압전계(피에조미터)란?- 유형, 기능 및 작동

피에조미터는 지반의 간극수압(피에조메트릭 레벨)을 측정하는 데 사용되는 지반 공학 센서입니다. 토양, 흙/암석 채우기, 기초 및 콘크리트 구조물의 간극수압을 측정하도록 설계되었습니다.

피에조미터 또는 간극 압력계는 간극 압력의 크기와 분포 및 시간에 따른 변화에 대한 중요한 정량적 데이터를 제공합니다. 또한 누출 패턴, 잠재적 배관 영역 및 수행된 누출 제어 조치의 효율성을 평가하는 데 도움이 됩니다.

가장 중요한 지반 공학 모니터링 도구 중 하나로 간주되는 연구도 흥미롭습니다. 더 많은 압전계, 유형, 작동 원리, 응용 프로그램 및 기능에 대해 자세히 논의해 보겠습니다.

 

압전계란?

피에조미터는 액체 기둥이 중력에 대해 상승하는 높이를 측정하여 시스템의 액체 압력을 측정하는 데 사용되는 장치이거나 특정 지점에서 지하수의 압력(보다 정확하게는 압전 수두)을 측정하는 장치입니다. 피에조미터는 정압을 측정하도록 설계되었으므로 유체 흐름을 가리키지 않는다는 점에서 피토관과 다릅니다.

관측 우물은 지층의 수위에 대한 일부 정보를 제공하지만 수동으로 읽어야 합니다. 여러 유형의 전기 압력 변환기를 자동으로 읽을 수 있어 데이터 수집이 더욱 편리해집니다.

지반 공학의 첫 번째 압전계는 대수층에 설치된 개방형 우물 또는 스탠드파이프(때때로 Casagrande 압전계라고도 함)였습니다. Casagrande 압전계는 일반적으로 관심 깊이까지 단단한 케이싱을 가지고 있으며 수압이 측정되는 구역 내에는 홈이 있거나 스크린이 있는 케이싱이 있습니다.

케이싱은 지표수가 지하수 공급을 오염시키는 것을 방지하기 위해 점토, 벤토나이트 또는 콘크리트로 드릴 구멍에 밀봉됩니다. 제한되지 않은 대수층에서 압전계의 수위는 특히 유속의 수직 성분이 중요한 경우 지하수면과 정확히 일치하지 않습니다.

지하수 조건의 제한된 대수층에서 피에조미터의 수위는 대수층의 압력을 나타내지만 반드시 지하수면은 아닙니다. 피에조미터 웰은 생산 웰보다 직경이 훨씬 작을 수 있으며 5cm 직경의 스탠드파이프가 일반적입니다.

내구성이 있는 케이싱의 피에조미터는 설치 지점의 지하수 압력을 측정하기 위해 땅에 묻히거나 밀어 넣을 수 있습니다. 압력 게이지(변환기)는 작동 시 진동 와이어, 공압 또는 스트레인 게이지가 될 수 있으며 압력을 전기 신호로 변환합니다.

이 압전계는 데이터 로거 또는 휴대용 판독 장치로 읽을 수 있는 표면에 케이블로 연결되어 있어 개방형 직관형 압전계보다 더 빠르고 자주 판독할 수 있습니다.

 

 

피에조미터를 사용하는 이유

피에조미터의 사용 목적은 다음과 같습니다.

▷ 토양이나 암석의 공극에서 물의 영향을 연구하는 것은 토양이나 암석의 하중 지지력을 줄이는 것입니다. 효과는 간극수압이 높을수록 더 두드러지며 결국에는 토양의 하중 지지 능력이 완전히 파괴되는 경우가 있습니다.
▷ 지하수의 수위 및 흐름 패턴을 결정하기 위해
▷ 흙/암석 채우기, 콘크리트 댐 및 기초에서 물의 흐름 패턴을 결정합니다.
▷ phreatic 라인을 묘사합니다.

 

피에조미터 작동원리

피에조미터는 지하수압을 측정하는 데 사용됩니다. 다이어프램과 인장된 강철 와이어를 통해 수압을 주파수 신호로 변환합니다. 다이어프램의 압력 변화는 와이어 장력의 변화를 일으킵니다.

진동 와이어 피에조미터는 기본적으로 한 쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 적용된 압력에 비례하여 편향되는 다이어프램에 고정된 높은 인장 강도의 자기 와이어로 구성됩니다.

압력의 변화는 다이어프램을 비례적으로 편향시키며, 이는 차례로 늘어진 와이어의 장력에 영향을 줍니다. 따라서 간극 압력의 변화는 와이어의 장력에 직접적인 영향을 미칩니다.

와이어는 코일 자석으로 당겨집니다. 와이어의 장력에 비례하여 주파수 'f'에서 공명하며 다음과 같이 결정할 수 있습니다.

f = {[σg/ρ] ^1/2}/ 2l Hz

σ = 와이어의 장력
g = 중력 상수
ρ = 와이어 밀도
l = 와이어 길이
와이어가 진동하는 공진 주파수는 코일 자석에 교류를 유도합니다.

간극 압력은 주파수의 제곱에 비례하며 Encardio-rite 모델 EDI-51V 판독 로거(데이터 로거)는 이를 공학 단위로 직접 표시할 수 있습니다.

 

피에조미터의 종류

1. 스탠드파이프 피에조미터
스탠드파이프 압전계는 가장 기본적인 유형의 압전계입니다. 표면까지 확장되는 라이저 파이프에 연결된 필터 팁으로 구성됩니다. 물은 필터 팁을 통해 라이저 파이프로 흐릅니다. 판독 값은 수위 표시기로 얻습니다.

2. 진동 와이어 피에조미터
진동 와이어 피에조미터는 가장 일반적으로 사용되는 피에조미터 유형입니다. 대부분의 응용 분야에 적합하며 시추공, 매립형 충전재 또는 스탠드 파이프에 매달 수 있습니다. 판독값은 휴대용 판독값 또는 데이터 로거로 얻습니다.

3. 공압식 압전계
공압식 압전계는 가스 압력으로 작동합니다. 시추공, 매립형 충전재 또는 대구경 스탠드파이프에 매달아 설치할 수 있습니다. 공압 표시기로 판독 값을 얻습니다.

4. 티타늄 피에조미터
티타늄 압전계는 산업용 데이터 로거와 호환되는 4-20mA 장치입니다. 일반적으로 드로다운 테스트에 사용됩니다.

 

압전계 응용

피에조미터는 간극수압과 지하수 수준을 측정하여 다음과 같은 필수 정보를 제공합니다.

▷ 초기 현장 조건 이해.
▷ 채우기 배치에 대한 안전한 비율 결정
▷ 경사 안정성 예측.
▷ 측면 토압을 위한 설계.
▷ 배수 계획의 효율성 평가.
▷ 격리 시스템의 성능을 확인합니다.

 

압전계의 장점

▷ 간단하고 신뢰할 수 있음
▷ 용기의 정압 유체를 측정하는 데 사용됩니다.
▷ 피에조미터의 주요 응용 중 하나는 간극수압/지하수위를 측정하는 데 사용된다는 것입니다.
▷ 토양과 암석의 성능을 찾기 위한 계산에 도움이 됩니다.

 

압전계의 단점

▷ 피에조미터는 가스가 자유 표면을 형성하지 않기 때문에 가스의 정압을 측정하는 데 사용할 수 없습니다.
▷ 피에조미터는 진공 압력을 측정하는 데 적합하지 않습니다(사용할 수 있음). 진공 압력이 공기를 용기/용기로 흡입하기 때문입니다. 액체의 정압이 대기압(게이지압)보다 클 때만 편리합니다.
▷ 피에조미터는 이 조건에서 피에조미터 헤드가 매우 높기 때문에 더 가벼운 액체의 큰 압력을 측정하는 데 적합하지 않습니다. 그것은 다루기 어려운 긴 유리관을 필요로 할 것입니다.