KR20220075994A - 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20220075994A
KR20220075994A KR1020200164720A KR20200164720A KR20220075994A KR 20220075994 A KR20220075994 A KR 20220075994A KR 1020200164720 A KR1020200164720 A KR 1020200164720A KR 20200164720 A KR20200164720 A KR 20200164720A KR 20220075994 A KR20220075994 A KR 20220075994A
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김남열
손시호
박대진
장경훈
신용준
방수식
이영호
권구영
임호빈
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 케이블의 진단을 위해 기준 신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 신호 생성부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기에서 증폭한 신호를 검사 대상 케이블에 연결하여 상기 기준 신호를 검사 대상 케이블에 인가하는 커넥터, 상기 검사 대상 케이블로부터 반사된 반사 신호를 감쇄하는 감쇄기, 상기 감쇄기가 감쇄한 신호를 획득하는 신호 획득부 및 상기 신호 생성부에서 생성한 기준 신호와 상기 신호 획득부에서 획득한 반사 신호를 비교하여 검사 대상 케이블의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부를 포함한다.

Description

반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치 및 방법{CABLE DIAGONOSIS APPARATUS AND METHOD USING REFLECTOMETRY}
본 발명은 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호 왜곡을 감소시켜 케이블의 고장을 정밀하게 진단할 수 있는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 전기, 전자 배선 시스템은 초고속 인터넷이나 방송 통신 케이블 뿐만 아니라 항공기나 우주 발사체에 이르기까지 복잡하고 다양하게 쓰이고 있다. 90년대 중반이후 발생한 수차례의 항공기 추락사고의 주원인이 전기 배선의 결함 문제임이 밝혀진 것을 계기로, 정밀 배선 결함 진단 기술의 중요성과 공공에 미치는 파급효과가 중요하게 인식되기 시작하였다.
따라서 이와 같은 도선의 이상유무의 진단과 위치측정 기술, 즉 케이블 진단 시스템은 현재까지는 일정한 신호를 도선에 전송한 후 반사되는 신호를 분석하여 도선이 이상 유무를 진단하는 반사파 계측법(reflectometry)이 주를 이루고 있다.
반사파 계측법은 일정한 신호를 케이블에 인가한 후 반사되는 신호를 측정하여, 전력시스템을 구성하는 케이블을 진단 및 점검하는 방법이다. 케이블에서 전기적인 신호의 전파는 케이블 특성의 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스에 의해 결정이 되고, 국부적인 임피던스의 변화는 전기적인 신호를 인가했을 때, 그 변화 지점에서 반사 신호를 발생시킨다. 따라서 반사 신호 계측법에서는 반사 신호의 파형을 분석함으로 케이블 이상 여부와 그 위치를 탐지한다.
이러한 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 신호 생성부를 통해 설계된 10V 수준의 전자기파 전압신호 펄스를 측정시료(케이블)에 인가하여 측정을 하게 된다. 그러나, 실제로 케이블 시공현장에서 측정 시 측정시료(케이블)가 단일 선로가 아닌 타 선로와 경과지를 공유하는 선로일 경우 그리고 타 선로가 운전 중일 경우 측정시료(케이블)는 타선로의 운전전압의 영향을 받아 즉, 운전중인 인접선로로부터 일정전압이 측정시료(케이블)의 도체부에 유도되게 된다.
유도된 전압은 전압급에 따라 그리고 운전상황에 따라 수 십 V수준이 되며 측정을 위해 생성한 10V 수준의 전자기파 전압신호 펄스보다 큰 수준이 된다.
결과적으로, 전자기파 전압신호 펄스보다 큰 유도전압의 영향으로 측정을 위한 전압신호 펄스에 왜곡이 발생하여 측정이 불가능한 상황이 되게 되며, 측정장비에 악영향을 주게 되는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1926995호(2018.12.03.)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 신호 왜곡을 감소시켜 케이블의 고장을 정밀하게 진단할 수 있는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신호 왜곡을 감소시켜 케이블의 고장을 정밀하게 진단할 수 있는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 케이블의 진단을 위해 기준 신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 신호 생성부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기에서 증폭한 신호를 검사 대상 케이블에 연결하여 상기 기준 신호를 검사 대상 케이블에 인가하는 커넥터, 상기 검사 대상 케이블로부터 반사된 반사 신호를 감쇄하는 감쇄기, 상기 감쇄기가 감쇄한 신호를 획득하는 신호 획득부 및 상기 신호 생성부에서 생성한 기준 신호와 상기 신호 획득부에서 획득한 반사 신호를 비교하여 검사 대상 케이블의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00001
(여기서, A는 증폭비율,
Figure pat00002
는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
Figure pat00003
는 신호발생기의 전압,
Figure pat00004
은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
Figure pat00005
이고,
Figure pat00006
는 유전체 유전율의 실수부,
Figure pat00007
는 유전체 유전율의 허수부,
Figure pat00008
는 절연체의 투자율,
Figure pat00009
는 도체의 투자율,
Figure pat00010
는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
Figure pat00011
는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00012
(여기서, A는 증폭비율, D는 감쇄비율,
Figure pat00013
는 신호발생기의 전압,
Figure pat00014
는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
Figure pat00015
은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
Figure pat00016
이고,
Figure pat00017
는 유전체 유전율의 실수부,
Figure pat00018
는 유전체 유전율의 허수부,
Figure pat00019
는 절연체의 투자율,
Figure pat00020
는 도체의 투자율,
Figure pat00021
는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
Figure pat00022
는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 케이블 진단 장치는, TFDR(Time Frequency Domain Reflectometry, TFDR)) 방식을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 신호의 + 극은 상기 검사 대상 케이블의 도체층에 연결되고, 상기 기준 신호의 - 극은 상기 검사 대상 케이블의 쉴드층에 연결되며, 각각 상기 도체층 및 상기 쉴드층에 접촉되는 접촉점이 복수개로 형성될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법은 신호 생성부가 케이블의 진단을 위해 기준 신호를 생성하는 단계, 증폭부가 상기 신호 생성부에서 생성된 신호를 증폭하는 단계, 감쇄부가 상 증폭된 신호가 검사 대상 케이블에 인가되고, 케이블의 임의의 점에서 반사되어 되돌아온 반사 신호를 감쇄하는 단계, 신호 획득부가 상기 감쇄부가 감쇄한 신호를 획득하는 단계 및 신호 분석부가 상기 신호 생성부에서 생성한 기준 신호와 상기 신호 획득부에서 획득한 반사신호를 비교하여 검사 대상 케이블의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00023
(여기서, A는 증폭비율,
Figure pat00024
는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
Figure pat00025
는 신호발생기의 전압,
Figure pat00026
은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
Figure pat00027
이고,
Figure pat00028
는 유전체 유전율의 실수부,
Figure pat00029
는 유전체 유전율의 허수부,
Figure pat00030
는 절연체의 투자율,
Figure pat00031
는 도체의 투자율,
Figure pat00032
는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
Figure pat00033
는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00034
(여기서, A는 증폭비율, D는 감쇄비율,
Figure pat00035
는 신호발생기의 전압,
Figure pat00036
는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
Figure pat00037
은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
Figure pat00038
이고,
Figure pat00039
는 유전체 유전율의 실수부,
Figure pat00040
는 유전체 유전율의 허수부,
Figure pat00041
는 절연체의 투자율,
Figure pat00042
는 도체의 투자율,
Figure pat00043
는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
Figure pat00044
는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 케이블 진단 장치는, TFDR(Time Frequency Domain Reflectometry, TFDR)) 방식을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 신호의 + 극은 상기 검사 대상 케이블의 도체층에 연결되고, 상기 기준 신호의 - 극은 상기 검사 대상 케이블의 쉴드층에 연결되며, 각각 상기 도체층 및 상기 쉴드층에 접촉되는 접촉점이 복수개로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 신호 생성부로부터 생성된 신호를 증폭하는 증폭기를 포함한다. 이에 따라, 장거리 케이블에 대한 측정이 가능하다.
또한, 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 반사 신호를 감쇄시키는 감쇄기를 포함한다. 상기 감쇄기는 결함 추정을 위한 반사신호를 감소시키면서 동시에 노이즈도 함께 감쇄시켜 SNR이 높아지게 된다. 이에 따라, 보다 정밀한 측정을 할 수 있다.
또한, 검사 대상 케이블과 이에 연결되는 커넥터는 다중 접점 방식으로 연결된다. 즉, 복수개의 가닥의 신호 인가선을 도체층에 연결하고, 복수개의 가닥의 신호 인가선을 쉴드층에 연결하는 다중 접점 방식으로 커넥터와 케이블을 연결한다. 따라서, 도체층에 인가되는 (+)신호와 쉴드층에 인가되는 (-)신호에 대해 외부와의 차폐성능을 유지할 수 있다. 이에 따라, 접촉 저항의 증가로 인한 인가 신호의 감소가 줄어들게 되어 보다 정밀한 측정을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치에서 신호가 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치의 증폭기와 감쇄기 사용으로 인한 개선된 성능을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치의 증폭기와 감쇄기 사용으로 인한 개선된 성능을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치(10)는 신호 생성부(100), 증폭기(150), 신호 획득부(200), 감쇄기(250), 신호 분석부(300) 및 커넥터(400)를 포함할 수 있다.
상기 신호 생성부(100)는 검사 대상 케이블(500)로 제공되는 기준 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호 생성부(100)는 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator)를 포함할 수 있다. 상기 기준 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 첩(Positive-chirp, Up-chirp) 신호 및 시간에 따라 주파수가 감소하는 첩(Negative-Chirp, Down-Chirp) 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 증폭기(150)는 상기 신호 생성부(100)에서 생성된 신호를 증폭할 수 있다. 상기 증폭기(150)에 의해 증폭된 신호는 커넥터(400)를 통해 검사 대상 케이블(500)로 인가될 수 있다. 상기 검사 대상 케이블(500)에 인가된 신호는 임피던스 불연속점에서 반사되어 되돌아오게 되며, 상기 감쇄기(250)가 상기 검사 대상 케이블(500)로부터 반사된 반사 신호를 감쇄할 수 있다.
이후, 상기 신호 획득부(200)는 반사 신호를 획득할 수 있다. 상기 신호 획득부(200)는 디지털 저장 오실로스코프(Digital Storage Oscilloscope)를 포함할 수 있다.
상기 신호 분석부(300)는 상기 신호 생성부(100)의 기준 신호의 생성을 제어하고, 상기 신호 획득부(200)로부터 제공되는 반사 신호를 분석하여, 검사 대상 케이블(500)의 결함 위치를 판별할 수 있다. 구체적으로, 상기 신호 분석부(300)는 검사 대상 케이블(500)의 임피던스 불연속점에서 되돌아오는 반사 신호를 실시간으로 취득 및 분석하여, 정상범위 외의 반사 신호가 감지되는 경우, 케이블의 고장 시기 및 위치를 검출할 수 있다.
상기 커넥터(400)는 상기 증폭기(150)에서 증폭한 신호를 검사 대상 케이블에 연결하여 상기 기준 신호를 검사 대상 케이블에 인가할 수 있다. 상기 커넥터(400)는 T 커넥터로 구성될 수 있다.
상기 기준 신호의 + 극은 상기 검사 대상 케이블의 도체층에 연결되고, 상기 기준 신호의 - 극은 상기 검사 대상 케이블의 쉴드층에 연결되며, 각각 상기 도체층 및 상기 쉴드층에 접촉되는 접촉점이 복수개로 형성될 수 있다.
신호 생성부와 측정시료(케이블) 간 연결을 위한 신호 인가선과 측정시료(케이블)는 차폐구조로 되어 있어 50옴(Ω)의 특성 임피던스를 가질 수 있다. 그러나, 커넥터(400)와 케이블의 도체와 쉴드층 접합 부위는 차폐구조가 상실되기 때문에 임피던스 불일치와 신호손실이 발생하게 된다. 이러한 임피던스 불일치는 오실레이션 발생 등 측정성능에 악영향을 미치며 측정부에서부터 신호의 손실이 일어나 반사신호 대비 잡음비(SNR)이 낮아지게 된다. 또한, 전자기파 전압신호는 측정시료(케이블)를 전파하면서 감쇄가 일어나기 때문에 인가신호 자체가 클수록 반사신호의 SNR이 높아지게 된다.
이때, 2가닥의 신호인가선을 도체층과 쉴드층에 각각 고정하는 단일접점 방식은 측정시료(케이블)에 연결이 용이할 수 있으나, 인가선과 도체와 차폐와의 단일 접점에 의한 접촉저항의 증가로 인해 인가 신호가 일정크기 감쇄되어 측정시료(케이블)에 인가되게 된다. 결론적으로, 인가신호의 손실로 인해 측정시료(케이블)에 있을 수 있는 작은 결함(적은 임피던스 변화)에 대해서 판별하지 못하는 경우가 발생하게 되어 측정에 대한 정확도가 떨어지게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 복수개의 가닥의 신호 인가선을 도체층에 연결하고, 복수개의 가닥의 신호 인가선을 쉴드층에 연결하는 다중 접점 방식으로 커넥터와 케이블을 연결한다. 따라서, 도체층에 인가되는 (+)신호와 쉴드층에 인가되는 (-)신호에 대해 외부와의 차폐성능을 유지할 수 있다. 이에 따라, 접촉 저항의 증가로 인한 인가 신호의 감소가 줄어들게 되어 보다 정밀한 측정을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치에서 신호가 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치의 신호 생성부에서 인가되는 신호는 커넥터를 통해 케이블로 인가되며, 동시에 신호 획득부에도 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 증폭기(150) 및 감쇄기(250)를 포함할 수 있다.
신호 생성부(100)에서 발생시킬 수 있는 전자기파 전압신호 크기(10V)의 한계가 있으므로 측정 환경의 영향을 제외시키기 위해 증폭기를 도입하여 전압신호를 증폭시킬 수 있다. 이 때 증폭기는 반사파 계측법에서의 인가 전압신호를 왜곡시키지 않는 증폭기를 사용해야 한다. 증폭기 적용 시 문제점은 반사파 계측법에서는 T 커넥터를 사용하기 때문에 증폭된 신호가 도 2와 같이 측정시료(케이블)뿐만 아니라 동시에 신호 획득부로도 인가되기 때문에 증폭된 신호가 신호 획득부(오실로스코프)의 계측전압 범위(10V 수준)를 벗어나게 될 수 있다.
결과적으로 계측 전압 범위를 벗어난 신호로 인해 신호 획득부(오실로스코프)가 데미지를 입을 수 있기 때문에 이를 보호하기 위한 감쇄기를 추가 적용할 수 있다. 이 감쇄기는 결함추정을 위한 반사 신호도 감쇄 시키지만 노이즈도 함께 감쇄되기 때문에 SNR(Signal to Noise Ratio: 신호 대 잡음비)이 높아지게 된다.
또한, 증폭기를 적용함으로써 기존 10V 적용시 측정 가능 케이블 길이보다 장조장인 수 백km까지의 장거리 케이블에 대한 측정이 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기(150)의 증폭 비율과 감쇄기(250)의 감쇄 비율에 대해서는 이하에서 상세하게 설명하도록 한다.
케이블에 인가되어 전파하는 전압 신호는 전파거리(Z)에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
수학식 1
Figure pat00045
여기서,
Figure pat00046
는 전자기파의 전파특성을 나타내는 전파상수(propagation constant)를 나타내며, 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
수학식 2
Figure pat00047
여기서,
Figure pat00048
는 전자기파의 감쇄정도를 나타내는 감쇄상수(attenuation constant),
Figure pat00049
는 신호의 위상을 결정하는 위상상수(phase constant)를 나타낸다. 감쇄 상수
Figure pat00050
는 케이블의 전기적 파라미터인 L(인덕턴스), C(정전용량), G(누설 컨덕턴스), R(저항)에 의해 결정되며, 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
수학식 3
Figure pat00051
동축 케이블의 전기적 파라미터는 케이블을 이루는 도체와 절연체의 물질 특성과 도체의 반지름 a와 쉴드층의 반지름 b 및 케이블에 전파되는 신호의 주파수
Figure pat00052
에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 케이블의 감쇄상수는 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
수학식 4
Figure pat00053
여기서, 절연체의 유전율은
Figure pat00054
,
Figure pat00055
는 절연체의 투자율,
Figure pat00056
는 도체의 투자율,
Figure pat00057
는 도체의 전도율을 나타낸다.
상기 수학식 4에서, 전압 신호의 주파수
Figure pat00058
가 클수록 감쇄상수
Figure pat00059
는 커짐을 알 수 있으며, 동축 케이블 뿐만 아니라 다른 형태의 케이블(Two-wire 등)에 대해 식을 정리하여도 주파수
Figure pat00060
가 클수록 감쇄상수
Figure pat00061
는 커지게 된다.
즉, 검사 대상 케이블이 결정되어 있을 때, 케이블에 인가되어 전파되는 전압 신호의 감쇄율은 전파거리(z) 및 신호의 주파수(
Figure pat00062
)에 의해 결정될 수 있다.
반사파 계측법 상에서 반사 신호는 케이블 상에서의 임피던스 불연속 지점(결함, 접속함, 종단점 등)에서 발생하게 되는데, 반사되는 비율은 반사계수에 의해 결정된다. 이때, 반사 계수
Figure pat00063
는 아래의 수학식 5와 같이 정의될 수 있으며, -1 이상 1이하의 값을 가질 수 있다.
수학식 5
Figure pat00064
여기서,
Figure pat00065
는 임피던스 불연속지점의 특성 임피던스,
Figure pat00066
는 케이블의 특성 임피던스를 나타낸다. 따라서, 임피던스 불연속 지점의 위치가 d일 경우, 반사되어 돌아온 신호의 전압의 크기(위상 텀 제외)는 아래 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
수학식 6
Figure pat00067
이때,
Figure pat00068
는 결함의 크기에 비례할 수 있다.
한편, 레이더 이론에 의해 신호의 분해능(resolution)은 신호의 주파수폭(bandwidth, BW)에 의해 결정된다. 여기서, 신호의 분해능이란, 인접한 두 신호를 서로 구분할 수 있는 한계를 의미한다. 따라서, 반사파 계측법 상에서의 최소 분해능은 두 결함에서 발생한 반사 신호를 서로 구분할 수 있는 정도를 의미한다. 만일 반사파 계측법의 최소 분해능이 1m라면, 최소 1m 이상의 간격에 대한 두 결함을 서로 구분하여 계측할 수 있다는 것이다. 1 m이하의 간격에 대한 두 결함은 하나의 결함으로 계측할 수 있다.
시간-주파수 영역 반사파 계측법(time-frequency domain reflectometry, TFDR)에서는 가우시안 선형 첩(Gaussian-enveloped linear chirp, GELC) 신호를 사용하는데, GELC 신호는 중심 주파수(center frequency, CF), 주파수 폭(BW), 시간 폭(time duration, TD)에 의해 그 형태가 결정된다. 주파수는 음수가 될 수 없으므로, GELC 신호의 BW를 높이기 위해서는 높은 CF가 요구된다. (예: BW가 6 MHz의 신호를 만들기 위해서는 최소 CF가 3 MHz 이상 이어야 한다.)
레이더 이론상의 신호 분해능 정의와 GELC 신호의 정의로부터 사용자가 요구하는 최소 분해능이 R[m]라면, BW는 아래의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
수학식 7
Figure pat00069
여기서
Figure pat00070
는 케이블에서의 전파 속도를 나타내며, 케이블에서의 전파속도는 절연체의 특성에 따라 결정되므로 아래의 수학식 8와 같이 근사치로 추정할 수 있다.
수학식 8
Figure pat00071
따라서, 요구 최소 분해능이 R일 경우 TFDR의 GELC 신호의 BW는 아래의 수학식 9로 정의될 수 있다.
수학식 9
Figure pat00072
이때, CF는 항상 BW/2보다 크거나 같아야 되며, 주파수가 높을수록 신호의 감쇄가 크기 때문에 아래의 수학식 10과 같은 조건 하에 설정할 수 있다.
수학식 10
Figure pat00073
예를 들어, BW가 6 MHz로 결정되었을 때, CF는 3MHz ~ 6MHz의 값을 가지도록 한다. 만약 CF를
Figure pat00074
Hz로 설정하였다며, 케이블의 감쇄상수
Figure pat00075
는 아래의 수학식 11과 같이 정의될 수 있다. (GELC 신호의 에너지는 CF근처에 응집되어 있으므로,
Figure pat00076
를 대입함.)
수학식 11
Figure pat00077
임피던스 불연속 지점에서 반사되어 돌아온 신호의 전압의 크기는 아래의 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.
수학식 12
Figure pat00078
이때, 임피던스 불연속 지점에서 반사되어 돌아온 신호의 전압의 크기는 계측상의 노이즈 최대 전압
Figure pat00079
보다 커야 하므로,
Figure pat00080
를 위 수학식 11을 통해 상수의 값으로 결정할 경우, 아래의 수학식 13 및 수학식 14로 정의될 수 있다.
수학식 13
Figure pat00081
수학식 14
Figure pat00082
이때,
Figure pat00083
는 결합의 크기에 따라 변하는 값으로서,
Figure pat00084
의 값을 가질 수 있으나, 케이블 검사 시 어느 정도 크기의 결함까지 계측할 것인지에 대한 민감도 설정변수 s를 설정할 수 있다. s를 0에 가깝게 설정할 경우, 매우 작은 크기의 결함가지 계측하겠다는 것이며, 1에 가깝게 설정할 경우 매우 큰 결함만 계측하겠는 것으로 해석할 수 있다. 즉, 민감도 설정변수 s는 너무 작은 결함으로서, 실제 운영에 영향을 미치지 않는 결함까지 계측할 경우 검사 결과에 정확성이 떨어질 수 있기 때문에 설정하는 변수로 볼 수 있다. 민감도 설정변수 s를 반영하고, 케이블의 총 길이
Figure pat00085
을 d에 대입하면, 인가 전압
Figure pat00086
은 아래의 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.
수학식 15
Figure pat00087
여기서, 인가전압
Figure pat00088
은 신호발생기의 전압
Figure pat00089
와 증폭기로 증폭된 비율 A로 나타낼 수 있으며, 아래의 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.
수학식 16
Figure pat00090
따라서, 증폭비율 A는 아래의 수학식 17로 정의될 수 있다.
수학식 17
Figure pat00091
이때, 계측상의 노이즈는 감쇄기를 통해 줄일 수 있으며, 감쇄비율은 D로 설정할 수 있다. 따라서, 감쇄기의 감쇄비율을 D로 설정했을 때의 증폭비율 A는 아래의 수학식 18과 같이 정의될 수 있다.
수학식 18
Figure pat00092
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치의 증폭기와 감쇄기 사용으로 인한 개선된 성능을 나타내는 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치의 증폭기와 감쇄기 사용으로 인한 개선된 성능을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치는 증폭기와 감쇄기를 포함할 수 있다.
증폭기를 사용하여 기존 10V 수준의 전자기파 전압신호를 수 십 볼트[V] 수준의 전자기파 전압신호로 승압시킨 후 측정한 측정신호를 다시 비율을 고려한 감쇄기를 사용하여 감쇄시켰을 때의 결과는 도 3과 같이 기존 측정방식으로 측정했을 경우의 SNR(Signal to Noise Ratio: 신호 대 잡음비)이 2.35dB 수준이었으나, 증폭기와 감쇄기를 적용한 결과 SNR이 11.13dB로 증가함을 확인할 수 있다.
결과적으로, 접속함이 시공된 측정시료(케이블)에 대한 측정결과 도 4와 같이 기존 측정 방식대비 접속함의 위치에서의 신호가 더욱 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 즉, 접속함에서 발생하는 반사신호에 대해 훨씬 높은 SNR을 확보할 수 있으며 시간-주파수 영역 반사파계측법에서의 인가신호와 반사신호 간의 유사도를 나타내는 TFCC(time-frequency cross correlation)에서도 증폭기를 사용하여 기존 10V 수준의 전자기파 전압신호를 수 십 볼트[V] 수준의 전자기파 전압신호로 승압시킨 후 측정한 측정신호를 다시 비율을 고려한 감쇄기를 사용하여 감쇄시켰을 때 방법이 더 높은 값을 가져 위치 추정을 더 높은 효율로 할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 신호 생성부
150: 증폭기
200: 신호 획득부
250: 감쇄기
300: 신호 분석부
400: 커넥터
500: 케이블

Claims (10)

  1. 케이블의 진단을 위해 기준 신호를 생성하는 신호 생성부;
    상기 신호 생성부에서 생성된 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭기에서 증폭한 신호를 검사 대상 케이블에 연결하여 상기 기준 신호를 검사 대상 케이블에 인가하는 커넥터;
    상기 검사 대상 케이블로부터 반사된 반사 신호를 감쇄하는 감쇄기;
    상기 감쇄기가 감쇄한 신호를 획득하는 신호 획득부; 및
    상기 신호 생성부에서 생성한 기준 신호와 상기 신호 획득부에서 획득한 반사 신호를 비교하여 검사 대상 케이블의 이상 유무를 판단하는 신호 분석부를 포함하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치.
    Figure pat00093

    (여기서, A는 증폭비율,
    Figure pat00094
    는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
    Figure pat00095
    는 신호발생기의 전압,
    Figure pat00096
    은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
    Figure pat00097
    이고,
    Figure pat00098
    는 유전체 유전율의 실수부,
    Figure pat00099
    는 유전체 유전율의 허수부,
    Figure pat00100
    는 절연체의 투자율,
    Figure pat00101
    는 도체의 투자율,
    Figure pat00102
    는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
    Figure pat00103
    는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
  3. 제1항에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치.
    Figure pat00104

    (여기서, A는 증폭비율, D는 감쇄비율,
    Figure pat00105
    는 신호발생기의 전압,
    Figure pat00106
    는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
    Figure pat00107
    은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
    Figure pat00108
    이고,
    Figure pat00109
    는 유전체 유전율의 실수부,
    Figure pat00110
    는 유전체 유전율의 허수부,
    Figure pat00111
    는 절연체의 투자율,
    Figure pat00112
    는 도체의 투자율,
    Figure pat00113
    는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
    Figure pat00114
    는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
  4. 제1항에 있어서, 상기 케이블 진단 장치는, TFDR(Time Frequency Domain Reflectometry, TFDR)) 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기준 신호의 + 극은 상기 검사 대상 케이블의 도체층에 연결되고, 상기 기준 신호의 - 극은 상기 검사 대상 케이블의 쉴드층에 연결되며, 각각 상기 도체층 및 상기 쉴드층에 접촉되는 접촉점이 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 장치.
  6. 신호 생성부가 케이블의 진단을 위해 기준 신호를 생성하는 단계;
    증폭부가 상기 신호 생성부에서 생성된 신호를 증폭하는 단계;
    감쇄부가 상 증폭된 신호가 검사 대상 케이블에 인가되고, 케이블의 임의의 점에서 반사되어 되돌아온 반사 신호를 감쇄하는 단계;
    신호 획득부가 상기 감쇄부가 감쇄한 신호를 획득하는 단계; 및
    신호 분석부가 상기 신호 생성부에서 생성한 기준 신호와 상기 신호 획득부에서 획득한 반사신호를 비교하여 검사 대상 케이블의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법.
    Figure pat00115

    (여기서, A는 증폭비율,
    Figure pat00116
    는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
    Figure pat00117
    는 신호발생기의 전압,
    Figure pat00118
    은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
    Figure pat00119
    이고,
    Figure pat00120
    는 유전체 유전율의 실수부,
    Figure pat00121
    는 유전체 유전율의 허수부,
    Figure pat00122
    는 절연체의 투자율,
    Figure pat00123
    는 도체의 투자율,
    Figure pat00124
    는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
    Figure pat00125
    는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
  8. 제6항에 있어서, 상기 증폭기가 증폭하는 증폭비율은 아래의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법.
    Figure pat00126

    (여기서, A는 증폭비율, D는 감쇄비율,
    Figure pat00127
    는 신호발생기의 전압,
    Figure pat00128
    는 계측상의 노이즈 최대 전압, s는 결함 측정에 대한 민감도 변수,
    Figure pat00129
    은 검사 대상 케이블의 총 길이, 유전체의 유전율은
    Figure pat00130
    이고,
    Figure pat00131
    는 유전체 유전율의 실수부,
    Figure pat00132
    는 유전체 유전율의 허수부,
    Figure pat00133
    는 절연체의 투자율,
    Figure pat00134
    는 도체의 투자율,
    Figure pat00135
    는 도체의 전도율, a는 도체의 반지름, b는 쉴드층의 반지름,
    Figure pat00136
    는 가우시안 선형 첩((Gaussian-enveloped linear chirp, GELC)신호의 중심 주파수를 의미함.)
  9. 제6항에 있어서, 상기 케이블 진단 방법은, TFDR(Time Frequency Domain Reflectometry, TFDR)) 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 기준 신호의 + 극은 상기 검사 대상 케이블의 도체층에 연결되고, 상기 기준 신호의 - 극은 상기 검사 대상 케이블의 쉴드층에 연결되며, 각각 상기 도체층 및 상기 쉴드층에 접촉되는 접촉점이 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사파 계측법을 이용한 케이블 진단 방법.










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