KR102425217B1 - 침적식 도플러 유량계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 침적식 도플러 유량계에서 유량 계산의 기반이 되는 수위를, 침적 및 비침적 위치에 각각 설치된 절대압력 센서의 압력차에 의거하여 측정함으로써 유량계가 설치되는 지점의 해발 고도에 관계없이 항상 정확하게 수위를 측정할 수 있도록 한 침적식 도플러 유량계에 관한 것이다.
본 발명의 침적식 도플러 유량계는 관로의 바닥에 물에 잠기도록 설치되어 절대압력을 측정하는 제1 절대압력 센서 및 초음파 유속 센서를 포함하는 센서부; 절대압력을 측정하는 제2 절대압력 센서를 포함한 채로 물에 잠기지 않는 위치에 설치되고 센서부와 전원선 및 통신선에 의해 전기적으로 연결되어 센서부로부터 센싱값을 전달받는 변환부 및 변환부로부터 전달받은 초음파 유속 센서로부터의 센싱값을 처리하여 유속을 계산하고 변환부로부터 전달받은 제1 및 제2 절대압력 센서의 센싱값의 차에 의해 수위를 계산하여 얻어진 관로의 단면적에 유속을 곱하여 유량을 산출하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 변환부는 맨홀의 수직벽에 설치된다. 센서부에 인접한 위치의 관로 바닥에 설치되어 센서부 주위를 수압에 의해 세정하는 수중 펌프를 더 구비한다. 수중 펌프의 유입 측에 설치되어 수중 펌프로 유입되는 물에 포함된 이물질을 걸러내는 여과기를 더 구비한다.

Description

침적식 도플러 유량계{sink type doppler flowmeter}
본 발명은 침적식 도플러 유량계에 관한 것으로, 특히 침적식 도플러 유량계에서 유량 계산의 기반이 되는 수위를, 침적 및 비침적 위치에 각각 설치된 절대압력 센서의 압력차에 의거하여 측정하는 침적식 도플러 유량계에 관한 것이다.
일반적으로 침적식 도플러 유량계는 개수로, 하수관로 또는 하수처리장 유입관로 등에 설치되고, 초음파 진동자에 CW(Continuous Wave)를 발사하고 부유물 등에서 반사되는 신호를 수신한 후 도플러 효과에 의해 편이된 주파수를 FFT(Fast Fouier Transform) 연산으로 구하여 유체의 유속으로 환산하고, 여기에 측정된 수위값으로부터 얻어진 단면적을 곱하여 최종적으로 유량을 계산한다.
도 1은 침적식 도플러 유량계에서 유량을 구하는 원리를 설명하기 위한 도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 수중에서 도플러 효과를 이용한 유체의 유속 측정 방식은 아래의 수학식 1과 같고, 이렇게 구해진 유속에 별도로 측정된 수위를 단면적으로 환산하여 유속을 곱하면 유량을 구할 수 있다.
Figure 112021070381602-pat00001
위의 수학식 1에서 v는 유속을 나타내고, Δf = f r (수신 주파수) - f t (발신 주파수)이며, θ는 수신각과 유체 진행 방향과의 교각을 나타낸다.
한편, 침적식 도플러 유량계에서 수위를 구하는 방식은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 압력 센서를 이용하여 물리적인 압력을 구하는 방식과 초음파 센서를 이용하여 구하는 방식이 있다. 종래 압력 센서를 이용하여 수위를 구하는 방식에 따르면, 대기압을 기준으로 수압을 측정하는 1개의 게이지 압력 센서를 사용하되 게이지 압력 센서에 대기압을 부가하기 위해 압력 센서 케이스 내부를 대기와 연통시켜야 한다.
그러나 전술한 종래 기술에 따르면, 게이지 압력 센서에 대기압을 부가하기 위해 압력 센서 케이스 내부를 외부의 대기와 연통시키기 위한 튜브가 필요할 뿐 아니라 공기 중의 습기를 제거하기 위한 제습 필터가 필요하기 때문에 구조가 복잡하고 설치 비용이 증가할 뿐 아니라 열악한 현장 조건에서 제때에 제습 필터를 교체하지 못하면 절대 압력, 즉 수위를 정확하게 측정하지 못하는 문제점이 있었다.
무엇보다도 종래의 침적식 유량계에서는 대기압을 기준으로 한 게이지 압력에 의해 수위를 측정하기 때문에 유량계가 설치되는 지점의 해발 고도 차이에 따른 대기압의 변화에 의해 측정된 수위 값이 과도하게 변동됨으로써 이를 바탕으로 계산된 유량에 큰 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.
한편, 유속을 측정하기 위한 초음파 센서 주위에 이물질이 장기간 쌓이는 경우 유속 측정시 오류가 발생하는 것을 방지하기 위해 종래에는 에어 컴프레셔를 사용하여 초음파 센서 주위에 외부의 공기를 분사하여 세정하는 방식을 채택하여 왔으나 외부의 공기를 주입하기 위해 고가의 에어 컴프레셔가 필요하다는 문제점이 있었다.
선행기술 1: 공개특허공보 10-2011-0017333호(발명의 명칭: 크로스콜러레이션 측정방식을 이용한 유량계)
선행기술 2: 등록특허공보 10-2037873호(발명의 명칭: 다중 수위 입력방식의 침적식 초음파유량계)
선행기술 3: 등록특허공보 10-1979877호(발명의 명칭: 다회선 초음파 유량계)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 침적식 도플러 유량계에서 유량 계산의 기반이 되는 수위를, 침적 및 비침적 위치에 각각 설치된 절대압력 센서의 압력차에 의거하여 측정함으로써 유량계가 설치되는 지점의 해발 고도에 관계없이 항상 정확하게 수위를 측정할 수 있도록 한 침적식 도플러 유량계를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 침적식 도플러 유량계는 관로의 바닥에 물에 잠기도록 설치되어 절대압력을 측정하는 제1 절대압력 센서 및 초음파 유속 센서를 포함하는 센서부; 절대압력을 측정하는 제2 절대압력 센서를 포함한 채로 물에 잠기지 않는 위치에 설치되고 센서부와 전원선 및 통신선에 의해 전기적으로 연결되어 센서부로부터 센싱값을 전달받는 변환부 및 변환부로부터 전달받은 초음파 유속 센서로부터의 센싱값을 처리하여 유속을 계산하고 변환부로부터 전달받은 제1 및 제2 절대압력 센서의 센싱값의 차에 의해 수위를 계산하여 얻어진 관로의 단면적에 유속을 곱하여 유량을 산출하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 변환부는 맨홀의 수직벽에 설치된다.
센서부에 인접한 위치의 관로 바닥에 설치되어 센서부 주위를 수압에 의해 세정하는 수중 펌프를 더 구비한다.
수중 펌프의 유입 측에 설치되어 수중 펌프로 유입되는 물에 포함된 이물질을 걸러내는 여과기를 더 구비한다.
본 발명의 침적식 도플러 유량계에 따르면, 유량 계산의 기반이 되는 수위를, 2개의 침적 및 비침적 위치에 각각 설치된 절대압력 센서의 압력차에 의거하여 측정함으로써 간단한 구조에 의해 유량계가 설치되는 지점의 해발 고도에 관계없이 항상 정확하게 수위를 측정할 수가 있다.
이외에도 센서부 주위에 설치된 소형 수중 펌프에 의해 수압으로 직접 초음파 센서 주위를 세정하기 때문에 세정 작업을 실효적으로 수행할 수가 있다.
도 1은 침적식 도플러 유량계에서 유량을 구하는 원리를 설명하기 위한 도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침적식 도플러 유량계의 개략 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침적식 도플러 유량계의 개략적인 설치 상태도.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 침적식 도플러 유량계의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침적식 도플러 유량계의 개략 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침적식 도플러 유량계의 개략적인 설치 상태도인바, 이해의 편의상 센서부의 크기와 높이를 상대적으로 확대하여 도시하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 침적식 도플러 유량계는 센서 케이스(22) 내부에 설치된 제1 절대압력 센서(24) 및 초음파 유속 센서(26)를 포함하고 개수로 또는 하수처리장 유입관로 등의 바닥(10)에 물에 잠기도록 설치되어 유속과 수위를 측정하는 센서부(20), 제2 절대압력 센서(42) 및 신호 처리부(44)를 포함한 채로 물에 잠기지 않는 위치, 예를 들어 맨홀의 수직벽(측벽) 등에 설치되고 센서부(20)와 전원선 및 통신선에 의해 전기적으로 연결되어 센서부(20)로부터 센싱값을 전달받는 변환부(40) 및 변환부(40)로부터 전달받은 초음파 유속 센서(26)로부터의 센싱값을 처리하여 유속을 계산하고 변환부(40)로부터 전달받은 제1 및 제2 절대압력 센서(24),(42)의 센싱값의 차에 의해 수위를 계산하여 얻어진 관로의 단면적에 유속을 곱하여 유량을 산출하는 제어부(50)를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 초음파 유속 센서(26)는 전술한 수학식 1의 원리에 의해 유속을 측정할 수 있다. 제1 및 제2 절대압력 센서(24),(42)는 대기압을 기준으로 한 게이지 압력이 아니라 진공을 기준으로 한 절대압력(대기압+게이지 압력)을 측정하는데, 제1 및 제2 절대압력 센서(24),(42)의 설치 위치상의 고도 차이가 대략 50㎝~2m 정도로 미미함을 감안할 때 제1 절대압력 센서(24)의 센싱값에서 제2 절대압력 센서(42)의 센싱값을 감산하면 유량계가 설치된 해발 고도에 관계없이 정확하게 수압, 즉 수위를 측정할 수가 있다. 제1 및 제2 절대압력 센서(24),(42)는 물에 잠겨도 방수가 되는, MEMS 타입의 센서로 구현될 수가 있다.
센서부(20)와 변환부(40) 사이에는 압력센서용 I2C(Inter-Intergrated Circuit)와 유속센서용 동축 신호선 등이 사용될 수 있다.
제어부(50)는 맨홀에 인접한 지상에 설치될 수 있는데, 유량 계산용 마이크로컨트롤러 및 터치 입력이 가능하고 유속과 유량 표시가 가능한 디스플레이를 구비하고 외부 서버와의 인터넷 통신이 가능한 구성으로 이루어질 수 있다.
한편, 침적식 도플러 유량계의 센서부(20)의 초음파 유속 센서(26) 및 절대압력 센서(24) 주위에 하수의 침적물 등으로 인한 이물질이 쌓이게 되면 센싱값, 즉 유속 및 수위 측정에 오류가 발생하는데, 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 센서부(20) 주위의 관로 바닥(10)에 수중 펌프(30)를 설치하여 센서부(20)의 초음파 유속 센서(26) 및 절대압력 센서(24) 주위에 강한 수압의 물을 일정 시간 간격이나 점검자의 현장 확인 등을 통해 비정기적으로 분사함으로써 초음파 유속 센서(26) 및 절대 압력센서(24) 주위에 쌓인 이물질을 제거하여 세정하게 된다.
도면에서 참조번호 32는 분사 튜브를 나타내고, 34는 유입 튜브를 나타내며, 36은 수중 펌프(30)가 이물질 등에 의해 막혀서 고장나는 것을 방지하기 위해 수중 펌프(30)로 유입되는 물에 포함된 이물질을 걸러내는 여과기를 나타낸다.
한편, 변환부(40)는 제어부(50)와 동일 케이스 내부에 일체로 구성될 수도 있을 것이다.
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 침적식 도플러 유량계의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
예를 들어 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합(exclusive or)이기보다는 포함적인 논리합 (inclusive or)를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
10: 관로 바닥, 20: 센서부,
22: 센서 케이스, 24: 제1 절대압력 센서,
26: 초음파 유속 센서,
30: 수중 펌프, 32: 분사 튜브,
34: 유입 튜브, 36: 여과기,
40: 변환부, 42: 제2 절대압력 센서,
44: 신호 처리부, 50: 제어부

Claims (4)

  1. 관로의 바닥에 물에 잠기도록 설치되어 절대압력을 측정하는 제1 절대압력 센서 및 초음파 유속 센서를 포함하는 센서부;
    절대압력을 측정하는 제2 절대압력 센서를 포함한 채로 물에 잠기지 않는 위치에 설치되고 센서부와 전원선 및 통신선에 의해 전기적으로 연결되어 센서부로부터 센싱값을 전달받는 변환부;
    센서부에 인접한 위치의 관로 바닥에 설치되어 센서부 주위를 수압에 의해 세정하는 수중 펌프 및
    변환부로부터 전달받은 초음파 유속 센서로부터의 센싱값을 처리하여 유속을 계산하고 변환부로부터 전달받은 제1 및 제2 절대압력 센서의 센싱값의 차에 의해 수위를 계산하여 얻어진 관로의 단면적에 유속을 곱하여 유량을 산출하는 제어부를 포함하되,
    제1 및 제2 절대압력 센서는 MEMS 타입으로 이루어진 침적식 도플러 유량계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    변환부는 맨홀의 수직벽에 설치되는 것을 특징으로 하는 침적식 도플러 유량계.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    수중 펌프의 유입 측에 설치되어 수중 펌프로 유입되는 물에 포함된 이물질을 걸러내는 여과기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 침적식 도플러 유량계.
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