KR900004882B1 - 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법 - Google Patents

맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법 Download PDF

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리 톰슨 윌리암
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더 뱁콕 앤드 윌콕스 컴퍼니
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Abstract

내용 없음.

Description

맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법
제1a도는 본 발명에 따른 회로의 일부를 나타낸 개략 구성도.
제1b도는 제1a도에 도시된 회로의 나머지 회로도.
제2도는 본 발명에 따른 감지시스템중 발광다이오드(LED)에 공급되는 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 나타낸 그래프.
제3도는 발광다이오드로 된 광검출장치에 연결된 전치증폭기의 출력을 나타낸 그래프.
제4도는 상기 전치증폭기에 연결된 샘플/홀드회로의 출력을 나타낸 그래프.
제5도는 검출된 전류를 설명하기 위해 스케일을 확대해서 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 광방사장치[발광다이오드(LED)] 12,14,16,18,19 : 선로
15 : 광섬유케이블 20 : 광검출장치
Q1,Q2,Q4 : 트랜지스터 Q3 : FET
T1 : 변압기 C1,C2,C5,C19 : 캐패시터
CR1,CR4,CR6 : 다이오드 R19,R37 : 저항
U1 : 전치증폭기
U2b,U2c,U2d,U3,U8a,U8b : OP앰프 U4 : 트리거회로
U5 : 스위칭회로 U6 : 발진기(펄스발생기)
U7 : 단안정멀티바이브레이터
U8c : 히드테리시스비교기(구형파발생기) U9 : 전류조절기
S1,S2,S3 : 스위치 91,P2 : 단자
[발명의 적용분야]
본 발명은 전자감지시스템에 관한 것으로, 특히 유동체의 흐름을 결정하기 위해 광섬유의 벤딩(bending)을 이용하도록 된 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템은 일반적으로 광방사장치(예컨대 발광다이오드)와 광검출장치 사이에 연결되어 빛을 전송할 수 있도록 된 광섬유를 이용하는 것으로 알려져 있는데, 흐름통로상의 장애물로부터 발생되는 맴돌이의 통과에 의한 광섬유의 벤딩을 흐름비를 측정하는데 이용하도록 되어 있다.
잘 알려져 있는 2선식 4~20mA 제어전송기가 신호전송을 위한 기본 장치로서 많이 이용되고 있다. 그렇지만, 상기와 같은 2선식 4~20mA 제어전송기는 동작을 위해 약 3.5mA의 전류와 10V의 전압이 필요한 반면에 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템은 발광을 위해 수 mA, 때에 따라서는 200mA나 그 이상의 전류가 요구되기 때문에 이 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템과 2선식 4~10mA 제어전송기는 서로 양립할 수 없게 된다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 제어전송기와 양립할 수 없는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템에 2선식 4~20mA 제어전송기를 제공하고자 함에 있다.
4~20mA 제어전송기에 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템을 이용하기 위해서는 펄스모우드나 저듀티사이클동작이 필요하게 되는 바, 본 발명은 그와 같은 저듀티사이클동작을 수행할 수 있는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법과 2선식 4~20mA 맴돌이발생흐름계의 전송기로 사용하기 적합한 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템을 만들기 위한 관련기술을 제공하고자 함에 있다.
측정되는 처리변수에 의해 제어되는 다양한 광감쇠를 갖는 마이크로벤드센서(microbend sensor)라든지 다른 센서들이 사용되게 되는 바, 마이크로벤드센서는 최대 2%정도의 아주 작은 양만큼 받아들여진 빛을 조정할 수 있게 된다. 반면에, 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템은 이러한 작은 변화를 풀-스케일 출력으로 만들어야만 되는데, 이러한 작용은 광검출장치로부터의 신호를 버킹(bucking)하고 증폭함으로써 이루어지게 된다. 여기서는 버킹이 피드백회로에 의해 제어되게 됨으로써 펄스화된 광신호의 평균극대치가 일정한 레벨로 제어되게 되는데, 이 제어는 긴시정수를 가지게 되므로 신호에 대한 급격한 변화인 맴돌이발생주파수가 그대로 통과하게 된다. 이러한 주파수들은 샘플/홀드회로에 의해 펄스신호로 복조되어 출력을 4~20mA로 제어하기 위해 사용된다.
전력을 절약하기 위해 전치증폭기의 조작을 게이트해서 제어하고, 전치증폭기로는 프로그램이 가능한 전류형 OP앰프를 사용하며, 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템으로부터 빠른 펄스를 증폭하기 위해서는 고전류 동작이 필요하게 된다. 그렇지만, 샘플링의 오프기간동안에는 저전류모우드가 적합하다. 그러므로, 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템에 접속된 전치증폭기를 전류로 제어하는 것은 충분한 전력의 절약을 가져오게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 광방사장치와 광검출장 및 측정된 변수에 따라 광방사장치로부터 광검출장치로의 빛을 감쇠시키기 위해 광방사장치와 광검출장치 사이에 접속되는 광접속장치를 구비하여 구성된 섬유광학흐름계의 감지시스템을 제공하고자 함에 있다. 적절한 절연요소를 갖춘 펄스발생기는 검출된 펄스를 생성하는 광검출장치에 전송되는 저듀티사이클을 갖는 광펄스를 발생시키도록 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 광방사장치에 공급하기 위해 광방사장치에 연결되게 된다. 그리고, 샘플/홀드회로는 검출된 펄스를 샘플링하고 샘플/홀드회로의 출력에서의 각 펄스에 대한 피크치를 유지하기 위해 광검출장치에 연결된 입력단을 갖추고 있다. 또, 피드백회로는 각각의 광펄스가 종료된 후에 검출되는 펄스를 억압하기 위해 펄스발생기로부터 펄스가 종료된 후 즉시 출력으로부터 입력으로 피드백시키기 위해 샘플/홀드회로의 입력단과 출력단 사이에 연결되게 된다. 또한, 구형파발생기(히스테리시스 비교기)는 측정된 변수에 상당하는 구형파를 발생시키기 위해 샘플/홀드회로에 연결되게 된다.
본 발명의 또 다른 목적은 측정된 변수에 상당하는 구형파를 공급하고자 함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 측정된 변수에 따라 다양하게 감쇠되는 빛을 전송하는 광접속장치를 통해 광검출장치에 연결된 광방사장치에 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 공급하도록 구성시킨 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템의 감지방법을 제공하고자 함에 있다.
광검출장치에서 검출된 펄스들은 측정된 변수에 상당하는 구형파를 발생시키는데 사용될 수 있는 각 펄스의 피크치를 얻기 위해 샘플링(sampling)되고 홀딩(holding)되게 된다. 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 직후 신호는 광검출장치로부터 검출된 펄스를 억압하기 위해 샘플/홀드회로의 출력단으로부터 입력단으로 피드백되게 된다.
본 발명의 또 다른 목적은 구조가 간단하고 제조비가 적게 드는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템을 제공하고자 함에 있다.
[실시예]
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제1a도와 제1b도는 본 발명에 따른 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템의 일부를 나타낸 개략구성도인 바, 여기서는 전류가 전형적으로 500~5000Hz의 주파수 또는 반복률과 200mA의 진폭, 1~2%의 듀티사이클을 갖는 펄스의 열로서 과앙사장치[10; 발광다이오드(LED)]에 공급되게 된다. 예컨대 7555와 같은 555타이머를 갖춘 저전력 CMOS형 발진기(U6; 펄스발생기)는 LED전류에 대한 제어신호를 발생시키기 위해 사용되고, 트랜지스터(Q1,Q2)는 7555의 출력을 증폭시키기 위해 사용된다. 그리고, 변압기(T1)는 LED를 위해 6~10V의 높은 회로구동전압을 1.5V의 구동전압으로 변압시키도록 되어 있는 바, 이 변압기(T1)로는 4:1의 권선비를 갖는 펄스형 변압기를 사용한다. 또, 전류조절기(U9)와 캐패시터(C5)는 피크전류를 1mA 정도로 제한하고 LED펄스들 사이에서 캐패시터내에 전하를 축적함으로써 그밖의 전송회로에 대해서는 전력공급시 생성되는 전압펄스로부터 높은 전류펄스를 격리시키기 위해 제공되는 바, LED전류는 원래 캐패시터(C5)에 축적된 전하에서 나오게 되는데, 제2도는 LED(10)에 공급되는 전류의 파형을 나타낸 것이다.
광펄스들은 광섬유케이블(15)을 통해 광검출장치(20)로 전송하고, 다양한 감쇠는 전형적으로 광섬유케이블(15)에 대한 벤딩이나 한쪽 광섬유케이블의 종단으로부터 다른쪽 광섬유케이블의 종단으로 전송되는 빛의 양, 즉 2개의 광섬유케이블간에 연결되는 빛의 양을 변화시키게 되는 2개의 광섬유케이블종단간의 정합의 정도에 따라 영향을 받게 되며, 광검출장치(20)는 받아들여진 빛을 전기신호 즉, 전류로 변환시켜 주게 된다. 제1a도의 실시예에 있어서는 광검출장치가 다음 회로에 전류를 공급하도록 되어 있다.
전치증폭기(U1)는 상기 광검출장치(20)에 의해 검출된 전류펄스를 전압펄스로 변환시켜주고, 집적회로는 저전력으로 작동시킬 수 있어야 하며 펄스를 정확히 증폭하기 위해 충분한 대역폭을 가져야만 하는데, 텍사스 인스트루먼트사의 TIC 251은 이러한 요구를 만족시키는 프로그램이 가능한 CMOS형 OP 앰프이다. 즉 이것은 저전류모우드에서 저전력으로 동작시킬 수 있는 것이다. 고전류모우드는 상기 펄스를 증폭시키는데 필요한 대역폭을 갖게 되고, 증폭기는 구동신호에 의해 제어되는 펄스가 선로(12)를 통해 LED에 공급될 때 고전력과 고대역폭을 갖는 모우드로 스위칭되게 된다. 따라서, 그와 같은 것이 회로의 동작에 필요치 않을 경우에는 일정주기동안 고전력을 유발시키지 않게 된다.
캐패시터(C1), 다이오드(CR1)와 스위치[S1; 스위칭회로(U5)의 일부]의 결합에 의해 피크치의 제1의 샘플/홀드기능이 수행도게 되는데, 스위치(S1)는 선로(12)을 통해 LED(10)에 공급되는 펄스 초두에 트리거되는 단안정 멀티바이브레이터회로(U4; MC 14538 혹은 MC 14528)에 의해 제어되어 광펄스 초두에 캐패시터(C1)상의 전압을 방전시키게 된다. 그후, 캐패시터(C1)가 전치증폭기(U1)의 출력으로부터 다이오드(CR1)를 통해 충전되게 되는 바, 캐패시터(C1)는 전치증폭기출력의 극대치까지 충전되도록 되어 있는데, 여기서 다이오드(CR1)는 펄스의 기저부에 의한 일시적인 방전을 방지해 주는 역할을 하게 된다. 제3도는 이러한 동작을 나타낸 것으로, 여기서 OP앰프(U3)는 다음단의 회로가 캐패시터(C1)상의 신호의 영향을 받지 않고 동작하도록 캐패시터(C1)상의 전압을 완충시키는 역할을 한다.
제2의 샘플/홀드기능은 스위치[S2; 역시 스위칭회로(U5)의 일부]와 저항(R37) 및 캐패시터(C2)에 의해 수행되게 되는데, 스위치(S2)는 LED펄스가 종료된 후에 단락되게 되고, 캐패시터(C1)상에 축적된 펄스의 피크치가 샘플링되어 캐패시터(C2)상에 축적되게 되며, 저항(R37)과 캐패시터(C2)는 본 발명에 따른 감지시스템으로부터 받아 들인 신호로부터 샘플링주파수성분(LED펄스주파수)을 줄이기 위해 저역필터작용을 하게 된다. 제4도는 선로(14)상의 제2샘플/홀드회로의 출력을 나타낸 것이며, 스위칭회로(U5)로는 예컨대 4066회로를 사용하게 된다.
OP앰프(U2b,U2c)는 피드백 제어루프를 형성하는 바, 이 루프는 신호의 접지와 펄스의 피크치를 비교하여, 접지로 되는 피크치를 구동시키기 위해 선로(16)을 통해 전치증폭기(U1)의 입력단으로 전류를 피드백시키게 되는데, 이것은 펄스가 포화영역내에서 전치증폭기(U1)를 구동시킬 만큼 충분히 길기 때문에 필수적이다.
제5도는 검출된 전류를 설명하기 위해 스케일을 확대해서 나타낸 그래프로서, 이 회로의 효과를 잘 나타내 주고 있다.
OP앰프(U2b)는 적분기(또는 저역필터)로써 그 조정효과는 저속동작을 한다는것이므로, 장기간 변동하는 것이 제거되게 되어 신호성분들도 영향을 받지 않게 된다. 그리고, 스위치(S3)는 이 루프의 작동을 제어함으로써 선로(18)와 OP앰프(U2b) 및 선로(16)를 통해 LED로 펄스가 인가되지 않게 되면 즉시 동작하게 되는 바, 그에 따라 신호펄스들 사이에서 캐패시터(C1)의 전압감쇠에 의한 아무런 영향도 받지 않게 된다.
내부의 공급전원은 OP앰프(U8a)와 FET(Q3)를 포함해서 그 FET(Q3)에 접속된 소자들에 의해 제어되게 된다. OP앰프(U2d)는 전형적으로 10V인 내부의 공급전원을 중앙에 접지전위가 공급되는 2개의 5V 전원으로 분할시키는데, 이것은 전압스윙과 하부의 신호접지를 갖는 증폭기를 동작시키기 위함이다.
제2샘플/홀드회로로부터 선로(14)상에 공급되는 전형적인 저준위 정현파신호는 히스테리시스비교기(U8c; 구형파 발생기)에 의해 장방형파 또는 구형파로 변환되게 되는 바, 이 장방형파 또는 구형파는 본 발명에 따른 감지시스템으로부터의 정현파신호의 각 사이클에 대해 고정된 파장과 고정된 진폭펄스를 제공하기 위해 단안정 멀티바이브레이터(U7; 제1b도)를 트리거시키는데 사용되게 된다. 이때 이것은 저항(R19)과 캐패시터(C9)에 의해 평균화되며, OP앰프(U8b)와 트랜지스터(Q4) 및 이들에 접속된 저항들로 구성되는 회로에 의해서 출력신호를 4~40mA로 제어하기 위해 사용된다.
한편, 단안정 멀티바이브레이터(U7)로는 MC 14538를 사용할 수 있는 바, 이 단안정 멀티바이브레이터(U7)는 선로(19)를 통해 히스테리시스비교기(U8c)에 연결되게 된다.
따라서 2선식 4~20mA 전송기의 출력은 다이오드(CR4,CR6)로부터 각 단자(P2,P1)에서 얻어지게 된다.

Claims (8)

  1. 광방사장치(10)와, 광검출장치(20), 측정된 변수에 따라 광방사장치(10)로부터 광검출장치(20)로 전송되는 광의 감쇠를 변화시키기 위해 광방사장치(10)와 광검출장치(20) 사이에 연결된 광접속장치(15), 검출된 펄스를 생성하는 광검출장치(20)로 전송되는 저듀티사이클을 갖는 광펄스를 발생시키는 광방사장치(10)에 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 공급하기 위해 상기 광방사장치(10)에 연결된 펄스발생기(U6), 검출된 펄스를 샘플링하고 출력시까지 각 펄스를 피크치로 유지시키기 위해 상기 광검출장치(20)에 연결된 입력단을 갖춘 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2), 상기 광검출장치(20)에서 검출된 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 억압하기 위해 상기 펄스발생기(U6)의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후 즉시 상기 입력단으로 신호를 피드백시키도록 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)의 입출력단 사이에 연결된 피드백회로(U2b,U2c) 및, 측정되는 QUST에 따른 구형파신호를 발생시키기 위해 상기 샘플/홀드회로(U1,체1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)에 연결된 구형파발생기(U8c)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)는 고전력, 고대역폭을 갖는 제1위치와 저전력, 저대역폭을 갖는 제2위치를 갖추고서 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)의 입력단을 형성하는 입력단을 갖춘 제1증폭기(U1)를 포함하고, 상기 펄스발생기(U6)는 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 존재할 경우에만 제1위치로 상기 증폭기(U1)를 스위칭하고 그 이외의 셩우에는 제2위치로 상기 증폭기(U1)를 스위칭하기 위해 상기 증폭기(U1)에 연결되도록 된 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 인가되는 동안 검출된 각각의 펄스에 대한 피크치를 얻기 위해 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)를 제어하고, 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후에 즉시 구형파발생기(U8c) 신호를 인가하기 위해 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)에 연결된 출력단과 상기 펄스발생기(U6)에 연결된 입력단을 갖춘 스위칭회로(U5,U4)를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위칭회로(U5,U4)가 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후에 즉시 신호를 피드백시키기 위해 피드백회로(U2b,U2c)에 연결된 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 샘플/홀드회로(U1,CR1,C1,S1,U3,S2,R37,C2)가 제1증폭기(U1)의 출력에 의해 충전되는 제1캐패시터(C1)와 상기 스위칭회로(U5,U4)의 일부로서 상기 펄스발생기(U6)의 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 인가되기 전에 즉시 그 전하를 제거하기 위해 상기 제1캐패시터(C1)를 접지시키도록 상기 제1캐패시터(C1)에 연결된 제1스위치(S1)로 이루어진 제1샘플/홀드회로와, 상기 제1캐패시터(C1)에 연결된 입력단과 제2스위치(S2)에 연결된 출력단을 갖춘 제2증폭기(U3)와 상기 제2스위치(S2)에 연결된 제2캐패시터(C2) 및 상기 스위칭회로(U5,U4)의 일부로서 상기 제2캐패시터(C2)를 충전시키기 위해 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후에 단락되도록 된 제2스위치(S2)로 이루어진 제2샘플/홀드회로로 구성된 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피드백회로(U2b,U2c)가 상기 제2증폭기(U3)의 출력단에 연결된 제3증폭기(U2c)와, 상기 스위칭회로(U5,U4)의 일부로서 상기 제3증폭기의 출력단에 연결되어 상기 펄스발생기(U6)의 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후에 즉시 단락되도록 된 제3스위치(S3), 이 제3스위치(S3)에 연결된 입력단과 상기 제1증폭기(U1)의 입력단에 연결된 출력단을 갖춘 적분증폭기(U2b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템.
  7. 광방사장치(10)와 측정되는 변수에 따라 변하는 양에 의해 빛을 감쇠시키는 광접속장치(15) 및 이 광접속장치(15)에 연결된 광검출장치(20)를 갖춘 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템의 감지방법에 있어서, 광펄스를 발생시키기 위해 광방사장치(10)에 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 인가하는 단계와, 검출된 펄스를 생성하기 위해 광검출장치(20)로 광펄스를 검출하는 단계, 각각의 저듀티사이크을 갖는 고전류펄스가 인가되는 동안 검출된 피크치를 샘플링하고 홀드시키는 단계, 상기 광검출장치(20)에서 검출된 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스를 억압하기 위해 상기 펄스발생기(U6)의 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 종료된 후에 즉시 광검출장치(20)로 신호를 피드백시키는 단계 및, 측정되는 변수에 따른 검출된 펄스의 피크치를 사용하는 구형파를 생성하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름게의 감지시스템의 감지방법.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 저듀티사이클을 갖는 고전류펄스가 인가되는 동안에는 고전력과고대역폭을 갖는 증폭기(U1)을 사용해서 검출된 펄스를 증폭시키며, 그 이외에는 저전력과 저대역폭을 갖는 증폭기(U1)를 사용해서 검출된 펄스를 증폭시키는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템의 감지방법.
KR1019850001364A 1984-05-21 1985-03-05 맴돌이발생을 이용한 섬유광학흐름계의 감지시스템 및 감지방법 KR900004882B1 (ko)

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