KR101546074B1 - 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템 - Google Patents

3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물에 가해지는 진동 에너지에 대한 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 그에 따른 검출 신호를 송신하는 가속도 센서 유닛을 포함하며 상기 가속도 센서 유닛에서 송신되는 검출 신호를 통해 지진발생 여부와 지진의 세기를 분석하는 감시수단; 및 상기 구조물과 지면 사이에 구비되어 구조물로 전달되는 진동 에너지를 흡수 또는 저감하기 위한 내진댐퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템에 관한 것이다.

Description

3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템{Earthquake Monitoring and Diagnostic System For Structure Using 3-Axis Accelerometer Data}
본 발명은 지진 발생을 실시간으로 감시하기 위한 감시수단으로서 3축 가속도 센서를 적용하여 배전반, 자동제어반, 태양광구조물 등 구조물에 가해지는 진동을 조기에 감지하여 구조물을 보호할 수 있도록 하며 그에 따라 지진에 대한 신속한 조치가 이루어질 수 있는 3축 가속도 신호에 의한 구조물을 보호하는 지진 감지진단 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배전반은 지면 상에 설치되는 바, 이러한 지면에는 상기 배전반을 고정 및 설치하기 위한 지면 구조물이 구비된다. 상기 지면 구조물은 철골 구조물 또는 콘크리트 구조물로 구성될 수 있는데, 이때 상기 지면 구조물에 있어 지진 등 진동에너지가 발생하는 경우 구조물의 흔들림 현상으로 배전반의 파손으로 이어질 수 있기 때문에 통상적으로 배전반과 지면 구조물 사이에는 진동을 완화하기 위하여 댐퍼부재가 구비된다.
이러한 댐퍼부재를 이용한 내진 보강공법으로서 유압댐퍼를 이용한 내진보강공법, 강재댐퍼를 이용한 내진보강공법 등이 다양한 내진 설계가 적용되어 구조적 성능 측면에서 대단위 수직하중을 적절하게 배분하여 기초와 지반에 안전하게 전달함은 물론, 바람이나 지진과 같은 수평 하중에도 효과적으로 저항하도록 하였다.
이처럼 종래 배전반은 구조적으로 지진 발생에 효과적으로 저항하기 위하여 내진 설계가 적용되었으나, 배전반 자체에서는 지진을 감시할 수 있는 감시 수단의 부재로 관련 기관의 정보에만 의존하기 때문에 실질적으로 지진이 발생하였을 경우 이를 직접적으로 감지할 수 없을 뿐만 아니라 지진 발생 시 그에 따른 배전반의 보호 및 신속한 대처가 어려운 문제점이 있다.
대한민국특허청 등록특허공보 10-0850228 대한민국특허청 등록특허공보 10-0966166
따라서 상기 언급한 문제점들을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 배전반은 물론 자동제어반, 태양광구조물 등 구조물에 가해지는 진동에너지로부터 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 이러한 검출 데이터를 기반으로 지진 관련 정보들을 실시간으로 분석함으로써 구조물의 보호를 위한 지진 발생 여부와 강도는 물론 그에 따른 신속한 대처가 이루어질 수 있도록 한 3축 가속도 신호에 의한 구조물을 보호하기 위한 지진 감지진단 시스템을 제공하고자 함이다.
상기 본 발명의 목적에 따른 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템은, 구조물에 가해지는 진동 에너지에 대한 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 그에 따른 검출 신호를 송신하는 가속도 센서 유닛을 포함하며 상기 가속도 센서 유닛에서 송신되는 검출 신호를 통해 지진발생 여부와 지진의 세기를 분석하는 감시수단; 및 상기 구조물과 지면 사이에 구비되어 구조물로 전달되는 진동 에너지를 흡수 또는 저감하기 위한 내진댐퍼;를 포함하는 것이 특징이다.
여기서 구조물은 배전반, 자동제어반, 태양광구조물을 포함하는 개념이다.
하나의 예로써 상기 감시수단은, 상기 가속도 센서 유닛에서 송신된 검출 신호를 입력받고 이를 증폭하여 주파수 대역에 맞는 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너; 및 상기 시그널 컨디셔너에서 변환된 진동 가속도에 대한 검출신호를 수신하여 구조물의 진동 가속도 데이터를 파악하고 이를 기반으로 주파수 응답 스펙트럼을 이용하여 연산 분석함에 의해 구조물에 가해지는 진동에 따른 최대 가속도 및 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity ; SI)를 산출하여 출력하는 진동 계측 제어 DAQ 유닛;을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 가속도 센서 유닛은, 외부 진동에 의한 3 축 방향의 가속도의 크기와 방향성을 커패시턴스 값을 변환하여 출력하는 가속도 센서 일레멘트; 상기 가속도 센서 일레멘트로부터 출력되는 커패시턴스 값을 전압값으로 변환하여 출력하는 커패시턴스-전압 변환기; 및 상기 커패시턴스-전압 변환기에서 출력되는 전압값을 입력받아 전압의 크기에 따라 듀티 싸이클이 다른 디지털 신호로 출력하는 ΣΔ변조기;로 구성되는 MEMS(micro electro mechanical systems) 가속도 센서를 포함할 수 있다.
그리고 상기 가속도 센서 일레멘트는, 일정 간격으로 두고 이격 설치되는 한 쌍의 고정판과 상기 한 쌍의 고정판 사이에서 유동 가능하도록 배치되는 유동판으로 구성되어 초기 정적 평형 상태에서 유동판과 각 고정판 사이에 기준 커패시턴스 값을 가지며, 외부 진동에 따른 가속도가 부여되면 상기 유동판이 어느 일 방향으로 유동됨에 따라 상기 기준 커패시턴스 값이 변화하여 가속도의 크기와 방향에 대응하는 커패시턴스 값을 출력하는 것일 수 있다.
또한 상기 가속도 센서 유닛은, 3축 가속도 센서로서 SPI 통신에 의해 상기 검출 신호를 상기 시그널 컨디셔너로 송신하도록 구성될 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시 예로 상기 감시수단은, 검출된 진동 가속도 데이터를 포함한 결과값과 출력된 최대 가속도, 최대 변위량 및 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity ; SI)를 포함한 지진 감시 이벤트를 기록 및 저장하고 이를 모니터링하며, 기설정된 기준값과 상기 결과값을 비교 분석하여 결과값이 기준값을 초과하는 경우 구조물 및 기기 보호를 위하여 지진 경보를 출력하도록 하는 운영서버;를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 내진댐퍼는, 한 쌍의 제 1, 2 몸체로 구성되되 상기 1몸체에는 중앙부에 라운드홈이 구성되고, 상기 제 1몸체와 제 2몸체 사이에는 상기 라운드홈에 안치되는 마찰패드가 게재되며, 상기 제 1몸체와 상기 제 2몸체 사이에는 양 단부에 고감쇠고무가 게재되는 것으로, 지면과 구조물 사이에 적어도 하나 이상 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 3축 가속도 신호에 의한 배전반, 자동제어반, 태양광구조물을 포함하는 구조물의 지진 감지진단 시스템은 구조물에 가해지는 진동 에너지를 실시간으로 감시하기 위한 감시수단을 포함하는 바, 감시수단을 통해 진동 가속도 데이터 등을 파악하여 지진 발생의 유무를 판단하고 보다 정확한 정보를 제공할 수 있도록 진동 가속도 데이터를 기반으로 한 최대 가속도 및 SI(스펙트럼 강도) 등 다양한 지진 정보에 대한 결과값을 모니터링 및 제공함으로써 지진 발생 시 그에 대응하는 신속한 조치가 이루어질 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 3축 가속도 센서를 이용하여 3축 방향의 진동을 감지하여 지진 발생을 분석하고 이를 SPI 통신에 의해 전송하도록 구성함으로써 지진의 특성을 정확하게 파악하고 대처할 수 있으며, 지면에 설치되어 있는 구조물을 보호하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배전반의 외형을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지수단의 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 표준 가속도 응답 스펙트럼을 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MEMS 가속도 센서의 구성을 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MEMS 가속도 센서의 작동원리를 나타내는 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 운영서버의 구성을 나타내는 블록도.
도 7a 내지 도 7b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 운영서버에 의해 표출되는 지진 정보의 모니터링의 예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서의 외형도.
도 9a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서의 회로도.
도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서와 외부 마이크로컨트롤러와의 연결도.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서와 외부 마이크로컨트롤러와의 SPI 연결 회로도.
도 11는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서의 SPI 프로토콜 타이밍도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 3축 가속도 신호에 의한 배전반, 자동제어반, 태양광구조물을 포함하는 구조물의 지진 감지진단 시스템에 관한 것으로, 이하에서는 구조물의 예로서 배전반에 의해 설명한다.
본 발명은 배전반(10)과 지진 발생에 따라 상기 배전반(10)에 부여되는 진동에너지로부터 진동 가속도의 크기와 방향을 실시간 감지하기 위한 감지수단을 포함하여 구성된다.
이러한 감지수단은 상기 배전반(10)에 가해지는 진동 에너지에 대한 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 그에 따른 검출 신호를 송신하는 가속도 센서 유닛(210)을 포함하며, 상기 가속도 센서 유닛(210)에서 송신되는 검출 신호를 통해 지진 발생 여부와 지진의 세기를 분석하도록 한다.
그리고 본 발명에 따른 축 가속도 신호에 의한 배전반(10)의 지진 감지진단 시스템에서는 지진 발생에 따른 진동에너지를 흡수 또는 저감하기 위한 구조로서 상기 배전반(10)과 지면 구조물(20) 사이에서 적어도 하나 이상 구비되는 내진댐퍼를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 배전반(10)은 고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반 및 분전반을 총칭하는 개념으로 이들 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 지면 구조물(20)이라 함은 상기 배전반(10)을 지면으로부터 고정시키기 위한 구조물로서 철골 구조물 또는 콘크리트 구조물 등을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같이 내진댐퍼의 구성으로 구조적으로 지진 저항성을 향상함과 더불어 지진 발생을 실시간으로 감시할 수 있는 감시수단을 더 포함하는 바, 이하에서는 상기 감시수단에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 감시수단은 가속도와 같은 지진 발생에 따른 진동 에너지를 감시할 수 있는 일종 이상의 센서를 포함하는 것으로, 이러한 센서는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 배전반(10)의 측면 내지 하부면에 장착될 수 있다.
먼저 본 발명에 있어 일 실시 예로써 제시되는 상기 센서는 지진 발생 시 진동에 따른 가속도 정보를 검출하는 가속도 센서 유닛(210)을 포함할 수 있는 바, 이하에서는 가속도 센서 유닛(210)이 센서의 일 예로 적용된 구성에 대하여 설명한다.
본 실시 예의 감시수단은 가속도 센서 유닛(210)과 진동계측 제어 DAQ 유닛(220)을 포함하여 배전반(10)에 부여되는 실시간 가속도와 응답스펙트럼 피크 레벨을 감시하게 되고 그에 따른 감시 이벤트를 기록 및 저장하여 모니터링한다.
상기 가속도 센서 유닛(210)은 앞서 설명한 바와 같이 지진 발생에 따른 배전반(10)의 미세 진동을 감시하기 위한 일 예로 제시되는 것으로, 본 실시 예에서는 CMOS 회로와 집적화가 가능하고 낮은 전력 소비, 온도 특성 그리고 DC 특성이 우수한 반도체형 MEMS(micro electro mechanical systems ; 미세전자제어기술) 가속도 센서(211)를 적용하여 가속도를 측정하게 되며, 이러한 MEMS 가속도 센서(211)는 수평 2성분, 수직 1성분을 동시에 측정하는 한편, 바람직하게는 케이블에 의해 유도될 수 있는 잡음을 제거하는 differential output 방식을 사용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 감지수단의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시 예의 감시수단은 상기 가속도 센서 유닛(210)에서 지진에 의한 배전반(10)의 진동 가속도를 검출하고, 이 검출 신호를 상기 진동계측 제어 DAQ(Data Acquisition) 유닛(220)으로 전송하는 바, 이때, 상기 감시수단은 시그널 컨디셔너(230)를 더 포함하여 전송되는 검출 신호에 대하여 미약한 신호를 증폭함과 더불어 주파수 대역에 맞는 신호로 필터링을 수행하게 된다.
즉, 상기 시그널 컨디셔너(230)는 상기 가속도 센서 유닛(210)의 진동 가속도 값을 DC 전압레벨로 변환해주는 기능을 수행하는 것으로, 주파수와 게인(gain)을 설정하기 위해 복수의 반도체 집적회로를 사용하고 이러한 집적회로를 통해 변환 기능을 수행하게 되는 것이다.
그리고 상기 진동계측 제어 DAQ 유닛(220)에서는 상기 시그널 컨디셔너(230)를 통해 증폭 및 필터링된 검출신호를 수신하여 배전반(10)에 가해지는 지진에 의한 진동 가속도를 연산 및 분석함으로써 로컬 또는 원격에서 지진에 대한 영향을 실시간으로 분석 및 판단하게 되는 것이다.
종래 일반적인 지진계의 경우 지진파만을 전송하여 가속도 기록만을 보는 것만으로는 분명하지 않은 지진파의 여러 가지 특성 중 특히 배전반(10)에 미치는 영향을 알 수 없다.
이를 위해 감시수단의 일 예로써 제시되는 상기 진동계측 제어 DAQ 유닛(220)에서는 주파수 응답 스펙트럼을 이용하여 일반 진동 가속도 정보만으로 지진을 판단하는 것보다 그 검출 정확도를 향상함으로써 상기 문제점을 개선하는 것으로, 상기 응답 스펙트럼은 한 질점계로 표시되는 배전반(10)에 미치는 영향을 나타내도록 한 것이다.
구체적으로, 배전반(10)과 같은 구조물의 변위 응답 스펙트럼 Sd(Ti, hi)는 속도 응답 스펙트럼 Sv(Ti, hi)와 근사적으로 아래의 수학식 1을 통해 구할 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00001
통상의 표준 응답 스펙트럼은 지표면 가속도에 의해 발생하는 지상 구조물의 주기에 따른 응답을 나타낸 것으로, 지반의 주기와 감쇠비를 고려하여 응답 스펙트럼을 구해야 한다. 그리고 설계에 사용하는 표준 응답 스펙트럼이란 지진에 의해 발생한 지진파가 지표면에 도달했을 경우 지표면에서 배전반(10)은 구조물 자체의 주기에 따라 구조물이 겪는 최대의 가속도 값은 다르게 된다.
이 최대 가속도 값들을 연결한 그래프가 표준 가속도 응답 스펙트럼이며 구조물의 주기에 따른 구조물의 최대 가속도를 나타낸 것이다.
도 3은 표준 가속도 응답 스펙트럼의 개념을 나타낸 것으로, 배전반(10)과 같은 구조물의 주기와 최대 가속도는 배전반(10) 구조물의 감쇠비에도 영향을 받게 되며, 일반적으로 5%의 감쇠비를 적용하고 있다.
응답 변위법에서는 속도 응답 스펙트럼 값을 사용하고 있으므로 속도 응답 스펙트럼 Sv(Ti, hi)는 가속도 응답 스펙트럼 Sa(Ti, hi)와 근사적으로 아래의 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00002
특히 상기 가속도 응답 스펙트럼은 지반 진동이 구조물에 미치는 최대 에너지를 표시하는 것으로, 배전반(10)과 같은 구조물의 스프링 상수를 k, 지진으로부터의 최대 변위를
Figure 112014124810353-pat00003
라 하면 최대 변형률 에너지는 아래의 수학식 3과 같이 된다.
Figure 112014124810353-pat00004
그리고 단위 질량당 최대 에너지는 아래의 수학식 4와 같이 구해지고, 이를 다시 정리하면 수학식 5 및 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00005
Figure 112014124810353-pat00006
Figure 112014124810353-pat00007
이처럼 상기 수학식의 Sv가 속도 응답 스펙트럼이 되며, 지상의 구조물과 그 부재의 주기에는 여러 가지가 있고 또한 국부적인 파괴가 일어난다면 이들의 고유 주기는 변화하게 된다. 어느 정도 강성이 있는 구조물에 대해서는 주요한 부재는 대략 존재하게 되므로 이들 사이의 에너지 총합을 표시하는 적분값을 아래의 수학식 7을 통해 구하고, 이러한 적분값을 이용하여 지진의 파괴력을 나타내는 지표로 사용되고 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity)라 한다.
Figure 112014124810353-pat00008
이와 같이 본 실시 예에서는 상술한 속도 스펙트럼 응답의 SI값을 상기 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)에서 실시간으로 분석 및 감시하게 되고, 이를 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)에 구비된 디스플레이부(221)를 통해 모니터링함으로써 배전반(10)에 지진 발생 시에 지진의 피크 값을 현장에서 동시에 확인할 수 있게 되어, 상기 가속도 센서 유닛(210)으로부터 검출되는 일반적인 진동 가속도 데이터에 더하여 보다 정확한 지진 정보를 파악할 수 있게 되고 이를 관리자에게 제공하게 되는 것이다.
한편, 상기 가속도 센서 유닛(210)은 앞서 설명한 바와 같이 MEMS 가속도 센서(211)가 적용되는 바, 이러한 MEMS 가속도 센서(211)는 도 4에 도시된 바와 같이 가속도센서 일레멘트(212)와 커패시턴스-전압 변환기(213) 및 ΣΔ변조기(214)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 가속도센서 일레멘트(212)는 3축 가속도 센서가 적용되는 것으로 SPI 통신이 가능하도록 구성된다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서의 외형도로서, 센서의 정면도, 측면도, 평면도를 각각 나타낸다.
상기 3축 가속도 센서는 다음 표 1의 동작 조건을 갖는다.
Figure 112014124810353-pat00009
상기 3축 가속도 센서는 MEMS(micro electro-mechanical system) 센서에 속해있으며, 매우 작은 크기로서 3축 가속도 센서의 중심부에 작은 스프링에 의해 매달려 부착된다. 3축 가속도 센서에 가속도가 가해질 때, 내장된 회로에서 지속적으로 그 3축 방향의 가속도를 측정하게 된다.
측정된 3축 방향의 가속도는 외부의 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)에 의해 독출된다. 그리고 상기 3축 방향의 가속도는 3축 가속도 센서의 감도인 ㅁ2g, ㅁ4g, ㅁ8g에 따라 달라지게 된다. 1g는 중력 가속도를 의미한다. 물론 배전반(10)이 위치한 위도/경도 또는 고도에 따른 오차가 발생할 수 있다.
ㅁ2g 또는 ㅁ4g의 감도를 갖는 3축 가속도 센서의 경우엔 8 비트 모드에 의해 256 레벨로 표시될 수 있다.
다음의 표 2는 각 가속도 값에 따라 8-비트 데이터로 표시되는 출력값의 나타낸다.
Figure 112014124810353-pat00010
그리고 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 3축 가속도 센서는 3축 방향의 가속도를 측정하여 외부 마이크로컨트롤러 즉 상기 시그널 컨디셔너(230) 내지는 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)로 SPI 통신 방식으로 측정 가속도를 송신하도록 구성됨을 알 수 있다. 시그널 컨디셔너(230) 내지는 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)은 일체형으로 하나의 마이크로컨트롤러에 구현될 수 있다.
SPI 통신은 클럭 라인과 데이터 라인의 2 라인만으로 하나의 센서의 데이터를 전달할 수 있도록 구성된다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서와 외부 마이크로컨트롤러와의 SPI 연결 회로도로서 MCU에 전원, 접지, 클럭(SPSCK), MOSI(데이터), MISO(데이터), 셀렉트 라인(select line)인 CS의 6개의 연결이 되어 있음을 알 수 있다.
그리고 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3축 가속도 센서의 SPI 프로토콜 타이밍도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, SPI 통신은 4 라인에 의해 구현될 수 있다. 4개의 라인은 MOSI(master-output/slave-input), MISO(master input/slave-output), SS(slave select), SPSCK(SPI serial clock)이다. 데이터의 전송은 SPI 시프트 레지스터(shift register)에 의해 효과적으로 교환 전송됨을 알 수 있다.
한편 상기 가속도센서 일레멘트(212)는 외부 진동에 의한 가속도가 가해지면 이를 커패시턴스(uF/g)값으로 변환하되, 상기 가속도의 크기와 방향에 따라 상기 커패시턴스 값의 크기를 변화하여 출력하며, 이렇게 출력된 커패시턴스 값은 상기 커패시턴스-전압 변환기(213)로 전송된다.
여기서 상기 가속도센서 일레멘트(212)에서 수행되는 커패시턴스 값으로의 변환 과정을 상세히 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 가속도센서 일레멘트(212)는 일정 간격으로 두고 이격 설치되는 한 쌍의 고정판(212-1)과 상기 한 쌍의 고정판(212-1) 사이에서 유동 가능하도록 배치되는 유동판(212-2)으로 구성되며, 상기 유동판(212-2)은 외부의 진동에 의한 가속도가 가해지면 가속도의 크기와 방향에 따라 상기 한 쌍의 고정판(212-1) 사이에서 유동하게 된다.
초기 정적 평형 상태에서의 상기 고정판(212-1) 간의 길이는 do로 동일하기 때문에 C1과 C2의 커패시턴스는 동일하다. 그러나 가속도가 발생하게 되면 상기 유동판(212-2)에 의해 상호 고정판(212-1) 간의 거리에 차이가 발생하여 일측 커패시턴스는 증가하고 타측 커패시턴스는 감소하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화를 통해 가속도의 방향과 크기를 감지하게 되는 것이다.
이때, 정적 평형 상태에서의 C1과 C2의 커패시턴스 값은 아래 수학식 8에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00011
그리고, 상기 정적 평형 상태에서 왼쪽 방향으로 가속도가 가해졌을 경우 가운데의 유동판(212-2)이 오른쪽으로 움직이게 되므로 상기 C1과 C2의 커패시턴스 값은 아래 수학식 9에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00012
또한, 상기 C1과 C2의 커패시턴스 값의 변화량은 아래의 수학식 10 및 수학식 11에 의해 각각 구해질 수 있으며, 각각의 커패시턴스 변화는 초기 변위에 비해 진폭변화가 매우 적을 때 선형적으로 근사화될 수 있다.
Figure 112014124810353-pat00013
Figure 112014124810353-pat00014
여기서 ε는 커패시터의 유전율(F/m), A는 커패시터의 면적(m2), d0는 초기 변위(m) 그리고 Δd는 변위 변화량(m)이다.
상기 커패시턴스-전압 변환기(CVC)(213)는 상기 가속도센서 일레멘트(212)로부터 입력되는 커패시턴스 값을 전압(mV/uF)으로 변환하고, CVC(213)까지의 민감도는 가속도에 따른 전압으로(mV/g) 계산하여 출력한다.
상기 ΣΔ변조기(214)는 상기 CVC(213)에서 출력되는 전압 값을 입력받고, 전압의 크기에 따라 듀티 싸이클이 다른 디지털 신호로 출력하며, 이때 상기 듀티 싸이클의 크기는 전압의 크기로 표현되는 바, 이에 최종 민감도는 mV/g으로 출력된다.
이와 같이 본 실시 예의 MEMS 가속도 센서(211)에서는 C1과 C2의 커패시턴스 값을 통해 진동에 의한 가속도의 크기와 방향을 파악할 수 있으며, 이러한 계측 데이터는 앞서 설명한 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)으로 전송됨으로써 상기 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)의 분석 데이터로서 활용되는 것이다.
한편, 본 발명의 감시수단은 상술한 구성에 의해 분석 및 예측된 지진 발생에 대하여 그 결과값의 기록 및 저장과 모니터링은 물론 알림을 자동으로 수행할 수 있는 운영서버(240)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 운영서버(240)는 다종의 입력 및 출력 인터페이스를 포함하여 설정값의 입력은 물론 외부 기기들과의 데이터 통신이 가능하며, 요청 정보에 따른 응답 결과를 출력하도록 한다. 바람직하게 상기 입력 및 출력 인터페이스는 하나의 기기를 통해 입력과 출력이 가능한 LCD(246)를 포함할 수 있다.
또한 상기 운영서버(240)는 기설정된 기준값 이상의 데이터가 입력되는 경우 경보를 발생시켜 관리자가 인지하도록 함으로써 신속한 대처가 가능하도록 한다. 그리고 결과값의 기록 및 저장을 통해 데이터베이스화된 데이터는 추후 지진발생 후에 배전반(10)에 대한 내진 설계 및 운영 기준에 중요한 데이터로서 활용될 수 있다.
이러한 상기 운영서버(240)는 도 6에 도시된 바와 같이 센서 수집부(241)와, 진동 가속도 및 스펙트럼 데이터의 저장 및 계측을 위한 DAQ부(242)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센서 수집부(241)는 상기 가속도 센서 유닛(210)과 상기 입력 및 출력 인터페이스를 통해 데이터 통신하여 상기 가속도 센서 유닛(210)으로부터 측정된 진동 가속도의 크기와 방향에 대한 데이터를 입력받게 되고, 이를 상기 DAQ부(242)로 송신한다.
그리고 상기 센서 수집부(241)는 전기적 신호에 의해 상기 가속도 센서 유닛(210)을 정량적으로 가진하도록 하고, 그 가진된 진동 출력은 반도체형 센서를 채용함으로서 센서의 고장 여부를 판단하도록 함으로써 센서의 유지, 보수가 용이해질 수 있도록 한다.
상기 DAQ부(242)는 상기 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)과 연계되는 것으로 메모리(243)를 포함하는 바, 상기 센서 수집부(241)로부터 수신된 진동 가속도 데이터를 포함한 결과값은 물론 상기 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)으로부터 상기 가속도 데이터를 기반으로 하여 산출된 최대 지반가속도 및 SI(스펙트럼 강도)를 포함한 지진 감시 이벤트를 기록 및 저장하고, 이러한 결과값을 포함한 지진 감시 이벤트를 관리자의 요청 시 또는 기설정된 시간에 따라 관리자에게 전송하는 결과 출력부(244)를 포함한다.
뿐만 아니라 상기 DAQ부(242)에 의해 관리자에게 제공되는 정보는 상기 최대 지반가속도 및 SI값에 더하여 비교 분석 프로그램에 의한 지진 경보는 물론 자체적인 자기진단 결과를 포함할 수 있다.
일 예로써, 상기 DAQ부(242)는 상기 입력 및 출력 인터페이스를 통해 입력 및 설정된 기준값과 상기 결과 출력부(244)를 통해 출력된 결과값을 비교분석하는 비교분석부(245)를 포함할 수 있다.
상기 비교분석부(245)는 기준값과 상기 결과값을 비교 분석하며, 기준값보다 결과값이 초과할 경우 지진 경보를 구동시키고 그에 따라 알람이 울리도록 하여 현장의 관리자에게 긴급 상황을 알림으로써 빠른 대처가 가능하도록 한다.
이와 함께 상기 DAQ부(242)는 상기 지진 경보의 구동 정보, 비교 분석에 따라 상기 결과값이 기준값을 초과하는 시점과 해당 결과값 등을 포함하는 지진발생 정보는 물론 이러한 지진 관련 정보들을 이벤트 데이터로 상기 메모리(243)에 저장하는 바, 이때 상기 결과값이 초과하는 제1시간으로부터 전후 제2시간 동안의 이벤트 데이터를 상기 메모리(243)에 저장하는 것으로 바람직하게는 상기 제2시간은 20초 내지 40초일 수 있다.
또한 상기 DAQ부(242)는 Band-Pass Filler를 내장하여 신호 통과 대역폭을 현장의 각 배전반(10)에 맞게 LCD(246)를 통해 입력할 수 있게 하여, 지진의 고유주파수 부근 대역에서 지진파의 강도와 SI를 연산함으로써 정확도를 높이도록 함이 바람직하다.
그리고 상기 DAQ부(242)는 상기 센서 수집부(241)로부터 수신된 진동 가속도 데이터, 상기 진동 가속도 데이터에 의해 산출된 최대 지반가속도 및 SI값은 물론 과거에 발생했던 지진 파형 등을 상기 LCD(246)를 통해 파형 또는 그래프 또는 도형 등으로 표출하여 관리자가 용이하게 지진 상황을 파악할 수 있도록 한다.
예를 들어 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 결과값이 기준값을 초과하는 진동 가속도의 파형과 그에 따른 스펙트럼 분포를 나타내는 등 상기 LCD(246)를 통해 다양한 형태로 결과값에 대한 정보를 표출할 수 있다.
이때 상기 LCD(246)를 통해 표출되는 파형 또는 그래프 또는 도형 등의 크기는 산출된 최대 지반가속도 및 SI값의 크기에 따라 적합한 단위로 환산하여 표출될 수 있도록 함이 바람직하다.
여기서 상기 DAQ부(242)의 최대 지반가속도 및 SI값에 대한 결과값의 산출 과정은 앞서 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)에서 상세히 설명하였으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 운영서버(240)는 상기 가속도 센서 유닛(210)및 진동 계측 제어 DAQ 유닛(220)과 각기 독립적으로 분리된 형태로 기재하고 있으나, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니며 상호 구성들이 일체로 결합된 형태로 구성될 수 있음은 당연하다.
뿐만 아니라 상기 운영서버(240)는 도면에 도시된 바 없으나 웹와 연계될 수 있는 웹 서버를 포함할 수 있는 바, 현장의 관리자는 물론 웹페이지 등을 통해 원격의 관리자에게도 지진 발생에 따른 다양한 정보들을 제공할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같이 배전반(10)의 하부에 하나 이상의 내진댐퍼가 구비됨으로써 지진 발생 시 진동에너지를 흡수 또는 저감시키도록 구성된다.
상기 내진댐퍼는 배전반(10)에 대한 내진 구조를 구현하기 위한 것으로 이하에서 설명하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 내진댐퍼에 한정되지 않으며, 공지 기술 등을 통해 다양하게 적용될 수 있다.
본 실시 예에 따른 내진댐퍼는 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120)로 구성되며 상기 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120) 사이에 마찰패드(130)가 구성되어 체결됨으로서 배전반(10)을 고정하고 있는 지면 구조물(20)에 바람이나 지진이 작용하는 경우에 인방보 등에서 전단력 등이 발생하게 된다.
그리고 상기 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120)의 구조 및 그 사이 마찰패드(130)의 작용으로 이렇게 지진에 의해 지면 구조물에 발생하는 에너지를 흡수할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 내진댐퍼는 에너지를 흡수할 수 있는 방향성에 있어서 상하좌우 모든 변형에 대해 에너지를 흡수할 수 있는 특징이 있으므로 지진에 의해 발생하는 변동 등에 있어 모든 방향에서의 흡수거동이 가능한 특징이 있다.
상기 내진댐퍼(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120)로 구성된다. 그 중 제 1몸체(110)에는 양측단부에 형성되는 평활면의 접합부가 구성되며, 상기 접합부 사이에는 일체로 요홈되는 라운드홈이 구성된다.
이를 더욱 상세히 설명하면 제 1몸체(110)는 바 형상으로 구성되며 바의 양측단부에 접합부가 구성되고 이렇게 접합부 사이에 요홈으로 그 내주연이 라운드 된 라운드홈이 구성되는 것이다.
또한, 제 2몸체는 상기 접합부와 대향하는 평활면의 접합부가 구성되며, 상기 제 2접합부 사이에 상기 라운드홈과 대향하도록 돌출 형성되는 라운드돌기가 구성된다.
상기 제 2몸체는 상기 제 1몸체의 형상과 동일한 형상으로 구성되되 제 1몸체(110)의 라운드홈에 대향하는 위치에 돌출형상의 라운드돌기가 구성됨에 차이가 있다.
이렇게 한 쌍의 몸체(110, 120)가 구성됨에 의해 이하에서 설명할 마찰패드(130)를 사이에 두고 각각의 접합부와 라운드홈 및 라운드돌기가 대향하도록 접하게 됨으로서 한 쌍의 몸체(110, 120)는 힌지연동과 같이 라운드홈 및 라운드돌기를 중심으로 회전연동이 가능하도록 되는 것이다.
상기 마찰패드(130)는 상기 제 1 및 제 2몸체(110, 120)의 라운드홈 및 라운드돌기에 게재되는 구성으로 라운드홈 및 라운드돌기의 각각의 대향면과 같은 너비 및 길이로 형성됨에 특징이 있으며, 상기 마찰패드(130)는 상기 라운드홈 및 라운드돌기의 각각의 대향면과 마찰저항을 일으켜 지진 등에 의해 발생하는 변형을 흡수할 수 있도록 하는 것이다.
특히 상기 마찰패드(130)는 상기 라운드홈 및 라운드돌기 사이에 게재되어 설계지진 보다 큰 최대레벨지진(Maximum Considerable Earthquakes)에서 작동되도록 함으로서 마찰 댐퍼의 기능을 수행하는 것이다.
상기 마찰패드(130)는 다양한 재질로 구성될 수 있으나, 일 예로 알루미늄 또는 알루미늄합금, 합금주철 또는 주강품, 철계 또는 비철계의 주조품, 스테인레스강 또는 스테인레스 합금강으로 제작될 수 있다.
이에 더하여 상기 제 1 및 제 2몸체(110, 120) 사이에서 각각의 접합부 사이에는 고감쇠고무(130-1)가 더 게재되는 바, 상기 고감쇠고무(130-1)의 재질을 한정하지는 않으나, 상기 마찰패드(130)를 구성하는 재질보다 탄성.복원력이 우수한 재질을 사용하는 것이 타당하다.
이렇게 구성됨에 의해 상기 마찰패드(130)는 상기 라운드홈 및 라운드돌기와 마찰저항을 일으켜 설계지진 보다 큰 최대레벨지진(Maximum Considerable Earthquakes)에서 상기 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120)가 힌지연동을 하도록 하는 기능을 하는 것이며, 이러한 작동기작에 기해 상기 고감쇠고무(130-1)가 상기 한 쌍의 제 1 및 제 2몸체(110, 120)에 있어 접합부의 변형을 수용하도록 하여 본 발명의 내진댐퍼가 지진에 의한 에너지를 완전히 흡수할 수 있도록 하는 것이며, 힌지연동에 의한 접합부 파손을 방지함으로서 구조물의 일부를 이루는 내진댐퍼 파괴에 의한 구조물 내구성 저하를 방지할 수 있도록 하는 것이다.
이상 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 배전반 20 : 지면 구조물
210 : 가속도 센서 유닛 211 : MEMS 가속도 센서
212 : 가속도센서 일레멘트 212-1 : 고정판
212-2 : 유동판 213 : 커패시턴스-전압 변환기
214 : ΣΔ변조기 220 : 진동 계측제어 DAQ 유닛
230 : 시그널 컨디셔너 240 : 운영서버
241 : 센서 수집부 242 : DAQ부
243 : 메모리 244 : 결과 출력부
245 : 비교분석부 246 : LCD

Claims (8)

  1. 구조물에 가해지는 진동 에너지에 대한 진동 가속도의 크기와 방향을 검출하고 그에 따른 검출 신호를 송신하는 가속도 센서 유닛을 포함하며 상기 가속도 센서 유닛에서 송신되는 검출 신호를 통해 지진발생 여부와 지진의 세기를 분석하는 감시수단; 및
    상기 구조물과 지면 사이에 구비되어 구조물로 전달되는 진동 에너지를 흡수 또는 저감하기 위한 내진댐퍼;를 포함하며,
    상기 내진댐퍼는,
    한 쌍의 제 1 몸체 및 제 2 몸체를 포함하되,
    상기 제 1몸체와 제 2몸체의 양측단부에는 각각 평활면의 접합부가 각각 구성되고,
    제 1몸체는 바 형상으로 평활면의 접합부 사이에는 요홈으로 그 내주연이 라운드 된 라운드홈이 구성되며,
    제 2몸체는 평활면의 접합부 사이에 상기 라운드홈과 대향하는 라운드돌기가 돌출 구성되며,
    상기 제 1몸체와 제 2몸체 사이에서 상기 라운드돌기 및 상기 라운드홈에 대향하도록 라운드면으로 구성되어 상기 라운드홈에 안치되는 마찰패드가 게재되며,
    상기 제 1몸체와 상기 제 2몸체 양측단부 사이에는 고감쇠고무가 게재되는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구조물에는 배전반, 자동제어반, 태양광구조물이 포함되는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감시수단은,
    상기 가속도 센서 유닛에서 송신된 검출 신호를 입력받고 이를 증폭하여 주파수 대역에 맞는 신호로 변환하는 시그널 컨디셔너; 및
    상기 시그널 컨디셔너에서 변환된 진동 가속도에 대한 검출신호를 수신하여 구조물의 진동 가속도 데이터를 파악하고 이를 기반으로 주파수 응답 스펙트럼을 이용하여 연산 분석함에 의해 구조물에 가해지는 진동에 따른 최대 가속도 및 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity ; SI)를 산출하여 출력하는 진동 계측 제어 DAQ 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가속도 센서 유닛은,
    외부 진동에 의한 3 축 방향의 가속도의 크기와 방향성을 커패시턴스 값을 변환하여 출력하는 가속도 센서 일레멘트;
    상기 가속도 센서 일레멘트로부터 출력되는 커패시턴스 값을 전압값으로 변환하여 출력하는 커패시턴스-전압 변환기; 및
    상기 커패시턴스-전압 변환기에서 출력되는 전압값을 입력받아 전압의 크기에 따라 듀티 싸이클이 다른 디지털 신호로 출력하는 ΣΔ변조기;로 구성되는 MEMS(micro electro mechanical systems) 가속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가속도 센서 일레멘트는,
    일정 간격으로 두고 이격 설치되는 한 쌍의 고정판과 상기 한 쌍의 고정판 사이에서 유동 가능하도록 배치되는 유동판으로 구성되어 초기 정적 평형 상태에서 유동판과 각 고정판 사이에 기준 커패시턴스 값을 가지며, 외부 진동에 따른 가속도가 부여되면 상기 유동판이 어느 일 방향으로 유동됨에 따라 상기 기준 커패시턴스 값이 변화하여 가속도의 크기와 방향에 대응하는 커패시턴스 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가속도 센서 유닛은,
    3축 가속도 센서로서 SPI 통신에 의해 상기 검출 신호를 상기 시그널 컨디셔너로 송신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 감시수단은,
    검출된 진동 가속도 데이터를 포함한 결과값과 출력된 최대 가속도, 최대 변위량 및 스펙트럼 강도(Spectrum Intensity ; SI)를 포함한 지진 감시 이벤트를 기록 및 저장하고 이를 모니터링하며, 기설정된 기준값과 상기 결과값을 비교 분석하여 결과값이 기준값을 초과하는 경우 지진 경보를 출력하도록 하는 운영서버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 신호에 의한 구조물의 지진 감지진단 시스템.
  8. 삭제
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