KR101437959B1 - 분포형 tdr 센서를 이용한 침하계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계에 관한 것이다. 이는, 지반 내의 층별 침하량을 측정하는 침하계에 있어서, 지반 내에 수직으로 굴착된 굴착공에 삽입되고 전체적으로 균일한 유전율을 가진 유전체로 된 수직가이드(31)와; 상기 수직가이드(31)의 길이를 따라 표면에 부착되며, 전기펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 전기적인 도체(322, 324)를 포함하는 TDR센서(32)와; 상기 수직가이드(31)의 길이를 따라 표면에 부착되고 상기 수직가이드(31) 주변의 지반이 침하함에 따라 상기 수직가이드(31)를 따라 침하하는 적어도 하나의 스파이더 유전체(33); 및 상기 TDR센서(32)를 통해 전기펄스 신호를 송수신하고 수신된 신호를 처리하여 상기 적어도 하나의 스파이더 유전체(33)의 위치를 감지하기 위한 데이터 로거(34)를 포함하여 구성한다. 이에 따라 수동 또는 자동 침하계를 저렴하게 구성가능하고, 구조가 단순하므로 설치가 간단하며 또한 지상에서 전기적 펄스를 전송하고 수신하는 방식을 사용하여 계측이 간편하게 이루어질 수 있도록 하는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

분포형 TDR 센서를 이용한 침하계{Extensometer Using Distributed Time Domain Reflectometery Sensor}
본 발명은 일반적으로 지반 내의 층별 침하를 측정하기 위한 침하계에 관한 것으로서, 상세하게는 도체를 통해 전기적 펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 계측함으로써 도체 주변의 유전율의 변화에 따른 신호 변화를 감지할 수 있는 분포형 TDR(Time Domain Reflectometery) 센서를 이용하여 저렴하게 구성가능하고 설치가 간단하며 또한 계측이 간편하게 되도록 한 새로운 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반과 터파기 공사시 지중에 주요 구조물이 매설될 경우, 특히 지층의 구조가 복잡하여 각 층에서 일어나는 압축량을 예측하기 곤란한 경우 원하는 지점에 침하계를 설치하여 지층의 침하량과 침하속도를 측정하게 된다. 이러한 침하계를 사용하는 분야에는 기초 지반이나 성토 지반의 침하 또는 융기로 인한 변위 측정 분야, 옹벽과 교량의 변위 측정 분야, 제방 및 사력댐의 변위 측정 분야 및 연약 지반의 압밀 측정 분야 등이 포함된다.
종래에 침하계의 경우, 예를 들어, 국내 등록특허 제10-0271827호(2000년 8월 19일 등록) "층별 침하량 측정 시스템 및 이를 이용한 자동측정 방법"에는 수동식으로 계측하는 침하계로서, 본 명세서에 첨부된 도 1에 나타난 구조와 유사한 구조의 수동 계측 방식의 침하계(10)를 기재하고 있다. 도시된 수동 계측 방식의 침하계(10)는 지중에 수직으로 굴착공을 천공하고, 이 굴착공에 중공 파이프(11)를 삽입하고, 중공 파이프(11)의 길이를 따라서 지층별로 자력장치, 즉 복수의 스파이더 마그넷(12)이 설치된다. 그런 다음에 강선 등의 단부에 센싱프로브(13)를 매달아 중공 파이프(11)의 중공을 따라 내려 보내서 스파이더 마그넷(12)의 침하량을, 가장 최하층에 설치된 기준 마그넷(14)에 기초하여 측정하는 구조이다. 이런 수동 계측 방식의 침하계(10)는 작업자가 매 측정시마다 수동으로 측정 작업을 하므로 시간이 오래 걸리고 번거롭다는 문제가 있었다.
이런 수동 계측 방식의 문제점을 해결하기 위해 자동 계측 방식의 침하계가 제안되어 있는데, 예를 들어 국내 특허등록 제10-0986703호(2010년 10월 4일 등록) "지반 침하 측정 시스템"에는 자동으로 침하량을 계측하는 침하계로서, 본 명세서에 첨부된 도 2에 예시된 구조와 유사한 구조의 자동 계측 방식의 침하계(20)를 기재하고 있다. 도시된 자동 계측 방식의 침하계(20)는 지중에 수직으로 굴착공을 천공하고, 이 굴착공에 중공 파이프(21)를 삽입하고, 중공 파이프(11)의 길이를 따라서 지층별로 자력장치, 즉 플레이트 마그넷(22) 및 스파이더 마그넷(23)들이 설치된다. 이 플레이트 마그넷(22)과 스파이더 마그넷(23)들에 대응하는 위치에서 중공 파이프(11)의 내부에는 홀센서 기반의 자력 위치감지센서(25)가 서로 간격유지로드(26)에 의해 간격이 고정된 상태로 설치되고, 이 자력 위치감지센서(25)가 감지한 플레이트 마그넷(22)과 스파이더 마그넷(23)의 위치가 지상의 시스템으로 전송됨으로써 침하량이 자동으로 계측될 수 있었다. 그런데, 이러한 자동 계측 방식의 침하계(20)는 자동 계측을 위한 센서가 고가의 장비일 뿐만 아니라, 각각의 자력 위치감지센서(25)의 길이를 초과하는 침하량을 계측할 수 없기 때문에 침하량 계측치가 제한된다는 단점이 있었다.
그러므로, 지반 내의 층별 침하를 측정하기 위한 침하계에 있어서, 저렴하게 구성가능하고 설치가 간단하며 또한 계측이 간편하게 되도록 하는 기술에 대한 요구는 여전히 존재한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 보완하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 도체를 통해 전기적 펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 계측함으로써 도체 주변의 유전율의 변화에 따른 신호 변화를 감지할 수 있는 분포형 TDR(Time Domain Reflectometery) 센서를 이용한 침하계를 제공함으로써, 수동 또는 자동 침하계를 저렴하게 구성가능하고, 구조가 단순하므로 설치가 간단하며 또한 지상에서 전기적 펄스를 전송하고 수신하는 방식을 사용하여 계측이 간편하게 이루어질 수 있도록 하는 새로운 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계는, 지반 내의 층별 침하량을 측정하는 침하계에 있어서, 지반 내에 수직으로 굴착된 굴착공에 삽입되고 전체적으로 유사한 유전율을 가진 유전체로 된 수직가이드와; 상기 수직가이드의 길이를 따라 표면에 부착되며, 전기펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 전기적인 도체를 포함하는 TDR센서와; 상기 수직가이드의 길이를 따라 표면에 부착되고 상기 수직가이드 주변의 지반이 침하함에 따라 상기 수직가이드를 따라 침하하는 적어도 하나의 스파이더 유전체; 및 상기 TDR센서를 통해 전기펄스 신호를 송수신하고 수신된 신호를 처리하여 상기 적어도 하나의 스파이더 유전체의 위치를 감지하기 위한 데이터 로거를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수직가이드는 플라스틱 재질로 만들어진 중공 파이프이거나 또는 봉일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 스파이더 유전체는 상기 수직가이드를 외부에서 둘러싸는 고리형의 본체와 이 고리형의 본체로부터 외측으로 돌출된 적어도 하나의 돌기를 포함하여 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 스파이더 유전체의 본체는 고유전 재질 혹은 전기장차단 재질이고, 상기 스파이더 유전체의 돌기는 스테인리스 강 재질일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 TDR 센서는 서로 평행하게 배열되는 복수의 도체 및 이들 도체를 감싸는 절연재를 포함하여 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 TDR 센서의 도체는 스레인리스 강 재질일 수 있다.
그리고 또 다른 실시예에 있어서, 상기 TDR 센서의 절연재는 플라스틱 재질일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 도체를 통해 전기적 펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 계측함으로써 도체 주변의 유전율의 변화에 따른 신호 변화를 감지할 수 있는 분포형 TDR(Time Domain Reflectometery) 센서를 이용한 침하계를 제공함으로써, 수동 또는 자동 침하계를 저렴하게 구성가능하고, 구조가 단순하므로 설치가 간단하며 또한 지상에서 전기적 펄스를 전송하고 수신하는 방식을 사용하여 계측이 간편하게 이루어질 수 있도록 하는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 종래의 수동 계측 방식의 침하계 구조를 예시하는 개략적인 단면도.
도 2는 종래의 자동 계측 방식의 침하계 구조를 예시하는 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계의 구조를 예시하는 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계에서 스파이더 유전체의 침하가 감지되는 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계에서 포함할 수 있는 TDR 센서의 예를 설명하기 위한 개략적인 부분 사시도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안한 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이제 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계(30)를 설명한다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계(30)는, 도 3에 개략적으로 전체적인 구성이 도시되어 있는 바와 같이, 지반 내의 층별 침하량을 측정하는 시스템으로서, 수직가이드(31), TDR센서(32), 스파이더 유전체(33), 및 데이터 로거(34)를 포함하여 구성될 수 있다.
수직가이드(31)는 지반 내에 수직으로 굴착된 굴착공에 삽입되고 전체적으로 균일한 유전율을 가진 유전체로 이루어진 가이드 부재이다. 이 수직가이드(31)의 주된 기능은 지중에서 TDR 센서(32)의 위치를 고정하고, 스파이더 유전체(33)의 이동을 위한 기준 프레임을 제공하는 것이다.
본 발명의 침하계(30)에서 사용하는 TDR 센서(32)는 아래에서 자세하게 설명하는 바와 같이 신호가 재질의 유전율에 민감하게 반응하기 때문에 수직가이드(31)는 전체적으로 유사한 유전율을 가지도록 제작되는 것이 정확한 센싱을 위해 바람직하다.
수직가이드(31)는 전기적으로 도체만 아니라면 재질에 특별히 제한되지 않지만, 지중에서 부식되지 아니하며 적절한 견고성을 유지할 필요가 있으므로, 예컨대 PVC(poly vinyl chloride)와 같은 플라스틱 재질로 만들어질 수 있다. 수직가이드(31)는 도시된 예에서와 같이 삽입될 굴착공과 유사한 직경을 가지는 중공 파이프 형태일 수 있지만, 중공을 가지지 않은 봉의 형태도 가능하다. 그리고 수직가이드(31)의 수평 단면이 반드시 원형일 필요는 없으므로 원형 파이프 또는 봉만이 아니라 사각, 오각 또는 불규칙 형태 등을 포함하는 다양한 단면 형태의 파이프나 봉도 가능하다.
일반적으로 TDR 센서는 전기 펄스의 변화를 측정하는 것이다. 계측시 TDR 센서 계측기에서 250 mV의 전기펄스를 발생시키고 이를 동축케이블과 같은 신호 전달선을 통해 계측자가 원하는 계측지점까지 전달하게 된다. 원하는 계측지점에 있는 재측재료에 전기 펄스가 전달되면 계측재료 외부의 유전율, 정전기, 전자파 변화에 의한 영향과 재료 내부의 응력, 온도, 전기저항값 변화에 의해 전기 펄스가 변하게 되고 반사된 전기 펄스를 감지하여 데이터를 획득하게 된다. 획득된 데이터는 TDR 센서 계측기로부터 예컨대 TCP/IP 통신을 이용하여 노트북과 같은 시스템에 스프레드 시트 형태로 전송하게 되고, 노트북에서는 TDR 구동 소프트웨어가 실행되어 이를 저장하여 최종적으로 TDR 센서 데이터를 획득할 수 있다.
본 발명에 따라 TDR 센서(32)는, 이러한 TDR 센서를 응용하여 침하계를 위해 적응시킨 것으로서, 수직가이드(31)의 길이를 따라 그 표면에 부착되는 형태를 가진다. 특히 TDR 센서(32)는 전기펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 전기적인 도체(322, 324)를 포함한다.
도 5의 (a), (b), (c)에는, 본 발명의 침하계(30)를 위해 사용가능한 다양한 형태의 TDR 센서(32)가 예시되어 있다. 도 5의 (a)에 도시된 예에서, TDR 센서(32)는 얇고 긴 직사각형 단면을 가진 두 개의 도체(322, 324)가 나란히 평행하게 배열되고 절연재(326)가 이들 도체를 감싸는 형태를 한다. 도 5의 (b)에 도시된 예에서, TDR 센서(32')는 두 개의 도체(322, 324)가 긴 길이를 가진 측에서 서로 인접한 형태로 배치된 형태로 구현되어 있다. 그리고 도 5의 (c)에 도시된 예에서, TDR 센서(32")는 원형 단면을 가진 두 개의 도체(322", 324")가 나란히 배열된 형태를 보여준다.
본 발명에 따라 TDR 센서(32)에 있어서, 얇고 긴 직사각형 단면을 가진 두 개의 도체(322, 324)의 직사각형 단면은, 도 5의 (a)에 도시된 예에서, 짧은 측면 길이(L1)와 긴 측면 길이(L2)를 가지는데, 예를 들어 L1 = 0.15 mm, L2 = 6.3 mm 정도의 크기를 가질 수 있다. 이 예에서 절연재(326)로 두 개의 도체(322, 324)를 감싸 형성된 전체적인 크기는 PL1 = 2 mm, PL2 = 24.6 mm일 수 있다. 이 경우, 도체 측면으로 절연재의 두께는 PL3 = 3 mm, 도체와 도체 사이의 간격 PL4 = 3 mm 일 수 있다.
이들 TDR 센서(32)에서, 도체(322. 324)는 전기적인 펄스를 송수신할 수 있는 전기적인 도체라면 충분하므로 철선, 구리선, 니크롬선 등이 사용될 수 있다. 특히 지중의 압력이 높고 수분이 많은 환경에서 부식에 강한 도체를 사용하는 것이 바람직하며 예를 들어 스테인리스강 재질로 만든 도체를 사용할 수 있다. 절연재(326)는 도체들의 간격을 유지하게 하는 기능을 담당하며 외부와 도체들 간의 직접적인 접촉을 막아 부식을 방지하는 보호층 역할을 한다. 이러한 절연재는 플라스틱 재질인 것이 바람직하다.
도시된 예에서는 비록 TDR 센서(32)가 두 개의 도체를 포함하는 실시예가 도시되었으나 본 발명에 있어서 TDR 센서(32)를 이루는 도체가 2개만으로 한정될 필요는 없다. TDR 센서(32)는 서로 평행하게 배열되는 복수의 도체(322, 334) 및 이들 도체를 감싸는 절연재(336)를 포함하여 구성될 수 있다. 도체의 수가 많으면 많을수록 도체를 통하여 송수신되는 신호의 수가 많으므로 변화에 민감한 센서를 구성할 수 있지만 비용면에서 고가로 될 수 있다. 그러므로 센서 민감도와 제작 비용을 서로 절충하여 적절한 수준에서 도체의 수를 결정할 수 있다.
스파이더 유전체(33)는 수직가이드(31)의 길이를 따라 표면에 부착되는 스파이더 부재이다. 다시 말해서 스파이더 유전체(33)는 수직가이드(31) 주변의 지반이 침하함에 따라 수직가이드(31)를 따라 침하하게 된다. 도면에서는 비록 스파이더 유전체(33)가 하나만이 설치된 예가 도시되어 있으나, 본 발명의 사용 목적에 따라 2개 이상, 복수의 스파이더 유전체(33)가 설치될 수 있음은 해당 기술 분야의 기술자가 쉽게 이해할 것이다.
도시된 예에서와 같이, 스파이더 유전체(33)는 본체(331)와 돌기(332)를 가질 수 있다. 본체(331)는 수직가이드(31)를 외부에서 둘러싸는 고리형의 부재일 수 있다. 돌기(332)는 이 고리형의 본체(331)로부터 외측으로 돌출된 적어도 하나의 돌기 형상일 수 있는데, 바람직하게는 서로 회전 대칭인 위치에서 복수개로 형성될 수 있다. 주변 지반이 침하함에 따라 침하하는 지반이 돌기(332)들을 하방으로 가압하게 되고, 돌기(332)들에게 가해지는 힘에 의하여 본체(331)가 수직가이드(31)를 따라 위치를 이동할 수 있다.
스파이더 유전체(33)는 전체적으로 고유전율 및 전기장차단 재질과 같은 유전체로 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 돌기(332)는 지반의 압력을 직접 받는 부분이며 상하 방향에서 넓은 면적을 가지는 형태이므로, 얇으면서도 하방 압력에 강한 재질로 만들어지는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해 스파이더 유전체(33)의 본체(331)는 고유전 재질 혹은 전기장차단 재질이고, 스파이더 유전체(33)의 돌기(332)는 스테인리스 강 재질로 만들어질 수 있다.
그리고, 데이터 로거(34)는 TDR센서(32)를 통해 전기펄스 신호를 송수신하고 수신된 신호를 처리하여 특정 스파이더 유전체(33)의 위치를 감지하기 위한 수단이다. 데이터 로거(34)는 TDR 센서(32)와 신호를 송수신하기 위한 계측기 부분과 이 계측기 부분에 연결되고 송수신된 신호를 처리할 수 있는 응용 프로그램을 실행할 수 있는 노트북컴퓨터와 같은 프로세싱 부분을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 침하계(30)에 있어서, 데이터 로거(31)에서 TDR센서(32)의 도체(322, 324)로 전기적인 펄스 신호를 전송하면, 이 펄스 신호는 도체를 따라 수직가이드(31)의 길이 방향으로 전파된 후, 반사되어 되돌아온다. 이때 전기적인 펄스 신호는 신호가 전파되는 도체(322, 324) 주변 물질의 유전율에 크게 영향을 받게 된다. 예를 들어, 도 4의 (a)에서 스파이더 유전체(33)가 위치하는 곳, 즉 P1에서 신호에 큰 변화가 감지됨을 알 수 있다. 이후 일정한 시간이 경과한 후에 스파이더 유전체(33)가 P1에서 하강하여 P2로 변위되었다면, 도 4의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, TDR센서(32)를 통해 감지되는 신호는 P2에서 큰 변화를 보이게 된다. 그러므로, 이러한 신호를 처리하여 P1과 P2 사이의 거리를 지반의 침하량으로서 측정할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 도체를 통해 전기적 펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 계측함으로써 도체 주변의 유전율의 변화에 따른 신호 변화를 감지할 수 있는 분포형 TDR(Time Domain Reflectometery) 센서를 이용한 침하계가 제공된다. 이러한 침하계는 지상의 데이터 로거(34)를 필요에 따라 TDR 센서(32)에 연결하여 계측가능하므로 작업자가 원하는 때에 수동으로 계측하는 시스템으로도 구성가능하고, 또는 데이터 로거(34)에서 실행되는 프로그램을 설정함에 따라 일정 시간 간격마다 자동으로 침하를 측정하는 자동 측정 침하계도 쉽게 구성가능하다. 또한 구조가 단순하므로, 지중에 굴착공을 시공한 후 TDR 센서와 스파이더 유전체를 부착한 수직가이드(31)를 굴착공에 삽입하는 것만으로 설치가 간단하게 완료될 수 있다. 또한 지상에서 전기적 펄스를 전송하고 수신하는 방식을 사용하는 것만으로 계측이 간편하게 이루어질 수 있다.
30 : 침하계
31 : 수직가이드
32, 32', 32" : TDR 센서
322, 324, 322", 324" : 도체
326 : 절연재
33 : 스파이더 유전체
331 : 본체
332 : 돌기
34 : 데이터 로거

Claims (7)

  1. 지반 내의 층별 침하량을 측정하는 침하계에 있어서,
    지반 내에 수직으로 굴착된 굴착공에 삽입되고 전체적으로 유사한 유전율을 가진 유전체로 된 수직가이드(31)와;
    상기 수직가이드(31)의 길이를 따라 표면에 부착되며, 전기펄스 신호를 전송하고 반사되는 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 전기적인 도체(322, 324)를 포함하는 TDR센서(32)와;
    상기 수직가이드(31)의 길이를 따라 표면에 부착되고 상기 수직가이드(31) 주변의 지반이 침하함에 따라 상기 수직가이드(31)를 따라 침하하는 적어도 하나의 스파이더 유전체(33); 및
    상기 TDR센서(32)를 통해 전기펄스 신호를 송수신하고 수신된 신호를 처리하여 상기 적어도 하나의 스파이더 유전체(33)의 위치를 감지하기 위한 데이터 로거(34)를 포함하여 구성되며,
    상기 스파이더 유전체(33)는
    고유전 재질 혹은 전기장 차단 재질로서, 상기 수직가이드(31)를 외부에서 둘러싸는 고리형의 본체(331)와,
    스테인리스 강 재질로서, 상기 고리형의 본체(331)로부터 외측으로 돌출된 적어도 하나의 돌기(332)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 수직가이드(31)는 플라스틱 재질로 만들어진 중공 파이프이거나 또는 봉인 것을 특징으로 하는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 TDR 센서(32)는 서로 평행하게 배열되는 복수의 도체(322, 334) 및 이들 도체를 감싸는 절연재(336)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 TDR 센서(32)의 도체(322, 324)는 스레인리스 강 재질인 것을 특징으로 하는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 TDR 센서(32)의 절연재(336)는 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는 분포형 TDR 센서를 이용한 침하계.
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