KR101240542B1 - 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하의 지반 조사나 상태를 확인하는 용도로 사용되는 온도센서와 지하수면의 높이를 측정할 수 있는 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치는 지하의 지반조사나 상태를 확인하기 위해 지하에 매설되며, 내부에 임의의 간격으로 다수의 온도 센서 및 임의의 위치에 하나의 수압센서가 인입되어 있는 다점 온도 및 수압 감지 케이블; 및 상기 다점 온도 및 수압 감지 케이블에 연결되는 다중 센서 모니터링 장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 케이블에 각각의 자기식별번호를 갖는 수압 및 온도 측정을 위한 센서를 연결 구성한 것으로, 이를 통해 여러 개의 대수층에 존재하는 지하수면의 수위 및 지하지반의 침하나 상태를 동시에 파악할 수 있는 것이다.

Description

지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치 {A measurement Device for Underground table and Ambient temperaures thereof}

본 발명은 수압센서와 다점 온도센서를 가지고 지하수 면과 그 주위 온도 분포를 동시에 측정할 수 있는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 케이블에 지하수면의 수위(水位)상태를 측정할 수 있는 수압센서와 지하지반의 침하 상태를 파악할 수 있는 다점 온도 센서를 하나의 케이블로 연결하여 지하수면의 수위 및 지하지반의 침하상태를 동시에 파악할 수 있는 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치에 관한 것이다.

지하지반은 여러 개의 대수층(帶水層, aquifer)을 포함하고 있다.

상기 대수층은 물을 보유하고 있는 층으로 샘이나 우물에 대량의 물을 공급할 수 있는 투수성이 좋은 지층 혹은 지층군으로서, 지하수면을 가지는 불압대수층과 가압층에 끼여 있는 피압대수층으로 나뉜다.

상기 불압대수층에서 일정량의 지하수를 양수하면, 지하수 저장량의 감소분 만큼 지하수면이 낮아지고, 이것에 비해서 같은 양의 지하수를 피압대수층에서 양수하면 그 대수층의 우물은 불압대수층의 경우보다도 훨씬 수위가 낮아진다.

상기 피압대수층의 수위 변동은 대수층의 투수성이나 탄성에 관계되며, 현재 이용되고 있는 대수층의 대부분은 평야를 구성하는 지층 또는 빙하 퇴적물 중의 미고결(未固結)의 사층과 역층이다.

고결된 사암, 균열이 많은 용암, 용혈이 있는 석회암도 좋은 대수층으로서, 상기 대수층이라고 하는 개념은 우물과 같은 취수의 필요에 의해 고안된 것이다.

따라서, 상기와 같이 여러 개의 대수층에 존재하는 지하수는 지표수에 비하여 개발비용이 저렴하고 저수지와 달리 적은 면적에서 많은 물을 생산할 수 있으며, 수질오염이 적고 안정된 수량을 단기간 공사로 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기의 지하수 수온은 15℃ 내외로 밭작물, 목장 등의 초지조성용수로 적합하고, 특히 송어나 열목어와 같은 냉한성 어족을 기르기에 알맞으며, 요즈음에는 공업용수로도 크게 활용된다.

그러나, 지하수는 저장량이 한정되어 있어 무한정 양수할 경우 수맥이 메말라 더 이상 양수할 수 없을 뿐만 아니라 지하수위가 복원되기까지 상당한 세월이 흘러야 재 양수가 가능하고, 지하수의 오염시에는 그 사용이 불가능할 수밖에 없다. 따라서, 지하수를 양수함에 있어서, 수맥이 마르기 전에 일정량만을 양수하기 위해서는 지하수면 수위의 정확한 검출과 이에 따른 지하수의 사용량을 파악할 필요가 있으며, 이에 따라 지하수면의 수위를 정밀하게 측정함은 물론, 지하수의 수질상태를 측정하기 위한 장비를 개발하여 사용하고 있다.

그러나, 종래 지하수면에 대한 수위 측정을 위한 장비마다 케이블이 연결되어 있어, 종래에는 각각의 대수층에 대한 지하수의 수위 측정이 개별적으로 이루어질 수밖에 없고, 이에 따라 수위 측정을 위한 공정이 복잡해지는 불편함이 있었다.

또한, 종래에는 측정장비를 통해 각 대수층에 대한 지하수면의 수위나 그 주위의 지하지반 침하와 같은 미소진동을 동시에 측정하고자 하는 경우에 있어서는, 각각의 측정장비에 연결되는 케이블이 관정 내에서 복잡하게 얽히는 문제가 있었고,이를 정리하는 데도 상당한 시간을 낭비해야 하는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 하나의 케이블에 지하수면 및 그 주위 온도분포를 측정할 수 있는 수압센서와 다점 온도센서를 연결하여, 여러 개의 대수층에 존재하는 지하수면의 수위 및 지하지반 침하상태를 동시에 파악할 수 있도록 함으로서 기존의 지하수면 수위와 지하지반 침하상태를 개별적으로 파악하던 작업공정을 단축하는 효과가 있는 지하수면 및 그 주위온도 분포 동시 측정장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치는,

지하의 지반조사나 상태를 확인하기 위해 지하에 매설되며, 내부에 임의의 간격으로 다수의 온도 센서와 임의의 위치에 하나의 수압센서가 인입되어 있는 다점 온도 및 수압 감지 케이블; 상기 다점 온도 및 수압 감지 케이블에 연결되는 다중 센서 모니터링 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치는 상기 다중 온도 센서 모니터링 장치의 측면에 형성되는 스위치 제어장치와 상기 스위치 제어장치와 연결되는 케이블 연결 부재와 상기 케이블 연결 부재의 하부에는 3차원 온도 모니터링이 가능하도록 다수의 온도 센서와 하나의 수압센서가 임의의 위치에 인입된 케이블과 상기 테이블의 위치를 파악하는 GPS와 다수의 온도 센서에 의하여 지하의 3차원 온도 분포 데이터를 산출 및 처리하는 제어해석수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 다점 온도 및 수압 감지 케이블은 자기 고유번호를 갖는 상기 다수의 온도 센서와 하나의 수압 센서가 1 - 와이어 버스(wire bus)로 연결되어 각 온도 센서 및 수압센서의 위치를 다중 센서 모니터링 장치가 식별하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 다수의 온도 센서는 각각 자기 식별번호를 갖고 있기 때문에 하나의 다점 온도 케이블로 여러 곳의 온도를 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 다중 센서 모니터링 장치는 상기 다수의 온도 센서 및 하나의 수압센서를 하나의 제어장치로 제어할 수 있도록 상기 다수의 온도 센서 및 하나의 수압센서가 갖는 각각의 식별번호를 저장할 수 있는 메모리 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제어 해석 수단은 상기 다수의 온도 센서에 미리 정해진 시간 간격으로 신호를 보내어 상기 온도 센서가 온도를 측정하면 그 온도의 데이터를 취합하여 저장하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하나의 케이블에 수압 및 온도 측정을 위한 센서를 연결 구성한 것으로, 이를 통해 여러 개의 대수층에 존재하는 지하수의 수위 및 사용자가 원하는 어느 장소에서도 누수탐지, 그라우팅 성과 판단, 지반침하, 지하수 유동에 대한 모니터링을 동시에 할 수 있도록 하는 등 작업 공정을 단축시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 구성도.
도 2는 3차원 온도 모니터링이 가능하도록 구성된 본 발명에 의한 장치의 구성도.
도 3은 다중온도센서 모니터링 장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 실제 설치 사진.
도 5는 본 발명의 온도센서에 의해 지하지반의 침하나 지하상태를 측정하는 개념도.

이하에서는, 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 바람직한 실시 예를 도면을 첨부하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 구성도이고, 도 2는 3차원 온도 모니터링이 가능하도록 구성된 본 발명에 의한 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 의한 다중 온도 센서 모니터링 장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 실제 설치를 나타내는 모습을 나타내는 사진이며, 도 5는 본 발명의 온도센서에 의해 지하지반 침하이나 지하상태를 측정하는 개념도이다.

일반적으로 지하의 지반이상 감지는 지하에서 발생하는 미소 진동을 측정하여 감지하였다. 하지만 지하의 지반조사나 상태를 파악하기 위하여 온도 센서로도 가능하다. 왜냐하면, 지하에서 지반의 이상이 생기거나, 누수가 탐지된다면 매질의 변형이 나타나게 되며, 매질의 변형은 온도의 변화로 이어지기 때문이다. 따라서, 지하의 지반조사나 상태를 파악하기 위해 지하에 온도 센서를 다수 매설하여 측정할 수 있다.

그러나, 온도 센서만을 이용하는 경우에는 지하수의 높이를 측정할 수 없기 때문에 별도의 수압센서를 다시 케이블을 이용하여 지하에 매입하여야 하는 번거로움이 있었다.

도 1을 보면, 내부에 임의의 간격으로 다수의 온도 감지 센서(100) 및 임의의 위치에 하나의 수압센서(150)가 인입되어 있는 다점 온도 및 수압 감지 케이블(200)이 형성되어 있다.

또한, 상기 다점 온도 및 수압 감지 케이블(200)에는 다중 온도 센서 모니터링 장치(300)(TLS Monitoring Device)가 연결되어 있다.

여기서, 상기 다점 온도 감지 케이블(200) 내에 내장된 상기 다수의 온도 센서(100) 및 하나의 수압센서는 임의의 간격으로 이격되어 있는데, 이들은 모두 자기 식별번호(address)를 가지고 있기 때문에 각 식별 위치에서의 온도 분포를 정확히 파악할 수 있게 된다. 또한, 수압센서도 자기 식별번호를 가지고 있기 때문에 수압센서의 위치를 쉽게 파악할 수 있으며, 수압센서에 의하여 측정된 수압을 알게 되면 지하수면의 높이를 알게 되는 것이다.

본 발명의 도1에는 수압센서(150)가 각 케이블의 마지막 위치에 있도록 되어 있으나, 수압센서도 온도 센서와 마찬가지로 식별번호를 가지고 있기 때문에 온도 센서 사이에 설치되어 있어도 동일한 효과를 발생시키므로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 통상의 창작능력을 발휘하여 수압 센서의 위치를 케이블 내의 어느 곳이든 원하는 위치에 설치할 수 있을 것이다.

따라서, 종래의 온도 센서에서는 여러 개의 온도 센서를 각각의 케이블로 연결하여 각 위치의 온도를 파악하였으나, 본 발명에서는 각 센서마다 자기 식별번호(address)를 가지고 있으므로 단지 하나의 케이블로도 여러 위치에 따른 온도 파악이 가능한 것이다.

이하에서는 다중 온도 센서(Thermal Line Sensor:TLS)에 관하여 자세히 설명해보기로 한다. 상기 다중 온도 센서(TLS)의 방식은 상기 도 1에서 도시가 되었듯이 동시에 여러 위치의 온도측정을 하기 위하여 단일 케이블 내에 다중으로 온도센서를 배열하는 방식을 채택하는 것이다.

본 발명에 따른 다중온도센서(TLS)는 각 온도감지센서 위치에 대한 온도를 파악하기 위하여 각각의 센서에 자기 식별번호를 사용하는 것이다.

또한, 이것은 인접하게 형성된 다중 센서 모니터링 장치(300)에 연결되어 상기 다중 센서 모니터링 장치(300)의 턴-온과 동시에 상기 다중 센서 모니터링 장치(300)와 각각의 온도 센서(100) 및 하나의 수압센서의 상호 간에 위치 정보를 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 다중 온도 센서 및 하나의 수압센서는 모니터링 기기에서 통신을 위하여 송신되는 펄스 신호만으로 센서의 온/오프(on/off) 구동 가능하도록 설계가 되어 있어 전력 소모량을 최소화하며, 자기 식별번호를 갖는 1- 와이어 버스(wire-bus)로 이루어져 케이블(200) 내에 여러 개의 센서가 설치가 되어도 각 센서의 위치를 다중 센서 모니터링 장치(300)가 인식할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 다중온도센서 모니터링 장치(300)는 1-와이어 버스(wire bus)에 의하여 여러 위치에 분포가 되어 있는 각 지점의 온도센서 및 하나의 수압센서를 하나의 제어장치(CPU 또는 프로세서)로 인식할 수 있도록 각각의 식별번호를 저장할 수 있는 메모리 장치(미도시)가 형성되어 있다.

도 2를 보면, 상기 다중 센서 모니터링 장치(300)의 측면에 형성되는 스위치 제어장치(250)와 상기 스위치 제어장치(250)와 연결되는 케이블 연결부재(450)와 상기 케이블 연결부재(450)의 하부로는 3차원 온도 모니터링이 가능하도록 다수의 온도 센서(430)와 하나의 수압센서(150)가 인입된 케이블(400)이 연결 형성되어 있다.

상기 수압센서(150)는 물속의 심도와 수압 사이의 비례관계가 성립하는 성질을 이용하여 수압을 측정함으로서 지하수의 깊이를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것이다. 도면에 도시한 대로, 케이블(400)의 말단에 수압센서(150)와 내부에 인입된 다수의 온도센서(430)로 하여금 제어 해석 수단(600)에 연결됨으로 정확한 온도와 지하수의 깊이를 동시에 다발적으로 측정이 가능한 것이다.

상기 케이블(400)은 스위치 제어장치(250)에서 인출되는 데이터 선(420)으로 연결되어 다수의 온도센서(430)에 의하여 측정된 온도와 GPS(500)에 의하여 측정된 위치를 매칭하여 3차원 온도분포 데이터를 산출 및 저장하는 제어 해석 수단(600)으로 구성되어 있다.

상기 제어 해석 수단(600)은 다수의 온도센서(430)에 미리 정해진 시간 간격으로 신호를 보내어 상기 온도센서(430)가 온도를 측정하게 하여 그 온도의 데이터를 취합하여 저장하도록 함으로서 시간과 위치에 따른 온도측정이 가능하도록 하게 된다.

상기 GPS(450)는 위치를 실시간으로 측정하여 현재 케이블(400)의 지리적 위치 및 이동궤적을 산출하며 미리 입력된 수치 지도의 위치와 제대로 일치하는가를 판단하는 기능을 하는 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 다중 센서 모니터링 장치(300)의 구성도이다.

상기 다중 센서 모니터링 장치(300)는 상기 다점 온도 및 수압 감지 케이블(200)에 구비된 상기 각 센서의 위치 인식, 데이터 전송 및 저장 등에 필요한 각종 매개변수(날짜, 측정 시간 간격, 시간조정 등)를 입력 및 조작할 수 있는 기능조작부(330)와 현장에서 측정된 온도 데이터를 직접 확인할 수 있도록 측정된 데이터 또는 측정된 데이터가 그래프 형태로 표시되는 표시부(350)와 외부 컴퓨터와 데이터 송수신이 가능한 입출력 포트(미도시) 및 송수신장치(미도시)로 구성되어 있다.

도 4는 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치의 실제 설치를 나타내는 모습을 나타낸 사진이다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이 하천, 저수지 시방공사 등 지반의 침하를 알아볼 수 있는 곳에 수압센서와 온도센서를 같이 설치하는 것이다. 즉, 온도센서와 수압센서가 인입된 하나의 케이블을 지하 공간에 삽입하여 각 위치에 따로 온도측정과 지하수면의 측정이 동시에 가능하도록 구성하는 것이다.

도 5는 암반 거동(예, 지반침하)에 의한 온도변화를 나타내는 사진이다.

지하에 암반 거동이 일어나면 그곳에 순간적으로 공간이 형성되고 그 공간은 다시 주위 매질(물, 공기, 토사, 암)에 의해 메워지게 된다. 이러한 진행은 항상 그곳에서 온도 이상대(temperature anomaly)를 유발하며 특히 상부 지하수가 그 공간에 유입되면 보다 뚜렷한 큰 폭의 온도차를 유발할 수 있는 온도 이상대가 형성되는 것이다.

상기 도 5를 보면, ①에는 본 발명에 의한 장치가 설치가 된 상태이고, ②는 지하 암반이 형성되어 있는 점선부분이 변화가 생겼음을 나타내는 사진이고, ③은 지하 암반이 깨져 변화가 생성되었음을 나타내는 사진이고 ④는 이러한 변화가 생겼음을 본 발명에 의한 장치가 감지하는 것을 나타낸 사진이다.

③에서와 같이, 지하 암반이 일정 부분 이동하게 되면 공간이 형성되며, 그 공간은 다른 물질로 채워지든, 빈 공간으로 남아 있든 간에 지하 암반이 움직이기 전과는 다른 온도 분포를 가지게 되는 것이다.

여기서, 색깔이 짙은 색깔일수록 온도가 높은 것인데 온도의 변화가 큰 경우에는 암반이 지반 거동 등의 이상이 있음을 탐지할 수 있는 것이 가능한 것이다.

따라서, 본 발명에 의한 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치를 이용하면 다수의 온도 센서에 의하여 지하 암반거동의 발생을 파악할 수가 있는 것이다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.

100: 온도센서 150: 수압센서
200: 온도감지 케이블 250: 스위치 제어장치
300: 다중온도센서 모니터링장치 330: 기능조작부
350: 표시부 400: 케이블
420: 데이터 선 430: 온도센서
450: 케이블 연결 부재 500: GPS
600: 제어해석수단

Claims (3)

1. 지하의 지반조사나 상태와 지하수면을 동시에 확인하기 위해 지하에 매설되며,
   각각 고유의 식별번호를 갖으며 내부에 임의의 간격으로 다수의 온도 센서 및 임의의 위치에 하나의 수압센서가 인입되어 있는 다점 온도 및 수압 감지 케이블을 스위치 제어장치에 복수 개를 연결하여 동시에 지하의 3차원 온도를 모니터링 할 수 있게 하였고,
   상기 케이블의 위치를 파악하는 GPS와 다수의 온도센서에 의하여 지하의 3차원 온도분포 데이터를 산출 및 저장하는 제어해석수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 온도 센서 및 하나의 수압 센서는 각각 자기 식별번호를 가지며, 상기 다점 센서 케이블 내에서 1 - 와이어 버스(wire bus)로 연결되어 다수의 온도 센서 및 하나의 수압 센서의 각각의 위치를 다중 센서 모니터링 장치가 식별함으로써 지하수면과 그 주위온도 분포를 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 지하수면 및 그 주위 온도분포 동시 측정장치.
   

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