KR100496150B1 - Method and apparatus for measuring the complex dielectric constants of embedded medium in a wide bandwidth - Google Patents
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Abstract
매설형 광대역 복소 유전율 측정방법 및 장치는 시료의 손상없이 접촉만으로 측정매질의 유전율과 도전율을 동시에 환산하고, 여러 개의 센서를 매설하여 각 지점의 복소 유전율을 환산하기 위한 것이다. 본 발명은 위를 바라보도록 지하에 매설된 유전율 센서, 유전율 센서와 케이블을 고정하기 위한 케이블 홀더와 파이프, 유전율 센서에서 반사되는 전자파신호로부터 반사계수를 측정하는 네트웍분석기, 측정된 반사계수로부터 유전율과 도전율을 동시에 환산하는 프로그램을 탑재하며 여러 케이블의 특성값을 데이타베이스로 구축하고 있는 컴퓨터(PC)로 구성된다. 따라서, 본 발명은 유전율 센서를 위쪽을 바라보도록 하여 중력에 의해 접촉이 보장되고, 케이블 홀더로 케이블이 흔들리지 않도록 하여 반사파의 미세한 변화로 인한 유전율 결정에 영향을 미치지 않도록 하며, 각 케이블 특성을 미리 저장하여 측정시 저장된 케이블 특성을 반영하여 유전율 계산할 수 있어 깊이에 따른 유전율 변화를 정확하게 측정할 수 있는 효과를 제공한다.The buried broadband complex permittivity measurement method and apparatus is for converting the permittivity and conductivity of the measurement medium at the same time by contact only without damaging the sample, and for embedding multiple sensors to convert the complex permittivity at each point. The present invention relates to a dielectric constant sensor buried underground, a cable holder and pipe for fixing a dielectric constant sensor and a cable, a network analyzer for measuring a reflection coefficient from an electromagnetic signal reflected from a dielectric constant sensor, and a dielectric constant from a measured reflection coefficient. It consists of a computer (PC) that is equipped with a program that converts electrical conductivity at the same time and builds a database of various cable characteristics. Therefore, in the present invention, the dielectric constant sensor is faced upward to ensure contact by gravity, and the cable is not shaken by the cable holder so as not to affect the determination of the dielectric constant due to the minute change of the reflected wave, and to store each cable property in advance. The dielectric constant can be calculated by reflecting the cable characteristics stored in the measurement, thus providing the effect of accurately measuring the change in permittivity according to depth.
Description
본 발명은 지중이나 수중, 콘크리트 내부 등에 매설된 매질의 복소 유전율 측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시료의 손상없이 접촉만으로 측정매질의 유전율을 환산하고, 매질속에 여러개의 센서를 매설하여 각 지점의 유전율과 도전율을 동시에 환산할 수 있도록 한 매설형 광대역 복소 유전율 측정방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to the measurement of the complex dielectric constant of a medium buried in the ground, water, concrete, etc. More specifically, the dielectric constant of the measuring medium is converted by contact only without damaging the sample, and each sensor is embedded in the medium by embedding a plurality of sensors. The present invention relates to a buried wideband complex permittivity measurement method and apparatus for simultaneously converting permittivity and conductivity.
매설물의 복소 유전율을 측정하는 기술은 시험매질을 투과하여 도달한 전자파의 양으로부터 측정하는 방법과 시험매질에 반사되어 오는 전자파를 측정하는 기술이 있다. 기존에는, 시료에 탐침을 삽입하여 측정하거나 시료를 천공하여 프로브를 삽입하는 방법을 사용하고 있다. 또한, 시료를 가공하여 일정한 틀에 넣어 측정하는 방법을 사용하고 있다.Techniques for measuring the complex dielectric constant of a buried material include a method of measuring from the amount of electromagnetic waves transmitted through the test medium and a technique of measuring electromagnetic waves reflected from the test medium. Conventionally, a method of inserting a probe by inserting a probe into a sample or drilling a sample is used. Moreover, the method of processing a sample and putting it in a fixed frame is used.
하지만, 위와 같은 기존의 방법은 시료를 가공하거나 시료를 손상시켜야만 하였다. 또한, 하나의 케이블만을 사용할 수 있어 고정된 길이에 대해서만 측정할 수 있고, 만약 케이블이 바뀌었을 경우 교정을 다시 해야만 하기 때문에 여러개의 센서를 사용하여 측정하는 것이 불가능하였다.However, such a conventional method had to process or damage the sample. In addition, only one cable can be used to measure a fixed length, and if the cable is changed, it must be recalibrated, making it impossible to measure using multiple sensors.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점들을 감안하여 시료의 손상없이 접촉만으로 측정매질의 유전율을 환산하며, 여러 개의 케이블의 특성데이타를 데이타베이스화하여 측정시 케이블 영향을 보상하여 유전율을 구할 수 있도록 하므로써, 매질속에 여러개의 센서를 매설하고서 각 지점의 유전율을 환산할 수 있도록 한 매설형 광대역 복소 유전율 측정방법 및 장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to calculate the dielectric constant of the measurement medium by contact only without damage to the sample in view of the above points, and to obtain the dielectric constant by compensating the influence of the cable during the measurement by the database of the characteristic data of several cables In addition, the present invention provides a buried broadband complex dielectric constant measuring method and apparatus for converting a dielectric constant at each point by embedding a plurality of sensors in a medium.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 매설형 광대역 복소 유전율 측정방법은, 유전율 센서를 매설하여 측정매질의 복소유전율을 측정하기 위한 방법에 있어서, (1) 매설될 다수개의 상기 유전율 센서에 연결된 각 케이블의 특성을 기저장하는 단계와, (2) 상기 매질과 접촉이 유지되도록 상기 유전율 센서를 매설하는 단계와, (3) 상기 매설된 유전율 센서를 통해 상기 매질에 특정주파수대의 전자파를 인가한 후, 이 매질로부터 반사되어 돌아오는 전자파를 수신하는 단계와, (4) 수신되는 반사파의 크기와 위상을 측정하고, 이 측정 데이타에 상기 기저장된 케이블 특성을 반영하여 반사계수를 구하는 단계, 및 (5) 상기 반사계수를 유전율과 도전율로 환산하고, 그 결과를 그래프 표시하는 단계를 포함한다.In the buried broadband complex dielectric constant measuring method of the present invention for achieving the above object, in the method for measuring the complex dielectric constant of the measurement medium by embedding a dielectric constant sensor, (1) each connected to a plurality of the dielectric constant sensor to be embedded Pre-storing the characteristics of the cable, (2) embedding the dielectric constant sensor so as to maintain contact with the medium, and (3) applying electromagnetic waves of a specific frequency band to the medium through the embedded dielectric constant sensor. Receiving an electromagnetic wave reflected from the medium, and (4) measuring the magnitude and phase of the received reflected wave and obtaining the reflection coefficient by reflecting the previously stored cable characteristics in the measurement data, and (5 ) Converting the reflection coefficients into permittivity and conductivity, and graphically displaying the results.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 매설형 광대역 복소 유전율 측정장치는, 매설형 복소유전율 측정장치에 있어서, 개방단말 동축선 프로브로 된 유전율 센서와, 특정주파수의 연속파 형태의 전자파를 발생시켜 반사되어 오는 전자파를 측정하는 네트웍분석기와, 상기 유전율 센서와 네트웍 분석기 사이를 연결하는 케이블과, 상기 유전율 센서와 케이블을 삽입하여 지하 매설시 보호하기 위한 파이프, 및 미리 측정된 케이블의 특성값을 저장하고, 유전율 환산 프로그램을 탑재하여 상기 네트웍분석기의 측정 데이타에 미리 저장된 케이블 특성값을 반영하여 유전율을 환산하는 컴퓨터(PC)를 포함한다.In addition, the buried wideband complex dielectric constant measuring apparatus for achieving the object of the present invention, in the buried complex dielectric constant measuring apparatus, the dielectric constant sensor of the open-terminal coaxial probe and the electromagnetic wave in the form of continuous wave of a specific frequency to reflect A network analyzer for measuring electromagnetic waves, a cable connecting the dielectric constant sensor and a network analyzer, a pipe for inserting the dielectric constant sensor and a cable to protect the underground, and a characteristic value of a cable measured in advance And a computer (PC) equipped with a dielectric constant conversion program for converting the dielectric constant by reflecting cable characteristic values previously stored in the measurement data of the network analyzer.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 매설형 광대역 복소 유전율 측정장치의 구성도를 나타낸다. 도 1에 나타낸 장치는 크게 유전율 센서(10), 네트웍분석기(50) 및 컴퓨터(PC)(60)로 구성된다. 유전율 센서(10)에 대한 상세 구성은 도 2를 통해 후술한다. 유전율 센서(10)와 네트웍분석기(50) 사이는 케이블(20)로 연결된다. 유전율 센서(10)와 케이블(20)은 PVC 파이프(30) 속에 삽입되어 있다. 여기서, 파이프(30)는 유전율 센서(10)와 케이블(20)을 고정하고, 지하수나 지하토양으로부터 보호하는 역할을 한다. 도 1의 장치는 또한, 케이블(20)의 흔들림을 방지하고 중력에 의해 케이블(20)이 늘어나는 것을 방지하기 위해 케이블홀더(40)가 중간에 삽입된다. 네트웍분석기(50)는 특정 주파수대의 전자파를 케이블(20)을 통해 유전율 센서(10)로 전달하고, 유전율 센서(10)에서 전달되는 반사파의 크기와 위상을 측정하여 반사계수 값을 구한다. 컴퓨터(PC)(60)는 네트웍분석기(50)로 측정된 반사계수로부터 가상 원추형 등가모델에 의해 유전율로 환산하고, 환산된 결과를 표시한다. PC(60)는 또한, 여러개의 측정 센서로부터 측정값을 얻기 위하여 매설된 모든 케이블의 특성 값을 데이타베이스화하여 관리한다.1 is a block diagram of a buried broadband complex dielectric constant measuring apparatus according to the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is largely comprised of a dielectric constant sensor 10, a network analyzer 50, and a computer (PC) 60. The detailed configuration of the dielectric constant sensor 10 will be described later with reference to FIG. 2. The dielectric constant sensor 10 and the network analyzer 50 are connected by a cable 20. The dielectric constant sensor 10 and the cable 20 are inserted into the PVC pipe 30. Here, the pipe 30 fixes the dielectric constant sensor 10 and the cable 20 and serves to protect the groundwater or the underground soil. The device of FIG. 1 also has a cable holder 40 inserted in the middle to prevent shaking of the cable 20 and to prevent the cable 20 from stretching by gravity. The network analyzer 50 transmits electromagnetic waves of a specific frequency band to the dielectric constant sensor 10 through the cable 20, and obtains a reflection coefficient value by measuring the magnitude and phase of the reflected wave transmitted from the dielectric constant sensor 10. The computer (PC) 60 converts the reflection coefficient measured by the network analyzer 50 into a permittivity by a virtual conical equivalent model and displays the converted result. The PC 60 also manages a database of characteristic values of all the cables which are buried in order to obtain measurement values from several measurement sensors.
도 2는 도 1 유전율 센서(10)의 상세도를 나타낸다. 도 2에 나타낸 유전율 센서(10)는 프로브(probe)(11), 아크릴로 제작된 고정부(15) 및 고무로 된 오링(O-ring)(13)으로 구성된다. 여기서, 프로브는 개방단말형 동축선 프로브로, 세개의 구멍을 뚫어 나사(17)를 통해 고정부(15)에 고정된다. 오링(13)은 프로브(11)와 고정부(15)가 결합시 그 사이로 물이 침수되는 것을 막기 위하여 삽입된다.2 shows a detailed view of the FIG. 1 dielectric constant sensor 10. The dielectric constant sensor 10 shown in FIG. 2 is composed of a probe 11, a fixing part 15 made of acrylic, and an O-ring 13 made of rubber. Here, the probe is an open end type coaxial probe, and three holes are fixed to the fixing part 15 through the screw 17. The o-ring 13 is inserted to prevent the water from submerging in between when the probe 11 and the fixing part 15 are engaged.
도 3a는 도 2 유전율 센서(10)의 프로브(11) 구조를 보여준다. 프로브(11)는 플렌지(flange)(18-1)와 테프론(teflon)(18-2), 그리고 내심(18-3)으로 구성되고, 특성 임피던스가 50Ω을 갖도록 도 3a와 같은 구조를 갖는다. 3A shows the structure of the probe 11 of the permittivity sensor 10 of FIG. 2. The probe 11 is composed of a flange 18-1, a teflon 18-2, and an inner core 18-3, and has a structure as shown in FIG. 3A to have a characteristic impedance of 50 Hz.
도 3b는 도 2 유전율 센서(10)의 고정부(15) 구조를 보여준다. 고정부(15)는 아크릴로 제작되며, 프로브(probe)(11)와 고정을 위한 면(19-1)엔 나사를 고정하도록 3개의 구멍이 나있다. PVC 파이프(30)와 결합을 위한 면(19-2)은 PVC 파이프(30)에 삽입될 수 있는 크기를 갖는다. 그리고, 오링(O-ring)(13)을 삽입할 수 있도록 프로브(probe)(11)와 고정면(19-1)에 1.7㎜ 크기의 홈이 나있다.3B shows the structure of the fixing part 15 of the permittivity sensor 10 of FIG. 2. The fixing part 15 is made of acrylic and has three holes to fix the screw on the probe 11 and the fixing face 19-1. The face 19-2 for joining with the PVC pipe 30 has a size that can be inserted into the PVC pipe 30. In addition, a groove having a size of 1.7 mm is formed on the probe 11 and the fixing surface 19-1 so that the O-ring 13 can be inserted therein.
개방단말 동축선 프로브는 분말이나 액체처럼 접촉만 보장되면 시료의 가공없이 매질의 복소유전율을 매우 정확하게 측정할 수 있다. 그래서, 이 프로브를 접촉을 유지할 수 있도록 지하에 매설만 한다면 유전율 측정에 매우 효과적이다. 이와 같은 개방단말 프로브를 매설하여 유전율을 측정하기 위해서는 몇가지 문제점들을 해결해야 한다. 첫째, 프로브와 케이블이 토양의 압력과 지하수에 영향을 받지 않도록 제작해야 한다. 둘째, 프로브를 토양과 접촉이 보장되도록 매설하여야 한다. 마지막으로, 한번 매설되면 프로브 끝단에서 측정된 값을 얻기 위한 보정과정을 수행할 수 없으므로 매설하기 전에 모든 케이블과 프로브의 특성 값을 미리 저장해야 한다. 이에 근거하여, 본 발명은 도 2 및 도 3a-b처럼 유전율 센서(10)를 구성한다.Open-terminal coaxial probes can be used to measure the complex dielectric constant of a medium very precisely without processing the sample, as long as the contact is assured as powder or liquid. Therefore, it is very effective for measuring the dielectric constant if it is buried underground to keep the probe in contact. In order to measure the permittivity by embedding such open terminal probes, some problems need to be solved. First, probes and cables must be constructed so that they are not affected by soil pressure and groundwater. Second, the probe should be buried to ensure contact with the soil. Finally, once buried, the calibration process cannot be performed to obtain the measured values at the probe tip, so all cable and probe characteristic values must be stored before buried. Based on this, the present invention configures the dielectric constant sensor 10 as shown in FIGS. 2 and 3A-B.
이렇한 구성을 갖는 본 발명의 매설형 광대역 복소 유전율 측정장치에 대한 측정 동작을 도 4 내지 도 6을 통해 구체적으로 설명한다.The measurement operation of the embedded broadband complex dielectric constant measuring apparatus of the present invention having such a configuration will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4에서, 매질 유전율을 측정하기 위해서는 유전율 센서(10)를 매설하는 시공과정과 측정과정으로 구분될 수 있다. 시공과정을 먼저 살펴보면, 프로브(11)를 매설할 위치를 선정하는 등 매설계획을 세운다(단계 301). 그런 다음, 유전율 센서(10)의 매설 깊이에 따라 케이블(20) 길이를 산정하고(단계 302), 케이블(20) 길이에 따라 특성이 변하므로 케이블(20) 길이가 산정되면 그 케이블(20)의 특성을 PC(60)에 데이타베이스로 구축하여 차후 유전율 측정시 사용할 수 있도록 한다(단계 303). 통상, 케이블(20) 길이가 10m 이상 길어질 경우 수신레벨이 너무 낮아져 정확한 측정을 할 수 없기 때문에 케이블(20)들을 여러지점으로 모아서 측정할 수 있도록 한다. 매설할 유전율 센서(10)를 조립한 후(단계 304), 선정한 위치에 매설한다(단계 305). 유전율 센서(10)를 매설시 토양과 접촉이 유지되도록 자갈이나 돌멩이가 프로브(11) 위에 올라오지 않도록 한다. 유전율 센서(10)는 도 1에 보여진 바와 같이, 프로브(11)에 케이블(20)을 연결하고 PVC 파이프(30) 속에 삽입되어 위쪽을 바라보도록 지하에 매설된다. 이때, PVC 파이프(30)와 프로브(11)를 고정하는 고정부(15)는 접착제를 이용하여 방수가 되도록 하여 지중이나, 액체속, 콘크리트 내부에 매설되더라도 측정할 수 있도록 한다. 여기에서 사용되는 PVC 파이프(30)는 수도관이나 하수도관으로 사용되는 파이프이므로, 지하수에 대한 침수에 대비할 수 있고 강한 내구성이 있어 매설시 토양의 압력으로부터 케이블(20)과 유전율 센서(10)의 프로브(11)를 보호하고 케이블(20)을 고정할 수 있다. 특히, PVC 파이프(30)의 구부러지는 부분은 반지름 20㎝의 곡률을 갖도록 하여 케이블(20)이 구부러짐의 영향을 받지 않도록 제작된다. 그리고, 케이블(20)이 흔들리면 반사파에 변화가 생기게 되고, 이는 유전율 결정에 영향을 미치게 된다. 따라서, 케이블(20)을 파이프(30)에 삽입하는 과정에서 스폰지로 제작된 케이블홀더(40)를 삽입하여 케이블(20)이 흔들리거나 파손이 되지 않도록 한다. 유전율 센서(10)는 "J"자 형태로 제작된 파이프(30)에 삽입되어 프로브(11)의 접촉면이 지표면을 향하도록 하므로써, 중력에 의해 토양이 프로브(11)의 접촉면을 항상 누르는 형태가 되어 최대한 접촉면을 유지할 수 있다. In FIG. 4, in order to measure the medium dielectric constant, a construction process and a measurement process of embedding the dielectric constant sensor 10 may be divided. Looking at the construction process first, the laying plan, such as selecting a position to bury the probe 11 is made (step 301). Then, the length of the cable 20 is calculated according to the depth of embedding of the dielectric constant sensor 10 (step 302), and the characteristics of the cable 20 vary depending on the length of the cable 20, so that the length of the cable 20 is calculated. Is constructed as a database on the PC 60 so that it can be used for future permittivity measurement (step 303). In general, when the length of the cable 20 is longer than 10m, since the reception level is too low to accurately measure, the cable 20 can be collected at various points and measured. After assembling the dielectric constant sensor 10 to be embedded (step 304), it is embedded at the selected position (step 305). When embedding the dielectric constant sensor 10, the gravel or the stones do not rise on the probe 11 so as to maintain contact with the soil. As shown in FIG. 1, the dielectric constant sensor 10 connects the cable 20 to the probe 11 and is inserted into the PVC pipe 30 and buried underground to face upward. At this time, the fixing part 15 for fixing the PVC pipe 30 and the probe 11 is to be waterproof by using an adhesive so that even if buried in the ground, in the liquid, or inside the concrete can be measured. Since the PVC pipe 30 used here is a pipe used as a water pipe or a sewer pipe, it is possible to prepare for submersion to groundwater and has a strong durability, so that the probe of the cable 20 and the dielectric constant sensor 10 is buried from the soil pressure when buried. (11) can be protected and the cable 20 can be fixed. In particular, the bent portion of the PVC pipe 30 is made to have a curvature of a radius of 20 cm so that the cable 20 is not affected by the bending. When the cable 20 is shaken, a change occurs in the reflected wave, which affects the determination of the dielectric constant. Therefore, in the process of inserting the cable 20 into the pipe 30, by inserting the cable holder 40 made of sponge so that the cable 20 is not shaken or damaged. The dielectric constant sensor 10 is inserted into the pipe 30 manufactured in the shape of "J" so that the contact surface of the probe 11 faces the ground surface, so that the soil always presses the contact surface of the probe 11 by gravity. To maintain the maximum contact surface.
유전율 센서(10)를 지하에 매설하는 시공이 완료되면, 네트웍분석기(50)는 특정주파수의 연속파 형태의 전자파를 발생시켜 케이블(20)들을 통해 유전율 센서(10)로 전달한다(단계 311). 유전율 센서(10)의 프로브(11)는 전달받은 전자파를 접촉면을 향하여 송신한 후 반사되어 돌아오는 전자파를 수신한다. 프로브(11)에서 수신된 반사파는 케이블(20)을 통해 네트웍분석기(50)로 전달된다. 네트웍분석기(50)는 케이블(20)들이 여러지점에 매설된 경우 하나의 케이블(20)을 선택한다(단계 312). 네트웍분석기(50)는 선택된 케이블(20)에 연결된 유전율 센서(10)에서 반사되어 돌아오는 전자파의 크기와 위상을 측정하여 프로브(11) 끝단에서의 반사계수(Γm)를 구한다(단계 313). 네트웍분석기(50)는 PC(60)에 데이베이스로 구축해놓은 케이블들의 특성 값중 선택된 케이블(20)의 특성 값을 이용하여 반사계수를 측정한다. 일단, 케이블(20) 끝단에서 교정을 통해 반사계수를 측정하고, 기준매질을 이용하여 프로브(11)를 교정해서 반사계수를 측정한다. 그런데, 한번 매설된 프로브(11)는 케이블(20) 교정도 불가능하고, 프로브(11) 끝단에서 기준매질을 가지고 교정은 절대 수행할 수 없다. 그래서, 도 4에 보여진 등가모델을 세우고 반사계수(Γm) 측정을 통하여 케이블(20)의 영향과 프로브(11)의 영향을 보상해서 프로브(11) 끝단의 반사계수를 구한다. 그런 다음, PC(60)는 탑재된 도 5에 보여진 바와 같은 프로그램을 실행시켜 네트웍분석기(50)에서 측정된 반사계수(Γm)를 이용하여 유전율 환산하고(단계 314), 그 결과를 그래프로 표시한다(단계 315). When the construction of embedding the dielectric constant sensor 10 is completed, the network analyzer 50 generates electromagnetic waves in the form of continuous waves of a specific frequency and transmits the electromagnetic waves to the dielectric constant sensor 10 through the cables 20 (step 311). The probe 11 of the dielectric constant sensor 10 transmits the received electromagnetic wave toward the contact surface and receives the reflected electromagnetic wave. The reflected wave received by the probe 11 is transmitted to the network analyzer 50 through the cable 20. The network analyzer 50 selects one cable 20 when the cables 20 are embedded at various points (step 312). The network analyzer 50 measures the magnitude and phase of the electromagnetic wave reflected from the dielectric constant sensor 10 connected to the selected cable 20 to obtain a reflection coefficient Γ m at the end of the probe 11 (step 313). The network analyzer 50 measures the reflection coefficient using the characteristic value of the selected cable 20 among the characteristic values of the cables constructed as a database in the PC 60. First, the reflection coefficient is measured by calibrating at the end of the cable 20, and the reflection coefficient is measured by calibrating the probe 11 using a reference medium. However, the probe 11 once embedded is impossible to calibrate the cable 20, and the calibration may never be performed with a reference medium at the end of the probe 11. Thus, the equivalent model shown in FIG. 4 is established and the reflection coefficient at the end of the probe 11 is obtained by compensating the influence of the cable 20 and the influence of the probe 11 by measuring the reflection coefficient Γm. Then, the PC 60 executes a program as shown in FIG. 5 mounted to convert the dielectric constant using the reflection coefficient Γ m measured in the network analyzer 50 (step 314), and displays the result graphically. (Step 315).
본 발명은 프로브(11)로 측정된 반사계수로부터 프로브(11) 끝에 접촉된 매질의 복소유전율을 정확히 환산해내기 위해서, 여러가지 환산식중 정확도에 있어서 가장 우수하다고 알려진 가상의 전송선 모델을 새롭게 개선하여 사용한다. 본 발명에서 새롭게 개선한 가상의 전송선 모델은 도 4에 보여진 바와 같다. In order to accurately convert the complex dielectric constant of the medium in contact with the tip of the probe 11 from the reflection coefficient measured by the probe 11, the present invention is improved by a virtual transmission line model that is known to have the best accuracy in various conversion equations. use. The virtual transmission line model newly improved in the present invention is as shown in FIG.
도 5를 보면, 내심과 외심 사이에 비유전율 εc인 절연체가 있는 동축선은 길이가 C로서 좌측은 네트웍분석기(50)에 연결되어 있고, 동축선의 개방단말인 우측은 임의의 비유전율 εm을 갖는 매질이 접촉되어 있다고 가상한다. 거기에, 본 발명은 프로브(11)의 개방단말에 접촉된 매질을 끝이 개방된 임의의 길이(D)를 갖는 가상의 전송선으로 나타낸다. 가상의 전송선은 마치 프로브(11)를 구성하는 동축선과 동일한 내심반경과 외심반경을 갖고 있으나 내심과 외심 사이에 있는 절연체의 비유전율은 εc가 아니라 개방단말에 접촉된 매질의 비유전율 εm인 동축선을 의미한다. 따라서, 동축선의 내심반경이 a이고, 외심반경이 b일 때 실제 동축선의 특성어드미턴스(Yc)와 가상의 동축선의 특성어드미턴스(Ym)는 다음의 수학식 1로 정의된다.Referring to FIG. 5, the coaxial line having an insulator having a relative dielectric constant ε c between the inner and outer cores has a length of C and is connected to the network analyzer 50 on the left side, and an arbitrary relative dielectric constant ε m on the right side of the open terminal of the coaxial line. Imagine that the medium having the contact is in contact Therein, the present invention shows the medium in contact with the open terminal of the probe 11 as a virtual transmission line having an arbitrary length D with an open end. The virtual transmission line has the same inner and outer radius as the coaxial line constituting the probe 11, but the dielectric constant of the insulator between the inner and outer cores is not ε c but the relative dielectric constant of the medium in contact with the open terminal ε m . It means coaxial line. Therefore, when the inner radius of the coaxial line is a and the outer radius is b, the characteristic admittance Yc of the actual coaxial line and the characteristic admittance Ym of the virtual coaxial line are defined by the following equation.
또한, 동축선과 측정매질 사이의 접촉면(z=0)에서의 불연속은 어드미턴스 Yeq로 등가적으로 나타낸다. 이는 내심 및 외심반경은 같으나 내부 절연체가 서로 다른 두개의 동축선이 접속시 접속부위의 불연속을 어드미턴스로 등가화하여 나타낸 것이다. 여기서, 어드미턴스 Yeq는 편의상 다음의 수학식 2로 가정한다.In addition, the discontinuity at the contact surface (z = 0) between the coaxial line and the measurement medium is equivalently represented by the admittance Yeq. This is shown by equalizing the discontinuity of the connection part as admittance when two coaxial wires with the same inner and outer radius but different internal insulators are connected. Here, the admittance Yeq is assumed to be the following equation (2) for convenience.
따라서, 도 5의 등가회로에서 미지수는 가상 전송선의 길이(D)와 프로브(11) 개방단말의 등가어드미턴스(Y) 두가지이다. 이 미지수(D, Y)를 구하기 위해, 먼저 비유전율이 각각 ε1과 ε2인 두가지의 기준매질을 정한다. 그런 다음, 비유전율이 ε1인 기준매질을 동축선 프로브(11)의 끝단에 접촉시키고 반사계수(Γ1)를 구한다. 마찬가지로, 비유전율이 ε2인 기준매질의 반사계수(Γ2)도 구한다. 실제 비유전율을 알고 있는 두개의 기준매질을 이용하여 개방단말 동축선 프로브(11)로 측정된 반사계수로부터 프로브(11)에 접촉된 매질의 비유전율을 환산하는 과정은 도 6에 보여진 바와 같다.Accordingly, in the equivalent circuit of FIG. 5, there are two unknowns: the length D of the virtual transmission line and the equivalent admittance Y of the probe 11 open terminal. To find these unknowns (D, Y), we first define two reference media with relative permittivity ε 1 and ε 2 , respectively. Then, the reference medium having the relative dielectric constant ε 1 is brought into contact with the end of the coaxial probe 11, and the reflection coefficient Γ 1 is obtained. Similarly, the relative dielectric constant is obtained also the reflection coefficient (Γ 2) ε 2 of the reference medium. A process of converting the relative dielectric constant of the medium in contact with the probe 11 from the reflection coefficient measured by the open terminal coaxial probe 11 using two reference media having a known relative dielectric constant is shown in FIG. 6.
도 6을 보면, 가상의 전송선 길이(D)의 임의의 초기값(D0)과 비유전율 ε1인 기준매질의 반사계수(Γ1)를 다음의 수학식 3에 대입하여 가상의 어드미턴스(Y)의 초기값(Y0)를 구한다(단계 501).Referring to FIG. 6, the virtual admittance Y is substituted by substituting an arbitrary initial value D 0 of the virtual transmission line length D and a reflection coefficient Γ 1 of a reference medium having a relative dielectric constant ε 1 into the following equation (3). The initial value Y 0 of ) is obtained (step 501).
위의 수학식 3에 대입하여 구한 가상의 어드미턴스 초기값(Y0)과 비유전율이 ε2인 기준매질의 반사계수(Γ2)를 다음의 수학식 4에 대입하여 가상의 전송선 길이(D)의 1차 수정값(D1)을 구한다(단계 502).The virtual transmission line length (D) is obtained by substituting the initial value of the virtual admittance (Y 0 ) obtained by substituting Equation 3 above and the reflection coefficient (Γ 2 ) of the reference medium having the relative dielectric constant ε 2 into the following Equation 4. The primary correction value of D 1 is obtained (step 502).
위와 같이 구한 가상의 전송선 길이 수정값(D1)과 기준매질 1의 비유전율(ε1) 및 반사계수(Γ1)를 다시 수학식 3에 대입하여 가상의 어드미턴스(Y)의 1차 수정값(Y1)을 구한다(단계 503). 단계 502 및 503을 i번째 반복하여 구한 수정값들(Di,Yi)이 다음의 수학식 5로 정의된 조건을 만족하는 지를 체크한다(단계 504).The first correction value of the virtual admittance (Y) is substituted by the virtual transmission line length correction value (D 1 ), the relative dielectric constant (ε 1 ) and the reflection coefficient (Γ 1 ) of the reference medium 1, which are obtained as described above. (Y 1 ) is obtained (step 503). It is checked whether the corrected values D i and Y i obtained by repeating steps 502 and 503 satisfy the condition defined by the following expression (5) (step 504).
위의 수학식 5는 개방단말 프로브(11)가 수동소자이기 때문에 어드미턴스(Y)의 실수부는 양수이어야 한다는 조건을 의미한다. 이 수학식 5의 조건을 만족하지 않으면, 반복횟수(i)를 "1" 증가시켜(단계 505) 단계 502부터 단계를 반복수행한다. 조건을 만족하면, 앞서 구한 가상의 전송선 길이(Di)와 어드미턴스(Yi), 측정매질의 반사계수(Γm)를 다음의 수학식 6에 대입하여 비유전율 εm의 초기치(ε0 )를 구한다(단계 506).Equation 5 above means that the real part of the admittance (Y) must be positive because the open terminal probe 11 is a passive element. If the condition of Equation 5 is not satisfied, the number of repetitions i is increased by " 1 " (step 505), and the steps are repeated from step 502. If the condition is satisfied, the initial value (ε 0 ) of the relative dielectric constant ε m is obtained by substituting the virtual transmission line length (D i ), the admittance (Y i ), and the reflection coefficient (Γ m ) of the measurement medium into the following equation (6). Is obtained (step 506).
여기서, X는 다음의 수학식 7로 정의된다.Here, X is defined by the following equation (7).
위의 수학식 6에서, Xcot(X)를 "1"로 두어 비유전율 εm의 초기치(ε0)를 구한 후 이를 위의 수학식 7에 대입하여 "X"의 초기치(X0)를 구한다(단계 507). 이렇게 구한 k번째 수정치(εk, Xk)로부터 비유전율 εm의 (k+1)차 수정값(ε k+1)을 구한다(단계 508). 이는 다음의 수학식 8로 정의된다.In Equation 6 above, Xcot (X) is set to "1" to obtain the initial value (ε 0 ) of the relative dielectric constant ε m , and then substituted into Equation 7 above to obtain the initial value (X 0 ) of "X". (Step 507). The (k + 1) th order correction value ε k + 1 of the relative dielectric constant ε m is obtained from the k-th correction value ε k , X k thus obtained (step 508). This is defined by the following equation (8).
단계 507 및 508은 다음의 수학식 9로 정의되는 조건을 만족할 때까지 반복한다(단계 509 및 510).Steps 507 and 508 are repeated until the condition defined by the following equation (9) is satisfied (steps 509 and 510).
위의 수학식 9는 측정매질의 유전율이 양수이어야 한다는 조건을 의미한다. 위의 수학식 9 조건을 만족하면 그 유전율(εk)을 측정매질의 비유전율(εm)로 환산한다(단계 511).Equation 9 above means that the permittivity of the measurement medium should be positive. When the above Equation 9 is satisfied, the dielectric constant ε k is converted into the relative dielectric constant ε m of the measurement medium (step 511).
상술한 바와 같이, 본 발명의 매설형 광대역 복소 유전율 측정방법 및 장치는, "J"자 형태의 프로브로 된 유전율 센서의 끝단에서 반사되는 전자파신호를 네트웍분석기를 이용하여 측정하고, 측정된 신호를 PC로 전송시켜 유전율로 환산하여 결과를 표시하므로써, 시료를 손상시키지 않고 단지 접촉을 통해서 측정할 수 있으며 각 케이블의 특성을 미리 데이타베이스화하여 여러개의 측정센서를 매설하여 사용할 수 있도록 하는 효과를 갖는다. 또한, 새로운 가상의 전송선 모델을 통해 대략의 값을 알고 있는 동축선의 길이를 초기값으로 사용하여 계산과정상의 수렴속도와 정확도를 개선할 수 있는 이점도 있다. 아울러, 지하의 토양이 시간이 지남에 따라 전기적인 성질이 어떻게 변화하는 지를 알 수 있어, 지하 탐사 레이다 신호 분석에 매우 유용하고, 아울러 건축물 지반 변화를 감지할 수 있어 안전진단에 사용할 수 있다.As described above, the buried broadband complex dielectric constant measuring method and apparatus of the present invention, by measuring the electromagnetic wave signal reflected from the end of the dielectric constant sensor of the "J" type probe using a network analyzer, and measuring the measured signal By transferring the result to the PC and converting the result into the dielectric constant, the result can be measured through contact without damaging the sample. The characteristics of each cable can be databased in advance so that several measuring sensors can be embedded and used. In addition, the new virtual transmission line model has the advantage of improving the convergence speed and accuracy in the calculation process by using the coaxial line length as the initial value. In addition, it is possible to see how the electrical properties of the underground soil changes over time, which is very useful for underground radar signal analysis, and can detect the ground change of the building, which can be used for safety diagnosis.
도 1은 본 발명에 따른 매설형 광대역 복소 유전율 측정장치는 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing a buried broadband complex dielectric constant measuring apparatus according to the present invention,
도 2는 도 1의 유전율 센서를 나타내는 상세도,2 is a detailed view illustrating the dielectric constant sensor of FIG. 1;
도 3a-b는 도 2 유전율 센서의 프로브 및 고정부를 나타내는 구조도,3A-B are structural diagrams illustrating a probe and a fixing part of the dielectric constant sensor of FIG. 2;
도 4는 도 1 장치의 매질 유전율 측정동작을 설명하기 위한 순서도,4 is a flowchart illustrating a medium dielectric constant measurement operation of the apparatus of FIG. 1;
도 5는 측정 매질에 대한 등가모델을 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining an equivalent model for a measurement medium;
도 6은 도 1의 컴퓨터(PC)에 탑재된 복소 유전율 환산 프로그램을 보여주는 순서도.FIG. 6 is a flowchart illustrating a complex dielectric constant conversion program mounted on the computer PC of FIG. 1.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 유전율 센서 20 : 케이블10: dielectric constant sensor 20: cable
30 : 파이프 40 : 케이블홀더30: pipe 40: cable holder
50 : 네트웍분석기 60 : 컴퓨터(PC)50: network analyzer 60: computer (PC)
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