KR100827713B1 - Method for calculating tension applied to cable tension sensor and deriving method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블의 단면 구조도,1 is a cross-sectional structural view of a cable that can be applied to the present invention,
도 2는 자성체에 인가되는 장력과 자기장의 변화에 따른 자성체의 자속밀도 특성을 보인 그래프,2 is a graph showing magnetic flux density characteristics of a magnetic body according to a change in tension and magnetic field applied to the magnetic body;
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블 장력센서의 개략적인 구조를 보인 개념도,3 is a conceptual view showing a schematic structure of a cable tension sensor that can be applied to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출알고리즘을 도출하기 위해 구성된 케이블 장력시험 회로도,4 is a cable tension test circuit diagram configured to derive a tension calculation algorithm applied to the cable tension sensor according to the present invention;
도 5 및 도 6은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블 장력센서의 외관을 보인 사진,5 and 6 are photographs showing the appearance of the cable tension sensor that can be applied to the present invention,
도 7은 케이블에 인위적인 장력을 인가하기 위한 인장시험기의 외관을 보인 사진,7 is a photograph showing the appearance of a tensile tester for applying artificial tension to the cable,
도 8 내지 도 10은 도 4에서 보인 케이블 장력시험 회로도에서, 장력센서로 인가되는 주파수와 자기장의 변화에 따른 장력센서의 출력전압 특성을 보인 그래프,8 to 10 is a graph showing the output voltage characteristics of the tension sensor according to the change in frequency and magnetic field applied to the tension sensor in the cable tension test circuit diagram shown in FIG.
도 11 및 도 12는 도 4에서 보인 케이블 장력시험 회로도에서 케이블의 온도변화에 따른 장력센서의 출력전압 특성을 보인 그래프,11 and 12 are graphs showing the output voltage characteristics of the tension sensor according to the temperature change of the cable in the cable tension test circuit diagram shown in FIG.
도 13은 도 12을 통해 보인 출력전압 특성그래프를, 임의로 설정한 기준온도에서의 출력전압에 대한 다른 온도에서의 출력전압의 편차 특성으로 환산하여 보인 그래프,FIG. 13 is a graph illustrating output voltage characteristic graphs shown in FIG. 12 converted into deviation characteristics of output voltages at different temperatures with respect to output voltages at a predetermined reference temperature. FIG.
도 14는 도 13의 전압편차 특성그래프에 의거하는 온도보정식을 통해 계산된 출력전압의 특성을 보인 그래프,14 is a graph showing the characteristics of the output voltage calculated through the temperature correction equation based on the voltage deviation characteristic graph of FIG.
도 15는 도 14를 통해 보인 출력전압 특성그래프를, 장력센서의 출력전압에 따른 장력의 변화를 보이도록 환산한 장력 특성그래프,15 is an output voltage characteristic graph shown through FIG. 14, a tension characteristic graph converted to show a change in tension according to an output voltage of a tension sensor;
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출알고리즘의 도출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.16 is a flowchart illustrating a derivation method of a tension calculation algorithm applied to a cable tension sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
10: 케이블 11: 코어10: Cable 11: Core
13: 스트랜드 30: 1차 코일13: strand 30: primary coil
40: 2차 코일 100: 장력센서40: secondary coil 100: tension sensor
200: 전원장치 300: 분로기200: power supply device 300: shunt
400: 전류측정기 500: 전압측정기400: current meter 500: voltage meter
본 발명은 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법에 관한 것으로, 특히 케이블이 자기장 내에 놓이게 되면 그 길이와 자기장은 상관 관계가 형성되는바, 이를 통해 구현된 장력센서로부터 입력되는 전기적인 에너지를 그에 상응하는 임의로 정해진 기준온도에서의 장력으로 환산함으로써 온도의 영향이 배제된 실질적으로 케이블에 인가되는 장력의 영향을 평가할 수 있도록 한 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tension calculation method and a method for deriving the tension sensor applied to the cable tension sensor, in particular, when the cable is placed in the magnetic field and the relationship between the length and the magnetic field is formed, the electrical input from the tension sensor implemented through Tension calculation method applied to cable tension sensor and its derivation method which can evaluate the effect of the tension applied to the cable substantially without the influence of temperature by converting the energy into the corresponding tension at the arbitrarily determined reference temperature. will be.
사장교나 현수교와 같은 대형 교량은 환경이 열악한 곳에 건설되기 때문에, 풍하중(風荷重)에 의한 교량의 과다변위나 해수에 의한 교각의 부식 등에 인하여 구조물에 손상이 일어날 확률이 높은바, 그 지지구조물로 케이블이 사용되는게 일반적이다. 특히, 케이블은 휨강성(Flexural rigidity)이 거의 없어 압축력(compression)에 영향을 받지 않으나 단, 장력(tension)에는 영향을 받게 된다. 여기서, 장력을 측정하는 공지된 기술에는 하중계 측정방식이나 가속도계 측정방식이 있다. 그러나, 하중계는 설치의 난이성으로, 가속도계는 강선이나 강봉의 진동수를 측정하여 이를 장력으로 환산하는 방법으로써 측정은 간단하지만 케이블의 구속조건, 길이, 단면적 등에 따라 장력산정이 달라질 수 있어서 매개변수를 측정하는데 어려움이 따르고, 나아가 신뢰성과 재현성이 부족한 문제점이 있었다. 따라서, 상기한 방식보다 재현성과 신뢰성이 좋은 장력 측정 장치와 장력센서 등 일련 의 기술을 개발하여 표준으로 사용할 수 있는 장력센서의 연구가 활발히 진행되고 있는바, 이의 한 방편으로써 케이블이 자기장 내에 놓이게 되면 그 길이와 자기장이 상관 관계가 형성되는데, 이에 통해 케이블에 걸린 장력을 측정하는 자기장 방식이 대두되고 있는 실정이다. 한편, 상기와 같은 장력 이외에 케이블의 길이에 영향을 끼치는 환경요인으로써 온도를 간과할 수는 없는바, 이러한 온도가 케이블에 걸린 장력을 산출하는데 있어서 영향을 끼친다는 문제점이 있었다. 또한, 케이블에 가해지는 장력이 실질적으로는 같더라도 온도라는 매개변수로 인하여 장력센서에서 출력되는 결과치는 다르게 되고, 이에 따라 산출되는 장력도 다를 수 있는바, 온도 영향이 배제된 실질적이 장력을 산출하여야 하는 추가적인 작업이 필요하고, 이에 따라 연속적인 장력 산출이 불가하다는 문제점이 있었다. 따라서, 장력을 산출함에 있어서 온도의 영향으로 변화된 케이블 길이는 배제되어야 하는 것이 자기장 방식에 따른 장력산출방법에 있어서 필수적인 과제가 될 것이다. Since large bridges, such as cable-stayed bridges and suspension bridges, are constructed in poor environments, there is a high possibility of damage to the structure due to excessive displacement of the bridges due to wind loads or corrosion of the bridges by seawater. Cables are commonly used. In particular, cables have little flexural rigidity and thus are not affected by compression, but are affected by tension. Here, known techniques for measuring tension include a load gauge measurement method and an accelerometer measurement method. However, the load gauge is the difficulty of installation, and the accelerometer measures the frequency of steel wire or steel rod and converts it to tension, but the measurement is simple, but the tension calculation can vary according to the constraints, length, cross-sectional area of cable, etc. Difficult to follow, and furthermore, there was a problem of lack of reliability and reproducibility. Therefore, research on tension sensors that can be used as a standard by developing a series of technologies such as a tension measuring device and a tension sensor, which are more reproducible and reliable than the above-described method, is being actively conducted. The length and the magnetic field are correlated, and thus the magnetic field method for measuring the tension applied to the cable is emerging. On the other hand, the temperature can not be overlooked as an environmental factor affecting the length of the cable in addition to the tension as described above, there was a problem that this temperature affects in calculating the tension on the cable. In addition, even though the tension applied to the cable is substantially the same, the output value from the tension sensor is different due to the parameter of temperature, and thus the calculated tension may be different. Therefore, the actual tension without the influence of temperature is calculated. There is a problem that additional work that needs to be done, and thus continuous tension calculation is impossible. Therefore, it is necessary to exclude the cable length changed by the influence of temperature in calculating the tension will be an essential problem in the tension calculation method according to the magnetic field method.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자기장 방식에 따른 장력센서로부터 입력되는 전기적인 에너지가 그에 상응하는 임의로 정해진 기준온도에서의 장력으로 환산되도록 한 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법, 및 장력센서에 대해 온도영향과 케이블의 자속영향 평가 등을 통하여 재현성과 신뢰성이 높은 상기한 장력산출방법을 도출하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the tension calculation method applied to the cable tension sensor so that the electrical energy input from the tension sensor according to the magnetic field method is converted into a tension at a corresponding arbitrarily predetermined reference temperature It is an object of the present invention to provide a method for deriving the above-mentioned tension calculation method with high reproducibility and reliability through the evaluation of the temperature influence and the magnetic flux effect of the cable for the and the tension sensor.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법은 케이블에 인위적으로 일정한 자기장을 가하고, 상기 가해진 자기장을 토대로 상기 케이블로 인가되는 장력을 상응하는 전압으로 출력하는 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법에 있어서,In order to achieve the above object, a tension calculation method applied to a cable tension sensor according to an embodiment of the present invention applies an artificially constant magnetic field to a cable, and based on the applied magnetic field, applies a tension applied to the cable to a corresponding voltage. In the tension calculation method applied to the cable tension sensor to output,
케이블에 인위적으로 일정한 자기장을 가하고, 상기 가해진 자기장을 토대로 상기 케이블로 인가되는 장력을 상응하는 전압으로 출력하는 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법에 있어서,In the tension calculation method applied to the cable tension sensor applying a magnetic field artificially constant to the cable, and outputs the tension applied to the cable at a corresponding voltage based on the applied magnetic field,
상기 케이블 장력센서로부터 출력되는 전압과 상기 케이블이 미리 설정된 기준온도일 때의 상기 케이블 장력센서의 출력전압 간의 편차를 계산하는 온도보정식 와; 상기 온도보정식을 통해 기준온도일 때의 상기 케이블 장력센서의 출력전압을 계산하는 출력전압계산식 와; 상기 온도보정식과 상기 출력전압계산식으로부터 유도되는 수학식으로써, 상기 케이블 장력센서로부터 출력되는 전압과 상기 케이블 온도를 토대로 상기 기준온도일 때의 케이블에 인가되는 장력을 산출하는 장력산출식 중에서 상기 장력산출식에 의해 장력이 얻어지되,A temperature correction equation for calculating a deviation between the voltage output from the cable tension sensor and the output voltage of the cable tension sensor when the cable is a preset reference temperature Wow; Output voltage calculation formula for calculating the output voltage of the cable tension sensor at the reference temperature through the temperature correction equation Wow; A tension calculation equation that calculates the tension applied to the cable at the reference temperature based on the voltage output from the cable tension sensor and the cable temperature as an equation derived from the temperature correction equation and the output voltage calculation equation. Tension is obtained by the above tension calculation formula,
상기 VO(t)는 상기 케이블 장력센서의 출력전압이며, 상기 T는 상기 VO(t)가 출력될 때의 상기 케이블의 측정된 온도이고, 상기 TC2와 상기 TC1과 상기 TC0는 상기 케이블의 재료 및 두께와 상기 케이블 장력센서로 인가되는 자기장의 세기와 상기 기준온도로부터 유도되는 상수값이며, 상기 VC는 상기 케이블에 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 상기 케이블 장력센서로부터 출력되는 초기전압이며, 상기 FC2와 상기 FC1과 상기 FC0는 상기 TC2와 상기 TC1과 상기 TC0로부터 유도되는 상수값인 것을 특징으로 하는 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법을 제공한다.V O (t) is the output voltage of the cable tension sensor, T is the measured temperature of the cable when the V O (t) is output, and T C2 and T C1 and T C0 are A constant value derived from the material and thickness of the cable, the strength of the magnetic field applied to the cable tension sensor, and the reference temperature, and V C is output from the cable tension sensor in a state where no magnetic field is applied to the cable. An initial voltage, and the F C2 and the F C1 and the F C0 is a constant value derived from the T C2 and T C1 and T C0 provides a tension calculation method applied to the cable tension sensor.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법의 도출방법은 케이블에 가해지는 자기장을 토대로 상기 케이블로 인가되는 장력을 상응하는 전압으로 출력하는 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법의 도출방법에 있어서, 상기 케이블에 자기장과 장력의 변화를 가하고, 상기 자기장과 장력의 변화로 얻어지는 상기 케이블 장력센서의 출력전압을 측정하는 (a) 단계; 상기 (a) 단계에서 측정된 출력전압의 특성에 있어서 선형성을 갖게 하는 자기장의 세기를 추출하는 (b) 단계; 상기 (b) 단계에서 추출된 자기장의 세기에서 인위적으로 상기 케이블에 온도와 장력의 변화를 가하고, 상기 가해진 온도와 장력 변화로 얻어지는 상기 케이블 장력센서의 출력전압을 측정하는 (c) 단계; 상기 변화시킨 온도 중에서 기준온도를 설정하고, 상기 (c) 단계에서 측정된 출력전압 중에서 상기 기준온도에서의 출력전압과 다른 온도에서의 출력전압 간의 전압편차를 계산하는 (d) 단계; 상기 (d) 단계에서 계산된 전압편차를 토대로 온도 변화에 따른 온도보정식을 도출하는 (e) 단계; 상기 (e) 단계에서 도출된 온도보정식을 토대로, 상기 기준온도에서의 장력 변화에 따라 상기 케이블의 출력전압을 산출하는 출력전압계산식을 도출하는 (f) 단계; 및 상기 (f) 단계에서 도출된 출력전압계산식을 장력 을 산출하는 장력산출식으로 환산하는 (g) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법의 도출방법을 제공한다.In addition, the derivation method of the tension calculation method applied to the cable tension sensor according to another embodiment of the present invention based on the magnetic field applied to the cable tension applied to the cable tension sensor for outputting the tension applied to the cable with a corresponding voltage A method of deriving a calculation method, comprising: (a) applying a change in magnetic field and tension to the cable and measuring the output voltage of the cable tension sensor obtained by the change in the magnetic field and tension; (B) extracting the strength of the magnetic field to have linearity in the characteristics of the output voltage measured in step (a); (C) measuring the output voltage of the cable tension sensor obtained by applying a change in temperature and tension to the cable artificially at the strength of the magnetic field extracted in step (b); (D) setting a reference temperature among the changed temperatures, and calculating a voltage deviation between the output voltage at the reference temperature and the output voltage at another temperature among the output voltages measured in the step (c); (E) deriving a temperature correction equation based on temperature change based on the voltage deviation calculated in step (d); (F) deriving an output voltage calculation formula for calculating an output voltage of the cable based on a change in tension at the reference temperature based on the temperature correction formula derived in step (e); And (g) converting the output voltage calculation formula derived in the step (f) into a tension calculation formula for calculating the tension. .
전술한 구성에서, 상기 (e) 단계에서 도출된 온도보정식은 이되, 상기 T는 상기 케이블에 인가되는 온도이고, 상기 TC2와 상기 TC1과 상기 TC0는 상기 케이블의 재료와 상기 케이블의 두께와 상기 케이블 장력센서로 인가되는 자기장의 세기와 상기 (d) 단계에서 설정된 기준온도로부터 유도되는 상수값이며,In the above-described configuration, the temperature correction formula derived in step (e) Wherein T is the temperature applied to the cable, T C2 and T C1 and T C0 is the material of the cable and the thickness of the cable and the strength of the magnetic field applied to the cable tension sensor and (d) Constant value derived from the reference temperature set in step,
상기 (f) 단계에서 도출된 출력전압계산식은 이되, 상기 VO(t)는 상기 케이블 장력센서로부터 출력되는 전압이며, 상기 VC는 상기 케이블에 자기장이 인가되지 않은 상태에서 상기 케이블 장력센서에서 출력되는 초기전압이며,The output voltage calculation formula derived in step (f) Here, the V O (t) is the voltage output from the cable tension sensor, the V C is the initial voltage output from the cable tension sensor in the state that the magnetic field is not applied to the cable,
상기 (g) 단계에서 도출된 장력산출식은 이되, 상기 FC2와 상기 FC1과 상기 FC0는 상기 TC2와 상기 TC1과 상기 TC0로부터 유도되는 상수값인 것이 바람직하다.The tension calculation formula derived in step (g) Preferably, the F C2 , the F C1, and the F C0 are constant values derived from the T C2 , the T C1, and the T C0 .
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법의 원리를 설명하기 위해 첨부된 도면을 설명하기로 한다.First, the accompanying drawings will be described to explain the principle of the tension calculation method and its derivation method applied to the cable tension sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블의 단면 구조도이다.1 is a cross-sectional structural view of a cable that can be applied to the present invention.
도 1을 참조하면, 교량에 사용되는 내부 긴장재를 총칭하여 텐던(tendon)이라 하고, 외부 긴장재를 총칭하여 케이블이라 하는데, 여기서 케이블(10)은 긴장되는 단위체로 그 구성은 다발의 와이어, 강봉, 강연선으로 이루어지며, 구조는 와이어(wire) 다발로 형성되는 코아(Core)(11)와 이를 둘러싼 수개의 스트랜드(Strand)(13)로 구분된다. 여기서, 케이블(10)은 직경이 50mm이며, 특히 스트랜드(13)는 3.24mm 와이어 19가닥과 1.4mm 와이어 6가닥으로 구성되어 있으며, 모두 6개의 스트랜드(13)가 있고 코어(11)는 2.0mm 와이어가 7가닥으로 구성된 코어가 7개가 있다.Referring to Figure 1, the internal tension material used in the bridge collectively referred to as tendon (tendon), the external tension material collectively referred to as a cable, where the
도 2는 자성체에 인가되는 장력과 자기장의 변화에 따른 자성체의 자속밀도 특성을 보인 그래프이다.2 is a graph showing magnetic flux density characteristics of a magnetic body according to changes in tension and magnetic field applied to the magnetic body.
강자성체인 케이블(10)은 자기장 내에 놓이면, 그 길이가 변하게 되는데 이를 자기변형(magnetostriction)이라 하고, 이러한 자기변형에 따라 변형된 길이를 이라 하면 그 변형률(strain) 는 다음 수학식 1과 같다.When the
따라서, 케이블(10)이 자화되면 그 길이가 더 늘어나게 되는바, 이러한 상관관계에 의해 자화된 케이블(10)에 인위적인 인장력을 가하게 되면 연신되어 자화되는 정도가 증가된다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 B-H 곡선(자속밀도-자기장곡선)에서 인장력이 없는 상태에서, 자기장 H1을 가하면 'A'만큼 자화가 되고 인장력 을 이 케이블(10)에 가하면 일정한 자기장 하에서 자화가 'B'로 증가한다. 한편, 인장력 없이 자계를 'H1->H2->0'으로 하게 되면, 잔류 자속밀도는 BR1이 되며, 인장력 을 가하면 이것이 BR2로 증가한다. 그러나, 자기소거된 즉, 자기장이 '0'인 케이블(10) 상태에서는 인장력이 인가되어도 도 2에 도시한 바와 같이 실선과 점선이 원점에서 교차되므로 어떤 자화의 변화도 일으키지 않게 된다. 이상과 같이 외부 장력에 따라 자화곡선이 달라지는데, 이것은 투자율이 장력에 따라 변하기 때문이다. 즉, 케이블(10)에 걸린 장력에 따라 자속밀도의 변화가 발생되는 것이다.Therefore, when the
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블 장력센서의 개략적인 구조를 보인 개념도인바, 상기와 같은 원리를 이용하여 만든 장력센서의 개념도인 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 'N1'은 1차 코일(30)의 권선수, 'N2'는 2차 코일(40)의 권선수, 'S1'은 1차 코일(30) 내부 단면적(m2), 'S2'는 2차 코일(40) 내부 단면적, 'SC'는 코어(11)의 단면적, 'd1'은 1차 코일(30)의 직경, 'd2'는 2차 코일(40)의 직경, 'dC'는 코어의 직경, 'l'은 1차 코일(30)의 길이인 것이다.Figure 3 is a conceptual view showing a schematic structure of a cable tension sensor that can be applied to the present invention, is a conceptual diagram of a tension sensor made using the above principle. 3, 'N 1 ' is the number of turns of the
1차 코일(30)에 전류 를 가하였을 때, 2차 코일(40)에 유기되는 전압은 패러데이법칙에 의해 다음 수학식 2와 같다.Current in
여기서, 은 1차 코일(30)에서 발생된 자속이 2차 코일(40)에 전달된 자속인 것으로써, 이것은 1차 코일(30)에서 발생된 자속()에서 1차 코일(30) 내부와 2차 코일(40) 사이의 공간(Sg=S1-S2)에 흐르는 자속()을 제하면 2차 코일(40)에 전달된 자속이 된다.here, Is the magnetic flux generated in the
따라서, 2차 코일(40)에 전달된 자속은 다음 수학식 3과 같다. Therefore, the magnetic flux transmitted to the
이 수학식 3에서, 이고, 2차 코일(40)에 유기된 전압은 수학식 3을 수학식 2에 대입하면 다음 수학식 4과 같은바, 투자율 을 알 수 있다면 2차 코일(40)에 유기된 전압을 구할 수 있게 된다.In this
여기서, 는 진공투자율로서, 와 같다.here, Is the vacuum permeability, Same as
그러나, 투자율은 앞에서 설명한 것과 같이 장력(σ), 온도(T), 자계(H)에 따라 변하는 특성을 가지고 있으므로 출력전압도 장력, 온도, 자계에 따라 변하게 되는바, 수학식 4는 다음 수학식 5와 같다.However, the permeability has a characteristic that varies depending on the tension (σ), temperature (T), magnetic field (H) as described above, so the output voltage also changes depending on the tension, temperature, magnetic field, Equation 4 is Same as 5.
이때, 2차 코일(40) 내에 케이블이 없을 때의 유기전압은 다음 수학식 6과 같다.At this time, the induced voltage when there is no cable in the
즉, 수학식 5에서 수학식 6을 나누어 정리하면 다음 수학식 7과 같게 되고, 이것을 에 대해 정리하면 다음 수학식 8과 같게 된다. 여기서, 로서 비투자율이라 한다.In other words, dividing Equation 6 from Equation 5 results in Equation 7 below. In summary, Equation 8 is obtained. here, It is called as a specific permeability.
즉, 수학식 8을 통해 알 수 있는 사항은 일정한 자기장에 케이블이 있을 때와 없을 때 2차 코일(40)에 유기되는 전압을 구한다면, 비투자율을 구할 수 있다는 것이다. 이는 곧, 케이블(10)에 인가되는 장력과 상기한 2차 코일(40)에 유기되는 전압 간의 상관관계가 정립된다면, 2차 코일(40)에 유기되는 전압으로부터 장력을 도출할 수 있다는 것을 나타내고 있다.That is, what can be seen through Equation 8 is that the relative permeability can be obtained by obtaining the voltage induced in the
다음으로는, 이상에서 살펴본 원리를 근거로 하여 본 발명의 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법을 상세하게 설명하기로 한다.Next, on the basis of the principle described above will be described in detail the tension calculation method and its derivation method applied to the cable tension sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출알고리즘을 도출하기 위해 구성된 케이블 장력시험 회로도이다.4 is a cable tension test circuit diagram configured to derive a tension calculation algorithm applied to the cable tension sensor according to the present invention.
도 4에 도시한 바와 같이, 케이블(10)의 장력시험을 위한 회로도의 구성은 케이블(10)에 장착되는 장력센서(100); 이 장력센서(100)의 1차 코일(30)에 자기장을 가하기 위한 전원장치(200); 1차 코일(30)로 인가되는 입력전류를 측정하기 위 한 전류측정기(400); 이 전류측정기보다 정밀하게 전류를 측정하는 분로(shunt; 分路)기(300); 및 장력센서(100)의 2차 코일(40)을 통해 출력되는 출력전압을 측정하기 위한 전압측정기(500)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 전원장치(200)로는 0.3 App(0.3 A peak to peak)인 정현파 전원을 출력하는 전원장치가 사용될 것이다.As shown in FIG. 4, the configuration of the circuit diagram for the tension test of the
도 5 및 도 6은 본 발명에 적용될 수 있는 케이블 장력센서의 외관을 보인 사진인바, 상기한 회로도의 구성요소인 장력센서(100)가 되는 것으로써 그 재원으로는 'N1=1203', 'N2=460', 'l=0.2408m', 'd1=0.0735m', 'd2=0.0617m'가 될 것이다. 또한, 도 7은 케이블에 인장력을 가하기 위한 인장시험기의 외관을 보인 사진으로써, 이러한 인장시험기에 장력센서(100)가 장착된 케이블(10)의 양끝이 연결될 것이다. 여기서, 케이블(10)의 길이는 1350mm가 될 것이다. 또한, 상기한 인장시험기의 최대 인장력은 300ton이 될 것이고, 그 가압은 자동으로 설정 인장력까지 증가 되고 지정된 시간 동안 정지한 후 다음 인장력으로 자동으로 가해지게 될 것이다.5 and 6 is a photograph showing the appearance of the cable tension sensor that can be applied to the present invention, the
한편, 케이블(10)에 걸린 장력을 측정하기 위해서는 장력센서(100)의 출력이 장력에 따라 변화가 커야하고 또한 재현성이 있어야 한다. 이것은 장력센서의 성능을 결정하는 요인이 된다. 따라서, 도 2와 같이 적당한 자계를 장력센서(100)에 장착된 케이블(10)에 가해야 출력특성이 좋게 되므로, 1차 코일(30)에 전류를 흘려 장력센서(100) 내부에 있는 케이블에 자기장을 가한 상태에서 상기한 인장시험기를 통해 장력을 변화시키며 장력센서(100)의 출력전압을 측정하였다. 이때, 주파수도 변화시켜가며 동시에 평가를 하였다.On the other hand, in order to measure the tension applied to the
도 8 내지 도 10은 도 4에서 보인 케이블 장력시험 회로도에서, 장력센서로 인가되는 주파수와 자기장의 변화에 따른 장력센서의 출력전압 특성을 보인 그래프인바, 각각의 그래프는 케이블(10)에 자기장 "0", "23.9", 및 "32.24" K(AT/m)를 각각 가한 상태에서 주파수를 140, 100, 50, 및 10Hz으로 가변하며 장력변화와 출력전압을 측정한 결과이다.8 to 10 are graphs showing the output voltage characteristics of the tension sensor according to the change in frequency and magnetic field applied to the tension sensor in the cable tension test circuit diagram shown in FIG. The frequency is changed to 140, 100, 50, and 10 Hz with 0 "," 23.9 ", and" 32.24 "K (AT / m) applied, respectively, and the result of the tension change and the output voltage is measured.
도 8에 도시한 바와 같이 케이블(10)에 자계가 인가되지 않는 경우에는 분포도 자체가 나쁘고, 도 9에 도시한 바와 같이 자기장이 23.9K인 경우에는 자계가 인가되지 않았을 때보다는 출력전압특성이 개선되었으나 직선성(linear)이 다소 떨어지며, 도 10과 같이 자계를 32.24 k(AT/m)로 좀 더 높이 가하게 되면 직선성이 확실히 좋아지긴 하였으나 아직은 재현성이 부족한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 케이블(10)에 가해지는 자기장의 세기가 증가될수록 직선성과 재연성이 개선되는 것을 확인할 수 있는 것이다. 또한, 주파수는 자기장과 동시에 시험을 한 결과, 출력전압의 크기에 다소 변동을 줄뿐 직선성이나 재연성에 별다른 영향을 주지 않음을 확인하였다.As shown in FIG. 8, when the magnetic field is not applied to the
도 11은 도 4에서 보인 케이블 장력시험 회로도에서 케이블의 온도변화에 따른 장력센서의 출력전압 특성을 보인 그래프로써, 이러한 결과를 확인하기 위해서는 케이블(10)에 인위적으로 온도를 가함은 물론, 온도센서를 장력센서(100) 내부에 위치한 케이블(10)에 설치하여야 할 것이다. 즉, 도 11에 도시한 바와 같이, 온도가 증가되면 케이블(10)의 투자율이 적어져 장력센서(100)로부터 출력되는 전압 이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 수학식 8에서 자기장이 H C 로 일정할 때 온도에 따른 투자율의 변화는 다음 수학식 9와 같다.11 is a graph showing the output voltage characteristics of the tension sensor according to the temperature change of the cable in the cable tension test circuit diagram shown in Figure 4, in order to confirm this result, as well as artificially applying temperature to the
여기서, α는 상수, 는 T=20℃에서 자기장이 H C 로 일정할 때의 비투자율이다. 즉, 수학식 9를 통해 비투자율은 온도에 비례되는 것을 알 수 있다.Where α is a constant, Is the specific permeability when the magnetic field is constant at H C at T = 20 ° C. That is, it can be seen from Equation 9 that the specific permeability is proportional to the temperature.
아울러, 와, 수학식 9를 수학식 5에 대입하여 정리하면 다음 수학식 10과 같다.together, Then, by substituting Equation 9 into Equation 5,
여기서, K1은 온도보정값으로써 와 같은바, 여기서 온도가 20℃일때의 출력전압식으로 정리하면 다음 수학식 11과 같다.Where K 1 is the temperature compensation value As shown in the following, where the output voltage when the temperature is 20 ℃ can be summarized as in the following equation (11).
즉, 수학식 11을 통해 알 수 있는 사항은 일정한 자기장 특히, 직선성과 재연성을 구현하는 자기장이 장력센서(10)로 인가되는 상태에서, 장력센서(10) 내부 의 케이블 온도와 상기한 온도보정값을 알면 20℃일 때의 즉, 기준온도일 때의 출력전압을 구할 수 있다는 것이다. 다시 말해, 온도의 영향력이 배제된 케이블(10) 길이의 변동치에 따른 출력전압을 확인할 수 있는 것이고, 궁극적으로는 이러한 출력전압에 상응하는 기준온도에서의 장력을 산출할 수 있는 것이다.That is, what can be seen through
다음으로는, 이상에서 살펴본 이론을 근거로 하여 본 발명의 장력산출방법과 이의 도출방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 이에 앞서 장력시험조건으로, 케이블에 가해지는 자기장은 '38.2K(AT/m)'이고, 1차 코일(30)에 가한 교류주파수 및 전류는 '50 Hz와 0.3App'이며, 기준온도는 '20℃'가 될 것이다. 또한, 도 7과 같은 인장시험기를 통해 케이블(10)에 인위적으로 장력을 가한 것이다.Next, the tension calculation method of the present invention and its derivation method will be described in more detail based on the above-described theory. Prior to this, as a tension test condition, the magnetic field applied to the cable is '38 .2K (AT / m) ', the AC frequency and the current applied to the
도 12는 도 4에서 보인 케이블 장력시험 회로도에서 케이블의 온도변화에 따른 장력센서의 출력전압 특성을 보인 그래프이며, 아래 표 1은 상기한 장력시험조건에 따른 도 12의 결과치를 정렬한 것이다. 여기서, 표 1의 결과치의 단위는 'V'가 될 것이다.12 is a graph showing the output voltage characteristics of the tension sensor according to the temperature change of the cable in the cable tension test circuit diagram shown in Figure 4, Table 1 below is a result of the alignment of the results of FIG. Here, the unit of the result of Table 1 will be 'V'.
이러한 결과치로부터 도출된 온도보정식() 즉, 현재온도에서의 출력전압과 기준온도에서의 출력전압간의 전압편차식은 다음 수학식 12와 같다.The temperature correction equation derived from these results That is, the voltage deviation equation between the output voltage at the current temperature and the output voltage at the reference temperature is as shown in Equation 12 below.
여기서, 이고, 이며, VC는 케이블(10)에 자기장이 인가되지 않은 상태에서 장력센서(100)에 출력되는 '장력센서초기값'이며, 표 1에 도시된 결과치를 토대로 상기한 온도보정식을 T(온도)에 대한 함수로 환산하면 다음 수학식 13이 된다.here, ego, V C is the 'tension sensor initial value' output to the
여기서, '-0.0133'은 설정된 기준온도에 따라 변하는 상수값이다. 또한, 도 13은 도 12을 통해 보인 출력전압 특성그래프를, 임의로 설정한 기준온도에서의 출력전압에 대한 다른 온도에서의 출력전압의 편차 특성으로 환산하여 보인 그래프인바, 이 그래프를 커브피팅(curve fitting)하여 구한 것이 바로 수학식 13인 것이다. 즉, 도 13을 통해서 편차전압이 온도에 대해 선형특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 수학식 13은 상기한 장력시험조건에 의해 얻어진 도 13의 그래프를 커브피팅하여 얻은 식인바, 이를 일반화시키면 다음 수학식 14와 같다.Here, '-0.0133' is a constant value that varies according to the set reference temperature. FIG. 13 is a graph showing the output voltage characteristic graph shown through FIG. 12 as a deviation characteristic of the output voltage at another temperature with respect to the output voltage at an arbitrarily set reference temperature, and curve fitting (curve) (13) is obtained by fitting. That is, it can be seen from FIG. 13 that the deviation voltage shows a linear characteristic with respect to temperature. In addition,
여기서, 우변항의 TC2, TC1, 및 TC0는 케이블 재료와, 케이블 두께와, 장력센서(100)로 인가되는 자기장의 세기로부터 유도되는 상수값인 것이다.Here, T C2 , T C1 , and T C0 on the right side are constant values derived from the cable material, the cable thickness, and the strength of the magnetic field applied to the
한편, 수학식 12와 13을 통해 도출된 기준온도에서의 출력전압식은 다음 수학식 15와 같은바, 도 14는 이 수학식 15를 통해 도출된 기준온도에서의 출력전압의 특성을 보인 그래프인 것이다. 즉, 수학식 15를 표 1에 적용하여 보면 실질적으로 측정한 값과 오차범위 3%이내에서 동일한 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.Meanwhile, the output voltage at the reference temperature derived through
이렇게 얻은 수학식 15를 장력에 대한 함수로 환산하면 다음 수학식 16과 같은바, 도 15는 이 수학식 16을 통해 도출된 기준온도에서 케이블(10)에 인가되는 장력 특성을 보인 그래프인 것이다. 즉, 도 15를 커브피팅하여 얻은 결과가 수학식 16인 것이다.Thus obtained equation (15) is converted to a function for the tension as shown in the following equation 16, Figure 15 is a graph showing the tension characteristics applied to the
여기서, F(t)의 단위는 ton이 되고 t는 시간을 나타내며, '71.957'은 설정된 기준온도에 따라 변하는 상수값이다.Here, the unit of F (t) is ton, t represents the time, '71 .957 'is a constant value that changes depending on the set reference temperature.
아울러, 수학식 16은 상기한 장력시험조건에 의해 얻어진 수학식 15를 통해 얻은 식인바, 이를 일반화시키면 다음 수학식 17과 같다.In addition, Equation 16 is obtained through Equation 15 obtained by the above-described tension test conditions, and generalized to Equation 17 below.
여기서, 우변항의 FC2, FC1, 및 FC0는 상기한 TC2, TC1, 및 TC0으로부터 유도되는 상수값인 것이다.Here, F C2 , F C1 , and F C0 of the right side term are constant values derived from the aforementioned T C2 , T C1 , and T C0 .
즉, 인장시험기에 의한 장력의 변화를 통해 얻은 출력전압과 이 출력전압일 때의 온도값을 수학식 15에 대입하고, 이 식을 통해 얻은 결과를 수학식 16에 대입하여 장력으로 환산하면 다음 표 2와 같게 되는데, 표 2를 통해 알 수 있는 사항은 수학식 16을 통해 얻은 장력과 실제 인장시험기에서 가해지는 장력 간에는 최대 오차 5% 범위에서 일치된다는 것이다.That is, substituting the output voltage obtained through the tension change by the tension tester and the temperature value at the output voltage into Equation 15, and substituting the result obtained through this equation into Equation 16, converts the tension into the following table. It is equal to 2, and it can be seen from Table 2 that the tension obtained from Equation 16 and the tension applied in the actual tensile tester are coincident in the maximum error range of 5%.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출알고리즘의 도출방법을 설명하기 위한 흐름도인바, 이는 전술한 바에 의해 수학식 16를 얻는 과정을 정리한 것이다.FIG. 16 is a flowchart illustrating a derivation method of a tension calculation algorithm applied to a cable tension sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, which summarizes a process of obtaining Equation 16 as described above.
먼저, 단계 S11에서는 도 8 내지 도 10을 통해 얻은 결과처럼, 케이블(10)에 자기장과 장력의 변화를 가하고, 이에 따른 장력센서(100)의 출력전압을 측정한다. 다음으로, 단계 S13에서는 상기한 단계 S11의 측정결과를 토대로 장력의 변화에 대한 출력전압의 특성에 있어서 선형성과 재연성을 보이는 자기장의 세기를 확인한다. 다음으로, 단계 S15에서는 상기한 단계 S13을 통해 얻은 자기장이 케이블(10)에 인가되도록 전원장치(200)의 출력을 조정하고, 이러한 자기장의 세기에서 인위적으로 케이블(10)에 온도 변화를 가하고 인장시험기를 통해 케이블(10)에 장력의 변화를 가함으로써, 이러한 온도 및 장력 변화에 따른 장력센서(100)의 출력전압을 측정한다.First, in step S11, as shown in the results obtained through FIGS. 8 to 10, the magnetic field and the tension are applied to the
다음으로, 단계 S17에서는 상기한 단계 S15에서 변화시킨 온도 중 임의의 온도 즉, 기준온도를 설정하고, 단계 S19에서는 이렇게 설정된 기준온도에서의 출력전압과 다른 온도에서의 출력전압 간의 전압편차를 계산한다. 이러한 단계 S19의 일 예가 전술한 도 13인 것이다.Next, in step S17, an arbitrary temperature, that is, a reference temperature, is set among the temperatures changed in step S15, and in step S19, the voltage deviation between the output voltage at the reference temperature thus set and the output voltage at another temperature is calculated. . An example of such a step S19 is the aforementioned FIG. 13.
다음으로, 단계 S21에서는 상기한 단계 S19를 통해 계산된 전압편차를 통해 온도 변화에 따른 온도보정식을 도출하는바, 이 온도보정식이 수학식 13이 되는 것이다. 다음으로, 단계 S23에서는 상기한 단계 S21를 통해 도출된 온도보정식을 통해 기준온도에서의 장력 변화에 따라 케이블(10)의 출력전압을 산출하는 출력전압계산식을 도출하는바, 이 출력전압계산식이 수학식 15가 되는 것이다.Next, in step S21, a temperature correction equation according to the temperature change is derived through the voltage deviation calculated through step S19, and the temperature correction equation is expressed in
마지막으로, 단계 S25에서는 상기한 단계 S23을 통해 얻은 출력전압계산식을 장력센서(100)에서 출력되는 전압을 입력값으로 하여 이 입력값을 통해 장력을 산출하는 장력산출식으로 환산한다. 이는 곧, 수학식 16이 되는 것이고 온도변화가 배제된 실질적인 장력을 산출하는 표준화된 장력산출식이 되는 것이다.Finally, in step S25, the output voltage calculation formula obtained through step S23 is converted into a tension calculation formula that calculates tension through the input value using the voltage output from the
본 발명의 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.The tension calculation method and its derivation method applied to the cable tension sensor of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and may be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 케이블 장력센서에 적용되는 장력산출방법 및 이의 도출방법에 따르면, 자기장 방식에 따른 장력센서로부터 입력되는 전기적인 에너지가 그에 상응하는 임의로 정해진 기준온도에서의 장력으로 환산되도록 함으로써 케이블에 가해지는 실질적인 장력의 변화를 검출할 수 있는 효과가 있다.According to the tension calculation method and the derivation method applied to the cable tension sensor of the present invention as described above, so that the electrical energy input from the tension sensor according to the magnetic field method is converted into a tension at a corresponding arbitrarily predetermined reference temperature By doing so, there is an effect of detecting a substantial change in tension applied to the cable.
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