KR101373826B1 - 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성파를 발진시키는 도파로를 도입하여 발진 효율을 향상시킨 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 지하시설물의 위치를 측정하고 이를 기록하는 작업의 경제적 효율성을 높일 수 있도록 탄성파를 응용하되, 탄성파의 발진효율을 향상시킴으로써 탐지 효과를 증대시킬 수 있다.

Description

탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치{APPARATUS FOR OPERATING MEASUREMENT SYSTEM POSITION OF CONSTRUCTION IN WATER AND SEWAGE UNDERGROUND FACILITY USING ELASTIC WAVE}

본 발명은 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성파를 발진시키는 도파로를 도입하여 발진 효율을 향상시킨 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치에 관한 것이다.

도시화가 급속히 이루어지고, 생활의 질을 향상시키는 과정에서 사회의 간접자본을 이루는 도로와 상하수도, 가스 및 전기, 통신 시설의 정비가 급속히 이루어지고 있다. 이들 시설은 생활과 산업에 필수적인 것으로, 도시화, 산업화가 이루어지는 초기 단계에서는 지역사회의 자연적인 발전과 함께 비계획적으로 형성되는 경향이 있었다.

그러나, 이들 상하수도, 가스, 전기, 통신 등의 시설은 많은 공간에 걸쳐서 이루어지므로 근래에는 이들 시설물에 대한 계획적인 설치가 요청되고 있으며, 특히, 공간의 효율적 이용을 필요로 하는 도시지역에서는 지하 매설물로 설치되는 것이 일반화되고 있다. 또한 시설물의 보호라는 목적하에서도 지하에 매설되는 경우가 많이 있다. 이들 시설의 근간을 이루는 주요 구역에서는 공동화된 관리가 이루어지도록 터널화된 지하 공간을 마련하고 이들을 함께 설치하는 방법도 사용되고 있다.

그러나, 기존의 많은 시설 부분이 비계획적으로 이루어졌고, 이들 시설을 말단부까지 모두 계획적으로 설치할 수는 없다. 그리고, 설치되는 지역의 부분적인 특수 사정에 따라 시설의 설치 경로가 변경되는 경우가 많다. 또한, 지하는 가시적인 공간이 아니므로 지하에 매설되는 다종 다양한 매설물을 정확히 파악하고 관리하는 것이 어려울 때가 많이 있다.

경우에 따라서는 새로운 시설물 시공이나, 건축물 시공시 기존의 시설물들을 정확히 파악하지 못하고 공사가 진행되면서 시설물을 파괴하여 생활의 불편과 경제적 손실을 초래하며, 인명적 손실이 발생할 수도 있다.

따라서, 관련 정부 기관이나 시설물 관리 기관에서는 기존의 상황에서 새롭게 시설물 설치 상황을 파악하고 체계적으로 관리하려는 노력이 이루어지고 있다.

이에 따라 지하 매설물에 대한 정확한 파악 방법이나 장치가 요구되고 있다.

또한, 전체적인 시설물 관리의 관점이 아니라도 당면한 새로운 공사를 시작하기 전에 기존의 시설물을 손상시키지 않고 불편이나 위험을 예방하기 위해 특정 지역의 지하 매설물을 정확히 파악해야 할 경우가 많이 있다.

지하 매설물 파악의 한 방법으로 지하의 배관을 찾는 방법이 연구되어 왔다. 배관은 상하수나 도시가스의 분급시설로 많이 사용되며, 전기선이나 통신선을 설치할 때에도 보호 및 관리의 편의를 위해 배관을 많이 사용하기 때문이다. 그러나 배관도 다양한 재질과 형태를 가지며, 시공의 형태도 다양하기 때문에 일률적인 방법을 사용할 수 없다는 어려움이 있다.

현재 지하 매설 배관을 탐사하기 위하여 사용되는 방법은 지중레이더 탐사법(Ground penetration radar method), 전자유도 탐사법, 음파 탐사법 등이 있다.

이들 가운데 지중레이더 탐사법은 전자기파가 반사되는 성질을 이용하여 지중의 각종 현상을 밝히는 방법이다. 그러나, 지하 매질은 공기보다 물리적으로 매우 불균질하므로 반사체의 형태와 위치가 매우 복잡하다. 따라서, 지하에서 반사되어 온 신호들이 많은 잡음을 포함하고 있으므로 정확한 지하 매설 배관을 탐지하는 데 어려움이 있다.

또한, 전자유도 탐사법은 전도체에 전기가 흐르면 도체 주변에 자장이 형성되는 원리를 이용하는 방법이다. 전자유도탐사법은 매설 배관이 비금속 관로나 공관로인 경우에도 소형 발진기인 탐침을 이용하여 탐사할 수 있으므로 현재 가장 많이 사용되는 방법 가운데 하나이다. 그러나, 일반적 탐사기 성능을 고려할 때 배관 매설의 깊이가 3m를 초과하면 사용하기 어렵다. 또한, 고압선, 가드 레일, 울타리 등 전자파 장애가 있는 지역에서는 사용에 어려움이 있으며, 시설물이 비금속 배관인 경우와 동일선상에 배관이 겹쳐있는 경우 등에서는 사용이 적합하지 않고 사용시 고전류를 필요로하는 등의 문제가 있다.

그리고 음파 탐사법은 물로 가득찬 관로에 음파신호를 보내고 탐지기로 배관에 흐르는 음파신호를 측정하여 매설된 관의 위치를 탐지하는 방법이다. 그러나, 음파 탐사법은 관로에 물이 가득 차 있는 경우에만 사용이 가능하고 매설 깊이는 측정하기 어렵다는 한계가 있다.

이를 개선하기 위한 종래기술 중에 하나로써 대한민국 특허 등록번호 제10-0332345호(2002.03.29.) "탄성파를 이용한 매설 배관의 위치 측정 시스템"이 개시된 바 있다.

그러나 종래기술로 개시된 상기 등록특허는 발진기를 통해 탄성파를 단순 발진시키는 형태이므로 발진 효율을 향상시킬 필요가 대두되었다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0332345호(2002.03.29.) "탄성파를 이용한 매설 배관의 위치 측정 시스템"

본 발명은 상술한 바와 같은 보완 요청에 의해 창출된 것으로, 지하시설물의 위치를 측정하고 이를 기록하는 작업의 경제적 효율성을 높일 수 있도록 탄성파를 응용하되, 탄성파의 발진효율을 향상시킴으로써 탐지 효과를 증대시킨 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 진동에 의해 탄성파를 발생시키는 진동판, 상기 진동판을 타격하는 해머, 자기장을 발생시키고 변화시켜 상기 해머의 진동을 유도하는 발진기 및 상기 발진기에 전류를 공급하는 전원을 구비하여 이루어지며 매설 배관에 소정 패턴으로 부착되는 탄성파 발생부와 지표면에서 탄성파를 감지하여 전기신호로 변환시키는 가속도계, 상기 가속도계에서 전달된 전기신호를 처리하는 신호처리 장치 및 상기 신호처리 장치에서 처리된 전기신호를 분석하여 매설 배관의 위치를 계산하는 계산부를 구비하여 이루어지는 감지부를 포함하고; 상기 전원은 일정 패턴의 주파수의 교류를 발생시켜 상기 발진기에 전달하는 파형 발생기 및 상기 파형 발생기에 일정한 전류를 공급해주는 전류공급장치를 구비하여 이루어지며; 상기 신호처리 장치는 증폭장치 및 필터링 장치로 이루어지고; 상기 해머, 상기 진동판, 상기 파형 발생기 가운데 하나는 설치시 조정될 수 있는 가변형으로 이루어진 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템에 있어서; 상기 발진기와 별개로 지표면에 삽입된 채 RF를 발진시키는 RF발진기를 더 구비하되, 상기 RF발진기는 하부가 개방된 반구 형상의 하우징의 내부 중심에 고정되고; 상기 RF발진기에는 지면을 향해 연장되며 상기 하우징의 반경보다 2배 이상 긴 길이를 갖고 지면에 삽입되는 발진봉이 구비되며; 상기 하우징의 내주면에는 RF수신부가 구비되되, 상기 RF수신부는 다수의 경사 슬롯과, 상기 슬롯들이 일측에서 벽을 형성하는 리플렉터를 포함하는 슈퍼헤테로다인 수신기이고; 상기 하우징의 외주면에는 상기 RF수신부와 연결된 출력단자가 구비되며; 상기 출력단자에는 상기 신호처리장치와 연결된 소켓이 접속되고; 상기 하우징의 외주면 중심에는 전원선이 연결된 전원소켓이 구비된 것을 특징으로 하는 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 지중에서 일정 패턴으로 발생하는 탄성파를 이용하여 매설 배관의 깊이에 따른 진폭과 시간차로부터 매설배관의 위치를 정확히 측정할 수 있다. 또한, 발생된 탄성파는 진동판과 해머의 조절을 통해, 그리고, 파형 발생기로 타격 시간 간격 등의 조절을 통해 조정할 수 있으므로 주위 잡음과 차별화된 신호를 얻어 신뢰성 있는 매설배관의 위치 측정을 할 수 있다.

특히, 발진효율을 향상시킴으로써 탐지능력을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 매설 배관 위치 측정 시스템을 나타내는 개념적 구성도.
도 2 및 도 3는 본 발명에 따른 추가 실시예를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 후술되는 선등록특허 제0332345호를 그대로 이용한다. 때문에, 이하 설명되는 장치 구성상 특징들은 모두 등록특허 제0332345호에 기재된 사항들이다.

다만, 본 발명은 상기 등록특허 제0332345호에 개시된 구성들 중 발진기의 발진효율을 극대화시킬 수 있도록 구성된 부분이 주된 특징을 이룬다.

따라서, 이하 설명되는 장치 구성과 특징 및 작동관계는 상기 등록특허 제0332345호의 내용을 그대로 인용하기로 하며, 후단부에서 본 발명의 주된 특징과 관련된 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 기본적인 사항을 설명한다. 본 발명에서 매설 배관 위치 측정 시스템의 탄성파 발생부는 배관과 함께 지하에 매설되어 있어야 한다.

즉, 배관의 시설 단계에서 탄성파 발생부를 일정 간격으로 배관 표면 등에 부착하게 된다.

탄성파 발생부의 전원 공급을 위한 전원으로 대개 전력선이 함께 준비된다.

그리고, 필요에 따라 매설 배관의 위치를 확인할 때, 해당 구역의 매설 배관에 부착된 탄성파 발생부에 전류를 공급하여 배관의 위치를 측정하게 된다.

일반적으로 탄성파는 음파 레벨 혹은 더 적은 진동수를 가지는 파동이며, 탄성 매질 내에서 구성 입자의 진동을 유발하면서 전파한다.

탄성파는 매질과 파원의 특성을 포함하며, 매질이 일정한 탄성 고체라고 가정하고 탄성 고체에 대한 파동 방정식을 기본으로 수신되는 탄성파 신호를 분석하면 파원에 대한 정보를 알 수 있다.

탄성파의 검출에는 압전현상을 이용한 초음파 탐촉자를 많이 사용하나 기계적인 충격이나 전자기적인 방법을 사용할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 운용장치는 지표를 경계로 하부에 설치되는 탄성파 발생부는, 전류를 공급해주는 전류공급장치(10)와 공급된 전류에 의해 일정 패턴의 주파수를 가지는 교류를 만들어주는 파형발생기(11)를 가지고 있다.

따라서, 발진기(12)는 공급되는 교류 주파수의 일정한 패턴에 따라 변동되는 자기장을 발생시킨다.

즉, 파형발생기에서 일정 주파수를 갖은 교류가 공급되면 코일로 만들어진 발진기에 일정 패턴의 주파수를 가지는 교류가 흐르게 되며, 이에 따라 자기장이 형성되어 변하게 된다.

발진기(12)에서 발생된 자기장은 해머(13)에 힘을 작용시켜 해머(13)가 자기장의 변화 패턴에 따라 진동판(14)을 타격하도록 한다.

즉, 변화하는 자기장이 해머를 끌어 당겨 해머가 진동판을 타격한 후 다시 떨어지게 한다.

이러한 작동은 전류가 공급되는 일이 몇 번이고 되풀이되어 일어나며, 원리적으로 통상의 전기 타종기와 유사한 구성을 가지는 것이다.

진동판(14)은 그 재질과 형태에 따라, 또한, 해머(13)가 진동판(14)을 타격하는 패턴에 따라, 특유의 탄성파를 발생시킨다.

그러므로, 진동판(14), 해머(13) 및 파형 발생기(11)가 몇 개의 형태로 가변되는 경우, 진동판(14)과 해머(13)의 조절을 통해, 그리고, 파형 발생기(11)로 타격 시간 간격 등의 조절을 통해 탄성파 패턴을 조정할 수 있다.

따라서, 배관 매설시 탄성파 발생부도 함께 설치하면서 주위 상황에 적절하게 이들을 세팅하여 설치하면 주위 잡음과 차별화된 신호를 얻어 신뢰성 있는 매설 배관의 위치 측정을 할 수 있다.

결국, 파형 발생기(11)에서 만들어지는 교류 파형은 탄성파에 반영된다.

그리고, 진동판(14)에서 발생된 탄성파는 매질인 토양을 통해 전파되어 지표면에 도달하게 된다.

도면에 정확히 도시되지 않지만 탄성파 발생부는 매설되므로 케이스에 싸여있게 된다. 케이스 공간 내에서 해머(13)는 진동할 수 있는 공간을 가질 수 있다.

진동판(14)은 케이스 표면에 부착되어 있고 진동판(14)이 부착된 케이스면이 매질인 토양에 탄성파를 전달하게 된다.

케이스는 부식과 산화에 견디는 재질을 선택하고 주위 환경에서 발생하는 진동과 소음을 고려하여 설계한다. 또한, 케이스 설계시 전원과의 관계에서 토양과 접지된 상태를 고려한다.

도면의 지표면 위로 설치되는 부분이 본 발명의 감지부를 이룬다. 감지부는 탄성파를 감지하는 탄성파 수신기로 가속도계(15)를 구비한다.

가속도계(15)는 지표면에서 탄성파를 감지하여 탄성파의 음압을 변화시켜 전기신호로 발생시킨다.

감도를 적절하게 하기 위해서는 사전적인 실험이 필요할 수 있다.

탄성파 수신기로 진동 수준 측정기(vibration level meter)를 사용하는 경우에 측정가능 주파수 범위가 2Hz 내지 1 MHz인 진동자를 이용하여 진동원이 없는 경우의 암진동과 파원이 있는 경우의 파원의 위치와 깊이에 따른 음압레벨을 측정하고, 센서를 사용하면서 신호 분석 및 처리 장비와의 감도를 미리 보정할 수 있다.

탄성파에 의해 발생되는 전기신호는 신호처리장치(16)에서 처리된다. 탄성파 수신기에서 얻어지는 신호는 무척 미약하므로 주위환경의 영향을 쉽게 받을 수 있다.

신호처리는 대개 증폭 및 필터링 과정으로 이루어진다. 신호 처리장치를 통해 처리된 전기신호는 계산부(17)로 입력된다. 계산부(17)는 입력된 신호로부터 음원의 위치를 계산할 수 있는 프로그램을 내장하여 연산처리하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 것이 일반적이다.

본 발명에 따른 추가 실시예는 상기 구성을 그대로 포함하면서 발진효율을 향상시킬 수 있도록 도 2와 같은 발진 장비를 더 구비할 수 있다.

예컨대, 상기 실시예의 경우 배관 매설 초기부터 탄성파 발생부를 함께 매립 설치해야 하는 불편함이 있다. 때문에, 본 발명 추가 실시예에서는 이에 더하여 지표면에서 발진봉을 지면에 삽입한 상태로 즉시 사용할 수 있는 발진수단을 더포함할 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명 추가 실시예에서는 RF발진기(100)를 더 구비한다.

상기 RF발진기(100)는 반구형상의 하우징(110)의 내부 중심에 고정되고, 개방된 쪽을 향해 배치된다.

그리고, 상기 RF발진기(100)에는 발진봉(120)이 구비된다.

상기 발진봉(120)은 상기 하우징(110)의 반경보다 크게, 바람직하기로는 2배 이상 되게 구성하여 하우징(110) 밖으로 돌출되게 구성되어야 한다.

이때, 상기 발진봉(120)을 상기와 같이 길게 돌출시켜야 하는 이유는 지면에 삽입시켜 사용할 때 가급적 깊이 박아 넣음으로써 발진 효율을 높이기 위함이다.

그러나, 배관의 매립깊이가 수미터를 초과하지 않기 때문에 상기 하우징(110)의 반경 보다 2배 정도 크게 구성함이 가장 바람직하며, 또한 발진된 RF가 수신될 때 수신효율을 극대화시킬 수 있는 범위이기 때문이다.

아울러, 상기 하우징(110)의 내면에는 상기 RF발진기(100)를 제외한 영역에 RF수신부(130)가 설치되고, 상기 RF수신부(130)에는 출력단자(140)가 구비되며, 상기 출력단자(140)에는 소켓(150)이 접속되는데, 상기 소켓(150)으로 출력된 수신 신호는 신호처리장치(16)로 전송되도록 구성된다.

이 경우, 상기 신호처리장치(16)에는 RF신호를 판독할 수 있는 파형분석기(미도시)가 더 구비됨이 바람직하다.

상기 파형분석기는 직류성분을 추출하는 저역통과필터(LPF: Low Pass Filter); 및 상기 추출된 직류성분 및 RF발진기(100)의 기준신호를 이용하여 블로커 억제 신호를 생성하기 위한 신호생성 믹서;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 RF수신부(130)는 통상적으로 잘 알려진 슈퍼헤테로다인(Super Heterodyne) 수신기를 구비 사용함이 바람직하다.

덧붙여, 상기 RF수신부(130)의 수신 감도를 증대시키기 위해, 도 3과 같은 형상을 가질 수 있다.

예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, RF수신면(132)에 다수의 경사형 슬롯(134)이 요입 형성되며, 슬롯(134)의 일측에는 슬롯(134)과 동일 길이를 갖되 벽을 형성하는 리플렉터(Reflector)(136)를 구성하여 반사이득을 높이도록 구성되는데, 이때 돌출높이는 2-2.5mm로 유지되어야 수신 효율을 높일 수 있다.

그리고, 상기 하우징(110)의 외주면 중심에는 전원인가를 위한 전원소켓(160)이 고정되고, 상기 전원소켓(160)에는 전원선(170)이 연결된다.

이와 같이, 본 발명 추가 실시예는 지면에 매립설치하지 않고도 쉽고 빠르며 정확하게 지하매설물을 탐측할 수 있어 그 효율이 증대될 것으로 기대된다.

10 : 전류공급장치 11 : 파형 발생기
12 : 발진기 13 : 해머
14 : 진동판 15 : 가속도계
16 : 신호처리 장치 17 : 계산부

Claims (1)

1. 진동에 의해 탄성파를 발생시키는 진동판, 상기 진동판을 타격하는 해머, 자기장을 발생시키고 변화시켜 상기 해머의 진동을 유도하는 발진기 및 상기 발진기에 전류를 공급하는 전원을 구비하여 이루어지며 매설 배관에 소정 패턴으로 부착되는 탄성파 발생부와 지표면에서 탄성파를 감지하여 전기신호로 변환시키는 가속도계, 상기 가속도계에서 전달된 전기신호를 처리하는 신호처리 장치 및 상기 신호처리 장치에서 처리된 전기신호를 분석하여 매설 배관의 위치를 계산하는 계산부를 구비하여 이루어지는 감지부를 포함하고; 상기 전원은 일정 패턴의 주파수의 교류를 발생시켜 상기 발진기에 전달하는 파형 발생기 및 상기 파형 발생기에 일정한 전류를 공급해주는 전류공급장치를 구비하여 이루어지며; 상기 신호처리 장치는 증폭장치 및 필터링 장치로 이루어지고; 상기 해머, 상기 진동판, 상기 파형 발생기 가운데 하나는 설치시 조정될 수 있는 가변형으로 이루어진 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템에 있어서;
   상기 발진기와 별개로 지표면에 삽입된 채 RF신호를 발진시키는 RF발진기를 더 구비하되, 상기 RF발진기는 하부가 개방된 반구 형상의 하우징의 내부 중심에 고정되고; 상기 RF발진기에는 지면을 향해 연장되며 상기 하우징의 반경보다 2배 이상 긴 길이를 갖고 지면에 삽입되는 발진봉이 구비되며; 상기 하우징의 내주면에는 반사된 RF신호를 수신하는 RF수신부가 구비되되, 상기 RF수신부는 다수의 경사 슬롯과, 상기 슬롯들이 일측에서 벽을 형성하는 리플렉터를 포함하는 슈퍼헤테로다인 수신기이고; 상기 하우징의 외주면에는 상기 RF수신부와 연결된 출력단자가 구비되며; 상기 출력단자에는 상기 신호처리장치와 연결된 소켓이 접속되고; 상기 하우징의 외주면 중심에는 전원선이 연결된 전원소켓이 구비되고,
   상기 신호처리장치는
   상기 RF수신부가 수신하여 전달한 상기 RF신호를 저역통과 필터링하여 판독하는 파형분석기가 더 구비되고, 상기 판독된 RF신호를 증폭하여 상기 계산부로 전송하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성파를 활용한 지중 상하수도관 위치 측정시스템의 운용장치.
   
   

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