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KR100927449B1 - 음파수위측정방법 - Google Patents

음파수위측정방법 Download PDF

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KR100927449B1
KR100927449B1 KR1020080003348A KR20080003348A KR100927449B1 KR 100927449 B1 KR100927449 B1 KR 100927449B1 KR 1020080003348 A KR1020080003348 A KR 1020080003348A KR 20080003348 A KR20080003348 A KR 20080003348A KR 100927449 B1 KR100927449 B1 KR 100927449B1
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receiver
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Abstract

본 발명은 음파수위측정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 음파수위측정방법은 음파를 가이드 하기 위한 것으로서, 일단은 폐쇄되어 있고 타단은 개방되어 수면쪽으로 연통되는 도파관과, 도파관에 설치되어 음파를 발생시키는 음파발신기와, 음파발신기로부터 일정 거리 이격되어 도파관에 설치되며, 음파발신기로부터 발신된 음파를 수신하는 음파수신기와, 음파발신기 및 음파수신기와 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤러를 마련하는 준비단계와, 음파발신기에서 발신된 음파가 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 도파관의 일단에서 반사되어 다시 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제1소요시간을 측정하는 제1측정단계와, 음파수신기와 도파관 일단 사이의 거리와 제1소요시간을 이용하여 음파수신기와 도파관 일단 사이 구간을 진행하는 음파의 표본속력을 산출하는 제1산출단계와, 음파발신기에서 발신된 음파가 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 도파관 타단의 수면에서 반사되어 다시 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제2소요시간을 측정하는 제2측정단계와, 제2소요시간과 표본속력을 곱하고 이 값을 2로 나눔으로써 음파수신기와 수면 사이의 거리를 측정하는 제2산출단계를 포함한다.
음파발신기, 수위측정, 음파수신기

Description

음파수위측정방법{Method of water level measuring}
본 발명은 음파수위측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수면을 향하여 음파를 발신하고 이 음파가 수면에서 반사되어 돌아오는데 소요되는 시간을 이용하여 수위를 측정하는 음파수위측정방법에 관한 것이다.
각 가정에 공급되는 상수나 공업용 용수를 확보하기 위하여 하천에 건설되는 댐이나 저수지 등에 저장되는 물의 유량, 또는 배관을 통해 공급되는 각종 유체들의 유량은 정확하게 측정될 필요가 있으며, 이를 위해서는 정확한 수위 측정이 선행되어야 한다. 과거에는 수위를 측정하는 방법으로 음파발신기로 음파를 발신한 후 발신된 음파가 수면에서 반사되어 돌아오기까지 소요되는 시간을 측정함으로써 수위를 측정하였으나 음파의 진행속도가 온도에 따라 변화하기 때문에 그 정확성에 한계가 있었다. 따라서 오늘날에는 복수의 음파수신기를 구비하여 온도에 따른 음파의 속력 차이를 반영하여 수위를 측정하는 방식이 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 수위측정장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 수위를 측정하고자 하는 수면(H)에 도파관(1)을 설치하고 설치된 도파관(1) 상단에 음파발신기(2)를 설치한다. 음파발신기(2)로부터 일정한 거리만큼 떨어진 지점에서부터 복수의 음파수신기(3, 3a)를 동일한 간격(l)으로 이격되게 설치한다. 도파관(1) 상단에 설치된 음파발신기(2)에서 음파(P)를 발신하면 이 음파(P)는 도파관(1)을 따라 아래로 진행하고, 도파관(1)에 설치된 각각의 음파수신기(3, 3a)는 이 음파를 수신한다. 음파발신기(2)에서 발신된 음파(P)는 수면(H)에서 반사되어 도파관(1)을 따라 위로 진행하게 되고, 도파관(1)에 설치된 각각의 음파수신기(3, 3a)는 이 음파를 다시 수신한다. 도파관(1)에 설치된 각각의 음파수신기(3, 3a) 사이의 거리(l)와 각각의 음파수신기 간에 음파가 측정되는 시간의 차이를 이용하여 도파관(1) 내를 진행하는 음파의 속력을 측정한다. 음파발신기(2)에서 발신된 음파(P)가 수면(H)에서 가장 가까운 지점에 설치된 음파수신기(3a)를 통과한 시점부터 이 음파(P)가 수면(H)에서 반사된후 다시 이 음파수신기(3a)를 통과할 때까지 소요되는 시간과 앞에서 구한 음파의 속력을 이용하여 수위를 측정한다.
하지만 종래의 방식은 수면(H)이 상승하여 도파관(1a)에 배치된 음파수신기(3, 3a)가 수면(H)에 잠기게 되는 경우 음파수신기(3, 3a)의 표면에 이끼 등의 오염물질이 생기게 되어 음파수신기에 고장이 발생하는 문제점이 있다. 또한 수위를 정확하게 측정하기 위해서는 온도에 따른 음속을 반영해야 하는바, 종래의 방식에서는 복수의 음파수신기(3, 3a)를 구비하여야 하고, 이에 따라 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다. 또한 수면(H)이 상승하여 수면(H)과 음파수신(3a)기 사이의 거리가 특정거리, 소위 말하는 불감구간보다 더 가까워지는 경우 음파수신기(3a)에 측정되는 음파가 중첩되어 수위측정이 불가능해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 경제적이며 용이한 방식으로 정확한 수위를 측정할 수 있는 음파수위측정방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 음파수위측정방법은 음파를 가이드 하기 위한 것으로서, 일단은 폐쇄되어 있고 타단은 개방되어 수면쪽으로 연통되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되어 음파를 발생시키는 음파발신기와, 상기 음파발신기로부터 일정 거리 이격되어 상기 도파관에 설치되며, 상기 음파발신기로부터 발신된 음파를 수신하는 음파수신기와, 상기 음파발신기 및 상기 음파수신기와 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤러를 마련하는 준비단계와, 상기 음파발신기에서 발신된 음파가 상기 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 상기 도파관의 일단에서 반사되어 다시 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제1소요시간을 측정하는 제1측정단계와, 상기 음파수신기와 상기 도파관 일단 사이의 거리와 상기 제1소요시간을 이용하여 상기 음파수신기와 상기 도파관 일단 사이 구간을 진행하는 음파의 표본속력을 산출하는 제1산출단계와, 상기 음파발신기에서 발신된 음파가 상기 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 상기 도파관 타단의 수면에서 반사되어 다시 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제2소요시간을 측정하는 제2측정단계와, 상기 제2소요시간과 상기 표본속력을 곱하고 이 값을 2로 나눔으로써 상기 음파수신기와 상기 수면 사이의 거리를 측정하는 제2산출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 하나의 음파수신기를 사용하여 수위를 측정할 수 있다. 따라서, 종래에 복수의 음파수신기를 사용하던 방법에 비하여 하나의 음파수신기만을 사용함으로써 경제적이며, 복수의 음파수신기에서 발생할 수 있는 고장 위험을 줄일 수 있다. 그리고 복수의 음파수신기를 구비한 경우 수위 변화에 따라 발생될 수 있는 불감구간을 방지할 수 있다.
또한, 도파관의 일단에서 반사되는 반사파를 이용하여 도파관 내부를 진행하는 음파의 속력을 산출하고, 산출된 음파의 속력을 이용하여 수위를 측정함으로써 온도에 따라 음파의 진행속력이 변화됨으로 인해 발생할 수 있는 측정오차를 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정방법에 관하여 설명하기로 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 음파수위측정방법(M100)은 준비단 계(S10)와, 제1측정단계(S20)와, 제1산출단계(S30)와, 제2측정단계(S40)와, 제2산출단계(S50)를 포함한다.
준비단계(S10)는 본 실시예에 따른 음파수위측정방법(M100)을 구현하기 위한 음파수위측정장치를 마련하는 단계이다. 음파수위측정장치는 도파관과, 음파발신기와, 음파수신기와, 컨트롤러를 구비하는데, 도파관의 형태 및 음파발신기와 음파수신기의 배치위치에 따라 후술하는 바와 같이 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 음파수위측정장치의 형태에 따라서 제1측정단계(S20)에서 이용되는 음파의 진행경로가 조금씩 상이하게 된다. 이하에서는, 준비단계(S10)에서 마련되는 다양한 형태의 음파수위측정장치에 관하여 설명한 뒤, 이를 이용하여 수위를 측정하는 음파수위측정방법에 관해 설명하기로 한다.
도 3은 제1실시예에 따른 음파수위측정장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 4는 불감구간을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면 제1실시예에 따른 음파수위측정장치(100)는 도파관(10)과, 음파발신기(20)와 음파수신기(30)와 컨트롤러(미도시)를 구비한다.
도파관(10)은 중공의 형상으로 상하 방향으로 길게 형성된다. 도파관(10)의 하단은 개방되어 있다. 수면(H)이 상승하는 경우 도파관(10) 하단이 수면(H) 아래로 잠기게 되어 도파관(10) 내부로 물이 삽입되며, 수면(H)이 하강하는 경우 도파관(10) 하단이 수면(H) 위로 드러나게 된다. 도파관(10)의 상단은 폐쇄되어 있다. 도파관(10)은 음파가 진행하는 통로로 이용되므로, 음파를 잘 반사시킬 수 있으며 외부의 압력에 의해 쉽게 변형되지 않는 소재로 구성된다. 도파관(10)은 물과 반 응하여 부식되거나 변질되지 않는 소재로 구성된다.
음파발신기(20)는 도파관(10)의 상단벽부(14)에 설치된다. 음파발신기(20)는 하방향으로 음파를 발신하도록 설치된다. 음파발신기(20)는 컨트롤러(미도시)로부터 음파발신신호를 인가받아 음파를 발신한다. 음파발신기(20)는 공지의 장치로서, 예컨대 등록번호 제0150714호의 등록특허공보에 개시된 음파펄스발생기 등 다양한 방식의 발신기가 사용될 수 있다.
음파수신기(30)는 음파발신기(20)로부터 하방향으로 일정거리 이격되어 도파관(10)에 설치된다. 음파수신기(30)는 도파관(10) 내부를 진행하는 음파가 음파수신기(30)에 반사되어 진행방향을 바꾸지 않도록, 즉 상방향으로 진행하던 음파가 음파수신기(30)에 반사되어 하방향으로 진행하게 되거나 역으로 하방향으로 진행하던 음파가 상방향으로 진행하게 되지 않도록, 도파관(10) 내부로 튀어나오지 않게 설치된다. 음파수신기(30)는 음파발신기(20)에서 발신된 음파를 수신하며, 음파수신신호를 컨트롤러로 발신한다. 음파수신기(30)는 습기에 의해 변질되지 않는 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 음파수신기(30)는 공지의 장치로서, 예컨대 등록번호 제0150714호의 등록특허공보에 개시된 마이크로폰 등 다양한 방식의 수신기가 사용될 수 있다.
또한 음파수신기(30)의 설치위치는, 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 음파수신기(30)에서 측정되고 있는 시간을 음파펄스지속시간(T)이라하고 도파관(10) 내의 공기중에서 예상할 수 있는 최대음속을 Cmax라고 할때, 음파수신기(30)는 예상되 는 최대수위(Hmax) 보다 (T×Cmax)/2 만큼 위에 있는 지점이 되는 것이 바람직하다. 이는 불감구간 내에 음파수신기(30)가 설치되어 수위를 측정하지 못하게 되는 현상을 방지하기 위한 것으로, 이하 불감구간에 대하여 설명한다. 음파가 음파수신기(30)를 통과하고 수면(H)에서 반사되어 다시 음파수신기(30)를 통과하는데 소요되는 시간차이를 측정하여 수위를 측정하는 원리는, 도 4(A) 에 도시된 바와 같이, 음파발신기(20)에서 하방향으로 발신된 음파가 음파수신기(30)에서 수신되기 시작(a)하여 측정이 끝난 시점(b) 뒤에 수면(H)에서 반사된 음파가 음파수신기(30)에서 다시 수신되기 시작(c)하면 두 음파가 측정되기 시작하는 두 시점(a, c)의 사이의 시간차이를 이용하는 것이다. 하지만, 도 4(B)에 도시된 바와 같이, 음파발신기(20)에서 하방향으로 발신된 음파가 음파수신기(30)에서 수신이 종료되는 시점(b') 전에 수면에서 반사된 음파가 음파수신기(30)로 수신되는 경우, 두 개의 음파가 중첩되어 하나의 음파로 측정됨으로써 두 음파가 측정되기 시작하는 두 시점(a', c')의 시간차이를 측정하지 못하게 되며, 따라서 수위도 측정하지 못하게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 수면과 음파수신기 사이의 거리가 가까워서 발생하는 현상이며, 수면으로부터 이러한 현상이 발생할 수 있는 지점까지를 불감구간이라 한다.
컨트롤러(미도시)는 음파발신기(20) 및 음파수신기(30)와 전기적으로 연결되어 있다. 컨트롤러(미도시)는 도파관(10)의 외부에 설치된다. 컨트롤러는 음파발신기(20)로 음파를 발신하게 하는 음파발신신호를 보내 음파발신기(20)가 음파를 발신하게 한다. 또한 컨트롤러는 음파수신기(30)로부터 음파가 수신되었음을 나타내는 음파수신신호를 전달받아 음파가 수신된 시점을 확인한다. 컨트롤러는 음파수신기(30)에 음파가 수신된 시점의 차이를 통하여, 음파발신기(20)에서 발신되어 도파관(10) 하단의 수면에서 반사된 음파가 음파수신기(30)를 통과한 시점부터 이 음파가 다시 음파발신기(20)에서 반사되어 음파수신기(30)를 통과하는, 즉 제1경로(P1)를 진행하데 소요되는 제1소요시간을 측정한다. 또한, 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 음파수신기(30)를 통과한 시점부터 이 음파가 도파관(10) 하단의 수면(H)에서 반사되어 다시 음파수신기(30)를 통과하는, 즉 제2경로(P2)를 진행하는데 소요되는 제2소요시간을 측정한다. 컨트롤러(미도시)는 제1경로(P1)의 길이, 즉 음파수신기(30)와 음파발신기(20) 사이의 왕복거리를 제1소요시간으로 나누어 제1경로를 통과하는 음파의 속력인 표본속력을 산출하며, 이 표본속력을 도파관 전체에서의 속력 특히, 음파수신기(30)와 수면(H) 사이의 구간을 지나는 음속으로 간주한다. 컨트롤러는 표본속력과 제2소요시간을 곱하여 2로 나누어 수면(H)과 음파수신기(30) 사이의 거리(h)를 산출하고 이를 통하여 수위를 측정하게 된다.
이하, 제1실시예와 같이 구성된 음파수위측정장치(100)를 이용하여 수위(H)를 측정하는 음파수위측정방법(M100)에 관하여 설명하기로 한다.
준비단계(S10)에서는, 수위를 측정하고자 하는 수면(H)에 상술한 바와 같이 구성된 음파수위측정장치(100)를 설치한다. 이때, 기존에 설치되어 있는 음파수위측정장치(100)를 사용하는 것으로서 본 실시예의 준비단계를 대체할 수도 있다.
준비단계(S10) 이후, 컨트롤러를 이용하여 음파발신기(20)로 음파발신신호를 인가하면, 음파발신기(20)는 하방향으로 음파를 발신한다. 발신된 음파는 도 3에 도시된 진행경로(P0)를 따라 진행하여 음파수신기(30)를 통과한다. 음파수신기(30)를 통과한 음파는 계속 진행하다 수면(H)에서 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 상방향으로 진행하여 다시 음파수신기(30)를 통과함으로써 제2경로(P2)를 지난다. 이 음파는 계속 진행하다 도파관(10) 상단에 설치된 음파발신기(20)에서 다시 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 다시 하방향으로 진행하여 음파수신기(30)를 통과함으로써 제1경로(P1)를 지나게 된다.
제1측정단계(S20)에서는 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 음파수신기(30)를 통과한 시점부터 이 음파가 도파관(10)의 일단, 즉 음파수신기(30)에서 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과하는 시점, 즉 제1경로(P1)를 통과하는데 소요되는 제1소요시간을 측정한다.
제1산출단계(S30)에서는 제1경로(P1)의 길이, 즉 음파수신기로부터 음파발신기까지의 왕복거리를 제1소요시간으로 나누어 제1경로(P1)를 통과하는 음파의 속력, 즉 표준속력을 산출한다.
제2측정단계(S40)에서는 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 음파수신기(30)를 통과한 시점부터 이 음파가 도파관 타단의 수면에서 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과하는 시점, 즉 제2경로(P2)를 통과하는데 소요되는 제2소요시간을 측정한다.
제2산출단계(50)에서는 표준속력과 제2소요시간을 곱하고 이 값을 2로 나누 어 음파수신기(30)로부터 수면까지의 거리(h)를 산출하며, 이 거리(h)를 이용하여 수위(H)를 산출한다.
도 5는 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(100)를 설명하기 위한 단면도이며, 도 6은 제2실시예의 연결관부가 변형된 실시예를 설명하기 단면도이다.
도 5를 참조하면, 제2실시예에 따른 음파수위측정장치(100)는 도파관(10)과, 음파발신기(20)와, 음파수신기(30)와, 반사체(40)와, 컨트롤러(미도시)를 구비한다.
이하, 도파관(10)과 반사체(40)를 중심으로 검토하되, 음파발신기(20)와 음파수신기(30)와 컨트롤러(미도시)는 앞서 검토한 제1실시예에서와 구성 및 작용이 동일하므로 배치지점에 대해서만 검토하기로 한다.
도파관(10)은, 제1실시예와 달리, 수위측정관부(11)와, 음속측정관부(12)와, 연결관부(13)로 이루어진다.
수위측정관부(11)는 중공의 형상으로 상하방향으로 길게 형성되며, 그 하단, 즉 도파관(10)의 하단은 수면(H)쪽으로 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 음속측 정관부(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(40)는 음속측정관부(12)의 하단에 설치된다. 반사체(40)는 음파를 반사시키기 위한 것으로서, 음파가 반사면에서 반사될 때 산란되지 않도록 반사되는 면이 평편하게 구성된다. 반사체(40)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 통과하는데 소요되는 제2소요시간에 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 컨트롤러에 의하여 정확히 측정될 수 있지만, 음파의 속도를 정확하게 측정하는 것은 용이하지 않다. 즉, 음파의 속도가 매질(공기)의 온도에 따라서 달라지는데, 도파관(10) 내의 공기의 온도는 일정하지 않으며 도파관(10) 높이방향을 따라 상이해지기 때문이다. 그러나, 이러한 온도변화에 불구하고 본 발명의 제2실시예에서는 수위 측정에 사용되는 구간 즉 음파수신기(30)와 수면(H) 사이 구간에서의 음파의 속도를 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 이하 상세히 설명한다.
먼저 제2실시예에서 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(40)에 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과하는, 즉 제1경로(P3)를 따라서 진행한다. 음파수신기(30)는 위 제1경로(P3)에서 음파를 수신하여 컨트롤러로 수신신호를 전송하고, 컨트롤러는 위 수신신호를 기초로 음파가 처음 음파수신기(30)를 통과한 시점과 반사체(40)에서 반사된 후 다시 음파수신기(30)를 통과한 시점 사이의 시간, 즉 제1소요시간을 측정한다. 제1경로(P3)의 길이, 즉 음파수신기(30)로부터 반사체(40)까지 도파관(10)을 따라 측정한 길이를 제1소요시간으로 나눔으로써 제1경로를 진행하는 음파의 속도가 산출된다. 그리고, 이 구간에서의 음파의 속도는 수위가 측정되는 구간인 제2경로(P4) 즉, 음파수신기(30)로부터 수면(H)까지 구간의 음파의 속도로 볼 수 있다. 이는 음파수신기(30)를 중심으로 제1경로(P3)와 제2경로(P4)와 대칭으로 형성되기 때문이다. 즉, 도파관(10) 내의 공기는 움직임이 활발하지 않은 안정된 상태라 할 수 있으며 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 동일해지며, 결국 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, 음속측정관 부(12)의 하단을 예상되는 평균수위(Havg)에 일치하게 하여 오차를 줄일 수 있다. 위와 같은 방식으로, 본 제2실시예에서는 수위 측정구간인 제2경로(P4)에서 음파의 속도를 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 제2실시예에서는 연결관부(13)와 음속측정관부(12)의 상단 및 수위측정관부(11)의 상단의 결합부분이 원호의 형태로 결합되었으나, 도 6에 도시된 바와 같이 연결관부(13)와 음속측정관부(12)의 상단 및 수위측정관부(11)의 상단이 직선으로 결합되어 사다리꼴 형태가 되도록 구성될 수 있다.
이하, 제2실시예와 같이 구성된 음파수위측정장치(100)를 이용하여 수위를 측정하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
수위를 측정하고자 하는 수면(H)에 음파발신기(20), 음파수신기(30), 도파관(10), 반사체(40) 및 컨트롤러를 구비한 음파수위측정장치(100)를 설치한다(S10). 컨트롤러에서 음파발신기(20)로 음파발신신호가 인가되면, 음파발신기(20)는 상방향으로 음파를 발신한다. 발신된 음파는 도 5에 도시된 진행경로(P0)를 따라 진행하여 연결관부(13)의 중간 지점에 설치된 음파수신기(30)를 통과한다. 음파수신기(30)를 통과한 음파는 계속 진행하다 음속측정관부(12) 하단에 설치된 반사체(40)에서 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 상방향으로 진행하여 다시 음파수신기(30)를 통과함으로써 제1경로(P3)를 지나게 된다. 이 음파는 계속 진행하다 수위측정관부(11) 하단의 수면(H)에서 다시 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 다시 상방향으로 진행하여 음파수신기(30)를 통과함으로 써 제2경로(P4)를 지나게 된다. 컨트롤러는 제1경로(P3)를 통과하는데 소요되는 제1소요시간을 측정하며(S20), 제1경로(P3)의 거리를 제1소요시간으로 나누어 표본속력을 산출한다.(S30) 컨트롤러는 제2경로(P4)를 통과하는데 소요되는 제2소요시간을 측정하며(S40), 표본속력과 제2소요시간을 곱한 값을 2로 나누어 수면(H)에서부터 음파수신기(30)까지의 거리를 구하고(S50), 이를 이용하여 수위(H)를 산출한다.
도 7 및 도 8은 제3실시예에 따른 음파수위측정장치(100)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제3실시예에 따른 음파수위측정장치(100)는 도파관(10)과, 음파발신기(20)와, 음파수신기(30)와, 반사체(40)와, 컨트롤러(미도시)를 구비한다.
제3실시예에서의 각 구성요소의 구성 및 작용은 앞서 검토한 제1실시예에서의 구성요소와 유사하므로, 이하로는 구성요소의 배치관계를 중심으로 차이점만을 검토하기로 한다.
음파발신기(20)는 도파관(10)의 상단으로부터 일정거리 이격되어 설치된다. 음파발신기(20)에서 발신된 음파가 도파관(10) 내를 진행하다가 음파발신기(20)에 반사되어 진행방향이 바뀌지 않도록, 음파발신기는 도파관(10)의 내부로 튀어나오지 않도록 도파관(10) 벽내로 설치된다.
음파수신기(30)는 도파관(10)의 상단과 음파발신기(20) 사이에 설치된다.
반사체(40)는 도파관(10)의 상단벽부(14)에 설치된다. 반사체(40)는 음파가 반사면에서 반사될 때 산란되지 않도록 반사되는 면이 평편하게 구성된다. 반사체(40)는 습기 등에 의하여 부식되지 않으며 음파를 잘 반사할 수 있는 물질로 구성된다.
이하, 제3실시예와 같이 구성된 음파수위측정장치(100)를 이용하여 수위를 측정하는 일례를 설명하기로 한다.
수위를 측정하고자 하는 수면(H)에 음파발신기(20), 음파수신기(30), 도파관(10) 및 컨트롤러를 구비한 음파수위측정장치(100)를 설치한다(S10). 컨트롤러에서 음파발신기(20)로 음파발신신호가 인가되면, 음파발신기(20)는 상방향으로 음파를 발신한다. 발신된 음파는 도 7에 도시된 진행경로(P0)를 따라 진행하여 음파수신기(30)를 통과한다. 음파수신기(30)를 통과한 음파는 계속 진행하다 도파관(10) 상단의 반사체(40)에서 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 하방향으로 진행하여 다시 음파수신기(30)를 통과함으로써 제1경로(P5)를 지난다. 이 음파는 계속 진행하다 도파관(10) 하단의 수면(H)에서 다시 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 다시 상방향으로 진행하여 음파수신기(30)를 통과하게 됨으로써 제2경로(P6)를 지난다. 컨트롤러는 음파수신기(30)로부터 전송된 신호를 기초로 제1경로(P5)를 통과하는데 소요되는 제1소요시간 및 제2경로(P6)를 통과하는데 소요되는 제2소요시간을 측정한다.(S20, S40) 컨트롤러(미도시)는 앞서 검토한 방식으로 제1소요시간 및 제2소요시간을 이용하여 표본속력 및 수위를 산출한다.(S30, S50)
또는 음파발신기(20)에서 음파를 하방향으로 발신하는 경우 도 8에 도시된 진행경로(P0)를 따라 도파관(10) 하단의 수면(H)에서 반사되어 음파수신기(30)를 통과한다. 음파수신기(30)를 통과한 음파는 계속 진행하다 도파관(10) 상단의 반사체(40)에서 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 하방향으로 진행하여 다시 음파수신기(30)를 통과함으로써 제1경로(P7)를 지난다. 이 음파는 계속 진행하다 도파관(10) 하단의 수면(H)에서 다시 반사되며, 반사됨에 따라 진행방향이 전환되므로 다시 상방향으로 진행하여 음파수신기(30)를 통과하게 됨으로써 제2경로(P8)를 지나게 된다. 컨트롤러는 음파수신기(30)로부터 전송된 신호를 기초로 제1경로(P7)를 통과하는데 소요되는 제1소요시간 및 제2경로(P8)를 통과하는데 소요되는 제2소요시간을 측정한다.(S20, S40) 컨트롤러는 앞서 검토한 방식으로 제1소요시간 및 제2소요시간을 이용하여 표본속력 및 수위를 산출한다.(S30, S50)
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 음파수위측정방법(M100)을 사용하는 경우 하나의 음파수신기만을 이용하여 수위를 측정할 수 있다. 따라서, 종래보다 저렴한 비용으로 수위를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 종래와 같이 복수의 음파수신기에서 발생할 수 있는 고장의 위험을 줄일 수 있게 된다.
또한, 도파관의 일단에서 반사되는 반사파를 이용하여 도파관 내부를 진행하는 음파의 속력을 산출하고, 산출된 음파의 속력을 이용하여 수위를 측정함으로써 온도에 따라 음파의 진행속력이 변화함으로써 발생할 수 있는 측정오차를 줄일 수 있다. 특히 제2실시예에서 설명한 방식을 사용하는 경우에는 수위측정관부(11)와 음속측정관부(12)의 온도분포가 거의 동일할 수 있기 때문에 정확한 수위 측정이 가능하다. 또한, 복수의 음파수신기를 구비한 경우 발생 되는 불감구간을 방지할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래의 수위측정장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파수위측정방법의 흐름도이다.
도 3은 제1실시예에 따른 음파수위측정장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4는 불감구간을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 제2실시예에 따른 음파수위측정장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 제2실시예의 연결관부가 변형된 실시예를 설명하기 단면도이다.
도 7 및 도 8은 제3실시예에 따른 음파수위측정장치를 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
M100...음파수위측정방법 S10...준비단계
S20...제1측정단계 S30...제1산출단계
S40...제2측정단계 S50...제2산출단계
100...음파수위측정장치 10...도파관
20...음파발신기 30...음파수신기
40...반사체

Claims (5)

  1. 음파를 가이드 하기 위한 것으로서, 일단은 폐쇄되어 있고 타단은 개방되어 수면쪽으로 연통되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되어 음파를 발생시키는 음파발신기와, 상기 음파발신기로부터 일정 거리 이격되어 상기 도파관에 설치되며, 상기 음파발신기로부터 발신된 음파를 수신하는 음파수신기와, 상기 음파발신기 및 상기 음파수신기와 전기적으로 연결되어 있는 컨트롤러를 마련하는 준비단계;
    상기 음파발신기에서 발신된 음파가 상기 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 상기 도파관의 일단에서 반사되어 다시 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제1소요시간을 측정하는 제1측정단계;
    상기 음파수신기와 상기 도파관 일단 사이의 거리와 상기 제1소요시간을 이용하여 상기 음파수신기와 상기 도파관 일단 사이 구간을 진행하는 음파의 표본속력을 산출하는 제1산출단계;
    상기 음파발신기에서 발신된 음파가 상기 음파수신기를 통과한 시점부터 이 음파가 상기 도파관 타단의 수면에서 반사되어 다시 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 제2소요시간을 측정하는 제2측정단계; 및
    상기 제2소요시간과 상기 표본속력을 곱하고 이 값을 2로 나눔으로써 상기 음파수신기와 상기 수면 사이의 거리를 측정하는 제2산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 일방향으로 길게 형성되며, 상기 음파발신기는 상기 도파관의 일단에 설치되어 하방향으로 음파를 발신하며, 상기 음파수신기는 상기 음파발신기로부터 상기 도파관의 타단 방향으로 일정거리 이격되어 설치되며,
    상기 제1소요시간은 상기 음파발신기에서 발신되어 상기 수면에서 반사된 음파가 상기 음파수신기를 통과하는 시점부터 이 음파가 상기 음파발신기에서 다시 반사되어 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 시간인 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 일방향으로 길게 형성되고, 상기 음파발신기는 상기 도파관 일단으로부터 일정거리 이격되어 설치되어 음파를 발신하며, 상기 음파수신기는 상기 음파발신기와 상기 도파관의 일단 사이에 설치되며,
    상기 제2소요시간은 상기 음파발신기에서 발신되어 상기 도파관의 일단에서반사된 음파가 상기 음파수신기를 통과하는 시점부터 이 음파가 다시 상기 수면에 반사되어 상기 음파수신기를 통과하는 시점까지 소요되는 시간인 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은, 상하방향으로 길게 형성되어 하단이 수면쪽으로 개방된 수위 측정관부와, 상기 수위측정관부에 나란하게 배치되며 하단이 폐쇄된 음속측정관부와, 상기 수위측정관부의 상단과 상기 음속측정관부의 상단을 연결하는 연결관부를 구비하는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 음파수신기는 상기 연결관부의 중간 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 음파수위측정방법.
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