KR102028144B1 - 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법은 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있도록 하천을 가로질러 설치된 교량이나 하천의 중앙에 하천의 흐름단면적을 측정하기 위한 레이저 스캐너와 하천의 유속을 측정하는 마이크로웨이브센서 및 측정된 결과를 출력하는 디스플레이부 및 측정된 자료를 전송하는 무선통신부 등을 포함된 계측기를 설치하여 하천의 유속 및 유량 등의 정보를 생성하는 기술적 특징을 갖는다.

Description

이동식 유량측정장치 및 유량측정방법{Movable Apparatus for Measuring a Flow and The Method for Measuring a Flow}
본 발명은 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 장마철이나 태풍의 영향 등의 폭우로 인하여 하천이 범람하는 지역, 하천을 가로질러 설치된 교량 등에 간단히 설치할 수 있고, 레이저 스캐너와 초음파센서를 이용하여 하천의 흐름단면적을 측정하고, 마이크로 웨이브센서를 이용하여 하천의 유속을 측정하여 이를 이용하여 하천의 유량을 측정할 수 있도록 하는 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 관한 것이다.
인류가 살아가는데 있어 가장 중요한 요소 중의 하나인 물을 관리하는 것은 대단히 중요하다. 이러한 물을 관리하는데 있어 바다가 아닌 육지에서의 강이나 하천을 관리할 필요가 있는데 특히 상수원으로 활용하거나 농촌에서 농사에 필요한 농업용수로 이용하는 하천 등에서 물관리를 위하여 하천을 흐름을 조절하기 위한 수문의 개폐와 관련한 조건을 확인하기 위하여 현재 하천에서의 유량을 측정할 필요가 있다.
최근 기후 변화에 따른 빈번한 집중호우, 장마, 가뭄 발생, 하천환경 변화의 여건으로 신속하고 정확한 물관리에 필요한 예측 시스템 및 중장기 계획 수립을 위하여 필요로 하여 현재의 하천의 전체적인 유량에 대한 정보가 필요하다. 이러한 유량을 측정하는 방법에는 하천의 크기와 시기에 따라 방법이 다양하다.
중소하천에서는 갈수, 저수기에는 유속계법, 위어 측정법이 있고, 평수시에는 희석법, 유속계법을 사용하며, 홍수시에는 부자법을 이용하며, 대하천에는 갈수, 저수기에는 유속계법, 희석법, 이동 초음파 유속계법이 있고, 평수시에는 유속계법을 사용하며, 홍수시에는 부자법이나 전자파 표면 유속계법을 사용하게 된다.
이러한 유량측정법 중에서 부자법은 홍수기에 수심이 급격하게 상승하고 하천의 유속이 매우 빠른 경우에 해당 수심에 적절한 부자를 투하하여 간접적으로 결과값을 얻을 수 있는 방법이다. 하지만 부자법의 경우에는 중소하천에는 적용이 어렵고, 직접 하천에 부자를 투하하기 위해서 해당 하천에 가야하는 어려움이 있다.
도섭법은 직접 하천으로 들어가 측정계획에 따라 일정 간격에 맞게 이동하여 프로펠러 유속계 등을 이용해 수심과 유속을 측정하는 방법이다. 하지만 하천에 직접 들어가야 하기 때문에 그로인한 안전문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점으로 인하여 정확한 측정 및 사람이 직접 해당 하천을 방문하거나 하천에 들어가는 문제를 해결하기 위하여 다양한 측정장치와 무선통신을 이용하여 측정하는 방법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
종래의 등록실용신안번호 제20-0361183호 레이저와 초음파를 이용한 전자 거리 측정장치는 초음파 센서로 일정 높이를 측정하고, 일정한 높이에서 레이저 포인터를 회전시켜 측정을 원하는 목표물에 레이저 빔을 조사하여 레이저 포인터의 회전각도에 해당되는 저항값을 이용하여 레이저 빔이 지시하고 있는 거리를 정확하게 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
하지만 상기의 실용신안은 거리를 정확하게 측정할 수 있지만 하천에서 물에 의해 발생할 수 있는 왜곡에 의해 보정이 필요하고, 하천 하부의 지형을 파악하는 데 한계가 있다.
종래의 등록특허번호 제10-1410923호 회전 구조물의 레이저 초음파 영상화 방법 및 장치는 손상과 초음파 진행 사이의 상호 작용을 시각화해 손상의 위치와 크기 등에 대한 정보를 현장 실무자들도 쉽고 직관적으로 확인할 수 있도록 함으로써 효율적인 터빈 블레이드와 같은 회전 구조물 관리를 위한 건전성 평가 시스템이다.
하지만 종래의 특허는 레이저 초음파 영상을 통해 직관적으로 손상부위를 확인할 수 있는 특징은 있으나, 하천에서의 유량을 측정하기 위하여 필요한 광범위한 하천 하부의 단면적을 파악하는데 문제점이 있다.
대한민국 등록실용신안공보 등록번호 제20-0361183호 “레이저와 초음파를 이용한 전자 거리 측정장치” 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1410923호 “회전 구조물의 레이저 초음파 영상화 방법 및 장치”
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자, 수문의 개폐조건을 정확하게 판단하기 위한 하천의 유량을 원격에서 정확하게 파악하기 위하여 하천을 가로질러 설치된 교량이나 하천의 중앙에 하천의 흐름단면적을 측정하기 위한 레이저 스캐너와 하천의 유속을 측정하는 마이크로웨이브센서가 포함된 본체를 설치하여 하천의 유속 및 유량 등의 정보를 생성하는 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합되는 본체(20)와; 상기 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 단면적측정부(30)와; 상기 본체(20)의 전면 하부에 설치되고, 하천의 유속을 측정하기 위한 유속측정부(40)와; 상기 단면적측정부(30)와 유속측정부(40)에 의해 측정된 흐름단면과 유속을 유량으로 연산하기 위한 유량연산부(50)와; 상기 본체(20)에 설치되고, 상기 본체(20)의 현재 위치를 확인하기 위한 GPS(60)와; 상기 유량연산부(50), GPS(60)로부터 정보를 전달받아 저장하는 저장부(70)와; 상기 본체(20)의 후면에 설치되고, 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 출력하기 위한 디스플레이부(80)와; 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 서버로 전송하기 위한 통신모듈(90)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 단면적측정부(30)는 상기 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와; 상기 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와; 상기 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 상기 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와; 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와; 상기 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 상기 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여, 상기 유속변환기(43)는 상기 기울기센서(42)에 의해 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값 중에서 상기 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에 있어서, 상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100); 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및; 상기 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 단면적연산단계(S100)는, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110); 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120); 상기 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130); 상기 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 상기 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및; 상기 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 유속연산단계(S200)는, 마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 주파수수신단계(S210); 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하는 기울기측정단계(S220) 및; 상기 기울기측정단계(S220)에서 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하기 위한 기울기보정단계(S230)와; 상기 기울기보정단계(S230)를 통해 보정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 유속변환단계(S240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의한 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 의하면, 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있는 계획을 수립할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 측면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 이용하여 하천의 흐름단면적과 수면을 측정하는 예시도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부에서 측정된 지형좌표를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 유속측정부를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법을 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 단면적연산단계를 보여주는 블럭도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 유속연산당계를 보여주는 블럭도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 도 1 내지 도 9에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 이용하여 하천의 흐름단면적과 수면을 측정하는 예시도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부에서 측정된 지형좌표를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 유속측정부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치(10)는 본체(20), 단면적측정부(30), 유속측정부(40), 유량연산부(50), GPS(60), 저장부(70), 디스플레이부(80), 통신모듈(90)을 포함하여 이루어진다.
본체(20)는 하천의 지면에 고정설치되는 것으로, 박스형상으로 이루어져 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합된다.
단면적측정부(30)는 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 것으로, 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와, 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와, 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와, 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와, 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하여 이루어진다. 이때, 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 한다.
라이다(311)는 자신이 발사하는 레이저의 각도(θ)와, 하천에 존재하는 물을 투과하여 하천의 아래 바닥에 해당하는 횡단면까지 전송되며, 횡단면을 통해 반사되는 레이저를 수신하여 거리(L)를 각각 측정한다.
한편, 초음파센서(32)와 라이다(311)는 가로축으로 동일선상에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 초음파센서(32)와 라이다(311)가 다른 위치에 설치된다면 차이가 발생하는 높이값만큼 보상하여야 정확한 흐름단면적을 구할 수 있기 때문이다.
단면적연산기(33)는 라이다(311)를 통해 측정된 횡단면까지의 각도와 거리를 이용하여 x, y축의 값 형태인 지형의 좌표로 변환한다. 단면적연산기(33)는 라이다(311)에서 측정한 각각의 각도(θ)와 거리(L)에 대하여 x축은 L1sin(θ1), L2sin(θ2),…, Lnsin(θn)의 형태로, y축은 L1cos(θ1), L2cos(θ2),…, Lncos(θn)의 형태로 변환한다.
라이다(311)를 통해 측정된 y축 값 중에서 거리(L)가 초음파센서(32)로부터 측정된 거리보다 가까운 값인 경우에는 수면위에 해당하는 하천의 지형에 해당하므로, 해당 y축이 포함된 지형좌표는 지형좌표에서 제외하여 수면 아래에 해당하는 데이터를 정리한 후, 아래 [수학식 1]에 의해 흐름단면적을 연산한다.
Figure 112018097853746-pat00001
(여기서, x0에서 xn은 지형좌표의 x축에 해당하는 L1sin(θ1), L2sin(θ2),…, Lnsin(θn)이고, y0에서 yn은 지형좌표의 y축에 해당하는 L1cos(θ1), L2cos(θ2),…, Lncos(θn) 값이다.)
단면적연산기(33)를 통해 연산한 흐름단면적의 면적오차율을 5% 이내로 줄이기 위하여 유량측정장치(10)의 위치를 수차례 옮겨 다방향에서 지형을 측정할 수 있다. 여기서 지형이 유량측정장치(10)의 측정가능 범위를 벗어날 경우 또한 라이다(311)의 위치를 옮겨서 좌표를 결합할 수 있다. 이 경우 이동된 라이다(311)는 GPS좌표를 이용하여 가로축의 값을 보정할 수 있다.
기울기센서(34)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)의 수평 및 수직이 되는 기준축을 기준으로 기울기를 측정하여 구동모터(35)에 전송한다. 라이다(311) 및 초음파센서(32)는 흐름단면적 및 수면까지의 거리를 측정해야하기 때문에 기준축을 기준으로 수평 및 수직을 유지해야한다. 따라서 이러한 수평 및 수직에 유지되는 것을 확인하기 위하여 기울기센서(34)로 현재의 기울기를 측정하여 기울기값을 필요로 하는 구동모터(35)에 전송한다.
구동모터(35)는 기울기센서(34)를 통해 측정된 기울어진 값에 따라 라이다(311) 및 초음파센서(32)의 하측에서 기준축과 동일하게 유지시키도록 구동한다.
구동모터(35)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)를 지지하는 축에 연결되어 좌우상하로 움직일 수 있도록 서보모터나 스테핑모터를 이용할 수 있다.
유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와, 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와, 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여 이루어진다. 이때, 유속변환기(43)는 기울기센서(42)에 의해 측정된 마이크로웨브센서(41)의 기울기값 중에서 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하도록 한다.
마이크로웨이브센서(41)는 도플러 효과를 적용한 도플러 주파수를 이용하여 하천에 이동 중인 물의 표면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하여 유속변환기(43)에 전송한다. 마이크로웨이브센서(41)에서 활용되는 도플러주파수는 흐르는 수면으로 전자파를 방사하면 물 표면에서 반사가 되는데 물의 표면은 거칠기 때문에 그 반사파의 일부는 안테나로 들어오게 되는데, 반사되어 돌아오는 반사파는 물 표면의 이동으로 인한 도플로 효과에 의한 표면유속계에 비례하는 주파수 천이가 나타나게 된다.
기울기센서(42)는 마이크로웨이브센서(41)의 수평이 되는 기준축을 기준으로 기울기를 측정하여 유속변환기(43)에 전송한다.
한편, 기울기센서(42)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)와 함께 마이크로웨이브센서(41)가 설치된 경우, 단면적측정부(30)에 설치된 기울기센서(34)로 대체될 수 있다.
유속변환기(43)는 마이크로웨이브센서(41)의 반사파의 파장 및 주파수와 상기 기울기센서(42)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용한 [수학식 2]에 의해 보정된 유속을 연산한다.
Figure 112018097853746-pat00002
(여기서, v는 유속, λ는 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 파장, Fd는 물의 표면으로부터 반사되는 주파수, θ는 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도이다.)
유속변환기(43)는 먼저 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 파장(λ)을 물의 표면으로부터 반사되는 주파수(Fd)의 곱한다. 통상적으로 마이크로웨이브센서(41)의 파장과 반사파의 주파수의 곱으로 속도, 즉 유속이 결정된다. 하지만 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도에 기준축보다 기울어진 경우 이에 대한 보상이 필요하다. 따라서 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용하여 보정된 하천의 유속을 연산한다.
유량연산부(50)는 단면적측정부(30) 및 유속측정부(40)로부터 수신된 흐름단면적과 유속을 곱하기 연산하여 유량을 연산하여 저장부(70)에 흐름단면적과 유속 및 유량을 전송한다. 유량연산부(50)는 단면적측정부(30)로부터 전송된 흐름단면적(m2)과 유속측정부(40)로부터 전송된 유속(m/sec)을 곱한 하천에 해당 단면적에서의 유량(m3/sec)을 연산한다. 그리고 유량연산부(50)는 전송받은 흐름단면적과 유속 및 연산한 유량에 대한 정보를 저장부(70)에 전송한다.
GPS(60)는 본체(20)에 설치되고, 유량측정장치(10)의 현재 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 저장부(70)에 전송한다. GPS(60)는 전국적으로 하천의 수가 많고, 크고 작은 하천에 대하여 위치 및 하천 중에서도 측정된 위치를 정확하게 파악하기 위하여 GPS를 활용하며, 측정하는 시간 정보도 함께 할 필요가 있다.
저장부(70)는 본체(20)에 설치되고, 유량연산부(50) 및 GPS(60)로부터 전송된 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간을 저장한다. 저장부(70)는 이동성을 확보하고, 측정하여 연산한 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간 등의 정보를 일시적으로 저장한다.
그리고 저장부(70)는 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간 등의 정보를 하천관리센터에서 별도로 저장할 수 있으므로 쓰기가 가능한 메모리를 이용하는 것이 바람직하다.
디스플레이부(80)는 본체(20)의 후면에 설치되고, 저장부(70)로부터 유량측정장치(10)의 위치, 시간, 흐름단면적, 유속 및 유량을 출력한다. 즉, 디스플레이부(80)는 단면적측정부(30)의 레이저 스캐너(31), 초음파센서(32)와 유속측정부(40)의 마이크로웨이브센서(41)에서 측정된 측정값을 출력하도록 한다.
통신모듈(90)은 저장부(70)로부터 유량측정장치(10)의 위치, 시간, 흐름단면적, 유속 및 유량을 하천관리센터의 서버에 전송한다. 이와 같은 통신모듈(90)은 하천에서 측정 및 연산된 결과에 대하여 정보를 지속적으로 축적하기 위하여 하천관리센터에 설치된 서버에 전송한다.
이상과 같이 본 발명에 의한 이동식 유량측정장치에 의하면, 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있는 계획을 수립할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법을 도시한 블럭도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 단면적연산단계를 보여주는 블럭도이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 유속연산당계를 보여주는 블럭도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법은 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100), 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
단면적연산단계(S100)는 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110), 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120), 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130), 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하여 이루어진다.
각도거리측정단계(S110)는 360°로 스캔이 가능한 라이다(311)를 이용하여 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정한다. 각도거리측정단계(S110)는 라이다(311)에서 발사하는 레이저의 각도(θ)와 물을 투과하여 하천의 아래 바닥에 해당하는 횡단면까지 전송되어반사되는 레이저를 수신하여 거리(L)를 각각 측정한다.
수면위치측정단계(S120)는 초음파센서(32)를 통해 하천의 수면까지의 거리를 측정한다. 수면위치측정단계(S120)는 유량을 정확히 측정하기 위하여 수면의 위치를 확인한다.
지형좌표생성단계(S130)는 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 x, y축의 값 형태인 지형의 좌표를 생성한다.
비지형좌표제거단계(S140)는 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거한다.
단면적계산단계(S150)는 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표의 x축값과 y축값을 이용하여 상기의 [수학식 1]에 의해 흐름단면적을 연산한다.
유속연산단계(S200)는 주파수수신단계(S210), 기울기측정단계(S220), 기울기보정단계(S230), 유속변환단계(S240)를 포함하여 이루어진다.
주파수수신단계(S210)는 마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 단계로써, 마이크로웨이브센서(41)를 통해 전자파의 도플러 주파수를 이용하여 하천에 이동 중인 물의 표면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하여 유속변환기(43)에 전송한다. 주파수수신단계(S210)는 마이크로웨이브센서(41)에서 흐르는 수면으로 전자파를 방사하면 물 표면이 거칠기 때문에 반사되는 반사파가 안테나로 돌아오는데 물 표면의 이동으로 인한 도플로 효과에 의한 표면유속계에 비례하는 주파수 천이가 나타나게 된다.
기울기측정단계(S220)는 기울기센서(42)를 이용하여 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하여 유속변환기(43)에 전송하고, 기울기보정단계(S230)는 기울기측정단계(S220)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하도록 한다.
유속변환단계(S240)는 기울기보정단계(S230)를 통해 보정된 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 단계로써, 유속변환기(43)에서 주파수수신단계(S210)에서 수신된 반사파의 파장 및 주파수와, 기울기측정단계(S220)에서 기울기센서(42)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용한 [수학식 2]에 의해 보정된 유속을 연산한다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10 : 이동식 유량측정장치
20 : 본체 21 : 지지바
30 : 단면적측정부 31 : 레이저 스캐너
32 : 초음파센서 33 : 단면적연산기
34 : 기울기센서 35 : 구동모터
40 : 유속측정부 41 : 마이크로웨이브센서
42 : 기울기센서 43 : 유속변환기
50 : 유량연산부 60 : GPS
70 : 저장부 80 : 디스플레이부
90 : 통신모듈

Claims (7)

  1. 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합되는 본체(20)와;
    상기 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 단면적측정부(30)와;
    상기 본체(20)의 전면 하부에 설치되고, 하천의 유속을 측정하기 위한 유속측정부(40)와;
    상기 단면적측정부(30)와 유속측정부(40)에 의해 측정된 흐름단면과 유속을 유량으로 연산하기 위한 유량연산부(50)와;
    상기 본체(20)에 설치되고, 상기 본체(20)의 현재 위치를 확인하기 위한 GPS(60)와;
    상기 유량연산부(50), GPS(60)로부터 정보를 전달받아 저장하는 저장부(70)와;
    상기 본체(20)의 후면에 설치되고, 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 출력하기 위한 디스플레이부(80)와;
    상기 저장부(70)에 저장된 정보를 서버로 전송하기 위한 통신모듈(90)을 포함하되;
    상기 단면적측정부(30)는 상기 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와; 상기 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와; 상기 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 상기 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와; 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와; 상기 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와;
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와;
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 상기 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여,
    상기 유속변환기(43)는 상기 기울기센서(42)에 의해 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값 중에서 상기 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  5. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에 있어서,
    상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100);
    상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및;
    상기 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하되;
    상기 단면적연산단계(S100)는,
    하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110); 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120); 상기 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130); 상기 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 상기 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및; 상기 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 유속연산단계(S200)는,
    마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 주파수수신단계(S210);
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하는 기울기측정단계(S220) 및;
    상기 기울기측정단계(S220)에서 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하기 위한 기울기보정단계(S230)와;
    상기 기울기보정단계(S230)를 통해 보정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 유속변환단계(S240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정방법.
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