KR101059931B1 - 유량측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량측정방법에 관한 것으로, 측정관체(100)의 수평관체(110) 일단부에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 제1초음파를 출력하는 제1초음파센서(210)와; 측정관체(100)의 수평관체(110) 타단부에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 제2초음파를 출력하는 제2초음파센서(220)와; 제1초음파센서(210) 및 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파 및 제2초음파를 수신하여 측정 유체의 유속을 측정하며, 측정된 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 연산하는 제어유닛(260)을 포함하는 초음파 유량계(200)를 매개로 유량을 측정하는 유량측정방법에 있어서, 상기 초음파 유량계(200)에, 제1초음파센서(210)로부터의 제1초음파신호를 수신하여, 제1초음파를 제로 크로스(Zero Cross)하는 제1파형변환기(230)와; 제2초음파센서(220)로부터의 제2초음파신호를 수신하여, 제2초음파를 제로 크로스 하는 제2파형변환기(240)와; 제1초음파와 제2초음파에 스타트 시그널(Start Signal)을 입력하고, 스타트 시그널로부터 제1초음파 및 제2초음파까지의 시간을 연산하여, 각각의 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 측정하는 시간측정기(250)가 보강 구비되어, 제어유닛(260)에서, 미리 설정된 기준값(K)과 제1초음파 및 제2초음파 각각의 측정 제로 크로스점 간의 측정 시간차 값을 비교하여, 측정 시간차 값이 기준 값(K) 범위 내에 있으면 제1초음파 및 제2초음파를 취하여, 측정된 제1초음파센서(210)으로부터 제2초음파센서(220)까지의 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서(220)으로부터 제1초음파센서(210)까지의 제2초음파 이동시간을 매개로, 측정유체의 유속을 구하고, 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 구하는 것을 특징으로 하여, 관로 내부를 흐르는 유체의 정확한 유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

유량측정방법{Flux Measurement Method}
본 발명은 유량측정방법에 관한 것으로, 초음파 유량계를 이용하여 정확한 유량을 측정할 수 있는 유량측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 유량을 측정하기 위해 베르누이 정리를 이용한 차압식 유량계, 페러데이 법칙을 이용한 전자식 유랑계 및, 도플러 방식 및 시간차 방식을 이용한 초음파 유량계가 이용된다.
상기 초음파 유량계는 관로 외부에서 관로 내로 흐르는 유체에 초음파를 방사하고, 유속에 따라 변화를 받은 투과파 또는 반사파를 관외에서 수신하여, 유량을 구하는 것이다.
이때, 상기 초음파 유량계는, 초음파 센서가 관로 외부에 설치되기 때문에 설치 및 유지 보수가 용이하고, 관로 내에 유체의 유동에 방해되는 장치가 없음으로, 압력손실이 없으며 측정 가능한 유량범위가 다양하다.
또한, 상기 초음파 유량계는, 다른 유량계에 비해 상대적으로 작은 비용이 소요되는 반면, 정밀도는 더욱 높다.
하지만, 상기 초음파 유량계는, 관로 내부로 유체가 투입될 시, 유체에 기포 가 발생하면, 유량을 측정하는데 있어 많은 오차가 발생하였다.
즉, 상기 초음파 유량계의 초음파센서를 매개로 초음파의 관로 내 이동시간을 측정할 시, 정상상태에서 관로 내부를 통과하는 정상 초음파와 관로 내부를 흐르는 유체에 기포가 발생하였을 시 관로 내부를 통과하는 오류 초음파의 관로 내 이동시간은 차이가 발생한다.
다시 말해, 상기 정상파의 경우, 도 1(a)와 같이 X(관로의 일단에 설치된 초음파센서)와 Y(관로의 타단에 설치된 초음파센서) 간의 초음파 이동시간(관로 내 초음파 이동시간)이 't' 의 시간이 걸리고, 관로 내부의 유체에서 기포가 발생하게 되어 도 1과 같이 초음파에 변형이 발생하게 되면, 초음파 이동시간이 't`' 의 시간이 걸린다. 즉, 관로 내를 흐르는 유체에 기포가 발생하면 초음파 이동시간에 오류가 발생하여 관로 내를 흐르는 유체의 정확한 속도를 측정할 수 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 관로 내를 흐르는 유체의 정확한 유량을 측정할 수 있는 유량측정방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 측정관체의 수평관체 일단부에 설치되어, 수평관체 내부로 제1초음파를 출력하는 제1초음파센서와; 측정관체의 수평관체 타단부에 설치되어, 수평관체 내부로 제2초음파를 출력하는 제2초음파센서와; 제1초음파센서 및 제2초음파센서로부터 제1초음파 및 제2초음파를 수신하여 측정 유체의 유속을 측정하며, 측정된 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 연산하는 제어유닛을 포함하는 초음파 유량계를 매개로 유량을 측정하는 유량측정방법에 있어서, 상기 초음파 유량계에, 제1초음파센서로부터의 제1초음파신호를 수신하여, 제1초음파를 제로 크로스(Zero Cross)하는 제1파형변환기와; 제2초음파센서로부터의 제2초음파신호를 수신하여, 제2초음파를 제로 크로스 하는 제2파형변환기와; 제1초음파와 제2초음파에 스타트 시그널(Start Signal)을 입력하고, 스타트 시그널로부터 제1초음파 및 제2초음파까지의 시간을 연산하여, 각각의 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 측정하는 시간측정기가 보강 구비되어, 제어유닛에서, 미리 설정된 기준 값과 제1초음파 및 제2초음파 각각의 측정 제로 크로스점간의 측정 시간차 값을 비교하여, 측정 시간차 값이 기준 값 범위 내에 있으면 제1초음파 및 제2초음파 를 취하여, 측정된 제1초음파센서으로부터 제2초음파센서까지의 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서으로부터 제1초음파센서까지의 제2초음파 이동시간을 매개로, 측정유체의 유속을 구하고, 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 관로 내부의 측정 유체에서 발생된 기포에 의해 초음파에 변형이 발생하더라도, 변형이 발생하지 않은 초음파만 취하여, 측정 유체의 정확한 유속을 구함으로써, 관로 내부를 흐르는 유체의 정확한 유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 유량측정방법에 적용되는 초음파 유량계가 측정관체에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 측정관체(100)을 흐르는 측정 유체는 초음파 유량계(200)에 의해 유량이 측정된다.
상기 측정관체(100)는, 길이방향을 따라 형성되는 수평관체(110)와, 수평관체(110)에 형성되는 입력수직관체(120)와, 입력수직관체(120)와 대향되게 수평관체(110)에 형성되는 출력수직관체(130)로 구성된다.
상기 수평관체(110)는 양단이 폐쇠되며, 양단부에는 상호 대향되며 제1·2초음파센서(210,220)가 설치되는 제1·2초음파센서설치홈(111,112)이 형성된다.
상기 입력수직관체(120)는, 상부가 개구되고, 하부가 수평관체(110)와 연통되어, 수평관체(110)에 수직방향으로 설치된다.
상기 출력수직관체(130)는, 상부가 개구되고, 하부가 수평관체(110)와 연통되어, 수평관체(110)에 수직방향으로 설치되되, 입력수직관체(120)와 대향되게 설치된다.
상기 초음파 유량계(200)는, 측정관체(100)에 설치되는 제1·2초음파센서(210,220)와, 제1·2초음파센서(210,220)로부터의 초음파를 구형파로 변환하는 제1·2파형변환기(230,240)와, 시간을 측정하기 위한 시간측정기(250)와, 제1·2초음파센서(210,220)와 제1·2파형변환기(230,240)와 시간측정기(250)를 작동제어하는 제어유닛(260)으로 구성된다.
상기 제1초음파센서(210)는, 수평관체(110)의 제1초음파센서설치홈(111)에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 미리 정해진 주파수를 갖는 제1초음파를 출력한다. 이때, 제1초음파센서(210)는 제2초음파센서(220)로부터의 제2초음파를 수신한다.
상기 제2초음파센서(20)는, 수평관체(110)의 제2초음파센서설치홈(112)에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 미리 정해진 주파수를 갖는 제2초음파를 출력한다. 이때, 제2초음파센서(220)는 제1초음파센서(210)로부터의 제1초음파를 수신한다.
한편, 상기 제1·2초음파센서(210,220)는 초음파 유량계에 사용되는 통상적인 것으로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제1파형변환기(230)는, 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210) 의 제1초음파를 수신하고, 제1초음파를 제로 크로스(Zero Cross)하여 디지털(Digital)화 한다.
상기 제2파형변환기(240)는, 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)의 제2초음파를 수신하고, 제2초음파를 제로 크로스하여 디지털화한다.
상기 시간측정기(250)는, 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 제1초음파 이동시간 또는 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 제2초음파 이동시간을 측정한다.
또한, 상기 시간측정기(250)는, 제1파형변환기(230) 및 제2파형변환기(240)로부터 검출된 제1·2초음파의 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 측정한다. 즉, 시간측정기(250)는 제1초음파에 스타트 시그널(Start Singna)이 입력되면, 스타트 시그널로부터 각각의 측정 제로 크로스점까지의 시간을 측정하여, 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 연산한다. 또한, 시간측정기(250)는 제2초음파에 스타트 시그널이 입력되면, 스타트 시그널로부터 각각의 측정 제로 크로스점까지의 시간을 측정하여, 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 연산한다. 이때, 시간측정기(250)는 측정 제로 크로스점까지의 시간을 측정할 수 있는 통상적인 TDC(Time to Digital Converter)가 적용되는 것이 바람직하다.
상기 제어유닛(260)은, 제1초음파센서(210)와 제2초음파센서(220)가 한 쌍을 이뤄 교차로 제1·2초음파를 출력하도록 작동제어한다. 이때, 제어유닛(260)은 한 쌍을 이룬 제1·2초음파가 다수 번 출력되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어유닛(260)은, 제1·2초음파 각각의 측정 제로 크로스점 간의 시간차 데이터를 시간측정기(250)로부터 입력받는다. 이때, 제어유닛(260)은 미리 설정된 기준 값(K)과 제1·2초음파의 시간차 값을 비교하여, 제1·2초음파의 시간차 데이터가 기준 값(K) 범위 안에 있으면 제1·2초음파를 취하고, 제1·2초음파의 시간차 데이터가 기준 값(K) 범위 밖에 있으면 제1·2초음파를 버린다.
여기서, 상기 제어유닛(260)이 기준 값(K) 범위 안의 제1·2초음파를 취하면, 제어유닛(260)은 시간측정기(250)로부터 제1초음파센서(210)에서 제2초음파센서(220)로 이동한 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서(220)에서 제1초음파센서(210)로 이동한 제2초음파 이동시간을 수신한다.
이때, 상기 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 제2초음파 이동시간의 연산은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 매개로 이루어질 수 있다.
tXY = L / ( C + V )
tYX = L / ( C - V )
(여기서, tXY : 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 제1초음파 이동시간
tYX : 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 제2초음파 이동시간,
C: 측정 유체의 음속)
또한, 상기 제어유닛(260)은, 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 제2초음파 이동시간을 아래의[수학식 3]에 입력하여 유속을 구하고, 구해진 유속을 아래의 [수학식 4]에 입력하여 측정 유체의 유량을 구할 수 있다.
Figure 112009073860434-pat00001
(여기서, V : 측정 유체의 유속 L: 제1초음파센서로부터 제2초음파센서 간의 거리)
Figure 112009073860434-pat00002
(여기서, Q : 수평관체의 단면적, V : 측정 유체의 유속)
여기서, 본 발명의 제어유닛(260)은, 다수 번 반복되어 취해진 다수의 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 제1초음파 이동시간 및 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 제2초음파 이동시간을 평균 내어, 각각의 평균 이동시간을 수식(3)에 입력함으로써, 더욱 정확한 유량을 구할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서는 제어유닛(260)의 작동을 제어할 수 있는 입력유닛(270)이 구비되어, 제어유닛(260)의 작동이 컨트롤 될 수 있다.
이하 본 발명의 초음파 유량계를 적용한 유량측정방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 사용자는 도 2와 같은 초음파 유량계(200)의 제1·2초음파센서(210,220)를 작동한 후, 측정관체(100)의 입력수직관체(120)에 측정 유체를 투입한다.
이때, 상기 제어유닛(260)은, 제1초음파센서(210)와 제2초음파센서(220)가 한 쌍을 이뤄 교차로 제1·2초음파를 출력하도록 작동제어한다. 이때, 제어유닛(260)은 한 쌍을 이룬 제1·2초음파가 다수 번 출력되도록 한다.
상기 입력수직관체(120)에 투입된 측정 유체는 수평관체(110)를 경유하여 출력수직관체(130)를 통해 외부로 배출된다.
계속해서, 상기 측정 유체가 수평관체(110)를 통과하면, 제1초음파센서(210)로부터의 제1초음파가 수평관체(110) 내 측정 유체의 흐름 방향을 따라 측정 유체를 통과하고, 측정 유체를 통과한 제1초음파는 제2초음파센서(220)에 의해 수신된다.
그리고, 상기 제1초음파신호를 수신한 제2초음파센서(220)는 제1초음파신호를 제1파형변환기(230)에 출력한다.
이때, 상기 제1초음파신호를 수신한 제1파형변환기(230)는, 도 3과 같이 제1초음파센서(210)의 제1초음파를 제로 크로스(Zero Cross)하여 디지털(Digital)화 한다. 여기서 제로 크로스하는 과정은 공지된 사실이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
계속해서, 상기 제2초음파센서(220)가 제1초음파센서(210)의 제1초음파신호를 수신한 후, 제2초음파센서(220)는 제1초음파센서(210)로 제2초음파를 출력한다. 이때, 제2초음파는 수평관체(110) 내 측정유체의 흐름 역방향을 따라 측정 유체를 통과하고, 측정 유체를 통과한 제2초음파는 제1초음파센서(210)에 의해 수신된다.
그리고, 상기 제2초음파신호를 수신한 제1초음파센서(210)는 제2초음파신호를 제2파형변환기(240)에 출력한다.
이때, 상기 제2초음파신호를 수신한 제2파형변환기(40)는 도 3과 같이 제2초음파센서(220)의 제2초음파를 제로 크로스하여 디지털화 한다.
여기서, 상기 시간측정기(250)는, 제1초음파에 스타트 시그널을 입력하고, 스타트 시그널로부터 각각의 측정 제로 크로스점(A1,A2)까지의 시간을 측정하여, 측정 제로 크로스점(A1)과 측정 제로 크로스점(A2)간의 시간차를 연산한다. 또한, 시간측정기(250)는 제2초음파에 스타트 시그널을 입력하여, 스타트 시그널로부터 각각의 측정 제로 크로스점(A1,A2)까지의 시간을 측정하여, 측정 제로 크로스점(A1)과 제로 크로스점(A2)간의 시간차를 연산한다.
이때, 상기 시간측정기(250)은 상기와 같은 과정을 거쳐 또 다른 제1·2초음 파에 따른 새로운 측정 제로 크로스점(B1,B2)간의 시간차를 연산한다.
한편, 상기와 같은 시간차 데이터는 필요에 따라 측정 반복을 통해 다수를 획득할 수 있다.
계속해서, 상기 제어유닛(260)은, 제1·2초음파의 측정 제로 크로스점(A1-A2, B1-B2) 간의 시간차 값을 시간측정기(250)로부터 입력받는다. 이때, 제어유닛(260)은 미리 설정된 기준 값(K)과 각각의 제1·2초음파의 측정 제로 크로스점(A1-A2, B1-B2) 간의 시간차 값을 비교하여, 각각의 제1·2초음파의 측정 제로 크로스점(A1-A2, B1-B2) 간의 시간차 데이터가 기준 값(K) 범위 안에 있으면 해당 제1·2초음파를 정상 초음파로 인식하여 취하고, 제1·2초음파의 시간 데이터가 기준 값(K) 범위 밖에 있으면 해당 제1·2초음파를 오류 초음파로 인식하여 버린다.
여기서, 상기 제어유닛(260)이 기준 값(K) 범위 안의 정상 제1·2초음파를 취하면, 제어유닛(260)은 시간측정기(250)으로부터 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로 이동한 정상 제1초음파 이동시간(tXY)과 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로 이동한 정상 제2초음파 이동시간(tYX)을 수신한다.
또한, 상기 제어유닛(260)은, 제1초음파센서(210)로부터 제2초음파센서(220)로의 정상 제1초음파 이동시간(tXY)과 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파센서(210)로의 정상 제2초음파 이동시간(tYX)을 매개로 측정 유체의 유속을 구하고, 구해진 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 구할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 아래의 [수학식 5]를 매개로, 제어유닛(260)이 정상 제1·2초음파 중 더욱 정확한 제1·2초음파를 선택할 수 있다.
0.9 TA 0 < TA X < 1.1A 0
(여기서, TA0 : 기준 제로 크로스점 간의 기준 시간차 값 TAX : 측정 제로 크로스점 간의 시간차 값)
즉, 상기 제어유닛(260)은 획득된 정상 제1·2초음파 중 [수학식 5]를 만족하는 제1·2초음파를 선택하여 더욱 정확한 제1·2초음파를 획득할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 아래의 [수학식 6]을 매개로, 제어유닛(260)이 정상 제1·2초음파 중 더욱 정확한 제1·2초음파를 선택할 수 있다.
-α < TA n - TB n < +α
(여기서, α는 임의로 정해주는 상수 : 본 실시예에서는 투입되는 측정유체의 1%로 함, TAn = An - A'n의 시간차 TBn = Bn - B'n 의 시간차 : An,Bn 은 제 1초음파의 측정 제로 크로스점, A'n,B'n은 제2초음파의 측정 제로 크로스점)
즉, 상기 제어유닛(260)은 획득된 정상 제1·2초음파 중 [수학식 6]을 만족하는 제1·2초음파를 우선적으로 선택하여 유량 측정의 오류를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 다른 유량측정방법은, 관로 내부의 측정 유체에서 발생된 기포에 의해 초음파에 변형이 발생하더라도, 변형이 발생하지 않은 초음파만 취하여, 측정 유체의 정확한 유속을 구함으로써, 관로 내부를 흐르는 유체의 정확한 유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1(a)는 정상 초음파를 나타낸 도면이고,
도 1(b)는 도 1의 정상 초음파의 변형을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 측정관체 및 초음파 유량계를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 측정 제로 크로스점 간의 시간차 데이터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 다른 측정 제로 크로스점 간의 시간차 데이터를 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
- 첨부도면의 주요부분에 대한 용어설명 -
100; 측정관체 110; 수평관체
111; 제1초음파센서설치홈 112; 제2초음파센서설치홈
120; 입력수직관체 130; 출력수직관체
200; 초음파 유량계 210; 제1초음파센서
220; 제2초음파센서 230; 제1파형변환기
240; 제2파형변환기 250; 시간측정기
260; 제어유닛 270 ; 입력유닛

Claims (3)

  1. 측정관체(100)의 수평관체(110) 일단부에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 제1초음파를 출력하는 제1초음파센서(210)와; 측정관체(100)의 수평관체(110) 타단부에 설치되어, 수평관체(110) 내부로 제2초음파를 출력하는 제2초음파센서(220)와; 제1초음파센서(210) 및 제2초음파센서(220)로부터 제1초음파 및 제2초음파를 수신하여 측정 유체의 유속을 측정하며, 측정된 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 연산하는 제어유닛(260)을 포함하는 초음파 유량계(200)를 매개로 유량을 측정하는 유량측정방법에 있어서,
    상기 초음파 유량계(200)에,
    제1초음파센서(210)로부터의 제1초음파신호를 수신하여, 제1초음파를 제로 크로스(Zero Cross)하는 제1파형변환기(230)와;
    제2초음파센서(220)로부터의 제2초음파신호를 수신하여, 제2초음파를 제로 크로스 하는 제2파형변환기(240)와;
    제1초음파와 제2초음파에 스타트 시그널(Start Signal)을 입력하고, 스타트 시그널로부터 제1초음파 및 제2초음파까지의 시간을 연산하여, 각각의 측정 제로 크로스점 간의 시간차를 측정하는 시간측정기(250)가 보강 구비되어,
    제어유닛(260)에서, 미리 설정된 기준 값(K)과 제1초음파 및 제2초음파 각각의 측정 제로 크로스점(An 또는 Bn ; A'n 또는 B'n)간의 측정 시간차 값을 비교하여, 측정 시간차 값이 기준 값(K) 범위 내에 있으면 제1초음파 및 제2초음파를 취하여, 측정된 제1초음파센서(210)으로부터 제2초음파센서(220)까지의 제1초음파 이동시간과 제2초음파센서(220)으로부터 제1초음파센서(210)까지의 제2초음파 이동시간을 매개로, 측정유체의 유속을 구하고, 유속을 매개로 측정 유체의 유량을 구하는 것을 특징으로 하는 유량측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 값(K)은, 측정 제로 크로스점간의 기준 시간차 값을 TA0 라고 할 때, 0.9TA0 < K < 1.1A0 범위인 것을 특징으로 하는 유량측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1초음파의 측정 제로 크로스점(An,A'n)과 제2초음파의 측정 제로 크로스점(Bn,B'n)을 모두 취하여, An - A'n 을 TAn 이라 하고, Bn - B'n 을 TBn 이라 할 때, -α < TAn - TBn < +α 를 만족하는 것을 우선적으로 취하여 오측정을 방지하되, α는 측정관체의 유량을 고려한 임의의 설정 값인 것을 특징으로 하는 유량측정방법.
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