KR20080106627A - 비접촉식 변위 센서를 이용한 축 토크 및 축 압축 하중측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 변위 센서를 이용하여 축 토크 및 축 압축 하중을 동시에 측정할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 예를 들어 자동 생산 기계나 대형 자동차 또는 대형 선박의 경우 동력을 전달하기 위한 회전축은 두 가지 형태의 하중, 즉 축 방향 하중에 의한 압축 하중과 토크 전달에 따른 비틀림 하중 또는 비틀림 토크가 발생하게 되며, 이들의 하중이 어느 이상으로 커지게 되면 회전기계의 파손 및 손상을 가져올 수 있으며, 따라서 이러한 두 하중을 비접촉 변위 센서를 이용하여 동시에 측정 함으로써, 구동부 및 각종 부수장비의 파손 등 안전사고를 미연에 방지하기 위한 감시적 역할을 수행할 수 있다.

이러한 축 토크 및 압축 하중 측정 시스템은 크게 측정 디스크와 비접촉식 변위센서 그리고 센서 트랜스듀서 혹은 신호처리부로 구성되어 있으며, 이 시스템의 작동 원리는 다음과 같다 동력을 전달하는 회전축과 함께 동기 되어 회전하는 두 개의 측정 디스크가 일정 거리를 두고 설치되며, 두 개의 측정 디스크에는 원주방향으로 한 개 혹은 다수 개의 슬롯이 위치해 있으며, 상기 슬롯이 위치한 측정 디스크 면에 수직으로 각각 비접촉 변위 센서가 설치된다. 축이 회전하면서 축 방향 압축 하중 및 비틀림 하중을 받게 되면 상기 두 개의 비접촉 변위 센서의 신호 사이에는 진폭 크기 변화와 위상 변화를 나타내게 되며, 이러한 신호 변화로부터 회전축에 작용하는 축 방향 압축 하중 및 축 토크값을 동시에 검출할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 비접촉 변위 센서를 이용한 부하 측정 시스템은 축 토크 및 축 압축 하중을 동시에 측정할 수 있는 큰 장점을 가지며, 또한 축의 크기 및 길이에 제한을 받지 않으며, 설치가 용이하고 비접촉식 이므로 전송 방식에 제한이 없는 특징을 갖는다.

비접촉변위센서, 토크, 압축하중, 측정

Description

비접촉식 변위 센서를 이용한 축 토크 및 축 압축 하중 측정 시스템 {The measurement system by using non-contact displacement sensors for torque and axial load}

[도 1] 스트레인 게이지의 브리지 회로도

[도 2] 종래 방식의 축 토크 및 압축 하중 측정 시스템의 예

[도 3] 종래 방식의 축 토크 측정 시스템의 또 다른 예

[도 4] 본 발명에 따른 축 토크 및 압축 하중 측정 시스템

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

11, 12 : 비접촉 변위센서

2 : 신호처리부

31,32 : 측정 디스크

본 발명은 비접촉 변위 센서를 이용하여 축 토크 및 축에 작용하는 압축 하중을 동시에 측정할 수 있는 시스템으로서, 선박 및 플랜트에서 사용하는 대형 동력전달 장치의 회전축 및 각종 부품들의 이상현상을 감지하거나, 혹은 회전축에 작 용하는 압축 하중과 축 토크를 측정하는데 사용할 수 있다.

현재 가장 많이 사용하는 방법은 도 1과 같이 브리지 회로로 연결된 스트레인 게이지를 회전축에 부착하여 사용하고 있다. 스트레인이란 어떤 탄성체를 당기거나 밀면 변형이 일어나고, 이의 변형율을 스트레인이라하며, 이 미세한 변형을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 사용하게 된다. 즉, 축에 변형이 가해지지 않으면 전기적으로 평형을 유지하게 되나, 축에 변형이 가해지면 축의 변형량이 전압으로 변환되어 검출된다. 이때 스트레인 게이지의 브리지 회로에 의한 전압값의 변화는 축변형에 의해서만 나타나지 않고 주변의 온도나 습도에 민감하게 변할 수도 있으므로 사용하는 환경 조건에 따른 보상이 반드시 필요하며, 이러한 보상 방법은 토크센서의 성능을 좌우하게 된다. 특히 진동이 심한 축의 경우 스트레인 게이지의 부착이 쉽지 않을 뿐 아니라 노이즈 신호에 민감하기 때문에 설치 시 주의를 기울여야 한다. 도 2 는 스트레인 게이지를 사용하는 종래의 축 토크 및 축 방향 압축 하중 측정 시스템으로 사용 예를 나타낸 그림이다. 이 경우도 마찬가지로 축에 발생하는 변형량으로부터 축 토크 및 축 방향 압축 하중을 측정하는 방식으로 사용하고 있으며, 외부로 신호를 전달하기 위하여 슬립링과 같은 추가적인 장치가 필요하나, 일반적으로 회전체에 추가적인 슬립링을 취부하기 어렵기 때문에 무선통신 방식을 이용하고 있다. 그러나 이의 무선통신 방식은 시스템의 큰 가격 상승을 야기 시키게 된다. 도 3 은 비접촉 변위센서를 이용한 종래 방식의 또 다른 예를 보여 주고 있다. 측정 디스크 혹은 기어가 회전축에 부착되어 있으며, 비접촉 변위 센서의 일종인 마그네틱 픽업센서가 기어의 반경 방향으로 설치된다. 이 시스템의 경우 근접센서인 마그네틱 픽업센서를 두개의 디스크에 반경 방향으로 설치하여 비틀림 하중에 의해 발생된 두 센서간의 위상 차이를 검출하여 토크를 측정할 수 있는 시스템으로, 축 토크에 대한 측정만이 이루어지고 있으며, 축 방향 압축 하중에 대한 측정을 하기 위해서는 또 다른 측정 시스템이 추가적으로 설치되어야 한다.

상기와 같이 스트레인 게이지를 이용한 방식은 설치 환경에 제약을 받고, 고가라는 단점을 가지며, 비접촉 변위 센서가 회전축의 반경 방향으로 설치된 방식은 축 토크만 측정이 가능하다는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 비접촉 변위 센서를 회전축의 축 방향으로 설치함으로써, 축에 작용하는 토크 및 축의 압축 하중을 동시에 측정할 수 있는 측정 시스템이다. 본 발명에 따른 상기 측정 시스템은 외부로 신호를 전송하기 위한 슬립링이나 무선통신 등의 방법을 사용하지 않아도 되기 때문에 신호처리가 용이할 뿐 아니라, 부착이 어려운 스트레인 게이지를 사용하지 않기 때문에 설치도 기존의 방식에 비해 쉽다는 특징을 갖는다. 또한, 종래 방식의 비접촉 변위센서가 디스크의 반경방향으로 설치되어 축 토크만을 측정할 수 있는 시스템의 경우 축 방향 압축 하중을 측정하기 위해서는 추가적인 측정 시스템을 설치하여야 하는 반면, 본 발명에 따른 측정 시스템의 경우는 축 토크 및 축 방향 압축 하중을 동시에 측정할 수 있다. 또한 회전축에는 측정 디스크만을 부착하기 때문에 설치 환경에 맞게 제작이 가능하며, 설치가 용이하고 시스템 자체가 간소하기 때문에 수리가 거의 필요 없으며, 고장의 가능성이 없고 장시간 사용이 가능하다.

도 4 는 본 발명에 측정 시스템을 보여주고 있다. 이 시스템은 회전하는 축과 동기되어 회전하는 두 개의 측정 디스크(31, 32)와 두 개의 비접촉 변위센서(11, 12) 및 비접촉 변위센서에서 검출되는 신호를 처리하기 위한 신호처리부(2)로 구성된다.

축의 회전과 동시에 상기 비접촉 변위 센서에서 검출되는 신호는 정현파, 혹은 사각파 등과 같은 파형을 나타내게 되며, 이 경우 축에 비틀림이 발생하게 되면, 두 개의 비접촉 변위센서에서 검출되는 파형의 신호 사이에는 위상차가 발생하게 되며, 이 위상차의 크기는 축에 작용하는 토크에 비례하여 커지게 된다. 즉, 두 개의 비접촉 변위 센서에서 발생하는 위상차의 크기를 검출함으로써 축에 작용하는 토크를 측정할 수 있게 된다. 또한 축에 압축 하중이 작용하는 경우, 두개의 비접촉 변위센서에서 검출되는 파형의 신호 사이에는 진폭차가 발생하게 되며, 이 진폭차의 크기는 축에 작용하는 압축 하중에 비례하여 커지게 된다. 즉, 두 개의 비접촉 변위 센서에서 발생하는 진폭의 크기를 검출함으로써 축에 작용하는 압축 하중을 측정할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 측정 시스템은 비접촉 변위 센서를 측정 디스크에 수직으로 즉, 회전 축의 축 방향으로 설치함으로써 회전 축에 가해지는 축 토크와 압축 하중을 동시에 측정할 수 있는 측정 시스템이다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 측정 시스템은 축 토크 및 축 방향 압축 하중을 동시에 측정이 가능할 뿐 아니라, 측정 시스템이 기후의 변화 및 사용 환경에 큰 제약을 받지 않고, 회전축의 크기에 제한을 받지 않으며, 시스템의 간소화로 설치가 용이하며 고장이 적고 수리가 거의 필요 없는 장점을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 측정 시스템은 회전 기계의 보다 안전한 운전을 위한 회전 기계 모니터링 시스템에는 거의 필수적이라 할 수 있다.

Claims (2)

1. 회전축의 토크 및 축 방향 하중을 동시에 측정할 수 있는 시스템에 있어서, 회전축과 동기되어 회전하는 두 개의 측정 디스크부가 회전축의 축 방향에 대하여 적당한 거리를 두고 설치 되며, 상기 측정 디스크부에는 원주방향으로 한 개 혹은 다수개의 단차가 가공 되어 있으며, 상기 단차 위치에서 회전축의 축 방향으로 비접촉 변위센서가 각각의 측정 디스크에 한 개 혹은 다수개 설치되며, 상기 비접촉 변위 센서에서 검출되는 신호의 진폭 변화에 의한 축방향 압축 하중과 위상차 변화에 의한 축 토크를 동시에 측정할 수 있는 신호처리부로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 변위 센서를 이용한 축 토크 및 축 방향 압축 하중 측정 시스템.
2. 청구항 1 의 신호처리부에 있어서 두 개의 비접촉 변위 센서에서 진폭 크기의 변화 및 위상차 크기의 변화에 대한 변동을 검출하여 회전축의 축 방향 진동 및 비틀림 진동을 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 변위 센서를 이용한 축 토크 및 축 방향 압축 하중 측정 시스템.

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