KR100472311B1 - 기포식 수심, 수위 측정방법 및 장치. - Google Patents

Abstract

기포식 수위계로 저수지, 호수, 대하천 등에서 수심을 측정하는 경우 무인 수위관측 초소에서 주변 공기 온도가 겨울철에 -40℃, 여름철에는 +40℃ 범위에서 변하는 조건에서 기포 압력을 측정하는 압력 변환기의 오차가 주변온도 t 와 측정하는 압력 P 에 따라 크게 변하여 수주압 측정 오차가 큰 범위에서 변하며 또 물의 비중도 수시로 변하며 물 표면과 압력 변환기가 설치된 위치와의 고도차, 수주압 측정관 하부 말단과 그의 상부 말단과의 고도차와 기포 발생시의 압축 기체의 밀도에 따라 측정되는 기포 발생 압축기체의 압력과 측정하려는 수심과의 차이가 크게 나타나 결과적으로는 수심, 따라서 수위 측정 오차가 상당히 커지는 경우가 많다. 본 발명은 이와 같은 수심측정 총 오차 를 보상하기 위하여 U 자로 된 기준 수주압 측정 관을 n≥2 개수심 측정 관과 동일한 길이로 수심 측정 관과 함께 한 묶음으로 구성하고 기준 수주압 측정관에 일정한 양의 물을 충전시켜 각 기준 수주압 측정관에서 ho1, ho2, ...hon의 수주가 조성되게 하고 수심을 측정하기 전에 기준 수주압 측정 관에서의 수주압을 압력 변환기로 측정하여 측정값 Pmi, Pmj에서 사전에 알고 있는 수주압 을 삭제하여 이때의 총 오차들 을 계산 하여 수심 수주압 측정 관에서 기포 발생 압력 Pmx 를 측정할때 발생하는 총 오차 를 에 근거하여 계산한 후 Pmx 에서 를 삭제하고 이에 가장 가까운 기준 수주압 측정 관에서의 수주압

Description

기포식 수심, 수위 측정방법 및 장치.{Level measurement method and apparatus using measurements of water column pressure therefore}

본 발명의 기본 목적은 주변 공기 온도가 -40℃~+50℃ 범위에서 변하는 환경에서 생산되고 있는 가격이 저렴한 산업용 압력 변환기를 사용하여 기포식으로 넓은 범위에서 변하는 저수지의 수심 (따라서 수위)을 측정함에 있어 기포 수심 측정 방법의 총 오차를 충분히 보상하여 높은 정확도로 수심을 측정하는 방법과 장치를 제공 하는데 있다.

본 발명은 수주압을 기포발생 방법으로 측정하여 수심, 수위를 측정하는 기술과 관련되있고 주로 저수지, 호수, 하천 물의 수심 또는 수위를 원격 측정하는데 주로 사용되는 것이다.

기포식 수위계는 수심을 측정하여 물표면의 수위로 환산하는 장치이기 때문에 앞으로는 수심측정에 대해서만 설명 하겠다.

겨울에 저수지, 호수, 하천 등의 물 표면이 빙결되는 경우 빙판(어름 판) 밑 수심을 기포식 수위계로 측정할 수 있기 때문에 저수지, 호수, 하천 수문관측 용으로 사용 할 수 있어 이에 대해 관심이 비교적 높다.

수문관측 용 수위계는 다음과 같은 조건에서 동작 해야 한다:

- 저수지에서 수위 변화폭이 10m 정도 되는 것은 보통이다.

- 절기에 따라 수위 관측소의 주변 공기 온도가 -40℃~+50℃ 범위에서 변하는 지역이 많다.

- 대부분의 수위 관측 초소들은 난방, 냉방 시설이 없고 산업 전원이 없다.

- 이런 조건에서 수위 변화 전 범위에서 수위 측정 허용 오차는 ±1Cm 이하로 규정 되 있다.

- 많은 수위 관측 초소들이 무인 지대에 있기 때문에 원격 수위 측정시스템의 수요가 증가되고 있다.

이런 사용 조건에서, 즉 4 기절 기후가 심히 변하는 조건에서 또 수위 변화 폭이 큰 조건에서 기포식 수위계들의 정확도가 낮다는 것이 문제이다.

기포식 수위계의 설치비용, 보수 운영비용이 비교적 낮고 겨울에 저수지, 하천 물이 빙결 됐을 때도 수위를 측정할 수 있다는 장점들이 있으나 수위(수심) 측정 오차가 크기 때문에 수문관측 용으로 아직 널리 사용되고 있지 못하다.

또 부유입자 농도가 높고 토사 층이 속히 변하는 하천에서 다른 수위계에 비해 기포식 수위계는 안정하게 동작할 수 있고 보수 운영비도 대폭 절약된다. 그러나 정확도가 낮은 것이 문제로 되고 있다.

종전의 기술을 분석하기 위해 우선 기포식 수심 측정방법의 오차부터 사전에 고찰 하겠다.

기포 발생 방법으로 수심을 측정할 때 발생하는 오차의 요인들을 도면 1 을 이용하여 설명하면 다음과 같다. (앞으로 오차를 수심측정 절대 오차로 표현하기 편리하게 수주압을 또는 로 표현하겠다.)

도면 1 에서 1 은 수주압 측정관 인데 앞으로 수심 (hx)측정관이라고 하겠다.

10 은 압축기체 발생 장치이다. 3 은 압력 변환기 이다.

수심 측정관 1 의 하부 말단에 작용하는 압력은 다음과 같다:

여기서 hx 는 수심 측정관 1 에 채워져 있는 물의 고도차 이고 이것을 측정하려는 수심이라고 하자. 은 물의 비중 이고 는 수주압 이 된다. Pa 는 물 표면에 작용하고 있는 대기압이다.

압력 변환기 3 은 대기압의 압력을 감지하지 않고 잉여 압력을 측정하게 되 있다. (절대 압력)

수심 측정관 1 에 채워져 있는 물을 1 의 윗 말단에서 압축기체를 공급하여 배재 하면 1 의 하부 말단에서 기포가 발생한다. 기포가 발생할 때의 압축기체의 압력을 압력 변환기 3이 측정한 결과는 다음과 같이 된다:

여기서 △px 는 Pmx 를 측정할 때의 압력 변환기 3 의 절대 오차이다. △Pa=(Pa-Pao)는 물 표면에서의 대기압과 압력 변환기 3 에 작용하는 대기압 Pao 와의 차이다. 일반적으로 수위 관측 초소는 수면 보다 훨씬 높은 위치에 있기 때문에 Pao ≠Pa 가 된다. Ho 는 수심 측정관 1 의 말단과 압력 변환기 3 이 설치된 위치간의 고도차 이고 은 수심 측정관 1 에 공급되는 압축기체의 밀도이다.

△pb 는 수심측정관 1 의 하부 말단에서 발생하는 기포의 강도에 따라 변하는 보충적인 압축기체의 압력이다. △pb 를 무시할 정도로 감소 시키는 방법이 발달 되 있어 앞으로 △pb 는 무시 하겠다.

식 (2)에서 를 제외한 모든 항들이 수주압 측정 오차들이고 그들을 다 합쳐서 수주압 측정 총 절대 오차 라고 하자:

여기서 이고 는 공기의 밀도이다.

로 볼수 있다. 는 대기압 때의 사용하는 압축기체의 밀도이다.

저수지에서 수심이 10m 이상 변하는 조건에서 수심 측정관 1 의 말단에서 수위계가 설치되 있는 위치까지의 고도차가 Ho≥20m 가 되는 것이 보통이다. △Pa 와 가 어느 정도 되는지 보자.

Ho=20m=2000cm,hx=200~1000cm 범위에서 변한다고 하자. 공기의 밀도를 라고 보고 또 압축공기를 이용하여 수심을 측정 한다고 하자.

이럴 경우 의 변화는 다음과 같다:

따라서 hx=200~1000cm 범위에서 변할 때 에 의한 오차의 변화 폭은 다음과 같이 된다:

따라서 수심, 수위 측정 허용 오차가 ±1cm 인 경우에는 의 오차 성분을 무시할 수 없다. (물론 는 온도에 따라 변하지만 무시했다).

압력 변환기의 압력센서는 그의 온도에 따라 특성이 변하기 때문에 이 특성을 수정하는 온도 보상 회로가 압력 변환기에 내장되고 있다. 그러나 온도 보상 회로가 압력 센서의 온도 t 와 측정하는 압력 P 에 따라 변하여 발생하는 오차를 완벽하게 보상하지 못하여 △p = f(t;P) 의 오차가 항상 발생한다.

실 예를 들어보자.

실내온도 에서 를 보장하는 압력 변환기 PTX1000 는 그를 -10℃ 로 냉각하고 P=1000cm 의 압력을 측정하면 오차가 = -3.1%로 나타났다. 즉 절대 오차가 정도 된다. 그러나 이 압력 변환기의 사용 온도 범위는 -40℃~+90℃ 로 지적 되 있다. 더 정밀한 압력 변환기 PDCR862 는 사용 온도 범위가 -54℃~+125℃이고 실내온도에서 =±0.1% fs이다. 이 변환기를 -10℃ 로 냉각하면 P=1000cm 의 압력을 측정할 때 오차가 =0.8%가 된다. 따라서 △p = 8가 되고 hx 측정 절대 오차는 ~8Cm 가 된다.

물론 압력 변환기 전체를 냉각 또는 가열을 하지 않고 다만 기체의 온도만 변화 시키면 오차는 훨씬 작아진다. 그러나 기포 수위계를 노천에 설치 했을 경우에는 압력 변환기 전체가 냉각 또는 가열된다.

이와 같이 주변 공기 온도가 -40℃~+50℃ 범위에서 변하는 조건에서 압력 측정 전 범위에서 △p≤±1 으로 보장하는 양 생산되고 있는 압력 변환기는 없다.

이와 같이 수주압 를 측정 할 때 발생하는 오차 를 완벽하게 보상 했다고 가정하여도 수심 hx 를 로 환산할 때 hx 구간에서의 물의 평균 밀도 를 모르면 이에 따르는 오차가 발생한다:

따라서 수심 hx 측정 총 오차는 다음과 같이 된다:

오차 는 주변온도, 측정범위에 따라 변하는 변수이고 정수 가 아니기 때문에 간단히 보상 할 수 없다.

위에서 고찰한 오차가 기포식 수심측정 기본방법의 오차이다.

와 를 다 완벽하게 제거 또는 보상하는 기포식 수심(수위)계는 알려져 있지 않고 다만 비교적 완벽하게 와 의 일부를 보상하는 기포식 수심 측정 방법이 다음과 같은 특허에 공개 되 있다.

1) US patent No 5,791,187 Aug,11,1998 "Level measurements of water column pressure Therefore",

2) Canadian patent 2,171,801 2000/01/25. "A Level measurement method and apparatus using measurements of water column pressure therefore"

3) Deutschland (Germany) patent DR19620656C2;03.02.2000

4) Japanese patent 2855423. Feb.10.1999.

5) S.Korean patent 185260. Dec.28.1998.

이와 같은 명칭으로 되 있는

공개된 종전의 수심 hx 측정 방법을 도면 2 에 따라 설명하면 다음과 같다:

도면 2 에서 2 는 수심 측정관 1 의 길이보다 △h 짧은 수주압 측정관 이다.

따라서 2 에 채워진 물의 수주압은 다음과 같다:

측정관 1 과 2 는 밸브 과 를 통해 완충통 4 와 연결되어 있고 압축기체는 밸브 을 통해 완충통 4 에 공급된다, 3은 압력변환기 이다.

공개된 특허의 중요 내용은 물의 비중 가 온도, 물의 성분에 따라 변하기 때문에 수심측정 정확 도를 높이기 위해 2 개의 측정관 1 과 2 를 이용하여 를 측정하여 측정된 수주압 를 로 나누는 방법이다. 그러나 가장 흥미있는 것은 물의 비중 를 따로 측정할 필요가 없고 다만 수심 hx 만 측정할 경우에는 다음과 같은 효과적이고 간단한 식으로 수심을 측정하게 되어있다: (식의 기호들은 변경 시켰다)

여기서 는 수주압 측정관 2 에서 기포발생 압력이고 는 공기의 밀도이다. Pmx 는 수심 측정관 1 에서의 기포발생 압력이다.

는 매우 작은 수치이기 때문에 무시하고 또

이라고 가정하면 식 (5)는 다음과 같이 된다:

즉 물의 비중 를 완벽하게 제거한다.

왜냐하면 와 는 △h 만큼 차이가 나기 때문에 로 볼 수 있기 때문이다.

그러나 이기 때문에 다음과 같이 된다:

여기서 라고 가정하고 매우 작은 수를 무시하면 식 (6)은 다음과 같이 된다:

따라서 수심을 측정한 결과 의 절대 오차 는 다음과 같다:

여기서 와 를 매우 작은 수라고 보고 무시하면 다음과 같이 된다:

여기서 는 다음과 같이 된다:

이와 같이 종전의 방법은 물의 비중 를 완벽하게 제거하지만 압력 변환기의 오차 그리고 고도차에 의한 오차 성분

을 보상 못한다.

이로 인하여 종전의 방법은 수심 측정의 높은 정확도 를 보장하지 못한다.

예를 들어보자. Ho=2000Cm, hx=1000Cm, △h=100Cm, t= -10℃ 인 경우 압력 변환기 PTX1000 을 사용하여 hx=1000Cm 를 측정 했다면 다음과 같이 된다:

(=1.0 로 보자)

따라서 저수지의 수위를 ±1Cm 보다 더 정확히 측정 하는 것을 요구하고 있는데 종전의 기술로서는 ±1Cm 의 정확도 를 보장하지 못한다. 이것이 종전의 기술의 기본적인 단점이다.

본 발명에 대해 상세히 설명하기 위해서 먼저 압력 변환기의 특성을 고찰하자.

널리 사용되고 있는 압력 변환기들의 공통적인 특징은 다음과 같다.

압력 센서의 특성이 온도 변화에 따라 변하기 때문에 압력 변환기는 온도 특성 보상 장치를 포함하고 있다. 그러나 일반적으로 온도 특성을 완벽하게 보상을 하지 못한다. 따라서 주변온도가 정상온도 (예: t=20~25℃)에서 벗어나면 압력 측정 오차가 증가한다.

실 예로서 특성이 비교적 좋은 압력 변환기 PTX1000 과 PDCR862 의 특성을 살펴보자.

실내온도 t=24℃ 때의 특성은 다음과 같다:

PTX1000: ±0.25% fs, PDCR862: ±0.1% fs. 사용온도 범위는 다음과 같이 특성 표에 지적 되 있다: PTX1000: -40℃~+90℃; PDCR862: -54℃~+125℃.

따라서 이와 같은 압력 변환기들을 기포수위계에 이용할 수 있을 것이다. 그러나 압력 변환기 전체의 온도가 변하면 정확도 는 상당히 저하된다.

t=24℃ 때의 출력신호를 기준으로 하고 t= -20℃~+50℃ 범위에서 변할 때의 출력 신호와의 차 △p 를 수주압 로 환산한 결과를 표 1 과 표 2 에 기재 했다. △p 는 물의 비중이 =1.0 이면 수심 측정 절대 오차와 동일 하다. △p 밑에 상대 오차 %를 기재 했다. (데이터를 사사 오입 하였다)

만일에 압력 변환기 전체를 가열, 냉각하지 않고 압축공기의 온도만 변화 시켰다면 특성은 표 1 에 비해 더 좋다. 그러나 기포 수위계에 사용하는 경우 주변온도 변화에 따라 압력 변환기 전체의 온도가 변한다.

표 1 에는 압력 을 까지 증가 시켰을 때의 특성이고 반대로 으로 저하시킬 때의 특성은 약간 양호했다. (Histeresis 오차)

표 2 에 PTX1000 에 비해 특성이 몇 배나 좋은 PDCR826 변환기의 특성을 기재 했다.

표 2 를 보면 t = +40,+30,+10℃ 때 온도 보상 오차가 거이 없다. 그러나 t =0℃,-10℃,-20℃,+50℃ 때 온도 특성 보상 오차가 비교적 크다.

히스테레지스 특성은 PTX1000 에 비해 나쁘다. 압력을 높은 곳에서부터 낮은 측으로 변하면 오차 △p 는 표 2 에 비해 2 배 이상이나 된다.

기포 수위계에 사용되는 압력 변환기의 히스테레스 특성이 나쁘면 수심이 작아질 때 오차가 더 커진다.

온도보상 특성을 보면 최대치의 압력을 가했을 때 상대 오차가 작아지게 되 있고 정상온도 때의 오차 %fs 에 가깝게 조절 되 있다. 측정 압력이 작을수록 오차 는 커진다.

도면 3(Fig3)에 t=0℃와 -10℃ 때의 △p 변화 곡선을 보였다.

도면 3 에서 다음과 같은 특징을 알 수 있다.

P=0 때 PTX1000 의 출력이 0 이 되지 않는다. 그 이유는 압력변환기에 내장 되 있는 온도 특성 보상회로 자체가 온도 변화에 따라 0 점 편차를 나타내는데 있다. 만일에 압축 공기의 온도만 변하고 온도특성 보상회로 자체는 가열 또는 냉각 안 된다면 예를 들어 t = -10℃ 때의 곡선 △p = f(t,P)는 약 만큼 위로 올라가고 △p 는 훨씬 작아졌을 것이다.

그러나 기포 수위계가 난방, 냉방 장치가 없는 수위 관측 초소에 설치되는 경우에는 압력 변환기 전체가 절기, 기후에 따라 가열 또는 냉각된다.

따라서 표 1 과 표 2 에 기재된 온도 t 와 측정압력 P 에 따라 변하는 오차 △p=f(t;P)특성에 의해 수주압 측정 오차가 변한다.

△p = f(t;P) 곡선을 몇 개의 구간으로 분활 하고 각 구간에서 △p = f(t;P)의 곡선을 직선으로 근사 표현할 수 있다.

본 발명은 주변 온도가 -40℃~+50℃ 범위에서 변하는 조건에서 n≥2 개의 기준 수주압 측정관 을 이용하여 압력 변환기의 특성이 심히 변하여도 수심을 정확히 측정하는 방법을 제공한다.

본 발명을 도면 4 에 근거하여 상세히 설명 하겠다. 도면 4 에는 도면을 간소화 하기 위해 기준 수주압 측정관 을 2 개만 표시 하였다. (n=2)

도면 4 에서 1 은 수심 hx 측정관 이고 과 는 기준 수주압 측정관 이고 이들은 밸브 그리고 을 통해 압축기체 완충통 4 와 연결 되 있다. 완충통 4 에 압력 변환기 3 이 연결 되 있고 압축기체 Pg 는 밸브 을 통해 완충통 4 에 공급하게 되 있다.

기준 측정관 과 는 U 자로 되 있고 그들의 한쪽은 밸브 와 과 연결 되 있고 다른 쪽은 압력 변환기 3 과 완충통 4 가 설치된 곳에서 개방 되 있다고 하자.

기준 측정관 과 에는 일정한 양의 저수지 또는 하천물이 채워져 있고 기준 측정관에 지정된 짧은 시간동안 압축기체를 공급하면 채워진 물이 U 자 기준 측정관 다른쪽에 밀려 올라가서 수주 과 를 유지하게 되 있다. 과 는 수심 hx 측정 범위와 압력 변환기의 특성에 따라 선택된다.

수심 hx 측정 알고리즘은 다음과 같다:

- 밸브 을 닫고 밸브 을 통해 압축 기체를 완충통 4 에 공급하고 수심 측정관 1 에서 기포가 발생할 때 밸브 을 닫고 이때의 기체 압력 Pmx 를 압력 변환기 3 으로 측정하여 기억 시킨다.

- 밸브 을 닫은 다음 짧은 시간 동안 밸브 을 열었다 닫는다. 그러면 U 자 기준 측정관 에 채워져 있는 물이 의 다른 쪽 관으로 밀려 올라가고 수주 를 유지한다. 이때의 압력 를 측정하여 기억 시킨다.

여기서 는 사전에 알고있는 수주이다.

- 식 (10)에서 를 삭제하여 를 기억 시킨다.

이와 같이 구한 는 와 동일하지 않을 수 있다. 왜냐하면 의 비중 를 정확히 모르고 어떤 평균적인 를 이용했기 때문이다.

- 밸브 을 닫고 밸브 를 일정한 짧은 시간 동안 열었다가 닫고 수 주압 을 측정한다:

- 그리고 에서 를 삭제한 결과를 기억 시킨다.

(물론 측정 순서를 바꾸어도 무관하다.)

- 식 (9)에 서의 를 다음식으로 계산한다:

- 수심 hx 는 다음식으로 계산한다:

또는

식 (15) 또는 (16)은 다음과 같이 선택한다:

Pmx 가 에 더 가까우면 식 (15)를 선택하고 Pmx 가 에 더 가까우면 식 (16)을 선택한다.

식 (15)에서 로 표현 하고 로 표현 하자. 그리고 이 된다고 가정 하면 식 (15)는 다음과 같이 된다:

여기서 는 매우 작은 수로 보고 무시했다.

수심을 측정한 결과 의 상대 오차 는 다음과 같이 된다:

그리고 절대 오차 △hx는 다음과 같이 된다·

와 는 다음과 같다:

즉 측정 절대 오차이다.

이 오차는 △p = f(t;p) 곡선을 직선으로 근사화 한 오차 이다. 따라서 △p =f(t;P) 곡선을 직선으로 표현하는 구간의 수가 많을수록 △x 는 작아진다.

이 된다. 따라서 인 경우에는 가 된다.

구간에서의 물의 비중이 였는데 이라고 가정했다고 하자.

그리고 였다고 하자.

수심 오차로 표현 하면 0.1cm=1mm 정도 된다.

식 (19)를 유도 할 때 기준 측정관 과 에서의 수주 과 가 변하지 않는다고 가정했다.

그러나 기준 측정관 과 에 채워져 있는 물이 시간이 경과 하면서 증발하여 가 된다면 는 더 증가 할 것이다. 이에 대해 후에 언급 하겠다. 또 증발 하는 것을 억제하는 장치에 대해서는 본 발명의 장치에서 상세히 설명 하겠다.

우선 본 발명의 방법에 따라 수심 를 비교적 특성이 낮은 PTX11000 압력 변환기를 이용하여 측정할 때 발생하는 수심 측정 절대오차 를 표 3 에 기재 하였다.

측정 조건은 다음과 같다:

구간에서 t=-10℃ 때 △p = f(t;P)곡선이 직선으로 변하는 것으로 표현했다. 따라서 로 선택했다. 수심측정 범위는 이고 인데 로 하자. 압축기체는 압축공기 였다.

표 3 을 작성할 때 다음과 같이 를 계산 했다. 를 측정한다고 하자.

표 1 에서 t = -10℃ 때 그리고 때의 압력 변환기 PTX1000의 오차는 다음과 같다: 이다.

이런 조건에서 는 다음과 같이 된다. (본 발명의 알고리즘에 따라 계산함)

를 측정한 결과는 다음과 같이 될 것이다:

과 측정 결과는 다음과 같이 될 것이다:

측정 오차가 정도 됐다.

표 3 에서 까지 측정 할 때 는 "-"부호로 나타났고 때는 가 "+" 부호로 나타났으며 오차가 커지고 때는 나 된다.

그 원인은 다음과 같다.

도면 5 에 t=-10℃ 때 △pi변화 곡선을 과장하여 표시했고

직선을 보였다

hx=600~1000cm 되는 구간에서 △p 곡선을 직선 Ⅱ 로 근사화 했다면 (점선) 오차 는 현저히 감소 됐을 것이다. 즉 도면 4 와 달리, 기준 측정관 을 n=3 개로 선택하고 되게 했다면 > 600 이 되는 경우에는 를 다음식으로 계산 한다:

n≥3인 경우에는 식 (14)와 식 (15)를 다음과 같이 표현 해야 한다:

또는

이와 같이 본 발명의 측정 방법에 따라 수심을 측정하면 높은 정확도 를 보장 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그 원인은 수주압 측정 측정 총오차를 한번에 다 보상하기 때문이다.

표 3 에 기재한 오차 는 항상 였다고 가정한 결과였다. 그러나 기준 측정관 에 주입한 물량이 시간이 지나면서 증발하면 가 감소 되고 가 될 것이다.

가 됐는데 hoi를 측정식과 측정식에 대입하면 오차 가 증가 할 것이다. 이럴 경우 식 (20)과 식 (21)을 기준으로 하고 △h 때문에 발생하는 오차 를 구해보자.

모든 기준 측정관은 다 물 안에 있기 때문에 온도 조건이 동일하다. 따라서 모든 기준 측정관에서 감소된 수주 △h 는 동일 하다고 볼 수 있다. 그렇다면 는 다음과 같이 된다:

는 다만 만큼 변한다.

식 (25)을 식 (18)과 대비해 보면 다만 대신에 로 변했다.

절대 오차는 다음과 같이 된다:

만일에 증발하여 기준 측정관 내의 수주 가 △h=5mm 만큼 증발 했다면 증발 하기 전 가 +5mm 증가 한다. 만일에 가 "+"였다면 오차가 5mm 더 증가 할 것이고 가 "-" 였다면 5mm 감소될 것이다.

그렇기 때문에 기준 측정관에 충전해 둔 물이 증발하는 것을 억제하는 동시에 주기적으로 수주 를 검사하고 증발된 물량을 보충하는 대책을 세워야 한다.

본 발명의 장치는 이와 같은 대책을 수행하게 끔 되여 있다.

다음 문제는 를 계산할 때 물의 비중 를 정확히 모르기 때문에 대신에 어떤 평균치 를 이용하여 에서 와 를 감하게 된다. 물의 비중을 로 선택한 오차 때문에 발생하는 수심 측정 오차 은 다음과 같다

저수지의 물의 온도는 겨울에 표면이 빙결된 후 보통 3~4℃ 정도 되고 여름에는 수심 평균 온도는 22℃ 를 초과하지 않는다. (물 표면의 온도는 24℃ 까지 가열 된다)

만일에 깨끗한 물이라면 이와 같은 온도 변화 범위에서 그의 밀도가 범위에서 변한다. 그러나 여름철에는 부유물질들의 농도가 정도가 될 때가 많다.

따라서 여름철에 물 온도가 22℃ 정도 됐을 때 비중이

이 될 수 있다. 겨울에는 부유입자 농도가 현저히 작아진다.

절기에 관계없이 평균밀도 을 이용한다면 는 다음과 같은 범위에서 변한다:

식 (27)에서 였다면 가 되고 가 된다. 였다면 가 된다.

이와 같이 의 영향은 매우 작다. 그렇기 때문에 기준 측정관 2i 에 채워져 있는 물이 증발하지 않게끔 대책을 취하는 것이 가장 중요한 것이다.

물의 증발을 억제하는 가장 효과적이고 간단한 방법은 물을 밀폐된 공간에 보존하는 것이다. 이때 밀폐된 공간은 항상 100%의 상대 습도를 유지한다. 다만 공간의 온도에 따라 100%의 상대습도가 되게 증발하는 절대량만 변한다. 공간이 100%상대습도로 채워지면 더 이상 물은 증발하지 않는다.

기준 측정관에 물 대신에 다른 액체를 충전 시킬수 있다. 다만 그 액체의 온도변화에 따르는 비중변화를 정확히 알고 있어야만 한다.

본 발명의 측정방법을 실현하는 장치를 도면 6 과 도면 7 에 따라 설명하면 다음과 같다.

도면 6 에서 1- 수심측정관, 그리고 은 U 자형으로 된 기준 측정관 이고 의 수주를 형성 하게 되 있다. 3 은 압력변환기 이고 4 는 압축 공기완충통 인데 여러 측정관에 압축기체를 공급하는 역할을 한다. 10 은 압축기체 발생기이고 마이크로 컴프레서를 사용할 수도 있고 압축 질소통을 사용할 수도 있다. 그리고 는 전기 신호로 개폐되는 예를 들어 전자석 밸브 들이다. 그리고 은 기준 측정관에 공급되는 압축기체의 주입량을 제한 조절하는 diaphragm 인데 수동으로 조절하는 내경이 작은 변을 사용해도 좋다. 그리고 은 기준 측정관 그리고 에 채워져 있는 물량을 측정하는 투명한 용기이다. 그리고 은 얇은 고무 막으로 또는 다른 연한 재질로 만들어진 튜브이다. 그리고 은 수동 밸브이다. 구조는 따로 도면 7 에 도시되 있다. 11 은 압력변환기의 출력신호를 단위로 변환시키는 디지털 변환기이고 12 는 본 발명의 수심 측정방법에 따라 수심을 연산하는 연산장치 이고 연산한 결과를 코드, 아날로그 등의 출력신호를 성형하는 장치들을 포함 하고 있다.

13 은 주워진 주기로 밸브 압축기체 발생기 10 과 11 등을 제어하는 제어장치이다. 물론 11, 12 그리고 13 은 한 개의 제어 연산 장치로 만들어진다. 도면 6 에서 보다시피 기준 측정관 2i 는 밀폐되어 충전된 물의 증발하는 것을 억제하게 되 있다.

제어장치 13 의 신호에 의해 밸브 이 열리고 다음에 이 열리고 다른 밸브 들은 닫아져 있다. 그러면 압축기체가 수심 측정관 1 에 공급되고 1 에 채워져 있던 물이 밀려 빠져 나가고 기포가 발생한다. 이때 밸브 이 닫아지고 압력 변환기 출력 신호가 안정됐을 때 Pmx 가 측정 되여 연산장치 12 에 기억되고 밸브 은 닫아진다.

연산 장치는 Pmx 가 어떤 또는 간에 해당 되는가를 인식하여 밸브제어장치에 전달된다. 예를 들어 Pmx 가 구간에 해당된다면 주어진 짧은 시간 동안 밸브 이 열리고 기준측정관 에 압축기체가 공급되고 기준 측정관 에 채워져 있는 물이 의 왼쪽 관으로 밀려 올라가 의 수주를 조성 한다. 이때의 압력 를 측정하여 연산장치 12 가 기억한다. 이런 방법으로 기준 측정관 에서의 을 측정한 다음 연산장치는 본 발명의 수심 측정 알고리즘에 따라 수심 를 연산하게 된다.

이 장치에서 특이한 부분은 기준 측정관 의 구조이다 도면 6 에 부분을 확대하여 보였다. 도면 7 에서 는 기준 측정관 2i 에 주입해야 할 물량을 측정하며 또 주기적으로 물이 증발된 양을 검사하여 보충하는데 사용되는 기준 용기이다. 는 기준 측정관 의 내경 d 와 동일한 내경의 관이고 에는 mm 간격으로 눈금이 새겨져 있다. 는 닛뻐 (nipper) 이며 주사기 같은 것으로 물을 용기 에 주입 한다던가 물이 증발됐을 때 물을 보충할 때 사용되는 것이다.

의 길이 은 정도가 되고 용기 의 내부체적 는 다음과 같다:

수주 를 기준 측정관 에서 조성하려면 물의 체적은

가 되야 할 것이다. 는 사용하는 관의 평균 내부 직경이다.

14i의 위치를 차지할 것이다. 의 눈금을 보고 정확한 를 알 수 있고 조절할 수 있다.

일정한 기간이 경과 한 다음 물이 증발하여 가 감소된 를 검사 할 때는 밸브 를 통해 압축기체를 계속 공급하여 기준 측정관 에 있던 물이 용기 에 채워 지게하고 14i 의 눈금을 보고 를 검사하고 를 통해 물을 보충해 주게 되 있다. 이럴 경우 수동변 를 열어놓아도 좋다.

8i 는 고무와 같은 재질로 만들어진 튜브이고 8i 로 공기가 주입되면 부풀어 진다. 튜브의 용적은 충분하고 정도의 공기가 주입 되어도 쉽게 부풀어지게 되 있다.

기준 측정관 에 채워져 있던 물이 압축기체를 밸브 를 통해 지정된 짧은 시간 동안 공급하면 물이 의 왼쪽 관으로 밀려 올라가 가 되는 수주를 형성한다. 다이아프라금 는 압축기체가 주입되는 양을(주입속도) 조절하는 역할을 하며 구멍의 직경이 기준 측정관 내경 d 보다 작다. 다이아프라금을 따로 제조할 필요 없고 수동으로 조절하는 변을 사용하여도 된다.

이때 에 기준 측정관 왼편에 채워져 있던 공기가 주입될 것이다. 공기의 체적은 와 비슷할 것 이다. 만일에 용기 가 밀폐되 있었다면 공기의 압력이 올라갈 것이다. 그러나 튜브 가 부풀면서 이 압력은 매우 작아진다. 그러나 의 수주압 를 측정한 결과는 다음과 같이 된다:

여기서 △pc 는 튜브 가 자유스럽게 반항 없이 팽창하지 않기 때문에 튜브 를 팽창 시키는데 소요되는 압력이다. △pc 는 튜브가 연할수록 또 튜브가 클수록 작아진다. △pc 는 다음과 같이 사전에 측정하여 연산 장치에 기억시킨다.

변 를 열고 Pmi 를 측정한 다음 변 9i 를 닫고 다시 를 측정한다. 그러면 △pc 는 다음과 같이 된다:

물론 튜브 내부 공기의 온도변화 그리고 의 위치가 지정된 위치에서 좀 더 올라 간다던가 내려가 있다면 △pc 가 변한다. 따라서 이와 같은 변화에 따르는 △pc 의 변화가 수심 측정 오차를 증가 시키지 않기 위해 로 보장해야 한다. 이러기 위해 튜브를 매우 얇은 막으로 만드는 동시에 체적도 충분히 선택한다.(예를 들어 풍선을 이용하는 것이 좋다.)

여기서 가장 중요한 조건은 다음과 같다:

이렇게 보장하면 를 계산할 때 △pc 의 오차는 상호 말살된다:

조건(31)는 튜브 8i 의 크기를 조절하여 보장한다. 예를 들어 변 를 에 고착 시키는 위치를 조절할 수도 있다.

△pc 를 측정하여 기억시킨 조건에서 본 수심 측정 알고리즘에 따라 수심을 측정하면 된다:

여기서 는 기억해 둔 △pc 와 측정할 때 발생하는 와의 차 이다.

따라서 는 에 비해 △pc 만큼 차이가 나지만 자체의 오차보다 가 작으면 무시해도 된다.

이와 같이 기준 측정관 은 거이 밀폐되 있어 그 안에 채워져 있는 물은 거이 증발하지 않는다. 특히 겨울철에 물의 온도가 낮기 때문에 증발량은 훨씬 작아진다. 또 주변 온도가 -5℃ 이하인 경우에 용기 를 이용하여 물량을 검사할 수도 없다. (빙결될 가능성이 크기 때문에) 따라서 겨울되기 직전에 물량을 검사, 보충하면 되고 여름철에 1~2 회 기준측정관 에 채워져 있는 물량 를 검사하면 된다.

수심 측정관 1 과 기준 측정관 2i 들은 물이 붙지 않는 재질로 되 있어야 한다. 가장 저렴한 것 중 폴리우레탄 관이 좋고 더 좋은 것은 테프론 관이다. 측정 관들의 내경은 d = 2~3mm 정도가 적합 하다. 모든 측정 관들은 한 묶음으로 되 있다.

이와 같이 본 발명에 따르는 장치는 종전의 기술에 비해 약간 복잡하지만 그 대가로 수심측정 정확도가 기후 변화에 관계없이 매우 높다. 또 가격이 높은 압력변환기를 사용할 필요가 없고 특성이 낮고 저렴한 압력변환기를 사용할 수 있다는 것 도 특징이다.

그러나 기포 수위계를 설치할 때 측정관 1 과 2i 들을 수직으로 설치하는 경우도 있고 저수지 기슭 경사면을 따라 설치하는 경우가 많다.

따라서 측정 관들을 수직으로 설치 하였다 하여도 도면 8(A)에 보인 것처럼 측정 관이 기우려 졌고 수직선과 각도 를 이루고 있다면 수주압 는 다음과 같이 될 것이다:

여기서 는 각도로 기울어진 기준 측정관 에서 조성되는 물의 길이 이고 는 의 수주압 이다.

그리고 도면 8(B)에 보인 것처럼 저수지의 기슭 경사면을 따라 측정관 묶음을 설치하는 경우에는 는 다음과 같이 된다:

여기서 는 평균 경사각 이다.

는 기준 측정관 에 주입한 물량 에 의해 정확히 알고 있으나 각도 와 를 정확히 직접 측정 할 수는 없다.

측정관 설치 각도 오차가 수직선에서 =1~3°정도 되는 경우 수심 측정 보충 오차는 -0.03 ~ -0.3Cm 정도 된다. 따라서 설치각도 오차가 2°를 초과하지 않게 하면 보충적 오차를 무시 할 수 있다.

그러나 경사각도 로 설치하는 경우 각도 를 정확히 모르면 수심 hx 측정오차가 상당히 커진다. 그러나 를 직접 정확히 측정하는 것이 불가능 할 때가 많다.

이럴 경우에는 다음과 같이 간접적으로 를 구한다.

기준 측정관 의 수주압 를 측정한 결과는 다음과 같이 될 것이다:

여기서 정확히 알수 있는 것은 뿐이다. 따라서 를 정확히 알기 위해서는 를 정확히 알고 있으면 될 것이다.

이럴 경우를 위하여 정확도가 높은 압력변환기를 사전에 교정검사 하여 △p=f(t;P)표 또는 곡선을 작성 해 둔다.

이 압력변환기로 Pmi 를 측정한 다음 를 계산하여 를 다음식에 의해 구한다:

수심 측정관 과 동일한 관으로 U 자 형으로 된 n≥2 개의 기준 수주압 측정관들을 수심 측정관 과 동일한 길이로 수심 측정관 과 함께 배치하고 기준 수주압 측정 관에 일정한 양의 물을 충전 시키고 기준 측정 관의 윗 한 쪽에서 압축 기체를 짧은 시간 공급하면 충전된 물이 기준 수주압 측정관 다른 쪽 관으로 밀려 올라가 수주압 을 조성하게 한 다음 수심을 측정 방법으로 구성되어있다:

본 발명은 저수지, 하천, 호수, 지하수의 수심 또는 수위를 측정하는데 주로 사용된다.

주변환경(온도,고도차,물의 비중,등)에 따른 오차를 한번에 보상하여 정밀도 높게 측정한다.

도면 1. 기포수심측정방법오차 설명도

도면 2. 종전의 기술 설명도.

도면 3. 압력 변환기의 온도와 측정압력 변화에 따르는 오차 변화 곡선.

도면 4. 본 발명의 측정 방법 설명도.

도면 5. 압력변환기오차 △p 곡선을 직선화 하는 도면.

도면 6. 본 발명의 장치의 골격도.

도면 7. 본 발명의 기준 측정관을 밀폐하는 구조도.

도면 8. 수심, 기준수주압 측정관들의 설치 각도 오차 설명도.

기호의 설명: 1-수심 측정관,기준수주압 측정관, 3-압력변환기, 4-압축기체완충통 또는 압축기체 분배통, 은 전기 신호로 제어되는 밸브들, 압축기체 주입량 제한 다이아프래금, 투명한 기준용량, 연한막으로 만들어진 튜브들,수동밸브, 10-압축기체 발생장치, 11-압력변환기 아나로그 신호를 디지털 신호로 전환시키는 변환기,12-수심 연산장치, 13-밸브, 연산장치들을 제어하는 제어장치.

Claims (4)

1. 수심측정 관의 수주압을 기포 압력으로 측정하여 수심 를 측정하는 방법에 있어서,

   기포 압력과 수심이 일치되지 않아 발생하는 모든 오차를 제거하기 위하여 수심 측정관 과 동일한 관으로 U 자 형으로 된 n≥2 개의 기준 수주압 측정 관들을 수심 측정관 과 동일한 길이로 수심 측정관 과 함께 배치하고,

   기준 수주압 측정 관에 일정한 양의 물을 충전시켜 일정수주를 형성하며 기준 측정 관의 윗 한 쪽에서 압축 기체를 짧은 시간 공급하면서 충전된 물이 기준 수주압 측정관 다른 쪽 관으로 밀려 올라가 수주압 을 조성하고,

   수심 측정관의 수주압을 기포 발생압력으로 측정한 수주압 을 기억시키며 이 수주압 하에 놓여 있는 구간 에 해당하는 기준 수주압 측정관에서 수주압 와 를 유지하는 기체압력 와 을 측정하고, 수주압 측정 총 오차 를 계산한 다음, 이 수주압 총 오차에 근거하여 측정 총 오차 를 다음식에 의해 구하며,

   그 다음, 수심 hx 는 다음식에 의해 연산되게 한 기포식 수심, 수취 측정방법.

   여기서 는 또는 또는 라는 뜻이고 그중 에 가장 가까운 기준 측정관의 수주압을 선택한다.
2. 청구항 1 에 있어서,

   U 자 형으로 구성된 n개의 기준 수주압 측정 관과 이 기준 수주압 측정관에서의 수주압 에 근거하여 수심 이 측정되는 측정범위 hxmin~hxmax에서 기체압력으로 수주압 Pmx를 측정하는 방법이 압력 P 에 따라 변하는 절대오차 곡선 △p=f(t;P)을 n≥2 구간으로 분활 하여 각 구간을 직선으로 표현하고, 직선구간에 허용 오차에 따라 n 을 선택하며 수주압 을 분활된 구간의 두 지점들에서의 압력 P1, P2, P3...에 해당 되게 선택하여 기준 수주압 측정 관에 저수지, 호수 등의 물을 충전 시키는 단계들로 이루어진 기포식 수심, 수위 측정방법.
3. 수심에 해당하는 길이를 가진 수주압 측정관,

   수심 수주압 측정관과 동일한 내경을 가진 수심 수주압 측정관과 함께 한 묶음으로 되는 U자형으로 된 n≥2개의 기준수주압 측정관,

   완충통으로부터 기준 수주압 측정관들에 압축기체의 공존속도를 조절하도록 전자석 밸브에 의하여 기준 수주압 측정관의 한족의 상단부(윗끝)에 연결된 다이어프램,

   그 내부에 물의 양을 측정하도록 기준수주압 측정관의 다른 쪽의 단부에 연결되고 증기로 인해 감소된 물을 보충하는 투명한 측정용기,

   이 투명용기 위에 설치되고 표면에 눈금이 새겨져 있는 기준수주압 측정관의 내경과 동일한 내경으로 된 일정한 길이의 관, 이 관의 상단부에 연결되어 기체압력에 의해 팽창되는 고무재의 피막튜브와,

   이 피막튜브의 상단부 윗끝에 연결된 수동조절밸브들로 구성시킨 기포식 수심, 수위 측정장치.
4. 제3항에 있어서,

   기준 수주압 측정관이 테프론과 폴리우레탄관으로 만들어지게 한 기포식 수심, 수위 측정장치.