삼성 모바일 디스플레이의 새로운 생산라인에 설치된 실시간 온도 감시시스템

삼성 모바일 디스플레이㈜는 삼성전자와 계열회사인 삼성 에스디아이㈜의 합작회사이며 핸드폰과 소형텔레비전에 사용되는 표시판을 생산하기 위하여 새 공장을 건설 중에 있습니다.

아산시에 위치한 본 공장을 대한민국의 수도 서울로부터 약42km 서남쪽에 있으며 내년 7월에 완공예정입니다.

삼성 모바일 디스플레이㈜는 공장건설에 2조5천억원(미화21억1천만불)을 투자할 계획입니다.

상기 합작회사는 AM OLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode)표시판을 생산할 예정이며 이 제품은 모바일폰이나 소형 텔레비전과 같은 휴대용 기기에 사용될 예정입니다.

리오스 테크놀로지는 현장에 있는 15㎸ 3개의 고압케이블의 실시간 온도 감시시스템을 설치 완료 하였습니다.

온도 감시시스템은 당사의 분포온도감시(DTS)시스템으로써 16채널 광스위치를 내장한 OTS20P 컨트롤러로 구성되었습니다.

전력송신시스템의 분포온도의 내역은 프리스미안 전선㈜에서 공급되었으며 실시간 온도는 FIMT방법 즉 금속튜브 안에 광케이블을 집어넣는 방식으로 전선 안에 매립시켜 측정합니다.

분포온도(DTS) 수치는 중앙통제실에서 볼 수 있으며, 안전한 작동을 확인시켜줄 뿐 아니라 고압케이블 선로가 충분한 용량으로 공급될 수 있도록 허용시켜 줍니다.

추가 정보:

• 스마트 그리드:  전원 케이블과 가공선로 설치에 관한 실시간 전류용량 예측
• 전원 케이블에 대한 분산 온도 모니터링
• DTS 광섬유 시스템을 이용한 온도 및 위치 측정

Real Time Condition Monitoring for Samsung Mobile Display’s New Production Line

Samsung Mobile Display Co., a venture between Samsung Electronics Co. and its sister unit Samsung SDI Co., are building a new plant that produces displays used in phone handsets and small televisions.
The plant in Asan city, 42 kilometres southwest of Seoul, South Korea, will be completed by July next year. Samsung Mobile Display plans to spend 2.5 trillion won (US$2.11 billion) on the plant.
The joint venture will produce active-matrix organic light-emitting diode (AM OLED) displays, which are used in portable devices such as mobile phones and small TVs.
LIOS Technology recently completed the installation of its real time condition monitoring system supervising three 154kV high voltage cable systems on site. Condition monitoring is based on LIOS’  Distributed Temperature Sensing (DTS) System OTS20P with a 16 channel fibre switch.
The distributed temperature profiles of the energy transmission systems made by Prysmian Cables & Systems are measured in real time by embedded fibre optics using  FIMT . The DTS readings are visualised at the central control and dispatch centre ensuring save operation and allowing exploitation of the high voltage cable routes at full capacity potential.
(with material of Yonhap )

KEPCO 345kV 변전소에 설치한 실시간 상태 모니터링

대한민국에서 가장 눈부신 성장을 거듭하고 있는 도시들 중 한 곳에서 전기 에너지 수요가 급증함에 따라 2010년 5월 말 아산시에서는 신규 345kV KEPCO 변전소 준공식을 거행했습니다. 지방자치 단체와 거주 법인에서 각계 대표자들이 삼성에서 확장해 가는 LCD 제조 설비의 본거지, 탕정 크리스탈밸리를 위한 변전소 개통식에 참석해 주셨습니다.

LIOS Technology의 분산 온도 감지 시스템은 TFT LCD 패널 생산에 사용되는 산업용 유리 기판 생산설비에 전압을 공급하는 두 개의 154kV 고압 케이블 회로를 감시합니다.

Prysmian Cables & Systems에서 제작한 154kV 고압 케이블은 분산 온도 프로파일을 측정하기 위해 FIMT(금속 튜브내 섬유)를 사용하는  섬유 광학 기술을 내장하고 있습니다.  중앙 제어 및 급전 센터에서는 DTS 측정값을 시각화함으로써 절전 운행을 보장하고 고압 케이블을 이용하여 전체 용량 전위에서 배선할 수 있습니다.

추가 정보:

• 스마트 그리드:  전원 케이블과 가공선로 설치에 관한 실시간 전류용량 예측
• 전원 케이블에 대한 분산 온도 모니터링
• DTS 광섬유 시스템을 이용한 온도 및 위치 측정

DTS 광섬유 시스템을 이용한 온도 및 위치 측정

라만 스캐터링

온도나 압력, 장력 등과 같은 물리적 특성은 유리 섬유에 영향을 줄 수 있고 부분적으로 그 섬유 상 빛의 전달 특성을 변화시킬 수 있다. 유리 섬유에 빛을 산란시킴으로써 광섬유를 선형적인 센서처럼 작동하게 하여 외부의 물리적 영향이 들어오는 위치를 파악할 수 있다.
광섬유는 액체상태의 유리로 만들어진다. 유리는 비결정형 고체 구조인 산화규소()의 한 형태이다. 열에 의한 영향은 고체 결정구조에 진동을 일으킬 수 있다. 빛이 이러한 분자 진동을 일으켰을 때 광자(Proton)라는 빛의 입자와 분자의 전자 사이에 상호작용이 일어난다. 라만 스캐터링 (Raman Scattering)이라고도 알려진 빛의 산란은 광섬유 내에서 일어난다. 일반적인 빛과 달리 이렇게 산란된 빛은 격자 진동의 공진주파수 (Resonance Frequency) 크기에 비례하는 만큼의 스펙트럼 변동이 생긴다. 광섬유로부터 산란되어 나온 빛은 다음과 같은 3가지 부분으로 구성된다:

• 사용된 레이저 광원과 동일한 파장의 레일리 스캐터링,
• 광자가 만들어지는 고주파의 스토크스 성분,
• 광자가 파괴되는 레일리 스캐터링보다 더 낮은 주파수의 안티-스토크스 성분

그림 1-1은 라만 대역에 의해 새로 만들어진 빛의 분포를 보여준다. 안티-스토크스 대역의 빛의 세기는 온도에 따라 달라지는 반면, 스토크스 대역은 온도와 무관한 특성을 보인다. 광섬유 각 부분의 온도는 이 두가지 대역의 빛의 세기의 비율을 통해 알아낼 수 있다.

그림 1-1 - 라만 스캐터링

측정과 계산 방법
DTS에서는 OFDR (Optical Frequency Domain Reflection)이라는 방법을 사용한다. 이 시스템은 역산란 신호가 감지되었을 때만 부분적 특성에 대한 정보를 제공하는데, 그 동안 전체 측정 시간은 주파수에 대한 복소함수로 측정되고, 이는 퓨리에 변환을 필요로 한다. OFDR 기술의 가장 큰 이점은 레이저에 의해 겉 보기에 계속되는 것처럼 보이는 파형과 역산란 신호의 정밀한 감지, 그로 인해 얻게되는 아주 높은 SNR (Signal-to-noise ratio)이다. 이러한 이점은 저렴한 레이저 다이오드와 신호 평균화를 위한 전자 부속품을 이용할 수 있게 해 준다. 이를 위해서는 라만 스캐터링된 빛을 감지하는 고난도 기술과 고도의 선형성을 요구하는 전자 부품에 필요한 빠른 퓨리에 변환 (FFT: Fast Fourier Transformation)을 위한 값비싼 신호처리 기술이 요구된다.
반사광의 주파수 대역 측정은 고해상도 측정으로도 고작 밀리미터 단위의 파장 측정이 가능했을 뿐이다. 그에 비해 라만 역산란 측정 기술의 응용은 새로운 것이다.
다음 그림은 OFDR 라만 온도 측정 시스템의 설계도이다.

그림 1-2 OFDR 라만 온도 측정 시스템

온도 측정 시스템은 진동 생성기, 레이저 소스, 광학 모듈, HF 믹서, 리시버, 마이크로프로세서 유닛으로 구성된 컨트롤러와 선형 온도 센서 역할을 하는 광섬유로 구성되어 있다.
설계는 2개의 측정 채널 (스토크스와 안티-스토크스) 외에도 추가적인 참조 채널이 필요하기 때문에 3개의 채널로 되어있다. OFDR 시스템을 살펴보면, 레이저의 파워 출력은 움푹 파인 모양의 kHz 단위 주파수로 시작해 측정하는 시간동안 HF 모듈의 도움을 받아 수 MHz 단위의 높은 주파수 대역으로 끝맺는다. 결과로 나타나는 주파수 전이는 측정된 광도를 분석한 데이터이다. 만들어진 레이저광은 광학 모듈을 통해 광섬유로 연결된다.
계속해서 역산란되는 라만광은 광학 모듈에서 광학적으로 걸러지고 전기적인 신호로 변환된다. 그리고나서 이 신호는 증폭되고 저주파 대역의 신호와 혼합된다. 평균화된 저주파 신호를 퓨리에 변환하면 두 개의 라만 역산란 곡선이 얻어진다. 이 곡선의 진폭은 라만 스캐터링의 세기와 비례한다. 광섬유의 온도는 두 개의 채널의 진폭의 비로 얻어진다.

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• 도체온도 추정시스템 (CTM) – 동적 허용전류 산정 시스템 (DRS) – Power Cable Monitoring in Korea

• 독일 쾰른에 위치한 LIOS Technology GmbH는 국제적인 안목을 지닌 역동적인 회사이며 전세계에 사업을 전개하고 있는 덴마크 NKT 그룹의 계열사입니다 | 한국어

An Introduction to Distributed Temperature Sensing

Distributed Temperature Sensing Systems (DTS) are optoelectronic devices which measure temperatures by means of optical fibres functioning as linear sensors. Temperatures are recorded along the optical sensor cable, thus not at points, but as a continuous profile. A high accuracy of temperature determination is achieved over great distances.

Measuring Principle – Raman Effect
Physical measurement dimensions, such as temperature or pressure and tensile forces, can affect glass fibres and locally change the characteristics of light transmission in the fibre. As a result of the attenuation of the light in the quartz glass fibres through scattering, the location of an external physical effect can be determined so that the optical fibre can be employed as a linear sensor.

Optical fibres are made from doped quartz glass. Quartz glass is a form of silicon dioxide (SiO2) with amorphous solid structure. Thermal effects induce lattice oscillations within the solid. When light falls onto these thermally excited molecular oscillations, an interaction occurs between the light particles (photons) and the electrons of the molecule. Light scattering, also known as Raman scattering, occurs in the optical fibre. Unlike incident light, this scattered light undergoes a spectral shift by an amount equivalent to the resonance frequency of the lattice oscillation.

The light scattered back from the fibre optic therefore contains three different spectral shares:

• the Rayleigh scattering with the wavelength of the laser source used,
• the Stokes line components with the higher wavelength in which photons are generated, and
• the Anti-Stokes line components with a lower wavelength than the Rayleigh scattering, in which photons are destroyed.

The intensity of the so-called Anti-Stokes band is temperature-dependent, while the so-called Stokes band is practically independent of temperature. The local temperature of the optical fibre is derived from the ratio of the Anti-Stokes and Stokes light intensities.

Measuring Principle – OFDR Technology
Latest DTS evaluation units deploy the method of Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR) .  The OFDR system provides information on the local characteristic when the backscatter signal detected during the entire measurement time is measured as a function of frequency in a complex fashion, and then subjected to Fourier transformation. The essential benefits of OFDR technology are the quasi continuous wave mode employed by the laser and the narrow-band detection of the optical back scatter signal, whereby a significantly higher signal to noise ratio is achieved than with conventional pulse technology (OTDR). This technical benefit allows the use of affordable semiconductor laser diodes and electronic assemblies for signal averaging.

The optical frequency domain reflectometry has been developed as a high-resolution measurement process for the characterisation of optical wave guides with length dimensions of just a few millimetres. In contrast, its application for the Raman backscatter measurement was introduced and patented by the company LIOS Technology.

Schematic system set up
The temperature measuring system consists of a controller (frequency generator, laser source, optical module, HF mixer, receiver and micro-processor unit) and a quartz glass fibre (fibre optic) as line-shaped temperature sensor.

The design is three-channel, since an additional reference channel is required besides the two measurement channels (Anti-Stokes and Stokes). Corresponding to the OFDR system, the power output of the laser runs through the sinus-shaped frequency starting from a starting frequency in the kilohertz range through the ending frequency in the high megahertz range within a measurement time interval with the help of the High Frequency (HF) modulator. The resulting frequency shift is a direct measurement of the local resolution of the reflectometer. The frequency-modulated laser light is connected to the fibre optic-sensor via the optical module.

The continuously back-scattered Raman light  is spectrally filtered  in the optical module and converted into electrical signals by means of photo detectors. Then the measurement signals are amplified and mixed in the Low Frequency spectral range (LF range). The Fourier transformation of the averaged LF signals results in the two Raman backscatter curves. The amplitudes of these backscatter curves are proportional to the intensity of the Raman scattering of the viewed location. The fibre temperature along the sensor cable results from the amplitude ratio of the two measurement channels.

The ideal DTS sensor embedded in power cables: Fiber In Metal Tube (FIMT)

The optical fiber serves as the distributed temperature sensor for LIOS DTS systems and is typically surrounded by a protective layer. It is preferably encased in a stainless steel tube which significantly increases the mechanical stability of the sensor. Fibre encapsulated in stainless steel tube or short “Fiber In Metal Tube (FIMT)” is a hermetically sealed rugged construction for very long lengths of optical fibres. Furthermore, it is particularly effective in protecting against the hydrostatic pressures, high temperature effects and corrosive environments.

The inside of the FIMT metallic tube may lined with gel to ensure that the sensor cable remains permanently water-proof. This viscous gel protects the fibres from many environmental concerns, prevents damage from microbending conditions and helps to minimize the forces applied during spooling and deployment.
An important parameter to consider with FIMT is the Excess Fiber Length. It is defined by the percentage of excess fiber loaded into the metal tube during processing to relieve induced stresses directly related to the differing thermal coefficient of expansions of each material contained in the construction. FIMT is exposed to drastic and often rapid changes in temperature and pressure, so the Excess Fiber Length must be considered to ensure continuous, robust performance across all operational conditions.

FIMT constructions contain individual or multiple fibers (single mode or multi mode) and are available in sizes ranging from 1 mm to 3 mm outer diameter, variations in effective wall thickness are possible as well. FIMT serves as the core for various fiber optic sensor cable constructions or may be integrated into high voltage cable designs directly.

The FIMT is manufactured from a special stainless steel strip. During the manufacturing process this strip is formed to a tube and welded along its length. The stainless steel tubes must be hermetically sealed for all applications. For this reason the complete weld seam is subjected to a leak proof test by means of eddy current. By means of a drawing process the desired final diameter is attained on the one hand and an increase in strength through cold conversion on the other. During the manufacturing process the optical fibers are inserted into the tube. They are clearly differentiated by means of a specific colour code. At the end of the production process the tubes are subjected to a complete optical attenuation measurement and then documented for back-tracing. Additionally, each length produced is subjected to a weld penetration test, each weld seam undergoes a leak test, and the Excess Fiber Length is checked.

LIOS offers a variety of FIMT constructions perfectly suitable for distributed temperature sensing applications along power cable transmission systems.