KR20050090856A

KR20050090856A - 변위게이지

Info

Publication number: KR20050090856A
Application number: KR1020040016131A
Authority: KR
Inventors: 김엄기; 남승훈
Original assignee: 대한민국(공주대학교총장)
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-14

Abstract

본 발명은 재료가 응력(stress)을 받음에 따라 늘어나거나 줄어드는 변형정도를 측정하는 기기, 즉 변위게이지(Displacement Gage)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 균열체(cracked body)의 예비균열(pre-crack) 위치에서 균열선을 대칭으로 소정의 간격을 가지는 두 지점의 변위를 직접 측정함으로써 균열의 위험성을 예측할 수 있도록 한 변위게이지에 관한 것이다.

본 발명은 재료가 응력(stress)을 받음에 따라 늘어나거나 줄어드는 변형정도를 측정하는 변위게이지(displacement gage)에 있어서, 스트레인 게이지(strain gage)가 부착된 감지부(sensing part)와; 상기 감지부의 양단에 각각 결합된 기둥(column)과; 상기 기둥의 하단에 각각 연결된 촉침을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변위게이지{Displacement Gage}

현대 산업분야에 사용되는 산업설비는 점차 대형화 및 고성능화 되는 추세에 있으며, 이에 따라 가동조건이 점차 가혹해지고 노후화되는 경향을 보이고 있다. 특히, 원자력발전소, 가스공급설비, 항공기, 해양구조물 등 주요 기기는 안전사고 발생 시 막대한 인적, 경제적인 피해를 야기하기 때문에 안전설계와 효과적인 운영의 문제는 매우 중요하다. 일반적으로 산업설비는 제작과정이나 사용 중에 발생하는 결함으로 인하여 설비기능이 저하되고 궁극적으로 파손에 이르게 되는 데, 이로 인한 사고를 미연에 방지하기 위하여 가상적인 결함을 고려한 구조물의 설계 및 파괴역학적 건전성평가(integrity evaluation)를 수행하여야 한다.

기존 구조물의 설계 및 건전성평가의 많은 부분이 선형탄성 파괴역학(Linear Elastic Fracture Mechanics: LEFM)을 토대로 이루어져 왔으나 LEFM은 재료의 거동의 탄성적이고 파괴형태가 취성인 경우에만 적용될 수 있는 해석기법이기 때문에, 탄소성 변형을 수반하는 실제 구조물의 정확한 해석을 위해서는 탄소성 파괴역학 (Elastic Plastic Fracture Mechanics; EPFM)의 적용이 요구된다.

EPFM 해석기법의 개발에 사용되는 탄소성 파괴역학 파라미터로 δ₅ 파라미터에 의한 결함(flaw) 평가법은 사용자가 비교적 간단한 방법으로 균열의 위험성(severity)을 평가할 수 있는 데, 이 방법은 재료의 파괴물성이 예비균열 위치에서 균열선을 대칭으로 하여 균열선으로부터 상하로 각각 2.5mm 씩 떨어진 두 지점의 초기 간격 5mm 의 상대적 변위로 균열의 위험성을 평가하는 데, 균열이 성장하는 도중에도 예비균열이 있던 위치에서 국부적으로 측정 가능하기 때무에 용접부의 용착금속부 또는 열영향부에서의 파괴인성 또는 파괴저항곡선과 같은 균열성장해석에 매우 유용한 방법으로 사용될 수 있다, 따라서, 기하학적으로 복잡하여 표준시험절차에 의하여 측정이 곤란한 압력용기, 파이프 등의 용접부 등에 적용하면 편리하다.

그러나, δ₅는 기존의 표준 시험절차와는 다른 방식으로 측정되기 때문에 종래의 상용 변위게이지를 이용하여 측정하는 것이 불가능하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 균열체(cracked body)의 예비균열(pre-crack) 위치에서 균열선을 대칭으로 소정의 간격을 가지는 두 지점의 변위를 직접 측정함으로써 균열의 위험성을 예측할 수 있도록 한 변위게이지에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 재료가 응력(stress)을 받음에 따라 늘어나거나 줄어드는 변형정도를 측정하는 변위게이지(displacement gage)에 있어서, 스트레인 게이지(strain gage)가 부착된 감지부(sensing part)와, 상기 감지부의 양단에 각각 결합된 기둥(column)과, 상기 기둥의 하단에 각각 연결된 촉침을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 감지부는 그 내부에 슬롯(slot)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감지부는 베릴륨동(BeCu)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 촉침 간의 간격은 4.9 mm ~ 5.1 mm 사이이고, 상기 감지부의 두께는 0.29 mm ~ 0.31 mm 사이인 것을 특징으로 한다.

이하에서 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변위게이지는 감지부(sensing part)(1)와, 상기 감지부(1)의 양단에 각각 결합된 기둥(column)(2)과, 상기 기둥(2)의 하단에 각각 연결된 촉침(3)을 구비하고 있다.

상기 감지부(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지(strain gage)가 장착되고 그 내부에 슬롯(14)이 형성되어 있는 안착부(11)와, 상기 안착부(11)의 양단에 각각 연결되며 상기 기둥(2)과의 결합을 위한 관통구멍(13)이 형성되어 있는 결합부(12)로 구성되어 있다.

한편, 상기 감지부(1)는 베릴륨동(BeCu)으로 이루어져 있다. 변위게이지의 가장 중요한 기계적 구성은 스프링요소(본 발명에서는 감지부가 이에 해당)이다. 따라서 변위게이지의 성능은 고정밀 스프링 재료에 좌우된다. 이는 하중과 변형에서의 직선성, 작은 히스테리시스(hysterisys)(증가하는 하중과 감소하는 하중에서의 일치성), 낮은 크리프(creep) 및 작은 응력이완(stress relaxation)과 밀접한 관계가 있다. 변위게이지의 스프링 요소는 고정밀 스프링과 같이 거동해야 함과 동시에, 변형이 충분히 크고 균일해야 하며 스트레인 게이지를 위치시키기에 적합한 영역을 제공하는 구조를 가져야 한다.

변위게이지 재료의 선택은 변위게이지의 가격과 성능에 영향을 미치기 때문에 매우 주의해야 한다. 따라서, 변위게이지 재료를 선택하기 위해서는 재료의 기계적 성질, 가공성, 열적 성질 등을 고려해야 한다. 아래 <표>는 본 발명의 감지부(1)에 사용된 베릴륨동의 화학적 성분 및 기계적 특성을 나타낸다.

<표>

화학적 성분

성분	Be	Co+Ni	Co+Ni+Fe	Cu+Be+Co+Ni+Fe
값	1.86	0.25	0.27	99.9

기계적 특성

구분	인장응력(MPa)	연신율(%)	경도(Hv)	탄성계수 E(GPa)
값	1320	4.4	402	120
구분	전단 탄성계수 G(GPa)	포아송 비(v)	항복응력(MPa)	열팽창계수(10-6/℃)
값	47	0.33	760	17.0

상기와 같은 화학적 성분을 가지는 베릴륨동을, 본 발명에 따른 변위게이지의 감지부(1)로 사용한 결과, 변위게이지의 정밀도를 결정하는 가장 중요한 기계적 성질 중의 하나인 재료의 우수한 탄성 선형성(elastic linearity)을 나타내었다.

한편, 상기 안착부(11)의 두께는 0.29 mm ~ 0.31 mm 사이이며, 바람직하게는 0.3 mm 이다.

본 출원인은 적절한 안착부(11)의 두께를 설정하기 위하여 안착부(11)의 두께가 1.0 mm, 0.5 mm, 0.3 mm 의 세 종류별로 시험한 결과 다음과 같은 현상을 발견할 수 있었다.

1) 큰 변위(변위게이지 촉침 간의 간격)에서도 변위게이지의 감지부의 항복응력에 도달하지 않아 변위게이지의 사용범위(working scope)가 넓다. 즉, 변위게이지의 활용범위가 넓다(예, 0.3mm의 경우 1.0mm의 3.5배)

2) 두께가 작을수록 감지부의 강성(stiffness)이 감소하므로 큰 변위에서도 촉침에 걸리는 접촉력(변위게이지 촉침에 걸리는 변위 방향의 힘)이 작다(예, 3.0mm 의 변위가 주어졌을 때, 0.3mm의 접촉력은 0.56N으로 1.0mm에 비하여 4.0%에 불과할 정도로 매우 작다). 여기서 접촉력은 변위게이지 시험편과 변위게이지 촉침 사이의 접촉저항이므로 접촉저항이 작아지게 되면 변위게이지의 응답성(sensitivity)을 증가시킬 수 있고, 또한 변위시험이 잘 이루어져 시험의 신뢰도를 높일 수 있다.

다른 면에서 변위게이지의 접촉력이 작다는 것은 감지부를 제외한 변위게이지 전체 구조물에 걸리는 응력이 작게 작용되므로 변위게이지의 변형(감지부를 제외한 부위)를 최소화할 수 있다.

3) 변위게이지의 가장 중요한 기계적 요소인 스프링요소, 즉 하중과 변형에서의 직선성은 감지부의 모든 두께 영역에서 완벽하게 만족함을 확인하였다.

상기와 같은 이유로 감지부의 최적두께로 0.3mm를 선정하였다.

감지부 두께를 더 이상 줄이지 않고 0.3mm 로 선정한 것은 감지부 두께를 더 줄일 경우, 같은 변위에서 감지부의 변형이 작게 되기 때문이다. 즉, 스트레인 게이지가 부착되는 감지부 표면에서의 변형률이 작아지며 이로 인하여 변위의 변화에 따른 출력(게이지의 분해능: resolution)이 상대적으로 작아진다. 따라서 재료가 응력을 받음에 따라 늘어나거나 줄어드는 변형정도를 측정하는 변위게이지의 기능에 부합할 수 없게 되며 정밀한 측정이 불가능하게 된다.

그러나, 두께 0.3mm의 변위게이지 감지부에서도 변형률 구배현상을 개선할 수 없었다. 이러한 큰 변형률 구배에 따른 불균일한 변형률분포를 개선하고 또한 변위게이지의 최대허용변위를 높이기 위하여 감지부의 두께를 줄이는 대신에 감지부 중앙에 슬롯(14)을 형성하였다. 상기 슬롯(14) 가공에 따라 상기 안착부(11)의 단면적이 작아지므로 안착부(11)의 두께를 줄이지 않고 안착부(11)의 강성을 감소시키는 효과가 있다.

한편, 상기 기둥(2)은 L자 형상이며, 상기 감지부(1)의 관통구멍(13)을 통하여 상기 감지부(1)의 양단에 소정의 체결도구, 예컨대 나사 등을 사용하여 결합되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 촉침(3)은 상기 기둥(2)의 하단에 결합되어 있는 데, 상기 촉침(3) 간의 간격(A)은 4.9 mm ~ 5.1 mm 사이이며, 바람직하게는 5 mm 이다. 한편, 본 발명에서는 촉침(3) 간의 간격(A)이 5 mm 인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 상기 촉침(3) 간의 간격(A)은 필요에 따라 다양한 값으로 조절될 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 변위게이지를 사용하여 재료의 균열선단열림변위, δ₅를 측정하는 상태가 도시되어 있다.

즉, 변위게이지(G)의 촉침(3)은 시험편(W)의 예비균열(4) 선단을 가로지르는 5mm 위치에 비커스 경도기로 압입하여 만든 표점자국들(5)에 삽입되도록 되어 있다. 상기 변위게이지(G)는 지그(미도시)에 의하여 시험편(W) 측면에 부착된다. 신호증폭기(미도시)와 연결된 상기 변위게이지(G)의 출력신호는 상기 표점자국들(5)의 상대변위를 나타내게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 균열체(cracked body)의 예비균열(pre-crack) 위치에서 균열선을 대칭으로 소정의 간격을 가지는 두 지점의 변위를 직접 측정할 수 있어 균열의 위험성을 보다 효과적으로 예측할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 변위게이지의 측면도이다.

도 2는, 도 1의 발명의 감지부의 평면도와 측면도이다.

도 3은, 도 1의 발명을 사용하여 시험편의 균열의 진행을 측정하는 상태를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...감지부, 11...안착부,

12...결합부, 13...관통구멍,

14...슬롯(slot), 2...기둥(column),

3...촉침, 4...예비균열,

5...표점자국, G...변위게이지,

W...시험편, S...스트레인게이지.

Claims

재료가 응력(stress)을 받음에 따라 늘어나거나 줄어드는 변형정도를 측정하는 변위게이지(displacement gage)에 있어서,

스트레인 게이지(strain gage)(S)가 부착된 감지부(sensing part)(1)와;

상기 감지부(1)의 양단에 각각 결합된 기둥(column)(2)과;

상기 기둥(2)의 하단에 각각 연결된 촉침(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위게이지.
제1항에 있어서,

상기 감지부(1)는 그 내부에 슬롯(slot)(14)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 변위게이지.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 감지부(1)의 두께는 0.29 mm ~ 0.31 mm 사이인 것을 특징으로 하는 변위게이지.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 감지부(1)는 베릴륨동(BeCu)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변위게이지.
제1항에 있어서,

상기 기둥(2)은 L자 형상인 것을 특징으로 하는 변위게이지.
제1항에 있어서,

상기 촉침(3) 간의 간격(A)은 4.9 mm ~ 5.1 mm 사이인 것을 특징으로 하는 변위게이지.