블로그

  • 블로그

[칼럼] 레일변위계가 3m 간격이라고? (2부)

(주)다스 2019-04-02 14:00:30 조회수:180 115.93.210.37

 

[칼럼] 레일변위계가 3m 간격이라고? (2부)

㈜다스 총괄사업본부장 박 현
[칼럼 1부 바로가기]

 국내의 토목 계측 센서 제조사에서도 MEMS 가속도 센서나 경사 센서를 이용한 Array 형태의 센서를 제조하고 있습니다.

 하지만 Array 형태 센서의 가장 큰 단점인 누적에러에 대해 해결하지 못한 채, 지점 변위라는 명목으로 실변위를 측정하지 않고 있어 안전관리가 우려되는 상황입니다.



◀ 사진 | Measurand의 SAA

1m의 센서 (세그먼트) 간격과 3m 간격

 1부에서 살펴보았듯 1차 안전관리기준이 ±7㎜라면 계측 센서의 분해능은 최소 10배 이하인 0.7㎜ 이하여야 할 것이고, 온도에 따른 변위량도 최소 절반 이하인 ±3㎜이하여야 할 것입니다.

 Array 형태 센서의 경우 변위는 L x sin(deg) 의 수식으로 계산합니다. 여기서 L 은 센서의 간격(세그먼트 간격)을 나타내며, deg는 각 센서의 변위 각도를 나타냅니다.
 예를 들어 1m 간격(L)의 센서에서 0.1도(deg)의 변위 각도가 나타난 경우,
1000 x sin(0.1) = ±1.7㎜가 됩니다.

 그렇다면 0.1도는 어느 정도의 각도일까요? 

 1m 길이의 막대가 수평에서 0.1도 정도 기울어져 있다고 가정해보겠습니다. 필자의 경험 상 육안으로 0.5도 이내의 각도를 맞춰내는 것은 불가능에 가깝습니다. 바이얼의 경우에도 정확히 수평에 맞춰보아도 0.5도 정도의 오차는 여전히 존재합니다.

 3m 간격의 레일변위계를 살펴보겠습니다.
 0.1도의 변위 각도가 나타났을 때, 3000 x sin(0.1) = ±5.1㎜가 됩니다.

 MEMS의 특성 혹은 한계 상 온도 보상을 아무리 잘 해도 0.2도 이내로 보상하는 것은 쉽지 않은 것이 사실인데, 실제로 변위가 발생하지 않아도 온도에 의한 편차만으로 1m 간격의 센서는 ±3.49㎜, 3m 간격의 센서는 ±10.47㎜의 편차가 발생합니다.
 3m 간격의 센서는 온도 편차만으로도 이미 1차 안전관리기준인 ±7㎜를 초과하였습니다.

외산 센서(변위 계측 센서)를 살펴보면

 해외 굴지의 변위 계측 센서들 중, 소위 가장 잘 나가는 센서 제품은 단연 Measurand의 SAA 일 것으로 여겨집니다. Measurand 보다 더 역사가 오래된 해외 제조사로는 DGSI, Roctest 등이 있습니다.
 Measurand 역시 1m를 초과하는 간격의 센서는 제작하지 않고 있습니다.

 과거 우연한 기회로 Measurand의 SAA 내부를 살펴볼 기회가 있었는데, 여기에서 간략히 소개해보도록 하겠습니다.
▲ SAA 내부 구조 및 MEMS 센서
 SAA에 사용된 MEMS는 ADXL311 가속도 센서로 Analog Devices 제품입니다.
▲ ADXL311 센서 사양표, ADXL311 Datasheet에서 발췌
 데이터시트에서 ADXL311의 사양을 살펴보면,

 측정 범위는 ±2g, 측정 축은 X,Y의 2축입니다. 측정 감도는 174mV/g로, 이를 16bit로 환산하면 0.0000877g의 분해능과 0도 부근에서 약 0.005도의 각도 분해능을 갖습니다.

 온도 특성을 보면 옵셋은 ±1.0mg/℃로, 연중 온도차를 최대 50℃로 봤을 때 ±50mg, 각도로 환산하면 2.866도가 됩니다. 앞서 살펴본 바와 같이 0.2도의 변위 각도에서도 1m 간격은 3㎜ 이상, 3m 간격은 10㎜ 이상 변위가 나타나는데 연중 최대 2.8도 이상 온도에 의해 편차가 발생할 수 있는 것입니다.

 그럼 이 센서는 사용이 불가능한 것 아닐까요? 그렇지는 않습니다. 여러 기술적인 기법들을 응용하여 온도 편차를 줄이고 적절하게 사용되고 있습니다.
 단, 역시 1m 이상 간격의 계측 센서는 제작하지 않습니다.

 3부에 이어서 기타 외산 센서 제품들도 살펴보도록 하겠습니다.
(3부에 계속)

Copyright ⓒ 2018 (주)다스. All rights Reserved