 요약
광섬유 분포 온도 측정 시스템(Fiber Optic Distributed Temperature Sensor System)은 광섬유 자체를 센서 매체로 사용한다는 점에서 기존의 전기적인 센서와는 전혀 다른 방식의 센서입니다. 이 새로운 온도 측정 방식은 한 가닥의 광섬유를 사용하기 때문에 경량화, 소형화, 또한 전자기적인 잡음에 전혀 영향을 받지 않고 용이하게, 설치될 대상물 전체의 온도를 측정 하는 것이 가능합니다.
또한 광섬유 분포 온도 센서는 광범위한 지역의 온도 분포를 한 가닥의 광섬유 만을 이용하여, 정밀 측정이 가능한 센서입니다. Thermocouple과 같은 기존의 온도 센서는 부분적인 온도 측정을 위한 것이어서 넓은 지역의 온도 분포를 측정하기 위해서는 엄청난 비용이 들며 거의 실현 불가능 합니다.
그에 비해 광섬유 분포 온도 센서는 저렴한 비용으로 정밀하면서 빠르게 측정할 수 있습니다
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서론
광섬유를 이용한 센서는 기존 센서에 비해 전자기적 잡음에 대한 면역성과 전기적 절연 및 화학적 불활성, 내 부식성 등의 많은 장점을 가지고 있어서 철강, 석유 화학 등의 대부분의 산업 현장이나 전력 계통에 적합하며, 특히 광통신 선로와 병행되면 우수한 계측 제어 시스템을 구축할 수 있어 다양한 형태로 응용되고 있습니다.
또한 기존 센서에 비해 감도가 우수하고 한 대의 계측 시스템에 여러 개의 센서를 연결하여 다 지점의 변화를 동시에 측정하는 다중 계측은 물론 측정 대상을 연속적으로 계측할 수 있는 분포형 계측이 가능합니다.
광섬유를 이용한 센서는 대부분의 물리량을 측정할 수 있고 측정 대상 및 활용 범위에 따라 광의 세기, 위상, 산란, 흡수 등의 빛의 성질을 이용해 외부 변화량을 측정하고 그 구현 방식에 따라 각기 장단점을 가지며, 응용 분야에 적합한 가격, 성능, 동작 범위 및 기타 조건을 고려해 설계됩니다.
그 중에서 광섬유 내에서의 Raman 산란을 이용하여 광섬유 주위의 온도를 측정 할 수 있는 광섬유 분포형 온도 측정 시스템(Optical Fiber Distributed Temperature Sensor system)에 대하여 설명 하겠습니다.
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측정원리
광섬유에 광을 입사 시키면 광섬유 내의 Glass 격자(SiO2)들에 의해 산란, 흡수 등의 현상이 일어납니다.
산란광 중에는 입사광과 동일한 파장 성분의 Rayleigh 산란광과 다른 파장 성분의 산란광이 존재하며 다른 파장의 성분들은 파장 천이에 따라서 명칭이 다른데 그 중에, 구성물질의 격자 열 진동 중에서 횡파 모드와 상호 작용으로 인한 산란광을 Raman 산란광이라 부르는데 이 Raman 산란광은 석영 분자가 가지는 다양한 진동 상태 사이에 존재하는 Maxwell-Boltzmann 에너지 분배로 인하여 강한 온도 종속성을 보입니다.
즉, 온도에 따라 특성이 변합니다. 광섬유 내부에서의 입사광은 석영 분자에 흡수되어 열 진동의 횡파 모드를 여기한 후(발생 시킨 후), 재발광(다시 빛을 내어)하여 광 에너지를 잃으면서 입사광보다 장파장(긴 파장을 갖는)의 Stokes 광(λs)으로 변환되고, 횡파 모드를 흡수하고 재 발광하여 에너지를 얻은 입사광보다 파장이 짧은 단파장의 Anti-Stokes 광(λa)으로 변환됩니다. 그림1은 입사광이 분자에 의해 산란 되는 예를 보여주며, 일정 거리 X 만큼 떨어진 곳에서 반사되는 Raman산란광의 위치는 (1)식으로부터 구할 수 있습니다.
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 -----------------------------(1)
V = 광섬유 내에서의 빛의 전송 속도(2 *108m/sec)
t = 산란광이 되돌아 오는데 걸리는 시간
즉 광이 입사되고 난 후에 돌아온 시간을 알면 산란광이 반사되 온 지점을 정확히 알아낼 수 있습니다.
그림1. 광섬유 내에서의 구성 입자에 의한 광의 산란
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그림2는 상온에서의 Raman과 Rayleigh 스펙트럼을 나타낸 그림입니다.
그림2에서처럼 Rayleigh 광으로부터 주파수 분리 간격이 같은 Raman 산란광 중에서 Stokes 광과 anti-Stokes 광의 강도 비는 (2)식과 같습니다.
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여기서 h와 k는 각각 Planck 상수와 Boltzmann 상수이고, c는 진공 중의 광속도, T 는 산란광을 수신한 광섬유 구간에서 코어의 절대온도, ν는 입사 광 의 주파수입니다. 따라서 광섬유 주위의 온도는 아래와 같이 (3)식으로부터 구할 수 있습니다.
 -----------------------(3)
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, K3는 상수 값입니다
그림2. Rayleigh 산란광과 Raman 산란광의 스펙트럼
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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 감쇄차가 있고, 파장 차이로 인해 광섬유 내에서의 빛의 진행 속도가 다르므로 약간의 보상이 필요합니다.
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측정 시스템 구성
레이저에서 나온 광 펄스는 분광 광학계를 지나서 광섬유로 입사 되고 광섬유 안에서는 여러 요인으로 인해 Raman 역 산란광이 발생하여 입사 단으로 돌아오면 분광 광학계에 의해서 Stokes 광과 anti-Stokes 광으로 분리된 후에 검출 소자(APD : Avalanche Photo Diode)를 거치면서 전기 신호로 변환됩니다.
이 신호는 아날로그 앰프에 의해서 증폭된 후 A/D(Analog to Digital) 변환기로 디지털화 되어 한 번 측정 때마다 메모리에 기억되며, SNR(Signal to Noise Ratio) 개선을 위하여 디지털 평균화기에서 평균화 처리됩니다.
이 과정을 수 만번 반복하여 전체 측정 데이터를 가산 평균하면 Random Noise는 감소하며 평균화 처리한 데이터는 컴퓨터로 전송하여 최종적으로는 온도 데이터로 환산됩니다.
그림3. 광섬유 분포 온도 측정 시스템의 구성도
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이와 같은 구성 법을 사용하면 원리적으로 각 지점간의 온도차 즉, 상대치는 간단히 측정할 수 있지만 절대치를 측정하기는 어렵기 때문에 센서 내부에 온도 기준용 광섬유를 내장하고 있으며 피측정 광섬유와 동시에 온도를 계측하고, 내장한 기준 광섬유의 온도는 Thermocouple을 이용해서 측정된 온도와 비교함으로써 피 측정 광섬유 전체 길이의 온도 절대치를 결정합니다.
분포형 온도 센서의 특성을 나타내는 파라메터로는 일반적으로 온도 정밀도 및 측정 온도 범위 외에도 거리 분해능, 응답 거리 및 측정 가능 거리 등이 있습니다.
이와 같은 여러 특성들은 상호 밀접하게 관련되어 있기 때문에 어느 한 가지의 특성을 극단적으로 뛰어나게 하면 다른 특성이 나빠지게 됩니다.
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제품사양
상품화 되어 있는 광분포 온도 측정시스템은 크게 광원부와 신호처리부로 나눌 수 있습니다. 광원부에는 Laser Diode, Driver로 구성 되어 있고, 신호처리부에는 광학 필터, APD, 및 기타 Control 회로로 구성되어 있습니다.
측정 Data를 온도로 환산하고 GUI(Graphic User Interface)를 위해 제공되는 Software는 Microsoft의 Windows에서 사용하도록 되어있고, 설치 환경에 따라 교정 및 Data수집이 용이 하도록 되어있습니다. 대표적인 장비의 규격을 표1에 정리하였습니다.
측정 거리 | 최대 2km | 온도 정밀도 | ±1℃ | 측정 온도 범위 | -200 ~ +500 ℃ | 온도 분해 능 | 0.1 ℃ | 거리 분해 능 | 1m | 측정 시간 | 최대 90초 | 센서 광섬유 | 다중 모드 50/125 또는 200/250 | 운용 PC | IBM 호환형 PC 486 이상 |
표1. 대표적인 광 분포 온도 측정 시스템의 규격
측정 온도 범위는 센서 광섬유 코팅 재질이 따라 다르게 됩니다. 일반 광섬유의 경우는 80℃까지 측정 가능하며, 그 이상의 경우에는 Tefzel이나 Ceramic 코팅 된 광섬유를 사용하여야 합니다. 따라서 측정하고자 하는 환경에 따라서 온도 정밀도와 측정 시간의 최적 조건으로 측정을 할 수 있도록 S/W로 변경이 가능하도록 되어있는 제품도 있습니다. |
특성 확인
기존 상품화된 제품을 이용하여 그림4와 같이 환경을 구성 하여 실험을 하였습니다.
1700m 부근에서 100m를 보빈에 감고, 50m를 지난 후 다시 100m를 보빈에 감아 물이 담긴 항온조에 넣고 온도를 70℃로 상승 시켰다.
그림 4. 실험 구성도
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측정 한 결과를 그림5에 나타내었습니다.
그림에서 볼 수 있듯이 1700m와 1850m 부근이 70℃로 상승한 것을 알 수 있다. 뒷부분이 앞부분에 비해 약간 낮게 나타나는 것은, 물을 이용한 항온조 내부에서도 위치에 따라 약 2 ~ 3℃ 정도 의 온도 차이가 발생하기 때문이라고 추정됩니다.
사용자가 설정한 온도(Alarm set) 이상으로 온도가 상승하는 경우에 경보가 울리도록 할 수도 있습니다.
그림 5. 측정 결과
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결론
정보화 사회의 발전과 함께 전력 및 주요 설비, 시설에 대한 안정적인 유지, 운영의 중요성이 증대되고 있으나 이러한 시설이 점차 대규모, 광대역화 됨에 따라 운영의 어려움 역시 증대되고 있습니다.
이러한 문제를 해결하는 방법으로 시설 점검을 위한 각종 물리량을 측정하고 중앙에서 집중 감시하는 것이 가장 유용한 방법으로 인식되고 있습니다.
그러나 감시 지역이 넓고 감시 양이 증가하게 되면 이러한 감시 장비 역시 대규모화 되고 복잡해 져서 또 다른 유지 및 관리가 필요하게 됩니다.
이러한 면에서 광섬유를 전송로로 하는 감시 시스템이 점차 증대되고 있으며 최근에는 물리량을 측정하는 센서 자체에도 광 및 광섬유를 이용하는 광 센서가 활발히 보급되고 있습니다.
이와 같은 필요성에 따라 광 센서와 광 전송이 모두 한꺼번에 가능한 광섬유 분포 온도 계측 시스템에 대하여 검토 하였습니다.
분포형 온도 계측 시스템은 광섬유 자체가 센서와 전송로의 역할을 하므로 설치가 용이하고 현장 장비가 없으므로 유지 보수가 간단해지는 장점을 갖고 있습니다. 또한 광섬유를 이용하므로 주위의 영향을 받거나 주위에 영향을 주지도 않아 가장 안정적인 계측 방법이며, 중앙에서 모든 포설 구간의 온도 분포를 측정 할 수 있고 선로의 이상 유무까지도 알 수 있는 차세대 계측 시스템으로 응용 분야로는
| 전력 케이블 및 Pipe line 온도 감시 | | Bus Duct, 건물 내 화재 감시 | | 액화 Gas 누출 감지 및 대형 콘크리트 경화 감시 | | 도로 결빙 감시 |
등, 다양한 응용 분야를 갖고 있고, 현재 미국, 일본 등의 선진국에서는 10여년 전부터 상용화 하여 실제 사용 중에 있으며, 전력 케이블 뿐만 아니라 민수 분야에도 상당한 수요가 예상 됩니다. |
