KR20100115052A - 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법 - Google Patents

Abstract

탐사지역 주변의 외부 환경에 영향을 받지 않는 정확한 탐사가 가능하며 비접촉 전자기장 측정에 의해 신속한 조사가 가능하며 최대 30미터까지의 심부탐사가 가능하도록, 송신부의 수직루프에 2㎑∼10㎒의 교류전류를 흘려주어 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하고, 이 1차 전자기장이 지하의 매질이나 도체인 매설물을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 수신부에서 측정하고, 제어부에서 송신부에서 전파한 1차 전자기장과 수신부에서 측정한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 심도를 산출하는 과정으로 이루어지는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법을 제공한다.

전자탐사, 지하 매설물, 탐지, 심도, 송신, 전자기장, 전파, 매질, 위상

Description

지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법 {Electromagnetic Exploration Method of Induction Field Using Object Detecting of Underground}

본 발명은 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기장을 이용하여 최대 30m까지의 지하 매질 및 매설물 등의 위치를 탐사하는 것이 가능하고 물성도 분석할 수 있는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법에 관한 것이다.

일반적으로 수도관, 가스관, 통신 및 전선 케이블, 송유관 등의 지하매설물이 매설된 깊이나 방향 등을 탐지하는 방법으로 전기탐사법, 전자탐사법 등이 주로 사용된다.

상기에서 전기탐사법은 측정하고자 하는 지점에 전극을 설치하고 이 전극을 통하여 전류를 흘려주고 측정되는 비저항의 차이에 의하여 지하매설물을 탐지하는 방법이고, 전자탐사법은 측정하고자 하는 지점에 전자파를 전파시키고 지하매설물에 의하여 유기되는 와전류에 의한 전자장을 측정하는 것에 의하여 지하매설물을 탐지하는 방법이다.

종래의 전기탐사법은 일일히 전극을 지면에 설치하여야 하므로 넓은 지역을 탐사하는 경우에 시간이 많이 소요되고, 아스팔트나 시멘트 등으로 포장되어 있는 지역에서는 전극을 설치할 수 없으므로 탐사가 불가능하며, 탐사를 위해서는 포장된 아스팔트나 시멘트를 제거해야 하므로 장시간이 소요되며, 매우 번거로운 작업이 수반된다.

그리고 전자탐사법은 이론이 복잡하고 적절한 자료처리 및 해석기술의 부재로 인하여 그 중요성에 비하여 연구 및 현장적용이 미미한 실정이다. 또한 저주파 대역에서의 전자기장의 복잡한 분산 특성은 2차 자기장의 예측 내지는 해석을 어렵게 만들며 또한 전자탐사법의 현장적용을 힘들게 하는 주요 원인이 되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 전자기장을 이용하여 전기장과 자기장을 함께 측정하므로 탐사지역 주변의 외부 환경에 영향을 받지 않는 정확한 탐사가 가능하며 비접촉 전자기장 측정에 의해 신속한 조사가 가능하며 최대 30미터까지의 심부탐사가 가능한 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법은 송신부의 수직루프에 2㎑∼10㎒의 교류전류를 흘려주어 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하고, 이 1차 전자기장이 지하의 매질이나 도체(conductor)인 매설물을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기(intensity)와 위상(phase)을 비접촉방식으로 수신부에서 측정하고, 제어부에서 상기 송신부에서 전파한 1차 전자기장과 상기 수신부에서 측정한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 심도를 산출하는 과정으로 이루어진다.

상기 송신부는 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치와, 상기 펄스발생장치에 연결되어 수직루프(loop)형상으로 설치되고 상기 펄스발생장치로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나로 이루어진다.

상기 수신부는 지하매설물에 의해 발생하는 2차 전자기장의 전기장을 비접촉 용량전극에 의해 측정하는 전기장측정기와, 자기장을 측정하는 자기장측정기로 이루어진다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법에 의하면, 지면에 전극을 꽂지 않고 비접촉식으로 2차 전자기장을 측정하므로, 아스팔트나 시멘트 등으로 포장된 장소에서도 지하매설물에 대한 탐사가 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법은 2차 전자기장의 전기장과 자기장을 동시에 측정하므로, 이로부터 전기비저항값을 구할 수 있어 지하의 물성에 대한 정보도 얻을 수 있다.

또 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법은 전기성분과 자기성분을 각각 측정하므로 전자파에 의한 회절 현상 등이 나타나지 않으며, 전자파를 교란시키거나 잡음을 일으키는 주변환경의 영향을 받지않고 지하매설물을 탐사하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법은 최대 30미터까지의 가탐심도를 가지므로, 심도가 깊은 지하매설물 탐사 등에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법은 수도관, 가스관, 송유관, 전력 및 통신 케이블 등의 인공적인 지하매설물에 대한 탐사에 다양하게 적용하는 것이 가능하다.

다음으로 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 지하매서물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 사용하는 전자탐사시스템에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

상기 전자탐사시스템은 2㎑∼10㎒의 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신부(10)와, 상기 송신부(10)에서 전파한 1차 전자기장이 도체인 지하매설물(2)을 만나 발생시키는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비접촉방식으로 측정하는 수신부(20)와, 상기 송신부(10)에서 전파하는 1차 전자기장과 상기 수신부(20)에서 측정하는 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물(2)의 위치와 깊이 등을 산출하며 상기 송신부(10)와 수신부(20)에 대한 제어를 행하는 제어부(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 송신부(10)는 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키는 펄스발생장치(12)와, 상기 펄스발생장치(12)에 연결되어 수직루프(loop)형상으로 설치되고 상기 펄스발생장치(12)로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하는 송신안테나(14)로 이루어진다.

상기 펄스발생장치(12)에서 발생시키는 교류전류는 최대 30m까지의 심부탐사가 가능하도록 대략 2㎑∼10㎒정도 범위에서 설정한다.

상기 송신안테나(14)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 수직루프형상으로 형성한다.

또 상기 송신안테나(14)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 쌍루프형상으로 형성하는 것도 가능하다.

상기 송신안테나(14)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 펄스발생장치(12)의 케이스에 고정되는 지지프레임(15)에 절연물질로 이루어진 고정부재(16)로 고정하는 것에 의하여 루프형상을 유지한다.

상기 지지프레임(15)은 강체를 이용하여 형성하고, 무게를 줄이기 위하여 중공형상의 파이프를 이용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 펄스발생장치(12)의 케이스에는 이동이나 운반중에 손으로 잡을 수 있도록 손잡이(13)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 송신안테나(14)는 손실을 줄이기 위하여 광섬유를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기 펄스발생장치(12)에는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제어부(30)로 1차 전자기장을 기준값으로 전송하기 위한 기준신호입력선(18)이 연결된다.

상기 수신부(20)는 도 1∼도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 지하매설물(2)에 의해 발생하는 2차 전자기장의 전기장을 측정하는 전기장측정기(22)와, 자기장을 측정하는 자기장측정기(24)로 이루어진다.

상기 자기장측정기(24)는 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 수직루프형상으로 형성하며, 금속파이프를 이용하여 형성한다.

상기 자기장측정기(24)에는 도 4에 나타낸 바와 같이, 이동이나 운반중에 손 으로 잡을 수 있도록 손잡이(25)를 설치한다.

상기 손잡이(25)는 측정하는 자기장에 영향을 미치지 않도록 절연물질인 고무 등으로 형성한다.

상기 전기장측정기(22)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 한쌍의 판형상으로 형성하며, 표면은 절연물질인 고무 등으로 감싼다.

상기 전기장측정기(22)는 비접촉으로 전기장을 측정할 수 있도록 용량전극(capacitive-coupled electrode)으로 구성한다.

상기 전기장측정기(22)에는 도 4에 나타낸 바와 같이, 측정중에 수평상태를 유지할 수 있도록 잡아주는 지지부재(54)를 설치하기 위한 고리(52)가 설치된다.

상기 고리(52)에는 걸림구멍(53)이 형성되어 있어서 줄이나 끈 등으로 이루어지는 상기 지지부재(54)가 고정된다.

또 상기 전기장측정기(22)에는 보관시 상기 자기장측정기(24)에 삽입하여 보관공간을 줄이기 위하여 결합구멍(56)을 형성한다.

상기와 같이 결합구멍(56)을 형성하는 경우에는 전기장측정기(22)를 세워서 결합구멍(56)에 자기장측정기(24)를 삽입하는 것에 의하여 수신부(20)의 크기를 최소화하는 것이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)로 구성되는 수신부(20)에는 상기 제어부(30)가 소정의 케이스 안에 설치된다.

또 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제어부(30)에 컴퓨터(40)를 연결하여 데이터의 저장과 제어값의 입력을 수행하도록 구성한다.

그리고 상기 제어부(30)에는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 송신부(10) 및 수신부(20)로부터 입력되는 데이터와 상기 제어부(30)에서 처리한 데이터를 저장하기 위한 저장장치(44)와, 상기 제어부(30)에서 처리한 데이터의 결과 및 데이터값을 화면으로 출력하는 표시장치(42)와, 상기 제어부(30)에 소정의 제어값과 보정값, 데이터 처리방법 등의 제어신호를 입력하는 입력장치(46)가 연결된다.

또 상기 제어부(30)에는 도면에 나타내지 않았지만 데이터의 결과 및 데이터값을 인쇄하는 프린터를 연결하는 것도 가능하다.

상기 제어부(30)는 도면에 나타내지 않았지만, 상기 수신부(20)로부터 입력되는 측정값을 증폭시키는 신호증폭기와, 상기 신호증폭기를 통하여 증폭된 아날로그신호를 디지탈신호를 변환하는 아날로그/디지탈 변환기와, 상기 아날로그/디지탈 변환기를 통하여 변환된 데이터에서 잡음(노이즈)과 특이점을 제거하여 원하는 데이터만을 선별하여 제공하는 신호처리기와, 상기 신호처리기에서 처리한 측정신호와 상기 송신부(10)로부터 입력된 기준신호를 소정의 프로그램(소프트웨어)을 통하여 비교 분석하여 결과를 산출하는 연산기를 포함한다.

상기 송신부(10)의 펄스발생장치(12)와 제어부(30)를 연결하는 기준신호입력선(18)은 전송손실 및 전송지연시간을 최소화하도록 전송효율이 좋은 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 전자탐사시스템에서 12.6V의 전원이 입력되면, 인덕터가 충전되고, 전원스위치의 온/오프에 따라 용량 드라이버 소스를 거쳐 정합변성기에서 변압이 이루어진 다음, 부하로서 상기 송신안테나(14)를 통하 여 1차 전자기장이 전파된다.

또 상기 펄스발생장치(12)로부터 안정적 또는 비안정적 100KHz의 주파수로 발진되어 2비트 카운터 및 디바이더를 통하여 공급되면, 각 대역별로 8비트 NOR 게이트를 통하여 상기 송신안테나(14)로 인가되는 전원스위치의 온/오프를 제어하는 드라이버 스위치 온 또는 드라이버 스위치 오프 신호를 전송하도록 구성한다.

다음으로 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예를 설명한다.

먼저 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 송신부(10)와 수신부(20)를 대략 10미터 정도의 간격을 두고 위치시킨 다음, 상기 송신부(10)의 펄스발생장치(12)를 작동시켜 2㎑∼10㎒의 교류전류를 송신안테나(14)에 흘려주는 것에 의하여 1차 전자기장을 전파시킨다.

상기에서 2㎑∼10㎒ 범위의 주파수대역을 사용하는 것에 의하여 탐사가 가능한 심도는 대략 30미터 정도이다. 이 심도는 토목공사에서 가장 관심이 높은 경제적인 심도이며, 대부분의 인공 매설물은 이 범위내의 지하에 매설되므로, 효과적인 탐사영역을 제공한다.

상기 송신부(10)의 펄스발생장치(12)에서 송신안테나(14)로 교류전류를 흘려줌과 동시에 상기 제어부(30)로 동일한 교류전류를 기준신호로 전송한다.

또 상기 송신부(10)의 펄스발생장치(12)는 상기 제어부(30)의 제어신호에 따라 소정의 간격으로 1차 전자기장의 전파와 차단을 수행하여 상기 수신부(20)에서 수신되는 2차 전자기장과의 위상차를 구하도록 작동한다.

상기와 같이 송신부(10)로부터 지하로 전파된 1차 전자기장이 도체인 지하매설물(2)에 접하게 되면, 도체인 지하매설물(2)에 의하여 유도전류가 발생하고, 이 유도전류에 의한 2차 전자기장이 지상으로 전파된다.

상기 수신부(20)의 전기장측정기(22)에서는 상기와 같이 도체인 지하매설물(2)의 유도전류에 의하여 형성되어 지상으로 전파되는 2차 전자기장의 전기장을 측정하여 상기 제어부(30)로 전송한다.

또 상기 수신부(20)의 자기장측정기(24)에서는 자기장을 측정하여 상기 제어부(30)로 전송한다.

상기 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)에서는 각각 2차 전자기장의 세기와 위상을 측정한다.

상기 제어부(30)에서는 상기 전기장측정기(22)와 자기장측정기(24)로부터 전송된 측정신호를 증폭하고, 아날로그신호인 측정신호를 디지털신호를 변환한 다음, 소정 구역내에서의 편차를 계산하여 잡음이나 특이점을 제거하여 측정값의 신뢰도를 향상시키고, 상기 송신부(10)의 펄스발생장치(12)로부터 전송된 기준신호와 측정신호 사이의 지연시간, 세기변화, 위상차 등을 비교 분석하여 지하매설물(2)의 위치와 형태를 결정하고, 결과값을 저장하고 출력한다.

상기 전기장측정기(22) 및 자기장측정기(24)로부터 측정된 2차 전자기장의 전기장 및 자기장 성분의 비인 임피던스(impedence)를 계산하면, 이 임피던스로부터 전기비저항을 구할 수 있으며, 이 전기비저항값의 분포로부터 토질과 지반상황의 변화, 지하매설물 및 문화유적지 등을 용이하게 판별할 수 있다.

즉 임피던스는 다음의 수학식 1로부터 계산할 수 있으며, 전기비저항은 수학식 2로부터 구할 수 있다.

상기에서 Z는 임피던스이고, E는 전기장이며, H는 자기장이다.

상기에서 ρ는 전기비저항이고, ω는 각주파수이며, μ는 투자율이고, Z는 임피던스이다.

상기와 같이 구해지는 전자기장의 세기와 위상을 이용하여 지하매설물의 위치 및 심도를 판별하는 방법은 일반적으로 알려진 다양한 소프트웨어를 사용하여 행할 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 송신부(10)의 송신안테나(14)의 코일로부터 25KHz로 동조된 1차 전자기장이 전파되면, 상기 수신부(20)에서 수신되는 가변 게인 스테이지에서 증폭하고, 비동조 RC-결합 스테이지를 통과하여, RC-컨버터에서 25KHz를 6.25KHz로 변환하고, 필터에서 6.25KHz 대역으로 필터링하고, 다시 RC-컨버터에서 6.25KHz를 390.6Hz로 변환하고, 필터에서 390.6Hz 대역으로 필터링하고, 볼륨제어 온/오프를 통하여 매설물의 여부(특이점이 있는 경우 '삐익'하는 신호음을 발생시킴)를 확인하고, 파워앰프에서 증폭된 소리를 스피커나 이어폰을 통하여 출력하는 한편, 슬라이드스위치에 의하여 전원상태 또는 볼륨으로 선택됨에 따라 특이점이 발견되는 경우 매설물을 표시장치로 표시하도록 이루어진다.

상기에서 필터를 통하여 390.6Hz 대역으로 필터링된 신호의 일부는 감도제어 스위치의 수동 또는 자동 선택에 따라 감도제어 수동/자동이 선택되어 게인제어발생기의 시간을 컨트롤하여 상기 가변 제어 스테이지를 제어하도록 이루어진다. 이때 슬라이드스위치에 의하여 자동 저속 또는 자동 고속의 스캔 속도를 선택하는 것이 가능하다.

상기에서는 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예를 설명하기 위한 개념을 나타내는 블럭도이다.

도 2는 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 사용되는 전자탐사시스템의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3은 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 사용되는 전자탐사시스템의 송신부를 나타내는 정면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 사용되는 전자탐사시스템의 수신부를 나타내는 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 사용되는 전자탐사시스템의 작동과정을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 6은 본 발명에 따른 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법의 일실시예에 있어서 측정 데이터의 흐름을 나타내는 블럭도이다.

Claims (4)

1. 송신부의 수직루프에 2㎑∼10㎒의 교류전류를 흘려주어 1차 전자기장을 발생시켜 지하로 전파하고,

   이 1차 전자기장이 지하 매질 및 지하매설물을 만나 발생되는 유도전류에 의한 2차 전자기장의 세기와 위상을 수신부에서 비접촉방식으로 자기장과 전기장으로 나누어 측정하고,

   제어부에서 상기 송신부에서 전파한 1차 전자기장과 상기 수신부에서 측정한 2차 전자기장의 세기와 위상을 비교 분석하여 지하매설물의 위치와 심도를 산출하는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 송신부에서는 펄스발생장치에서 2㎑∼10㎒의 교류전류를 발생시키고, 수직루프형상으로 설치되며 펄스발생장치에 연결되는 송신안테나를 통하여 상기 펄스발생장치로부터 발생되는 교류전류가 흐르면서 1차 전자기장이 발생되어 지하로 전파되도록 이루어지고,

   상기 제어부에는 상기 펄스발생장치에서 기준신호입력선을 통하여 1차 전자기장을 기준값으로 전송 입력되도록 이루어지는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 수신부에서는 판형상의 용량전극으로 구성되는 전기장측정기에서 2차 전자기장의 전기장을 비접촉방식으로 측정하는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부에서 처리한 데이터와 컴퓨터 또는 상기 송신부 및 수신부로부터 입력되는 데이터를 저장장치에 저장하고,

   상기 제어부에서 처리한 데이터의 결과 및 데이터값을 표시장치의 화면으로 출력하고,

   입력장치를 통하여 상기 제어부에 소정의 제어값과 보정값, 데이터 처리방법의 제어신호를 입력하도록 이루어지는 지하매설물 탐지를 위한 유도영역 전자탐사방법.

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