하천 및 호소의 유속 측정을 위한 주파수 변조 연속 신호 방식의 2차원 초음파식 유속센서 = A 2D ultrasonic flow sensor with frequency modulated continuous wave method for measuring flow of lakes and rivers

국문 초록 (Abstract)

물의 흐름은 하천 및 호소의 수질 및 수생태에 영향을 주는 주요 지표중의 하나이다. 물의 순환은 수질과 깊은 관련성이 있으며, 수질 및 유속에 따라서 서식 가능한 생물 또한 달라진다. 특히 최근 문제가 되고 있는 녹조와 같은 조류의 서식에는 온도, 광량, 영양 등과 함께 유속도 중요한 요소로 작용한다. 광학식 또는 전자기파식 센서의 경우 녹조가 서식하는 수중 유속을 측정하기 어려우며, 프로펠러식 유속센서는 하천 장애물이나 부유물 및 지형 등의 영향으로 인해 지속적인 감시가 어렵고, 녹조가 발생할 수 있는 저유속 환경에서의 측정 정확도가 낮다. 본 연구에서는 수중 저유속 환경에서 유속을 측정하기 위한 2차원 초음파 유속센서를 개발하고, 정확도를 개선하기 위하여 주파수변조 연속 신호(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) 방식을 적용한 결과에 대해 보고한다. 개발된 2차원 초음파식 유속센서는 한 개의 송신 소자와 2개의 수신 소자로 구성되며, 송신 소자와 각 수신 소자를 V자 형태로 60도의 각도로 배치하였다. 이를 통해서 송신 소자로부터 약 10츠 떨어진 곳의 유속을 원격으로 측정할 수 있도록 하여, 센서 구조물에 의한 실제 유속의 왜곡이 없도록 하였다. 초음파 측정 방식은 기본적인 도플러 방식이 갖는 낮은 정확도 및 정밀도를 개선하기 위하여, 주파수 변조 방식을 적용하였다. 주파수 변조 방식의 경우, 송신 신호의 주파수를 일정하게 증가 및 감소시키면서 동시에 수신 소자로 수신되는 초음파 신호와의 주파수 차이를 도출하고, 이로부터 유속을 도출하는 방식이다. 도플러 방식이 장애물에 의한 반사파 및 외부 잡음 등에 의한 영향을 크게 받는 반면, 주파수 변조 방식은 다중 주파수를 이용하여 반사파 및 외부 잡음에 의한 영향을 제거할 수 있어서 보다 정확한 유속 측정이 가능하다. 본 연구에서 제작된 2차원 유속센서에 적용한 결과, 1-30cm/s의 낮은 유속 환경에서의 측정 오차가 최대 3.9%로 감소하고, 반사파에 의한 신호왜곡이 감소함을 확인하였다.