KR101736678B1 - 표면장력식 우량계 및 강우량 측정방법 - Google Patents

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KR101736678B1 KR1020160107264A KR20160107264A KR101736678B1 KR 101736678 B1 KR101736678 B1 KR 101736678B1 KR 1020160107264 A KR1020160107264 A KR 1020160107264A KR 20160107264 A KR20160107264 A KR 20160107264A KR 101736678 B1 KR101736678 B1 KR 101736678B1
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신강욱
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한국수자원공사
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Abstract

본 발명은, 집수영역 안으로 하강하는 강우를 수집하는 집수조, 상기 집수조에서 수집된 강우를 일시적으로 저장하는 저수조, 상기 저수조에 연결되며, 상기 저수조에 저장된 강우가 내부를 통과하여 물방울 형태로 낙하되도록 형성되는 세관, 상기 세관으로부터 낙하되는 물방울을 감지하여 전기신호를 생성하는 물방울 감지센서 및 상기 세관의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하며, 상기 물방울 감지센서에서 생성된 전기신호에 기초하여, 상기 물방울의 개수를 카운트하고, 상기 물방울의 크기에 물방울의 개수를 곱하여 강우량을 산출하는 제어부를 포함하는 표면장력식 우량계를 제공한다.

Description

표면장력식 우량계 및 강우량 측정방법{Surface tension type rain gauge and method for measuring a rainfall}
본 발명은 표면장력식 우량계 및 강우량 측정방법에 관한 것이다.
우량계는 집수형 및 비집수형이 있으며, 집수형 우량계에는 중량식 우량계 및 전도형 우량계 등이 있으며, 비집수형 우량계에는 광학식 우량계, 레이다식 우량계 등이 있다.
전도형 우량계는 강우가 일정량에 도달하면 전도되는 전도 버켓(Tipping Bucket)을 이용하여, 전도 버켓이 전도되는 횟수를 전기적 신호로 카운트하여 강우량을 측정한다. 일반적으로 수문관측 분야에 사용되는 전도형 우량계는 1(mm)의 분해능을 갖는다. 이는 강우가 직경이 20cm인 원통 내에 집수되어 1(mm)높이의 수위를 갖는 양을 말한다.
우량계는 기상 관측 및 댐의 수문 관측 등을 위해 사용되며, 이슬비부터 장마철 폭우에 이르는 다양한 강우강도에도 대처할 수 있는 고정밀 우량계에 대한 요구가 계속되고 있다.
KR 10-1388211 B1
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 저수조에 일시적으로 저장되는 강우를 저수조 하단에 연결된 세관을 통하여 물방울 형태로 낙하시키고, 세관으로부터 낙하하는 물방울의 개수를 카운트하고, 세관의 직경과 표면장력을 기초로 물방울의 크기를 산출한 후, 물방울의 개수와 물방울의 크기를 곱하여 강우량을 산출하는 표면장력식 우량계 및 강우량 측정방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 저수조의 내부에 격벽을 설치하여 복수의 저수영역을 형성하고, 저수영역마다 적어도 하나의 세관을 설치하여, 각 세관으로부터 낙하하는 물방울의 개수와 물방울의 크기를 곱한 값을 합산하여, 강우량을 산출하는 표면장력식 우량계 및 강우량 측정방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계는, 집수영역 안으로 하강하는 강우를 수집하는 집수조, 상기 집수조에서 수집된 강우를 일시적으로 저장하는 저수조, 상기 저수조에 연결되며, 상기 저수조에 저장된 강우가 내부를 통과하여 물방울 형태로 낙하되도록 형성되는 세관, 상기 세관으로부터 낙하되는 물방울을 감지하여 전기신호를 생성하는 물방울 감지센서 및 상기 물방울 감지센서에서 생성된 전기신호에 기초하여, 물방울의 개수를 카운트하고, 세관의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하며, 상기 물방울의 개수에 상기 물방울의 크기를 곱하여 강우량을 산출하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 저수조에 일시적으로 저장된 강우의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도센서로부터 측정한 강우의 온도에 기초하여 표면장력값을 보정하고, 상기 보정된 표면장력값과 상기 세관의 직경에 기초하여 상기 물방울의 크기를 산출한다.
또한, 상기 집수조의 상단에 결합되어 이물질을 걸러내는 필터를 더 포함하고, 상기 집수조는 상방으로 개방된 상단이 직경이 20cm 인 원형으로 형성되며, 하단으로 갈수록 좁아지는 깔대기 형상으로 형성된다.
또한, 상기 세관은 저수조에 탈부착 가능하도록 형성된다.
또한, 상기 세관은 상단이 상기 저수조의 하면에 연결되며, 중력방향에 대하여 사선으로 기울어지도록 중단이 절곡되고, 하단이 상기 물방울 감지센서를 향하도록 형성된다.
또한, 상기 집수조의 외측 하부와 상기 저수조의 외측 하부에 설치되며, 상기 제어부에 의해 온오프 제어되는 히터를 더 포함한다.
또한, 상기 저수조는 내부영역을 분리하여 복수의 저수영역을 형성하도록, 하면으로부터 수평면에 수직방향으로 돌출되는 적어도 하나 이상의 격벽을 내부에 포함하고, 상기 복수의 저수영역마다 적어도 하나 이상의 세관이 연결되며, 상기 물방울 감지센서는 상기 각 세관의 물방울 낙하위치에 상기 각 세관마다 배치된다.
또한, 상기 저수조는 상기 하면이 일방향으로 경사지도록 형성되며, 상기 격벽은 상기 하면으로부터의 높이가 동일하게 형성되고, 상기 하면의 가장 낮은 부분에 연결된 상기 저수조의 측면에 상기 격벽의 높이와 동일한 높이에 초과흐름배출구가 형성되며, 상기 세관은 상기 각 저수영역마다 동일한 직경의 세관이 연결된다.
또한, 상기 저수조는 상기 하면이 일방향으로 경사지도록 형성되며, 상기 하면의 낮은 부분에 형성되는 격벽일수록 높이가 높고, 상기 세관은 상기 하면의 낮은 부분에 연결되는 세관일수록 넓은 직경을 갖는다.
본 발명의 일실시예에 따른 강우량 측정방법은, 물방울 감지센서가 세관으로부터 낙하하는 물방울을 감지하여, 전기신호를 생성하는 측정단계, 제어부가 상기 세관의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하는 물방울 크기 산출단계, 상기 제어부가 상기 물방울 감지센서에서 생성된 전기신호에 기초하여, 물방울의 개수를 카운트하는 계수단계 및 상기 제어부가 상기 물방울 크기 산출단계에서 산출된 상기 물방울의 크기에 상기 계수단계에서 카운트된 상기 물방울의 개수를 곱하여, 강우량을 산출하는 강우량 산출단계를 포함한다.
또한, 상기 측정단계와 병렬로 실시되는, 저수조에 저장된 강우의 온도를 온도센서로 측정하는 온도측정단계 및 상기 제어부가 상기 온도측정단계에서 측정된 상기 강우의 온도에 기초하여 표면장력값을 보정하는 표면장력값 보정단계를 더 포함하고, 상기 물방울 크기 산출단계는 상기 보정된 표면장력값 및 상기 세관의 직경에 기초하여 상기 물방울의 크기를 산출한다.
또한, 상기 측정단계는 저수조에 포함된 복수의 저수영역에, 각 저수영역마다 적어도 하나 이상 연결된 세관에서 낙하하는 물방울을 상기 각각의 세관에 대응하는 물방울 감지센서가 감지하여, 상기 각각의 물방울 감지센서가 전기신호를 생성하며, 상기 물방울 크기 산출단계는 상기 제어부가 상기 각각의 세관의 직경에 기초하여 상기 각각의 세관마다 물방울의 크기를 산출하고, 상기 계수단계는 상기 제어부가 상기 각각의 물방울 감지센서에서 생성된 전기신호에 기초하여, 상기 각각의 물방울 감지센서에 낙하한 물방울의 개수를 동시에 카운트하며, 상기 강우량 산출단계는 상기 제어부가 상기 각각의 세관마다 산출된 물방울의 크기에 상기 계수단계에서 카운트된 상기 각각의 세관에서 낙하한 물방울의 개수를 곱하여 각 세관마다 강우량을 산출하고, 상기 산출된 강우량을 합산하여 최종강우량을 산출한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 표면장력식 우량계는 세관으로부터 낙하하는 물방울의 개수와 물방울의 크기에 기초하여 강우량을 산출하므로, 단일 물방울의 크기(부피 또는 무게)만큼 강우량을 정밀하게 측정할 수 있으므로, 분해능이 향상된다.
또한, 저수조에 일시적으로 저장되는 강우의 온도를 온도센서로 측정하고, 측정된 온도에 기초하여 표면장력값을 보정하며, 보정된 표면장력 값에 기초하여 물방울의 크기를 산출함으로써, 온도변화에 영향을 받지 않고 정밀한 강우량 측정이 가능하다.
또한, 집수조 및 저수조에 히터(또는 열선)를 설치하여, 동절기에 강설량을 측정할 수 있으며, 집수조, 저수조, 세관의 결빙을 방지한다.
또한, 저수조 내부에 복수의 저수영역을 형성하도록 격벽을 설치하고, 복수의 저수영역 각각에 세관을 적어도 하나 이상 설치하여, 각 세관으로부터 낙하하는 물방울의 개수와 물방울의 크기를 곱한 값을 합산하여 강우량을 측정함으로써, 복수의 세관을 통해 물방울이 낙하하므로 단위시간당 많은 강우량을 정확하게 측정할 수 있어, 강우강도가 높은 하절기의 장마철이라도 높은 정밀도를 갖는 강우량 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계의 구성도;
도 2는 상기 도 1에 따른 표면장력식 우량계에 부가적인 구성이 추가된 구성도;
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세관의 상세도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계의 구성도;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계의 구성도;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 강우량 측정방법의 순서도이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계의 구성도, 도 2는 상기 도 1에 따른 표면장력식 우량계에 부가적인 구성이 추가된 구성도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세관의 상세도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)는, 집수영역 안으로 하강하는 강우를 수집하는 집수조(100), 집수조(100)에서 수집된 강우를 일시적으로 저장하는 저수조(200), 저수조(200)에 연결되며, 저수조(200)에 저장된 강우가 내부를 통과하여 물방울 형태로 낙하되도록 형성되는 세관(300), 세관(300)으로부터 낙하되는 물방울(301)을 감지하여 전기신호를 생성하는 물방울 감지센서(410), 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하며, 물방울 감지센서(410)에서 생성된 전기신호에 기초하여, 물방울의 개수를 카운트하고, 물방울의 크기에 물방울의 개수를 곱하여 강우량을 산출하는 제어부(500)를 포함한다.
종래, 전도형 우량계는 두 개의 버킷이 연결된 전도버킷을 이용하여, 하나의 버킷에 일정량의 강우가 수용되면 전도되면서 강우를 배출하고 1회 전도가 기록되고, 다른 버킷에 강우가 수용된다. 전도형 우량계는 버킷이 전도되기 시작하는 시점부터는 더이상 강우가 투입되지 않아야 정확한 측정이 가능하다. 그러나, 강우강도가 높아 단시간에 많은 강우가 유입되는 상황에서 버킷이 전도되는 순간에도 강우가 버킷에 낙하하므로, 강우량을 정확히 측정할 수 없다. 또한, 강우강도가 높은 상황에서는 버킷의 전도중에 낙하하는 강우가 더 많아지므로, 전도형 우량계는 강우강도가 높을수록 정확도가 낮아진다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)는 강우강도가 높은 상황에서도 높은 정밀도를 갖도록, 세관(300)을 통해 강우를 물방울 형태로 낙하시키고, 물방울 감지센서(410)가 낙하하는 물방울(301)을 감지하여 제어부(500)가 물방울의 개수를 카운트한다. 종래 전도형 우량계의 버킷 용량보다 물방울 하나의 크기가 상대적으로 매우 작으므로, 더 정확한 강우량 측정이 가능하다. 또한 강우강도가 높더라도 저수조(200)에서 일시적으로 강우를 저장하고, 저수조(200)에 연결된 세관(300)에서 물방울이 순차적으로 낙하하므로, 강우량을 정확히 측정할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 집수조(100)는 일정한 집수영역 내에 하강하는 강우를 수집하여 저수조(200)로 전달한다. 집수조(100)는 상단이 상방으로 개방되고 하단으로 갈수록 좁아지는 깔대기 형상으로 형성될 수 있다. 집수조(100)의 상단은 직경이 20cm 인 원형으로 형성될 수 있다. 집수조(100) 상단의 형태와 면적은 다양하게 변형될 수 있으며, 강우량 측정기준에 따라 형성될 수 있다.
집수조(100) 하단에는 강우를 저수조(200)로 배출하는 강우배출구(110)가 형성된다. 집수조(100)에서 배출되는 강우가 저수조(200)의 내측면을 타고 흐르도록, 집수조(100) 하단의 강우배출구(110)는 저수조(200)의 내측면을 향해 형성된다.
이러한 강우배출구(110) 구조는 강우강도가 높은 경우, 집수조(100)에서 배출되는 강우가 세관(300)으로 곧바로 낙하하는 충격으로 물방울의 크기가 변동되는 문제를 최소화한다. 강우배출구(110)는 우량계가 설치되는 지역의 순간 최대 강우량이 클수록 직경이 넓게 형성될 수 있다.
저수조(200)는 집수조(100)에서 수집한 강우를 일시적으로 저장하고, 저수조(200)의 하면(220)에 연결된 세관(300)을 통하여 물방울을 낙하시킨다. 저수조(200)의 하면(220)에는 세관(300)이 연결된다. 저수조(200)의 상단은 상방으로 개방되게 형성되고, 저수조(200)의 하면(220)은 중력방향에 대해 경사지게 형성되고, 저수조(200) 하면(220)의 가장 낮은 부분에 세관(300)이 연결된다. 저수조(200)의 형태 및 저수용량은 본 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
세관(300)은 저수조(200)에 연결되어, 저수조(200)에 저장된 강우가 내부를 통과하여 물방울 형태로 낙하되도록, 얇은 관 형태로 형성된다. 저수조(200)에 저장된 강우는 세관(300) 내부를 통해 흘러, 표면장력과 중력에 의해 물방울 형태로 낙하된다. 세관(300)은 실리콘, 고무, 스테인레스, 유리 등의 다양한 재질로 형성될 수 있다. 세관(300)은 직경이 2(mm), 5(mm) 등으로 형성될 수 있으며, 요구되는 강우환경 또는 정밀도 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
물방울 감지센서(410)는 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울(301)이 도착하는 지점에 위치한다. 물방울 감지센서(410)는 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울(301)을 감지하여 전기신호를 생성하고 제어부(500)에 전기신호를 제공한다. 물방울 감지센서(410)는 스프링형 리미티드 스위치, 압전센서를 이용하는 압력감지형 카운터, 발광부와 수광부로 구성된 광센서 등을 이용할 수 있다.
물방울 감지센서(410)가 압력감지형 카운터와 같이 물방울(301)과 직접 접촉하는 방식인 경우, 물방울 감지센서(410)는 물방울(301)이 흘러내리도록 중력방향에 대하여 기울어지게 배치될 수 있다. 이는 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울(301)이 물방울 감지센서(410)에 낙하된 후, 다음 물방울(301)이 낙하되기 전까지 센서에 머물러 있는 경우 발생할 수 있는 측정오차를 줄이기 위함이다.
제어부(500)는 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하며, 물방울 감지센서(410)에서 생성된 전기신호에 기초하여, 물방울의 개수를 카운트하고, 물방울의 크기에 물방울의 개수를 곱하여 강우량을 산출한다. 여기에서 물방울의 크기는 물방울 하나의 부피 또는 질량을 통틀어 말하는 것으로, 물 1(㎖)의 질량이 1(g) 이므로 서로 환산할 수 있다.
제어부(500)가 물방울의 크기를 산출하고 물방울의 개수를 카운트하여 강우량을 측정하는 방법은 후술하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)는 집수조(100)의 개방된 상단에 결합되는 필터(120)를 더 포함할 수 있다. 필터(120)는 강우와 함께 유입될 수 있는 이물질을 걸러낸다. 필터(120)는 집수조(100)로부터 탈착 가능하도록 형성되어, 표면장력식 우량계의 점검시 필터(120)를 교환할 수 있도록 결합된다. 필터(120)는 집수조(100)의 상단뿐만 아니라 강우배출구(110)로부터 배출되는 강우에 포함된 미세한 이물질을 걸러내기 위하여 저수조(200)에도 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)는 저수조(200)에 일시적으로 저장된 강우의 온도를 측정하는 온도센서(420)를 더 포함하고, 제어부(500)는 온도센서(420)로부터 측정한 강우의 온도에 기초하여 표면장력값을 보정하고, 보정된 표면장력값과 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출한다.
물의 표면장력은 물의 온도에 따라 변하는 값이며, 물방울의 크기는 표면장력에 영향을 받는다. 세관(300)에서 낙하하는 물방울의 크기를 산출하기 위하여 강우의 온도에 따른 표면장력값을 고려하므로 정확한 물방울 크기를 산출할 수 있고, 강우량을 정확하게 측정할 수 있다. 표면장력값을 보정하여 물방울의 크기를 산출하는 방법은 후술하도록 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)는 동절기 강설량을 측정하고 저수조(200), 집수조(100) 및 세관(300)의 결빙을 방지하기 위하여, 히터(430)를 더 포함할 수 있다. 집수조(100)의 강우배출구(110) 및 저수조(200)의 세관(300)이 결빙되는 경우, 우량계의 작동이 정지되므로 일정 온도 이상으로 유지할 필요가 있다.
히터(430)는 집수조(100)의 외측 하부 및 저수조(200)의 외측 하부에 설치될 수 있으며, 강우배출구(110) 및 세관(300)에 인접하도록 설치될 수 있다. 히터(430)는 카본, 니크롬 등을 포함하는 열선으로 형성될 수 있으며, 열선 이외에 부가적인 구성을 더 포함할 수 있으며, 히터(430)의 종류는 본 실시예에 한정되지 않는다.
히터(430)는 일정온도범위 내에서 작동하도록 제어부(500)에 의해 온오프(On Off)제어된다. 예를 들면, 강우계의 외부에 강설을 감지하는 센서를 더 포함하여, 강설시 제어부(500)가 히터(430)를 작동시키도록 구성할 수 있다. 또는 바이메탈을 이용하여 4℃ 에서 히터(430)가 온(On)되고 15℃ 가 되면 히터(430)가 오프(Off)되도록 구성할 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)의 세관(300)은 저수조(200)에 탈부착 가능하도록 결합될 수 있다. 저수조(200)의 하면(220)에 세관연결부(210)가 아래로 돌출되어 형성되고, 세관(300)의 상단(310)이 세관연결부(210)에 끼움결합할 수 있다. 세관(300)이 실리콘 또는 고무 등의 탄성을 갖는 재질로 형성된 경우, 세관(300)의 상단(310)을 저수조(200)의 세관연결부(210)에 쉽게 탈부착 가능하다. 세관연결부(210)와 세관(300)의 결합방법은 본 실시예에 한정되지 않고, 세관연결부(210)의 외면과 세관(300)의 상단(310)의 내면에 나사산이 형성되어 세관(300)은 세관연결부(210)에 나사결합될 수도 있다.
종래의 전도형 우량계는 정기적으로, 예를 들면 3년에 한번씩, 검정 및 교정을 실시하여 강우량 측정의 정밀도를 점검할 필요가 있다. 전도 버킷이 정확한 시점에 전도되는지 여부 등을 확인하고, 정확한 시점에 전도되도록 조정하는 작업에 시간과 노력이 많이 소요되었다.
이에 비하여, 저수조(200)에 세관(300)을 탈착 가능하도록 구성함으로써, 새로운 세관(300)을 기존에 결합되어 있던 노후한 세관(300)과 교환함으로써, 정기적인 유지보수에 소요되는 노력과 비용을 절감할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(1)의 세관(300)은 상단(310)이 저수조(200)의 하면(220)에 연결되며, 중력방향에 대하여 사선으로 기울어지도록 세관(300)의 중단(320)이 절곡되고, 세관(300)의 하단(330)이 물방울 감지센서(410)를 향하도록 형성될 수 있다. 세관(300)이 중력방향에 대하여 기울어진 각도, 절곡되는 횟수 및 기울어진 부분의 길이와 같은 세관(300)의 구체적인 형태는 본 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
저수조(200)에 일시적으로 저장되는 강우가 많은 경우, 저수조(200)에 저장된 강우의 높이와 비례하여 낙하하는 물방울의 간격이 짧아지고 결국에는 연속하여 강우가 흐르게 될 수 있다. 세관(300)의 중단(320)이 절곡되어 중력방향에 대하여 기울어진 경사부분이 형성됨으로써, 강우가 세관(300)의 내부를 따라 흐르는 과정에서 강우가 중력방향으로 직하하지 않게 되고, 강우의 유속이 낮아지게 되어, 최종적으로 세관(300)의 하단(330)에서 물방울의 형태로 낙하한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계(2)를 설명하며, 중복되는 설명은 생략한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계의 구성도이다.
저수조(200)에 연결된 세관(300)이 하나인 경우, 장마철과 같이 강우강도가 높은 환경에서 단위시간당 집수되는 강우량이 우량계의 단위시간당 처리용량을 초과할 수 있다. 이러한 경우, 저수조(200)에 저장되는 강우의 양은 계속하여 증가하며, 최종적으로 저수조(200)의 용량을 초과할 수 있다. 그리고, 저수조(200)에 저장된 강우가 모두 측정되기까지 시간이 소요되며, 이러한 지연시간은 강우량을 실시간으로 산출하기 어렵게 한다.
이에 대하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계(2)는 저수조(200)에 복수의 세관(300.1 내지 300.4)을 연결하고, 각각의 세관(300)에서 낙하하는 물방울의 개수를 카운트할 수 있도록 각 세관(300.1 내지 300.4)마다 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)를 설치한다.
저수조(200)에 저장된 강우가 제1 세관(300.1) 내지 제4 세관(300.4)을 통해 제1 물방울 감지센서(410.1) 내지 제4 물방울 감지센서(410.4)에 동시에 낙하되므로, 우량계의 시간당 처리용량이 향상된다. 따라서 높은 강우강도에도 정확한 측정이 가능하고, 강우량을 산출하는데 소요되는 시간지연을 감소시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 저수조(200)는 내부영역을 분리하여 복수의 저수영역(230)을 형성하도록, 저수조(200)의 하면(220)으로부터 수평면에 수직방향으로 돌출되는 적어도 하나 이상의 격벽(240)을 내부에 포함하고, 각각의 저수영역(230)마다 적어도 하나 이상의 세관(300)이 연결된다. 그리고 각각의 세관(300)의 물방울 낙하위치에 물방울 감지센서(410)가 배치된다.
즉, 저수조(200)의 내부에 격벽(240)이 형성되어, 격벽(240)이 하나의 저수영역(230)을 분리하여 저수조(200) 내부에 복수의 저수영역(230)을 형성한다. 도 5에 개시된 바와 같이, 집수조(100)는 저수조(200)의 복수의 저수영역들(230.1 내지 230.4) 중 제1 저수영역(230.1)으로 강우를 배출한다. 제1 저수영역(230.1)에 연결된 제1 세관(300.1)을 통해 낙하하는 물방울의 양보다 집수조(100)에서 제1 저수영역(230.1)으로 배출되는 강우가 많은 경우, 제1 저수영역(230.1)에서 제2 저수영역(230.2)으로 물이 넘쳐 흐르게 된다.
제1 저수영역(230.1)에서 넘쳐흐른 강우로 제2 저수영역(230.2)의 저수용량이 완전히 채워지기 전까지 제1 세관(300.1) 및 제2 저수영역(230.2)에 연결된 제2 세관(300.2)을 통해 물방울이 낙하하게 된다. 제어부(500)는 제1 세관(300.1)에서 낙하하는 물방울을 감지하는 제1 물방울 감지센서(410.1) 및 제2 세관(300.2)에서 낙하하는 물방울을 감지하는 제2 물방울 감지센서(410.2)로부터 입력되는 전기신호들 각각으로부터 물방울의 개수를 카운트한다.
상술한 바와 동일하게, 제1 세관(300.1) 및 제2 세관(300.2)을 통해 낙하하는 물방울의 양보다 집수조(100)로부터 배출되는 강우가 많은 경우, 제2 저수영역(230.2)에서 제3 저수영역(230.3)으로 물이 넘쳐 흐르고, 제1 세관(300.1), 제2 세관(300.2) 및 제3 세관(300.3)을 통해 물방울이 낙하한다. 제어부(500)는 제1 물방울 감지센서(410.1), 제2 물방울 감지센서(410.2) 및 제3 물방울 감지센서(410.3)를 통해 물방울의 개수를 카운트한다.
제어부(500)는 각 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)로부터 입력되는 전기신호를 동시에 처리하여, 각 세관(300.1 내지 300.4)에서 낙하하는 물방울의 개수를 각각 카운트한다. 그리고 제어부(500)는 각 세관(300.1 내지 300.4)마다 물방울의 개수와 물방울의 크기를 곱하여 강우량을 산출하고, 전체 세관(300.1 내지 300.4)의 강우량을 합산하여 최종강우량을 산출한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계의 저수조(200)는 하면(220)이 일방향으로 경사지도록 형성되며, 격벽(240)은 저수조(200)의 하면(220)으로부터의 높이가 동일하게 형성되고, 저수조(200)의 하면(220)의 가장 낮은 부분에 연결된 저수조(200)의 측면에 격벽(240)의 높이와 동일한 높이에 초과흐름배출구(250)가 형성되며, 세관(300)은 각 저수영역마다 동일한 직경의 세관(300)이 연결된다.
즉, 저수조(200)의 하면(220)은 중력방향에 대하여 경사지도록 형성되어 강우가 낮은 부분으로 흐르도록 형성된다. 저수조(200)의 내부 저수영역(230)을 분리하는 격벽(240)이 저수조(200)의 하면(220)으로부터 돌출되어 형성됨으로써, 각 저수영역(230.1 내지 230.4)에 저장되는 물은 각 저수영역(230.1 내지 230.4)에서 가장 낮은 위치로 흐르며, 각 저수영역의 가장 낮은 위치에 세관(300.1 내지 300.4)이 연결된다.
제1 격벽(240.1), 제2 격벽(240.2) 및 제3 격벽(240.3)은 도 5에 도시된 바와 같이, 저수조(200)의 하면으로부터의 높이가 일정하게 형성된다. 그리고, 제4 저수영역(230.4)의 저수조(200) 하면(220)의 가장 낮은 부분부터 제1 내지 제3 격벽(240.1 내지 240.3)의 높이와 동일한 높이인 저수조(200) 측면에 초과흐름배출구(250)가 형성된다.
초과흐름배출구(250)는 제1 내지 제3 격벽(240.1 내지 240.3)의 높이와 동일한 높이에 형성되므로, 제1 저수영역(230.1)의 저수용량을 초과하는 강우는 초과흐름배출구(250)를 통해 강우계의 외부로 배출된다. 초과흐름배출구(250)를 통해 배출되는 강우는 다시 제1 저수영역(230.1) 또는 다른 강우계로 운반되어 강우량 측정에 포함될 수 있다.
이러한 격벽구조는 제1 내지 제4 저수영역(230.1 내지 230.4)의 저수용량을 동일하게 형성할 수 있는 이점이 있다. 저수용량이 동일한 경우 각 저수영역(230)의 개수를 늘리고, 각 저수영역(230)의 저수용량을 줄이면, 단위시간당 처리용량을 상승시킴과 동시에, 강우량 측정의 지연시간도 감소시킬 수 있다.
각 세관(300.1 내지 300.4)의 직경이 동일하므로, 제어부(500)는 각각의 세관(300.1 내지 300.4)으로부터 낙하하는 물방울의 개수를 모두 합하고 물방울의 크기를 곱하여 최종강우량을 산출할 수 있고, 각각의 세관(300.1 내지 300.4)으로부터 낙하하는 물방울의 개수에 물방울의 크기를 곱하여 각 세관(300.1 내지 300.4)마다 강우량을 산출하고, 복수의 세관(300.1 내지 300.4)의 강우량을 합산하여 최종 강우량을 산출할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면장력식 우량계의 저수조(200)는 하면(220)이 일방향으로 경사지도록 형성되며, 저수조(200)의 하면(220)의 경사방향의 위에 형성되는 격벽(240)의 수평면으로부터의 높이보다 경사방향 아래에 형성되는 격벽(240)의 수평면으로부터의 높이가 높고, 세관(300)은 저수조(200)의 하면(220)의 경사방향의 아래에 연결되는 세관(300)일수록 넓은 직경을 갖는다.
즉, 일방향으로 경사진 저수조(200) 하면(220)의 가장 높은 부분에 위치하는 격벽(240)의 높이보다 저수조(200) 하면(220)의 가장 낮은 부분에 위치하는 격벽(240)이 높이가 높게 형성된다. 예를 들면, 제1 격벽(240.1)보다 제2 격벽(240.2)이 높고, 제2 격벽(240.2)보다 제3 격벽(240.3)이 높게 형성될 수 있다. 이러한 격벽구조는 제1 저수영역(230.1)에서 제2 저수영역(230.2)으로 물이 흘러넘치고, 제1 격벽(240.1)의 높이보다 높은 제2 격벽(240.2)의 높이까지 물이 차오르므로 저수용량이 향상되는 이점이 있다.
이러한 격벽구조에 의해, 제1 저수영역(230.1)의 저수용량보다 제2 저수영역(230.2)의 저수용량이 더 크고, 제2 저수영역(230.2)의 저수용량보다 제3 저수영역(230.3)의 저수용량이 더 크게 형성된다.
각 저수영역에 연결된 세관(300.1 내지 300.4)들은 제1 저수영역(230.1)에 연결된 제1 세관(300.1)의 직경보다 제2 저수영역(230.2)에 연결된 제2 세관(300.2)의 직경이 크고 제2 저수영역(230.2)에 연결된 제2 세관(300.2)의 직경보다 제3 저수영역(230.3)에 연결된 제3 세관(300.3)의 직경이 크다.
즉, 작은 저수용량을 갖는 저수영역(230.1)에는 작은 직경을 갖는 세관(300.1)이 연결되고, 큰 저수용량(230.3)을 갖는 저수영역에는 큰 직경을 갖는 세관(300.3)이 연결된다. 이러한 격벽구조 및 세관(300)의 직경의 차이에 의해, 강우강도가 낮은 경우는 저수용량이 작은 저수영역(230.1)에 연결된 작은 직경의 세관(300.1)을 이용하여 강우량을 측정하므로, 작은 강우량도 정밀하게 측정 가능하다. 또한, 강우강도가 높은 경우는 저수용량이 큰 저수영역(230.3)에 연결된 큰 직경의 세관(300.3)에서 신속하게 강우를 물방울로 낙하시키므로, 많은 강우량을 측정하더라도 지연시간이 길지 않다.
각 세관(300)의 직경이 상이하므로, 제어부(500)는 각각의 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울의 개수와 물방울의 크기를 곱하여 각 세관(300)마다 강우량을 산출하고, 복수의 세관(300)의 강우량을 합산하여 최종 강우량을 산출한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 저수조(200)의 저수영역(230)을 격벽(240)을 이용하여 복수의 저수영역(230.1 내지 230.4)으로 분리하면, 제1 물방울 감지센서(410.1)에서만 물방울이 감지되다가 제2 물방울 감지센서(410.2)에서 물방울이 처음으로 감지될 때, 제1 저수영역(230.1)의 저수용량에 해당하는 양의 강우가 우량계 내부에 처리 대기중인 것을 알 수 있다. 그리고, 강우강도가 제1 세관(300.1)의 단위시간당 처리용량을 초과하는 상태임을 알 수 있다.
제3 물방울 감지센서(410.3)에서 물방울이 처음으로 감지될 때에도 동일한 원리로, 제1 저수영역(230.1) 및 제2 저수영역(230.2)의 저수용량에 해당하는 양의 강우가 우량계 내부에 처리 대기중인 것을 알 수 있다. 그리고, 강우강도가 제1 세관(300.1) 및 제2 세관(300.2)의 단위시간당 처리용량을 초과하는 상태임을 알 수 있다.
이하, 도 7을 참고하여, 본 발명의 일실시예에 따른 강우량 측정방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 강우량 측정방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 강우량 측정방법은, 물방울 감지센서(410)가 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울(301)을 감지하여, 전기신호를 생성하는 측정단계(S110), 제어부(500)가 상기 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하는 물방울 크기 산출단계(S120), 제어부(500)가 상기 물방울 감지센서(410)에서 생성된 전기신호에 기초하여, 물방울의 개수를 카운트하는 계수단계(S130), 제어부가 물방울 크기 산출단계에서 산출된 물방울의 크기에 상기 계수단계에서 카운트된 상기 물방울의 개수를 곱하여, 강우량을 산출하는 강우량 산출단계(S140)를 포함한다.
먼저, 측정단계(S110)에서, 물방울 감지센서(410)는 세관(300)으로부터 낙하하는 물방울을 감지하여 전기신호를 생성하고 제어부(500)로 전기신호를 제공한다. 복수의 저수영역(230.1 내지 230.4)에 각각 연결된 복수의 세관(300.1 내지 300.4)으로부터 낙하하는 물방울은 각 세관(300.1 내지 300.4)에 대응하는 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)에 감지되며, 각 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)는 전기신호를 생성하여 제어부(500)로 전기신호를 제공한다.
다음으로, 물방울 크기 산출단계(S120)에서, 제어부(500)는 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출한다.
강우는 세관(300)의 하단에 표면장력을 이용하여 매달리며, 세관(300)의 직경에 따라 물방울이 매달리는 면적이 달라지고, 물방울의 크기가 달라진다. 즉, 물방울의 크기는 세관(300)의 직경과 표면장력에 의해 영향을 받는다.
물방울의 크기는 수학식 1에 따라 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016082127382-pat00001
(m : 물방울의 질량(g), π : 원주율, D : 세관의 직경(m), σ : 물의 표면장력(mN/m), g : 중력가속도(9.80665 m/s^2))
예를 들면, 세관(300)의 직경(D)이 5(mm)이고 온도(t)가 25℃인 경우에 물의 표면장력(σ)이 71.97(mN/m)인 경우, 다음과 같이 물방울 하나의 질량은 0.115(g)으로 산출된다.
Figure 112016082127382-pat00002
즉, 세관(300)의 직경이 5(mm) 인 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계는 물방울 하나가 카운트 될 때, 물방울 하나의 질량인 0.115(g)씩 강우량이 계산된다.
다음으로, 계수단계(S130)에서, 제어부(500)는 물방울 감지센서(410)로부터 입력된 전기신호에 기초하여 물방울의 개수를 카운트한다. 제어부(500)는 전기신호가 일정 크기 이상으로 상승하는 경우 물방울 하나가 낙하한 것으로 카운트하고, 전기신호가 일정 크기 이상으로 상승하는 시간을 기준으로 물방울의 낙하 간격을 측정할 수 있다. 제어부(500)는 단위시간 내에 물방울의 개수를 카운트할 수도 있다. 물방울 개수를 카운트하는 구체적인 방법은 물방울 감지센서(410)의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
다음으로, 강우량 산출단계(S140)에서, 제어부(500)는 물방울 크기 산출단계(S120)에서 산출된 물방울의 크기에 계수단계(S130)에서 카운트된 상기 물방울의 개수를 곱하여, 강우량을 산출한다.
종래 많이 사용되는 1(mm) 분해능을 갖는 전도형 우량계는 전도 버킷의 용량이 20cm 직경의 원통에 1(mm) 높이의 강우가 모이는 양이다. 계산하면, 1(mm) 분해능의 전도형 우량계의 전도 버킷의 용량은 다음과 같다.
Figure 112016082127382-pat00003
(m : 물의 질량(g), π : 원주율, r : 원통의 반지름, h : 물의 높이)
따라서, 종래의 1(mm) 분해능의 전도형 우량계는 전도버킷이 1회 전도될 때 31.4(g)의 강우량이 측정된다.
이에 비하여, 본 발명의 일실시예에 따른 표면장력식 우량계(세관의 직경 5(mm))는 물방울 하나 단위로 측정하며, 물방울 하나의 질량이 0.115(g) 이므로, 종래의 전도형 우량계(1(mm) 분해능) 보다 약 273배 정밀하다( 31.4 / 0.115 = 273 ).
상술한 측정단계(S110)와 병렬로 실시되는 온도측정단계(S210)에서, 저수조(200)에 저장된 강우의 온도를 온도센서(420)로 측정한다.
물의 표면장력은 온도 변화에 의해 변화하며, 표면장력이 변화하면 물방울의 크기도 변화하므로, 정확한 강우량의 측정을 위하여 온도에 의한 표면장력값의 변화를 보정하기 위하여 강우의 온도를 측정하는 것이다.
다음으로, 표면장력값 보정단계(S220)에서, 제어부(500)가 온도측정단계(S210)에서 측정된 강우의 온도에 기초하여 표면장력값을 보정한다.
물의 표면장력은 [수학식 2]와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016082127382-pat00004
(σ : 물의 표면장력(mN/m^2), t : 물의 온도(℃) )
다음으로, 물방울 크기 산출단계(S120)에서, 제어부(500)는 보정된 표면장력값 및 세관(300)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하고, 강우량 산출단계(S140)에서, 물방울 크기 산출단계(S120)에서 산출된 물방울의 크기와 계수단계(S130)에서 카운트된 물방울의 개수를 곱하여 강우량을 산출한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 저수조(200)에 복수의 세관(300.1 내지 300.4)이 연결되고, 각 세관(300.1 내지 300.4)마다 대응하는 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)가 배치된 경우에도 강우량 산출방법은 상술한 바와 유사하다.
다만, 측정단계(S110)는 저수조(200)에 포함된 복수의 저수영역(230)에, 각 저수영역(230.1 내지 230.4)마다 적어도 하나 이상 연결된 세관(300.1 내지 300.4)에서 낙하하는 물방울을 상기 각각의 세관(300.1 내지 300.4)에 대응하는 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)가 감지하여, 상기 각각의 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)가 전기신호를 생성한다.
즉, 각각의 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)가 각 세관(300.1 내지 300.4)에서 낙하하는 물방울을 감지한다.
물방울 크기 산출단계(S120)는 제어부(500)가 각각의 세관(300.1 내지 300.4)의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출한다. 이는 각 세관(300.1 내지 300.4)의 직경이 동일하거나 또는 상이할 수 있으므로, 각각의 세관(300.1 내지 300.4)마다 물방울의 크기를 산출하는 것이다.
계수단계(S130)는 제어부(500)가 각각의 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)에서 생성된 전기신호에 기초하여, 각각의 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)에 낙하한 상기 물방울의 개수를 동시에 카운트한다. 이는 제어부(500)가 물방울 감지센서(410.1 내지 410.4)들로부터 수신되는 전기신호들을 각각 동시에 처리하여 각각의 세관(300.1 내지 300.4)에서 낙하하는 물방울의 개수를 카운트하는 것이다.
강우량 산출단계(S140)는 물방울 크기 산출단계(S120)에서 각각의 세관(300.1 내지 300.4)마다 산출된 물방울의 크기와 계수단계(S130)에서 카운트된 각각의 세관(300.1 내지 300.4)에서 낙하한 물방울의 개수를 각각 곱하여 각 세관(300.1 내지 300.4)마다 강우량을 산출하고, 상기 산출된 강우량을 합산하여 최종강우량을 산출한다.
제어부(500)는 강우량을 산출한 이후, 통신모듈을 이용하여 강우량 집계 시스템으로 강우량을 실시간으로 송신하거나, 메모리에 저장할 수 있고, 일정간격으로 저장된 강우량을 강우량 집계 시스템으로 송신할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 표면장력식 우량계
100: 집수조
110: 강우배출구
120: 필터
200: 저수조
210: 세관연결부
220: 저수조의 하면
230: 저수영역
230.1: 제1 저수영역
230.2: 제2 저수영역
230.3: 제3 저수영역
230.4: 제4 저수영역
240: 격벽
240.1: 제1 격벽
240.2: 제2 격벽
240.3: 제3 격벽
250: 초과흐름배출구
300: 세관
300.1: 제1 세관
300.2: 제2 세관
300.3: 제3 세관
300.4: 제4 세관
301: 물방울
310: 세관의 상단
320: 세관의 중단
330: 세관의 하단
410: 물방울 감지센서
410.1: 제1 물방울 감지센서
410.2: 제2 물방울 감지센서
410.3: 제3 물방울 감지센서
410.4: 제4 물방울 감지센서
420: 온도센서
430: 히터
500: 제어부

Claims (15)

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  8. 집수영역 안으로 하강하는 강우를 수집하는 집수조;
    상기 집수조에서 수집된 강우를 일시적으로 저장하는 저수조;
    상기 저수조에 연결되며, 상기 저수조에 저장된 강우가 내부를 통과하여 물방울 형태로 낙하되도록 형성되는 세관;
    상기 세관으로부터 낙하되는 물방울을 감지하여 전기신호를 생성하는 물방울 감지센서; 및
    상기 세관의 직경에 기초하여 물방울의 크기를 산출하며, 상기 물방울 감지센서에서 생성된 전기신호에 기초하여, 상기 물방울의 개수를 카운트하고, 상기 물방울의 크기에 물방울의 개수를 곱하여 강우량을 산출하는 제어부를 포함하고,
    상기 저수조는
    내부영역을 분리하여 복수의 저수영역을 형성하도록, 하면으로부터 수평면에 수직방향으로 돌출되는 적어도 하나 이상의 격벽을 내부에 포함하고, 상기 복수의 저수영역마다 적어도 하나 이상의 세관이 연결되며,
    상기 물방울 감지센서는
    상기 각 세관의 물방울 낙하위치에 상기 각 세관마다 배치되고,
    상기 저수조는
    상기 하면이 일방향으로 경사지도록 형성되며, 상기 하면의 낮은 부분에 형성되는 격벽일수록 높이가 높고,
    상기 세관은
    상기 하면의 낮은 부분에 연결되는 세관일수록 넓은 직경을 갖는 표면장력식 우량계.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 저수조에 일시적으로 저장된 강우의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 온도센서로부터 측정한 강우의 온도에 기초하여 표면장력값을 보정하고, 상기 보정된 표면장력값과 상기 세관의 직경에 기초하여 상기 물방울의 크기를 산출하는 표면장력식 우량계.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 세관은
    저수조에 탈부착 가능하도록 형성되는 표면장력식 우량계.
  14. 청구항 8항에 있어서,
    상기 세관은
    상단이 상기 저수조의 하면에 연결되며, 중력방향에 대하여 사선으로 기울어지도록 중단이 절곡되고, 하단이 상기 물방울 감지센서를 향하도록 형성되는 표면장력식 우량계.
  15. 청구항 8항에 있어서,
    상기 집수조의 외측 하부와 상기 저수조의 외측 하부에 설치되는 히터를 더 포함하는 표면장력식 우량계.
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