KR20170139283A - 액체저장탱크 수위계측 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체저장탱크의 변동하는 수위를 계측하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체저장탱크의 상부에 설치되는 다수의 봉상 기둥 집합체와 액체저장탱크 내부 상태를 모니터링 할 수 있는 영상촬영 장치로 구성되는 수위계측 장치로 지진 시 유동하는 액체의 특정위치에서의 수위변화 및 유체의 3차원 동적거동을 분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 액체저장탱크 내부의 수위변화를 계측함에 있어서, 상기 액체저장탱크 상부에 거치가 가능하도록 충분한 강성을 갖고 있는 구조물을 설치하고 적정 높이로 지지되는 다수의 봉상 기둥 집합체와 초당 30 Hz 이상의 프레임을 확보할 수 있는 동영상카메라를 이용하여 수위를 계측하는 장치를 구성한다. 또한, 3개 이상의 3차원 평면상의 위치 정보를 바탕으로 기준점이 설치된 위치에서의 수위계측은 물론, 기준점이 설치되지 않은 불특정 다수의 위치에서도 3차원의 수위를 계측할 수 있는 특징이 있다.

Description

액체저장탱크 수위계측 장치 및 방법{The method and measuring instrumentation of water level for liquid storage tank}

본 발명은 액체저장탱크의 변동하는 수위를 계측하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체저장탱크의 상부에 설치되는 다수의 봉상 기둥 집합체와 액체저장탱크 내부 상태를 모니터링 할 수 있는 영상촬영 장치로 구성되는 수위계측 장치로 지진 시 유동하는 액체의 특정위치에서의 수위변화 및 유체의 3차원 동적거동을 분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.

액체저장탱크는 각 종 용수저장, LNG와 같은 연료 그리고 화학물질 저장 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 액체저장탱크는 지진과 같은 동적하중이 작용하는 경우 유체의 운동에 따른 슬러싱 현상이 발생하게 되고 유체 내부의 유동에 의한 동압이 벽면에 작용하게 되어 액체저장탱크의 안전성에 영향을 미치게 된다. 그러므로 지진 시 액체저장탱크 내부 유체의 거동, 특히 수위의 변화를 관찰하는 것은 관련 연구에서 매우 중요하다.

일반적으로 액체저장탱크의 수위계측은 탱크 내부 벽면 등에 수위를 알 수 있는 표시를 하여 수동적으로 계측하는 방법과 유체의 저장용량을 확인하거나 적정 보관 수량을 조절하기 위한 자동화 장치 등에 부유식 및 수압식, 접촉식, 초음파 센서를 이용한 방법이 사용되고 있다. 또한, 지진과 같은 동적하중이 작용하는 경우에 안전성을 확인하기 위한 용도로 LNG 저장시설 및 원자력발전소 등에서 접촉식의 정밀 수위계측방법이 적용되고 있다.

최근, 영상처리에 의한 변위계측방법 개발이 활발하게 진행됨에 따라 수위계측에서도 이러한 영상처리기법을 적용한 방법이 제안되고 있다. 이러한 방법은 액체저장탱크의 벽체 및 내부 격벽 등에 기준 위치를 설정하고 촬영한 영상을 적절한 방법에 의해 처리하는 방법을 통하여 수위계측을 가능하게 하는 방법이다.

그러나 이와 같은 수위계측 장치는 측정의 기준이 되는 지점의 정보가 제한적이기 때문에 넓은 면적을 갖는 액체저장탱크의 수위를 전체적으로 계측하는 것이 어려울 뿐 만 아니라, 기준점이 설치되지 않은 부분, 예컨대 액체저장탱크의 중앙부분 등과 같은 곳의 위치에서 수위를 정확하게 계측할 수 없는 문제점이 발생하게 되며, 이러한 점은 지진 시 액체저장탱크의 동적 거동을 평가하기 위한 동적모드형상 등을 정확하게 분석하기 어렵게 한다.

[문헌1] 10-2006-0060645 (제아정보통신) 2006.06.30. [문헌2] 10-2010-0073339 (숭실대학교산학협력단) 2010.07.29

[문헌3] Franco Lin, et al. Application of Image Recognition for Real-Time Water Level and Surface Velocity, IEEE, 2013

액체저장탱크 내부의 수위를 계측하는 종례의 방법은 [문헌1]에서 사용된 것과 같이 미리 측정된 기준정보를 바탕으로 고정 설치된 카메라에서 촬영된 영상 데이터에서 화면상의 수면 높이 산출하는 방식이 가장 일반적인 방법으로 [문헌2]와 같이 기준 측점에서 변위 기초자료를 제공하여 상대적인 수위변화를 계측하여 정밀도를 향상시키고 있다. 그러나 수위가 계측되는 지점이 기준점이 설치된 위치로 제한되며, 기준점을 설치하지 않고 계측하는 경우에는 계측 위치가 명확하지 않은 단점이 있다.

본 발명은 액체저장탱크 상부에 거치가 가능하도록 충분한 강성을 갖고 있는 구조물에 적정 높이로 지지되는 다수의 봉상 기둥 집합체와 초당 30 Hz 이상의 프레임을 확보할 수 있는 동영상카메라를 이용하여 수위를 계측하는 장치로 3개 이상의 3차원 평면상의 위치 정보를 바탕으로 기준점이 설치된 위치에서의 수위계측은 물론, 기준점이 설치되지 않은 위치에서도 가상의 평면정보를 이용하여 수위를 계측할 수 있는 방법이다.

본 발명은 액체저장탱크 내에 수위계측 장치를 설치함에 있어서, 상기 액체저장탱크 내의 계측 위치에 해당하는 지점 상부에 자체 중량에 대해 처짐을 발생시키지 않도록 충분한 강성의 프레임을 갖는 지지대를 설치하는 단계, 상기 지지대에서 수위계측이 요구되는 지점까지의 길이를 갖는 계측봉을 설치하는 단계, 적정한 속도로 계측이 가능한 동영상 촬영장치를 설치하는 단계를 포함한다. 또한, 상기와 같은 장치를 이용하여 수위를 계측함에 있어서, 상기 계측봉 중 불특정 위치의 3개 이상 계측봉에 변위 기준을 설정하는 단계와 상기 기준으로부터 액체저장탱크 내부 3차원 좌표계를 설정하는 단계, 수위 변화에 따른 상기 계측봉에서의 상대적인 수위변화로부터 계측봉 설치위치의 수위변화를 계측하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 액체저장탱크 상부에 설치되는 지지대를 이용하여 다수의 계측봉을 설치하고 동영상을 촬영하여 수위를 계측하는 방법으로 3점 이상의 제한된 기준점만으로도 전체 액체저장탱크 내의 3차원 수위변화 계측이 가능하다. 이러한 점은 기존의 기준점이 없는 위치에서의 수위계측이 갖는 불확실성과 정밀성 저하를 방지하고 정확한 3차원 수위계측이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 상시 상태의 액체저장탱크 및 수위계측 장치가 설치된 측면도.
도 2는 본 발명의 지진 시의 액체저장탱크 및 수위계측 장치가 설치된 측면도.
도 3은 액체저장탱크 내 계측봉 설치 평면도.
도 4는 본 발명의 실시 예.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 수위계측 장치가 설치된 액체저장탱크(1)의 상시 측면도로서, 상기 액체저장탱크 내에 일정 수위(2)의 액체가 보관 중인 것을 가정한 것이다. 수위계측이 요구되는 지점에 계측봉(4)을 액체저장탱크 상부에 설치된 지지대(3)에 부착하고 계측봉을 포함한 액체저장탱크 내부가 촬영될 수 있도록 영상촬영장비(6)를 설치한다.

도 2는 지진과 같은 동적하중 작용 시에 본 발명의 장치가 적용된 액체저장탱크를 도시하고 있다. 지진이 발생하는 경우 액체저장탱크 내부의 유체가 유동하게 되고 상하로 수위(5) 변화가 발생하게 된다.

도 3은 계측봉을 설치한 평면도 예시로서 이때에 계측봉의 설치 위치가 증가할수록 보다 정확한 수면 형상을 계측할 수 있다. 상기 계측봉 중 적어도 3개 이상에는 영상의 움직임과 실제 변위와의 관계를 규정할 수 있는 기준이 표시되어 있는 기준 계측봉이 설치되거나 또는 액체저장탱크 벽면에 변위 기준이 표시되어야 한다. 액체저장탱크 벽면에 변위 기준이 설정되는 경우에도 최소한 3개소 이상에는 변위 기준이 설정되어야 한다.

상기 수위계측 장치가 설치된 상태에서 영상촬영 장치에 의해 촬영된 영상을 활용하여 각 계측봉 위치에서의 수위변화를 산정하는 과정은 다음과 같다.

도 1에서와 같이 상시 상태의 액체저장탱크를 영상촬영 장치를 이용하여 촬영하고 상기 기준 계측봉 또는 액체저장탱크 벽면에 변위 기준으로부터 액체저장탱크 내부의 3차원 기준 좌표계와 영상의 움직임 및 실제 변위와의 관계를 설정한다.

실제 지진과 같은 동적하중이 작용하여 도 2에서와 같이 수위변화가 발생하게 되면 영상촬영 장치에 의해 수위변화 영상이 적정 속도로 촬영되게 되며, 이때, 상기 영상에서 계측봉이 설치된 위치의 수위 변화 또한 촬영된다. 이러한 수위변화 영상은 3차원 기준 좌표계 및 영상의 움직임 및 실제 변위와의 관계로부터 실제 변동한 수위를 산정할 수 있게 한다.

여기서, 각 수위계측의 평면의 정보는 도 3의 계측봉이 설치된 위치를 참조하면 되므로 수위계측 지점을 정확하게 측정, 계산할 수 있다. 그러므로 수위계측이 요구되는 평면상의 위치와 각 위치에서의 수위변화의 3차원 형상을 얻을 수 있게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 액체저장탱크(1) 내부의 수위를 계측함에 있어서,
   액체저장탱크(1)의 상부에 다수의 원형봉상의 계측봉(4)을 설치할 수 있는 상부 지지대(3)와 수위변화를 모니터링하기 위한 영상촬영장치(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수위계측 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 계측봉(4)은
   촬영되는 영상과 실제 발생변위와의 관계를 규정할 수 있도록 전체 계측봉(4) 중 3개 이상에 기준 변위가 표시됨을 특징으로 하는 수위계측 장치.
   
3. 액체저장탱크(1) 내부의 수위를 계측하는 방법에 있어서,
   제 2항의 기준 변위가 표시된 3개 이상의 계측봉(4)으로부터 액체저장탱크(1) 내부의 3차원 좌표계를 설정하는 단계와;
   상기 설치된 계측봉(4)의 평면 좌표를 산정하는 단계;
   상기 촬영된 영상의 움직임과 실제 변위와의 관계를 설정하는 단계;
   상기 촬영된 영상 수위를 실제 수위로 변환하는 단계를 포함하는 액체저장탱크(1) 내부 3차원 수위변화 계측 방법.

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