KR101949325B1

KR101949325B1 - 동절기 결빙 방지 기능을 구비한 수위 계측장치

Info

Publication number: KR101949325B1
Application number: KR1020180137520A
Authority: KR
Inventors: 김병기
Original assignee: (주)성림엠엔씨
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-02-18
Also published as: WO2020096401A1

Abstract

본 발명은 물에 직접 접촉하는 플로트에 히터를 내장시켜 동절기 결빙을 방지할 수 있도록 하는 수위 계측장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서, 내측에 동절기 결빙 방지용 히터(36)가 내장되어, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트(20)와; 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와; 일단이 상기 플로트(20)에 연결되어, 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전력으로 전달되는 타이밍벨트(18)와; 상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트(54)에서 플로트(20)의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계(10);를 포함하되, 일단이 플로트(20)의 상부에 결합되어 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)의 타단은 복수의 로울러를 경유하여 지상에 설치된 전원공급부(15)에 고정되고, 상기 복수의 로울러 중 최하단에 위치한 로울러의 하단에는 평형추(17)가 결합되어, 상기 로울러를 경유하는 타이밍벨트(18)에 장력을 제공하여 타이밍벨트(18)의 이동을 원활히 하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

동절기 결빙 방지 기능을 구비한 수위 계측장치 {AN ABSOLUTE LIQUID LEVEL MEASURING EQUIPMENT WITH ANTI-FREEZING FUNCTION}

본 발명은 수위 계측장치에 관한 것으로, 특히 물에 직접 접촉하는 플로트에 히터를 내장시켜 동절기 결빙을 방지할 수 있도록 하는 동절기 결빙 방지 기능을 갖는 수위 계측장치에 관한 것이다.

댐이나 하천 또는 항만의 수위, 정유시설에서 저유탱크의 액체레벨, 암벽 내 저장하는 원유저장시설의 원유 레벨, 용수공급시설의 수위 등을 측정하는 수위 계측장치는 설비 운영에 근간이 되는 매우 중요한 역할을 담당하는 설비 중 하나이다.

일반적으로 수위 계측방법으로 수위에 따라 상하로 이동할 수 있도록 수위 위에 플로트를 설치하고, 이 플로트에 와이어로프를 연결한 후 수위 계측장치의 풀리에 감고, 그 맞은편에 추를 설치하여, 수위 변화에 따른 와이어로프의 이동을 풀리의 회전량을 통하여 감지하여 수위를 측정하는 방법이 주로 이용되고 있다.

한편, 동절기에는 수면이 결빙되면 플로트도 함께 결빙되어 실제 수면과 격리되어 정확한 수면 레벨을 측정하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 수면 결빙에 따른 수면 레벨 측정 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법들이 제시되었는데, 도 1은 종래 강관히터를 이용하여 결빙을 방지하는 장치의 일례를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일단이 평형추(6)에 연결된 와이어로프(3)가 풀리(1)를 경유하여 플로트(5)에 연결되는데, 이때 강관 벽에 넓은 범위에 걸쳐 강관히터(7)를 설치하여 플로트(5)가 위치한 수면이 결빙되는 것을 방지하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 수중에 강관히터(7)를 설치하는 과정이 어렵고 공기 중으로 노출된 히터가 과열되는 현상이 발생할 수 있으며, 수중에 있는 강관히터(7)에서 누전이 발생하여 감전의 우려가 크고, 설치비용 또한 많이 소요되는 단점이 있다.

도 2는 다른 방법으로 플로트 내부에 히터를 설치하여 결빙을 방지하는 방법의 일례를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 결빙을 방지하기 위해 플로트(5)의 내부에 히터가 설치되는데, 이 히터는 플로트(5)의 하부를 통하여 연결되는 히터 전원선(8)으로부터 전원을 공급받아 동작하게 된다. 이러한 방법은 히터 전원선(8) 중 물속에 잠겨 플로트(5)에 연결되는 부분의 방수가 매우 어려워 누전이 발생할 우려가 있고, 히터 전원선(8)이 플로트(5)의 상하 이동을 방해할 수 있으며, 물속에 잠긴 히터 전원선(8)의 무게만큼 플로트(5)를 끌어 내려 수위 측정 오차를 유발하게 되는 단점이 있다. 또한, 하천 수심이 낮은 곳에 설치한 경우 토사가 히터 전원선(8)을 덮어 수위가 높아진 경우에도 플로트(5)가 움직이지 못하는 심각한 문제를 내포하고 있다.

한편, 이러한 종래 수위 계측장치에서는 플로트(5)의 상하 이동량을 풀리(1)에 전달하기 위해 스텐레스 재질의 와이어로프(3)를 이용하고 있는데, 도 3은 이러한 종래 와이어로프를 이용하여 플로트의 이동량을 풀리에 전달하는 방법을 나타낸 개념도이고, 도 4는 와이어로프와 풀리의 결합 구조를 나타낸 것이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 수면 레벨에 위치하는 플로트(5)의 상하 이동량을 풀리(1)에 전달하기 위해 스텐레스 와이어로프(3)가 이용된다. 상기 스텐레스 와이어로프(3)에는 일정한 간격으로 납볼(또는 스텐레스 볼)(4)이 고정 설치되어, 이 스텐레스 와이어로프(3)에 고정된 납볼(4)이 풀리(1)의 V형 풀리 홈(1a)에 형성된 납볼 홈(2)에 결합되면서 플로트(5)의 상하 이동량이 풀리(1)에 전달되게 된다.

상기의 구조로 이루어진 와이어로프(3)와 풀리(1)의 결합 구조에서는, 급격한 수위변동이 발생하게 되면, 풀리(1)로부터 스텐레스 와이어로프(3)가 이탈되는 경우가 발생할 수 있으며, 또한 스텐레스 와이어로프(3)에 고정되는 납볼(스텐레스 볼)(4)이 일정한 간격으로 설치되어 있지 않은 경우 수위 계측의 정밀도에 문제가 발생할 우려가 있었다.

한편, 수위가 급격히 올라가면 와이어로프(3)에 장력을 제공하는 평형추(6)가 플로트(20)가 상승한 높이만큼 하강하게 되어 물에 잠기는 현상이 발생할 수 있는데, 평형추(6)와 이 평형추(6)에 연결된 와이어로프(3)가 물에 잠기게 되면 녹이 슬어 수명이 짧아지는 문제점이 있었으며, 이를 방지하기 위해서는 수위계의 높이를 높게 설치해야 하기 때문에 설치 및 유지 보수가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 플로트(5)와 평형추(6)의 이동 반경을 제공하는 수위계 보호관은 일반적으로 직경이 큰 강관을 사용하는데, 이 강관의 무게가 무거워 설치 때에 대형 중장비를 동원하여 설치하게 되고, 구조물도 대형화되어 도시의 경관을 해쳐 문제를 야기하는 경우가 발생하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-1578061호 (2015.12.16. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0656072호 (2006.12.04. 등록)

본 발명의 목적은 종래 결빙 방지용 수위 계측장치의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 타이밍벨트를 이용하여 정밀한 수위 계측이 가능하고, 수위 계측 장치의 플로트에 내장된 히터에 안정적으로 전원을 공급하여 동절기 결빙을 방지할 수 있도록 하는 수위 계측장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 평형추에 의해 장력이 유지되는 타이밍벨트에 복수의 로울러를 연결하여 평형추의 상하 이동 거리를 짧게 하고, 가이드 롤러를 통해 타이밍벨트의 이동방향을 변경하여 수평 이동 거리를 최소화시켜 소형으로 제작가능한 수위 계측장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플로트 몸체와 타이밍벨트가 연결되는 중심 샤프트 사이에 베어링을 삽입하여 플로트 몸체가 회전하여도 타이밍벨트에 회전력이 전달되지 않도록 함으로써 와류로 인해 플로트에 연결되는 타이밍벨트의 꼬임을 방지할 수 있도록 하는 수위 계측장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서, 내측에 동절기 결빙 방지용 히터가 내장되어, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트와; 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리와; 일단이 상기 플로트에 연결되어, 플로트의 상하 이동량을 타이밍 풀리에 회전력으로 전달되는 타이밍벨트와; 상기 타이밍 풀리의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트에서 플로트의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계;를 포함하되, 일단이 플로트의 상부에 결합되어 타이밍 풀리를 경유하는 타이밍벨트의 타단은 복수의 로울러를 경유하여 지상에 설치된 전원공급부에 고정되고, 상기 복수의 로울러 중 최하단에 위치한 로울러의 하단에는 평형추가 결합되어, 상기 로울러를 경유하는 타이밍벨트에 장력을 제공하여 타이밍벨트의 이동을 원활히 하게 한다.

상기 타이밍벨트가 경유하는 복수의 로울러는 하단에 평형추가 결합되어 이동이 가능하도록 하부에 배치되는 이동안내 로울러와, 상기 이동안내 로울러의 상부에 배치되어 지상에 고정되는 고정안내 로울러를 포함하여 이루어져, 상기 타이밍 풀리를 통과하는 타이밍벨트가 이동안내 로울러와 고정안내 로울러를 경유하여 전원공급부에 고정됨으로써, 플로트의 상승에 따른 평형추의 하강 길이를 짧게 한다.

여기서, 상기 복수의 로울러는 하단에 평형추가 결합된 2개의 이동안내 로울러가 상하로 결합되고, 지상에 위치한 수위계에 2개의 고정안내 로울러가 상하로 이격되어 결합되어, 타이밍 풀리에 감겨진 타이밍벨트가 평형추에 결합된 2개의 이동안내 로울러 중 하부의 이동안내 로울러를 경유하여, 2개의 고정안내 로울러 중 하부에 위치한 고정안내 로울러를 경유한 후, 상부 이동안내 로울러를 경유하여 상부 고정안내 로울러를 경유한 후, 상부 고정안내 로울러의 일측에 설치된 전원공급부에 고정되어, 상기 플로트의 상승 길이에 대한 평형추의 하강 길이를 1/4로 짧게 할 수 있다.

또한, 상기 복수의 로울러는 하단에 평형추가 결합된 2개의 이동안내 로울러가 상하로 결합되고, 지상에 위치한 수위계에 2개의 고정안내 로울러가 상하로 이격되어 결합되어, 타이밍 풀리에 감겨진 타이밍벨트가 평형추에 결합된 2개의 이동안내 로울러 중 하부의 이동안내 로울러를 경유한 후, 2개의 고정안내 로울러 중 하부에 위치한 고정안내 로울러를 경유하여 상부에 위치한 고정안내 로울러를 경유한 후, 상부 고정안내 로울러의 일측에 설치된 전원공급부에 고정되어, 상기 플로트의 상승 길이에 대한 평형추의 하강 길이를 1/2로 짧게 할 수도 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서, 내측에 동절기 결빙 방지용 히터가 내장되어, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트와; 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리와; 일단이 상기 플로트에 연결되어, 플로트의 상하 이동량을 타이밍 풀리에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트와; 상기 타이밍 풀리의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트에서 플로트의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계;를 포함하되, 일단이 플로트의 상부에 결합되어 타이밍 풀리를 경유하는 타이밍벨트의 타단은 이동안내 로울러를 경유하여 지상에 설치된 벨트 구동풀리 및 잉여벨트 감기휠에 연결되고, 상기 이동안내 로울러의 하단에는 일측에 리미트 검출 브라켓이 설치된 평형추가 결합되고, 상기 이동안내 로울러를 따라 상하로 이동하는 평형추의 상하 이동량을 제한하기 위한 상한 리미트 검출센서 및 하한 리미트 검출센서가 수위계에 설치되어, 상기 평형추를 통하여 타이밍벨트에 일정한 장력이 유지되면서, 벨트 구동풀리가 잉여벨트 감기휠을 구동시켜 평형추의 이동을 상한 리미트 검출센서 및 하한 리미트 검출센서 사이에서 움직이도록 제어하게 된다.

여기서, 상기 수위계에 설치된 상한 리미트 검출센서와 하한 리미트 검출센서 사이에는 중간 검출센서가 구비되어, 상기 플로트의 상승에 따라 평형추가 하강하여 리미트 검출 브라켓이 하한 리미트 검출센서에 도달하면, 벨트 구동풀리가 구동되어 타이밍벨트가 잉여벨트 감기휠에 감긴 후, 평형추가 중간 검출센서에 도달하면 구동이 정지되고, 상기 플로트의 하강에 따라 평형추가 상승하여 리미트 검출 브라켓이 상한 리미트 검출센서에 도달하면, 벨트 구동풀리가 구동되어 잉여벨트 감기휠에 감겨진 타이밍벨트가 풀린 후, 평형추가 중간 검출센서에 도달하면 구동이 정지되도록 한다.

상기 타이밍벨트의 내부에는 복수의 강선 철심이 내재되어, 타이밍벨트의 타단을 통하여 연결된 전원공급부의 전원이 강선 철심을 통해 플로트에 내장된 히터에 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 타이밍벨트는 평형추의 무게에 의한 신장을 최소화하기 위하여 강선 철심이 내재된 슈퍼 토오크형으로 이루어지고, 타이밍 풀리와 결합되는 타이밍벨트의 잇빨의 피치는 2∼5mm 범위로 이루어지며, 내 환경성을 위해 폴리 우레탄 재질의 S2M 또는 S3M 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 타이밍벨트를 통하여 연결된 플로트와 평형추는 보호관의 내측에서 상하로 이동하되, 일단이 플로트의 상부에 결합되어 타이밍 풀리를 경유하는 타이밍벨트는, 플로트의 상부에 연결되어 상부로 연장되는 타이밍벨트와의 수평 간격이 짧아지도록 가이드 로울러를 통하여 하부 이동 방향이 전환되어, 평형추가 결합된 하단의 이동안내 로울러에 연결되어, 상기 보호관의 직경을 작게 하여 소형화 시킬 수 있도록 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트와; 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리와; 일단이 상기 플로트에 연결되어, 플로트의 상하 이동량을 타이밍 풀리에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트와; 상기 타이밍 풀리의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트에서 플로트의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계;를 포함하되, 상기 타이밍벨트의 내부에는 복수의 강선 철심이 내재되어, 타단을 통하여 연결된 전원공급부의 전원을 강선 철심을 통해 플로트에 내장된 히터에 공급되도록 함으로써 동절기 결빙을 방지하고, 상기 타이밍벨트 내부의 복수의 강선 철심을 통하여 전원이 전달되는 과정에서 강선 철심이 타이밍 풀리 몸체와 근접하여 아크가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 상기 타이밍 풀리 몸체의 표면에 경질 또는 연질 아노다이징을 반복하여 절연성 피막을 형성하여 절연시키거나 타이밍 풀리 몸체를 비금속 재료로 제작하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트와; 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리와; 일단이 상기 플로트에 연결되어, 플로트의 상하 이동량을 타이밍 풀리에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트와; 상기 타이밍 풀리의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트에서 플로트의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계;를 포함하되, 상기 플로트는 플로트 몸체와 중심 샤프트의 사이에 회전 베어링이 결합되어 플로트 몸체의 회전력이 중심 샤프트에 전달되지 않도록 하고, 상기 중심 샤프트의 중심 길이 방향으로 관통공이 형성되어 전원선이 통과하고, 상기 전원선은 지상에 설치되는 전원공급부로부터 전원을 공급받아 플로트 내부에 구비된 히터에 공급하여, 상기 히터의 가열에 의하여 플로트 몸체가 가열되어 플로트 주위가 결빙되는 것을 방지하도록 한다.

여기서, 상기 플로트 내부에 구비된 히터는 회전 열판에 설치되어 히터에서 발생하는 열이 회전 열판에 전달되도록 하되, 상기 회전 열판과 플로트 몸체 사이에는 열매체유가 충진되어, 히터의 동작에 따라 회전 열판에서 발생하는 열이 열매체유를 통해 플로트 몸체에 전달하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플로트 내부에 구비된 히터는 회전 열판에 설치되어 히터에서 발생하는 열이 회전 열판에 전달되도록 하되, 상기 회전 열판과 플로트 몸체 사이의 공간에서 발생하는 열 손실을 줄여 전력 소모를 적게 하기 위해, 상기 플로트는 100mm∼150mm의 직경을 갖도록 소형화되어 제작되는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 수위계에는 플로트의 내부에 구비된 히터가 설정된 온도 이하에서 작동하도록 히터의 동작 상태를 조절하는 온도 설정기와, 히터의 작동상태를 파악하기 위하여 히터에 공급되는 전류를 측정하는 전류계가 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 타이밍 풀리의 한 측면에 타이밍벨트를 타이밍 풀리에 밀착시키는 벨트누름 베어링이 설치되어, 급격한 수위변동에 따라 타이밍 풀리에서 타이밍벨트가 벗겨지는 현상을 방지할 수 있도록 한다.

다른 한편, 상기 수위계는 타이밍벨트의 길이가 Lr m이고, 타이밍벨트의 위치가 0m 일 때 초기 엔코더 값을 A0, 타이밍벨트의 위치가 Lr m일 때 엔코더 값을 A1이라 할 때, 길이변환 파라메터(Pm)를 수학식

으로 연산하고, 플로트의 이동에 따라 타이밍벨트가 임의의 위치로 이동하여 엔코더 값이 An일 때, 수위 값(L1)은 수학식

으로 연산할 수 있다.

상기 전원공급부는 상용 전원, 태양광 패널, 풍력발전기 중 어느 하나 이상의 전원 장치로부터 전원을 공급받는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수위 계측장치는 수면에 띄워진 플로트의 상하 운동량을 정밀한 동력 전달이 가능한 타이밍벨트를 사용하여 정확하게 타이밍 풀리의 회전량으로 전달함으로써 정밀한 수위 계측이 가능한 효과가 있다. 또한, 플로트 몸체와 중심 샤프트 사이에 베어링을 삽입하여 와류에 의해서 플로트 몸체가 회전하여도 중심 샤프트, 즉 타이밍벨트에는 회전력이 전달되지 않도록 하여 와류의 영향으로 타이밍벨트가 꼬이게 되어 측정이 불가능하게 되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 플로트 몸체의 내측에 구비되는 히터가 부착된 회전 열판과 플로트 몸체 사이에 열매체유를 충진하여 회전 열판의 열을 플로트 몸체에 원활히 전달할 수 있는 효과가 있다.

한편, 기존 수위계는 수위가 높아져 플로트가 상승하면 플로트의 상승한 높이 만큼 평형추는 반대로 하강하여 평형추가 물에 잠길 수 있는데, 본 발명에서는 평형추와 수위계 몸체에 복수개의 이동안내 로울러와 고정안내 로울러를 설치하여 타이밍벨트가 이동안내 로울러와 고정안내 로울러 사이를 다수 반복하여 감김으로써 플로트의 상승 높이에 비하여 평형추의 하강 거리가 축소되어 평형추가 물에 잠기지 않도록 하고 있다. 또한, 본 발명에서는 가이드 로울러를 통해 타이밍벨트의 이동경로를 변경함으로써 보호관의 직경을 소형화시켜, 설치가 용이하고 도시의 미관도 해치지 않아 수문 계측 설비 운영이 용이한 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 풍력이나 태양광 등의 신재생에너지를 이용하여 수위 계측장치에 전원을 공급하도록 함으로써, 상용 전원이 공급되지 않는 장소에서도 이용 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래 강관히터를 이용하여 결빙을 방지하는 장치의 일례,
도 2는 종래 플로트 내부에 히터를 설치하여 결빙을 방지하는 방법의 일례,
도 3은 종래 와이어로프를 이용하여 플로트의 이동량을 풀리에 전달하는 방법을 나타낸 개념도,
도 4는 종래 수위 계측장치의 와이어로프와 풀리의 결합 구조 일례,
도 5는 본 발명에 따른 동절기 결빙 방지 기능을 구비한 수위 계측장치의 설치 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 타이밍벨트와 타이밍 풀리의 결합 일례,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평형추의 하강 길이를 최소화하기 위한 일례,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평형추의 하강 길이를 제어하는 장치의 일례,
도 9는 본 발명에 따른 와류 방지를 위한 플로트의 구조도,
도 10은 본 발명에 따른 회전 열판에 부착된 히터에서 발생한 열이 공극을 지나 회전형 플로트 몸체로 전달되는 과정을 나타낸 일례,
도 11은 본 발명에 따른 플로트에서 주위 물로 전달되는 열량의 일례,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 타이밍벨트와 타이밍 풀리의 결합 개념도,
도 13은 본 발명에 따른 히터의 동작을 제어하는 일련의 전기계통도 일례,
도 14는 본 발명에 따른 타이밍 풀리와 수위계의 결합 구조도,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따라 히터에 전원을 공급하는 계통을 나타낸 개념도,
도 16은 본 발명에 따른 전원공급 수단의 일례,
도 17은 본 발명에 따른 수위 연산장치의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동절기 결빙 방지 기능을 구비한 수위 계측장치의 설치 개념도를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수위 계측장치는 계측 대상이 되는 수면 위에 부상하여 수위의 변화에 따라 상하로 이동하는 히터 내장형 플로트(20)와, 상기 플로트(20)에 일단이 연결되어 플로트 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 전달하는 타이밍벨트(18)와, 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍벨트(18)로부터 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와, 상기 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)의 이동 방향을 전환하는 복수의 로울러(13)(14)(14a)(16)(16a)와, 상기 타이밍벨트(18)의 장력을 유지하기 위해 하단 로울러(16)에 설치되는 평형추(17)와, 상기 타이밍벨트(18)의 타단을 고정하며 상기 히터 내장형 플로트(20)에 전원을 공급하는 전원공급부(15)와, 상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 검출하여 플로트(20)가 위치한 수위를 계측하는 수위계(10)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서는 종래 와이어로프를 통한 플로트의 상하 이동량의 전달에 있어서 원형 볼이 있는 와이어로프의 V형 풀리에 의한 근본적인 오차에 의한 문제점을 개선하기 위하여, 전 세계적으로 규격화되어 정밀한 산업 분야에서 널리 사용되는 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11)를 수위 계측장치에 적용하였다. 일례로 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11)는 자동차 엔진의 시린더의 위치에 대응한 흡기 밸브와 배기밸브를 개폐하는 타이밍을 제어하기 위하여 널리 사용되고 있으며, 초정밀 반도체 장비의 이송 메카니즘에 사용된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11)의 결합 일례를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일반적으로 타이밍 풀리(11)의 원주길이를 1m로 제작하므로, 본 발명의 실시예에서는 이에 근접하게 제작하기 위하여 타이밍벨트(18)의 피치(Pitch)를 3mm로 하고, 잇수를 330개로 가공하여 원주 길이(L)가 990mm(L = 피치 * 잇수 = 3 * 330)가 되도록 제작하였다. 하지만, 본 발명에서 타이밍벨트(18) 및 타이밍 풀리(11)의 규격을 이에 한정하는 것은 아니면, 다른 방법으로 타이밍 풀리(11)의 직경을 100∼200mm 로 작게 제작하여 원주 길이를 적게 하여 검출 정밀도를 높이고 수위계의 설치 및 운영에 편리하게 하는 방법도 있을 수 있다.

한편, 본 발명에서 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11)는 플로트(20)의 상하 변위를 전달하는 동력 전달의 기능뿐만 아니라, 길이 계측 요소로서 중요한 특성을 갖게 되므로 타이밍벨트의 선정에 있어서 많은 항목을 신중히 고려해야 한다. 일반적으로 대규모 댐 수위계나 교량 위에 설치되는 하천수 수위계는 검출 범위가 대체로 20∼40m로 길어서 타이밍벨트(18)의 길이도 이와 동일한 길이로 설치되는데, 이때 플로트(20)와 평형추(17)의 무게에 의한 길이 방향 신축량이 측정 정밀도에 얼마나 영향을 주는지 검토해야 한다. 이러한 본 발명의 용도에 적합한 소형 타이밍벨트(18)는, 일반형(Classic type) 타이밍벨트로는 잇빨의 피치가 2.032mm 인 MXL 타입 혹은 잇빨의 피치가 5.08mm 인 XL 타입이 있으며, 이보다 고장력용으로 슈퍼 토오크(Super Torque)형 타이밍벨트로는 잇빨의 피치가 2.0mm 인 S2M과 잇빨의 피치가 3.0mm 인 S3M 타입 등이 있다.

만일, 타이밍벨트(18)의 재질이 폴리우레탄(Poly Urethane)이고, 내부에 심선(Cord)이 없고, 길이가 30m, 크기는 가로 10mm, 세로 3mm 이고, 평형추(17)의 무게가 2kg인 경우를 가정하면, 이때 폴리우레탄의 인장강도는 70~300 kg/cm² 이므로 150 kg/cm²로 가정할 때 타이밍벨트(18)의 신장량을 계산하면, 신장량 δ는 재료공학의 후크 법칙(Hooke's law)을 이용하여 계산하면 아래 수학식 1과 같다.

여기서, δ : 변형량(㎝), P : 외력(kgf), l : 벨트의 길이(㎝), A : 단면적(㎝²), E : 탄성계수(150 kg/cm²로 간주)이므로, 신장량 δ는 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.

이러한 결과로는 신장량이 너무 커서, 폴리우레탄 재질의 타이밍벨트(18)는 측정용으로 도저히 사용할 수가 없다는 결론이 나온다.

또한, 폴리우레탄 재질의 타이밍벨트(18)의 내부에 직경이 약 1.0mm인 스텐레스 심선이 10가닥 들어있는 슈퍼 토오크(Super Torque)형의 S3M 타이밍벨트를 선정하고, 위 계산과 동일한 조건으로 길이 30m, 가로 10mm, 세로 3mm 이고, 평형추(17)의 무게가 2kg인 경우를 가정할 때, 이 타이밍벨트(18)의 신축량을 수학식 1과 같이 계산하면 다음의 수학식 3과 같다. 이때 스텐레스의 인장강도는 2.1x10⁴ kgf/mm² 를 적용하였다.

이와 같이, 길이 30m에서도 신장량이 불과 0.89759 mm 로 1mm이내의 정밀한 변위량의 전달이 가능하게 된다.

또한, 타이밍벨트(18)가 평형추(17)의 무게에 의한 파손이 발생하는지를 검토하면, 스텐레스 강 SUS 304의 항복강도(yeild strength)는 20.5 kg/mm²이므로 추의 무게 2 kg에 대하여 계산해 보면 다음의 수학식 4와 같다.

여기서

: 인장응력(스텐레스의 20.5 kg/mm²), P : 외력(kg), A : 단면적(mm²) 이므로, 최대 견딜 수 있는 무게 P는 다음의 수학식 5와 같다.

이와 같이, 평형추(17)의 무게 2kg 보다 충분히 커서 안정한 사용이 가능하게 된다.

한편, 타이밍벨트(18)의 신장율을 줄이기 위하여 잇빨의 피치가 좀 더 크고 강력한 토오크의 타이밍벨트를 선정하는 방법도 있을 수 있으나, 타이밍벨트(18)의 크기가 클수록 단위 길이당 무게가 무겁게 되고, 이에 따라 플로트(20)의 상하 이동에 따른 타이밍벨트(18)의 무게가 달라져 측정정밀도 및 수위계 장치 구성에 많은 영향을 주게 된다. 만일 플로트(20)가 하강하면 타이밍 풀리(11)로부터 플로트 측으로 내려간 타이밍벨트의 길이가 길어지고 이에 따른 타이밍벨트(18)의 무게가 플로트(20) 측으로 이동하고, 반대로 플로트(20)가 상승하면 타이밍벨트(18)의 무게가 평형추(17) 측으로 작용하여 이를 평형을 맞추기 위한 평행추(17)의 무게가 무거워져, 전체적으로 수위 계측장치의 작동이 둔감해지는 현상이 발생한다.

따라서, 플로트(20)가 상승 혹은 하강함에 따른 타이밍벨트(18) 무게의 변화는 단위 길이당 타이밍벨트(18)의 무게의 2배로 작용하여 이는 타이밍벨트(18)의 장력에 영향을 주게 되고, 결국 플로트(20)가 부력에 의해서 떠 있는 높이에 영향을 주게 되어 측정오차의 원인이 된다. 이 측정오차를 보정하기 위하여 타이밍 풀리(11)로부터 플로트(20) 측으로 내려간 타이밍벨트(18)의 길이와 타이밍벨트(18)의 단위 길이당 무게를 곱한 값을, 플로트(20)의 단위 길이당 물의 무게로 나누어 수위값에 보정하는 방법도 있다. 이러한 점을 고려하면, 타이밍벨트(18)의 토오크 특성과 단위 길이당 무게의 적정성을 고려할 때 타이밍벨트(18)의 잇빨의 피치는 2∼5mm 사이가 적정하다.

한편, 본 발명에서는 급격한 수위변동에 따라 타이밍 풀리(11)에서 타이밍벨트(18)가 벗겨지는 현상을 방지하기 위해, 타이밍 풀리(11)의 한 측면에 타이밍벨트(18)를 타이밍 풀리(11)에 밀착시키는 벨트누름 베어링(12)이 설치된다. 타이밍벨트(18)는 벨트누름 베어링(12)을 통해 타이밍 풀리(11)에 밀착되어 감겨서 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전량으로 전달하고, 가이드 로울러(13)를 거쳐서 평형추(17)가 결합된 하단의 이동안내 로울러(16)에 연결된다.

본 발명에서 플로트(20)와 평형추(17)는 보호관(19)의 내측에서 상하 방향으로 이동하게 되는데, 이때 가이드 로울러(13)는 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)의 이동 방향으로 플로트(20) 방향으로 전환하여 상승 및 하강하는 타이밍벨트(18) 간의 수평 간격을 짧게 해준다. 즉, 본 발명에서는 보호관(19)의 직경(수평 길이)이 작은 경우에도 평형추(17)가 보호관(19) 안에 들어갈 수 있도록 타이밍벨트(18)를 안내하기 위하여 가이드 로울러(13)를 설치하여 타이밍벨트(18)의 이동 경로를 변경하게 된다. 이러한 구조는 타이밍 풀리(11)를 통해 오르내리는 타이밍벨트(18)의 수평 간격을 짧게 해주어 종래에 비해 보호관(19)의 직경을 소형화시킬 수 있게 함으로써, 보호관(19)의 설치를 간단하고 저렴하게 수행할 수 있고 전체적인 구조물의 크기를 대폭 소형화할 수 있어 설치 및 유지 관리를 용이하게 해준다.

한편, 일반적인 수위 계측장치는 플로트(20)의 상승한 높이 만큼 평형추(17)가 하강하게 되는데, 장마철과 같이 수위가 높아지면 평형추(17)는 하강하여 급기야 물속에 잠기게 된다. 이렇게 되면 타이밍벨트(18)의 치형에 이물질이 끼게 되고, 플로트(20)가 하강할 때 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11) 사이에 낀 이물질이 타이밍 풀리(11)의 원활한 회전을 방해할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 도 5와 같이 복수의 이동안내 로울러(16)(16a) 및 고정안내 로울러(14)(14a)를 설치하고, 하단의 이동안내 로울러(16)(16a)에 평형추(17)를 설치한 후, 타이밍벨트(18)가 이 복수의 이동안내 로울러(16)(16a) 및 고정안내 로울러(14)(14a)를 경유하여 전원공급부(15)에 고정될 수 있도록 구성하여 평형추(17)의 하강 길이를 최소화할 수 있도록 하였다. 이를 보다 상세히 설명하면, 평형추(17)에는 타이밍벨트(18)를 안내하는 2개의 이동안내 로울러(16)(16a)가 결합되고, 수위계(10)의 본체에는 2개의 고정안내 로울러(14)(14a)가 설치되는데, 이때 타이밍 풀리(11)에 감겨진 타이밍벨트(18)가 가이드 로울러(13)를 거쳐 평형추(17)가 설치된 이동안내 로울러(16)를 경유하여 고정안내 로울러(14a)에 연결되고, 다시 이동안내 로울러(16a)를 경유하여 고정안내 로울러(14)에 감긴 후, 타이밍벨트(18)의 타단이 전원공급부(15)에 고정되게 된다. 이러한 일련의 과정을 거치면 플로트(20)의 상하 이동량에 대하여 평형추(17)의 상하 이동량은 4개의 로울러를 통해 1/4로 감소하게 된다. 이때 평형추(17)의 무게는 일반 추에 비하여 4배로 무겁게 제작되어야 한다.

만일, 타이밍 풀리(11)에 감겨진 타이밍벨트(18)가 가이드 로울러(13)를 거쳐, 평형추(17)에 결합된 이동안내 로울러(16)를 경유하여 고정안내 로울러(14)에 연결된 후, 바로 고정안내 로울러(14)에 감겨 전원공급부(15)에 고정되면, 평형추(17)의 상하 이동량은 플로트(20)의 이동량에 대하여 1/2로 감소하게 된다. 이와 같이, 본 발명에서는 타이밍벨트(18)가 복수의 이동안내 로울러(16)(16a) 및 고정안내 로울러(14)(14a) 사이를 경유하도록 함으로써, 타이밍벨트(18)의 감긴 횟수에 비례하여 평형추(17)의 하강 길이가 플로트(20) 이동량에 비해 1/2 또는 1/4로 감소하게 된다.

도 7은 평형추의 하강 길이를 최소화하기 위한 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이고, 도 8은 평형추의 하강 길이를 제어하는 장치의 일례를 나타낸 것이다.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 평형추(17)를 이용하여 타이밍벨트(18)에 일정한 장력을 유지하면서, 벨트 구동풀리(23)가 잉여벨트 감기휠(24)을 구동시켜 평형추(17)의 이동을 상한 리미트 검출센서(22a) 및 하한 리미트 검출센서(22c) 사이에서 움직이도록 제어하게 된다.

만약, 플로트(20)가 상승하면 평형추(17)가 하강하게 되는데, 평형추(17)가 하강하여 평형추(17)의 측면에 설치된 리미트 검출 브라켓(21)이 하한 리미트 검출센서(22c)에 도달하면, 도 8에 도시된 구동모터 제어장치(25)는 이를 감지하여 벨트 구동모터(26)가 타이밍벨트(18)를 감아 들이도록 벨트 구동풀리(23)를 구동시켜 타이밍벨트(18)가 잉여벨트 감기휠(24)에 감기도록 하고, 평형추(17)가 중간 검출센서(22b)에 도달하면 구동을 멈추게 한다.

만일, 플로트(20)가 하강하면 평형추(17)가 상승하게 되는데, 평형추(17)가 상승하여 평형추(17)의 측면에 설치된 리미트 검출 브라켓(21)이 상한 리미트 검출센서(22a)에 도달하면, 구동모터 제어장치(25)는 이를 검출하여 벨트 구동모터(26)가 타이밍벨트(18)를 풀어주도록 벨트 구동풀리(23)를 구동시켜 잉여벨트 감기휠(24)에 감겨진 타이밍벨트(18)를 풀어준 후, 평형추(17)가 중간 검출센서(22b)에 도달하면 작동을 멈추게 한다. 이때, 잉여벨트 감기휠(24)은 항시 타이밍벨트(18)를 감는 방향으로 스프링 또는 전동 감기장치(미 도시)에 의해서 일정한 장력으로 감아 들이는 역할을 하게 된다.

도 8을 좀 더 자세히 설명하면, 구동모터 제어장치(25)는 평형추(17)의 위치가 상한 리미트 검출센서(22a)와 하한 리미트 검출센서(22c) 사이에 있도록 벨트 구동모터(26)의 구동을 제어장치(25)로서, 구동모터 제어장치(25)에는 상한 리미트 검출센서(22a)와 중간 검출센서(22b) 및 하한 리미트 검출센서(22c)가 연결되어 있다. 구동모터 제어장치(25)는 상한 리미트 검출센서(22a)에 리미트 검출 브라켓(21)이 검출되면 평형추(17)가 하강하도록 벨트 구동모터(26)를 구동시키고, 하한 리미트 검출센서(22c)에 검출되면 평형추(17)가 상승하도록 벨트 구동모터(26)를 구동시키며, 중간 검출센서(22b)에 도달하면 벨트 구동모터(26)가 작동을 멈추도록 제어하게 된다. 이때 벨트 구동모터(26)의 축은 감속기(27)에 결합되고, 감속기(27)의 출력축은 벨트 구동풀리(23)와 결합되어 있어, 벨트 구동모터(26)의 구동에 의해 벨트 구동풀리(23)가 회전하게 된다.

이러한 과정에서, 평형추(17)가 수위측정 정밀도에 대단히 중요한 역할을 담당하게 되는데, 만일 잉여벨트 감기휠(24)에 감긴 타이밍벨트(18)가 평형추(17)를 거치지 않고 바로 플로트(20)에 결합되어 있을 때, 잉여벨트 감기휠(24)이 좀 강하게 감아 들이면 장력이 세져서 플로트(20)는 수면 위로 좀 더 높이 떠오르고, 잉여벨트 감기휠(24)이 좀 약하게 풀렸다면 장력이 약해져서 플로트(20)는 수면 아래로 좀 더 깊이 가라앉을 수 있다. 이는 곧 수위 측정의 오차를 유발하게 된다. 이때, 본 발명에서와 같이 잉여벨트 감기휠(24)과 플로트(20) 사이에 평형추(17)가 있어서, 중력을 이용하는 평형추(17)에 의해 타이밍벨트(18)에 균일하게 장력이 가해진다. 장력 장치로는 스프링강을 감아서 만든 스프링이나 압축 가스를 충진하여 만든 가스 스프링을 사용하는 방법도 고려해 볼 수 있는데, 스프링이나 가스 스프링은 로드의 위치에 따라 작용력이 각기 달라 균일한 장력을 가할 수가 없게 되는데, 이에 반하여 중력은 매우 균일한 작용력을 얻을 수 있다. 한편, 상기 잉여벨트 감기휠(24)에는 슬립링 구조로 결합된 전원공급부(15)가 설치되어, 잉여벨트 감기휠(24)에 감겨진 타이밍벨트(18)의 끝단과 연결된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 와류 방지를 위한 플로트의 구조도를 나타낸 것이다.

장마철에 폭우로 보호관(19) 안에 급류가 유입되면 유입된 물에 소용돌이(와류)가 형성되고, 이 와류의 영향으로 플로트(20)가 회전하여 타이밍벨트(18)가 꼬이는 현상이 발생하여 측정이 안되는 현상이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 와류에 의한 플로트(20)의 회전으로 인한 타이밍벨트(18)의 꼬임을 방지하기 위하여 와류를 방지할 수 있도록 플로트(20)를 구성하였다. 본 발명에 따른 히터 내장형 와류 방지용 플로트(20)는 회전형 플로트 몸체(38)와 중심 샤프트(34)의 사이에 회전 베어링(33)이 결합되어, 와류에 의해 회전형 플로트 몸체(38)가 회전하여도 중심 샤프트(34)에는 회전력이 전달되지 않도록 하였다. 이때, 중심 샤프트(34)의 상부에는 타이밍벨트(18)가 체결되는 벨트 연결 링크(32)가 결합되어 있는데, 상기 벨트 연결 링크(32)는 플로트(20)가 수면에 따라 자유롭게 이동하는데 장해가 되지 않도록 벨트 연결 링크(32)의 하부 축이 중심 샤프트(34)의 상부와 힌지 결합되고, 벨트 연결 링크(32)의 상부 축에는 타이밍벨트(18)가 감싸 겹쳐져 결합되며, 겹쳐지는 타이밍벨트(18)는 앞, 뒤면에서 벨트 고정판(31)을 통하여 나사로 고정된다.

또한, 본 발명에서는 플로트 몸체(38) 내부에 구비되는 히터(36)에 전력을 공급하기 위하여 중심 샤프트(34)의 길이 방향으로 중심부에 구멍을 뚫고, 이 구멍을 통하여 전원선을 통과시켜 회전 열판(37)에 설치된 온도조절기(35) 및 히터(36)에 전원을 공급하게 된다. 상기 전원선은 벨트 고정판(31)으로 고정된 타이밍벨트(18)의 끝단에서 강선 철심의 (+)전원선(41)과 (-)전원선(42)과 연결되어 전원을 공급받아, 이를 샤프트(34)의 관통공을 통과시켜 회전 열판(37)에 있는 온도조절기(35) 및 히터(36)에 공급하게 된다. 상기 회전 열판(37)에 구비되어 히터(36)의 구동을 제어하는 온도조절기(35)는, 만약 히터(36)가 과열되면 히터 전력을 차단함으로써 설정한 온도 이상으로 과열되지 않도록 한다. 히터(36)는 회전형 플로트 몸체(38)에 열을 전달하여 플로트(20) 주위의 결빙을 방지하는 역할을 하게 된다.

한편, 히터(36)에 공급되는 전력을 저전력으로 해야 하는 태양광 전원장치 등을 사용하는 수위 계측장치에서는 세심한 열 공학적 설계가 필요하다. 이때 플로트(20)에 내장되는 히터(36)는 온도조절기(35)에 의하여 15∼60℃의 낮은 온도로 작동되므로 복사보다는 전도에 의해 열전달이 이루어지게 된다. 이러한 방법으로 가열된 회전 열판(37)의 열량을 회전형 플로트 몸체(38)에 전달하는 경로에 회전 열판(37)과 회전형 플로트 몸체(38) 사이에 공극(공간)이 존재하며, 이 공극에 의하여 열저항이 커져서 회전 열판(37)에서 발생한 열량을 제대로 회전형 플로트 몸체(38)에 전달하지 못하여 동절기에 결빙을 방지하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 후술되는 수학식 7과 같이, 회전 열판(37)과 회전형 플로트 몸체(38) 사이의 공극, 즉 Δx를 적정하게 조절하여 열저항을 작게하거나, 회전 열판(37)과 회전 플로트 몸체(38) 사이에 열매체유(39)를 충진하여 회전형 플로트 몸체(38)의 회전력에 영향을 주지 않으면서 원활한 열전달이 가능하도록 설계하였다. 예를 들면, 다음의 표 1은 다양한 재료의 열전도도를 표시한 것으로, 회전 열판(37)과 회전형 플로트 몸체(38)를 알루미늄으로 제작하는 경우에 열전도도가 237(W/mK)로 매우 양호한대 비하여, 공극에 0℃인 공기의 열전도도는 0.025(W/mK)로 매우 낮다. 따라서 히터(36)에 의해 회전 열판(37)이 가열되어도 회전 열판(37)과 회전 플로트 몸체(38) 사이의 공극에 의한 열저항이 커서 열전달이 대폭 감소하게 된다.

이러한 현상은 회전 열판(37)과 회전 플로트 몸체(38) 사이의 공극에 열매체유(39)를 충진하면 해결할 수 있는데, 만일 물을 충진한다고 가정하면 물의 열전도도는 0.6(W/mK)로 공기에 비하여 24배가 향상되지만 히터(36)가 물에 잠기면 감전의 우려가 있거나 부품의 부식이 진행되어 사용할 수는 문제가 있다. 따라서, 장시간 고온에서 안정한 성능을 유지하는 고분자 재료로 된 열매체유(39)를 사용하는 것이 바람직한데, 열전도도가 0.1∼0.3(W/mK)인 저수준의 열매체유(39)를 사용할 수 있으며, 만일 좀 더 원활한 열전달을 원한다면 가격이 고가인 고수준의 0.4∼0.5(W/mK)인 열전도도 특성을 갖는 열매체유(39)를 사용하는 방법도 있다.

도 10은 회전 열판(37)에 부착된 히터(36)에서 발생한 열이 공극을 지나 회전형 플로트 몸체(38)로 전달되는 과정을 예시한 것으로, 회전 열판(37)의 면적 A에서 흐르는 열량(Q)은 히터(36)의 온도(T₀)와 플로트(20) 주변의 물 온도(T₄)의 차이를 회전 열판(37)의 열저항과 공극의 열저항, 회전형 플로트 몸체(38)의 열저항의 합으로 나눈 값이 되며, 이는 다음 수학식 6과 같다.

여기서, T₀ : 히터 온도(℃), T₄ : 플로트 주위 물 온도(℃), Rt : 전체 열 저항, R₁ : 회전 열판의 열저항, R₂ : 공극의 열저항, R₃ : 회전 플로트 몸체의 열저항, R₄ : 물의 열저항, L₁ : 회전 열판의 두께, L₂ : 공극의 간격, L₃ : 회전 플로트 몸체의 두께, K₁ : 회전 열판의 열전도율(W/mK), K₂ : 공극의 열전도율(W/mK), K₃ : 회전 플로트 몸체의 열전도율(W/mK)를 나타낸다.

만일, 공극의 열전도도는 0.025(W/mK)인데, 이 공극에 열전도도 0.4∼0.5(W/mK)의 열매체유(39)를 사용하면 열전도도는 약 16∼20배 향상된다.

또한, 플로트(20) 안에 히터(36)를 내장하고 이 히터(36)에 전원을 공급하여 플로트(20)를 가열하여 플로트(20) 주위에 결빙이 발생하지 않도록 하는 방법에 있어서, 태양광 발전방식으로 전원을 공급하는 수위국의 경우 동절기에 소모되는 전력을 최소화하기 위하여 플로트(20)의 직경을 작게 제작하면 열전달 단면적(A)이 적게 되어 열전달율(Q)이 적어지게 되므로 소형화하는 것이 유리하다.

본 발명에서는 전력 소모량 및 열 저항을 고려하여 플로트의 직경을 최적화하기 위해 다양한 실험을 하였는데, 실험 일례에 의하면 회전 열판(37)에 히터(36)와 온도조절기(35)를 부착한 종래 플로트 규격인 직경 200mm의 플로트를 수조에 띄우고, 이 수조를 영하 20℃ 챔버에 넣고 플로트 주위에 결빙이 안 되는지를 확인한 결과 약 85W의 전력이 소모되었다. 이는 DC 12V 태양광 발전장치에서 사용하면 약 7.08A로 전력 소모가 있어, 전력 소모량이 너무 커서 태양광 패널의 크기가 커지고 이에 따른 배터리의 용량도 커져서 실제 적용이 어려워지게 된다.

이에 따라, 전력 소모를 최소화하기 위하여 플로트의 형상과 방열 시트 선정, 회전 열판(37)의 흑착색 표면 처리 등 다양한 방법으로 연구와 실험을 한 결과 플로트(20)의 직경을 100mm∼150mm로 소형화하여 물에 접하는 표면적을 줄여서 비례적으로 히터(36)를 가열하는데 소모되는 전력을 적게 할 수 있었다.

도 11은 플로트(20)에서 주위 물로 전달되는 열량의 일례를 나타낸 것으로, 이는 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.

여기서, Q : 열전달량, k : 물질의 열전도도(W/m℃), A : 열전달 단면적(mm²), ΔT : 두 지점의 온도차(℃), Δx : 두 지점간 거리(mm)이다.

여기서, 열전달량(Q)는 열전달 단면적 A에 비례하는데, 물과 접촉하는 높이를 50mm로 가정할 때, 직경 200mm 플로트(20)의 연면적은 A1 = 62831.85 mm²이고, 직경 110mm 소형 플로트(20)의 연면적은 A2 = 26782.08 mm²이므로, 물과 접촉하는 표면적이 직경 200mm 에 비하여 42.6％ 적어 열전달량(Q)도 이와 유사하게 줄어들게 된다.

위 계산 결과를 바탕으로 직경 110mm 소형 플로트(20)를 제작하여 플로트(20) 내에 회전 열판(37)에 히터(36)와 온도조절기(35)를 부착하여 시험한 결과 DC 12V의 전원에서 소비전류가 2.25A, 소비전력은 약 27W임을 확인하였다. 이 전류값 2.25A는 태양광 전원장치에서 요구하는 소비전류 3~4A의 요구를 만족하게 된다. 본 발명에서는 이러한 실험 데이터를 기반으로, 플로트(20)의 직경을 100mm∼150mm로 소형화하고, 플로트(20)의 무게와 부력, 회전 열판(37)에 복수 개의 히터(36)와 온도조절기(35)를 부착하는데 있어서 부품간 간섭과 여 열 분포가 고르게 되도록 설계하여, 플로트(20)의 전력 소모와 열 저항을 줄여 안정적으로 동절기 결빙을 방지할 수 있도록 하였다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 타이밍벨트와 타이밍 풀리의 결합 개념도로서, 타이밍벨트의 강선 철심과 타이밍 풀리 몸체의 결합 상태를 평면으로 나타낸 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용된 타이밍벨트(18)의 내측에는 타이밍벨트(18)가 장력에 의해서 늘어나는 현상을 방지하기 위하여 복수 개의 강선 철심(40)이 구비되는데, 본 발명의 실시예에서는 이 강선 철심(40)을 몇 개씩 나누어 (+) 전원선(41)과 (-) 전원선(42)으로 묶어서 플로트(20) 내부에 구비된 히터(36)의 전원용으로 DC 12V 내지 DC 24V, 또는 AC 220V를 인가하도록 함으로써, 별도의 히터 전원선이 없이도 간편하게 히터(36)에 전원을 공급할 수 있도록 하고 있다.

한편, 상술한 도 6에서와 같이, 내측에 강선 철심(40)이 구비된 타이밍벨트(18)가 타이밍 풀리(11)의 몸체와 결합되는 경우, 타이밍벨트(18)의 강선 철심(40)과 타이밍 풀리 몸체(11a)의 공극이 불과 0.2∼0.5mm로 매우 근접하게 결합된다. 만일 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리(11)의 몸체(11a) 사이에 도전성 이물질이 끼거나 물방울이 들어가면, 강선 철심(40)의 (+) 전원선(41)에 흐르는 전류가 타이밍 풀리 몸체(11a)를 통하여 흐르고, 다시 타이밍 풀리 몸체(11a)에서 강선 철심(40)의 (-) 전원선(42)으로 흐르게 된다. 이에 따라 (+) 전원선(41)과 타이밍 풀리 몸체(11a) 사이 또는 (-) 전원선(42)과 타이밍 풀리 몸체(11a) 사이에서 아크가 발생하여 타이밍벨트(18)와 타이밍 풀리 몸체(11a)가 손상을 입게 되거나, 강선 철심(40)에 전기부식이 진행되어 가늘어지는 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 강선 철심(40)에 전원을 공급하여 히터(36)에 전원을 공급하는 경우에는 필연적으로 타이밍 풀리 몸체(11a)의 표면에 절연용 표면처리를 해야 한다. 만약 타이밍 풀리(11)의 재질을 알루미늄으로 제작한다면, 알루미늄의 표면에 산화 알루미늄(Al₂O₃) 피막을 형성하는 백색 아노다이징을 하게 되는데, 이 백색 아노다이징 피막의 두께는 5~8 um로 얇고 간혹 피막이 형성되지 않는 부분이 생기게 된다. 이를 해결하기 위하여 재차 아노다이징을 할 수 있는데, 이러한 경우 피막의 두께가 두꺼워지지만 아노다이징의 피막이 갈라지는 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 피막을 좀 더 확고하게 형성하기 위하여 경질 아노다이징으로 표면 두께가 약 30~50 um로 일반 백색 아노다이징 보다 수배 두꺼운 피막을 형성하도록 하였다. 참고로 산화알루미늄(Al₂O₃)의 전기적 특성은 절연저항이 10¹⁵ Ω.㎝로 매우 뛰어난 절연체이며, 절연파괴전압은 14.5 KV/mm이다.

이를 비교해보면, 연질 아노다이징의 피막 두께가 5~8um이며, 이에 대한 절연파괴전압(Vw)은 두께를 5um로 가정하면, 다음의 수학식 8과 같이 계산되어, 연질 아노다이징의 경우, 내전압이 낮고 부분적으로 피막 형성이 안 되는 부분이 발생하여 히터(36) 전원을 공급하는데 있어서 절연문제를 야기할 수 있다.

이에 반해, 경질 아노다이징은 피막 두께 30~50um로, 이에 대한 절연파괴전압(Vw)은 두께를 30um로 가정하면, 다음의 수학식 9와 같이 계산되어, DC 12V 내지 DC 24V의 히터(36) 전원을 공급해도 절연파괴는 발생하지 않게 된다.

한편, 절연 문제를 해결하기 위한 근본적인 해결 방법으로 타이밍 풀리(11)의 재질을 비금속인 아세탈 또는 MC 나일론 등으로 제작하는 방법도 적용될 수 있다.

한편, 플로트(20) 내부에 설치되는 히터(36)의 동작은 전기 계통 조작을 통하여 제어될 수 있는데, 도 13은 발명의 실시예에 따라 히터의 동작을 제어하는 일련의 전기계통도를 나타낸 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 히터(36)를 작동하는 전기 계통에는 누전이나 과부하가 발생하는 경우 히터(36)에 공급되는 전원을 차단하는 차단기(45)와, 히터(36)의 온도를 설정하여 설정된 온도 이하에서 히터(36)가 작동하도록 하는 온도 설정기(46)와, 히터(36)에 공급되는 전류를 측정하는 전류계(47)가 구비되는데, 이 차단기(45)와 온도 설정기(46) 및 전류계(47)는 수위계(10)의 일측에 설치되어 사용자가 이를 조작하고 확인할 수 있도록 하는 것이 수위 계측장치 운영에 매우 편리하게 된다. 한편, 플로트(20)의 내부에는 히터(36)의 구동의 제어하는 온도 조절기(35) 및 히터(36)가 설치된다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 타이밍 풀리와 수위계의 결합 구조를 나타낸 것으로, 타이밍 풀리(11)의 축은 수위계(10)의 베어링 하우징(52)에 결합되고, 베어링 하우징(52)은 커플링(53)을 통해 타이밍 풀리(11) 축의 한 단과 이중 절대형 엔코더 유니트(54)의 축을 연결하게 되며, 이중 절대형 엔코더 유니트(54)의 출력값은 수위 연산장치(100)로 제공되어 수위 값이 연산되게 된다. 이때 이중 절대형 엔코더 유니트(54)는 정밀 엔코더(55)와 광역 엔코더(56)가 기어로 연결되어 정전시에도 타이밍 풀리(11)의 회전을 검출하는 특성을 갖게 된다. 즉, 이중 절대형 엔코더 유니트(54)의 축은 정밀 엔코더(55)의 축에 연결되어 있어서 타이밍 풀리(11)의 회전량을 정밀하게 계측할 수 있으며, 이 정밀 엔코더(55)의 축에 수십배로 감축된 기어로 결합된 광역 엔코더(56)의 값을 통하여 적정한 밴드값을 갖는 테이블에 의하여 정밀 엔코더(55)의 회전수를 계산할 수 있게 된다. 만약, 정밀 엔코더(55)의 값을 ENC1_OUT, 광역 엔코더(56)의 값을 ENC2_OUT, 광역 엔코더(56)의 회전수 저장용 메모리를 ENC2_MEM 이라고 하고, 정밀 엔코더(55)와 광역 엔코더(56)의 분해능이 1024 라고 정의할 때, 플로트(20)의 이동에 따른 절대위치 값(ENC_POS)은 다음의 수학식 10으로 표현할 수 있다.

여기서 f{ }는 위치저장용 메모리 값 ENC2_MEM과, 광역 엔코더의 값 ENC2_OUT을 이용하여 정밀 엔코더의 회전수를 연산하는 방법을 표시한다. 상기 수위 연산장치(100)는 정밀 엔코더(55) 및 광역 엔코더(56)의 출력값을 분석하여 플로트(20)의 절대위치 값을 계산하고, 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하여 신호용 컨넥터(57)를 통하여 출력하거나 CDMA 모뎀 혹은 LTE 모뎀, 무선 모뎀 등으로 전송한다.

한편, 도 14에서는 강선 철심(40)이 구비된 타이밍벨트(18)를 이용하지 않고, 별도의 히터 전원선(58)을 이용하여 플로트(20)에 구비된 히터(36)에 전원을 공급하는 본 발명의 다른 실시예를 나타내고 있다. 즉, 플로트(20)의 상하 이동량은 타이밍벨트(18)를 통하여 타이밍 풀리(11)에 전달되어 회전량으로 변환되는데, 여기에 추가로 플로트(20)의 상부에는 히터 전원선(58)이 연결되고, 이 히터 전원선(58)은 타이밍 풀리(11)의 측면에 동일 크기로 형성된 히터 전원 풀리(50)에 감겨 플로트(20)의 히터(36)에 전원을 공급하게 된다. 이때, 히터 전원 풀리(50)의 중심 축에는 플로트(20)의 상하 운동에 따른 히터 전원선(58)의 상하 이동이 타이밍 풀리(11)의 회전에 미치는 영향을 방지하기 위하여 별도의 전원 풀리 베어링(51)이 결합되어 있다. 또한, 상기 히터 전원 풀리(50)를 경유하는 히터 전원선(58)은 로울러의 측면에 동일하게 형성되는 다른 로울러를 통하여 전원공급부(15)에 연결되어, 전원공급부(15)로부터 전원을 공급받아 플로트(20)의 히터(36)에 전달하게 된다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 히터에 전원을 공급하는 계통을 나타낸 개념도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 플로트(20)에 내장된 히터는 강선 철심을 통하여 전원이 전달되는 타이밍벨트(18)를 통하여 전원을 공급받게 되는데, 타이밍벨트(18)의 강선 철심으로 전원을 공급하는 방법으로 타이밍벨트(18)의 한 측에 전원공급 로울러(67)를 설치하여 타이밍벨트(18)의 강선 철심(40)에 접촉하도록 하여 전원을 공급할 수 있다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 전원공급 수단의 일례를 나타낸 것이다.

도 16에 도시된 전원공급 수단은 상용 전원의 공급이 어려운 단독 수위국에서 신재생 에너지를 이용하는 방법을 나타낸 것으로, 기본적으로 태양광 패널(70)을 이용하여 전원을 공급하도록 구성되는데, 만일 동절기에 눈이 오거나 구름이 짙게 낀 날이 지속되면 태양광 패널(70)에서 생산되는 전력이 약하게 되어 수위계(10)와 히터 내장형 플로트(20)에 공급되는 전력이 부족하게 되어 급기야 수위국 운영이 중단되는 사태가 발생할 수 있다. 이를 대비하여 본 발명에서는 소규모 풍력발전기(73)를 추가로 설치하여 태양이 없는 밤이나 구름이 짙게 낀 날에도 바람이 불면 발전을 하여 수위계에 전력을 공급할 수 있도록 하였다.

이러한 전원공급 수단은 태양광 패널(70)과 충전회로(71)로 구성되는 태양광 발전 계통과, 풍력발전기(73)와 풍력발전 조정장치(74)로 구성되는 풍력발전 계통으로 구성되며, 전원 안정화 장치(72)는 태양광 발전 계통 및 풍력발전 계통에서 공급되는 전력과 배터리(75)의 전압과 수위계(10) 및 히터 내장형 플로트(20)의 부하에 공급되는 전류를 파악하여 배터리(75)에 충전되는 전력을 적절하게 제어하게 된다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 수위 연산장치의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수위 연산장치(100)에는 정밀 엔코더(55)로부터 측정 신호가 입력되는 정밀엔코더 인터페이스부(115)와, 광역 엔코더로(56)부터 측정 신호가 입력되는 광역엔코더 인터페이스부(116)와, 상기 정밀 엔코더(55)와 광역 엔코더(56)의 측정 신호를 분석하여 절대수위 값을 계산하는 마이크로 프로세서(112)가 구비되어 있다. 또한, 상기 수위 연산장치(100)에는 DC 24V 전원(134)이 입력되는 내부 장치에 전원을 공급하는 DC/DC 컨버터(121)와, 각종 파라메타 및 변수가 저장되는 FRAM 메모리(113)와, 외부 장치와의 통신을 위한 RS-232C 통신부(117)(118), 수위 레벨 값을 외부로 출력하는 수위값 BCD 출력부(119)와, 무선방식으로 데이터를 송수신하는 무선 송수신부(120)가 구비된다.

상기 마이크로 프로세서(112)에는 USB 포트(111)가 연결되는데, 이 USB 포트(111)에는 데이터 입출력장치(110)가 연결되어, 데이터 입출력장치(110)에서 마이크로 프로세서(112)에 동작 프로그램을 전송하거나 파라메터 값을 전송하여 설정할 수 있도록 한다.

상기 RS-232C 통신부(117)는 LCD & Key 보드(130)와 연결되어 키보드를 통하여 파라메터의 입력 또는 수정이 이루어질 수 있으며, 동작상태가 LCD & Key 보드(130)에 표시되게 되는데, 키보드가 눌린 상태 또는 장치의 상태 및 경보 상태가 부져를 통하여 표시될 수 있도록 하는 기능도 수행하게 된다.

또한, 다른 RS-232C 통신부(118)는 CDMA 모뎀(131)과 연결되어 데이터를 송수신하고, 수위값 BCD 출력부(119)에는 상위 감시장치(132)가 연결되며 외부에서 수위값을 감시할 수 있도록 하며, 무선 송수신부(120)에는 안테나(133)가 연결되어 외부 장치와 데이터를 무선으로 송신하게 된다.

이하에서는 상기의 구성으로 이루어진 본 발명의 수위 계측장치를 통하여 길이 측정 시험을 거쳐 측정기로서의 성능을 확인하는 과정에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에서는 먼저 측정하고자 하는 50m 상당의 타이밍벨트(18)에 5m 간격으로 정확하게 표시를 하고, 이 타이밍벨트(18)를 타이밍 풀리(11)에 장착하고 평형추(17)로서 적정한 장력을 가한 상태에서 타이밍벨트(18)를 0m 위치가 되도록 고정한다. 이때 도 17에서 같이, 수위 연산장치(100)의 USB 포트(111)에 데이터 입출력장치(110)를 연결한 후 절대위치 엔코더 값(ABS_ENC_POS) 번지를 읽어서, 읽은 값은 FRAM 메모리(113)의 초기 엔코더 값(A0)으로 기록한다.

다음으로 타이밍벨트(18)를 각 5m, 10m, 15m .. 50m 마다 데이터 입출력장치(110)를 통하여 FRAM 메모리(113)의 절대위치 엔코더 값 저장 번지를 읽어서 각 위치의 엔코더 값(A5, A10, ... A50)을 기록한다.

만약, 측정한 시험용 타이밍벨트(18)의 길이가 Lr m이고, 타이밍벨트(18)의 위치가 0 m일때 초기 엔코더 값이 A0 이며, 타이밍벨트(18)의 위치가 Lr m일 때 엔코더 값을 A1 이라 할때, 다음의 수학식 11과 같이 시험용 벨트의 길이(Lr)로 나눈 값을 FRAM 메모리(113)의 길이변환 파라메터(Pm) 번지에 저장한다.

이를 플로트(20)의 임의의 위치의 엔코더 값(An)의 위치 값에서 수위 값(L1)으로 환산하면 다음의 수학식 12와 같다.

이때, 길이변환 파라메터(Pm)는 수위계의 성능을 결정하는 매우 중요한 파라메터이므로 수위 계측장치의 전원이 ON 되는 순간에 이론치 길이변환 파라메터(Pm)에서 타이밍벨트(18)의 제작 공차를 감안하여 약 5％ 내외의 상한치와 하한치 이내 인지를 검사하여, 이 범위를 초과하면 작동을 멈추고 알람을 발생하는 기능을 수행한다.

한편, 또 다른 RS-232C 통신부(118)는 CDMA 모뎀(131) 또는 LTE 모뎀 등에 절대수위 값이나 동작상태 값을 전송하는 기능을 수행하게 되는데, 이는 MODBUS-RTU 또는 MODBUS-ASCII 또는 CAN 통신 또는 CC-Link 방식으로 신호의 전송도 가능하며, 무선 송수신부(120)은 WIFI, ZIGBEE, LoRa 방식으로 신호를 변환하여 데이터를 송수신하는 기능도 수행하게 된다.

이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10 : 수위계 11 : 타이밍 풀리
11a : 타이밍 풀리 몸체 12 : 벨트누름 베어링
13 : 가이드 로울러 14 : 고정안내 로울러
15 : 전원공급부 16 : 이동안내 로울러
17 : 평형추 18 : 타이밍벨트
19 : 보호관 20 : 플로트
21 : 리미트 검출 브라켓 22a : 상한 리미트 검출센서
22b : 중간 검출센서 22c : 하한 리미트 검출센서
23 : 벨트 구동풀리 24 : 잉여벨트 감기휠
25 : 제어장치 26 : 벨트 구동모터
27 : 감속기 31 : 벨트 고정판
32 : 벨트 연결 링크 33 : 회전 베어링
34 : 중심 샤프트 35 : 온도조절기
36 : 히터 37 : 회전 열판
38 : 플로트 몸체 39 : 열매체유
40 : 강선 철심 41 : (+) 전원선
42 : (-) 전원선 45 : 차단기
46 : 온도 설정기 47 : 전류계
50 : 히터 전원 풀리 51 : 전원 풀리 베어링
52 : 베어링 하우징 53 : 커플링
54 : 이중 절대형 엔코더 유니트 55 : 정밀 엔코더
56 : 광역 엔코더 57 : 신호용 컨넥터
58 : 히터 전원선 62 : 히터 전원공급 블록
67 : 전원공급 로울러 70 : 태양광 패널
71 : 충전회로 72 : 전원 안정화 장치
73 : 풍력발전기 74 : 풍력발전 조정장치
75 : 배터리 100 : 수위 연산장치

Claims

수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서,
내측에 동절기 결빙 방지용 히터(36)가 내장되어, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트(20)와;
수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와;
일단이 상기 플로트(20)에 연결되어, 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전력으로 전달되는 타이밍벨트(18)와;
상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트(54)에서 플로트(20)의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계(10);를 포함하되,
일단이 플로트(20)의 상부에 결합되어 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)의 타단은 복수의 로울러를 경유하여 지상에 설치된 전원공급부(15)에 고정되고, 상기 복수의 로울러 중 최하단에 위치한 로울러의 하단에는 평형추(17)가 결합되어, 상기 로울러를 경유하는 타이밍벨트(18)에 장력을 제공하여 타이밍벨트(18)의 이동을 원활히 하도록 하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항에 있어서,
상기 타이밍벨트(18)가 경유하는 복수의 로울러는
하단에 평형추(17)가 결합되어 이동이 가능하도록 하부에 배치되는 이동안내 로울러와, 상기 이동안내 로울러의 상부에 배치되어 지상에 고정되는 고정안내 로울러를 포함하여 이루어져,
상기 타이밍 풀리(11)를 통과하는 타이밍벨트(18)가 이동안내 로울러와 고정안내 로울러를 경유하여 전원공급부(15)에 고정됨으로써, 플로트(20)의 상승에 따른 평형추(17)의 하강 길이를 짧게 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 2항에 있어서,
상기 복수의 로울러는,
하단에 평형추(17)가 결합된 2개의 이동안내 로울러(16a)(16)가 상하로 결합되고, 지상에 위치한 수위계(10)에 2개의 고정안내 로울러(14)(14a)가 상하로 이격되어 결합되어,
타이밍 풀리(11)에 감겨진 타이밍벨트(18)가 평형추(17)에 결합된 2개의 이동안내 로울러(16a)(16) 중 하부의 이동안내 로울러(16)를 경유하여, 2개의 고정안내 로울러(14)(14a) 중 하부에 위치한 고정안내 로울러(14a)를 경유한 후, 상부 이동안내 로울러(16)를 경유하여 상부 고정안내 로울러(14)를 경유한 후, 상부 고정안내 로울러(14)의 일측에 설치된 전원공급부(15)에 고정되어,
상기 플로트(20)의 상승 길이에 대한 평형추(17)의 하강 길이를 1/4로 짧게 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 2항에 있어서,
상기 복수의 로울러는,
하단에 평형추(17)가 결합된 2개의 이동안내 로울러(16a)(16)가 상하로 결합되고, 지상에 위치한 수위계(10)에 2개의 고정안내 로울러(14)(14a)가 상하로 이격되어 결합되어,
타이밍 풀리(11)에 감겨진 타이밍벨트(18)가 평형추(17)에 결합된 2개의 이동안내 로울러(16a)(16) 중 하부의 이동안내 로울러(16)를 경유한 후, 2개의 고정안내 로울러(14)(14a) 중 하부에 위치한 고정안내 로울러(14a)를 경유하여 상부에 위치한 고정안내 로울러(14)를 경유한 후, 상부 고정안내 로울러(14)의 일측에 설치된 전원공급부(15)에 고정되어,
상기 플로트(20)의 상승 길이에 대한 평형추(17)의 하강 길이를 1/2로 짧게 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서,
내측에 동절기 결빙 방지용 히터(36)가 내장되어, 수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트(20)와;
수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와;
일단이 상기 플로트(20)에 연결되어, 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트(18)와;
상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트(54)에서 플로트(20)의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계(10);를 포함하되,
일단이 플로트(20)의 상부에 결합되어 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)의 타단은 이동안내 로울러(16)를 경유하여 지상에 설치된 벨트 구동풀리(23) 및 잉여벨트 감기휠(24)에 감겨 전원공급부(15)에 연결되고, 상기 이동안내 로울러(16)의 하단에는 일측에 리미트 검출 브라켓(21)이 설치된 평형추(17)가 결합되고, 상기 이동안내 로울러(16)를 따라 상하로 이동하는 평형추(17)의 상하 이동량을 제한하기 위한 상한 리미트 검출센서(22a) 및 하한 리미트 검출센서(22c)가 수위계(10)에 설치되어,
상기 평형추(17)를 통하여 타이밍벨트(18)에 일정한 장력이 유지되면서, 벨트 구동풀리(23)가 잉여벨트 감기휠(24)을 구동시켜 평형추(17)의 이동을 상한 리미트 검출센서(22a) 및 하한 리미트 검출센서(22c) 사이에서 움직이도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 5항에 있어서,
상기 수위계(10)에 설치된 상한 리미트 검출센서(22a)와 하한 리미트 검출센서(22c) 사이에는 중간 검출센서(22b)가 구비되어,
상기 플로트(20)의 상승에 따라 평형추(17)가 하강하여 리미트 검출 브라켓(21)이 하한 리미트 검출센서(22c)에 도달하면, 벨트 구동풀리(23)가 구동되어 타이밍벨트(18)가 잉여벨트 감기휠(24)에 감긴 후, 평형추(17)가 중간 검출센서(22b)에 도달하면 구동이 정지되고,
상기 플로트(20)의 하강에 따라 평형추(17)가 상승하여 리미트 검출 브라켓(21)이 상한 리미트 검출센서(22a)에 도달하면, 벨트 구동풀리(23)가 구동되어 잉여벨트 감기휠(24)에 감겨진 타이밍벨트(18)가 풀린 후, 평형추(17)가 중간 검출센서(22b)에 도달하면 구동이 정지되도록 하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 타이밍벨트(18)의 내부에는 복수의 강선 철심(40)이 내재되어, 타이밍벨트(18)의 타단을 통하여 연결된 전원공급부(15)의 전원이 강선 철심(40)을 통해 플로트(20)에 내장된 히터(36)에 공급되는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 타이밍벨트(18)는 평형추(17)의 무게에 의한 신장을 최소화하기 위하여 강선 철심(40)이 내재된 슈퍼 토오크형으로 이루어지고, 타이밍 풀리(11)와 결합되는 타이밍벨트(18)의 잇빨의 피치는 2∼5mm 범위로 이루어지며, 내 환경성을 위해 폴리 우레탄 재질의 S2M 또는 S3M 타입으로 이루어지는 것으로 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,
상기 타이밍벨트(18)를 통하여 연결된 플로트(20)와 평형추(17)는 보호관(19)의 내측에서 상하로 이동하되,
일단이 플로트(20)의 상부에 결합되어 타이밍 풀리(11)를 경유하는 타이밍벨트(18)는, 플로트(20)의 상부에 연결되어 상부로 연장되는 타이밍벨트(18)와의 수평 간격이 짧아지도록 가이드 로울러(13)를 통하여 하부 이동 방향이 전환되어, 평형추(17)가 결합된 하단의 이동안내 로울러(16)에 연결되어,
상기 보호관(19)의 직경을 작게 하여 소형화 시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서,
수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트(20)와;
수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와;
일단이 상기 플로트(20)에 연결되어, 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트(18)와;
상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트(54)에서 플로트(20)의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계(10);를 포함하되,
상기 타이밍벨트(18)의 내부에는 복수의 강선 철심(40)이 내재되어, 타단을 통하여 연결된 전원공급부(15)의 전원을 강선 철심(40)을 통해 플로트(20)에 내장된 히터(36)에 공급되도록 함으로써 동절기 결빙을 방지하고,
상기 타이밍벨트(18) 내부의 복수의 강선 철심(40)을 통하여 전원이 전달되는 과정에서 강선 철심(40)이 타이밍 풀리 몸체(11a)와 근접하여 아크가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 상기 타이밍 풀리 몸체(11a)의 표면에 경질 또는 연질 아노다이징을 반복하여 절연성 피막을 형성하여 절연시키거나 타이밍 풀리 몸체(11a)를 비금속 재료로 제작하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
수면 위에 플로트를 띄우고 수위를 계측하는 수위 계측장치에 있어서,
수면에 부력으로 띄워져 수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 플로트(20)와;
수위의 변동에 따라 상하로 이동하는 상기 플로트(20)의 상하 이동량을 전달받아 회전량으로 변환하는 타이밍 풀리(11)와;
일단이 상기 플로트(20)에 연결되어, 플로트(20)의 상하 이동량을 타이밍 풀리(11)에 회전량으로 전달되는 타이밍벨트(18)와;
상기 타이밍 풀리(11)의 회전량을 전달받아 이중 절대형 엔코더 유니트(54)에서 플로트(20)의 절대위치 값을 계측하고, 계측된 플로트(20)의 절대위치에 따른 수위 값을 계산하는 수위계(10);를 포함하되,
상기 플로트(20)는 플로트 몸체(38)와 중심 샤프트(34)의 사이에 회전 베어링(33)이 결합되어 플로트 몸체(38)의 회전력이 중심 샤프트(34)에 전달되지 않도록 하고,
상기 중심 샤프트(34)의 중심 길이 방향으로 관통공이 형성되어 전원선이 통과하고, 상기 전원선은 지상에 설치되는 전원공급부(15)로부터 전원을 공급받아 플로트(20) 내부에 구비된 히터(36)에 공급하여, 상기 히터(36)의 가열에 의하여 플로트 몸체(38)가 가열되어 플로트(20) 주위가 결빙되는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 11항에 있어서,
상기 플로트(20) 내부에 구비된 히터(36)는 회전 열판(37)에 설치되어 히터(36)에서 발생하는 열이 회전 열판(37)에 전달되도록 하되,
상기 회전 열판(37)과 플로트 몸체(38) 사이에는 열매체유(39)가 충진되어, 히터(36)의 동작에 따라 회전 열판(37)에서 발생하는 열이 열매체유(39)를 통해 플로트 몸체(38)에 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 11항에 있어서,
상기 플로트(20) 내부에 구비된 히터(36)는 회전 열판(37)에 설치되어 히터(36)에서 발생하는 열이 회전 열판(37)에 전달되도록 하되,
상기 회전 열판(37)과 플로트 몸체(38) 사이의 공간에서 발생하는 열 손실을 줄여 전력 소모를 적게 하기 위해, 상기 플로트(20)는 100mm∼150mm의 직경을 갖도록 소형화되어 제작되는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항, 제 5항, 제 10항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수위계(10)에는
상기 플로트(20)의 내부에 구비된 히터(36)가 설정된 온도 이하에서 작동하도록 히터(36)의 동작 상태를 조절하는 온도 설정기(46)와, 히터(36)의 작동상태를 파악하기 위하여 히터(36)에 공급되는 전류를 측정하는 전류계(47)가 설치되는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항, 제 5항, 제 10항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타이밍 풀리(11)의 한 측면에 타이밍벨트(18)를 타이밍 풀리(11)에 밀착시키는 벨트누름 베어링(12)이 설치되어, 급격한 수위변동에 따라 타이밍 풀리(11)에서 타이밍벨트(18)가 벗겨지는 현상을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항, 제 5항, 제 10항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수위계(10)는
타이밍벨트(18)의 길이기 Lr m이고, 타이밍벨트(18)의 위치가 0 m일 때 초기 엔코더 값을 A0, 타이밍벨트(18)의 위치가 Lr m일 때 엔코더 값을 A1이라 할 때, 길이변환 파라메터(Pm)를 수학식

으로 연산하고,
플로트(20)의 이동에 따라 타이밍벨트(18)가 임의의 위치로 이동하여 엔코더 값이 An일 때, 수위 값(L1)은 수학식

으로 연산하는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.
제 1항, 제 5항, 제 10항, 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원공급부(15)는 상용 전원, 태양광 패널(70), 풍력발전기(73) 중 어느 하나 이상의 전원 장치로부터 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 수위 계측장치.