KR20130067386A - 토목계측용 진동현식 압력계 - Google Patents

토목계측용 진동현식 압력계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멤브레인의 평탄도 불량과 두께 불량의 문제를 해결하여 멤브레인에 대한 폐기율을 현격히 낮출 수 있는 새로운 구조의 토목계측용 진동현식 압력계에 관한 것으로, 길이방향으로 내부에 진동현 관통부가 형성되는 압력계 본체 ; 상기 압력계 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 고정용 블록 ; 상기 압력계 본체의 길이방향 타단부에 마련되며, 균일한 두께의 막 형태로 형성되며 상기 압력계 본체와 대향하는 내면과 상기 내면의 반대측에 형성되는 외면으로 이루어진 멤브레인과, 상기 멤브레인의 외면 중앙부로부터 외부를 향하여 돌출 형성되는 진동현 고정부와, 상기 멤브레인의 내면 중앙부로부터 상기 진동현 고정부의 중앙을 따라 형성되는 진동현 고정홈과, 상기 멤브레인의 가장자리에서 상기 압력계 본체를 향하여 돌출 형성되어 상기 압력계 본체와 결합되는 본체 결합부를 포함하여 이루어지는 멤브레인 부재 ; 상기 진동현 관통부를 관통하도록 마련되되 일단이 상기 고정용 블록에 고정되며 타단이 상기 진동현 고정홈에 고정되는 진동현 ; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

토목계측용 진동현식 압력계{WIRE VIBRATING TYPE PRESSURE GAUGE FOR CIVIL MEASURING}
본 발명은 간극 수압계와 같이 토목계측용으로 이용되는 진동현식 압력계에 관한 것이다.
토목 계측을 위한 용도로 간극수압계가 널리 이용되고 있으며, 간극수압계는 토목계측용 압력계의 일종이다.
간극수압계는 산업전반에 걸쳐서 응용분야가 매우 넓고 특히 토목 공사에 있어서는 개착 및 굴착을 위한 배수현황과, 굴착이나 성토시 안전율 결정을 위한 간극수압과, 강이나 저수지 및 우물의 수위와, 댐이나 인공호수 및 제방의 지하수의 흐름 및 누수를 모니터하는데 사용된다.
상기와 같이 다양한 기능을 하는 통상의 진동현식 간극수압계(Vibrating Wire Piezometer)는 압력계의 일종으로서, 멤브레인(혹은 다이어프램이라고도 함.)과 이의 일측에 긴장되게 고정된 진동현 및 전자기 코일에 의하여 수압을 진동 신호로 변환시킨다. 즉, 일측단에 밀봉되어 압력 변환기를 구성하는 압력에 민감한 멤브레인의 일측에 진동현이 긴장되게 부착된 구조를 가지므로, 압력의 변화에 따라 멤브레인이 변형되고 이에 따라 진동현의 장력도 변화하게 된다. 장력에 따라 고유한 자유 진동수가 달라지므로, 상기 진동현의 장력의 변화만큼 진동현의 자유 진동수가 변화된다. 따라서 압력 변화에 의하여 다이어프램이 변형되고 이에 의하여 진동현의 장력이 변화되는데, 진동현은 장력에 따라 다른 고유 진동수를 가지게 된다. 따라서, 진동현의 고유 진동수를 판독하면 압력을 알 수 있게 되는 것이다.
그러므로, 판독기나 데이터 로거(data-logger)가 전자기 코일을 여자시키면 압력에 의해 장력이 결정된 진동현은 그의 장력에 따른 고유한 자유 진동수로 진동을 하게 되고, 이의 진동수를 판독기나 데이터 로거(data-logger)가 측정함으로써 압력을 측정할 수 있게 된다.
상기와 같은 간극수압계에 있어서 멤브레인은 압력 측정의 정밀도를 좌우하는 매우 중요한 요소이다.
멤브레인은 금속 소재로 이루어지며 외부의 압력에 따라 민감하게 변형되기 위하여 매우 얇은 두께(약 0.2mm)의 균일한 막 형태를 가진다.
이와 같은 멤브레인이 동일한 압력에서 동일한 변형량을 가지기 위하여는 멤브레인이 압력 작용면 전체에 걸쳐서 균일한 두께를 가지며 아울러 매우 정밀한 평탄도를 가져야 한다.
한편 간극수압계와 관련된 종래의 기술로서 국내 공개특허 제10-2005-0096487호 "일체형 간극수압계"가 제시된 바 있다.
도 1은 종래의 기술에 개시된 멤브레인 부재와 진동현의 연결 상태를 나타낸 개념도이다.
멤브레인 부재(10)는 멤브레인(11)과, 진동현 고정부(12)와, 본체 결합부(13)로 이루어진다.
멤브레인(11)은 균일한 두께의 막 형태로 형성되며 압력계 본체와 대향하는 내면(11a)과 내면(11a)의 반대측에 형성되는 외면(11b)로 이루어진다.
아울러 멤브레인(11)의 내면 중앙부로부터 내부를 향하여 진동현 고정부(12)가 돌출 형성된다. 진동현 고정부(12)에는 진동현(20)이 용접에 의하여 고정된다.
멤브레인(11)의 가장자리에는 압력계 본체를 향하여 돌출 형성되어 압력계 본체와 결합되는 본체 결합부(13)가 마련된다.
이와 같은 멤브레인 부재(10)의 구조는 다음과 같은 문제를 가진다.
(1) 멤브레인(11)이 균일한 두께와 평탄한 구조를 가지도록 하기 위하여 그 내면(11a)과 외면(11b)에 대한 매우 정밀한 선삭 가공이 필요하다. 도 1에서 외면(11b)에 대한 선삭 가공의 경우 절삭 바이트의 일방향으로 1회 이동(축선에 대하여 직교하는 방향으로의 이동)으로 외면(11b)에 대한 전체면 가공이 가능하다.
그러나 내면(11a)에 대한 선삭 가공의 경우 내측으로 돌출된 진동현 고정부(12)와 본체 결합부(13)의 구조와 절삭 바이트의 구조로 인하여 적어도 절삭 바이트의 일방향 1회 이동으로는 내면(11a)에 대한 전체면 가공이 불가능하다. 즉 절삭 바이트의 일방향 1회 이동 및 역방향 1회 이동에 의하여 내면(11a)에 대한 전체면 가공이 가능하게 된다.
상기와 같이 내면(11a)에 대한 전체면 가공은 외면(11b)에 비하여 두 배에 해당하는 횟수로 절삭 바이트와 접촉하게 된다. 또한 내면(11a)에 대한 전체면 가공시 절삭 바이트가 최초로 내면(11a)과 접촉하게 되는 지점은 진동현 고정부(12)와 본체 결합부(13) 사이의 중간부에 해당한다.
이와 같이 절삭 바이트와의 잦은 접촉은 멤브레인(11)의 형태 변형을 야기하게 되어 결과적으로 평탄도가 저하되는 것은 물론이며 균일한 두께로 가공하는 것조차 어렵게 만드는 요인이 된다.
이러한 문제점은 특히 선삭 가공이 황삭 가공, 중삭 가공, 정삭 가공으로 순차적으로 진행될 경우 더욱더 확대된다.
(2) 진동현(20)과 진동현 고정부(12)는 용접에 의하여 고정되나, 용접 작업에 의하여 가해진 열은 멤브레인(11)에 열변형을 일으킬 우려가 있다. 멤브레인(11)의 열변형은 압력계의 품질 불량으로 직결된다.
상기와 같은 문제로 인하여 종래와 같은 구조의 멤브레인 부재는 평탄도 불량과 두께 불량으로 인하여 폐기되는 사례가 빈번하게 발생하였다.
국내 공개특허 제10-2005-0096487호 "일체형 간극수압계"
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 멤브레인의 평탄도 불량과 두께 불량의 문제를 해결하여 멤브레인에 대한 폐기율을 현격히 낮출 수 있는 구조의 토목계측용 진동현식 압력계를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 토목계측용 진동현식 압력계에 있어서, 길이방향으로 내부에 진동현 관통부가 형성되는 압력계 본체 ; 상기 압력계 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 고정용 블록 ; 상기 압력계 본체의 길이방향 타단부에 마련되며, 균일한 두께의 막 형태로 형성되며 상기 압력계 본체와 대향하는 내면과 상기 내면의 반대측에 형성되는 외면으로 이루어진 멤브레인과, 상기 멤브레인의 외면 중앙부로부터 외부를 향하여 돌출 형성되는 진동현 고정부와, 상기 멤브레인의 내면 중앙부로부터 상기 진동현 고정부의 중앙을 따라 형성되는 진동현 고정홈과, 상기 멤브레인의 가장자리에서 상기 압력계 본체를 향하여 돌출 형성되어 상기 압력계 본체와 결합되는 본체 결합부를 포함하여 이루어지는 멤브레인 부재 ; 상기 진동현 관통부를 관통하도록 마련되되 일단이 상기 고정용 블록에 고정되며 타단이 상기 진동현 고정홈에 고정되는 진동현 ; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 멤브레인 부재에서 상기 멤브레인의 외면보다 외측으로 돌출되는 부위는 오직 진동현 고정부와 진동현 고정홈 뿐이며, 상기 멤브레인 부재에서 상기 멤브레인의 내면보다 내측으로 돌출되는 부위는 오직 본체 결합부 뿐인 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 진동현 고정부는 상기 멤브레인의 외면과 연결되는 부위를 따라 정밀도 향상용 홈이 형성될 수 있다.
상기에 있어서, 상기 진동현 고정홈에 상기 진동현을 고정하기 위하여 상기 진동현 고정홈에 압입용 핀이 압입될 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 멤브레인의 평탄도 불량과 두께 불량의 문제를 해결하여 멤브레인에 대한 폐기율을 현격히 낮출 수 있는 구조의 토목계측용 진동현식 압력계를 제공하게 된다.
도 1은 종래 기술의 멤브레인 부재와 진동현의 연결 개념도,
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예인 진동현식 압력계의 단면도,
도 3은 도 2의 실시예의 정면도,
도 4는 도 2에서 멤브레인 부재의 단면도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예인 진동현식 압력계의 단면도이며, 도 3은 도 2의 실시예의 정면도이며, 도 4는 도 2에서 멤브레인 부재의 단면도이다.
본 진동현식 압력계는 크게 압력계 본체(110), 고정용 블럭(120), 멤브레인 부재(130), 진동현(140)으로 이루어진다.
압력계 본체(110)는 그 길이방향으로 내부에 진동현(140)이 관통하는 진동현 관통부(111)가 형성되어 있다.
아울러 압력계 본체(110)의 길이방향 중앙부 외측에는 한 쌍의 측정부 수용부(112)가 형성되어 있다. 측정부 수용부(112)에는 진동현(140)을 강제로 진동시키며 아울러 진동현(140)의 자유진동수를 측정하게 되는 전자석과 진동감지코일 등이 장착된다.
아울러 압력계 본체(110)의 길이방향 일측에는 오링(O-ring)이 장착되기 위한 오링용 홈(113)이 형성되어 있다.
고정용 블록(120)은 압력계 본체(110)의 길이방향 일단부에 용접에 의하여 고정되며, 진동현(140)의 일단을 고정하는 역할을 한다.
멤브레인 부재(130)는 압력계 본체(110)의 길이방향 타단부에 용접에 의하여 결합된다.
멤브레인 부재(130)는 하나의 금속 소재로 이루어지나 크게 멤브레인(131), 진동현 고정부(132), 본체 결합부(133)로 이루어진다.
멤브레인(131)은 균일한 두께의 막 형태로 형성되며, 압력계 본체(110)와 대향하는 내면(131a)과, 내면(131a)의 반대측에 형성되는 외면(131b)으로 이루어진다. 물론 내면(131a)과 외면(131b)은 서로 평행한 상태이다.
진동현 고정부(132)는 멤브레인(131)의 외면(131b) 중앙부로부터 외부를 향하여 돌출되며, 진동현 고정부(132)는 진동현 고정홈(132a)를 형성하기 위하여 돌출 형성되는 것이다.
한편, 진동현 고정부(131)는 멤브레인(131)의 외면(131b)과 연결되는 부위를 따라 정밀도 향상용 홈(132b)이 형성된다. 정밀도 향상용 홈(132b)은 진동현 고정부(131)에도 불구하고 외부의 압력에 대하여 변형될 수 있는 멤브레인(131)의 영역을 넓히도록 하여 외부 압력을 정밀하게 측정할 수 있도록 하기 위한 것이다.
진동현 고정홈(132a)은 멤브레인(131)의 내면(131a) 중앙부로부터 진동현 고정부(132)의 중앙을 따라 형성된다. 즉 진동현 고정홈(132a)을 형성하기 위하여 진동현 고정부(132)가 외부를 향하여 돌출 형성되는 것이다.
본체 결합부(133)는 멤브레인(131)의 가장자리에서 압력계 본체(110)를 향하여 돌출 형성되어 압력계 본체(110)와 결합된다. 본 실시예에서 본체 결합부(133)는 압력계 본체(110)와 용접 결합되지만, 실시예에 따라서는 나사 결합이 될 수도 있다.
본체 결합부(133)는 멤브레인(131)을 압력계 본체(110)에 결합시키는 한편, 압력계 본체(110)의 진동현 관통부(111)를 수밀되게 밀봉시키며, 아울러 멤브레인(131)을 압력계 본체(110)로부터 이격시키는 역할을 한다.
이와 같은 구조의 멤브레인 부재(130)은, 멤브레인(131)의 외면보다 외측으로 돌출되는 부위는 오직 진동현 고정부(132)와 진동현 고정홈(132a) 뿐이며, 아울러 멤브레인(131)의 내면보다 내측으로 돌출되는 부위는 오직 본체 결합부(133) 뿐이다.
진동현(140)은 진동현 관통부(111)를 관통하도록 마련되되 일단이 고정용 블록(120)에 고정되며 아울러 타단이 진동현 고정홈(132a)에 고정된다.
본 실시예에서 진동현(140)은 압입용 핀(141, 142)에 의하여 진동현 고정홈(132a) 및 고정용 블록(120)에 고정된다.
압입용 핀(141)은 진동현(140)이 삽입되는 중공이 형성되며, 그 중공에 진동현(140)이 삽입된 상태에서 진동현 고정홈(132a)에 압입되어 진동현(140)을 진동현 고정홈(132a)에 고정시킨다.
압입용 핀(142) 또한 압입용 핀(141)과 마찬가지 구조로 진동현(140)의 일단을 고정용 블록(120)에 고정시킨다.
이와 같은 본 압력계는 다음과 같은 장점을 가진다.
(1) 본 멤브레인(11)을 절삭 가공할 경우 그 외면(131b)의 선삭 가공의 경우 절삭 바이트의 일방향으로 1회 이동(축선에 대하여 직교하는 방향으로의 이동)으로 외면(131b)에 대한 전체면 가공이 가능하며, 아울러 그 내면(131a)의 선삭 가공의 경우에도 절삭 바이트의 일방향으로 1회 이동(축선에 대하여 직교하는 방향으로의 이동)으로 내면(131a)에 대한 전체면 가공이 가능하게 된다.
이는 내면(131a)에 대하여 내측으로 돌출된 부위가 오직 본체 결합부(133) 뿐이기 때문에 가능한 것이다.
따라서 멤브레인(131)의 절삭 가공이 황삭, 중삭, 정삭 등으로 진행되는 경우에도 절삭 바이트와 멤브레인(131)의 접촉을 최소화할 수 있어 매우 높은 평탄도를 가지며 아울러 매우 균일한 두께를 가진 멤브레인의 가공이 가능하게 되며, 이는 멤브레인의 불량률을 현격히 감소시켜 폐기되는 멤브레인의 수량을 줄일 수 있다.
(2) 본 멤브레인(131)은 진동현(140)과의 고정이 압입용 핀(141)에 의하여 연결되며, 용접 등의 작업이 불필요하므로 열변형 등에 의한 멤브레인의 불량이 현격히 감소된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 압력계 본체 111 : 진동현 관통부
120 : 고정용 블록 130 : 멤브레인 부재
140 : 진동현

Claims (4)

  1. 길이방향으로 내부에 진동현 관통부가 형성되는 압력계 본체 ;
    상기 압력계 본체의 길이방향 일단부에 마련되는 고정용 블록 ;
    상기 압력계 본체의 길이방향 타단부에 마련되며, 균일한 두께의 막 형태로 형성되며 상기 압력계 본체와 대향하는 내면과 상기 내면의 반대측에 형성되는 외면으로 이루어진 멤브레인과, 상기 멤브레인의 외면 중앙부로부터 외부를 향하여 돌출 형성되는 진동현 고정부와, 상기 멤브레인의 내면 중앙부로부터 상기 진동현 고정부의 중앙을 따라 형성되는 진동현 고정홈과, 상기 멤브레인의 가장자리에서 상기 압력계 본체를 향하여 돌출 형성되어 상기 압력계 본체와 결합되는 본체 결합부를 포함하여 이루어지는 멤브레인 부재 ;
    상기 진동현 관통부를 관통하도록 마련되되 일단이 상기 고정용 블록에 고정되며 타단이 상기 진동현 고정홈에 고정되는 진동현 ;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 토목계측용 진동현식 압력계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인 부재에서 상기 멤브레인의 외면보다 외측으로 돌출되는 부위는 오직 진동현 고정부와 진동현 고정홈 뿐이며,
    상기 멤브레인 부재에서 상기 멤브레인의 내면보다 내측으로 돌출되는 부위는 오직 본체 결합부 뿐인 것을 특징으로 하는 토목계측용 진동현식 압력계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 진동현 고정부는 상기 멤브레인의 외면과 연결되는 부위를 따라 정밀도 향상용 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 토목계측용 진동현식 압력계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동현 고정홈에 상기 진동현을 고정하기 위하여 상기 진동현 고정홈에 압입용 핀이 압입되는 것을 특징으로 하는 토목계측용 진동현식 압력계.
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