KR20190053252A - 만곡 표면용 용접형 변형률 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 만곡 표면들에 적합한 용접형 변형률 센서에 관한 것으로, 이 변형률 센서는, a. 측정 신호의 전도를 위한 신호 라인들(3a, 3b)과 신호 기술적으로 연결된 2개의 단부 섹션을 가진 변형률 센서(2); b. 변형률 센서(2)의 방향으로 연장되어 이 변형률 센서와 고정 결합된 센서 캐리어(4); c. 변형률 센서(2) 및 신호 라인들(3a, 3b)의 단부 섹션들을 통합하여 에워싸고 센서 캐리어(4)와 고정 결합된 고체 플라스틱 소재의 보호 커버(5);를 포함하며, 상기 보호 커버(5)가 변형률 센서(2)의 영역에서는 협폭으로 납작하게 형성되고, 변형률 센서(2)와 신호 라인들(3a, 3b)의 연결점들의 영역에서는 변형률 센서(2)의 영역에서보다 적어도 2배 더 넓고, 적어도 2배 더 높으며, d. 센서 캐리어(4)의 단부 섹션들이 슬릿들(6)을 가짐으로써 설부들(7)이 형성되고, 이때 설부 단부들은 서로를 향하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

만곡 표면용 용접형 변형률 센서
본 발명은 용접형 변형률 센서(weld-on strain sensor), 특히 만곡 표면에 적합한 용접형 변형률 센서에 관한 것이다.
재료 표면들의 변형률은, 예컨대 상기 표면들 상에 부착된 변형률 센서에 의해 측정될 수 있다. 따라서, 표면이 팽창되거나 수축되면 변형률 센서도 역시 영향을 받게 되며, 그럼으로써 측정 신호가 발생하게 된다.
용접형 변형률 센서들은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 이에 대한 예시로는 DE 2658324 C2호, JP 2003090772 A호, JP 4519703 B2호 및 JP 5378778 B2호가 있다.
대부분의 경우, 접착제에 의해 고정되는 이른바 스트레인 게이지(strain gauge)가 변형률 센서로서 이용된다. 접착제가 다루기는 용이하지만, 특정 환경 조건들에서 불리할 수 있는 특성들도 갖고 있다. 이처럼 불리한 환경 조건은 변화가 심한 또는 높은 공기 중 습도와, 특히 큰 온도차이다. 그 밖에도 다음과 같은 문제도 있다. 즉, 접착제는 이른바 실온에서만 최적으로 처리될 수 있다. 예컨대 철도 교량의 강 거더(steel girder) 상에, 또는 천연가스 파이프 상에 변형률 센서들이 부착되어야 하는 경우, 이는 예컨대 섭씨 0도 미만의 실온에서는 원칙적으로 불가능하다. 측정점을 가열하는 것도 원칙적으로 불가능한데, 그 이유는 그렇게 하면 상기 지점에서의 측정값을 매우 강하게 왜곡시킬 수도 있는, 온도로 인한 재료 변형이 발생하기 때문이다.
스트레인 게이지들은 실질적으로 캐리어 재료와 변형률 센서 자체로 구성된다. 변형률 센서는 캐리어 재료와 고정 결합된다. 접착제에 의해 고정되는 캐리어 재료들은 대부분 얇은, 그로 인해 매우 유연한 플라스틱 필름들이다. 용접 가능한 캐리어 재료들은 대부분, 검사될 표면 상에 점용접 결합에 의해 고정되는 강판들이다.
접착식 스트레인 게이지와 용접형 변형률 센서 사이의 주요 차이는 이른바 적용(application) 시 작업 단계의 개수이다. 변형률 센서들의 적용은 전문가에 의해 수행되어야 하는데, 그 이유는 단 하나의 작업 단계만 부적절하게 수행되더라도 측정점의 단기 또는 중기 결함을 야기할 수 있기 때문이다. 그에 따라, 예컨대 철도 교량 또는 천연가스 파이프에서와 같이 접근이 어려운 측정점들은 측정점의 수리 시 상당한 노력이 필요하다. 또한, 적용 단계들의 개수와 함께 결함 확률도 상승한다고 알려져 있다. 예컨대 적용을 위해 10개의 작업 단계가 필요하고, 상기 작업 단계들 중 단 하나만 올바르게 실행되지 않을 경우, 잘못된 적용, 다시 말하면 과도하게 높은 측정 오류 또는 높은 결함 확률을 갖는 측정점이 발생한다. 따라서 적용을 위해 보다 적은 작업 단계들이 필요하다면, 결함 확률도 감소한다.
과거에는, 적용점들에 대개 습도 및 기계적 손상에 대한 이른바 보호 커버들을 제공하였다. 그러나 상기 보호 커버들의 부착은 역시 적용 단계들의 개수를 증가시키고, 그에 따라 부적절하게 실행되는 적용 단계들의 확률도 상승시킨다.
그에 따라 최대한 결함 확률이 낮은 부착 기술을 제공하는 것이 바람직하다. 변형률 센서들은 이미 제조 시 캡슐화되기 때문에, 용접 자체는 복잡도가 낮을 수 있다. 그러나 이런 캡슐들은 기계적으로 강성이라서 만곡 표면에 부착될 수 없다. 이 문제의 해결책은, 그 캡슐이 이미 변형률 센서가 용접되어야 하는 피가공재 표면의 반경을 갖는, 캡슐화된 변형률 센서의 제조일 수 있다. 그러나 이 경우 피가공재 표면의 각각의 반경을 위해 특수한 변형률 센서가 제조되어야 한다. 따라서 상기 기술은 실제로 적용되지 않았다.
본 발명의 과제는, 변형률 센서를 위해 만곡 표면에서도 적용될 수 있으면서 결함 확률이 최대한 낮은 신뢰성 있는 고정 기술을 제공하는 것이며, 상기 과제는 하기 특징들을 갖는, 청구항 제1항에 따른 용접형 변형률 센서에 의해 해결된다.
a. 측정 신호의 전도를 위한 신호 라인들과 신호 기술적으로 연결된 2개의 단부 섹션을 가진 변형률 센서.
b. 변형률 센서의 방향으로 연장되어 이 변형률 센서와 고정 결합되며, 점용접에 의해 고정될 수 있는 판금(sheet metal)인 센서 캐리어.
c. 변형률 센서 및 신호 라인들로의 연결부들을 통합하여 에워싸고 센서 캐리어와 고정 결합된 고체 플라스틱 소재의 보호 커버. 센서의 영역에서 이 보호 커버는, 만곡 표면 상에 센서 캐리어의 고정 시 파손되지 않도록 협폭으로 납작하게 형성된다. 신호 라인들의 연결점들의 영역에서, 다시 말하면 신호 라인들이 변형률 센서와 연결되는 지점들에서, 보호 커버는 센서의 영역에서보다 적어도 2배 더 넓고, 적어도 2배 더 높다.
d. 고체 플라스틱으로 에워싸이지 않는 센서 캐리어의 2개의 단부 섹션이 양측에 슬릿들(slit)을 가짐으로써 설부들(tab)이 형성된다. 쌍을 이루어 배치된 설부들의 단부들은 서로를 향하고 있다.
하기에서는 설부들의 기능을 설명한다:
커버는 단지 센서 영역에서만 협폭으로 납작하게, 그리고 그로 인해 가요성으로 형성된다. 그에 따라, 커버가 해당 지점에서 파손되거나 변형률 센서에 작용하지 않음으로써 측정 결과가 왜곡되는 일이 없이, 그 변형률이 측정되어야 하는 파이프의 만곡 표면 상에 센서 캐리어의 상기 섹션을 고정할 수 있다. 센서 영역에서는, 변형률 센서 자체가 얇기 때문에, 커버가 협폭으로 납작하게 형성될 수 있다. 그에 반해, 변형률 센서의 양측 단부 상에는 비교적 두꺼운 연결 라인들이 고정된다. 변형률 센서의 커버를 예컨대 눈과 얼음으로부터 강건하게 보호하기 위해서도, 상기 커버는 고체 플라스틱으로 형성된다. 그러므로 연결 라인의 영역에서는 커버가 변형률 센서의 커버보다 훨씬 더 용적이 크고, 그에 따라 훨씬 더 강성이다. 이 경우, 만곡 표면 상에 센서 캐리어의 상기 강성 단부 섹션들도 반드시 확실하게 고정해야 하며, 이때 필요한 추가 작업 단계가 최대한 적어야 한다. 이런 과제는 설부들에 의해 해결되는데, 그 이유는 용접점들이 설부 단부들의 영역에 세팅될 경우, 설부들이 표면까지 구부러지기 때문이다. 상기 설부들은 용접 전극에 의해 만곡 표면 상으로 밀착되며, 설부 단부들이 점용접을 통해 상기 만곡 표면과 결합된다. 그에 따라, 큰 추가 비용 없이 확실한 고정이 가능하며, 다시 말해 몇 개의 추가 용접점만 세팅하면 된다.
용접 결합부의 강도에 대한 요건 및 표면 형태에 따라, 설부들은 청구항 제2항 내지 제4항에 따른 상이한 크기 및 형태를 가질 수 있다.
청구항 제5항에 따라서, 센서 캐리어의 양측 단부 섹션에 바람직하게는 각각 2개 내지 5개의 설부 쌍이 배치되며, 각각의 설부 쌍의 설부 단부들은 서로 대향하여 위치한다. 이러한 대칭형 실시예는 특히 파이프에 적합하다.
청구항 제6항에 따르는 또 다른 구성에서, 설부들은 상이한 길이를 가지고, 설부 길이는 변형률 센서의 방향으로 갈수록 감소하며, 청구항 제7항에 따르는 구성에서는, 설부들이 상이한 폭을 가지며, 설부 폭은 변형률 센서의 방향으로 갈수록 증가한다.
이는 다음의 장점을 갖는다: 용접점들의 세팅이 수동으로만 조작되는 점용접 장치에 의해 수행된다. 용접점은, 설부 길이에 의해 결정되는 최대한 큰 스프링 트래블이 제공되도록, 설부 단부들에서 설부 중심까지의 영역에만 세팅된다. 설부들의 길이 및 폭을 상이하게 형성함으로써, 상이한 변형에도 불구하고 구부러진 설부의 탄성력은 거의 동일한 크기로 보유될 수 있다.
청구항 제8항에 따라, 변형률 센서는 FBG 변형률 센서이다. 본 발명은 브래그 격자(Bragg grating)를 구비한 광학 변형률 센서에 특히 적합하다.
통상의 기술자에게, 측정점의 위치에 의해 결정되는 공간 조건에 따라 센서 캐리어가 다양한 형태를 가질 수 있고, 이와 마찬가지로 센서 캐리어 내 설부들의 형태도 상이할 수 있다는 점은 명백한 사실이다. 본 발명의 기술적 교시의 구현을 위해 결정적으로 중요한 사항은, 설부들이 항상, 용접 시 과도하게 높은 밀착력을 필요로 하지 않으면서, 신호 라인들의 영역에서 커버의 강성 단부 섹션들의 고정이 가능하도록 형성된다는 점이다.
본 발명은 하기에서 개략적 도면들에 따라 더 상세하게 설명된다.
도 1은 용접형 변형률 센서의 사시도이다.
도 2a 내지 2c는 용접점들을 가진 변형률 센서의 상면도들이다.
도 3은 파이프 상에 부분적으로 용접된 변형률 센서의 사시도이다.
도 4는 파이프 상에 부분적으로 용접된, 도 3에 따른 변형률 센서의 정면도이다.
도 5a는 파이프 상에 완전하게 용접된 변형률 센서의 사시도이다.
도 5b는 상이하게 편향되어 파이프 상에 고정된 설부들의 확대도이다.
도 6은 상이한 길이의 설부들을 도시한 도면이다.
도 7은 상이한 폭의 설부들을 도시한 도면이다.
도 1에는, 만곡 표면들 상에 용접될 수 있는 용접형 변형률 센서(1)가 사시도로 도시되어 있다. FBG 변형률 센서(2)(은폐형)는 자신의 양측 단부 섹션에서 측정 신호의 전도를 위한 신호 라인들(3a, 3b)과 기계적으로 고정 결합되고, 신호 기술적으로 연결된다. FBG 변형률 센서(2)는 강판 소재의 센서 캐리어(4) 상에 접착된다. 강판은 본 실시예의 경우 0.1㎜의 두께 및 884N/㎟의 인장 강도를 갖는다.
FBG 변형률 센서(2)와 이에 연결된 신호 라인들(3a, 3b)은 고체 플라스틱으로 이루어진 보호 커버(5)로 완전히 덮인다. 본 실시예에서는 에폭시 수지가 이용되는데, 그 이유는 에폭시 수지가 특히 고체이고 내후성(aging resistant)을 갖기 때문이다. 보호 커버(5)는 센서 캐리어(4)와 고정 결합된다. FBG 센서(2)의 영역에서, 보호 커버(5)는 협폭으로 납작하게 형성되며, 그럼으로써 얇은 강판(4)처럼 매우 유연하다. 보호 커버(5)의 폭은 본 실시예의 경우 FBG 변형률 센서의 영역에서 2㎜이고, 두께는 0.5㎜이다. 그 결과, 만곡 표면 상에 센서 캐리어(4)를 용접할 때 상대적으로 경질인 보호 커버(5)가 파손되지 않는 점이 달성된다. 이와 마찬가지로, 센서 캐리어(4)는 상기 영역에서 자신의 단부 섹션들에서보다 더 협폭으로 형성된다. 본 실시예의 경우, 센서 캐리어의 단부 섹션들의 폭은 23㎜이며, 이들 사이의 섹션의 폭은 11㎜이다.
연결점들의 영역에서, 다시 말하면 신호 라인들(3a, 3b)이 FBG 센서(2)의 단부 섹션들과 기계적으로, 그리고 신호 기술적으로 결합되는 위치에서, 보호 커버(5)는 변형률 센서(2)의 영역에서보다 적어도 2배 더 넓고, 적어도 3배 더 높다. 본 실시예의 경우, 보호 커버(5)는 상기 영역들에서 10㎜의 폭, 18㎜의 길이 및 5㎜의 높이를 갖는다.
센서 캐리어(4)의 단부 섹션들의 자유 표면들은 슬릿들(6)을 포함하며, 그럼으로써 설부들(7)이 형성되고, 이 설부들의 단부들은 서로 대향하여 놓인다.
도 2a 내지 2c에는, 각각 변형률 센서의 상면도, 및 용접점들(8)을 설정할 때의 순서가 도시되어 있다. 도 2a 및 2b에서는, 용접점들(8)이 센서 중심에서부터 시작하여 바깥쪽을 향하여 설정되는 것을 볼 수 있다. 그에 이어서, 설부들(7)이 용접되며, 이도 마찬가지로 안쪽에서부터 바깥쪽으로 수행된다.
도 3에는, 도 2b의 도면에 따르고 파이프 상에 부분적으로 용접된 변형률 센서(2)가 사시도로 도시되어 있다. 설부들(7)은 아직 용접되어 있지 않다.
도 4에서 유추할 수 있는 것처럼, 단부 섹션들(3a, 3b)의 두꺼운, 그로 인해 매우 강성인 커버들은 파이프 곡률을 따르지 않는다.
도 5a에는, 완전하게 용접된 변형률 센서(1)가 도시되어 있다. 도 5b에는, 설부들(7)의 기능이 확대도로 도시되어 있다. 여기서 확인할 수 있는 것처럼, 설부들(7)은 파이프 표면 상에 고정된 후에 서로 상이하게 편향된다.
그에 따라, 상기 설부들은 단일 작업 단계에서 전체 변형률 센서의 고정을 가능하게 한다. 그 결과, 변형률 센서(1)의 두껍고 강성인 단부 섹션들을 고정하기 위해, 별도의 고정 기술은 불필요하다. 커버에 사용된 에폭시 수지류의 플라스틱은 다양한 기상 영향들에 대한 저항성이 매우 크기 때문에, 변형률 센서의 추가 커버가 생략될 수 있으며, 그럼으로써 마찬가지로 적용 단계들의 수가 감소한다.
도 6에는 상이한 길이의 설부들(7)이 도시되어 있으며, 여기서 가장 긴 설부들이 센서 단부들에 위치하는데, 그 이유는 이들 센서 단부에서 파이프 표면까지의 간격이 가장 크기 때문이다.
도 7에는, 상이한 폭의 설부들(7)이 도시되어 있으며, 가장 협폭인 설부들은 센서 단부들에 위치하는데, 그 이유는 이들 센서 단부에서 파이프 표면까지의 간격이 가장 크고, 협폭 설부를 통해 변형력이 작게 유지될 수 있기 때문이다.
센서 캐리어의 각각의 단부 섹션에서 상이한 길이 또는 상이한 폭을 갖는 설부들을 통해, 점용접에 필요한 밀착력이 거의 일정하게 유지될 수 있다.
1: 용접형 변형률 센서
2: FBG 변형률 센서
3a, 3b: 신호 라인
4: 센서 캐리어
5: 보호 커버
6: 슬릿
7: 설부
8: 용접점

Claims (8)

  1. 용접형 변형률 센서(1)로서,
    a. 측정 신호의 전도를 위한 신호 라인들(3a, 3b)과 신호 기술적으로 연결된 2개의 단부 섹션을 가진 변형률 센서(2);
    b. 변형률 센서(2)의 방향으로 연장되어 상기 변형률 센서와 고정 결합된 센서 캐리어(4); 및
    c. 변형률 센서(2) 및 신호 라인들(3a, 3b)의 단부 섹션들을 통합하여 에워싸고 센서 캐리어(4)와 고정 결합된 고체 플라스틱 소재의 보호 커버(5)로서, 변형률 센서(2)의 영역에서는 협폭으로 납작하게 형성되고, 변형률 센서(2)와 신호 라인들(3a, 3b)의 연결점들의 영역에서는 변형률 센서(2)의 영역에서보다 적어도 2배 더 넓고, 적어도 2배 더 높은 보호 커버(5);를 포함하며,
    d. 상기 센서 캐리어(4)의 단부 섹션들이 슬릿들(6)을 가짐으로써 설부들(7)이 형성되고, 이때 설부 단부들은 서로를 향하고 있는 것을 특징으로 하는, 용접형 변형률 센서.
  2. 제1항에 있어서, 설부들(7)이 사다리꼴 형태로 형성되는, 용접형 변형률 센서.
  3. 제1항에 있어서, 설부들(7)이 직사각형으로 형성되는, 용접형 변형률 센서.
  4. 제1항에 있어서, 설부들(7)이 반원형으로 형성되는, 용접형 변형률 센서.
  5. 제1항에 있어서, 센서 캐리어(4)의 양측 단부 섹션 각각에서 양측에, 쌍을 이루어 서로 대향하여 위치하는 2개 내지 5개의 설부(7)가 형성되는, 용접형 변형률 센서.
  6. 제5항에 있어서, 설부들(7)은 상이한 길이를 가지며, 설부 길이는 변형률 센서의 방향으로 갈수록 감소하는, 용접형 변형률 센서.
  7. 제5항에 있어서, 설부들(7)은 상이한 폭을 가지며, 설부 폭은 변형률 센서의 방향으로 갈수록 증가하는, 용접형 변형률 센서.
  8. 제1항에 있어서, 변형률 센서(2)는 브래그 격자를 갖는 유리 섬유 또는 플라스틱 섬유인, 용접형 변형률 센서.
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