KR0150714B1 - 대폭수위 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대폭수위 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 측정하고자하는 수위에 관련하여 소정 길이로 선택되는 도파관에는 그의 상부에 음파펄스를 발생시키는 음파펄스 발생기가 고정되고 이로부터 도파관을 따라 일정한 간격에 음압 감지기로 되는 제1마이크로폰이 설치됨과 동시에 이 제1마이크로폰으로부터l간격으로 여러 개의 마이크로폰이 고정되어서, 소정주기로 음파펄스 발생기로부터 임펄스를 제1 및 제n마이크로폰들이 전진파와 반사파로 구분 수신하고, 이 신호들이 증폭되며 파형성형되어 연산제어기에 인가되므로 제1 및 제n마이크로폰 각각의 전진파와 반사파의 시간간격t ₁ 및t ₂ 를 측정하여 수위 L을 산출하도록 한다.

또한, 본 발명은 수위를 경사 도파관에 의하여 측정할 수 있도록 구(球)형 부구가 도파관에 투입되어 있다.

본 발명은 지하수 수위의 측정을 위하여 도파관 대신 관측관을 이용하며 관측관 내부로 마이크로폰들을 고정한 지지봉을 삽입하게 되어 있다.

Description

대폭수위 측정장치 및 방법

제1도 종래의 초음파 수위계에서 반사편 또는 반사봉을 사용하여 음속보상하는 원리 설명도.

제2도 본 발명의 수위계의 기본적인 구성을 나타내는 블럭선도.

제3도 본 발명의 수위계 동작원리를 설명하는 시간선도.

제4도 종래 수위계와 본 발명의 수위계에서 발생하는 지연 시간 분포도.

제5도 본 발명의 수위계로 지하수 수위를 측정할 때의 구조도.

제6도 본 발명의 수위계를 경사로 설치할 때의 구조도.

제7도 저수지의 수위변화도.

제8도 저수지에서의 본 발명의 수위계의 다른 이용방법.

본 발명은 음파를 사용하여 거리를 측정하는 기술과 관련된 것으로, 수위가 대폭으로 그리고 주변온도, 습도 등이 심하게 변화하는 저수지, 대하천, 지하수 수위를 측정하는데 주로 활용되는 음파 계수 수위계를 구비한 대폭수위 측정장치 및 그의 방법에 관한 것이다.

수문관측용 수위계의 가장 대표적인 것이 부구(浮子-feoat)수위계이다. 이 부구 수위계는 전원 없이도 기계식 자동수위기록기를 동작시킬 수 있으며, 또 부구 수위계의 활차에 각도-코드 전환기를 연결시켜 원격측정(telemetry)시스템을 구성하기도 편리하다는 장점 등이 있다.

수위측정범위(최소-최대 수위변화 폭)가 클 경우, 부구 수위계를 이용함에 있어 다음과 같은 단점들이 있다.

부구 수위계는 수직으로만 동작하기 때문에 반드시 수위계를 설치하기 위해서는 수직으로 된 구조물, 예를 들어 '탑'을 건설해야 한다. 저수지에서 수위가 수 10m 변한다면 수 10m 이상 높이의 탑을 건설해야 한다.

부구 수위계의 감도는 부구의 직경에 거의 비례한다. 따라서 깊은 지하수 수위자동기록 또는 원격측정을 하려면 이미 설치된 지하수 수위 관측용 측정관(well)의 직경이 부족하여 직경이 큰 측정관을 설치해야 한다.

수위측정범위기가 몇 10m나 되면 부구와 수위계를 연결하는 로프도 몇 10m나 되는 주변온도의 변화에 따라 로프의 열 신장 신축에 의한 수위 측정오차가 커진다.

부구 수위계 교정검사장치도 수직형으로 되어 있어야 하는 바 측정범위가 수 10m가 된다면 교정검사장치의 높이도 수 10m가 되어야 하는 바 교정장치도 복잡해진다.

이런 단점들에 의하여 부구 수위계의 수위측정범위가 제한되면 수위변화가 큰 저수지, 대하천, 지하수 수위측정에 사용하기 곤란하다.

그리고 어떠한 수위계를 사용하든지 간에 저수지, 하천 수위를 측정함에 있어 수위의 진동(예를 들어 파도가 생겨서)을 진정시키는 대책을 세워야 하는바 때로는 복잡한 구조물을 건설해야 한다.

상기한 부구 수위계의 단점을 고려하여 다양한 수위계가 개발되어 있다. 예를 들어 저수지 수위를 측정하기 위하여 수위를 직접 측정하지 않고 저수지의 수심을 측정하여 수심을 알고 수위로 환산할 수도 있는 수심계도 있다.

실예로, 입력센서를 일정한 깊이에 설치하고 물의 압력, 즉 수주(水柱)압을 측정하는 수심계도 있다. 이런 수심계의 단점은 다음과 같다.

입력센서를 정확히 지정된 위치에 설치하는데, 입력센서와 압력계측기를 연결시키는 케이블선과 대기압을 압력센서에 전달하는 파이프 등을 저수지 기슭을 따라 설치하려면 수중작업이 필요하다. 또 입력센서를 주기적으로 교체해야 하는 등 보수 운영도 복잡하다.

압력센서 특성이 우수하다 해도 수심 H 측정은(여기서 ρ-물의 밀도, P-측정압, P_o-대기압) 식에 의하여 계산되는 바 저수지의 수심선상의 평균 밀도가 불변하는 정수가 아니라 온도, 성분에 따라 변하며 또 대기압 P_o도 변수인 바 이의 정확한 보상도 쉽지 않다.

이외에 큰 저수지에서의 파고도 몇 m가 될 때가 많아 수심측정 오차도 적지 않다.

초음파 수위계도 있는데 입력센서처럼 초음파 진동자를 수중에 설치할 때는 입력센서를 사용할 때 발생하는 오차보다 더 클 수 있으며 설치 작업 운영 보수의 단점도 동일하다.

액면에서 일정한 간격에 초음파 진동자(ultrasonic transducer)를 설치하고 초음파 펄스를 발사시키는 순간부터 초음파 펄스가 공기에서 전번하여 액체 표면에서 반사되어 초음파 진동자까지 도달하는 순간까지의 시간 t를 측정하여 초음파 진동자와 액면까지의 거리, 즉 수위 L을 측정하는 초음파 수위계가 산업용으로 많이 개발되어 있다. 수위 L은

식으로 측정된다. 여기서 C - 수위측정때의 공기 중에서의 음파전파속도, 즉 음속이다.

공기 또는 다른 기체에서의 음속은 기체의 온도, 압력, 성분, 습도에 따라 심히 변하는 변수이기 때문에 반드시 수위측정하는 순간에 음속을 정확히 알아야 수위 측정오차가 작아진다.

초음파 수위계에서 음속 C를 보상하는 방법중 두 가지가 널리 알려져 있다.

한가지 방법은 공기의 성분이 일정하고, 동시에 초음파 진동자와 액체 표면까지의 간격에서 온도가 동일하다고 가정하고 초음파 진동자와 온도센서를 복합시키고 온도측정을 하여 음속 C를 계산하는 방법이다. 예를 들어 공기에서의 음속은

라는 관계식을 사용할 수도 있다. 여기서 α-음속온도계수, T-공기의 온도이다. C_o- 공기 온도가 0℃일 때의 음속이다. 이와 같이 온도계를 사용하여 음속을 측정하고 수위를 계산하는 초음파 수위계는 주로 밀폐된 용기에서 수위변화가 그리 크지 않는 경우에 주로 이용되고 있다. 그러나, 저수지, 대하천, 지하수 수위를 측정할 때는 수위 L이 수 10m나 변함으로 L 구간의 공기온도분포가 심하게 변할 수 있어 한 지점에서 측정된 온도로 L 구간의 평균 음속을 정확히 보상할 수 없다. 그뿐 아니라 기체 압력, 성분 변화에 따른 음속 변화는 보상하지 못한다.

또 널리 알려진 다른 음속보상 방법은 초음파 진동자에서 수직으로 일정한 간격l에 반사편 또는 반사봉을 설치하고 반사봉에서 초음파가 반사하여 초음파 진동자에 도달하는 시간 t_o를 측정하여 수위 L을

식으로 측정하는 방법이다. 여기서라고 가정한 것인데 이것을 식(3)에 대입하면 L이 되는 것이다.

이런 방법은l구간에서의 음속 C _l 과 L 구간에서의 음속 C_L이 동일할 경우, 즉C _l =C_L=C로 되는 경우에는 음속보상 오차는 없다. 그뿐 아니라 온도계를 이용하여 음속을 보상하는 방법에 비해 음속보상 효과도 더 크다(상기한 초음파 수위계들은 Ultraflux 社, Tokimec 社 등에서 개발하여 판매되고 있다).

그라나 만일에 C _l =C_L이 동일하지 않을 경우 식(2)에 의하여 측정된 수위 L'는

될 것이다. 측정된 수위 L'와 진(眞) 수위 L과 대비하여 수위 측정 상대 오차를 구해보면 다음과 같이 된다.

제(1)도에 도시한 것처럼 L 구간에서 공기 온도가 어떠한 구배(tanθ)의 직선으로 분포되어 있다고 가정하자. 초음파 진동자의 위치 0에서의 온도를 T_o,l간격에서, 즉 반사봉이 위치한 점에서의 온도를 T _l , 그리고 수면에서의 온도를 T_L이라고 하면 l 구간에서, 그리고 L 구간의 평균온도는 각각

이 될 것이다. 이런평균온도를 식(2)에 대입하고 이것을 식(4)에 대입하면

가된다.

식(5)에서 보는바와 같이 T_o=T_L이 되면 상대오차가 δ_L'=0이 되며 또 T_o≠T_L경우에비율이 1에 가까워질수록 상대오차는 작아진다. 그러나 수위 L이 l에 비하여 수 10배 크게 변하는 조건에서는 온도차 T_o-T_L도 커질 수 있고비가 작아짐에 따라 오차도 커진다. 이러한 것을 참작하여 수위측정범위를 보통 L=2l∼5l정도로 취한다.

저수지, 하천, 지하수 수위측정 허용오차는 측정 전역에 걸쳐 ±1cm 이하를 요구하고 있는 바 상기한 초음파 수위계의 음속 보상방법을 사용할 수 없다.

(예:l=0.5m, L=20m, T_o=30℃, T_L=20℃, α=0.6일 때

절대오차가 거의 17cm나 된다. 만일에l=5, 또는 10m로 취한다 해도 상기 예에서 수위측정 절대오차는 Δ_L'=13cm, 8cm가 된다. 만일에 온도차가 5℃로 되면 (T_o=25℃) Δ_L'은 상기한 오차의 거의로 된다. 즉 8.5, 6.5, 4cm가 된다.)

본 발명은 온도측정, 반사봉을 이용하는 두 가지 음속보상 방법의 모든 단점을 제거하도록 측정범위가 클 때에도 음속변화에 의한 수위측정오차가 수위측정범위 전역에 걸쳐 증가되지 않는 음파 수위계를 제공하는 것이 주목적이다.

본 발명의 다른 목적은 저수지, 대하천의 수위를 측정함에 있어 부구 수위계처럼 수직으로 동작하는 수위계를 이용하기 위한 수직탑을 건설할 필요도 없고 또 수위의 요동을 진정시키는 장비도 필요 없이 수위계를 저수지 또는 하천의 기슭 경사면에 따라 경사로 설치하게 되어 있어 설치, 시설비를 대폭 축소시킬 수 있는 대폭수위 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지하수 수위 관측망에서 지하수 수위측정을 자동화함에 있어 지하수 수위관측관(well)을 직접 사용할 수 있는 음파 수위계를 구비한 대폭수위 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 대폭수위 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 측정하고자 하는 수위에 관련하여 소정 길이로 선택되는 도파관에는 그의 상부 음파펄스를 발생시키는 음파펄스 발생기가 고정되어 있고 음파펄스 발생기로부터 일정한 간격을 두고 음압감지기로 되는 제1마이크로폰이 설치됨과 동시에 이 제1마이크로폰으로부터 간격l으로 제2, 3, ···, 제n마이크로폰이 고정되어서, 소정의 주기로 음파펄스 발생기로부터 발사한 임펄스를 제1 및 제2, ···제n마이크로폰들이 전진파와 반사파로 구분 수신하고, 이 신호들이 증폭되며 파형 성형되어 연산제어기에 인가되므로 제1마이크로폰이 전진파와 반사파를 수신한 시간간격t ₁ 을 측정하고 또 수표면에 가장 가까이 있는 제n-1번째 마이크로폰과 제1마이크로폰이 수신한 시간간격t _n-1 을 측정하여 수위 L을 계산하도록 한다. 구(球)형 부구(float)가 있어 임의의 경사각으로 설치할 수 있게 되어 있다. 수위변화가 크지 않은 하천에서는 도파관을 물론 수직으로 설치할 수 있으며 이때는 구가 필요 없다.

본 발명은 지하수 수위의 측정을 위하여 도파관 대신 지하수관 내부로 제1 및 제2,3, ···,제n마이크로폰을 고정한 지지봉을 삽입하게끔 되어 있다.

본 발명을 첨부 도면에 의거하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

제2도에 본 발명의 음파수위계의 개략적인 블럭선도로써, 수위계가 수직으로 설치된 경우가 도시되어 있다. 우선 도파관(2)(예를 들어 파이프관)는 측정하려는 수위가 가장 낮은 곳에 그의 하부가 고정되고 도파관(2)의 총 길이는 수위변화 전 폭의 길이보다 길게 되어 있다. 도파관(2)의 상부 종단에 음파펄스 발생기(1)이 설치되어 있으며, 음파펄스 발생기(1)에서 하부로 도파관(2)에 일정한 간격에 음압 감지기로 되는 마이크로폰(microphone) (5₁)이 설치되어 있고, 이 마이크로폰(5₁)에서 간격 l으로 마이크로폰(5₂), (5₃), ···, (5_n)이 설치되어 있다.

이 음파수위계를 동작시키면 제3도 (I)에서 보인 것처럼 음파펄스 발생기(1)에 임펄스를 인가하는 발진기(6)이 발진한다.(물론 임펄스 대신 사인파가 1∼2 주기 되는 펄스로 음파펄스 발생기(1)를 가동해도 된다.)

음파펄스 발생기(1)로부터 음파펄스는 제3도 (II)와 같이 발생되며 도파관을 따라 전번하게 된다. 첫 번째 음파 발사신호를 음파발생기(1)에 인가 했을 때 마이크로폰 스위치 회로(4)는 제2의 마이크로폰(5₂)이 증폭기(7) 입력과 연결된 상태로 되어 있다. 마이크로폰(5₁)은 항상 증폭기(7)에 연결되어 있다.

따라서 제3도 (III)와 같이 처음에 마이크로폰(5₁)이 전진파를 수신하고l/C의 시간차로 마이크로폰(5₂)이 수신하며, 한편, 액면에서 반사된 음파펄스를 마이크로폰(5₂), 그리고 (5₁)의 순서로 수신하게 된다. 순차로 나타나는 마이크로폰(5₁)과 (5₂)의 출력신호는 증폭기(7)에 입력되어 증폭된다. 증폭기(7)는 음파발사신호가 연산 제어기(10)에서 발생된 후 일정한 시간이 경과한 후부터 증폭도가 시간에 따라 증가되고 네번 마이크로폰 출력신호가 나타나면 증폭도가 원상태로 되게끔 되어 있어 증폭기 출력신호의 진폭은 어느 간격에서 음파가 반사되어도 제3도 (IV)와 같이 일정하게 된다(이 회로는 특허 대상이 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다).

증폭기(7)의 출력은 검출기(8)에 입력되고 검출기(8)는 입력된 신호의 최대 진폭이 되는 반주기가 제로 크로싱점(0)으로 되는 순간(제3도에는 1.5 주기를 보이고 있다.)을 포착하여 제3도 (V)와 같은 펄스를 발생한다. 이 펄스를 직접 사용할 수도 있고 또는 파형 성형기(9)에 입력시켜 제3도 (IV)과 같이 펄스를 발생시켜 시간측정, 반복 측정횟수 및 평균치를 연산하여 수위를 계산하는 연산제어기(10)에 입력시킨다. (11)은 디지털 디스플레이이다.

(12)는 연산기(10)의 출력신호를 아날로그 신호(전류, 주파수)로 전환시키는 디지털/아날로그 변환기이다. 디지털/아날로그 변환기(12)의 출력은 자동수위기록기에 입력될 수도 있고 또는 원격 측정(telemetry)시스템 송신입력에 가해질 수도 있다.

한편 마이크로폰(5₁)의 위치가 측정 0점으로 된다.

네개의 성형된 펄스가 제어연산기(10)에 입력됨에 따라 제3도 (VI)에 표시한 시간간격t ₂ 와t ₁ 을 측정하고 다음 식에 의하여 측정하려는 수위 L의 근사치를 계산한다. 즉

l구간에서의 음속 C ₂ 와 L 구간에서의 음속 C₁이 동일하지 않기 때문에 식(6)으로 산출된 수위 값은 정확하지 않다.

L' 값을 계산하고 액면에서 가장 가까운 위치에 있는 마이크로폰(5_n)을 다음 식에 의하여 계산하여 선택한다.

n+a가 되면 n번 마이크로폰(5_n)을 선택하며 만일에 n이 되면 n-1번째 마이크로폰(5_n-1)을 선택해야 한다는 것을 제어연산기(10)가 판단하여 스위치회로(4)를 동작시켜 선택한 마이크로폰(제2도에서 5_n)을 증폭기(7)와 연결시킨다.

스위치회로(4)의 동작이 끝나면 음파발사신호가 제어연산기(10)에서 음파펄스발진기(6)에 인가되어 음파발생기(1)가 동작하게 된다. 이때 마이크로폰(5₁)과 (5_n)이 수신한 신호는 제3도 (VII)과 같이되고 성형된 후에는 제3도 (VIII)과 같이 된다.

제어연산기(10)는 시간간격t ₂ 와t ₁ 을 측정하고 다음 식으로 정확한 수위 L을 계산한다.

여기서 n은 동작하고 있는 마이크로폰 번호이며,l은 마이크로폰들 간의 간격이다.

식(8) 대신에 선택한 마이크로폰(5_n)까지의 길이 L_o은 이미 알고 있는 값이기 때문에 다음 식으로 수위 L을 계산할 수도 있다.

그러나 L_o 구간에서의 음속 C ₂ 와 L 구간에서의 음속 C₁이 완전히 일치될 수는 없고 식(9)에 의하여 측정된 수위는 다음과 같다.

이로 인한 수위측정 오차는이 될 것이다.

종전 기술의 오차 분석한 것과 같이 O점과 L 점에서의 온도차가 직선으로 분포되어 있다고 가정하면 수위측정 상대오차는 다음과 같다.

여기서 ΔL은 선택한 마이크로폰5_n으로부터 액면까지의 간격길이이다. 따라서 기대할 수 있는 최대의 오차는 ΔL7l일 때이다.

종전의 기술과는 정반대로(식 (5) 참조) 본 발명에 의하면 측정범위 L이 크면 클수록 상대오차는 작아지며 절대오차는 측정범위에 관계없이 변하지 않는다. 절대오차 Δ_L은 다음구간에서 변한다.(음속보상 오차)

만일에 절대오차 Δ_L의 허용치가 주어지고 최대의 온도차 T_o-T_L, 그리고 온도의 합 T_o+T_L이 주어진 경우 마이크로폰의 간격l은 다음과 같이 선정된다.

예를 들어 수문(hydrology)관측에서는 수위측정 허용오차를 측정 전 범위에서 ±0.01m(1cm)로 권고하고 있는바 여름철에 T_o=40℃, T_L=25℃, 겨울철에 T_o=0℃, T_L=15℃라고 보면l은 다음과 같다.

그러나 현지에서의 도파관 내부온도 분포는 직선으로 변하지 않으며 더욱 완화된 분포로 되어 있기 때문에 여름철, 겨울철을 모두 고려하여취해도 충분하다.

저수지에서 공기 중에 노출된 도파관 길이가 82m일 때l=2m로 시험한 결과 주변온도가 0℃∼42℃, 저수지 물표면 온도가 15∼24℃ 변하는 조건에서 최대 절대오차가 ±1cm를 초과하지 않았으며 평균 ±4mm 였었다.

상기한 측정방법외에 오차를 더 축소하기 위하여 액면에 가장 가까운 곳에 고정된 두 마이크로폰간의 음파펄스 전번시간을 측정하여 ΔL을 계산할 수 있으나 실험결과에 의하면 오차가 오히려 증가된다.

종전기술의 오차 실 예를 식(13)에 대입하면 최대 절대오차는 4mm가 된다. 종전기술에서는 오차가 168mm였었다.

본 발명에서는 음파펄스 주파수f를 도파관 내경 D에 따라 다음과 같이 선택한다.

이런 주파수 음파펄스는 도파관에서 거의 평면으로 전번한다.

수위 측정범위를 100m 정도 보장하려면 도파관 내경을 D=0.1m로 선택하면 충분하다. 이때 음파펄스 주파수는 음속이로 보면가 된다. 20kHz 이상 되는 초음파 펄스를 사용하지 않는다. 따라서 감쇄도 작아 측정범위도 크며 측정오차도 작다.

본 발명의 특이한 점은 종전기술과는 달리 음파를 발신 수신하는 전환기가 분리되어 있어 음파 전번시간을 측정함에 있어 음파 전번시간을 측정함에 있어 전자회로, 변환기, 케이블선 등에서 발생하는 지연시간을 보상할 필요가 없다. 음파 전번시간 측정시 종전기술에서 발생하는 지연시간 하나만을 살펴보자.

음파(초음파) 발사 수신 변환기를 한 개 사용할 때에는 음파 발사 전기신호가 변환기(transducer)에 인가되는 순간이 음파 전번시간 측정시작으로 된다. 물론 이 순간에 음파가 발사되지는 않지만 변환기 지연시간을 무시하자. 반사봉에서 반사된 음파 또는 액면에서 반사된 초음파 펄스 수신신호는 제4도 (가)에 보였다. 반사파 도달순간을 예를 들어 0점 크로싱한다면 초음파 신호의 1.5 내지 2 주기가 검출된다. 만일에 초음파 펄스신호 주파수가 20kHz라면 1.5∼2 주기라는 것은(0.75∼1.0)·10^-4초가 된다. 이런 지연시간 τ를 무시하면 수위 측정오차가 발생하는데 이때 수위 L 측정 절대오차 Δ_L은 다음과 같다.

여기서 C - 음속,l- 초음파전환기로부터 반사봉까지의 간격이다. τ=10^-4, C=350m/s, L/l=10 이라고 하면 Δ_L=11cm가 된다. 측정범위가 크면 클수록 수위측정 오차가 증가하는 것이다. 따라서 지연시간을 철저히 보상해야만 한다.

특히 대폭 수위계에서 낮은 주파수를 사용하는바 예를 들어 2kHz를 사용한다면 상기 예에서 지연시간은 τ10^-3초가 될 것이다. 따라서 지연시간 보상의 오차가 1%가 된다 하여도 상기 예에서 오차가 -1cm가 되는 것이다.

그러나 본 발명은 발신, 수신 변환기를 분리하여 사용하기 때문에 제4도 (나)에서 보다시피 주파수가 낮다 하여도 상기한 지연시간이 발생하지 않는다.

이와 같이 음속보상이 철저하고 전번시간 측정에서 발생하는 지연시간이 없어 낮은 주파수의 음파를 사용하여 대폭수위 측정이 가능하며 또 오차도 측정범위에 관계없이 작게 보장할 수 있는 것이다.

제5도에 본 발명에 따른 음파수위계를 지하수 수위 측정용으로 사용하는 실 예를 보인 것으로 도파관으로 직접 지하수 수위 관측관(14)을 사용한다. 수위 관측관(14)은 그의 상부에 음파펄스발생기(1)가 설치된다.

마이크로폰(5₁)과 (5_n)은 먼저 마이크로폰 지지봉(13)에 소정의 간격으로 고정한다. 마이크로폰 지지봉(13)을 지하수 수위 관측관(14)에 삽입한다. 물론 수위계를 설치하는 것은 관측원이 순회하면서 자하수 수위를 관측하기 위한 것이 아니라 일정한 시간간격으로 지하수 수위관측망의 수위를 원격자동측정할 때 또는 수위 자동기록계를 사용할 때 이용된다.

제5도는 원격측정 예인데 (15)는 제2도에 도시한 전자회로들이 포함되어 있고 (16)은 측정결과를 무선으로 전송하는 무선송신기이며, (17)은 지정된 시간간격으로 (15)와 (16)에 전원을 공급하여 동작시키는 타이머와 전원이다.

보통 관측관(14)의 내경은 10∼20cm 정도 된다. 이런 내경의 파이프에서 음파펄스 주파수를 1∼1.5kHz를 사용하면 최대 측정범위는 약 200m까지 보장할 수 있다. 제5도에서 점선으로 표시한 곡선은 지하수 부각(depression) 곡선이다.

지하수 관측관 내부에서의 온도분포는 지표면에서 약 5m 깊이에서는 계절에 따라 심하게 변하며 더 깊을수록 온도변화가 작아진다. 이런 것을 참작하여 지하수 수위측정 범위가 크다 하여도 마이크로폰을 많이 설치할 필요는 없다.

또한, 본 발명의 또다른 실시 예에서는 수위계를 설치하기 위하여 수직탑을 건설하지 않고 음파 수위계 도파관을 저수지 또는 하천의 기슭 경사면을 따라 경사로 설치하여 수위계 설치 공사비를 현저히 저하시킬 수 있으며, 제6도에 본 발명의 수위계를 경사로 설치했을 경우가 도시되어 있다.

경사면을 따라형의 구형(構形)철재(structural channel)로 되는 지지체(18)을 고정시키고, 이 지지체를 따라 도파관(2)를 설치한다. 이 지지체(18)를 따라 삽입 또는 권양시킬 수 있게 도파관(2) 또는형 절재의 지지체(18)에 롤러(roller)(20)를 설치한다. 이와 같이 각도 β 경사로 도파관(2)를 설치하였다면 음파펄스를 반사시키는 액면은 도파관 단면에 대해 90°-β각으로 경사면을 형성한다. 실험에 의하면 반사면의 경사각에 따라 음파펄스 전진파형과 반사파형이 서로 같지 않다. 물론 반사는 잘된다. 그러므로 액면의 경사도에 따라 수위계 교정과정에서 측정치와 도파관 중심선에 따르는 액면까지의 거리와의 차이를 검출하여 측정 결과를 수정해야한다.

이와 같이 여러 경사각에 대한 수정계수를 산출하여 적용하는 것 보다 제6도에 도시한 것처럼 구(球)형의 부구(19)를 도파관에 투입하는 것이 경사각에 관계없이 수정치는 동일하다. 이 부구(19)의 직영은 도파관의 내경보다 약 5∼10% 정도 작게 취한다. 또 액체 내로 침수되는 부분은 부구(19)의 반경 정도로 되게 부구(19)의 중량을 조절한다. 물론 부구는 음파를 흡수하지 않는 고체로 제작한다.

실험에 의하면 반 구형면에서 반사되었을 때의 음파펄스 수신신호는 평면에서 반사되었을 때와 비교하면 약 2% 정도 약해질 뿐이다.(1∼2kHz를 사용할 때) 이때 측정된 거리는 구형부구 반경의 3/5 정도 짧아진다. 이런 차이 Δ는 교정검사시 정확히 측정되며 수위계를 설치할 때 마이크로폰(5₁)의 위치를 기준 0점에서 상기한 차이만큼 위로 옮겨 도파관을 고정시키면 된다.

구형의 부구를 사용함으로서 도파관의 경사 각도에 관계없이 수정치가 일정하며 가장 중요한 것은 이 부구가 도파관 벽에 닿아서 마찰이 있어도 수위변화에 따라 부구가 회전하면서 수면을 따라 이동하기 때문에 매우 신뢰성이 높다. 수위 H는 다음과 같이 측정된다.

경사로 도파관을 설치할 경우 수위계의 감도는 더 커진다.

제6도에서 (21)은 도파관 밑단 부분인데, 수위의 요동을 진정시키기 위하여 도파관 밑단의 단면적을 작게 만들어야 한다. 그러나 수위가 상승, 강하하는 과정에서 도파관에 충적물(drift)이 생길 수 있다. 미립자들로 충적층이 생기면 이를 제거하기 매우 힘들다. 이런 것을 고려하여 도파관 말단을 제6도에 보인바와 같이 충적층이 생기지 않게, 즉 소립자들이 침전되지 못하게 한측으로만 단면적을 좁히는 경사면을 조성한다. 이렇게 하여도 장시간이 지나면 충적층이 형성되어 도파관이 막힐 수 있다. 따라서 수위의 요동 진정부는 쉽게 새로운 것으로 교체할 수 있게 조립식으로 되어있다.

이와 같이 본 발명에 따르면 수위계 도파관을 저수지 또는 하천의 기슭 경사면을 따라 경사로 설치할 수 있어 부자 수위계 등을 사용할 때 필요한 공사비가 많이 드는 수직탑을 건설할 필요가 없다.

경사각 β가 작으면 같은 수위 측정범위에서도 도파관 길이가 훨씬 커진다는 것이 단점으로 될 수 있다. 그러나 상류 수량을 계절별로 조절하는 인공저수지처럼 년간 수위 변화가 50∼80m나 되는 경우에 예를 들어 β=45°라면 도파관의 길이가 72∼115m 이상이 되어야 한다. 이와 같이 매우 긴 도파관을 설치하기도 힘들다.

이럴 경우에는 더 짧은 도파관을, 예를 들어 30m 길이의 도파관을 사용할 수 있다. 제7도에 저수지 수위 L 변화의 예를 보였는데 제7도에서 보는바와 같이 계절별로 20m씩 수위가 변화하는 시간폭이 매우 크다. 따라서 수개월에 한번씩 수위계 도파관을형 철제의 지지체(18)를 따라 이동시키는 것은 그리 힘들지 않다. 제8도에 한 개의 실 예로 짧은 도파관을 사용하는 경우를 도시하였다. 제8도에서 (22)는 권양기이며 도파관(2)은 로프(23)로 권양기와 연결되어 있어 수개월에 한번씩 권양기를 동작시켜 도파관(2)의 위치를 변경시켜 준다. 예를 들어 여름철에 저수량이 증가할 때 도파관(2)을 위로 끌어올려 놓는다.

수위변화가 크지 않은 작은 하천, 인공개수로에서는 본 발명의 수위계를 수직으로 설치하는 것이 합리적이고 내경이 50mm, 길이가 5m 정도 되는 도파관을 수직으로 설치하는 것은 매우 쉽고(예를 들어 로프로 고정시킴) 비용도 들지 않는다.

Claims (7)

1. 대폭수위 측정장치에 있어서, 파이프 형태의 음파펄스를 전번하는 도파관: 도파관의 상부에 설치되어 음파펄스를 발생시키는 발생기 수단: 발진수단으로부터 음파펄스를 수신하도록 도판관을 따라 일정한 간격l로 제1,제2, ···, 제n가 설치된 마이크로폰으로 되는 음파펄스의 전진파와 반사파를 수신하는 감지수단과: 수위에 따라 필요한 마이크로폰을 절환하는 절환수단과: 첫 번째 감지수단으로부터 펄스를 증폭하고 파형 성형된 신호를 수신하여 수신된 전진파와 반사파의 시간간격, 그리고 첫 번째 감지수단과 액면 근방에 설치된 감지수단까지의 음파 전번시간을 측정하여 수위를 계산하며 감지수단 절환수단 제어 및 음파펄스 반복발진 제어를 수행하는 연산제어수단: 연산제어수단으로부터 데이터를 표시하는 표시수단: 연산제어수단으로부터의 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환기: 연산제어수단으로부터의 데이터를 수신하여 그 결과를 기록하는 자동기록수단들로 구성시킨 대폭수위 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 수위계 도파관내에는 도파관 내경의 90∼95% 정도의 직경으로 된 구형의 부구를 삽입하여 동체 절반을 부유되도록 하면서, 도파관을 경사로 설치하여 수위측정이 가능하게한 대폭수위 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 도파관 대신 지하수 수위 관측관을 이용할 경우 마이크로폰들을 소정간격으로 지지하는 지지봉을 관측하는 내부벽을 따라 설치한 대폭수위 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 도파관 하측단부가 도파관 본체의 단면적보다 작은 정점이 잘린 원추형단부로 형성되며, 이 단부에는 교체가능한 단부고정장치가 설치되게한 대폭수위 측정장치.
5. 수면상부에 지정된 원점에서 수면까지의 거리 L을 측정하여 수위를 측정하는 방법에 있어서, 도파관 상부에 설치된 음파펄스 발생기가 소정의 주파수를 가진 음파펄스를 발생시키는 단계: 도파관에는 그의 상부로 그의 직경이 소정배수거리 간격을 두고 설치된 제1마이크로폰과 이 제1마이크로폰 하부로l정도 이격되어 설치한 제2, ···, 제n 여러개의 마이크로폰 각각이 음파펄스 발생기로부터 발사한 전진파와 이 전진파의 반사파를 개별적으로 수신하는 단계: 이들 수신신호를 증폭하고 검출기에 입력하여 이들 신호 최대진폭의 제로 크로싱점을 검출하여 펄스를 발생시키는 단계: 이 펄스를 소정폭의 정형파로 파형 성형하는 단계와: 이들 파형 성형된 신호의 각 파형의 상승엣지를 제1마이크로폰과 제2마이크로폰이 수신한 신호로 구분하여 제1마이크로폰이 수신한 전진음파펄스와 반사파의 시간간격t ₁ 과 제2마이크로폰이 전진음파펄스를 수신한 시간간격t ₂ 를 측정하여 근사수위 L'을 산출하는 단계와: 측정하려는 수위의 근사치를 검출한 결과를 이용하여 액면 근방에 설치된 마이크로폰을 선택하여 절환기를 동작시켜 증폭기 입력에 연결시키는 단계: 다시 음파펄스를 발사하고 제1마이크로폰이 전진파 반사파를 수신하는 시간간격t ₁ 그리고 제1마이크로폰에서 액면 근방에 설치된 마이크로폰까지 음파파펄가 전번한 시간t _n 을 측정하여 정확한 수위 L을 산출하는 단계와: 이 수위를 해발수위로 측정하는 경우 수위계 측정 원점의 해발고에서 측정된 수위 L을 감하는 단계들로 이루어진 수위측정방법.
6. 제5항에 있어서, 음파펄스 진동주파수f가 도파관의 직경 D에 따라 다음과 같이 선정되고,

   여기서 C-예견하는 도파과 내부 공기에서의 중간음속, 도파관 내경 D가 최대 측정범위에 따라 선택되는데인 경우 D≥100mm, L≤20m인 경우 D≥50mm로 선택되고 도파관을 따라 설치된 마이크로폰간의 이격거리l은 다음과 같이 선택되는 수위측정방법.

   여기서 Δ_L- 수위측정 전역에서의 허용절대오차, T_o- 도파관 상부에서 제1마이크로폰이 배열된 지점에서의 공기 또는 다른 기체의 온도, T_L-도파관 하단부 내에서의 공기 또는 다른 기체의 온도, C_o-공기 또는 다른 기체의 온도가 0℃일때의 음속, α-공기 또는 다른 기체의 음속 온도 계수.
7. 제5항에 있어서, 우선 제1마이크로폰 원점에서 수면까지의 거리 L의 근사치를 다음 방식으로 측정하며

   이 결과에 따라 액면 부근에 설치된 n번의 마이크로폰을 선택하고 제1마이크로폰과 n번 마이크로폰까지 음파펄스가 전번한 시간 t_n을 이용하여 다음 방식으로 정확한 수위를 측정하는 방법.

   도파관이 경사로 설치됐을 경우,

   단, 이 경우 원점에서 경사선을 따라 일정한 간격 Δ이 되는 지점에 제1마이크로폰의 원점이 위치하게 한다.