KR100204980B1 - 전자파 표면 유속계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 홍수시 하천에 흐르는 유속을 물과 직접 접촉하지 않고도 손쉽고 정확하며 안전하게 측정 할 수 있도록 하는 전자파 표면 유속계에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 일정한 주파수의 전파를 발생시켜 물표면에 발사시킨 후 반사전파를 수신하여 도플러주파수를 얻어내는 안테나블록과, 안테나블록을 수평상태로 설치하고 발사전파와 물표면이 이루는 각도를 측정하는 측각부가 설치된 삼각대와, 상기 안테나블록에서 획득한 도플러주파수를 이용하여 유속을 계산한 후 이를 표시 기억시키는 신호처리부를 구비시킴으로써 이루어지는 것으로 물에 직접 접촉하지 않고도 표면유속 측정이 가능한 효과가 있다.

Description

전자파 표면 유속계
본 발명은 하천을 흐르는 물과 직접 접촉하지 않고도 유속을 측정 할 수 있도록 하는 전자파 표면 유속계에 관한 것이다.
하천의 유속을 측정하는 방식은 프로펠라식 유속계를 이용하거나 부자를 이용하는 방식을 사용하고 있다.
프로펠라식 유속계는 물속에서 유속에 의해 회전되는 프로렐라의 수치를 측정하는 것으로 이는 물속에서 작동하는 관계로 물에 의한 저항이 커서 유량이 많지 않은 평상시 유속측정에만 사용되고, 유속이 빠른 홍수시(4 ~ 5m/s)에는 권양기나 삭도(索道 cable way)를 이용하게 된다.
권양기에 유속계를 매달아 사용하는 방식은 정확도가 다소 떨어지나 이동이 편리하여 국내에서 많이 사용하고 있으나, 홍수시에는 물속에 내려진 유속계가 받는 저항이 커져 권양기로 지탱하기 곤란함이 있고 경우에 따라서는 측정자에게 인명피해의 위험이 뒤따르게 된다.
하천을 가로지르는 철탑관 삭도를 설치한 후 유속계를 매달아 하천을 횡단하면서 유속을 측정하는 방식은 홍수시에도 안전하게 측정할 수 있는 이점이 있는 반면 설치비가 고가이고 고정식으로 설치되어 유지 보수가 어려운 문제가 있다.
상기와 같이 프로펠라식 유속계를 사용할 경우 발생되는 문제점을 해결하기 위한 것이 부자를 이용하는 방식이다.
부자방식은 봉부자를 낙하시킨 후 봉부자가 일정한 구간(예를 들면 100m)을 통과하는 시간을 측정하여 이로 구간거리를 나누어 (V=S/t)유속을 측정하는 방식이나 부자의 이동이 일직선으로 흐르지 못하고 비스듬히 흐르거나 하상이 불규칙하여 흐름이 일정치 않으므로 유속측정이 부정확하고, 측정에 따른 인원(6명 정도)이 많이 필요하며 야간에는 사용할 수 없는 문제점이 발생된다.
미국이나 유럽에서는 하천바닥에 미리 매설된 초음파 송수신장치의 초음파 송수신에 의해 유속을 측정하는 초음파 유속제가 사용되고 있으나, 이는 초기투자비가 높고 수중에 설치되어 유지관리가 어려우며 홍수시 유실될 우려가 높은 것이었다.
본 발명은 홍수시 하천의 유속을 물과 직접 접촉하지 않고서도 안전하고 간단하며 정확하게 측정할 수 있는 것으로 불규칙한 파동을 갖는 물표면에 전자파를 발사하고 물표면에서 반사되는 신호를 수신한 후 도플러 효과에 의한 주파수를 산정하므로써 표면 유속값을 알아낼 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은 일정한 주파수의 전파를 발생시켜 물표면에 발사시킨 후 반사전파를 수신하여 도플러주파수를 얻어내는 안테나블록과, 안테나블록을 수평상태로설치하고 발사전파와 물표면이 이루는 각도를 측정하는 측각부가 설치된 삼각대와, 상기 안테나블록에서 획득한 도플러주파수를 이용하여 유속을 계산한 후 이를 표시 기억시키는 신호처리를 구비시킴으로써 이루어지는 것이로 자연하천에 설치되어 있는 교량 등의 구조물을 이용하여 전자파를 물표면에 발사한 후 반사수신된 신호로써 도플러 효과에 의한 주파수를 산출하고 이로부터 하천수의 표면유속을 환산시키는 것이다.
제1도는 본 발명의 측정원리도.
제2도는 본 발명의 구성도.
제3도는 본 발명의 블록다이어그램
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 안테나 11 : 몸체
12 : 발진기 13 : 신호전력분배기
14 : 서큐레이터 15 : 혼합기
16 : 엠프 17 : A/D 변환기
19 : 저잡음증폭기 20 : 삼각대
21 : 다리 22 : 수평판
23 : 축 24 : 측각부
30 : 신호처리기 32 : 키입력부
본 발명은 물표면으로 전파를 발사하고 물표면에서 반사된 전파를 수신하여 도플러 효과에 의한 주파수를 환산하는 안테나(10)와, 안테나(10)에서 물표면으로 발사되는 전파의 발사각도를 측정하는 측각부(24)와, 상기 안테나(10)와 측각부(24)를 지지하고 수평상태를 잡아주는 삼각대(20)와, 안테나(10)에서 수신된 도플러효과에 의한 주파수를 이용하여 표면유속값으로 환산 표시시키는 한편 저장하는 신호처리기(30)로 이루어진다.
안테나(10)는 전파를 수표면으로 발사하고 수신하는 역할을 하는 것으로 파라볼릭형 안테나를 사용하며 몸체(11)에는 발진기(12), 신호전력분배기(13), 서큐레이터(Circulator:14), 혼합기(15), 엠프(16), A/D 변환기(17), 저잡음증폭기(19) 등이 내장된다.
발진기(12)는 DC 전력을 AC로 변환하여 전기적으로 발진시킴으로써 X-Band(10GHz)의 높은 주파수를 갖는 전파를 발생시키는 것으로, 건(Gunn) 다이오드 등이 전류-전압간 부저항 특성으로 임피던스의 합이 0이 되는 조건에서 발진하는 것으로써 위상잡음과 온도톡성에 따른 주파수 변화량을 고려하여 설계한다.
신호전력분배기(13)는 발진기(12)로부터의 발진전파를 혼합기(15)와 서큐레이터(14)로 분기시키는 역할을 수행하는 것이다.
서큐레이터(14)는 발진기(12)에서 발진된 전파를 안테나(10)로 안가시켜 물표면으로 발사시키고 물표면에서 반사되어 안테나(10)로 수신된 전파를 발진기(12)로 보내지 않고 도플러 효과에 의한 주파수를 산출해 내는 혼합기(15)로 보내준다. 여기서 서큐레이터와(14) 혼합기(15)사이에는 입력된 미약신호를 증폭시키는 저잡음증폭기(19)를 설치하여, 상기 저잡음증폭기(19)는 안테나(10)에서 수신된 미약신호를 증폭시키게 된다.
안테나(10)와 발진기(12)사이에 설치되는 서큐레이터(14)는 발진기(12)의 발진전파를 받아 안텐마(10)로 발사시키도록 하는 반면 안테나(10)로 수신된 수신전파는 혼합기(15)로 인가되게 하는 것으로 발진기(12)와 서큐레이터(14)사이에는 발진기(12)에서 서큐레이터(14)로 보낸 신호가 발진기(12)쪽으로 되돌아 오는 것을 방지하기 위한 아이소레이터(Isolator)가 설치되어진다.
혼합기(15)는 서큐레이터(14)로부터 도플러 효과가 가해진 전퍼(수신신호)를 받고 발진기(12)로부터는 발신신호를 수신하여 도플러 효과에 의한 주파수를 산출해 내는 것으로 다이오드의 비선형 전압-전류특성을 이용하여 산출해내게 된다.
앰프(16)는 혼합기(15)에서 산출된 도플러 효과에 의한 주파수를 필터로 여과시키는 한편 미약한 신호로 증폭시키게 되며, 앰프(16)에서 증폭된 신호는 A/D변화기(17)에서 디지탈데이터로 변환되어 신호처리기(40)로 인가된다.
본 발명의 삼각대(20)는 높이조정과 함께 펼침각도가 조정되는 3개의 다리(21)위에 수평판(22)을 설치하고 상기 수평판(22)중앙에 끼워진 축(23)에 안테나(10)의 몸체(11)를 착탈 가능하게 조립시키되 상기 안테나(10)는 삼각대(20) 위에 조립된 채로 상,하각도(수직각) 조정 및 좌우각도(수평각) 조정이 가능하게 구성된다.
상기 삼각대(20)에는 안테나(10)의 굽힘각도 즉 반사전파가 수표면과 이루는 각도를 측정하는 측각부(24)가 설치되어지며 상기 삼각대(20)의 구조와 측각부(24)의 구조는 공지된 기술이다.
신호처리기(30)는 안테나(10)와 케이블(33)로 연결되어 안데나(10)로 내장된 밧데리 전원을 인가시키는 한편 도플러주파수를 수신받아 이를 표면 유속값으로 환산 처리한 후 이를 표시하거나 저장시키는 것으로, A/D 변환기(17)로부터의 데이타를 고속퓨리에 변환을 수행시키는 퓨리에변환기(18)와, 도플러 주파수를 유속값으로 환산하고 유속계동작을 제어하는 중앙처리장치와 유속값의 표시 및 데이터입력을 안내하는 표시창(31)과 계산된 데이타를 저장하는 데이터저장부와, 유속값 측정에 따른 초기값설정이나 세트구동을 제어하는 키입력부(32)로 구성된다.
또한 신호처리기(30)에는 외부전원을 케이블(34)로 공급받기 위한 케이블콘넥터를 구비시켜 내장된 밧데리 전원이나 자동차 전원을 선택적으로 사용할 수 있도록 한다.
이러한 구성의 본 발명에 대한 표면유속 측정원이를 도 1에 의거 살펴보면 다음과 같다.
안테나(10)에서 특정주파수의 발신전파를 물표면으로 발사하면 물표면에서는 상기 발신전파를 여러방향으로 반사시키게 되며 그중 B 방향으로 반사된 전파만 안테나(10)로 다시 수신되어진다.
이때 물표면의 이동에 의해 발사된 발신전파와 수신된 수신전파와는 주파수차이가 발생하게 되며 이러한 주파수 변화량을 도플러주파수라 한다.
f0: 발신주파수
f1: 수신주파수
C : 전자파의 속도(3×108m/sec)
ν : 유속
θ : 발신주파수와 물표면이 이루는 수직각
상기식에서 발신주파수 f0는 고정된 값이고 측정각 θ도 측정 가능하여 도플러주파수 fd도 측정되므로 유속 ν를 구할 수 있다.
유속만 측정되면 수위측정은 기존의 T/M 수위계를 이용하여 측정이 가능하고 하천의 단면적을 구할 수 있으므로 유량의 계산이 가능하다.
이러한 측정원리를 갖는 본 발명의 측정실시예는 다음과 같다.
본 발명은 유속을 측정하기 적합한 장소{다리위 등}에 삼각대(20)의 다리(21)를 펼쳐 삼각대(20)를 수평상태로 고정시키고 수평판(22)위의 축(23)에 안테나(10)를 고정시킨 후 안테나(10)의 몸체(11)와 신호처리기(30)사이에 케이블(33)을 연결시키고 미리 정해진 유속측정 부위에 발사전파가 닿도록 측각부(24)를 이용하여 안테나(10)설치각도를 조절한다.
이때 발사전파를 발사하는 지점은 하천의 종횡단측량자료가 준비된 지점을 선택하여 유량환산이 간단히 이루어질 수 있도록 한다.
그리고 신호처리기(30)의 키입력부(32)를 이용하여 표시창(31)에 표시되는 기능을 선택하는 한편 측각부(24)의 각도값(발사전파와 수표면이 이루는 각도)과 측정변수를 입력한다.
안테나(10)는 신호처리기(30)의 케이블(33)연결에 의해 전원이 공급되면 발진기(12)가 구동하여 10의 주파수신호를 발생시키게 되고 상기 발진기(12)에서 발생된 주파수신호는 전력분배기(13)를 거쳐 혼합기(15)에 인가되는 한편 서큐레이터(14)에 인가된다.
서큐레이터(14)에 인가된 주파수신호는 안테나(10)를 통하여 물표면으로 발사되고 물표면에서 반사된 전파는 안테나 (10)로 수신되며 안테나(10)로 수신된 전파는 서큐에이터(14)에서 발진기(12)쪽으로 가지 않고 저잡음증폭기(19)를 거쳐 혼합기(15)쪽으로 가도록 한다.
서큐레이터(14)는 아이소레이터를 이용하여 발진기(12)의 주파수신호는 안테나(10)로 인가시키되 안테나(10)로 수신된 전파는 발진기(12)쪽으로 가지 않도록 한다.
혼합기(15)는 물표면에서 반사된 수신전파와 발진기(12)에서 발생된 발사전파를 인가받아 도플러효과에 의한 주파수를 산츨하게 된다.
혼합기(15)에서 산출된 신호는 필터와 앰프(16)를 거쳐A/D 변환기(17)에 인가되며 여기서 필터는 저역통과필터를 사용하여 물의 최대속도(10m/sec)이상이 되는 도플러주파수를 제거하는 역할을 하게 되고 앰프(6)는 저잡음증폭기를 사용하여 잡음지수를 줄여준다.
앰프(17)를 통과한 신호는 A/D 변환기(17)를 거쳐 디지탈테이타로 변환되어진 후 신호처리기(30)에 인가되어 고속퓨리에변환기(18)에서 도플러주파수를 결정하게 하고 이는 다시 중앙처리장치에 인가되어 프로그램에 의해 유속을 계산해 내게된다.
도플러부파수가 결정되면 상술된식에 의거 유속 v가 결정된다.
결전된 유속은 표시창(31)에 표시되어지는 한편 데이터저장부에 기록저장되어 차후에 자료충력이 가능하도록 한다.
상기된 방식에 의한 유속측정은 한 지점에 대해 1초에 1회에 10회에 걸쳐 행한 후 그 평균값은 유속으로 결정하며, 측정장소를 옮겨 동일한 방식에 의한 측정을 일정거리로 나누어 측정한다.
즉 하천을 가로지르는 다리 위에서 하천을 일정넓이로 분할한 후 각각의 구간마다 유속을 측정하도록 하는 것이다.
이같이 하천을 분할한 구간별로 유속을 얻어지게 되면 유속X면적에 의해 쉽게 유량이 계산된다.
여기서 하천의 구간별 면적은 미리 본 발명 유속계의 유속측정지점이 종횡단측량자료를 얻을 지점이 되게 하므로 쉽게 얻을 수 있으며 이를 이용한 유랑계산이 가능하다.
본 발명에 의한 유랑계산시 유속X면적 뿐이 아니라 수심평균유속계수(보통 0.85 ~ 0.95)도 곱해주어야 하며 이는 본 발명이 수표면에 대한 유속만 측정할 뿐 수심유속은 측정하지 못하기 때문이다.
즉 유속은 수심별로 차이가 나기 때문에 유량을 구할 때 수심 평균유속 환산계수를 공급해주는 것이다.
본 발명은 10GH2의 전자파를 이용하므로 야간이나 홍수시 첨두유량을 간단히 측정할 수 있고, 특히 물에 직접 접촉하지 않고도 유속측정이 가능하며 1인측정이 가능한 효과가 크다.

Claims (3)

  1. 자연하천에서의 물표면 유속측정에 있어서, 전자파를 발생시켜 물표면으로 발사하고 물표면에서 반사된 전자파를 수신하여 도플러 효과에 의한 주파수를 얻어내는 안테나(10)와, 상기 안테나(10)의 고정각도를 검출하여 물표면으로 발사된 전자파의 발사각도를 측정하는 측각부(14)와, 상기 안테나(10)와 측각부(24)를 지지하고 수평상태를 잡아주는 삼각대(20)와, 상기 안테나(10)에서 얻어진 도플러 효과 주파수를 이용하여 표면 유속값을 환산하고 이를 표시시키는 한편 저장하는 신호처리기(30)를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 전자파 표면 유속계.
  2. 제1항에 있어서, 전자파를 물표면으로 발사하고 물표면에서 반사된 전자파를 수신하는 안테나(10)는 전자파를 발생시키는 발진기(12)와, 발진기(12)와 안테나(10) 사이에 설치되어 전자파 신호방향을 일방향으로 제어하는 서큐레이터(14)와, 서큐레이터(14)에서 전달받은 수신전파와 발진기(12)에서 발생된 발사전파를 받아 도플러 효과에 의한 주파수를 산출하는 혼합기(15)와, 혼합기(15)에서 산출된 도플러 효과 신호를 여과하고 미약한 신호를 증폭시키는 앰프(16)와, 앰프(16)에서 증폭된 신호를 디지탈데이타로 변환시켜 신호처리기(30)에 인가시키는 A/D 변환기(17)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 표면 유속계.
  3. 제1항에 있어서, 신호처리기는 A/D 변환기(17)로부터의 디지탈데이타를 고속퓨리에 변환시켜 도플러주파수를 산출하는 퓨리에 변환기(10)와, 산출된 도플러주파수를 유속값으로 환산하고 유속계 동작을 콘트롤하는 중앙 처리장치와, 계산된 유속값의 표시 및 데이타입력을 안내하는 표시창(31)과, 초기값 설정이나 측각부(24)의 각도값을 입력시키는 키입력부(32)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 표면 유속계.
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