KR100781092B1 - 초음파를 이용한 계면측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 발신에 의한 반송파를 감지하는 초음파 센서를 구비하여 계면과 센서 간의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다.

초음파 센서를 이용한 계면 간의 거리 측정은 매질과 온도에 따른 초음파의 전달 속도가 일정함을 이용한 수처리 분야의 적용 기술로서, 반송되는 여러 신호 중에 계면으로부터 반사된 신호인 유효 신호를 정확히 판별하는 것이 이 기술의 관건이 된다.

그러나 종래의 측정방법은 시간 축 정보를 기준으로 유효신호가 수신되는 시점 이전의 잡음을 제거하는 상황별 필터링에만 치중하여 시스템의 범용성을 갖추기 어렵고 돌발 상황에 대한 대처능력이 없어 측정의 정확성을 기대할 수 없는 문제가 있다.

이에 본 발명은 수신신호의 시간 축 정보 이외에도 신호의 높이, 넓이 및 기타 다양한 정보를 활용하여 계면에서 반사된 유효신호를 정확히 검출해 내는 범용성 있는 초음파를 이용한 계면 측정방법을 제공하고자 한다.

초음파, 계면

Description

초음파를 이용한 계면측정방법{Ultrasonic interface detecting method}

도 1은 액체계면으로서의 수면 수위측정 현장의 예시도

도 2는 고체계면으로서의 슬러지 계면측정 현장의 예시도

도 3은 초음파를 이용한 계면측정시 수신신호의 파형도

도 4는 본 발명에 따른 계면측정방법의 처리 흐름도

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1, 1a : 초음파 센서 2, 2a : 계면

본 발명은 초음파를 이용한 계면측정방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 초음파 발신에 의한 반송파를 감지하는 초음파 센서를 구비하여 계면과 센서 간의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다.

초음파 센서를 이용한 계면 간의 거리 측정은 매질과 온도에 따른 초음파의 전달 속도가 일정함을 이용한 수처리 분야의 적용 기술로서, 초음파 신호의 반송에 걸리는 시간을 측정하여 계면(e.g. 슬러지 계면, 수면)과의 거리를 산출하는 것인바, 반송되는 여러 신호 중에 계면으로부터 반사된 신호인 유효 신호를 정확히 판 별하는 것이 이 기술의 관건이 된다.

종래의 초음파를 이용한 계면 간의 거리 측정 기술은 시간 축을 기준으로 주파수 별 신호 처리 혹은 신호 변조를 통한 패턴 구현, 문턱 전압, 불 감지 영역 설정 등의 잡음 제거 기능 도입과 주기적인 출몰 (잡음)신호에 대한 시간 및 거리 지정 기능 등을 도입하여 유효 신호를 판별하여 왔다.

도 1은 일반적으로 초음파센서를 이용하여 액체 수면을 측정하는 현장의 예로서, 수면과 이격되어 공기 중에 설치된 초음파 센서(1)가 발신한 초음파 신호가 공기 중을 진행하여 수면인 액체 계면과 만나 반사되는데 걸리는 시간 및 공기라는 매질의 특성에 따른 초음파 속도를 기준으로 액체 수면(2)과 초음파 센서(1) 간의 거리를 산출한다.

정확한 측정을 위하여 센서는 가급적 장애물의 영향을 받지 않는 곳에 설치하는 것이 바람직하지만, 현장의 상황에 따라 장애물을 유지한 채 설치해야 하는 경우도 있고 이동 장애물도 출몰할 수 있을 뿐만 아니라, 초음파 센서에서 매질로 전파하는 초음파는 제조되는 센서의 형상 또는 주파수 특성에 따라 6 ~ 180도 정도의 신호 확산 범위를 형성하기 때문에 현장의 장애물을 완전히 제거하는 것은 현실적으로 불가능하다.

도면에서는 고정 장애물(3)과 이동 장애물(4)을 임의로 예상하여 도시한 것으로, 이러한 다양한 장애물에 의해 반사된 신호를 제거하고 수면의 반사신호인 유효신호만을 정확히 판별해 낼 수 있는 기술이 무엇보다 절실하다고 하겠다.

도 2는 수중에 설치된 초음파 센서를 이용하여 슬러지(고형물, 고체)의 계면 을 측정하는 현장의 예로서, 도 1의 경우와 달리 측정 대상 계면이 고형물(슬러지)이라는 점과 매질이 액체(수중)라는 것에만 차이가 있는바, 액체 중 초음파 신호의 진행이 슬러지 계면에서 반사되는 데에 걸리는 시간 및 매질의 특성에 따른 초음파 전달 속도를 기준으로 수중 센서(1a)와 슬러지 계면(2a)까지의 거리를 산출하게 된다.

이와 같은 슬러지 계면 측정을 위한 현장에도 수 처리를 위한 여러 가지 장애물들이 존재하며 역시 고정(3a) 및 이동 장애물(4a)을 예상할 수 있다.

도 3은 상기의 예에서 측정 개시 시점부터 완료 시점까지 초음파 센서(1, 1a)를 통하여 수신되는 신호의 형태를 예시하고 있는데, 이는 가상의 장애물을 설정하고 그에 따른 신호를 수신한 경우에 대한 것이다.

장애물이 존재하지 않는 이상적인 상황이라면 제일 먼저 도착한 신호가 유효신호이겠으나, 실제 상황에서는 유효신호에 앞서 다양한 잡음신호가 수신된다.

따라서 계면까지의 거리측정에 있어서 유효 신호 앞에 발생하는 잡음 신호를 제거하고 유효신호를 판별하는 데에 있어서 정확성이 극대화될 수 있는 방법이 필요한 것이다.

신호 A는 센서가 가지는 발진 후 여진 신호(Ringing)이고, 신호 B는 고정 장애물에 의한 신호이며, 신호 C는 이동 장애물에 의한 신호이고, 신호 D가 유효 신호이며, 신호 E는 거리에 따라 발생할 수 있는 두번째 반향파를 가정한 것이다.

이와 같이 다양한 잡음신호가 수신되는 상황에서 종래 기술은 신호를 변조하여 처리하지 않고 시간 축 상에서의 정보만으로 유효신호를 판별하는바, 센서 자체 여진인 신호 A를 불감지 영역설정으로 제외하고 신호 B를 문턱 전압 설정으로 제외하게 된다.

신호 C의 경우도 문턱 전압으로서 제외 가능하나 이동 장애물에서 반사되는 신호의 크기는 일정하지 않으며 유효신호인 D의 크기도 일정하지 않으므로 두 신호가 비슷할 경우 문턱 전압만으로 구분하기 힘든 경우가 많다.

따라서 종래에는 이동 장애물이 발생하는 지점(신호 C는 이동 장애물이므로 나타나는 주기가 생긴다. 하지만 이동 장애물에 의한 신호가 여러 개인 경우도 많다)을 설정하는 기능을 두거나 유효신호보다 신호가 점유하는 시간 너비이 좁은 경우가 대부분이므로 신호의 너비에 해당하는 시간 정보로 구분하는 방법들을 사용하였지만, 이 경우 현장에 따라 재설정해야 하며 신호는 진너비과 너비, 넓이 등이 일정하지 않은 특성이 있으므로 오히려 측정 오류의 원인을 제공하는 문제가 있었다.

신호 E의 경우 본 신호보다 뒤에 들어오는 신호이고 크기가 비슷하거나 작게 되므로 기본적으로 먼저 들어온 신호를 잡아내는 알고리즘의 흐름 상 구분이 용이하며 이런 신호가 측정에 영향을 미치지는 않는다.

이와 같이 종래의 측정방법은 시간 축 정보를 기준으로 제한된 몇 가지 신호의 예를 통해 신호를 변조하여 구분하거나 잡음을 제거하다 보니 잡음신호에서 자유로울 수 없으며 많은 오류 요인들을 내포하고 있다.

따라서 종래의 기술은 유효신호가 수신되는 시점 이전의 잡음을 제거하기 위해 상황별 필터링에만 치중하게 되어 시스템의 범용성을 갖추기 어렵고 돌발 상황 에 대한 대처능력이 없어 측정의 정확성을 기대할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 종래 기술의 상술한 판별 오류 현상을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 수신신호의 시간 축 정보 이외에도 신호의 높이, 넓이 및 기타 다양한 정보를 활용하여 계면에서 반사된 유효신호를 정확히 검출해 낼 수 있고 범용성 있는 방법을 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 초음파 센서를 구비하여 초음파 반사신호를 감지하여 센서와 계면 간의 거리를 측정하는 초음파 계면 측정 방법에 있어서, 초음파가 발신되는 단계; 발신된 초음파가 반사되어 수신되는 단계; 상기 단계에서 수신한 신호를 샘플링하여 문턱 전압 값 이상에서 다시 문턱 전압 값 이하로 떨어지기까지의 샘플링 신호값을 추출하는 단계; 수신 신호의 수신 시간 정보를 추출하는 단계; 상기 단계를 통해 추출된 정보를 토대로 각 신호별 판별 수치를 계산하고 최대값인 유효신호를 선별하는 단계; 선별된 유효신호의 수신 시간 정보를 획득하는 단계; 및 상기 단계에서 획득한 유효신호의 시간정보 및 매질별 초음파 진행속도를 토대로 계면 거리를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법을 제공한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 상세히 설명한다.

일반적으로 측정하고자 하는 계면은 가장 큰 면적을 형성하게 되므로 이로부 터 반사되는 초음파 신호 또한 가장 큰 특징이 있는바, 도 3을 보면 신호 D가 유효신호일 가능성이 가장 크다는 것을 알 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 종래 시간축의 정보만을 활용한 필터링 기법 등으로는 유효신호를 정확히 구분해 낼 수 없는 바, 본 발명은 잡음 신호의 특성에 일일이 대처해야 하는 필터링 기능을 사용하지 않고도 유효신호를 검출해 낼 수 있는 범용성있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 수신된 신호 중 유효신호일 가능성이 가장 큰 신호는 가장 넓은 면적을 가지며, 가장 먼저 수신된 신호라는 가정에서 출발한다. 하지만 유효신호는 면적만 가장 넓은 것이 아니고 일정한 비율로 수신 신호를 증폭시키는 회로 구성으로 인하여 높이값도 타 신호에 비하여 높은 특성을 보인다.

이와 같은 유효신호의 특성을 감안한 파리미터를 제공하는 본 발명에 따른 산출 식으로부터 각 신호 별 판별수치(R_n)를 구하여 이값 중 가장 큰 값을 유효신호의 값으로 판단하고 해당 신호(n)의 시간 값을 토대로 거리를 산출하고자 하는 것이 본 발명의 기술사상이다.

상기 판별수치(R_n)는 입력되는 모든 신호가 문턱 전압를 통과하는 시간 정보(tr_n)인 신호의 수신 시점에 대한 정보 이외에 신호의 높이, 면적과 너비에 대한 정보를 이용한다.

여기서 신호라 함은 하나의 파형을 나타내는 하나의 신호(예: A,B,C,D 또는E)로서 문턱 전압 이상에서 연속적으로 변화하는 입력(문턱 전압 통과 후 다시 문 턱 전압보다 작아지는 시점까지의 신호) 전체를 의미한다.

상기 필요한 정보를 얻기 위해서 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 문턱 전압 값 이상에서 다시 문턱 전압 값 이하로 떨어지기까지의 샘플링 신호값(S_n)을 추출하여 면적 값은 샘플링 신호(S_n)의 적분값(∫S_ndt)이고, 높이 값은 상기 샘플링 신호(S_n) y축의 최대 값(Peak_n )이며, 너비값은 샘플링 신호(S_n) x축의 최대 값(Width_n )이 된다.

유효신호의 특성상 면적 값이 가장 클 것이므로 아래 식 1과 같이 신호 별 면적 값을 판별수치로 하여 유효신호를 판별할 수 있다.

R_n = ∫S_ndt (식 1)

따라서 상기 식 1에 의해 산출된 판별수치(R_n)중 가장 큰 값이 유효 신호로 선택되고 상기 유효신호의 시간정보(tr_n)를 토대로 계면까지의 거리를 산출할 수 있다.

그러나 유효신호 판별의 정확성을 보다 높이기 위하여 아래 식 2와 같이 유효신호의 특성 중 하나인 신호별 높이값(Peak_n )을 더 포함하여 판단할 수 있다.

R_n = W_d * ∫S_ndt * W_p * Peak_n (식 2)

이때 상기 W_d 와 W_p 는 각각 면적 가중치 및 높이값 가중치로서 현장 상황에 맞게 상기 두 가지 특성 중 유효신호 판별에 더욱 유리한 파라미터에 가중치를 두 어 유효신호 판별의 정확성을 높이기 위하여 활용된다.

더욱 정밀한 판단을 위하여 아래 식 3과 같이 너비값(Width_n)과 시간정보(tr_n)를 더 포함하여 판단할 수 있다.

R_n = (W_d * ∫S_ndt + W_w * Width_n - W_tr * tr_n) * W_p * Peak_n (식 3)

마찬가지로 상기 W_d, W_p, W_w, W_tr 는 각각 면적 가중치, 높이값 가중치, 너비 가중치 및 시간값 가중치로서 현장 상황에 맞게 유효신호 판별에 더욱 유리한 조건에 가중치를 두어 유효신호 판별의 정확성을 높이기 위하여 활용된다.

본 발명에 따른 측정방법에서는 이전 유효신호를 포함하는 일정영역(Window)을 설정하여 이 영역 내에 있는 값들에 한해 가중치를 곱해주어 더욱 정확한 유효신호 판별을 가능하게 하는바, 아래 식 4와 같이 시간 유사성을 기준으로 한 시간 유사성 가중치(W_TW)를 이용할 수 있다.

R_n = W_TW * (W_d * ∫S_ndt + W_w * Width_n - W_tr * tr_n) * W_p * Peak_n (식 4)

즉, 상기 시간 유사성 가중치(W_TW)는 유효신호가 발생했던 시간기준의 영역 내에서 검출된 신호라면 유효신호일 가능성이 크다고 보아 이에 가중치를 부가하는 것이다.

물론 상기 시간 유사성 가중치(W_TW)도 다른 가중치 (W_d, W_p, W_w, W_tr )와 마찬가지로 현장 상황에 따라 정해진 유효신호 판별 기여도를 수치화하여 이를 식에 적용하는 것이다.

상기 식에 사용된 파라미터를 다시 정리하면, R_n 은 각 신호에 대한 판별수치, S_n 은 각 신호의 Sampling 된 데이터 값, Width_n는 각 신호의 너비값, tr_n 은 각 신호의 수신 시간 정보, Pick_n 는 각 신호의 높이값, W_TW 는 시간 유사성 가중치, W_d, W_w, W_tr, W_p 는 각각 면적, 너비, 수신시간, 높이값 가중치이다.

상기 식을 이용하여 산출된 각 신호에 대한 결과값인 판별수치(R_n)을 비교하여 가장 큰 값이 유효 신호이며 유효 신호의 순서 정보인 n 에 해당되는 수신 시간 정보 tr_n으로 계면까지의 거리를 계산할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 측정방법을 이용하여 계면을 측정하는 과정을 나타낸 흠름도로서, 초음파가 발신되는 단계(s10) 및 발신된 초음파가 반사되어 수신되는 단계(s11)를 거쳐, 수신된 신호를 샘플링하여 문턱 전압 값 이상에서 다시 문턱 전압 값 이하로 떨어지기까지의 샘플링 신호값을 추출하는 단계(s12) 및 수신 신호의 수신 시간 정보를 추출하는 단계(s13)가 동시에 수행되고, 상기 s12 및 s13단계를 통해 추출된 정보를 토대로 각 신호별 판별 수치 R_n를 계산하고 최대값을 유효신호로 선별하는 단계(s14), 선별된 n번째 수신 신호의 수신 시간 정보 tr_n를 획득하는 단계(s15) 및 상기 획득한 시간정보를 토대로 계면 거리를 계산하는 단계(s16)를 수행한다.

상기 s16단계의 계면 거리 측정은 종래 방법에 따르며, 일반적으로 매질별로 다르게 나타나는 초음파 진행속도 값과 유효신호의 시간 값의 평균값이 된다.

이와 같이 본 발명은 다양한 매질에서 다양한 성질의 계면을 측정할 수 있는 공통의 방법을 제공하게 되는데, 매질 별 초음파의 속도를 이용하여 판별된 유효신호의 시간 값을 대입하여 거리를 산출하기만 하면 된다.

본 발명에 따르면, 다양한 정보를 기반으로 가변적인 현장 상황에 적응성이 뛰어난 초음파 계면 측정 방법을 제공하므로, 정확한 계면 거리 측정이 가능하고 매질과 계면의 종류 및 장애물의 상황적 특성을 불문하고 모든 현장에 적용 가능한 범용성을 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 초음파 센서를 구비하여 초음파 반사신호를 감지하여 센서와 계면 간의 거리를 측정하는 초음파 계면 측정 방법에 있어서,

   a) 초음파가 발신되는 단계;

   b) 발신된 초음파가 반사되어 수신되는 단계;

   c) 상기 단계에서 수신된 신호를 샘플링하여 문턱 전압 값 이상에서 다시 문턱 전압 값 이하로 떨어지기까지의 샘플링 신호값을 추출하는 단계;

   d) 수신 신호의 수신 시간 정보를 추출하는 단계;

   e) 상기 단계를 통해 추출된 샘플링 신호값 및 수신시간 정보인 시간값를 토대로 각 신호별 판별 수치(R_n)를 계산하고 판별수치 중 최대값을 유효신호 값으로 선별하는 단계;

   f) 선별된 유효 신호의 수신 시간 정보를 획득하는 단계; 및

   g) 상기 단계에서 획득한 시간정보 및 매질별 초음파 진행속도를 토대로 계면 거리를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 아래 식과 같이 상기 샘플링 신호값(S_n)의 적분값인 면적값을 판별수치(R_n)로 하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법.

   R_n = ∫S_ndt
3. 제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 아래 식과 같이 상기 샘플링 신호값(S_n)의 적분값인 면적값과 샘플링 신호(S_n)의 y축 최대값인 높이값(Peak_n)을 곱하고, 상기 면적값 및 높이값과는 유효신호 판별 기여도에 따라 정해진 면적값 가중치(W_d) 및 높이값 가중치(W_p)가 각각 곱해져 판별수치(R_n)를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법.

   R_n = W_d * ∫S_ndt * W_p * Peak_n
4. 제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 아래 식과 같이 상기 샘플링 신호(S_n)의 적분값인 면적값과 샘플링 신호(S_n)의 x축 최대값인 너비값(Width_n)을 더하고 이로부터 수신시간 정보인 시간값(tr_n)를 뺀 값에 샘플링 신호(S_n)의 y축 최대값인 높이값(W_p)을 곱하되, 상기 면적값, 너비값(Width_n), 시간값(tr_n) 및 높이값(W_p)은 유효신호 판별 기여도에 따라 정해진 면적값 가중치(W_d), 너비값 가중치(W_w), 시간값 가중치(W_tr) 및 높이값 가중치(W_p)를 각각 곱하여 판별수치(R_n)를 산출하는 것을 특징 으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법.

   R_n = (W_d * ∫S_ndt + W_w * Width_n - W_tr * tr_n) * W_p * Peak_n
5. 제 4항에 있어서, 상기 시간값이 이전 유효신호의 시간값 영역에 포함되면, 상기 샘플링 신호의 적분값인 면적값과 샘플링 신호의 x축 최대값인 너비값(Width_n)을 더하고 이로부터 수신시간 정보인 시간값(tr_n)를 뺀 값에 아래 식과 같이 이전 유효신호의 시간영역에 포함될 경우 시간유사성 가중치(W_TW)를 곱하여 판별수치(R_n)를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 계면 측정방법.

   R_n = W_TW * (W_d * ∫S_ndt + W_w * Width_n - W_tr * tr_n) * W_p * Pick_n

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