KR100699793B1 - A method for measuring dielectric constant and a measuring probe and a measuring apparatus containing it for conducting the same method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치에 관한 것으로서,The present invention relates to a method for measuring porosity and effective porosity, a dielectric constant measuring probe for implementing the method, and a measuring apparatus including the same,

방향성 결합기와 연결된 동축 케이블을 감싸며, 측정 대상 매질 내에서의 원활한 반사파 전달을 위하여 절연물질로 제작된 결합부(13-1)와; 이 결합부(13-1)에 그 일측단이 고정된 형상의 통체로서의 측정 상단부(13-2-1), 및 상기 동축케이블로부터 연장되어 측정 상단부(13-2-1) 내 중공부를 벗어나 돌출된 측정 로드부(13-2-2)를 포함하는 측정부(13-2)를 포함하는 1 선식 유전율상수 측정 프로브(13) 및 이를 포함하여 구성되는 FDR 측정 장치(10)를 개발하는 한편, 다양한 구성 매질이 갖는 각각의 유전율상수를 혼합 모델링함으로써 특정 지반의 공극률 및 유효공극률을 간편히 산출, 즉 측정할 수 있는 방법을 제시한다. A coupling part 13-1 wrapped around the coaxial cable connected to the directional coupler and made of an insulating material for smooth reflection of the reflected wave in the measurement target medium; Measurement upper end portion 13-2-1 as a cylinder having a shape having one end fixed to the engaging portion 13-1, and extending from the coaxial cable to protrude beyond the hollow portion in the measurement upper end portion 13-2-1. While developing a one-wire dielectric constant measuring probe 13 including a measuring unit 13-2 including a measuring rod unit 13-2-2, and an FDR measuring apparatus 10 including the same, The present invention provides a method for easily calculating, ie, measuring the porosity and effective porosity of a specific ground by mixing and modeling dielectric constants of various constituent media.

유전율, 유전율상수, 공극률, 유효공극률. Permittivity, permittivity constant, porosity, effective porosity.

Description

공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치{a method for measuring dielectric constant and a measuring probe and a measuring apparatus containing it for conducting the same method}A method for measuring porosity and effective porosity, a dielectric constant measuring probe for carrying out the method and a measuring apparatus comprising the same {a method for measuring dielectric constant and a measuring probe and a measuring apparatus containing it for conducting the same method}

도 1 은 본 발명 실시예에 따른 FDR 측정 장치의 개요도,1 is a schematic diagram of an FDR measuring apparatus according to an embodiment of the present invention;

도 2 는 본 발명 실시예에 따른 유전율상수 측정 프로브의 개요도, 2 is a schematic diagram of a dielectric constant measurement probe according to an embodiment of the present invention,

도 3 은 다공질 매질의 내부 구조 및 매질 내 물질 이동 경로를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the internal structure of the porous medium and the path of mass movement in the medium.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : FDR 측정 장치 11 : 발신기   10: FDR measuring device 11: transmitter

12 : 방향성 결합기 13 : 측정 프로브    12 directional coupler 13 measuring probe

14 : 스펙트럼 분석기 15 : 데이터 로커   14 Spectrum Analyzer 15 Data Locker

본 발명은 공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지반을 구성하고 있는 다양한 매질들의 고유 유전율상수 및 이들 상호간의 반응을 파악함으로써, 특정 지역의 지반이 갖는 공극률 및 유효공극률을 측정할 수 있는 새로운 방식의 공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for measuring porosity and effective porosity, a dielectric constant measuring probe for implementing the method, and a measuring device including the same, and more particularly, intrinsic dielectric constants of various media constituting the ground and the mutual. A method of measuring the porosity and the effective porosity of a new method for measuring the porosity and the effective porosity of the ground of a specific region by grasping the response of the reaction, and the dielectric constant measuring probe for implementing the method and a measuring apparatus including the same Invention.

유전율상수와 체적함수비 사이의 상관관계를 연구한 톱(Topp) 또는 앤설트(Ansoult) 등의 학자들에 따르면, 지반의 유전율상수는 이를 구성하고 있는 토양 입자들 사이의 상호 유전율 반응에 의한 것이 아니라, 토양 입자들 사이에 존재하는 공극 내에 포함된 물의 양, 즉 체적함수비에 의해 결정된다는 것이다. According to scholars such as Topp or Ansoult, who studied the correlation between the dielectric constant and the volume function ratio, the dielectric constant of the ground is not due to the mutual dielectric constant response between the soil particles that make up it. The amount of water contained in the voids present between the soil particles is determined by the volumetric ratio.

즉, 유전율상수와 체적함수비 사이의 상관관계를 파악한다면, 유전율상수를 측정함으로써 대상 매질의 체적함수비를 구해낼 수 있다.That is, if the correlation between the dielectric constant and the volume function ratio is known, the volume function ratio of the target medium can be obtained by measuring the dielectric constant.

이처럼, 특정 지반이 갖는 유전율상수는 그 내부에 토양 입자 이외의 다른 물질을 어느 정도 포함하고 있는지를 알려주는 매우 의미 있는 수치임에 틀림없다. As such, the dielectric constant of a particular ground must be a very meaningful figure that tells how much material other than soil particles it contains.

그러나, 상기 유전율상수는 다양한 분야에서 중요하게 활용되어 왔음에도 불구하고, 지반환경 분야에서는 앞서 언급한 체적함수비 등과 같은 단순 물성치만을 파악하는 데 이용되고 있을 뿐이다.However, although the dielectric constant has been importantly used in various fields, it is only used to grasp simple physical properties such as the volume function ratio mentioned above in the field of the ground environment.

원유 등의 각종 지하자원 탐사와 관련된 지반의 공극률 및 유효공극률을 측정하는 경우를 예로 들자면, 해당 지역의 토양을 채취하여 규격에 맞춰 시료를 만든 다음 일일이 가정과 확인을 거듭하는 방법에 의할 뿐, 상기 체적함수비와 밀접한 관계를 가짐에 따라 공극률 및 유효공극률과도 상당한 상관관계를 가질 만한 상 기 유전율상수 측정치를 상기 공극률 관련 측정에 활용하지는 못했었다.  For example, when measuring the porosity and effective porosity of the ground associated with the exploration of various underground resources such as crude oil, the method is based on the method of repeatedly collecting the soil in the relevant area, making a sample according to the standard, and then repeatedly making assumptions and confirmations. Due to the close relationship with the volume function ratio, the above-mentioned permittivity constants, which have a significant correlation with the porosity and the effective porosity, were not used for the porosity-related measurements.

이는, 간편하면서도 정확하게 유전율상수를 측정할 수 있는 장치가 없었을 뿐 아니라, 공극률 및 유효공극률과 상기 유전율상수 사이의 상관관계에 대한 수식화가 정립되지 못했기 때문이며, 그 대책이 시급히 요구되어 왔었다. This is not only because there was no device for measuring the permittivity constant simply and accurately, but also because the formula for the correlation between the porosity and the effective porosity and the permittivity constant was not established, a countermeasure has been urgently required.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 고려하여 안출한 것으로서, 간편하면서도 정확하게 유전율상수를 측정할 수 있는 측정프로브 및 이를 포함하여 구성된 유전율 측정 장치를 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a measuring probe capable of measuring the dielectric constant easily and accurately and a dielectric constant measuring apparatus including the same.

또한, 다양한 구성 매질이 갖는 각각의 유전율상수를 혼합 모델링(modeling)함으로써 상기 공극률 및 유효공극률을 산출해 내는, 이른바 혼합 모델을 제공하는 데 본 발명의 다른 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a so-called mixed model in which the porosity and the effective porosity are calculated by mixed modeling of the dielectric constants of various constituent media.

상기 본 발명의 목적은, 공극률 및 유효공극률과 유전율상수 사이의 상관관계에 대한 혼합 모델을 정립, 즉 수식화 함으로써 유전율상수를 근거로 상기 공극률 및 유효공극률을 측정할 수 있는 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치를 개발함으로써 달성된다. An object of the present invention is to establish a mixture model for the correlation between the porosity and the effective porosity and the dielectric constant, that is, to formulate, that is, to determine the porosity and the effective porosity based on the dielectric constant, and to implement the method It is achieved by developing a dielectric constant measuring probe for and a measuring device comprising the same.

즉, 본 발명에 따르면, 공극률 및 유효공극률을 확인코자 하는 측정 대상 지반에다 상기 유전율상수 측정 프로브를 삽설한 다음 전자파를 흘려보내면 우선 유 전율상수가 측정되고, 이를 상기 수식에 대입하면 바로 해당 토양의 공극률 및 유효공극률이 산출된다.That is, according to the present invention, the dielectric constant constant is first measured by inserting the dielectric constant measurement probe into the ground to be measured to check the porosity and the effective porosity, and then sending electromagnetic waves. Porosity and effective porosity are calculated.

이하, 본 발명 실시예의 공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the method of measuring the porosity and the effective porosity, the dielectric constant constant measuring probe for implementing the method, and the measuring apparatus including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명 실시예를 설명함에 있어서는, 본 발명에 따른 유전율상수 측정 장치인 FDR(frequency domain reflectometry) 장치의 이론적 근거와, 이 FDR 측정 장치의 주요 구성요소를 이루는 유전율상수 측정 기구로서의 1 선식 측정 프로브에 관하여 설명한 다음, 유전율상수 측정치로부터 최종적으로 공극률 및 유효공극률을 산출해 내는 유전율 혼합 모델(Dielectric Mixing Model)에 관하여 차례로 설명해 나가기로 한다. In describing the embodiments of the present invention, a theoretical basis of a frequency domain reflectometry (FDR) device, which is a dielectric constant measuring device according to the present invention, and a one-wire measuring probe as a dielectric constant measuring device constituting a main component of the FDR measuring device. Next, the dielectric mixing model for finally calculating the porosity and the effective porosity from the dielectric constant measurement will be described.

Ⅰ. FDR 측정 장치의 이론적 근거I. Theoretical Basis of the FDR Measuring Device

다공질 매질 내에서 전자파의 속도는, 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 그 매질의 유전율상수(Dielectric constant,

Figure 112005032300018-pat00001
)와 밀접한 관계를 가지고 있다.The velocity of electromagnetic waves in a porous medium is determined by the dielectric constant of the medium, as shown in equation (1).
Figure 112005032300018-pat00001
) Is closely related to

Figure 112005032300018-pat00002
(1)
Figure 112005032300018-pat00002
(One)

여기서

Figure 112005032300018-pat00003
은 다공질 매질의 유전율상수,
Figure 112005032300018-pat00004
는 유전율상수
Figure 112005032300018-pat00005
인 매질 내에서의 전자파 속도,
Figure 112005032300018-pat00006
는 광속도(
Figure 112005032300018-pat00007
)이다.here
Figure 112005032300018-pat00003
Is the dielectric constant of the porous medium,
Figure 112005032300018-pat00004
Is the dielectric constant
Figure 112005032300018-pat00005
Electromagnetic velocity in the phosphorus medium,
Figure 112005032300018-pat00006
Is the speed of light (
Figure 112005032300018-pat00007
)to be.

자연함수 상태 하에서 토양 입자를 구성하고 있는 광물 입자에 대한 유전율상수는 약 5~9 정도이지만, 건조된 토양의 경우는 고상율을 고려하여 약 2.5~3.5 정도의 유전율상수를 보인다. The dielectric constant of the mineral particles constituting the soil particles under the natural function is about 5-9, but the dried soil shows the dielectric constant of about 2.5-3.5 considering the solid phase.

일반적인 물의 유전율상수는, 물 분자의 결합구조에 따른 쌍극자 모멘트(moment)를 나타내기 때문에, 다른 매질의 유전율상수와 비교하여 매우 큰 약 80 정도(20℃)를 나타낸다. In general, the dielectric constant of water exhibits a dipole moment according to the bonding structure of water molecules, and thus is about 80 (20 ° C.) which is very large compared to that of other media.

그러므로, 토양 입자와 물의 유전율상수 차이를 고려하면, 토양의 유전율상수는 해당 토양이 물을 함유하고 있는 정도, 즉 체적함수비에 의해 크게 좌우된다고 볼 수 있다.Therefore, considering the difference in dielectric constant between soil particles and water, it can be said that the dielectric constant of soil is largely dependent on the extent to which the soil contains water, that is, the volume function ratio.

상기 식 (1)을 근거로 하여, 지반, 즉 일종의 다공질 매질 내에서의 전자파 속도를 측정함으로써 해당 지반의 유전율상수를 측정하고자, 본 발명에 따른 1 선식 측정 프로브를 개발하는 한편, 이를 주요 구성소요로 하는 유전율 측정 장치, 즉 앞서 언급한 FDR 측정 장치를 제작했다. Based on the above formula (1), to measure the dielectric constant of the ground by measuring the electromagnetic wave velocity in the ground, that is, a kind of porous medium, while developing a one-wire measuring probe according to the present invention, The dielectric constant measuring device ie, the above-mentioned FDR measuring device was produced.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 본 발명 실시예에 따른 FDR 측정 장치(10)는, 주파수 범위 0.1 내지 1.7 GHz의 전자파를 발생시키는 발신기(Tracking Generator)(11)와, 이 발신기(11)로부터 발생된 전자파를 측정 프로브(13)로 내보내는 동시에, 이 측정 프로브(13)로부터 측정 대상 지반 내 반사파를 받아들이는 방향성 결합기(Directive Coupler)(12)와, 지반 내에 삽설된 상태로서, 상기 발신기(11)로부터 나와 방향성 결합기(12)를 거쳐 수신되는 전자파를 지반 내부로 보내 그 변화 양상을 측정하는 상기 측정 프로브(13)와, 측정 프로브 입력단과 측정 프로브 끝부분까지의 반사파를 상기 방향성 결합기(12)로부터 받아 측정 주파수 영역에서의 주파수 곡선으로 나타내는 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)(14)와, 상기 주파수 곡선에 의거하여 측정 대상 지반의 유전율상수를 산출해 내는 데이터 로거(Data Logger)(15), 즉 랩탑 컴퓨터(Laptop Computer)를 포함하는 구성으로 되어 있다. As shown in FIG. 1, the FDR measuring apparatus 10 according to the embodiment of the present invention includes a tracking generator 11 for generating electromagnetic waves in the frequency range of 0.1 to 1.7 GHz, and the generator 11 generated from the transmitter 11. The direct coupler 12 which sends out an electromagnetic wave to the measurement probe 13 and receives the reflected wave in the ground to be measured from the measurement probe 13, and is inserted into the ground, from the transmitter 11 The measuring probe 13 for transmitting the electromagnetic wave received through the directional coupler 12 and the inside of the ground and measuring the change pattern, and the reflected wave from the directional coupler 12 to the measuring probe input terminal and the end of the measuring probe are received. A spectrum analyzer 14, which is represented by a frequency curve in the measurement frequency domain, and a dielectric constant of the ground to be measured is calculated based on the frequency curve. The configuration includes a data logger 15, that is, a laptop computer.

즉, 상기 발신기(11)로부터 발생된 전자파가 방향성 결합기(12)를 거쳐 상기 측정 프로브(13)가 삽설된 지반 내로 전파되면, 측정 프로브 입력단과 측정 프로브 끝부분까지의 반사파는 방향성 결합기(12)를 거쳐 스펙트럼 분석기(14)에 의하여 측정 주파수 영역에서의 주파수 곡선으로 나타난다. That is, when the electromagnetic wave generated from the transmitter 11 propagates through the directional coupler 12 into the ground into which the measurement probe 13 is inserted, the reflected wave to the measurement probe input terminal and the end of the measurement probe is directed to the directional coupler 12. Through the spectrum analyzer 14 is shown as a frequency curve in the measurement frequency domain.

앞서 언급한 바와 같이, 상기와 같은 방법으로 얻어진 주파수 곡선을 근거로 상기 데이터 로거(15)에서는 해당 지반의 유전율상수를 산출해 내는 것이다. As mentioned above, the data logger 15 calculates the dielectric constant of the ground based on the frequency curve obtained by the above method.

본 발명의 FDR 측정 장치(10)에 관한 전반적 개요 설명에 더하여, 본 발명에 따른 1 선식 유전율 측정 프로브를 나타낸 도 2 를 함께 참조하여, 지반 내 전자파 속도로부터 상기 유전율상수가 얻어지는 이론적 근거를 설명하면 다음과 같다. In addition to the general overview of the FDR measuring apparatus 10 of the present invention, referring to FIG. 2 showing the one-wire dielectric constant measuring probe according to the present invention, the theoretical basis for obtaining the dielectric constant from the electromagnetic wave velocity in the ground will be described. As follows.

우선, 지반 내부로 전달되는 입사파의 속도는 측정 프로브(13)가 설치된 지반의 토양 입자가 갖는 유전율의 영향을 받기 때문에, 측정 프로브(13) 상의 전체 로드(rod) 부분에서 전파된 입사파와 그 반사파 사이에 위상차가 발생하며, 그 결과, 상기 방향성 결합기(12)와 측정 프로브(13)를 상호 연결하는 동축 케이블(coaxial cable)(20) 내에 있어서는, 측정 프로브(13)로 향하는 전자파와 당해 측정 프로브(13)로부터의 반사파가 서로 다른 시간대에 전파됨에 따라 합성 간섭파가 발생하게 된다. First, since the velocity of the incident wave transmitted into the ground is affected by the permittivity of the soil particles in the ground where the measuring probe 13 is installed, the incident wave propagated in the entire rod portion on the measuring probe 13 and its A phase difference occurs between the reflected waves, and as a result, in the coaxial cable 20 interconnecting the directional coupler 12 and the measurement probe 13, the electromagnetic wave directed to the measurement probe 13 and the measurement As the reflected waves from the probe 13 propagate at different time zones, a synthetic interference wave is generated.

이 때, 측정 프로브 입력단에서의 반사파와 지반 내 측정 프로브 끝부분에서의 반사파와의 지연시간 t는 지반 내에서의 전자파 속도(C)를 이용하여 다음의 식으로 나타낼 수 있다.At this time, the delay time t between the reflected wave at the measuring probe input terminal and the reflected wave at the tip of the measuring probe in the ground can be expressed by the following equation using the electromagnetic wave speed C in the ground.

Figure 112005032300018-pat00008
(2)
Figure 112005032300018-pat00008
(2)

여기서, 신호의 각주파수를

Figure 112005032300018-pat00009
로 하며, 동축 케이블(20)과 측정 프로브(13) 사이 결합부분의 반사파를
Figure 112005032300018-pat00010
로 하면, 측정 프로브(13) 로드 끝부분까지의 반사파이다. Where the angular frequency of the signal
Figure 112005032300018-pat00009
The reflected wave of the coupling portion between the coaxial cable 20 and the measurement probe 13
Figure 112005032300018-pat00010
In this case, it is the reflected wave to the end of the rod of the measurement probe 13.

그러나, 동축 케이블(20)을 통과하는 신호 성분은, 해당 신호가 측정 프로브(13) 로드 부분을 왕복하는데 걸린 시간 t 만큼 위상이 변하기 때문에,

Figure 112005032300018-pat00011
가 된다. However, since the signal component passing through the coaxial cable 20 changes in phase by the time t taken for the signal to reciprocate the rod portion of the measurement probe 13,
Figure 112005032300018-pat00011
Becomes

그러므로, 두 개의 반사파 관계는 다음 식과 같이 합성파

Figure 112005032300018-pat00012
로 나타낼 수 있다.Therefore, the two reflected wave relationships are synthesized waves as
Figure 112005032300018-pat00012
It can be represented as.

Figure 112005032300018-pat00013
)) (3)
Figure 112005032300018-pat00013
)) (3)

이때의 전압은, 합성파

Figure 112005032300018-pat00014
의 절대값으로 비교하면, 다음 식으로 나타낼 수 있다.The voltage at this time is a synthesized wave
Figure 112005032300018-pat00014
When compared with the absolute value of, it can be represented by the following equation.

Figure 112005032300018-pat00015
(4)
Figure 112005032300018-pat00015
(4)

여기서, 신호의 각주파수를 주파수 ｆ로 표현하면 아래와 같다.Here, the angular frequency of the signal is expressed by the frequency 같다 as follows.

ω= 2πｆ (5)        ω = 2πｆ (5)

동축 케이블(20) 내에서 반사파의 전압 진폭은 를 의미하기 때문에, 식 (4)로부터 알 수 있다. The voltage amplitude of the reflected wave in the coaxial cable 20 is Since it means, it can know from Formula (4).

또한, 두 개 반사파 사이의 상호 간섭으로 인하여 반사파의 스펙트럼

Figure 112006067835414-pat00017
는 일정한 주파수 간격을 둔 요철(凹凸) 형태로 나타난다. In addition, the spectrum of the reflected waves due to mutual interference between the two reflected waves
Figure 112006067835414-pat00017
Is in the form of irregularities with a certain frequency interval.

분석된 주파수 형태상의 凹과 凹, 그리고 凸과 凸 부분에서의 주파수차를 Δｆ로 하면 다음 관계가 성립한다.If the frequency difference between 凹 and 상의 and 凸 and 상의 on the analyzed frequency forms is Δｆ, the following relationship is established.

2πΔｆｔ= 2π (6)              2πΔｆｔ = 2π (6)

이며, 이를 다시 정리하면, If you rearrange it

Figure 112005032300018-pat00018
(7)
Figure 112005032300018-pat00018
(7)

가 된다. 식 (2)를 대입하여 산출하면Becomes Calculating by substituting equation (2)

Figure 112005032300018-pat00019
(8)
Figure 112005032300018-pat00019
(8)

로 나타낼 수 있다. It can be represented as.

여기서, 식 (1)을 대입하면, 유전율상수

Figure 112005032300018-pat00020
는 다음 식으로 표현된다. Here, by substituting Equation (1), the dielectric constant
Figure 112005032300018-pat00020
Is expressed by the following equation.

Figure 112005032300018-pat00021
(9)
Figure 112005032300018-pat00021
(9)

이처럼, 식 (9)를 이용함으로써, 간섭파의 주파수 간격으로부터 매질의 유전율상수를 산출할 수 있다.Thus, by using Equation (9), the dielectric constant of the medium can be calculated from the frequency interval of the interference wave.

상기 유전율상수를 실제로 산출해 내는 작업은, 산출 프로그램이 내장된 랩 탑 컴퓨터, 즉 상기 데이터 로거(15)에 의하여 이루어진다. The actual calculation of the dielectric constant is performed by a laptop computer in which a calculation program is built, that is, the data logger 15.

Ⅱ. 1 선식 측정 프로브II. 1 wire measurement probe

본 발명에 있어서는, 상기 식 9)를 이용함으로써 간섭파의 주파수 간격으로부터 유전율상수를 알아내는 상기 FDR 측정 장치를 개발함과 아울러, 측정 대상 지반 내로 직접 전자파를 방출하는 역할을 하는 바람직한 구조의 1 선식 측정 프로브를 제작하였다. In the present invention, by developing the FDR measuring device which finds the dielectric constant constant from the frequency interval of the interference wave by using Equation 9), the one-wire type of the preferred structure which serves to emit electromagnetic waves directly into the ground to be measured. Measurement probes were made.

주요 특징으로서는, 무엇보다도, 상기 측정 프로브는 하나의 막대 상으로 되어 있어서, 측정 대상 지반 속에 삽설하고서 전자파를 보내기만 하면 되는 매우 간편한 구조이다. As a main feature, above all, the measuring probe has a single bar shape, which is a very simple structure that only needs to be inserted into the ground to be measured and to send electromagnetic waves.

이하, 그 구조에 관하여 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the structure thereof will be described in more detail.

우선, 본 발명 실시예에 따른 유전율상수 측정 프로브(13)는, 방향성 결합기와 연결된 동축 케이블을 감싸며, 측정 대상 매질 내에서의 원활한 반사파 전달을 위하여 절연물질로 제작된 결합부(13-1)와; 이 결합부(13-1)에 그 일측단이 고정된 형상의 통체로서의 측정 상단부(13-2-1), 및 상기 동축케이블로부터 연장되어 측정 상단부(13-2-1) 내 중공부를 벗어나 돌출된 측정 로드부(13-2-2)를 포함하는 측정부(13-2)를 포함하여 구성된다. First, the dielectric constant measuring probe 13 according to the embodiment of the present invention surrounds a coaxial cable connected to a directional coupler, and a coupling part 13-1 made of an insulating material for smooth reflection wave transmission in a medium to be measured. ; Measurement upper end portion 13-2-1 as a cylinder having a shape having one end fixed to the engaging portion 13-1, and extending from the coaxial cable to protrude beyond the hollow portion in the measurement upper end portion 13-2-1. It comprises a measuring part 13-2 including the measured rod part 13-2-2.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명 실시예에 따른 FDR 측정 장치(10)를 구성하는 상기 방향성 결합기(12)로부터의 입사파와 되돌아오는 반사파가 하나의 동축 케이블(20)을 통하여 선별적으로 전송되기 때문에, 상기 측정 프로브(13) 상의 결합부(13-1)는, 매질 내에서의 원활한 반사파 전달을 위하여, 입사파에 의한 간섭을 최소화하고자 절연물질을 사용하여 제작하였다. As mentioned above, since the incident wave and the reflected wave from the directional coupler 12 constituting the FDR measuring apparatus 10 according to the embodiment of the present invention are selectively transmitted through one coaxial cable 20. The coupling part 13-1 on the measurement probe 13 is manufactured using an insulating material to minimize interference due to incident waves for smooth reflection wave transmission in a medium.

측정 프로브(13) 상의 측정부(13-2)는, 전자파를 원활하게 전송하기 위하여 구리(Copper) 금속물질을 사용하였다. The measuring unit 13-2 on the measuring probe 13 used a copper metal material to smoothly transmit electromagnetic waves.

특히, 상기 측정부(13-2)로 전달된 전자파의 간섭을 최소화하기 위하여, 측정 상단부(13-2-1)와 측정 로드부(13-2-2) 사이는 절연물질을 사용하여 완전 밀봉하였다. In particular, in order to minimize the interference of the electromagnetic waves transmitted to the measuring unit 13-2, the measuring upper part 13-2-1 and the measuring rod part 13-2-2 are completely sealed using an insulating material. It was.

이렇게 제작된 측정 프로브(13)는 상기 FDR 측정 장치(10) 상의 방향성 결합기(12)와 동축 케이블(20)로써 연결된다. The measurement probe 13 thus produced is connected to the directional coupler 12 on the FDR measuring device 10 by a coaxial cable 20.

따라서, 측정 프로브(13)에 있어서, 측정 대상 매질에 삽설되어 실질적으로 매질의 유전율상수를 측정하는 부분은 동축 케이블(20)과 연결된 상기 측정 상단부(13-2-1)를 제외한 직경 0.2 cm 정도의 측정 로드부(13-2-2)이다. Therefore, in the measuring probe 13, the portion inserted in the medium to be measured to measure the dielectric constant of the medium substantially has a diameter of about 0.2 cm except for the measuring upper end 13-2-1 connected to the coaxial cable 20. It is the measurement rod part 13-2-2 of.

본 발명에서는 상기 측정 로드부(13-2-2)의 길이를 7 cm, 10 cm 및 15 cm의 3 종류로 각각 제작한 다음 동일한 시험 조건을 적용함으로써, 측정 프로브(13) 상의 측정 로드부(13-2-2)의 길이에 따른 측정 정확도를 분석하였다. In the present invention, by measuring the length of the measuring rod 13-2-2 into three types of 7 cm, 10 cm and 15 cm, respectively, and then applying the same test conditions, the measuring rod 13 on the measuring probe 13 ( 13-2-2) analyzed the measurement accuracy according to the length.

즉, 상기와 같이 제작된 측정 프로브(13) 및 이를 포함하여 구성된 FDR 측정 장치(10)를 사용하여 실내 칼럼(column) 시험을 실시하였다. That is, an indoor column test was performed using the measurement probe 13 manufactured as described above and the FDR measuring device 10 including the same.

이 시험을 위하여 별도 제작된 아크릴 칼럼의 크기는 직경 5 cm, 높이 20 cm이며, 로드 길이가 각각 다른 상기 3 종류의 측정 프로브를 사용하여 매질의 유전율상수를 측정할 수 있도록 하였다. The size of the acrylic column separately prepared for this test was 5 cm in diameter and 20 cm in height, and the dielectric constant of the medium was measured using the three types of measurement probes having different rod lengths.

상기 시험에 사용된 토양 시료는 표준사(Standard Sand)이며, 동일한 공극률(Porosity, n=0.40) 상태에서 체적함수비만을 단계적으로 변화시켜 유전율상수 측정시험을 수행하였다. The soil sample used in the test was standard sand, and the dielectric constant constant measurement test was carried out by changing only the volume function ratio step by step at the same porosity (Porosity, n = 0.40).

[표 1]과 [표 2]는 표준사에 대한 입도분석 결과로서, Head(1980)가 제시한 시험방법에 따랐다. [Table 1] and [Table 2] are the results of particle size analysis for standard yarns, and followed the test method suggested by Head (1980).

수행된 시험은 유전율상수와 체적함수비의 관계인 교정곡선을 확인하기 위함이며, 측정된 시험결과를 Topp 교정곡선(1980)과 비교함으로써, 본 발명 실시예에 따른 상기 FDR 측정 장치(10)와 각 측정 프로브(13)의 적합성 검토를 수행하였다.The test was performed to confirm the calibration curve which is the relation between the dielectric constant and the volume function ratio, and by comparing the measured test results with the Topp calibration curve 1980, the FDR measuring apparatus 10 and each measurement according to the embodiment of the present invention. A suitability review of the probe 13 was performed.

[표 1] 표준사 체분석 결과.Table 1 Results of standard body analysis.

SandSand Distributions of particle size (%)Distributions of particle size (%) Specific gravity (g/cm3)Specific gravity (g / cm3) Uniformity coefficient (U)Uniformity coefficient (U) Gravel (60∼2mm)Gravel (60-2mm) Sand (2∼0.06mm)Sand (2 ~ 0.06mm) Silt (0.06∼0.002mm)Silt (0.06 ~ 0.002mm) Clay (>0.002mm)Clay (> 0.002mm) Standard sandStandard sand 0.000.00 99.9099.90 0.100.10 0.000.00 2.652.65 1.6071.607

[표 2] 표준사의 입도분포곡선[Table 2] Particle size distribution curve of standard yarn

Figure 112005032300018-pat00022
Figure 112005032300018-pat00022

초기공극률(Initial porosity)은 일정하지만 각기 다른 체적함수비 범위 내에서 제작된 토양 칼럼을 대상으로 유전율상수를 측정하였다. Although the initial porosity was constant, the dielectric constant was measured for soil columns fabricated within different volume function ratios.

토양 칼럼 내 토양의 상태는 불포화상태(체적함수비: 0~0.39) 및 포화상태(체적함수비: 0.4)로서 유전율상수 측정시험 종료 후, 24시간 건조시험(Dry oven test)을 실시하여 정량적인 체적함수비 및 공극률을 다시 측정하였다. Soil conditions in the soil column are unsaturated (volume function ratio: 0 to 0.39) and saturation (volume function ratio: 0.4). After completion of the dielectric constant measurement test, a dry oven test is performed for 24 hours to quantitative volume function ratio. And the porosity was measured again.

[표 3]은 길이가 각각 다른 3 종류의 측정 프로브(7 cm, 10 cm, 15 cm)에 있어서의 체적함수비와 유전율상수의 관계를 나타낸 것이다. Table 3 shows the relationship between the volume function ratio and the dielectric constant in three types of measurement probes (7 cm, 10 cm, and 15 cm) of different lengths.

동일한 토양 시료 조건하에서 실시된 상기 시험에 따르면, 체적함수비 0.25 cc 지점부터는 측정 프로브의 길이에 따라 유전율상수 측정치가 달라지는 양상을 보여준다. According to the above test conducted under the same soil sample conditions, the dielectric constant constant measurement varies according to the length of the measurement probe from 0.25 cc of the volume function ratio.

Topp 교정곡선과 비교해 보면, 작은 체적함수비 범위 내(0.25 cc 정도)에서는 이들 각각의 유전율상수 측정치가 대략 일치하는 반면, 그 이상에서는, 체적함수비가 증가할수록 각 측정 프로브에서의 측정치가 다소 분산되는 것을 확인하였다. Compared to the Topp calibration curve, within a small volume function ratio range (around 0.25 cc) each of these dielectric constant constants is approximately identical, whereas above that, as the volume function ratio increases, the measurements at each measuring probe are somewhat dispersed. Confirmed.

[표 3] 로드 길이가 각기 다른 1선식 측정 프로브로 측정한 체적 함수비와 유전율상수의 관계[Table 3] Relationship between volumetric water content and dielectric constant measured by 1-wire probes with different rod lengths

Figure 112005032300018-pat00023
Figure 112005032300018-pat00023

이러한 현상은, 측정 프로브의 길이, 즉 측정 로드부의 길이가 짧을수록 유전율상수 측정치는 다소 감소함으로써 입사파가 다공질 매질 내로 방출된 후 측정 프로브 주변에서 반사되어 되돌아온 반사파의 주시 시간의 차이에 의한 것으로 판단된다. This phenomenon is judged to be due to the difference in the gaze time of the reflected wave reflected back around the measuring probe after the incident wave is released into the porous medium as the length of the measuring probe, i.e., the length of the measuring rod is shortened. do.

또한, 높은 체적함수비를 가진 토양 시료의 경우, 이와 접촉하는 각 측정 로드부의 접촉 면적이 넓어질수록 유전율상수는 커진다. In addition, in the case of soil samples having a high volumetric ratio, the dielectric constant is larger as the contact area of each measuring rod portion in contact therewith becomes larger.

이는 토양 입자와 물의 유전율상수 비교를 통하여 알 수 있듯이, 체적함수비가 높은 토양 시료에 있어서의 유전율상수는 체적함수비의 영향을 가장 크게 받기 때문이다.This is because the dielectric constant of soil samples with a high volume function ratio is most affected by the volume function ratio, as can be seen from the comparison of the dielectric constant of soil particles and water.

이상과 같이, 상기 1 선식 측정 프로브 및 이를 포함하여 구성된 FDR 측정 장치의 측정 정확도 등을 시험한 결과, 다공질 매질로서의 시료 토양 내 반사파 분석을 통하여 얻어진 유전율상수로부터 당해 매질의 체적함수비를 정량적으로 측정 가능할 뿐 아니라, 측정 프로브 길이에 따른 측정치 분포 또한 비교적 양호함을 확인할 수 있었다. As described above, as a result of testing the measurement accuracy of the one-wire measuring probe and the FDR measuring apparatus including the same, it is possible to quantitatively measure the volume function ratio of the medium from the permittivity constant obtained through the reflection wave analysis in the sample soil as the porous medium. In addition, it was confirmed that the measurement distribution according to the measurement probe length was also relatively good.

따라서, 다양한 지반 조건에 적합한 길이를 갖는 본 발명 실시예의 측정 프로브 및 이를 포함하는 상기 FDR 측정 장치를 사용함으로써, 측정 대상 지반의 유전율상수, 체적함수비 및 기타 다양한 물성치를 파악할 수 있다.Therefore, by using the measuring probe of the embodiment of the present invention having a length suitable for various ground conditions and the FDR measuring apparatus including the same, it is possible to grasp the dielectric constant, volume function ratio and various other physical properties of the ground to be measured.

Ⅲ. 유전율 혼합 모델III. Permittivity mixing model

앞서 언급한 바 있듯이, 본 발명 실시예에 따른 유전율상수 측정 프로브, 즉 상기 1 선식 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치에 의하여 측정된 유전율상수로부터 공극률 및 유효공극률을 산출해 내는 혼합 모델에 관하여 설명하면 다음과 같다.As mentioned above, the dielectric constant measuring probe according to an embodiment of the present invention, that is, a mixed model for calculating the porosity and the effective porosity from the dielectric constant constant measured by the one-wire measuring probe and the measuring apparatus including the same will be described. As follows.

본 발명에서 유전율 혼합 모델이라 하는 것은, 지반을 구성하고 있는 각 매질들의 유전율상수를 조합하여 하나의 수식에 넣어 상호 반응시킴으로써 포화 상태 또는 불포화 상태의 지반 매질의 공극률 내지 유효공극률을 측정해 낼 수 있는 모델이다. In the present invention, the dielectric constant mixing model is capable of measuring the porosity or effective porosity of the ground medium in a saturated or unsaturated state by combining the dielectric constants of the media constituting the ground and putting them together in a single equation. It is a model.

여기서, 포화 상태란 토양 입자와 이들 사이의 공극 내에 물이 가득 차 있는 경우이며, 불포화 상태란 토양 입자와 이들 사이의 공극 내에 물과 공기가 함께 존재하는 경우이다. Here, the saturation state is a case where water is filled in the soil particles and the pores therebetween, and the unsaturated state is a case where water and air exist together in the soil particles and the pores therebetween.

즉, 본 발명의 유전율 혼합 모델에 따르면, 토양 입자, 공기 및 물이 갖는 각각의 기본 유전율상수와, 상기 본 발명 실시예의 1 선식 측정 프로브 및 이를 포함하여 구성된 FDR 측정 장치에 의하여 측정된 유전율상수 사이의 상호 관계로부터 특정 지반의 공극률 및 유효공극률을 측정, 즉 산출해 낼 수 있다. That is, according to the dielectric constant mixing model of the present invention, between the basic dielectric constant constant of the soil particles, air and water, and the dielectric constant constant measured by the one-wire measurement probe of the embodiment of the present invention and the FDR measuring apparatus configured to include the same The porosity and effective porosity of a particular ground can be measured, or calculated, from the interrelationship of.

이하, 포화 상태와 불포화 상태를 구분하여 각각에 대한 유전율 혼합 모델을 설명한다. (도 3 참조) Hereinafter, the dielectric constant mixing model for each of the saturated and unsaturated states will be described. (See Figure 3)

도3(a) 및 3(b)는 다공질 매질의 내부 구조 및 매질 내 물질 이동 경로를 나타낸다. 3 (a) and 3 (b) show the internal structure of the porous medium and the path of mass movement in the medium.

한편, 두 종류의 토양에 대한 공극률과 유효공극률을 측정하기 위하여, 직경 5 cm, 높이 7 cm의 원통형 아크릴로 제작된 칼럼 상단부에 본 발명 실시예의 상기 유전율상수 측정 프로브를 설치하였다. On the other hand, in order to measure the porosity and the effective porosity for two types of soil, the dielectric constant measuring probe of the embodiment of the present invention was installed at the column top made of cylindrical acrylic having a diameter of 5 cm and a height of 7 cm.

1) 포화 상태에서의 유전율 혼합 모델1) Mixed Model of Permittivity at Saturation

완전 포화 상태의 토양 시료를 제작하기 위하여, 이산화탄소가스(CO2 gas)와 증류수(distilled water)를 사용하여 각각의 초기 공극률 0.35, 0.40 그리고 0.45 에 대한 토양 칼럼을 제작하였다. To prepare soil samples in full saturation, soil columns were prepared for each of the initial porosities 0.35, 0.40 and 0.45 using carbon dioxide gas (CO 2 gas) and distilled water.

한편, 상기 토양 칼럼의 포화도는 백프레셔(back pressure) 측정법으로 측정하였다. On the other hand, the saturation of the soil column was measured by the back pressure (back pressure) method.

주입물질인 에탄올은 토양 칼럼 하단부로부터 주입되어 상단부에 설치된 유출밸브를 통하여 유출되도록 하였다. Ethanol, which is injected, was injected from the bottom of the soil column and flowed out through an outlet valve installed at the top.

이렇게 주입된 에탄올은 포화된 토양 내부로 지속적으로 침투 이동하여 공극 내의 물과 치환되며, 그에 따라서, 토양 칼럼에 있어 유전율상수의 변화가 발생한다. The ethanol thus injected continuously penetrates into the saturated soil and is replaced with water in the pores, thus causing a change in the dielectric constant in the soil column.

이 때, 토양 칼럼 상단부로부터 3.5 cm 깊이를 유지하며 수직으로 삽설된 측정 프로브 상의 측정 로드부에서, 에탄올 주입에 따른 포화 상태 토양의 유전율상수 변화를 일정시간 간격으로 측정하였다.At this time, the change in dielectric constant of the saturated soil according to ethanol injection was measured at regular intervals in the measurement rod on the measurement probe inserted vertically while maintaining a depth of 3.5 cm from the top of the soil column.

포화 매질의 공극률과 유효공극률을 측정하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 토양 칼럼에서 측정된 유전율상수의 변화로부터 다음과 같은 유전율 혼합 모델을 제안한다. In order to measure the porosity and the effective porosity of the saturation medium, in the present invention, the following dielectric constant mixing model is proposed from the change of the dielectric constant constant measured in the soil column.

포화 다공잘 매질인 경우에 있어서는, 토양 입자들(x) 사이의 공극(y) 내부가 물로 완전 포화되어 있다. In the case of saturated porous media, the interior of the pores y between the soil particles x is completely saturated with water.

또한, 액상의 주입물질(z)이 주입되면, 공극(y)이 상호 연결된 부분에서만 물질 이동이 이루어진다. In addition, when the liquid injection material (z) is injected, the material movement occurs only at the portions where the pores (y) are interconnected.

주입물질(z)로서의 상기 에탄올(ethanol)은 유전율상수 면에서 물과는 큰 차이를 나타낸다. The ethanol as the injected material (z) shows a large difference from water in terms of dielectric constant.

물의 유전율상수는 섭씨 20℃에서 약 80 정도인 반면 에탄올의 유전율상수는 동일한 온도에서 약 15 정도이므로, 물로 가득 차 있는 공극(y) 내로의 주입물질(z) 이동을 쉽게 파악할 수 있다.Since the dielectric constant of water is about 80 at 20 ° C. while the dielectric constant of ethanol is about 15 at the same temperature, the movement of the injected material (z) into the water-filled pores (y) can be easily identified.

한편, 일정한 공극률을 갖는 포화된 토양에 있어서의 체적함수비는 공극률과 동일한 의미를 갖는다. On the other hand, the volume function ratio in saturated soil having a constant porosity has the same meaning as the porosity.

이러한 포화된 다공질 매질의 구조를 유전율상수를 조합하면 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. When the structure of such a saturated porous medium is combined with the dielectric constant, it can be expressed as Equation (1) below.

즉, 공극(y)을 제외한 토양의 유전율상수는

Figure 112005032300018-pat00024
이며, 공극(y) 내에 존재하는 물의 유전율상수는
Figure 112005032300018-pat00025
으로 나타낼 수 있다. That is, the permittivity constant of the soil excluding the void (y) is
Figure 112005032300018-pat00024
The dielectric constant of water present in the void (y) is
Figure 112005032300018-pat00025
It can be represented as

이러한 유전율상수의 조합은 에탄올, 즉 주입물질(z) 주입 전의 포화된 토양 칼럼의 초기 유전율상수이다. This combination of permittivity constants is the initial permittivity constant of the saturated soil column prior to injection of ethanol, i.e.

그러므로, 식 (1)의 유전율 혼합 모델로부터 측정된 유전율상수만으로 포화 상태 토양의 공극률을 산출할 수 있다. Therefore, the porosity of the saturated soil can be calculated only by the permittivity constant measured from the permittivity mixing model of Equation (1).

뿐만 아니라, 포화된 토양 내부로 에탄올이 주입될 경우, 위의 세 가지 요소에다 주입물질인 에탄올에 대한 유전율상수를 혼합 적용하면 유효공극률의 측정도 가능할 것이다. In addition, when ethanol is injected into the saturated soil, the effective porosity may be measured by applying the dielectric constant for the injected ethanol to the above three factors.

다시 말하자면, 물로 포화된 토양의 연결된 공극을 통하여 에탄올이 침투 이동하기 때문에, 다수의 공극들이 상호 연결된 상태를 유효공극으로 고려할 수 있다. In other words, because ethanol penetrates through the connected pores of the soil saturated with water, it is possible to consider the state where the pores are interconnected as effective pores.

즉, 식 (2)에서와 같이, 토양에 대한 유전율상수는 변화가 없지만, 포화 상태 토양 내부로의 에탄올 주입으로 인하여 공극 내 물의 유전율상수는

Figure 112005032300018-pat00026
로 변하는 반면, 토양의 유효공극 내로의 침투로 인하여 에탄올의 유전율상수는
Figure 112005032300018-pat00027
로 된다.That is, as in Eq. (2), the permittivity constant for the soil does not change, but due to the injection of ethanol into the saturated soil, the permittivity constant of the water in the pores is
Figure 112005032300018-pat00026
On the other hand, due to the penetration of soil into the effective void, the dielectric constant of ethanol
Figure 112005032300018-pat00027
It becomes

Figure 112005032300018-pat00028
(1)
Figure 112005032300018-pat00028
(One)

Figure 112005032300018-pat00029
(2)
Figure 112005032300018-pat00029
(2)

위의 두 식을 아래와 같이 정리할 수 있다.The above two expressions can be summarized as follows.

Figure 112005032300018-pat00030
(3)
Figure 112005032300018-pat00030
(3)

Figure 112005032300018-pat00031
(4)
Figure 112005032300018-pat00031
(4)

여기서,

Figure 112005032300018-pat00032
,
Figure 112005032300018-pat00033
및
Figure 112005032300018-pat00034
은 각각 토양, 물 및 에탄올의 유전율상수이며,
Figure 112005032300018-pat00035
및
Figure 112005032300018-pat00036
은 포화 상태의 토양에 있어 측정된 초기 및 최종 유전율상수를 의미한다. here,
Figure 112005032300018-pat00032
,
Figure 112005032300018-pat00033
And
Figure 112005032300018-pat00034
Are the dielectric constants of soil, water and ethanol, respectively
Figure 112005032300018-pat00035
And
Figure 112005032300018-pat00036
Is the initial and final permittivity constants measured for saturated soils.

또한,

Figure 112005032300018-pat00037
및
Figure 112005032300018-pat00038
는 본 발명에 따른 유전율 혼합 모델을 적용하여 산출한 공극률 및 유효공극률이다. Also,
Figure 112005032300018-pat00037
And
Figure 112005032300018-pat00038
Is the porosity and the effective porosity calculated by applying the dielectric constant mixing model according to the present invention.

한편, 상기 식 (3) 및 (4)는 주입물질로서 에탄올을 예로 한 경우이므로, 다른 종류의 특정 액상 물질이 다량 함유된 경우에 있어 공극률 및 유효공극률을 측정하고자 하면, 상기

Figure 112005032300018-pat00039
을 그 특정 물질의 유전율상수로 대체하면 된다. On the other hand, since the formula (3) and (4) is the case of using ethanol as an injection material, if you want to measure the porosity and the effective porosity when a large amount of other specific liquid material is contained,
Figure 112005032300018-pat00039
Is replaced by the dielectric constant of the specific material.

이러한 관점에서, 불특정 액상 물질을 의미하게 될 청구항 2 에 있어서의

Figure 112005032300018-pat00040
은 일반적 주입물질의 유전율상수를 의미하는 것임을 미리 밝혀둔다. From this point of view, according to claim 2, which will mean an unspecified liquid substance.
Figure 112005032300018-pat00040
It is noted that denotes the dielectric constant of the general injection material.

2) 불포화 상태에서의 유전율 혼합 모델2) Mixed Model of Permittivity in Unsaturated State

역시 도 3(a) 및 3(b)를 참조하면, 상기 포화 상태 토양의 경우 토양 입자(x) 사이의 공극(y)에 물이 가득 찬 반면, 불포화 상태 토양의 경우 물 이외에 공기가 포함되어 있다.3 (a) and 3 (b), the saturated soils are filled with water in the pores y between the soil particles x, whereas the unsaturated soils contain air other than water. have.

불포화 상태 토양에 있어 유전율상수의 측정은 다공질 매질 내에 삽설된 측정 프로브 주위로부터 액체 상태의 물과 에탄올을 각각 주입함으로써 이루어진다.In unsaturated soils, the determination of the dielectric constant is achieved by injecting liquid water and ethanol, respectively, from around the measuring probe inserted in the porous medium.

상기 포화 상태의 경우와 같이, 이들 주입물질(z)은 불포화 다공질 매질 내 상호 연결된 공극(y)을 통하여 이동하기 때문에, 간단하게 유전율상수의 변화를 측정할 수 있다. As in the case of the saturation state, since these injection materials z move through interconnected pores y in an unsaturated porous medium, it is possible to simply measure the change in permittivity constant.

앞서 언급한 바와 같이, 불포화 상태 토양인 경우에 있어 액상 주입물질(z), 즉 물과 에탄올의 이동은 공극들(y)을 통하여 이루어지며, 이러한 공극들(y)의 연결 상태를 유효공극률로 나타낼 수 있다.As mentioned above, in the case of unsaturated soils, the movement of the liquid injection material (z), i.e., water and ethanol, is carried out through the pores (y), and the connection state of these pores (y) is determined as the effective porosity Can be represented.

유전율 혼합 모델에 따르면, 다공질 매질을 구성하고 있는 각각의 기본 유전율상수로부터 다음 식 (5)가 유도된다.

Figure 112005032300018-pat00041
(5)According to the dielectric constant mixing model, the following equation (5) is derived from each of the basic dielectric constants constituting the porous medium.
Figure 112005032300018-pat00041
(5)

여기서,

Figure 112005032300018-pat00042
,
Figure 112005032300018-pat00043
및
Figure 112005032300018-pat00044
는 각각 공극률, 물이 분포하고 있는 공극률, 그리고 공기가 분포하고 있는 공극률이다. here,
Figure 112005032300018-pat00042
,
Figure 112005032300018-pat00043
And
Figure 112005032300018-pat00044
Are porosity, porosity in which water is distributed, and porosity in which air is distributed, respectively.

또한,

Figure 112005032300018-pat00045
,
Figure 112005032300018-pat00046
,
Figure 112005032300018-pat00047
및
Figure 112005032300018-pat00048
는 초기에 측정된 유전율상수, 물, 공기 및 토양 입자의 유전율상수들을 의미한다.Also,
Figure 112005032300018-pat00045
,
Figure 112005032300018-pat00046
,
Figure 112005032300018-pat00047
And
Figure 112005032300018-pat00048
Refers to the dielectric constants measured initially, and the dielectric constants of water, air, and soil particles.

불포화 다공질 매질의 유효공극률을 측정하기 위하여 물 및 에탄올을 주입함으로 인한 유전율상수의 변화는 아래와 같이 나타낼 수 있다. In order to measure the effective porosity of the unsaturated porous medium, the change of the dielectric constant due to the injection of water and ethanol can be expressed as follows.

우선, 물의 주입에 따른 다공질 매질 내에서의 유전율상수 변화는 공극률 및 유효공극률의 관계로부터 다음 식 6)과 같이 유도된다. First, the change in permittivity constant in the porous medium following the injection of water is derived from the relationship between the porosity and the effective porosity as shown in Equation 6).

Figure 112005032300018-pat00049
(6)
Figure 112005032300018-pat00049
(6)

그리고, 에탄올 주입에 따른 유전율상수 변화는 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the change in dielectric constant due to ethanol injection can be expressed as shown in Equation (7).

Figure 112005032300018-pat00050
(7)
Figure 112005032300018-pat00050
(7)

이상과 같이, 불포화 상태 토양 칼럼 내에 있어서, 두 종류의 주입물질(z), 즉 물과 에탄올을 주입함으로 인한 초기 및 최종 유전율상수의 변화는 식 (6)과 (7)로부터 충분히 확인할 수 있다. As described above, in the unsaturated soil column, the initial and final dielectric constant constants due to the injection of two kinds of injected material (z), namely, water and ethanol, can be sufficiently confirmed from Equations (6) and (7).

여기서,

Figure 112006067835414-pat00051
와
Figure 112006067835414-pat00052
는 물과 에탄올을 각각 주입하였을 때 상기 FDR 측정 장치에 의하여 측정된 최종 유전율상수이며,
Figure 112006067835414-pat00053
과
Figure 112006067835414-pat00054
는 물 또는 에탄올 주입에 따른 불포화 토양 내부에서의 유효공극률의 변화이다. here,
Figure 112006067835414-pat00051
Wow
Figure 112006067835414-pat00052
Is the final dielectric constant measured by the FDR measuring device when water and ethanol are respectively injected,
Figure 112006067835414-pat00053
and
Figure 112006067835414-pat00054
Is the change in effective porosity in unsaturated soils following water or ethanol injection.

또한,

Figure 112005032300018-pat00055
는 토양 입자들(x) 사이에 존재하는 공극(y) 내에서 실질적으로 주입물질(z)이 이동하는 유효공극을 의미하므로, 이를 유효공극률로 나타낼 수 있다.Also,
Figure 112005032300018-pat00055
Denotes an effective pore in which the injection material z substantially moves in the pore y existing between the soil particles x, and thus may be expressed as an effective porosity.

Figure 112005032300018-pat00056
(8)
Figure 112005032300018-pat00056
(8)

Figure 112005032300018-pat00057
(9)
Figure 112005032300018-pat00057
(9)

이들 유도된 식 (5), (6), (7)을 식 (8)과 (9)의 관계로 정리하면, 다음 식(9) 및 (10)과 같이, 최종적으로 불포화 토양에 대한 유효공극률의 관계를 얻을 수 있다.When these derived equations (5), (6), and (7) are summarized in the relation of equations (8) and (9), the effective porosity for the unsaturated soil is finally obtained as shown in the following equations (9) and (10). Relationship can be obtained.

Figure 112005032300018-pat00058
(10)
Figure 112005032300018-pat00059
(11)
Figure 112005032300018-pat00058
10
Figure 112005032300018-pat00059
(11)

불포화 토양 매질에 대한 유전율상수 관계로부터 유도된 상기 유효공극률 관계식에 따르면, 결과적으로, 순수한 물과 에탄올의 유전율상수와, 이들을 주입한 후 측정된 최종 유전율상수로부터 유효공극률 산출이 가능함을 보여주고 있다.The effective porosity relation derived from the dielectric constant constant for the unsaturated soil medium shows that the effective porosity can be calculated from the dielectric constants of pure water and ethanol and the final dielectric constant measured after injecting them.

상기와 같이, 본 발명에 따르면, 간편하면서도 정확하게 유전율상수를 측정할 수 있는 측정 프로브 및 이를 포함하여 구성된 유전율 측정 장치를 얻을 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a measuring probe capable of measuring the permittivity constant simply and accurately, and a dielectric constant measuring device including the same.

또한, 다양한 성분을 포함하는 다공질 매질에 있어서의 유전율 혼합 모델을 정립함으로써, 본 발명에 따른 유전율 측정 프로브로서의 1 선식 측정 프로브 및 이를 포함하여 구성된 유전율 측정 장치를 이용하여 지반의 공극률 및 유효공극률을 산출해 낼 수 있다. In addition, by establishing a dielectric constant mixing model in a porous medium containing various components, the porosity and the effective porosity of the ground is calculated by using a one-wire measuring probe as a dielectric constant probe according to the present invention and a dielectric constant measuring device comprising the same I can do it.

유전율상수 관련 기타 물성치 사이의 상관관계에 관한 연구가 지속되고 있는 점을 고려할 때, 본 발명에 따른 간편한 구조의 유전율 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치는 지반환경 분야에서 날로 그 중요도를 더해갈 것으로 생각된다. Given the continuing research on the correlation between the dielectric constants and other physical properties, the simple structure of the dielectric constant probe and the measuring device including the same are expected to add importance in the field of soil environment. do.

Claims (6)

삭제delete 삭제delete 방향성 결합기와 연결된 동축 케이블을 감싸며, 측정 대상 매질 내에서의 원활한 반사파 전달을 위하여 절연물질로 제작된 결합부(13-1)와; 이 결합부(13-1)에 그 일측단이 고정된 형상의 통체로서의 측정 상단부(13-2-1), 및 상기 동축케이블로부터 연장되어 측정 상단부(13-2-1) 내 중공부를 벗어나 돌출된 측정 로드부(13-2-2)를 포함하는 측정부(13-2)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유전율상수 측정 프로브(13).A coupling part 13-1 wrapped around the coaxial cable connected to the directional coupler and made of an insulating material for smooth reflection of the reflected wave in the measurement target medium; Measurement upper end portion 13-2-1 as a cylinder having a shape where one end is fixed to the engaging portion 13-1, and extends from the coaxial cable to protrude beyond the hollow portion in the measurement upper end portion 13-2-1. A dielectric constant measuring probe (13), characterized in that it comprises a measuring part (13-2) including a measuring rod part (13-2-2). 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 측정 프로브(13) 상의 측정부(13-2)는 구리 금속물질로 제작된 것을 특징으로 하는 유전율상수 측정 프로브(13). Dielectric constant measurement probe (13), characterized in that the measuring unit (13-2) on the measuring probe (13) is made of a copper metal material. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 측정 상단부(13-2-1)와 측정 로드부(13-2-2) 사이는 절연물질로 완전 밀봉된 것을 특징으로 하는 유전율상수 측정 프로브(13). The dielectric constant measuring probe (13), characterized in that between the measuring upper end (13-2-1) and the measuring rod (13-2-2) is completely sealed with an insulating material. 적정 주파수의 전자파를 발생시키는 발신기(11)와; 이 발신기(11)로부터 발생된 전자파를 측정 프로브(13)로 내보내는 동시에, 이 측정 프로브(13)로부터 측정 대상 지반 내 반사파를 받아들이는 방향성 결합기(12)와; 지반 내에 삽설된 상태로서, 상기 발신기(11)로부터 나와 방향성 결합기(12)를 거쳐 수신되는 전자파를 지반 내부로 보내 그 변화 양상을 측정하는 상기 측정 프로브(13)와; 측정 프로브 입력단과 측정 프로브 끝부분까지의 반사파를 상기 방향성 결합기(12)로부터 받아 측정 주파수 영역에서의 주파수 곡선으로 나타내는 스펙트럼 분석기(14)와; 상기 주파수 곡선에 의거하여 측정 대상 지반의 유전율상수를 산출해 내는 데이터 로거(15)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 FDR 측정 장치(10). A transmitter 11 for generating electromagnetic waves of an appropriate frequency; A directional coupler 12 which sends out electromagnetic waves generated from the transmitter 11 to the measurement probe 13 and receives reflected waves in the ground to be measured from the measurement probe 13; A measurement probe (13) which is inserted into the ground and sends electromagnetic waves received from the transmitter (11) through the directional coupler (12) into the ground and measures the change pattern thereof; A spectrum analyzer (14) which receives the reflected wave from the directional coupler (12) to the measurement probe input end and the tip of the measurement probe as a frequency curve in the measurement frequency domain; And a data logger (15) for calculating a dielectric constant of the ground to be measured based on the frequency curve.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
journal of engineering geology 13(4) *
journal of engineering geology 14(2) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101144386B1 (en) 2010-06-04 2012-05-10 한국도로공사 Evalution system by using non-contact electromagnetic wave for percentage of voids of asphalt and method thereof
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