KR101349541B1 - 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 구조물의 상태를 진단하기 위하여 설치하는 다수의 삼차원 변위기를 통하여 변형량을 산출할 때 대형 구조물의 글로벌 삼차원 죄표축과 삼차원 변위기 자체의 지역 삼차원 좌표축이 다를 경우 실제 변위가 정확히 측정값으로 나타나지 못하게 되므로, 정확한 삼차원 변위를 취득하기 위하여 대형 구조물 전체에 적용된 글로벌 삼차원 좌표축을 설정하는 단계와 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축을 상기 글로벌 삼차원 좌표축과 일치하게 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 방법과 고정된 건물에 부착된 기초부재(10)에 연결되어 수직축을 중심으로 회전하는 제 1 힌지(20), 상기 제 1 힌지의 하단에 고정되어 수평축을 중심으로 회전하는 제 2 힌지(30), 일단이 상기 제 2 힌지에 이어고 타단은 구조물 연결부재(50)에 연결된 길이 측정자(40), 상기 길이 측정자의 상기 제 2 힌지 측에 중심이 일치되도록 설치된 기운각 측정자(60), 상기 제 1 힌지와 중심이 일치하도록 설치된 회전각 측정자(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치에 관한 것이다.

Description

대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치 및 방법{Three Dimension Measurement System and Method of Large Component}

본 기술은 고온 고압을 사용하는 발전소와 같은 대형 산업설비의 변위를 다수의 삼차원 측정기로 측정하는 장치 및 방법에 관한 기술이다.

발전소의 보일러나 터빈, 석유화학 설비의 증류탑등과 같은 대형 기계나 건축설비, 토목설비(이하 “대형 구조물”이라 한다)와 대형 설비를 운용하는 플랜트(Plant)에서는 이 구조물들의 안전 운전 또는 안전 사용을 확인하기 위한 설비의 건전성 점검 차원의 업무로 설비의 변형을 평가하는 작업이 이루어지게 된다. 이러한 설비는 온도나 내외부 압력과 같은 운전환경의 변화에 따라 설비가 변형을 하게 되는데 이러한 변형을 평가하기 위해서는 하나의 삼차원 변위계로서는 전체 설비의 상태를 평가할 수 없어 다수의 삼차원 변위계를 설비 곳곳에 설치하여 측정하게 된다. 이러한 대형 설비의 삼차원 변위를 측정하기 위해서는 대한민국 등록특허 등록번호 10-1229717 (2013년01월29일) “삼차원 변위 측정기”, 등록번호 10-1116563 (2012년02월07일) “로프형 삼차원 변위 측정기”, 등록번호 10-0655925 (2006년12월04일) “고온고압 배관의 3차원 변위측정기 및 이를 이용한 감시방법”에 개시된 측정장치를 사용한다. 대한민국 특허 공개번호 10-2006-0038525 (2006년05월04일) “3축 변위 계측장치”에 개시되어 있는데, 배관의 3축 변위 계측장치에 관한 것으로서, 측정하고자 하는 구조물을 지지하는 행거의 일면에 고정되는 고정그립, 상기 고정그립에 연결되어 360도 회전이 가능한 유니버셜 조인트, 상기 유니버셜 조인트에 연결되어 하나 이상의 각도센서를 포함하는 링크부, 상기 링크부에 연결되어 각도를 측정하는 각도센서부, 상기 각도센서부에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부를 포함하는 것으로 배관의 삼차원 변위를 측정하는 장치이다.

이러한 삼차원 변위 측정기를 다수 현장에 설치하여 각 위치에서의 삼차원 변위를 계량화하는 것이 본 기술의 배경기술이 된다. 이를 위해서는 하나의 길이 측정자와 두 개의 각도 측정자를 사용하여 기준 축으로부터의 각도 변화를 산출, 삼차원의 변위를 산출하는 장치들이 산업적으로 개발되어 사용되고 있다. 대형 변위를 평가하는 것은 하나의 통일된 좌표계로 해석하고 설계할 때만 가능한 것이어서, 대형 구조물에 다수의 삼차원 변위계를 사용할 때에는 이 다수의 삼차원 변위계가 통일된 좌표계를 따를 때에만 측정치를 해석 프로그램이나 해석 가능한 상태에 이르게 된다. 그러므로, 각각 삼차원 변위계에서 측정된 변위는 하나의 좌표계를 기준으로 표시될 때에만 이 측정값은 의미를 갖는다. 도 5의 (1)은 하나의 대형 구조물 M과 변형이 연계되지 않는 외부 고정부, 일반적으로는 건축물이다, RC1, RC2, RC3에 삼차원 변위계 A, B, C를 설치하고 이 대형구조물이 변형하여 Md의 위치로 이동할 때 변위를 측정하는 상태를 도시하고 있다. 이 대형 구조물은 마름모 꼴로 변형하여 당초 M의 모양에서 Md의 모양으로 변화되었을 때, 대형 구조물에 연결된 변위 측정점은 도 5의 (2)에 도시된 Ad, Bd, Cd만큼 이동하게 된다. 대형 구조물이 마름모 꼴로 변화하므로 당연히 이동 벡터 Ad, Bd, Cd는 동일하며, 이들의 벡터 성분은 동일하여야 한다. 그러나, 좌표축이 삼차원 변위계 A와 B에 대해서는 수직방향이고, C에 대해서는 경사져 있어, 도 5의 (3)에서 보이는 바와 같이 A와 B의 경우 x1,y1,x2,y2의 성분은 동일하나, C에 대한 x3,y3는 좌표축이 기울어 있어 A,B의 값과 다르게 된다. 삼차원 변위계 C에 대한 x3,y3의 성분은 x3는 음수를, y3는 양수를 갖게된다. 이는 x1,y1,x2,y2의 성분이 모두 양수인 것에 비교하면, 결과적으로 이 성분을 근거로 도 5의 (1)에 따른 변위 M에서 Md는 도 5의 (4)와 같이 측정되어, 굽은 것으로 해석되고 평가되게 된다. 여기서 RC1, RC2는 지역 삼차원 좌표축이 중력방향과 동일하고, RC3는 중력방향과 경사져 있는 것이다. 대형 구조물의 변형을 다시 한번 상세히 설명하면 도 5는 도 5의 (1)의 아래에 있는 원래의 긴 네모가 도 5의 (1)의 위에 있는 긴 네모의 위치로 변형이 된 경우에 대한 사례 설명이다.

그러므로, 대형 구조물의 각 점에서의 삼차원 변위를 보기 위해서는 각 점, 각 삼차원 변위계의 변형량을 동일한 평가 기준으로 보아 평가하여야 하므로 삼차원 변위를 평가하기 위해서는 다수의 삼차원 변위계의 변위가 동일 기준, 동일 축기준에 의하여 측정되어야 한다. 그러나, 지금까지 개발되어 사용되고 있는 삼차원 변위계들은 각도의 기준축에 대한 표기가 각 장치에 되어 있지 않고, 이 기준 축을 하나의 통일된 기준축으로 일치시키는 방법이 개발되어 있지 않아 각 삼차원 변위계에서 지시하는 변위가 전체적인 측면에서는 맞지 않게 되는 경향이 있다.

도 1에 예시된 발전소나 중화학 공장과 같은 배관과 같은 대형구조물에 다수 설치된 삼차원 변위계에서 지시하는 변위가 전체적인 측면에서 동일한 기준으로 평가되도록 하기 위해서는 각 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축과 대형 구조물의 좌표인 글로벌 삼차원 좌표축을 일치시켜야만 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 각각의 삼차원 변위계들의 길이 및 각도의 기준축을 변위계 케이싱에 표기하여 지역 삼차원 좌표축을 글로벌 삼차원 좌표축에 일치시키기 용이하도록 하고, 삼차원 변위계의 기준축 자체를 글로벌 삼차원 좌표축과 일치시킴으로서 각각 다른 곳에 설치되어 있는 삼차원 변위계의 변위 값이 동일한 기준으로 표현되도록 하고자 한다. 특히, 삼차원 변위계에 좌표축의 방향이 육안으로 파악할 수 있는 표기가 없는 경우에는 삼차원 변위계를 설치하는 곳의 지역 삼차원 좌표축이 저마다 달라 도 2에 예시된 바와 같이 동일한 변위가 각각 다른 삼차원 변위로 나타나게 된다. 이에 본 발명은 하나의 대형 구조물에 설치된 다수의 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축이 글로벌 삼차원 좌표축과 일치하지 못함으로서, 도 5의 (4)에 예시된 바와 같이 실제와 다르게 나타나는 것을 막고, 실제 발생된 변형을 정확히 표현할 수 있는 방법과 장비를 개발하고자 하였다.

이를 위하여 본 발명에서는 삼차원 변위계에 지역 삼차원 좌표축을 표시하고, 이 지역 좌표축은 글로벌 삼차원 좌표축과 일치 시키며, 삼차원 변위계의 각도는 기준점에 따라 좌표가 달라지는 것을 막기 위하여 각도 기준점을 수평면을 절대 기준점으로 하여 글로벌 각도 기준점과 지역 각도 기준점을 일치시켜 측정값을 나타내는 각도계를 사용하고자 하였다. 이를 위하여 본 발명에서는 각도의 기준점으로 중력방향과 수평면(水平面), 방위(方位)를 기준으로 하는 자이로 센서(Zyro Sensor), 기울기 센서를 사용하도록 하고, 이들을 글로벌 삼차원 좌표축과 일치 시키도록 하였다.

이상과 같이 다수의 삼차원 변위계를 사용하는 대형 구조물의 변위를 평가함에 있어서 개별 삼차원 변위계의 좌표축의 불일치에 따르는 삼차원 변형량의 오류를 제거하여 설비의 건전성 평가에 정확성을 향상시키게 되었다.

도 1은 본 발명에 의한 다수의 삼차원 변위계가 대형 구조물에 설치된 상태도
도 2는 본 발명과 관련한 대형 구조물로 발전소의 배관 사진
도 3은 본 발명과 관련한 3차원 좌표축 설명도
도 4는 본 발명과 관련한 건물의 글로벌 삼차원 좌표축의 설명도
도 5는 본 발명과 관련한 지역 삼차원 좌표축과 글로벌 삼차원 좌표축의 설명도
도 6은 본 발명에 의한 삼차원 좌표계의 일 실시도
도 7은 본 발명에 의한 삼차원 좌표계의 각도 및 길이 측정자의 일 실시도
도 8은 본 발명에 의한 수직변위 측정용 삼차원 좌표계의 일 실시도
도 9는 본 발명에 의한 제 1 힌지의 수직축 외팔부재의 일 실시도

용어의 정의

삼차원 좌표축 : 도 3에 도시된 바와 같이 통상의 공간좌표인 x, y, z의 좌표축으로 본 발명에서는 일반적으로 y축이라 불리는 것을 수직축으로, x축이라 불리는 것을 제 1 수평축으로, z축이라 불리는 것을 제 2 수평축으로 표기한다. 삼차원 좌표계는 직교 좌표계와 구면 좌표계로 분류되는 데, 결국이 이 두 좌표계는 동일한 것이며, 서로 호환되는 것이기 때문에 본 발명을 적용하는 데 하등의 차이를 두지 않는다. 본 발명에서는 삼차원 변위의 측정방법은 구면 좌표계에 의한 길이와 두 각을 측정하는 방식을 사용할 수도 있고, 직교 좌표계에 의한 세 축방향의 길이를 측정할 수도 있다. 본 발명에서는 제 1 수평축을 남북 방향으로, 제 2 수평축을 동서 방향을 기준으로 하여 실제 적용에서는 이 기준 방향과 일치하게 하거나 일정한 각도만큼 달라지게 하여 사용할 수 있다. 또한 중력방향을 수직축의 기준으로 하여 글로벌 삼차원 좌표축의 수직축을 일치시키든지 일정한 각도만큼 달라지게 하여 사용할 수 있다.

글로벌(Global) 삼차원 좌표축 : 본 발명에서 변위의 측정 대상인 대형 구조물 전체를 아우르는 통일된 좌표계로서 OR을 원점으로 하여 X, Y, Z에 이르는 축을 말하는 것으로 도 4에 예시되어 있다. 대부분의 토목 공사나 건축공사에서 기준 좌표축은 중력방향과 지자기 방향을 기준으로 하고 있으므로, 본 발명에서는 글로벌 삼차원 좌표축이 중력방향과 지자기 방향을 기준으로 설정하도록 되어 있다. 여기서 기준이라 함은 중력방향과 지자기 방향을 기준으로 하여, 글로벌 삼차원 좌표축의 X, Y, Z축이 각각 몇도 틀어져 있거나 정확하게 일치하도록 하는 기본이 된다는 것이다. 도 4는 건축물의 글로벌 삼차원 좌표축을 예시한 것으로, 이 경우 글로벌 삼차원 좌표축 Xp, Yp, Zp는 지자기 방향이나 중력방향과 일치할 수도 있고, 이를 기준으로 하여 일정한 방향만큼 틀어지게 할 수도 있으나, 본 발명은 이미 설치되어 있는 대형 구조물에 삼차원 변위계를 설치하여 운용하는 것이므로, 반드시 글로벌 삼차원 좌표축은 대형 구조물의 설계와 시공을 기준한 삼차원 좌표축과 일치하여야 한다.

지역 삼차원 좌표축 : 본 발명의 대상이 되는 대형 구조물이 있는 공간에 설치되는 삼차원 변위계 각각의 길이 측정자의 기초 부위의 회전 중심 점(P1, P2, P3, P4.... )을 원점으로 하여 각각 x, y, z축(x1, y1, z1, x2, y2, z2.... )에 이르는 축을 말하는 것으로 도 3에 예시되어 있다. 도 1에는 여기서, OR을 원점으로 하는 X, Y, Z축은 글로벌 삼차원 좌표축과 네 개의 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축이 도시되어 있다.

글로벌 삼차원 좌표축과 지역 삼차원 좌표축의 일치 : 원래 글로벌 삼차원 좌표축의 원점과 지역 삼차원 좌표축의 원점이 동일한 것을 의미하나, 본 발명에서는 대형 구조물의 변위를 동일한 기준으로 평가하기 위한 수단을 제공하기 위하여 글로벌 삼차원 좌표축 X,Y,Z 축과 각각의 지역 삼차원 좌표축 x,y,z 축이 X-x, Y-y, Z-z가 서로 평행하게 설치된 것을 의미한다.

산업 설비는 중화학 공장이나 발전소와 같은 플랜트, 건축설비나 토목 구조물과 같은 대형 구조물이 도 4에 예시된 바와 같이 건축물 내외에 위치하고 있다. 이러한 대형 구조물은 설비의 안전성이나 건설시 또는 정비, 안전성 평가들을 위하여 대형 구조물의 부분 위치를 삼차원 좌표로서 나타내게 되는 데 이러한 대형 구조물의 기준 좌표를 본 발명에서는 글로벌 삼차원 좌표축이라 한다. 이러한 글로벌 삼차원 좌표축은 통상적으로 지구의 중심을 향하는 중력방향을 수직축으로 하고, 수면과 평행인 지표면을 수평축으로 하여 사용하고 있다.

대형 구조물, 특히 도 1에 예시된 바와 같은 산업 설비의 배관에 다수의 삼차원 변위계를 설치하여 이들이 지시하는 변위가 통일된 좌표축에 의하여 표현될 경우 삼차원 변위계의 위치가 달라도 동일한 기준에 의하여 전체 변위를 평가할 수 있지만, 각각의 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축을 달리할 경우에는 도 5에 예시된 바와 같이 실제는 도 5의 (1)의 Md과 같이 변화된 것을 도 5의 (2)와 같이 해석하고 평가하게 된다. 이에 본 발명은 하나의 대형 구조물에 다수의 삼차원 변위계를 설치하여 변위를 측정할 경우 이 다수의 삼차원 변위계의 변위를 하나의 통일된 좌표축으로 평가할 수 있는 방법과 장치를 제공하고자 한다. 도 1에는 ㄹ자형으로 배치된 파이프 라인에 네 개의 삼차원 변위계가 설치되었고, 글로벌 삼차원 좌표축이 X,Y,Z로 표기되었고, 네 개의 삼차원 변위계의 각각의 지역 좌표계는 x1,y1,z1에서 x4,y4,z4까지 표기되어 있는데 이 도 1에서는 글로벌 삼차원 좌표계와 지역 삼차원 좌표축이 서로 평행하게 설치되어 있으므로 본 발명에 의하여 일치되어 있다고 표현한다. 도 2는 도 1에 예시된 파이프 라인, 즉 배관이 복잡하게 설치되어 있는 플랜트 현장의 사진이 예시되어 있다.

이에 본 발명은, 대형 구조물에 삼차원 변위계를 다수 설치하여 각각의 위치에서 변형을 평가함에 있어서, 상기 대형 구조물 전체에 적용된 글로벌 삼차원 좌표축을 설정하는 단계, 삼차원 변위계의 지역 삼차원 좌표축을 상기 글로벌 삼차원 좌표축과 일치하게 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 글로벌 삼차원 좌표축은, 상기 대형 구조물이 설치되어 있는 건물의 기준 좌표축 또는, 중력방향을 기준으로 수직축으로 하고, 수평면을 기준으로 제 1 수평축과 제 2 수평축으로 하며, 상기 제 1 수평축이나 상기 제 2 수평축 중 하나를 지자기 방향을 기준으로 설정하여 형성된 좌표축이다. 지자기 방향은 지구의 진북 방향과 다르므로 제 1 수평축을 남북방향으로 설정할 경우 지구의 진북으로 하거나 지자기 방향과 일치하게 하거나 하는 것은 임의로 할 수 있으나 모든 대형구조물의 설계시 적용된 글로벌 삼차원 좌표축을 따라 결정하여야 한다.

본 발명에 의한 삼차원 변위 측정 장치는 도 6에 일 실시예가 도시된 바와 같이 고정된 건물에 부착된 기초 부재(10)에 연결되어 수직축을 중심으로 회전하는 제 1 힌지(20), 상기 제 1 힌지의 하단에 고정되어 수평축을 중심으로 회전하는 제 2 힌지(30), 일단이 상기 제 2 힌지에 이어고 타단은 구조물 연결부재(50)에 연결된 길이 측정자(40), 상기 길이 측정자의 상기 제 2 힌지 측에 중심이 일치되도록 설치된 기운각 측정자(60), 상기 제 1 힌지와 중심이 일치하도록 설치된 회전각 측정자(70)를 포함하는 구조이다. 이 삼차원 변위 측정 장치는 상기 기초부재(10)의 표면에 육안으로 볼 수 있는 수준계(80), 경사계(90) 및 방위계(100)를 접착하여 상기 수준계 또는 상기 경사계를 수직축의 기준으로 하고, 상기 방위계를 제 1 수평축의 기준으로 하는 지역 삼차원 좌표축을 구비한 것을 더 포함하여 구성할 수 있다.

여기서, 상기 기운각 측정자는 자이로 센서, 상기 회전각 측정자는 자이로 센서 또는 엔코더인 것을 특징으로 한다.

본 발명을 다시 설명하면 회전각과 길이를 동시에 측정하는 삼차원 변위계를 다수 설치하여 각각의 위치에서 변형을 평가함에 있어서, 상기 대형 구조물 전체에 적용될 글로벌 삼차원 좌표축을 설정하는 단계, 삼차원 변위계에 지역 삼차원 좌표축을 설정하는 단계, 상기 삼차원 변위계를 상기 대형 구조물에 설치할 때에 상기 지역 삼차원 좌표축이 상기 글로벌 삼차원 좌표축과 평행하게 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 방법에 관한 것과 이를 구현하기 위한 장치에 관한 것이다.

회전각과 길이를 동시에 측정하는 삼차원 변위계는 본 발명의 배경 기술에 나타나 있는 특허와 같이 하나의 지점의 x, y, z의 삼차원 변위를 측정하기 위하여 하나의 길이 변화와 두 개의 각을 측정하여 공간좌표를 표기하는 방식의 변위계 또는 x, y, z축의 각각의 변위를 한 점의 변위에 대하여 공간 좌표 세 축방향으로 3개의 길이 측정을 통하여 성분을 구하는 방식의 변위계를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 대형 구조물에 삼차원 변위계를 다수 설치하여 각각의 위치에서 변형을 평가함에 있어서, 육안으로 식별되는 지역 삼차원 좌표축이 표기되어 있는 삼차원 변위계를 사용하는 것을 더 포함한다. 육안으로 식별되는 지역 삼차원 좌표축은 수준계(80)나 경사계(90)의 방향과 방위계(100)의 방향이 직각으로 배치되어 삼차원 축과 일치하도록 하여 기초부재의 표면에 접착하면 된다.

대형 구조물에 삼차원 변위계를 다수 설치하여 각각의 위치에서 변형을 평가하기 위하여 본 발명에서 사용할 측정 장치는 고정된 건물에 부착된 기초부재(10)에 연결되어 수직축을 중심으로 회전하는 제 1 힌지(20), 상기 제 1 힌지의 하단에 고정되어 수평축을 중심으로 회전하는 제 2 힌지(30), 일단이 상기 제 2 힌지에 이어지고 타단은 구조물 연결부재(50)에 연결된 길이 측정자(40), 상기 길이 측정자의 상기 제 2 힌지 측에 중심이 일치되도록 설치된 기운각 측정자(60), 상기 제 1 힌지와 중심이 일치하도록 설치된 회전각 측정자(70)를 포함한 삼차원 변위 측정 장치이다. 삼차원 변위계, 즉 삼차원 변위 측정 장치의 일 실시예가 도 6에 표기되어 있다. 도 6의 (1)은 삼차원 변위계의 평면도이고, 도 6의 (2)는 정면도이며, 도 6의 (3)은 측면도이다. 여기서 회전각 측정자는 자이로 센서(Zyro Sensor) 또는 엔코더(Encoder)를 사용하고, 기운각 측정자는 자이로 센서를 사용한다. 본 발명의 특별한 경우로서 수직 변위가 수평 변위에 비하여 상대적으로 커서 길이 측정자를 수직으로 배치하여야 하는 경우에는 도 8에 일 실시예가 도시된 바와 같이 기초부재를 둘로 나누어 케이스 회전축(110)을 별도로 구비하여 길이 측정자가 거의 수직으로 서 있는 상태에서 제 2 힌지의 축방향 변위가 발생할 경우 삼차원 변위계의 동작이 불안해지므로 이 경우에는 회전축이 돌아 정상적인 삼차원 변위를 지시할 수 있도록 한다. 이를 위해서는 케이스 회전축에 별도의 엔코더를 하나 더 구비하여야 한다. 도 8의 (1)은 케이스 회전축(110)을 구비한 삼차원 변위계의 정면도이고, 도 8의 (2)는 측면도이다. 여기서 정면도이냐 측면도이냐의 표현은 어느 방향에서 보았느냐에 따라 다르겠지만, 본 발명에서는 길이 측정자의 회전방향(RV)을 정면으로 바라보았을 때를 정면도로 한다. 케이스 회전축(110)은 도 8의 (1)에 상부에 있는 기초부재(10)를 둘로 나누어 축을 구성한 것과 같이 실시하면 된다. 엔코더는 이 케이스 회전축(110)을 둘러싸는 구조로 설치하면 된다. 도 8에 도시되지는 않았지만, 도 8의 (1)에 두 개로 나뉘어 도시된 기초부재중 오른쪽 사각형, 즉 회전하는 사각형과 고정된 축(수평방향의 가는 선)에 엔코더를 설치할 수 있다.

길이 측정자의 원점은 도 6에 예시된 바와 같이 제 1 힌지의 수직축 하단에 부설된 제 2 힌지에 둘 수도 있고, 도 9에 예시된 바와 같이 제 1 힌지의 수직축의 외팔부재의 끝에 두어 길이 측정자의 길이를 LA와 LE를 고려하여 산출할 수도 있다. 도 9와 같이 실시할 경우는 대형 구조물이 길이 측정자의 축방향과 법선 방향으로, 다시 말하면 대형 구조물이 길이 측정자가 수직으로 설치되어 있는 데 길이 측정자의 수직 상태에서 곧바로 제 2 힌지의 축방향으로 이동할 때에는 도 9와 같은 외팔부재가 부설된 수직축을 사용하면 도 8과 같은 케이스 회전축을 별도로 부설하지 않아도 되는 편리함이 있다.

길이 측정자의 지시 길이를 LE, 길이 측정자의 경사각을 theta(수평면으로부터의 경사진 각도), 제 1 힌지의 수직축의 외팔 길이를 LA, 제 1 힌지의 회전각을 alpa(수평면에서 정동방향으로부터 회전한 각)라 할 때 삼차원 좌표는 제1힌지 축 중심을 지역 삼차원 좌표의 x, z축 중심점(원점)으로 하고, 제 2 힌지 축중심을 y축 중심점(원점)으로 하여 계산할 때 현장에 설치된 삼차원 변위기에서 입력되는 길이 측정자의 LE값, 기운각 측정자의 theta 값, 회전각 측정자의 alpa 값을 바탕으로 하여 삼차원 변위계의 삼차원 위치 값이 다음과 같이 산출된다.

높이 방향 y = LE * sin(theta)

정동 방향 x = {(LA + LE * cos(theta)} * cos(alpa)

정북 방향 z = {(LA + LE * cos(theta)} * sin(alpa)

여기서 정동, 정북, 높이 방향은 절대적인 것이 아니고 본 발명의 돕기 위하여 임시로 설정한 것이다. 이는 어디까지나 글로벌 삼차원 좌표축을 어떻게 설정하느냐에 따라 본 발명에 의한 지역 삼차원 좌표는 설정되기 때문이다.

대형 구조물의 삼차원 변위는 두 시점에서의 지역 삼차원 좌표를 비교하여 산출하며, 각 시점에서의 삼차원 좌표는 전술한 바와 같이 길이 측정자의 길이(LA+LE), 기운각 측정자의 각도(theta), 회전각 측정자의 각도(alpa)를 기하학적으로 해석하여 각 좌표축에서의 벡터 성분값으로 표기하게 된다. 본 발명에서는 이 길이와 각도의 기준으로 대형 구조물의 설계 기준인 글로벌 삼차원 좌표축 과 일치하는 지역 삼차원 좌표계를 설정하며, 통상적으로 글로벌 삼차원 좌표축은 수평면과 중력방향, 지구 자기 방향이 설정된다.

기초 부재(10)는 제 1 힌지(20)를 고정하는 구조재로서, 본 발명에서 도시하지는 아니했지만 대형 구조물이 설치되어 있는 건축물, 즉 H-Beam과 같은 곳에 설치할 수 있는 체결기구를 포함하고 있어야 한다. 제 1 힌지는 베어링과 축, 또는 구멍 속에 있는 유격없는 축이 도 7의 RH 방향으로 회전하도록 하면 된다. 도 6에서는 두 개의 베어링에 축이 수직방향으로 배치된 경우를 예시하고 있다. 제 2 힌지(30) 또한 베어링과 축 또는 구멍과 축의 구조를 구비하면 되고, 도 6에는 본 제 2 힌지가 수평방향으로 설치되어 있음이 예시되고 있다. 구조물 연결 부재(50)는 대형 구조물에 체결되는 체결부를 구비한 엔드 베어링(End Bearing) 구조이면 된다. 엔드 베어링을 축의 끝에서 삼차원으로 회전 가능한 산업용 베어링이다. 회전각 측정자(70)는 도 7예 예시된 바와 같이 수직으로 배치된 제 1 힌지를 중심으로 RH 방향으로 회전하는 축의 회전각을 측정하기 위한 것이므로 이 회전하는 축을 감싸고 있는 베어링이 고정된 기초부재(10)에 부설한다. 기운각 측정자(60)는 도 7에 예시된 바와 같이 길이 측정자(40)가 RV 방향으로 회전하도록 하고, 이 회전한 정도, 다시 말하면 길이 측정자의 기운 정도를 측정하기 위한 것이므로 제 2 힌지의 축과 중심이 일치하도록 길이 측정자의 제 2 힌지 축용 구멍자리에 설치한다. 기타 방법으로는 기운각 측정자의 특성에 따라 직선형 길이 측정자의 케이싱에 취부하여도 된다. 회전각 측정자와 기운각 측정자, 기운각 측정자는 상태값이 디지털 변환장치로 입력되어 출력이 컴퓨터로 입력되어야 본 발명의 효과적인 실시를 위한 구조해석등에 활용할 수 있다.

본 발명에 의한 삼차원 변위 측정 장치는 삼차원 측정기 또는 삼차원 변위 측정기, 삼차원 변위계라고도 표현하였으며, 삼차원 변위계는 상기 기초부재(10)의 표면에 육안으로 볼 수 있는 수준계(80), 경사계(90) 및 방위계(100)를 접착하여 상기 수준계 또는 상기 경사계를 수직축의 기준으로 하고, 상기 방위계를 제 1 수평축의 기준으로 하는 지역 삼차원 좌표축을 구비하도록 하였다. 육안으로 볼 수 있는 수준계(80), 경사계(90) 및 방위계(100)를 접착하는 방법은 도 6에 접착된 상태의 일 실시예가 나타나 있는 것처럼 통상의 산업용 접착기술을 사용하면 된다. 수준계, 경사계 및 방위계는 상업용 제품을 사용하며, 디지털 출력이 나타나는 것을 사용하는 것이 좋다.

10 : 기초부재
20 : 제 1 힌지
30 : 제 2 힌지
40 : 길이 측정자
50 : 구조물 연결부재
60 : 기운각 측정자
70 : 회전각 측정자
80 : 수준계
90 : 경사계
100 : 방위계
110 : 케이스 회전축

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 고정된 건물에 부착된 기초 부재(10)에 연결되어 수직축을 중심으로 회전하는 제 1 힌지(20);
   상기 제 1 힌지의 하단에 고정되어 수평축을 중심으로 회전하는 제 2 힌지(30);
   일단이 상기 제 2 힌지에 이어고 타단은 구조물 연결부재(50)에 연결된 길이 측정자(40); 상기 길이 측정자의 상기 제 2 힌지 측에 중심이 일치되도록 설치된 기운각 측정자(60);
   상기 제 1 힌지와 중심이 일치하도록 설치된 회전각 측정자(70);를
   
   포함하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치
4. 제 3 항에 있어서,
   
   상기 기초부재(10)의 표면에 육안으로 볼 수 있는 수준계(80), 경사계(90) 및 방위계(100)를 접착하여 상기 수준계 또는 상기 경사계를 수직축의 기준으로 하고, 상기 방위계를 제 1 수평축의 기준으로 하는 지역 삼차원 좌표축을 구비한 것;을
   
   더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치
5. 제 3 항에 있어서,
   
   상기 기운각 측정자는 자이로 센서;
   상기 회전각 측정자는 자이로 센서 또는 엔코더인 것;을
   
   특징으로 하는 대형 구조물의 삼차원 변위 측정 장치

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