KR20190066333A - 동축케이블을 이용한 tdr 방식의 토양 수분 측정장치 - Google Patents

동축케이블을 이용한 tdr 방식의 토양 수분 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치로서, 토양 수분 측정시 토양에 삽입되는 프로브용 동축 케이블(130); 및
신호라인에 의해 프로브용 동축 케이블(140)의 외부 도체인 쉴드(C3)와 전기적으로 연결된 측정회로(110);를 포함하고, 측정회로는 신호라인을 통해 프로브용 동축 케이블(130)에 고주파 신호를 공급하고 프로브용 동축 케이블(130)로부터 반사파를 수신하여 토양 수분을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치를 개시한다.

Description

동축케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치 {TDR type apparatus for measuring soil moisture using a coaxial cable}
본 발명은 토양내의 수분을 측정하는 토양 수분 측정장치에 관한 것으로, 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동축케이블을 이용한 TDR 방식에 의한 토양 수분 측정장치에 관한 것이다.
농업, 토목, 방재 등의 분야에서 토양이 포함하고 있는 토양이 포함하고 있는 수분의 양을 측정할 필요성이 있으며, 다양한 토양 내 수분 측정 방식이 개발되어 사용되고 있다.
여러 측정방식 중에서 시간영역 반사법(TDR: Time Domain Reflectometry)은 고주파 발진기에서 발진되는 고주파 신호가 탐침 사이를 왕복하는데 걸리는 시간이 토양의 수분 함량과 일정한 관계가 있다는 원리를 이용한 것이다.
일반적인 TDR 방식의 토양 수분 측정장치는 도1과 같다. 측정장치(10)는 고주파 발진기 및 반사파를 수신하여 수분 함량을 측정하는 신호처리부를 내부에 포함하며, 외부에 돌출된 2개의 프로브(탐침)(20,30)를 포함한다. 측정회로(11)에서 발신된 고주파 신호(P)는 신호라인(12)을 통해 프로브(20)로 전달된다. 고주파 신호(P)가 프로브(20)의 단부(21)에 이르면 반사파(R)가 생성되어 측정회로(12)로 전송되고, 이 반사파(R)를 수신하는 시간과 반사파의 세기를 측정하여 토양의 수분 함량을 구할 수 있다.
종래의 TDR 방식의 측정장치에서 프로브(20,30)는 지름 5mm 미만의 금속으로 수십 센티미터의 길이를 가지며, 따라서 토양속 얕은 지역의 수분만 측정할 수 있다. 토양의 깊은 곳(예컨대 지면에서 1m 내외의 영역)을 측정할 경우에는 구덩이를 깊게 파고 그 곳에 사람이 들어가 측정장치(10)를 설치한 다음 구덩이를 흙으로 메우는 방식으로 진행한다. 또한, 종래 TDR 방식의 측정장치에서의 프로브(20, 30)가 수분을 정확하게 측정하기 위해서는 프로브(20, 30)가 중간에 구불구불하지 않고 일직선으로 곧게 뻗은 상태가 되어야 하는데, 종래의 프로브(20, 30)는 그러한 상태로 만들기가 쉽지 않고 번거로운 작업이 된다.
나아가, 댐이나 저수지 등의 관리를 위해서는 경우에 따라 지면에서 5m 이상 깊은 곳까지 설치하여 수분 함량을 측정할 필요가 있고, 또한 토양 깊이에 따른 단계적 측정이 아니라 연속적인 계측이 필요한 경우도 있다. 하지만 TDR 전극 특성상 토양 깊숙이 프로브를 밀어 넣는 것이 불가능하므로, 프로브를 깊은 곳까지 설치하여 토양내 수분을 특정할 수 있는 장비의 필요성이 제기된다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2010-0095096호 (2010년 8월 30일 공개) 특허문헌2: 미국 공개특허공보 제2009-0212789호 (2009년 8월 27일 공개)
본 발명은 상술한 종래 문제를 해결하기 위한 것으로, 동축 케이블을 TDR 방식의 수분 측정장치의 프로브로 사용함으로써 프로브를 토양 깊은 곳까지 삽입할 수 있고 프로브가 토양 내부에서 일직선으로 곧게 뻗은 상태가 쉽게 유지되도록 하는 구성을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고주파 신호가 동축 케이블의 외부 도체를 따라 내려가면서 유전율이 상이한 경계면을 지날 때마다 반사파가 생성되고, 측정회로가 이 반사파를 수신한 시간과 반사파의 세기를 측정함으로써 토양 깊이에 따른 수분 함량의 연속적인 계측이 가능한 측정장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치로서, 토양 수분 측정시 토양에 삽입되는 프로브용 동축 케이블(130); 및
신호라인에 의해 상기 프로브용 동축 케이블(140)의 외부 도체인 쉴드(C3)와 전기적으로 연결된 측정회로(110);를 포함하고, 상기 측정회로는 상기 신호라인을 통해 상기 프로브용 동축 케이블(130)에 고주파 신호를 공급하고 상기 프로브용 동축 케이블(130)로부터 반사파를 수신하여 토양 수분을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동축 케이블을 TDR 방식의 수분 측정장치의 프로브로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 땅을 적당한 직경으로 파서 동축 케이블을 삽입하여도 되며 토질에 따라 파이프의 상단에서 힘을 가하는 것만으로 파이프를 토양에 깊이 삽입 할 수 있으므로, 파이프를 토양 깊은 곳까지 삽입하여 토양 깊이에 따른 수분 함량을 연속적으로 계측할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동축 케이블의 내부 도체 코어를 접지신호와 전기적으로 연결하고, 신호선로는 동축 케이블의 외부 도체(쉴드)와 전기적으로 연결됨으로써, 별도의 전기적인 소자가 필요 없이 측정장치의 구성이 간단해지는 이점이 있다.
도 1은 종래의 TDR 수분 측정장치의 예시적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TDR 수분 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDR 수분측정장치의 일부 구성요소의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TDR 수분 측정장치의 일부 구성요소를 분해 사시도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 당업자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 수분 측정장치의 주요 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 측정장치의 일부 구성요소의 확대도이다.
이들 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 TDR 방식의 토양 수분 측정장치(100)는 장치 본체부(101) 및 이 본체부(101)에 결합된 프로브(탐침)을 포함한다. 도시한 실시예에서 프로브는 동축케이블(130)로서 구성될 수 있다.
측정장치(100)의 본체부(101)는 측정회로(110) 및 측정회로(110)와 동축케이블(130)을 전기적으로 연결하는 동축케이블(120)을 포함할 수 있다. 한편, 프로브(탐침)로서의 동축케이블(130)과 전기적 연결을 위한 동축케이블(120)을 구별하기 위해서, 특히 동축케이블(130)은 프로브용 동축케이블(130)이라고 언급하기로 한다. 물론 그러한 구별은 본 설명의 목적을 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
또한, 본원 명세서에서 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예를 설명하는데 필요한 주요 구성요소만 블록도로 표시하였다. 예를 들어 본체부는 측정 결과를 디스플레이하는 표시부, 사용자 입력을 수신할 수 있는 사용자 인터페이스, 측정 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원부, 측정 결과를 외부 기기로 송신하는 통신부 등을 더 포함할 수 있지만, 이러한 구성요소들은 본 발명의 설명에 불필요하거나 부차적인 구성요소이므로 생략하였음을 이해할 것이다.
측정회로(110)는 고주파 신호를 발생하여 프로브용 동축케이블(130)로 전달하고, 프로브용 동축케이블(130)에서 되돌아오는 반사파를 수신하고, 이 반사파가 도달한 시간과 반사파의 세기를 분석하여 토양 내 수분 함유량을 측정할 수 있다. 여기서 ‘고주파’ 신호는 예를 들어 100MHz 내지 10GHz 사이의 주파수를 갖는 신호를 포함한다. 일 실시예에서 고주파 신호는 펄스 신호일 수 있으나, 구체적 실시 형태에 따라 다른 파형의 신호가 사용될 수도 있다.
측정회로(110)에서 발생된 고주파 신호는 신호라인(111,121)을 통해 프로브용 동축케이블(130)로 전달된다. 이 때 외부의 간섭이나 지연없이 프로브용 동축케이블(130)로 전달되도록 하기 위해, 바람직하게는, 측정회로(110)와 프로브용 동축케이블(130) 사이의 경로를 동축케이블(120)로 구성한다. 도시한 바와 같이 신호라인(111,121)은 동축케이블(120)의 내부도체인 코어에 전기적으로 연결된다. 또한 접지라인(112,122)은 동축케이블(120)의 외부도체인 쉴드에 전기적으로 연결된다.
프로브용 동축케이블(130)는 토양의 수분 측정시 토양에 삽입되는 구성요소이다. 프로브용 동축케이블(130)은 내부 도체인 코어(C4), 내부 도체인 쉴드(C3), 코어(C4)와 쉴드(C3)를 절연시키는 절연체(B1), 쉴드(C3)를 감싸는 절연체(B2)를 포함하며, 내부부터 코어(C4), 절연체(B1), 쉴드(C3), 및 절연체(B2) 순서로 동심원 형태로 배치된 구성을 가진다.
본 실시예에서, 프로브용 동축케이블(130)의 코어(C4)는 전지라인(112, 122)와 전기적으로 연결되고, 프로브용 동축케이블(130)의 쉴드(C3)는 신호라인(111, 121)과 전기적으로 연결된다.
일 실시예에서 프로브용 동축케이블(130)의 직경은 수십 밀리미터에서 수십 센티미터 사이이고 프로브용 동축케이블(130)의 길이는 수십 센티미터에서 수 미터 사이일 수 있으며, 구체적 실시 형태에 따라 프로브용 동축케이블(130)의 크기가 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 프로브용 동축케이블(130)는 측정장치 본체부에 탈착가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어 프로브용 동축케이블(130)의 상단 내측 또는 상단 외측에 나사산이 형성되어 있어 나사결합에 의해 본체부와 탈착가능하게 결합될 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TDR 방식의 수분 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 TDR 방식의 토양 수분 측정장치(100)는 장치 본체부(미도시) 및 이 본체부(미도시)에 결합된 프로브(탐침)을 포함한다. 도시한 실시예에서 프로브는 동축케이블(130), 결합부재(140), 및 선단부(150)를 포함하도록 구성된다.
도 4의 본체부(미도시)는, 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명한 본체부(110)와 동일한 기능과 구조를 가지므로, 본체부(110)의 설명을 참조하기 바란다. 도 4의 동축케이블(130) 역시, 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명한 동축케이블(130)과 동일한 기능과 구조를 가지되, 다만 결합부재(140)와 결합되는 부분에 있어서 만 차이가 있다.
이하에서는, 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예와의 차이점을 위주로 도 4의 실시예를 설명하기로 한다.
선단부(150)는 프로브용 동축케이블(130)의 하단부에 결합된다. 프로브용 동축케이블(130)이 땅속에 용이하게 삽입되도록 하기 위해, 일 실시예에서 산단부(150)가 원뿔 형상을 가질 수 있다. 즉 아래쪽으로 갈수록 선단부(150)의 직경이 작아지도록 구성할 수 있다. 선단부(150)는 도전성 재질로 형성되며, 측정회로(110)와 선단부(150)가 접지라인(112,122)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때 도시한 것처럼 접지라인(112,122)은 프로브용 동축케이블(130) 의 내부 코어(C4)와 전기적으로 연결되고, 신호라인(111, 121)은 프로브용 동축케이블(130) 의 쉴드(C3)와 전기적으로 연결되므로, 접지라인을 위한 별도의 전기적 소자가 필요 없다.
한편 프로브용 동축케이블(130)과 선단부(150)는 전기적으로 절연된다. 도시한 실시예에서 선단부(150)는 절연성의 연결부재(140)를 매개로 하여 프로브용 동축케이블(130)에 결합될 수 있다. 도4의 실시예에서 연결부재(140)는 통 형상을 절연성 바디(141)로 구성되며, 바디(141)는 상부 및 하부 결합부(142,143)를 포함할 수 있다. 연결부재(140)는 프로브용 동축케이블(130)과 선단부(150) 사이를 이격시키는 절연성 부재이다. 상부 결합부(142)는 오목 형상으로 구성되어 프로브용 동축케이블(130)의 하단부와 끼움 맞춤 형태로 결합될 수 있다. 하부 결합부(143)는 나사산이나 나사 홈이 형성되어 선단부(150)의 상단에 결합될 수 있다. 본 실시예에서 상부(142)는 끼움 맞춤 형태로 프로브용 동축케이블(130)과 결합되고, 및 하부(143)는 나사결합 방식으로 프로브용 동축케이블(130)과 선단부(150)에 결합된다. 그러나 다른 공지의 결합방식에 의해 프로브용 동축케이블(130), 연결부재(140), 및 선단부(150)가 결합될 수 있음은 물론이다.
연결부재(140)는 내부에 전기적으로 도통되는 도선(C6)이 내장되어 있고, 이러한 도선(C6)은 프로브용 동축케이블(130)의 코어(C4)와 접지선(122)를 전기적으로 도통시키도록 구성된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측정장치(100)의 예시적인 측정 동작은 다음과 같다. 우선 측정회로(110)에서 고주파 펄스 신호를 생성하여 신호라인(111)을 통해 프로브용 동축케이블(130)측으로 발신한다. 동축케이블(120)을 지난 펄스 신호는 신호라인(121)을 통해 프로브용 동축케이블(130)에 전달되고, 프로브용 동축케이블(130)을 따라 아래로 향한다. 이 때 프로브용 동축케이블(130)은 토양 중에 매설되어 있는 상태이다. 토양 중에 수분 함량의 차이에 의해 유전율이 상이한 영역이 존재하고, 프로브용 동축케이블(130)이 이 영역을 관통하여 매설되어 있다면, 프로브용 동축케이블(130)을 따라 흐르는 고주파 신호가 유전율이 달라지는 경계면을 통과할 때 반사파가 생성되고 이 반사파는 프로브용 동축케이블(130)을 따라 측정회로(110)측으로 올라간다. 이와 같이 고주파 신호가 유전율이 달라지는 지점을 통과할 때마다 반사파가 발생하여 측정회로(110)로 흐르고, 측정회로(110)는 반사파를 수신하는 시간과 반사파의 크기를 측정하여 토양 내의 수분 함량을 산출할 수 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있으며, 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 토양 수분 측정장치
110: 측정회로
120: 동축케이블
130: 동축케이블
140: 연결부재
150: 선단부

Claims (6)

  1. 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치로서,
    토양 수분 측정시 토양에 삽입되는 프로브용 동축 케이블(130); 및
    신호라인에 의해 상기 프로브용 동축 케이블(140)의 외부 도체인 쉴드(C3)와 전기적으로 연결된 측정회로(110);를 포함하고,
    상기 측정회로는 상기 신호라인을 통해 상기 프로브용 동축 케이블(130)에 고주파 신호를 공급하고 상기 프로브용 동축 케이블(130)로부터 반사파를 수신하여 토양 수분을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브용 동축 케이블의 하단부에 결합된 선단부(150)를 더 포함하고,
    상기 프로브용 동축 케이블과 상기 선단부가 전기적으로 절연된 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로브용 동축 케이블은 아래쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로브용 동축 케이블과 선단부 사이에 개재된 연결부재(140)를 더 포함하고,
    상기 연결부재는,
    상기 프로브용 동축 케이블과 선단부 사이를 이격시키는 절연성 바디(141);
    상기 스페이서의 상부에 돌출 형성되어 상기 프로브용 동축 케이블과 결합되는 상부 결합부(142); 및
    상기 스페이서의 하부에 돌출 형성되어 상기 선단부와 결합되는 하부 결합부(143);를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정회로와 상기 프로브용 동축 케이블 사이에 개재된 동축케이블(120)을 더 포함하고,
    상기 신호라인은 상기 동축 케이블(120)의 내부 도체인 코어에 전기적으로 연결되고,
    상기 접지라인은 상기 동축케이블(120)의 외부 도체인 쉴드에 전기적으로 연결되고,
    상기 동축 케이블(120)의 내부 도체인 코어는 상기 프로브용 동축 케이블의 외부 도체인 쉴드에 전기적으로 연결되고, 상기 동축 케이블(120)의 외부 도체인 쉴드는 상기 프로브용 동축 케이블의 내부 도체인 코어에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측정회로와 상기 동축 케이블(120)을 수용하는 측정장치 본체부(101)를 더 포함하고,
    상기 프로브용 동축 케이블은 상기 측정장치 본체부(101)에 탈착가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 동축 케이블을 이용한 TDR 방식의 토양 수분 측정장치.
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