KR101599285B1 - 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 거리측정 센서를 이용하여 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심 사이의 거리 및 초음파 센서의 피검사체에 대한 중심각도를 기초로 초음파 센서의 구동을 제어함으로써 피검사체가 되는 전력설비에서 발생하는 초음파를 높은 수신율로 검출하기 위한 구성으로서, 제1 지지판과, 제1 지지판의 수직 방향으로 세워져 일정 간격을 두고 고정된 길이 방향의 제1, 2 수직대와, 각각의 상기 제1, 2 수직대의 상면에 올려지는 평판 형태의 제2 지지판과, 상기 제1 수직대의 측면 일측에 설치된 피니언 기어와, 상기 제2 지지판을 수직 방향으로 관통하며 상기 피니언 기어와 맞물려 치합됨으로써 상기 피니언 기어의 회전에 따라 상하로 직선 운동하는 래크 기어와, 상기 래크 기어의 상부 끝단에 결합되는 이동대와, 상기 이동대의 상면에 결합되는 길이 방향의 프레임과, 힌지 결합에 의해 상기 제2 지지판의 상부에 설치되되 상기 프레임의 일측 끝단과 결합됨으로써 상기 프레임의 타측 끝단을 회전시키는 구동장치를 포함하며 차량 위에 설치되는 받침대와, 상기 받침대 상에 설치되며 상기 프레임의 타측 끝단 상부에 설치되며 상기 프레임의 길이 방향에 직교하는 축을 중심으로 360도 회전 운동하는 회전부와, 상기 회전부 상부에 설치되며 상면 전체가 원호 형상인 웨지부와, 일측 단이 상기 회전부의 회전중심에 연결부재를 체결 수단으로 하여 연결되고 타측 단이 상기 웨지부의 상면에 따라 운동함으로써 각도 조절이 가능한 형태로 상기 회전부에 설치되는 각도조절부를 포함하는 구동부로 이루어지는 초음파 검출장치를 제시한다.

Description

가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치{Receiving Apparatus of Ultrasonic for Detecting Degraded Components in an Overhead Distribution Line}

본 발명은 배전분야에 관한 기술 중에서 초음파를 이용하여 가공배전선로의 장애를 검출하는 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 피검사체와의 거리 및 각도를 산출하여 높은 수신율로 초음파를 검출할 수 있도록 자동 제어되는 초음파 검출장치에 관한 것이다.

가공배전선로 전력설비는 배전 선로 주변의 환경 변화 또는 설비 불량에 따른 파손 등에 의해 안정성이 훼손될수 있으므로 지속적인 점검과 안전위해요소의 제거 및 설비 교체 등의 관리를 필요로 한다.

가공배전선로 전력설비의 고장을 예방하기 위하여 다양한 방법의 순시 점검 방식이 이용되고 있는데, 배전 선로 순시원을 통해 육안으로 점검하는 배전 선로 순시 방법, 활선 상태에서 활선 버켓 트럭을 타고 활선 전력설비에 접근하여 육안 및 포크형 현수 애자 분담 전압 측정기를 사용하여 분담전압을 측정하는 활선 기별 점검 방법, 전력설비에서 열화가 진행될 때 발생되는 열을 측정하여 배전 선로의 고장을 예방하기 위한 열화상 카메라 측정 방법, RFI(RADIO FREQUENCY INTERFERENCE)를 이용한 순시 방법 등이 이용되고 있다.

그러나 현실적으로 육안에 의한 방법은 전력설비가 가공에 존재하며 지상으로부터 10m 이상의 거리를 두고 있기 때문에 육안으로 설비의 이상을 측정하는 것은 불가능하다. 또한, 활선 기별점검 방법은 활선 작업자가 활선 버켓 트럭을 타고 점검을 하기 때문에 가까운 거리의 설비는 육안으로 보는 것은 가능하지만 애자와 애자 사이의 좁은 지역이나 점검자로부터 반대편에 존재하는 미세한 균열 등의 경우에는 점검하는 것이 매우 어렵다. 그리하여 부실 점검으로 인하여 활선 기별 점검을 한 구역에서도 전력 사고가 일어나는 것이 현실이다. 또한 활선 기별점검은 점검에 많은 시간이 소요되며 상대적으로 더 많은 비용이 소모되므로 비효율적인 측면이 있다.

열화상 카메라 측정 방법은 전력설비에서 열화가 진행될 때 발생되는 열을 측정하여 고장을 예방하는 것이기 때문에 열이 발생되지 않는 설비의 경우에는 적출이 불가능하다. 실제로 전력설비의 특별고압(22,900v)의 선로에서는 대부분의 경우에 애자류의 균열에서 열이 발생되지 않는다. 또한 이물질의 접촉이나 볼트의 풀림의 경우에도 열이 발생되지 않으므로 효과적인 검출 방안이라고 말할 수 없다.

RFI를 이용한 순시 방법은 도심지나 공장이 밀집된 지역 등의 경우에 주변의 주파수 잡음이 너무나 심하기 때문에 전력설비에서 나오는 노이즈와 구별이 어렵고 구별한다 하여도 고장 가능성이 있는 설비를 정확하게 구별하는 것이 불가능하다. 또한, 파형의 분석이 불가능하기 때문에 고장의 유형의 파악이나 정도의 파악이 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 외부에서 원격으로 원격설비를 더욱 간편하게 측정할 수 있는 불량설비 측정수단을 제공할 필요성이 있다.

초음파 검출 방법은 전력설비에 대하여 원격에서 초음파 센서로부터 초음파를 인가받아 전기신호를 추출하고 추출된 전기신호의 신호 성분을 분석하여 전력설비의 이상 상태를 검출한다. 이때, 초음파 검출장치가 장착된 차량을 이용하여 차량에 탑승한 순시원이 검출된 초음파의 신호 파형을 보고 불량 여부를 판단하는데, 피검사체가 되는 가공배전선로와 초음파 검출장치 사이의 거리가 너무 멀면 초음파 신호가 제대로 수신되기 어렵고, 반대로 너무 가까우면 타겟이 되는 가공배전선로 외에 주변의 다른 가공배전선로에서 발생하는 초음파 신호까지 중첩되기 때문에 정확한 측정이 어려워진다. 또한, 이러한 피검사체와의 거리 외에도 피검사체에 대한 초음파 검출장치의 각도 즉, 지향성이 소정 범위를 벗어나 버리면 측정이 어려워지는 문제가 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1318926호(2013.10.10)"복합 초음파 센서를 이용한 전력설비의 결함 검출 시스템"

이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 거리측정 센서를 이용하여 초음파 검출장치의 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심 사이의 거리 및 초음파 센서의 피검사체에 대한 중심각도를 측정하고, 이를 기초로 초음파 센서를 구동하여 초음파 센서의 지향성을 높일 수 있는 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명은, 제1 지지판과, 제1 지지판의 수직 방향으로 세워져 일정 간격을 두고 고정된 길이 방향의 제1, 2 수직대와, 각각의 상기 제1, 2 수직대의 상면에 올려지는 평판 형태의 제2 지지판과, 상기 제1 수직대의 측면 일측에 설치된 피니언 기어와, 상기 제2 지지판을 수직 방향으로 관통하며 상기 피니언 기어와 맞물려 치합됨으로써 상기 피니언 기어의 회전에 따라 상하로 직선 운동하는 래크 기어와, 상기 래크 기어의 상부 끝단에 결합되는 이동대와, 상기 이동대의 상면에 결합되는 길이 방향의 프레임과, 힌지 결합에 의해 상기 제2 지지판의 상부에 설치되며 상기 프레임의 일측 끝단과 결합됨으로써 상기 프레임의 타측 끝단을 회전시키는 구동장치를 포함하며 차량 위에 설치되는 받침대와, 상기 프레임의 타측 끝단 상부에 설치되며 상기 프레임의 길이 방향에 직교하는 축을 중심으로 360도 회전 운동하는 회전부와, 상기 회전부 상부에 설치되며 상면 전체가 원호 형상인 웨지부와, 일측 단이 상기 회전부의 회전중심점에 연결부재를 체결 수단으로 하여 연결되고 타측 단이 상기 웨지부의 상면에 따라 운동함으로써 각도 조절이 가능한 형태로 상기 회전부에 설치되는 각도조절부를 포함하는 구동부와, 상기 웨지부(123)의 상면에 따라 이동하는 상기 각도조절부의 타측 단에 연장된 형태로 설치되며 상기 회전부의 회전 운동에 따라 상기 회전부와 함께 회전하고, 전방 끝단이 원형이 되는 원뿔 형상의 하우징과, 상기 하우징 내부에 수용되며피검사체에서 발생하는 초음파를 수신하는 초음파 센서와, 상기 하우징의 전방 끝단의 좌측 단에 설치되어 피검사체의 좌측단과의 직선거리를 측정하는 거리측정 센서와, 상기 하우징의 전방 끝단의 우측 단에 설치되어 피검사체의 우측단과의 직선거리를 측정하는 거리측정 센서를 포함하는 초음파 수집모듈과, 상기 한 쌍의 거리측정 센서에 의해 측정된 직선거리에 대한 데이터를 수신받아 상기 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심까지의 중심거리(Lc)와 상기 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심을 잇는 가상의 선과 피검사체 표면이 이루는 중심각도(θ)를 산출하는 거리 및 각도 연산부와, 상기 거리 및 각도 연산부로부터 전송받은 중심각도(θ) 데이터를 기초로 상기 초음파 센서의 중심에서의 법선과 피검사체의 중심에서의 법선이 서로 일치되게 상기 구동부를 제어하는 제어신호를 전송하는 구동제어부와, 상기 거리 및 각도 연산부로부터 전송받은 중심거리(Lc) 데이터를 기초로 피검사체의 검사영역으로의 진입 여부를 판단하는 검사영역 판단부와, 검사영역 내로 피검사체가 진입하면 경보음을 발생하는 경보음 발생부와, 상기 초음파 센서에서 수신된 초음파 신호를 제공받아 기 설정된 진폭레벨로 증폭하는 신호 증폭부와, 상기 신호 증폭부로부터 증폭된 초음파 신호의 피크(Peak) 값을 검출하는 피크 검출부와, 상기 피크 검출부로부터 검출된 피크 값이 기 설정된 범위 내에 포함되도록 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 자동이득 제어부로 구성되는 신호 처리부를 포함하는 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치를 제공한다.

본 발명에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치에 따르면, 거리측정 센서를 이용하여 초음파 검출장치의 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심 사이의 거리 및 초음파 센서의 피검사체에 대한 중심각도에 따라 피검사체가 초음파 센서로부터 일정 범위 내에 있으면 경보음을 발생케 함으로써 순시원으로 하여금 실수로 지나치지 않게 하며, 또한 초음파 센서가 높은 지향성을 가지고 초음파를 수신할 수 있도록 초음판 센서가 수용된 초음파 수집모듈의 각도를 조정함으로써 전력설비의 정확한 점검이 가능해진다.

도 1은 가공배전선로의 전력설비에서 불량이 발생하지 않은 상태의 초음파 신호의 정상 파형을 나타내는 도면이다.
도 2는 가공배전선로의 전력설비에서 아크(Arc) 방전이 발생되고 있을 때의 초음파 신호의 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 가공배전선로의 전력설비에서 코로나(corona) 방전시의 초음파 신호파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 가공배전선로의 전력설비에서 트래킹(Tracking) 발생 시의 초음파 신호의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치의 단면도이다.
도 6은 도 5에서 구동부 및 초음파 수집모듈을 확대 도시한 확대도이다.
도 7은 본 발명에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명에 포함된 받침대의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 포함된 각도조절부의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 포함된 초음파 수집모듈을 전방에서 바라본 도면이다.
도 11은 본 발명의 초음파 검출장치의 제어에 사용되는 중심거리(Lc) 및 중심각도(θ)를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 포함된 초음파 수집모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 13b는 피검사체의 검사 영역 진입 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 초음파 검출장치를 이용한 가공배전선로의 전력설비 검사방법을 순서대로 도시한 흐름도이다.
도 15는 본 발명에 포함된 신호 처리부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 다수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 언급된 구성요소, 단계, 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

한편, 도면의 구성요소는 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니고, 예컨대, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도면의 일부 구성요소의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 도시의 간략화 및 명료화를 위해, 도면은 일반적 구성 방식을 도시하고 있다, 또한, 본 발명의 설명된 실시 예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다.

종래의 전력 설비의 초음파 검출 방법은 원격에서 초음파 센서로부터 초음파를 인가받아 전기신호를 추출하고 추출된 전기신호의 신호 성분을 분석하여 전력설비의 이상 상태를 검출하는데, 피검사체가 되는 전력설비와 초음파 센서와의 거리 및 각도가 이상적인 범위를 벗어나게 되면 불량 개소의 초음파 신호를 수신이 어려우며, 이는 특히 차량을 이용하여 빠른 속도로 이동하여 측정하는 현재의 방법에서 더욱 심화된다.

이하 본 발명은 초음파 센서를 피사검체와의 거리 및 각도에 따라 실시간으로 구동시킴으로써 원하는 대상의 불량 개소로부터 초음파 신호를 정확하게 수신한다.

도 1은 가공배전선로의 전력설비에서 불량이 발생하지 않은 상태의 초음파 신호의 정상 파형을 나타내는 도면이고, 도 2는 가공배전선로의 전력설비에서 아크(Arc) 방전이 발생되고 있을 때의 초음파 신호의 파형을 나타내는 도면이고, 도 3은 가공배전선로의 전력설비에서 코로나(corona) 방전시의 초음파 신호파형을 나타내는 도면이고, 도 4는 가공배전선로의 전력설비에서 트래킹(Tracking) 발생 시의 초음파 신호의 파형을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 가공배전선로 전력 설비의 불량 점검을 위한 초음파 검출장치는 가공배전선로의 전주에 설치된 전력설비의 불량 여부 즉, 현수 애자, LP 애자, 내오손용 결합 애자 불량과 같은 애자 불량, 개폐기, 리클로져, 변압기 불량 등과 같은 기기 불량, 조류 둥지, 접속 부위를 덮는 커버 내부의 습기 등과 같은 이물질 접촉에 의한 불량을 전주에 승주 하는 작업 없이 지상에서 그리고, 보다 신속하게 점검할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명은 전력설비에서 균열 등과 같은 불량이 발생하는 경우, 정상 상태와 다른 초음파 신호 파형이 발생하며, 이상 유형에 따라 그 파형이 상이하다는 것을 발견, 이를 이용한다. 먼저, 초음파 신호와 이상 유형의 관계를 살펴보면, 도 1은 전력설비에서 불량이 발생하지 않은 상태의 정상 파형을 보여주고 있으며, 도 2는 아크(Arc) 방전이 발생되고 있을 때의 파형을 보여주며, 도 3은 코로나(corona) 방전시의 파형을 보여주며, 도 4는 트래킹(Tracking) 발생 시의 파형을 보여주고 있다.

정상 파형의 도 1을 참조하면, 시간의 경과에 일정한 유형의 파형이 검출되며, 진폭의 변화가 거의 없다. 초음파 검출장치를 통해 수신 분석된 초음파 신호의 파형이 도 1과 같은 경우, 점검 대상 영역 즉, 초음파 검출장치에 의해 수신된 초음파를 제공한 영역에서의 전력 설비는 모두 정상 상태로서, 불량이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

도 2를 참조하면, 정상파형을 나타내는 도 1과 비교할 때, 아크가 발생할 때마다 파형의 진폭이 커지고, 아크 발생 되지 않을 때는 코로나 방전시와 유사한 파형이 나타난다. 도 3을 참조하면, 코로나 방전의 경우에는 애자의 표면에 전로가 형성되어 표면 방전이 일어나는 경우로서 도 2의 아크 방전시의 파형보다 작은 진폭의 파형이 연속적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 도 4를 참조하면, 트래킹은 이미 코로나가 상당기간 진행되면서 애자의 균열이 진행되므로 코로나 방전시의 파형보다 큰 진폭의 파형이 연속적으로 나타나는 것을 알 수 있다.

초음파 검출장치를 통해 수신된 초음파 신호가 도 2 내지 도 4의 유형을 가지는 경우, 초음파를 제공한 전력 설비를 불량이 발생한 불량 개소에 해당한다. 본 발명은 이와 같이 전력 설비에서 발생하는 초음파 신호를 검출, 파형을 분석함으로써 전수 상의 전력 설비들 중에서 불량 개소의 발생 여부, 불량 개소의 이상 유형 및 진행 정도를 판단할 수 있게 하며, 차량 이동 중 및 이격된 위치에서 전력 설비에서 발생하는 초음파를 효과적으로 검출할 수 있는 초음파 검출장치를 제공함으로써 초음파를 이용한 가공배전선로 전력설비의 불량 점검이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치의 단면도, 도 6은 도 5에서 구동부 및 초음파 수집모듈을 확대 도시한 확대도, 도 7은 본 발명에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도, 도 8은 본 발명에 포함된 받침대의 동작을 설명하기 위한 도면, 도 9는 본 발명에 포함된 각도조절부의 움직임을 설명하기 위한 도면, 도 10은 본 발명에 포함된 초음파 수집모듈을 전방에서 바라본 도면, 도 11은 본 발명의 초음파 검출장치의 제어에 사용되는 중심거리(Lc) 및 중심각도(θ)를 설명하기 위한 도면, 도 12a 및 도 12b는 본 발명에 포함된 초음파 수집모듈의 동작을 설명하기 위한 도면, 도 13a 및 13b는 피검사체의 검사 영역 진입 상태를 설명하기 위한 도면, 도 14는 본 발명의 초음파 검출장치를 이용한 가공배전선로의 전력설비 검사방법을 순서대로 도시한 흐름도, 도 15는 본 발명에 포함된 신호 처리부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치(100)는, 배전선로 주변의 환경 변화와 설비 불량에 따른 파손 등으로 지속적인 점검과 위험 요소 제거 및 노후 설비 교체 등의 관리시 사용되는 것으로, 도 5 및 도 6을 참조하면, 차량 위에 설치되는 받침대(110)와, 받침대(110) 상에 설치되고 후설하는 구동제어부(150)의 제어신호에 따라 작동하는 구동부(120)와, 상기 구동부(120)의 움직임에 따라 피검사체(10)가 되는 전력설비에서 발생하는 초음파를 검출하는 초음파 수집모듈(130)을 기본 구성으로 이루어진다.

물론, 이외에도 수집된 초음파 신호를 증폭, A/D 변환, 가시화 등의 일련의 화상화 연산 처리를 통해 육안으로 확인 가능한 신호 파형으로 변환시키는 신호 처리부(200)가 케이블 등을 통해 상기 초음파 수집모듈(130)과 연결될 수 있으며, 신호 처리부(200)의 동작 과정에 대해서는 후술하기로 한다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 신호 처리부(200)의 출력포트와 연결되고 상기 출력포트로부터 출력되는 파형의 형태를 관찰하기 위한 디스플레이, 기타 초음파 신호를 녹음하기 위한 SD슬롯, 신호의 적출시 위치를 저장할 수 있는 GPS 모듈, 신호 입력포트, 이더넷 연결 포트 등이 추가로 포함될 수 있다.

상기 받침대(110)는 구체적으로, 제1 지지판(111)과, 제1 지지판(111)의 수직 방향으로 세워져 일정 간격을 두고 고정된 길이 방향의 제1, 2 수직대(112, 113)와, 각각의 제1, 2 수직대(112, 113)의 상면에 올려지는 평판 형태의 제2 지지판(114)과, 제1 수직대(113)의 측면 일측에 설치된 피니언 기어(115)와, 제2 지지판(114)을 수직 방향으로 관통하며 피니언 기어(115)와 맞물려 치합됨으로써 피니언 기어(115)의 회전에 따라 상하로 직선 운동하는 래크 기어(116)와, 래크 기어(116)의 상부 끝단에 결합되는 이동대(117)와, 이동대(117)의 상면에 결합되는 길이 방향의 프레임(118)과, 힌지 결합에 의해 제2 지지판(114)의 상부에 설치되며 프레임(118)의 일측 끝단과 결합 즉, 프레임(118)과 외팔보 구조로 결합됨으로써 프레임(118)의 타측 끝단을 일정 각도로 회전시키는 구동장치(119)로 구성된다.

피니언 기어(115)의 회전에 따라 피니언 기어(115)에 맞물린 래크 기어(116)가 상하로 직선 운동함에 따라 프레임(118)의 타측 끝단 상부에 구비되는 초음파 수집모듈(130)의 높낮이가 조절되며, 이에 따라, 도 8에 도시된 것처럼 프레임(118)이 30도 이하로 내려가지 않도록 래크 기어(116)를 구성할 수 있고, 그 결과 지상으로 유입되는 초음파 신호를 차단할 수 있게 된다.

다음으로, 프레임(118)의 타측 끝단 상부에 설치된 구동부(120) 및 초음파 수집모듈(130)에 대해 설명하기로 한다.

도 6을 참조하면, 구동부(120)는 크게 회전부(121)와 각도조절부(122)로 구성된다. 회전부(121)는 원반형으로 이루어지며 모터에 직접 연결되어 평면 상에 회전 운동한다. 또는, 다른 방식으로 회전 운동할 수 있다. 예컨대, 회전부(121)의 외주면에 톱니가 형성되고 회전부(121)의 회전 평면과 직각으로 회전하는 웜흴이 회전부(121)의 톱니에 기어 결합된 구조에서 웜흴이 회전 운동하게 되면 회전부(122)는 이 회전력을 전달받아 수평 방향으로 회전하게 된다.

그리고, 각도조절부(122)는 회전부(121) 상에 각도 조절이 가능한 형태로 결합된다. 예컨대, 회전부(121) 상에 상면 전체가 원호 형상인 웨지부(123)가 설치되고, 각도조절부(122)는 일측 단이 회전부(121)의 회전중심점에 연결부재(124)를 체결 수단으로 하여 연결되고 타측 단이 웨지부(123)의 상면에 따라 운동함으로써 각도 조절이 가능한 형태로 설치된다. 조정 가능한 각도 범위는 본 발명의 초음파 검출장치가 설치될 차량의 높이를 고려하여 점검 대상이 되는 전신주의 높이까지 초음파 수집모듈(130)이 지향될 수 있을 정도면 충분하고, 바람직하게는 180도 조절이 되도록 설정할 수 있다.

초음파 수집모듈(130)은 각도조절부(122)의 일단 즉, 상기 설명에서 웨지부(123)의 상면에 따라 이동하는 각도조절부(122)의 타측 단에 연장된 형태로 설치된다. 이러한 상기 각도조절부(122)와 초음파 수집모듈(130)은 각각 별도로 제작된 다음 결합되거나 또는 제작 단계에서 일체화된 형태로써 제조될 수 있다.

회전부(121)는 도면 상에서 수직축 즉, 프레임(118)의 길이 방향에 직교하는 축을 중심으로 360도 회전 운동하므로, 회전부(121)와 결합된 각도조절부(122) 및 초음파 수집모듈(130)도 함께 회전 운동한다. 그리고 각도조절부(122)는 도 9에 도시된 것처럼 각도 조절됨에 따라 각도조절부(122)에 연결된 초음파 수집모듈(130)은 전방위에 대해 지향할 수 있으며, 따라서, 후설하는 구동제어부(150)의 제어신호에 따라 피검사체(10)가 되는 전력설비와 초음파 수집모듈(130)은 일직선 상으로 배치될 수 있다.

이하에서는, 초음파 수집모듈(130)의 구체적인 구조에 대해 살펴보기로 한다.

도 6을 참조하면, 상기 초음파 수집모듈(130)은 크게, 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 하우징(131)과, 상기 하우징(131) 내부에 수용되는 초음파 센서(132), 그리고 거리 측정에 사용되는 거리측정 센서(133a,133b) 등으로 구성된다.

초음파 신호는 파장이 짧아 회절이 잘 안되며 직진성이 강하다. 따라서, 본 발명처럼 상기 하우징(131)이 원뿔 형상을 갖는 경우, 하우징(131) 외주면의 연장으로 형성되는 영역에 존재하는 피검사체(10)의 초음파는 하우징(131) 내부로 유입되는 반면, 그 외의 영역에서 발생하는 잡음 신호 예컨대, 차량 이동 시 차량 속도에 따른 바람소리, 도심지 내의 차량 소음 등이 만들어내는 신호는 하우징(131) 내부로 진행되지 못하게 되어 신호 포집 특성이 향상된다.

초음파 센서(132)는 가청 대역을 벗어난 20KHz 이상의 음파를 감지하기 위해 단일 주파수가 아닌 20KHz에서 60KHz 범위를 갖는 양방향 신호의 센서가 사용될 수 있으며, 이에 따라 종래의 단일 주파수만을 사용하는 센서 측정 방식에 비해 열화 정도를 구분할 수 없는 문제점을 보완할 수 있다. 이외에도 초음파 수집모듈(130)은 초음파 신호의 필터링 성능을 높이기 위해 하우징(131)의 전방 원주면 테두리에 우레탄 스폰지 재질의 소음 차단 필터 등이 더 구비될 수 있다.

하우징(131)의 전방 원주면에는 한 쌍으로 구비된 거리측정 센서(133a, 133b)가 설치된다. 구체적으로, 상기 하우징(131)은 그 형상이 원뿔 형상이므로 하우징(131)의 전방 끝단은 그 단면 형상이 원형이 되고, 따라서 도 10에 도시된 것처럼 하우징(131)의 전방 끝단의 일 지점(P1)에 어느 하나의 거리측정 센서(133a)가 배치되면, 지점(P1)의 반대편 지점 즉, 지점(P1)에서의 법선이 지나는 점(P2)에 나머지 다른 하나의 거리측정 센서(133b)가 배치된다.

상기 거리측정 센서(133a, 133b)는 레이저광 등을 이용한 광학 계측이나 초음파 계측 등의 계측 수단을 이용하여 피검사체(10)와의 거리를 측정한다. 즉, 도 11에 도시된 대로 하우징(131)의 좌측에 설치된 거리측정 센서(133a)는 직진으로 조사되어 반사된 에코 신호를 통해 피검사체(10)의 좌측 단과의 직선거리(La)를 측정하고, 마찬가지로 하우징(131)의 우측에 설치된 거리측정 센서(133b)는 직진으로 조사되어 반사된 에코 신호를 통해 피검사체(10)의 우측 단과의 직선거리(Lb)를 측정한다. 이와 같이, 각각의 거리측정 센서(133a, 133b)에서 계측된 거리(La,Lb)를 기초로 초음파 센서(132)의 중심과 피검사체(10)의 중심까지의 거리(Lc, 이하 중심거리)는 아래 수학식 1에 의해 산출된다.

그리고, 거리(La,Lb)와 하우징(131)의 전방 끝단의 직경 즉, 거리측정 센서(133a, 133b) 사이의 거리(Ls)를 기초로 아래 수학식 2을 적용하면 초음파 센서(132)의 피검사체(10)에 대한 각도 즉, 초음파 센서(132)의 중심과 피검사체(10)의 중심을 잇는 가상의 선과 피검사체(10) 표면이 이루는 각도(θ, 이하 중심각도)가 산출된다. 물론, 수학식 1과 수학식 2 외에 다른 계산법을 통해 중심거리(Lc) 및 중심각도(θ)를 구할 수 있음은 당업자 입장에서 당연하다.

도 7을 참조하면, 중심거리(Lc) 및 중심각도(θ)는 거리측정 센서(133a, 133b)의 측정값을 전송받는 거리 및 각도 연산부(140)에서 산출되며, 이는 자동화된 프로그램에 의해 수행될 수 있다. 물론, 상기 거리 및 각도 연산부(140)는 상기 수학식 1 및 2 외에 다른 방법으로 중심거리(Lc) 및 중심각도(θ)를 산출할 수 있다.

거리 및 각도 연산부(140)에서 산출된 중심각도(θ) 데이터는 구동제어부(150)로 전송되고, 구동제어부(150)는 전송받은 데이터를 기초로 구동부(120)의 동작을 제어한다. 초음파 센서(132)는 초음파 센서(132)의 중심에서의 법선과 피검사체(10)의 중심에서의 법선이 서로 일치하는 경우 즉, 중심각도(θ)가 90도인 경우에 가장 높은 수신율을 가지며, 따라서 구동제어부(150)는 예컨대 도 12a에 도시된 것처럼 초음파 센서(132)의 피검사체(10)에 대한 중심각도(θ)가 90도 아닌 경우, 도 12b와 같이 90도가 되게 계속해서 구동부(120)로 제어신호를 전송한다. 전술한대로, 상기 구동부(120)는 회전부(121)와 각도조절부(122)의 움직임에 따라 초음파 센서(132)가 전방위를 향하도록 할 수 있는바, 구동제어부(150)의 제어신호에 의거하여 초음파 센서(132)의 피검사체(10)에 대한 중심각도(θ)가 90도가 되게 조정할 수 있다.

한편, 거리 및 각도 연산부(140)에서 산출된 중심거리(Lc) 데이터는 검사영역 판단부(160)로 전송되며, 검사영역 판단부(160)는 검사 대상이 되는 전력설비가 검사영역 내에 진입했는지를 판단한다.

초음파 센서(132)는 초음파를 감지할 수 있는 거리에 대한 한계치가 있고, 따라서 초음파 센서(132)를 중심으로 이 거리 한계치 내의 영역을 검사영역으로 정의할 수 있는데, 검사영역 판단부(160)는 도 13a와 같이 피검사체(10)가 검사영역의 외부에서 도 13b와 같이 검사영역 내로 진입하게 되면 경보음 발생부(170)로 신호를 전송하고, 그러면 순시원은 경보음 발생부(170)에서 발생된 경보음을 듣고 검사영역 내에 피검사체(10)가 있음을 인지하여 차량을 서행하거나 정차하고 검사를 실시한다. 여기서, 경보음 대신 디스플레이 상에 메시지 형태로 출력되게 할 수 있음은 물론이다. 그리고, 검사영역을 초음파의 거리 한계치가 아닌 보다 세밀하게 초음파를 수신할 수 있는 거리 가령, 10m 범위로 설정할 수도 있다.

종래에는 순시원이 직접 육안으로 피검사체(10)를 확인하여 어느 정도 근접하였다고 판단하면 검사를 실시하였고, 이로 인해 정확한 초음파 수신이 어려울 뿐 아니라 실수로 피검사체(10)를 지나치는 경우가 종종 발생하였으나, 본 발명에 따르면 피검사체(10)가 검사영역 내로 진입하는 순간 발생하는 경보음을 통해 순시원이 이를 인지하게 되므로 종래와 같은 문제를 해결할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 초음파 검출장치를 이용한 가공배전선로의 전력설비 검사방법을 설명하기로 한다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 초음파 검출장치를 이용한 가공배전선로의 전력설비 검사방법은 먼저, 초음파 수집모듈(130)의 전방 끝단에서 피검사체(10)까지의 직선거리(La,Lb)를 측정하한다(S100). 이는, 초음파 수집모듈(130)의 구성 요소인 하우징(131) 전방 끝단에 설치된 거리측정 센서(133a, 133b)에서 조사된 레이저광이 피검사체(10)인 전력설비로부터 반사된 에코 신호에 의거하여 측정된다. 거리측정 센서(133a, 133b)는 하우징(131) 전방 끝단에 한 쌍으로 설치되므로, 예컨대, 하우징(131)의 좌측에 설치된 거리측정 센서(133a)는 피검사체(10)의 좌측단과의 거리(La)를 측정하고, 하우징(131)의 우측에 설치된 거리측정 센서(133a)는 피검사체(10)의 우측단과의 거리(La)를 측정하게 된다.

그 다음, 측정된 직선거리(La, Lb)를 이용하여 초음파 수집모듈(130)의 중심과 피검사체(10)의 중심까지의 거리(Lc, 이하 중심거리) 및 초음파 센서(132)의 피검사체(10)에 대한 각도(θ, 이하 중심각도)를 산출한다(S110). 이는 거리측정 센서(133a, 133b)에서 센싱된 데이터를 전송받는 거리 및 각도 연산부(140)에서 자동화된 프로그램에 의해 수행된다.

그 다음, 거리 및 각도 연산부(140)에서 산출된 중심거리(Lc) 데이터는 검사영역 판단부(160)로 전송되고, 검사영역 판단부(160)는 이를 기초로 검사영역 즉, 초음파 센서(132)의 검출 범위 내 또는 임의로 설정한 거리 범위 내에 피검사체(10)가 존재하는지 판단하고(S120), 그 결과에 따라 피검사체(10)가 검사영역 내에 있으면 다음 단계를 진행하고, 피검사체(10)가 검사영역 내에 없으면 다시 피검사체(10)와의 중심거리(Lc) 산출을 위해 단계(S100)로 되돌아간다(S130). 단계(S130)에 따라 피검사체(10)가 검사영역 내에 있는 것으로 판단되면 신호발생부에서 경보음을 발생시키거나 디스플레이 상에 메시지 형태로 출력한다(S140).

그 다음, 초음파 수집모듈(130)을 통해 피검사체(10)가 되는 전력설비 예컨대, 애자, 개폐기, 리클로져, 변압기 등에서 발생하는 초음파의 신호 파형을 보고 불량 여부를 판단하는데, 이때, 초음파 센서(132)의 지향성을 높이기 위하여 거리 및 각도 연산부(140)에서 산출된 중심각도(θ)가 90도가 되게 구동부(120)의 동작을 제어한다(S150). 이는 거리 및 각도 연산부(140)에서 산출된 중심각도(θ) 데이터를 전송받는 구동제어부(150)에서 수행되며, 구동부(120)는 구동제어부(150)로부터 제어신호를 실시간으로 인가받아 동작한다.

초음파 센서(132)의 중심각도(θ)가 90도인지 판단 여부에 따라 90도가 아닌 경우 단계(S150)로 되돌아가고, 90도인 경우 다음 단계로 진행한다(S160). 단계(S160)의 판단에 따라 초음파 센서(132)의 중심각도(θ)가 90도가 되면 초음파 센서(132)를 통해 피검사체(10)에서 발생하는 초음파를 검출한다(S170).

이하에서는, 수집된 초음파를 가시화된 신호 파형으로 출력하는 신호 처리부(200)의 기능에 대해 설명하기로 한다.

도 15를 참조하면, 본 발명에 포함된 신호 처리부(200)는 초음파 센서(132)에서 수신된 미세한 초음파 신호를 제공받아 소정의 진폭레벨(약 350배)로 증폭하는 기능을 수행하는 신호 증폭부(210)와, 신호 증폭부(210)로부터 증폭된 초음파 신호의 피크(Peak) 값을 검출하는 기능을 수행하는 피크 검출부(220)와, 피크 검출부(220)로부터 검출된 피크 값이 소정 범위 내에 포함되도록 입력 신호를 N-배 증폭/감쇄하여 출력하는 자동이득 제어부(230)로 구성된다.

여기서. 신호 증폭부(210)는 통상의 연속적인 전치 증폭기(preamplifier) 등이 사용될 수 있으며, 피크 검출부(220)는 피크 대역 통과 필터(Peak Band Pass Filter) 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 피크 검출부(220)는 초기치 설정부, 프로그래머블 대역통과필터(Programmable Band Pass Filter, PBPF), 피크 주파수 검출부 및 FFT(Fast Fourier Transform) 변환부 등을 포함한다. 즉, 신호 증폭부(210)로부터 증폭된 초음파 신호는 FFT 변환부 및 피크 주파수 검출부를 거쳐 최고치(Peak)의 주파수(약 35KHz∼40KHz)로 검출되고, FFT 변환부에서의 FFT 연산이 처음 연산될 때 초기치 설정부에서 미리 설정된 초기치 주파수 대역(약 39KHz∼40KHz)을 프로그래머블 대역통과필터(PBPF)에 적용하여 초기치 주파수 대역으로 통과시킴으로써 간헐적으로 발생되는 외부 노이즈로부터 초음파 신호를 보다 정확하게 검출될 수 있다.

그리고, 자동이득 제어부(230)는 핀 포인트(Pin Point)를 찾을 때 효율적으로 사용되며, 핀 포인트를 검출하기 위해 출력 데이벨(dB)값을 설정한 다음 자동이득 제어 기능을 동작시키면 보다 정확한 핀 포인트를 검출할 수 있다. 이러한 자동이득 제어부(230)는 피크 검출부(220)로부터 검출된 피크 값에 따라 신호를 증폭하는 이득제어증폭기(Gain Controlled Amplifier, GCA)와, 특정의 진폭성분을 검출하여 출력하는 검파기(Detector)와, 검파기의 출력을 루프 필터링하여 진폭 왜곡을 제어하는 루프 필터(Loop Filter) 등을 포함한다.

이처럼, 본 발명은, 초음파 센서(132)에서 검출된 신호를 단순 증폭함에 따라 노이즈(Noise)도 함께 증폭하는 종래 방식에 비해, 피크 검출부(220) 및 자동이득 제어부(230)를 사용함으로써 신호 대 잡음비를 효율적으로 제어할 수 있고, 주변 노이즈와의 분리 및 정확한 핀 포인트 검출 효과가 있어 증폭비를 증가시킬 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시 예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100: 초음파 검출장치 110: 받침대
120: 구동부 121: 회전부
122: 각도조절부 123: 웨지부
130: 초음파 수집모듈 131: 하우징
132: 초음파 센서 133a,133b: 거리측정 센서
140: 연산부 150: 구동제어부
160: 검사영역 판단부 170: 경보음 발생부
200: 신호 처리부 210: 신호 증폭부
220: 피크 검출부 230: 자동이득 제어부

Claims (1)

1. 제1 지지판과, 제1 지지판의 수직 방향으로 세워져 일정 간격을 두고 고정된 길이 방향의 제1, 2 수직대와, 각각의 상기 제1, 2 수직대의 상면에 올려지는 평판 형태의 제2 지지판과, 상기 제1 수직대의 측면 일측에 설치된 피니언 기어와, 상기 제2 지지판을 수직 방향으로 관통하며 상기 피니언 기어와 맞물려 치합됨으로써 상기 피니언 기어의 회전에 따라 상하로 직선 운동하는 래크 기어와, 상기 래크 기어의 상부 끝단에 결합되는 이동대와, 상기 이동대의 상면에 결합되는 길이 방향의 프레임과, 힌지 결합에 의해 상기 제2 지지판의 상부에 설치되며 상기 프레임의 일측 끝단과 결합됨으로써 상기 프레임의 타측 끝단을 회전시키는 구동장치를 포함하며 차량 위에 설치되는 받침대와,
   상기 프레임의 타측 끝단 상부에 설치되며 상기 프레임의 길이 방향에 직교하는 축을 중심으로 360도 회전 운동하는 회전부와, 상기 회전부 상부에 설치되며 상면 전체가 원호 형상인 웨지부와, 일측 단이 상기 회전부의 회전중심점에 연결부재를 체결 수단으로 하여 연결되고 타측 단이 상기 웨지부의 상면에 따라 운동함으로써 각도 조절이 가능한 형태로 상기 회전부에 설치되는 각도조절부를 포함하는 구동부와,
   상기 웨지부의 상면에 따라 이동하는 상기 각도조절부의 타측 단에 연장된 형태로 설치되며 상기 회전부의 회전 운동에 따라 상기 회전부와 함께 회전하고, 전방 끝단이 원형이 되는 원뿔 형상의 하우징과, 상기 하우징 내부에 수용되며 피검사체에서 발생하는 초음파를 센싱하는 초음파 센서와, 상기 하우징의 전방 끝단의 좌측 단에 설치되어 피검사체의 좌측 단과의 직선거리를 측정하는 거리측정 센서와, 상기 하우징의 전방 끝단의 우측 단에 설치되어 피검사체의 우측 단과의 직선거리를 측정하는 거리측정 센서를 포함하는 초음파 수집모듈과,
   한 쌍의 거리측정 센서에 의해 측정된 직선거리에 대한 데이터를 수신받아 상기 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심까지의 중심거리(Lc)와 상기 초음파 센서의 중심과 피검사체의 중심을 잇는 가상의 선과 피검사체 표면이 이루는 중심각도(θ)를 산출하는 거리 및 각도 연산부와,
   상기 거리 및 각도 연산부로부터 전송받은 중심각도(θ) 데이터를 기초로 상기 초음파 센서의 중심에서의 법선과 피검사체의 중심에서의 법선이 서로 일치되게 상기 구동부를 제어하는 제어신호를 전송하는 구동제어부와,
   상기 거리 및 각도 연산부로부터 전송받은 중심거리(Lc) 데이터를 기초로 피검사체의 검사영역으로의 진입 여부를 판단하는 검사영역 판단부와,
   검사영역 내로 피검사체가 진입하면 경보음을 발생시키는 경보음 발생부와,
   상기 초음파 센서에서 수신된 초음파 신호를 제공받아 기 설정된 진폭레벨로 증폭하는 신호 증폭부와, 상기 신호 증폭부로부터 증폭된 초음파 신호의 피크(Peak) 값을 검출하는 피크 검출부와, 상기 피크 검출부로부터 검출된 피크 값이 기 설정된 범위 내에 포함되도록 증폭 또는 감쇄하여 출력하는 자동이득 제어부로 구성되는 신호 처리부를 포함하는 가공배전선로의 불량점검을 위한 초음파 검출장치.

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