KR101533196B1 - 액체형 감쇠기의 다점 수위 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 도전성 액체가 채워진 액체형 감쇠기의 양 끝단에 도전성 부재를 부착하여 전류 공급기로 일정한 전류를 흘려주어 전기장을 형성한 다음, 전기장 내의 수위를 측정하고자 하는 위치에 적당한 간격으로 도전성 부재를 부착하여 두 부재 사이의 전위차를 측정하고, 측정된 전압을 수식을 이용하여 수위로 변환한다.

Description

액체형 감쇠기의 다점 수위 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for liquid height measurement at multiple points of liquid dampers}

본 발명은 초고층 건물의 풍진동을 줄이고 모니터링하기 위한 액체형 감쇠기(Liquid Damper)의 특성을 파악하기 위한 것으로써, 더 구체적으로는 고정 전기장 내 가변전압 측정을 통하여 액체형 감쇠기의 여러 지점에서의 수위를 동시에 측정하는 방법에 관한 것이다.

풍진동(風振動)이란 바람에 의해 건축물이 수평방향으로 흔들리는 현상이다. 특히 건축물이 고층화 될 수록, 풍진동에 취약한 특성이 있으나, 최근 국내 건설업계에서는 구조 및 재료기술의 발전으로 초고층 건축물의 수가 점차 증가하고 있다.

따라서, 초고층 건축물 시공 시 풍하중에 의한 풍진동을 저감시키는 기술은 매우 중요하며 이러한 이유로 감쇠기(damper)를 초고층 건축물 최상부에 설치하여 건축물의 진동을 제어하는 방법이 주로 사용되고 있다. 이 방법은 크게, 무거운 물체를 감쇠장치로 이용하는 동조 질량형 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)를 사용하는 방법과 액체를 감쇠장치로 이용하는 동조 액체형 감쇠기(Tuned Liquid Damper, TLD)를 사용하는 방법이 있다.

이 중에서도 제작 및 설치, 유지관리 측면에서 효과적인 액체형 감쇠기의 사용이 증가하는 추세이다.

이러한 액체형 감쇠기의 수위를 계측하는 센서에는 스텝식, 전기용량식, 초음파식, 압력식 등 여러 방식이 존재하며, 국내에서 사용되는 대부분의 수위계는 전기 용량식과 압력식을 사용한다.

국내에서 자주 사용되는 전기 용량식 수위계는 유전율이 일정한 상태에서, 물의 높이 변화에 따른 전기적 용량의 증가가 비례한다는 성질을 이용하여 수위를 측정한다. 하지만 물의 유전율은 시간이 지남에 따라 물의 성분과 환경이 수시로 변하기 때문에 전기 용량식 수위계를 이용한 수위 측정은 오차가 늘 발생하게 된다. 하지만 실험실 등의 제한적인 환경에서의 수위 측정은 유전율을 일정하게 유지하기가 비교적 쉽기 때문에 이러한 단점들이 상당 부분 해소된다. 그러나 제한된 환경에서 사용함에도 기존의 전기 용량식 수위계는 가격이 고가이며, 여러 대의 수위계를 근접하여 측정할 경우 상호간섭으로 인해 근접한 지점의 수위를 정확히 계측하는 것이 불가능하다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 고안된 것으로서, 설치가 간단하고, 저렴한 가격으로 여러 지점의 물 높이를 동시에 측정할 수 있는 액체형 감쇠기의 다점 수위 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로서, 도전성 액체가 채워진 액체형 감쇠기의 양 끝단에 도전성 부재를 부착하여 전류 공급기로 일정한 전류를 흘려주어 전기장을 형성한 다음, 전기장 내의 수위를 측정하고자 하는 위치에 적당한 간격으로 도전성 부재를 부착하여 두 부재 사이의 전위차를 측정하고, 측정된 전압을 수식을 이용하여 수위로 변환한다.

즉, 본 발명의 일 면에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치는, 액체가 채워진 액체형 감쇠기의 양 끝단에서 액체에 잠기도록 액체형 감쇠기에 부착되는 두 개의 제1 도전성 부재; 두 개의 제1 도전성 부재에 일정한 전류를 인가할 수 있는 전압 인가부; 두 개의 제1 도전성 부재 사이의 임의의 위치에서 액체에 잠기도록 액체형 감쇠기에 부착되는 다수의 제2 도전성 부재; 및 제2 도전성 부재에 연결되어 있는 데이터 수집 장치를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 제1 및/또는 제2 도전성 부재는 구리 테이프일 수 있다.

상기 데이터 수집 장치는 다수의 제2 도전성 부재 중 임의의 한 쌍 사이의 전압을 측정하고, 다음의 수학식에 따라 측정된 전압을 액체형 감쇠기의 수위로 변환한다.

또한, 상기 데이터 수집 장치는 다수의 제2 도전성 부재 중 다수의 쌍 사이의 전압을 동시에 측정하고, 측정된 다수의 전압을 다수의 지점의 상기 액체형 감쇠기의 수위로 동시에 변환할 수 있다.

여기에서, 제1 도전성 부재가 또한 데이터 수집 장치에 연결될 수 있으며, 이때 데이터 수집 장치는 제1 도전성 부재와 제2 도전성 부재 중 임의의 한 쌍 사이의 전압을 측정할 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 방법은, 상술한 수위 측정 장치를 이용하여 액체형 감쇠기의 수위를 측정하는 방법으로서, 상기 전압 인가부를 통해 상기 제1 도전성 부재 사이에 일정한 전류를 인가함으로써 상기 액체에 전기장을 형성하는 단계; 두 개의 상기 제2 도전성 부재 사이의 전압을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 전압을 수위로 변환하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 파고 측정 방법을 사용하면, 본 발명에 따르면, 구성 및 동작 원리가 간단하여 실제 수위를 측정하고자 하는 부위에 쉽게 설치할 수 있으며, 전기장 내의 어느 지점이라도 수위를 측정할 수 있고, 또한 동시에 여러 지점의 물 높이를 측정할 수 있게 된다.

즉, 구리테이프를 일정한 간격으로 부착하여 만든 모듈을 원하는 위치에 설치하여 해당 위치의 전압 변화를 상호 간섭 없이 동시에 측정할 수 있으며, 실험실에서 간단히 물 높이를 측정해야 하는 경우, 고가의 장비 없이 경제적인 가격으로 실험을 진행할 수 있다. 또한, 동조 액체형 감쇠기와 같은 제한된 환경에 있는 액체형 감쇠기에 간단히 설치하여 물의 수위 및 감쇠기의 동특성을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치에서 수위의 단면적 변화에 따라 측정되는 전압이 바뀌는 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치에서 전기장이 형성된 공간 내에서의 임의의 여러 지점에서 수위를 측정할 수 있는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수위 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치 및 수위 측정 방법에 대해 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단하는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치를 도시한 것이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치는, 도전성 액체(120)가 채워진 액체형 감쇠기(110)의 양 끝단에서 도전성 액체(120)에 잠기도록 액체형 감쇠기(110)에 부착되는 두 개의 제1 도전성 부재(131, 132)와 액체형 감쇠기(110)의 양 끝단 사이에서 액체형 감쇠기(110)에 부착되는 다수의 제2 도전성 부재(141, 142, 143, 144)를 포함한다.

다수의 제2 도전성 부재(141, 142, 143, 144)와 제1 도전성 부재(131, 132)는 구리 테이프로 구성되어 액체형 감쇠기(110)에 쉽게 부착될 수 있다.

양 끝단의 제1 도전성 부재(131, 132)는 전압 인가부(130)에 연결되어 일정한 전류가 인가될 수 있으며, 이때 액체형 감쇠기(110)의 액체(120) 내에는 전기장이 형성된다.

다수의 제2 도전성 부재(141, 142, 143, 144)와 제1 도전성 부재(131, 132)는 데이터 수집 장치(140)에 연결되어 있으며, 이에 따라 데이터 수집 장치(140)는 다수의 제2 도전성 부재(141, 142, 143, 144)와 제1 도전성 부재(131, 132) 중 두 개 사이의 전압을 측정할 수 있다. 또한, 데이터 수집 장치(140)는 도전성 부재들 중 다수의 쌍의 전압을 동시에 측정할 수 있다.

이와 같이 측정된 전압은 수위로 변환되어 액체형 감쇠기(110)의 다수 지점의 수위를 동시에 측정할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에서는 각 측정 위치마다 전압 발생 장치와 전압 측정 장치를 설치할 필요 없이 양 끝단의 제1 도전성 부재에 의해 일정한 전기장을 형성하고 그 사이에 제2 도전성 부재를 필요한 만큼 형성하여 간단한 방식으로 다 지점에서 수위를 측정할 수 있다.

이제 측정된 전압을 수위로 변환하는 방법을 도 2를 참조하여 자세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치에서 수위의 단면적 변화에 따라 측정되는 전압이 바뀌는 원리를 설명하는 도면이다.

도전성 액체에 전류 공급기를 이용하여 일정한 전류를 인가하면, 다음의 수학식 1과 같은 옴의 법칙에 의하여 전압은 저항의 변화에만 관련되어 변화한다.

그런데 저항은 길이에 비례하고, 단면적에 반비례하는 저항의 고유 성질이 있다. 따라서 저항의 식을 옴의 법칙에 대입하면 다음의 수학식 2와 같다.

수학식 2에서 비저항(ρ)은 물질의 고유 성질로 도전성 액체(물)의 고유한 값이며, 물의 농도가 변하지 않는 한 일정한 상수이다. 또한 적당한 거리만큼 벌어진 구리테이프 사이의 간격(l)도 일정하다. 따라서 전압의 변화는 수위의 단면적에만 관련된다.

수학식 3에서 단면적(S)은 물의 높이(H), 즉 수위와 전기장의 폭(b)의 곱이므로 수학식 3을 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서 전기장의 폭(b)은 일정한 전류가 흐르는 상황에서 항상 일정하다.

도 2는 수학식의 이해를 돕기 위하여, 수위의 단면적 변화에 따라 측정되는 전압이 바뀌는 원리를 설명한 도면이다. 수위 측정을 위하여 하단부가 물에 잠기도록 설치되며, 도 2 및 수학식 4에 나타난 바와 같이, 전압과 물의 수위는 반비례 관계인 것을 알 수 있다. 반비례 관계는 선형적 변화가 아니며, 센서는 반드시 선형성을 만족하여야 하므로, 이를 위해 먼저 수학식 4의 양변에 자연로그를 취하여 다음의 수학식 5를 얻는다.

수학식 5에서, 항상 일정한 값을 갖는 상수항 I, ρ, b, l을 β로 묶고 식을 정리하면 다음의 수학식 6과 같다.

최종적으로 수학식 6을 수위(H)에 관하여 정리하여 자연지수를 양변에 취하면 수위는 측정된 전압으로 다음의 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.

이제, 도 3을 참조하여 전기장이 형성된 공간 내의 임의의 여러 지점에서 수위를 측정할 수 있는 원리를 설명한다. 도 3은 다점 측정의 원리를 설명한 도면으로, 양 끝단에 전류를 흘려주어 전기장 내에서 측정하고자 하는 위치의 전압을 측정하게 되면 그 지점의 수위를 측정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 측정된 전압치를 기준치와 비교하는 등의 방법을 사용하지 않고 수학식을 사용하여 바로 수위로 변환할 수 있으며, 일정한 전기장 내의 임의의 지점에서 전압차를 측정하여 측정된 전압을 수위로 변환하는 식을 사용하기 때문에 기준치를 정하기 위한 별도의 장치나 측정이 필요하지 않다.

즉, 도 3에 나타난 바와 같이, 양 끝단의 구리테이프(331, 332)에 전류를 흘려 전기장을 형성하고(도 3의 (a)) 그 사이의 구리테이프(341, 342) 사이의 전압을 측정한다(도 3의 (b)).

이제 본 발명의 실시예에 따른 수위 측정 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수위 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 양 끝단의 구리테이프에 일정한 전류를 인가하여 도전성 액체(물) 내에 전기장을 형성한다(S410).

다음, 액체 내의 임의의 두 지점 사이의 전압을 측정하고(S420), 위에서 설명한 수식을 이용하여 측정된 전압을 수위로 변환한다(S430).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것으로써 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

Claims (7)

1. 액체가 채워진 액체형 감쇠기의 양 끝단에서 상기 액체에 잠기도록 상기 액체형 감쇠기에 부착되는 두 개의 제1 도전성 부재;
   상기 두 개의 제1 도전성 부재에 일정한 전류를 인가할 수 있는 전압 인가부;
   상기 두 개의 제1 도전성 부재 사이의 임의의 위치에서 상기 액체에 잠기도록 상기 액체형 감쇠기에 부착되는 다수의 제2 도전성 부재; 및
   상기 제2 도전성 부재에 연결되어 있는 데이터 수집 장치
   를 포함하는 액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 도전성 부재는 구리 테이프인
   액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 도전성 부재는 구리 테이프인
   액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 데이터 수집 장치는 상기 다수의 제2 도전성 부재 중 임의의 한 쌍 사이의 전압을 측정하고,
   다음의 [수학식 7]에 따라 측정된 상기 전압을 상기 액체형 감쇠기의 수위로 변환하는 것인
   액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   [수학식 7]
   

   

   
   (여기에서, V는 두 개의 상기 제2 도전성 부재 사이의 전압, H는 액체형 감쇠기의 수위이다)
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 데이터 수집 장치는 상기 다수의 제2 도전성 부재 중 다수의 쌍 사이의 전압을 동시에 측정하고,
   측정된 다수의 상기 전압을 다수의 지점의 상기 액체형 감쇠기의 수위로 동시에 변환하는 것인
   액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 도전성 부재가 상기 데이터 수집 장치에 연결되고,
   상기 데이터 수집 장치는 상기 제1 도전성 부재와 다수의 제2 도전성 부재 중 임의의 한 쌍 사이의 전압을 측정하는
   액체형 감쇠기의 수위 측정 장치.
   
7. 제1항의 수위 측정 장치를 이용하여 액체형 감쇠기의 수위를 측정하는 방법으로서,
   상기 전압 인가부를 통해 상기 제1 도전성 부재 사이에 일정한 전류를 인가함으로써 상기 액체에 전기장을 형성하는 단계;
   두 개의 상기 제2 도전성 부재 사이의 전압을 측정하는 단계; 및
   측정된 상기 전압을 수위로 변환하는 단계
   를 포함하는 액체형 감쇠기의 수위 측정 방법.

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