기상계측시스템을 위한 풍향.풍속모듈 및 DSP 센서 인터페이스시스템 설계 The Design of a Wind Speed & Direction Module and a DSP Sensor Interface System for the Meteorological System원문보기
본 논문에서는 풍향 풍속 계측모듈 및 DSP센서인터페이스 회로 보드를 포함하는 기상계측 시스템을 제안한다. 이 DSP 시스템은 풍향풍속모듈, 대기압센서, 대기 온도 센서의 정보를 받아들이고, 빠르게 처리하여 PC 모니터링 시스템에 전달한다. 특히 풍향 풍속 모듈과 DSP 하드웨어는 직접 설계하여 적용한다. 풍향 풍속 모듈은 바람에 관한 벡터적 정보를 얻기 위해 4개의 박막형 RTD(Resistive Temperature Detectors) 저항센서를 히팅 코일에 의해 일정하게 가열된 원기둥 모양의 지지 표면에 벡터적으로 배치하는 구조를 채택한다. 이 구조를 채택한 계측 모듈은 진동, 습기, 부식 등에 강인하면서 정확한 계측을 가능케 한다. 센서 신호처리 회로는 TI사의 고속 DSP인 TMS320F2812 사용한다. 적용된 풍향 풍속 모듈을 통해 얻어진 데이터와 DSP 인터페이스 회로보드의 빠른 데이터 처리를 통해 저렴한 기상계측시스템을 구성 할 수 있었다.
본 논문에서는 풍향 풍속 계측모듈 및 DSP 센서인터페이스 회로 보드를 포함하는 기상계측 시스템을 제안한다. 이 DSP 시스템은 풍향풍속모듈, 대기압센서, 대기 온도 센서의 정보를 받아들이고, 빠르게 처리하여 PC 모니터링 시스템에 전달한다. 특히 풍향 풍속 모듈과 DSP 하드웨어는 직접 설계하여 적용한다. 풍향 풍속 모듈은 바람에 관한 벡터적 정보를 얻기 위해 4개의 박막형 RTD(Resistive Temperature Detectors) 저항센서를 히팅 코일에 의해 일정하게 가열된 원기둥 모양의 지지 표면에 벡터적으로 배치하는 구조를 채택한다. 이 구조를 채택한 계측 모듈은 진동, 습기, 부식 등에 강인하면서 정확한 계측을 가능케 한다. 센서 신호처리 회로는 TI사의 고속 DSP인 TMS320F2812 사용한다. 적용된 풍향 풍속 모듈을 통해 얻어진 데이터와 DSP 인터페이스 회로보드의 빠른 데이터 처리를 통해 저렴한 기상계측시스템을 구성 할 수 있었다.
In this paper, a meteorological system including a wind speed & direction module and the DSP(Digital Signal Processor) sensor interface circuit board are proposed. This DSP system accepts and process the informations from a wind speed & direction module, the atmospheric pressure sensor, the ambient ...
In this paper, a meteorological system including a wind speed & direction module and the DSP(Digital Signal Processor) sensor interface circuit board are proposed. This DSP system accepts and process the informations from a wind speed & direction module, the atmospheric pressure sensor, the ambient air temperature sensor and transfers it to the PC monitoring system. Especially, a wind speed & direction module and a DSP hardware are directly designed and applied. A wind speed & direction module have a construction that it have four film type RID(Resistive Temperature Detectors) resistive sensor adhered around the circular metal body heated constantly by heating coil for obtaining vector informations about wind. By this structure, the module is enabled precise measurement having a robustness about vibration, humidity, corrosion. A sensor signal processing circuit is using TMS320F2812 TI(Texas Instrument) Corporation high speed DSP. An economical meteorological system could be constructed through the data from wind speed & direction module and by the fast processing of DSP interface circuit board.
In this paper, a meteorological system including a wind speed & direction module and the DSP(Digital Signal Processor) sensor interface circuit board are proposed. This DSP system accepts and process the informations from a wind speed & direction module, the atmospheric pressure sensor, the ambient air temperature sensor and transfers it to the PC monitoring system. Especially, a wind speed & direction module and a DSP hardware are directly designed and applied. A wind speed & direction module have a construction that it have four film type RID(Resistive Temperature Detectors) resistive sensor adhered around the circular metal body heated constantly by heating coil for obtaining vector informations about wind. By this structure, the module is enabled precise measurement having a robustness about vibration, humidity, corrosion. A sensor signal processing circuit is using TMS320F2812 TI(Texas Instrument) Corporation high speed DSP. An economical meteorological system could be constructed through the data from wind speed & direction module and by the fast processing of DSP interface circuit board.
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문제 정의
풍속을 측정하는 관측시스템이다. 본 연구에서는 압축적 이고, 경 량, 저가의 시스템으로 이동성이 용이하며, 환경의 엄격함에 잘 대응할 수 있는 대기 환경 측정용 기상계측시스템을 설계한다. 주 구성은 풍향 .
본 연구에서는 직접 제작한 풍향 . 풍속 모듈과 DSP 신호처리 보드를 이용하여 다양한 실험을 수행하였다.
전반적으로 센서로부터 검출된 온도 차이에 의한 냉각 효과에 계측 시점의 대기압과 주변온도를 통해 얻어진 냉각 에너지 전달과정의 차이를 보상해주는 공식이다. 본 연구에서는4방향 센서로부터 얻어지는 일정 가열온도와 냉각 온도와의 차이 정보를 어 떻 게 합성 해 야 냉각 효과에 대한정확한정보를얻을 수있는지에 대한 연구를 실험적으로 수행하였다. 이 과정을 통해 각 방향에서 일정한 바람의 세기를 가할 때 각 방향 센서의 차이온도 값에 대한 산술 평균을 구한 값이 바람 인가 방향에 관계없이 일정하게 계산됨을 파악했다.
이 수식에서는 센서의 출력뿐 만아니라 대기압과 주변 온도도 풍속에 영향을 주는 것으로 설정되어 있으며, 이들이 풍속에 미치는 정도를 비례계수로 제시하고 있다. 전반적으로 센서로부터 검출된 온도 차이에 의한 냉각 효과에 계측 시점의 대기압과 주변온도를 통해 얻어진 냉각 에너지 전달과정의 차이를 보상해주는 공식이다. 본 연구에서는4방향 센서로부터 얻어지는 일정 가열온도와 냉각 온도와의 차이 정보를 어 떻 게 합성 해 야 냉각 효과에 대한정확한정보를얻을 수있는지에 대한 연구를 실험적으로 수행하였다.
제안 방법
그러나본 연구에서는 센서 출력 신호인 온도 정보를 근거로 풍속을 측정해내기 위해, 기준 온도 50℃ 값에서 각 센서 의 온도데 이 터 값을 뺀, 각 센서 에서 체 감되는 냉각 효과를 온도차이로 계산해낸 벡터 값을 이용하여 풍속을 계산하여 보았다. 이 4개 벡터들의 값을 일정한 풍속에서 바람 방향을 달리하여 분석하여 본 결과 위 식에서。(센서 전압)라고 지 칭된 값이 다음과 같은 여러 가지 계산법에 의해 표현될 수 있는 가능성을 찾았다.
대기 압과 주변온도의 측정은 공장출하 시 보정 이 완료된 SMD(Surface Mounted Devices) 타입 압저항성 (Piezoresistive) 실리콘 마이크로머신 센서를 사용하였다. 이 센서모듈은 내부에 15비트 ADC를 내장하고 있으며, 3선의 외부 연결을 통해 직렬 데이터 통신이 가능하였 다.
본 연구에서는 4개의 리본모양 RTD 센서를 50도 이상의 온도로 가열되는 금속실린더 주위에 90도 간격으로 배치하여 풍향을 결정한다.
본 연구에서는 직접 제작한 풍향 . 풍속 모듈과 DSP 신호처리 보드를 이용하여 다양한 실험을 수행하였다. 그 결과 제작된 센서 모듈의 정교함과 반응도에서 다소 부족함을 얻었다.
풍향을 얻기 위해서는 마주보는 같은 축 상의 RTD 센서 들의 감소된 온도 값의 차이를 구해 그 값을 직 각 좌표계의 X축, y축 값으로 설정한후 합성 벡터의 위상으로부터 얻어냈다.
대상 데이터
이 센서모듈은 내부에 15비트 ADC를 내장하고 있으며, 3선의 외부 연결을 통해 직렬 데이터 통신이 가능하였 다. 신호처리 부는 TI(Texas Instrument) 사의 제 품으로 150MIPS, 32비트 급이 며, 내부에 12비트(16채널)의 ADC 를 내장하는 고속의 DSP인 TMS320F2812를 주 처리기로 사용하였다.
신호처리부는 직접 설계한 TMS320F2812 DSP 보드와 온도제어 모듈로 구성된다. 온도제어 모듈은0.
성능/효과
풍속 모듈과 DSP 신호처리 보드를 이용하여 다양한 실험을 수행하였다. 그 결과 제작된 센서 모듈의 정교함과 반응도에서 다소 부족함을 얻었다. 민감도가 높은 보다 얇은 두께의 A급 센서의 선택 및 정렬 그리고가열코일의 부착법, 풍동실험 환경 준비 등에 세심한 노력 이 필요함을 느꼈다.
같은 시간 및 같은 주위온도, 대기압 조건이 아니므로 약간의 차이는 존재할 수 있지만 예상외로 큰차이를보였다. 그 대신 4개 RTD의 냉각 벡터에 대한 산술 평균치를 구한 것((d)그림)은 각 방향에서 상당한 일치감을 보였다. 즉 이렇게 배치된 센서를 통해 얻어진 각각의 직 각 방향 좌표치 의 합은 여러 방향의 바람에 대해 같은 에너지 효과를 감지할 수 있음을 알 수 있었다.
민감도가 높은 보다 얇은 두께의 A급 센서의 선택 및 정렬 그리고가열코일의 부착법, 풍동실험 환경 준비 등에 세심한 노력 이 필요함을 느꼈다. 다소 거칠지만 저 비용의 센서시스템 설계를 통해 풍향 측정의 간편성을 얻을 수 있었으며, 데이터의 처리 및 분석을 위한 시스템 구성에 큰 성과가 있었다. 앞으로 정교한 센서 시스템의 설계와 다양한 풍속 실험 데이터의 확보를 통해 풍속과 센서 출력들 간의 신뢰성 있는 연관성을 확보하기 위해 노력 한다.
본 연구에서는4방향 센서로부터 얻어지는 일정 가열온도와 냉각 온도와의 차이 정보를 어 떻 게 합성 해 야 냉각 효과에 대한정확한정보를얻을 수있는지에 대한 연구를 실험적으로 수행하였다. 이 과정을 통해 각 방향에서 일정한 바람의 세기를 가할 때 각 방향 센서의 차이온도 값에 대한 산술 평균을 구한 값이 바람 인가 방향에 관계없이 일정하게 계산됨을 파악했다. 이 결과를 수식 (4)의 끝부분 센서 출력의 차이 값으로 대치하고 비 례 계수를 실험적으로 구한다면 풍속 측정이 가능하리라 여겨진다.
(a) 그림은 일정 바람 인가후냉각효과에 의한 온도감소데이터가 안정화되는 과정을 보여주며, (b)그림은 지속적인 바람인가에 따라 안정화된 RTD 값과 그 데이터를 근거로 벡터적으로 얻어진 풍향의 정보를 풍향계기판을 통해 보여준다. 이 실험에서는 바람 인가후 약 1분 정도 시간이 경과한 후에 풍향 정보가 안정적으로 세팅됨을 알 수 있었으며, 6시 방향에서 불어오는 바람에 의해 RT2 센서 가 가장 큰 온도 감소를 보이 고, RT1과 RT3는 거의 같은 냉각 값을 보임을 알 수 있다.
그 대신 4개 RTD의 냉각 벡터에 대한 산술 평균치를 구한 것((d)그림)은 각 방향에서 상당한 일치감을 보였다. 즉 이렇게 배치된 센서를 통해 얻어진 각각의 직 각 방향 좌표치 의 합은 여러 방향의 바람에 대해 같은 에너지 효과를 감지할 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 정상상태 도달 시간이 너무 긴 단점이 보인다.
후속연구
발생할 수 있다. 그러므로 보다 정확한 실험 결과를 위해서는 센서의 정교한 정렬과 실험에 방해되는 주변 대기의 흐름의 제거, 정확한 풍속 입력 장치 그리고 유연한 풍속 모듈의 설계가 필요함을 알게 되었다. 아래 그림 11 에서 앞으로의 실험에 필요한 센서 모듈의 직각 정렬과 바람 안내 핀의 배치 모습을 제 시 한다.
이 과정을 통해 각 방향에서 일정한 바람의 세기를 가할 때 각 방향 센서의 차이온도 값에 대한 산술 평균을 구한 값이 바람 인가 방향에 관계없이 일정하게 계산됨을 파악했다. 이 결과를 수식 (4)의 끝부분 센서 출력의 차이 값으로 대치하고 비 례 계수를 실험적으로 구한다면 풍속 측정이 가능하리라 여겨진다.
참고문헌 (3)
United States Patent, 4,905,513 'Wind Speed Measuring Device'
Ramon Pallas-Areny & John G. Webster, 'Sensors and Signal Conditioning' John Wiley & Sons, 2001
LAMBRECHT company, 'Static windsensor Quatro for harsh environmental conditions', Germany
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