KR20240018756A - Petrochemical reactor structure safety measurement device and measurement method using the same - Google Patents

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KR20240018756A
KR20240018756A KR1020220096462A KR20220096462A KR20240018756A KR 20240018756 A KR20240018756 A KR 20240018756A KR 1020220096462 A KR1020220096462 A KR 1020220096462A KR 20220096462 A KR20220096462 A KR 20220096462A KR 20240018756 A KR20240018756 A KR 20240018756A
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최현선
김덕희
이진혁
김헌영
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Abstract

대부분의 석유화학반응기는 설계 시 견딜 수 있는 풍속과 진동의 폭이 설정되어 있다. 시간이 지나면서 진동 폭이 변화되는데 이를 측정하기 위하여 석유화학반응기의 최상단에 센서를 설치하는 것은 위험할 뿐만 아니라 쉽지 않은 일이다. 이러한 문제를 해결하고자 본 출원 발명은 3축 가속도센서; 및 상기 3축 가속도센서는 석유화학 수직 반응기의 측면에 부착하고, 지구중심방향을 +Z축으로 하고, 수평면을 X축과 Y축으로 하는 좌표계를 설정하며, 상기 3축 가속도센서로부터 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 무선통신으로 데이터 수집 컴퓨터에 전송하며, 상기 데이터 수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 높이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 하기의 식에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여 수직구조물의 진동안전성을 꼭대기에 센서를 설치하지 않고도 측정할 수 있는 효과가 있다.
When designing most petrochemical reactors, the wind speed and vibration width that they can withstand are set. The amplitude of vibration changes over time, and installing a sensor at the top of a petrochemical reactor to measure this is not only dangerous but also difficult. In order to solve this problem, the invention of this application is a 3-axis acceleration sensor; And the 3-axis acceleration sensor is attached to the side of the petrochemical vertical reactor, sets a coordinate system with the Earth's center direction as +Z axis, and the horizontal plane as the X-axis and Y-axis, and the X measured from the 3-axis acceleration sensor Acceleration in the axial and Y-axis directions is transmitted to a data collection computer through wireless communication, and the data collection computer determines the height, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured X-axis. A petrochemical reactor structure safety measuring device is provided, characterized in that the vibration amplitude at the top of the petrochemical vertical reactor is calculated and output by substituting the acceleration in the Y-axis direction and the acceleration in the Y-axis direction into the equation below.
The configuration of the invention as described above has the effect of measuring the vibration safety of a vertical structure without installing a sensor at the top.

Description

석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치 및 그를 이용한 측정방법{.}Petrochemical reactor structure safety measurement device and measurement method using the same{.}

본 출원 발명은 구조물 안전성 측정 장치에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 구조물의 하부에서 구조물의 움직임을 측정하여 구조물의 상부의 움직임을 예측하는 기술에 관한 것이다.The present application relates to a structural safety measuring device. More specifically, it relates to a technology for predicting the movement of the upper part of a structure by measuring the movement of the structure at the lower part of the structure.

본 발명의 출원 이전의 선행기술로 구조물의 안전 관련 데이터를 측정하는 스마트 안전 관리 센서에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는 구조물에 설치되어 기 설정 주기마다 구조물의 상태를 감지하는 감지 모듈; 상기 감지 모듈과 연동되어, 상기 감지 모듈에서 수신하는 데이터를 기반으로 결과 값을 연산하는 제어 모듈; 및 상기 제어 모듈과 연동되어, 상기 제어 모듈에서 연산한 결과 값을 수신하여 관리자에게 정보를 제공하는 출력 모듈;을 포함하고, 상기 감지 모듈은, 구조물의 수직, 수평 변위 및 경사도를 측정하는 기울기 감지부, 구조물 및 구조물 주변이 진동을 측정하는 가속도 감지부, 구조물의 고도를 측정하는 고도 감지부, 구조물에 설치된 방향 및 위치를 보정하는 자이로 감지부를 포함하는 기술이 개시되어 있다.Technology related to a smart safety management sensor that measures safety-related data of a structure is disclosed as prior art prior to the application of the present invention. This technology includes a detection module installed in the structure to detect the state of the structure at preset intervals; a control module that is linked to the detection module and calculates a result value based on data received from the detection module; And an output module that is linked with the control module and receives the result value calculated by the control module and provides information to the manager. The detection module includes a tilt detection that measures the vertical and horizontal displacement and inclination of the structure. A technology is disclosed that includes an acceleration detection unit that measures the vibration of parts, structures, and the surroundings of the structure, an altitude detection unit that measures the altitude of the structure, and a gyro detection unit that corrects the direction and position installed in the structure.

또 다른 선행기술로 Mems 센서를 이용한 구조물의 안전 모니터링 시스템 및 안전 진단방법이 개시되어 있다. 이 기술은 가속도 센서, 자이로센서, 콤파스 센서 및 고도계 센서를 포함하는 감지기를 구조물에 적어도 하나 이상 설치하되, 구조물이 복수의 층으로 이루어진 경우, 각 층 마다 적어도 하나의 이상의 상기 감지기를 설치하는 단계; 및 상기 감지기의 각각의 센서에서 감지되어 기설정주기 마다 전송되는 아날로그 신호를 노이즈 제거 필터를 사용하여 노이즈를 제거한 뒤, ADC를 이용하여 각각의 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 상기 각각의 디지털 신호를 이용하여 온도변화에 대한 보상을 반영하여 구조물의 각변위를 도출하고, 가속도 신호를 진동속도 또는 진동변위로 변환하며, 디지털 신호로부터 감지기가 설치된 위치의 고도값을 획득하는 단계; 및 상기 각변위를 이전주기에 도출된 각변위과 비교하여 구조물의 기울어짐 여부를 판단하는 단계; 및As another prior art, a safety monitoring system and safety diagnosis method of a structure using Mems sensors are disclosed. This technology includes the steps of installing at least one sensor including an acceleration sensor, a gyro sensor, a compass sensor, and an altimeter sensor in a structure, and when the structure consists of multiple floors, installing at least one sensor on each floor; and removing noise from the analog signals detected by each sensor of the detector and transmitted at preset intervals using a noise removal filter, and then converting them into respective digital signals using an ADC. And using each of the digital signals to reflect compensation for temperature changes to derive the angular displacement of the structure, convert the acceleration signal into vibration speed or vibration displacement, and obtain the altitude value of the location where the sensor is installed from the digital signal. step; and comparing the angular displacement with the angular displacement derived in the previous cycle to determine whether the structure is tilted. and

상기 고도값을 구조물의 초기 고도값과 비교하여 기울기의 변화가 일어나지 않는 침하인 균등침하를 판단하는 단계를 포함하는 기술이다.This technology includes the step of comparing the altitude value with the initial altitude value of the structure to determine uniform settlement, which is a settlement in which no change in slope occurs.

한국공개특허공보 제10-2021-0114855호Korean Patent Publication No. 10-2021-0114855 한국등록특허공보 제10-1939727호Korean Patent Publication No. 10-1939727

본 출원 발명은 석유화학 반응기와 같이 수직하게 설치된 구조물의 안전성을 측정하는 방법에 관한 것이다. 대부분의 석유화학반응기는 설계 시 견딜 수 있는 풍속과 진동의 폭이 설정되어 있다. 시간이 지나면서 진동 폭이 변화되는데 이를 측정하기 위하여 석유화학반응기의 최상단에 센서를 설치하는 것은 위험할 뿐만 아니라 쉽지않은 일이다. 이러한 문제를 해결하고자 본 출원 발명에서는 수직형 구조물의 측면일측에 센서를 설치하여 최고 높이에서의 진동폭을 예측하는 장치를 제공하고자 한다.The present application relates to a method for measuring the safety of vertically installed structures such as petrochemical reactors. When designing most petrochemical reactors, the wind speed and vibration width that they can withstand are set. The amplitude of vibration changes over time, and installing a sensor at the top of a petrochemical reactor to measure this is not only dangerous but also difficult. In order to solve this problem, the present invention seeks to provide a device that predicts the vibration amplitude at the highest height by installing a sensor on one side of a vertical structure.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 다음의 과제해결수단을 제공한다.In order to solve the above problems, the following problem solving means are provided.

3축 가속도센서; 및3-axis acceleration sensor; and

상기 3축 가속도센서는 석유화학 수직 반응기의 측면에 부착하고, 지구중심방향을 +Z축으로 하고, 수평면을 X축과 Y축으로 하는 좌표계를 설정하며,The three-axis acceleration sensor is attached to the side of the petrochemical vertical reactor, and sets a coordinate system with the Earth's center direction as the +Z axis and the horizontal plane as the X and Y axes,

상기 3축 가속도센서로부터 측정된 X축 방향의 가속도(ax)와 Y축 방향의 가속도(ay)를 무선통신으로 데이터 수집 컴퓨터에 전송하며,The acceleration in the X-axis direction (ax) and the acceleration in the Y-axis direction (ay) measured from the 3-axis acceleration sensor are transmitted to the data collection computer through wireless communication,

상기 데이터 수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 높이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 하기의 식에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.The data collection computer substitutes the height, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured acceleration in the Provides a petrochemical reactor structure safety measurement device characterized by calculating and outputting the vibration amplitude at the top of.

식(10) Equation (10)

여기서, 는 측정위치 높이, 는 측정 높이에서의 변위이다. L은 구조물의 높이, Z는 높이변수, Si는 굽힘변수( Z 높이에서의 구조물의 진동변위, 0 < Z <= L), 0< <= L, 은 평면 좌표로, X축 변위, Y축 변위 이며, 각각의 따로 계한할 수도 있고, 한 번에 벡터연산으로 계사할 수도 있다.here, is the height of the measuring position, is the displacement at the measured height. L is the height of the structure, Z is the height variable, Si is the bending variable (vibration displacement of the structure at Z height, 0 < Z <= L), 0< <=L, is a plane coordinate, which is the

(X축 변위), (Y축 변위 )로 계산할 수 있으며, 적분에 의한 적분상수는 구조물이 진동을 할 것이므로 진동의 중심에서 변위가 0인 것을 알고 있으므로 이를 이용하여 진폭을 구할 수 있다. (X-axis displacement), It can be calculated as (Y-axis displacement), and since the structure will vibrate, the integral constant by integration knows that the displacement at the center of vibration is 0, so the amplitude can be obtained using this.

3축 가속도 센서의 설치높이를 상기 에 입력하고, 상기 3축 가속도 센서의 X축과 Y축의 가속도를 이용하여 Smx와 Smy를 계산하고, 변위를 추정하고 싶은 높이 Z(0<Z<= L)를 입력하면 높이 Z 에서의 구조물의 진동 변위의 추정값을 계산할 수 있다. 이때 Z=L을 대입하면, 구조물의 최상위 높이에서의 구조물의 진동 변위를 추정할 수 있다.Recall the installation height of the 3-axis acceleration sensor , calculate Smx and Smy using the acceleration of the An estimate of the vibration displacement can be calculated. At this time, by substituting Z=L, the vibration displacement of the structure at the highest height of the structure can be estimated.

또한, 상기 3축 가속도센서는 무선통신 기능을 구비한 제어부와 연결되어 측정데이터를 상기 데이터 수집 컴퓨터에 송신하며, 충전식 배터리를 구비하며 상기 충전시 배터리에는 풍력발전부를 더 구비하여 바람이 많이 부는 경우에 자동으로 동작하여 데이터를 전송할 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.In addition, the 3-axis acceleration sensor is connected to a control unit equipped with a wireless communication function and transmits measurement data to the data collection computer, and is equipped with a rechargeable battery. When charging, the battery is further equipped with a wind power generation unit to detect when there is a lot of wind. A petrochemical reactor structure safety measuring device is provided, which is equipped to automatically operate and transmit data.

또한, 상기 데이터 수집 컴퓨터의 표시부는 상기 석유화학 수직 반응기를 3차원 좌표축에 축소하여 도시하고, 계산된 진폭이 안전한 범위에 있으면, 초록색, 위험범위에 있으면 붉은색으로 표시하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.In addition, the display unit of the data collection computer displays the petrochemical vertical reactor in a reduced scale on a three-dimensional coordinate axis, and displays green if the calculated amplitude is in a safe range and red if it is in a dangerous range. Provides a reactor structure safety measurement device.

또한 상기 3축 가속도센서, 제어부 및 풍력발전부는 사각형의 박스 내부에 구비되며, 상기 사각형의 박스 측면에슨 구멍이 형성되어 바람이 들어옴으로써 상기 풍력발전부를 구동하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.In addition, the three-axis acceleration sensor, control unit, and wind power generation unit are provided inside a square box, and a hole is formed on a side of the square box to allow wind to enter, thereby driving the wind power generation unit. Safety of the petrochemical reactor structure. Provides measuring equipment.

또한, 상기 사각형의 박스부는 벽을 타고 오를 수 있도록 바퀴가 구비된 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치를 제공한다.In addition, the rectangular box part provides a safety measuring device for a petrochemical reactor structure, characterized in that it is provided with wheels so that it can climb up the wall.

상기와 같은 발명의 구성에 의하여 수직구조물의 진동안전성을 꼭대기에 센서를 설치하지 않고도 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 추가의 구동부를 이용하여 측정센서를 원하는 높이에 설치할 수 있는 효과도 있다.The configuration of the invention as described above has the effect of measuring the vibration safety of a vertical structure without installing a sensor at the top. In addition, there is an effect that the measurement sensor can be installed at a desired height by using an additional driving unit.

도 1은 본 발명의 가속도 센서를 이용하여 상단부의 진동을 측정하기 위한 기본 공식을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일예로써 석유화학 반응기 구조물의 높이와 센서의 설치 위치 및 데이터 수집 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3의 (A)는 석유화학 반응기 구조물의 분석을 위한 좌표계를 (B)는 가속도 센서값의 표시와 안전성 분석결과를 3차원 공간에 색으로써 표시하고 있는 화면이다.
도 4는 바람에 의하여 발생하는 석유화학 반응기 구조물의 프리바디 다이어그램이다.
도 5는 안전성 검사결과 건전한 것으로 판단된 석유화학 반응기 구조물의 가속도측정 결과이다((A) X축, (B) Y축, 가속도 벡터(XY평면))
도 6은 안전성 검사결과 결함이 있는 것으로 판단된 석유화학 반응기 구조물의 가속도측정 결과이다((A) X축, (B) Y축, 가속도 벡터(XY평면))
도 7은 석유화학 반응기 구조물의 안전성 검사를 위하여 2개의 가속도 센서를 다른 높이에 설치한 경우를 도시하고 있다.
Figure 1 shows the basic formula for measuring the vibration of the upper part using the acceleration sensor of the present invention.
Figure 2 shows the height of the petrochemical reactor structure, the installation location of the sensor, and the configuration of the data collection device as an example of the present invention.
Figure 3 (A) is a coordinate system for analysis of the petrochemical reactor structure, and (B) is a screen that displays acceleration sensor values and safety analysis results in color in three-dimensional space.
Figure 4 is a free body diagram of a petrochemical reactor structure generated by wind.
Figure 5 shows the acceleration measurement results of the petrochemical reactor structure judged to be sound as a result of the safety test ((A) X-axis, (B) Y-axis, acceleration vector (XY plane))
Figure 6 shows acceleration measurement results of a petrochemical reactor structure determined to be defective as a result of safety inspection ((A) X-axis, (B) Y-axis, acceleration vector (XY plane))
Figure 7 shows a case where two acceleration sensors are installed at different heights to inspect the safety of the petrochemical reactor structure.

본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다.The effects of the invention of this application are explained using the drawings as follows.

석유화학 플랜트에서의 반응기는 다양한 원료의 화학 반응을 위해 이용되는 구조물이다. 특히, 운송수단이나 난방에 필요한 연료를 생산하는 정유산업과 식음료 및 제약/바이오 등의 다양한 원료를 생산하는 분야의 핵심장치이다. 반응기는 일반적으로 조작방법에 따라 회분식(batch type)과 연속식(continuous type)으로 분류되며, 구조물의 형태에 따라 관형(tubular type) 및 탑형(column type)으로 나뉜다. 탑형 반응기의 경우 지상에서 수직으로 원기둥 형태로 시공되어 환경적으로 기초 부분이 높은 외력에 노출된다. 특히, 원재료의 동선을 최소화하기 위해 항구 근처에 화학 플랜트들이 건설되어있어 해풍의 영향이 크게 작용한다. 이로 인해 주기적인A reactor in a petrochemical plant is a structure used for chemical reactions of various raw materials. In particular, it is a key device in the oil refining industry, which produces fuel needed for transportation and heating, and in the field of producing various raw materials such as food and beverage, and pharmaceuticals/bio. Reactors are generally classified into batch type and continuous type depending on the operation method, and are divided into tubular type and column type depending on the shape of the structure. In the case of a tower-type reactor, it is constructed vertically on the ground in the form of a cylinder, so the foundation is environmentally exposed to high external forces. In particular, chemical plants are built near ports to minimize the movement of raw materials, so the influence of sea breezes is significant. Because of this, periodic

흔들림에 의한 기초 부분 손상은 주기적인 보강을 요구하며, 손상이 크게 발생하는 경우 설비 운용이 중단되어 시간 및 비용적인 피해가 발생한다[2]. 이에 대한 평가를Damage to the foundation due to shaking requires periodic reinforcement, and if the damage occurs significantly, facility operation is halted, resulting in time and cost damage [2]. Evaluation of this

위해 실시간으로 구조물의 변형을 감시하기 위한 기술이 요구되며, 정량적인 평가 지표가 요구된다. 구조물의 건전성을 평가하기 위해 적용되는 일반적인 기법으로는 변형률 센서(strain gage)와 온도 센서(thermocouple)와 같은 상용 센서 및 광섬유와 압전센서 등을 이용한 건전성 감시 기법들이 있다. 변형률 센서는 높은 응력이 발생 되는 기초 부분에 적용하고, 고온의 반응열에 노출되는 부분에는 온도 센서를 적용하여 열변형을 감시하고 있다. 위 센서들 기반의 모니터링 기법은 국부적인 재료 변형에 대한 것으로, 구조물의 전체적인 움직임을 직관적으로 평가하기 위해서는 구조체 거동에 대한 감시 기술이 필요하다.For this reason, technology is required to monitor the deformation of structures in real time, and quantitative evaluation indicators are required. Common techniques applied to evaluate the health of structures include commercial sensors such as strain gauges and thermocouples, and health monitoring techniques using optical fibers and piezoelectric sensors. Strain sensors are applied to the foundation where high stress occurs, and temperature sensors are applied to parts exposed to high temperature reaction heat to monitor thermal deformation. The monitoring technique based on the above sensors is for local material deformation, and monitoring technology for structural behavior is needed to intuitively evaluate the overall movement of the structure.

연속체 구조물의 경우 초장대 교량 및 초고층 빌딩과 같이 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖고 있어 강성이 높은 재료로 구성되어도 변형이 크게 발생할 수 있다. 특히, 화학 플랜트 구조물에서 사고가 발생하는 경우 화학 물질의 유출로 이어질 수 있어 피해 복구의 장기화 가능성이 높다. 이를 방지하기 위해 설계 시 구조물의 진동 특성을 반영하여 시공되며, 외부 환경적 요인에 의한 변형 모니터링이 요구된다. In the case of continuum structures, such as ultra-long bridges and high-rise buildings, they have a high aspect ratio, so even if they are made of materials with high rigidity, significant deformation can occur. In particular, if an accident occurs in a chemical plant structure, it may lead to a leak of chemical substances, so there is a high possibility that damage recovery will be prolonged. To prevent this, the vibration characteristics of the structure are reflected during design and construction is conducted, and deformation monitoring due to external environmental factors is required.

본 출원 발명에서는 순간적인 움직임을 측정하기 위해 가속도 센서를 이용 하여, 진동에 취약한 연속체 구조물의 모니터링을 위한 기술을 개발하였다.In the present invention, a technology for monitoring continuum structures vulnerable to vibration was developed by using an acceleration sensor to measure instantaneous movement.

일반적으로 진동은 시간에 대한 식 (1)과 같이 표현되며, 시간에 대한 미분을 통해 가속도는 식 (2)와 같다.In general, vibration is expressed as equation (1) with respect to time, and acceleration is expressed as equation (2) through differentiation with respect to time.

仰 ......식(1) 仰 ......Equation (1)

......식(2) ......Equation (2)

여기서, 는 각진동수(angular frequency), 는 위상차, t는 시간, Z는 변위, A는 최대 변위이다. 이를 이용하여 가속도 신호를 분석하여 변위값으로 변환하기 위한정보를 취득한다. 여기서 굽힘각도가 매우작은 경우 도1과 같이 선형처짐으로 가정할 수 있다. 이 경우 식(3)과 같이 표시할 수 있다.here, is the angular frequency, is the phase difference, t is the time, Z is the displacement, and A is the maximum displacement. Using this, the acceleration signal is analyzed to obtain information to convert it into a displacement value. Here, if the bending angle is very small, it can be assumed to be a linear deflection as shown in Figure 1. In this case, it can be expressed as equation (3).

......식(3) ......Equation (3)

E는 탄성계수, I는 관성모멘트, M는 모멘트, P는 하중, L은 구조물 높이, Si는 굽힘 변수, Z는 높이 변수이다.E is the elastic modulus, I is the moment of inertia, M is the moment, P is the load, L is the structure height, Si is the bending variable, and Z is the height variable.

그리고, 구조물 전체적으로 변형 후의 상태를 동일한 굽힘 각도와 높이로 가정하고 최상부의 변위를 로 설정하는 경우 높이 변수를 굽힘 변수로 치환할 수 있다. 이를 이용하여 정리하면 식 (4)와 같다.In addition, assuming the state after deformation of the entire structure at the same bending angle and height, the displacement of the uppermost part is If set to the height variable can be replaced with a bending variable. This can be summarized as equation (4).

......식(4) ......Equation (4)

또한, 로 가정하면 식 (5)와 같이 되고, 일반해(general solution)로 표현하면 식 (6)과 같이 된다.also, If assumed, it becomes equation (5), and if expressed as a general solution, it becomes equation (6).

......식(5) ......Equation (5)

(식6) (Equation 6)

구조물을 강체로 가정하여 기초 부분이 고정 지지인 경우 변형If the structure is assumed to be a rigid body and the foundation is a fixed support, deformation

과 기울기 변화가 없기 and no change in slope

때문에 식 (7)과 같다. 그리고, 최상부에서의 변형 Therefore, it is the same as equation (7). And the transformation at the top

을 고려하면 식 (8)과 같이 표현된다. Considering, it is expressed as equation (8).

식(7) Equation (7)

식(8) Equation (8)

위 식들을 정리하면 식 (9)와 같은 형태로 표현되며, 구조물의 기계적 물성값 없이 높이를 알고있는 위치에서의 진동변위를 알면 모든 구조물의 최상부 변위를 추정할 수 있다.If the above equations are summarized, they are expressed in the form of equation (9). If the vibration displacement at a location with a known height is known without the mechanical properties of the structure, the top displacement of all structures can be estimated.

식(9) Equation (9)

최종적으로, 구조물의 최상부 변위를 모니터링하기 위해서는 최상부에 센서를 적용하는 방법이 이상적이다. 하지만, 실제 적용 환경에 따라 구조물의 중간 높이에서측정하는 상황을 고려하여 임의의 높이에서 최상부 변형을 측정할 수 있는 식 (10)을 적용하였다.Finally, in order to monitor the displacement of the top of the structure, it is ideal to apply a sensor at the top. However, considering the situation of measuring at the mid-height of the structure according to the actual application environment, equation (10) was applied to measure the top deformation at an arbitrary height.

식(10) Equation (10)

여기서, 는 측정위치 높이, 는 측정 높이에서의 변위이다. L은 구조물의 높이, Z는 높이변수, Si는 굽힘변수(Z 높이에서의 진동변위, 0< Z <= L), 본 발명에서는 상기한 바와 같이 연속체 구조물의 변형을 모니터링하고 최상부의 변위를 추정하였다.here, is the height of the measuring position, is the displacement at the measured height. L is the height of the structure, Z is the height variable, Si is the bending variable (vibration displacement at Z height, 0< Z <= L). In the present invention, as described above, the deformation of the continuum structure is monitored and the topmost displacement is estimated. did.

진동을 측정하기 위해 도2와 같이 가속도 센서(352C33, PCB Piezotronics Inc.)를 구조물에 적용하여 DAQ(NI 9230, National Instrument Co.)를 이용하여 10 Hz의 샘플링 속도로 가속도 신호를 측정하였다. 그리고, 가속도 신호를 시간에 대해 적분을 하여 변위를 도출하였다. To measure vibration, an acceleration sensor (352C33, PCB Piezotronics Inc.) was applied to the structure as shown in Figure 2, and the acceleration signal was measured at a sampling rate of 10 Hz using DAQ (NI 9230, National Instrument Co.). Then, the displacement was derived by integrating the acceleration signal with respect to time.

가속도 센서 2개를 적용하여 도 3의 (A)와 같이 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate)에 맵핑하여 2차원(x, y)으로 구조물의 형상을 추정하였다.Two acceleration sensors were applied and mapped to the Cartesian coordinate system as shown in Figure 3 (A) to estimate the shape of the structure in two dimensions (x, y).

신호처리는 LabVIEW를 이용하여 도3의 (B)와 같이 변위 추정 알고리즘이 적용된 실시간 모니터링 프로그램을 개발하여 실험에 적용하였다. 실시간 변형 모니터링의 대상 구조물은 DMT(Demethyl Terephthalate) 반응기로 높이 34 m의 탑형 구조물이다. 구조물에서 가속도계를 적용한 높이는 검사자 접근이 가능한 21 m의 높이에 적용하였으며, 총 60분 동안 데이터를 취득하였다. 그리고, 도 4와 같이 바람에 의한 변형을 추정하기 위한 시험을 건전한 반응기와 기초 부분이 손상된 반응기 총 2개의 구조물에 적용하여 적용성을 평가하였다. 실험 수행 일자는 폭우가 예보된 2021년 5월 28일 오후 3시경부터 시작하였으며, 약 20분 후 폭우와 함께 강풍이 발생하였다. 두 반응기에 대해 가속도 신호를 측정하였으며, 변형 모니터링을 수행하였다.For signal processing, a real-time monitoring program with a displacement estimation algorithm was developed using LabVIEW, as shown in Figure 3 (B), and applied to the experiment. The target structure for real-time deformation monitoring is the DMT (Demethyl Terephthalate) reactor, a tower-type structure with a height of 34 m. The height at which the accelerometer was applied to the structure was 21 m, which is accessible to the inspector, and data was acquired for a total of 60 minutes. In addition, as shown in Figure 4, a test to estimate deformation due to wind was applied to a total of two structures, a healthy reactor and a reactor with a damaged foundation, to evaluate applicability. The experiment date began around 3:00 PM on May 28, 2021, when heavy rain was forecast, and strong winds occurred along with heavy rain about 20 minutes later. Acceleration signals were measured for both reactors, and strain monitoring was performed.

해안에서 불어오는 바람의 방향(XY평면 방향)으로 가속도 신호가 크게 측정되고, 수직 방향(Z축 방향)으로는 상대적으로 신호의 크기가 낮게 나타났다.The acceleration signal was measured to be large in the direction of the wind blowing from the coast (XY plane direction), and the signal size was relatively low in the vertical direction (Z-axis direction).

구체적으로, 상기한 바와 같이 강한 바람속에서도 도5에 도시된 건전한 석유화학반응기의 경우 낮은 진동을 보였으며, 가속도 측정결과도 0.5 m/s2 이하의 낮은 가속도 신호를 보였으며, 기초 부분이 손상된 석유확학 반응기는 도6의 그래프에서 확인할 수 있는 것과 같이 진동도 크고 심하였으며, 측정된 가속도도 4 m/s2로 상대적으로 큰 가속도 신호 측정값을 보였다.Specifically, as described above, even in strong winds, the sound petrochemical reactor shown in Figure 5 showed low vibration, and the acceleration measurement results showed a low acceleration signal of less than 0.5 m/s2, and the petroleum reactor with a damaged foundation part showed low vibration. As can be seen in the graph of Figure 6, the reactor had large and severe vibrations, and the measured acceleration also showed a relatively large acceleration signal of 4 m/s2.

해안에 위치한 반응기의 주위 환경에 의해 바람에 의한 영향이 크게 작용하였다. 그리고, 측정 당일 날씨의 경우 폭우가 예보되었으며, 폭우가 시작되는 시점에 약 한 시간 동안 데이터를 취득하여 진동이 큰 신호를 측정할 수 있었다. 가속도 센서 신호를 이용한 반응기 최상부의 움직임을 예측한 결과 두 반응기 간의 큰 차이를 보였다. 손상이 없는 건전한 반응기의 최상부 움직임은 도5의 (C)와 같이 15 mm 이하로 움직이는 것을 확인하였고, 기초 부분이 손상된 반응기는 도6의 (C)와 같이 순간적으로 최대 150mm의 변위를 보였다. 이는 종횡비가 큰 연속체 구조물의 기초 부분이 손상되어 최상부의 움직임이 상대적으로 크게 나타난 것으로 판단된다.The wind was greatly influenced by the surrounding environment of the reactor located on the coast. Additionally, heavy rain was forecast for the weather on the day of measurement, and by acquiring data for about an hour when the heavy rain began, we were able to measure signals with large vibrations. As a result of predicting the movement of the top of the reactor using the acceleration sensor signal, there was a significant difference between the two reactors. The movement of the top of the healthy reactor without damage was confirmed to be less than 15 mm, as shown in Figure 5 (C), and the reactor with a damaged base showed an instantaneous displacement of up to 150 mm, as shown in Figure 6 (C). This is believed to be due to damage to the base of the continuum structure with a large aspect ratio, resulting in relatively large movement at the top.

본 출원 발명에서는 종횡비가 큰 기둥형 연속체 구조물의 최상부 움직임을 가속도 신호를 측정하여 모니터링하기 위한 기술을 개발하였다.In the present invention, a technology for monitoring the movement of the top of a columnar continuum structure with a large aspect ratio by measuring acceleration signals was developed.

도7은 석유화학 반응기 구조물의 안전성 건사를 위하여 2개의 가속도 센서를 다른 높이에 설피한 경우를 도시하고 있다. 본 출원 발명은 식10을 이용하여 가속도센서를 이용하여 변의를 측정하고, 그 데이터로부터 사용자가 원하는 높이에서는 변위를 계산할 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 2조의 센서 또는 하나의 센서를 이용하여 동일한 종횡비가 큰 기둥현 연속체 구조물의 측면에 높이를 달리하여여 측정함으로써 종횡비가 큰 기둥형 연속체 구조물의 부분 부분의 안전성을 나누어 측정할 수 있는 측정방법을 제공한다.Figure 7 shows a case where two acceleration sensors are installed at different heights to ensure the safety of the petrochemical reactor structure. In the invention of this application, the displacement can be measured using an acceleration sensor using Equation 10, and the displacement can be calculated at the height desired by the user from the data. Using these characteristics, the safety of each part of a columnar continuum structure with a large aspect ratio can be measured separately by measuring the heights on the sides of a columnar continuum structure with the same large aspect ratio using two sets of sensors or one sensor. Provides measurement methods.

제1 높이에 3축 가속도센서를 설치하여, 상기3축 가속도센서로부터 측정된 X축 Y축 방향의 가속도를 무선통신으로 데이서 수집 컴퓨터에 전송하며,A 3-axis acceleration sensor is installed at the first height, and the acceleration in the X-axis and Y-axis directions measured from the 3-axis acceleration sensor is transmitted to the data collection computer through wireless communication,

상기 데이터 수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 놓이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축 Y축 방향의 가속도를 하기의 식에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하는 제1높이에서의 꼭대기 진동폭 계산 단계;및The data collection computer substitutes the placement, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured acceleration in the X-axis and Y-axis directions into the equation below to determine the petrochemical vertical reactor. Calculating the amplitude of vibration at the top at a first height of calculating the amplitude of vibration at the peak of; And

상기 제1 높이와 다른 제2 높이에 3축 가속도센서를 설치하여, 상기3축 가속도센서로부터 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 무선통신으로 데이터 수집 컴퓨터에 전송하며,A 3-axis acceleration sensor is installed at a second height that is different from the first height, and the acceleration in the X- and Y-axis directions measured from the 3-axis acceleration sensor is transmitted to a data collection computer through wireless communication,

상기 데이터수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 높이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축 Y축 방향의 가속도를 하기의 식에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하는 제2높이에서의 꼭대기 진동폭 계싼 단계;및The data collection computer substitutes the height, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured acceleration in the X-axis and Y-axis directions into the equation below to calculate the A step of calculating the amplitude of vibration at the top at a second height; and

상기 제1 높이와 제2 높이의 진도폭이 다른 경우 구조물의 상기 제1 높이와 제2 높이 사이에 구조물의 안전에 문제가 있는것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물의 부분 안전성 측정방법을 제공한다.A partial safety measurement method of a petrochemical reactor structure, characterized in that it is determined that there is a problem with the safety of the structure between the first height and the second height of the structure when the amplitude of the magnitude of the first height and the second height is different. to provide.

상기와 같은 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.The composition of the invention to achieve the above-mentioned effects is as follows.

3축 가속도센서; 및3-axis acceleration sensor; and

상기 3축 가속도센서는 석유화학 수직 반응기의 측면에 부착하고, 지구중심방향을 +Z축으로 하고, 수평면을 X축과 Y축으로 하는 좌표계를 설정하며,The three-axis acceleration sensor is attached to the side of the petrochemical vertical reactor, and sets a coordinate system with the Earth's center direction as the +Z axis and the horizontal plane as the X and Y axes,

상기 3축 가속도센서로부터 측정된 X축 방향의 가속도(ax)와 Y축 방향의 가속도(ay)를 무선통신으로 데이터 수집 컴퓨터에 전송하며,The acceleration in the X-axis direction (ax) and the acceleration in the Y-axis direction (ay) measured from the 3-axis acceleration sensor are transmitted to the data collection computer through wireless communication,

상기 데이터 수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 높이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 하기의 식에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안정성 측정장치를 제공한다.The data collection computer substitutes the height, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured acceleration in the A petrochemical reactor structure stability measurement device is provided, characterized in that it calculates and outputs the vibration amplitude at the top of.

식(10) Equation (10)

여기서, 는 측정위치 높이, 측정 높이에서의 변위이다. L은 구조물의 높이, Z는 높이변수, Si는 굽힘변수( 0 < Z <= L 조건에서 Z 높이에서의 구조물의 변위 ), 0< <= L, 은 평면 좌표로, X축 변위, Y축 변위 이며, 각각의 따로 계한할 수도 있고, 한 번에 벡터연산으로 계사할 수도 있다. (X축 변위),(Y축 변위 )로 계산할 수 있으며, 적분에 의한 적분상수는 구조물이 진동을 할 것이므로 진동의 중심에서 변위가 0인 것을 알고 있으므로 이를 이용하여 진폭을 구할 수 있다.here, is the height of the measuring position, It is the displacement at the measured height. L is the height of the structure, Z is the height variable, Si is the bending variable (displacement of the structure at Z height under the condition 0 < Z <= L), 0< <=L, is a plane coordinate, which is the (X-axis displacement), It can be calculated as (Y-axis displacement), and since the structure will vibrate, the integral constant by integration knows that the displacement at the center of vibration is 0, so the amplitude can be obtained using this.

3축 가속도 센서의 설치높이를 상기 에 입력하고, 상기 3축 가속도 센서의 X축과 Y축의 가속도를 이용하여 Smx와 Smy를 계산하고, 변위를 추정하고 싶은 높이 Z(0<Z<= L)를 입력하면 높이 Z 에서의 구조물의 진동 변위의 추정값을 계산할 수 있다. 이때 Z=L을 대입하면, 구조물의 최상위 높이에서의 구조물의 진동 변위를 추정할 수 있다.Recall the installation height of the 3-axis acceleration sensor , calculate Smx and Smy using the acceleration of the An estimate of the vibration displacement can be calculated. At this time, by substituting Z=L, the vibration displacement of the structure at the highest height of the structure can be estimated.

또한, 상기 3축 가속도센서는 무선통신 기능을 구비한 제어부와 연결되어 측정데이터를 상기 데이터 수집 컴퓨터에 송신하며, 충전식 배터리를 구비하며 상기 충전시 배터리에는 풍력발전부를 더 구비하여 바람이 많이 부는 경우에 자동으로 동작하여 데이터를 전송할 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안정성 측정장치를 제공한다.In addition, the 3-axis acceleration sensor is connected to a control unit equipped with a wireless communication function and transmits measurement data to the data collection computer, and is equipped with a rechargeable battery. When charging, the battery is further equipped with a wind power generation unit to detect when there is a lot of wind. A petrochemical reactor structure stability measurement device is provided, which is equipped to automatically operate and transmit data.

또한, 상기 데이터 수집 컴퓨터의 표시부는 상기 석유화학 수직 반응기를 3차원 좌표축에 축소하여 도시하고, 계산된 진폭이 안전한 범위에 있으면, 초록색, 위험범위에 있으면 붉은색으로 표시하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안정성 측정장치를 제공한다.In addition, the display unit of the data collection computer displays the petrochemical vertical reactor in a reduced scale on a three-dimensional coordinate axis, and displays green if the calculated amplitude is in a safe range and red if it is in a dangerous range. A reactor structure stability measurement device is provided.

또한 상기 3축 가속도센서, 제어부 및 풍력발전부는 사각형의 박스 내부에 구비되며, 상기 사각형의 박스 측면에슨 구멍이 형성되어 바람이 들어옴으로써 상기 풍력발전부를 구동하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안정성 측정장치를 제공한다.In addition, the three-axis acceleration sensor, control unit, and wind power generation unit are provided inside a square box, and a hole is formed on a side of the square box to allow wind to enter, thereby driving the wind power generation unit. Stability of the petrochemical reactor structure. Provides measuring equipment.

또한, 상기 사각형의 박스부는 벽을 타고 오를 수 있도록 바퀴가 구비된 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안정성 측정장치를 제공한다.In addition, a device for measuring the stability of a petrochemical reactor structure is provided, wherein the rectangular box part is provided with wheels so that it can climb up the wall.

Claims (4)

3축 가속도센서; 및
상기 3축 가속도센서는 석유화학 수직 반응기의 측면에 부착하고, 지구중심방향을 +Z축으로 하고, 수평면을 X축과 Y축으로 하는 좌표계를 설정하며,
상기 3축 가속도센서로부터 측정된 X축 방향의 가속도(ax)와 Y축 방향의 가속도(ay)를 무선통신으로 데이터 수집 컴퓨터에 전송하며,
상기 데이터 수집 컴퓨터는 상기 석유화학 수직 반응기의 높이, 하부지름 및 상부지름 상기 3축 가속도센서의 설치 위치 및 상기 측정된 X축과 Y축 방향의 가속도를 하기의 식(10)에 대입하여 상기 석유화학 수직 반응기의 꼭대기에서의 진동폭을 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치.
식(10)
여기서, 는 측정위치 높이, 는 측정 높이에서의 변위이다. L은 구조물의 높이, Z는 높이변수, Si는 굽힘변수( 0 < Z <= L 조건에서, Z 높이에서의 구조물의 변위 ), 0< <= L, 은 평면 좌표로, X축 변위, Y축 변위 이며, 각각의 따로 계한할 수도 있고, 한 번에 벡터연산으로 계사할 수도 있다.
(X축 변위),(Y축 변위 )로 계산할 수 있으며, 적분에 의한 적분상수는 구조물이 진동을 할 것이므로 진동의 중심에서 변위가 0인 것을 알고 있으므로 이를 이용하여 진폭을 구할 수 있다.
3축 가속도 센서의 설치높이를 상기 에 입력하고, 상기 3축 가속도 센서의 X축과 Y축의 가속도를 이용하여 Smx와 Smy를 계산하고, 변위를 추정하고 싶은 높이 Z(0<Z<= L)를 입력하면 높이 Z 에서의 구조물의 진동 변위의 추정값을 계산할 수 있다. 이때 Z=L을 대입하면, 구조물의 최상위 높이에서의 구조물의 진동 변위를 추정할 수 있다.
3-axis acceleration sensor; and
The three-axis acceleration sensor is attached to the side of the petrochemical vertical reactor, and sets a coordinate system with the Earth's center direction as the +Z axis and the horizontal plane as the X and Y axes,
The acceleration in the X-axis direction (ax) and the acceleration in the Y-axis direction (ay) measured from the 3-axis acceleration sensor are transmitted to the data collection computer through wireless communication,
The data collection computer substitutes the height, lower diameter, and upper diameter of the petrochemical vertical reactor, the installation location of the 3-axis acceleration sensor, and the measured acceleration in the X- and Y-axis directions into the equation (10) below, A petrochemical reactor structure safety measurement device characterized by calculating and outputting the vibration amplitude at the top of the chemical vertical reactor.
Equation (10)
here, is the height of the measuring position, is the displacement at the measured height. L is the height of the structure, Z is the height variable, Si is the bending variable (under the condition 0 < Z <= L, the displacement of the structure at Z height), 0< <=L, is a plane coordinate, which is the
(X-axis displacement), It can be calculated as (Y-axis displacement), and since the structure will vibrate, the integral constant by integration knows that the displacement at the center of vibration is 0, so the amplitude can be obtained using this.
Recall the installation height of the 3-axis acceleration sensor , calculate Smx and Smy using the acceleration of the An estimate of the vibration displacement can be calculated. At this time, by substituting Z=L, the vibration displacement of the structure at the highest height of the structure can be estimated.
제1항에 있어서,
상기 3축 가속도센서는 무선통신 기능을 구비한 제어부와 연결되어 측정데이터를 상기 데이터 수집 컴퓨터에 송신하며, 충전식 배터리를 구비하며 상기 충전시 배터리에는 풍력발전부를 더 구비하여 바람이 많이 부는 경우에 자동으로 동작하여 데이터를 전송할 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치.
According to paragraph 1,
The three-axis acceleration sensor is connected to a control unit equipped with a wireless communication function and transmits measurement data to the data collection computer, and is equipped with a rechargeable battery. When charging, the battery further includes a wind power generation unit to automatically operate when there is a lot of wind. A petrochemical reactor structure safety measuring device, characterized in that it is equipped to operate and transmit data.
제2항에 있어서,
상기 데이터 수집 컴퓨터의 표시부는 상기 석유화학 수직 반응기를 3차원 좌표축에 축소하여 도시하고, 계산된 진폭이 안전한 범위에 있으면, 초록색, 위험범위에 있으면 붉은색으로 표시하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치.
According to paragraph 2,
The display unit of the data collection computer displays the petrochemical vertical reactor in a reduced scale on a three-dimensional coordinate axis, and displays green if the calculated amplitude is in a safe range and red if it is in a dangerous range. Safety measuring device.
제3항에 있어서,
상기 3축 가속도센서, 제어부 및 풍력발전부는 사각형의 박스 내부에 구비되며, 상기 사각형의 박스 측면에슨 구멍이 형성되어 바람이 들어옴으로써 상기 풍력발전부를 구동하는 것을 특징으로 하는 석유화학 반응기 구조물 안전성 측정장치.

According to paragraph 3,
The three-axis acceleration sensor, control unit, and wind power generation unit are provided inside a square box, and a hole is formed on a side of the square box to allow wind to enter, thereby driving the wind power generation unit. Safety measurement of the petrochemical reactor structure. Device.

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