광케이블를 이용한 실시간 온도 감시 시스템

OTMS 개요

OTMS란 Optical Temperature Measurement System의 약자 OTMS는 광 화이버 내부에서 발생하는 반사 산란광을 이용한 SENSING 기술로써, 통신용 광 케이블 1가닥을 설비에 포설하는 것 만으로도 광 화이버에 유기된 수천 점의 온도분포를 일괄측정 가능한 새로운 온도 분포 계측 시스템 입니다. 기존의 Point Sensor (Thermocouple, RTD-Resistance Temperature Detector; 측온 저항체)를 이용한 부분적인 온도 측정만 가능한 문제점을 단숨에 해결한 시스템입니다. 이것은, 광 케이블을 센서로 이용함으로써, 광 케이블 자체가 센서, 변환기, 전송, 전원장치의 역할을 동시 수행함으로써 장거리 또는 광범위하게 설치된 설비 전체의 온도 분포를 용이하고 경제적으로 측정 가능한 획기적인 시스템이라고 할 수 있습니다.

< 분포온도 측정개념 >

OTMS 출시배경

오늘날 대규모 전력설비의 효율적인 운용과 고 신뢰성 확보를 위해서, 설비의 상태를 상시 감시할 수 있는 예지관리 시스템의 구축이 강하게 요구되고 있습니다. 특히, 전력 CABLE, BUS DUCT, 원료 이송용 컨베이어 등 설비가 장거리나, 넓은 지역에 설치된 경우에 있어서는 선로의 길이 방향에 따른 다량의 감시정보를 일괄 수집 가능하고, 전자유도장애를 받지 않는 신뢰성이 높은 Sensing 시스템이 반드시 필요합니다. 최근의 각종 센서 기술의 발전에는 광 기술을 응용한 새로운 센서가 개발되고 있는데, 그 대부분은 Point Sensor로써, 광범위한 상태를 검출하기 위해서는 많은 수의 온도 센서를 배치하고, Loop 종단에 전원 및 변환장치, 전송장치 등의 복잡한 시스템 구성이 필요하며, 이 또한, 부분적인 온도 측정만 가능할 뿐입니다. 기기·설비는 매일 열화해 가는 것으로 내용수명 혹은 기대수명에 달하면 그 기능을 다하게 됩니다. 광 Cable을 이용한 실시간 온도감시 시스템은, 이러한 보전환경에 적합한 맞춤형 시스템이며, 설비의 고장이 발생되기 전에 설비의 열화 과정 관리가 가능함으로 설비관리의 수준을 한 층 높일 수 있습니다. 설비는 일시적인 점검만으로는 고장을 예방할 수 없으며, 광 온도 측정 감시 시스템과 같은, 실시간 연속적인 온도 변화량을 감시함으로써, 점검이 어려운 개소나 위험한 설비의 온도 예지 감시관리를 위해 개발되었습니다.

OTMS 측정 및 동작 원리

OTMS는 광 케이블의 길이와 특성을 측정하는 계측기인 OTDR (Optical Time Domain Refractometer)의 측정 원리를 이용하여 광 화이버에 의해 측정되는 분포온도를 계측하는 것이 가능합니다. 광 케이블을 이용한 온도분포를 얻는 방법은, 광 화이버 길이 방향으로 각 지점의 위치와 그 위치의 온도를 측정하는 2가지 정보가 필요합니다.

거리 측정 원리

위 그림은 입사광이 분자에 의해 산란 되는 것을 개념적으로 보여주며, 일정 거리 X 만큼 떨어진 곳에서 반사되는 Raman산란광의 위치를 (1)식으로부터 구하려면, 즉, 광이 입사되고 난 후에 돌아온 시간을 알면 산란광이 반사되어 온 지점을 정확히 알아낼 수 있습니다.

온도 측정 원리

< Rayleigh 산란광과 Raman 산란광의 스펙트럼 >

위 그림은 상온에서의 Raman과 Rayleigh 스펙트럼을 나타낸 그림으로써, Rayleigh 광으로부터 주파수 분리 간격이 같은 .Raman 산란광 중에서 Stokes 광과 anti-Stokes 광의 강도 비는 (2)식과 같습니다. 따라서 광섬유 주위의 온도는 아래와 같이 (3)식으로부터 구할 수 있으며 여기서 tr = 기준점(분포 온도 센서 내부에 있는 기준용 광섬유) 절대 온도 r = 기준 광섬유 내에서 기준 위치 AS[j] = Anti-stokes광의 가산치, S[j] = stokes광의 가산치 K1, K2, K3 = 상수 값 광섬유 내의 Stokes광과 anti-Stokes광의 역 산란광 비를 측정하면 광 강도나 입사 조건, 광섬유의 구조, 재질의 조성에 상관없이 매체의 절대온도를 계측할 수 있습니다. 단, 실제 시스템에서는 Stokes와 anti-Stokes 파장 사이의 광섬유 감쇄 차가 있고, 파장 차이로 인해 광섬유 내에서의 빛의 진행 속도가 다르므로 광 Cable 전송 특성 및 기계적 특성을 고려하지 않으면 안됩니다.

시스템 특징

- 통신용 광섬유 자체를 온도 측정 센서로 이용 - 한 가닥 광섬유를 포설, 넓은 지역의 전체 온도를 수 천 점으로 REAL TIME으로   측정가능   ( ±1℃의 온도 편차, 1m 간격으로 수천 m까지 측정 ) - 광 Fiber 자체를 온도 센서로 이용함으로써, 방폭, 전자 잡음(EMI Immunity)으로부터의 안전   성 (Intrinsic Safety) 확보 - 자유로운 배치, 표면 온도, 주변온도, 간편한 시공 등 시스템 확장이 용이 - 도입 후의 Maintenance가 용이하며, 전문 집단에 의한 기술적인 지원 상시가능

< 타 측정 시스템과의 차이점 >

측정 시스템 구성

< 측정 시스템 구성도 >

전문적인 설비 감시 시스템을 위한 시스템 구성도는 위 그림과 같으며, 범용 MS Windows 운용 시스템으로써 취급이 용이합니다.

적용 분야

▷ 용도 - 1   : 전력설비 및 설비 이상 유무 감시 ▷ 용도 - 2   : 제철산업 광석 이송용 STACKER 컨베이어 과열 감시 ▷ 용도 - 3   : 전력 케이블 이상 과열 개소 검출 ▷ 용도 - 4   : 전력 공동구 CABLE 표면 및 주변온도 감시 ▷ 용도 - 5   : 전력 BUS DUCT 온도 모니터링 ▷ 용도 - 6   : 전력(통신) 공동구 화재 감시 ▷ 용도 - 7   : 터널 (TUNNEL) 화재 감시