KR102471231B1 - 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법 - Google Patents

Abstract

본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템은, 지지부를 포함하는 강자성체 프레임; 지지부를 따라 할바흐 배열에 의해 미리 정해진 방향으로 배치된 복수의 솔레노이드 모듈을 포함하고, 미리 정해진 방향으로 복수의 자력선을 생성하는 자화 장치; 복수의 자력선과 연관된 자속밀도 변화를 계측하는 감지 장치; 및 감지 장치와 연동되어 자화 장치를 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법{EXTERNAL MAGNETIZATION SYSTEM USING PLURALITY OF SOLENOID MODULES WITH HALBACH ARRAY AND OPERATION METHOD THEREFOR}

본 명세서는 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 자성체의 응력 상태에 따라 투자율이 변하는 역자기변형 효과(Inverse Magnetostrictive Effect)를 이용하여 프리스트레스트 콘크리트 부재의 긴장응력을 측정하기 위하여 프리스트레스트 콘크리트 교량 거더 (이하, 'PSC 거더')에 포함된 PS 강재(예로, PS 텐던 및 강봉)를 자화시키는 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법에 관한 것이다.

프리스트레스트 콘크리트 교량(이하, 'PSC 교량')은 PS 강재를 사용하여 프리스트레스트 콘크리트 부재(이하, 'PC 부재')에 긴장력을 도입하여 처짐이나 균열을 줄인 구조를 갖는 교량을 의미한다.

특히, 현재 공용 중인 PCS Ⅰ형 교량의 노후화로 인하여 안전등급은 지속적으로 낮아지고 있으며, 노후화된 PCS 구조물에서 긴장력의 손실에 따른 교량 붕괴의 위험성은 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.

노후화된 PCS 교량의 유지관리를 위하여 정기적인 안전검사가 이루어지고 있으나 프리스트레스트 콘크리트 부재에 대한 긴장력에 대한 검사가 아닌 외부 균열, 처짐량 등 육안 검사 위주로 이루어지고 있는 실정으로, 이로 인해 PCS 교량에 균열이 발생한 이후에는 해당 교량의 안전성을 보장하기 어려운 실정이다.

특히, 종래 PSC 거더의 외부에서 전체적으로 자기장을 가하게 되면 콘크리트 및 철근으로 인한 자기장 차폐 현상으로 인해 심부의 PS 텐던까지 외부 자기장이 도달하지 못하기 때문에, PSC 거더 내부를 완전히 계측하기 어려운 한계가 존재하였다.

이에 따라, PSC 교량의 긴장력을 계측하기 위하여 초음파와 탄성파 속도를 이용한 긴장력 추정 기법, 진동 특성을 이용한 긴장력 추정 기법 및 자기장을 이용한 긴장력 추정기법 등 긴장력 계측을 위한 비파괴 검사법에 대한 연구가 진행되고 있다.

특히, PSC 박스교의 경우에는 거더의 양단에 자화 장치를 설치하기가 어려울 뿐만 아니라 교량 심부의 PS 텐던의 자화를 위한 자속 밀도가 충분하지 않다는 문제점이 존재한다.

종래 제안으로 '역자기변형 현상과 유도자기장을 이용한 프리스트레스트 강재의 긴장응력 및 부식정도의 측정 방법 및 이를 위한 전자석 장치'에 관한 공개특허 제10-2015-0073349 호를 참조할 수 있다.

본 명세서의 목적은 한 쪽의 자화 장치만을 이용하는 단면 자화 기능이 구현될 뿐만 아니라 소형화에 유리한 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템은, 지지부를 포함하는 강자성체 프레임; 지지부를 따라 할바흐 배열에 의해 미리 정해진 방향으로 배치된 복수의 솔레노이드 모듈을 포함하고, 미리 정해진 방향으로 복수의 자력선을 생성하는 자화 장치; 복수의 자력선과 연관된 자속밀도 변화를 계측하는 감지 장치; 및 감지 장치와 연동되어 자화장치를 제어하는 제어 장치를 포함하다.

본 일 실시 예에 따르면, 한 쪽의 자화 장치만을 이용하는 단면 자화 기능이 구현될 뿐만 아니라 소형화에 유리한 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템 및 이를 위한 동작 방법이 제공된다.

구체적으로, 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 있어서, 할바흐 배열을 갖는 솔레노이드 구조의 적용으로 기존의 판 형태의 강자성체에 코일을 감는 방식 대비 자기장의 세기가 약 2배 증가하여 PS 텐던까지 자기장의 도달이 용이해짐에 따라 보다 정확한 잔여 긴장력 추정이 가능해질 수 있다.

또한, 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템은 기존 대비 소형화에 유리한 구조로 PSC 거더의 모양 및 검사 부위에 따른 제약에서 비교적 자유롭게 적용 가능하다는 장점이 존재한다.

도 1은 외부에서 발생되는 복수의 자기장의 합성 자기장 집속 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 할바흐 배열의 배치에 따른 자계 형성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈의 배치에 따른 자계 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템을 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 관한 블록도이다.
도 6은 본 일 실시 예에 따른 단일 솔레노이드 모듈의 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 대한 시뮬레이션 결과 화면을 보여준다.
도 9는 본 다른 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템을 보여주는 사시도이다.
도 10은 본 다른 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 대한 시뮬레이션 결과 화면을 보여준다.

전술한 특성 및 이하 상세한 설명은 모두 본 명세서의 설명 및 이해를 돕기 위한 예시적인 사항이다. 즉, 본 명세서는 이와 같은 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 다음 실시 형태들은 단지 본 명세서를 완전히 개시하기 위한 예시이며, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들에게 본 명세서를 전달하기 위한 설명이다. 따라서, 본 명세서의 구성 요소들을 구현하기 위한 방법이 여럿 있는 경우에는, 이들 방법 중 특정한 것 또는 이와 동일성 있는 것 가운데 어떠한 것으로든 본 명세서의 구현이 가능함을 분명히 할 필요가 있다.

본 명세서에서 어떤 구성이 특정 요소들을 포함한다는 언급이 있는 경우, 또는 어떤 과정이 특정 단계들을 포함한다는 언급이 있는 경우는, 그 외 다른 요소 또는 다른 단계들이 더 포함될 수 있음을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 특정 실시 형태를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 명세서의 개념을 한정하기 위한 것이 아니다. 나아가, 발명의 이해를 돕기 위해 설명한 예시들은 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들이 일반으로 이해하는 의미를 갖는다. 보편적으로 사용되는 용어들은 본 명세서의 맥락에 따라 일관적인 의미로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은, 그 의미가 명확히 정의된 경우가 아니라면, 지나치게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다. 이하 첨부된 도면을 통하여 본 명세서의 실시 예가 설명된다.

본 명세서에서 언급되는 “횡방향”은 PS 강재(21)가 길게 배치되어 PC 부재(2)에 긴장력이 도입되는 방향(예로, 도 2의 Z축)에 수평하게 직교하는 PC 부재(2)의 폭 방향(예로, 도 2의 Y축)을 의미한다.

한편, 본 명세서에서 언급되는 “종방향”은 PC 부재(2)의 폭 방향(예로, 도 1의 Y축)에 수직으로 직교하는 외부 자화 시스템(200)의 높이 방향(예로, 도 2의 X축)을 의미한다.

도 1은 외부에서 발생되는 복수의 자기장의 합성 자기장 집속 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 명세서는 몇 개의 직류 제어 전송(Tx) 코일을 사용하여 자기장의 벡터를 적절하게 제어할 수 잇는 자기장 집속(Synthesized Magnetic eld Focusing, 이하 'SMF') 기술에 관한 것이다.

본 명세서에서, 각각 개별 전류 소스와 점으로 표시되는 Tx 코일 및 수신(Rx) 지점의 배열은 도 1의 (a)와 같이 모델링될 수 있다.

한편, Rx 평면에 집중된 자기장 분포를 얻기 위하여, 각 전류 소스의 크기가 결정되어야 한다.

한편, 도 1의 (b)를 참조하면, 자유 공간(free space)에서 전류원(

)으로부터 생성된 자기장 밀도벡터(

)는 Biot-Savart 법칙에 따라 1차원 모델에 대해 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

참고로, 상기 수학식 1의 k와 l은 모두 1 이상의 정수로 정의될 수 있다.

한편, 상기 수학식 1의

은 하기 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

한편, 모든 전류 소스들에 의해 만들어진 모든 기여의 합인 총 자기장 밀도(

)는 하기 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.

도 1에서 언급된 수학식 1 내지 수학식3을 참고하면, 특정 시스템 상에 인가되는 전류 값들을 조정하는 방식으로 사용자가 원하는 위치에 자기장의 집속이 가능함은 이해될 것이다.

도 1에서 설명된 합성 자기장 집속 원리에 관하여는 2016년 IEEE MAGNETICS LETTERS(volume7)에서 발표된 논문(Synthesized Magnetic Field Focusing Using a Current-Controlled Coil Array)에서 더 상세하게 설명되고 있다.

도 2는 할바흐 배열에 따른 자계 형성을 설명하기 위한 개념도이다.

참고로, 할바흐 배열은 1979년 Klaus Halbach에 의하여 처음 제안된 것으로, 복수 개의 자석을 조합하여 특정한 시스템에서 요구되는 자계분포를 발생킬 수 있다.

즉, 할바흐 배열에 따라 다수의 자석(즉, 영구자석)을 배치하는 경우, 전체 시스템을 위한 자계의 세기 및 방향이 변화될 수 있다.

예를 들어, 도 2와 같은 할바흐 배열에 따라 다수의 자석(예로, 솔레노이드 모듈)을 배치 시, 일측 방향(예로, 아랫쪽)에 형성되는 자계는 감소(cancelled)되고 타측 방향(예로, 위쪽)에 형성되는 자계는 일정한 크기만큼 집중(augmented)될 수 있다.

또한, 도 2에시된 자석(예로, 솔레노이드 모듈)의 개수는 일 예시일 뿐이며, 본 명세서가 이에 한정되는 것이 아님은 이해될 것이다.

즉, 후술되는 도 3 및 도 4와 같이 3개의 자석(예로, 솔레노이드 모듈)을 포함하도록 자화 장치를 구성하거나 도 9와 같이 3개의 자석(예로, 솔레노이드 모듈)을 포함하도록 자화 장치를 구성할 수도 있다.

도 3은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈의 배치에 따른 자계 형성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 다수의 자석(즉, 영구자석)은 본 일 실시 예에 따른 복수의 솔레노이드 모듈에 상응하는 것으로 이해될 수 있다. 도 3에 도시된 자석(즉, 영구자석)은 3개이나, 본 명세서가 이에 한정되는 것은 아니며, 5개 또는 그 이상의 자석(즉, 영구자석)을 포함할 수 있음은 이해될 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 3의 복수의 솔레노이드 모듈은 3개의 솔레노이드 모듈(310_1~310_3)이 하나의 군을 형성하는 것으로 이해될 수 있다.

도 3의 (a)을 참조하면, 도 3의 (a)의 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 N, S 극은 제1 방향(도 3의 X 방향, 종방향)을 따라 배치될 수 있다.

도 3의 (a)의 제2 솔레노이드 모듈(310_2)은 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 N극과 연관된 일단에 배치될 수 있다. 이 경우, 도 3의 (a)의 제2 솔레노이드 모듈(310_2)은 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)을 따라 S, N 극이 배치될 수 있다.

도 3의 (a)의 제3 솔레노이드 모듈(310_3)은 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 S극과 연관된 일단에 배치될 수 있다. 도 3의 (a)의 제3 솔레노이드 모듈(310_3)은 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)을 따라 N, S 극이 배치될 수 있다.

이 경우, 도 3의 (a)에 도시된 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈(310_1~310_3)에 의하여 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)으로 자계가 집중됨(augmented)은 이해될 것이다.

도 3의 (b)를 참조하면, 도 3의 (b)의 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 S, N 극은 제1 방향(도 3의 X 방향, 종방향)을 따라 배치될 수 있다.

도 3의 (b)의 제2 솔레노이드 모듈(310_2)은 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 S극과 연관된 일단에 배치될 수 있다. 이 경우, 도 3의 (b)의 제2 솔레노이드 모듈(310_2)은 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)을 따라 S, N 극이 배치될 수 있다.

도 3의 (b)의 제3 솔레노이드 모듈(310_3)은 제1 솔레노이드 모듈(310_1)의 N극과 연관된 일단에 배치될 수 있다. 도 3의 (b)의 제3 솔레노이드 모듈(310_3)은 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)을 따라 N, S 극이 배치될 수 있다.

도 3의 (b)에 도시된 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈(310_1~310_3)에 의하여 제2 방향(도 3의 Y 방향)의 반대 방향(도 3의 Y' 방향)으로 자계가 집중됨(augmented)은 이해될 것이다.

도 3의 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈의 적용을 통해, 제2 방향(도 3의 Y 방향) 또는 제2 방향의 반대 방향(도 3의 Y' 방향)으로 자계가 집중적으로 형성되는 단면 자화 기능이 구현될 수 있음은 이해될 것이다.

도 4는 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템을 보여주는 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템(400)은 지지 프레임(S_FRM), 자화 장치(410), 감지 장치(420) 및 제어 장치(미도시)를 포함할 수 있다.

도 4의 지지 프레임(S_FRM)은 종방향(X축)에 평행하게 배치될 수 있다. 지지 프레임(S_FRM) 사이에는 할바흐 배열에 따라 미리 결정된 개수 및 방향을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)이 놓일 수 있다.

도 4의 자화 장치는 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)을 포함할 수 있고, 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)은 전술한 도 3의 (a)와 동일한 개수 및 N, S극의 방향을 갖도록 설정될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 도 4의 복수의 솔레노이드 모듈의 개수(3개) 및 설치 방향은 일 예시일 뿐이며, 본 명세서가 이에 한정되는 것이 아님은 이해될 것이다.

이 경우, 도 4의 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)은 제어 장치(미도시)의 제어에 따라 미리 정해진 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)으로 집중된(augmented) 복수의 자력선을 생성할 수 있다.

이 경우, 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)에 의하여 미리 정해진 제2 방향(도 3의 Y 방향, 횡방향)을 따라 집중적으로 생성되는 복수의 자력선은 PC 부재(2) 내 심부에 위치한 PS 강재(21)를 자화시킬 수 있다.

도 4의 감지 장치(420)는 지지 프레임(S_FRM) 상 미리 정해진 위치에 배치될 수 있다.

예를 들어, 도 4의 감지 장치(420)는 PS 강재(21)의 자화 정도와 연관된 복수의 자력선의 자속 밀도의 변화(즉, 자기장의 세기)를 계측하기 위한 하나 이상의 홀 센서(Hall sensor) 또는 하나 이상의 자기 저항 효과(Magneto Resistance) 센서를 기반으로 구현될 수 있다.

도 4의 감지 장치(420)에 의해 계측된 자속 밀도의 변화에 관한 정보는 제어 장치(미도시)로 전달될 수 있다. 이 경우, 제어 장치(미도시)는 하나 이상의 홀 센서 또는 하나 이상의 자기 저항 효과(MR) 센서로 구현된 감지 장치(420)와 연동되어 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)을 독립적으로 제어하도록 구현될 수 있다.

본 명세서에서, 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)은 앞서 설명된 도 1의 복수의 자기장의 합성 자기장 집속 원리를 기반으로 제어모듈(미도시)로부터 인가되는 전류 값을 개별적으로 조정함으로써 특정 위치의 자기장을 증폭시키거나 감쇄시키도록 구현될 수 있다.

또한, 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)은 앞서 설명된 도 3의 할바흐 배열 원리를 기반으로 특정 위치의 타겟을 자화시키도록 구현될 수 있다.

도 5는 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 관한 블록도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 도 5의 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템(500)은 자화 장치(510), 감지 장치(520) 및 제어 장치(530)를 포함할 수 있다.

도 5의 자화 장치(510)는 앞선 도 4의 자화 장치(410)와 상응하는 구성으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 도 5의 자화 장치(510)는 제어 장치(530)의 제어에 따라 복수의 솔레노이드 모듈(예로, 도 4의 410_1~410_3)에 의한 복수의 자력선을 생성(즉, 자기장을 생성)할 수 있다.

일 예로, 특정 위치에 상응하는 자기장의 증폭 또는 감쇄를 위하여는, 복수의 솔레노이드 모듈(예로, 도 4의 410_1~410_3) 각각을 위해 개별적으로 설정된 복수의 입력전류가 제어 장치(530)로부터 인가될 수 있다.

도 5의 감지 장치(520)는 미리 정해진 위치에 구비된 하나 이상의 홀 센서 또는 하나 이상의 자기 저항 효과(Magneto Resistance, 이하 'MR') 센서를 기반으로 구현될 수 있다.

여기서, 복수의 홀 센서 또는 하나 이상의 자기 저항 효과(MR) 센서는 PS 강재(예로, 도 4의 21)와 연관된 복수의 자력선의 자속밀도 변화를 계측할 수 있다.

도 5의 제어 장치(530)는 감지 장치(520)와 연동되어 자화장치(510)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

즉, 제어 장치(530)는 감지 장치(520)로부터 계측된 정보를 기반으로 역자기변형효과에 따른 자성체(즉, 강재)의 응력 변화를 연산하도록 구현될 수 있다.

한편, 제어 장치(530)은 적어도 하나의 프로세서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 및 통신 버스를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 제어 장치(530)로 하여금 앞서 언급된 예시적인 실시 예에 따라 동작하도록 할 수 있다.

예컨대, 프로세서는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행할 수 있다. 상기 하나 이상의 프로그램들은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 상기 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서에 의해 실행되는 경우 제어 장치(530)로 하여금 예시적인 실시 예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.

한편, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 프로그램은 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다.

일 실시 예에서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 제어 장치(530)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.

한편, 통신 버스는 프로세서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하여 제어 장치(530)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결할 수 있다.

제어 장치(530)는 또한 하나 이상의 입출력 장치를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스 및 하나 이상의 네트워크 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.

입출력 인터페이스 및 네트워크 통신 인터페이스는 통신 버스에 연결될 수 있다. 입출력 장치는 입출력 인터페이스를 통해 제어 장치(530)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다.

예시적인 입출력 장치는 포인팅 장치(마우스 또는 트랙패드 등), 키보드, 터치 입력 장치(터치패드 또는 터치스크린 등), 음성 또는 소리 입력 장치, 다양한 종류의 센서 장치 및/또는 촬영 장치와 같은 입력 장치, 및/또는 디스플레이 장치, 프린터, 스피커 및/또는 네트워크 카드와 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.

예시적인 입출력 장치는 제어 장치(530)를 구성하는 일 컴포넌트로서 제어 장치(530)의 내부에 포함될 수도 있고, 제어 장치(530)와는 구별되는 별개의 장치로 프로세서와 연결될 수도 있다.

도 5에 도시되진 않으나, 본 일 실시 예에 따른 제어 장치(530)는 복수의 솔레노이드 모듈(예로, 도 4의 410_1~410_3)에 인가되는 입력전류를 위한 전원 공급 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다.

여기서, 전원 공급 모듈(미도시)은 복수의 솔레노이드 모듈(예로, 도 4의 410_1~410_3) 각각을 위한 개별적인 입력 전류를 생성하기 위하여 하나 이상의 파워 앰프(power amp)를 포함하도록 구현될 수 있다.

도 6은 본 일 실시 예에 따른 솔레노이드 모듈의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 6에 도시된 하나의 솔레노이드 모듈(60)의 구조는 앞선 도 4의 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)에 적용되는 것임은 이해될 것이다.

도 6을 참조하면, 솔레노이드 모듈(60)은 보빈(611) 및 도선(613)을 이용하여 구현될 수 있다.

예를 들어, 보빈(611)에는 미리 정해진 재질(예로. 니켈 합금)이 사용될 수 있다. 도선(613)은 미리 정해진 두께(예로, 2ø)를 갖는 구리선일 수 있다.

또한, 보빈(611)에는 미리 정해진 개수 층(예로, 6 layer)의 각 층마다 도선(613)이 미리 정해진 권선수(N, 예로, 40 turn)만큼 미리 정해진 방향에 따라 권선될 수 있다.

즉, 하나의 보빈(611)에는 도선(613)이 총 권선 수(N', 예로, 240 turn)만큼 권선될 수 있다.

예를 들어, 솔레노이드 모듈(60)에 의해 발생되는 자기장의 크기는 앞선 제어 장치(예로, 도 5의 530)로부터 인가되는 전류의 크기 및 방향에 따라 결정될 수 있음은 이해될 것이다.

도 7은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, S710 단계에서, 본 일 실시 예에 따른 외부 자화 시스템(예로, 도 5의 500)은 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈(예로, 도 4의 410_1~410_3)을 이용하여 미리 정해진 방향(예로, 도 4의 Y방향, 횡방향)으로 복수의 자력선(즉, 자기장)을 발생시킬 수 있다.

S720 단계에서, 본 일 실시 예에 따른 외부 자화 시스템(예로, 도 5의 500)은 미리 정해진 위치에 구비된 하나 이상의 자기 저항 효과(MR) 센서를 포함하는 감지 장치(예로, 도 5의 520)의 감지 동작을 기반으로 기 발생된 복수의 자력선(즉, 자기장)에 대한 자속밀도의 변화를 탐지할 수 있다.

여기서, 복수의 자력선의 자속밀도 변화와 연관된 탐지정보는 제어 장치(예로, 도 5의 530)로 전달될 수 있다.

S630 단계에서, 본 일 실시 예에 따른 외부 자화 시스템(예로, 도 5의 500)은 자속밀도 변화와 연관된 탐지정보를 기반으로 PS 강재(예로, 도 5의 21)의 응력 변화를 파악할 수 있을 뿐만 아니라 PS 강재(예로, 도 5의 21)의 긴장 응력을 도출할 수 있다.

앞서 배경기술과 관련하여 언급한 것처럼, 자기 물리(Physics of Magnetic Material) 분야에서 널리 알려진 빌레리 효과(Villari Effect) 또는 역자기변형효과에 의하면 자성체인 강재의 응력 변화는 투자율의 변화를 동반한다.

여기서, 강재의 응력 변화와 투자율의 변화에 대한 수학적 관계는 대한민국 등록특허 제10-0573735호를 비롯하여 다양한 공지 기술을 통해 이미 알려져 있다.

본 일 실시 예에 따르면, 기존 정밀 안전진단 기법으로 확인이 불가능한 노후 PSC 교량의 심부까지 자기장이 도달할 수 있기 때문에 교량에 대한 긴장력 및 내부 상태를 더욱 정밀하게 진단할 수 있다.

구체적으로, 본 일 실시 예에 따르면, 할바흐 배열을 갖는 솔레노이드 구조의 적용으로 기존의 판 형태의 강자성체에 코일을 감는 방식 대비 자기장의 세기가 약 2배 증가하여 PS 텐던까지 자기장의 도달이 용이해짐에 따라 보다 정확한 잔여 긴장력 추정이 가능해질 수 있다.

또한, 본 일 실시 예에 따르면, 기존 대비 소형화에 유리한 구조로 PSC 거더의 모양 및 검사 부위에 따른 제약에서 비교적 자유롭게 적용 가능하다는 장점이 존재한다.

도 8은 본 일 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 대한 시뮬레이션 결과 화면을 보여준다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 도 8의 (a)의 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(810_1~810_3)은 전술한 도 4의 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)과 상응하는 구성으로 이해될 수 있다.

한편, 도 5의 자화장치(510)는 전술한 바와 같이 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(410_1~410_3)를 기반으로 구현될 수 있다.

한편, 도 8의 (b)는 본 일 실시 예에 따른 외부 자화 시스템의 동작에 대한 X-Y 평면 상에서 자화 정도를 나타내는 시뮬레이션 결과 화면에 해당하며, 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(810_1~810_3)의 일 측면에 Ⅰ형 거더를 두고 유한요소 해석을 진행한 화면으로 이해될 수 있다.

즉, 본 일 실시 예에 따른 외부 자화 장치의 단방향 자화 성능이 우수하여, 일 측에 구비된 복수의 솔레노이드 모듈(810_1~810_3)에 의해 발생된 자기장은 쉬스관을 일부 통과하여 텐던까지 도달하는 것으로 확인된다.

도 9는 본 다른 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템을 보여주는 사시도이다.

도 1 내지 도 9을 참조하면, 도 9의 복수의 솔레노이드 모듈(910_1~910_5)은 앞선 도 2에서 언급된 할바흐 배열에 따른 방향으로 배치됨으로써 미리 정해진 방향(예로, 도 9의 Y방향, 횡방향)으로 집중된(augmented) 복수의 자력선을 생성할 수 있다.

도 9의 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(910_1~910_5)의 배치는 일 예일 뿐이며, 자화를 위한 타켓 위치에 따라 복수의 솔레노이드 모듈(910_1~910_5)의 배치는 변경될 수 있음은 이해될 것이다.

도 10은 본 다른 실시 예에 따른 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템에 대한 시뮬레이션 결과 화면을 보여준다.

도 1 내지 도 10을 참조하면, 도 10의 (a)의 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(1010_1~1010_5)에는 개별적인 크기의 입력 전류가 인가될 수 있음은 이해될 것이다.

한편, 도 10의 (b)는 본 다른 실시 예에 따른 외부 자화 시스템의 동작에 대한 X-Y 평면 상에서 자화 정도를 나타내는 시뮬레이션 결과 화면에 해당하며, 할바흐 배열에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(1010_5~1010_5)의 일 측면에 Ⅰ형 거더를 두고 유한요소 해석을 진행한 화면으로 이해될 수 있다.

이 경우, 본 다른 실시 예에 따른 복수의 솔레노이드 모듈(1010_5~1010_5)에 의해 발생되는 자속 밀도는 기존 판 형태의 프레임에서 발생되는 자속 밀도 대비 약 10,000 배 가량 큰 것으로 확인되었다.

즉, 본 다른 실시 예에 따른 외부 자화 장치의 단방향 자화 성능이 우수하여, 일 측에 구비된 복수의 솔레노이드 모듈(1010_1~1010_5)에 의해 발생된 자기장은 쉬스관을 일부 통과하여 텐던까지 도달하는 것으로 확인된다.

본 명세서의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 명세서의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 명세서의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

500: 외부 자화 시스템
510: 자화 장치
520: 감지 장치
530: 제어 장치

Claims (6)

1. 하나의 지지 프레임;
   상기 하나의 지지 프레임을 따라 할바흐 배열(halbach array)에 의해 미리 정해진 방향으로 배치된 복수의 솔레노이드 모듈을 포함하고, PC 부재 내 PS 강재에 대한 단면 자화를 위하여 미리 정해진 방향으로 복수의 자력선을 생성하는 자화 장치;
   상기 복수의 자력선과 연관된 자속밀도 변화를 계측하는 감지 장치; 및
   상기 감지 장치와 연동되어 상기 자화 장치를 제어하는 제어 장치를 포함하되,
   상기 복수의 솔레노이드 모듈은,
   미리 정해진 방향에 따라 N, S 극이 배치되는 제1 솔레노이드 모듈;
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 N극과 연관된 일단에 배치되는 제2 솔레노이드 모듈; 그리고
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 S극과 연관된 타단에 배치되는 제3 솔레노이드 모듈을 포함하는,
   할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 N, S 극이 제1 방향을 따라 배치될 때, 상기 제2 솔레노이드 모듈은 제2 방향을 따라 S, N 극이 배치되고, 그리고
   상기 제3 솔레노이드 모듈은 제2 방향을 따라 N, S 극이 배치되는, 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 S, N 극이 제1 방향을 따라 배치될 때, 상기 제2 솔레노이드 모듈은 제2 방향을 따라 S, N 극이 배치되고, 그리고
   상기 제3 솔레노이드 모듈은 제2 방향을 따라 N, S 극이 배치되는, 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 감지 장치는 하나 이상의 자기 저항 효과(Magneto Resistance) 센서를 포함하는, 할바흐 배열을 갖는 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템.
6. 하나의 지지 프레임을 따라 할바흐 배열(halbach array)에 의해 미리 정해진 방향으로 배치된 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하는 외부 자화 시스템의 동작방법에 있어서,
   상기 복수의 솔레노이드 모듈을 이용하여 PC 부재 내 PS 강재에 대한 단면 자화를 위하여 복수의 자력선을 생성하는 단계;
   상기 외부 자화 시스템에 구비된 하나 이상의 자기 저항 효과(Magneto Resistance) 센서를 이용하여 상기 PS 강재와 연관된 자속밀도의 변화를 측정하는 단계; 및
   상기 측정된 자속밀도의 변화를 기반으로 상기 PS 강재의 긴장 응력을 도출하는 단계를 포함하되,
   상기 복수의 솔레노이드 모듈은,
   미리 정해진 방향에 따라 N, S 극이 배치되는 제1 솔레노이드 모듈;
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 N극과 연관된 일단에 배치되는 제2 솔레노이드 모듈; 그리고
   상기 제1 솔레노이드 모듈의 S극과 연관된 타단에 배치되는 제3 솔레노이드 모듈을 포함하는, 방법.

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