KR100999366B1

KR100999366B1 - 전기 전도도를 이용한 우설량계 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR100999366B1
Application number: KR1020100063474A
Authority: KR
Inventors: 남재현
Original assignee: (주)정한전자시스템
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2010-12-09

Abstract

빗물 또는 눈을 받는 수수구의 상면에 이격 설치된 적어도 2개의 검침전극에 채워지는 매질의 전기 전도도의 검출에 의해 수수구의 적설을 감지하여 수수구의 주변을 가열하는 가열체를 최적 상태로 제어하여 전력소비를 최소하면서 기존의 강우량계와 호환성을 갖도록 설계된 우설량계 및 그 제어방법이 제공된다. 상기 우설량계는 내측의 상부에 돌출 이격 설치된 적어도 2개의 검침 전극이 형성되어 상부로부터 낙하되는 비/눈을 받아 하부측으로 낙하시키는 수수구와; 상기 수수구의 주변에 설치되며, 일정한 레벨을 갖는 구동전압의 입력에 의해 가열되는 가열체와; 상기 수수구의 주변온도가 미리 설정된 눈의 생성 온도인 경우에 동작가능상태로 설정되며, 가열신호에 응답하여 상기 구동전압을 상기 가열체의 전원전압 인력단자로 공급하는 가열체 구동부와; 상기 2개의 검침 전극 중 하나의 전극으로 검침전압을 공급하여 대향 전극으로 전기 전도되는 전류 값에 의해 눈의 적설유무 및 적설량을 검출하고, 상기 전도 유입되는 전류전압 값에 따라 상기 가열체 구동부로 상기 가열신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

전기 전도도를 이용한 우설량계 및 그 제어 방법{RAIN-SNOW GAUGES USED ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND METHOD THEREOF}

본 발명은 강우량/강설량을 측정하는 우설량계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수수구의 상면에 이격 설치된 적어도 2개의 검침전극에 채워지는 매질의 전기 전도도(electrical conductivity)의 검출에 의해 수수구의 적설을 감지하여 수수구의 주변을 가열하는 가열체(heater)를 최적 상태로 제어하여 전력소비를 최소하면서 기존의 강우량계와 호환성을 갖도록 설계된 우설량계 및 그 제어방법에 관한 것이다.

우설량계는 하늘로부터 지상으로 내린 비의 양(강우량)을 측정하는 기능 이외에 겨울철에 내린 눈의 양(강설량)을 측정할 수 있는 기상 측정 장비이다. 이러한 우설량계는 우량 수수구 밑에 1조의 계량컵(tipping bucket)을 시소형으로 설치하여 게량컵에 일정량의 빗물이 채워졌을 때 중량에 의해 한쪽으로 기울어지고 이때에 발생되는 전기적인 펄스로 우량을 측정하는 전도형(顚倒形, tipping bucket type)이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

이러한 전도형 우설량계의 일예로서는 "한국수자원공사 수자원 연구원 홍성택, 신강욱(2008), 우설량계 히터 동작 시험 장치 개발 및 특성분석, 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16-18. pp. 1739-1740"에 기재되어 있다. 상기 학술논문에 게재된 우설량계는 수수구 부위에 쌓여진 눈이 계량컵으로 흘러들지 않아 강설량을 측정할 수 없는 종래의 우설량계의 문제점을 해결하기 위하여 대기의 온도가 눈을 생성할 수 있는 온도 이하로 내려간 경우 수수구 부위를 간접적으로 가열하여 눈을 액체(물의 상태)로 변화시켜 그 양을 측정하도록 되어 있다. 따라서 우설량계에서 수수구 주변을 가열하는 기능은 정확한 강설량 측정을 위하여 중요한 부분임을 알 수 있다.

우설량계의 수수구 주변을 가열하는 장치의 예로서는 히터와 이로부터 발생된 열기를 수수구 측으로 송풍하는 송풍 팬(blast fan)으로 구성되어 있다. 그러나 종래의 기술에 의한 우설량계의 히터는 전력소모가 상대적으로 많은 것임에도 불구하고 겨울철에 내리는 비 또는 눈의 양을 측정하기 위하여 대기 온도가 눈을 생성할 수 있는 온도 조건에서는 히터와 송풍기를 상기 구동함으로써 전력소비가 많고 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 전기 전도도를 이용하여 수수구에 눈이 쌓여질 때 이를 검출함과 동시에 쌓여진 눈의 양을 감지하는 우설량계 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기 전도도를 이용하여 수수구에 눈이 감지될 경우에만 수수구를 가열하는 히터를 최적 상태로 제어하여 전력소비를 최소하면서 강우량 및 강설량을 감지하는 우설량계 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기 전도도를 이용하여 수수구에 쌓인 적설강도를 감지하여 그에 따라 수수구의 주변을 가열하는 히터의 가열온도를 비례제어하여 강설량을 감지한 우설량계 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내측의 상부에 돌출 이격 설치된 적어도 2개의 검침 전극이 형성되어 상부로부터 낙하되는 비/눈을 받아 하부측으로 낙하시키는 수수구와; 상기 수수구의 주변에 설치되며, 일정한 레벨을 갖는 구동전압의 입력에 의해 가열되는 가열체(heater)와; 상기 수수구의 주변온도가 미리 설정된 눈의 생성 온도인 경우에 동작가능상태로 설정되며, 가열신호에 응답하여 상기 구동전압을 상기 가열체의 전원전압 인력단자로 공급하는 가열체 구동부와; 상기 2개의 검침 전극 중 하나의 전극으로 검침전압을 공급하여 대향 전극으로 전기 전도되는 전류 값에 의해 눈의 적설유무 및 적설량을 검출하고, 상기 전도 유입되는 전류 값에 따라 상기 가열체 구동부로 상기 가열신호를 출력하는 제어부로 구성함을 특징으로 한다.

상기 2개의 검침 전극 중 전기 전도되어 유입되는 전류를 입력하는 전극과 접지사이에는 상기 수수구의 내부에 쌓이는 적설량에 대응하여 전도 유입되는 전류를 전압으로 검출하여 상기 제어부로 공급하는 전류-전압 변환소자가 접속됨을 특징으로 한다.

상기 가열체 구동부는 상기 구동전압과 상기 가열체의 전원전압 입력단자 사이에 직렬 접속되어 상기 가열신호에 의해 상기 구동전압을 스위칭 하는 스위치임을 특징으로 한다.

상기 가열체 구동부는 상기 스위치의 출력노드와 상기 가열체의 전원전압 입력단자의 사이에 접속되어 대기의 온도가 눈의 생성온도일 때 턴온되는 온도스위치를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 가열신호는 상기 전기 전도된 전류가 유입되는 전류값이 미리 설정된 값 이상일 때 활성화되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 견지(aspect)에 따른 우설량 감지 방법은 구동전압의 입력에 의해 수수구의 주변을 가열하는 가열체를 갖는 우설량계에서 매우 효과적으로 적용되며, 이는 상부로부터 낙하되는 비와 눈을 받는 수수구의 내측 상면에 쌓여진 물질의 전기 전도도를 검출하기 위한 검침전극을 설치하는 과정과; 상기 구동전압과 상기 가열체의 전원전압 입력단자의 사이에 가열신호의 입력에 의해 스위칭되는 스위치와 대기의 온도가 눈 생성온도일 때 스위칭되는 온도 스위치를 설치하는 과정과; 상기 대기의 온도가 눈 생성 온도이고 상기 검침전극에 전기 전도율이 검출될 때 상기 가열체를 가열하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 방법은 상기 수수구에 쌓여진 눈의 적설량에 비례하여 상기 가열체의 가열온도가 증가되도록 상기 스위치를 단속하는 과정을 더 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도를 이용한 우설량계는 수수구의 내부 상면에 제1 및 제2전극으로 형성된 검침봉을 설치하고, 대기의 온도가 눈을 생성할 수 있는 온도조건일 때 상기 제1전극으로 소정 레벨의 점침전압을 공급하여 제2전극으로 전도되는 전류가 검출될 때 수수구의 주변에 설치된 가열체를 구동하고, 상기 가열체에 공급되는 실효전압의 양을 제1전극으로부터 제2전극으로 전도되는 전류값의 따라 조절하여 가열온도를 조절함으로써 눈이 내리는 겨울철에 우설량계의 가열체를 적설량에 따라 효율적으로 제어할 수 있어 전력소비를 최소화할 수 있고 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 전도도 검침 전극이 형성된 우설량계의 수수구의 단면도들을 도시한 도면
도 2a와 도 2b는 도 1a, 도 1b에 도시된 전기 전도도 검침 전극을 통해 수수구에 적설시 전기 전도도를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 전도도를 이용한 우설량계의 회로도를 도시한 도면.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 하기에 설명되는 본 발명의 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.

도 1a 및 도 1b에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 우설량계의 수수구(10)의 단면도들이고, 도 2a와 도 2b는 도 1a, 도 1b에 도시된 전기 전도도 검침 전극을 통해 수수구(10)에 적설시 전기 전도도를 설명하기 위한 도면이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 수수구(10)의 하부측의 일면에는 상기 수수구(10)의 내부의 상면에 쌓이는 물질의 전기 전도도를 검출하기 위한 검침 전극(20)이 설치되어 있다.

상기 검침전극(20)은 제1전극(21)과 제2전극(22)을 일정한 간격으로 유지하여 상기 수수구(10)에 결합하는 하우징(23)으로 구성되어 있다. 이와 같은 검침전극(20)은 상기 제1전극(21)과 제2전극(22)의 사이에 전기가 전도되는 매질이 쌓인 상태에서 어느 특정한 하나의 전극으로 전류가 유입되는 경우 상기 매질의 전도율에 대응하는 전류가 상기 또 다른 전극으로 전도된다.

예를 들면, 하늘에서 비가 내리는 경우 도 1a와 같이 수수구(10)의 내측 경사면을 따라 빗물이 하단으로 흘러내리므로 도 2a와 같이 일정한 간격으로 이격 설치된 제1전극(21)과 제2전극(22)간은 단절된 상태를 그대로 유지하기 때문에 전기 전도도는 없게 된다. 즉, 제1전극(21)에 일정한 레벨을 갖는 전압이 입력되더라도 제2전극(22)으로 전도되는 전류는 없게 된다.

상기 검침전극(20)의 상부에 도 1b에 도시된 바와 같이 눈(불순물을 포함한 물의 성분으로 고체화된 것)이 쌓이게 되면, 눈에 포함되는 불순물에 의해 제1전극(21)과 제2전극(22)간에는 도 2b에 도시된 바와 같이 전도율이 형성된다. 이때, 제1전극(21)/또는 제2전극(22)으로 일정 레벨의 전압이 입력되면 상기 제1전극(21)과 제2전극(22)간에 형성된 전도율에 제2전극(22)/또는 제1전극(21)으로 전류가 흐르게 된다.

따라서 제1전극(21)과 제2전극(22)간의 전기 전도도의 유무 판단으로 눈의 적설 유무를 검출할 수 있고, 적설된 양에 따라 전도율이 변화됨으로 전도율의 변화로 강설량의 정도를 검출할 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 앞서 설명한 바와 같은 검침 전극(20)이 설치된 수수구(10)를 이용하여 눈이 적설 된 경우에만 상기 수수구(10)의 주변, 보다 구체적으로는 하늘에서 낙하되는 빗물이 받아지는 면 또는 낙하되는 눈이 적설되는 면을 가열하는 가열체를 구동하는 장치를 보인 도면이다.

도 3에 도시된 전기 전도도를 이용한 우설량계는 눈이 생성되는 온도조건을 검출하는 온도감지소자를 포함한다. 통상적으로 비는 대기온도가 5℃을 기준으로 그 이하일 때 눈으로 바뀌어 내리는 것으로 알려져 있다.

도 3에서 참조부호 40은 가열체 구동부(60)를 구성하는 온도스위치로서 영상 5℃을 기준으로 그 이하일 때 "턴온"되어 릴레이(61)를 통하여 입력되는 구동전압을 가열체(50)의 전원전압 입력단자로 공급할 준비를 한다. 따라서 대기의 온도가 영상 5℃ 이상인 경우 상기 온도 스위치(40)는 "턴온"되어 가열체(50)의 전원전압 입력단자로 입력되는 구동전압을 차단함을 알 수 있다.

한편 도3에 도시된 제어부(70)는 출력포트(P1)로 소정레벨을 갖는 검침전압을 출력한다. 이때 검침전압은 직류전압, 펄스전압 또는 정현파의 교류전압 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 이때, 상기 제어부(70)의 출력포트(P1)로부터 출력되는 검침전압이 교류전압인 경우 상기 제어부(70)는 DAC변환기(Digital to Analog converter)를 내장하는 마이크로프로세서로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제어부(70)로부터 출력되는 검침전압은 검침전극(20)의 제1전극(21)으로 공급된다. 이때, 평상시에는 상기 검침전극(20)의 제1전극(21)과 제2전극(22)단은 단절되어 있어 제1전극(21)으로부터 제2전극(22)으로의 전기 전도율은 없게 된다. 즉 제1전극(21)으로부터 제2전극(22)으로 전류가 흐르지 않게 되어 제어부(70)의 입력포트(P2)에는 아무런 입력신호가 없게 된다.

이때 제어부(70)는 미리 설정된 주기로 입력포트(P3)로 입력되는 전압의 유무 및 그 전압 레벨을 검출하는데, 입력포트(P3)로 아무런 입력이 없으므로 출력포트(P3)로 논리 "로우" 신호를 출력한다. 따라서 상기 제어부(70)의 출력포트(P3)에 베이스가 접속된 전력트랜지스터(64)가 "턴오프"되어 릴레이(61)를 차단함으로써 가열체(50)의 전원전압 입력단자로 공급되는 구동전압을 차단한다. 즉, 가열체(50)는 오프상태를 유지한다.

상기 수수구(10)의 내측면에 눈이 도 1b 및 도 2b와 같이 적설되면 검침전극(20)의 제1전극(21)과 제2전극(22) 간에는 적설에 의한 전도율을 가지게 된다. 왜냐하면, 통상 눈에는 많은 불순물이 포함되어 있기 때문이다. 이와 같은 상태에서 제어부(70)의 출력포트(P1)로부터 출력되는 검침전압이 검침전극(20)의 제1전극(21)으로 입력되면, 검침전극(20)에 생긴 전도율에 따라 제2전극(22)으로 전류가 전도되어 제어부(70)의 입력포트(P2)로 공급된다.

상기 제2전극(22)으로 전기 전도되어 유입되는 전류는 제2전극(22)과 접지사이에 접속된 저항(32)에 의해 전압 강하됨으로 상기 제어부(70)의 입력포트(P2)로는 상기 저항(32)의 양단전압이 입력됨을 알 수 있다. 즉, 제1전극(21)으로부터 제2전극(22)으로 전기 전도된 전류는 상기 저항(32)에 의해 전압으로 변환되어 저항(31)을 통해 제어부(70)의 입력포트(P2)로 입력된다.

이때, 상기 제어부(70)는 입력포트(P2)에서 전압이 검출되는 경우, 검침전극(20)으로 전기 전도가 있다고 판단, 즉, 수수구(10)의 내부에 눈이 쌓여 있다고 판단하고, 이후 입력포트(P2)로 입력되는 전압레벨을 검출한다. 여기서, 상기 제어부(70)는 저항(32)의 양단에 걸리는 전압을 검출하기 위하여 내부에 A/D 변환기(analog to digital converter)를 내장하는 마이크로프로세서를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전류-전압변환기, 즉, 저항(32)과 저항(31)을 통해 입력되는 전압을 검출한 제어부(70)는 수수구(10)에 눈이 쌓였다고 판단하여 출력포트(P3)를 논리 "하이"로 활성화시킨다. 이때, 상기 제어부(70)의 출력포트(P3)의 활성화 시간, 즉 논리 "하이"의 출력시간은 입력포트(P2)로 입력되는 전압레벨에 따라 설정된다. 예를 들면, 입력포트(P2)로 입력되는 감지전압이 1볼트 미만이면 제어부(70)는 출력포트(P3)로 출력되는 신호를 α분 동안 논리 "하이"로 유지하고, 상기 감지전압이 2볼트인 경우 β분(여기서 β〉α의 조건을 만족하는 상수)동안 출력포트(P3)를 논리 "하이"상태로 활성화시킨다.

즉, 상기 제어부(70)는 입력포트(P2)로 입력되는 감지전압에 비례하여 출력포트(P3)로 출력하는 논리 "하이"상태의 가열제어신호의 출력시간을 증가시킨다.

상기 제어부(70)의 출력포트(P3)에 베이스가 접속된 트랜지스터(64)는 상기 가열신호에 따라 "온" 또는 "오프" 스위칭되어 릴레이(61)의 릴레이코일(62)에 전류루프를 형성하여 릴레이 스위치(63)를 "온 또는 오프" 시킨다. 상기 릴레이 스위치(63)가 "턴온"되면, 구동전압, 즉, 220VAC(가열체의 구동전압에 따라 DC도 가능)는 대기의 온도가 눈의 생성조건을 만족하는 온도일 때 "턴온"된 온도 스위치(40)를 통해 가열체(50)의 전원전압 입력단자로 공급된다.

위와 같은 동작에 의해 도 3에 도시된 전기 전도도를 이용한 우설량계는 대기의 온도가 눈의 생성 온도 조건을 만족(영상 5℃이하)하고, 수수구(10)에 눈이 쌓였을 때만 가열체(50)에 전압을 인가하여 발열하도록 동작되며, 검침전극(20)을 통해 전기 전도된 전류가 검출되지 않거나 대기의 온도가 영상 5℃이상인 경우 온도스위치(40)가 "턴오프"됨으로써 가열체(50)의 발열은 종료된다.

계속하여 눈이 내려 수수구(10)의 검침전극(20)의 제1, 제2전극(21, 22)에 쌓이는 눈의 높이가 증가되면, 제1전극(21)으로부터 제2전극(22)으로 전기 전도되는 전도율이 증가하여 저항(32)의 양단전압도 증가되어 제어부(70)의 입력포트(P2)로 입력되는 전압이 증가된다.

상기 입력포트(P2)로 입력되는 전압이 증가되면, 제어부(70)는 수수구(10)에 쌓여진 눈의 높이(적설높이)가 높아졌다고 판단하여 출력포트(P3)로 출력하는 논리 "하이" 상태의 가열신호의 출력시간을 증가시킨다. 가열신호가 논리 "하이"상태를 유지하면, 가열체(50)의 전원전압 입력단자로 공급되는 구동전압의 인가시간이 증가됨으로써 결국에는 가열체(50)의 가열온도가 증가된다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도를 이용한 우설량계는 대기의 온도가 눈의 생성 온도일 때 가열체가 가열될 수 있도록 이네이블(enable)되고, 수수구에 눈이 적설되었을 때 두 전극간에 형성되는 전기 전도도의 유무와 전기 전도율에 따른 전류/전압의 변화로 가열체의 가열 온도를 제어함으로써 가열체를 내장하는 우설량계의 전력소비를 저감시킬 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

10 : 우설량계의 수수구, 20 : 검침전극,
21 : 제1전극, 22 : 제2전극,
23 : 하우징(브래킷), 31, 32 : 저항,
40 : 온도스위치, 50 : 가열체,
60 : 가열체 구동부, 61 : 릴레이,
62 : 릴레이코일, 63 : 릴레이스위치,
64 : 스위칭 트랜지스터, 70 : 제어부,

Claims

내측의 상부에 돌출 이격 설치된 적어도 2개의 검침 전극이 형성되어 상부로부터 낙하되는 비/눈을 받아 하부측으로 낙하시키는 수수구와; 상기 수수구의 주변에 설치되며, 일정한 레벨을 갖는 구동전압의 입력에 의해 가열되는 가열체와; 상기 수수구의 주변온도가 미리 설정된 눈의 생성 온도인 경우에 동작가능상태로 설정되며, 가열신호에 응답하여 상기 구동전압을 상기 가열체의 전원전압 입력단자로 공급하는 가열체 구동부와; 상기 2개의 검침 전극 중 하나의 전극으로 검침전압을 공급하여 대향 전극으로 전기 전도되는 전류 값에 의해 눈의 적설유무 및 적설량을 검출하고, 상기 전도 유입되는 전류 값에 따라 상기 가열체 구동부로 상기 가열신호를 출력하는 제어부로 구성되며, 상기 두 개의 검침 전극 중 매질에 의해 전도된 전류를 유입하는 전극과 접지사이에는 상기 수수구의 내부에 쌓이는 적설량에 대응하여 전도 유입되는 전류를 전압으로 검출하여 상기 제어부로 공급하는 전류-전압 변환소자가 접속되고, 상기 가열체 구동부는 상기 구동전압과 상기 가열체의 전원전압 입력단자 사이에 직렬 접속되어 상기 가열신호에 의해 상기 구동전압을 스위칭 하는 스위치로 구성되고, 상기 제어부는 상기 대향 전극으로 전기 전도되는 전류 값의 증가에 비례하여 가열신호의 활성화 시간을 유지함을 특징으로 하는 전기 전도도를 이용한 우설량계.
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청구항 1에 있어서, 상기 가열체 구동부는 상기 스위치의 출력노드와 상기 가열체의 전원전압 입력단자의 사이에 접속되어 대기의 온도가 눈의 생성온도일 때 턴온되는 온도스위치를 더 포함하여 구성함을 특징으로 하는 전기 전도도를 이용한 우설량계.
삭제
삭제
구동전압의 입력에 의해 수수구의 주변을 가열하는 가열체를 구비한 전기 전도도를 이용한 우설량계 제어방법에 있어서, 상부로부터 낙하되는 비와 눈을 받는 수수구의 내측 상면에 쌓여진 매질의 전기 전도도를 검출하기 위한 검침전극을 설치하는 과정과; 상기 구동전압과 상기 가열체의 전원전압 입력단자의 사이에 가열신호의 입력에 의해 스위칭되는 스위치와 대기의 온도가 눈 생성온도일 때 스위칭되는 온도 스위치를 직렬 설치하는 과정과; 상기 대기의 온도가 눈 생성 온도이고 상기 검침전극을 통해 상기 매질의 전기 전도율이 검출될 때 상기 가열체를 가열하는 과정과; 상기 수수구에 쌓여진 눈의 적설량에 비례하여 상기 가열체의 가열온도가 증가되도록 하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 전기 전도도를 이용한 우설량계 제어방법.