KR102652662B1 - 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치, 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록매체 - Google Patents
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Abstract
정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치, 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록매체가 개시된다. 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치는 바닥부, 복수의 전극, 정전용량 산출부를 포함한다. 바닥부는 상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성되고, 복수의 전극은 바닥부에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리되며, 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출하는 정전용량 산출부를 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 유전체 공간이 비어있는 형태의 프로브에 토양을 삽임하고 유전율 변화를 검출함으로써, 토양 표면에 대해 효과적으로 정전기를 직접 검출할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 토양 특성 측정 관련 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토양 표면의 정전기를 측정하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
고농도 방사능 지역, 협소한 공간 그리고 우주환경 등 극한 환경의 현지 지형을 분석하고 탐사하는데 있어, 통신장비 및 각종 계측장비를 포함한 로봇 형태의 탐사체는 산업 전반에 걸쳐 활용되고 있다. 무수한 전자장비로 구성된 탐사체는 기계적, 화학적, 전기적 충격에 매우 취약하며, 이러한 외부영향으로부터 탐사체를 보호하는 기술은 극한환경을 분석하는데 매우 중요한 기술이라고 할 수 있다.
특히, 고전압 설비를 사용하였던 폐건물 및 방사선 농도가 높은 폐원전 또는 우주환경에서는 현지 토양 등의 구조물과 탐사체간의 정전기에 따른 전기적 충격을 야기하는 환경이 산재되어 있어, 이에 대한 피해 예방 기법은 필수적이다.
한편, 토양의 전기적 특성 평가는 건축물 시공시 접지시공을 위한 목적으로 개발이 되어 왔으며, 일반적으로 토양 표면으로부터 깊이에 따른 탐침형 프로브를 활용하여 저항변화를 관찰하는 4-point 프로브 방식이나, 지하매설관의 표면에 설치되어 유도전류를 측정하는 방식을 채용하고 있다.
그런데, 이러한 방식은 토양 표면의 측정 방식이 아닌 지하 수분 함유량 등의 변화를 측정하는 방식으로서, 설치 및 시공에 있어 다소 복잡하고 비용이 많이 드는 한계를 가지고 있다.
국내의 경우, 토양의 전기적 특성 평가를 위해 탐침형 프로브를 사용하여 수분함유량에 따른 저항 변화를 측정하는 방법이 주를 이루고 있으며, 해외 사례에서는 고전압 장치에서 유도전류를 활용한 정전기 검출 방법을 활용하고 있어, 토양 표면에 대한 직접적인 정전기 검출방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 토양 표면에 대한 직접적인 정전기 검출을 수행할 수 있는 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치는 바닥부와 복수의 전극을 포함하는 프로브부 및 정전용량 산출부를 포함한다. 바닥부는 상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성되고, 복수의 전극은 바닥부에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리되며, 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출하는 정전용량 산출부를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 유전체 공간이 비어있는 형태의 프로브에 토양을 삽입하고 유전율 변화를 검출함으로써, 토양 표면에 대해 효과적으로 정전기를 직접 검출할 수 있게 된다.
이때, 복수의 전극과 정전용량 산출부 사이에 연결된 휘트스톤 브릿지 회로부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 미세한 정전기 발생에도 명확한 검출 특성을 가지게 된다.
또한, 토양의 정전용량의 산출값을 저장하는 정전용량 저장부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 저장된 과거 정보를 함께 이용하여 정전용량의 시간적 변동을 파악할 수 있게 된다.
또한, 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 정전용량 저장부의 초기값을 보정하는 초기값 보정부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 초기값을 설정함으로써, 정전용량의 시간적 변동에 대한 인지가 더욱 명확해질 수 있다.
또한, 정전용량 산출값을 외부로 전송하기 위한 통신부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 원격지에서도 대상 토양에서의 정전기 발생상황을 모니터링할 수 있게 된다.
또한, 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력하는 위험신호 출력부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 위험 상황에서 사용자나 로봇이 정전기 변동에 대한 즉각적인 대응 조치를 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 시스템은, 인접하게 배치된 서로 다른 토양표면 정전기 측정 장치와 통신하는 복수의 토양표면 정전기 측정 장치를 포함하는 시스템으로서, 상기 토양표면 정전기 측정 장치는, 상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성된 바닥부, 바닥부에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리된 복수의 전극, 및 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출하는 정전용량 산출부를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하면, 모듈화된 다수의 정전기 측정 장치를 그리드 형태로 설치하여 넓은 지역에서 토양표면 정전기를 동시에 모니터링할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 방법은, 상기 토양표면 정전기 측정 장치에 의해 수행되는 토양표면 정전기 측정 방법으로서, 초기값 보정부가 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 정전용량 저장부의 초기값을 보정하는 단계, 정전용량 산출부가 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출하는 단계, 정전용량 저장부가 상기 토양의 정전용량의 산출값을 저장하는 단계, 및 위험신호 출력부가 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력하는 단계를 포함한다.
아울러, 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록매체가 함께 개시된다.
본 발명에 의하면, 유전체 공간이 비어있는 형태의 프로브에 토양을 삽임하고 유전율 변화를 검출함으로써, 토양 표면에 대해 효과적으로 정전기를 직접 검출할 수 있게 된다.
또한, 미세한 정전기 발생에도 명확한 검출 특성을 가지게 된다.
또한, 저장된 과거 정보를 함께 이용하여 정전용량의 시간적 변동을 파악할 수 있게 된다.
또한, 초기값을 설정함으로써, 정전용량의 시간적 변동에 대한 인지가 더욱 명확해질 수 있다.
또한, 원격지에서도 대상 토양에서의 정전기 발생상황을 모니터링할 수 있게 된다.
또한, 위험 상황에서 사용자나 로봇이 정전기 변동에 대한 즉각적인 대응 조치를 수행할 수 있게 된다.
또한, 모듈화된 다수의 정전기 측정 장치를 그리드 형태로 설치하여 넓은 지역에서 토양표면 정전기를 동시에 모니터링할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 프로브부의 실제 구현 예를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1의 휘트스톤 브릿지 회로부의 측정 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 시스템의 데이터 측정 및 데이터 전달 개념을 설명하기 위한 개략적인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 방법에서의 측정 알고리즘을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 프로브부의 실제 구현 예를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1의 휘트스톤 브릿지 회로부의 측정 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 시스템의 데이터 측정 및 데이터 전달 개념을 설명하기 위한 개략적인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 방법에서의 측정 알고리즘을 개략적으로 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치의 개략적인 블록도이고, 도 1에서 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 장치는 프로브부(110), 정전용량 산출부(120), 휘트스톤 브릿지 회로부(130), 정전용량 저장부(140), 초기값 보정부(150), 통신부(160), 및 위험신호 출력부(170)를 포함하며, 프로브부(110)는 다시 바닥부(112)와 복수의 전극(114)을 포함한다.
바닥부(112)는 상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성되고, 복수의 전극(114)은 바닥부(112)에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리된다. 도 2는 도 1의 프로브부의 실제 구현 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에서, 토양표면 정전기 측정 장치는 적층구조의 정전용량형 프로브를 활용하여 구조를 단순화시켰으며, 적층구조의 정전용량형 프로브에는 유전체 공간이 비어있는 형태로써 토양이 삽입됨에 따라 유전율 변화를 통한 정전기 검출 특성을 가진다.
정전용량 산출부(120)는 복수의 전극(120)에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출한다. 이와 같은 구성에 의하면, 유전체 공간이 비어있는 형태의 프로브에 토양을 삽임하고 유전율 변화를 검출함으로써, 토양 표면에 대해 효과적으로 정전기를 직접 검출할 수 있게 된다.
휘트스톤 브릿지 회로부(130)는 복수의 전극(120)과 정전용량 산출부(130) 사이에 연결된다. 이와 같은 구성에 의하면, 미세한 정전기 발생에도 명확한 검출 특성을 가지게 된다. 도 3은 도 1의 휘트스톤 브릿지 회로부의 측정 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
즉, 본 발명에 적용된 프로브의 정전용량값의 변화는 출력되는 전류 및 전압의 변화를 발생시키며, 출력된 전기적 신호는 휘트스톤 브릿지(W.B.)를 통해 미세하게 검출이 가능하다.
정전용량 저장부(140)는 토양의 정전용량의 산출값을 저장한다. 이와 같은 구성에 의하면, 저장된 과거 정보를 함께 이용하여 정전용량의 시간적 변동을 파악할 수 있게 된다.
초기값 보정부(150)는 바닥부(112) 상측에 토양이 쌓이는 경우 정전용량 저장부(140)의 초기값을 보정한다. 이와 같은 구성에 의하면, 초기값을 설정함으로써, 정전용량의 시간적 변동에 대한 인지가 더욱 명확해질 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 정전용량형 검출 프로브 내 유전층에 토양이 포함되는 시점을 원점으로 하여 초기값 보정을 하게 설계되었으며, 고방사능 에너지 및 급격한 전기적 에너지의 변화에 따른 유전율 변화에 대하여 정전용량값이 변하는 특성을 지닌다.
통신부(160)는 정전용량 산출값을 외부로 전송한다. 이와 같은 구성에 의하면, 원격지에서도 대상 토양에서의 정전기 발생상황을 모니터링할 수 있게 된다.
위험신호 출력부(170)는 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력한다. 이와 같은 구성에 의하면, 위험 상황에서 사용자나 로봇이 정전기 변동에 대한 즉각적인 대응 조치를 수행할 수 있게 된다.
도 1의 정전용량형 구조를 활용한 토양 표면 정전기 측정 장치는 다양한 환경 조건에서 토양 표면의 전기적 특성을 모니터링 가능한 시스템으로 적용 가능하다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 시스템의 데이터 측정 및 데이터 전달 개념을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
토양표면 정전기 측정 시스템은, 인접하게 배치된 서로 다른 토양표면 정전기 측정 장치와 통신하는 도 1에 도시된 복수의 토양표면 정전기 측정 장치를 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 모듈화된 다수의 정전기 측정 장치를 그리드 형태로 설치하여 넓은 지역에서 토양표면 정전기를 동시에 모니터링할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서 제안된 정전용량형 정전기 측정 장치는 매우 단순한 구조로 구성되어 있기 때문에 극한지 로봇의 동작부 끝단에 직접 적용이 가능하며 대면적 토양 표면 모니터링을 위하여 단일 모듈 형태로 주요 지점에 그리드 형태로 설치가 가능하다.
또한, 측정된 데이터는 탐사체 MCU에 직접 전달이 가능하며 대면적 그리드 형태의 측정 시스템을 구현할 경우 모듈 후면에 배터리 및 통신 모듈을 추가하여 정전기에 따른 충전 기능 및 정보 전달 기능을 갖춘 대면적 지표 모니터링 시스템으로 구현가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 구조를 활용한 토양표면 정전기 측정 방법에서의 측정 알고리즘을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5의 토양표면 정전기 측정 방법은 도 1에 도시된 토양표면 정전기 측정 장치에 의해 수행된다.
도 5에서, 초기값 보정부가 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 정전용량 저장부의 초기값을 보정하고, 정전용량 산출부가 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 토양의 정전용량을 산출하고, 정전용량 저장부가 토양의 정전용량의 산출값을 저장하며, 위험신호 출력부가 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력한다.
정리하면, 본 발명은 극한환경에서 토양의 정전기 검출에 관한 것으로서, 구조가 간단하고 다양한 활용분야에 적용이 가능하여 탐사체에 안정성을 확보할 뿐만 아니라 측정 결과를 탐사체에 전송하여 지형에 따른 정전기 자료를 수집하는데 활용 가능하다.
본 발명은 극한지에 적용되는 전자 장비들의 보호 성능을 극대화하는 목적으로 개발되었으며, 본 발명에 의하면 외부 정전기에 발생의 관한 데이터 획득 및 제공이 가능하다.
본 발명에 포함된 휘트스톤 브리지 회로를 통하여 미세한 정전기 발생에도 명확한 검출 특성을 가지게 설계되었으며, 독립된 측정 모듈들의 쌍방 통신을 통하여 넓은 면적의 토양 정전기 검출 데이터를 제공 가능하다.
본 발명은 다양한 산업 현장 특히 안전관리, 계측 및 시스템 관리 분야에서 전반적으로 높은 활용성을 지니고 있으며, 극한지 연구분야에서 활용가능성을 가지고 있다. 특히, 사용자가 진입할 수 없는 극한환경의 토양을 분석할 때 매우 작은 크기의 어셈블리 형태로 적용 가능한 장점을 가지고 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
110: 프로브부
112: 바닥부
114: 복수의 전극
120: 정전용량 산출부
130: 휘트스톤 브릿지 회로부
140: 정전용량 저장부
150: 초기값 보정부
160: 통신부
170: 위험신호 출력부
112: 바닥부
114: 복수의 전극
120: 정전용량 산출부
130: 휘트스톤 브릿지 회로부
140: 정전용량 저장부
150: 초기값 보정부
160: 통신부
170: 위험신호 출력부
Claims (9)
- 상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성된 바닥부, 및 상기 바닥부에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리된 복수의 전극을 포함하는 프로브부; 및
상기 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 상기 토양의 정전용량을 산출하는 정전용량 산출부를 포함하는 토양표면 정전기 측정 장치로서,
상기 토양의 정전용량의 산출값을 저장하는 정전용량 저장부;
상기 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 상기 정전용량 저장부의 초기값을 보정하는 초기값 보정부; 및
상기 복수의 전극을 통해 검출된 정전기를 이용하여 충전동작을 수행하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 전극과 상기 정전용량 산출부 사이에 연결된 휘트스톤 브릿지 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 장치.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 2에 있어서,
상기 정전용량 산출값을 외부로 전송하기 위한 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력하는 위험신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 장치.
- 인접하게 배치된 서로 다른 토양표면 정전기 측정 장치와 통신하는 복수의 토양표면 정전기 측정 장치를 포함하는 시스템으로서, 상기 토양표면 정전기 측정 장치는,
상측에 토양이 쌓일 수 있도록 형성된 바닥부, 상기 바닥부에 쌓이는 토양에 각각 접하며 서로 분리된 복수의 전극를 포함하는 프로브부; 및
상기 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 상기 토양의 정전용량을 산출하는 정전용량 산출부를 포함하며,
상기 토양의 정전용량의 산출값을 저장하는 정전용량 저장부;
상기 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 상기 정전용량 저장부의 초기값을 보정하는 초기값 보정부; 및
상기 복수의 전극을 통해 검출된 정전기를 이용하여 충전동작을 수행하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 시스템.
- 청구항 6의 토양표면 정전기 측정 장치에 의해 수행되는 토양표면 정전기 측정 방법으로서,
상기 초기값 보정부가 상기 바닥부 상측에 토양이 쌓이는 경우 상기 정전용량 저장부의 초기값을 보정하는 단계;
상기 정전용량 산출부가 상기 복수의 전극에서의 전류와 전압을 이용하여 상기 토양의 정전용량을 산출하는 단계;
상기 정전용량 저장부가 상기 토양의 정전용량의 산출값을 저장하는 단계; 및
상기 위험신호 출력부가 상기 정전용량 산출값의 변화량이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우 위험신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양표면 정전기 측정 방법.
- 청구항 8의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록매체.
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