KR100382034B1 - 하천 유속 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천의 유속 측정을 위한 하천 유속계에 관한 것으로, 특히 관측자에 의한 측정에러와 수작업에 의한 측정에러를 낮추어 보다 정확하면서도 신속.편리하게 유속측정을 할수있게 하기위한 전자파 발생 하천 유속계에 관한 것이다.

본 발명의 하천 유속계는 유속검출측과 검출측으로 이루어진다. 유속검출측은, 하천의 임의의 지점에 띄워져 수면 위로 부상하여 유체가 흐르는 방향을 따라 일정한 속도로 이동하고 송신안테나를 구비하는 부표와, 상기 부표에 설치되어 일정한 전자파를 발생시키고 부표상의 송신안테나를 통해 전자파를 송출하는 전자파발생회로와, 상기 수면상에 부상되는 부표의 이동을 무게중심으로 수중상에서 제어하기 위해 부표측과 연결되는 밸런스웨이트와, 상기 밸런스웨이트를 기준으로 부표의 자유운동을 가능하게 하기 위해 부표와 밸런스웨이트를 유동가능하게 연결하는 연결줄로 이루어지며, 측정측은, 유속검출측으로부터 발생되어 송신되는 전자파를 임의의 위치에서 수신하는 전자파 수신장치와, 상기 수신장치를 통해 수신되는 전자파의 신호 간격에 따라 수면위에 부상되어 이동하는 유속검출측 부표의 평균 이동시간과 이동거리를 측정하여 평균유속을 측정하는 연산처리장치로 이루어진다.

본 발명의 유속측정방법은, 부표와 함께 유체를 따라 이동하면서 그 이동상황을 전자파로 송신하는 단계, 상기 단계에서 송출되는 전자파를 수신장치로 수신하는 단계, 상기 수신장치로 수신된 전자파의 신호 패턴을 분석하는 단계, 상기 전자파 신호 패턴 분석을 거쳐 그 신호 패턴 특성중 규칙 패턴인가와 불규칙패턴인가를 구분하여 규칙 패턴만을 연산정보로 분리 하는 단계, 상기 연산정보에 따라 사전에 정의된 수학적 알고리즘으로 연산하여 평균유속을 구하고 그 결과를 출력하는 단계로 이루어진다. 이에 따라 낮은 측정 오차, 다양한 유속 특성의 측정, 측정원에 의한 주관적 측정 기준 제외, 측정의 편의성 등을 얻는다.

Description

하천 유속 측정장치 및 측정방법{Method of Stream Liquid Velocity Determination and Apparatus for thereof}

본 발명은 하천의 유속 측정을 위한 하천 유속계에 관한 것으로, 관측자에 의한 측정에러와 수작업에 의한 측정에러를 낮추어 보다 정확하면서도 신속.편리하게 유속측정을 가능하게 하기위한 전자파 발생 하천 유속계에 관한 것이다.

수자원을 더 쓸모 있는 용도로서 효율적으로 사용할 수 있게 하기 위한 체계적인 수자원 관리가 이루어지고 있다. 모든 수자원을 인위적으로 관리할 수는 없지만 적어도 수자원의 현황과 정보를 미리 알아 파악하고, 이를 종합하여 수자원의 담수량을 조절하는 것만으로도 기대 이상의 수자원관리를 달성하는 것으로 볼 수 있다. 수자원 정보를 통한 담수량의 유기적인 조절은, 가뭄이나 홍수와 같은 자연재해에 대비하고 효율적인 자원관리를 위한 최선의 방법이 되고 있다.

따라서, 담수량의 조절은 단순히 유량 증감에 따라 수문을 개폐하는 것으로 볼 수 없다. 즉 담수량의 조절에는 각 하천들을 통해 유입되는 유량정보를 현재 또는 미래 예상량 등을 기상정보등과 통합하여 예측하고 이를 모두 담수량의 제어 정보로 활용할 때 종합적인 수자원 관리가 이루어지는 것으로 볼 수 있다.

유량을 결정하는 기상상태를 제외하면, 하천의 유속을 정확하게 측정하는 일은 수자원관리에서 무엇보다 중요한 작업이 된다. 모든 실측과 계측 또는 측량 등에는 측정기구에 의하거나 아니면 측정자에 의한 오차가 향상 존재한다. 마찬가지로 하천 유속측정에는 이러한 측정오차가 반드시 존재하는 것으로 볼 수 있는데, 그 오차가 커질수록 앞서와 같이 수자원관리 정보로 활용될 경우 부정확성으로 인해 수자원 관리부실의 문제를 낳게된다.

유속 측정은 일반적인 측정이나 계측과는 다르게 측정 대상이 되는 유량 변동에 따라 측정오차가 크게 나타나고 있는데, 그 이유는 유속측정 방법에서 알 수있다.

하천의 유속을 측정하기 위한 일반적인 방법은 적당한 유속측정기를 선택하여 하천에 유속계를 놓고 그 유속계가 유속에 반응하여 나타내는 변화를 측정정보로 활용하여 유속을 측정하는 것으로, 회전식 유속계 또는 초음파식 유속계 등이 이용된다.

회전식 유속계나 초음파식 유속계는 측정자에 의해 조작되고 관리된다. 유량이 적은 평.갈수기에는 측정자가 하천에 직접 들어가 유속계를 조작할 수도 있어 유속계의 측정오차만 적으면 평.갈수기의 유속 측정에 별다른 문제는 없다.

하절기와 같은 홍수기에는 유량 증가로 인해 이러한 회전식 유속계나 초음파식 유속계 등과 같은 측정장비 일체를 설치하고 조작할 수 없으므로 모든 유속측정 장비의 사용이 거의 불가능해진다. 따라서, 홍수기에는 유속계의 사용 자체가 어려우므로 다른 방법으로 하천의 유속을 측정한다. 그 예는, 교량 위에서 흐르는 유체에 발포성 스티로폴, 집단, 봉부자 등의 부표를 하천의 수면위에 띄워 부표가 유체 흐름에 따라 약 50m거리의 부표 이동시간을 관측자가 측정하여 하천의 평균 유속을 계산하는 것이다.

그러나, 이 방법은 먼저 유체 흐름 방향을 따라서 이동하는 부표의 질량과 유량 면적에 대한 이동속도의 표준을 정확히 추출할 수 없어, 측정기준이 되는 부표에 대한 정확한 이동값을 산출할 수 없고(이물질에 의한 이동량의 변동도 생길 수 있음-유속 장애), 부표가 유체를 따라 흘러가는 이동시간을 산출하여 유속을 측정하는 관계로 스톱워치 등과 같은 시간측정이 반드시 필요하며, 단위 시간당 부표의 이동량은 유속에 절대적인 영향을 받지만 부표의 특성이나 유속 장애에 의해 충분히 변동될 여지가 있기 때문에 이를 시간으로 파악하여 정확한 유속을 얻기는 어렵다. 그 만큼 부표가 갖는 이동량의 변동이 있고 또 이동표준 속도 등도 구할 수 없어 부표의 이동량을 근거로 이를 시간으로 계산하여 유속을 측정하는 일은 측정에러가 큰 것으로 볼 수 있으며, 측정결과는 측정자나 측정여건등에 따라 달라진다.

따라서 본 발명은 홍수기와 같이 유량이 증가된 상태에서의 하천 유속을 측정오차를 최소화 시키면서 측정할 수 있는 유속계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유체를 따라 이동하는 부표의 이동거리를 시간으로 측정하는 직접 측정을 배제 시킴으로서 유속측정의 에러를 줄여 정확한 유량정보를 얻을 수 있게 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수면 위 임의의 지점에 부표를 띄우고, 그 부표를 유체의 이동방향을 따라 정해진 거리만큼 이동시켜 유체의 유속을 검출하는 유속검출측과, 상기 유속검출측 부표의 이동거리에 소요된 시간을 측정하여 하천의 평균유속으로 측정하는 측정측으로 이루어지는 하천 유속계에 있어서,

(1) 상기 유속검출측은,

하천의 임의의 지점에 띄워져 수면 위로 부상하여 유체가 흐르는 방향을 따라 일정한 속도로 이동하고 송신안테나를 구비하는 부표와,

상기 부표에 설치되어 일정한 전자파를 발생시키고 부표상의 송신안테나를 통해 전자파를 송출하는 전자파발생회로와,

상기 수면상에 부상되는 부표의 이동을 무게중심으로 수중상에서 제어하기 위해 부표측과 연결되는 밸런스웨이트와,

상기 밸런스웨이트를 기준으로 부표의 자유운동을 가능하게 하기 위해 부표와 밸런스웨이트를 유동가능하게 연결하는 연결줄로 이루어지며,

(2) 상기 측정측은,

유속검출측으로부터 발생되어 송신되는 전자파를 임의의 위치에서 수신하는 전자파 수신장치와,

상기 수신장치를 통해 수신되는 전자파의 신호 간격에 따라 수면위에 부상되어 이동하는 유속검출측 부표의 평균 이동시간과 이동거리를 측정하여 평균유속을 측정하는 연산처리장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은,

유량 증가에 따른 하천 유속측정 방법에 있어서, 부표 또는 그 부표와 연결되어 함께 유체를 따라 이동하면서 그 이동상황을 전자파로 송신하는 단계;

상기 단계에서 송출되는 전자파를 수신장치로 수신하는 단계; 상기 수신장치로 수신된 전자파의 신호 패턴을 분석하는 단계;

상기 전자파 신호 패턴 분석을 거쳐 그 신호 패넌 특성중 규칙 패턴인가와 불규칙패턴인가를 구분하여 규칙 패턴만을 연산정보로 분리 하는 단계;

상기 연산정보에 따라 사전에 정의된 수학적 알고리즘으로 연산하여 평균유속을 구하여 그 결과를 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하천 유속 측정장치의 전체를 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 측정방법을 구체적으로 설명하기 위한 도식도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:수면 20:부표

30:유속검출측 40:측정측

50:송신안테나 60:전자파발생회로

70:웨이트밸런스(Weight Balance) 80:연결줄

90:교량

이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 하천 유속 측정장치의 전체를 나타낸 도식도이고, 도 2는 측정방법을 구체적으로 설명하기 위한 도식도 이다.

본 발명은 홍수기와 같이 유량이 증가된 상태에서의 하천 유속을 측정오차를 최소화 시키면서 측정할 수 있는 유속 측정장치이다. 또한 본 발명은 유체를 따라 이동하는 부표의 이동거리를 시간으로 측정하는 직접 측정을 배제 시킴으로서 측정자에 의한 측정 에러를 줄이는 유속 측정장치이다. 또한, 본 발명은 표면 평균유속과 수중 평균유속 측정이 가능하다.

본 발명은, 도 1 및 도 2와 같이 수면(10) 위 임의의 지점에 부표(20)를 띄우고, 그 부표(20)를 유체의 이동방향을 따라 정해진 거리만큼 이동시켜 유체의 유동특성을 검출하는 유속검출측(30)과, 유속검출측 부표(20)의 이동거리에 소요된 시간을 측정하여 하천의 평균유속으로 측정하는 측정부(40)로 이루어진다.

유속검출측(30)은, 하천의 임의의 지점에 띄워져 수면 위로 부상하여 유체가 흐르는 방향을 따라 일정한 속도로 이동하고 송신안테나(50)를 구비하는 부표(20)와, 부표(20)에 설치되어 일정한 전자파를 발생시키고 부표(20)상의 송신안테나(50)를 통해 전자파를 송출하는 전자파발생회로(60)와, 수면(10)상에 부상되는 부표(20)의 이동을 무게중심으로 수중상에서 제어하기 위해 부표(20)와 연결되는 밸런스웨이트(70)와, 밸런스웨이트(70)를 기준으로 부표(20)의 자유운동을 가능하게 하기 위해 부표(20)와 밸런스웨이트(70)를 유동가능하게 연결하는 연결줄(80)로 이루어진다.

이에 대하여 측정측(40)은, 유속검출측(30)으로부터 발생되어 송신되는 전자파를 임의의 위치에서 수신하는 전자파 수신장치(41)와, 수신장치(41)를 통해 수신되는 전자파의 신호 간격에 따라 수면위에 부상되어 이동하는 유속검출측 부표(20)의 평균 이동시간과 이동거리를 측정하여 평균유속을 측정하는 연산처리장치(42) 및 데이터출력부(43) 이루어진다.

또한 부표(20)는 전자파발생회로(60)를 내장형으로 구비할 수 있다. 이 경우 송신안테나(50)를 일체형으로 구비하는 경우로 볼 수 있다. 송신안테나(50)는 가능한 30~40cm 이내의 반파장 바이폴라 안테나로 탄력이 있는 것을 사용하여 유속에 의한 파손을 방지할 수 있다.

전자파발생회로(60)를 내장형으로 가지는 부표(20)는 전자파발생회로(60)의 누수를 막고 보호하기 위해 수밀 처리된 방수형 구조가 적합하며, 별도로 전자파발생회로(60) 전원을 온/오프하는 스위치를 부가적으로 구비할 수 있다.

부표(20)는 외관이 구형이고 합성수지재로 성형된 것을 사용하는 경우, 유속 장애(유체를 따라 이동간에 발생되는 이물질에 의한 걸림 현상)가 잘 일어나지 않으며, 원하는 무게로 손쉽게 만들 수 있다.

웨이트밸런스(70)는 수중이동체로서, 하천 수심에 따른 이동성을 조절하기 위해 무게하중을 부여하기 위한 속이 비워진 통체로 이루어지는 것이 좋다. 통체에는 물이나 돌 같은 중량물 넣을 수 있는 덮개(71)를 둘 수 있으며, 수심에 따른 무게증감이 가능하다.

수면상의 부표(20)와 그 부표(20)와 연결된 웨이트밸런스(70)는 부표가 유체의 표면유속을 검출하고 수중이동체인 웨이트밸런스(70)는 수중평균유속을 검출할 수 있어 검출 대상 유체의 유속을 표면 평균유속과 수중 평균유속으로 분리하하거나 통합시켜 측정할 수 있으며, 수신장치(41)에서 수신되는 일정시간 동안의 신호 패턴을 연산처리장치(42)로 판단하여 수신된 신호중에서 유속 장애에 의한 불규칙 수신 신호는 유속계산에서 제외하고 규칙 수신신호만을 유속 연산 신호로 사용할 수 있다.

부표(20) 이동 간에 여기에 딸린 전자파발생회로(60)를 통해 신호를 증폭하여 대략 300Mhz~600Mhz 영역의 전자파를 발생하기 위해서 전체적으로 소형.경량화시키고, 또 전자파발생회로(60)를 보호하기 위해 방수처리된 부표(20)에 송신안테나(50)가 부착되며, 일정 간격(1.2...sec 등)으로 인크리멘트(Increment)신호를 발생시킨다.

수신장치(41)는 부표에서 발생하는 전자파를 수신되도록 안테나와 수신장치를 두고 부표에서 발생된 전자파 신호를 수신한다. 이 과정에서 연산처리장치(42)의 수학적 알고리즘즉, 수신된 신호 간격에 의한 부표의 평균 이동시간과 이동거리를 측정한다.

도 2에서,

△ℓ:부자 이동거리, △t:전달 시간차, v0:대기중 전파 전달속도 일 때,

△ℓ = △t2.v0, △t2 = t2 - t0

△ℓ = △t2.v0, △t2 = t2 - t0

△ℓ = △t2.v0, △t2 = t2 - t0

.

.

.

△ℓn = △tn.v0, △tn = tn - tn-1 이 된다.

따라서, 평균유속이 된다.

수신장치(41)에서는 수신되는 일정 신호 패턴을 계산하여 일정시간 동안 수신된 신호중에서 유속 장애에 의한 불규칙한 수신 신호는 유속계산에서 제외시키도록 함으로써, 이동시간의 정확한 측정과 불규칙한 유체흐름에 의한 에러 요인 제거등 기존 부표방식에서의 오차를 크게 줄인다.

또한 수면위 부표와 연결되어 부표(20)의 무게 중심을 유지하는 수중이동체인 웨이트밸런스(70)에 의해 그 밸런스의 무게만 알면 부표에 의한 표면 유속과 함께 수중 평균 유속을 측정할 수 있는데, 이같은 유속측정에서 홍수기 기준으로 종전과 비교할 때, 종전의 경우 적어도 3명 이상의 측정원이 있어야 했으나, 본 발명의 경우 모니터원 1명 정도만 있으면 되기 때문에 측정인원을 대폭 줄인 가운데 진행된다.

따라서, 본 발명에 따른 유속 측정방법을 다음과 같이 할 수 있다.

부표(20) 또는 그 부표와 연결되어 함께 유체를 따라 이동하면서 그 이동상황을 전자파로 송신하는 단계, 상기 단계에서 송출되는 전자파를 수신장치(41)로 수신하는 단계, 상기 수신장치(41)로 수신된 전자파의 신호 패턴을 분석하는 단계, 상기 전자파 신호 패턴 분석을 거쳐 그 신호 패넌 특성중 규칙 패턴인가와 불규칙패턴인가를 구분하여 규칙 패턴만을 연산정보로 분리 하는 단계, 상기 연산정보에 따라 사전에 정의된 수학적 알고리즘으로 연산하여 평균유속을 구하여 그 결과를 출력하는 단계로 이루어지는 측정방법을 통해 정확한 유속 측정이 가능하다. 이 측정방법은 낮은 측정 오차, 다양한 유속 특성의 측정, 측정원에 의한 주관적 측정 기준 제외, 측정의 편의성 등이 주어진다.

본 발명에 관하여 유량이 증가된 경우 유속 측정을 설명하였으나, 유량이 적은 평.갈수기에 적용하는 경우 유속측정에 대한 신뢰도는 기존의 회전식 유속계나 초음파식 유속계에 의한 유속측정과 비교하여도 떨어지지 않는다. 따라서, 본 발명은 평.갈수기에도 효과적으로 사용될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 홍수기와 같이 유량이 증가된 하천 유속을 측정오차 없이 정밀하게 측정하여 수자원관리 정보로서 정보의 질을 높이고 측정자에 따라 달라지는 측정값의 차이를 없애 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 유속측정에서 측정작업의 편의성을 얻을 수 있으므로 경제성이 있으며, 표면 평균유속이나 수중 평균유속 등 다양한 측정이 가능하여 하천 유속 측정정보의 활용도를 높이고 다양한 목적으로 활용될 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 수면 위 임의의 지점에 부표를 띄우고, 그 부표를 유체의 이동방향을 따라 정해진 거리만큼 이동시켜 유체의 유속특성을 검출하는 유속검출측과, 상기 유속검출측 부표의 이동거리에 소요된 시간을 측정하여 하천의 평균유속으로 측정하는 측정측으로 이루어지는 하천 유속계에 있어서,

   (1) 상기 유속검출측은,

   하천의 임의의 지점에 띄워져 수면 위로 부상하여 유체가 흐르는 방향을 따라 일정한 속도로 이동하고 송신안테나를 구비하는 부표와,

   상기 부표에 설치되어 일정한 전자파를 발생시키고 부표상의 송신안테나를 통해 전자파를 송출하는 전자파발생회로와,

   상기 수면상에 부상되는 부표의 이동을 무게중심으로 수중상에서 제어하기 위해 부표측과 연결되는 밸런스웨이트와,

   상기 밸런스웨이트를 기준으로 부표의 자유운동을 가능하게 하기 위해 부표와 밸런스웨이트를 유동가능하게 연결하는 연결줄로 이루어지며,

   (2) 상기 측정측은,

   유속검출측으로부터 발생되어 송신되는 전자파를 임의의 위치에서 수신하는 전자파 수신장치와,

   상기 수신장치를 통해 수신되는 전자파의 신호 간격에 따라 수면위에 부상되어 이동하는 유속검출측 부표의 평균 이동시간과 이동거리를 측정하여 평균유속을측정하는 연산처리장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 부표가 상기 전자파발생회로를 내장형으로 구비하는 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자파발생회로를 내장형으로 가지는 부표는 전자파발생회로를 보호하는 방수형 구조인 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 부표는 외관이 구형이고 합성수지재로 성형된 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 웨이트밸런스는 수중이동체로서, 하천 수심에 따른 이동성을 조절하기 위해 무게하중을 부여하기 위해 중량물을 담을 수 있는 속이 비워진 통체로 이루어진 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수신장치에서 수신되는 일정시간 동안의 신호 패턴을 연산처리장치로판단하여 수신된 신호중에서 유속 장애에 의한 불규칙 수신 신호는 유속계산에서 제외하고 규칙 수신신호만을 유속 연산 신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정장치.
7. 유량 증가에 따른 하천 유속측정 방법에 있어서,

   부표와 함께 유체를 따라 이동하면서 그 이동상황을 전자파로 송신하는 단계;

   상기 단계에서 송출되는 전자파를 수신장치로 수신하는 단계;

   상기 수신장치로 수신된 전자파의 신호 패턴을 분석하는 단계;

   상기 전자파 신호 패턴 분석을 거쳐 그 신호 패턴 특성중 규칙 패턴인가와 불규칙패턴인가를 구분하여 규칙 패턴만을 연산정보로 분리 하는 단계;

   상기 연산정보에 따라 사전에 정의된 수학적 알고리즘으로 연산하여 평균유속을 구하고 그 결과를 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 수면상의 부표와 그 부표와 연결된 웨이트밸런스는 부표가 유체의 표면유속을 검출하고 수중이동체인 웨이트밸런스는 수중평균유속을 검출하여 검출 대상 유체의 유속을 표면 평균유속과 수중 평균유속으로 분리하여 측정하는 것을 특징으로 하는 하천 유속 측정방법.