KR20070065668A - 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템에 관한 것으로, 그 목적은 지하공동에 착맥된 시추공 내에서 수평 방향의 지향성을 가지는 송,수신 초음파 센서를 360°회전시키면서 초음파를 발생시켜 지하공동 벽에 의해 반사되는 반사 초음파를 측정하여 지하공동의 3차원적인 크기와 형상을 측정하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 슬롯에 다채널 A/D 변환기가 장착되고, 고전압 펄스 발생기 및 전자나침반과 연결되어 신호를 측정하고, 그 값을 디스플레이장치에 표시토록 구성된 PXI와; 상기 PXI에 장착되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 다채널 A/D 변환기와; 상기 다채널 A/D 변환기와 회로연결되어 지하공동면으로부터 반사된 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 슬립링을 통해 A/D 변환기로 보내는 수신 압전 센서와; 상기 다채널 A/D 변환기와 회로연결되어 수신 압전 센서의 초음파 신호 측정 당시의 정확한 방위각을 측정하는 전자 나침반과; PXI에 장치되어 제어되고, 송신 전기 신호를 발생시키는 고전압 펄스 발생기와; 상기 고전압 펄스 발생기에 의한 송신 전기 신호를 저주파 초음파 송신 신호로 변환하여 복사하는 송신 압전센서와; 상기 송·수신 압전 센서를 360°회전시켜주는 회전모터와; 상기 회전모터에 의해 압전 센서 회전시 전기 신호선의 꼬임을 방지하도록 회전모터와 전자나침반 사이에 설치된 슬립 링으로 구성된 것을 특징으로 한다.

시추공 초음파 탐사, 지하공동, 압전 센서, 전자 나침반

Description

지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템{Borehole ultrasonic system for measuring the volumes of cavities}

도 1은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도,

도 2는 본 발명의 시추공 내 측정 센서의 구성을 보인 사진,

도 3은 본 발명에 사용된 전자 나침반 사진,

도 4는 본 발명의 측정 센서를 테스트하기 위한 수조에서의 실험 장면을 보인 실시예도,

도 5는 측정시스템의 사진,

도 6은 측정 결과를 도시하는 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : PXI (2) : A/D 변환기

(3) : 수신 압전센서 (4) : 전자 나침반

(5) : 고전압 펄스 발생기 (6) : 슬립 링

(7) : 송신 압전센서 (8) : 회전모터

본 발명은 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 시추공에 착맥된 지하공동의 3차원적인 크기와 형상을 측정함으로써 석회암 공동에 의한 지반침하나 폐갱도에 의한 상부 건축물의 안전성 평가등에 활용될 수 있는 측정장치에 관한 것이다.

현재 국내 무안 등의 지역에서 석회암 공동에 의한 지반 침하문제가 사회문제화되고 있는데 이런 지역에서는 지하공동의 탐지 후 이를 보강하여 침하문제를 해결하는데 이때 지하공동의 3차원적인 크기 및 형상을 정확히 파악해야 보강시의 시공비 산정이 정확하게 나올 수 있으며 시공 후 안정성을 담보할 수 있게 된다.

또한 폐갱도 지역에 건설되는 대단위 건축물의 안정성 평가를 위해서도 지하의 폐갱도 내지는 채굴적의 3차원적인 크기와 형상을 정확히 알아야 정확한 평가가 가능하며, 보강 여부에 대한 판단 또한 가능하다.

여태까지는 주변 시추공에서의 물리탐사에 의해 대략의 지하공동의 크기를 파악하고 있으며, 지하공동에 착맥된 시추공이 있어도 적절한 방법이 없어 지하공동 크기를 제대로 파악하지 못하고 있는 실정이다.

지금까지 개발된 3차원적인 크기를 측정할 수 있는 기술로는 시추공 텔레뷰 어라는 탐사 기술이 있는데, 시추공 주변의 수십 센티 정도의 매우 한정된 크기를 3차원적으로 영상화하는 기술이 있다. 이러한 종래 탐사 기술의 목적은 시추공 내의 절리나 균열의 크기와 방향을 측정하기 위해 상당히 높은 주파수의 초음파를 사용하는 것으로 가탐거리가 20cm 이내이어서 지하공동에 적용할 경우에는 에너지의 감쇄가 심해 측정이 불가능해진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지하공동에 착맥된 시추공 내에서 수평 방향의 지향성을 가지는 송,수신 초음파 센서를 360°회전시키면서 초음파를 발생시켜 지하공동 벽에 의해 반사되는 반사 초음파를 측정하여 지하공동의 3차원적인 크기와 형상을 측정하는 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 지하공동을 측정하는 장치에 있어서, 슬롯에 다채널 A/D 변환기가 장착되고, 고전압 펄스 발생기 및 전자나침반과 연결되어 신호를 측정하고, 그 값을 디스플레이장치에 표시토록 구성된 PXI와; 상기 PXI에 장착되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 다채널 A/D 변환기와; 상기 다채널 A/D 변환기와 회로연결되어 지하공동면으로부터 반사된 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 슬립링을 통해 A/D 변환기로 보내는 수신 압전 센서와; 상기 다채널 A/D 변환기와 회로연 결되어 수신 압전 센서의 초음파 신호 측정 당시의 정확한 방위각을 측정하는 전자 나침반과; PXI에 장치되어 제어되고, 송신 전기 신호를 발생시키는 고전압 펄스 발생기(High power pulse generator)와; 상기 고전압 펄스 발생기에 의한 송신 전기 신호를 저주파 초음파 송신 신호로 변환하여 복사하는 송신 압전센서와; 상기 송·수신 압전 센서를 360°회전시켜주는 회전모터와; 상기 회전모터에 의해 압전 센서 회전시 전기 신호선의 꼬임을 방지하도록 회전모터와 전자나침반 사이에 설치된 슬립 링으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 고전압 파형 발생기에서 고전압 송신신호를 보내면 송신 압전 센서를 통해 초음파 신호가 매질에 복사되고 지하공동면에 의해 반사된 초음파 신호는 수신 압전 센서를 통해 전기신호로 변환되어 PXI(Pci eXtended Instrument)에 장착된 A/D 변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 디스플레이장치에 도시되도록 구성된다.

상기 송·수신 압전 센서의 방향은 방사형(Radial)의 방향성을 주기 위해 송,수신 압전센서를 시추공에 대해 수직 되게 하며 360°회전되도록 회전모터를 장착시켰다.

또한 지하공동으로부터의 반사파를 측정해내기 위해서는 비교적 저주파의 중심 주파수를 가져 파장이 긴 초음파를 발생시킬 수 있고, 출력 에너지가 큰 센서의 개발이 중요한데 본 발명에 사용된 송, 수신 압전센서는 각기 그 내부에 3개의 압전 센서를 병렬로 연결하여 출력에너지를 극대화시켰고, 결과적으로 20 kHz의 주 주파수를 가지도록 구성하였다.

본 발명에서는 압전센서의 방위각을 정확히 측정하기 위해 압전센서 위에 초소형 전자 나침반을 장착하였다.

또한 본 발명이 사용되는 시추공의 직경이 75mm정도 밖에 안되게 작은데, 본 발명의 측정장치는 이러한 시추공에 사용될 수 있도록 송·수신 압전센서, 회전 모터, 슬립 링, 전자 나침반의 크기와 각 장치들의 구성을 상기 시추공의 크기보다 작게 소형화하였다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명의 측정 센서의 내부 구조 사진을 도시하고 있는데, 본 발명의 전체 시스템은 PXI(Pci eXtended Instrument, 1)를 기반으로 하게 된다. 이 PXI는 컴팩트(Compact) PCI에 윈도우 운영 시스템을 통합하고 타이밍 및 트리거링을 제공하는 산업용 컴퓨터로 PCI슬롯을 개량한 PXI 슬롯에 A/D 변환기(2)나 오실로 스코프, 함수 발생기 등 다양한 모듈의 장착이 가능하다.

본 발명은 PXI(1)에 다채널 A/D 변환기(2)를 장착하여 수신 압전센서(Rx piezoelectric, 3)로부터의 수신 신호(Signal)와 전자 나침반(E. Compass, 4)으로부터의 방위신호(Direction info)를 동시에 측정하여 디지털 신호로 변환하게 되며, 이때 방위 신호를 A/D 변환기의 트리거링(Trig) 신호로 사용한다.

송신 전기 신호는 PXI에 장치되어 제어되는 고전압 펄스 발생기(High power pulse generator, 5)를 통해 발생되며 이 신호는 슬립 링(Slip ring, 6)을 통해 송신 압전센서(Tx piezoelectric, 7)로 전해져 초음파 신호로 변환된 뒤 지하공동 내로 복사되게 된다.

복사된 초음파는 지하공동 면에서 반사되어 수신 압전센서(3)에 감지되어 전기신호로 변환되어 슬립링(6)을 통해 A/D 변환기(2)로 보내진다.

상기 송·수신 압전센서는 방사형(Radial) 방향성을 주기 위해 시추공벽에 수직으로 위치하도록 장착되며 회전모터(Rotation motor,8)를 이용하여 360°회전을 하게 된다.

송·수신 압전센서가 회전하게 되면 연결된 전기 신호선이 꼬이게 되며 이를 해결하기 위해 슬립링(6)을 장착한 것이다.

한편 정확한 지하공동의 3차원적인 크기와 형상을 알기 위해서 회전하는 압전센서 위에 초소형 전자 나침반(4)을 장착하여 초음파 신호 측정 당시의 센서의 정확한 방위각을 측정하게 된다.

도 3 는 본 발명에 사용된 초소형 전자나침반의 사진을 나타내고 있는데, 본 발명의 전자나침반의 크기가 상용 담배와 비교시 그 크기가 작음을 알 수 있어 본 발명 측정장치의 크기가 75mm인 시추공경에 충분히 들어갈 정도의 소형임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 측정 센서를 테스트하기 위한 수조에서의 실험 장면을 보인 실시예도, 도 5는 측정시스템의 사진, 도 6은 측정 결과를 도시하는 사진을 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 본 발명의 송·수신 압전센서가 수조 하부에 보이고, 그 상부에는 본원 발명의 나머지 장치를 감싸고 있는 케이스가 보이며, 케이스 상부로 회로선들을 감싸는 작은 직경의 관이 돌출되어 있는 것을 보인다. 또한 수조의 양 측면에는 초음파의 반사를 위한 벽돌 등의 반사수단 등이 장치되어 있어서, 본원 발명 장치를 시뮬레이션 할수 있도록 구성된 것임을 알 수 있다.

상기 시뮬레이션 도면을 보면 물리 담긴 수조인데, 본 발명의 압전센서에 의한 초음파의 측정은 초음파의 전달 매질인 물이 있지 않으면 불가능하다. 마찬가지로 본 발명이 실제 적용되는 지하공동 역시 대부분 물이 차 있기 때문에 탐지가 가능하다.

상기와 같은 장치를 설치 후, 전술한 본 발명 고전압 파형 발생기에서 고전압 송신신호를 보내면 송신 압전 센서를 통해 초음파 신호가 매질에 복사되고 지하공동면에 의해 반사된 초음파 신호가 수신 압전 센서를 통해 전기신호로 변환된 후, 도시된 PXI(Pci eXtended Instrument)에 장착된 A/D 변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 디스플레이장치(LCD 모니터)에 도시되는 것을 보여준다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 시추공에 착맥된 지하공동의 3차원적인 크기와 형상을 정확히 측정함으로써 석회암 공동에 의한 지반침하나 폐갱도에 의한 상부 건축물의 안전성 평가에 활용될 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (7)

1. 지하공동을 측정하는 장치에 있어서,

   슬롯에 다채널 A/D 변환기가 장착되고, 고전압 펄스 발생기 및 전자나침반과 연결되어 신호를 측정하고, 그 값을 디스플레이장치에 표시토록 구성된 PXI와;

   상기 PXI에 장착되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 다채널 A/D 변환기와;

   상기 다채널 A/D 변환기와 회로연결되어 지하공동면으로부터 반사된 초음파 신호를 전기신호로 변환하여 슬립링을 통해 A/D 변환기로 보내는 수신 압전 센서와;

   상기 다채널 A/D 변환기와 회로연결되어 수신 압전 센서의 초음파 신호 측정 당시의 정확한 방위각을 측정하는 전자 나침반과;

   PXI에 장치되어 제어되고, 송신 전기 신호를 발생시키는 고전압 펄스 발생기(High power pulse generator)와;

   상기 고전압 펄스 발생기에 의한 송신 전기 신호를 저주파 초음파 송신 신호로 변환하여 복사하는 송신 압전센서와;

   상기 송·수신 압전 센서를 360°회전시켜주는 회전모터와;

   상기 회전모터에 의해 압전 센서 회전시 전기 신호선의 꼬임을 방지하도록 회전모터와 전자나침반 사이에 설치된 슬립 링으로 구성된 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 송·수신 압전센서는 방사형(Radial) 방향성을 주기 위해 시추공벽에 수직으로 위치하도록 장착되며 회전모터를 이용하여 360°회전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 송·수신 압전센서는 각각 3개의 센서를 병렬 연결하여 출력 에너지를 극대화시킨 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 출력 에너지는 20 kHz의 주 주파수를 가지도록 구성한 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 송수신 압전 센서와, 슬립링과, 회전모터와, 전자나침반이 결합된 측정장치의 직경은 시추공크기 75mm보다 작게 장치된 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 나침반은 수신 압전센서의 방위각을 정확히 측정하기 위해 수신 압전센서 위에 장착된 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 나침반의 방위 신호를 A/D 변환기의 트리거링(Trig) 신호로 사용토록 회로 구성한 것을 특징으로 하는 시추공에 의해 착맥된 지하공동 규모 파악을 위한 시추공 초음파 탐사 시스템.

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