KR100559139B1 - Ultrasonic wave flow meter using correlation - Google Patents
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Abstract
상호상관을 이용한 초음파 유량계에 대해 개시한다. 본 발명의 상호상관을 이용한 초음파 유량계는, 수신신호와 송신신호의 위상비교를 수행하는 제1 위상비교기; 위상비교 출력을 저역통과시키는 제1 저역통과필터; 상기 위상비교기의 출력신호를 적분하는 적분기; 보상회로 자체의 출력신호와 송신신호의 위상비교를 수행하는 제2 위상비교기; 위상비교 출력을 저역통과시키는 제2 저역통과필터; 및 상기 적분기로부터 출력된 신호와 상기 제2 저역통과필터의 출력값을 합한 신호를 입력받아 상기 송신신호를 추종하는 신호를 생성하여 출력시키는 전압제어발진기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 측정대상 유체의 종류, 압력 등에 영향을 덜 받을 뿐만 아니라, 재현성이 우수하며 정밀한 값으로 실시간 유량의 측정이 가능하다. 그리고, 배관 외부에 부착하는 외벽부착형(Clamp On Type)이므로 현장에서 배관을 분해하지 않고도 유량측정이 가능하여 이동성과 적용성이 매우 뛰어나다. An ultrasonic flow meter using cross-correlation is disclosed. The ultrasonic flowmeter using the cross-correlation of the present invention comprises: a first phase comparator for performing phase comparison between a received signal and a transmitted signal; A first low pass filter for low passing the phase comparison output; An integrator for integrating the output signal of the phase comparator; A second phase comparator for performing phase comparison between an output signal of the compensation circuit itself and a transmission signal; A second low pass filter for low passing the phase comparison output; And a voltage controlled oscillator configured to receive a signal obtained by adding the signal output from the integrator and the output value of the second low pass filter to generate and output a signal following the transmission signal. According to the present invention, not only are less affected by the type, pressure, etc. of the measurement target fluid, it is possible to measure the flow rate in real time with excellent reproducibility and precise values. In addition, since it is attached to the outside of the pipe (clamp on type), it is possible to measure the flow rate without disassembling the pipe in the field, so it has excellent mobility and applicability.
상호상관, 초음파, 유량계 Cross-correlation, Ultrasonic, Flowmeter
Description
도 1은 종래의 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면, 1 is a view illustrating a concept of a conventional phase demodulation detection method;
도 2는 종래의 부유물감지기(Bubble Detector)를 이용한 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면, 2 is a view illustrating a concept of a phase demodulation detection method using a conventional bubble detector,
도 3은 상호상관을 이용한 초음파 유량계측장치의 구성을 개략적으로 나타낸 제어회로블록도, 3 is a control circuit block diagram schematically showing the configuration of the ultrasonic flow measurement apparatus using cross-correlation;
도 4는 본 발명의 이중 PLL을 이용한 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a concept of a phase demodulation detection method using a double PLL according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10, 10' : 신호발생기 20, 20' : 증폭기 10, 10 ':
30 : 센서A 30' : 센서B 30: sensor A 30 ': sensor B
40 : 배관 50 : 센서C 40: pipe 50: sensor C
50' : 센서D 60, 60' : 증폭기 50 ':
70, 70' : 복조기 80 : 상호상관기 70, 70 ': demodulator 80: cross-correlator
본 발명은 상호상관을 이용한 초음파 유량계에 관한 것으로, 특히 배관 외부에 일정간격을 두고 설치된 센서를 통해 입력된 난류잡음을 상호상관을 취함으로써 재현성이 우수하며 정밀한 값으로 실시간 유량의 측정이 가능한 상호상관을 이용한 초음파 유량계에 관한 것이다. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter using cross-correlation, and in particular, by taking a cross-correlation of the turbulent noise input through a sensor installed at a certain interval outside the pipe, it is excellent in reproducibility and can measure real-time flow rate with precise values. It relates to an ultrasonic flowmeter using.
오일, 가스, 상하수도, 화학유체 등을 취급하기 위해서는 유량측정이 매우 중요하다. 유량계는 정확도, 신뢰도, 재현성, 확장성이 매우 중요한 인자이며, 사용목적과 환경에 따라서 여러 가지 형태의 유량계가 사용되고 있다. Flow measurement is very important for handling oil, gas, water and sewage, and chemical fluids. Accuracy, reliability, reproducibility, and scalability are very important factors, and various types of flowmeters are used depending on the purpose of use and environment.
상호상관(Cross correlation) 방식의 초음파 유량계에서 사용하는 초음파신호는 수 MHz정도(1MHz∼10MHz)의 고주파가 송수신에 사용되고 있으며, 이 신호가 유체를 통과하면서 위상 변조(Phase Modulation)형태로 포함되는 난류정보를 획득한다. 난류를 통과하면서 발생한 위상변조신호를 검출하는 방법으로 위상검출회로(Phase Detector)를 이용하여 위상오차를 검출한 후, 저역통과필터(LPF)를 이용해 필터링하는 방식이 일반적이며, 정상적인 위상변조 신호를 복조하는데 별다른 문제가 없는 방법이다. 일반적으로 위상검출회로는 PLL(Phase Locked Loop)을 이용한다. 그러나 초음파 유량계에서의 위상변조는 난류에 의해서만 생기는 것이 아니라, 유체 속의 기포나 부유물에 의해서도 발생하게 된다. 일반적으로 난류에 의한 위상 변조되는 크기는 ±10°정도로 그리 크지 않으나, 유체 속의 기포나 부유물에 의해서는 그 종류에 따라서 ±90°이상의 급격하고 지속적인 위상변조가 발생할 수도 있게 된다. 따라서 이 경우 위상검출회로와 저역통과필터만을 이용한 방식으로는 정상적인 위상복조가 불가능하므로, 이를 해결하기 위한 방법이 필요하다. Ultrasonic signals used in cross-correlation ultrasonic flowmeters are used for transmitting and receiving high frequency signals of several MHz (1 MHz to 10 MHz), and the signals are turbulent in the form of phase modulation as they pass through the fluid. Obtain information. As a method of detecting a phase modulation signal generated while passing through turbulence, a phase detector is detected using a phase detector, and then a low pass filter (LPF) is used to filter the normal phase modulation signal. There is no problem with demodulation. In general, the phase detection circuit uses a phase locked loop (PLL). However, phase modulation in ultrasonic flowmeters is not only caused by turbulence, but also by bubbles or suspended matter in the fluid. In general, the magnitude of phase modulation by turbulence is not so large as about ± 10 °, but bubbles and suspended matter in the fluid may cause rapid and continuous phase modulation of more than ± 90 ° depending on the type. Therefore, in this case, a normal phase demodulation cannot be performed using only a phase detection circuit and a low pass filter. Therefore, a method for solving this problem is required.
도 1은 종래의 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 이 위상 복변조 검출 방법은 위상비교기(120)를 통한 위상 복변조 검출 방법으로서, 위상비교기(120)의 입력은 송신신호(ST (t), 100)와 수신신호(SR(t), 110) 2종류이다. 위상비교기(120)는 이 두 신호의 위상차를 비교한다. XOR(Exclusive OR) 논리 회로를 사용하여 두 신호의 위상차이가 없으면 위상비교기(120)의 출력은 “0”이 되고 위상차이가 많이 날수록 펄스폭이 넓어진 복조신호(SD(t), 140)가 출력된다. 저역통과필터(LPF, 130)는 고주파성분을 제거해주는 역할을 한다. 따라서 위상차이가 클수록 저역통과필터(LPF, 130)의 출력인 직류전압의 크기는 커지게 된다. 그러므로 지속적인 큰 변화에 대하여 출력이 포화되어 난류에 의한 위상변화를 검출하지 못하게 되는 문제점이 발생된다. 1 is a diagram illustrating a concept of a conventional phase demodulation detection method. Referring to FIG. 1, the phase demodulation detection method is a phase demodulation detection method through a
도 2는 종래의 부유물감지기(Bubble Detector)를 이용한 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 위상비교기(220)의 입력은 송신신호(ST(t), 200)와 수신신호(SR(t), 210) 2종류인 것은 도 1과 동일하지만, 도 1과 다른 점은 수신신호(SR(t), 210)는 부유물감지기(Bubble Eetector, 250)를 거치는 것이다. 부유물감지기(250)의 입력이 갑자기 변하면 기포나 부유물이 있으므로 PLL(220)의 입력에는 송신신호(ST(t), 200)와 같은 신호를 입력한다. 즉, PLL(220)의 출력전압 및 최종 출력전압(SD(t) , 240)은 일정시간동안 “0”으로 초기화된다. 일정한 시간이 지나면 정상적인 송수신 신호로 위상비교를 통하여 복조신호를 검출하게 된다. FIG. 2 is a diagram illustrating a concept of a phase demodulation detection method using a conventional bubble detector. Referring to FIG. 2, two types of inputs of the
이와 같이, 기존에는 유체 속의 큰 부유물에 의해서 위상이 급격한 변화가 발생할 경우 이를 검출하여 입력을 리셋(Reset)함으로써 위상변화가 정상적으로 회복되기까지 신호를 수신하지 않다가 정상적인 조건으로 되면 복조신호 검출을 재개하는 방법을 사용하고 있다. 정상적인 위상 변화 범위를 벗어난 위상의 급격한 변화시에는 위상비교회로의 출력의 듀티(duty)가 커지게 되고, 따라서 저역통과필터(230)의 출력이 급격히 증가할 것이다. 따라서 저역통과필터(230)의 출력을 일정한 동작범위 내에서 제한하기 위해서는 부유물감지기(250) 회로를 추가하여 위상변조 검출신호가 항상 일정한 범위내로 제한되게 하여야 한다. As described above, when a large phase change in a fluid causes a sudden change in phase, the input is detected and the input is reset, and the signal is not received until the phase change is normally recovered. I'm using the method. In the case of a sudden change in phase out of the normal phase change range, the duty of the output to the phase comparator becomes large, so that the output of the
그런데, 이 부유물감지기(250)를 이용한 복조기는 기포나 부유물이 존재시 일정시간동안 복조신호(SD(t), 240)가 나오지 않는 단점뿐만 아니라, 서서히 변하는 온도변화(Temperature Drift)에 의한 위상변화량은 감지하지 못하여 위상복조 오차를 유발하는 단점이 있었다. However, the demodulator using the
따라서, 본 발명의 목적은 배관 외부에 일정간격을 두고 설치된 센서를 통해 입력된 난류잡음을 상호상관을 취함으로써 재현성이 우수하며 정밀한 값으로 실시간 유량의 측정이 가능한 상호상관을 이용한 초음파 유량계를 제공하는데 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter using cross-correlation which can measure real-time flow rate with high reproducibility and precise values by taking a cross-correlation of turbulent noise input through a sensor installed at a certain interval outside the pipe. have.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상호상관을 이용한 초음파 유량계는, 일정 주파수를 갖는 초음파신호를 발생시키는 신호발생기; 상기 초음파신호를 증폭시키는 제1 증폭기; 상기 증폭된 초음파신호에 대응한 송신신호를 송신하는 송신센서; 상기 송신신호가 배관의 유체를 통과한 후 발생된 수신신호를 수신하는 수신센서; 상기 수신된 신호를 일정크기로 증폭하는 제2 증폭기; 및 상기 증폭된 신호를 복조하는 복조기를 구비하는 초음파 유량계에 있어서, 상기 초음파 유량계는 각각 배관 외부에 일정간격으로 배치되고, 상기 각 초음파 유량계의 복조기로부터 출력된 신호를 전달받아 시간 지연을 측정하여 유속 및 유량을 측정하는 상기 수신신호와 송신신호의 위상비교를 수행하는 제1 위상비교기; 상기 위상비교 출력을 저역통과시키는 제1 저역통과필터; 상기 위상비교기의 출력신호를 적분하는 적분기; 및 기포나 부유물에 의한 급격하고 지속적인 위상변화와 서서히 변하는 온도변화를 보상하는 보상회로로 구성된 상호상관기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 보상회로는, 보상회로 자체의 출력신호와 송신신호의 위상비교를 수행하는 제2 위상비교기; 위상비교 출력을 저역통과시키는 제2 저역통과필터; 상기 적분기로부터 출력된 신호와 상기 제2 저역통과필터의 출력값을 합한 신호를 입력받아 상기 송신신호를 추종하는 신호를 생성하여 출력시키는 전압제어발진기로 이루어진다. Ultrasonic flowmeter using the cross-correlation of the present invention for achieving the above object of the present invention, the signal generator for generating an ultrasonic signal having a predetermined frequency; A first amplifier for amplifying the ultrasonic signal; A transmission sensor for transmitting a transmission signal corresponding to the amplified ultrasonic signal; A reception sensor configured to receive a reception signal generated after the transmission signal passes through the fluid in the pipe; A second amplifier for amplifying the received signal to a predetermined magnitude; And a demodulator for demodulating the amplified signal, wherein the ultrasonic flow meters are each disposed at a predetermined interval outside the pipe, and receive a signal output from the demodulators of the respective ultrasonic flow meters to measure a time delay to measure a flow rate. And a first phase comparator configured to perform phase comparison between the received signal and the transmitted signal for measuring a flow rate. A first low pass filter for low passing the phase comparison output; An integrator for integrating the output signal of the phase comparator; And a cross-correlator consisting of a compensation circuit for compensating for rapid and continuous phase changes and slowly changing temperature changes caused by bubbles or suspended solids. In this case, the compensation circuit may include a second phase comparator for performing phase comparison between an output signal of the compensation circuit itself and a transmission signal; A second low pass filter for low passing the phase comparison output; And a voltage controlled oscillator configured to receive a signal obtained by adding the signal output from the integrator and the output value of the second low pass filter to generate and output a signal following the transmission signal.
상호상관(Cross-Correlation)을 이용한 유량측정 기술은, 배관 내의 두 지점에서 유체유동으로 인해 발생하는 난류잡음신호의 이동속도를 측정하는 것으로서, 유체가 상류측에서 하류측으로 전달되는 시간을 상호상관관계를 이용하여 측정하는 기술이다. 유체의 속도 측정으로부터 관의 직경을 알고 있을 때 유량의 측정이 가능한 것이다. Flow measurement technology using cross-correlation is a measure of the moving speed of turbulent noise signals caused by fluid flow at two points in a pipe, and correlates the time that fluid is transferred from upstream to downstream. It is a technique to measure using. The flow rate can be measured when the diameter of the tube is known from the velocity measurement of the fluid.
이러한 상호상관을 이용한 초음파 유량계는 기계식이나 다른 초음파방식(Transit, Doppler)을 이용하는 유량계와는 달리 측정대상 유체의 종류, 압력 등에 영향을 덜 받는다. 그리고 재현성이 우수하며 정밀한 값으로 실시간 유량의 측정이 가능하다. 또한 초음파센서를 배관의 안에 설치하는 내장형(Wet Type)과는 달리, 밖에 부착하는 외벽부착형(Clamp On Type)이 가능하므로 현장에서 배관을 분해하지 않고도 유량측정이 가능하여 이동성과 적용성이 매우 좋다. Ultrasonic flowmeters using such cross-correlation are less affected by the type and pressure of the fluid to be measured, unlike flowmeters using mechanical or other ultrasonic methods (Transit, Doppler). And with excellent reproducibility, it is possible to measure flow rate in real time with precise value. In addition, unlike the wet type that installs the ultrasonic sensor inside the pipe, it is possible to attach the outside to the clamp on type so that the flow rate can be measured without disassembling the pipe in the field. good.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 상호상관을 이용한 초음파 유량계측장치의 구성을 개략적으로 나타낸 제어회로 블록도이다. 상기한 바와 같이, 상호상관 방식은 초음파 신호가 배관속의 유체가 흐를 때 발생하는 난류잡음신호에 의해 위상변조되는 현상을 이용한 것이다. 즉, 배관 밖의 두 지점에 일정한 거리를 두고 초음파센서를 설치하면, 각 센서 에서 수신한 신호는 시간지연만을 있을 뿐 유사한 위상변조 특성을 가지게 된다. 여기서 유체가 상류센서에서 하류센서사이를 지나는 동안 유체속의 난류잡음이 변화하지 않는다고 가정한다. 따라서 이 두 신호를 상호상관(Cross Correlation)을 취하면 두 센서사이를 통과하는데 걸린 시간을 측정할 수 있고, 이를 이용해 유량도 계산할 수 있는 방식이다. 3 is a control circuit block diagram schematically showing the configuration of the ultrasonic flow rate measuring apparatus using cross-correlation. As described above, the cross-correlation method uses a phenomenon in which an ultrasonic signal is phase-modulated by a turbulent noise signal generated when a fluid in a pipe flows. In other words, if the ultrasonic sensor is installed at a certain distance from two points outside the pipe, the signal received from each sensor will have a similar phase modulation characteristic with only time delay. It is assumed here that the turbulent noise in the fluid does not change while the fluid passes between the upstream and downstream sensors. Thus, cross-correlation of these two signals allows us to measure the time it takes to pass between the two sensors and calculate the flow rate.
이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 배관(40) 외부에 일정간격을 두고 초음파 유량계측장치가 각각 설치된다. 이들 초음파 유량계측장치는 각각, 신호발생기(10, 10'), 증폭기(20, 20'), 센서A(30), 센서B(30'), 배관(40), 센서C(50), 센서D(50'), 증폭기(60, 60'), 복조기(70, 70'), 상호상관기(80)로 구성되어 있다. To this end, as shown in Figure 3, the ultrasonic flow rate measuring device is installed at a predetermined interval outside the
이와 같이 구성되어, 신호발생기(10, 10')를 통하여 수 MHz의 신호를 발생하여 증폭기(20, 20')를 통하여 송신센서(30, 30')에서 초음파신호를 송신한다. 배관(40)속의 유체를 통과한 신호는 수신센서(50, 50')를 통하여 수신한 다음, 증폭기(60, 60')를 통하여 신호처리하기에 적당한 크기로 증폭한다. 그리고 난 후에 유체의 흐름에 의해 변조된 초음파신호를 복조기(70, 70')를 통하여 복조를 한다. 복조된 신호는 상호상관기(80)를 거쳐 두 센서간의 시간 지연을 측정하여 유속 및 유량을 측정한다. 또한 초음파센서(30, 30', 50, 50')를 배관의 외부에 부착하는 외부부착형(clamp on type) 방식으로 센서 설치 시 배관에 손댈 필요가 전혀 없고, 차압식 유량계에서 발생하는 압력손실이 없으면서도 정확하고도 신뢰성 있는 유량의 측정이 가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 상호상관 방식은 유체의 종류에 관 계없이 유량표준시스템으로 교정을 받지 않고도 ±1% 이내의 오차로 실시간 유량측정이 가능하다. In this manner, the
한편, 본 발명의 상호상관 방식의 초음파유량계는 초음파센서를 배관에 설치하여 1MHz이상의 초음파 신호를 유체가 흘러가는 배관을 통과시켜서 수신된 신호를 처리하여 유량을 측정하게 된다. 발사된 초음파신호는 배관을 통과하면서 유체의 흐름속에 발생하는 난류에 의해 위상변조(PM, Phase Modulation)되고, 이 위상변조신호가 유속에 비례하므로 송수신 신호의 위상비교를 구하여 유속을 구하므로, 위상 변조량을 정확히 검출하는 것이 매우 중요하다. 여기서 유체의 흐름이 일정하고 유체내에 기포나 큰 부유물(이물질 등)이 없다고 가정하면 위상비교를 통한 위상복조는 정확한 유속을 검출할 수 있을 것이다. On the other hand, the cross-correlation ultrasonic flowmeter of the present invention by installing an ultrasonic sensor in the pipe to pass the ultrasonic signal of 1MHz or more through the pipe flowing the fluid to process the received signal to measure the flow rate. The emitted ultrasonic signal is phase modulated (PM) by turbulence generated in the flow of the fluid as it passes through the pipe. Since the phase modulated signal is proportional to the flow velocity, the phase velocity of the transmitted / received signal is obtained to calculate the flow velocity. It is very important to accurately detect the amount of modulation. Here, assuming that the flow of the fluid is constant and there are no bubbles or large floats (foreign matters, etc.) in the fluid, phase demodulation through phase comparison will be able to detect the correct flow rate.
그러나 실제 유체에는 거품이나 이물질 등의 큰 부유물이 존재하는 경우가 많은데, 초음파가 기포나 부유물을 만날 경우 초음파신호가 차단 또는 산란하게 된다. 이 때 수신되는 초음파 신호의 위상변화량은 난류잡음에 의해 일반적으로 일어나는 위상변조에 비해 매우 큰 위상차가 나타나게 된다. 따라서 위상 검출회로의 출력은 기포나 부유물이 존재할 경우 큰 오차를 발생하게 되어 유량측정시스템의 정확도를 떨어뜨릴 뿐만 아니라 안정성에도 영향을 미칠 수 있다. However, in actual fluids, large floats such as bubbles or foreign matters are often present. When ultrasonic waves meet bubbles or floats, ultrasonic signals are blocked or scattered. At this time, the amount of phase change of the ultrasonic signal received is very large compared to the phase modulation generally occurs due to turbulent noise. Therefore, the output of the phase detection circuit generates a large error in the presence of bubbles or floats, which may not only reduce the accuracy of the flow measurement system but also affect stability.
따라서 기포나 부유물이 존재하더라도 정확하고 안정된 측정이 되기 위해서는 기포나 부유물에 의해서 발생하는 위상오차를 최소화할 수 있는 검출방법이 필요하다. 이는 하기하는 도 4의 과정을 통해 해결할 수 있다. Therefore, in order to measure accurately and stably even if bubbles or floats exist, a detection method that can minimize the phase error caused by bubbles or floats is required. This can be solved through the following process of FIG. 4.
도 4는 본 발명의 이중 PLL을 이용한 위상 복변조(Phase Demodulation) 검출 방법의 개념을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 상호상관을 이용한 초음파 유량계는, 수신신호(300)와 송신신호(310)의 위상비교를 수행하는 위상비교기(PD-1, 320)와, 위상비교출력을 저역통과시키는 저역통과필터(330)와, 위상비교기(PD-1, 320)의 출력신호를 적분하는 적분기(Integrator, 350)와, 그리고 기포나 부유물에 의한 급격하고 지속적인 위상변화와 서서히 변하는 온도변화를 보상하기 위한 보상회로(400)로 구성된다. 4 is a diagram illustrating a concept of a phase demodulation detection method using a double PLL according to the present invention. 4, the ultrasonic flowmeter using the cross-correlation of the present invention, the phase comparators (PD-1, 320) for performing the phase comparison of the received
상기 보상회로(400)는, 보상회로(400) 자체의 출력신호와 송신신호(310)와 위상비교를 수행하는 위상비교기(PD-2, 430)와, 위상비교출력을 저역통과시키는 저역통과필터(420)와, 그리고 상기 적분기(Integrator, 350)로부터 출력된 신호와 상기 저역통과필터(420)의 출력값을 합한 신호를 입력받아 상기 송신신호(310)를 추종하는 신호를 생성하여 출력시키는 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator ; VCO)로 이루어져 있다. The
이와 같이 구성된 본 발명의 상호상관을 이용한 초음파 유량계는 다음과 같은 동작이 이루어진다. The ultrasonic flowmeter using the cross-correlation of the present invention configured as described above is made as follows.
기포나 부유물이 존재하지 않는 정상적인 경우에는 송신신호(310)와 수신신호(300)를 위상비교기(320)를 거친 후에 저역통과필터(330)를 통하여 최종 복조신호(340)의 출력을 얻는다. 이때 VCO(410)의 출력은 송신신호와 동일한 위상잡음이 없으면서 주파수는 같은 신호가 출력된다. 그러나 송신신호와 위상은 다르게 될 수 있다. In the normal case in which no bubbles or floats exist, the output signal of the
PD-1(320)은 수신 신호와 VCO(410)에서 만들어진 신호와의 위상차이를 검출하게 된다. 한편 기포나 부유물이 존재하여 위상의 큰 변화가 지속적으로 생기는 경우는 위상비교회로 PD-1(320) 출력을 적분한 평균값과 PD-2(430)의 출력을 합하여 VCO(410)을 제어하여 송신신호를 추종하는 신호를 만들어준다. 이때 만들어지는 신호는 입력된 송신신호(310)와 주파수는 동일하나 위상은 다르게 되는데 이 위상은 기포나 부유물에 의하여 변화된 위상량과 동일하다. 그러므로 수신신호(300)의 위상을 검출하는 위상비교기 PD-1(320)의 출력은 기포나 부유물에 의한 위상변화는 상쇄되고 유체의 흐름에 의하여 발생된 난류에 의한 위상변화만이 위상비교기 PD-1(320)에서 검출되게 된다. The PD-1 320 detects a phase difference between the received signal and the signal generated by the
이러한 작동은 온도변화에 의한 위상 변화(Drift)에 대하여도 동일하게 작동되어 안정되게 난류에 의한 위상만을 위상비교기 PD-1(320)에서 검출하게 된다. This operation is similarly performed with respect to the phase change (Drift) due to the temperature change, so that only the phase due to the turbulence is stably detected by the phase comparator PD-1 (320).
그러므로 기존회로의 리셋(reset)에 의한 동작의 정지와 신뢰성 및 정확도의 문제점을 해결하고 또한 온도에 의한 위상변화를 해소하여 안정되게 연속적인 동작이 가능하다. Therefore, it is possible to stably operate continuously by solving the problem of stopping the operation by the reset of the existing circuit and the problem of reliability and accuracy, and also eliminating the phase change caused by temperature.
이와 같이 기존의 단일 PLL 위상검출회로와 본 발명의 상호상관을 이용한 초음파 유량계의 차이점은 다음과 같이 정리할 수 있다. As such, the difference between the conventional single PLL phase detection circuit and the ultrasonic flowmeter using the cross-correlation of the present invention can be summarized as follows.
본 발명에 사용된 적분기(350)는 난류에 의한 빠른 변화에 대하여는 응답하지 않도록 매우 큰 시정수를 갖고 있는데 일반적인 PLL회로에서는 매우 큰 시정수의 적분기를 궤환회로에 삽입하면 VCO 출력 주파수가 적분기의 시정수 이하의 속도 로 변화하는 경우에는 응답하지 못하는데 이러한 것이 위상잡음으로 나타나게 되어 본 발명에서 검출하려는 난류에 의한 위상검출이 불가능해 진다. 만일 위상잡음을 억제하려고 적분기의 시정수를 빠르게 하면 난류에 의한 위상변화 까지도 PLL회로가 추종하여 상쇄하게 된다. The
그러나 본 발명에서는 PD-2(430)과 LPF(420) 및 VCO(410)으로 이루어진 독립 PLL에 적분기(350)의 출력이 더해진 형태로 되어 VCO(410)의 출력은 위상잡음이 없이 일정한 위상차이만이 존재하는 신호가 만들어지고 이것을 기준으로 하여 입력신호(300)의 위상을 위상비교기 PD-1(320)검출함으로서 미세한 위상의 차이도 위상비교기 PD-1(320)에서 검출된다. However, in the present invention, the output of the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상호상관을 이용한 초음파 유량계는, 기존의 기계식이나 다른 초음파방식(Transit, Doppler)을 이용하는 유량계와는 달리 측정대상 유체의 종류, 압력 등에 영향을 덜 받는다. 또한, 재현성이 우수하며 정밀한 값으로 실시간 유량의 측정이 가능하다. 그리고, 초음파센서를 배관의 안에 설치하는 내장형(Wet Type)과는 달리, 밖에 부착하는 외벽부착형(Clamp On Type)이 가능하므로 현장에서 배관을 분해하지 않고도 유량측정이 가능하여 이동성과 적용성이 매우 좋다. 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다. As described above, the ultrasonic flowmeter using the cross-correlation according to the present invention, unlike conventional flowmeters using mechanical or other ultrasonic methods (Transit, Doppler) is less affected by the type, pressure, etc. of the fluid to be measured. In addition, the reproducibility is excellent and real-time flow rate measurement is possible with precise values. And unlike the built-in type (Wet Type) that installs the ultrasonic sensor inside the pipe, it is possible to attach the outside (Clamp On Type) to attach the outside, so it is possible to measure the flow rate without disassembling the pipe in the field so that mobility and applicability very good. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it will be apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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CN103792384A (en) * | 2014-01-21 | 2014-05-14 | 燕山大学 | Fluid flow velocity measurement method with adjustable measuring range ratio based on ultrasonic cross-correlation technology |
CN103792384B (en) * | 2014-01-21 | 2016-06-29 | 燕山大学 | The adjustable rate of flow of fluid measuring method of range ratio based on ultrasound wave cross-correlation technique |
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