KR20180135821A - 신뢰성이 향상된 음파수위측정장치 및 이를 이용한 음파수위측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수면에 일부가 잠기도록 설치되며 중공의 형상을 가지는 도파관; 상기 도파관에 설치되어, 음파를 발신하는 음파발신기; 상기 도파관의 내부에 상기 음파발신기로부터 이격되어 배치되며, 음파발신기에서 발생된 음파를 수산하는 음파수신기; 및 상기 도파관으로 공기를 주입함으로써 상기 도파관 내에서 음파가 전달되는 매질을 균일하게 제어하고 이물질을 제거하는 매질컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치에 관한 것이다.

Description

신뢰성이 향상된 음파수위측정장치 및 이를 이용한 음파수위측정방법{WATER LEVEL MEASURING DEVICE WITH IMPROVE RELIABILTY AND METHOD FOR MEASURING WATER LEVEL USING THE SAME}
본 발명은 음파수위측정장치 및 이를 이용한 음파수위측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수면을 향하여 음파를 발신하고 이 음파가 수면을 돌아오는데 소요되는 시간을 이용하여 수위를 측정하는 음파수위측정장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 것이다.
각종 용수를 저수하는 댐이나 저수지에서는 용수의 이용 및 관리를 위해 저수되어 있는 용수의 수위를 측정할 필요가 있다.
댐이나 저수지의 수위를 측정하는 방법은 수위를 측정하고자 하는 수면에 음파발신기 및 음파수신기가 설치된 도파관을 설치하여 수행한다. 즉, 음파발신기에서 수면을 향해 발신한 음파가 도파관을 통해 수면에 반사된 후 음파수신기에 수신되는 시간과 음파의 속력을 통해 수위를 측정하게 된다. 이때, 음파의 속력은 복수의 음파수신기를 이용하여 측정하거나, 등록특허 제10-0927449호와 같이 특유의 신호처리 방법을 통해 계산될 수 있다.
수위를 정확하게 측정하기 위해서는 음속을 정확하게 측정해야 한다. 하지만 음속은 언제나 일정하지 않다. 즉, 음속은 온도, 습도, 매질, 압력변화 등의 사용환경에 따라 달라지게 된다.
특히, 도파관은 수위 변화를 감지하기 위해 충분한 길이로 형성되는 바 음파가 진행되는 내부의 상태가 위치에 따라, 그리고 측정하는 시점에 따라 도파관 내부의 상태가 일정하지 않다.
결국 이러한 도파관 내의 불균일한 상태는 수위측정의 신뢰성을 감소시키는 원인이 된다.
본 발명은 상술한 종래의 수위측정방식의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 수위 측정이 수행될 때도파관 내부의 상태를 일정하게 유지시킴으로써 수위 측정결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 음파수위측정장치 및 이를 이용한 음파수위측정방법을 제공하고자 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정장치는 수면에 일부가 잠기도록 설치되며 중공의 형상을 가지는 도파관; 상기 도파관에 설치되어, 음파를 발신하는 음파발신기; 상기 도파관의 내부에 상기 음파발신기로부터 이격되어 배치되며, 음파발신기에서 발생된 음파를 수신하는 음파수신기; 및 상기 도파관으로 공기를 주입함으로써 상기 도파관 내에서 음파가 전달되는 매질을 균일하게 제어하고 이물질을 제거하는 매질컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 예에 있어서, 상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 상부 또는 하부에 연결되는 것을 특징으로 하거나, 상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 양단부에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 일 예에 있어서, 상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비할 수 있다. 이때, 상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되는 것을 특징으로 하거나 상기 매질컨트롤러는 상기 음속측정관부의 하부 및 상기 수위측정관부의 하부에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따른 음파수위측정방법은, 수면에 일부가 잠기도록 설치되며 중공의 형상을 가지는 도파관, 상기 도파관에 설치되어, 음파를 발신하는 음파발신기, 상기 도파관의 내부에 상기 음파발신기로부터 이격되어 배치되며, 음파발신기에서 발생된 음파를 수신하는 음파수신기 및 상기 도파관으로 공기를 주입함으로써 상기 도파관 내에서 음파가 전달되는 매질을 균일하게 제어하고 이물질을 제거하는 매질컨트롤러를 포함하는 음파수위측정장치를 마련하는 준비 단계; 상기 매질컨트롤러를 작동시켜 상기 도파관 내로 공기를 주입하여 상기 도파관 내의 매질을 균일하게 조정하는 매질조정 단계; 및 상기 음파발신기에서 음파를 발생시키고 상기 음파수신기에서 수신되는 신호를 분석하여 수위를 측정하는 수위측정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 예에 있어서, 상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 상부 또는 하부에 연결되고, 상기 매질조정 단계는 상기 도파관의 상부 또는 하부로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또는, 상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 양 단부에 각각 연결되고, 상기 매질조정 단계는 상기 도파관의 양 단부에 교대로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비하고, 상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되며, 상기 매질조정 단계는 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비하고, 상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되며, 상기 매질조정 단계는 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 및 상기 음속측정관부의 하부로 공기를 교대로 주입하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하고, 상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 수위측정단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 수위측정결과를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또는, 상기 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하고, 상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 매질조절단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 상기 매질컨트롤러에서 주입 압력 또는 주입 시간을 조절하여 주입량을 조절하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정장치는 공기주입장치를 구비하여 수위 측정이 수행되기 전에 도파관 내로 공기를 주입하여, 도파관 내의 매질을 균일하게 함으로써 음파수위측정장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정장치를 이용한 음파수위측정방법은 음파발신기가 수위 측정에 필요한 음파를 발생하기 전에 공기측정기를 작동시켜 도파관 내의 매질을 균일하게 조정한 후 측정을 수행함으로써 음파수위측정방법의 신뢰성이 향상된다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라고 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1 내지 3은 각각 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 따른 음파수위측정장치의 구성을 설명하기 위한 개략적 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 음파수위측정방법의 흐름도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
아래에서 설명할 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정장치는 도파관, 음파발신기, 음파수신기, 매질컨트롤러와 이들을 제어하는 제어부로 구성된다. 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정장치는 음파발신기에서 발신된 음파가 음파수신기를 지나 수면에서 반사되어 음파수신기에 다시 도달하는 시간과 음파의 속력을 이용하여 수위를 실시간으로 측정하게 된다. 이때, 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정장치는 매질컨트롤러를 이용하여 도파관 내부의 매질의 상태를 균일하게 조정할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정장치를 이용하면 주위 환경의 상태와 무관하게 음파수위측정장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 신뢰성이 향상된 본 발명의 다양한 형태의 음파수위측정장치에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)의 개략적 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)는 도파관(10), 음파발신기(20). 복수의 음파수신기(31, 32, 33, 34)와 제어부(50)를 포함한다. 또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)는 매질컨트롤러(40)를 더 포함한다.
도파관(10)은 내부에 음파가 전달될 수 있는 공간을 가지는 중공의 형상으로 일방향으로 길게 형성된다. 도파관(10)은 일단이 개방되어, 개방된 방향이 수면(H)에 일부가 잠기도록 설치된다. 수면(H)이 상승 또는 하강하면, 도파관(10) 내의 수위도 주변의 수면(H)에 따라 상승 또는 하강하게 된다. 따라서 도파관(10) 내의 수위를 측정함으로써 음파수위측정장치가 설치된 위치의 수위를 측정할 수 있다. 도파관(10)은 음파를 잘 반사시킬 수 있는 소재를 이용하여 형성된다. 또한, 도파관(10)은 상시 물에 인접해 있는바 물과 반응하여 부식하여 변질되지 않는 소재를 이용할 수 있다.
음파발신기(20)는 도파관(10)의 상부, 예를 들어 상단부에 설치될 수 있다. 도파관(10)이 관과 덮개로 구성되는 경우에 음파발신기(20)는 덮개에 설치되는 것도 가능하다. 음파발신기(20)는 제어부(50)로부터 신호를 받아 동작함으로써 음파를 발생하는 역할을 수행한다. 음파발신기(20)는 음파펄스발생기 등 다양한 종류의 발신기가 이용될 수 있다. 또한, 음파수위측정장치(101)가 다습한 환경에 설치될 수 밖에 없는 바, 음파발신기(20)는 습기나 수분에 대한 방책을 구비한 것을 이용함이 바람직하다.
음파수신기(31, 32, 33, 34)는 음파발신기(20)로부터 소정 거리 이격되어 설치되며, 각각의 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 서로 소정 거리(l) 이격되어 설치된다. 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 제어부(50)와 연결되어, 음파발신기(20) 발신한 음파를 수신할 경우에 제어부(50)로 신호를 송출한다. 한편, 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 도파관(10) 내에서 전달되는 중 교란되지 않도록 도파관(10)에 매립되는 형태로 설치될 수 있다. 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 마이크로폰 등 다양한 방식의 수신기가 사용될 수 있다. 또한, 음파수위측정장치(101)가 다습한 환경에 설치될 수 밖에 없는 바, 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 습기나 수분에 대한 방책을 구비한 것을 이용함이 바람직하다.
매질컨트롤러(40)에 대해 설명하기 전에 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)를 이용하여 수위를 측정하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 제어부(50)에서 측정 개시 신호를 전송하면, 음파발신기(20)에서 음파(P)를 발신한다. 이 음파(P)는 도파관(10) 따라 아래로 진행하고, 도파관(10)에 설치된 복수의 음파수신기(31, 32, 33, 34)가 이 음파(P)를 수신한다. 음파(P)는 음파수신기(31, 32, 33, 34)를 지나 수면(H)에서 반사되어 도파관(10) 따라 위로 진행하게 되며, 도파관(10)에 설치된 각각의 음파수신기(31, 32, 33, 34)는 이 음파(P)를 다시 수신한다.
서로 일정거리(l)만큼 이격된 인접한 음파수신기에서 음파(P)를 수신한 시간의 차이를 이용하여 도파관(10) 내를 진행하는 음파(P)의 속력을 측정한다. 그리고 수면(H)에서 가장 가까운 지점에 설치된 음파수신기(34)를 통과한 시점부터 이 음파(P)가 수면(H)에 반사된 후 다시 이 음파수신기(34)를 통과할 때까지 소요되는 시간과 앞에서 구한 음파의 속력을 이용하여 수위를 측정한다.
이때, 도파관의 내부의 매질의 상태, 예를 들어 공기의 상태가 일정하지 않은 경우에 수위 측정결과의 신뢰성이 낮아진다. 즉, 음파의 속력은 온도, 습도, 압력 등의 매질의 상태에 영향을 받기 때문에, 도파관 내부의 매질의 위치에 따른 불균일성으로 인해 일부 구간을 대상으로 측정한 음파의 속력과 수위측정이 수행된 구간의 음파의 속력이 달라져서 수위 측정의 신뢰성이 감소된다. 특히, 도파관 내부에 부착되거나 부유하는 이물질은 음파를 교란시켜 측정 신뢰성을 더욱 감소시킨다.
이에 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)는 매질컨트롤러(40)를 이용하여 도파관(10) 내부의 매질의 상태를 일정하게 하고, 이물질을 제거하여 음파수위측정장치(101)의 신뢰성을 향상시킨다. 예를들어, 매질컨트롤러(40)는 공기주입기나 공기흡입기 일 수 있으며, 매질의 순환을 유도하는 역할을 수행하는 장치를 이용할 수 있다.
매질컨트롤러(40)는 도파관(10)과 연결관(42a, 24b)을 통해 연결되며, 연결관(42a, 42b)에는 밸브(41a, 41b)가 설치된다. 매질컨트롤러(40)와 밸브(41a, 41b)는 제어부(50)에 의해 제어될 수 있다.
연결관(42a, 42b)은 매질의 순환이 보다 더 효율적으로 이루어질 수 있는 위치에서 도파관(10)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 매질컨트롤러(40)는 선택적으로 제1연결관(41a)을 통해 도파관(10)의 상부와 연결되거나, 제2연결관(42b)을 통해 도파관(10)의 하부와 연결될 수 있다. 이와 달리, 매질컨트롤러(40)는 제1연결관(41a)을 통해 도파관(10)의 상부에 연결되고, 동시에 제2연결관(42b)을 통해 도파관(10)의 하부와 연결될 수 있다. 후자의 경우, 매질컨트롤러(40)를 제어하여 도파관(10)의 상하부에 교대로 공기를 주입하거나, 하나의 연결관은 주입관으로 기능하고, 다른 하나의 연결관은 흡입관으로 기능하게 함으로써 매질을 순환시키는 것도 가능하다.
본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)는 매질컨트롤러(40)를 이용하여 순간적으로 고압의 공기를 주입 또는 흡입하여 도파관 내부의 매질의 상태를 일정하게 하거나, 매질 내의 이물질을 제거한다. 이에 따라, 도파관(10)의 위치와 무관하게 음파가 진행되는 환경이 일정해짐으로써 일부 구간에서 음파의 속력을 측정하고, 그 결과를 다른 구간의 음파의 속력으로 적용하더라도 오차가 감소한다. 결론적으로 본 발명의 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)는 매질컨트롤러(40)를 통해 수위 측정결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(102)의 개략적 모식도이다. 앞에서 살펴본 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(102)는 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(101)와 달리 하나의 음파수신기(30)만으로 수위측정이 가능하다.
먼저, 제어부(50)에서 측정 개시 신호를 전송하면, 음파발신기(20)에서 음파(P0)를 발신한다. 이 음파는 도파관(10) 따라 아래로 진행한다. 음파수신기(30)를 지난 음파는 계속 진행하다 수면(H)에서 반사되어 다시 음파수신기(30)로 되돌아 오는 경로인 P2를 따라 진행한다. 음파수신기(30)를 다시 한번 지난 음파는 도파관(10)의 상부 방향으로 진행하여 도파관(10) 상부 벽면에서 반사되어 다시 도파관(10)의 하부 방향으로 진행하여 음파수신기(30)를 한번 더 지나게 돠며, 이 경로를 P1이라 한다.
앞서 말했던 바와 같이, 수위를 측정하기 위해서는 특정 음파수신기(30)로부터 수면까지 음파가 도달한 후에 되돌아오는 시간과 음파의 속력을 측정하여야 한다. 본 발명의 제2실시예에 다른 음파수위측정장치(102)는 음파가 경로 P1을 지나는 시간을 측정하여 음파의 속력을 측정한다. 그 다음 음파가 경로 P2를 지나는 시간과 앞에서 측정한 음파의 속력을 서로 곱하여 음파수신기(30)로부터 수면(H)까지의 거리(h)를 측정함으로써 수위를 측정할 수 있다.
제2실시예에 따른 음파수위측정장치(102)에서도 음파의 속력을 측정하는 구간(P1)과 음파수신기(30)로부터 수면(H)까지 음파가 왕복하는 시간을 측정하는 구간(P2)이 서로 상이하므로, 도파관(10) 내의 매질의 상태가 불균일한 경우에는 수위측정에 오차가 발생한다.
이에 본 발명의 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(102)는 매질컨트롤러(40)를 이용하여 도파관(10) 내부의 매질의 상태를 일정하게 하고, 이물질을 제거하여 음파수위측정장치(102)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, 매질컨트롤러(40)를 이용하여 경로 P1과 경로 P2의 매질(공기)의 상태를 균일하게 조정하고, 이물질을 제거함으로써 음파수위측정장치(102)의 수위 측정 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 음파수위측정장치(103)의 개략적 모식도이다. 제3실시예에 따른 음파수위측정장치(103)는 앞에서 살펴본 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(102)의 변형예에 해당하므로, 제2실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
제3 실시예에 따른 음파수위측정장치(103)는 제2실시예와 달리 수위측정관부(11), 음속측정관부(12) 및 연결관부(13)로 이루어진다.
수위측정관부(11)는 중공의 형상으로 상하방향으로 길게 형성되며, 그 하단, 즉 도파관(10)의 하단은 수면(H)쪽 으로 개방되어 있다. 음파발신기(20)에서 발신된 음파는 수위측정관부(11)를 통해 수면(H)까지 전달된다.
음속측정관부(12)는 수위측정관부(11)와 나란하게 배치되며 중공의 형상으로 이루어져 있으며 그 하단, 즉 도파관(10)의 상단은 폐쇄되어 있다.
연결관부(13)는 음속측정관부(12)와 수위측정관부(11)를 상호 연결시킨다. 즉, 연결관부(13)의 일단은 수위측정관부(11)의 상단과 연결되며 타단은 음속측정관부(12)의 상단과 연결된다. 연결관부(13)의 양단과 수위측정관부(11) 및 음속측정관부(12)가 연결되는 지점의 곡률반경은 도파관(10) 직경의 2배 이상이 되는 것이 바람직하다. 이는 도파관(10) 내를 진행하는 음파가 정현파를 유지하면서 전파될 수 있도록 하기 위함이다.
음파수신기(30)는 연결관부(13)의 중간 지점에 설치된다. 또한, 반사체(15)는 음속측정관부(12)의 하단에 설치 된다. 반사체(15)는 음파를 반사시키기 위한 것으로서, 음파가 반사면에서 반사될 때 산란되지 않도록 반사되는 면이 평편하게 구성된다. 반사체(15)는 습기 등에 의하여 부식되지 않으며 음파를 잘 반사할 수 있는 물질로 구성된다.
한편 앞에서 설명한 바와 같이, 수위를 측정할 때는 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 음파수신기(30)를 지난 시점부터 이 음파가 수면에서 반사되어 다시 음파수신기(30)를 지난 시점 사이의 시간, 즉 제2경로(P4)를 통과 하는데 소요되는 시간에 그 구간의 음파의 속도를 곱하여 산출된다. 따라서, 수위를 정확하게 측정하기 위해서는 음파가 음파수신기(30)를 지나는 시점과 그 구간에서의 음파의 속도를 정확히 알아야 한다. 여기서, 음파의 수신시간은 음파수신기(30)에 의하여 정확히 측정될 수 있지만, 음파의 속도를 정확하게 측정하는 것은 쉽지 않다. 즉, 음파의 속도가 매질(공기)의 상태에 따라서 달라지는데, 도파관(10) 내의 매질의 상태는 일정하지 않으며 도파관(10) 높이방향을 따라 상이해지기 때문이다.
먼저 제3실시예에서 음파수신기(30)와 수면(H) 사이 구간에서의 음파의 속도를 구하는 과정을 설명한다. 음파발신기(20)에서 발신된 음파는 진행경로(P0)를 따라 진행하여 음파수신기(30)를 통과하고, 음파수신기를 통과한 직후부터 도파관(10) 상단에 배치된 반사체(15)에 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과하는, 즉 제1경로(P3) 를 따라서 진행한다. 음파수신기(30)는 위 제1경로(P3)에서 음파를 수신하여 제어부(50)로 수신신호를 전송하고, 제어부는 위 수신신호를 기초로 음파가 처음 음파수신기(30)를 통과한 시점과 반사체(15)에서 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과한 시점 사이의 시간을 측정한다. 제1경로(P3)의 길이, 즉 음파수신기 (30)로부터 반사체(15)까지 도파관(10)을 따라 측정한 길이를 측정된 시간으로 나눔으로써 제1경로를 진행하는 음파의 속도가 산출된다.
제3실시예의 음파수위측정장치(103)가 가지는 특유의 효과는 음속측정관부(12)의 배치에 의해 음속측정관부(12) 내의 매질이 안정화되어 있다는 것이다.
구체적으로 살펴보면, 음파수신기(30)를 중심으로 제1경로(P3)와 제2경로(P4)는 수직선(K)을 중심으로 서로 대칭으로 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 안정된 상태에서의 공기의 온도분포는 상하방향을 따라서 주로 변화하므로, 제1경로 (P3)와 제2경로(P4)가 수직선(K)을 중심으로 대칭으로 형성되면 제1경로(P3)와 제2경로(P4)의 온도분포는 동일해진다. 따라서, 제1경로(P3)에서의 음파의 속도와 제2경로(P4)에서의 음파의 속도는 서로 동일하다고 볼 수 있다. 다만, 음속측정관부(12)의 하단과 수위측정관부(11)의 하단이 서로 일치하지 않지만, 음속측정관부(12)의 하단을 예상되는 평균수위(Havg)에 일치하게 하여 오차를 줄일 수 있다.
즉, 위와 같은 방식으로, 본 제3실시예에서는 수위 측정구간인 제2경로(P4)에서 음파의 속도를 정확하게 산출할 수 있다.
다만, 음속측정관부(12) 내의 매질이 안정화되어 있기 ?문에 음속측정관부(12)로 유입된 이물질이 지속적으로 음파의 진행을 교란시키는 요인이 될 수 있다.
이에 본 발명의 제3실시예에 따른 음파수위측정장치(103)는 매질컨트롤러(40)를 이용하여 도파관(10) 내부, 특히 음파측정관부의 매질의 상태를 일정하게 하고, 이물질을 제거하여 음파수위측정장치(103)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 제3실시예에서 매질컨트롤러(40)는 음속측정관부(12)의 하부에 제2연결관(42b)을 통해 연결될 수 있다. 또는, 매질컨트롤러(40)는 수위측정관부(11)의 하부에 제1 연결관(41a)을 통해 연결될 수 있다. 이와 달리, 매질컨트롤러(40)는 제1연결관(41a)을 통해 수위측정관부(11)의 하부에 연결되고, 동시에 제2연결관(42b)을 통해 음속측정관부(12)의 하부와 연결될 수 있다. 후자의 경우, 매질컨트롤러(40)를 제어하여 수위측정관부(11)와 음속측정관부(12)에 교대로 공기를 주입하거나, 하나의 연결관은 주입관으로 기능하고, 다른 하나의 연결관은 흡입관으로 기능하게 함으로써 매질을 순환시키는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 여러가지 실시형태의 음파수위측정장치는 매질컨트롤러를 이용함으로써 도파관 내의 매질의 상태를 균일하게 하고, 이물질을 제거하여 수위측정 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 신뢰성이 향상된 음파수위측정장치를 이용한 음파수위측정방법은 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 음파수위측정방법의 흐름도이다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 예에 따른 음파수위측정방법(M100)에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 준비단계(S10)가 수행된다. 준비단계(S10)는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정장치를 마련하는 단계로서, 상술한 음파수위측정장치 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
준비단계(S10)를 수행한 후에는 매질조정 단계(S20)가 수행된다. 매질조정 단계(S20)는 제어부가 매질컨트롤러를 작동시켜 도파관 내부로 공기를 유입시키는 등의 방법으로 도파관 내부의 매질을 위치와 무관하게 균일하도록 하는 것이다. 이때, 매질컨트롤러 및 제어부를 조작하여 도파관의 일단부에 공기를 주입하거나, 양단부에 교대로 공기를 주입하거나, 양단부를 통해 공기를 순환시키는 것이 가능하다.
필요에 따라 매질을 균일하게 하는 구간은 수위가 측정되는 인접 구간이나 음파의 속력이 측정되는 구간에서만 수행되는 것도 가능하다.
음파의 속력은 음파수신기의 간격 별로 측정이 가능하거나, 길이가 고정되어 있는 음파의 경로를 왕복하는 음파를 수신한 시간을 통해 측정이 가능하다. 여기서 구한 음파의 속력을 수면에서 가장 인접한 음파수신기로부터 수면까지 왕복하는 경로의 음파의 속력으로 가정하여 수위를 측정하게 된다. 이때, 음파의 속력을 가정하는 방법으로, 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정장치는 음파수신기의 간격별로 측정된 음속의 구간 변화를 통해 추정하는 방법을 이용할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 예에 따른 음파의 수위측정장치는 매질을 균질하게 함으로써 이와 같은 추정의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
나아가, 음속을 추정하는 방법은 해당 지역(예를 들어, 하천이나 저수지인 경우)의 수온을 계절별로 사전에 입력하여 계산에 활용하는 것도 가능하다.
매질조정 단계(S20)가 수행된 후에는 수위측정 단계(S30)가 수행된다. 수위측정 단계(S30)에서는 매질컨트롤러에서 소음이 발생하지 않도록 하여, 음파가 교란되는 것을 방지하여야 한다.
수위측정단계(S30)는 음파의 속력을 측정하는 단계와 음파수신기로부터 수면까지 음파가 왕복하는 시간을 측정하는 단계를 포함하며, 순서는 무방하다.
음파의 속력을 측정하는 단계는 음파의 전달 길이를 알고있는 구간의 음파의 전달시간을 측정하여, 해당구간의 길이를 음파의 전달시간으로 나누어 음파의 속력을 구하게 된다.
그리고 음파수신기로부터 수면까지 음파가 왕복하는 측정시간에 음파의 속력을 곱하고 이 결과를 2로 나누어 음파수신기로부터 수면까지의 거리를 측정할 수 있다. 결론적으로 음파수신기로부터 수면까지의 거리를 측정함으로써 수위를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 예에 따른 음파수위측정방법은 수위 측정 결과의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 다음과 같은 방법들을 이용할 수 있다.
예를 들어, 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하는 경우에 상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 수위측정단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 수위측정결과를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또는, 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하는 경우에 상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고, 상기 매질조절단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 상기 매질컨트롤러에서 주입 압력 또는 주입 시간을 조절하여 주입량을 조절함으로써 매질을 더욱 균일하도록 할 수 있다.
본 발명의 귄리범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (13)

  1. 수면에 일부가 잠기도록 설치되며 중공의 형상을 가지는 도파관;
    상기 도파관에 설치되어, 음파를 발신하는 음파발신기;
    상기 도파관의 내부에 상기 음파발신기로부터 이격되어 배치되며, 음파발신기에서 발생된 음파를 수산하는 음파수신기; 및
    상기 도파관으로 공기를 주입함으로써 상기 도파관 내에서 음파가 전달되는 매질을 균일하게 제어하고 이물질을 제거하는 매질컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 상부 또는 하부에 연결되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 양단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와,
    상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와,
    상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 음속측정관부의 하부 및 상기 수위측정관부의 하부에 연결되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정장치.
  7. 수면에 일부가 잠기도록 설치되며 중공의 형상을 가지는 도파관, 상기 도파관에 설치되어, 음파를 발신하는 음파발신기, 상기 도파관의 내부에 상기 음파발신기로부터 이격되어 배치되며, 음파발신기에서 발생된 음파를 수신하는 음파수신기 및 상기 도파관으로 공기를 주입함으로써 상기 도파관 내에서 음파가 전달되는 매질을 균일하게 제어하고 이물질을 제거하는 매질컨트롤러를 포함하는 음파수위측정장치를 마련하는 준비 단계;
    상기 매질컨트롤러를 작동시켜 상기 도파관 내로 공기를 주입하여 상기 도파관 내의 매질을 균일하게 조정하는 매질조정 단계; 및
    상기 음파발신기에서 음파를 발생시키고 상기 음파수신기에서 수신되는 신호를 분석하여 수위를 측정하는 수위측정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 상부 또는 하부에 연결되고,
    상기 매질조정 단계는 상기 도파관의 상부 또는 하부로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 매질컨트롤러는 상기 도파관의 양 단부에 각각 연결되고,
    상기 매질조정 단계는 상기 도파관의 양 단부에 교대로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비하고,
    상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되며,
    상기 매질조정 단계는 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부로 공기를 주입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 도파관은 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하며, 상기 음파수신기가 배치되는 연결관부를 구비하고,
    상기 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 또는 상기 음속측정관부의 하부에 연결되며,
    상기 매질조정 단계는 매질컨트롤러는 상기 수위측정관부의 하부 및 상기 음속측정관부의 하부로 공기를 교대로 주입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하고,
    상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수위측정 단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 수위측정결과를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 음파수위측정장치는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 음파수신기를 포함하고,
    상기 음파수신기들 사이의 음파의 전파시간을 비교하여 상기 도파관 내의 위치에 따른 음파의 속도의 편차를 도출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 매질조절 단계는 상기 음파의 속도의 편차를 고려하여 상기 매질컨트롤러에서 주입 압력 또는 주입 시간을 조절하여 주입량을 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
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