KR100511206B1 - Apparatus for two-phase mixture level measurment using ultrasonic - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용한 수위 측정장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 수위 측정장치는 초음파 반사신호 검출부, 초음파 속도 계산부, 수위계산부로 구성된다. 초음파 반사신호 검출부는 초음파신호를 발생시켜 반사된 초음파가 수신될 때 까지의 수신 시간을 측정하고, 초음파 속도 계산부는 온도와 압력을 감지하여 초음파의 속도를 계산하고, 수위계산부는 초음파 반사 신호검출부에서 전달받은 초음파의 수신 시간과 초음파 속도 계산부로 부터 전달받은 초음파 속도로써, 수위를 계산하게 된다.The present invention relates to a level measurement apparatus using ultrasonic waves. The apparatus for measuring water level according to the present invention includes an ultrasonic reflection signal detector, an ultrasonic velocity calculator, and a water level calculator. The ultrasonic reflection signal detector generates an ultrasonic signal and measures the reception time until the reflected ultrasonic wave is received. The ultrasonic velocity calculator detects the temperature and pressure to calculate the ultrasonic speed, and the level calculator calculates the ultrasonic velocity from the ultrasonic reflection signal detector. The water level is calculated based on the reception time of the received ultrasound and the ultrasound speed received from the ultrasound speed calculator.
또한 본 발명에 의한 수위 측정장치는 초음파신호 검출부에서 발생한 초음파신호를 감쇄현상없이 다시 초음파 반사 신호 검출부로 안내하기 위한 도파관을 포함하고 있으며,도파관의 모양은 막대형 튜브로서, 외부수위를 반영하기 위하여 튜브의 내부와 외부를 연결하는 다수의 관통공을 구비하고 있고, 상기 관통공은 상기 튜브의 길이 방향 등간격으로 상기 튜브의 원주상에 배치된다.In addition, the water level measuring apparatus according to the present invention includes a waveguide for guiding the ultrasonic signal generated by the ultrasonic signal detector to the ultrasonic reflection signal detector again without attenuation, the shape of the waveguide is a rod-shaped tube, in order to reflect the external water level And a plurality of through holes connecting the inside and the outside of the tube, wherein the through holes are arranged on the circumference of the tube at equal intervals in the longitudinal direction of the tube.
Description
초음파를 이용한 수위 측정 방법은 원리가 비교적 간단하고 설치가 용이하다는 장점 때문에 많은 계측 분야에서 이용되고 있다. 주로 상온에서 이용되고 있는 초음파 수위 측정장치는 트랜스듀서에서 초음파를 측정하고자 하는 수위를 향해 쏘고, 그 신호가 수면에 반사되어 돌아올 때까지의 시간과 매질의 특성에 의해 결정되는 초음파의 속도를 측정하여, 수면까지의 거리를 계산하게 된다. 이러한 측정원리는 수위 뿐 아니라, 매질의 온도나 밀도 등을 측정하는 데에도 이용되고 있다.The ultrasonic level measurement method has been used in many measurement fields because of its relatively simple principle and easy installation. Ultrasonic water level measuring device mainly used at room temperature shoots the ultrasonic wave from the transducer toward the water level to measure, and measures the speed of the ultrasonic wave determined by the characteristics of the medium and the time until the signal is reflected back to the surface The distance to the water surface is calculated. This measurement principle is used to measure not only the water level but also the temperature and density of the medium.
그러나 고온에서는 상온과는 다른 여러 현상들이 발생한다. 예컨데 물의 비등으로 인한 수위의 불 균일성, 물 속에서의 기포의 발생등이 그것이다. 따라서 이러한 상온용 초음파 수위 측정장치를 고온에서 적용할 경우에는 수위계측에 커다란 오차가 발생하므로 고온에서도 적용가능한 수위측정장치의 개발이 요청되었다. 이러한 필요로 개발된 종래 고온용 수위 측정장치들은 물을 매질로 초음파를 발사하는 구조로 되어 있어, 탱크의 하부에 설치하도록 되어 있다. 이러한 구조는 고온에서 물의 비등에 의한 수위의 변동으로 발생할 수 있는 초음파의 급격한 감쇄현상을 방지할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그러나 상기 장치는 고온에서 발생하는 물속의 기포를 고려하지 못하고, 기포를 배제한 물만의 높이인 붕괴 수위(collapsed level)만을 측정할 뿐, 기포를 포함한 이상류 혼합물 수위(mixtured level)를 측정하지 못하는 단점을 가지고 있었다.At high temperatures, however, many different phenomena occur. For example, the unevenness of the water level due to the boiling of water and the generation of bubbles in the water. Therefore, when the ultrasonic water level measuring device for room temperature is applied at a high temperature, a large error occurs in the water level measurement, so it is required to develop a water level measuring device that can be applied even at a high temperature. Conventional high temperature water level measuring devices developed by this need have a structure that emits ultrasonic waves into a medium, so that they are installed at the bottom of the tank. This structure has the advantage of preventing the sudden attenuation of the ultrasonic wave, which may occur due to the change in the water level due to the boiling of water at high temperature. However, the device does not consider bubbles in the water generated at a high temperature, and only measures the collapsed level, which is the height of the water excluding bubbles, and does not measure the mixed level including the bubbles. Had
따라서 본 발명의 목적은 혼합물 수위를 측정하는데 있어서, 혼합물수위를 측정할 수 있도록 탱크 상부에 설치되고, 상부에 설치됨으로써 발생하는 초음파의 감쇄를 방지하기 위한 도파관을 포함한 수위 측정장치를 제공함에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a water level measuring apparatus including a waveguide for preventing attenuation of ultrasonic waves, which is installed at an upper portion of a tank so as to measure the level of a mixture, in order to measure a mixture level.
또한 본 발명의 목적은 수위 측정장치에 사용되는 초음파의 정확한 속도를 측정하기 위한 초음파속도 측정장치를 제공함에 있다. It is also an object of the present invention to provide an ultrasonic speed measuring device for measuring the accurate speed of the ultrasonic wave used in the water level measuring device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 초음파를 발사하여 측정하고자하는 수위에서 반사된 초음파가 수신될 때까지의 시간을 측정하는 초음파 반사신호 검출부와, 온도센서와 압력센서로 부터 온도와 압력을 전달받아 초음파의 속도를 계산하는 초음파속도 계산부와, 초음파 반사 신호 검출부로부터 반사될 때까지의 시간과 초음파속도 계산부로부터 초음파의 속도를 입력받아 수위를 계산하는 수위계산부 및 초음파 반사신호 검출부에서 발생한 초음파신호를 감쇄현상없이 다시 초음파신호 검출부에 안내하기위한 도파관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수위측정장치가 제공된다. 한편, 도파관의 모양은 막대형 튜브로서, 외부수위를 반영하기 위한 다수의 관통공을 구비하고 있으며, 상기 관통공은 상기 튜브의 길이 방향 등간격으로 상기 튜브의 원주상에 배치되어 있다.According to the present invention for achieving the above object, the ultrasonic reflection signal detection unit for measuring the time until the ultrasonic wave reflected from the water level to be measured by firing the ultrasonic wave, and the temperature and pressure from the temperature sensor and pressure sensor Ultrasonic speed calculator for calculating the speed of the ultrasonic wave received from the ultrasonic wave, and a level calculation unit for calculating the level of water by receiving the ultrasonic speed from the ultrasonic speed calculator and the time until it is reflected from the ultrasonic reflection signal detector. Provided is a water level measurement device comprising a waveguide for guiding the ultrasonic signal back to the ultrasonic signal detector without attenuation. On the other hand, the shape of the waveguide is a rod-shaped tube, having a plurality of through holes for reflecting the external water level, the through holes are arranged on the circumference of the tube at equal intervals in the longitudinal direction of the tube.
또한 초음파 속도 계산부는 온도 센서와 압력센서와, 다양한 온도와 압력에 대응하는 , , , , , , 이 저장되어 있는 메모리부와, 상기 온도센서와 상기 압력센서로 부터 온도, 압력을 전달받아 메모리부에서 해당 온도와 압력에 대응하는 , , , , , , 의 필요값을 추출하는 필요값 추출부 및 상기 압력센서와 온도 센서로 부터 온도와 압력을 전달받고, 필요값 추출부로부터 필요값들을 전달받아 이 값들을 사용하여 초음파의 속도를 계산하는 연산처리부를 포함한다.In addition, the ultrasonic velocity calculator is configured to respond to a temperature sensor, a pressure sensor, and various temperatures and pressures. , , , , , , The memory unit stores the temperature and pressure from the temperature sensor and the pressure sensor to correspond to the corresponding temperature and pressure in the memory unit. , , , , , , A necessary value extracting unit for extracting a required value of the unit and a temperature processing unit for receiving temperature and pressure from the pressure sensor and the temperature sensor, and receiving necessary values from the required value extracting unit and calculating the speed of the ultrasonic wave using these values. Include.
도 1은 본 발명에 의한 수위측정장치가 부착된 탱크의 단면도이다. 본 발명에 의한 수위 측정장치는 초음파의 감쇄현상을 덜어주는 도파관(101)과, 초음파를 계측하고자 하는 수위를 향해 쏘고 그 신호가 수면에 반사되어 돌아올때 까지의 시간을 검출하는 초음파 반사신호 검출부(103)와, 온도센서(108)와 압력센서(109)로 부터 온도값과 압력값을 전달받아 초음파의 속도를 계산하는 초음파속도 계산부(105)와, 초음파 반사신호 검출부(103)로부터 전달받은 시간과 초음파속도 계산부(105)로부터 전달받은 초음파의 속도로써 측정하고자 하는 수위를 계산하는 수위계산부(106) 및 상기 수위계산부(106)에서 계산된 수위를 표시하는 표시부(107)를 포함한다.1 is a cross-sectional view of a tank with a level measurement device according to the present invention. The apparatus for measuring water level according to the present invention includes a waveguide 101 for reducing the attenuation of ultrasonic waves, and an ultrasonic reflection signal detector for detecting the time until the signal is reflected back to the surface when the ultrasonic wave is measured toward the water level to be measured ( 103, the ultrasonic speed calculator 105 for calculating the speed of the ultrasonic wave by receiving the temperature value and the pressure value from the temperature sensor 108 and the pressure sensor 109, and received from the ultrasonic reflection signal detector 103 It includes a level calculator 106 for calculating the level to be measured by the time and the speed of the ultrasonic wave received from the ultrasonic speed calculator 105 and a display unit 107 for displaying the level calculated by the level calculator 106.
초음파 반사신호 검출부(103)에서 발사한 초음파는 공기에서 흡수되거나, 불균일한 물 표면의 출렁거림으로 인하여 난반사가 일어나므로 초음파의 감쇄현상이 일어난다. 그러나 실험결과 실제로 공기에서 흡수되는 양은 극히 미미하고, 실제로는 난반사에 의한 감쇄가 대부분을 차지한다. 따라서 난반사의 원인이 되는 물의 출렁거림을 감소시키기 위하여 도파관이 도입되었다. 도파관을 사용하면 도파관 외부의 물의 출렁거림이 도파관의 내부로 전달되지 않고 또한 물의 표면장력에 의해 도파관 내부의 수위는 실제 출렁거리는 수위를 어느 정도 고르게 만들어 주는 효과가 있다. 그러나 도파관 내부가 외부와 완전히 차단되면 외부 수위를 적절히 반영하지 못한다. 즉 도파관 내부의 압력으로 외부의 수위가 증가하거나 감소하여도 내부의 수위변화는 외부의 변화만큼 증가하거나 감소하지 않는다.Ultrasonic waves emitted from the ultrasonic reflection signal detector 103 are absorbed in the air, or diffuse reflection occurs due to the unevenness of the water surface, causing attenuation of the ultrasonic waves. However, the results of the experiment show that the amount absorbed by the air is extremely small, and in reality, most of the attenuation caused by diffuse reflection is used. Thus, waveguides have been introduced to reduce the ripples of water that cause diffuse reflection. When waveguides are used, the water ripples outside the waveguides are not transferred to the insides of the waveguides, and the water level inside the waveguides has an effect of making the actual ripple level evenly due to the surface tension of the water. However, if the inside of the waveguide is completely blocked from the outside, it will not properly reflect the external water level. That is, even if the external water level increases or decreases due to the pressure inside the waveguide, the internal water level change does not increase or decrease as much as the external change.
도 2는 본 발명에 의한 수위측정장치에 부착되는 도파관(101)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도파관(101)의 상부에는 초음파 반사신호 검출부(103)를 부착하기 위한 플랜지(201)가 구비되어 있으며, 도파관(101)은 튜브형태로서, 외부 수위 변화를 민감하게 반영하기 위하여 도파관의 내부와 외부를 연결하는 관통공을 구비하고 있다.2 shows an embodiment of the waveguide 101 attached to the water level measuring device according to the present invention. The upper portion of the waveguide 101 is provided with a flange 201 for attaching the ultrasonic reflection signal detection unit 103, the waveguide 101 is in the form of a tube, the inside and outside of the waveguide to sensitively reflect the external water level change It has a through hole for connecting the.
관통공의 크기와 간격은 실제 고온 비등상황에서 발생하는 수위변동 현상을 반영하기 위해 실험을 통하여 적절한 값으로 설계된다. 민감하게 수위를 반영하기 위해서는 관통공의 간격이 조밀할수록 유리하지만, 그만큼 초음파의 감쇄현상이 급격하게 증가하기 때문에 이러한 감쇄현상을 감소시킬 수 있는 적절한 간격이 요구되어 진다. 실험결과 상기 관통공의 직경(204)은 20 내지 30 mm으로, 도파관 길이방향 간격(203)은 5 내지 20 cm으로, 도파관 둘레방향 간격은 3 내지 10 cm의 간격으로 천공되는 것이 적절하다.The size and spacing of the through-holes are designed to be appropriate values through experiments to reflect the water level fluctuations that occur in actual high temperature boiling conditions. In order to sensitively reflect the water level, the tighter the gap between the through-holes is, the better, but since the attenuation of ultrasonic waves increases rapidly, an appropriate distance to reduce such attenuation is required. As a result of the experiment, the diameter of the through hole 204 is 20 to 30 mm, the waveguide longitudinal spacing 203 is 5 to 20 cm, and the waveguide circumferential spacing is preferably 3 to 10 cm.
도 3의 점선으로 된 박스는 상기 도 1에서 도시한 초음파속도 계산부(105)를 구성한 블록도이다.3 is a block diagram of the ultrasonic velocity calculator 105 shown in FIG. 1.
초음파속도 계산부(105)는 초음파의 속도계산에 필요한 값들이 저장된 메모리부(303)와, 온도센서(108)과 압력센서(109)로 부터 온도값과 압력값을 전달받아 상기 메모리부(303)로 부터 해당 온도와 압력에 대응하는 초음파 속도계산 필요값을 추출하기 위한 필요값 추출부(304) 및 상기 온도센서(108), 압력센서(109), 필요값추출부(304)로 부터 초음파속도계산에 필요한 값을 입력받아 속도를 계산하는 연산처리부(305)를 포함한다. 초음파 속도계산 과정은 아래에서 설명한다.The ultrasonic speed calculating unit 105 receives the temperature value and the pressure value from the memory unit 303 and the temperature sensor 108 and the pressure sensor 109 in which the values necessary for calculating the speed of the ultrasonic wave are stored. Ultrasonic wave from the necessary value extraction unit 304 and the temperature sensor 108, pressure sensor 109, the required value extraction unit 304 for extracting the ultrasonic speed calculation required value corresponding to the temperature and pressure from It includes a calculation processing unit 305 for receiving a value required for the speed calculation to calculate the speed. The ultrasonic velocity calculation process is described below.
종전 초음파의 속도를 계산하기 위한 식은 아래 [수학식 1]과 같다.Equation for calculating the speed of the conventional ultrasound is shown in Equation 1 below.
여기서, here,
. .
위에서 는 구하고자 하는 초음파의 속도, 는 정적 비열, 는 정압비열, 은 기체상수, 는 압력, 는 절대온도, 는 밀도를 나타낸다.From above Is the velocity of the ultrasonic wave, Is static specific heat, Is a constant pressure specific heat, Silver gas constant, Pressure, Is absolute temperature, Denotes the density.
그러나 위에서 계산되는 기존의 식들은 매질을 공기만으로 가정하여 초음파 속도를 계산했기 때문에 매질에 공기이외의 다른 혼합물이 존재하는 경우에는 많은 오차가 발생하여 정밀 수위 측정시 보정이 필요하다.However, the conventional equations calculated above assume the medium as air only, and the ultrasonic velocity is calculated. Therefore, when there is a mixture other than air in the medium, a lot of errors occur, and it is necessary to calibrate the precision level.
또한 상용화된 수위 계측장치에서는 온도센서를 내장하여 상기 [수학식 1]을 단순화한 아래 [수학식 2]를 사용하고 있다. [수학식 1]의 압력과 밀도 및 비열비 등이 상온이나 비교적 낮은 온도(60 내지 70 ℃)에서는 대략 온도만의 함수로 표현될 수 있으며, 이렇게 온도만의 함수로 근사한 식이 [수학식 2]이다. In addition, the commercially available water level measuring device uses the following Equation 2 to simplify the above Equation 1 by embedding a temperature sensor. The pressure, density and specific heat ratio of [Equation 1] can be expressed as a function of temperature only at room temperature or relatively low temperature (60 to 70 ° C.). to be.
여기서 는 상온 즉 20 ℃에서의 초음파의 속도이다. 온도가 1℃ 증가시 20℃속도의 약 0.18%의 속도 증가분이 있다는 의미이다.here Is the speed of the ultrasonic wave at room temperature or 20 ° C. When the temperature is increased by 1 ° C, there is a speed increase of about 0.18% of the speed of 20 ° C.
그러나 상기 [수학식 1]과 [수학식 2]는 고온과 고온에서 발생하는 다량의 수증기를 포함한 상태에서는 많은 오차가 발생하게 된다. 본 발명에서는 이를 보정하여 아래 [수학식 3]세우고, 이를 이용하여 상기 초음파속도 계산부(105)에서는 초음파의 속도를 계산하게 된다.However, [Equation 1] and [Equation 2] are a lot of errors occur in the state containing a large amount of water vapor generated at high temperature and high temperature. In the present invention, by correcting this, the following Equation 3 is established, and the ultrasonic speed calculating unit 105 calculates the speed of the ultrasonic waves by using this.
여기서, here,
이다. to be.
위에서 은 몰농도를 나타내고, 아래첨자에서 는 포화증기압을 가리킨다.From above Represents the molarity, in the subscript Indicates saturated steam pressure.
상기 메모리부(303)에는 이미 특정온도와 압력에서의 , , , , , , 의 필요값들이 저장되어 있다. 이러한 값들이 이미 실험되어 있으며, 종전 물성물리 책등에서도 그 테이블을 찾아볼 수 있다.The memory unit 303 already has a certain temperature and pressure , , , , , , The necessary values of are stored. These values have already been tested, and the table can be found in previous physical properties books.
상기 연산 처리부(305)에서는 초음파의 속도계산에 필요한 온도, 압력, 필요값을 전달받아 상기 [수학식3]에 의한 초음파의 속도를 계산하게 된다.The calculation processing unit 305 receives the temperature, pressure, and necessary values required for calculating the speed of the ultrasonic wave to calculate the speed of the ultrasonic wave according to [Equation 3].
도 4는 횡방향 관통공의 직경에 따른 수위측정결과를 도시한다. 각각 관통공의 직경이 10 mm, 20 mm, 30 mm의 경우의 실험결과이다. 각 도면에는 계측된 수위, 출렁일 때 최소수위, 출렁일때 최대수위가 도시 되어 있다. 횡방향 관통공의 직경이 10 mm인 도파관은 실제 수위를 거의 반영하지 못하고, 일정한 붕괴 수위만을 지시하고 있으나 직경이 20 mm에 이르면 실제 수위를 잘 반영하고 있슴을 볼 수 있다.Figure 4 shows the result of the water level measurement according to the diameter of the transverse through-holes. Experimental results for the diameters of through holes of 10 mm, 20 mm and 30 mm, respectively. Each figure shows measured water level, minimum water level when rocking, and maximum water level when rocking. The waveguide having a diameter of 10 mm in the transverse through hole hardly reflects the actual water level, but indicates only a certain level of collapse. However, when the diameter reaches 20 mm, the waveguide reflects the actual water level well.
도 5는 여러가지 크기의 관통공을 가지는 도파관에 대한 초음파의 감쇄정도를 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이, 도파관의 관통공이 커질수록 감쇄정도가 증가하게 됨을 알 수 있다. 이러한 결과로 부터 감쇄현상을 최소화하고, 실제 혼합물의 수위를 모사할 수 있는 도파관의 횡방향 관통공의 직경은 약 20 내지 30 mm의 범위가 적당하다.FIG. 5 shows the degree of attenuation of ultrasonic waves for waveguides having through holes of various sizes. As shown in the figure, the attenuation increases as the through hole of the waveguide gets larger. From these results, the diameter of the transverse through-holes of the waveguide can minimize the attenuation and simulate the actual level of the mixture is in the range of about 20 to 30 mm.
이상에서 본 발명의 초음파를 이용한 이상류 혼합물 수위 측정장치의 실시예를 설명하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Although the embodiment of the ideal-phase mixture level measurement apparatus using the ultrasonic wave of the present invention has been described above, this is illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention.
또한 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 또는 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications or imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 관통공을 가진 도파관을 사용하여 초음파의 난반사로 인한 초음파의 감쇄현상을 줄여서 보다 측정이 수월하도록 하였고, 또한 외부수위에 민감하게 반응하여 종전 붕괴수위를 측정하는 제한성을 개선하였으며, 종전 초음파의 속도계산식을 보정한 속도계산식을 사용한 초음파 속도측정장치를 도입하여, 고온에서도 보다 정밀한 수위측정을 가능케 하였다. The present invention uses a waveguide with a through hole to reduce the attenuation of the ultrasonic wave due to the diffuse reflection of the ultrasonic wave to make it easier to measure, and also sensitively responds to the external water level, thereby improving the limitation of measuring the previous collapse level. The ultrasonic speed measuring device using the speed calculation formula which corrected the speed calculation formula was introduced to enable more accurate level measurement even at high temperature.
도 1은 본 발명에 의한 수위 측정장치가 부착된 탱크의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of the tank with a water level measuring device according to the present invention,
도 2는 수위 측정장치의 구성요소인 도파관의 축방향 단면도이고,2 is an axial cross-sectional view of a waveguide which is a component of the water level measuring device,
도 3은 도파관에 설치되는 초음파 속도 측정장치의 블록도이고,3 is a block diagram of an ultrasonic speed measuring device installed in a waveguide,
도 4는 도파관의 관통공의 직경이 각각 10mm, 20 mm, 30mm 일 때의 수위측정결과를 나타내는 그래프이고,4 is a graph showing the results of water level measurement when the diameter of the through hole of the waveguide is 10 mm, 20 mm, and 30 mm, respectively.
도 5는 도파관이 없는 경우와 관통공의 크기를 달리한 도파관에 대한 초음파의 감쇄정도를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the degree of attenuation of the ultrasonic wave with respect to the waveguide having a different size of the through hole and the case where there is no waveguide.
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| KR20180060500A (en) | 2016-11-29 | 2018-06-07 | 주식회사 수리이엔씨 | Apparatus for measuring velocity and level of water in agricultural waterway |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20030054419A (en) | 2003-07-02 |
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