KR20020059153A - 지하수 수위·수질 자동관측기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지하수의 수위와 수질을 정확도 높게 자동으로 관측할 수 있고, 저가 보급이 가능한 지하수위, 수질 자동관측기를 제공하기 위한 것으로서, 단일 센서 케이블의 하단에 전기전도도 센서를 연결하고, 전기전도도 밑에는 커넥터로 수위센서를 연결한 것을 특징으로 한다.
상기 전기전도도 센서는 온도센서를 포함하고 있어 두 항목을 하나의 기판으로 담은 회로기판 및 측정범위 0∼10,000μS/cm와 -5∼50℃의 조건을 만족시키고, 상기 수위센서는 직경 25mm 커넥터를 포함한 길이 145mm 측정범위 0∼100m 정밀도 ±4cm이며, 센서 케이블은 경량이면서 고장력 케이블이고, 상기 지하수 수위, 수질 자동관측기는 노이즈 제거회로가 장착되고 보호막으로 압력센서가 보호되며 수압 10기압에도 견딜 수 있도록 고무링과 실리콘 수지로 완벽하게 방수처리되며, ANSI C언어로 작성된 운영프로그램을 가진 데이터 로거에 의해 관측하도록 되어 있다.

Description

지하수 수위·수질 자동관측기{Ground water level quality monitor}
본 발명은 지하수의 수위와 수질을 정확도 높게 자동으로 관측할 수 있고, 저가 보급이 가능한 지하수위·수질 자동관측기에 관한 것이다.
지하수 관측기 3개 항목 중 가장 중요한 측정항목은 지하수 수위이다. 이는 측정결과의 활용이나 분석면에서 다양한 정보를 제공하기 때문이다. 지하수위변화 측정을 위한 센서로는 전기용량식, 기포식, 압력식 등 다양하다. 국내에서 사용되고 있는 수위센서는 설치와 사용이 간편한 압력식 센서가 대부분이다.
도 1에서, 전기용량식 수위계는 수심에 따라 쌍도선(1,2)의 상단부는 공기 중에 있고 하부는 수중에 배치되어 있는데, 물의 전기 유도도가 공기의 유도도보다 휠씬 크기 때문에 전기적 용량은 물에 잠긴 쌍도선(1,2)의 수중 길이(h)에 비례한다. 따라서 전기용량과 수중 길이(h)간의 특성을 교정한 후 전기용량을 측정하여 수심으로 환산한다.
물의 전기 유도도, 전도도는 물의 특성, 즉 물의 물리성과 화학성에 따라 변한다. 물의 성분과 온도는 수시로 변하기 때문에 전기저항을 정밀하게 측정하더라도 오차는 발생한다. 또, 전기저항의 변화가 매우 작기 때문에 직류성분의 전기신호를 증폭, 가공하는 과정에서 노이즈가 들어가기 쉽고, 전자회로도 복잡하기 때문에 실제 노천에서 사용하기는 많은 어려움이 따른다.
도 2에서, 기포식 수위계는 수심에 따라 수압 측정관(3)을 설치하면 파이프에도 물이 채워지고, 수면의 위치는 모세관현상을 무시하면 외부수면 위치 H와 동일해진다. 이때 파이프 하단에서의 압력은 다음과 같이 된다.
P = ρH
(P : 수압, ρ: 물의 밀도, H : 관의 말단에서 수면까지의 높이)
만약, 수압 측정관(3)의 상단에 압력계를 설치하고 수압보다 약간 큰 압력의 압축공기를 공급하면 수압 측정관(3)에 채워졌던 물이 관의 하단을 통해 밀려나가고 기포가 나오기 시작한다. 이때, 수압 측정관의 압력은 수압과 동일해진 것으로 볼 수 있으므로 압력계로 측정한 P로 수위 H를 계산할 수가 있다.
이러한 기포식 수위계의 장점은 수압 측정관을 기울이거나 임의로 휘어지게설치해도 수압측정에는 하등 영향을 받지 않는다. 수압 측정관으로는 폴리우레탄 튜브 등 어떤 종류의 관도 사용할 수 있으므로 수압 측정관의 설치비가 대폭 절감되며, 수압 측정관의 보수도 필요하지 않다.
기포식 수위계는 튜브 내의 공기를 불어내야 하므로 소형공압기 혹은 질소와 같은 압축공기 탱크도 필요하다. 소형 공기압축기는 측정 수심범위가 작을 경우(10∼20m) 배터리로도 가동할 수 있으나 100m 정도의 깊은 수위측정은 AC전원 또는 대용량 배터리를 필요로 하는 단점이 있어 20m 이하 수위측정용으로만 사용되고 있다.
기포식 수위센서가 압력식 수위센서보다도 먼저 개발되어 활용되긴 했어도 스트레인 게이지가 온도변화에 따라 특성이 심하게 변하는 단점이 있어 지상에 설치되는 기포식 수위계는 겨울철과 여름철의 기온변화에 오차가 크다. 그래서 결국은 지하수의 수온이 거의 일정하다는 가정하에 압력식 수위계가 선호되게 된 것이다.
도 3에서, 압력식 수위계는 정밀도가 양호하고 직선성 출력을 가진 압력센서(4)를 사용하므로 설정의 용이성이나 설정오차가 적은 것이 장점이다.
그림에서 보듯이, 수압측정원리를 이용하여 압력센서(4)를 수중에 고정설치하고 이 압력센서(4)에 전원을 공급하며, 센서출력신호를 전달하는 케이블선을 이용하여 계측기측에 연결한 것이다. 압력센서(4)에 가해지는 압력은 수압 ρH와 물의 표면에 작용하고 있는 대기압 Pa의 합이다.
P=ρH + Pa
H=(P-Pa)/ρ
(P : 수압, Pa : 대기압)
압력식 수위센서는 다른 수위센서보다 설치가 용이하고 측정범위가 넓은 장점을 가지고 있다. 그러나 년중 적어도 1회는 특성검사를 해야 하는데, 수중에 설치된 압력센서를 대기압에서 측정범위까지 검사한 다음 다시 원위치시켜야 하는 점에서 유지관리가 까다롭다.
또, 대기압을 보상하기 위하여 케이블 내에 튜브가 삽입된 특수 케이블을 사용해야 한다. 이 케이블은 고가품이다. 때문에 초기 설치비용이 과다하다. 그리고 설치 중 또는 외부의 충격으로 인하여 손상된 경우 케이블은 절단하지 못하고 전체를 교체해야 하는 단점도 있다.
그 밖에, 플로트식은 수면의 변화에 따라 동작하는 플로트의 움직임을 포착하는 방식의 수위계로서, 플로트의 움직임을 전기신호로 변화하는 방식이다. 또, 초음파식은 액면에 초음파를 방사하여 송신측으로부터 액면에서 반사한 에코가 수신되기까지의 시간 간격을 수심으로 변환하는 방식이다.
표 1. 수위측정방식별 비교표(1)
센서의형태 용도 측정범위(m) 측정원리 가격(백만원) 측정의정확도
압력식 장기 관측 0∼100 수면과 기준면의 수압을 압력계로 측정 3∼10 모델별차이 발생±0.5%
양수 시험 0∼100 7∼10 정확함±0.1% 이하
기포식 장기 관측 0∼50 압축기체를 불어 넣어 압측정을 수위로 환산 7∼10 비교적정확함±0.1% 이하
장력식 장기 관측 0∼20 부력에 의한 질량변화를 수위로 환산 2∼4 비교적정확함±0.1% 이하
음파식 장기 관측 0∼20 음파로 기준점부터 수면까지 거리 측정 2∼4 비교적정확함±0.01% 이하
플로트식 장기 관측 0∼10 수면에 플로트를 띄워서 수면의 변화 측정 0.8 정확함±1%
표 2. 수위측정방식별 비교표(2)
센서형태 용도별 단점 구입시착안점 기타
압력식 장기 관측 고가, 가격별로 정확도에 차이가 있음 기압변화에 대한 보정기능 소형 배터리로 작동가능
양수 시험 고가, 정확함
기포식 장기 관측 급격한 수위변화의 측정 불가능 설치장소에 따른 기포발생방법 기포발생을 위한 가스통이 필요
장력식 장기 관측 측정범위가 적음 소형 배터리로 장기간 사용
음파식 장기 관측 측정범위가 적음 측정범위가 적어 수문측정용으로 적합
플로트식 장기 관측 측정심도가 작음 1.5V 건전지로 1달 사용가능
센서는 두 가지 유형이 있다. 모든 측정센서가 하나의 프로브에 장착된 일체형과 하나의 측정센서가 하나의 프로브에 장착되어 측정항목수만큼 프로브가 요구되는 분리형이다.
지하수 관측기기 분야의 초기에는 분리형 관측기로 현장에 대한 지하수를 관측할 때 측정하고자 하는 모든 항목의 측정기를 지녀야 했다. 이런 불편을 해소하기 위하여 여러 개의 측정센서를 하나의 프로브에 장착함으로서 아무런 저장장치없이 측정자료를 현장에서 기록해야 했는데, 현재는 자료 저장기능을 가진 프로브가 보급되어 현장 측정자료를 별도로 기록하지 않아도 자료를 자동 저장할 수 있고 이것을 컴퓨터로 전송하여 자료분석이 가능하도록까지 발전을 거듭했다. 일체형과 분리형의 장단점을 비교하면 표 2와 같다.
표 2. 일체형 센서와 분리형 센서의 비교표
구분 장점 단점
일체형 *유지관리가 경제적임.*센서고장시 개별 분리교체가능.*센서와 자료처리장치까지 하나의 케이블만 필요하므로 설치가 간단하고 사용이 간편함.*대부분 RS232C 출력방식이므로 자료처리장치까지 노이즈없이 정확한 자료 취득 가능.* 가격 저렴. *일부센서 교시 전 센서인양.*교체시간동안 측정자료 이용하지 못함.*센서 전체를 교체하는 경우가 많아 유지, 보수비용이 과다함.
분리형 *보다 진보된 형태.*단일 케이블 사용, 관리편리.*설치작업이 간단.*고장난 센서만 교체 가능.*유지보수 비용이 적음. *센서 종류별 케이블 별도필요.*관정에서 자료처리장치까지 센서수 만큼 케이블로 연결되어 있으므로 설치가 복잡하고 사용이 불편함(다중 케이블).*고가.
위 표에서, 일체형은 분리형에 비해 진보된 것으로, 고장이나 센서교체 등을 위한 센서 인양시 구센서의 인양이 불가피하므로 인양하는 동안 측정이 불가능하며 자료를 취득할 수 없고 자료의 누락이 발생할 수 있는 것이 단점이다.
분리형도 여러 가닥의 케이블이 설치되어야 하므로 고심도 설치시 케이블의 꼬임을 방지하기 위하여 케이블을 합쳐 중간을 묶어서 내려야 한다. 따라서 분리형일지라도 센서의 보수나 유지관리를 위한 구센서를 모두 인양해야 하는 것은 마찬가지다.
이런 면에서, 관측정 내에 여러 개의 센서가 설치되고 여러 가닥의 케이블이 설치되는 분리형에 비해 일체형이 관리면에서 효율적이고, 센서 종류별로 케이블을설치하는 번거로움을 방지할 수 있으며, 유지관리 면에서도 편리하여 일체형 센서가 보다 적합할 것으로 판단된다.
지하수 자동관측기 센서의 유형을 조사한 결과, 일체형과 분리형은 각각 장단점을 가지고 있기 때문에 사용목적, 현장여건 및 수질 등을 고려하여 신중히 선택해야 한다. 예를 들면, 장기 관측망으로 사용하고자 할 경우 사후관리면을 고려하면 일체형이 유리하다. 양수시험 및 지하수 개발과정에서는 지하수 수위가 일차적으로 중요하기 때문에 수위만 정확히 측정해야 한다. 이 경우 모든 센서가 부착되어 있는 일체형보다 수위만을 측정할 수 있는 분리형이 현장에서 사용자 측면에서는 유리하다.
분리형보다 일체형을 선호하는 이유는 센서외형에서 일체형이 분리형보다 가격면에서 저렴하다는 것이다. 가격차의 주된 이유는 케이블 비용이다. 센서의 정밀도와 정확도, 자료처리장치의 능력에 따라 다소 차이는 있지만 관측기 케이블의 길이가 길수록, 센서종류별 케이블을 별도로 구입할 경우 비용차가 커진다.
이런 점에서 가격을 고려하면 일체형이 분리형보다 훨씬 유리하다. 유지관리 측면만 고려할 때는 분리형이 더 경제적이다. 장기관측망, 지하수 관측망 해수침투조사용 지하수 관측기는 모두 일체형이다. 그러나 기존 관측망에 설치되어 있는 관측기의 수리 및 교체 횟수가 수 십회 이상 되는 것도 있다. 이러한 유지보수빈도를 고려할 때 일체형이 분리형보다 반드시 유리하다고는 볼 수 없다. 장기간 사용하는 관측망을 고려하면 오히려 분리형이 유리할 수도 있다.
이와 같이 일체형과 분리형이 장단점을 가지고 있으므로 두 형태의 장점만살릴 수 있는 수위계를 개발할 필요성이 대두되었다.
본 발명은 지하수 수위·수질의 계측 정확도 향상과 저가 보급이 가능한 지하수위 자동관측기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단일 센서 케이블의 하단에 전기전도도 센서를 연결하고, 전기전도도 밑에는 커넥터로 수위센서를 연결한 지하수 수위·수질 자동관측기를 제공한다.
상기 전기전도도 센서는 온도보상회로와, 두 항목을 하나의 기판으로 담은 회로기판과, 측정범위 0∼10,000μS/cm와 -5∼50℃의 조건을 만족시킨다.
또, 상기 수위센서는 직경 25mm, 커넥터를 포함한 길이 145mm, 측정범위 0∼100m, 정밀도 ±4cm이다
또한 센서 케이블은 경량이면서 고장력 케이블이며, 상기 지하수질 자동관측기는 노이즈 제거회로가 장착되고 보호막으로 압력센서가 보호되며, 수압 10기압에도 견딜 수 있도록 고무링과 실리콘 수지로 완벽하게 방수처리되었으며, ANSI C언어로 작성된 운영프로그램을 가진 데이터 로거에 의해 관측하게 된다.
도 1은 전기 용량식 수위계의 개념도
도 2는 기포식 수위계의 개념도
도 3은 압력식 수위계의 개념도
도 4는 본 발명에 의한 지하수위·수질 자동관측기의 구성도
도 5는 1차 수위센서의 구성도
도 6은 수위센서에 사용된 압력센서의 구조도
도 7은 2차 수위센서의 구성도
도 8은 동 회로도
도 9는 ADC에 접속하기 위한 전류-전압신호변환회로도
도 10은 센서신호처리순서도
도 11은 모터에 의한 수위센서의 노이즈도
도 12는 노이즈 제거회로도
도 13은 수위센서의 표정곡선도
도 14는 전기전도도센서의 회로도
도 15는 전기전도도센서의 표정곡선도
도 16은 데이터 로거의 전원제어도
도 17은 데이터 로거의 소비전력변화 그래프
도 18은 센서출력신호(mA)에 대한 디지털값 그래프
도 19는 데이터 로거의 키 배치도
도 20은 본 발명의 지하수 자동관측기로 측정한 지하수 관정의 수위변화를 나타낸 그래프
도 21은 동 전기전도로 변화 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수위센서12 : 전기전도도 센서
20 : 1차 수위센서 21,31 : 압력센서
22,32 : 회로기판23,33 : 보호막
30 : 2차 수위센서
본 발명의 기술적 구성의 특징은 하나의 케이블을 두 가지 이상의 센서가 공용토록 구성한 지하수질 자동관측기를 제공한다.
즉, 도 4A에서 보듯이, 수위센서(10)와 전기전도도 센서(12)를 직렬로 연결하여 단일 케이블(14)을 공용하도록 구성한 일종의 일체형 수위계이다. 이 혼합형수위계는 장기 관측망이나 해수 침투용으로 적합하다.
도 4B는 전기전도도 센서(12)만 연결한 경우이고, 도 4C는 수위센서(10)만 연결한 형태이다. 이들은 분리형이다. 양수시험용 또는 지하수 관정을 개발할 때는 도 5B와 같이 수위센서(10)만 연결하고, 전기 전도도만 측정할 경우에는 도 5A와 같이 전기전도도 센서(12)만 연결한다.
가장 보편적인 형태는 압력식이다. 실제로 장기관측망으로 사용할 때는 6개월에 1회 정도 교정하면서 사용할 경우 상당히 정확한 측정값을 얻을 수 있다. 장기관측망 또는 해수침투망에서는 수위변화가 10m 이하로 측정범위가 넓은 센서를 설치할 필요가 없다. 그러나 양수시험 또는 관정개발에 있어서는 순간 수위변화가 100m까지 변화가 있을 수가 있고, 심지어 1분 이내에 이런 변화가 일어나기도 한다. 따라서 측정범위가 넓고 반응속도가 빠른 압력식으로 하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 압력식 수위센서이다. 압력식 수위센서는 편리성, 용이성을 고려할 때 그 어떤 측정방식보다도 적합하지만 고가인 것이 흠이다. 따라서 본 발명은 압력식 수위센서로 하되 경제성을 고려하여 저가형으로 개조한 것이다.
1차 수위센서(20)는 혼합형으로 제작하기 전에 일단 분리형으로 제작하였다. 일종의 예비실험단계로서 연결부위가 수압에 의하여 누수여부 및 센서 출력의 정확도 등 혼합형 수위센서를 제작하기 전에 필요한 사항에 대하여 점검을 실시하였다. 즉, 도 5에서, 1차 수위센서(20)는 직경48mm, 길이 210mm로 설계, 제작하였다. 신호증폭용 회로기판(22)와 압력센서(21. 모델:L-100, 독일제)를 사용하여 측정범위0∼50m로 제작하였다.
도 6에서, 2차 수위센서(20)의 내부에는 스트레인 게이지로 구성된 브리지 회로가 내장되어 있다. 입력전압 DC 24V를 공급하고 수압에 의하여 스트레인 게이지의 저항변화로써 미세한 전압신호를 출력한다. 출력된 전압신호를 다시 4-20mA 전류신호로 변환한 후 데이터 로거내의 ADC에 접속하였다. 이와 같이 구성한 혼합형 수위센서를 지하수 관정에 수심 50m까지 내려서 출력전압을 측정하고, 그 표정곡선을 작성하였다.
1차 수위센서(20)는 수중펌프가 설치되어 있지 않은 나공에는 설치가능하지만 관측공의 최소구경 54mm(N규격)에는 설치가 불가능하다. 1차 수위센서(20)에서는 센서케이블용으로 직경10mm, 5가닥짜리 전선을 사용하였다. 총 20m 길이에 케이블 무게 3.8kg의 1차 수위센서(20)를 100m 기준으로 하면 케이블은 110m가 되어야 하므로 이때 센서케이블 무게는 약 21kg에 달한다. 만약 양수시험시 자연수위가 100m 인 경우 센서 무게 1.2kg과 케이블 무게 19kg으로 센서케이블이 늘어나는 현상이 나타날 것이다. 따라서 센서케이블이 늘어나는 현상을 방지하기 위해서는 센서와 케이블을 작게 그리고 가볍게 제작해야 한다.
1차 수위센서(20)에서 고무링과 실리콘 수지를 사용하여 완벽한 방수처리하였는데, 무게와 크기가 54mm 관정에 사용하기는 무리다. 따라서 2차 수위센서(30)는 최소 구경에 중량을 최대한 가볍게 제작하였다. 재질은 스테인레스(316L)를 사용하였다. 직경 25mm, 길이는 연결부를 포함하여 145mm로 하였다. 관측공의 최소구경 54mm에 설치가능하게 하였다.
1,2차 수위센서(20,30)를 설치할 때 수면에 바로 접하는 순간 수면의 이물질에 의하여 압력센서가 파괴될 수 있다. 1차 수위센서(20)는 도 7과 같이 측면으로 수압을 받게 하여 설치할 때 이물질에 의한 손상이 되지 않도록 하였다. 또, 압력센서용 보호막(23)을 센서와 분리가능하게 씌워서 센서의 세척을 손쉽게 하였다.
1차 수위센서(20)의 회로를 보완하여 2차 수위센서(30)의 회로를 도 8과 같이 설계하였다. 2차 수위센서(30)의 직경이 25mm이고 내경은 20mm에 불과하므로 센서회로기판은 20 ×28mm로 제작하고, 1차 수위센서(20)에서 사용한 동일한 압력센서(31. L-100, 독일제)를 사용하였다. 브리지회로로 구성된 압력센서의 4개 출력단자(센서 출력 +, 센서 출력 -, 센서 입력 +, 센서 입력 -)에서 나오는 신호를 가공, 처리하여 DC 12V에 4∼20mA를 출력할 수 있게 하였다. 이에 따라 센서케이블을 사용하여 수위센서에 연결하기 위해서는 2 라인만 필요하다. 센서로부터 출력되는 4∼20mA 전류신호를 도 9와 같이 저항 250Ω를 사용하여 1∼5V 신호로 변환한 후 ADC에 연결하였다.
브리지회로로 구성된 압력센서(31)에서 출력되는 신호는 도 10의 순서에 따라 필요한 신호로 가공 처리하였다. 출력신호를 처리하는 과정에서 센서 및 부품의 오차에 의하여 동일한 신호가 출력되지 않는다. 따라서 각 센서에 해당되는 표정곡선을 작성하기 전에 하드웨어적으로 측정범위 0∼100m에서 4∼20mA가 출력되도록 센서검정부터 실시해야 한다. 압축공기를 이용하여 강제적으로 주입하여 센서출력신호를 조절하였다. 이와 같이 하드웨어적으로 출력신호를 조절한 상태에서 실제 관정에 넣어 수위와 디지털값을 구하여 각 수위센서(20,30)에 대한 표정곡선을 작성하였다.
정확도는 계측기로부터 측정값이 얼마나 참값에 가까운가를 나타내는데 사용되는 용어이다. 계측기의 정확도는 다음 식으로 정의되는 오차의 백분율로서 측정값의 %오차이다.
정확도=(측정값-참값)/참값 × 100
예로써 100m까지 측정 가능한 수위센서의 정확도가 ±1% FS(full scale)라면 이 수위센서(20,30)로 측정한 수위와 실제 수위와의 차이는 향상 1m이내임을 의미한다.
정밀도는 동일한 조건에서 반복하여 얻은 측정값이 평균값에 얼마나 가까운 것인가를 뜻하는데 사용되는 용어로써 다음과 같이 정의된다.
정밀도=(최대측정값-평균측정값)/평균측정값 × 100
일례로, 100m 수위를 수위계로 5회 측정한 값이 104, 103, 105, 103, 105m라면 평균값은 104m, 최대편차는 ±1m이다. 따라서 이 계측기의 정밀도는 ±1%로 산출된다. 센서의 정확도는 교정에 의하여 향상될 수 있으나 그것의 정밀도를 초과할 수는 없다.
이와 같이 정밀도는 센서의 중요한 사양이다. 특히 지하수 관측망으로 사용되고 있는 관정은 지하수 관측용 전용 관정이라기보다는 수중펌프가 설치되어 있는 사용관정에 사용하는 경우가 대부분이다. 수위센서(20,30)의 내부에는 미약한 전기적 신호에 의해 동작되고 있기 때문에 모터에 의한 노이즈에 민감한 영향을 받는다. 수위센서(20,30)를 관정에 설치하여 모터를 가동할 때 측정자료는 도 11과 같이 노이즈 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다.
수위 47.58m에서 측정값의 변동은 47.48∼47.81m 로 정밀도는 0.34%이다. 그래서 도 11과 같은 노이즈 제거회로를 추가하였다. 그 결과, 디지털 신호는 ±1.5수준, 수위로 환산할 경우 47.53∼47.61m로서 정밀도는 0.1%로 향상되었다.
본 발명에 의한 압력식 수위계를 수심에 따라 출력되는 아날로그신호를 디지털값으로 변환한 후 표정곡선을 작성한다. 이때, 실측과 측정값의 관계는 대부분 2차 함수곡선의 형태를 그리게 된다. 이 2차 함수를 이용하여 수위값으로 환산한다.
Y = aX2+bX + c
여기서, Y값은 수심, X값은 디지털값이다. 이 값들이 정확한 2차 함수곡선이면 완벽한 수위계 제작이 가능하지만 대체로 그렇지 못하므로 가장 근접하는 곡선을 찾아야 한다. Y값을 수심으로 나타내기 위해서는 선정된 근접곡선의 상수 a,b,c값을 결정해야 한다. 여기서, 오차범위 ±2∼5% 한계를 주고 가장 근접하는 곡선에 맞는 상수값을 산출한다. 이렇게 하여 산출된 상수 값을 센서 매뉴얼에서는 a를 근사값이라 하고, b를 스케일값, c를 오프셋값이라 한다.
이러한 값들은 센서마다 다르다. 이는 소형 압력센서가 워낙 예민한 장비로서 예민도가 다르기 때문이다. 따라서 매 센서마다 반복실험을 통하여 세가지 상수를 찾아내고, 센서마다 압력에 대한 민감도가 다르므로 수위측정 정확도와 측정범위(허용오차내에 드는 범위)도 조금씩 달라진다.
본 발명에 의한 수위센서 4대를 사용하여 계측된 디지털값과 실제 수위값과의 관계에 대한 표정곡선은 도 13과 같다. 이 표정곡선에서 보듯이 수위와 디지털 값과의 관계가 곡선이 아니고 일차식이므로 다음과 같은 일차 관계식이 얻어진다.
Y=aX + b
위 식에서, Y는 실제의 수위값이고, X는 데이터 로거에 의하여 측정된 디지털값이다. 수위센서(20,30)의 a,b 그리고 상관계수 R은 표 4에 나타내었다.
표 4. 수위센서의 상수 및 상관계수
수위센서 상 수 상 관 계 수
a b R
1 0.0319 -24.11 1
2 0.032 -24.676 0.9999
3 0.0324 -24.82 1
4 0.0319 -24.181 1
물 속에서 한쪽 전극에서 전원을 공급할 때 전해질 물질의 양에 따라 다른 쪽 전극에 도달하는 신호의 세기가 달라진다. 전기전도도 센서는 이를 측정하기 위한 것으로, 물 속의 전해질에 의한 저항의 크기로 변환한 것이 전기전도도이다. 전기전도도는 온도에 의한 영향이 크므로 반드시 센서 내부에는 온도센서가 있다. 온도센서와는 달리 전기전도도센서로부터 일차적으로 변환된 전기적 신호는 아주 미약하여 측정환경 또는 수명에 영향을 받으므로 수시로 교정이 필요하다.
측정원리는 용액에 담긴 2개의 전극에 일정한 전압을 가하면 전류가 흐르게 된다. 이때, 그 전류의 크기는 이온의 세기에 비례한다. 즉, 전기전도도와 상관관계가 성립한다. 이때, 그 저항을 측정하여 전기전도도로 환산한다. 전기저항(R)은 아래 식과 같다
R(Ω)=ρ·L/A
위 식에서, ρ는 저항도(Ω·cm)이고, L은 두 전극간의 거리(cm), A는 단면적이다. 전기전도도(L)는 아래 식과 같다,
L=1/R=A/l·K
전기전도도는 전기저항의 역수로써 또는 mho로 나타내지만 현재는 국제단위계인 S(simens) 단위를 사용하고 있다. K(=1/ρ)는 비전도도(mho/cm)이다. 동일 측정계를 사용할 경우 셀의 규격은 일정하므로 두 전극간의 거리와 단면적은 무시할 수 있다. 따라서 측정결과는 시료의 전기전도도값(mho)에 셀정수(cm-1)를 곱하여 시료의 전기전도도값(μmhos/cm)으로 표시한다. 국제단위계인 mS/m, dS/m 또는 μS/cm 단위로 표기한다. 여기서 1S=1mhos, 1μS=1μmhos이다.
전도율은 수온에 의해 변화하고 수온이 높아질수록 통전이 용이하여 값이 커진다. 따라서 어떤 일정한 기준온도를 정해 놓지 않으면 측정치를 상호 비교할 수 없다. 기준온도는 25℃이고, 평균적으로 1℃ 증가하면 전기전도도는 약 2% 증가한다. 예를 들어 현장의 수온(T)과 25℃와의 차이를 △t(T-25)℃라고 하면 그 보정식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
K25=Kt(1 + 0.02*△t)
전기전도도 측정계는 25℃에서의 자체온도 보상회로가 장치되어 있어 별도로 온도보정을 할 필요가 없다.
물의 종류에 따른 전기전도도의 범위는 증류수는 0.5-5 μS/cm, 강수는 5.0-30 μS/cm, 담수·지하수는 3-2,000μS/cm, 해수는 45,000-55,000 μS/cm 그리고 염수는 100,000 μS/cm이상이다.
전기전도도 센서는 직경 25mm에 커넥터를 포함하여 400mm로 제작하고, 수위센서(20,30)와 함께 사용하는 경우와 전기전도도 단독으로 사용하는 경우를 고려하여 전기전도도 센서의 양단자에 컨넥터를 장착하였다. 도 14는 전기전도도 회로도이다. 센서 내부에 설치할 수 있도록 회로기판은 240mm ×15mm크기로 제작한다.
또, 전기전도도 센서의 수리와 교환이 용이하도록 하기 위하여 두 부분으로 분할 구성하였다. 상부는 전극만 장착하여 실리콘 수지로 완전 방수 처리하고, 별도의 전기회로는 설치하지 않는다. 이에 따라 상부에서 고장이 발생할 가능성은 거의 없다. 하부에는 전기전도도 회로기판을 장착한다. 외부의 충격이나 전기적인 손상은 주로 회로 부분에서 일어나므로 고장이 있을 경우 회로기판을 쉽게 교환할 수 있도록 설계하였다.
전기전도도 센서의 표정곡선은 주지된 바와 같이 전기전도도 값에 센서를 넣어 출력되는 디지털값과의 관계로부터 구하였다. 전기전도도의 표정곡선은 도 15와 같이 상관계수가 0.9979로 수위센서(20,30)보다는 낮았지만, 만족하기에는 이른 것으로 판단되어 앞으로 측정범위를 수정하거나 회로수정을 통하여 충분히 개선할 수 있을 것으로 생각된다.
센서 케이블은 센서가 설치되어 있는 프로브와 자료처리장치를 연결하는 선으로, 프로브의 설치 심도에 따라 요구되는 케이블의 길이가 달라진다. 또한 프로브는 관정의 심도 및 수위를 고려하여 설치해야 하므로 현장마다 다를 수 있다. 따라서 기본적으로 측정범위(0∼100m)에 여분의 길이를 고려하여 110m로 하였다,
케이블은 프로브의 최대설치심도인 100m를 기준으로 하여 여기에 걸리는 장력을 충분히 견딜 수 있어야 하며, 교정주기(6개월 기준) 이내에 케이블의 길이 변화가 지하수위의 오차 범위인 ±2 cm를 만족시켜야 한다. 또, 충격에 강하고 온도에 의한 수축이나 팽창이 적으며 완전 방수가 가능해야 한다. 특히 지하수에 용해되어 있는 화학물질과의 반응성이 전무한 테프론 또는 폴리우레탄 수지로 피복되어야 한다.
1차 수위센서(20)에서는 일반 시중 케이블을 사용하였다. 장시간 사용하지 않아 지하수와의 반응성은 확인할 수 없었지만 110m일 때의 중량은 21kg으로 운반하기가 어렵고 내부에 철심이 없어 장기관측망으로 사용할 때 케이블이 늘어날 가능성이 높다.
센서 케이블은 6가닥과 철선이 들어있는 고장력을 케이블로 하였다. 장력측정결과 100kgf 까지 가능한 것으로 판명되었다. 센서의 중량과 케이블의 중량의 총량이 7.5kg임을 감안할 때 그 장력은 충분하였다. 그리고 센서의 피복은 지하수에 용해되어 있는 화학물질과의 반응성이 없는 폴리우레탄으로 하였다.
지하수 관측망에서 자료저장이 이루어지는 데이터 로거는 필수적이다. 데이터 로거 내의 기억용량은 데이터가 노트북으로 단속적으로 전송되는 것을 고려하여 충분한 메모리가 확보되어 있어야 한다. 특히 지하수 관측망은 현장에 설치되는 관계로 소비전력은 아주 중요한 요소가 된다. 소비전력이 클 경우 고용량 배터리를 설치해야 할 뿐만 아니라 자주 교체해야 되는 불편이 있다. 따라서 충분한 메모리 확보와 소비전력이 적은 데이터 로거가 필요하다.
데이터 로거의 기능은 자료측정, 저장 그리고 전송이다. 이런 기능은 단순한 기능만을 수행하는 소형 CPU가 담당한다. 일반 프로세서는 계측과 제어장치인 각종 접속소자를 사용한다. 이렇게 하면 소비전력 뿐만 아니라 데이터 로거가 크지 않게 된다. ROM, RAM, CPU, I/O, ADC, 타이머가 내장되어 있는 싱글 칩 프로세서인 ADuc812를 사용하여 초절전, 초소형 데이터 로거를 제작하였다. ADuc812는 12비트 ADC 8채널이 확보되어 있어서 지하수용 자동관측기를 사용하기에 충분한 기능을 가졌다. RS232C 통신방식인 2 와이어 시리얼 I/O가 내장되어 있다. 따라서 별도의 통신프로그램을 작성할 필요없이 노트북의 RS232C 포트에 연결할 경우 CPU가 자동적으로 인식되어 통신이 가능하다.
ADuc812 CPU를 사용하여 1차 제작된 데이터 로거를 바탕으로 CPU, S램, 전원 스위치 그리고 단자로 구성된 2차 데이터 로거를 제작하였다. 2차 데이터 로거의 크기는 145 ×45mm로 일반 콘트롤러보다 작다. 2차 데이터 로거의 기본 사양은 다음과 같다.
- 소비전력 : 동작시 50mA, 슬립 모드시 0.005mA 이하
- 사용자 프로그램을 작성하여 기록할 수 있는 플래시 메모리 확보
- 연속적으로 측정한 계측자료를 저장 및 분석할 수 있는 32K S램 확보
- 12 비트 ADC 8 채널 확보
- 통신포트(시리얼 포트) 2 채널 확보(모뎀용, 노트북 접속용)
- RTC (실시간 시간 조절기) 내장
- 2 ×16 LCD 보드 제어 기능
- 버튼 스위치로 제어변수 설정기능
- 전원 : DC 12V
- 크기 : 45W × 125D × 15H(mm)
장기관측망으로 사용되는 지하수 자동관측기는 자료처리장치와 모뎀사용으로 소비전력이 크기 때문에 AC전원, 솔라 셀 또는 외부 배터리를 사용한다. 현장여건상 AC전원이 불가능한 경우에는 솔라 셀을 설치해야 하는데, 고가품이므로 여건상 설치가 곤란한 지역은 외부 배터리가 불가피하다. 외부 배터리를 사용할 경우 사용기간이 1개월 정도이므로 자주 교체해야 하는 불편이 따른다. 한다. 외부 배터리나 솔라 셀을 설치하지 않을 경우 내부 배터리로 적어도 3개월 이상 사용 가능해야 한다.
데이터 로거를 제작할 당시 저소비전력 IC 대신에 일종의 파워 슬립 모드방식을 적용하였다. 도 16에서 보듯이, 외부타이머(RTC-72421)를 사용하여 측정 시 CPU를 작동시키고 CPU는 센서에 전원을 공급토록 릴레이를 동작시킨다. 측정 완료 후 CPU는 센서 전원을 차단하고 스스로 슬립 모드로 전환된다. 도 17에서 보듯이, 데이터 로거가 측정시 50mA의 정도 소비전력이 되지만 측정하지 않을 경우 데이터 로거에 공급되는 전원을 차단되어 슬립 모드가 된다. 슬립 모드시에는 외부 타이머 클럭만 동작되어 0.005mA 수준으로 소비전력이 낮아진다. 예를 들면 측정간격이 1분이고 측정시간은 5초일 때 5초 동안은 50mA가 소모되고 55초 동안 0.005mA만소모된다. 이와 같은 방식을 적용하여 <표 5>와 같이 12V, 1.9Ah 소형 배터리로 장기간 사용 가능토록 하였다.
표 5. 데이터 로거의 배터리 사용가능기간
측정간격 평균 소비전력 사용가능기간
1분 4.17mA 20일
1시간 0.07mA 1,140일
사용 배터리 : 12V , 1.9Ah
지하수의 수위와 수질을 계측하고, 그 측정결과를 LCD에 표시하거나 자료전송을 위한 프로그램을 ANSI C언어로 작성하였다. 운영프로그램은 지하수 자동관측기의 초기화, 센서 측정, 전원절약모드, LCD 디스플레이 및 노트북 자료송수신 부분으로 구성하였다.
노트북 또는 모뎀와 통신으로 시스템의 제어변수를 입력하거나 저장된 자료를 수신가능하게 하였다. 제어변수 입력명령어는 <표 6>과 같다.
표 6. 제어변수 명령어 및 사용방법
제어변수입력 명령어 입력 방법 명령어 설명
time time hh:mm:ss 시스템 시계초기화 및 재설정
date date yy/mm/dd 시스템 날짜초기화 및 재설정
list list 저장된 자료 다운로드
mclr mclr 저장된 자료 삭제
intv intv mm 측정시간 간격 입력(분단위)
auto auto c c=1 : 자료 저장모드(enable) c=0:disable
maxc maxc ch aa 입력단자의 최대측정범위(ch:채널, mm:최대값)
minc minc ch ii 입력단자의 최소측정범위(ch:채널, mm:최소값)
maxe maxe ch aa 입력단자의 측정범위 최대값일 때 디지탈값
mine mine ch ii 입력단자의 측정범위 최소값일 때 디지탈값
vpar vpar ch 입력단자에 해당되는 변수 출력
지하수 자동관측기의 ADC 분해능력은 12비트로 아날로그 신호를 최소 "0"에서 최대 "4095"까지 디지털 신호로 변환이 가능하다. 도 18은 1번 채널에 외부에 강제적으로 0mA에서 20mA 까지 높였을 관측기에서 출력되는 디지털값의 관계이다. 이론적으로 0mA를 연결했을 때 디지털값은 "0"여야 하며, 20mA일 때는 4095가 출력되어야 한다.
그러나 1mA에서는 192, 20mA에서 3,922로 차이가 발생한다. 따라서 센서가 정확히 직선적으로 출력이 되더라도 저항과 같은 부품자체의 오차에 의하여 차이가 날 수 있다. 본 발명에서는 데이터 로거 자체의 오차를 무시하고 센서의 측정범위내에서 실제값과 디지털값을 입력하여 1차 직선식(표정곡선)을 구하여 프로그램에 첨가하였다.
또, 지하수 자동관측기의 ADC에 연결되는 아날로그 4채널 중 1번 채널은 수위센서, 2번 채널은 전기전도도 센서, 3번 채널은 온도센서를 연결하는 것을 원칙이지만, 경우에 따라서는 수위센서 4개를 사용할 경우가 있을 것이므로, 입력단자에 연결된 센서의 표정식이 다르기 때문에 센서에 해당되는 고유한 값을 입력하도록 프로그램을 작성되어야 한다. 여기서는 데이터 로거 자체의 오차를 무시하고 각 센서의 측정범위에 대한 디지털 값을 입력하여 프로그램적으로 1차 직선식을 구하여 사용하였다.
센서와 관련된 실제 입력변수는 근사값, 표준값, 오프셋값이다. 이 값은 센서를 여러 가지 조건하에서 실제 수위값과 관측기로부터 측정값을 비교한 후 정해져야 한다. 그리고 데이터의 각 채널에 대한 오차를 계산하여 고유한 변수를 가진 센서를 어떤 채널에 연결하더라도 정확하게 측정되도록 데이터 로거의 운영프로그램도 필요하다.
노트북이 없을 때는 현장에서 키 패드를 이용하여 시스템에 필요한 제어변수를 입력 및 이에 대한 LCD 디스플레이가 가능하도록 한다. 즉 LCD를 통한 시간의설정, 측정시간의 간격 설정, 센서의 보정, 현시점의 데이터 확인 등의 동작기능을 프로그램에 추가하는 것이다.
데이터 로거에 설치된 키의 배치는 도 19와 같이 파워 업(Power up), 리셋(Reset), 업(Up), 다운(Down), 엔터(Enter) 키 등 모두 5개를 설치한다. 이들키의 설명은 <표 7>과 같다.
표 7. 데이터 로거의 키 기능
구분 키 설명
Power Up Sleep Mode 상태에서 Active 상태로 전환
Up, Down 순차적으로 입력변수 표시 및 변수값 재설정
Enter 입력변수 및 변수값 확인
Reset 시스템 초기화
본 발명의 지하수 자동관측기를 아파트단지 생활용수로 사용하고 있는 지하수 관정에 설치하여 10일 동안 측정하였다. 이 지하수 관정은 아침과 저녁시간에만 한시적으로 지역주민에게 개방되고 있었다.
도 20과 도 21에서, 지하수 사용시간대와 수위변화를 확인할 수 있었으며, 수동식 수위계로 시작시점과 10일 후에 자연수위를 측정하여 센서의 정확도를 비교한 결과 약 7cm 정도의 오차가 있었다. 이는 설치 당시 케이블 길이의 오차가 있었므로 센서 자체의 오차는 적을 것으로 판단된다. 그리고 계측장비로 전기전도도를 측정한 결과 ±10μS/cm 범위내에서 측정되어 관측기의 전기전도도 센서도 비교적 정확하게 측정되었다.
이상 설명한대로 본 발명의 지하수위 자동관측기는 관측망으로 사용시에는 일체형 방식으로써 하나의 프로브에 3개 항목을 측정할 수 있고, 양수시험 및 개발용으로 사용할 시에는 분리형 방식으로 하나의 프로브로 1개 항목만을 측정할 수 있어 편리하다.
또, 지하수위와 전기전도도를 정확도 높게 신속히 측정할 수가 있고, 저가 보급이 가능한 지하수위·수질 자동관측기의 제공도 가능하다.

Claims (5)

  1. 단일 센서 케이블의 하단에 전기전도도 센서를 연결하고, 전기전도도 밑에는 커넥터로 수위센서를 연결한 것을 특징으로 하는 지하수 수위·수질 자동관측기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기전도도 센서는 온도보상회로와, 두 항목을 하나의 기판으로 담은 회로기판과, 측정범위 0∼10,000μS/cm과 -5∼50℃의 조건을 만족시키는 것으로 하는 지하수 수위·수질 자동관측기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수위센서는 직경 25mm, 커넥터를 포함한 길이 145mm, 측정범위 0∼100m, 정밀도 ±4cm로 하는 지하수 수위·수질 자동관측기.
  4. 제1항에 있어서, 센서 케이블은 경량이면서 고장력 케이블로 하는 지하수수위·수질 자동관측기.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 지하수 수위·수질 자동관측기는 노이즈 제거회로가 장착되고 보호막으로 압력센서가 보호되며, 수압 10기압에도 견딜 수 있도록 고무링과 실리콘 수지로 완벽하게 방수처리되었으며, ANSI C언어로 작성된 운영프로그램을 가진 데이터 로거에 의해 관측하도록 된 것을 특징으로 하는 지하수 수위·수질 자동 관측기.
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