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초음파 유속측정 기술을 적용한
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휴대용 초음파 유속계
근래의 전세계적인 기후 변화로 인해 매년 반복되 는 수해와 향후 물수요 증가에 따른 물부족에 대비 하기 위하여 수자원의 정확한 유량 측정을 통한 물 관리시스템을 구축하여 대응할 필요가 있다. 국내에 서는 수문계측을 위한 다양한 유속계가 사용되고 있
지만 대부분은 외산으로 구입 및 유지관리에 비용 이 많이 드는 문제점을 가지고 있다. 일반적으로 사 용하는 휴대용 초음파 유속계는 해외의 소수 기업이 시장을 지배하고 있어 제품이 고가여서 일반 물관리 현장에 원활한 보급이 어려운 실정이다.
이를 극복하기 위해 초음파 센서 기반의 휴대용 도플러 유속측정 기술을 개발하여 왔다. 5년여의 연 구개발을 통해 이제 하천 유량조사와 실내 수리실험 에 모두 사용 가능하고, 무선통신과 스마트 모바일 앱을 통해 편리한 사용자 인터페이스를 제공하는 첨 단 IT 기술 기반의 휴대용 스마트 초음파 유속계의 상용화를 목전에 두고 있다.
이 진 수
아이에스테크놀로지㈜ 물관리연구센터 센터장 jslee4420@istec.co.kr
그림 1. 수문조사를 위한 유속측정
고정해주는 도섭봉으로 구성된다. 각 부분에 대한 기술을 융합하여야 유속측정이 가능한 유속계 개발
속센서를 개발하는데 목표가 있다 하겠다.
초음파 유속계 센서 모듈은 수중의 파티클에 반 사되어 돌아오는 미소 신호를 수신하기 위해서는 송.수신감도 센서의 특성에 지대한 영향을 미친다.
따라서 센서의 특성을 좌우하는 송·수신 감도 향상
을 위한 압전소재(PC40 Type) 개발과 압전 세라믹 구조설계 및 트랜스듀서 M&S를 통해 초음파 유속 계에 적용할 압전세라믹을 개발하였다.
그림 2. 휴대용 초음파 유속계 개요
또한 신호대 잡음비를 높이기위해 매질의 물리적 특성에 의해 발생하는 음향신호 손실을 최소화 하는
복합다층구조를 적용하여 매질 간 임피던스 매칭에 따른 음향손실이 최소화하도록 하였다.
그림 3. 압전소재 개발
그림 4. 압전 세라믹 구조 설계
그림 5. 센서 빔각 정렬 이렇게 개발된 초음파 센서를 센서 어셈블리에 기
학적으로 그리고 음향학적으로 송수신 신호가 효과 적으로 송.수신 되도록 하기위한 빔각 정렬이 필요 하다. 센서 어셈블리의 중심에 위치한 송신 센서로
부터 약 9cm 앞쪽에 있는 수중 반사체(파티클)에 맞 고 반사되는 신호를 수신센서로 수신하여 신호처리 하게 되는데 이를 위해 3차원 기구구조분석과 음향 학적인 특성을 분석하여 적용하였다.
도플러 효과에 의한 주파수 편이량을 측정하기 위 해서는 초음파를 발생시켜 수중 파티클에 반사되어 돌아오는 미세한 초음파 신호를 필터링하고 증폭하
여 위상의 변화량을 검출하여 유속으로 환산하게 된 다. 이러한 미소신호에 대한 처리 기술은 유속계의 특성을 결정하는 가장 중요한 요소라 할 수 있다.
유속측정 알고리즘에는 측정값의 오차를 최소화 하고 결측률을 감소시키기 위한 방법을 적용하였다.
기존에 적용하고 있는 단위시간 기준의 유속 산출법 은 독립적인 신호를 완전하게 독립적으로 판단하기 때문에 처리과정이 단순하지만, 난류(turbulence) 나 와류(vortex)와 같이 짧은 시간에 유속이 변하는 경우에 오측 또는 측정 불가능할 수가 있다. 이를 해 결하기 위하여 측정하고자 하는 특정 지점에서의 유
속 변화를 추적하여 분석하는 ‘공간유속 산출법에 기반한 유속측정 알고리즘’을 적용하였다. 이 알고 리즘은 기존에 독립적으로 관찰하던 신호를 상호연 관성이 있는 것으로 보고 분석하는 것이 핵심이다.
상호연관성에 따라 기존에 버려지는 데이터를 활용 할 수 있어 유효 데이터율을 향상시켰으며, 반대의 경우로 불필요한 데이터를 필터링하여 오측의 요소 를 제거할 수 있다.
그림 6. 도플러 신호 수신계통도 및 회로구성
그림 7. 공간유속 산출 알고리즘
이와 같이 이동평균에 기반한 데이터 필터링 기법 을 적용하여, 획득한 데이터에 결측 및 오측이 발생 해도 대표유속을 산출할 때 미치는 영향이 작아진다 [데이터 커버링 효과]. 또한, 특정 시각에 오측되어 유효하지 않은 데이터는 독립적이지만 연속된 시각 에 획득한 데이터와 상호연관성을 분석하여 유효성 을 판단하고 제거할 수 있다[데이터 유효성 평가에 의한 결측률 감소].
2015년 9월에는 개발된 시제품을 이용하여 남한
강 합류지점으로부터 약 20km 지점인 섬강 상류 월 호교 인근에서 현장시험을 수행하였다.
Sec. 2의 임의의 좌안 누가거리 4개 지점(측선)을 선정하여, 각 측점에서 1점 도섭법(0.6d)를 적용한 1 개 측점의 유속을 측정하였다. 각 측점의 수심은 약 0.30~0.58m 이며, 각 측점에서 유속을 측정한 지 점(측점)은 1점 도섭법에 따라 바닥으로부터 0.6d에 해당하는 지점으로 설정하였다.
이와 비교하기 위한 유속센서는 프로펠러형의 기 계식 유속계인 Swoffer 2100을 사용하였다. 프로펠 러 날개의 회전수를 유속에 대응하는 원리이며, 얕 은 수심의 유속 측정이 가능하고 사용자 설정에 따
라 최소 1.5초에서 최대 30초의 유속 데이터를 업데 이트하여 화면에 보여준다.
각 측선에서의 2종 유속계 측정결과는 아래와 같다.
그림 9. 현장유속측정 그림 8. 현장시험장소
현장시험에서 사용한 연구개발 결과물인 초음파 유속측정센서는 측정 대상 유체에 직접 접촉하여 초 음파 신호와 도플러 효과를 이용하여 유속을 계측하 는 초음파 유속계이다. 송신센서에서 송신하고 샘 플링 볼륨에서 반사된 신호를 세 개의 수신센서에서
수신한다. 획득한 신호의 도플러 편이를 분석하여 이용하여 3차원의 유속을 측정할 수 있는 기기로, 연속적으로 측정된 유속자료를 통해 유량을 측정할 수 있다.
그림 10. 유속측정 시험결과
그림 11. 보완 개발 현장검증을 통해 도출된 문제점과 개선점에 대한
연구개발을 진행하여 아울러 사용자 편의를 위한 앱
및 PC 프로그램을 개발하였다.
지금까지 초음파 도플러 유속센서 제품화를 목표 로 4년여의 연구개발을 진행해 왔다. 향후에도 끊임 없는 연구개발을 통해 다양한 환경에서 안정적인 측
정이 가능한 휴대용 초음파 도플러 유속계를 개발하 여 국내는 물론 해외시장에 진출하고자 한다.
