[논문]광섬유 센서를 이용한 실시간 온도 감시 시스템

이창근; 김영수; 구명모; 김봉기

doi:10.9708/jksci.2010.15.12.209

광섬유 센서를 이용한 실시간 온도 감시 시스템
Real Time Temperature Monitoring System Using Optic Fiber Sensor 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.15 no.12, 2010년, pp.209 - 216

이창근 (거제대학 조선정보기술학부) , 김영수 ((주)지인정보) , 구명모 (진주산업대학교 컴퓨터공학과) , 김봉기 (진주산업대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

본 광 분포 온도 측정 시스템은 광섬유 자체를 온도 측정용 센서로 이용하는 시스템으로, 한 가닥의 광섬유만을 포설하여 포설된 주변 전체 온도를 수 천 점으로 측정이 가능한 시스템이다. 분포 측정의 경우 측정 점의 수를 많이 할 경우 측정점당 비용을 기존 센서의 비용 수준으로 절감 할 수 있으며 동시에 한 두 가닥의 광섬유로 전체 센서를 연결 할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 일반적으로 통신용으로 사용하는 광케이블 자체를 센서 (optical sensor cable)로 활용하여 최소한 매 1m 간격으로 센서 기능을 할 수 있는 특성을 이용함으로써 각 센서와 수많은 연결선들을 줄이고 시스템은 컴퓨터를 이용하여 데이터저장, 제어나 보관 등 데이터 관리가 용이하며, 실시간 온도 변화에 따른 온도 이력정보를 이용한 실시간 온도 모니터링 시스템을 구축한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Optical Temperature Distribution Sensor Measurement System uses fiber optic sensors itself for temperature measurement is a system which can be measured the Installed surrounding entire temperature as a thousand points by laying a single strand of fiber optic. If there are a lot of measuring points in the distribution Measurement, the cost of each measuring point can be reduced the cost level of existing sensors and at the same time this has the advantage of connecting all sensors as one or two strands of fiber. Generally Optical Fiber is used for communication but Optical Fiber itself can be used for sensor and it has the characteristic of sensor function which can be measured Temperature in the at least each one meter distance. By using these characteristics each sensor and the number of Connection Lines can be reduced. In this paper, we implement a real time temperature monitoring system, which is easy to manage and control for data storage, data management, data storage using a computer and which has the functions of monitoring and correction according to Real-time temperature changes using historical temperature data.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존 센서가 가지는 문제점을 해결하고 광센서가 가지는 장점을 이용하여 주변온도를 측정할 수 있는 온도 이력정보 자동분석시스템을 구축하였다. 광섬유 자체를 온도 측정용 센서로 이용하였으며, 한 가닥의 광섬유만을 포설하여 포설된 주변 전체 온도를 수 천 점으로 측정이 가능하도록 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 기존 센서가 가지는 문제점을 해결하고 광센서가 가지는 장점을 이용하여 주변온도를 측정할 수 있는 온도 이력정보 자동분석시스템을 구축하였다. 광섬유 자체를 온도 측정용 센서로 이용하였으며, 한 가닥의 광섬유만을 포설하여 포설된 주변 전체 온도를 수 천 점으로 측정이 가능하도록 하였다. 분포 측정의 경우 측정 점의 수를 크게 할 경우 측정점당 비용을 기존 센서의 비용 수준으로 절감 할 수 있으며 동시에 한 두 가닥의 광섬유로 전체 센서를 연결 할 수 있는 장점이 있다.
온도를 감지할 수 있는 센서는 일반적으로 통신용으로 사용하는 광케이블 자체를 센서(optical sensor cable)로 활용하도록 한다. 광센서 구성은 최소 매1m 간격으로 센서 기능을 할 수 있는 특성을 이용하고 각 센서와 수많은 연결선들을 줄이고 시스템은 컴퓨터를 이용하여 데이터저장, 제어나 보관 등 데이터 관리가 용이하도록 하고 실시간 온도 변화를 감지하고, 온도 값의 차이가 발생하였을 경우에는 데이터베이스에 저장된 온도이력정보를 이용하여 비교, 분석, 감시 및 보정 기능을 자동으로 처리하는 실시간 온도 모니터링 시스템을 구축하였다.
이 구간은 외부 온도의 변화가 발생한 시점으로써 주변의 고장, 화재 등으로 인한 요인이 적용될 수 있다. 따라서 화재로 인한 온도 상승에 대한 처리를 진행하였다. 그림에서와 같이 기존 이력온도와의 편차가 크기 때문에 문제를 진단하고 쉽게 해결할 수 있었다.
본 논문의 실험은 윈도우XP를 기반으로 구현된 실시간 온도 모니터링 시스템을 이용하였으며 측정온도 대역은 -200°C ~ +500°C이며, 상하좌우의 각 1m 범위 안에 분포 온도를 측정하며 실시간 오차범위는 0.001°C ~ 1°C의 조건을 적용하였다.
그림 3에서 만일 문제가 발생한 경우에는 고장을 진단하고 즉시 고장 부위를 수리한다. 수리 후 온도 변화 과정을 감시하고 동일한 구간의 Tray를 상호 비교한다. 만일 아무런 문제가 없는 경우에는 측정된 온도정보를 이력 온도 데이터베이스에 저장한다.
001°C ~ 1°C의 조건을 적용하였다. 실제 특정지역에 온도 변화를 주어 자동분석 시스템의 동작의 효율성과 문제발생에 대하여 신속한 대처를 비교하도록 한다. 기존 온도센서를 이용하였을 경우는 그림 8과 그림 9에서 측정되는 온도 변화에 대한 모니터링결과만 확인할 수 있고 자동분석이 이루어지지 않아 직접적인 비교가 이루어지지 못한다.
표 2는 그림 11, 그림 12, 그림 13에서의 온도변화에 대한 모니터링결과를 보여준다. 실험에서 나온 특정지역에서의 측정된 정상, 상승, 하강 평균온도 값을 비교 정리하였다. 표에서 정상적인 온도는 이력온도와 비교해 볼 때 임계치 이하로 나타내었으며 이 온도 값은 이력정보의 온도 정보로 반영될 것이다.
그래서 알람이 발생하면 자동으로 알람 발생 위치 도면을 화면에 나타내어 주어야 하고 문제점을 찾을 수 있도록 한다. 알람 발생 후 임계치를 초과한 온도에 대한 정보와 데이터베이스에 저장된 이력온도정보를 자동으로 비교 분석한다. 실시간 측정한 온도정보와 이력온도정보와 비교 분석 후에 알람이 발생한 위치를 확인한다.

이론/모형

본 논문에서 적용된 기술은 광케이블을 따라 분포개념의 온도 측정기법을 이용하여 기존의 특정지점 측정방법과는 다르다. 기존 온도센서를 이용한 측정 방법에서 감지하지 못하는 특정 주변의 온도도 더 밀접하게 구성할 수 있는 광센서를 이용하여 쉽게 측정할 수 있다.

성능/효과

그림 10은 본 논문에서 제안한 시스템으로 온도 이력 정보 변화를 실시간으로 모니터링 온도정보의 구간 평균값을 보여준다. 1m 간격으로 설치된 광센서들의 온도 값을 수집하여 만들어진 평균값으로써 문제가 발생한 지점의 온도 변화에 대한 부분을 더 정밀하게 측정할 수 있었으며, 온도이력정보와의 분석도 더 정확하게 이루어 질 수 있었다.
온도가 변화하는 시점에서 자동 이력온도 분석이 이루어져 실시간으로 현장에서 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있었다. 그 결과 온도이력정보와의 온도 차이를 임계치 이하로 유지할 수 있었다.
또한 센서의 내구성 또한 뛰어나기 때문에 센서의 수명시간도 자연스럽게 연장될 수 있다. 본 실험에 따른 결과를 판단해 볼 때 기존의 온도센서만 이용했을 경우에는 실시간적인 온도변화에 대처하기 어려울 뿐만 아니라 뿐만 아니라 즉각적인 주변의 변화에 대응할 수 없지만 본 논문에서 적용된 광센서를 통한 온도정보와 이력 정보를 비교해서 주변의 온도 변화에 실시간으로 판단하여 대응할 수 있었다. 향후에는 광센서와 무선센서[9]를 이용하여 보다 넓은 지역을 감지할 수 있고, 에너지 효율성을 현재보다 높이기 위한 시스템을 개발하도록 할 것이다.
그림에서 자동온도 분석단계에서 온도 변화의 이력정보와 비교한 후 임계치 이상의 온도 차이를 보일 경우 신속하게 고장을 감지하고 수정할 수 있었다. 온도가 변화하는 시점에서 자동 이력온도 분석이 이루어져 실시간으로 현장에서 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있었다. 그 결과 온도이력정보와의 온도 차이를 임계치 이하로 유지할 수 있었다.

후속연구

본 실험에 따른 결과를 판단해 볼 때 기존의 온도센서만 이용했을 경우에는 실시간적인 온도변화에 대처하기 어려울 뿐만 아니라 뿐만 아니라 즉각적인 주변의 변화에 대응할 수 없지만 본 논문에서 적용된 광센서를 통한 온도정보와 이력 정보를 비교해서 주변의 온도 변화에 실시간으로 판단하여 대응할 수 있었다. 향후에는 광센서와 무선센서[9]를 이용하여 보다 넓은 지역을 감지할 수 있고, 에너지 효율성을 현재보다 높이기 위한 시스템을 개발하도록 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유 케이블에 폭이 좁은 레이저파 신호를 보내면 어떤 현상이 발생하나?	광섬유 케이블을 통하여 아주 폭이 좁은 레이저파 신호를 보내면 케이블 안에서 산란 현상이 발생한다. 그 중 일부는 반사되며 광다이오드에 의하여 수신되는 진폭은 입사광의 진폭보다 대단히 작다.
	광섬유 센서는 어디에서 이용되고 있나요?	1970년 Corning Glass 회사의 20dB/km 이하의 저손실 광섬유 생산은 오늘날 광통신으로 일상화를 이루었으며 새로운 센서인 광섬유 센서에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 고가의 시스템에서 가격보다는 성능과 안전성 등이 우선되는 군사응용, 항공 산업, 자원탐사 등의 분야에서는 기존 온도감지센서 보다는 광섬유 자이로스코프, 선박, 비행기 등에서의 스트레스 모니터링, 수중음향센서배열, 화재감지 등이 이용되고 있다[1-3]. 의료용 센서는 주사기 내부에 들어갈 정도의 소형이어야 하며 인체에 무해하며, 실시간 측정이 가능하고 또한 일회용의 조건을 만족시키기 위하여 센서부만 교체 가능한 경제적인 센서이어야 한다.
	의료용 센서는 어떤 조건들이 필요한가요?	고가의 시스템에서 가격보다는 성능과 안전성 등이 우선되는 군사응용, 항공 산업, 자원탐사 등의 분야에서는 기존 온도감지센서 보다는 광섬유 자이로스코프, 선박, 비행기 등에서의 스트레스 모니터링, 수중음향센서배열, 화재감지 등이 이용되고 있다[1-3]. 의료용 센서는 주사기 내부에 들어갈 정도의 소형이어야 하며 인체에 무해하며, 실시간 측정이 가능하고 또한 일회용의 조건을 만족시키기 위하여 센서부만 교체 가능한 경제적인 센서이어야 한다. 그러나 기존의 감지 센서에서 발생할 수 있는 주변 전자파 간섭과 신호의 안정성 등의 취약점이 있기 때문에 광섬유 센서 연구는 광섬유가 가지는 전자파 간섭에 대한 내성, 센서부에서 전기를 사용하지 않기 때문에 폭발성이 강한 환경에서도 사용이 가능하다.

참고문헌 (9)

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J. A. Bucaro et. al., "Optical fiber acoustic sensor," Appl. Opt., 16(7), pp. 1761-1762. 1977.

상세보기
김경수, 배대석, 고용권, 김중열, "광섬유센서케이블을 이용한 지하연구시설의 지반변위 및 온도변화 감시시스템 구축," The Journal of Engineering Geology, Vol.19, No.1, pp. 63-70, March, 2009.
Paker, T. R., Farhadiroushan, M., Ha- nderek, V. A., and Rogers, A. J., "A Fully Distributed Simultaneous Strain and temperature Sensor using Spontaneous Brillouin Backscatter," IEEE Photonics Technology Letters, 9(7), pp. 979-981, 1997.

상세보기
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B. Culshaw, "Optical fiber sensing and signal processing," Peter Peregrinus. 1984.
예윤해, "광섬유 센서기술과 개발방향," 한국전기전자재료, 제12권 제 12호, pp. 32-38, 1999.
최상삼, "광계측 시스템 및 평판 Display 기술 개발," 한국과학기술연구원, 과학기술부, 1991.
이기욱, 김정이, "무선 센서 네트워크를 이용한 냉동 컨테이너 모니터링 시스템 설계," 한국컴퓨터정보학회논문지, 제 12권, 제 5호, 321-326쪽, 2007년.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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