KR20180065302A - Apparatus for instrumenting torsion of shafting - Google Patents

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KR20180065302A KR1020160165938A KR20160165938A KR20180065302A KR 20180065302 A KR20180065302 A KR 20180065302A KR 1020160165938 A KR1020160165938 A KR 1020160165938A KR 20160165938 A KR20160165938 A KR 20160165938A KR 20180065302 A KR20180065302 A KR 20180065302A
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이동규
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현대중공업 주식회사
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Abstract

An apparatus for measuring torsion of a shaft system according to one embodiment of the present invention comprises: a magnetostrictive material attached to the surface of a rotary shaft; a measurement coil arranged on the circumference of the rotary shaft and detecting a change of a magnetic field radiated from the magnetostrictive material; at least one hole sensor measuring the intensity of the magnetic field; and a calculator for calculating a torsion value by using an output signal of the measurement coil and an output signal of the hole sensor.

Description

축계의 비틀림 계측 장치{APPARATUS FOR INSTRUMENTING TORSION OF SHAFTING}[0001] APPARATUS FOR INSTRUMENTING TORSION OF SHAFTING [0002]

본 발명은 축계의 비틀림 계측 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a torsion measuring device of a shaft system.

동력 전달을 위한 축계, 예를 들어, 디젤 엔진을 동력원으로 하는 선박용 추진 축계 또는 증기터빈을 동력원으로 하는 발전설비의 구동 축계는 전달 토크의 변동, 축계의 고유진동 등에 의하여 필연적으로 비틀림이 발생하며, 그 발생량은 계측위치, 운전속도, 부하조건, 관련부품의 성능에 따라 변하게 된다.A shaft system for power transmission, for example, a propulsion shaft system for a ship using a diesel engine as a power source, or a drive shaft system for a power plant using a steam turbine as a power source, is inevitably twisted due to variations in transmission torque, natural vibration of the shaft system, The amount of generation varies depending on the measurement position, the operation speed, the load conditions, and the performance of the related parts.

이러한 비틀림은 축계 또는 관련부품의 손상을 유발할 수 있으므로 지속적으로 감시되어야 한다.Such twisting may cause damage to the shaft system or related components and should be monitored continuously.

감시를 위한 방법으로 스트레인 게이지(strain gage)와 같은 접촉식 측정 장치로 비틀림을 측정하고 텔레메트리(telemetry) 시스템으로 측정한 결과를 송신하는 방법을 채용할 수 있으나, 상기 방법은 장치가 축계에 직접 부착되어야 하고, 소형 축계에는 적용이 곤란하며, 텔레메트리 시스템을 위한 전원이 제공되어야 하는 단점을 가진다.
As a method for monitoring, it is possible to adopt a method of measuring twist with a contact-type measuring device such as a strain gage and transmitting a result of measurement by a telemetry system, It is difficult to apply to a small shaft system, and a power supply for a telemetry system must be provided.

대만민국 등록특허공보 제10-1149503호Korean Registered Patent No. 10-1149503

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 측정코일 및 홀 센서를 이용하여 축계의 비틀림을 계측할 수 있는 장치가 제공될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, an apparatus capable of measuring a twist of a shaft system using a measuring coil and a Hall sensor can be provided.

본 발명의 일 실시 예에 따른 축계의 비틀림 계측 장치는 회전축의 표면에 부착된 자기변형물질; 상기 회전축의 둘레에 배치되고 상기 자기변형물질에서 방사하는 자기장의 변화를 감지하는 측정코일; 상기 자기장의 세기를 측정하는 적어도 하나의 홀센서; 및 상기 측정코일의 출력신호 및 상기 홀센서의 출력신호를 이용하여 비틀림값을 연산하는 연산기를 포함한다.
According to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for measuring twist of a shaft system, comprising: a magnetostrictive material attached to a surface of a rotating shaft; A measuring coil disposed around the rotating shaft and sensing a change in a magnetic field radiated from the magnetostrictive material; At least one Hall sensor for measuring the intensity of the magnetic field; And an arithmetic unit for calculating a torsional value using the output signal of the measurement coil and the output signal of the hall sensor.

본 발명의 실시 예에 따른 축계의 비틀림 계측 장치는 자기변형물질을 이용하므로 부착물의 이탈 위험이 낮고, 소형 축계에도 적용 가능하며 부착물을 위한 별도의 전원을 요구하지 않는다.The torsion measuring device of the shaft system according to the embodiment of the present invention uses a magnetostrictive material so that the risk of detachment of the attachment is low, and it is applicable to a small shaft system and does not require a separate power source for the attachment.

또한, 측정코일과 홀센서를 함께 이용하여 정적/동적 비틀림을 계측 가능하다.In addition, it is possible to measure the static / dynamic twist using the measuring coil and the Hall sensor together.

또한, 비접촉식 방식이므로 접촉 방식의 측정이 곤란한 축계에 적용이 가능하다.
Also, since it is a non-contact type, it is applicable to a shaft system in which it is difficult to measure the contact method.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 축계의 비틀림 계측 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 비틀림 계측 장치의 측정부를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a torsion measuring apparatus for a shaft system according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram showing a measuring unit of a torsion measuring apparatus according to an example of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. The shape and size of the elements in the figures may be exaggerated for clarity. Also, to "include" an element means that it may include other elements, rather than excluding other elements, unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 축계의 비틀림 계측 장치를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a torsion measuring apparatus for a shaft system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 축계의 비틀림 계측 장치는 측정부(100) 및 연산기(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a torsion measuring apparatus of a shaft system includes a measuring unit 100 and a computing unit 200.

상기 측정부(100)는 축계의 회전축(10)에 부착되는 자기변형물질(110), 측정코일(120), 및 적어도 하나의 홀센서(130)를 포함한다.
The measuring unit 100 includes a magnetostrictive material 110 attached to the axis of rotation 10 of the shafting system, a measuring coil 120, and at least one Hall sensor 130.

자기변형물질(110)은 패치(patch)형태로 회전축(10)에 부착되고, 회전축(10)이 회전하는 동안 축계 비틀림에 의해 발생하는 회전축(10) 표면 변형률에 따라 자기변형물질(110) 주변의 자기장이 변화한다.
The magnetostrictive material 110 is attached to the rotating shaft 10 in the form of a patch and is wound around the magnetostrictive material 110 in accordance with the surface strain of the rotating shaft 10, The magnetic field of the magnetic field changes.

측정코일(120)은 회전축(10)에 근접하여 배치되고, 회전축(10)의 비틀림에 따른 자기변형물질(110) 주변의 자기장 시변화율을 감지할 수 있다. 예를 들어, 코일을 통과하는 자기장의 시변화율은 전자기 유도법칙에 따라 측정코일(120)에 전압신호를 유기할 수 있고, 측정코일(120)은 상기 전압신호를 출력한다.
The measurement coil 120 is disposed close to the rotation axis 10 and can sense the rate of change of the magnetic field around the magnetostrictive material 110 due to the twist of the rotation axis 10. For example, the time-varying rate of the magnetic field passing through the coil can induce a voltage signal to the measurement coil 120 according to the electromagnetic induction law, and the measurement coil 120 outputs the voltage signal.

홀센서(130)는 회전축(10)에 근접하여 배치되고, 회전축(10)의 표면에 부착된 자기변형물질(110)에 의해 형성되는 자기장의 세기를 감지할 수 있다. 예를 들어, 홀센서(130)는 자기장에 의한 홀효과(hall effect)로 발생한 전압신호를 출력할 수 있다.
The hall sensor 130 is disposed close to the rotary shaft 10 and can sense the intensity of the magnetic field formed by the magnetostrictive material 110 attached to the surface of the rotary shaft 10. [ For example, the Hall sensor 130 may output a voltage signal generated by a Hall effect by a magnetic field.

연산기(200)는 상기 측정코일(120)이 출력하는 측정코일 출력신호(Sc) 및 상기 홀센서(130)가 출력하는 홀센서 출력신호(Sh)를 이용하여 비틀림값을 연산할 수 있다. 이를 위해, 연산기(200)는 적분기(210) 및 칼만 필터(220)를 포함할 수 있다.The calculator 200 can calculate the torsional value using the measurement coil output signal S c output from the measurement coil 120 and the Hall sensor output signal S h output from the Hall sensor 130 . To this end, the calculator 200 may include an integrator 210 and a Kalman filter 220.

상기 측정코일(120)은 축계 비틀림에 의한 회전축(10) 표면 변형률의 시변화율에 비례하는 전압신호(Sc)를 출력하며, 상기 적분기(210)는 측정코일 출력신호(Sc)를 적분하고 소정의 비례상수를 곱하여 변형률(EMST)을 출력할 수 있다. 상기 변형률(EMST)은 자기변형(magnetostriction)에 의해 자기변형물질(110)이 변형된 정도를 나타내는 수치이다. 즉, 측정코일(120)은 자기변형물질(110)이 방사하는 자기장을 감지하고 출력신호(Sc)로 출력할 수 있고, 상기 출력신호(Sc)를 적분하여 특정 비례상수를 곱하면 자기변형물질(110)이 변형된 정도인 변형률(EMST)을 획득할 수 있다.The measurement coil 120 outputs a voltage signal S c proportional to the time-varying rate of the surface strain of the rotating shaft 10 due to shaft twist, and the integrator 210 integrates the measurement coil output signal S c It is possible to output the strain (E MST ) by multiplying it by a predetermined proportional constant. The strain (E MST ) is a numerical value indicating the degree of deformation of the magnetostrictive material 110 due to magnetostriction. That is, the measurement coil 120 can sense the magnetic field radiated by the magnetostrictive material 110 and output the output signal S c . When the output signal S c is integrated and multiplied by a specific proportional constant, It is possible to obtain the strain (E MST ) which is the degree to which the strain material 110 is deformed.

연산기(200)는 상기 변형률(EMST)로 비틀림값의 연산이 가능하나, 적분을 통해 구해진 변형률(EMST)은 시간이 지남에 따라 그 수치가 발산할 수 있으므로 보정이 필요하다. Computing unit 200 is one possible operation of the torsion value to the strain (E MST), Strain (E MST) obtained through the integral correction is necessary because the figure is able to dissipate over time.

상기 칼만 필터(220)는 기 입력된 각 신호를 이용하여 상태모델을 설정하고, 각 신호의 값을 통계적으로 예측할 수 있다. 이를 통해, 상기 칼만 필터(220)는 홀센서 출력신호(SH) 및 변형률(EMST)을 입력받고, 홀센서 출력신호(SH)를 기준으로 상기 변형률(EMST)을 보정하여 비틀림값(EK)을 연산할 수 있다. The Kalman filter 220 may set a state model using each input signal and may statistically predict a value of each signal. To this end, the correction for the strain (E MST) in the Kalman filter 220 relative to the Hall sensor output signal being input to (S H) and strain (E MST), the Hall sensor output signals (S H) through the torsion value (E K ).

상기 측정코일(120)만을 이용할 경우 적분된 신호의 발산으로 인해 정적인 비틀림값을 계측하는 것이 불가능하고 적분하기 이전의 신호를 통해 동적인 비틀림값만을 계측할 수 있지만, 칼만 필터(220)는 홀센서 출력신호(SH) 및 측정코일(120)로부터 구해진 변형률(EMST)을 모두 이용하므로 회전축(10)에 작용하는 정적 및 동적 비틀림값(EK)을 연산하여 출력할 수 있다.
When using only the measurement coil 120, it is impossible to measure a static torsional value due to the divergence of the integrated signal, and only the dynamic torsional value can be measured through the signal before integration. However, Both of the sensor output signal S H and the strain E MST obtained from the measuring coil 120 can be used to calculate and output the static and dynamic torsional values E K acting on the rotary shaft 10.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 비틀림 계측 장치의 측정부를 나타내는 구성도이다.2 is a configuration diagram showing a measuring unit of a torsion measuring apparatus according to an example of the present invention.

도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 측정부는 자기변형물질(110), 측정코일(120), 및 적어도 하나의 홀센서(131)를 포함한다. 도 2에서는 복수의 홀센서(131, 132, 133, 134)를 적용한 경우를 도시하였다.
1, the measuring section includes a magnetostrictive material 110, a measuring coil 120, and at least one Hall sensor 131. [ FIG. 2 shows a case where a plurality of Hall sensors 131, 132, 133, and 134 are applied.

자기변형물질(110)은 회전축(10)의 표면에 배치될 수 있다. 이를 위해, 자기변형물질(110)의 패치의 형태로 제작되어 회전축(10)의 표면에 부착될 수 있다. 자기변형물질(110)은 회전축을 따라 자기장(B)을 방사하고, 상기 자기장(B)은 회전축의 비틀림에 따라 변화한다.The magnetostrictive material 110 may be disposed on the surface of the rotating shaft 10. For this purpose, it may be manufactured in the form of a patch of the magnetostrictive material 110 and attached to the surface of the rotating shaft 10. The magnetostrictive material 110 emits the magnetic field B along the rotation axis, and the magnetic field B changes in accordance with the twist of the rotation axis.

자기변형물질(110)에 의해 생성되는 자기장의 변화는 보통 변형률에 대해 이차곡선과 유사한 형태를 갖고 변화하므로 자기장의 변화로부터 양의 변형률과 음의 변형률을 구분할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 영구자석과 같은 자성체(111)를 자기변형물질(110)에 인접하게 배치하여 자기변형물질(110) 주변에서 계측되는 자기장의 중간값을 이동시켜 변형률과 자기장의 관계가 이차곡선의 한쪽 면에 위치하도록 할 수 있다.
Since the change of the magnetic field generated by the magnetostrictive material 110 usually changes in a shape similar to a quadratic curve with respect to the strain, the positive strain and the negative strain can not be distinguished from the change of the magnetic field. In order to solve this problem, a magnetic body 111 such as a permanent magnet is disposed adjacent to the magnetostrictive material 110 to move the intermediate value of the magnetic field measured around the magnetostrictive material 110 so that the relationship between the strain and the magnetic field becomes a quadratic curve It can be positioned on one side.

측정코일(120)은 상기 회전축(10)의 둘레를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 측정코일(120)에는 측정코일(120) 내측 자기장(B)의 시변화율에 의해 전압신호가 유기된다.
The measurement coil 120 may be disposed to surround the rotation axis 10. The voltage signal is induced in the measurement coil 120 by the time-varying rate of the inner magnetic field B of the measurement coil 120.

복수의 홀센서(131, 132, 133, 134)는 상기 회전축(10)을 중심으로 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 복수의 홀센서(131, 132, 133, 134)는 회전축(10)에 인접하여 자기변형물질(110)에 의해 발생되는 자기장(B)의 세기를 측정할 수 있다. 복수의 홀센서(131, 132, 133, 134)를 채용하는 경우 회전축(10)의 횡진동(whirling vibration)을 계측할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 보다 정확한 회전축(10)의 회전속도를 계측할 수 있는 효과를 가진다.
The plurality of hall sensors 131, 132, 133, and 134 may be arranged to face each other with respect to the rotation axis 10. The plurality of hall sensors 131, 132, 133 and 134 can measure the intensity of the magnetic field B generated by the magnetostrictive material 110 adjacent to the rotary shaft 10. The whirling vibration of the rotating shaft 10 can be measured when a plurality of hall sensors 131, 132, 133, and 134 are employed. Further, it is possible to measure the rotational speed of the rotating shaft 10 more accurately.

한편, 상기 측정코일(120) 및 복수의 홀센서(131, 132, 133, 134)는 회전축(10)에 비접촉식으로 배치되므로 본 발명의 비틀림 계측 장치는 상반회전 프로펠러(contra-rotating propeller) 추진축계 내/외측 추진축 각각의 정적/동적 비틀림 계측에 채용될 수 있다.
Since the measuring coil 120 and the plurality of hall sensors 131, 132, 133 and 134 are disposed in a non-contact manner with respect to the rotary shaft 10, the torsion measuring apparatus of the present invention includes a contra- Can be employed in the static / dynamic torsional measurement of the inner / outer propeller shafts.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

110: 자기변형물질
120: 측정코일
130, 131, 132, 133, 134: 홀센서
210: 적분기
220: 칼만 필터110: magnetostrictive material
120: Measurement coil
130, 131, 132, 133, 134: Hall sensors
210: integrator
220: Kalman filter

Claims (5)

회전축의 표면에 부착된 자기변형물질;
상기 회전축의 둘레에 배치되고 상기 자기변형물질에서 방사하는 자기장의 변화를 감지하는 측정코일;
상기 자기장의 세기를 측정하는 적어도 하나의 홀센서; 및
상기 측정코일의 출력신호 및 상기 홀센서의 출력신호를 이용하여 비틀림값을 연산하는 연산기
를 포함하는 축계의 비틀림 계측 장치.
A magnetostrictive material attached to the surface of the rotating shaft;
A measuring coil disposed around the rotating shaft and sensing a change in a magnetic field radiated from the magnetostrictive material;
At least one Hall sensor for measuring the intensity of the magnetic field; And
An arithmetic unit for calculating a torsional value using the output signal of the measurement coil and the output signal of the hall sensor;
Wherein the torsion measuring device is a torsion measuring device.
제1항에 있어서, 상기 연산기는
상기 측정코일의 출력신호를 적분하여 변형률을 출력하는 적분기; 및
상기 홀센서의 출력신호를 기준으로 상기 변형률을 보정하여 비틀림값을 연산하는 칼만 필터
를 포함하는 축계의 비틀림 계측 장치.
The apparatus as claimed in claim 1,
An integrator for integrating an output signal of the measurement coil to output a strain; And
A Kalman filter for calculating a torsional value by correcting the strain based on an output signal of the hall sensor;
Wherein the torsion measuring device is a torsion measuring device.
제1항에 있어서,
상기 자기변형물질이 방사하는 자기장을 선형화하기 위해 상기 자기변형물질에 인접하여 배치되는 자성체를 더 포함하는 축계의 비틀림 계측 장치.
The method according to claim 1,
And a magnetic body disposed adjacent to the magnetostrictive material to linearize a magnetic field radiated by the magnetostrictive material.
제1항에 있어서,
상기 홀센서는 상기 회전축을 중심으로 서로 대향하도록 배치된 복수의 홀센서인 축계의 비틀림 계측 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the Hall sensor is a plurality of Hall sensors arranged to face each other with respect to the rotation axis.
제1항에 있어서,
상기 측정코일 및 상기 홀센서는 상기 회전축과 접촉하지 않도록 배치되는 축계의 비틀림 계측 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the measuring coil and the hall sensor are disposed so as not to be in contact with the rotating shaft.
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