KR20060038525A - 3축 변위 계측장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3축 변위 계측장치에 관한 것으로서, 측정하고자 하는 구조물을 지지하는 행거의 일면에 고정되는 고정그립; 상기 고정그립에 연결되어 360o 회전이 가능한 유니버셜 조인트; 상기 유니버셜 조인트에 연결되되 하나 이상의 각도센서를 포함하는 링크부; 상기 링크부에 연결되어 각도를 측정하는 각도센서부; 상기 각도센서부에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부를 포함하여 이루어지며,
관절 구조의 링크(LINK)부를 사용함으로써 설치위치에 따라 각도 변경이 자유로워 설치장소에 대한 제약을 줄여 설치의 편이성을 높였고, 각도센서부를 이용함으로써 측정하고자 하는 구조물의 변위를 정밀하게 계측하고 고가의 계측장비를 사용하지 않아 저비용으로 제작이 가능하며, 또한 단면적이 증대 된 알루미늄 합금을 사용하는 경질 도금 처리된 외형케이스를 가지는 3축 변위측정부를 사용함으로써 방열효과를 극대화하여 추가적인 방열 부가장치가 필요 없고 또한 강성 및 경량화하는 효과를 얻을 수 있다.
3축 변위 계측부, 각도센서, 링크, 고정그립

Description

3축 변위 계측장치{3 AXIAL DISPLACEMENT MEASUREMENT APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측장치의 설치 상태도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측장치의 변위측정 개념을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측부의 외형케이스의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 3축 변위 계측장치 110 : 제 1각도센서
120 : 제 2각도센서 130 : 제 3각도센서
140 : 제 1링크 150 : 제 2링크
160 : 유니버셜 조인트 170 : 고정그립
200 : 3축 변위 계측부 300 : 외형케이스
본 발명은 변위 계측장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관절 구조의 링크부와 구조물의 변위를 정밀하게 계측하는 각도센서부와 상기 각도센서부에서 측 정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부를 사용함으로써 3축 변위를 정확히 계측할 수 있는 3축 변위 계측장치에 관한 것이다.
현재 발전소, 화학플랜트, 천연가스 저장탱크 등과 같은 장치산업에 있어서 보일러, 배관 등 고온 구조물은 중요한 구성요소이지만 설비의 안전관리를 위한 방법은 CCTV를 통한 내,외부의 영상자료나 구조물의 내부 압력 및 온도만을 측정하여 설비의 이상유무를 판단할 뿐 고온 구조물의 운전 중 발생되는 변위에 대해서는 정밀한 계측이 이루어지지 않아 운전중 발생되는 변위가 설계값을 초과할 때 발생되는 응력집중에 의한 설비의 손상에 대한 예방책이 없는 실정이다.
특히, 산업용 설비 중 가장 많이 사용되는 배관은 산업용 보일러에서 발생되는 증기를 터빈 등 동력원으로 전달하기 위한 필수 설비로서 그 길이와 설치되는 형상이 다양하여 운전시 위치별로 다양한 3차원 변위를 발생시킨다.
이러한 배관은 행거(HANGER) 등의 지지장치를 이용하여 오프라인(OFF-LINE)으로 정지시와 운전시 수직방향으로만 총 단위변위를 측정하여 설비의 이상유무를 판단한다.
그러나, 상기한 배관은 각 배관에 설치된 행거의 수가 많아 어느 한 위치에서 구속이 발생할 경우 이웃한 행거들이 수직방향의 변위는 정상적으로 발생되나, 수평방향으로의 변위들은 설계값을 초과하여 다양한 손상을 초래하고 있으므로 구조물의 운전 중 발생되는 3축 변위를 정확히 계측하는 장치가 필요하다.
또한 상시 계측을 해야 하는 배관 등의 구조물이 측정하기에 위험한 위치에 있을 경우, 작업자는 계측할 때마다 위험에 노출된다는 문제점이 발생되어 측정된 자료에 대한 신뢰성이 약하고 또한 배관 등의 구조물에 대한 수명관리와 안전성 검토가 반드시 필요하나, 배관 등 구조물의 3축 변위를 상시 측정하기가 어려우며, 고가의 장비를 사용하여야 하는 문제점이 있다.
현재까지의 변위계측 시스템은 주로 1차원 변위를 계측하는 장치로서 고가의 변위측정자기센서(Linear Variable Differential Transformer:LVDT)나 레이저를 이용한 장치가 개발되어 있으나, 3축 변위 계측을 위해서는 한 지점에 3개의 장치를 부착하여야 하므로 다양한 개소에 설치해야 하는 문제점과 전체 설비의 변위를 측정하기 위해서는 상당한 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
특히, 산업용 설비 중 많이 설치되어 있는 배관은 설치 형상 및 위치가 복잡하고 공간이 협소하여 3축 변위를 계측시 직선형태의 계측장치를 설치하기 어려우며, 기존의 변위측정자기센서(LVDT) 또는 레이저 방식은 계측장치와 고온 구조물간의 체결시 표면온도가 높아 직접 체결이 곤란하여 별도의 방열장치가 요구되는 문제점들이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 설치장소에 대한 제약을 줄여 설치의 편이성을 높이기 위해 관절 구조의 링크부를 사용하고, 종래 고가의 계측장비를 사용하지 않아 저비용으로 제작이 가능한 각도센서부를 사용함으로써 측정하고자 하는 구조물의 변위를 정밀하게 계측하며, 또한 단면적이 증대 된 알루미늄 합금을 사용하는 경질 도금 처리된 외형케이스를 가지는 3축 변 위측정부를 사용함으로써 방열효과를 극대화하여 센서의 안전성을 유지시킬 수 있고 추가적인 방열 부가장치가 필요 없는 강성 및 경량화된 3축 변위 계측장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 구성은, 측정하고자 하는 구조물을 지지하는 행거의 일면에 고정되는 고정그립; 상기 고정그립에 연결되어 360o 회전이 가능한 유니버셜 조인트; 상기 유니버셜 조인트에 연결되되 하나 이상의 각도센서를 포함하는 링크부; 상기 링크부에 연결되어 각도를 측정하는 각도센서부; 상기 각도센서부에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부를 포함하여 이루어진다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측장치의 설치 상태도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측장치의 변위측정 개념을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측부의 외형케이스의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 측정장치의 구성은, 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 측정하고자 하는 구조물을 지지하는 행거(210)의 일면에 고정되는 고정그립(170); 상기 고정그립(170)에 연결되어 360o 회전이 가능한 유니버셜 조인트(160); 상기 유니버셜 조인트(160)에 연결되되 하나 이상의 각도센서를 포함하는 링크부(140,150); 상기 링크부(140,150)에 연결되어 각도를 측정하는 각도센서부(110,120,130); 상기 각도센서부(110,120,130)에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부(200)를 포함하여 이루어진다.
상기 고정그립(170)은 내열성과 강성과 내부식성을 가지는 재질로 이루어져 'ㄷ' 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 유니버셜 조인트(160)는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 상기 행거(210)에 상기 고정그립(170)이 연동되도록 하고, 또한 상기 고정그립(170)과 연동되어 자유 모멘트를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 링크부(140,150)는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 관절 구조의 제 1링크(140,l1)와 제 2링크(150,l2)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 각도센서부(110,120,130)는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 제 1각도센서(110,θ1)와 제 2각도센서(120,θ2)와 제 3각도센서(130,θ3)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1각도센서(110,θ1)는 상기 고정그립(170)을 고정면으로 하여 상기 제 1링크(140,l1)와 고정평면 간의 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2각도센서(120,θ2)는 상기 제 1링크(140,l1)와 상기 제 2링크(150,l2)를 연결하고 상기한 두개의 링크 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3각도센서(130,θ3)는 고정평면에서 평면회전각을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 3축 변위 측정부(200)는 센서의 안전성을 유지시키고 경량화 및 방열 효과를 높이기 위해 단면적이 증대 된 알루미늄 합금을 사용하는 경질 도금 처리된 외형케이스(300)를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한, 본 발명의 실시예에 의한 3축 변위 계측장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
3축 변위 계측장치(100)는 측정하고자 하는 구조물인 배관(190)에 직접 부착하지 않고 상기 배관(190)을 지지하는 행거(210)의 일면에 고정그립(170)을 통해 한쪽이 고정된다.
360o 회전이 가능한 유니버셜 조인트(160)는 상기 고정그립(170)과 연결되어 상기 행거(210)에 상기 고정그립(170)이 연동되도록 하고, 또한 상기 고정그립(170)과 연동되어 자유 모멘트를 가진다.
링크부(140,150)의 제 2 링크(150,l2)는 한 쪽은 상기 유니버셜 조인트(160)에 연결되고 또 다른 쪽은 각도센서부(110,120,130)의 제 2각도센서(120,θ2)에 연결되어 링크부의(140,150) 제 1링크부(140,l1)와 함께 관절 구조 형태를 만든다.
상기 링크부(140,150)의 제 1링크(140,l1)는 한쪽은 각도센서부(110,120,130)의 제 2각도센서(120,θ2)에 연결되고 또 다른 쪽은 각도센서부(110,120,130)의 제 1각도센서(110,θ1)에 연결된다.
상기 각도센서부(110,120,130)의 제 1각도센서(110,θ1)는 상기 고정그립(170)을 고정면으로 하여 상기 링크부(140,150)의 제 1링크(140,l1)와 고정평면 간의 각도를 측정하고, 각도센서부(110,120,130)의 제 2각도센서(120,θ2)는 상기 링크부(140,150)의 제1링크(140,l1)와 상기 링크부(140,150)의 제 2링크(150,l2)를 연결하고 상기한 두개의 링크 각도를 측정한다.
각도센서부(110,120,130)의 제 3각도센서(130,θ3)는 상기 각도센서부(110,120,130)의 제 1각도센서(110,θ1)의 일측에 연결되어 고정평면에서 평면회전각을 측정한다.
3축 변위 측정부(200)는 고정평면에 고정되어 상기 각도센서부(110,120,130)에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물인 배관의 3축 변위값을 산출한다.
상기 3축 변위 측정부(200)는 센서의 안전성을 유지시키고 방열 효과를 높이기 위해 도 3과 같이 단면적이 증대된 외형 케이스(300)를 가진다.
이와 같이 3축 변위 계측장치(100)는 고정그립(170)과 3축 변위 측정부(200)를 통해 안정되게 고정된다.
상기와 같이 안정되게 고정된 3축 변위 계측장치(100)는 측정하고자 하는 구조물인 배관(190)의 거동을 체크하기 위해 상기 배관(190)을 따라 유동하는 증기 방향, 즉 배관(190)의 거동을 체크하기 위해 상기 배관(190)을 따라 유동하는 증기방향, 즉 배관(190)의 축방향은 Z축으로 정의하고, 배관(190)에 설치된 행거(210) 방향, 즉 처짐이 발생되는 배관(190)의 수직방향을 Y축으로 정의하고 오른손 법칙에 따라 X축을 정의하게 된다.
그리고 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 공간상의 한 점을 표시하기 위해 3차원 좌표계를 사용하는데, 이 때 상기 3차원 좌표계는 상기 X,Y,Z축을 갖는다.
상기 배관(190)의 3차원 변위를 측정하기 위해서는 두개의 링크(140,150)와 3개의 각도센서(110,120,130)를 조합하여 이동하는 3차원상의 한점의 위치를 계산한다.
여기서 P1의 좌표는 P1x 1=l1cosθ1와 P1y 1 =l1sinθ1이고 P2의 좌표는 P2x 1=l2cos( θ1-θ2)+l1cosθ1와 P2y 1=l2sin(θ 1-θ2)+l1sinθ1이며, 실제 좌표값은 P2x=cosθ 3P2x 1와 P2y=P2y 1와 P2z=sinθ3P2x 1와 P2x=cosθ3{l2cos(θ1-θ2)+l1cosθ 1}와 P2y=l2sin(θ1-θ2)+l1sinθ1와 P2z =sinθ3l2cos(θ1-θ2)+l1cosθ1이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3축 변위 계측장치는 관절 구조의 링크부를 사용함으로써 설치위치에 따라 각도 변경이 자유로워 설치장소에 대한 제약을 줄여 설치의 편이성을 높였고, 각도센서부를 이용함으로써 측정하고자 하는 구조물의 변위를 정밀하게 계측하고 고가의 계측장비를 사용하지 않아 저비용으로 제작이 가능하며, 또한 단면적이 증대 된 알루미늄 합금을 사용하는 경질 도금 처리된 외형케이스를 가지는 3축 변위측정부를 사용함으로써 방열효과를 극대화하여 추가적인 방열 부가장치가 필요 없고 또한 강성 및 경량화하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 측정하고자 하는 구조물을 지지하는 행거의 일면에 고정되는 고정그립;
    상기 고정그립에 연결되어 360o 회전이 가능한 유니버셜 조인트;
    상기 유니버셜 조인트에 연결되되 하나 이상의 각도센서를 포함하는 링크부;
    상기 링크부에 연결되어 각도를 측정하는 각도센서부;
    상기 각도센서부에서 측정되는 각도 값을 이용하여 측정 구조물의 3축 변위값을 산출하는 3축 변위 측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고정그립은 내열성과 강성과 내부식성을 가지는 재질로 이루어져 'ㄷ' 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유니버셜 조인트는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 상기 행거에 상기 고정그립이 연동되도록 하고, 또한 상기 고정그립과 연동되어 자유 모멘트를 갖는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 링크부는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 관절 구조의 제 1링크와 제 2링크로 구성되는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 각도센서부는 알루미늄 합금 소재로 이루어져 제 1각도센서와 제 2각도센서와 제 3각도센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 1각도센서는 상기 고정그립을 고정면으로 하여 상기 제 1링크와 고정평면 간의 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제 2각도센서는 상기 제 1링크와 상기 제 2링크를 연결하고 상기한 두개의 링크 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 제 3각도센서는 고정평면에서 평면회전각을 측정하는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 3축 변위 측정부는 센서의 안전성을 유지시키고 경량화 및 방열 효과를 높이기 위해 단면적이 증대 된 알루미늄 합금을 사용하는 경질 도금 처리된 외형케이스를 가지는 것을 특징으로 하는 3축 변위 계측장치.
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