KR102263456B1 - 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법 및 컴퓨터 판독 가능 기록 매체 - 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.
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.
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.
이 기술은 에너지를 얻기 위해 사용되는 방법 및 소자에 따라 다양하게 구분된다.
에너지를 얻기 위해 사용되는 방법에는 크게 태양광(Photovoltaic) 발전, 압전(Piezoelectric) 발전, 전자기(Electromagnetic) 발전, 열전(Thermoelectric) 발전 등이 있다.
이들은 광전 효과, 압전 효과, 유도현상, 열전 효과를 이용해서 전기를 생산하게 된다.
압전 효과란 압전 소재를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환되는 현상을 말한다.
다시 말해, 압전 특성이 있는 물질에 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 반대로 전기를 가하면 진동이 생기는 현상이다.
이러한 원리를 이용해서 전기를 발생시키는 것을 압전 효과에 의한 에너지 하베스팅이라 한다.
가스 레인지나 라이터에서 압력을 가하면 전기 스파크를 발생시키는 장치가 압전 효과를 이용하는 대표적인 장치에 해당한다.
이와 반대로 압전 스피커는 전기 신호를 박막의 떨림으로 바꿔주는 장치이다.
일반적으로 에너지 하베스팅 회로는 전력을 생산하는 하베스터, 생성되는 에너지를 직류성분으로 변환하는 정류기, 그리고 정류기에서 출력되는 에너지를 배터리나 대용량 커패시터에 저장하는 충전 회로로 구성된다.
한편, 상기 하베스터는 진동 에너지를 전력으로 전환하는 압전 소자 등을 포함하는데, 상기 소자는 최대 전력점이 존재하며, 이는 입력되는 진폭과 주파수에 의해 결정된다.
압전 물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 혹은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 변환 매체로서 다양한 응용 분야를 갖는다.
현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.
그 중에서 최근에 압전 물질로 많이 사용되는 것은 납, 지르콘 및 티타늄으로 만든 PbTiO3- PbZrO3 고용체(PZT)라는 무기 화합물이다.
압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다.
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.
이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.
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.
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.
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.
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.
입력이 임의의 주파수 대역으로 들어오게 되면, 그에 따른 출력 움직임은 정해지므로, 입력이 구조물의 고유 진동수와 유사한 경우 공진(Resonance)이 발생한다.
주파수 응답 함수는 구조물의 고유 값(eigen value)에 해당하며, 동일한 입력에도 출력 움직임이 변화되는 것은 구조물이 손상되었음을 의미한다.
도 2에서, 대상 장비는 입력인 자극력(excitation force)이 구조물의 주파수 응답 함수를 거쳐 출력 움직임인 응답력(response force)을 발생시킨다.
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.
대상 장비가 정상 동작하는 경우, 출력 움직임이 일정하고, 장비의 출력 움직임에 진동할 수 있는 하베스터를 부착한다.
즉, 장비의 출력 움직임이 하베스터에 입력으로 작용하고, 하베스터 자체의 주파수 응답 함수에 의해 하베스터의 출력 움직임이 결정된다.
이때, 하베스터는 진동 등의 기계적 에너지를 압전 효과를 통해 전기적 에너지로 변환하여, 하베스팅 전력이 추출된다.
한편, 외부로부터 가해지는 진동을 이용하기 위한 압전 발전기는 일반적으로 외팔보(Cantilever) 구조를 갖는다.
외팔보 구조의 압전 발전기는 외부의 진동 주파수와 외팔보의 고유 진동수가 같아지는 경우 공진 현상이 일어나면서 전기 에너지가 도출된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
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.
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, 크기가 다른 압전 에너지 하베스터가 복수개로 구비되므로 더 정밀하고 큰 에너지 하베스팅이 가능하게 되어, 모니터링 대상 장비의 고장 예지의 민감성 및 정확도가 향상된다.
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.
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.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
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.
더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.
이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
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.
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.
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.
한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
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.
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.
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.
하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
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.
또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "부", "기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.
이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
수신 모듈(200)은 무선 수신부(220), 수신 제어부(240), 무선 알람부(260) 및 배터리(280)를 구비한다.
도 4는 도 3에 도시된 고장 예지 장치 내 압전 에너지 하베스터(120)의 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 고장 예지 장치의 외형 사진으로서, 송신 모듈(100) 및 수신 모듈(200)을 포함한다.
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.
도 6은 본 발명의 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법의 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
진동 전달부가 모니터링 대상 장비의 진동에 의해 발생하는 기계적 에너지를 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)에 전달한다(S110).
복수개의 압전 에너지 하베스터(120)의 내부에 각각 구비된 압전 소자가 진동에 의한 기계적 에너지를 전달받아 전기 에너지로 변환한다(S120).
복수개의 신호 감지기(130)가 복수개의 압전 에너지 하베스터(120)에서 변환된 전기 에너지의 전력의 전압 및 주파수 정보를 감지한다(S125).
복수개의 정류기(140)가 복수개의 신호 감지기(130)에서 감지된 전압으로부터 전류 성분을 직류로 전환한다(S130).
복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3)가 복수개의 정류기(140)에서 전환된 직류 전류를 인가받아 커패시터에 임시 저장한다(S140).
총 전력 저장부(155)가 복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3) 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터(C)에 저장한다.
레귤레이터(160)는 총 전력 저장부(155) 내 전력 커패시터(C)에 저장된 전력을 인가받아 전압 성분을 일정한 전압으로 변환한다.
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.
무선 송신부(180)가 송신 제어부(170)의 송신 제어 신호에 응답하여 추출 전력 데이터를 수신 모듈(200)로 전송한다(S220).
단계(S220)에서 무선 송신부(180)가 전송한 추출 전력 데이터를 수신 모듈(200) 내 무선 수신부(220)가 수신한다(S230).
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).
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).
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).
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.
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 사시도로서, 3개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3) 및 삼각 받침대(60)를 포함한다.
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.
도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 이용한 고장 예지 장치의 유기적인 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
복수개의 압전 에너지 하베스터(120) 내부에는 모니터링 대상 장비의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 소자가 패키징된다.
압전 소자의 내부를 도시하지는 않았지만, 압전체, 탄성판과 압전체 사이에 배치되는 제1 전극 및 압전체 상에 배치되는 제2 전극을 구비한다.
압전체는 압전성을 갖는 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등의 재료로 형성된다.
모니터링 대상 장비인 배관(50)의 진동에 의해 탄성판 및 압전 소자가 진동하여 변형함에 따라 전기 에너지의 생성이 가능하다.
이를 통하여 본 발명에 따른 고장 예지 방법은 자가 발전이 가능해져, 전력 통신 장비나 외부 전력 공급이 불필요하게 된다.
한편, 압전 재료를 이용하여 압전 에너지 하베스팅 소자를 제작하는 경우 공진 주파수가 존재한다.
이 공진 주파수는 유효 전기 기계 결합 계수에 의해 결정된다.
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.
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.
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.
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.
예를 들어, 도 7에서 보는 바와 같이, 3 개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)가 선박에서 진동하는 배관에 부착되어 있다고 가정한다.
진동 전달부는 배관의 진동에 의해 발생하는 진동 에너지를 3 개의 압전 에너지 하베스터(120-1 내지 120-3)에 전달한다.
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.
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.
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.
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.
이때, 정류기(140)는 풀 브릿지(full-bridge) 또는 하프 브릿지(half-bridge) 타입으로 4 개 또는 2 개의 다이오드로 구성될 수 있다.
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.
또한, 총 전력 저장부(155)가 복수개의 하베스터별 전력 저장부(C1 내지 C3) 각각에 임시 저장된 전력을 인가받아 합하여 전력 커패시터(C)에 저장한다.
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.
이는 레귤레이터(160) 후단에 연결되는 송신 제어부(170) 내 제어 유닛(175)에 과전압이 인가되어 부품이 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
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.
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.
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.
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.
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.
여기에서, 무선 통신 방식으로 채용되는 지그비(Zigbee)는 근거리 무선통신 기술로서, 저가의 초소형, 저 전력의 특징을 가지고 있다.
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.
이에 따라, 수신 모듈(200)은 다음과 같이 동작한다.
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이에 따라, 수신 모듈(200)은 다음과 같이 동작한다.
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.
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.
즉, 무선 수신부(220)는 송신 모듈(100) 내 무선 송신부(180)에서 무선 전송된 전력량에 대한 데이터를 수신받아 수신 제어부(240)에 전달한다.
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.
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.
수신 제어부(240)는 전송 스위치 또는 무선 알람부(260) 등을 통해 작업자에게 모니터링 대상 장비에 비정상적인 현상이 발생한 사실을 알린다.
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.
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.
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.
상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
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.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
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.
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.
또한, 압전 에너지 하베스터가 복수개로 구비되므로 더 큰 에너지 하베스팅이 가능하게 되어, 모니터링 대상 장비의 고장 예지의 민감성 및 정확도가 향상된다.
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.
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.
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: 배터리
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: 배터리
Claims (11)
- 다른 크기를 가진 복수개의 압전 에너지 하베스터, 복수개의 신호 감지기, 복수개의 정류기, 전력 저장부, 레귤레이터, 송신 제어부 및 무선 송신부를 구비하고, 상기 전력 저장부는 복수개의 하베스터별 전력 저장부 및 총 전력 저장부를 구비하고, 상기 송신 제어부는 스위칭부 및 제어 유닛을 구비하여 이루어진 송신 모듈; 및
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.
- 제 1 항에 있어서,
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.
- 제 2 항에 있어서,
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.
- 제 1 항에 있어서,
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.
- 제 4 항에 있어서,
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.
- 제 4 항에 있어서,
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.
- 제 4 항에 있어서,
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.
- 제 2 항에 있어서,
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.
- 제 1 항에 있어서,
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.
- 제 1 항에 있어서,
상기 무선 통신은
지그비(Zigbee) 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는,
복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 복수개의 압전 에너지 하베스터를 이용한 자가 발전형 고장 예지 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한,
자가 발전형 고장 예지 방법의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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