KR20130024297A - 풍향 및 풍속 측정 장치 그리고 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 주기적으로 초음파를 송신하는 송신 센서, 상기 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 복수의 수신 센서, 그리고 상기 송신 센서로부터 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 2개의 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함한다.

Description

풍향 및 풍속 측정 장치 그리고 측정 방법{An apparatus for measuring wind direction and velocity and a measuring method thereof}
본 발명은 기상 관측 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍향 및 풍속 측정 장치 그리고 측정 방법에 관한 것이다.
오늘날 풍향과 풍속은 주거환경 평가, 산업부지 선정 등 여러 분야에 걸쳐 중요한 요인으로 자리매김하고 있다. 풍향 및 풍속을 측정 장치는 미세가공기술을 이용한 반도체형과, 비접촉식으로 정밀한 측정이 가능한 초음파형이 주를 이루고 있다. 반도체형은 유체의 흐름에 따른 열의 이동을 통해 바람의 속도와 방향을 측정한다. 그러나, 반도체형은 센서 표면에 이물질이 부착되어 오작동할 우려가 있으며, 내구성이 약하다는 단점이 있다. 이에 따라 최근에는 초음파형 풍향 및 풍속 측정 장치에 대한 연구가 보다 활발히 진행되고 있다.
일반적인 초음파형 풍향 및 풍속 측정 장치는 초음파 센서를 이용하여 바람의 속도와 방향을 측정한다. 초음파형 풍향 및 풍속 측정 장치는 시분할 방식을 사용하는 것과, 연속파 방식을 사용하는 것으로 나뉜다. 시분할 방식의 경우 외부 환경에 의한 초음파 전파속도의 변화가 측정에 미치는 영향을 배제할 수 있지만, 고가의 소자를 사용하여 단가가 비싸고 크기가 커서 적용 가능한 분야가 제한적이다. 연속파 방식의 경우 상대적으로 소형화가 용이하고, 송신부와 수신부가 기능적으로 분리되어 유지보수가 용이하며, 높은 풍속 측정 샘플링 속도를 갖지만, 초음파를 연속적으로 계속 송신하므로 전력소모가 크고, 온도에 의한 초음파 전파속도 변화를 보상해주기 위해 별도의 온도 보상 소자를 사용해야 한다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전력 소모를 줄일 수 있는 연속파 방식의 풍향 및 풍속 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 외부 환경에 따른 초음파 전파속도의 변화를 보상할 수 있는 연속파 방식의 풍향 및 풍속 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 주기적으로 초음파를 송신하는 송신 센서, 상기 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 복수의 수신 센서, 그리고 상기 송신 센서로부터 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 2개의 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 산출모듈은 상기 초음파 전달시간 및 상기 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하고, 상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출모듈은 하기의 수학식 9를 이용하여 풍향을 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00001
(여기서, θ는 풍향, s는 초음파의 이동거리, c'은 보상 초음파 전파속도,
Figure pat00002
및
Figure pat00003
은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타냄)
일 실시예에서, 상기 산출모듈은 하기의 수학식 10 및 수학식 11을 이용하여 얻어지는 V1 및 V2의 벡터합을 이용하여 풍속을 산출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00004
[수학식 11]
Figure pat00005
(여기서, θ는 풍향, s는 초음파 이동거리, c'은 보상 초음파 전파속도, φ는 하판과 초음파 이동 경로 사이의 각도,
Figure pat00006
및
Figure pat00007
은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신 센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타냄)
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 산출된 풍향 및 풍속 정보를 출력하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 산출된 풍향 및 풍속 정보를 외부로 전송하기 위한 통신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 제어 신호를 이용하여 주기적으로 초음파를 발생하여 상기 송신 센서로 제공하는 송신 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법은 복수의 수신 센서가 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 단계, 상기 송신 센서로부터 상기 복수의 수신 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 복수의 수신 센서로 수신되는 상기 초음파의 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하는 단계, 상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하는 단계, 상기 보상 초음파 전파속도를 이용하여 풍향을 산출하는 단계, 그리고 상기 보상 초음파 전파속도 및 상기 산출된 풍향을 이용하여 풍속을 산출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 보상 초음파 전달시간을 산출하는 단계는 하기의 수학식 7을 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00008
(여기서, t'은 보상 초음파 전달시간,
Figure pat00009
은 초음파 전달시간,
Figure pat00010
는 위상차를 나타냄)
일 실시예에서, 상기 보상 초음파 전파속도를 산출하는 단계는 하기의 수학식 8을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출할 수 있다.
[수학식 8]
c' = s/ t'
(여기서, c'은 보상 초음파 전파속도, s는 초음파 이동거리, t'은 보상 초음파 전달시간을 나타냄)
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 상판의 중심에 배치되며, 주기적으로 초음파를 송신하는 하나의 송신 센서, 상기 송신 센서로부터 동일한 거리를 갖도록 하판 위에 배치되며, 상기 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 4개의 수신 센서, 그리고 상기 4개의 수신 센서와 연결되며, 상기 송신 센서로부터 상기 4개의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 수신 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 4개의 수신 센서 중 적어도 2개의 수신 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 산출모듈은 상기 초음파 전달시간 및 상기 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하고, 상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 풍향 및 풍속 측정 장치의 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 외부 환경에 따른 초음파 전파속도의 변화를 보상하여 정확한 풍향 및 풍속 측정이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 높은 풍속 측정 샘플링 속도를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 송신 초음파 신호와 제어 신호를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 하판을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 수신 센서간의 위상차를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 풍속 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 풍속 측정 오차를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 변화에 따른 각 축의 위상차를 측정한 그래프이다.
이하에서, 다수의 다양한 실시 예, 또는 본 발명의 다양한 특징들을 구현하는 예시가 제공된다. 소자에 있어서 특정한 예시 및 배열은 본 발명을 간소하게 표현하기 위해 기술된다. 이와 같은 것들은 단순한 예시일 뿐이며, 한정적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 본 발명은 도면 식별 부호 및/또는 문자를 다양한 예시에서 반복한다. 이러한 반복은 간소화 및 명확화를 목적으로 사용되며, 다양한 실시 예 및/또는 논의되는 구성 간의 관계에 대하여 지정되는 것은 아니다.
또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 특정한 구성 요소가 다른 구성 요소 위에, ~에 연결되어 있는, 및/또는 ~에 커플된 등의 문구는 직접적으로 두 구성 요소가 연결된 실시예를 포함할 수 있으며, 추가적으로 또 다른 구성 요소가 두 구성요소 사이에 배치되어, 두 구성 요소가 직접적으로 연결되지 않은 형태의 실시예도 포함할 수 있다.
그리고 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예는 풍향 및 풍속 측정 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 초음파를 이용한 풍향 및 풍속 측정 장치에 관한 것이다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치, 그리고 풍향 및 풍속 측정 방법이 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법은 송신 센서가 초음파를 송신하는 단계(S110), 복수의 수신 센서가 초음파를 수신하는 단계(S120), 초음파 전달시간 및 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하는 단계(S130), 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전달속도를 산출하는 단계(S140), 보상 초음파 전달속도를 이용하여 풍향을 산출하는 단계(S150), 보상 초음파 전달속도 및 산출된 풍향값을 이용하여 풍속을 산출하는 단계(S160)를 포함하여 수행될 수 있다.
상기의 각 단계들은 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 구조 및 동작에 대한 설명을 통해 보다 명확하게 이해될 것이다.
<풍향 및 풍속 측정 장치의 구조>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 풍향 및 풍속 측정 장치의 구조를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 송신 센서(100), 복수의 수신 센서(200), 산출모듈(300), 디스플레이부(400), 통신부(500) 및 송신 회로부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
송신 센서(100)는 상판(11)의 중심부에 배치될 수 있다. 구체적으로, 송신 센서(100)는 수신 센서(200)로 초음파를 송신하기 위해 상판(11)의 하면에 배치될 수 있다. 송신 센서(100)는 제어 신호를 이용하여 주기적으로 초음파를 발생하여 송신 센서로 제공하는 송신 회로부(600)와 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 송신 초음파 신호와 제어 신호를 나타낸 것이다. 송신 회로부(600)는 일정 크기 및 주파수를 갖는 구형파를 발생하여 송신 센서(100)로 제공할 수 있다. 예시적으로, 상기 구형파는 40kHz, 5V의 크기를 가질 수 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 송신 회로부(600)는 일정한 주기 및 듀티비를 갖는 제어 신호를 컨트롤하는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 예시적으로 ATmega128 일 수 있다. 마이크로컨트롤러는 상기 제어 신호의 주파수를 예시적으로, 4Hz, 듀티비를 8%로 조절할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 송신 초음파 신호의 송신 상태와 슬립 상태를 구분하여 주기적으로 송신 센서(100)로 초음파 신호를 제공할 수 있다. 이는 마이크로컨트롤러의 타이머/카운터 인터럽트를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 송신 회로부(600)는 가변 저항을 이용하여 제어 신호의 주기 및/또는 듀티비를 조절할 수도 있다. 따라서, 송신 센서(100)는 일정한 주기를 갖는 초음파를 수신 센서(200)로 송신할 수 있다. 결과적으로, 제어 신호를 이용하여 주기적으로 초음파 신호를 송신함으로써, 전력 소모를 줄일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 복수의 수신 센서(200)는 하판(12)에 배치될 수 있다. 상판(11)과 하판(12)은 소정 간격만큼 이격 되어 배치될 것이다. 예시적으로, 상판(11)과 하판(12) 사이의 거리는 10 내지 20cm 일 수 있다. 복수의 수신 센서(200)는 송신 센서(100)로부터 초음파를 수신하기 위해 하판(12)의 상면에 배치될 수 있다. 예시적으로, 복수의 수신 센서(200)는 4개일 수 있으며, 이하에서 이들은 각각 RS, RE, RN, RW로 지칭될 것이다. 복수의 수신 센서(200)는 송신 센서(100)로부터 각각 동일한 거리를 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 복수의 수신 센서(200)는 송신 센서(100)의 지향각 범위 내에 배치되어야 한다. 복수의 수신 센서(200) 가운데 RS 및 RN을 포함하여 연장되는 직선과 RE 및 RW를 포함하여 연장되는 직선은 서로 직교할 수 있다. 한편, 복수의 수신 센서(200)의 수는 4개에 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 가변될 수 있다.
상판(11) 및 하판(12)은 동일한 크기를 갖는 원판 형태일 수 있으며, 예시적으로, 모노 캐스트 나일론 재질을 사용하여 구성될 수 있다. 또한, 상판(11) 및 하판(12)은 상판(11)으로부터 하판(12) 방향으로의 바람을 차단할 수 있으며, 따라서 보다 정확한 2차원 풍향 및 풍속 측정이 가능할 수 있다.
산출모듈(300)은 복수의 수신 센서(200)로 수신되는 초음파의 전달시간 및/또는 수신되는 초음파의 위상차를 측정할 수 있다. 구체적으로, RS, RW, RN, RE 수신 센서 각각으로의 초음파 전달시간을 측정할 수 있으며, RW 및 RE로 수신되는 초음파의 위상차와 RS 및 RN으로 수신되는 초음파의 위상차를 측정할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 산출모듈(300)은 위상차를 측정하기 위한 비교기와 보상 초음파 전달시간, 보상 초음파 전파속도, 풍향 및 풍속 등을 산출하기 위한 연산을 수행하는 마이크로컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기의 보상 초음파 전달시간, 보상 초음파 전파속도, 풍향 및 풍속의 산출과정은 후술 될 것이다.
디스플레이부(400)는 산출된 풍향 및/또는 풍속을 출력할 수 있다. 디스플레이부(400)는 산출모듈(300)과 유선 또는 무선을 통해 연결될 수 있다. 디스플레이부(400)는 예시적으로, 산출된 풍향 및/또는 풍속 정보를 시각적으로 출력하는 디스플레이 패널을 포함하며, 상기 디스플레이 패널은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), 브라운관 등과 같은 표시장치를 포함할 수 있다.
통신부(500)는 산출된 풍향 및/또는 풍속 정보를 외부로 전송하기 위한 통신 모듈일 수 있다. 통신부(500)는 유선 또는 무선을 통한 통신 네트워크로 구성될 수 있으며, 예시적으로 컴퓨터 등과 연결되어 산출된 풍향 및/또는 풍속 정보를 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 송신 센서(100) 및 복수의 수신 센서(200)가 소정 간격 이격되어 배치될 수 있고, 따라서 저가의 범용 수동형 초음파 센서를 사용할 수 있으므로 보다 저렴한 비용으로 구현될 수 있다.
<풍향 및 풍속 산출 과정>
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 산출모듈(300)은 측정된 초음파 전달시간 및 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출할 수 있다. 이는 예시적으로 마이크로컨트롤러에 의해 수행될 수 있다. 이하에서는, 풍향 및 풍속의 산출과정이 설명될 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 단면도를 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 하판을 나타낸 평면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 수신 센서(RW, RE, RS, RN, 200)는 송신 센서(100)로부터 초음파를 수신할 것이다. 수신 센서 RW 및 RE를 포함하여 연장되는 축을 x축, RS 및 RN을 포함하여 연장되는 축을 y축이라고 가정하고, x축에 대한 바람 방향(A)을 풍향(θ)으로 가정한다. 각 수신 센서(RW, RE, RS, RN, 200)의 초음파 전달시간은 다음의 수학식 1 내지 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00011
[수학식 2]
Figure pat00012
[수학식 3]
Figure pat00013
[수학식 4]
Figure pat00014
여기서, α는 송신 센서의 지향각, φ는 하판과 초음파 이동 경로 사이의 각, c는 초음파의 전파속도, s는 초음파 이동거리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치의 수신 센서의 위상차를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 가정한 바람 방향을 고려할 때, 수신 센서 RE의 위상이 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 따라서, 수신 센서 RE 및 RW 간에 위상차가 발생할 수 있다. 수신 센서들(RE 및 RW, RS 및 RN)간의 위상차는 하기의 수학식 5 및 6와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00015
[수학식 6]
Figure pat00016
여기서, α는 송신 센서의 지향각, φ는 하판과 초음파 이동 경로 사이의 각, c는 초음파의 전파속도, s는 초음파 이동거리를 나타낸다.
산출모듈(300)은 상기의 수학식 1 내지 6을 이용하여 산출된 초음파 전달시간 및 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간(t')을 산출할 수 있다. 보상 초음파 전달시간(t')은 외부 환경(ex. 바람)에 의한 초음파 전파속도 변화를 제거한 초음파 전달시간을 의미할 수 있다. 보상 초음파 전달시간(t')은 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00017
여기서, t'은 보상 초음파 전달시간,
Figure pat00018
은 수학식 1 내지 4를 이용하여 산출된 초음파 전달시간,
Figure pat00019
는 위상차를 나타낸다. ±부호의 경우, 초음파 이동 방향과 바람의 방향의 일치 여부에 따라 다르게 적용될 수 있다. 예시적으로, 도 4를 참조하면, RW 및 RE를 기준으로
Figure pat00020
은 수학식 1을 이용하여 구하고,
Figure pat00021
는 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다. 이 경우,
Figure pat00022
로 나타낼 수 있다.
얻어진 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도(c')를 산출할 수 있다. 보상 초음파 전파속도(c')는 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
c'= s / t'
여기서, s는 초음파의 이동거리, t'은 보상 초음파 전달시간을 나타낸다.
한편, 수학식 5 및 6으로부터 풍향을 구하기 위한 하기의 수학식 9를 도출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00023
여기서, θ는 풍향, s는 초음파의 이동거리, c'는 보상 초음파 전파속도,
Figure pat00024
및
Figure pat00025
은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신 센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타낸다. 수학식 1 내지 8을 이용하여 산출된 값들을 상기의 수학식 9에 대입하면 풍향을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 초음파 센서의 지향각을 이용하여 풍속을 측정할 수 있다. 구체적으로, 하나의 송신 센서(100)가 갖는 지향각 범위 내에 4개의 수신 센서(RW, RE, RS,RN)를 배치하여 풍속을 측정할 수 있다. 풍속은 상기의 수학식 5 및 6을 각각 풍속 v에 대하여 정리하여 얻어지는 하기의 수학식 10 및 11을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00026
[수학식 11]
Figure pat00027
여기서, θ는 풍향, s는 초음파 이동거리, c'은 보상 초음파 전파속도, φ는 하판과 초음파 이동 경로 사이의 각도,
Figure pat00028
및
Figure pat00029
은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신 센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타낸다. 풍속은 상기의 수학식 10 및 11을 이용하여 산출되는 V1 및 V2의 벡터합을 이용하여 산출될 수 있다. 구체적으로,
Figure pat00030
을 이용하여 풍속을 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법은 초음파 전달시간 및 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간 및 보상 초음파 전파속도를 산출하고, 이를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출함으로써, 별도의 온도 보상 소자 없이도 정확한 풍향 및 풍속의 산출이 가능하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 방법은 일반적인 풍속 산출 방법을 이용하여 풍속을 산출할 수 있으며, 이 경우 산출된 x축 및 y축 방향의 풍속을 벡터합과 각 벡터 성분 비(Vy/Vx)의 arctan값을 이용하여 풍향을 산출할 수 있다.
<구체적 실시예>
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치를 나타낸 것이다. 본 실시예에서는 40kHz의 공진주파수와 90°의 지향각을 갖는 방수형 초음파센서를 이용하여 직경 170 mm, 높이 140 mm인 풍향 및 풍속 측정 장치를 구현하였다. 송신 센서 및 수신 센서가 부착되는 상판 및 하판은 기계적 강도가 뛰어나고 내마모성이 우수한 MC 나일론을 사용하였으며, 상판 및 하판 사이의 기둥은 철(steel)을 사용하였다. 또한, 장치 자체 매질에 의한 초음파 전달을 막기 위해 방진고무를 사용하였다. 송신 센서와 수신센서 간의 거리(s)는 100mm 이고, 초음파신호의 이동 경로와 바람이 이루는 각(φ), 즉, 초음파의 이동 경로와 하판이 이루는 각은 60°가 되도록 하였다. 실험은 상온(25℃)에서 진행하였으며, 한번에 송신되는 초음파 펄스는 800개, 초당 획득하는 데이터는 최대 3200개가 되도록 구성하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실험값(Experiment value)들은 한번의 초음파 송신으로 획득되는 800개의 풍속 값을 평균하고, 이를 30회 반복하여 얻은 30개의 데이터를 평균한 값이다. 바람이 없는 경우 초음파 전달시간은 289.23μs로 측정되었다. 특히, 풍속 0 내지 12.18 m/s의 구간에서는 측정 오차가 ±0.9m/s 이하로 나타났다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 초음파 신호를 간헐적으로 송신하여도 높은 정확도를 갖는다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 풍속 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 9는 외부 환경이 변할 때 초음파 전파속도 보상을 확인하기 위한 실험 결과 그래프이다. 외부 환경 가운데 온도를 25℃, 35℃, 45℃ 변화시키고, 그에 따른 풍속을 측정하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 풍속 측정 오차를 나타낸 그래프이다.
도 9 및 10을 참조하면, 바람이 없는 경우, 송신 센서와 하나의 수신 센서(RE) 사이의 초음파 전달시간은 25℃에서 289.23μs, 35℃에서 282.14μs, 45℃에서 277.96μs로 측정되었다. 각각의 온도에서 초음파 전달시간과 위상차를 이용하여 풍속을 계산하였으며, 풍속 계산 시 각각의 풍속에서 온도 별 초음파 전달시간을 측정하여 이를 이용하였다. 그 결과, 온도변화와 무관하게 풍속 측정 오차가 ±1.0 m/s 이하로 유지되었다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 변화에 따른 각 축의 위상차를 측정한 그래프이다. 풍속 측정실험과 마찬가지로, 동일한 제어 신호를 사용하여 주기적으로 초음파를 송신하였다. 또한, 6 m/s의 풍속에서 15°간격으로 0 내지 180° 범위에서 각 축 방향(x 및 y 축)의 위상차를 측정하였다. 송풍기를 고정하고 측정 장치를 회전시켜 풍향의 변화를 고려하였다. 온도는 25℃로 유지하였다. 실험 결과, 위상차의 측정 오차는 ±0.6 μs 였으며, 각 축의 위상차 값을 풍향 및 풍속으로 변환한 결과 풍향 측정 오차는 ±4.5°미만, 풍속 측정 오차는 ±0.8 m/s 였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍향 및 풍속 측정 장치는 제어 신호를 이용하여 초음파 신호를 주기적으로 송신하여 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 보상 초음파 전달시간 및 보상 초음파 전파속도를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출함으로써 별도의 온도 보상 소자 없이 외부 환경에 대한 보상이 가능하다. 또한, 구체적 실험예에서 설명한 바와 같이, 풍속의 경우 ±0.9 m/s 이하, 풍향의 경우 ±4.5°미만의 오차가 발생한 바, 전력 소모를 줄이면서도 풍향 및 풍속의 정확한 측정이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 송신 센서
200: 수신 센서
300: 산출모듈
400: 디스플레이부
500: 통신부
600: 송신회로부
11: 상판
12: 하판

Claims (12)

  1. 주기적으로 초음파를 송신하는 송신 센서;
    상기 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 복수의 수신 센서; 그리고
    상기 송신 센서로부터 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 복수의 수신 센서 중 적어도 2개의 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산출모듈은 상기 초음파 전달시간 및 상기 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하고, 상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 산출모듈은 하기의 수학식 9를 이용하여 풍향을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
    [수학식 9]
    Figure pat00031

    (여기서, θ는 풍향, s는 초음파의 이동거리, c'는 보상 초음파 전파속도,
    Figure pat00032
    및
    Figure pat00033
    은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타냄)
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 산출모듈은 하기의 수학식 10 및 수학식 11을 이용하여 얻어지는 V1 및 V2의 벡터합을 이용하여 풍속을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
    [수학식 10]
    Figure pat00034

    [수학식 11]
    Figure pat00035

    (여기서, θ는 풍향, s는 초음파 이동거리, c'은 보상 초음파 전파속도, φ는 하판과 초음파 이동 경로 사이의 각도,
    Figure pat00036
    및
    Figure pat00037
    은 동일 선상에 위치하는 두 개의 수신 센서에 수신되는 초음파의 위상차를 각각 나타냄)
  5. 제1 항에 있어서,
    산출된 풍향 및 풍속 정보를 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    산출된 풍향 및 풍속 정보를 외부로 전송하기 위한 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    제어 신호를 이용하여 주기적으로 초음파를 발생하여 상기 송신 센서로 제공하는 송신 회로부를 더 포함하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  8. 복수의 수신 센서가 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 단계;
    상기 송신 센서로부터 상기 복수의 수신 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 복수의 수신 센서로 수신되는 상기 초음파의 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하는 단계;
    상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하는 단계;
    상기 보상 초음파 전파속도를 이용하여 풍향을 산출하는 단계; 그리고
    상기 보상 초음파 전파속도 및 상기 산출된 풍향을 이용하여 풍속을 산출하는 단계를 포함하는 풍향 및 풍속 측정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 보상 초음파 전달시간을 산출하는 단계는 하기의 수학식 7을 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 방법.
    [수학식 7]
    Figure pat00038

    (여기서, t'은 보상 초음파 전달시간,
    Figure pat00039
    은 초음파 전달시간,
    Figure pat00040
    는 위상차를 나타냄)
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 보상 초음파 전파속도를 산출하는 단계는 하기의 수학식 8을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 방법.
    [수학식 8]
    c' = s/ t'
    (여기서, c'은 보상 초음파 전파속도, s는 초음파 이동거리, t'은 보상 초음파 전달시간을 나타냄)
  11. 상판의 중심에 배치되며, 주기적으로 초음파를 송신하는 하나의 송신 센서;
    상기 송신 센서로부터 동일한 거리를 갖도록 하판 위에 배치되며, 상기 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 4개의 수신 센서; 그리고
    상기 4개의 수신 센서와 연결되며, 상기 송신 센서로부터 상기 4개의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 수신 센서로의 초음파 전달시간 및 상기 4개의 수신 센서 중 적어도 2개의 수신 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 산출모듈은 상기 초음파 전달시간 및 상기 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하고, 상기 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍향 및 풍속 측정 장치.
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