WO2016064130A1 - 무전원 무선 통합 센서 - Google Patents

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WO2016064130A1
WO2016064130A1 PCT/KR2015/010804 KR2015010804W WO2016064130A1 WO 2016064130 A1 WO2016064130 A1 WO 2016064130A1 KR 2015010804 W KR2015010804 W KR 2015010804W WO 2016064130 A1 WO2016064130 A1 WO 2016064130A1
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surface acoustic
acoustic wave
impedance
converter
signal
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PCT/KR2015/010804
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Inventor
오재근
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주식회사 코아칩스
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
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    • G01R31/1218—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing using optical methods; using charged particle, e.g. electron, beams or X-rays
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • the present invention relates to a non-power wireless integrated sensor, and more particularly, to a non-power wireless integrated sensor installed in a power facility such as a high-voltage circuit breaker to grasp an abnormal symptom of a facility such as an arc generation or an explosion.
  • CMS condition based maintenance system
  • Industrial facilities requiring such a condition diagnosis management system include a large internal combustion engine rotating facility such as a diesel generator or a marine engine, or a power facility protecting facility such as a high voltage breaker.
  • power facility protection facilities such as infrastructure high voltage circuit breakers are not only essential in all production facilities, but the number of high voltage circuit breakers managed by KEPCO reaches 300,000 nationwide. Since the breakdown of the high-voltage breaker is developed by the explosion or failure of the interlocking equipment, it is necessary to prevent the breakdown of the high-voltage breaker in advance.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an integrated wireless power supply sensor for detecting an initial abnormal state of power equipment such as a high-voltage generator to prevent equipment failure.
  • the present invention provides a non-powered wireless integrated sensor that can accurately detect the occurrence of the power equipment by detecting the temperature rise accompanying the arc at the same time when the arc occurs in the high-voltage power equipment in real time. It aims to do it.
  • an object of the present invention is to provide a non-power wireless integrated sensor that is driven by a power source and capable of wireless measurement in real time.
  • a non-powered wireless sensing apparatus for receiving a call signal, a first piezoelectric converter for converting the call signal into a surface acoustic wave, and the first piezoelectric
  • a second piezoelectric converter that amplitude modulates the surface acoustic wave propagated from the converter based on the impedance change and reflects the first piezoelectric converter to the first piezoelectric converter, and a light detector that detects light generation by arc discharge and outputs a corresponding voltage
  • an impedance converter connected to the second piezoelectric converter, the impedance converter configured to adjust an impedance of the second piezoelectric converter based on an output voltage of the photodetector, wherein the response signal is modulated based on the change of the impedance. It is characterized by having an amplitude.
  • the non-powered wireless sensing device may further include a temperature sensing unit for converting the call signal into a surface acoustic wave, and converts the surface acoustic wave whose vibration frequency is changed according to an external temperature change into a temperature response signal.
  • the change in the vibration frequency of the surface acoustic wave may be due to the change in the speed of the surface acoustic wave due to the change in the length of the piezoelectric substrate according to the external temperature change.
  • the impedance converter may be configured to include an FET device for adjusting the impedance value by receiving the output voltage of the light detector as a gate driving voltage.
  • a non-powered wireless sensing apparatus for receiving a call signal, a first piezoelectric conversion unit for converting the call signal into a surface acoustic wave, and propagated from the first piezoelectric conversion unit
  • a second piezoelectric converter for amplitude-modulating the surface acoustic wave to reflect the first piezoelectric converter by amplitude-modulating the impedance, and a bandpass filter for detecting a spark signal of a specific frequency band from white noise generated by arc discharge;
  • An RF-DC converter for converting the spark signal into a corresponding output voltage and outputting the spark signal, and an impedance converter connected to the second piezoelectric converter and adjusting the impedance of the second piezoelectric converter based on the converted output voltage.
  • the response signal is characterized in that it has an amplitude modulated based on the change in the impedance.
  • the non-powered wireless sensing device may further include a temperature sensing unit for converting the call signal into a surface acoustic wave, and converts the surface acoustic wave whose vibration frequency is changed according to an external temperature change into a temperature response signal.
  • the change in the vibration frequency of the surface acoustic wave may be due to the change in the speed of the surface acoustic wave due to the change in the length of the piezoelectric substrate according to the external temperature change.
  • the impedance converter may include an FET device that receives an output voltage of the RF-DC converter as a gate driving voltage and adjusts an impedance value.
  • the RF-DC converter may include one or more Schottky diodes for rectifying the spark signal and outputting the spark signal.
  • the non-powered wireless detection apparatus for receiving a call signal, and converts the call signal into a first surface acoustic wave, and if the generation of light by arc discharge is adjusted the impedance
  • An optical sensing module for modulating the amplitude of the first surface acoustic wave to generate an optical response signal, and converting the call signal into a second surface acoustic wave, and a spark signal of a specific frequency band from white noise generated by an arc discharge
  • a spark detection module for modulating the impedance to modulate the amplitude of the second surface acoustic wave to generate a spark response signal.
  • the non-powered wireless sensing device may further include a temperature sensing module converting the call signal into a third surface acoustic wave and converting the third surface acoustic wave whose vibration frequency is changed according to an external temperature change into a temperature response signal.
  • a temperature sensing module converting the call signal into a third surface acoustic wave and converting the third surface acoustic wave whose vibration frequency is changed according to an external temperature change into a temperature response signal. Can be.
  • the optical sensing module may include a first piezoelectric converter configured to generate a first reflective surface acoustic wave, the magnitude of which is changed according to an impedance, in a direction opposite to the propagation direction of the first surface acoustic wave when the first surface acoustic wave propagates;
  • the light sensing unit may detect a light generation of the light output unit and output a corresponding voltage, and an impedance converter configured to adjust the impedance of the first piezoelectric converter based on the output voltage.
  • the spark detection module may include a second piezoelectric converter configured to generate a second reflective surface acoustic wave whose magnitude is changed according to an impedance when the second surface acoustic wave propagates in a direction opposite to the propagation direction of the second surface acoustic wave;
  • a bandpass filter for detecting a spark signal of a specific frequency band from white noise, an RF-DC converter for converting the spark signal to a corresponding output voltage, and an impedance of the second piezoelectric converter based on the output voltage It may include an impedance converter for adjusting the.
  • the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be configured in different forms, and the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to provide general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention.
  • wireless measurement can be performed without using a battery by no power supply, so that the sensing value can be measured in real time.
  • FIG. 1 is a view showing a state of use of the wireless power sensor integrated in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an example of an exploded perspective view of the non-powered wireless integrated sensor of FIG. 1.
  • FIG. 2 is an example of an exploded perspective view of the non-powered wireless integrated sensor of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating an example of the configuration of the unpowered wireless integrated sensor of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an optical sensing module that detects light generation in the wireless non-powered wireless sensor of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a spark detection module detecting a spark occurrence in the wireless power supply sensor of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a process of detecting arc generation based on a specific frequency of white noise in the electric field strength and the spark detection module of FIG.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating another example of the configuration of the wireless power supply integrated sensor of FIG. 2.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating another example of the configuration of the wireless power supply integrated sensor of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a temperature characteristic graph for explaining an operation of a temperature sensing unit detecting a temperature change in the wireless powerless sensor of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of detecting an abnormality using the integrated wireless power supply sensor of FIG. 2.
  • one component when one component is referred to as “connected” or “connected” with another component, the one component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It is to be understood that, unless there is an opposite substrate, it may be connected or connected via another component in the middle.
  • FIG. 1 is a state diagram of use of a wireless power supply-less integrated sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless integrated sensor 100 of FIG. 1 is attached to an accident predicted point of a high voltage power facility such as a high voltage breaker, a high voltage switchgear, a transformer, and a transmission line such as various facilities that perform power management such as power generation and water / distribution.
  • a high voltage power facility such as a high voltage breaker, a high voltage switchgear, a transformer, and a transmission line
  • various facilities that perform power management such as power generation and water / distribution.
  • an external measurement device Interrogation Device, ECU
  • the predicted accident point is concentrated on the connection part 10 such as a bus bar or breaker inlet part, and the fastening bolts restraining the connection part 10 are loosened by the continuous vibration of the facility, so that a high current
  • the contact resistance of the connection part 10 which flows increases, and temperature rises.
  • the non-powered wireless integrated sensor 100 receives an RF interrogation signal transmitted from an external ECU 200 and surfaces the call signal using one or more SAW transponders provided in the sensor. Reverse piezoelectric conversion to Surface Acoustic Wave (SAW), and whether the external arc discharge or temperature change is reflected on the surface acoustic wave, and then piezoelectric to SAW echo signal (hereinafter referred to as response signal). It converts and sends it to the external ECU 200.
  • the non-powered wireless integrated sensor 100 may detect light or spark generated by arc generation in addition to temperature to determine whether the arc is discharged.
  • the non-powered wireless integrated sensor 100 of the present invention is detected in the process of detecting the external arc discharge and / or the temperature change by exchanging a call signal and a response signal between the non-powered wireless integrated sensor 100 and the ECU 200.
  • Wireless sensing is possible without the need for a separate power supply or battery.
  • FIG. 2 is a schematic outline view of one embodiment of a non-powered wireless integrated sensor 100 according to the present invention.
  • the powerless wireless integrated sensor 100 includes an antenna 110 and an integrated sensor module 120.
  • the antenna 110 and the integrated sensor module 120 are mounted on the metal base 104 and protected from the outside by the antenna cover 102 fastened to the metal base 104.
  • the light detecting unit 130 for detecting light generated outside the sensor is disposed above the antenna cover 102.
  • the metal base 104 may be formed with a left side (washer) on one side so as to be fixed to the connection bolt fastening bolt, such as a bus bar (bar) or breaker inlet.
  • FIG 3 illustrates a detailed structure of the integrated sensor module 120, the antenna 110 connected thereto, and the light detector 130.
  • the integrated sensor module 120 may include a first arc SAW 122, a first impedance transformer 123, a second arc SAW 124, and a second impedance converter 125. It may be configured to include an RF-DC converter 126 and a band pass filter 127. Sensor modules with more or fewer components may be implemented.
  • the antenna 110 receives a wireless call signal transmitted from an external ECU 200 to detect a light SAW transponder (hereinafter referred to as a first arc SAW) 122 and a spark detection SAW transponder (hereinafter referred to as a second). Arc SAW). In addition, the antenna 110 transmits a high frequency reflected signal (hereinafter, referred to as a response signal) generated by piezoelectric phenomenon of surface acoustic waves generated by the first arc SAW 122 or the second arc SAW 124. Send it out.
  • a light SAW transponder hereinafter referred to as a first arc SAW
  • a spark detection SAW transponder hereinafter referred to as a second.
  • Arc SAW a high frequency reflected signal
  • the first arc SAW 122 is used as the primary transmission medium to enable use as an arc sensor device through light sensing.
  • the first arc SAW 122 converts the call signal received from the antenna 110 into a surface acoustic wave by the reverse piezoelectric effect, generates a reflected surface acoustic wave for the surface acoustic wave, and returns it to the antenna 110.
  • the first arc SAW 122 may convert the amplitude of the reflective surface acoustic wave based on whether the light detector 130 detects the light.
  • the first impedance converter 123 is connected to the sensor interdigital transducer (IDT) of the first arc SAW 122 to vary the characteristic impedance of the sensor IDT connected based on the output voltage of the photodetector 130. .
  • the first impedance converter 123 may be implemented as a FET device, and may receive an output voltage of the photodetector 130 as a gate driving voltage to increase the PN junction between the drain and the source to vary the impedance. have.
  • the light detector 130 detects light generation due to arc discharge and outputs a voltage corresponding thereto.
  • the output DC voltage is input to the gate of the first impedance converter 123.
  • the light detector 130 may be implemented using various types of solar cells, and the magnitude of the output DC voltage is proportional to the intensity of the incident light.
  • FIG. 4 illustrates a structure of an embodiment of the light sensing module including the first arc SAW 122, the first impedance converter 123, and the light detector 130.
  • the first arc SAW 122 transmits the transceiver.
  • the call signal is reverse piezoelectric converted to surface acoustic waves.
  • the generated surface acoustic wave propagates to the opposite sensor IDT 144 while mechanically vibrating the surface of the first arc SAW 122.
  • Equation (1) represents the degree of influence that the amplitude P 11 of the reflected surface acoustic wave is affected by the impedance Z load of the first impedance converter 123.
  • the first impedance converter 123 may be implemented in a FET structure.
  • a source-drain of the FET structure may be connected to both ends of the sensor IDT 144, and an output terminal of the light sensing unit 130 may be connected to a gate.
  • the first impedance converter 123 receives the output voltage of the light detector 130 as a gate driving voltage to control the impedance by controlling the PN junction between the drain and the source.
  • the light detector 130 When light is generated by an external arc discharge, the light detector 130 generates a DC output voltage corresponding to the amount of incident light.
  • the impedance of the first impedance converter 123 is modulated, thereby converting the first impedance.
  • the magnitude of the reflective surface acoustic wave generated by the sensor IDT 144 connected to the unit 123 is changed.
  • the generated reflected surface acoustic waves propagate in the direction of the transmission IDT 142 with the size changed, and the surface acoustic waves are converted into the RF signal by the piezoelectric effect in the transmission IDT 142.
  • the converted RF signal is propagated into the air through the antenna 110 as a response signal, and the external ECU 200 receives the response signal and undergoes a demodulation process, and then calculates a sensing value of the light detector 130.
  • the light sensing unit 130 may determine whether light is detected and determine whether an arc is generated through the light sensing unit 130.
  • the second arc SAW 124 is used as a primary transmission medium to enable use as an arc sensor device using spark detection.
  • the second mark SAW 124 converts the call signal received from the antenna 110 into a surface acoustic wave by the reverse piezoelectric effect, generates a reflected surface acoustic wave for the surface acoustic wave, and transmits the reflected surface acoustic wave to the antenna 110.
  • the second arc SAW 124 may convert the amplitude of the reflected surface acoustic wave based on the white noise of a specific frequency band detected by the band pass filter 127.
  • the second impedance converter 125 is connected to the sensor IDT of the second arc SAW 124 to vary the characteristic impedance of the connected sensor IDT based on the output voltage of the RF-DC converter 126. Similar to the first impedance converter 123, the second impedance converter 125 may be implemented as a FET device. The second impedance converter 125 may receive an output voltage of the RF-DC converter 126 as a gate driving voltage and may be disposed between the drain and the source. The impedance can be varied by increasing the PN junction.
  • the band pass filter 127 filters a specific frequency band from the white noise caused by the arc discharge (spark) and transmits the specific frequency band to the RF-DC converter 126 at a later stage.
  • FIG. 6 shows electric field strengths according to frequency bands of white noise generated by sparks accompanying arc generation.
  • graph A is a white noise spectrum due to an arc discharge when an arc is generated in a busbar
  • graph B represents a background noise spectrum in a steady state.
  • the electric field strength of the frequency 30MHz ⁇ 100MHz band appears very high compared to the background noise.
  • the band pass filter 127 filters a frequency of a specific frequency band, for example, an 80 MHz band as shown in P of FIG. 6 and transmits the filtered frequency to the RF-DC converter 126 at a later stage.
  • the RF-DC converter 126 converts an input signal of a specific frequency band to a DC level and outputs the converted signal.
  • the output DC voltage is input to the gate of the second impedance converter 125.
  • the RF-DC converter 126 may be implemented using a schottky diode, and the magnitude of the output DC voltage is proportional to the strength of the input frequency signal.
  • FIG. 5 illustrates an embodiment of a spark sensing module including the second arc SAW 124, the second impedance converter 125, the RF-DC converter 126, and the band pass filter 127. The structure is shown.
  • the transmission IDT 146 of the second arc SAW 124 is input.
  • the call signal is inverted piezoelectric to surface acoustic waves.
  • the generated surface acoustic waves propagate to the opposite sensor IDT 148 while mechanically vibrating the surface of the second arc SAW 124.
  • the sensor IDT 148 When the surface acoustic wave reaches the sensor IDT 148, the sensor IDT 148 generates the reflective surface acoustic wave in a direction opposite to the surface acoustic wave. At this time, the magnitude of the generated surface acoustic wave is affected by the impedance of the second impedance converter 125 connected to the sensor IDT 148.
  • the second impedance converter 125 may be implemented in a FET structure similar to the first impedance converter 123, and source-drain of the FET structure is connected to both ends of the sensor IDT 148, and a gate The output terminal of the RF-DC converter 126 may be connected.
  • the second impedance converter 125 receives the output voltage of the RF-DC converter 126 as a gate driving voltage to control the impedance by controlling the PN junction between the drain and the source.
  • the RF-DC converter 126 receives a frequency signal of a specific band filtered by white noise due to arc discharge from the band pass filter 127 and outputs a DC voltage.
  • the impedance of the second impedance converter 125 is modulated, thereby causing the second The magnitude of the reflective surface acoustic wave generated by the sensor IDT 148 connected to the impedance converter 125 is changed.
  • the generated reflected surface acoustic wave propagates in the direction of the transmission IDT 146 with the size changed, and the surface acoustic wave is converted into the RF signal by the piezoelectric effect in the transmission IDT 146, and is transmitted as a response signal through the antenna 110.
  • the external ECU 200 may check whether the arc discharge based on the response signal.
  • Figure 7 shows another embodiment of the wireless power sensor integrated 100 of the present invention.
  • the integrated sensor module 120 further includes a temperature SAW transponder (hereinafter, referred to as a temperature SAW) 121 that is a temperature sensing module as compared to the integrated sensor module 120 of FIG. 3.
  • a temperature SAW transponder hereinafter, referred to as a temperature SAW
  • the temperature SAW 121 converts the call signal received from the antenna 110 into a surface acoustic wave by the reverse piezoelectric effect in the transmission IDT.
  • the converted surface acoustic waves propagate in both directions of the piezoelectric substrate.
  • the elastic energy (elastic energy) of the surface acoustic wave is maximized at the resonant frequency, which may be varied by the temperature of the temperature SAW 121.
  • the length of the piezoelectric substrate of the temperature SAW 121 is thermally expanded by the ambient temperature, which changes the group velocity of the surface acoustic wave.
  • the change in the group velocity of the surface acoustic waves induces a change in the resonance frequency of the surface acoustic waves.
  • the elastic energy of the surface acoustic wave whose resonance frequency is converted is converted into radio wave energy including resonance frequency information by the piezoelectric effect, and the converted radio wave energy is conveyed to the outside through the antenna 110 as an echo signal. .
  • the external ECU 200 may receive the response signal and analyze the response signal to calculate an actual value of the temperature applied to the temperature SAW 121.
  • the resonance frequency response characteristics of the temperature SAW 121 according to the temperature has a linear characteristic in a wide range. Therefore, by identifying the resonance frequency of the response signal received from the temperature SAW 121, it is possible to accurately grasp the temperature at the time when the response signal is sent.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of detecting an abnormality using the integrated wireless power supply sensor of FIG. 2. In the following description, descriptions overlapping with those described above will be omitted.
  • the external ECU 200 generates an RF call signal and transmits it to the outside by time / frequency modulation it (S10 to S30).
  • the call signal may be transmitted periodically at regular intervals or may be manually transmitted by an administrator.
  • the wireless power sensor 100 receives the call signal through the antenna 110, and transmits the received call signal to the first arc SAW 122 and the second arc SAW 124 connected to the antenna 110. And transmits to the temperature SAW 121 (S100).
  • Each SAW transponder 121, 122, 124 converts the transmitted call signal from the IDT to the surface acoustic wave in step S110.
  • the converted surface acoustic waves are modulated according to the resonance frequency or the impedance change of the surface acoustic waves according to whether the temperature change or the arc is detected during propagation and reflection along the piezoelectric substrate (S112, S114, and S120).
  • the surface acoustic wave modulated with the resonant frequency or magnitude is piezoelectrically converted into a response signal (S130), and then is transmitted to the outside through the antenna 110 after performing a frequency filtering operation (S140. S150).
  • the transmitted response signal is received by the ECU 200 (S210), after the amplification process and the demodulation process (S220), and extracts the necessary sensing values to check whether the arc is generated and the temperature change (S230).
  • the non-powered wireless integrated sensor 100 of the present invention is attached to an accident predicted point of a high voltage power equipment such as a high voltage circuit breaker, and detects the occurrence of bright light or spark accompanying the temperature change and arc generation, By measuring the occurrence in real time, and by transmitting the measured sensing telegram to the external ECU, it is possible to determine in real time whether there is an abnormality of the facility.
  • a high voltage power equipment such as a high voltage circuit breaker
  • the wireless integrated sensor 100 of the present invention does not need to provide a separate power source while real-time to determine whether the temperature change or the arc occurs, and it is easy to remotely control and detect the information transmitted and received wirelessly It can solve the problem of the limitation of place.

Landscapes

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Abstract

전력 시설에 설치되어 설비의 이상징후를 파악하기 위한 무전원 무선 감지 장치가 제공된다. 상기 무전원 무선 감지 장치는, 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부와, 상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하는 제1 압전 변환부와, 상기 제1 압전 변환부로부터 전파된 상기 표면 탄성파를 임피던스 변화를 기초로 진폭 변조하여 상기 제1 압전 변환부로 반사하는 제2 압전 변환부와, 아크 방전에 의한 광 발생을 감지하여 상응하는 전압을 출력하는 광 감지부, 그리고 상기 제2 압전 변환부에 연결되고, 상기 광 감지부의 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함하며, 상기 응답 신호는 상기 임피던스의 변화에 기초하여 변조된 진폭을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

무전원 무선 통합 센서
본 발명은 무전원 무선 통합 센서에 관한 것으로서 특히 고압 차단기와 같은 전력 시설에 설치되어 아크 발생이나 폭발 등 설비의 이상징후를 파악하기 위한 무전원 무선 통합 센서에 관한 것이다.
산업용 전력 설비 또는 대형 내연 기관 등과 같은 대형 산업용 설비의 경우에 장비의 고장은 대형 사고를 초래할 뿐 아니라 설비의 운행 중단으로 인해 경제적으로 막대한 피해를 입히게 된다. 따라서, 대형 산업용 설비를 운용하는 사업장에서는 장비의 고장여부를 실시간으로 감시할 수 있는 시스템의 구축이 필수적이다. 이와 같이 장비의 상태를 실시간으로 모니터링하여 이상 징후를 조기에 발견하고 이를 기초로 장비의 고장 여부 및 고장 가능성을 사전에 판단하여 정비를 수행하는 시스템을 상태진단 관리 시스템(Condition based Maintenance System: CMS)라고 하며, 그 중에서도 이상값 징후를 발견하고 이를 통해 정비를 수행하여 고장 발생을 사전에 방지하고자 하는 시스템을 예지정비(Predictive Maintenance) 시스템이라고 한다.
이러한 상태진단 관리 시스템이 요구되는 산업용 설비에는 디젤 발전기나 선박엔진 등과 같은 대형 내연기관 회전설비 또는 고압 차단기와 같은 전력시설 보호설비 등이 있다. 특히, 기반시설인 고압 차단기와 같은 전력시설 보호설비는 모든 생산시설에서는 필수적으로 구성되어 있을 뿐 아니라 한국전력이 관리하는 고압 차단기는 전국에 300,000개에 이를 정도로 많다. 이러한 고압 차단기의 고장은 연동되는 설비의 폭발이나 장해로 발전되므로 이러한 고압 차단기의 고장을 사전에 방지할 필요가 있다.
한편, 고압 전력설비에서 아크(Arc) 발생은 가장 치명적인 사고로서 대부분의 경우에 설비의 부분 파손이나 완전 파손을 초래하며, 이로 인해 전력중단에 의한 조업 중단 및 수용가 전력 공급 중단에 이르게 된다. 아크가 발생하게 되면 열과 함께 강한 빛을 발생시키게 되므로 이를 감지할 수 있다면 아크 발생으로 인한 피해를 최소화할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고압 발전기 등의 전력 설비의 초기 이상 상태를 감지하여 설비 고장을 방지하기 위한 무전원 무선 통합 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고압 전력설비에서 아크가 발생된 경우에 이를 실시간으로 감지함과 동시에, 아크 발생에 동반되는 온도 상승을 감지하여 전력 설비의 이상 발생 여부를 정확히 파악할 수 있는 무전원 무선 통합 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 무전원으로 구동되며 실시간으로 무선 계측이 가능한 무전원 무선 통합 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 무전원 무선 감지 장치는, 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부와, 상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하는 제1 압전 변환부와, 상기 제1 압전 변환부로부터 전파된 상기 표면 탄성파를 임피던스 변화를 기초로 진폭 변조하여 상기 제1 압전 변환부로 반사하는 제2 압전 변환부와, 아크 방전에 의한 광 발생을 감지하여 상응하는 전압을 출력하는 광 감지부, 그리고 상기 제2 압전 변환부에 연결되고, 상기 광 감지부의 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함하며, 상기 응답 신호는 상기 임피던스의 변화에 기초하여 변조된 진폭을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무전원 무선 감지 장치는 상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 온도 감지부에서, 상기 표면 탄성파의 진동 주파수의 변화는 외부의 온도 변화에 따른 압전 기판의 길이 변화로 인한 상기 표면 탄성파의 속도 변화에 기인하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 변환부는 상기 광 감지부의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 임피던스 값을 조정하는 FET 소자를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 무전원 무선 감지 장치는, 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부와, 상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하는 제1 압전 변환부와, 상기 제1 압전 변환부로부터 전파된 상기 표면 탄성파를 임피던스 변환을 기초로 진폭 변조하여 상기 제1 압전 변환부로 반사하는 제2 압전 변환부와, 아크 방전에 의해 발생되는 백색잡음으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호를 검출하는 대역통과 필터와, 상기 스파크 신호를 대응되는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 RF-DC 변환부, 그리고 상기 제2 압전 변환부에 연결되고, 상기 변환된 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함하며, 상기 응답 신호는 상기 임피던스의 변화에 기초하여 변조된 진폭을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무전원 무선 감지 장치는 상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 온도 감지부에서, 상기 표면 탄성파의 진동 주파수의 변화는 외부의 온도 변화에 따른 압전 기판의 길이 변화로 인한 상기 표면 탄성파의 속도 변화에 기인하는 것일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 변환부는 상기 RF-DC 변환부의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 임피던스 값을 조정하는 FET 소자를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 RF-DC 변환부는 상기 스파크 신호를 정류하여 DC 전압으로 출력하기 위한 하나 이상의 쇼트키 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 무전원 무선 감지 장치는, 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부와, 상기 호출 신호를 제1 표면 탄성파로 변환하고, 아크 방전에 의한 광 발생이 감지되면 임피던스의 조절을 통해 상기 제1 표면 탄성파의 진폭을 변조하여 광 응답 신호를 생성하는 광 감지 모듈, 그리고 상기 호출 신호를 제2 표면 탄성파로 변환하고, 아크 방전에 의해 발생된 백색잡음으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호가 검출되면 임피던스를 조절하여 상기 제2 표면 탄성파의 진폭을 변조하여 스파크 응답 신호를 생성하는 스파크 감지 모듈을 포함한다.
여기서, 상기 무전원 무선 감지 장치는, 상기 호출 신호를 제3 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 제3 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지 모듈을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 광 감지 모듈은, 상기 제1 표면 탄성파가 전파되면 임피던스에 따라 크기가 변화된 제1 반사 표면 탄성파를 상기 제1 표면 탄성파의 전파 방향과 반대 방향으로 발생시키는 제1 압전 변환부와, 외부의 광 발생을 감지하여 상응하는 전압을 출력하는 광 감지부, 그리고 상기 출력 전압을 기초로 상기 제1 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 스파크 감지 모듈은, 상기 제2 표면 탄성파가 전파되면 임피던스에 따라 크기가 변화된 제2 반사 표면 탄성파를 상기 제2 표면 탄성파의 전파 방향과 반대 방향으로 발생시키는 제2 압전 변환부와, 상기 백색잡읍으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호를 검출하는 대역통과 필터와, 상기 스파크 신호를 대응되는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 RF-DC 변환부, 그리고 상기 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 무전원 구동으로 배터리를 사용하지 않으면서 무선 계측이 가능하여 센싱값을 실시간으로 계측할 수 있게 된다.
또한, 고압 전력설비에서 발생되는 고장의 주요 원인인 아크 발생이나 폭발 등으로 인하여 발생되는 고온의 열이나 강한 빛, 또는 스파크 등을 감지하여 설비의 이상 여부를 정확히 진단할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 무선 통합 센서의 사용 상태를 도시한 도면
도 2는 도 1의 무전원 무선 통합 센서의 분해 사시도의 일례
도 3은 도 2의 무전원 무선 통합 센서의 구성의 일례를 개략적으로 도시한 블록도
도 4는 도 2의 무전원 무선 통합 센서에서 광 발생을 감지하는 광 감지 모듈의 구성을 도시한 도면
도 5는 도 2의 무전원 무선 통합 센서에서 스파크 발생을 감지하는 스파크 감지 모듈의 구성을 도시한 도면
도 6은 아크 발생시의 전계 강도 및 도 5의 스파크 감지 모듈에서 백색 잡음의 특정 주파수를 기준으로 아크 발생을 감지하는 과정이 도시된 도면
도 7은 도 2의 무전원 무선 통합 센서의 구성의 다른 예를 개략적으로 도시한 블록도
도 8은 도 7의 무전원 무선 통합 센서에서 온도 변화를 감지하는 온도 감지부의 동작을 설명하기 위한 온도 특성 그래프
도 9는 도 2의 무전원 무선 통합 센서를 이용한 이상 감지 방법을 도시한 흐름도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 무전원 통합 센서를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 무선 통합 센서의 사용 상태도이다.
도 1의 무전원 무선 통합 센서(100)는 발전, 수/배전 등 전력관리를 수행하는 각종 설비, 예를 들어, 고압 차단기, 고압 배전반, 변압기 및 송전선로 등의 고전압 전력설비의 사고 예상 지점에 부착되어 온도 과열 여부 및 아크 발생 여부를 동시에 측정하고 이를 외부 측정 장치(Interrogation Device, 이하 ECU)(200)로 무선으로 전송한다. 이때, 상기 사고 예상 지점은 부스바(bus bar)나 차단기 인입부와 같은 연결 부위(10)에 집중되며, 상기 연결 부위(10)를 구속하는 체결 볼트가 설비의 지속적 진동에 의해 느슨하게 되어 고전류가 흐르는 연결 부위(10)의 접촉 저항이 증대되어 온도가 상승한다.
상기 무전원 무선 통합 센서(100)는 외부의 ECU(200)로부터 송출되는 RF 호출 신호(Interrogation signal)를 수신하고, 센서 내부에 구비된 하나 이상의 SAW 트랜스폰더(transponder)를 이용하여 상기 호출 신호를 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave: SAW)로 역압전 변환하고, 외부에서의 아크(Arc) 방전 여부 또는 온도 변화를 상기 표면 탄성파에 반영한 후 다시 고주파 반사 신호(SAW echo signal, 이하 응답 신호라고 함)로 압전 변환하여 외부의 ECU(200)로 송출한다. 이때, 상기 아크 방전 여부를 판단하기 위하여 무전원 무선 통합 센서(100)는 온도 이외에 아크 발생에 의해 발생되는 광 또는 스파크를 감지할 수 있다.
이와 같이, 무전원 무선 통합 센서(100)와 ECU(200)간의 호출 신호 및 응답 신호의 교환을 통해 외부의 아크 방전 여부 및/또는 온도 변화를 감지하는 과정에서 본 발명의 무전원 무선 통합 센서(100)는 별도의 전원이나 배터리를 필요로 하지 않으면서도 무선 센싱이 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 무전원 무선 통합 센서(100)의 일 실시예의 개략적인 외형도이다.
도 2를 참조하면, 상기 무전원 무선 통합 센서(100)는 안테나(110) 및 통합 센서 모듈(120)을 포함한다. 상기 안테나(110) 및 통합 센서 모듈(120)은 메탈 베이스(104)의 상부에 거치되고, 상기 메탈 베이스(104)에 체결되는 안테나 커버(102)에 의해 외부로부터 격리되어 보호된다. 상기 안테나 커버(102)의 상부에는 센서 외부에서 발생되는 광을 감지하기 위한 광 감지부(130)가 배치된다. 상기 메탈 베이스(104)는 부스바(bus bar)나 차단기 인입부 등의 연결부 체결볼트에 삽입 고정될 수 있도록 일측에 좌철(washer)이 형성될 수 있다.
도 3에는 상기 통합 센서 모듈(120) 및 이에 연결되는 안테나(110), 광 감지부(130)의 세부 구조가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 통합 센서 모듈(120)은 제1 아크 SAW(122), 제1 임피던스 변환부(impedance transformer)(123), 제2 아크 SAW(124), 제2 임피던스 변환부(125), RF-DC 변환부(126) 및 대역 통과 필터(band pass filter)(127)를 포함하도록 구성될 수 있다. 그보다 많은 구성요소를 갖거나 그보다 적은 구성요소를 갖는 센서 모듈이 구현될 수도 있다.
상기 안테나(110)는 외부의 ECU(200)에서 송출한 무선 호출 신호를 수신하여 광 감지용 SAW 트랜스폰더(이하, 제1 아크 SAW)(122) 및 스파크 감지용 SAW 트랜스폰더(이하, 제2 아크 SAW)(124)로 전달한다. 또한, 안테나(110)는 제1 아크 SAW(122) 또는 제2 아크 SAW(124)에서 생성된 표면 탄성파의 압전 현상에 의해 생성된 고주파 반사 신호(이하, 응답 신호)를 외부의 ECU(200)로 송출한다.
상기 제1 아크 SAW(122)는 광 감지를 통한 아크 센서 장치로 사용이 가능하도록 하는 주요한 전송 매체로 사용된다. 제1 아크 SAW(122)는 안테나(110)로부터 수신된 호출 신호를 역압전 효과에 의해 표면 탄성파로 변환시키고, 표면 탄성파에 대한 반사 표면 탄성파를 생성하여 이를 안테나(110)로 반환한다. 이 과정에서, 제1 아크 SAW(122)는 광 감지부(130)에서의 광 감지 여부를 기초로 반사 표면 탄성파의 진폭을 변환할 수 있다.
상기 제1 임피던스 변환부(123)는 제1 아크 SAW(122)의 센서 IDT(inter Digital Transducer)에 연결되어, 광 감지부(130)의 출력 전압을 기초로 연결된 센서 IDT의 특성 임피던스를 가변시킨다. 상기 제1 임피던스 변환부(123)는 FET 소자로 구현될 수 있으며, 광 감지부(130) 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 드레인-소스 간의 PN 접합(junction)을 증가시켜서 임피던스를 가변시킬 수 있다.
상기 광 감지부(130)는 아크 방전에 의한 광 발생을 감지하여 이에 상응하는 전압을 출력한다. 출력된 DC 전압은 상기 제1 임피던스 변환부(123)의 게이트에 입력된다. 이때, 상기 광 감지부(130)는 다양한 종류의 태양 전지(solar cell) 등을 이용하여 구현될 수 있으며, 출력되는 DC 전압의 크기는 입사되는 광의 세기에 비례한다.
이와 관련하여, 도 4에는 상기 제1 아크 SAW(122), 제1 임피던스 변환부(123) 및 광 감지부(130)로 구성되는 광 감지 모듈의 일 실시예의 구조가 도시되어 있다.
도 4를 참조하여 예를 들면, 외부의 ECU(200)에서 무전원 무선 통합 센서(100)로 입사된 RF 호출 신호가 안테나(110)로 입사되면 상기 제1 아크 SAW(122)의 전송(transceiver) IDT(142)에서 상기 호출 신호가 표면 탄성파로 역압전 변환(converse piezoelectric conversion)된다. 생성된 표면 탄성파는 제1 아크 SAW(122)의 표면을 기계적으로 진동시키면서 반대편의 센서 IDT(144)까지 전파(propagation) 진행한다.
상기 표면 탄성파가 센서 IDT(144)에 도달하면 센서 IDT(144)는 표면 탄성파와 반대 방향으로 반사 표면 탄성파를 생성한다. 이때, 생성된 반사 표면 탄성파의 크기는 센서 IDT(144)에 연결된 제1 임피던스 변환부(123)의 임피던스에 영향을 받게 된다. 아래의 식 (1)은 반사 표면 탄성파의 진폭(P11)이 제1 임피던스 변환부(123)의 임피던스(Zload)에 의해 받는 영향 정도를 표시하고 있다.
Figure PCTKR2015010804-appb-I000001
식 (1)
상기 제1 임피던스 변환부(123)는 FET 구조로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 FET 구조의 소스(source)-드레인(drain)은 상기 센서 IDT(144)의 양단에 연결되고, 게이트(gate)에는 광 감지부(130)의 출력단이 연결될 수 있다.
제1 임피던스 변환부(123)는 광 감지부(130)의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 드레인-소스 간의 PN 접합을 제어함으로써 임피던스를 조절한다. 외부의 아크 방전에 의한 광 발생시 광 감지부(130)는 입사된 광량에 상응하는 DC 출력 전압을 생성한다.
광 감지부(130)의 출력단을 통해 상기 DC 출력 전압이 제1 임피던스 변환부(123)의 게이트로 인가되면, 상기 제1 임피던스 변환부(123)의 임피던스가 변조되고 이로 인해 상기 제1 임피던스 변환부(123)에 연결된 상기 센서 IDT(144)에서 생성되는 반사 표면 탄성파의 크기가 변화된다.
생성된 반사 표면 탄성파는 크기가 변화된 상태로 전송 IDT(142) 방향으로 전파되고, 전송 IDT(142)에서 압전 효과에 의해 표면 탄성파가 RF 신호로 변환된다. 변환된 RF 신호는 응답 신호로서 상기 안테나(110)를 통해 공기 중으로 전파되고, 외부의 ECU(200)는 상기 응답 신호를 수신하여 복조 과정을 거친 후 광 감지부(130)의 센싱 값을 연산함으로써 광 감지부(130)에서의 광 감지 여부를 판단하고 이를 통해 아크 발생 여부를 확인할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 제2 아크 SAW(124)는 스파크 감지를 이용한 아크 센서 장치로 사용이 가능하도록 하는 주요한 전송 매체로 사용된다. 제2 마크 SAW(124)는 안테나(110)로부터 수신된 호출 신호를 역압전 효과에 의해 표면 탄성파로 변환시키고, 표면 탄성파에 대한 반사 표면 탄성파를 생성하여 이를 안테나(110)로 전달한다. 이 과정에서 제2 아크 SAW(124)는 대역 통과 필터(127)를 통해 검출된 특정 주파수 대역의 백색잡음을 기초로 상기 반사 표면 탄성파의 진폭을 변환할 수 있다.
상기 제2 임피던스 변환부(125)는 제2 아크 SAW(124)의 센서 IDT에 연결되어, RF-DC 변환부(126)의 출력 전압을 기초로 연결된 센서 IDT의 특성 임피던스를 가변시킨다. 제2 임피던스 변환부(125)도 상기 제1 임피던스 변환부(123)와 마찬가지로 FET 소자로 구현될 수 있으며, RF-DC 변환부(126)의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 드레인-소스 간의 PN 접합을 증가시켜서 임피던스를 가변시킬 수 있다.
대역 통과 필터(band pass filter)(127)는 아크 방전(스파크)에 의한 백색 잡음에서 특정 주파수 대역을 필터링하여 후단의 RF-DC 변환부(126)로 전달한다.
이와 관련하여, 도 6에는 아크 발생시 수반되는 스파크에 의해 발생되는 백색잡음의 주파수 대역에 따른 전계 강도(electric field strength)가 표시되어 있다.
도 6을 참조하여 설명하면, 그래프 A는 부스바에서 아크가 발생된 때의 아크 방전에 의한 백색잡음 스펙트럼이며, 그래프 B는 정상 상태에서의 배경잡음 스펙트럼을 표시하고 있다. 상기 그래프에서 알 수 있듯이, 부스바에서 직렬아크가 발생한 경우에 주파수 30MHz ~ 100MHz 대역의 전계강도가 배경잡음에 비해 매우 높게 나타난다.
상기 대역 통과 필터(127)는 특정 주파수 대역, 예를 들어, 도 6의 P와 같이 80MHz 대역의 주파수를 필터링하여 후단의 RF-DC 변환부(126)로 전달한다.
상기 RF-DC 변환부(126)는 입력된 특정 주파수 대역의 신호를 DC 레벨로 변환하여 출력한다. 출력된 DC 전압은 상기 제2 임피던스 변환부(125)의 게이트에 입력된다. 이때, 상기 RF-DC 변환부(126)는 쇼트키(schottky) 다이오드 등을 이용하여 구현될 수 있으며, 출력되는 DC 전압의 크기는 입력되는 주파수 신호의 세기에 비례한다.
이와 관련하여, 도 5에는 상기 제2 아크 SAW(124), 제2 임피던스 변환부(125), RF-DC 변환부(126) 및 대역 통과 필터(127)로 구성되는 스파크 감지 모듈의 일 실시예의 구조가 도시되어 있다.
도 5를 참조하여 설명하면, 외부의 ECU(200)에서 무전원 무선 통합 센서(100)로 입사된 RF 호출 신호가 안테나(110)로 입사되면, 상기 제2 아크 SAW(124)의 전송 IDT(146)에서 상기 호출 신호가 표면 탄성파로 역압전 변환된다. 생성된 표면 탄성파는 제2 아크 SAW(124)의 표면을 기계적으로 진동시키면서 반대편의 센서 IDT(148)까지 전파 진행한다.
상기 표면 탄성파가 센서 IDT(148)에 도달하면 센서 IDT(148)는 표면 탄성파와 반대 방향으로 반사 표면 탄성파를 생성한다. 이때, 생성된 반사 표면 탄성파의 크기는 센서 IDT(148)에 연결된 제2 임피던스 변환부(125)의 임피던스에 영향을 받게 된다.
상기 제2 임피던스 변환부(125)는 상기 제1 임피던스 변환부(123)과 마찬가지로 FET 구조로 구현될 수 있으며, 상기 FET구조의 소스-드레인은 상기 센서 IDT(148)의 양단에 연결되고, 게이트에는 RF-DC 변환부(126)의 출력단이 연결될 수 있다.
상기 제2 임피던스 변환부(125)는 RF-DC 변환부(126)의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 드레인-소스 간의 PN 접합을 제어함으로써 임피던스를 조절한다. 상기 RF-DC 변환부(126)는 대역 통과 필터(127)로부터 아크 방전에 의한 백색잡음에서 필터링된 특정 대역의 주파수 신호를 입력받아 DC 전압을 출력한다.
RF-DC 변환부(126)의 출력단을 통해 상기 DC 출력 전압이 제2 임피던스 변환부(125)의 게이트로 인가되면, 제2 임피던스 변환부(125)의 임피던스가 변조되고, 이로 인해 상기 제2 임피던스 변환부(125)에 연결된 상기 센서 IDT(148)에서 생성되는 반사 표면 탄성파의 크기가 변화된다.
생성된 반사 표면 탄성파는 크기가 변화된 상태로 전송 IDT(146) 방향으로 전파되고, 전송 IDT(146)에서 압전 효과에 의해 표면 탄성파가 RF 신호로 변환되어, 상기 안테나(110)를 통해 응답 신호로서 외부로 전파되고, 외부의 ECU(200)는 상기 응답 신호 기초로 아크 방전 여부를 확인할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 무전원 무선 통합 센서(100)의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 통합 센서 모듈(120)은 도 3의 통합 센서 모듈(120)과 비교하여 온도 감지 모듈인 온도 SAW 트랜스폰더(이하, 온도 SAW)(121)를 더 포함한다. 이하 설명에서 전술된 것과 중복되는 내용은 생략한다.
상기 온도 SAW(121)는 안테나(110)에서 수신된 호출 신호를 전송 IDT에서 역압전 효과에 의해 표면 탄성파로 변환시킨다. 변환된 표면 탄성파는 압전 기판의 양방향으로 전파 진동한다.
이때, 표면 탄성파의 탄성 에너지(elastic energy)는 공진 주파수에서 최대가 되는데, 상기 공진 주파수는 온도 SAW(121)의 온도에 의해 가변될 수 있다. 구체적으로, 주변의 온도에 의해 온도 SAW(121)의 압전 기판의 길이가 열팽창하게 되며, 이는 표면 탄성파의 군속도(group velocity)를 변화시킨다. 표면 탄성파의 군속도의 변화는 표면 탄성파의 공진 주파수의 변화를 유도한다.
공진 주파수가 변환된 표면 탄성파의 탄성 에너지는 압전 효과에 의해 공진 주파수 정보가 포함된 전파 에너지로 변환되며, 변환된 전파 에너지는 상기 안테나(110)를 통해 응답 신호(echo signal)로서 외부로 반송된다.
외부의 ECU(200)는 상기 응답 신호를 수신하고 이를 분석하여 온도 SAW(121)에 작용된 온도의 실제 값을 연산할 수 있다.
도 8에는 이러한 응답 신호의 공진 주파수와 온도와의 관계를 도시하고 있다.
도 8에서 알 수 있듯이, 온도에 따른 온도 SAW(121)의 공진주파수 응답 특성은 넓은 영역에서 선형적인 특성을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 온도 SAW(121)로부터 수신된 응답 신호의 공진 주파수를 파악함으로써 응답 신호가 송출된 시점의 온도를 정확히 파악할 수 있다.
도 9는 도 2의 무전원 무선 통합 센서를 이용한 이상 감지 방법을 도시한 흐름도이다. 이하 설명에서 전술된 것과 중복되는 내용은 생략한다.
먼저, 외부의 ECU(200)에서 RF 호출 신호를 생성하고 이를 시간/주파수 변조하여 외부로 송출한다(S10 ~ S30). 상기 호출 신호의 송신은 일정 간격으로 주기적으로 수행될 수 있으며 관리자가 수동으로 송출할 수도 있다.
이후, 상기 무전원 무선 통합 센서(100)는 안테나(110)를 통해 상기 호출 신호를 수신하고, 수신된 호출 신호를 안테나(110)와 연결된 제1 아크 SAW(122), 제2 아크 SAW(124) 및 온도 SAW(121)로 전달한다(S100).
각 SAW 트랜스폰더(121, 122, 124)에서는 전달된 호출 신호를 IDT에서 표면 탄성파로 역압전 변환한다(S110). 변환된 표면 탄성파는 압전 기판을 따라 전파 및 반사되는 과정에서 온도 변화나 아크 발생 감지 여부에 따라 표면 탄성파의 공진 주파수 또는 임피던스 변경에 따른 크기가 변조된다(S112, S114, S120).
이후, 공진 주파수 또는 크기가 변조된 표면 탄성파는 응답 신호로 압전 변환된 후(S130), 주파수 필터링 등의 작업을 수행한 후에 안테나(110)를 통해 외부로 송출된다(S140. S150).
송출된 응답 신호는 상기 ECU(200)에서 수신되고(S210), 증폭 과정 및 복조 과정을 거친 후(S220), 필요한 센싱값을 추출하여 아크 발생 여부 및 온도 변화를 확인할 수 있다(S230).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무전원 무선 통합 센서(100)는 고압 차단기와 같은 고전압 전력설비의 사고 예상 지점에 부착되어, 온도 변화 및 아크 발생에 수반되는 밝은 빛 또는 스파크의 발생을 감지하여 아크 발생 여부를 실시간으로 측정하고, 측정된 센싱 전보를 외부의 ECU로 전송하여 설비의 이상 여부를 실시간으로 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무전원 무선 통합 센서(100)는 온도 변화나 아크 발생 여부를 실시간으로 파악하면서도 별도의 전력원을 제공할 필요가 없으며 무선으로 정보의 송수신이 이뤄지므로 원격 제어 및 감지가 용이하고 설치 장소의 제약성 등의 문제점을 해소할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부;
    상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하는 제1 압전 변환부;
    상기 제1 압전 변환부로부터 전파된 상기 표면 탄성파를 임피던스 변화를 기초로 진폭 변조하여 상기 제1 압전 변환부로 반사하는 제2 압전 변환부;
    아크 방전에 의한 광 발생을 감지하여 상응하는 전압을 출력하는 광 감지부; 및
    상기 제2 압전 변환부에 연결되고, 상기 광 감지부의 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부;를 포함하며,
    상기 응답 신호는 상기 임피던스의 변화에 기초하여 변조된 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는, 무전원 무선 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지부를 더 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 감지부에서, 상기 표면 탄성파의 진동 주파수의 변화는 외부의 온도 변화에 따른 압전 기판의 길이 변화로 인한 상기 표면 탄성파의 속도 변화에 기인하는 것인,
    무전원 무선 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 변환부는 상기 광 감지부의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 임피던스 값을 조정하는 FET 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  5. 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부;
    상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하는 제1 압전 변환부;
    상기 제1 압전 변환부로부터 전파된 상기 표면 탄성파를 임피던스 변환을 기초로 진폭 변조하여 상기 제1 압전 변환부로 반사하는 제2 압전 변환부;
    아크 방전에 의해 발생되는 백색잡음으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호를 검출하는 대역통과 필터;
    상기 스파크 신호를 대응되는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 RF-DC 변환부; 및
    상기 제2 압전 변환부에 연결되고, 상기 변환된 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부;를 포함하며,
    상기 응답 신호는 상기 임피던스의 변화에 기초하여 변조된 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는, 무전원 무선 감지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 호출 신호를 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지부를 더 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 온도 감지부에서, 상기 표면 탄성파의 진동 주파수의 변화는 외부의 온도 변화에 따른 압전 기판의 길이 변화로 인한 상기 표면 탄성파의 속도 변화에 기인하는 것인,
    무전원 무선 감지 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 임피던스 변환부는 상기 RF-DC 변환부의 출력 전압을 게이트 구동 전압으로 입력받아 임피던스 값을 조정하는 FET 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF-DC 변환부는 상기 스파크 신호를 정류하여 DC 전압으로 출력하기 위한 하나 이상의 쇼트키 다이오드를 포함하여 구성되는,
    무전원 무선 감지 장치.
  10. 호출 신호를 수신하는 호출 신호 수신부;
    상기 호출 신호를 제1 표면 탄성파로 변환하고, 아크 방전에 의한 광 발생이 감지되면 임피던스의 조절을 통해 상기 제1 표면 탄성파의 진폭을 변조하여 광 응답 신호를 생성하는 광 감지 모듈; 및
    상기 호출 신호를 제2 표면 탄성파로 변환하고, 아크 방전에 의해 발생된 백색잡음으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호가 검출되면 임피던스를 조절하여 상기 제2 표면 탄성파의 진폭을 변조하여 스파크 응답 신호를 생성하는 스파크 감지 모듈;을 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 호출 신호를 제3 표면 탄성파로 변환하고, 외부의 온도 변화에 따라 진동 주파수가 변경된 상기 제3 표면 탄성파를 온도 응답 신호로 변환하는 온도 감지 모듈을 더 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은,
    상기 제1 표면 탄성파가 전파되면 임피던스에 따라 크기가 변화된 제1 반사 표면 탄성파를 상기 제1 표면 탄성파의 전파 방향과 반대 방향으로 발생시키는 제1 압전 변환부;
    외부의 광 발생을 감지하여 상응하는 전압을 출력하는 광 감지부; 및
    상기 출력 전압을 기초로 상기 제1 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 스파크 감지 모듈은,
    상기 제2 표면 탄성파가 전파되면 임피던스에 따라 크기가 변화된 제2 반사 표면 탄성파를 상기 제2 표면 탄성파의 전파 방향과 반대 방향으로 발생시키는 제2 압전 변환부;
    상기 백색잡읍으로부터 특정 주파수 대역의 스파크 신호를 검출하는 대역통과 필터;
    상기 스파크 신호를 대응되는 출력 전압으로 변환하여 출력하는 RF-DC 변환부; 및
    상기 출력 전압을 기초로 상기 제2 압전 변환부의 임피던스를 조절하는 임피던스 변환부를 포함하는,
    무전원 무선 감지 장치.
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