KR100993617B1 - 외벽부착식 초음파 다회선 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 흐르는 관의 외벽에 초음파 센서를 부착하는 다회선 유량계에 관한 것으로서, 특히 상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 한 쌍의 기준센서; 및 상기 기준센서의 측면을 따라 상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 상기 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 적어도 한 쌍 이상의 원주센서;를 포함하고, 상기 쌍을 이루는 원주센서들이 상기 관의 직경을 포함하는 단면상에서 관의 중심과 이루는 각(θ_i) 및 상기 관의 길이방향을 따라 관의 길이방향 중심축과 이루는 각(φ_i)을 갖도록 배치되고, 상기 원주센서들이 하기의 식들을 만족시키도록 상기 원주센서들을 관의 외벽에 고정된 센서슈에 장착되는 것을 특징으로 한다.

,

,

,

,

{여기에서 i는 각 층별을 지시하는 회선번호이자 각도를 표시하는 기호이고, C₄와 δ_i는 각각 유체매질의 음속과 굴절각, C₃와 γ_i는 각각 제2 중간매질의 음속과 굴절각, C₂와 β_i는 각각 제1 중간매질의 음속과 굴절각, C₁과 α_i는 센서슈 재질의 음속과 입사각임}

Description

외벽부착식 초음파 다회선 유량계{Clamp on typed multi-path ultrasonic flowmeter}

본 발명은 초음파를 사용한 유량계에 관한 것으로서, 특히 유체가 흐르는 관의 외벽에 직접 초음파 센서를 부착하여 관 내의 유량을 측정하되 상기 초음파 센서는 관내를 서로 평행하게 가로지르는 다수개 회선의 초음파를 방출하는 것을 특징으로 하는 외벽부착식 초음파 다회선 유량계에 관한 것이다.

유체의 유량관리가 중요한 산업현장에서는 관내 유체의 유량을 측정하기 위해 다양한 유량계를 사용하고 있는데, 일반적으로 유체유량을 측정하는 유량계의 종류는 전자기 유량계, 차압식 유량계, 터빈 유량계, 초음파 유량계 등 다양한 방식이 있다. 각 유량계의 유량측정에서 가장 중요한 요소는 정확한 유속을 측정하는 것이며, 그 중 초음파 유량계는 한 쌍을 이루는 압전센서에서 발생한 초음파가 서로를 향하여 각각 전달될 때에 측정된 전달시간차를 사용하여 유속을 측정함으로써 관내체적에 흐르는 유량을 계산하는 계측장치인데, 현재 유체전반에 걸쳐 폭 넓게 응용되고 있는 유량계측 장치이다.

이러한 초음파 유량계는 유량계 설치위치의 전후단 직관부분의 길이가 짧은 곳이거나 아니면 밸브나 곡관 등에도 설치가 가능하고, 와류와 같이 측정정확도에 영향을 주는 설치위치에서도 충분한 정확도로 유량을 측정할 수 있으며, 센서와 컨트롤러의 사용기간이 길고, 관내 유체 흐름에 장애가 되는 부분이 없어 압력 손실을 야기하지 않는다는 장점을 가지고 있다. 또한 모든 유체(기체, 액체)의 유량을 측정할 수 있으며, 관에 크기에 상관없이 제작 및 설치가 가능하다는 것 역시 장점으로 꼽을 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 관(管)의 외벽에 부착되는 외벽부착식 초음파 유량계(클램프온 유량계라고도 함)는 일반적으로 초음파를 이용하여 관내를 흐르는 유량을 측정할 때 초음파 전달시간차 측정법을 사용하는데, 이 방법에서는 마주보고 있는 다수의 쌍, 예를 들면 세 쌍의 초음파 압전센서를 유체가 흐르는 관 양쪽에 경사지게 설치해두고, 상류측 센서에서 하류측 센서로 유체를 통과하여 초음파를 전파하고, 다시 반대로 하류측 센서에서 상류측 센서로 유체를 통과하여 초음파를 전파하면서 그 때의 각각의 초음파 전달시간을 측정하는 방법으로 유체의 유속과 유량을 계산한다.

이러한 초음파 센서는 송수신을 동시에 하게 되고, 각 초음파 센서는 그 내부에 초음파를 발생시키는 압전소자를 포함하는데, 초음파 송신 펄스 발생기로부터 발생된 펄스신호를 초음파 센서에 인가하여 초음파 신호를 발생시키고, 관과 유체를 통과하여 반대편의 초음파 센서에 도달할 때에 측정된 초음파 신호를 신호처리하여 초음파 전달시간을 측정하게 된다.

도 1에 도시된 외벽부착식 초음파 유량계는 초음파 압전센서들이 고정 기구물들에 의하여 개별적으로 파이프 외벽에 설치되고, 초음파 신호를 유체에 전파시키는 방식이다. 초음파 압전센서와 파이프, 유체의 다층매질을 통과하면서 실제 측정될 유체의 각도 θ가 결정이 되면, 초음파 압전센서를 위치시킬 수 있다. 여기서는 일반적인 방법인 Z법을 예로 들었다.

이렇게 각도와 유체의 종류와 온도, 그리고 파이프의 내부직경을 알고 있으면, 각 초음파 압전센서에서 들어오는 각각의 수신시간을 가지고 시간차 방법을 이용하여 파이프의 직경선상 유속(V)을 측정할 수 있으며, 상기 측정된 유속을 통하여 관 내를 흐르는 유체의 유량을 산출할 수 있게 된다.

그런데 위와 같은 종래의 외벽부착식 초음파 유량계는 초음파 전파경로가 모두 관의 중심을 통과하는데, 이는 원주를 따라 초음파 센서를 이동시키면서 측정을 하더라도 결과는 항상 관의 직경선상의 유속만을 측정할 수 있기 때문이다.

이런 종래의 외벽부착식 초음파 유량계의 예로는 일본공개특허 소53-120467호를 들 수 있는데, 초음파 센서를 관의 외벽에 부착함으로써 초음파 센서와 유체가 서로 접촉하지는 않지만, 초음파 다회선의 경로가 모두 관의 직경을 통과하고 있음을 보여주고 있다.

이러한 1회선 외벽부착식 초음파 유량계들의 기본적인 단점을 고찰하면 다음과 같다.

우선 유량비례계수에 불확정성이 있다. 즉 외벽부착식 초음파 유량계 특성에서의 오차는 유속(V)의 측정오차 또는 어떠한 그 유속에 의해 구해진 직경선상의 레이놀즈수(RE)에 해당되는 것일뿐, 파이프 단면의 전영역에 해당되는 것은 아니다. 결국 유체의 한 단면에서의 평균 유속일 뿐인 것이다.

위의 유량계와는 다른 방법인 단면분할 평균유속 측정방법은 외벽부착식 유량계가 아닌 삽입식 초음파 유량계로서 현재 여러 회사들이 판매를 하고 있다.

삽입식 초음파 유량계는 초음파 센서가 관의 내벽 안으로 들어가 유체에 직접 접촉되기 때문에 습식 초음파 유량계라고도 불리는데, 습식 초음파 유량계의 일례는 한국등록특허 제10-0793088호와 일본공개실용신안 소63-122232호에 개시되어 있다.

삽입식 초음파 유량계는 초음파 센서에서 방출된 초음파가 관과 관의 피복층을 거치는 경로가 생략되어 초음파의 경로가 단순해지기 때문에 외벽부착식 유량계에 비해 초음파 회선의 설계가 쉽다는 이점이 있다.

하지만 이러한 삽입식은 초음파 센서를 관에 직접 뚫어서 넣기 때문에 관의 최초 제작시에 비용이 증가하고, 현장에서 직접 설치할 경우에는 관 부식의 우려가 높고 설치가 복잡하다는 단점을 가지게 된다. 결국 삽입식 유량계는 유체와 직접 접촉하기 때문에 초음파 신호의 다회선 설계가 간편하다는 장점이 있을 뿐이다.

따라서 본 발명은 종래의 외벽부착식 초음파 유량계의 장점을 그대로 유지하는 동시에 관의 직경선상의 유속만을 측정할 수 있다는 단점을 제거하여, 직경선상의 유속만이 아니라 직경단면 선상을 따라 평행하게 분할된 다수개의 유속을 측정함으로써 관 내를 흐르는 유체의 평균유속을 보다 정확하게 측정할 수 있는 외벽부착식 초음파 다회선 유량계를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 유체가 흐르는 관의 외벽에 초음파 센서를 부착하는 다회선 유량계에 관한 것으로서, 특히 상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 한 쌍의 기준센서; 및 상기 기준센서의 측면을 따라 상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 상기 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 적어도 한 쌍 이상의 원주센서;를 포함하고, 상기 쌍을 이루는 원주센서들이 상기 관의 직경을 포함하는 단면상에서 관의 중심과 이루는 각(θ_i) 및 상기 관의 길이방향을 따라 관의 길이방향 중심축과 이루는 각(φ_i)을 갖도록 배치되고, 상기 원주센서들이 하기의 식들을 만족시키도록 상기 원주센서들을 관의 외벽에 고정된 센서슈에 장착되는 것을 특징으로 한다.

,

,

,

,

{여기에서 i는 각 층별을 지시하는 회선번호이자 각도를 표시하는 기호이고, C₄와 δ_i는 각각 유체매질의 음속과 굴절각, C₃와 γ_i는 각각 제2 중간매질의 음속과 굴절각, C₂와 β_i는 각각 제1 중간매질의 음속과 굴절각, C₁과 α_i는 센서슈 재질의 음속과 입사각임}

여기서 상기 원주센서들은 적어도 셋 이상의 쌍으로 이루어지고, 상기 셋 이상의 쌍으로 이루어진 원주센서들 중 적어도 두 개 이상의 쌍들은 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 기준으로 하여 서로 대칭을 이루는 평면을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 원주센서들은 짝수개의 쌍으로 이루어지고, 상기 원주센서들이 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 기준으로 하여 서로 대칭을 이루는 평면을 따라 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 외벽부착식 초음파 다회선 유량계에 의하면, 관의 직경선상의 유속만이 아니라 직경단면 선상을 따라 평행하게 분할된 다수개의 유속을 측정하여 관 내를 흐르는 유체의 평균유속을 보다 정확하게 산출함으로써 결과적으로 보다 정확한 유량을 계산할 수 있다는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 외벽부착식 초음파 유량계의 기본구조를 유지하면서도 관 내의 직경단면 선상을 따라 평행하게 분할된 다수개의 유속을 측정할 수 있기 때문에, 삽입식 초음파 다회선 유량계와 같이 관에 직접 뚫어서 초음파 센서를 넣을 필요가 없어 관의 최초 제작비용이 상대적으로 저렴하고, 현장에서 직접 설치할 경우에도 관 부식의 우려가 낮을 뿐만 아니라 설치가 비교적 간단하다는 장점도 가진다.

도 1은 외벽부착식 초음파 유량계의 측정원리를 보여주는 단면도.
도 2는 관 내를 흐르는 유체의 유속분포를 개략적으로 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 외벽부착식 초음파 다회선 유량계의 유속 측정상태를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 외벽부착식 초음파 다회선 유량계의 설치상태를 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 외벽부착식 초음파 다회선 유량계에서의 초음파의 전파경로를 개략적으로 보여주는 도면.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 초음파의 전파경로를 입체적으로 보여주는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

우선 본 발명에 따른 외벽부착식 초음파 다회선 유량계(100)의 측정원리에 대하여 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 관(110) 내를 흐르는 유체의 속도분포를 몇 개의 층으로 나타낸 것인데, 도 2에 도시된 바와 같이 관(110)의 내벽에 인접할수록 벽면과의 마찰에 의하여 유속이 떨어진다. 이와 같이 관(110) 내를 흐르는 유체의 유속이 관(110)의 길이방향 중심선을 따라 최대값(V₃)을 가지면서 그 주위의 유속(V₁,V₂,V₄,V₅)은 벽면을 향하여 점차로 줄어드는 양상을 가지기 때문에, 종래의 외벽부착식 초음파 유량계처럼 관(110)의 직경선상의 유속을 다회선으로 측정한다고 하더라도 관(110) 내를 흐르는 유체의 평균유속을 정밀하게 측정하는 것은 한계가 있었다.

따라서 본 발명은 직경단면 선상을 따라 평행하게 분할된 다수개의 유속을 측정함으로써 보다 정확하게 유체의 평균유속을 측정하도록 안출된 것으로서, 초음파 다회선를 이용한 유체의 유속은 아래의 (1)식으로 계산된다.

..................(1)

여기에서 V_i는 각 회선별 유속이고, L은 유체를 따라 초음파가 전달된 거리이며, tu_i는 초음파 신호가 전달된 시간 중 하류에서 상류로 전달된 시간이고, td_i는 초음파 신호가 전달된 시간 중 상류에서 하류로 전달된 시간이다. 그리고 θ_i는 각 초음파 센서들의 유체내에서 전달되는 각도를 나타내며, 이 θ_i를 구하는 알고리즘이 매우 중요하게 된다. 이 각도는 합성각 함수로 각각 표현될 수 있으며, 아래의 해당되는 부분에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 (1)식으로 계산된 다수개의 층상의 유속 V₁, V₂,…V_i들로부터 단면적의 총 평균유속 V_s를 공지되어 있는 가중계수법을 사용하여 구하면,

..........................(2)

로 계산된다. 여기에서 W는 가중함수를 말하고, n은 각 초음파 센서 위치별 정수이며, 이때 관의 아래쪽으로부터 시작하여 n이 가질 수 있는 개수는 최대 n=2i-1이고, i는 자연수이다.

그리고 일반적인 외벽부착식 초음파 유량계의 설치에 의한 유속을 V_extra라 할 때 그 유속을 구하면,

..........................(3)

이 된다. 여기에서 V_m은 일반적인 외벽부착식 초음파 유량계의 설치에서 측정된 실제유속이고, K_Re는 레이놀즈수에 의한 보정정수이며, 이 정수는 V_m의 변화에 따르는 함수로 나타난다.

실제에 있어서 관 내를 흐르는 유체의 유속을 측정하기 위해서는 위의 식(2)와 식(3)에 의하여 구해진 두 가지 유속에 대해 비교분석함으로써 실제 쓰고자 하는 유속을 도출해낼 수 있으며, 이것은 단순한 평균뿐만 아니라 새로운 함수를 써서 그 유속함수를 만드는 것도 가능하다. 일반적인 함수에서 알려진 단순 평균방법의 종류는 여러 가지가 알려져 있다.

먼저 산술평균에 의한 방법으로 유속을 계산할 때에는 아래의 식(4)를 이용하여 유속을 구하게 된다.

.......................(4)

여기에서 V_avg는 구해진 평균유속이며, 이에 따른 최종유량을 계산하면

..........(5)

와 같이 된다. 여기에서 Q_real은 실시간 계산된 유량이며, A=πD²/4는 관 내의 단면적을 나타내고, 위의 D는 관의 내경이다. 그리고 Q_c는 보정된 유량이고, Q_f는 외벽부착식 초음파 유량계의 유량보정함수이다.

한편 기하제곱평균에 의한 방법으로 유속을 계산할 때에는 아래의 식(6)으로 구한다.

....................(6)

여기에서 V_avg는 구해진 평균유속이며, 이에 따른 최종유량은 산술평균에 의한 방법과 마찬가지로 식(5)에 의하여 계산된다.

실제에 있어서 외벽부착식 초음파 다회선 유량계(100)를 설치할 경우 회선의 개수는 설치의 간편성, 평균유속 계산 정확도의 한계성, 설치 비용 등의 제반 사항을 고려할 때 3회선 내지 6회선 정도로 제한된다.

이때 외벽부착식 3회선 초음파 유량계를 설치할 경우에 초음파 센서(200)의 종류는 입사각도가 다른 총 2가지 센서가 필요하며, 4회선은 3가지, 5회선도 3가지, 6회선은 4가지 종류의 센서가 필요하게 된다. 이러한 이유는 관내직경을 통과하는 기본적인 초음파 센서(210) 한가지와, 관내직경을 통과하는 초음파 센서를 기준센서(210)로 할 때 기준센서(210)의 양측면을 따라 서로 대칭된 쌍을 이루는 또 다른 공간입체각도를 갖는 초음파 센서가 필요하기 때문이다. 도 3에 도시된 외벽부착식 4회선 초음파 유량계를 예로 든다면, 관내직경을 통과하는 유속(V₂)을 측정하는 초음파 센서(기준센서) 한 종류와, 상기 기준센서(210)가 측정하는 유속에 대한 평면을 기준으로 하여 대칭을 이루는 평면에서의 유속(V₁,V₃)을 측정하는 다른 한 종류의 초음파 센서 및 나머지 하나의 유속(Vm)을 측정하는 종류의 초음파 센서, 총 3 종류의 초음파 센서가 필요하다. 관내직경을 통과하는 유속을 측정하는 초음파 센서를 기준센서(210)라고 칭하는 것에 대하여, 호칭의 편의상 본 명세서에서는 기준센서(210)를 제외한 그 밖의 초음파 센서들은 원주센서(220)라고 부르기로 한다. 회선의 개수에 따라 초음파 센서(200) 종류의 개수는 증가되는데, 초음파 센서(200)의 종류를 되도록 최소화한다는 효율면에서 볼 때 전체 회선의 개수는 홀수개를 취하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

기준센서(210)는 초음파 센서가 관의 외벽에 수직하게 설치되고, 이에 따라 초음파가 관의 직경을 통과하여 반대편 센서에 수신되는 경로를 가지기 때문에 간단한 각도설명으로 가능하지만, 나머지 초음파 센서들인 원주센서(220)들은 어긋난 각도로 입사되어 유체를 수평전파한 이후 반대편 센서에 수신될 때까지의 경로를 공간입체각을 사용하여 설정해야 하기 때문에 다소 복잡한 각도 계산이 요구된다. 또한 초음파 센서(200)들의 중심주파수도 설치위치에 따라 제각각 다르고, 신호분석을 위해 실제 수신된 파형의 형태도 다르다는 점을 고려하여야 한다.

여기에서 가장 중요한 것은 각각의 초음파 센서(200)들이 설치되어야 하는 정확한 위치, 특히 원주센서(220)들의 정확한 위치를 결정하는 것인데, 도 4에 도시된 것과 같이, 초음파 센서(200)로부터 입사되는 초음파는 종과 횡의 각, 즉 관(110)의 단면상에서 관의 중심과 이루는 각(θ_i) 및 상기 관(110)의 길이방향을 따라 관(110)의 길이방향 중심축과 이루는 각(φ_i)을 동시에 가지고 있고, 또한 다층매질을 통과하게 된다. 따라서 잘 알려져 있는 반사-굴절에 대한 수식인 스넬(Snell)의 법칙과 구면좌표계를 이용한 공간입체각을 합성하여 나온 결과로부터 외벽부착식 초음파 센서를 설치하는데 필요한 중요한 공식이 도출된다. 즉, 하나의 유체매질, 관을 통과할 때의 2층구조의 중간굴절층, 그리고 최종적으로 초음파 센서(200)를 고정시키는 센서슈(230)를 통과하게 되는 공식을 다음과 같이 유도할 수 있다.

.............................(7)

.............................(8)

.............................(9)

...........................(10)

.....(11)

여기에서 i는 각 층별을 지시하는 회선번호이자 각도를 표시하는 기호이고, C₄와 δ_i는 각각 유체매질(330)의 음속과 굴절각을, C₃와 γ_i는 각각 제2 중간매질(320)의 음속과 굴절각을, C₂와 β_i는 각각 제1 중간매질(310)의 음속과 굴절각을, 마지막으로 C₁과 α_i는 센서슈(230) 재질의 음속과 입사각을 나타낸다. 여기에서 δ_i는 공간입체각도를 나타내며, 이 공간입체각도는 초음파 센서가 전파되는 기하학적 경로를 3차원적으로 생각하면 유도할 수 있다. 도 4의 첫 번째 도면에서 수직축을 y, 수평축을 x, 원의 반지름을 R이라 한다면, 이로부터 θ_i에 대한 간단한 수식을 만들 수 있다.

......................(12)

그리고 두 번째 그림에서 쌍을 이룬 두 센서 사이 거리의 반을 LL_i라 하면,

..................................(13)

의 관계가 도출된다. 따라서 식 (12)와 식 (13)을 연립하면,

.........................(14)

..................................(15)

.......................(16)

로 유도된다.

여기서 n_i는 -½(i²-i-8)을 나타내는 상수이며, 삼각공식인 「sin²a + cos²a = 1 」을 이용하여 정리하면,

........................(17)

으로 유도된다.

따라서 식 (10)은 식 (17)을 δ_i에 대하여 정리한 것에 해당되며, 이 공간입체각과 스넬의 법칙을 같이 씀으로써 이들의 관계는 위 식 (7) 내지 식 (11)과 같은 연산고리로 정리된다. 상기 각도들은 도 5에 나타나 있으며, 관의 직경단면 선상을 따라 평행하게 전파되는 초음파의 경로를 3차원적으로 투시한 도 6을 참조하면 이들의 기하학적 관계는 더욱 명확하게 이해될 것이다.

공간입체각을 달리 하는 여러 종류의 초음파 센서(200)들, 특히 원주센서(220)들을 관(110)의 외벽에 설치하기 위해서는, 우선 필요로 하는 초음파 회선의 개수를 선정한 후에 도 4에 도시된 것과 같이 각각의 초음파 센서(200)들이 관의 외벽상에 설치되는 기하학적인 각도(θ_i,φ_i)를 결정하고, 나머지 각도들, 즉 센서슈(230)를 포함하는 각 매질(310,320,330)에서의 입사각 또는 굴절각 등을 결정하게 된다. 이에 따라 각각의 원주센서(220)들로부터 발사되는 초음파의 발사각 및 상기 원주센서(220)들이 센서슈(230)에 장착되는 설치각도가 계산된다.

이와 같이 계산되어 결정된 각도에 따라, 한 쌍의 기준센서(210)가 관(110)의 직경을 포함하는 평면과 상기 관(110)의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관(110)의 양측면에서 서로 마주보도록 관(110)의 외벽에 부착되면, 상기 기준센서(210)는 상기 관(110)의 직경을 포함하는 평면을 따라 서로 초음파를 발신 및 수신하게 된다.

또한 적어도 한 쌍 이상의 원주센서(220)는 상기 관(110)의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 평면과 상기 관(110)의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관(110)의 양측면에서 서로 마주보도록 기준센서(210)의 측면을 따라 상기 관(110)의 외벽에 부착되며, 이에 따라 상기 원주센서(220)들은 상기 관(110)의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 상기 평면을 따라 서로 초음파를 발신 및 수신하게 된다.

결국 본 발명에 따른 외벽부착식 초음파 다회선 유량계(100)는 관(110)의 직경선상의 유속만이 아니라 직경을 포함하는 단면과 평행하게 분할된 다수개의 평면상에서의 유속을 측정하도록 초음파 센서(200)들이 배치되어 있기 때문에, 종래의 외벽부착식 초음파 유량계의 한계를 벗어나 보다 정밀하게 관 내 유체의 평균유속을 측정할 수 있게 된다.

이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의하여 나타난 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 외벽부착식 초음파 다회선 유량계
110: 관 200: 초음파 센서
210: 기준센서 220: 원주센서
230: 센서슈 310: 제1 중간매질
320: 제2 중간매질 330: 유체매질

Claims (3)

1. 유체가 흐르는 관의 외벽에 초음파 센서를 부착하는 유량계에 있어서,
   상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 한 쌍의 기준센서; 및
   상기 기준센서의 측면을 따라 상기 관의 외벽에 부착되되 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 평면과 상기 관의 외벽면이 교차하는 선상에서 상기 관의 양측면에서 서로 마주보도록 배치되고, 상기 관의 직경을 포함하는 평면과 평행을 이루는 상기 평면을 따라 서로 초음파를 발신하고 수신하는 적어도 한 쌍 이상의 원주센서;
   를 포함하고, 상기 쌍을 이루는 원주센서들이 상기 관의 직경을 포함하는 단면상에서 관의 중심과 이루는 각(θ_i) 및 상기 관의 길이방향을 따라 관의 길이방향 중심축과 이루는 각(φ_i)을 갖도록 배치되고, 상기 원주센서들이 하기의 식들을 만족시키도록 상기 원주센서들을 관의 외벽에 고정된 센서슈에 장착되는 것을 특징으로 하는 외벽부착식 초음파 다회선 유량계.
   

   

   ,

   

   ,

   

   ,
   

   

   ,
   

   

   
   {여기에서 i는 각 층별을 지시하는 회선번호이자 각도를 표시하는 기호이고, C₄와 δ_i는 각각 유체매질의 음속과 굴절각, C₃와 γ_i는 각각 제2 중간매질의 음속과 굴절각, C₂와 β_i는 각각 제1 중간매질의 음속과 굴절각, C₁과 α_i는 센서슈 재질의 음속과 입사각, n_i는 -½(i²-i-8)을 나타내는 상수임}
2. 제1항에 있어서,
   상기 원주센서들은 적어도 셋 이상의 쌍으로 이루어지고, 상기 셋 이상의 쌍으로 이루어진 원주센서들 중 적어도 두 개 이상의 쌍들은 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 기준으로 하여 서로 대칭을 이루는 평면을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 외벽부착식 초음파 다회선 유량계.
3. 제2항에 있어서,
   상기 원주센서들은 짝수개의 쌍으로 이루어지고, 상기 원주센서들이 상기 관의 직경을 포함하는 평면을 기준으로 하여 서로 대칭을 이루는 평면을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 외벽부착식 초음파 다회선 유량계.
   

Images