KR20000001368A - 하천 수평 평균유속 측정방법 - Google Patents

Abstract

하천의 유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서 초음파로 수평 평균유속을 측정함에 있어 선택한 유량측정 단면을 따라 하천 하쪽기슭에서 초음파 연속파를 발사하며 반대측 기슭에서는 일정한 간격으로 격리된 두 개의 수신변환기의 츨력전압이 동일하게 되는 지점까지의 이동거리를 측정하여 수평 평균유속을 측정하는 방법, 단 두 개의 수신변환기들의 출력을 차동증폭기에 연결하여 두 개의 수신변환기 츨력전압의 차가 0이 되는 지점을 측정한다.

이와 같은 방법을 실현하는 장치의 예를 설명했으며 그의 교정검사 방법이 제안되었다.

Description

하천 수평 평균유속 측정방법

본 발명은 하천, 대인공개수로에서 유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서의 수평 평균유속을 초음파로 측정하는데 활용되는 것이다.

개수로에서의 유량을 측정하기 위하여 초음파를 이용하여 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 방법은 다음과 같다.

도 1에 보인 것처럼 개수로의 양기슭에 수심을 따라 여러 개의 초음파 변환기쌍 A₁ 과 B₁,A₂ 와 B₂,A₃ 과 B₃⋅⋅⋅⋅ 을 유속 V 방향에 대해 일정한 각도 ψ 를 이루게끔 설치하고 변환기 A _i에서 발사된 초음파 펄스가 변환기 B _i에 도달하는 시간 t_AB 와 반대로 B _i에서 발사한 초음파 펄스가 A _i에 도달하는 시간 t_BA 를 측정한다. t_AB 와 t_BA 는 다음과 같다고 본다.

여기서 C는 하천 물에서의 음속이고 V는 수평평균유속이고 L은 변환기 A _i와 B _i간의 거리이다.

수하식 1과 2에서 전파시간차 Δt=t_BA - t_AB 를 구하면 다음과 같이 된다.

Δt=t_BA - t_AB =

여기서 유속 V는 다음과 같이 된다.

음속의 자승 C² 은 다음과 같다.

C² =

이것을 수학식 3에 대입하면 가장 널리 사용되는 유속 측정식이 된다.

이와 같은 초음파 유속 측정방법을 초음파 전파시간차(transit time difference)방법이라고 한다.

이와 같은 방법을 이용한 개수로용 초음파 유량측정 장치로서 미국 ultraflux社의 UF2100 CO를 지적할 수 있다.

UF2100 CO유량계에서는 다음과 같은 유속측정식을 이용하고 있다.

결국은 수학식 4와 동일하다.

=

개수로에서 뿐만 아니라 현재 가장 많이 알려지고 있는 파이프관용 초음파 유량계에서도 초음파 전파시간차 방법으로 유속을 측정하고 있다.

시간차 방법 외에 주파수차, 위상차방법도 있으나 모두 초음파 전파시간에 근거한 것이고 초음파 변환기 배치방법도 도 1과 동일하다.

이와 같은 종전의 기술로 폭이 넓은 하천에서 수평 평균유속을 측정 할 경우 다음과 같은 문제들이 발생한다.

첫째 문제는 하천유량을 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하여 연산할 때 하천 물 흐름에 대해 직각으로 되는 물 흐름 단면적 S를 선택하게 된다. 그러면 유량 Q는 다음과 같다.

Q=V_S⋅S

여기서 V_S 는 단면 S에 대해 직각으로 되는 단면 평균유속성분이다.

단면 평균유속 V_S 를 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하여 연산하는 방법도 있고 UF-2000 CO에서와 같이 수평 평균유속을 측정하는 부분의 부분면적 Si 에(도 1) Vi 를 곱하여 부분유량을 연산하여 총합을 구하여 유량을 연산하는 방법도 있다.

어떤 방법을 사용하든 자연 하천에서는 초음파가 전파하는 구간 d 에서의 단면이 도 1에 도시한 것처럼 동일하지 않고 다양하다. 그러나 초음파가 L선을 따라 유속의 영향을 받으면서 전파 할 때 L선의 여러 지점에서의 유속이라는 것은 그 지점에 해당되는 하천수로 형태에 따라 다르다. 초음파로 측정된 유속은 평균유속인데 이 유속이 어떤 단면에 해당되는 것인지 알 수가 없다.

따라서 임의의 단면을 선택하게 된다.

그 결과 유량측정 오차가 매우 커질 수 있다.

예를 들어 하천폭이 500m이고 ψ =45°라면 d=500m가 되는데 단면이 동일한 자연 하천은 매우 드물다. 따라서 단면선택이 막연하게 되며 유량측정오차를 신뢰도 높게 평가하지도 못한다.

두 번째 문제는 하천에서는 사류(斜流), 회전 성분의 유속이 발달돼 있는데 있다.

도 3에 도시한 것처럼 측정하려는 유속은 단면 S에 대해 직각으로 되는 직각 성분유속 V_⊥ 이다. 만일에 유속 V 의 방향이 V_⊥ 와 일치되고 초음파가 전파하는 선 L과 ψ 의 각도를 이루고 있다면 시간차 유속측정식 4로 연산한 것이 V_⊥ 가 된다.

그러나 유속방향이 L선에 대해 예를 들어 ψ+α 각도를 이루는 사류인 경우 수학식 4로 유속을 연산하면 큰 오차가 발생한다.

도 3에서 다음과 같은 관계식이 성립된다.

초음파로 측정되는 유속은 다음과 같다.

그러나 사류의 각도 α 를 모르는 조건에서 유속을 수학식 4로 연산하게 되는바 결과는 다음과 같이 된다.

그리고 유량을 연산하기 위한 유속은 다음과 같이 되야 한다.

V_⊥=Vcosα=

따라서, V′ 를 V_⊥ 로 보는바 V_⊥ 측정오차 δ_V 는 다음과 같다.

=

만일에 ψ =45°라면 tanψ=1 이되고 δ_V=-tanα 가 된다.

사류의 각이 α=1∼10° 범위에서 변한다면 V_⊥ 측정 오차는 δ_V=1,745∼17,63% 나 된다.

자연하천에서 α =2 ∼ 3°되는 것은 일반적인 현상이다. 따라서 초음파 전파시간, L, d를 정밀하게 측정했다 하여도 유량연산에 필요한 유속 V_⊥ 측정 오차는 δ_V =3.5 ∼ 5.2% 정도 된다는 것이 문제다.

세 번째 문제는 초음파 펄스를 이용하는데서 발생한다.

초음파 펄스는 고조파 성분이 풍부하여 감쇄가 심하여 L이 길 경우에 충분한 수신강도를 보장하기도 힘들지만 특히 전파시간 측정오차를 크게 야기시킬 수 있는 가능성이 많다.

도 4에 두 형태의 초음파 펄스가 전파하면서 변형되는 것을 도시했다.

일반적으로 충격 펄스파(도 4b)를 가장 많이 사용하는데 도 4c에 도시한 것처럼 초음파 펄스가 전파하면서 하천물의 부유입자들의 농도 변화에따라 또 회전성분의 유속에 의하여 심하게 흡수, 확산되기 때문에 수신 신호의 진폭이 심하게 맥동을 한다.

따라서 초음파 펄스가 수신된 순간을 포착할 때 초음파 펄스 주파수의 한주기, 두주기에 해당되는 초음파 전파시간 측정 오차가 발생한다. 이와 같은 시간측정 오차를 축소시키기 위하여 자연하천에서 초음파 주파수를 임의로 높일 수도 없다.

주파수가 높을수록 흡수감쇄도 심하게 증가되지만 부유입자에 의한 확산도 커진다.

따라서 주파수를 낮춰야 하는데 주파수가 낮을수록 공동현상(Cavitation)을 일으키는 초음파 강도가 낮아져서 강하게 초음파 펄스를 발사할 수도 없다. 결국은 시간차 방법을 적용할 수 있는 하천의 넓이에 한도가 있게 된다.

위에서 언급한 큰 세 가지 문제점들로 인하여 종전의 기술로 폭이 넓은 자연 하천에서 수평 평균유속을 측정하기 힘들며 측정한다하여도 측정오차가 매우 커질 수 있는 가능성이 커서 하천유량을 초음파로 측정하는 방법이 활용되지 않고 있으며 다만 폭이 넓지 않는 인공 개수로에서 활용되고 있을 뿐이다.

본 발명은 위에서 언급한 세 가지 문제를 동시에 해결하는 초음파 수평 평균유속 측정방법을 제공하는데 주목적을 두고 있다.

도 1은 종래의 기술을 보인 구성도

도 2는 자연하천에서의 수로단면적의 변화를 보인 도면

도 3은 사류유속에 의한 유속측정오차 발생 설명도

도 4a, 4b, 4c는 초음파펄스의 감쇄 설명도

도 5는 유속에 따르는 초음파 전파편향 설명도

도 6a, 6b는 본 발명에 따르는 초음파 편향간격 측정방법을 보인 구성도

도 7은 본 발명에 따르는 수신 신호변화 곡선 그래프

도 8은 본 발명에 따르는 두개의 수신변환기 격리간격 선택 설명도

도 9a, 9b는 본 발명과 다른 초음파 편향간격 설명도

도 10a, 10b은은 다른 초음파 편향간격 측정방법의 신호 변화곡선을 보인 그래프

도 11 및 도 12는 본 발명의 방법을 실현시키는 장치의 실예시도

도 13은 본 발명의 방법의 교정검사방법을 보인 설명도

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

1 - 초음파 발사변환기 2 - 초음파 발진기

3 - 수신 변환기 4 - 차동증폭기

5 - 비교기 6 - 단안정

7-〈회전수 - 거리〉전환기 8 -유속연산장치

9 - 변속기 10 - 전동기

1 - 전동기 회전수 측정장치 12 - 피니온(pinion)

13 - 피니온 축 14 - 레크(rack)

15 - 유량연산장치 16, 18 - 타이머

17, 19 - 전원스위치 20 - 피니온 - 레크 케이스

21 - 수조

22 - 마이크로메-터 나사봉(leading screw)

23 - 마이크로메-터

상술한 본 발명의 목적은 하천, 대인공 개수로에서의 유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 경우 유량측정 단면 S를 하천 물흐름 방향에 대해 직각으로 되게 선택하고 하천 한쪽 기슭에 단면 S방향으로 초음파를 발사하는 발사변환기를 선택한 수심에 설치하고 다른 쪽 기슭에는 단면 S에 직각으로 되는 선상에 두 개의 초음파 수신변환기를 L간격으로 격리시켜 그의 중심점이 단면 S와 교차되는 지점을 원점으로 하고 두 개의 수신변환기를 동시에 유속방향을 따라 이동시키면서 두 개의 수신변환기의 출력전압이 동일하게 되는 지점을 포착하여 이 지점과 원점간의 간격 ℓ 을, 즉 초음파 편향간격을 측정하여 다음 식에 의하여 수평 평균유속 V를 측정하는 것으로:

또는

여기에서, t 는 두개의 수신변환기가 원점에 놓여 있을 때 그들간의 중심점과 발신변환기간의 거리 D를 초음파가 전파하는 시간이고 C는 유속을 측정하는 순간의 하천 물에서의 음속인 것을 특징으로 하는 하천 수평 평균유속 측정방법에 의해 달성될 수 있다.

종전의 기술과는 달리 초음파가 유량측정 단면 S를 따라 전파시키며 또 초음파 펄스대신에 연속파(싸인파)를 발사하면서 유속을 측정한다면 발명의 기본 목적을 달성하게 된다.

이와 같이 유속을 측정할 수 있는 유일한 방법으로서 초음파가 유체를 전파할 때 유체가 일정한 속도로 이동하고 있기 때문에 초음파가 움직이지 않는 하천 기슭에 도달하는 지점이 유체가 흐르지 않을 때 도달하는 지점에서 유체흐름방향측으로 밀리는 현상을 이용할 수 있다.

도 5에 초음파가 부동(不動)지점에서 유체로 전달되어 부동지점에 도달하는 현상을 설명하는 그림을 과장하여 도시하였다.

0점에서 초음파가 유체에 화살표 방향으로 전달되면 초음파가 전파하는 매체인 유체가 흐르지 않는 경우(V=0)에는 초음파는 화살표 방향으로 전파하여 (a)점에 도달 할 것이다.

그러나 유체가 일정한 유속 V로 이동하고 있는 경우에는 초음파가 도달하는 지점은 (b)가 된다. 이때(a)와 (b)점 간의 거리 ℓ 은 다음과 같이 된다.

여기서 D는 유체의 넓이이고 C는 유체에서의 음속이고 t 는 D의 거리를 초음파가 전파하는 시간이다.

또 선과 선이 이루는(형성하는) 각도 θ는 다음과 같이 된다.

만일에 초음파를 유체에 발생시키는 초음파 변환기(transdueer)와 수신변환기가 동시에 D구간에서의 평균유속V과 동일한 속도로 이동한다면 θ=0,ℓ=0 이 될 것이다. 수학식 5와 수학식 6에서 ℓ 과 θ 를 초음파편향간격, 편향각도라고 부르기로 하자.

수학식 5와 수학식 6에서 유속은 다음과 같다.

V=Ctanθ

따라서 편향간격 ℓ 또는 편향각θ와 음속C를 측정하여 유속V를 구할 수 있다.

위에서 설명한 초음파 편향현상은 물리법칙으로 따로 증명할 필요도 없다.

초음파시간차 유속 측정식을 유도할 때 초음파 전파시간이 L/(C+Vcosψ) 이 된다고 언급하기 때문에 음속C가 유속에 따라 변하는 것으로 오해할 수 있다. 유속C는 다만 유체의 물성에 따라 변하고 유속의 영향을 받지않는다. 시간차 유속 측정식도 초음파 편향에서 유도된 것이다.

초음파 편향각도 θ를 초음파의 전파방향이 θ로 변하는 것으로 이해해서는 안 된다. 초음파 전파방향은 유속에 따라 변하지 않는다. 전파방향을 유지하면서 유속을 따라 옮겨질 뿐이다(transfer).

수학식 7과 수학식 8에서 만일에 편향간격 ℓ 또는 편향각 θ와 음속 C 또는 전파시간 t 를 정확히 측정할 수 있다면 유속 V 를 측정하게 될 것이며 하천에서의 유량을 측정하기 위해서 수평 평균유속을 측정함에 있어 종전의 기술에서 발생하는 세 가지 문제들을 동시에 해소할 수 있을 것이다. 왜냐하면 초음파는 선택한 물 흐름 단면 S상에서 전파하기 때문에 단면 선택의 막연성이 해소되며 초음파 펄스를 사용하지 않고 연속파를 이용할 수 있어 수신신호의 진폭이 심히 맥동을 한다 하여도 증폭하는데 문제가 없고 사류유속의 방향과 단면 S와 이루는 각도 α 가 아무리 크다하여도 ℓ 또는 θ는 초음파전파 방향에 대해 직각으로 되는 성분에 따라 변하기 때문에 사류와 관련된 문제도 해소된다.

만일에 유속방향이 초음파 전파방향과 일치한다면 ℓ =0, θ=0이 될 것이다.

또 유속방향이 초음파 전파방향에 대해 90± α 의 각도를 이룬다면

가 될 것이다. 여기서 Vcosα=V_⊥ 는 초음파 전파방향에 대해 직각을 이루는 유속성분이다.

따라서 초음파 전파방향이 유량을 측정하기 위해 선택한 단면 S면상과 거의 일치하면 유량연산에 필요한 유속 V_⊥ 가 된다.

편향각 θ를 측정하여 수학식 8에 의하여 V=Ctanθ 를 구하는 것은 합리적이 아니다. 왜냐하면 tanθ=ℓ/D 인바 ℓ 을 측정하여 tanθ를 구할 필요없이 수학식 7에 의하여 유속을 구하는 것이 합리적이다.

본 발명의 주목적은 위에서 언급한 초음파 편향간격 ℓ 을 정확히 측정하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 초음파 편향간격 ℓ 의 측정방법을 도 6에 근거하여 설명하면 다음과 같다.

도 6에서 3₁ 과 3₂ 는 초음파 수신변환기인데 일정한 간격 Ｌ로 격리되어 있는 일체의 수신변환기쌍을 형성한다.

1은 초음파 발사변환기이고 2는 초음파 발진기이다. 초음파 발사변환기 1이 유량측정 단면 S방향으로 초음파 연속파를 하천 물에 발생시킨다. 발사변환기 1의 지향성이 대칭으로 되어 있고 지향각은 충분히 작다고 하자. 도 6a에서 수신변환기 쌍 3₁ 과 3₂ 의 중심점, 즉 L/2되는 점이 S 선과 일치하고 유속이 V=0이라면 수신변환기쌍의 3₁ 과 3₂ 의 출력 전압은 동일하게 될 것이다. 즉 U₃₁=U₃₂ . 만일에 이와 같은 출력 전압을 차동증폭기 4에 입력시켜 전압차를 증폭시킨다면 차동증폭기 4의 출력전압은 이 될 것이다.

여기서 K 는 차동증폭기의 증폭도이다.

유속이 V ≠0인 경우에는 만큼 초음파가 편향하게 된다.

따라서 수신변환기 3₁ 의 출력전압 U₃₁ 은 수신변환기 3₂ 의 출력전압 U₃₂ 보다 작아질 것이다. 즉 ΔU=K(U₃₂-U₃₁)＞0 이 될 것이다.

이때 수신변환기쌍 3₁ 과 3₂ 를 S선에 대해 직각으로 되는 방향, 즉 X축방향으로 이동시키면 ΔU 가 감소되다가 ΔU =0이 되고 수신변환기쌍 3₁ 과 3₂ 를 계속 이동시키면 ΔU 의 부호가 바뀌어지면서 ( ΔU ＜0)증가하게 된다.

이때 ΔU = 0이 되는 지점이 도 6b에 도시한 것처럼 측정하려는 초음파 편향간격 ℓ 이 된다.

도 7에 차동증폭기4의 출력 ΔU=K(U₃₂-U₃₁) 의 변화곡선을 도시하였다. 차동증폭기4의 증폭도 K 가 클수록 ΔU 곡선구배는 커진다.

ΔU = 0이 되는 순간을 정확하게 포착하는 방법은 간단하다.

예를 들어 차동증폭기 출력을 비교기(Comparator)에 입력시켜 ΔU = 0이 되는 순간 단안정 펄스발진기(mono stable multivibrator)를 동작시켜 전기펄스를 발생시켜 이 펄스를 이용하여 수신변환기 3₁과3₂ 가 ΔU = 0 이 되는 위치를 통과하는 순간을 포착할 수 있다.

수신변환기쌍 3₁과3₂ 의 간격 L은 다음과 같이 선택한다.(도 8참조) 초음파 발사변환기 1의 지향특성에서 음압이 최대되는 지점 P/Pmax = 1,0에서 수신변환기가 수신해야 할 음압 P₁ 에 해당되는, 즉 P₁/Pmax 에 해당되는 각도β를 구하고 다음 식에 의하여 L 값을 계산한다.

예를 들어 P₁ = 0,95 Pmax 를 선택했는데 이때 β= 0,05°라면 식(7)에서 이 된다. 따라서 하천 물 폭 넓이가 D= 100, 500, 1000m때의 L 값은 L=0,166 ; 0,83 ; 1,66m가 될 것이다.

수신변환기쌍간의 간격 L을 축소시키기 위해서는 발사변환기 1의 지향 각이 작을수록 좋다.(지향 각을 2∼3°정도로 보장하는 것은 쉽다.)

또 을 크게 선택함으로서 β가 작아지고 L 도 작아진다. 이러기 위해서는 차동증폭기4의 증폭도 K와 감도를 증가시켜야 한다.

수신변환기의 쌍 3₁과3₂ 의 최소, 최대 이동거리 Xmin과 Xmax은 다음과 같다.

따라서 이동거리 폭은 다음과 같다.

여기서 Vmax와 Vmin은 평균유속을 측정하려는 하천에서의 기대할 수 있는 최대 및 최소유속이고 Cmax와 Cmin은 하천 물에서 기대할 수 있는 최대 및 최소 음속이다. D는 하천 물 흐름의 폭 넓이이고 1,2는 ΔU=0 이 되는 순간을 정확하게 포착하기 위하여 χ=ℓ 이 된 후에도 수신변환기 쌍 3₁과3₂ 를 좀 더 이동시키는 계수이다.

수신변환기쌍 3₁ 과 3₂ 의 이동거리 폭 ΔX 의 예를 들어보자.

Vmin = 0.5m/s, Vmax = 3m/s, Cmax = 1500m/s (하천물의 온도가

∼26℃), Cmin = 1423m/s (하천물온도 ∼0℃) 인 경우 ΔX/D 는 다음과 같다.

≈ 0.00178

하천 물 흐름 폭이 D=100m, 500m라면 ΔX =0.178m, 0.89m가 된다.

이와 같은 본 발명의 초음파 편향간격 ℓ 을 측정하는 방법의 장단점을 설명하기 위하여 다른 ℓ 측정방법을 도 9a와 9b에 도시하였다.

도 9a에 도시한 것은 ℓ min과 ℓ max 구간에 수많은 수신변환기들이 배열되 있는 수신변환기 모자이크(mosaic)를 형성하는 수신변환기들을 순차로차등 증폭기 한쪽 입력에 연결하고 다른 한쪽 입력은 수신변환기 3₁ 이 연결되어 있다.

유속에 의하여 초음파의 최대음압이 3 _i수신 변환기에 작용하면 수신변환기 3₁ 과 3 _i간의 출력전압차가 최대로 될 것이다.

ℓ min과 ℓ max 구간을 1/100로 분할하여 Vmax- Vmin을 1/100 분해도로 측정한다면 100개의 수신변환기 요소로 구성된 수신변환기 모자이크가 필요하게 된다.

만일에 ΔV=Vmax-Vmin = 3 - 0.5 = 2.5m/s 라면 2.5/100 = 0.025m/s 의 분해도로 유속을 측정하게 된다. 이럴 경우 최소유속 측정오차는 다음과 같이 된다.

즉 오차가 크다.

이와 같은 방법으로 정밀하게 ℓ 값을 측정하기 위해서는 제한된 ℓ max ∼ℓ min 구간에 수백 개의 수신변환기 요소로 구성된 모자이크를 설치해야 한다. 따라서 모자이크를 형성하는 변환기 3 _i의 크기도 작아진다. 그리고 수신전압도 매우 작아져서 잡음레벨보다 낮아질 수도 있다. 이런 방법을 실현시키는 장치가 복잡해진다.

도 9b에 도시한 것은 수신변환기 3₁ 은 고정되어 있고 수신변환기 3₂ 만 이동시키면서 그들의 출력전압의 차 ΔU 가 최대로 되는 위치를 포착하는 방법이다.

위에서 언급한 두 가지 방법은 두 개의 수신출력전압차가 최대로 되는 위치를 포착하여 ℓ 을 측정하는 방법이다.

도 10a에 도시한 것처럼 ΔU 가 최대로 되는 부분의 곡선이 뚜렷하지 않아 ΔU_max 이 되는 위치를 포착하는데 오차가 커질 수 있다. 도 10a에서 계단형 곡선은 모자이크형 수신변환기를 사용하는 경우다.

ΔU 변화곡선은 발신변환기의 지향특성과 동일하다.

최소유속이 Vmin = 0.5m/s, D = 100m, Cmax = 1500m/s 라면 ℓ =33.3mm가 되는데 ℓ 을 1%오차로 측정하려면 허용오차는 ±Δℓ = 0.33mm가 된다.

도 10b에 도시한 것처럼 초음파발사지향특성에서 음압이 초대 Pmax이 되는 지점에서 Δℓ = 0.33mm정도 떨어진 지점 (a)는 초음파발사지점에서 보면 가 된다. D = 100m라면 β=0.00019° 정도 된다. 따라서 초음파발사변환기1의 지향각이 2∼3 ° 나 되는 매우 뾰족한 지향성을 보장한다 하여도 음압이 최대치가 되는 위치를 정확하게 포착한다는 것은 불가능하다.

다만 수신변환기 3₂ (10b)를 매우 빠른 속도로 이동시켜 ΔU(t) 곡선 변화율을 크게 하여 미분하여 최대치를 어느 정도 정확하게 포착할 수는 있겠지만 수신변환기 3₂ 이동장치가 매우 복잡해진다.

이와 같이 수신변환기 3₁ 과 3₂ 의 출력전압차 변화를 미분하지않는 경우와 모자이크형 수신변환기를 사용하는 경우에 있어 초음파가 전파하면서 다양한 요인에 의하여 감쇄도가 맥동을 하면 음압이 최대로 되는 순간을 포착하는 것이 거의 불가능해진다. 이럴 경우에는 수신변환기들의 출력전압의 비율을 측정하면서 이 비율이 최대로 되는 위치를 포착해야만 한다. 그러나 이 비율의 변화 폭이 매우 작아 그의 최대치가 되는 순간을 포착하는데 오차가 커진다.

본 발명의 방법에서는 ΔU=0 이 되는 순간을 포착함에 있어 수신 점에서 초음파 강도가 맥동을 하여도 관계없으며 또 수신변환기쌍 3₁ 과 3₂ 의 이동속도에도 관계없으며 그리고 수신변환기쌍 3₁ 과 3₂ 간의 간격 L을 조절하여 차동증폭기에 입력시키는 전압 차를 크게 보장할 수도 있다.

그 뿐 아니라 전압이 ΔU=0 이 되는 순간을 정확하게 포착하는 수단이 매우 간단하다.

이와 같이 본 발명의 방법에 따르면 초음파 편향간격 ℓ 을 매우 정확하게 측정할 수 있다.

초음파 편향간격 ℓ 을 측정하여 수평평균유속 V를 연산하기 위해서는 하천 물 폭 넓이 D 를 초음파가 전파하는 시간 t 또는 하천 물에서의 음속C를 측정해야만 한다.

전파시간 t 또는 음속 C 측정방법들은 많이 알려져 있어 적당한 방법을 채택하면 된다. t 또는 C 측정방법은 본 발명의 특허대상이 아니기 때문에 상세히 설명하지 않겠다.

초음파전파시간 t 를 측정하기 위해서는 발사변환기1에서 초음파가 발사되는 순간의 신호가 반드시 필요하다. 따라서 발사변환기가 설치된 강변 측에서 수신변환기가 설치된 반대편 강변으로 초음파를 발사했다는 신호를 전송해야 한다. 전송수단으로서 케이블선 또는 무선통신수단을 사용해야 한다는 것이 불편하다.

전파시간 t 대신 하천 물에서의 음속C를 측정하는 알려진 방법들이 있다.

예를 들어 초음파전파 방향으로 두 개의 수신변환기를 d간격으로 격리시켜 설치하고 반대측 강변에서 발사된 초음파를 순차로 수신하여 d 구간에서의 초음파 전파시간 t를 측정하여 음속C를 측정할 수도 있다. (C=d/t) 이와 같이 측정된 음속은 d구간에서의 음속이고 측정해야 할 음속은 D구간에서의 음속 C_D 이다. d«D 인 조건에서 C≠C_D 가 되고 C_D 측정오차는 가 될 것이다. 같은 조건에서 C 는 물의 온도변화에 따라 변한다.

C=≅1557-0.0244(74-T)²

여기서 T는 초음파가 전파하는 구간에서의 물의 평균온도이다.

따라서 C_D 측정오차는 다음과 같이 된다.

예를 들어 D구간에서 평균온도가 T_D =24℃인데 하천 기슭 근방에서 d구간의 물의 온도가 T_d =25℃였다면 δ_c =0.162%가 된다. 만일에 T_d =26℃라면 δ_c =0.31%가 된다. 하천 물 흐름의 넓이 D에서의 평균온도와 하천 기슭 근방에서의 온도의 차 ΔT=T_D-T_d 는 계절에 따라 다르지만 ΔT 가 2℃이상 되는 경우는 거의 없다.

유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 경우 반드시 수심을 측정해야 한다. 수심을 초음파로 정확히 측정하는 기술도 알려져 있는바 수심을 측정하는 조건에서 수심 구간에서의 음속도 정확하게 측정할 수 있다. 다만 측정된 음속은 수심구간에서의 음속 C_h 가 되는데 여러 수평 구간에서의 음속 C_Di 와 일치하지 않는다. 수심이 깊을 경우(여름철) 물표면 층에서의 수평 평균음속 C_D 가 C_h 보다 약간 크고 하상층에서의 수평평균음속이 C_h 보다 약간 작아진다. 따라서 물표면층의 유속측정오차가(+)가 되고 하상층에서는 (-)가 된다. 따라서 유량 연산결과에 미치는 오차는 훨씬 작아진다.

본 발명에 따르는 초음파 편향간격 ℓ 을 측정하여 수평 평균유속을 측정하는 방법을 실현시키는 장치의 실 예를 설명하면 다음과 같다.

도 11에 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하기 위한 초음파 편향간격 ℓ 측정장치의 한가지 예를 도시하였으며 도 12에는 하천에 설치했을 때의 모양을 도시하였다.

도 11에서 4는 수신변환기쌍 _i의 출력전압이 입력되는 차동증폭기이고 5는 비교기(comparator)이다. 비교기 5는 차동증폭기 4의 출력전압이 ΔU=0 이 될 때 단안정 펄스발진기6(mono stable multivilrator 또는 one shot multivilrator)을 동작시키는 출력펄스를 발생시키는 역할을 한다.

수신변환기쌍 _i는 레크(RACK) 14에 간격 L로 고정돼 있고 레크 14는 피니온(PINION) 12의 회전방향에 따라 좌우로 이동하게 되있다. 피니온 12의 측 13은 전동기10의 회전수를 감소시키는 감속기 9와 연결돼 있다. 11은 전동기 10의 회전수 측정기이다. (회전속도가 아니다) 7은 전동기회전수를 레크(RACK) 14의 이동거리 ℓ 로 환산하는 디지털 <회전수-길이>전환기인데 단안정 펄스발진기6에서 펄스신호를 입력시키면 입력되는 순간에 측정된 레크 이동 길이 ℓ 에 해당되는 신호를 유속 연산장치 8에 입력시키는 역할을 한다.

유속 연산장치 8에는 하천 물에서의 음속C의 값이 음속 측정장치에서 (도 11에는 보이지 않음)전달된다.

수평거리 D _i=const는 사전에 입력 되여 있어 연산장치8은 의 연산을 하여 유량연산장치 15에 전달한다.

도 11에서 20은 피니온-레크(Pinion&rack)의 케이스이다. 피니온-레크는 윤활유 없이 물 속에서도 원만히 동작할 수 있는 재질, 예를 들어 폴리우레탄합성수지로 제작될 수 있다. 16은 타이머이고 17은 전동기10의 전원을 연결 차단하는 전원용스위치이다. 도 12에서 1 _i는 초음파발사변환기들이고 2 _i는 변환기 1 _i를 진동시키는 초음파 싸인파전기발진기인데 모든 발사 변환기들이 동시에 초음파를 발진시키기 위하여 초음파주파수가 각기 다르게 되 있다.( f₁≠f₂≠⋅⋅≠f_n )

18은 타이머이고 19는 초음파발진기들을 동작시키기 위하여 전원을 공급-차단하는 전원 스위치인데 타이머 18의 신호에 의하여 동작한다. 타이머18은 주워진 유량측정시간에 (예를 들어 한시간에 한번씩) 스위치19에 신호를 보낸다. 수신측 타이머 16과 발사측타이머 18은 동기되있다. (synchronize)

도 11에 도시한 것처럼 수신변환기쌍 _i를 이동시키는 장치는 유량측장단면S에서 유속 반대쪽으로∼L/2만큼 떨어진 곳에 설치되 있다. 유속을 측정하지 않은 상태에서는 수신변환기쌍간의 중심점 L/2이 단면 S와 일치되 있다.

유속측정장치는 다음과 같이 동작한다. 유량을 측정할 시간이 되면 타이머 16과 18이 전원스위치 17과 19를 동작시켜 발사변환기들 1 _i가 초음파를 연속파로 수신변환기쌍 _i측을 향해 발사한다. 동시에 전동기 10이 구동되며 변속기9를 통해 피니온 12를 회전시켜 레크 14₁,14₂,14₃⋅⋅⋅14_n 이 동시에 유속방향으로 이동한다. 따라서 레크 14 _i에 고착된 수신변환기 _i도 이동한다. 이동하다가 수신변환기 _i의 출력전압이 동일하게 되여 차동증폭기4의 출력전압이 ΔU=0 이 되는 순간 단안정 펄스발진기 6에서 짧은 전기펄스가 발진된다. 전동기10이 회전하기 시작한 순간부터 회전수 측정장치 11은 연속적으로 전동기의 회전수를 적산하게 되며 회전수 코-드 신호를 <회전수-길이>전환기 7에 전송한다. 전환기 7은 레크 14의 이동거리에 해당되는 신호를 발생하고 있는데 단안정 펄스발진기 6의 펄스신호가 입력되면 이 순간 측정된 레크 이동거리신호가 유속연산장치 8에 입력된다. 바로 본 발명의 초음파편향간격 ℓ 측정방법에 따라 유속연산장치 8에 입력되는 신호는 ℓ 에 해당된다.

유속연산장치 8에는 여러 수심에서의 수평거리 D _i가 기억돼 있고 동시에 초음파수심 및 음속측정장치 20에서 음속C의 신호가 입력되고 있어 의 연산을 하여 유량 연산장치 15에 입력시켜 준다. 이와 같이 여러 수심에서 초음파 편향간격 ℓ _i측정이 완료되면 전동기8은 정지하고 회전방향을 바꾸어 수신변환기쌍 들을 원점으로 이동 정지시킨다. (전동기 제어장치는 도 11에 도시하지 않았음. 전동기제어장치는 여러 가지가 있다. 예를 들어 최종단 스위치들을 동작시킬 수도 있고 또는 단안정펄스발진기의 최종펄스를 이용할 수도 있다.)

하천에서 유속분포는 하상에서 가장 유속이 낮고 물 흐름 표면 층에서 가장 유속이 크다. 따라서 하상층에서 ℓ = ℓ min가 되어 가장 먼저 ΔU=0 이 되는 신호가 발생하고 순차로 ℓ 이 커지고 물흐름표면에 가장 가까이 놓인 수신변환기쌍 의 출력신호가 동일하게 되는 지점이 ℓ max가 되어 최종으로 ΔU=0 이 되는 신호가 발생하게 된다.

한번 유량을 측정하는 시간은 레크 14의 이동속도와 관련돼 있다. 이와 같은 장치로 초음파편향간격 ℓ 을 매우 정밀하게 측정할 수 있다는 것은 의심할 바 없다.

전동기 10의 회전속도, 변속기 9의 변속계수, 피니온 12의 1회전당 레크 14의 이동거리 그리고 전동기 회전수 측정분해도를 타당하게 선택하여 ℓ 측정허용오차를 조절할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따라 하천에서 초음파편향거리를 측정하여 수평 평균유속을 측정하는 방법을 쉽게 실현시킬 수 있으며 종전의 기술과는 달리 하천유량을 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.

가장 중요한 것은 이와 같은 장치의 특성을 교정 검사해야만 한다.

장치의 교정검사방법을 도 13에 따라 설명하면 다음과 같다.

수조 21의 양끝부분에 설치된 마이크로미-터 나사봉 (micrometer screw)22에 발사변환기1과 수신변환기쌍 를 설치하고 수신변환기쌍을 좌우로 이동시키면서 단안정 펄스발진기 6에서 펄스가 발진되는 순간의 위치를 측정한다. 만일에 발사변환기 1의 지향특성이 대칭이면 수신변환기쌍의 격리간격 L에 대해 발사변환기 1에서 직각으로 이은 선이 L/2지점과 교차 할 것이며 비대칭인 경우에는 다른 지점과 교차하게 되는데 이 지점이 하천에서 선택한 단면 S와 교차하는 지점이 된다.

그 다음에 발사변환기를 마이크로 메-터 23을 이용하여 초음파편향간격 ℓ 측정의 허용오차 Δℓ (예:0.25mm)만큼 이동시켜두고 수신변환기쌍 를 이동시키면서 Δℓ 지점을 통과할 때 6에서 펄스가 발생하는가를 검토해 본다. 만일에 펄스가 발진 안된다면 차동증폭기 4의 증폭도가 작든지 또는 발사변환기1의 지향 각이 크기 때문이다. 따라서 K 를 증가시켜도 6에서 펄스가 발진 안 되면 수신변환기쌍 의 간격 L을 증가시켜 단안정펄스발진기6이 Δℓ 지점에서 펄스가 발진되게끔 조절한다. 다음에 계산된 ℓ min∼ ℓ max 구간을 몇 등분한 간격으로 발사변환기 1를 이동시키고 수신변환기쌍 를 이동시키면서 6에서 펄스가 발생하는 순간의 위치가 발사변환기 1의 이동위치와 일치되는가를 측정하여 ℓ 측정오차를 검사한다.

수조의 길이는 5m정도면 충분하다. 이와 같이 초음파편향간격 ℓ 측정특성을 간단히 교정검사할 수 있다는 것도 큰 장점이다. 이와 같이 간단히 교정 검사할 수 있는 것을 설명하면 다음과 같다.

초음파편향간격 ℓ 이라는 것은 초음파가 하천 물 넓이D를 전파하는 시간 t=D/C 사이에 발사변환기1이 유속V의 속도로 이동한 거리와 동일하기 때문에 발사변환기1을 수조에서(V=0) ℓ 간격으로 이동시켜 놓고 수신변환기 쌍 를 이동시키면서 ℓ 위치를 측정하는 오차를 검사 할 수 있는 것이다.

하천의 유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서 초음파로 수평 평균유속을 측정할 때에, 선택한 유량측정 단면을 따라 하천 하쪽기슭에서 초음파 연속파를 발사하며 반대측 기슭에서는 일정한 간격으로 격리된 두 개의 수신변환기의 츨력전압이 동일하게 되는 지점까지의 이동거리를 측정하여 수평 평균유속을 적확히 측정할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 하천, 대인공 개수로에서의 유량을 측정하기 위하여 여러 수심에서의 수평 평균유속을 측정하는 경우 유량측정 단면 S를 하천 물흐름 방향에 대해 직각으로 되게 선택하고 하천 한쪽 기슭에 단면 S방향으로 초음파를 발사하는 발사변환기를 선택한 수심에 설치하고 다른 쪽 기슭에는 단면 S에 직각으로 되는 선상에 두 개의 초음파 수신변환기를 L간격으로 격리시켜 그의 중심점이 단면 S와 교차되는 지점을 원점으로 하고 두 개의 수신변환기를 동시에 유속방향을 따라 이동시키면서 두 개의 수신변환기의 출력전압이 동일하게 되는 지점을 포착하여 이 지점과 원점간의 간격 ℓ 을, 즉 초음파 편향간격을 측정하여 다음 식에 의하여 수평 평균유속 V를 측정하는 것으로:

   또는

   여기에서, t 는 두개의 수신변환기가 원점에 놓여 있을 때 그들간의 중심점과 발신변환기간의 거리 D를 초음파가 전파하는 시간이고 C는 유속을 측정하는 순간의 하천 물에서의 음속인 것을 특징으로 하는 하천 수평 평균유속 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 두 개의 수신변환기들 간의 간격 L을 다음과 같이 선택하며,

   (13)

   여기에서, P_max 은 발사변환기의 지향성에서 가장 큰 음압이고 P₁ 은 수신변환기들이 수신하려는 음압이고 β는 지향특성 원점에서 P₁ 을 연결하는 선과 P_max 을 연결하는 선들간의 각도인 것을 특징으로 하는 하천 수평 평균유속 측정방법.
3. 제 1항에 있어서, 두 개의 수신변환기의 출력을 차동증폭기에 입력시켜 두 개의 수신변환기 출력전압을 증폭시키고 이들이 이동할 때 차동증폭기 출력전압 ΔU=0 이 되는 순간을 검출하여 검출된 신호를 이용하여 두 개의 수신변환기 출력이 동일하게 되는 그들의 위치를 포착하는 것을 특징으로 하는 하천 수평 평균유속 측정방법.
4. 제 1항과 제 3항에 있어서, 상기 방법의 초음파 편향간격 ℓ 측정 특성을 발사변환기와 상호 L간격으로 격리된 두 개의 수신변환기를 수조에 설치하고 발신변환기를 초기 위치에서 여러 간격으로 L선에 평행 되게 이동시켜 두 개의 수신변환기로 측정된 간격과 대비하여 L또는 ΔU=0 이 되는 순간을 검출하는 장치를 조절하는 교정검사 방법인 것을 특징으로 하는 하천 수평 평균유속 측정방법.