WO2020071584A1 - 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법 - Google Patents

이동식 유량측정장치 및 유량측정방법

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WO2020071584A1
WO2020071584A1 PCT/KR2018/013461 KR2018013461W WO2020071584A1 WO 2020071584 A1 WO2020071584 A1 WO 2020071584A1 KR 2018013461 W KR2018013461 W KR 2018013461W WO 2020071584 A1 WO2020071584 A1 WO 2020071584A1
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WO
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flow rate
river
flow
cross
measuring
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/013461
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English (en)
French (fr)
Inventor
이한승
정도준
주재승
김미정
Original Assignee
대한민국(행정안전부 국립재난안전연구원장)
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Publication date
Application filed by 대한민국(행정안전부 국립재난안전연구원장) filed Critical 대한민국(행정안전부 국립재난안전연구원장)
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G01C13/006—Measuring the movement of open water horizontal movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/06—Indicating or recording devices
    • G01F15/061—Indicating or recording devices for remote indication
    • G01F15/063—Indicating or recording devices for remote indication using electrical means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Definitions

  • the present invention relates to a mobile flow measurement device and a flow measurement method, and more specifically, it can be easily installed in an area where a river overflows due to heavy rains such as rainy season or typhoon, a bridge installed across the river, and a laser scanner.
  • the present invention relates to a mobile flow measurement device and a flow measurement method for measuring a flow cross-sectional area of a stream using an ultrasonic sensor and measuring a flow rate of a stream using a microwave sensor to measure the flow rate of the stream using it.
  • the rich method is a method that can indirectly obtain a result value by dropping a suitable rich water depth when the depth of water rises rapidly during a flood and the flow rate of a river is very fast.
  • the rich method it is difficult to apply to small and medium-sized rivers, and it is difficult to go to the river to drop the rich directly into the river.
  • the Dosop method is a method of measuring the water depth and flow velocity by using a propeller tachometer by moving directly into a stream and moving at regular intervals according to a measurement plan.
  • a propeller tachometer by moving directly into a stream and moving at regular intervals according to a measurement plan.
  • safety problems may arise since it is necessary to enter the river directly.
  • An electronic distance measuring device using a laser and ultrasonic waves measures a certain height with an ultrasonic sensor and rotates the laser pointer at a certain height to irradiate the laser beam to the target to be measured. It is characterized in that the distance indicated by the laser beam can be accurately measured using the resistance value corresponding to the rotation angle of the pointer.
  • the above utility model can accurately measure the distance, but it needs to be corrected by distortions that may be caused by water in the river, and there is a limitation in grasping the topography of the river.
  • the conventional Korean patent has a feature that it is possible to intuitively check the damaged part through a laser ultrasound image, but there is a problem in grasping the cross-sectional area of a wide range of rivers required to measure the flow rate in the river.
  • the present invention measures the flow cross-sectional area of a river in the center of a bridge or a river installed across a river in order to accurately grasp the flow rate of a river in order to accurately determine the opening and closing conditions of a sluice gate. It is an object of the present invention to provide a mobile flow measurement device and a flow measurement method for generating information such as flow rate and flow rate of a stream by installing a body including a laser scanner and a microwave sensor for measuring the flow rate of a stream.
  • the main body 20 coupled to the upper portion of the support bar 21 formed upward from the ground; It is installed on the front of the main body 20, and the cross-sectional area measurement section 30 for measuring the flow cross-sectional area of the river; It is installed on the lower front of the main body 20, and a flow rate measurement unit 40 for measuring the flow rate of the river; A flow calculation unit 50 for calculating the flow cross-section and the flow velocity measured by the cross-sectional area measurement unit 30 and the flow rate measurement unit 40 as flow rates; A GPS (60) installed on the main body (20) to check the current position of the main body (20); A storage unit 70 for receiving and storing information from the flow calculator 50 and GPS 60; A display unit 80 which is installed on the rear surface of the main body 20 and outputs information stored in the storage unit 70; It characterized in that it comprises a communication module 90 for transmitting the information stored in the storage unit 70 to the server.
  • a communication module 90 for transmitting the information stored in the storage unit 70 to the server.
  • the cross-sectional area measurement unit 30 includes a laser scanner 31 for measuring an angle and a distance from the main body 20 to a cross section of a river bottom; An ultrasonic sensor 32 for measuring the distance between the main body 20 and the water surface of the river; A cross-sectional area calculator (33) for receiving a measurement value measured by the laser scanner (31) and a measurement value measured by the ultrasonic sensor (32) and calculating a flow cross-sectional area of a stream; A tilt sensor 34 for measuring the horizontal and vertical tilt of the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32; It characterized in that it comprises a drive motor 35 to receive the measured value measured by the tilt sensor 34 and the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32 is located on the same axis.
  • the laser scanner 31 can be scanned in a 360 ° direction, and is characterized by being a liner 311 measuring an angle and distance to a cross section of a river bottom.
  • the flow rate measurement unit 40 monitors the water surface of the river and measures the microwave sensor 41; A tilt sensor 42 for measuring the tilt of the microwave sensor 41; Including the flow rate converter 43 for receiving the slope value of the microwave sensor 41, and converting the measured value measured by the microwave sensor 41 into the flow rate of the stream, the flow rate converter 43 Is characterized in that the measured value when the microwave sensor 41 is horizontal among the tilt values of the microwave sensor 41 measured by the tilt sensor 42 is converted into a flow velocity.
  • the flow cross-sectional area of the river corresponding to the position of the river where the mobile flow measurement apparatus 10 is installed is calculated.
  • the cross-sectional area calculation step (S100) comprises: an angle distance measurement step (S110) for measuring the angle and distance to the cross section of the river bottom; Sleep position measurement step of measuring the distance to the water surface of the river (S120); A terrain coordinate generation step (S130) of generating coordinates of a stream's terrain using the angle and distance measured in the angular distance measurement step (S110); Of the terrain coordinates generated in the terrain coordinate generation step (S130), if the distance is closer than the distance to the water surface measured in the sleep position measurement step (S120), removing the non-terrestrial coordinates (S140); It characterized in that it comprises a cross-sectional area calculation step (S150) for calculating the flow cross-sectional area using the terrain coordinate value completed through the non-geometry coordinate removal step (S140).
  • the flow rate calculating step (S200) is a frequency receiving step of receiving the frequency of the reflected wave reflected from the water surface of the river through the microwave sensor 41 (S210). ); A tilt measurement step (S220) of measuring the tilt of the microwave sensor 41; A tilt correction step (S230) for correcting the tilt of the microwave sensor 41 measured in the tilt measurement step (S220); It characterized in that it comprises a flow rate conversion step (S240) for converting the correction value of the microwave sensor 41 corrected through the slope correction step 230 to a flow rate.
  • the flow cross-section and the flow velocity of water corresponding to the actual shape and structure of the river are accurately measured to accurately determine the current flowing in the stream, thereby managing the river.
  • it is possible to acquire basic data, and furthermore, in managing rivers, it has the effect of accurately checking and controlling the conditions for opening or closing of the gates installed to control the flow rate.
  • FIG. 1 is a side view of a mobile flow velocity measurement device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a mobile flow velocity measurement device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view for explaining a cross-sectional area measuring unit in a mobile flow velocity measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 4 is an exemplary view for measuring the flow area and water surface of a stream using a cross-sectional area measuring unit in a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing the topographic coordinates measured by the cross-sectional area measuring unit in the mobile flow velocity measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view for explaining a flow rate measurement unit in a mobile flow rate measurement device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram showing a flow measurement method using a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a block diagram showing the cross-sectional area calculation step in the flow measurement method using a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a block diagram showing the flow rate calculation in the flow measurement method using a mobile flow rate measurement device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a side view of a mobile flow rate measurement device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a mobile flow rate measurement device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a preferred embodiment of the present invention 4 is a view for explaining a cross-sectional area measuring unit in a mobile flow rate measuring device
  • FIG. 4 is an exemplary view for measuring a flow cross-sectional area and water surface of a river using a cross-sectional area measuring unit in a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Is a diagram showing the topographical coordinates measured by the cross-sectional area measuring unit in the mobile flow velocity measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the flow velocity measuring unit in the mobile flow velocity measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention to be.
  • the mobile flow velocity measuring device 10 includes a main body 20, a cross-sectional area measuring part 30, a flow rate measuring part 40, a flow rate calculating part 50, It comprises a GPS 60, a storage unit 70, a display unit 80, a communication module 90.
  • the main body 20 is fixedly installed on the ground of the river, and is formed in a box shape and coupled to the upper portion of the support bar 21 formed upward from the ground.
  • the cross-sectional area measurement unit 30 is installed on the front surface of the main body 20 and is used to measure the cross-sectional area of the stream, and the laser scanner 31 for measuring the angle and distance between the main body 20 and the cross section of the river bottom Wow, the ultrasonic sensor 32 for measuring the distance between the main body 20 and the water surface of the river, and the measurement value measured by the laser scanner 31 and the measurement value measured by the ultrasonic sensor 32 are received.
  • the cross-sectional area calculator 33 for calculating the flow cross-sectional area of the river, the tilt sensor 34 for measuring the horizontal and vertical tilt of the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32, and the tilt sensor 34 It comprises a driving motor 35 that receives the measured value so that the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32 are located on the same axis.
  • the laser scanner 31 is characterized in that it is possible to scan in the 360 ° direction, and measuring the angle and distance to the cross section of the river bottom (311).
  • the lidar 311 transmits the angle ⁇ of the laser that it fires and the cross-section corresponding to the bottom of the stream through the water present in the stream, and receives the laser reflected through the cross-section to determine the distance L ) Respectively.
  • the ultrasonic sensor 32 and the lidar 311 are preferably located on the same line as the horizontal axis. This is because if the ultrasonic sensor 32 and the lidar 311 are installed at different positions, the correct flow cross-sectional area can be obtained by compensating for the height value at which the difference occurs.
  • the cross-sectional area operator 33 converts the coordinates of the terrain in the form of values on the x and y axes using the angle and distance to the cross section measured through the lidar 311.
  • the cross-sectional area operator 33 is the X-axis for each angle ( ⁇ ) and distance (L) measured by the lidar 311, L 1 sin ( ⁇ 1 ), L 2 sin ( ⁇ 2 ),... , L n sin ( ⁇ n ), the y-axis is L 1 cos ( ⁇ 1 ), L 2 cos ( ⁇ 2 ),... , L n cos ( ⁇ n ).
  • the distance L among the y-axis values measured through the lidar 311 is closer than the distance measured from the ultrasonic sensor 32, it corresponds to the terrain of the river corresponding to the water surface, so the terrain including the y-axis
  • the coordinates are excluded from the topographical coordinates, and after the data corresponding to the water surface are arranged, the flow cross-sectional area is calculated by [Equation 1] below.
  • x 0 to x n are L 1 sin ( ⁇ 1 ), L 2 sin ( ⁇ 2 ),..., L n sin ( ⁇ n ) corresponding to the x-axis of the geographic coordinate
  • y n to y 0 is L 1 cos ( ⁇ 1 ), L 2 cos ( ⁇ 2 ),..., L n cos ( ⁇ n ) corresponding to the y-axis of the topographical coordinate.
  • the position of the flow measurement device 10 can be moved several times to measure the terrain in multiple directions.
  • the position of the lidar 311 may also be moved to combine coordinates. In this case, the moved lidar 311 may correct the value of the horizontal axis using GPS coordinates.
  • the tilt sensor 34 measures the tilt based on the horizontal and vertical reference axes of the lidar 311 and the ultrasonic sensor 32 and transmits the tilt to the drive motor 35.
  • the lidar 311 and the ultrasonic sensor 32 need to measure the flow cross-sectional area and the distance to the water surface, so it is necessary to maintain horizontal and vertical relative to the reference axis. Therefore, in order to confirm that it is maintained in the horizontal and vertical, the current tilt is measured by the tilt sensor 34 and transmitted to the driving motor 35 requiring the tilt value.
  • the driving motor 35 is driven to maintain the same as the reference axis at the lower side of the lidar 311 and the ultrasonic sensor 32 according to the inclined value measured through the tilt sensor 34.
  • the driving motor 35 may be connected to an axis supporting the lidar 311 and the ultrasonic sensor 32 to use a servo motor or a stepping motor to move vertically.
  • the flow rate measuring unit 40 monitors the water surface of the river and measures the microwave sensor 41, the tilt sensor 42 for measuring the inclination of the microwave sensor 41, and the microwave sensor 41 It comprises a flow rate converter 43 for receiving the slope value of, and for converting the measured value measured by the microwave sensor 41 to the flow rate of the stream. At this time, the flow rate converter 43 converts the measured value when the microwave sensor 41 is horizontal among the slope values of the micro web sensor 41 measured by the tilt sensor 42 to the flow rate.
  • the microwave sensor 41 receives the frequency of the reflected wave reflected from the surface of the water moving in the river using the Doppler frequency applied with the Doppler effect and transmits it to the flow rate converter 43.
  • the Doppler frequency utilized by the microwave sensor 41 is reflected from the surface of the water when it radiates electromagnetic waves to the flowing water surface. Since the surface of the water is rough, a part of the reflected wave enters the antenna. A frequency shift proportional to the surface flow meter due to the Dopple effect caused by movement appears.
  • the tilt sensor 42 measures the tilt based on a reference axis that is horizontal to the microwave sensor 41 and transmits it to the flow rate converter 43.
  • the tilt sensor 42 may be replaced with the tilt sensor 34 installed in the cross-sectional area measurement unit 30.
  • the flow rate converter 43 uses the wavelength and frequency of the reflected wave of the microwave sensor 41 and the angle ⁇ of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41 measured by the tilt sensor 42 [Equation 2] The corrected flow rate is calculated by.
  • ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41
  • F d is the frequency reflected from the surface of the water
  • ⁇ is the angle of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41.
  • the flow rate converter 43 first multiplies the wavelength ⁇ of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41 by the frequency F d reflected from the surface of the water.
  • the speed that is, the flow velocity
  • the corrected flow velocity of the river is calculated using the angle ⁇ of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41.
  • the flow calculation unit 50 calculates the flow rate by multiplying the flow cross-sectional area received from the cross-sectional area measurement unit 30 and the flow rate measurement unit 40 and the flow rate, and transmits the flow cross-sectional area, flow rate, and flow rate to the storage unit 70.
  • Flow rate in the flow rate calculation unit 50 corresponds to the river multiplied by the flow velocity (m / sec) transmitted from the flow cross-sectional area (m 2) and flow rate measurer (40) transmitted from the cross-sectional area measurement section 30, the cross-sectional area (m 3 / sec).
  • the flow calculation unit 50 transmits information on the received flow cross-sectional area, flow rate, and calculated flow rate to the storage unit 70.
  • the GPS 60 is installed in the main body 20 and receives information on the current position and time of the flow measurement device 10 and transmits the information to the storage unit 70.
  • the GPS 60 utilizes GPS to accurately grasp the location and the measured position among the rivers with a large number of rivers nationwide and large and small rivers, and it is also necessary to measure time information.
  • the storage unit 70 is installed in the main body 20, and stores the flow cross-sectional area, flow rate, flow rate, current location and time transmitted from the flow calculation unit 50 and the GPS 60.
  • the storage unit 70 secures mobility and temporarily stores information such as flow cross-sectional area, flow rate, flow rate, current location and time calculated by measurement.
  • the storage unit 70 can separately store information such as the flow area, flow rate, flow rate, current location and time in the river management center, it is preferable to use a writable memory.
  • the display unit 80 is installed on the rear surface of the main body 20, and outputs the position, time, flow cross-sectional area, flow rate, and flow rate of the flow measurement device 10 from the storage unit 70. That is, the display unit 80 outputs the measured values measured by the laser scanner 31 of the cross-sectional area measurement unit 30, the ultrasonic sensor 32, and the microwave sensor 41 of the flow rate measurement unit 40.
  • the communication module 90 transmits the position, time, flow cross-section, flow rate, and flow rate of the flow measurement device 10 from the storage unit 70 to the server of the river management center.
  • the communication module 90 transmits to the server installed in the river management center in order to continuously accumulate information on the results measured and calculated in the river.
  • the flow rate and water flow rate corresponding to the actual shape and structure of the stream are accurately measured to accurately determine the flow rate currently flowing in the stream, thereby managing the stream or maintaining the stream.
  • it is possible to obtain basic data, and furthermore, in managing rivers, it has the effect of accurately checking and controlling the conditions for opening or closing of the water gate installed to control the flow rate, thereby preventing rain, rain or drought. It is effective to establish a plan to more accurately cope with water shortage due to flooding or drought in the river by allowing the flow rate of the river to be properly maintained for the Korean weather forecast.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a flow measurement method using a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a cross-sectional area calculation in a flow rate measuring method using a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a block diagram showing steps of flow rate calculation in a flow rate measuring method using a mobile flow rate measuring device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a flow rate measuring method using a mobile flow rate measuring device is a cross-sectional area calculation for calculating the flow cross-sectional area of the river bed corresponding to the location of the river where the mobile flow rate measuring device 10 is installed.
  • Step (S100), the flow cross-sectional area calculated from the flow rate calculation step (S200) and the cross-sectional area calculation step (S100) to calculate the flow velocity of the river at the position where the flow measurement device 10 is installed and the flow rate calculation step (S200) It comprises a flow rate calculation step (S300) for calculating the flow rate of the river by multiplying the flow rate.
  • the cross-sectional area calculation step (S100) is an angle distance measurement step (S110) to measure the angle and distance to the cross section of the river bottom, a sleep position measurement step (S120) to measure the distance to the water surface of the river, and an angle distance measurement step (S110) Surface water measured in the sleep position measurement step (S120) among the terrain coordinates generated in the terrain coordinate generation step (S130) and the terrain coordinate generation step (S130) for generating coordinates of the terrain of the river using the angle and distance measured in).
  • the angle and distance to the cross section of the river bottom are measured using a lidar 311 that can be scanned at 360 °.
  • the angle ( ⁇ ) of the laser emitted from the lidar 311 is transmitted to the cross section corresponding to the bottom of the river through the water, and the reflected laser is transmitted to the distance (L). Measure.
  • the sleep position measurement step (S120) measures the distance to the water surface of the river through the ultrasonic sensor 32.
  • the sleep position measurement step (S120) checks the position of the water surface to accurately measure the flow rate.
  • the terrain coordinate generation step (S130) generates coordinates of the terrain in the form of values of the x and y axes using the angle and distance measured in the angular distance measurement step (S110).
  • the non-terrestrial coordinate removal step (S140) is removed from the terrain coordinates if it is closer than the distance to the water surface measured in the sleep position measurement step (S120) among the terrain coordinates generated in the terrain coordinate generation step (S130).
  • the cross-sectional area calculation step (S150) calculates the flow cross-sectional area according to Equation 1 above using the x-axis value and the y-axis value of the terrain coordinates completed through the non-topographical coordinate removal step (S140).
  • the flow rate calculation step (S200) comprises a frequency reception step (S210), a slope measurement step (S220), a slope correction step (S230), and a flow rate conversion step (S240).
  • Frequency receiving step (S210) is a step of receiving the frequency of the reflected wave reflected from the water surface of the river through the microwave sensor 41, the microwave sensor 41 through the microwave using the Doppler frequency of the electromagnetic wave of water moving in the river The frequency of the reflected wave reflected from the surface is received and transmitted to the flow rate converter 43.
  • the frequency receiving step (S210) when the electromagnetic wave is radiated to the water surface flowing from the microwave sensor 41, the reflected surface of the water returns to the antenna because the surface of the water is rough, which is proportional to the surface flowmeter due to the Dopple effect caused by the movement of the water surface. Frequency shift will appear.
  • the tilt measurement step (S220) measures the tilt of the microwave sensor 41 using the tilt sensor 42 and transmits it to the flow rate converter 43, and the tilt correction step (S230) measures in the tilt measurement step (S220). To correct the inclination of the microwave sensor 41.
  • Flow rate conversion step (S240) is a step of converting the correction value of the microwave sensor 41 corrected through the slope correction step 230 to the flow rate, the reflected wave received in the frequency receiving step (S210) in the flow rate converter 43 Calculate the flow rate corrected by [Equation 2] using the wavelength and frequency of and the angle ⁇ of the electromagnetic wave output from the microwave sensor 41 measured by the tilt sensor 42 in the tilt measurement step (S220). do.
  • the main body 20 coupled to the upper portion of the support bar 21 formed upward from the ground; It is installed on the front of the main body 20, and the cross-sectional area measurement section 30 for measuring the flow cross-sectional area of the river; It is installed on the lower front of the main body 20, and a flow rate measurement unit 40 for measuring the flow rate of the river; A flow calculation unit 50 for calculating the flow cross-section and the flow velocity measured by the cross-sectional area measurement unit 30 and the flow rate measurement unit 40 as flow rates; A GPS (60) installed on the main body (20) to check the current position of the main body (20); A storage unit 70 for receiving and storing information from the flow calculator 50 and GPS 60; A display unit 80 which is installed on the rear surface of the main body 20 and outputs information stored in the storage unit 70; It includes a communication module 90 for transmitting the information stored in the storage unit 70 to the server as a form for the practice of the invention.
  • the cross-sectional area measurement unit 30 includes a laser scanner 31 for measuring an angle and a distance from the main body 20 to a cross section of a river bottom; An ultrasonic sensor 32 for measuring the distance between the main body 20 and the water surface of the river; A cross-sectional area calculator (33) for receiving a measurement value measured by the laser scanner (31) and a measurement value measured by the ultrasonic sensor (32) and calculating a flow cross-sectional area of a stream; A tilt sensor 34 for measuring the horizontal and vertical tilt of the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32; In the form for the practice of the invention, a drive motor 35 that receives the measurement value measured by the tilt sensor 34 so that the laser scanner 31 and the ultrasonic sensor 32 are located on the same axis is provided. do.
  • the laser scanner 31 is capable of scanning in the direction of 360 °, and is a liner 311 for measuring the angle and distance to the cross section of the river bottom.
  • the flow rate measurement unit 40 monitors the water surface of the river and measures the microwave sensor 41; A tilt sensor 42 for measuring the tilt of the microwave sensor 41; Including the flow rate converter 43 for receiving the slope value of the microwave sensor 41, and converting the measured value measured by the microwave sensor 41 into the flow rate of the stream, the flow rate converter 43 Is a form for the implementation of the invention that converts the measured value when the microwave sensor 41 is horizontal among the tilt values of the microwave sensor 41 measured by the tilt sensor 42 to a horizontal state. do.
  • the flow cross-sectional area of the river corresponding to the position of the river where the mobile flow measurement apparatus 10 is installed is calculated.
  • a form for carrying out the invention comprising a flow calculation step (S300) for calculating the flow rate of a river by multiplying the flow cross-sectional area calculated from the cross-sectional area calculation step (S100) and the flow rate calculated from the flow rate calculation step (S200).
  • the cross-sectional area calculation step (S100) comprises: an angle distance measurement step (S110) for measuring the angle and distance to the cross section of the river bottom; Sleep position measurement step of measuring the distance to the water surface of the river (S120); A terrain coordinate generation step (S130) of generating coordinates of a stream's terrain using the angle and distance measured in the angular distance measurement step (S110); Of the terrain coordinates generated in the terrain coordinate generation step (S130), if the distance is closer than the distance to the water surface measured in the sleep position measurement step (S120), removing the non-terrestrial coordinates (S140);
  • a cross-sectional area calculation step (S150) of calculating a flow cross-sectional area using the topographic coordinate value completed through the non-topographical coordinate removal step (S140) is included.
  • the flow rate calculating step (S200) is a frequency receiving step of receiving the frequency of the reflected wave reflected from the water surface of the river through the microwave sensor 41 (S210). ); A tilt measurement step (S220) of measuring the tilt of the microwave sensor 41; A tilt correction step (S230) for correcting the tilt of the microwave sensor 41 measured in the tilt measurement step (S220);
  • the present invention includes a flow rate conversion step (S240) of converting the correction value of the microwave sensor 41 corrected through the slope correction step 230 into a flow rate.

Abstract

본 발명은 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법은 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있도록 하천을 가로질러 설치된 교량이나 하천의 중앙에 하천의 흐름단면적을 측정하기 위한 레이저 스캐너와 하천의 유속을 측정하는 마이크로웨이브센서 및 측정된 결과를 출력하는 디스플레이부 및 측정된 자료를 전송하는 무선통신부 등을 포함된 계측기를 설치하여 하천의 유속 및 유량 등의 정보를 생성하는 기술적 특징을 갖는다.

Description

이동식 유량측정장치 및 유량측정방법
본 발명은 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 장마철이나 태풍의 영향 등의 폭우로 인하여 하천이 범람하는 지역, 하천을 가로질러 설치된 교량 등에 간단히 설치할 수 있고, 레이저 스캐너와 초음파센서를 이용하여 하천의 흐름단면적을 측정하고, 마이크로 웨이브센서를 이용하여 하천의 유속을 측정하여 이를 이용하여 하천의 유량을 측정할 수 있도록 하는 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 관한 것이다.
인류가 살아가는데 있어 가장 중요한 요소 중의 하나인 물을 관리하는 것은 대단히 중요하다. 이러한 물을 관리하는데 있어 바다가 아닌 육지에서의 강이나 하천을 관리할 필요가 있는데 특히 상수원으로 활용하거나 농촌에서 농사에 필요한 농업용수로 이용하는 하천 등에서 물관리를 위하여 하천을 흐름을 조절하기 위한 수문의 개폐와 관련한 조건을 확인하기 위하여 현재 하천에서의 유량을 측정할 필요가 있다.
최근 기후 변화에 따른 빈번한 집중호우, 장마, 가뭄 발생, 하천환경 변화의 여건으로 신속하고 정확한 물관리에 필요한 예측 시스템 및 중장기 계획 수립을 위하여 필요로 하여 현재의 하천의 전체적인 유량에 대한 정보가 필요하다. 이러한 유량을 측정하는 방법에는 하천의 크기와 시기에 따라 방법이 다양하다.
중소하천에서는 갈수, 저수기에는 유속계법, 위어 측정법이 있고, 평수시에는 희석법, 유속계법을 사용하며, 홍수시에는 부자법을 이용하며, 대하천에는 갈수, 저수기에는 유속계법, 희석법, 이동 초음파 유속계법이 있고, 평수시에는 유속계법을 사용하며, 홍수시에는 부자법이나 전자파 표면 유속계법을 사용하게 된다.
이러한 유량측정법 중에서 부자법은 홍수기에 수심이 급격하게 상승하고 하천의 유속이 매우 빠른 경우에 해당 수심에 적절한 부자를 투하하여 간접적으로 결과값을 얻을 수 있는 방법이다. 하지만 부자법의 경우에는 중소하천에는 적용이 어렵고, 직접 하천에 부자를 투하하기 위해서 해당 하천에 가야하는 어려움이 있다.
도섭법은 직접 하천으로 들어가 측정계획에 따라 일정 간격에 맞게 이동하여 프로펠러 유속계 등을 이용해 수심과 유속을 측정하는 방법이다. 하지만 하천에 직접 들어가야 하기 때문에 그로인한 안전문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점으로 인하여 정확한 측정 및 사람이 직접 해당 하천을 방문하거나 하천에 들어가는 문제를 해결하기 위하여 다양한 측정장치와 무선통신을 이용하여 측정하는 방법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
종래의 대한민국 등록실용신안번호 제20-0361183호 레이저와 초음파를 이용한 전자 거리 측정장치는 초음파 센서로 일정 높이를 측정하고, 일정한 높이에서 레이저 포인터를 회전시켜 측정을 원하는 목표물에 레이저 빔을 조사하여 레이저 포인터의 회전각도에 해당되는 저항값을 이용하여 레이저 빔이 지시하고 있는 거리를 정확하게 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
하지만 상기의 실용신안은 거리를 정확하게 측정할 수 있지만 하천에서 물에 의해 발생할 수 있는 왜곡에 의해 보정이 필요하고, 하천 하부의 지형을 파악하는 데 한계가 있다.
종래의 대한민국 등록특허번호 제10-1410923호 회전 구조물의 레이저 초음파 영상화 방법 및 장치는 손상과 초음파 진행 사이의 상호 작용을 시각화해 손상의 위치와 크기 등에 대한 정보를 현장 실무자들도 쉽고 직관적으로 확인할 수 있도록 함으로써 효율적인 터빈 블레이드와 같은 회전 구조물 관리를 위한 건전성 평가 시스템이다.
하지만 종래의 대한민국 특허는 레이저 초음파 영상을 통해 직관적으로 손상부위를 확인할 수 있는 특징은 있으나, 하천에서의 유량을 측정하기 위하여 필요한 광범위한 하천 하부의 단면적을 파악하는데 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자, 수문의 개폐조건을 정확하게 판단하기 위한 하천의 유량을 원격에서 정확하게 파악하기 위하여 하천을 가로질러 설치된 교량이나 하천의 중앙에 하천의 흐름단면적을 측정하기 위한 레이저 스캐너와 하천의 유속을 측정하는 마이크로웨이브센서가 포함된 본체를 설치하여 하천의 유속 및 유량 등의 정보를 생성하는 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합되는 본체(20)와; 상기 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 단면적측정부(30)와; 상기 본체(20)의 전면 하부에 설치되고, 하천의 유속을 측정하기 위한 유속측정부(40)와; 상기 단면적측정부(30)와 유속측정부(40)에 의해 측정된 흐름단면과 유속을 유량으로 연산하기 위한 유량연산부(50)와; 상기 본체(20)에 설치되고, 상기 본체(20)의 현재 위치를 확인하기 위한 GPS(60)와; 상기 유량연산부(50), GPS(60)로부터 정보를 전달받아 저장하는 저장부(70)와; 상기 본체(20)의 후면에 설치되고, 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 출력하기 위한 디스플레이부(80)와; 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 서버로 전송하기 위한 통신모듈(90)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 단면적측정부(30)는 상기 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와; 상기 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와; 상기 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 상기 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와; 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와; 상기 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 상기 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여, 상기 유속변환기(43)는 상기 기울기센서(42)에 의해 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값 중에서 상기 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에 있어서, 상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100); 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및; 상기 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 단면적연산단계(S100)는, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110); 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120); 상기 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130); 상기 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 상기 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및; 상기 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 유속연산단계(S200)는, 마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 주파수수신단계(S210); 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하는 기울기측정단계(S220) 및; 상기 기울기측정단계(S220)에서 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하기 위한 기울기보정단계(S230)와; 상기 기울기보정단계(230)를 통해 보정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 유속변환단계(S240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의한 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법에 의하면, 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있는 계획을 수립할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 측면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 이용하여 하천의 흐름단면적과 수면을 측정하는 예시도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부에서 측정된 지형좌표를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 유속측정부를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법을 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 단면적연산단계를 보여주는 블럭도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 유속연산당계를 보여주는 블럭도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 도 1 내지 도 9에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부를 이용하여 하천의 흐름단면적과 수면을 측정하는 예시도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 단면적측정부에서 측정된 지형좌표를 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치에서 유속측정부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치(10)는 본체(20), 단면적측정부(30), 유속측정부(40), 유량연산부(50), GPS(60), 저장부(70), 디스플레이부(80), 통신모듈(90)을 포함하여 이루어진다.
본체(20)는 하천의 지면에 고정설치되는 것으로, 박스형상으로 이루어져 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합된다.
단면적측정부(30)는 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 것으로, 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와, 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와, 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와, 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와, 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하여 이루어진다. 이때, 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 한다.
라이다(311)는 자신이 발사하는 레이저의 각도(θ)와, 하천에 존재하는 물을 투과하여 하천의 아래 바닥에 해당하는 횡단면까지 전송되며, 횡단면을 통해 반사되는 레이저를 수신하여 거리(L)를 각각 측정한다.
한편, 초음파센서(32)와 라이다(311)는 가로축으로 동일선상에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 초음파센서(32)와 라이다(311)가 다른 위치에 설치된다면 차이가 발생하는 높이값만큼 보상하여야 정확한 흐름단면적을 구할 수 있기 때문이다.
단면적연산기(33)는 라이다(311)를 통해 측정된 횡단면까지의 각도와 거리를 이용하여 x, y축의 값 형태인 지형의 좌표로 변환한다. 단면적연산기(33)는 라이다(311)에서 측정한 각각의 각도(θ)와 거리(L)에 대하여 x축은 L1sin(θ1), L2sin(θ2),…, Lnsin(θn)의 형태로, y축은 L1cos(θ1), L2cos(θ2),…, Lncos(θn)의 형태로 변환한다.
라이다(311)를 통해 측정된 y축 값 중에서 거리(L)가 초음파센서(32)로부터 측정된 거리보다 가까운 값인 경우에는 수면위에 해당하는 하천의 지형에 해당하므로, 해당 y축이 포함된 지형좌표는 지형좌표에서 제외하여 수면 아래에 해당하는 데이터를 정리한 후, 아래 [수학식 1]에 의해 흐름단면적을 연산한다.
Figure PCTKR2018013461-appb-M000001
(여기서, x0에서 xn은 지형좌표의 x축에 해당하는 L1sin(θ1), L2sin(θ2),…, Lnsin(θn)이고, y0에서 yn은 지형좌표의 y축에 해당하는 L1cos(θ1), L2cos(θ2),…, Lncos(θn) 값이다.)
단면적연산기(33)를 통해 연산한 흐름단면적의 면적오차율을 5% 이내로 줄이기 위하여 유량측정장치(10)의 위치를 수차례 옮겨 다방향에서 지형을 측정할 수 있다. 여기서 지형이 유량측정장치(10)의 측정가능 범위를 벗어날 경우 또한 라이다(311)의 위치를 옮겨서 좌표를 결합할 수 있다. 이 경우 이동된 라이다(311)는 GPS좌표를 이용하여 가로축의 값을 보정할 수 있다.
기울기센서(34)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)의 수평 및 수직이 되는 기준축을 기준으로 기울기를 측정하여 구동모터(35)에 전송한다. 라이다(311) 및 초음파센서(32)는 흐름단면적 및 수면까지의 거리를 측정해야하기 때문에 기준축을 기준으로 수평 및 수직을 유지해야한다. 따라서 이러한 수평 및 수직에 유지되는 것을 확인하기 위하여 기울기센서(34)로 현재의 기울기를 측정하여 기울기값을 필요로 하는 구동모터(35)에 전송한다.
구동모터(35)는 기울기센서(34)를 통해 측정된 기울어진 값에 따라 라이다(311) 및 초음파센서(32)의 하측에서 기준축과 동일하게 유지시키도록 구동한다.
구동모터(35)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)를 지지하는 축에 연결되어 좌우상하로 움직일 수 있도록 서보모터나 스테핑모터를 이용할 수 있다.
유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와, 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와, 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여 이루어진다. 이때, 유속변환기(43)는 기울기센서(42)에 의해 측정된 마이크로웨브센서(41)의 기울기값 중에서 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하도록 한다.
마이크로웨이브센서(41)는 도플러 효과를 적용한 도플러 주파수를 이용하여 하천에 이동 중인 물의 표면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하여 유속변환기(43)에 전송한다. 마이크로웨이브센서(41)에서 활용되는 도플러주파수는 흐르는 수면으로 전자파를 방사하면 물 표면에서 반사가 되는데 물의 표면은 거칠기 때문에 그 반사파의 일부는 안테나로 들어오게 되는데, 반사되어 돌아오는 반사파는 물 표면의 이동으로 인한 도플로 효과에 의한 표면유속계에 비례하는 주파수 천이가 나타나게 된다.
기울기센서(42)는 마이크로웨이브센서(41)의 수평이 되는 기준축을 기준으로 기울기를 측정하여 유속변환기(43)에 전송한다.
한편, 기울기센서(42)는 라이다(311) 및 초음파센서(32)와 함께 마이크로웨이브센서(41)가 설치된 경우, 단면적측정부(30)에 설치된 기울기센서(34)로 대체될 수 있다.
유속변환기(43)는 마이크로웨이브센서(41)의 반사파의 파장 및 주파수와 상기 기울기센서(42)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용한 [수학식 2]에 의해 보정된 유속을 연산한다.
Figure PCTKR2018013461-appb-M000002
(여기서, v는 유속, λ는 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 파장, Fd는 물의 표면으로부터 반사되는 주파수, θ는 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도이다.)
유속변환기(43)는 먼저 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 파장(λ)을 물의 표면으로부터 반사되는 주파수(Fd)의 곱한다. 통상적으로 마이크로웨이브센서(41)의 파장과 반사파의 주파수의 곱으로 속도, 즉 유속이 결정된다. 하지만 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도에 기준축보다 기울어진 경우 이에 대한 보상이 필요하다. 따라서 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용하여 보정된 하천의 유속을 연산한다.
유량연산부(50)는 단면적측정부(30) 및 유속측정부(40)로부터 수신된 흐름단면적과 유속을 곱하기 연산하여 유량을 연산하여 저장부(70)에 흐름단면적과 유속 및 유량을 전송한다. 유량연산부(50)는 단면적측정부(30)로부터 전송된 흐름단면적(m2)과 유속측정부(40)로부터 전송된 유속(m/sec)을 곱한 하천에 해당 단면적에서의 유량(m3/sec)을 연산한다. 그리고 유량연산부(50)는 전송받은 흐름단면적과 유속 및 연산한 유량에 대한 정보를 저장부(70)에 전송한다.
GPS(60)는 본체(20)에 설치되고, 유량측정장치(10)의 현재 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 저장부(70)에 전송한다. GPS(60)는 전국적으로 하천의 수가 많고, 크고 작은 하천에 대하여 위치 및 하천 중에서도 측정된 위치를 정확하게 파악하기 위하여 GPS를 활용하며, 측정하는 시간 정보도 함께 할 필요가 있다.
저장부(70)는 본체(20)에 설치되고, 유량연산부(50) 및 GPS(60)로부터 전송된 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간을 저장한다. 저장부(70)는 이동성을 확보하고, 측정하여 연산한 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간 등의 정보를 일시적으로 저장한다.
그리고 저장부(70)는 흐름단면적, 유속, 유량, 현재 위치 및 시간 등의 정보를 하천관리센터에서 별도로 저장할 수 있으므로 쓰기가 가능한 메모리를 이용하는 것이 바람직하다.
디스플레이부(80)는 본체(20)의 후면에 설치되고, 저장부(70)로부터 유량측정장치(10)의 위치, 시간, 흐름단면적, 유속 및 유량을 출력한다. 즉, 디스플레이부(80)는 단면적측정부(30)의 레이저 스캐너(31), 초음파센서(32)와 유속측정부(40)의 마이크로웨이브센서(41)에서 측정된 측정값을 출력하도록 한다.
통신모듈(90)은 저장부(70)로부터 유량측정장치(10)의 위치, 시간, 흐름단면적, 유속 및 유량을 하천관리센터의 서버에 전송한다. 이와 같은 통신모듈(90)은 하천에서 측정 및 연산된 결과에 대하여 정보를 지속적으로 축적하기 위하여 하천관리센터에 설치된 서버에 전송한다.
이상과 같이 본 발명에 의한 이동식 유량측정장치에 의하면, 하천의 실질적인 형상 및 구조에 해당하는 흐름단면적 및 물의 유속을 정확하게 측정하여 현재 하천에 흐르고 있는 유량을 정확하게 판별함으로써, 하천을 관리하거나 하천을 정비하는데 있어, 기초적인 자료를 획득할 수 있으며, 나아가 하천을 관리하는데 있어 유량을 조절하기 위해 설치된 수문의 개방 또는 폐쇄에 대한 조건을 정확하게 확인하여 제어하는 효과가 있으며, 이를 통해 장마, 폭우 또는 가뭄에 대한 기상예보에 대하여 하천의 유량을 적절하게 유지할 수 있도록 하여 하천의 범람 또는 가뭄으로 인한 물부족에 대하여 보다 정확하게 대처할 수 있는 계획을 수립할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법을 도시한 블럭도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 단면적연산단계를 보여주는 블럭도이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법에서 유속연산당계를 보여주는 블럭도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 유속측정장치를 이용한 유량측정방법은 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100), 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
단면적연산단계(S100)는 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110), 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120), 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130), 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하여 이루어진다.
각도거리측정단계(S110)는 360°로 스캔이 가능한 라이다(311)를 이용하여 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정한다. 각도거리측정단계(S110)는 라이다(311)에서 발사하는 레이저의 각도(θ)와 물을 투과하여 하천의 아래 바닥에 해당하는 횡단면까지 전송되어반사되는 레이저를 수신하여 거리(L)를 각각 측정한다.
수면위치측정단계(S120)는 초음파센서(32)를 통해 하천의 수면까지의 거리를 측정한다. 수면위치측정단계(S120)는 유량을 정확히 측정하기 위하여 수면의 위치를 확인한다.
지형좌표생성단계(S130)는 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 x, y축의 값 형태인 지형의 좌표를 생성한다.
비지형좌표제거단계(S140)는 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거한다.
단면적계산단계(S150)는 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표의 x축값과 y축값을 이용하여 상기의 [수학식 1]에 의해 흐름단면적을 연산한다.
유속연산단계(S200)는 주파수수신단계(S210), 기울기측정단계(S220), 기울기보정단계(S230), 유속변환단계(S240)를 포함하여 이루어진다.
주파수수신단계(S210)는 마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 단계로써, 마이크로웨이브센서(41)를 통해 전자파의 도플러 주파수를 이용하여 하천에 이동 중인 물의 표면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하여 유속변환기(43)에 전송한다. 주파수수신단계(S210)는 마이크로웨이브센서(41)에서 흐르는 수면으로 전자파를 방사하면 물 표면이 거칠기 때문에 반사되는 반사파가 안테나로 돌아오는데 물 표면의 이동으로 인한 도플로 효과에 의한 표면유속계에 비례하는 주파수 천이가 나타나게 된다.
기울기측정단계(S220)는 기울기센서(42)를 이용하여 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하여 유속변환기(43)에 전송하고, 기울기보정단계(S230)는 기울기측정단계(S220)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하도록 한다.
유속변환단계(S240)는 기울기보정단계(230)를 통해 보정된 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 단계로써, 유속변환기(43)에서 주파수수신단계(S210)에서 수신된 반사파의 파장 및 주파수와, 기울기측정단계(S220)에서 기울기센서(42)에서 측정된 마이크로웨이브센서(41)에서 출력되는 전자파의 각도(θ)를 이용한 [수학식 2]에 의해 보정된 유속을 연산한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합되는 본체(20)와; 상기 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 단면적측정부(30)와; 상기 본체(20)의 전면 하부에 설치되고, 하천의 유속을 측정하기 위한 유속측정부(40)와; 상기 단면적측정부(30)와 유속측정부(40)에 의해 측정된 흐름단면과 유속을 유량으로 연산하기 위한 유량연산부(50)와; 상기 본체(20)에 설치되고, 상기 본체(20)의 현재 위치를 확인하기 위한 GPS(60)와; 상기 유량연산부(50), GPS(60)로부터 정보를 전달받아 저장하는 저장부(70)와; 상기 본체(20)의 후면에 설치되고, 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 출력하기 위한 디스플레이부(80)와; 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 서버로 전송하기 위한 통신모듈(90)을 포함하는 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 단면적측정부(30)는 상기 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와; 상기 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와; 상기 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 상기 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와; 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와; 상기 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하는 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치에서 상기 유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와; 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 상기 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여, 상기 유속변환기(43)는 상기 기울기센서(42)에 의해 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값 중에서 상기 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하는 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에 있어서, 상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100); 유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및; 상기 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
그리고 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 단면적연산단계(S100)는, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110); 하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120); 상기 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130); 상기 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 상기 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및; 상기 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하는 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에서 상기 유속연산단계(S200)는, 마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 주파수수신단계(S210); 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하는 기울기측정단계(S220) 및; 상기 기울기측정단계(S220)에서 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하기 위한 기울기보정단계(S230)와; 상기 기울기보정단계(230)를 통해 보정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 유속변환단계(S240)를 포함하는 것을 발명의 실시를 위한 형태로 한다.
장마철이나 태풍의 영향 등의 폭우로 인하여 하천이 범람하는 지역, 하천을 가로질러 설치된 교량 등에 간단히 설치할 수 있고, 레이저 스캐너와 초음파센서를 이용하여 하천의 흐름단면적을 측정하고, 마이크로 웨이브센서를 이용하여 하천의 유속을 측정하여 이를 이용하여 하천의 유량을 측정할 수 있도록 하는 이동식 유량측정장치 및 유량측정방법을 통해 하천의 유량 및 유속을 정확하게 측정할 수 있어 하천의 측량이나 재난이나 재해를 방지할 수 있는 산업상 이용가능성을 가진다.

Claims (7)

  1. 지면으로부터 상측으로 형성되는 지지바(21)의 상부에 결합되는 본체(20)와;
    상기 본체(20)의 전면에 설치되고, 하천의 흐름 단면적을 측정하기 위한 단면적측정부(30)와;
    상기 본체(20)의 전면 하부에 설치되고, 하천의 유속을 측정하기 위한 유속측정부(40)와;
    상기 단면적측정부(30)와 유속측정부(40)에 의해 측정된 흐름단면과 유속을 유량으로 연산하기 위한 유량연산부(50)와;
    상기 본체(20)에 설치되고, 상기 본체(20)의 현재 위치를 확인하기 위한 GPS(60)와;
    상기 유량연산부(50), GPS(60)로부터 정보를 전달받아 저장하는 저장부(70)와;
    상기 본체(20)의 후면에 설치되고, 상기 저장부(70)에 저장된 정보를 출력하기 위한 디스플레이부(80)와;
    상기 저장부(70)에 저장된 정보를 서버로 전송하기 위한 통신모듈(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단면적측정부(30)는 상기 본체(20)와 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하기 위한 레이저 스캐너(31)와;
    상기 본체(20)와 하천의 수면까지의 거리를 측정하기 위한 초음파센서(32)와;
    상기 레이저 스캐너(31)에 의해 측정된 측정값과 상기 초음파센서(32)에 의해 측정된 측정값을 전달받아 하천의 흐름 단면적을 연산하기 위한 단면적연산기(33)와;
    상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)의 수평 및 수직 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(34)와;
    상기 기울기센서(34)에서 측정된 측정값을 전달받아 상기 레이저 스캐너(31)와 초음파센서(32)가 동일축 상에 위치되도록 하는 구동모터(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 스캐너(31)는 360° 방향으로 스캔이 가능하고, 하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 라이다(311)인 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유속측정부(40)는 하천의 수면을 감시하고, 측정하기 위한 마이크로웨이브센서(41)와;
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하기 위한 기울기센서(42)와;
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값을 전달받고, 상기 마이크로웨이브센서(41)에 의해 측정된 측정값을 하천의 유속으로 변환하기 위한 유속변환기(43)를 포함하여,
    상기 유속변환기(43)는 상기 기울기센서(42)에 의해 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기값 중에서 상기 마이크로웨이브센서(41)가 수평상태일때 측정된 측정값을 유속으로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정장치.
  5. 이동식 유량측정장치를 이용한 유량측정방법에 있어서,
    상기 이동식 유량측정장치(10)가 설치된 하천의 위치에 해당하는 하상의 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S100);
    유량측정장치(10)가 설치된 위치에서의 하천의 유속을 연산하는 유속연산단계(S200) 및;
    상기 단면적연산단계(S100)로부터 연산된 흐름단면적과 유속연산단계(S200)로부터 연산된 유속을 곱하여 하천의 유량을 연산하는 유량연산단계(S300)를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단면적연산단계(S100)는,
    하천 바닥의 횡단면까지의 각도와 거리를 측정하는 각도거리측정단계(S110);
    하천의 수면까지의 거리를 측정하는 수면위치측정단계(S120);
    상기 각도거리측정단계(S110)에서 측정한 각도와 거리를 이용하여 하천의 지형의 좌표를 생성하는 지형좌표생성단계(S130);
    상기 지형좌표생성단계(S130)에서 생성된 지형좌표 중에서 상기 수면위치측정단계(S120)에서 측정된 수면까지의 거리보다 가까우면 지형좌표에서 제거하는 비지형좌표제거단계(S140) 및;
    상기 비지형좌표제거단계(S140)를 통해 완성된 지형좌표값을 이용하여 흐름단면적을 연산하는 단면적연산단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 유속연산단계(S200)는,
    마이크로웨이브센서(41)를 통해 하천의 수면으로부터 반사되는 반사파의 주파수를 수신하는 주파수수신단계(S210);
    상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 측정하는 기울기측정단계(S220) 및;
    상기 기울기측정단계(S220)에서 측정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 기울기를 보정하기 위한 기울기보정단계(S230)와;
    상기 기울기보정단계(230)를 통해 보정된 상기 마이크로웨이브센서(41)의 보정값을 유속으로 변환하는 유속변환단계(S240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 유량측정방법.
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