을 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장부; 상기 컴퓨터 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하는 광섬유 분포온도 측정장치를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 광섬유 분포온도 측정장치에서, 상기 기본 평균화부는 샘플링 주기(T)마다 기본 평균값을 산출하는 과정을 설정된 회수(N) 만큼 반복 수행하고, 상기 이동 평균화부는 연속된 샘플링 주기(T)마다 산출된 기본 평균값을 대상으로 이동 평균값을 산출할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광섬유 분포온도 측정장치에서, 상기 이동평균기간(Tm)은 기본 평균값 산출을 위해 설정된 샘플링 주기(T)의 n배(n은 2 이상의 정수)이고, 상기 이동간격은 샘플링 주기(T)의 배수이면서 이동평균기간(Tm) 보다는 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광섬유 분포온도 측정장치는, 기본 평균값만을 이용하여 온도를 산출하는 신속모드, 이동 평균값만을 이용하여 온도를 산출하는 정밀모드, 기본 평균값을 이용한 온도와 이동 평균값을 이용한 온도를 모두 산출하는 듀얼모드 중에서 하나를 선택하는 동작모드선택부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광섬유 분포온도 측정장치에서, 상기 이동 평균화부와 상기 온도계산부는 상기 저장부에 저장된 컴퓨터 프로그램에 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 라만 산랑광의 샘플링 데이터에 대한 기본 평균값을 이용하여 최대한 신속하게 분포온도를 산출할 수 있고, 동시에 이동 평균값을 이용하여 매우 정확한 분포온도를 산출할 수 있다.

특히, 라만 산란광의 광량 데이터를 측정주기마다 단순 평균하는 종래의 방식으로 온도를 측정하면서, 동시에 같은 측정주기로 이동평균 방식으로 온도를 측정함으로써 기존 방식에 따른 측정값보다 훨씬 정확한 측정값을 획득할 수 있다.

또한 하나의 분포온도 측정 장치에서 같은 측정주기로 기본 평균값을 이용하여 거의 실시간으로 신속한 온도 측정이 가능할 뿐만 아니라 현재 데이터와 과거 데이터를 포함하는 이동 평균값을 이용함으로써 보다 정확한 온도측정이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 분포온도 측정장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포온도 산출 프로그램의 기능 구성도.
도 3은 동작모드선택부의 구성을 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포온도 측정장치의 변형 예를 나타낸 개략 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포온도 산출 프로그램의 변형 예를 나타낸 기능 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포온도 산출방법을 나타낸 흐름도.
도 7은 라만산란광의 샘플링 데이터를 예시한 그래프.
도 8은 기본 평균화 방법을 예시한 타이밍 그래프.
도 9는 기본평균화와 이동평균화를 함께 수행하는 모습을 나타낸 타이밍 다이어그램
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동평균화 방법을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동평균화 방법을 나타낸 도면.
도 12는 기본 평균화를 이용한 측정시간과 이동 평균화를 이용한 측정시간을 비교한 타이밍 다이어그램.
도 13은 기본 평균화에 의한 측정주기와 이동 평균화에 의한 측정주기가 다른 경우를 나타낸 타이밍 다이어그램

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

참고로 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합, 또는 통신하는 경우는, 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합, 또는 통신하는 경우만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합, 또는 통신하는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 직접 결합되는 경우는 중간에 다른 요소가 개재되지 않는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함 또는 구비하는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에 첨부된 도면은 발명의 요지를 이해하기 쉽도록 예시한 것에 불과하므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 아니 됨을 미리 밝혀 둔다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 분포온도 측정장치는 도 1의 개략 구성도에 나타낸 바와 같이, 광원(110), 광분파기(120), 수광부(130), 평균화부(140), 프로세서(150), 저장부(160), 입력부(170), 디스플레이(180) 등을 포함할 수 있다.

광원(110)은 펄스광을 발생시키는 펄스 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 광원(110)에서 생성되는 펄스광의 파장, 펄스폭 등은 측정 거리, 거리 분해능, 온도 분해능 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

광분파기(120)는 광원(110)에서 출사된 빛을 광섬유(10)의 일단으로 전달하는 한편 광섬유(10)에서 발생한 후방 산란광 중에서 라만 산란광의 스토크스광과 안티스토크스광을 분리하여 수광부(130)로 전달한다.

수광부(130)는 광분파기(120)로부터 전달된 광을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 또한 수광부(130)는 포토 다이오드에서 출력된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기와 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기를 포함할 수 있다.

평균화부(140)는 수광부(130)에서 출력된 디지털신호를 이용하여 평균화 과정을 수행한다. 구체적으로는, 설정된 샘플링 주기(T) 동안 검출한 다수의 광량 데이터에 대하여 기본 평균화를 수행하여 기본 평균값을 산출한다. 이때 스토크스광과 안티스토크스광의 광량 데이터에 대한 기본 평균값을 각각 별도로 산출해야 함은 물론이다.

한편 본 명세서에서는 샘플링된 다수의 데이터를 합한 후에 데이터의 개수로 나누어서 단순 평균값을 구하는 과정을 '기본 평균화'로 정의하고, 기본 평균화를 통해 산출된 값을 '기본 평균값'으로 정의하기로 한다.

한편 평균화부(140)는 고속 평균화 연산을 위해 별도로 제작된 디지털신호프로세서(DSP)를 포함할 수 있다.

기본 평균화에 적용되는 샘플링 주기(T)는 측정 정확도 요구에 따라 임의로 설정할 수 있으며, 통상적으로 수 초 내지 수 분의 범위 내에서 설정할 수 있다. 샘플링 주기(T)가 길어질수록 측정 정확도는 높아지는 반면에 측정시간이 길어지는 것은 앞서 설명한 바와 같다.

한편 샘플링 주기(T)의 설정을 변경하지 않고 측정 정확도를 높이는 것도 가능하며, 이를 위해서는 기본 평균화 과정을 다수 회 반복하여 수행하면 된다. 즉, 연속되는 샘플링 주기(T) 마다 기본 평균화 과정을 반복 수행하여 기본 평균값을 산출하고, 산출된 다수의 기본 평균값을 다시 평균하면 보다 정확한 온도를 산출할 수 있다.

프로세서(150)는 분포온도 측정장치(100)의 동작 전반을 제어하는 것으로서, 저장부(160)에 저장된 컴퓨터프로그램을 실행하여 소정의 연산이나 데이터 처리를 실행한다. 프로세서(150)는 저장부(160)에 저장된 데이터 또는 사용자 입력에 따라 광원(110)의 펄스폭, 펄스주기 등을 제어할 수 있다.

저장부(160)에는 측정장치(100)의 동작을 위한 컴퓨터프로그램, 각종 파라미터, 데이터 등이 저장될 수 있다. 저장부(160)는 플래쉬 메모리 등의 비휘발성 메모리와 RAM 등의 휘발성메모리를 포함할 수 있다.

저장부(160)에 저장되는 컴퓨터프로그램은 도 2에 나타낸 바와 같은 분포온도 산출 프로그램(190)을 포함할 수 있으며, 분포온도 산출 프로그램(190)은 기능적인 관점에서 이동 평균화부(193), 온도계산부(195) 등을 포함할 수 있다.

이동 평균화부(193)는 광량 데이터에 대한 이동 평균값을 산출하는 역할을 한다. 이동 평균화부(193)의 동작을 위해서는 이동평균기간(Tm)과 이동간격이 미리 설정되어야 하며, 이동 평균화부(193)는 설정된 이동평균기간(Tm) 동안 샘플링된 광량 데이터의 평균값을 산출하되, 이동평균기간(Tm)을 설정된 이동간격만큼 이동시키면서 반복적으로 평균값을 산출한다.

본 발명의 실시예에서는 이동평균기간(Tm)은 기본 평균화를 위해 설정된 샘플링주기(T)의 n배(n은 2 이상의 정수)이고, 이동간격은 샘플링주기(T)와 동일하도록 설정하였다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 측정장치(100)는 매 샘플링주기(T) 마다 평균화부(140)를 통해 광량 데이터에 대한 기본 평균값을 산출하고 이동 평균화부(193)를 통해 광량 데이터에 대한 이동 평균값을 산출하며, 온도계산부(195)를 통해 기본 평균값을 이용한 온도 계산과 이동 평균값을 이용한 온도 계산을 모두 수행할 수 있다.

또한 이동 평균값은 현재의 샘플링 주기 동안 획득한 광량 데이터와 이전 샘플링 주기 동안 획득한 광량 데이터를 함께 평균한 값이므로 이동 평균값을 이용하면 현재 샘플링 주기의 기본 평균값만 이용하는 경우에 비하여 데이터 개수가 늘어나므로 측정의 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한 이동 평균값은 기본 평균값과 같은 주기 또는 비슷한 주기로 산출될 수 있으므로 같은 정확도를 갖는 기본 평균화 방법에 비하여 측정시간을 크게 단축하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 이동 평균화부(193)에서 사용하는 이동평균기간(Tm)이 반드시 기본 평균화를 위해 설정된 샘플링주기(T)의 정수 배에 한정되는 것은 아니다.

또한 이동평균기간(Tm)의 이동간격이 반드시 샘플링주기(T)와 동일해야 하는 것은 아니며, 샘플링주기(T)의 정수 배로 설정될 수도 있고 그와 다른 길이로 설정될 수도 있다. 다만 서로 연속되는 제1 이동평균기간(Tm1)과 제2 이동평균기간(Tm2)이 반드시 겹치도록 설정되어야 하므로 이동간격의 크기가 이동평균기간(Tm) 보다 작아야 함은 물론이다.

온도계산부(195)는 스토크스광의 평균값과 안티스토크스광의 평균값의 비율을 이용하여 소정 알고리즘에 따라 계산하여 온도를 산출한다. 또한 산출된 온도를 장치 내부의 광섬유 기준점에서 측정된 온도를 이용하여 보정함으로써 최종 온도를 산출한다. 이때 측정장치(100)를 기점으로 소정 거리마다 온도를 산출해야 함은 물론이다.

본 발명의 실시예에 따른 온도계산부(195)는 평균화부(140)에서 산출된 기본 평균값을 이용하여 샘플링주기(T)마다 실시간 온도를 신속하게 계산하여 출력할 수 있고, 이와 동시에 이동 평균화부(193)에서 산출된 이동 평균값을 이용하여 매우 정확하게 계산된 온도를 출력할 수도 있다.

입력부(170)는 사용자가 소정의 명령과 설정을 입력할 수 있는 인터페이스를 제공하며, 키보드, 버튼, 터치스크린, 터치패드, 조이스틱 등과 같은 다양한 입력수단이 사용될 수 있다.

입력부(170)는 측정 시작 명령을 입력하는 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한 입력부(170)는 도 3에 예시한 바와 같이 동작모드선택부(171)를 포함할 수도 있으며, 이 경우 동작모드선택부(171)는 신속모드선택부(175), 정밀모드선택부(176), 듀얼모드선택부(177) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.

이 중에서 신속모드선택부(175)는 평균화부(140)에서 산출된 기본 평균값만을 이용하여 온도를 계산하고 출력하는 동작모드를 선택하는 것으로서 화재 감시와 같이 신속한 측정이 필요할 경우에 사용될 수 있다.

정밀모드선택부(176)는 이동 평균화부(193)에서 산출된 이동 평균값만을 이용하여 온도를 계산하고 출력하는 동작모드를 선택하는 것으로서 측정속도 보다는 높은 정확도가 요구될 때 사용될 수 있다.

듀얼모드선택부(177)는 평균화부(140)에서 산출된 기본 평균값을 이용하여 온도를 계산하여 출력하는 함과 동시에 이동 평균화부(193)에서 산출된 이동 평균값을 이용하여 온도를 계산하여 출력하는 동작모드이다. 듀얼모드를 사용하면 사용자의 입장에서는 정밀한 온도 측정을 할 수 있을 뿐만 아니라 화재 등의 비상상황이 발생하였을 때 온도변화를 거의 실시간으로 확인할 수 있기 때문에 신속한 대응이 가능해지는 이점이 있다.

디스플레이(180)는 분포온도 측정장치(100)의 동작 상태, 측정결과(분포온도) 등의 정보를 출력한다.

이상에서 설명한 광섬유 분포온도 측정장치(100)는 필요에 따라 다양한 형태로 변형될 수도 있다.

일 예로서, 전술한 실시예에서는 기본 평균화를 수행하는 평균화부(140)는 DSP 등과 같은 하드웨어로 구현되고, 이동 평균화부(193)는 소프트웨어로 구현되었는데 이동 평균화부(193)를 DSP 등의 하드웨어로 구현하는 것도 가능하다.

다른 예로서, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 기본 평균화부(191)를 DSP 등의 하드웨어로 구현하는 대신 소프트웨어로 구현하여 분포온도 산출 프로그램(190)에 포함시키는 것도 가능하다.

또한 도면에는 나타내지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 분포온도 측정장치(100)는 다른 전자기기와의 데이터 송수신을 위한 유선통신 인터페이스 또는 무선통신 인터페이스를 포함할 수 있다.

이하에서는 도 6의 흐름도를 참조하여 본 발명의 실시예 따른 광섬유 분포온도 측정장치(100)를 이용한 분포온도 산출방법을 설명한다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 측정장치(100)를 사용하기 위해서는 광원(110)의 펄스폭, 펄스주기 등을 미리 설정해야 한다. 또한 평균화부(140)의 동작에 필요한 샘플링주기(T), 기본 평균화 회수(N) 등을 설정하고, 이동 평균화부(193)의 동작에 필요한 이동평균기간(Tm), 이동간격 등을 설정해야 한다.

또한 본 발명의 실시예에서는 사용자가 입력부(170)를 통해 측정장치의 동작모드를 신속모드, 정밀모드, 듀얼모드 중에서 선택할 수도 있다. 이하에서는 사용자가 듀얼모드를 선택한 것으로 가정하여 설명하기로 한다. (ST11)

사용자가 입력부(170)를 통해 측정시작 명령을 입력하면, 프로세서(150)가 소정의 트리거 신호를 광원(110)으로 전송하며, 광원(110)은 이에 응하여 고속 펄스광을 출력한다. 출력된 펄스광은 광분파기(120)를 거쳐 광섬유(10)의 일단으로 입사되어 광섬유(10)의 내부를 따라 진행하며, 이로 인해 광섬유(10)의 내부에서는 다양한 산란광이 발생하며, 후방으로 진행하는 산란광은 측정장치(100)까지 도달하게 된다.

광분파기(120)는 이러한 산란광 중에서 라만 산랑광의 스토크스광과 안티스토??스광을 분리하여 수광부(130)로 전달하고, 수광부(130)는 이를 전기적 신호로 변환한 후 증폭 및 A/D 변환하며, 하며, 평균화부(140)는 설정된 샘플링 주기(T) 동안 검출한 광량 데이터에 대하여 기본 평균화를 수행하여 기본 평균값을 산출한다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여, 도 7에 예시한 바와 같이, 샘플링 주기(T) 마다 5회씩 광량 데이터를 검출하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. (실제로는 최소 1,000회 이상의 샘플링을 수행한 후에 평균화를 수행하고 있다)

도 8은 기본 평균값을 산출하는 방법을 예시한 타이밍 그래프를 나타낸 것으로서, 도 8의 (a)는 샘플링 주기가 T인 경우이고, 도 8의 (b)는 샘플링 주기가 3T인 경우이다.

도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이 t=T 시점에는 제1 샘플링주기(T) 동안 검출한 5개의 광량데이터(L1,L2,L3,L4,L5)를 합한 후에 5로 나누어서 제1 기본 평균값(Lm1)을 산출할 수 있다.

만일 기본 평균화 회수(N)가 1회로 설정되어 있으면 위의 제1 기본 평균값(Lm1)을 이용하여 온도를 계산하면 된다.

만일 기본 평균화 회수(N)가 2회로 설정되어 있으면, 기본 평균값 산출과정을 한번 더 수행하여, t=2T 시점에 제2 샘플링주기(T) 동안 검출한 5개의 광량데이터(L6,L7,L8,L9,L10)를 합한 후에 5로 나누어서 제2 기본 평균값(Lm2)을 산출하고, 제1 기본 평균값(Lm1)과 제2 기본 평균값(Lm2)를 평균한 값을 기본 평균값으로 결정하고 이를 기초로 온도를 산출할 수도 있다.

만일 기본 평균화 회수(N)가 n회로 설정되어 있으면, 이러한 기본 평균값 산출과정을 n회 수행하고, n개의 기본 평균값을 전부 평균한 값을 최종적인 기본 평균값으로 결정하고 이를 기초로 온도를 산출할 수 있다.

다만 기본 평균화 회수(N)가 늘어날수록 측정 정확도는 크게 향상될 수 있으나 샘플링시간 및 연산시간이 늘어나 측정시간이 전체적으로 길어질 수밖에 없으므로 측정장치(100)의 용도에 따라 기본 평균화 회수(N)는 적절히 선택될 수 있다.

도 8의 (b)는 샘플링주기를 통상적인 주기(T)보다 긴 3T로 설정한 경우를 나타낸 것으로서, 도면에 나타낸 바와 같이 t=3T 시점에는 제1 샘플링주기(3T) 동안 검출한 15개의 광량데이터(L1,L2, . . . L14,L15)를 합한 후에 15로 나누어서 제1 기본 평균값(Lm1)을 산출할 수 있다.

이 경우에도 기본 평균화 회수(N) 대로 기본 평균화 과정을 수행한 후 모든 기본 평균값(Lm1, . . . Lmn)을 전부 평균한 값을 최종적인 기본 평균값으로 결정하고 이를 기초로 온도를 산출할 수 있다.

이와 같이 샘플링주기를 길게 설정하면 도 8(a)의 경우에 비하여 더 많은 개수의 광량 데이터를 평균하므로 측정 정확도를 크게 향상시킬 수는 있으나 급격한 온도변화를 실시간으로 검출하는 데는 한계가 있다. (ST12, ST13)

이와 같이 평균화부(140)에서 광량 데이터의 기본 평균값이 산출되면, 온도계산부(195)에서는 스토크스광의 기본 평균값과 안티스토크스광의 기본 평균값의 비율을 이용하여 소정 알고리즘에 따라 온도를 계산한다. 또한 산출된 온도를 장치 내부의 광섬유 기준점에서 측정된 온도를 이용하여 보정한 후 기본 평균값에 근거한 최종 온도를 산출한다.

본 발명의 실시예에 따른 측정장치(100)는 기본 평균값을 이용하여 온도를 산출하는 경우에는 약 10초 이내에 ±2℃ 정도의 정확도로 실시간 온도를 출력할 수 있다.

온도계산부(195)에서 산출된 온도는 디스플레이(180)를 통해 출력될 수도 있고, 다른 전자기기로 전송될 수도 있다. (ST14, ST15)

한편 본 발명의 실시예에서는 도 9의 타이밍 다이어그램에 나타낸 바와 같이, 평균화부(140)를 통해 광량 데이터의 기본 평균값을 산출하는 한편 이동 평균화부(193)를 통해 광량 데이터의 이동 평균값을 산출한다.

도 9에는 이동평균기간(Tm)이 기본 평균화를 위한 샘플링주기(T)의 3배이고, 이동간격은 T이고, 데이터 중복구간은 2T 인 것으로 나타나 있는데 이는 예시에 불과하므로 얼마든지 다르게 설정될 수 있음은 물론이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 평균화 방법을 예시한 것으로서, 설정된 샘플링주기(T)마다 산출된 광량 데이터의 기본 평규값을 순차적으로 이동 평균하는 방법을 나타낸 것이다.

즉, 도 10 (a)에 나타낸 바와 같이 샘플링주기(T) 마다 순차적으로 기본 평균값(Lm1,Lm2,Lm3,Lm4, . . .)을 산출한 후에, 도 10 (b)에 나타낸 바와 같이 미리 설정된 이동평균기간(Tm=3T)과 이동간격(T)을 적용하여 기본 평균값(Lm1,Lm2,Lm3,Lm4, . . .)에 대한 이동 평균값(Lma1,Lma2,Lma3, . . .)을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 9에 나타낸 바와 같이, t=3T 이후에는 샘플링주기(T)마다 기본 평균값과 이동 평균값을 모두 산출할 수 있다. 따라서 샘플링주기(T)마다 기본 평균값을 이용하여 신속하게 산출한 실시간 온도와 이동 평균값을 이용하여 정확하게 계산한 온도를 함께 출력할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 평균화 방법을 예시한 것으로서, 광량 데이터의 기본 평균값을 이동 평균하는 대신 광량 데이터 자체를 이동 평균하는 방법을 나타낸 것이다.

즉, 도 11 (b)에 나타낸 바와 같이, t=3T 시점에는 이동평균기간(Tm=3T) 동안 샘플링된 15개의 광량 데이터(L1,L2, . . . L15)를 평균한 제1 이동 평균값(Lma(1))을 산출하고, t=4T 시점에는 이동간격 T 만큼 이동한 15개의 광량 데이터(L6,L7, . . . L20)를 평균한 제2 이동 평균값(Lma(2))을 산출하고, t=5T 시점에는 다시 이동간격 T 만큼 이동한 15개의 광량 데이터(L11,L12, . . . L25)를 평균한 제3 이동 평균값(Lma(3))을 산출할 수 있다.

이러한 방식으로 이동 평균값을 구하는 경우에도 신속한 실시간 온도 검출을 위해서는 도 11 (a)에 나타낸 바와 같이 샘플링주기(T) 마다 기본 평균값(Lm1,Lm2,Lm3,Lm4, . . .)을 산출하고 이를 이용하여 온도를 계산하는 것이 바람직하다.

이동 평균화부(193)에서 전술한 과정을 거쳐 광량 데이터의 이동 평균값이 산출되면, 온도계산부(195)에서는 스토크스광의 이동 평균값과 안티스토크스광의 이동 평균값의 비율을 이용하여 소정 알고리즘에 따라 온도를 계산한다. 또한 산출된 온도를 장치 내부의 광섬유 기준점에서 측정된 온도를 이용하여 보정한 후 이동 평균값에 근거한 최종 온도를 산출한다.

본 발명의 실시예에 따른 측정장치(100)는 이동 평균값을 이용하여 온도를 산출하는 경우에 수 내지 수십 분 이내에 ±0.1℃ 정도의 정확도로 실시간 온도를 출력할 수 있다.

온도계산부(195)에서 산출된 온도는 디스플레이(180)를 통해 출력될 수도 있고, 다른 전자기기로 전송될 수도 있다.

기본 평균값을 이용하여 온도를 산출하는 시점과 이동 평균값을 이용하여 온도를 산출하는 시점은 동일한 것이 바람직하지만, 이동 평균값을 산출하는 경우에는 연산량이 많으므로 다소 늦게 산출될 수도 있다. (ST16, ST17)

한편 도 12는 급격한 온도 변화가 발생하였을 때 기본 평균화와 이동 평균화에 의한 온도 검출 시간을 비교한 타이밍 다이어그램이다. 측정 정확도가 동일한 것을 전제로 비교하는 것이 바람직하므로 도 12에서는 기본 평균화를 위한 샘플링주기(T=3T)와 이동평균화를 위한 이동평균기간(Tm=3T)이 동일한 것으로 가정하였다.

이러한 경우에 만일 t=3.5T 시점에 광섬유 주변에서 급격한 온도 변화가 발생하면, 기본 평균화 방법에 의해 온도 변화가 산출되는 시점은 t=9T이고, 이동 평균화 방법에 의한 온도 변화가 산출되는 시점은 t=7T 로서 기본 평균화 방법에 비하여 2T만큼 빠른 것으로 나타난다.

샘플링주기 T=nT, 이동평균기간 Tm=nT 라고 할 때, 온도변화 검출 시점의 차이는 (n-1)T 로 나타낼 수 있으며, 따라서 샘플링주기(T)와 이동평균기간(Tm)이 길어질수록 이동 평균화법에 의한 온도변화 검출시점과 기본 평균화법에 의한 온도변화 검출시점의 차이는 더욱 커지게 된다.

따라서 이동 평균화법을 적용하면 비슷한 정확도의 기본 평균화법에 비하여 훨씬 빠르게 온도 변화를 검출할 수 있음을 알 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 분포온도 측정방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.

이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 관련 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 앞서 설명한 실시예에 한정되지 않고 구체적인 적용 과정에서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.

일 예로서, 전술한 실시예에서는 측정장치(100)를 이용하여 기본 평균값을 이용한 온도 계산과 이동 평균값을 이용한 온도 계산을 모두 수행하는 것으로 설명하였으나 이동 평균값을 이용한 온도 계산만 수행할 수도 있다.

다른 예로서, 전술한 실시예에서는 이동 평균화를 위해 설정된 이동평균기간(Tm)의 이동간격이 기본 평균화를 위해 설정된 샘플링주기(T)와 동일한 경우를 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 도 13의 타이밍 다이어그램에 나타낸 바와 같이, 이동간격을 샘플링주기의 2배인 2T로 설정하고 데이터 중복구간은 T로 설정할 수도 있다.

또 다른 예로서, 앞에서는 이동평균기간(Tm)과 이동간격이 샘플링주기(T)의 정수 배인 경우를 설명하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 샘플링주기(T)의 정수 배가 아니게 설정될 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

10: 광섬유 100: 분포온도 측정장치 110: 광원
112: 펄스발생부 120: 광분파기 130: 수광부
140: 평균화부 150: 프로세서 160: 디스플레이
170: 입력부 171: 동작모드선택부 175: 신속모드선택부
176: 정밀모드선택부 177: 듀얼모드선택부 180: 저장부
190: 분포온도 산출 프로그램 191: 기본평균화부 193: 이동평균화부
195: 온도계산부

Claims (5)

1. 입사된 펄스광에 의해 광섬유 내에서 발생한 산란광에서 라만 산란광을 분리하는 광분파기;
   상기 광분파기에서 분리된 라만 산란광을 전기적 신호로 변환하는 수광부;
   설정된 샘플링 주기(T) 동안 검출된 다수의 광량 데이터에 대한 기본 평균값을 산출하는 기본 평균화부;
   설정된 이동평균기간(Tm) 및 이동간격에 따라 광량 데이터에 대한 이동 평균값을 산출하는 이동 평균화부;
   기본 평균값을 이용한 온도 계산과 이동 평균값을 이용한 온도 계산 중에서 적어도 하나를 수행하는 온도계산부;
   온도 계산을 위한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 저장부;
   상기 컴퓨터 프로그램을 실행하는 프로세서
   를 포함하는 광섬유 분포온도 측정장치
2. 제1항에 있어서,
   상기 기본 평균화부는 샘플링 주기(T)마다 기본 평균값을 산출하는 과정을 설정된 회수(N) 만큼 반복 수행하고,
   상기 이동 평균화부는 연속된 샘플링 주기(T)마다 산출된 기본 평균값을 대상으로 이동 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 분포온도 측정장치
3. 제1항에 있어서,
   상기 이동평균기간(Tm)은 기본 평균값 산출을 위해 설정된 샘플링 주기(T)의 n배(n은 2 이상의 정수)이고, 상기 이동간격은 샘플링 주기(T)의 배수이면서 이동평균기간(Tm) 보다는 작은 것을 특징으로 하는 광섬유 분포온도 측정장치.
4. 제1항에 있어서,
   기본 평균값만을 이용하여 온도를 산출하는 신속모드, 이동 평균값만을 이용하여 온도를 산출하는 정밀모드, 기본 평균값을 이용한 온도와 이동 평균값을 이용한 온도를 모두 산출하는 듀얼모드 중에서 하나를 선택하는 동작모드선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 분포 온도 측정장치
5. 제1항에 있어서,
   상기 이동 평균화부와 상기 온도계산부는 상기 저장부에 저장된 컴퓨터 프로그램에 포함된 것을 특징으로 하는 광섬유 분포 온도 측정장치

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