KR20050102853A - 지하수의 유출속도 측정방법 및 그 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바다, 호수, 강, 연못 등으로 지하수가 유출되는 속도 측정방법 및 그 측정장치에 관한 것으로, 지하수를 모을 수 있는 챔버(10)에 좁은 관(20)을 부착하여 지하수의 흐름을 빠르게 하고, 이 관(20)의 내부에 히터&서미스터(32)와 서미스터(34,36)로 이루어진 열식 센서(30)를 부착하여 온도기울기(전압차)를 검출하여 관(20)내부를 흐르는 지하수의 유속을 측정한 후, 이 유속에 관(20)의 단면적을 곱하여 시간당 부피(유량)을 계산해내고, 이 부피를 챔버 밑의 단면적으로 나누어 단위면적당 유속을 계산해 내도록 한 것으로, 간단한 구조로 이루어져 있지만 그 동안 정확하게 측정할 수 없었던 매우 느린 지하수의 유출속도를 비교적 간단한 방법에 의해 신뢰할 수 있는 정도로 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 지하수의 유출속도 측정 방법 및 그 측정장치에 관한 것으로, 유출속도가 매우 느린 지하수의 유속을 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 흐름이 매우 느린 지하수를 모을 수 있는 반구형 챔버의 상단에 좁은 관을 부착하여 지하수의 흐름을 빠르게 하고, 이 관 내부에 히터&서미스터와 이 히터&서미스터의 상, 하류에 설치되는 적어도 1개의 서미스터로 이루어진 열식 센서를 부착하여 히터&서미스터와 서미스터사이의 온도기울기에 따른 유속을 측정한 후, 이 유속에 플라스틱 관의 단면적을 곱하여 시간당 부피를 계산해내고, 이 부피를 챔버 밑의 단면적으로 나누어 단위면적당 지하수의 유속을 계산해 낼 수 있도록 한 지하수 유속측정방법 및 그 측정장치에 관한 것이다.
지하수라는 것은 지표수와 대비되는 말로 지하에 있는 물을 의미하나 지하에 있는 물을 모두 지하수라 하지 않으며, 지하에 있는 암석(토양)의 간극을 채우고 있는 간극수를 말한다. 우리 나라 지하수 법에서도 지하수란 "지하의 지층이나 암석 사이의 빈틈을 채우고 있는 물"로 규정하고 있다. 따라서 토양 표면에서 수m 깊이 내에 존재하는 물의 경우는 엄밀한 의미에서 지하수는 아니며 편의상 "천층수"라고 부르고 있다.
한편, 이 지하수는 호수나 해저를 향하여 흐르고 있는데, 이 지하수의 흐름은 지질의 구성성분에 의해 유속의 영향을 받는다. 예를 들면 석회암 지역의 지하수는 시간당 수m의 빠른 속도로 이동하는 반면, 대부분의 다른 지역에서는 년간 수m의 느린 속도로 이동한다. 지하수의 흐름은 눈으로 관찰할 수 없기 때문에 흐름방향을 명확하게 확인하기 어렵다.
그러나, 지하수는 중요한 자원이며 이의 효과적인 관리와 이용을 위한 지하수량 및 유속의 측정은 필수적인데, 지금까지 지하수의 유출속도를 측정하기 위한 기술은 전무하며, 유속측정을 위한 장치도 비교적 빠른 유체의 유속 및 유량을 감지하기 위한 유속계 또는 유량계만 개발되어 있다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지하자원으로서의 가치가 매우 높은 지하수의 유출 탐사와 관리를 위한 자료를 수집하기 위하여 유속이 매우 느린 지하수의 유속 및/또는 유량을 비교적 간단한 장치와 방법에 의해 신뢰할 수 있는 정도로 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지하수를 모을 수 있는 챔버에 좁은 관을 부착하여 지하수의 흐름을 빠르게 하고, 이 관 내부에 히터&서미스터와 이 히터&서미스터의 상, 하류에 설치되는 적어도 1개의 서미스터로 이루어진 열식 센서를 부착하여 히터&서미스터와 서미스터사이의 온도기울기에 따른 유속을 측정한 후, 이 유속에 플라스틱 관의 단면적을 곱하여 시간당 부피를 계산해내고, 이 부피를 챔버 밑의 단면적으로 나누어 단위면적당 지하수의 유속을 계산해 낼 수 있도록 한 지하수의 유속측정방법 및 이 방법에 사용되는 측정장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 지하수 유속측정장치의 전체구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 지하수 유속측정장치의 전체구성을 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 유속측정장치의 센서부 구성도이다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 유속측정장치는 유속이 매우 느린 지하수를 모을 수 있는 반구형의 챔버(10)상단에 좁은 관(20)을 부착하여 지하수의 흐름을 빠르게 하고 여기에 열식 센서(30)를 부착하여 지하수의 유속을 측정할 수 있도록 되어 있다.
상기 챔버(10)는 하부가 개방된 반구형으로 이루어져 있고, 그 외곽에 테두리부가 형성되어 있으며, 챔버(10)내부의 공간으로 집수된 지하수는 자체의 압력에 의해 챔버(10)상단의 관(20)으로 배출되도록 되어 있다.
상기 센서(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 관(20)의 중앙에 설치되는 히터&서미스터(32)와, 이 히터&서미스터(32)를 중심으로 관(20)의 양측 즉, 지하수의 흐름방향을 기준으로 하면 상류 및 하류에 각각 설치되는 2개의 서미스터(34,36)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 히터&서미스터(32)의 히터는 가느다란 니크롬선으로 이루어져 있어 전원공급부(40)에서 공급되는 직류전원에 의해 가열된다.
상기한 구조로 이루어진 열식 센서(30)는 관(20)을 통해 흐르는 지하수의 양방향 흐름을 서미스터(34,36)와 히터&서미스터(32)사이의 온도기울기에 의해 감지하게 된다.
도면중 부호 22는 관(20)의 외부에 씌워지는 튜브로서 관(20)에 설치되는 히터&서미스터(32)와 서미스터(34,36)를 보호하는 역할을 하게 되며, 부호 24는 관(20)을 챔버(10)와 연결시키기 위한 커플러이다.
도면중 부호 40은 히터&서미스터(32)에 직류전원을 공급하기 위한 전원공급부이고, 부호 50은 관(20)의 중앙에 설치된 히터&서미스터(32)와 관(20)의 양측 즉 상류와 하류에 설치되는 서미스터(34,36)에서 검출되는 저항값을 받아 전압으로 변환하여 저장하기 위한 데이터 로거이며, 이 데이터 로거(50)에 저장된 데이터는 RS232케이블을 통해 컴퓨터로 다운로드된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 세팅된 본 발명의 측정장치의 유속측정원리 및 측정과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 지하수의 흐름이 없을 경우에는 관(20)내의 히터&서미스터(32)와 이 히터&서미스터(32)의 하류에 설치된 서미스터(34)사이의 온도차이는 최대가 되고 즉, 히터&서미스터(32)는 히터에 의해 가열되어 높은 온도상태를 유지하고, 하류측의 서미스터(34)는 지하수의 흐름이 없기 때문에 열 전달이 이루어지지 않아 낮은 온도상태를 유지하게 됨으로써 온도차이가 크게 되고, 지하수의 흐름 속도가 증가하면 상기 히터&서미스터(32)와 하류 측의 서미스터(34)사이의 온도차이는 감소하게 되는데, 이는 두 지점에서의 온도기울기에 의해 유속을 계산하는 일반적인 열식 유속계의 원리와 같으며, 본 발명에서도 관(20)을 통해 흐르는 지하수의 흐름을 서미스터(34,36)와 히터&서미스터(32)사이의 온도기울기에 의해 감지하게 되는 것이며, 서미스터(34,36)는 히터&서미스터(32)의 양쪽에 설치되어 있으므로 반대방향의 지하수의 유출속도도 감지할 수 있도록 되어 있다.
이 원리를 다시 설명하면, 관(20)내에 물의 흐름이 없게 되면 서미스터(34, 36)와 히터&서미스터(32)에서 검출되고 전압으로 변환된 데이터의 전압차이는 최대가 되고, 흐름속도가 증가하면 전압차이는 반대로 서서히 감소하게 되는데, 관(20)내부로 이미 알고 있는 유속으로 물의 흐름을 변화시켜주면 도 4의 그래프에서와 같이 그 유속에 대한 전압차이를 알 수 있게 되는 것이며, 그 결과 값에 따라 그래프를 작성하면 도 5에서와 같이 용이하게 지하수의 유속을 측정할 수 있게 되는 것이다.
도 5에서 작성된 그래프를 식으로 작성하면 그래프의 우측 상단에 표시된 바와 같은 방정식이 성립하게 되며, 이 방정식에 실제 측정된 전압차이를 입력하면 유속을 측정할 수 있게 되는 것이다.
한편, 실제 지하수 유속 측정현장에서는 서미스터(34 또는 36)와 히터&서미스터(32)의 전압차만을 관측하여 데이터 로거(50)에 저장한 후, 이 데이터를 컴퓨터로 다운로드하여 도 5에 도시된 바와 같은 특성곡선을 갖는 방정식에 대입하면 곧바로 관(20)내부를 지나는 지하수의 유속을 자동으로 계산해 낼 수 있게 되는 것이다.
또, 위에서 계산해 낸 지하수의 유속은 관(20)을 통과할 때의 유속이며, 실제 지하를 흐르는 지하수의 유속 계산은 관(20)의 유속에 관(20)의 단면적을 곱하여 시간당 지하수의 부피(유량)를 계산해 내고, 이를 챔버(10)밑의 단면적으로 다시 나누어주면 실제 지하수의 단위면적당 유속을 알 수 있게 되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 흐름이 아주 느린 지하수의 유속을 측정하기 위하여 열식 센서를 사용하되, 지하수를 모을 수 있는 반구형의 챔버를 사용하고 이 챔버의 상단부에 좁은 관을 연결시켜 이 관을 통해 지하수가 비교적 빠르게 흐르도록 한 상태에서 관 내부를 통과하는 지하수의 유속을 열식 센서를 사용하여 측정하고, 여기에서 측정된 유속에 관의 단면적을 곱하여 시간당 유량을 계산하고 이 유량을 다시 챔버 밑의 단면적으로 나누어 실제 단위면적당 유속을 계산해 낼 수 있도록 된 것으로, 본 발명에 의하면 매우 간단한 구조로 이루어져 있지만 그동안 정확하게 측정할 수 없었던 매우 느린 지하수의 유출속도를 신뢰할 수 있는 정도로 측정할 수 있어 중요자원인 지하수의 효과적인 관리와 이용을 도모하기 위한 기초자료의 수집을 용이하게 할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 의한 지하수 유속측정장치의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 의한 지하수 유속측정장치의 구성을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 지하수 유속측정장치의 센서부 구성을 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 유속측정방법에 의한 시간에 따른 유속과 전압차에 대한 그래프,
도 5는 전압차에 따라 작성된 지하수의 유속변화그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 챔버 20 : 관
22 : 튜브 24 : 커플러
30 : 센서 32 : 히터&서미스터
34,36 : 서미스터 40 : 전원공급부
50 : 데이터 로거
Claims (2)
- 지하수를 모을 수 있는 챔버에 좁은 관을 부착하여 지하수의 흐름을 빠르게 하고, 이 관의 내부에는 관의 중앙에 설치되는 히터&서미스터와, 이 히터&서미스터를 중심으로 관의 일측 또는 양측에 배치되는 적어도 1개의 서미스터를 포함하는 열식 센서를 설치하여 관을 통해 흐르는 지하수의 흐름을 상기 서미스터와 히터&서미스터사이의 온도기울기에 의해 측정한 후, 이 유속에 관의 단면적을 곱하여 시간당 부피를 계산해내고, 이 부피를 챔버 밑의 단면적으로 나누어 단위면적당 유속을 계산해 냄을 특징으로 하는 지하수의 유출속도 측정방법.
- 지하수를 모을 수 있는 반구형 챔버(10)와, 상기 챔버(10)의 상부에 부착되는 관(20)과, 상기 관(20)의 내부에 설치되는 열식 센서(30);를 포함하며, 이 열식 센서(30)는 상기 관(20)의 중앙에 설치되는 히터&서미스터(32)와, 이 히터&서미스터(32)를 중심으로 관(20)의 상, 하류에 각각 설치되는 2개의 서미스터(34,36)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지하수의 유출속도 측정장치.
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2004
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