KR20000036978A - 탄성파를 이용한 매설 배관의 위치 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하의 매설 배관에 대한 위치 탐지 시스템에 관한 것으로, 매설 배관에 탄성파 발진기를 부착하고, 발진기에서 발생하여 전파된 탄성파를 지표면에서 감지하여 매설 배관의 위치를 찾도록 구성된다. 특히, 탄성파 발진부는 진동식 전기 타종기와 같이 해머 및 진동판을 구비하며, 이들의 재질과 타격시간 등을 조정하여 외부 잡음과 구별이 가능하다. 생성된 탄성파가 매질을 통해 지표면까지 전달 시 지표면에 접지된 가속도계를 이용하여 탄성파의 진폭과 시간차를 감지할 수 있고 따라서, 매설 배관의 위치를 측정할 수 있다.

Description

탄성파를 이용한 매설 배관의 위치 측정 시스템 {System for detecting a pipe under the ground using elastic wave}

본 발명은 지하에 매설된 배관 위치를 측정하기 위한 매설 배관 위치 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성파를 이용하는 매설 배관 위치 측정할 수 있는 시스템에 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. 전자유도 탐사법은 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 경우, 동일선상에 배관이 겹쳐있는 경우 등에서는 사용이 적합하지 않고 사용시 고전류를 필요로하는 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.

따라서, 본 발명은 상술한 매설 배관 탐사법의 문제점들을 보완할 수 있는 새로운 매설 배관 위치 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래의 기술에 비해 잡음의 영향을 줄여 탐지의 정확성을 높일 수 있는 매설 배관 위치 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 탐지의 효율성을 높일 수 있는 매설 배관 위치 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 매설 배관 위치 측정 시스템을 나타내는 개념적 구성도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 전류공급장치 11 : 파형 발생기

12 : 발진기 13 : 해머

14 : 진동판 15 : 가속도계

16 : 신호처리 장치 17 : 계산부(컴퓨터)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 크게 탄성파 발생부와 탄성파 감지부로 구성되어 있다. 탄성파 발생부는, 진동에 의해 탄성파를 발생시키는 진동판, 진동판을 타격하는 해머, 자기장을 발생시키고 변화시켜 해머의 진동을 유도하는 발진기, 발진기에 전류를 공급하는 전원을 구비하여 이루어지며, 소정의 패턴으로 배관에 설치된다. 한편, 본 발명의 감지부는 진동판에서 발생된 탄성파가 매질인 토양을 통해 전파되어 지표 상에 도달할 때 지표면에서 탄성파를 감지하여 전기신호로 변환시키는 탄성파 수신기, 탄성파 수신기에서 전달된 전기신호를 처리하는 신호처리 장치 및 처리된 전기신호를 분석하여 매설 배관의 위치를 계산하는 계산부)를 구비하여 이루어진다.

본 발명에서, 신호처리 장치는 대개 증폭 및 필터링의 방법으로 전달된 신호를 처리하게 된다. 또한, 전원은 일정한 전류를 공급해주는 전류공급장치와, 전류공급장치에 의해 일정 주파수의 교류를 발생시켜 발진기에 전달하는 파형 발생기로 구성될 수 있다. 이런 구성에 의해 탄성파에 특정의 파형을 주면 탄성파 발생부에서 발생한 탄성파와 잡음을 용이하게 구분되도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 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.

도1은 본 발명에 따른 매설 배관의 위치를 측정하기 위한 탄성파 발진 및 측정 시스템을 나타낸 개념적 구성도이다.

도1을 참조하면, 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.

진동판은 그 재질과 형태에 따라, 또한, 해머가 진동판을 타격하는 패턴에 따라, 특유의 탄성파를 발생시킨다. 그러므로, 진동판, 해머 및 파형 발생기가 몇 개의 형태로 가변되는 경우, 진동판과 해머의 조절을 통해, 그리고, 파형 발생기로 타격 시간 간격 등의 조절을 통해 탄성파 패턴을 조정할 수 있다. 그러므로 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, 진동판에서 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. 진동판은 케이스 표면에 부착되어 있고 진동판이 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 가속도계를 구비한다. 가속도계는 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 계산부로 입력된다. 계산부는 입력된 신호로부터 음원의 위치를 계산할 수 있는 프로그램을 내장하여 연산처리하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 것이 일반적이다.

본 발명 시스템에 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 매설 배관의 위치 측정을 할 수 있다.

Claims (4)

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 가지는 매설 배관 위치 측정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원은 일정 패턴의 주파수의 교류를 발생시켜 상기 발진기에 전달하는 파형 발생기 및 상기 파형 발생기에 일정한 전류를 공급해주는 전류공급장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 매설 배관 위치 측정 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 신호처리 장치는 증폭장치 및 필터링 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 매설 배관 위치 측정 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 해머, 상기 진동판, 상기 파형 발생기 가운데 하나는 설치시 조정될 수 있는 가변형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 매설 배관 위치 측정 시스템.