강우량을 측정하는데 있어서 전도형 및 중량형 강수량계가 전 세계적으로 오랫동안 사용되어 지고 있다. 그러나 종래의 강수량계는 관측오차와 자체 분해능의 한계로 인해 측정범위가 제한되는 문제가 있다. 본 논문에서 제안된 강수량계는 유량측정을 통해 강수량을 환산하는 원리를 최초로 적용하였으며, 개발된 모델을 국가공인교정기관(KOLAS)에서 표준교정시스템을 이용하여 실내실험을 실시하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발된 강수량계는 실험조건에서 설정한 20~420 mm/H의 강우강도 구간에 걸쳐 ${\pm}2%$의 오차율을 나타냈고, 종래 대비 보다 정확하고 신뢰성 있는 측정이 가능함을 보였다.
강우량을 측정하는데 있어서 전도형 및 중량형 강수량계가 전 세계적으로 오랫동안 사용되어 지고 있다. 그러나 종래의 강수량계는 관측오차와 자체 분해능의 한계로 인해 측정범위가 제한되는 문제가 있다. 본 논문에서 제안된 강수량계는 유량측정을 통해 강수량을 환산하는 원리를 최초로 적용하였으며, 개발된 모델을 국가공인교정기관(KOLAS)에서 표준교정시스템을 이용하여 실내실험을 실시하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발된 강수량계는 실험조건에서 설정한 20~420 mm/H의 강우강도 구간에 걸쳐 ${\pm}2%$의 오차율을 나타냈고, 종래 대비 보다 정확하고 신뢰성 있는 측정이 가능함을 보였다.
The tipping-bucket and weight measuring type precipitation gauge has long been used worldwide for measuring rainfall. However, the conventional gauge has observation errors and its measurement range is limited by the device's resolution. In this paper, a new type of precipitation gauge that uses an ...
The tipping-bucket and weight measuring type precipitation gauge has long been used worldwide for measuring rainfall. However, the conventional gauge has observation errors and its measurement range is limited by the device's resolution. In this paper, a new type of precipitation gauge that uses an innovative method by applying a new ultrasonic flow measuring technique was developed. This is the first time this technique is being used to gauge rainfall. The prototype was tested in the laboratory designated by the Korea Laboratory Accreditation Scheme (KOLAS). The rainfall intensity condition was 20~420 mm/H and the Standard Correction System for Precipitation Gauges was used. Results of the laboratory experiment showed that the proposed gauge has a ${\pm}2%$ margin of error. Consequently, it was proven that the proposed gauge is quite accurate and reliable for measuring precipitation.
The tipping-bucket and weight measuring type precipitation gauge has long been used worldwide for measuring rainfall. However, the conventional gauge has observation errors and its measurement range is limited by the device's resolution. In this paper, a new type of precipitation gauge that uses an innovative method by applying a new ultrasonic flow measuring technique was developed. This is the first time this technique is being used to gauge rainfall. The prototype was tested in the laboratory designated by the Korea Laboratory Accreditation Scheme (KOLAS). The rainfall intensity condition was 20~420 mm/H and the Standard Correction System for Precipitation Gauges was used. Results of the laboratory experiment showed that the proposed gauge has a ${\pm}2%$ margin of error. Consequently, it was proven that the proposed gauge is quite accurate and reliable for measuring precipitation.
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문제 정의
또한 기존의 강수량계의 장·단점을 비교 분석하고 국가공인 교정 장비를 통해 실험한 결과와 현장 검증결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 유량측정을 통해 강수량을 환산하는 획기적인 최초로 적용하여 강수량계를 개발하였다. 그리고 국가공인교정기관 표준교정시스템을 통해 20~ 420 mm/H의 강우강도 범위에서 20 mm/H 간격으로 비교측정을 실시하고 분석 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 현대적 요구에 부합하기 위하여 종래의 측정방식에서 탈피한 새로운 방법을 통하여 강수량계를 개발한 결과를 설명한다. 또한 기존의 강수량계의 장·단점을 비교 분석하고 국가공인 교정 장비를 통해 실험한 결과와 현장 검증결과를 제시하고자 한다.
우리나라의 기상 측정기 검정규정(기상청훈령)에 서는 우량계 검정 허용오차를 100 mm 당 ±5 mm(5%)로 규정되어 있으나, 정밀도 향상을 위해서 ±2 mm(2%) 이하의 오차율 을 목표로 하였다.
제안 방법
관측국사 건물 내부에는 RTU (Remote Terminal Unit)와 HMI(Human Machine Interface)를 설치하여 자체 데이터베이스를 구축하였다.
5 m 이격된 지점에 개발된 강수량계를 설치하였다. 그 사이에는 6,000mL 용량의 비커가 든 강수량 케이스를 설치하여, 비가 온 후에 비커에 담긴 물의 양과 측정된 값을 비교하는 비커 실험을 반복 수행함으로써 측정값을 비교 검증하였다. 관측국사 건물 내부에는 RTU (Remote Terminal Unit)와 HMI(Human Machine Interface)를 설치하여 자체 데이터베이스를 구축하였다.
본 연구에서는 유량측정을 통해 강수량을 환산하는 획기적인 최초로 적용하여 강수량계를 개발하였다. 그리고 국가공인교정기관 표준교정시스템을 통해 20~ 420 mm/H의 강우강도 범위에서 20 mm/H 간격으로 비교측정을 실시하고 분석 결과를 제시하였다. 그 결과 소량에서 부터 매우 높은 강우강도에서 까지 정확하고 연속적인 측정이 가능함을 보였다.
표준 강수량계 실내 교정시스템은 정밀 저울과 2대의 정량펌프 및 계측제어 장치로 구성되어 있으며, 정량펌프에 의해 토출된 증류수 의 중량과 강수량측정장치에 의해 측정된 부피유량을 비교하는 방식으로 측정을 실시하였다. 정량펌프 토출량을 조절하여 20~420 mm/H의 범위에서 20 mm/H 간격으로 강우강도를 설정 하였으며, 220 mm/H 이상의 강우강도에서는 2대의 정량펌프를 운영하였다.
제안된 강수량측정장치의 현장적용성 평가를 위하여 아래와 같이 야외 현장에서 관측 실험을 실시하였다.
본 연구의 주된 내용은 다음과 같다. 집중호우 등 급변하는 기후특성에 적합하도록 넓은 강우강도에서 연속적인 측정이 가능한 강수량 계를 개발하였다. 우리나라의 기상 측정기 검정규정(기상청훈령)에 서는 우량계 검정 허용오차를 100 mm 당 ±5 mm(5%)로 규정되어 있으나, 정밀도 향상을 위해서 ±2 mm(2%) 이하의 오차율 을 목표로 하였다.
초음파식 유량 센서에서는 아날로그 신호출력(4~20 mA) 및 시리얼통 신(RS-232C) 출력을 제공하여, 측정 및 데이터 전송 과정에서 발생하는 오차를 최소화하도록 설계되었다. 집수부에는 링형 전극센서를 통해 초기 강우가 감지되면 계측기의 전원을 투입하는 절전기능을 선택하여 베터리를 통해 전원을 공급받을 수 있고, Solar Cell 적용 시 동절기에도 별도의 외부 전원 공급 없이 독립적인 운용이 가능하다.
표준 강수량계 실내 교정시스템은 정밀 저울과 2대의 정량펌프 및 계측제어 장치로 구성되어 있으며, 정량펌프에 의해 토출된 증류수 의 중량과 강수량측정장치에 의해 측정된 부피유량을 비교하는 방식으로 측정을 실시하였다. 정량펌프 토출량을 조절하여 20~420 mm/H의 범위에서 20 mm/H 간격으로 강우강도를 설정 하였으며, 220 mm/H 이상의 강우강도에서는 2대의 정량펌프를 운영하였다.
대상 데이터
본 강수량측정장치는 2011년에 특허를 등록(제 10-1224270호)하였으며 및 중소기업 기술이전을 완료 하였으며, 2012년에는 국제특허(PCT)를 출원(번호 KR/ 2012/009510)하였다. 그리고 2013년에 한국기상산업진흥원에서 기상측기 검정증명을 득하였으며, 향후 에는 주요 부품인 초음파 유량센서를 국산화해 나갈 것이다.
성능/효과
그리고 국가공인교정기관 표준교정시스템을 통해 20~ 420 mm/H의 강우강도 범위에서 20 mm/H 간격으로 비교측정을 실시하고 분석 결과를 제시하였다. 그 결과 소량에서 부터 매우 높은 강우강도에서 까지 정확하고 연속적인 측정이 가능함을 보였다. 또한 용담댐 우량관측소에 현장 적용하여 2012년 9월 에서 12월까지 적용성 검증을 거쳤으며, 특히 태풍 ‘산바’ 기간 동안에는 기존의 전도식 강수량계와 비교하여 오차율이 줄어든 것을 가시적으로 보였다.
관측국사 건물 내부에는 RTU (Remote Terminal Unit)와 HMI(Human Machine Interface)를 설치하여 자체 데이터베이스를 구축하였다. 그럼으로써 전체 관측 기간에 걸쳐 약 0.15 mm의 분해능으로 1초 간격으로 실시간 강수량의 측정이 가능하였다. 아래 그림 7은 태풍 산바(SANBA)가 영향 기간인 2012년 9월 16일부터 9월 18일까지 개발된 강수량계와 기존 강수량계에서 관측된 데이터를 비교하여 나타낸 것이다.
유지보수 측면에서는 종래의 강수량계에서 문제가 되었던 기계적 마찰로 인해 발생하는 오차와 고장을 최소화하였고, 비교측정에 소요되는 시간을 감소시켰다. 또한 데이터 처리방식을 완전 디지털화함으로써 측정 및 통신오차를 최소화하였다.
또한 용담댐 우량관측소에 현장 적용하여 2012년 9월 에서 12월까지 적용성 검증을 거쳤으며, 특히 태풍 ‘산바’ 기간 동안에는 기존의 전도식 강수량계와 비교하여 오차율이 줄어든 것을 가시적으로 보였다.
아래 그림 7은 태풍 산바(SANBA)가 영향 기간인 2012년 9월 16일부터 9월 18일까지 개발된 강수량계와 기존 강수량계에서 관측된 데이터를 비교하여 나타낸 것이다. 분석결과 종래의 강수량계로 관측이 불가능 했던 저 강우강도 구간에서 양호한 결과를 보였고, 고 강우강도 구간에서는 종래의 장비에 비해 오차율이 현저히 줄어들어 기존의 강수량계 보다 높은 분해능으로 정확한 측정이 가능함을 보였다.
실험결과 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었고, 아래 그림 6은 이를 그래프로 표현한 것이다. 표 1에서와 같이 20~420 mm/h의 넓은 강우 강도 범위에서 2% 이하의 오차율로 비교적 정확하고 안정적인 측정 이 가능하였다. 이는 종래의 전도형 강수량계 사용시 0.
후속연구
5에서 122. 5로 개선하고, 기존의 많은 문제점이 있는 강수측정장치를 현대화 할 것을 제안하고 있다. 이와 같이 강수관측망은 관측지점의 영향원이 중첩되도록 고르게 분포되어야 한다[6].
1 mm 급 우량계를 각각 1대씩 2대가 설치 • 운영됨에 따라 관측 자료가 서로 일치하지 않고 이원화되어 이용에 혼선이 야기되고 있다(우덕모, 2001). 그러나, 본 연구에서 개발된 강수량계를 대체 적용시 1대의 장치로 전체 구간에 걸쳐 일원화된 측정이 가능해질 것으로 판단된다. 이는 측정구간의 한계로 인해 기존에 전도형 강수량계를 강우강도 범위별로 여러 대로 측정함으로써, 관측자료가 일원화되지 못하는 문제를 해결 할 수 있음을 의미한다.
본 강수량측정장치는 2011년에 특허를 등록(제 10-1224270호)하였으며 및 중소기업 기술이전을 완료 하였으며, 2012년에는 국제특허(PCT)를 출원(번호 KR/ 2012/009510)하였다. 그리고 2013년에 한국기상산업진흥원에서 기상측기 검정증명을 득하였으며, 향후 에는 주요 부품인 초음파 유량센서를 국산화해 나갈 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강수량계는 어떻게 나뉠 수 있는가?
강수량계는 크게 보통강수량계와 자기강수량계 (Automatic rain recording gauge)로 나눌 수 있다. 보통 강수량계는 직경 20 , 높이 60 원통형 아연 도금철 관안에 있는 깔대기 모양의 강수량 수수구를 통하여 집수된 강수량을 측정관에 부어 측정하는 방식으로, 강수 량 측정이 불연속적인 반면 정확도면에서는 우수하므로 강수량 비교용 표준강수량계 등으로 이용된다.
강수량이란?
강수량이란 구름에서 떨어지거나 공중으로부터 지면에 침전된 액체 또는 고체의 수증기 응결체를 말한다. 즉, 지면에 떨어진 빗물이 땅속으로 스며들지 않고 옆으로 흘러들어 가지도 않고 그대로 고여 있다고 가정할 때의 그 깊이이다[1].
중량형 강수량계가 기존의 전도형 강수량계에 비해 나은 점은 무엇인가?
중량형 강수량계는 로드셀 등의 센서를 통해 중량의 변화에 따른 전 기적인 저항 변화를 감지하여 이를 강수 량으로 환산하는 원리를 이 용하고 있다. 이는 기존의 전도형 강수량계에 비해 정밀도가 우수하다는 장점이 있으나, 바람의 영향으로 측정 오차가 발생하고 유지보 수가 까다롭다는 단점이 있다.
참고문헌 (10)
D. M. Woo, "A Study on the characteristics by the rainfall intensity of the tipping-bucket rain gauge," M. D. dissertation, Graduate School of Industry and Engineering, Seoul National University of Technology, 2001.
W. T. Yoon, "Characteristics of Climatic Change in the Korean Peninsula," in Proceeding of the Autumn Meeting of Korean Meteorological Society, Seoul, pp. 472-473, 2007.
Y. Choi, "Changes on frequency and magnitude of heavy rainfall events in Korea," Journal of the Korean Data Analysis Society, vol. 43, pp. 269-282, 2002.
M. H. Lee, "Korean Flood Vulnerability Assessment on Climate Change," Journal of the Korea Water Resources Association, vol. 44, no. 8, pp. 653-666, 2011.
I. W. Jung, D. H. Bae, and G. Kim, "Recent trends of mean and extreme precipitation in Korea," International Journal of Climatology, vol. 31, no. 3, pp. 359-370, 2011.
J. B. Kim, "Evaluation of Rain-gauge Networks in the Soyanggang Dam River Basin." M. D. dissertation, Department of Civil engineering, Graduate School of Chungnam National University, Daejeon, Korea. 2007.
J. C. Park, S. W. Jang, Hydrological Observation Facilities(rain gauge) Operational Handbook, Daejeon, Korea: K-water, pp. 2-3, 2007.
"Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation," No. 8, Part. I, ch. 6, World Meteorological Organization, pp. 33-34, 2008.
S. Y. Hwang, Method of the double integral Current measurement in the Ultrasonic Multi-path Flowmeter. Korea Patent 10-2004-0063090, 2004.
I. S. Shin, D. S. Kim, K. W. Lee, Measuring unit for precipitation. Korea Patent 10-2011-0124131, Patent and Trademark Office, Daejeon, Korea, 2011.
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