KR20110042505A - 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법에 관한 것으로, 마력 측정을 위해 회전되는 추진축에 고정되게 설치된 센서 및 전자 회로에 무선으로 안정적으로 전원을 공급하고, 회전하는 추진축의 회전 속도(RPM)를 추가적인 구성없이 측정할 수 있도록 하며, 추진축에 부착된 센서를 통해 추진축의 비틀림을 측정한 후 무선으로 전송하되 아날로그 방식이 아닌 디지털 무선 통신을 적용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 선박의 추진축에 휘스톤브릿지 타입 스트레인 게이지 센서를 부착하여 엔진 동력이 전달될 때 발생 되는 축 변형을 저항 변화로 감지하는 단계; 추진축의 재질과 외경 그리고 게이지 FACTOR 등의 상수들을 이용하여 전단 응력인 토크를 계산하는 단계; IEEE 802.15.4 근거리 무선통신 국제 표준 규격을 따르는 2.4GHz 대역의 지그비 무선 통신 모듈을 이용하여 측정한 토크를 명력코드, 송수신ID, 데이터프레임, 체크섬을 포함하는 패킷을 구성하는 단계; 패킷 형태의 토크 정보를 디지털 데이터 신호로 무선 송수신하는 단계;로 구성하여, 노이즈와 같은 외부환경의 영향으로 발생될 수 있는 데이터 오류 등의 문제점을 차단하고 안정적이며 높은 신뢰성의 정보 흐름을 제공해 줌을 특징으로 하는, 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법이 제공된다.
추진축, 마력, 와전류, 유도기전력, 지그비, 스트레인게이지, 샤프트링

Description

비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법{Measuring method for ship's shaft horsepower using the noncontact power transmission and the detection of material change}
본 발명은 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법에 관한 것으로, 마력 측정을 위해 회전되는 추진축에 고정되게 설치된 센서 및 전자 회로에 무선으로 안정적으로 전원을 공급하고, 회전하는 추진축의 회전 속도(RPM)를 추가적인 구성없이 측정할 수 있도록 하며, 추진축에 부착된 센서를 통해 추진축의 비틀림을 측정한 후 무선으로 전송하되 아날로그 방식이 아닌 디지털 무선 통신을 적용하는 방법에 관한 것이다.
최근 건조되는 많은 선박들이 최적의 선박 운항을 위해 추진축 마력측정 시스템을 적용하여 측정된 토크와 RPM 데이터로 선박의 운항상태, 운항 성능, 목적지까지의 운항 계획의 지표로 널리 사용되는 추세이다.
상기와 같은 목적으로 선박의 추진축 마력을 측정하는 다양한 방법이 개발되 어 있는 추진축의 비틀림을 측정하는 방식에 따라 그 측정값의 무선 송수신 방법에 차이를 보이고 있다.
종래의 방법 중 추진축에 스트레인 게이지를 부착하여 추진축의 비틀림에 대한 저항 변화를 감지하는 방법이 도 10에 도시되어 있다. 이는 추진축(100)에 부착된 트랜스듀서(transducer, 70) 모듈과 토크 전송 코일(90)을 통해 주파수의 변화량으로 전송하거나 고주파의 반송파에 저주파 신호주파수를 포함하여 전송하는 RF 방식인 아날로그 형태의 데이터 송수신을 적용하고 있다.
그러나 주파수 형태의 아날로그 송수신은 외부 노이즈에 의한 신호 왜곡이 발생할 수 있으므로 수신된 주파수의 신뢰성이 떨어지는 문제점을 안고 있고, RF 방식의 경우 반송파인 고주파에 포함된 신호 레벨의 주파수 성분을 분석해야 하는 변복조 과정의 복잡한 하드웨어 구성이 필요하므로 그 해석 능력에 따라 DATA 신뢰성이 크게 좌우되는 문제점을 안고 있다.
그리고 종래 기술에 있어 비접촉 회전체 전력 전송의 방법으로는 도 10에서와 같이 추진축(100)에 직접 전력 수신용 코일(Power Receiver, 80)을 40~80회 가량 감은 샤프트링(4)을 설치하는 방법을 사용한다.
도 10과 같이 추진축(100)에 전력 수신용 코일(80)을 감을 경우 600mm~1,000mm 지름이 되는 건조중인 선박의 추진축(100)에 작업자 한 명이 설치 하기에는 난해한 점과, 전력 전송부의 자속 루트가 되는 페라이트 코어 또는 적층된 규소 강판과 전력 수신부인 자속 루트인 추진축 재질의 자속 투자율 상이함과, 에어갭(air gap) 영향으로 전력 전송 효율이 상당히 낮아지는 문제점을 안고 있다.
그리고 샤프트링(4) 구조물의 특정한 위치에만 전력 수신부를 설치하여 배터리를 충전하여 사용하는 경우는 샤프트링(4) 구조물의 설계가 용이한 이점이 있을 수 있으나 선박 운행 중 장시간 정박할 경우 샤프트링(4)에 설치된 전력 수신부의 위치가 전력 전송부로부터 각도가 상당히 벗어난 경우 전력전송이 이루어지지 않거나 전송 효율이 급격히 떨어지게 되고 충전된 배터리의 전압도 떨어지게 되므로 측정 데이터 전송에 문제가 될 수도 있다. 따라서 선박이 정박해 있을 경우 토크와 RPM이 0(zero)이므로 마력 또한 무의미할 수 있으나 선박의 운항에 상관없이 추진축의 비틀림을 상시 감시하고 모니터링 해야 하는 장치의 취지에 벗어나는 문제점이 있다.
그리고 종래 기술에 있어 추진축의 분당 회전수 측정 방법은, 추진축(100) 일부에 리플렉터(reflector, 반사체)를 부착하거나, 샤프트링(4) 구조물 내부에 자석(magnet, 마그넷)을 일정한 각도에 삽입하거나, 외각에 리플렉터를 설치하여 적외선 센서 또는 픽업(pick-up, 근접) 센서를 이용하여 회전 속도를 측정하였다. 또는 샤프트링(4) 구조물의 일부에 일정한 각도마다 RPM 홈(RPM hole, 40)을 만들어 플라이휠(flywheel)처럼 구성한 후, 엘이디(LED)와 포토 다이오드 사이를 지나가도록 설치하여 회전방향과 속도를 측정하기도 한다.
그러나 RPM 측정 신뢰성과 정밀도는 어느 방법이나 거의 유사한 성능을 보이나 추진축(100)에 설치된 리플렉터에 장시간 이물질이 쌓일 경우 적외선 센서의 측정 감도가 떨어질 수 있고, 샤프트링(4) 구조물의 외각에 설치된 리플렉터의 경우 외부 충격에 따른 소손 가능성을 배제할 수 없으며, 플라이휠 방식은 정밀한 기구 물 제작의 문제점과 하드웨어 고비용 부담 등의 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 기술에서 야기될 수 있는 문제점과 단점 등을 해결하고자 함에 목적이 있는 것으로, 측정 토크와 RPM 신호의 데이터 신뢰성 유지와 전원 시스템의 안정성 및 가격 경쟁력을 높이도록 하기 위하여 추진축에 고정되게 설치된 센서 및 전자 회로에 무선으로 안정적으로 전원을 공급하고, 회전하는 추진축의 회전 속도(RPM)를 추가적인 구성없이 측정할 수 있도록 하며, 추진축에 부착된 센서를 통해 추진축의 비틀림을 측정한 후 무선으로 전송하되 아날로그 방식이 아닌 디지털 무선 통신을 적용하는 방법을 제공하게 된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 추진축에서 측정된 토크 변화량을 디지털화하는 과정과, 체크섬(checksum) 과정을 통한 후, 데이터 패킷 형태로 2.4GHz 대역의 무선 전송을 통해 데이터 전송의 신뢰성을 제공한다.
그리고 추진축에 설치되는 토크 측정회로와 무선 데이터 전송 모듈에 회전방향과 회전속도에 무관하게 일정하고 안정적인 전력공급을 할 수 있는 비접촉 회전체 전력전송 방법을 제공하게 된다.
또한 센서와 상기 토크 측정회로와 무선 전송 모듈을 안정적으로 고정하고 보호해주는 샤프트링의 표면 재질을 상이하게 구성한 후 와전류 센서의 발진주파수와 진폭 변화를 감지하여 회전하는 추진축의 분당 회전수(RPM)를 간단하고 정밀하게 측정할 수 있는 방법을 제공하게 된다.
본 발명은 아날로그 무선 데이터 통신에서 디지털 무선 통신으로의 개선을 통해 정밀성과 응답특성 고속화 및 데이터 신뢰성을 보장할 수 있는 효과와, 이중절연을 통한 전원분리 및 전원 안정성과 샤프트링의 일정한 각도에 설치된 전력 수신부의 병렬처리를 통한 추진축의 방향과 회전시 또는 정지시에 무관하게 비접촉 유도기전력을 통한 일정한 전원공급으로 장치의 안정화를 제공하는 효과와, 와전류센서를 적용하여 샤프트링의 표면 재질의 상이함만으로도 회전체의 속도와 방향을 간단하고 정밀하게 검출할 수 있는 RPM 검출 방법을 제공하여 유사한 조건의 다른 산업현장에 쉽게 접목하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 선박용 추진축 마력 측정 방법에 필요한 기술 중 가장 중요한 아래의 기술적 부분을 제공하게 된다.
우선, 추진축(100)에 설치된 토크 측정 모듈(12)과 지그비(ZIGBEE) 무선 통신 모듈(2)에 안정적인 전원 공급을 위해 이중 절연된 전력 수신부(3)의 코어를 일정한 각도에 설치하고 병렬로 연결하여 추진축(100)의 회전속도와 회전방향 그리고 어느 각도에서 추진축(100)이 멈출 경우라도 지속적으로 일정한 전력 공급을 가능하게 할 수 있는 비접촉 회전체 전력전송 방법을 그 특징으로 한다.
그리고 추진축(100)의 분당 회전수(RPM)를 도 6과 같이 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)를 재질이 다르게 적용하여, 측정 재질에 따른 파형의 응답 특성을 이용하여 추진축(100)에 고정된 샤프트링(4) 구조물의 표면 재질을 상이하게만 하고도 간단하고 정밀하게 회전속도를 측정할 수 있도록 하는 방법이다.
이를 위해 추진축(100) 표면에 부착한 스트레인 게이지 센서(1)를 보호하고 토크 측정 모듈(12)을 고정하기 위해 설치한 샤프트링(4)의 외곽표면 일부 구간의 재질을 상이하게 구성한 후, 와전류(Eddy Current) 특성을 이용하여 와전류 센서의 발진주파수와 진폭의 변화를 감지하여 회전하는 추진축(100)의 분당 회전수인 RPM을 측정하는 방법을 특징으로 한다.
그리고 측정된 토크 데이터를 국제규격(IEEE.802.15.4)에서 인증된 근거리 무선 통신 방식인 높은 신뢰성을 갖춘 지그비(ZIGBEE) 통신을 적용하여, 추진축(100)에서 발생된 축 변형을 휘스톤브릿지 타입 스트레인 게이지 센서(1)의 저항 변화로 감지하여 아날로그 전압신호의 측정값으로 감지하고, 디지털 이산 신호로 변환하여 토크 값으로 연산 처리한 후 도 4와 같이 디지털 데이터와 체크섬(CHECKSUM) 등으로 구성된 패킷 형태의 검증된 신뢰성 높은 데이터 신호를 전송하여 고속 신호처리가 가능하고, 외부 노이즈와 같은 문제점을 해결할 수 있으며, 별도의 변복조 과정을 거치지 않으므로 빠른 데이터 수집과 연산 처리를 할 수 있도록 하는 방법에 특징이 있다.
상기와 같은 특징을 가진 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에서 실시하고자 하는 핵심 기술들이 적용되는 선박용 마력측정 장치의 설치 환경인 엔진룸 내의 추진축(100)과 동력원인 메인 디젤엔진(50) 그리고 추진체인 프로펠러(60)에 대한 개략도이다.
도 1은 본 발명의 목적을 달성하는 구성들의 설치와 그 상관 관계를 도시한 것이다. 추진축(100)에는 추진축(100)의 비틀림을 감지하는 휘스톤브릿지 타입의 스트레인 게이지 센서(1)가 부착된다.
그리고 상기 스트레인 게이지 센서(1)를 제어하고 통신하는 각종 구성은 추진축(100)에 빙둘러 고정설치된 샤프트링(4)에 설치된다. 즉 샤프트링(4)에는 [수학식 1]에 따라 스트레인 게이지 센서(1)에 의해 측정된 추진축(100)의 비틀림 값을 연산 처리하는 토크 측정 모듈(12)과, 디지털 무선 통신 장비인 지그비(ZIGBEE) 모듈의 동작을 제어하는 지그비 무선 통신 모듈(2)과, 일정 각도마다 코어가 내장되어 형성된 전력 수신부(3)와, 전력 수신부(3)로부터 받은 전력을 토크 측정 모듈(12)과 지그비 무선 통신 모듈(2)이 사용할 수 있도록 변환하여 공급하는 전력 변환부(11)가 설치된다.
그리고 상기 샤프트링(4)의 구성 부분과 무선으로 송수신하는 장치가 샤프트링(4)으로부터 일정 거리 떨어져 구성된다. 이들로 구성된 것이 마력측정 및 계산 모듈(7)이다. 마력측정 및 계산 모듈(7)은 비접촉 방식으로 전력 수신부(3)로 전력을 공급하는 전력 전송부(5)와, 추진축(100)의 RPM을 검출하고 와전류를 검출하는 와전류 센서로 구성된 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)와, 지그비 무선 통신 모듈(2)과 통신하는 지그비 무선 통신 모듈(2)과, 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)와 지그비 무선 통신 모듈(2)로부터 데이타를 수신하여 계산하는 신호해석 및 마력계산부(9)와, 신호해석 및 마력계산부(9)에 의해 처리되는 모든 데이타와 결과가 저장되는 데이타 저장부(14)와, 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)와 지그비 무선 통신 모듈(2) 및 신호해석 및 마력계산부(9)로 전원을 공급하는 다출력 전력 변환부(13)와, 신호해석 및 마력계산부(9)와 연계되어 각종 데이타를 모니터링 모듈(8)로 송수신하는 통신 모듈(15)을 포함하여 구성된다. 상기의 모니터링 모듈(8)은 엔진제어룸(ECR)에 설치되어 측정된 토크, 분당회전수, 마력 등을 표시하게 된다.
상기의 지그비 무선 통신 모듈(2)은 전송 고유번호(ID)를 가지며 국제 통신 규격인 IEEE.802.15.4에 기준하여 2.4GHz 주파수 대역에서 도 4와 같이 신호 전송을 위한 명령코드와 데이터프레임 그리고 체크섬(CHECKSUM) 등으로 구성된 디지털 데이터 패킷을 구성하여, 마력측정 및 계산모듈(7)에 설치되어 있는 수신 고유번호(ID)가 지정된 지그비 무선 통신 모듈(2)에 데이터를 전송한다.
상기 마력측정 및 계산모듈(7) 내의 신호해석 및 마력계산부(9)에서는 수신된 데이터 패킷의 유효성 검사를 통해 데이터의 신뢰성 검사를 수행한 후 [수학식 2]에 따라 추진축(100)의 회전 RPM 데이터와 연산 처리하여 추진축(100)의 마력을 산출하고, 도 1의 모니터링 모듈(8)에 RS-485 통신을 이용하여 토크, RPM, 마력 등의 정보를 제공하여 지정된 시간(4초, 1분, 1시간, 24시간) 간격으로 화면에 표시될 수 있도록 처리한다.
[수학식 1]
Figure 112009063793405-PAT00001
T : 토크(kNm)
D : 추진축 직경(m)
G : shear modulus(typical 8.18×107 kN/㎡)
Rc : resistance variation caused by strain
Rs : 350Ω, strain gauge resistance
k : strain gauge factor(2.00~2.10)
[수학식 2]
Figure 112009063793405-PAT00002
P : kW
T : Torque in kNm
N : Revolutions in rpm
본 발명에서 적용하고 있는 지그비 무선 통신 모듈(2)은 FCC(미국), IC(캐나 다), ETSI(EUROPE), TELEC(JAPAN) 등의 해외 통신 규격 인증을 갖춘 것으로 저전압 저전력 구동이 가능하여 배터리 박스(16)에 내장된 배터리의 전원을 이용하여 도 8과 같이 실시할 수 있다.
이와 같은 본 발명을 180K 벌크캐리어선과 VLCC 유조선 등에 장착하여, 도 9와 같이 3일간의 토크와 RPM 측정을 통한 검출 신호 정밀도 검증과, 지그비 무선 통신 모듈(2)을 통한 무선통신의 실 선박 적용 가능성과 신뢰성 검증을 실시했다.
이와 같이 지그비 무선 디지털 통신을 회전체 시스템에 접목함으로써, 회전하는 추진축(100)에 설치한 휘스톤브릿지 타입의 스트레인 게이지 센서(1)에서 측정한 추진축(100)의 비틀림에 대한 토크의 정보를 신뢰할 수 있는 디지털 값으로 손쉽고 안정적으로 수집할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에서 실시하고자 하는 비접촉 회전체 전력전송 방법은 도 1의 고정 설치부인 마력측정 및 계산모듈(7)내의 비접촉 전력 전송부(5)와, 샤프트링(4)에 일정한 각도로 병렬 연결된 전력 수신부(3)를 통해 미소한 이격거리(air gap)에서 추진축(100)의 회전방향과 회전속도에 무관하게 일정한 전력을 공급하게 된다.
도 3의 고정부인 비접촉 회전체 전력공급 모듈(10)의 다출력 SMPS(Switching Mode Power Supply)에서는 고정부 내의 수신 모듈인 지그비 무선 통신 모듈(2)과, 와전류 센서 및 RPM 측정부(6) 및 신호해석 및 마력계산부(9) 구동에 필요한 +5 Volt, +24 Volt, +/-15 Volt 등의 다양한 정전압을, PhotoCoupler를 이용한 폐루프 제어(CLOSED LOOP CONTROL) 방식으로 공급하면서, SMPS 출력 권선 하나를 정류하지 않고 비접촉 회전체 전력공급 전송용 페라이트에 연결하여 이중 절연된 67kHz 고주 파 펄스 전압을 제공하도록 한다.
일반적인 SMPS의 전력변환방식과 코어의 투자율, 자속루트의 단면적과 길이를 고려하고 페라이트 코어를 완전히 결합한 상태에서 일부 영역에 미세한 갭을 사용하는 [수학식 3]의 전력전송 이론 수식은 도 3의 개략도와 같이 자속 루트가 되는 페라이트 코어 사이의 큰 Air Gap의 존재와 전송부 코어와 결합되는 수신측 코어의 회전에 따른 낮은 결합계수 등의 복합적인 문제들로 인하여 적용하기 어려운 문제점이 있다.
[수학식 3]
Figure 112009063793405-PAT00003
Figure 112009063793405-PAT00004
Vout : 출력전압
Vin : 입력전압
N1 : 1차측 권선 수
N2 : 2차측 권선 수
D : PWM DUTY
Ts : Switching Time
상기와 같은 문제점으로 인해 본 발명에서는 폐루프 제어 기준용 출력 전압인 +5 Volt의 부하량 정도에 따라 고주파 펄스(Pulse)의 ON 듀티(Duty) 폭이 결정되므로 비접촉 회전체 전력 전송부(5)에서 추진축(100)의 샤프트링(4)에 고정된 전력 수신부(3)로 안정적 전력 공급에 필요한 듀티폭 선정을 정지상태에서 최대 이격거리 조건과 추진축(100)에 설치된 모든 회로의 최대 전력 소비 상태에서 실험에 의해 결정한다.
도 3의 비접촉 회전체 전력공급 모듈(10)의 전력 전송부(5)는 5~6개의 U자 형태의 EER3435S(이수코어) PL-7재질의 페라이트 코어를 적층하여 다출력 전력 변환부(13)의 출력 권선 중 하나에서 생성된 35 Volt 67kHz 30% Duty를 가진 고주파 펄스전압을 유기시켜 2mm~5mm 갭(Air Gap)이 떨어진 샤프트링(4)에 일정한 각도(4~5°)마다 고정한 전력 수신부(3) 중 전력 전송부(5)의 적층된 페라이트 코어와 수평을 유지하는 2~3개의 페라이트 코어에 유도된 기전력에 의해 발생된 병렬전압을 정류하고 평활 하는 전압 안정화 회로를 통해 추진축(100)에 설치된 토크 측정 모듈(12)과 지그비 무선 통신 모듈(2)에 필요한 전원을 공급하게 된다.
본 발명에서 실시한 이중절연을 통한 비접촉 회전체 전력전송 방법은 하나의 다출력 SMPS 회로를 개선하여 비접촉 회전체 전력전송과 고정부에 설치된 각 회로와 모듈에 절연된 정전압 공급을 동시에 처리할 수 있으므로 비용절감 및 제품소형화 그리고 오픈루프 비접촉 전력전송 방법을 적용할 경우 출력 전압 안정화를 위한 제어의 어려움과 낮은 전력전송 효율로 인한 발열 문제 등을 간단하게 해결할 수 있는 장점이 가장 두드러진 특징 중 하나이다.
본 발명에서 다루는 또 다른 기술은 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)에서 와전류 특성을 이용하여 추진축(100)에 고정되어 회전하는 샤프트링(4)의 표면 재질 차이를 측정하여 회전속도와 회전방향을 감지할 수 있는 것이다.
도 7은 금속체에 발생된 와전류와 침투깊이를 보여주며 이 와전류(Eddy Current)는 자속변화가 일어나는 곳에 자성체 또는 비자성체인 전도체가 존재할 경우 표면에 발생하게 되며 생성된 와전류는 와전류 센서(40)와 회전체 간의 거리, 회전체의 투자율, 회전체의 전도율에 따라 그 크기가 달라지며 와전류 센서(40)의 자속방향과 반대방향의 자속을 만들어 와전류 센서(40)의 자속을 방해하게 된다. 이 와전류에 의해 방해받은 자속 변화는 와전류 감지센서의 임피던스 변화로 나타나게 되고 센서와 연결된 RPM 검출부에서 도 6과 같이 임피던스 변화에 따른 전압의 변화를 검출하여 회전체의 RPM을 정확하게 계측할 수 있다.
도 5의 상단 그림은 와전류 센서(40)를 이용하여 전도체의 종류에 따라 발생 되는 발진주파수의 파형을 통해 서로 다른 재질의 변화를 감지할 수 있음을 검증한 실시 예이다. 도 6은 재질이 Steel인 샤프트링(4)의 표면 일부에 SUS 재질의 커버(COVER)를 부착할 경우, 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)를 이용한 RPM 검출회로에서의 검출 파형을 보여주고 있다. 샤프트링(4)의 원지름과 커버의 길이 그리고 회전하면서 감지된 커버 부분의 ON TIME 시간을 [수학식 4]에 대입하면 정확한 분당 회전수(RPM)를 구할 수 있다. 상기의 실시 예와 반대의 경우도 OFF TIME의 시간폭을 이용하여 동일한 결과값을 얻을 수 있다. 회전속도가 느릴 경우 재질이 다른 커버의 수를 일정 간격으로 많이 설치하여 실시할 경우 더 빠르게 회전속도를 검출할 수 있게 된다.
[수학식 4]
Figure 112009063793405-PAT00005
RPMshaft : revolution speed of shaft(rpm)
lsus : length of sus part in shaft ring
ltotal ring : total length of shaft ring
Δt : time interval of interrupt
n : total number of interrupts between A and B position
본 발명에서는 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)의 와전류 센서를 이용하여 서로 다른 두 재질의 전도체에서 응답하는 펄스파형의 변화를 검출하여 추진축(100)의 RPM을 측정하게 된다.
또 다른 실시 예는 도 5의 하단 그림과 같이 회전하는 샤프트링(4)의 표면을 일정한 간격으로 음영(굴곡)을 주었을 경우에도 일반 추진축(100) 속도 검출용으로 사용되는 마그네틱 픽업센서의 단점을 보완하면서 저속 및 고속에서 더 정확하고 정밀한 속도검출이 가능하다.
본 발명에서는 상술한 세가지 핵심 기술의 실시 예를 선박용 추진축 마력측 정 시스템에 적용하였을 경우 측정 토크와 RPM 신호의 데이터 신뢰성 확보와 전원시스템의 안정성 및 가격 경쟁력을 바탕으로 상품화 가능성을 높일 수 있음을 도 8과 도 9에서 보여주고 있으며, 시스템의 내구성을 보완할 경우 본 발명의 범위를 선박의 마력측정 장비에 국한하지 않고 여러 산업 현장에서 비접촉 전력전송 분야와 회전체 RPM측정 분야에 확대할 수 있다.
도 1은 선박용 추진축 마력측정 시스템의 구성도
도 2는 선박용 추진축 마력측정 시스템의 설치 환경 개략도
도 3은 이중절연을 적용한 비접촉 회전체 전력전송의 회로의 개략도
도 4는 지그비(ZIGBEE) 무선 통신에 적용한 데이터 패킷 실시 예
도 5는 와전류 센서를 이용한 RPM측정 비교 분석표
도 6은 샤프트링 표면 재질 변화에 대한 RPM측정부의 검출전압 파형
도 7은 와전류센서를 통해 전도체에서 발생된 와전류와 적용 발진회로
도 8은 지그비 무선 통신을 이용하여 실제 선박의 토크 데이터와 RPM 데이터를 수집하기 위해 시험용 마력측정 시스템의 개략도
도 9는 시험용 마력측정 시스템에서 수집한 토크와 RPM 데이터 그래프
도 10은 스트레인 게이지 센서를 이용한 추진축 마력측정 시스템의 기존 측정방법 중 한 가지 실시 예
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 스트레인 게이지 센서 2 : 지그비 무선 통신 모듈
3 : 전력 수신부 4 : 샤프트링
5 : 전력 전송부 6 : 와전류 센서 및 RPM 측정부
7 : 마력측정 및 계산모듈 8 : 모니터링 모듈
9 : 신호해석 및 마력계산부 10 : 비접촉 회전체 전력공급 모듈
11 : 전력 변환부 12 : 토크 측정 모듈
13 : 다출력 전력 변환부 14 : 데이타 저장부
15 : 통신모듈 16 : 배터리 박스
40 : RPM 홈 50 : 디젤엔진
60 : 프로펠러 70 : 트랜스듀서
80 : 전력 수신용 코일 90 : 토크 전송 코일
100 : 추진축

Claims (3)

  1. 선박의 추진축(100)에 휘스톤브릿지 타입 스트레인 게이지 센서(1)를 부착하여 엔진 동력이 전달될 때 발생 되는 축 변형을 저항 변화로 감지하는 단계; 추진축(100)의 재질과 외경 그리고 게이지 FACTOR 등의 상수들을 이용하여 전단 응력인 토크를 계산하는 단계; IEEE 802.15.4 근거리 무선통신 국제 표준 규격을 따르는 2.4GHz 대역의 지그비 무선 통신 모듈을 이용하여 측정한 토크를 명력코드, 송수신ID, 데이터프레임, 체크섬을 포함하는 패킷을 구성하는 단계; 패킷 형태의 토크 정보를 디지털 데이터 신호로 무선 송수신하는 단계;로 구성하여, 노이즈와 같은 외부환경의 영향으로 발생 될 수 있는 데이터 오류 등의 문제점을 차단하고 안정적이며 높은 신뢰성의 정보 흐름을 제공해 줌을 특징으로 하는, 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지그비 통신 모듈(2)과 스트레인 게이지 센서(1)의 저항변화를 감지하기 위한 토크 측정 모듈(12)에 일정한 전원을 지속적이고 안정적으로 공급하기 위하여, 추진축(100)과 일정 거리가 떨어진 위치에서 비접촉 유도 기전력을 생성할 수 있는 전력 전송부(5)를 설치하고, 추진축(100)에 고정한 샤프트링(4) 내부에 상기 전력 전송부(5)에서 발생된 유도 기전력과 상호 유도작용을 일으켜 전원을 생성할 수 있는 전력 수신부(3)를 설치하여, 추진축(100)의 회전속도와 회전방향에 상관없이 회전축에 고정된 지그비 무선 통신 모듈(2)과 토크 측정 모듈(12)에 비접촉 방식으로 일정하고 지속적인 전원을 공급함을 특징으로 하는, 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 샤프트링(4)에는 추진축(100)의 비틀림을 측정하기 위한 스트레인 게이지 센서(1)와 지그비 무선 통신 모듈(2)과 토크 측정 모듈(12)이 외부 충격과 온도 및 습도 등의 외부 영향으로부터 보호되고 추진축(100)에서 분리되지 않고 고정되도록 안정성과 보호 기능을 제공하면서 외곽 표면의 일부 구간에 샤프트링(4)의 주재질과 다른 재질의 커버(COVER)를 설치하고; 추진축(100)과 일정 이격거리에 고정되어 있는 마력측정 및 계산모듈(7)의 와전류 센서 및 RPM 측정부(6)에 있는 상하 2개의 와전류 센서를 이용하여; 재질이 다른 두 물체의 와전류(Eddy Current) 파형의 상이한 구간을 감지하고, 감지되는 센서의 응답 순서에 따라 회전체의 방향과 분당 회전수인 RPM을 측정할 수 있도록 함을 특징으로 하는, 비접촉 회전체 전력전송과 재질변화 감지를 이용한 선박용 추진축 마력 측정 방법.
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