• Title, Summary, Keyword: 도플러방식 초음파 유속계

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Development of Real-time Automatic Discharge Acquisition & Remote-control System (실시간 자동유량관측 시스템 개발)

  • Kim, Chang-Wan;Lee, Min-Ho;Cheong, Sang-Hwa;Kim, Ki-Jung
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.551-555
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    • 2007
  • 하구 감조부에서의 유량측정은 수문관측매뉴얼에 의하면 일반하천의 유량측정과 같은 원칙으로 실시하며, 일반 유량측정보다 신속하게 측정하고 유속과 유량을 연속적으로 측정해야 하고 조석을 잘 고려하여 관측계획을 수립하여야 하고 측정장비는 가급적 유향, 유속계의 기록부가 내장된 장비를 이용하도록 제안하고 있으며, 현실적으로 감조하천에서 유량측정은 많은 어려움이 따른다. 최근 우리나라에서 하천유량의 효율적인 측정을 위해 초음파유속계나 지표유속법과 같은 실시간 하천유량측정 방법이 도입되고 있다. 본 연구에서는 이러한 자동유량관측이 감조하천에 가능하도록 실시간 유량관측 시스템을 개발하여 운영하였다. 조석의 영향을 받는 한강대교지점에 도플러방식 초음파유량계를 회전체에 탑재한 자동유량측정장치를 남 북단 하천에 각각 1대씩 설치하였다. 본 시스템을 운영한 결과 무인 자동 연속 정밀관측이 가능하였으며, 1회 유속측정에 소요되는 $2{\sim}3$시간을 $5{\sim}6$분으로 단축시켰다. 이를 기반으로 감조하천에서의 자동유량관측이 가능하고 지표유속법을 도입하여 정확도를 높일 수 있는 유량산정기술을 개발하였다.

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Operation and Verification of Real-time Discharge Measurement Using UVM in Large River (이동시간차 방식 자동유량측정시설의 대하천 운영 및 검증)

  • Rho, Young-Sin;Park, Hyun-Keun;Kim, Chi-Young;Jung, Sung-Won
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.405-409
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    • 2009
  • 현재 하천의 유량측정을 위해 국내외에서 설치, 운영되고 있는 자동유량측정시설은 대부분 초음파유속계를 이용한 실시간 하천유량측정시스템이다. 이러한 초음파유속계는 도플러 방식 초음파유속계(ADVM)와 이동 시간차 방식 초음파유속계(UVM)로 구분되는데, 한강대교 등에 적용된 ADVM 방식에 비해 UVM 방식은 초음파 도달거리의 특성으로 인해 대부분 중소규모의 하천에 적용되어왔다. 이러한 UVM 방식을 하폭이 넓고 홍수시 수위변화가 심한 대규모하천에 적용하기 위해서는 여러 회선을 다층으로 구성하여 설치할 필요가 있는데, 한강의 여주지점은 16개의 회선을 5개의 층으로 구성하여 측정의 정확도를 높이고 홍수시 수위상승시에도 다양한 회선으로 유속을 측정할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 여주지점에 설치되어 운영 중에 있는 이동 시간차 방식 자동유량측정시설의 운영결과를 검토하고 측정치에 대한 검증을 위해 2008년 1월부터 12월까지의 유량측정결과를 검토하였다. 평 저수시는 유속계와 ADCP 이동보트를 이용한 연속측정결과와 비교하였으며 홍수시에는 봉부자 측정결과와 비교하였다. 기존 실측은 2008년 2월부터 12월까지 저수위 및 중 고수위에 걸쳐 실시하였으며, 프라이스유속계 22회, 이동식 ADCP 6회 그리고 부자를 이용한 방법 6회등, 총 34회가 이루어졌으며, 비교 결과 수위 1.5m 이하의 저 평수기에 평균 5.5%의 오차를 보였으며, 홍수시 검증측정유량과의 비교결과 7.6%의 오차를 보였다.

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Application of Filtering Method to Improve the Quality of Automatically Measured Discharge Data (자동유량측정 자료의 개선을 위한 필터링 방법의 적용)

  • Chang, Kwon-Hee;Kim, Chi-Young;Kim, Soo-Jun;Song, Jae-Hyun;Kim, Hung-Soo
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1405-1409
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    • 2010
  • 최근 우리나라는 물 부족 국가로서 물의 효율적 관리 필요성 증대, 기후변화에 따른 가뭄 홍수 피해 증가 등으로 신뢰성 있는 수문자료구축이 필요성이 요구되고 있다. 그 중 유량측정 분야는 모든 수자원 계획과 관리의 근간이 되는 분야로 그 중요성 또한 간과 할 수 없는 부분이다. 현재 우리나라에서는 한국건설기술연구원 산하 유량조사사업단에 의해 유량측정 주요지점에 자동유량측정 시설을 설치하고 이를 운영함으로써 각 지점의 특성에 따라 적절한 방식을 채택하여 이동시간차방식 초음파 유속계(UVM, Ultrasonic Velocity Meter)와 도플러방식 초음파유속계(ADVM, Acoustic Doppler Velocity Meter)를 설치하면서 향후 수문계측 분야 선진화를 위한 기초자료를 제공하고 있다. 하지만 실시간 무인화 계측시스템에 의해 제공되는 자료가 양질의 자료임을 보장할 수 없는 현실이기 때문에 측정된 기초자료의 필터링을 통한 자료의 질적 개선이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존에 전산분야의 필터링 방법으로 널리 알려져 있는 LPF(Lowpass Filter)와 KF(Kalman Filter)를 이용하여 자동유량측정 자료의 필터링 방법으로 활용하고, 그 적용성을 검토하였다. 본 연구를 통해 기존 유량자료의 문제점을 개선하고 효율적인 유량조사를 위한 기초자료 확보 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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Automatic Flow Measurement by Acoustic Velocity Sensors on a Weir (기존 보와 유속센서를 활용한 자동유량측정)

  • Kim, Dong-Gu;Kim, Won;Lee, Chan-Joo;Kim, Chi-Young
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.851-854
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    • 2007
  • 기존 보를 활용하여 유량측정에 이용하는 방법은 보의 통제 특성을 이용한 것이다. 유량과 수위를 병행 측정하여 얻은 자료를 활용해 수위-유량관계를 개발하는 것이다. 이 방법은 간단하면서도 정확도가 높은 방법이다. 수위-유량관계가 개발되면 별도의 측정을 수행할 필요 없이 수위계 측정값으로 유량이 계산되기 때문이다. 물론 주기적인 수위-유량관계 검증은 반드시 필요하다. 이런 수위-유량관계를 이용한 기존 보 활용은 매우 유용한 방법 중 하나이다. 하지만 이런 기존 보를 활용해 유량을 계산하는 방법은 몇 가지 단점을 포함한다. 첫째, 통제 특성을 이용하는 모든 측정 구조물은 측정한계 조건이 있다. 즉, 보 마루에 한계류가 발생하지 않는 수위 이상으로 높아지면 보의 통제 특성이 소멸되고 수위-유량관계나 유량공식은 의미가 없어진다. 둘째, 유량측정 구조물의 가장 큰 문제점 중 하나가 토사퇴적이다. 특히 기존 보의 경우 토사가 퇴적되면 보 상류의 저류용량이 줄어 보의 통제 기능을 상실하게 된다. 이런 문제점들을 해결하기 위해 보마루를 높인다거나 정기적인 준설을 하는 방법이 있다. 장기적인 변화에 대응하는 것이지만 이런 조치는 임시방편일 뿐이다. 이런 문제를 해결하기 위해 연구하게 된 방법이 보마루에서 직접 유속측정을 하는 것이다. 그리하면 통제특성을 이용한 수위-유량관계가 필요 없게 된다. 이때 보마루에서 직접 유속측정을 하기 위해서 유속측정 센서를 이용한다. 유속측정센서는 도플러방식을 이용한 초음파 유속센서로써 uplooking 방식으로 보마루에 고정시켜 이용한다. 이런 센서는 관수로에서 유량을 측정하기 위해 많이 사용되고 있다. 본 연구를 위해 초음파 센서를 이용해 실험 수로에서 유속측정과 유량환산 결과를 비교해 보았고 실제 시험하천에서도 설치하여 적용해 보았다. 보마루라는 안정된 단면을 이용하여 유속을 직접 측정하는 방법은 앞서 언급했던 수위-유량관계를 이용한 기존 보 활용법상 단점도 극복할 수 있다. 즉 통제 특성과는 관계없이 측정할 수 있는 수심 범위에만 들어가게 되면 항상 측정이 가능하고 상류의 토사퇴적에도 영향을 전혀 받지 않는다. 설치한 후 센서가 파손되지 않고 관리만 잘 된다면 유량측정시 편리하고 정확하게 결과를 얻을 것으로 판단된다.

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Construction of Ultrasound Pulsed Doppler Velocimeter (펄스 초음파 도플러 속도계의 제작에 관한 연구)

  • 현석봉;김수용;이재수
    • Progress in Medical Physics
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    • v.5 no.1
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    • pp.25-39
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    • 1994
  • To measure the velocity of heart wall and local flow transctaneously in blood vessels, we have developed a single channel 3.1 MHz pulsed ultrasonic Doppler velocity meter. Ultrasound pluse width and repetition frequency (PRF) used in the velocity meter is 1 ${\mu}$sec 6kHz reapectively, and the Doppler shift of the backscattered echo signal is sensed in a phase detector by coherent demodulation method. From the output of the phase detector, the Doppler signal corresponding to the mean velocity of acoustic wave scatterers over a small region is obtained by using a range gate, sample holder and band-pass filter. Mean frequency of Doppler signal is estimated by zero-crossing counter and the instantaneous velocity of scatters is displayed as a function of time. It is possible to estimate velocity profile, volume flow and flow acceleration of vessels in man if the number of channels and range resolution in increased.

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Uncertainty Assesment for Moving-boat ADCP Discharge Measurements by GUM Framework (GUM 표준안 기반 이동식 ADCP 유량 측정 불확도 평가)

  • Kim, Dongsu;Kim, Jong Min
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.71-71
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    • 2017
  • 하천에서 평수기 유량측정은 도섭법을 이용하기 위한 지점식 측정보다는 초음파 도플러 유속계(ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler)를 보트에 탑재하여 운용하는 측정 방식이 점차 일반화되고 있다. ADCP는 초음파의 도플러효과를 이용하여 수심이나 횡방향의 유속 분포를 측정할 수 있는 측정 장비로 일반적으로 사용되는 down-looking ADCP는 수심방향의 유속분포와 수심을 측정하여 보트의 이동속도와의 벡터 내적을 이용하여 유량을 산정하게 된다. 그러나, 이동식 ADCP 유량 측정 성과의 불확도는 제공되지 않고 있는 상황인데, 이는 불확도 산정 표준안 미비, 유속 및 수심 등 측정 요소의 관측 환경 별 불확도 정보 부족, 불확도를 산정할 수 있는 툴의 부재 등에 기인한다. 본 연구에서는 이동식 ADCP 불확도 산정 표준안을 개발하고 현장 실험을 통해 불확도 요인에 대한 규명, 불확도를 편리하게 산정할 수 있는 툴을 개발하고자 하였다. 불확도 산정 표준안으로 최근 WMO를 위시한 국제적으로 하천 유량 측정 불확도 표준안으로 채택되고 있는 GUM(Guide to the Expression of Uncertainty Measurement)을 기반으로 이동식 ADCP 유량 산정 알고리즘을 적용하여 불확도 적용 기법을 개발하였다. GUM 표준안을 기반으로 유량 측정불확도를 산정하기 위한 불확도 요인분석은 실규모 하천의 특성을 대부분 모의할 수 있는 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터에서 수행된 실험자료를 기반으로 다양한 인자들에 대한 요소 별 불확도 분석을 수행하였다. GUM 표준안에 의하면 불확도 요인들은 오차전파의 법칙에 기반하여 전체 불확도에 전파되며, 이렇게 합성된 불확도는 t-분포의 신뢰수준 95%일 경우의 보정계수 2를 곱하여 최종적으로 확장불확도를 산정하게 된다. 이동측정방식의 ADCP의 경우 GUM 표준안에 적용하여 불확도를 평가하기 위해서 사용되는 수식이 방대하고, 매우 복잡하기 때문에 이를 실무자가 평가하기에는 한계가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 ADCP의 유량 측정불확도를 보다 편리하게 평가하기 위하여 ADCP 유량 측정불확도 평가 소프트웨어인 AQUA(ADCP Discharge Uncertainty Assesment)를 개발하였으며, 이를 통해 실무자나 연구자들이 ADCP의 불확도 평가에 보다 편리하게 접근할 수 있을 것이라 판단된다.

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Estimation of Suspended Sediment Concentration using Acoustic Backscatter (초음파 산란도를 활용한 하천 부유사 농도 측정 기법 개발)

  • Seo, Kang Hyeon;Kim, DongSu;Kim, JongMin
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.377-377
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    • 2015
  • 부유사 자료는 유사이송해석에 필수적인 요소로 하천의 흐름 변화 및 하상 변동을 발생시키고, 하천 구조물의 설계, 수자원 개발 및 관리를 위한 하천계획의 전반에 있어 매우 중요한 자료이다. 부유사 농도는 수자원의 이용뿐만 아니라 하천 생태계에까지 피해를 미친다는 점에서 하천의 유지 관리 및 보수와도 밀접한 관련이 있다. 부유사량을 산정하는 방법에는 수리량 및 하상토 특성 자료를 유사량 공식에 대입하여 계산하는 간접적인 방법과 유사량을 직접 측정하는 방법으로 나뉜다. 현재 국내에서는 유사량 채집기를 사용하여 실제 하천의 유사량을 채집하는 방식으로 많이 사용되고 있으나, 많은 인력과 시간이 소모되기 때문에 다지점 계측과 지속적인 계측이 힘들다는 한계점를 보이고 있다. 또한 국내 하천에서는 홍수기를 거치면서 하천의 수리학적 특성이 변화하는 경향을 보여주고 있어 유량-부유사 관계식을 자주 갱신해야 한다는 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 현재 국내에서 사용하고 있는 직접적인 측정 방법의 한계점을 보완하고자 직접적인 측정 방법 중 초음파를 이용하여 횡단면 전체의 유사량 측정을 연속적으로 할 수 있는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)를 활용하여 유사량을 추정할 수 있는 기법을 개발하고자 한다. 본 연구의 연구는 건설기술연구원 하천실험센터의 직선수로에서 수행되었다. H-ADCP (SonTek SL3000, 셀 크기 4 cm)를 사용하여 자연상태 흐름조건 (유속 0.7 m/s)에서 초음파산란도(Backscatter, 혹은 신호대잡음비 SNR) 및 유속자료를 2분 간격으로 확보하였다. 그리고 부유사 농도(SSC)의 측정 정확도가 높다고 평가되고 있는 레이저부유사측정기(LISST-100)를 활용하여 부유사 농도를 실측하여 초음파산란도와 실측 SSC의 관계를 도출하고 그 경향을 분석하였다. 또한 초음파산란도의 흡수 등을 보정하고 실측 부유사자료와의 관계식을 기반으로 H-ADCP를 활용하여 실시간으로 부유사 농도를 산정할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다.

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Verification Study on Real-time Automated Discharge Measurement (실시간 자동측정유량의 검증 연구)

  • Roh, Young-Sin;Kim, Dae-Young;Park, Hyun-Geun;Jung, Sung-Won
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.329-333
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    • 2008
  • 본 연구에서는 도플러 방식 초음파유속계(ADVM, Acoustic Doppler Velocity Meter) 및 이동시간차방식 초음파유속계(UVM, Ultrasonic Velocity Meter)의 유량자료 검증을 위해 두 가지 방식이 적용된 한강대교와 여주대교의 2007년 운영성과를 검토하고 측정된 결과분석을 통해 자동유량측정시설의 유량측정자료를 검증하였다. 측정된 유량의 검증을 위해 평 저수시 유속계 측정 및 이동 ADCP법에 의한 연속 유량측정결과와 비교하였으며, 또한 봉부자를 이용한 측정결과와의 비교를 통해 홍수시 측정결과를 검토하였다. 또한 댐방류량, 하수처리장 방류량, 각종 취수량을 이용한 물수지 분석을 통해 자동유량측정에 의해 산정된 유출량과 비교하였다. ADVM 방식이 적용된 한강대교의 조위영향에 따른 수위변화를 고려하여 한 주기에 대한 측정을 수행하여 이를 비교한 결과, 흐름이 정체되는 일부구간의 측정결과를 제외하면 대부분 상대오차가 10% 내외가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 월별 물수지 분석을 수행한 결과, 설치초기 시스템 안정화작업으로 인해 결측이 많이 발생한 $3{\sim}4$월을 제외하면 10%내외의 오차가 발생하였으며, 홍수기인 $6{\sim}7$월 사이에는 $1.9{\sim}5.5%$의 상대오차를 보여 자동유량측정시설의 측정결과가 매우 양호한 것으로 나타났다. 여주대교의 UVM 방식의 경우 측정장비의 안정화가 이루어진 5월부터 9월까지의 측정결과는 수위유량관계곡선으로 산정된 유량과 비교하였을 때 10%내외의 상대오차를 보인 것으로 나타났다. 아울러 월별 물수지 분석결과에서도 결측이 많이 발생한 5월의 23.7%의 오차를 제외하면, $5{\sim}10%$내의 오차를 보인 것으로 나타났으며 홍수기인 $6{\sim}8$월의 경우 5%이내의 오차가 발생한 것으로 나타났다.

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A Study on Development of Estimation for Discharge Rate Reflecting Water Surface Slope (수면경사를 반영한 하천 유량산정에 관한 연구)

  • Choo, Tai Ho;Hong, Soon Heon;Park, Sang Jin;Kim, Young Hwan
    • The Journal of the Korea Contents Association
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    • v.17 no.2
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    • pp.535-542
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    • 2017
  • There is a big difference of discharge rate between drought and flood period in Korea since the importance of water resources management has come to the fore. To know a river characteristics, it needs to estimate river discharge accurately. River discharge is calculated using the measured velocity of cross section and the estimated area of watercourse as input parameters into continuity equation. Generally, flow rate over a river is estimated from the relation equation between level and discharge, in this case, there are weakness for only the equal depths and the equal discharge estimated. In the present study, therefore, water surface slope was estimated using measured water level of Seongseo water level observation station and measured water level using ADVM at Gangchang Bridge. And then, we developed the discharge calculation equation using water surface slope. A method to easily calculated flow rate from the measured depth of the two points that are suggested by reflecting water surface slope because natural stream is unsteady flow, not uniform flow or not steady flow.

Accuracy Analysis of Velocity and Water Depth Measurement in the Straight Channel using ADCP (ADCP를 이용한 직선 하천의 유속 및 수심 측정 정확도 분석)

  • Kim, Jongmin;Kim, Dongsu;Son, Geunsoo;Kim, Seojun
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.48 no.5
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    • pp.367-377
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    • 2015
  • ADCPs have been highlighted so far for measuring steramflow discharge in terms of their high-order of accuracy, relatively low cost and less field operators driven by their easy in-situ operation. While ADCPs become increasingly dominant in hydrometric area, their actual measurement accuracy for velocity and bathymetry measurement has not been sufficiently validated due to the lack of reliable bench-mark data, and subsequently there are still many uncertain aspects for using ADCPs in the field. This research aimed at analyzing inter-comparison results between ADCP measurements with respect to the detailed ADV measurement in a specified field environment. Overall, 184 ADV points were collected for densely designed grids for the given cross-section that has 6 m of width, 1 m of depth, and 0.7 m/s of averaged mean flow velocity. Concurrently, ADCP fixed-points measurements were conducted for each 0.2m and 0.02m of horizontal and vertical spacing respectively. The inter-comparison results indicated that ADCP matched ADV velocity very accurately for 0.4~0.8 of relative depth (y/h), but noticeable deviation occurred between them in near surface and bottom region. For evaluating the capacity of measuring bathymetry of ADCPs, bottom tracking bathymetry based on oblique beams showed better performance than vertical beam approach, and similar results were shown for fixed and moving-boat method as well. Error analysis for velocity and bathymetry measurements of ADCP can be potentially able to be utilized for the more detailed uncertainty analysis of the ADCP discharge measurement.