전류펄스를 이용한 고정밀 자왜식 액위 계측 시스템의 실현
저자
발행사항
부산 : 동아대학교 대학원, 2013
학위논문사항
학위논문(박사)-- 동아대학교 대학원 : 전기공학과 2013. 8
발행연도
2013
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
부산
형태사항
xiv, 142 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이준탁
소장기관
전류펄스를 이용한 고정밀 자왜식 액위 계측 시스템의 실현
Implementation of High Precise Liquid Level Measurement System of Magnetostrictive Type using Current Pulse
전기공학과 최 우 진
지 도 교 수 이 준 탁
본 논문에서는 전류펄스를 이용한 자왜식 고정밀 액위 계측 시스템의 구현에 관한 연구를 수행하였으며 구현하고자 하는 측정 성능의 목표는 정밀도가 1[mm] 이내이고, 정확도가 FSR(Full Scale Range)에 대하여 ±1[mm] 이내이다. 기존의 접촉식 액위 계측 방식에서는 홀 효과 소자 또는 리드 스위치를 일정 간격으로 배치하여 액위를 계측하지만, 본 연구에서는 웨이브가이드를 이용하며, 발사(interrogation) 신호와 비틀림 탄성파의 충격 신호의 시간 차이로부터 액위를 측정하는 방식을 연구하였다.
자왜센서를 이용한 액위 계측 시스템은 높은 측정 정밀도와 저비용, 연속측정이 가능하며, 그 구성은 펄스 발생기, 공진 검출 회로 등으로 구성된다. 즉, 웨이브가이드에 전류펄스를 발사하고 Wiedemann 효과에 의해 생성된 뒤틀림 반사 충격 신호를 검출 코일로 검출하는 방식으로서, 액위는 발사 신호와 반사 신호 간의 시간 차이로부터 측정된다. 특히, 본 논문에서는 발사되는 전류펄스의 자계의 전파 속도가 광속에 가까운 점을 고려하여 액위 검출의 원리에 있어서 측정 위치의 증가에 따른 광속의 영향을 정량적으로 반영하였다. 그리고, 핵심적인 구성 요소인 전류펄스의 발사 회로 및 비틀림 탄성파 충격 신호에 대한 검출 코일 회로를 설계하였다. 그리고, 고정밀 액위 계측을 위하여 기존의 시간계수기(Time Counter) 방식과 제안하는 시간-주파수 해석에 기반한 액위 측정 기법을 연구하였고, 다양한 실험을 통하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
첫째, 발사 회로의 전압을 약 2배 증가시키면 비틀림 탄성파 충격 신호에 의한 검출 코일의 전압 즉, 반사 전압의 최대치는 약 15[%] 증가하여 수신 감도를 올릴 수 있음을 확인하였다. 그리고, 탱크 상부로부터 액면까지의 거리(ullage)를 크게 할수록 비틀림 탄성파 신호의 전압은 서서히 떨어짐을 확인하였고, 이로 인해 시간계수기를 이용한 측정 방식에서는 반사 전압을 기준 전압과 비교하게 되므로 오차가 발생하여 측정 오차 ±0.9[mm], 표준편차 1.1[mm]을 가졌다. 한편, 거리 변화에도 불구하고 중심 주파수는 64[kHz]~65[kHz] 이내로 큰 변화는 없으므로 시간-주파수 해석 기법을 활용할 수 있었으며 오차 ±0.4[mm], 표준편차 0.4[mm]의 정확하고 강인한 액위 계측 시스템을 실현할 수 있었다.
둘째, 웨이브가이드에서 수신된 신호의 시간-주파수 해석을 위해 STFT(Short Time Fourier Transform)을 이용하였다. 윈도우 길이 R을 64로 설정하였고 오버랩(overlap) 샘플 수는 R의 절반인 32로 설정하였으며, 시간 구간에 대해 Hanning 윈도우를 적용하였다. 이에 따라, 주파수 분해능이 약 2[kHz], 시간분해능이 16[μsec]로 되었으며, 0.2[m]에서 1.0[m]까지 5[cm]의 등간격으로 측정한 결과 측정 오차는 ±10.8[mm], 표준편차가 12.2[mm]이고, 고유주파수의 측정오차도 2[kHz]로 나타났다. 측정의 정도를 높이기 위해 시간 분해능을 매우 높인 경우, 윈도우 길이 R을 64에서 2로 줄인 조건에서 측정 오차는 ±0.6[mm], 표준편차는 0.7[mm]로 나타났다. STFT를 이용한 액위 측정 방식에서는 시간-주파수 간의 상보성이 존재하므로 본 연구에서 요구되는 정밀한 시간 계측을 위해서는 주파수 해석을 할 수 없는 문제가 있었다.
셋째, 웨이블릿 변환(Wavelet Transform)을 사용한 경우 7차 Daubechies 웨이블릿 모함수를 적용함에 따라, 시간계수기 방식과 STFT 방식에서의 문제점을 해결하였다. 주파수 분해능을 약 200[Hz], 시간분해능을 0.5[μsec]로 구현한 결과, 측정 오차는 ±0.4[mm], 표준편차는 0.4[mm]이고, 고유주파수의 측정오차는 약 10[kHz]로 나타났으며 목표로 하고 있는 1[mm] 이내의 정밀도, ±1[mm] 이내의 정확도를 만족하였다.
향후, 보다 나은 측정 정밀도를 확보하고 상용화에 대비하기 위해서는 수신 신호의 시간 축 상에서의 기준 선정, 웨이블릿 모함수의 선정에 따른 영향, 검출된 액위 정보에 대한 평균, 필터링, 보상 기법 등의 신호 처리에 관한 연구가 추가적으로 수행되어야 하며, 이를 통해 반사 신호의 감쇠 및 노이즈에도 강인한 시간-주파수 기반의 액위 계측 시스템을 구축해 나갈 수 있을 것으로 생각된다.
주요어 : Liquid Level, Current Pulse, Magnetostrictive Type, Wiedemann 효과, 시간계수기(Time Counter), STFT, 웨이블릿 변환(Wavelet Transform), 웨이브가이드(Waveguide)
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