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자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트 - 후편

(주)다스 2020-02-02 11:10:08 조회수:1545 124.51.177.175

자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트 - 후편

 
㈜다스

신제품 자동지중경사계(IPI : In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트

1. 테스트 벤치 구축

  새로 개발된 IPI의 신뢰성 테스트를 위해 진동테스트, 서지테스트, EMS 등의 단기간 온도테스트를 마치고 최종적인 설치 후 장기간 Aging테스트를 시행하였다. 이를 위해 (주)다스 본사에 50m 천공홀 2개소 중 내경 50mm의 케이싱이 설치되어 있는 홀에 설치하였다.

 1.1 테스트 홀 천공 및 케이싱 설치

▲ 그림1. 50m 깊이의 천공 홀 2개소 ( 케이싱 내경 50파이와 60파이)

  위에 사진에서 보듯이 일반 공장 건물 바로 앞에 2개소의 홀을 천공하였고, 내경이 다른(50파이, 60파이) 케이싱이 각각 설치되어 있다. 지반은 서해안 부근으로 연약지반에 가까우며 약 25~30m 지점에 암반이 형성되어 있는 장소이다.( 정확한 지반조건 조사는 이루어지지 않았으며, 지반 시료는 보관중이지 않다.)

▲ 그림2. 수동형경사계로 측정한 데이터

  자사 수동형 경사계(SI-200)을 이용하여 2017년11월 1일에 초기치를 잡고 28일간 측정한 데이터이다. 위 그래프에서 A축의 경우 밝은 선들이 초기에 측정된 데이터이고 어두운 선들이 최근에 측정된 데이터이다. 초기 데이터 들은 변위값이 크게 나타나지만 일정 시간이 지난 후 부터는 안정적으로 비슷한 값으로 겹쳐서 측정되는 것을 볼 수 있다. 이는 B축도 같은 양상이다. 이는 초기 설치 후 그라우팅의 양생 과정에서의 변위 변화이고 안정 후에는 변위가 발생되고 있지 않았다. 11월15일 포항지진이 발생된 후에는 위 그래프에서 '지반 거동'이라고 표기된 부분으로 변위가 발생되었고 이후 변화는 없었다.

▲ 그림3. 그라우팅 양생시간을 제외한 그래프

  그라우팅 양생기간동안 측정된 데이터를 제외하여 다시 그린 그래프가 그림10의 그래프이다. 위의 그래프를 보듯 안정되게 측정되다가 지진 후 뚜렷한 변위가 발생되었고, 이 후 안정되게 측정된 것을 볼 수 있다. 이는 수동형 경사계를 이용한 측정이였고, 이제 부터는 자동지중경사계를 설치하여 측정데이터를 확인하고자 한다.

2. 자동지중경사계 설치 및 측정 데이터

 2.1 설치 정보

  * 자동지중경사계 설치 간격 : 1M 간격

  * 센서 설치 개수 : 8개 (하부 3개는 mV 출력타입, 상부 5개는 CAN 통신 출력 타입)

  * 깊이 : 8M * 초기치설정 : 2019년 5월 24일 설치

  * 전체 측정데이터 : 2019.05.24 ~ 2020. 01. 09일 약 8개월

  * 측정 장비 : DPRO3, DCL-CAN

 측정기간이 5월부터 다음해 1월까지로 1년을 채우지는 못했지만 가장 더운 여름과 가장 추운 겨울이 포함되어 있어서 장기간 신뢰성 테스트에는 부족함이 없을 것으로 사료된다. 물론 현재(2010.01.30)도 측정되고 있다.

 2.2 측정 데이터

▲ 그림4. 자동지중경사계(IPI)의 개별 각도값(degrees) 변화. 위 차트는 X축, 아래 차트는 Y축 데이터.

  위 차트는 2019년 5월29일부터 측정된 데이터로 각 IPI센서의 X,Y 각도값 변화량이다. 처음 시작값을 0으로 초기화 하였다. 적색 실선으로 표시한 Event1,2,3은 어떤 사건이 일어나 측정값이 변화한 시점을 표기한 것이다. Event1,2는 처음 1달 정도 측정한 후 변화량이 매우 적어 센서의 동작 유무를 확인해 보기 위해 센서를 살짝 뽑아서 인위적으로 약 10mm 정도 변위를 일으켰다. 센서가 잘 반응하는 것을 확인하고 1달정도 유지한 후 다시 재 설치하였다. 재설치한 시점이 Event3이다.

 Event1,2,3으로 인해 센서값의 장기 측정값이 연속적이지 않아 끊어진 지점을 보상하여 그림5처럼 적용하였다.

▲ 그림5. Event 때문에 발생된 변위를 보상한 자동지중경사계(IPI) 개별 각도(Degrees)데이터. 위 차트는 X축, 아래 차트는 Y축 데이터.

  위 그래프를 분석해 보자. 8M지점은 기준점으로 0으로 유지하고 있고 7M,6M,5M 지점은 mV 출력의 센서이고 나머지 4~0M지점의 센서는 CAN 통신 출력의 센서이다. 대체적인 변위를 보면 시간이 지날수록 +방향으로 상승하고 있다. 이는 센서의 장기 Aging 측면에서 안좋은 현상이다. 좀 더 세분화하여 살펴보면, 지속적으로 상승하는 센서는 mV센서들이다. CAN 통신 출력 센서는 변화 추세가 한쪽으로 치우치지 않고 안정적으로 나타나고 있다. mV센서는 하부설치 위치는 8,7,6M 지점에 위치하고 있어서 상부에 비해 상대적으로 적게 변하는게 일반적인 상식이다. 변화폭인 0.1도로 매우 미미하지만 그렇다고 하더라도 CAN보다는 많다. mV타입은 센서 내부 MCU가 계산한 결과값을 Analog신호로 변화하는 장치를 거처서 출력한다. 따라서 그 장치가 조금씩 변화를 한다면 결과값도 변한다. 또한가지 생각할 수 있는 원인은 데이터로거로 센서로 측정하는 AD부품이 조금씩 변해서 결과 값이 변하는 것일 수도 있다. 위의 테스트 결과만을 고려한다면 당연히 CAN 통신 출력 제품을 추천한다. mV 제품의 변화량이 어느정도의 변위로 나타나는지 검토하여 현장 적용 시 오차를 고려해 보자.

▲ 그림6. 자동지중경사계(IPI)의 각각 개별 센서의 변위값 mm

  그림6은 각각센서의 변위값(mm)를 나타내고 있다. 그림12에서는 각도(degrees)를 표현한 것인데 그 때 최대 변화각도가 0.1도 정도였는데 센서간격이 1000mm를 적용했을 때, 1000mm*sin(0.1) = 1.74mm가 나온다. 0.1도가 조금 넘었으니 2mm 정도가 나오는 것이 맞다. 사실 2mm는 매우 작은 값이다. 생각해보면 1M 막대기에서 반대쪽 막대기가 2mm 수평이동 했다고 하면 사람이 인지 할 수 있겠는가? 그렇지만 여기서는 개별 각각의 센서의 변화량이고 우리는 전체 길이 8M에서 변화량을 봐야 한다. 많은 계측 현장이 온도에 의한 변화폭이 너무 크게 나나타니까 지점변위라는 명목으로 위 그래프처럼 개개별 센서의 변화 mm를 가지고 관리는 하고 있다. 이는 잘못 된 계산이다.

 이제 부터는 실제 변위량이 얼마나 되는지 배열 연산을 통해 실제 변위를 계산하여 수직 깊이에 맞게 그래프를 수직으로 세워서 현장과 같은 관점에서 살펴 보자.

▲ 그림7. 8M 깊이의 최종 변위 결과값. 15일, 30일 12시 데이터 추출

  그림7에서 보면 변위가 약 4mm 정도 나타나는 것을 볼 수 있다. 4mm 정도의 변위이면 양호한 오차변위를 보여주고 있지만 조금 아쉬운 부분이 있다. 기준점인 8M 지점부터 수평변위를 나타내고 있는데 아래 3개의 센서가 mV타입의 센서이고 나머지가 CAN 통신 출력 타입이다. 그림5와 6에서 보면 mV 타입의 출력값이 많이 변한 것을 알 수 있다. 출력의 흔들림도 크다. 각 지점의 실제 변화량은 아래 센서까지의 변화량에 해당 지점의 센서의 변화량을 더해서 계산되기 때문에 아래 센서의 값의 오차가 크다면 그 위부분의 오차값도 크게 나타난다.

▲ 그림8. mV 타입센서의 오차를 제거하여 CAN 타입센서로 측정된 결과값

  최대변위는 X축이 1.46mm로 타나나고 Y축은 약 0.6mm로 나타났다. 지반의 실제 수평 변위가 0이라고 가정했을 때, 1.46mm는 측정 오차라고 할 수 있다. 사실 1년동안 지반의 수평변위가 0.000mm는 아니겠지만 변화는 미비하다고 가정하여 무시하고 장기 계측 시 5M의 경우에 이렇게 나타난 것으로 20M의 천공 홀 일 경우 단순 계산으로 5.84mm가 나타날 수 있음을 의미한다. 이 오차는 케이싱과 그라우팅의 변화, IPI바퀴의 고정 상태의 오차, 센서 자차의 장기 측정 오차 등이 포함되어 있다. 이 오차를 0으로 만들 수 있는 센서는 그 어느 곳에도 없을 것이다. 따라서 CAN 통신 타입은 약 ±0.3mm/M 의 오차는 발생 될 수 있다라는 것을 인지하고 계측 데이터를 분석해야 할 것이다. mV 타입의 센서의 경우에는 아날로그신호이므로 현장에서 발생되는 노이즈 신호, 센서 자체의 오차, 그리고 케이싱과 그라우팅의 오차 등을 감안하여 ±1mm/M 의 오차를 기본으로 가질 수 있음을 감안해야 할 것으로 보인다.

3. 기타

 3.1 테스트 샘플 현장 확인

▲ 그림9. 테스트 중인 IPI를 꺼내어 상태 확인1
▲ 그림10. 테스트 중인 IPI를 꺼내어 상태 확인2

  1년여 동안 설치되어 있던 센서의 상태를 확인해 보기 위해 센서를 꺼내서 확인 작업을 하였다. 위 사진처럼 지중에는 기름때 같은 것이 붙어 있고 물에 잠기어 외관상으로는 상당히 악조건에서 측정된 것을 알 수 있다. 그런 악조건에서도 안정적인 데이터를 출력하여 센서의 내구성과 데이터의 안정성이 모두 좋음을 확인하였다.

 나름 장기간 측정하여 신뢰성을 검증하였지만, 좀 더 긴 시간과 깊이도 늘려서 테스트 할 계획이다.

 3.2 제품 출하 테스트

▲ 그림11. 출하검사 테스트 중인 IPI

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