KR101022751B1 - 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치 - Google Patents

교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 관한 것으로, 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블과, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정하는 측정용 장력 센서, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블, 상기 보상용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서, 및 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프가 갖추어지고, 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서, 그리고 상기 파워 앰프에는 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치가 구비되고, 상기 중앙 관제 장치에는 상기 중앙 관제 장치와 연결되어 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치로부터 상기 파워 앰프로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프로 전달하는 DAQ 보드가 더 갖추어진다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 일측 둘레면에 설치되어, 상기 강재 케이블을 손상시키지 않는 범위내에서 상기 강 재 케이블의 장력을 정확하게 측정 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 상기 강재 케이블의 장력을 측정하기 위해 상기 강재 케이블의 양끝단에 로드셀 등을 설치하지 않고서도 간단하게 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수가 있다.
교류 자기, 강재 케이블, 교량, 케이블 장력, 자기 센서, 장력 측정 장치

Description

교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치{AN APPARATUS TO MEASURE A TENSION OF STEEL CABLE USING AN AC MAGNETISM}
본 발명은 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 강재 케이블의 일측 둘레면에 상기 강재 케이블의 장력에 따라 자기장이 변할 수 있는 센서를 부착하여 상기 강재 케이블이 손상되지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 간단하게 측정할 수 있게 한 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사장교나 현수교와 같은 대형 교량은 풍하중에 의한 교량의 과다 변위나 해수에 대한 교각의 부식 등으로 인하여 대형 교량의 구조물에 손상이 일어날 확률이 높다.
따라서, 상기와 같이 열악한 환경에 놓여 있는 대형 교량을 지지하기 위한 구조물에는 강재 케이블이 설치되는바, 상기 강재 케이블에는 통상적으로 로드셀이 나 가속도 센서가 직결되어 상기 강재 케이블에 작용되는 장력을 측정할 수 있도록 되어 있다.
하지만, 상기와 같이 강재 케이블에 직결되는 로드셀이나 가속도 센서와 같은 방식은 구조물이 점차 대형화됨에 따라, 상기 구조물과 강재 케이블 사이에 로드셀이나 장력 센서를 설치하는데 많은 비용이 들고, 대형 구조물에 연결된 강재 케이블의 장력을 측정하는데에도 한계가 있으며, 상기 대형 구조물에 대한 장력 측정 결과값에 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
한편, 상기와 같이 케이블에 직결되는 로드셀이나 가속도 센서와 같은 방식의 한계점을 극복하고자, 강재 케이블에 장력이 가해지면, 투자율이 변하는 물리적 특성을 이용하여 상기 강재 케이블의 둘레면에 센서를 둘러주기만 하여도 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있는 EM(Electro Magnetic) 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만, 상기와 같은 EM 센서에 대한 강재 케이블의 장력 측정 방식은 상기 강재 케이블에 가해지는 장력 이외에 상기 강재 케이블의 길이에 영향을 끼칠 수 있는 환경 조건으로써 온도 요건을 간과할 수 없다는 문제점이 있었는데, 상기 온도 요건은 상기 강재 케이블에 가해지는 장력이 실질적으로 같다고 하더라도 온도라는 매개변수로 인하여 장력 센서에서 출력되는 결과치를 다르게 할 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하고자, 기존의 방식에서는 상기 EM 센서 방식에 추가적으로 온도 보상 회로나 기타의 방식을 적용하고 있으나, 여전히 상기 온 도 영향이 배제된 실질적인 장력을 산출하여야 하는 추가적인 작업이 필요하고, 이에 따라 연속적인 장력 산출이 불가하다는 문제점이 있어, 주위 환경 변화에 따른 상기 EM 센서의 정확한 특성 변화를 해소할 수 없다는 한계점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 장력 센서에 따른 문제점을 해결하고자, 상기 구조물과 연결된 케이블을 손상시키지 않는 범위안에서 상기 케이블의 장력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 케이블의 장력에 변수로 작용될 수 있는 주위 환경적 요건을 효과적으로 보상해 줄 수 있는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 제 1 실시예로서 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블과, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정하는 측정용 장력 센서, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블, 상기 보상용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서, 및 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프를 갖추고 있고, 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서, 그리고 상기 파워 앰프에는 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치가 구비되며, 상기 중앙 관제 장치에는 상기 중앙 관제 장치와 연결되어 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치로부터 상기 파워 앰프로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프로 전달하는 DAQ 보드로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 제 2 실시예로서 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블과, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 측정용 장력 센서, 상기 측정용 장력 센서에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해주는 파워 앰프, 및 상기 측정용 강재 케이블의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 구비하고, 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치, 및 상기 중앙 관제 장치와 연결되어 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치로부터 상기 파워 앰프로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프로 전달하는 DAQ 보드를 포함할 수 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 일측 둘레면에 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 자기장이 변화될 수 있는 측정용 장력 센서를 설치해 주기만 하 면, 상기 강재 케이블을 손상시키지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 측정 가능하다.
이러한, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 구조물과 연결된 강재 케이블의 외주면에 간단하게 감싸 고정시키는 것만으로 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 강재 케이블의 장력에 영향을 줄 수 있는 주위 온도와 습도 및 지지물의 노화 등과 같은 주위의 환경 변화에 적극적으로 대응할 수 있고, 주위의 환경 변화를 자동으로 보상할 수 있으므로, 상기 구조물에 대한 보다 정확하고 신뢰성 있는 장력 측정값을 얻을 수 있는 장점이 있다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 1은 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 1 실시예의 제어 블록도이고, 도면 2는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 2 실시예의 제어 블록도이며, 도면 3은 본 발명에 갖추어진 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 단면도이다.
또한, 도면 4는 장력 센서와 강재 케이블을 표준 인장 시험기에 장착한 상태도이고, 도면 5는 본 발명에 갖추어진 중앙 관제 장치에 본 발명에 갖추어진 구성 요소로부터 측정된 결과값을 표시한 상태도이며, 도면 6은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 측정용 강재 케이블의 온도에 따른 상기 측정용 장력 센서의 출력값을 도시한 그래프이다.
또, 도면 7은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 출력되는 전압에 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 표시한 그래프이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치의 제 1 실시예는 도면 1에 도시한 바와 같이, 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블(1)과, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력을 측정하는 측정용 장력 센서(2), 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블(3), 상기 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서(4), 및 상기 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센서(4)에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프(5)가 갖추어지고, 상기 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센서(4), 그리고 상기 파워 앰프(5)에는 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치(6)가 구비되고, 상기 중앙 관제 장치(6)에는 상기 중앙 관제 장치(6)와 연결되어 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치(6)로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치(6)로부터 상기 파워 앰프(5)로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프(5)로 전달하는 DAQ 보드(7)가 더 갖추어진다.
또한, 본 발명은 도면 2에 도시한 제 2 실시예와 같이, 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블(1)과, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 측정용 장력 센서(2), 상기 측정용 장력 센서(2)에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프(5), 및 상기 측정용 강재 케이블(1)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(8)를 갖추고 있고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)에는 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치(6)가 갖추어지고, 상기 중앙 관제 장치(6)에는 상기 중앙 관제 장치(6)와 연결되어 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치(6)로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치(6)로부터 상기 파워 앰프(5)로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프(5)로 전달하는 DAQ 보드(7)로 구조 변경할 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 파워 앰프(5)와 상기 DAQ 보드(7) 사이에는 제어 시작 스위치(9)가 추가적으로 장착될 수 있어 상기 중앙 관제 장치(6)와 DAQ 보드(7)로부터 입력된 제어 신호에 따라 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있고, 상기 파워 앰프(5)와 직결된 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에는 상기 1차 코일(14)에 흐르는 전류를 정밀하게 감지할 수 있도록 션트(Shunt)(10)가 직결될 수 있다.
또, 상기 션트(10)로부터 분기되어 뻗어나온 출력 신호는 도면 1과 도면 2에 도시한 프리 앰프(pre-amp)(11)와 연결되어 상기 션트(10)로부터 입력되는 매우 미소한 전류 신호를 적당한 크기로 증폭한 다음, 상기 DAQ 보드(7)로 전송할 수 있다.
또, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 DAQ 보드(7)의 디지털 입출력 단자에는 특정 동작 신호에 따라 본 발명에 따른 장력 측정 장치를 구동시킬 수 있는 측정 시작 스위치(12)가 장착될 수 있다.
상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 각각의 제 1 실시예 또는 제 2 실시예가 동작되는 과정을 설명하기 전에 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)가 동작되는 원리를 도면 3과 다수 개의 수학식을 참고하여 자세히 설명한다.
먼저, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 상기 측정용 장력 센 서(2)와 보상용 장력 센서(4)는 도면 3에 도시한 바와 같이 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 장력을 측정할 수 있는 센서로서, 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)과 일정한 공극을 유지하면서, 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 둘레면을 감쌀 수 있는 보빈(13)과, 상기 보빈(13)의 바깥 둘레면에 일정 횟수로 권선된 1차 코일(14)을 갖추고 있고, 상기 보빈(13)의 둘레면에는 상기 보빈(13)의 둘레 안쪽 방향으로 일정 깊이만큼 함몰된 2차 코일 장착구(15)가 갖추어져 상기 2차 코일 장착구(15)를 통하여 상기 보빈(13)과 1차 코일(14) 사이에 2차 코일(16)을 개재 시킬 수 있다.
이때, 상기 1차 코일(14)은 자기장을 가해주는 코일이고, 상기 2차 코일(16)은 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력과, 1차 코일(14)에 가해주는 자기장, 또는 상기 측정용 강재 케이블(1), 보상용 강재 케이블(3)이 놓여있는 주위 온도에 따라 출력이 변하는 감지 코일이 된다.
이때 주의점은 상기 제 1 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)는 동일한 특성으로 이루어져야만 한다.
상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에는 기존의 펄스형 자기장을 입력하는 대신에 교류 자기장을 입력하는 방식으로써 자기장 구간의 중심값을 고정 바이어스 자기장(=동작점)으로 설정하고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에 갖추어진 1차 코일에 작은 신호의 교류 자기장을 가해주는 방식이다.
다음, 상기와 같은 구조로 이루어진 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센 서(4)의 구동 원리를 수학식을 이용하여 설명하기 위해 도면 3에 표시된 부호를 정의하면, 다음과 같다.
먼저, 도면 3에 도시된
Figure 112008075969198-pat00001
는 1차/2차 권선수이고,
Figure 112008075969198-pat00002
는 1차/2차 코일(14,16)의 단면적이며,
Figure 112008075969198-pat00003
는 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 단면적이다.
또한,
Figure 112008075969198-pat00004
는 1차/2차 코일(14,16)의 직경이고,
Figure 112008075969198-pat00005
는 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 직경이며,
Figure 112008075969198-pat00006
은 솔레노이드의 길이이다.
일반적으로 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에는 교류 자기장을 정현파로 가해 주게 되는데, 이때 상기 교류 자기장은 다음 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112008075969198-pat00007
또한, 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 2차 코일(16)에 유기되는 전압에 파라데이 법칙을 적용하면, 다음 수학식 2와 같고, 투자율
Figure 112008075969198-pat00008
는 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112008075969198-pat00009
Figure 112008075969198-pat00010
이때,
Figure 112008075969198-pat00011
는 1차 코일에서 2차 코일로 유도된 자속으로 케이블 내의 자속과 2차 코일 내부 에어갭(
Figure 112008075969198-pat00012
)에 흐르는 자속으로 구성된다.
또한, 상기 수학식 2의
Figure 112008075969198-pat00013
는 투자율이고,
Figure 112008075969198-pat00014
은 비투자율이며,
Figure 112008075969198-pat00015
는 진공 투자율로서
Figure 112008075969198-pat00016
이다.
상기 제시한 수학식을 이용하여, 상기 수학식 2를 케이블이 있는 장력 센서에 적용하면, 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112008075969198-pat00017
또한, 상기 장력 센서내에 케이블이 없고, 공기중에 노출된 장력 센서의 출력 전압
Figure 112008075969198-pat00018
은
Figure 112008075969198-pat00019
값이 0이므로 다음 수학식 5와 같다.
Figure 112008075969198-pat00020
이때, 상기 수학식 4를 수학식 5로 나눈 다음, 비투자율
Figure 112008075969198-pat00021
에 대해 정리한다.
그리고, 상기 투자율과 장력 센서의 출력 전압은 케이블에 가해지는 장력과, 온도, 및 자기장에 따라 변할 수 있으므로
Figure 112008075969198-pat00022
로 표현하고 정리하면 다음 수학식 6과 같다.
Figure 112008075969198-pat00023
이때, 상기 수학식 6에서
Figure 112008075969198-pat00024
는
Figure 112008075969198-pat00025
의 실효값이고,
Figure 112008075969198-pat00026
는 (장력, 온도, 자기장)이
Figure 112008075969198-pat00027
에서의
Figure 112008075969198-pat00028
의 실효값이다.
다음, 상기 수학식 6을 이용하여 강재 케이블에 장력과, 온도 및 고정 자기장
Figure 112008075969198-pat00029
이 가해지는 상황에서 상기 장력 센서의 출력 전압에 대하여 정리하면 다 음 수학식 7과 같다.
Figure 112008075969198-pat00030
다음, 상기 강재 케이블에 장력 센서를 설치하고, 상기 장력 센서가 장착된 강재 케이블을 도면 4에 도시한 표준 인장 시험기에 연결하면 상기 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 상기 장력 센서의 2차 코일(16)로부터 출력되는 전압을 측정할 수 있다.
참고로 상기 표준 인장 시험기에는 도면 4에 도시한 바와 같이, 상기 장력 센서와 강재 케이블에 직결 될 수 있는 로드셀 또는 기타 장력 측정 수단과 상기 강재 케이블을 양쪽에서 잡아 당길 수 있는 인장 수단이 갖추어져 상기 강재 케이블을 잡아 당기면서 상기 강재 케이블에 가해지는 장력을 실시간으로 측정할 수 있도록 되어 있다.
다음, 상기 장력에 따른 출력 전압 측정 결과를 수학식 6에 적용하면, 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선을 구할 수 있다.
이때, 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선은 장력과 자기장에 따라 비선형적으로 변하고, 온도에 대해서는 일정하게 변화된다.
따라서, 상기 강재 케이블의 장력 측정에서 상기 장력 센서의 1차 코일에 가하는 고정 바이어스 자기장은 상기 장력 센서를 가장 안정되게 작동시킬 수 있기 때문에, 상기 고정 자기장을
Figure 112008075969198-pat00031
라 정의한다.
다음, 일정한 자기장에서의 비투자율을 정리하면 수학식 8과 같이 장력에 대해 2차 식으로 표현할 수 있다.
Figure 112008075969198-pat00032
상기 수학식 8에서의
Figure 112008075969198-pat00033
은 자기장
Figure 112008075969198-pat00034
A/m이고, 장력=0 MN이며, T=0도일 때의 비투자율이고, 상기 수학식 8의
Figure 112008075969198-pat00035
는 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선을 회귀 분석(curve fitting)함으로써 구해진 값이며,
Figure 112008075969198-pat00036
은 온도 계수이다.
이때, 상기 장력 측정시 기준 온도를 20도로 설정하고 고정 바이어스 자기장을
Figure 112008075969198-pat00037
라 하면 상기 수학식 8은 다음 수학식 9와 같이 표현된다.
Figure 112008075969198-pat00038
다음, 상기 수학식 9를 수학식 7에 대입하면 다음 수학식 10을 얻을 수 있다.
Figure 112008075969198-pat00039
이때, 상기 보상용 장력 센서(4)의 출력 전압은 장력이 0 MN(즉,
Figure 112008075969198-pat00040
= 0)이고, 일정한 자기장에서 측정하였으므로 이를 수학식 10에 적용하면, 다음 수학식 11을 얻을 수 있다.
Figure 112008075969198-pat00041
상기와 같이 도출된 수학식을 이용하여 상기 수학식 10에서 수학식 11을 빼서 정리하면 다음 수학식 12를 얻을 수 있는데,
Figure 112008075969198-pat00042
상기 수학식 12로부터 상기 측정용 장력 센서(2)에서 보상용 장력 센서(4)의 출력 전압을 빼면, 상기 측정용 강재 케이블(1)이 투자율과 주위 온도에 영향이 없고, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력의 영향만 받음을 알 수 있다.
상기와 같은 구조와 작동 원리로 동작되는 제 1 실시예의 제어 과정을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 제 1 실시예는 상기 파워 앰프(5)를 오프(OFF)한 상태에서, 상기 교류적 장력 측정용 프로그램을 가동시킴으로써, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 아날로그 신호와 상기 션트(10)로부터 출력되는 전류 신호에 대해 자동 영점 조정을 수행하여 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 노이즈 신호와 드리프트 신호를 자동으로 제거한다.
다음, 사용자에 의해서 상기 중앙 관제 장치(6)에 갖추어진 자동 운전 시작 스위치가 눌리게 되면, 상기 중앙 관제 장치(6)는 제어 시작 스위치를 작동하여 상기 파워 앰프(5)를 작동시킨다.
다음, 상기 파워 앰프(5)는 상기 중앙 관제 장치(6)와 DAQ 보드(7)를 통해 출력되는 아날로그 신호
Figure 112008075969198-pat00043
에 따라 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에 고정 바이어스 자기장과 교류 자기장을 공급하여 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 자기장을 발생시킨다.
상기 고정 바이어스 자기장은 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)가 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력에 따라 출력 전압이 가장 크게 변화되고, 열이 적게 발생되는 최적의 조건으로 작동될 수 있는 자기장으로써 장력 시험에 의해서 구할 수 있다.
다음, 상기 제 1실시예는 상기 측정용 강재 케이블(1)과 보상용 강재 케이블(3)의 고정 바이어스 자기장 및 교류 자기장을 중앙 관제 장치(6)로 전송하여 표 시하고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에 포함된 케이블 진동 신호 등을 신호 처리를 통해 제거한다.
다음, 상기 중앙 관제 장치(6)는 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 출력된 신호를 합성하여 RMS(root meansqure = 실효값)값으로 변환한 다음, 상기 RMS값을 사용자에게 표시해 주게 된다.
다음, 상기 중앙 관제 장치(6)는 상기 측정 시작 스위치(12)의 제어 신호에 따라 일정 시간 동안 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력된 신호를 받아 들여 평균 처리한 다음, 사용자에게 표시 및 저장하고, 측정 시작 스위치(12)의 제어 신호가 있을 때까지 측정 대기 상태를 유지하게 된다.
다음, 상기 측정 대기 상태에 들어간 상기 제 1 실시예는 상기 중앙 관제 장치(6)의 측정 완료 제어 신호에 따라 현재까지 측정된 데이터 즉, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 값과, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 합성값, 고정 바이어스 자기장, 교류 자기장, 또는 온도 등을 저장하고, 상기 측정된 데이터를 도면 5에 도시한 바와 같이 사용자에게 표시한다.
한편, 상기 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예와 달리 보상용 장력 센서(4)를 사용하지 않고, 측정용 강재 케이블(1)에 장착된 온도 센서(8)와 측정용 장력 센서(2)만을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해진 장력을 측정할 수 있는바, 그 측정 과정은 다음과 같다.
먼저, 상기 제 2 실시예에 적용되는 온도 보정 계수를 이용하기 위해 도면 7과 같이, 온도에 따른 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압를 그래프로 도시하고, 상 기 온도에 따른 측정용 장력 센서 출력 전압에 대한 그래프를 회귀 분석(curve fitting)하여, 다음 온도 보정 계수
Figure 112008075969198-pat00044
를 얻는다.
따라서, 상기 제 2 실시 예의 측정용 장력 센서(2)로부터 도출된 출력 전압에 온도 보정 계수를 적용한 온도 보정식은 다음 수학식 13과 같다.
Figure 112008075969198-pat00045
이때, 상기 수학식 13의
Figure 112008075969198-pat00046
는
Figure 112008075969198-pat00047
로 환산된 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압이고,
Figure 112008075969198-pat00048
는 임의의 온도에서 검출된 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압이며,
Figure 112008075969198-pat00049
는 임의의 온도이다.
다음, 상기 수학식 13과 표준 인장 시험기를 이용하여 수학식 13의 결과에 따른 측정용 강재 케이블(1)의 장력 측정 결과를 그래프 상에 도시하면, 다음 도면 7에 도시한 바와 같이, 측정용 장력 센서(2)의 출력에 대한 측정용 강재 케이블(1)의 장력 특성 곡선을 얻을 수 있다.
다음, 상기 도면 7에 도시된 장력 특성 곡선 즉, 상기 측정용 장력 센서(2)의 출력에 대한 측정용 강재 케이블(1)의 장력 특성 곡선을 수학식으로 표현하면, 다음, 수학식 14를 얻을 수 있다.
Figure 112008075969198-pat00050
이때, 상기 수학식 14의 Y는 측정용 강재 케이블(1)에 가해진 장력이고, X는 측정용 장력 센서(2)로부터 도출된 출력 전압이다.
따라서, 결과적으로 상기 도출된 수학식 13과 수학식 14를 상기 제 2 실시예에 적용함으로써, 상기 제 2 실시예로부터 온도의 영향을 보정한 측정용 강재 케이블(2)의 장력을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제 2 실시예가 동작되는 과정은 상기 제시한 제 1 실시 예의 동작 과정과 유사하므로 중복된 설명을 피하기 위해 상기 제 2 실시예의 구체적인 동작 설명은 생략한다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 일측 둘레면에 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 자기장이 변화될 수 있는 측정용 장력 센서를 설치해 주기만 하면, 상기 강재 케이블을 손상시키지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 측정 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 상기 강재 케이블의 장력을 측정하기 위해 상기 강재 케이블의 양끝단에 로드셀 등을 설치하지 않고서도 간단하게 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환과, 변형, 및 변경이 가능하므로 진술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.
도면 1은 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 1 실시예의 제어 블록도,
도면 2는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 2 실시예의 제어 블록도,
도면 3은 본 발명에 갖추어진 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 단면도,
도면 4는 장력 센서와 강재 케이블을 표준 인장 시험기에 장착한 상태도,
도면 5는 본 발명에 갖추어진 중앙 관제 장치에 본 발명에 갖추어진 구성 요소로부터 측정된 결과값을 표시한 상태도,
도면 6은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 강재 케이블의 온도에 따른 상기 측정용 장력 센서의 출력값을 표시한 그래프,
도면 7은 측정용 장력 센서로부터 출력되는 전압에 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 표시한 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
1. 측정용 강재 케이블 2. 측정용 장력 센서
3. 보상용 강재 케이블 4. 보상용 장력 센서
5. 파워 앰프 6. 중앙 관제 장치
7. DAQ 보드 8. 온도 센서
9. 제어 시작 스위치 10. 션트
11. 프리 앰프(pre-amp) 12. 측정 시작 스위치
13. 보빈 14. 1차 코일
15. 2차 코일 장착구 16. 2차 코일

Claims (5)

  1. 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블(1)과;
    상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 측정용 장력 센서(2);
    상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블(3);
    상기 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서(4);
    상기 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센서(4)에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프(5);
    상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(3)의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치(6);
    및 상기 중앙 관제 장치(6)와 연결되어 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치(6)로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치(6)로부터 상기 파워 앰프(5)로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프(5)로 전달하는 DAQ 보드(7);로 이루어지고,
    상기 파워 앰프(5)와 상기 DAQ 보드(7) 사이에는 상기 중앙 관제 장치(6)와 DAQ 보드(7)로부터 입력된 제어 신호에 따라 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 제어 시작 스위치(9)가 추가 장착되며,
    상기 파워 앰프(5)와 직결된 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(14)의 1차 코일(14)에는 상기 1차 코일(14)에 흐르는 전류를 정밀하게 감지할 수 있도록 션트(10)가 직결되고,
    상기 션트(10)로부터 분기되어 뻗어나온 출력 신호는 프리 앰프단(11)과 결합되어 상기 션트(10)로부터 입력되는 전류 신호를 증폭한 다음, 상기 DAQ 보드(7)로 전송하며,
    상기 DAQ 보드(7)의 입출력 단자에는 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력이 목표치에 도달하였거나, 또는 장력 측정 조건이 만족 되었을 때 동작될 수 있는 측정 시작 스위치(12)가 장착되고,
    상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)는 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)과 일정한 공극을 유지하면서, 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 둘레면을 감쌀 수 있는 보빈(13)과, 상기 보빈(13)의 바깥 둘레면에 일정 횟수로 권선된 1차 코일(14)을 갖추고 있고, 상기 보빈(13)의 둘레면에는 상기 보빈(13)의 둘레 안쪽 방향으로 일정 깊이만큼 함몰된 2차 코일 장착구(15)가 갖추어져 상기 2차 코일 장착구(15)를 통하여 상기 보빈(13)과 1차 코일(14) 사이에 2차 코일(16)을 개재시킨 구조인 것을 특징으로 하는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치.
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