KR20040027609A - 다주파수 전송방식의 무선전송기술을 이용한 구조물의 계측시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량과 같은 구조물의 정밀안전진단 또는 장기 계측시 센서로부터 계측기까지 케이블을 이용한 종래의 단점을 보완하기 위하여 고안된 발명으로 무선전송기술을 이용한 구조물의 무선계측(telemetry) 시스템에 관한 것이다. 여러대의 송신기와 1대의 수신기로 구성되는 방식[단일주파수 전송방식, (도 2) 참조] 뿐만 아니라 채널확장시 여러대의 송신기에 각각의 전송 주파수를 달리한 여러대의 수신기로 구성되는 무선계측 시스템[다주파수 전송방식, (도 3) 참조]으로 구성된다.

본 발명은 전기저항식 변형률게이지, 변위계(LVDT, dial gauge), 하중계(load cell), 가속도계, 속도계 등의 센서를 바로 연결할 수 있는 센서 인터페이스[(도 1)의 (1)], 송신기의 제어 및 신호변조와 아나로그 신호를 무선으로 전송하기 위하여 디지털화 시키는 A/D 컨버터 등으로 구성된 송신기 컨트롤부[(도 1)의 (2)], 디지털화된 신호를 전송하기 위한 송신부[(도 1)의 (3)], 송신기로부터 일정거리 이격된 위치에서 송신기로부터 전송된 무선신호를 수신하는 수신부[(도 1)의 (4)], 수신기의 제어 및 신호복조와 원래의 신호형태로 데이터 변환을 수행하는 수신기 컨트롤부[(도 1)의 (5)], 그리고 시리얼 포트 또는 기타 방식에 의하여 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터를 저장하고 분석하기 위한 데이터 저장장치[(도 1)의 (6), (7), (8)]로 구성되어 있다.

Description

다주파수 전송방식의 무선전송기술을 이용한 구조물의 계측시스템{Multi-channel telemetry system for monitoring of infra-structures}

일반적으로 교량, 대형 시설물, 지하매설물 등의 기간산업 시설물들은 사회가 더욱 고도화되고 발전하면서 구성원들의 크게 증대하고 있는 다양한 요구수준을 충족하기 위해 더욱더 대형화 및 첨단화되고 있는 실정이다. 이에 따라 신기술, 신공법, 신소재 도입에 따른 실내외 검증실험의 필요성은 매우 상승하고 있으며, 준공 후 수십년이 경과된 구조물의 수는 점차 누적되어 현재 구조물의 상태를 평가하기 위한 정밀안전진단 및 유지관리계측 시스템의 도입은 급격히 증가하고 있는 추세에 있다. 게다가 시설물의 재해방지 및 이상상태 진단을 위하여 현재 육안검사에 대부분을 의존해 왔지만, 과도한 인력 및 시간 낭비로 인한 비용의 상승으로 인하여 차츰 각종 센서를 부착하고 상태를 평가할 수 있는 정밀안전진단기법과 센서로부터 측정된 데이터를 온라인을 통해 관리자에게 전달하여 데이터 분석 및 판단을 통해 대상 시설물의 안전상태를 파악하고 예측하는 안전감시 시스템의 도입이 증가하고있는 추세에 있다.

그러나 [도 4]에 언급된 케이블을 이용한 기존의 계측방식은 구조물의 정밀안전진단시 측점대상이 상시 이동이 필요하고 넓은 공간에 분포할 경우 혹은 회전하는 지점에 대한 측점 및 고온 또는 접근이 용이하지 않은 경우에 대해 기존의 케이블을 사용한 적용방식은 비경제적이며, 많은 인력과 시간이 소모되어 비용이 상승하고, 장기계측시 유지보수에 관련된 문제점 등을 내포하고 있다.

그리고 일반적으로 가공되지 않은 센서의 출력신호는 매우 미약하여 주변잡음에 대한 차폐가 효과적이라도 장거리 전송에서는 선로를 구성하고 있는 동선의 저항값 상승으로 인한 측정신호의 감쇠를 피할 수 없게된다. 또한 스트레인게이지에서 출력되는 신호는 신호증폭기에서 전압으로 출력되는데, 케이블 길이가 길어지면 온도변화에 따른 케이블 저항값의 변화가 커지게 되고 신호증폭기에서 출력되는 전압이 컴퓨터나 기록장치로 입력되는 전압과 차이가 발생하게 되어 측정오차가 야기될 수 있다.

따라서, 정확한 측정신호의 취득을 위하여 센서와 신호처리장치 사이의 간격을 최소화 하여야하나 토목 구조물의 특성상 광범위한 영역의 측정이 필요하기 때문에 기존의 케이블을 이용한 유선계측에 의존한 방식이 매우 비효율적임을 알 수 있다.

이에 반하여 본 발명의 무선계측 시스템은 송신기[(도 1)의 (1), (2), (3)]에서 A/D 변환기(A/D converter)에 의하여 아날로그 신호가 디지털로 변환된 후 무선으로 디지털화된 데이터를 전송하므로 신호전송시 설정된 거리(통상적으로 수백m~수 km) 이내에서는 측정오차 등이 발생하지 않는다.

또한 측점대상이 상시 이동하는 경우 빠른 시간안에 측정대상을 변경하여 측정을 실시하므로서 케이블 포설에 의한 인력과 시간감소에 따른 비용절감 및 동일 시간안에 더욱 광범위한 지역을 측정할 수 있는 장점이 있다.

그리고 회전하는 지점에 대한 측점 및 고온 또는 접근이 용이하지 않은 지점과 같은 경우 케이블을 사용한 경우보다 매우 효과적인 적용이 가능하다.

또한 실내실험시 시험체에 다수의 센서를 부착하므로서 복잡한 케이블의 설치가 작업자의 활동을 방해할 뿐만 아니라, 계측실과 실험위치가 상당히 떨어진 경우에는 실내임에도 불구하고 매우 큰 노이즈의 영향이 발생될 수 있는 반면, 무선계측기의 활용으로 케이블의 설치없이 보다 간편하고 경제적인 계측수행이 가능하게 될 것이다.

구조물의 계측을 위한 계측장비 및 데이터로거는 대부분 해외에서 개발되어 해외기술에 의존적이며 따라서 가격이 매우 고가인 비경제적인 단점이 있다. 그러나 본 발명의 무선계측기는 센서 인터페이스[(도 1)의 (1)]에 변형률계, 변위계, 로드셀 등의 게이지 type 센서와 가속도계, 속도계 등의 다양한 센서형식을 연결할 수 있는 모듈과 A/D 변환기(A/D converter)를 부착함으로서 독립적인 하나의 데이터로거가 구성되어, 특별한 계측장비 및 데이터로거가 필요없이 자체적으로 구조물의 안전진단 및 장기계측이 가능하며 국내개발로 가격경쟁력과 대외 기술의존도의 독립성을 확보할 수 있게된다.

도1은 무선계측 시스템의 구성도

도2는 다채널 사용시 단일주파수 전송방식의 무선계측 시스템의 구성도

도3는 다채널 사용시 다주파수 전송방식의 무선계측 시스템의 구성도

도4은 기존의 유선계측 시스템의 구성도

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구성은 도 1과 도 2 또는 도3과 같이 구성된다.

토목구조물의 계측시 일반적으로 적용되고 있는 변형률계, 변위계, 로드셀 등의 게이지 type 센서와 가속도계, 속도계 등의 다양한 센서는 모듈화된 센서 인터페이스[(그림 1)의 (1)]에 연결된다. 센서 인터페이스로 입력된 아나로그 신호는 A/D 변환기에 의하여 디지털화되고 변조되어 신호를 전송하기 위한 송신부[(도 1)의 (3)]로 전달된다. 이 전달된 신호는 무선전송에 의하여 송신부에서 수백 m~수 km 떨어진 수신부 안테나[(도 1)의 (4)]로 전송된다[(도 2)의 단일주파수 전송방식]. 또한 사용 목적에 따라서 시스템은 (도 3)의 다주파수 전송방식으로도 구성할 수 있는데, 이는 여러대의 송신기에 각각 전송 주파수 범위가 다른 여러대의 수신기로 구성되는 방식으로 측정항목수가 여러개일 경우 실시간 계측 및 채널간 시간지연이 발생되지 않도록 한다. 이렇게 수신된 신호는 수신기 컨트롤부[(도 1)의 (5)]에 의하여 원래의 신호형태로 변환되어 시리얼 포트 또는 기타 방식에 의하여 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터는 저장되고 분석이 이루어진다.

필요에 따라서는 송신기 또는 수신기에 자체적인 메모리칩을 내장하여 일정기간 메모리칩에 데이터를 저장하였다가 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터를 저장하는 방식을 활용할 수 있는데, 이는 하나의 저장장치로 여러지점에 분포되어 있는 다수의 시설물 계측을 가능하게 할뿐만 아니라, 교량의 안전진단과 같이 차량통행이 필요한 경우 1회의 차량재하에 의하여 다수점에서 측정을 실시한 후 데이터 저장은 일정시간이 지난 후 실시함으로써 교량의 전구간을 계측하기 위해 필요한 수회의 차량재하 등이 필요없어 차량통행 시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

상기에 기술한 바와 같이 케이블을 사용한 기존의 계측방식은 케이블 포설을 위한 인력과 시간이 매우 많이 요구되어 비용이 상승하고, 포설된 케이블 길이가 길어짐에 따라 저항값이 증가되어 계측 신뢰도가 저하되게된다. 또한 교량과 같이 상시 차량통행이 요구되는 지역에서 교통통제 후 실시되는 정밀안전진단의 경우 케이블을 사용한 기존의 계측방식은 전구간의 교량에 대해 한꺼번에 실시하기가 불가능 하므로 안전진단이 실시되는 구간이 많아지게 되고, 따라서 하중재하 차량을 여러번 재하시켜야 하기 때문에 장기간의 차량통제가 불가피하게 된다.

이에 반하여 무선계측 시스템은 측점대상이 상시 이동하는 경우 빠른 시간안에 측정대상을 변경하여 측정을 실시하므로 케이블 포설에 의한 인력과 시간감소에 따른 비용절감 및 동일 시간안에 더욱 광범위한 범위를 측정할 수 있는 장점이 있어 차량통제의 장기화에 따른 기회비용을 최소화할 수 있으며, 풍차와 같이 회전하는 지점에 대한 측정 및 고온 또는 접근이 용이하지 않은 지점과 같은 경우 케이블을 사용한 경우보다 매우 효과적인 적용이 가능하다.

무선계측시스템은 도 2와 같이 단일주파수 전송방식(여러대의 송신기와 1대의 수신기로 구성) 뿐만 아니라 도 3과 같이 다주파수 전송방식(여러대의 송신기와 각각전송 주파수 범위가 다른 여러대의 수신기로 구성)으로 구성이 가능하여 채널 확장시 발생될 수 있는 채널간 시간지연을 방지하고 실시간 계측이 가능하다.

또한, 필요에 따라서는 송신기 또는 수신기에 자체적인 메모리칩을 내장하여 일정시간 메모리칩에 데이터를 저장하였다가 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터를 저장하는 방식을 활용하여, 하나의 저장장치로 여러지점에 분포되어 있는 다수의 시설물 계측뿐만 아니라, 교량의 정밀안전진단과 같이 차량통제가 반드시 필요한 경우 1회의 차량재하에 의하여 다지점에서 측정을 실시한 후 데이터 저장은 일정시간이 지난 후 실시함으로써 교량의 전구간을 계측하기 위하여 수회의 차량재하와 같은 불필요한 작업을 줄일 수 있어 차량통제 시간 및 경비를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한 특별한 계측장비 및 데이터로거가 필요없이 자체적으로 구조물의 안전진단 및 장기계측이 가능하며 국내개발로 가격경쟁력과 대외 기술의존도의 독립성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 토목구조물의 계측시 일반적으로 적용되고 있는 변형률계, 변위계, 로드셀 등의 게이지 type 센서와 가속도계, 속도계 등의 다양한 센서가 연결되는 센서 인터페이스[(그림 1)의 (1)]와, 송신기의 제어 및 신호변조와 아나로그 신호를 무선으로 전송하기 위하여 디지털화 시키는 A/D 컨버터 등으로 구성된 송신기 컨트롤부[(도 1)의 (2)], 디지털화된 신호를 전송하기 위한 송신부[(도 1)의 (3)], 송신기로부터 일정거리 이격된 위치에서 송신기로부터 전송된 무선신호를 수신하는 수신부[(도 1)의 (4)], 수신기의 제어 및 신호복조와 원래의 신호형태로 데이터 변환을 수행하는 수신기 컨트롤부[(도 1)의 (5)], 그리고 시리얼 포트로 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터를 저장하고 분석하기 위한 데이터 저장장치[(도 1)의 (6), (7), (8)]로 구성된 시스템
2. 송신기의 센서 인터페이스에는 변형률계, 변위계, 로드셀 등의 게이지 type 센서와 가속도계, 속도계 등의 다양한 센서가 연결될 수 있도록 모듈화하고 A/D 변환을 실시하여 별도의 데이터로거 없이 무선계측기 자체가 데이터로거의 역할을 수행할 수 있는 시스템
3. 송신기 또는 수신기에 자체적인 메모리칩을 내장하여 일정시간 메모리칩에 데이터를 저장하였다가 컴퓨터와 같은 저장장치로 데이터를 저장하는 방식을 활용하여,하나의 저장장치로 여러지점에 분포되어 있는 다수의 시설물 계측뿐만 아니라, 교량의 정밀안전진단과 같이 차량통제가 필요한 경우 1회의 차량재하에 의하여 다지점에서 동시에 계측을 실시한 후 데이터 저장은 일정시간이 지난 후 실시함으로써 교량의 전구간을 계측하기 위하여 수회의 차량재하와 같은 불필요한 작업을 획기적으로 줄일 수 있어 차량통제 시간과 경비를 최소화할 수 있는 시스템
4. 단일주파수 전송방식(여러대의 송신기와 1대의 수신기로 구성) 뿐만 아니라 다주파수 전송방식(여러대의 송신기와 각각 전송 주파수 범위가 다른 여러대의 수신기로 구성)으로 구성이 가능하여 채널 확장시 발생될 수 있는 채널간 시간지연을 방지하고 실시간 계측이 가능한 시스템