JP2017535746A - 無電源無線統合センサ - Google Patents

Abstract

電力施設に設置されて設備の異常兆候を把握するための無電源無線感知装置が提供される。前記無電源無線感知装置は、呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受け取って表面弾性波に変換する受信ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、可変コードを設定する可変コード設定部、前記表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関係に基づいて前記表面弾性波を位相変調する位相変調部、前記位相変調された弾性表面波を応答信号に圧電変換して送信する送信ＩＤＴ、アーク放電による光発生を感知して対応する電圧を出力する光感知部、及び前記可変コード設定部に連結されて、前記光感知部の出力電圧に基づいて前記可変コードを設定するインピーダンス変換部を含み、前記位相変調部は、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、無電源無線統合センサに関し、特に、高圧遮断器のような電力施設に設置されてアーク発生や爆発などの設備の異常兆候を把握するための無電源無線統合センサに関する。

産業用電力設備または大型内燃機関などの大型産業用設備の場合に、設備の故障は大きな事故を招くだけでなく、設備の運行中断により経済的に莫大な被害を与えることになる。したがって、大型産業用設備を運用する事業所では、設備の故障の可否をリアルタイムで監視できるシステムの構築が必須である。このように設備の状態をリアルタイムでモニタリングし、異常兆候を早期に発見して、これに基づいて設備の故障の可否および故障の可能性を事前に判断して整備を実行するシステムを状態診断管理システム（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ：ＣＭＳ）と呼ばれ、その中でも異常値兆候を発見し、これにより、整備を実行して故障の発生を事前に防止しようとするシステムを予知保全（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）システムという。

このような状態診断管理システムが要求される産業用設備には、ディーゼル発電機や船舶エンジンなどの大型内燃機関の回転設備または高圧遮断器のような電力施設の保護設備などがある。特に、基盤施設である高圧遮断器のような電力施設の保護設備は、すべての生産施設では必須的に構成されているだけでなく、韓国電力が管理する高圧遮断器は、全国に３００，０００個に達するほど多い。このような高圧遮断器の故障は、連動される設備の爆発や障害に発展されるので、このような高圧遮断器の故障を事前に防止する必要がある。

一方、高圧電力設備において、アーク（Ａｒｃ）発生は最も致命的な事故として、多くの場合、設備の部分破損や完全破損を招いて、これにより、電力中断による操業中断および需要家電力供給中断に至ることになる。アークが発生することになると、熱と共に強い光を発生させることになるので、これを感知可能である場合は、アーク発生による被害を最小化することができる。

本発明は、上記のような従来の問題点を解決するために案出されたもので、高圧発電機などの電力設備の初期異常状態を感知して、設備故障を防止するための無電源無線統合センサを提供することを目的とする。

また、本発明は、高圧電力設備でアークが発生した場合に、これをリアルタイムで感知するとともに、アーク発生に伴う温度上昇を感知して、電力設備の異常発生の可否を正確に把握することができる無電源無線統合センサを提供することを目的とする。

また、本発明は、無電源で駆動され、リアルタイムで無線計測が可能な無電源無線統合センサを提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に限定されず、言及されなかった他の目的は以下の記載から明確に理解される。

前記目的を達成するために、本発明の一形態による無電源無線感知装置は、呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受け取って表面弾性波に変換する受信ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と、可変コードを設定する可変コード設定部と、前記表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関数に基づいて前記表面弾性波を位相変調する位相変調部と、前記位相変調された弾性表面波を応答信号に圧電変換して送信する送信ＩＤＴと、アーク放電による光発生を検知して相応する電圧を出力する光検知部と、前記可変コード設定部に連結され、前記光検知部の出力電圧に基づいて前記可変コードを設定するインピーダンス変換部と、を含み、前記位相変調部は、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力することを特徴とする。

ここで、前記無電源無線感知装置は、前記呼出信号を表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記表面弾性波を温度応答信号に変換する温度検知部をさらに含むことができる。

ここで、前記インピーダンス変換部は、前記光検知部の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてインピーダンス値を制御するＦＥＴ素子を含んで構成されることができる。

ここで、前記可変コード設定部は複数のディジット（ｄｉｇｉｔ）で構成される前記可変コードの各ディジットをオン／オフさせて設定する複数のデジタルスイッチ構造であることがある。

ここで、前記インピーダンス変換部は、前記可変コード設定部の任意のデジタルスイッチに連結されて前記デジタルスイッチをオン／オフさせることを特徴とする。

また、本発明の他の形態による無電源無線感知装置は、呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受け取って表面弾性波に変換する受信ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と、可変コードを設定する可変コード設定部と、前記表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関係に基づいて前記表面弾性波を位相変調する位相変調部と、前記位相変調された弾性表面波を応答信号に圧電変換して送信する送信ＩＤＴと、アーク放電によって発生する白色雑音から特定周波数帯域のスパーク信号を検出する帯域通過フィルターと、前記スパーク信号を対応される出力電圧に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換部と、前記可変コード設定部に連結されて、前記変換された出力電圧に基づいて前記可変コードを設定するインピーダンス変換部とを含み、前記位相変調部は、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力することを特徴とする。

ここで、前記無電源無線感知装置は、前記呼出信号を表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記表面弾性波を温度応答信号に変換する温度感知部をさらに含むことができる。

ここで、前記インピーダンス変換部は、前記ＲＦ−ＤＣ変換部の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてインピーダンス値を制御するＦＥＴ素子を含んで構成されることができる。

ここで、前記ＲＦ−ＤＣ変換部は、前記スパーク信号を整流してＤＣ電圧に出力するための一つ以上のショットキー（ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードを含んで構成されることができる。

ここで、前記可変コード設定部は、複数のディジット（ｄｉｇｉｔ）で構成される前記可変コードの各ディジットをオン／オフさせて設定する複数のデジタルスイッチ構造であることがある。

ここで、前記インピーダンス変換部は、前記可変コード設定部の任意のデジタルスイッチに連結されて前記デジタルスイッチをオン／オフさせることができる。

また、本発明の他の形態による呼出符号がページ変調(ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ)された呼出信号を受信する呼出信号受信部と、前記呼出信号を第１表面弾性波に変換して、前記第１表面弾性波の呼出符号をアーク放電による光発生の可否に基づいて設定された可変コードと比較して、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力する光感知モジュールと、前記呼出信号を第２表面弾性波に変換して、前記第２表面弾性波の呼出符号をアーク発生によるスパーク発生の可否に基づいて設定された可変コードと比較して、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力するスパーク感知モジュールとを含む。

ここで、前記無電源無線感知装置は、前記呼出信号を第３表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記第３表面弾性波を温度応答信号に変換する温度感知モジュールをさらに含むことができる。

ここで、前記光感知モジュールは、前記第１表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関数に基づいて前記第１表面弾性波を位相変調する第１位相変調部、外部の光発生を感知して相応する電圧を出力する光感知部、及び前記出力電圧に基づいて前記可変コードを設定する第１インピーダンス変換部を含むことができる。

ここで、前記スパーク感知モジュールは、前記第２表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関数に基づいて前記第２表面弾性波を位相変調する第２位相変調部、前記白色雑音から特定周波数帯域のスパーク信号を検出する帯域通過フィルター、前記スパーク信号を対応される出力電圧に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換部、及び前記出力電圧に基づいて前記可変コードを設定する第２インピーダンス変換部を含むことができる。

上記目的を達成するための具体的な事項は、添付された図面と共に詳細に後述された実施例を参照すると明確になることである。

しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態で構成されることができ、本実施例は、本発明の開示を完全するようにして、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。

前述した本発明の課題解決手段の中の一つによれば、無電源駆動でバッテリーを使用せずに、無線計測が可能でセンシング値をリアルタイムで計測することができるようになる。

また、高圧電力設備で発生する故障の主な原因であるアーク発生や爆発などによって発生する高温の熱や強い光、またはスパークなどを感知して、設備の異常可否を正確に診断することができるようになる。

本発明の一実施例による無電源無線統合センサの使用状態を示す図である。 図１の無電源無線統合センサの分解斜視図の一例である。 図２の無電源無線統合センサの構成の一例を概略的に示すブロック図である。 図２の無電源無線統合センサで光発生を感知する光感知モジュールの構成を示す図である。 図２の無電源無線統合センサでスパーク発生を感知するスパーク感知モジュールの構成を示す図である。 アーク発生時の電界強度および図５のスパーク感知モジュールで白色雑音の特定周波数を基準としてアーク発生を感知する過程が示された図である。 図２の無電源無線統合センサの構成の他の例を概略的に示すブロック図である。 図７の無電源無線統合センサで温度変化を感知する温度感知部の動作を説明するための温度特性グラフである。 図２の無電源無線統合センサを利用した異常感知方法を示すフローチャートである。 図２の無電源無線統合センサで自己相関成立／未成立による応答解析およびシミュレーション結果を示すグラフである。 図２の無電源無線統合センサで自己相関成立／未成立による応答解析およびシミュレーション結果を示すグラフである。

本発明は、多様な変更を加え、様々な実施例を有することができることから、特定の実施例を図示し、これを詳細な説明により詳述する。しかしながら、これは、本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものとして理解されるべきである。

本発明を説明するにあたって、関連した公知技術について具体的な説明が、本発明の要旨を不必要に不明瞭にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、本明細書の説明の過程で用いられる数字(例えば、第１、第２など)は、ある構成要素を他の構成要素と区分するための識別記号に過ぎない。

また、本明細書において、一構成要素が他の構成要素と「連結される」または「接続される」などと言及される時には、前記一構成要素が前記他の構成要素と直接連結され、または直接接続される場合だけでなく、特に逆な記載がない限り、中間に更に他の構成要素を介して連結され、または接続されてもよいと理解されるべきである。

以下の説明で使用される、構成要素に対する接尾辞「モジュール」および「部」は、明細書の作成の容易さを考慮して付与または混用されたものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するものではない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の無電源統合センサを説明する。

図１は、本発明の一実施例による無電源無線統合センサの使用状態図である。

図１の無電源無線統合センサ１００は、発電、水／配電など電力管理を実行する各種設備、例えば、高圧遮断器、高圧配電盤、変圧器および送電線路などの高電圧電力設備の事故予想地点に付着されて温度過熱の可否およびアーク発生の可否を同時に測定し、これを外部測定装置（Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ、以下ＥＣＵ）２００に無線で送信する。この時、前記事故予想地点はブースバー（ｂｕｓ ｂａｒ）や遮断器引入部などの連結部位１０に集中され、前記連結部位１０を拘束する締結ボルトが設備の持続的振動によって緩くなって、高電流が流れる連結部位１０の接触抵抗が増大されて温度が上昇する。

前記無電源無線統合センサ１００は、外部のＥＣＵ２００から送出されるＲＦ呼出信号（Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）を受信して、センサ内部に備えられた一つ以上のＳＡＷトランスポンダー（ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ）を利用して前記呼出信号を表面弾性波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）で逆圧電変換して、外部でのアーク（Ａｒｃ）放電の可否または温度変化に基づいて、前記表面弾性波を変調した後、これを再び高周波反射信号（ＳＡＷ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ、以下応答信号という)に圧電変換して外部のＥＣＵ２００に送出する。

ここで、前記無電源無線統合センサ１００は、外部でのアーク発生の可否を判断するために、アーク発生に伴う光またはスパークを感知し、またはアーク放電による施設周辺の温度上昇を感知することができる。

このように、無電源無線統合センサ１００とＥＣＵ２００との間の呼出信号および応答信号の交換を通じて外部のアーク放電の可否および／または温度変化を感知する過程で、本発明の無電源無線統合センサ１００は、別途の電源やバッテリーを必要としないながらも、無線でセンシング情報の送信が可能であるので、場所的制限がなく、メンテナンスが容易な利点がある。

図２は、本発明による無電源無線統合センサ１００の一実施例の概略的な外形図である。

図２を参照すると、前記無電源無線統合センサ１００は、アンテナ１１０および統合センサモジュール１２０を含む。前記アンテナ１１０および統合センサモジュール１２０は、メタルベース１０４の上部に据え置き、前記メタルベース１０４に締結されるアンテナカバー１０２によって外部から隔離されて保護される。前記アンテナカバー１０２の上部には、センサ外部で発生される光を感知するための光感知部１３０が配置される。前記メタルベース１０４は、ブースバー（ｂｕｓｂａｒ）や遮断器引入部などの連結部の締結ボルトに挿入固定されるように一側にワッシャー（ｗａｓｈｅｒ）が形成されることができる。前記アンテナ１１０は、ＥＣＵ２００からの呼出信号を受信する受信アンテナおよびセンシング情報に基づいて変調された応答信号を送信する送信アンテナを含む。

図３には、前記統合センサモジュール１２０、およびこれに連結されるアンテナ１１０、光感知部１３０の細部構造が示されている。

図３を参照すると、統合センサモジュール１２０は、第１アークＳＡＷ１２２、第１インピーダンス変換部（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）１２３、第２アークＳＡＷ１２４、第２インピーダンス変換部１２５、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６、および帯域通過フィルター（ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）１２７を含むように構成されてもよい。それより多くの構成要素を有し、またはそれより少ない構成要素を有するセンサモジュールが具現されてもよい。

前記アンテナ１１０は、外部のＥＣＵ２００から送出した無線呼出信号を受信して、光感知用ＳＡＷトランスポンダー(以下、第１アークＳＡＷ)１２２およびスパーク感知用ＳＡＷトランスポンダー(以下、第２アークＳＡＷ)１２４に伝達する。この時、前記呼出信号は、ページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された複数のディジット（ｄｉｇｉｔ）の符号(以下、呼出符号)を含む。

前記アンテナ１１０は、第１アークＳＡＷ１２２または第２アークＳＡＷ１２４で生成された表面弾性波の圧電現象によって生成された高周波反射信号(以下、応答信号)を外部のＥＣＵ２００に送出するために、別途の送信アンテナをさらに備えることができる。

前記第１アークＳＡＷ１２２は、光感知によるアークセンサデバイスとして使用できるようにする主要な送信媒体として使用される。第１アークＳＡＷ１２２は、アンテナ１１０から受信された呼出信号を逆圧電効果によって表面弾性波に変換させる。

この場合、前記第１アークＳＡＷ１２２は、前記呼出符号を光感知部１３０でのアーク発生による光発生の感知の可否に基づいて設定された可変コード（ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｄｅｓ）と比較して、前記呼出信号に含まれている呼出符号と前記可変コードとの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記表面弾性波を位相変調することができる。

前記第１インピーダンス変換部１２３は、可変コードを設定するための複数のデジタルスイッチ（ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ ｓｗｉｔｃｈ）のうちいずれか一つに連結されて、光感知部１３０の出力電圧に基づいて、連結されるデジタルスイッチをオン／オフ動作させて可変コードの該当ディジット値を可変させる。

前記第１インピーダンス変換部１２３は、ＦＥＴ素子で具現されることができ、光感知部１３０の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてドレーン-ソース間のＰＮ接合（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を増加させてインピーダンスを可変させることができる。

前記光感知部１３０は、アーク放電による光発生を感知して、これに相応する電圧を出力する。出力されたＤＣ電圧は、前記第１インピーダンス変換部１２３のゲートに入力される。この場合、前記光感知部１３０は、各種の太陽電池（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）等を利用して具現されることができ、出力されるＤＣ電圧の大きさは入射される光の強さに比例する。

これと関連して、図４には、前記第１アークＳＡＷ１２２、第１インピーダンス変換部１２３、および光感知部１３０で構成される光感知モジュールの一実施例の構造が示されている。

図４を参照して、例えば、外部のＥＣＵ２００から無電源無線統合センサ１００に入射されたＲＦ呼出信号が受信アンテナ１１０に入射されると、前記第１アークＳＡＷ１２２の受信（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）ＩＤＴ１４２から前記呼出信号が表面弾性波に逆圧電変換（ｃｏｎｖｅｒｓｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）される。この場合、前記ＲＦ呼出信号は、複数のディジットからなる呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された信号である可能性がある。図４には、前記呼出符号ｈ（ｔ）が‘１０１１’の２進値を有すると例示する。

生成された表面弾性波は、前記呼出符号に合せて位相変換され、第１アークＳＡＷ１２２の圧電基板の表面を機械的に振動させて、反対側の送信（ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）ＩＤＴ１４６まで伝播（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）を進める。

前記受信ＩＤＴ１４２と送信ＩＤＴ１４６との間には位相変調部１４４が配置される。前記位相変調部１４４は、送信される表面弾性波に対する位相復調（ＢＰＳＫ：Ｂｉ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）を実行できるように、デジタル信号処理が可能な複数個の変換ＩＤＴから構成される。

前記変換ＩＤＴは、可変コード設定部１４８に備えられる複数個のデジタルスイッチと一対一にマッチングされるように連結されて、複数のデジタルスイッチに設定されたＢＰＳＫコード値に応じて前記変換ＩＤＴを通過する表面弾性波の性質を変化させる。このようなデジタルスイッチは、可変コード設定部１４８で設定された可変コードの値に応じてオン(ｏｎ)／オフ(ｏｆｆ)のうちいずれか一つの状態に位置することができ、それぞれの状態において、前記デジタルスイッチ値は‘０’または‘１’を代表する。

前記位相変調部１４４は、可変コード設定部１４８により設定された可変コードと受信された呼出符号が一致して自己相関が成立した場合に、一定の時間で相関ピーク（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ）が発生するようにする。例えば、図４において、設定された可変コードが‘１０１１'で、受信された呼出符号が‘１０１１'である場合、図１０（ａ）に示されるように、相互相関が形成されるので、特定時間に大きな信号（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が出力され、設定された可変コードが受信された呼出符号‘１０１１'と同一でない場合、図１１（ａ）に示されるように、相互相関が形成されないので、大きな信号が発生しない。

前記表面弾性波が送信ＩＤＴ１４６に到達すると、送信ＩＤＴ１４６は、表面弾性波を高周波応答信号に圧電変換して、これを送信アンテナ１１２によって外部に送出する。外部のＥＣＵ２００は、前記応答信号を受信して復調過程を経た後、前記相関ピーク（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ）が検出されるか否かを判断して、これによりアーク発生の可否を確認することができる。

前記第１インピーダンス変換部１２３はＦＥＴ構造で具現されることができる。この場合、前記ＦＥＴ構造のソース（ｓｏｕｒｃｅ）-ドレーン（ｄｒａｉｎ）は、前記可変コード設定部１４８の複数のデジタルスイッチのうち任意のデジタルスイッチに連結されて、ゲート（ｇａｔｅ）には光感知部１３０の出力端が連結されることができる。

第１インピーダンス変換部１２３は、光感知部１３０の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてドレーン-ソース間のＰＮ接合を制御することでインピーダンスを調節してスイッチとして動作する。

図４を参照すると、例えば、外部のアーク放電による光発生の時、光感知部１３０は、入射された光量に相応するＤＣ出力電圧を生成する。光感知部１３０の出力端を通じて前記ＤＣ出力電圧が第１インピーダンス変換部１２３のゲートに印加されると、第１インピーダンス変換部１２３のインピーダンスが変調されて、前記第１インピーダンス変換部１２３が連結されている可変コード設定部１４８の二番目のデジタルスイッチのスイッチをオープンさせて‘０'状態に動作させる。

逆に、光発生が感知されていない状態では、第１インピーダンス変換部１２３のゲートに駆動電圧が印加されないので、ソース-ドレーン間のインピーダンス変調が実行されず、前記第１インピーダンス変換部１２３が連結される可変コード設定部１４８の二番目のデジタルスイッチをショートさせて‘１'状態に動作させる。

したがって、アーク発生によって光が感知される場合、可変コード設定部１４８で設定される可変コードは‘１０１１'値を有することになって、受信された呼出符号が‘１０１１'として前記可変コードと相関関係が形成されるので、位相変調部１４４は任意の時間に大きなピーク（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ）を出力させる。

図１０および１１において、呼出符号と可変コードが一致する場合に、特定時間に図１０（ａ）のように大きなピーク信号が出力され、一致しない場合には、図１１（ａ）のように大きなピークが出力されていないということが分かる。これは、図１０（ｂ）および図１１（ｂ）のシミュレーションの結果グラフによっても確認することができる。

再び、図３を参照すると、前記第２アークＳＡＷ１２４は、スパーク感知を利用するアークセンサデバイスとして使用できるようにする主要な送信媒体として使用される。第２アークＳＡＷ１２４は、アンテナ１１０から受信された呼出信号を逆圧電効果によって表面弾性波に変換させる。この時、前記第２アークＳＡＷ１２４は、進行位相変換型（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ）方式で駆動され、この場合、反射表面弾性波を最大限に抑制するために、ＳＰＵＤＴ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｕｎｉｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）構造を採用することが好ましい。

この過程で第２アークＳＡＷ１２４は、帯域通過フィルター１２７により検出された特定周波数帯域の白色雑音に基づいて設定された可変コードと比較して、前記呼出信号に含まれる呼出符号と前記可変コードの間に自己相関が形成されると、前記表面弾性波を位相変調することができる。

前記第２インピーダンス変換部１２５は、可変コードを設定するための複数のデジタルスイッチのうちいずれか１つに連結されて、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６の出力電圧に基づいて連結されたデジタルスイッチをオン／オフ動作させて可変コードの該当ディジット値を可変させる。

第２インピーダンス変換部１２５も前記第１インピーダンス変換部１２３と同様に、ＦＥＴ素子で具現されることができ、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてドレーン-ソース間のＰＮ接合を増加させてインピーダンスを可変させることができる。

前記帯域通過フィルター（ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）１２７は、アーク放電(スパーク)による白色雑音から特定周波数帯域をフィルタリングして後段のＲＦ−ＤＣ変換部１２６に伝達する。

これと関連し、図６には、アーク発生時に伴うスパークによって発生される白色雑音の周波数帯域による電界強度（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が表示されている。

図６を参照して説明すると、グラフＡは、ブースバーでアークが発生された時のアーク放電による白色雑音のスペクトルであり、グラフＢは、正常状態での背景雑音のスペクトルを表示している。前記グラフから分かるように、ブースバーで直列アークが発生した場合に、周波数３０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ帯域の電界強度が背景雑音に比べて非常に高く現れる。

前記帯域通過フィルター１２７は、特定周波数帯域、例えば、図６のＰのように８０ＭＨｚ帯域の周波数をフィルタリングして後段のＲＦ−ＤＣ変換部１２６に伝達する。

前記ＲＦ−ＤＣ変換部１２６は、入力された特定周波数帯域の信号をＤＣレベルに変換して出力する。出力されたＤＣ電圧は、前記第２インピーダンス変換部１２５のゲートに入力される。この時、前記ＲＦ−ＤＣ変換部１２６は、ショットキー（ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードなどを利用して具現されることができ、出力されるＤＣ電圧の大きさは、入力される周波数信号の強度に比例する。

これと関連し、図５には、前記第２アークＳＡＷ１２４、第２インピーダンス変換部１２５、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６、および帯域通過フィルター１２７で構成されるスパーク感知モジュールの一実施例の構造が示されている。

図５を参照して説明すると、外部のＥＣＵ２００から無電源無線統合センサ１００に入射されたＲＦ呼出信号が受信アンテナ１１０に入射されると、前記第２アークＳＡＷ１２４の受信ＩＤＴ１５２から前記呼出信号が表面弾性波に逆圧電変換される。この時、前記ＲＦ呼出信号は、複数のディジットからなる呼出符号がページ変調（ＰＭ）された信号である可能性がある。図５には、前記呼出符号ｈ（ｔ）が‘１００１'の２進値を有するものと例示する。

生成された表面弾性波は、前記呼出符号に合わせて位相変換され、第２アークＳＡＷ１２４の圧電基板の表面を機械的に振動させながら、反対側の送信ＩＤＴ１５６まで伝播を行う。

前記受信ＩＤＴ１５２と送信ＩＤＴ１５６との間には位相変調部１５４が配置される。前記位相変調部１５４は、送信される表面弾性波に対する位相復調（ＢＰＳＫ）を実行できるようにデジタル信号処理が可能な複数個の変換ＩＤＴを含んで構成される。

前記変換ＩＤＴは、可変コード設定部１５８に備えられた複数個のデジタルスイッチと一対一にマッチングされるように連結されて、複数のデジタルスイッチに設定されたＢＰＳＫコード値(可変コード値)に応じて前記変換ＩＤＴを通過する表面弾性波の性質を変化させる。前記デジタルスイッチは、可変コード設定部１５８で設定された可変コードの値に応じてオン（ｏｎ）／オフ（ｏｆｆ）状態のうちいずれか一つの状態であることができ、それぞれの状態において、前記デジタルスイッチの値は‘０'または‘１'を代表する。

前記位相変調部１５４は、可変コード設定部１５８によって設定された可変コードと受信された呼出符号が一致して自己相関が成立した場合に、一定時間に相関ピークが出力されるようにする。

前記表面弾性波が送信ＩＤＴ１５６に到達すると、送信ＩＤＴ１５６は、表面弾性波を高周波応答信号に圧電変換して、これを送信アンテナ１１２によって外部に送出する。外部のＥＣＵ２００は、前記応答信号を受信して復調過程を経た後、前記相関ピークが検出されたか否かに基づいて、アーク発生の可否を確認することができる。

前記第２インピーダンス変換部１２５は、前記第１インピーダンス変換部１２３と同様にＦＥＴ構造で具現されることができる。この場合、前記ＦＥＴ構造のソース-ドレーンは前記可変コード設定部１５８の任意のデジタルスイッチに連結され、ゲートには、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６の出力端が連結されることができる。

第２インピーダンス変換部１２５は、ＲＦ−ＤＣ変換部１２６の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてドレーン-ソース間のＰＮ接合を制御することで、インピーダンスを調節してスイッチとして動作する。

図５を参照すると、例えば、前記ＲＦ−ＤＣ変換部１２６は、帯域通過フィルター１２７からアーク放電による白色雑音でフィルタリングされた特定帯域の周波数信号を入力してＤＣ電圧を出力する。

ＲＦ−ＤＣ変換部１２６の出力端によって、前記ＤＣ出力電圧が第２インピーダンス変換部１２５のゲートに印加されると、第２インピーダンス変換部１２５のインピーダンスが変調されて、前記第２インピーダンス変換部１２５が連結された可変コード設定部１５８の二番目のデジタルスイッチをオープンさせて‘０'状態で動作させる。

逆に、スパーク発生が感知されていない状態において、第２インピーダンス変換部１２５のゲートに駆動電圧が印加されないので、ソース-ドレーン間のインピーダンスが変わらず、ソース-ドレーン両端に連結された二番目のデジタルスイッチをショートさせて‘１'状態で動作させる。

したがって、アーク発生によりスパークが発生する場合に、可変コード設定部１５８で設定される可変コードは‘１００１'値を有することになって、受信された呼出符号が‘１００１'として前記可変コードと相関関係が形成されるので、前記位相変調部１５４は、任意の時間に大きなピークを出力させる。

図７には、本発明の無電源無線統合センサ１００の他の実施例が示されている。

図７を参照すると、統合センサモジュール１２０は、図３の統合センサモジュール１２０と比較して、温度感知モジュールである温度ＳＡＷトランスポンダー(以下、温度ＳＡＷ)１２１をさらに含む。以下の説明で前述されたものと重複する内容は省略する。

前記温度ＳＡＷ１２１は、受信アンテナ１１０から受信された呼出信号を送信ＩＤＴから逆圧電効果によって表面弾性波に変換させる。変換された表面弾性波は圧電基板の両方向に伝播振動する。

この時、表面弾性波の弾性エネルギー（ｅｌａｓｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）は共振周波数で最大になるが、前記共振周波数は、温度ＳＡＷ１２１の温度によって可変される可能性がある。具体的に、周辺の温度によって温度ＳＡＷ１２１の圧電基板の長さが熱膨張することになって、これは表面弾性波の群速度（ｇｒｏｕｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を変化させる。表面弾性波の群速度の変化は、表面弾性波の共振周波数の変化を誘導する。

共振周波数が変換された表面弾性波の弾性エネルギーは圧電効果によって共振周波数情報が含まれた伝播エネルギーに変換されて、変換された伝播エネルギーは前記受信アンテナ１１０によって応答信号（ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ）として外部に返送される。

外部のＥＣＵ２００は、前記応答信号を受信しこれを分析して、温度ＳＡＷ１２１に作用される温度の実際値を演算することができる。

図８には、このような応答信号の共振周波数と温度との関係を示している。

図８で分かるように、温度による温度ＳＡＷ１２１の共振周波数の応答特性は広い領域で線形的な特性を有するということがわかる。したがって、温度ＳＡＷ１２１から受信された応答信号の共振周波数を把握することで、応答信号が送出された時点の温度を正確に把握することができる。

図９は、図２の無電源無線統合センサを利用した異常感知方法を示すフローチャートである。以下の説明で前述されたものと重複する内容は省略する。

まず、外部のＥＣＵ２００からＲＦ呼出信号を生成し、これを時間／周波数変調して外部に送出する(Ｓ１０〜Ｓ３０)。前記呼出信号には、特定呼出符号がページ変調（ＰＭ）されることができる。例えば、前記ＥＣＵ２００は、光検出の可否を把握するために、図４に例示されるように、呼出符号‘１０１１'をＰＭ変調して呼出信号を生成することができ、スパーク検出の可否を把握するために、図５に例示されるように、呼出符号‘１００１'をＰＭ変調して呼出信号を生成することができる。前記呼出信号の送信は一定の間隔で周期的に実行されることができ、管理者が手動で送出することもできる。

次に、前記無電源無線統合センサ１００は、受信アンテナ１１０を通じて前記呼出信号を受信して、受信された呼出信号を受信アンテナ１１０と連結された第１アークＳＡＷ１２２、第２アークＳＡＷ１２４、および温度ＳＡＷ１２１に伝達する(Ｓ１００)。

各ＳＡＷトランスポンダー１２１、１２２、１２４においては、伝達された呼出信号を受信ＩＤＴから表面弾性波に逆圧電変換する(Ｓ１１０)。

まず、温度ＳＡＷ１２１は、周囲の温度変化に応じて圧電基板の長さが熱膨張することになって、圧電基板上に伝播される表面弾性波の群速度を変化させ、これは再び表面弾性波の共振周波数を変化させる(Ｓ１２０、Ｓ１２５)。

一方、前記第１アークＳＡＷ１２２および第２アークＳＡＷ１２４に伝えられる呼出信号は、受信ＩＤＴによって表面弾性波に逆圧電変換されて反対側の送信ＩＤＴ方向に伝播する。この時、位相変調部は前記呼出信号の呼出符号と可変コード設定部で設定された可変コードを比較して(Ｓ１５０)、可変コードと呼出符号が一致すると(Ｓ１６０)、すなわち自己相関が成立すれば、最大ピーク（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ）を有する表面弾性波を出力し(Ｓ１７５)、自己相関が成立しなければ、最大ピークを有していない表面弾性波を出力するように位相変調する(Ｓ１７０)。

この時、前記可変コードは、アーク発生に伴う光またはスパークの発生の可否を感知して、感知された光発生またはスパーク発生の可否に基づいて、可変コードの任意のディジットの値を設定したものである(Ｓ１３０、Ｓ１４０)。

次に、温度変化に応じて共振周波数が変化され、或いは光またはスパークの感知によって最大ピークを有するように位相変調された表面弾性波は、送信ＩＤＴを通じて高周波応答信号に圧電変換された後、送信アンテナを通じて外部に送出される(Ｓ１８０、Ｓ１９０)。

送出された応答信号は、前記ＥＣＵ２００から受信され(Ｓ２００)，増幅過程および復調過程を経た後(Ｓ２１０)、必要なセンシング値を抽出してアーク発生の可否および温度変化を確認することができる(Ｓ２２０)。

以上で説明したように、本発明の無電源無線統合センサは、高圧遮断器のような高電圧電力設備の事故予想地点に付着されて、温度変化およびアーク発生に伴う明るい光またはスパークの発生を感知して、アーク発生の可否をリアルタイムで測定し、測定されたセンシング情報を外部のＥＣＵに送信して設備の異常可否をリアルタイムで判断できる効果がある。

また、本発明の無電源無線統合センサは、温度変化やアーク発生の可否をリアルタイムで把握しながらも、別途の電力源を提供する必要がなく、無線で情報の送受信がなされるので、遠隔制御および感知が容易で、設置場所の制約性などの問題点を解消することができる。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から遺脱しない範囲で多様な修正および変形が可能であることは明らかである。

したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものでなく説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。

本発明の保護範囲は、以下の請求範囲によって解釈されなければならず、それと同等な範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

Claims (15)

1. 呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受け取って表面弾性波に変換する受信ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、
   可変コードを設定する可変コード設定部、
   前記表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関数に基づいて、前記表面弾性波を位相変調する位相変調部、
   前記位相変調された弾性表面波を応答信号に圧電変換して送信する送信ＩＤＴ、
   アーク放電による光発生を感知して、対応する電圧を出力する光感知部、および
   前記可変コード設定部に連結されて、前記光感知部の出力電圧に基づいて前記可変コードを設定するインピーダンス変換部を含み、
   前記位相変調部は、前記呼出符号と前記可変コード間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力することを特徴とする無電源無線感知装置。
2. 前記呼出信号を表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記表面弾性波を温度応答信号に変換する温度感知部をさらに含む請求項１に記載の無電源無線感知装置。
3. 前記インピーダンス変換部は、前記光感知部の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてインピーダンス値を制御するＦＥＴ素子を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の無電源無線感知装置。
4. 前記可変コード設定部は、複数のディジット（ｄｉｇｉｔ）で構成される前記可変コードの各ディジットをオン／オフさせて設定する複数のデジタルスイッチ構造であることを特徴とする請求項１に記載の無電源無線感知装置。
5. 前記インピーダンス変換部は、前記可変コード設定部の任意のデジタルスイッチに連結されて前記デジタルスイッチをオン／オフさせることを特徴とする請求項４に記載の無電源無線感知装置。
6. 呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受け取って表面弾性波に変換する受信ＩＤＴ（ｉｎｔｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、
   可変コードを設定する可変コード設定部、
   前記表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関係に基づいて前記表面弾性波を位相変調する位相変調部、
   前記位相変調された弾性表面波を応答信号に圧電変換して送信する送信ＩＤＴ、
   アーク放電によって発生する白色雑音から特定周波数帯域のスパーク信号を検出する帯域通過フィルター、
   前記スパーク信号を対応される出力電圧に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換部、および
   前記可変コード設定部に連結されて、前記変換された出力電圧に基づいて前記可変コードを設定するインピーダンス変換部を含み、
   前記位相変調部は、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力することを特徴とする無電源無線感知装置。
7. 前記呼出信号を表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記表面弾性波を温度応答信号に変換する温度感知部をさらに含む請求項６に記載の無電源無線感知装置。
8. 前記インピーダンス変換部は、前記ＲＦ−ＤＣ変換部の出力電圧をゲート駆動電圧として入力されてインピーダンス値を制御するＦＥＴ素子を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載の無電源無線感知装置。
9. 前記ＲＦ−ＤＣ変換部は、前記スパーク信号を整流してＤＣ電圧に出力するための一つ以上のショットキーダイオードを含んで構成される請求項６に記載の無電源無線感知装置。
10. 前記可変コード設定部は、複数のディジット（ｄｉｇｉｔ）で構成される前記可変コードの各ディジットをオン／オフさせて設定する複数のデジタルスイッチ構造であることを特徴とする請求項６に記載の無電源無線感知装置。
11. 前記インピーダンス変換部は、前記可変コード設定部の任意のデジタルスイッチに連結されて前記デジタルスイッチをオン／オフさせることを特徴とする請求項６に記載の無電源無線感知装置。
12. 呼出符号がページ変調（ｐａｇｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された呼出信号を受信する呼出信号受信部、
    前記呼出信号を第１表面弾性波に変換して、前記第１表面弾性波の呼出符号をアーク放電による光発生の可否に基づいて設定された可変コードと比較して、前記呼出符号と前記可変コードの間に自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力する光感知モジュール、および
    前記呼出信号を第２表面弾性波に変換して、前記第２表面弾性波の呼出符号をアーク発生によるスパーク発生の可否に基づいて設定された可変コードと比較して、前記呼出符号と前記可変コードの間に自分相関関係が成立すると、前記位相変調された表面弾性波を出力するスパーク感知モジュールを含む無電源無線感知装置。
13. 前記呼出信号を第３表面弾性波に変換して、外部の温度変化に応じて振動周波数が変更された前記第３表面弾性波を温度応答信号に変換する温度感知モジュールをさらに含む請求項１２に記載の無電源無線感知装置。
14. 前記光感知モジュールは、
    前記第１表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関係に基づいて、前記第１表面弾性波を位相変調する第１位相変調部、
    外部の光発生を感知して相応する電圧を出力する光感知部、および
    前記出力電圧に基づいて前記可変コードを設定する第１インピーダンス変換部を含む請求項１２に記載の無電源無線感知装置。
15. 前記スパーク感知モジュールは、
    前記第２表面弾性波の呼出符号と前記可変コードの相関関係に基づいて前記第２表面弾性波を位相変調する第２位相変調部、
    前記白色雑音から特定周波数帯域のスパーク信号を検出する帯域通過フィルター、
    前記スパーク信号を対応される出力電圧に変換して出力するＲＦ−ＤＣ変換部、および
    前記出力電圧に基づいて前記可変コードを設定する第２インピーダンス変換部を含む請求項１２に記載の無電源無線感知装置。