KR0180100B1

KR0180100B1 - 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치

Info

Publication number: KR0180100B1
Application number: KR1019960024206A
Authority: KR
Inventors: 배진석; 이덕만
Original assignee: 배진석; 이덕만
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1999-05-15
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: KR980003490A

Abstract

본 발명은 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치에 관한 것으로, 종래 일반적인 측정장치는 분해능이 떨어지고, 정밀도가 떨어지는 단점이 있고, 레이저 측정장치는 너무 고가인 단점이 있었다. 이에따라 본 발명은 측정변위점에서 자계를 형성하는 추종자석(50)과, 안내관(82)내의 온도변화를 감지하는 온도감지기(84)와, 그 안내관(82)의 내측에 설치된 내부관(80)내에 직선으로 유지되게 설치되어 상기 추종자석(50)의 위치를 자왜현상으로 감응하는 자기변형선(10)를 설치하여 구형파 교류 전류를 여자하여 비틀림파를 발생하게 하고, 신호검출기(60)의 신호를 감지하여 변위로 환산 출력하며, 상기 온도감지기(84)의 신호를 온도치로 환산하여 출력하는 전자계측부(200)로 구성된다.

Description

자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치

제1도는 본 발명의 측정원리에 대한 개념도.

제2도는 측정장치의 구조를 도시한 도면.

제3도는 추종자석(追從磁石)의 구조를 도시한 도면.

제3-1도는 액위측정용 부표(Float)의 구조를 도시한 도면.

제4도는 비더만효과를 상세히 도시한 도면.

제5도는 방파추(防波錘)를 도시한 도면.

제6도는 종단인장구(終端引張俱)를 도시한 도면.

제7도는 신호검출기의 코일의 구조를 도시한 도면.

제8도는 방진고정구(防震固定俱)를 도시한 도면.

제9도는 검출신호의 전기적 파형을 도시한 도면.

제10도는 전자계측부의 블록선도.

제11도는 계수과정의 제어논리를 도시한 도면.

제12도는 ROM의 프로그램의 흐름도.

제13도는 분리식감지기와 분리식전자계측부의 구성을 도시한 개념도.

제13-1는 분리식전자계측부집중반의 구조를 도시한 도면.

제14도는 보정식을 구하는 과정을 도시한 도면.

제15도는 추정 보정식계산표를 도시한 도면.

제16도는 자동교정장치를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 시간 계수기 2 : 신호검출기 지지대

3 : 계기외함 4 : 전선커넥터

6 : 분리경계선 7 : 분리식감지기

8 : 분리식전자계측부 9 : 분리식전자계측부집중반

10 : 자기변형선 20 : 귀환전류선

30 : 종단인장구 40 : 방파추(防波錘)

50 : 추종자석 60 : 신호검출기

70 : 방진고정구 80 : 내부관

81 : 종단지지턱 82 : 안내관

83 : 기구기초판 84 : 온도감지기

85 : 온도신호선 86 : 틈새고리(Spacer Ring)

91 : 여자전류부 92 : 검출신호처리부

93 : 계수기제어부 94 : 계수부

95 : 중앙처리장치 96 : 액정표시기

97 : RS485통신부 98 : 온도신호처리부

99 : 전원공급부 100 : 감지부

200 : 자동계측부 300 : 자동교정장치

400 : 감시 시스템

본 발명은 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치에 관한 것으로서, 특히 석유 저장탱크의 액위 측정, 고가의 액체탱크 또는 정밀한 측정이 요구되는 액체탱크 또는 기계장치의 위치측정, 또한 분진, 고습 등의 거친 환경인 곳에서 직선거리 변위 또는 액체의 높이를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

종래의 대부분의 액위 측정장치는, 분해능 또는 측정주기(Scan Rate)등의 제한된 성능 때문에 보다 정밀한 측정이 요구되는 분야에는 적용하기에 부적합하였다. 또한, 정밀성을 높이기 위해 레이저 등의 광선을 이용한 측정장치는 정밀하고 정확하다는 장점이 있으나 고가인 관계로 일범적인 범용화가 어려운 단점이 있었다.

이와같이 종래의 액위 측정장치들은, 대부분 무반사식을 채택하고 있기 때문에 분해능이 떨어진다는 단점이 있다. 또, 종래 액위측정장치들은 여자전류를 한 방향으로만 흘리고 반파형(1/2주기)의 검출신호를 얻도록 되어있기 때문에 측정오차의 여지가 많았다.

또한, 종래에는 전파형의 검출신호를 얻기 위하여 변위 추종자석을 이중 자계구조로 구성하는데에 따른 제조상의 어려움과 비용증가의 문제점이 있었다. 또한, 종래에는 전파형의 검출신호에 의거하여 신호를 검출하고 있으므로, 잔류방향의 소멸을 기다려야 하기 때문에 다음 측정을 위한 여자전류 인가까지 기다리는 시간이 길어져 측정주기가 늦어지는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 감안하여 분해능(정밀성) 및 정확성(계측오차,편차) 등의 성능을 향상시키면서도 제조비율을 낮추어 저가의 액위측정장치를 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 반사방식을 채택하여 2배의 분해능을 얻고, 양쪽으로 흘려 전파형(완전1주기)의 검출신호를 얻음으로써 신호의 크기에 따른 측정 오차의 여지를 없애며, 아울러 변위추종자석을 단일자계구조로 구성하여 제조상 및 비용부담을 줄인다.

또한, 이러한 전파형의 검출신호는 잔류반향의 소멸을 기다리는 종래의 제품에 비해 측정주기를 높이는데 유리하여 신호검출 후 여자전류를 바로 인가할 수 있어 초당 1000회 이상(측정범위 3m 기준) 가능케 한다.

이와 같은 본 발명의 측정원리는 다음과 같은 세가지 물리적 이론에 근거하고 있다.

첫째는, 자성체(Ferromagnetic material)에 자계를 가하면 자계의 축방향으로 길이의 변화가 발생하는 소위 줄효과(Joule Effect-1842)로 자기왜곡(Magnetostriction) 내지 자왜 또는 자기변형이 생긴다.

둘째는, 이 자기변형된 자성체에 전류를 흘리면 자화된 지점에서 비틀림이 발생한다는 소위 비더만효과(Widermann Effect-1958)이다.

셋째는, 자성체에 응력이 가해지면 자계가 발생한다는 역자왜효과(Inverse Magnetostriction) 또는 자기탄성효과(Magnetoelastic Effect:Villari-1865)를 이용한 것이다.

제1도와 같이 구성된 자기변형선(Magnetostrictive Wire)(10)의 둘레 한 지점에 추종자석(50)을 어느 한 지점에 위치시키고, 제1도와 같은 일정주기의 전류펄스를 흘리면 자계가 형성된 지점을 전류가 통과하는 순간 비더만 효과에 의한 비틀림응력(Torsional Stress)이 생기며, 이 비틀림은 양방향으로 전파된다. 이러한 비틀림에 의한 전파를 본 발명에서는 반향파라 칭한다.

이 반향파는 힘의 방향이 진행축의 바같쪽으로 작용하면서 나아가고, 진행지점의 자기변형선(10)에는 응력에 의해 소밀이 생기며 일정한 속도(매질의 음파속도)로 종축으로 나아가 검출지점에 도달한다.

이때, 일정 자기코일을 사용한 신호검출(60)는 통과하는 비틀림의 응력에 의한 밀도 및 자속의 변화를 전기적 신호로 검출한다.

제1도와 같이 시간 계수기(1)를 사용하여 전류를 여자한 시점부터 반향파가 검출되는 시점까지 경과한 시간을 세어서 자기변형선의 음파전달속도를 곱하면 검출지점과 자석이 위치한 지점(변위)과의 거리 즉, 알고자 하는 측정거리를 구할 수 있다.

이상의 기본원리를 응용하고 종래 제품의 성능적 제한을 개선하기 위한 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전체적 구성은, 제2도에 도시된 바와 같이, 변위와 온도를 감지하는 감지부(100)와, 그 감지부(100)의 감지신호에 의거하여 액위를 측정하는 전자계측부(200)로 나뉜다. 변위와 온도를 감지하는 감지부(100)의 구성을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

액위에 따라 변위되는 부표(Float)속에 영구자석을 고정시킨 추종자석(50)과, 그 추종자석(50)의 중앙부에 이격되게 끼워져서 이동경로를 안내하고, 전기적 요소들을 외부 환경과 절연시키는 안내관(82)과, 그 절연관내에서 각 부품들을 고정시키는 내부관(80)과, 그 내부관(80)내에서 상기 추종자석(50)의 위치를 자기변형현상으로 감응하는 자기변형선(10)과, 상기한 자기변형선(10)의 자기변형지점에서 반향파가 발생되도록 전류가 흐르는 루프를 이루는 귀환전류선(20)과, 상기 자기변형선(10)에 고정되어 전달되어 오는 반향파를 제지하고, 원래파는 반작용에 의해 역전된 위상을 가지고 신호검출기(60)로 진해시키는 방파추(40)와, 상기 자기변형선(10)이 쳐지지 않도록 당겨주며 상기 귀환전류선(20)과의 전기적 접속을 하는 종단인장구(30)와, 상기 안내관(82)의 내벽에 밀착되고 접촉부위와의 열전도가 잘되도록 설치된 온도감지기(84)와,

상기 내부관(80)과 외부 안내관(82)과의 틈새를 메우고, 내부관(80)의 흔들림을 막으며, 온도감지기(84)와 온도신호선(85)을 고정하는 틈새고리(Spacer Ring)(86)과, 상기 자기변형선(10)에 전파되어 온 반향파에 의한 자기적 변화를 전기적신호로 검출하는 신호검출기(60)와, 상기 자기변형선(10)을 일측단에서 고정하고, 외부적 및 기계적 잡음을 흡수제거하는 방진고무(70)와로 구성된다.

상기한 자기변형선(10)은, 제3도와 같은 구조인 추종자석(50)의 위치(변위)를 자기변형현상으로 감응하며, 그 사용재료는 니켈합금재질인 Nispan C 등의 특수합금선으로 굵기는 0.4-0.7 mm 정도 이다.

귀환전류선(20)은 자기변형지점에서 소위 비더만효과에 의한 반향파가 발생되도록 전류가 흐르는 회로를 이룬다.

방파추(40)는 제5도와 같이 고정구멍(41)을 통해 고정나사(42)로 상기 자기변형선(10)에 고정되며, 전달되어 오는 반향파는 방파추(40)의 중량에 의해 제지되고, 원래파는 반작용에 의해 역전된 위상을 가지고 신호검출기(60)로 진행된다. 이러한 방파추(40)는 측정의 기준점이 된다.

종단인장구(30)는 제6도와 같이 구성되어 종단지지턱(81)을 의지하여 자기변형선(10)이 처지지 않도록 당겨주며 귀환전류선(20)과의 전기적 접속을 한다.

내부관(80)은 상기 구성들(10, 20, 30, 40)을 견고히 하는 골조로서, 외경 8mm정도인 동관이다.

안내관(82)은 추종자석(50)의 이동경로를 안내하고, 상기 내부관(80)의 전기적 요소들을 외부 환경과 절연시키며,상부의 기초판(83)에 용접내지 나사로 연결되고, 단말은 용접 밀봉되는 비자성체인 스테인레스재질의 튜브이다.

온도감지기(84)는 안내관(82)의 내벽에 밀착되고 접촉부위와의 열전도가 잘되게 실리콘그리스재를 접촉부위에 바른다.

정착갯수와 간격은 측정 대상에 따라 정해지며, 그 소자는 백금측온저항체 또는 더미스터 등이다.

틈새고리(Spacer Ring)(86)은 내부관(80)과 외부 안내관(82)과의 틈새를 메우고, 내부관(80)의 흔들림을 막으며, 온도감지기(84)와 온도신호선(85)을 고정하는 목적으로 사용되며, 재질은 수지(Plastic)이다.

추종자석(50)은 제3도와 같은 구조의 환형자석이며, 환의 안쪽이 S극, 바깥이 N극으로 자계의 방향이 자기변형선(10)의 종축에 대하여 직각으로 형성된다.

이렇게 자계가 자기변형선의 종축에 직각이 되게 하는 이유는 그 반대경우인 길이 방향의 자계보다 비더만효과에 의한 비틀림을 유발하는데 더욱 효율적이기 때문이다.

또한, 추종자석(50)은 액체의 높이를 측정하기 위해 제3-1도와 같이 부표(Float)속에 영구자석을 고정시킨 구조이며, 자석을 포함한 부표의 총중량과 크기는 측정 대상의 비중과 용도를 감안하여 제작한다.

신호검출(60)는 제7도와 같은 구조이며, 자기변형선(10)에 전파되어 온 반향파에 의한 자기적 변화를 제9도의 신호검출전압의 파형과 같은 전기적신호로 검출한다.

방진고정구(70)는 제8도와 같은 구조로서, 감지부(100)에서 연장된 자기변형선(10)을 고정하고, 외부적 및 기계적 잡음을 흡수제거하는 고무재질로 되어있고, 전파되는 반향파를 흡수하여 반사파를 없애고 자기변형선(10)과 전자계측부(200)간의 전기적 접속을 위한 납땜단자로 되어 있다.

한편, 전자계측부(200)의 구성은, 상기한 감지부(100)에서 연장된 자기변형선(10), 귀환전류선(20), 온도신호선(86)들을 제외하면 이하의 세부분으로 나누어 진다.

전자계측부(200)는 제10도와 같이 구성되어 있으며, 여자전류를 인가하고 신호검출기(60)의 검출신호를 수신하여 도달시간을 계수하고 온도감지기(84)의 저항변화를 온도로 변환하여 공학단위로 액정표시(96)로 나타내고 외부로 측정치들을 전송하는 능동적 기능을 수행한다.

이 전자계측부(200)는 중앙처리장치의 제어에 의해 구형과 교류전류를 자기 변형선(10)에 흘려주고, 동시에 계수기제어부(93)에도 여자상태를 로직신호(A)로 보내는 여자전류 발생부(91)와, 자기변형선(10)을 관류하는 여자전류의 선회자속의 변화를 검출(B)하고, 자기변형선(10)의 자화 지점에서 발생된 자계변화를 검출하는 신호검출부(60)와, 상기 신호검출기(60)의 검출신호들을 미분처리한 로직신호(C)로 변환하여 계수기제어부(93)와 중앙처리장치(95)에 보내는 검출신호처리부(92)와, 상기 (A)의 여자전류발생부(91)의 시작신호를 감지하여 시작 펄스 지연부(93a)에 의해 여자전류가 일정거리에 있는 신호검출기(60)를 통과하는 시연만큼 지연시키는 계수기제어부(93)와, 상기 (B)의 검출신호처리부(92)의 신호가 동시에 만족되면 AND논리기(93b)의 출력신호(D)를 통하여 계수부(94)의 적산계수기(94b)를 초기상태인영으로 만들고, 동시에 계수기제어부(93)의 순차계수기(93c)에도 리셋트신호를 보내는 계수기제어부(93)와, 상기 (C)의 신호인 클럭을 카운팅하여서 차례로 순차계수기 기록계(94c∼94f)에 래치되도록 계수부(94)를 제어하는 순차계수기(93c)와, 기준 클럭 펄스를 계수 및 적산하여, 그 적산된 계수치를 제1내지 제4계수기록계(94c~94f)에 보내는 적산 계수기(94b)와, 중앙처리장치의 선택제어에 의거하여 선택된 감지부(100)의 온도감지기(84)들의 저항변화를 감지하여 중앙처리장치(95)에 보내는 온도감지처리부(80)와, 상기한 각부를 제어하여 온도감지 및 변위를 측정하는 중앙처리장치 및 외부에서 전력을 공급받아 위 모든 구성들에 전원을 공급하는 전원공급부(99)로 구성된다.

이상과 같은 구성에 의해 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

[1] 액위 또는 기계적 이동에 의해 추종자석(50)이 한 지점에 위치하면, 자기변형선(10)의 종축에 직각인 단면으로 본 제4도와 같이 자기변형선(10)의 중심에 대해 바깥 방향으로 자계가 형성되어 줄효과에 의한 자왜(Magnetostriction)가 자체의 방향으로 발생된다.

[2] 전자계측부(200)의 여자전류발생부(91)에 의해서 자기변형선(10)에 여자전류를 흘리면 제4도와 같은 바깥방향으로 휘돌리는 힘이 발생한다.

이때, 자기변형선(10)은 긴장된 상태이므로 비틀림응력(Torsional Strain)이 되어 강한 전파력을 가지고 자기변형선(10)의 길이축의 양방향으로 진동을 동반하며 나아가고, 파의 진행 지점에는 응력에 의한 자계의 변화(역자왜효과-Inverse Magnetostriction)가 발생된다.

[3] 상기와 같이 발생된 자계의 변화가 신호검출기(60) 위치를 통과하면서, 자기변형선(10)을 중심축으로 권선된 신호검출기(60)의 코일에는 쇄교하는 자속의 변화에 의해 전압이 유도되어 검출신호로 된다.

제9도는 위에 기술된[1]항과[2]항에 의한 한 주기의 신호검출 경과 과정을 도시한 것으로서,L은 신호검출기(60)의 검출점과 방파추(40)의 반사기준점 사이의 거리,X는 추종자석의 위치인 변위 P와 방파추(40)의 반사점 사이의 거리로 측정할 거리, α와 β는 자기변형선(10)의 음파전달속도(주위조건에 영향을 받으며 온도에 따른 변화가 오차의 요인이 되므로 반드시 반영해야 한다)로 α는 미지의 수로 L-X구간에서의 반향파 전파속도의 평균으로 온도에 함수관계가 있으며 α=f(L-X).f(t)이며, β는 역시 미지수로 X구간에서의 반향파 전파속도의 평균으로 온도에 함수관계가 있으며 β=f(X).f(t)이다.

또한 T1은 전류여자이후 신호의 검출까지 경과된 시간으로 변위 P에서 검출점까지 거리L-X를 반향파가 α의 속도로 도달하는 시간으로서, 그 식은, T1=(L-X)/α………(식-1)가 된다.

T2는 반향파가 반사점에서 반사되어 검출되는 시간으로서, T2=(L-X)/α+(2X/β)………(식-2)이며 T3는 T1이후 전자계측부(200)의 계수부(94)에서 계수되는 시간으로,T3=T2-T1=2X/β………(식-3)이다.

단, β는 미지의 수로 X 구간에서의 반향파 전파속도의 평균으로서, 상기 식-3에서 X를 구하는 과정은, 먼저 온도에 따른 변화를 제거하고자 (T2-T1)/(T2+T1)=(aX)/{βL+(α-β)X}………(식-4)가 되고, 식-4와 식-3으로부터 X=βT3L/{(T2-T1)+T3(α-β)}………(식-5),식-5에서 만일α=β이면 X=T3(L/T2+T1)………(식-6)으로 간단히 되고, 우항의 분모와 분자에 계수주파수 F를 곱하면 계수펄스수(Ni)=계수시간(Ti) *계수주파수(F)이므로 X=(N3/N2+N1) *L………(식-7)이 된다.

상기 식-7에서 N1, N2, N3는 전자계측부(200)의 계수부(94)에서 계수되는 것이고, L은 기지의 거리이므로 온도변화의 음파전달속도의 영향에 관계없이 변위를 측정할 수 있지만, 모든 구간에서 양쪽 구간의 속도가 같을 수없음으로 일반식인 식-5를 적용해야 되나 식-5의 α와β가 또한 미지수 X에 대한 함수관계를 갖고 있어 불가능하다.

그러므로, 본 발명에서는 우선 일차적으로 구간의 속도는 일정하다고 보고 즉, α=β라는 가정하에 식-6에 의한 일차변위를 구하고 다시 상기 일차변위를 미리 입력된 보정식으로 보정을 한 이차변위를 최종계측변위로 출력한다.

상기 보정식은 뒤에서 제15도와 제16도의 보정곡선의 추정과 교정방법을 설명하는 과정에서 상세히 언급된다.

식-3에서 T3=N3/F이므로 X=N3β/2F에서 N3=33개, β=100M/초, F=100Hz 이면 X는 16.5m가 되고, 상기 같은 조건하에 비반사식의 경우 X=N3β/F이므로 N3=16이므로 X=(16Bit*100m/초)/(100 Bit/초)=16m이다.

상기의 비교와 같이 반사식은 2배의 개선된 분해능을 가진다.

[4] 상기[2]항의 반향파를 야기하고, 상기[3]항의 변위를 계측하는 모든 과정을 관장하는 전자계측부(200)는 제10도의 블록 선도에 도시된 바와 같은 구성에 의하여 이루어진다.

여자전류발생부(91)는 중앙처리장치(95)의 개시신호에 의해 일정한 폭(2.5㎲정도)인 구형파 교류전류를 자기변형선(10)에 흘러주고, 동시에 계수기제어부(93)에도 여자상태를 로직신호(A)로 보낸다.

신호검출기(60)는 자기변형선(10)을 관류하는 여자전류의 선희자속의 변화를 검출(B)하고, 자기변형선(10)의 자화 지점에서 비더만효과(Wiedermann Effect)에 의해 발생된 반향파의 도래에 의한 자계변화를 검출한다.

후단의 검출신호처리부(92)는 상기 신호검출기(60)의 검출신호들을 제11도와 같이 미분처리한 로직신호(C)로 변환하여 계수기제어부(93)와 중앙처리장치(95)에 보낸다.

계수기제어부(93)는 상기 (A)의 여자전류발생부(91) 시작신호를 감지하여 시작 펄스 지연부(93a)에 의해 여자전류가 일정거리에 있는 신호검출(60)를 통과하는 시간만큼 지연시킨다.

그리고 계수기제어부(93)는 상기 (B)의 검출신호처리부(92)의 신호가 동시에 만족되면 AND논리기(93b)의 출력신호(D)를 통하여 계수부(94)의 적산계수기(94b)를 초기상태인 영으로 만들고, 동시에 계수기제어부(93)의 순차계수기(93c)에도 리셋트신호를 보낸다.

이 순차계수기(93c)는 먼저 상기(D)의 신호로 초기화되고, 입력되는 상기 (C)의 신호인 클럭을 카운팅하여서 첫 번째 클럭신호로 1번출력을 ON시켜 순차계수기(94b)의 제1 계수기록계(94c)를, 두 번째 클럭신호로 2번출력을 ON시켜 제2 계수기록계(94d)를, 세 번째 클럭신호로 3번출력을 ON시켜 제3 계수기록계(94e)를, 네 번째 클럭신호로 4번출력을 ON시켜 제4 계수기록계(94f)를 각각 래치(Latch)시켜서 제11도와 같이 검출신호처리부(92)의 신호에 따른 계수가 되도록 계수부(94)를 제어한다.

계수부(94)에는 일정한 시간을 가진 기준 펄수 발생기(Ref.Clock)(94a)에서 수백 MHz의 펄스를 발생시키며, 이 주파수는 측정분해능을 결정한다.

즉, 상기 [3]항의 변위를 구한 상기 식-7, X=(N3/N2+N1)L에서 N1, N2는 기준 클럭 펄스를 계수한 것이고, N3는 N2-N1으로 계산된 펄스수이다.

이때 기준펄스발생(94a)의 주파수는 높을수록 분해능은 정밀한 것이 된다.

적산계수기(94b)는 상기 (D)신호에 의해 영으로 리세트되고, 영에서부터 기준 클럭 펄스를 계수 및 적산하며, 그 적산된 계수치를 제1 내지 제4 계수기로계(94c-94f)에 보낸다.

제12도와 같이 제1 계수기록계(94c)는 측정 개시후부터 제1변위의 반향파 도래 시점까지의 적산계수기의 적산된 펄스수를 기록하며, 이와 마찬가지로 제2 계수기록계(94d)는 측정개시후부터 제2변위의 반향파 도래 시점까지, 제3계수기록계(94e)는 측정개시후 부터 제2변위의 반향파의 반사파 도래 시점까지, 제4 계수기록계(94f)는 측정개시후부터 제1변위의 반향파 도래 시점까지의 적산계수기(94b)에서 적산된 펄스수를 기록하고, 이를 중앙처리장치(95)에 전달한다.

이러한 중앙처리장치(95)는 제9도와 같이 내부에 연산기능의 CPU, 입출력단인 I/O Port, 외부제어단인 Int, A/D변환듈, 구동기능을 저장한 ROM, 연산자료를 보관하는 RAM, 액정표시기(96)를 제어하는 LCD Drtver, 외부와의 통신단인 SIO가 일체로 된 원칩(One-Chip Microprocessor)이다.

온도신호처리부(98)는 감지부(100)의 외부 보호관(80)내벽에 부착된 온도감지기(84)들의 저항변화를 R/V변환기(98b)를 통해 전압으로 변환하여 중앙처리장치(95)의 A/D에 보내며, 1개 이상의 온도를 감지하는 경우 선택 스위치(98a)를 중앙처리장치(95)가 제어하여 필요한 온도감지기(84)만 선택 하게 된다.

중앙처리장치(95)는 측정개시신호를 상기 여자전류발생부(91)에 보내고 검출신호처리부(92)에서 보낸 신호를 연산하여 각 계수기로계의 계수치를 상기 식-7에 의해 일차변위를 구한다.

그리고 다시 그 일차변위를 후술하는 식-11의 보정식에 따라 보정한 최종계측변위를 RAM에 저장하고, 또한 온도처리부(98)의 신호를 공학단위의 온도계측치로 RAM에 저장한다.

이상에서 저장된 결과들을 액정표시기(96)에 표시케하고 RS485통신부(97)를 통하여 외부와 통신하여 자료를 보내거나 다른 명령들을 수행한다.

RS485통신부(97)는 RS485규약의 전기신호를 중앙처리장치(95)의 SIO의 전기신호로 변환하고, 또한 역으로 SIO의 신호를 RS485규약의 신호로 변환하는 전기적 신호변환기다.

전원공급부(99)는 외부에서 전력을 공급받아 위 모든 구성들에 전원을 공급한다.

제12도는 중앙처리장치(95)의 ROM에 입력되는 프로그램의 흐름을 간략히 표현한 흐름도이다.

먼저 전원이 인가되면 개시하여 입출력 I/O의 상태와 내부변수들 및 측정주기(Scan Time)등을 초기화 시킨다.

측정주기에 따라 여자전류발생부(91)를 기동시키고, 검출신호처리부(92)의 신호를 감지하여 최종검출신호가 수신되면, 변위에 따른 N1,N2,N3,N4 계수치들을 수집한다.

일정 시간을 지연한 후에 여자전류발생부(91)를 다시 기동시키는 과정을 반복하며 일정한 주기를 가진다.

이를 측정주기(Scam Time)라 하고, 이 측정주기는 여자전류인가후 최종검출시간과 잔류여진의 감쇠를 필요한 시간 등을 감안하여 결정된다.

이후의 처리과정은 측정주기 대기(Scan Time)에 영향을 주지 않는 안배된 시간중에 처리된다.

온도신호 T1-Tn을 수집하여 공학단위로 환산한 뒤 저장하며 위 측정(Scan)에서 수집된 N1-N4의 각 계수치들을 상기 식-7 즉, Xm={N3L/(N2+N1)}으로 일차변위를 계산하고, 다시 일차변위를 이미 제조과정(교정)에서 입력된 보정식으로 보정한 변위 즉, Xm'=Xm-(AjXm²+BjXm+Cj)을 최종계측변위로 저장하며 이 최종계측변위는 해당 자기변형선의 구간별 속도의 구배에 의한 오차를 교정한 값이다.

이후, 외부의 송신요구 또는 전송방식에 따라 변위와 온도계측치들은 자료로서 전송한다.

제13도는 본 발명의 또다른 특징으로 감지부(100)와 전자계측부(200)를 분리하여 원격지에서 집중감시할 목적으로 구성된 분리식감지기(7)와 감시 시스템(400)과 연결괸 분리식전자계측부(8)의 구성을 도시한 도면으로서, 분리식감지기(7)에는 검출신호처리부(92) 이외에는 전자적 요소가 전혀없는 수동소자들로만 된 단순한 구조이다.

이 분리식은 비교적 짧은 거리(50-100 M)이내에 다수의 감지기(#1∼#N)를 설치하고 한곳에서 집중적으로 이 감지기들을 감시하는 경우에 적합한 방식이다.

즉, 측정현장에는 일차적 요소로만 구성된 분리식감지기를 설치하고 분리식전자계측부(8)들은 집중감시반에 설치함으로서 유지보수시 감시반내에서 점검이 가능하고 전체적 변위계측시스템의 제작비용을 낮출 수 있다.

제13도의 구성은 이미 설명된 일체식과 같으나 단지 감지부(100)와 전자계측부(200)를 분리하고, 그 분리된 거리를 10가닥 신호용 차폐전선으로 연장하여 연결하고, 감시반의 제너베리어(Zener Barrier)를 거쳐서 전자계측부(200)에 접속하여, 만일의 경우 연결전선의 경로에서 발생되는 과도전압을 흡수하여 전자계측부(200)를 보호한다.

다만, 분리식감지기(7)의 검출신호를 전달하기 위하여 전자계측부(200)의 검출신호처리부(92)만을 따로 떼어 분리식감지기(7)내에 설치한 것으로 일체식의 연장된 형태이다.

분리식 전자 계측부(8)들은 제13-1도와 같이 마더보드(Mother Board)상의 슬롯(Slot)에 장착하고 액정표시(96)들은 적절한 장소에 집중 배치하여 쉽게 인지되는 전형적 감시반을 구성한다.

이러한 분리식에서 제13-1도와 같이 각 분리식전자계측부집중반(9)의 공통부분인 기준 펄스 발생기(94a)와 전원공급부(99)는 공유하고, 온도신호처리부(98)는 분리하여 별도의 기판에 집중시켜서 중복되는 부분을 생략하여 비용을 절감하는 효과가 있다.

또한 외부와의 통신 선로도 각 전자계측부(200)의 RS485통신부(97)의 통신선을 마더보드상에서 병렬접속하여 간단히 구성한다.

이상의 분리식감지기(7)와 분리식전자계측부(8)의 구성과 동작은 상술한 일체식의 것과 같다.

이상의 본 발명의 변위측정장치의 성능은 그 원리상 자기변형선의 재료적 특성에 전적으로 의존하고 있다.

즉, 재료의 화학적 조성과 인발과정 및 열처리과정에 따라 각 감지부(100)의 자기변형선(10)은 서로 다른 특성을 갖고, 더우기 같은 감지부의 자기변형선에서도 구간에 따라 특성을 달리할 여지를 내포하고 있다.

특히, 본 발명의 의도와 관련하여서는 사용된 자기변형선의 구간별 음파전달속도의 구배 또는 신축온도계수 또는 음파전달속도의 온도계수가 가장 중요한 변수들이다.

이들 변수중 신축온도계수는 대부분의 자기변형선 재료가 0에 가까워 무시할 수준이며, 음파전달속도의 온도계수는 본 발명의 상기 식-4에서(T1-T2)/(T2+T2)=αf(t)/{βL+(α-β)}X f(t)에서 온도계수f(f)는 상쇄된다.

위 세가지 변수중 첫 번째 구간별 음파전달속도의 구배는 재료적 균일성에 좌우되고, 사후적 개선이 불가능한 본래적 특성이기 때문에 종래의 발명들이 극히 균일성이 높은 자왜재료를 사용하거나 제한적 보상(일차식의 보정식)을 하고 있다.

이 음파전달속도의 구배는 계측성능을 결정하는 것으로 최대한 보정되어야 한다.

제14도는 음파전달속도의 구배에 의한 비직선성 오차를 교정하는 보정식을 구하기 위한 과정을 도시한 도면이다.

사용된 부호, i=전체측정거리 L을 n번 나눈 구간에서 0%에서 부터의 구간수 즉, i=10이면 0%에서 10번째 구간, Xmi=i번째 구간에서의 자기변형선식 변위계의 일차측정변위, N1,N2=자기변형선식 변위계의 계수부의 계수펄스수,N3=N2-N1, L자기변형선식 변위계의 0%에서 100%까지 측정거리, Xstdi=i번째 구간에서의 표준기(레이저간섭계)의 측정거리, Emi는i구간에서의 자기변형선식 변위의 경향오차 및 불특정오차의 합, 상기 경향 오차 Emti=AjXmi²+BjXmi+Cj라 하고, 각 항의 상수 Aj,Bj,Cj는 j해당구간에서의 이차항의 상수, 일차항의 상수, 독립상수항, j는 경향오차의 상수들을 같이하는 구간의 구분번호 즉, 한 개의 포물선에 대해 적용되는 상기 i의 범위를 규정한다.

이들로부터 Emi=Xmi-Xstdi를 전구간에 걸쳐 구하되, i의 도수가 많을수록 좋으나 실제에 있어 측정용도의 자기변형선은 변곡이 많지 않음으로 300구간 정도면 충분하다.

상기 Emi를 구하는 실제적 방법은 제16도의 자동교정장치(300)개념도에 도시된 바와같이, 모든 과정을 컴퓨터가 처리하므로 교정에 따른 시간소요는 준비시간을 포함하여 몇분 이내이다.

상기 자동교정장치로 구해진 Emi는 제15도의 추정 보정식계산표에 따라 계산하여 Xmi=Xtd인 구간에 대해 각기 다른 추정 보정식을 구한다.

컴퓨터는 통계수학에서 사용하는 최소자승법(Least Square Method)으로 i=a에서 i=b인 구간까지의 이차식의 상수들을 추정한다.

즉,를 만족하는 라그랑지함수를 구하는 식으로부터

위에서 구한 추정상수는 앞에서 설명한 전자계측부(5)의 ROM의 프로그램에 입력되어 Xmi'=Xmi-(AjXmi²+BjXmi+Cj)=(N3L/N2+N1)(1-Bj)-Aj(N3L/N2+N1)²-Cj+ei(식-11)의 해당구간 j에서의 상수가 된다.

보정된 Xmi'에는 제14도의 윗그림의Xmi'의 그래프와 같은 불규칙한 불특정오차 ei만 잔류오차로 되어 표준기(레이저간섭계)의 수준에 근접한다.

이상과 같이 보정하면 종래의 제품에 비해 최고 98%이상 향상된 정확성을 갖는다.

또한, 제16도는 본 발명의 성능을 검사하고 교정하는 수단인 자동교정장치의 구성에 대한 개념도이다.

이는 표준기로 레이저 간섭계(310)를 사용하고, 컴퓨터(320)에 의해 제어되는 서보 모터 제어기(321)에 의해 서보모터(Servo Motor)(330)가 추종자석(50)의 변위를 이동시켜 실제상황과 같은 조건하에 측정된 본 발명장치의 출력을 컴퓨터(320)에 입력하고 같은 거리를 측정한 표준기의 출력과 비교한다.

그리고나서, 상기 식-8, 9,10의 상수들을 자동연산하여 피교정장치의 ROM에 위 보정상수들을 입력한 뒤 다시 한번 확인검정하여 그 교정결과를 자동출력하도록 구성된 자동교정장치이다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과들을 갖는다.

첫째로, 자기변형선에 교류펄스를 제공함으로써 완전주기의 정현파검출신호를 얻게 되어 신호대잡음비(S/N)를 높이고, 검출신호를 제로크로싱하여 검출을 정확히 하며, 잡음의 영향에 강하여 반향파 발생후 여진에 따른 지연시간을 단축하여 측정주기(Scan Time) 또는 측정속도(Scan Rate)를 높일수 있고, 잔류자계(Hysterisis)영향을 반감시키고, 여자회로의 전기적 균형을 이루고, 완전주기의 정현파 검출신호를 얻기 위하여 추종자석의 구조를 이중으로 하는 제조상의 추가적 공정을 배제할 수 있는 효과가 있다. 둘째로, 단순구조의 권선코일로 신호를 검출함으로써 제작이 쉽다. 셋째로, 자기변형선의 종단에 방파추를 부설함으로써 분해능을 2배 향상시킨다.

넷째로, 감지부와 계측부를 분리식으로 구성하여 집중감시에 유리하다. 다섯째로, 이차식의 보정식을 사용하여 자기변형선의 재료문제를 극복하고 비직성오차를 무시수준으로 저감하였다. 여섯째로, 자동교정장치를 구성하여 교정에 따른 인력 및 시간소요를 크게 줄인다.

Claims

자기변형선을 이용한 직선거리 및 액위측정장치에 있어서, 측정변위점에서 자계를 형성하는 추종자석(50)과, 상기 추종자석(50)의 이동경로를 안내하고 내부 부품들을 절연 보호시키는 안내관(82)과, 상기 안내관(82)의 내벽의 온도변화를 감지하는 온도감지기(84)와, 그 안내관(82)의 내측에 설치된 내부관(80)내에 직선으로 유지되게 설치되어 상기 추종자석(50)의 위치를 자왜현상으로 감응하는 자기변형선(10)과, 그 자기변형선(10)의 추종자석(50)의 변위에 따른 신호를 검출하는 신호검출기(60)와, 상기 자기변형선(10)에 구형파 교류 전류를 여자하여 비틀림파를 발생하게 하고, 상기 신호검출기(60)의 신호를 감지하여 변위로 환산 출력하며, 상기 온도감지기(84)의 신호를 온도치로 환산하여 출력하는 전자계측부(200)로 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 자기변형선(10)의 끝에 설치되고, 측정변위에서 발생한 비틀림파가 그 설치된 끝단에서 역전된 위상으로 반사되게 하여 비틀림파의 진행거리가 두배가 되게 하는 방파추(40)를 포함하여 상기 비틀림파의 진행거리를 두배가 됨에 의거하여 계수펄스의 수를 두배가 되게하여 분해능을 2배 향상시킨 것을 특징으로 하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 신호검출부(61)는, 단순구조의 권선코일로 된 신호검출기(60)인 것을 특징으로 하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 감지부(100)와 전자계측부(200)를 서로 분리시켜 다수의 감지부를 구비하고, 그 다수의 감지부의 감지신호들을 원격지에 설치된 분리식전자계측부 집중반에서 중앙집중식으로 감시 처리할수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.
제4항에 있어서, 상기 분리식 전자계측부 집중반은, 상기 자기변형선(10)의 음파전달속도의 구간별 차이로 인한 비직선성을 이차식의 보정식으로 보정하고, 그 보정식의 상수들을 추정하는 자동교정장치(300)를 포함하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.
제4항에 있어서, 상기 자동교정장치(300)는, 상기한 감지부(100) 및 전자계측부(200)와 서보기구로 연결되어 그 서보기구를 연동시켜 자동으로 교정 검사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형선을 이용한 직선변위 및 액위 측정장치.