KR100791319B1 - The ultrasonic doppler flowmeter for sewerage water - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하수관거용 초음파 도플러 유량계에 관한것으로서, 보다상세하게는 초음파 도플러 유속 센서에 의한 유체의 평균 유속을 측정하고, 압력식 수위 센서로 측정한 수위를 근거로 유체의 단면적을 산출하며, 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)를 사용하여 이러한 신호들을 처리하고, 측정된 유체의 단면적과 평균 유속을 곱하여 하수관거 내의 하수 유량을 산출하여 만관, 비만관 상태의 하수 유량을 계측하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계에 관한것이다.The present invention relates to an ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipe, more specifically, to measure the average flow rate of the fluid by the ultrasonic Doppler flow rate sensor, and to calculate the cross-sectional area of the fluid based on the water level measured by the pressure level sensor. A digital signal processor (DSP) processes these signals and multiplies the cross-sectional area of the measured fluid with the average flow rate to calculate the sewage flow rate in the sewer pipe. It's about a Doppler flowmeter.

초음파 도플러 유량계, 하수관거, 디.에스.피, 만관, 비만관 Ultrasonic Doppler Flowmeter, Sewage Pipe, D.S.P, Full Pipe, Obesity Pipe

Description

하수관거용 초음파 도플러 유량계{The ultrasonic doppler flowmeter for sewerage water}The ultrasonic doppler flowmeter for sewerage water

도 1 은 종래의 초음파 유속 측정 및 수위 측정에 의한 비만관 유량측정 원리도1 is a principle diagram of obesity flow rate measurement by conventional ultrasonic flow rate measurement and water level measurement

도 2 는 하수관거용 초음파 도플러 방식의 유속 측정 원리도2 is a flow rate measurement principle of the ultrasonic Doppler system for sewage pipe

도 3 은 종래의 초음파 도플러 유량계의 블록구성도Figure 3 is a block diagram of a conventional ultrasonic Doppler flow meter

도 4 는 종래의 만관형 초음파 도플러 유량계의 블록구성도Figure 4 is a block diagram of a conventional tubular ultrasonic Doppler flow meter

도 5 는 본 발명에 따른 하수관거용 초음파 도플러 유량계의 블록구성도Figure 5 is a block diagram of the ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipe according to the present invention

*도면중 주요부분에 대한 부호의설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 유량계 2 : 유량측정 센서부 2a : 압력식 수위센서 2b : 초음파 송신센서 2c : 초음파 수신센서 3 : 신호증폭 및 아날로그 회로부 3a : 수위신호 증폭회로 3b : 초음파 발진 출력회로 3c : 초음파신호 수신 증폭회로 4 : 디.에스.피(DSP)신호 처리부 5 : 메인처리부 6 : 티.에프.티 엘.씨.디(TFT LCD)표시 키조작부 7 : 인터페이스부 8 : 유.에스.비(USB)메모리부 9 : 센서자동 세정장치 10 : 센서자동 세정용 압축공기 발생장치 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flowmeter 2 Flow measurement sensor 2a Pressure level sensor 2b Ultrasonic transmission sensor 2c Ultrasonic receiving sensor 3 Signal amplification and analog circuit 3a Water level signal amplifying circuit 3b Ultrasonic oscillation output circuit 3c Ultrasonic signal receiving amplification Circuit 4 DSP Signal Processing Unit 5 Main Processing Unit 6 TFT LCD Display Key Control Unit 7 Interface Unit 8 USB Port (USB) Memory 9: Automatic sensor cleaning device 10: Automatic compressed air generator for sensor cleaning

본 발명은 초음파 도플러 원리를 이용한 유량계에 관한것으로서, 보다상세하게는 하수관거 내에서 만관 또는 비만관 유동상태 유체의 유량을 계측함에 있어서, 초음파 도플러 원리를 이용하여 유속을 측정하고 압력식 수위계를 사용하여 수위를 계측하되, 유체의 유동면적을 산출해서 이 평균 유속과 유동면적의 연산을 통해 하수의 부피 부량을 측정하기 위한 하수관거용 초음파 도플러 유량계에 관한것이다.The present invention relates to a flow meter using the ultrasonic Doppler principle, more specifically, in measuring the flow rate of a fluid in a full or obese tube flow in a sewage pipe, the flow rate is measured using the ultrasonic Doppler principle and a pressure gauge is used. An ultrasonic Doppler flowmeter for sewer pipes, which measures the water level, calculates the flow area of the fluid, and calculates the volumetric volume of the sewage by calculating the average flow velocity and the flow area.

일반적으로 하수관거 내의 하수유량을 측정하는 방식으로는 전자 유량계(Electro-Magnetic Flowmeter)를 사용하는 방식과; 하수관거 내 동일 유동 단면의 한 지점 또는 몇개의 지점에 점 유속을 측정하는 장치들을 사용하여 유량을 산출하는 방식과; 하수관거에 위어(Weir) 및 플륨(Flume)등을 설치하여 유량을 측정하는 방식과; 하수관거에 조리개 기구를 설치하고 여기에서 발생하는 차압을 측정하여 유량을 산출하는 방식과; 초음파 시간차 유속계와 수위센서를 조합하여 유량을 산출하는 방식과; 하수관거 외벽 및 별도의 측정관에 여러개의 초음파 시간차 유량센서들을 설치하여 이들의 유속을 평균하여 유량을 산출하는 초음파 다회선 방식등을 이용한 유량측정 방식들이 사용되었고, 그 중에서 하수관거의 바닥에 초음파 수위계 및 기타수위 측정 방식과 초음파 도플러 유속 측정 센서를 조합하여 하수유량을 측정하는 방식이 가장 많이 사용되었다.In general, the method of measuring the sewage flow rate in the sewage pipe and the method using an electromagnetic flow (Electro-Magnetic Flowmeter); Calculating a flow rate using devices for measuring point flow velocity at one or several points of the same flow section in the sewage pipe; A method of measuring flow rate by installing weir and flume in sewage pipes; A method of installing a diaphragm in the sewage pipe and calculating a flow rate by measuring a differential pressure generated therein; A method of calculating a flow rate by combining an ultrasonic time difference tachometer and a water level sensor; Flow rate measurement method using ultrasonic multi-line method, which calculates the flow rate by installing several ultrasonic time difference flow sensors on the outer wall of sewage pipe and separate measuring pipe, among them ultrasonic level meter and bottom of sewage pipe The most common method is to measure the sewage flow rate by combining the other water level measurement method and the ultrasonic Doppler flow rate sensor.

종래에는 하수관거의 비만관 상태의 하수 유량을 측정하기 위한 방법으로 도 1 에서와 같이 초음파 공중 전파 방식에 의한 수위의 측정과 하수관거의 하단지점 Yp의 위치 등의 1개소 또는 2개소 이상의 유속측정을 위한 초음파 시간차법 및 초 음파 도플러 방식의 유속측정 센서를 설치하여 유속을 측정한 후 이들의 연산을 통하여 유량을 측정하는 방식이 이용되었다.Conventionally, as a method for measuring the sewage flow rate of the sewer pipe in the obesity pipe state, as shown in Figure 1 for the measurement of the water level by the ultrasonic air propagation method and the flow rate of one or two or more places, such as the position of the lower point Yp of the sewer pipe Ultrasonic time difference method and ultrasonic Doppler type flow rate measuring sensor were installed to measure the flow rate and the flow rate was measured through their calculation.

그러나 상기의 방식은 유속을 측정하는 유속센서가 점 유속 Vp만을 측정하게 됨으로 측정유속의 정도를 높이기 위해서는 2개소 이상의 유속센서를 설치하는 다회선 방식을 이용하여야 하고 유속측정 센서들도 하수관거 외벽에서 설치하거나 별도의 유속측정 센서들이 설치된 측정관을 만들어 하수관거에 설치해야 하는 등의 시공상의 문제가 있었다.However, in the above method, the flow rate sensor that measures the flow rate only measures the point flow rate Vp. Therefore, in order to increase the accuracy of the measurement flow rate, the multi-line method in which two or more flow rate sensors are installed must be used, and the flow rate measurement sensors are also installed in the sewer pipe. Or there was a problem in construction, such as the need to install a sewage pipe to make a measuring pipe with a separate flow rate measurement sensor.

따라서 이렇게 종래의 하수관거에 설치되어 사용되던 초음파 방식의 유량계들은 초음파 시간차법이나 여러개의 센서를 파이프 외벽에 설치하는 초음파 다회선 측정방식 또는 초음파 도플러 유속측정 방식을 사용한 초음파 도플러 유량계의 경우에도 개별 디지털 회로나 게이트 어레이(Gate Array)등의 디지털 논리 회로만으로 유체 유속에 대한 신호를 처리하는 방식이어서 하수관거 내에서 유체 들로부터의 신호를 효율적으로 처리하지 못하였고 이로 인해 유량측정에 오차를 유발하게 되는 문제가 있었다.Therefore, the ultrasonic flowmeters installed and used in the sewage pipes of the conventional digital circuits are also used in the case of the ultrasonic doppler flowmeter using the ultrasonic time difference method or the ultrasonic multi-line measurement method or the ultrasonic doppler flow rate measurement method. It is a method that processes signals about fluid flow rate only by digital logic circuits such as gate arrays, so it cannot efficiently process signals from fluids in sewer pipes, which causes errors in flow measurement. there was.

즉, 하수관거용 초음파 도플러 유량계는 도플러 유속측정 센서와 압력식 수위측정 센서로 구성된 유량측정 센서부에서 하수관거 내의 유체흐름의 평균유속을 측정하고, 압력식 수위센서에서 하수관거 내의 유체압력을 측정하여 유체의 면적을 계산한 후, 이 유체의 평균유속과 유동면적을 곱하여 유동율을 산출하는 기본 원리를 갖고 있으며, 이같은 하수관거용 초음파 유량계의 평균유속을 측정하는 초음파 도플러 유속센서는 1843년 크리스찬 도플러에 의해 처음으로 밝혀진 도플러 효과에 근거를 두고 있고, 도플러 효과에 의한 하수관거 내 유체의 평균 유속을 측정하기 위한 관계식은 다음과 같이 나타낸다That is, the ultrasonic Doppler flowmeter for sewage pipe measures the average flow velocity of the fluid flow in the sewage pipe in the flow measurement sensor unit consisting of the Doppler flow rate sensor and the pressure level sensor, and the fluid pressure in the sewage pipe by the pressure level sensor After calculating the area, the flow rate is calculated by multiplying the average flow rate and the flow area of the fluid.The ultrasonic Doppler flow sensor, which measures the average flow rate of the ultrasonic flowmeter for sewage pipe, was first introduced by Christian Doppler in 1843. Based on the Doppler effect found, the relation for measuring the average flow velocity of fluid in sewer pipes by the Doppler effect is given by

식 1 Equation 1

Figure 112006002012768-pat00001
Figure 112006002012768-pat00001

위 식 1에서 알 수 있듯이 하수관거 내를 흐르는 하수의 평균 유속측정은 초음파 도플러 원리에 근거하여 하수내에서 하수와 같이 흐른 입자들에 의해 나타나는 초음파 도플러 주파수를 측정하여 유속을 산출하는 방식이며, 실제로는 하수 내에서 같이 흐르는 수많은 입자들의 속도를 측정함으로써 초음파 도플러 센서가 감지하는 영역 내에서의 유속을 산출해야 한다As can be seen from Equation 1, the average flow velocity measurement of sewage flowing in the sewer pipe is a method of calculating the flow rate by measuring the ultrasonic Doppler frequency represented by particles flowing like sewage in the sewage based on the principle of ultrasonic Doppler. By measuring the velocity of numerous particles flowing together in the sewage, the velocity of flow in the area detected by the ultrasonic Doppler sensor must be calculated.

상기의 초음파 도플러 유속센서에서 사용되는 초음파는 대략적으로 도 2 에서와 같이 콘(Cone)모양으로 전달되며 이 유속센서 들은 대부분 하수관거의 하부바닥면에 설치되어 하수의 유동유속을 측정하게 되며, 위 식 1의 유속 계산공식은 초음파 도플러 유속 측정 단일입자 모델에 근거하지만 실제 하수 내에는 수많은 입자가 존재하며 초음파가 미치는 영역의 여러 부분에서 유체 유동프로파일(Profile)에 따라 각각 다른 속도로 이동하고 있어서 초음파 도플러 신호의 처리는 측정한 여러 주파수에 대하여 평균을 산출하는 방식으로 계측되어 진다.Ultrasonic waves used in the ultrasonic Doppler flow rate sensor are roughly delivered in a cone shape as shown in FIG. 2, and these flow rate sensors are mostly installed at the bottom of the sewage pipe to measure the flow rate of sewage. The flow rate formula of 1 is based on the ultrasonic Doppler flow velocity measurement single particle model, but there are many particles in the real sewage and the ultrasonic Doppler is moving at different speeds according to the fluid profile in different parts of the ultrasonic zone. Signal processing is measured in such a way that the average is calculated over the measured frequencies.

그러므로 도 3 과 같은 종래의 아날로그 신호 처리 방식이나 개별 디지털 회로를 사용한 방식은 산란 반사되는 초음파 도플러 신호의 강도에 따라 정도가 크게 좌우 될 수 있으며 또 유속분포에 따른 평균유속을 산출할 때에도 아날로그 방식의 저역 통과 필터링의 방법에 의존하고 있어 실용상 많은 오차를 범할 수 있다.Therefore, the conventional analog signal processing method as shown in FIG. 3 or the method using an individual digital circuit can greatly depend on the intensity of the scattered and reflected ultrasonic Doppler signal, and also when calculating the average flow rate according to the flow rate distribution. Relying on low-pass filtering methods, many errors can be made in practice.

한편, 도 4 는 종래의 초음파 도플러 유량계의 일반적인 블록 구성도면으로서 초음파 발진부에서 발진된 초음파를 송신 회로를 거쳐 센서의 초음파 송신기를 통해 하수관거 내 하수 유동 유체로 보내지면 하수유동 유체중의 유동 입자들에서 산란 반사되어 센서의 초음파 수신기 및 유량 변환기의 초음파 수신 증폭기 회로를 통해 발진부에서의 초음파 발진 주파수와 함께 혼합, 검파과정을 거쳐 저역통과 필터(Low Pass Filter)를 통해 주파수 카운터(Frequency Counter)에서 초음파 도플러 주파수 편차를 측정 유속에 따른 출력을 내보내는 기본 원리로 구성되어 있는바, 이의 경우는 아래 식 2의 초음파 도플러 원리에 의한 유속 관계식을 사용하여 유속을 계측할 경우 하수의 온도에 따른 음속 변화가 유속의 함수로 나타나 온도를 측정하여 음속에 따른 보정을 해주어야만 하고 또 실제 하수 유동 내에 존재하는 수많은 입자들로 부터 각각의 산란 반사된 초음파 도플러 주파수들이 수신되어 지므로 식 2를 그대로 적용할 수는 없게 된다.On the other hand, Figure 4 is a general block diagram of a conventional ultrasonic Doppler flow meter when the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic oscillator is sent to the sewage flow fluid in the sewage pipe through the ultrasonic transmitter of the sensor through a transmission circuit in the flow particles in the sewage fluid fluid Ultrasonic Doppler at the Frequency Counter through the Low Pass Filter, which is scattered and reflected, mixed and detected together with the ultrasonic oscillation frequency at the oscillator through the ultrasonic receiver amplifier of the sensor and the ultrasonic receiver amplifier circuit of the flow converter. It is composed of the basic principle of outputting the frequency deviation according to the measured flow rate.In this case, when the flow rate is measured using the flow rate relation according to the ultrasonic Doppler principle of Equation 2 below, the speed of sound changes according to the temperature of the sewage. Function as a function to measure the temperature Jueoyaman and yet been received and each of the scattering reflection of the ultrasonic Doppler frequency from the number of particles present in the actual wastewater flow becomes and hence it is possible to accept the expression (2).

따라서 실제 하수관거 내 하수유량의 측정과 같은 경우 유동 유체로부터 산란 반사되는 각각의 초음파 도플러 주파수의 스펙트럼을 관측해서 이들을 실시간으로 산술평균이나 통계적 평균 등의 방법을 사용하여 유속을 산출해야만 하는데,Therefore, in the case of measuring the sewage flow rate in an actual sewage pipe, it is necessary to observe the spectrum of each ultrasonic Doppler frequency scattered and reflected from the flow fluid, and calculate the flow rate by using arithmetic mean or statistical mean in real time.

식 2 Equation 2

Figure 112006002012768-pat00002
Figure 112006002012768-pat00002

여기에서From here

Figure 112006002012768-pat00003
: 비례 상수
Figure 112006002012768-pat00003
: Proportional constant

Figure 112006002012768-pat00004
Figure 112006002012768-pat00004

Figure 112006002012768-pat00005
: 각각의 입자로 부터의 도플러 주파수
Figure 112006002012768-pat00005
= Doppler frequency from each particle

Figure 112006002012768-pat00006
: 초음파조사 영역 내의 입자 집합을 고려한 파워 스펙트럼 밀도
Figure 112006002012768-pat00006
: Power spectral density considering particle set in ultrasonic irradiation region

위 식 2는 유동 유체내 초음파 조사 영역에서의 파워 스펙트럼 밀도인

Figure 112006002012768-pat00007
을 측정함으로써 유속
Figure 112006002012768-pat00008
를 계측하는 원리의 초음파 도플러 유속 측정 관계식이다.Equation 2 is the power spectral density in the ultrasonic irradiation region
Figure 112006002012768-pat00007
Flow rate by measuring
Figure 112006002012768-pat00008
Ultrasonic Doppler Flow Rate Measurement

이 경우 센서로 부터의 초음파 도플러 신호를 주파수 스펙트럼으로 분석하여 파워 스펙트럼을 산출하고 이를 이용하여 유체 유속

Figure 112006002012768-pat00009
를 산출하게 되는 원리이다.In this case, the ultrasonic Doppler signal from the sensor is analyzed by the frequency spectrum to calculate the power spectrum and the fluid flow velocity
Figure 112006002012768-pat00009
It is a principle that yields.

그러나 상기의 초음파 도플러 신호를 주파수 스펙트럼으로 연산하는 것과 파워 스펙트럼을 산출하는 과정들은 도 3 과 같은 종래의 아날로그 회로 방식이나 개별 디지털 회로 또는 게이트 어레이 등의 디지털 논리회로 만으로 유체 유속에 대한 신호를 처리하는 방식은 한정된 범위 내에서만 측정할 수 있으며, 오차 요인도 매우 클 수 밖에 없고 종래 마이크로프로세서(Microprocessor)를 사용하여 신호를 처리하는 방식을 사용하더라도 신호 처리속도가 늦어 유량 센서로 부터의 모든 신 호를 실시간으로 처리한다는 것이 불가능하며 또 한정된 범위 내에서의 산술 평균만으로 유량을 산출하게 되는 문제점이 지적된다.However, the processes of calculating the ultrasonic Doppler signal in the frequency spectrum and calculating the power spectrum process the signal for the fluid flow rate using only the conventional analog circuit method as shown in FIG. 3 or a digital logic circuit such as an individual digital circuit or a gate array. The method can be measured only within a limited range, and the error factor is very large. Even if the signal processing speed is processed using a conventional microprocessor, the signal processing speed is slow, so all signals from the flow sensor can be detected. It is pointed out that it is impossible to process in real time and that the flow rate is calculated only by the arithmetic mean within a limited range.

이의 문제점을 보완하기 위한 본 발명의 특징은 초음파 도플러 신호의 가장 효율적인 처리 방법인 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)를사용하여 신호를 처리하되, 수많은 입자들로부터 산란 반사되어 들어오는 초음파 신호를 고속 푸리에 변환방식인 에프.에프.티(FFT:Fast Fourier Transform)방식과 시 분할(Time Gating) 또는 범위분할(Range Gating)등의 방식으로 처리하여 하수유동의 평균유속을 산출하며, 시 분할 방식은 초음파가 조사된 영역 으로부터 센서까지의 거리에 따른 각각의 유속분포들을 측정하기 위해 일정 시차를 두어 수신되는 반사파를 분석하는 방식이며, 범위 분할 방식은 압력식 수위계로 부터의 수위신호를 받아 수위에 따른 출력 초음파 강도를 최적화한 후 수위별 유속을 측정함으로써 하수관거 내 유체 전체의 흐름에 대한 평균 유속을 측정하여 유량을 산출함에 있으며, 또 종래의 비만관 유량측정 방식에서 유동유체 면적을 계산하여 유속과의 연산을 통해 유량값을 계산할 때 수위 측정값에 따라 미리 입력된 테이블의 데이터를 통하여 유동 유체 면적을 계산하거나 직선 선형화 장치를 통하여 간접적으로 면적을 산출하는 테이블 데이터의 세분화 등에 따른 측정 수위구간에 의해 오차가 기대치 이상으로 발생하는 폐단을 해소하기 위해 하수관거의 내경을 미리 설정하고 유량측정 센서에 내장 또는 별도로 설치된 압력식 수위 센서로부터 하수 유동 유체의 수위 신호를 통해 수위를 측정할 뿐 아니라 이 수위 신호로부터 하수 유동 면적을 실시간으로 직접 산출하여 미리 산출 계측되어진 하수유동 유체의 평균 유속값과 연산을 통하 여 하수 유량을 산출함에 있다. A feature of the present invention to solve this problem is to process the signal using a DSP (Digital Signal Processor), which is the most efficient method for processing the ultrasonic Doppler signal, but the ultrasonic signal is reflected and scattered from a number of particles The average flow velocity of sewage flow is calculated by processing FFT (Fast Fourier Transform), Time Gating or Range Gating, etc. The method is to analyze the received reflected waves with a certain time difference to measure the flow velocity distributions according to the distance from the ultrasonically irradiated area to the sensor. The range dividing method receives the water level signal from the pressure gauge. The average flow velocity of the whole fluid in the sewage pipe is measured by optimizing the output ultrasonic intensity according to the Calculate the flow rate, and calculate the flow fluid area in the conventional obesity tube flow measurement method and calculate the flow value through calculation with the flow velocity. The internal diameter of the sewage pipe is set in advance and built in or separately from the flow measurement sensor in order to solve the closed end where the error occurs above the expected level due to the segmentation of the table data that calculates or indirectly calculates the area through the linear linearizer. In addition to measuring the water level through the water level signal of the sewage flow fluid from the installed pressure level sensor, the sewage flow area is calculated directly from the water level signal in real time. In calculating the flow rate.

본 발명은 상기한 바의 제반 문제점을 해결하기 위하여 신호 처리 및 연산 부분을 디.에스.피를 사용하여 150MIPS의 속도로 처리되는 디지털 알고리즘 에 의해 디지털 필터링 연산 및 에프.에프.티 연산등으로 신호를 처리함으로써 하수관거 내의 하수 유동 상태에 따른 초음파 주파수의 스펙트럼 분석과 통계적 연산으로 유량값을 산출함과 아울러 하수관거의 하수 유량의 측정을 가능하도록 함에 그 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses a digital algorithm that processes the signal processing and arithmetic operations at 150MIPS using D.P. The purpose of this is to calculate the flow rate value by spectral analysis and statistical calculation of ultrasonic frequency according to the sewage flow state in the sewage pipe, and to measure the sewage flow rate of the sewage pipe.

본 발명의 다른 목적은 하수관거 내 하수의 유동에 따른 유량을 측정하는데 있어 ±0.025∼±4.0[m/s]의 측정범위를 가지며 1m/s 이상의 유속 범위에서 2% F.S의 유량 측정 정도를 유지할 수 있게 하고, 특히 역류 등의 유량이 정방향 유량과 동일한 성능 범위에서 측정되게 하여 하수관거 내 하수의 흐름상태를 관측하는 데 매우 유용하게 활용할 수 있도록 함에 있다.Another object of the present invention has a measuring range of ± 0.025 ~ ± 4.0 [m / s] for measuring the flow rate of the sewage in the sewage pipe and can maintain the flow rate of 2% FS in the flow rate range of 1m / s or more In particular, the flow rate such as the reverse flow is measured in the same performance range as the forward flow rate to be very useful for observing the flow state of the sewage in the sewage pipe.

본 발명의 또 다른 목적은 하수관거 유량계의 국내 실정상 측정중에도 실시간으로 디지털 데이터를 원격지로 전송하여야 함은 물론 통신회선이 끊 겨진 상태에서도 일정기간 이상의 측정 데이터를 수집 저장할 수 있어야 하는 등의 기능을 요구함에 따라 본 발명에서는 상기의 복잡한 상황에서도 유량을 측정하면서 동시에 일정기간 이상의 측정 데이터를 저장하고 원격지로 데이터를 디지털로 전송하도록 하며 유량계의 상태 점검 등이 용이하도록 임베디드 리눅스를 탑재한 메인 처리부를 통하여 여러 가지 부가기능을 구현토록 하려는 것이다.Another object of the present invention is to require a function such as not only to transmit digital data to a remote place in real time even during actual measurement of a sewage pipe flow meter, but also to collect and store measured data for a predetermined period even when the communication line is disconnected. According to the present invention, even in the above complicated situation, while measuring the flow rate at the same time to store the measured data for a certain period or more to transmit the data digitally to the remote place, and through the main processing unit equipped with embedded Linux to easily check the status of the flow meter We want to implement some add-ons.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 유량계 내부에 일반 유.에스.비(USB)메모리를 설치하되 이를 통하여 유량계의 측정 데이터 및 측정 데이터의 데이터베이스를 구축하여 1년 이상의 기간 동안 측정 데이터 등을 저장할 수 있게 함으로써,측정 데이터의 신뢰성과 유량계의 안전성을 확보하고 일반 사용자 컴퓨터(PC:Personal Computer)에서도 상기의 유.에스.비(USB)메모리를 직접 탈착하여 활용 가능하게 하였으며 이를 통하여 하수관거 내의 하수유량 데이터의 분석 및 활용이 용이하도록 배려하였고, 이더넷(Ethernet)등의 직렬 통신 포트 등을 통하여 유량계가 계측작업을 진행하고 있는 중에도 원격지에서 상기 유.에스.비 메모리에 저장된 측정 데이터를 다운로드(Download) 가능토록 하고 유량계를 점검할 수 있도록 하였다. In order to realize this, the present invention installs a general USB memory inside the flowmeter, thereby establishing a database of flowmeter measurement data and measurement data and storing the measurement data for a period of more than one year. The reliability of the measurement data and the safety of the flow meter are secured, and the above-mentioned USB memory can be directly removed and used in a personal computer (PC) to analyze the sewage flow rate data in the sewage pipe. And easy-to-use, and through the serial communication port such as Ethernet (Ethernet), even while the flow meter is performing the measurement work, it is possible to download the measurement data stored in the USB memory from a remote location It was possible to check the flow meter.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 관련하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5 는 본 발명에 따른 하수관거용 초음파 도플러 유량계의 블록구성도면 이다.Figure 5 is a block diagram of the ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipe according to the present invention.

먼저, 본 발명의 유량계(1)는 유량측정 센서부(2), 신호증폭 및 아날로그회로부(3), 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4), 메인 처리부(5), 티.에프.티 엘.시.디(TFT LCD) 표시부(6), 인터페이스(Interface)부(7), 유.에스.비(USB) 메모리부(8), 센서 자동 세정장치(9), 센서 자동 세정용 압축공기 발생장치(10)로 구성된다.First, the flow meter 1 of the present invention includes a flow rate measurement sensor unit 2, a signal amplification and analog circuit unit 3, a DSP signal processor 4, a main processor 5, T.F. TFT LCD display unit 6, Interface unit 7, USB memory unit 8, Sensor automatic cleaning device 9, Sensor automatic cleaning Compressed air generating device 10 for.

상기한 바에서 유량측정 센서부(2)는 하수관거 내의 바닥면 등에 설치되어 유동 하수의 유속과 수위를 측정하기 위한 감지부이며, 이 유량측정 센서부(2)에는 하수관거 내에 항상 존재할 수 있는 모래 및 이물질 등의 침전물들이 유량측정 센서부(2)에 퇴적되어 유속이나 수위의 측정에 방해가 되지 않도록 센서 자동 세정장치(9)가 일체형으로 부착된 구조이며, 하수관거 내에서 사용될 경우 이물질 등의 부착에 의한 오동작이나 센서의 소손을 방지할 뿐 아니라 유속과 수위 신호를 전용 신호케이블을 통하여 신호증폭 및 아날로그 회로부(3)를 거쳐 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)로 전달한다.In the above bar, the flow measurement sensor unit 2 is installed on the bottom surface of the sewage pipe, etc., and is a detection unit for measuring the flow rate and the water level of the flow sewage, and the flow measurement sensor unit 2 includes sand which may always exist in the sewage pipe. The sensor automatic cleaning device 9 is integrally attached so that deposits such as foreign matters are deposited on the flow rate measuring part 2 so as not to interfere with the measurement of the flow rate or water level, and when used in sewage pipes, In addition to preventing malfunction or burnout of the sensor, the flow rate and water level signals are transmitted to the DSP signal processor 4 through the signal amplification and analog circuit unit 3 through a dedicated signal cable.

디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)는 유량측정 센서부(2)로 부터 하수관거 내의 수위에 따른 수위 신호를 입력받아서 유체가 흐르는 면적을 실시간으로 산출하고 유체 유속에 따른 초음파 도플러 신호를 입력받아 32비트(bit) 디.에스.피(DSP) 로 작동 되는 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)에서 초고속 디지털 알고리즘을 사용하여 유량값을 실시간으로 연산하며, 수위 변화에 따른 초음파의 게인(Gain)을 실시간으로 조절한다. The DSP signal processor 4 receives the water level signal according to the water level in the sewer pipe from the flow measurement sensor unit 2 to calculate the area in which the fluid flows in real time and to generate the ultrasonic Doppler signal according to the fluid flow rate. The DSP signal processor (4), which operates as a 32-bit DSP, receives the input and calculates the flow rate in real time using an ultra-high-speed digital algorithm. The gain of the ultrasonic waves is adjusted in real time.

한편, 유량측정 센서부(2)에는 초음파 송신센서(2a)와 초음파 수신센서(2b)를 각각 따로 설치하여 유속 불감영역을 최소화하였고, 신호증폭 및 아날로그 회로부(3)를 통하여 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)로 직접 신호가 입력되며, 상기의 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)에서 초음파 도플러 신호를 고속 에이.디(AD)로 변환시켜 디지털 고속 알고리즘을 사용 에프.에프.티(FFT)연산 및 신호필터링과 각종의 실시간 유량값 산출에 관한 연산을 통하여 하수관거 에서 하수유량을 효과적이고 안정적으로 측정하게 된다.Meanwhile, the ultrasonic flow sensor 2a and the ultrasonic wave sensor 2b are separately installed in the flow measuring sensor unit 2 to minimize the flow rate dead zone, and the D.P. (DSP) The signal is directly input to the signal processing section 4, and the DSP signal processing section 4 converts the ultrasonic Doppler signal into a high speed A.D. to use a digital high speed algorithm. FFT computation, signal filtering, and calculation of various real-time flow rate values allow effective and stable measurement of sewage flow in sewage pipes.

메인 처리부(5)는 32비트(bit) 암(ARM) 임베디드 프로세서(Embedded Processor)와 64 MByte의 플래쉬 롬(Flash ROM)과 에스.디.램(SDRAM)을 각각 탑재하고 6.4˝ 티.에프.티 엘시디(TFT LCD)를 사용한 티.에프.티 엘시디(TFT LCD) 표시부(6)를 연결하여 지.유.아이(GUI:Graphic user Interface)로 표시 처리하며, RS-232C/422/485등 시리얼 포트(Serial Port)를 비롯하여 이더넷(Ethernet) 및 블루투스(Bluetooth)통신 인터페이스를 탑재하여 측정된 데이터의 전송이 용이하게 하는 한편 2.6.x 대의 커널을 사용한 임베디드 리눅스(Embedded Linux)를 탑재시켜 측정된 로우데이타(Raw Data)를 비롯하여 측정 결과 데이터와 측정 날짜 및 시간 등을 함께 저장하고 원격지로 전송하는 것은 물론, 유량계의 모든 설정과 측정 데이터를 티.에프.티 엘.시.디(TFT LCD) 표시부(6)로 모니터링과 관리 설정할 수 있도록 하였고, 이더넷(Ethernet), 블루투스(Bluetooth), 시리얼 포트(Serial Port)등을 이용하여 측정 데이터의 전송 및 유량계(1)의 내부상태를 확인하고 설정하는 것을 자유롭게 할 수 있다.The main processor 5 is equipped with a 32-bit ARM embedded processor, 64 Mbytes of Flash ROM and SDRAM, respectively. Connects to the TFT LCD display part 6 using the TFT LCD, and displays and processes it with the Graphic User Interface (GUI), RS-232C / 422/485, etc. Serial port, Ethernet, and Bluetooth communication interfaces make it easy to transfer measured data, while embedded Linux using 2.6.x kernels is measured. In addition to storing raw data including measurement data, measurement date and time, and transmitting them to a remote location, all settings and measurement data of the flowmeter can be transferred to the TFT LCD. The display section 6 allows monitoring and management settings. By using Ethernet, Bluetooth, Serial Port, etc., it is free to transmit measurement data and check and set the internal state of the flowmeter 1.

즉, 상기의 티.에프.티 엘.시.디(TFT LCD) 표시부(6)에 의해 본 유량계(1)가 사용자에게 편리한 접근성을 제공토록 하고 있다. That is, the flow meter 1 provides the user with convenient access by the TFT LCD display unit 6 described above.

인터페이스(Interface)부(7)는 RS-232C/422/485 등의 시리얼 포트(Serial Port)와 이더넷(Ethernet) 블루투스(Bluetooth)등으로 측정 데이터를 전송하고, 유량계(1)의 상태를 점검 확인 할 수 있도록 하였으며,특히 측정 데이터의 실시간 전송을 위하여 시리얼 포트(Serial Port)또는 이더넷(Ethernet)을 사용할 수 있다.The interface unit 7 transmits measurement data to a serial port, such as RS-232C / 422/485, Ethernet, Bluetooth, and the like, and checks and checks the state of the flow meter 1. In particular, serial port or Ethernet can be used for real-time transmission of measurement data.

그리고 4∼20[mA]의 전류 출력 신호를 사용하여 유량,유속 및 수위신호에 따라 출력할 수 있으며 또 적산 유량을 측정하기 위한 펄스(Pulse)출력은 유량계(1) 외부에 적산 유량을 측정하는 디지털 카운터등을 연결할 수 있게 한다. And it can output according to flow rate, flow rate and level signal using current output signal of 4 ~ 20 [mA], and pulse output for measuring the accumulated flow rate is to measure the accumulated flow rate outside the flow meter (1). Enable the connection of digital counters, etc.

유.에스.비(USB) 메모리부(8)는 대용량의 탈착 가능한 유.에스.비(USB) 메모리를 직접 연결하여 사용할 수 있게 하였고, 이 유.에스.비(USB) 메모리에는 1년 이상의 측정 데이터를 효율적이면서 측정 데이터의 관리나 활용이 용이하도록 년,월,일 별로 체계적인 파일 시스템을 통한 데이터베이스를 구축하여 일반 사용자 컴퓨터(PC)에서도 쉽게 활용할 수 있게 구성하였다. The USB memory unit 8 allows a large capacity removable USB memory to be directly connected and used for more than one year in the USB memory. In order to make the measurement data efficient and easy to manage or utilize the measurement data, the database is organized through a file system by year, month and day so that it can be easily used in general user computers (PC).

마지막으로 센서 자동 세정장치(9)는 하수관거에 흐르는 하수에 포함된 많은 이물질등 부유물들이 하수관거 하부에 침적되어 유량측정 센서부(2)에서 유량을 측정하는데 방해 요소가 되는 것을 방지하기 위하여 유량측정 센서부(2)에 일체화시킨 장치로서 센서 자동 세정용 압축공기 발생장치(10)로 부터의 압축공기를 센서 자동 세정장치(9)의 노즐을 통하여 분사함으로써 유량측정 센서부(2)에 침적된 침전물들을 하수관거 바닥 면으로부터 분리하여 하수유동에 의해 이동시키는 원리를 이용하여 유량측정 센서부(2)를 자동 세정하도록 구성하였다.Finally, the automatic sensor cleaning device (9) is a flow measurement sensor in order to prevent a lot of foreign matters contained in the sewage flowing in the sewage pipe is deposited in the lower portion of the sewage pipe to be an obstacle to measuring the flow rate in the flow measurement sensor unit (2) A device integrated into the unit 2, which deposits compressed air from the compressed air generator 10 for automatic sensor cleaning through the nozzle of the automatic sensor 9 for cleaning, and deposits deposited on the flow rate sensor unit 2. It was configured to automatically clean the flow rate measurement unit (2) by using a principle that is separated from the bottom surface of the sewage pipe and moved by sewage flow.

특히, 이 유량측정 센서부(2)에 설치된 센서 자동 세정장치(9)는 수위, 유속 및 측정 주기에 따라 미리 설정된 센서 세정 주기값을 메인 처리부(5)에서 제어하도록 구성하였다.         In particular, the sensor automatic cleaning device 9 provided in the flow rate measuring sensor section 2 is configured such that the main processing section 5 controls the sensor cleaning cycle value set in advance according to the water level, the flow rate, and the measurement cycle.

이상과 같은 본 발명은 하수관거 내의 유체 유동에 의한 유속과 수위를 동시에 측정하여 하수관거 에서 하수 유량을 측정하고, 측정 데이터를 장기간 유량계 자체에 보관하면서 원격으로 전송할 수 있도록 구성한 초음파 도플러 방식의 만관, 비만관 유량계로써 유량 센서로 부터의 측정신호를 32bit, 150MHz의 속도로 작동되는 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)에서 고속의 디지털 알고리즘으로 직접 처리함으로써 하수관거 유동 유체의 유속을 초음파 도플러 방식으로 측정할 때, 하수 유체의 각종 이물질로 구성된 부유 입자들로부터의 산란 반사되는 주파수에서 노이즈 성분들을 효과적이면서 효율적인 접근 방법으로 분석 제거하여 유량 측정 센서로부터의 신호 데이터를 통계적 방법을 사용하여 처리하는 한편 에프.에프.티( FFT) 연산과 고속 디지털 필터링 연산을 통하여 하수유동 유체의 유속에 따른 신호 데이터를 처리하여 유량측정 센서로부터 유체 유속에 따른 초음파 도플러 신호를 초음파 조사전 영역에서의 파워 스펙트럼 밀도로 분석 측정함으로써 실제 유동 상태의 하수유량 측정에서의 정도를 획기적으로 향상시킨 효과가 있고, 또 정역 양방향 유량을 동일한 정도로 측정할 수 있는 효과가 있으며, 유.에스.비(USB) 메모리에 데이터베이스를 구축하여 사용함으로써 일반적인 사용자 컴퓨터(PC)에서도 보다 효율적으로 유량측정 데이터 관리가 이루어짐과 동시에 이더넷(Ethernet)을 통해 유량계가 인터넷에 직접 연결될 수 있으며, 이를 통하여 인터넷 상에서 유량계에 저장된 측정 데이터들을 다운로드 하거나 유량 측정 데이터를 확인 및 점검할 수 있는 등 본 발명에 의하여 달성되는 효과가 매우 크다. As described above, the present invention measures the flow rate and the water level due to the fluid flow in the sewage pipe at the same time to measure the sewage flow rate in the sewage pipe, and the ultrasonic doppler type tube and obesity pipe configured to transmit remotely while storing the measurement data in the flowmeter itself for a long time. Ultrasonic Doppler measures the flow rate of sewage flow fluid by directly processing the measured signal from the flow sensor as a flowmeter using a high-speed digital algorithm in a DSP (Digital Signal Processor) operating at 32bit, 150MHz speed. When analyzing the signal data from the flow measurement sensor using a statistical method, an effective and efficient approach is to remove and remove noise components at scattered and reflected frequencies from suspended particles composed of various foreign bodies of sewage fluid. FFT computation and high speed digital fill By processing the signal data according to the flow rate of sewage flow fluid through the turing operation, the ultrasonic Doppler signal according to the fluid flow rate is analyzed and measured by the power spectral density in the area before the ultrasonic irradiation from the flow rate sensor. It has the effect of greatly improving the accuracy, and it is possible to measure the reverse flow rate in the same direction, and it is more efficient in general user computer (PC) by building and using the database in USB memory. In addition to the flow measurement data management and at the same time the flowmeter can be directly connected to the Internet via Ethernet, through which the measurement data stored in the flowmeter can be downloaded or the flow measurement data can be checked and checked through the Internet. Has achieved the effect Wu large.

Claims (8)

하수관거 바닥면에 설치되어 하수의 유속과 수위를 측정하는 유량측정 센서부(2);A flow rate sensor unit 2 installed at the bottom of the sewage pipe to measure the flow rate and the water level of the sewage; 상기 유량측정 센서부(2)가 감지한 신호를 증폭하는 신호증폭 및 아날로그회로부(3);A signal amplification and analog circuit unit 3 for amplifying the signal sensed by the flow measurement sensor unit 2; 상기 신호증폭 및 아날로그회로부(3)가 송신하는 신호를 입력받아 유체가 흐르는 면적을 실시간으로 산출하고 유체 유속에 따른 초음파 도플러 신호를 입력받아 디지털 알고리즘을 사용하여 유량값을 실시간으로 연산하며, 수위 변화에 따라 초음파의 게인을 실시간을 조절하는 디·에스·피(DSP)신호 처리부(4);The signal amplification and the signal transmitted from the analog circuit unit 3 is input to calculate the area in which the fluid flows in real time, and receives the ultrasonic Doppler signal according to the fluid flow rate to calculate the flow rate value in real time using a digital algorithm, the water level change A DSP signal processor 4 for adjusting the gain of the ultrasonic wave in real time according to the present invention; 상기 디·에스·피(DSP)신호 처리부(4)에서 처리된 데이터를 입력받아 측정된 로우데이타를 비롯하여 측정 결과 데이터와 측정 날짜 및 시간을 저장하고 원격지로 전송하며, 유량계의 설정과 측정 데이터를 모니터링 할 수 있게 하는 메인 처리부(5);The data processed by the DSP signal processor 4 receives the raw data measured, the measurement result data and the measurement date and time are stored and transmitted to the remote site, and the flowmeter settings and measurement data A main processor 5 for monitoring; 상기 메인 처리부(5)에 처리된 데이타를 지·유·아이(GUI:Graphic user Interface)로 표시 처리하는 티·에프·티 엘·시·디(TFT LCD) 표시부(6);A TFT LCD display unit 6 for displaying and processing the data processed by the main processing unit 5 by a GUI (Graphic user interface); 상기 메인 처리부(5)와 시리얼 포트와 이더넷 블루트스로 연결되어 메인 처리부(5)에서 처리된 데이타를 전송하는 인터페이스(Interface)부(7);An interface unit 7 connected to the main processor 5 through a serial port and Ethernet Bluetooth to transmit data processed by the main processor 5; 유량계에 탈착 가능하게 연결되어 상기 메인 처리부(5)가 처리한 데이터를 저장하는 유·에스·비(USB) 메모리부(8);A USB memory unit 8 detachably connected to the flowmeter and storing data processed by the main processing unit 5; 압축공기를 이용하여 상기 유량측정 센서부(2)에 침적된 침전물을 제거하는 센서 자동 세정장치(9); 및A sensor automatic cleaning device (9) for removing deposits deposited on the flow rate measuring part (2) by using compressed air; And 상기 센서 자동 세정장치(9)에 압축공기를 공급하는 센서 자동 세정용 압축공기 발생장치(10);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계.Ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipes, characterized in that it comprises ;; compressed air generator for automatic sensor cleaning for supplying compressed air to the automatic sensor cleaning device (9). 제 1 항에 있어서, 디.에스.피(DSP)신호 처리부(4)는 32비트(bit) 150MHz로 작동되는 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)를 사용하여 고속 디지털 알고리즘으로 초음파 도플러 신호를 처리함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계.The DSP signal processor 4 according to claim 1, wherein the DSP signal processor 4 uses a digital signal processor (DSP) operated at a 32-bit 150 MHz using a high-speed digital algorithm. Ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipe processing, characterized in that the signal processing. 제 1 항에 있어서, 유량계(1)의 유량측정 센서부(2)로 부터의 초음파 도플러 신호를 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)를 사용하여 에프.에프.티(FFT)분석 측정을 통해 초음파 조사영역에서의 파워 스펙트럼 밀도를 측정함으로써 정역 양방향 유량을 동일 정도로 측정함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. 2. The FFT analysis of the ultrasonic Doppler signal from the flow rate sensor part 2 of the flowmeter 1 using a DSP (Digital Signal Processor). Ultrasonic Doppler flowmeter for sewage pipes, characterized in that by measuring the power spectral density in the ultrasonic irradiation region through the same degree of forward and reverse bidirectional flow rate. 제 1 항에 있어서, 유.에스.비(USB) 메모리부(8)에 데이터 베이스를 구성하여 측정 데이터를 저장 관리할 수 있도록 함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. The ultrasonic doppler flow meter according to claim 1, characterized in that a database is constructed in a USB memory unit to store and manage measurement data. 제 1 항에 있어서 유량측정 센서부(2)에는 하수관거용 센서 자동 세정장치(9)를 부착함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. The ultrasonic doppler flow meter according to claim 1, characterized in that a sewage pipe sensor automatic cleaning device (9) is attached to the flow measurement sensor unit (2). 제 1 항에 있어서, 메인 처리부(5)에는 리눅스 커널을 탑재한 임베디드 리눅스 시스템으로 소프트 실시간 시스템(Soft Realtime System)을 구현함과 아울러 디.에스.피(DSP:Digital Signal Processor)신호 처리부(4)에 하드 실시간 시스템(Hard Realtime System)을 구현하여 듀얼 오.에스(OS:Operating System)시스템에 의해 작동되게 함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. The system of claim 1, wherein the main processor 5 implements a soft realtime system as an embedded Linux system equipped with a Linux kernel, and a digital signal processor (DSP) signal processor (4). Ultrasonic Doppler flow meter for sewer pipes, which is implemented by a dual operating system (OS) system by implementing a hard real time system. 제 1 항에 있어서, 데이터 통신인 인터페이스(Interface)부(7)에는 이더넷(Ethernet), 블루투스(Bluetooth), RS-232C/422/485 등의 복합통신 인터페이스(Interface)시스템을 갖추고 이더넷(Ethernet)을 통한 인터넷(Internet)접속과 블 루투스(Bluetooth)를 통한 단거리 무선접속이 가능하도록 함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. 2. The interface unit 7 according to claim 1, wherein the interface unit 7, which is data communication, is equipped with a complex communication interface system such as Ethernet, Bluetooth, RS-232C / 422/485, etc. Ultrasonic Doppler flow meter for sewage pipes, characterized in that it enables Internet connection and short-range wireless connection via Bluetooth. 제 1 항에 있어서, 티.에프.티 엘.시.디(TFT LCD) 표시부(6)로 6.4″티.에프.티 엘.시.디(TFT LCD)를 사용하고 터치스크린(Touch Screen) 및 그래픽 유저 인터페이스(GUI:Grapic user Interface)시스템을 구현함을 특징으로 하는 하수관거용 초음파 도플러 유량계. 2. The LCD of claim 1, wherein a 6.4 ″ TFT LCD is used as the TFT LCD display 6 and a touch screen is used. And an ultrasonic Doppler flow meter for implementing sewage pipes, which implements a graphical user interface (GUI) system.
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