KR101607667B1 - 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템 - Google Patents

광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 후방 산란광을 분석하여 지중관로의 침하위치와 침하 정도를 검출하여 알려주는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서의 본 발명은, 피측정 대상이 되는 관로와, 상기 관로의 길이방향으로 구비되는 광섬유와, 상기 광섬유에 빛을 주사하는 광원부와 상기 광섬유의 시단에 구비되는 분포온도측정장치를 포함하여 구성되는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치에 있어서, 상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유의 변형에 의하여 발생하는 마이크로벤딩손실을 측정하는 측압감지부가 더 구비되어 상기 관로가 손상되면서 상기 광섬유에 마이크로변형이 발생하는 경우에 상기 마이크로변형의 유무와 위치를 감지할 수 있다.

Description

광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템{AN UNDERGROUND SUBSIDENCE POSITION DETECTION SYSTEM USING FIBER OPTIC}
본 발명은 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 후방 산란광을 분석하여 지중관로의 침하위치와 침하 정도를 검출하여 알려주는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템에 관한 것이다.
도시화가 진행되고 산업이 발전함에 따라 도심의 지하에는 다양한 종류의 지중관로가 매설되어 있다. 지중관로는 사람들이 살아가는데 필요한 유틸리티를 공급하거나 반대로 사람들이 살아가면서 배출하는 오폐수 등을 수집 및 처리하기 위하여 만들어진 시설물로, 각종 송전선이나 통신선이 설치되는 배관, 수도배관, 오폐수배관 등 다양한 종류가 있다.
이처럼 사회가 복잡해주고 도심화가 가속화 됨에 따라 지하에는 다양한 종류의 지중관로가 현재도 계속해서 설치되고 있는데, 지중관로는 그 특성상 한번 매설하고 나면 관리나 유지보수 등이 어려운 문제점이 있다. 일반적으로 지중관로는 원형 또는 사각형의 관로를 지하에 매설하여 그 내부로 전선이나 통신선 등이 설치되거나 그 차제가 상하수도의 이동통로가 되기도 한다. 그런데 시간이 지남에 따라 지중관로가 노화되거나 주변의 지반공사 또는 지진 등과 같은 자연재해로 인하여 이들 지중관로가 손상되는 경우가 흔히 발생하고 있다.
지중관로가 손상되거나 파손되면 내부를 통과하는 유틸리티의 종류에 따라 경제적으로나 사회적으로 2차 피해가 발생하게 된다. 예를 들어, 상수도관이 손상되면 수돗물이 누수 되어 수자원의 손실이 발생하게 되고, 하수도관이 손상되면 주변환경을 오염시키게 되는 문제점이 있다. 또한, 전선이나 통신시설이 손상되면 원활한 전기공급이나 통신이 방해 받을 뿐만 아니라 지중관로에서 화재가 발생하거나 감전 등의 사고가 발생할 수도 있을 것이다.
하지만, 지중관로는 지하에 매설되어 있기 때문에 육안으로 점검하기가 용이하지 않으며, 사고나 고장이 발생하더라도 즉각적인 탐지이나 유지보수가 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 지중관로가 심각하게 손상되기 전에 이를 탐지하고, 2차 피해가 발생하거나 확대되기 전에 유지보수를 할 필요가 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에 다양한 지중관로 침하검출방법이 강구되었다.
종래에는 지중관로의 침하나 변형 등을 탐지하기 위하여 변형량 측정기나 별도의 지그를 설치하여 굴착지반의 변형 양을 측정하는 방법이 이용되었으며, 송전선로의 경우에는 열원에서 발생하는 열을 탐지하여 토사 내에서의 온도차를 실측하거나 토사의 모델을 가정하여 실험실에서 열 저항을 구하는 방법이 이용되기도 하였다. 하지만 이러한 방법은 실시간으로 지반의 침하 등을 탐지할 수 없으며 탐지효율도 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로 광섬유를 이용한 계측방법이 있다. 특허출원 제10-2000-0031799호는 “광섬유를 이용한 계측 방법 및 이의 장치”(이하 “선행기술”이라 함)에 관한 것으로, 종래기술은 관로의 외벽 또는 내부를 따라 일정한 간격으로 광섬유를 권선하고, 상기 광섬유의 종단에 반사광을 조사하는 미러와 수광계측기로 구성되어 광섬유를 통과하는 광이 끝점에서 반사되도록 하여 반사광을 이용하여 관로의 변형량을 계측하는 방법에 관한 것이다. 그러나 종래기술은 관로가 설치되기 전에 미리 관로에 광섬유를 설치하여 사용할 수는 있으나 이미 관로가 설치된 경우에는 관로의 내외측에 광섬유를 일정한 간격으로 권선할 수 없다는 문제가 있다. 그리고 광섬유의 끝점에 반사 미러가 설치되어야 하기 때문에 설치비용이 증가하고 광섬유 뿐만 아니라 미러의 환경에 따라 검출데이터가 변할 수 있기 때문에 정확도가 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
이처럼, 종래기술은 광섬유를 이용한 지중관로의 침하를 검출하는 방법은 침하위치를 실시간으로 정확히 검출할 수 있는 장점이 있으나, 기존에 설치된 관로에는 적용할 수 없기 때문에 기존에 이미 설치된 지중관로의 침하를 검출하기 용이한 검출시스템의 개발이 절실하다.
KR 10-2008-0101916 A KR 10-1207345 A KR 10-1356986 A KR 10-0339634 A
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 지중관로의 길이방향을 따라 내부 또는 외부에 한 가닥 이상의 광섬유를 설치하고, 상기 광섬유로 일정한 주기로 광 펄스를 입사시켜서 상기 광 펄스가 광섬유의 내부에서 산란되어 후방으로 되돌아오는 빛의 반사시간과 파장의 변화량을 측정하여 지중관의 파손위치와 손상의 진행정도를 검출할 수 있는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서의 본 발명은, 피측정 대상이 되는 관로와, 상기 관로의 길이방향으로 구비되는 광섬유와, 상기 광섬유에 빛을 주사하는 광원부와 상기 광섬유의 시단에 구비되는 분포온도측정장치를 포함하여 구성되는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치에 있어서, 상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유의 변형에 의하여 발생하는 마이크로벤딩손실을 측정하는 측압감지부가 더 구비되어 상기 관로가 손상되면서 상기 광섬유에 마이크로변형이 발생하는 경우에 상기 마이크로변형의 유무와 위치를 감지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 측압감지부는 상기 광섬유의 후방 산란광 중 스토크스광과 안티스토크스광의 변형을 측정하는 광변화측정부와, 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 기준데이터가 저장되어 있는 기준정보저장부와, 상기 광변화측정부에 의하여 측정된 스토크스광 및 안티스토크스광의 변화량을 상기 기준데이터와 비교하는 비교부를 포함하여 구성되며, 상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유의 입사단으로 되돌아 오는 후방 산란광에 미리 설정된 범위를 벗어나는 비정상적인 스토크스광이 감지되는 경우에 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광의 발생위치를 산출하는 연산부가 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법은, 피측정 대상이 되는 관로의 길이방향으로 광섬유를 설치하는 단계; 상기 설치된 광섬유가 안정화된 관로 내의 환경과 평형상태를 이룬 상태에서 상기 광섬유에 레이저광을 입사하여 상기 광섬유의 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광들을 측정하여 상기 광케이블이 설치된 관로의 기준분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광에 대한 기준분포데이터를 취득하는 단계; 상기 피측정 대상이 되는 관로에 설치되어 있는 광섬유에 주기적으로 레이저광을 입사하고 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광을 측정하여 상기 관로에 설치된 광섬유의 측정분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계; 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터와 기준분포데이터를 비교하는 단계 및 상기 측정분포온도와 상기 측정분포데이터를 표시하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 기준분포데이터는 상기 관로에 침하가 발생하지 않은 상태에서 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 평균값으로 하되, 상기 기준분포온도와 기준분포데이터는 상기 관로에 설치된 광섬유를 일정한 간격으로 분류하여 각 지점에 대한 복수의 측정값인 것을 특징으로 하고, 상기 “상기 피측정 대상이 되는 관로에 설치되어 있는 광섬유에 주기적으로 레이저광을 입사하고 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광을 측정하여 상기 관로에 설치된 광섬유의 측정분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계”에서, 상기 측정분포온도와 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 값은 상기 기준데이터의 측정위치에 대응되는 위치에서의 측정분포온도와 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로, “상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터와 기준분포데이터를 비교하는 단계 및 상기 측정분포온도와 상기 측정분포데이터를 표시하는 단계”는, 상기 측정분포데이터 값 중 상기 스토크스광의 변화량이 상기 안티스토크스광의 변화량 보다 미리 설정된 값 이상으로 변한 경우에 비정상적인 변화로 인지하여 상기 비정상적인 스토크스광이 발생한 위치를 표시부 또는 알림부를 통하여 알려주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 표시부에 표시되는 비정상적인 스토크스광의 값은 미리 설정된 값을 기준으로 복수의 단계로 분류하여 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 스토크스광의 변화량이 비정상적인 값을 가지는 것으로 경우에 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치에 대응되는 위치의 측정분포온도를 상기 기준분포온도와 비교하고, 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치의 측정분포온도가 기준분포온도 값을 기준으로 미리 설정된 값을 벗어나는 것으로 판단되는 경우에 표시부 또는 알림부를 통하여 알려주는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출시스템은 관로의 내부에 한 가닥 이상의 광섬유를 설치하여 관로의 손상위치나 손상의 진행 등을 검출할 수 있기 때문에 이미 설치되어 사용중인 지중관로에도 적용이 가능하다는 이점이 있다. 또한, 지중관로의 손상이 심하여 광섬유가 손상되거나 절단되는 경우에도 관로의 손상위치를 파악할 수 있는 이점이 이다. 또한, 지중관로의 길이방향을 따라 광섬유를 곧게 설치하고, 입사부에 측정장치를 구비하면 되기 때문에 설치 및 재설치가 용이하고 유지 및 관리비용이 저렴하며 실시간으로 관로의 손상유무와 손상의 진행유무 등을 파악할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 각 구성을 작동 순서 별로 표시한 블록도.
도 4는 라만 산란광의 스팩트럼을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법에 관한 개략적인 흐름을 나타내는 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치의 각 구성을 작동 순서 별로 표시한 블록도 이고, 도 4는 라만 산란광의 스팩트럼을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치는 피측정 대상이 되는 관로(110)와, 상기 관로(110)의 길이방향을 따라 구비되는 광섬유(130)와, 상기 광섬유(130)에 빛을 주사하는 광원부와 상기 광섬유(130)의 시단에 구비되는 분포온도측정장치(200)를 포함하여 구성되며, 상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유(130)의 마이크로변형에 의하여 발생하는 마이크로벤딩손실을 측정하는 측압감지부(300)가 더 구비되어 있다.
피측정 대상이 되는 관로(110)는 지하에 매설된 다양한 지중관를 말하며, 매설을 위한 관로(110) 뿐만 아니라 이미 매설되어 있는 관로(110)에도 적용이 가능하다. 관로(110)의 일례로, 상하수도관과 전기 또는 통신선과 같은 다양한 종류의 유틸리티(120)가 설치되는 관로(110)를 들 수 있으며, 지하에 매설되어 유지관리가 필요한 모든 관로(110)에 적용이 가능하다.
광섬유(130)는 관로(110)의 길이방향을 따라 설치되며, 관로(110)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 다만, 본 발명은 기존에 설치되어 있는 관로(110)에도 적용할 수 있도록 하는 것을 주 목적으로 하고 있으며, 기존에 설치되어 있는 관로(110)의 경우에는 별도의 지반공사를 할 필요 없이 관로(110)의 내부에 설치할 수 있다. 본 발명은 관로(110)가 침하되거나 변형되는 경우에 광섬유(130)가 함께 변형되는 것을 이용한 발명이므로, 상기 광섬유(130)는 관로(110)의 내측 벽면에 곧게 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 적용되는 광섬유(130)는 한 가닥 만으로도 발명의 목적과 기능을 구현할 수 있으나, 필요에 따라서는 관로(110)의 내측벽면을 따라 복수의 광섬유(130)가 설치될 수도 있음은 물론이다.
광원부는 전술하여 설명한 광섬유(130)로 레이저광을 주사하는 것으로, 광섬유(130)와 함께 공지의 기술이다. 광원부 및 광섬유(130)에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
분포온도측정장치(200)는 광섬유(130)를 통하여 주사된 빛이 산란되어 시단부로 되돌아오는 후방 산란광을 이용하여 광섬유(130)의 길이방향의 분포온도를 측정하는 장치로 공지의 구성요소이다. 광섬유(130)에 레이저광을 입사시키면 광섬유(130) 내에서 산란광이 발생하게 되는데, 이때 발생한 산란광 중 일부는 광섬유(130)의 시단부로 되돌아와서 후방 산란광을 형성하게 된다. 이러한 후방 산란광은 대부분 입사광과 동일한 파장을 갖는 레일리 산란광(Rayleigh scattering light)이며, 미소하게는 라만 산란에 의해 파장이 시프트된 라만 산란광(Raman scattering light)이 포함되어 있다. 일반적으로 레일리 산란광의 강도는 입사광의 1/100 정도이며, 라만 산란광은 레일리 산란광의 1/10,000 정도의 미약한 빛이다(도 4 참조).
라만 산란광은 광섬유(130) 냉에 입사한 광이 광섬유(130)의 구성분자와 충돌하여 발생하는 산란광으로, 입사광에 대하여 장파장 쪽으로 시프트한 스토크스광(stokes light)과 단파장 쪽으로 시프트한 안티스토크스광(anti-stokes light)을 포함하여 구성된다. 광섬유(130)를 구성하는 실리카 분자는 온도에 따라 활동량이 달라지므로 온도에 의존한 산란광의 변화가 나타나게 된다. 즉, 스토크스광과 안티스토크스광의 강도는 절대온도에 의존한다. 따라서 스토크스광과 안티스토크스광의 강도의 비를 측정하고, 산란광이 되돌아오는 시간을 측정하면 피측정 광섬유(130)의 길이방향의 온도분포를 구할 수 있게 된다. 이때, 안티스토크스광만 온도의 영향을 받으며, 스토크스광은 산란량을 측정하여 광원의 표류를 보상하기 위하여 측정된다.
광섬유(130)의 시단부로 되돌아온 후방 산란광은 밴드패스필터(210, Band Pass Filter)부를 통과하면서 스토크스광 및 안티스토크스광 등이 분리되고, 신호변환부(220)와 신호증폭부(230)를 거친 후 연산부(240)에서 분포온도를 연산하게 된다. 연산부(240)에서 연산된 각 지점별 분포온도는 아날로그-디지털변환부(250)에서 디지털신호로 변환되어 디스플레이 등과 같은 표시부(260)에 표시될 수 있다. 스토크스광 및 안티스토크스광을 이용하여 광섬유(130)의 분포온도를 측정하는 방법은 공지의 기술로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
측압감지부(300)는 광섬유(130)의 입사단에 구비되며, 상기 광섬유(130)의 변형에 의하여 발생하는 마이크로벤딩을 측정하는 광변화측정부(330)와, 스토크스광 및 안티스토크스광의 기준데이터가 저장되어 있는 기준정보저장부(310)와, 상기 광변화측정부(330)에 의하여 측정된 스토크스광 및 안티스토크스광의 변화량을 기준데이터와 비교하는 비교부(350)를 포함하여 구성된다. 그리고 전술하여 설명한 분포온도측정장치(200)에는 광섬유(130)의 입사단으로 되돌아 오는 후방 산란광에서 미리 설정된 범위를 벗어나는 비정상적인 스토크스광이 감지되는 경우에 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광의 발생위치를 산출하는 연산부(240)가 포함되어 있다.
광변화측정부(330)는 마이크로벤딩손실(Microbending Loss)의 변화량을 측정하는 것으로, 마이크로벤딩손실은 광섬유(130)가 축방향으로 외부 압력을 받아 미시적인 굴곡을 받을 때 코어를 통과하는 빛의 입사각(빛이 코어와 클래딩의 경계 면에 입사되는 각)에 변화가 발생하여 빛의 손실이 증가하는 현상을 말한다. 즉, 광변화측정부(330)에서 마이크로벤딩이 측정되었다는 것은 광섬유(130)가 외부압력에 의하여 미시적으로 굴곡되었다는 것을 의미한다. 따라서 마이크로벤딩을 검출하면 광섬유(130)의 측압 유무를 알 수 있으며, 광섬유(130)에 측압이 발생하였다는 것은 관로(110)가 침하되거나 손상되었음을 추측할 수 있다. 마이크로벤딩을 측정하여 측압의 변화를 검출하는 방법에 관해서는 후술하여 상세하게 설명한다.
기준정보저장부(310)는 관로(110)에 설치된 광섬유(130)가 안정화된 상태, 즉 주변의 온도변화가 없고 관로(110)에 파손이 발생하지 않은 상태에서의 스토크스광 및 안티스토크스광에 관한 기준데이터가 저장되어 있다. 기준데이터 및 기준데이터의 취득에 관해서는 후술하여 설명한다.
비교부(350)는 기준정보저장부(310)에 저장되어 있는 기준데이터와 주기적으로 측정되는 측정데이터를 비교하여 광섬유(130)에 마이크로벤딩이 발생하였는지 여부와 발생량(강도)을 산출하게 된다.
연산부(240)는 마이크로벤딩이 발생하는 경우, 즉 비정상적인 스토크스광이 감지되는 경우에 상기 비정상적인 스토크스광이 발생한 위치를 산출하거나 후방산란광을 이용하여 광섬유의 온도 및 해당 온도의 위치를 연산하게 된다. 비정상적인 스토크스광이 발생한 위치는 후방 산란광이 되돌아온 시간을 측정하여 산출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로, 광섬유(130)를 이용한 지중관로(110) 침하위치 검출장치에는 비교부(350) 및 연산부(240)를 통하여 측정된 측압의 위치와 강도 등을 표시하기 위하여 표시부(260)가 더 구비될 수 있고, 측압이 발생하는 경우에 이를 감시자 또는 관리자에게 알려주는 경보부(270)가 더 구비될 수 있으며, 주기적으로 측정된 관로(110) 내부의 온도와 측압의 측정결과를 저장하는 이력부(390)가 더 구비될 수도 있다. 경보부(270), 표시부(260), 이력부(390) 등은 공지의 다양한 기술이 적용될 수 있으며, 이들 기술은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 전술하여 설명한 측압감지부(300)와 분포온도측정장치(200)는 종래에 광섬유(130)를 이용한 온도측정방법에 일반적으로 사용되는 분포온도측정장치(200)와 본 발명의 특징부인 측압감지부(300)의 구성을 구분하기 위한 것으로, 반드시 별개의 장치를 의미하는 것은 아니며 하나의 모듈로 함께 구비될 수도 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법에 관한 개략적인 흐름을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유(130)를 이용한 지중관로(110) 침하위치 검출방법은 피측정 대상이 되는 관로(110)의 길이방향으로 광섬유(130)를 설치하는 단계; 설치된 광섬유(130)를 이용하여 기준분포온도와 기준분포데이터를 취득하는 단계(S10); 측정분포온도 및 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계(S30); 측정분포데이터를 기준분포데이터와 비교하는 단계(S50); 및 측정분포온도와 측정분포데이터를 표시하는 단계(S70)를 포함하여 구성될 수 있다.
피측정 대상이 되는 관로(110)의 길이방향을 따라 광성유를 설치하는 단계는, 광섬유(130)를 이용하여 관로(110)의 분포온도와 측압의 변화량을 측정하기 위한 준비과정이다. 본 발명에 따른 광섬유(130)를 이용한 지중관로(110) 침하위치 검출방법은 관로(110)가 침하되거나 손상되어 광섬유(130)에 측면방향(수직방향)으로 압력이 가해지는지 여부와 그 정도를 감지하는 것이므로, 상기 광섬유(130)는 관로(110)의 길이방향을 따라 곧게 설치되는 것이 바람직하다.
기준분포온도와 기준분포데이터를 취득하는 단계(S10)는 후술하여 설명할 측정분포온도와 측정분포데이터와 비교할 기준이 되는 온도 및 데이터를 취득하는 것을 말한다. 본 발명에 따른 광섬유(130)를 이용한 지중관로(110) 침하위치 검출방법은 관로(110) 내부의 절대온도나 데이터 값을 측정하여 곧바로 관로(110)의 침하나 위치를 검출하는 것이 아니라, 관로(110)를 설치한 후에 침하 등이 발생하지 않은 상태에서의 온도 값과 데이터 값을 기준 값으로 하여 주기적으로 측정되는 측정온도 및 측정데이터 값을 상기 기준 값과 비교하여 침하발생 여부를 추정하는 것이다. 따라서 비교의 대상이 되는 기준온도 및 기준데이터 값이 필요하다.
기준분포온도는 관로(110)의 내부에 광섬유(130)를 설치한 후에 관로(110)의 내부 환경이 평형상태에 이른 상태에서 광섬유(130)의 길이방향을 따라 분포된 온도를 측정함으로써 취득한다. 관로(110)의 내부는 침하나 화재 등과 같은 변화가 없으면 계절적요인 등에 의하여 다소의 변화는 있지만 대부분 일정한 온도를 유지하며, 관로(110)의 내부에 설치된 광섬유(130)도 같은 상태로 유지된다. 따라서 기준분포온도 및 기준분포데이터를 측정하여 이를 기준으로 일정한 간격으로 실시간 측정되는 온도 및 데이터를 비교하면, 관로(110) 내부에 변화가 생겼는지 여부를 알 수 있고, 변화된 데이터 값에 따라 변화의 위치와 내용을 추정할 수 있다.
기준분포온도는 광섬유(130)에 레이저광을 입하하여 상기 광섬유(130)의 입사단으로 되돌아 오는 후방 산란광을 측정하여 취득할 수 있다. 즉, 전술하여 설명한 바와 같이 광섬유(130)의 후방 산란광 중 스토크스와 안티스토크스는 광섬유(130)의 구성분자가 온도에 따라 운동을 하는 정도에 따라 변하게 된다. 따라서 스토크스광과 안티스토크스광의 강도의 비를 구하면 피측정 광섬유(130)의 온도를 측정할 수 있고, 후방 산란광이 되돌아오는 시간을 측정하여 각 온도의 거리를 산출할 수 있다. 이러한 방법으로 광섬유(130)의 일정한 거리마다(예를 들어 1m간격)의 분포온도를 샘플링하여 측정할 수 있다. 기준분포온도는 관로(110)가 안정화된 상태에서 복수회에 걸쳐 측정한 후에 이들 측정값의 평균값으로 정할 수 있으며, 기준분포온도의 오차범위는 복수회에 걸쳐서 측정된 분포온도의 상한 값 및 하한 값으로 하거나 온도변화에 따른 오차 값을 계산하여 주어질 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 관로(110)의 내부온도가 계절에 따라 변하는 정도를 측정하여 각 계절별로 기준분포온도와 오차범위를 부여할 수 있다.
기준분포데이터는 후방 산란광 중 스토크스광 및 안티스토크스광에 대한 평균값을 말하며, 전술하여 설명한 분포온도측정장치(200)를 이용하여 기준분포온도를 측정하는 과정에서 함께 측정할 수 있다. 즉, 기준분포데이터는 관로(110)가 침하되지 않은 상태에서 광섬유(130)의 입사단으로 주사된 레이저광의 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 평균값으로 하며, 기준분포데이터는 광섬유(130)의 길이방향을 따라 일정한 간격에 대한 후방 산란광에 대한 값으로 한다.
측정분포온도 및 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계(S30)는 피측정 대상이 되는 관로(110)에 설치되어 있는 광섬유(130)에 주기적으로 레이저광을 입사하고 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광을 측정하여 상기 관로(110)에 설치된 광섬유(130)로부터 측정되는 온도(이하 “측정분포온도”라 함)의 변화와 후방 산란광의 변화에 대한 측정데이터(이하 “측정분포데이터”라 함)를 측정하는 것을 말한다. 측정분포온도 및 측정분포데이터는 기준분포온도와 기준분포데이터를 모두 취득한 후에 관로(110)에 이상 유무를 확인하고자 하는 경우에 측정하는 것으로, 사전에 미리 취득되는 기준분포온도 및 기준분포데이터와는 구분된다.
측정분포온도 및 측정분포데이터는 광원부에서 광섬유(130)로 주기적으로 레이저광을 주사하고, 주사된 레이저광의 산란광에 의하여 발생하는 후방 산란광을 검출하여 측정하게 된다. 후방 산란광을 이용하여 측정분포온도 및 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 방법은 전술하여 설명한 기준분포온도와 기준분포데이터를 측정하는 방법과 동일하다.
측정분포데이터의 값은 기준분포데이터의 측정위치에 대응되는 위치에서의 측정값으로, 동일하거나 근사한 위치의 측정분포데이터와 기준분포데이터를 각각 비교하여 변화량을 측정하게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예로, 측정분포데이터와 기준분포데이터를 비교하는 단계의 전 단계 또는 후 단계에는 측정분포온도와 기준분포온도를 비교하는 단계가 더 구비될 수도 있다. 그리하여 기준온도(정상온도)에 대한 측정온도 값이 갑자기 오차범위 이상(비정상온도)으로 과도하게 변하는지 여부를 비교하여 관로(110) 내의 이상을 판단하는 자료로 활용할 수 있다. 예를 들어, 관로(110)가 손상될 경우에 외부에서 지하수 등이 유입되어 특정부분의 온도가 갑자기 떨어질 수도 있고, 고압의 송전선이 통과하는 관로(110)가 침하되는 경우에는 해당 위치에서 송전선을 냉각하기 위한 시설이 손상되거나 화재 등이 발생하여 온도가 급격히 상승할 수도 있다. 따라서 기준분포온도와 측정분포온도를 비교하여 상기 측정분포온도가 갑자가 급변하는 경우에는 관로(110)의 내부에 이상이 발생하였다는 의미할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광섬유(130)를 이용한 지중관로(110)의 침하위치 검출방법은 광섬유(130)의 측정분포데이터 값 중 스토크스광의 변화량이 안티스토크스광의 변화량 보다 미리 설정된 값 이상으로 변하는 경우에는 비정상적인 변화로 인지하여 즉시 측정분포데이터를 표시부(260)에 표시해 주거나 경보부(270)를 통하여 감시자 또는 관리자에게 알려주도록 할 수 있다.
전술하여 설명한 바와 같이, 스토크스광 및 안티스토크스광은 강한 온도종속성을 보이는데, 온도의 변화에 의하여 발생하는 스토크스광 및 안티스토크스광의 변화는 일정한 비를 가지고 변하게 된다. 그런데, 온도의 변화가 없이 광섬유(130)에 마이크로 변형 손실이 발생하는 경우에는 안티스토크스광의 변화 대비 스토크스광의 변화가 현저히 증가하거나 안티스토크스광의 변화는 거의 없이 스토크스광만 급격이 변하게 된다. 이처럼 스토크스광의 변화량이 안티스토크스광의 변화량 보다 미리 설정된 값 이상으로 변하는 경우에는 비정상적인 변화로 인지하여 상기 비정상적인 스토크스광이 발생한 위치를 표시부(260)를 통하여 표시해 주거나 알림부를 통하여 알려주게 되는 것이다.
이처럼, 스토크스광의 변화량이 안티스토크스광의 변화량 보다 현저히 증가하는 경우, 즉 비정상적인 스토크스광이 감지되는 경우에는 광섬유(130)의 측면에 어떤 압력이 가해졌다는 것을 의미하게 된다. 광섬유(130)는 콘크리트 등으로 만들어진 견고한 관로(110)의 내부에 설치되기 때문에 통상적으로 측압(마이크로벤딩)이 발생할 가능성이 거의 없으며, 관로(110)가 손상되어 그 틈으로 토사가 유입되는 경우에 상기 토사가 광섬유(130)를 가압하면서 측압(마이크로벤딩)이 발생하게 된다. 따라서, 광섬유(130)에 마이크로벤딩이 발생하였다는 것은 관로(110)가 손상되거나 침하되었음을 의미하는 것으로 볼 수 있으므로, 비정상적인 스토크스광의 발생유무와 발생위치를 검출하면, 관로(110)의 손상이 발생한 것으로 추정되는 사실과 그 위치를 알 수 있게 된다.
이때, 표시부(260)에 표시되는 비정상적인 스토크스광의 값은 미리 설정된 값을 기준으로 복수의 단계로 분류하여 표시될 수 있다. 즉, 광섬유(130)에 측압이 점점 강해져서 안티스토크스광의 변화 대비 스트크스광의 변화가 증가하는 단계를 복수의 단계로 분류하여, 각 단계별로 “관심, 주의, 위험” 등과 같은 단계로 표시해 줄 수 있다.
이처럼, 스토크스광이 비정상적으로 발생하는 경우에는 관로(110)가 침하되거나 손상되었을 가능성이 매우 높은 것으로 판단할 수 있다. 이때, 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치에 대응되는 위치의 측정분포온도를 기준분포온도와 비교하고, 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치의 측정분포온도가 기준분포온도 값을 기준으로 미리 설정된 값을 벗어나는 것으로 판단되는 경우에 표시부(260) 또는 경보부(270)를 통하여 비정상적인 온도 값이 발생한 사실과 비정상적인 온도 값이 발생한 위치를 함께 알려 줄 수 있다.
한편, 관로(110)의 침하나 손상이 심각한 경우에는 광섬유(130)가 파손되거나 절단될 수도 있는데, 이러한 경우에는 절단되거나 손상된 부분의 이후로는 스토크스광의 취득이 불가능하게 될 것이다. 이때는 스토크스광이 더 이상 측정되지 않는 지점에서 관로(110)가 침하되거나 손상된 것으로 인식하여 표시부(260) 또는 경보부(270)를 통하여 알려줄 수 있다.
상기와 같은 구성에서 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치 및 방법을 살펴보면, 관로(110)에 광섬유(130) 및 분포온도측정장치(200)를 구비한 상태에서 기준분포온도와 기준분포데이터를 복수회에 걸쳐 측정한 다음 이를 기준으로 평균값과 오차범위를 설정한다.
기준분포온도와 기준분포데이터의 평균값과 오차범위가 설정되면 주기적으로 광섬유의 온도(측정분포온도)와 후방산란광의 데이터(측정분포데이터)를 측정한다. 기준분포온도 및 기준분포데이터와 측정분포온도 및 측정분포데이터는 분포온도측정장치(200)를 이용하여 측정할 수 있다.
한편, 측정분포온도 및 측정분포데이터를 측정하는 과정에서 스토크스광의 변화가 비정상적으로 현저히 정가하는 경우에는 상기 비정상적인 스트크스광의 발생위치와 변화량을 산출한다. 스토크스광의 변화가 비정상적으로 발생하는 것은 관로(110)가 손상되어 광섬유에 마이크로벤딩손실이 발생한 것으로 판단하여 표시부를 통하여 마이크로벤딩이 발생한 위치와 강도를 보여줄 수 있고, 경보부를 통하여 관리감독자에게 알려줄 수 있다. 스토크스광이 비정상적인지 여부와 위치는 측압감지부(300)를 통하여 측정하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 관로
120: 유틸리티
130: 광섬유
200: 분포온도측정장치
210: 밴드패스필터
220: 신호변환부
230: 신호증폭부
240: 연산부
250: 아날로그-디자털변환부
260: 표시부
270: 경보부
300: 측압감지부
310: 기준정보저장부
330: 광변화측정부
350: 비교부
390: 이력부

Claims (7)

  1. 피측정 대상이 되는 관로와, 상기 관로의 길이방향으로 구비되는 광섬유와, 상기 광섬유에 빛을 주사하는 광원부와 상기 광섬유의 시단에 구비되는 분포온도측정장치를 포함하여 구성되는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치에 있어서,
    상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유의 변형에 의하여 발생하는 마이크로벤딩손실을 측정하는 측압감지부가 더 구비되어 상기 관로가 손상되면서 상기 광섬유에 마이크로변형이 발생하는 경우에 상기 마이크로변형의 유무와 위치를 감지하고,
    상기 측압감지부는 상기 광섬유의 후방 산란광 중 스토크스광과 안티스토크스광의 변형을 측정하는 광변화측정부와, 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 기준데이터가 저장되어 있는 기준정보저장부와, 상기 광변화측정부에 의하여 측정된 스토크스광 및 안티스토크스광의 변화량을 상기 기준데이터와 비교하는 비교부를 포함하여 구성되며,
    상기 분포온도측정장치에는 상기 광섬유의 입사단으로 되돌아 오는 후방 산란광에 미리 설정된 범위를 벗어나는 비정상적인 스토크스광이 감지되는 경우에 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광의 발생위치를 산출하는 연산부가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출장치.
  2. 삭제
  3. 피측정 대상이 되는 관로의 길이방향으로 광섬유를 설치하는 단계; 상기 설치된 광섬유가 안정화된 관로 내의 환경과 평형상태를 이룬 상태에서 상기 광섬유에 레이저광을 입사하여 상기 광섬유의 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광들을 측정하여 상기 광섬유이 설치된 관로의 기준분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광에 대한 기준분포데이터를 취득하는 단계; 상기 피측정 대상이 되는 관로에 설치되어 있는 광섬유에 주기적으로 레이저광을 입사하고 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광을 측정하여 상기 관로에 설치된 광섬유의 측정분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계; 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터와 기준분포데이터를 비교하는 단계; 및 상기 측정분포온도와 상기 측정분포데이터를 표시하는 단계를 포함하여 구성되는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법에 있어서,
    상기 기준분포데이터는 상기 관로에 침하가 발생하지 않은 상태에서 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 평균값으로 하되, 상기 기준분포온도와 기준분포데이터는 상기 관로에 설치된 광섬유를 일정한 간격으로 분류하여 각 지점에 대한 복수의 측정값인 것을 특징으로 하고,
    상기 “상기 피측정 대상이 되는 관로에 설치되어 있는 광섬유에 주기적으로 레이저광을 입사하고 상기 입사단으로 되돌아오는 후방 산란광을 측정하여 상기 관로에 설치된 광섬유의 측정분포온도와 상기 후방 산란광의 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량을 측정하는 단계”에서, 상기 측정분포온도와 상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 값은 상기 기준분포데이터의 측정위치에 대응되는 위치에서의 측정분포온도와 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터의 변화량이고,
    “상기 스토크스광 및 안티스토크스광의 측정분포데이터와 기준분포데이터를 비교하는 단계 및 상기 측정분포온도와 상기 측정분포데이터를 표시하는 단계”는
    상기 측정분포데이터 값 중 상기 스토크스광의 변화량이 상기 안티스토크스광의 변화량 보다 미리 설정된 값 이상으로 변한 경우에 비정상적인 변화로 인지하여 상기 비정상적인 스토크스광이 발생한 위치를 표시부 또는 알림부를 통하여 알려주는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 표시부에 표시되는 비정상적인 스토크스광의 값은 미리 설정된 값을 기준으로 복수의 단계로 분류하여 표시하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 스토크스광의 변화량이 비정상적인 값을 가지는 경우에 상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치에 대응되는 위치의 측정분포온도를 상기 기준분포온도와 비교하고,
    상기 비정상적인 값을 가지는 스토크스광이 발생한 위치의 측정분포온도가 기준분포온도 값을 기준으로 미리 설정된 값을 벗어나는 것으로 판단되는 경우에 표시부 또는 알림부를 통하여 알려주는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 지중관로 침하위치 검출방법.
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