KR20160050119A - Appratus and method for measuring velocity and direction of wind using ultrasonic - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다수의 고속 초음파센서로 일정 주파수의 구형파를 연속적으로 전송하고 이에 대해 초음파센서를 통해 수신되는 신호와 송신 신호간의 위상차를 근거로 현재 풍속 및 풍향을 측정할 수 있도록 된 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for continuously transmitting a square wave of a predetermined frequency to a plurality of high-speed ultrasonic sensors and measuring a current wind velocity and a wind direction based on a phase difference between a signal received through the ultrasonic sensor and a transmission signal, And a measuring method thereof.
풍향풍속계는 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있는 장치로써, 최근에는 초음파 센서를 사용하여 바람의 속도와 방향을 측정하는 풍향풍속 측정장치가 개발되어 이용되고 있다. 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치는 소형화에 어려움이 있으나 높은 정확도를 가지며 비접촉식이라 내구성이 우수한 특성을 갖는다.The wind direction anemometer is a device capable of simultaneously measuring the wind direction and the wind speed. Recently, a wind speed measuring device for measuring wind speed and direction using an ultrasonic sensor has been developed and used. The wind speed measuring device using ultrasonic waves has difficulty in miniaturization but has high accuracy and non-contact type, and thus has excellent durability.
또한, 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치는 보통 초음파의 이동시간 변화를 이용하는 방법과, 바람의 이동 경로 상에 장애물을 삽입하여 유체의 흐름에 의해 발생하는 와류에 따른 주파수 변화를 이용하는 방법을 이용하도록 구성된다. 그러나, 상기 와류에 따른 주파수 변화를 이용하는 방법은 맥동적인 비정상 상태의 유체인 경우 불규칙한 와류가 발생하여 정확도가 떨어지고, 구조상 풍향 측정에는 부적합하기 때문에, 바람의 속도 및 방향을 동시에 측정하기 위해서는 주로 초음파의 이동시간을 이용한다.In addition, the device for measuring the wind direction velocity using the ultrasonic wave is configured to use a method of using the change of the movement time of the ultrasonic wave in general and a method of using the frequency change due to the vortex generated by the flow of the fluid by inserting the obstacle in the wind path do. However, since the method using the frequency variation according to the vortex generates an irregular vortex due to a pulsating unsteady fluid, the accuracy is lowered and it is not suitable for the measurement of wind direction in structure. Therefore, in order to simultaneously measure the wind speed and direction, Use the travel time.
즉, 상기한 초음파의 이동 시간 변화를 이용하는 풍향풍속 측정장치는, 초음파 송수신기를 유체의 이동 방향과 일정한 각을 갖는 동일선 상에 마주보게 위치시키고, 상기 초음파 송수신기 사이로 이동하는 유체에 의한 초음파 이동시간 변화를 측정하여 속도를 측정하도록 구성된다.That is, the above-described wind speed measuring apparatus using the change in the travel time of the ultrasonic wave is characterized in that the ultrasonic transceiver is placed facing the same line having a certain angle with the moving direction of the fluid, and the ultrasonic wave traveling time change due to the fluid moving between the ultrasonic transceivers So as to measure the speed.
한편, 일반적으로 지상 기상관측이나 해양풍속을 관측하기 위해서는 최대 80m/s의 측정범위를 요구한다. On the other hand, in general, a measurement range of up to 80 m / s is required in order to observe the ground weather observation or the ocean wind speed.
그런데, 종래 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치는 단일의 초음파센서를 사용하여 위상차를 측정하는 바, 이 경우 0~30 m/s 로 측정범위가 협소하여 기상관측이나 해상풍속을 측정하기에는 불가능하다는 문제가 있게 된다.Conventionally, an ultrasonic wave-based wind speed measuring device measures a phase difference using a single ultrasonic sensor. In this case, the measurement range is 0 to 30 m / s, which makes it impossible to measure a weather observation or a sea wind speed .
이에, 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 같이 다수의 초음파센서를 통해 위상차를 측정하고 이를 근거로 풍속 및 풍향을 측정하는 구성이 제안되어 있으나, 이는 상측에 송신센서를 설치하고, 하측에 다수의 수신센서를 설치하도록 구성된 것으로, 상하로 배치되는 송신센서와 수신센서간의 거리 유지를 위해 별도의 지지구조물을 구비하여야 함은 물론, 설치시 지지구조물을 위한 일정 공간을 확보하여야 하는 단점이 있게 된다. A configuration in which the phase difference is measured through a plurality of ultrasonic sensors and the wind speed and the wind direction are measured based on the measured phase difference are provided as in Patent Documents 1 and 2, but a transmission sensor is provided on the upper side, It is necessary to provide a separate supporting structure for maintaining the distance between the transmitting sensor and the receiving sensor disposed up and down and to secure a certain space for the supporting structure at the time of installation.
[특허문헌][Patent Literature]
1. 한국등록특허 제1044881호 (발명의 명칭 : 초음파를 이용한 풍향 및 풍속 측정 장치)1. Korean Patent No. 1044881 (entitled "Wind Direction and Velocity Measurement Device Utilizing Ultrasonic Wave)
2. 한국등록특허 제1259634호 (발명의 명칭 : 풍향 및 풍속 측장 장치 그리고 측정 방법)2. Korean Patent No. 1259634 entitled " Wind Direction & Velocity Measurement Equipment and Measurement Method "
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 동일축 방향에 대해 일정 거리 이격 배치되는 초음파 송수신센서쌍을 적어도 둘 이상 구비하고, 각 방향축에 대한 송수신센서쌍의 송수신방향을 변경설정하여 서로 다른 방향축에 대해 다각도에서 발생된 위상차를 근거로 현재 풍속 및 풍향을 산출하되, 구형파를 연속적으로 제공하여 이에 대한 초음파 송수신 위상차를 근거로 풍속 및 풍향을 산출하도록 함으로써, 보다 정확한 풍향풍속의 측정을 가능하도록 해 주는 초음파센서를 이용한 풍향풍속 측정장치 및 그 방법을 제공함에 그 기술적 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide an ultrasonic transmission / reception sensor having at least two pairs of ultrasonic transmission / reception sensors spaced apart from each other by a predetermined distance in the same axial direction, The current wind speed and the wind direction are calculated on the basis of the phase difference generated in the multiple angles with respect to the different directional axes. By providing the rectangular waves continuously and calculating the wind speed and the wind direction based on the phase difference between the ultrasonic waves, And an object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring a wind speed using an ultrasonic sensor that enables measurement of wind velocity.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 초음파를 송수신하는 다수의 송수신센서로 구성되는 초음파 센서모듈과, 상기 초음파센서모듈의 초음파 송수신을 제어함과 더불어, 상기 초음파센서모듈을 통한 송수신신호를 근거로 풍속 및 풍향을 측정하는 풍향풍속 측정수단을 포함하여 구성되고, 상기 초음파센서모듈은 다수의 송수신센서가 일정 축 방향에 대해 상호 마주하도록 일정 거리 이격 배치되는 초음파 송수신센서쌍을 서로 다른 축 방향에 대해 적어도 둘 이상 구비하여 구성되며, 상기 풍향풍속 측정수단은 다수의 송수신센서의 동작모드에 따라 상기 초음파센서모듈을 서로 다른 동작그룹으로 설정하고, 기 설정된 동작그룹에 대응되도록 송신 모드의 송수신센서로 구형파신호를 송신하며, 수신 모드의 송수신센서로부터 수신된 초음파신호를 구형파신호로 변환하여 송신 구형파신호와 수신 구형파신호간의 위상차를 산출함과 더불어, 이 위상차를 통해 각 동작그룹별 속도벡터를 산출하고, 동일 방향축의 서로 다른 동작그룹별 속도벡터 차를 통해 해당 방향축에 대한 속도벡터를 산출하며, 서로 다른 방향축의 속도벡터 합을 통해 현재 풍속 및 풍향을 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic diagnostic apparatus comprising: an ultrasonic sensor module including a plurality of transceiving sensors for transmitting and receiving ultrasonic waves; and a controller for controlling transmission and reception of ultrasonic waves of the ultrasonic sensor module, Wherein the ultrasonic sensor module comprises a pair of ultrasonic transmission / reception sensors arranged to be spaced apart from each other by a predetermined distance so as to face each other with respect to a certain axial direction, Wherein the wind direction velocity measuring means sets the ultrasonic sensor modules to different operation groups according to the operation modes of the plurality of transceiving sensors, A square wave signal is transmitted to the transmitting / receiving sensor. The phase difference between the transmitted square wave signal and the received square wave signal is calculated, and the velocity vector for each motion group is calculated through the phase difference, and the velocity vector difference for each motion group in the same direction axis is calculated And the current wind velocity and the wind direction are calculated through the velocity vector sum of the different direction axes.
또한, 상기 초음파센서모듈은 상기 초음파센서모듈은 제1 내지 제4 송수신센서로 구성되고, 상기 제1 내지 제4 송수신센서는 X축 방향에 대해 제1 및 제2 송수신센서가 마주하게 배치되어 상호 초음파신호를 송수신하도록 구성되고, Y축 방향에 대해 제3 및 제4 송수신센서가 마주하게 배치되어 상호 초음파신호를 송수신하도록 구성되되, 상기 동작그룹은 X축 방향과 Y축 방향에 대해 적어도 하나는 서로 다른 송수신방향으로 초음파가 송수신되는 제1 내지 제4 동작그룹으로 설정되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.In the ultrasonic sensor module, the ultrasonic sensor module is constituted by first to fourth transmission / reception sensors, and the first to fourth transmission / reception sensors are arranged so that first and second transmission / reception sensors face each other in the X- The ultrasonic diagnostic apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the ultrasonic transducer is configured to transmit and receive ultrasonic signals, wherein the third and fourth transducer sensors are disposed to face each other in the Y axis direction, And the first to fourth operation groups in which ultrasonic waves are transmitted and received in different transmission and reception directions are set.
또한, 상기 풍향풍속 측정수단은 각 동작그룹별 X방향축과 Y방향축에 대한 위상차를 산출하고, 각 동작그룹별 X방향축과 Y방향축 위상차를 근거로 해당 동작그룹에 대한 속도벡터를 산출하며, 동작그룹별 속도벡터 중 적어도 둘 이상의 X방향축 속도벡터 차를 근거로 X축 속도벡터를 산출하고, 적어도 둘 이상의 Y방향축 속도벡터 차를 근거로 Y축 속도벡터를 산출하며, 상기 X축 속도벡터와 Y축 속도벡터 합을 근거로 풍향 및 풍속을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.The wind direction velocity measuring means calculates the phase difference between the X direction axis and the Y direction axis for each operation group and calculates a velocity vector for the operation group based on the X direction axis and the Y direction axis phase difference for each operation group Calculates an X-axis velocity vector based on at least two X-axis axial velocity vector differences among the velocity vectors for each motion group, calculates a Y-axis velocity vector based on at least two Y-axis axial velocity vector differences, And the wind direction and the wind speed are calculated on the basis of the axial velocity vector and the Y-axis velocity vector sum.
또한, 상기 풍향풍속 측정수단은 송신모드로 설정된 송수신센서를 온/오프 제어함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 초음파센서모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.Also, the wind direction velocity measuring means controls the ultrasonic sensor module to transmit the ultrasonic signal through the transceiving sensor set in the transmission mode by on / off controlling the transceiving sensor set to the transmission mode. Device is provided.
또한, 상기 풍향풍속 측정수단은 초음파센서모듈을 구성하는 각 송수신센서에 대해 구형파를 제공하는 신호송신부와 수신된 초음파신호를 구형파로 변경하는 신호수신부가 각각 결합되도록 구성됨과 더불어, 상기 신호송신부를 온/오프 제어함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 초음파센서모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.Further, the wind direction velocity measuring means may be configured such that a signal transmitting unit for providing a square wave to each of the transceiving sensors constituting the ultrasonic sensor module and a signal receiving unit for converting the received ultrasonic signal into a square wave are respectively coupled, And controlling the ultrasonic sensor module so that the ultrasonic signal is transmitted through the transmission / reception sensor set in the transmission mode.
또한, 상기 풍향풍속 측정수단은 위상차가 기 설정된 한계범위를 벗어나는 경우, 해당 동작그룹에 대한 위상차정보를 클리어시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치가 제공된다.Also, the wind direction wind speed measuring means is configured to clear the phase difference information for the operation group when the phase difference is out of a preset limit range.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 초음파를 송수신하는 다수의 송수신센서가 일정 축 방향에 대해 상호 마주하도록 일정 거리 이격배치되어 구성되는 초음파센서모듈과, 상기 초음파센서모듈의 초음파 송수신을 제어함과 더불어, 상기 초음파센서모듈을 통한 송수신신호를 근거로 풍속 및 풍향을 측정하는 풍향풍속 측정수단의 풍향풍속 측정방법에 있어서, 상기 풍향풍속 측정수단에서 다수의 송수신센서의 동작모드에 따라 상기 초음파센서모듈을 서로 다른 동작그룹으로 설정하고, 기 설정된 동작그룹에 대응되도록 송신 모드의 송수신센서로 구형파신호를 송신하는 제1 단계와, 상기 풍향풍속 측정수단에서 수신 모드의 송수신센서로부터 초음파신호를 수신하여 수신 구형파신호를 생성하는 제2 단계, 상기 풍향풍속 측정수단에서 상기 제1 단계에서 송신한 송신 구형파신호와 상기 제2 단계에서 수신처리된 수신 구형파신호를 비교하여 동작그룹내 각 방향축에 대한 위상차를 산출하는 제3 단계, 상기 제3 단계에서 산출된 동작그룹별 서로 다른 방향축에 대한 위상차를 근거로 동작그룹별 속도벡터를 산출하는 제4 단계, 상기 제4 단계에서 산출된 동작그룹 중 동일 방향축에 대응되는 서로 다른 동작그룹의 속도벡터 차를 통해 해당 방향축에 대한 속도벡터를 산출하는 제5 단계, 상기 제5 단계에서 산출된 방향축별 속도벡터를 합산하여 그 크기성분을 근거로 현재 풍속을 산출하는 제6 단계 및, 상기 제5 단계에서 산출된 방향축별 속도벡터를 합산하여 생성된 속도벡터의 사이각 성분을 근거로 현재 풍향을 산출하는 제7 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic sensor module including a plurality of transceiving sensors for transmitting and receiving ultrasonic waves, the ultrasonic sensor modules being spaced apart from each other by a predetermined distance so as to face each other in a predetermined axial direction, And measuring the wind velocity and the wind direction based on the transmission and reception signals through the ultrasonic sensor module, the method comprising the steps of: A first step of setting the ultrasonic sensor modules to different operation groups according to a mode and transmitting a rectangular wave signal to a transmission mode sensor corresponding to a predetermined operation group; A second step of receiving the ultrasonic signal from the ultrasonic wave generator and generating a received square wave signal, A third step of comparing the transmission square wave signal transmitted in the first step and the reception square wave signal received in the second step by the wind speed measuring means to calculate a phase difference with respect to each direction axis in the operation group, Calculating a velocity vector for each motion group on the basis of the calculated phase differences with respect to different direction axes, calculating a velocity vector of each motion group corresponding to the same direction axis among the motion groups calculated in the fourth step, A fifth step of calculating a speed vector for the corresponding direction axis through the difference between the direction axis and the direction axis, a fifth step of calculating the current wind speed based on the sum of the direction axis speed vectors calculated in the fifth step and the magnitude component, And a seventh step of calculating a current wind direction based on each component between velocity vectors generated by summing up velocity vectors for each direction axis calculated in the step A method for measuring the wind direction velocity using ultrasonic waves is provided.
본 발명에 의하면 다수의 고속 초음파 송수신센서를 이용하여 복수의 X축 방향 속도값과 복수의 Y축 방향 속도값을 근거로 각 방향축에 대한 속도벡터를 산출하고, 각 방향축에 대한 속도벡터의 합을 통해 현재 풍속 및 풍향을 산출하도록 함으로써, 보다 정확한 풍속 및 풍향의 측정이 가능하게 된다. According to the present invention, a velocity vector for each direction axis is calculated based on a plurality of X-axis direction velocity values and a plurality of Y-axis direction velocity values using a plurality of high-speed ultrasonic transmission / reception sensors, By calculating the current wind speed and the current direction through the sum, more accurate wind speed and direction can be measured.
또한, 고속 초음파 송수신센서를 통해 정밀도가 높은 계측이 가능함으로써, 고정밀 측정이 가능함으로 인해 기상관측용이나 해상풍속 측정에 다양하게 이용될 수 있다.In addition, high-precision ultrasonic transmission / reception sensors enable high-precision measurement, enabling high-precision measurement, and thus can be used variously for weather observation or sea air velocity measurement.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도2는 도1에 도시된 초음파센서모듈(100)의 송수신센서 모드설정에 따른 제1 내지 제4 동작그룹을 예시한 도면.
도3은 도1에 도시된 상기 제어부(260)의 풍향풍속 측정과정을 설명하기 위한 도면.
도4는 동작그룹별 송수신센서 동작모드에 따른 속도벡터 성분을 예시한 도면.
도5는 속도벡터와 풍속 및 풍향 간의 관계를 도식화한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for measuring an air-direction wind velocity using ultrasonic waves according to a first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 is a diagram illustrating first to fourth operation groups according to a transmission / reception sensor mode setting of the
3 is a view for explaining the wind direction wind velocity measurement process of the
4 is a diagram illustrating velocity vector components according to a transmission / reception sensor operation mode per operation group;
5 is a diagram showing a relationship between a velocity vector and a wind speed and a wind direction.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of an apparatus for measuring an air-directional wind speed using ultrasonic waves according to a first embodiment of the present invention.
도1에 도시된 바와 같이 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치는 초음파 센서모듈(100)과, 풍향풍속 측정수단(200)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, an ultrasonic wave sensor using an ultrasonic wave includes an
상기 초음파센서모듈(100)은 초음파를 송수신하는 다수의 송수신센서가 동일축 방향에 대해 상호 대향되도록 일정 거리 이격 배치되는 초음파 송수신센서쌍을 적어도 둘 이상 구비하여 구성된다. 바람직하게는 초음파센서모듈(100)은 제1 내지 제4 송수신센서(110,120,130,140)로 구성되고, X축 방향에 대해 제1 및 제2 송수신센서(110,120)가 상호 마주하도록 일정 거리 이격 배치되고, Y축 방향에 대해 제3 및 제4 송수신센서(130,140)가 상호 마주하도록 일정 거리 이격 배치된다. 이때, 상기 제1 내지 제4 송수신센서(110,120,130,140)는 90°간격으로 동,서,남,북 4방향으로 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 송수신센서(110)는 동쪽(E)에 배치되고, 제2 송수신센서(120)는 서쪽(W)에 배치됨으로써 X축상에 상호 마주하도록 배치되고, 제3 송수신센서(130)는 남쪽(S)에 배치되고, 제4 송수신센서(140)는 북쪽(N)에 배치됨으로써 Y축상에 상호 마주하도록 배치된다. The
또한, 상기 초음파센서모듈(100)은 초음파의 송신 및 수신처리가 가능한 송수신 센서로 구성되고, 일정 주기 단위로 서로 다른 방향축의 속도벡터성분이 출력되도록 동작그룹이 설정된다. 이때 초음파센서모듈(100)의 동작그룹은 수평방향의 X축상에 배치된 송수신센서와 수직방향의 Y축상에 배치된 송수신센서의 초음파 송수신 방향에 따라 구분 설정된다. 즉, 제1 내지 제4 송수신센서(110,120,130,140)를 통해 X축과 Y축에 대해 적어도 하나의 서로 다른 송수신 방향을 갖는 경우의 수는 4개 이므로 제1 내지 제4 동작그룹(G1,G2,G3,G4)이 설정될 수 있다. 예컨대, 도2에 도시된 바와 같이, 제1 그룹(G1)은 X방향축의 제2 송수신센서(120)와, Y방향축의 제3 송수신센서(130)가 초음파를 송신하는 송신모드로 설정되고, 제2 그룹(G2)는 X방향축의 제1 송수신센서(110)와, Y방향축의 제3 송수신센서(130)가 초음파를 송신하는 송신모드로 설정되며, 제3 그룹(G3)은 X방향축의 제1 송수신센서(110)와, Y방향축의 제4 송수신센서(140)가 초음파를 송신하는 송신모드로 설정되고, 제4 그룹(G4)은 X방향축의 제2 송수신센서(120)와, Y방향축의 제4 송수신센서(140)가 초음파를 송신하는 송신모드로 설정되어 입력되는 구형파에 대응되는 초음파를 송신한다. 이때, 초음파 송신모드로 설정된 송수신센서와 대향되는 위치에 배치된 송수신센서는 해당 초음파를 수신하는 수신모드로 설정됨은 물론이다. 여기서, X축상에 배치된 송수신센서와 Y축상에 배치된 송수신센서를 통해 초음파 송수신이 이루어지는 경우 송수신센서가 설치된 내측 중앙 부분에서 신호가 교차될 수 있으나, 송수신센서는 고속 초음파센서로서 그 측정의 지향각이 매우 좁기 때문에 상호간 간섭은 고려하지 않아도 된다.In addition, the
한편, 도1에서 풍향풍속 측정수단(200)은 신호송신부(210)와, 신호수신부(220), 정보입력부(230), 정보출력부(240), 데이터메모리(250) 및 제어부(260)를 포함하여 구성된다. 1, the wind direction and
상기 신호송신부(210)는 일정 주파수의 구형파 신호를 생성하여 상기 초음파센서모듈(100)로 제공한다. 상기 신호송신부(210)는 상기 초음파센서모듈(100)의 제1 내지 제4 송수신센서(110,120,130,140)에 대응되게 구비되어 해당 송수신센서에 각각 결합될 수 있다. 이때, 상기 신호송신부(210)는 상기 제어부(260)로부터 제공되는 온/오프 제어신호를 근거로 해당 송수신센서로 구형파신호를 제공하도록 구성된다. 즉, 상기 제어부(260)에서 송신모드로 설정된 송수신센서와 결합된 신호송신부(260)를 온상태로 설정함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 한다. 여기서, 상기 신호송신부(210)는 해당 신호송신부(210)와 결합된 송수신센서로 지속적으로 구형파를 제공하고, 제어부(260)에서 송수신센서를 온/오프 제어함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 설정하는 것도 가능하다.The
상기 신호수신부(220)는 상기 초음파센서모듈(100)로부터 제공되는 초음파신호를 수신한다. 상기 신호수신부(220)는 초음파센서모듈(100)의 제1 내지 제4 송수신센서(100)로 제공되는 신호를 구형파로 변환한다. 이때, 상기 신호수신부(220)는 상기 초음파센서모듈(100)의 제1 내지 제4 송수신센서(110,120,130,140)에 대응되게 구비되어 해당 송수신센서에 각각 결합될 수 있다. 또한, 상기 신호수신부(220)는 구형파 형태의 수신신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭기(미도시)와 수신신호에서 잡음성분을 제거하여 출력하는 필터(미도시)를 구비하여 구성될 수 있다. 즉, 상기 신호수신부(220)는 초음파센서모듈(100)로부터 제공되는 신호를 증폭 및 필터링한 후 구형파로 변환하도록 구성될 수 있다.The
상기 정보입력부(230)는 풍향풍속관련 각종 정보를 입력하기 위한 것으로, 예컨대, 사용자가 상기 초음파센서모듈(100)의 동작모드 순서를 변경하는 등의 동작을 수행한다.The
상기 정보출력부(240)는 풍향풍속관련 각종 정보를 출력하기 위한 것으로, 예컨대, 표시창으로 구성되어 현재 풍향 및 풍속정보를 표시출력하도록 구성될 수 있다.The
상기 데이터메모리(250)는 풍향풍속 측정 관련 각종 정보가 저장된다. 상기 데이터메모리(250)는 동작그룹별 초음파센서의 동작모드정보와, 구형파 주파수 및 전압레벨을 포함하는 구형파 생성정보, 풍속산출 알고리즘, 풍향측정 알고리즘 및, 풍속 및 풍향 산출에 적용되는 기본설정값, 예컨대 송수신 센서간 이동경로 길이, 음속 등의 정보를 포함하여 저장된다.The
상기 제어부(260)는 다수의 송수신센서의 동작모드에 따라 상기 초음파센서모듈을 서로 다른 동작그룹으로 설정하고, 기 설정된 동작그룹에 대응되도록 송수신센서의 동작모드를 설정하여 해당 동작그룹에 대응되는 초음파 송수신처리를 수행하도록 제어함과 더불어, 상기 초음파센서모듈(100)을 통해 송수신되는 신호의 위상차를 근거로 현재 풍속 및 풍향을 산출하도록 구성된다. 즉, 상기 제어부(260)는 제1 내지 제4 동작그룹(G1~G4)에 대해 각각 산출된 위상차를 근거로 각 동작그룹에 대응되는 속도값을 산출하고, 동일축 방향의 서로 다른 동작그룹의 속도벡터 차를 통해 해당 방향축의 속도 벡터를 산출하며, 서로 다른 방향축의 속도 벡터합을 통해 현재 풍속 및 풍향을 산출하도록 구성된다. The
이어, 도3을 참조하여 상기 제어부(260)의 풍향풍속 측정과정을 보다 상세히 설명한다.Next, the wind direction wind speed measurement process of the
먼저, 초음파센서모듈(100)에 대해 기 설정된 동작그룹의 송수신센서 동작모드를 근거로 제어부(260)는 신호송신부(210) 또는 제1 내지 제4 초음파센서(110,120,130,140)를 제어하여 송신모드로 설정된 송수신센서로 일정 주파수의 구형파를 제공하도록 제어한다. 이때, 송신모드로 설정된 송수신센서는 상기 신호송신부(210)로부터 제공되는 구형파를 초음파신호로 변환하여 해당 송수신센서와 대향되게 배치된 송수신센서로 송신한다.First, the
상기한 상태에서, 제어부(260)는 신호수신부(220)를 통해 제공되는 각 동작그룹별 수신모드로 설정된 송수신센서의 수신신호를 구형파 신호로 변환하여 송신신호와 비교함으로써, 위상차(△t)를 산출한다(ST1). 즉, 상기 제어부(260)는 송신신호와 수신신호를 비교함으로서, 지연시간, 다시 말해 위상차(△t)를 산출한다. 이때, 상기 위상차(△t)는 동작 그룹별 서로 다른 방향축에 대해 각각 산출된다. 예컨대, 제1 내지 제4 동작그룹에 대해 X축 위상차와, Y축 위상차가 각각 산출된다. In this state, the
또한, 상기 제어부(260)는 현재 동작그룹에 대해 산출된 위상차가 기 설정된 한계범위를 벗어나는 경우, 해당 동작그룹에 대한 위상차정보를 클리어시킴으로써, 이후 풍속/풍향 산출을 위한 처리를 수행하지 않는다. 예컨대, 상기 위상차 한계범위는 "이전 산출된 위상차 ± 20%" 로 설정될 수 있다. 이는 온도나 기압 등의 주변환경 변화에 의해 발생되는 위상차 지연으로 인한 풍속 및 풍향의 측정오차를 최소화함으로써, 주변환경 변화에 적응적으로 대처하기 위함이다. In addition, when the phase difference calculated for the current operation group is out of a preset limit range, the
한편, 일반적으로 초음파를 이용한 풍속측정은, 공기의 흐름에 따라 달라지는 초음파 이동시간을 기본으로 하는 것으로, 초음파신호에 대한 송수신 위상차(△t)는 풍향 및 풍속정보를 포함한다. 수학식 1은 위상차(△t)가 나타내는 풍향과 풍속과 관계를 나타낸 수식이다.On the other hand, in general, the measurement of the wind speed using ultrasonic waves is based on the ultrasonic wave movement time which varies according to the air flow, and the transmission / reception phase difference? T with respect to the ultrasonic signal includes the wind direction and the wind speed information. Equation (1) is a mathematical expression representing the relationship between the wind direction represented by the phase difference (? T) and the wind speed.
여기서, L은 초음파의 이동 경로 길이이고, C는 음속, V 는 풍속, Φ는 초음파의 이동경로와 바람이 이루는 각이다. 이때, 상기 초음파의 이동경로 길이는 동일축상에 상호 대양되게 배치된 센서간의 거리이다. Where L is the travel path length of the ultrasonic wave, C is the sound velocity, V is the wind velocity, and Φ is the angle between the movement path of the ultrasonic waves and the wind. At this time, the travel path lengths of the ultrasonic waves are the distances between the sensors arranged on the same axis on opposite sides.
한편, 상기 제어부(260)는 상기 ST1 단계에서 산출된 위상차(△t)를 근거로 각 동작그룹별 속도값을 산출한다(ST2). 즉, 상기 제어부(260)는 각 동작그룹별 서로 다른 방향축에 대한 위상차(△t)를 근거로 해당 동작그룹내 각 방향축에 대한 속도값을 산출하고 그 속도벡터합을 통해 해당 동작그룹에서의 속도벡터를 산출한다. 이때, 상기 동작그룹의 속도벡터는 그 특성에 따라 X축 또는 Y축에 대한 속도벡터로 산출된다. 예컨대, 제1 내지 제4 동작그룹이 도4에 도시된 바와 같은 형태의 송수신센서 동작모드로 설정되는 경우, 제1 및 제2 동작그룹(G1,G2)에서는 X방향축 속도값(Vx1,Vx2)이 산출되고, 제3 및 제4 동작그룹(G3,G4)에서는 Y방향축 속도값(Vy1, Vy2)이 각각 산출된다.Meanwhile, the
수학식2는 측정한 시간차(△t)를 근거로 풍속을 산출하는 수학식이다.Equation (2) is a mathematical expression for calculating the wind speed based on the measured time difference? T.
즉, 상기 제어부(260)는 먼저, 상기 수학식2를 이용하여 임의 동작그룹내에서의 X축 방향 속도벡터와 Y축 방향 속도벡터를 산출하고, 이 X축 방향 속도벡터와 Y축 방향 속도벡터 합을 통해 해당 동작그룹의 속도벡터를 산출한다. 다시말해, 제1 내지 제4 동작그룹에 대응되도록 제1 내지 제4 속도벡터(도6의 Vx1,Vx2,Vy1,Vy2)가 산출된다.That is, the
이후, 상기 제어부(260)는 수학식 3과 같이 X방향축 속도값(Vx1,Vx2)과 Y축 방향에 대한 Y방향축 속도값(Vy1, Vy2)에 대한 차를 연산처리함으로써, X방향축 속도벡터와, Y방향축 속도벡터를 산출한다(ST3). 즉, 제어부(260)는 동일축 방향에 대해 서로 다른 동작그룹의 속도벡터 차를 통해 서로 다른 방향축에 대한 속도벡터를 산출하게 된다.The
수학식3은 상기 ST3 단계에서 산출된 동작그룹별 속도 벡터값을 근거로 서로 다른 방향축에 대한 속도벡터를 산출하는 수학식이다. Equation (3) is a mathematical expression for calculating velocity vectors for different directional axes based on the velocity vector values for each motion group calculated in ST3.
이후, 상기 제어부(260)는 상기 ST3단계에서 산출된 서로 다른 방향축에 대한 속도벡터값을 근거로 현재 풍속의 크기를 산출한다(ST4). 즉, 도5는 속도벡터와 풍향 및 풍속의 관계를 도식화한 것으로, X방향축 속도벡터(Vx)와 Y방향축 속도벡터(Vy)의 합을 통해 속도, 즉 현재 풍속값(V)이 산출된다. Thereafter, the
수학식 4는 방향축에 대한 속도 벡터값의 크기를 근거로 실제 풍속의 크기를 산출하기 위한 수학식이다.Equation (4) is a mathematical expression for calculating the magnitude of the actual wind speed based on the magnitude of the velocity vector value with respect to the directional axis.
즉, 상기 제어부(260)는 수학식 4를 통해 상기 ST4 단계에서 생성된 풍속벡터(V)의 크기를 산출함으로써, 현재 풍속값을 산출한다.That is, the
또한, 상기 제어부(260)는 상기 ST4단계에서 산출된 속도 벡터의 사이각을 근거로 현재 풍향을 산출한다(ST5). 현재 풍향은 도5에 도시된 바와 같이 현재 풍속벡터(V)에 대한 X축과의 각(α)으로 표현될 수 있다.Also, the
즉, 풍향은 풍속과 마찬가지로 수학식 5과 같이 X축과 Y축의 벡터 성분의 합으로 산출된다. That is, the wind direction is calculated as the sum of the vector components of the X-axis and the Y-axis, as shown in Equation (5).
여기서, 는 각각 X축과 Y축 방향의 단위 벡터이고, 는 각각 X축과 Y축 방향의 속도성분의 크기를 나타낸다. 만일 가 단위원을 시계반대방향으로 움직인다고 가정할 경우, 상기 는 수학식6과 같이 표현된다.here, Are unit vectors in the X-axis and Y-axis directions, respectively, Represents the magnitude of the velocity components in the X-axis and Y-axis directions, respectively. if Assuming that the unit circle moves in the counterclockwise direction, Is expressed by Equation (6).
여기서, α는 풍향을 나타내고, 상기 수학식6을 이용하여 풍향을 정의하면 수학식 7과 같다.Here, a represents a wind direction, and the wind direction is defined using Equation (6).
따라서, 제어부(260)는 상기 ST3단계에서 서로 다른 방향축에 대한 속도벡터값(Vx,Vy)을 수학식 7에 적용함으로써, 현재 풍향(α)을 산출하게 된다. Accordingly, the
즉, 본 발명에 의하면 다수의 고속 초음파 송수신센서를 이용하여 복수의 X축 방향 속도값과 복수의 Y축 방향 속도값을 근거로 각 방향축에 대한 속도벡터를 산출함으로써, 보다 정확한 현재 풍속 및 풍향을 측정하는 것이 가능하게 된다.That is, according to the present invention, a velocity vector for each direction axis is calculated based on a plurality of X-axis direction velocity values and a plurality of Y-axis direction velocity values using a plurality of high-speed ultrasonic transmission / reception sensors, Can be measured.
비록, 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the appended claims should include all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention.
100 : 초음파센서모듈, 110,120,130,140 : 송수신센서,
200 : 풍향풍속 측정수단, 210 : 신호송신부,
220 : 신호수신부, 230 : 정보 입력부,
240 : 정보 출력부, 250 : 데이터메모리,
260 : 제어부,
G : 동작그룹. 100: ultrasonic sensor module, 110,120,130,140: transceiver sensor,
200: wind direction wind speed measuring means, 210: signal transmitting section,
220: signal reception unit, 230: information input unit,
240: information output unit, 250: data memory,
260:
G: Action group.
Claims (7)
상기 초음파센서모듈은 다수의 송수신센서가 일정 축 방향에 대해 상호 마주하도록 일정 거리 이격 배치되는 초음파 송수신센서쌍을 서로 다른 축 방향에 대해 적어도 둘 이상 구비하여 구성되며,
상기 풍향풍속 측정수단은 다수의 송수신센서의 동작모드에 따라 상기 초음파센서모듈을 서로 다른 동작그룹으로 설정하고, 기 설정된 동작그룹에 대응되도록 송신 모드의 송수신센서로 구형파신호를 송신하며, 수신 모드의 송수신센서로부터 수신된 초음파신호를 구형파신호로 변환하여 송신 구형파신호와 수신 구형파신호간의 위상차를 산출함과 더불어, 이 위상차를 통해 각 동작그룹별 속도벡터를 산출하고, 동일 방향축의 서로 다른 동작그룹별 속도벡터 차를 통해 해당 방향축에 대한 속도벡터를 산출하며, 서로 다른 방향축의 속도벡터 합을 통해 현재 풍속 및 풍향을 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.An ultrasonic sensor module including a plurality of transceiving sensors for transmitting and receiving ultrasonic waves; an airflow velocity measuring unit for controlling ultrasonic transmission and reception of the ultrasonic sensor module and for measuring a wind speed and a wind direction based on a transmission / reception signal through the ultrasonic sensor module; And,
Wherein the ultrasonic sensor module comprises at least two pairs of ultrasonic transmission / reception sensors arranged at a predetermined distance so as to face each other in a predetermined axial direction,
The wind direction velocity measuring means sets the ultrasonic sensor modules to different operation groups according to the operation modes of the plurality of transceiving sensors and transmits the square wave signals to the transmitting and receiving sensors corresponding to the predetermined operation group, The phase difference between the transmission square wave signal and the reception square wave signal is calculated by converting the ultrasonic wave signal received from the transmission / reception sensor into a square wave signal, and the velocity vector for each operation group is calculated through this phase difference. Wherein the velocity vector for the corresponding direction axis is calculated through the velocity vector difference and the current wind velocity and the wind direction are calculated through the velocity vector sum of the different direction axes.
상기 초음파센서모듈은 제1 내지 제4 송수신센서로 구성되고, 상기 제1 내지 제4 송수신센서는 X축 방향에 대해 제1 및 제2 송수신센서가 마주하게 배치되어 상호 초음파신호를 송수신하도록 구성되고, Y축 방향에 대해 제3 및 제4 송수신센서가 마주하게 배치되어 상호 초음파신호를 송수신하도록 구성되되,
상기 동작그룹은 X축 방향과 Y축 방향에 대해 적어도 하나는 서로 다른 송수신방향으로 초음파가 송수신되는 제1 내지 제4 동작그룹으로 설정되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.The method according to claim 1,
The ultrasonic sensor module is composed of first to fourth transceiving sensors, and the first to fourth transceiving sensors are arranged so that first and second transceiving sensors face each other in the X-axis direction to transmit and receive ultrasound signals to each other And the third and fourth transmission / reception sensors are disposed to face each other in the Y-axis direction to transmit and receive mutual ultrasonic signals,
Wherein the operation groups are set to first to fourth operation groups in which ultrasonic waves are transmitted and received in at least one of different X-axis direction and Y-axis direction in different transmitting and receiving directions.
상기 풍향풍속 측정수단은 각 동작그룹별 X방향축과 Y방향축에 대한 위상차를 산출하고, 각 동작그룹별 X방향축과 Y방향축 위상차를 근거로 해당 동작그룹에 대한 속도벡터를 산출하며, 동작그룹별 속도벡터 중 적어도 둘 이상의 X방향축 속도벡터 차를 근거로 X축 속도벡터를 산출하고, 적어도 둘 이상의 Y방향축 속도벡터 차를 근거로 Y축 속도벡터를 산출하며, 상기 X축 속도벡터와 Y축 속도벡터 합을 근거로 풍향 및 풍속을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.3. The method according to claim 1 or 2,
The wind direction velocity measuring means calculates a phase difference with respect to an X axis and a Y axis for each operation group, calculates a velocity vector for the operation group on the basis of the X axis and Y axis phase difference for each operation group, Calculating an X-axis velocity vector based on at least two X-axis axial velocity vector differences among the velocity vectors for each of the motion groups, calculating a Y-axis velocity vector based on at least two Y-axis axial velocity vector differences, Axis velocity vector sum and a Y-axis velocity vector sum of the Y-axis velocity vector sum.
상기 풍향풍속 측정수단은 송신모드로 설정된 송수신센서를 온/오프 제어함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 초음파센서모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.The method according to claim 1,
Wherein the wind direction velocity measuring means controls the ultrasonic sensor module so that the ultrasonic signal is transmitted through the transmission / reception sensor set to the transmission mode by on / off controlling the transmission / reception sensor set to the transmission mode.
상기 풍향풍속 측정수단은 초음파센서모듈을 구성하는 각 송수신센서에 대해 구형파를 제공하는 신호송신부와 수신된 초음파신호를 구형파로 변경하는 신호수신부가 각각 결합되도록 구성됨과 더불어, 상기 신호송신부를 온/오프 제어함으로써, 송신모드로 설정된 송수신센서를 통해 초음파신호가 송신되도록 초음파센서모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.The method according to claim 1,
Wherein the wind direction velocity measuring means comprises a signal transmitting unit for providing a square wave to each of the transceiving sensors constituting the ultrasonic sensor module and a signal receiving unit for converting the received ultrasonic signal into a square wave, And controls the ultrasonic sensor module so that the ultrasonic signal is transmitted through the transmission / reception sensor set in the transmission mode by controlling the ultrasonic sensor module.
상기 풍향풍속 측정수단은 위상차가 기 설정된 한계범위를 벗어나는 경우, 해당 동작그룹에 대한 위상차정보를 클리어시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정장치.The method according to claim 1,
Wherein the wind direction velocity measuring means is configured to clear the phase difference information for the operation group when the phase difference deviates from a predetermined limit range.
상기 풍향풍속 측정수단에서 다수의 송수신센서의 동작모드에 따라 상기 초음파센서모듈을 서로 다른 동작그룹으로 설정하고, 기 설정된 동작그룹에 대응되도록 송신 모드의 송수신센서로 구형파신호를 송신하는 제1 단계와,
상기 풍향풍속 측정수단에서 수신 모드의 송수신센서로부터 초음파신호를 수신하여 수신 구형파신호를 생성하는 제2 단계,
상기 풍향풍속 측정수단에서 상기 제1 단계에서 송신한 송신 구형파신호와 상기 제2 단계에서 수신처리된 수신 구형파신호를 비교하여 동작그룹내 각 방향축에 대한 위상차를 산출하는 제3 단계,
상기 제3 단계에서 산출된 동작그룹별 서로 다른 방향축에 대한 위상차를 근거로 동작 그룹별 속도벡터를 산출하는 제4 단계,
상기 제4 단계에서 산출된 동작그룹 중 동일 방향축에 대응되는 서로 다른 동작그룹의 속도벡터 차를 통해 해당 방향축에 대한 속도벡터를 산출하는 제5 단계,
상기 제5 단계에서 산출된 방향축별 속도벡터를 합산하여 그 크기성분을 근거로 현재 풍속을 산출하는 제6 단계 및,
상기 제5 단계에서 산출된 방향축별 속도벡터를 합산하여 생성된 속도벡터의 사이각 성분을 근거로 현재 풍향을 산출하는 제7 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 풍향풍속 측정방법.The ultrasonic sensor module includes a plurality of transceiving sensors that transmit and receive ultrasonic waves and are spaced apart from each other by a predetermined distance so as to face each other with respect to a predetermined axial direction. The ultrasonic sensor module controls ultrasonic transmission / reception of the ultrasonic sensor module, A method for measuring a wind direction velocity of a wind direction wind velocity measuring means for measuring a wind velocity and a wind direction,
A first step of setting the ultrasonic sensor modules in different operation groups according to the operation modes of the plurality of transceiving sensors in the wind direction and velocity measuring means and transmitting the square wave signals to the transmitting and receiving sensors corresponding to the predetermined operation groups, ,
A second step of receiving the ultrasonic signal from the transmission / reception sensor of the reception mode by the wind direction velocity measuring means and generating a reception square wave signal,
A third step of comparing the transmission square wave signal transmitted in the first step and the reception square wave signal received in the second step by the wind direction velocity measuring means to calculate a phase difference with respect to each direction axis in the operation group,
A fourth step of calculating a velocity vector for each motion group based on the phase difference with respect to different direction axes for each motion group calculated in the third step,
A fifth step of calculating a velocity vector for a corresponding direction axis through velocity vector differences of different motion groups corresponding to the same direction axis among the motion groups calculated in the fourth step,
A sixth step of summing the directional velocity vectors calculated in the fifth step and calculating the current wind speed based on the magnitude components;
And a seventh step of calculating a current wind direction based on each component between the velocity vectors generated by summing the direction axis velocity vectors calculated in the fifth step.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |