[논문]펄스반복주파수 기법을 이용한 초음파 유속 프로파일러 개발

이찬주; 김동구; 이재훈; 김원

doi:10.3741/jkwra.2011.44.9.731

문제 정의

1) 본 연구에서는 초음파 도플러 효과를 기본 원리로 하여 상관적 신호처리 기법의 하나인 펄스반복주파수(PRF) 기법에 의한 유속 프로파일러를 개발하였다. 또한 PRF 기법의 한계 유속을 초과하는 유속을 측정하기 위하여 미러링 기법을 적용하였다.
본 연구에서는 국내 기술로 개수로 흐름 측정에 활용할 수 있는 초음파 유속 프로파일러를 개발하였다. 본 논문에서는 개발된 유속 프로파일러의 원리와 특징을 설명하고, 물을 이용한 개수로 실험에 적용한 결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서 개발한 유속 프로파일러는 하천 횡단구조물인 보 등에 설치하여 유속을 측정할 목적으로 개발한 것이다. 그런데 단순한 PRF 기법만으로는 실제 하천에서 발생할 수 있는 유속 및 수심 범위를 측정하기 어렵다.
일반 유속계가 점유속을 측정하는데 비해 유속 프로파일러는 센서가 지향하는 방향선을 따라 공간적인 유속분포를 동시에 획득할 수 있으므로 측정 효율성이 높다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 국내 기술로 개수로 흐름 측정에 활용할 수 있는 초음파 유속 프로파일러를 개발하였다. 본 논문에서는 개발된 유속 프로파일러의 원리와 특징을 설명하고, 물을 이용한 개수로 실험에 적용한 결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 하천의 보 등에 부착하여 개수로의 흐름측정에 활용할 수 있는 초음파 유속 프로파일러를 개발하고 실험실 및 현장에서의 적용을 통한 검증 결과를 간략하게 제시하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

2. Concept of the PRF Method. (a) Acoustic Signal Transmission-receipt, (b) Received Signals at PRF Times, (c) Reconstructed Signal

제안 방법

2009년 7월 29일의 실험에서도 역시 같은 2차원 ADV를 사용하여 유속을 비교하였다. 2009년 11월 26일과 12월 2일에는 상용 유속 프로파일러인 Hydrovision사의 Q-Eye를 함께 사용하였는데, 11월 26일은 깊은 수심 조건에 대해서, 12월 2일은 상대적으로 빠른 유속 조건에 대해서 비교 측정 실험을 하였다.
개발된 유속 프로파일러가 정상적인 유속분포를 측정하는지를 확인하기 위하여 수로의 유량을 조절하여 수심과 유속을 변화시킨 6가지 조건에 대해 성능 실험을 실시하였다. 실험은 수심 약 0.
9 m/s 1가지 유속 조건을 적용하여 시행하였다. 개발된 유속 프로파일러는 0.2초마다 1개의 순간 연직유속분포를 측정할 수 있는데 실험에서는 10초의 시간 길이에 해당하는 총 50개의 연직유속분포를 취득하고 평균한 값을 그래프에 도시하였다. 시제품으로 실험을 수행하는 과정에서 매회 측정시마다 파형 데이터를 저장하는데 시간이 소요되므로 그 10초는 연속적인 시간이 아니며 총 측정 시간을 의미한다.
먼저 유속분포 자체를 측정하는 성능을 확인하기 위해 1차적으로 기본 측정성능 실험을 실시하였다. 그 다음으로는 측정된 유속이 정확한지를 판단하기 위해 몇 차례에 걸쳐 상용 유속센서와 비교하는 실험을 실시하였다. 실내 검증실험에서는 최종적으로 개발한 시스템을 사용하지 않고, 트랜스듀서와 상용 신호처리 회로가 연결된 시제품으로 실험을 수행하였다.
하지만, 이러한 방법은 본 연구에서 사용하지 않았다. 그 대신 PRF 주파수로 측정가능한 최대 유속을 초과하는 유속을 측정하기 위해 미러링 기법을 사용하였다. 미러링 기법은 주어진 PRF의 최대유속을 초과하는 실제 유속이 PRF 기법으로는 낮은 유속으로 측정되므로 이를 반사시켜 실제유속인 높은 유속으로 계산해 주는 방법이다(Fig.
실험은 두 가지로 나누어 실시하였다. 먼저 유속분포 자체를 측정하는 성능을 확인하기 위해 1차적으로 기본 측정성능 실험을 실시하였다. 그 다음으로는 측정된 유속이 정확한지를 판단하기 위해 몇 차례에 걸쳐 상용 유속센서와 비교하는 실험을 실시하였다.
PRF 기법은 측정 대상 물체의 3차원 속도를 측정하기 위해 도플러 주파수 변이를 추정하는데 활용되는 방법으로 초음파와 레이더 등을 이용한 다양한 계측 분야에서 활용되어 왔다(Takeda, 1986; Takeda, 1990; Harley and Cole,1974; Moriizumi, 1994; Ganz, 1977). 본 연구에서는 유속측정을 통해 유량을 산정하는 것이 목적이므로 유속 프로파일러를 측정 단면에 직각 방향으로 배치하고 단면에 직각으로 통과하는 유속 성분만을 측정하는 1차원 프로파일러를 제작하였다.
개발된 유속 프로파일러로 측정한 유속의 정확성을 검증하기 위해 상용 유속센서와 비교 측정 실험을 실시하였다. 비교 측정 실험은 4차에 걸쳐 6가지 조건에 대해 실시되었다(Table 1). 1차 실험은 2009년 3월 4일에 실시되었다.
그 다음으로는 측정된 유속이 정확한지를 판단하기 위해 몇 차례에 걸쳐 상용 유속센서와 비교하는 실험을 실시하였다. 실내 검증실험에서는 최종적으로 개발한 시스템을 사용하지 않고, 트랜스듀서와 상용 신호처리 회로가 연결된 시제품으로 실험을 수행하였다. 현장 적용 시스템은 아날로그-디지털 신호처리기가 내장된 것이며, 시제품은 최종 시스템과 동일한 트랜스듀서와 신호처리 기법을 적용하고 있으나 신호처리부가 별도로 되어 있다.
실내 실험을 통해 유속 프로파일러의 기본적인 성능이 바닥으로부터 약 0.1 m 이상에서는 정상적인 것으로 검증되었으므로 현장 적용과 성능 테스트를 실시하였다. 현장에 적용한 센서는 실험실에서 적용한 센서를 보다 개선하여 아날로그-디지털 변환기를 내장한 형태이다.
02 m 간격으로 공간평균한 결과이다. 실측한 연직유속분포가 일반적인 유속분포와 유사성이 있는지를 보기 위하여 0.02 m 간격으로 공간평균한 값에 대해 최소자승법을 적용한 대수분포식을 적합식으로 사용하여 함께 도시하였다(파선으로 표시). 대수분포는 Prandtl von Karman 대수법칙(P-vK law)의 식 (Eq.
실험은 두 가지로 나누어 실시하였다. 먼저 유속분포 자체를 측정하는 성능을 확인하기 위해 1차적으로 기본 측정성능 실험을 실시하였다.
개발된 유속 프로파일러가 정상적인 유속분포를 측정하는지를 확인하기 위하여 수로의 유량을 조절하여 수심과 유속을 변화시킨 6가지 조건에 대해 성능 실험을 실시하였다. 실험은 수심 약 0.28 m에 대해서는 0.08, 0.15, 0.23, 0.42, 0.6 m/s 등 5가지 유속 조건, 0.23 m 수심에서는 0.9 m/s 1가지 유속 조건을 적용하여 시행하였다. 개발된 유속 프로파일러는 0.
1차 실험은 2009년 3월 4일에 실시되었다. 이 실험에서는 세 가지 유속-수심 조건에 대해 유속 프로파일러와 Sontek사의 현장용 2차원 ADV인FlowTracker를 함께 사용하여 비교 측정을 하였다. 2009년 7월 29일의 실험에서도 역시 같은 2차원 ADV를 사용하여 유속을 비교하였다.
실험 조건은 Table 2에 요약되어 있다. 현장 실험은 실내 수로실험과는 달리 PRF 기법의 최대유속 한계를 넘는 유속이 발생하므로 이를 극복하기 위해 앞 절에서 제시한 미러링 방법을 적용하였다.
현장 실험이 홍수 조건하에서 이루어졌으므로 2차원 ADV를 적용하지 못하고, 유속 프로파일러와 가까운 위치에 설치되어 있는 Q-Eye로 측정한 값으로 유속을 비교하였다. Q-Eye는 사양상 1 m 수심에 대해 유속분포 실측이 가능하지만, 실제로는 바닥으로부터 약 0.

대상 데이터

도플러 효과에 편이된 주파수는 초음파의 입사각 방향에서 얻어지는 주파수이므로 유속의 방향에 맞게 각도 변환되어야 한다. 본 연구에서 개발한 유속 프로파일러는 유수의 상류 방향으로 초음파를 입사하며, 그 각도는 45도이다. 따라서 이를 적용하면, 유속 프로파일러를 측정 단면에 직각으로 배치하였을 때, 단면을 통과하는 유속은 Eq.
현장에 적용한 센서는 실험실에서 적용한 센서를 보다 개선하여 아날로그-디지털 변환기를 내장한 형태이다. 센서는 Fig. 9와 같이 충북 괴산군 칠성면 둔율리에 소재한 달천송동보의 마루부에 매립형과 돌출형으로 설치하였다. 송동보는 마루폭이 203 m이고, 높이는 약 1.
본 연구에서 개발한 초음파 유속 프로파일러 시스템을 이용하여 한국건설기술연구원 하천수리실험실의 직선수로에서 검증실험을 실시하였다. 실험수로는 길이 15 m, 폭1.5 m, 최대 수심 1.0 m의 제원을 가지고 있으며 최대 0.3m³/s의 유량이 공급될 수 있다. 수심은 하류단 게이트에 의해 조절된다.
시제품으로 실험을 수행하는 과정에서 매회 측정시마다 파형 데이터를 저장하는데 시간이 소요되므로 그 10초는 연속적인 시간이 아니며 총 측정 시간을 의미한다. 유속 프로파일러의 수심 셀 크기는 0.0037 cm이며, 공백거리와 센서 높이를 고려한 실제 측정 수심 범위인 총 23.4 cm에 대해 6,250개의 유속 자료가 취득되었다. 수로바닥과 수면에서 난반사되는 음파 신호의 간섭 효과(sidelobe effect)를 제거하기 위해 40 Hz High-Pass 필터를 적용하였다.
5 m이다. 현장설치는 2010년 6월에 실시하였으며, 유속 측정 실험은 홍수기인 2010년 8월 13일 오후 및 8월 14일 자정 경에 60.8m³/s과 144.4 m³/s 규모의 괴산댐 여수로 방류 조건에서 실시하였다. 실측은 돌출형 센서(Fig.

데이터처리

개발된 유속 프로파일러로 측정한 유속의 정확성을 검증하기 위해 상용 유속센서와 비교 측정 실험을 실시하였다. 비교 측정 실험은 4차에 걸쳐 6가지 조건에 대해 실시되었다(Table 1).
본 연구에서 개발한 초음파 유속 프로파일러 시스템을 이용하여 한국건설기술연구원 하천수리실험실의 직선수로에서 검증실험을 실시하였다. 실험수로는 길이 15 m, 폭1.

이론/모형

02 m 간격으로 공간평균한 값에 대해 최소자승법을 적용한 대수분포식을 적합식으로 사용하여 함께 도시하였다(파선으로 표시). 대수분포는 Prandtl von Karman 대수법칙(P-vK law)의 식 (Eq.4)으로 계산하였다.
수중에서의 음속과 비교하여 유속은 매우 작으므로 도플러 주파수는 송신 주파수에 비해 극히 작다. 따라서 이를 찾아내기 위한 방법이 필요한데, 본 연구에서 개발한 유속 프로파일러에 사용한 기법은 상관적 신호처리 기법 (coherent Doppler method)의 일종인 펄스반복주파수 (pulse repetition frequency, 이하 PRF)기법이다.
1) 본 연구에서는 초음파 도플러 효과를 기본 원리로 하여 상관적 신호처리 기법의 하나인 펄스반복주파수(PRF) 기법에 의한 유속 프로파일러를 개발하였다. 또한 PRF 기법의 한계 유속을 초과하는 유속을 측정하기 위하여 미러링 기법을 적용하였다.
4 cm에 대해 6,250개의 유속 자료가 취득되었다. 수로바닥과 수면에서 난반사되는 음파 신호의 간섭 효과(sidelobe effect)를 제거하기 위해 40 Hz High-Pass 필터를 적용하였다.

성능/효과

이론상 유속 프로파일러가 보 마루의 하류단에 설치되어 있으므로(Fig. 9(a)), 초음파의 진행 거리가 긴 고수심보다 저수심 조건에서 난반사의 가능성이 높다. 측정 결과 역시 수심이 더 깊은 144.
2) 유속 프로파일러 시스템은 트랜스듀서, 신호처리장치 등으로 구성되는 하드웨어와 유속 계산 기능을 가지는 소프트웨어로 구성된다.
3) 개발된 유속 프로파일러의 성능을 검증하기 위한 실내 실험을 실시하였으며, 그 결과 측정된 유속 분포는 바닥으로부터 0.1 m 이상의 위치에서는 P-vK 대수분포와 비교하여 정상적인 결과를 보였으며, 상용 유속센서와 비교하여도 유속 값이 근사하고 큰 차이가 없음을 확인하였다. 하지만 0.
4) 실제 하천의 보에 설치하여 홍수시 유속 측정 성능을 테스트한 바, 초음파의 난반사 등으로 인한 이상치가 포함되어 있고, 상용 유속센서와 비교하여 2.5～12.8 % 이상의 상대차이가 있으나 현장에서도 적용될 수 있는 것으로 나타났다.
1 m 이하의 위치에서 측정 성능이 좋지 않았으므로 두 기기를 직접 비교하기는 곤란하였다. 다만 바닥에서 0.1 m 이상의 위치에서의 평균값으로 보면 유속 프로파일러는 Q-Eye와 비교하여 Full-scale 측정을 기준으로 60.8 m3/s 조건에서는 유속이 약 12.8% 작게 측정되었고, 144.4 m3/s의 유량 조건에서는 2.5% 작게 측정되었다. Q-Eye의 결과는 바닥 부근에서 측정한 값으로 그 이상의 위치에서는 유속이 더 높아질 수도 있고 따라서 상대차이는 더 커질 수도 있다.
실측 유속분포를 이론식인 P-vK 분포와 비교하여 보면 바닥으로부터 약 0.1 m 이상의 위치에서는 수심에 따른 유속의 변화율 특성이 케이스별로 약간 다르기는 해도 전체적으로 P-vK 분포와 큰 불일치를 보이는 경우는 없었다. 하지만, 0.
그런데 유속 프로파일러의 측정값은 단 1회의 순간 유속값이므로 변동성이 있다는 점과 보 마루에서의 흐름 구조의 영향 등을 고려하면 상대오차는 달라질 수도 있다. 어쨌든 두 번의 실험만으로는 유속 프로파일러의 성능을 충분히 평가할 수 없으나 현장에서의 유속 측정에도 적용할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.
9(a)), 초음파의 진행 거리가 긴 고수심보다 저수심 조건에서 난반사의 가능성이 높다. 측정 결과 역시 수심이 더 깊은 144.4 m3/s의 유량조건에서 이상치가 더 적은 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 개발한 유속 프로파일러는 바닥으로부터 0.1 m 이내에서의 오측, 초음파의 난반사에 의한 이상치 문제 및 난류 변동을 완화하기 위한 시간평균 측정 등을 위 한 향후 보완 개발이 필요하다. 향후 지속적인 연구 개발과 실험으로 성능을 향상시킨다면 하천 유속 측정 실무에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
1 m 이내에서의 오측, 초음파의 난반사에 의한 이상치 문제 및 난류 변동을 완화하기 위한 시간평균 측정 등을 위 한 향후 보완 개발이 필요하다. 향후 지속적인 연구 개발과 실험으로 성능을 향상시킨다면 하천 유속 측정 실무에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유속계는 어디에 필수적인 장비인가?	개수로의 흐름을 측정하는 유속계는 유체역학 및 수리학적 연구와 유량 측정 등의 업무에 필수적인 장비이다. 그동안 국내에서는 일부 전자파표면유속계(이상호 등,1997; 김영성 등, 2002)와 영상처리 기반의 LSPIV(김영근 등, 2004)와 같은 비접촉식 유속측정 장치가 개발되어 활용되고 있지만, 유속 및 유량 측정에 보다 널리 사용되고 있는 수중 투입식 유속계의 경우 거의 개발되지 않았다.
	국내 유속계 개발 현황은 어떠한가?	개수로의 흐름을 측정하는 유속계는 유체역학 및 수리학적 연구와 유량 측정 등의 업무에 필수적인 장비이다. 그동안 국내에서는 일부 전자파표면유속계(이상호 등,1997; 김영성 등, 2002)와 영상처리 기반의 LSPIV(김영근 등, 2004)와 같은 비접촉식 유속측정 장치가 개발되어 활용되고 있지만, 유속 및 유량 측정에 보다 널리 사용되고 있는 수중 투입식 유속계의 경우 거의 개발되지 않았다. 특히 유속분포를 측정하는데 활용될 수 있는 초음파방식 유속 프로파일러는 거의 전적으로 외국제품에 의존하고 있다.
	초음파방식 유속 프로파일러의 장점은 무엇인가?	특히 유속분포를 측정하는데 활용될 수 있는 초음파방식 유속 프로파일러는 거의 전적으로 외국제품에 의존하고 있다. 일반 유속계가 점유속을 측정하는데 비해 유속 프로파일러는 센서가 지향하는 방향선을 따라 공간적인 유속분포를 동시에 획득할 수 있으므로 측정 효율성이 높다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 국내 기술로 개수로 흐름 측정에 활용할 수 있는 초음파 유속 프로파일러를 개발하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

펄스반복주파수 기법을 이용한 초음파 유속 프로파일러 개발
Development of an Acoustic Velocity Profiler by Using Pulse Repetition Frequency Technique 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

펄스반복주파수 기법을 이용한 초음파 유속 프로파일러 개발 Development of an Acoustic Velocity Profiler by Using Pulse Repetition Frequency Technique 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이찬주 (36) 김동구 (19) 김원 (86)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

펄스반복주파수 기법을 이용한 초음파 유속 프로파일러 개발
Development of an Acoustic Velocity Profiler by Using Pulse Repetition Frequency Technique 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper