KR100984378B1 - 차량 축 중량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 축 중량 측정 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서는 포장체 일부를 걷어내어 홈을 형성하고, 형성된 홈 내부에 설치되어 이동 중인 차량의 축 중량을 측정하는 차량 축 중량 측정장치에 있어서, 차량 하중이 인가되면 벤딩이 발생되는 판 형상의 벤딩 플레이트와, 벤딩 플레이트에 발생되는 판 거동을 양단 고정 단순보 형식으로 전환시켜주며, 상기 벤딩 플레이트 하단에 차량 진입 방향과 수직되는 방향으로 설치되는 횡 방향 보와, 횡 방향 보의 양단 하단에 설치되어, 상기 횡 방향 보를 지지함과 동시에 차량 하중에 의한 상기 횡 방향 보의 처짐을 인가받는 로드셀, 및 로드셀에 부착되어 상기 로드셀의 변형률을 측정하는 변형률 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치가 제공된다.

차량 축 중량

Description

차량 축 중량 측정 장치{VEHICLE WEIGHT MEASURING APPARATUS}

본 발명은 도로면에 매설되어 도로위를 주행하는 차량의 무게 및 속도를 측정하는 차량 축 중량 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 벤딩 플레이트 또는 로드셀 방식의 축 중량 측정 장치에 비하여, 측정 민감도는 높으면서도 유지관리가 편리하고 상대적으로 가격이 저렴한 보급형 차량 축 중량 및 속도 측정 장치를 제공하고, 이 측정 장치로부터 계측된 중량 자료를 이용하여 교량의 잔존 수명을 평가하는 방법을 제공하는 차량 축 중량 측정 에 관한 것이다.

차량 축 중량 측정 장치는 차량이 주행하는 도로에 매설되어 교통 흐름에 방해를 주지 않고 차량의 중량에 관련된 각종 데이터를 수집하는 장비로서, 특히 과속 및 과적 차량을 적발하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 교량과 같은 시설물은 중차량 통과에 의하여 심각한 손상이 유발될 수 있어 축 중량의 측정은 매우 중요한 요소로 인식되고 있으며, 교량의 내하력과 같이 시설물의 상태와 수명을 평가하기 위하여 응답계측에 따른 입력하중 또한 매우 중요한 요소라 할 수 있으나, 종래의 축 중량 측정 장치는 다음과 같은 한계성을 내재하고 있다.

도 1 내지 도 3은 종래의 일반적으로 많이 사용되는 축 중량 측정 장치로, 도 1은 벤딩 플레이트 형식의 축 중량 측정 장치, 도 2는 로드셀 방식의 축 중량 측정 장치 및 도 3은 Quartz 방식의 축 중량 측정 장치를 나타낸 것이다.

도 1은 종래 벤딩 플레이트 방식의 경우로서, 도 4에서 보는 바와 같이 벤딩 플레이트는 차량통과에 의하여 종방향 뿐만 아니라 횡 방향으로 벤딩이 발생됨으로 인하여 변형률 게이지에 의한 응답은 종방향 뿐만 아니라 횡 방향의 응답이 동시에 반영되기 때문에 입력하중의 특성을 정확히 규명하기 어려운 단점이 있다. 또한 변형률 게이지를 판 전체에 부착할 수 없기 때문에, 차량 바퀴의 위치에 따라서 측정 정밀도는 약간씩 오차를 내포하게 된다. 도 1의 벤딩 플레이트 방식은 스틸 플레이트 판에 스트레인 게이지와 같은 센서를 부착한 후 차량 통과시 판에 유발되는 응답을 계측하여 축 중량을 환산하는 방식으로 오차범위가 ±10% 정도로 정밀도가 높지 않은 단점이 있다.

도 2의 종래 벤딩 플레이트에 로드셀을 부착한 로드셀 방식의 축 중량 측정 장치의 오차범위는 ±6% 정도로 벤딩 플레이트 방식에 비하여는 상대적으로 높은 편이나 로드셀이 놓인 위치 인근에 차량이 통과할 경우 비교적 정밀한 축 중량 측정할 수 있으나, 로드셀과 일정거리 떨어진 위치로 차량이 통과되면 측정오차는 점점 커지는 단점이 있다. 또한 지속적으로 고가의 로드셀을 교체해줘야 함으로써 유지관리 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

한편, 압전센서를 이용한 축 중량 측정 장치는, 줄눈 커팅 후 피에조 케이블을 삽입하여 비교적 쉽게 설치가 가능한 장점이 있으나, 저속 주행시 응답이 거의 계측되지 않으며, 속도 및 노면의 온도에 따라서 응답편차가 매우 큰 단점이 있다.

도 3의 종래 Quartz를 이용한 축 중량 측정 장치는, 벤딩 플레이트 축 중량 측정 장치에 비하여 설치시 포장체 커팅 폭이 작아 설치가 매우 편리한 장점이 있으나, 벤딩 플레이트에 비하여 매우 고가이고 내구성이 상대적으로 약한 단점이 있다.

따라서 국내에서는 가격대 성능이 상대적으로 우수한 벤딩 플레이트 형식의 축 중량 측정 장치를 중ㆍ저속용으로 주로 사용하고 있으며, 고속용으로 Quartz를 이용한 축 중량 측정 장치가 일부 적용되어 있는 상태이나, 고속 축 중량 측정은 가격과 유지관리 측면에 있어 아직까지도 현실적인 대안이 마련되지 못한 상태이다. 또한 교량구조물을 통과하는 차량의 누적된 중량이 교량의 수명을 단축시키는 중요한 요인임에도 불구하고, 지금까지 축 중량 측정 장치는 중량 산정 또는 통행 대수만 확인하는데 사용되는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 벤딩 플레이트 방식과 로드셀 방식의 장점을 최대한 활용하여, 벤딩 플레이트 방식의 변형률 게이지를 이용한 응답의 계측을 판거동 형태로 측정하는 것이 아닌 빔거동 형태로 전환하고, 이러한 빔거동의 응답을 로드셀에 의하여 측정함으로서 구조는 매우 간단하면서 측정 응답의 신뢰성을 크게 향상시킴을 목적으로 한다. 또한, 차량의 속도를 동시에 측정할 수 있어 자체적으로 속도 보상이 가능하므로 더욱 정밀도를 향상시킬 수 있는 차량 축 중량 측정 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 또한 본 발명에서 제공하는 축 중량 측정 장치에 의한 계측결과를 이용하여 교량 잔존수명을 평가하는 방법을 제공하는데 추가적인 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 포장체 일부를 걷어내어 홈을 형성하고, 형성된 홈 내부에 설치되어 이동 중인 차량의 축 중량을 측정하는 차량 축 중량 측정장치에 있어서, 차량 하중이 인가되면 벤딩이 발생되는 판 형상의 벤딩 플레이트와, 상기 벤딩 플레이트에 발생되는 판 거동을 양단 고정 단순보 형식으로 전환시켜주며, 상기 벤딩 플레이트 하단에 차량 진입 방향과 수직되는 방향으로 설치되는 횡 방향 보와, 횡 방향 보의 양단 하단에 설치되어, 상기 횡 방향 보를 지지함과 동시에 차량 하중에 의한 상기 횡 방향 보의 처짐을 인가받는 로드셀, 및 상기 로드셀에 부착되어 상기 로드셀의 변형률을 측정하는 변형률 감지 센서를 포함하는 것을 특징 으로 하는 차량 축 중량 측정 장치에 의해서 달성 가능하다.

상술한 바와 같은 단순보에 지지된 벤딩 플레이트와 로드셀, 그리고 V자 홈에 설치된 센서를 통하여 차량하중 및 통과속도를 동시에 측정할 수 있는 축 중량 측정 장치를 제공함으로써, 기존의 벤딩 플레이트 방식의 축 중량 측정 장치에 있어서 판거동 측정방식을 빔거동 및 로드셀 측정방식으로 유도하거나, 고가의 로드셀 측정방식의 축 중량 측정 장치에 있어서 저가인 변형률 센서가 부착된 링형 또는 마름모형 로드셀로 대체함으로써 저가이면서도 정확한 축 중량을 측정할 수 있다. 또한 고속 계중을 할 수 있으며, FBG 광섬유센서 또는 OTDR센서를 선택적으로 사용함으로써 외부환경에 영향을 받지 않아 측정값의 신뢰성을 높일 수 있다.

이하에서, 본 발명의 장점, 특징 및 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 5는 (a) 종래 벤딩 플레이트에 부착된 변형률 게이지 및 (b) 본 발명의 축중량 측정 장치의 시스템 구성도이고, 도 6은 (a) 종래 벤딩 플레이트의 측정 원리를 설명하기 위한 구성도, (b)는 본 발명의 축중량 측정 장치의 측정 원리를 설명하기 위한 구성도이며, 도 7은 단순 보(simple beam)의 하중 대비 반력의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여, 도 5(b) 및 도 6(b)에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 축 중량 측정 장치는 판(101)과, 판(101) 하부에 차량의 진행 방향과 수직되는 방향으로 놓여지는 횡 방향 보(201)와, 횡 방향 보(201) 양측 하단에 구비되는 로드셀(202)을 구비한다.

본 발명에 따른 축 중량 측정 장치는 차량이 지나갈 때 판(101)에 작용하는 하중이 횡 방향 보(201)에 의하여 양쪽에 설치된 로드셀(202)에 작용되게 한다. 도 7에 설명한 바와 같이 단순 보의 작용하중 및 반력의 원리에 따라서 벤딩 플레이트 판(101) 위의 어느 곳에 하중이 위치하더라도 횡 방향 보(201) 양단에 설치된 로드셀(202)에 의하여 반력이 측정되고 이를 합산함으로써 입력하중을 오차 없이 정확히 추정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.

일반적으로 여기서 사용되는 로드셀(202)은 도 8(a)에서와 같이, 링형 받침대에 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR 센서(301)를 부착하되, 프리 스트레인을 인가하여 광섬유센서 양단을 링형 양 단에 고정시킴으로써 상부에서 작용되는 하중으로 인하여 링형이 상하 방향으로 압축 변형되고, 이로 인하여 수평 방향으로는 인장 변형되는데, 이를 프리 스트레인이 인가된 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서로 측정함으로써 입력하중을 정량적으로 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 로드셀은 도 8(b)와 같이 마름모형에 프리 스트레인이 인가된 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서를 부착하여 구성하여도 무방하다.

상기 로드셀의 형상은 도 8에서 형상에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

또한, 본 발명에서 사용하고자 하는 로드셀은 도 9(a)에서와 같이 링형 측면에 적어도 한 개 이상 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서(301)를 설치하여 구성할 수 있다. 도 9(b)에서와 같이 외측면 한 개소와 내측면 한 개소에 각각 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서를 부착함으로써 온도변화에 대해서는 동일하게 변동이 발생되고, 하중에 대한 변형률만 압축-인장으로 측정되기 때문에 장기적으로 온도보상이 가능한 로드셀을 구성할 수 있음을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 사용하고자 하는 로드셀은 도 10에서와 같이 양쪽 내외 측면에 전기저항식 변형률게이지(302)를 완전 브릿지(full bridge) 형태로 부착함으로써도 구성이 가능함을 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 축 중량 측정 장치의 구성도는 도 11 및 도 12에서 보는 바와 같이, 차량 하중이 인가되면 벤딩이 발생되는 벤딩 플레이트(101)와, 벤딩 플레이트에 발생되는 변위를 로드셀(202)로 전달하는 역할과 하중에 의한 판거동을 양단 고정 단순보 형식으로 전환 시켜주는 기능을 하는 횡 방향 보(201)와, 벤딩 플레이트(101)의 하중이 양단 고정된 단순보의 반력으로 변환되며, 이를 측정하는 역할과 상부 벤딩 플레이트(101) 및 횡 방향 보(201)를 지지하는 역할을 하는 로드셀(202)과, 링형(202) 또는 마름모형(203)의 받침대에 프리 스트레인이 인가된 형태로 부착되어 링형 또는 마름모형 받침대가 하중에 의하여 변형되는 것을 측정하여 상부 차량 하중을 산출하는 기능을 수행하는 FBG 광섬유 센서, OTDR센서(301) 또는 전기저항식 변형률 게이지(302)와, 차량 진입 방향 입구와 출구에 각각 한 개소 이상 설치되어 미리 규정된 거리에 놓인 센서로부터 통과시간을 측정하여 차량 의 이동속도를 측정함으로써 축 중량 측정시 오차 원인인 속도보정을 자체적으로 실시할 수 있도록 하는 V자홈(207) 및 여기에 설치된 센서(301)와, 포장체(204) 내부에 설치되어 벤딩 플레이트를 포함한 축 중량 시스템을 고정하는 역할을 하는 축 중량 측정 장치 고정용 프레임(205)과, 벤딩 플레이트(101)와 고정용 프레임(205)을 연결 고정시키는 고정볼트(206)로 기본 구성된다.

또한 종래 차량 축 중량 측정장치의 오차는 차량 진입속도에 따라서 발생되는 오차가 있는데, 본 발명의 축중량 측정 장치는 도 11과 도 12의 하중에 의한 응답은 횡 방향 보 양단에 설치된 로드셀에 의하여 측정하고, 속도는 V자에 센서를 설치한 후 기지 거리에 양쪽 V자(207)에 설치된 센서에 의하여 통과시간을 측정함으로써 차량의 통과속도를 더 측정할 수 있어, 하나의 시스템으로 속도에 대한 보상을 자체적으로 실시할 수 있음을 특징으로 한다. 이때 V자(207) 홈은 차량주행 직각 방향으로 연속되어 있어야 하고, 차량 주행 방향의 휨을 측정하는 센서가 많아질수록 더욱 정확한 중량 및 차량속도를 측정할 수 있다.

가장 효과적인 속도보정방법은 실제 차량진행속도에 따른 중량을 측정하여 속도-중량 간의 상관관계를 도출한 후, 이 값을 보정계수로 활용하는 방식이며 그 실시예를 표 1에 도시하였다.

측정결과 도시 유형 예	실제 중량 산정식 예

고속주행차량의 속도를 측정하기 위한 최소 초당 샘플링값은 중량측정장치의 밴딩 플레이트 폭과 주행 차량의 최대 속도를 감안할 때 약 200Hz 정도이며, 밴딩 플레이트의 폭이 60cm 이상인 경우에는 약 100Hz의 측정 샘플링 값만 되어도 충분하였다. WIM 장치 폭 통과시 속도별 소요 시간을 고려한 초당 샘플링값을 표 2에 나타내었다.

속도(km/hr) WIM장치 폭(m)	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190	200
0.3	93	102	111	120	130	139	148	157	167	176	185
0.4	69	76	83	90	97	104	111	118	125	132	139
0.5	56	61	67	72	78	83	89	94	100	106	111
0.6	46	51	56	60	65	69	74	79	83	88	93
0.7	40	44	48	52	56	60	63	67	71	75	79
0.8	35	38	42	45	49	52	56	59	63	66	69
0.9	31	34	37	40	43	46	49	52	56	59	62
1	28	31	33	36	39	42	44	47	50	53	56

또한 본 발명에서 제공하는 차량 축 중량 측정장치에서 계측되는 축중량을 각 중량 단계별로 분류할 수 있도록 하며, 각 축 하중 단계별로 교량구조물에 미치는 영향계수를 부여하고, 통행 차량 대수에 의해 누적되는 중량을 이용하여 교량의 잔존수명을 평가하는 것이 기존 교량 수명 평가방법에 비하여 더 효과적이고 현실적인 방법이며, 이에 대해 도 13에 도시하였다.

도 14는 교량상 축 중량 측정장치를 도입한 교량 수명 평가시스템을 도시한 것이다. 이때 교량의 전체 수명은 1등교 설계 하중의 축하중인 96kN에 충격계수 1.3과 도로교 설계기준에 제시된 피로 관련 최대반복하중대수인 2백만 회를 감안하여 산정하는 것이 바람직하며, 교량의 전체 수명산정방법과 누적 중량을 이용한 수명 감소 수준 산정방법은 이 방법에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경이 가능하다.

상기에 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 종래 벤딩 플레이트 형식의 축 중량 측정 장치.

도 2는 종래 로드셀 방식의 축중량 측정 장치.

도 3은 종래 Quartz 방식의 축중량 측정 장치.

도 4는 종래 벤딩 플레이트에 부착된 변형률 게이지.

도 5는 (a) 종래 벤딩 플레이트에 부착된 변형률 게이지 및 (b) 본 발명의 축중량 측정 장치의 시스템 구성도.

도 6은 (a) 종래 벤딩 플레이트의 측정 원리를 설명하기 위한 구성도, (b)는 본 발명의 축중량 측정 장치의 측정 원리를 설명하기 위한 구성도.

도 7은 단순보(simple beam)의 하중 대비 반력의 원리를 설명하기 위한 개념도.

도 8은 본 발명의 축중량 측정 장치에 있어, 링형 또는 마름모형에 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서를 프리 스트레인을 인가하고 설치하여 구성한 로드셀.

도 9는 링형 받침대 측면에 FBG 광섬유 변형률 센서 또는 OTDR센서를 표면 부착하여 구성한 로드셀.

도 10은 링형 받침대 측면에 전기저항식 변형률 게이지를 완전 브릿지(full bridge) 형식으로 부착하여 구성한 로드셀.

도 11은 본 발명의 축중량 측정 장치의 주요 요소를 설명하기 위한 구성도.

도 12는 본 발명의 전체 시스템을 설명하기 위한 구성도.

도 13은 본 발명을 이용한 교량 수명 평가 방법.

도 14는 본 발명을 이용한 교량 수명 평가 방법을 교량에 적용한 구성도.

***** 도면상의 주요 기호에 대한 간략한 설명 ******

101 : 벤딩 플레이트 102 : 변형률 게이지

103 : 로드셀 104 : Quartz 센싱 요소

201 : (횡 방향) 보 202 : 링형 로드셀

203 : 마름모형 로드셀 204 : 도로 포장면

205 : 축중량 측정 장치 고정용 프레임

206 : 고정볼트 207 : V자 홈

301 : FBG 광섬유센서 또는 OTDR센서

302 : 전기저항식 변형률 게이지

Claims (6)

1. 포장체 일부를 걷어내어 홈을 형성하고, 형성된 홈 내부에 설치되어 이동 중인 차량의 축 중량을 측정하는 차량 축 중량 측정장치에 있어서,

   차량 하중이 인가되면 벤딩이 발생되는 판 형상의 벤딩 플레이트와,

   상기 벤딩 플레이트에 발생되는 판 거동을 양단 고정 단순보 형식으로 전환시켜주며, 상기 벤딩 플레이트 하단에 차량 진입 방향과 수직되는 방향으로 설치되는 횡 방향 보와,

   상기 횡 방향 보의 양단 하단에 설치되어, 상기 횡 방향 보를 지지함과 동시에 차량 하중에 의한 상기 횡 방향 보의 처짐을 인가받으며 내부에 빈 공간부를 갖는 로드셀, 및

   상기 로드셀의 내부 빈 공간부에 걸쳐 부착되어 상기 로드셀의 변형률을 측정하는 변형률 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 홈 내부에 설치되어 상기 벤딩 플레이트를 고정하는 고정용 프레임과, 상기 벤딩 플레이트와 상기 고정용 프레임을 연결 고정시키는 고정볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 횡 방향 보는 상기 벤딩 플레이트의 중앙에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 횡 방향 보를 기준으로 차량 진행 방향을 기준으로 전방 및 후방에 상기 벤딩 플레이트의 하부면에 v자 홈을 형성하고, 상기 v자 홈에 축 감지 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 변형률 감지 센서는 FBG 광섬유 센서, OTDR 센서 및 전기저항식 변형률 게이지 중에 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 로드셀은 링형 또는 마름모형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 축 중량 측정 장치.

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