KR102073118B1 - 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템 - Google Patents

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서준표
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Abstract

본 발명에 따르면, 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치되는 측정부, 상기 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 검출부 및 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 하기 위한 모니터링부를 제공함으로써 토사 유출량을 측정하는 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템이 개시된다.

Description

로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템{Measurement System of Debris Flow Sediment Discharge Using Load Cell}
본 발명은 토사 유출량 계측 시스템에 관한 것으로, 특히 산지 계곡에서 토사 유출량을 무게로 측정하는 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에 관한 것이다.
토사유출은 호우유출과 함께 이차적인 홍수 피해를 유발하는 원인으로 작용될 수 있으며 저류지 및 침사지 내의 수질악화의 요인이 된다. 따라서 호우로 인한 각종 피해를 최소화하고 사방시설의 효율적 설계를 위해서는 토사유출량의 해석과 계측이 필요하다.
종래에는 토사채취기, 부유사채취기 등을 이용하여 사람이 직접 산지 계곡에서 토사유출량을 샘플링하여 무게로 측정하는 직접적인 방법을 이용하였다.
이에 따라, 인력, 비용, 시간, 안전 등에 있어 직접적 방법보다 효율성이 높은 방법이 필요하다.
본 발명은 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템으로 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치되는 측정부, 상기 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 검출부 및 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 하기 위한 모니터링부를 제공함으로써 토사 유출량을 측정하는데 그 목적이 있다.
또한, 우량계와 수위계 센서를 활용하여 강우에 의한 계곡의 수위변화와 로드셀의 반응성을 분석하고, 수위계의 수위 측정값으로부터 특정 강우 이벤트를 선별하고, 강우와 수위변화에 따른 정량적 토사유출량을 산정하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템은, 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치되는 측정부, 상기 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 검출부 및 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 하기 위한 모니터링부를 포함한다.
여기서, 검출부는, 상기 하단부에 매설되어 경사각을 유지한 상태로 지지하는 하우징, 상기 하우징 내측에 위치하며, 토사를 모으기 위한 피트 샘플러 및 상기 피트 샘플러의 하단에 위치하며, 상기 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 다수의 로드셀을 포함한다.
여기서, 하우징은, 적어도 일부가 사각형 형태를 포함하며, 상기 다수의 로드셀은, 상기 사각형 형태의 각각의 모서리에 위치한다.
여기서, 다수의 로드셀은, 상기 하우징의 일면을 평면상 각각 제1 사분면, 제2 사분면, 제3 사분면 및 제4 사분면으로 구분하되, 상기 제1 사분면에 위치하는 제1 로드셀, 상기 제2 사분면에 위치하는 제2 로드셀, 상기 제3 사분면에 위치하는 제3 로드셀 및 상기 제4 사분면에 위치하는 제4 로드셀을 포함한다.
여기서, 제1 로드셀 내지 제4 로드셀은, 상기 피트 샘플러 내부에서 토사가 모아진 위치에 따라, 각각 다른 하중의 측정값을 출력한다.
여기서, 모니터링부는, 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 저장하는 데이터 로거, 상기 데이터 로거와 연결되어 상기 데이터 로거로부터 수신된 상기 하중의 측정값을 확인하고 주기적으로 상기 검출부를 점검하기 위한 점검 명령을 발생하는 점검 명령부 및 상기 점검 명령부로부터 상기 점검 명령을 수신 받아 상기 데이터 로거의 하중의 측정값의 변화로부터 이상 상태를 판단하는 상태 판단부를 포함한다.
여기서, 모니터링부는, 제1 로드셀 내지 제4 로드셀로부터 출력된 각각 다른 하중의 측정값을 비교하여, 토사 유출량을 계산한다.
여기서, 모니터링부는, 제1 로드셀 내지 제4 로드셀과 각각의 신호선으로 연결된다.
여기서, 하단부에 설치된 측정부는, 하단부의 일 지점에 위치하여 수위를 측정하는 수위계 및 하단부 주변의 토사유출을 감지하는 음향센서를 포함한다.
여기서, 상단부에 설치된 측정부는, 상단부에 설치되어 강우량을 측정하는 우량계 및 계곡의 상단부 및 하단부의 상태를 촬영하는 영상촬영장치를 포함한다.
여기서, 모니터링부는, 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 보정하는 하중계수 산정부를 더 포함하며, 하중계수 산정부는, 각각의 로드셀로부터 출력된 하중의 측정값을 통합하여 실제 하중을 계산한다.
여기서, 모니터링부는, 검출부의 하중의 측정값에 상기 우량계의 강우량 측정값 및 상기 수위계의 수위 측정값을 이용하여, 토사 유출량을 산정한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치되는 측정부, 상기 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 검출부 및 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 하기 위한 모니터링부를 제공함으로써 토사 유출량을 측정할 수 있다.
또한, 우량계와 수위계 센서를 활용하여 강우에 의한 계곡의 수위변화와 로드셀의 반응성을 분석하고, 수위계의 수위 측정값으로부터 특정 강우 이벤트를 선별하고, 정량적 토사유출량을 산정할 수 있다.
이에 따라, 상시 모니터링을 통하여 산지 계곡의 시계열 토사유출량 산정뿐만 아니라 유출특성을 구명하는데도 효율적으로 활용될 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 검출부를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)의 검출부(100)는 하우징(110), 피트 샘플러(120), 다수의 로드셀(130)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하우징을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 다수의 로드셀을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 로드셀의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 모니터링부를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하중 시험 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하중 계수 산정을 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에서 계측값을 보정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에서 토사량을 산정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)은 계곡 하단부에 설치된 측정부(10), 계곡 상단부에 설치된 측정부(20), 검출부(100), 모니터링부(200)를 포함한다.
로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)은 산지에서 토사유출을 모니터링 하는 시스템이다. 과거에는 토사채취기, 부유사채취기 등을 이용하여 인력으로 직접 모니터링하는 방법이 아닌 로드셀 센서를 이용하여 직접적 방법으로 토사유출량을 모니터링 할 수 있다. 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)은 인력, 비용, 시간, 안전 등에 있어 기존의 토사유출 모니터링 방법보다 효율성이 높은 장점이 있다.
로드셀(Load-cell)은 힘을 측정하는 장치로서 하중측정, 하중감지 등 폭넓게 사용될 수 있다. 특히, 산지 토사 유출 모니터링 부분에서 유출량 측정, 충격력 산정 등에 적합하다.
로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)은 로드셀(Load-cell), 음향센서, 수위계, 유속계, 탁도계, 우량계, CCTV 등을 포함할 수 있으며, 그 외에도 다양한 방법으로 하중과 강우량을 측정할 수 있는 측정장치와 센서를 포함할 수 있다.
측정부(10, 20)는 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치된다. 구체적으로, 계곡의 상단부에 설치된 측정부(20)는 강우량을 측정하고, 상단부에서 하단부로 이동하는 토사의 상태를 확인한다.
하단부에 설치된 측정부(10)는 수위를 측정하고, 토사 유출량에 영향을 미치는 유속, 수위, 탁도 등을 측정한다.
하단부에 설치된 측정부(10)는 음향센서(11), 수위계(12), 탁도계(13), 유속계(14)를 포함한다.
수위계(12)는 하단부의 일 지점에 위치하여 수위를 측정한다.
음향센서(11)는 하단부에서 하류로 유출되는 소류사를 감지한다. 물속 토사의 소리를 측정하는 음향센서는 금속 파이프 형태로 물속 토사가 음향센서에 부딪힐 때 발생하는 충돌 파형을 기록하여, 계곡의 토사 이동량을 연속적으로 모니터링 한다.
탁도계(13)는 수중에 분산되어 있는 미분자의 상태를 정량적으로 계측하는 혼탁측정기이다. 수중을 투과하는 빛이 분산입자에 의하여 반사 또는 산란되는 정도를 표준액과 비교하여 계측한다. 투과광 방식은 비직선성 보정을 전자회로로 하여 높은 탁도까지 사용할 수 있다.
유속계(14)는 유체 흐름의 속도를 측정하는 계기이다. 날개차 또는 프로펠러의 회전수가 유속에 비례하는 것을 이용한 회전식, 유체의 동압(動壓)에서 유속을 구하는 비토관식, 유속에 의한 전열선의 온도 변화를 전기 저항의 변화로 바꾸어 계측하는 전기 저항식 중 적어도 하나를 이용하여 시스템을 구현할 수 있다.
하단부에 설치된 측정부(10)는 음향센서(11), 수위계(12), 탁도계(13), 유속계(14)는 검출부(100)와 측정값을 연동하여 토사 유출량 산정에 이용할 수 있다.
상단부에 설치된 측정부(20)는 우량계(21), 영상촬영장치(22)를 포함한다.
우량계(21)는 상단부에 설치되어 강우량을 측정한다.
영상촬영장치(22)는 계곡의 상단부 및 하단부의 상태를 촬영한다. 본 발명은 상시 모니터링이 가능하므로, 토사 유출량과 시스템의 이상 상태가 발생할 경우 영상촬영장치(22)를 이용하여 시스템을 확인할 수 있고, 계곡의 상단부 및 하단부의 상태를 상시 확인할 수 있다.
검출부(100)는 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출한다. 구체적으로, 검출부(100)는 토사가 상단부에서 하단부로 이동할 때, 로드셀을 이용하여 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출한다.
로드셀(Load-cell)은 하중계, 하중센서, 힘 센서라고도 하며, 힘 또는 하중을 측정하기 위한 변환기로서 출력을 전기적인 신호로 변환한다.
모니터링부(200)는 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 한다. 모니터링부(200)는 중앙 관리 서버와 통신이 가능하도록 통신부(250)를 더 포함할 수 있다.
토사유출량 산정은 사방사업에 활용할 수 있다. 특히, 사방댐을 시공할 때, 사방댐의 규모 산정에 활용 될 수 있다. 현재까지 사방댐 규모는 강우량 특성을 반영하여 댐 방수로 크기를 결정하는 방법 또는 종단지반과 횡단지반을 참고하여 현장 상황에 맞게 규모 결정하는 방법을 이용하여 진행되었지만, 토사유출량을 계측하여 규모결정에 반영할 수 있다. 예를 들어, 토사유출이 많지 않은 곳에서는 규모를 작게 하고, 많은 곳에서는 크게 또는 여러개를 시공할 수 있다.
또한, 물 순환(하늘(비) → 산 → 강 → 바다 → 증발)과 같이 산에서 유출되는 토사는 계곡, 하천을 따라 강으로 흘러가게 되는데, 이러한 토사는 강의 수위 상승 등에 영향을 미치기 때문에 산지 관리 뿐만 아니라 강 관리 등 종합적인 토사관리에도 도움을 줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 검출부를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)의 검출부(100)는 하우징(110), 피트 샘플러(120), 다수의 로드셀(130)을 포함한다.
로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템(1)의 검출부(100)는 토사를 직접 모을 수 있는 피트 샘플러(120)가 하우징(110) 안에 포함되며, 하우징(110) 안에는 각각의 모서리에 Load-cell이 4개 설치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 4개를 설치했지만, 지역적 조건과 피트 샘플러의 크기에 따라 배치되는 로드셀 센서의 수를 변화시킬 수 있다. 하우징에 마련되는 각각의 Load-cell 위치가 다르기 때문에 모니터링부는 유출된 토사의 하중에 따른 출력값 변화를 비교하고, 필요 시에는 관측 값의 정확도를 높이기 위해 하중 계수를 산정할 수 있다.
검출부(100)는 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출한다.
하우징(110)은 하단부에 매설되어 경사각을 유지한 상태로 지지한다. 하우징은 상자 또는 원통형의 형태로 마련이 가능하다.
피트 샘플러(120)는 하우징(110) 내측에 위치하며, 토사를 모으기 위한 것이다. 피트 샘플러(120)는 하우징(110) 보다 작은 크기로, 피트 샘플러(120)와 하우징(110)이 연결되고 토양을 지지할 수 있는 지지틀(121)을 포함할 수 있고, 토사가 모아지는 일면(125)은 토사를 고르게 분포할 수 있도록 수평을 유지하며, 다수의 로드셀(130)과 이격 없이 부착되어 로드셀(130)이 오차 없이 하중을 검출할 수 있도록 한다. 또한, 피트 샘플러(120)의 옆면(123)은 수직으로 토사가 모아지는 일면(125)에 연결된다.
다수의 로드셀(130)은 피트 샘플러(120)의 하단에 위치하며, 상기 토사 유출에 따른 하중을 검출한다. 구체적으로, 로드셀(130)의 상측면(131)은 토사가 모아지는 일면(125)과 접합되어 오차 없이 하중을 검출할 수 있도록 한다.
또한, 로드셀(130) 간은 로드셀 연결부(135)로 연결되어, 각각의 검출값을 비교하고, 연동할 수 있으며, 모니터링부로 측정값을 전송할 수 있다. 로드셀 연결부(135)는 로드셀(130)의 옆면(133)에 부착될 수 있다.
또한, 검출부는, 다수의 로드셀의 미리 설정된 측정 조건에 따라 온도를 조절하는 온도보정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 로드셀은 측정환경의 초기 조건으로 인해 zero balance가 변할 수 있기 때문에 출력 값을 기준으로 측정 해야 한다. 또한 온도에 의해서도 영향이 발생 할 수 있기 때문에 온도 확인이 필요하다.
도 2에 나타난 바와 같이, 화살표의 방향은 토사가 유출되는 방향이며, 토사가 유출될 경우 피트 샘플러(120) 내부에 토사가 모이게 되며, 이에 따라 피트 샘플러의 토사가 모아지는 일면(125)에서 다수의 로드셀(130)로 하중이 전달되고, 다수의 로드셀(130)은 측정값을 모니터링부로 전달하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하우징을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 하우징(110)은 적어도 일부가 사각형 형태를 포함하며, 다수의 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d)은, 상기 사각형 형태의 각각의 모서리에 위치한다. 구체적으로, 하우징(110)의 내부 바닥면(115)에 다수의 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d)이 각각 위치하며, 다수의 로드셀 위에 피트 샘플러(120)가 놓여지게 된다.
하우징(110)은 내부 바닥면(115)과 수직으로 연결되는 외벽(113)을 포함할 수 있고, 외벽(113)에 외부 연결부(140)를 연결하여, 유선 또는 무선으로 모니터링부와 통신할 수 있다.
모니터링부(200)는 상기 제1 로드셀 내지 제4 로드셀과 각각의 신호선 또는 무선 통신으로 연결될 수 있다.
또한, 로드셀(130) 간은 로드셀 연결부(135)로 연결되어, 각각의 검출값을 비교하고, 연동할 수 있으며, 모니터링부로 측정값을 전송할 수 있다. 로드셀 연결부(135)는 로드셀(130)의 옆면(133)에 부착될 수 있다.
로드셀 연결부(135)는 충격으로 인한 손상을 방지하기 위해 별도의 고정캡(137)으로 고정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 다수의 로드셀을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 다수의 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d)은, 하우징의 일면(115)을 평면상 각각 제1 사분면(115a), 제2 사분면(115b), 제3 사분면(115c) 및 제4 사분면(115d)으로 구분하되, 제1 사분면(115a)에 위치하는 제1 로드셀(130a), 제2 사분면(115b)에 위치하는 제2 로드셀(130b), 제3 사분면(115c)에 위치하는 제3 로드셀(130c) 및 제4 사분면(115d)에 위치하는 제4 로드셀(130d)을 포함한다.
또한, 제1 로드셀 내지 제4 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d)은 제1 로드셀 내지 제4 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d) 상부에 피트 샘플러(120)가 놓여지며, 토사가 유출될 경우 피트 샘플러(120) 내부에 토사가 모이게 되며, 이에 따라 피트 샘플러의 토사가 모아지는 일면(125)에서 다수의 로드셀(130)로 하중이 전달되고, 다수의 로드셀(130)은 측정값을 모니터링부로 전달하게 된다.
구체적으로, 피트 샘플러의 토사가 모아지는 일면(125)을 평면상 각각 제1 사분면(125a), 제2 사분면(125b), 제3 사분면(125c) 및 제4 사분면(125d)으로 구분하되, 1 사분면(125a)에 아래에 놓여지는 제1 로드셀(130a), 제2 사분면(125b)에 아래에 놓여지는 제2 로드셀(130b), 제3 사분면(125c) 아래에 놓여지는 위치하는 제3 로드셀(130c) 및 제4 사분면(125d) 아래에 놓여지는 제4 로드셀(130d)의 구조를 갖는다.
이에 따라, 유출된 토사(2)를 각각 로드셀 만큼의 구역(2a, 2b, 2c, 2d)으로 나누어, 하중이 측정되며, 상기 피트 샘플러 내부에서 토사가 모아진 위치에 따라, 각각 다른 하중의 측정값을 출력하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 방법은 무게를 계측해서 토사유출량으로 간주하는 것으로, 토사의 퇴적형태 즉, 흙이 특정 방향으로 모이는 것에 따라 Load-cell의 출력 값이 달라지게 되고, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 구조는 유출된 퇴적토사의 하중이 특정 Load-cell에 편중되더라도 전체 토사유출량을 계측할 때 오차를 줄일 수 있다.
또한, 피트 샘플러 내부에서 토사가 모아진 위치에 따라, 제1 로드셀 내지 제4 로드셀(130a, 130b, 130c, 130d)은 각각 다른 하중의 측정값을 출력하게 되고, 각각 다른 측정값을 그래프로 비교하여, 가장 오차율이 적은 로드셀의 측정값에 가중치를 부여 하여, 하중의 측정값을 산출할 수 있다. 각각 다른 측정값을 그래프로 비교하는 과정에서 예상치 못한 환경 변화 또는 센서의 이상 상태에 따른 하중의 측정값을 제외할 수 있으므로, 정상 상태에서의 로드셀 센서의 출력값만을 산출에 이용할 수 있고, 오차율을 줄일 수 있다.
도 7에서 토사가 모아진 위치는 4개의 Load-cell 위에 각각의 분동을 올려놓는 개별 하중시험(하중 테스트 1)과 4개의 Load-cell 중앙에 분동을 올려놓는 복합 하중시험(하중 테스트 2)으로 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 로드셀의 구조를 나타낸 도면이다.
로드셀(130)은 피트 샘플러(120)의 하단에 위치하며, 상기 토사 유출에 따른 하중을 검출한다. 구체적으로, 로드셀(130)의 상측면(131)은 토사가 모아지는 일면(125)과 접합되어 오차 없이 하중을 검출할 수 있도록 한다.
또한, 로드셀(130) 간은 로드셀 연결부(135)로 연결되어, 각각의 검출값을 비교하고, 연동할 수 있으며, 모니터링부로 측정값을 전송할 수 있다. 로드셀 연결부(135)는 로드셀(130)의 옆면(133)에 연결된 연결 조립부(134)를 이용하여 부착될 수 있다. 로드셀의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 탄성변형체의 구조이며, 로드셀(130)의 옆면(133)은 하중에 비례하여 직선적으로 변화할 수 있는 수직의 원통형 또는 격벽의 구조를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 로드셀(130)의 하측면(122)은 하우징에 부착되어 로드셀(130)을 지지한다.
로드셀(130)의 형상은 사용법에 따라 다양한 형태로 구현이 가능하며, 로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인게이지를 포함한다. 또한, 여러 가닥의 세선을 한 방향으로 배열하여 직렬 연결함으로써 감지량을 증대시키는 변형량 감지 저항체와 변형량 감지 저항체를 물리적, 화학적인 손상으로부터 보호하기 위하여 Backing소재와 같은 소재로 보호(Encapsulation)를 하거나 전용의 Coating재료를 이용하여 보호하는 보호재를 포함할 수 있다.
로드셀(Load Cell)은 힘(Force)이나 하중(Load) 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 힘이나 하중을 측정하는 하중감지센서(Transducer)이다. 물체는 힘이나 하중에 의하여 이에 비례하는 변형이 발생하며 단위길이당 발생하는 변형량을 변형률(Strain)이라고 한다. 이때 발생되는 변형률은 힘이나 하중의 크기에 직선적으로 변화하는 특징을 가지고 있다. 로드셀은 힘이나 하중에 대하여 구조적으로 안정된 변형을 발생시키는 탄성 변형체(Elastic Strain Member)의 수감부에서 발생하는 물리적 변형을 스트레인 게이지를 이용하여 전기저항 변화로 변환시키고 Wheatstone Bridge라는 전기회로를 구성하여 정밀한 전기적 신호로 변환시키는 원리를 이용한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 모니터링부를 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 모니터링부(200)는 데이터 로거(210), 점검 명령부(220), 상태 판단부(230), 하중계수 산정부(240)를 포함한다.
하우징에 마련되는 각각의 Load-cell 위치가 다르기 때문에 모니터링부는 유출된 토사의 하중에 따른 출력값 변화를 비교하고, 필요 시에는 관측 값의 정확도를 높이기 위해 하중 계수를 산정할 수 있다.
Load-cell의 출력 값은 토사유출 모니터링 시스템의 데이터 로거(210)에 기본적으로 저장되지만, 무선통신(CDMA)을 이용하여 Web site에서도 모니터링 할 수 있다.
모니터링부(200)는 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 한다. 모니터링부(200)는 제1 로드셀 내지 제4 로드셀로부터 출력된 각각 다른 하중의 측정값을 비교하여, 토사 유출량을 계산한다. 또한, 모니터링부(200)는 검출부의 하중의 측정값에 상기 우량계의 강우량 측정값 및 상기 수위계의 수위 측정값을 이용하여, 토사 유출량을 산정한다.
구체적으로, 우량계와 수위계 센서를 활용하여 강우에 의한 계곡의 수위변화와 Load-cell의 반응성을 분석하고, 수위계의 수위 측정값으로부터 특정 강우 이벤트를 선별하고, Load-cell을 이용한 정량적 토사유출량을 산정한다.
데이터 로거(210)는 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 저장한다. 점검 명령부(220)는 상기 데이터 로거와 연결되어 상기 데이터 로거로부터 수신된 상기 하중의 측정값을 확인하고 주기적으로 상기 검출부를 점검하기 위한 점검 명령을 발생한다. 상태 판단부(230)는 상기 점검 명령부로부터 상기 점검 명령을 수신 받아 상기 데이터 로거의 하중의 측정값의 변화로부터 이상 상태를 판단한다. 하중계수 산정부(240)는 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 보정한다. 하중계수 산정부(240)는 로드셀로부터 출력된 하중의 측정값에 하중계수를 적용하여 실제 하중을 계산한다.
하중 계수는 하중의 공칭 값과 실제 하중 사이의 불가피한 차이 및 하중을 작용 외력으로 변환시키는 해석 상의 불확실성 및 환경 작용 등의 변동을 고려하기 위한 안전 계수이다.
종래의 토사량 계측 시스템과 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 토사 유출량 계측 시스템은 하중계수 산정부(240)를 포함하여, 단순한 센서의 계측값을 측정하는 것이 아닌, 실제의 토사 유출량을 산정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하중 시험 결과이다.
본 발명의 하중 시험에 있어서, Load-cell은 힘의 단위인 KN으로 출력되기 때문에 질량단위의 분동과 비교를 위해서 kg·f로 변환시켜 분석에 활용하였다. 또한, 분동테스트 당시에 기록한 출력 값이 불명확한 경우에는 분석에서 제외하였다.
본 발명의 하중 시험은 제1 지역과 제2 지역을 선정하여, 두 지역에서 시행하였으며, 도 7의 (a)는 제1 지역의 하중 시험 결과이고, 도 7의 (b)는 제2 지역의 하중 시험 결과이다. 또한, 각각의 하중 시험은 하중테스트 1과 하중테스트 2로 진행되며, 하중 테스트 1은 각각의 로드셀에 대한 개별 시험이고, 하중 테스트 2는 로드셀에 대한 복합 시험이다.
여기서, 토사 유출을 분동으로 구현하였으며, 토사 유출량이 위치마다 다른 점은 분동의 위치가 변동되는 점으로 고려하였다.
하중 테스트 1은 반복 시험으로 매번 분동의 위치가 변동되는 점을 고려해서 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 20kg, 40kg)별로 5회 반복 시험하였다. 하중 테스트 2는 반복 시험을 하더라도 분동의 위치가 변동되지 않으므로 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 15kg, 20kg, 25kg, 30kg, 35kg, 40kg, 50kg)별로 3회 반복 시험하였다.
또한, 하중 테스트 1, 2 각각에 중복되는 하중(1kg, 5kg, 10kg, 20kg, 40kg)과 제1 지역, 제2 지역 각각의 계측 결과는 일원배치분산분석(One way ANOVA)을 통하여 4가지 계측결과의 평균값이 유의한 차이가 있는지 검증하였다.
개별 하중시험(하중 테스트 1)의 재하 하중에 따른 평균 출력율(실제무게에 대한 계측값의 비율)은 제1 지역에서 실제하중의 85.1%, 제2 지역에서 74.1%로 나타났으며, 평균 오차율은 각각 14.9%, 25.9%로 나타났다. 복합 하중시험(Test 2)의 평균 출력율은 제1 지역에서 81.7%, 제2 지역에서 79.9%로 나타났으며, 평균 오차율은 각각 18.3%, 20.1%로 나타났다.
하중 테스트 1, 2를 통해서 분동의 재하 형태에 따른 Load-cell 출력값 차이를 분석한 결과, 제1 지역에서 평균 0.4kgf, 제2 지역에서 평균 0.6kgf의 오차가 나타났다. 또한, 제1 지역, 2와 하중 테스트 1, 2에서 중복되는 하중의 평균값에 대한 분산분석결과, P-value 0.24(p < 0.05)로 나타나 4개의 그룹에서 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 재하 형태를 달리하더라도 출력 값에는 큰 차이가 없기 때문에 유출된 퇴적토사의 하중이 특정 Load-cell에 편중되더라도 전체 토사유출량을 계측할 때는 문제가 없는 것으로 판단된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템의 하중 계수 산정을 나타낸 그래프이다.
Load-cell에 계측되는 값의 오차율을 줄이기 위하여 하중계수를 산정하고, 출력 값을 보정한다. 하중계수 산정에는 다양한 하중으로 시험한 하중 테스트 2의 결과를 이용해 제1 지역 및 제2 지역에 대한 각각의 하중계수를 산정하였다.
분동을 올려놓았을 때 Load-cell의 계측 값(독립변수, X)과 실제 하중(종속변수, Y)간 선형관계를 분석한 식은 하기 수학식 1로 유도된다.
Figure 112018085752358-pat00001
상기 수학식 1에서 상수항을 제외한 계측 값(독립변수, X)의 회귀계수를 각 지점의 하중계수로 선택하고, 출력값 보정에 사용할 수 있다.
하중 테스트 2의 계측 값을 하중계수를 이용하여 보정한 결과는 도 8과 같다. 실제 하중에 대한 보정 값이 제1 지역에서 96.5%로 보정전보다 14.8%p 상승하고, 평균 오차율은 3.6%로 줄어들었다. 제2 지역에서는 104.5%로 보정전보다 24.6%p 상승하고, 평균 오차율은 3.9%로 줄어들었다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에서 계측값을 보정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 하중 시험은 제1 지역과 제2 지역을 선정하여, 두 지역에서 시행하였으며, 도 9의 (a)는 제1 지역의 하중 시험 결과이고, 도 9의 (b)는 제1 지역의 오차율을 나타낸 것이다. 도 10의 (a)는 제2 지역의 하중 시험 결과이고, 도 10의 (b)는 제2 지역의 오차율을 나타낸 것이다.
하중계수를 적용하여 Load-cell의 계측 값을 보정한 결과, 제1 지역, 제2 지역 모두 실제 하중에 근사하였고, Load-cell에 가해지는 하중이 커질수록 계측 값의 정확도는 높아졌다.
이에 따라, 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템으로 산지 계곡에 설치한 Load-cell은 하중계수를 산정하고, 계측 값을 보정한다면 유출되는 토사량을 계측할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템에서 토사량을 산정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 하중 시험은 제1 지역과 제2 지역을 선정하여, 두 지역에서 시행하였으며, 도 11의 (a)는 제1 지역의 토사량 산정 결과이고, 도 11의 (b)는 제2 지역의 토사량 산정 결과를 나타낸 것이다.
Load-cell이 설치된 현장의 우량계와 수위계 센서를 함께 활용하여 산지 계곡에서 토사유출량 산정 활용성을 검토하였다. 제1 지역 및 제2 지역 모두 반응성이 잘 나타났으며, 특히 강우 이벤트(2016. 9. 16.-18.)가 3일간 지속될 때, 강우가 내리기 시작하고, 계곡의 수위가 상승하게 되면서 Load-cell 반응이 시작되었다. 이러한 시간대별 그래프를 통하여 토사유출량 산정뿐만 아니라 산지 계곡의 유출특성을 구명하는데도 효율적일 것으로 판단된다.
도 11에 나타난 바와 같이, 산정한 하중계수를 이용하여 3일간 Load-cell에 반응한 토사량을 추정한 결과 제1 지역에서는 9월 17일 06시부터 반응이 시작하여 총 24.7kgf가 유출되었으며, 총강우량 135.5mm, 최대시우량 11.5mm/h, 최고수위 40.1cm로 나타났다. 제2 지역에서는 9월 17일 08시부터 반응이 시작하여 총 330.2kgf가 유출되었으며, 최고수위 38.2cm로 나타났다. 이러한 결과는 Sampler내에 퇴적된 양을 나타내지만, 계곡 폭과의 비교를 통해서 계곡 전체에 유출된 토사량을 정량적으로 산정할 수 있는 것으로 판단된다.
이에 따라, 건축물 및 교각 등 구조물 하중계측에 일반적으로 많이 사용되고 있는 Load-cell을 산지 계곡에 설치하여 하류로 유출되는 토사량 측정에 대한 적용성을 확인할 수 있다.
또한, 함께 설치된 우량계와 수위계 센서를 비교한 결과, 강우가 내리기 시작하고, 계곡의 수위가 상승하게 되면서 Load-cell 반응이 시작된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 장기간 모니터링을 통하여 산지 계곡의 시계열 토사유출량 산정뿐만 아니라 유출특성을 구명하는데도 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이상에서와 같이 Load-cell의 실시간 계측 기능을 이용하여 산지 계곡에서 하류로 유출되는 토사량을 산정할 수 있었다. 그러나 현장 상황과 계곡 물에 의해 하중 값이 영향을 받기 때문에 본 발명의 일 실시예에서는 하중계수를 산정하고 보정할 수 있다.
Load-cell을 산지 계곡에서 이용하여 토사유출량을 모니터링 함으로써 전 국토의 63%를 차지하는 산지를 효과적으로 관리할 수 있을 것이다. 나아가 하류지역의 홍수로 인한 범람 등 하천관리에도 도움을 줄 수 있다. 또한, Load-cell과 같은 계측센서 및 산지 계곡에서 활용될 수 있는 각 종 센서분야 산업 발전에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
1: 로드셀 센서를 이용한 토사 유출량 계측 시스템
10: 하단부에 설치된 측정부
20: 상단부에 설치된 측정부
100: 검출부
200: 모니터링부
210: 데이터 로거
220: 점검 명령부
230: 상태 판단부
240: 하중계수 산정부

Claims (13)

  1. 계곡의 상단부 및 하단부에 각각 설치되는 측정부; 상기 하단부에 설치된 측정부에 걸리는 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 변화를 상시 모니터링 하기 위한 모니터링부; 를 포함하고,
    상기 검출부는, 상기 하단부에 매설되어 경사각을 유지한 상태로 지지하는 하우징; 상기 하우징 내측에 위치하며, 토사를 모으기 위한 피트 샘플러; 및 상기 피트 샘플러의 하단에 위치하며, 상기 토사 유출에 따른 하중을 검출하는 다수의 로드셀;을 포함하며,
    상기 다수의 로드셀들은, 상기 피트 샘플러의 하단의 동일면상에 위치하되, 상측면이 상기 피트 샘플러의 일면과 접합되어, 상기 피트 샘플러 내부에서 토사가 모아진 위치에 따라, 각각 다른 하중의 측정값을 출력하며,
    상기 로드셀 간은 로드셀 연결부로 연결되어, 각각의 측정값을 비교하고, 연동할 수 있으며, 모니터링부로 측정값을 전송하고,
    상기 모니터링부는, 상기 다수의 로드셀들로부터 출력된 각각 다른 하중의 측정값을 비교하여, 토사 유출량을 계산하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은, 적어도 일부가 사각형 형태를 포함하며,
    상기 다수의 로드셀은, 상기 사각형 형태의 각각의 모서리에 위치하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 로드셀들은,
    상기 하우징의 일면을 평면상 각각 제1 사분면, 제2 사분면, 제3 사분면 및 제4 사분면으로 구분하되,
    상기 제1 사분면에 위치하는 제1 로드셀, 상기 제2 사분면에 위치하는 제2 로드셀, 상기 제3 사분면에 위치하는 제3 로드셀 및 상기 제4 사분면에 위치하는 제4 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 저장하는 데이터 로거;
    상기 데이터 로거와 연결되어 상기 데이터 로거로부터 수신된 상기 하중의 측정값을 확인하고 주기적으로 상기 검출부를 점검하기 위한 점검 명령을 발생하는 점검 명령부; 및
    상기 점검 명령부로부터 상기 점검 명령을 수신 받아 상기 데이터 로거의 하중의 측정값의 변화로부터 이상 상태를 판단하는 상태 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 제1 로드셀 내지 제4 로드셀과 각각의 신호선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 다수의 로드셀의 미리 설정된 측정 조건에 따라 온도를 조절하는 온도보정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하단부에 설치된 측정부는,
    상기 하단부의 일 지점에 위치하여 수위를 측정하는 수위계; 및
    상기 하단부 주변의 토사 유출을 감지하는 음향센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상단부에 설치된 측정부는,
    상기 상단부에 설치되어 강우량을 측정하는 우량계; 및
    상기 계곡의 상단부 및 하단부의 상태를 촬영하는 영상촬영장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 검출부로부터 검출된 토사 유출에 따른 하중의 측정값을 보정하는 하중계수 산정부;를 더 포함하며,
    상기 하중계수 산정부는,
    상기 로드셀로부터 출력된 하중의 측정값을 통합하여 실제 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 검출부의 하중의 측정값에 상기 우량계의 강우량 측정값 및 상기 수위계의 수위 측정값을 이용하여, 토사 유출량을 산정하는 것을 특징으로 하는 토사 유출량 계측 시스템.

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