KR101410726B1 - 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치 및 이를 이용한 수위,유량 측정방법 - Google Patents

수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치 및 이를 이용한 수위,유량 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 수위측정장치에 있어서, 수위측정 거리에 따라 설정된 주파수 대역의 초음파를 송수신하는 다수의 검출기(6)를 설치하되, 상기 검출기(6)는 수위측정을 위한 수위검출기(6a)와 유량측정을 위한 유량검출기(6b)로 구성하며, 검출기(6)들을 채널별(C1,C2...Cn)로 관리하되, 수위검출기(6a)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 이용하여 수위를 측정하고, 유량검출기(6b)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 통해 측정된 수위를 이용하여 수로(40)의 유량을 측정하는 변환기(4)를 구성하여, 하나의 변환기(4)를 통해 수위검출기와 유량검출기의 동시제어가 가능하여 수위측정과 함께 유량의 측정이 가능한 것이고, 그에 따라 기기의 고장시 이를 유지보수하기 위한 비용도 절감할 수 있는 효과가 있으며, 주파수 대역 변경을 위해 디지털 필터 방식을 사용함으로써 주파수 대역이 좁아져 수신신호중 불필요한 잡음이 감소하여 측정 정밀도가 향상되는 것이다.

Description

수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치 및 이를 이용한 수위,유량 측정방법{ULTRASONIC WATER LEVEL MEASUREMENT APPARATUS CAPABLE OF WATER LEVEL AND FLOW RATE SIMULTANEOUS MEASUREMENT AND WATER LEVEL, FLOW RATE MEASUREMENT METHOD}
본 발명은 초음파 수위측정장치에 관한 것으로, 하나의 초음파 변환기에 의해 수위와 유량을 동시에 측정하는 것이 가능한 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 수위측정장치는 정수장, 하수처리장, 폐수처리장, 저수조, 강, 하천, 저수지, 댐 등의 수처리가 필요한 곳이나 기타 액체의 관리가 필요한 산업현장에서 수위를 측정하기 위해 기본적으로 필요한 장치이다. 이러한 측정장치는 측정센서를 설치하고 이 센서값을 제어하여 수위을 지속적, 연속적으로 모니터링한다.
예를 들면, 수처리 공정에 있어서 일정량 이상의 물이 되어야만 공정이 진행되도록 하거나 일정량 이하의 수위에서는 공정을 중단하여 불필요한 작업 및 오작동이 일어나지 않도록 하기 위해서도 수위관리는 비용절감, 공정의 효율성을 제고하기 위해서도 필요한 것이다.
또한, 측정센서는 단순히 수위를 측정하기 위한 목적으로 구성할 수도 있지만 한정된 저장소 내에 일정량 이상의 액체가 유입되면 액체를 유출시키고 일정량 이하가 되면 액체를 유입시켜 수위를 일정하게 관리하기 위해 펌프 등 다양한 제어기와 연결함으로써 복합적인 수위감지시스템을 구성할 수 있다.
이렇듯 측정센서의 종류로는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나누어지는데 접촉식은 전극센서에 전류를 흘려보내고 액체와 닿아 통전되는 경우 신호처리를 제어하여 수위를 감지하는 센서이며, 플로트식, 접점식, 기어식 등이 있다.
접촉식 센서는 정밀도가 떨어지며 센서의 설치 및 고장 시 정비의 문제점이 있어 그 사용이 줄어들고 있는 실정이다.
이를 개선하기 위해 최근에는 초음파 방식의 비접촉식 센서가 제안되어 있다. 초음파 방식의 비접촉식 센서는 액체와 직접 닿지 않고 측정할 수 있는 것으로, 초음파가 공기 중을 통과하여 측정하고자 하는 물체의 표면을 맞고 되돌아오는 시간과 속도를 계산하는 원리를 이용하여 센서에서부터 저장소 바닥 면까지의 거리와 센서에서부터 물체표면까지의 거리의 차이를 계산함으로써 최종적으로 수위값을 알려주게 된다.
초음파 센서의 측정거리는 주파수 대역에 따라 가깝게는 30cm부터 멀게는 60m까지 측정할 수 있어 그 종류가 다양하다.
종래의 초음파센서를 이용한 수위측정장치는 센서에 의해 감지된 신호를 거리 측정값으로 확인할 수 있도록 하는 변환기(transducer)가 초음파센서마다 설치되는데, 이는 출력 주파수 대역에 맞는 초음파를 출력하기 위해 물리적으로 제어하였기 때문에 주파수 대역이 서로 다른 초음파센서일 경우 그에 맞는 변환기를 각각 설치하여야함에 따라 설치비용이 증가하는 것이며, 주파수 대역에 따라 다양한 종류의 변환기를 설치하여야 함에 따라 그에 따른 유지보수 비용도 증가하는 것이었다.
또한, 수위측정과 함께 수로를 흐르는 유량도 함께 측정하기 위해서는 별도의 유량측정용 변환기를 더 설치하여야 하는 비용부담이 있었다.
등록특허 제10-780819호, '초음파 수위측정장치' 등록특허 제10-743057호, '유량 측정 장치 및 이를 이용한 유량 측정 방법'
따라서 본 발명의 목적은, 하나의 변환기를 통해 서로 다른 채널에 설정된 초음파 주파수 대역을 변경하여 다수의 초음파 센서를 일괄제어하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치 및 이를 이용한 수위,유량 측정방법을 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명은 하나의 변환기의 다른 채널 설정 시 하나의 채널을 유량측정계와 연계하여 수위와 함께 유량의 측정이 가능한 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치 및 이를 이용한 수위,유량 측정방법을 제공하는데에 있다.
상기의 목적에 따른 본 발명은, 초음파를 이용한 수위측정장치에 있어서, 수위측정 거리에 따라 설정된 주파수 대역의 초음파를 송수신하는 다수의 검출기(6)를 설치하되, 상기 검출기(6)는 수위측정을 위한 수위검출기(6a)와 유량측정을 위한 유량검출기(6b)로 구성하며, 검출기(6)들을 채널별(C1,C2...Cn)로 관리하되, 수위검출기(6a)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 이용하여 수위를 측정하고, 유량검출기(6b)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 통해 측정된 수위를 이용하여 수로(40)의 유량을 측정하는 변환기(4)를 구성함을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치이다.
또한 본 발명은, 초음파 수위측정장치를 이용한 수위,유량 측정방법에 있어서, 수위를 측정하고자하는 거리에 따라 설치된 다수 검출기(6)의 설정 주파수 대역을 확인한 후, 초음파를 다수 검출기(6)의 설정 주파수 대역으로 변경하되, 수위를 측정하고자 하는 위치에는 수위검출기(6a)를 설치하고, 유량을 측정하고자 하는 위치에는 유량검출기(6b)를 설치하여 주파수 대역 설정부(28)에 의해 디지털 필터 방식으로 검출기(6)의 수위측정 거리에 따라 10~60㎑ 대역의 초음파로 변경하여 이를 송수신초음파 동기화부(34)에 의해 채널별(C1,C2...Cn)로 구별한 후 초음파송신부(20)로 출력하며, 채널별(C1,C2...Cn)로 구별되어 초음파송신부(20)로 전달된 초음파는 설정된 주파수 대역이 일치하는 검출기(6)를 통해 송신되고, 송신된 초음파가 매질에 부딪혀 반사되어오는 수신 초음파를 수신한 검출기(6)는 이를 레벨수신부(22)로 전달하되, 초음파송수신전환제어부(24)를 통해 초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와 검출기(6) 사이에서 초당 5~10회 송수신되는 초음파의 송수신 역할을 교대로 반복하여 초음파의 송수신 신호전송 타이밍을 제어하고, 레벨수신부(22)로 전송된 수신 초음파를 송수신초음파 동기화부(34)에 의해 설정된 채널별(C1,C2...Cn)로 분류하여 제어연산부(14)로 전달하며, 검출기(6)를 통해 송수신된 초음파의 송수신 시간차와 속도를 이용하여 레벨변환부(30)를 통해 이를 거리값으로 연산하여 수위를 측정하되, 채널별(C1,C2...Cn)로 구별된 검출기(6)들 중에서 수위측정용 수위검출기(6a)를 통해 측정된 거리값은 레벨변환부(30)로 전송되어 수위를 측정하고 유량측적용 유량검출기(6b)를 통해 측정된 거리값은 유량변환부(32)로 전송되어 이를 유량식 Q=K×Ham 에 의해 연산하여 유량을 측정하며, 측정된 수위가 미리 설정된 수위범위를 벗어날 경우에는 제어기를 통해 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 외부로 배출하여 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 함을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 변환기를 통해 다수의 검출기의 제어가 가능함에 따라 검출기의 제어가 용이한 것이고, 그에 따라 기기의 고장시 이를 유지보수하기 위한 비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 주파수 대역 변경을 위해 디지털 필터 방식을 사용함으로써 주파수 대역이 좁아지고, 수신신호중 불필요한 잡음이 감소하여 측정 정밀도가 향상되는 것이다.
또한, 하나의 변환기에서 수위검출기와 유량검출기의 동시제어가 가능하여 수위측정과 함께 유량의 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수위,유량 측정장치의 설치 구성도,
도 2는 본 발명에 실시 예에 따른 수위,유량 측정장치의 블록 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 제어연산부의 작동구성도,
도 4는 종래의 아날로그 필터 방식과 본 발명의 디지털 필터 방식의 비교 그래프,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치를 이용한 수위,유량 측정방법의 흐름도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명은 사람이 들을 수 없는 주파수 대역인 초음파를 송신하고 송신된 초음파가 매질(예를 들면, 물과 같은 액체)에 반사되어 오는 수신 초음파와의 시간 간격 및 속도를 계산하여 수위를 측정하는 것이며, 더욱이 디지털 필터 방식의 주파수 대역폭 변조를 통해 잡음이 감소되어 수위측정능력이 향상되고 다양한 주파수 대역을 이용하여 광범위 측정이 가능하며, 주파수 대역이 다른 초음파센서에 모두 적용가능한 것이다.
본 발명의 초음파 수위측정장치(2)는 도 1에 도시된 바와 같이 측정하고자하는 위치에 초음파신호를 송수신할 수 있는 검출기(6)와, 서로 다른 채널(C1,C2...Cn)의 주파수 대역을 송수신하여 다수의 검출기(6)를 관리함에 따라 송수신되는 초음파신호를 제어함으로써 수위를 측정하는 변환기(4)로 구성한다.
상기에서 설명하는 채널(C1,C2...Cn)은 하나의 변환기(4)에 의해 일괄제어되는 다수의 검출기(6)를 표시하는 것이며, 검출기(6) 하나당 하나의 채널(C1,C2...Cn)로 설정되어 제어되는 것이다.
본 발명에서는 하나의 변환기(4)에 의해 수위를 측정함과 함께 측정된 수위를 이용하여 유량을 측정하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 초음파를 송수신하는 검출기(6)의 센서 표면을 볼록한 라운드 형태로 제작한다. 이는 주로 안개나 이슬이 많고 습한 지역, 우천시 또는 온도차에 의한 결로 발생시 초음파를 송수신할 수 없는 경우가 발생함에 따라 결로 발생시 센서의 표면 중앙으로 신속히 모이도록 하여 자유낙하 하도록 한 것이다. 또한, 센서 표면에 초당 5회의 표면 진동을 줌으로써 결로에 의한 수위측정 오류를 미리 차단할 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명의 변환기(4)와 검출기(6)의 구성을 상세히 설명하기 위한 블록도이다.
이를 참조하여 설명하면, 본 발명의 변환기(4)는 전반적으로 변환기(4)를 관리하고 제어하는 제어연산부(14)와, 변환기(4)에 전압을 공급하는 전원공급부(8)와, 공급된 전압을 사용전압에 맞게 변환하는 변압기(transfomer)(10)와, 변환기(4)의 상태를 알려주는 화면표시부(16)와, 상기 화면표시부(16)에 출력되는 화면상태를 조작하는 키제어부(18)와, 화면표시부(16)에 출력되는 정보를 관리하는 출력제어부(12)와, 제어연산부(14)에 의해 설정되는 초음파 신호를 채널별(C1,C2...Cn)로 관리하는 송수신초음파 동기화부(34)와, 제어연산부(14)에 의해 제어되는 초음파를 송수신하는 초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와, 송수신되는 초음파의 전송타이밍을 제어하는 초음파송수신전환제어부(24)로 구성하며, 변환기(4)에 의해 일괄제어되며 초음파를 송신하거나 반사되어 오는 초음파를 수신하는 검출기(6)가 설치된다.
본 발명의 제어연산부(14)는 변환기(4)의 동작을 전반적으로 관리하는 것으로, 특히 측정하고자 하는 다수의 위치에 설치된 검출기(6)의 채널별(C1,C2...Cn) 설정 주파수 대역에 맞는 다양한 초음파를 관리하며, 기존의 아날로그 필터 방식이 아닌 디지털 필터 방식을 채용함으로써 수신신호의 잡음이 적어 측정성능이 향상되고 주파수 대역이 좁아져 측정거리도 늘어나는 것이다.
더욱이 측정하고자 하는 위치가 다른 경우 다수 개의 검출기(6)를 설치하게 되는데, 이때 동일 주파수 대역 내지는 서로 다른 주파수 대역을 갖는 다수의 검출기(6)에 각각 설정된 주파수 대역에 맞는 초음파를 송신하여 이를 일괄제어하는 것이다.
상기 전원공급부(8)는 AC 85~264V 범위의 전압을 공급하며, 공급된 전원을 변압기(10)에 의해 변환기(4)에서 사용가능한 전압으로 변환한다.
화면표시부(16)는 제어연산부(14)를 통해 관리되는 변환기(4)의 현재 상태를 사용자가 알 수 있도록 LCD화면에 보여주는 것이며, 측정된 현재 수위, 5분~48시간 동안 측정된 수위의 변화 추이, 내장된 온도센서(미도시)에 의한 변환기(4) 및 검출기(6)의 온도, 변환기(4) 및 검출기(6)의 작동상태를 실시간으로 알려준다. 특히, 저장탱크의 경우 측정된 수위를 높이단위뿐만 아니라 저장탱크 전체용량 중 현재 저장된 용량을 퍼센트(%) 단위로 알려주는 것도 가능하다.
화면표시부(16)를 통해 출력되는 상태정보는 출력제어부(12)에 의해 관리되어 제어연산부(14)를 통해 출력된다. 출력제어부(12)는 제어연산부(14)를 통해 제어되는 상기의 상태정보를 사용자가 시각적으로 확인할 수 있도록 LCD 표시창을 통해 보여주며, 표시되는 상태정보 이외에도 LCD 표시창의 설정상태, 예를 들면 화면의 밝기, 상태정보들이 화면표시창에 보여지는 시간 간격, 표시창을 통해 보여지는 상태정보들의 종류 등을 제어하여 사용자의 편의를 돕는 것이다.
이러한 기능들은 키제어부(18)의 버튼 입력방식에 의해 작동신호를 입력받아 제어되어 화면표시부(16)에 출력하고자 하는 상태정보를 불러올 수 있으며, 화면표시부(16)에 표시되는 화면 상태를 불러오기 위해 터치 입력방식이나 별도의 무선송수신장치를 구비하여 외부에서 무선컨트롤러로 제어하는 것도 가능하다.
본 발명의 변환기(4)는 주파수 대역의 변조를 위해 디지털 필터 방식(가산기, 승산기, 시프트 레지스터)을 채용하여 기존의 물리적인 방식(코일, 콘덴서, 저항)이 아닌 소프트웨어적인 CPU제어 방식을 채택한 것이다. 따라서 제어연산부(14)를 통해 다양한 주파수 대역의 출력이 가능하며, 측정거리에 따라 서로 다른 주파수 대역의 초음파를 송신하는 검출기(6)에 모두 적용이 가능하다.
제어연산부(14)는 다수의 위치에 설치된 검출기(6)의 주파수 대역인 10~60㎑ 대역, 바람직하게는 20㎑, 24㎑, 43㎑, 50㎑ 대역에 맞는 초음파를 설정하며, 초음파송신부(20)와 레벨수신부(22)를 통해 설정된 초음파를 관리한다.
본 발명의 제어연산부(14)는 서로 다른 채널(C1,C2...Cn)의 초음파를 관리함에 따라 다수의 위치에 설치된 검출기(6)로 초음파를 송수신할 경우 주파수 대역이 변경된 초음파가 해당 주파수 대역으로 설정된 검출기(6)로 전달되도록 제어하는 것이 필요하다.
본 발명에서는 제어연산부(14)에 의해 서로 다른 채널(C1,C2...Cn)의 주파수 대역으로 변경된 초음파가 수위측정 높이에 따라 다른 주파수 대역이 설정된 검출기(6)로 송신될 수 있도록 하는 송수신초음파 동기화부(34)를 구성한다.
제어연산부(14)는 2 이상의 주파수 대역이나 서로 다른 주파수 대역으로 설정된 다수의 검출기(6)로 해당 초음파를 송신하는 것이며, 이때 송신된 초음파가 설정된 주파수 대역에 맞는 검출기(6)로 송신될 수 있도록 초음파 신호와 함께 도착할 검출기(6)의 위치정보를 함께 보내게 되며, 송수신초음파 동기화부(34)는 이러한 초음파 신호에서 검출기(6) 정보를 추출하여 수위측정을 위해 설치된 검출기(6)로 초음파가 송신될 수 있도록 제어한다.
즉, 다수의 검출기(6)로 송신되는 초음파를 제어하여 주파수 대역이 변경된 초음파가 측정높이에 따라 특정 주파수 대역으로 설정된 검출기(6)로 송신될 수 있도록 하여 하나의 변환기(4)에 의해 다수의 검출기(6)가 일괄제어될 수 있도록 하는 것이다.
더욱이, 검출기(6)를 통해 수신된 초음파가 어느 위치에서 어떤 주파수 대역으로 설정된 초음파인지를 확인하고 이를 제어연산부(14)로 전달함으로써 해당 검출기(6)의 송신시간과의 차이 및 속도를 이용하여 수위를 측정함으로써 다수의 검출기(6)와 초음파를 송수신하여도 특정 검출기(6)에서 측정된 수위를 확인할 수 있게 된다.
초음파송신부(20)는 제어연산부(14)에 의해 설정된 주파수 대역의 초음파를 검출기(6)로 송신될 수 있도록 전달하고, 레벨수신부(22)는 검출기(6)에 의해 송신된 초음파가 매질에 반사되어 되돌아온 수신 초음파를 제어연산부(14)로 전달한다.
초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와 검출기(6)를 통해 송수신되는 초음파는 초음파송수신전환제어부(24)를 통해 관리되어 제어연산부(14)에서 이를 거리값으로 변환할 수 있도록 한다.
초음파송수신전환제어부(24)는 제어연산부(14)와 검출기(6) 사이에서 제어연산부(14)를 통해 검출기(6)의 주파수 대역에 맞게 설정되어 초음파송신부(20)를 통해 검출기(6)로 출력되는 송신 초음파와 검출기(6)를 통해 송신된 후 매질에 반사되어 레벨수신부(22)로 전달된 수신 초음파의 신호전송 타이밍을 제어하여 원활하게 초음파의 송수신이 이루어질 수 있도록 한다.
이를 살펴보면, 제어연산부(14)를 통해 설정된 초음파가 초음파송신부(20)를 통해 검출기(6)로 출력될 경우에는 초음파송수신전환제어부(24)는 초음파송신기 역할을 하여 검출기(6)로 초음파를 전달하며, 검출기(6)를 통해 송신된 초음파가 매질에 반사되어 레벨수신부(22)로 전달된 수신 초음파가 될 경우에는 초음파송수신전환제어부(24)가 초음파수신기 역할을 하게 된다. 즉, 초음파의 송신, 수신 타이밍에 맞게 초음파송수신전환제어부(24)가 그 역할을 교대로 반복함으로써 송수신되는 초음파를 관리하며 이를 제어연산부(14)를 통해 연산하여 수위를 측정하게 된다.
본 발명에서는 상기에서와 같이 수위를 측정함과 함께 유량을 측정하는 것이 가능한 수위, 유량 측정장치이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다수 채널로 관리되는 다수의 검출기(6), 예를 들면 2개의 검출기(6)중에서 하나는 수위 측정용 검출기(6a)로 사용하고, 나머지 하나는 유량측정용 검출기(6b)로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제어연산부(14)에 의해 변환기(4)를 제어하여 초음파를 송수신함에 따라 수위와 유량을 측정하는 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3에서는 제어연산부(14)에 의해 2채널의 검출기(6)를 제어하는 구성을 설명하는 것이나, 필요에 따라 다수의 검출기(6)를 설치하고 이를 일괄제어하는 것도 가능하다.
2채널의 검출기(6) 중에서 먼저 수위검출기(6a)의 구성을 살펴보면, 본 발명의 제어연산부(14)는 진동자를 전기적 또는 기계적으로 진동시킴으로써 초음파를 발생시키고 발생한 초음파를 검출기(6)의 설정 주파수 대역에 맞게 변경하는 주파수 대역 설정부(28)로 발생 초음파를 전달한다.
주파수 대역 설정부(28)는 설치된 검출기(6)에서 사용가능한 주파수 대역에 맞게 주파수 대역을 설정하며, 예를 들면 측정거리에 따라 10~60㎑의 초음파로 설정한다. 참고로 초음파의 주파수 대역은 좁을수록 장거리를 측정할 수 있는 것이다.
주파수 대역 설정부(28)에 의해 검출기(6) 설정 주파수 대역에 맞게 변경된 초음파는 초음파송신부(20)로 전달되고 검출기(6)를 통해 송신된 초음파는 매질에 반사되어 레벨수신부(22)를 통해 다시 제어연산부(14)로 전달된다.
수신된 초음파는 레벨변환부(30)로 전달되며, 이때 레벨변환부(30)는 송신 초음파와 수신 초음파의 시간차 및 속도를 측정하고 이를 거리에 비례한 신호로 출력함으로써 수위를 측정하게 된다.
2채널의 검출기(6) 중에서 유량검출기(6b)의 구성을 살펴보면, 먼저 초음파를 송신하고 이를 이용하여 수위를 측정하는 것을 상기에서 설명한 수위검출기(6a)의 구성과 동일하다.
초음파에 의해 측정된 수위값은 유량변환부(32)로 전송되어 하기의 표에서와 같이 유량식에 의해 유량값으로 변환이 된다.
본 발명에는 유량측정 방법 중 측정구조물에 의한 방법으로 측정하며, 그 방법으로는 웨어측정법과 플룸측정법이 있으며, 특히 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 파샬 플룸(Parshall Flume) 유량식을 이용하여 수로(40)의 유량을 계산하는 것이다.
표 1은 측정된 수위값에 따른 유량측정 값을 계산하는 유량식을 보여준다.
throat 유량(㎣/h)
1 inch 0.173×Ha1 .55
2 inch 0.346×Ha1 .55
3 inch 0.507×Ha1 .55
6 inch 0.95×Ha1 .58
9 inch 1.677×Ha1 .53
Ha는 측정된 수위(cm)이다.
이를 살펴보면, 유량식은 유량(Q)=K×Ham이 될 수 있다. 이는 측정된 수위값에 따라 계산되는 유량식은 달라지며, 이는 수로(40)의 목부(42) 크기가 달라짐에 따라 경험적 계수(K, m)가 변경되고 이러한 목부(42) 크기에 비례하는 경험적 계수(K, m)와 측정 수위(Ha)를 이용하여 유량(Q)(㎥/h)을 계산하는 것이다.
아래의 표 2는 목부(42)의 폭이 더 넓어졌을 때의 유량계산식을 보여준다.
throat 유량(㎣/h)

1~8 feet
Figure 112014032189451-pat00001
P는 수로(40)의 전체폭이며, W는 목부(42)의 폭이다.
본 발명의 유량변환부(32)는 상기의 유량식에 의해 측정되 수위값을 유량값으로 변환하고, 이를 출력제어부(12)를 통해 화면표시부(16)로 전달하여 사용자가 이를 수치로 확인할 수 있다. 이때 화면표시부(16)에 표시되는 유량정보는 순간수위, 순간유량, 적산유량, 일정시간 동안의 유량변화추이 등이 될 수 있다.
도 4는 종래의 아날로그 필터 방식과 본 발명의 디지털 필터 방식에서의 주파수 대역을 비교한 것이다.
본 발명에서와 같이 주파수 대역의 변경을 아날로그 필터에서 디지털 필터 방식으로 대체함으로써 주파수 대역이 좁아서 좀 더 먼 거리를 측정할 수 있으며, 수신된 초음파에 포함되는 잡음이 감소되어 수위측정 정밀도가 높아진다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 수위,유량 측정장치(2)를 이용하여 수위,유량 측정방법에 대해 설명한다.
먼저, 다수 지점에 검출기(6)를 설치하고 측정하고자 하는 수위에 맞는 설정 주파수 대역을 확인한 후, 초음파를 주파수 대역 설정부(28)에 의해 채널별(C1,C2...Cn)로 검출기(6)의 설정 주파수 대역으로 변경한며, 설치되는 검출기는 수위측정을 위한 수위검출기(6a)와 유량측정을 위한 유량검출기(6b)로 구분될 수 있다.
이때, 검출기(6)에 설정된 주파수 대역은 측정 거리에 따라 설정되며, 근거리 측정(6.5m 이내)일 때는 60㎑ 대역, 원거리 측정(15m 이내)일 때는 40㎑ 대역, 장거리 측정(60m 이내)일 때는 20㎑ 대역으로 변경하여 검출기(6)로 전달하며, 수위검출기(6a)와 함께 유량검출기(6b)를 통해 각각 수위를 측정한다.
수위측정 지점의 측정거리에 따라 채널별(C1,C2...Cn)로 변경된 초음파는 해당 채널(C1,C2...Cn)에 맞는 주파수 대역의 검출기(6)로 초음파가 송신될 수 있도록 송수신초음파 동기화부(34)를 통해 제어되어 검출기(6)에 맞는 주파수 대역의 초음파가 전달된다.
검출기(6) 설정 주파수 대역으로 변경되어 전달된 초음파는 초음파송신부(20)를 통해 검출기(6)로 전달되며, 검출기(6)로 전달된 초음파는 수위를 측정하고자 하는 위치에서 초음파를 송신하게 된다.
검출기(6)에서 송신된 초음파는 매질에 부딪혀 반사되어 되돌아오며, 수신된 초음파는 레벨수신부(22)를 통해 다시 제어연산부(14)로 전달된다.
제어연산부(14)는 검출기(6) 중 수위측정을 위한 수위검출기(6a)를 통해 송신된 초음파의 송신 시간과 초음파가 매질에 부딪혀 되돌아온 수신 시간 차이 및 속도를 이용하여 레벨변환부(30)에서 이를 거리값으로 연산하게 되며, 연산된 거리값에 의해 수위를 측정한다.
또한, 유량측정용 유량검출기(6b)를 통해 측정된 수위값은 유량변환부(32)로 전송되어 유량식 Q(㎥/h)=K×Ham으로 계산된 유량값으로 변환된다.
이때, 초음파송수신전환제어부(24)에 의해 초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와 검출기(6) 사이에서 송수신되는 초음파 신호전송 타이밍을 관리하여 원활하게 초음파가 송수신될 수 있도록 한다.
제어연산부(14)에 의해 계산된 수위와 유량은 사용자가 이를 확인할 수 있도록 화면표시부(16)를 통해 순간수위, 순간유량, 적산유량지시, 정해진 시간 동안의 변화추이 등의 측정 정보를 보여주어 이를 확인할 수 있다.
또한, 송수신 초음파의 시간차 및 속도에 의해 수위를 측정한 후, 측정된 수위가 미리 설정된 수위범위를 벗어나면 별도의 제어기로 제어신호를 전송하여 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 배출하여 설정된 범위로 수위가 조절될 수 있도록 조절한다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 하나의 변환기(4)를 통해 다수의 검출기의 제어가 가능함에 따라 검출기의 제어가 용이한 것이고, 그에 따라 기기의 고장시 이를 유지보수하기 위한 비용도 절감할 수 있는 효과가 있는 것이며, 또한 주파수 대역 변경을 위해 디지털 필터 방식을 사용함으로써 주파수 대역이 좁아지고, 수신신호중 불필요한 잡음이 감소하여 측정 정밀도가 향상되는 것이다.
또한, 하나의 변환기(4)에서 수위검출기(6a)와 유량검출기(6b)의 동시제어가 가능하여 수위측정과 함께 유량의 측정이 가능한 효과가 있다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.
(2)-- 수위측정장치 (4)-- 변환기
(6)-- 검출기 (8)-- 전원공급부
(10)-- 변압기 (12)-- 출력제어부
(14)-- 제어연산부 (16)-- 화면표시부
(18)-- 키제어부 (20)-- 초음파송신부
(22)-- 레벨수신부 (24)-- 초음파송수신전환제어부
(28)--주파수 대역 설정부 (30)-- 레벨변환부
(32)-- 유량변환부 (34)-- 송수신초음파 동기화부
(40)-- 수로 (42)-- 목부
(C1,C2...Cn)-- 채널

Claims (6)

  1. 초음파를 이용한 수위측정장치에 있어서,
    수위측정 거리에 따라 설정된 주파수 대역의 초음파를 송수신하는 다수의 검출기(6)를 설치하되, 상기 검출기(6)는 수위측정을 위한 수위검출기(6a)와 유량측정을 위한 유량검출기(6b)로 구성하며, 검출기(6)들을 채널별(C1,C2...Cn)로 관리하되, 수위검출기(6a)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 이용하여 수위를 측정하고, 유량검출기(6b)를 통해 송수신되는 초음파를 제어함과 함께 송수신되는 초음파를 통해 측정된 수위를 이용하여 수로(40)의 유량을 측정하는 변환기(4)를 구성하되, 변환기(4)는 AC 전압을 공급하는 전원공급부(8)와, 초음파를 디지털 필터 방식에 의해 검출기(6)의 설정 주파수 대역으로 변경하여 이를 채널별(C1,C2...Cn)로 관리하고 검출기(6)에 의해 측정되는 초음파의 송수신 시간차와 속도를 이용하여 거리값을 연산하며 수위측정에 따른 변환기(4)의 상태정보를 제공하는 제어연산부(14)와, 상기 제어연산부(14)에 의해 채널별(C1,C2...Cn)로 구분관리되는 주파수 대역이 설정된 검출기(6)로 초음파가 전달될 수 있도록 하고 검출기(6)를 통해 수신된 초음파를 채널별(C1,C2...Cn)로 분류하여 제어연산부(14)로 전송하는 송수신초음파 동기화부(34)와, 상기 제어연산부(14)와 검출기(6) 사이에서 초음파를 송수신하는 초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와, 상기 초음파송신부(20)와 레벨수신부(22)를 통해 송수신되는 초음파 신호의 전송타이밍을 관리하기 위해 초음파 송수신기의 역할을 교대로 수행하는 초음파송수신전환제어부(24)와, 제어연산부(14)에 의해 제공되는 상태정보를 LCD 표시창을 통해 알려주는 화면표시부(16)와, 화면표시부(16)에 표시되는 상태정보의 출력을 관리하는 출력제어부(12)로 구성함을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    제어연산부(14)에 의해 채널별(C1,C2...Cn)로 설정되는 초음파의 주파수 대역은 10~60㎑인 것을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    제어연산부(14)는 검출기(6)에 의해 측정된 수위값을 연산하되, 수위검출기(6a)에 의해 측정된 거리값을 연산하여 수위를 측정하는 레벨변환부(30)와, 유량검출기(6b)에 의해 측정된 수위을 이용하여 수로(40)의 유량을 계산하는 유량변환부(32)로 구성함을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치.
  5. 초음파 수위측정장치를 이용한 수위,유량 측정방법에 있어서,
    수위를 측정하고자하는 거리에 따라 설치된 다수 검출기(6)의 설정 주파수 대역을 확인한 후, 초음파를 다수 검출기(6)의 설정 주파수 대역으로 변경하되, 수위를 측정하고자 하는 위치에는 수위검출기(6a)를 설치하고, 유량을 측정하고자 하는 위치에는 유량검출기(6b)를 설치하여 주파수 대역 설정부(28)에 의해 디지털 필터 방식으로 검출기(6)의 수위측정 거리에 따라 10~60㎑ 대역의 초음파로 변경하여 이를 송수신초음파 동기화부(34)에 의해 채널별(C1,C2...Cn)로 구별한 후 초음파송신부(20)로 출력하며,
    채널별(C1,C2...Cn)로 구별되어 초음파송신부(20)로 전달된 초음파는 설정된 주파수 대역이 일치하는 검출기(6)를 통해 송신되고, 송신된 초음파가 매질에 부딪혀 반사되어오는 수신 초음파를 수신한 검출기(6)는 이를 레벨수신부(22)로 전달하되, 초음파송수신전환제어부(24)를 통해 초음파송신부(20), 레벨수신부(22)와 검출기(6) 사이에서 초당 5~10회 송수신되는 초음파의 송수신 역할을 교대로 반복하여 초음파의 송수신 신호전송 타이밍을 제어하고, 레벨수신부(22)로 전송된 수신 초음파를 송수신초음파 동기화부(34)에 의해 설정된 채널별(C1,C2...Cn)로 분류하여 제어연산부(14)로 전달하며,
    검출기(6)를 통해 송수신된 초음파의 송수신 시간차와 속도를 이용하여 레벨변환부(30)를 통해 이를 거리값으로 연산하여 수위를 측정하되, 채널별(C1,C2...Cn)로 구별된 검출기(6)들 중에서 수위측정용 수위검출기(6a)를 통해 측정된 거리값은 레벨변환부(30)로 전송되어 수위를 측정하고 유량측적용 유량검출기(6b)를 통해 측정된 거리값은 유량변환부(32)로 전송되어 이를 유량식에 의해 연산하여 유량을 측정하며, 측정된 수위가 미리 설정된 수위범위를 벗어날 경우에는 제어기를 통해 펌프를 작동시켜 물을 유입시키거나 외부로 배출하여 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 함을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치를 이용한 수위, 유량 측정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    유량변환부(32)에 의해 계산되는 유량은 수로(40) 목부(42)의 폭(W)이 1~9인치(inch) 일 때는 Q=K×Ham(K,m은 경험적 계수, Ha는 수로(40)의 수위)의 유량식에 의해 유량을 계산하고, 폭(W)이 1~8피트(feet) 일 때는
    Figure 112014041059570-pat00008
    (P는 수로(40)의 전체폭)의 유량식에 의해 유량을 계산함을 특징으로 하는 수위와 유량의 동시측정이 가능한 초음파 수위측정장치를 이용한 수위, 유량 측정방법.
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