KR20060003762A - 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템 - Google Patents

플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라이휠 로터의 변형률을 원격으로 측정함으로서 고속 회전시 플라이휠 로터의 안전성을 확보할 수 있는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템에 관한 것으로, 플라이휠 시스템에 부착된 변형률 센서부에서 측정된 변형률 데이터를 무선통신 방식을 이용해서 원격의 제어부에 전송하며, 제어부의 모니터링 소프트웨어에서 변형률 데이터를 처리, 분석하여 플라이휠 로터의 변형률을 측정하는 텔레메트리 시스템을 포함하여 구성한다.
플라이휠, 로터, 통신, 측정

Description

플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템{TELEMETRY SYSTEM FOR MEASUREMENT OF STRAIN OF FLYWHEEL ROTOR}
도 1은 플라이휠 로터에 적용된 텔레메트리 시스템의 개념도.
도 2는 플라이휠 시스템을 도시한 도면.
도 3은 텔레메트리 시스템의 송신부를 도시한 도면.
도 4는 송신부의 인쇄회로기판(PCB)의 구성을 도시한 도면.
도 5는 수신부의 인쇄회로기판(PCB)의 구성을 도시한 도면.
도 6은 송신부의 블록 다이어그램.
도 7은 수신부의 블록 다이어그램.
본 발명은 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 고속 회전체의 회전 실험시 로터의 파손은 많은 양의 에너지를 일시적으로 외부로 방출함으로서 시스템 파손 및 안전에 심각한 영향을 미친다.
따라서 로터의 파손을 감지함으로써 안전상태를 실시간으로 확인하는 작업은 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 플라이휠 로터의 변형률을 원격으로 측정함으로서 고속 회전시 플라이휠 로터의 안전성을 확보할 수 있는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템에 있어서, 플라이휠 시스템에 부착된 변형률 센서부에서 측정된 변형률 데이터를 무선통신 방식을 이용해서 원격의 제어부에 전송하며, 제어부의 모니터링 소프트웨어에서 변형률 데이터를 처리, 분석하여 플라이휠 로터의 변형률을 측정하는 텔레메트리 시스템을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예는 고속 회전체와 고정되어 있는 모니터링 시스템 사이의 송수신에 적합하고, 상대적으로 가격이 저렴한 RF통신 방식을 채택하는 플라이휠 로터의 변형률 측정용 텔레메트리 시스템에 관한 것으로, 원심력을 최소화시키기 위해서 축의 중심부에 정확히 삽입되어 시스템 내부 회로부품을 보호하고, 시스템 의 성능을 높일 수 있도록 구성한다.
도 1은 플라이휠 로터에 적용된 텔레메트리 시스템의 개념도를 나타내는 도면이며, 도 2는 플라이휠 시스템을 나타내는 도면이다.
텔레메트리(Telemetry) 시스템은 고속 회전하는 플라이휠 시스템 축(Shaft)에 부착되어 플라이휠 로터의 변형률을 원격으로 측정함으로서 고속 회전시 플라이휠 로터의 안전성을 확보할 수 있다.
도 1을 참조하면, 텔레메트리 시스템은 스트레인게이지를 이용하여 변형률 데이터를 측정하는 변형률 센서부, 변형률 센서부에서 측정한 데이터를 증폭하여 무선통신 방식으로 송신하는 송신부(Transmitter, Telemetry Transmitter), 그리고 송신부로부터 무선 데이터를 받는 수신부(Receiver), 수신부에 연결되어 데이터를 처리 판단하는 제어부(Monitoring Computer, 퍼스널 컴퓨터(PC), 110)를 포함하여 구성한다.
변형률 센서부(214)는 도 2에 도시된 바와 같이 플라이휠 로터(Rotor, 212)의 표면에 부착되어 플라이휠 로터(212)의 변형률을 측정하는 스트레인게이지(Straingauge)로 구성한다.
송신부(210)와 수신부의 데이터 통신 방법으로는 적외선을 이용하는 적외선통신, 광통신, 그리고 라디오 주파수(Radio Frequency) 대역의 주파수를 사용하는 RF통신 등을 적용할 수 있다.
텔레메트리 시스템은 센서에서 측정한 데이터를 송신부에서 무선통신 방법을 사용하여 수신부에 전송한 다음 수신부에서 데이터를 받아서 연결된 제어부에 보내 데이터를 분석 처리하여 플라이휠 시스템의 안전성을 판단하게 된다.
송신부는 플라이휠 로터(212)의 고속 회전시 원심력을 최소화시키기 위해서 축(Shaft, 200)의 중심부에 정확히 삽입되어 시스템 내부 회로부품을 보호하고, 시스템의 성능을 높일 수 있는 구조로 설계되어 있다.
여기서, 플라이휠 로터(212)는 스트레인게이지를 포함한 텔레메트리 시스템의 송신부(Telemetry Transmitter), 축(200)으로 구성된다.
텔레메트리 시스템의 송신부는 축(200)에 삽입되도록 실린더 타입으로 제작되어지며, 스크류(Screw)를 사용하여 축(200)과 송신부를 체결함으로써 축(200)과 송신부가 고정되어 함께 회전하는 구조로 되어 있다.
고속 회전시 플라이휠로부터 인쇄회로기판(PCB)의 각종 회로부품에 전달되는 진동을 차단하기 위하여 송신부의 상부 및 하부 케이스(Top Case, Bottom Case)는 진동을 흡수할 수 있는 재질을 사용한다.
아울러 송신부의 끝 부분에는 도 3에 도시된 바와 같이 고무패킹(Rubber Packing)이 장착되며, 고무패킹은 고속 회전하는 플라이휠 로터로부터의 진동을 줄여주는 기능을 한다.
도 3은 텔레메트리 시스템의 송신부(210)를 나타내는 도면이며, 도 4는 송신부의 인쇄회로기판(PCB)의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신부(210)는 마이크로프로세서(Micro processor), 무선송신모듈(RF Tx Module), 아날로그-디지털 변환기(A/D Converter), 멀티 플렉서, 휘스톤브릿지 회로, 연산증폭기 등이 실장된 인쇄회로기판(PCB, 310), 실린더 타입 의 상부 및 하부 케이스(312, 314), 전원공급장치인 배터리(316), 그리고 고무패킹(318)으로 구성된다.
여기서 송신부(210)의 상부 및 하부 케이스(312, 314)가 축(200)에 삽입 고정되도록 하기 위해 실린더 형상으로 제작되며, 상부 케이스(312)와 하부 케이스(314)는 도 3에 도시된 바와 같이 체결용 스크류(320)를 사용하여 결합된다.
도 4를 참조하면, 송신부의 인쇄회로기판(PCB)은 스트레인 게이지 센서에 필요한 휘스톤브리지회로(Wheatstone bridge, 410), 아날로그 센서신호를 증폭하는 연산증폭기(Signal Amplifier, Operational Amplifier, 420), 다채널 입력을 위한 멀티 플렉서(Multiplexer, 430), 명령을 처리 제어하는 단일 칩 마이크로컨트롤러유닛(MCU ; Micro Controller Unit, 440), 원격으로 데이터를 송신하는 RF 송신모듈(RF Tx Module, 450), 그리고 송신용 안테나(Tx Antenna, 460)로 구성된다.
송신부의 인쇄회로기판(PCB, 310)에는 센서 커넥터(Sensor Connector)와 전원 공급 커넥터(Power Supply Connector)가 각각 구비된다.
도 5는 텔레메트리 시스템 수신부의 인쇄회로기판(PCB)을 나타내는 그림이다.
도 5를 참조하면, 수신부의 인쇄회로기판(PCB)에는 송신부로부터 데이터를 전송받는 수신용 안테나(Rx Antenna, 510)와 수신용 통신 모듈(RF Rx Module, 520), 데이터를 시리얼방식으로 제어부에 보내기 위한 RS232C 인터페이스 모듈(RS232C Module, 530)이 내장되어 있다.
수신부의 인쇄회로기판(PCB)에는 시리얼 포트 커넥터(Serial Port Connector)가 구비된다.
그리고 RS232C와 연결된 제어부에서 데이터를 처리 분석하여 최종적으로 플라이휠 로터의 안전성을 평가한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 기능과 역할에 따라 플라이휠 로터에서 변형률 데이터를 얻어내어 무선으로 전송하는 송신부와 전송된 데이터를 수신하고, 이를 처리하는 수신부로 크게 나누어진다.
송신부의 블록 다이어그램을 도 6에 도시하였으며, 작동원리는 다음과 같다.
플라이휠 로터의 표면에 부착되어 플라이휠 로터의 변형률을 측정하는 변형률 센서부로 스트레인게이지를 사용한다.
플라이휠 로터는 고속회전시 원심력으로 인하여 반경방향 및 원주방향으로 변형이 발생하며, 플라이휠 로터의 표면에 부착된 스트레인게이지는 길이변화를 하게 된다.
스트레인게이지의 길이변화는 저항변화를 일으키게 되며, 이는 저항의 변화를 전압의 변화로 변환하는 휘스톤브릿지 회로의 출력 전압변화로 나타나게 된다.
다채널의 스트레인게이지를 구성하기 위해서는 멀티플렉서(Multiplexer)가 필수적으로 요구된다.
여러 개의 입력 소스로부터 입력 데이터를 받을 수 있고 입력 채널 선택에 의하여 그 중 1개를 출력하는 기능을 하는 일종의 전자 스위치 소자이다.
멀티플렉서를 사용할 경우 다채널의 센서를 사용할 때 각 센서마다 별도의 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 설치하지 않아도 된다는 장점이 있다.
스트레인게이지의 저항변화로 생기는 휘스톤브릿지 회로의 출력 전압은 매우 작고 미약한 수 mV의 아날로그 신호이며, 마이크로프로세서에 인터페이스되는 아날로그-디지털 변환기에 직접 입력하기에는 너무 낮은 신호레벨을 갖는다.
미약한 신호의 증폭을 위하여 현재 널리 적용되고 있는 연산증폭기(Operational Amplifier)를 사용한다.
연산증폭기를 통해서 증폭된 아날로그신호는 아날로그-디지털 변환기에서 디지털신호로 바뀌게 된다.
여기서 분해능(Resolution)과 표본속도(Sampling Rate)는 스트레인게이지의 입력채널 수와 변형률 측정범위 등을 고려하여 적합한 것으로 선택한다.
아날로그-디지털 변환기로부터의 디지털신호를 처리하고 외부 장치를 제어하기 위해서 마이크로프로세서(Microprocessor)와 메모리, 입출력 인터페이스, 타이머 등과 같은 주변 장치들을 통합하여 하나의 칩으로 구현한 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 440)을 사용한다.
마이크로프로세서는 아날로그-디지털 변환기에서 디지털신호로 변환된 데이터를 임시적으로 램에 저장하고 이를 다시 패킷(Packet) 데이터로 변환시킨 후 직렬 통신부를 통해 RF송신모듈(450)로 전송하여 최종적으로 데이터 획득 및 처리부로 무선 전송되도록 전체적인 회로를 제어한다.
여기서 패킷 통신은 데이터를 송신하기 전에 일정한 크기의 프리앰블(Preamble) 신호를 보내준 다음, 데이터의 앞, 뒤에 제어 바이트나 주소 바이트를 함께 보내 주어 통신하는 방식으로, 송수신시 데이터 안정화 및 에러 검 출을 위하여 사용되는 방법이다.
마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 440)의 직렬 통신부에서 RF 송신모듈(450)로 전송된 데이터는 별도의 라이센스가 필요없고 사용에 법적인 제약을 받지 않는 산업, 과학, 의료용(ISM ; Industrial Scientific Medical) 주파수 대역의 반이중방식(Half Duplex)을 사용하여 송신하게 된다.
수신부의 블록 다이어그램을 도 7에 도시하였으며, 구성과 작동원리는 다음과 같다.
송신부로부터 전송된 데이터를 처리하는 수신부는 RF 수신모듈(520), 모니터링 시스템인 제어부(110), RF 수신모듈과 제어부의 인터페이스부(530)로 구성되어 있다.
송신부로부터 전송된 데이터는 수신 안테나(Rx Antenna)를 통해서 RF 수신모듈(520)로 보내진다.
RF 수신모듈(520)에서 다시 제어부(110)쪽으로 데이터를 보내게 되는데, RF 수신모듈(520)과 제어부(110)의 인터페이스 방식은 시리얼 통신 방식을 적용하며, 시리얼 통신 규격 중의 하나인 RS232C 방식을 사용한다.
최종적으로 제어부(110)로 전송된 센서 데이터는 모니터링 소프트웨어를 구성하여 처리, 판독하게 된다.
결국 플라이휠 시스템에 부착된 스트레인게이지에서 측정된 변형률 데이터는 무선통신 방식을 이용해서 원격의 제어부에 전송되며, 제어부의 모니터링 소프트웨어에서 변형률 데이터를 처리, 분석하여 최종적으로 플라이휠 시스템의 안정성을 판단하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템은 데이터 수집의 편리성을 향상시킬 수 있으며, 유선 시스템보다 작고 간단한 구조로 고장 수리가 간단하다.
또한, 부품의 소형화로 제작성이 간소하고, 상대적으로 가격이 저렴한 RF통신 방식을 채택할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템에 있어서,
    플라이휠 시스템에 부착된 변형률 센서부에서 측정된 변형률 데이터를 무선통신 방식을 이용해서 원격의 제어부에 전송하며, 제어부의 모니터링 소프트웨어에서 변형률 데이터를 처리, 분석하여 플라이휠 로터의 변형률을 측정하는 텔레메트리 시스템을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텔레메트리 시스템은
    고속 회전하는 플라이휠 시스템 축에 부착되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 텔레메트리 시스템은
    변형률 데이터를 측정하는 변형률 센서부와;
    변형률 센서부에서 측정한 데이터를 증폭하여 무선통신 방식으로 송신하는 송신부와;
    송신부로부터 무선 데이터를 받는 수신부와;
    수신부에 연결되어 전송되는 데이터를 처리 판단하는 제어부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변형률 센서부는 플라이휠 로터의 표면에 부착되어 플라이휠 로터의 변형률을 측정하는 스트레인게이지로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 송신부와 수신부의 데이터 통신은 RF통신으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신부는
    스트레인 게이지 센서에 필요한 휘스톤브리지회로와, 휘스톤브릿지 회로의 아날로그신호를 증폭시키는 연산증폭기와, 연산증폭기를 통해서 증폭된 아날로그신호를 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환기와, 아날로그-디지털 변환기로부터의 디지털신호를 처리하고 외부 장치를 제어하기 위한 마이크로프로세서와 메모리, 입출력 인터페이스, 타이머 등과 같은 주변 장치들을 통합하여 하나의 칩으로 구현한 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)과, 다채널 입력을 위한 멀티 플렉서와, 원격으로 데이터를 송신하는 RF 송신모듈과, 송신용 안테나를 포함하는 인쇄회로기판과;
    실린더 타입의 상부 및 하부 케이스와;
    전원공급장치인 배터리를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는
    아날로그-디지털 변환기에서 디지털신호로 변환된 데이터를 임시적으로 램에 저장하고 이를 다시 패킷(Packet) 데이터로 변환시킨 후 직렬 통신부를 통해 RF 송신모듈로 전송하여 데이터 획득 및 처리부로 무선 전송되도록 전체적인 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신부는
    플라이휠의 축 중심부에 삽입되도록 실린더 타입으로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신부는
    스크류(Screw)를 사용하여 플라이휠의 축과 송신부를 체결함으로써 축과 송신부가 고정되어 함께 회전하는 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 송신부의 상부 및 하부 케이스는 진동을 흡수할 수 있는 재질로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 송신부는
    일단 부분에 장착되어 고속 회전하는 플라이휠 로터로부터의 진동을 감소시키는 고무패킹(Rubber Packing)을 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 수신부는
    수신 안테나를 통해 송신부로부터 전송된 데이터를 수신받는 RF 수신모듈과;
    상기 RF 수신모듈로부터 수신된 데이터를 전송받아 제어부로 전송하는 인터페이스부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    별도로 구성되는 모니터링 소프트웨어를 구성하여 모니터링 시스템 기능을 하는 퍼스널 컴퓨터(PC)로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 RF 수신모듈과 제어부의 인터페이스에는 시리얼 통신 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    시리얼 통신 방식은 RS232C 방식인 것을 특징으로 하는 플라이휠 로터의 변형률 측정 시스템.
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