KR101218331B1 - 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치 - Google Patents

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Abstract

구조물에 가해지는 외력에 의해 구조물의 외부에서 발생하는 와류를 이용하여 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정장치가 개시된다. 몸체부는 구조물의 외부 면에 와류가 발생하는 범위 내에 부착된다. 와류 주파수 측정부는 몸체부의 일면에 고정되어 구조물에 발생하는 와류로 인한 진동으로 인해 변형을 일으키며 전기 신호를 발생하는 압전 필름과 압전 필름의 연장선상에 위치하여 몸체부의 다른 면에 고정되어 압전 필름이 변형을 일으키면서 발생하는 전기 신호가 나타나는 전극부를 통해 와류 주파수를 측정한다. 본 발명에 따르면, 압전 소자로 와류 형상에 의한 진동을 전기 신호로 쉽게 변환하고 변환된 신호를 분석하여 와류 주파수를 직접 측정할 수 있다. 또한, 구조물의 후방에 발생하는 와류로 인해 발생할 수 있는 구조물의 공진을 예방하기 위해 와류 주파수를 직접 측정할 수 있다. 나아가, 구조물의 복잡한 임의의 단면 형상에서도 측정이 가능하며, 본 발명에 사용되는 압전 필름은 외부 충격으로 쉽게 파손되지 아니하며 와류에 의해 휘어짐이 반복되는 경우에도 쉽게 파손되지 아니한다.

Description

압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치{Vortex frequency measuring apparatus using piezoelectric film}
본 발명은 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부 유동에 의해 구조물 후방에서 발생할 수 있는 와류를 이용하여 와류 주파수를 직접 측정하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치에 관한 것이다.
압전 현상은 역학적 변형이 전기적 신호로 변환되거나, 이와 반대로 전기적 신호가 역학적 변형량으로 변환되는 것이다. 이 압전현상을 적용한 압전 소자에 스트레인이 생기면 전위차가 발생하고, 반대로 전위차가 압전 소자에 인가되면 물리적 변위가 발생한다. 이러한 압전소자는 압력변화를 전기 신호로 변환함으로써 다양한 분야에 이용되고 있다.
기존에는 유량을 측정하는 경우 와류를 이용하여 왔다. 이는 유체가 흐르는 유관 내에 인공적으로 와류를 발생시켜 와류에 의한 물리적 에너지의 변화를 압전소자를 통해 유량을 측정하는 방식이다. 이때, 와류 주파수를 구하는 아래 식에 의해 와류 주파수를 직접 측정할 수도 있으나, 구조물의 형상에 따라 스트롤 넘버가 달라지고 특정 단면에만 적용되기 때문에 실제 복잡한 구조물에 적용하기에는 한계가 있다.
Figure 112011078479652-pat00001
(여기서, f는 와류 주파수, S는 스트롤 넘버, D는 관의 직경, U는 유속임)
또한, 종래 와류를 이용하여 유량을 측정하는 발명을 구체적으로 살펴보면, 한국등록공보 제10-0732116호(와류식 유량계)에는 유관 내에 와류를 발생시킬 수 있는 와류발생부를 설치하여 인공적으로 와류를 발생시켜 와류신호의 출력감도를 압전소자를 이용하여 측정하는 장치가 개시되어 있다. 이는 와류를 이용하여 유량을 측정하는 것이어서 유체의 유량을 측정하기 위해 유체가 흐르는 유관 내에 인위적으로 와류가 발생할 수 있도록 와류발생부를 설치해야 한다는 불편함이 있었다.
또한, 한국등록공보 제10-0868046호(와류식 유량계)에는 와류발생부재에 의해 와류를 발생시켜 와류의 물리적 변화에 따른 전기신호의 출력감도를 압전센서를 통해 측정할 수 있는 장치가 개시되어 있다. 이 역시 와류에 의한 물리적 에너지를 압전소자를 이용하여 유량을 측정하는 것이어서 유관 내에 인위적으로 와류발생부를 설치하여 와류를 발생시켜야 한다는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 압전 현상을 이용하여 와류로 인한 진동을 전기적 신호로 변환하여 분석하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 구조물의 후방에 발생하는 와류로 인해 발생할 수 있는 구조물의 공진을 예방하기 위해 와류 주파수를 직접 측정할 수 있는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치는, 구조물에 가해지는 외력에 의해 상기 구조물의 외부에서 발생하는 와류를 이용하여 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정장치에 있어서, 상기 구조물의 외부 면에 와류가 발생하는 범위 내에 부착되는 몸체부; 및 상기 몸체부의 일면에 고정되어 상기 구조물에 발생하는 와류로 인한 진동으로 인해 변형을 일으키며 전기 신호를 발생하는 압전 필름과 상기 압전 필름의 연장선상에 위치하여 상기 몸체부의 다른 면에 고정되어 상기 압전 필름이 변형을 일으키면서 발생하는 전기 신호가 나타나는 전극부를 통해 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정부;를 구비한다.
본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치에 의하면, 압전 소자로 와류 형상에 의한 진동을 전기 신호로 쉽게 변환하고 변환된 신호를 분석하여 와류 주파수를 직접 측정할 수 있다. 또한, 구조물의 후방에 발생하는 와류로 인해 발생할 수 있는 구조물의 공진을 예방하기 위해 와류 주파수를 직접 측정할 수 있다. 나아가, 구조물의 복잡한 임의의 단면 형상에서도 측정이 가능하며, 본 발명에 사용되는 압전 필름은 외부 충격으로 쉽게 파손되지 아니하며 와류에 의해 휘어짐이 반복되는 경우에도 쉽게 파손되지 아니한다.
도 1은 구조물에 외부 유동 흐름이 있을 때 구조물 후방에 나타나는 와류 형상을 간략하게 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치가 구조물에 부착된 모습을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치의 앞면을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치의 뒷면을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 압전필름의 역학적 변형을 간략하게 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치의 앞면을 도시한 도면, 그리고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치의 뒷면을 도시한 도면이다.
이하에서 첨부의 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 구조물(100)에 외부 유동 흐름이 있을 때 구조물 후방에 나타나는 와류 형상을 간략하게 도시한 도면이다. 와류(vortex)는 유체의 회전운동에 의하여 주류와 반대방향으로 소용돌이 치는 흐름으로 강하게 회전하면서 흐르는 형태를 지칭한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 유체의 흐름(flow)이 있을 때 장애물, 예를 들어 구조물(100)을 만나게 되면 구조물(100)의 후방에 와류 형상이 나타난다.
구조물(100)의 후방에 와류가 발생하는 경우 단위시간에 생성되는 와류의 수(와류 주파수)를 측정하여 구조물(100) 자체의 고유 진동수와 비교함으로서 공진으로 인한 피해를 예방할 수 있다. 즉, 구조물(100)의 실제 발생 가능한 풍속 범위에 따른 와류 주파수의 범위를 측정하여 구조물(100)의 고유 진동수를 조절하여 공진으로 인한 피해를 최소화하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 필름(210)을 이용한 와류 주파수 측정장치(300)가 구조물(100)에 부착된 모습을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 와류 주파수 측정장치(300)는 실제 복잡한 구조물에 적용되기 위해 구조물(100)의 외부 면에 직접 부착될 수 있다. 즉, 구조물(100)의 한 방향(전방)으로부터 유체의 흐름이 발생하게 되면 그 후방에 구조물(100)로 인해 와류가 발생하게 되고 와류의 진동으로 인해 압전필름(210)이 변형을 일으키며 전기 신호를 발생하게 된다. 더욱 구체적으로 와류 주파수 측정장치(300)에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 압전 필름(210)을 이용한 와류 주파수 측정장치(300)의 앞면과 뒷면을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 압전 필름(210)을 이용한 와류 주파수 측정장치(300)는 구조물(100)의 외부에서 와류가 발생하는 범위 내에 부착되는 몸체부(310), 몸체부(310)의 일면에 고정되어 구조물(100)에 발생하는 와류로 인한 진동으로 인해 변형을 일으키며 전기 신호를 발생하는 압전 필름(210)과 압전 필름(210)의 연장선상에 위치하여 몸체부(310)의 다른 면에 고정되어 압전 필름(210)이 변형을 일으키면서 발생하는 전기 신호가 나타나는 전극부(220)를 포함하여 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정부(200), 와류 주파수 측정부(200)에 의해 측정된 와류 주파수가 구조물(100)의 고유 진동수와 일치하는 지 확인하는 와류 주파수 확인부(미도시)를 포함한다.
몸체부(310)는 구조물(100)에 부착되는 형태로 활용되며, 구조물(100)의 형상 또는 부착되는 위치에 따라 몸체부(310)의 모양이 변경될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 몸체부(310)는 부착되는 위치가 평면인 상태일 때 활용되며, 도 6 및 도 7에 도시된 몸체부(312)는 부착되는 위치가 곡면일 때 활용될 수 있다. 또한 몸체부(310)의 각 모서리에는 구조물(100)에 부착하기 위한 나사부(320)를 구비할 수 있다. 다만 몸체부(310, 312)가 구조물(100)에 부착되는 방식을 이에 한정하는 것은 아니고, 그 외 다양한 방법이 이용될 수 있다.
와류 주파수 측정부(200)는 압전 필름(210)과 전극부(220)로 이루어지며, 구조물(100)에 가해지는 외력으로 인해 와류가 발생하는 구조물(100)의 외부 면에 복수 개로 설치될 수 있다.
압전 필름(210)은 반도체 세라믹(ceramic)이 아닌 폴리머(polymer)로 제작되어 외부 충격으로 쉽게 파손되지 아니하며, 와류에 의해 휘어짐이 반복되는 경우에도 쉽게 파손되지 않는다. 몸체부(310)의 일면에 고정된 압전 필름(210)은 와류 진동에 의해서 압축 인장을 반복한다. 도 5에 도시된 바와 같이 압전 필름(210)이 상하로 변형을 일으키면서 정(+) 전압과 부(-) 전압이 반복적으로 발생하며, 관찰되는 신호는 사인파의 형태이고 시간에 대한 전압의 AC 신호이다. 이를 통해 신호 주기를 알 수 있는데, 이는 와류 주파수 주기가 된다. 또한 압전 필름(210)은 리드선과 연결되어 전기계측 회로 간의 연결이 이루어질 수 있다. 전극부(220)는 몸체부(310) 뒷면에 위치하여 압전 필름(210)이 변형을 일으키면서 발생하는 전기 신호가 나타난다.
또한, 압전 필름(210)은 기계적 에너지와 전기 에너지 상호 간의 전환이 가능하다. 압전 필름(210)의 분극 결정에 압력을 가하여 기계적인 변형을 일으키면 전기장이 형성되어 전압이 유기되며, 반대로 분극 결정에 전압을 가하면 기계적인 변형이 유발되기도 한다. 즉, 압전 필름(210)은 와류에 의한 물리적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 즉, 압전 필름(210)은 교대로 부호가 바뀌는 응력(교번응력)의 변화를 전기 신호의 변화로 검출하고, 이 변화의 회수를 검출함으로서 와류 주파수를 측정한다.
이렇게 측정된 와류 주파수가 구조물(100)에 가해지는 외력에 의해 발생하는 구조물(100)의 고유 진동수와 일치하는 경우 공진이 발생될 수 있으므로 공진으로 인한 피해를 예방하기 위해 와류 주파수 확인부(미도시)는 측정된 와류 주파수와 구조물(100)의 고유 진동수가 일치하는지 여부를 실시간으로 확인한다. 이때 측정된 와류 주파수와 구조물(100)의 고유 진동수가 일치하여 공진 발생 가능성이 있는 경우 경고 신호를 출력할 수 있다. 이때 경고 신호는 경고음이나 경고 메세지 등의 형태로 출력될 수 있다.
즉 본 발명에 따른 와류 주파수 측정장치(300)를 이용하여 실제 구조물(100)에서 발생하는 와류 주파수를 측정하여, 실제 발생 가능한 풍속 범위에 따른 와류 주파수 범위를 파악한다. 발생 가능한 와류 주파수 범위를 미리 알면 구조물(100)의 고유 진동수를 조절하여 공진으로 인한 피해를 예방할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : 구조물 310 : 몸체부
200 : 와류 주파수 측정부 320 : 나사부
210 : 압전 필름 220 : 전극부
300 : 와류 주파수 측정장치

Claims (5)

  1. 구조물에 가해지는 외력에 의해 상기 구조물의 외부에서 발생하는 와류를 이용하여 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정장치에 있어서,
    상기 구조물의 외부 면에 와류가 발생하는 범위 내에 부착되는 몸체부; 및
    상기 몸체부의 일면에 고정되어 상기 구조물에 발생하는 와류로 인한 진동으로 인해 변형을 일으키며 전기 신호를 발생하는 압전 필름과 상기 압전 필름의 연장선상에 위치하여 상기 몸체부의 다른 면에 고정되어 상기 압전 필름이 변형을 일으키면서 발생하는 전기 신호가 나타나는 전극부를 통해 와류 주파수를 측정하는 와류 주파수 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와류 주파수 측정부에 의해 측정된 와류 주파수가 상기 구조물에 가해지는 외력에 의해 발생하는 구조물의 고유 진동수와 일치하는지 확인하는 와류 주파수 확인부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 와류 주파수 확인부는 상기 측정된 와류 주파수가 상기 구조물의 고유 진동수와 일치하는 경우 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 와류 주파수 측정부는 상기 구조물에 가해지는 외력으로 인해 와류가 발생하는 상기 구조물의 외부 면에 복수 개로 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체부는 구조물의 형상에 따라 평판형 및 곡면형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전 필름을 이용한 와류 주파수 측정장치.
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