[논문]전력설비 보호를 위한 온도계전기용 광섬유 분배센서

박형준; 이준호; 송민호

문제 정의

그림 3에서 설명되었듯이 온도에 의한 EBG의 반사 파장 변화는 PD 출력의 피크위치 변화로 변환되었으므로 피크위치를 정확하게 검출하는 것이 FBG 센서 시스템의 정밀도를 결정하게 된다. 따라서 전체 파장 범위를 샘플링하는 간격에 따라, 즉 샘플링 주파수에 따라, 기본적인 양자화 해상도가 정해지게 되는데, 본 연구의 목적은 전력설비의 비정상적인 동작온도 감시에 있으므로 최대 해상도를 1 P로 설정하였다. 이 경우 20 nm의 파장 범위에 대해서 1 P의 온도변화에 해당하는 10 pm 의 파장변화를 감지하기 위해서는 2,000샘플 이상을 얻어야 하므로 샘플링 주파수를 5 kHz로 설정하였고, 양자화에 따른 파장분해능은 4.

가설 설정

반사파장에 의한 신호이다. 2개의 기준 FBG는 그 파장이 변하지 않음을 가정하여, 시간축 상에 위치한 각 피크들의 기준파장으로 동작한다. 2개의 기준 FBG 를 사용한 것은 파장가변필터의 동작주파수가 변하는 경우, 동일한 전압에 대해서도 파장스캔의 범위가 변하는 것을 보상하기 위함이다.
않아야 한다. 기술한 바와 같이 FBG의 온도에 대한 민감성은 대략 -! nMlOO ℃ 정도이므로 측정하고자 하는 전력설비의 온도변화가 200 ℃ 정도임을 가정하여, 각 센서 FBG의 초기 반사파장은 2 nm 이상의 파장 간격을 유지하도록 설정하였다. 2개의 기준 FBG는측정대상체가 아닌 시스템의 외함내부에 설치되어 온도변화에 무관하게 일정한 파장만을 반사시켜야 하므로, 온도보상 패키징을 이용하여 -20 ~ 80 ℃ 범위에서 < 1 pW℃의 매우 낮은 온도민감도를 가지도록 구성하였다.

제안 방법

광섬유격자 (fiber Bragg grating, 이흐]" FBG)는 전자기장의 영향에 둔감하며, 하나의 광섬유 라인에 여러 개의 센서 점을 직렬로 연결하여 동시에 여러 부위의 온도를 측정할 수 있는 분배형 온도센서의 구현이 가능하다는 장점으로 전력 설비의 안전성 진단에 적합한 센서 시스템으로 주목받아왔다{3-71 본 논문에서는 FBG의 이러한 장점을 이용하여 전력설비의 온도를 상시감시할 수 있는 준 분배형 온도센서 시스템을 파장가변필터 (wavlength-scanned tunable filter)를 이용하여 구성하였다[5-11]. 10개의 FBG를 이용하여 센서네트워크를 구성하였으며, 2개의 기준 FBG를 따로 두어 온도측정의 정밀도를 향상시켰다. FBG 센서에 가해지는 기계적 변형이나 압력 등의 영향을 보상하기 위하여 광검출기의 출력신호를 가우시안 line-fitting한 후 이로부터 피크의 위치를 계산하는 방법을 사용하여 기존의 최대값 검출방식과 비교분석하였으며, 이로부터 크게 개선된 측정오차를 얻을 수 있었다.
기술한 바와 같이 FBG의 온도에 대한 민감성은 대략 -! nMlOO ℃ 정도이므로 측정하고자 하는 전력설비의 온도변화가 200 ℃ 정도임을 가정하여, 각 센서 FBG의 초기 반사파장은 2 nm 이상의 파장 간격을 유지하도록 설정하였다. 2개의 기준 FBG는측정대상체가 아닌 시스템의 외함내부에 설치되어 온도변화에 무관하게 일정한 파장만을 반사시켜야 하므로, 온도보상 패키징을 이용하여 -20 ~ 80 ℃ 범위에서 < 1 pW℃의 매우 낮은 온도민감도를 가지도록 구성하였다. 온도변화에 따른 FBG 반사파장의 변화를 읽어내기 위해서, 일정한 파장대역만을 통과시키는 광학적 패스 밴드 필터인 FP 필터를 이용하는 복조방식을 사용하였다.
거친다. 본 논문에서는 PD 출력에서 기준값(1 V) 이상을 갖는 12개의 최대값에 대해 새로운 배열을 생성하고 각 피크에 대하여 atting을 수행하였다. 하나의 FBG 반사파장의 최대값이 n개의 데이터로 이루어진 배열에 저장되어 있다면 가우시안 함수의 중심을 n번 이동시키며 五ttin昭을 수행하고, 각 위치에서의 계산 결과와 데이터간의 평균제곱오차는 새로운 배열에 저장된다.
본 연구에서 사용한 방법은 FBG를 하나의 광섬유 라인에 직렬로 연결하므로, 각 FBG의 반사파장은 서로 겹치지 않아야 한다. 기술한 바와 같이 FBG의 온도에 대한 민감성은 대략 -! nMlOO ℃ 정도이므로 측정하고자 하는 전력설비의 온도변화가 200 ℃ 정도임을 가정하여, 각 센서 FBG의 초기 반사파장은 2 nm 이상의 파장 간격을 유지하도록 설정하였다.
2개의 기준 FBG는측정대상체가 아닌 시스템의 외함내부에 설치되어 온도변화에 무관하게 일정한 파장만을 반사시켜야 하므로, 온도보상 패키징을 이용하여 -20 ~ 80 ℃ 범위에서 < 1 pW℃의 매우 낮은 온도민감도를 가지도록 구성하였다. 온도변화에 따른 FBG 반사파장의 변화를 읽어내기 위해서, 일정한 파장대역만을 통과시키는 광학적 패스 밴드 필터인 FP 필터를 이용하는 복조방식을 사용하였다. FP 필터에 램프신호를 가하고 FBG의 반사광을 통과시키면 FP 필터는 일정한 파장범위의 스펙트럼을 주기적으로 스캔하여 전기신호의 파형으로 변환하는 효과를 얻게 된다.
그러나 외부의 압력이나 스트레인을 받는 경우 반사파형은 불규칙하게 변형되며 그 피크의 위치는 작은 변형에도 쉽게 변화되어 결국 시스템의 해상도의 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 PD로 검출한 FBG의 반사파형을 가우 시안의 형태로 가정하고 line-httir頰을 수행하고 계산된 파형의 중심값을 FBG 센서의 출력으로 설정함으로써 외부 노이즈에 의한 영향을 최소화 하고자 하였대 13]. 그림 5은 기술한 바와 같이 불규칙한 외부 스트레스에 의해서 변형된 센서 FBG의 반사스펙트럼과 이를가우시안 fitting하여 계산한 파형을 보인다 PD의 출력이 계산된 파형의 최대값과 일치하지 않음을 확인할 수 있는데, 샘플링과정의 양자화오차, 필터링에서의 파형 왜곡, 또는 FBG에 가해지는 외부압력에 의한 스펙트럼 왜곡 등에 의해서 그 최대값의 위치가 불규칙하게 변화하였기 때문이다 Fittin俎에 의한 파형은 PD 출력과의 평균 제곱 오차(mean square error, MSE) 를 최소화하는 형태로 생성되므로 다양한 원인에 의해서 발생하는 오차를 크게 줄일 수 있게 된다.
전력설비가 적정 온도에서 작동하는지 상시 감시 할 수 있는 준분배형 FBG 온도 시스템을 구성하였다. 총 10개의 센서 FBG를 이용한 광섬유 온도센서 시스템을 구현하였고, 다양한 온도변화를 가함으로써 실제 현장에 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

대상 데이터

즉, FP 필터스캔을 이용하여 광학적인 스펙트럼 분포가 전기적인 파형으로 변환되며, 이 파형의 피크 위치변화를 검출하는 것은 FBG 반사파장 변화를 측정하는 것과 동일한 효과를 얻게 된다. 실험에 사용된 12개의 FBG 반사파장 범위가 1540.08~1559.99 nm이므로 20 nm 이상의 파장범위를 스캔할 수 있도록 4.5 Vp-p의 크기와 2 Hz의 주파수를 가지는 램프전압을 FP 필터에 가하여 약 25 nm의 파장범위를 스캔하였다.

데이터처리

FBG 센서에 가해지는 기계적 변형이나 압력 등의 영향을 보상하기 위하여 광검출기의 출력신호를 가우시안 line-fitting한 후 이로부터 피크의 위치를 계산하는 방법을 사용하여 기존의 최대값 검출방식과 비교분석하였으며, 이로부터 크게 개선된 측정오차를 얻을 수 있었다. 가우시안 fitting에 의한 연산량을 줄이기 위하여 평균제곱오차(mean square error) 에이진검색법을 적용하였으며, 외부의 압력이나 스트레인에 의한 왜곡의 영향을 현저하게 줄일 수 있음을 확인하였다.

성능/효과

10개의 FBG를 이용하여 센서네트워크를 구성하였으며, 2개의 기준 FBG를 따로 두어 온도측정의 정밀도를 향상시켰다. FBG 센서에 가해지는 기계적 변형이나 압력 등의 영향을 보상하기 위하여 광검출기의 출력신호를 가우시안 line-fitting한 후 이로부터 피크의 위치를 계산하는 방법을 사용하여 기존의 최대값 검출방식과 비교분석하였으며, 이로부터 크게 개선된 측정오차를 얻을 수 있었다. 가우시안 fitting에 의한 연산량을 줄이기 위하여 평균제곱오차(mean square error) 에이진검색법을 적용하였으며, 외부의 압력이나 스트레인에 의한 왜곡의 영향을 현저하게 줄일 수 있음을 확인하였다.
5X1O~6/℃, 11X1Oe7℃ 정도의 값을 가지나 광민감성 (photosensitivity) 광섬유의 특성에 따라 그 값은 조금씩 달라진다. 두 가지 파장변화 요인을 모두 고려할 때, 1550 nm 파장대역에서 FBG의 온도에 따른 반사 파장 변화는 대략 10 ~ 20pm/'C 정도의 범위를 가진다 따라서 1 ℃ 의 온도변화를 측정하는 센서 시스템을 제작하기 위해서는 복조시스템의 FBG 반사 파장 분해능이 10 pm 보다 우수한 파장분해능을 가져야 한다.
총 10개의 센서 FBG를 이용한 광섬유 온도센서 시스템을 구현하였고, 다양한 온도변화를 가함으로써 실제 현장에 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 출력신호를 가우시안 line-fitting 한 후 최대값을 검출함으로써 전기적인 노이즈와 샘플링에 의한 양자화 오차를 최소화 하였으며, 단순 피크 검출과 비교하여 10배 정도 향상된 0.3~0.6℃ 범위의 정밀도를 얻을 수 있었다. 또한, 제안된 알고리즘으로 왜곡된 FBG 반사 스펙트럼의 피크 검출시에도 높은 정밀도와 동작 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
6℃ 범위의 정밀도를 얻을 수 있었다. 또한, 제안된 알고리즘으로 왜곡된 FBG 반사 스펙트럼의 피크 검출시에도 높은 정밀도와 동작 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 실제 현장에 적용할 경우 발생할 수 있는 환경적 변화에 따른 복조방식의 오동작과 오차는 제안된 방법으로 크게 줄일 수 있으며, FBG 센서의 실용성을 증가 시킬 것으로 판단된다
또한, 제안된 알고리즘으로 왜곡된 FBG 반사 스펙트럼의 피크 검출시에도 높은 정밀도와 동작 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 실제 현장에 적용할 경우 발생할 수 있는 환경적 변화에 따른 복조방식의 오동작과 오차는 제안된 방법으로 크게 줄일 수 있으며, FBG 센서의 실용성을 증가 시킬 것으로 판단된다
그림 7은 FBG 센서를 실온에서 약 75 ℃의 온수와 5 ℃의 냉수에 넣은 후 출력변화를 관찰한 그래프이다. 역시 최대값 검출방식을 이용한 경우와 가우시안 fitting 알고리즘을 이용한 경우를 비교하였고, 온도변화를 충 실히 재현하고 있음을 확인할 수 있다.
총 10개의 센서 FBG를 이용한 광섬유 온도센서 시스템을 구현하였고, 다양한 온도변화를 가함으로써 실제 현장에 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 출력신호를 가우시안 line-fitting 한 후 최대값을 검출함으로써 전기적인 노이즈와 샘플링에 의한 양자화 오차를 최소화 하였으며, 단순 피크 검출과 비교하여 10배 정도 향상된 0.

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