. its21 > 기술정보/루프차량검지기 동작원리및 기술사양


번호 게시일 제목
1 20000 루프차량검지기 동작원리및 기술사양

[루프차량검지기 동작원리및 기술사양]

1. 개요

 

루프검지기(Inductive Loop Detector)는 도로위에 설치된 루프에 의하여 형성된 감지영역을 차량이 통과하거나, 정차해 있는 경우 루프의 인덕턴스 변화를 감지하여 통과 또는 존재의 결과를 측정하는 차량검지기이다. 루프검지기는 2∼4회의 회전수를 가진 루프코일(Loop wire coil)과 감지장치에서 공급하는 10∼200KHz의 주파수를 갖는 에너지로 인하여 도로위에 설치된 루프에는 균일한 인덕턴스(Inductance)를 가진 교번자장(交番磁場)이 형성되어 차량을 감지할 수있는 감지영역이 형성되며 그 위를 차량이 통과하는 경우 변화하는 인덕턴스를 감지하여 차량의 존재유무를 구별하여 출력한다.

 

 루프감지기 구성도

 

 

 Loop Coil   Sensor    

 

=======

 도입 케이블

  감지기  

   장치    

--- 출력 (신호제어기, 통신장비)

 

 

2. 루프감지기의 동작원리

 

루프에 형성된 자장(磁場)위로 차량이 통과하는 경우 차량과 루프사이에는 자속(磁束)의 변   화가 발생한다. 차량이 존재하지 않는 경우 자로(磁路 :Flux path)를 형성하는 공기의 상대 투자율을 1이라고 하였을 때 도체(導體)의 성분을 많이 포함하고 있는 차량의 상대 투자율은 상당히 큰 값 (철:4000, Mumetal - 니켈, 철, 구리등을 함유한 합금:20,000)을 가지므로 차량의 자기저항(磁氣抵抗: Reluctance)는 공기에 대하여 상당히 적은 값을 가지고 더 많은 자속의 흐림이 발생한다.

이러한 자속의 변화로 인하여 차량(도체)에는 자속의 변화의 반대방향의 자장이 형성되고 이 자장은 기존 루프의 자장과 결합하여 아래 그림과같이 루프의 인덕턴스의 변화를 가져온다.

 

감지기 입력판에서 본 등가회로는 루프의 인덕턴스(Inuctance)와 감지기의 커패시턴스(Capacitance), 그리고 루프와 도입케이블의 저항등으로 구성된 아래와 같은 L-R-C 회로를 형성된다.

차량의 통과로 인덕턴스의 변화가 생기면 주파수 FD의 변화가 일어나며 감지기(Detectors)에서는 이러한 주파수의 변화를 감지하여 차량의 존재유무를 판단한다.

 

 

   

 

 

3. 루프의 특성

 

1)  루프 (Loop)의 인덕턴스

 

    루프의 인덕턴스는 검지기의 인덕턴스 허용범위내에 있어야 한다.

    루프의 인덕턴스를 구하는 공식을 소개하면 다음과 같다.

 

    첫째  Terman이 유도한 공식으로

 

          L = Pnº · ( G+H ) ( μH )    

 

           단:  P = 루프의 둘째, 2 ( S1+ S2 )

                S1= 긴변의 길이( inch )

                S2= 짦은변의 길이 ( inch )

                N  = 회전수

                G, H : 코일의 기하학적인 특성과 wire의 크기와 관계된

                       상수,  여기서는 ( G + H ) = 0.028

 

          예)  그러면 # 12 wire로 6 feet(72 inch) 정방향

               (크기182.82×182.82mm) 3번 감은 루프에 대하여 인덕턴스를

               계산해 보면,

 

                L 6 × 6 = Pn² ( 0.028 ) = 288 × 9 × ( 0.028 ) = 73μH

                로서 측정기와 매우 근사하게 일치된다.

  

    둘째 좀 더 간단히 공식을 소개하면 다음과같다.

 

                    N² + N

           L = P ×   4

           

                   L : 이덕턴스( μH )

                   P : 루프의 둘레길이 ( feet )

                   N : 감은 수( numder of turns )

 

 〔표1〕대표적인 루프인덕턴스표

 

      4Foot wide loops

 loop

 (Ft)

 Inductance( μH)

 

 Loop

 (F t)

  Inductance(μH)

1T

2T

3T

4T

1T

2T

3T

4T

4×4

4×6

4×10

4×15

4×20

4×25

4×30

4×35

4×40

4×45

4×50

4

6

9

13

18

23

29

34

39

44

49

18

30

51

73

96

116

133

150

165

180

194

50

79

121

164

199

230

257

288

309

335

360

92

141

215

280

330

380

424

474

507

549

605

 

4×55

4×60

4×65

4×70

4×75

4×80

4×85

4×90

4×95

4×100

 

54

59

63

68

73

77

84

88

93

88

 

212

225

237

255

265

282

292

308

317

333

 

382

403

422

453

469

484

497

525

535

561

 

 

     

 

      6Foot wide loops

 loop

 (Ft)

 Inductance( μH)

 

 Loop

 (F t)

  Inductance(μH)

1T

2T

3T

4T

1T

2T

3T

4T

6×6

6×10

6×15

6×20

6×25

6×30

6×35

6×40

6×45

6×50

7

10

14

19

24

29

34

40

46

52

41

60

82

102

117

133

154

176

191

206

100

141

181

210

245

272

305

322

349

374

181

246

296

357

407

449

498

529

527

 

6×55

6×60

6×65

6×70

6×75

6×80

6×85

6×90

6×95

6×100

58

62

66

71

76

81

86

90

95

100

219

233

247

262

276

289

302

315

327

339

396

416

435

448

478

497

508

537

554

272

 

 

 

8 Foot wide loops

Loop

(Ft)

Inductance(μH)

 

Loop

(Ft)

Inductance(μH)

1T

2T

3T

4T

1T

2T

3T

4T

 

8×8

8×10

8×15

8×20

8×25

8×30

8×35

8×40

10

12

17

22

27

32

37

42

61

71

92

112

129

146

162

177

141

159

195

227

255

287

317

337

241

265

324

376

422

474

509

553

 

8×45

8×50

 

 

 

 

 

 

48

53

 

 

 

 

 

 

195

209

 

 

 

 

 

 

363

386

 

 

 

 

 

 

594

 

 

 

 

 

 

 

 

      예) 이 공식을 적용해보면

 

        6 feet 정방형 루프에 대해서는

                                      ( 3 + 3 )  =72μH

                   L 6×6 = ( 24 )×     4

 

        8각형 루프에 대해서는

                                     ( 9 + 3 )    = 59.5μH

                   L6 = ( 19.8 ) ×       4   

   

        앞의 표1은 대표적인 루프 인덕턴스를 나타낸다.

 

2)  Q 정수와 그 중요성

 

    Quality factor또는 Q는 공진회에서 소모되는 에너지를 나타내는 지표

    이다.

    Q는 유도리액탄스를 직렬등가 저항치로 나눈 값으로 정의 된다.

 

      직렬에서는

 

 

Q = wL

     Re

 

 

           

      여기서  Q  : 단위없는 index

              w  = 2 ? f

              f  = 동작주파수

              L  = 루프와 lead - in의 인덕던스

              Re = 직렬 등가 저항치

     

     병렬회로에 대해서는 단자의 단락 ( shunt ) 조항을 Re로 놓으면 다음과

     같이 된다.

 

 

              Q  =        Rp  

                           wL

 

  

     위의 관계식들은 비교적 높은 Q값을 갖고 인덕턴스, 저항치, 주파수가

     쉽게 측정할 수있는데서 쓰인다.

     유동성 루프의 경우 인덕턴스는 루프와 lead - inwire에 분포적으로

     되어 있고 lead - inwire의 분포용량 (Distributed capacitance)로 인해

     쉽게 측정되지 않는다.

     또한 등가저항은 루프와 lead - in wir의 저항을 합한 것보다 커지

     게 되어 간단히 측정이 되지않는다.

     실제적으로 인덕턱스와 등가저항을 구하는 대신 공진주파수와 대역폭

     (Bandwidth)을 측정하여 Q값을 구한다.

    

 

                       Q =       공진주파수     =       Fres    

                                      대역폭                    BW

     

 

     대역폭은 공진주파수에서의 전압의 70.7% 되는 두 주파수의를 말한다.

     공진주파수 값은 다음의 〔표2〕을 참조하라

 

 

 

            

4. 검지기의 감도 ( Sensitivity ) 및 루프의 감도

 

검지기 감도 ( detector sensitivity )는 검지기를 작동시킬 수(Actuate) 있는 입력단자에서 최소 인덕턱스 변화율 ( smallest percentag change of inducance )로 정의되다.

변화율은 루프의 크기와 lead -in 과 차량의 종류에 따라 다르다. 원래의 루프 인덕턴스는 루프위에 차량이 움직이면 감소되고, 크기가 높이가 다른 차들마다 그 변화율은 달라진다.

루프를 탐지기 단자로 연결시키는 lead - in의 인덕턴스 또한 전체회로 정수의 일부이며 루프에서 차량 통행에 의해 발생되는 변화는 단자에서의 퍼센트 변화율로 계산될 총 인덕턴스에 비교될 수 있다.

 

이런 관점에서 볼 때 lead - in이 길면 그 인덕턴스가 커지고 단자에서의 감도(Ssenstivity)나 인덕턴스의 퍼센트 변화율이 감소된다.

이런 이유로 루프시스템과 검지기의 감도가 측정되어야 하며, 확실한 동작을 보장하기 위해 설치(Safety margin)를 고려하여야 한다.

 

검지기 단자로 연결되는 lead - in을 포함한 루프시스템의 감도는 수정된 검지기 (Modified detector)와 주파수 계수기(frequency counter) 또는 0.2% 이하의 주파수 변화를 잴 수 있는 측정기를 사용하여 측정할수 있다.

루프, lead - in과 감지기 입력 capacitor가 공진회로를 이룬다고 가정하면

 

       공진점에서

 

               w = 2w f,    f =    1        w² =    1  

                                2w LC              LC

       단 여기서 w = 각 속도

                 f = 주파수

   

       만일  Lo = 차량이 없을 때의 등가 인덕턱스

             Lv = 차량이 있을 때의 등가 인덕턱스

             fo 와 fv는 Lo와 Lv각각에 대한 공진주파수 라면

             wo = 2파이fo       wv = 2파이fv

             wo² = 1/CLo       wv² = 1/CLv

 

       또 델타L = Lo - Lv

    

           델타L =   1   〔  1    1  〕=  1  〔  wv² - wo²

                    C       wo²· wy²      C       wv²· wo²   

 

     그러므로 감도( sensitivity )

                          

      S² = 델타L/Lo =  1 〔  wv² - wo² 〕 · 〔 wv² C 〕 = 〔  wv² - wo²

                     C     wv²· wo²           1              wv²

                  S =  wv² - wo² = fv² - fo°

                      wv²             fv²

  

     그러므로, 퍼센트 감도는

 

        S = 100 × fv² - fo°   %

                fv²

      

     루프시스템의감도는루프의크기, lead - in의 길이, 지면과 단락저항

     (Shunting resistance)에 영향을 받는다.

     감지기 단자에서 충분히 큰 감도를 얻기 위해서는 루프의 크기, lead

     -in의 길이, 단락저항(Shunting resistance) 등을 어떤 범위내로 해야

     한다.

 

     범 위

 

      1) 루프의 크기 6ft × 6ft, 3회전(turns)

      2) lead in 의 길이 최대 750ft× 30㎝ 총길이

      3) 단락저항 ( shunting resitance ) : 3 Ohm

      4) wire의 규격 : XHHW# 12AWG, 연심선 ( 7가닥 )

      5) wire의 절연 : 고밀도 폴리에틸렌 ( hghg density polythylene )

      6) 〔표3〕은 wire의 특성을 보여주고 있다.

                                    

         〔표3〕Properties of Solid Condutors

 

Awg   Nominal

       Diameter( in )

Weight

16/ 1000 ft

Resistance at68 f

ohms/1000 ft

    1     0.2893

    2     0.2576

    3     0.2294

    4     0.2043

    5     0.1620

    6     0.1620

    7     1.443

    8     0.1285

    9     0.1144

  10     0.1919

  11     0.09074

  12     0.08081(2.0526)㎜

  13     0.07196

  14     0.6408(1.63)㎜

  15     0.5707

  16     0.05082(1.29)㎜

  17     0.04526

  18     0.03589

  19     0.03196

  20     0.03196

  21     0.02846

  22     0.02535

  23     0.2257

  24     0.02010

253.3

200.9

159.3

126.4

100.2

                    79.46

63.02

49.98

39.53

31.43

24.92

19.77

15.68

12.43

9.858

7.818

6.200

4.917

3.899

3.092

2.452

1.945

1.542

1.223

 

0.1239

0.1563

0.1970

0.2485

0.3133

0.3851

0.4982

0.6282

0.7921

0.9989

1.260

1.588

2.003

2.525

3.184

4.016

5.064

6.385

8.051

10.15

12.80

16.14

20.36

 25.67 

 

  Awg Nominal

       Diameter

 Weight

 16/100 ft

 Resistance at 68 f

 ohms / 1000 ft

  25      0.01790

  26      0.01594

  27      0.01420

  28      0.01264

  29      0.01126

  30      0.0103

  31      0.008928

  32      0.007950

  33      0.007950

  34      0.007080

  35      0.005615

  36      0.005000

  37      0.004453

  38      0.003965

  40      0.003145

0.9699

0.7692

0.6100

0,4837

0.3836

0.3042

0.2413

0.1913

0.1517

0.1203

 0.09542

 0.07568

0.6001

0.4759

0.3774

 0.02993

  32.37

  40.81

  51.47

  64.90

  81.83

103.2

130.1

164.1

206.9

260.9

329.0

414.8

523.1

659.6

831.8

       1.049