Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu. Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 28/2008

Transkriptio

1 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 28/28

2

3 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu DSC111 TWO Ctrip - Gripman Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 28/28 Tiehallinto Helsinki 28

4 ISSN X TIEH 4626 Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 28/28 Verkkojulkaisu pdf ( ISSN TIEH 4626-v Edita Prima Oy Helsinki 28 Julkaisua saatavana Kaakkois-Suomen tiepiiri TIEHALLINTO Kaakkois-Suomen tiepiiri Kauppamiehenkatu KOUVOLA Puhelin

5 Virtala Pertti. Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu:. Helsinki 28. Tiehallinto, Kaakkois-Suomen tiepiiri. Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 28/28, 76 s. + liitt. s. ISSN X, TIEH Asiasanat: talvi, talvihoito, kitka, mittaus, mittauslaitteet Aiheluokka: 71 TIIVISTELMÄ Tiehallinto teettää talviajan kuukausina talvihoidon laadun seurantamittauksia, joista yksi on kitkan mittaus jarrutusmittaukseen perustuvalla Ctriplaitteella. Jarrutusmittaukseen perustuvan mittauslaitteen yhtenä huonona puolena on huonohko mittaustarkkuus ja kapea kitkaskaala. Kitkan mittaamiseen on olemassa myös muilla mittausperiaatteilla toimivia mittauslaitteita, joita ei ole toistaiseksi otettu vastaavassa laajuudessa käyttöön. Tiehallinnon tiesääasemilla on ollut koekäytössä optiseen mittausperiaatteeseen pohjautuvia kitkanmittauslaitteita, joiden käyttökelpoisuutta on viime aikoina alettu selvittää tarkemmin. Tässä selvityksessä on myös tutkittu miten hyvin optinen mittalaite mittaa kitkaa suhteessa eräisiin muihin käytettävissä oleviin kitkanmittauslaitteisiin. Optisen mittalaitteen yhtenä käyttökohteena voisivat olla muuttuvien nopeusrajoitusten ohjaaminen. Tässä tutkimuksessa asennettiin neljä erilaista kitkanmittauslaitetta samaan mittausajoneuvoon ja tehtiin sekä toistomittauksia että vertailumittauksia. Kitkanmittauslaitteet olivat perinteinen jarrutusmenetelmään pohjautuva Ctrip-laite, jarrutukseen ja hidastuvuuteen pohjautuva Gripman-laite, pyörän luistoon pohjautuva jatkuvatoiminen TWO-laite sekä optiseen havainnointiin pohjautuva DSC-laite. Toistomittauksia tehtiin yhteensä 36 km:n matkalla erilaisilla keleillä ja vertailumittauksia tehtiin yli 5 km erilaisilla teillä ja erilaisilla keleillä. Mittalaitteiden vertailtavuutta jonkun verran häiritsi niiden erilainen näytteenottotaajuus sekä mittaustietojen keskinäisen kohdistumisen onnistuminen. Destian käytössä olevien mittalaitteiden tulosteissa on sekä tieosoite, koordinaattitieto että mittausaikatieto. Muiden mittalaitteiden mittaustulosten kohdistus tehtiin mittausajan perusteella. Kohdistusperusteeksi valittiin 1 sekunnin aikaleima. Mittalaitteista paras toistettavuus on jatkuvatoimisella TWO-laitteella. Toistettavuusmittauksissa toistomittausten erojen hajonta vaihteli pistekohtaisten tulosten arvosta.55 tieosatasolle laskettuun.1 saakka. Ctripin ja Gripmanin toistettavuusarvot olivat lähes samansuuruisia eli.54. Tunnusluvut eivät ole kuitenkaan kovin hyvin verrannollisia, koska esim. Ctrip-mittauksessa kitkanmittauksen skaala on muita mittaustapoja huomattavasti suppeampi. Optisen laitteen toistettavuusmittauksissa erojen hajonta oli.98. Mittauksia häiritsi aivan selvästi olosuhteissa tapahtuneet muutokset, koska ensimmäisen ja toisen mittauskerran välillä oli myös tasoeroa. Tuloksista voidaan todeta, että pistekohtaisten kitkanmittaustulosten vertaaminen toisiinsa tuottaa suunnilleen erojen hajontana.55. Tässä hajonnassa on kuitenkin mukana sekä olosuhteista että paikannusvirheestä johtuvaa vaihtelua, jolloin todellinen hajonta olisi hiukan pienempää. Kitka-arvoja kannattaisikin laskea useamman mittauksen keskiarvona.

6 Mittalaitteiden tuloksia verrattiin myös siten, että referenssilaitteena oli joko TWO tai Gripman. Tällöin referenssilaitetta pidettiin ikään kuin mittatikkuna. Verrattaessa Ctrip-laitetta jatkuvatoimiseen TWO-laitteeseen voidaan todeta, että tuloksissa on sekä tasoeroa että lineaarisuusvirhettä. Ts. Ctrip tuottaa keskimäärin pienempiä kitka-arvoja kuin TWO ja erityisesti suurilla kitkan tasoilla. Pienillä kitkan tasoilla Ctrip tuottaa suurempia kitka-arvoja kuin TWO. Ctrip-laitteen kitkaskaala on tutkituista laitteista kaikkein kapein. Yhtenä syynä laitteen tuloksiin on mittausperiaate, missä mittauksen alku- ja loppukohta määräytyvät ajoneuvon jarruvalojen syttymis- ja sammumisajankohdista. Tällä perusteella mitattava aika on suurempi kuin teholliseen jarrutukseen käytetty aika. Liian suuri aika vääristää kitkatulosta. Verrattaessa Ctrip laitetta hidastuvuusmittaukseen pohjautuvaan Gripmanlaitteeseen voidaan todeta, että ne korreloivat hyvin, mutta tuloksissa on suuri taso- ja lineaarisuusero. Ctrip tuottaa lähes aina pienempiä arvoja kuin Gripman ja ero kasvaa kitkan tason kasvaessa. Verrattaessa Gripman laitetta TWO-laitteeseen voidaan todeta, että tasoeroa ei keskimäärin ole kovin paljoa, sen sijaan pienillä kitkan tasoilla tasoero on suuri positiiviseen suuntaan ja suurilla tasoeroilla suuri negatiiviseen suuntaan. Ts. Gripman-laitteen skaala on kapeampi kuin TWO-laitteen skaala. Verrattaessa optista DSC-laitetta TWO-laitteeseen voidaan todeta, että kummatkin laitteet tuottavat pienillä kitkan tasoilla pieniä arvoja ja suurilla kitkan tasoilla suuria arvoja, mutta yksittäisiä poikkeamia on melko paljon. Ts. tuloksissa on paljon erityissyistä johtuvia poikkeamia. Erityisesti lumisella ja sohjoisella kelillä erot näyttävät olevan suuria. Lumisella ja sohjoisella kelillä toisaalta TWO-laite saattaa tuottaa liian pieniä arvoja kitkapyörän luistamisen takia ja toisaalta DSC saattaa tuottaa liian suuria kitka-arvoja johtuen mm. pölyävästä lumesta tai sohjosta. Tutkimuksesta voidaan johtopäätöksenä todeta mm. että kitkan mittaamisessa on vaikuttamassa useita tekijöitä, jotka tulisi hallita mittaamisessa. Yksi suuri puute on, että kitkalle ei ole olemassa selkeää referenssiä, tosimittaa, johon voitaisiin muita mittausmenetelmiä verrata. Mittausperiaate ja mittausolosuhteet vaikuttavat mittaustulokseen paljon. Kuluneella talvikaudella oli sopivia sää- ja keliolosuhteita vähäisesti tarjolla. Tuotantomittausten omaiset olosuhteet eivät ole kovin hyvä pohja testimittauksille. Testimittauksia tulisi tehdä suppeammissa ja valvotummissa olosuhteissa. Mittaustuloksia ei tulisi käsitellä pistekohtaisina vaan niitä tulisi laskea pitemmille väleille. Mittalaitteet tulisi varustaa täydellisillä osoitetietojen, tieosoitetieto ja koordinaattitieto, hallinnan välineillä. Testimittauksissa neljän eri laitteen hallinta samanaikaisesti on mittausten onnistumisen kannalta riskitekijä.

7 Virtala Pertti. Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu: Helsingfors 28. Vägförvaltningen, Sydöstra Finlands vägdistrikt. Vägförvaltningens utredningar, 76 s. ISSN X, TIEH SAMMANFATTNING Vinterunderhållning står för en betydande del av väghållningskostnaderna i Finland. En av de viktigaste detaljerna i körförhållanden vintertid är friktionen mellan bilens däck och vägunderlaget. Vägförvaltningen följer årligen upp kvaliteten av körförhållandena vintertid genom att mäta beläggningars friktionsnivåer under den fyra månader långa vinterunderhållningsperioden. Den mest använda metoden att mäta friktionsnivån är C-trip friktionstestare. Friktionen mäts per 2 km sektionslängd genom att bromsa bilen som är utrustad med friktionstestare. Friktionsmätningar utförs vanligen under de fyra vintermånaderna december, januari, februari och mars. Mätningssystemet består av fjorton friktionsmätningsinstrument (=bil+friktionstestare+förare). Även om mätsystemet testas och kalibreras årligen före vinterperioden och varje månad under mätningsperioden, så är mätningarnas kvalitet inte så bra som förväntas. Denna mätmetod har en del nackdelar och det har funnits många planer på att ersätta den. I det här projektet har en jämförelse mellan fyra olika mätinstrument utförts. Tre kompletterande mätinstrument testades mot den nuvarande mätmetoden. Mätinstrumenten var Gripman tester från AL-Engineering Ab, Traction Wacher One från Fosstech Asi Vestfold Norge, och DSC111 från Vaisala Ab i Finland. Det första målet var att testa repeterbarheten av varje instrument. Det fanns även en möjlighet att se hur vinterförhållandena skulle påverka repeterbarheten men det visade sig vara ganska svårt att finna passande vinterförhållanden under denna vinter i södra Finland. Varje instruments repeterbarhet testades genom två körningar på ett testvägnät med 36 km på samma dag. Repeterbarheten av ett instrument var estimerad genom att titta på spridda plottar av paret av körningar, korrelation av rundorna, standardavvikelsen av skillnaden från båda körningarna, och genomsnittet av skillnaden mellan körningarna. Som förväntat var medelvärdena av skillnaderna små, mellan Standardavvikelser av skillnader från två körningar var mellan beroende på instrumentet och det genomsnittliga intervallet. Den huvudsakliga indikatorn av repeterbarheten var standardavvikelsen av skillnaderna. TWO instrumentet hade den bästa repeterbarheten särskilt då resultaten var genomsnittliga för en längre period. Det andra målet var att se hur bra resultaten av varje instrument passar till varandra. Det här målet var en kombination av tester mellan mätningarnas sanningshalt och reproducerbarhet. Först jämfördes det andra instrumentet med TWO och sedan med Gripman. Den här jämförelsen gjordes med data från ett relativt stort antal friktionsmätningar, totalt 5 km vägar. Ctrip metoden ger i genomsnitt lägre värden än TWO eller Gripman. Omfånget av friktionsvärdena varierade mellan och.55. Det fanns också ganska höga linjära avvikelse så att skillnaden är högt negativ i området med låg friktion och högt positiv i området med höga friktionsvärden. Gripman är närmare Ctrip än TWO. Gripman passar till TWO lite bättre men där

8 finns även höga linjära avvikelser. Gripman ger maximalt värde.8 och TWO ger upp till 1.. DSC och TWO ger friktionsvärden i en liknande skala men det finns mycket variation mellan dem. Det fanns förmodligen växelverkan mellan TWO och DSC så att TWO`s hjul genererade lite snö- cirkulation i området kring DSC sensorer och detta hade en negativ påverkan på resultaten.

9 Virtala Pertti. Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu: () Helsinki 28. Finnish Road Administration, Kaakkois-Suomi region. Finnra reports, 76 p. ISSN X, TIEH SUMMARY Winter maintenance has a major part in road keeping expenditures in Finland. One of the most important detail in driving conditions in wintertime is the friction between the tire of a car and road pavement. Road Administration is following annually the quality of driving conditions in wintertime by measuring the friction level of pavements during the four months winter maintenance period. The most used method to measure the friction level is the C-trip-ц friction tester. The friction is measured in every 2 km section length by braking the car which is equipped with the friction tester. Friction measurements are done usually during the four winter months, December, January, February, and March. The measurement system consists of fourteen friction measurement devices (=car+friction tester+driver). Although the measurement system is tested and calibrated annually before the winter period and during the measurement period in every month the quality of measurements is not as good as is expected. This measurement method has some disadvantages and there have been several projects to find replacement for it. In this project a comparison between four different measurement devices has been conducted. Three additional measurement devices were tested against the current measurement method. The measurement devices were Gripman tester by AL-Engineering Oy, Traction Wacher One by Fosstech AS in Vestfold Norway, and DSC111 by Vaisala Oyj in Finland. The first goal was to test the repeatability of each device. There was also an option to look how the winter conditions would affect to the repeatability but it showed up quite difficult to find suitable winter conditions during this winter in Southern Finland. The repeatability of each device was tested by making two runs on a test road network with 36 km of roads in the same day. The repeatability of a device was estimated by looking the scatter plots of the pair of runs, correlation of those runs, the standard deviation of the difference of both runs, and the average of the difference of the runs. As would be expected the average values of differences were small, between Standard deviations of differences of two runs were between depending on the device and the averaging interval. The main indicator of the repeatability was the standard deviation of differences. The TWO device had the best repeatability especially when the results were averaged in a longer period. The other goal was to look how well the results of each device fit against each other. This goal was a combination of testing between the trueness and reproducibility of measurements. First the other devices were compared with TWO and then with Gripman. This comparison was made using data of a relatively large amount of friction measurements totalling to 5 km roads. Ctrip-method gives in average lower values than TWO or Gripman. The range of friction values varied between and.55. There is also quite high linearity error so that the difference is high negative in the area of low friction and high positive in the area of high friction values. Gripman is closer to Ctrip than TWO.

10 Gripman fits to TWO a little bit better but there is also high linearity error. Gripman gives values maximum of.8 and TWO gives up to 1.. DSC and TWO gives friction values in a similar scale but there is lots of variation between them. There were probably interaction between TWO and DSC so that the wheels of TWO lifted some snow circulation in the area of DSC sensors and this had a negative effect to the results.

11 ESIPUHE Tässä työssä tarkastellaan neljän eri kitkan mittauslaitteen mittaustarkkuutta tuotantomittausten omaisissa olosuhteissa. Työssä käsitellään mittaustarkkuuden eri lajeja, toistettavuus ja uusittavuus, sekä tehdään mittauksia niiden selvittämiseksi. Samalla tutkitaan eräiden olosuhdetekijöiden vaikutusta mittaustarkkuuteen. Selvityksen on tilannut Kaakkois-Suomen tiepiiri. Selvitystä on ohjannut työryhmä, johon ovat kuuluneet: Pasi Halttunen Yrjö Pilli-Sihvola Jouko Kantonen Kimmo Toivonen Kari Kuronen Matti Oinas Taisto Haavasoja Tiehallinto (pj) Tiehallinto Tiehallinto Tiehallinto Tiehallinto Tiehallinto Vaisala Oy Taustajäseninä ovat olleet: Timo Järvinen Anne Leppänen Pirkko Saarikivi Ilkka Alanko Tiehallinto Tiehallinto Foreca Foreca Selvityksen on tehnyt Pertti Virtala Destian konsultointipalveluista. Mittauksia on suorittaneet. Juha-Matti Vainio Seppo Rahikainen Juhani Sulonen Destia Destia Destia Kouvolassa huhtikuussa 28 Tiehallinto Kaakkois-Suomen tiepiiri

12

13 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 11 Sisältö TIIVISTELMÄ 3 SAMMANFATTNING 5 SUMMARY 7 ESIPUHE 9 I KITKAMITTAREIDEN MITTAUSTARKKUUDEN VERTAILU 13 1 TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT Kitkan merkitys Kitkan mittaaminen Kitkan mittaamiseen vaikuttavia tekijöitä 16 2 TYÖN TAVOITTEET, LÄHESTYMISTAPA JA RAJAUS Työn tavoitteet Lähestymistapa Rajaus Tehtävän kytkennät ja riippuvuudet 19 3 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET Tavoitteiden määrittely Näytevaihtelun hallinta Olosuhteet Kohdistuvuus - kalibrointi Tavoite 1 toistettavuus Tavoite 2 uusittavuus Koesuunnittelu Tavoitteen 2 edellyttämät koetilanteet Tavoitteen 1 edellyttämä koetilanne 26 4 MITTAUSLAITTEET Jatkuvatoiminen - Traction Watcher One Tekninen kuvaus Mittaaminen Tulosteet Optinen kelianturi DCS 111 ja lämpötila-anturi DST Tekninen kuvaus Mittaaminen Tulosteet Jarrutuskitkamitttari - Ctrip Hidastuvuusmittari - Gripman 32

14 12 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 5 MITTAUKSET Mittaukset Vertailumittaukset Reitti V Reitti V Toistettavuusmittaukset Reitti T Reitti T TULOKSET Mittareiden resoluutio Mittareiden toistettavuus Ctrip Gripman DSC TWO Mittareiden toistettavuus yhdessä Mittareiden yhdenvertaisuus uusittavuus Ctrip vs. TWO Ctrip vs. Gripman Gripman vs. TWO DSC vs. TWO Mittaustulosten erojen keliriippuvuus Taustatekijöiden vaikutustarkastelua 67 7 JOHTOPÄÄTÖKSET 71 8 YHTEENVETO 74 9 LÄHDEKIRJALLISUUS 76

15 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 13 TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT I KITKAMITTAREIDEN MITTAUSTARKKUUDEN VERTAILU 1 TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT Tiehallinto on seurannut talvihoidon laatua mm. teettämällä kitkan mittauksia. Kitkan mittaukset on suoritettu jarrutuskitkaan perustuvalla Ctrip-kitkan mittaus menetelmällä. Markkinoilla on olemassa useita kitkanmittausmenetelmiä, joita on vertailtu eri tutkimuksissa mm. Kitkanmittauslaitteiden vertailututkimus 2. Tiehallinnon selvityksiä 6/21 ja Optisen kelianturin ja lämpötila-anturin toimivuuden ja hyödyntämismahdollisuuksien arviointi -yhteenvetoraportti. 26. Tiehallinto tarvitsee uusia kitkanmittausmenetelmiä talvihoidon laadun seuraamisessa ja mm. muuttuvien nopeusrajoitusten ohjaamisessa. Tätä taustaa vasten halutaan selvittää tarkemmin, miten nykyiset kitkamittarit toimivat eri keleillä ja kuinka luotettavia ne olisivat Tiehallinnon uusien tarpeiden toteutuksessa. 1.1 Kitkan merkitys Ajoneuvon kiihdyttämisen, jarruttamisen ja sivuttaispidon kannalta on välttämätöntä, että renkaan ja tien pinnan välissä on riittävästi kitkaa. Ajoneuvon ja tien pinnan välillä vaikuttaa siten kolme erilaista kitkakomponenttia. Yksi keskeisimmistä kitkakomponenteista on jarrutustilanteissa tarvittava kitka. Jarrutustilanteissa kitka edustaa eräänlaista tehoa, jolla liikkuvan ajoneuvon liike-energiaa saadaan muutettua lämpöenergiaksi. Turvallisuus edellyttää, että tämä energian siirto pystytään tekemään riittävän lyhyessä ajassa. Jarrutusmatka vs. kitka eri alkunopeuksilla Jarrutusmatka L=V a 2 /(2цg)(m) Talviajan kitkan ominaisalue Ctrip-mittauksissa Kitkakerroin ц=v a 2 /(2Lg) Kuva 1. Kitkakertoimen vaikutus jarrutusmatkaan eri alkunopeuksilla. Kitkan ominaisalue arvioitu Ctrip-mittauksista.

16 14 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT Kitka riippuu monista eri tekijöistä kuten esimerkiksi renkaan kunnosta, tienpinnan karheudesta, jossain määrin nopeudesta, lämpötilasta ja rengaspaineesta ja erityisesti tien pinnalla vallitsevista talvikeliolosuhteista. Teiden talvikunnossapidon kannalta ollaan ensisijaisesti kiinnostuneita eri muodoissaan esiintyvän jään vaikutuksesta autoilijan kokemaan kitkaan vallitsevalla kelillä. Valtaosa liikenteestä kulkee kuivan kelin kitkan alueella.8 ±.1. Kovalla jääpinnalla kitka on tyypillisesti alueella ±.1. On todettu, että liukkaus alkaa aiheuttaa turvallisuusriskejä, kun kitka laskee alle.4. Jarrutusmatka on tällöin jo kaksinkertaistunut. Jarrutusmatka on kääntäen verrannollinen kitkaan ja päinvastoin. Kuivalla kelillä kitkan ollessa.8 on jarrutusmatka 1 km/h alkunopeudesta noin 5 m. Kun keli muuttuu ja siinä alkaa olla liukkautta, laskee kitka tasolle.4 ja jarrutusmatka kasvaa 1 m:iin. Liukkailla keleillä, kitkatasoilla, on jarrutusmatka 2 m. Kitkan muutos vaikuttaa jarrutusmatkaan sitä enemmän mitä pienemmissä kitkatasoissa ollaan. Samansuuruinen virhe kitkan mittaamisessa korkeilla tasoilla ei aiheuta yhtä suurta vaikutusta (käyrän derivaatta) jarrutusmatkassa kuin matalilla kitkatasoilla. Tästä syystä kitkan mittaamisen tarkkuus on tärkeätä juuri matalilla tasoilla. 1.2 Kitkan mittaaminen Renkaan ja tien pinnan välistä kitkaa voidaan mitata useilla eri menetelmillä, joita ovat mm. jarrutusmatkan ja alkunopeuden mittaaminen hidastuvuuden mittaaminen kiihtyvyysanturilla mittaaminen mekaanisella kitkapyörällä vesi- ja jääpitoisuuden optinen mittaaminen Jarrutusmatkan mittauksella saadaan paras tulos keskimääräisestä kitkasta olettaen, että koko jarrutusmatkalla on pääosin sama keli. Käytännössä tieympäristössä pääse harvoin mittaamaan jarrutusmatkaa. Seuraavaksi paras absoluuttinen tapa on mitata maksimi hidastuvuus tarkastetulla kiihtyvyysanturilla jarruttamalla hetki tehokkaasti kaikilla pyörillä. Kolmas vaihtoehto on mitata kitka mekaanisella kitkapyörällä, jonka pyörimä jää etenemää pienemmäksi ja näin aiheutunut voima mitataan ja kalibroidaan vastaamaan oikeaa kitkaa. Kiihtyvyysanturilla mitattu kitka on teoreettisesti oikea, kunhan kalibrointi on tarkastettu 9 kallistuskokeella. On kuitenkin syytä olla tietoinen muutamista muista virhelähteistä, jotka mittauksessa voivat vaikuttaa: Ensinnäkin kaikkien auton pyörien tulee olla tehokkaassa jarrutustilassa. Jos vain osa pyöristä jarruttaa, kitkalukemaksi tulee liian pieni arvo, sillä osa auton massasta tulee kannatetuksi jarruttamattomilla pyörillä. Vastaavasti auto ei saa kokea muita jarruttavia tekijöitä. Esimerkiksi erilliset mekaaniset kitkanmittauspyörät tai laitteet jarruttavat autoa mitatessaan ja lukemaksi tulee tässä tapauksessa todellista parempi kitka. Sen sijaan auton massa (henkilöautot) ja mahdollinen ylimääräinen kuorma ei vaikuta tulokseen, kunhan sen koko paino on jarruttavien renkaiden varassa.

17 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 15 TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT Periaatteessa auton ilmanvastus parantaa kitkalukemaa hieman, mutta sen merkitys ei ole oleellinen alle 1 km/h nopeuksilla. Jos hidastuvuusmittaus tehdään ylä- tai alamäessä, tästä tuleva korjaus voidaan ottaa laskennallisesti huomioon, kunhan tiedetään kaltevuuskulma. Jos kiihtyvyys mitataan auton nopeudenmuutoksen ja jarrutusajan avulla kuten Eltrip ja Ctrip -mittareilla, ongelmaksi jää ensisijaisesti näiden suureiden tarkka määritys. Usein mittauksen alku- ja loppukohdat määräytyvät jarruvalojen syttymisen ja sammumisen perusteella, jolloin tehokkaaseen kitkanmittaamiseen käytetty aika korostuu ja kitkataso saadaan siten matalammaksi (a-periaate). Kitka_ a = dv a /dt a * g < Kitka_ b =dv b /dt b * g jarruvalo syttyy jarruvalo syttyy dt a dt a v(m/s) dt b v(m/s) dt b auto jarrutus alkaa auto jarrutus alkaa pyörä pyörä dv b dv a dv b dv a t(s) jarrutus loppuu jarruvalo sammuu matalan kitkan tilanne t(s) jarrutus loppuu jarruvalo sammuu korkean kitkan tilanne Kuva 2. Kitkan mittaamisperiaate nopeuden ja hidastuvuuden avulla matalan ja korkean kitkan tilanteissa. (Haavasoja/Virtala). Ctrip käyttää a-periaatetta ja Gripman b-periaatetta. Oheisessa periaatekuvassa on esitetty auton nopeus mustalla viivalla ja pyörän pyörimisnopeus sinisellä. Kitkan laskentaan tarvittava aika dt ja nopeuden muutos dv jäävät helposti epämääräisiksi, koska tarkkaa hetkeä auton pyörän pysähtymiselle ei ole helppo määrittää. Käytännössä tätä ongelmaa on yritetty poistaa "kalibroimalla" kitkamittarin lukema vastaamaan havaittua kitkaa polannetiellä. Tällainen yhden pisteen kalibrointi jättää täysin auki anturin vasteen erittäin liukkailla ja toisaalta hyvin pitävillä keleillä, jolloin saatu "kitka" ei vastaa fysikaalista jarrutusmatkaa eikä sääntö "lukeman puolittuminen pidentää jarrutusmatkan kaksinkertaiseksi" päde. Seuraavassa kuvassa on verrattu kahta kiihtyvyysanturia ja erästä Eltrip anturia keskenään. Eltrip anturin kitkavaste on keskimäärin vain 57 % todellisesta kitkasta ja lisäksi sillä on positiivista nollapoikkeamaa noin.5 yksik-

18 16 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT köä sekä hajontaa lähes saman verran liukkaassa päässä ja jopa yli.1 yksikköä pitävässä päässä..9.8 Kiihtyvyysanturin 2 tai Eltripin kitka Kiihtyvyysanturit Eltrip Linear (Kiihtyvyysanturit) Linear (Eltrip) y = 1.11x +.37 R 2 =.9972 y =.5665x R 2 = Kiihtyvyysanturin 1 kitka Kuva 3. Kiihtyvyysanturilla ja jarrutusmenetelmällä mitatun kitkan skaala. Jarrutusmenetelmällä mitattu kitka on vain 57 % kiihtyvyysanturilla saatuun kitkaan verrattuna. (Haavasoja). 1.3 Kitkan mittaamiseen vaikuttavia tekijöitä Renkaan ja tien pinnan väliseen kitkaan ja sen mittaamiseen on aina vaikuttamassa useita eri tekijöitä, joiden täysimittainen huomioiminen ei useimmiten ole mahdollista. Tutkimusta suunniteltaessa ja mittaustuloksia tulkittaessa on kuitenkin hyvä tunnistaa niiden olemassaolo. Hyvässä koesuunnitelmassa pyritään selkeyttämään ne tekijät, joiden vaikutusta halutaan tutkia. Muut tekijät joko vakioidaan tai satunnaistetaan. On kuitenkin useita tekijöitä, joiden vakioiminen tai satunnaistaminen kokeen ajaksi on vaikea saada toteutumaan. Seuraavassa kuvassa on havainnollistettu kitkaan ja sen mittaamiseen liittyviä lukuisia taustatekijöitä. Osaa niistä voidaan yrittää huomioida, mutta osa jää huomioimatta. Sen mukaan vaikutuslähteitä ovat mittaaja, itse tie, mittaustapa tai metodi, ympäristö, liikenne tai mittalaite. Kuhunkin päävaikutuslähteeseen liittyy sitten lukematon määrä erilaisia juurisyitä, joilla on enemmän tai vähemmän vaikutusta tutkittavaan asiaan.

19 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 17 TAUSTA JA LÄHTÖKOHDAT Mittaustapa Tie Hoito Mittaaja Ajolinja Jarrutustapa Päällyste Karkeus Ajonopeus Ajolinja Havainnointi -pintakosketus -- UÄ-mittaus Lämpötila Näytetiheys Keskiarvostus Katuvalot Liikenne Pituuskaltevuus Sivukaltevuus Epätasaisuus Ctrip Jarrutustapa Tien kitka Suht.kost. Renkaat BV-11 Lumisuus Tuuli Jarrujärj. TWO Jää Sohjo Paino DSC111 Ympäristö Liikenne Kalibrointi Mittauslaite Gripman Kuva 4. Tien kitkaan ja sen mittaamiseen vaikuttavia tekijöitä.

20 18 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TYÖN TAVOITTEET, LÄHESTYMISTAPA JA RAJAUS 2 TYÖN TAVOITTEET, LÄHESTYMISTAPA JA RAJAUS 2.1 Työn tavoitteet Työn tavoitteena on selvittää eri kitkanmittaustapojen toimivuutta ja käyttökelpoisuutta eri keleillä mittaustarkkuuden näkökulmasta. Työn tekemisessä on seuraavia osia/vaiheita: - toteutettavan vertailun tavoitteiden täsmentäminen - täsmennetyistä tavoitteista johdettu koesuunnittelu - mittausreittien suunnittelu - mittaukset - mittaustulosten keruu ja varastointi - mittaustulosten analysointi - tulosten raportointi 2.2 Lähestymistapa Työn toteuttaminen noudatti normaalia tutkimuksen vaiheistusta, missä aluksi pyritään sopimaan täsmällisesti mitä tutkimuksella / selvityksellä ollaan hakemassa ja sen jälkeen suunnitellaan mittaukset niin, että niillä on mahdollista saada selville haettava tavoite. Tutkimuksen rungon muodostavat kentällä tehtävät mittaukset, joiden edustavuus eri kelien suhteen pyritään saamaan mahdollisimman hyväksi. Tutkimuksen onnistumisen kannalta on tärkeää saada oikea määrä edustavia havaintoja eikä niinkään mahdollisimman paljon dataa. Tutkimus tehtiin yhdellä mittausajoneuvolla (ja mahdollisuuksien mukaan yhtä kuljettajaa käyttäen) siten, että kaikki mittaustavat ovat yhtä aikaa siinä mukana. Kaikkia mittausmenetelmiä ei ehkä välttämättä pystytä käyttämään samalla ajolla, mutta peräkkäisillä kylläkin. Mittausreittien suunnittelussa oli alussa tarkoitus huomioida kiinteät mittausasemat ja verrata mittauksista saatua tietoa niiden tuottamaan, mutta siitä kuitenkin lopulta luovuttiin. Sopivia mittauspäiviä ei tänä talvena ollut tarpeeksi useista syistä johtuen. Mitään järjestelyjä tiettyjen keliolosuhteiden tekemiseksi ei tehty vaan mittauksia tehtiin vallitsevissa olosuhteissa. 2.3 Rajaus Tehtävän laajuus on suhteutettava käytettävissä oleviin resursseihin ja sen onnistumiseen vaikuttaa se miten talven kelit kehittyvät. Kuluneena talvena kelit ja mittausten muut rajoitukset todella rajoittivat tutkimuksen mittauksia. Toisena rajaavana tekijänä oli mm. mittauslaitteiden toimivuus ja käytön onnistuminen.

21 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 19 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET 2.4 Tehtävän kytkennät ja riippuvuudet Työssä ei ollut kovin vahvoja kytkentöjä muihin projekteihin. Pääasiallisin kytkentä liittyy siihen, että mittaukset saadaan toteutettua ja ne kuvaavat normaalin talven kelien esiintymistä. Projektin aikana tuli esille erään toisen kitkamittauksia käsittävän projektin tarve. 3 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET 3.1 Tavoitteiden määrittely Tavoitteiden määrittely määrää pitkälle sen miten tutkimus eri osavaiheineen etenee. Tavoitteissa pyrittiin sopimaan ja yksilöimään ne asiat, joita tutkimuksella pyritään selvittämään ja ne asiat, joita ei pyritä selvittämään. Tavoitteiden määrittelyssä tukeuduttiin vaihtelun eri lajien käsitteisiin (Kuva 1). Vaihtelu koostuu pääosin itse prosessin vaihtelusta, näytevaihtelusta sekä mittausepävarmuudesta. Prosessinvaihtelu on se asia, jota mittauksilla ensisijaisesti halutaan selvittää. Tässä tilanteessa sillä tarkoitetaan tien pinnan kitkaa eri kelien vallitessa. Kun mittauksia suoritetaan otoksina, niin niihin liittyy ns. näytevaihtelu, joka riippuu prosessinvaihtelun ja näytekoon suuruudesta. Pienillä otoksilla näytevaihtelu on suurempaa kuin suurilla otoksilla. Suurilla näytemäärillä pystyy saamaan selville pienempiä eroja kuin pienillä näytemäärillä. Näytteiden varsinaiseen mittaamiseen liittyy itse mittausepävarmuus, jolla on useita eri komponentteja. Näytevaihtelun hallinta on tärkeätä erityisesti tilastollisten hypoteesien testaamisessa. Graafisissa tarkasteluissa se ei ole niin tärkeä. VAIHTELU Prosessin vaihtelu Näytevaihtelu Mittausepävarmuus Normal(,3225;,6) vs Normal(,22;,2) Resoluutio ,1,15,2,25,3 < 5,% 9,% 5,% >,2238,4212,35,4,45,5 Kohdistuvuus Lineaarisuus Toistettavuus Uusittavuus Pysyvyys Tuotantolaatu Kuva 5. Vaihtelun lähteet ja mittausepävarmuuden eri lajit (Andrew Sleeper).

22 2 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET Kuvan 5 mittausepävarmuuteen liittyviä käsitteitä voidaan luonnehtia seuraavasti: Resoluutio = mittalaitteen lukematarkkuus. Todetaan laitevalmistajan esitteistä. Kohdistuvuus = mittalaitteen ja tosimitan välinen ero. Tarvitaan mittaustulos ja oikea tulos. Oikeaa tulosta on usein vaikeaa saada joten sitä on hankala selvittää. Toistettavuus = mittalaitteen kyky toistaa tulos samanlaisissa olosuhteissa tehdyissä toistomittauksissa. Tarvitaan toistomittauksia. Helppo selvittää. Toisaalta on varottava, etteivät olosuhteet pääse toisen mittauksen aikana oleellisesti muuttumaan. Uusittavuus = kahden eri mittalaitteen (tai miehistön) yhdenmukaisuus. Tarvitaan kaksi samanlaista mittalaitetta. Helppo selvittää. Toisaalta voitaisiin tutkia yhdessä kaikkia laitteita ja todeta olisivatko ne yhdessä kelvollinen mittausjärjestely. Mutta tämä ei liene ensisijainen tavoite. Tässä yhteydessä voidaan käsitellä myös mittalaitetta käyttävän miehistön vaikutus. Mittausepävarmuus = toistettavuus ja uusittavuus yhdessä. Tämä saadaan jos molemmat komponentit, toistettavuus ja uusittavuus ovat selvillä. Pysyvyys = mittaustarkkuuden pysyminen ajassa (stabiilius). Tämä osio ei ole kiinnostava tässä vaiheessa. Sitten jos/kun mittaustekniikat tulevat jatkuvaan käyttöön niin mittausten toimittaja on kiinnostunut siitä kuinka hyvin mittausjärjestelmä pysyy stabiilina (esim. C-tripin kalibrointitarve). Lineaarisuus = mittausvirheen (kohdistusvirheen) tasoriippuvuus. Tarvitaan mittauksia mitattavan suureen koko arvoalueelta sekä referenssimittaus. Helppo selvittää jos referenssimittaus on käytettävissä. Tuotantolaatu = mittausten laatu suhteessa asiakasvaatimuksiin. Tuotantolaatu todetaan usein tuotanto- ja kontrollimittausten välisen eron ja asiakkaan sille asettaman maksimiarvon perusteella. Helppo selvittää, mutta ei liity tähän tutkimukseen. Kitkan mittaamisessa ovat tärkeimmällä sijalla kohdistuvuus, toistettavuus, uusittavuus ja lineaarisuus. Kohdistuvuuden selvittämisen ongelmana on se, että ei ole käytettävissä absoluuttista referenssiä, tosimittaa, jota vasten kohdistuvuusvirhettä voidaan arvioida. Ainut tosimitan korvike on mittaajan

23 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 21 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET arvio, miltä keli tuntuu. Toisaalta se ei ole kuitenkaan kovin tarkka ja siihen on referenssimittana suhtauduttava asianmukaisella varovaisuudella. Kitkanmittaustapojen paremmuudesta kertoo toisaalta se miten toistettava kukin menetelmä on. Tällöin tehdään toistomittauksia sään sallimissa rajoissa ja siitä tutkimus todennäköisesti tuottaa kaikkein varmimmat tulokset. Mittausepävarmuuden toinen pääkomponentti on uusittavuus eli saman mittaustekniikan eri laitteiden samankaltaisuus. Tämän tutkimiseen tarvittaisiin kustakin mittaustekniikasta kaksi laitetta. Koska kohdistuvuutta ei voida referenssilaitteen puuttuessa tutkia, ei kohdistuvuuden lineaarisuusvirhettäkään voida tutkia. Sen sijaan toistettavuusvirheen lineaarisuutta kyllä voidaan tutkia (Normaalisti lineaarisuusvirhettä tutkitaan kohdistuvuuden yhteydessä). Kun toistettavuus ja uusittavuus ovat selvillä, voidaan päästä arvioimaan mittausjärjestelmän käyttökelpoisuutta itse prosessivaihtelun selvittämisessä. Prosessivaihteluhan on tässä tilanteessa kitkan todellista vaihtelua tiellä eri olosuhteissa ja siitä tienpidossa viime kädessä ollaan eniten kiinnostuneita. Yksi tapa arvioida mittauksen laatua on käyttää laatutekniikoista tuttua sääntöä, että mittausepävarmuuden tulisi olla mielellään alle 1 %, mutta enintään 3 % kokonaisvaihtelusta, jotta mittausjärjestelmä olisi kykenevä paljastamaan prosessissa käytännössä tapahtuvaa vaihtelua riittävän tarkasti. Edellisten lisäksi tutkimuksessa on kiinnostavaa selvittää miten hyvin mittalaitteet mittaavat eri olosuhteissa. Olosuhteita kuvaavina muuttujina ovat mm. keli, lämpötila ja mittausnopeus. Selvitettäviä tarkkuuksia voidaan tutkia suhteessa kaikkiin näihin olosuhdemuuttujiin. Mittausten laajuus riippuu vahvasti siitä mitä tarkkuuskomponentteja halutaan selvittää ja mitä olosuhdemuuttujia halutaan ottaa mukaan Näytevaihtelun hallinta Mittauksiin liittyvissä tutkimuksissa ollaan useimmiten tekemisissä näytteiden kanssa. Todellisuutta aproksimoidaan ottamalla siitä näytteitä ja tekemällä johtopäätöksiä siitä saatavan informaation pohjalta. Näytteiden määrällä ja ottotavalla on merkitystä siihen mitä tutkimusmittauksista on saatavissa ulos. Keskeisimmät neljä näytemuuttujaa ovat: - prosessivaihtelu - merkitsevyystaso - erottelutarkkuus - näyteteho Prosessivaihtelu on se vaihtelu, jota tutkimuksilla tai mittauksilla halutaan prosessista selvittää. Tien talviajan kitkan osalta tämän vaihtelun on todettu olevan luokkaa.6. Kitkan teoreettinen vaihtelualue on välillä.-1. ja sen mittaamisessa on havaittu, että mittausten hajonta on.6. Tosin tässä yhteydessä on muistettava, että nykyisellä mittaustavalla ei pääsääntöisesti

24 22 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET päästä ääriarvoa.4 suuremmalle tasolle, mikä antaa prosessinvaihtelusta liian pienen kuvan. Toisaalta yli.4 olevat arvot eivät enää kitkan kannalta kovin paljoa kiinnosta, koska kitka on silloin riittävällä tasolla. Merkitsevyystaso on ns. tyypin I virheen todennäköisyys. Tyypin I virheellä (alfariski, tuottajan riski) tarkoitetaan sitä riskiä, millä liioittelemme eroa. Ts. väitämme, että kaksi asiaa eroavaa toisistaan vaikkei ne sitä tee. Tämä riski on tilastollisissa tarkasteluissa yleensä 5 % eli.5. Haluttu erottelutarkkuus on se tarkkuus, jonka suuruisia eroja halutaan tutkimuksella saada selville. Esimerkiksi kitkanmittaustilanteessa voidaan haluta, että eri laitteiden yli.1 suuruiset erot pystytään tunnistamaan. Näytteen teholla tarkoitetaan sitä todennäköisyyttä, jolla ei tehdä tyypin II virhettä. Tyypin II virheellä (betariski, kuluttajan riski) tarkoitetaan sitä riskiä, jolla todellinen ero jää huomaamatta. Betariskiä on se, että päästämme todellisuudessa huonon tuotteen markkinoille. Betariskin arvona käytetään useimmiten 1 % eli.1. Sen mukaiseksi näytetehoksi tulee siten 1-.1=.9. Kun tyypin I ja II virheriskit ovat yleensä 5 % ja 1 % niin tutkimuksen koesuunnittelussa jää valittaviksi erottelutarkkuus ja prosessinvaihtelu. Koska prosessivaihtelu on mitä on, se on otettava huomioon sellaisenaan ja valittavaksi jää enää erottelutarkkuus. Kitkasta puhuttaessa erottelutarkkuuden vaihtoehdot ovat.1,.2 tai.3. Pienin arvo edustaa tarkinta erottelukykyä, mutta muutkin tulevat kysymykseen tässä selvityksessä. Näytevaihtelussa tulee edellisten lisäksi tekijäksi faktorien ja niiden tasojen määrä. Faktoreilla eli tekijöillä tarkoitetaan kaikkia niitä seikkoja, joiden suhteen tarkkuutta halutaan tutkia. Tasoilla vastaavasti tarkoitetaan kunkin tekijän sisällä olevaa vaihtoehtojen lukumäärää. Kun verrataan kitkan mittauslaitteita toisiinsa, niin mittauslaite on yksi tekijä, faktori, ja sillä on neljä tasoa, koska tutkittavana on neljä erilaista laitetta. Vastaavasti kun tutkitaan toistettavuutta, niin toistettavuus on yksi tekijä, faktori, ja sillä on kaksi tasoa, mittaus 1 ja mittaus 2. Kitkanmittauslaitteiden vertailussa ehdoton tekijä on mittalaite, joka on otettava huomioon koesuunnittelussa. Lisäksi voi olla muita tekijöitä kuten esim. keli, lämpötila, mittausnopeus jne.. Nämä kaikki vaikuttavat tarvittavaan näytekokoon. Tämän lisäksi jokaisella faktorilla on tietty määrä tasoja (esim. keli 8 kpl, laitteiden lukumäärä 4 kpl jne.. ). Tutkimusasetelma monimutkaistuu huomattavasti jos faktoreilla on tasoja enemmän kuin 2. Tässä vaiheessa on kuitenkin todettava, että kitkanmittaukset ovat luonteensa takia niin monesta olosuhdetekijästä riippuvia, ettei puhdasta koesuunnittelutilannetta voida soveltaa. Koesuunnittelunäkökulma on kuitenkin hyvä tiedostaa aina kun tutkimusmittauksia tehdään sen takia, jotta saa mielikuvan havaintojen määrän ja testin erottelutarkkuuden suhteesta.

25 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 23 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET Power Curve for One-way ANOVA Power Maximum Difference.3.4 Sample Size A ssumptions Alpha.5 StDev.6 # Levels 2 Pertti Virtala Kuva 6. Näytekoon, erottelutarkkuuden ja testitehon välinen yhteys. Punaiset pisteet kuvaavat eri testitehoja.8,.9,.95 ja.99. X-akselilla on erottelutarkkuus. Käyrät kuvaavat em. asioiden suhteet eri havaintomäärillä. Esim. piste (.1,.8) kertoo, että näytemäärällä 567 päästään 8 %:n tehoon ja.1 erottelutarkkuuteen. Jos tyydytään huonompaan erottelutarkkuuteen (.2) näytemääräksi riittää 143. Taulukko 1. Näytemäärät kun teho, erottelutarkkuus ja faktorien määrä vaihtelevat. Esim. 2 faktoria, 191 näytettä tuottaa.2 erottelutarkkuuden ja tehon.9. Näyteteho 2 fakt Erottelutarkkuus 3 fakt fakt

26 24 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET Olosuhteet Mittauksia oli alun perin tarkoitus tehdä lähinnä Etelä-Suomen vilkkaasti liikennöidyillä teillä tyypillisissä lämpötiloissa ja neljän eri kelin vallitessa. Kelikoodit inventoidaan yleensä Ctrip-kitkamittausten yhteydessä ja niillä pyritään saamaan tietoa vallitsevista keliolosuhteista. Kelikooditieto täydentää kitkamittauksilla saatavaa kuvaa tien pinnasta sekä sen avulla pyritään arvioimaan tienkäyttäjän kokemia olosuhteita. Talvihoidon laadunseurantamittauksissa käytettävät kelikoodit ja niiden merkitykset ovat seuraavat: Talvihoidon laadunseuranta Kelikoodit Tie on paljas ( kuiva, kostea tai märkä) koko ajokaistan osalta. 2. Paljaan näköisellä päällysteellä on liukkautta (ohut jää, kuura, huurre, liukkautta aiheuttava lumipöly jne.). 3. Tiellä on polanteessa leveät paljaat urat, jotka peittävät yli puolet ajokaistan pinta-alasta. 4. Tiellä on polanteessa kapeat paljaat urat, jotka peittävät alle puolet ajokaistan pinta-alasta. 5. Koko ajokaista tasaisen lumi- tai jääpolanteen peitossa. 6. Koko ajokaista epätasaisen tai urautuneen lumi- tai jääpolanteen peitossa. 7. Tiellä Irtolunta valleina tai kauttaaltaan, haittaa liikennettä 8. Tiellä sohjoa valleina tai kauttaaltaan, haittaa liikennettä Selvityksen mittauksissa tavoiteltiin lähinnä seuraavia kelejä: kelikoodi 2: paljaalla päällysteellä liukkautta kelikoodi 5; kaista luminen tai jääpolanteinen kelikoodit 7&8: tiellä irtolunta tai sohjoa Mitattua tietoa lämpötilasta ja kosteudesta saadaan DSC111/DST111- mittalaitteilla Kohdistuvuus - kalibrointi Ctrip Perinteisten kitkanmittauslaitteiden (Ctrip) kohdistustestaus ja kalibrointi tehdään Destian perinteisten kitkanmittausjärjestelmän vertailumittausten yhteydessä (kuluneella talvikaudella viikolla 48). Tällöin uusittiin kaikkiin mittausautoihin renkaat sekä mitattiin kitkaa referenssikelillä ja kalibroitiin se referenssiarvoon.3. Referenssiarvoa päätettäessä käytettiin mittalaitetta BV- 11. Testaustapahtumalle asettaa tietyn rajoituksen usein sään ja kelin osuminen sopiviksi. Seuraavassa kuvassa on esitettynä mittaustuloksia kalibroinnin jälkeen. Uudelleenkalibrointia tarvitaan kun punaisella merkityt ohjausrajat ylittyvät. Peräkkäisten mittaushavaintojen erojen hajonta on noin.55/3=.18.

27 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 25 TYÖN SISÄLTÖ JA VAIHEET Ctrip kitkahavaintoja.35 UCL=.3551 Individual Value.3 _ X=.3 5 LCL= Mittaus Moving Range UCL=.6768 MR=.271. LCL= Mittaus Kitkamittareiden kalibrointi 11/27 Kuva 7. Ctrip-laitteen toimintaa välittömästi kalibroinnin jälkeen SPC-kortilla. Yläosassa 15 mittaushavainnon arvot suhteessa tavoitearvoon.3 ja ohjausrajoihin.3±.55. Alaosassa peräkkäisten mittaustulosten erot ja niiden stabiilin tilan ohjausrajat. Mustien pisteiden/käyrien tulisi olla aina punaisten ohjausrajojen sisällä, jotta mittausjärjestelmän voidaan sanoa olevan stabiili Gripman Gripmanin kalibrointi on tarkistettu ennen mittausten suorittamista pöytätestillä kääntämällä mittauslaite pöydällä normaaliasentoon ja sitten kohtisuoraan asentoon ja lukemalla näytöstä lukemat. ja 1.. Sama pöytätestaus suoritettiin myös laitetta palautettaessa Molemmilla kerroilla laite tuotti odotetut lukemat. ja DSC111 DSC111:n kalibrointi tarkistettiin ennen mittausten aloittamista TWO TWO:n kalibrointi on suoritettu Destian toimesta marraskuussa 27 kitkanmittausjärjestelmien laadunvarmistuspäivillä Tavoite 1 toistettavuus Ensimmäisenä tavoitteena on selvittää miten hyvin kukin laite toistaa itseään toistomittauksissa olosuhteiden pysyessä ennallaan.

28 26 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu MITTAUSLAITTEET Olosuhdemuuttujia voidaan vaihdella kelin, lämpötilan ja mittausnopeuden suhteen sikäli kun mittaushavaintoja niiden suhteen kertyy riittävästi Tavoite 2 uusittavuus Toisena tavoitteena on ylipäätään verrata laitteiden tuloksia toisiinsa. Sen lisäksi voidaan liittää sellaisia tarkasteluja, joissa tutkitaan erilaisten olosuhdetekijöiden vaikutusta eroihin. 3.2 Koesuunnittelu Tutkimuksen onnistumisen kannalta on tärkeää, että koesuunnittelu ja sitä seuraavat mittaukset johdetaan tavoitteista. Tavoitteissa on selkeytettävä mitä tutkimuksella halutaan selvittää Tavoitteen 2 edellyttämät koetilanteet Tavoitteissa edellytetään selvitettäväksi neljän kitkanmittauslaitteen tasoero toisiinsa nähden. Faktoreiden lukumäärä on näin olleen 1 ja tasojen lukumäärä 4. Tarvittava havaintojen määrä olisi noin 2. Ctrip-mittauksia (2 mittausta/km) tähän tarvittaisiin siten luokkaa 1 km. Jos halutaan tutkia lisäksi lämpötilan tai mittausnopeuden vaikutusta on näytemäärää kasvatettava vastaavasti Tavoitteen 1 edellyttämä koetilanne Tavoitteessa edellytetään selvitettäväksi yhden faktorin (laite) toistettavuutta eli eroa kahden eri tason (mittaus 1 ja mittaus 2) välillä. Tällöin näytemäärän tulee olla (.2/.8 tasolla) vähintään 143 kpl eli esim. C-trip-mittauksilla arvioituna 71 km kahteen kertaan mitattuna. 4 MITTAUSLAITTEET Projektissa testattiin neljää erilaista kitkamittaria, jotka oli asennettu kaikki samaan ajoneuvoon, Toyota Landcruiser ZMI-487. Kaksi kitkamittaria, TWO ja DSC111, olivat jatkuvatoimisia mittareita ja toiset kaksi, Ctrip ja Gripman, jarrutukseen perustuvia pistemittauslaitteita. 4.1 Jatkuvatoiminen - Traction Watcher One Tekninen kuvaus Traction Watcher One (TWO) muodostuu kahdesta peräkkäisestä pyörästä muodostuvasta telistä. Laitetta hinataan auton perässä siten, että mittaus tapahtuu vasemmasta ajourasta (ei siis ajourien välistä, kuten eräät muut vedettävät laitteet mittaavat).

29 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 27 MITTAUSLAITTEET Kuva 8. Jatkuvatoiminen kitkanmittauslaite TWO / Fosstech AS in Vestfold, Norway. Laitteen fyysiset mitat: Pituus 1 cm Leveys 6 cm Korkeus 5 cm Paino noin 1kg TWO antaa mittaustuloksen noin,7 sekunnin välein, joten 1 metrin matkalta tulee noin 6-7 havaintoa ajettaessa nopeudella 8 km/h. TWOn toiminta perustuu ns. fixed slip -menetelmään. Laitteessa on kaksi pyörää, joista toinen pyörii periaatteessa vapaasti ja toinen 15% hitaammin. Kuitenkin pyörien liikkeet vaikuttavat toisiinsa jonkun verran. Hitaammin pyörivästä pyörästä mitataan tarvittava vastustava voima. Hyvällä pidolla tarvitaan suuri vastustava voima ja vastaavasti liukkaalla pieni voima.

30 28 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu MITTAUSLAITTEET.16 X <= % X <= %.14 Mean = TWO:n mittaustiheys (m) Kuva 9. TWO:n mittaustiheys on keskimäärin 17 m. Tällä mittaustavalla kitkalle saadaan suuri vaihtelualue, joka kattaa koko kitkan alueen -1. Laitteen kestävyyden kannalta ei ole kuitenkaan suositeltavaa tehdä jatkuvia mittauksia silloin kun kitkataso on korkea Mittaaminen Mittaaminen TWO-laitteella tapahtuu laskemalla laitteen pyörät tien pintaan ja lähtemällä liikkeelle. Mittaushavaintoja alkaa kertyä heti noin sekunnin välein. Pituuden suhteen havaintojen ottoväli riippuu siis mittausnopeudesta. Mittausta hallinnoidaan tietojärjestelmällä, joka kerää mittaushavainnot yhteen tieosoitetiedon kanssa. Pituusmittaustieto ja mittausaika ovat linkkejä muilla laitteilla tehtävien mittausten kanssa. Mittaaminen on suoritettava tietyllä nopeudella, joka voi vaihdella välillä 3 9 km/h. Mittausta ei kannata suorittaa kovin pitkiä matkoja korkean kitkan alueella, koska se rasittaa mittapyörien akselistorakenteita paljon Tulosteet Mittauslaitteen tietojärjestelmä kerää mittaustietoa ja linkittää sen tieosoitteen ja mittausajan kanssa yhteen seuraavan taulukon mukaisesti. Mittausnopeus tulee nostaa tietylle tasolle (>2 tai 3 km/h), jotta mittaustulosten luotettavuus on oikealla tasolla. Alhaisen mittausnopeuden tuloksia ei huomioida.

31 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 29 MITTAUSLAITTEET Taulukko 2. Esimerkki TWO-laitteen mittaustuloksista. PVM klo Reitti Tie Aosa Etäisyys Pituus Kitka_TWO Nopeus korjattuaika :8:1 ajo :8: :8:11 ajo :8: :8:11 ajo :8: :8:12 ajo :8: :8:14 ajo :8: :8:15 ajo :8: :8:15 ajo :8: :8:16 ajo :8: :8:17 ajo :8: :8:18 ajo :8: :8:2 ajo :8: :8:21 ajo :8: :8:21 ajo :8: :8:23 ajo :8: :8:23 ajo :8: :8:24 ajo :8: :8:25 ajo :8: :8:26 ajo :8: :8:26 ajo :8: :8:28 ajo :8: :8:28 ajo :8: :8:3 ajo :8: :8:31 ajo :8: :8:31 ajo :8: :8:32 ajo :8: :8:34 ajo :8: Optinen kelianturi DCS 111 ja lämpötila-anturi DST Tekninen kuvaus DSC111 on tien pinnan mittauslaite, jolla voidaan mitata optisesti tien pinnan kitkaa, lämpötilaa, veden ja lumen määrää sekä ilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta sekä tuottaa tietoa tien pinnan tilasta. Mittalaitetta käytetään yhdessä DST111:n kanssa, joka tuottaa lämpötilatiedot. Mittalaitteessa on infrapuna-anturi, joka suunnataan mitattavaa tienpintaa kohden ja vastaanotin, joka mittaa tien pinnasta heijastuneen signaalin. Tyypillisesti tien pinta tulee liukkaaksi jo noin 3 цm:n paksuisilla jääkerroksilla. Mittalaite pystyy havainnoimaan sen paksuisia jääkerroksia. Mittalaite havainnoi myös tien pinnassa olevan veden määrän ja näiden tuloksena laite muodostaa kitka-arvon. Kuivalla tiellä kitka on tyypillisesti noin.8 kun taas kovalla jäällä se on vain.1 Optinen mittalaite voidaan asentaa joko kiinteästi tien viereen tai sitten liikkuvaan ajoneuvoon.

32 3 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu MITTAUSLAITTEET Kuva 1. Remote Road Surface State Sensor DSC111 (Vaisala) Mittaaminen Mittaaminen DSC-laitteella tapahtuu siten, että ensin kytketään tiedonkeruujärjestelmä päälle ja sen jälkeen voidaan alkaa mitata. Tienpinnan lämpötilaa tallennetaan DST 111 tietona mittausten aikana. Vertailevia lämpötilamittauksia tehdään perinteisellä pintalämpötilamittarilla, joka on varustettu tienpintaan painettavalla puikko-anturilla.

33 Kitkamittareiden mittaustarkkuuden vertailu 31 MITTAUSLAITTEET.45 X <= % X <= % DSC:n mittaustiheys (sek) Kuva 11 DSC111:n mittaustiheys keskimäärin 6.3 sek Tulosteet DSC111 tuottaa mittauksesta kitkaan ja tien pinnan tilatietoihin ja mittausaikaan liittyviä tietueita. Mittaustieto sidotaan muiden mittauslaitteiden mittaustietoihin mittausajan avulla. Taulukko 3. Esimerkki DSC111:n tulosteista. Tienpinna Varoitustil Kitka_DS veden jään lumen Kello laite n tila a C määrä määrä määrä a b c d e f pinta ilma kastepiste 1:7:58 DSC :8:4 DSC :8:1 DSC :8:15 DSC :8:21 DSC :8:28 DSC :8:33 DSC :8:39 DSC :8:45 DSC :8:5 DSC :8:56 DSC :9:2 DSC :9:7 DSC :9:13 DSC Jarrutuskitkamitttari - Ctrip Ctrip laite on hidastuvuuteen perustuva jarrutuskitkamittari, jossa on myös ilman lämpötilan mittaus. Tiedonkeruulaite kerää kitkatiedon lisäksi myös muut talvihoidon laatuun liittyvät käyttäjän syöttämät tunnusluvut. Mittaustulokset tallennetaan Psion-workabout tiedonkeruulaitteelle. Ctrip-laiteeella mitattu kitka on hyvin ajoneuvoriippuvainen asia ja sen takia esim. Tiehallinnon talvihoidon laadunseurantamittauksessa käytettävät ajoneuvot ovat samanlaisia ja niiden rengastus pyritään pitämään eri mittausautoissa mahdollisimman samanlaisina.