자동 저수와 배수가 가능한 중량 우량계 용 쌍수조

1. 서 론

실무적인 강수량 관측 표준 장비는 전도형 우량계이다. 범용 전도형 우량계의 단점은 제한된 분해능과 강한 비의 경우 전도되(tipping bucket)의 교차에 동반되는 빗물 유실이다. 동일 장소 관측 비교에서 전도형은 중량형에 비하여 10~30% 정도 적게 기록하였다(Hodgkinson et al., 2004). 전도형이 실제 강수보다 적게 기록한다는 많은 연구들이 있다(예, Adami and Da Deppo, 1986; Calder and Kidd, 1978; Nystuen et al., 1996: Sevruk, 1996; Humphrey et al., 1997; Nystuen, 1998).

정밀 관측을 원하는 경우나 산악처럼 접근이 어려운 장소의 강수량 관측은 중량 우량계를 사용한다. 기능적인 측면에서 중량 우량계가 전도형 우량계보다 우월함은 잘 알려져 있다. 이는 집수한 빗물의 무게를 측정함이 일정량의 부피에 도달하는 횟수로 강수량을 추정하는 방법보다 정확하기 때문이다. 유사 강수 환경하에서 전도형에 비하여 중량형이 10배 이상의 분해능을 달성할 수 있다(Lee, 2004). 또한 자동관측, 원격 조정 측면에서 후자가 유리하다.

앞에서 언급한 우수한 성능에도 불구하고, 관측 현장에서 중량 우량계의 분해능이 전도형과 비슷한 수준이며 실용적인 측면에서 오히려 뒤진다. 가장 큰 이유는 고인 빗물을 적절하게 배수할 수 있는 방법이 개발되지 않았기 때문으로 본다. 부차적으로 무게 센서(load cell)의 가격도 중량 우량계 보급을 어렵게 한다. 기존 중량 우량계 중 사이펀 배수를 하는 경우 완전 배수 시간은 5~10초에 달한다. 이러한 시간 간격은 매우 유동적이며 정확한 배수 시간은 수조(bucket)의 크기와 배수용 사이펀 관의 직경과 표면 특성에 종속되며 제조 회사에 따라 다르다. 최근에는 관측 기간, 3 달 혹은 1 년, 동안 빗물을 계속하여 모으는, 즉, 일정 기간 동안 배수를 하지 않는 적산식(accumulation type)이 일반적이다.

위와 같은 적산식이나 사이펀 방식 중량 우량계의 문제점을 극복하고자 현대의 상업용 우량계는 고성능의 로드셀을 사용하고 기후학적인 강수량을 감안하여 1년에 한번의 수동 배수법을 채택하고 있다. 해당 측기 제작사(미국의 Belfort Instrument, 독일의 OTT, 노르웨이의 Geonor)가 공통으로 사용하는 방법이다. 합리적인 배수법의 부재는 중량 우량계가 일반적인 전도형의 2~3배 정도의 크기와 무게를 가지게 되는 주된 이유이다. 상대적으로 큰 체적과 무게는 중량 우량계 사용을 불편하게 한다.

중량 우량계의 경우 장시간 강한 강수를 연속적으로 측정하고 배수 시간을 단축하거나 원천적으로 제거하고자 대용량 수조를 채택한다. 대용량의 수조는일정 시간까지 연속적인 강수 관측이 가능하지만 우량계의 한계 용량에 따른 무게 센서(load cell)의 피로도 증가와 우량 관측의 분해능 감소로 이어진다. 중량 우량계에 있어서 분해능과 수조의 크기는 상호 배타적이다. 로드셀의 특성상, 양자를 동시에 만족하기는 어렵다. 대용량이면서 고정밀 측정이 가능한 로드셀을 사용할 수는 있지만 경제성이 지극히 낮다.

성능에서 배수와 무관하게 정밀 우량 관측을 위해서 Hewston and Sweet (1989)와 Lee (2004)는 로드셀의 장점을 언급하고 그 우수성을 실측 관측으로 보였다. 위 연구는 기기의 최대 용량 문제를 다루지는 않았다. 전도형 우량계에 무게 측정 기능을 추가하여 기존 우량 관측의 분해능을 개선하였다. 전도형과 중량형의 단순 결합이었기에 분해능은 개선되었지만 기기는 더 복잡하게 되었다. 전도되에 빗물이 고이는 동안 무게를 측정한다. 동시에 일반 전도형처럼 전도되의 한계 용량 횟수를 감안하여 우량을 계량한다. 수조 자체의 개선을 도모하지는 않았다.

이 외에 Kim and Son (2012)은 전통적인 형태인 한 개의 수조가 있는 중량 우량계를 제작 실험하였으며 상용화에 성공하였다. 그들은 일정 무게의 빗물이 모이면 전동 모터로 수조를 수평축에 대하여 회전 시키는 방법으로 배수를 행한다. 배수 전체 시간은 약 4초이다. 그리고 고이는 빗물의 무게를 측정하기 위해서 축 모양의 로드셀을 채용하였다. 배수를 위하여 수조를 회전시키기 위한 회전축으로 적절한 형태의 로드셀을 사용하였다고 이해할 수 있다. 우량계의 소형화나 경량화와는 거리가 있어 보인다.

기본적으로 중량 우량계는 저수조에 모은 빗물의 무게를 계측하여 강수량을 측정한다. 무게 측정 센서로 로드셀을 사용한다. 무게 측정 기술과 네트워크 기술의 결합으로 원격 조정 및 측정도 가능하다(Nayak et al., 2008). 중량 우량계의 이러한 특징을 이용하면 현재 성행하고 있는 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 기술을 중량 우량계에 적용할 수 있다.

우리는 고이는 빗물의 무게로 인하여 자동으로 배수가 이루어지는 새로운 형태의 저수조를 디자인하고 동작을 검정하고자 한다. 새로운 저수조(barrel)의 경우 배수와 저수는 상호 연관되어 작동한다. 저수조의 영문 명칭을 기존의 bucket에서 barrel로 한다. 이는 새로운 저수조가 기존 중량 우량계의 저수조(bucket)보다 한결 작은 점을 감안한 선택이다. 참고로 전도형 우량계의 전도되(tipping bucket)와는 비교 대상이 아니다.

다음 장에서 중량 우량계의 일반적인 개요도를 보인다. 3장에서 새로운 수조의 구조와 작동 원리를 설명하였다. 4장에서는 제작상의 유의 사항과 문제점 그리고 이들에 대한 대응방안을 논의하였다. 5장에서 결론을 제시하였다.

2. 중량 우량계의 개요도

기존 중량 우량계의 개요도는 다음 그림과 같이 세 부분으로 구성된다(Fig. 1). 우리가 제안하는 쌍저수조를 사용하는 경우 예상할 수 있는 구조는 Fig. 1의 저수조(bucket) 위치 B에 쌍수조가 설치된다. 전반적인 구조를 생각하면 쌍수조를 채택하는 중량 우량계는 전도형과 비슷하다. 전도형과 마찬가지로 일시적으로만 빗물을 모은다. 저수 시간은 전도형의 경우보다는 오래 지속된다. 하지만, 기존 중량 우량계의 저수 시간보다는 짧다. 또한 저수 시간은 강수강도에 역비례하게 된다.

Fig. 1.

Schematic of a generic weighing raingauge. The plane view of the gauge is in a circular shape. Hence, we present only its lateral view for simplicity. Symbol A designates the collector, B the bucket, and C the gauging component. Collector (A) has a funnel shape instead of a cylinder.

쌍수조를 채택할 경우, 해당 우량계는 기존 중량우량계 보다 소형으로 전도형과 비슷한 수준으로 제작 가능하다. 크기의 차이는 기존 중량 우량계의 수동 배수법 때문이다. 사이펀 방식은 수동 방식 중량 우량계보다는 작은 수조를 채택하나 대용량 수조를 여전히 필요로 한다.

본 보고서에서는 저수조의 디자인과 실제 작동 여부를 확인함이 목적이므로 수수기(collector)와 측정과 통신 모듈(gauge and network module)은 다루지 않는다. 수수기는 너무나 간단하여 논의가 불필요하다. 측정과 통신 부분은 로드셀의 배치, 자료 저장, 통신 등 생각할 여지가 많지만, 상용의 고급 저울, 데이터 로그(data logger), 유무선 통신 방법의 채용이 가능하여 개발이나 설계을 위한 시간적인 여유를 가질 수 있어 차후에 다룰 예정이다.

3. 쌍수조(Paired Barrel)의 구조

제안하는 수조, 즉 쌍수조는 두개의 저수부분(storage compartment)을 가진다. 지금부터 저수 부분을 저수조로 명명한다. 두개의 저수조는 동일한 모양이다. 쌍수조는 전체 무게 중심에 대하여 점 대칭을 이루도록 두 개의 저수조를 결합하여 구성한다. 쌍수조의 자세는 어느 한 저수조가 바른(정상, upright) 자세이면 나머지는 거꾸로 된(역상, reversed) 자세를 취한다. 쌍수조의 한 쪽 저수조에 빗물이 고이는 동안 무게를 측정한다. 짝을 이루는 다른 쪽의 저수조는 순간적으로 자신의 빗물을 배수하여 대부분의 시간 동안 비어있게 된다. 이후부터 수조는 우리가 제안하는 쌍수조를 의미한다. 필요한 경우 기존 수조와 쌍수조로 분리하여 언급한다.

쌍수조의 구조를 Fig. 2에 보인다. 두 저수조의 일부 면을 공통으로 구성할 수도 있다(Figs. 2b, c). 분리된 저수조나 결합된 저수조의 선택은 제작상의 편리성과 경제성을 염두에 두고 판단할 일이다. 두 종류의 쌍수조를 성능이나 구조상으로 동일한 수조로 취급할 수 있다. 원기둥 형태의 관을 이용하여 제작한 쌍수조의 상세 내용을 보이고자 Fig. 3에 관련 투영도를 보인다. 투영도는 공개 제도용 소프트웨어 FreeCAD를 이용하였다.

Fig. 2.

The three-dimensional shapes of the paired barrel. (a) two separate barrels, (b) and (c) the combined barrels. The latter have the same topological feature. The shape (a) becomes the same as those of (b) and (c) by merging the closest face of each barrel. The axis connection point was composed with the closed circles connected with a groove. The shape forces the barrel upright. The upright orientation makes the paired barrel collect rainwater without failure. The complex structure of top and bottom of the barrel is necessary for a completion of flipping. The horizontally oriented cylinder denotes the flipping axis.

Fig. 3.

The projections of the paired barrel based on a cylinder. Top view (upper left), conformal projection drawing (upper right), front view (bottom left), and right-side view (bottom right). The solid lines denote the outer edges and the thin ones represent the hidden edges. For drawings, we used the open source software FreeCAD.

두 저수조가 모두 비어 있는 경우 무게 중심을 조정하여 항상 저수조 하나는 빗물을 모을 수 있도록 정상 상태에 있게 제작하여야 한다. 이는 수조와 지지축이 동적으로 연결되는 부분을 Fig. 2에서처럼 슬롯(slot) 형태로 제작하면 가능하다. 연직 축 상에서 슬롯의 중심 부근에 쌍수조의 전체 무게 중심이 위치한다. 회전이 가능하게 하는 축은 슬롯의 상단 끝 부분을 지지하게 되어 수조의 전체 무게 중심은 이 지지점 보다 아래에 위치한다. 이러한 무게 중심과 접촉점의 상대적인 높이 차이는 빈 수조를 바로 서게한다. 수조와 지지대의 또 다른 결합 구조를 토의 부분에서 제시할 예정이다.

수수기에서 빗물이 내려와 정상 저수조에 고이게 되면 쌍수조는 더욱더 안정하게 된다. 안정된 상태는 빗물이 정상 저수조에 고여서 일정 수심에 도달하게 되면 쌍수조 전체의 무게 중심 상승으로 인하여 불안정하게 된다. 불안정하게 된 쌍수조는 어느 한쪽 방향으로 기울어지게 된다. 저수조를 정밀하게 디자인하여 기울어지는 정도를 조절하여 배수가 시작되면 180도 회전하여 역상이 되게 한다. 언급한 움직임을 이론적으로 계산하여 증명하기는 어렵지만 실질적으로 원하는 형태로 작동함을 동영상으로 확인할 수 있었다.

위 설명에서 언급한 회전 방향은 저수조의 형태와 연관된다. 저수조의 최대 가능 수위를 조절하여 수조의 회전 시점을 설정할 수 있다. 빗물이 고이는 동안 매초 혹은 마이크로 시간 단위로 무게를 측정하여 해당 시간 동안의 우량을 측정한다. 우리의 디자인에 의하면 초 단위 계측은 물론 원하는 경우 0.1초 단위 측정도 가능하다고 판단한다. 이는 기계적인 부분과 전자 부분의 연동을 고려한 추정이다. 로드셀 자체만을 생각한다면 밀리미터 초 단위 계측도 가능하다.

정상 수조의 빗물이 일정 수준에 도달하면 회전하여 자신의 물을 버리게 되며 이 동작은 짧은 시간에 이루어진다. 사실상 1초 내외이다. 수조의 구조상, 짧은 시간차 이후 역상의 수조가 정상 자세로 복귀하여 빗물을 모으게 된다. 순간적이기는 하지만 배수에 따라 계량되는 우수의 무게가 감소하게 된다. 쌍수조의 회전 순간에는 우량의 시간 경향성이 음의 값으로 되어 비현실적으로 되는데 이는 자료 처리로 해결할 수 있다. 일례로 전후 시간의 빗물 무게 값을 이용하여 시간축 상에서 내삽하거나 배수 시간 동안의 값 자체를 제거하여도 최종 우량 관측에 수반되는 오차는 미미함을 계산상으로 추정할 수 있다(Table 1).

Table 1.

Estimation of flipping time interval and frequency per hour and the ratio of lost to the total amount of rain water by the paired barrel. These are for flipping time interval of 1 second. The assumed interval is the longest time for flipping. Consequently, we expect the overall values given here represent the upper limit of errors. For estimation, we considered the catchment area 186.17 cm2. The size is from the Texas instrument rain gauge TR-5152. The exact size is not critical because various size of the barrel could be adopted for the optimal operation of the gauge. The rain rate is assumed to be constant for the time interval concerned. The capacity of a barrel is 60 grams.

4. 토 론

제안한 수조의 구조로 극소량의 빗물 유실을 피할 수는 없지만 중량 우량계의 용량 한계가 없어진다. 따라서, 전도형처럼 연속적으로 강수량 측정을 할 수 있다. 로드셀의 정밀성과 짧은 반응 시간 특성을 최대한 활용할 수 있게 되어 정밀 우량계 제작이 가능하다. 추가적인 단순화와 제작의 편의성을 고려한 다양한 개선점을 모색할 필요는 있을 것이다.

지금까지 묘사한 완전 자동 저수 및 배수 시스템의 문제점으로 다음의 두 가지를 생각할 수 있다. 강수 관측에서 저수조에 남아 있는 빗물이 어는(freezing) 상황이다. 물론 이는 추운 계절 즉 겨울철에 문제가 된다. 다른 하나는 잔여 빗물의 증발에 따른 우량계 내부의 습기로 인한 기계의 수명 단축이다. 해결책은 잔여 우수의 양에 무관하게 원하는 시기에 배수할 수 있는 장치를 부가하는 것이다. 장기간의 무 강수 기간 동안은 두 저수조를 모두 비우면 로드셀의 피로도(fatigue degree)가 낮아질 수 있다.

제작을 위한 상세 설계와 시제품 제작에서는 작동 여부와 가정에 따른 오작동 감소 방안을 마련하여야 한다. 제품의 성능향상을 위한 설계변경과 추가 부품의 필요성도 고려할 사항이다. 핵심 부분의 작동 여부를 유사 모형을 만들어 시험하였다. 한쪽 저수조의 용량은 35 grams 내외이다. 이론적인 계산에 의한 최적 용량은 60~100 grams이다. 최적 용량을 실험하지 못함은 적정 부품의 입수 때문이었다. 동영상은 약 200 mm hr⁻¹의 강수강도에 해당하는 수량에 대하여 쌍수조의 작동을 기록하였다.

실험실 환경상 정밀 제작이 불가능하였지만 예상대로 작동함을 확인할 수 있었다. 모형에서 반회전후 관성에 의한 흔들림과 정확한 자세의 유지가 미흡한데 이는 정밀 제작과 수조와 지지대의 연결 부분의 정교화로 해결할 수 있는 문제이다. 반회전을 위한 수조와 지지대의 연결 부분의 구조를 Fig. 4에서 두 가지를 제안한다. 두 가지 방법 중 지지대에 판형 용수철(plate spring)을 사용하는 방법이 더 안정적인 동작을 할 것으로 예상한다. 이 부분은 수조의 무게와 무게중심의 위치가 연결 부분 구조와 직접적으로 연관되기에 수조의 정확한 규격과 연계하여 설계가 이루어져야 한다.

Fig. 4.

The structure of the joint for connecting the paired barrel (green component) and supporter (grey part). (a) plate spring and (b) slot type. The joint must force the upright orientation of the barrel for collecting rainwater without failure. The structure has to suppress the overshooting of half rotation of the barrel. In (a), the obstructed portion has a configuration as shown in the top figure.

저수조에 고이는 빗물의 양이 일정량에 도달하여 회전하게 되는 경우 정상 저수조와 역상 저수조의 교체 시간은 매우 짧다. 하지만 강한 강수의 경우 유실이 발생할 수 밖에 없다. 이에 따른 빗물 유실을 줄이고자 우리는 부저수조를 제안한다. 부저수조의 모양과 앞에서 설명한 쌍수조(Fig. 2c)와 결합한 형태를 Fig. 5에 보인다. 각각의 부수조는 역시 반대 위상으로 설치하여야 한다. 부수조를 부착한 경우는 쌍수조의 회전 방향이 일정하여야 한다.

Fig. 5.

The structure of supplementary barrel in the top, front, lateral drawings, and the three dimensional view. The combined shape of the supplementary ones with the paired barrel (Fig. 2c) in shading is in bird’s eye view. The narrower section of the inlet portion than its end part is to reduce rainwater loss.

시제품 제작에서 하나의 저수조 용량이 약 100 grams인 경우 쌍수조의 무게는 총량 50 grams 이하가 정확한 계측에 유리하다고 생각한다. 수조의 구조가 유지되는 한 쌍수조는 가벼울수록 정밀 측정이 가능하다. 물론 고인 빗물의 무게와 회전에 수반되는 힘을 지탱할 수 있도록 견고한 형태와 적절한 소재 선택은 필수적이다.

5. 결 론

연속 측정이 가능한 중량 우량계 제작을 가능하게 할 자동 저수 배수 쌍수조를 제안하였다. 쌍수조를 응용한다면, 기존 중량 우량계에 비하여 배수 시간에 따른 측정상의 문제를 상당히 완화할 수 있다. 그리고 중량 우량계의 소형화와 경량화가 가능하다. 시험용 쌍수조를 제작하여 제안한 수조의 구조가 정상적으로 작동함을 보였다(Fig. 6). 그림은 2분 8초간 지속되는 동영상의 일부를 보인다. 각 영상의 시간 간격은 약 0.1초이다.

Fig. 6.

The images of flipping paired barrel from a kitchen sink experiment. The images are to show two times of full flipping. The time interval between the sequential images is about 0.1 second. The ellipsis represents 13 seconds rejection of images for a comprehensive display. The storage capacity of a compartment is about 35 grams of water. The physical size of the paired barrel is 100 mm in height and 30 mm in diameter. The images are from a movie having recorded the kitchen sink experiment. The images cover the duration of about 15 seconds while the movie lasts 2 minutes 8 seconds.

쌍수조를 사용하는 경우 예상되는 문제점은 다음과 같다. 비록 단시간이기는 하지만 강수량이 음의 값이 될 수 있다. 이 문제점을 최적 측정과 자료 처리 단계에서 다룰 예정이다. 단순한 검정을 위해서는 시중의 정밀 저울이나 데이터 로거를 임시로 활용할 계획이다. 본 보고서에 설명한 동영상을 원하는 경우 조건없이 제공할 예정이다.

Acknowledgments

본 논문의 개선을 위해 좋은 의견을 제시해 주신 두 분의 심사위원님께 감사를 드립니다.

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