KR102052022B1 - 다수의 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치 세팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 정 20면체의 꼭지점에 끝단이 위치하는 복수 개의 튜브; 및 상기 복수 개의 튜브에 전해지는 공기의 압력을 감지하는 압력센서;를 포함하는 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치에 관한 것이며, 상기 복수 개의 튜브 각각은 유동측정장치 길이방향으로 배치되되, 튜브 각각은 소정 위치에서 휘어져 각각의 끝단이 정 20면체 꼭지점에 위치하는 12개이며, 복수 개 튜브 끝단은 각각 아래와 같은 콘 각도와 롤 각도를 갖는다.

Description

다수의 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치 세팅방법{setting method for 3 dimensional flow measurement device using multiple total pressure probes}

본 발명은 풍향과 풍속 등 유동을 측정하는 센서 또는 장치에 관한 것이며, 구체적으로는 다수의 전압력 프로브를 이용하여 3차원의 전방향에 대한 유동을 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.

풍속과 풍향과 같은 유동을 측정하는 센서는 풍동시험이나 비행시험시 이용되거나 무인항공기 주변 유동측정 및 기상측정 등에서 기체나 액체의 흐름을 측정하는 도구로 사용되고 있다.

종래의 일반적인 유동 측정 센서로는 도 1에 도시된 5-hole 프로브가 주로 활용되어 왔으나 멀티콥터와 같은 수직이착륙 무인기에 사용하기에는 측정범위가 제한적인 문제가 있어 주로 고정익 무인기 등에 활용되고 있다.

도 2와 같이 멀티콥터용 유동센서로서 알루미늄 튜브를 이용한 프로브 형태도 있으며 이런 형태는 제작비용은 감소하지만 정확도가 떨어지고 측정영역도 넓지 않은 문제가 있다.

본 발명은 다양한 응용분야에 적용 가능하고 제작이 용이하며 측정범위가 넓은 유동측정장치 및 그 세팅방법 또는 교정방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 정 20면체의 꼭지점에 끝단이 위치하는 복수 개의 튜브; 및 상기 복수 개의 튜브에 전해지는 공기의 압력을 감지하는 압력센서;를 포함하는 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치를 제공한다.

상기 복수 개의 튜브 각각은 유동측정장치 길이방향으로 배치되되, 튜브 각각은 소정 위치에서 휘어져 각각의 끝단이 정 20면체 꼭지점에 위치하는 12개이며, 복수 개 튜브 끝단은 각각 아래와 같은 콘 각도와 롤 각도를 갖는다.

대기압을 감지하는 기준 압력홀을 더 포함하여, 상기 압력센서는 상기 기준 압력홀의 압력도 감지하게 된다.

상기 복수 개의 튜브의 압력 각각과 상기 기준 압력홀의 압력의 차압에 대한 정보를 전달받고, 상기 전달받은 12개의 차압정보를 이용하여 유동의 속도와 방향을 계산하는 마이크로 프로세서;를 더 포함한다.

또한, 본 발명은 정 20면체의 꼭지점에 끝단이 위치하는 12개의 튜브;와, 상기 튜브의 압력과 대기압을 감지하는 압력센서;를 포함하고, 상기 12개의 튜브의 압력과 대기압의 차압을 이용하여 유동측정장치를 세팅하는 방법으로서, 상기 12개의 튜브의 압력을 이용하여 풍속과 풍향을 계산하는 다항식의 계수를 구하는 과정인 것을 특징으로 하는 전방향 유동측정장치 세팅방법을 제공한다.

풍속과 풍향의 참값(true 값)을 알고 있는 보정기를 사용하여 상기 유동측정장치에 바람을 불어주는 송풍단계;를 포함하는 것이며,

상기 송풍단계는, 블로워를 이용하여 일방향으로 균일하게 바람을 불어주는 단계; 및 상기 유동측정장치의 롤 각도와 콘 각도를 변경시키면서 상기 12개 튜브의 압력을 측정하고 대기압과의 차이를 연산하여 12개의 차압을 구하는 단계;를 포함하며, 상기 12개의 차압을 비교한 후 가장 높은 차압을 갖는 제1홀(P1)의 위치를 찾는 단계; 및 상기 제1홀(P1) 주변에서 가장 높은 차압을 갖는 제2홀(P2)과 그 다음으로 높은 차압을 갖는 제3홀(P3)을 찾는 단계;를 갖는다.

본 발명에 따른 유동측정기술은 상기 구성에 의해서 제작이 용이하면서도 측정범위가 넓은 유동측정장치이며, 제작과정에서 약간의 오프셋이 발생해도 비교적 정확한 측정결과 도출하는 유리한 효과가 발휘된다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 유동측정센서 장치이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동측정장치의 사시도이며,
도 4는 본 발명에 따른 유동측정장치의 튜브 끝단의 콘 각도와 롤 각도를 보여주는 이미지이며,
도 5는 본 발명에 따른 유동측정장치의 튜브 끝단이 위치하는 정20면체의 형상이며,
도 6은 본 발명에 따른 유동측정장치의 튜브 끝단의 콘 각도와 롤 각도의 수치를 보여주며,
도 7은 본 발명에 따른 유동측정장치의 구성의 개념도이며,
도 8과 도 9는 본 발명에 따른 유동측정장치를 세팅하는 기구의 모습이며,
도 10과 도 11은 본 발명에 따른 유동측정장치를 세팅하는 알고리즘을 설명하기 위한 이미지 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 유동측정장치의 튜브 끝단이 위치하는 정20면체의 형상이며, 도 6은 본 발명에 따른 유동측정장치의 튜브 끝단의 콘 각도와 롤 각도의 수치를 보여주며, 도 7은 본 발명에 따른 유동측정장치의 구성의 개념도이며, 도 8과 도 9는 본 발명에 따른 유동측정장치를 세팅하는 기구의 모습이며, 도 10과 도 11은 본 발명에 따른 유동측정장치를 세팅하는 알고리즘을 설명하기 위한 이미지 모습이다.

본 발명에 따른 다수의 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치(이하, 간단히 '유동측정장치'라고 함)는 복수 개의 튜브(10)로 이루어지는 프로브를 가지며, 상기 복수 개의 튜브가 길이 방향으로 묶인 상태에서 소정 위치에서 휘어지는 형상이며, 그 끝단(15)은 정 20면체의 꼭지점에 위치하며, 이를 위해 상기 복수 개의 튜브는 12개로 이루어진다.

상기 튜브의 끝단 각각은 소정 위치에서 휘어져 각각의 끝단이 정 20면체 꼭지점에 위치하며, 튜브 끝단은 각각 도 4 및 도 6에 도시된 것과 같은 콘 각도와 롤 각도를 갖는다. 이와 같이 본 발명에 따른 장치는 전방향으로 튜브(프로브)가 형성되어 있어 전방향 풍속과 풍향 감지가 가능하다.

이하에서는 본 발명의 유동측정장치를 세팅(교정)하는 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 유동측정장치(센서)가 제작되면 교정기에 올려 센서 고유의 보정식의 계수를 구하게 된다. 그 이유는 센서마다 미세하게 다를 수 있기 때문에 센서마다 정밀하게 교정하는 과정을 거쳐야 하기 때문이다.

도 7은 본 발명에 따른 유동측정장치의 구성의 개념도이다. 상기 복수 개의 튜브(10)에 전해지는 공기의 압력을 감지하는 압력센서를 포함하며, 대기압을 감지하는 기준 압력홀(20)을 포함한다. 그리고, A/D 컨버터(30)를 구비하게 되는데, A/D 컨버터는 튜브와 대기압을 포함하여 총 13곳의 압력을 감지하는 압력을 측정할 수 있도록 압력센서 및 A/D 컨버터 일체형으로 이루어지며, 대기압과 튜브 압력의 차압을 측정하여 그 정보를 마이크로프로세서(40)로 송신한다. 온도센서(미도시) 역시 압력센서 PCB보드에 장착된다. 마이크로 프로세서는 12개의 차압정보를 입력받아 저장된 보정계수를 이용하여 유동의 속도와 방향을 계산하게 된다. 즉, 차압정보를 이용하여 도출하고자 하는 공기의 흐름의 속도와 방향 즉 풍속과 풍향을 얻게 된다. 도 7에 도시된 문자들의 의미는 P는 압력, T는 온도, U는 바람 속도의 크기, u는 바람의 x 방향성분, v는 바람의 y 방향성분, w는 바람의 z 방향성분을 각각 의미한다.

본 발명의 유동측정장치의 튜브 압력이 나오면 이를 이용하여 바람의 풍향과 풍속을 구할 수 있는 다항식이 존재하는데, 세팅(교정)과정은 이 다항식의 계수를 미리 구하는 과정이다. 교정 과정은 속도와 방향의 참값(TRUE 값)을 미리 알고 있는 교정기를 통해 이루어진다.

교정기는 아래 그림과 같이 바람을 불어주는 블로워(50)와 바람을 정확히 이송하는 가이드(60)와 유동측정장치를 고정하는 센서를 이송하는 이송장치(80)로 이루어진다. 실험장치는 매우 균일하게 불어오는 바람에 대하여 이송장치(80)의 롤 각도(ROll ANGLE)와 콘 각도(CONE ANGLE)를 바꿔가며 12개 홀의 압력변화를 기록하게 되며, 보통 10,000 개 정도 측정한다.

본 발명의 유동측정장치를 사용하여 유동(풍향, 풍속)을 측정하는 경우 입력값과 출력값 및 이 과정에 필요한 알고리즘은 다음 [표 1]과 같다.

입력값	U(속도), 콘 각도 & 롤 각도(방향, u, v,w 와 동일)
출력값	대기압과 각 튜브에 작용하는 각각의 압력의 차압 12개의 값
필요한 알고리즘	측정되는 압력(p)에 대한 유동의 속도크기 및 유동방향 (U, u,v,w) 관계식

즉, 본 발명의 유동측정장치를 무인기에 부착하여 유동을 측정하는 과정을 보면, 상기 입력값을 입력하여 상기 알고리즘 과정을 통해 상기 출력값을 도출하는 과정이다.

그리고, 유동측정장치의 세팅과정(교정과정)은 상기 알고리즘의 관계식에 사용되는 다항식의 계수를 구하는 과정이다.

도 10과 도 11을 참조하여 상기 다항식의 계수를 구하는 과정을 본다.

본 발명에 따른 세팅방법은, 압력과 속도의 관계식(다항식)을 구하는 과정에서는 12개의 압력을 모두 사용하지 않고 가장 압력이 크게 걸리는 3개의 센서 값을 사용한다. 예를 들어, 도 10에서 튜브 중 압력이 가장 크게 걸리는 튜브를 제1홀(P1)이라하고 그 다음 차순위 및 차차순위 압력이 작용하는 튜브를 제2홀(P2) 및 제3홀(P3)이라 하면, 세 개의 제1 내지 제3홀로 이루어지는 영역에 속하는 측정점만을 이용하여 보정식을 구하며, 더 구체적으로는 제1 내지 제3홀로 이루어지는 영역 중에서도 다시 세개의 영역으로 구분한 파란색 영역에 속하는 측정점을 이용하여 보정식을 구한다. 이렇게 실제 사용된 예를 그림으로 도시하면 도 11과 같으며 도 11의 흰색 사각형 영역에 해당한다. 보통 약 180개 정도의 측정점들이 해당되며 180개의 측정값들을 이용하여 압력과 유동속도 및 방향에 대한 관계식을 구하게 된다.

본 발명의 세팅(교정)과정을 다시 말하면, [데이터 영역 분할과정]과 [속도 및 각도 관계식의 상수 구하는 과정]으로 이루어진다.

[데이터 영역 분할과정]

1) 12개의 튜브에서 나온 압력과 대기압과의 차압들을 비교한 후 가장 높은 차압을 갖는 제1홀(P1)의 위치를 찾는다.

2) 제1홀(P1) 주변의 5개의 압력중에서 차 순의로 가장 높은 압력홀인 제2홀(P2)과 그 다음으로 높은 압력홀인 제3홀(P3)을 찾는다.

3) 제1홀(P1)의 Sector 데이터에 압력홀 제2홀(P2)과 제3홀(P3)의 정보를 기록한다.

4) 위 1)에서 3) 과정을 통해 교정데이터들은 12개의 각 압력점을 구성하는 5개의 Sector 에 분할하여 저장된다. (Sector 의 수는 12 X 5 : 60개)

[속도 및 각도 관계식의 상수 구하는 과정]

1) 각 Sector의 압력값을 압력의 평균값으로 나누어 normalize 한다.

2) 각 60개의 Sector에 대하여 normalize된 압력에 대한 차압의 함수의 계수를 구한다. 관계식은 3개의 압력홀에 대한 4차 함수로 Least Square 방법을 이용 총 23개의 상수를 구한다.

3) 각 50개 Sector의 압력값을 2)에서 구한 차압으로 normalize 한 후 속도방향(u, v, w)에 대한 계수를 구한다. -> 관계식은 3개의 압력홀에 대한 4차 함수로 Least Square 방법을 이용 총 23개의 상수를 구한다.

그리고, 위에서 구한 속도 및 각도 관계식의 상수를 마이크로프로세서의 프로그램 내부에 입력하여 활용하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 유동측정기술은 상기 구성에 의해서 제작이 용이하면서도 측정범위가 넓은 유동측정장치이며, 제작과정에서 약간의 오프셋이 발생해도 비교적 정확한 측정결과 도출하는 유리한 효과가 발휘된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 정 20면체의 꼭지점에 끝단이 위치하는 12개의 튜브;와, 상기 튜브의 압력과 대기압을 감지하는 압력센서;를 포함하는 다수의 전압력 프로브를 이용한 전방향 유동측정장치에 있어서, 상기 12개의 튜브의 압력과 대기압의 차압을 이용하여 상기 유동측정장치를 세팅하는 방법으로서,
   상기 12개의 튜브의 압력을 이용하여 풍속과 풍향을 계산하는 다항식의 계수를 구하는 단계;
   풍속과 풍향의 참값(true 값)을 알고 있는 보정기를 사용하여 상기 유동측정장치에 바람을 불어주는 송풍단계;
   상기 12개의 차압을 비교한 후 가장 높은 차압을 갖는 제1홀(P1)의 위치를 찾는 단계; 및
   상기 제1홀(P1) 주변에서 가장 높은 차압을 갖는 제2홀(P2)과 그 다음으로 높은 차압을 갖는 제3홀(P3)을 찾는 단계;를 포함하여 상기 다항식의 계수를 구하는 것을 특징으로 하는 전방향 유동측정장치 세팅방법.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서, 상기 송풍단계는,
   블로워를 이용하여 일방향으로 균일하게 바람을 불어주는 단계; 및
   상기 유동측정장치의 롤 각도와 콘 각도를 변경시키면서 상기 12개 튜브의 압력을 측정하고 대기압과의 차이를 연산하여 12개의 차압을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유동측정장치 세팅방법.
   
10. 삭제

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