KR101820050B1 - 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치 - Google Patents

온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수관 내의 상류와 하류에서의 발생되는 온도차를 이용하여 유속을 측정함으로써 신속하고 정확하게 하수관의 유량을 측정을 할 수 있는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는, 하수관 내를 흐르는 하수의 수위를 측정하는 수위센서와, 하수관 내를 흐르는 하수의 유속을 측정하는 유속센서와, 상기 수위센서와 유속센서 각각에 의해 측정된 수위와 유속을 이용하여 하수관 내를 흐르는 유량을 산출하는 컨틀롤러가 포함되어 구성되되, 상기 유속센서는 하수의 흐름을 기준으로 상류와 하류에서 발생되는 온도차로부터 유속을 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치{FLOW RATE MEASURING APPARATUS IN DRAINPIPE USING TEMPERATURE DIFERENCE}
본 발명은 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수관 내의 상류와 하류에서의 발생되는 온도차를 이용하여 유속을 측정함으로써 신속하고 정확하게 하수관의 유량을 측정을 할 수 있는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에 관한 것이다.
최근 들어 물의 오염을 방지하기 위하여 배출되는 하수를 처리하는 하수처리장이 많이 생겨나고 있으며, 특히 인구가 밀집되어 있는 도시에는 많은 하수처리장이 건설되고 있다. 이와 같은 하수처리장에서는 처리할 수 있는 하수의 양을 결정하는 것은 매우 중요하기 때문에 이를 결정하기 위하여 하수관을 통하여 각 하수처리장으로 공급되는 하수의 양을 정확하게 산출할 필요가 있다.
종래에는 하수관을 통과하는 하수의 양을 측정하기 위하여, 하수관 내를 흐르는 하수의 수위를 하수의 압력이나 초음파로 하수 수면 높이를 측정하고, 초음파 도플러 속도측정 센서로 하수의 유속을 측정하여 하수관을 통과하는 하수의 유량을 측정하는 초음파 도플러 유속측정 센서를 이용하는 유량측정장치가 이용되었다.
도 1은 초음파 도플러 유속측정 센서를 이용하는 유량측정장치를 개념적으로 도시한 것으로, 도 1을 참조하면 초음파 도플러 유속측정 센서를 이용하는 유량측정장치는 하수(W)가 흐르는 하수관(P)의 상부에 초음파나 레이저로 하수의 수위를 측정하는 수위센서(1)가 설치되고, 하수관 바닥에 초음파 도플러 속도측정 센서(2)가 설치된다. 상기 초음파 도플러 속도측정 센서(2)가 하수(W)를 향하여 초음파(D)를 발신하는데 발신된 초음파(D)는 하수에 포함되어 있는 부유입자(도면에 미도시)에 반사되어 다시 초음파 도플러 속도측정 센서(2)로 수신된다. 이때 수신되는 초음파(D)의 진동수는 도플러 효과에 의해 초음파가 반사되는 부유입자의 속도에 따라 변화하게 되며, 이러한 진동수의 변화를 측정하여 이로부터 하수관(P)을 흐르는 하수의 유속을 산출한다. 컨트롤러(3)는 수위센서(1)로부터 하수의 수위를 입렵받아 하수가 흐르는 단면적을 구하고, 이 단면적과 하수의 유속을 곱하여 하수관 내를 흐르는 유량을 산출하게 된다.
대한민국 등록특허 제10-0791319호(하수관거용 초음파 도플러 유량계) 및 대한민국 등록특허 제10-0937858호(하수관용 유량측정시스템)에는 상기와 같은 초음파 도플러 유속측정 센서를 이용하여 유량을 측정하는 장치가 개시되어 있다.
그러나 상기와 같은 초음파 도플러 유속측정 센서를 이용한 유량측정장치는 도플러 유속측정 센서에서 발신된 초음파가 충분히 많은 수의 부유입자에서 반사된 후 다시 센서로 수신되어야 하는데 하수관으로 빗물 등이 유입되는 경우 등 하수에 포함된 부유물질의 함유량이 낮아지는 경우 초음파의 반사가 충분히 이루어지지 않아 유속의 측정이 부정확해진다.
대한민국 등록특허 제10-0791319호 : 하수관거용 초음파 도플러 유량계 대한민국 등록특허 제10-0937858호 : 하수관용 유량측정시스템
본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 하수관 내의 상류와 하류에서의 발생되는 온도차를 이용하여 유속을 측정함으로써 신속하고 정확하게 하수관의 유량을 측정을 할 수 있는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는, 하수관 내를 흐르는 하수의 수위를 측정하는 수위센서와, 하수관 내를 흐르는 하수의 유속을 측정하는 유속센서와, 상기 수위센서와 유속센서 각각에 의해 측정된 수위와 유속을 이용하여 하수관 내를 흐르는 유량을 산출하는 컨틀롤러가 포함되어 구성되되, 상기 유속센서는 하수의 흐름을 기준으로 상류와 하류에서 발생되는 온도차로부터 유속을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는, 상기 유속센서는, 상류에 구비되는 제1저항발열체와, 하류에 구비되는 제2저항발열체와, 상기 제1저항발열체와 제2저항발열체 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항발열체와 제2저항발열체가 연결된 브릿지회로가 구비되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는, 상기 유속센서는, 상류에 구비되는 제1저항온도센서와, 하류에 구비되는 제2저항온도센서와, 상기 제1온도센서와 제2온도센서 사이에 구비되거나 또는 상기 제1온도센서와 제2온도센서 중 어느 하나에 구비된 발열체와, 상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서가 연결된 브릿지회로가 구비되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는, 상기 유속센서는 하수관 내를 흐르는 일부 하수가 흐르는 유로를 형성하는 바이패스관이 구비되어 그 바이패스관 내를 흐르는 하수의 상류와 하류의 온도차로부터 유속을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는 하수관 내의 상류와 하류에서의 발생되는 온도차를 이용하여 유속을 측정함으로써 신속하고 정확하게 하수관의 유량을 측정을 할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 초음파 도플러 유속측정센서를 이용한 하수관 유량 측정장치를 개념적으로 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치를 개념적으로 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에서 유속 센서의 작동을 개념적으로 도시한 도면
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에서 유속 센서의 다른 실시예의 작동을 개념적으로 도시한 도면
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치를 개념적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에서 유속 센서의 작동을 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는 하수관(P) 내부를 흐르는 하수(w)의 상류와 하류에서의 발생되는 온도차를 이용하여 유속을 측정하고, 수위 센서(10)에 의해 측정된 수위로부터 하수 유량을 산출하는 장치이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는 수위 센서(10), 유속 센서(20) 및 컨트롤러(30)을 포함하여 구성된다.
상기 수위 센서(10)는 하수관(P) 내를 흐르는 하수(w)의 수위를 측정하기 위한 구성이다. 도면에는 하수관(P)의 상부에서 하수(w)의 수면까지의 거리(h)를 측정함으로써 이미 알고 있는 하수관(P)에 관한 정보(하수관의 단면 형상, 단면적, 높이, 폭 등)로부터 수위를 산출하는 방식이 도시되어 있다. 즉, 초음파 센서나 광센서를 하수관(P)의 상부에 설치함으로써 수위 센서(10)를 구성할 수 있다.
물론, 본 발명에서는 상기 수위 센서(10)가 초음파 센서나 광센서에 국한되지 않고 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 수위 센서(10)로 하수관 바닥에 압력센서를 설치하여 구성되어 질 수 있다.
상기 유속 센서(20)는 하수관(P) 내를 흐르는 하수의 유속을 측정하기 위한 구성이다. 본 발명은 상기 유속 센서(20)는 하수(w)의 흐름을 기준으로 상류와 하류에서 발생되는 온도차(△T)로부터 유속을 측정하는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유속 센서(20)는 바이패스관(21), 제1 및 제2 저항발열체(22,23), 브릿지 회로(24)가 구비되어 구성된다.
상기 바이패스관(21)은 하수관 내를 흐르는 일부 하수가 흐르는 유로를 형성하기 위한 구성이다. 하수 전체 유량(Q)는 일부 유량(Q2)이 상기 바이패스관(21)의 내부로 흐르고, 나머지 대부분의 유량(Q1)은 상기 바이패스관(21)의 외부를 흐르게 된다. 상기 바이패스관(21)은 소량의 유량(Q2)만을 대상으로 함으로써 온도차를 보다 용이하게 측정할 수 있도록 한 것으로 필요에 따라서는 바이패스관(21)은 삭제될 수 있다. 그러나, 도면에는 바이패스관(21)이 구비되어 그 바이패스관 내를 흐르는 하수의 상류와 하류의 온도차로부터 유속을 측정하도록 구성된 실시예가 도시되어 있다.
또한, 도면에는 상기 바이패스관(21)이 하수관(P) 내부에서 바닥에 설치된 구조를 갖는데, 이는 하수관(P)로부터 분기하여 하수관(P)의 외부를 우회하도록 구성되어 질 수 있다.
한편, 하수관(P) 내부를 흐르는 하수는 통상 바닥에서 수면으로 특정한 속도구배(v)를 형성한다. 이는 하수 내에서 높이에 따라 유량이 달라지는 것을 의미한다. 다만, 상기 하수의 속도 구배(v)는 이론적으로 산출이 가능하다. 따라서, 본 발명은 상기 바이패스관(21)이 설치되는 위치(또는 높이)를 고려하여 바이패스관(21)의 내부를 흐르는 유량(Q2)와 바이패스관 외부를 흐르는 유량(Q1)의 관계(또는 비율)을 고려하여 바이패스관(21) 내부를 흐르는 흐름의 유속으로부터 전체 흐름의 유속을 산출하도록 구성된다.
상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23)은 각각 상기 바이패스관(21)의 내부를 흐르는 흐름의 상류와 하류에 설치된다. 상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23)는 통상 동일한 저항값을 갖도록 구성되어 동일한 전류가 흐르면 동일한 발열이 이루어지는데, 하수의 흐름으로 열은 상기 제1저항발열체(22)로부터 상기 제2저항발열체(23)로 이동되게 되어 상기 제2저항발열체(23)에서의 온도(T2)가 상기 제1저항발열체(22)에서의 온도(T1)보다 높게 된다. 상기와 같이 상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23) 사이의 온도차(△T=T2-T1)가 발생되면 상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23)는 저항값의 변화가 생기게 되고, 이들이 연결된 브릿지 회로(24)에는 전위차가 발생된다. 결과적으로 상기 브릿지 회로(24)에 발생되는 전위차는 하수의 상류와 하류 사이의 온도차(△T)와 관련성이 있는데, 이 온도차는 하수의 흐름의 속도에 따라 달라지므로(즉, 하수의 흐름이 빠를수록 온도차가 커진다) 상기 유속 센서(20)는 온도차로부터 유속을 측정할 수 있게 된다.
상기 브릿지 회로(24)는 상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23) 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항발열체(22)와 제2저항발열체(23)가 연결되는 구성이다.
상기 컨트롤러(30)는 상기 수위센서(10)와 유속센서(20) 각각에 의해 측정된 수위와 유속, 그리고 미리 알고 있는 하수관(P)에 관한 기하학적 정보(단면적, 높이, 폭 등)로부터 하수관(P)를 흐르는 하수(w)의 유량을 산출하는 구성이다.
한편, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치에서 유속 센서의 다른 실시예의 작동을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 유속 센서는 도 2 및 도 3에 도시된 유속 센서와 발열이 이루어지는 구성에 있어 차이를 갖는다. 즉, 도 2 및 도 3에는 발열이 제1저항발열체(22) 및 제2저항발열체(23)에서 발열이 이루어지는데 반하여 도 4에는 발열이 특정의 위치에서 이루어지도록 구성된 예이다.
도 4를 참조하면, 유속 센서의 다른 실시예는 바이패스관(21), 바이패스관(21)의 내부를 흐르는 하수의 상류에 구비되는 제1저항온도센서(22')와, 하류에 구비되는 제2저항온도센서(23')와, 상기 제1온도센서(22')와 제2온도센서(23') 사이에 구비되거나 또는 상기 제1온도센서(22')와 제2온도센서(23') 중 어느 하나에 구비된 발열체(25')와, 상기 제1저항온도센서(22')와 제2저항온도센서(23') 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항온도센서(22')와 제2저항온도센서(23')가 연결된 브릿지회로(도면에 미도시, 도 2 참조)가 구비되어 구성된다.
도 4에 도시된 유속 센서에서도 발열체(25')에서 발생된 열이 바이패스관(21) 내부를 흐르는 하수의 흐름때문에 제2저항온도센서(23')로 이동되기 때문에 상기 제1저항온도센서(22')의 온도(T1)와 제2저항온도센서(23')의 온도(T2)는 차이(△T)가 발생되게 되고, 이는 도 2 및 도 3에 도시된 유속 센서(20)과 마찬가지로 바이패스관(21)의 내부를 흐르는 하수의 유속을 반영한다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
P 하수관
10 수위 센서
20 유속 센서
21 바이패스관
22 제1저항발열체
23 제2저항발열체
24 브릿지 회로
30 컨트롤러

Claims (4)

  1. 하수관 내를 흐르는 하수의 수위를 측정하는 수위센서와, 하수관 내를 흐르는 하수의 유속을 측정하는 유속센서와, 상기 수위센서와 유속센서 각각에 의해 측정된 수위와 유속을 이용하여 상기 하수관 내를 흐르는 유량을 산출하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 유속센서는, 바이패스관 내 위치한 발열체에 의해 발생하는 상기 바이패스관 내를 흐르는 하수의 상류와 하류의 온도차를 근거로 유속을 측정하되, 상기 바이패스관은 상기 하수관 내에서 상기 하수관에 흐르는 하수 일부에 대한 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유속센서는, 상류에 구비되는 제1저항발열체와,
    하류에 구비되는 제2저항발열체와,
    상기 제1저항발열체와 제2저항발열체 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항발열체와 제2저항발열체가 연결된 브릿지회로가 구비되어 구성된 것을 특징으로 하는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유속센서는, 상류에 구비되는 제1저항온도센서와,
    하류에 구비되는 제2저항온도센서와,
    상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서 사이에 구비되거나 또는 상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서 중 어느 하나에 구비된 발열체와,
    상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서 사이의 온도차에 의해 전위차가 발생되게 상기 제1저항온도센서와 제2저항온도센서가 연결된 브릿지회로가 구비되어 구성된 것을 특징으로 하는 온도차를 이용한 하수관 유량 측정 장치.
  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP4157034B2 (ja) * 2001-08-14 2008-09-24 株式会社日立製作所 熱式流量計測装置
KR101380800B1 (ko) * 2005-11-22 2014-04-04 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드 수직 설치형 질량유량센서

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