KR0169091B1 - 개수로용 초음파 유량측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

개수로용 초음파 다회선 유량측정장치는 소정거리를 두고 떨어져 있는 제1및 제2의 진동자들로 이루어진 다수의 유속측정장치와 : 상기 제1 및 제2의 진동자 쌍으로부터 초음파 펄스를 수신하고, 그들에 자체초음파 펄스를 발사 수신하는 다른 초음파 진동자와; 다수의 상기 유속측정장치와 초음파 진동자가 소정간격으로 설치되게 한 설치대와; 상기 초음파 진동자의 진동펄스를 발생시키는 초음파 펄스발생기와; 상기 초음파 펄스를 상기 초음파 진동자들에 인가하고 그들로부터 초음파 전번펄스를 차례로 수신하여 출력하도록 스위칭기능을 갖는 교환기와; 상기 교환기로부터 신호를 수신하여 파형 정형하는 정형파 성형부와; 상기 제1및 제2진동자 중의 어느 한 진동자와 다른 진동자간의 펄스전번시간 및 수신시간에 관련한 시간간격을 측정하는 시간간격 측정기와; 소정주기의 클럭신호를 발생시키는 동기신호 발생기를 구비하고 상기 시간간격 측정기로부터의 신호를 수신하여 단면평균유속을 산출하고 유량을 측정하는 연산제어장치들로 구성된다.

Description

개수로용 초음파 유량측정 장치 및 방법

제1도 다회선 초음파 하천유량 측정원리 설명도.

제2도 종전의 수평평균유속 측정원리 설명도.

제3도 초음파가 전번하는 궤도의 모양.

제4도 본 발명에 따른 수평평균유속 측정방법의 설명도.

제5도 본 발명에 따른 수평평균유속 측정장치의 단면도.

제6도 본 발명에 따른 유량측정장치의 일 실시예도.

제7도 본 발명에 따른 교정검사 방법의 설명도이다.

본 발명은 개수로(開水路) 초음파 유속, 유량 측정기술과 관련된 것으로, 대하천, 대인공 개수로의 유량을 측정하는데 주로 활용되는 개수로용 초음파 유량측정시스템에 관한 것이다.

개수로의 유량을 측정하기 위하여 초음파로 물흐름의 수평평균유속을 측정하여 유량을 산출하는 방법이 널리 알려져 있다. 이런 초음파 유량측정장치는 물흐름의 수평평균유속 측정회선(channel)이 하나로 된 것도 있고 다회선(multi-channel)으로 된 것도 있다. 예를 들어 Ultraflux社에서 개수로용 다회선 초음파유량계 UF-210000이 개발되어 판매되고 있다. 영국 런던시를 흐르는 템즈강 하류에도 초음파 유량측정소가 있다.

제1도와 제2도에 널리 알려진 상기한 개수로 초음파 유량측정의 기본원리도를 도시했다, 제1도에 도시한 것처럼 하천 기슭을 따라 일정한 간격 h로 초음파 발신수신자(앞으로 초음파 진동자라고 하겠음)(ultrasonic probe)(1_A,1_B), (2_A,2_B), (3_B,3_B) ‥‥ 를 물흐름 방향에 대하여 일정한 각도 ψ_i를 이루게 설치되어 있다.

제2도에 따라 수평선상의 평균유속 측정방법을 설명하면 다음과 같다.

초음파진동자 (1_A)에서 초음파진동자(1_B)를 향해 초음파 펄스를 발사하는 순간부터 초음파 펄스가 초음파 진동자 (1_B)에 도달할 때까지의 시간 t_AB를 측정하며 동시에 초음파 진동자 (1_B)에서 (1_A)를 향해 초음파 펄스를 발사하여 상기한 시간 t_BA를 측정한다.

초음파 펄스가 (1_A)에서 (1_B)로, 그리고 (1_B)에서 (1_A)로 전번하는 시간 t_AB, t_BA는 다음과 같다고 본다.

여기서 L-초음파 진동자 (1_A)에서 (1_B)간의 간격, C-하천 물에서의 초음속, 수평선상에서의 평균유속, υ-초음파 펄스가 전번하는 궤도선상에서의 유속성분이다.

이와 같이 가정을 하고 유속를 다음 식에 의하여 계산한다(Ultraflux社 UF2100 유량계).

이런 유속계산식으로 유속을 측정하는 방법을 주파수차 방법이라고 한다. 식(2)에서이다. 식(2)는 다음과 같이 유도된 것이다.

이와 같이 물흐름의 여러 수심에서 수평평균 유속을 측정하고 하천의 유량은 다음 식으로 계산한다.

여기서 B-측정하는 수평선에서의 하천 물흐름의 넓이이다. 보통 n=10이면 충분한 정확도로 하천유량을 측정한다고 보고있다. 유량 Q 계산식은 다양하며 식(3)보다 더 정확한 식도 있다. 어떠한 유량계산식을 사용하더라도 기본 측정은 여러 수심에서의 수평평균유속을 측정하는 바 유량 측정 오차를 우선 유속측정오차가 좌우하는 것이다.

상기한 주파수차 유속측정식(2) 외에 시간차 방법식도 널리 이용되고 있다.

시간차식은 다음과 같다.

초음속 C대신에라는 것을, 또이라는 것을 참작하여

이와 같은 유속측정식을 시간차 방법 식이라고도 한다. 식(2) 또는 식(4)는 초음파 펄스가 두개의 진동자를 연결하는 직선 L을 따라 항상 전번한다고 가정을 하고 유도된 것이다.

이와 같은 가정은 구경이 작은 파이프용 초음파 유량계를 개발하여 교정 검사할 때 가능하다. 그러나 하천용 유량계 또는 대구경(3m 이상) 파이프용 유량계를 개발함에 있어서 초음파 펄스가 전번하는 거리를 기하학적 직선 길이로 취급하면 유속측정 오차가 커지며 따라서 유량측정 오차가 커진다.

제3도에 초음파 진동자 1_A(또는 1_B)에서 1_B(또는 1_A)로 도달하는 초음파 펄스궤도를 도시했다. 이 도면에 도시한 것처럼 L선 방향으로 발사된 초음파 빔은 점선으로 보인 것처럼 초음파 진동자(1_A) 또는 (1_B)에 도달하지 않고 지점 a 또는 b에 도달한다.

한편, 초음파 진동자(1_B)에 초음파 진동자(1_A)에서 발사된 초음파 펄스는 궤도 L₁을 따라 도달하며, 또 초음파진동자(1_B)에서 발사한 초음파 펄스는 궤도 L₂를 따라 초음파 진동자(1_A)에 도달하는 것이다. 궤도 L₁과 L₂는 동일하지 않다. 특히 물흐름의 넓이가 수 10m나 되는 자연하천은 내벽이 매끈한 파이프 관을 흐르는 난류와 달리 다양한 규모의 와류(vortex)가 발생하며, 자연하천 외에도 콘크리트로 포장된 인공개수로(open channel)에서도 수로 밑에서 위로 올라와 다시 내려가는 회전유속성분이 항상 있다. 이런 물흐름에서 초음파 펄스가 전번하는 궤도는 제3도에 도시한 것 보다 더 복잡하다, 따라서 궤도의 길이 L₁과 L₂는 기하학적 길이 L과 무시하지 못할 정도로 차이가 생긴다.

하천 초음파 유량계를 설치할 때 만일에 초음파 진동자의 지향성(directional pattern)이 좁을 경우 제2도에 도시한 것처럼 초음파 진동자를 L선과 일치되게, 즉 각 ψ로 설치하면 수신 신호가 약하고 각 ψ보다 더 크게 설치하면(제4도 참조) 수신신호가 커진다는 것을 다들 체험하고 있다. 이런 현상이 바로 초음파 펄스 전번궤도가 제3도에 도시한 것처럼 된다는 것을 증명하는 것이다. 따라서 초음파 펄스가 유속방향 (1_A→1_B)으로 전번하는 속도를 가속하는 유속성분 υ_AB와 반대로 유속반대방향으로 전번하는(1_B→1_A) 속도를 감속시키는 유속성분 υ_BA도 엄격히 따지면 동일하지 않으며

가 된다.

상기한 것을 다 참작하여, 즉 L₁≠L₂≠L, ψ≠ψ₁≠ψ₂인 경우 주파수차 방법식 (2)를 유도하면 다음과 같다.

따라서

여기서이다.

식(6)에서 L_l과 L₂의 최종지점들이 고정된 조건에서

가 된다는 것을 참작하여 식(6)을 정리하면 다음과 같은 유속측정식이 된다.

초음속 C는 널리 사용되고 있는 초음속 측정식

을 이용하여 유도되는

를 식(7)에 대입하면 다음과 같다.

식(7) 또는 식(9)에서 L₁=L₂=L라고 보면 일반적으로 사용하는 식(2)가 된다.

식(8)을 유도할 때항을 무시한 것이다. 만일에를 무시하지 않고 심지어 υ₁-υ₂=1m/s가 된다 하여도 초음속 C²측정 상대오차는 δ_C ²=0.07% 정도이다. 그러나 C 측정오차는 δ_C=0.26%가 된다. 식(9) 또는 식(7)의 두 번째 항을 절대 무시하여서는 안된다. 또 두 번째 항은 불변한 정수가 아니고 하천의 넓이가 클수록, 또 유속이 크면 클수록 커지는 항이다.

인바(에 해당되는 각) L₂-L₁이 작다하여도이 큰 조건에서는 무시할 수 없는 것이다.

이미 언급했지만 자연 대하천의 물흐름은 일반 수리학(水理學)에서 말하는 난류가 아니고 다양한 규모의 와류도 생기며 또 하천바닥에서 위로 올라와 다시 바닥으로 내려가는 회전유속성분들도 많다. 따라서 구경이 비교적 작고 관벽이 매끈한 파이프관내를 흐르는 물과는 차이가 크며 절대로 기하학적 직선거리 L을 초음파 펄스전번 거리와 동일하다고 볼 수 없다. 직접 측정할 수 있는 초음파 펄스 전번 시간이라는 것은 이다. 따라서 L₁= L₂=L, υ₁=υ₂로 취급하여서는 안 된다. 시간차 방식의 유속측정식을 엄격히 유도하면 다음과 같다.

는 매우 작은바 무시할 수 있다. 그러나정도 된다면 C=1450m/s일 때정도 된다. 이 항을 무시하면 상기 식의 첫 항의 오차는 0.014% 된다. 그러므로 이를 무시하면 최종적으로

또는

의 시간차 방법 유속측정식이 된다.

식(10)에서 L₁=L₂=L 라고 보면 종전에 사용하고 있는 시간차 방법 유속측정식 (4)가 된다. 식(9)와 식(10)은 결국 동일하다.

유속측정식 (9)또는 (10)에서 알 수 있는 바와 같이 초음파 유속측정방법 오차를 없애기 위해서는 초음파 펄스의 전번하는 궤도의 진(眞) 길이 L₁과 L₂를 정확히 측정하여 측정식 (9) 또는 (10)에 의하여 유속를 측정해야만 한다.

먼저, 종전에 사용하던 주파수차 유속측정식(2)의 오차가 어느 정도 되는지 예를 들어보겠다.

식(2)에서 L과 d는 어떠한 수단에 의하여 측정되어의 비는 초음파 유량계 연산부에 입력 기억시켜 놓은 것이고 직접 측정하는 것은 초음파 펄스 전번시간 t_AB와 t_BA이다. 시간 측정오차가 없다고 가정하면 유속측정 결과는 다음과 같다.

정확한 식(7)에 의하여 측정된 유속를 대상으로의 상대 오차를 구하면 다음과 같다.

실례로

L=100m, L₁=101m, L₂=101.1m,=5m/s, L₂-L₁=0.1m, C=1450m/s, d=70m일 때

이다.

콘크리트 포장된 인공수로 직선부분에서 초음파로 측정된 유속과 20지점에서 프로펠라 유속계로 국부 유속을 측정하여 수평유속분포도를 작성 적분하여 구해진 유속과 대비하여 보면 종전의 초음파 유속측정식에 따라 측정된 유속이 14% 더 컸으며 정확한 식 (7)에 의하여 측정된 유속의 오차가 -2%이었다. 물론 프로펠라 유속계로 측정한 평균 유속이 표준치는 아니지만 종전에 사용하던 초음파 유속측정식이 큰 오차를 초래한다는 것은 증명할 수 있다.

상대오차식을 보면 d가 크면 클수록, 즉 ψ를 작게 함으로서 오차가 작아질 것 같지만 L₂-L₁이 커진다, 오히려 L₂-L₁의 차를 작게 하려면 각도 ψ를 45°이상으로 선택해야 한다.

초음파 하천유량계의 오차가 크다는 것은 여러 나라의 수문측정학계에서 인식하고 있는바 기본원인은 바로 간소한 종래의 유속측정식 (2)를 사용하고 있기 때문이다.

다른 계측기들과는 달리 하천용 초음파 유량계를 어떤 표준유량 또는 유속측정장치로 교정검사를 할 수도 없는 조건에서 유속측정방법 오차를 제거하면 유속, 유량측정오차는 간접적으로 신뢰성 높게 교정검사 할 수 있게 된다.

상기한 초음파 펄스 전번 궤도의 길이는 규모가 큰 하천, 인공수로 또는 규모가 큰 폐수로(閉水路)에서 기하학적 직선거리와 다르다는 것을 고려하여야 한다.

따라서, 본 발명은 개수로용 초음파 유량측정에 있어, 초음파 펄스의 전번궤도의 정확한 거리를 측정하여 소정 식으로 수평평균 유속을 산출하므로 유량측정오차를 현저히 감소시키는 개수로 초음파 유량측정장치 및 그 방법을 제공하는데 주목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 초음파 펄스의 전번궤도의 거리를 측정하여 소정 식으로 유속을 측정하도록 하는 유속측정장치의 교정검사방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면 개수로용 초음파 다회선 유량측정장치는 소정거리를 두고 떨어져 있는 제1 및 제2의 진동자들로 이루어진 다수의 유속측정장치와; 상기 제1 및 제2의 진동자 쌍으로부터 초음파 펄스를 수신하고, 그들에 자체 초음파 펄스를 발사 수신하는 다른 초음파 진동자와 , 다수의 상기 유속측정장치와 초음파 진동자가 소정간격으로 설치되게 한 설치대와; 상기 초음파 진동자의 진동펄스를 발생시키는 초음파 펄스발생기와; 상기 초음파 펄스를 상기 초음파 진동자들에 인가하고 그들로부터 초음파 전번펄스를 차례로 수신하여 출력하도록 스위칭기능을 갖는 교환기와; 상기 교환기로부터 신호를 수신하여 파형 정형하는 정형파 성형부와; 상기 제1및 제2진동자 중의 어느 한 진동자와 다른 진동자간의 펄스전번시간 및 수신시간에 관련한 시간간격을 측정하는 시간간격 측정기와; 소정주기의 클럭신호를 발생시키는 동기신호 발생기를 구비하고 상기 시간간격 측정기로부터의 신호를 수신하여 단면평균유속을 산출하고 유량을 측정하는 연산제어장치들로 구성된다.

여기서, 유속측정장치는 외부의 펄스발진원에 연결된 링형의 제1 초음파진동자를 수납하고 그의 중심부가 공동으로 되어 있는 제1 케이스와; 상기 제1케이스의 중심부에 일단이 고정된 소정길이의 파이프와; 그의 말단에 제2의 초음파 진동자가 수납된 제2 의 케이스가 고착되어 있어 제1 초음파 진동자와 제2 초음파 진동자간에 소정거리 ℓ 간격을 보장하도록 되어 있다.

또한, 본 발명의 개수로용 초음파 다회선 유량측정방법은 소정간격을 두고있는 제 1의 진동자(1_Ai)와 제2의 진동자(1_Ci)를 보유한 다수의 유속측정장치를 일측수로변 선상에 설치하되 제1의 진동자(1_Ai)들의 위치가 다른 수로변 선상에 설치되는 다수의 다른 초음파 진동자(1_Bi)위치에 대하여 사선의 영상 길이로 순차 배치되는 다회선 초음파 유선측정회선을 구성하는 단계와; 상기의 초음파 진동자(1_Ai),(1_Bi) 및 (1_Ci)들이 상호초음파를 발사하고 수신할 때 최대의 신호가 되도록 그들의 위치를 조절하는 단계; 제1의 초음파진동자(1_Ai)및 제2초음파 진동자(1_Ci)들이 다른 초음파 진동자(1_Bi)들에 초음파 펄스를 발사하여 전번하는 시간 t_AiBi및 t_CiBi과 다른 초음파 진동자(1_Bi)로부터 발사되는 펄스가 제1 및 제2 초음파 진동자(1_Ai) 및 (1_Bi)로 전번되는 시간 t_BiAi및 t_BiCi를 측정하여 l 수평선상의 다수의 평균유속을 측정하는 단계와; 다수의 평균유속을 이용하여 물흐름 단면적 S의 평균유속을 산출하여 유량을 산출하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 따르면 유속측정장치의 교정검사를 할 수 있으며, 이 교정방법은 소정간격 l을 두고 떨어진 제1 및 제2의 초음파 진동자가 각기 지점 A 및 C에 있게 하고, 다른 초음파 진동자를 지점 B에 있게 하여, 제1 및 제2 초음파 진동자로부터 다른 초음파 진동자로의 펄스전번시간 t_AB및 t_CB를 측정하는 단계, 지점 B에 있는 다른 초음파 진동자를 소정거리 이동되는 지점 B'로 이동시켜 제1 및 제2초음파 진동자로부터 다른 초음파 진동자로의 펄스전번시간 t_AB'및 t_CB'를 교정하여 간격 1을 측정하의 동시에 시간간격 측정장치의 측정오차를 교정하는 단계로 이루어진다.

따라서 본 발명은 초음파 하천(개수로) 또는 규모가 큰 폐수로(閉水路) 유량계를 구성함에 있어 직접 측정하는 물흐름의 여러 단면선상의 평균유속 측정의 오차, 특히 유속측정 방법오차를 제거하여 유속측정오차를 현저히 축소시켜 유량측정 오차도 감소시킬 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 하천 또는 다른 개수로, 폐수로 양면에 배치되어 있는 초음파 진동자들간의 간격길이를 어떠한 거리측정기로 측정할 필요가 없고 유속측정 순간마다 유량계 자체가 측정하게끔 되어있어 매우 편리하다. 따라서 초음파 펄스가 전번하는 궤도 길이가 어떠한 변수 측정에 필요로 하는 초음파 계측기 개발에도 본 발명을 이용할 수 있다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

제4도에 도시한 바와 같이 개수로의 일정한 깊이에 해당되는 개수로 양면에 초음파 진동자 1_A와 1_B가 배치되며 또 초음파 펄스가 발사되는 방향을 따라 간격 l이 되는 위치에 또 하나의 초음파 진동자 (1_C)를 배치한다. 유속방향으로 초음파 진동자(1_A)가 발사한 초음파 펄스가 초음파 진동자(1_B)에 도달하는 시간 t_AB, 또 초음파 진동자(1_C)가 발사하여 도달하는 시간 t_CB, 그리고 초음파 진동자(1_B)가 발사한 초음파펄스가 초음파 진동자 (1_C)와 (1_A)에 도달하는 시간 t_BC와 t_BA를 측정한다. 상기한 시간들은 다음과 같다.

상기 식 (11)에서 t_CB/t_AB를 구하면

이 된다. 따라서

이와 마찬가지로 t_CB/t_AB를 통해

를 구할 수 있다.

식(12)와 식(13)을 정확한 주파수차 유속측정식 (9)에 대입하여 정리하면 다음과 같다.

여기서 a=t_AB-t_CB, b=t_BA-t_BC이다.

유속측정식 (14)의 연산 알고리즘은 다음과 같이 할 수 있다.

물론 알고리즘은 여러 가지 있을 수 있다, 예를 들어 식(12)와 식(13)에 따라 L₁, L₂를 계산하여 식(9)에 대입하여도 된다.

시간차 방법 유속측정식을 이용하기 위해 정확한 시간차 방법 유속측정식 (10)에 식(12), (13)을 대입하여 정리하면 식(14)와 동일하다.

종전에는 주파수차 방식이 초음속이 포함되지 않아서 시간차방법에 비해 우월하다고 인정하고 있었으나 이런 견해는 직경이 그리 크지 않은 파이프관용 유량계에 해당되는 것이고 또 식(8)에 의하여 유속측정 순간의 초음속을 측정하는 조건에서 특히 하천의 유속을 측정하는 조건하에서는 주파수차, 시간차 방식은 동등한 방식이다.

식(14)를 보면 시간간격 t_AB, t_BA, t_CB, t_BC측정에 있어 고정오차(systematic error)가 있다고 해도 모든 항들이 측정된 시간간격들의 차를 구하는 것이기 때문에 고정오차들은 상호 삭제된다는 것도 장점이다.

제5도에 상기한 유속측정방법을 실현시키는 유속측정장치의 구조를 도시했다.

제5도에서 보는 바와 같이 유속측정용 초음파 진동자(1_A)(ultrasonic transducer)는 링형의 압전세라믹(piezoelectric ceramic)으로 되어있고, 초음파 전번궤도측정용 초음파 진동자(1_C)는 초음파진동자(1_A)로부터 소정길이 l의 간격을 떨어져서 설치되는 파이프(8)의 단부근처에 일반적인 원주형 압전세라믹으로 되어있다.

파이프관(8)은 초음파 진동자(1_A)를 통과하여 초음파 진동자 케이스 (7c)와 연결되어 있다. 초음파 진동자 케이스(7c)는 파이프관(8)을 따라 약간 이동시킬 수 있게 되어 있어(예를 들어 나사로 연결) 간격 l을 조절할 수 있다.

초음파 발사 효율을 높이기 위하여 초음파 진동자(1_A)와 (1_C) 후면에는 완충제(demper)(6)가 충만되어 있다. 예를 들어 완충제로 산화 텅스텐 분말을 사용해도 된다.

제5도에서 (9)는 초음파 진동자 (1_A)와 (1_C)를 연결하는 도선이고 (10)은 초음파진동자를 하천기슭에 설치한 초음파 진동자 고정대(固定臺)에 고착시키는 고착고리이다. 초음파 진동자 (1_A)의 내경 D_A는 초음파 진동자 (1_C)의 케이스 외경 D_C에 비해 약간 커야 한다.

하천의 넓이가 수십, 수백 미터되는 경우 초음파 펄스의 진동주파수는 보통 200 -500 KHz를 사용하는 바 물에서의 파장은 불과 7∼3mm정도 된다. 따라서 초음파 진동자(1_A) 앞에 3∼7mm 이상 되는 장애물이 있어서는 안된다. 그러나 제5도에 도시한 것처럼 두개의 초음파 진동자 복합구조로 하면 초음파 진동자 (1_A)와 (1_C)가 펄스를 발사, 수신하는데 지장이 없다.

초음파 진동자 (1_A)와 (1_C)간의 간격 l선택은 초음파 유량측정장치에 내장되어 있는 시간간격 측정장치의 오차에 의하여 결정된다. 또 식(14)에서 보는 바와 같이 l의 오차 여하에 따라 유속 측정오차가 좌우된다. l선택 관계식은 다음과 같다.

여기서 τ-시간간격 측정 절대오차, C_max-하천 물에서 기대할 수 있는 최대의 초음속, δ_l-l 간격 측정허용 상대오차이다.

예를 들어 τ=10^-7s, C_max=1460m/s, δ_l=0.001(0.1%)라면

가 된다. 따라서 l=0.6m로 선택하면 충분하다.

제6도에는 하나의 실예로 하천용 초음파 다회선 유량측정장치의 구성을 개략적인 블록선도로 도시하였다. 연산제어장치(16)는 클록펄스를 발생시키는 동기발진기(syncqenerator)(12)와 그에 의하여 작동 제어되는 무선송수신기(17)를 구비하며, 이후 상세히 기술되는 바와 같이 하천물의 유속 및 유량을 연산한다.

초음파 펄스발진기(13)는 초음파 펄스신호를 발생시켜 교환기(11)에 인가한다. 교환기(11)는 초음파 펄스신호를 하천의 일측 기슭에 설치한 유속측정장치로 구성시킨 다수의 제1 및 제2초음파진동자(1_A1, 1_C1), (1_A2, 1_C2)‥‥(1_An, 1_Cn)들에 초음파 펄스신호를 인가한다.

펄스정형기(14)는 이후 기술되듯이 교환기(11)로부터의 수신신호를 정형파로 성형한다. 시간간격 측정장치(15)는 펄스신호 발진기(13)와 펄스정형기(14)로부터의 신호간의 시간간격, 즉 초음파 전번시간을 측정하여 연산제어장치(16)에 입력한다.

마찬가지로 타측 강변기슭에도 초음파 진동자(1_B1),(1_B2)‥‥(1_Bn)들이 설치되며, 이에 관련하여 교환기(11'), 동기발생기(12), 펄스발진기(13), 파형정형기(14)와 무선송수신기(18)가 설치된다.

그러므로 이 다회선 초음파 유량측정장치는 소정의 알고리즘과 프로그램에 따라 교환기(11)가 초음파 진동자(1_A1,1_C1), (1_A2,1_C2)...(1_An,1_Cn)들에 초음파 펄스신호를 인가하여 초음파 펄스가 초음파 진동자(1_B1),(1_B2)..(1_Bn)들에 전번하도록 하며, 연산제어장치(16)에 의하여 작동되는 무선송수신기(17)는 이를 무선송수신기(18)에 통지하므로 교환기(11')는 초음파 진동자(1_B1),(1_B2)..(1_Bn)들이 전번신호를 수신하게 하고, 이 신호를 교환기(11)가 파형정형기(14)들을 경유, 무선송수신기(18)가 무선송수신기(17)에 전달하도록 한다. 이때 무선송수신기(17)는 연산제어장치(16)의 제어에 따라 무선송수신기(18)로 교환기(11') 및 초음파 펄스발진기(13)를 작동시켜 초음파 진동자(1_B1),(1_B2)..(1_Bn)들로부터 초음파 펄스가 초음파 진동자(1_A1,1_C1), (1_A2,1_C2)...(1_An,1_Cn)들에 초음파 펄스를 발사한다.

그러므로 초음파 진동자(1_A1,1_C1), (1_A2,1_C2)...(1_An,1_Cn)들에 의하여 수신된 신호는 교환기(11)를 통해 파형정형기(14)에서 정형파로 되어 시간간격 측정장치(15)에 입력된다. 시간간격 측정장치(15)는 초음파 진동자 1_A1, 1_B1, 1_C1에 해당하는 전번시간 t_AB1, t_BA1, t_CB1, t_BC1들의 코드신호를 발생시켜 연산제어장치(16)에 입력한다. 연산제어장치(16)는 제1회선 수평평균유속 V₁을 연산하여 기억한다.

마찬가지로 이 과정이 제2회선, 제3회선, 제n회선 순서로 반복되어유속이 측정 기억된다. (19)는 초음파 진동자(1_Ai), (1_Bi), (1_Ci)를 설치 고정시키는 설치대이다.

유량 Q는 종전에 사용하던 식(3)에 의하여 계산될 수 있지만 더 정확한 방법은측정 데이터를 이용하여 수평유속분포 곡선을 작성하여 총 평균유속 Vs는

적분을 근사적분을 하고 사전에 구해놓은 수심과 물흐름 단면적 S와의 관계함수 S(H)에 의하여 구해지는 단면적 S에 승하여 유량 Q를 구하는 방법이 더 정확하다. 즉

이다.

제6도에 수심 H를 측정하는 레벨메타는 표시하지 않았다.

이상에서와 같이 넓은 하천용 유량측정장치를 구성함에 있어서 양변에 배치된 초음파 진동자들을 고주파 케이블로 제2차 측정기 (11-16)와 연결하는 것이 비합리적일 때 무선송수신기 (17), (18)을 사용하는 것이 좋다. 물론 하천 양변 기슭에 초음파 진동자들을 배치하지 않고 한쪽 기슭에 소정된 간격 d로 초음파 진동자(1_A1), (1_C1),‥‥,(1_An), (1_Cn) 그리고, (1_B1), (1_B2)‥‥‥(1_Bn)을 설치하고 반대쪽 기슭에 초음파 반사장치를 설치하는 것도 매우 효과적이다. 이럴 경우에는 무선 송수신기도 필요없고 동기발진기(12), 초음파펄스 발진기(13), 파형정형기(14), 교환기(11')를 이중으로 양쪽 기슭에 설치할 필요도 없다. 이럴 경우에 유속측정식 (14)는 변하지 않는다. 다만 d는 초음파 진동자 설치대(19)간의 간격으로 된다.

한편, 본 발명은 쌍을 이룬 초음파진동자 (1_Ai)와 (1_Ci)가 일체의 구조로 되는 유속측정장치와 이 유속측정장치의 초음파 진동자간의 간격 및 고정오차 등에 대한 교정검사를 할 수 있음에 주목되어야 한다, 유속측정식 (14)에서 보는 바와 같이 초음파 진동자(1_Ai)와 (1_Ci)간의 간격 l의 측정오차를 최소한으로 보장함으로서 정확한 유속측정방법의 효과를 발휘하게 된다. 물론 정밀한 오차가 ±10^-6m정도 되는 길이 측정기는 있으나 이런 길이 측정기로 식 (14)에 대입되는 길이 l을 정확히 측정하기는 매우 힘들다.

그 이유는 길이 l이라는 것은 초음파 펄스가 전번하는 길이인데 아무리 초음파 펄스 송수신회로와 시간간격 측정회로를 철저하게 구성시켰다 하더라도 여러 가지 원인으로 지연시간이 포함된다, 그리고 아무리 지연시간이 작아 무시할 수 있다 하더라도 계 5 도에 도시한 초음파 유속측정장치를 제작한 후 초음파 진동자 (1_Ai)와 (1_Ci)의 초음파 펄스발사수신 유효면 간의 간격측정을 정확하게 하기는 힘들다.

상기한 것을 참작하여 본 발명에 따른 l측정 교정방법은 다음과 같다.

제7도에 도시한 것처럼 수조 (20)을 주위온도가 변하지 않는 실내에 설치하고 물을 충만시킨다, 다음에 제작된 초음파 진동자 (1_A)와 (1_C)들로 되는 유속측정장치를 수중에 설치 고정시키고, 초음파 진동자 (1_A)로부터 L₁이 되는 간격에 초음파 진동자(1_B)가 포함된 진동자를 설치한다. 이때 L₁간격을 정확히 측정할 필요가 없다. 또 사전에 길이 측정계로 l'을 측정하여 유량계에 입력시킨다.

유량계에 내장된 시간간격 측정장치의 시간간격 측정오차를 검사하기 위하여 정도(精度; accuracy)가 더 높은 표준시간간격 측정장치를 병렬로 연결한다.

이와 같이 사전준비를 하고 유량계를 동작시켜 L₁간격을 수조에서 초음파 펄스가 전번하는 시간 t_AB1, t_CB1을 반복 측정하면서 유량계가 산출하는 간격 L'₁을 기록한다. 즉

여기서 l'는 진(眞) 길이 l과 다르기 때문에 식(18)에 의해 계산된 L'₁은 진 길이 L₁과 다를 것이다.

다음에 초음파 진동자 (1_B)를 정확하게 측정된 Lo 간격으로 이동시킨다. 이동시킨 간격 Lo는 매우 정확하게 측정하는 것은 힘들지 않다. 그러면 초음파 진동자(1_A)와 (1_B)간의 간격은 L₁+L₀이 될 것이며 (1_C)와 (1_B)간의 간격은 L₁+L₀-l이 될 것이다. 이와 같이 초음파 진동자 1_B의 위치를 변경시키고 초음파 전번시간 t_AB2, t_CB2를 측정하여

를 구한다. 식 (19)에서 식 (18)을 감하면

가 될 것이다.

시간 간격 측정오차는 매우 작아 무시할 정도라면 진 길이 Lo은

이 되어야 할 것이다. 여기서 l은 구하고자 하는 진 길이이다. 따라서이 될 것이며 따라서

가 될 것이다.

이와 같이 식 (22)에 따라 더 정확한 길이 l을 구하게 된다. 이렇게 구해진 l의 값을 l' 대신에 유량측정장치의 연산제어부에 입력시키고 식(20)에 의하여 Lo을 반복 측정해 본다. 반복 측정결과를 분석하면 유량측정장치가 측정한 길이와 정밀한 길이 계측기로 측정한 길이 Lo 간의 편차가 우연편차인지 또는 고정편차가 포함되어 있는지 쉽게 알 수 있다. 고정(systematic)편차가 포함되어 있으면 상기한 방법은 반복하여 다시 식(22)에 의하여 더 정확한 l의 값을 구하여 유량계에 입력시키고 상기한 측정을 반복한다.

이런 과정을 고정편차가 없어질 때까지 반복하여 최종적으로 l 값을 구하여 유량측정장치의 연산제어장치에 입력시킨다.

보통 유량계에 내장된 시간간격측정기의 허용 오차는 10^-8s 정도이다. 따라서t_AB/(t_AB-t_CB) 계산 오차는 ±1.7·10^-8정도 된다. 또 Lo 길이를 정밀 길이 측정기로 ±2μm오차로 측정할 수 있는 조건에서 상기한 방법으로 구해지는 l의 오차는 1.7·10^-8·C+2·10^-6m1.7·10^-8·1450+2·10^-6=26.7·10^-6m 정도 된다. 만일에 l이 0.5m라 하면 l 측정오차는 불과 ±5·10^-6=5·10^-4%정도 된다.

그러나, 상기한 l측정방법의 장점은 유량측정장치와 초음파 진동자, 그리고 양자간을 연결하는 케이블선 모든 것을 연결하여 볼 때 발생하는 지연시간 등을 보상하는 l의 값을 구한다는 것이 중요한 것이다.

상기한 방법으로 구해진 l의 값을 유량측정장치에 입력시키고 초음파 진동자(1_B)의 위치를 변경시키면서 유량측정장치가 측정한 변경된 길이 값과 정밀길이 계측기로 측정한 값과 대비하여 초음파 펄스 전번길이 측정오차를 검사하게 된다. 동시에 유량측정장치의 시간간격 측정장치의 시간간격 측정오차도 표준시간간격 측정장치와 대비하여 검사된다. 입력시킨 l의 오차, 시간간격 측정오차들을 상기한 수조에서 검사하게 되며 일정한 l측정오차, t_AB, t_CB, t_BA, t_BC측정오차가 있을 경우의 유속측정식 (14)에 의하여 측정되는 유속의 오차를 평가하게 된다. 물론 현지에서 측정해야 할 d 길이 측정오차는 미리 알고 있다.

다음은 유량계산을 위한 적분식(16) (17)을 수행하는 연산부의 오차검정은 쉽게 다음과 같이 한다. 수평평균 유속의 다양한 분포함수를 작성하여 총 평균유속를 사전에 정확히 적분식 (16)에 의하여 계산해 둔다. 다음에 유속분포곡선에서 초음파 진동자들이 배치되는 지점들에서의 유속에 해당되는 유속들과 그들간의 간격을 유량측정장치 유량연산부에 입력시켜 연산결과를 정확히 계산된와 대비하여측정오차를 검정한다.

초음파 유량측정장치의 최대 유량측정 상대오차는

가 되며가 주로 우연 오차로 구성되어 있다면 다음과 같이 평가된다.

이와 같이 본 발명의 방법으로 유속을 측정하는 조건에서 하천용, 개수로용 또는 규모가 큰 폐수로용 초음파 다회선 유량계의 유량측정 오차를 간접적으로 비유통식(非流通式)으로 신뢰성 높게 교정검사 할 수 있는 것이다.

산업용 유량계들은 표준유량 측정장치로 직접 교정 검사할 수 있지만 개수로의 대유량(大流量)을 측정하는 유량계는 간접적 교정검사로 측정오차를 검정할 수밖에 없는 바 정확한 초음파 유속측정방법을 사용함으로서 간접적 교정검사 신뢰성이 높아진다.

Claims (4)

1. 개수로, 하천 양쪽 기슭을 따라 여러 수심에 여러 개의 초음파 변환기 쌍을 물흐름 방향과 초음파 변환기를 연결하는 선과 일정한 각도 φ를 형성하게끔 설치하고 여러 수심에 해당되는 수평평균유속을 시간차 방법으로 측정하여 유량을 연산하는 방법에 있어서, 수평평균유속 측정 정도(精度)를 제고하며 수중에 설치되어 있는 초음파 변환기 쌍 (1_Ai)와 (1_Bi)간의 거리 L_i측정을 간소화하는 동시에 측정 정도를 제공하기 위하여 한쪽 기슭에 설치되는 초음파 변환기 (1_Ai)에서 다른 쪽 기슭에 설치된 변환기 (1_Bi)를 연결하는 선상을 따라 초음파 변환기 (1_Ai)에서 l간격으로 격리된 위치에 보충적으로 또 한 개의 초음판 변환기 (1_Ci)를 설치하고 변환기 (1_Ai)와 (1_Ci)에서 발사한 초음파 펄스가 변환기 (1_Bi)에 도달하는 시간 t_(AB)i와 t_(CB)i를 측정하며 또 변환기 (1_Bi)에서 발사된 초음파 펄스가 변환기 (1_Ci)와 (1_Ai)에 도달하는 시간 t_BiCi와 t_BiAi를 측정하여 시간차 유속 식에 대입하여 여러 수심 h에서의 수평평균유속를 연산하고,

   이와 같이 측정된 여러 수심에서의 수평평균유속을 이용하여 개수로, 하천의 유량을 연산 측정하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 방법.

   식. (a)에서 di= Licosφi이다.
2. 초음파 변환기 쌍 (1_Ai)와 (1_Ai)간의 거리(기하학적) L_i를 별도로 측정하여, 수평평균 유속 연산장치에 입력시키는 경우에는 L_i를 다음 식에 의하여 측정한다.
3. 개수로 양쪽 기슭을 따라 여러 수심에 해당되는 깊이에 설치되는 초음파 변환기 쌍들, 초음파 펄스 발신 및 수신장치, 초음파 전파시간 측정장치, 초음파 변환기들을 전환하는 스위치 장치, 유속 및 유량을 연산하는 장치 등으로 구성된 개수로용 초음파 유량측정 장치에 있어서, 한쪽 기슭에 설치되는 초음파 변환기는 두 개의 변환기 (1_A)와 (1_C)가 일체로 된 복합 변환기로 되어 있는바 첫 번째 변환기 (1_A)는 링형으로 중심부가 공동으로 되어있어 이 중심부와 직각으로 파이프관이 고착되어 있으며 이 파이프관 말단에 원주형으로 되어있는 두 번째 변환기 (1_C)가 고착되어 있어 변환기(1_A)와 (1_C)의 초음파 발사수신면간의 지정(소정)된 간격 l을 유지하도록 되어 있는 복합 초음파 변환기를 내장하고 있는 것을 특징으로 한 개수로용 초음파 유량 측정장치. (단, 소정의 간격 l은 다음과 같이 선택되어 있다.)

   여기서 δ_l-l길이의 측정 상대오차, Δ_t- 초음파 유랑계에 내장되어 있는 초음파 전파시간 측정장치의 시간간격 측정 절대오차(sec), C_max- 인공수로, 하천 물에서 기대할 수 있는 최대 초음파 전파속도(m/s)이다.
4. 제3항에 있어, 두 개의 초음파변환기(1_A)와 (1_C)간의 간격 l을 정밀하게 측정조절하기 위하여 한쪽 기슭에는 초음파 진동자가 l간격으로 격리된 쌍을 이룬 초음파 진동자가 설치되며, 다른 쪽 기슭에는 단일초음파진통자가 설치되고, 쌍을 이룬 초음파진동자의 첫 번째 진동자가 링형으로 되고 l간격으로 격리된 두 번째 진동자가 첫 번째 진동자 중심에 고정된 l길이의 파이프말단에 고정되게 한다.