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도로하부 함수비 계측을 위한 TDR 방식 함수비 센서 온도 민감도 분석
Temperature Sensitivity Analysis of TDR Moisture Content Sensor for Road Pavement 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.1, 2013년, pp.329 - 336  

조명환 ((주)도화엔지니어링 기술개발연구원) ,  이윤한 ((주)도화엔지니어링) ,  김낙석 (경기대학교 토목공학과) ,  지기환 ((주)케이엠티엘 기술연구소)

초록
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아스팔트 콘크리트 포장의 하부구조는 보조기층, 동상방지층 및 노상층으로 구성되어 있으며, 노상층의 경우 겨울철을 지나 봄이되면 동상효과에 따른 포장 파손과 여름철 장마 기간 동안의 수분 침투로 인한 지지력 감소와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 도로하부의 함수비를 계측하기 위하여 시간이력 반사방식(Time Domain Reflectometry, TDR)의 함수센서를 통하여 실시간 함수비를 계측하는 기술이 국내에 도입되었다. TDR 방식의 함수센서는 흙과 물의 유전율을 통하여 함수비를 측정하기 때문에 온도의 영향을 받을 수 있다. 특히 국내는 계절 영향을 받아서 겨울철 대기 온도가 지역적으로 영하 $20^{\circ}C$ 보다 낮은 온도를 보여줄 수 있기 때문에 영하의 측정 온도 범위에 대한 함수센서의 정확도를 파악할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 흙의 온도 범위를 영하 $2^{\circ}C$ 미만까지 확장하여 TDR 방식의 함수비 센서에 대한 온도 민감도 시험을 수행하였다. 체적함수비 20%와 30%에 대한 시험 결과 공시체 표면 온도가 영하로 떨어지면서 센서부근의 수분이 감소하고, 공시체 상부의 함수비가 증가하는 경향을 보여주었다. 그러나 함수센서에 대한 온도의 영향은 함수비가 낮을 경우 미소한 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The infrastructure of flexible pavement is composed of aggregate subbase, anti-frost layer, and subgrade. In particular, the subgrade performance is affected by climates such as frost action and precipitation. The method of TDR(Time Domain Reflectometry) sensors to measure moisture contents in subgr...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 국내의 경우 겨울철 대기온도가 지역적으로 영하 20℃보다 낮을 수 있으며, 대기온도의 영향을 받아 TDR 방식의 함수센서를 설치한 위치의 온도도 영하보다 낮은 온도를 보일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 TDR 센서가 매립된 흙의 온도를 영하 2℃ 보다 낮은 온도까지 확장하여 TDR 방식의 함수센서에 대한 온도 민감도 시험을 수행하고 TDR 함수 센서에 대한 온도의 영향을 분석하고자 한다.
  • 본 연구에서는 Time Domain Reflectometry 방식의 함수센서인 CS616에 대하여 온도 민감도 시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 본 연구에서는 포장 하부의 함수량을 측정하기 위하여 시간이력 반사방식(Time Domain Reflectometry, TDR)의 CS616 센서를 적용하고자 하며, TDR 방식의 함수비 측정 방법은 짧은 전자기 펄스를 우선 발사한 후 되돌아오는 반응을 계측하는 방식으로 레이더와 동일한 기술로 볼 수 있다. TDR 방식의 계측시스템은 Figure 1(a)와 같이 펄서, 샘플러, 오실로스코프, 동축케이블 및 계측프로브로 구성된다.

가설 설정

  • 마이크로파의 펄스가 전송선을 따라 전달될 때, 여러 가지 면에서 빛과 비슷한 형태를 보여주게 된다. 그리고 펄스가 동축선을 따라 이동하는 동안, 동축선은 유전체(conductor) 사이에 전자기 영역을 발생시키며, Figure 1(b)와 같이 동축선의 내부와 외부 유전체 사이에는 포텐셜(potential) 차이가 발생하게 된다.
  • 온도 센서의 경우 대기, 아스팔트 콘크리트 층(표층 및 기층) 및 포장 하부(보조기층, 동상방지층 및 노상)에 대하여 설치하였다. 함수센서의 경우는 아스팔트 콘크리트 층을 불투수층으로 가정하고 포장 하부에만 적용하였으며, 체적함수비로 측정된다. 포장 하부에 매설된 온도센서와 함수비 센서의 설치위치는 Figure 3과 같이 층 중앙부에 매설하였고, 노상층의 경우 노상층의 최종면으로부터 15cm 하부에 매설하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TDR 방식의 계측시스템은 어떻게 흙의 함수비를 계측하는가? TDR 방식의 계측시스템은 계측센서의 임피던스 변화에 따른 반향점과 전자기파의 속도 및 유전율 변화의 관계를 이용하여 흙의 함수비를 계측한다(Park et al., 1997).
TDR 방식의 계측시스템의 구성은? 본 연구에서는 포장 하부의 함수량을 측정하기 위하여 시간이력 반사방식(Time Domain Reflectometry, TDR)의 CS616센서를 적용하고자 하며, TDR 방식의 함수비 측정 방법은 짧은 전자기 펄스를 우선 발사한 후 되돌아오는 반응을 계측하는 방식으로 레이더와 동일한 기술로 볼 수 있다. TDR 방식의 계측시스템은 Figure 1(a)와 같이 펄서, 샘플러, 오실로스코프, 동축케이블 및 계측프로브로 구성된다. TDR 펄서는 전자기적 단계 펄스를 발생시키며, 발생 단계 펄스는 동축선을 따라 이동 하게 된다.
시간이력 반사방식은 어떤 계측상의 어려움을 해결하기 위해 도입되었는가? 아스팔트 콘크리트 포장의 하부구조는 보조기층, 동상방지층및 노상층으로 구성되어 있으며, 노상층은 겨울(12월-2월)을 지나 봄(3월-5월)이 되면 동상효과에 따른 포장 파손과 여름 장마 기간 동안의 수분 침투로 인한 지지력 감소와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 동상효과나 지지력 감소는 포장 하부 특히 노상토의 함수비 변화와 관련이 깊지만 노상의 함수비 변화를 실시간으로 계측하는 것은 어렵다. 따라서 이러한 계측상의 어려움을 해결하기 위하여 시간이력 반사방식(Time Domain Reflectometry, TDR)을 이용한 흙의 함수비를 측정하는 방법이 Topp and Davis(1985) 및 Dasberg and Dalton (1985)에 의해 시도되었으며, 최근 국내에서 토질 오염이나 함수비를 측정하기 위하여 적용되고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Cho, M.H, Lee, Y.H, Kim, N. Park, J.(2010) "A Study on Measuring and Calibration Method using Time Domain Reflectometry Sensor under Road Pavement", Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation Vol. 10, No. 2, pp. 23-30. 

  2. Cho, M.H, Kim, N., Shim, J.(2011), "Computing Procedure of Daily Average Air Temperature using Field Data and Frost Index Calibration for Anti-Frost Heave Layer Design", Jounal of the Korean Society of Civil Engineers Vol. 31, No. 3D, pp. 433-439. 

  3. Dasberg, S., and Dalton, F.N.(1985), "Time Domain Reflectometry Field Measurements of Soil Water Content and Electrical Conductivity", Soil Science Society of America Journal, Vol. 49, No.2, pp. 293-297. 

  4. Ekblad, J. and Isacsson, U.(2007), "Time-domain reflectometry measurements and soil-water characteristic curves of coarse granular materials used in road pavements". Canadian Geotechnical Journal, Vol. 44, No. 7, pp. 858-872. 

  5. Kim, B. and Jeon, S.I.(2005), "Development of Calibration Model and Analysis of Soil Water Content using Time-Domain Reflectometry Probe in LTPP Sections", Journal of Korean Society of Road Engineers Vol. 7, No. 4, pp. 103-112. 

  6. Lundberg, A.(1997), "Laboratory Calibration of TDR-probes for snow wetness measurements", Cold Regions Science and Technology Journal, Vol. 25, Issue 2. 

  7. Park, J.H., Yun, S.Y., Kim, S.J. and Sonu, J.H.(1997), "Measurement of Soil Water Content by Time Domain Reflectometry", Journal of Korea Water Resources Association Vol. 30, No. 6, pp. 587-595. 

  8. Park, J.H. and Yun, S.Y.(1998), "A study on the Measurement of Soil Water Concentration by Time Domain Reflectometry", Journal of Korea Water Resources Association Vol. 31, No. 2, pp. 123-132. 

  9. Sallam, A.M., White, N.K., Ashmawy, A.K.(2004), "Evaluation of the Purdue TDR Method for Soil Water Content and Density Measurement", Florida Department of Transportation. 

  10. Topp, G.C., and Davis, J.L.(1985), "Time Domain Reflectometry (TDR) and Its Application to Irrigation Shceduling", In Advances in Irrigation, Vol. 3, Daniel Hilled(ed), Academic, pp. 107-127. 

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