KR20160053393A

KR20160053393A - 자왜변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서 및 이를 이용한 지하수 및 지표수의 멀티 측정 시스템

Info

Publication number: KR20160053393A
Application number: KR1020140151996A
Authority: KR
Inventors: 석희준; 고동찬; 한장희
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-13
Also published as: KR101756271B1; CN105987740A; US9618380B2; US20160123790A1

Abstract

본 발명은 자왜변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서 및 이를 이용한 지하수 및 지표수의 멀티 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 수위 측정 센서는 내부에 중공을 갖고 길이방향으로 연장되는 외부케이스; 상기 외부케이스의 중공 내부에서 내벽과 이격되어 상기 길이방향으로 연장되어 형성되는 자왜선; 상기 자왜선을 따라 가이드되어 상기 길이방향으로 유동 가능하게 설치되며, 수면의 수위에 대응하여 위치가 가변되는 부유 영구자석; 및 상기 자왜선에 전류펄스를 인가하고, 상기 전류펄스에 의해 상기 자왜선의 원주방향으로 형성되는 제1 자기장과 상기 영구자석에 의해 상기 자왜선의 축방향으로 형성되는 제2 자기장이 교차하면서 발생하는 탄성파를 수신하는 송수신부를 포함한다.

Description

자왜변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서 및 이를 이용한 지하수 및 지표수의 멀티 측정 시스템{APPARATUS FOR MEASURING STAGES OF GROUND WATER AND SURFACE WATER BASED ON MAGNETOSTRICTION AND MULTI-MEASURMENT SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 자왜변위를 이용하여 효율적으로 수위를 측정하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.

수문순환(hydrologic cycle)이란 지표면, 지표아래, 지표위의 끊임없는 물의 이동을 일컫는다. 지표면위의 물 -즉, 지표수(surface water)-은 하천, 호수, 습지, 만(灣), 해양의 형태로 존재하며, 눈과 빙하같은 형태로 존재하기도 한다. 지표면 아래에 존재하는 물이 지하수이며 토양수(soil water)도 지하수에 포함된다. 그런데, 대기와 지표상에서의 물의 이동을 모식화하기에는 비교적 쉽지만 지하수 이동의 경우 매우 어렵다. 지하수는 함양지에서 배출지까지 서로 다른 경로를 따라 흐른다. 지하수 흐름을 일반화하면 지하수면에서 시작하여 지하수계를 따라 흐르다가 하천 또는 양수정에서 끝나게 된다. 지하수 함양은 강수가 불포화대를 통해 침투함으로써 시작된다. 대수층의 최상부인 자유면 대수층의 유로는 수십~수백 ft이며, 소요시간은 수일~수년이다.

어떤 환경에서는 이득하천과 손실하천이 지속되는 경우가 있다. 즉, 어떤 하천은 지하수계로부터 항상 지하수를 공급받고 또 다른 하천은 지하수계로 항상 물을 공급하는 경우가 있다. 다른 환경에서는 하천을 따라 가면서 어느 지역에서는 손실하천이 되고 다른 지역에서는 이득하천이 되는 경우도 있다. 더욱이 집중함양(focused recharge), 일시적인 범람, 하천변 식물에 의한 지하수의 증산작용 등에 의해서 아주 작은 범위에서 이득하천과 손실하천이 교대로 나타나기도 한다. 다시 말해, 지하수계와 지표수계는 항상 복잡한 상호작용을 갖는다.

거의 모든 하천에서 나타나는 지하수와 지표수사이의 상호작용으로서 강둑저류(bank storage)라는 현상이 있다. 강둑저류는 갑작스런 하천 수위의 상승으로 주변 지하수위 보다 하천수위가 높아짐에 따라 하천수가 강둑으로 이동되어 저류되는 현상이다. 강둑저류는 갑작스런 강수나 빠른 속도로 눈이 녹거나 상류의 저수지에서 갑자기 물이 유입되는 경우에 발생할 수 있다. 이 경우 하천수위가 계속하여 높아지지 않는다면 강둑에 저장된 물은 수일~수주일내에 하천으로 되돌아온다. 만일 하천수위가 강둑을 넘어 범람하게 되면 범람된 전지역에 걸쳐 광역적인 지하수 함양이 일어나 문제된다. 이와같이 범람에 의해 지하수 함양이 일어난 경우에는 다시 하천으로 되돌아 가기까지 수주, 수개월 혹은 수년이 걸리기도 한다.

따라서, 지표수와 지하수의 수위를 정확히 측정하는 센서의 개발과, 이들의 상호관계를 모니터링하는 시스템의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 발명가는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 오랫동안 연구노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 지표수 또는 지하수의 수위를 측정할 수 있는 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 지표수와 지하수의 수위를 동시에 측정할 수 있는 멀티 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 지표수와 지하수의 수위를 측정하고 이들의 상호관계를 모니터링할 수 있는 계측 시스템을 제공하는데 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 국면에 따른 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서는 내부에 중공을 갖고 길이방향으로 연장되는 외부케이스; 상기 외부케이스의 중공 내부에서 내벽과 이격되어 상기 길이방향으로 연장되어 형성되는 자왜선; 상기 자왜선을 따라 가이드되어 상기 길이방향으로 유동 가능하게 설치되며, 수면의 수위에 대응하여 위치가 가변되는 부유 영구자석; 및 상기 자왜선에 전류펄스를 인가하고, 상기 전류펄스에 의해 상기 자왜선의 원주방향으로 형성되는 제1 자기장과 상기 영구자석에 의해 상기 자왜선의 축방향으로 형성되는 제2 자기장이 교차하면서 발생하는 탄성파를 수신하는 송수신부를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서에서 상기 외부케이스는 상기 자왜선 및 부유 영구자석을 수납하는 수납관; 및 상기 수납관의 하단에 설치되고, 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상의 첨단부를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 상기 외부케이스는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 상기 외부케이스는 상기 외부케이스 말단에서 상기 자왜선에 고정되는 위치고정 영구자석을 포함할 수 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2국면에 따른 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템은 지하수의 수위를 측정하는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 수위 측정 센서로서, 제1 부유 영구자석이 지하수의 수면에 부유(浮游)하도록 설치되는 제1 수위 측정 센서; 지표수의 수위를 측정하는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 수위 측정 센서로서, 제2 부유 영구자석이 지표수의 수면에 부유(浮游)하도록 설치되는 제2 수위 측정 센서; 상기 제1 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지하수의 수위를 측정하고, 상기 제2 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지표수의 수위를 측정하는 콘트롤러; 및 상기 지하수 및 지표수의 수위 데이터를 사전에 설정된 주기에 따라 모니터링하는 모니터링 서버를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템에 있어서 상기 제1 수위 측정 센서의 말단에 형성된 제1 첨단부는 지하수의 바닥면에 고정되고, 상기 제2 수위 측정 센서의 말단에 형성된 제2 첨단부는 지표수의 바닥면에 고정될 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템의 상기 제1 수위 측정 센서 및 제2 수위 측정 센서의 외부케이스는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템의 상기 제1 수위 측정 센서의 외부케이스는 자왜선 및 부유 영구자석을 수납하는 수납관; 및 상기 수납관의 하단에 설치되고, 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상의 첨단부를 포함하고, 상기 수납관의 하단부 또는 상기 첨단부는 지하수가 상기 외부 케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함할 수 있다.

위와 같은 본 발명에 따르면 지표수뿐만 아니라 지하수의 수위를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 특히, 지표수 아래에 지하수가 흐르는 경우라도 지표수의 바닥면을 관통하여 센서를 설치할 수 있다. 센서의 외부케이스는 파이프 형태로 형성되어 지표수 바닥면을 관통하여 설치될 수 있으며, 파이프 내부에서 부유 영구자석이 자유롭게 유동할 수 있으므로 지하수 측정이 용이하다. 외부케이스의 일단에는 유수홀이 형성되는데 이를 통해 지하수가 유입될 수 있으므로 지하수의 수위를 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 지표수 측정을 위한 센서와 지하수 측정을 위한 센서 한 쌍을 동일한 지점에 설치가능하므로, 지표수와 지하수의 상호관계를 명확하게 파악할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 지표수와 지하수의 수위를 동시에 측정할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인해 지표수와 지하수의 상호관계를 모니터링하여 재난 방지 등에 활용할 수 있는 효과가 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 유류저장탱크 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서에 포함된 첨단부의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 동작원리를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서에서 수위를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템이 설치예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서(100)는 외부케이스(110), 자왜선(120), 부유 영구자석(130), 송수신부(140)를 포함할 수 있다.

외부케이스(110)는 내부에 중공을 갖고 길이방향으로 연장되어 형성되는 파이프 형상의 케이스이다. 외부케이스(110)의 중심에는 길이방향으로 자왜선(120)이 설치되며, 자왜선(120)을 따라서 부유 영구자석(130)이 이동가능하게 배치된다.

외부케이스(110)는 수납헤드(111), 수납관(113), 및 첨단부(115)를 포함할 수 있다. 수납헤드(111)는 송수신부(140)를 수납하며, 외부에서 수분이 침투하는 것을 방지하도록 수밀될 수 있다. 수납관(113)은 길이방향으로 길게 연장되며 내부에 중공을 갖는 관이며, 일단에는 수납헤드(111)가 결합되고 타단에는 첨단부(115)가 결합될 수 있다. 수납관(113)은 부유 영구자석(130)의 직경보다 큰 직경을 갖으므로, 수납관(113)을 따라 부유 영구자석(130)이 길이방향으로 이동할 수 있다. 첨단부(115)는 수납관(113)의 하단에 설치되고, 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상이다. 첨단부(115)의 쐐기와 같은 경사면은 수위 측정 센서가 하천의 바닥면 또는 지하수의 바닥면과 같은 면을 파고 들어가기 용이하게 한다.

자왜선(120)은 외부케이스(110)의 중공 내부에서 내벽과 이격되어 길이방향으로 연장되어 형성된다. 자왜선(120)은 전류가 인가되는 강선(121)과 강선(121)을 둘러싸는 보호튜브(123)를 포함할 수 있다. 자왜 효과를 발생시키는 요소로 실제 기능하는 것은 전류가 인가되는 강선(121)이지만, 본 문서에서 자왜선(120)은 강선(121) 및 보호튜브(123)를 포함할 수 있는 프로브(probe)를 의미하는 것으로 정의한다.

보호튜브(123)는 강선(121)에서 발생하는 자기장을 차폐하지 않는 소재로 구성된다. 외부케이스(110) 내부에는 지하수 또는 지표수가 유입되며, 수면 높이에 맞춰 부유 영구자석(130)이 유동한다. 이때, 보호튜브(123)는 지하수 또는 지표수로 강선(121)에 흐르는 전류가 누설되지 않도록 기능한다.

부유 영구자석(130)은 자왜선(120)을 따라 가이드되어 길이방향으로 유동 가능하게 설치되며, 부력에 의해서 수면의 수위에 대응하여 위치가 가변된다. 이를 위해 부유 영구자석(130)은 영구자석 및 영구자석이 수면에 뜰 수 있도록 부력을 제공하는 부력물질을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 부유 영구자석(130)은 중앙에 관통홀이 형성되어 관통홀을 따라서 자왜선(120)이 관통할 수 있도록 한다. 관통홀의 직경은 부유 영구자석(130)이 자왜선(120)을 따라 자유롭게 유동할 수 있도록 자왜선(120)의 직경보다 큰 직경을 갖는다.

송수신부(140)는 자왜선(120)에 전류펄스를 인가하고, 상기 전류펄스에 의해 상기 자왜선(120)의 원주방향으로 형성되는 제1 자기장과 상기 영구자석에 의해 상기 자왜선(120)의 축방향으로 형성되는 제2 자기장이 교차하면서 발생하는 탄성파를 수신한다. 송수신부(140)는 외부케이스의 상단부에 형성된 수납헤드(111)의 내부에 설치될 수 있으며, 송수신회로(141) 및 송수신회로(141)를 수분 등으로부터 보호하는 회로 커버(143)를 포함할 수 있다.

한편, 도시하진 않았지만, 외부케이스는 상기 외부케이스 말단에서 상기 자왜선(120)에 고정되는 위치고정 영구자석을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서 위치고정 영구자석은 수납관(113)과 첨단부(115) 사이에 고정될 수 있다.

부유 영구자석(130) 외에 위치고정 영구자석을 사용하면 외부 환경 요인(예를 들어, 온도) 변화에 따른 오차 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 이하, 구체적인 오차 보정 방법에 대해 설명한다.

위치고정 영구자석은 자왜선(120)의 말단에 고정되므로 송수신부(140)와의 실제 거리(L)을 미리 알 수 있다. 또한, 수위 측정 센서의 검출 동작을 통하여, 송수신부(140)와 위치고정 영구자석 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(L')과, 송수신부(140)와 부유 영구자석(130) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(l')을 획득할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 측정 거리값들(L', l')을 통하여, 측정 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값은 다음과 같은 계산 방식을 통해 알 수 있게 된다.

즉, 송수신부(140)와 위치고정 영구자석 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(L')을 송수신부(140)와 위치고정 영구자석 사이의 실제 거리값(L)으로 나누어 참조위치 변화율(Y)을 구하고, 참조위치 변화율(Y)을 송수신부(140)와 부유 영구자석(130) 사이의 초음파의 전파시간으로부터 도출되는 측정 거리값(l'), 즉 측정 대상에 대한 변위값(l')에 역수로 곱하여 오차가 보상된 측정 대상에 대한 변위값(l)을 구할 수 있게 된다.

이에 대한 수식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(수학식 1)

Y = L' ÷ L

l = l' × (1 ÷ Y)

상기와 같이 도출되는 수학식 1을 이용하여 수위 측정 센서의 측정 대상에 대한 변위값을 보정 가능하게 된다.

도 2의 (a)는 본 발명의 유류저장탱크 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서에 포함된 첨단부의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)에 도시된 A-A' 단면을 나타내는 도면이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 첨단부(115)는 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상이며, 쐐기 형상의 경사면을 포함할 수 있다.

첨단부(115)는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀(117)을 포함할 수 있다. 유수홀(117)은 도 2의 (a)와 같이 소정의 간격으로 이격되어 길이방향으로 복수개 설치될 수 있다. 도 2의 (b)에서 알 수 있듯이, 유슈홀(117)은 길이방향으로 복수개의 열에 형성될 수 있다.

다른 실시예에서, 유수홀(117)은 외부케이스 중 수납관에 형성될 수도 있다. 유수홀(117)은 유체 압력포텐셜, 즉 지하수두 및 지표수두를 측정할 위치에 분포되도록 수납관의 하단부에 집중적으로 배치시킨다. 이때 유수홀의 배치는 고르게 분포시키므로써 전방향의 유체와 상호작용이 일어날 수 있도록 하며, 유수홀의 개수는 주변 지질매체의 투수성에 반비례하여 결정한다. 지질매체가 충분한 투수성을 갖는다면 유수홀의 개수는 많지 않아도 좋으나, 점토층 같이 투수성이 낮은 지역에서는 가능한 유수홀의 개수를 늘리는게 좋다. 또한 유수홀의 크기는 주변 지질매체가 수납관 내부로 유입되어 쌓이지 않도록 가능한 작아야 하나, 주변 유체가 마찰손실에 의해서 유유입되는 것 방해받지 않도록 충분히 커야 한다. 따라서 유수홀의 크기는 주변 미고결물질의 크기에 비례해서 결정한다.

만약 수납관의 상단부에 유수홀(117)을 형성하는 경우에는 유체수위(지하수 및 지표수)가 수납관의 상단부 보다 낮은 경우 지하수 또는 지표수가 외부케이스 내부로 유입되지 않을 수도 있으므로 주의한다. 또한, 유수홀(117)이 수납관의 하단부에 형성되지 않을 경우 수위가 하강하는 경우 외부케이스 내부로 유입된 물이 빠져나가지 못해 수위 변화가 측정되지 않을 수 있으므로 주의한다.

유수홀(117)을 통해 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되면, 유체 정역학원리에 의해서 외부케이스 내부와 외부 유체의 수면이 동일해진다. 그러므로, 외부케이스 내부의 부유 영구자석이 부유하는 높이를 측정하면 외부케이스 외부의 수면 높이를 알 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서의 동작원리를 개략적으로 나타내는 도면이이고, 도 4는 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서에서 수위를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면, 송수신부(140)에서 발생된 전류 펄스는 자왜선(120)의 원주방향으로 자기장을 생성시키고, 상기 자왜선(120)를 따라 상하방향으로 이동하는 부유 영구자석(130)은 자왜선(120)에 축방향의 자기장을 생성시킨다.

이에 따라, 자왜선(120)에서 생성되는 원주방향의 자기장과 부유 영구자석(130)에서 생성되는 축방향의 자기장이 서로 교차하여 합성 자기장(은선으로 표시)을 유도하게 된다. 이때, 상기 합성 자기장은 기계적 진동파인 초음파(탄성파)로 자왜선(120)에 전파되고, 이로 인해 비틀림 왜곡이 발생된다.

이와 같은 원리를 이용하면, 도 4와 같은 센서 구성을 통해 송수신부(140)와 부유 영구자석(130) 사이의 거리(L)를 측정할 수 있다. 즉, 자왜선(120)을 따라 초음속으로 전파되는 초음파의 전파 시간, 즉 상기 송수신부(140)로부터 전류 펄스를 가한 시간부터 부유 영구자석(130)의 위치에서 반사파를 일으켜 다시 송수신부(140)로 복귀하는 시간을 측정하고, 그 측정된 시간을 거리로 환산하면 송수신부(140)와 부유 영구자석(130) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 측정 데이터는 케이블(150)을 통해 콘트롤러로 전송될 수 있다. 일 실시예에 있어서 케이블(150)은 RS-485 등과 같은 통신규격에 따른 케이블일 수 있다.

부유 영구자석(130)은 수면의 높이에 맞춰 부유하므로, 결국 송수신부(140)와 부유 영구자석(130) 사이의 거리로부터 지하수 또는 지표수의 수위를 계측할 수 있다.

도 5는 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 멀티 측정 시스템(10)은 제1 수위 측정 센서(100a), 제2 수위 측정 센서(100b), 콘트롤러(200), 및 모니터링 서버(300)를 포함한다.

제1 수위 측정 센서(100a)는 지하수의 수위를 측정하는 수위 측정 센서로서, 외부케이스, 외부케이스 내부 중공에 길이방향으로 설치된 자왜선, 자왜선에 의해 가이드되며 지하수의 수면 위에 뜨도록 부력을 갖는 제1 부유 영구자석을 포함한다. 지표수 바닥면을 뚫고 들어가기 용이하도록 제1 수위 측정 센서의 말단에 뾰족한 형상의 제1 첨단부가 설치될 수 있다.

한편, 제1 수위 측정 센서(100a)의 외부케이스에는 지하수가 내부로 유입될 수 있도록 유수홀을 형성한다. 일 실시예에 있어서, 제1 수위 측정 센서(100a)의 외부케이스 상단부는 지표수에 잠겨있기 때문에, 유수홀이 외부케이스(100a)의 상단부에 형성되면 지표수가 제1 수위 측정 센서(100a)의 내부로 유입되게 되어 지하수의 수위를 정확하게 측정할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서, 제 1 수위 측정 센서(100a)의 유수홀은 적어도 지표수의 바닥면 아래에 지하수 유체의 압력포텐셜을 잴수 있도록 그 지점에 해당하는 위치인, 제 1 첨단부의 하단부에 배치되어야 한다.

제2 수위 측정 센서(100b)는 지표수의 수위를 측정하는 수위 측정 센서로서, 제2 부유 영구자석이 지표수의 수면에 부유(浮游)하도록 설치된다. 제2 수위 측정 센서(100b)의 말단에 형성된 제2 첨단부는 지표수의 바닥면에 고정될 수 있다. 지표수는 지하수보다 얕은 곳에 있으므로 제2 수위 측정 센서(100b)의 길이는 제1 수위 측정 센서보다 짧을 수 있다. 제2 수위 측정 센서(100b)는 외부케이스의 깊이를 1m 이내로 설치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

콘트롤러(200)는 제1 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지하수의 수위를 측정하고, 상기 제2 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지표수의 수위를 측정한다. 콘트롤러(200)는 측정된 수위를 그래픽으로 디스플레이하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 측정된 수위는 예를 들어 1분 간격으로 콘트롤러 화면에 표시되고 측정 데이터는 곧바로 저장된다. 콘트롤러(200)는 측정 데이터를 1년 간 저장할 수 있다. 콘트롤러(200)에서 센서로 연결되는 전선을 SUS보호관에 내장하여 설치할 수 있다. SUS보호관은 유실방지를 위해 지하 0.5~1m 깊이에 매설될 수 있다.

모니터링 서버(300)는 지하수 및 지표수의 수위 데이터를 사전에 설정된 주기에 따라 모니터링한다. 모니터링 서버(300)는 상기 콘트롤러(200)와 인터넷, 무선통신 등으로 연결될 수 있으며, 콘트롤러(200)의 측정 데이터를 수신할 수 있다. 모니터링 서버(300)는 지하수 또는 지표수의 수위에 급격한 변화가 있거나 그 밖에 설정된 상황(예를 들어, 최고수위 임박, 지하수 고갈 등)에서 알람을 울릴 수 있다.

도 6은 본 발명의 자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템이 설치예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

제1 수위 측정 센서(100a)는 지하수의 수위(310)를 측정하는 수위 측정 센서로서, 제1 부유 영구자석(130a)이 지하수의 수면(310)에 부유(浮游)하도록 설치된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 수위 측정 센서(100a)의 말단에 형성된 제1 첨단부는 지하수의 바닥면에 고정될 수 있다. 제1 수위 측정 센서(100a)는 지하 3m 깊이에 80mm SUS를 사용한 외부케이스를 시공하여 설치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 수위 측정 센서(100b)는 지표수의 수위(320)를 측정하는 수위 측정 센서로서, 제2 부유 영구자석(130b)이 지표수의 수면(320)에 부유(浮游)하도록 설치된다. 제2 수위 측정 센서(100b)의 말단에 형성된 제2 첨단부는 지표수의 바닥면에 고정될 수 있다. 지표수는 지하수보다 얕은 곳에 있으므로 제2 수위 측정 센서(100b)의 길이는 제1 수위 측정 센서(100a)보다 짧을 수 있다. 제2 수위 측정 센서(100b)는 외부케이스의 깊이를 1m 이내로 설치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

콘트롤러(200)는 제1 부유 영구자석(130a)에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지하수의 수위(310)를 측정하고, 상기 제2 부유 영구자석(130b)에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지표수의 수위(320)를 측정한다. 콘트롤러(200)는 예를 들어 2.0T의 강판 자재로 형성된 박스 내부에 설치될 수 있다. 콘트롤러 박스는 야외에 설치되므로 다양한 날씨에 견딜 수 있도록 제작되며, 콘크리트로 형성된 지지대 위에 고정되어 설치될 수 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims

내부에 중공을 갖고 길이방향으로 연장되는 외부케이스;
상기 외부케이스의 중공 내부에서 내벽과 이격되어 상기 길이방향으로 연장되어 형성되는 자왜선;
상기 자왜선을 따라 가이드되어 상기 길이방향으로 유동 가능하게 설치되며, 수면의 수위에 대응하여 위치가 가변되는 부유 영구자석; 및
상기 자왜선에 전류펄스를 인가하고, 상기 전류펄스에 의해 상기 자왜선의 원주방향으로 형성되는 제1 자기장과 상기 영구자석에 의해 상기 자왜선의 축방향으로 형성되는 제2 자기장이 교차하면서 발생하는 탄성파를 수신하는 송수신부를 포함하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제1항에 있어서
상기 외부케이스는
상기 자왜선 및 부유 영구자석을 수납하는 수납관; 및
상기 수납관의 하단에 설치되고, 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상의 첨단부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제1항에 있어서
상기 외부케이스는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제2항에 있어서
상기 첨단부는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제2항에 있어서,
상기 외부케이스는 상기 수납관 상단에 설치되고, 상기 송수신부를 수납하며, 외부에서 수분이 침투하는 것을 방지하도록 수밀되는 수납헤드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제1항에 있어서
상기 자왜선은 전류가 인가되는 강선과 상기 강선을 둘러싸는 비전도성의 보호튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제1항에 있어서
상기 부유 영구자석은 영구자석 및 상기 영구자석이 수면에 뜰 수 있도록 부력을 제공하는 부력물질을 포함하고,
상기 부유 영구자석은 중앙에 관통홀이 형성되어 관통홀을 따라서 자왜선이 관통하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
제1항에 있어서
상기 외부케이스는 상기 외부케이스 말단에서 상기 자왜선에 고정되는 위치고정 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수의 수위 측정 센서.
지하수의 수위를 측정하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 수위 측정 센서로서, 제1 부유 영구자석이 지하수의 수면에 부유(浮游)하도록 설치되는 제1 수위 측정 센서;
지표수의 수위를 측정하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 수위 측정 센서로서, 제2 부유 영구자석이 지표수의 수면에 부유(浮游)하도록 설치되는 제2 수위 측정 센서;
상기 제1 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지하수의 수위를 측정하고, 상기 제2 부유 영구자석에서 반송되는 탄성파를 계측하여 지표수의 수위를 측정하는 콘트롤러; 및
상기 지하수 및 지표수의 수위 데이터를 사전에 설정된 주기에 따라 모니터링하는 모니터링 서버를 포함하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1 수위 측정 센서의 말단에 형성된 제1 첨단부는 지하수의 바닥면에 고정되고,
상기 제2 수위 측정 센서의 말단에 형성된 제2 첨단부는 지표수의 바닥면에 고정되는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템.
제9항에 있어서
상기 제1 수위 측정 센서 및 제2 수위 측정 센서의 외부케이스는 지하수 또는 지표수가 상기 외부케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1 수위 측정 센서의 외부케이스는 자왜선 및 부유 영구자석을 수납하는 수납관; 및
상기 수납관의 하단에 설치되고, 말단으로 갈수록 직경이 좁아지는 뾰족한 형상의 첨단부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템.
제12항에 있어서,
상기 수납관의 하단부 또는 상기 첨단부는 지하수가 상기 외부 케이스 내부로 유입되도록 하는 적어도 하나 이상의 유수홀을 포함하는 것을 특징으로 하는,
자기변위를 이용한 지하수 및 지표수 수위의 멀티 측정 시스템.