KR20040079222A - 회전체의 무선 응력 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 회전하는 회전체의 응력을 측정하기 위한 응력 측정장치에 관한 것으로, 상기 회전체에 발생하는 응력을 검출하는 응력 검출부와, 상기 응력 검출부에서 검출된 신호를 송신하는 송신부와, 상기 송신부로부터 입력되는 신호를 재생하는 수신부와, 상기 수신부로부터 입력되는 신호를 연산하여 변형률 값으로 표시하는 표시부를 포함한다.

Description

회전체의 무선 응력 측정장치{WIRELESS STRESS MEASUREMENT SYSTEM FOR ROTATING BODY}

본 발명은 회전체의 무선 응력 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심 분리기와 같은 고속 회전에 의한 회전체의 응력변화를 측정하기 위한 회전체의 무선 응력 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 기계나 혹은 구조물의 강도 설계에 있어서, 가장 중요한 인자 중의 하나가 응력이며, 이 응력을 측정하기 위한 장치가 응력 측정장치이다.

이러한 응력 측정방법으로는 빛을 이용한 방법인 광탄성측정기를 이용해 왔으나, 응력 값들의 상대 비교만 가능하고 절대 값을 얻을 수 없었다. 따라서 최근에는 저항의 일종인 스트레인 게이지를 이용하여 전기적 신호로써 응력 분포의 상대비교 및 절대 값을 얻는 방식을 채택하고 있다. 그러나 리드선과 같은 유선을 사용하게 되는 스트레인 게이지로써는 선이 꼬이게 되어 회전체에 사용할 수가 없으며, 또한 컨테이너 크레인과 같이 규모가 큰 구조물의 모니터링을 위해서도 길이가 긴 리드 선으로 인하여 시공에 큰 불편이 있었다.

또, 회전체의 응력 측정방법으로는 링을 회전체의 표면에 씌워 회전체가 팽창함에 따라 링이 팽창하게 되면 링에 설치된 스트레인 게이지를 통해 회전체의 응력을 간접적으로 측정하는 방식을 써 왔었다. 하지만, 이 방식은 표면형상이 매끄럽지 못하거나 응력집중 등을 측정해 낼 수 없는 단점이 있으며, 측정하고자 하는 구조물의 크기에 맞게 제작해야 하는 단점이 있었다.

그 밖에, 카메라를 이용하여 회전체 표면의 변형을 측정해 내는 방식이 제기되어 왔다. 그러나 이러한 방법들은 모두 간접적인 응력 측정으로 정확한 값을 측정해 낼 수 없는 단점이 있었다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 원심 분리기와 같은 회전체의 고속 회전으로 인한 응력변화와 급격한 형상변화 지점이나 구멍과 같은 응력 집중부의 응력을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 이용하여 각 위치별 응력을 직접적으로 측정할 수 있는 응력 측정장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 컨테이너 크레인과 같은 대형 구조물의 모니터링을 위한 응력 측정장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 당성하기 위한 제 1견지에서 있어서, 고속 회전하는 회전체의 응력을 측정하기 위한 응력 측정장치는, 상기 회전체에 발생하는 응력을 검출하는 응력 검출부와, 상기 응력 검출부에서 검출된 신호를 송신하는 송신부와, 상기 송신부로부터 입력되는 신호를 재생하는 수신부와, 상기 수신부로부터 입력되는 신호를 연산하여 변형률 값으로 표시하는 표시부를 포함한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 응력 검출부는 상기 회전체의 측정 부위에 부착되는 스트레인 게이지를 포함한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 송신부는 아날로그 형태로 출력되는 전압의 변화를 디지털 형태로 변형함과 동시에 병렬 형태로 된 데이터를 직렬 형태로 변환하여 출력한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 수신부는 저잡음 증폭하고 캐리어를 곱해서 원신호를 복원하고 원하는 주파수 대역을 추출한 후에 추출된 신호를 병렬 형태로 변환하여 출력한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 표시부는 연산을 거친 후에 변형률을 숫자의 형태로 표시한다.

본 발명은 무선통신을 위한 송수신장치를 도입함으로써 스트레인 게이지를 이용하여 응력을 직접적으로 측정할 수 있도록 한다. 이러한 무선 응력 측정장치는 회전체의 응력변화를 데이터로 변환하여 송신할 수 있는 송신부와 무선을 통해 전달된 데이터을 수신하고 연산하여 응력값을 표시할 수 있는 표시부를 추가로 포함한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무선 응력 측정장치를 나타낸 구조도.

도 2는 도 1에 나타낸 무선 응력 측정장치의 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 회전 원판

3 : 스트레인 게이지

5 : 리드선

7 : 송신부

9 : 모터

13 : 송신안테나

15 : 수신부

17 : 수신안테나

19 : 디스플레이부

본 발명에서 제안하고자 하는 스트레인 게이지를 이용한 회전체용 무선 응력 측정장치는 원심분리기와 같은 고속 회전체의 응력변화를 스트레인 게이지를 이용하여 측정하기 위해 개발된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 무선 응력 측정장치를 나타낸다. 본 발명의 무선 응력 측정장치는 응력 검출부(100), 송신부(200), 수신부(300) 및 표시부(400)를 포함한다.

응력 검출부(100)는 회전체의 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 회전체의 표면에 부착되는 스트레인 게이지를 이용할 수 있다.

스트레인 게이지는 전기식으로 측정하는 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gage)와 기계식으로 측정하는 기계식 스트레인 게이지(mechanical strain gage)의 2 종류로 구분할 수 있다. 전기식 스트레인 게이지는 구조체가 변형을 일으킬 때에 부착된 스트레인 게이지의 전기적 저항이 변하여 이로 인한 변형률을 측정하는 것이다. 기계식 스트레인 게이지는 두 점 사이의 미소한 거리 변화를 기계적으로 측정하여 구조체의 변형률을 측정하는 것이다. 스트레인 게이지는 구조체의 재질에 따라 그 모양과 길이가 다른 것이 사용되는데, 금속이나 강재에는 주로 5mm의 게이지가 사용되고, 콘크리트에는 30-100mm의 게이지가 종종 사용된다. 본 발명의 응력 검출부(100)에 사용되는 스트레인 게이지는 전기적 저항의 변화에 따른 회전체의 변형률을 측정하는 전기식의 와이어 스트레인 게이지이며, 저항선으로서 니켈-크롬합금의 가는 선으로 직경0.025mm, 총 길이 120mm로써 8×2mm의 베이스에 부착되어 120Ω의 저항값을 갖는 스틸용 저항선이다. 본 발명의 스트레인 게이지는 원심 분리기와 같은 회전체에 부착되는데, 부착 방법은 일반적으로 아래와 같이 정리할 수 있다.

① 피측정 위치를 잘 건조시킨다.

② 접착성을 좋게 하기 위하여 접착장소를 샌드페이퍼나 그라인더로 연마한 후 아세톤이나 알콜 등으로 청소한다.

③ 접착면에 구멍이 생긴 때는 미리 사용하는 접착제를 엷게 발라서 접착면을 평활하게 한다.

④ 게이지를 붙이는 위치에 연필 등으로 축선을 기입한다.

⑤ 게이지 표면과 측정부의 접착장소에 접착제를 발라 미리 기입하여 둔 축선과 일치되도록 접착시킨다.

⑥ 손가락 또는 로울러로 게이지의 일단으로부터 굴리는 식으로 압착하여 여분의 접착제나 기포를 제거한다.

⑦ 경우에 따라서는 게이지 접착부에 60∼70℃의 온풍을 불어서 접착제의 경화를 촉진시킨다.

⑧ 끝으로 방습제 등으로 게이지를 코팅하여 게이지 및 접착제의 흡습을 막는다.

상기와 같이 스트레인 게이지가 구조체에 부착되었을 경우, 구조체가 변형을 일으키게 되면 구조체에 부착된 스트레인 게이지의 저항이 변화하게 되고, 이 저항의 변화는 스트레인 게이지와 리드선으로 연결된 휘스톤 브리지(도시하지 않았음)를 통해 전압의 변화로 변환된다.

한편, 송신부(200)는 응력 검출부(100)에서 검출된 신호를 송신하기 위하여 A/D 컨버터(4) 및 직병렬 변환기(8)로 이루어진 PIC부(6)와, 앰프(14),국부발진부(18) 및 멀티플라이어(16)로 이루어진 송신모듈(10) 및 송신 안테나(12)를 포함한다. A/D 컨버터(4)는 전압의 형태로 변환된 아날로그 입력을 샘플링하여 디지털 데이터로 컨버팅한다. 직병렬변환기(8)는 A/D 컨버터(4)로부터 컨버팅된 8비트 병렬데이터를 직렬데이터로 변환하고 스타트(START) 비트, 8비트 데이터 및 스탑(STOP) 비트로 연속되는 데이터프레임을 생성한다. 앰프(14) 및 국부발진부(18)는 상기 직병렬변환기(8)로부터의 신호를 입력받아 증폭 및 변조하여 송신안테나(12)를 통해 송신한다. 이 때 송신 주파수는 주변의 무선 장치에 영향을 주거나 영향을 받지 않도록 미리 설정된다.

또, 수신부(300)는 앰프(22), 국부발진부(26), 멀티플라이어(24), BPF(28), 디텍터(32)로 이루어진 수신모듈(30) 및 직병렬변환기(34)를 포함한다. 앰프(22)와 국부발진부(26)는 송신부(200)의 안테나(12)로부터 출력된 신호를 입력받아 증폭 및 변조한다. BPF(28)는 미리 설정된 주파수 대역의 신호를 통과시킨다. 디텍터(32)는 미리 설정된 주파수를 검출하여 출력한다. 직병렬변환기(34)는 수신모듈(30)에서 출력된 데이터프레임에서 8비트 데이터비트만을 추출한 후 이를 병렬 데이터로 변환한다.

또, 표시부(400)는 수신부(300)에서의 출력이 8비트로 양자화된 정보이므로 이를 실제 스트레인 게이지의 출력과 같은 형태로 변환한다. 이후 변형률을 계산하여 표시한다. 표시부(400)는 연산기능을 갖춘 컴퓨터일 수 있으며, 여러 가지의 주변 장치가 추가될 수 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 무선 응력 측정장치의 실시예를 나타낸다. 도면을참조하면, 응력검출부(100)의 스트레인 게이지(3)는 원심분리기와 같은 고속으로 회전하는 회전체(1)에 전술한 방법과 같이 부착된다. 스트레인 게이지(3)는 리드선(5)을 통해 전기적으로 송신부(200)와 연결되는데, 송신부(200)는 회전체(1)의 무게 중심을 변화시키지 않기 위하여 회전체(1)의 회전 중심에 위치하도록 부착된다.

만일, 모터(9)에 의해 클램프(12)에 부착된 회전체(1)가 고속으로 회전하여 회전체(1)가 변형을 일으키면, 이 회전체(1)에 부착된 스트레인 게이지(3)의 저항이 변화하게 되고, 이 저항의 변화는 리드선(5)에 의해 스트레인 게이지(5)와 연결된 휘스톤 브리지(도시하지 않았음)를 통해 전압의 변화로 변환된다. 원공 주위의 응력집중을 측정하기 위한 방법은 회전체에 존재하는 원공의 주위에 일정한 각도로 스트레인 게이지를 배열하여 부착하고 다시 원공의 중심에서 일정 간격으로 스트레인 게이지를 반경방향으로 각각 부착한 후 각 위치에서의 응력을 측정하여 응력 분포곡선을 그려 비교 분석한다.

송신부(200)는 전술한 바와 같이, 아날로그 형태로 출력되는 전압의 변화를 디지털 형태로 변형하고, 병렬 형태로 된 데이터를 직렬 형태로 변환한다. 그리고 신호를 증폭하고 증폭된 신호를 안테나(도 1 ; 12, 도 2 ; 13)를 통해 송신한다. 수신부(300)는 저잡음 증폭하고 캐리어를 곱해서 원신호를 복원하고 원하는 주파수 대역을 추출한 후에 추출된 신호를 병렬 형태로 변환한다. 표시부(400)는 전압의 변화량과 변형률과의 관계식을 이용하여 연산을 거친 후에 변형률을 표시하게 된다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명을 통해 스트레인 게이지를 이용하여 원심분리기와 같은 회전체의 고속 회전에 따른 응력의 변화를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 무선방식이므로 복잡한 리드선이 필요 없어 컨테이너 크레인과 같은 규모가 큰 구조물의 응력 측정에도 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 원심분리기와 같은 회전체에 한정하여 설명하였지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 압연설비, 컨테이너 크레인, 광학기기, 압력용기, 항공기, 철도차량, 선박, 자동차, 발전소설비등 모터에 의해 회전하는 회전체를 구비한 각종 장치 및 시설물의 변형을 측정하기 위해 이용가능하다.

Claims (5)

1. 고속 회전하는 회전체의 응력을 측정하기 위한 응력 측정장치에 있어서,

   상기 회전체에 발생하는 응력을 검출하는 응력 검출부와,

   상기 응력 검출부에서 검출된 신호를 송신하는 송신부와,

   상기 송신부로부터 입력되는 신호를 재생하는 수신부와,

   상기 수신부로부터 입력되는 신호를 연산하여 변형률값으로 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 응력 측정장치.
2. 제2항에 있어서, 상기 응력 검출부는 상기 회전체의 측정 부위에 부착되는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 응력 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 송신부는 아날로그 형태로 출력되는 전압의 변화를 디지털 형태로 변형함과 동시에 병렬 형태로된 데이터를 직렬 형태로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 응력 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 수신부는 저잡음 증폭하고 캐리어를 곱해서 원신호를 복원하고 원하는 주파수 대역을 추출한 후에 추출된 신호를 병렬 형태로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 응력 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 표시부는 연산을 거친 후에 변형률을 숫자의 형태로 표시하는 것을 특징으로 하는 응력 측정장치.