테스트 및 측정 기술은 방파제의 과학 실험에서 신뢰할 수 있는 데이터를 보증

카탈루냐 대학의 방파제 모델
방파제 모델의 측면 모습

해수면 상승 시 가장 중요한 것은 방파제를 튼튼하고 안정적으로 설계하는 것입니다. 하지만 파도가 강한 힘으로 방파제를 치게 되면 어떻게 될까요? 지금까지 과학자들은 힘과 압력을 계산하는 데 공식만을 사용해 왔습니다. 그 이유는 사용할 수 있는 실험 데이터가 없었기 때문입니다.

스페인 바르셀로나에 있는 카탈루냐 산업기술대학의 과학자들은 파도의 충격이 가해지는 동안 발생하는 힘을 알아보기 위해 실험적 접근 방식을 최초로 개발했습니다.

이 실험에서 HBM의 압력 및 힘 센서 뿐만 아니라 고품질 측정 앰프도 중추적인 역할을 했습니다.

 

 

압력 센서 배치

모델의 전면 벽
모델에 장착된 HBM 압력 변환기
모델 방파제를 치는 파도

수직 벽면에 부서지는 파도의 충격은 빠르고 매우 강력한 현상으로 측정하기가 매우 어렵습니다. 설계 하중을 예측하여 방파제를 적절하게 설계하기 위해서는 파도의 충격으로 인해 발생하는 총 힘과 그 작용점을 측정하는 것이 중요합니다. 강화 콘크리트의 외벽을 설계하는 데 있어 압력 또한 중요합니다.

이러한 목적을 위해 카탈루냐 산업기술대학(LIM-UPC)의 해양 엔지니어링 연구소에서 물리적 모델을 제작했습니다. 방파제 모델에는 수직 압력 분포를 측정하기 위해 영향권 오른쪽에 6개의 P8AP 압력센서가 장착되어 있습니다.

이 구조는 파도의 충격으로 인해 발생하는 총 힘과 운동량을 측정하기 위해 2개의 Z6C3 beam load cells 로 지탱하고 있습니다. 

P8AP 절대적인 압력 센서

P8AP는 10바의 측정 범위와 0.3의 정확도를 가진 스트레인 게이지 센서를 기반으로 하는 절대 압력 센서입니다. P8AP는 IP67인데, 이는 방수가 아닌 내후성이 있다는 뜻이므로, 센서에 물이 닿지 않도록 하는 상자가 필요합니다. 

다른 패턴의 압력 센서 위치를 시도할 수 있도록 하기 위해 전면 벽에 20개의 구멍이 추가되었습니다. 6개의 구멍은 압력 센서에 연결되어 있고 다른 구멍은 나사에 연결되어 있습니다. 따라서 얼마 동안은 전면 벽에 물이 닿지 않게 됩니다.

다양한 압력 센서 위치를 사용하여 테스트를 몇 차례 진행해 보면 동일하게 수직으로 배치되어 있는 6개의 압력 센서와 각 센서 사이의 거리(25mm)를 통해 최종 패턴이 정해집니다.

Z6 로드셀의 사용

HBM의 Z6 은 휘어지는 빔 로드셀로 50kg의 공칭 하중과 0.0009%의 최대 용량 정확도를 가지고 있습니다. 이 로드 셀은 압력 센서 보호 상자에 기계적으로 고정되어 있으며 앞에서 설명한 그물 모양 구조로 고정되어 있습니다.
힘을 흡수하여 측정에 영향을 주지 않도록 하려면 기계적 연결을 매우 견고하게 하는 것이 아주 중요합니다. 파도 수로의 상부 구조(파도 수로 자체에서 떨어져 있음)에 고정된 그물 모양 구조가 사용되는데, 그 이유는 그물 모양 구조에는 수직 항력만 있고 노드가 고정되어 있기 때문입니다. 구조를 스스로 변화시켜서 힘을 정확하게 측정하기 위해서는 로드셀의 강도가 그물 모양 구조의 강도보다 훨씬 더 낮아야 합니다.
총 힘, 운동량 및 힘의 작용점에 대한 시계열을 측정하려면 서로 다른 두 위치에 있는 두 로드셀을 연결해야 합니다.

 

 

모든 변환기를 연결하기 위한 통합 데이터 수집 시스템

힘/주파수 비율
압력 및 부하 데이터
시간/압력 비율

이 현상은 매우 빠르기 때문에(수천분의 1초) 모든 채널에 대해 19200Hz의 최대 샘플 주파수를 가진 HBM의QuantumX MX840 8-채널 신호증폭기가 현재 사용 가능한 최상의 선택이었습니다. 힘 변환기와 로드 셀이 모두 catman 소프트웨어로 제어하는 QuantumX에 연결되어 기록되었습니다.
두 방법으로 얻은 결과를 함께 비교할 수 있도록 하려면 6개의 압력 센서와 2개의 로드 셀을 동일한 데이터 수집 시스템 및 샘플에 매우 빠른 속도로 연결할 수 있어야 합니다.
결과를 확인하기 위해 P8AP를 사용하여 결정된 압력 분포를 수직 섹션에서 통합한 압력 변환기와 로드 셀의 결과를 비교했습니다.
초기 결과는 압력 변환기와 로드 셀 사이에서 낮은 샘플 주파수로 양호하게 일치하는 것으로 나타났습니다. 샘플 주파수가 증가할수록 일치가 줄어듭니다. 일부 센서는 젖은/마른 부분에 위치해 있는데, 이런 곳은 충격이 발생하는 동안 공기와 물에 함께 노출되기 때문에 측정하는 동안 P8AP의 기하학적 조건에 문제가 생겨 공기의 압축이 발생할 수 있습니다.
이 문제를 해결하려면 센서에 있는 틈을 글리세린으로 채워야 하며 진공 격막에서 진동이 발생하거나 글리세린이 유실되는 것을 막으려면 진공 상태로 만들어야 합니다.
실험 진행의 다음 단계 중 하나는 8개의 추가 센서 및 또 다른 QuantumX MX840을 통해 압력 센서에 대한 해상도를 향상시키는 것입니다.

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