KR20030000981A - 초음파 하천 유속계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천의 유속 측정을 위한 하천 유속계에 관한 것으로, 더 상세하게는 평균 유속 측정의 정확성을 향상시키고, 수온 염도, 수심에 따른 오차 보정을 가능하게 하며, 교량 등을 이용한 간접측정의 편리성 및 정확성을 향상 시키는 동시에 수심 변화에 따른 유속 측정이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 초음파 하천 유속계는, 기준판과, 상기 기준판의 중심에 연결되는 메인케이블 및 그 메인케이블을 중심으로 양편에 위치하는 수평유지보조케이블과, 상기 기준판의 중심을 기준으로 수직 길이 방향으로 임의의 길이로 길게 연장되어 베이스플레이트 중앙부에 고정되는 폴과, 상기 폴을 따라 상하 이동 가능하게 설치되는 플로트 및 그 플로트 이동수단과, 상기 폴을 축으로 장착된 플로트의 양단부에 장착되어 초음파를 송.수신하는 상측 초음파 송.수신기와, 상기 폴을 따라 장착된 지지판의 양편에 장착되어 상기 상측 초음파 송.수신기와 중심이 일치하는 가운데 초음파 신호를 상호간 전달하는 하측 초음파 송.수신기로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 유속측정의 정확성, 신뢰성, 유속 및 특성을 고려하는 측정의 융통성, 측정의 편의성 등이 향상된다.

Description

초음파 하천 유속계{Apparatus of stream liquid velocity determination}

본 발명은 하천의 유속 측정을 위한 하천 유속계에 관한 것으로, 더 상세하게는 평균 유속 측정의 정확성을 향상시키고, 수온 염도, 수심에 따른 오차 보정을 가능하게 하며, 교량 등을 이용한 간접측정의 편리성 및 정확성을 향상 시키는 동시에 수심 변화에 따른 유속 측정이 가능하도록 하는 것이다.

수자원을 더 쓸모 있는 용도로서 효율적으로 사용할 수 있게 하기 위한 체계적인 수자원 관리가 이루어지고 있다. 모든 수자원을 인위적으로 관리할 수는 없지만 적어도 수자원의 현황과 정보를 미리 알아 파악하고, 이를 종합하여 수자원의 담수량을 조절하는 것만으로도 기대 이상의 수자원관리를 달성하는 것으로 볼 수 있다. 수자원 정보를 통한 담수량의 유기적인 조절은, 가뭄이나 홍수와 같은 자연재해에 대비하고 효율적인 자원관리를 위한 최선의 방법이 되고 있다.

따라서, 담수량의 조절은 단순히 유량 증감에 따라 수문을 개폐하는 것으로 볼 수 없다. 즉 담수량의 조절에는 각 하천들을 통해 유입되는 유량정보를 현재 또는 미래 예상량 등을 기상정보등과 통합하여 예측하고 이를 모두 담수량의 제어 정보로 활용할 때 종합적인 수자원 관리가 이루어지는 것으로 볼 수 있다.

유량을 결정하는 기상상태를 제외하면, 하천의 유속을 정확하게 측정하는 일은 수자원관리에서 무엇보다 중요한 작업이 된다. 모든 실측과 계측 등에는 측정기구에 의하거나 아니면 측정자에 의한 오차가 향상 존재한다. 마찬가지로 하천 유속측정에는 이러한 측정오차가 반드시 존재하는 것으로 볼 수 있는데, 그 오차가 커질수록 앞서와 같이 수자원관리 정보로 활용될 경우 부정확성으로 인해 수자원 관리부실의 문제를 낳게된다.

유속 측정은 일반적인 측정이나 계측과는 다르게 측정 대상이 되는 유량 변동에 따라 측정오차가 크게 나타나고 있는데, 그 이유는 유속측정 방법에서 알 수 있다.

하천의 유속을 측정하기 위한 일반적인 방법은 적당한 유속측정기를 선택하여 하천에 유속계를 놓고 그 유속계가 유속에 반응하여 나타내는 변화를 측정정보로 활용하여 유속을 측정하는 것으로, 회전식 유속계 또는 초음파식 유속계 등이 이용된다.

회전식 유속계나 초음파식 유속계는 측정자에 의해 조작되고 관리된다. 유량이 적은 평.갈수기에는 측정자가 하천에 직접 들어가 유속계를 조작할 수도 있어 유속계의 측정오차만 적으면 유속 측정 자체에 별다른 문제가 없다.

지금까지 평.갈수기 하천 유속측정에는 주로 회전식 유속계를 현장에서 많이 사용하여 왔고, 그 이후 초음파 유속계, 전자파 표면 유속계 등을 사용하여 왔으나측정의 정확성과 측정의 편리성을 충족시키는데는 부족했다.

본 발명과 관련되는 초음파 유속계는 1조의 초음파 송.수신장치에 의한 단일 빔 방식을 이용하는 것이었고, 고정식 플로트(float)의 적용으로 수심에 따른 유속 측정이 불가능했으며, 유속 측정에 영향을 미치는 수온,염도,수심에 따른 오차 보정이 불가능한 구조였으며, 측정자에 의한 하천에서의 직접 측정만 가능해고 교량 위에서 측정하는 간접측정은 불가능 했다.

따라서 본 발명의 목적은 초음파 송.수신장치의 다중화와 이를 통한 전파 전달시간에 의한 주파수 변화를 측정하여 하천의 평균 유속을 측정하도록 함으로서 측정의 정확성을 기할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수면으로 부상되는 플로트의 위치제어가 가능하도록 함으로서 수심에 따른 유속 측정이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유속계를 이용하는 유속측정에서 여러 오차 요인들에 대한 보정이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 측정자의 측정 위치를 다양화 시켜 유속 측정 위치 선택형 초음파 유속계를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하천 유속 측정장치는,

기준판과,

상기 기준판의 중심에 연결되는 메인케이블 및 그 메인케이블을 중심으로 양편에 위치하는 수평유지보조케이블과,

상기 기준판의 중심을 기준으로 수직 길이 방향으로 임의의 길이로 길게 연장되어 베이스플레이트 중앙부에 고정되는 폴과,

상기 폴을 따라 상하 이동 가능하게 설치되는 플로트 및 그 플로트 이동수단과,

상기 폴을 축으로 장착된 플로트의 양단부에 장착되어 초음파를 송.수신하는 상측초음파 송.수신기와,

상기 폴을 따라 장착된 지지판의 양편에 장착되어 상기 상측 초음파 송.수신기와 중심이 일치하는 가운데 초음파 신호를 상호간 전달하는 하측 초음파 송.수신기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초음파 하천 유속계는, 상하측 송.수신기가 유속방향과 같은 순방향 및 역방향으로 초음파를 발생하도록 하여, 전파 전달시간차에 의한 주파수 변화를 측정하여 수심에 따른 평균 유속을 측정하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 하천 유속계 정면도 .

도 2는 본 발명에 따른 초음파 하천 유속계의 측면도.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 유속계의 평면도.

도 4(a)(b)는 각각 초음파 유속계를 구성하는 상.하부측 송.수신기의 부착 구조로서, (a)는 상측 송.수신기 부착구조, (b)는 하측 송.수신기 부착상태의 평면 구조.

도 5는 본 발명에 따른 플로트 구동부의 상세도.

도 6의 (a)(b)는 초음파 전달시간과 주파수 변화량에 의한 평균 유속 계산 및 초음파 전달 변화에 대한 보정식의 참고도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:기준판 11:메인케이블

12a,12b:수평유지보조케이블 13:베이스플레이트

14:다리 20:폴(pole)

21:래크기어 22:피니언기어

23:구동모터 30:부표(float)

31:구멍 32:장착단

40a,40b:상측초음파송.수신기 50a,50b:하측 초음파 송.수신기

이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 하천 유속계 정면도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 하천 유속계의 측면도 이며, 도 3은 평면도, 도 4(a)(b)는 각각 초음파 유속계를 구성하는 상.하부측 송.수신기의 부착 구조로서, (a)는 상측 송.수신기 부착구조, (b)는 하측 송.수신기 부착상태의 평면 구조, 도 5는 플로트 구동부의 상세를 나타낸다. 도 6의 (a)(b)는 초음파 전달시간과 주파수 변화량에 의한 평균 유속 계산 및 초음파 전달 변화에 대한 보정식의 참고도 이다.

본 발명의 초음파 하천 유속계는, 기준판(10)과, 기준판(10)의 중심에 연결되는 메인케이블(11) 및 그 메인케이블(11)을 중심으로 양편에 위치하는 수평유지보조케이블(12a)(12b)과, 기준판(11)의 중심을 기준으로 수직 길이 방향으로 임의의 길이로 길게 연장되어 베이스플레이트(13) 중앙부에 고정되는 폴(20)과, 폴(20)을 따라 상하 이동 가능하게 설치되는 플로트(30) 및 그 플로트 이동수단과, 폴(20)을 축으로 장착된 플로트(30)의 양단부에 장착되어 초음파를 송.수신하는 상측 초음파 송.수신기(40a)(40b)와, 폴(20)을 따라 장착된 지지판(10)의 양편에 장착되어 상기 상측 초음파 송.수신기(40a)(40b)와 중심이 일치하는 가운데 초음파 신호를 상호간 전달하는 하측 초음파 송.수신기(50a)(50b0로 이루어진다.

플로트 이동수단은, 폴(20)의 길이방향을 따라 그 폴(20)의 외형에 형성된 래크기어(21)와, 상기 래크기어(21)와 치합되어 맞물려 돌아가고 그 주어진 회전방향에 의해 폴(20)을 따라 직선 이동하고 그 이동량으로 플로트(30)를 이동시키기 위해 플로트(30)에 고정된 피니언기어(22)와, 상기 피니언모터(22)를 구동시키는 구동모터(23)로 이루어진다.

상.하측 초음파 송.수신기(40a)(40b)(50a)(50b)를 장착하는 고정 구조물이 되는 플로트(30)와 지지판(10)은 폴(20)을 축으로 폴(20)에 장착가능한 구멍(31)이 중심에 있고, 그 구멍(31)을 중심으로 양단이 대칭되는 절곡형을 이루는 초음파 송.수신기 장착단(32)으로 형성하였다.

그리고, 플로트(30)와 지지판(10)의 장착단(32)에 의해 상.하측 초음파 송.수신기(40a)(40b)(50a)(50b)는 플로트(30)와 지지판(10)에 상호간 X 자형으로 부착되었다.

초음파 송.수신기는 1~5Mhz 대의 주파수를 송신하고 수신하도록 되어 있으며, X자형의 배열을 가짐으로서, 유체 방향에 대하여 순/역방향으로 위치하며, 유속에 의한 전파 전달시간차를 발생한다. 또한 양측면의 센서 방향이 반대로 되어 있어, 유체의 레이놀 계수 등에 의한 측정 에러를 최소화 시킨다.

상단 초음파 송.수신기(40a)(40b)가 플로트(30)에 부착되지만 수심에 의한 플로트(30)의 상하 이동이 가능하며, 플로트 제어 구동부의 구동모터(23)는 폴(20)의 래크 기어(21)를 따라 피니언기어(22)를 직선운동시켜 플로트(30)의 위치를 상하로 조절할 수 있으며, 플로트(30)를 임의의 위치에 고정하거나 또는 해체할 수 있도록 되어 있다.

본 발명의 초음파 하천 유속계는, 평.갈수기 하천 평균 유속 측정을 위한 현실적인 유량측정의 편리성 및 정확성을 제고하는데 큰 특징을 갖는다.

즉, 기존 유속계가 가지고 있는 단점의 대부분을 보완할 수 있으며, 기존 유속계가 단일 빔 방식을 이용하는 것과 비교하여 2중 빔과 전파 시간차에 의한 주파수 변화를 측정하여 보다 정확한 유속측정이 가능하다.

상하측 초음파 송.수신기(40a)(40b)(50a)(50b)의 위치는 폴(20)을 중심으로 양측면에 설치하여 장치의 부피를 줄였으며, 상측 초음파 송.수신기(40a)(40b)는 수심에 따르는 별도의 수심 측정 조작을 할 필요가 없이 바로 구동모터(23)의 원격조정을 통해 위치 제어가 가능하다. 아울러 교량 위에서의 간접 유량측정에 대비하여 메인케이블의 양쪽에 미터 눈금이 새겨진 보조 케이블를 설치하여 물에 잠길 때 최대한 하천 유속 방향과 수직.수평을 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 초음파 하천 유속계는, 상하측 송.수신기가 유속방향과 같은 순방향 및 역방향으로 초음파를 발생하도록 하여, 전파 전달시간차에 의한 주파수 변화를 측정하여 수심에 따른 평균 유속을 측정하게 된다.

즉, 한쌍의 초음파 송.수신장치를 폴(20) 양측면에 설치하여 2개의 측정값을 평균한 유속을 계산할 수 있으므로 정확도가 향상되며, 수심에 따른 평균 유속측정에서는 상부 플로트(30)에 부착된 상측 초음파 송.수신기(40a)(40b)가 상하로 이동하면, 폴(20)의 래크기어(21)에 맞물린 피니언기어(22)가 회전에 의한 BCD신호를 발생시켜 수심을 측정할 수 있다.

결과적으로 평.갈수기 하천 유속측정의 정확성 및 편리성 향상을 통한 수자원 정밀 측정에 크게 기여할 수 있는 것이다.

이와 같이 상하측 초음파 송.수신기(40a)(40b)(50a)(50b)가 유속방향과 같은 순방향 및 역방향으로 초음파를 발생하도록 하여, 전파 전달시간차에 의한 주파수 변화를 측정하여 수심에 따른 평균 유속을 측정하는 본 발명의 초음파 하천 유속계에 의한 초음파 전달시간과 주파수 변화량에 의한 평균 유속 계산식은 다음 식과 같다.

도 6으로부터, ℓ:수심, C:초음파 정지 유체 전달속도, θ:초음파 입사각, V:유속 인 경우,

순방향(Forward direction) P1 ⇒ P2 : t1

역방향(Inverse direction) P2 ⇒ P1 : t2

; Left

; Right

평균유속 =

로 구한다.

또한 하천의 수온,염도 변화 및 수심에 따른 초음파 전달변화를 보정하기 위하여 아래와 같은 보정식을 적용하면 오차를 보정할 수 있다.

수온:0≤T≤(℃), 염도:0≤S≤45(ppt), 수심:0≤ℓ≤1000(m)인 경우,

When ft(초음파 주파수) = 1Mhz

C = 1449.2+4.6T+0.055T2+0.0029T2+(1.34-0.01T)(S-35) + 0.16ℓ 이다.

이와 같은 본 발명의 초음파 하천 유속계는, 상하측 초음파 송.수신기가 유속방향과 같은 순방향 및 역방향으로 초음파를 발생하도록 하여, 전파 전달시간차에 의한 주파수 변화를 측정하여 수심에 따른 평균 유속을 측정할 수 있으며, 그 측정은 한쌍의 초음파 송.수신장치를 폴 양측면에 설치하여 2개의 측정값을 평균한 유속을 계산할 수 있으므로 정확도가 향상되며, 수심에 따른 평균 유속측정도 가능하다. 또한 하천의 수온,염도 변화 및 수심에 따른 초음파 전달 변화에 따른 오차 보정도 가능하다.

이와 같이 본 발명은 초음파 송.수신장치의 다중화에 따른 전파 전달시간에 의한 주파수 변화를 측정하여 하천의 평균 유속을 측정하도록 함으로서 측정의 정확성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 수면으로 부상되는 플로트의 위치제어가 가능하도록 함으로서 수심에 따른 유속 측정이 가능하고, 초음파를 이용하는 유속측정에서 유량 특성에 대한 보정이 가능함으로서 측정 신뢰성을 향상 시키며, 측정자의 측정 위치 선택이 가능하여 측정 편의성을 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 기준판과,

   상기 기준판의 중심에 연결되는 메인케이블 및 그 메인케이블을 중심으로 양편에 위치하는 수평유지보조케이블과,

   상기 기준판의 중심을 기준으로 수직 길이 방향으로 임의의 길이로 길게 연장되어 베이스플레이트 중앙부에 고정되는 폴과,

   상기 폴을 따라 상하 이동 가능하게 설치되는 플로트 및 그 플로트 이동수단과, 상기 폴을 축으로 장착된 플로트의 양단부에 장착되어 초음파를 송.수신하는 상측초음파 송.수신기와,

   상기 폴을 따라 장착된 지지판의 양편에 장착되어 상기 상측 초음파 송.수신기와 중심이 일치하는 가운데 초음파 신호를 상호간 전달하는 하측 초음파 송.수신기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 하천 유속계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플로트 이동수단은, 폴의 길이방향을 따라 그 폴의 외형에 형성된 패크기어와,

   상기 래크기어와 치합되어 맞물려 돌아가고 그 주어진 회전방향에 의해 폴을 따라 직선 이동하고 그 이동량으로 플로트를 이동시키기 위해 플로트에 고정된 피니언기어와,

   상기 피니언모터를 구동시키는 구동모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 하천 유속계.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상.하측 초음파 송.수신기를 장착하는 고정 구조물이 되는 플로트와 지지판은 폴을 축으로 폴에 장착가능한 구멍이 중심에 있고, 그 구멍을 중심으로 양단이 대칭되는 절곡형을 이루는 초음파 송.수신기 장착단으로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 하천 유속계.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 플로트와 지지판의 장착단에 의해 상.하측 초음파 송.수신기는 플로트와 지지판 상호간 X 자형으로 부착되는 것을 특징으로 하는 초음파 하천 유속계.