KR100719814B1 - 초음파유량계의 지연시간 측정방법 및 이를 이용한 유체내초음파 전파시간 측정방법 - Google Patents

초음파유량계의 지연시간 측정방법 및 이를 이용한 유체내초음파 전파시간 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파유량계의 지연시간 측정방법 및 이를 이용한 유체내 초음파 전파시간 측정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상호 대응하여 초음파를 수발신할 수 있는 제1초음파진동자와 제2초음파진동자를 소정의 유체가 흐르는 유로에 설치하고, 상기 제1,제2초음파진동자가 초음파를 발사하도록 전기적 발사신호를 송신하고 상기 제1,제2초음파진동자로 입사된 초음파의 전기적 입사신호를 수신하는 콘트롤러를 상기 제1,제2초음파진동자에 연결하고, 그 유로내에 상기 유체를 흘리는 준비단계와, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제2초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제1초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제1시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제1측정단계와, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제1초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제2초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제2시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제2측정단계와, 일정 온도하에서 상기 소정의 유체에서의 초음파의 음속값을 이용하여, 상기 제1초음파진동자와 제2초음파진동자 사이의 거리에서 초음파의 이론적 전파시간을 구하는 산출단계 및 상기 제1시간, 제2시간 및 이론적 전파시간을 이용하여, 초음파유량계의 지연시간을 연산하는 연산단계를 포함하는 것에 특징이 있으며, 또한 이렇게 구해진 지연시간을 이용하여 초음파가 유체내를 통과하는데 걸리는 총전파시간을 측정하는데 특징이 있다.
초음파유량계, 초음파 전파시간, 지연시간, 초음파진동자, 콘트롤러

Description

초음파유량계의 지연시간 측정방법 및 이를 이용한 유체내 초음파 전파시간 측정방법{Methode of measuring delayed time in ultrasonic flowmeter and Methode of measuring prpagation time of ultrasonic waves in fluid using the same}
도 1은 초음파유량계를 이용하여 유체의 유량을 측정하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파유량계에서 지연시간을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ... 유로 2,3 ... 제1,제2초음파진동자
4 ... 콘트롤러 5,6 ... 제1,제2케이블
L ... 초음파진동자간 거리 θ ... 초음파진동자의 설치각도
V ... 유체의 유속 T1 ... 제1시간
T2 ... 제2시간 Tdelay1 ... 제1지연시간
Tdelay2 ... 제2지연시간 Tdelay3 ... 총지연시간
Ttotal1 ... 제1총시간 Ttotal2 ... 제2총시간
Tnet1 ... 제1전파시간 Tnet2 ... 제2전파시간
본 발명은 초음파유량계의 지연시간 측정방법 및 이를 이용한 유체내 초음파 전파시간 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체가 흐르고 있는 유로에 초음파유량계를 설치하거나 이미 설치되어 있는 초음파유량계를 교체하는 경우에, 유체를 정지시키지 않고도, 초음파가 유체를 통과하는데 걸리는 초음파 전파시간외에 초음파유량계의 케이블 등에서 발생되는 지연시간을 정확하게 측정함으로써, 초음파가 유체를 통과하는데 걸린 초음파 전파시간만을 정확하게 측정해낼 수 있는 지연시간 측정방법 및 전파시간 측정방법에 관한 것이다.
상수를 각 가정과 산업현장에 공급하거나 이로부터 생성되는 하수를 다시 배출하기 위한 상하수도의 설치하는 경우를 비롯하여 도시가스의 공급, 송유관을 통한 원유의 이송, 농업용수를 위한 개수로의 설치 및 철강, 화학, 석유화학분야의 냉각수의 순환 등 오늘날 가스나 액체 등 유체를 이용하고 있는 산업분야는 수없이 많으며, 이러한 산업분야에서는 유체의 유량관리가 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
이렇게 유체의 유량관리가 중요한 산업현장에서는 일반적으로 유량계를 사용하여 유로내의 유량을 측정하고 있으며, 오늘날에는 유로에 초음파 진동자를 설치 하고 이 초음파 진동자로부터 발사된 초음파를 이용하여 유량을 측정하는 초음파유량계가 가장 널리 사용되고 있는 실정이다.
도 1은 유로에 설치된 초음파유량계를 이용한 유량측정원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 초음파유량계를 이용한 유량측정원리는 다음의 공식으로부터 얻어진다.
Q=A×V
이때, Q : 유체의 유량
A : 유체의 유동방향에 수직인 단면적
V : 유체의 평균속도
즉, 유로(1)에서 유체의 수직단면적과 유체의 유속을 아는 경우 그 유량을 계산할 수 있는 것이다. 유체에 의해 채워진 유로(1)의 단면 형상은 미리 피악할 수 있다.
한편, 초음파 유량측정 기술에서 유체의 유속은 일반적으로 시간차 방법에 의하여 얻어진다. 즉, 유체의 진행방향에 대하여 일정 각도(θ)로 한 쌍의 초음파 진동자(2,3)를 각기 유로의 A지점과, 유체의 유동방향상 상기 A지점의 하류측에 위치하는 B지점에 서로 대면하도록 설치한다. 초음파 진동자(2,3)에서 발사된 초음파가 유체를 통해 전파되는 음속을 C라하고, 유체의 평균속도를 V라고 하며, 초음파 진동자간의 거리를 L이라하면 속도 중첩법칙에 의하여 A지점에서 발사된 초음파가 B지점까지 도달하는 시간tAB 와 B지점에서 발사된 초음파가 A지점까지 도달하는 시간tBA 는 각기 다음과 같다.
Figure 112005052204473-pat00001
,
Figure 112005052204473-pat00002
초음파가 유체의 진행방향에 대해 순방향(A지점에서 B지점)으로 발사되는 경우의 전파시간은 초음파가 유체의 진행방향에 대해 역방향(B지점에서 A지점)으로 발사된 경우의 전파시간에 비해서 짧다. 그 시간의 차이Δt를 구하여 보면,
Figure 112005052204473-pat00003
여기서 일반적인 액체인 경우는
Figure 112005052204473-pat00004
항은 무시할 수 있을 정도로 작은 양이다. 따라서, 유체의 평균속도는 다음과 같이 된다.
Figure 112005052204473-pat00005
이상과 같이 유로(1)에서 단면적을 알고 있고 유체의 유속이 계산된 경우, 그 유량을 계산할 수 있게 된다.
이러한 원리를 이용하여 유량을 측정할 수 있도록 된 초음파 유량계는 유체가 흐르는 유로(1)에 상호 대면되게 설치되어 각기 초음파를 수발신할 수 있는 한 쌍 이상의 초음파 진동자(2,3)와, 상기 초음파 진동자의 수발신을 제어하며 초음파의 전파시간차를 통해 유속을 연산해내는 콘트롤러(4)로 구성되어 있다.
상기 콘트롤러(4)에서 전기적 신호인 초음파 발사신호를 송신하면 이 발사신 호는 콘트롤러(4)의 보드를 통과한 후 케이블(5)을 따라 일측의 초음파 진동자(2)에 전달된다. 초음파진동자(2)는 압전소자이므로, 이 초음파 진동자(2)에서 상기 발사신호는 압전효과에 의하여 기계적 탄성파로 변화된다. 상기 기게적 탄성파는 유체내로 발사되며 유체를 통과한 후 타측의 초음파 진동자(3)로 입사되고, 상기 입사된 초음파는 다시 압전효과에 의하여 전기신호인 입사신호로 변환된다. 이 입사신호는 초음파 진동자(3)와 콘트롤러(4)를 연결하는 케이블(6)과 콘트롤러(4)의 보드를 거쳐 최종적으로 콘트롤러(4)에 의해 인식되게 된다. 또한, 콘트롤러(4)에서는 발사신호를 타측의 초음파진동자(3)로 송신하고 일측의 초음파진동자(2)에서 수신하게 한다. 이렇게, 순방향과 역방향으로 초음파를 수발신함으로써, 순방향과 역방향에서의 초음파의 유체내 전파시간의 차이를 이용하여 유속을 측정한다.
한편, 상기 콘트롤러(4)에서는 초음파 신호(발사신호)를 발생시킨 시점부터, 초음파 신호(입사신호)가 다시 수신되어 콘트롤러(4)에 의해 인식될 때까지의 총시간을 인식한다. 그러나 유체의 속도를 계산하기 위한 상기 연산식에서의 시간 tAB와 시간 tBA 는 상기한 바와 같이 콘트롤러(4)에 의해 인식되는 총시간이 아니다. 즉, 상기 시간 tAB와 시간 tBA 는 초음파가 상기 초음파 진동자(2,3) 사이의 유체에서 전파된 시간만을 의미한다. 따라서, 콘트롤러(4)는 유량을 연산할 때, 콘트롤러(4)에서 인식한 총시간 중 초음파진동자(2,3) 사이의 유체에서 초음파가 전파된 시간이 아닌 그 외의 경로에서 경과된 시간(이하 지연시간이라 한다)을 감해주는 과정을 거쳐야 한다. 즉, 총시간 - 지연시간 = tAB (또는, tBA)가 되는 것이다.
상기 지연시간은 입사신호 또는 발사신호가 케이블(5,6)을 통과하는데 걸리는 시간과, 상기 콘트롤러(4)의 보드를 통과하는데 걸리는 시간을 포함하게 된다. 콘트롤러(4)는 상기 총시간만을 인식하기 때문에, 사용자는 상기 지연시간을 미리 측정하여 상기 콘트롤러(4)에 입력시켜주어야 한다.
이러한 지연시간의 측정은 일반적으로 유체를 정지시켜 놓은 상태에서 이루어진다. 즉, 유로(1)에서 유체를 정지시켜 놓고, 온도를 일정하게 유지한다. 유체가 특정되고, 이 유체가 정지해 있으며, 온도가 일정하게 유지되면, 이 유체를 통과하는 초음파의 음속(c)을 기존의 음속표 등을 통해서 알 수 있다. 예컨대, 유체가 물이며, 온도는 섭씨 20도로 일정하게 유지할 경우, 정지된 물에서 전파되는 초음파의 음속(c)은 1482.6m/sec이다. 초음파진동자(2,3) 사이의 거리는 스케일(예:마이크로미터) 등을 통해 측정할 수 있으므로, 상기 초음파진동자(2,3)사이의 거리를 상기 음속(c)으로 나누면, 초음파진동자(2,3)사이를 통과하는 초음파의 이론적 전파시간을 계산할 수 있다. 한편, 상기 콘트롤러(4)를 작동시켜 초음파를 수발신시키고, 총시간을 산출한다. 이 총시간은 상기 지연시간을 포함하고 있기 때문에, 상기 이론적 전파시간에 비하여 크다. 따라서, 상기 총시간으로부터 이론적 전파시간을 감한 시간이 케이블(5,6) 및 콘트롤러(4)으 보드등에서 발생되는 지연시간이 된다. 이 지연시간을 미리 콘트롤러(4)에 입력시켜, 콘트롤러(4)에서 인식한 총시간으로부터 지연시간을 감하는 소위 영점보정을 행하게 함으로써 상기 초음파유량계에서 정확하게 유속을 측정할 수 있게 된다.
상기한 방식의 영점보정은 유체를 정지시켜 놓고 지연시간을 측정해야 하므 로, 초음파유량계를 현장의 유로에 설치하기 전 실험실이나 공장에서 이루어지는 것이 일반적이었다. 그러나, 유체가 흐르고 있는 유로(4)에 소위 부단수시공을 통하여 초음파유량계를 새롭게 설치하는 경우, 또는 기존에 설치되어 있는 유량계에서 초음파 진동자를 교체하는 경우, 콘트롤러와 초음파 진동자간의 연결케이블을 교체하는 경우, 콘트롤러의 보드를 교체하는 경우 등 기존 유량계에 일정한 변화가 생기는 경우에는 그에 따라 지연시간이 변화하기 때문에 다시 지연시간을 측정하여야 한다. 이러한 경우들에 있어서, 유체를 정지시키고 지연시간을 측정하는 것은 매우 불편할 뿐만 아니라, 산업현장에도 큰 손해를 가져다 줄수도 있다. 예컨대, 송유관의 경우에 일시적으로 송유를 중단해야 되며, 냉각수를 공급하는 경우 이 냉각수가 작용하게 되는 장비의 운전을 멈추어야 된다는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체를 정지시키지 않고도 초음파유량계의 지연시간을 정확하게 측정할 수 있어, 지연시간 측정시 산업시설의 계속적 운전이 보장될 뿐만 아니라 매우 편리한 방식의 지연시간 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 지연시간을 이용하여 유체내에서 전파되는 초음파의 전파시간을 정확하게 측정할 수 있는 유체내 초음파 전파시간 측정방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지연시간 측정방법은, 상호 대응하여 초음파를 수발신할 수 있는 제1초음파진동자와 제2초음파진동자를 소정의 유체가 흐르는 유로에 설치하고, 상기 제1,제2초음파진동자가 초음파를 발사하도록 전기적 발사신호를 송신하고 상기 제1,제2초음파진동자로 입사된 초음파의 전기적 입사신호를 수신하는 콘트롤러를 상기 제1,제2초음파진동자에 연결하고, 그 유로내에 상기 유체를 흘리는 준비단계와, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제2초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제1초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제1시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제1측정단계와, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제1초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제2초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제2시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제2측정단계와, 일정 온도하에서 상기 소정의 유체에서의 초음파의 음속값을 이용하여, 상기 제1초음파진동자와 제2초음파진동자 사이의 거리에서 초음파의 이론적 전파시간을 구하는 산출단계와, 상기 제1시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제1지연시간을 구하는 단계와, 상기 제2시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제2지연시간을 구하는 단계 및 상기 제1지연시간과 제2지연시간을 더한 값을 2로 나누어 초음파유량계의 총 지연시간을 구하는 단계를 포함하는 것에 특징이 있다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체내 초음파 전파 시간 측정방법은, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파가 상기 제2초음파진동를 통해 입사됨으로써 입사신호가 상기 콘트롤러에 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호 수신시까지의 제1총시간을 측정하는 제1총시간측정단계와, 상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파가 상기 제1초음파진동를 통해 입사됨으로써 입사신호가 상기 콘트롤러에 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호 수신시까지의 제2총시간을 측정하는 제2총시간측정단계와, 상기 제1총시간으로부터 상기 총지연시간을 감하여 상기 제1초음파진동자로부터 상기 제2초음파진동자로 발사된 초음파가 상기 유체내를 통과하는데 걸리는 초음파 제1전파시간과, 상기 제2총시간으로부터 상기 총지연시간을 감하여 상기 제2초음파진동자로부터 상기 제1초음파진동자로 발사된 초음파가 상기 유체내를 통과하는데 걸리는 초음파 제2전파시간을 구하는 단계를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 초음파 유량계의 지연시간 측정방법에 관한여 더욱 상세히 설명한다
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파유량계의 지연시간 측정방법은, 준비단계, 제1측정단계, 제2측정단계, 산출단계, 연산단계를 포함한다.
상기 준비단계는 초음파 유량계를 유로(1)에 설치하고 이 유로(1)에 유체를 흘리는 단계이다. 도 2는 도 1에 도시된 초음파유량계에서 지연시간을 설명하기 위한 개략적 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1초음파진동자(2)를 상기 유로(1)에 대하여 일정 각도(θ)로 비스듬하게 이 유로(1)에 설치하고, 제2초음파진동자(3)도 상기 제1초음파진동자(2)와 대응되도록 일정 각도(θ)로 설치한다. 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)는 그 단면(端面)이 상호 대면하고 있으며, 서로 대응하여 초음파를 수발신할 수 있다. 한편, 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)를 콘트롤러(4)에 연결한다. 이 콘트롤러(4)는 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)에게 초음파를 발사하도록 전기적 발사신호를 송신하며, 또한 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)로 입사된 전기적 입사신호를 수신한다. 또한, 이 콘트롤러(4)는 상기 전기적 발사신호를 송신시부터 전기적 입사신호의 수신시까지의 총시간을 인식한다. 즉, 상기 콘트롤러(4)가 전기적 발사신호를 상기 제1초음파진동자(2)로 송신하고, 이 발사신호가 상기 제1초음파진동자(2)에서 기계적 탄성파로 변환되어 유체를 통해 상기 제2초음파진동자(3)로 입사된 후 다시 전기적 입사신호로 변환되어 상기 콘트롤러(4)에 수신되면, 콘트롤러(4)는 발사신호 송신시부터 입사신호의 수신시까지의 시간을 인식하게 된다. 또한, 이러한 과정은 역으로도 가능하다. 즉, 제2초음파진동자(3)로 발사신호를 송신시키고 제1초음파진동자(2)를 통해 입사신호를 수신하고, 그 총시간을 인식할 수도 있다.
한편, 상기 제1초음파진동자(2)로부터 발사된 기계적 탄성파가 상기 제2초음파진동자(3)로부터 반사되어 다시 제1초음파진동자(2)로 입사되면, 상기 콘트롤러(4)는 이 입사신호를 수신하며, 상기 제1초음파진동자(2)로 발사신호를 송신한 시점부터, 입사신호가 다시 제1초음파진동자(2)로 입사되어 수신될 때가지의 시간을 인식하게 된다. 또한, 이러한 과정은 역으로도 가능하다. 즉, 상기 제2초음파진 동자(3)로부터 발사된 신호가 상기 제1초음파진동자(2)로부터 반사되어 다시 제2초음파진동자(3)로 입사되어 수신될 때까지의 총시간을 인식할 수도 있다. 이렇게 초음파유량계의 설치가 완료되면, 상기 유로(1)에 유체를 흘리게 된다. 그러나, 이미 유로(1)에 유체가 흐르고 있는 상태라면, 유체를 정지시키지 않은 상태에서 상기 초음파진동자(2,3)와 콘트롤러(4)를 상기 유로(1)에 설치하면 된다.
이렇게 상기 준비단계가 완료되면, 상기 콘트롤러(4)로부터 상기 제1초음파진동자(2)가 초음파를 발사할 수 있도록 전기적 발사신호를 송신한다. 이 발사신호는 제1케이블(5)을 통하여 상기 제1초음파진동자(2)로 들어오며, 이 제1초음파진동자(2)에서 상기 유로(1)내의 유체를 향해 초음파가 발사된다. 이렇게 유체내로 초음파가 발사되면, 대부분의 초음파는 유체를 통과한 후 상기 제2초음파진동자(3)로 입사되지만 일부의 초음파는 이 제2초음파진동자(3)로부터 반사되어 다시 유체를 통과해서 상기 제1초음파진동자(2)로 입사되게 된다. 이렇게 다시 제1초음파진동자(2)로 입사된 초음파는 다시 전기적 입사신호로 변환되어 제1케이블(5)과 콘트롤러의 보드(미도시)를 거쳐 상기 콘트롤러(4)에 의하여 인식되게 된다. 상기 콘트롤러(4)는 발사신호 송신시부터 반사되어 돌아온 입사신호의 수신시까지의 제1시간(T1)을 측정함으로써 상기 제1측정단계가 완료된다.
상기 제2측정단계는 상기 제1측정단계를 역의 과정이다. 즉, 상기 콘트롤러(4)로부터 상기 제2초음파진동자(3)가 초음파를 발사할 수 있도록 전기적 발사신호를 송신한다. 이 발사신호는 제2케이블(56을 통하여 상기 제2초음파진동자(3)로 들어오며, 이 제2초음파진동자(3)에서 상기 유로(1)내의 유체를 향해 초음파가 발사된다. 이렇게 유체내로 초음파가 발사되면, 대부분의 초음파는 유체를 통과한 후 상기 제1초음파진동자(2)로 입사되지만 일부의 초음파는 이 제1초음파진동자(2)로부터 반사되어 다시 유체를 통과해서 상기 제2초음파진동자(3)로 입사되게 된다. 이렇게 다시 제2초음파진동자(3)로 입사된 초음파는 다시 전기적 입사신호로 변환되어 제2케이블(6)과 콘트롤러의 보드(미도시)를 거쳐 상기 콘트롤러(4)에 의하여 인식되게 된다. 상기 콘트롤러(4)는 발사신호 송신시부터 반사되어 돌아온 입사신호의 수신시까지의 제2시간(T2)을 측정하게 된다.
한편, 유체에서의 초음파의 음속값을 이용해 초음파의 이론적 전파시간을 구하는 산출단계가 행하여 진다. 우선, 상기 유로(1)내에서 흐르고 있는 유체의 온도를 측정한다. 낮과 밤과 같이 시간간격이 매우 크면 유체의 온도변화가 크겠지만, 매우 짧은 시간동안에는 온도의 변화가 거의 없으므로, 매우 짧은 시간동안의 유체의 온도는 일정하다고 볼 수 있다. 즉, 상기 제1시간과 제2시간을 측정하는 시간은 극히 짧은 시간이므로, 이 제1시간과 제2시간을 측정하는 동안 유체의 온도를 측정하면 유체의 온도는 그 시간동안 일정하다고 볼 수 있다. 유체에서 전파되는 초음파의 음속(c)은 유체가 무엇인지와 유체의 온도에 의해서만 결정되므로, 음속표를 통해서, 특정 온도하에서 특정 유체내에서 전파되는 초음파의 음속(c)을 알 수 있다. 한편, 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3) 사이의 거리(L)는 이를 설치할 때 이미 스케일등을 통해서 측정하여 알고 있다. 따라서, 상기 거리 (L)를 상기 초음파의 음속(c)으로 나누어 줌으로써, 이 유체내에서 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)사이를 초음파가 통과하는데 걸리는 초음파의 이론적 전파시간(Ti)을 구한다.
상기한 바와 같이, 준비단계, 제1측정단계, 제2측정단계 및 산출단계가 완료되면, 연산단계를 수행한다. 상기 연산단계는 제1지연시간(Tdelay1)을 구하는 단계와 제2지연시간(Tdelay2)을 구하는 단계 및 총지연시간(Tdelay3)을 구하는 단계를 포함한다.
상기 제1지연시간(Tdelay1)은 상기 제1시간(T1)으로부터 상기 이론적 전파시간(Ti)의 2배값을 감하므로써 구해진다.
즉, Tdelay1 = T1 - 2Ti
상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 제1시간(T1)은 상기 발사신호가 상기 제1케이블(5)을 통과하는 시간과, 초음파가 유체를 통해 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자 사이를 왕복하는데 걸리는 시간과, 상기 입사신호가 다시 제1케이블(5)을 통과하는데 걸리는 시간 및 콘틀롤러(4)의 보드를 거쳐 콘트롤러(4)에서 인식되기 까지의 시간으로 이루어진다. 이를 식으로 정리하면 다음과 같다.
T1 = 2T5 + tAB + tBA + TE
여기서, 상기 T5는 입사신호 또는 발사신호가 상기 제1케이블(5)을 통과하는데 걸리는 시간이며, 상기 tAB는 초음파가 유체를 통해 상기 제1초음파진동자(2)로부터 제2초음파진동자(3)사이를 통과하는데 걸리는 시간이며, 상기 tBA는 초음파가 유체를 통해 상기 제2초음파진동자(3)로부터 제1초음파진동자(2)사이를 통과하는데 걸리는 시간이며, 상기 TE는 상기 입사신호가 상기 콘트롤러(4)의 보드 등을 통해 이 콘트롤러(4)에 의하여 인식되기 까지의 콘트롤러에서 걸리는 시간이다.
이때, 상기 tAB는 유체의 흐름방향을 따라 초음파가 진행하므로, 상기 유체의 흐름방향에 대하여 역으로 진행하는 상기 tBA에 비하여 크다. 그러나, 상기 tAB와 tBA의 합은, 유체가 정지한 조건과 특정온도 하에서의 초음파가 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3)사이의 거리를 왕복하는 데 걸리는 시간 즉, 상기 이론적 전파시간(Ti)을 2배한 값과 근사하게 일치한다.
즉, tAB + tBA ≒ 2Ti
이는 유체의 유속에 의하여 상기 tAB는 상기 유체의 이론적 전파시간(Ti)보다 작게되고, 상기 tBA는 상기 이론적 전파시간(Ti)보다 크게 되기 때문이다. 하지만 초음파가 유속이 있는 유체를 왕복하게 되면, 유속의 영향이 상쇄되므로, 상기한 바와 같은 결과를 근사적으로 얻을 수 있게 된다.
따라서, T1 = 2T5 + tAB + tBA + TE = 2T5 + 2Ti + TE 의 식이 성립한다.
상기 T1에서 2Ti를 감하면 상기 제1지연시간(Tdelay1)이 구해지게 된다.
즉, Tdelay1 = T1 - 2Ti 결국, 상기 제1지연시간(Tdelay1)은 입사신호와 발사신호가 각기 상기 제1케이블(5)을 통과하는 데 걸리는 시간과, 콘트롤러(4)에서의 지연시간을 더한 값이 된다.
상기 제2지연시간(Tdelay2)은 상기 제2시간(T2)으로부터 상기 이론적 전파시간(Ti)의 2배값을 감하여 구해진다.
즉, Tdelay2 = T2 - 2Ti
상기 제2시간(T2)은 상기 발사신호가 상기 제2케이블(6)을 통과하는 시간과, 초음파가 유체를 통해 상기 제2초음파진동자(3)와 제1초음파진동자(2) 사이를 왕복하는데 걸리는 시간과, 상기 입사신호가 다시 상기 제2케이블(6)을 통과하는데 걸리는 시간 및 콘틀롤러(4)의 보드를 거쳐 콘트롤러(4)에서 인식되기 까지의 시간으로 이루어진다. 이를 식으로 정리하면 다음과 같다.
T2 = 2T6 + tBA + tAB + TE
여기서, 상기 T6는 입사신호 또는 발사신호가 상기 제2케이블(6)을 통과하는데 걸리는 시간이며, 상기 tAB는 초음파가 유체를 통해 상기 제1초음파진동자(2)로부터 제2초음파진동자(3)사이를 통과하는데 걸리는 시간이며, 상기 tBA,tAB와 TE는 상기 제1지연시간(Tdelay1)을 구하는 단계에서 설명한 바와 동일하다.
위에서 설명한 바와 같이, tAB + tBA ≒ 2Ti 라는 식이 성립된다.
따라서, T2 = 2T6 + tAB + tBA + TE = 2T6 + 2Ti + TE 의 식이 성립한다.
상기 T2에서 2Ti를 감하면 상기 제2지연시간(Tdelay2)이 구해지게 된다.
즉, Tdelay2 = T2 - 2Ti 결국, 상기 제2지연시간(Tdelay2)은 입사신호와 발사신호가 각기 상기 제2케이블(6)을 통과하는 데 걸리는 시간과, 콘트롤러(4)에서의 지연시간을 더한 값이 된다.
이렇게 상기 제1지연시간(Tdelay1)과 제2지연시간(Tdelay2)이 구해지면, 이 제1지연시간(Tdelay1)과 제2지연시간(Tdelay2)을 더하여 2로 나누면 초음파 유량계에서의 총지연시간(Tdelay3)이 구해진다.
즉, (Tdelay1 + Tdelay2)/2 = Tdelay3
Tdelay1 + Tdelay2 = (2T5 + TE) + (2T6 + TE) = 2T5 + 2T6 + 2TE
따라서, (Tdelay1 + Tdelay2)/2 = T5 + T6 + TE 식이 성립한다.
이 식은, 상기 콘트롤러(4)로부터 전기적 발사신호가 송신되고, 이 발사신호가 상기 제1케이블(5)을 통하여 상기 제1초음파진동자(2)로 들어옴에 따라, 이 제1초음파진동자(2)로부터 유체내로 초음파가 발사되고, 이 발사된 초음파가 상기 제2초음파진동자(3)로 입사되어 상기 제2케이블(6)을 통과하고 상기 콘트롤러(4)의 보 드등을 통해 최종적으로 상기 콘트롤러(4)에 의하여 입사신호가 인식될 때까지의 과정에 있어서, 상기 총지연시간(Tdelay3)은 상기 초음파가 순수하게 상기 제1초음파진동자(2)와 제2초음파진동자(3) 사이의 유체에서 전파된 시간을 제외한 나머지 지연시간을 의미한다. 즉, 상기 제1케이블(5), 제2케이블(6) 및 콘트롤러(4)에서 지연된 시간을 의미한다. 역으로, 상기 제2초음파진동자(3)로부터 초음파가 발사되어 상기 제1초음파진동자(2)를 통해 입사되어 최종적으로 콘트롤러(4)에 의하여 인식되는 과정에 있어서, 상기 총지연시간(Tdelay3)은 상기 초음파가 순수하게 상기 제2초음파진동자(3)와 제1초음파진동자(2) 사이의 유체에서 전파된 시간을 제외한 나머지 지연시간을 나타내기도 한다. 이렇게 상기 연산단계가 완료되면, 초음파유량계에서 초음파가 순수하게 유체를 통과하는데 걸리는 시간 외의 지연시간이 정확하게 측정되게 된다.
이하, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체내 초음파 전파시간 측정방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 전파시간 측정방법은, 준비단계, 제1총시간측정단계, 제2총시간측정단계, 제1측정단계, 제2측정단계, 이론적 전파시간 산출단계, 제1시연시간을 구하는 단계, 제2지연시간을 구하는 단계, 총지연시간을 구하는 단계 및 초음파 제1전파시간과 초음파 제2전파시간을 구하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 유체내 초음파 전파시간 측정방법에서도, 위에서 설명한 초 음파 유량계의 지연시간 측정방법에서와 동일하게 상기 준비단계, 제1측정단계, 제2측정단계, 이론적 전파시간 산출단계, 제1시연시간을 구하는 단계, 제2지연시간을 구하는 단계, 총지연시간을 구하는 단계가 시행됨으로써, 상기 총지연시간(Tdelay3)이 측정된다. 이 과정들은 위에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
한편, 상기 콘트롤러(4)는 상기 제1케이블(5)을 통해 상기 제1초음파진동자(2)로 발사신호를 송신하며, 발사신호가 인가되면 상기 제1초음파진동자(2)는 유체내로 초음파를 발사하고 이 발사된 초음파는 상기 제2초음파진동자(3)로 입사되고 전기적 입사신호로 변환되어 상기 제2케이블(6)을 통해 최종적으로 상기 콘트롤러(4)에 수신된다. 이러한 과정에서, 상기 콘트롤러(4)는 상기 발사신호 송신시로부터 상기 입사신호가 콘트롤러에 의하여 수신된 시간까지의 시간을 측정하며, 이 시간이 초음파제1총시간(Ttotal1)이 된다. 역으로, 상기 콘트롤러(4)는 상기 제2케이블(6)을 통해 상기 제2초음파진동자(3)로 발사신호를 송신하며, 발사신호가 인가되면 상기 제2초음파진동자(3)는 유체내로 초음파를 발사하고 이 발사된 초음파는 상기 제1초음파진동자(2)로 입사되고 전기적 입사신호로 변환되어 상기 제1케이블(5)을 통해 최종적으로 상기 콘트롤러(4)에 수신된다. 이러한 과정에서, 상기 콘트롤러(4)는 상기 발사신호 송신시로부터 상기 입사신호가 콘트롤러에 의하여 수신된 시간까지의 시간을 측정하며, 이 시간이 초음파제2총시간(Ttotal2)이 된다.
이렇게 상기 총지연시간(Tdelay3)과 제1총시간(Ttotal1) 및 제2총시간(Ttotal2)이 구해지면, 상기 제1총시간(Ttotal1)으로부터 상기 총지연시간(Tdelay3)을 감하여 유체가 순수하게 상기 제1초음파진동자(2)로부터 발사되어 유체를 통해 상기 제2초음파진동자(3)로 전파된 시간인 초음파 제1전파시간(Tnet1)을 구하고, 또한 상기 제2총시간(Ttotal2)으로부터 상기 총지연시간(Tdelay3)을 감하여 유체가 순수하게 상기 제2초음파진동자(3)로부터 발사되어 유체를 통해 상기 제1초음파진동자(2)로 전파된 시간인 초음파 제2전파시간(Tnet2)이 구해진다. 즉, 콘트롤러(4)에서 초음파 발사신호를 송신할 때부터 수신될 때까지 인식된 시간에서 상기 총지연시간을 감하는 영점보정을 수행함으로써, 유체내의 초음파 전파시간을 정확하게 측정할 수 있는 것이다.
이렇게 구하여진 상기 초음파 제1전파시간(Tnet1)과 제2전파시간(Tnet2)을 이용하여, 위에서 설명한 바와 같이, 상기 제2전파시간(Tnet2)으로부터 상기 제1전파시간(Tnet1)을 감하여 그 시간차를 구하고, 이 시간차를 이용하여 유체의 유속(V)을 측정할 수 있게 된다. 유체의 유속(V)이 측정되면, 이 유속(V)에 유체의 단면적으로 곱함으로써 유로(1)를 흐르고 있는 유체의 유량을 산출할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파유량계의 지연시간 측정방법과 유체내 초음파 전파시간 측정방법은, 유체가 흐르고 있는 조건에서도 초음파유량계의 지연시간을 측정할 수 있어 산업시설의 계속적 운전이 보장될 수 있고 매우 편리할 뿐만 아니라, 이러한 편리성으로 인하여 초음파유량계에서 영점보정을 빈번하게 수행함으로써 초음파가 순수하게 유체를 통과하는데 걸리는 전파시간을 정확하게 측정하게 됨으로써, 유로를 흐르는 유량을 정확하게 산출할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 상호 대응하여 초음파를 수발신할 수 있는 제1초음파진동자와 제2초음파진동자를 소정의 유체가 흐르는 유로에 설치하고, 상기 제1,제2초음파진동자가 초음파를 발사하도록 전기적 발사신호를 송신하고 상기 제1,제2초음파진동자로 입사된 초음파의 전기적 입사신호를 수신하는 콘트롤러를 상기 제1,제2초음파진동자에 연결하고, 그 유로내에 상기 유체를 흘리는 준비단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제2초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제1초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제1시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제1측정단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제1초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제2초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제2시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제2측정단계;
    일정 온도하에서 상기 소정의 유체에서의 초음파의 음속값을 이용하여, 상기 제1초음파진동자와 제2초음파진동자 사이의 거리에서 초음파의 이론적 전파시간을 구하는 산출단계; 및
    상기 제1시간, 제2시간 및 이론적 전파시간을 이용하여, 초음파유량계의 지연시간을 연산하는 연산단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파유량계의 지연시간 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산단계는,
    상기 제1시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제1지연시간을 구하는 단계;
    상기 제2시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제2지연시간을 구하는 단계; 및
    상기 제1지연시간과 제2지연시간을 더한 값을 2로 나누어 초음파유량계의 총 지연시간을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파유량계의 지연시간 측정방법.
  3. 일정한 유로내에서 흐르고 있는 유체에 초음파를 발사하여, 이 초음파가 유체를 통과하는 데 걸리는 초음파 전파시간을 구하는 방법으로서,
    상호 대응하여 초음파를 수발신할 수 있는 제1초음파진동자와 제2초음파진동 자를 소정의 유체가 흐르는 유로에 설치하고, 상기 제1,제2초음파진동자가 초음파를 발사하도록 전기적 발사신호를 송신하고 상기 제1,제2초음파진동자로 입사된 초음파의 전기적 입사신호를 수신하는 콘트롤러를 상기 제1,제2초음파진동자에 연결하고, 그 유로내에 상기 유체를 흘리는 준비단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파가 상기 제2초음파진동를 통해 입사됨으로써 입사신호가 상기 콘트롤러에 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호 수신시까지의 제1총시간을 측정하는 제1총시간측정단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파가 상기 제1초음파진동를 통해 입사됨으로써 입사신호가 상기 콘트롤러에 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호 수신시까지의 제2총시간을 측정하는 제2총시간측정단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제1초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제2초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제1초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제1시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제1측정단계;
    상기 콘트롤러로부터 초음파 발사신호를 송신하여 상기 제2초음파진동자로부터 초음파를 유체내로 발사시키고, 이 발사된 초음파 중 일부가 상기 제1초음파진동자로부터 반사되어 다시 상기 제2초음파진동자로 입사됨으로써 상기 콘트롤러에 입사신호가 수신되면, 상기 발사신호 송신시로부터 입사신호의 수신시까지의 제2시간을 상기 콘트롤러에 의하여 측정하는 제2측정단계;
    일정 온도하에서 상기 소정의 유체에서의 초음파의 음속값을 이용하여, 상기 제1초음파진동자와 제2초음파진동자 사이의 거리에서 초음파의 이론적 전파시간을 구하는 산출단계;
    상기 제1시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제1지연시간을 구하는 단계;
    상기 제2시간으로부터 상기 이론적 전파시간의 2배값을 감하여 제2지연시간을 구하는 단계;
    상기 제1지연시간과 제2지연시간을 더한 값을 2로 나누어 초음파유량계의 총 지연시간을 구하는 단계; 및
    상기 제1총시간으로부터 상기 총지연시간을 감하여 상기 제1초음파진동자로부터 상기 제2초음파진동자로 발사된 초음파가 상기 유체내를 통과하는데 걸리는 초음파 제1전파시간과, 상기 제2총시간으로부터 상기 총지연시간을 감하여 상기 제2초음파진동자로부터 상기 제1초음파진동자로 발사된 초음파가 상기 유체내를 통과하는데 걸리는 초음파 제2전파시간을 구하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유체내 초음파 전파시간 측정방법.
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