KR19980082209A

KR19980082209A - 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR19980082209A
Application number: KR1019970016988A
Authority: KR
Inventors: 김훈일
Original assignee: 김훈일
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1998-12-05
Also published as: KR100195789B1

Abstract

본 발명은 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 도로, 교량, 항만 및 댐 등의 토목 관련 공사를 하기 위하여 연약 지반위에 흙을 쌓아 성토를 할 경우에 기초 지반의 침하 현상이 발생하는데, 그 지반이 침하되는 물리적인 변화량을 전기적인 펄스신호로 변환하여 이를 카운팅함에 의해 지반의 침하량을 자동으로 원격지에서 계측할 수 있는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

상기 지반 침하량 자동측정장치는 지반의 침하량을 측정할 지하에 지반과 같이 침하하도록 매설된 침하판과, 상기 침하판으로부터 피아노 강선을 통하여 연결되어 침하판의 침하에 따른 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 측정바퀴와, 상기 측정바퀴의 회전에 연동하여 펄스신호를 발생하기 위한 엔코더와, 상기 엔코더로부터 발생된 펄스신호를 카운트하여 지반 침하량을 계산하기 위한 제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서 엔코더의 사용으로 측정의 정밀도를 높히고, 계측의 자동화를 가능하게 함으로써, 침하량 계측이 정확하고 신속하고 간편하게 수행된다.

Description

엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치 및 그 방법

지반 침하 측정은 재래적인 방법으로는 육안으로 확인하거나, 줄자로 침하판의 침하되는 정도를 재는 방법을 사용하였는데, 이와 같은 방법은 부정확하고 계측자가 일일이 계측장소로 이동하여 계측하여야 함으로 많은 인원과 시간이 소요되는 번거러운 작업이었다.

예를 들어, 종래의 지반 침하 측정은 댐의 지반 침하를 측정하기 위하여서는 무거운 측정 줄자 드럼과 침하판 탐지봉을 들고, 수백 미터의 댐 정상의 측정 장소까지 이동하여, 추운 겨울철엔 강풍과 강추위의 악조건하에서, 여름철엔 폭염과 싸우면서 수시간 동안 최소한 2인 이상 계측하고, 수작업으로 기록지에 기록하여야만 했었다.

일반적으로 토목 공사 현장에서 지반 침하량을 측정하는 토목 계측에서 가장 많이 사용하는 대표적인 지반 침하량 측정하는 방법을 도 1를 참고하여 설명 하면 다음과 같다.

이 측장방법은 먼저 철판이나 자석링(Magnatic Ring)으로 만든 침하판(5)을 지하에 매설하고 침하판 가운데에 플라스틱관 혹은 알루미늄관(4)을 묻고 그 관 속으로 줄자(7)에 의해 연결된 침하판 탐지봉(6)을 집어 넣어, 리드아웃기(Readout기)(1)의 메타 눈금이 정중앙에 오면 탐지봉(6)이 침하판(5)의 매설위치까지 내려간 신호이므로 줄자 보관드럼(3)에서 줄자를 푸는 것을 중단하고, 탐지봉에 연결된 줄자(7)의 눈금을 읽어서 침하판(5)의 깊이를 재는 방법이다.

이 방법은 줄자(7)를 직접 손으로 관(4) 속으로 주입하므로 계측 시간이 많이 걸리고, 줄자가 관 속에서 계측할 때마다 좌우로 이동하므로 계측 오차가 많은 단점이 있다.

또다른 측정방법은 철판으로 만든 침하판에 철 파이프(Pipe)를 수직으로 원하는 깊이 만큼 용접으로 부착하여 지하에 매설하고, 침하에 의해 파이프가 들어간 정도를 계측자 혹은 다이알 게이지로 측정하는 방법이나, 이 방법 또한 상기 줄자 측정방법과 같은 단점이 있다.

또다른 측정방법으로는 침하판에 철선을 묶어 매설하고 그 철선을 도르레를 통하여 침하판 반대쪽에 침하판과 무게가 같은 추를 매달아 놓고, 침하판이 내려간 만큼 무게추가 올라가는 것을 계측자로 계측하는 방법이다. 이 측정방법 역시 사람이 직접 현장에 가서 측정해야 하는 불편함이 있고 또한 계측하는 사람에 따른 계측 오차가 크다는 문제를 안고 있다.

상기한 바와 같이 종래의 토목 계측 분야에서는 여러가지 작업 여건으로 볼때에 시급히 자동 계측과 정밀도 높은 제어가 요구됨에도 불구하고 아직도 여전히 낙후된 재래식 방식의 정밀도 낮은 수동 계측에 의존하고 있다.

이러한 문제를 개선하기 위한 기술적인 과제는 자동화를 위해 컴퓨터와의 인터페이스(Interface) 장치와 회로를 개발하는 것이다. 자동으로 지반 침하를 계측함에 있어서 중요한 것은 물리적인 침하량을 컴퓨터가 인식할 수 있는 전기적인 데이터로 변환하는 기술인 것이다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 토목 관련 공사를 하기 위하여 연약 지반위에 흙을 쌓아 성토를 할 경우에 기초 지반이 침하하는 물리적인 변화량을 전기적인 펄스신호로 변환하여 이를 카운팅함에 의해 지반의 침하량을 자동으로 원격지에서 계측할 수 있는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 자동측정장치를 계측 현장에 간단히 고정 설치하여 놓고 컴퓨터 통신선을 이용하여 사무실에서 자동으로 지반의 침하량을 측정하여 계측 시간과 인력이 절감되고, 원하는 계측 시간에 통신망에 의한 장소에 구애됨이 없이 간편하고 신속하게 지반 침하량을 계측할 수 있는 자동측정장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 수동식 지반 침하 측정기를 보여주는 개략 단면도,

도 2는 본 발명에 다른 침하판 매설구조를 부여주는 개략 사시도,

도 3은 도 2의 침하판을 다중으로 설치한 변형예를 보여주는 사시도,

도 4는 엔코더가 연결되는 측정바퀴와 주변장치를 부여주는 개략 구성도,

도 5A 및 5B는 측정바퀴 및 미끄럼 방지바퀴의 측면도,

도 6은 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치에 대한 전자 제어회로의 상세 블록도,

도 7은 도 6에 도시된 제어 회로의 플로우 차트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 피아노 강선21, 33, 34 : 피아노 강선 보호관

24, 31, 32 : 침하판30 : 침하판 연결관

41 : 측정 바퀴42 : 미끄럼 방지 바퀴

44, 45 : 피아노강선 지지롤러53 : 엔코더

61 : 마이크로프로세서62 : 시리얼 송수신 드라이버

63 : 컴퓨터65 : 기능 스위치

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지반의 침하를 측정하고자 하는 지하 매설위치에 침하지반과 같이 침하하도록 침하판을 설치하는 단계와, 상기 침하판에 연결된 피아노 강선이 침하판의 침하에 따라 하방향으로 당겨져서 피아노 강선의 직선운동을 행할때 이와 연동하여 회전되는 엔코더의 회전량을 전기적인 펄스신호로 변환시키는 단계와, 상기 펄스신호를 카운트하여 지반의 침하량을 계산하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반 침하량 자동측정방법을 제공한다.

또한 상기 계산된 지방 침하량을 디스플레이에 표시하는 단계와, 측정된 지반 침하량 데이터를 원격지의 메인 컴퓨터에 전달하여 분석하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에서는 엔코더의 사용으로 정밀도를 수동으로 줄자를 사용하는 것보다 훨씬 높히고, 지반 침하에 대한 계측의 자동화를 실현할 수 있게 되었다. 그 결과 종래의 줄자를 이용한 수작업에 의한 mm단위의 계측방법과 비교할때, 본 발명의 엔코더는 1회전에 1000펄스 이상의 고분해능을 가지므로 본 발명이 더 정밀하고 정확한 지반의 침하를 측정할 수 있게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 지반 침하량 자동측정장치는 지반의 침하량을 측정할 지하에 지반과 같이 침하하도록 매설된 침하판과, 상기 침하판으로부터 피아노 강선을 통하여 연결되어 침하판의 침하에 따른 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 측정바퀴와, 상기 측정바퀴의 회전에 연동하여 펄스신호를 발생하기 위한 엔코더와, 상기 엔코더로부터 발생된 펄스신호를 카운트하여 지반 침하량을 계산하기 위한 제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제어수단은 엔코더의 펄스 주파수를 계수(Count) 할 뿐만 아니라, 그 침하량을 컴퓨터 통신(RS-232C)를 통하여 메인 컴퓨터로 송신할 수 있는 기능을 가지고 있으므로 무인으로 자동계측을 할 수가 있다. 더 발전시켜서 모뎀을 연결시킨다면 원거리의 중앙 컴퓨터 통신망에 가입이 가능하므로 시간과 장소에 관계없이 계측 데이터 처리가 더욱 더 신속하고 편리해 질 것이다.

[실시예]

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 2는 본 발명에 따른 침하판 매설구조를 부여주는 개략 사시도, 도 3은 도 2의 침하판을 다중으로 설치한 변형예를 보여주는 사시도, 도 4는 엔코더가 연결되는 측정바퀴와 주변장치를 보여주는 개략 구성도, 도 5A 및 5B는 측정바퀴 및 미끄럼 방지바퀴의 측면도, 도 6은 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 지방 침하량 자동측정장치에 대한 전자 제어회로의 상세 블록도, 도 7은 도 6에 도시된 제어 회로의 플로우 차트이다.

먼저 도 2를 참고하면, 도시된 침하판은 지하의 일정한 일 지점의 침하만을 계측하는 침하판의 구조를 나타낸 것으로서, 지반 침하와 같이 침하되는 침하판(24)에는 피아노 강선(20)이 연결되어서 침하판(23)이 밑으로 침하할 경우는 이 강선(20)도 끌려서 같이 따라 내려감으로써, 이에 따라 피아노 강선(20)이 감긴 바퀴(42)가 회전운동을하여 강선(20)으로 같이 연결된 측정바퀴(41)의 회전이 엔코더를 통하여 침하된 깊이로 나타나게 된다.

이 경우 피아노 강선(20)은 강선의 자유로운 이동을 보장하기 위하여 강선 보호관(21)을 통하여 지중의 침하판(24)에 연결된다. 이 보호관(21)은 강선(20) 만을 보호하고 지반 침하에 따라 관자체가 침하하지 않는 것이 좋으므로, 매설되는 깊이에 따라 일정한 거리를 두고 침하 방지판(23)을 120도 간격의 3개의 침하 방지다리(22)에 수직으로 아래 방향으로 부착한다. 이 침하 방지판(23)과 다리(22)는 매설될 토질에 따라 거리와 숫자가 결정된다. 단단한 토질일 경우는 적은 수로도 침하방지가 충분하지만 연약 지반은 더 많이 부착해야 할 것이다.

도 3은 도 2를 기본으로 하여, 일 이상 지점의 침하를 계측하고자 할 때의 침하판 구조를 나타낸 것으로, 2개의 침하판(31, 32)을 설치한 예이다. 2개 이상의 침하판(31, 32)을 설치 할 경우는 침하판(31, 32)의 이탈을 방지하기 위하여 침하판 중앙에 구멍을 뚫어서 침하판 연결관(30)을 삽입한다. 이 연결관을 수동 계측 겸용으로 사용될 수도 있으며, 그 경우는 도 1의 플라스틱관(4)과 같이 수동 탐지봉(6)이 들어가는 통로의 역할을 할 수도 있다.

그리고 계측하고자 하는 깊이별로 침하판(31, 32)을 일렬로 침하판 연결관(30)에 끼워서 배치하고, 침하판(31, 32)에 연결된 피아노 강선들(37, 38)은 상기에 기술한 일 지점 계측방법과 같은 방법으로 하여 각각 바퀴(35, 36)를 통하여 측정바퀴(41)에 연결된 엔코더에 전달되어 침하량을 측정하게 된다.

도 4는 침하판이 침하함에 따라 피아노 강선의 직선운동을 회전운동으로 바꿔 엔코더로 전달되는 기능을 나타낸 것으로서, 피아노 강선(20)이 일정한 속도를 유지하며 강선의 미끄러짐이나 풀림이 없이, 강선의 회전이 정확하게 엔코더에 전달되게 하는 본 발명의 주요 구동 부분이다.

도 5는 도 4의 미끄럼 방지바퀴(42)와 측정바퀴(41)의 확대 측면도인데, 도 4와 도 5를 참조로하여 그 기능을 설명하면 다음과 같다. 피아노 강선(20)은 지반의 침하에 따라 피아노 강선(20)이 아래로 당겨 질 때에 강선(20)의 미끄러짐을 방지하기 위하여, 미끄럼 방지바퀴(42)와 측정바퀴(41)를 순차적으로 같이 한 번 감고 침하판 방향으로 내려 가도록 발명되었다.

피아노 강선이 감기는 순서를 설명하면, 최초 피아노 강선 보관드럼(40)으로부터 나온 피아노 강선(20)은 미끄럼 방지바퀴(42)의 좌측홈(58)를 거처 아래 방향으로 내려 가서, 측정바퀴(41)를 한바퀴 밑에서 위방향으로 돌아서 미끄럼 방지바퀴(42)의 우측홈(57)을 거처서 아내로 내려 가서, 강선(20)의 좌우 이탈방지를 위한 U자형 가이드 홈(43)을 거처 피아노 강선 보호관(21)을 통하여 침하판에 연결된다.

도 5를 참조로하여 미끄럼 방지바퀴 및 엔코더가 같이 연결된 측정바퀴에 관하여 좀더 상세히 설명을 하면, 미끄럼 방지바퀴(42)와 측장 바퀴(41)의 상단에는 강선의 이탈을 방지하기 위하여 강선 지지롤라(44, 45)가 위에서 아내로 강선(20)을 눌러서 강선을 지지하도록 되어 있다.

미끄럼 방지바퀴(42)는 강선이 두 번 감기므로 바퀴에 강선이 감기는 두개의 홈(57과 58)가 나란히 파져 있으며, 또 측정바퀴(41)도 바퀴 상단에 강선 미끄럼을 방지하기 위하여 지지 롤라(51)가 홈 안쪽으로 누르며 또는 구조로 되어서 미끄러짐에 의한 오차를 최소한으로 하도록 발명되었다. 이 측정바퀴(41)의 회전축(54)에 엔코더(53)가 연결되어 있으며, 정밀도를 높이기 위하여 이 회전축(54)에 기어를 넣어 회전수를 바꿀 수도 있다.

상기한 엔코더(53)는 내부에 두개의 발광소자와 두개의 수광소자 사이에 코드화된 구멍이 난 회전판이 내장되어 있고, 상기 회전축(54)이 회전하는 것에 연동하여 회전판도 함께 돌면서 발광소자로부터 발생된 빛을 통과시키기도 하고 막기도 하면서 위상이 다른 두 개의 구형파 펄스신호를 수광소자로부터 발생하는 소자이다.

또한 피아노 강선(20)의 구조도 측정 깊이가 낮을 때는 단일 와이어를 그대로 사용하지만, 측정 깊이가 깊을 때는 충력에 의한 힘을 받아 쉽게 미끄러질 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 피아노 강선을 2-3회 혹은 경우에 따라서는 그 이상을 꼬아서 사용하는 것이 바람직하다.

결국, 본 발명은 침하판의 침하에 따른 피아노 강선의 당겨짐, 침하판 깊이의 변위는 엔코더(53)의 회전수로 오차없이 정확하게 변환이 이루어진다.

도 6은 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치에 대한 전자 제어회로의 상세 블럭도를 나타낸 것이다.

엔코더(53)에서 출력되는 구형파의 펄스신호는 마이크로프로세서(61)의 입력포트로 수신되어 그 펄스신호의 위상변화에 따라 엔코더의 회전수를 증감시켜 침하량으로 계산된다. 이 회전수에 의한 침하거리의 계산은 엔코더의 일 회전에 따른 펄스수를 측정바퀴(41)의 원주 거리로 나눈값으로 결정된다.

환산된 침하량은 LCD 디스플레이(66)에 표시되고, 특정된 측정시간에 따라 취득된 침하정보는 전원이 꺼져도 기억되는 불휘발성 메모리(EEPROM)(64)에 저장된다. 또한 이와 같은 침하량 데이터는 마이크로프로세서(61)에 접속되어 있는 시리얼 송수신 드라이버(62)에 의하여 RS-232C 통신방식으로 메인 컴퓨터(63)에 전달된다. 이 통신의 에라(Error)를 방지하기 위하여 마이크로프로세서의 발진 주파수는 크리스탈(67)를 사용한 크리스탈 발진 방식으로 하였다. 그리고 이러한 일련의 기능 선택은 기능 스위치(65)의 보턴을 누르므로써 실행된다. 이와 같이 데이터를 수신한 메인 컴퓨터(63)는 토목 및 지반분석 프로그램에 의하여 수신된 데이터를 분석하고, 정보화하여 토목 건설공사의 정보화 시공으로 활용될 수가 있다.

이하에 도 7을 참고하여 본 발명의 제어회로를 더욱 상세히 설명한다.

플로우차트로서 설명을하면, 기능스위치(65)중 측정 시작 보턴(68)이 눌러졌는가를 확인하고, 만일 눌러졌다면 (S71) 엔코더 신호 입력을 개시한다. 입력 신호의 위상이 바뀌면 측정 바퀴(41)가 피아노 강선(20)의 변화에 따라 회전되고 있음을 나타내므로 (S72) 그 신호를 감지하여 회전수를 증가시킨다. 이 회전수는 엔코더(53)에 연동되어 회전하는 측정 바퀴(41)의 원주에 따라 거리로 환산되며 그 거리는 침하된 량이므로(S73) 이렇게 환산된 침하량과 측정 시간을 메모리에 저장을 한다(S74). 이와 같은 메모리 저장이 끝나면 침하량 감지의 한과정이 완료되므로 이 완료된 데이타를 메인 컴퓨터에 컴퓨터 통신으로 전송한다. 그 다음에 기능 스위치의 동작 정지 스위치(69)를 확인하여, 눌러지지 않았다면 스텝 72로 되돌아 가서 엔코더(53)의 입력을 받는 작업을 반복하여 실시하고, 정지 스위치(69)가 눌러졌다면 모든 작업을 종료한다(S76).

상기한 바와 같이 본 발명에서는 지반 침하량 측정에서 수동적으로 줄자를 사용하지 않고, 전자적으로 엔코더의 펄스 주파수를 계수(Count) 하여 그 침하량을 표시하고, 컴퓨터 통신(RS-232C)을 통하여 메인 컴퓨터로 송신하므로 무인으로 자동 계측을 할 수가 있다. 따라서 정밀도 측면에서 침하에 따른 피아노 강선의 길이 변화를 엔코더로 전기적인 신호로 변환시켜 컴퓨터에 연결되므로, 고해상도의 엔코더의 사용을 가능하게 하므로 종래의 줄자에 의한 측정보다 고정밀도(mm이하)의 측정이 이루어질 수 있다.

또한 원거리에서 자동으로 계측되므로 계측시간이 단축되고, 별도의 계측 인원이 불필요하므로 인건비가 절약되고, 더욱 큰 효과는 현재의 계측 데이터가 신속하게 컴퓨터에 입력되므로 정보화된 계측 관리가 가능하게 되어, 토목 지반 조사에 혁신적인 기여를 할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

지반의 침하량을 측정할 지하에 지반과 같이 침하하도록 매설된 침하판과, 상기 침하판으로부터 피아노 강선을 통하여 연결되어 침하판의 침하에 따른 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 측정바퀴와,

상기 측정바퀴의 회전에 연동하여 펄스신호를 발생하기 위한 엔코더와,

상기 엔코더로부터 발생된 펄스신호를 카운트하여 지반 침하량을 계산하기 위한 제어수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치.
제1항에 있어서, 상기 지반의 침하에 따른 피아노 강선의 이동시에 원활한 이동을 보장하기 위해 지하에 매설되어 엔코더를 보호하기 위한 강선 보호관과, 강선 보호관의 침하를 방지하기 위한 침하방지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치.
제1항에 있어서, 상기 측정바퀴에 미끄럼방지 롤러가 부착된 지반 침하량 자동측정장치.
제1항에 있어서, 피아노 강선의 미끄러짐과 풀림을 방지하기 위하여 측정바퀴와 같이 회전구동하는 미끄럼 방지바퀴를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치.
제1항에 있어서, 서로 상이한 매설깊이로 침하판을 2개 이상 사용될 때, 침하판 중앙에 침하판의 이탈을 방지하기 위한 침하판 연결관을 상하 방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치.
제1항에 있어서, 상기 제어수단은 계산된 지반 침하량 데이터를 원격지의 메인 신호처리장치로 송신하기 위한 데이터 통신수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 지반 침하량 자동측정장치.
지반의 침하를 측정하고자 하는 지하 매설위치에 침하지반과 같이 침하하도록 침하판을 설치하는 단계와,

상기 침하판에 연결된 피아노 강선이 침하판의 침하에 따라 하방향으로 당겨져서 피아노 강선의 직선운동을 행할때 이와 연동하여 회전되는 엔코더의 회전량을 전기적인 펄스신호로 변환시키는 단계와,

상기 펄스신호를 카운트하여 지반의 침하량을 계산하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반 침하량 자동측정방법.