KR102471781B1 - 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치 - Google Patents

비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치 Download PDF

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Abstract

비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치가 개시된다. 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는, 혼합토사의 토사입자들의 침강속도를 측정하기 위해 침강 실험이 이루어지는 침강수주; 상기 침강수주를 상하 길이 방향으로 고정하는 지지대; 혼합 토사를 침강수주 상단 동일높이에서 균일하게 낙하시킬 수 있도록 슬릿 각도 조절이 가능한 베네시안 타입의 토사 투하장치; 상기 침강수주 상단에서 투하된 토사입자들을 하단 위치에서 수집하는 수집팬(pan); 상기 수집팬에 수집된 토사입자들의 수중중량을 실시간으로 측정하는 상단의 로드셀; 상기 상단의 로드셀과 상기 수집팬이 연결되고, 상기 수집팬의 수평상태를 유지할 수 있는 k개의 스틸 와이어; 상기 상단의 로드셀의 동작 및 측정주기를 제어하는 제어장치; 및 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강시간별 누적 수중중량 분포, 침강속도별 누적 수중중량 분포로 변환하여 표출하는 PC를 포함한다.
다양한 입자로 존재하는 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도 자동 측정 장치는 낙하하는 비점착성 혼합 토사를 침강수주(column) 상단에서 침강수주 내부 하단에 와이어로 연결된 수집팬(pan)을 통해 수집하고, 수집된 토사의 수중중량을 로드셀을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산해 침강속도를 측정한다.

Description

비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치{Automatic measuring device for settling velocity of non-cohesive particle mixtures}
본 발명은 다양한 입자로 존재하는 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도를 자동으로 정밀하게 측정할 수 있는 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료를 채취하고, 실내에서 침강속도 자동 측정 장치를 사용하여 수중에서 낙하하는 혼합 토사를 침강수주(settling column) 상단의 베네시안 타입의 토사 투하장치를 통해 균일하게 떨어뜨려, 침강수주 내부 하단에 와이어로 연결된 수집팬(pan)을 통해 수집하고, 로드셀을 통해 수집된 혼합 토사의 시간별 수중중량을 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 비점착성 혼합토사의 침강속도를 간단하고 정밀하게 측정하며, 비점착성 혼합 토사의 침강시간별/침강속도별 누적 수중중량을 컴퓨터(PC)에 표시하는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치에 관한 것이다.
이와 유사한 산행기술 특허로써, 특허 등록번호 10-1458320에서는 "종말침강속도를 이용한 점도 측정장치 및 측정방법"이 공개되어 있지만, 다수의 미세 입자들을 점도를 측정하고자 하는 유체에 고르게 분산시킨 다음 일정시간 자유낙하시킨 후에 그 이동거리를 측정하여 종말침강속도를 구함으로써 유체의 점도를 산출할 수 있는 종말속도를 이용한 점도 측정장치 및 그 측정방법을 제공하고 있다.
토사의 침강속도(settling velocity)는 정지된 유체에서 토사입자를 강하시킬 때에 토사입자가 갖는 종말속도(terminal velocity)로 정의되며, 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성 연구에 있어 가장 기본적인 변수이다.
침강속도는 토사 입자가 이송되는 과정에서 매우 중요한 인자로써, 토사 입자의 입경, 형상, 표면조도, 단위중량(또는 밀도), 유체의 점성 등의 통합적인 결과가 반영되며, 토사 입자의 침강속도는 입자의 수중중량(
Figure 112021063243612-pat00001
)과 유체항력(
Figure 112021063243612-pat00002
)에 의한 저항력 간의 균형 관계에 의해 계산된다.
구형 토사입자에 작용하는 유체항력
Figure 112021063243612-pat00003
은 정수 중 낙하시 <식 1>과 같이 표시된다. 이 때, 구형 토사 입자에 작용하는 수중중량(
Figure 112021063243612-pat00004
)은 <식 2>와 같이 토사 입자의 중량과 토사입자가 받는 부력의 차이로 표현된다. 일정한 낙하속도에 도달하는 종말속도 조건에서는 유체항력(
Figure 112021063243612-pat00005
) = 수중중량(
Figure 112021063243612-pat00006
)이 되므로, 침강속도
Figure 112021063243612-pat00007
에 대해 정리하면 <식 3>과 같이 표시된다.
Figure 112021063243612-pat00008
여기서,
Figure 112021063243612-pat00009
는 토사입자의 수중중량,
Figure 112021063243612-pat00010
는 항력계수,
Figure 112021063243612-pat00011
는 흐름방향에서의 토사입자의 투영면적,
Figure 112021063243612-pat00012
는 침강수의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00013
는 토사입자의 침강속도,
Figure 112021063243612-pat00014
는 토사입자의 입경 이다.
Figure 112021063243612-pat00015
여기서,
Figure 112021063243612-pat00016
는 토사입자의 유체항력,
Figure 112021063243612-pat00017
는 토사입자의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00018
는 토사입자의 입경,
Figure 112021063243612-pat00019
는 중력가속도 이다.
Figure 112021063243612-pat00020
여기서,
Figure 112021063243612-pat00021
는 토사입자의 침강속도,
Figure 112021063243612-pat00022
는 항력계수,
Figure 112021063243612-pat00023
는 토사입자의 입경,
Figure 112021063243612-pat00024
는 토사입자의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00025
는 침강수의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00026
는 중력가속도 이다.
<식 3>에서 항력계수
Figure 112021063243612-pat00027
는 미지수이므로, 이 식을 풀기 위해
Figure 112021063243612-pat00028
값 정보가 필요하다. 토사 입자의 낙하속도에 따라 흐름 지배인자가 달라지며, 이에 따른 유체 항력 또한 변화한다. 토사입자의 낙하속도가 느린 층류 조건(
Figure 112021063243612-pat00029
)에서는 경우 토사 입자 후면에서 후류(wake)가 발생되지 않아 유체의 점성력이 중요한 반면, 토사입자의 낙하속도가 빠른 난류 조건(Re > 1)의 경우, 입자 후면에 와류가 발산됨에 따라 관성력이 중요한 지배인자로 작용한다. 스톡스(Stokes)는 층류 조건에서 Navier-Stokes 방정식을 적용하여 관성력이 무시된 상태에서 항력에 대한 식을 이론적으로 유도하여 <식 4>의 침강속도 산정식을 제안했다.
Figure 112021063243612-pat00030
여기서,
Figure 112021063243612-pat00031
는 토사입자의 침강속도,
Figure 112021063243612-pat00032
는 토사입자의 입경,
Figure 112021063243612-pat00033
는 토사입자의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00034
는 침강수의 밀도,
Figure 112021063243612-pat00035
는 침강수의 점성계수,
Figure 112021063243612-pat00036
는 중력가속도 이다.
층류조건에서 결과적으로 항력계수(
Figure 112021063243612-pat00037
)를 도출한 결과, 24/Re의 관계식을 갖는다. 반면, 난류 조건에서 침강속도와 관련한 이론적 해는 존재하지 않기 때문에 실험을 통해 측정하는 방법이 사용되고 있다.
통상적으로, 기존의 입자의 침강속도 관련 측정이나 상기 기술된 이론식들은 대부분 단일입경 토사를 대상으로 발전되어 왔으나, 하천이나 연안지역의 존재하는 토사들은 입경이 서로 다른 혼합토사로 존재하기 때문에, 기본 이론이나 공식을 적용하는데 한계가 있다.
일반적으로, 비점착성 토사의 침강속도를 측정하는 방법은 i) 매스실린더에 토사를 낙하시켜 육안을 통해 시종점의 거리와 시간을 결정하여 침강속도를 산정하는 방법, 또는 ii) 스톡스(Stokes' law) 법칙을 사용한 이론식을 이용하는 방법이 사용되고 있다.
매스실린더 측정방법은 토사의 낙하거리가 1m이하로 짧고, 사람에 의한 육안 관측에 의해 주관적인 요소가 작용해 정확도가 떨어지며, 매스실린더 직경이 좁아 입자가 벽에 부딪혀 실험 오차 크게 작용할 수 있으며, 혼합토에 대한 측정이 불가하며, 체질(sieving)을 통해 단일입경 입자로 분류하여, 각 입경별로 침강속도를 측정해야하는 번거로움이 있다.
스톡스 법칙을 이용하는 방법은 토사입경에 따라 낙하속도 변화에 따라 흐름을 지배하는 영향요소가 달라지는데, 낙하속도가 느리면, 물의 점성이 중요하며, 항력계수에 대한 이론식이 존재한 반면, 낙하속도가 빨라지면, 관성력(inertia force)이 우세해지며, 이에 대한 이론식은 존재하지 않으며, 단순히 경험식에 의존하는 형태이므로, 다양한 입경특성을 반영할 수 없다.
따라서, 상기한 바와 같이 종래 침강속도 측정 방식이 내포하고 있는 문제점을 해결하기 위해 비점착성 혼합토사의 침강속도 측정 방법이 요구된다.
특허 등록번호 10-1458320 (등록일자 2014년 10월 29일), "종말침강속도를 이용한 점도 측정장치 및 측정방법", 전북대학교 산학협력단
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 침강속도 측정 방법의 문제점을 개선하기 위해 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료를 채취하고, 실내에서 침강속도 자동 측정 장치를 사용하여 수중에서 낙하하는 혼합 토사를 침강수주(settling column) 상단의 베네시안 타입의 토사 투하장치를 통해 균일하게 떨어뜨려, 침강수주 내부 하단에 와이어로 연결된 수집팬(pan)을 통해 수집하고, 로드셀을 통해 수집된 비점착성 혼합 토사의 시간별 수중중량을 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 비점착성 혼합토사의 침강속도를 간단하고 정밀하게 측정하며, 혼합 토사의 침강시간별/침강속도별 누적 수중중량을 컴퓨터(PC)에 표시하는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는, 혼합토사의 토사입자들의 침강속도를 측정하기 위해 침강 실험이 이루어지는 침강수주; 상기 침강수주를 상하 길이 방향으로 고정하는 지지대; 혼합 토사를 침강수주 상단 동일높이에서 균일하게 낙하시킬 수 있도록 슬릿 각도 조절이 가능한 베네시안 타입의 토사 투하장치; 상기 침강수주 상단에서 투하된 토사입자들을 하단 위치에서 수집하는 수집팬; 상기 수집팬에 수집된 토사입자들의 수중중량을 실시간으로 측정하는 상단의 로드셀; 상기 상단의 로드셀과 상기 수집팬이 연결되고, 상기 수집팬의 수평상태를 유지하는 k개의 스틸 와이어; 상기 상단의 로드셀의 동작 및 측정주기를 제어하는 제어장치; 및 상기 침강수주에서 수집된 토사의 수중중량을 상기 상단의 로드셀을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합토사의 침강속도를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강시간별 누적 수중중량 분포, 침강속도별 누적 수중중량 분포로 변환하여 표출하는 PC를 포함한다.
본 발명에 따른 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도 자동 측정 장치를 실내에 설치하여 운용할 수 있게 됨에 따라 하천이나 연안지역 등의 관측 지역의 샘플만 있으면, 수분 이내로 신속하게 다입경 토사에 대한 침강속도 분포를 파악할 수 있으며, 별도의 번거로운 분석 과정 없이 작업자의 편의를 증진할 수 있다.
침강속도는 정지된 유체에서 토사입자를 강하시킬 때에 토사입자가 갖는 종말속도(terminal velocity)로 정의되며, 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성 연구에 사용된다.
도 1은 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치(100)의 구성도이다.
도 3은 베네시안 블라인드 원리를 사용하여 각각의 슬릿(131)을 레버(132)를 통해 동시에 90°로 회전시켜 혼합 토사를 균일하게 낙하시키는 토사 투하장치(130)의 사시도이다.
도 4는 원통형 침강수주에서 수집된 혼합 토사의 수중중량을 로드셀을 통해 시간별로 측정하여, 혼합 토사의 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합 토사의 침강속도를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강속도별 누적 수중중량 분포로 변환하여 PC에 표출된 화면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. 본 발명의 설명에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면 번호는 동일한 구성을 표기할 때에 다른 도면에서 동일한 도면번호를 부여한다.
도 1은 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치(100)의 구성도이다.
도 3은 베네시안 블라인드 원리를 사용하여 각각의 슬릿(131)을 레버(132)를 통해 동시에 90°로 회전시켜 혼합 토사를 균일하게 낙하시키는 토사 투하장치(130)의 사시도이다.
도 4는 원통형 침강수주에서 수집된 토사의 수중중량을 로드셀을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 침강속도를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강속도별 누적 수중중량 분포로 변환하여 PC에 표출된 화면이다.
다양한 입자로 존재하는 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도를 자동으로 정밀하게 측정하는 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치(100)는 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료를 채취하고, 실내에서 침강속도 자동 측정 장치를 사용한다.
비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치(100)는 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료인 혼합 토사를 토사 투하장치(130)로 투입하고, 혼합 토사를 원통형 침강수주(settling column)(110) 상단의 베네시안 타입의 토사 투하장치(130)를 통해 균일하게 떨어뜨려, 침강수주 내부 하단에 k개의 스틸 와이어(160)로 연결된 수집팬(pan)을 통해 낙하하는 혼합토사를 수집하고, 로드셀(150)을 통해 수집된 혼합 토사의 시간별 수중중량을 측정하여, 원통형 침강수주(110)의 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 비점착성 혼합토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도를 간단하고 정밀하게 측정하며, 비점착성 혼합 토사의 침강시간별/침강속도별 누적 수중중량을 컴퓨터(PC)(180)에 표시한다.
혼합토사는 자갈, 모래, 실트를 포함하는 비점착성 혼합 토사를 구비한다.
흙 입자의 입경에 따라 자갈, 모래, 실트, 점토로 분류된다. 일반적으로 상용되는 자갈의 입경은 2~76.2mm, 모래의 입경은 0.075~2mm, 실트는 0.02~0.075mm의 입경 범위를 갖는다.
비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치(100)의 침강수주(110)는 원통형 침강수주 또는 수직 다면체형 침강수주로 제작될 수 있으며, 실시예에서는 원통형 침강수주(110)를 예를 들어 설명한다.
본 발명에 따른 침강속도 자동 측정장치(100)는 혼합토사의 토사입자들(자갈, 모래, 실트)의 침강속도를 측정하기 위해 침강 실험이 이루어지는 원통형 침강수주(settling column)(110); 상기 원통형 침강수주(110)를 수직 방향으로 고정하는 지지대(120); 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료인 혼합 토사를 토사 투하장치(130)에 투입되고, 혼합 토사를 침강수주 상단 동일높이에서 균일하게 낙하시킬 수 있도록 슬릿 각도 조절이 가능한 베네시안(Venetian) 타입의 토사 투하장치(130); 침강수주 상단에서 투하된 토사입자들을 침강수주의 하단부 위치에서 수집하는 수집pan(140); 수집pan(140)에 수집된 토사입자들의 수중중량을 실시간으로 측정하는 상단의 로드셀(150); 상단의 로드셀(150)과 수집pan(140)을 연결하고, 수집pan(140)의 수평상태를 유지할 수 있는 k개의 스틸 와이어(160); 상기 상단의 로드셀(150)과 아날로그 디지털 컨버터(ADC, 하중을 측정하기 위한 변환기)를 통해 전선으로 연결되며, 상단의 로드셀(150)의 동작 및 측정주기를 제어하는 제어장치(170); 그리고 상기 제어 장치(170)와 USB 케이블로 연결되며, 상기 원통형 침강수주(settling column)(110)에서 수집된 토사의 수중중량을 상단의 로드셀(150)을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합토사의 침강속도(settling velocity)를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강시간별(settling time) 누적 수중중량 분포, 침강속도별(settling velocity) 누적 수중중량 분포로 도 4에 도시된 바와 같이 변환하여 표출하는 PC(180)로 구성된다.
상기 침강수주(110)는 원통형 침강수주 또는 다면체형 침강수주로 제작되며, 상기 원통형 침강수주(110)의 하단부에는 혼합토사의 침강 실험 종료시 토사와 침강수 시료를 원활히 제거할 수 있도록 배출구에 구비된 배수밸브(190)가 구비되며,
상기 원통형 침강수주(110)의 수직방향으로 낙하거리 측정용 눈금자(111)가 구비된다.
이하, 비점착성 혼합토사의 침강속도 자동 측정장치의 각 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
원통형 침강수주(110)는 토사 투입과 침강수의 수용공간이 내부에 형성되고, 수밀성을 갖도록 외경 20cm, 두께 1.5cm, 높이 2m의 아크릴수지 재질의 원통형으로 구비되며, 침강수주 하부에는 바닥판(121)과 수밀성을 갖도록 결합된다.
지지대(120)는 침강수주 몸체를 지지할 수 있도록 수주 상하 길이 방향을 따라 2개 이상 이격 배치한다.
베네시안 타입의 토사 투하장치(130)는 베네시안 블라인드 원리를 이용해 각각의 슬릿(131)을 레버(132)를 통해 동시에 90°로 회전시켜 혼합 토사를 균일하게 낙하시키는 기능을 한다. 해당 비점착성 혼합토사의 침강속도 자동 측정 장치는 원통형 침강수주(110) 안에 거치하도록 침강수주 직경보다 작게 설계되며, 100g이하의 토사 샘플량을 고려하여 직경 15cm로 제작한다. 각 슬릿(131)의 폭은 혼합토사의 최대직경을 고려하여, 최대 1cm 입경을 갖는 토사가 통과하도록 1cm이상으로 제작한다. 토사 투하장치의 동작은 수동 레버 또는 자동 전자 장치를 사용하며, 투하장치 작동과 동시에 혼합토사의 침강속도 측정 실험은 시작되며, 시간별 혼합 토사의 수중중량 측정 기록은 컴퓨터(PC)(180)에 저장된다.
베네시안 블라인드 원리는 수동 레버(132)를 오른쪽으로 돌리면, 각 슬릿들이 90도 각도로 회전하여 각 톱니바퀴가 연결된 벨트(134) 상의 각 톱니바퀴의 기어(133)들을 회전시켜 개방됨으로써 각 슬릿 상단의 담겨있는 혼합 토사를 균일하게 낙하시킨다.
수집pan(140)은 침강수주 상단에서 낙하한 혼합 토사를 수용하기 위한 공간으로 토사의 최종낙하 종점이 되며, 침강수주의 직경보다 1mm 정도 작게 수집pan이 설계 제작된다.
로드셀(150)은 100g이하의 토사 샘플량을 고려하여 로드셀이 구비되며, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 제어 장치(170)와 연결된다.
참고로, 로드셀(load cell)은 무게를 받으면 압축되거나 늘어나는 변형이 발생되며, 검출된 변형량을 변형측정장치가 전기신호로 검출한 후, ADC에 의해 검출된 변형량의 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환하여 측정된 무게를 숫자로 컴퓨터(PC)(180)로 표시하는 하중측정 장치로 사용된다.
k개의 스틸 와이어(160)는 상단의 로드셀(150)과 수집pan(140)을 연결하고, 수집pan(140)의 수평상태를 유지하는 3가닥, 4가닥, 5가닥, 6가닥, 7가닥 또는 8가닥의 스틸 와이어(160)를 사용할 수 있다. 실시예에서는, 스틸 와이어(160)는 상단의 로드셀(150)과 수집pan(140)을 연결하기 위해 4가닥의 스틸 와이어(160)를 사용하였다.
제어장치(170)는 상단의 로드셀(150)과 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 전선으로 연결되며, 상단의 로드셀(150)의 동작 및 측정주기를 제어한다.
PC(180)는 침강속도 자동 측정 장치의 제어 장치(170)와 USB 케이블로 연결되며, 원통형 침강수주(settling column)(110)에서 수집된 토사의 수중중량을 상단의 로드셀(150)을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합토사의 침강속도(settling velocity)를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 도 4에 도시된 바와 같이 침강시간별(settling time) 누적 수중중량 분포, 침강속도별(settling velocity) 누적 수중중량 분포로 변환하여 표출한다.
도 4는 원통형 침강수주(settling column)에서 수집된 혼합 토사의 수중중량을 로드셀을 통해 시간별로 측정하여, 침강수주에서 혼합 토사의 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합토사의 침강속도(settling velocity)를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강시간별(settling time)/침강속도별(settling velocity) 누적 수중중량(% of Cumulative Weight) 분포로 변환하여 PC에 표출된 화면이다.
비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료를 채취하고, 실내에서 침강속도 자동 측정 장치를 사용한다.
비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는 하천이나 연안지역의 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 샘플 시료인 혼합 토사를 토사 투하장치(130)에 투입되고, 원통형 침강수주(settling column)(110) 상단의 베네시안 타입의 토사 투하장치(130)를 통해 균일하게 떨어뜨려, 원통형 침강수주(110) 내부 하단에 k개의 스틸 와이어(160)로 연결된 하단의 수집팬(pan)(140)을 통해 낙하하는 혼합토사를 수집하고, 로드셀(150)을 통해 수집된 혼합 토사의 시간별 수중중량을 측정하며, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 비점착성 혼합토사의 침강속도를 간단하고 정밀하게 측정하며, 비점착성 혼합 토사의 침강시간별/침강속도별 누적 수중중량을 컴퓨터(PC)(180)에 표시한다.
혼합토사의 침강속도(settling velocity)는 하천이나 연안지역에서 정지된 유체에서 토사입자를 강하시킬 때에 토사입자가 갖는 종말속도(terminal velocity)로 정의되며, 하천이나 연안지역의 침식 및 퇴적 환경의 거동에 대한 특성 연구에 사용된다.
본 발명의 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치는 비점착성 혼합 토사(자갈, 모래, 실트)의 침강속도 자동 측정 장치를 실내에 설치하여 운용할 수 있게 됨에 따라 하천이나 연안지역 등의 관측 지역의 샘플만 있으면, 수분 이내로 신속하게 다입경 토사에 대한 침강속도 분포를 파악할 수 있으며, 별도의 번거로운 분석 과정 없이 작업자의 편의를 증진할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들의 측정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되고 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조를 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 스토리지, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 저장 매체에 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다.　프로그램 명령의 예는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과, 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.　상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로써 작동하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터의 소프트웨어를 이용하여 읽을 수 있는 형태로 기록매체(CD-ROM, RAM, ROM, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등)에 저장될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기와 같이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100: 침강속도 자동 측정장치 110: 원통형 침강수주
111: 낙하거리 측정용 눈금자 120: 지지대
121: 바닥판 130: 베네시안 타입의 토사 투하장치
140: 수집팬(pan) 150: 상단의 로드셀
160: 4가닥의 스틸 와이어 170: 제어장치
180: PC 190: 배수밸브

Claims (8)

  1. 혼합토사의 토사입자들의 침강속도를 측정하기 위해 침강 실험이 이루어지는 침강수주(110);
    상기 침강수주(110)를 상하 길이 방향으로 고정하는 지지대(120);
    혼합 토사를 침강수주 상단 동일높이에서 균일하게 낙하시킬 수 있도록 슬릿 각도 조절이 가능한 베네시안 타입의 토사 투하장치(130);
    상기 침강수주(110) 상단에서 투하된 토사입자들을 하단 위치에서 수집하는 수집팬(140);
    상기 수집팬(140)에 수집된 토사입자들의 수중중량을 실시간으로 측정하는 상단의 로드셀(150);
    상기 상단의 로드셀(150)과 상기 수집팬(140)이 연결되고, 상기 수집팬(140)의 수평상태를 유지하는 k개의 스틸 와이어(160);
    상기 상단의 로드셀(150)의 동작 및 측정주기를 제어하는 제어장치(170); 및
    상기 침강수주(110)에서 수집된 토사의 수중중량을 상기 상단의 로드셀(150)을 통해 시간별로 측정하여, 고정된 낙하거리와 기록된 낙하시간을 환산하여 혼합토사의 침강속도를 측정하며, 시간별 누적 수중중량 데이터를 변환하여 침강시간별 누적 수중중량 분포, 침강속도별 누적 수중중량 분포로 변환하여 표출하는 PC(180)를 포함하는 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 침강수주(110)는 원통형 침강수주(110) 또는 다면체 침강수주로 제작되며, 상기 원통형 침강수주(110)의 하단부에는 혼합토사의 침강 실험 종료시 토사와 침강수 시료를 원활히 제거할 수 있도록 배출구에 구비된 배수밸브(190)가 더 구비되며,
    상기 원통형 침강수주(110)의 수직방향으로 낙하거리 측정용 눈금자(111)가 구비되는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합토사는 자갈, 모래, 실트를 포함하는 비점착성 혼합 토사를 구비하는 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 원통형 침강수주(110)는 토사 투입과 침강수의 수용공간이 내부에 형성되고, 수밀성을 갖도록 외경 20cm, 두께 1.5cm, 높이 2m의 아크릴수지 재질의 원통형으로 구비되며, 상기 침강수주 하부에는 바닥판(121)과 수밀성을 갖도록 결합되는,를 포함하는 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지대(120)는 침강수주 몸체를 지지할 수 있도록 수주 상하 길이 방향을 따라 2개 이상 이격 배치되는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 베네시안 타입의 토사 투하장치(130)는 베네시안 블라인드 원리를 사용하여 각각의 슬릿(131)을 레버(132)를 통해 동시에 90°로 회전시켜 혼합 토사를 균일하게 낙하시키며,
    침강속도 자동 측정 장치의 원통형 침강수주(110) 안에 거치하도록 침강 수주 직경보다 작게 설계되며, 100g이하의 토사 샘플량을 고려하여 직경 15cm로 제작하고, 각 슬릿(131)의 폭은 혼합토사의 최대 직경을 고려하여, 최대 1cm 입경을 갖는 혼합토사가 통과하도록 1cm 이상으로 제작되며, 수동 레버 또는 자동 전자 장치를 사용하여 토사 투하장치의 동작시키며, 투하장치 작동과 동시에 혼합토사의 침강속도 측정 실험은 시작되며, 시간별 토사의 수중중량 측정 기록을 컴퓨터(180)에 저장되는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 수집팬(140)은 침강수주 상단에서 낙하한 혼합토사를 수용하기 위한 공간으로 토사의 최종낙하 종점이 되며, 상기 원통형 침강수주의 직경보다 1mm 작게 수집팬이 제작되는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 로드셀(150)은 100g이하의 토사 샘플량을 고려하여 로드셀이 구비되며, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 상기 제어 장치(170)와 연결되는, 비점착성 혼합 토사의 침강속도 자동 측정 장치.
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