KR102263456B1 - A self-powered malfunction prediction method using multiple piezoelectric energy harvesters and a computer readable medium thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법 및 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 공개한다. 이 방법은 (a) 송신 모듈이 크기가 다른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 통해 모니터링 대상 장비의 진동을 전기 에너지로 변환하여, 무선 통신의 전력원으로 사용하고, 추출 전력 데이터를 무선통신으로 전송하는 단계; 및 (b) 수신 모듈이 상기 추출 전력 데이터를 전송받아 상기 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하여, 무선 알람으로 알리는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 모니터링 대상 장비의 진동을 별도의 진동 센서나 전력 통신 장비 없이 압전 자가 발전식으로 감지하게 되어 외부 전력 공급이 불필요하게 되므로, 모니터링 대상 장비의 이상을 저비용으로 간단하게 진단하게 된다. 또한, 압전 에너지 하베스터가 복수개로 구비되므로 더 큰 에너지 하베스팅이 가능하게 되어, 모니터링 대상 장비의 고장 예지의 민감성 및 정확도가 향상된다.The present invention discloses a self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters and a computer-readable recording medium. In this method, (a) the transmitting module converts the vibration of the monitoring target equipment into electrical energy through a plurality of piezoelectric energy harvesters of different sizes, uses it as a power source for wireless communication, and transmits the extracted power data through wireless communication ; and (b) receiving, by a receiving module, receiving the extracted power data, determining whether an abnormal phenomenon occurs in the monitoring target equipment, and notifying it as a wireless alarm; It is characterized in that it includes. According to the present invention, since the vibration of the monitoring target equipment used in a ship or offshore plant is sensed in a piezoelectric self-generation type without a separate vibration sensor or power communication equipment, external power supply is unnecessary, so that the abnormality of the monitoring target equipment can be diagnosed simply and at low cost. In addition, since a plurality of piezoelectric energy harvesters are provided, greater energy harvesting is possible, thereby improving the sensitivity and accuracy of failure prediction of the equipment to be monitored.
Description
본 발명은 압전 에너지 하베스팅에 관한 것으로, 특히 선박 또는 해양 플랜트에서 진동에 민감한 모니터링 대상 장비에 다른 크기를 가진 복수개의 압전 에너지 하베스터를 구비한 고장 예지 장치를 부착하여 압전 자가 발전식으로 사용자에게 모니터링 대상 장비의 이상 여부를 알리는 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법 및 이를 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 관한 것이다.The present invention relates to piezoelectric energy harvesting, and in particular, by attaching a failure prediction device having a plurality of piezoelectric energy harvesters of different sizes to vibration-sensitive monitoring target equipment in a ship or offshore plant, piezoelectric self-generated monitoring to the user To a self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters that notifies whether a target device is abnormal, and a computer-readable recording medium recording the same.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 개별 장치들이 태양광, 진동, 열, 바람 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아서 유용한 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있도록 하는 기술을 말한다.Energy harvesting refers to a technology that enables individual devices to collect energy generated from natural energy sources, such as sunlight, vibration, heat, and wind, and convert it into useful electrical energy.
이 기술은 에너지를 얻기 위해 사용되는 방법 및 소자에 따라 다양하게 구분된다. These technologies are classified in various ways depending on the method and device used to obtain the energy.
에너지를 얻기 위해 사용되는 방법에는 크게 태양광(Photovoltaic) 발전, 압전(Piezoelectric) 발전, 전자기(Electromagnetic) 발전, 열전(Thermoelectric) 발전 등이 있다. Methods used to obtain energy include photovoltaic power generation, piezoelectric power generation, electromagnetic power generation, and thermoelectric power generation.
이들은 광전 효과, 압전 효과, 유도현상, 열전 효과를 이용해서 전기를 생산하게 된다.They generate electricity using the photoelectric effect, the piezoelectric effect, the induction phenomenon, and the thermoelectric effect.
압전 효과란 압전 소재를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 현상을 말한다. The piezoelectric effect refers to a phenomenon in which mechanical energy and electrical energy are mutually converted through a piezoelectric material.
다시 말해, 압전 특성이 있는 물질에 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 반대로 전기를 가하면 진동이 생기는 현상이다. In other words, when pressure or vibration is applied to a material having piezoelectric properties, electricity is generated, and conversely, when electricity is applied, vibration is generated.
이러한 원리를 이용해서 전기를 발생시키는 것을 압전 효과에 의한 에너지 하베스팅이라 한다.Generating electricity using this principle is called energy harvesting by the piezoelectric effect.
가스 레인지나 라이터에서 압력을 가하면 전기 스파크를 발생시키는 장치가 압전 효과를 이용하는 대표적인 장치에 해당한다. A device that generates an electric spark when pressure is applied from a gas stove or lighter corresponds to a representative device using the piezoelectric effect.
이와 반대로 압전 스피커는 전기 신호를 박막의 떨림으로 바꿔주는 장치이다.In contrast, a piezoelectric speaker is a device that converts an electrical signal into a vibration of a thin film.
일반적으로 에너지 하베스팅 회로는 전력을 생산하는 하베스터, 생성되는 에너지를 직류성분으로 변환하는 정류기, 그리고 정류기에서 출력되는 에너지를 배터리나 대용량 커패시터에 저장하는 충전 회로로 구성된다. In general, an energy harvesting circuit is composed of a harvester that produces power, a rectifier that converts the generated energy into a DC component, and a charging circuit that stores the energy output from the rectifier in a battery or a large-capacity capacitor.
한편, 상기 하베스터는 진동 에너지를 전력으로 전환하는 압전 소자 등을 포함하는데, 상기 소자는 최대 전력점이 존재하며, 이는 입력되는 진폭과 주파수에 의해 결정된다.Meanwhile, the harvester includes a piezoelectric element that converts vibration energy into electric power, and the element has a maximum power point, which is determined by an input amplitude and frequency.
압전 물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 혹은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 변환 매체로서 다양한 응용 분야를 갖는다. Piezoelectric materials have various applications as a conversion medium for converting mechanical energy into electrical energy or electrical energy into mechanical energy.
현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.Currently, a large number of ceramic materials including inorganic materials and organic materials are known as materials causing a piezoelectric phenomenon.
그 중에서 최근에 압전 물질로 많이 사용되는 것은 납, 지르콘 및 티타늄으로 만든 PbTiO3- PbZrO3 고용체(PZT)라는 무기 화합물이다.Among them, it is commonly used as a piezoelectric material in recent PbTiO 3 made of lead, zirconium and titanium, - the inorganic compound solid solution of PbZrO 3 (PZT).
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다. A piezoelectric body generates a voltage by a force (pressure or vibration) applied to the piezoelectric body, and a device that uses the voltage generated according to the magnitude of the applied force is called a piezoelectric generator.
이러한 압전 발전기는 주기적인 진동이 있는 기계류, 건축물, 교량 등에 설치하거나 이동하는 차량과 사람의 하중의 변화를 이용하기 위하여 일반 도로 또는 주차장 등에 설치하기도 하며, 건물의 실내 바닥재로서 설치하기도 한다. These piezoelectric generators are installed on machinery, buildings, bridges, etc. with periodic vibration, or installed on general roads or parking lots to take advantage of changes in the loads of moving vehicles and people, and are also installed as indoor flooring materials for buildings.
이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.These piezoelectric generators are currently in a trend of continuing to expand their use.
그런데, 이러한 압전 에너지 하베스팅 기술에 의해 수확되는 에너지는 배터리 등의 전력 공급 수단과 비교할 때 전력이 상대적으로 작으므로, 수확되는 에너지를 효율적으로 기기에 전달함과 동시에 이를 제어하는 장치의 저 전력화는 필수적이라 할 수 있다. However, since the energy harvested by this piezoelectric energy harvesting technology has relatively small power compared to a power supply means such as a battery, it is difficult to efficiently deliver the harvested energy to the device and reduce the power of the device controlling it. can be said to be essential.
도 1은 일반적인 모달 해석 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도와 푸리에 주파수 변환 후 주파수 영역 및 시간 영역에서의 파형도이다.1 is a schematic configuration diagram for explaining a general modal analysis principle and a waveform diagram in the frequency domain and time domain after Fourier frequency transformation.
도 2는 압전 에너지 하베스팅 회로를 이용한 자가 발전형 고장 예지 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram for explaining an operating principle of a self-generation type failure prediction device using a piezoelectric energy harvesting circuit.
모달 해석의 기본 원리는 입력(Input force)이 가해졌을 때 구조물의 고유 모드인 주파수 응답 함수(Frequency response function, FRF)에 의해 출력 움직임(Output motion)이 발생하는 것이다. The basic principle of modal analysis is that when an input force is applied, an output motion is generated by the frequency response function (FRF), which is the intrinsic mode of the structure.
도 1에서, 충격 해머(Impact hammer)는 소정의 구조물에 짧은 시간 동안 모든 주파수 대역의 힘을 가하므로, 이에 따른 출력 움직임의 푸리에 주파수 변환(Fourier frequency transform, FFT)은 구조물의 고유 주파수(natural frequency)를 보여주게 되어, 공진 주파수만 남아 잔 진동을 하게 된다.In Figure 1, the impact hammer (Impact hammer) applies the force of all frequency bands for a short time to a predetermined structure, the Fourier frequency transform (Fourier frequency transform, FFT) of the output motion according to the natural frequency (natural frequency) of the structure ), and only the resonant frequency remains, causing small vibrations.
입력이 임의의 주파수 대역으로 들어오게 되면, 그에 따른 출력 움직임은 정해지므로, 입력이 구조물의 고유 진동수와 유사한 경우 공진(Resonance)이 발생한다.When an input enters an arbitrary frequency band, an output motion is determined accordingly, and when the input is similar to the natural frequency of the structure, resonance occurs.
주파수 응답 함수는 구조물의 고유 값(eigen value)에 해당하며, 동일한 입력에도 출력 움직임이 변화되는 것은 구조물이 손상되었음을 의미한다. The frequency response function corresponds to the eigen value of the structure, and the change in output motion even with the same input means that the structure is damaged.
도 2에서, 대상 장비는 입력인 자극력(excitation force)이 구조물의 주파수 응답 함수를 거쳐 출력 움직임인 응답력(response force)을 발생시킨다. In FIG. 2 , the target device generates a response force that is an output motion through a frequency response function of a structure in which an input excitation force is applied.
여기에서, 대상 장비는 해양 플랜트 장비로서 진동이 크고 입력이 일정한 진동을 가지는 장비인 쉐일 셰이커(shale shaker), 탑 드라이브 머신(Top drive machine), 파이프 라인(배관), 공기 압축기, 열 교환기를 포함한다. Here, the target equipment is an offshore plant equipment, including a shale shaker, a top drive machine, a pipeline (piping), an air compressor, and a heat exchanger, which are equipment with high vibration and constant input vibration. do.
대상 장비가 정상 동작하는 경우, 출력 움직임이 일정하고, 장비의 출력 움직임에 진동할 수 있는 하베스터를 부착한다. When the target device operates normally, the output motion is constant, and a harvester that can vibrate is attached to the output motion of the device.
즉, 장비의 출력 움직임이 하베스터에 입력으로 작용하고, 하베스터 자체의 주파수 응답 함수에 의해 하베스터의 출력 움직임이 결정된다.That is, the output movement of the equipment acts as an input to the harvester, and the output movement of the harvester is determined by the frequency response function of the harvester itself.
이때, 하베스터는 진동 등의 기계적 에너지를 압전 효과를 통해 전기적 에너지로 변환하여, 하베스팅 전력이 추출된다. At this time, the harvester converts mechanical energy such as vibration into electrical energy through a piezoelectric effect, and harvesting power is extracted.
한편, 외부로부터 가해지는 진동을 이용하기 위한 압전 발전기는 일반적으로 외팔보(Cantilever) 구조를 갖는다. On the other hand, a piezoelectric generator for using vibration applied from the outside generally has a cantilever structure.
외팔보 구조의 압전 발전기는 외부의 진동 주파수와 외팔보의 고유 진동수가 같아지는 경우 공진 현상이 일어나면서 전기 에너지가 도출된다. In the case of a piezoelectric generator having a cantilever structure, when the external vibration frequency and the natural frequency of the cantilever are equal, a resonance phenomenon occurs and electrical energy is derived.
그런데, 종래에는 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 배관 등의 모니터링 대상 장비의 고장이 발생한 경우, 별도의 진동 계측 센서, 전력 공급 케이블 및 배터리를 구비하여 예지해야 하는 한계가 있었다. However, in the related art, when a failure of monitoring target equipment such as a pipe used in a ship or an offshore plant occurs, there is a limitation in that a separate vibration measurement sensor, a power supply cable, and a battery must be provided to predict.
이에, 본 발명자들은 선박 또는 해양 플랜트에서 진동에 민감한 모니터링 대상 장비의 비정상적인 현상의 발생 여부를 외부 전력의 공급 없이 감지하고, 모니터링 대상 장비에서 압전 자가 발전된 전력을 이용하여 사용자에게 모니터링 대상 장비의 이상 여부를 저비용으로 정확하게 알릴 수 있는 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법 및 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 발명하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors detect whether an abnormal phenomenon occurs in the vibration-sensitive monitoring target equipment in a ship or offshore plant without external power supply, and use the piezoelectric self-generated power in the monitoring target equipment to inform the user whether the monitoring target equipment is abnormal A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters and a computer-readable recording medium have been invented.
본 발명의 목적은 선박 또는 해양 플랜트에서 진동에 민감한 모니터링 대상 장비에 다른 크기를 가진 복수개의 압전 에너지 하베스터를 구비한 고장 예지 장치를 부착하여 압전 특성을 이용하여 비정상적인 현상의 발생 여부를 감지하고, 외부 전력의 공급 없이 허용 이상의 진동 변화에 대해 복수개의 압전 에너지 하베스터에서 생성되는 전력을 이용하여 사용자에게 모니터링 대상 장비의 이상 여부를 알리는 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to attach a failure prediction device having a plurality of piezoelectric energy harvesters having different sizes to a vibration-sensitive monitoring target equipment in a ship or offshore plant, and detect whether an abnormal phenomenon occurs using piezoelectric characteristics, and An object of the present invention is to provide a self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters that notifies a user of whether there is an abnormality in a device to be monitored by using power generated from a plurality of piezoelectric energy harvesters in response to a vibration change exceeding an allowable level without power supply.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위하여 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a computer-readable recording medium in which a program for executing a self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters in a computer is recorded in order to achieve the above object.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법은 (a) 송신 모듈이 복수개의 압전 에너지 하베스터를 통해 모니터링 대상 장비의 진동을 전기 에너지로 변환하여, 무선 통신의 전력원으로 사용하고, 상기 전기 에너지로부터 추출된 추출 전력 데이터를 무선 통신으로 전송하는 단계; 및 (b) 수신 모듈이 상기 추출 전력 데이터를 전송받아 상기 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하여, 무선 알람으로 알리는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object, (a) a transmission module converts the vibration of a monitoring target device into electrical energy through a plurality of piezoelectric energy harvesters, and wireless communication using as a power source of, and transmitting the extracted power data extracted from the electrical energy through wireless communication; and (b) receiving, by a receiving module, receiving the extracted power data, determining whether an abnormal phenomenon occurs in the monitoring target equipment, and notifying it as a wireless alarm; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 (a) 단계는 (a-1) 진동 전달부가 상기 모니터링 대상 장비의 진동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터에 전달하는 단계; (a-2) 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터의 내부에 각각 구비된 압전 소자가 상기 진동에 의한 기계적 에너지를 전달받아 상기 전기 에너지로 변환하고, 상기 추출 전력 데이터를 추출하는 단계; (a-3) 복수개의 신호 감지기가 상기 추출된 추출 전력 데이터의 전력의 전압 및 주파수 정보를 감지하는 단계; (a-4) 복수개의 정류기가 상기 추출된 추출 전력 데이터로부터 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계; (a-5) 복수개의 하베스터별 전력 저장부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 커패시터에 임시 저장하는 단계; (a-6) 송신 제어부가 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인지 여부를 판단하는 단계; (a-7) 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인 것으로 판단된 경우, 상기 송신 제어부가 상기 생성된 전력에 대한 상기 추출 전력 데이터를 송신하도록 명령하는 송신 제어 신호를 출력하는 단계; 및 (a-8) 무선 송신부가 상기 송신 제어 신호에 응답하여 상기 추출 전력 데이터를 상기 수신 모듈로 전송하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the step (a) of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object, (a-1) the vibration transmitting unit receives mechanical energy generated by the vibration of the monitoring target equipment. transferring the plurality of piezoelectric energy harvesters; (a-2) the piezoelectric elements provided in each of the plurality of piezoelectric energy harvesters receive mechanical energy due to the vibration, convert it into the electrical energy, and extract the extracted power data; (a-3) detecting, by a plurality of signal detectors, voltage and frequency information of the power of the extracted power data; (a-4) a plurality of rectifiers converting the current component of power from the extracted power data into direct current; (a-5) receiving, by a plurality of harvester-specific power storage units, the converted DC current and temporarily storing the applied DC current in a capacitor; (a-6) determining, by the transmission control unit, whether the sum of power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power; (a-7) When it is determined that the sum of the power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power, the transmission control unit outputs a transmission control signal instructing to transmit the extracted power data for the generated power to do; and (a-8) transmitting, by a wireless transmitter, the extracted power data to the receiving module in response to the transmission control signal; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법은 상기 (a-5) 단계와 상기 (a-6) 단계 사이에 총 전력 저장부가 상기 복수개의 하베스터별 전력 저장부 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터에 저장하는 단계; 및 레귤레이터가 상기 전력 커패시터에 저장된 상기 전력의 총합을 인가받아 전압 성분을 일정한 전압으로 변환하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object, a total power storage unit is provided between the steps (a-5) and (a-6) for each of the plurality of harvesters. receiving and summing the temporarily stored power in each of the storage units and storing the summed power in a power capacitor; and converting a voltage component into a constant voltage by receiving the sum total of the power stored in the power capacitor; It is characterized in that it further comprises.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 (b) 단계는 (b-1) 무선 수신부가 상기 추출 전력 데이터를 수신하는 단계; (b-2) 수신 제어부가 상기 추출 전력 데이터를 전달받아 복수개의 압전 에너지 하베스터의 기 설정된 전력 데이터베이스와의 비교를 통해 상기 모니터링 대상 장비의 진동수 및 진동 크기를 판단하는 단계; 및 (b-3) 상기 모니터링 대상 장비의 진동이 허용 범위 이상인 경우, 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단하여, 무선 알람부가 상기 무선 알람으로 알리는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step (b) of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object may include (b-1) receiving the extracted power data by a wireless receiver; (b-2) receiving, by a receiving control unit, the extracted power data and determining a frequency and a vibration magnitude of the monitoring target equipment through comparison with a preset power database of a plurality of piezoelectric energy harvesters; and (b-3) when the vibration of the monitoring target equipment is greater than or equal to the allowable range, determining that the abnormal phenomenon has occurred, and notifying the wireless alarm unit as the wireless alarm; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 수신 제어부는 상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수가 변화하지 않음에 따라 출력 움직임이 변화하지 않는 경우, 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 동일한지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수가 변화함에 따라 출력 움직임이 변화하는 경우, 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 상이한지 여부를 판단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.When the output movement does not change as the frequency response function of the monitoring target equipment does not change, the reception control unit of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object determining whether the extracted power data is the same as the preset power database; and when the output motion changes as the frequency response function of the monitoring target equipment changes, determining whether the extracted power data is different from the preset power database; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 (b-2) 단계는 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 동일한 때 예상되는 주파수대로 진동하고 있는 것으로 판단된 경우, 상기 모니터링 대상 장비가 '이상 없음'으로 판정되는 단계; 및 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 상이한 때 상기 예상되는 주파수대로 진동하고 있지 않는 것으로 판단된 경우, 상기 모니터링 대상 장비가 '이상 있음'으로 판정되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the step (b-2) of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object, the extracted power data vibrates at the expected frequency when the same as the preset power database, if it is determined that there is, determining that the monitoring target equipment is 'no abnormality'; And when it is determined that the extracted power data is not vibrating in the expected frequency band when different from the preset power database, determining that the monitoring target equipment is 'abnormal'; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 (b-3) 단계는 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우, 전송 스위치로 상기 무선 알람부를 대체할 수 있는 것을 특징으로 한다.In the step (b-3) of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object, when it is determined that the abnormal phenomenon occurs, the wireless alarm unit is replaced with a transmission switch. can be characterized.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 진동 전달부는 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터의 바닥판 외면에 점착성 물질이 도포되거나 일부분이 자성 물질로 이루어져 상기 모니터링 대상 장비에 부착되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the vibration transmitting unit of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object is coated with an adhesive material on the outer surface of the bottom plate of the plurality of piezoelectric energy harvesters or is partially made of a magnetic material. It is characterized in that it is attached to the equipment to be monitored.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 비정상적인 현상은 상기 모니터링 대상 장비에 부가 질량 또는 편심의 발생, 베어링 이상 및 체결용 구성요소의 풀림을 포함하는 것을 특징으로 한다.The abnormal phenomenon of the self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object includes the occurrence of additional mass or eccentricity in the monitoring target equipment, bearing failure, and loosening of components for fastening characterized in that
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 상기 무선 통신은 지그비(Zigbee) 방식을 이용하는 것을 특징으로 한다.The wireless communication of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention for achieving the above object is characterized in that it uses a Zigbee method.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자가 발전형 고장 예지 방법의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록하는 것을 특징으로 한다.The computer-readable recording medium of the self-generation type failure prediction method of the present invention for achieving the above other object is characterized in that it records a program for executing the self-generation type failure prediction method using the plurality of piezoelectric energy harvesters on a computer. do.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in "Details for carrying out the invention" and the accompanying "drawings".
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the various embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 게시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.However, the present invention is not limited to the configuration of each embodiment disclosed below, but may also be implemented in a variety of different forms, and each embodiment disclosed in this specification only makes the publication of the present invention complete, It is provided to fully inform those of ordinary skill in the art to which the invention pertains to the scope of the present invention, and it should be understood that the present invention is only defined by the scope of each claim.
본 발명에 의할 경우, 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 모니터링 대상 장비의 진동을 별도의 진동 센서나 전력 통신 장비 없이 압전 자가 발전식으로 감지하게 되어 외부 전력 공급이 불필요하게 되므로, 모니터링 대상 장비의 이상을 저비용으로 간단하게 진단하게 된다. According to the present invention, since the vibration of the monitoring target equipment used in a ship or offshore plant is sensed in a piezoelectric self-generation type without a separate vibration sensor or power communication equipment, external power supply is unnecessary, so that the abnormality of the monitoring target equipment can be diagnosed simply and at low cost.
또한, 크기가 다른 압전 에너지 하베스터가 복수개로 구비되므로 더 정밀하고 큰 에너지 하베스팅이 가능하게 되어, 모니터링 대상 장비의 고장 예지의 민감성 및 정확도가 향상된다.In addition, since a plurality of piezoelectric energy harvesters of different sizes are provided, more precise and large energy harvesting is possible, thereby improving the sensitivity and accuracy of failure prediction of the equipment to be monitored.
도 1은 일반적인 모달 해석 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도와 푸리에 주파수 변환 후 주파수 영역 및 시간 영역에서의 파형도이다.
도 2는 압전 에너지 하베스팅 회로를 이용한 자가 발전형 고장 예지 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치의 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 압전 에너지 하베스터(120)의 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 고장 예지 장치의 외형 사진이다.
도 6은 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치 내 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)를 일 실시예에 따라 배관에 부착한 경우를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 일 실시예에서 모니터링 대상 장비가 정상 작동하는 경우 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 출력되는 전력의 파형도(a) 및 예상되는 주파수 대비 기 설정된 전력 데이터베이스의 표(b)이다.
도 9는 도 4에 도시된 압전 에너지 하베스터(120)를 3개로 하여 구성한 일 실시예의 사시도이다.
도 10은 도 4에 도시된 압전 에너지 하베스터(120)를 4개로 하여 구성한 다른 실시예의 사시도이다.1 is a schematic configuration diagram for explaining a general modal analysis principle and a waveform diagram in the frequency domain and time domain after Fourier frequency transformation.
2 is a schematic configuration diagram for explaining an operating principle of a self-generation type failure prediction device using a piezoelectric energy harvesting circuit.
3 is a block diagram of a failure prediction apparatus for implementing a self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters according to an embodiment of the present invention.
4 is a plan view of the
FIG. 5 is an external photograph of the failure prediction device shown in FIG. 3 .
6 is a flowchart schematically illustrating the operation of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention.
7 is a schematic configuration diagram for explaining a case in which a plurality of
FIG. 8 is a waveform diagram (a) of power output from three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 and an expected frequency comparison group when the monitoring target equipment operates normally in the embodiment shown in FIG. Table (b) of the established power database.
9 is a perspective view of an embodiment in which three
10 is a perspective view of another embodiment in which four
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.Before describing the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed as being unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and in order for the inventor of the present invention to describe his invention in the best way Concepts of various terms can be appropriately defined and used.
더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Furthermore, it should be understood that these terms or words should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.That is, the terms used herein are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not intended to specifically limit the content of the present invention.
이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.It should be understood that these terms are defined in consideration of various possibilities of the present invention.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Also, in the present specification, a singular expression may include a plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.Also, it should be noted that even if it is similarly expressed as a plural, it may include a singular meaning.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.In the case where it is stated throughout this specification that a component "includes" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise stated. It could mean that you can.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.Furthermore, when it is described that a certain component is "exists in or connected to" of another component, the component may be directly connected to or installed in contact with the other component.
또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.In addition, they may be installed spaced apart from each other by a certain distance, and in the case where they are installed spaced apart by a certain distance, there may be a third component or means for fixing or connecting the corresponding component to another component. .
한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Meanwhile, it should be noted that the description of the third component or means may be omitted.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when it is described that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the third element or means does not exist.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Similarly, other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between", or "neighboring to" and "directly adjacent to", have the same meaning. should be interpreted as
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.In addition, in this specification, terms such as "one side", "the other side", "one side", "the other side", "first", "second", etc., with respect to one component, one component is a different component. It is used so that it can be clearly distinguished from the element.
하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.However, it should be understood that the meaning of the corresponding component is not limitedly used by such terms.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.In addition, in the present specification, terms related to positions such as "upper", "lower", "left", and "right", if used, should be understood as indicating a relative position in the corresponding drawing with respect to the corresponding component.
또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.In addition, these position-related terms should not be construed as referring to absolute positions unless absolute positions are specified for their positions.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "부", "기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.Moreover, in the specification of the present invention, terms such as “unit”, “group”, “module”, “device”, etc., if used, mean a unit capable of processing one or more functions or operations.
이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.It should be noted that this may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings attached to this specification, the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the present invention are partially exaggerated, reduced, or omitted for convenience of explanation or in order to sufficiently clearly convey the spirit of the present invention. may be described, and therefore the proportion or scale may not be exact.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.In addition, in the following, in describing the present invention, a detailed description of a configuration determined that may unnecessarily obscure the gist of the present invention, for example, a detailed description of a known technology including the prior art may be omitted.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치의 블록도로서, 송신 모듈(100) 및 수신 모듈(200)을 포함한다.3 is a block diagram of a failure prediction apparatus for implementing a self-powered failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters according to an embodiment of the present invention, and includes a
송신 모듈(100)은 복수개의 압전 에너지 하베스터(120), 복수개의 신호 감지기(130), 복수개의 정류기(140), 전력 저장부(150), 레귤레이터(160), 송신 제어부(170) 및 무선 송신부(180)를 구비한다. The
전력 저장부(150)는 복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3), 총 전력 저장부(155)를 구비하고, 송신 제어부(170)는 스위칭부(Q) 및 제어 유닛(175)을 포함한다.The
수신 모듈(200)은 무선 수신부(220), 수신 제어부(240), 무선 알람부(260) 및 배터리(280)를 구비한다. The
도 4는 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 압전 에너지 하베스터(120)의 평면도이다.4 is a plan view of the
도 5는 도 3에 도시된 고장 예지 장치의 외형 사진으로서, 송신 모듈(100) 및 수신 모듈(200)을 포함한다.FIG. 5 is an external photograph of the failure prediction device shown in FIG. 3 , and includes a
송신 모듈(100)은 복수개의 압전 에너지 하베스터(120) 를 구비하고, 수신 모듈(200)은 무선 수신부(220), 수신 제어부(240), 무선 알람부(260) 및 배터리(280)를 구비한다. The
도 6은 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다.6 is a flowchart schematically illustrating the operation of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters of the present invention.
도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. The operation of the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters according to the present invention will be schematically described with reference to FIGS. 3 to 6 .
진동 전달부가 모니터링 대상 장비의 진동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)에 전달한다(S110).The vibration transfer unit transfers mechanical energy generated by the vibration of the monitoring target equipment to the plurality of piezoelectric energy harvesters 120 ( S110 ).
복수개의 압전 에너지 하베스터(120)의 내부에 각각 구비된 압전 소자가 진동에 의한 기계적 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환한다(S120).Each of the piezoelectric elements provided inside the plurality of
복수개의 신호 감지기(130)가 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)에서 변환된 전기 에너지의 전력의 전압 및 주파수 정보를 감지한다(S125).The plurality of
복수개의 정류기(140)가 복수개의 신호 감지기(130)에서 감지된 전압으로부터 전류 성분을 직류로 전환한다(S130).The plurality of
복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3)가 복수개의 정류기(140)에서 전환된 직류 전류를 인가받아 커패시터에 임시 저장한다(S140).The plurality of harvester-specific power storage units C1 to C3 receive the DC currents switched from the plurality of
총 전력 저장부(155)가 복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3) 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터(C)에 저장한다.The total
레귤레이터(160)는 총 전력 저장부(155) 내 전력 커패시터(C)에 저장된 전력을 인가받아 전압 성분을 일정한 전압으로 변환한다.The
송신 제어부(170)가 레귤레이터(160)에서 변환된 전압의 전력이 무선 통신 가능 전력 이상인지 여부를 판단하여(S210), 긍정일 경우 송신 제어부(170)가 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)에서 생성된 전력에 대한 추출 전력 데이터를 송신하도록 명령하는 송신 제어 신호를 출력하고, 부정일 경우 단계(S140)로 회귀한다.The
무선 송신부(180)가 송신 제어부(170)의 송신 제어 신호에 응답하여 추출 전력 데이터를 수신 모듈(200)로 전송한다(S220). The
단계(S220)에서 무선 송신부(180)가 전송한 추출 전력 데이터를 수신 모듈(200) 내 무선 수신부(220)가 수신한다(S230).The
수신 제어부(240)가 무선 수신부(220)로부터 추출 전력 데이터를 전달받아 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)의 기 설정된 전력 데이터베이스와의 비교를 통해 모니터링 대상 장비의 진동수 및 진동 크기를 판단한다(S240).The
즉, 수신 제어부(240)가 전달받은 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)의 추출 전력 데이터 조합에 따라 모니터링 대상 장비의 진동수를 판단하여(S310), 장비의 진동이 허용 범위 미만일 경우 모니터링 대상 장비가 '이상 없음'으로 판별(S320)하고, 장비의 진동이 허용 범위 이상일 경우 모니터링 대상 장비가 '이상 있음'으로 판별한다(S330).That is, the
단계(S320)에서 모니터링 대상 장비가 '이상 없음'으로 판별된 경우, 단계(S110)로 회귀하여 동작을 반복 수행하고, 단계(S330)에서 모니터링 대상 장비가 '이상 있음'으로 판별된 경우, 무선 알람부(260)가 사용자에게 무선 알람으로 알린다(S340).When it is determined that the monitoring target equipment is 'no abnormality' in step S320, the process returns to step S110 and repeats the operation, and when it is determined that the monitoring target equipment is 'abnormal' in step S330, wireless The
도 7은 본 발명의 고장 예지 방법을 구현하기 위한 고장 예지 장치 내 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)를 일 실시예에 따라 배관에 부착한 경우를 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 복수개의 압전 에너지 하베스터(120) 및 배관(50)을 포함한다.7 is a schematic configuration diagram illustrating a case in which a plurality of
도 8은 도 7에 도시된 일 실시예에서 모니터링 대상 장비가 정상 작동하는 경우 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 출력되는 전력의 파형도(a) 및 예상되는 주파수 대비 기 설정된 전력 데이터베이스의 표(b)이다.FIG. 8 is a waveform diagram (a) of power output from three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 and an expected frequency comparison group when the monitoring target equipment operates normally in the embodiment shown in FIG. Table (b) of the established power database.
도 9는 도 4에 도시된 압전 에너지 하베스터(120)를 3개로 하여 구성한 일 실시예의 사시도로서, 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3) 및 삼각 받침대(60)를 포함한다.9 is a perspective view of an embodiment in which three
도 10은 도 4에 도시된 압전 에너지 하베스터를 4개로 하여 구성한 다른 실시예의 사시도로서, 4개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-4) 및 사각 받침대(70)를 포함한다.FIG. 10 is a perspective view of another embodiment configured by using four piezoelectric energy harvesters shown in FIG. 4 , and includes four piezoelectric energy harvesters 120 - 1 to 120 - 4 and a
도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 장치의 유기적인 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다. An organic operation of the failure prediction device using piezoelectric energy harvesting according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 10 .
일반적으로 선박 또는 해양 플랜트에서 배관의 고정 방식, 운용 압력, 속도, 각종 밸브에 따라 공진 주파수가 기 설정되어 있는데, 배관에 피로 손상 또는 부가 질량 또는 편심의 발생, 베어링 이상, 체결용 구성요소의 풀림 등 비정상적인 현상이 발생한 경우, 주파수가 변경된다.In general, in ships or offshore plants, the resonance frequency is preset according to the piping fixing method, operating pressure, speed, and various valves. Fatigue damage or additional mass or eccentricity in the piping, bearing failure, loosening of fastening components When an abnormal phenomenon occurs, such as, the frequency is changed.
이를 감지하기 위하여 본 발명에 따른 고장 예지 장치는 도 7에서 보는 바와 같이, 다른 크기를 가진 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)가 선박 또는 해양 플랜트에서 진동하는 구조물의 일 예시인 배관(50)에 부착된다.In order to detect this, the failure prediction device according to the present invention is attached to a
복수개의 압전 에너지 하베스터(120) 각각은 바닥판의 외면에 점착성 물질인 진동 전달부(미도시)가 도포될 수도 있고, 바닥판의 일부분이 자성 물질로 이루어지는 형태일 수도 있다.Each of the plurality of
복수개의 압전 에너지 하베스터(120) 내부에는 모니터링 대상 장비의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자가 패키징된다. Inside the plurality of
압전 소자의 내부를 도시하지는 않았지만, 압전체, 탄성판과 압전체 사이에 배치되는 제1 전극 및 압전체 상에 배치되는 제2 전극을 구비한다. Although the inside of the piezoelectric element is not shown, it includes a piezoelectric body, a first electrode disposed between the elastic plate and the piezoelectric body, and a second electrode disposed on the piezoelectric body.
압전체는 압전성을 갖는 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등의 재료로 형성된다. The piezoelectric body is formed of a material such as a piezoelectric ceramic having piezoelectricity, a ceramic/polymer composite, or the like.
모니터링 대상 장비인 배관(50)의 진동에 의해 탄성판 및 압전 소자가 진동하여 변형함에 따라 전기 에너지의 생성이 가능하다. As the elastic plate and the piezoelectric element vibrate and deform due to the vibration of the
이를 통하여 본 발명에 따른 고장 예지 방법은 자가 발전이 가능해져, 전력 통신 장비나 외부 전력 공급이 불필요하게 된다. Through this, the failure prediction method according to the present invention enables self-generation, thereby eliminating the need for power communication equipment or external power supply.
한편, 압전 재료를 이용하여 압전 에너지 하베스팅 소자를 제작하는 경우 공진 주파수가 존재한다. On the other hand, when a piezoelectric energy harvesting element is manufactured using a piezoelectric material, a resonant frequency exists.
이 공진 주파수는 유효 전기 기계 결합 계수에 의해 결정된다. This resonant frequency is determined by the effective electromechanical coupling coefficient.
일반적으로 압전 세라믹은 유효 전기 기계 결합 계수가 작고, 압전 단결정은 1.0(기계적 에너지를 전기적 에너지 변환하는 효율=100%)에 가까운 큰 값을 갖는다.In general, piezoelectric ceramics have a small effective electromechanical coupling coefficient, and piezoelectric single crystals have a large value close to 1.0 (efficiency of converting mechanical energy into electrical energy = 100%).
이를 위한 실험예로서, 공진 주파수가 40, 45, 50, 55, 60 Hz에 해당하는 하베스터를 총 50 개를 제작하여, 도 9에서 보는 바와 같이, 40, 45, 50 Hz의 3 개의 하베스터 또는 45, 50, 55 Hz의 3 개의 하베스터를 삼각 받침대(60) 상부에 부착하여 제작할 수 있다. As an experimental example for this, a total of 50 harvesters having resonant frequencies of 40, 45, 50, 55, and 60 Hz were manufactured, and as shown in FIG. 9, three harvesters of 40, 45, 50 Hz or 45 , 50, 55 Hz can be manufactured by attaching three harvesters to the top of the
각 실험은 35 Hz부터 65 Hz까지 5 Hz의 간격으로 주파수를 변화하며 인가하여, 3 개의 하베스터에서 추출되는 전력, 공진 주파수, 피크 대 피크(peak-to-peak) 전압, 실효치(root mean square, RMS) 전압을 측정한다. In each experiment, the frequency was varied and applied at intervals of 5 Hz from 35 Hz to 65 Hz, and the power extracted from the three harvesters, the resonance frequency, the peak-to-peak voltage, and the root mean square, RMS) voltage is measured.
본 실험예에서는 3 개의 하베스터(120-1 내지 120-3)를 삼각 받침대(60) 상부에 부착하여 제작하여 실시하였지만, 도 10에서 보는 바와 같이, 4 개의 하베스터(120-1 내지 120-4)를 사각 받침대(70) 상부에 부착하여 제작하여 실시하거나, 그 이상의 개수의 하베스터를 이용할 수도 있다.In the present experimental example, three harvesters 120-1 to 120-3 were attached to the upper part of the
예를 들어, 도 7에서 보는 바와 같이, 3 개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 선박에서 진동하는 배관에 부착되어 있다고 가정한다.For example, as shown in FIG. 7 , it is assumed that three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 are attached to a vibrating pipe in a ship.
진동 전달부는 배관의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 3 개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에 전달한다.The vibration transmitting unit transmits vibration energy generated by vibration of the pipe to the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3.
만일, 모니터링 대상 장비인 배관이 정상 작동하는 경우, 장비의 주파수 응답 함수는 변화하지 않음에 따라, 장비의 출력 움직임이 변화하지 않아, 송신 모듈(100)은 다음과 같이 동작한다.If the monitoring target equipment, the pipe, operates normally, the frequency response function of the equipment does not change, so the output movement of the equipment does not change, and the
즉, 3 개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)는 도 8(a)에서 보는 바와 같이, 각각의 전력을 주파수 영역에서 도 8(b)의 예상 주파수(Expected Freq) 값과 동일하게 발생시킨다. That is, the three piezoelectric energy harvesters 120 - 1 to 120 - 3 , as shown in FIG. 8 ( a ), apply power to the same as the expected frequency (Expected Freq) value of FIG. 8 ( b ) in the frequency domain. generate
3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 추출한 동일한 전력은 3 개의 신호 감지기(130-1 내지 130-3)가 전압 및 주파수 정보의 형식으로 감지한다.The same power extracted by the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 is sensed by the three signal detectors 130-1 to 130-3 in the form of voltage and frequency information.
3 개의 정류기(140-1 내지 140-3)는 3 개의 신호 감지기(130-1 내지 130-3) 각각에서 감지된 전압을 인가받아 교류 전류 성분을 직류 전류로 전환한다.The three rectifiers 140-1 to 140-3 receive the voltage sensed by each of the three signal detectors 130-1 to 130-3, and convert the AC current component into a DC current.
이때, 정류기(140)는 풀 브릿지(full-bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 타입으로 4 개 또는 2 개의 다이오드로 구성될 수 있다.In this case, the
3 개의 정류기(140-1 내지 140-3)를 통하여 직류 전류로 전환된 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)의 전력은 전력 저장부(150) 내 제1 내지 제3 다이오드(D1 내지 D3)를 각각 통과하여 복수개의 하베스터별 커패시터(C1 내지 C3)에 전압 형태로 임시 저장된다.The power of the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 converted into direct current through the three rectifiers 140-1 to 140-3 is transmitted to the first to third diodes ( It passes through each of D1 to D3) and is temporarily stored in the form of a voltage in the plurality of harvester-specific capacitors C1 to C3.
또한, 총 전력 저장부(155)가 복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3) 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터(C)에 저장한다.In addition, the total
레귤레이터(160)는 총 전력 저장부(155) 내 전력 커패시터(C)에 저장된 전력을 인가받아 저장된 전력에 따라 정해진 전압, 예를 들어 3 V, 5 V 또는 7 V 등으로 변환시켜 출력한다.The
이는 레귤레이터(160) 후단에 연결되는 송신 제어부(170) 내 제어 유닛(175)에 과전압이 인가되어 부품이 손상되는 것을 방지하기 위함이다.This is to prevent damage to components due to overvoltage being applied to the
송신 제어부(170) 내 제어 유닛(175)은 총 전력 저장부(155)에 저장된 전압에 의해 생성된 전력이 무선 통신(Zigbee)이 가능한 전력 이상인지 여부를 판단한다.The
송신 제어부(170)가 무선 통신(Zigbee)이 가능한 전력이 생성되었다고 판단한 경우, 송신 제어부(170) 내 스위칭부(Q)는 무선 송신부(180)로 하여금 저장된 전압에 의해 생성된 전력을 송신하도록 하는 송신 제어 신호를 출력한다.When the
즉, 송신 제어부(170) 내 스위칭부(Q)는 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)로 구성되어, 제어 유닛(175)이 무선 통신(Zigbee)이 가능한 전력이 생성되었다고 판단한 경우, 하이 레벨의 송신 제어 신호를 출력하면 스위칭부(Q)가 턴 온됨으로써, 레귤레이터(160)에서 출력된 정해진 전압에 해당하는 전류를 통과시킨다.That is, the switching unit Q in the
만일, 제어 유닛(175)이 무선 통신(Zigbee)이 가능한 전력이 생성되었다고 판단하지 않는 경우, 로우 레벨의 송신 제어 신호를 출력하면 스위칭부(Q)가 턴 오프됨으로써, 레귤레이터(160)에서 출력된 정해진 전압에 해당하는 전류를 통과시키지 않는다.If the
무선 송신부(180)는 송신 제어부(170)로부터 통과된 전류를 인가받아 이에 응답하여 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 추출되어 임시 저장된 전력량에 대한 데이터를 무선 통신(Zigbee) 방식을 이용하여 수신 모듈(200)로 송신한다. The
여기에서, 무선 통신 방식으로 채용되는 지그비(Zigbee)는 근거리 무선통신 기술로서, 저가의 초소형, 저 전력의 특징을 가지고 있다.Here, Zigbee, which is employed as a wireless communication method, is a short-range wireless communication technology, and has features of low cost, small size, and low power.
본 발명에서와 같이 모니터링 대상 장비의 진동을 감지하는 네트워크에서 블루투스나 WiFi 대신에 지그비 기술을 채택하는 이유는 기존의 WPAN(블루투스, IrDA 등) 기술이 고가이고 전력 소모가 큰 반면, 지그비는 단순한 기능의 저 기능성 센서 네트워크를 가능하게 하기 때문이다.The reason for adopting ZigBee technology instead of Bluetooth or WiFi in a network that detects the vibration of a monitored device as in the present invention is that the existing WPAN (Bluetooth, IrDA, etc.) technology is expensive and consumes a lot of power, whereas ZigBee has a simple function. This is because it enables a low-functionality sensor network of
이에 따라, 수신 모듈(200)은 다음과 같이 동작한다.Accordingly, the receiving
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.That is, the
수신 제어부(240)는 무선 수신부(220)로부터 전력량에 대한 데이터를 전달받아 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 추출된 전력 데이터를 통해 대상 장비의 현재 가진 주파수 및 진동의 크기를 판단한다.The
도 8(b)에서 보는 바와 같이, 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)는 크기에 따라 각 출력 움직임 당 기 설정된 전력 데이터베이스를 가지고 있다.As shown in FIG. 8B , the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 have a preset power database for each output movement according to their size.
즉, 예상되는 주파수가 55.4 Hz에서 크기가 가장 작은 제1 압전 에너지 하베스터(120-1)는 1.5 mW, 크기가 중간인 제2 압전 에너지 하베스터(120-2)는 3.6 mW, 크기가 가장 큰 제3 압전 에너지 하베스터(120-3)는 2.8 mW 의 기 설정된 전력 데이터베이스를 가진다. That is, at an expected frequency of 55.4 Hz, the smallest size of the first piezoelectric energy harvester 120-1 is 1.5 mW, the second piezoelectric energy harvester 120-2 with the medium size is 3.6 mW, and the largest size is the first piezoelectric energy harvester 120-1. 3 The piezoelectric energy harvester 120-3 has a preset power database of 2.8 mW.
따라서, 수신 제어부(240)에서 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 계속 도 8(b)의 값과 동일한 주파수대로 진동하고 있는 것으로 판단된 경우, 모니터링 대상 장비는 '이상 없음'으로 판별된다. Therefore, when it is determined in the
반면, 모니터링 대상 장비가 비정상 작동하는 경우(예를 들어, 부가 질량 또는 편심의 발생, 베어링 이상, 체결용 구성요소의 풀림 등), 장비의 주파수 응답 함수가 변화함에 따라, 장비의 출력 움직임이 변하게 되어, 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)는 각각의 전력을 시간 영역에서 상이하게 발생시킨다. On the other hand, when the monitored equipment operates abnormally (for example, occurrence of additional mass or eccentricity, bearing failure, loosening of fastening components, etc.), as the frequency response function of the equipment changes, the output movement of the equipment changes. Thus, the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 each generate electric power differently in the time domain.
3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 추출한 상이한 전력은 3 개의 신호 감지기(130-1 내지 130-3)가 전압 및 주파수 정보의 형식으로 감지한다.The different power extracted by the three piezoelectric energy harvesters 120-1 to 120-3 is sensed by the three signal detectors 130-1 to 130-3 in the form of voltage and frequency information.
3 개의 정류기(140-1 내지 140-3)를 통해 직류 전류로 전환되고, 복수개의 하베스터별 커패시터(C1 내지 C3)에 전압 형태로 임시 저장되며, 총 전력 저장부(155)가 이들을 합하여 전력 커패시터(C)에 저장한 후에, 레귤레이터(160)가 정해진 전압인 3 V 또는 5 V 로 변환시켜 출력하는 동작은 모니터링 대상 장비가 정상 작동하는 경우와 동일하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.It is converted into DC current through three rectifiers 140-1 to 140-3, and is temporarily stored in a voltage form in a plurality of harvester-specific capacitors C1 to C3, and the total
또한, 송신 제어부(170) 내 제어 유닛(175)이 총 전력 저장부(155)에 저장된 전압이 무선 통신(Zigbee)이 가능한 전력 이상인지 여부에 따라, 무선 송신부(180)로 하여금 저장된 전압에 의해 생성된 전력을 송신 또는 차단하도록 하는 송신 제어 신호를 출력하고, 스위칭부(Q)가 이에 응답하여 레귤레이터(160)에서 출력된 정해진 전압에 해당하는 전류를 통과 또는 차단하는 동작 역시 모니터링 대상 장비가 정상 작동하는 경우와 동일하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.In addition, depending on whether the voltage stored in the total
이에 따라, 수신 모듈(200)은 다음과 같이 동작한다.Accordingly, the receiving
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.That is, the
수신 제어부(240)는 무선 수신부(220)로부터 전력량에 대한 데이터를 전달받아 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 추출된 전력 데이터를 통해 대상 장비의 현재 가진 주파수 및 진동의 크기를 판단한다.The
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.That is, the
수신 제어부(240)는 무선 수신부(220)로부터 전력량에 대한 데이터를 전달받아 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에서 추출된 전력 데이터를 통해 대상 장비의 현재 가진 주파수 및 진동의 크기를 판단한다.The
이때, 수신 제어부(240)에서 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 도 8(b)에 도시된 각각의 기 설정된 전력 데이터베이스와 상이한 주파수대로 진동하고 있는 것으로 판단된 경우, 모니터링 대상 장비는 '이상 있음'으로 판별된다. At this time, when it is determined by the
수신 제어부(240)는 전송 스위치 또는 무선 알람부(260) 등을 통해 작업자에게 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상이 발생한 사실을 알린다. The
한편, 본 발명에 따른 기록 매체는 전술한 본 발명에 따른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체이다. On the other hand, the recording medium according to the present invention is a computer-readable recording medium in which a program for executing the self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters according to the present invention described above in a computer is recorded.
본 발명의 일 실시예에 따른 기록 매체에는 (a) 송신 모듈이 크기가 다른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 통해 모니터링 대상 장비의 진동을 전기 에너지로 변환하여, 무선 통신의 전력원으로 사용하고, 추출 전력 데이터를 무선통신으로 전송하는 단계; 및 (b) 수신 모듈이 상기 추출 전력 데이터를 전송받아 상기 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하여, 무선 알람으로 알리는 단계; 가 포함된다.In the recording medium according to an embodiment of the present invention, (a) the transmission module converts the vibration of the monitoring target equipment into electrical energy through a plurality of piezoelectric energy harvesters of different sizes, and uses it as a power source for wireless communication, and extracts power transmitting data through wireless communication; and (b) receiving, by a receiving module, receiving the extracted power data, determining whether an abnormal phenomenon occurs in the monitoring target equipment, and notifying it as a wireless alarm; is included
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기록 매체에는 진동 전달부가 상기 모니터링 대상 장비의 진동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터에 전달하는 단계; 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터의 내부에 각각 구비된 압전 소자가 상기 진동에 의한 기계적 에너지를 전달받아 상기 전기 에너지로 변환하고, 상기 추출 전력 데이터를 추출하는 단계; 복수개의 신호 감지기가 상기 추출된 추출 전력 데이터의 전력의 전압 및 주파수 정보를 감지하는 단계; 복수개의 정류기가 상기 추출된 추출 전력 데이터로부터 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계; 복수개의 하베스터별 전력 저장부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 커패시터에 임시 저장하는 단계; 총 전력 저장부가 상기 복수개의 하베스터별 전력 저장부 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터에 저장하는 단계; 및 레귤레이터가 상기 전력 커패시터에 저장된 상기 전력의 총합을 인가받아 전압 성분을 일정한 전압으로 변환하는 단계; 송신 제어부가 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인지 여부를 판단하는 단계; 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인 것으로 판단된 경우, 상기 송신 제어부가 상기 생성된 전력에 대한 상기 추출 전력 데이터를 송신하도록 명령하는 송신 제어 신호를 출력하는 단계; 무선 송신부가 상기 송신 제어 신호에 응답하여 상기 추출 전력 데이터를 상기 수신 모듈로 전송하는 단계; 무선 수신부가 상기 추출 전력 데이터를 수신하는 단계; 수신 제어부가 상기 추출 전력 데이터를 전달받아 복수개의 압전 에너지 하베스터의 기 설정된 전력 데이터베이스와의 비교를 통해 상기 모니터링 대상 장비의 진동수 및 진동 크기를 판단하는 단계; 및 상기 모니터링 대상 장비의 진동이 허용 범위 이상인 경우, 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단하여, 무선 알람부가 상기 무선 알람으로 알리는 단계; 가 포함된다.In addition, in the recording medium according to an embodiment of the present invention, the vibration transfer unit transmitting mechanical energy generated by the vibration of the monitoring target equipment to the plurality of piezoelectric energy harvesters; piezoelectric elements provided in each of the plurality of piezoelectric energy harvesters receive mechanical energy due to the vibration, convert it into electrical energy, and extract the extracted power data; detecting, by a plurality of signal detectors, voltage and frequency information of power of the extracted power data; converting, by a plurality of rectifiers, a current component of power from the extracted power data into direct current; receiving, by a plurality of harvester-specific power storage units, the switched DC current and temporarily storing the converted DC current in a capacitor; receiving, by a total power storage unit, temporarily stored power in each of the plurality of harvester-specific power storage units, summing them, and storing them in a power capacitor; and converting a voltage component into a constant voltage by receiving the sum total of the power stored in the power capacitor; determining, by the transmission control unit, whether the sum of power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power; outputting a transmission control signal instructing the transmission control unit to transmit the extracted power data for the generated power when it is determined that the sum of the power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power; transmitting, by a wireless transmitter, the extracted power data to the receiving module in response to the transmission control signal; receiving the extracted power data by a wireless receiver; determining, by a receiving control unit, the frequency and magnitude of vibration of the monitoring target equipment by receiving the extracted power data and comparing it with a preset power database of a plurality of piezoelectric energy harvesters; and when the vibration of the monitoring target equipment is greater than or equal to an allowable range, determining that the abnormal phenomenon has occurred, and notifying the wireless alarm unit as the wireless alarm; is included
상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
상기 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the recording medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이와 같이, 본 발명은 선박 또는 해양 플랜트에서 진동에 민감한 모니터링 대상 장비에 다른 크기를 가진 복수개의 압전 에너지 하베스터를 구비한 고장 예지 장치를 부착하여 압전 특성을 이용하여 비정상적인 현상의 발생 여부를 감지하고, 외부 전력의 공급 없이 허용 이상의 진동 변화에 대해 복수개의 압전 에너지 하베스터에서 생성되는 전력을 이용하여 사용자에게 모니터링 대상 장비의 이상 여부를 알리는 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법 및 이를 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 제공한다.As such, the present invention attaches a failure prediction device having a plurality of piezoelectric energy harvesters having different sizes to vibration-sensitive monitoring target equipment in a ship or offshore plant, and detects whether an abnormal phenomenon occurs using piezoelectric characteristics, A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters that notifies the user whether there is an abnormality in the equipment to be monitored by using the power generated by the plurality of piezoelectric energy harvesters for vibration changes that are more than permissible without external power supply A computer-readable recording medium in which a program for execution is recorded is provided.
이를 통하여, 선박 또는 해양 플랜트에서 사용되는 모니터링 대상 장비의 진동을 별도의 진동 센서나 전력 통신 장비 없이 압전 자가 발전식으로 감지하게 되어 외부 전력 공급이 불필요하게 되므로, 모니터링 대상 장비의 이상을 저비용으로 간단하게 진단하게 된다. Through this, vibration of monitoring equipment used in ships or offshore plants is sensed by piezoelectric self-generation without a separate vibration sensor or power communication equipment, and external power supply is unnecessary. to be diagnosed
또한, 압전 에너지 하베스터가 복수개로 구비되므로 더 큰 에너지 하베스팅이 가능하게 되어, 모니터링 대상 장비의 고장 예지의 민감성 및 정확도가 향상된다.In addition, since a plurality of piezoelectric energy harvesters are provided, greater energy harvesting is possible, thereby improving the sensitivity and accuracy of failure prediction of the equipment to be monitored.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.In the above, although several preferred embodiments of the present invention have been described with some examples, the description of various various embodiments described in the "Specific Contents for Carrying Out the Invention" item is merely exemplary, and the present invention Those of ordinary skill in the art will understand well that the present invention can be practiced with various modifications or equivalents to the present invention from the above description.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.In addition, since the present invention can be implemented in various other forms, the present invention is not limited by the above description, and the above description is for the purpose of completing the disclosure of the present invention, and it is common in the technical field to which the present invention pertains. It is to be understood that this is only provided to fully inform those with knowledge of the scope of the present invention, and that the present invention is only defined by each of the claims.
100: 송신 모듈
120: 복수개의 압전 에너지 하베스터
130: 복수개의 신호 감지기
140: 복수개의 정류기
150: 전력 저장부
160: 레귤레이터
170: 송신 제어부
180: 무선 송신부
200: 수신 모듈
220: 무선 수신부
240: 수신 제어부
260: 무선 알람부
280: 배터리100: sending module
120: a plurality of piezoelectric energy harvesters
130: a plurality of signal detectors
140: a plurality of rectifiers
150: power storage unit
160: regulator
170: transmission control unit
180: wireless transmitter
200: receive module
220: wireless receiver
240: receive control
260: wireless alarm unit
280: battery
Claims (11)
무선 수신부, 수신 제어부, 무선 알람부 및 배터리를 구비하여 이루어진 수신 모듈;을 포함하여 구성된 고장 예지 장치를 선박 또는 해양 플랜트에서 진동에 민감한 모니터링 대상 장비에 부착하여 상기 모니터링 대상 장비의 고장 예지를 하기 위한 방법으로서,
상기 송신 모듈이 크기가 다른 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터를 통해 상기 모니터링 대상 장비의 진동을 전기 에너지로 변환하여, 무선 통신의 전력원으로 사용하고, 추출 전력 데이터를 무선통신으로 전송하는 (a) 단계; 및
상기 수신 모듈이 상기 추출 전력 데이터를 전송받아 상기 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상의 발생 여부를 판단하여, 무선 알람으로 알리는 (b) 단계;를 포함하고,
상기 모니터링 대상 장비가 정상 작동하는 경우, 상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수는 변화하지 않음에 따라, 상기 모니터링 대상 장비의 출력 움직임이 변화하지 않아 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터는 각각의 전력을 주파수 영역에서 예상 주파수 값과 동일하게 발생시키며,
상기 모니터링 대상 장비가 비정상 작동하는 경우, 상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수가 변화함에 따라, 상기 모니터링 대상 장비의 출력 움직임이 변하게 되어, 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터는 각각의 전력을 시간 영역에서 상이하게 발생시키는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
A plurality of piezoelectric energy harvesters having different sizes, a plurality of signal detectors, a plurality of rectifiers, a power storage unit, a regulator, a transmission control unit and a wireless transmission unit are provided, and the power storage unit includes a plurality of harvesters-specific power storage units and total power storage units. and wherein the transmission control unit comprises: a transmission module comprising a switching unit and a control unit; and
A reception module comprising a wireless receiving unit, a reception control unit, a wireless alarm unit and a battery; attaching a failure prediction device configured to include a vibration-sensitive monitoring target equipment in a ship or offshore plant to predict failure of the monitoring target equipment As a method,
(a) step of the transmitting module converting the vibration of the monitoring target equipment into electrical energy through the plurality of piezoelectric energy harvesters of different sizes, using it as a power source for wireless communication, and transmitting the extracted power data through wireless communication ; and
(b) the receiving module receives the extracted power data, determines whether an abnormal phenomenon occurs in the monitoring target equipment, and informs it as a wireless alarm;
When the device to be monitored operates normally, as the frequency response function of the device to be monitored does not change, the output motion of the device to be monitored does not change, so that the plurality of piezoelectric energy harvesters transmit their respective power in the frequency domain. It is generated equal to the expected frequency value,
When the monitoring target device operates abnormally, as the frequency response function of the monitoring target device changes, the output motion of the monitoring target device changes, so that the plurality of piezoelectric energy harvesters apply power differently in the time domain characterized by generating
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 (a) 단계는
(a-1) 진동 전달부가 상기 모니터링 대상 장비의 진동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터에 전달하는 단계;
(a-2) 상기 복수개의 압전 에너지 하베스터의 내부에 각각 구비된 압전 소자가 상기 진동에 의한 기계적 에너지를 전달받아 상기 전기 에너지로 변환하고, 상기 추출 전력 데이터를 추출하는 단계;
(a-3) 복수개의 신호 감지기가 상기 추출된 추출 전력 데이터의 전력의 전압 및 주파수 정보를 감지하는 단계;
(a-4) 복수개의 정류기가 상기 추출된 추출 전력 데이터로부터 전력의 전류 성분을 직류로 전환하는 단계;
(a-5) 복수개의 하베스터별 전력 저장부가 상기 전환된 직류 전류를 인가받아 커패시터에 임시 저장하는 단계;
(a-6) 송신 제어부가 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인지 여부를 판단하는 단계;
(a-7) 상기 임시 저장된 전류로 생성된 전력의 총합이 무선 통신 가능 전력 이상인 것으로 판단된 경우, 상기 송신 제어부가 상기 생성된 전력에 대한 상기 추출 전력 데이터를 송신하도록 명령하는 송신 제어 신호를 출력하는 단계; 및
(a-8) 무선 송신부가 상기 송신 제어 신호에 응답하여 상기 추출 전력 데이터를 상기 수신 모듈로 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
The method of claim 1,
The step (a) is
(a-1) transmitting, by a vibration transmitting unit, mechanical energy generated by vibration of the monitoring target equipment to the plurality of piezoelectric energy harvesters;
(a-2) the piezoelectric elements provided in each of the plurality of piezoelectric energy harvesters receive mechanical energy due to the vibration, convert it into the electrical energy, and extract the extracted power data;
(a-3) detecting, by a plurality of signal detectors, voltage and frequency information of the power of the extracted power data;
(a-4) a plurality of rectifiers converting the current component of power from the extracted power data into direct current;
(a-5) receiving, by a plurality of harvester-specific power storage units, the converted DC current and temporarily storing the applied DC current in a capacitor;
(a-6) determining, by the transmission control unit, whether the sum of power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power;
(a-7) When it is determined that the sum of the power generated by the temporarily stored current is equal to or greater than the wireless communication available power, the transmission control unit outputs a transmission control signal instructing to transmit the extracted power data for the generated power to do; and
(a-8) transmitting the extracted power data to the reception module in response to the transmission control signal by a wireless transmitter;
characterized in that it comprises,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 (a-5) 단계와 상기 (a-6) 단계 사이에
총 전력 저장부가 상기 복수개의 하베스터별 전력 저장부 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터에 저장하는 단계; 및
레귤레이터가 상기 전력 커패시터에 저장된 상기 전력의 총합을 인가받아 전압 성분을 일정한 전압으로 변환하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
3. The method of claim 2,
Between the steps (a-5) and (a-6)
receiving, by a total power storage unit, temporarily stored power in each of the plurality of harvester-specific power storage units, summing them, and storing them in a power capacitor; and
converting a voltage component into a constant voltage by receiving the sum of the power stored in the power capacitor;
characterized in that it further comprises,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 (b) 단계는
(b-1) 무선 수신부가 상기 추출 전력 데이터를 수신하는 단계;
(b-2) 수신 제어부가 상기 추출 전력 데이터를 전달받아 복수개의 압전 에너지 하베스터의 기 설정된 전력 데이터베이스와의 비교를 통해 상기 모니터링 대상 장비의 진동수 및 진동 크기를 판단하는 단계; 및
(b-3) 상기 모니터링 대상 장비의 진동이 허용 범위 이상인 경우, 상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단하여, 무선 알람부가 상기 무선 알람으로 알리는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
The method of claim 1,
Step (b) is
(b-1) receiving the extracted power data by a wireless receiver;
(b-2) receiving, by a receiving control unit, the extracted power data and determining a frequency and a vibration magnitude of the monitoring target equipment through comparison with a preset power database of a plurality of piezoelectric energy harvesters; and
(b-3) when the vibration of the monitoring target equipment is greater than or equal to the allowable range, determining that the abnormal phenomenon has occurred, and notifying the wireless alarm unit as the wireless alarm;
characterized in that it comprises,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 수신 제어부는
상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수가 변화하지 않음에 따라 출력 움직임이 변화하지 않는 경우, 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 동일한지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 모니터링 대상 장비의 주파수 응답 함수가 변화함에 따라 출력 움직임이 변화하는 경우, 상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 상이한지 여부를 판단하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
5. The method of claim 4,
The receiving control unit
If the output motion does not change as the frequency response function of the monitoring target equipment does not change, determining whether the extracted power data is the same as the preset power database; and
When the output motion changes as the frequency response function of the monitoring target equipment changes, determining whether the extracted power data is different from the preset power database;
characterized in that it comprises,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 (b-2) 단계는
상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 동일한 때 예상되는 주파수대로 진동하고 있는 것으로 판단된 경우, 상기 모니터링 대상 장비가 '이상 없음'으로 판정되는 단계; 및
상기 추출 전력 데이터가 상기 기 설정된 전력 데이터베이스와 상이한 때 상기 예상되는 주파수대로 진동하고 있지 않는 것으로 판단된 경우, 상기 모니터링 대상 장비가 '이상 있음'으로 판정되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
5. The method of claim 4,
The step (b-2) is
If it is determined that the extracted power data is vibrating in an expected frequency band when the same as the preset power database, determining that the monitoring target equipment is 'no abnormality'; and
When it is determined that the extracted power data is not vibrating in the expected frequency band when different from the preset power database, determining that the monitoring target equipment is 'abnormal';
characterized in that it comprises,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 (b-3) 단계는
상기 비정상적인 현상의 발생으로 판단된 경우, 전송 스위치로 상기 무선 알람부를 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
5. The method of claim 4,
The step (b-3) is
When it is determined that the abnormal phenomenon occurs, it is characterized in that the wireless alarm unit can be replaced with a transmission switch,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 진동 전달부는
상기 복수개의 압전 에너지 하베스터의 바닥판 외면에 점착성 물질이 도포되거나 일부분이 자성 물질로 이루어져 상기 모니터링 대상 장비에 부착되는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
3. The method of claim 2,
The vibration transmission unit
An adhesive material is applied to the outer surface of the bottom plate of the plurality of piezoelectric energy harvesters, or a part of the piezoelectric energy harvester is made of a magnetic material and is attached to the monitoring target equipment,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 비정상적인 현상은
상기 모니터링 대상 장비에 부가 질량 또는 편심의 발생, 베어링 이상 및 체결용 구성요소의 풀림을 포함하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
The method of claim 1,
The abnormal phenomenon is
Characterized in that it includes the occurrence of additional mass or eccentricity in the monitored equipment, bearing abnormalities, and loosening of components for fastening,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
상기 무선 통신은
지그비(Zigbee) 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
The method of claim 1,
The wireless communication is
Characterized in using the Zigbee method,
A self-generated failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters.
자가 발전형 고장 예지 방법의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
A program for performing the self-generation type failure prediction method using a plurality of piezoelectric energy harvesters according to any one of claims 1 to 10 on a computer is recorded,
A computer-readable recording medium of a self-generated failure prediction method.
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