KR20100048742A - An apparatus to measure a tension of steel cable using an ac magnetism - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 강재 케이블의 일측 둘레면에 상기 강재 케이블의 장력에 따라 자기장이 변할 수 있는 센서를 부착하여 상기 강재 케이블이 손상되지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 간단하게 측정할 수 있게 한 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a tension measuring device of a steel cable using an alternating magnetism capable of measuring the tension of the steel cable mounted on a large bridge, and more particularly, according to the tension of the steel cable on one side circumferential surface of the steel cable The present invention relates to an apparatus for measuring tension of a steel cable using alternating magnetism, in which a sensor capable of changing a magnetic field is attached to enable easy measurement of the tension of the steel cable within a range in which the steel cable is not damaged.
일반적으로 사장교나 현수교와 같은 대형 교량은 풍하중에 의한 교량의 과다 변위나 해수에 대한 교각의 부식 등으로 인하여 대형 교량의 구조물에 손상이 일어날 확률이 높다. In general, large bridges, such as cable-stayed bridges and suspension bridges, are more likely to damage structures of large bridges due to excessive displacement of bridges due to wind loads and corrosion of bridges against seawater.
따라서, 상기와 같이 열악한 환경에 놓여 있는 대형 교량을 지지하기 위한 구조물에는 강재 케이블이 설치되는바, 상기 강재 케이블에는 통상적으로 로드셀이 나 가속도 센서가 직결되어 상기 강재 케이블에 작용되는 장력을 측정할 수 있도록 되어 있다. Therefore, a steel cable is installed in a structure for supporting a large bridge placed in a harsh environment as described above, and a load cell or an acceleration sensor is directly connected to the steel cable to measure a tension applied to the steel cable. It is supposed to be.
하지만, 상기와 같이 강재 케이블에 직결되는 로드셀이나 가속도 센서와 같은 방식은 구조물이 점차 대형화됨에 따라, 상기 구조물과 강재 케이블 사이에 로드셀이나 장력 센서를 설치하는데 많은 비용이 들고, 대형 구조물에 연결된 강재 케이블의 장력을 측정하는데에도 한계가 있으며, 상기 대형 구조물에 대한 장력 측정 결과값에 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있었다. However, as the structure of the load cell or acceleration sensor directly connected to the steel cable as described above, as the structure is gradually enlarged, it is expensive to install a load cell or tension sensor between the structure and the steel cable, the steel cable connected to the large structure There is a limit to measure the tension of the, there was a problem that the reliability of the result of the tension measurement for the large structure is poor.
한편, 상기와 같이 케이블에 직결되는 로드셀이나 가속도 센서와 같은 방식의 한계점을 극복하고자, 강재 케이블에 장력이 가해지면, 투자율이 변하는 물리적 특성을 이용하여 상기 강재 케이블의 둘레면에 센서를 둘러주기만 하여도 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있는 EM(Electro Magnetic) 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, in order to overcome the limitations of the method such as a load cell or an acceleration sensor directly connected to the cable as described above, when tension is applied to the steel cable, only by surrounding the sensor on the circumferential surface of the steel cable using a physical property that changes the permeability In addition, research on the EM (Electro Magnetic) sensor that can measure the tension of the steel cable has been actively conducted.
하지만, 상기와 같은 EM 센서에 대한 강재 케이블의 장력 측정 방식은 상기 강재 케이블에 가해지는 장력 이외에 상기 강재 케이블의 길이에 영향을 끼칠 수 있는 환경 조건으로써 온도 요건을 간과할 수 없다는 문제점이 있었는데, 상기 온도 요건은 상기 강재 케이블에 가해지는 장력이 실질적으로 같다고 하더라도 온도라는 매개변수로 인하여 장력 센서에서 출력되는 결과치를 다르게 할 수 있다는 문제점이 있었다. However, the method of measuring the tension of the steel cable for the EM sensor as described above, there was a problem that the temperature requirement as an environmental condition that may affect the length of the steel cable in addition to the tension applied to the steel cable, can not be overlooked. The temperature requirement has a problem that even if the tension applied to the steel cable is substantially the same, the result value output from the tension sensor may be different due to the temperature parameter.
따라서, 이러한 문제점을 해결하고자, 기존의 방식에서는 상기 EM 센서 방식에 추가적으로 온도 보상 회로나 기타의 방식을 적용하고 있으나, 여전히 상기 온 도 영향이 배제된 실질적인 장력을 산출하여야 하는 추가적인 작업이 필요하고, 이에 따라 연속적인 장력 산출이 불가하다는 문제점이 있어, 주위 환경 변화에 따른 상기 EM 센서의 정확한 특성 변화를 해소할 수 없다는 한계점이 있었다.Therefore, in order to solve this problem, the conventional method is applied to the temperature compensation circuit or other method in addition to the EM sensor method, but still requires additional work to calculate the actual tension is excluded the temperature influence, As a result, there is a problem in that it is impossible to continuously calculate the tension, and there is a limitation in that the exact characteristic change of the EM sensor cannot be solved according to the change of the surrounding environment.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 장력 센서에 따른 문제점을 해결하고자, 상기 구조물과 연결된 케이블을 손상시키지 않는 범위안에서 상기 케이블의 장력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 케이블의 장력에 변수로 작용될 수 있는 주위 환경적 요건을 효과적으로 보상해 줄 수 있는 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. In order to solve the problem according to the conventional tension sensor as described above, the present invention can not only measure the tension of the cable within the range that does not damage the cable connected to the structure, but also acts as a variable to the tension of the cable It is an object of the present invention to provide an apparatus for measuring tension of steel cables using alternating magnetism that can effectively compensate for possible environmental requirements.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 제 1 실시예로서 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블과, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정하는 측정용 장력 센서, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블, 상기 보상용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서, 및 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프를 갖추고 있고, 상기 측정용 장력 센서와, 보상용 장력 센서, 그리고 상기 파워 앰프에는 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치가 구비되며, 상기 중앙 관제 장치에는 상기 중앙 관제 장치와 연결되어 상기 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치로부터 상기 파워 앰프로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프로 전달하는 DAQ 보드로 구성될 수 있다. An apparatus for measuring tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention for achieving the above object is to measure the tension applied to a steel cable for measurement and a steel cable for measurement, which hold a specific structure as a first embodiment. A measurement tension sensor for measuring, a compensation steel cable in a no-load state for compensating for environmental requirements applied to the measurement steel cable, a compensation tension sensor for measuring tension applied to the compensation steel cable, And a power amplifier for applying a fixed bias magnetic field or an alternating magnetic field to the measuring tension sensor and the compensating tension sensor, wherein the measuring tension sensor, the compensating tension sensor, and the power amplifier include the measuring tension sensor. And monitoring the information collected from the compensating tension sensor and at the same time, A tension controller of the measuring steel cable is derived by using a resultant value of a tension sensor, and a central controller is provided to control the power amplifier, and the central controller is connected to the central controller and is connected to the central controller. The analog signal input from the sensor and the compensation tension sensor is converted into a digital signal and transmitted to the central control device, and the digital control signal transmitted from the central control device to the power amplifier is converted into an analog signal and transmitted to the power amplifier. It can be configured as a DAQ board.
또한, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 제 2 실시예로서 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블과, 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 측정용 장력 센서, 상기 측정용 장력 센서에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해주는 파워 앰프, 및 상기 측정용 강재 케이블의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 구비하고, 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치, 및 상기 중앙 관제 장치와 연결되어 상기 측정용 장력 센서와 온도 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치로부터 상기 파워 앰프로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프로 전달하는 DAQ 보드를 포함할 수 있다. In addition, the apparatus for measuring the tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention is a measuring steel cable for supporting a specific structure as a second embodiment, and for measuring the tension applied to the measuring steel cable. A tension sensor, a power amplifier for applying a fixed bias magnetic field or an alternating magnetic field to the measurement tension sensor, and a temperature sensor capable of measuring the temperature of the measurement steel cable, collected from the measurement tension sensor and the temperature sensor And a central control device capable of deriving the tension of the steel cable for measurement and controlling the power amplifier by monitoring the measured information and using the resultant values of the measurement tension sensor and the temperature sensor. Is connected to the analog signal input from the tension sensor and the temperature sensor for conversion into a digital signal And a DAQ board for converting the digital control signal transmitted from the central control device to the power amplifier and converting the digital control signal into an analog signal to the power amplifier.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 일측 둘레면에 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 자기장이 변화될 수 있는 측정용 장력 센서를 설치해 주기만 하 면, 상기 강재 케이블을 손상시키지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 측정 가능하다. The tension measuring device of the steel cable using the alternating magnetism of the present invention having such a structure is provided with a tension sensor for measuring the magnetic field can be changed in accordance with the tension applied to the steel cable on one side of the steel cable mounted on a large bridge If only the cycle, it is possible to measure the tension of the steel cable within a range that does not damage the steel cable.
이러한, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 구조물과 연결된 강재 케이블의 외주면에 간단하게 감싸 고정시키는 것만으로 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 강재 케이블의 장력에 영향을 줄 수 있는 주위 온도와 습도 및 지지물의 노화 등과 같은 주위의 환경 변화에 적극적으로 대응할 수 있고, 주위의 환경 변화를 자동으로 보상할 수 있으므로, 상기 구조물에 대한 보다 정확하고 신뢰성 있는 장력 측정값을 얻을 수 있는 장점이 있다. Such a device for measuring the tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention can not only measure the tension of the steel cable by simply wrapping and fixing the outer circumferential surface of the steel cable connected to the structure, but also to the tension of the steel cable. A more accurate and reliable tension measurement of the structure, since it can actively respond to changes in the surrounding environment, such as ambient temperature and humidity, and aging of the support, and can automatically compensate for changes in the surrounding environment. There is an advantage to get it.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intention or custom of a user or an operator, and the definitions refer to a device for measuring tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention. It should be made based on the contents throughout the specification to be described.
도면 1은 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 1 실시예의 제어 블록도이고, 도면 2는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 2 실시예의 제어 블록도이며, 도면 3은 본 발명에 갖추어진 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 단면도이다. 1 is a control block diagram of a first embodiment of the tension measuring device of the steel cable using the alternating current magnet according to the present invention, Figure 2 is a second embodiment of the tension measuring device of the steel cable using the alternating current magnet according to the
또한, 도면 4는 장력 센서와 강재 케이블을 표준 인장 시험기에 장착한 상태도이고, 도면 5는 본 발명에 갖추어진 중앙 관제 장치에 본 발명에 갖추어진 구성 요소로부터 측정된 결과값을 표시한 상태도이며, 도면 6은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 측정용 강재 케이블의 온도에 따른 상기 측정용 장력 센서의 출력값을 도시한 그래프이다. 4 is a state diagram in which a tension sensor and a steel cable are mounted on a standard tensile tester, and FIG. 5 is a state diagram showing a result measured from a component provided in the present invention in a central control device equipped with the present invention. 6 is a graph showing an output value of the measurement tension sensor according to the temperature of the measurement steel cable from the measurement tension sensor provided in the second embodiment.
또, 도면 7은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 출력되는 전압에 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 표시한 그래프이다. 7 is a graph showing the tension applied to the measurement steel cable to the voltage output from the measurement tension sensor provided in the second embodiment.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치의 제 1 실시예는 도면 1에 도시한 바와 같이, 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블(1)과, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력을 측정하는 측정용 장력 센서(2), 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 환경적 요건을 보상해 주기 위한 무부하 상태의 보상용 강재 케이블(3), 상기 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 보상용 장력 센서(4), 및 상기 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센서(4)에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프(5)가 갖추어지고, 상기 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센서(4), 그리고 상기 파워 앰프(5)에는 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치(6)가 구비되고, 상기 중앙 관제 장치(6)에는 상기 중앙 관제 장치(6)와 연결되어 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치(6)로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치(6)로부터 상기 파워 앰프(5)로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프(5)로 전달하는 DAQ 보드(7)가 더 갖추어진다.As shown in these figures, the first embodiment of the tension measuring device of the steel cable using the alternating magnetism according to the present invention, as shown in Figure 1, and the measuring steel cable (1) holding a specific structure and , A
또한, 본 발명은 도면 2에 도시한 제 2 실시예와 같이, 특정 구조물을 지탱하고 있는 측정용 강재 케이블(1)과, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력을 측정할 수 있는 측정용 장력 센서(2), 상기 측정용 장력 센서(2)에 고정 바이어스 자기장 또는 교류 자기장을 가해 주는 파워 앰프(5), 및 상기 측정용 강재 케이블(1)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(8)를 갖추고 있고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)에는 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)로부터 수집된 정보를 모니터링함과 동시에, 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)의 결과값을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)의 장력을 도출하고, 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있는 중앙 관제 장치(6)가 갖추어지고, 상기 중앙 관제 장치(6)에는 상기 중앙 관제 장치(6)와 연결되어 상기 측정용 장력 센서(2)와 온도 센서(8)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 중앙 관제 장치(6)로 전달하고, 상기 중앙 관제 장치(6)로부터 상기 파워 앰프(5)로 전달되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 파워 앰프(5)로 전달하는 DAQ 보드(7)로 구조 변경할 수 있다. In addition, the present invention, as in the second embodiment shown in Figure 2, a measurement capable of measuring the tension applied to the measurement steel cable (1) and the measurement steel cable (1) supporting a specific structure Temperature sensor capable of measuring a temperature of the
또한, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 파워 앰프(5)와 상기 DAQ 보드(7) 사이에는 제어 시작 스위치(9)가 추가적으로 장착될 수 있어 상기 중앙 관제 장치(6)와 DAQ 보드(7)로부터 입력된 제어 신호에 따라 상기 파워 앰프(5)를 제어할 수 있고, 상기 파워 앰프(5)와 직결된 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에는 상기 1차 코일(14)에 흐르는 전류를 정밀하게 감지할 수 있도록 션트(Shunt)(10)가 직결될 수 있다.In addition, a
또, 상기 션트(10)로부터 분기되어 뻗어나온 출력 신호는 도면 1과 도면 2에 도시한 프리 앰프(pre-amp)(11)와 연결되어 상기 션트(10)로부터 입력되는 매우 미소한 전류 신호를 적당한 크기로 증폭한 다음, 상기 DAQ 보드(7)로 전송할 수 있다. The output signal branched from the
또, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 DAQ 보드(7)의 디지털 입출력 단자에는 특정 동작 신호에 따라 본 발명에 따른 장력 측정 장치를 구동시킬 수 있는 측정 시작 스위치(12)가 장착될 수 있다. In addition, the digital input / output terminal of the
상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 각각의 제 1 실시예 또는 제 2 실시예가 동작되는 과정을 설명하기 전에 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)가 동작되는 원리를 도면 3과 다수 개의 수학식을 참고하여 자세히 설명한다. Before explaining the operation of each of the first embodiment or the second embodiment according to the present invention having the structure as described above, the principle that the measuring
먼저, 상기 제 1 실시예와 제 2 실시예에 갖추어진 상기 측정용 장력 센 서(2)와 보상용 장력 센서(4)는 도면 3에 도시한 바와 같이 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 장력을 측정할 수 있는 센서로서, 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)과 일정한 공극을 유지하면서, 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 둘레면을 감쌀 수 있는 보빈(13)과, 상기 보빈(13)의 바깥 둘레면에 일정 횟수로 권선된 1차 코일(14)을 갖추고 있고, 상기 보빈(13)의 둘레면에는 상기 보빈(13)의 둘레 안쪽 방향으로 일정 깊이만큼 함몰된 2차 코일 장착구(15)가 갖추어져 상기 2차 코일 장착구(15)를 통하여 상기 보빈(13)과 1차 코일(14) 사이에 2차 코일(16)을 개재 시킬 수 있다. First, the
이때, 상기 1차 코일(14)은 자기장을 가해주는 코일이고, 상기 2차 코일(16)은 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력과, 1차 코일(14)에 가해주는 자기장, 또는 상기 측정용 강재 케이블(1), 보상용 강재 케이블(3)이 놓여있는 주위 온도에 따라 출력이 변하는 감지 코일이 된다. In this case, the
이때 주의점은 상기 제 1 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)는 동일한 특성으로 이루어져야만 한다.At this time, the precaution should be made that the
상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에는 기존의 펄스형 자기장을 입력하는 대신에 교류 자기장을 입력하는 방식으로써 자기장 구간의 중심값을 고정 바이어스 자기장(=동작점)으로 설정하고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에 갖추어진 1차 코일에 작은 신호의 교류 자기장을 가해주는 방식이다.In the
다음, 상기와 같은 구조로 이루어진 측정용 장력 센서(2)와, 보상용 장력 센 서(4)의 구동 원리를 수학식을 이용하여 설명하기 위해 도면 3에 표시된 부호를 정의하면, 다음과 같다. Next, in order to explain the driving principle of the
먼저, 도면 3에 도시된 는 1차/2차 권선수이고, 는 1차/2차 코일(14,16)의 단면적이며, 는 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 단면적이다. First, shown in Figure 3 Is the number of primary and secondary turns, Is the cross-sectional area of the primary and
또한, 는 1차/2차 코일(14,16)의 직경이고, 는 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)의 직경이며, 은 솔레노이드의 길이이다. Also, Is the diameter of the primary and
일반적으로 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에는 교류 자기장을 정현파로 가해 주게 되는데, 이때 상기 교류 자기장은 다음 수학식 1과 같이 표현된다. In general, an alternating magnetic field is applied to the
또한, 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 2차 코일(16)에 유기되는 전압에 파라데이 법칙을 적용하면, 다음 수학식 2와 같고, 투자율 는 다음 수학식 3과 같다.In addition, when Faraday's law is applied to the voltage induced in the
이때, 는 1차 코일에서 2차 코일로 유도된 자속으로 케이블 내의 자속과 2차 코일 내부 에어갭()에 흐르는 자속으로 구성된다. At this time, Is the magnetic flux induced from the primary coil to the secondary coil and the magnetic flux in the cable and the air gap inside the secondary coil ( It consists of magnetic flux flowing in
또한, 상기 수학식 2의 는 투자율이고, 은 비투자율이며, 는 진공 투자율로서 이다. In addition, the equation (2) Is the permeability, Is the specific permeability, Is the vacuum permeability to be.
상기 제시한 수학식을 이용하여, 상기 수학식 2를 케이블이 있는 장력 센서에 적용하면, 다음 수학식 4와 같다.Using the above equation, the equation (2) is applied to the tension sensor with a cable, as shown in the following equation (4).
또한, 상기 장력 센서내에 케이블이 없고, 공기중에 노출된 장력 센서의 출력 전압 은 값이 0이므로 다음 수학식 5와 같다. In addition, there is no cable in the tension sensor, the output voltage of the tension sensor exposed to the air silver Since the value is 0, the following
이때, 상기 수학식 4를 수학식 5로 나눈 다음, 비투자율 에 대해 정리한다. At this time, after dividing
그리고, 상기 투자율과 장력 센서의 출력 전압은 케이블에 가해지는 장력과, 온도, 및 자기장에 따라 변할 수 있으므로 로 표현하고 정리하면 다음 수학식 6과 같다. In addition, the permeability and the output voltage of the tension sensor may vary depending on the tension applied to the cable, the temperature, and the magnetic field. When expressed and summarized as in the following equation (6).
이때, 상기 수학식 6에서 는 의 실효값이고, 는 (장력, 온도, 자기장)이 에서의 의 실효값이다. At this time, in
다음, 상기 수학식 6을 이용하여 강재 케이블에 장력과, 온도 및 고정 자기장이 가해지는 상황에서 상기 장력 센서의 출력 전압에 대하여 정리하면 다 음 수학식 7과 같다. Next, the tension, temperature and fixed magnetic field in the steel cable using the equation (6) In this applied situation, the output voltage of the tension sensor is summarized as in
다음, 상기 강재 케이블에 장력 센서를 설치하고, 상기 장력 센서가 장착된 강재 케이블을 도면 4에 도시한 표준 인장 시험기에 연결하면 상기 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 상기 장력 센서의 2차 코일(16)로부터 출력되는 전압을 측정할 수 있다. Next, when the tension sensor is installed in the steel cable, and the steel cable equipped with the tension sensor is connected to the standard tensile tester shown in FIG. 4, the
참고로 상기 표준 인장 시험기에는 도면 4에 도시한 바와 같이, 상기 장력 센서와 강재 케이블에 직결 될 수 있는 로드셀 또는 기타 장력 측정 수단과 상기 강재 케이블을 양쪽에서 잡아 당길 수 있는 인장 수단이 갖추어져 상기 강재 케이블을 잡아 당기면서 상기 강재 케이블에 가해지는 장력을 실시간으로 측정할 수 있도록 되어 있다. For reference, as shown in FIG. 4, the standard tensile tester is provided with a load cell or other tension measuring means that can be directly connected to the tension sensor and the steel cable, and a tension means that can pull the steel cable from both sides. It is possible to measure in real time the tension applied to the steel cable while pulling.
다음, 상기 장력에 따른 출력 전압 측정 결과를 수학식 6에 적용하면, 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선을 구할 수 있다. Next, when the output voltage measurement results according to the tension is applied to
이때, 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선은 장력과 자기장에 따라 비선형적으로 변하고, 온도에 대해서는 일정하게 변화된다.At this time, the permeability curve according to the tension of the steel cable is changed non-linearly according to the tension and the magnetic field, and constantly changes with respect to the temperature.
따라서, 상기 강재 케이블의 장력 측정에서 상기 장력 센서의 1차 코일에 가하는 고정 바이어스 자기장은 상기 장력 센서를 가장 안정되게 작동시킬 수 있기 때문에, 상기 고정 자기장을 라 정의한다. Therefore, the fixed bias magnetic field applied to the primary coil of the tension sensor in the measurement of the tension of the steel cable can operate the tension sensor most stably. It is defined as
다음, 일정한 자기장에서의 비투자율을 정리하면 수학식 8과 같이 장력에 대해 2차 식으로 표현할 수 있다. Next, if we summarize the specific permeability in a certain magnetic field can be expressed as a quadratic equation for the tension as shown in Equation (8).
상기 수학식 8에서의 은 자기장 A/m이고, 장력=0 MN이며, T=0도일 때의 비투자율이고, 상기 수학식 8의 는 상기 강재 케이블의 장력에 따른 투자율 곡선을 회귀 분석(curve fitting)함으로써 구해진 값이며, 은 온도 계수이다. In
이때, 상기 장력 측정시 기준 온도를 20도로 설정하고 고정 바이어스 자기장을 라 하면 상기 수학식 8은 다음 수학식 9와 같이 표현된다. At this time, the reference temperature is set to 20 degrees when the tension is measured and the fixed bias magnetic field is
다음, 상기 수학식 9를 수학식 7에 대입하면 다음 수학식 10을 얻을 수 있다. Next, by substituting
이때, 상기 보상용 장력 센서(4)의 출력 전압은 장력이 0 MN(즉, = 0)이고, 일정한 자기장에서 측정하였으므로 이를 수학식 10에 적용하면, 다음 수학식 11을 얻을 수 있다. At this time, the output voltage of the
상기와 같이 도출된 수학식을 이용하여 상기 수학식 10에서 수학식 11을 빼서 정리하면 다음 수학식 12를 얻을 수 있는데, By subtracting
상기 수학식 12로부터 상기 측정용 장력 센서(2)에서 보상용 장력 센서(4)의 출력 전압을 빼면, 상기 측정용 강재 케이블(1)이 투자율과 주위 온도에 영향이 없고, 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해지는 장력의 영향만 받음을 알 수 있다. When the output voltage of the compensating
상기와 같은 구조와 작동 원리로 동작되는 제 1 실시예의 제어 과정을 보다 상세하게 설명한다.The control process of the first embodiment operated with the above structure and principle of operation will be described in more detail.
먼저, 본 발명에 따른 제 1 실시예는 상기 파워 앰프(5)를 오프(OFF)한 상태에서, 상기 교류적 장력 측정용 프로그램을 가동시킴으로써, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 아날로그 신호와 상기 션트(10)로부터 출력되는 전류 신호에 대해 자동 영점 조정을 수행하여 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력되는 노이즈 신호와 드리프트 신호를 자동으로 제거한다.First, according to the first embodiment of the present invention, by operating the AC tension measuring program while the
다음, 사용자에 의해서 상기 중앙 관제 장치(6)에 갖추어진 자동 운전 시작 스위치가 눌리게 되면, 상기 중앙 관제 장치(6)는 제어 시작 스위치를 작동하여 상기 파워 앰프(5)를 작동시킨다.Next, when the automatic operation start switch provided in the
다음, 상기 파워 앰프(5)는 상기 중앙 관제 장치(6)와 DAQ 보드(7)를 통해 출력되는 아날로그 신호 에 따라 상기 측정용 장력 센서(2) 또는 보상용 장력 센서(4)의 1차 코일(14)에 고정 바이어스 자기장과 교류 자기장을 공급하여 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 자기장을 발생시킨다.Next, the
상기 고정 바이어스 자기장은 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)가 상기 측정용 강재 케이블(1) 또는 보상용 강재 케이블(3)에 가해지는 장력에 따라 출력 전압이 가장 크게 변화되고, 열이 적게 발생되는 최적의 조건으로 작동될 수 있는 자기장으로써 장력 시험에 의해서 구할 수 있다.The fixed bias magnetic field has the largest change in output voltage depending on the tension applied to the measuring
다음, 상기 제 1실시예는 상기 측정용 강재 케이블(1)과 보상용 강재 케이블(3)의 고정 바이어스 자기장 및 교류 자기장을 중앙 관제 장치(6)로 전송하여 표 시하고, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)에 포함된 케이블 진동 신호 등을 신호 처리를 통해 제거한다.Next, the first embodiment transmits and displays the fixed bias magnetic field and the alternating magnetic field of the measuring
다음, 상기 중앙 관제 장치(6)는 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 출력된 신호를 합성하여 RMS(root meansqure = 실효값)값으로 변환한 다음, 상기 RMS값을 사용자에게 표시해 주게 된다. Next, the
다음, 상기 중앙 관제 장치(6)는 상기 측정 시작 스위치(12)의 제어 신호에 따라 일정 시간 동안 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)로부터 입력된 신호를 받아 들여 평균 처리한 다음, 사용자에게 표시 및 저장하고, 측정 시작 스위치(12)의 제어 신호가 있을 때까지 측정 대기 상태를 유지하게 된다. Next, the
다음, 상기 측정 대기 상태에 들어간 상기 제 1 실시예는 상기 중앙 관제 장치(6)의 측정 완료 제어 신호에 따라 현재까지 측정된 데이터 즉, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 값과, 상기 측정용 장력 센서(2)와 보상용 장력 센서(4)의 합성값, 고정 바이어스 자기장, 교류 자기장, 또는 온도 등을 저장하고, 상기 측정된 데이터를 도면 5에 도시한 바와 같이 사용자에게 표시한다.Next, the first embodiment entering the measurement standby state is the data measured so far according to the measurement completion control signal of the
한편, 상기 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예와 달리 보상용 장력 센서(4)를 사용하지 않고, 측정용 강재 케이블(1)에 장착된 온도 센서(8)와 측정용 장력 센서(2)만을 이용하여 상기 측정용 강재 케이블(1)에 가해진 장력을 측정할 수 있는바, 그 측정 과정은 다음과 같다. On the other hand, the second embodiment, unlike the first embodiment, does not use the
먼저, 상기 제 2 실시예에 적용되는 온도 보정 계수를 이용하기 위해 도면 7과 같이, 온도에 따른 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압를 그래프로 도시하고, 상 기 온도에 따른 측정용 장력 센서 출력 전압에 대한 그래프를 회귀 분석(curve fitting)하여, 다음 온도 보정 계수 를 얻는다.First, in order to use the temperature correction coefficient applied to the second embodiment, as shown in Figure 7, the output voltage of the
따라서, 상기 제 2 실시 예의 측정용 장력 센서(2)로부터 도출된 출력 전압에 온도 보정 계수를 적용한 온도 보정식은 다음 수학식 13과 같다. Therefore, the temperature correction equation in which the temperature correction coefficient is applied to the output voltage derived from the
이때, 상기 수학식 13의 는 로 환산된 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압이고, 는 임의의 온도에서 검출된 측정용 장력 센서(2)의 출력 전압이며, 는 임의의 온도이다. At this time, the equation (13) Is Is the output voltage of the
다음, 상기 수학식 13과 표준 인장 시험기를 이용하여 수학식 13의 결과에 따른 측정용 강재 케이블(1)의 장력 측정 결과를 그래프 상에 도시하면, 다음 도면 7에 도시한 바와 같이, 측정용 장력 센서(2)의 출력에 대한 측정용 강재 케이블(1)의 장력 특성 곡선을 얻을 수 있다. Next, when the tension measurement results of the measurement steel cable (1) according to the result of the equation (13) using the
다음, 상기 도면 7에 도시된 장력 특성 곡선 즉, 상기 측정용 장력 센서(2)의 출력에 대한 측정용 강재 케이블(1)의 장력 특성 곡선을 수학식으로 표현하면, 다음, 수학식 14를 얻을 수 있다. Next, when the tension characteristic curve shown in FIG. 7, that is, the tension characteristic curve of the measuring
이때, 상기 수학식 14의 Y는 측정용 강재 케이블(1)에 가해진 장력이고, X는 측정용 장력 센서(2)로부터 도출된 출력 전압이다. At this time, Y in the equation (14) is the tension applied to the measurement steel cable (1), X is the output voltage derived from the measurement tension sensor (2).
따라서, 결과적으로 상기 도출된 수학식 13과 수학식 14를 상기 제 2 실시예에 적용함으로써, 상기 제 2 실시예로부터 온도의 영향을 보정한 측정용 강재 케이블(2)의 장력을 측정할 수 있다.Therefore, as a result, by applying the derived equations (13) and (14) to the second embodiment, it is possible to measure the tension of the measuring steel cable (2) in which the influence of temperature is corrected from the second embodiment. .
한편, 본 발명에 따른 제 2 실시예가 동작되는 과정은 상기 제시한 제 1 실시 예의 동작 과정과 유사하므로 중복된 설명을 피하기 위해 상기 제 2 실시예의 구체적인 동작 설명은 생략한다. On the other hand, the process of operating the second embodiment according to the present invention is similar to the operation process of the first embodiment presented above, so the detailed description of the operation of the second embodiment will be omitted in order to avoid redundant description.
이러한 구조로 이루어진 본 발명의 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 대형 교량에 장착된 강재 케이블의 일측 둘레면에 강재 케이블에 가해지는 장력에 따라 자기장이 변화될 수 있는 측정용 장력 센서를 설치해 주기만 하면, 상기 강재 케이블을 손상시키지 않는 범위내에서 상기 강재 케이블의 장력을 측정 가능하다. The tension measuring device of the steel cable using the alternating magnetism of the present invention having such a structure is provided with a tension sensor for measuring the magnetic field can be changed in accordance with the tension applied to the steel cable on one side of the steel cable mounted on a large bridge If only a cycle is given, the tension of the steel cable can be measured within a range that does not damage the steel cable.
따라서, 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치는 상기 강재 케이블의 장력을 측정하기 위해 상기 강재 케이블의 양끝단에 로드셀 등을 설치하지 않고서도 간단하게 상기 강재 케이블의 장력을 측정할 수가 있다. Therefore, the apparatus for measuring the tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention can easily measure the tension of the steel cable without installing load cells at both ends of the steel cable to measure the tension of the steel cable. There is a number.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환과, 변형, 및 변경이 가능하므로 진술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다. The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited.
도면 1은 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 1 실시예의 제어 블록도, 1 is a control block diagram of a first embodiment of an apparatus for measuring tension of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention;
도면 2는 본 발명에 따른 교류 자기를 이용한 강재 케이블의 장력 측정 장치에 대한 제 2 실시예의 제어 블록도, 2 is a control block diagram of a second embodiment of a tension measuring device of a steel cable using alternating magnetism according to the present invention;
도면 3은 본 발명에 갖추어진 측정용 장력 센서와 보상용 장력 센서의 단면도, 3 is a cross-sectional view of the measurement tension sensor and compensation tension sensor provided in the present invention,
도면 4는 장력 센서와 강재 케이블을 표준 인장 시험기에 장착한 상태도,4 is a state in which the tension sensor and the steel cable is mounted on a standard tensile tester,
도면 5는 본 발명에 갖추어진 중앙 관제 장치에 본 발명에 갖추어진 구성 요소로부터 측정된 결과값을 표시한 상태도,Figure 5 is a state diagram showing the results measured from the components provided in the present invention in the central control device provided in the present invention,
도면 6은 제 2 실시예에 갖추어진 측정용 장력 센서로부터 강재 케이블의 온도에 따른 상기 측정용 장력 센서의 출력값을 표시한 그래프, 6 is a graph showing the output value of the measurement tension sensor according to the temperature of the steel cable from the measurement tension sensor provided in the second embodiment,
도면 7은 측정용 장력 센서로부터 출력되는 전압에 상기 측정용 강재 케이블에 가해지는 장력을 표시한 그래프7 is a graph showing the tension applied to the measurement steel cable to the voltage output from the measurement tension sensor
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1. 측정용 강재 케이블 2. 측정용 장력 센서1. Steel cable for
3. 보상용 강재 케이블 4. 보상용 장력 센서 3.
5. 파워 앰프 6. 중앙 관제 장치 5.
7. DAQ 보드 8. 온도 센서 7.DAQ board 8.Temperature sensor
9. 제어 시작 스위치 10. 션트 9. Control start
11. 프리 앰프(pre-amp) 12. 측정 시작 스위치 11.
13. 보빈 14. 1차 코일 13.
15. 2차 코일 장착구 16. 2차 코일 15.
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