KR20180065610A - 열 전도도 측정 장치 - Google Patents

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KR20180065610A
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Abstract

본 발명은 지반의 열 전도도 측정을 위한 열전도도 측정 장치로서, 상기 지반에 관입하는 다양한 종류의 탐침부를 연결하는 연결부, 상기 각 탐침부를 식별하는 적어도 하나의 식별 정보, 그리고 상기 식별 정보에 대응하여 저장된 상기 각 탐침부의 저항값을 포함하는 저장부, 상기 지반에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 상기 탐침부에 전력을 공급하는 전원 공급부, 상기 시간대 별 탐침부의 온도를 표시하는 표시부, 사용자로부터 열 전도도 측정 시간 구간을 입력받는 측정 구간 입력부, 그리고 상기 열전도도 측정 시간 구간, 상기 탐침부에 공급된 전력, 상기 탐침부의 저항값, 상기 탐침부의 온도를 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 제어부를 포함한다.

Description

열 전도도 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 열 전도도 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형화 및 휴대성이 간편한 열 전도도 측정 장치에 관한 것이다.
구조체 설계시 설계 인자로 사용되며, 장기적인 열적 거동을 파악하는 데에 중요한 인자로 이용될 수 있기 때문에 구조체의 재료로 사용되는 물질이나, 지중 구조의 흙의 열 물성을 정확하고 효율적으로 측정하는 것이 매우 중요하다.
일반적인 지중 구조의 열 전도도 측정 장치는 관입시 프로브의 얇은 두께로 인하여 적용 가능한 매질의 종류에 한계가 있고, 관측시 파손 등의 문제가 발생시 교체나 수리에 오랜 시일이 소요될 수 있으며, 천공 홀의 크기를 고려하지 못하여 측정 결과의 신뢰도가 낮은 문제점이 있었다.
또한, 일반적인 지중 구조의 열 전도도 측정 장비는 측정 및 분석시 별도의 컴퓨터 또는 랩탑이 필요하며, 열 전도도 측정 장비에 전력을 공급할 수 있는 케이블 및 전력원이 필요하기 때문에 측정시 휴대성이 어려워 공간적, 시간적 제약 사항이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 휴대성을 향상한 열 전도도 측정 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지반의 열 전도도 측정을 위한 열전도도 측정 장치는 상기 지반에 관입하는 다양한 종류의 탐침부를 연결하는 연결부, 상기 각 탐침부를 식별하는 적어도 하나의 식별 정보, 그리고 상기 식별 정보에 대응하여 저장된 상기 각 탐침부의 저항값을 포함하는 저장부, 상기 지반에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 상기 탐침부에 전력을 공급하는 전원 공급부, 상기 시간대 별 탐침부의 온도를 표시하는 표시부, 사용자로부터 열 전도도 측정 시간 구간을 입력받는 측정 구간 입력부, 그리고 상기 열전도도 측정 시간 구간, 상기 탐침부에 공급된 전력, 상기 탐침부의 저항값, 상기 탐침부의 온도를 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 사용자로부터 상기 탐침부의 식별 정보를 입력받는 탐침부 선택부를 더 포함할 수 있다.
상기 탐침부는 금속 재질의 봉 형태로 길이 대 외경 비율이 30 이상으로 형성되고, 상기 지반에 관입하여 상기 지반에 열을 전달하는 관입부, 상기 관입부에 설치되어 열을 발생시키는 발열부, 그리고 상기 발열부에 위치하고 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 온도 센서는 단위 길이당 저항값이 500 내지 2000ohm/m일 수 있다.
상기 측정 구간 입력부는 열전도도 측정 상한 시각, 그리고 하한 시각을 선택하기 위한 두 개의 노브로 구성되고, 상기 제어부는 상기 측정 구간 입력부에 의하여 입력받은 상기 열전도도 측정 시간 구간 동안 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 발열부의 온도 변화를 이용하여 지반의 열 전도도를 측정할 수 있다.
상기 전원 공급부, 상기 제어부, 그리고 상기 표시부에 전력을 공급하기 위한 배터리를 더 포함할 수 있다.
상기 표시부는 상기 탐침부의 식별 정보, 저항값, 상기 배터리 잔량, 상기 전원 공급부에서 제공하는 전력 정보, 그리고 측정 열전도도 값을 포함하는 측정 정보 중 어느 하나 이상을 출력할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 지반의 열 전도도 측정을 위한 열전도도 측정 장치는 상기 지반에 관입하여 열을 발생시키고 온도를 측정하는 탐침부, 그리고 상기 탐침부와 연결되어 상기 탐침부를 통해 측정된 시간대 별 탐침부의 온도를 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 본체부를 포함하고, 상기 본체부는 다양한 종류의 상기 탐침부를 식별하는 적어도 하나의 식별 정보, 그리고 상기 식별 정보에 대응하여 저장된 상기 탐침부의 저항값을 포함하는 저장부, 상기 지반에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 상기 탐침부에 전력을 공급하는 전원 공급부, 사용자로부터 열 전도도 측정 시간 구간을 입력받는 측정 구간 입력부, 그리고 상기 탐침부의 측정 온도, 상기 열전도도 측정 시간 구간과 상기 전원 공급부에서 공급된 전력을 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 열전도도 측정 장치는 상기 탐침부의 식별 정보, 저항값, 상기 시간대 별 탐침부의 온도, 상기 전원 공급부에서 제공하는 전력 정보, 그리고 제어부에서 측정된 열 전도도 값을 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
상기 사용자로부터 상기 탐침부의 식별 정보를 입력받는 탐침부 선택부를 더 포함할 수 있다.
상기 탐침부는 금속 재질의 봉 형태로 길이 대 외경 비율이 30 이상으로 형성되고, 상기 지반에 관입하여 상기 지반에 열을 전달하는 관입부, 상기 관입부에 설치되어 열을 발생시키는 발열부, 그리고 상기 발열부에 위치하고 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정 구간 입력부에 의하여 사용자로부터 입력받은 상기 열전도도 측정 시간 구간 동안 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 발열부의 온도 변화를 이용하여 지반의 열 전도도를 측정할 수 있다.
상기 본체부는 상기 전원 공급부, 상기 제어부, 그리고 상기 표시부에 전력을 공급하기 위한 배터리를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전도도 측정 장치가 매질의 열 전도도를 측정하는 방법은 상기 매질에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 전력을 공급하는 단계, 상기 매질의 열 전도에 따라 변화한 상기 탐침부의 온도를 측정하고, 기록하는 단계, 측정 시간에 따른 상기 탐침부의 온도 변화 그래프를 출력하는 단계, 그리고 사용자로부터 열 전도도 측정 구간을 입력받고, 상기 측정 구간 동안 변화한 상기 탐침부의 온도, 그리고 상기 탐침부에 제공한 전력을 이용하여 상기 매질의 열 전도도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치는 별도의 전력 공급 장치 및 케이블 등의 부가 장치 없이도 다양한 매질에서의 효율적이고 신뢰성 있는 열 전도도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 일반적으로 온도 센서에서 측정 시간에 따라 측정되는 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)가 매질의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정 방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200), 그리고 본체부(300)를 포함한다.
탐침부(200)와 본체부(300)는 연결부(400)을 이용하여 탈착 방식으로 연결될 수 있다. 일반적으로 열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200)와 본체부(300)는 일체형으로 제작되어 지반의 열 전도도를 측정할 때, 탐침부(200)에 문제가 생기면 교체나 수리에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
본 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 연결부(400)을 이용하여 탐침부(200)와 본체부(300)를 연결함으로써, 고장에도 쉽고 빠르게 탐침부(200)를 교체할 수 있다.
탐침부(200)는 지반에 관입하는 관입부(210), 지반에 열을 전달하기 위한 발열부(220), 지반에서 발생한 열을 측정하기 위한 온도 센서(230)를 포함할 수 있다.
관입부(210)는 지중 전력구 주변의 지반에 관입되는 프로브로 중공의 봉 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 관입부(210)는 굵기가 약 1 내지 6mm 이고, 길이가 15 내지 30cm 등으로 제작될 수 있으며, 길이 대 외경의 비율이 30 이상이 되도록 형성될 수 있다. 관입부(210)의 길이 대 외경의 비율이 30 이상이면 계산된 열전도도의 오차 값을 무시할 수 있다.
관입부(210)는 기계적 강도와 전기 전도성이 우수한 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 관입부(210)는 나사 산 형태 또는 민무늬 형태로 형성될 수 있다.
발열부(220)는 관입부(210) 내부에 코일 형태로 형성되어 본체부(300)의 전원 공급부(310)로부터 인가되는 전기 에너지를 이용하여 열을 발생시킨다. 발열부(220)에서 발생된 열은 관입부(210)를 통해 지반으로 전달된다.
온도 센서(230)는 발열부(220)의 온도를 감지한다. 온도 센서(230)는 발열부(220)에서 발생한 열에 의해 저항값이 변화하는 써미스터(Thermistor)일 수 있다. 온도 센서(230)는 발열부(220)의 온도를 감지하는데, 발열부(220)의 온도 변화는 지반의 열 전도도가 높으면 상대적으로 작고, 지반의 열 전도도가 낮을 경우 상대적으로 크게 측정될 수 있다. 따라서, 지반의 열 전도도에 의해 변화하는 발열부(220)의 온도 변화를 기초로 해당 지반의 열 전도도를 산출할 수 있다.
본체부(300)는 전원 공급부(310), 제어부(320), 표시부(330), 입력부(340), 그리고 배터리(350)를 포함한다. 본체부(300)는 지반의 열 전도도를 측정할 때 공간적인 제약을 줄이고 휴대성을 높이기 위하여 소형으로 제작될 수 있다. 예를 들어 가로×세로×높이가 19cm×13.5cm×7.5인 육면체일 수 있다.
전원 공급부(310)는 제어부(320)의 제어 신호에 응답하여 발열부(220)에 전기 에너지를 공급함으로써, 발열부(220)가 열을 발생시켜 지반으로 열을 전달할 수 있도록 전원을 공급한다.
이때, 전원 공급부(310)는 설정 전압 이상의 직류 전압을 설정시간 동안 일정하게 공급하도록 제어될 수 있다. 전원 공급부(310)는 전압 조절기(312)를 구비하여 사용자의 제어에 따라 탐침부(200)에 공급하는 전압을 조절할 수 있도록 하였다. 예를 들어, 전압은 5V 내지 13V로 조절할 수 있다.
제어부(320)는 탐침부(200)의 온도 센서(230)에 의해 시간대 별로 측정된 발열부(220)의 온도 정보와 전원 공급부(310)를 통해 공급되는 전력 정보 등을 이용하여 지반의 열 전도도를 측정한다.
발열부(220)의 온도 변화는 지반의 열 전도도가 높을 경우에는 상대적으로 작고, 지반의 열 전도도가 낮을 경우에는 상대적으로 크다.
따라서, 제어부(320)는 임의의 시간에서의 발열부(220)의 온도, 및 전원 공급부(310)를 통해 발열부(220)에 공급된 전력(Q)을 이용하여 열 전도도를 하기의 수학식 1을 통해 산출할 수 있다.
여기서 발열부(220)의 온도(T)는 관입부(210)의 지름과 측정 시간(t)을 통해 나타내어질 수 있다. 즉, 제어부(320)는 시간 t1과 시간 t2 사이의 온도 변화량, 및 전력(Q)을 기반으로 지반의 열 전도도를 측정한다.
Figure pat00001
여기서, λ는 열 전도도, t1과 t2는 측정 시작 시각과 측정 종료 시각이고, T1과 T2는 발열부(220)의 시작 온도와 종료 온도이며, Q는 전원 공급부(310)를 통해 발열부(220)에 공급된 전력이다.
또한 제어부(320)는 회귀 분석을 통하여 도출된 열전도도 결과값의 신뢰도를 나타내는 결정 계수를 계산할 수 있다.
결정 계수는 회귀 모형의 데이터에 대한 설명력을 나타내는 척도로서, 결정 계수(
Figure pat00002
) 하기의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, SSR은 회귀 제곱합(Regression Sum of Square, SSR)을, SST는 전체 제곱합(Total Sum of Square, SST)을, 그리고 SSE는 에러 제곱 합(Error Sum of Square, SSE)을 의미한다.
회귀 제곱합을 전체 제곱합으로 나눈 결정 계수는 전체 데이터가 차지하는 부분 회귀 모형에 근접한 것을 의미하며, 결정 계수가 1에 가까울수록 측정된 열 전도도가 신뢰도 있는 결과로 볼 수 있다.
표시부(330)는 측정 시간, 측정한 시간에 따른 온도의 변화 그래프를 표시한다. 예를 들어 표시부(330)는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD) 또는 발광 다이오드 표시 장치(light emitting diode, LED)일 수 있다.
또한 표시부(330)는 제어부(320)에서 분석 구간 동안의 온도 변화 그래프를 이용하여 계산된 열 전도도 결과값과, 결과값의 신뢰도를 나타내는 결정 계수를 표시할 수 있다.
사용자는 표시부(330)에서 표시되는 결과값, 그리고 결과값의 신뢰도를 기초로 측정 결과의 신뢰성을 판단하고, 분석 구간을 재설정 하거나, 매질에 가하는 열을 조절하는 등 매질의 열 전도도 검출을 위한 측정 설계를 재정비할 수 있다.
또한 표시부(330)는 전원 공급부(310)가 발열부(220)로 인가하고 있는 전압 정보, 현재 시각, 위치 정보 및 배터리(350)의 잔량을 확인할 수 있는 각종 정보를 더 표시할 수 있다.
도 2는 일반적으로 온도 센서에서 측정 시간에 따라 측정되는 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참고하면, 일반적으로 온도 센서에서 측정 초기 단계에는 측정 프로브의 커플링 효과에 의해 과도현상(Transient section)으로 인한 비선형 구간이 나타나며, 측정 후기 단계는 탐침부(200)에 발생한 열로 인하여 비선형 구간이 나타난다.
측정 초기 단계 및 측정 후기 단계 사이의 측정 중기 단계에서 측정된 선형 구간을 이용해야 정확한 열 전도도를 측정할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 입력부(340)를 더 포함한다. 사용자는 표시부(330)에 출력된 시간에 따른 온도 변화 측정 그래프를 확인하고, 입력부(340)를 이용하여 열 전도도를 측정하기 위한 선형 구간을 정확히 설정할 수 있다.
제어부(320)는 입력부(340)를 통해 입력된 시간 구간을 이용하여 수학식 1을 이용하여 측정 부위의 열 전도도를 계산할 수 있다.
입력부(340)는 표시부(330)와 연결되어 사용자의 접촉에 의해 열 전도도를 계산하기 위한 선형 구간을 선택할 수도 있고, 별도의 키패드, 프로브와 같은 입력 장치를 구비하여 선형 구간을 입력할 수도 있다.
일반적으로, 열 전도도 측정 시스템은 탐침부(200)에서 가해진 열과 지반의 열 전도도에 의해 변화한 온도를 측정한 데이터를 이용하여 별도의 랩탑, 컴퓨터를 통하여 지반의 열 전도도를 분석한다.
정확한 열 전도도 측정이 이루어지지 않으면 온도 변화 데이터를 토대로 탐침부에 가하는 전력 및 분석 구간을 다시 조정하는 등의 측정 환경을 재설계 해야 한다.
본 실시예에 다른 열 전도도 측정 장치(100)는 열을 공급하는 발열부(220)에 가하는 전압을 조절하는 전압 조절기(312), 분석 구간을 설정하는 입력부(340), 그리고 측정 데이터 및 열 전도도를 표시하는 표시부(330)를 구비함으로써, 측정 시간 및 측정 비용을 줄일 수 있다.
저장부(미도시)는 날짜별, 시간별 공급한 전력 정보 및 탐침부(200)에서 측정한 온도 변화 기록을 저장한다. 저장부는 이동식 SD 디스크일 수 있다.
또한 저장부(미도시)는 탐침부(220)의 식별 정보 및 식별 정보에 대응하는 저항값을 기록한 데이터베이스를 포함할 수 있다. 저장된 탐침부(220)의 정보들은 서버와의 통신을 통해 업데이트 될 수 있다.
배터리(350)는 열 전도도 측정 장치(100)의 각 구성에 전력을 공급한다. 일반적인 지반 열 전도도 측정 시스템은 탐침부(200)에 열을 전달하기 위한 전원 공급부(310)에 전력을 공급하기 위하여 별도의 전력원 및 이를 전달할 수 있는 케이블이 필요하기 때문에 측정하고자 하는 지반의 현장 상황에 따라 전력원 및 케이블의 조달이 어려운 환경에서는 열 전도도를 측정하기 어려운 점이 있었다.
본 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 충전식 배터리(350)를 구비하여 전력 공급 시스템이 설치되기 어려운 환경에서도 지반의 열 전도도를 측정할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치의 예시도이다.
도 3 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 다른 열 전도도 측정 장치(100)는 지반 등의 매질에 관입하는 탐침부(200), 그리고 탐침부(200)가 매질로 열을 가하도록 전력을 공급하고, 매질의 열 전도에 따라 변화한 탐침부(200)의 온도 변화를 이용하여 매질의 열 전도도를 계산하는 본체부(300)를 포함한다.
탐침부(200)는 연결부(400)를 통해 본체부(300)와 연결되고, 탈착될 수 있다.
사용자는 열 전도도를 측정하고자 하는 매질의 종류 및 매질의 상태에 따라 다양한 탐침부(200) 중 적당한 탐침부(200)를 선택할 수 있다.
이때, 열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200)가 연결되면 탐침부(200)내의 온도 센서의 저항값 정보를 포함하는 열 전도도 계산에 필요한 데이터들을 저장할 수 있다.
본체부(300)는 열 전도도 측정시 필요한 각종 정보들을 표시하는 표시부(330)를 포함한다.
표시부(330)는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display, LCD) 또는 발광 다이오드 표시 장치(light emitting diode, LED)일 수 있다.
열 전도도 측정을 시작하기 전에 표시부(330)는 내부에 저장되어 있는 다양한 탐침부(200) 정보를 표시할 수 있고, 사용자는 사용하고자 하는 탐침부(200)를 선택할 수 있다. 전원 버튼(301)을 이용하여 전원 버튼을 켜게 되면 도 3과 같이 표시부(330)는 사용자가 복수의 탐침부(200) 중 특정 탐침부(200)를 선택할 수 있는 탐침부(200)의 식별 정보를 표시하는 선택 화면을 표시한다. 사용자는 이동 커서(302, 303)를 이용하여 연결한 탐침부(200)에 맞는 식별 정보를 선택 버튼(305)을 이용하여 선택할 수 있다. 사용자의 선택에 따라 열 전도도 측정 장치(100)는 내부에 저장된 탐침부(200)의 정보를 로드할 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자가 본체부(300)에 탐침부(200)를 연결하면, 본체부가(300)가 탐침부(200)로부터 탐침부(200)의 식별 정보를 수신함으로써, 내부에 저장된 온도 센서(230)의 저항값 정보를 이용할 수도 있다.
도 4는 탐침부(200)를 선택한 다음 표시부(330)의 측정 준비 상태를 출력한 예시적 화면이다. 도 4를 참고하면, 표시부(330)는 열 전도도 측정시 필요한 다양한 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 표시부(330)는 센서 정보, 현재 상태, 배터리 잔량, 전원을 켠 시작 시각, 현재 시각, 측정 포인트 수, 탐침부(200)에 따른 저항 값, 초기 온도, 현재 온도, 전원 공급부(310)가 발열부(220)로 인가하는 전압 정보(V), 그리고 전류 정보 중 어느 하나 이상을 출력할 수 있다.
이때, 현재 상태는 측정 준비 상태(RDY), 측정 중 상태(MEA), 및 측정 완료 상태(ANA)를 포함할 수 있다.
그 다음 본체부(300)는 제어부(320)의 제어 신호에 응답하여 발열부(220)에 전기 에너지를 공급함으로써, 발열부(220)가 열을 발생시켜 매질로 열을 전달할 수 있도록 한다.
이때, 본체부(300)는 설정 전압 이상의 직류 전압을 설정시간 동안 일정하게 공급하도록 제어될 수 있다. 전원 공급부(310)는 전압 조절기(312)를 구비하여 사용자의 제어에 따라 탐침부(200)에 공급하는 전압을 조절할 수 있도록 하였다. 예를 들어, 전압은 5V 내지 13V까지 조절할 수 있다.
그 다음, 도 5와 같이 표시부(300)는 측정 시작 후 시간에 따른 탐침부(200)의 온도 변화 그래프를 출력한다.
탐침부(200)의 온도 변화 측정이 끝나면 사용자는 표시부(330)에 출력된 시간에 따른 온도 변화 측정 그래프를 확인하고, 도 5와 같이 입력부(340)를 이용하여 열 전도도를 측정하기 위한 선형 구간을 정확히 설정할 수 있다.
일반적으로 온도 센서에서 측정 초기 단계에는 측정 프로브의 커플링 효과에 의해 과도현상(Transient section)으로 인한 비선형 구간이 나타나며, 측정 후기 단계는 탐침부(200)에 발생한 열로 인하여 비선형 구간이 나타날 수 있다.
따라서 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 비선형 구간과 선형 구간이 혼재하는 온도 변화 그래프로부터 매질의 열 전도도의 정확한 계산을 위하여, 도 6에서 도시된 바와 같이 입력부(340)를 통해 측정 초기 단계 및 측정 후기 단계 사이의 측정된 선형 구간을 선택하도록 할 수 있다.
입력부(340)는 열전도도 측정 상한 시각, 그리고 하한 시각을 선택하기 위한 두 개의 노브로 구성될 수 있다.
이때, 본 실시예에서는 열 전도도 측정 장치(100)에 구비된 물리적인 키 입력 장치를 이용하여 선형 구간을 설정하지만, 본 발명에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 반드시 이에 한하는 것은 아니며, 입력부(340)는 표시부(330)와 연결되어 사용자의 접촉에 의해 열 전도도를 계산하기 위한 선형 구간을 선택할 수도 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 시간에 따른 탐침부(200)의 온도 변화 그래프로부터 선형 구간을 탐지하고, 탐지된 선형 구간에서 열 전도도를 계산할 수도 있다.
본체부(300)는 탐지 구간 동안의 발열부(220)의 온도, 및 전원 공급부(310)를 통해 발열부(220)에 공급된 전력(Q)를 이용하여 열 전도도를 하기의 수학식 1을 통해 산출할 수 있다.
여기서 발열부(220)의 온도(T)는 관입부(210)의 지름과 측정 시간(t)을 통해 나타내어질 수 있다. 즉, 제어부(320)는 탐지 구간인 시간 t1과 시간 t2 사이의 온도 변화량, 및 전력(Q)을 기반으로 지반의 열 전도도를 측정한다.
도 7을 참고하면, 표시부(330)는 선형 구간 동안의 탐침부(200)의 온도 변화 그래프, 그리고 산출된 열 전도도 결과값을 표시할 수 있다.
표시부(330)는 탐침부(200)의 식별 정보(Lab Sensor), 전원 공급부(310)가 발열부(220)로 인가하는 전압 정보(V), 시각(ST, Ct), 배터리의 잔량 정보(BAT) 등을 포함하는 각종 정보를 더 표시할 수 있다.
일반적으로, 열 전도도 측정 시스템은 탐침부(200)에서 가해진 열과 지반의 열 전도도에 의해 변화한 온도를 측정한 데이터를 이용하여 별도의 랩탑, 컴퓨터를 통하여 지반의 열 전도도를 분석한다.
본 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 초기 온도와 마지막 온도 값을 이용하여 제1 열전도도 값(Ls)을 분석하고, 모든 측정 포인트에 따른 온도 값을 이용하여 제2 열전도도 값(L)을 분석하고, 제1 열전도도 값과 제2 열전도도 값을 모두 출력할 수 있다.
본 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 리셋 버튼(304)를 통하여, 분석 구간을 잘못 정하면 사용자가 분석 구간을 재설정할 수 있도록 할 수 있다.
정확한 열 전도도 측정이 이루어지지 않으면 온도 변화 데이터를 토대로 탐침부(200)에 가하는 전력 및 분석 구간을 다시 조정하는 등의 측정 환경을 재설계 해야 한다.
본 실시예에 다른 열 전도도 측정 장치(100)는 열을 공급하는 발열부(220)에 가하는 전압을 조절하는 전압 조절기(312), 분석 구간을 설정하는 입력부(340), 그리고 측정 데이터 및 열 전도도를 표시하는 표시부(330)를 구비함으로써, 측정 시간 및 측정 비용을 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)가 매질의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정 방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8을 참고하면, 먼저 열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200)가 열을 발생하여 매질로 열을 전달할 수 있도록 매질에 관입하는 탐침부(200)에 전력을 공급한다(S110).
열 전도도 측정 장치(100)는 설정 전압 이상의 설정 전압 이상의 직류 전압을 설정시간 동안 일정하게 공급하도록 제어될 수 있다. 열 전도도 측정 장치(100)는 전압 조절기(312)를 구비하여 사용자의 제어에 따라 탐침부(200)에 공급하는 전압을 조절할 수 있도록 하였다. 예를 들어, 전압은 5V 내지 13V까지 조절할 수 있다.
그 다음 열 전도도 측정 장치(100)는 매질의 열 전도에 따라 변화한 탐침부(200)의 온도 변화를 측정 및 기록한다(S120).
본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200)의 온도 센서(230)에 의해 시간대 별로 측정된 발열부(220)의 온도 정보와 전원 공급부(310)를 통해 공급되는 전력 정보 등을 이용하여 지반의 열 전도도를 측정할 수 있다.
그리고 열 전도도 측정 장치(100)는 측정 시간에 따른 탐침부(200)의 온도 변화 그래프를 표시한다(S130).
일반적으로 온도 센서에서 측정 초기 단계에는 측정 프로브의 커플링 효과에 의해 과도현상(Transient section)으로 인한 비선형 구간이 나타나며, 측정 후기 단계는 탐침부(200)에 발생한 열로 인하여 비선형 구간이 나타날 수 있다.
측정 초기 단계 및 측정 후기 단계 사이의 측정 중기 단계에서 측정된 선형 구간을 이용해야 정확한 열 전도도를 측정할 수 있다.
따라서 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전도도 측정 장치(100)는 측정 시간에 따른 탐침부(200)의 온도 변화 그래프를 표시하고, 사용자로부터 분석 구간을 입력받도록 제어할 수 있다.
그리고 열 전도도 측정 장치(100)는 분석 구간 동안 탐침부(200)의 온도 변화, 그리고 탐침부(200)에 공급된 전력 정보를 이용하여 열 전도도를 계산한다(S140).
열 전도도 측정 장치(100)는 탐침부(200)의 온도 센서(230)에 의해 시간대 별로 측정된 발열부(220)의 온도 정보와 전원 공급부(310)를 통해 공급되는 전력 정보 등을 이용하여 지반의 열 전도도를 측정한다. 발열부(220)의 온도 변화는 지반의 열 전도도가 높을 경우에는 상대적으로 작고, 지반의 열 전도도가 낮을 경우에는 상대적으로 클 수 있다.
열 전도도 측정 장치(100)는 분석 구간에서의 발열부(220)의 온도, 및 전원 공급부(310)를 통해 발열부(220)에 공급된 전력(Q)를 이용하여 열 전도도를 상기의 수학식 1을 통해 산출할 수 있다.
여기서 발열부(220)의 온도(T)는 관입부(210)의 지름과 측정 시간(t)을 통해 나타내어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 지반의 열 전도도 측정을 위한 열전도도 측정 장치로서,
    상기 지반에 관입하는 다양한 종류의 탐침부를 연결하는 연결부,
    상기 각 탐침부를 식별하는 적어도 하나의 식별 정보, 그리고 상기 식별 정보에 대응하여 저장된 상기 각 탐침부의 저항값을 포함하는 저장부,
    상기 지반에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 상기 탐침부에 전력을 공급하는 전원 공급부,
    상기 시간대 별 탐침부의 온도를 표시하는 표시부,
    사용자로부터 열 전도도 측정 시간 구간을 입력받는 측정 구간 입력부, 그리고
    상기 열전도도 측정 시간 구간, 상기 탐침부에 공급된 전력, 상기 탐침부의 저항값, 상기 탐침부의 온도를 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 제어부를 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 사용자로부터 상기 탐침부의 식별 정보를 입력받는 탐침부 선택부를 더 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 탐침부는
    금속 재질의 봉 형태로 길이 대 외경 비율이 30 이상으로 형성되고, 상기 지반에 관입하여 상기 지반에 열을 전달하는 관입부,
    상기 관입부에 설치되어 열을 발생시키는 발열부, 그리고
    상기 발열부에 위치하고 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 온도 센서는
    단위 길이당 저항값이 500 내지 2000ohm/m인 열 전도도 측정 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 측정 구간 입력부는
    열전도도 측정 상한 시각, 그리고 하한 시각을 선택하기 위한 두 개의 노브로 구성되고,
    상기 제어부는
    상기 측정 구간 입력부에 의하여 입력받은 상기 열전도도 측정 시간 구간 동안 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 발열부의 온도 변화를 이용하여 지반의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 전원 공급부, 상기 제어부, 그리고 상기 표시부에 전력을 공급하기 위한 배터리를 더 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  7. 제6항에서
    상기 표시부는
    상기 탐침부의 식별 정보, 저항값, 상기 배터리 잔량, 상기 전원 공급부에서 제공하는 전력 정보, 그리고 측정 열전도도 값을 포함하는 측정 정보 중 어느 하나 이상을 출력하는 열 전도도 측정 장치.
  8. 지반의 열 전도도 측정을 위한 열전도도 측정 장치로서,
    상기 지반에 관입하여 열을 발생시키고 온도를 측정하는 탐침부, 그리고
    상기 탐침부와 연결되어 상기 탐침부를 통해 측정된 시간대 별 탐침부의 온도를 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 본체부를 포함하고,
    상기 본체부는
    다양한 종류의 상기 탐침부를 식별하는 적어도 하나의 식별 정보, 그리고 상기 식별 정보에 대응하여 저장된 상기 탐침부의 저항값을 포함하는 저장부,
    상기 지반에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 상기 탐침부에 전력을 공급하는 전원 공급부,
    사용자로부터 열 전도도 측정 시간 구간을 입력받는 측정 구간 입력부, 그리고
    상기 탐침부의 측정 온도, 상기 열전도도 측정 시간 구간과 상기 전원 공급부에서 공급된 전력을 이용하여 상기 지반의 열 전도도를 측정하는 제어부를 포함하는 열 정도도 측정 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 탐침부의 식별 정보, 저항값, 상기 시간대 별 탐침부의 온도, 상기 전원 공급부에서 제공하는 전력 정보, 그리고 제어부에서 측정된 열 전도도 값을 표시하는 표시부를 더 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 사용자로부터 상기 탐침부의 식별 정보를 입력받는 탐침부 선택부를 더 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  11. 제8항에서,
    상기 탐침부는
    금속 재질의 봉 형태로 길이 대 외경 비율이 30 이상으로 형성되고, 상기 지반에 관입하여 상기 지반에 열을 전달하는 관입부,
    상기 관입부에 설치되어 열을 발생시키는 발열부, 그리고
    상기 발열부에 위치하고 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  12. 제7항에서,
    상기 제어부는
    상기 측정 구간 입력부에 의하여 사용자로부터 입력받은 상기 열전도도 측정 시간 구간 동안 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 발열부의 온도 변화를 이용하여 지반의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정 장치.
  13. 제8항에서,
    상기 본체부는
    상기 전원 공급부, 상기 제어부, 그리고 상기 표시부에 전력을 공급하기 위한 배터리를 더 포함하는 열 전도도 측정 장치.
  14. 열전도도 측정 장치가 매질의 열 전도도를 측정하는 방법으로서,
    상기 매질에 관입하는 탐침부가 열을 발생시키도록 전력을 공급하는 단계,
    상기 매질의 열 전도에 따라 변화한 상기 탐침부의 온도를 측정하고, 기록하는 단계,
    측정 시간에 따른 상기 탐침부의 온도 변화 그래프를 출력하는 단계, 그리고
    사용자로부터 열 전도도 측정 구간을 입력받고, 상기 측정 구간 동안 변화한 상기 탐침부의 온도, 그리고 상기 탐침부에 제공한 전력을 이용하여 상기 매질의 열 전도도를 계산하는 단계를 포함하는 열 전도도 측정 방법.
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