WO2015199434A1 - 음향 센서를 이용하여 분리막 모듈의 완결성을 판단하는 장치 및 방법 - Google Patents

음향 센서를 이용하여 분리막 모듈의 완결성을 판단하는 장치 및 방법 Download PDF

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WO2015199434A1
WO2015199434A1 PCT/KR2015/006408 KR2015006408W WO2015199434A1 WO 2015199434 A1 WO2015199434 A1 WO 2015199434A1 KR 2015006408 W KR2015006408 W KR 2015006408W WO 2015199434 A1 WO2015199434 A1 WO 2015199434A1
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WO
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membrane module
acoustic
level crossing
signal
spectrogram
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PCT/KR2015/006408
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Inventor
박희등
빅터파우어
김택승
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고려대학교 산학협력단
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for determining the integrity of a membrane module, and more particularly, to measure an acoustic signal generated in the membrane module using one or more acoustic sensors and to analyze the spectrogram and waveform of sound from the measured signal.
  • the present invention relates to an apparatus and a method for determining whether a membrane module is damaged, a damaged position, and a degree of damage.
  • Membrane module is applied to various fields such as water treatment or gas separation membrane.
  • Membrane integrity test is to determine whether there is an abnormality of membrane module.
  • Conventional membrane integrity measurements are carried out by pressure drop tests (PDT) and bubble tests (Bubble test). Among them, pressure drop test is the most widely used technique because high accuracy and reliability have been proved through experiments.
  • the determination of the completeness of the membrane module requires a means for detecting breakage in real time in order to satisfy high accuracy and reliability while minimizing damage in response to breakage.
  • Non-Patent Document 1 Jung-Young Jung, Chang-Hoon Jung, Lee Yong-Soo, Jang Am, Hyung-Soo Kim, "Evaluation of Pressure Loss Test Sensitivity Considering Diffusion Air Flow Rate According to Membrane Damage", Korean Society of Water Quality and Environment, 2014 pp. Pp354 ⁇ 355, 2014.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to overcome the limitation that the completeness determination device for the conventional membrane module through water quality analysis after the membrane module is damaged and the water quality is deteriorated and damaged by checking the membrane module in real time It is to minimize the damage by allowing immediate response.
  • At least one acoustic sensor unit for measuring the acoustic signal generated in the membrane module according to an embodiment of the present invention
  • a signal processor converting the measured sound signal into a digital signal and calculating a spectrogram and a waveform representing the magnitude of the sound signal on the time axis and the frequency axis from the digital signal; It provides a separator module integrity determination device including a completeness determination unit for analyzing the spectrogram and the waveform to determine whether the membrane module is damaged, the location and the degree of damage.
  • the acoustic sensor unit may be attached to the outside of the separator module and may be attached to each area to measure whether the separator module is damaged or not.
  • the acoustic sensor unit includes a sound absorbing material and an acoustic device for detecting the sound, and the membrane module and the acoustic device facing apart at regular intervals, except for one surface of the acoustic device facing the separator module
  • the sound absorbing material is formed in close contact with a portion to block the noise below the reference value, it is possible to detect a specific sound signal.
  • Sound absorbing material may be made of a foamed styrene resin and a polymer material.
  • the signal processor may calculate a frequency value using a fast Fourier transform (FFT) on a digital signal, and calculate a spectrogram from the calculated frequency value.
  • FFT fast Fourier transform
  • the integrity determination unit calculates a level crossing rate (LCR) for deriving a cross value of a waveform based on a threshold value preset for the digital signal, and the level crossing rate is a normal level. If it exists within the error range of the cross rate, it is determined that the membrane module is not broken, and if the level crossing rate is out of the error range of the normal level cross rate, the membrane module is determined to be broken, but the normal level cross rate is normal for the membrane module. It may be characterized in that it is calculated in advance from the sound signal generated when the state is stored.
  • LCR level crossing rate
  • the degree of breakage may be determined in proportion to the degree of error outside, and the breakage position may be determined based on the position of the corresponding acoustic sensor and the position of the sound sensor that detected the breakage. It can be estimated according to the deviation.
  • a membrane integrity determination device to detect whether the membrane module is damaged in real time, and if the damage is detected to provide damage information to the system user through an alarm Provides membrane module integrity monitoring system.
  • the measuring of the acoustic signal may include covering the sound absorbing material to a part of the sensor except for one surface where the acoustic device faces away from the separation membrane module at regular intervals and closes the sound absorbing material so that a noise of less than a reference value is achieved. Can block and detect specific sound signals.
  • a frequency value may be calculated using a Fast Fourier Transform (FFT) on the digital signal, and a spectrogram may be calculated from the frequency value.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the analyzing of the spectrogram and the waveform may include calculating a level crossing rate (LCR) derived from a cross value of the waveform based on a threshold value preset for the digital signal.
  • LCR level crossing rate
  • the normal level crossing rate may be calculated and stored in advance from an acoustic signal generated when the membrane module is in a normal state.
  • the degree of breakage is determined in proportion to a degree outside the error range, and the point of breakage is centered on the position of the sensor and the position of the sensor that detected the breakage. It can be estimated according to the extent out of the error range.
  • the present invention it is possible to provide an apparatus for determining a separator module using an acoustic sensor that can measure the integrity of the separator module in advance.
  • the integrity of the membrane module can be monitored in real time to immediately respond when the membrane module breaks down, thereby minimizing damage, and the degree and location of the damage without disassembling the membrane module. Can be identified.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a membrane completeness determination apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a photograph of an experimental example in which acoustic sensors of a membrane integrity determination device according to an embodiment of the present invention are attached to a separator module.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the structure of one surface of the acoustic sensor and the membrane module of the membrane integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating sound waveforms calculated by analyzing real-time sound signals of three regions of a separator module using a separator integrity determining device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a spectrogram calculated by analyzing real-time acoustic signals of three regions of a membrane module using the membrane integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a spectrogram and a waveform of a sound obtained by analyzing a real-time sound signal for one region of a separator module using a separator integrity determining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the detection of the breakage of the membrane module from the membrane integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating spectrograms of three sensors from an apparatus for determining membrane integrity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating spectrograms of different views of one sensor from a separator integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of determining membrane completeness according to another embodiment of the present invention.
  • Separator module integrity determination device measures the acoustic signal using one or more acoustic sensors attached to the membrane module and analyzes the spectrogram and waveforms calculated from the acoustic signal, whether the membrane module is damaged or not It is characterized by determining the position, the degree of breakage.
  • the membrane completeness determining device 10 includes an acoustic sensor unit 11, a signal processing unit 12, and a finality determining unit 13, and receives a sound signal from the membrane module 20 to determine whether or not the display unit 30 is damaged.
  • the membrane completeness determining device 10 includes an acoustic sensor unit 11, a signal processing unit 12, and a finality determining unit 13, and receives a sound signal from the membrane module 20 to determine whether or not the display unit 30 is damaged.
  • the membrane module 20 may be in the form of various kinds of membranes.
  • a tube module for example, there are a hollow fiber membrane module, a spiral wound module, a plate frame module, and the like.
  • Embodiments according to the present invention will be described by taking an example of experiment using a hollow fiber membrane module commonly used to purify water.
  • the separator finality determining apparatus 10 measures an acoustic signal from the separator module 20 using the acoustic sensor unit 11.
  • One or more acoustic sensor units 11 may be attached to the outside in order to measure noise generated in the membrane module 20 without noise without affecting the structure of the membrane module 20.
  • one acoustic sensor unit may be attached to one region to be measured, or one acoustic sensor unit may be attached to one or more regions to be measured.
  • the location of the damage may be specifically estimated by the integrity determination unit 30 than in the case of attaching the acoustic sensor unit to one region.
  • the attachment position and the number of the acoustic sensor units may be determined according to the characteristics of the target membrane module to be measured.In the case of the hollow fiber membrane module, it is necessary to measure the damage of the influent, the concentrated water, and the permeated water. We can attach department.
  • the acoustic sensor part 11 is comprised from the acoustic device 11b which detects a sound, and the sound absorption material 11a which covered the acoustic device 11b.
  • 2 is a conceptual view illustrating one side of the membrane module 20 and an interior side of the acoustic sensor unit 11.
  • the acoustic sensor unit 11 is closely attached to one surface of the membrane module 20 and attached to the outside.
  • the membrane module 20 and the acoustic device 11b are spaced apart at regular intervals to face each other, and the acoustic device 11b is separated from the membrane module. It consists of a structure in which the sound absorbing material (11a) in close contact with all parts except one surface facing (20).
  • one surface 20 of the membrane module is shown as a straight line, the membrane module 20 may be curved because it is generally manufactured in a cylindrical shape.
  • the sound device 11b is spaced apart from the membrane module 20 at regular intervals because it is more accurate to measure that the sound is amplified through the air present in the space than to measure it by contact. to be.
  • the sound absorbing material 11a may be made of a foamed styrene resin and a polymer material.
  • the polymer material may be, for example, a rubber material, and has a function of blocking sound. Since the sound passes through the solid, the polymer material is used to block external noise. Therefore, due to the material and structure of the sound absorbing material 11a, the acoustic sensor unit 11 may block noise below a reference value of the surroundings, and may detect a specific sound signal from the separator module 20. This is because only the sound generated by the membrane module 20 itself is detected, and the accuracy of the completeness determination may be increased only by removing the noise generated in the process in which the membrane module 20 is installed.
  • the signal processor 12 converts an analog signal, measured by the acoustic sensor unit 11, into a digital signal, and calculates a spectrogram and a waveform from the digital signal.
  • a fast Fourier transform (FFT) of the digital signal may be used to calculate a frequency value, and a spectrogram may be calculated from the frequency value.
  • the spectrogram refers to the magnitude (dB) of an acoustic signal on the time axis and the frequency axis, which is also called an energy signal.
  • Spectrograms are expressed in shades of color, which are expressed in dark colors when the amplitude of the frequency band is large and in light colors when the amplitude is small. Therefore, if the color of the spectrogram is dark, the size of the sound signal is large, and if the color is light, it means that the size of the sound signal is small.
  • the integrity determination unit 13 analyzes the spectrogram and the waveform to determine whether the breakage has occurred in the membrane module 20, the location of the breakage, and the degree of breakage. Whether or not breakage has occurred, calculates the level crossing rate (LCR) that derives the crossing value of the waveform based on a preset threshold value, and determines whether the level crossing rate is within the error range of the normal level crossing rate. Therefore, it is judged. That is, it is determined that the separation membrane module is not broken when it exists within the error range, and when it is out of the error range, it is determined that the separation membrane module is broken.
  • LCR level crossing rate
  • the level crossing rate may be calculated using Equation 1 below, and the normal level crossing rate may be calculated and stored in advance through an experiment from an acoustic signal generated when the membrane module is in a normal state. At this time, the threshold value is preset to the value obtained through the experiment.
  • Equation 1 The description of the variable of Equation 1 is as follows.
  • LCR (m) is the level crossing rate in the current sample m
  • N is the number of samples to be analyzed
  • L th is an experimentally determined constant
  • w (n) is a window function used for signal processing
  • Hamming or The hanning function, x (n) is a digital signal whose current level crossing rate is to be obtained.
  • the acoustic signal obtained through the experiment measures the number of 20,000 samples per second and sets 256 samples to one frame.
  • 400-600 frames are used for deciding whether the normal value is used, and about 20-30 frames are used to derive the average value.
  • the reference value sets the average value, the upper limit value, the lower limit value of the frame measured by the external acoustic signal, and the LCR (reference value) at the normal state, for example, one belonging to the category of the LCR 15, an LCR in an abnormal state in which a break occurs.
  • Reference value for example, as a result of exceeding the LCR (50) to determine the signal of the broken sound.
  • the results of abnormal conditions are displayed in red. In the case of dividing into two areas, each will be able to make more detailed judgment of finality through LCR (reference value).
  • the margin of error for determining failure can be determined experimentally and depends on reliability.
  • the location of the damage may be estimated based on the position of the corresponding acoustic sensor that detected the damage and the degree of deviation from the error range based on the position of the acoustic sensor. If the error range is larger than the normal range and the error range is larger, the position of the acoustic sensor is closer to the position of the corresponding acoustic sensor. This can be quantified experimentally, and different normal level crossing rates and error ranges are determined depending on the membrane module to be implemented. When a plurality of acoustic sensor units are attached, damage may be detected only in some of the acoustic sensor units, and in this case, the damage position of the separator module may be more specifically estimated.
  • the acoustic signal of the acoustic sensor unit located closest to the place where the break occurs is directly affected by the break so that the spectrogram value of the narrow frequency band appears dark red.
  • the acoustic sensor unit located far from where the break occurred may be indirectly affected by the break, and the spectrogram value may appear irregularly red in a wide frequency band.
  • the embodiment will be described in FIG. 5.
  • the degree of breakage can be determined in proportion to the extent out of the error range, and has a proportional relationship.
  • the membrane module is broken through the difference in the amplitude of the spectrogram.
  • the energy signal is increased in the case of a membrane module in which a break occurs compared to the energy signal of the membrane module in a steady state.
  • the difference value may vary depending on the type or size of the membrane module and can be confirmed experimentally.
  • a ratio of energy signals divided into frequency bands can be used.
  • the frequency band may vary between the maximum and minimum values of the ranges depending on the specific separator module.
  • the range of the frequency band of the specific membrane module When the range of the frequency band of the specific membrane module is determined, it may be divided into at least two regions.
  • One reference value is required to divide into two areas, and the energy signal of a frequency band smaller than the reference value is called A, and the energy signal of a frequency band greater than or equal to the reference value is called B according to the set reference value.
  • the ratio (Y) of A and B makes it possible to determine whether the membrane module is broken. In other words, the difference between the Y value at the normal time and the Y value at the time of breakage is used.
  • the ratio of the energy signal can be calculated as in Equation 2.
  • the frequency band that can be generated is 0 to 100,000 Hz
  • the reference value is 2000 Hz
  • 0 to 2000 Hz is referred to as Low Spectrum Energy (A) and 2000 to 100,000 Hz.
  • the amplitude of the acoustic signal (dB) of the spectrogram is expressed in the color of the spectrogram using dB LL and dB HL obtained through Equation 2.
  • the dB LL and dB HL values in the steady state are dB LL (0.12) and dB HL (0.04)
  • the measured value is in the normal state if the measured value exists within an error range of the upper limit and the lower limit. If it is determined that the value of the abnormal state is beyond the error range, the spectrogram shows the color and the shade of color.
  • the display unit 30 may visually display spectrograms and waveforms measured and analyzed in real time.
  • Spectrograms representing waveforms over time and representing amplitude differences along the time axis and the frequency axis can be expressed by varying the color density or the color itself.
  • the spectrogram may be displayed in blue when the average level crossing rate is within an error range, and may be displayed in red when it is out of the error range.
  • the degree of breakage may be visually expressed by varying the concentration of color changing from yellow to red according to the degree of error.
  • Another embodiment according to the present invention is a membrane module integrity monitoring system that detects whether the membrane module is damaged in real time using the membrane integrity determination device 10, and provides damage information to the system user through an alarm when the damage is detected To provide.
  • the configuration of alarming the user may be implemented by using the display unit 30 or may be implemented by using wireless communication through a terminal carried by the user.
  • FIG. 3 is a photograph showing an experimental example in which the acoustic sensor unit is attached to each of the core parts of the inflow water, the concentrated water, and the permeated water with respect to the hollow fiber membrane module.
  • the acoustic signal is measured from the externally attached acoustic sensor unit, and the measured acoustic signal is calculated by the signal processing unit and the integrity determination unit to calculate information such as damage.
  • the spectrogram and waveforms analyzed from the acoustic signal measured through the experimental example of FIG. 3 will be described.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating sound waveforms calculated by analyzing real-time sound signals of three regions of a separator module using a separator integrity determining device according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents amplitude, showing waveforms for each sensor.
  • 5 is a diagram illustrating a spectrogram calculated by analyzing real-time acoustic signals of three regions of a membrane module using the membrane integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • the vertical axis represents frequency
  • the horizontal axis represents time
  • the color intensity of the spectrogram represents the magnitude of the amplitude. Due to the nature of the spectrogram, it is useful to detect the abnormality of the membrane module in real time because it can be clearly and easily checked for visual damage.
  • the spectrogram is shown in red color, so that breakage has occurred. Specifically, it can be seen that the break occurred at the position of the sensor 3 through the appearance of a spectrogram such as a dark red band at 300 Hz to 600 Hz of the sensor 3. This is because it is directly affected by the break. In the case of sensors 1 and 2, the red spectrogram spreads over a wide frequency band indirectly affected by the break occurring near the sensor 3 located in a region far from the broken sensor 3.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a spectrogram and a waveform of a sound obtained by analyzing a real-time sound signal for one region of a separator module using a separator integrity determining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents time, and the upper part of the screen divided into three areas is a spectrogram, the bottom part shows a waveform, and the middle part shows an enlarged specific part of the lower waveform.
  • Such a screen may provide a user with a result of analyzing the acoustic signal generated from the separator module in real time.
  • FIG. 7 is a view showing the detection of the breakage of the membrane module from the membrane completeness determination device according to an embodiment of the present invention, the configuration of the screen of Figure 7 is the same as FIG.
  • the breakage of the membrane module increases the waveform, and the color of the spectrogram is shown in red over a wide frequency band.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating spectrograms of three acoustic sensor units from a separator integrity determination device according to an embodiment of the present invention.
  • the spectrogram of sensor 1 and sensor 3 is blue because the level crossing rate is within the error range of the normal level crossing rate, but the sensor 2 is yellow out of the error range of the normal level crossing rate, so the break occurs at the position of the sensor 2. It can be seen. The exact location of the failure can be determined by how far from sensor 2 the experimental value is.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating spectrograms of different views of one acoustic sensor unit from a separator finality determining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of determining membrane completeness according to another embodiment of the present invention.
  • Each step of the membrane integrity determination method corresponds to the detailed configuration of the membrane module device of FIG. 1 as described below, and detailed descriptions thereof do not overlap and describe corresponding relationships.
  • S210 is a step of attaching at least one sensor for each part to measure the damage of the membrane module, and measuring the acoustic signal generated from the membrane module.
  • the acoustic device of the sensor is covered with a sound absorbing material in close contact with a portion except for one surface in which the acoustic device is separated from the membrane module at regular intervals to block noise below a reference value, and detect a specific sound signal. This is a configuration corresponding to the acoustic sensor unit of FIG. 1.
  • S220 is a step of converting the measured acoustic signal into a digital signal, and calculating the spectrogram and waveform representing the difference in amplitude according to the change of the time axis and the frequency axis from the digital signal.
  • a frequency value is calculated using a fast Fourier transform on a digital signal, and a spectrogram is calculated from the frequency value.
  • S230 is a step of analyzing the spectrogram and waveform to determine whether the membrane module is damaged, the location and the degree of damage.
  • LCR level crossing rate
  • the degree of breakage can be determined by an experimental value in proportion to the degree of error outside the error range, and the position of the breakage depends on the position of the sensor detecting the breakage and the degree of error outside the sensor position. Can be estimated. This configuration corresponds to the completeness determination unit of FIG. 1.

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Abstract

본 발명은 분리막 모듈의 완결성을 판단하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 하나 이상의 음향 센서를 이용하여 스펙트로그램 및 소리의 파형을 분석하여 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치, 파손 정도를 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하여 분리막 모듈이 파손되는 경우 즉각 대응하여 피해를 최소화할 수 있는 완결성 판단 장치를 제공할 수 있다.

Description

음향 센서를 이용하여 분리막 모듈의 완결성을 판단하는 장치 및 방법
본 발명은 분리막 모듈의 완결성을 판단하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나 이상의 음향 센서를 이용하여 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하고 측정된 신호로부터 스펙트로그램 및 소리의 파형을 분석하여 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
분리막 모듈은 수처리 또는 가스 분리막 등 다양한 분야에 적용되는 것으로 분리막 완결성 시험은 분리막 모듈의 이상 유무를 판단하는 것을 말한다. 통상적인 분리막 완결성 측정은 압력강하실험(PDT, pressure decay test) 및 버블테스트(Bubble test)에 의해 진행된다. 이 중 압력강하실험은 높은 정확도와 신뢰도가 실험을 통해 입증되어 가장 널리 사용되는 기법이다.
다만, 이와 같은 완결성 시험 기법은 분리막 모듈이 손상되어 분리막의 파단이 발생한 상태에서 수질 분석을 통해 이루어지고 이때 수질 분석은 입자계수측정, 입도분석, TOC 측정 등의 방법이 주로 사용된다. 분리막 모듈이 파손되어 수질이 악화되는 문제가 발생한 이후에 후속 확인 작업으로 진행되는 것이기 때문에 분리막 모듈에 대한 현 시점의 기법들은 사전에 분리막 모듈의 완결성을 측정하거나 실시간으로 분리막 모듈의 상태를 점검할 수 없는 단점이 있다.
나아가 분리막 모듈에 대한 완결성 판단은 높은 정확성 및 신뢰도를 만족시키는 동시에 파손에 대응하여 피해를 최소화하기 위해서는 실시간으로 파손을 감지하는 수단이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
(비특허문헌 1) 정후영, 정창훈, 이용수, 장암, 김형수, "막 손상 크기에 따른 확산공기유량을 고려한 압력손실시험 감도 평가", 한국물환경학회 춘계학술발표회, 2014권 pp354~355, 2014.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 분리막 모듈에 대한 완결성 판단 장치가 분리막 모듈이 손상되어 수질이 악화된 이후에 수질 분석을 통해 이루어지는 것에 그치는 한계를 극복하고 실시간으로 분리막 모듈을 점검하여 파손에 즉각 대응할 수 있도록 하여 피해를 최소화하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하는 한 개 이상의 음향 센서부; 측정된 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로부터 시간축 및 주파수축에 대한 음향 신호의 크기를 나타내는 스펙트로그램(Spectrogram) 및 파형을 산출하는 신호 처리부; 상기 스펙트로그램 및 상기 파형을 분석하여 상기 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 완결성 판단부를 포함하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 음향 센서부는 상기 분리막 모듈의 외부에 부착되고, 상기 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하고자 하는 영역별로 각각 부착될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 음향 센서부는 흡음재 및 소리를 감지하는 음향 기기를 포함하고, 상기 분리막 모듈과 상기 음향 기기는 일정한 간격으로 떨어져 대면하고, 상기 음향 기기가 상기 분리막 모듈과 대면하는 일면을 제외한 부분에 상기 흡음재를 밀착하여 덮어씌운 구조로 이루어져 기준치 이하의 소음을 차단하고, 특정 음향 신호를 감지할 수 있다.
상기 일 실시예에 따른 흡음재는 발포 스타이렌 수지와 고분자 소재로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따른 신호 처리부는 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)를 이용하여 주파수 값을 산출하고, 산출된 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출할 수 있다.
일 실시예에 따른 완결성 판단부는 상기 디지털 신호에 대하여 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고, 상기 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는 경우 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고, 상기 레벨교차율이 상기 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나는 경우 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단하되, 상기 정상 레벨교차율은 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 미리 산출되어 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실시예에 따른 분리막 모듈이 파손된 경우, 파손 정도는 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 결정될 수 있으며, 파손 위치는 파손을 감지한 해당 음향 센서의 위치 및 음향 센서의 위치를 중심으로 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치를 이용하여 실시간으로 분리막 모듈의 파손 여부를 감지하고, 파손이 감지되는 경우 알람을 통해 시스템 사용자에게 파손 정보를 제공하는 분리막 모듈 완결성 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하나 이상의 센서를 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하고자 하는 부분마다 부착하고, 상기 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하는 단계; 상기 측정된 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로부터 시간축 및 주파수축에 대한 음향 신호의 크기를 나타내는 스펙트로그램 및 파형을 산출하는 단계; 상기 스펙트로그램 및 파형을 분석하여 상기 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 단계를 포함하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법을 제공한다.
또 다른 실시예에 따른 음향 신호를 측정하는 단계는, 상기 센서의 음향 기기에 상기 음향 기기가 상기 분리막 모듈과 일정한 간격으로 떨어져 대면하는 일면을 제외한 부분에 상기 흡음재를 밀착하여 덮어씌워 기준치 이하의 소음을 차단하고, 특정 음향 신호를 감지할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 디지털 신호로 변환하는 단계는 상기 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)를 이용하여 주파수 값을 산출하고, 상기 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 스펙트로그램 및 파형을 분석하는 단계는 상기 디지털 신호에 대하여 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고, 상기 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는 경우 상기 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고, 상기 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나는 경우 상기 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단하되, 상기 정상 레벨교차율은 상기 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 미리 산출되어 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 또 다른 실시예에서 분리막 모듈이 파손된 경우, 상기 파손 정도는 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 결정되고, 상기 파손 위치는 파손을 감지한 해당 센서의 위치 및 상기 센서의 위치를 중심을 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 사전에 분리막 모듈의 완결성을 측정할 수 있는 음향 센서를 이용한 분리막 모듈의 판단 장치를 제공할 수 있다. 또한, 기존의 후처리형 분리막 완결성 측정 방식과 달리 실시간으로 분리막 모듈의 완결성을 모니터링하여 분리막 모듈의 파손이 발생하는 경우 즉각 대응할 수 있어 피해를 최소화하고, 분리막 모듈을 해체하지 않고도 파손의 정도 및 위치를 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치의 음향 센서들을 분리막 모듈에 부착한 실험예의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치의 음향 센서와 분리막 모듈의 일면의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 3개 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 소리의 파형을 나타낸 그림이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 3개 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 스펙트로그램을 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 하나의 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 스펙트로그램 및 소리의 파형을 하나의 화면으로 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 분리막 모듈의 파단을 감지한 것을 나타낸 그림이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 3개의 센서에 대한 스펙트로그램을 나타낸 그림이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 하나의 센서에 대한 각기 다른 시각의 스펙트로그램을 나타낸 그림이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 방법의 흐름도이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 모듈 완결성 판단 장치는 분리막 모듈에 부착된 하나 이상의 음향 센서를 이용하여 음향 신호를 측정하고 음향 신호로부터 산출된 스펙트로그램 및 파형을 분석하여 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치, 파손 정도를 판단하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치(10)의 개념도이다. 분리막 완결성 판단 장치(10)는 음향 센서부(11), 신호 처리부(12), 완결성 판단부(13)을 포함하고, 분리막 모듈(20)으로부터 음향 신호를 입력받아 파손 여부 등을 디스플레이부(30)을 통해 나타낼 수 있다.
분리막 모듈(20)은 여러 가지 종류의 분리막을 이용한 형태가 될 수 있다. 예를 들어, 관형(Tube) 모듈, 중공사(Hollow fiber)막 모듈, 나권형(spiral wound) 모듈, 평판형(plate frame) 모듈 등이 있다. 이하의 본 발명에 따른 실시예들은 물을 정수하는데 일반적으로 사용되는 중공사막 모듈을 이용하여 실험한 예를 들어 설명한다.
분리막 완결성 판단 장치(10)는 음향 센서부(11)를 이용하여 분리막 모듈(20)로부터 음향 신호를 측정한다. 음향 센서부(11)는 하나 이상이 될 수 있고, 분리막 모듈(20)의 구조에 영향을 끼치지 않고 분리막 모듈(20)에서 발생하는 소리를 잡음없이 측정하기 위하여 외부에 부착되는 것이 바람직하다. 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하기 위해서 측정하고자 하는 한군데 영역에 하나의 음향 센서부를 부착할 수도 있고, 측정하고자 하는 복수 개의 영역에 하나씩 음향 센서부를 부착할 수도 있다. 복수 개의 영역에 음향 센서부를 부착하는 경우 완결성 판단부(30)에 의해 한군데 영역에 부착하는 경우보다 파손의 위치를 구체적으로 추정할 수 있게 된다. 측정하고자 하는 대상 분리막 모듈의 특성에 따라 음향 센서부의 부착 위치 및 개수가 결정될 수 있으며 중공사막 모듈의 경우 유입수, 농축수, 투과수에 대하여 파손 여부를 측정하는 것이 필요하고, 각 위치에 하나씩 음향 센서부를 부착할 수 있다.
음향 센서부(11)는 소리를 감지하는 음향 기기(11b) 및 음향 기기(11b)를 덮어씌운 흡음재(11a)로 구성된다. 도 2는 분리막 모듈(20)의 일면과 음향 센서부(11)의 내부의 측면을 개념도로 나타낸 것이다. 분리막 모듈(20)의 일면에 음향 센서부(11)가 밀착하여 외부에 부착되어 있고, 분리막 모듈(20)과 음향 기기(11b)는 일정한 간격으로 떨어져 대면하며, 음향 기기(11b)가 분리막 모듈(20)과 대면하는 일면을 제외한 모든 부분에 흡음재(11a)를 밀착하여 덮어씌운 구조로 이루어진다. 분리막 모듈의 일면(20)은 직선으로 표시하였으나, 분리막 모듈(20)이 원통형으로 제작되는 것이 일반적이기 때문에 만곡한 모양이 될 수도 있다.
음향기기(11b)가 분리막 모듈(20)에서 일정한 간격으로 떨어져 위치하는 것은 소리의 특성상 접촉하여 측정하는 것보다 공간에 존재하는 공기를 통해 소리가 증폭된 것을 측정하는 것이 보다 정확하게 측정할 수 있기 때문이다. 흡음재(11a)는 발포 스타이렌 수지와 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다. 고분자 소재는 예를 들어 고무 소재의 물질이 될 수 있으며, 소리를 차단하는 기능을 가진 것을 말한다. 소리는 고체를 통과하기 때문에 고분자 소재를 활용하여 외부 잡음을 차단하는데 활용하게 되는 것이다. 따라서 흡음재(11a)의 소재 및 구조로 인하여 음향 센서부(11)는 주변의 기준치 이하의 소음을 차단하고, 분리막 모듈(20)로부터 특정 음향 신호를 감지할 수 있다. 이는 분리막 모듈(20) 자체에서 발생하는 소리만을 감지하기 위한 것으로 분리막 모듈(20)이 설치된 공정에서 발생하는 잡음을 제거해야만 완결성 판단의 정확성이 높아질 수 있기 때문이다.
신호처리부(12)는 음향 센서부(11)가 측정한 아날로그 형식의 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로부터 스펙트로그램(spectrogram) 및 파형을 산출한다. 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 이용하여 주파수 값을 산출하고, 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출할 수 있다. 스펙트로그램은 시간축 및 주파수축에 대한 음향 신호의 크기(dB)를 의미하고, 이를 에너지 신호라고도 한다. 스펙트로그램은 색의 농담으로 표현되는데 주파수대역의 진폭이 큰 경우 진하게 표현되고, 진폭이 작은 경우 엷게 색으로 표현된다. 따라서 스펙트로그램의 색이 진한 경우 음향 신호의 크기가 크고, 색이 엷은 경우 음향 신호의 크기가 작은 것을 의미한다.
완결성 판단부(13)는 스펙트로그램 및 파형을 분석하여 분리막 모듈(20)에 파손이 발생했는지 여부, 파손이 발생한 위치 및 파손의 정도를 판단한다. 파손이 발생했는지 여부는 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고, 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는지에 따라서 판단된다. 즉, 오차 범위 내에 존재하는 경우 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고, 오차 범위를 벗어나는 경우 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단된다. 레벨교차율은 아래 수학식 1을 이용하여 산출될 수 있으며, 정상 레벨교차율은 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 실험을 통해 미리 산출되어 저장될 수 있다. 이때 임계값은 실험을 통해 얻어진 값으로 미리 설정한다.
수학식 1
Figure PCTKR2015006408-appb-M000001
수학식 1의 변수의 설명은 다음과 같다. LCR(m)은 현재 샘플 m에서의 레벨교차율이고, N은 분석하는 구간의 샘플수, Lth는 실험적으로 결정되는 상수, w(n)은 신호처리에 사용되는 창(window)함수로 해밍 또는 해닝 함수, x(n)는 현재 레벨교차율을 구하고자 하는 디지털 신호이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실험을 통해 얻어진 음향 신호는 초당 2만개의 샘플 수를 측정하고 256 개의 샘플들을 1 프레임으로 설정한다. 기준값을 설정시에는 400-600 프레임, 정상 유무를 판별하기 위해 소용되는 프레임은 20-30 개 정도를 이용하여 평균값 도출에 이용한다. 기준값은 외부 음향 신호로 측정된 프레임의 평균값, 상한선, 하한선 값을 설정하게 되고 정상일 때의 LCR(기준값), 예를 들어, LCR(15)의 범주에 속하는 것, 파단이 발생한 비정상 상태의 LCR(기준값), 예를 들어, LCR(50)을 초과한 결과로 파단음의 신호를 판단하게 된다. 비정상 상태의 결과는 빨간색으로 표시된다. 2개 영역으로 구분하는 경우 각각은 LCR(기준값)을 통하여 보다 세분화된 완결성 판단을 할 수 있을 것이다.
파손 여부를 판단하기 위한 오차 범위는 실험적으로 정해질 수 있으며 신뢰도에 의존적이다. 파손이 발생한 위치는 파손을 감지한 해당 음향 센서의 위치 및 음향 센서의 위치를 중심으로 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정될 수 있다. 정상 범위를 많이 벗어나서 오차 범위가 커지면 해당 음향 센서의 위치에 가까운 것이고, 오차 범위가 작아지면 해당 음향 센서의 위치에서 멀어진 것으로 추정할 수 있다. 이것은 실험적으로 수치화할 수 있으며, 실시 대상 분리막 모듈에 따라서 다른 정상 레벨교차율 및 오차 범위가 결정된다. 복수 개의 음향 센서부를 부착한 경우, 일부 음향 센서부에서만 파손을 감지할 수도 있으며 이 경우 분리막 모듈의 파손 위치를 보다 구체적으로 추정할 수 있게 된다. 특히, 복수 개의 음향 센서부에 의해 파단을 감지하는 경우, 파단이 발생한 곳과 가장 근접한 곳에 위치한 음향 센서부의 음향 신호는 파단의 영향을 직접적으로 받아 좁은 주파수대의 스펙트로그램 값이 붉은색으로 진하게 나타나게 되고, 파단이 발생한 곳과 멀어지는 곳에 위치한 음향 센서부는 파단의 영향을 간접적으로 받아 넓은 주파수대에서 스펙트로그램 값이 붉은색으로 불규칙하게 나타날 수 있다. 이와 관련하여서 도 5에서 그 실시예를 설명한다. 그리고 파손의 정도는 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 결정될 수 있으며, 정비례의 관계를 가진다.
또한, 스펙트로그램의 진폭의 차이를 통해서도 분리막 모듈의 파단 여부를 확인할 수 있다. 정상 상태의 분리막 모듈의 에너지 신호에 비하여 파단이 발생한 분리막 모듈의 경우 에너지 신호가 커진다. 그 차이 값은 분리막 모듈의 종류나 크기에 따라서 달라질 수 있어 실험적으로 확인할 수 있으며, 정량적인 비교를 위해서 주파수 대역으로 구분한 에너지 신호의 비율을 이용할 수 있다.
주파수 대역은 특정 분리막 모듈에 따라서 나타나는 범위의 최대값과 최소값이 달라질 수 있다. 특정 분리막 모듈의 주파수 대역의 범위가 결정되면, 이를 적어도 2개 영역으로 구분할 수 있다. 2개 영역으로 구분하기 위해서는 하나의 기준 값이 필요하고, 설정된 기준값에 의해 기준 값보다 작은 주파수 대역의 에너지 신호를 A라고 하고, 기준 값보다 크거나 같은 주파수 대역의 에너지 신호를 B라고 할 때, A와 B의 비율(Y)로써 분리막 모듈의 파단 여부를 판단할 수 있게 한다. 즉, 정상일 때의 Y값과 파단이 발생한 때의 Y값이 차이를 이용하는 것이다.
보다 상세하게는, 수학식 2와 같이 에너지 신호의 비율을 계산할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2015006408-appb-M000002
예를 들어, 중공사막 모듈에 대한 완결성 측정 장치인 경우 발생 가능한 주파수 대역은 0 ~ 100,000 Hz이고, 기준 값은 2000 Hz 이며, 0~2000 Hz까지를 Low Spectrum Energy(A)라 하고 2000~100,000 Hz를 High Spectrum Energy(B)라고 설정할 수 있다. 또한 스펙트로그램의 음향 신호 크기(dB)는 수학식 2를 통해 얻어진 dBLL,dBHL을 이용하여 스펙트로그램의 색상으로 표시한다. 예를 들어, 정상 상태의 dBLL,dBHL값이 dBLL(0.12),dBHL(0.04)인 경우에 측정 대상 값이 상한선, 하한선의 오차범위 내에 존재하면 정상 상태라고 판단할 수 있을 것이다. 비정상 상태의 값은 오차범위를 넘어서는 것으로 비정상으로 판단되면 스펙트로그램에서 색 및 색의 농담으로 표시된다.
디스플레이부(30)는 실시간으로 측정하여 분석된 스펙트로그램 및 파형을 시각적으로 나타낼 수 있다. 시간에 따른 파형을 나타내고, 시간축과 주파수축에 따라 진폭의 차이를 나타내는 스펙트로그램을 색의 농도 또는 색 자체를 달리하여 표현할 수 있다. 예를 들어, 평균 레벨교차율이 오차 범위 이내에 존재하는 경우 파란색으로 스펙트로그램을 표시하고, 오차 범위를 벗어나는 경우 붉은색으로 표시할 수 있다. 오차 범위를 벗어나는 정도에 따라 노란색에서 붉은색으로 변화하는 색감의 농도를 달리하여 파손의 정도를 시각적으로 표현할 수도 있을 것이다.
본 발명에 따른 다른 실시예는 분리막 완결성 판단 장치(10)를 이용하여 실시간으로 분리막 모듈의 파손 여부를 감지하고, 파손이 감지되는 경우 알람을 통해 시스템 사용자에게 파손 정보를 제공하는 분리막 모듈 완결성 모니터링 시스템을 제공한다. 사용자에게 알람하는 구성은 디스플레이부(30)을 활용하여 구현될 수도 있고, 사용자가 휴대하는 단말을 통해 무선 통신을 이용하여 구현될 수도 있을 것이다.
도 3은 중공사막 모듈에 대하여 유입수, 농축수, 투과수의 핵심 부위별로 각각 하나씩 음향 센서부를 부착한 실험예를 나타낸 사진이다. 이와 같이 외부에 부착한 음향 센서부로부터 음향 신호를 측정하고, 측정된 음향 신호는 신호 처리부 및 완결성 판단부에 의하여 파손 여부 등의 정보를 산출하게 된다. 이하에서는 도 3의 실험예를 통해 측정된 음향 신호로부터 분석된 스펙트로그램 및 파형을 살펴본다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 3개 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 소리의 파형을 나타낸 그림이다. 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 진폭을 나타내어 센서별로 파형을 도시하였다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 3개 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 스펙트로그램을 나타낸 그림이다. 세로축은 주파수를 나타내고, 가로축은 시간을 나타내며 스펙트로그램의 색의 농도는 진폭의 크기를 나타낸다. 스펙트로그램의 특성상 시각적으로 파손 여부를 명확하고 쉽게 확인할 수 있어 실시간으로 분리막 모듈의 이상 유무를 감지하는데 유용하다.
도 5는 스펙트로그램이 붉은색으로 나타난 것으로 보아 파단이 발생한 것을 알 수 있다. 구체적으로 센서 3의 300Hz ~ 600Hz에서 붉은색의 진한 띠와 같은 스펙트로그램이 나타난 것을 통해 센서 3의 위치에서 파단이 발생한 것을 알 수 있다. 이는 파단의 영향을 직접적으로 받았다는 것을 의미하기 때문이다. 센서 1, 2의 경우 파단이 발생한 센서 3과 멀어진 영역에 위치하여 센서 3의 근처에서 일어난 파단의 영향을 간접적으로 받아서 넓은 주파수대에 퍼진 붉은 색의 스펙트로그램을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로 분리막 모듈의 하나의 영역에 대한 실시간 음향 신호를 분석하여 산출한 스펙트로그램 및 소리의 파형을 하나의 화면으로 나타낸 그림이다. 가로축은 시간을 의미하고, 화면의 오른쪽 부분에 세 영역으로 나뉘어진 것 중 상위는 스펙트로그램이고, 맨 아래는 파형을 나타낸 것이고, 가운데 것은 아래의 파형의 특정 부분을 확대하여 나타낸 것이다. 이와 같은 화면으로 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 실시간으로 분석한 결과를 사용자에게 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 분리막 모듈의 파단을 감지한 것을 나타낸 그림이며, 도 7의 화면의 구성은 도 6과 같다. 분리막 모듈의 파단에 의해 파형이 커지고, 스펙트로그램의 색이 붉은 색으로 넓은 주파수대에 걸쳐서 나타난 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 3개의 음향 센서부에 대한 스펙트로그램을 나타낸 그림이다. 센서 1과 센서 3의 스펙트로그램은 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 내에 존재하여 파란색을 나타내고 있으나, 센서 2는 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나 노란색을 나타내고 있어 센서 2의 위치에서 파단이 발생함을 알 수 있다. 파손된 정확한 위치는 실험 값에 의해서 센서 2로부터 얼마만큼 떨어진 지점인지 결정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 완결성 판단 장치로부터 하나의 음향 센서부에 대한 각기 다른 시각의 스펙트로그램을 나타낸 그림이다. 분리막 모듈이 완결한 경우 (a)와 같고, 분리막 모듈이 파손을 감지한 경우 (b), (c)와 같다. 스펙트로그램의 색으로 표현된 측정 대상의 레벨 교차율이 정상 레벨 교차율을 벗어난 정도로부터 (c)가 (b)보다 파손의 정도가 심한 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막 완결성 판단 방법의 흐름도이다. 분리막 완결성 판단 방법의 각 단계는 아래와 같이 도 1의 분리막 모듈 장치의 세부 구성과 대응되는바, 구체적인 설명은 중복되어 기재하지 않고 대응관계를 기재한다.
S210은 하나 이상의 센서를 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하고자 하는 부분마다 부착하고, 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하는 단계이다. 센서의 음향 기기에 음향 기기가 분리막 모듈과 일정한 간격으로 떨어져 대면하는 일면을 제외한 부분에 흡음재를 밀착하여 덮어씌워 기준치 이하의 소음을 차단하고, 특정 음향 신호를 감지할 수 있다. 이는 도 1의 음향 센서부와 대응되는 구성이다.
S220은 측정된 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로부터 시간축과 주파수축의 변화에 따른 진폭의 차이를 나타내는 스펙트로그램 및 파형을 산출하는 단계이다. 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환을 이용하여 주파수 값을 산출하고, 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출하게 된다. 이것은 도 1의 신호 처리부와 대응되는 구성이다.
S230은 스펙트로그램 및 파형을 분석하여 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 단계이다. 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고, 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는 경우 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고, 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나는 경우 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단하되, 정상 레벨교차율은 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 미리 산출되어 저장될 수 있다. 분리막 모듈이 파손된 경우, 파손 정도는 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 실험 값에 의해 결정될 수 있고, 파손 위치는 파손을 감지한 센서의 위치 및 센서의 위치를 중심으로 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정될 수 있다. 도 1의 완결성 판단부와 대응되는 구성이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 분리막 완결성 판단 장치
11: 음향 센서부
11a: 흡음재 11b: 음향 기기
12: 신호 처리부 13: 완결성 판단부
20: 분리막 모듈
30: 디스플레이부

Claims (14)

  1. 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하는 한 개 이상의 음향 센서부;
    측정된 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로부터 시간축 및 주파수축에 대한 음향 신호의 크기를 나타내는 스펙트로그램(Spectrogram) 및 파형을 산출하는 신호 처리부;
    상기 스펙트로그램 및 상기 파형을 분석하여 상기 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 완결성 판단부;를 포함하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 센서부는 상기 분리막 모듈의 외부에 부착되고, 상기 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하고자 하는 영역별로 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 센서부는 흡음재 및 소리를 감지하는 음향 기기를 포함하고, 상기 분리막 모듈과 상기 음향 기기는 일정한 간격으로 떨어져 대면하고, 상기 음향 기기가 상기 분리막 모듈과 대면하는 일면을 제외한 부분에 상기 흡음재를 밀착하여 덮어씌운 구조로 이루어져 기준치 이하의 소음을 차단하고, 특정 음향 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡음재는 발포 스타이렌 수지와 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)를 이용하여 주파수 값을 산출하고, 산출된 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 완결성 판단부는 상기 디지털 신호에 대하여 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고,
    상기 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는 경우 상기 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고,
    상기 레벨교차율이 상기 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나는 경우 상기 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단하되,
    상기 정상 레벨교차율은 상기 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 미리 산출되어 저장되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈이 파손된 경우, 상기 파손 정도는 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 결정되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈이 파손된 경우, 상기 파손 위치는 파손을 감지한 해당 음향 센서의 위치 및 상기 음향 센서의 위치를 중심으로 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 판단 장치를 이용하여, 실시간으로 분리막 모듈의 파손 여부를 감지하고, 파손이 감지되는 경우 알람을 통해 시스템 사용자에게 파손 정보를 제공하는 분리막 모듈 완결성 모니터링 시스템.
  10. 하나 이상의 센서를 분리막 모듈의 파손 여부를 측정하고자 하는 부분마다 부착하고, 상기 분리막 모듈에서 발생하는 음향 신호를 측정하는 단계;
    상기 측정된 음향 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호로부터 시간축 및 주파수축에 대한 음향 신호의 크기를 나타내는 스펙트로그램(Spectrogram) 및 파형을 산출하는 단계;
    상기 스펙트로그램 및 파형을 분석하여 상기 분리막 모듈의 파손 여부, 파손 위치 및 파손 정도를 판단하는 단계;를 포함하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 음향 신호를 측정하는 단계는, 상기 센서의 음향 기기에 상기 음향 기기가 상기 분리막 모듈과 일정한 간격으로 떨어져 대면하는 일면을 제외한 부분에 흡음재를 밀착하여 덮어씌워 기준치 이하의 소음을 차단하고, 특정 음향 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 디지털 신호로 변환하는 단계는,
    상기 디지털 신호에 대하여 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)를 이용하여 주파수 값을 산출하고, 상기 주파수 값으로부터 스펙트로그램을 산출하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 스펙트로그램 및 파형을 분석하는 단계는,
    상기 디지털 신호에 대하여 미리 설정된 임계값(Threshold value)을 기준으로 파형의 교차값을 도출한 레벨교차율(Level Crossing rate, LCR)을 산출하고,
    상기 레벨교차율이 정상 레벨교차율의 오차 범위 이내에 존재하는 경우 상기 분리막 모듈이 파손되지 않은 것으로 판단하고,
    상기 레벨교차율이 상기 정상 레벨교차율의 오차 범위를 벗어나는 경우 상기 분리막 모듈이 파손된 것으로 판단하되,
    상기 정상 레벨교차율은 상기 분리막 모듈이 정상 상태일 때 발생하는 음향 신호로부터 미리 산출되어 저장되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리막 모듈이 파손된 경우, 상기 파손 정도는 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 비례하여 결정되고, 상기 파손 위치는 파손을 감지한 해당 센서의 위치 및 상기 센서의 위치를 중심을 상기 오차 범위를 벗어난 정도에 따라 추정되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈 완결성 판단 방법.
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