KR0169090B1 - 하천 유량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 초음파 유속, 수심 초음속 제1의 측정장치는 카타마란(catamaran) 형태의 부구에 설치되어 있고, 이 부구는 이미 사용하고 있는 프로펠라 유속계 자동이동장치에 연결되어 있어, 하천 폭을 따라 이동하면서 여러 지점에서 수직평균유속, 수심을 측정할 수 있게 되어 있다. 이 부구는 수심과 초음속 측정용 초음파진동자가 그의 중심에 설치되어 있고, 또한 유속측정용 초음파 진동자 쌍(雙)들이 배치되어 있다.

제2의 측정장치에는 초음파 펄스 전번시간측정을 하며 초음속, 수심, 부분 유량 및 총유량을 연산하는 부분, 부구 이동 및 초음파 진동자간 간격 조절 제어 장치등으로 구성되어 있는바, 이것은 유량관측소 실내에 설치되고 제1의 측정장치와 고주파 케이블선과 연결되어 있으며 또 제1의 측정장치에 전원도 공급하게 되어 있다.

Description

하천 유량 측정 장치 및 방법

제1도는 종래의 기계식(프로펠라) 유속계를 사용하여 지정된 여러 지점에서 국부 유속을 측정하는 자동화된 유량 관측 포스트를 보인 도면.

제2도는 알려져 있는 초음파 수평 평균유속을 측정하여 하천 유량의 측정 원리를 보인 도면.

제3도는 알려진 파이프관용 초음파 유량계에서 사용하는 반사식 초음파 유속 측정 원리를 보인 도면.

제4도는 반사식 초음파 유속 측정 방법을 이용하여 하천에서 수직평균 유속을 측정하는 경우를 설명하는 도면.

제5도는 본 발명에 따른 하천 수직평균 유속 및 수심 측정장치의 구조를 보인 도면.

제6도는 본 발명의 원리에 따른 수심 및 초음속 측정원리를 설명하는 도면.

제7도는 본 발명의 원리에 따른 수직평균 유속 측정을 설명하는 도면.

제8도는 하천바닥에 설치되는 초음파 펄스 반사장치 구조를 보인 도면.

제9도는 본 발명의 수직평균유속 및 수심 측정장치를 하천에 설치한 도면.

제10도는 본 발명의 수직평균유속 및 수심 측정장치를 보트를 이용하는 경우를 보인 도면.

본 발명은 초음파로 하천의 수심과 수직평균유속을 동시에 측정하여 하천 부분유량을 측정하는 기술에 관한 것이다.

종래에는 상설하천 유량 관측소에서 주로 프로펠라 유속계를 자동으로 이동시키면서 유량을 측정하고, 이렇게 작성된 수위-유량곡선을 작성 또는 교정하기 위하여 하천유량을 측정할 때 또는 임의의 장소에서 하천 유량을 측정할 때 이 유속계를 효과적으로 이용하였다.

또한, 상설하천유량관측소는 유량측정방법 여하에 따라 다양한 관측을 수행함에 있어, 수위-유량함수가 뚜렷하지 못하고 변동이 있는 지점, 유량이 큰쪽으로 변동하는 지점등에서 정확하게 유량을 정기적으로 측정하기 위해 유량관측지점에서 직접 프로펠라(또는 컵형) 유속계로 유속을 측정하여 유속×면적 방법으로 유량을 측정하고 있다. 즉, 하천 단면 S에 여러 수직선 지점을 선택하고 각 수직선상의 평균유속을 측정하기 위하여 프로펠라 유속계를 수직선상 여러 지점에서 국부유속을 측정하고 있다.

만일에 수직선을 6개, 그리고 각 수직선상에서 5지점을 선택하여 국부유속을 측정한다면 6×5=30지점에서 국부유속을 측정해야 한다.

한 지점에서 최소 1분간(보통 2~3분간) 국부유속을 측정한다면 유속측정시간만 30분이 걸리며 또 유속계를 제1지점에서 제30지점까지 이동시키는 시간, 각 수직선상의 수심, 수직선간의 간격측정시간까지 모두합하면 강 넓이와 깊이에 따라 다르지만 1시간 이상의 시간이 필요할 때가 많다.

또 매일 2~4회 유량을 측정하려면 인력 소비도 매우 커진다. 이와 같은 유량측정을 편리화하기 위하여 상설유량관측소에 프로펠라 유속계를 이동삽입하는 동작을 자동화한 자동화된 유량관측소가 많이 있다.

제1도에 상기한 전형적인 자동유량관측장치의 원리를 설명하는 도면을 도시했다. 하천의 수면위에 강철 로프(rope)(1)가 가설되어 있고, 프로펠라 유속계(2)가 로프를 따라 좌우로 이동하며, 또 추(3)와 연결된 프로펠라 유속계(2)를 상하로 이동시키는 권양이동차(4)가 있다. 권양이동차(4)는 관측소 실내(5)에 설치되어 있는 로프구동제어장치에 의하여 이동하며, 이 구동제어장치는 일정한 프로그램에 따라 작동한다.

물론 하천의 수위를 측정하는 수위계(6)도 설치되어 있다. 제1도에 점선으로 표시한 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ…이 바로 수직평균유속을 측정하는 지정된 수직선 위치이며, Ⅹ로 표시한 지점에서 국부유속을 프로펠라 유속계로 측정하는 지점이다.

수직선상의 수심 또는 수직선간의 수심은 수위계로 수위를 측정한 결과에 의하여 계산한다(하천단면도를 미리 측량하여 작성해 둔다). 유량을 계산하는 계산식은 몇가지 있지만 원칙은 다 같다. 반드시 수직선상에서 몇몇 지점에서 측정한 국부유속을 이용하여 수직평균유속 Ⅴ_┴i를 계산하며 수직평균유속 측정구간의 물흐름의 부분 단면적 S_i를 마름모 저형이라고 가정하고 수심측정 데이타를 이용하여 부분 단면적을 계산한다. 수직평균유속에 부분단면적을 곱한 것이 부분유량이라고 하는데(Ⅴ_┴i×S_i), 이 부분유량을 합하여 총유량을 산출한다. 국부유속계를 자동적으로 이동시키면서 국부유속 측정지점(좌표)에 투입 고정시키는 유량측정장치를 이용함으로서 하천유량측정 과정이 수동으로 측정하는 것에 비해 매우 편리하게 되었지만 기본 결합은 퇴치되지 못한다.

이미 언급한 것처럼 매 지점에서 국부유속 측정시간은 단축할 수 없고 국부유속 측정 총시간이 유속계를 이동시키는 시간보다 훨씬 큰 것이다. 다음으로 큰 결함은 유량측정오차가 크다는 것이다. 유량을 비교적 정확히 측정하기 위해서는 수직평균 유속측정 수직선 수를 증가시켜야하며 수직선상에서도 최소 5 지점에서 국부유속을 측정해야 한다.

따라서 측정시간이 매우 길어진다. 만일에 하천수위 및 유량이 비교적 빠른 속도로 변하는 경우 총 국부유속측정이 완료되는 기간에 유량이 예를 들어 10%, 20% 증가 또는 감소 되었다면 그만큼 유량측정 오차가 증가된다. 특히 수두(水頭, lackwater) 현상이 있는 경우 수위변화가 유량변화에 비례하지 않기 때문에 유량 측정결과를 수정할 수도 없다. 유량측정오차를 좌우하는 수직평균유속 측정오차도 비교적 크다. 국부유속의 특징은 유속맥동율이 크며 맥동주파수도 다양하며 하천바닥형태에 따라 수직선상의 유속분포가 대수(對數) 또는 지수(指數) 함수곡선과 다르다.

따라서 3 또는 5 지점에서 측정한 국부유속을 간단한 식에 대입하여 계산된 수직평균유속의 오차가 클 수 있다. 또한, 단면적 S_i계산 오차도 클 수 있는데 그 원인은 유량측정하려는 하천 단면도를 한번 측정해 놓고 하천의 수위만 측정하고 유속 측정하는 수직선에 해당되는 수심, 또는 수직선들 사이의 수심을 계산하여 부분면적을 계산하기 때문이다. 하천수로 단면이 수시로 변할 수 있는데 유속계를 자동으로 이동시키는 유량관측장치로서는 유량측정할 때 바닥 수심을 측정하지 못한다. 따라서 부분면적 측정오차가 클 수 있다. 이러한 측정오차를 다 합하면 유량측정오차가 커질 수 있다.

상기한 자동유량측정장치의 결함을 일부 보완할 수 있는 초음파 하천 유량 측정치가 있는데 그의 원리도를 제2도에 도시했다.

제2도에서 A₁B₁, A₂B₂, A₃B₃, A₄B₄는 초음파 진동자쌍(雙)(초음파 발생기와 초음파 수신기가 일체로 되어 있음)이다. 이 진동자쌍들은 물흐름 중심선과 일정한 각도를 이루어 강변 양측에 서로 맞대게 설치한다. 이와같이 설치하므로 각 진동자쌍들은 A_i에서 B_i를 향하여 또는 B_i에서 A_i로 초음파 펄스를 발사하여 수신한 시간들, 즉 초음파 펄스 전번시간을 직접 측정하여 시간차방법 또는 주파수차 방법으로 수평평균유속을 측정하는 것이 널리 알려져 있다(예를들면 Ultraflux社 UF-210000 유량측정장치, 런던 템즈 강에 설치된 초음파 유량측정 관측소 등등).

이와같이 수평 평균유속을 측정하고 상하에 있는 초음파 진동자들간의 간격과 그들의 중심선 간격(즉 강단면의 넓이)을 곱하여 부분면적 S_i를 계산하고 수평 평균유속를 곱한 것들을 합하여 유량을 계산하는 방법이다. 즉,

식으로 유량 Q를 계산하는 것이다.

따라서 이와같은 초음파 하천 유량측정장치를 이용하면 수평평균유속 측정시간은 프로펠라 국부유속계로 측정하는 시간에 비하면 수십 배나 작다는 큰 장점과 유속 측정 오차도 작다는 장점이 있다. 그러나 큰 단점은 하천수위가 크게 변하는 조건에서는 수심이 작아질수록 유량 측정 오차가 커진다.

제2도에 초음파 진동자 쌍의수(회선수)를 4개로 도시했는데 수심이 최대 수심의 절반이 되면 작동하는 초음파 쌍의수는 2개(A₃B₃, A₄B₄)가 된다. 다른 쌍은 수평평균유속 측정에 참가 못한다. 따라서 수위 변화에 관계없이 정확히 유량을 측정하려면 초음파 진동자쌍의 수를 현저히 증가시켜야 한다.

예를 들어 10회선, 20회선 다중(multi) 수평평균유속 측정장치를 설치해야 한다. 따라서 유량계가 복잡해지고 특히 설치작업과 진동자간의 거리, 물흐름축과 이루는 각도 측정 작업량이 커지고 복잡하다.

물론 회선수는 작게하고 그 대신 수심변화에 따라 모든 초음파 진동자들이 수중으로 들어가게 이동장치를 고안할 수는 있지만, 이동장치가 복잡해지고 진동자들의 위치좌표, 그들간의 거리, 각도를 정확히 알기 위한 장치들이 복잡해진다.

다음 결합은 항상 고주파 케이블선과 진동자들이 수중에 있어 고장율을 없애기 위해서는 진동자, 케이블선 값도 높아진다. 이런 결함을 참작할 때 이미 유속계 자동이동장치가 설치되 있는 유량관측소 또 하천 폭이 그리 크지 않는 경우에는 프로펠라 유속계를 초음파 수직평균 유속계로 대체하고 유속계 자동이동장비를 그대로 사용하는 것이 수평평균유속을 측정하는 초음파 다회선 유량계에 비해 훨씬 경제적이면서 유량측정오차를 현저히 감소시킬 수 있다.

수평유속을 측정하는 초음파 유량계는 하천의 폭이 수백미터일 때 사용하는 것이 합리적이다. 이러한 점들을 감안하면 초음파 수직평균유속 측정방법으로서 이미 파이프관용 유량계에서도 사용하는 상대측 벽에서 반사시키는 방법을 활용할 수 있다. 제3도에 초음파 펄스를 관벽에서 반사시켜 유속측정하는 원리도를 도시했다(예를 들어 미국 Controltron社의 990DB형 초음파 파이프용 유량계에서 사용하는 방법).

제3도에서 보는바와 같이 파이프 내경 D가 변하지 않기 때문에 최적 입사각, 반사각 θ를 항상 유지시킬 수 있으며 초음파 펄스가 전번하는 궤도와 유속방향과 이루는 각도 Ψ도 불변하게 유지할 수 있어 유속측정하기에 편리하다. 이러한 초음파 펄스 주사방법을 하천 수직평균유속 측정 목적으로 적용할 수 있다.

제4도에 하천 수직평균유속을 초음파로 측정하는 원리도를 도시했다. 강물의 수심이 H라고 하자, 수심 H는 파이프 직경과 달리 변수이다. 강물표면에 초음파 진동자 (A)와 (B)를 간격 L이 되게 유속방향으로 설치되었다고 하자. 또 거리 L은 하천바닥 어떤 지점 a에서 가장 잘 반사될 수 있는 입사각 θ₁이 보장되게 선택됐다고 하자, 하천바닥은 이상적인 평면이 아니라 초음파 펄스가 반사되는 표면이 수표면과 평행되어 있지 않아 반드시에서 내린 수직선과 반사점이 일치되지 않을 경우가 많다.

따라서 초음파 펄스가 A-a-B, 또는 B-a-A로 전번할 때 제4도에 도시한 것처럼 대칭이 되지 않을 때가 많다. 그러나 만일에 시간차 방법을 채용하는 경우에는 비대칭으로 발신-수신 궤도가 형성되어도 무관하다는 장점이 있다. A-a-B로 전번하는 시간 t₁은 다음과 같다.

또, B-a-A로 전번하는 시간 t₂는

이 된다. 여기서 υ₁=CosΨ₁, υ₂=CosΨ₂이다. Δt=t₂-t₁차를 구하면

따라서

이 될 것이다. 여기서 C-초음속, L-초음파 진동자 A와 B간의 간격이다. 따라서 발사, 수신각 Ψ₁과 Ψ₂를 알 필요도 없다. 간격 L은 정확히 사전에 측정할 수 있다. 다만 초음속 C 측정 문제만 해결하면 된다. 초음속 C가 포함되지 않는 주파수차 방법을 채용하려면 l₁=l₂=l, Ψ₁=Ψ₂=Ψ의 조건이 준수되어야 한다. 이때 주파수차 Δf는

만일에 수심 H를 정확히 안다면 식(5)를 다음과 같이 표시할 수 있다. 즉

인 것을 참작하여

이 될 것이다.

주파수차 방법을 사용하려면 수심 H를 정확히 측정해야하며 초음파 펄스 반사면이 항상 초음파 진동자 A와 B가 놓여있는 평면과 평행되어 있어야 한다는 조건이 보장되어 있어야 한다. 그러나 하천의 바닥은 수표면과 평행되는 표면도 아니고 다양한 굴곡이 있으며 또 특별히 반사판을 설치하였다 해도 수표면이 평면이 아니고 파동이 있어 초음파 진동자 A와 B를 고정시킨 어떠한 장치도 항상 반사판 표면과 평행이 되게 유지할 수 있도록 완벽하게 보장하기도 힘들다.

따라서 시간차 방법을 채택하는 것이 합리적이다. 시간차 방식을 채택하면 식(4)에서 보는 것처럼 초음속 C를 정확히 측정해야 하는데 일반적으로 다음과 같은 식으로 초음속을 측정 계산한다. 즉,

t₁과t₂는 직접 측정하는 변수이지만 l=l₁=l₂또는 l₁과 l₂는 직접 측정하기 힘들고 다만 수심 H와 초음파 진동자간 간격 L을 정확히 안다면 삼각함수를 사용하여 l=l₁=l₂를 산출할 수 있지만 l₁≠l₂인 경우에는 불가능하다는 것이 문제점이다. 따라서 널리 이용하는 식(7)을 이용할 수 없다.

다음 문제는 최적 입사각 θ₁보장과 관련된 것이다. 하천의 수위가 넓은 범위에서 변하는 조건에서 만일에 제4도에서 보인 것처럼 간격 L이 고정되어 있다면 수위(수심) H가 변하여 H'가 되었을 때 입사각 θ₁'은 커질 것이고 반사면의 물성에 따라 전혀 반사가 안될 수도 있게 된다.

유량을 측정하는 순간 비록 수위는 변하지 않지만 수직평균유속 측정 지점들에서의 수심은 다 다르다(제1도, 제2도 참조). 따라서 수위 변화에 따라 또 수직평균유속 측정 지점에 따라 최적 입사각 θ_lopt를 보장하기 위해서 초음파 진동자 A와 B간의 간격 L을 변수로 해야 할 것이다. 하천 바닥을 구성하는 토질에 따라 최적입사각 θ_lopt는 다양하지만 최적 입사각은 θ_lopt=20°~40°구간에 있다. 그러나 입사각, 반사각이 작으면 작을수록 유속측정감도는 저하되기 때문에 가능한 입사각을 크게 취하는 것이 좋다. 그러나 반사가 잘 되게 입사각을 조절하여도 강바닥의 토질여하에 따라 수신이 안될 경우도 적지 않다. 물론 초음파 주파수는 가능한대로 낮게 채택하겠지만(echo sounder처럼) 안전하게 반사파 수신을 보장하기 힘들다.

다음 문제는 수직평균유속 측정 지점의 수심 H를 정확하게 측정해야 하는 데 있다. 부분유량 q_i은 일반적으로 다음과 같이 계산한다(제1도 참조).

따라서 유량 Q는가 된다. 따라서 부분유량 측정오차는 수직평균유속 _i측정오차와 수심 h_ij측정오차의 합이 된다.

물론 수직선간의 간격 b_i가 작으면 작을수록 q_i의 측정오차는 작아지고 유량 Q 측정오차도 작아진다(수직선 수가 증가됨). 제4도에 도시한 초음파 유속측정 방법으로서는 수심 H측정이 간단하지 못하다. l₁, l₂, Ψ₁, Ψ₂그리고 초음속 C를 정확히 아는 조건에서만 수심 H를 계산할 수 있다.

상기한 문제점들을 비추어 본 발명은 시간차 방법을 채택하여 수직평균유속을 측정하도록 초음파 펄스를 하천 수면으로부터 바닥으로 발사시켜 반사되도록 하여 그 순간의 초음속과 수심을 측정하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 수심변화에 최적 입사각을 보장하는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 하천바닥의 토질에 관계없이 완벽하게 초음파 펄스가 하천 바닥에서 반사할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 초음파 유속, 수심 초음속 제1의 측정장치는 카타마란(catamaran) 형태의 부구에 설치되어 있고, 이 부구는 이미 사용하고 있는 프로펠라 유속계 자동이동장치에 연결되어 있어, 하천 폭을 따라 이동하면서 여러 지점에서 수직평균유속, 수심을 측정할 수 있게 되어 있다. 이 부구는 수심과 초음속 측정용 초음파 진동자가 그의 중심에 설치되어 있고, 또한 유속측정용 초음파 진동자 쌍(雙)들이 배치되어 있다.

제2의 측정장치에는 초음파 펄스 전번시간 측정을 하며 초음속, 수심, 부분 유량 및 총유량을 연산하는 부분, 부구 이동 및 초음파 진동자간 간격 조절 제어 장치등으로 구성되어 있는바, 이것은 유량관측소 실내에 설치되고 제1의 측정장치와 고주파 케이블선과 연결되어 있으며 또 제1의 측정장치에 전원도 공급하게 되어 있다.

상설 유량관측 포스트에서는 초음파 펄스가 하천 바닥에서 모두 반사하도록 수직평균유속 측정지점들에 해당되는 바닥에 반사판을 설치하여야 하는데, 반사판은 바닥 표면상태에 관계없이 수평으로 유지되는 구조로 형성되고 그의 설치가 매우 간편하게 되어있다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

제5도에 본 발명의 제1의 측정장치의 한가지를 도시했다. 물에 뜨는 카타마란을 구성하는 부구(7')(7)들이 한쌍으로 이루어지고, 이 부구(7')(7)들을 결합시키는 갑판(8)이 있다. 초음파 진동자들을 배치, 고정시키기 위한 지지대(9)가 갑판(8)과 결합되어 있다. 지지대(9) 중심부에는 초음파 진동자(10)과 (11)이 수직으로 간격 l₀로 고착되어 있고, 이 중심점 좌우로 초음파 진동자 12와 12', 13과 13', 14와 14'들이 쌍을 이루어 배치되어 있다(제5도에는 초음파 쌍수가 3개로 도시되어 있지만 그 이상이 될 수 있다). 쌍을 이루는 초음파 진동자들간의 간격 L_i은 하천의 최소, 최대수위와 하천수로의 단면에 의하여 선택되는 바, 이에 대하여 후에 상세히 설명하겠다.

갑판(8)위에는 초음파 펄스 발진기, 수신증폭 및 수신펄스 신호성형기, 초음파 진동자들을 선택하여 발진기와 수신기와 연결시키는 교환기등으로 구성된 송수신장치(15)가 설치되어 있고, 이 장치를 보호하는 케이스(16)가 있다. 또 송수신 장치(15)는 그를 제어하고, 그로부터의 신호를 공급하도록 유량관측소 건물 실내에 배치된 제2의 측정장치와 연결시키는 고주파 케이블선(17)이있다. 부구(7') 및 (7)들은 연결고리(19)에 연결된 로프(18)에 의하여 이동차(4)(제1도 참조)에 연결된다. 이 카타마란은 그가 안정하게 일정한 깊이로 수면내에 잠기는 상태로 유동하도록 그 하부에 철재로된 안정판(20)을 구비하고 있다.

이와같이 구성된 유량측정장치를 이용하여 하천유량을 측정하기 위하여 수직평균유속 측정직전에 우선 수심 H와 초음속 C를 측정하는 바, 측정방법을 설명하는 그림을 제6도에 도시했다. 초음파 진동자(10)과 (11)을 가동시킨다. 이들간의 간격 l₀은 이미 정확히 알고 있는 것이고 또 진동자(10)가 수표면에서 일정한 깊이 ΔH로 침수된 것도 알고 있다. 직접 측정할 수 있는 수심은 H'=H-ΔH이다. 즉, 수심 H'을 측정하고 그 값에 ΔH를 합해주면 수심 H가 될 것이다.

수심 H'의 측정은 다음과 같이한다. 초음파 진동자(10)가 초음파 펄스를 수직방향으로 하천바닥을 향해 발사한다. 이때 초음파 펄스는 수직선상에 있는 반사점 0에서 반사될 수도 있고, 또는 수직평균유속이 크든지 파도가 높아서 부구가 요동을 할 때 초음파 진동자(10)과 (11)가 기울어져서 반사점 0'에서 반사될 수도 있다. 이런 일반적인 경우를 살펴보자. 초음파 진동자(10)에서 발사된 초음파 펄스가 점 0'에서 반사하여 초음파 진동자(11)에 도달하는 시간 t_H'-l과 진동자(10)에 도달하는 시간 t_H'는 다음과 같을 것이다. 즉,

가 된다. 여기서 υ=Sinα이다. 하천에서 수직평균유속이=5m/sec라면 유소이 상당히 빠른 것인데 이때 α=3°~5°가 된다면 υ=0.26~0.43m/sec 정도된다. 물에서의 초음속을 C1450m/sec라고 보고 1.79·10^-4~2.9·10^-4정도이다. 따라서항을 무시할 수 있다. 그러면

이 된다. 진동자(10)까지 도달하는 시간은

이 된다. 식(9)를 식(10)으로 제하면

이 되기 때문에 수심 H'는

따라서 수심 H는

가 된다.

이와 같이 식(11)로 수심 H'를 정확히 측정할 수 있다. 초음속은 다음식으로 계산된다.

이와 같이 일정한 간격 l₀로 수직선상에 배치된 초음파 진동자(10)과 (11)을 사용하여 수심 H와 초음속 C를 측정하게 된다. 물론 초음파 진동자(11)는 진동자(10)가 발사한 펄스가 반사되어 온 것만 수신하지 않고 진동자(11)이 초음파 펄스를 발사하여 반사되어온 펄스를 수신하여 시간측정을 할 수 있다. 이때

가 되고비에서

이 된다.

부구가 파도에 따라 상하로 심히 요동할 때는 t_H', t_H'-l시간을 여러번 반복 측정하여 H', C의 평균치를 측정해야 한다는 것은 물론이다. 이 부구에 설치된 유속측정용 초음파 진동자쌍(12, 12', 13, 13', …) 간의 간격 L_i는 다음과 같이 선택한다.

하천의 최대, 최소 수위는 이미 알고 있는바, 여러 수직평균유속 측정 지점에서의 최대 최소 수심 H_max및 H_min은 사전에 알고 있는 수치이다. 예를 들어 H_max/H_min=10 범위에서 수위가 변할 때 유량을 측정해야 한다는 것은 사전에 제시된다.

최적 입사각은 반사면의 상태, 물성(음향 저항)에 따라 선정되며 또 유속측정 감도도 참작하여 선정되는데, 최적입사각은 엄격한 것이 아니고 일정한 범위내에 있다. 예를 들어 입사각이 θ=20°~40°범위에서 충분한 반사파가 수신될 수 있다. 제7도에 도시한 것처럼 최적입사각 밤위 θ_max~θ_min이 주어졌다면 수심이 최대인 경우, 즉 H_max때 진동자쌍(14)와 (14')가 동작하게 하며 이때 입사각이 θ_min이 되게 진동자(14), (14')간의 간격을 선택할 수 있다. 즉,

L_max=2H_maxtanθ_min(16)

(제7도에서 L_max=L₁₄) 이와 마찬가지로 수심이 최소일 때 동작하는 초음파 진동자쌍간의 간격 L_min은

L_min=2H_mintanθ_max(17)

로 선정한다.

H_min는 초음파 전번거리가 작아지기 때문에 입사각을 허용 최대각 θ_max로 택하여도 충분히 반사파를 수신할 수 있다. 그러나 제7도에서 보는바와 같이 L₁₄간격으로 설치된 진동자(14)와 (14')가 허용최대 입사각 θ_max까지 동작할 수 있는 수심 H₁은

이 된다.

만일에 θ_min=15°, θ_max=30°라면 H₁ 0.46H_max가 된다. 수심이 H₁보다 작을 때 동작해야 할 초음파 진동자쌍(제7도에서 13, 13')간의 간격 L₁₃은 H₁에서 θ_min을 보장하게 선택한다. 즉

L₁₃=2H₁tanθ_min(19)

L₁₃간격에 설치된 초음파 진동자(13)과 (13')과 θ_max으로 발사할 수 있는 수심 H₂는

이 될 것이다.

상기 실예에서 H₂=0.46H₁로 될 것이다.=a로 표시하면 H₁=aH_max, H₂=aH₁=a²H_max, H₃=a³H_max이 될 것이다.

제7도에서 H₃=H_min으로 되어 있다. θ_min=15°, θ_max=30°이고 H_min= 0.1H_max일 때 aⁿ=0.1로 되는바 a=0.464, 따라서 n=3이 될 것이다.

이와같이 유속측정용 초음파 진동자쌍량은 그리 많지않고 3~5개 정도면 충분하다. 물론 θ_min~θ_max를 15°~30°로 반드시 보장할 필요없고 수심이 작을 때 35°가 되어도 반사파 수신이 잘된다.

이는 초음파 진동자 쌍을 한개 설치하고 스텝(step)모타 또는 서브모터로 진동자간의 간격을 수심에 따라 자동으로 조절하는 것에 비해 몇개의 진동자쌍을 상이한 간격으로 설치하고 수심(수위)에 따라 교환기를 동작시켜 필요한 쌍을 초음파 송수신기에 연결시키므로 장치가 간소화되고 초음파 진동자들간의 간격을 사전에 정확하게 측정하여 유속연산 장치에 입력시킬 수 있으므로 유속측정 오차도 작아진다.

수직평균유속은 다음과 같이 측정한다. 수심측정결과에 따라, 또는 이미 수직평균유속 측정 지점들이 지정되어 있는 조건에서는 하천수위 측정결과에 의하여 초음파 진동자쌍을 선택하여 초음파 펄스 송수신기 입력으로 연결시킨다.

그 다음 제7도에서 실예를 들어 수심이 H_max일때 초음파 진동자(14')에서 초음파 펄스를 발사하여 진동자(14)에 도달하는 시간 t_Ai를 측정하는 동시에 반대로 진동자(14)에서 펄스를 발사하여 (14')에 도달하는 시간 t_Bi를 측정한다.

t_Ai, t_Bi측정 데이타를 이용하여 식(4)에 대입하여 수직평균유속를 연산기에서 계산한다. 다만 식(4)에서 초음속 C 대신에 식(13) 또는 (15)를 대입하게 된다.

만일에 초음파 진동자 (11)도 펄스를 발사 수신하는 경우, 예를 들면 식(15)를 사용하게 되는바 수직평균유속은 다음식으로 산출된다.

수직유속측정이 끝나면, 즉 t_H', t_H'-l, t_Ai, t_Bi측정이 끝나면 다음 수직평균유속 측정지점으로 유속계 이동장치가 부구를 이동시키고 _j수직평균유속 측정을 한다. 이동간격을 b_ij라고 표시하면 부분유량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

총유량 Q=Σq_ij의 오차를 작게하기 위해서는 b_ij를 작게 선택하면 된다. 즉 수직평균유속 측정 지점수를 증가시키면 된다.

다음 문제는 초음파 펄스의 반사조건을 확보하는 방법에 관한 것이다. 하천바닥을 이루는 토질은 매우 다양하다. 돌이 깔려 있다 하여도 돌표면의 조도도 다양하며 수분이 침투되어 있어 그의 음향저항 Z_Ⅱ=ρ_ⅡC_Ⅱ는 물의 음향저항 Z_Ⅰ=ρ_ⅠC_Ⅰ에 비하여 그리 크지 못하다. 따라서 반사면의 반사계수는 작다. 만일에 흙입자로 구성된 층적층인 경우 초음파 흡수계수가 매우 클 수 있다. 어느 정도 반사파 강도를 보장하기 위하여 초음파 주파수를 저하시키는 방법도 있지만 최소 수심이 1m 정도 되는 것을 고려하면 낮은 주파수를 사용하기도 힘들다(시간측정 오차 때문에). 따라서, 초음파 주파수를 저하시키는데도 한도가 있다. 만일에 최적 초음파 주파수를 선택했을 때(예를 들어 500kHz) 반사파의 강도가 약한 경우 상설유량 측정 포스트에서는 반사판을 별도로 설치할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 반사판 설치를 위하여 수중작업을 하지 않고 편리하게 수중에 투입할 수 있게 반사판 구조를 제공할 수 있다.

제8도에서는 이 반사장치의 구조를 도시했다. 제8도에 반사장치(21)를 하천 바닥에 투하시켰을 때의 정착상태가 도시되었다. 이 반사장치(21)는 그의 상면이 반사면(22)으로써 구형으로 되어 있고 그 내부가 공동으로 속이비어 있어 공기로 충진되어 있다. 이러한 초음파 펄스가 반사하는 반사면(22)의 두께는 선택한 재질에서의 초음파 파장의 1/2을 취하든지(이때 초음파가 통과하여 공기에서 다시 반사되어 수중으로 전번됨), 또는 통과율을 적게 하기 위하여 파장의 1/4 또는 3/4이 되게 선택하여도 좋다. 그러나 물의 음향 임피던스와 공기의 음향 임피던스의 차가 금속의 음향 임피던스와 비교하면 수천배의 차이가 있는바, 공기층에서 반사시키는 것이 유리하다. 이를 위하여 반사면(22)은 유기 유리(예; 아크릴)로 제작하는 것이 좋다. 반사장치(21)은 반사면(22)를 포함하여 장시간 수중에 유치되면서 수중생물들이 표면에서 성장하지 못하게 불소(F)가 포함된 특수도료로 코팅한다. 또는 불소가 포함된 플라스틱으로 제작된다. 이 반사장치(21)는 유속방향으로 볼 때 앞뒤측이 제8도에 도시와 같이 유선형으로 되어 있어 유속에 의한 저항을 최소로 감소시킨다.

또한, 반사장치(21)는 속이 비였고 공기가 충만되어 있어서 수중에서 부구와 같이 위로 상승하려는 부력을 갖는다. 반사장치(21)는 무거운 금속으로된 추(23)와 구형 계수(ball joint)의 연결체(24)들과 연결되어 있다.

물론 반사장치(21)과 추(23)를 카르단(Hooke's joint)에 연결시켜도 좋다. 추(23)의 바닥에는 하천바닥에 위치고정이 용이하도록 침(26)이 다수 달려있다.

제8도에서 보는 바와 같이 하천바닥에 굴곡이 있어 추(23)가 수평으로 놓여지지 않는 경우에도 반사장치(21)가 부력에 의해 떠오르면서 반사면(22)이 수평으로 위치하게 된다. 비록 하천바닥 부근의 유속은 매우 작지만 물흐름의 영향을 받아 반사장치(21)가 요동할 수 있는 것을 참작하여 연결체(24)의 마찰을 적당하게 보장해 준다.

또 반사장치(21)는 그의 중심에서 반사면(23)이 수평으로 되게 균형을 갖도록 하는 동시에 그의 요동을 어느정도 정지시키기 위한 추(28)가 앞뒤에 부착된다.

추(23)의 높이를 작게 보장하면서도 충분한 중량을 보장하기 위해서는 그의 넓이를 크게 취할 수 있으나 너무 넓이가 크면 하천 바닥의 굴곡에 의하여 옆으로 심히 기울어질 수 있기 때문에 넓이를 작게 취하는 동시에 보조 추(25)를 기본추(23)의 앞뒤로 구형계수의 연결체(24)와 같은 또 다른 구형계수의 연결체(27)로 연결시킨다. 물론 보조추(25) 바닥에는 다수의 침(26)이 있다. 물론 반사장치(21)는 지상에서 수조에 넣어 동작시험을 하면서 추(28)의 무게를 조절한다. 반사면(22)의 크기는 충분히 커야 한다.

부구(7') 및 (7)들은 표면유속에 따라 좀 밀려질 수 있어 반사면의 길이는 1m 정도는 되어야 한다. 넓이는 길이의 1/2~3/4정도 택하는 것이 좋다. 반사장치(21)와 보조추(25)들에는 고리(29)가 부착되어 있다. 고리(29)에 끈을 걸고 배를 이용하든지 또는 유속계 이동장치를 이용하여 반사장치(21)를 지정된 지점에 투하시킨다.

그리고 반사장치(21)에 걸린 끈을 조작하면서 반사면(22)이 수평으로 놓인 것을 확인한다(이것을 특허 범위에 속하지 않기 대문에 생략한다). 물론 유량관측 포스트에서 하천바닥 토질의 음향 임피던스가 물의 음향 임피던스와 크게 차이가 있어 선택한 초음파 주파수 신호가 잘 반사되는 경우에는 반사장치를 사용하지 않을 수도 있다. 다만 강의 경사면에는 반사장치를 설치한다.

제9도에 본 발명에 따르는 초음파 수직평균유속 슈심 제1차 측정장치가 적제된 부구가 하천물에 부유된 상태를 도시했다. 부구(7')및 (7)들은 강철 로프(1)를 따라 이동하는 이동권양차(4)에 로프(18)에 의하여 연결되어 있다. 또 제1의 측정장치와 관측소실내에 설치된 제2의 측정장치와 연결되는 고주파 케이블선(15)은 로프(1)를 따라 늘어났다 줄었다 한다(관측소(5) 실내에 케이블선 드럼(도시않됨)이 있다). 반사장치(21)는 지정된 수직평균유속 및 수심 측정 지점에 배치되어 있다.

이와같은 구성을 가진 본 발명에 따르는 초음파 수직평균유속 및 수심측정 장치는 현재 사용하고 있는 프로펠라(또는 컵형) 유속계를 대체시켜 하천유량을 측정하게 되면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째로 수직평균유속 측정시간이 프로펠라 유속계로 측정하는 시간보다 수십 배가 단축된다. 프로펠라 유속계는 한점에서 국부유속을 측정하는데, 국부유속의 맥동율이 10~15%나 된다. 따라서 평균국부유속을 측정하기 위해서는 오랜시간(60~300초)에 걸쳐 프로펠라 회전수를 측정해야 한다. 그러나 초음파로 순식간에 표면부터 바닥까지의 평균유속을 측정할 때는 평균유속의 맥동율은 1% 미만으로 작다. 따라서 장시간에 걸쳐 연속반복측정할 필요가 없다. 프로펠라 유속계를 사용할 때는 수직평균유속을 계산하기 위하여 수직선상에서 여러 깊이에서 국부유속을 측정해야 하기 때문에 한 지점에서의 수직평균유속 측정 시간이 매우 많이 소요된다.

수심이 10m가 되어도 초음파로 한번 수직평균유속 측정하는 소요시간은 초음속 측정시간까지 합하여 0.1초 걸린다. 따라서 일정한 주기로 3번 측정하여도 10초 정도(반복측정주기를 3초정도로 했을 때) 소요된다. 따라서 지정된 수직선들에서 수직평균유속과 수심을 측정하는데 소요되는 총시간은 주로 부구를 이동시키는 시간이 결정적 비중을 차지한다.

두번째 효과로는 수직평균유속 측정오차가 현저히 작아진다는 것이다. 따라서 유량측정오차가 작아진다. 그 이유는 다음과 같다.

프로펠라 유속계로 수직평균유속을 정확히 측정하려면 특히 수직평균유속 분포가 일정한 법칙으로(예를 들어 log 또는 지수함수로) 분포되어 있지 않을 때 국부유속 측정 지점수가 대단히 많아야 하는데, 측정시간이 크게 소요되기 때문에 불가능할 때가 많고 또 하천바닥의 형태에 따라 바닥에 가까워질수록 유속분포와 유속방향 맥동이 복잡한데 프로펠라 유속계의 직경 그리고 유속계에 연결된 추의 크기가 있어 하천바닥에 접근시킬 수 있는 간격이 제한된다. 그뿐 아니라 프로펠라 유속계를 깊이 삽입할수록 유속계 축이 수직선에 직각으로 위치를 유지하지 못하여 수직선에 직각으로 되는 유속성분 측정오차가 커진다.

또 프로펠라 유속계의 측정특성은 순수한 정(靜)특성(프로펠라 회전속도와 견인속도와의 관계)인 바 국부유속은 다양한 주파수로 맥동하는 동적(動的) 변수이다. 따라서 유속계의 동특성과 정특성이 동일하지 못하여 보충적인 오차가 생긴다. 이러한 오차원인은 초음파로 수직평균유속 측정할 때는 없다. 물론 수직평균유속의 맥동이 국부유속 매동보다 휠씬 작아 측정 오차도 작아진다.

세번째 효과는 초음파로 수직평균유속을 측정하는 시간이 짧기 때문에 수직평균유속 측정 수직선수를 현저히 증가시킬 수 있다. 프로펠라 유속계를 사용했을 때는 다음 수직선으로 이동시키는 시간외에 여러 깊이로 이동시키는 시간도 많이 소요되었으나 본 발명에 의하면 다만 수표면을 따라 부구를 이동시키는 시간만 필요하다.

따라서 수직선의 수를 2배로 증가시켜도 측정시간은 짧다. 수직선수를 증가시킴에 따라 유량측정 오차가 현저히 축소된다. 상기한 효과들은 장마시에 유량이 빠른속도로 증가할 때 더욱 크게 발휘된다. 제5도에서 도시한 구조는 유속계 자동이동장치에 직접 연결시켜 사용할 때 적합한 것이다.

네개의 로프(18)로 유속계 권양이동차(4)와 연결되기 때문에 부구(7')(7)들이 대부분 파도에 의하여 요동하지 않기 때문에 초음파 진동자(10)과 (11)로 수심 측정함에 있어 문제가 없다.

또한 본 발명은 상기한 유속계 이동 자동화장치가 있는 상설유량관측소에서만 사용하는 것이 아니고 수위-유량곡선을 이용하여 유량을 측정하는 유량관측 포스트에서 수위-유량곡선 작성 또는 교정을 할 때 또는 임의의 지점에서 하천유량을 측정할 때도 사용할 수 있다.

만일에 관측 포스트에 이미 유량측정교(hydrometric bridge)가 있는 경우에는 종전에 측정교를 따라 프로펠라 유속계를 이동시키면서 유속을 측정하는 작업과 차이없이 프로펠라 유속계 대신에 제5도에 도시한 부구를 이동시키면서 수직평균유속, 수심을 측정하여 유량을 측정할 수 있으며 마찬가지로 인도교등을 이용하여 하천유량을 측정할 수 있다.

유량측정교, 인도차량교 등이 없는 경우에는 배(보트, 모타보드 등)를 이용하여 부구를 견인하든지 강 넓이가 작을 때는 임시로 로프를 가설하여 부구를 강 넓이를 따라 이동시키면서 수직평균유속 및 수심을 측정할 수 있다. 이럴 경우 물론 반사 장치도 동시에 이동시켜야 한다.

이와 같이 수동으로 부구를 이동시키는 경우 파동에 의하여 부구가 요동할 수 있어 수심 및 초음속 측정오차가 커질 수 있다. 이럴 경우 본 발명에 따르면 초음파 진동자(10)과 (11)들이 항상 수직선상에 놓이게 하기 위하여 초음파 진동자(10)과 (11)의 지지봉을 부구의 상부에서 일체로 만들고, 동시에 초음파 진동자 지지대(9)를 구형계수(BALL JOINT) 연결체로 부구와 연결시키며 초음파 진동자 지지봉에 제10도에 도시한 것처럼 추(34)를 달게 되어있다.

한편 제10도에 도시와 같이 배를 이용하면 본 발명에 따라 수직평균유속 및 수심을 측정할 수 있다. 이 경우 배 자체가 부구 역할을 하고 배 좌우 대칭으로 초음파 진동자들이 달린 초음파 진동자 지지대(9)를 설치한다. 지정된 지점에 배를 정착시키고 좌우 두 지점의 수직평균유속 및 수심을 측정하여 부분유량을 측정하고 다시 배를 하천의 폭을 따라 이동시키면서 부분유량을 측정하게 된다. 이러한 측정을 하는 본 발명의 부분 유량측정장치는 제10도에 도시와 같이 배(30)의 중심부에 해당하는 위치에 초음파 진동자 지지대(9)를 설치하기 위한 설치판(39)를 고정시킨다. 초음파 진동자 지지대(9)를 배의 좌우에 일정한 간격으로 조절하여 유지시키기 위한 사각형 단면으로된 지지봉(31)은 L자형으로 되어있는데, 그의 수직부분(32)은 원형으로 되어 있고 이를 고정시키는 실린더(40)에 삽입되어 있다. 이러한 구성으로 실린더(40)는 초음파 진동자들이 수면과 접촉되게 수직부분(32)을 상하로 이동시켜서 초음파 진동자 지지대(9)의 위치를 선택하고, 상호 평행이 되게 조절하는 동시에 고정핀(33)으로 원형수직부분(32)를 고정시킨다.

배를 이용할 때 돛을 사용하더라도 배가 약간 전후로 요동을 하게 된다. 따라서 초음파 진동자(10)과 (11)을 사용하여 수심을 측정할 때 오차가 커질 수 있다. 이런 오차를 피하기 위하여 초음파 진동자(10)과 (11)들은 지지대(9)와 구형계수(BALL JOINT) 연결체(35)로 연결되며 대칭으로 배치된 추(34)가 초음파 진동자(10)과 (11)의 연결봉에 달려있다. 이로 인하여 배가 요동을 해도 초음파 진동자(10)과 (11)들은 항상 수직선상에 놓이게 되어있다. 이것이 제5도에 도시한 것과 다른 점이다. 반사장치(21)와 추(23)는 배의 위치를 변경시킬 때 동시에 이동시켜야 하는 바, 진동장치(21)에 달려있는 고리(29)에 로프(41)를 연결하고, 이 로프는 초음파 진동자 지지대(9)의 양단에 조립된 활차(36)를 경유하여 끈을 감았다 풀어주는 드럼(37)과 연결된다. 그러므로 반사장치(21)와 추(23)을 이동시킬 때는 드럼 핸들(38)로써 로프를 드럼(37)에 감아 하천바닥에서 약간 올리고 배를 다른 수직평균유속 지점으로 이동시키면서 반사장치(21)로 이동시킨다.

지정된 위치에서 배를 정지시키고 배의 전후에 있는 닻을 투하하고(제10도에 닻을 도시하지 않았음), 드럼(37)을 풀면서 진동장치(21)와 축(23)를 하천바닥에 설치한다. 이때 로프(41)가 늘어나지 않게 약간 팽팽하게 당겨 놓는다. 또 로프를 이용하여 반사면(22)이 수평으로 놓여 초음파가 잘 반사되게 반사면(22)의 위치를 조절할 수 있다. 배에 제1의 측정장치가 케이스(16)에 내장되어 있다.

제1의 측정장치는 초음파 송수신기, 시간간격 측정기, 메모리로 구성되어 있고 최종 유량계산은 지상에서도 실시할 수 있다. 배 자체의 전후 돛은 배가 표면유속방향에 따라 요동하는 것을 억제하며 좌우로 투하된 반사장치도 어느정도 배가 좌우로 요동하는 것을 억제한다. 수직평균유속 및 수심측정 위치간격 b는 초음파 진동자 지지대(9)의 위치를 지지봉(39)에 따라 이동시키면서 선정한다. 수심, 초음속, 평균유속 측정방법은 변함이 없다.

종전에 배를 타고 프로펠라 유속계를 여러 깊이에 투입하면서 국부유속을 측정하는 작업과 본 발명을 대비하여 보면 배를 이동시키며 정착시키는 시간은 1/2로 축소되며 수심과 수직평균유속 측정시간은 수백배나 축소되는 동시에 측정오차도 현저히 감소된다. 특히 한 지점에 배를 정착시키고 부분유량 q_i측정이 완료되는 것이다.

Claims (10)

1. 하천유량측정용 수직평균유속 및 수심 측정 장치에 있어서, 부구를 형성하는 두개의 부자(浮子)를 연결하는 갑판과 초음파 진동자들을 교착시키는 초음파 진동자 지지대가 부구 중심선(상면으로 볼때)에 일치하게 결합되어 있으며 N개의 초음파 진동자쌍들이 지지대 중심점을 좌우로 배치되어 있으며, 반사장치가 진동자쌍의 대량중심점에서 직선으로 하천바닥에 설치되어 초음파를 발사시키도록 설치되고, 지지대 중심점에서 수직선 방향으로 일정한 간격 l₀으로 두개의 초음파 진동자가 배치되어 있으며, 갑판위에는 초음파 펄스 발신 수진장치, 초음파 펄스 전번 시간 측정장치, 초음파 진동자들을 선택에 따라 초음파 펄스 발신 수신장치 입력과 연결시키는 교환장치 등 제1차 측정장치가 탑재되어 있고, 지상에 있는 제어장치가 수심, 초음속, 수직평균유속, 부분 유량, 총유량을 계산하는 제2의 측정장치를 구비하며, 이들 제1 및 제2측정장치들이 초음파 전번시간 측정결과를 전송하고 수신하도록 케이블선으로 연결되며 카타마란이 하천 쪽을 따라 이동하도록 이동 장치와 로프로 연결되게 한 하천유량 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 수심 및 초음속 측정용인 수직선상에 l₀간격으로 배치된 초음파 진동자들을 고착시킨 지지봉이 초음파 지지대와 카르단형 또 구(球)형 연결체로 연결되고 지지봉에 추가 달려있게한 하천유량 측정장치.
3. 제1항에 있어서 부구를 자동으로 이동시키는 장치(종전 프로펠라 유속계를 자동으로 이동시키던 장치)가 없는 곳에서 하천유량측정 전용 배를 이용하는 경우 카타마란 부구들을 제외하고 초음파 지지대를 배의 좌우로 설치하기 위하여 배에 초음파 지지대를 결합는 지지대 설치판이 가설되어 있고, 초음파 지지대간의 간격 및 평행을 조절하기 위한 L자형 지지봉이 수직부분은 원형으로 설치판에 있는 실린더에 끼여 고정시키며, 수평부분이 4각형으로 되어 있고 초음파 진동자 지지대 중심부에 있는 4각형 실린더에 끼어 있으며, 초음파 지지대 양단에는 활차가 설치되고 하천바닥에 투하되는 초음파 반사 장치를 로프로 올리고 내리기 위한 로프 권양기가 배에 설치되게 하고 로프가 상기한 활체를 걸쳐 반사장치와 결합되어 있게한 하천유량 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 초음파 펄스가 하천바닥에서 확실히 반사하는 것을 보장하기 위한 초음파 반사장치가 4각형으로 되어있고, 속이비여(空洞)있고, 공기가 충만되어 있으며, 부구역할을 하며, 하천바닥에 안정하게 놓여지도록 그의 하부에 카르단 또는 구(球) 형계자(BALL JOINT)로 연결체 기본추가 연결되어 있으며, 추의 두께를 작게 하면서 필요한 중량을 보장하기 위하여 여러개의 보조 추가 기본추와 카르단으로 연결되게 한 하천유량 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 반사장치가 수중 미생물이 부착하여 번식하는 것을 방지하기 위하여 불소가 포함된 도료로 코팅되거나 불소가 함유된 플라스틱으로 제작되게 한 하천유량 측정장치.
6. 하천유량측정을 위하여 수심 및 수직평균유속을 동시에 측정하는 방법에 있어서, 하천의 물 흐름 단면에 직각으로 되는 수면 선상(하천 쪽)에 어떤 중심점에서 좌우로 간격 L_i으로 하고 초음파 진동자 쌍 A_i, B_i를 기대할 수 있는 하천의 최대 및 최소 수위(수심)에 따라 n개 설정하고, 중심점에 초음파 진동자와 이점에서 수심방향으로 간격 l₀이 되는 지점에 또 하나의 초음파 진동자를 설정하는 단계; 하천 바닥에 반사면을 수평으로 설정하는 단계; 하천 폭에서 지정된 지점 i에 초음파 진동자 군(群)을 설치하고 초음파 진동자에서, 다음 초음파 진동자에서 발사한 초음파 펄스가 반사면에서 반사하여 각각 초음파 진동자에 도달하는 시간을 측정하여 수심 H_i와 하천물에서의 초음속 C를 산출하는 단계; 상기단계에서 측정된 수심 H_i에 의하여 최적 초음파 입사각 범위에서 초음파 펄스를 발사 수신할 수 있는 L_i간격을 이루고 있는 초음파 진동자 A_i, B_i를 설정하는 단계; 초음파 진동자 B_i에서 초음파 펄스를 발사하여 반사면에서 반사하여 초음파 진동자 A_i에 도달하는 시간 t_BAi그리고 초음파 진동자 A_i에서 초음파 펄스를 발사하여 초음파 진동자 B_i에 도달하는 시간 t_ABi를 측정하여 하천물 흐름의 수직선상의 평균유속 _{i i j i j i j ij}
7. 제6항에 있어서, 수직평균유속 측정을 위하여 쌍을 이루는 초음파 진동자들간의 간격 L_i및 초음파 진동자상수를 선정하는 단계에서 주워진 최대 수위, 최소 수위때의 최대 수심 H_max, 최대수심 H_min에 해당하는 초음파 진동자들의 간격 L_max과 L_min이 허용최대 및 최소 입사각 θ_max과 θ_min(예:40°~20°)에 의하여 다음과 같이 선택하며,

   L_max=2H_maxtanθ_min

   L_min=2H_mintanθ_max

   L_max과 L_min구간에 설치될 초음파 진동자쌍 수 N은 다음과 같이 구해지며,

   L_max간격으로 배치된 초음파 진동자쌍이 동작할 수 있는 수심 범위가 H_max~H₁에서 다음식으로 구해지며,

   수심 H₁~H₂구간에서 동작시킬 초음파 진동자쌍의 간격 L₁이

   L₁=2H₁tanθ_min

   으로 선택되며, 수심 H2가 다음식으로 되고,

   H₂=a²H_max

   수심 H₂~H₃까지 동작시킬 초음파 진동자쌍 간격 L₂이

   L₂=2H₂tanθ_min

   으로 선택되고, 수심 H3가 다음식으로 되며,

   H₃=a³H_max

   이런 방식으로 L_i, H_i를 선택하면서 H_ij H_min이 될 때 초음파 진동자쌍 수와 그들의 간격 선택이 끝나 수심 H_min이 될 때 동작시키는 초음파 진동자쌍의 간격이 L_min이 되도록한 부분유량을 측정하는 방법.
8. 제6항에 있어서 수심 H와 초음속 C를 측정하는데 있어 하천물 표면에 놓인 초음파 진동자에서 초음파 펄스를 발사하고 하천 하부에서는 반사하여 상기 초음파 진동자에 도달하는 시간

   를 측정 기억시키고, 상기한 초음파 진동자로부터 수직선상으로 l₀간격으로 배치된 초음파 진동자 E로부터 초음파 펄스를 발사하여 하천 하부에서 반사하여 도달하는 시간

   을 측정하여 수심 H'를 다음 식으로 계산하고,

   수표면에 배치된 초음파 진동자가 수면에서 일정한 깊이 ΔH에 위치하고 있으며 하천 바닥에 반사판이 설치되었을 경우 반사장치의 두께 d에 대하여 수심H이 다음으로 되는데,

   H=H'+ΔH+d

   ΔH와 d를 사전에 알고 있는 초음속 C가 H'를 측정한 조건에서

   으로 계산되며, 초음파 진동자들간의 간격 l₀은 기대할 수 있는 최소수심 H_min에 비하여

   으로 선택되게 한 하천유량 측정방법.
9. 제6항에 있어서 수직평균유속 _i가 다음과 같이 측정되는데, 즉 하천물 흐름 단면적에 직각으로 되는 L_i간격으로 배치된 초음파 진동자쌍 A_i, B_i를 동작시켜 뒷쪽에 있는 초음파 진동자 B_i가 발사한 초음파 펄스를 하천바닥에서 반사되게 하여서, 앞쪽에 있는 초음파 진동자 A_i에 도달하는 시간 t_Bi과 반대로 앞 쪽에 있는 초음파 진동자 A_i에서 발사한 초음파 펄스를 반사하여 뒷쪽에 있는 초음파 진동자 B_i에 도달하는 시간 t_Ai를 측정하여 다음식으로 수직평균유속 V_i을 측정하게 한 하천유량 측정방법.
10. 제6항에 있어서, 하천부분유량 q_ij를 측정하기 위해서는 I지점에서 수심 H_i와 수직평균유속 _i을 측정하고 초음파 진동자 군(群)을 하천 폭을 따라 b 간격으로 이동시켜 j점에 고정시키고 이 지점에서의 수심 H_j와 수직평균유속 _j를 다시 측정하여 유량을 다음식으로 산출하며,

    하천의 유량 Q가 q_ij의 총합로 구해지도록 한 하천유량 측정방법.