KR200180019Y1 - 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 진동현식 센서 (Vibrating Wire Type Sensor)를 이용하여 터널공사, 광산등 토목 공사 현장에서 암반 강화를 위하여 사용되는 락볼트 (Rock Bolt)에 작용하는 축력을 측정하고, 터널 내의 흙의 변위를 자동으로 측정하기 위한 진동현식 자동 락볼트 축력 및 지중변위 측정 장치에 관한 것이다.

상기 측정 장치는 지반 등의 피측정물의 길이 변화에 따라 움직이는 센서 구동부와, 상기 구동부의 슬라이드에 연결되어 늘어나는 구동 스프링과, 상기 구동 스프링의 힘에 의해 당겨지는 진동현 이동단과, 상기 이동단과 고정단사이 연결된 진동현과, 상기 진동현를 튕기고 그 진동주파수 감지하는 진동현 감지 센서와, 상기감지 센서의 주파수를 전달하는 센서 측정선과, 상기 센서 구동부의 끝단에 방수를 위한 오일을 넣는 것으로 이루어진 다수의 진동현 주파수 측정 센서를, 하나의 동체안에 넣어서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서 토목 현장에서 터널의 락볼트 축력과 지중 변위 측정을 자동으로 간편하게 계측할 수가 있고, 각종 변위량을 디지탈화 하여 메인 컴퓨터로 전달할 수가 있어서 정밀도를 높은 토목 계측을 실현할 수가 있게 된다.

Description

진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치{Automatic Length Changing Meter Using Vibrating Wire}

본 고안은 진동현식 센서 (Vibrating Wire Type Sensor)를 이용하여 터널공사, 광산 등 토목 공사 현장에서 암반 강화를 위하여 사용되는 락볼트 (Rock Bolt)에 작용하는 축력을 측정하거나, 터널 내의 흙의 변위, 즉 지중변위를 자동으로 측정하기 위한 진동현방식의 자동 락볼트 축력 및 지중변위 측정 장치에 관한 것이다.

토목 계측은 시공중에 발생되는 실제 지반의 움직임을 측정하여, 당초의 설계와 비교하여 안전하고 경제적인 시공을 목적으로 하고 있다. 그러나, 종래에는 토목 계측의 중요성이 인식되지 못하고 수동적으로 일일이 사람이 직접 가서 계측하는 낙후된 기술로 토목 계측이 이루어졌다.

터널 시공 관리 계측계로 지중의 변위 측정계(Rod Extensometer)와 락볼트의 축력 측정계(Rock Bolt Stressmeter)가 있는데, 이를 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 지중 변위 측정 또는 락볼트 축력 측정이 가능한 길이변형 측정장치를 나타낸 것으로, 측정계의 몸통(13)이 플라스틱 재질의 파이프로 이루어졌으면 지중 변위 측정계로 불리고, 금속재질 파이프로 이루어졌으면 락볼트 축력 측정계로 불린다. 상기한 측정계는 제조 회사별로 약간의 모양 차이는 있다.

상기 측정계의 길이는 통상 2, 4, 6 Meter 길이로 구분되며, 각각 길이를 도 1b와 같이 4단계의 측정 포인트(Point,12a-12d)로 일정 길이로 구분된다. 상기와 같이 구분되어 연결된 수도관 파이프 모양의 측정계를 터널 벽속에 매설하고, 매설된 측정계의 측정 포인트(12a-12d)의 길이 변화를 계측한다.

지중변위 측정계는 몸통(13)이 플라스틱으로 이루어지므로 약한 힘에 의하여 절단되어, 길이변형이 이루어지므로 터널 주변의 느슨해진 영역을 감시하고, 락볼트의 길이를 결정하는 판단 자료로 사용된다.

락볼트 축력 측정계는 락볼트가 금속 재질로 이루어지므로, 그 재질의 단면적, 탄성 계수와 계측된 길이 변형량으로 그 측정 포인트(12a-12d)에 가해지는 축력을 측정할 수 가 있다.

종래 측정 기술은 도 1b와 같이 각 측정 포인트(12a-12d)의 움직임에 따라, 같이 이동되는 측정 로드(Rod,10a-10d)의 움직이는 거리를 도 1a의 측정 구멍(10a) 속에 길이 변화를 측정하기 위하여 다이알 게이지(Dial Gauge)를 집어넣어서 육안으로 눈금을 읽어서 측정 기록지에 기록하였다. 이와 같은 방법은 측정계가 터널 위의 천정에 설치된 경우에는 측정하기가 매우 어려운 작업이었다.

상기 수동식 측정계를 자동식으로 변환한 종래의 자동 측정장치가 도 2a에 도시되어 있다. 이 자동 측정장치의 측정방법은 2가지가 있다. 첫 번째는 측정장치의 몸통(Body,20a)속에 슬라이드 볼륨(Slide Volume)의 저항체를 넣어서, 측정 로드(1Oa-10d)가 당겨지면 내부 슬라이드 볼륨의 저항변화가 측정케이블(21)로 출력되는 방법이다.

두번째는 측정장치의 몸통(Body,20a)속에 진동형 피아노 강선을 넣어서 측정 로드(1Oa-10d)가 변화하면 피아노 강선이 당겨져서, 피아노 강선의 진동주파수의 변화가 측정 케이블(21)로 출력되는 방법이다.

상기 종래의 두가지 방식은 모두가 락볼트 축력 측정 및 지중변위 측정시에, 측정 로드(10a-10d)가 4개이므로 도 2b와 같이 측정 센서 지지대(22a,22b)를 사용하여 한다발로 묶어서 측정장치의 헤드(도 1b의 11) 위에 연결시켜야 한다.

따라서 상기와 같은 방법은 각기의 측정 센서 몸통(20a,20b)를 하나로 뭉치므로, 수평과 수직을 맞춰서 조립하는데 많은 어려움과 조립오차가 발생한다.

이와같은 종래 기술로서는 급속히 발전하여 가는 토목 계측 분야에서 지중변위 및 락볼트 축력을 측정 하는데 많은 한계와 제약이 있다.

상기한 바와 같이 종래의 길이변형 측정장치는 토목계측의 자동화와 정밀도 높은 계측이 요구 됨에도 불구하고 아직도 여전히 낙후된 재래식 방식의 정밀도 낮는 수동 계측에 의존하고 있다.

종래 락볼트 축력 측정 및 지중변위 자동 측정 방법중에서 슬라이드 볼륨 방식은 내부 저항체가 습기에 약하고, 충격이 가해질 경우 저항체에 닿아있는 접점이 손상되어 영구적으로 사용하는 데는 부적합하다.

또한 진동현 방식은 피아노선의 진동을 이용하므로 저항체를 사용하는 방식보다 습기 및 외부 충격에 강하므로 외국에서 오래전부터 토목 계측에 적용되어 왔다.

종래의 진동현 방식 측정장치는 도 2a와 같이 한 개의 센서를 사용할때에는 큰 문제점이 없이 사용이 가능하지만, 2개 이상의 길이 변형을 측정하는 락 볼트 축력측정 및 지중변위 측정에는 많은 문제점이 있다.

그 첫번째 문제점은 단일 측정 장치의 몸통(20a)을 여러개 다발로 묶여서 지지대(22b)에 끼우므로써 조립이 복잡하므로, 조립에 따른 오차 및 조립의 난이도가 크다.

두 번째는 가는 스트인레스 파이프로 된 몸통(20a) 속에 진동형 감지 센서(도3a의 30 참조)를 피아노선 (도 3a의 33 참조)과 동시에 집어넣으므로, 매우 복잡하고 조립이 어렵다.

세번째는 재래식 측정계는 측정장치 몸통과의 결합시 자동으로 맞지 않고 수동으로 조립해야되는 문제가 있다.

따라서 본 고안은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 상기와 같이 종래의 측정 장치를 자동 계측이 가능하며 하나의 동체를 사용하여 조립이 간단한 구조로 변경함에 의해 조립오차와 조립의 난이도를 줄이고 제조원가를 낮추며 측정의 정밀도를 높이도록 개선하여 터널 구조물의 락볼트 축력과 지중 변위 측정을 영구적으로 자동 계측 가능한 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치를 제공하는데 있다.

또한 상기의 진동현 센서를 이용한 자동계측을 실현하기 위하여, 본 출원인은 진동현 방식 자동 측정 방법으로 1998년 특허출원 제18865호 (명칭:시리얼 통신을 이용한 진동현 센서 변위량 자동 측정 장치 및 그 방법)을 출원하여 해결 방법을 제안한바 있다.

도 1a는 종래의 수동식 락볼트 축력 및 지중 변위 측정계의 사시도,

도 1b는 종래의 수동식 락볼트 축력 및 지중 변위 측정계의 길이방향 개략 단면도,

도 2a는 종래의 다른 자동식 락볼트 축력 및 지중 변위 측정장치의 사시도,

도 2b는 종래의 다수의 자동식 락볼트 축력 및 지중 변위 측정장치의 조립도,

도 3a는 본 고안에 따른 단일 진동현 방식의 길이 변형 측정센서의 구성도,

도 3b는 본 고안에 따른 길이 변형 측정장치를 종래의 수동식 측정계에 결합시킨 조립도,

도 4a는 본 고안에 따른 자동식 길이 변형 측정장치의 조립도,

도 4b는 본 고안에 따른 자동식 길이 변형 측정장치의 단면도이다.

( 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10,10a,1Ob,1Oc,1Od ; 수동 측정 로드 11 ; 수동식 측정계의 헤드

12,12a,12b,12c,12d ; 수동 측정 포인트 13 ; 수동식 측정계의 몸통

20a,20b ; 자동 측정장치의 몸통 21 ; 측정 케이블

22a, 22b ; 측정 센서 지지대 30,30a,30d ; 센서 측정선

31,31a,31c,31d ; 진동현 감지센서 32,32a-32d ; 진동현 고정단

33,33a ; 진동현 (피아노선) 34,34a,34d ; 진동현 이동단

35,35a ; 센서 구동 스프링 36,36a-36d ; 센서 구동부

37,37a,37d ; 구동부가이드 40 ; 동체

41,41a ; 착탈식 로드 측정점 42,42a,42d ; 압축 스프링

43,43a,43d ; 방수 오일

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 진동주파수를 감지하기 위한 감지 센서와, 고정단에 한쪽 끝이 연결된 피아노선과, 상기 피아노선 의 타선이 연결된 이동단과, 상기 이동단을 당기기위한 구동스프링과 , 상기 구동 스프링에 연결되어 좌우로 이동되는 측정 로드와, 상기 측정 로드를 외부로 밀어서 측정점을 조절하는 압축스프링과, 물의 유입을 막기 위한 방수오일로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동형식 자동 락볼트 축력 및 지중 변위 측정 장치를 제공 한다.

또한 본고안의 다른 특징으로 재래식측정기에 착탈식으로 부착하여 사용이 가능 하도록 자동으로 각 로드의 측정점의 위치를 조절하는 측정 로드를 외부로 밀어내는 압축 스프링이 내장된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같이 본 고안에 따르면 , 종래의 측정 장치는 각각의 센서를 조합하므로써 제작하기 어렵고, 각기 조합에 따른 오차가 크게 발생하는 단점을 개선하였다.

(실시예)

이하에 상기한 본 고안을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 3a는 본 고안에 따른 단일 진동현 방식 길이 변형 측정센서의 구성도, 도 3b는 본 고안에 따른 측정장치를 종래의 수동식 측정계에 결합시킨 조립도, 도 4a는 본 고안에 따른 자동식 길이 변형 측정장치의 조립도, 도 5b는 본 고안에 따른 자동식 길이 변형 측정장치의 단면도이다.

먼저 진동현 방식 길이 변형 측정센서의 동작 원리를 센서 구성도인 도 3a를 참고로 설명하면, 측정로드에 연결된 구동부(36)가 이동하면, 이동 거리가 구동 스프링(35)에 전달되어 500g - 3Kg의 힘으로 변환되어서, 피아노 강선으로 된 진동현(34)이 연결된 이동단(34)을 끌어당긴다. 진동현(33)은 고정단(32)에 고정되어 있으므로, 이동단(34)이 당겨지는 힘에 따라 팽팽하게 되면서 현의 진동 주파수(Frequency)가 변하게 된다. 진동현(33)의 진동 주파수는 영구자석에 코일이 감겨진 진동현 감지센서(31)에 의하여 튀겨지고 그 결과 진동현(33)의 변동된 진동 주파수는 진동현 감지센서(31)에 의해 감지되어, 센서 측정선(30)을 통하여 외부의 진동현 주파수 판독장치(Readout기 혹은 Logger)에 전달되어 길이 변환량으로 변환된다.

도 4b는 도 3a에 도시된 측정센서 4개를 실제 조립한 본 고안에 따른 측정장치의 조립 단면도를 나타낸다. 측정장치는 한 개의 쇠봉으로 된 동체(40)에 4개의 똑같은 형태의 구멍을 뚫어 도 3a와 같은 원리의 진동현 방식의 측정센서 4개를 집어넣은 것이다.도 4b를 참조로 좀더 자세히 설명하면, 수동식 지중 변위계의 측정 포인트(도 1b의 12a-12d)와 연계되어 움직이는 수동 측정로드(10a-10d)와 연결되는 진동현 구동부(36a-36d)의 길이 변형은 구동부 가이드(37a,37d)에 연결된 구동 스프링(35a)에 의하여, 진동현 이동단(34a,34d)에 연결된 진동현(33a)에 당기는 힘으로 전달되고, 고정단(32a,32d)에 연결된 진동현(33a)의 진동 주파수 변화는 진동현 감지센서(31a,31d)에 감지되어, 센서 측정선(30a,30d)를 통하여 진동현 판독장치로 전달된다.

도 4a는 본 고안에 따른 측정장치의 조립도이다. 진동현 감지센서(31a)가 외부에서 끼워 넣는 형태이므로 조립이 용이하고, 한 개의 동체(40) 안에 4개의 단위 측정센서가 들어 있는 간편한 형태이고, 또한 외부에서 방수를 위하여 노출된 부위에 몰딩(Moulding)이 가능하다. 또 동체(40) 내의 측정센서의 수는 토목 현장 여건에 따라 가감을 할 수 있다.

도 3b는 종래의 수동식 지중 변위 측정계와 본 고안에 따른 길이 변형 측정 장치가 결합된 조립도이다. 본 고안의 측정장치와 수동 측정계가 착탈식으로 조립이 가능하도록, 측정로드(36a-36d)의 로드 측정점(41a)을 접촉이 쉽도록 뾰족하게 하였고, 압축 스프링(도4b의 42a,42d)이 측정로드(36a-36d)를 바깥쪽으로 밀어내도록 되어 있다. 결합후 고정되도록 수동 측정계의 헤드(11)와 너트(Nut) 혹은 다른 방법으로 고정시킬 수 가 있다. 그러나, 착탈식이 아닌 하나의 완제품으로 구성할 경우는 도 4b의 압축 스프링(42a,42d)은 생략되고, 측정 로드(36a)의 끝인 측정점(41a)을 용접이나 볼트로 연결하면 된다.

상기한 바와같이 본 고안의 측정장치를 사용하면 터널 구조물 내의 지중변위측정과 락볼트 축력 측정에서 수동적으로 다이알 게이지 등으로 계측하지 않고, 본 출원인이 1998년 특허출원 제18865호(명칭:시리얼 통신을 이용한 진동현 센서 변위량 자동 측정 장치 및 그 방법)로 제안한 방법을 이용하여 원격지에서 전자적으로 진동현 주파수를 감지하여 길이 변형량으로 표시하고, 자동으로 컴퓨터로 측정 데이터를 보내어 영구적인 자동 길이 변형 계측 시스템을 구성 할 수 가 있다.

종래의 진동현 방식의 지중변위 측정계는 낱개의 진동현 센서를 다발 형태의 조립식으로 구성하므로, 제조 가격이 높고, 조립이 어려워 불량률이 높고, 정밀도 또한 낮았다. 이와 같은 단점을 개선하여 한 개의 쇠봉을 동체로 사용하여, 다수의 센서를 일체화 함으로써 제조가를 낮추고, 정밀도를 높히고 품질을 향상시켰다.

본 고안을 락볼트 축력계와 지중 변위 측정계에 동시에 적용이 가능하므로 터널 계측 관리에 혁신적인 기여를 할 수 있게 되었다.

또한 본 고안은 토목용 락볼트 축력계 및 지중 변위계 뿐만 아니라 다른 길이 변형 측정장치에 연결하여 사용할 수 가 있다.

이상에서는 본 고안을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 내부에 다수의 다단계 직경을 갖는 관통구멍이 길이방향으로 형성된 단일의 동체(40)와,

   상기 각각의 관통구멍에 조립되어 지중에 매설된 다수의 측정로드(10a-10d)의 위치변위에 대응한 진동주파수 신호를 검출하여 출력하는 다수의 주파수 측정센서로 구성되며,

   상기 다수의 주파수 측정센서 각각은

   상기 다수의 측정로드의 위치변위에 따라 움직이는 센서 구동부(36a-36d)와,

   상기 각 구동부의 슬라이드에 연결되어 구동부의 변위에 대응하여 늘어나는 구동 스프링(35a)과,

   상기 구동 스프링의 복원력에 의해 당겨지는 진동현 이동단(34a,34d)과,

   상기 이동단과 고정단 사이에 연결된 진동현(30a,30d)과,

   상기 각각의 진동현을 튕기고 길이에 따라 변동하는 진동현의 진동주파수를 감지하여 신호처리장치로 출력하는 진동현 감지센서(31a,31c,31d)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 센서 구동부는 수동식 락볼트 축력 측정계에 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 센서 구동부는 수동식 지중 변위 측정계에 연결되어 사용되는 것을 특징으로 하는 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 센서 구동부의 끝단은 뾰족한 형상을 이루고 있으며, 상기 각각의 측정센서는 관통구멍으로부터 다수의 측정로드를 동체의 선단부로 밀어내기 위한 다수의 압축 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 센서 구동부는 수동식 락볼트 축력 측정계 또는 지중 변위 측정계에 착탈식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 진동현 방식의 자동 길이 변형 측정장치.