2.1 220 nm 대역의 광센서의 파워밀도와 응답속도 교정 시스템 구현

본 논문에서는 220 nm 대역의 아크플래시를 광학적으로 재연하고 이를 이용한 센서의 교정시스템을 구성하였다. 그림 1에 아크플래시의 파워밀도와 응답속도 교정을 위한 시스템 계략도를 나타내었다. 시스템의 교정 광원은 광센서가 220 nm 대역의 아크플래쉬를 검출하도록 구성하였으며 고강도의 기체 방전의 모의 가능한 출력 150 W의 제논램프를 사용하였다. 교정광원의 안정적 출력을 위해 100 mm × 280 mm의 하우징을 통해 고정하였고 앞단에 28 mm의 원통형 출력단을 설치하였다. 교정광원의 전압은 220 V이며 소비전력은 350 VA이다. 교정광원의 제어를 위해 17.8 V 전원을 입력하였고 이때 전류는 8.48 A이며 D-SUB 터미널을 통해 제어할 수 있도록 구성하였다.

표 1에 200 nm에서 245 nm까지 5 nm 대역별로 측정한 교정광원의 출력과 측정불확도를 나타내었다. 파장별 검측은 24℃에서 습도 60 %이며 광원과 계측기의 간격은 500 mm 이다. 표 1에서와 같이 광원은 파장이 200 nm에서 245 nm로 증가할수록 파워밀도가 높아지는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 기체 방전 모의가 가능한 제논 램프를 이용할 경우에도 220 nm 대역에서의 높은 광밀도를 안정적으로 모의하는 것이 가능하나 파워 밀도는 낮은 것을 나타낸다. 따라서 광원의 파장별 광밀도만 사용하여 220 nm 대역의 광센서의 파워밀도를 교정하기 위해서는 광원의 출력을 높이거나 교정에서 파워밀도를 별도로 검출하는 것이 필요한 것으로 판단된다. 그러나 220 nm 대역의 아크플래시 파장을 재연하는 것은 가능한 것으로 판단된다.

220 nm 대역의 광센서 교정을 위한 시스템 구성도는 그림 2와 같이 나타내었다. 표 1과 같이 아크플래시 모의를 위한 교정광원은 200 nm부터 다양한 파장대역의 광량이 검출되므로 220 nm 대역의 BPF (Band Pass Filter)를 이용하였다. BPF 고정 후 100 %, 80 %, 30 %, 10 %, 0 %의 ND (Neutral Density) 필터를 각각 고정하였다. 또한 BPF 필터도 파장별 감도 특성을 위해 220 nm 필터를 포함하여 5개의 BPF를 고정할 수 있도록 각각 구성하였다. 그림 2와 같이 BPF와 ND필터를 통과한 광원은 디스크 모양의 광초퍼를 이용하여 광원이 발생시간에 따른 응답특성을 검출할 수 있도록 구성하였다. 그림 2에 광센서의 응답특성 측정을 위한 순서도를 나타내었다. 광초퍼는 원형의 디스크 타입을 이용하였고 PID제어를 통해 구동되며 최대 6,000 Hz까지 구동하도록 구성하였다. PID제어는 제어대상의 출력값과 목표값을 비교 후 오차를 연산하여 제어값을 도출하는 피드백 구조이다. 그림 2와 같이 PXI는 광초퍼의 출력주파수과 출력전압을 입력받고 설정 주파수와 연산하여 광초퍼를 제어한다.

시스템의 구성품은 표 2와 같이 주요사양을 나타냈으며 220 nm 대역의 광원과 광량의 측정과 반응속도 시험의 환경을 구축할 수 있는 성능을 나타냈다.

2.2 220 nm 대역의 광센서의 파워밀도 시험 결과

그림 3에 220 nm 대역의 광센서의 파워밀도와 응답속도 검출을 위한 교정시스템 구성 사진을 나타내었다. 그림 3과 같이 광센서는 시험을 위해 185 nm에서 850 nm까지 검출이 가능한 PMT를 사용하였다. PMT는 25 mm의 직경으로 220 nm 대역필터 고정을 위해 지그를 구성하였으며 출력은 전압으로 나타냈다.

시험은 Labview 기반 보드를 사용하여 데이터를 수집하였으며 PMT의 출력 전압을 광파워밀도(µW/cm$^{2}$)로 교정하기 위해 투과대역별 ND필터를 이용하였다. 광량 측정계는 Hamamatsu사의 UV Power Meter를 사용하였으며 응답속도는 1 sec 이다. 광량측정을 위한 UV Power Meter는 0 mW/cm$^{2}$부터 10 mW/cm$^{2}$까지 220 nm 중심파장으로 검출을 할 수 있다. 측정결과를 나타내기 위해 RS-232C와 NI PXI-1031를 연결하여 구성하였으며 PMT는 NI PXI-6259과 연결하여 전압을 측정하였다.

광센서의 파워밀도 교정결과는 표 3과 같이 나타내었다. 교정결과는 ND필터의 투과율에 따라 광센서의 전압 출력이 감소하였다. 이때 최소제곱법과 레벤버그-마르카토법을 이용하여 실험 데이터를 식1과 같이 직선의 기울기를 계산한다. 여기서. x는 PMT 센서의 제어전압, a는 기울기, b는 절편값이다.

그림 4는 표 3과 식(1)을 적용한 결과를 추세선으로 나타냈다. UV 파워미터와 광센서의 출력전압과의 관계는 그림 4와 같이 선형적인 특성을 나타냈으며 ND 필터의 투과율과 반비례 한다. 투과율은 센서와 빛간의 거리에 비례하므로 그림 4의 기울기를 계산하여 아크플래시의 발생지점과 광센서간의 거리에 따른 센서의 특성값을 교정할 수 있다.

2.3 220 nm 대역의 광센서의 응답속도 시험 결과

그림 5에 220 ㎚ 대역의 광센서의 응답속도 검출을 위한 순서도를 나타내었다. 광센서의 응답속도를 위해 광초퍼 디스크는 30개의 분할 슬롯을 이용하였고 구동속도는 2 kHz에서 6 kHz까지 변화하며 제어하였다. 측정결과는 NI PXI-6259로 검출하였으며 광초퍼 구동 펄스와 광센서의 구동펄스를 상호 비교하여 에러율을 비교한다.

그림 6은 광센서의 응답속도와 초퍼의 응답속도를 나타냈으며 피크값 기준으로 광센서의 펄스 간격을 측정하였다. 그림 6(a)는 약 100 ㎲, 그림 6(b)는 약 80 ㎲를 나타냈으며 초퍼의 구동 펄스 보다 약 2배 감소하였다. 에러율은 그림 5의 순서도를 적용하였으며 5 kH에서 50 %, 6 kH에서 52 %로 나타냈으며 주파수가 높아질수록 광센서의 출력 에러가 미세하게 높아짐을 알 수 있다. 또한 광초퍼 구동 주파수가 증가할수록 광센서의 출력속도가 낮아지므로 본 시험에서 사용한 광센서를 이용하여 광초퍼의 구동속도가 10 kH 조건에서 100 us 미만의 아크광 검출이 가능한 것을 의미한다. 10 kHz의 아크광 검출은 광초퍼의 출력 주파수를 10 kHz으로 조정하여 아크광의 검출속도를 확인할 수 있다.

100 us의 아크광 검출은 미소 시간의 아크광을 측정하여 유해 여부를 판단할 수 있는 시간으로 철도의 경우 5 ms의 아크광이 구리 전차선에 유해한 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 광센서의 응답속도와 아크광의 발생시간을 측정하도록 구현된 교정시스템이므로 각 설비의 유해 아크 발생시간에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 사료 된다. 향후 제안한 교정시스템을 이용하여 센서를 교정한 이후에 아크광의 밀도와 발생시간을 정밀하게 측정한 검측 결과를 이용하여 진단시스템으로서 활용 가능할 것으로 기대된다.