KR100349504B1 - 초음파 유속 측정장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 발명은 송신측에서 발사한 확산대역에 의한 변조신호를 수신측에서 복조하고 신호 동기가 록킹된 상태에서 전파시간 차이를 카운트함으로써 전파시간의 측정오차를 배제시켜 관로나 개수로의 유속을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상,하류의 초음파 변환기의 설치 위치를 이동시킬 경우 구성 부품을 교체하거나 프로그램을 변경하는 조치를 취하지 않고도 간편한 조작을 통해 다른 계열의 의사 잡음 부호를 사용하여 초음파 전파시간를 정밀 측정할 수 있다.
아울러, 본 발명은 유로 바닥으로부터 떨어진 거리에 따라 복수의 초음파 변환기들을 대향 배치하여 굴곡 유로에서 높이에 따라 다양하게 변화하는 평균 유속을 정밀하게 측정할 수 있다.
이러한, 본 발명은 하천, 인공 개수로, 대구경용 초음파 유량측정장치 및 기체용 유량측정, 수위측정 등에 효과적으로 사용할 수 있다.

Description

초음파 유속 측정장치 {ULTRASONIC FLOW VELOCITY MEASURING APPARATUS}
본 발명은 초음파 유속 측정장치에 관한 것으로, 특히 송신측에서 확산대역의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조한 초음파를 발사 또는 수신하여 관로나 개수로의 유속을 정밀하게 측정할 수 있도록 한 초음파 유속 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 대구경 관로나 하천의 유량을 측정하기 위해 초음파를 이용하는 초음파 유량계가 잘 알려져 있다.
이러한 초음파 유량계에서는 주로 초음파 전파 시간차(transit time difference) 유속 측정방법을 널리 이용하고 있으며, 도 1과 같이 한쌍의 초음파 변환기(ultrasonic transducer; 1,2)를 분리 설치하고 서로 교대로 발사 또는 수신하도록 변환기를 작동시키며, 다음 관계식 1에 의해 유속(V)을 연산한다.
V = Δt·C2/2·L·cosφ = (L2/ 2d)·[(t21-t12) /(t12· t21)] --- [관계식1]
여기서, Δt는 유속방향에 대해 일정한 각도(φ)로 유속방향과 반대방향으로 초음파가 유체에서 전파하는 시간차이고, L은 두 개의 초음파 변환기간의 간격이고, C는 유체에서의 음속이다.
이와 같은 초음파 전파 시간차 유속 측정방법은, 주어진 상수(L2/2d)를 미리 입력시켜 두고 유속방향으로 초음파 펄스를 발사시 측정된 전파시간(t12)과 반대방향으로 초음파 펄스를 발사시 측정된 전파시간(t21)의 차이를 구하는 방법으로 미국 특허 번호 5,531,124호와 일본 특허 번호 2676321호에 개시되어 있는 바와 같이 너무도 잘 알려져 있다.
그런데, 종래의 초음파 유속 측정방법에 따르면 초음파 변환기들간의 간격(L)이 길거나 혹은 유체흐름에서 다양한 크기의 와류(vortex, eddy)가 발생한다든지 또는 부유입자(suspension)의 농도와 온도 분포가 변하는 경우(예; 하천) 초음파 펄스(excitation pulse)가 굴절, 확산하거나 흡수감쇄도가 변하기 때문에 펄스 수신지점에서 초음파 음압이 맥동(pulsation)을 한다.
또, 이상적인 짧은 초음파를 발사한다 하여도 펄스의 고조파(higher harmonic) 성분이 심히 감쇄하기 때문에 초음파 수신신호의 형태는 종형(Bell-shaped pulse)으로 된다. 이로 인하여 초음파 펄스가 수신되는 순간을 포착시 1-2 주기 정도의 오차가 발생하는 것은 보통이고 수신이 안 될 경우도 적지 않게 발생된다.
뿐만 아니라, 초음파 펄스를 발사 수신함에 있어 수신된 펄스의 형태가 왜곡되지 않게 하기 위하여 광대역 증폭기(wide-band amplifier)를 사용하기 때문에 다양한 잡음이 증폭되며 특히 펄스형 잡음 때문에 초음파 전파시간 측정에 혼돈을 야기시킬 때도 많다.
위와 같은 문제점들을 감안하여 주파수 변조된 초음파를 발사 수신하면서 초음파 전파시간을 측정하여 유속을 알아내는 방법이 미국 특허 6,012,338호에 개시되어 있다.
미국 특허 6,012,338호에서는 도 2와 같이 주파수변조 발진기(3)가 출력증폭기(6)를 통해 변환기절환 스위치(14)에 연결되고 이 변환기절환 스위치(14)에 한쌍의 초음파변환기(1,2)가 연결된다. 출력증폭기(6)의 입력측에 연결된 초음파변조 발진기(3)는 펄스발진기(4)로부터 펄스 입력이 없을 때 발진 주파수(f)를 연속적으로 출력하며, 제어구형 펄스발진기(5)에서 주어진 주기로 출력되는 긴 펄스[도3의 ⓐ]에의해 단안정구형 펄스발진기(4)에서 출력되는 짧은 펄스[도3의 ⓑ]에 따라 주파수 변조된 주파수(fo)를 출력한다[도3의 ⓒ]. 이렇게 주파수변조 발진기(3)에서 출력되는 주파수(f, fo)는 출력증폭기(6)를 거치면서 증폭된후 변환기 절환스위치(14)에 입력되고, 이 절환스위치(14)는 증폭된 주파수를 초음파 변환기(1)에 입력시키고, 초음파 변환기(1)는 연속적으로 발진주파수(f)와 주파수 변조된 주파수(fo)를 발사한다[도3의 ⓓ]. 초음파 변환기(1) 보다 하류에 설치된 초음파 변환기(2)는 발진주파수(f)와 주파수변조된 주파수(fo)를 수신한다.
이때, 출력증폭기(6)의 출력은 감쇄기(13)와 출력절환스위치(8)를 통해 주파수분별기(9)에 입력되고, 주파수분별기(9)는 주파수 변조된 주파수(fo)가 지속되는 동안 출력 전압[도3의 ⓔ]을 발생시키며, 이 출력전압은 펄스성형기(10)에 의해 구형 펄스로 성형된다[도3의 ⓕ]. 이 구형 펄스를 입력받는 순간부터 시간간격측정기(11)는 카운트를 시작한다. 이후, 펄스가 종료되는 순간(trailing edge), 제어구형 펄스발진기(5)의 제어에 따라 출력절환스위치(8)와 변환기 절환스위치(14)가 절환되어 수신증폭기(7)의 출력[도3의 ⓖ]이 주파수분별기(9)에 입력되어 출력전압[도3의 ⓗ]이 펄스성형기(10)에 의해 구형파 펄스[도3의 ⓘ]로 성형된 후 시간간격측정기(11)에 입력되고, 이때 시간간격측정기(11)는 카운트를 종료한다. 그리고, 시간간격측정기(11)는 카운트한 초음파 전파시간(t12)을 유속연산장치(12)로 출력한다.
이후, 변환기절환 스위치(14)는 제어구형 펄스발진기(5)의 제어에 의해 출력증폭기(6)의 출력신호를 초음파변환기(2)에 인가하여 주파수 변조된 초음파를 초음파 변환기(1)로 발사하며, 앞서 설명한 과정을 거쳐 초음파 전파시간(t21)를 측정하게 된다. 유속연산장치(12)는 유속방향의 전파시간(t12)과 반대방향의 전파시간(t21)을 시간간격측정기(11)로부터 입력받아 [관계식 1]에 따라 유속을 연산한다.
이렇게 수신신호의 주파수가 변하는 순간들을 포착하여 초음파 전파시간들을 측정하게 되므로 기존의 초음파 음압이 맥동하는 조건에서도 측정이 가능하다는 이점이 있다.
그러나, 송신측 초음파 변환기에서 발사된 초음파는 표면이나 바닥에서 반사되어 수신측 초음파 변환기에 지연 입력되기 때문에 주파수가 변하는 시점을 정확하게 포착하기 어렵다. 다시 말해, 도 4와 같이 초음파 변환기(1)에서 초음파 변환기(2)로 발사시 다중경로를 통해 초음파가 전달되는데[초음파 변환기(2)에서 초음파 변환기(1)로 발사시 동일함], 일예로 제1 내지 제3경로(P1,P2,P3)를 통해 발사된 초음파는 경로차에 따라 소정의 위상차[도5의 ⓐⓑⓒ]를 가지게 된다. 이때 주파수분별기(H)에서의 출력전압은 도5의 ⓓ와 같이 복수개(Vo1,Vo2,V3) 존재하며, 이로 인하여 수신 시점에서는 발진주파수(f)에서 주파수 변조된 주파수(fo)로 변하는 순간을 정확하게 포착할 수 없어서 측정오차가 발생된다. 예를 들어, 두 개의 초음파 변환기간의 간격(L)이 매우 짧고(0.05m), 유속(V)이 느리고(0.1 m/s), 음속(C)이 약 1500m/s 인 조건하에서 측정오차를 배제할 경우 초음파 전파시간(Δt)은 3.14·10-9s이 된다 이를 1%의 허용오차 범위내에서 고정도(高情度)로 측정할 경우 시간차 측정 절대오차가 3·10-11s를 초과하면 않되는데, 이를 충족시키기 위한 시간차 측정장치는 매우 복잡해지며 초음파 변조 펄스의 수신 시점을 포착하기 위한 장치가 매우 안정하고 정밀해야 되기 때문에 불가피하게 제품가격이 상승된다.
뿐만 아니라, 유로가 꺾인 굴곡 유로에서의 유속은 부위별로 유속 편차가 크게 발생하기 때문에 다수의 초음파 변환기를 설치하여 전파 시간차를 측정하는 것이 요구되는데, 종래와 같이 한쌍의 초음파 변환기를 사용할 경우 유속의 측정오차는 더욱 커지게 되어 정밀 측정이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 송신측에서 확산대역의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조한 초음파 신호의 동기를 수신측에서 록킹한 상태에서 전파시간를 측정함으로써 허용범위를 초과하는 과도한 측정오차를 배제시킬 수 있도록 한 초음파 유속 측정장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 송신측과 수신측이 동일 계열의 의사 잡음 부호를 사용함으로써 여러 쌍의 초음파 변환기를 사용하더라도 수신측에서 자신의 초음파 변조신호를 수신할 수 있도록 한 초음파 유속 측정장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 한쌍의 초음파 변환기들을 부위별로 복수개 설치하여 굴곡 유로에서의 평균 유속을 정확하게 측정할 수 있도록 한 초음파 유속 측정장치를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 초음파 유량계에서의 초음파 변환기의 설치예를 나타낸 도면,
도 2는 종래기술에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도,
도 3은 도 2의 각부에 대한 펄스파형도,
도 4는 도 2의 초음파 변환기들간의 초음파 전달경로를 나타낸 도면,
도 5는 도 2의 주파수분별기에서의 출력전압을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 초음파 유속측정장치의 구성도,
도 7은 도 6의 각부에 대한 펄스파형도,
도 8은 도 6의 신호동기부의 동작을 설명하기 위한 펄스파형도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도,
도 10은 굴곡 유로에서의 평균 유속을 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도,
도 12는 도 11의 초음파 변환기들의 설치예를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 송신단 20 : 변환기절환 스위칭부
30 : 수신단 40 : 신호동기부
50 : 시간간격측정부 60 : 제어부
70 : 입력부 80 : 출력부
상기와 같은 본 발명의 목적은 한쌍의 초음파 변환기들을 유로의 상류와 하류에 설치하고, 상기 초음파 변환기들간의 초음파 전파 시간 차이에 따라 유속을 측정하는 장치에 있어서, 확산대역의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단; 상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를 한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부; 상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단; 상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부; 상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기; 및 상기 변환기절환 스위칭부의 절환 동작을 제어하고 상기 시간간격측정기에 의해 측정된 유속방향과 반대방향의 초음파 전파시간에 따라 유속을 연산하는 제어부에 의하여 달성된다.
상기 송신단은 송신 PN코드발생기와 주파수변조기 및 출력증폭기로 이루어지며, 상기 송신 PN코드발생기는 소정 주기의 클럭을 발생하는 발진기를 내장하고 이 발진기로부터 발생되는 클럭에 따라 하이레벨의 펄스폭과 로우레벨의 펄스폭에 따라 결정되는 의사 잡음 부호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 수신단은 수신증폭기와 주파수복조기 및 신호포착부로 이루어지며, 상기 신호포착부는 복조된 신호 계열과 상기 송신 PN코드발생기로부터 입력되는 의사 잡음 부호의 신호 계열이 서로 일치하는 순간을 포착하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호동기부는 제1,2합성기와 제1,2저역통과필터와 차동증폭기와 루프필터와 전압제어발진기와 수신 PN코드발생기로 이루어지며, 상기 수신 PN코드발생기는 상기 신호포착부로부터 인에이블신호을 입력받으면 상기 전압제어발진기로부터 입력되는 주파수에 따라 송신 PN코드발생시에서 출력하는 신호 계열과 동일 계열의 의사 잡음 부호를 생성한 후, 상기 제1합성기에 설정된 주기만큼 위상이 빠른 의사 잡음 부호를 출력하고 상기 제2합성기에 설정된 주기만큼 위상이 늦은 의사 잡음 부호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 한쌍의 초음파 변환기들을 유로의 상류와 하류에 설치하고, 상기 초음파 변환기들간의 초음파 전파 시간 차이에 따라 유속을 측정하는 장치에 있어서, 복수 계열의 의사 잡음 부호들중에서 계열선택신호에 따라 하나의 의사 잡음 부호를 선택하고 선택된 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단; 상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부; 상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단; 상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부; 상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기; 및 상기 송신단에 복수 계열의 의사 잡음 부호들중에서 어느 하나의 의사 잡음 부호를 선택하기 위한 계열선택신호를 출력하며, 상기 시간간격측정기에 의해 측정된 유속방향과 반대방향의 초음파 전파시간에 따라 유속을 연산하는 제어부에 의하여 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 서로 다른 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파를 발사 또는 수신하여 전파시간을 측정하는 다수의 세트장치와, 상기 다수의 세트장치에 의해 측정된 전파시간을 집계하여 평균 유속을 연산하는 제어부로 구성되며, 상기 세트장치는, 유로의 상,하류측에 서로 다른 높이에 대향 배치되는 다수의 초음파 변환기와, 소정 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단과, 상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를 한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부와, 상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단과, 상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부와, 상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기를 공통적으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명은 확산대역의 의사 잡음 부호(PN)에 따라 주파수 변조된 신호를 출력하는 송신단(10)과, 상기 송신단(10)의 출력신호를 한쌍의 초음파 변환기(21,22)에 교대로 인가하고 초음파 변환기(21,22)에서 수신된 신호를 출력하는 변환기절환 스위칭부(20)와, 상기 변환기절환 스위칭부(20)로부터 수신된 초음파 신호를 복조 및 포착하는 수신단(30)과, 상기 수신단(30)의 출력측에 연결되어 포착된 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부(40)와, 상기 신호동기부(40)에서 신호 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 카운트하고 카운트값을 데이터로 변환 출력하는 시간간격측정기(50)와, 상기 초음파 변환기(21,22)에서 교대로 초음파 변조신호를 발사 또는 수신하도록 상기 변환기절환 스위칭부(20)의 스위칭 동작을 제어하며 상기 시간간격측정기(50)의 데이터를 입력받아 유속을 연산하는 제어부(60)로 구성된다.
상기 제어부(60)에는 주변장치인 입력부(70)와 출력부(80)가 연결된다. 상기 입력부(70)는 유속을 연산하기 위한 초기값을 사용자가 설정하기 위한 것으로 통상 키패드를 구비하여 사용할 수 있다. 상기 출력부(80)는 상기 제어부(60)에 의해 연산된 유속을 표시하는 것으로, 세븐세그먼트나 액정표시판넬(LCD) 등의 표시기를 구비한다.
상기 초음파 변환기들(21,22)은 관로 또는 개수로에 분리 설치하는데, 상기 초음파 변환기(21)는 유로의 상류에 설치하고 상기 초음파 변환기(22)는 유로의 하류에 설치한다.
상기 송신단(10)은 송신 PN코드발생기(11)와 주파수변조기(12) 및 출력증폭기(13)로 구성된다. 상기 송신 PN코드발생기(11)는 소정 주기의 클럭을 발생하는 발진기를 내장하고 이 발진기로부터 발생되는 클럭에 따라 확산대역(spread-spectrum)의 의사 잡음 부호(Pseudo-Noise code; PN code)를 연속적으로 출력하며, 이와 동시에 시작신호(START)를 주기적으로 시간간격측정기(50)로 출력한다. 이 의사 잡음 부호(PN code)는 하이레벨의 펄스폭과 로우레벨의 펄스폭에 따라 결정되는 하나의 계열이 소정 주기마다 반복되는 펄스열을 말한다. 상기 주파수변조기(12)는 의사 잡음 부호의 하이레벨이 지속되는 구간에서 제1주파수(f1)를 출력하고 로우레벨이 지속되는 구간에서 제2주파수(f2=f1+Δf)를 출력한다. 상기 출력증폭기(13)는 변조된 제1 및 제2주파수(f1,f2)를 적정 레벨로 증폭하여 변환기절환 스위칭부(20)로 출력한다.
상기 변환기절환 스위칭부(20)에 의해 상류측 초음파 변환기(21)에서 하류측 초음파 변환기(22)로 변조된 제1 및 제2주파수(f1,f2)를 발사하거나 역으로 하류측 초음파 변환기(22)에서 상류측 초음파 변환기(21)로 발사한다. 이러한 상기 변환기절환 스위칭부(20)의 절환 동작은 상기 제어부(60)에서 출력하는 스위칭 제어신호(UP/DOWN)에 따라 이루어진다.
상기 수신단(30)은 수신증폭기(31)와 주파수복조기(32) 및 신호포착부(33)로구성된다. 상기 수신증폭기(31)는 상기 초음파 변환기들(21,22)중 어느 하나가 수신한 미약한 신호를 변환기절환 스위칭부(20)로부터 입력받고, 입력된 수신 신호를 적정 레벨로 증폭하여 출력한다. 상기 주파수복조기(32)는 적정 레벨로 증폭된 수신 신호를 복조하고 복조된 신호를 출력한다. 상기 신호포착부(33)는 복조된 신호 계열과 상기 송신 PN코드발생기(11)로부터 타단을 통해 입력되는 의사 잡음 부호의 신호 계열이 서로 일치하는 순간을 포착하며, 포착된 순간 신호동기부(40)로 인에이블신호(ENABLE)와 타단을 통해 입력된 의사 잡음 부호의 신호 계열을 동시에 출력한다.
상기 신호동기부(40)는 제1,2합성기(41,42)와 제1,2저역통과필터(43,44)(LPF)와 차동증폭기(45)와 루프필터(46)와 전압제어발진기(47)(VCO)와 수신 PN코드발생기(48)로 구성된다. 상기 제1,2합성기(41,42)는 상기 신호포착부(33)의 출력측과 상기 수신 PN코드발생기(48)의 출력측에 각각 연결된다. 상기 제1합성기(41)는 상기 신호포착부(33)의 출력신호와 상기 수신 PN코드발생기(48)로부터 사전 설정된 주기만큼 위상이 빠른 동일 계열의 의사 잡음 부호를 합성하고, 합성된 신호를 출력한다. 상기 제2합성기(42)는 상기 신호포착부(33)의 출력신호와 상기 수신 PN코드발생기(48)로부터 사전 설정된 주기만큼 위상이 늦은 동일 계열의 의사 잡음 부호를 합성하고, 합성된 신호를 출력한다. 상기 제1,2저역통과필터(43,44)는 상기 제1,2합성기(41,42)의 출력측에 각각 연결되고, 합성시 혼입된 불필요한 고역 성분을 제거한 후 출력한다. 상기 차동증폭기(45)는 상기 제1저역통과필터(43)에 의해 필터링된 직류 성분의전압신호(Vdc1)와 상기 제2저역통과필터(44)에 의해 필터링된 직류 성분의 전압신호(Vdc2)의 차이에 비례하여 차동 증폭하여 VCO(47)를 제어하기 위한 제어전압(Vc)을 출력한다. 상기 루프필터(46)는 상기 차동증폭기(45)에 의해 차동 증폭된 제어전압(Vc)에 포함된 노이즈를 제거한후 출력한다. 상기 전압제어발진기(47)는 노이즈가 제거된 제어전압(Vc')에 따라 기준주파수(fr)를 가변출력한다. 상기 수신 PN코드발생기(48)는 상기 신호포착부(33)로부터 인에이블신호(ENABLE)을 입력받으면 상기 전압제어발진기(47)로부터 입력되는 주파수에 따라 송신 PN코드발생시(11)에서 출력하는 신호 계열과 동일 계열의 의사 잡음 부호를 생성한 후, 상기 제1합성기(41)에 설정된 주기만큼 위상이 빠른 의사 잡음 부호를 출력하고 상기 제2합성기(42)에 설정된 주기만큼 위상이 늦은 의사 잡음 부호를 출력한다. 그리고, 상기 수신 PN코드발생기(48)에서 제1합성기(41)에 입력되는 의사 잡음 부호가 상기 신호포착부(33)에서 출력되어 상기 제1합성기(41)에 입력되는 수신 신호 계열의 의사 잡음 부호 보다 설정된 시간만큼 빠르게 입력됨과 동시에 상기 수신 PN코드발생기(48)에서 제2합성기(42)에 입력되는 의사 잡음 부호가 상기 신호 포착부(33)에서 출력되어 상기 제2합성기(42)에 입력되는 수신 신호 계열의 의사 잡음 부호 보다 설정된 주기만큼 느리게 입력되어 신호 동기가 록킹되면, 상기 수신 PN코드발생기(48)는 종료신호(STOP)를 시간간격측정기(50)로 출력한다.
상기 시간간격측정기(50)는 신호 동기가 록킹된 상태에서 상기 송신 PN코드발생기(11)의 시작신호(START)를 입력받는 순간부터 상기 수신 PN코드발생기(48)의 종료신호(STOP)를 입력받는 순간까지 초음파 전파시간을 카운트한다. 그리고, 상기 시간간격측정기(50)는 카운트값을 데이터(data)로 변환하여 제어부(60)로 출력한다.
상기 제어부(60)는 입력부(70)를 통해 두 개의 초음파 변환기(21,22)간의 직선 거리(d)와 간격(L) 등의 초기값을 미리 입력받아 기억시켜 두고, 상기 시간간격측정기(25)로부터 입력되는 데이터(data) 즉, 초음파 전파시간을 다음의 [관계식2]에 대입하여 유속(V)을 연산한다.
V = (L2/ 2d)·[(tba-tab) /(tba· tab)] --- [관계식2]
여기서, tab는 초음파 변환기(21)에서 초음파 변환기(22)로 초음파 발사시 측정한 전파시간이고, tba는 초음파 변환기(22)에서 초음파 변환기(21)로 초음파 발사시 측정한 전파시간이다.
그리고, 상기 제어부(60)는 연산 결과를 출력부(80)로 출력한다. 이에 따라 상기 출력부(80)는 사용자가 확인할 수 있도록 표시기를 통해 숫자 또는 문자로 유속(V)을 표시한다.
이하에서, 본 발명에 따른 초음파 유속 측정장치의 동작을 구체적으로 설명한다.
먼저, 장치를 구성하는 각부에 전원을 공급시킨 후 사용자는 입력부(70)를 통해 장치 구동명령을 인가한다. 이에 따라 상기 제어부(60)는 상기 변환기절환 스위칭부(20)로 제1절환신호(UP)를 출력하며, 이 제1절환신호(UP)를 입력받는 상기 변환기절환 스위칭부(20)는 상기 송신단(10)의 출력측에 초음파 변환기(21)를 연결함과 동시에 상기 수신단(30)의 입력측에 초음파 변환기(22)를 연결한다.
그리고, 상기 송신 PN코드발생기(11)는 내장된 발진기로부터 발생된 소정 주기(Tc)의 클럭에 따라 하이레벨과 로우레벨로 이루어지는 신호 계열의 의사 잡음 부호[도7의 ⓐ]를 상기 주파수 변조기(12)와 신호포착부(33)로 출력함과 동시에 상기 시간간격측정기(50)로 시작신호[도7의 ⓑ]를 소정 주기(Ta)마다 반복적으로 출력한다. 상기 주파수변조기(12)는 의사 잡음 부호의 하이레벨이 지속되는 구간에서 소정의 제1주파수(f1)를 발생하고 로우레벨이 지속되는 구간에서 소정의 제2주파수(f2=f1+Δf)를 출력한다[도7의 ⓒ]. 상기 출력증폭기(13)는 주파수 변조된 초음파 신호를 적정 레벨로 증폭하여 출력한다. 이렇게 증폭된 초음파 변조 신호는 상기 변환기절환 스위칭부(20)를 통해 초음파 변환기(21)에 인가되며, 이에따라 초음파 변환기(21)에서 하류측의 초음파 변환기(22)로 변조된 초음파 신호가 발사된다.
상기 초음파 변환기(22)에 수신된 신호는 상기 변환기절환 스위칭부(20)를 통해 수신증폭기(31)에 입력된다. 상기 수신증폭기(31)는 수신된 미약한 초음파 변조신호를 적정 레벨로 증폭하고, 증폭된 수신 신호[도7의 ⓓ]를 주파수복조기(32)로 출력한다. 상기 주파수복조기(32)는 증폭된 수신 신호를 복조하고 복조된 신호[도7의 ⓔ]를 신호포착부(33)로 출력한다. 상기 신호포착부(33)는 복조된 신호 계열과 상기 송신 PN코드발생기(11)로부터 입력되는 의사 잡음부호의 신호 계열이 서로 일치하는 순간을 포착하는데, 초기 과도상태에서는 두 입력단에 입력되는 신호 계열이 서로 일치하지 않으며 소정 시간(t)이 경과한 시점에서포착된다. 이때, 상기 신호포착부(33)는 포착시점부터 하이레벨로 변화하는 인에이블신호(ENABLE)와 상기 송신PN코드발생기(11)로부터 입력되는 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ]를 상기 신호동기부(40)로 출력한다.
상기 수신 PN코드발생기(48)는 인에이블신호(ENABLE)를 입력받으면 장치 구동시부터 상기 전압제어발진기(47)에서 발생되어 입력되는 기준주파수(fr)에 따라 서로 위상이 다른 의사 잡음 부호 즉 상기 신호포착부(33)로부터 출력된 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ] 보다 위상이 빠른 의사 잡음 부호를 상기 제1합성기(41)에 입력함과 동시에 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ] 보다 위상이 늦은 의사 잡음 부호를 상기 제2합성기(42)에 입력한다. 상기 제1,2합성기(41,42)는 두 입력신호를 합성하고, 합성된 신호[도7의 ⓚ,ⓛ] 를 제1,2저역통과필터(43)(44)로 각각 출력한다. 상기 제1,2저역통과필터(43,44)는 불필요한 고역 성분을 제거하여 직류 성분의 전압신호(Vdc1,Vdc2)를 상기 차동증폭기(45)로 출력하며, 상기 차동증폭기(45)는 두 전압신호(Vdc1,Vdc2)의 전압차이에 비례한 제어전압(Vc)을 루프필터(46)로 출력한다. 상기 루프필터(46)는 혼입된 노이즈를 제거한 제어전압(Vc')을 상기 전압제어발진기(47)로 출력한다. 상기 전압제어발진기(47)는 장치 구동 초기 기준주파수(fr)를 출력하는 도중에 상기 루프필터(46)로부터 입력되는 제어전압(Vc)'의 크기에 따라 기준주파수(fr)를 가변시켜 상기 수신 PN코드발생기(48)로 출력한다. 이에 따라 상기 수신 PN코드발생기(48)는 상기 제1,2합성기(41,42)에 출력하는 의사 잡음 부호의 위상을 가변한다.
이때, 상기 제1합성기(41)에 입력되는 의사 잡음 부호의 위상이 상기 신호포착부(33)로부터 입력되는 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ] 보다 설정된 주기(Tc/2) 만큼 빠르며[도7의 ⓗ] 상기 제2합성기(42)에 입력되는 의사 잡음 부호의 위상이 상기 신호포착부(33)로부터 입력되는 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ] 보다 설정된 주기(Tc/2) 만큼 느린[도7의 ⓘ] 경우, 즉 의사 잡음 부호[도7의 ⓖ]가 중심위치에 있으면 신호 동기를 록킹하여 이후 수신 신호를 추종하게 된다. 상기 수신 PN코드발생기(48)는 록킹상태에서 한주기가 경과되면 종료신호(STOP)를 상기 시간간격측정기(50)로 출력한다. 그리고, 상기 시간간격측정기(50)는 록킹된 상태에서 상기 송신 PN코드발생기(11)로부터 시작신호(START)를 입력받는 순간부터 상기 수신 PN코드발생기(48)로부터 종료신호(STOP)를 입력받는 순간까지 초음파 전파시간(tab)을 카운트한다.
이후, 상기 제어부(60)는 상기 변환기절환 스위칭부(20)로 제2절환신호(DOWN)를 출력하고 이에 따라 상기 변환기절환 스위칭부(20)는 상기 송신단(10)의 출력측에 초음파 변환기(22)를 연결함과 동시에 상기 수신단(30)의 입력측에 초음파 변환기(21)를 연결한다. 이후, 앞서 설명한 과정을 거쳐 확산대역의 의사 잡읍 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호는 초음파 변환기(22)에서 초음파 변환기(21)로 발사되고, 상기 초음파 변환기(21)에 의해 수신된 신호는 수신단(30)에서 복조 및 포착되며, 상기 시간간격측정기(50)는 상기 신호동기부(40)에 의해 신호 동기가 록킹한 상태에서 상기 송신 PN코드발생기(11)로부터 시작신호(START)를 입력받는 순간부터 상기 수신 PN코드발생기(48)로부터종료신호(STOP)를 입력받는 순간까지 초음파 초음파 전파시간(tba)를 카운트한다.
그런데, 상기 제1,2합성기(41)(42)에 입력되는 의사 잡음 부호[도7의 ??,??]의 위상이 설정된 주기(Tc/2)를 벗어난 상태로 입력되는 경우(초기 과도상태), 상기 제1,2저역통과필터(43,44)의 출력전압의 전압차에 따라 상기 차동증폭기(45)에서 차동증폭한 제어전압(Vc)의 크기에 따라 전압제어발진기(47)에서 출력하는 기준주파수(fr)를 가변시키며, 이 결과로 상기 수신 PN코드발생기(48)는 상기 제1,2합성기(41)(42)에 각각 입력하는 의사 잡음 부호[도7의 ??,??]의 위상이 변화된다.
일예로, 신호 동기가 록킹된 제1유형(도8의Ⅰ) 보다 소정 주기(Tc/4)만큼 더 빠르게 입력되는 제2유형(Ⅱ)과 소정 주기(Tc/4)만큼 더 느리게 입력되는 제3유형(Ⅲ)이 있다. 제2유형(Ⅱ) 또는 제3유형(Ⅲ)과 같이 기준 위상이 벗어날 때, 상기 차동증폭기(45)에서 출력되는 제어전압(Vc)에 의해 상기 전압제어발진기(47)의 기준주파수(fr)가 가변됨에 따라 상기 수신 PN코드발생기(48)는 상기 제1,2합성기(41,42)에 출력하는 의사 잡음 부호의 위상을 변화시키며, 종국에는 제1유형으로 전이한다.
한편, 상기 송신 PN코드발생기(11)와 상기 수신 PN코드발생기(48)는 서로 동일한 신호 계열의 의사 잡음 부호를 사용한다. 이러한 의사 잡음 부호의 주기(Ta)는 상기 초음파 변환기들(21,22)의 거리에 따라 적절하게 설정되는데, 유로의 상류와 하류에 설치된 초음파 변환기들(21,22)의 설치 위치를 변경할 경우 초음파 전파시간에 비하여 상대적으로 주기(Ta)가 짧아지게 되므로 서로 다른 주기를 갖는 복수 계열의 의사 잡음 부호중에서 어느 하나를 선택하여 사용한다. 이를 도 9에 따라 설명한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도로서, 의사 잡음 부호의 주기를 변경시킬 수 있으며 도 6과 동일 기능의 구성요소에 대한 중복 설명은 생략한다. 도 9에서, 송신 PN코드발생기(11)와 수신 PN코드발생기(48)는 도 8과 같이 소정 주기(Ta;3비트)의 계열 이외에 다른 주기(3+n비트)의 계열을 가지며, 소정 개수의 발진기와 플립플롭으로 구현할 수 있다.
사용자는 입력부(70)를 통해 의사 잡음 부호의 계열을 변경시키기 위한 계열설정명령을 입력하면 상기 제어부(60)는 계열설정명령에 따라 상기 송신 PN코드발생기(11)와 수신 PN코드발생기(48)에 계열 선택신호(Sa)(Sb)를 출력한다.
상기 송신 PN코드발생기(11)는 상기 제어부(60)로부터 입력되는 계열 선택신호(Sa)에 따라 선택된 계열의 의사 잡음 부호를 출력하며, 또 상기 수신 PN코드발생기(48)는 상기 제어부(60)로부터 입력되는 계열 선택신호(Sb)에 따라 선택된 계열의 의사 잡음 부호를 출력한다. 물론, 상기 송신 PN코드발생기(11)와 수신 PN코드발생기(48)에서 출력하는 계열은 동일하여야 한다.
한편, 유로가 꺽인 굴곡 유로 출구의 유속은 높이에 따라 상당한 편차가 발생하게 된다. 일예로, 직선 유로에서는 유체의 흐름이 일정하여 유로의 아래쪽과 위쪽의 유속이 비교적 균일하나(도10의 V1), 굴곡 유로에서는 아래쪽과 위쪽의 유속이 다양하게 변화하게 된다(도 10의 V2,V3). 따라서, 유로의 높이에 따라 상류측과 하류측에 각각 초음파 변환기들 복수개 설치하고, 부위별로 전파시간을 측정하고 측정된 결과를 평균하여 유속을 측정한다. 이를 도 11에 따라 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 유속 측정장치의 구성도로서, 부위별로 유속을 측정할 수 있으며 도 6과 동일 기능의 구성요소에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 11에서 제1세트장치(S1) 내지 제n세트장치(Sn)는 상,하류측에 서로 다른 높이에 각각 설치되는 한쌍의 초음파 변환기[(t11,t21)···(t1n,t2n)]를 각각 구비하며, 상기 송신단(10)과 상기 변환기 절환 스위칭부(20)와 상기 수신단(30)과 상기 신호동기부(40)와 상기 시간간격측정기(50)를 공통적으로 구비한다. 상기 제1세트장치(S1) 내지 제n세트장치(Sn)은 서로 다른 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파를 사용하여 전파시간을 측정한다. 따라서, 서로 대향 배치된 초음파 변환기들[(t11,t21)···(t1n,t2n)]은 자신에게 설정된 계열의 의사 잡음 부호를 사용하므로 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 전파시간을 측정할 수 있다.
그리고, 상기 제1세트장치(S1) 내지 제n세트장치(Sn)의 출력측에는 제어부(90)가 공통 연결된다. 상기 제어부(90)는 제1세트장치(S1) 내지 제n세트장치(Sn)의 시간간격측정기(50)에서 출력하는 데이터(data) 즉, 상류측에서 하류측으로 발사된 초음파 전파시간과 하류측에서 상류측으로 발사된 초음파 전파시간을 입력받아 부위별로 유속을 연산하고, 연산된 유속을 산술 평균하여 유체의 평균 유속을 측정한다. 일예로, 도 12와 같이 유로의 높이에 따라 상,하류에 5쌍의 초음파 변환기(t11,t21)(t12,t22)(t13,t23)(t14,t24)(t15,t25)를 대향 배치하고, 상기 제어부(90)의 제어에 따라 초음파 변환기들이 서로 다른 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파를 동시 다발적으로 발사 또는 수신하여 초음파 전파시간을 카운트하고 이를 집계하여 평균함으로써 부위별로 유속을 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 송신단에서 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파를 사용하여 한쌍의 초음파 변환기들이 교대로 발사 또는 수신하며 신호 동기를 록킹한 상태에서 전파시간차를 카운트하여 유속을 연산하므로 허용오차 범위이내에서 초음파 전파시간을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상,하류의 초음파 변환기의 설치 위치를 이동시킬 경우 구성 부품을 교체하거나 프로그램을 변경하는 조치를 취하지 않고도 간편한 조작을 통해 다른 계열의 의사 잡음 부호를 사용하여 초음파 전파시간를 정밀 측정할 수 있다.
아울러, 본 발명은 유로 바닥으로부터 떨어진 거리에 따라 복수의 초음파 변환기들을 대향 배치하고, 각 쌍의 초음파 변환기에 연계되는 송,수신단에 서로 다른 계열의 의사 잡음 부호를 세트시킨 상태에서 동시 다발적으로 초음파를 발사 또는 수신하여 유로상의 부위별로 유속을 측정하고, 이를 산술 평균함으로써 평균 유속을 측정할 수 있다. 이로써, 본 발명은 굴곡 유로에서 높이에 따라 다양하게 변화하는 평균 유속을 정밀하게 측정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 한쌍의 초음파 변환기들을 유로의 상류와 하류에 설치하고, 상기 초음파 변환기들간의 초음파 전파 시간 차이에 따라 유속을 측정하는 장치에 있어서,
    확산대역의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단;
    상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를 한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부;
    상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단;
    상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부;
    상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기; 및
    상기 변환기절환 스위칭부의 절환 동작을 제어하고 상기 시간간격측정기에 의해 측정된 유속방향과 반대방향의 초음파 전파시간에 따라 유속을 연산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 송신단은
    송신 PN코드발생기와 주파수변조기 및 출력증폭기로 이루어지며,
    상기 송신 PN코드발생기는 소정 주기의 클럭을 발생하는 발진기를 내장하고 이 발진기로부터 발생되는 클럭에 따라 하이레벨의 펄스폭과 로우레벨의 펄스폭에 따라 결정되는 의사 잡음 부호를 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수신단은
    수신증폭기와 주파수복조기 및 신호포착부로 이루어지며,
    상기 신호포착부는 복조된 신호 계열과 상기 송신 PN코드발생기로부터 입력되는 의사 잡음 부호의 신호 계열이 서로 일치하는 순간을 포착하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 신호동기부는
    제1,2합성기와 제1,2저역통과필터와 차동증폭기와 루프필터와 전압제어발진기와 수신 PN코드발생기로 이루어지며,
    상기 수신 PN코드발생기는 상기 신호포착부로부터 인에이블신호을 입력받으면 상기 전압제어발진기로부터 입력되는 주파수에 따라 송신 PN코드발생시에서 출력하는 신호 계열과 동일 계열의 의사 잡음 부호를 생성한 후, 상기 제1합성기에 설정된 주기만큼 위상이 빠른 의사 잡음 부호를 출력하고 상기 제2합성기에 설정된 주기만큼 위상이 늦은 의사 잡음 부호를 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속측정장치.
  5. 한쌍의 초음파 변환기들을 유로의 상류와 하류에 설치하고, 상기 초음파 변환기들간의 초음파 전파 시간 차이에 따라 유속을 측정하는 장치에 있어서,
    복수 계열의 의사 잡음 부호들중에서 계열선택신호에 따라 하나의 의사 잡음 부호를 선택하고 선택된 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단;
    상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를 한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부;
    상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단;
    상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부;
    상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기; 및
    상기 송신단에 복수 계열의 의사 잡음 부호들중에서 어느 하나의 의사 잡음 부호를 선택하기 위한 계열선택신호를 출력하며, 상기 시간간격측정기에 의해 측정된 유속방향과 반대방향의 초음파 전파시간에 따라 유속을 연산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치.
  6. 서로 다른 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파를 발사 또는 수신하여 전파시간을 측정하는 다수의 세트장치와, 상기 다수의 세트장치에 의해 측정된 전파시간을 집계하여 평균 유속을 연산하는 제어부로 구성되며,
    상기 세트장치는,
    유로의 상,하류측에 서로 다른 높이에 대향 배치되는 다수의 초음파 변환기와, 소정 계열의 의사 잡음 부호에 따라 주파수 변조된 초음파 신호를 출력하는 송신단과, 상기 송신단에서 출력하는 초음파 신호를 한쌍의 초음파 변환기에 교대로 인가하여 발사 또는 수신하도록 한쌍의 초음파 변환기의 연결상태를 절환하는 변환기절환 스위칭부와, 상기 변환기절환 스위칭부에서 출력하는 수신 신호를 복조하고 송신측과 신호 계열이 일치하는 순간을 포착하는 수신단과, 상기 수신단에서 신호 계열을 포착시 수신 신호의 동기를 록킹하는 신호동기부와, 상기 신호동기부에서 수신 신호의 동기를 록킹한 상태에서 초음파 전파시간을 측정하는 시간간격측정기를 공통적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치.
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