KR20090105308A - 초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계에 관한 것이다.

본 발명은 지지대 고정되어 바람의 방향을 계측하는 포텐셔 미터; 온습도 센서와 기압 센서 및 풍속을 연산하기 위한 제어수단을 포함하는 전자회로가 내장되어 상기 지지대에 회전 가능하게 설치되는 상부케이스; 상기 상부케이스 상부에서 초음파를 송수신하여 풍속을 계측하는 한 쌍의 초음파 송수신부; 상기 상부케이스에 고정되어 풍향을 취득하는 풍판; 그리고 상기 풍판의 회전 방향에 따르는 풍향과, 전자회로에서 취득된 데이터를 브러쉬를 통하여 전달하는 데이터 전달 수단 및 전원공급수단을 구비하여 초음파를 발사하는 2개의 초음파 센서를 구비하는 초음파 송수신관을 이용하여 초음파의 전달시간차를 검출하고, 또한 기존의 풍향계에서 사용되는 포텐셔 미터 등을 사용하여 이 두 가지의 기능을 분리하여 측정가능토록 함으로서 각각의 개체적 기능성이 분명해지며, 또한 제작 원가가 저렴한 초음파를 이용한 풍속 풍향계를 제공한다.

초음파 센서, 풍속, 풍향, 포텐셔 미터

Description

초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계 {A meteorological instruments using ultrasonic sensor.}

본 발명은 공기 속을 퍼져나가는 음파의 속도가 풍속의 영향을 받는 것을 이용하여 마주보는 두 개의 원통형 곡관 파이프 내부에 초음파 센서를 설치하여 초음파의 전달 시간차를 검출함으로써 대기중에서의 풍속과 풍향과 같은 기상 상태를 측정하기 위한 장치로서, 보다 상세하게는 온습도 센서와 기압 센서를 포함한 전자적 장치를 보관하는 상부케이스에 초음파를 송수신하는 한 쌍의 프로브와 풍판이 설치되고, 상기 상부케이스의 하부에는 풍향계에서 사용하는 포텐셔 미터를 구성함으로써 바람의 방향과 속도를 측정할 수 있는 초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 전형적인 풍속 풍향계는 프로펠러 또는 풍배와 방향판에 의해서 풍속과 풍향을 측정하는 것이다. 이러한 기계적 장치는 강풍에서 제약적인 측정이 가능하며 또한 회전체의 고장으로 인하여 회전속도에 이상이 빈번히 발생하 여 측정치의 오차가 발생하여 정확한 기상 데이터를 취득하기에는 한계가 있었다.

초음파를 이용한 풍향 풍속계는 기계적 측정장치를 대체하여 바람의 방향과 속도를 모든 방향에서 측정할 수 있는 장치로서 그 원리를 도 1에 나타내었다.

이 도면을 참조하면,

T2 = L / (C-V), 그리고 T1 = L / (C+V) 이며, 그 결과,

V = L/2 (1/T1-1/T2) 이고,

C = L/2 (1/T1+1/T2) 이다.

여기서, L=초음파 센서(transducer)의 거리, C=소리의 속도, V=유체의 속도(풍속), T1=초음파의 전달시간, T2=초음파의 전달시간이다.

즉, 상기에서 2개의 초음파 센서에서 상호간 수발신 또는 일편에서 송신 다른 일편에서 수신으로 사용되게 할 수 있으며, 양단에서 수신 및 발신된 초음파의 전달속도를 유체의 흐름에 의하여 가감된 것을 계산하여 풍속을 측정하는 것이다.

이때에 대기 중의 온도를 측정하여 아래와 같이 산출된다.

전달속도의 차이는 C+V-(C-V)=L/T1-L/T2

따라서 풍속은 V=L/2*(1/T1-1/T2) 이다.

또한 소리의 속도는 항상 같지 않으며 온도가 +50°C 일 때에 초당 360m ,-50°C 일 때에 초당 300m로 전달되며 또 다른 영향지수인 습도와 압력의 영향은 근 소하여 통상적으로는 무시한다.

따라서 초음파 속도를 측정하는 전자장치에 부착된 온습도, 압력센서에서 얻어진 데이터에서 온도값은 풍속의 측정치를 보정하는 것에 사용되어 진다.

상기와 같이 온도값을 포함한 소리의 속도 C는 다음과 같다

여기서 T= 온도(°C)

도 2는 현재 사용되어지고 있는 초음파 풍속측정계의 평면도를 나타낸 것으로 360도 방향에서 등분할 하여 배치된 3개 또는 4개의 지지구에 부착된 초음파 센서(transducer)를 이용하여 풍속 및 풍향을 측정하는 방식으로 사용하고 있으며 그 방법은 다음과 같다.

x=(L/2)(1/twe-1/tew)

y=(L/2)(1/tsn-1/tns)

풍향(φ)은 도 2에서 1/4면이 (+x,+y)일때, φ=90-arcsin(y/r) ,

(+y,-y)일때, φ=arcsin(y/r)+90,

(-x,-y)일때, φ=(90-arcsin(y/r)+180),

(-x,+y)일때, φ=arcsin(y/r)+270 으로 결정되고,

풍속은 위에서 탐지된 풍향으로 v= rm/s 로 산정된다.

이렇게 초음파를 이용하여 바람의 유속을 측정하는 풍향 풍속계는 도 3에서 보는 바와 같이 지지대(100) 상단부에 고정되는 다수개의 초음파 송수신관(200) 단부에 대향하여 설치되는 프로브(300)를 사용하여 바람의 속도와 방향을 측정하게 된다.

즉 초음파 센서부가 구성되는 프로브(300)는 다수개로 이루어지면서 2개를 한 쌍으로 하여 하나의 초음파 센서가 음파를 발생하면, 다른 하나의 초음파 센서가 전파된 초음파를 수파한 후 다시 음파를 발생하고, 처음에 전파를 발생한 초음파 센서에서 다시 수파하여 매질의 시간차를 검출하여 풍향 및 풍속을 측정한다.

그러나 이와 같은 방식을 사용하여 측정함에는 기본적으로 많은 전자적 계산을 필요로 하고, 측정오차를 최소화하기 위하여 계산 결과에 대한 보정을 수행하여야 하는 등 많은 계산 과정을 수행하여야 하여야 하므로 장치의 제작원가가 많이 드는 단점이 있었다.

또한 프로브(300)가 지지대(100)에 고정되어 있기 때문에 동절기에는 프로브(300)에 결빙현상이 발생하여 운영이 불가능하거나 동파될 우려가 있어서 히터를 구비해야 하므로 전원의 공급이 필요한 어려움과 제작 원가가 상승되는 요인이 되는 것이었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 초음파를 발사하는 2개의 초음파 센서를 구비하는 초음파 송수신관을 이용하여 초음파의 전달시간차를 검출하고, 또한 기존의 풍향계에서 사용되는 포텐셔 미터 등을 사용하여 이 두 가지의 기능을 분리하여 측정가능토록 함으로서 각각의 개체적 기능성이 분명해지며, 또한 제작 원가가 저렴한 초음파를 이용한 풍속 풍향계를 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파의 전달 시간차를 검출함으로써 대기 중에서의 풍속과 풍향과 같은 기상 상태를 측정하기 위한 장치로서,

지지대;

상기 지지대에 고정되어 바람의 방향을 계측하는 포텐셔 미터;

온습도 센서와 기압 센서 및 풍속을 연산하기 위한 제어수단을 포함하는 전자회로가 내장되어 상기 지지대에 회전 가능하게 설치되는 상부케이스;

상기 상부케이스 상부에서 초음파를 송수신하여 풍속을 계측하는 한 쌍의 초음파 송수신부;

상기 상부케이스에 고정되어 풍향을 취득하는 풍판;

그리고 상기 풍판의 회전 방향에 따르는 풍향과, 전자회로에서 취득된 데이터를 포텐셔 미터에 전달하는 데이터 전달 수단 및 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 데이터 전달 수단 및 전원공급수단은 상부는 상부 케이스(21)에 고정되고, 하부는 포텐셔 미터의 샤프트에 고정되어 회전하는 원통형의 접속단;

한쪽 단부는 포텐셔 미터에 고정되고, 다른 한쪽의 단부는 상기 접속단에 접촉되는 브러쉬를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 포텐셔 미터를 이용하여 회전하는 풍판으로 풍향을 찾는 방식과, 2개의 프로브에 의하여 초음파에 의한 전자적 방식으로 풍속을 측정할 수 있게 되어 기존의 초음파식 풍속 측정계가 3~4개의 프로브가 고정되어 사용되는 것과는 달리, 한 쌍의 프로브가 설치되면서 기계적 방식에 의한 풍판에 의하여 회전할 수 있게 되어 기계식과 전자식의 장점이 결합되는 초음파를 이용한 풍향 풍속계를 제공할 수 있게 되는데, 초음파 센서가 설치된 초음파 발송부가 전자회로가 설치되는 상부케이스에 설치됨으로서 초음파 발송부와 전자회로가 최단거리를 이루게 됨으로서 센서 데이터의 손실과 잡음을 최소화 할 수 있다.

또한 중단에 위치한 브러쉬를 이용하여 DC (+/-) 와 상단에서 취득된 데이터를 전달하는 수단으로 채택하여 간단한 구조로 풍속과 풍향을 파악할 수 있다.

본 발명은 초음파를 이용하는 풍속계에서 풍판에 의하여 풍향 데이터를 얻을 수 있고, 회전익에 의하여 초음파 송수신부를 회전시킴으로써 기계식과 전자식의 장점을 결합하여 종래 고정 방식의 초음파 풍속계에서 일어나는 동결 등과 같은 문 제점을 최소화시키고, 복잡한 계산과 전자적 장치를 보다 간편하게 구성할 수 있게 되어 설치가 간편하고 유지보수도 용이하여 제작 원가가 저렴한 이점이 있다.

또한 유체의 속도를 검출하는데 있어서 유체의 중심부를 지나도록 함으로써 정밀도가 향상되고, 전자회로가 내장되는 상부케이스가 초음파 송수신관과 근접한 위치에 설치되어 센서 민감도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시예에 의하여 보다 명확하게 될 것이다.

다음에서 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 4는 본 발명의 사시도이고, 도 5은 본 발명의 분해 사시도이며, 도 6은 본 발명의 단면도를 각각 나타내고 있다.

본 발명의 초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계는 고정부(1)와 회전부(2)로 구성된다.

고정부(1)는 지지대(10), 고정자(11), 포텐셔 미터(12), 제1전송체(13), 제2전송체(14) 및 데이터 전송체(15)로 구성되고,

회전부(2)는 하부케이스(20), 상부케이스(21), 전자회로(22), 초음파 송수신관(23,24), 초음파 송수신부(25,26), 상부로터(27), 하부로터(28) 및 회전익(29)으로 구성된다.

고정부(1)를 구성하는 지지대(10)는 상부에 베어링(B)이 설치되는데, 상기 베어링(B)의 내륜에는 고정자(11)의 하단부가 압입 고정되어 있다.

고정자(11)의 하단부는 포텐셔 미터(12)와 전자회로(22)에서 출력되는 기상관측 데이터와 전원을 전송하기 위하여 베어링(B)의 내륜에 압입되는 고정축(110)이 중공 형태로 형성되고, 상부의 평면에는 포텐셔 미터(12)가 고정되며, 외벽체(111)에는 제1,제2전원 전송체(13,14)와 데이터 전송체(15)를 고정하기 위한 다수의 나사공(112)이 형성되어 있다.

포텐셔 미터(12)는 상기 고정자(11)에 고정되면서, 중앙 상부에 샤프트(120)가 돌출되어 풍향에 영향을 받아 자유롭게 회전하는 회전익(29)에 의하여 회전부(2)가 회전하는 데이터를 전송받아서 설정된 기준치에 의하여 풍향 데이터를 출력한다.

제1,제2전원 전송체(13,14)와 데이터 전송체(15)는 각각 고정자(11)의 외벽체(11)에 고정되는 T형의 플레이트(130,140,150)와 상부로터(27) 및 하부로터(28)에 접촉하는 브러쉬(131,141,151)로 구성된다.

플레이트(130,140,150)의 하단부는 고정자(11)의 외벽체(111)에 나사(132,142,152)로 고정되고, 상부에는 브러쉬(131,141,151)가 또한 나사(133,143,153)로 고정된다.

상기 브러쉬(131,141,151)는 한쪽면이 평면으로 형성되어 플레이트(130,140,150)의 안쪽 면에 접촉하며 고정되고, 대향하는 면은 상부로터(27)와 하부로터(28)의 원주면에 접촉하는 원주상의 곡면으로 형성되어 있다.

상기 플레이트(130,140,150)와 브러쉬(131,141,151)는 내마모성이 우수한 도전성 재질로 형성되어 전원과 데이터를 전송할 수 있게 되어 있다.

회전부(2)를 구성하는 하부케이스(20)는 지지대(10) 상부에 고정되는 베어링(B)의 외륜에 압입되어 지지대(10)에 회전가능하게 설치되면서 포텐셔 미터(12)와 상부로터(27) 및 하부로터(28)를 은폐시켜주는데, 앞서 설명한 바와 같이 상기 베어링(B)의 내륜에는 고정자(11)의 하단부가 압입 고정되어 있다.

상부케이스(21)는 본체(210)와 덮개(211)로 이루어지는데, 본체(210)에는 전자회로(22)가 내장되면서 일측으로 본체(210)와 덮개(211)를 관통하는 통공(212)이 형성되어 회전익(29)의 고정편(290)이 수평 방향으로 삽입되어 고정되고, 상기 통공(212)의 상부 양쪽에는 또한 본체(210)와 덮개(211)를 관통하는 통공(213,214)이 형성되어 있다.

상기 통공(213,214)에는 각각 초음파 송수신관(23,24)이 삽입 고정되어 초음파 송수신부(25,26)로부터 취득된 데이터를 전자회로(22)에 전달할 수 있게 되며, 본체(210)의 저면이 하부케이스(20) 상부에 나사(215)로 고정된다.

이러한 상부케이스(21)는 포텐셔 미터(12)의 상부에 배치되어 초음파 송수신관(23,24)과 근접한 거리를 유지하게 됨으로써 전자회로(22)로부터 데이터를 안정적으로 취득할 수 있게 된다.

또한 커버(211)는 풍속 저항을 최소화하기 위하여 상부면(216)과 양쪽 측면(217,218)은 중앙이 볼록한 형태가 되는 만곡된 곡면으로 형성되어 있다.

전자회로(22)는 주지된 바와 같이 초음파 센서부를 구동시켜주는 제어신호를 출력하고, A/D 변환부에서 출력된 신호를 입력받아 시간차 공식을 이용하여 풍속을 측정하는 것으로, 온도, 습도, 기압 센서가 내장되어 있다.

초음파 송수신관(23,24)은 주지된 바와 같이 초음파 송수신부(25,26)로부터 취득되는 풍속 데이터를 전자회로(22)에 전송하게 되는데, 본 발명의 기술적 특징에 따라 대향하는 한 쌍으로 구성되는데, 초음파 센서가 동일한 거리와 각도를 유지하도록 지지대(230)가 설치되어 양족의 초음파 송수신관(23,24)을 고정하고 있다.

상부로터(27)는 하나의 원통형 접속단(270)이 형성되면서 하단부에는 삽입홈(271)이 형성되어 있다.

하부로터(280)는 2개의 원통형 접속단(281,282)이 층상으로 형성되면서, 상부에는 돌축(283)이 형성되고, 하부에는 포텐셔 미터(12)의 샤프트(120)가 삽입되는 삽입홈(284)이 형성되어 있다.

이러한 상부로터(27)와 하부로터(28)는 하부로터(28)의 돌축(283)을 상부로터(27)의 삽입홈(271)에 삽입한 다음 세트스크루(285)를 체결하여 일체화 되는데, 상부로터(27)는 상부 케이스(21)의 본체(210) 저면에 나사(285)로 고정되고, 하부로터(28)는 삽입홈(284)에 샤프트(120)가 삽입된 다음 세트스크루(286)를 체결하여 고정된다.

상기 접속단(270,281,282)은 내마모성이 우수한 도전성 재질로 형성된다.

이렇게 고정되는 상부로터(27)의 접속단(270)은 제1전원 전송체(13)의 브러 쉬(131)와 접속되고, 하부로터(28)의 위쪽 접속단(281)은 제2전원 전송체(14)의 브러쉬(141)와 접속되며, 아래쪽 접속단(282)은 데이터 전송체(15)의 브러쉬(151)와 접속된다.

따라서 제1전원 전송체(13)는 상부로터(27)의 접속단(270)을 통해서 DC 12V(+)를 전자회로(22)에 공급하고 전자회로(22)에서 취득된 데이터를 전송하게 되며, 제2전원 전송체(14)는 하부로터(28)의 접속단(281)을 통해서 DC 12V(-)를 공급하고 전자회로(22)에서 취득된 데이터를 전송하게 된다. 그리고 , 데이터 전송체(15)는 포텐셔 미터(12)에서 계측되는 풍향 데이터를 하부로터(28)의 접속단(282)을 통해서 전송하게 된다.

이와 같은 본 발명은 풍력에 의하여 회전하는 회전익(29)에 의하여 포텐셔 미터(12)에서 풍향을 알 수 있게 되고, 한 쌍의 프로브에서 음파를 송수신하면서 이 속도가 여 보내고 를 이용하여 풍속을 측ㅋ 정할 수 있게 되는 것으로, 전자회로(22)에 의하여 바람의 방향과 속도에 따라서 가감되는 것을 감지하여 풍속을 측정하고, 기타 온도, 습도, 기압을 산출하는 일련의 과정은 주지된 전자적 구성에 의하는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

상기한 실시예는 본 발명이 구현되는 하나의 실시예를 나타낸 것으로 본 발명의 기술적 사상을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변경실시할 수 있음은 물론이다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 풍압의 영향을 최소화 하기 위하여 덮개(21a)와 하부 케이스(20a)의 외주면을 완전한 타원형의 형상으로 형성하고, 전자회로(22a)는 하부케이스(20a) 내부에 설치한 일례를 나타내고 있다.

도 1은 초음파를 이용한 풍향 풍속계의 원리를 나타낸 도면

도 2는 초음파 풍속측정계에서 풍속 및 풍향을 측정하는 방식을 나타낸 평면도

도 3은 종래 초음파 풍속계의 일례를 나타낸 사시도

도 4는 본 발명 실시예의 사시도

도 5는 본 발명 실시예의 분해 사시도

도 6은 본 발명 실시예의 데이터 전달 수단 및 전원공급수단을 나타낸 사시도

도 7은 본 발명 실시예의 종단면도

도 8은 본 발명 실시예의 데이터 전달 수단 및 전원공급수단의 확대 종단면도

도 9는 본 발명 실시예의 데이터 전달 수단 및 전원공급수단의 확대 평단면도

도 10은 본 발명 실시예의 평면도

도 11은 본 발명의 다른 실시예의 평면도

도 12는 본 발명의 다른 실시예의 종단면도

Claims (3)

1. 초음파의 전달 시간차를 검출함으로써 대기 중에서의 풍속과 풍향과 같은 기상 상태를 측정하기 위한 장치로서,

   지지대;

   상기 지지대에 고정되어 바람의 방향을 계측하는 포텐셔 미터;

   온습도 센서와 기압 센서 및 풍속을 연산하기 위한 제어수단을 포함하는 전자회로가 내장되어 상기 지지대에 회전 가능하게 설치되는 상부케이스;

   상기 상부케이스 상부에서 초음파를 송수신하여 풍속을 계측하는 한 쌍의 초음파 송수신부;

   상기 상부케이스에 고정되어 풍향을 취득하는 풍판;

   그리고 상기 풍판의 회전 방향에 따르는 풍향과, 전자회로에서 취득된 데이터를 포텐셔 미터에 전달하는 데이터 전달 수단 및 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍속 풍향계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 전달 수단 및 전원공급수단이 상부는 상부 케이스(21)에 고정되고, 하부는 포텐셔 미터의 샤프트에 고정되어 회전하는 원통형의 접속단;

   한쪽 단부는 포텐셔 미터에 고정되고, 다른 한쪽의 단부는 상기 접속단에 접 촉되는 브러쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍속 풍향계.
3. 제 1 항에 있어서, 상부케이스의 상부면과 양쪽 측면이 만곡면으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍속 풍향계.

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