1. 서 론

현재 원형 공시체의 높이는 마샬 안정도, 간접인장강도 값은 실험자가 자나 버니어 캘리퍼스를 이용하여 높이를 측정하여 작성 후 입력하는 과정에서 실험자의 수기 및 데이터처리 정확성 등에 대한 측정 편차가 발생할 수 있다. 이에 따라 수기 작성 시 발생할 수 있는 오기 및 조작에 대한 검토가 필요하다. 따라서 마샬 안정도 시험 데이터에 따른 안정도 값 편차 및 실험자의 오차에 의한 편차 감소를 고려하여야 한다. 이와 같이 높이에 따라 변화하는 높이 보정계수의 값 편차를 줄이고자 실험자가 직접 자나 버니어 캘리퍼스로 측정하는 것이 아닌 높이 측정 장비를 통한 실험 데이터 오기 및 누락, 조작을 방지하고자 높이 측정 장비를 제작하여 표준화한다면 측정 오차가 감소되어 마샬 안정도, 간접인장강도 값의 오차 감소를 시킬 수 있을 것이라 판단된다.

2. 높이 측정 장비 제작

2.1 높이 측정 장비 제작 필요성

원형 공시체의 높이는 식 (1), (2)의 마샬 안정도, 인장강도 값에 크게 영향을 준다. 기존 마샬 안정도 및 인장강도 시험 시 사람이 자, 버니어 캘리퍼스를 이용하여 공시체의 높이를 측정하여 수기로 작성 후 입력하는 과정에 오기 및 조작이 발생할 가능성이 있다. 이에 높이에 따른 마샬 안정도 보정 계수값이 달라져 마샬 안정도, 인장강도 값이 달라지는 현상을 미리 방지함에 목적을 두고 있다.

여기서 P = 공시체 하중

여기서 Sr = 간접인장강도

P = 공시체 하중

D = 공시체 지름

t = 공시체 높이

2.1.1 기존 높이측정 장비 조사

기존 높이 측정 장비는 데이터를 단순히 읽거나 컴퓨터 저장, 출력 할 수 있는 사양으로 SCP (Secure Copy Protocol)기능이 있어야 데이터를 통신전송 시킬 수 있다. 개발하는 IoT센서 시스템의 높이측정 장치는 센서로 자동 측정되며 데이터가 통신전송될 예정이다. 아스팔트 혼합물 높이측정 시스템은 마샬 안정도 보정계수의 적용 높이 변위인 (25.40 ~ 76.20) mm의 사이 값을 측정할 수 있어야하며 출력값 분해능이 0.01 mm여야 한다(KS F 2337). 이와 같은 조건을 만족하는 기존장비는 없었으며, 실험자가 데이터 오기 및 고의로 데이터 값 변경을 할 수 없도록 출력기능이 있는 SCP 출력 가능 여부 장비를 Table 1과 같이 조사하였다. 그 중 Mitutoyo사의 HDS-20C을 사용하여 Table 2와 같이 반복성 실험을 실시하였다.

실험결과, 측정오차는 장비에 적혀있는 ±0.03의 오차와 비슷하였고, KS F 2337의 마샬 안정도 보정 계수 구간 이하이므로 보정계수 값에 크게 영향이 없었으며, 측정값이 최대 0.03 mm 이하로 값에 영향이 없는 것으로 판단되었다.

2.2 높이 측정 IoT시스템 지그 설계

높이 측정 IoT시스템을 Fig. 1과 같이 디자인 설계를 하였다. 높이 측정 방식은 공시체 삽입 후 측정되는 방식으로 디자인 설계하였다. 본 연구에서는 경제성 및 측정방법 편이성을 고려해본 결과, 간단히 측정이 가능해야하며 경제성 면에서도 모터를 사용하지 않아 경제성면으로 분석된 공시체를 삽입 후 측정되는 방식을 선정하였다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 “ㄷ”자형 지그 형태로 결정한 후 설계하였다.

Fig. 1.

Height measurement equipment design drawings

2.3 높이 측정 IoT센서 결정

본 연구에서 사용될 센서는 Table 3과 같이 조사 분석하여 광센서 GP2Y0A51SK0F의 장비를 초기 안으로 선정하였으며 측정 거리는 (20 ~ 150) mm이다. 선정 센서는 KS F 2337의 보정계수의 적용높이 및 변형강도 및 인장강도의 원형 공시체 높이기준에도 충족하였지만 실험을 진행하면서 경제성과 프로그램의 처리를 고려하여 변위 센서를 선정하게 되었다. 선정한 높이 측정 센서의 적합성을 확인하기 위해 광센서와 기존 높이 측정 장비와의 측정값을 비교하였다. 추후 KS F 2337의 높이 보정계수 분석을 통해 높이 보정계수에 따른 마샬 안정도 값을 분석하여 높이 측정 센서의 최대 허용오차의 제시가 필요할 것으로 판단된다.

Table 3.

Investigate distance measurement sensors

Equipment	ODSL 8	ODS 9	GP2Y0A51S K0F	CL-L030/ CL-P030	CL-L070/ CL-P070	UM0034 -002
Maximum operating distance (mm)	25 ~ 45, 20 ~ 200, 20 ~ 500	50 ~ 100, 50 ~ 200, 40 ~ 450, 50 ~ 650	20 ~ 150	30±3.7	70±10	20 ~ 2000
Reproducibility	0.2 ~ 0.5 mm	0.05 mm	-	linearity ±0.2 µm	linearity ±0.2 µm	±10 mm
Method of measurement	CCD Line Triangulation	Triangulation, laser	Optical Sensor Distance Measurement	reflective	reflective	reflective
figures

Fig. 2에서의 광센서 적합성 실험 결과, 광센서의 특성으로 물체에 따라 광센서의 데이터 값에 차이가 있어 데이터에 재현성이 나타나지 않는 것을 알 수 있었다. 또한, 광센서를 조사하며 명시되어있던 오차율이 실험 시 측정되는 오차율과 차이를 보였다. 따라서 본 연구에서는 센서 부착에 따른 경제성과 센서와 프로그램과의 연동으로 인한 프로그램 처리를 고려하여 변위 센서를 높이 측정 센서로 선정하여 높이 측정 장비를 제작하였다.

Fig. 2.

Optical sensor conformity experiment

3. 높이 측정 장비 제작 및 검증 시험

3.1 높이 측정 장비 제작

선정된 변위 센서를 부착하여 Fig. 3과 같이 높이 측정 장비를 제작하였다. 공시체를 변위 센서를 통해 한 점만 측정하기 때문에 변위 센서에서의 데이터 값 확인이 필요하다. 이에 기존 높이 측정 장비를 통해 데이터의 비교검증을 하였을 때, 두 데이터가 같은 결과를 도출하여야 한다. 본 연구에서는 비교검증을 위해 KS F 2337의 높이 기준에 따라 아스팔트 공시체로 실험을 실시하여 분석하고자 한다.

Fig. 3.

Fabricated height measuring equipment

3.2 기존 장비와의 비교를 통한 높이 측정 장비 검증 시험

본 연구에서 제작한 높이 측정 장비의 검증을 위해 원형 공시체의 높이 범위인 (25.4 ~ 76.2) mm 구간에서 제작한 높이 측정 장비의 데이터와 기존 높이 측정 장비의 데이터를 비교하는 실험을 실시하였다. 실험 전 공시체의 높이 측정 결과 28.3, 63.2, 73.3 mm로 측정되었으며 실험 시 정확성을 위해 한가지 축에 대해 3번 반복하여 측정하였다. 실험결과 Fig. 4(a), (b)와 Table 4에서 높이 측정 장비와 기존 높이 측정 장비와의 오차는 76.2 mm구간에서 최대 오차 0.34%로 가장 적게 나타났고, 63.2 mm 구간에서 차이가 1.92%로 가장 크게 나타났다. Fig. 4(c), (d)와 Table 5에서 61.4 mm인 공시체의 네 점을 측정한 결과 최대 0.90%의 차이가 발생하여 추후 실험값에 대한 분석을 통하여 공시체의 축에 대한 높이 측정 횟수에 관한 제시가 필요할 것이다.

Fig. 4.

Comparison of experimental values between height measuring equipment and vernier calipers

4. 결 론

본 연구에서는 마샬 안정도, 간접인장강도시험을 위한 높이 측정 장비를 설계 및 제작하였다. 실내실험을 통해 제작한 장비의 적합성과 타당성을 분석하였다. 분석결과, 본 장비는 마샬 안정도, 간접인장강도시험에서의 공시체 높이 측정 시 실험 데이터 오기 및 누락, 조작의 측정자에 의한 오차를 감소시킬 수 있는 방안이 될 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

1.기존 마샬 안정도 및 인장강도 시험 시 사람이 자, 버니어 켈리퍼스를 이용하여 공시체의 높이를 측정하여 수기로 작성 후 입력하는 과정에 오기 및 조작이 발생할 가능성이 있어 마샬 안정도, 인장강도 값에 크게 영향을 준다. 이를 방지하기 위해 공시체의 높이를 측정하여 데이터를 조작할 수 없는 높이 측정 장비의 필요하다고 판단된다.

2.센서 분석을 통해 광센서가 적합하다고 분석하였으나, 실험을 통해 센서의 특성으로 실제값과 차이가 있음을 알 수 있었다. 실제값과의 차이가 KS F 2337의 마샬 안정도 보정 계수 구간 이하이므로 마샬 안정도값과 간접인장강도 값에 영향을 미치지 않는다고 판단된다. 이에 경제성과 프로그램 처리를 고려하여 변위센서를 선정하였다.

3.본 연구에서는 제작한 높이 측정 장비의 적합성을 분석하기 위해 기존 높이 측정 장비와 데이터 분석 실험을 실시하였다. 실험결과, 76.2 mm구간에서 최대 오차 0.34%로 가장 적게 나타났고, 63.2 mm 구간에서 차이가 1.92%로 가장 크게 나타났다.

추후 본 연구결과를 토대로 공시체의 측정 시 축에 대한 오차 분석을 통해 높이 측정 장비에 관한 연구가 계속될 필요가 있으며, 나아가 높이 측정 장비의 측정 최대 허용오차와 공시체의 축에 대한 측정 횟수에 대한 제시가 필요할 것으로 판단된다.