KR100825298B1 - 인장파단 계측 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인장파단 계측 장치에 관한 것으로서, 특히, 충격하중에 의한 도전체 물질들의 인장파단을 측정할 수 있는 인장파단 계측 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 전기 에너지가 저장되는 펄스성형부와; 상기 펄스성형부에 전원을 인가하는 전원부와; 상기 펄스성형부와 시료의 일측단을 전기적으로 연결하는 제1연결부와; 상기 시료의 타측단과 전기적으로 연결하는 제2연결부와; 상기 제1연결부와 제2연결부를 절연하는 절연부와; 상기 펄스성형부와 제1연결부 사이에 위치하는 스위치와; 상기 제2연결부와 펄스성형부를 전기적으로 연결하는 제3연결부를 포함하여 구성된다.

인장력, 충격하중, 시료, 전류, 도전체.

Description

인장파단 계측 장치 {Apparatus for measuring impact induced tensile-fracture}

도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 펄스성형부의 회로도이다.

도 3은 본 발명의 전류의 흐름을 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 시료에 가해지는 자기장과 힘을 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 펄스성형부 20 : 전원부

30 : 시료 40 : 스위치

50 : 제1연결부 60 : 제2연결부

70 : 절연부 80 : 제3연결부

본 발명은 인장파단 계측 장치에 관한 것으로서, 특히, 충격하중에 의한 도전체 물질들의 인장파단을 측정할 수 있는 인장파단 계측 장치에 관한 것이다.

국방관련 연구 분야에서는 충격에 의한 물질 파단이 중요한 분야를 차지한다.

종래의 MTS(물질 테스트 시스템)는 시료의 압축 또는 인장에 기계적인 힘을 사용하여 정압 상태에서의 강도를 측정하는 것으로서, 순간 압력이 인가되는 경우의 강도 측정은 불가능하다.

따라서, 이와 같이 충격을 발생시키기 위해서 가스건이나 다른 대형 장비를 이용할 수 밖에 없었다.

그러므로 이러한 대형 장비를 이용하지 않고 순간 압력을 얻는 장치가 요구된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 순간 전기를 인가할 때 발생되는 전자기 힘을 이용하여 도전체의 인장파단을 측정할 수 있는 인장파단 계측 장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 전기 에너지가 저장되는 펄스성형부와; 상기 펄스성형부에 전원을 인가하는 전원부와; 상기 펄스성형부와 시료의 일측단을 전기적으로 연결하는 제1연결부와; 상기 시료의 타측단과 전기적으로 연결하는 제2연결부와; 상기 제1연결부와 제2연결부를 절연하는 절연부와; 상기 펄스성형부와 제1연결부 사이에 위치하는 스위치와; 상기 제2연결부와 펄스성형부를 전기적으로 연결하는 제3연결부를 포함하여 구성되는 것이 바 람직하다.

상기 펄스성형부는, 커패시터와 인덕터의 조합으로 이루어지며, 특히, 직렬로 연결된 다수의 인덕터의 각 중간단에 다수의 커패시터가 병렬로 공통 연결되어 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 시료로 인가되는 전류 펄스의 크기와 지속시간은, 상기 커패시터와 인덕터의 전압과 용량에 따라 결정될 수 있으며, 상기 전압은 30kV 이하인 것이 바람직하다.

상기 제1연결부와 제2연결부 사이에 놓이는 시료는, 양측 단부가 직경이 더 큰 원통형 대칭형으로 형성되어, 상기 전원이 인가되었을 때 인장력을 받을 수 있도록 할 수 있다.

상기 제1연결부는, 하측에 상기 시료의 단부가 결합되는 제1결합홈이 형성된 원통형 도체이고, 상기 제2연결부는, 상측에 상기 시료의 단부가 결합되는 제2결합홈이 형성된 적어도 하나 이상의 원통형 도체인 것이 바람직하다.

이때, 상기 시료와 제2연결부 사이에는, 실버 페이스트와 같은 액체 금속이 위치하여, 간격이 있더라도 통전이 우수하게 이루어지도록 할 수 있다.

상기 절연부는, 상기 시료와 일정 간격을 두고 상기 시료를 둘러싸는 홀더부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제3연결부는, 상기 제2연결부 및 펄스성형부와 단자에 의하여 결합되는 도선인 것이 바람직하며, 8개의 단자 및 도선을 구성할 수 있다.

상기 전원부는, 상기 펄스성형부와 직렬 연결되는 저항 및 인덕터에 의하여 연결되어 전류가 전원부로 역류되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, 펄스성형부(10)에서는 전원부(20)로부터 전원이 인가되어 전기 에너지가 저장되고, 이와 같이 펄스성형부(10)에 저장된 전기 에너지는 시료(30)에 특정 크기와 지속시간을 갖는 전류 펄스를 인가하게 된다.

상기 전원부(20)는 덤프 인덕터 Le와 덤프 저항 Re를 통해 펄스성형부(10)에 연결되어 전하를 공급하게 된다.

이러한 Re와 Le는 방전 시의 전류가 전원부(20)로 역류되는 것을 방지한다. 이와 같이 방전 후 펄스성형부(10)의 커패시터에 남은 전하는 전원부(20)와 인덕터 Le에 연결되는 덤프스위치(21)를 통하여 접지된다.

도 2에서와 같이, 상기 펄스성형부(10)는 커패시터(C1, C2, C3, 등)와 인덕터(L1, L2, L3 등)들의 조합으로 이루어져 있으며 이들의 용량과 크기에 따라 출력되는 전류 펄스의 크기와 지속시간이 결정된다.

이러한 커패시터와 인덕터의 조합은 도시하는 바와 같이, 전원부(20)와 직렬로 연결되는 다수의 인덕터의 각 중간단에 다수의 커패시터가 병렬로 연결되며, 이러한 병렬로 연결된 커패시터의 타단은 공통으로 연결되어 있다.

이러한 출력 전류의 크기와 지속시간은 시료(30)측 부과되는 압력의 크기와 지속시간을 결정한다. 테스트 하고자 하는 시료(30)의 재질이나 크기에 따라 펄스 성형부(10)의 전압과 용량은 다른 값을 가질 수 있다.

공기 중에서 전압이 40 ㎸ 이상이면 코로나 방전이 발생하므로 시스템의 소형화를 위하여 최대 전압은 30 ㎸로 제한한다.

이러한 상태에서 스위치(40)가 닫히면 펄스성형부(10)에 저장된 전기 에너지가 방전되어 시료(30)에 순간 전류가 인가된다. 상기 스위치(40)는 작은 격발 회로에 의해 격발되어 닫힌다.

또한, 상기 시료(30)는 양측 단부(31)가 직경이 더 큰 원통형 대칭형으로 형성되어, 상기 전원이 인가되었을 때 인장력을 받을 수 있도록 할 수 있다.

상기 펄스성형부(10)의 양극은 고전압이고 음극은 접지된다(고전압 쪽이 음극일 경우에는 양극이 접지되는데, 이하, 고전압이 양극인 경우에 대하여 설명한다).

상기 스위치(40)가 닫히면 전류는 펄스성형부(10)에서 방전되어 시료(30)가 놓인 제1연결부(50)와 제2연결부(60)로 흐른다.

이러한 제1연결부(50)와 제2연결부(60)로 이루어지는 부하 부분은 원통형으로 대칭인 구조를 가지며, 제1연결부(50)와 제2연결부(60) 사이에 시료(30)가 놓이고 이러한 제1연결부(50)와 제2연결부(60)는 절연부(70)에 의하여 절연된다.

상기 절연부(70)에는 시료(30)와 일정 간격을 두고 상기 시료(30)를 둘러싸는 홀더부(71)가 구성될 수 있다.

I 자 형태를 띠는 시료(30)는 양극의 제1연결부(50)에 thread로 단단하게 체결되고, 시료(30)의 타측에 위치하는 제2연결부(60)는 가공을 정밀하게 하여 시 료(30)와 음극 금속이 서로 맞닿게 하고, 이러한 제2연결부(60)와 시료(30) 사이의 틈에는 실버페이스트와 같은 액체 금속(61)을 발라서 통전이 양호하게 한다.

이러한 구조에서 전류는 중심의 제1연결부(50)와 시료(30)를 지나 음극의 제2연결부(60) 도체를 통한 후 펄스성형부(10)로 돌아간다. 이러한 제2연결부(60)에는 음극에 원통형의 균일한 전류가 흐르게 하기 위하여 음극 단자(62)를 8 개 부착한다.

이러한 제2연결부(60)에서 상기 단자(62)를 통하여 제3연결부(80)가 상기 펄스성형부(10)로 연결된다. 이러한 제3연결부(80)로는 도선이 사용될 수 있다.

또한, 제2연결부(60)의 하측에는 지지를 위한 다리(90)가 구성될 수 있다.

이하, 상기와 같은 장치의 작동 원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 스위치(40)가 닫히면 도 3에서와 같이 부하 전류 I 는 인덕턴스와 저항이 가장 작은 경로를 통하여 흐른다.

즉, 양극(제1연결부: 50)을 흐르는 전류와 음극을 흐르는 전류는 거리가 가까울 때 인덕턴스가 작게 된다. 그러므로 양극에서는 외경 부분으로, 음극에서는 내경 부분으로 전류 통로가 형성된다.

또한 금속의 표면은 저항이 가장 작은 곳이므로 도 3에 도시된 바와 같이 대부분의 전류는 표면을 따라 흐른다.

이와 같이 전류가 흐르면 주위에 자기장을 발생시킨다. 도 4에는 시료(30)에서의 전류 I 와 자기장 B, 전자기 힘 F 의 방향이 도시되어 있다. 시료(30)의 반경 이 작은 부분에서는 전류가 아래 방향으로 흐르므로 자기장은 시계 방향으로 생성된다.

그에 따른 로렌츠 전자기 힘 F1 은 전류가 흐르는 시료를 누르는 방향으로 작용한다. 즉, 전류가 흐르는 시료는 핀치(pinch 또는 물리학적인 용어로 z-pinch)된다. 이 때 시료가 받는 전자기 압력 P ₁ 은 수학식 1과 같이 표현된다:

[수학식 1]

여기서 I 는 전류(A)이고 d는 시료(30)의 가운데 부분의 직경(cm)이며 압력의 단위는 파스칼(Pascal)이다.

전류가 외경 방향으로 흐르는 시료(30)의 아래 부분(31)에서는 자기장이 지면을 뚫고 들어가는 방향으로 발생하며 전자기 힘은 시료(30)를 밖으로 미는 방향으로 작용한다.

시료 아래 부분(31)의 외경을 D cm 이라 하고 전자기 힘 F2 를 계산하여 면적으로 나누면 압력 P ₂가 다음과 같이 계산된다.

[수학식 2]

상기 수학식 1과 수학식 2에 의해 구해지는 압력은 시료(30)를 아래로 잡아 당기는 인장력이 된다. 시료(30)의 윗면(31)은 양극 금속에 고정되므로 윗면(31)에 작용하는 힘 F3 는 시료(30)를 잡아당기는 효과를 가지지 않는다.

이때, 시료(30)에 가해지는 인장 압력은 수학식 1과 수학식 2의 합이 된다.

이와 같이, 시료(30)에 가해지는 인장 압력은, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 펄스성형부(10)의 커패시터들의 용량들과 인덕터의 인덕턴스들을 조절하여 부하에 흐르는 전류 시간과 전류 크기를 결정하여 시료(30)에 인가되는 압력의 크기와 압력 인가 시간을 결정한다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 시스템을 간단하고 소형으로 구성할 수 있고, 따라서 간단한 구성품만 가지고 작동할 수 있으므로 유지 보수가 간단하고 측정시간이 짧은 효과가 있는 것이다.

Claims (14)

1. 전기 에너지가 저장되는 펄스성형부와;

   상기 펄스성형부에 전원을 인가하는 전원부와;

   상기 펄스성형부와 시료의 일측단을 전기적으로 연결하는 제1연결부와;

   상기 시료의 타측단과 전기적으로 연결되는 제2연결부와;

   상기 제1연결부와 상기 제2연결부를 절연하는 절연부와;

   상기 펄스성형부와 상기 제1연결부 사이에 위치하는 스위치와;

   상기 제2연결부와 상기 펄스성형부를 전기적으로 연결하는 제3연결부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 펄스성형부는, 커패시터와 인덕터의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 커패시터와 인덕터의 조합은, 직렬로 연결된 다수의 인덕터의 각 중간단에 병렬로 공통 연결된 다수의 커패시터인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 시료로 인가되는 전류 펄스의 크기와 지속시간은, 상기 커패시터와 인덕터의 전압과 용량에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 인장파 단 계측 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 전압은 30kV 이하인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는, 격발 회로에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 시료는, 양측 단부의 직경이 상기 시료의 가운데 부위의 직경보다 더 큰 원통형 대칭형인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 제1연결부는, 하측에 상기 시료의 단부가 결합되는 제1결합홈이 형성된 원통형 도체인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 제2연결부는, 상측에 상기 시료의 단부가 결합되는 제2결합홈이 형성된 적어도 하나 이상의 원통형 도체인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
10. 제 1항에 있어서, 상기 시료와 상기 제2연결부 사이에는, 액체 금속이 위치하는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 액체 금속은, 실버 페이스트인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
12. 제 1항에 있어서, 상기 절연부는, 상기 시료와 일정 간격을 두고 상기 시료를 둘러싸는 홀더부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
13. 제 1항에 있어서, 상기 제3연결부는, 상기 제2연결부 및 상기 펄스성형부와 단자에 의하여 결합되는 도선인 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.
14. 제 1항에 있어서, 상기 전원부는, 상기 펄스성형부와 직렬 연결되는 저항 및 인덕터에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 인장파단 계측 장치.

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