KR20160133084A

KR20160133084A - Apparatus for observing direction and velocity of wind accurately using ultrasonic sensor and operating method thereof

Info

Publication number: KR20160133084A
Application number: KR1020150065677A
Authority: KR
Inventors: 이선길; 김경원; 이우진; 김유균; 최재영; 박연구
Original assignee: 주식회사 대양계기
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-22

Abstract

본 발명은 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리를 이용함과 동시에 초음파를 통한 풍향 및 풍속을 벡터로 측정하도록 한 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법에 관한 것으로, 전원 공급부가 내부에 필요로 하는 전원을 공급하며; 다수 개의 초음파 트랜듀스부가 서로 대향하게 쌍으로 초음파 센서를 고정 설치하며; 신호 처리부가 입출력 모듈, 연산 및 보정 모듈, 펄스 발생(채널 지정) 모듈 및 수신 지연 시간 측정 모듈을 구비하여, 초음파 트랜듀스부의 초음파 송수신 시간을 이용해 풍향 풍속을 계산하며; 외부 입출력부가 외부 기기장치와 신호 처리부 간의 데이터를 입출력하며; 초음파 송신부가 신호 처리부의 제어에 따라 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 발생시켜 지정된 채널로 송신하도록 하며; 초음파 수신부가 지정된 채널로부터 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 수신하여 신호 처리부로 알려주되; 신호 처리부가 바람의 방향과 같은 방향으로 송수신하는 초음파의 정방향수신시간을 확인하여 정방향수신시간역수를 구하며, 바람과 반대방향으로 송수신하는 초음파의 역방향수신시간을 확인하여 역방향수신시간역수를 구하며, 정방향수신시간역수에서 역방향수신시간역수를 뺀 차이 값을 계산하며, 초음파 트랜듀스부 사이의 거리를 2로 나눈 값에 차이 값을 곱하여 풍속을 계산한다.The present invention relates to an apparatus for observing a wind direction in a wind direction using an ultrasonic sensor for measuring a wind direction and an wind speed through an ultrasonic wave using a principle that a receiving waveform of an ultrasonic wave is changed according to a wind speed, Supplies necessary power to the inside; Wherein a plurality of ultrasonic transducer parts are fixedly installed in pairs so that the ultrasonic transducer parts are opposed to each other; An input / output module for signal processing, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module, and calculates the wind direction wind speed using the ultrasonic transmission / reception time of the ultrasonic transducer; An external input / output unit inputs and outputs data between the external device and the signal processing unit; The ultrasonic transmission unit generates an ultrasonic wave through the ultrasonic transducer unit according to the control of the signal processing unit and transmits the generated ultrasonic wave to the designated channel; The ultrasonic receiving unit receives the ultrasonic wave from the designated channel through the ultrasonic transducer unit and informs the signal processing unit of the ultrasonic wave; The signal processing unit obtains the reciprocal of the forward reception time by checking the forward reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction and obtains the reciprocal of the reverse reception time by checking the reverse reception time of the ultrasonic waves transmitting and receiving in the direction opposite to the wind, Calculate the difference by subtracting the reciprocal of reciprocal times from the reciprocal of reciprocal times. Calculate the wind speed by multiplying the difference between the ultrasonic transducer distance by 2 and the difference.

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for observing a wind direction in a wind direction using an ultrasonic sensor,

본 발명은 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법에 관한 것으로, 특히 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리를 이용함과 동시에 초음파를 통한 풍향 및 풍속을 벡터로 측정하도록 한 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for observing a wind direction of an accurate wind direction using an ultrasonic sensor and a method of operating the same. More particularly, the present invention relates to an ultrasonic sensor for measuring a wind direction and a wind speed through an ultrasonic wave using a principle of deformation of a receiving wave of an ultrasonic wave, And a method of operating the apparatus.

풍향풍속계는 기상관측 및 플랜트 등의 시설관리, 풍력발전 및 선박의 항해관리 등으로 다양한 용도에 사용되고 있다. 그런데, 기존에 사용되고 있는 풍향풍속계는 풍차형(기계식)으로 회전체 또는 풍배와 방향판에 의해서 풍속과 풍향을 측정하는데, 회전체의 기계적인 마모에 의해 발생하는 짧은 주기의 부품교체로 인해, 제품의 신뢰성이 낮고, 부품교체에 따른 특성차가 발생하며, 유지보수 비용이 높다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 베어링을 사용하기 때문에 해양환경 및 극저온 환경 등에서 사용상의 제약이 많다. 이에, 구동부가 없는 전자식 풍향풍속계의 연구가 절실한 상황이다.The wind direction anemometer is used for a variety of purposes such as facility management such as weather observation and plant, wind power generation, and navigation management of a ship. However, the conventional wind direction anemometer is a windmill type (mechanical type) which measures the wind speed and direction by a rotating body or a wind direction and a direction board. Due to the short period of parts replacement caused by mechanical abrasion of the rotating body, There is a problem in that reliability is low, a difference in characteristics is caused by parts replacement, maintenance cost is high, and there are many restrictions on the use in marine environments and cryogenic environments due to the use of bearings. Therefore, there is an urgent need to study an electronic wind direction anemometer without a driving part.

이러한 전자식 풍향풍속계의 경우에 기상청에서 요구하는 70m/s의 고풍속 환경에서는 사용이 어려워, 기상관측 용도로는 적용할 수 없기 때문에 극히 제한적으로 사용되어지고 있다. 또한, 기존의 초음파 풍향풍속계의 경우에는 지지대 상단부에 고정되는 다수 개의 초음파 송수신관 단부에 대향하여 설치되는 프로브를 사용하여 바람의 속도와 방향을 측정하도록 한다.In the case of such an anemometer, it is difficult to use it in a high wind speed environment of 70m / s required by the Korea Meteorological Administration, and it is very limited because it can not be applied to meteorological observation applications. Further, in the case of the conventional ultrasonic wind direction anemometer, the speed and direction of the wind are measured by using a probe installed opposite to the end of a plurality of ultrasonic transmission / reception tubes fixed to the upper end of the support.

초음파 센서가 구성되는 프로브는, 다수 개로 이루어지면서 2개를 한 쌍으로 하여 하나의 초음파 센서가 음파를 발생하는 경우에, 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. 이와 같은 방식을 사용하여 측정할 때에는, 기본적으로 많은 전자적 계산을 필요로 하고, 또한 측정 오차를 최소화하기 위하여 계산 결과에 대한 보정을 수행해야 하는 등 많은 계산 과정을 수행해야 한다.A plurality of probes constituting the ultrasonic sensor are formed as a pair, and when two ultrasonic sensors generate sound waves, one ultrasonic sensor generates ultrasonic waves after receiving the ultrasonic waves propagated by the other ultrasonic sensor, First, the ultrasonic wave sensor generating the radio wave again detects the time difference of the medium, and measures the wind direction and the wind speed. When using such a method, many computation processes are required, such as the necessity of performing many electronic calculations basically, and correction of calculation results in order to minimize measurement errors.

한국등록특허 제10-0941289호(2010.02.01 등록)는 초음파 센서를 이용한 풍속 풍향계에 관하여 기재되어 있는데, 초음파의 전달 시간차를 검출함으로써 대기 중에서의 풍속과 풍향과 같은 기상 상태를 측정하기 위한 장치로서, 지지대; 지지대에 고정되어 바람의 방향을 계측하는 포텐셔 미터; 온습도 센서와 기압 센서 및 풍속을 연산하기 위한 제어수단을 포함하는 전자회로가 내장되어 지지대에 회전 가능하게 설치되는 상부케이스; 상부케이스 상부에서 초음파를 송수신하여 풍속을 계측하는 한 쌍의 초음파 송수신부; 상부케이스에 고정되어 풍향을 취득하는 풍판; 그리고 풍판의 회전 방향에 따르는 풍향과, 전자회로에서 취득된 데이터를 포텐셔 미터에 전달하는 데이터전달수단 및 전원공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 개시된 기술에 따르면, 초음파를 발사하는 2개의 초음파 센서를 구비하는 초음파 송수신관을 이용하여 초음파의 전달 시간차를 검출하고, 또한 기존의 풍향계에서 사용되는 포텐셔 미터 등을 사용하여 두 가지의 기능을 분리하여 측정 가능토록 함으로서 각각의 개체적 기능성이 분명해지며, 또한 제작원가가 저렴하도록 한다.Korean Patent Registration No. 10-0941289 (registered on February 21, 2010) describes an air speed anemometer using an ultrasonic sensor, and is an apparatus for measuring a weather condition such as wind speed and direction in the air by detecting a time difference of transmission of ultrasonic waves , support fixture; A potentiometer fixed to the support and measuring the wind direction; An upper case having an electronic circuit including a temperature / humidity sensor, an air pressure sensor, and a control means for calculating a wind speed, the upper case being rotatably installed on a support; A pair of ultrasonic transmission / reception units for transmitting and receiving ultrasonic waves at an upper portion of the upper case to measure wind velocity; A wind board fixed to the upper case to acquire a wind direction; And a data transmitting means and a power supplying means for transmitting the wind direction along the rotating direction of the wind board and the data acquired by the electronic circuit to the potentiometer. According to the disclosed technique, an ultrasonic transmission / reception tube having two ultrasonic sensors for emitting ultrasonic waves is used to detect a transmission time difference of an ultrasonic wave, and the two functions are separated using a potentiometer or the like used in a conventional weather vane , So that each individual function becomes clear and the production cost is made cheap.

한국등록특허 제10-1259634호(2011.06.21 등록)는 전력 소모를 줄일 수 있는 연속파 방식의 풍향 및 풍속 측정 장치 그리고 측정 방법에 관하여 기재되어 있다. 개시된 기술에 따르면, 주기적으로 초음파를 송신하는 송신 센서; 송신 센서로부터 초음파를 수신하는 복수의 수신 센서; 그리고 송신 센서로부터 복수의 수신 센서 중 적어도 어느 하나의 센서로의 초음파 전달시간 및 복수의 수신 센서 중 적어도 4개의 센서로 수신되는 초음파의 위상차를 이용하여 보상 초음파 전달시간을 산출하고, 보상 초음파 전달시간을 이용하여 보상 초음파 전파속도를 산출하고, 보상 초음파 전파속도를 이용하여 풍향을 산출하고, 보상 초음파 전파속도 및 산출된 풍향을 이용하여 풍속을 산출하는 산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.Korean Patent Registration No. 10-1259634 (registered on Jun. 21, 2011) discloses a continuous wave type wind direction and wind speed measurement device and a measurement method capable of reducing power consumption. According to the disclosed technique, a transmission sensor that periodically transmits ultrasonic waves; A plurality of receiving sensors for receiving ultrasonic waves from the transmitting sensors; The compensated ultrasonic wave transmission time is calculated using the ultrasonic wave transmission time from the transmission sensor to at least one of the plurality of reception sensors and the phase difference between the ultrasonic waves received by at least four sensors among the plurality of reception sensors, And a calculation module for calculating the wind speed using the compensated ultrasonic wave propagation speed and the wind speed using the compensated ultrasonic wave propagation speed and the calculated wind direction.

상술한 바와 같은 종래의 초음파 풍향풍속계는, 바람에 의해 수신파형이 작아져서 수신시점을 정확히 파악하기 어려워서, 고풍속에서는 수신시간을 정확히 측정하기 어려운 문제점이 있었다.The conventional ultrasonic wind direction anemometer as described above has a problem that it is difficult to precisely measure the reception time in the old wind because the reception waveform becomes smaller due to wind and it is difficult to accurately grasp the reception point.

한국등록특허 제10-0941289호Korean Patent No. 10-0941289 한국등록특허 제10-1259634호Korean Patent No. 10-1259634

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리를 이용함과 동시에 초음파를 통한 풍향 및 풍속을 벡터로 측정하도록 한 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic sensor for measuring a wind direction and an air velocity through an ultrasonic wave using a principle that a receiving waveform of an ultrasonic wave is changed according to a wind speed, And a method of operating the apparatus.

이러한 과제를 해결하기 위해서는, 본 발명의 한 특징에 따르면, 내부에 필요로 하는 전원을 공급하는 전원 공급부; 서로 대향하게 쌍으로 초음파 센서를 고정 설치한 다수 개의 초음파 트랜듀스부; 입출력 모듈, 연산 및 보정 모듈, 펄스 발생(채널 지정) 모듈 및 수신 지연 시간 측정 모듈을 구비하여, 상기 초음파 트랜듀스부의 초음파 송수신 시간을 이용해 풍향 풍속을 계산하는 신호 처리부; 외부 기기장치와 상기 신호 처리부 간의 데이터를 입출력하는 외부 입출력부; 상기 신호 처리부의 제어에 따라 상기 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 발생시켜 지정된 채널로 송신하도록 하기 위한 초음파 송신부; 및 지정된 채널로부터 상기 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 수신하여 상기 신호 처리부로 알려주기 위한 초음파 수신부를 포함하되; 상기 신호 처리부는, 바람의 방향과 같은 방향으로 송수신하는 초음파의 정방향수신시간을 확인하여 정방향수신시간역수를 구하며, 바람과 반대방향으로 송수신하는 초음파의 역방향수신시간을 확인하여 역방향수신시간역수를 구하며, 상기 정방향수신시간역수에서 상기 역방향수신시간역수를 뺀 차이 값을 계산하며, 상기 초음파 트랜듀스부 사이의 거리를 2로 나눈 값에 상기 차이 값을 곱하여 풍속을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치를 제공한다.To solve these problems, according to one aspect of the present invention, there is provided a power supply apparatus including: a power supply unit for supplying a power source required therein; A plurality of ultrasonic transducer parts having ultrasonic sensors fixed to each other in pairs; A signal processing unit having an input / output module, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module, and calculating an anomaly direction wind speed using an ultrasonic transmission / reception time of the ultrasonic transducer; An external input / output unit for inputting / outputting data between the external device and the signal processing unit; An ultrasonic transmission unit for generating ultrasonic waves through the ultrasonic transducer unit according to a control of the signal processing unit and transmitting ultrasonic waves to a designated channel; And an ultrasonic receiver for receiving ultrasonic waves from the designated channel through the ultrasonic transducer and informing the signal processor of the ultrasonic waves; The signal processing unit obtains the reciprocal of the forward reception time by checking the forward reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction and obtains the reciprocal of the reverse reception time by checking the reverse reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the direction opposite to the wind And calculating a difference value by subtracting the inverse number of the inverse reception time from the inverse number of the inverse reception time, and multiplying the difference between the distance between the ultrasonic wave transmission units by the difference to calculate a wind speed. A wind direction observation apparatus for wind direction using precision wind direction is provided.

일 실시 예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 초음파 트랜듀스부의 초음파 송수신 시간의 차이를 두 개의 축으로 측정하여 벡터 계산을 통해 풍향과 풍속을 측정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the signal processing unit measures the difference between ultrasonic transmission and reception time of the ultrasonic transducer unit on two axes, and measures wind direction and wind speed by vector calculation.

일 실시 예에서, 상기 신호 처리부는, X축 방향에 대해서 송신 시점에서 수신될 때까지의 시간을 카운팅함과 동시에 반대방향의 송수신 시간을 카운팅한 후에, 카운팅된 두 개의 시간의 차를 이용하여 X축방향풍속을 계산하며, Y축 방향에 대해서 송신 시점에서 수신될 때까지의 시간을 카운팅함과 동시에 반대방향의 송수신 시간을 카운팅한 후에, 카운팅된 두 개의 시간의 차를 이용하여 Y축방향풍속을 계산하며, 상기 X축방향풍속 및 상기 Y축방향풍속에 대해서 벡터 계산을 통해 풍향과 풍속을 측정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the signal processing unit counts the time from the transmission time point to the X-axis direction reception time, counts the transmission / reception time in the opposite direction, and then uses X Axis wind speed, counts the time from the transmission time point to the reception time point in the Y-axis direction, counts the transmission / reception time in the opposite direction, and then counts the two- Axis direction wind speed and the Y-axis direction wind speed, and the wind direction and the wind speed are measured through vector calculation.

일 실시 예에서, 상기 신호 처리부는, X축 방향에 대해서 X축방향풍속을 계산함과 동시에 Y축 방향에 대해서 Y축방향풍속을 계산한 다음에, 상기 X축방향풍속에서 상기 Y축방향풍속으로 나눈 값에 대한 아크탄젠트 값을 계산하여 풍향을 구하며, 상기 X축방향풍속의 제곱 값과 상기 Y축방향풍속의 제곱 값을 합친 값에 대한 루트 값을 계산하여 풍속을 구하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the signal processing unit calculates the X-axis direction wind speed in the X-axis direction and the Y-axis direction wind speed in the Y-axis direction, and then calculates the Y-direction wind speed in the X- And calculating a root value of a sum of the squared value of the X-axis direction wind speed and the square value of the Y-axis direction wind speed to calculate the wind speed.

일 실시 예에서, 상기 신호 처리부는, 오실로스코프를 통해 일정 레벨 이상의 파형 전체 길이를 이용하여 풍속 정도를 측정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the signal processing unit measures the wind speed using an overall length of a waveform over a predetermined level through an oscilloscope.

본 발명의 다른 한 특징에 따르면, 전원 공급부가 내부에 필요로 하는 전원을 공급하는 단계; 초음파 송신부가 신호 처리부의 제어에 따라 서로 대향하게 쌍으로 초음파 센서를 고정 설치한 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 발생시켜 지정된 채널로 송신하도록 하는 단계; 초음파 수신부가 지정된 채널로부터 상기 초음파 트랜듀스부를 통해 초음파를 수신하여 상기 신호 처리부로 알려주는 단계; 및 상기 신호 처리부가 입출력 모듈, 연산 및 보정 모듈, 펄스 발생(채널 지정) 모듈 및 수신 지연 시간 측정 모듈을 구비하여, 상기 초음파 트랜듀스부의 초음파 송수신 시간을 이용해 풍향 풍속을 계산하는 단계를 포함하되; 상기 풍향 풍속을 계산하는 단계는, 바람의 방향과 같은 방향으로 송수신하는 초음파의 정방향수신시간을 확인하여 정방향수신시간역수를 구하며, 바람과 반대방향으로 송수신하는 초음파의 역방향수신시간을 확인하여 역방향수신시간역수를 구하며, 상기 정방향수신시간역수에서 상기 역방향수신시간역수를 뺀 차이 값을 계산하며, 상기 초음파 트랜듀스부 사이의 거리를 2로 나눈 값에 상기 차이 값을 곱하여 풍속을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치의 운용방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, Generating ultrasonic waves through ultrasound transducer units in which ultrasonic transmitters are installed in pairs and opposite to each other under the control of a signal processing unit and transmitting ultrasonic waves through a designated channel; Receiving ultrasonic waves from the designated channel through the ultrasonic transducer and informing the signal processor of the received ultrasound; And calculating the wind direction velocity using the ultrasonic transmission and reception time of the ultrasonic transducer unit, wherein the signal processing unit includes an input / output module, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module; The step of calculating the wind direction velocity may include calculating a forward reception time reciprocal by checking the forward reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction and checking the reverse reception time of the ultrasonic waves transmitting and receiving in the direction opposite to the wind, Calculating a difference by subtracting the inverse number of the inverse reception time from the inverse number of the inverse reception time and calculating a wind speed by multiplying a difference between the distance between the ultrasonic wave transmission units by the difference, The present invention also provides a method of operating a wind direction observation apparatus using an ultrasonic sensor.

본 발명에 의하면, 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리를 이용함과 동시에 초음파를 통한 풍향 및 풍속을 벡터로 측정하도록 한 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법을 제공함으로써, 풍속을 구체화하여 고풍속에서의 풍속 정도를 높일 수 있으며, 이에 수신시점을 정확히 파악하여 고풍속의 경우에도 수신시간을 정확히 측정할 수 있으며, 또한 풍향 및 풍속을 더욱 정밀하게 측정할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, there is provided an apparatus for observing a wind direction in a wind direction using an ultrasonic sensor that uses a principle of deforming a receiving waveform of an ultrasonic wave according to a wind speed and measuring a wind direction and an wind speed through the ultrasonic wave as vectors, So that the receiving time can be accurately measured even in the case of the old wind, and the wind direction and the wind speed can be measured more precisely.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부 간의 송수신 시간 차 측정을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 신호 처리부에서의 풍속 측정을 제1예로 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 있는 신호 처리부에서의 풍향 및 풍속 측정을 제2예로 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 있는 초음파 센서에서의 초음파 송수신 시간을 차트로 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5에 있어 오실로스코프를 통한 풍속에 따른 수신 파형을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1에 있는 전원 공급부를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 직접 온도 보상 제어를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부, 히터부 및 온도 센서부를 설명하는 도면이다.
도 10은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 직접 온도 보상 제어를 설명하는 순서도이다.
도 11은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 간접 온도 보상 제어를 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 간접 온도 보상 제어를 설명하는 순서도이다.1 is a view for explaining a precision wind direction wind speed observation apparatus using an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the measurement of the transmission time difference between the ultrasonic transducer units shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a view for explaining the wind speed measurement in the signal processing unit shown in FIG. 1 as a first example.
Fig. 4 is a view for explaining the wind direction and the wind speed measurement in the signal processing unit shown in Fig. 1 as a second example.
FIG. 5 is a chart for explaining the ultrasonic transmission / reception time in the ultrasonic sensor shown in FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a view for explaining a reception waveform according to a wind speed through an oscilloscope in FIG.
7 is a view for explaining the power supply unit shown in Fig.
FIG. 8 is a view for explaining direct temperature compensation control for the ultrasonic transducer section in FIG. 1; FIG.
9 is a view for explaining the ultrasonic transducer, the heater and the temperature sensor shown in Fig.
FIG. 10 is a flowchart for explaining direct temperature compensation control for the ultrasonic transducer section in FIG. 1; FIG.
11 is a view for explaining indirect temperature compensation control for the ultrasonic transducer unit shown in Fig.
12 is a flowchart for explaining indirect temperature compensation control for the ultrasonic transducer unit shown in FIG.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas. Also, the purpose or effect of the present invention should not be construed as limiting the scope of the present invention, since it does not mean that a specific embodiment should include all or only such effect.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present invention should be understood as follows.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" to another element, it may be directly connected to the other element, but there may be other elements in between. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. On the other hand, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the singular " include "or" have "are to be construed as including a stated feature, number, step, operation, component, It is to be understood that the combination is intended to specify that it does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used predefined terms should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the related art and can not be interpreted as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present invention.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치 및 그 운용방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.Now, an apparatus for observing a wind direction and direction of a wind direction using an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention and an operation method thereof will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치를 설명하는 도면이며, 도 2는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부 간의 송수신 시간 차 측정을 설명하는 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining a precision wind direction wind speed observation apparatus using an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining measurement of a transmission time difference between the ultrasonic transducer units shown in FIG.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 히터를 사용하는 경우로서, 전원 공급부(210), 외부 입출력부(220), 신호 처리부(230), 초음파 송신부(240), 초음파 수신부(250), 다수 개의 초음파 트랜듀스부(260), 다수 개의 히터부(270), 다수 개의 온도 센서부(280), 히터 제어부(290)를 포함한다. 다르게는, 히터를 사용하지 않는 경우에는, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)가 전원 공급부(210), 외부 입출력부(220), 신호 처리부(230), 초음파 송신부(240), 초음파 수신부(250), 다수 개의 초음파 트랜듀스부(260)만을 포함하여 이루어질 수도 있다.1 and 2, a precision wind direction wind speed observing apparatus 200 using an ultrasonic sensor includes a power supply unit 210, an external input / output unit 220, a signal processing unit 230, A plurality of ultrasonic transducer units 260, a plurality of heater units 270, a plurality of temperature sensor units 280, and a heater controller 290. The ultrasonic transducer unit 260 includes a transmitter 240, an ultrasonic receiver 250, Alternatively, when a heater is not used, the precision wind direction observation apparatus 200 using the ultrasonic sensor may include a power supply unit 210, an external input / output unit 220, a signal processing unit 230, an ultrasonic transmission unit 240, A receiving unit 250, and a plurality of ultrasonic transducer units 260.

전원 공급부(210)는, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)의 각 구성요소(즉, 외부 입출력부(220), 신호 처리부(230), 초음파 송신부(240), 초음파 수신부(250), 초음파 트랜듀스부(260), 히터부(270), 온도 센서부(280), 히터 제어부(290))에 필요로 하는 전원으로 변환시켜 공급해 준다.The power supply unit 210 includes components of the precision wind direction observation apparatus 100 using the ultrasonic sensor (i.e., the external input / output unit 220, the signal processing unit 230, the ultrasonic transmission unit 240, the ultrasonic reception unit 250, The ultrasonic transducer unit 260, the heater unit 270, the temperature sensor unit 280, and the heater control unit 290).

외부 입출력부(220)는, 외부 기기장치와 신호 처리부(230) 간의 데이터를 입출력해 준다.The external input / output unit 220 inputs and outputs data between the external device and the signal processing unit 230.

신호 처리부(230)는, 입출력 모듈, 연산 및 보정 모듈, 펄스 발생(채널 지정) 모듈 및 수신 지연 시간 측정 모듈을 구비하며, 히터를 사용하지 않는 경우에 초음파 트랜듀스부(260)의 펄스(즉, 초음파 송신부(240)와 초음파 수신부(250) 사이의 펄스(즉, 초음파))에 대한 송수신 시간을 이용해 풍향 풍속을 계산하며, 또한 히터를 사용하는 경우에 온도 특성에 따른 주파수 변환에 있어서 초음파 트랜듀스부(260)의 초음파 센서의 데이터를 처리하는데, 특정 온도(즉, 기 설정해 둔 기준온도)를 기준으로 하여, 온도범위를 기준온도 이상인 제1 온도범위와 기준온도 이하인 제2 온도범위로 나누고, 외부의 온도가 제1 온도범위에 속해 있을 경우에 기 설정해 둔 제1 초음파 주파수(f1)를 가진 초음파를 사용하도록 하며, 제2 온도범위에 속해 있을 경우에 기 설정해 둔 제2 초음파 주파수(f2)를 가진 초음파를 사용하도록 초음파 송신부(240) 및 초음파 수신부(250)를 제어하여, 풍향과 풍속의 값을 측정하도록 한다.The signal processing unit 230 includes an input / output module, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module. When the heater is not used, the pulse of the ultrasonic transducer 260 (For example, ultrasonic waves) between the ultrasonic wave transmitting unit 240 and the ultrasonic wave receiving unit 250. In the case of using a heater, the ultrasonic wave transducer The data of the ultrasonic sensor of the deuce part 260 is processed by dividing the temperature range into a first temperature range that is equal to or higher than the reference temperature and a second temperature range that is equal to or lower than the reference temperature based on the specific temperature (i.e., And uses the ultrasonic wave having the first ultrasonic frequency f1 preset when the temperature of the external temperature is within the first temperature range, and uses the ultrasonic wave having the preset first ultrasonic frequency f1 when the temperature of the outside belongs to the second temperature range, The ultrasonic wave transmitting unit 240 and the ultrasonic wave receiving unit 250 are controlled to use the ultrasonic wave having the ultrasonic frequency f2 to measure the wind direction and the wind speed value.

일 실시 예에서, 신호 처리부(230)는, 초음파 트랜듀스부(260) 간의 펄스 전송시간(

,

) 차를 이용해 음속 벡터를 측정하고, 초음파 트랜듀스부(260)의 센서 간 송수신 시간을 계산하여 풍속을 아래의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다. 여기서, L은 초음파 트랜듀스부(260) 간의 간격(Distance between transducer faces)이고, C는 음속(Speed of sound)(340m/s)이고, V는 풍속(Velocity of gas flow)이고,

는 제1 초음파 전송 시간(Transit time of ultrasound)이고,

는 제2 초음파 전송 시간이다.In one embodiment, the signal processing unit 230 may determine the pulse transmission time between the ultrasonic transducer units 260

,

) Of the ultrasonic transducer 260 and calculates the transceiving time between the sensors of the ultrasonic transducer 260 to calculate the wind speed as shown in Equation 1 below. Where L is the distance between the transducer faces 260, C is the speed of sound (340 m / s), V is the velocity of gas flow,

Is a first transit time of ultrasound,

Is the second ultrasonic transmission time.

일 실시 예에서, 신호 처리부(230)는, 초음파 트랜듀스부(260)의 초음파 센서 간 송수신 차를 이용한 TOF 측정을 수행하는데, 도 2에 도시된 바와 같이 각 초음파 센서 간 직교 성분을 벡터 합성하고 풍향·풍속을 측정할 수 있다. 이때, 서로 마주보게 배치한 한 쌍의 송수신 센서를 시분할하여 송신 센서 및 수신 센서로 동작시켰다가, 수신 센서와 송신 센서로 동작시키는 것을 반복하면서 수신된 펄스열의 포락선(envelope)을 검출하는 대신에 송신파와 수신파 간 위상을 측정할 수 있다. 또한, 펄스열의 포락선을 검출하고 이의 피크 위치로부터 도달시간을 측정하기 때문에, 특정 초음파 센서에서의 송신 펄스열 당 1회의 풍속을 측정할 수 있다.In one embodiment, the signal processing unit 230 performs TOF measurement using the ultrasonic transducer transmission / reception difference of the ultrasonic transducer 260. As shown in FIG. 2, the orthogonal components between the ultrasonic sensors are vector-synthesized Wind direction and wind speed can be measured. At this time, a pair of transceiving sensors arranged facing each other are time-divided to operate as a transmitting sensor and a receiving sensor, and repeatedly operated to operate as a receiving sensor and a transmitting sensor, and instead of detecting the envelope of the received pulse string, The phase between the wave and the receiving wave can be measured. Further, since the envelope of the pulse string is detected and the arrival time is measured from the peak position thereof, it is possible to measure the air velocity once per transmission pulse string in the specific ultrasonic sensor.

일 실시 예에서, 신호 처리부(230)는, 대기 조건에 따른 음속 변화를 보상하기 위해서, 처음에 측정 경로당 두 쌍의 초음파 센서를 사용하여 펄스열 형태의 초음파를 서로 반대 방향으로 보내고, 수신 센서에 도달하기까지의 전송 시간을 독립적으로 측정할 수 있다.In one embodiment, in order to compensate for the change in sound velocity according to the atmospheric conditions, the signal processing unit 230 first uses two pairs of ultrasonic sensors per measurement path to send ultrasonic waves in the form of pulse strings in opposite directions, It is possible to independently measure the transmission time until the following.

일 실시 예에서, 신호 처리부(230)는, 온도 센서부(280)에서 온도를 측정함에 있어서, 초음파 트랜듀스부(260)의 발신 음파가 수신되는 공간의 매질 온도에 따른 전달 지연 시간에 해당하는 송신 시점과 수신 시점의 시간 차이의 변화량을 측정하여 온도 값으로 환산할 수 있다.In one embodiment, the signal processor 230 measures the temperature of the ultrasonic transducer 260 at a temperature corresponding to a propagation delay time according to the medium temperature of the space in which the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 260 is received The change amount of the time difference between the transmission time point and the reception time point can be measured and converted into a temperature value.

초음파 송신부(240)는, 신호 처리부(230)(즉, 펄스 발생(채널 지정) 모듈)의 제어에 따라 초음파 트랜듀스부(260)를 통해 펄스를 발생시켜 지정된 채널로 송신하도록 한다.The ultrasonic transmission unit 240 generates a pulse through the ultrasonic transducer unit 260 according to the control of the signal processing unit 230 (that is, a pulse generation (channel designation) module)

일 실시 예에서, 초음파 송신부(240)는, 초음파를 송신하기 위한 초음파발진회로(예를 들어, 압전진동자를 포함함)를 구비할 수 있다.In one embodiment, the ultrasonic transmission section 240 may include an ultrasonic oscillation circuit (including, for example, a piezoelectric oscillator) for transmitting ultrasonic waves.

초음파 수신부(250)는, 지정된 채널로부터 초음파 트랜듀스부(260)를 통해 펄스를 수신하여 이를 신호 처리부(230)(즉, 수신 지연 시간 측정 모듈)로 알려주도록 한다.The ultrasound receiver 250 receives a pulse from the designated channel through the ultrasound transducer 260 and informs it to the signal processor 230 (i.e., the reception delay time measurement module).

일 실시 예에서, 초음파 수신부(250)는, 수신되어지는 미약한 초음파신호를 증폭시켜 주기 위한 증폭기를 더 구비할 수 있다.In one embodiment, the ultrasound receiving unit 250 may further include an amplifier for amplifying a weak ultrasound signal to be received.

초음파 트랜듀스부(260)는, 다수 개로 서로 대향하게 쌍으로 초음파 센서를 고정 설치하여 형성된다.The ultrasonic transducer unit 260 is formed by fixing a plurality of ultrasonic sensors in pairs facing each other.

일 실시 예에서, 초음파 트랜듀스부(260)는, 압전 세라믹 발진 소자를 사용하며, 히터부(270)에서 열이 발생하는 경우에 해당 발생된 열을 전도받아 온도를 상승시켜 줄 수 있으며, 초음파 센서를 사용하여 신호 처리부(230)의 제어에 따라 제1 초음파 주파수(f1) 또는 제2 초음파 주파수(f2)를 발생시켜 풍향과 풍속을 감지하도록 할 수 있다.In one embodiment, the ultrasonic transducer unit 260 uses a piezoelectric ceramic oscillation element. When heat is generated in the heater unit 270, the generated heat may be conducted to increase the temperature, A sensor may be used to generate the first ultrasonic frequency f1 or the second ultrasonic frequency f2 under the control of the signal processing unit 230 to sense the wind direction and the wind speed.

히터부(270)는, 초음파 트랜듀스부(260)의 주변 온도 변화에 따라 열을 발생시켜 초음파 트랜듀스부(260)와 온도 센서부(280)로 전도하여, 초음파 트랜듀스부(260)의 주변 온도 변화에 따른 특성 열화를 방지하도록 한다.The heater unit 270 generates heat in accordance with the ambient temperature change of the ultrasonic transducer unit 260 and conducts the ultrasonic wave to the ultrasonic transducer unit 260 and the temperature sensor unit 280, Thereby preventing characteristic deterioration due to a change in ambient temperature.

온도 센서부(280)는, NTC 서미스터 온도센서를 사용하여, 히터부(270)에서 발생된 열을 전도받아 NTC 서미스터 저항 값을 감소시켜 주며, 이때 흐르는 전류가 일정한 상태에서 NTC 서미스터 저항에 걸리는 전압도 감소시켜 온도를 검출한다.The temperature sensor unit 280 uses the NTC thermistor temperature sensor to reduce the resistance value of the NTC thermistor upon receiving the heat generated by the heater unit 270. When the current flowing through the NTC thermistor temperature sensor is constant, To detect the temperature.

히터 제어부(290)는, 초음파센서의 결빙을 방지하기 위해서, 온도 센서부(280)에서 검출한 온도를 인가받고 신호 처리부(230)의 제어에 따라 히터부(270)의 구동을 제어한다.The heater control unit 290 receives the temperature detected by the temperature sensor unit 280 and controls the driving of the heater unit 270 under the control of the signal processing unit 230 in order to prevent freezing of the ultrasonic sensor.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)는, 초음파형 풍향풍속계(Ultrasonic Type Wind Sensor)로서 바람과 접촉하여 풍향과 풍속을 감지하는데, 온도에 따라 변화되는 초음파의 특성(즉, 초음파의 전달속도가 대기 환경의 변화에 민감함)을 감안하여 온도 특성에 따른 주파수 변환 모듈 및 보호 회로모듈을 구비하여, 대기 조건의 변화를 보상(즉, 대기 환경에 따른 음속 변화의 보상)하며, 서로 반대 방향으로의 전송 시간을 측정하고 그 차이를 이용해서 풍속을 정확하게 측정하도록 함으로써, 저온에서 초음파 센서의 감도 세기 변동에 의한 온도에 따라 서로 다른 두 개의 주파수를 사용하여 풍향, 풍속 값의 측정의 정밀도를 높일 수 있으며, 보다 정확한 측정을 통하여 바람으로 인한 사고를 방지하고 이러한 사고에 따른 경제적 손실을 미연에 방지할 수 있으며, 또한 풍향과 풍속을 움직이는 부품을 사용하지 않아 재 교정(Recalibration)이 필요 없다.The precise wind direction wind speed observer (100) using the ultrasonic sensor having the above-described configuration is an ultrasonic type wind speed sensor, which detects the wind direction and wind speed in contact with the wind. Frequency conversion module and the protection circuit module according to the temperature characteristics in consideration of the characteristics (that is, the transmission speed of the ultrasonic wave is sensitive to the change of the atmospheric environment) to compensate for the change of the atmospheric condition And by measuring the transmission time in the opposite direction and measuring the wind speed accurately by using the difference, the wind direction and the wind direction can be accurately measured by using two different frequencies according to the temperature due to the sensitivity intensity fluctuation of the ultrasonic sensor at low temperature, It is possible to increase the precision of the measurement of the wind speed value and to prevent accidents caused by the wind through more accurate measurement. Other it is possible to prevent the economic loss from occurring, and also there does not use moving parts of the wind direction and wind speed the need for re-calibration (Recalibration).

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)는, 경보 기능이 구비된 풍향 풍속 경보부(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있으며, 초음파 트랜듀스부(260)의 온도 변화에 따른 물리적 특성을 반영하여 보완한 주파수 변환 모듈과, 주파수 변환 모듈 및 초음파 트랜듀스부(260)의 과열보호를 방지하기 위한 보호 회로모듈을 통하여, 풍향 풍속의 측정 정밀도를 높일 수 있으며, 온도에 영향을 받지 않고 측정할 수 있다.The precision wind direction wind speed observing apparatus 100 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration may further include a wind direction wind speed alarm unit (not shown in the drawing for convenience of explanation) equipped with an alarm function, And a protection circuit module for preventing overheat protection of the frequency conversion module and the ultrasonic transducer unit 260. The measurement accuracy of the wind direction wind speed And can be measured without being influenced by temperature.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 히터 단선 및 오동작방지회로(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함하는데, 히터부(270)의 단선 및 온도 센서부(280)의 단선에 의한 과열 및 오동작 감지용 비교회로를 사용하여 히터 단선 및 오동작을 방지하여 초음파 트랜듀스부(260)의 파손 방지 및 측정 오차를 감소시켜 줄 수 있다. 다시 말해서, 초음파 트랜듀스부(260)의 온도에 따른 변화를 최소화하기 위한 히터부(270)와 온도 센서부(280)를 사용하는 경우에, 히터부(270)와 온도 센서부(280)의 오동작을 방지하기 위해서, 온도 특성에 따른 주파수 변환 및 보호 회로에 의하여 과열(overheating) 보호용 단선 검출 회로를 구현할 수 있다. 여기서, 온도 특성에 따른 주파수 변환 및 보호 회로는, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)의 제조공장에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하며, 정확한 풍향, 풍속을 측정하여 경제적인 손실과 인적 손실과 작업 구조물의 손실을 미연에 예방할 수 있다.The precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration further includes a heater disconnection and malfunction prevention circuit (not shown in the drawings for convenience of explanation) And the comparator circuit for detecting overheating and erroneous operation due to disconnection of the temperature sensor unit 280 may be used to prevent breakage of the ultrasonic transducer unit 260 and decrease measurement error. In other words, when the heater unit 270 and the temperature sensor unit 280 are used to minimize the variation of the ultrasonic transducer unit 260 with temperature, the temperature of the heater unit 270 and the temperature sensor unit 280 In order to prevent malfunction, it is possible to implement a disconnection detection circuit for protection against overheating by a frequency conversion and protection circuit according to temperature characteristics. Here, the frequency conversion and protection circuit according to the temperature characteristic can reproduce the same product repeatedly at the manufacturing factory of the precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor, and can measure the accurate wind direction and wind speed, And loss of human loss and work structure can be prevented in advance.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 온도 변동에 따른 초음파 트랜듀스부(260)의 송수신 특성 변화에 대응하여 온도를 보상해 줌으로써, 온도의 변화에 따라서 구동 주파수를 변경시켜 공진 주파수와 구동 주파수를 매칭시킬 수 있으며, 이에 공진 주파수와 구동 주파수가 일치하지 않는 임피던스 미스매칭(mismatching)을 방지할 수 있다. 다시 말해서, 바람과 접촉하여 풍향과 풍속을 감지하는 초음파 트랜듀스부(260)가 온도 변화에 따라 커패시턴스(Capacitance) 값을 변화시키는 특성을 해결하기 위해서, 초음파 트랜듀스부(260)의 온도 특성을 반영하여 구동 주파수를 2개 이상으로 사용하여 공진 주파수와 구동 주파수가 일치할 수 있도록 적용한다.The precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration compensates the temperature corresponding to the change of the transmission and reception characteristics of the ultrasonic wave transmission part 260 according to the temperature variation, It is possible to match the resonance frequency and the drive frequency by changing the drive frequency, thereby preventing the impedance mismatching in which the resonance frequency and the drive frequency do not coincide with each other. In other words, in order to solve the characteristic that the ultrasonic transducer 260 that senses the wind direction and the wind speed in contact with the wind changes the capacitance value according to the temperature change, the temperature characteristic of the ultrasonic transducer 260 And it is applied so that the resonance frequency and the driving frequency can be matched by using two or more driving frequencies.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 송수신 증폭회로 및 임피던스 매칭회로(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함하는데, 컨트롤러에 의해 약 230(KHz)의 송신 펄스신호가 B급 푸시풀 증폭기로 공급 전압을 초음파 트랜듀스부(260)의 구동에 적합한 전압으로 승압하여, 약 100(Vp-p)의 송신 출력을 초음파 트랜듀스부(260)에 인가시켜 줄 수 있다. 이때, 공기를 전파 매질로 하는 초음파 트랜듀스부(260)는 공기와 초음파 트랜듀스부(260)의 방사면 사이에 풍압이 가해졌을 때에 수신 세기가 약해짐으로 높은 출력이 요구됨으로써, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는 매칭회로를 사용하여 효율을 증가시켜 주도록 한다. 다시 말해서, 송수신 증폭회로 및 임피던스 매칭회로를 사용하여 적합한 송신 출력이 초음파 트랜듀스부(260)로 인가되도록 함으로써, 공기를 전파 매질로 하는 초음파 트랜듀스부(260)의 경우에 공기와 초음파 트랜듀스부(260)의 방사면 사이에 풍압이 가해져 수신 세기가 약해질 때에도, 높은 출력을 유지시켜 효율을 증대할 수 있다.The precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration further includes a transmission / reception amplifying circuit and an impedance matching circuit (not shown in the drawings for convenience of explanation) KHz transmission pulse signal boosts the supply voltage to a voltage suitable for driving the ultrasonic transducer unit 260 to the class B push-pull amplifier and outputs a transmission output of about 100 (Vp-p) to the ultrasonic transducer unit 260, As shown in FIG. At this time, when the air pressure is applied between the air and the radiation surface of the ultrasonic transducer unit 260, the ultrasonic transducer unit 260, which uses air as a propagation medium, The precision wind direction wind speed observation device 200 using the matching circuit is used to increase the efficiency. In other words, in the case of the ultrasonic transducer unit 260 in which air is used as a propagation medium by applying a suitable transmission output to the ultrasonic transducer unit 260 by using the transceiver amplification circuit and the impedance matching circuit, the air and the ultrasonic transducer Even when the wind pressure is applied between the radiating surfaces of the first and second portions 260 and 260 and the reception intensity is weakened, the high output can be maintained and the efficiency can be increased.

바람의 변화, 특히 풍향과 풍속의 변화는 수많은 변수가 작용하기 때문에, 실외의 산업현장에서는 이러한 바람의 변화를 순간적으로 인지하는 것이 대단히 어렵고 작업위치에 따라서도 서로 다르게 나타나므로 일반적으로 그 풍향과 풍속을 말하는 것은 대단히 어렵다고 할 수 있으나, 상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는 이러한 바람의 변화에 대응하기 위해서, 온도 특성에 따른 주파수 변환 및 보호 회로를 구현하여, 바람에 대한 측정의 정밀도를 높여 주면서, 바람의 풍향과 풍속에 대한 정보를 관측하고 인지하여 바람으로부터 받는 영향으로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.Since the change of the wind, especially the wind direction and the wind speed, is influenced by a number of variables, it is very difficult to instantaneously recognize such wind change in the outdoor industrial field, and differently depending on the working position, However, in order to cope with such changes in the wind direction, the precision wind direction-direction wind speed observation apparatus 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration implements a frequency conversion and protection circuit according to temperature characteristics , It is possible to observe and perceive information about the wind direction and wind speed while increasing the precision of the measurement of the wind, thereby preventing an accident caused by the wind from being affected.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)는, 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리를 이용함과 동시에 초음파를 통한 풍향 및 풍속을 벡터로 측정하도록 함으로써, 풍속을 구체화하여 고풍속에서의 풍속 정도를 높일 수 있으며, 이에 수신시점을 정확히 파악하여 고풍속의 경우에도 수신시간을 정확히 측정할 수 있으며, 또한 풍향 및 풍속을 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.The precision wind direction wind speed observer 100 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration uses the principle that the receiving waveform of the ultrasonic wave according to the wind speed is deformed and the wind direction and the wind speed through the ultrasonic waves are measured in the vector, The wind speed in high wind speed can be increased and the reception time can be precisely grasped so that the reception time can be accurately measured even in the case of old wind and the wind direction and wind speed can be measured more precisely.

도 3은 도 1에 있는 신호 처리부에서의 풍속 측정을 제1예로 설명하는 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining the wind speed measurement in the signal processing unit shown in FIG. 1 as a first example.

도 3을 참조하면, 신호 처리부(230)에서는 초음파를 이용한 풍속을 측정하는 원리로서, 일정한 거리(D)로 마주보고 있는 압전진동자 사이에서 발생한 초음파속도(Vu)를 아래의 수학식 1과 같이, 수신시간(t)에 의해 결정하게 된다.Referring to FIG. 3, the signal processing unit 230 measures the velocity of an ultrasonic wave by using an ultrasonic wave. The ultrasonic velocity Vu generated between the piezoelectric vibrators facing each other at a predetermined distance D is expressed by the following equation (1) And is determined by the reception time t.

바람이 발생하는 경우에, 바람의 세기와 방향으로 인해 초음파 송수신 신호의 전달시간이 증가 또는 감소하게 된다. 다시 말해서, 바람의 방향과 같은 방향으로 송수신하는 초음파 속도(Vu)는 풍속(Vw)에 해당하는 속도만큼 증가하여, 정방향수신시간(t_t)은 짧아지므로, 아래의 수학식 3과 같은데, 초음파 속도(Vu)와 풍속(Vw)을 합친 값은 압전진동자 사이의 거리(D)에 정방향수신시간(t_t)을 나눈 값과 같음을 알 수 있다. 반면에, 바람과 반대방향으로 송수신하는 초음파 속도(Vu)는 풍속(Vw)에 해당하는 속도만큼 감소하여, 역방향수신시간(t_r)은 길어지므로, 아래의 수학식 4와 같은데, 초음파 속도(Vu)에서 풍속(Vw)을 뺀 값은 압전진동자 사이의 거리(D)에 역방향수신시간(t_r)을 나눈 값과 같음을 알 수 있다.When the wind is generated, the propagation time of the ultrasonic transmission / reception signal is increased or decreased due to the intensity and direction of the wind. In other words, the ultrasonic velocity Vu transmitted and received in the same direction as the direction of the wind increases by the velocity corresponding to the wind speed Vw, and the forward reception time t _t becomes shorter, The value obtained by adding the velocity Vu and the wind speed Vw is equal to the value obtained by dividing the forward receiving time t _{t by} the distance D between the piezoelectric vibrators. On the other hand, since the ultrasonic velocity Vu transmitted and received in the direction opposite to the wind decreases by the velocity corresponding to the wind speed Vw and the reverse reception time t _r becomes longer, It is found that the value obtained by subtracting the wind speed Vw from Vu is equal to the distance D between the piezoelectric vibrators divided by the reverse reception time t _r .

상술한 수학식 3과 4를 정리하면 풍속(Vw)은 아래의 수학식 5에 의해 구할 수 있다. 즉, 신호 처리부(230)는, 바람의 방향과 같은 방향으로 송수신하는 초음파의 정방향수신시간(t_t)을 확인한 후에 해당 확인된 정방향수신시간(t_t)의 역수(즉, 정방향수신시간역수)를 구하며, 또한 바람과 반대방향으로 송수신하는 초음파의 역방향수신시간(t_r)을 확인한 후에 해당 확인된 역방향수신시간(t_r)의 역수(즉, 역방향수신시간역수)를 구하며, 그런 다음에 해당 구한 정방향수신시간(t_t)의 역수에서 해당 구한 역방향수신시간(t_r)의 역수를 뺀 차이 값을 계산하며, 압전진동자 사이의 거리(즉, 서로 마주보는 한 쌍의 초음파 트랜듀스부(260) 사이의 거리)(D)를 2로 나눈 값(즉, 압전진동자 사이 정중앙까지의 거리(D/2)를 확인하며, 그런 후에 해당 계산된 차이 값과 해당 압전진동자 사이 정중앙까지의 거리(D/2)를 곱하여 풍속(Vw)을 계산할 수 있다. 이때, 온도에 따라 변하는 초음파의 속도는 서로 상쇄되기 때문에, 온도 보정을 수행하지 않아도 된다.If the equations (3) and (4) are summarized, the wind speed (Vw) can be obtained by the following equation (5). That is, the signal processor 230 confirms the forward reception time t _t of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction, and then calculates the reciprocal of the confirmed forward reception time t _t (i.e., the reciprocal of the forward reception time) And obtains the reciprocal of the confirmed reverse reception time t _r (that is, the reciprocal of the reverse reception time) after confirming the reverse reception time t _r of the ultrasonic waves transmitted and received in the direction opposite to the wind, calculating the difference obtained by subtracting the reciprocal of the calculated forward-reception time (t _t) the reverse receive time (t _r) determined that in the inverse of, and distance (i.e., a pair of ultrasound transient facing each other deuce between the piezoelectric vibrator unit (260 (D / 2) to the center of the piezoelectric transducer, and then calculates the distance D between the calculated difference value and the center of the piezoelectric transducer D / 2) to calculate the wind speed Vw. At this time, since the speeds of the ultrasonic waves which vary with the temperature are canceled each other, the temperature correction need not be performed.

도 4는 도 1에 있는 신호 처리부에서의 풍향 및 풍속 측정을 제2예로 설명하는 도면이다.Fig. 4 is a view for explaining the wind direction and the wind speed measurement in the signal processing unit shown in Fig. 1 as a second example.

도 4를 참조하면, 신호 처리부(230)에서는 공기매질을 통해 전달되는 초음파의 전달속도가 바람에 의해 증가하거나 감소하는 물리적인 성질을 이용하여 바람의 속도와 방향을 측정하는 원리로서, 초음파의 송수신 시간차를 두 개의 축으로 측정하여 벡터 계산을 통해 풍향과 풍속을 측정하게 된다.Referring to FIG. 4, in the signal processing unit 230, the velocity and direction of the wind are measured using the physical property that the propagation speed of the ultrasonic wave transmitted through the air medium is increased or decreased by the wind, The time difference is measured on two axes and the wind direction and wind speed are measured by vector calculation.

90˚ 등간격·등각도로 위치한 4 개의 초음파 센서(즉, 압전진동자(S1, S2, S3, S4))가 서로 마주 보고 있는 경우(즉, 동쪽에 위치한 제1안접진동자(S1)와 서쪽에 위치한 제2안접진동자(S2)가 서로 마주 보고 있고, 북쪽에 위치한 제3안접진동자(S3)와 남쪽에 위치한 제4안접진동자(S4)가 서로 마주 보고 있는 경우), ①→②→③→④의 순서(즉, 초음파의 송수신 순서를 제1안접진동자(S1)에서 제2안접진동자(S2)로의 초음파 송수신, 제1안접진동자(S1)에서 제2안접진동자(S2)로의 초음파 송수신, 제2안접진동자(S2)에서 제1안접진동자(S1)로의 초음파 송수신, 제3안접진동자(S3)에서 제4안접진동자(S4)로의 초음파 송수신, 제4안접진동자(S4)에서 제3안접진동자(S3)로의 초음파 송수신으로 함)를 송수신하도록 하며, 이에 신호 처리부(230)는, 두 쌍의 압전진동자((S1, S2) 및 (S3, S4))가 서로 송수신하여 측정된 X축방향풍속(Vx) 및 Y축방향풍속(Vy)을 이용하여 벡터 계산을 통해 아래의 수학식 6과 같이 풍향(θ)과 풍속(Vw)을 계산하게 된다.When the four ultrasonic sensors (i.e., the piezoelectric vibrators S1, S2, S3, and S4) located at equally spaced and equi-angular positions at 90 占 are facing each other (i.e., When the second transit oscillator S2 is facing each other and the third transit oscillator S3 located at the north and the fourth transit oscillator S4 located at the south are facing each other) (I.e., the order of transmitting and receiving the ultrasonic waves from the first transit oscillator S1 to the second transit oscillator S2, the ultrasonic transmission / reception from the first transit oscillator S1 to the second transit oscillator S2, The ultrasonic transmission and reception from the oscillator S2 to the first transceiver oscillator S1, the ultrasonic transmission and reception from the third transceiver oscillator S3 to the fourth transceiver oscillator S4, the third transceiver oscillator S3 in the fourth transceiver oscillator S4, And the signal processor 230 controls the piezoelectric vibrators S1 and S2 and the pair of piezoelectric vibrators S3 and S4 so as to transmit and receive ultrasonic waves to / The wind direction (?) And the wind speed (Vw) are calculated through the vector calculation using the measured X-axis direction wind speed (Vx) and the Y-axis direction wind speed (Vy) as shown in the following Equation (6).

신호 처리부(230)는, 상술한 수학식 5를 이용하여 X축 방향에 대해서 X축방향풍속(Vx)을 계산함과 동시에 Y축 방향에 대해서 Y축방향풍속(Vy)을 계산한 다음에, 해당 계산된 X축방향풍속(Vx)에서 Y축방향풍속(Vy)으로 나눈 값을 구하고, 해당 구한 값의 아크탄젠트 값을 계산하여 풍향(θ)을 구할 수 있다. 또한, 신호 처리부(230)는, 해당 계산된 X축방향풍속(Vx)의 제곱 값을 구하고, 해당 Y축방향풍속(Vy)의 제곱 값을 구한 후에, 해당 구한 X축방향풍속(Vx)의 제곱 값과 해당 구한 Y축방향풍속(Vy)의 제곱 값을 합친 다음에, 해당 합친 값의 루트 값을 계산하여 풍속(Vw)을 구할 수 있다.The signal processing unit 230 calculates the X-axis direction air velocity Vx in the X-axis direction and the Y-axis direction air velocity Vy in the Y-axis direction using the above-described equation (5) Axis direction wind velocity Vy from the calculated X-axis direction wind velocity Vx and calculating the arctangent value of the obtained value to obtain the wind direction?. The signal processing unit 230 obtains a square value of the calculated X-axis direction air velocity Vx and obtains a square value of the Y-axis direction wind velocity Vy, The wind speed Vw can be obtained by calculating the route value of the sum of the squared value and the square value of the obtained Y-axis direction wind speed Vy.

상술한 바와 같이, 신호 처리부(230)는 초음파를 통한 풍향 풍속을 벡터로 측정함과 동시에 풍속에 따른 초음파의 수신파형이 변형되는 원리에 의하여 풍향 및 풍속을 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.As described above, the signal processing unit 230 can measure wind direction velocities through ultrasonic waves in a vector and more precisely measure wind directions and wind speeds by the principle that the receiving wave of the ultrasonic waves according to the wind speed is deformed.

도 5는 도 4에 있는 초음파 센서에서의 초음파 송수신 시간을 차트로 설명하는 도면이며, 도 6은 도 5에 있어 오실로스코프를 통한 풍속에 따른 수신 파형을 설명하는 도면이다.FIG. 5 is a chart for explaining ultrasonic transmission / reception time in the ultrasonic sensor shown in FIG. 4, and FIG. 6 is a view for explaining a reception waveform according to a wind speed through an oscilloscope in FIG.

도 5를 참조하면, 90˚ 등간격·등각도로 위치한 4 개의 초음파 센서(즉, 압전진동자(S1, S2, S3, S4))를 일정한 시간(예를 들어, 2ms) 간격으로 초음파 송신 출력을 발생시킬 때에, 마주보는 초음파 센서에 수신되는 초음파 수신신호를 오실로스코프를 사용하여 측정한 경우를 나타내고 있다.5, four ultrasonic sensors (i.e., piezoelectric transducers S1, S2, S3, and S4) at equal angular intervals of 90 占 are generated at intervals of a predetermined time , The ultrasonic receiving signal received by the facing ultrasonic sensor is measured using an oscilloscope.

신호 처리부(230)는, 일정한 시간(예를 들어, 2ms) 주기로 송수신되는 송신신호 및 수신신호를 확인할 수 있는데, 이때 우선 X축 방향에 대해서 송신 시점에서 수신될 때까지의 시간을 카운팅하고, 반대방향의 송수신 시간을 카운팅한 후에, 해당 카운팅된 두 개의 시간의 차를 이용하여 X성분의 풍속(Vx)을 계산할 수 있고, 또한 Y축 방향에 대해서 이와 동일한 방법으로 Y성분의 풍속(Vy)을 계산할 수 있으며, 그런 후에 해당 계산된 X성분의 풍속(Vx) 및 Y성분의 풍속(Vy)에 대해서 벡터 계산을 통해 풍향(θ)과 풍속(Vw)을 측정할 수 있다.The signal processing unit 230 can check a transmission signal and a reception signal transmitted and received at a predetermined time (for example, 2 ms). At this time, the time until reception of the signal at the transmission time in the X-axis direction is counted, (Vx) of the X component can be calculated using the difference between the counted two times, and the wind speed (Vy) of the Y component can be calculated in the same manner with respect to the Y axis direction And then the wind direction (?) And the wind speed (Vw) can be measured by vector calculation of the wind speed (Vx) of the calculated X component and the wind speed (Vy) of the Y component.

수신 파형은, 도 6에 도시된 바와 같이, 오실로스코프를 통해 무풍, 30m/s의 중풍속, 60m/s의 고풍속일 때에 각각 바람에 의하여 변형됨을 알 수 있다.As shown in Fig. 6, it can be seen that the received waveform is deformed by the wind when the wind is blown through the oscilloscope, the parasitic wind of 30 m / s, and the wind speed of 60 m / s.

바람에 의해 수신파형이 작아져서 수신시점을 정확히 파악하기 어려워서 고풍속에서 수신시간을 정확히 측정하기 어려운 문제가 기존에는 있었으나, 상술한 바와 같이, 신호 처리부(230)는, 도 6에 도시된 바와 같이 오실로스코프를 통해 일정 레벨 이상의 파형 전체 길이(적색으로 표기된 부분)를 이용하여 풍속 정도(예를 들어, 무풍, 10~50m/s의 중풍속, 50~90m/s 이상의 고풍속 등)를 측정할 수 있음으로써, 풍속 변화에 대한 연산 알고리즘을 적용하여 풍속을 구체화시켜, 고풍속에서의 풍속 정도를 높일 수 있다.It has been difficult to precisely measure the reception time at a high wind speed because it is difficult to accurately grasp the reception time because the reception waveform is small due to the wind. However, as described above, the signal processing unit 230, Using an oscilloscope, you can measure the wind speed (for example, no wind, 10 to 50 m / s of parallax, high wind speed of 50 to 90 m / s, etc.) using the full length of the waveform , It is possible to increase the degree of wind speed at high wind speed by specifying the wind speed by applying a calculation algorithm for wind speed change.

도 7은 도 1에 있는 전원 공급부를 설명하는 도면이다.7 is a view for explaining the power supply unit shown in Fig.

도 7을 참조하면, 전원 공급부(210)는, 보호 회로 및 전원 안정화 회로를 포함하는데, 전원 공급 선로(111), 과전류 보호 회로(112), 노이즈필터(113), 과전압 보호 회로(114), 전압안정화회로(115), 회로 전원 선로(116)를 포함한다.7, the power supply unit 210 includes a protection circuit and a power stabilization circuit, and includes a power supply line 111, an overcurrent protection circuit 112, a noise filter 113, an overvoltage protection circuit 114, A voltage stabilizing circuit 115, and a circuit power supply line 116.

전원 공급 선로(111)는, 외부 연결 케이블로서, 외부 전원을 과전류 보호 회로(112) 및 노이즈필터(113)를 거쳐 공급해 준다.The power supply line 111 is an external connection cable and supplies external power via the overcurrent protection circuit 112 and the noise filter 113.

과전류 보호 회로(112)는, 과전압 보호 회로(114)가 쇼트 상태로 파손되는 경우에 과전류가 흐르는 것을 대비하여 과전류로 인한 회로 보호 소자(즉, 수동소자에 의한 과전류 보호 회로)로서, 과전류 제한소자인 폴리스위치(PCT1)(예를 들어, FSMD035-1210-R)를 사용하여, 전원 공급 선로(111)를 통해 유입되는 과전류를 차단시켜 회로를 보호해 준다. 여기서, 폴리스위치의 전기적 특성은 최대 홀드 전류(Hold current(max))가 0.35(A)이고, 최소 트립 전류(Trip current(min))가 0.4(A)이며, 최대 전압(Max voltage)이 16(V)이며, 최대 전류(Max current)가 100(A)이며, 전력(Power)이 0.6(W)이다.The overcurrent protection circuit 112 is a circuit protection element (i.e., an overcurrent protection circuit by a passive element) due to an overcurrent in case the overcurrent flows when the overcurrent protection circuit 114 is broken in a short state, (For example, FSMD035-1210-R) is used to protect the circuit by interrupting the overcurrent flowing through the power supply line 111. [0064] Here, the electrical characteristics of the polis position are as follows: the maximum hold current (Hold current (max)) is 0.35 (A), the minimum trip current (Trip current (V), the maximum current is 100 (A), and the power is 0.6 (W).

노이즈필터(113)는, 적층세라믹 커패시터(C48, C49)를 사용하여, 전원 공급 선로(111)를 통해 유입되는 노이즈를 제거해 준다.The noise filter 113 removes noise introduced through the power supply line 111 by using the multilayer ceramic capacitors C48 and C49.

과전압 보호 회로(114)는, 수동소자에 의한 과전압(서지) 보호 회로로서, TVS 부품(예를 들어, SMBJ39A=ZD104)을 사용하여, 노이즈 필터(113)를 통과한 서지 전압(즉, 전원 공급 선로로 유입되는 서지 전압)을 차단시켜 서지 전압에 의한 회로의 파손을 방지해 준다. 여기서, TVS의 전기적 특성은 브레이크다운 전압(Breakdown voltage)이 최소 37.1(V)에서 최대 41(V)까지이고, 테스트 전류(Test current)가 1(mA)이며, 스탠드오프 전압(Stand-off voltage)이 33.3(V)이고, 최대 클램핑 전압(Maximum clamping voltage)이 53.9(V)이다.The overvoltage protection circuit 114 is an overvoltage (surge) protection circuit by a passive element and uses a TVS component (for example, SMBJ39A = ZD104) to generate a surge voltage passing through the noise filter 113 Surge voltage that flows into the line) to prevent breakage of the circuit due to surge voltage. Here, the electrical characteristics of the TVS are such that the breakdown voltage is at least 37.1 V to the maximum 41 V, the test current is 1 mA, and the stand-off voltage ) Is 33.3 (V), and the maximum clamping voltage is 53.9 (V).

일 실시 예에서, 과전압 보호 회로(114)는, 과전압 보호를 위해서, 입력 전압(Vin)이 42(V)(최대 46(V))로 증가할 때에 전원 차단(Turn OFF)시켜 줄 수 있으며, 또한 과전압 보호 기능에 의해 전원 차단에서 입력 전압(Vin)이 36(V)이 될 때에 다시 전원 공급(Turn ON) 상태로 전환시켜 줄 수 있다.In one embodiment, the overvoltage protection circuit 114 may turn off when the input voltage Vin increases to 42 (V) (maximum 46 (V)) for overvoltage protection, In addition, when the input voltage (Vin) becomes 36 (V) at the time of power cut-off by the overvoltage protection function, it can be switched back to the power supply turn-on state.

전압안정화회로(115)는, 커패시터(C45, C51, C52, C53)를 사용하여, 과전압 제한 및 출력전류 제한을 통해 과전압 보호 회로(114)를 통과한 전압을 안정화시켜 회로 전원 선로(116)로 전달해 준다. 여기서, 회로에 공급되는 전압안정화회로(115)의 출력 전류는, 쇼트회로 방지를 위해서, 500(mA)(25℃)로 제한된다.The voltage stabilizing circuit 115 stabilizes the voltage passing through the overvoltage protection circuit 114 through the overvoltage limiting and the output current limiting by using the capacitors C45, C51, C52 and C53 and supplies the stabilized voltage to the circuit power supply line 116 It delivers. Here, the output current of the voltage stabilizing circuit 115 supplied to the circuit is limited to 500 (mA) (25 DEG C) for preventing the short circuit.

회로 전원 선로(116)는, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)의 회로로 공급하기 위한 선로로서, 전압안정화회로(115)에서 안정화된 전압을 가진 전원을 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(100)의 각 구성요소에 공급해 준다.The circuit power supply line 116 is a line for supplying the circuit of the precision wind direction wind speed observation device 100 using the ultrasonic sensor to a power source having a stabilized voltage in the voltage stabilization circuit 115 as a precision wind direction wind speed To each component of the observation apparatus 100.

도 8은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 직접 온도 보상 제어를 설명하는 도면이며, 도 9는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부, 히터부 및 온도 센서부를 설명하는 도면이다.FIG. 8 is a view for explaining direct temperature compensation control for the ultrasonic transducer shown in FIG. 1. FIG. 9 is a view for explaining the ultrasonic transducer, the heater, and the temperature sensor shown in FIG.

도 8 내지 도 9를 참조하면, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 초음파 트랜듀스부(260)에 대한 직접적인 온도 보상 제어를 위해서, 전원 공급부(210), 히터부(270), 온도 센서부(280), 히터 제어부(290), 주제어부(310), 전류 검출부(320), 히터 단선 검출부(330), 온도센서 단선 검출부(340)를 포함한다. 여기서, 전원 공급부(210), 히터부(270), 온도 센서부(280), 히터 제어부(290)는 도 1에 도시된 구성과 동일하므로, 동일한 설명은 생략하고 이하 다른 부분에 대해서만 설명하도록 한다.8 to 9, a precision wind direction wind speed observation apparatus 200 using an ultrasonic sensor includes a power supply unit 210, a heater unit 270, and a power supply unit 270 for direct temperature compensation control on the ultrasonic transducer unit 260. [ A temperature sensor unit 280, a heater control unit 290, a main control unit 310, a current detection unit 320, a heater disconnection detection unit 330 and a temperature sensor disconnection detection unit 340. Since the power supply unit 210, the heater unit 270, the temperature sensor unit 280, and the heater control unit 290 are the same as those shown in FIG. 1, the same description will be omitted, .

전원 공급부(210)는, 주제어부(310)에 필요한 전원을 공급하기 위한 주제어부 전원 공급부(211), 히터 제어부(290)에 필요한 전원을 공급하기 위한 히터 제어부 전원 공급부(212)를 포함한다.The power supply unit 210 includes a main controller power supply unit 211 for supplying power to the main controller 310 and a heater controller power supply unit 212 for supplying power to the heater controller 290.

히터부(270)는, 히터 제어부(290)의 구동 제어에 따라 열을 발생시켜 주며, 도 9에 도시된 바와 같은 열전도체(271)로 감싸지는 구조로 형성되어, 필름형 히터가 발생시킨 열을 열전도체(271)를 통해 초음파 트랜듀스부(260)와 온도 센서부(280)에 효율적으로 전달되도록 한다.The heater unit 270 generates heat in accordance with the drive control of the heater control unit 290 and is structured to be wrapped by the heat conductor 271 as shown in Fig. 9, and the heat generated by the film heater To the ultrasonic transducer unit 260 and the temperature sensor unit 280 through the heat conductor 271.

일 실시 예에서, 히터부(270)는, 필름형 히터가 설치된 경우에 필름형 히터와 동일한 제어량으로 가열될 수 있다.In one embodiment, the heater section 270 can be heated to the same amount of control as that of the film heater when the film heater is installed.

일 실시 예에서, 히터부(270)는, 직접 가열 방식으로 온도를 보상하기 위해서, 도 9에 도시된 초음파 트랜듀스부(260), 히터부(270), 온도 센서부(280)의 구조도와 같이, 초음파 트랜듀스 용기(510) 둘레에 설치된다.In one embodiment, the heater unit 270 has a structure diagram of the ultrasonic transducer unit 260, the heater unit 270, and the temperature sensor unit 280 shown in FIG. 9, Likewise, it is installed around the ultrasonic transducer vessel 510.

온도 센서부(280)는, NTC 서미스터 온도센서를 사용하며, 도 9에 도시된 바와 같은 열전도체(271)에 접속 연결되어, 히터부(270)에서 발생된 열을 열전도체(271)를 통해 검출하는데, 이때 현재 온도를 검출하여 온도센서 단선 검출부(340)를 거쳐 히터 제어부(290)에 알려준다.The temperature sensor unit 280 uses an NTC thermistor temperature sensor and is connected to and connected to the heat conductor 271 as shown in FIG. 9 so that the heat generated in the heater unit 270 is transmitted through the heat conductor 271 At this time, the current temperature is detected and notified to the heater control unit 290 through the temperature sensor disconnection detecting unit 340.

일 실시 예에서, 온도 센서부(280)는, 기 설정된 온도에 해당하는 기준 전압을 전압 비교기의 입력으로 공급하며, 이때 전압 비교기가 NTC 서미스터 온도센서에서 온도에 비례하여 검출되는 전압과 비교하여 히터 전원공급 스위치 제어신호(816)로 히터 제어부(290)에 출력할 수 있다.In one embodiment, the temperature sensor unit 280 supplies a reference voltage corresponding to a preset temperature to the input of the voltage comparator, where the voltage comparator compares the voltage detected in proportion to the temperature in the NTC thermistor temperature sensor, And can output the power supply switch control signal 816 to the heater control unit 290.

일 실시 예에서, 온도 센서부(280)는, 필름형 히터에 대해 온도를 검출하지 않을 수도 있다.In one embodiment, the temperature sensor unit 280 may not detect the temperature for the film-type heater.

일 실시 예에서, 온도 센서부(280)는, NTC 서미스터 온도센서의 제어기 전원을 회로공급전원 입력단자를 통해 공급받으며, 이때 회로공급전원 입력단자가 히터전원 공급단자와 별도로 결선되도록 할 수 있다.In one embodiment, the temperature sensor unit 280 receives the controller power of the NTC thermistor temperature sensor through the circuit power supply input terminal. At this time, the circuit power supply input terminal may be separately connected to the heater power supply terminal.

히터 제어부(290)는, 주제어부(310)로부터 출력되는 히터구동신호(821)에 따라 히터부(270)를 구동시켜 주며, 온도 센서부(280)로부터 입력되는 현재의 온도와 기 설정해 둔 기준 온도를 비교하고, 해당 비교 결과에 따라 히터부(270)의 구동을 제어한다.The heater control unit 290 drives the heater unit 270 in accordance with the heater drive signal 821 output from the main control unit 310. The heater control unit 290 drives the heater unit 270 based on the current temperature input from the temperature sensor unit 280, And controls the driving of the heater unit 270 according to the comparison result.

일 실시 예에서, 히터 제어부(290)는, 온도 센서부(280)로부터 출력되는 히터 전원공급 스위치 제어신호(816)에 따라 열이 부족한 경우에 히터 전원공급 스위치부품을 켜고, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서에서 검출한 온도가 기 설정된 온도에 도달하는 경우에 히터 전원공급 스위치 부품을 끔으로서, 초음파 트랜듀스부(260)의 온도 보상을 실현할 수 있다.The heater control unit 290 turns on the heater power supply switch component when the heat is insufficient in accordance with the heater power supply switch control signal 816 output from the temperature sensor unit 280 and the temperature sensor unit 280 The temperature compensation of the ultrasonic transducer unit 260 can be realized by turning off the heater power supply switch part when the temperature detected by the NTC thermistor temperature sensor of the ultrasonic transducer unit 260 reaches a predetermined temperature.

일 실시 예에서, 히터 제어부(290)는, 히터부(270)에 공급되는 전력을 제어하기 위한 제어 회로를 사용하고, 히터부(270)에 공급되는 열량을 제어하기 위한 온도 센서부(280)를 히터부(270)에 열전도가 잘되도록 근접 설치해 둠으로써, 가열되는 열량을 조절할 수 있다.In one embodiment, the heater control unit 290 includes a temperature sensor unit 280 for controlling the amount of heat supplied to the heater unit 270 using a control circuit for controlling the power supplied to the heater unit 270, Can be adjusted so that the amount of heat to be heated can be adjusted.

일 실시 예에서, 히터 제어부(290)는, 온도센서 단선 검출부(340)로부터 출력되는 단선검출신호(815)에 따라 히터전원공급 스위치 부품을 끔으로서 히터전원을 차단시켜, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서의 단선으로 인한 과열을 방지할 수 있다.In one embodiment, the heater control unit 290 turns off the heater power supply switch component in response to the disconnection detection signal 815 output from the temperature sensor disconnection detection unit 340, It is possible to prevent overheating due to the disconnection of the NTC thermistor temperature sensor of FIG.

일 실시 예에서, 히터 제어부(290)는, 히터 동작 상태를 표시하는데, 히터 전원공급 스위치 부품이 켜짐 상태가 되면 히터 동작상태 표시 발광다이오드를 점등하며, 반대로 꺼짐 상태가 되면 발광다이오드를 꺼지도록 할 수 있다.In one embodiment, the heater controller 290 displays the heater operation state. When the heater power supply switch component is turned on, the heater operation indicator light emitting diode is turned on, and when the heater power supply switch component is turned off, the light emitting diode is turned off .

주제어부(310)는, 주제어부 전원 공급부(211)로부터 필요한 전원을 공급받아 구동하여 초기화한 후에 일정 시간 지연한 다음에, 히터구동신호(821)를 생성시켜 히터 제어부(290)로 출력하며, 히터 단선 검출부(330)로부터 출력되는 제어신호(823)에 따라 히터 제어부(290)로 출력하는 히터구동신호(821)를 끔으로써, 히터전원을 차단시켜 온도센서와 열전도를 위해 결합된 히터의 단선으로 인한 과열을 방지하도록 한다.The main control part 310 generates and supplies a heater driving signal 821 to the heater control part 290 after delaying a predetermined time after the main control part power supply part 211 receives the necessary power, The heater driving signal 821 outputted to the heater control unit 290 is turned off in accordance with the control signal 823 output from the heater disconnection detecting unit 330 to turn off the heater power to disconnect the heater connected to the temperature sensor for heat conduction To prevent overheating.

전류 검출부(320)는, 전류검출용 부품으로서, 히터부(270)에서 발생되는 전압을 읽어서 정상 상태의 히터부(270)가 소비하는 전류를 검출하여 히터 단선 검출부(330)로 입력해 준다.The current detection unit 320 reads the voltage generated by the heater unit 270 and detects the current consumed by the heater unit 270 in a steady state as a current detection component and inputs the detected current to the heater disconnection detection unit 330.

히터 단선 검출부(330)는, 가열이 멈추면 안 될 경우의 경보 기능인 히터 단선 검출 기능을 수행한다.The heater disconnection detecting portion 330 performs a heater disconnection detecting function, which is an alarm function when the heating should not be stopped.

일 실시 예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 한 개의 NTC 서미스터 온도센서와 한 개의 필름형 히터가 열이 전도되도록 하기 위한 결합 구조로 이루어져 있으며, 나머지 3개는 온도센서와 결합된 히터의 제어량을 따라가는 방식이므로 온도센서와 결합된 한 개의 필름형 히터가 단선이 되어 열이 발생하지 않는 경우에, NTC 서미스터 온도센서(320)가 계속 가열하도록 하기 위한 제어신호(816)를 출력하여 결국 3개 공통으로 연결된 필름형 히터가 과열됨으로, 이러한 점을 제거하기 위해서, 히터 단선 검출부(330)는, 히터부(270)로부터 입력되는 전류를 확인하고, 해당 확인된 전류가 정상 상태의 히터부(270)가 소비하는 전류를 벗어나는 경우에, 제어신호(823)를 주제어부(310)로 출력할 수 있다.In one embodiment, as shown in FIG. 9, one NTC thermistor temperature sensor and one film heater are composed of a coupling structure for conducting heat, and the remaining three are composed of the control amount of the heater combined with the temperature sensor The NTC thermistor temperature sensor 320 outputs a control signal 816 for allowing the NTC thermistor temperature sensor 320 to continuously heat up when one film heater connected to the temperature sensor is disconnected and no heat is generated, In order to eliminate such a point, the heater disconnection detecting unit 330 checks the current input from the heater unit 270, and the identified current is supplied to the heater unit 270 The control signal 823 may be output to the main control unit 310. In this case,

일 실시 예에서, 히터 단선 검출부(330)는, 3개 공통으로 연결된 필름형 히터의 단선을 검출하지 않을 수도 있다.In one embodiment, the heater disconnection detecting portion 330 may not detect disconnection of three commonly connected film type heaters.

온도센서 단선 검출부(340)는, 온도 검출 및 제어신호(816)를 발생하기 위한 전압비교기와, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서에 대한 단선 상태를 검출하기 위한 전압비교기를 구비하며, 정상 검출 전압을 벗어나는 곳의 전압으로 기준 전압을 설정해 주며, 공급 전원으로부터 직렬 저항을 거쳐 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서에 전류를 공급하고 있으므로, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서가 단선되는 경우에, 전압비교기의 검출 전압 입력이 공급 전원과 같은 검출 전압이 인가되어, 정상 범위를 벗어나 단선검출신호(815)를 히터 제어부(290)로 출력해 준다.The temperature sensor disconnection detecting section 340 includes a voltage comparator for generating a temperature detection and control signal 816 and a voltage comparator for detecting a disconnection state of the temperature sensor section 280 with respect to the NTC thermistor temperature sensor, The reference voltage is set to a voltage outside the normal detection voltage and the current is supplied from the supply power source to the NTC thermistor temperature sensor of the temperature sensor unit 280 through the series resistance. Therefore, the NTC thermistor temperature of the temperature sensor unit 280 When the sensor is disconnected, the detection voltage input of the voltage comparator is applied with the same detection voltage as that of the supply power, and the disconnection detection signal 815 is output to the heater control unit 290 after exceeding the normal range.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 히터부(270)를 사용하여 직접 온도 보상 방식을 수행하는데, 마주보는 초음파 트랜듀스부(260)의 쌍에 의해 송신면과 수신면에서 반사되는 초음파 파형의 공진 음파의 세기가 초음파 트랜듀스부(260)의 송신면과 수신면에서 음파의 정합상태가 온도에 따라 변하는 현상을 히터부(270)(즉, 필름형 히터)를 사용하여 온도 보상을 실시함으로써, 초음파의 파형 특성을 향상시킬 수 있다.The precision wind direction wind speed observing apparatus 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration performs a direct temperature compensation method using the heater unit 270. By using a pair of opposite ultrasonic transducer units 260 The intensity of the resonance sound waves of the ultrasonic waves reflected from the transmission surface and the reception surface changes with the temperature of the matching state of the sound waves at the transmission surface and the reception surface of the ultrasonic transducer 260 with the temperature of the heater 270 ), The waveform characteristics of the ultrasonic wave can be improved.

상술한 바와 같은 구성을 가진 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 도 9에 도시된 초음파 트랜듀스부(260)의 용기 재질 표면(510)과 음향 정합층(50)의 탄성률이 온도에 따라 변하므로, 히터부(270)를 사용한 직접적인 가열 방식으로 온도를 보상하는 방식과, 초음파 송신 주파수를 가변하여 간접적으로 온도를 보상하는 방식으로, 초음파의 송수신 파형 특성을 향상시킬 수 있다.The precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor having the above-described configuration is configured such that the elasticity ratios of the container material surface 510 and the acoustic matching layer 50 of the ultrasonic transducer portion 260 shown in Fig. It is possible to improve the transmission and reception waveform characteristics of the ultrasonic wave by a method of compensating the temperature by a direct heating method using the heater unit 270 and a method of indirectly compensating the temperature by varying the ultrasonic transmission frequency.

도 10은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 직접 온도 보상 제어를 설명하는 순서도이다.FIG. 10 is a flowchart for explaining direct temperature compensation control for the ultrasonic transducer section in FIG. 1; FIG.

도 10을 참조하면, 우선 전원 공급부(210)에 구비된 주제어부 전원 공급부(211)에서는 주제어부(310)에 필요한 전원을 공급해 주며, 또한 전원 공급부(210)에 구비된 히터 제어부 전원 공급부(212)에서는 히터 제어부(290)에 필요한 전원을 공급해 준다(S901).10, the main controller power supply unit 211 provided in the power supply unit 210 supplies necessary power to the main controller 310 and also supplies power to the heater controller power supply unit 212 provided in the power supply unit 210 Supplies power to the heater control unit 290 (S901).

주제어부(310)는, 주제어부 전원 공급부(211)로부터 필요한 전원을 공급받아 구동하는데, 먼저 초기화를 진행한 후에 기 설정된 시간이 경과된 다음(즉, 일정 시간 지연 후)에, 히터구동신호(821)를 생성시켜 히터 제어부(290)로 출력해 준다(S902).The main control unit 310 receives and supplies necessary power from the main control unit power supply unit 211. After the predetermined time elapses after initialization, 821 to the heater control unit 290 (S902).

히터 제어부(290)는, 주제어부(310)로부터 출력되는 히터구동신호(821)에 따라 히터부(270)를 구동시켜 주게 되며, 이에 히터부(270)는, 히터 제어부(290)의 구동 제어에 따라 열을 발생시켜 주게 된다. 이때, 히터부(270)는, 도 9에 도시된 바와 같은 열전도체(271)로 감싸지는 구조로 형성되어, 발생시킨 열을 열전도체(271)를 통해 초음파 트랜듀스부(260)와 온도 센서부(280)로 전달해 주게 된다.The heater control unit 290 drives the heater unit 270 in accordance with the heater drive signal 821 output from the main control unit 310. The heater unit 270 controls the drive control unit 290 Thereby generating heat. 9, the generated heat is transmitted through the heat conductor 271 to the ultrasonic transducer 260 and the temperature sensor 270. The ultrasonic transducer 260 and the temperature sensor 271 are connected to each other by the heater 270, And transmits it to the unit 280.

온도 센서부(280)는, 현재의 온도를 검출하여 온도센서 단선 검출부(340)를 거쳐 히터 제어부(290)에 알려준다. 이에, 히터 제어부(290)는, 온도 센서부(280)로부터 알려주는 현재의 온도를 입력받아 기 설정해 둔 기준 온도를 판독하며, 해당 입력받은 현재의 온도가 기준 온도보다 큰지를 확인한다(S903).The temperature sensor unit 280 detects the current temperature and notifies the heater control unit 290 through the temperature sensor disconnection detecting unit 340. [ The heater control unit 290 receives the current temperature notified from the temperature sensor unit 280 and reads the preset reference temperature, and confirms whether the received current temperature is higher than the reference temperature (S903) .

상술한 단계 S903에서 현재의 온도가 기준 온도보다 같거나 작은 경우에, 온도센서 단선 검출부(340)에서는, 온도 검출 및 제어신호(816)를 발생하기 위한 전압비교기와, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서에 대한 단선 상태를 검출하기 위한 전압비교기를 구비하며, 정상 검출 전압을 벗어나는 곳의 전압으로 기준 전압을 설정하고 해당 설정된 기준 전압의 정상 범위를 설정해 주며, 전압비교기의 검출 전압 입력이 공급 전원과 같은 검출 전압이 인가되어, 기 설정해 둔 기준 전압의 정상 범위를 벗어나는지를 확인하여 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서가 단선되는 경우인지를 판단하며, 이에 단선검출신호(815)를 생성시켜 히터 제어부(290)로 출력해 준다. 이에 따라, 히터 제어부(290)는, 온도센서 단선 검출부(340)로부터 출력되는 단선검출신호(815)를 입력받았는지(즉, 온도센서 단선)를 확인한다(S904).In the above-described step S903, when the current temperature is equal to or smaller than the reference temperature, the temperature sensor disconnection detecting section 340 includes a voltage comparator for generating the temperature detection and control signal 816, And a voltage comparator for detecting a disconnection state with respect to the NTC thermistor temperature sensor. The reference voltage is set to a voltage outside the normal detection voltage and a normal range of the reference voltage is set. It is determined whether or not the NTC thermistor temperature sensor of the temperature sensor unit 280 is disconnected. If the disconnection detection signal 815 is detected, And outputs it to the heater control unit 290. Accordingly, the heater control unit 290 confirms whether the disconnection detection signal 815 output from the temperature sensor disconnection detection unit 340 has been received (that is, the temperature sensor disconnection) (S904).

상술한 단계 S904에서 온도센서 단선이 아닌 경우에, 전류 검출부(320)에서는, 히터부(270)에서 발생되는 전압을 읽어서 정상 상태의 히터부(270)가 소비하는 전류를 검출하여 히터 단선 검출부(330)로 입력해 준다. 이에, 히터 단선 검출부(330)는, 히터부(270)로부터 입력되는 전류를 확인하고, 해당 확인된 전류가 정상 상태의 히터부(270)가 소비하는 전류를 벗어나는 경우에, 제어신호(823)를 주제어부(310)로 출력해 준다.If the temperature sensor is not disconnected in step S904, the current detector 320 reads the voltage generated by the heater unit 270 to detect the current consumed by the heater unit 270 in the steady state, 330). The heater disconnection detecting unit 330 checks the current input from the heater unit 270 and outputs the control signal 823 when the detected current deviates from the current consumed by the heater unit 270 in the steady state. To the main control unit 310.

주제어부(310)는, 히터 단선 검출부(330)로부터 출력되는 제어신호(823)에 따라 히터구동신호(821)를 히터 제어부(290)로 출력해 주며, 이에 히터 제어부(290)는, 주제어부(310)로부터 출력되는 히터구동신호(821)를 입력받지 못하였는지(즉, 히터 단선)를 확인한다(S905).The main control unit 310 outputs the heater driving signal 821 to the heater control unit 290 in accordance with the control signal 823 output from the heater disconnection detecting unit 330, (That is, heater disconnection) is not received (S905).

상술한 단계 S905에서 히터 단선이 아닌 경우에, 히터 제어부(290)는, 히터 전원공급 스위치부품을 켜 계속적으로 히터부(270)를 구동시켜 주도록 해 준다(S906).If it is determined in step S905 that the heater is not disconnected, the heater control unit 290 turns on the heater power supply switch part to continuously drive the heater unit 270 (S906).

반면에, 상술한 단계 S903에서 현재의 온도가 기준 온도보다 큰 경우에, 히터 제어부(290)는, 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서에서 검출한 온도가 기 설정된 기준 온도에 도달하는 경우에, 히터 전원공급 스위치 부품을 끔으로서, 초음파 트랜듀스부(260)의 온도 보상을 실현한다(S907).On the other hand, if the current temperature is greater than the reference temperature in the above-described step S903, the heater control unit 290 determines that the temperature detected by the NTC thermistor temperature sensor of the temperature sensor unit 280 reaches a preset reference temperature The heater power supply switch part is turned off to realize the temperature compensation of the ultrasonic transducer section 260 (S907).

상술한 단계 S904에서 온도센서 단선인 경우에, 히터 제어부(290)는, 온도센서 단선 검출부(340)로부터 출력되는 단선검출신호(815)에 따라 상술한 단계 S907과 같이 히터전원공급 스위치 부품을 끔으로서, 히터전원을 차단시켜 온도 센서부(280)의 NTC 서미스터 온도센서의 단선으로 인한 과열을 방지하도록 한다.The heater control unit 290 turns off the heater power supply switch part in accordance with the disconnection detection signal 815 output from the temperature sensor disconnection detection unit 340 as in step S907 described above , The heater power is turned off to prevent overheating due to disconnection of the NTC thermistor temperature sensor of the temperature sensor unit (280).

상술한 단계 S905에서 히터 단선인 경우에, 주제어부(310)는, 히터 단선 검출부(330)로부터 출력되는 제어신호(823)에 따라 히터 제어부(290)로 출력하는 히터구동신호(821)를 끔으로써, 히터 제어부(290)는 주제어부(310)로부터 출력되는 히터구동신호(821)를 입력받지 못하는 경우에 상술한 단계 S907과 같이 히터전원공급 스위치 부품을 꺼 히터전원을 차단시켜 온도센서와 열전도를 위해 결합된 히터의 단선으로 인한 과열을 방지하도록 한다.The main control unit 310 turns off the heater drive signal 821 output to the heater control unit 290 in accordance with the control signal 823 output from the heater burnout detection unit 330 in the above described step S905 The heater control unit 290 turns off the heater power supply switch unit and turns off the heater power supply unit in step S907 so that the temperature sensor and the thermal conductivity To prevent overheating due to disconnection of the associated heater.

도 11은 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 간접 온도 보상 제어를 설명하는 도면이다.11 is a view for explaining indirect temperature compensation control for the ultrasonic transducer unit shown in Fig.

도 11을 참조하면, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 마주보는 초음파 트랜듀스부(260)의 쌍(520, 530)에서 송신과 수신되는 초음파의 전달 속도와 온도 관계에 의한 보상점을 설정하여 간접적으로 온도 보상을 수행한다. 이때, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 마주보는 초음파 트랜듀스부(260)의 쌍(520, 530)에서 송신과 수신되는 초음파의 전달 속도(즉, 초음파 전송 시간(Time1))가 온도에 따라 달라지는 특성을 이용하여 보상점 경계 구분(620)을 설정해 주도록 하며, 또한 보상점 경계 구분(620)에 해당하는 경계 구분 시간(Time3)을 설정해 주도록 한다.Referring to FIG. 11, the precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor is configured to measure the propagation speed and the temperature of the ultrasonic waves transmitted and received at the pairs 520 and 530 of the opposite ultrasonic transducer units 260 The temperature compensation is performed indirectly by setting the compensation point. At this time, the precision wind direction wind speed observation device 200 using the ultrasonic sensor detects the propagation speed of the ultrasonic wave transmitted and received (that is, the ultrasonic wave transmission time Time 1) at the pair 520, 530 of the facing ultrasonic wave transducer 260, (620) by using the characteristic that temperature varies depending on the temperature, and the boundary dividing time (Time 3) corresponding to the compensation point boundary division (620) is set.

도 12는 도 1에 있는 초음파 트랜듀스부에 대한 간접 온도 보상 제어를 설명하는 순서도이다.12 is a flowchart for explaining indirect temperature compensation control for the ultrasonic transducer unit shown in FIG.

도 12를 참조하면, 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 송신 주파수를 변경시켜 간접적인 온도 보상을 수행하도록 한다.Referring to FIG. 12, a precision wind direction-direction wind speed observation apparatus 200 using an ultrasonic sensor changes the transmission frequency to perform indirect temperature compensation.

기 설정된 제1 온도(예를 들어, 60도)의 매질 온도 조건에서 제1 초음파 트랜듀스부(520)에서 송신되는 초음파는, 제1 시간(Time_A)(도 11에 도시된 Time1)(이하, 정방향 시간이라 함) 동안에 이동하여 제2 초음파 트랜듀스부(530)에 도달하게 된다. 이때, 신호 처리부(230)는, 초음파 송신부(240)와 초음파 수신부(250)를 통해 마주보는 초음파 트랜듀스부(260)의 쌍(520, 530)에서 송신과 수신되는 초음파의 정방향 시간(Time_A)을 측정하도록 한다(S111).The ultrasonic wave transmitted from the first ultrasonic transducer 520 at a medium temperature condition of a predetermined first temperature (for example, 60 degrees) is transmitted to the first ultrasonic transducer 520 at a first time Time_A (Time1 shown in FIG. 11) (Referred to as " forward time ") and reaches the second ultrasonic transducer 530. At this time, the signal processing unit 230 receives the forward time (Time_A) of the ultrasonic waves transmitted and received from the pair 520, 530 of the ultrasonic transducer unit 260 facing each other through the ultrasonic wave transmitter unit 240 and the ultrasonic wave receiver unit 250, (S111).

상술한 단계 S111에서 초음파의 정방향 시간(Time_A)을 측정한 후에, 송신과 수신을 전환시킨 다음에, 제2 초음파 트랜듀스부(530)에서 송신되는 초음파는, 제2 시간(Time_B)(도 11에 도시된 Time1)(이하, 역방향 시간이라 함) 동안에 이동하여 제1 초음파 트랜듀스부(520)에 도달하게 된다. 이때, 신호 처리부(230)는, 초음파 송신부(240)와 초음파 수신부(250)를 통해 마주보는 초음파 트랜듀스부(260)의 쌍(520, 530)에서 송신과 수신되는 초음파의 역방향 시간(Time_B)을 측정하도록 한다(S112).After measuring the forward time (Time_A) of the ultrasonic waves in the above-described step S111, the ultrasonic waves transmitted from the second ultrasonic transducer unit 530 after switching between transmission and reception are measured at the second time (Time_B) (Hereinafter, referred to as " reverse time ") and reaches the first ultrasonic transducer unit 520. [ At this time, the signal processing unit 230 receives the reverse time (Time_B) of the ultrasonic waves transmitted and received from the pair 520 and 530 of the ultrasonic transducer unit 260 facing each other through the ultrasonic wave transmitter unit 240 and the ultrasonic wave receiver unit 250, (S112).

신호 처리부(230)는, 상술한 단계 S111에서 측정한 초음파의 정방향 시간(Time_A)과 상술한 단계 S112에서 측정한 초음파의 역방향 시간(Time_B)에 대한 평균시간(Time)을 구하도록 함으로써(S113), 공기 매질의 이동(풍속)의 영향이 없어지고 현재 온도에서의 초음파 전송 시간(Time)을 보다 정확하게 구할 수 있게 된다.The signal processing unit 230 obtains the average time (Time) for the forward time (Time_A) of the ultrasonic wave measured in the step S111 and the reverse time (Time_B) of the ultrasonic wave measured in the step S112 described above (S113) , The influence of the movement of the air medium (wind speed) is eliminated, and the ultrasonic transmission time (Time) at the current temperature can be obtained more accurately.

신호 처리부(230)는, 도 11에 도시된 보상점 경계 구분(620)에 해당하는 경계 구분 시간(Ttemp)(도 11에 도시된 Time3)을 확인한 다음에, 해당 확인된 경계 구분 시간(Ttemp)이 상술한 단계 S113에서 측정한 평균시간(Time)보다 큰지를 확인한다(S114).The signal processing unit 230 checks the boundary dividing time Ttemp (Time 3 shown in FIG. 11) corresponding to the compensation point boundary dividing 620 shown in FIG. 11, Is larger than the average time (Time) measured in the above-described step S113 (S114).

상술한 단계 S114에서 경계 구분 시간(Ttemp)이 평균시간(Time)보다 큰 경우, 신호 처리부(230)는, 경계 구분 시간(Ttemp)의 값에 기 설정해 둔 히스테리시스 시간(Ttha)의 값을 가감 연산한 후에, 해당 가감 연산된 결과(Ttemp-Ttha)의 값과 평균시간(Time)의 값을 비교하여, 해당 가감 연산된 결과(Ttemp-Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 큰지를 확인한다(S115).If the boundary division time Ttemp is larger than the average time Time in the step S114 described above, the signal processing unit 230 outputs the value of the hysteresis time Ttha preliminarily set to the value of the boundary division time Ttemp, (Ttemp-Ttha) and the average time (Time), and determines whether the value of the added / subtracted result (Ttemp-Ttha) is greater than the value of the average time (Time) (S115).

상술한 단계 S115에서 가감 연산된 결과(Ttemp-Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 큰 경우, 신호 처리부(230)는, 가감 연산된 결과(Ttemp-Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 큰 경우에 해당하는 제1 주파수(FreqA)(기 설정해 둔 주파수)를 가진 초음파를 송신중인지를 확인한다(S116). 이때, 가감 연산된 결과(Ttemp-Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 크지 않은 경우에는, 신호 처리부(230)는 상술한 단계 S111로 복귀하도록 한다.If the value of the result of addition and subtraction (Ttemp-Ttha) in the above-described step S115 is larger than the value of the average time (Time), the signal processing unit 230 determines whether the value of the added- (S116) whether the ultrasonic wave having the first frequency FreqA (frequency previously set) is being transmitted. At this time, when the value of the added / subtracted result (Ttemp-Ttha) is not larger than the value of the average time (Time), the signal processing unit 230 returns to the step S111.

상술한 단계 S116에서 제1 주파수(FreqA)를 가진 초음파를 송신중이 아닌 경우에, 신호 처리부(230)는, 현재의 송신 주파수를 제1 주파수(FreqA)로 변경시켜 제1 주파수(FreqA)를 가진 초음파를 송신하도록 해 준다(S117). 이때, 상술한 단계 S116에서 제1 주파수(FreqA)를 가진 초음파를 송신중인 경우에는, 신호 처리부(230)는 상술한 단계 S111로 복귀하도록 한다.If the ultrasonic wave having the first frequency FreqA is not being transmitted in step S116 as described above, the signal processing unit 230 changes the current transmission frequency to the first frequency FreqA and outputs the first frequency FreqA (Step S117). At this time, when the ultrasonic wave having the first frequency (FreqA) is being transmitted in the above-described step S116, the signal processing unit 230 returns to the above-described step S111.

한편, 상술한 단계 S114에서 경계 구분 시간(Ttemp)이 평균시간(Time)보다 크지 않은 경우, 신호 처리부(230)는, 경계 구분 시간(Ttemp)의 값에 기 설정해 둔 히스테리시스 시간(Ttha)의 값을 합산한 후에, 해당 합산된 결과(Ttemp+Ttha)의 값과 평균시간(Time)의 값을 비교하여, 해당 합산된 결과(Ttemp+Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 작은지를 확인한다(S118).On the other hand, if the boundary dividing time Ttemp is not greater than the average time in the above-described step S114, the signal processing unit 230 sets the value of the hysteresis time Ttha previously set to the value of the boundary dividing time Ttemp (Ttemp + Ttha) is compared with the average time (Time) to determine whether the value of the summed result (Ttemp + Ttha) is smaller than the value of the average time (Time) (S118).

상술한 단계 S118에서 합산된 결과(Ttemp+Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 작은 경우, 신호 처리부(230)는, 합산된 결과(Ttemp+Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 작은 경우에 해당하는 제2 주파수(FreqB)(기 설정해 둔 주파수)를 가진 초음파를 송신중인지를 확인한다(S119). 이때, 상술한 단계 S118에서 합산된 결과(Ttemp+Ttha)의 값이 평균시간(Time)의 값보다 크지 않은 경우에는, 신호 처리부(230)는 상술한 단계 S111로 복귀하도록 한다.If the value of the summed result (Ttemp + Ttha) in step S118 is smaller than the value of the average time (Time), the signal processor 230 determines whether the value of the summed result (Ttemp + Ttha) It is confirmed whether the ultrasonic wave having the second frequency FreqB (preset frequency) is being transmitted (S119). At this time, if the value of the summed result (Ttemp + Ttha) in the above-described step S118 is not larger than the value of the average time (Time), the signal processing unit 230 returns to the above-described step S111.

상술한 단계 S119에서 제2 주파수(FreqB)를 가진 초음파를 송신중이 아닌 경우에, 신호 처리부(230)는, 현재의 송신 주파수를 제2 주파수(FreqB)로 변경시켜 제2 주파수(FreqB)를 가진 초음파를 송신하도록 해 준다(S220). 이때, 상술한 단계 S119에서 제2 주파수(FreqB)를 가진 초음파를 송신중인 경우에는, 신호 처리부(230)는 상술한 단계 S111로 복귀하도록 한다.If the ultrasonic wave having the second frequency FreqB is not being transmitted in step S119 as described above, the signal processing unit 230 changes the current transmission frequency to the second frequency FreqB and outputs the second frequency FreqB (S220). At this time, when the ultrasonic wave having the second frequency FreqB is being transmitted in the above-described step S119, the signal processing unit 230 returns to the above-described step S111.

상술한 바와 같은 동작을 수행하는 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치(200)는, 현재 측정된 값(Time)이 경계 구분 시간(Ttemp)과 히스테리시스 시간(Ttha)을 더한 값보다 큰 값일 때에 제2 주파수(FreqB)로 송신 주파수를 변경하고, 반대로 현재 측정된 값(Time)이 경계 구분 시간(Ttemp)과 히스테리시스 시간(Ttha)을 뺀 값보다 작은 값일 때에 제1 주파수(FreqA)로 송신 주파수를 변경해 줌으로써, 도 11에 도시된 바와 같은 초음파 트랜듀스부(260)의 온도 변화에 의한 파형 특성(610)을 향상시킬 수 있다.When the currently measured value (Time) is greater than the value obtained by adding the boundary dividing time (Ttemp) and the hysteresis time (Ttha), the precision wind direction wind speed observing apparatus (200) using the ultrasonic sensor performing the above- (FreqA) when the current measured value (Time) is smaller than the value obtained by subtracting the boundary dividing time (Ttemp) and the hysteresis time (Ttha) from the first frequency (FreqB) It is possible to improve the waveform characteristics 610 due to the temperature change of the ultrasonic transducer unit 260 as shown in Fig.

이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.The embodiments of the present invention are not limited to the above-described apparatuses and / or methods, but may be implemented by a program for realizing functions corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium on which the program is recorded, And such an embodiment can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the embodiments described above.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

200: 초음파 센서를 이용한 정밀 풍향풍속 관측 장치
210: 전원 공급부
111: 전원 공급 선로
112: 과전류 보호 회로
113: 노이즈필터
114: 과전압 보호 회로
115: 전압안정화회로
116: 회로 전원 선로
220: 외부 입출력부
230: 신호 처리부
240: 초음파 송신부
250: 초음파 수신부
260: 초음파 트랜듀스부
270: 히터부
280: 온도 센서부
290: 히터 제어부
310: 주제어부
320: 전류 검출부
330: 히터 단선 검출부
340: 온도센서 단선 검출부200: Precision wind direction wind speed observation device using ultrasonic sensor
210: Power supply
111: Power supply line
112: Overcurrent protection circuit
113: Noise filter
114: Overvoltage protection circuit
115: Voltage stabilization circuit
116: Circuit power line
220: External input / output unit
230: Signal processor
240: Ultrasonic transmitter
250: Ultrasonic receiver
260: ultrasonic transducer
270:
280: Temperature sensor unit
290:
310:
320:
330: heater disconnection detecting unit
340: Temperature sensor disconnection detecting section

Claims

A power supply unit for supplying necessary power to the inside;
A plurality of ultrasonic transducer parts having ultrasonic sensors fixed to each other in pairs;
A signal processing unit having an input / output module, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module, and calculating an anomaly direction wind speed using an ultrasonic transmission / reception time of the ultrasonic transducer;
An external input / output unit for inputting / outputting data between the external device and the signal processing unit;
An ultrasonic transmission unit for generating ultrasonic waves through the ultrasonic transducer unit according to a control of the signal processing unit and transmitting ultrasonic waves to a designated channel; And
And an ultrasonic receiver for receiving ultrasonic waves from the designated channel through the ultrasonic transducer and informing the signal processor of the ultrasonic waves;
The signal processing unit obtains the reciprocal of the forward reception time by checking the forward reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction and obtains the reciprocal of the reverse reception time by checking the reverse reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the direction opposite to the wind And calculating a difference value by subtracting the inverse number of the inverse reception time from the inverse number of the inverse reception time, and multiplying the difference between the distance between the ultrasonic wave transmission units by the difference to calculate a wind speed. Precise Wind Direction Wind Speed Observation System.

The signal processing apparatus according to claim 1,
Wherein the difference between the ultrasonic transmission and reception time of the ultrasonic transducer unit is measured on two axes and the wind direction and the wind speed are measured through vector calculation.

The signal processing apparatus according to claim 2,
Counts the time from the transmission time to the reception in the X-axis direction and counts the transmission / reception time in the opposite direction, calculates the X-axis direction air velocity using the difference of the two counted times, Counts the time from the transmission to the reception and counts the transmission / reception time in the opposite direction, calculates the Y-axis direction wind speed using the difference of the two counted times, Wherein the wind direction and the wind speed are measured by vector calculation for the Y-axis direction wind speed.

The signal processing apparatus according to claim 3,
The X-axis direction wind velocity is calculated with respect to the X-axis direction, the Y-axis direction wind velocity is calculated with respect to the Y-axis direction, and then the arc tangent value with respect to the value obtained by dividing the X- Axis direction wind velocity and a square value of the Y-axis direction wind speed and calculating a root value of a sum of the square value of the X-axis direction wind speed and the square value of the Y-axis direction wind speed to obtain a wind speed.

The signal processing apparatus according to claim 3,
And the degree of wind speed is measured using an entire length of the waveform over a predetermined level through an oscilloscope.

Supplying a power source required by the power supply unit;
Generating ultrasonic waves through ultrasound transducer units in which ultrasonic transmitters are installed in pairs and opposite to each other under the control of a signal processing unit and transmitting ultrasonic waves through a designated channel;
Receiving ultrasonic waves from the designated channel through the ultrasonic transducer and informing the signal processor of the received ultrasound; And
Calculating the wind direction wind speed by using the ultrasonic transmission / reception time of the ultrasonic transducer unit, wherein the signal processing unit includes an input / output module, an operation and correction module, a pulse generation (channel designation) module, and a reception delay time measurement module;
The step of calculating the wind direction velocity may include calculating a forward reception time reciprocal by checking the forward reception time of the ultrasonic waves transmitted and received in the same direction as the wind direction and checking the reverse reception time of the ultrasonic waves transmitting and receiving in the direction opposite to the wind, Calculating a difference by subtracting the inverse number of the inverse reception time from the inverse number of the inverse reception time and calculating a wind speed by multiplying a difference between the distance between the ultrasonic wave transmission units by the difference, A method of operating a precision wind direction wind speed observation system using an ultrasonic sensor.