KR101020673B1 - 초음파 수신시점 설정방법 - Google Patents

초음파 수신시점 설정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체의 유속 및 유량을 정확하게 측정할 수 있도록 초음파의 수신시점을 정확하게 설정할 수 있는 초음파 수신시점 설정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초음파 수신시점 설정방법은 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 출력되며, 제로레벨을 기준으로 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상으로 진동하는 전기펄스패킷(electrical pulse packet)을 기초로 초음파의 수신시점을 결정하기 위한 것으로, 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 어느 한 위상에 존재하는 제1검출레벨을 설정하는 제1검출레벨 설정단계와, 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 다른 한 위상에 존재하며, 제로레벨과의 편차가 제1검출레벨과 제로레벨 사이의 편차보다 작은 제2검출레벨을 설정하는 제2검출레벨 설정단계와, 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 전기펄스패킷이 제2검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제1모니터링 단계와, 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 전기펄스패킷과 제2검출레벨의 교차 이후 제2검출레벨의 반대편 위상의 전기펄스패킷이 제1검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제2모니터링 단계를 포함한다.
제로크로싱(zero crossing), 초음파, 수신시점, 제로레벨, 전기펄스패킷

Description

초음파 수신시점 설정방법{A method for determining ultrasonics wave receiving point}
본 발명은 초음파 수신시점 설정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 진동자를 이용하여 유체의 유량 및 유속을 측정함에 있어서, 초음파 진동자에 초음파가 수신되는 시점을 설정하기 위한 초음파 수신시점 설정방법에 관한 것이다.
유로를 따르 흐르는 유체의 유속 및 유량을 측정하기 위하여, 초음파 진동자에서 발신 및 수신되는 초음파를 이용하는 방법, 즉 소위 '전파 시간차법'이 널리 이용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 진동자에서 발신되는 초음파는 복수개의 펄스가 연결되어 하나의 패킷(packet)을 이룬 형태, 즉 펄스패킷(pulse packet)의 형태로 출력되며, 이에 따라 초음파 진동자에서 초음파의 수신시 동일한 형태의 신호(즉, 전압)가 출력된다. 따라서, 상기한 형태의 펄스패킷이 출력시 특정 시점을 초음파의 수신시점으로 설정하여야 하는데, 상기 수신시점은 초음파의 진행시간과 직결되므로 수신시점을 정확하게 설정하는 것은 유체의 유속 및 유량을 정확하게 측정하기 위한 매우 중요한 요소이다.
종래의 경우, 제로크로싱(zero crossing)을 이용한 방식으로 초음파의 수신시점을 정하였다. 여기서, 제로크로싱이란 제로레벨을 기준으로 하여 양(+)의 위상과 음(-)의 위상을 번갈아가며 진동하는 펄스에 있어서, 펄스가 제로레벨(l0)과 교차되는 시점을 의미한다. 하지만, 초음파의 경우 단일 펄스가 아닌 펄스패킷의 형태를 가지므로, 일회 초음파의 수신시 복수개의 제로크로싱이 발생하게 되며, 따라서 복수의 제로크로싱 중 하나의 제로크로싱 지점을 초음파의 수신시점으로 특정할 필요가 있다. 종래의 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이 검출레벨(l1)을 설정하고, 펄스패킷과 검출레벨(l1)이 교차한 직후 발생되는 제로크로싱 시점(Z)을 초음파의 수신시점으로 설정하였다.
하지만, 초음파가 유체를 통해 전달되는 과정(특히, 소구경의 유관)에서 발생되는 노이즈에 의해, 초음파의 형태가 도 1의 점선으로 도시된 형태로 변형될 우려가 있다. 그리고, 이와 같이 초음파의 형태가 변형되면 B 부분 이전에 A 부분이 검출레벨과 교차하게 되며, 이에 따라 초음파의 수신시점이 정상적인 시점, 즉 Z에서 Z'으로 앞당겨 지게 되며, 그 결과 유체의 유량 및 유속이 부정확하게 측정되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유체의 유속 및 유량을 정확하게 측정할 수 있도록 초음파의 수신시점을 정확하게 설정할 수 있는 초음파 수신시점 설정방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초음파 수신시점 설정방법은 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 출력되며, 제로레벨을 기준으로 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상으로 진동하는 전기펄스패킷(electrical pulse packet)을 기초로 상기 초음파의 수신시점을 결정하기 위한 것으로, 상기 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 어느 한 위상에 존재하는 제1검출레벨을 설정하는 제1검출레벨 설정단계와, 상기 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 다른 한 위상에 존재하며, 상기 제로레벨과의 편차가 상기 제1검출레벨과 상기 제로레벨 사이의 편차보다 작은 제2검출레벨을 설정하는 제2검출레벨 설정단계와, 상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷이 상기 제2검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제1모니터링 단계와, 상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷과 상기 제2검출레벨의 교차 이후 상기 제2검출레벨의 반대편 위상의 전기펄스패킷이 상기 제1검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제2모니터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷과 상기 제2검출레벨의 교차 직전 상기 제2검출레벨의 반대편 위상의 전기펄스 패킷이 상기 제1검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제3모니터링 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 초음파의 수신시점을 결정하기 전에 초음파의 형태가 정상적인지를 판단하며, 정상적인 형태의 전기펄스패킷을 기초로 초음파의 수신시점을 설정하게 된다. 따라서, 초음파의 수신시점을 정확하게 설정할 수 있으며, 그 결과 유체의 유량 및 유속을 정확하게 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수신시점 설정방법의 흐름도이며, 도 3은 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 출력되는 전기펄스패킷(electrical pulse packet)을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 수신시점 설정방법(M100)은 제1검출레벨 설정단계(S10)와, 제2검출레벨 설정단계(S20)와, 제1모니터링 단계(S30)와, 제2모니터링 단계(S40)와, 초음파 수신시점 설정단계(S50)를 포함한다.
먼저, 초음파 진동자에서 발신되는 초음파는 단일 펄스가 아니라 복수의 펄스가 서로 연결된 형태, 즉 펄스패킷 형태로 발신된다. 이에 따라, 초음파 진동자에서 초음파의 수신시 도 3에 도시된 형태의 전기펄스패킷 형태의 신호가 출력되게 된다. 여기서, 신호란 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 발생되는 전압을 의미 한다. 상기 전기펄스패킷은 제로레벨(L0) 즉 전위가 0인 지점을 기준으로 하여, 양(+)의 위상 즉 양전위와 음(-)의 위상 즉 음전위로 진동한다.
제1검출레벨 설정단계(S10)에서는 양전위 및 음전위 중 어느 한 전위에 존재하는 제1검출레벨(L1)을 설정한다. 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 양전위쪽에 제1검출레벨(L1)을 설정한다.
제2검출레벨 설정단계(S20)에서는 제1검출레벨(L1)의 반대 전위, 즉 음전위에 존재하는 제2검출레벨(L2)을 설정한다. 이때, 제2검출레벨(L2)과 제로레벨(L0) 사이의 편차, 즉 제2검출레벨(L2) 전위의 절대값은 제1검출레벨(L1)과 제로레벨(L0) 사이의 편차, 즉 제1검출레벨(L1) 전위의 절대값 보다 작도록 설정한다.
제1모니터링 단계(S30)에서는 전기펄스패킷의 진폭(즉, 전위)를 모니터링한다. 이때, 초음파가 유체 내부를 진행하는 과정에서 초음파의 세기가 감소되는데, 유체의 상태에 따라 초음파의 세기가 감소되는 정도가 달라지게 된다. 따라서, 모니터링시 초음파의 최대 진폭(즉,세기)이 일정한 값이 되도록 초음파를 적절한 비율로 증폭시킨 후 모니터링한다. 그리고, 모니터링 하는 과정에서 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)이 교차되는지 여부를 판단한다. 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)이 교차하지 않은 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 제1모니터링 단계(S30)가 지속적으로 이루어지며, 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)이 교차되는 경우에는 제2모 니터링 단계(S40)로 넘어간다.
제2모니터링 단계(S40)에서는 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여, 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)의 교차 이후, 제2검출레벨(L2)의 반대 전위(양전위)로 진동하는 전기펄스패킷, 즉 도 3의 C 부분이 제1검출레벨(L1)과 교차하는지 여부를 판단한다. 전기펄스패킷과 제1검출레벨(L1)의 미교차시에는 초음파의 파형이 변형된 것이므로 처음단계(초음파를 새로 발신하는 등)로 되돌아가며, 전기펄스패킷(C부분)과 제1검출레벨(L1)의 교차시에는 초음파의 파형이 정상적인 형태라 할 수 있으므로, 초음파 수신시점 설정단계(S50)로 넘어간다.
초음파 수신시점 설정단계(S50)에서는 제1모니터링 단계(S30) 및 제2모니터링 단계(S40)를 통하여 정상적인 형태라고 검증된 전기펄스패킷을 기초로 초음파의 수신시점을 설정한다. 본 실시예의 경우, 전기펄스패킷과 제1검출레벨(L1)의 교차 이후 처음으로 전기펄스패킷이 제로레벨(L0)과 교차되는 지점, 즉 전기펄스패킷과 제1검출레벨(L1)의 교차 이후 처음으로 제로크로싱(zero crossing)이 발생되는 지점(X)을 초음파 수신시점으로 설정한다. 그리고, 상기 제1모니터링 단계(S30), 제2모니터링 단계(S40) 및 초음파 수신시점 설정단계(S50)에서 제1검출레벨(L1), 제2검출레벨(L2) 및 제로레벨(L0)과 전기펄스패킷이 교차되는지 판단하는 과정은 비교기(COMP)와 같은 구성을 통해 구현가능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 제1검출레벨(L1)과 전기펄스패킷이 교차되는지 여부를 판단하기 전에 제2검출레벨(L2)과 전기펄스패킷이 교차되는지를 미리 판단함으로써 전기펄스패킷의 형태, 즉 초음파의 형태가 정상적인지 여부를 판단하며, 이후 정상적인 형태로 판단된 전기펄스패킷을 기초로 하여 초음파의 수신시점을 설정하게 된다. 따라서, 종래와 같이 노이즈에 의해 그 형태가 변형된 전기펄스패킷을 기초로 하여 초음파의 수신시점을 설정함으로써 초음파의 수신시점이 부정확해지는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 유속 및 유량을 보다 더 정확하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 도 2에 점선으로 도시된 바와 같이, 초음파 수신시점 설정방법은 제3모니터링 단계(S45)를 더 포함할 수 있다.
제3모니터링 단계(S45)에서는 전기펄스패킷을 모니터링하여 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)의 교차시, 이 교차 직전 제2검출레벨(L2)의 반대쪽 위상, 즉 양전위측의 전기펄스패킷이 제1검출레벨(L1)과 교차하는지 여부를 판단한다. 도 3에 점선으로 도시된 바와 같이, 전기펄스패킷(D')과 제1검출레벨(L1)의 교차시에는 초음파의 파형이 변형된 것이므로 처음단계(초음파를 새로 발신하는 등)로 되돌아가며, 전기펄스패킷(D)과 제1검출레벨(L1)의 미교차시에는 초음파의 파형이 정상적인 형태라 할 수 있으므로, 초음파 수신시점 설정단계(S50)로 넘어간다.
본 실시예에 따르면 제3모니터링 단계를 통해 초음파의 형태가 변형되었는지 여부를 한번 더 검증할 수 있으므로, 앞선 실시예보다 더 정확하게 초음파의 수신시점을 설정할 수 있다. 그리고, 이 방법을 유속 및 유량 측정에서의 초음파 감지시에 이용함으로써 유속 및 유량을 더 정확하게 측정할 수 있게 되며, 레벨 측정용 반사파 감지시에 이용함으로써 수위를 더욱더 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 보조모니터링 단계를 더 포함할 수도 있다. 보조모니터링 단계는 전기펄스패킷의 형태가 정상적인지 아니면 노이즈의 영향을 받은 것인지를 한번 더 판단하기 위한 단계로, 제1모니터링 단계(S30) 및 제2모니터링 단계(S40)에서 제1검출레벨 또는 제2검출레벨과 전기펄스패킷의 교차시 이루어진다. 즉, 보조모니터링 단계에서는 전기펄스패킷과 제2검출레벨(L2)이 교차시, 교차지점의 직전에 제로크로싱이 일어난 시점에서부터 교차지점의 직후에 제로크로싱이 일어날 시점까지의 시간, 즉 도 3의 t1을 측정하고, 이 값을 초음파의 표준시간과 비교한다. 표준시간은 정상적인 파형에서 제로크로싱이 발생하는 주기로, 본 실시예의 경우 표준시간은 T/2로 설정된다. 여기서 T는 진동펄스패킷의 진동주기이며, 오차 범위는 약 10% 정도로 설정된다. 측정된 t1이 T/2 근처이면 이는 정상적인 파의 형태이므로 다음 단계로 넘어가며, 측정된 t1이 오차범위 밖이면 이는 노이즈의 영향을 받은 것이므로 처음단계(초음파를 새로 발신하는 등)로 되돌아간다. 그리고, 상기한 과정은 제1검출레벨(L1)과 전기펄스패킷의 교차시에도 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 보조모니터링 단계를 통해 초음파가 노이즈의 영향을 받았는지 여부를 한번 더 검증할 수 있으므로, 앞선 실시예보다 더 정확하게 초음파의 수신시점을 설정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 초음파의 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수신시점 설정방법의 흐름도이다.
도 3은 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 출력되는 전기펄스패킷(electrical pulse packet)을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
M100...초음파 수신시점 설정방법 S10...제1검출레벨 설정단계
S20...제2검출레벨 설정단계 S30...제1모니터링 단계
S40...제2모니터링 단계 S45...제3모니터링 단계
S50...초음파 수신시점 설정단계

Claims (3)

  1. 초음파의 수신시 초음파 진동자에서 출력되며, 제로레벨을 기준으로 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상으로 진동하는 전기펄스패킷(electrical pulse packet)을 기초로 상기 초음파의 수신시점을 결정하기 위한 것으로,
    상기 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 어느 한 위상에 존재하는 제1검출레벨을 설정하는 제1검출레벨 설정단계와,
    상기 양(+)의 위상 및 음(-)의 위상 중 다른 한 위상에 존재하며, 상기 제로레벨과의 편차가 상기 제1검출레벨과 상기 제로레벨 사이의 편차보다 작은 제2검출레벨을 설정하는 제2검출레벨 설정단계와,
    상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷이 상기 제2검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제1모니터링 단계와,
    상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷과 상기 제2검출레벨의 교차 이후 상기 제2검출레벨의 반대편 위상의 전기펄스패킷이 상기 제1검출레벨과 교차되는지를 판단하는 제2모니터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수신시점 설정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기펄스패킷의 진폭을 모니터링하여 상기 전기펄스패킷과 상기 제2검출레벨의 교차 직전 상기 제2검출레벨의 반대편 위상의 전기펄스패킷이 상기 제1검 출레벨과 교차되는지를 판단하는 제3모니터링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수신시점 설정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1검출레벨과 상기 전기펄스패킷의 교차시, 상기 교차시점 직전에 제로크로싱이 발생된 시점에서부터 상기 교차시점 직후에 제로크로싱이 발생되는 시점까지 소요되는 시간을 측정하고, 상기 측정된 시간을 표준시간과 비교하는 보조모니터링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수신시점 설정방법.
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