KR102440636B1 - 자율운전 가능한 수문 시스템 - Google Patents

Abstract

문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서, 상기 제어반은 외측 수위를 촬영한 열화상 이미지를 이용하여 감시 대상 영역의 수위를 결정하고, 상기 수위가 미리 지정된 계획 수위를 초과하는 경우 상기 권양기가 상기 수문을 닫도록 구동하는 신호를 생성하는 시스템을 포함할 수 있다.

Description

자율운전 가능한 수문 시스템{System for self-driving hydrologic hoist}

수문 권양기 시스템에 연관되며, 보다 특정하게는 저수지나 보, 하천 인근의 제방 등에 사용되는 수문 권양기 시스템에 연관된다.

저수지나 보, 하천 인근 제방 등에 수문 시스템이 설치된다. 수문 시스템은 문비, 상기 문비를 지지하는 문틀, 상기 문틀 위 (또는 구동 방식에 따라 다른 위치)에 설치되어 상기 문비를 닫고 여는 권양기, 이러한 권양기 구동을 제어하는 제어반 등으로 이루어진다.

국가하천과 지방하천 등 주요 하천에 설치되는 비교적 큰 규모의 수문 시스템은 국가기관, 지자체가 직접 관리하기 때문에 자동 (무인) 운전을 위한 시스템이 잘 갖추어져 있는데다가, 당직자가 직접 시스템을 감시하여 시스템의 오류를 방지하고 즉각 대응한다.

그러나, 비교적 작은 규모인 저수지, 보, 제방의 경우 상근 인력이 감시하고 관리하지 못하는 형편이고, 체계적인 자동화 시스템이 구축되는 데에 한계가 있다. 경우에 따라서는 마을 이장 등의 주민이 직접 수문의 개폐를 조작하는데, 역류가 있음에도 적시에 수문을 닫지 않아 제내측 농경지와 마을이 침수되는 경우도 있다. 이러한 관리 실패는 악천후 시와 심야 시간에 더 높은 확률로 일어날 수 있다.

수문 시스템이 수위와 물의 흐름을 감지하여 역류가 있거나 예측되는 경우 수문을 자동으로 닫도록 하여 침수 사고를 방지하도록 한다.

일측에 따르면, 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템이 제공된다.

일실시예에 따르면, 상기 제어반은, 외측 수위를 촬영한 열화상 이미지를 이용하여 감시 대상 영역의 수위를 결정하고, 상기 수위가 미리 지정된 계획 수위를 초과하는 경우 상기 권양기가 상기 수문을 닫도록 구동한다.

일실시예에 따르면, 상기 상기 열화상 이미지와 함께 상기 감시 대상 영역을 촬영한 이미지로부터 식별되는 수위선을 이용하여 상기 수위를 결정한다. 이를테면, 상기 이미지는 칼라 이미지 또는 모노톤 이미지일 수 있다. 상기 이미지에 포함되는 물 표면 반사 스페클을 이용하여 상기 수위를 결정할 수 있다.

다른 일측에 따르면, 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 문비 아래 물이 지나가는 수로에서의 유속을 감지하여 신호를 제공하는 적어도 하나의 피토 튜브를 더 포함하는 수문 시스템이 제공된다.

일실시예에 따르면, 상기 제어반은, 상기 신호에 따라 제외측으로부터 상기 수로를 통해 제내측으로의 역류가 발생하는 경우 상기 문비를 닫도록 상기 권양기를 제어한다.

일실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 피토 튜브는 제외측을 향하여 설치되는 제1 피토 튜브 및 상기 제1 피토 튜브와 반대 방향으로 제내측을 향하여 설치되는 제2 피토 튜브를 포함하고, 상기 제어반은, 상기 제1 피토 뷰브가 제공하는 제1 신호와, 상기 제2 피토 튜브가 제공하는 제2 신호를 비교함으로써 상기 역류가 발생하는지의 여부를 결정한다.

다른 일실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 피토 튜브는 서로 다른 위치에 설치되는 복수 개의 피토 튜브를 포함하고, 상기 제어반은, 상기 복수 개의 피토 튜브들이 제공하는 신호를 가중평균하여 상기 역류가 발생하는지의 여부를 결정한다.

또 다른 일측에 따르면, 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 문비 아래 물이 지나가는 수로에서의 유속을 감지하여 신호를 제공하는 적어도 하나의 초음파 센서부를 더 포함하는 수문 시스템이 제공된다.

일실시예에 따르면, 상기 제어반은, 상기 신호에 따라 제외측으로부터 상기 수로를 통해 제내측으로의 역류가 발생하는 경우 상기 문비를 닫도록 상기 권양기를 제어한다.

예를 들어, 그러나 한정되지 않게, 상기 적어도 하나의 초음파 센서부는 제외측 또는 제내측을 향하여 설치되며, 제외측으로부터 제내측으로의 물의 역류가 발생함에 따라, 평소 대비 적색 편이 또는 청색 편이된 출력 신호를 제공하고, 이 경우에 상기 제어반은 상기 출력 신호에 따라 상기 역류가 발생하는지의 여부를 결정한다.

또 다른 일측에 따르면, 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 문틀과 상기 문비가 맞물리는 사이에 배치되어 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 문비가 제내측 방향 또는 제외측 방향으로 상기 문틀을 누르는 힘을 감지하여 출력 신호를 제공하는 적어도 하나의 로드셀을 더 포함하는 수문 시스템이 제공된다.

일실시예에 따르면, 상기 제어반은 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 출력 신호를 이용하여 상기 문비를 중심으로 제외 측의 수위가 높은지 또는 제내 측의 수위가 높은지를 결정하고, 상기 제내 측의 수위가 기준치 이상으로 높은 경우, 닫혀있는 상기 문비를 권양하여 열도록 상기 권양기를 제어한다.

일실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 로드셀은 상기 문비를 기준으로 제외측 방향에서 상기 문틀 사이에 끼이도록 배치되는 제1 로드셀, 및 상기 문비를 중심으로 상기 제1 로드셀과 반대 방향에서 상기 문틀 사이에 끼이도록 배치되는 제2 로드셀을 포함하고, 상기 제어반은, 상기 제1 로드셀이 제공하는 제1 신호와, 상기 제2 로드셀이 제공하는 제2 신호를 지정된 기준 신호와 비교함으로써 상기 역류가 발생하는지의 여부를 결정한다.

또 다른 일측에 따르면, 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서, 상기 시스템은 상기 문틀 또는 상기 문비 중 어느 한 곳에 배치되어 상기 문비가 닫혀있는 경우에 제내측 방향의 수위 및 제외측 방향의 수위를 비교하도록 상호 반대 방향으로 승강하는 적어도 한 조의 플로팅 파트를 포함하고, 상기 제어반은 상기 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 플로팅 파트 중 제내측 방향의 제1 파트가 제외측 방향의 제2 파트보다 기준치 이상으로 더 높은 경우, 닫혀있는 상기 문비를 권양하여 열도록 상기 권양기를 제어하는 수문 시스템이 제공된다.

대규모 시설이 아닌 중소 규모의 수문에서도 사람의 개입을 최소화하면서도 적절한 시기에 수문의 개폐가 가능하여, 사고 예방 및 운영 비용의 최소화가 가능하다. 물의 역류는 방지하면서도 적시에 물을 배수하게 되므로 기존의 역류방지 시설 대비 수문 개폐의 적시성이 높다. IoT 기술 및 통신 기술과 연계되기 용이하여 관리자나 인근 주민에게 부가 정보를 제시할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 수위측정 영상을 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따라 적외선 등 야간 촬영 및 식별 가능한 방식으로 촬영된 영상에서 높이 변화를 판단하는 방법에 관한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 열화상 카메라를 수위측정에 활용한 도면이다.
도 4는 다른 일실시예에 따라 열화상 카메라를 수위측정에 활용한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따라 열화상을 이용하여 직접 수위 측정시 나타나는 문제점을 도시한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따라 항공기의 비행속도 측정에 이용되는 피토튜브를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따라 액체의 속도와 유량을 측정하는 사례들을 도시한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 피토튜브 종류를 나타낸 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 피토튜브를 규격을 도시한 도면이다.
도 10은 일실시예에 따라 피토튜브를 설치하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 문틀과 문비의 구조에 따라 수문에 설치 가능 여부를 확인하는 것을 도시한 도면이다.
도 12는 일실시예에 따라 수문 시스템에 피토 튜브를 설치하는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 전반 속도차법을 도시한 도면이다.
도 14는 일실시예에 따른 도플러법을 도시한 도면이다.
도 15는 일실시예에 따른 도플러 유량계 종류를 도시한 도면이다.
도 16은 일실시예에 따른 도플러 유량계 설치 형태를 도시한 도면이다.
도 17은 일실시예에 따라 도플러 유량계를 도문에 설치하는 것을 도시한 도면이다.
도 18은 일실시예에 따른 로드셀을 설치한 도면이다.
도 19는 일실시예에 따라 수분에 로드셀을 장착한 도면이다.
도 20은 일실시예에 따른 로드셀의 측정 원리를 도시한 도면이다.
도 21은 일실시예에 따른 기둥형 로드셀을 도시한 도면이다.
도 22는 일실시예에 따른 환상형 로드셀을 도시한 도면이다.
도 23은 일실시예에 따른 휨형 로드셀을 도시한 도면이다.
도 24는 일실시예에 따른 전단형 로드셀을 도시한 도면이다.
도 25는 일실시예에 따른 로드셀 종류에 따른 측정용량의 범위를 나타낸 표이다.
도 26은 일실시예에 따라 수문에 적용 가능한 용량을 도시한 도면이다.
도 27은 일실시예에 따른 로드셀의 소재를 도시한 도면이다.
도 28은 일실시예에 따른 로드셀 설치 시 주의사항을 도시한 도면이다.
도 29는 일실시예에 따른 수문 시스템에 로드셀을 설치한 것을 도시한 도면이다.
도 30은 일실시예에 따른 승강플로트가 설치된 것을 도시한 도면이다.

도 1은 일실시예에 따른 수위측정 영상을 나타낸 도면이다.

알려진 영상측정방법은 CCTV등을 통해 촬영된 영상에서 일정 시간간격의 프레임을 추출하고, 이를 비교하여 일정 시간이 지난 후 변화된 정보들을 통해 수위를 측정하는 방식일 수 있다. 다만, 야간에는 CCTV를 통해 측정할 수 있는 정보에 한계가 있기 때문에 이를 그대로 활용하기는 어려울 수 있다.

도 2는 일실시예에 따라 적외선 등 야간 촬영 및 식별 가능한 방식으로 촬영된 영상에서 높이 변화를 판단하는 방법에 관한 도면이다.

도 1에 상술한 문제점 해결을 위해 제시된 첫 번째 방안은, 별도의 계측자를 두되, 이것이 CCTV나 기존 인식센서가 야간 등 악조건에서도 인식이 가능하도록 구성하는 방법이고, 두 번째 방안은, 적외선 등 야간 촬영 및 식별이 가능한 방식으로 촬영된 영상에서 높이변화를 판단하는 방법일 수 있다.

도 3은 일실시예에 따른 열화상 카메라를 수위측정에 활용한 도면이다.

도 4는 다른 일실시예에 따라 열화상 카메라를 수위측정에 활용한 도면이다.

열화상을 이용하여 수위를 감지하는 과정은 열화상 카메라를 활용, 수위를 감지하는 기술, 영상에서 수면과 배경을 구분하는 기술, 이동 물체를 추적하거나 자동으로 조명을 비춰 촬영환경을 조성하는 기술을 활용할 수 있다. 최종적으로 열화상 카메라를 수위측정에 활용할 수 있다.

도 5는 일실시예에 따라 열화상을 이용하여 직접 수위 측정시 나타나는 문제점을 도시한 도면이다.

열화상을 이용하여 직접 수위 측정시, 수문과 일체화 시킬 수 있을지, 가능하다면 위치, 높이, 및 개수등 배치가 어떻게 되는지 여부, 날씨, 조도, 카메라 각도, 제품 관리등에 대한 이슈들이 있을 수 있다. 물과 물의 온도변화 속도가 다르므로, 낮과 밤이 바뀌면서 그 온도가 비슷한 순간이 하루에 2회 이상 발생할 것으로 예상될 수 있다. 따라서, 열화상 만으로는 수위판단이 불가능한 상황이 발생할 수 있고, 열감지를 제외한 다른 방식으로 열화상 센서를 보조할 수 있는 구성이 필요할 수 있다. 예시적으로, 열화상과 함께 또는 이를 대체하여 칼라(혹인 모노톤) 형상을 이용해서 수위를 감지해 낼 수 있다.

도 6은 일실시예에 따라 항공기의 비행속도 측정에 이용되는 피토튜브를 나타낸 도면이다.

피토튜브는 원래 차량이나 선박, 비행체 등의 주행 속도를 감지하기 위한 것으로, 정압과 동압의 압력차이로 유속을 측정. 이물질 유입을 방지하기 위한 유선형의 장애물을 튜브 전방에 설치될 수 있다. 피토튜브는 정확도 우수함하여 수문 시스템에 적용될 수 있고, 이물질 유입의 2차 문제점 해결할 수 있다.

피토튜브는 주로 기체의 흐름을 이용하는 항공기의 비행속도 측정에 이용될 수 있다.

도 7은 일실시예에 따라 액체의 속도와 유량을 측정하는 사례들을 도시한 도면이다.

일실시예에 따른 피토튜브는 하수처리장 및 소화전에 설치되어 액체의 속도와 유량을 측정하는데 이용될 수 있다.

도 8은 일실시예에 따른 피토튜브 종류를 나타낸 도면이다.

피토튜브는 형태에 따라 L자형, S자형, 데비모블레이드(평균 피토튜브)로 구분될 수 있다. 일반적으로 L자형 피토튜브가 가장 많이 사용되며, S자형은 배관/덕트에 삽입이 용이할 수 있다. S자형은 이물질에 의한 눈막힘 현상이 감소될 수 있으며, 두께가 두꺼울 수 있다. 평균 피토튜브는 여러 포인트에서 측정하여 평균을 내는 방식으로 높은 정확도를 가질 수 있다.

도 9는 일실시예에 따른 피토튜브를 규격을 도시한 도면이다.

피토튜브는 스트인레스 스틸을 이용할 수 있고, 1,000℃의 온도까지 사용 가능하므로, 내구성 우수할 수 있다. 시판 중인 피토튜브는 대략 지름　Ø3~Ø14mm, 길이 100~3,000 mm일 수 있어, 피토튜브 사이즈 선택 가능하다.

도 10은 일실시예에 따라 피토튜브를 설치하는 것을 나타낸 도면이다.

일반적으로 정확한 유속 측정을 위해서, 피토튜브　 측정구는 유체 방향과 평행을 유지해야하고, 피토튜브 전단 및 후단부에 직관부가 설치될 수 있다. 본 문제 해결 과제에서는 물의 흐름 방향을 감지하기 위해 피토튜브를 적용할 수 있고, 정확한 유속 측정은 필요하지 않을 수 있다. 수문에 적용 시, 양 방향의 유체 흐름을 감지할 수 있도록 피토튜브를 제내/제외 측을 각각 바라보는 방향으로 설치하여, '순류'와 '역류'를 판단할 수 있다.

일실시예에 따르면, 피토튜브를 설치하는데 있어서, 이물질 유입이 2차 문제가 될 수 있다. 유해가스 배출장치, 의료용 내시경, 계측기 센서 등 이종분야에서 튜브 형태의 물체로 이물질 유입을 방지하기 위한 기술이 활용될 수 있는데, 이물질 유입을 방지하기 위해 압축 기체 또는 액체를 분사하거나 진동 발생을 발생시키거나 더스트와이퍼 기술을 활용할 수 있다.

상술한 3가지 방법 모두 이물질을 제거하는 동작이 행해지는 동안 측정된 값은 제외할 필요 있다. 압축 기체 또는 액체 분사하는 방법은 압축된 액체(기체)를 분사하는 관을 피토튜브와 일체화하여 설치할 수 있고, 진동 발생시키는 기술은 피토튜브 유입구와 진동자를 대향하여 설치하는 것은 불가할 수 있고, 진동자를 설치한다면 피토튜브와 일체화하여 피토튜브 자체를 진동시켜 이물질을 제거해야 할 수 있다. 더스트와이퍼를 이용하는 기술은 피토튜브 유입구 앞에 설치되어야 하므로 저항으로 인해 파손될 가능성 높을 수 있다.

도 11은 문틀과 문비의 구조에 따라 수문에 설치 가능 여부를 확인하는 것을 도시한 도면이다.

수문 시스템에 설치한다면 수문이 열린 상태에서 물의 흐름 방향을 판단해야 하므로, 문틀에 설치할 수 있다. 사이드빔의 구조를 보면, 물의 흐름방향과 마주보는 면 외에도 앵커바와 사이드 서포트 빔이 존재할 수 있다. 또한 하단부에는 우일산업 수문의 특징인 퇴적 방지용 구조가 있어 이곳을 활용할 수도 있다.

도 12는 일실시예에 따라 수문 시스템에 피토 튜브를 설치하는 것을 도시한 도면이다.

수문이 잠길 수 있는 모든 높이에서 측정이 필요한 경우, 전체 높이를 확인할 필요가 있고, 계획 수위 설정시 계획수위처럼 물이 차오르는 한계높이가 지정되어 있다면, 이러한 계획수위 주변 부위에 측정센서가 위치할 수 있다. 수문 바닥면 이상부터 위험한 경우, 바닥면을 형성하는 STS 플레이트나 바닥면에 닿는 퇴적 방지용 문틀에 장착 가능할 수 있다.

피토튜브를 이용하여 물의 흐름방향을 측정하는 방법에서 수문과 일체화 시킬 수 있는지, 가능하다면 위치, 높이, 개수등의 배치는 어떻게 해야할지에 대한 이슈가 발생할 수 있다. 또한, 이물질 유입으로 인한 막힘, 와류, 제품 관리에 관한 문제가 발생할 수도 있다. 피토튜브를 문틀에 장착하는 방법이 유력한, 바닥 부위나 모서리 부위에서는 와류가 발생할 수 있고, 와류에 의한 물의 흐름방향 측정 시 오류가 발생할 우려가 높을 수 있다. 따라서, 센터부위나 바닥에서 떨어진 위쪽 등 와류를 피할 수 있는 위치를 선정해야할 수 있다. 또한, 복수개의 피토 튜브로부터 들어오는 값을 가중평균함을써 와류에 의한 왜곡 등을 보정할 수 있다.

도 13은 일실시예에 따른 전반 속도차법을 도시한 도면이다.

초음파를 이용하여 유체 흐름을 측정할 수 있는데, 전단속도차법과 도플러법으로 유체 흐름 측정 방법이 구분될 수 있다. 전반 속도차법은 유체의 흐름과 같은 방향인 하류측으로 발사된 초음파와 그 반대 방향인 상류측으로 발사된 초음파가 같은 거리를 통과하여 각각 반대편의 수신기까지 도달하는데 걸리는 시간 차일 수 있다. 전단 속도차법은 초음파 유량계 중 가장 광범위하게 사용되고 있는 원리일 수 있고, 측정 원리에 따라 시간차법, 위상차법, 주파수법으로 구분될 수 있다. 회로 기술진보에 따라 측정 정확도도 높아질 수 있다.

도 14는 일실시예에 따른 도플러법을 도시한 도면이다.

도플러법은 송신파 주파수와 조사된 초음파가 유체 중의 부유물이나 기포로부터 산란, 반사되어 돌아온 수신파 주파수의 차를 이용할 수 있다. 도플러법은 다량의 부유입자나 미소한 기포를 포함하고 있는 유체 측정에 적합할 수 있고, 속도차법 초음파 유량계로 불가능한 슬러리, 하수 등의 유량 측정에 적합할 수 있다. 부유물질이 관의 벽면에 매우 근접한 경우, 정확도가 저하될 수 있다.

이물질 많은 하천 환경을 고려하면 수문 시스템 적용에 도플러법이 더 용이할 수 있다. 수문에서 제외측 방향 또는 제내측 방향으로 청색편이가 일어나는지 적색편이가 일어나는지에 따라 물이 어느 쪽으로 흐르고 있는지 구분 가능하여, 역류 발생 시 수문을 차단할 수 있다.

도 15는 일실시예에 따른 도플러 유량계 종류를 도시한 도면이다.

도플러 유량계는 설치방법에 따라 습식과 건식으로 분류될 수 있다. 습식(삽입식, 단관형)은 배관 내에 직접 설치되고, 건식(외벽부착식)은 배관 외부에 클램프 등을 이용하여 설치될 수 있다.

건식 도플러 유량계는 짧은 기간의 간이 측정을 목적으로 하고, 습식에 비해 설치 간편하며, 유지보수 용이할 수 있다. 관벽을 통과하는 과정에서 원래의 파형 잃어버릴 수 있다.

습식 도플러 유량계는 유량계측에서 제어 등 공정 프로세스 라인에 설치되어 연속적으로 가동하는 것을 목적으로 설계될 수 있다. 건식에 비해 정확도, 정밀도 우수할 수 있다.

도 16은 일실시예에 따른 도플러 유량계 설치 형태를 도시한 도면이다.

도플러 유량계 관로에 설치 될 때, 관로의 형태 및 설치 조건에 따라 밴드 타입 또는 세로대 타입으로 설치될 수 있다. 내부 수위가 작업할 수 있는 조건이 아닌 경우 세로대 타입으로 설치될 수 있다.

도 17은 일실시예에 따라 도플러 유량계를 도문에 설치하는 것을 도시한 도면이다.

수문 시템에 도플러 유량계가 설치된다면, 수문이 열린 상태에서 물의 흐름 방향을 판단해야 하므로, 문틀에 설치될 수 있고, 습식 도플러 유량계 적용할 수 있다. 밴드 및 세로대 타입과 같이, 도플러 유량계 고정시킬 수 있는 지지대를 이용하여 수문과 일체화 될 수 있다. 세로대 타입과 같이, 도플러 유량계와 지지대를 수직이 되게 제작하여 수로 바닥면에서 측정하는 것도 가능할 수 있다.

도플러 유량계를 이용하여 물의 흐름방향을 측정하는 경우, 수문과 일체화 가능한지, 가능하다면 위치, 높이, 개수등 배치는 어떻게 되는지에 관한 이슈가 발생할 수 있다. 또한, 부유물 부착으로 인하여 측정이 어려울 수 있고, 제품 관리 문제가 있을 수 있다. 부유물 등의 이물질이 측정에 상당한 영향을 미치고, 부유물에 의해 센서가 가려지는 경우 측정에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 부유물에 영향을 받지 않는 추가 보호 구성이 필요할 수 있다.

도 18은 일실시예에 따른 로드셀을 설치한 도면이다.

제내/외측 수위를 비교, 판단하는 기술로 로드셀을 적용할 수 있다. 특히, 문이 개방된 상태에서 수위나 물의 흐름을 판단하였다면, 수문이 닫힌 상태에서 수위를 판단하는 것이기 때문에 수문을 센싱부로서 활용될 수 있다.

도 19는 일실시예에 따라 수분에 로드셀을 장착한 도면이다.

수문은 문틀에 고정되어 있으며, 적어도 수문이 문틀을 따라 상하로 이동할 수 있는 구조이기 때문에 이동 가능한 정도의 틈이 문틀과 문비 사이에 존재할 수 있다. 이 틈에 압력센서 혹은 스케일(로드셀)을 두어 수문이 수압에 의해 밀렸을 때, 특히, 슬루스게이트는 수압이 수문의 무게를 이겨내면 수압에 의해 수문이 열리는 방식을 활용하는 수문이므로 수압으로 수문 개폐가 가능한 압력이 가해지는데, 이 때 가해지는 힘이 약 1톤 이상이므로 이를 활용할 수 있다. 그 밀린 방향과 힘을 측정 할 수 있다.

더치커피메이커나 압력밥솥 등의 경우 무게에 따라 달라지는 압력을 측정하여 커피메이커의 진동 혹은 압력밥솥의 열과 압력을 조절하는 것으로서, 이러한 무게 측정방식은 수문에 치환하여 활용 가능하다.

수문이 상하로 움직이는 문틀에서 수문과의 사이 공간에 로드셀을 두고, 제내/외측의 압력차를 통해 어느 한 쪽의 로드셀에서 압력을 감지하는 것으로 밀린 방향과 힘을 측정하여 수위차를 비교할 수 있다.

문틀에서 문비와 접촉하는 부위에는 문비가 움직일 수 있을 정도의 공간이 존재하고, 이 공간에 문비가 수압에 의해 움직일 수 있는 제내외측 방향으로 각각 하나 이상의 압력센서(스케일, 로드셀)을 장착함으로써 강한 수압이 발생되는 방향을 확인할 수 있다.

도 20은 일실시예에 따른 로드셀의 측정 원리를 도시한 도면이다.

힘이나 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 측정하는 하중감지센서(Transducer)는 힘이나 하중에 대하여 구조적으로 안정된 변형을 발생시키는 탄성 변형체(Elastic Strain Member)의 수감부에서 발생하는 물리적 변형을 스트레인 게이지를 이용하여 전기저항 변화로 변환시킬 수 있다.

도 21은 일실시예에 따른 기둥형 로드셀을 도시한 도면이다.

로드셀은 형태, 무게 감지 방식에 따라 종류를 구분할 수 있다. 형태에 따라 기둥형(column type, canister), 환상형(ring type), 휨형(bending type), 전단형(shear type)으로 구분할 수 있다.

기둥형 로드셀은 위에서 아래로 하중을 가하는 종류로, 2장의 스트레인 게이지를 종/횡으로 부착하여 압축력 측정할 수 있고, 대용량의 load cell 제작에 용이할 수 있다. 분해능이 낮으며, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의해야 할 수 있다.

도 22는 일실시예에 따른 환상형 로드셀을 도시한 도면이다.

환상형 로드셀은 둥근 원형의 내면에 4장의 스트레인 게이지를 부착한 형태일 수 있고, 기둥형보다 분해능이 높고, 방향도 인장,압축형 모두 사용이 가능할 수 있다.

도 23은 일실시예에 따른 휨형 로드셀을 도시한 도면이다.

휨형 로드셀은 사각 막대를 한쪽이나 양쪽을 지지하여 휘어지는 양을 측정하는 방식을 활용할 수 있다. 휨형 로드셀은 부착하기가 용이하고, 정밀도가 높을 수 있고, 대용량의 제작이 어렵고 구조상 밀봉하기 어려워 사용 환경의 제약을 받을 수 있다.

도 24는 일실시예에 따른 전단형 로드셀을 도시한 도면이다.

전단형 로드셀은 스트레인 게이지를 45도 방향으로 부착하여 전단응력을 측정하고, 횡하중측정이 좋고 내력이 강하다.

도 25는 일실시예에 따른 로드셀 종류에 따른 측정용량의 범위를 나타낸 표이다.

로드셀 종류에 따라 측정용량 범위도 다양할 수 있다. 빔 형태의 휨형 로드셀을 제외한 나머지는 수문에 적용 가능한 용량일 수 있으나, 제품에 따라 용량 범위 제각각이므로 제품 선택 시 용량을 확인해야 할 수 있다.

도 26은 일실시예에 따라 수문에 적용 가능한 용량을 도시한 도면이다.

피로 수명은 정격용량(로드셀 성능 범위 내에서 가해지는 힘의 상한치)으로 부하가 몇 회 걸릴 수 있는지를 표시되는 수치일 수 있다. 정격용량 이상의 힘을 장시간 가하면 손상될 수 있고, 적절한 사용과 관리, 보존이 올바르게 행해지면 반영구적으로도 사용할 수 있다.

도 27은 일실시예에 따른 로드셀의 소재를 도시한 도면이다.

로드셀은 알루미늄, 철, 스테인레스 스틸 소재가 주로 사용될 수 있고, 방수형 제품도 시판 중이다.

도 28은 일실시예에 따른 로드셀 설치 시 주의사항을 도시한 도면이다.

로드셀 설치 시 지지 구조물까지 하중 전달이 올바르게 되고 있는지 확인해야할 수 있다. 정확한 측정을 위해 이상적인 부하 적용 방향을 구해야 할 수 있고, 부하가 중심에 가해지도록 설치되어야 할 수 있고, 측면에서 힘이 가해지는 것을 피해 설치되어야 한다.

도 29는 일실시예에 따른 수문 시스템에 로드셀을 설치한 것을 도시한 도면이다.

수문이 닫힌 상태에서 측정하므로 문비에 적용 가능할 수 있고, 방수형 제품 사용되어야 하며, 제내/제외 수위 비교를 위해 제내/제외 측 같은 높이에 각각 설치되어야 할 수 있다. 로드셀 설치 높이가 설정되어야 할 수 있다.

로드셀을 이용하여 제내/외측 수위 비교시, 수문과 일체화되어야 하며, 가능하다면 위치, 높이, 개수 등 배치에 관한 이슈가 발생할 수 있다. 또한, 영점 조절, 지속적인 눌림 발생으로 인한 파손문제, 하중이 로드셀 중심 외에 다른 부위에 가해지는 문제가 발생할 수 있다. 톤 급의 무게를 갖는 수문에서 수위가 충분히 높지 않은 경우 수압으로 수문이 유의미하게 밀리지 않을 수 있고, 수위가 높지 않은 경우 수문이 충분히 밀려나지 않는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 수문의 바닥 쪽에서 발생하는 미약한 밀림을 측정할 수 있는 방안이 필요할 수 있다.

도 30은 일실시예에 따른 승강플로트가 설치된 것을 도시한 도면이다.

일반적으로 수위를 측정하는 방식 중 가장 많이 사용되는 방식은 플로트방식이며, 플로트방식은 다소 정확도는 떨어지지만 반영구적이고 대부분의 경우 설치가 용이할 수 있다. 수문이 닫힌 경우, 정확히 수위값을 판단할 필요성이 없으며, 단순히 내/외측 간 어느 쪽 수위가 더 높은지만 확인하면 된다. 하나 이상의 플로트가 수위에 따라 상하로 움직일 수 있으면서 재 사용 시 이전 수위에 구애받지 않고 정상적으로 수위 비교에 활용할 수 있다면, 상당한 활용도가 있을 것이다. 제내측과 제외측에 각각 관로를 두어 양 측의 수위를 측정하고 그 높이차를 통해 개폐를 제어하는 방법을 활용하여 플로트를 통해 측정된 양 측의 수위차를 기반으로 수문의 구동을 조절하는 기술을 구현할 수 있다.

문비의 제내측 면과 제외측 면에 각각 적어도 하나씩 승강 슬릿을 적용할 수 있고, 각 승강 슬릿마다 플로트를 두어 수위에 따라 승강될 수 있도록 구성될 수 있다. 제내외측 플로트의 높이 차이를 통해 수문의 개방시기 판단할 수 있다.

승강 플로트를 이용하여 제내/외측 수위를 비교하는 경우, 수문과 일체화 가능한지, 가능하다면 배치는 어떻게 되지는 이슈가 발생할 수 있다. 또한, 영점 조절, 너울에 의한 요동이나 침하 발생하거나 부유물에 의한 파손 문제등이 있을 수 있다.

너울에 의한 변수가 많고, 바람에 의한 국부적이고 순간적인 수위 역전 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 외부 요인에 의한 순간적인 영향을 방지할 수 있는 방안이 필요할 수 있다.

Claims (10)

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6. 문비; 상기 문비를 지지하는 문틀; 상기 문틀에 고정되어 상기 문비의 개폐 동작을 수행하는 권양기; 및 상기 권양기의 동작을 제어하는 제어반을 포함하는 수문 시스템에 있어서,
   상기 시스템은 상기 문비 아래 물이 지나가는 수로에서의 유속을 감지하여 신호를 제공하는 적어도 하나의 초음파 센서부를 더 포함하고,
   상기 제어반은, 상기 신호에 따라 제외측으로부터 상기 수로를 통해 제내측으로의 역류가 발생하는 경우 상기 문비를 닫도록 상기 권양기를 제어하며,
   상기 적어도 하나의 초음파 센서부는 제외측 또는 제내측을 향하여 설치되고, 제외측으로부터 제내측으로의 물의 역류가 발생함에 따라, 물에 포함된 다량의 부유입자 또는 미소한 기포에 의해 평소 대비 적색 편이 또는 청색 편이된 출력 신호를 제공하며,
   상기 제어반은, 상기 출력 신호에 따라 상기 역류가 발생하는지의 여부를 결정하는 시스템.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,
   상기 시스템은 상기 문틀과 상기 문비가 맞물리는 사이에 배치되어 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 문비가 제내측 방향 또는 제외측 방향으로 상기 문틀을 누르는 힘을 감지하여 출력 신호를 제공하는 적어도 하나의 로드셀을 더 포함하고,
   상기 제어반은 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 출력 신호를 이용하여 상기 문비를 중심으로 제외 측의 수위가 높은지 또는 제내 측의 수위가 높은지를 결정하고, 상기 제내 측의 수위가 기준치 이상으로 높은 경우, 닫혀있는 상기 문비를 권양하여 열도록 상기 권양기를 제어하는 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 로드셀은 상기 문비를 기준으로 제외측 방향에서 상기 문틀 사이에 끼이도록 배치되는 제1 로드셀, 및 상기 문비를 중심으로 상기 제1 로드셀과 반대 방향에서 상기 문틀 사이에 끼이도록 배치되는 제2 로드셀을 포함하고,
   상기 제어반은, 상기 제1 로드셀이 제공하는 제1 신호와, 상기 제2 로드셀이 제공하는 제2 신호를 지정된 기준 신호와 비교함으로써 제외측으로부터 제내측으로의 물의 역류가 발생하는지의 여부를 결정하는 시스템.
10. 제6항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 문틀 또는 상기 문비 중 어느 한 곳에 배치되어 상기 문비가 닫혀있는 경우에 제내측 방향의 수위 및 제외측 방향의 수위를 비교하도록 상호 반대 방향으로 승강하는 적어도 한 조의 플로팅 파트를 포함하고,
    상기 제어반은 상기 문비가 닫혀있는 경우에 상기 플로팅 파트 중 제내측 방향의 제1 파트가 제외측 방향의 제2 파트보다 기준치 이상으로 더 높은 경우, 닫혀있는 상기 문비를 권양하여 열도록 상기 권양기를 제어하는 시스템.
    

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