KR102169504B1 - 관로 변형률 측정장치 및 이를 이용한 관로 연결부의 누수 상태 모니터링 방법 - Google Patents

관로 변형률 측정장치 및 이를 이용한 관로 연결부의 누수 상태 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관로 연결부에서 누수가 발생하는 것을 모니터링하기 위하여 광섬유 센서를 이용하여 관로의 원주방향으로 발행하게 되는 변형률을 측정하되, 관로 연결부에서 원주방향으로 매우 작은 크기의 변형률이 발생하더라도 이를 증폭시켜서 측정함으로써, 관로 연결부의 누수 여부를 정밀하게 측정하여 모니터링할 수 있게 되는 관로 변형률 측정장치와 이를 이용하여 관로 연결부의 누수 여부를 모니터링하는 방법에 관한 것이다.

Description

관로 변형률 측정장치 및 이를 이용한 관로 연결부의 누수 상태 모니터링 방법{Apparatus for Measuring Strain of Pipe, and Method for Monitoring Leakage of Pipe Connection}
본 발명은 관로 연결부의 누수 상태를 모니터링하기 위한 관로 변형률 측정장치 및 이를 이용하여 관로 연결부의 누수 상태를 모니터링 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 관로 연결부에서 누수가 발생하는 것을 모니터링하기 위하여 광섬유 센서를 이용하여 관로의 원주방향으로 발행하게 되는 변형률을 측정하되, 관로 연결부에서 원주방향으로 매우 작은 크기의 변형률이 발생하더라도 이를 증폭시켜서 측정함으로써, 관로 연결부의 누수 여부를 정밀하게 측정하여 모니터링할 수 있게 되는 관로 변형률 측정장치와 이를 이용하여 관로 연결부의 누수 여부를 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
관 부재가 길게 연장된 관로(管路)에서 관이 서로 연결되는 부분 즉, 관로 연결부의 견고한 연결상태 및 누수 방지는 매우 중요하다. 특히, 화학약품 등을 처리하는 방제장치에는 많은 개소의 관로 연결부가 존재하며, 각각의 관로 연결부에서 체결상태를 견고하게 유지하고 약제의 누수가 발생하지 않도록 하는 것이 방제장치의 안전성 확보를 위해서 반드시 갖추어야 하는 필수적인 사항이다.
따라서 관로 연결부의 상태를 지속적으로 모니터링하는 것이 매우 중요한데, 관로의 연결상태 불량은 일반적으로 관로 연결부에서의 관로 변형에 기인한다. 도 1에는 일반적인 관로 연결부를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있는데, 제1관로(210)가 제2관로(220)에 끼워진 관로 연결부에서, 제2관로(220)에 원주방향으로 변형이 발생함으로 인하여 관로 연결부에서 누수 등이 발생하게 된다. 따라서 관로 연결부의 누수 여부를 모니터링하는 것은 결국 관로 연결부에서의 관로 변형에 대한 모니터링 즉, 도 1에서 제2관로(220)에 발생하는 원주방향의 변형을 모니터링하는 것으로 귀결된다.
관로 연결부에서 관로의 원주방향으로 발생하는 변형을 모니터링하는 종래의 방법으로는 선형의 센서를 관로에 감아서 관로의 원주길이의 변화를 측정하는 형태를 이용할 수 있다. 이 때, 관로에 감게 되는 센서로는 FBG(Fiber Bragg Grating;광섬유 브래그 격자) 센서로 대표되는 광섬유 센서를 이용할 수 있다. 대한민국 등록특허 제10-1106975호에는 FBG 센서로 이루어진 광섬유 센서를 이용하여 부재의 변형률을 측정하는 기술의 일예가 개시되어 있다.
관로의 원주방향 변형은 매우 작은 량이라도 발생하게 되면 결국 관로 연결부에서의 누수를 야기하게 되는 바, 종래기술처럼 단순히 광섬유 센서를 관로의 외면에 원주방향으로 감아서 설치하는 것만으로는 매우 작은 크기의 원주방향의 변형을 정확하고 정밀하게 측정하여 모니터링하는 것이 매우 어렵다. 특히, 방제장치와 같이 관로에 유독물질 등이 흐르는 경우에는 매우 작은 원주방향 변형량일지라도 이를 감지하고 측정하여 모니터링하는 것이 매우 중요한 바, 이에 적합하도록 매우 작은 크기로 관로의 원주방향 변형에 대해서도 이를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 기술의 제시가 매우 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1106975호(2012. 01. 30. 공고).
본 발명은 위와 같은 필요성을 충족시키기 위하여 개발된 것으로서, 관로 연결부에서 누수가 발생하는 것을 모니터링하기 위하여 광섬유 센서를 이용하여 관로의 원주방향으로 발행하게 되는 변형률을 측정하되, 관로 연결부에서 원주방향으로 매우 작은 크기의 변형률이 발생하더라도 이를 증폭시켜서 측정함으로써, 관로 연결부의 누수 여부를 정밀하게 측정하여 모니터링할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명은 광섬유 센서를 관로의 원주에 감아서 설치하여 관로의 원주방향으로 발생하게 되는 원주방향 변형률을 측정하되, 원주방향으로의 변형을 크게 증폭시켜서 광섬유 센서에 가해지도록 함으로써, 관의 누수를 야기할 수 있는 매우 작은 크기의 원주방향 변형률이 발생하더라도, 이를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 <관로 변형률 측정장치>와, <이를 이용하여 관로 연결부의 누수여부를 모니터링하는 방법>을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 제2관로의 내부로 제1관로(210)가 끼워지는 관로 연결부에서 제2관로(220)의 원주방향 변형률을 측정하는 장치로서, 원주를 따라 제2관로(220)의 외면에 감아서 설치되는 와인딩 부재(2); 원주방향으로 연장된 중간지지대(10)와, 상기 중간지지대(10)에 일체 구비된 한 쌍의 변형판(11)을 포함하는 변형증폭부재(1); 및 제2관로(220)의 원주방향으로 연장된 상태로 구비되어 신장변형으로 인한 빛 파장의 변화를 감지하여 변형률을 측정하는 광섬유 센서(3)를 포함하여 구성되고; 광섬유 센서(3)는 변형판(11)의 자유단부에서 원주방향으로 연장된 형태로 변형판(11)에 결합 설치되며; 와인딩 부재(2)의 양 단부는 변형판(11)의 중앙에서 중간지지대(10) 쪽에 치우친 위치에서 변형판에 각각 결합되며; 제2관로(220)의 원주방향 변형에 의해 신장력(F)이 가해지게 되면 변형판(11)이 변형되어 광섬유 센서(3)에 인장변형을 가져오게 되어 광섬유 센서(3)에는 제2관로(220)의 원주방향 변형이 증폭되어 가해지는 것을 특징으로 하는 관로 변형률 측정장치가 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 본 발명의 관로 변형률 측정장치를 이용함으로써, 제2관로(220)의 내부로 제1관로(210)가 끼워지는 관로 연결부의 누수를 모니터링하는 방법이 제공되는데, 본 발명의 방법에서는 와인딩 부재(2)를 제2관로(220)의 원주를 따라 제2관로(220)의 외면에 감아서 관로 변형률 측정장치(100)를 제2관로(200)에 설치하고, 제2관로(220)에 발생하는 원주방향의 변형률을 사전 설정값 이상이면 관로 연결부에서 누수가 발생한 것으로 판정하게 된다. 상기한 본 발명의 관로 변형률 측정장치 및 이를 이용한 관로 연결부 누수여부 모니터링 방법에 있어서, 변형증폭부재(1)에서 구비된 한 쌍의 변형판(11)은 각각 중간지지대(10)와 직각을 이루면서 중간지지대(10)에 결합되어 있어서, 변형증폭부재(1)는 ㄷ자 형태로 절곡된 형상을 가질 수 있으며, 더 나아가, 광섬유 센서(3)는 광섬유 브래그 격자 센서로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2관로의 내부로 제1관로가 끼워지는 관로 연결부에서 제2관로의 직경이 증가하도록 원주방향으로 변형이 발생하였을 때, 광섬유 센서에는 변형률이 증폭되어 가해지게 되는 바, 실제 제2관로에 원주방향으로 매우 작은 크기의 변형이 발생하더라도, 광섬유 센서에서는 민감도 극대화를 통해서 변형을 용이하게 감지하고 그 크기(변형률)을 정밀하고 정확하게 측정할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 의하면 누수를 야기하는 매우 작은 크기의 원주방향 변형률이 제2관로에 발생하더라도, 이를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있게 되며 관로 연결부의 누수 여부를 매우 효과적으로 그리고 실시간으로 모니터링할 수 있게 된다.
그러므로 본 발명을 방제장치의 관로 설비에 적용하였을 경우, 방제장치의 관로에서 유독성 물질이 누출되는 것을 효과적으로 예방할 수 있게 되고, 방제장치의 안정적인 운영을 보장할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
도 1은 일반적인 관로 연결부를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 관로 변형률 측정장치가 관로 연결부에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 관로 변형률 측정장치만을 보여주는 개략적인 정면도이다.
도 4는 본 발명의 관로 변형률 측정장치를 이용하여 관로 변형률을 측정하는 상태를 보여주는 도 3에 대응되는 정면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 도 1에 도시된 것처럼 제1관로(210)가 제2관로(220)의 내측에 끼워지는 형태의 관로 연결부에서 제2관로(220)의 원주방향으로 발생하게 되는 변형률을, 편의상 청구범위를 포함한 본 명세서 전체에서는 "관로 변형률"이라고 약칭한다.
도 2에는 본 발명에 따른 관로 변형률 측정장치(100)가 관로 연결부에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 2에서는 제1관로(210), 그리고 제1관로(210)가 내부에 삽입되는 제2관로(220)가 연직방향으로 배치되어 서로 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 설명의 편의를 위하여 예시한 것이며 제1,2관로(210, 220)의 배치 방향을 이에 한정되지 않는다.
도면에 예시된 것처럼, 본 발명에 따른 관로 변형률 측정장치(100)는, 제2관로(220)의 내부로 제1관로(210)가 끼워지는 관로 연결부에서 제2관로(220)의 외면을 원주를 따라 감는 선재(線材)로 이루어진 와인딩(wing) 부재(2)와. 제2관로(220)를 감은 와인딩 부재(2)의 단부 각각이 원주방향으로 양측에 각각 결합되는 ㄷ자 형태의 변형증폭부재(1)와, 상기 변형증폭부재(1)에서 제2관로(220)의 원주방향으로 연장된 상태로 구비되어 신장 변형 발생으로 인한 빛 파장의 변화를 감지하여 변형률을 측정하는 광섬유 센서(3)를 포함하여 구성된다.
도 3에는 도 2에 도시된 본 발명의 관로 변형률 측정장치(100)만을 보여주는 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 와인딩 부재(2)는 케이블 등과 같은 선재로 이루어져서 제2관로(220)의 원주를 감도록 설치된다. 변형증폭부재(1)는 원주방향으로 연장된 중간지지대(10)와, 상기 중간지지대(10)에 일체로 구비된 한 쌍의 변형판(11)을 포함하여 구성되는 부재이다. 도면에서 변형판(11)은 중간지지대(10)의 원주방향 양단에 결합 구비되어 있다. 특히, 도면에서 변형판(11)은 중간지지대(10)와 직각을 이루면서 배치되어 있어서 변형증폭부재(1)가 ㄷ자 형태로 절곡된 형상을 가지고 있으나, 반드시 직각일 필요는 없으며 변형판(11)이 경사지게 중간지지대(10)에 결합될 수도 있다. 즉, 변형판(11)은 원주방향과 반드시 직각일 필요는 없으며 경사를 가질 수도 있는 것이다.
변형판(11)의 자유단부에는 광섬유 센서(3)가 원주방향으로 연장된 형태로 설치된다. 따라서 변형증폭부재(1)에서 양측 변형판(11) 사이에 설치된 광섬유 센서(3)와, 중간지지대(10)는 서로 나란하게 위치한다. 광섬유 센서(3)가 변형판(11)에 설치됨에 있어서, 광섬유 센서(3)와 변형판(11)이 결합되는 부분에서는 광섬유 센서(3)에 슬립이 발생하지 않도록 광섬유 센서(3)와 변형판(11)은 견고하게 일체로 결합된다. 광섬유 센서(3)로는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating 센서)(FBG 센서)가 사용될 수 있다.
제2관로(220)의 원주를 감은 와인딩 부재(2)의 양 단부는 각각 변형판(11)에 결합된다. 와인딩 부재(2)의 양 단부가 변형판(11)에 결합되는 지점은 후술하는 것처럼 변형판(11)에 힘이 가해지는 가력점(加力点)이 되는데, 가력점의 위치는 변형판(11)의 중앙에서 중간지지대(10) 쪽에 치우쳐서 위치한다. 즉, 도면에 도시된 것처럼 가력점에서부터 광섬유 센서(3)가 위치하는 변형판(11)의 자유단부까지의 거리 a1은, 가력점에서부터 중간지지대(10)까지의 거리 a2보다 더 큰 것이다.
제2관로(220)의 내부로 제1관로(210)가 끼워지는 관로 연결부에서의 누수 여부를 모니터링하기 위해서는, 위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 관로 변형률 측정장치(100)를 제2관로(220)의 외부에 설치한다. 관로 변형률 측정장치(100)가 설치된 상태에서 제2관로(220)의 직경이 증가하도록 제2관로(220)에 원주방향으로 변형이 발생하게 되면, 와인딩 부재(2)로 인하여 변형증폭부재(1)의 가력점에는 한 쌍의 변형판(11)을 서로 멀어지게 하는 힘, 즉 신장력(F)이 가해지게 된다. 도 4에는 본 발명의 관로 변형률 측정장치를 이용하여 관로 변형률을 측정하는 상태를 보여주는 도 3에 대응되는 정면도가 도시되어 있다. 도 4에서 점선은 도 3의 상태를 나타낸다.
이와 같이 변형판(11)의 가력점에, 제2관로(220)의 원주방향 변형에 의해 신장력(F)이 가해지게 되면 변형판(11)이 회전변형 또는 휨변형되고, 이러한 변형판(11)의 변형은 결국 광섬유 센서(3)에 인장변형을 가져오게 되며, 광섬유 센서(3)에서는 인장변형에 따른 빛의 파장 변화 등을 감지하여 변형률을 측정하게 된다. 광섬유 센서(3)에서 측정된 변형률은, 변형증폭부재(1)를 이루는 각 부분의 기하적인 형상(길이 등의 제원)과 재료적인 특성(변형판의 휨강성 등)을 기초로 하여, 실제 가력점에서 발생된 원주방향의 변형률로 변환시킬 수 있으며, 이를 통해서 실제 제2관로(220)에서 원주방향으로 발생된 변형률을 산출하게 된다.
앞서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 관로 변형률 측정장치(100)에서는 변형판(11)에서 가력점이 편심을 가지도록 위치하고 있다. 즉, 광섬유 센서(3)는 변형판(11)의 자유단부에 결합 고정되어 있고, 와인딩 부재(2)의 변형판(11)에 결합되는 가력점은 중간지지대(10) 쪽에 치우쳐 있어서, 가력점에서부터 광섬유 센서(3)가 위치하는 변형판(11)의 자유단부까지의 거리 a1가 가력점에서부터 중간지지대(10)까지의 거리 a2보다 더 크다. 이러한 구성을 가지고 있기 때문에, 가력점에 신장력(F)이 가해지게 되었을 때, 가력점에서 발생하는 실제 변형률보다 더 큰 변형률이 광섬유 센서(3)에 가해지게 된다. 즉, 제2관로(220)의 원주방향으로 발생하게 되는 변형률이 증폭되어 광섬유 센서(3)에 가해지게 되는 것이다.
이와 같이, 광섬유 센서(3)에는 변형률이 증폭되어 가해지게 되는 바, 실제 제2관로(220)에 원주방향으로 매우 작은 크기의 변형이 발생하더라도, 광섬유 센서(3)에서는 이를 용이하게 감지하고 그 크기(변형률)을 정밀하고 정확하게 측정할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서는 제2관로(220)에 발생하는 원주방향의 변형을 증폭하여 광섬유 센서(3)에 가하게 되므로, 광섬유 센서(3)의 민감도를 극대화시키게 되는 것이다. 그러므로 누수를 야기하는 매우 작은 크기의 원주방향 변형률이 제2관로(220)에 발생하더라도, 이를 증폭시켜서 광섬유 센서(3)에 발생하게 만들어서 정확하고 정밀하게 측정할 수 있게 되며, 관로 연결부의 누수 여부를 매우 효과적으로 그리고 실시간으로 모니터링할 수 있게 된다.
본 발명의 방법에서는 위와 같은 본 발명의 관로 변형률 측정장치(100)를 이용하여 측정된 제2관로(220)의 원주방향 변형률이 사전에 정한 기준 이상이 되면 관로 연결부에서 누수가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
화학약품 등을 처리하는 방제장치에는 많은 개소의 관로 연결부가 존재하는 바, 본 발명을 방제장치의 관로 설비에 적용하였을 경우, 방제장치의 관로 연결부에서 체결상태를 견고하게 유지하고 약제의 누수가 발생하지 않게 예방할 수 있게 되며, 그에 따라 방제장치의 안정적인 운영을 보장할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
1: 변형증폭부재
2: 와인딩 부재
3: 광섬유 센서
10: 중간지지대
11: 변형판
100: 관로 변형률 측정장치
210: 제1관로
220: 제2관로

Claims (4)

  1. 제2관로의 내부로 제1관로가 끼워지는 관로 연결부에서 제2관로의 원주방향 변형률을 측정하는 장치로서,
    원주를 따라 제2관로의 외면에 감아서 설치되는 와인딩 부재;
    원주방향으로 연장된 중간지지대와, 상기 중간지지대에 일체 구비된 한 쌍의 변형판을 포함하는 변형증폭부재; 및
    제2관로의 원주방향으로 연장된 상태로 구비되어 신장변형으로 인한 빛 파장의 변화를 감지하여 변형률을 측정하는 광섬유 센서를 포함하여 구성되고;
    변형증폭부재에서 한 쌍의 변형판은 각각 중간지지대와 직각을 이루면서 중간지지대에 결합되어 있어서, 변형증폭부재는 ㄷ자 형태로 절곡된 형상을 가지며;
    광섬유 센서는 변형판의 단부에서 원주방향으로 연장된 형태로 변형판에 결합 설치되어, 변형증폭부재에서 양측 변형판 사이에 설치된 광섬유 센서와, 중간지지대는 서로 나란하게 위치하며;
    와인딩 부재의 양 단부가 변형판에 결합되는 가력점에서부터 광섬유 센서가 위치하는 변형판의 자유단부까지의 거리 a1이, 가력점에서부터 중간지지대까지의 거리 a2 보다 더 크도록, 와인딩 부재의 양 단부는 변형판의 중앙에서 중간지지대 쪽에 치우친 위치에서 변형판에 각각 결합되며;
    제2관로의 원주방향 변형에 의해 변형증폭부재의 가력점에 신장력이 가해지게 되면 변형판이 변형되어 광섬유 센서에 인장변형을 가져오게 되어 광섬유 센서에는 제2관로의 원주방향 변형이 증폭되어 가해지는 것을 특징으로 하는 관로 변형률 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    광섬유 센서는 광섬유 브래그 격자 센서인 것을 특징으로 하는 관로 변형률 측정장치.
  4. 제2관로의 내부로 제1관로가 끼워지는 관로 연결부의 누수를 모니터링하는 방법으로서,
    원주를 따라 제2관로의 외면에 감아서 설치되는 와인딩 부재와, 상기 와인딩 부재(2)의 양단부 사이에 설치되는 변형증폭부재와, 제2관로의 원주방향으로 연장된 상태로 구비되어 신장변형으로 인한 빛 파장의 변화를 감지하여 변형률을 측정하는 광섬유 센서를 포함하여 구성되는 관로 변형률 측정장치를 이용하는데;
    변형률 측정장치에서, 변형증폭부재는, 원주방향으로 연장된 중간지지대(10)와, 상기 중간지지대에 일체 구비된 한 쌍의 변형판을 포함하여 구성되는데, 변형증폭부재에서 한 쌍의 변형판은 각각 중간지지대와 직각을 이루면서 중간지지대에 결합되어 있어서, 변형증폭부재는 ㄷ자 형태로 절곡된 형상을 가지며; 광섬유 센서는 변형판의 단부에서 원주방향으로 연장된 형태로 변형판에 결합 설치되어, 변형증폭부재에서 양측 변형판 사이에 설치된 광섬유 센서와, 중간지지대는 서로 나란하게 위치하며; 와인딩 부재의 양 단부가 변형판에 결합되는 가력점에서부터 광섬유 센서가 위치하는 변형판의 자유단부까지의 거리 a1이, 가력점에서부터 중간지지대까지의 거리 a2 보다 더 크도록, 와인딩 부재의 양 단부는 변형판의 중앙에서 중간지지대 쪽에 치우친 위치에서 변형판에 각각 결합되어 있어서, 제2관로의 원주방향 변형에 의해 변형증폭부재의 가력점에 신장력이 가해지게 되면 변형판이 변형되어 광섬유 센서에 인장변형을 가져오게 되어 광섬유 센서에는 제2관로의 원주방향 변형이 증폭되어 가해지는 구성을 가지며;
    와인딩 부재를 제2관로의 원주를 따라 제2관로의 외면에 감아서 관로 변형률 측정장치를 제2관로에 설치하고,
    제2관로에 발생하는 원주방향의 변형률을 사전 설정값 이상이면 관로 연결부에서 누수가 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 관로 연결부의 누수여부 모니터링 방법.
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