KR200250401Y1 - 써미스터를 이용한 수화열 계측 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 온도 계측 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 콘크리트 시공시 발생하는 수화열을 측정하는 수화열 계측 시스템에 관한 것이다. 본 고안은, 복수개의 써미스터 및 상기 써미스터로부터 발생하는 복수개의 저항 신호를 수신하기 위한 복수개의 채널을 가지고, 상기 신호를 온도로 변환하는 온도 계측 유닛을 포함하는 콘크리트 수화열 계측 시스템을 제공한다. 본 고안에 따르면, 종래의 열전대에 비해 가격이 저렴한 써미스터를 온도 센서로 사용하고, 시스템 구성이 간단하여 저렴한 비용으로 제조될 수 있다. 또한 본 고안의 장치는 콘크리트 내부의 수화열을 보다 신뢰성있게 측정할 수 있다.

Description

써미스터를 이용한 수화열 계측 장치{AN APPARATUS FOR MEASURING HEAT OF HYDRATE USING THERMISTORS}

본 고안은 온도 계측 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 콘크리트 시공시 발생하는 수화열을 측정하는 수화열 계측 장치에 관한 것이다.

콘크리트 구조물은 시공후 시멘트의 수화반응에 의해 일정한 강도를 갖게 되는데, 이 수화반응시에 수화열이 발생된다. 이러한 수화열은 콘크리트의 균열을 일으키는 대표적인 원인이 되며, 필요에 따라서는 다음 단계의 시공을 위한 기초자료로도 사용되므로 수화열 측정의 필요성이 있다.

여기서, 수화열 측정이라는 용어는 엄밀하게는 열량의 측정이 아니라 온도의 측정을 의미하는 것이지만, 콘크리트 분야에서는 관용적으로 수화열 측정이라는 용어가 대신 사용되고 있다.

콘크리트 공사 중 수화열의 측정이 필요한 경우로는 예를 들어 한중(寒中) 콘크린트, 서중(暑中) 콘크리트 및 매스(mass) 콘크리트 등이 있다. 한중 콘크리트는 겨울철에 시공되는 콘크리트를 지칭하는 것이다. 여러 층의 콘크리트를 순차로 타설하기 위해서는 하부층의 콘크리트가 충분한 강도를 가지고 있음이 보장되어야 한다. 그러나, 타설된 콘크리트의 강도를 측정하는 것이 사실상 불가능하므로, 온도와 시간의 곱으로 표현되는 적산 재령을 계산하여 타설 시점을 결정하는데 이 때에 콘크리트의 온도 측정이 요구된다.

서중 콘크리트는 기온이 25℃ 이상일 때 시공되는 콘크리트를 지칭하는 것으로 수화열로 인해 콘크리트의 온도가 일정 온도, 예컨대 32℃를 초과하지 않도록 관리해주어야 할 필요가 있다.

매스 콘크리트는 두께 80cm 이상의 콘크리트를 지칭하는 것으로, 지하철 구조물이 그 대표적인 예이다. 콘크리트의 열전도도가 매우 낮기 때문에 콘크리트의 두께가 두꺼워지면 수화열의 방출이 어렵고 따라서 콘크리트의 내부 온도가 비정상적으로 높은 온도로 유지되어 균열 발생의 여지가 많게 된다. 따라서, 콘크리트의 온도룰 측정하여 배관 냉각(pipe cooling) 등의 방법으로 냉각을 시킬 필요가 있다.

이상과 같이 수화열의 관리가 필요한 콘크리의 시공시, 종래에는 열전대thermo-couple)를 사용하여 온도 관리를 하고 있다. 즉, 열전대를 콘크리트의 내부에 매설하고 이로부터 발생하는 전압 신호를 외부의 계측 장치에서 측정하여 온도로 환산하는 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 열전대는 그 재질이 백금 등의 회금속을 사용하므로 가격이 비싸다는 문제점을 가지고 있다. 또한 측정 가능한 적정온도 범위가 200∼1500℃이므로 -20 ∼ 80℃범위 내에서 유지되는 콘크리트의 내부온도를 측정하는데에는 신뢰성이 낮을 수 밖에 없다. 이외에도 열전대로부터 발생하는 신호는 전압 신호이므로 열전대와 콘크리트 외부의 계측 장치를 연결하는 도선의 저항에 의해 전압 강하가 발생하여 측정값이 변하게 되는 문제점을 가지고 있다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 저가이고 신뢰성이 높은 콘크리트 수화열 계측 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 고안의 수화열 계측 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 고안은 복수개의 써미스터 및 상기 써미스터로부터 발생하는 복수개의 저항 신호를 수신하기 위한 복수개의 채널을 가지고, 상기 신호를 온도로 변환하는 온도 계측 유닛을 포함하는 콘크리트 수화열 계측 시스템을 제공한다. 상기 온도 계측 유닛은 복수개의 써미스터로부터 발생하는 저항 신호를 독립적으로 수신하도록 복수개의 채널을 가진 채널 모듈, 상기 수신된 신호를 지지털 신호로 변환하는 변환기 및 상기 디지털 신호로부터 온도값을 환산하는 프로세서를 가진다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 고안을 상술한다.

도 1은 본 고안의 계측 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 본 고안의 계측시스템은 콘크리트 내부에 매설된 복수개의 써미스터 소자와 상기 써미스터 소자로 부터 발생하는 저항 신호를 수신하여 온도를 측정하는 온도 계측 유닛 및 상기 써미스터 소자와 상기 온도 계측 유닛 간을 연결하는 도선을 포함하여 구성된다.

여기서, 써미스터 소자는 온도에 따라 저항이 변하는 재질로 만들어진 것으로 온도의 증가에 따라 저항이 증가하는 양의 온도 계수(positive temperature coeeficient; PCT)를 가진 것과 온도 증가에 따라 저항이 감소하는 음의 온도 계수(negative trmperature coefficient; NTC)를 가진 것으로 대별된다. 이러한 재질로는 본 고안에서는 NTC 및 PTC 써미스터 중 어느 것을 사용하여도 좋다. 이러한 써미스터로는 금속 및 세라믹 재질이 주로 사용되며, 대표적으로 NTC 써미스터인 스피넬(spinnel) 구조의 망간-니켈 페라이트를 들 수 있다.

상기 써미스터들은 재질에 따라 조금씩 차이는 있지만 사용 온도 구간이 일반적으로 -50 ∼ 300℃의 범위이므로 콘크리트 내부의 예측되는 모든 온도 범위(즉, -20 ∼ 80℃)에서 신뢰성 있는 측정이 가능하다.

또한 써미스터는 신뢰성 측면에서 종래의 열전대에서는 얻지 못하는 다른 장점들을 가진다. 써미스터는 주변 온도에 따라 저항이 변하므로, 외부로부터 상기 도선을 통해 전류를 흘러 상기 도선의 양단에서 저항을 측정하는 방식으로 저항값이 측정된다. 이 때 통상의 NTC 써미스터의 저항 값은 25 ∼ 80℃ 온도 범위를 기준으로 할 때 대략 1 ∼ 10 ㏀의 범위에서 변화한다. 그러나, 도선 저항은 도선의 길이가 아주 길어지더라도 기껏해야 수 Ω에 불과하므로 측정된 저항값에 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 본 고안에서는 도선의 길이가 측정값의 신뢰성에 영향을 미치지 않게 된다.

또한 이러한 특성으로 인해 본 고안의 계측 장치는 도선의 길이를 용이하게연장할 수 있게 되는데, 이에 따라 외부 계측 장치는 써미스터가 매설된 지점으로부터의 거리에 구애받지 않고 측정이 용이한 지점에 설치되어 저항값을 측정할 수 있게 된다. 이것은 열전대가 전압 강하의 문제점으로 인해 도선의 연장이 용이하지 않은 점과 확연히 구분되는 본 고안의 장점이다.

통상적으로 콘크리트의 수화열의 측정시에는 복수개의 온도 센서가 콘크리트내의 적절한 지점에 매설된다. 따라서, 본원 고안의 온도 계측 유닛()은 여러개의 온도 센서, 즉 써미스터들로부터의 저항 신호를 독립적으로 처리할 수 있도록 복수개의 입력 채널을 가진 채널 모듈을 포함한다. 상기 각 채널을 통과한 저항 신호는 별도의 증폭기 및 필터를 거쳐 증폭될 수 있다. 상기 증폭된 저항 신호는 아날로그 신호이므로 아날로그/디지털 변환기(A/D convertor)를 거쳐 디지털 신호로 변환된다.

이어서, 상기 변환된 디지털 신호는 상기 온도 계측 유닛 내에 내장된 별도의 프로세서를 통해 대응되는 온도값으로 환산된다. 상기 프로세서는 상기 써미스터의 재질에 따른 저항-온도 관계에 관한 데이타를 미리 내장하여 입력되는 저항 신호에 따라 대응되는 온도값을 출력할 수 있다. 이러한, 프로세서의 기능 및 구조는 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이므로 상세히 설명하지 않는다.

상기 프로세서로부터의 출력은 상기 온도 계측 유닛 외부에 연결된 디스플레이로 출력되거나 상기 온도 계측 유닛 내부의 별도의 기억 장치, 예컨대 SRAM(static random access memory) 등에 입력되어 저장될 수 있다.

또한, 본 고안의 온도 계측 유닛은 그 내부에 상기 프로세서로부터의 출력을 외부의 범용 컴퓨터에 전송할 수 있는 RS232C와 같은 통신 포트를 내장할 수 있다.

물론 상기 프로세서의 출력이 직접 범용 컴퓨터로 전송될 수 도 있지만, 상기 온도 계측 유닛 내부의 기억 장치에 저장된 온도값이 상기 범용 컴퓨터로 전송될 수 도 있다. 이러한 통신 포트를 내장함으로써, 본원 고안의 수화열 계측 장치가 측정한 온도는 범용 컴퓨터에서의 데이타의 가공이 가능하게 된다.

이상 상술한 본 고안의 수화열 계측 장치는 열전대를 온도 센서로 한 종래의 수화열 측정 장치에 비해 매우 간단한 구성을 가지게 된다. 종래의 열전대를 이용한 수화열 측정 장치는 매우 약한 기전력(수 mV ∼ 수십 mV) 신호를 검출하므로 열전대와 온도 계측 유닛 사이의 도선 저항 등으로 인한 전압 강하를 보상하기 위해 온도 보상선 및 별도의 보상 회로를 구비하게 되나, 본원 고안의 수화열 측정 장치는 이러한 점을 배제할 수 있어 시스템 구성이 단순해진다.

본 고안의 수화열 측정 장치는 종래의 열전대에 비해 가격이 저렴한 써미스터를 온도 센서로 사용하고, 시스템 구성이 간단하여 저렴한 비용으로 제조될 수 있다. 또한 본 고안의 장치는 콘크리트 내부의 수화열을 보다 신뢰성있게 측정할 수 있다.

Claims (1)

1. 복수개의 써미스터;

   상기 써미스터로부터 발생하는 복수개의 저항 신호를 수신하기 위한 복수개의 채널을 가지고, 상기 신호를 온도로 변환하는 온도 계측 유닛을 포함하는 콘크리트 수화열 계측 시스템.