KR101135213B1 - 초음파 유량계용 초음파 검출기 - Google Patents

초음파 유량계용 초음파 검출기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 유량계용 초음파 검출기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유체가 흐르는 배관에 고정용 호스밴드를 사용하여 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치되는 초음파 유량계용 초음파 검출기로서, 상기 초음파 검출기는, 파장이 짧고 지향성이 우수한 초음파를 방출하는 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자; 상기 초음파 검출기의 외형을 이루는 몸체의 내부에 경사지게 형성되며, 상기 몸체의 내부에 수용되는 압전세라믹 초음파 진동자를 전방 및 하방에 걸쳐 경사진 면을 통해 지지하기 위한 결합층(maching layer); 상기 몸체에 수용되어 상기 결합층에 지지되는 상기 압전세라믹 초음파 진동자의 후방 및 상방에 걸쳐 설치되어, 초음파 반사로 인해 발생하는 불필요한 잡음을 최소화하고, 외부로부터의 열전달 억제 및 수분의 침투를 방지하기 위한 배면층(backing layer); 및 상기 몸체의 외형에 대응하는 형상으로, 상기 초음파 검출기를 외부의 충격으로부터 보호하고 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하도록 하기 위해 일부가 개방된 형태로 상기 몸체의 외부에 체결되는 보호 하우징을 포함하며, 상기 몸체는, 원통 형상으로 횡단면의 일부가 평평하고, 나머지 부분의 횡단면의 외형은 둥근 모양으로 구성되어, 상기 보호 하우징과의 체결 시에 횡단면의 평평한 일부만이 개방되도록 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 초음파 유량계용 초음파 검출기에 따르면, 유량이 흐르는 배관에 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치될 수 있는 횡단면이 둥근 모양인 개선된 외형의 구조로 초음파 검출기를 구성함으로써, 고정용 호스밴드를 사용하여 배관에 설치할 때 결속장치의 반대편이 들뜨게 되는 것을 방지하고, 배관과 수평이 유지되도록 하여 정밀한 유압 측정이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 펌프의 기동이나 유체의 흐름으로 발생되는 진동에 의해 호스밴드의 꺾임 부분이 끊어지는 현상이나 장력(tension) 불균형으로 발생되는 경년변화(經年變化)를 최소화할 수 있도록 한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면, 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자와 결합층(maching layer)과의 부착 시 에폭시수지 접착제를 사용하지 않고 지지볼트를 채용하여 압전세라믹 초음파 진동자와 결합층이 견고하게 부착되도록 함으로써, 에폭시수지 접착제를 일정시간 고온에서 경화시키는 과정을 생략함으로서 초음파 검출기 생산 공정에서 발생할 수 있는 결합층(maching layer) 크랙(crack)과 같은 불량률을 최소화할 수 있으며, 특히 초음파 검출기를 상온에서 조립할 수 있으므로 압전세라믹(PZT)의 예민한 고유특성을 변화시키지 않으면서도 생산이 가능하며, 이를 통해 초음파 검출기의 품질의 규격화 및 생산효율을 증대시킬 수 있도록 할 수 있다.

Description

초음파 유량계용 초음파 검출기{ULTRASONIC WAVE DETECTOR FOR ULTRASONIC FLOWMETER}
본 발명은 초음파 유량계용 초음파 검출기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유량이 흐르는 배관에 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치되는 초음파 검출기의 구조를 개선하여 더욱 정확한 설치 및 정밀한 측정이 가능하도록 하는 개선된 구조를 갖는 초음파 유량계용 초음파 검출기에 관한 것이다.
일반적으로 초음파의 활용분야는 초음파의 높은 에너지를 이용하는 동력적인 응용분야(예를 들면, 가열, 세척, 용접, 및 파쇄 등)와, 초음파를 신호로 사용하여 신호 또는 잡음을 분석하는 통신적인 응용분야(예를 들면, 재료분석, 현미경, 영상분석 등)와, 산업용 응용분야(예를 들면, 수위계, 농도계, 유량계, 비파괴 검사 등)와, 군사용 및 의료용 응용분야(산부인과) 등과 같이 다양한 분야에서 활용되고 있다.
초음파 신호를 분석하는 산업용 유량계는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 하나는 주파수의 변화량을 측정하는 도플러(doppler) 방식의 초음파 유량계이고, 다른 하나는 전파 시간 차이(transit time difference;Δt)를 검출하는 일반용 초음파 유량계이다. 이 중에서 본 발명과 관련되는 적용분야인 전파 시간 차이를 측정하는 초음파 유량계의 특징에 대해 살펴보면 다음과 같다.
1) 유체와는 비접촉식(noncontacting)으로 유체의 화학적 특성(부식성 등)에 관계없이 측정이 가능하다.
2) 가동부가 없어 유속, 유량 및 관경에 관계없이 장기간 사용에도 파손되는 부품이 없으며, 관경이 증가해도 유량계 가격 및 설치비용이 증가하지 않는다.
3) 배관을 절단하지 않고도 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)의 설치로 비용이 저렴하며, 추후에 별도의 공사 및 비용추가 없이 이설하여 재사용이 가능 하다. 특히 압력손실이 전혀 없어 펌프용량 증가 등 설비(Plant)의 공정관리 비용이 증가하지 않는다.
4) 순수(pure water) 등과 같이 전기전도도(conductivity)가 낮은 유체와 기름(oil) 등과 같은 비전도성 유체에서도 유량측정이 가능하다.
5) 일반적으로 사용되는 금속관(예를 들면, 주철관, 백관, 흑관, 도복장관, 스테인리스 강관 등), 수지관(예를 들면, PVC, PP, PE, PVDF, acrylic pipe 등) 등의 다양한 재질에서도 유량측정이 가능하다.
6) 유량측정 가능한 관경은 소형 25A에서 대형 5,000A까지이며, 저유속 (0.01m/s)부터 고유속(15m/s) 및 정방향, 역방향, 순방향 등 광범위하게 유량측정이 가능하다.
7) 소형 건전지(battery)를 내장하여 휴대용(portable) 유량계로 사용될 수 있으며, 이는 현장에서 재질이나 관경이 다른 공정을 다양하게 측정할 수 있어 현장에서 기존 유량계의 교정검사나 비교측정(오차시험)시에 많이 활용된다.
8) 중대형 관경에서 적용 시 유량계 자체비용이 저렴할 뿐만 아니라 휴대용 유량계로 활용 시에는 한 대의 유량계로 여러 현장에서 재질이나 관경이 다른 공정을 다양하게 측정할 수 있어 에너지 진단 장비로도 널리 활용된다.
상기와 같은 전파 시간 차이를 검출하는 초음파 유량계는 다양한 장점이 있음에도 불구하고 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다. 그 이유는 국내에 유통되는 제품의 대부분이 고가의 수입품이고, 국산화가 완료된 제품이라 하더라도 배관을 절단하여 초음파 유량계를 설치하는 형태이거나 배관을 천공하여 초음파 검출기를 삽입하는 형태의 유량계가 주로 개발 및 판매되고 있기 때문이다.
이와 같은 종래 초음파 유량계는 초음파 검출기를 삽입하여 접촉식으로 사용하는 방식으로서, 배관에 설치 시에 구조적으로 홈(well)의 형성으로 인한 유체의 흐름에 영향을 받는 난류발생 함정(trap)을 발생시켜 초음파 신호의 감도를 격감시킬 수 있고, 특히 유체의 화학적 특성에도 크게 영향을 받을 뿐만 아니라, 무단수(無斷水) 설치가 불가능하고 현장 설치비가 증가하는 단점이 있었다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 유량이 흐르는 배관에 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치될 수 있는 횡단면이 둥근 모양인 개선된 외형의 구조로 초음파 검출기를 구성함으로써, 고정용 호스밴드를 사용하여 배관에 설치할 때 결속장치의 반대편이 들뜨게 되는 것을 방지하고, 배관과 수평이 유지되도록 하여 정밀한 유압 측정이 가능하도록 하는 초음파 유량계용 초음파 검출기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 펌프의 기동이나 유체의 흐름으로 발생되는 진동에 의해 호스밴드의 꺾임 부분이 끊어지는 현상이나 장력(tension) 불균형으로 발생되는 경년변화(經年變化)를 최소화할 수 있는 구조를 갖는, 초음파 유량계용 초음파 검출기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자와 결합층(maching layer)과의 부착 시 에폭시수지 접착제를 사용하지 않고 지지볼트를 채용하여 압전세라믹 초음파 진동자와 결합층이 견고하게 부착되도록 함으로써, 에폭시수지 접착제를 일정시간 고온에서 경화시키는 과정을 생략함으로써 초음파 검출기 생산 공정에서 발생할 수 있는 결합층(maching layer) 크랙(crack)과 같은 불량률을 최소화할 수 있으며, 특히 초음파 검출기를 상온에서 조립할 수 있으므로 압전세라믹(PZT)의 예민한 고유특성을 변화시키지 않으면서도 생산이 가능하며, 이를 통해 초음파 검출기의 품질의 규격화 및 생산효율을 증대시킬 수 있도록 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기는,
유체가 흐르는 배관에 고정용 호스밴드를 사용하여 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치되는 초음파 유량계용 초음파 검출기로서,
파장이 짧고 지향성이 우수한 초음파를 방출하는 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자;
상기 초음파 검출기의 외형을 이루는 몸체의 내부에 경사지게 형성되며, 상기 몸체의 내부에 수용되는 압전세라믹 초음파 진동자를 전방 및 하방에 걸쳐 경사진 면을 통해 지지하기 위한 결합층(maching layer);
상기 몸체에 수용되어 상기 결합층에 지지되는 상기 압전세라믹 초음파 진동자의 후방 및 상방에 걸쳐 설치되어, 초음파 반사로 인해 발생하는 불필요한 잡음을 최소화하고, 외부로부터의 열전달 억제 및 수분의 침투를 방지하기 위한 배면층(backing layer); 및
상기 몸체의 외형에 대응하는 형상으로, 상기 초음파 검출기를 외부의 충격으로부터 보호하고 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하도록 하기 위해 일부가 개방된 형태로 상기 몸체의 외부에 체결되는 보호 하우징을 포함하며,
상기 몸체는,
원통 형상으로 횡단면의 일부가 평평하고, 나머지 부분의 횡단면의 외형은 둥근 모양으로 구성되어, 상기 보호 하우징과의 체결 시에 횡단면의 평평한 일부만이 개방되도록 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 검출기는,
무단수 외벽부착식의 형식으로 고정용 호스밴드를 사용하여 배관에 설치되는 경우, 몸체와 보호 하우징의 횡단면에 형성되는 둥근 모양으로 인해 상기 고정용 호스밴드의 결속장치 반대편이 들뜨게 되는 것이 방지되도록 할 수 있다.
바람직하게는,
상기 압전세라믹 초음파 진동자와 전기적으로 접속되며, 초음파 변환기를 연결하는 케이블에서 발생하는 임피던스 차이에 의한 반사손실을 최소화하기 위한 임피던스 매칭회로를 더 포함하되,
상기 임피던스 매칭회로는,
외부 환경과 격리되고 흡음성이 우수한 배면층으로 둘러싸인 몸체의 공간에 설치될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 초음파 검출기는,
상기 임피던스 매칭회로와 전기적으로 연결 접속되며, 휴대용으로 용이한 구조를 가지고, 쌍심 차폐 케이블과의 반사손실을 최소화할 수 있는 쌍심 차폐 커넥터를 채용한다.
바람직하게는,
상기 몸체의 결합층에 지지되는 상기 압전세라믹 초음파 진동자를 배면에서 밀착하여 상기 결합층과 상기 압전세라믹 초음파 진동자가 기밀되게 부착되도록 함으로써, 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하게 수행될 수 있도록 하는 지지볼트를 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 지지볼트는,
상기 압전세라믹 초음파 진동자의 신호 케이블의 통로로 활용되는 중공을 형성하는 원통형상의 볼트 하우징;
상기 압전세라믹 초음파 진동자와 맞닿아 밀착되기 위한 탄성체;
상기 탄성체가 안착될 수 있도록 상기 볼트 하우징의 일면에 형성되는 홈부;
상기 압전세라믹 초음파 진동자가 지지되는 결합층의 몸체에 형성된 나사부와 체결될 수 있도록 상기 볼트 하우징의 외각 둘레에 형성되는 나사산; 및
상기 볼트 하우징의 다른 일면에 형성되어, 상기 결합층과의 체결 장착이 용이하도록 형성된 볼트 머리 오목부를 포함할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 결합층의 재질은,
내열성과 강도가 높고 기계적 가공성이 우수하며, 초음파 신호의 효율적인 투과와 안정된 특성을 갖는 플라스틱 수지(plastic resin)가 사용될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 배면층은,
초음파의 흡음성이 우수한 고무(rubber) 재질로 구성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 보호 하우징은,
외부에서 가해지는 충격으로부터 초음파 검출기를 충분히 보호할 수 있는 견고한 비철금속의 알루미늄(aluminum) 재질로 구성될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 초음파 유량계용 초음파 검출기에 따르면, 유량이 흐르는 배관에 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치될 수 있는 횡단면이 둥근 모양인 개선된 외형의 구조로 초음파 검출기를 구성함으로써, 고정용 호스밴드를 사용하여 배관에 설치할 때 결속장치의 반대편이 들뜨게 되는 것을 방지하고, 배관과 수평이 유지되도록 하여 정밀한 유압 측정이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 펌프의 기동이나 유체의 흐름으로 발생되는 진동에 의해 호스밴드의 꺾임 부분이 끊어지는 현상이나 장력(tension) 불균형으로 발생되는 경년변화(經年變化)를 최소화할 수 있도록 한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면, 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자와 결합층(maching layer)과의 부착 시 에폭시수지 접착제를 사용하지 않고 지지볼트를 채용하여 압전세라믹 초음파 진동자와 결합층이 견고하게 부착되도록 함으로써, 에폭시수지 접착제를 일정시간 고온에서 경화시키는 과정을 생략함으로써 초음파 검출기 생산 공정에서 발생할 수 있는 결합층(maching layer) 크랙(crack)과 같은 불량률을 최소화할 수 있으며, 특히 초음파 검출기를 상온에서 조립할 수 있으므로 압전세라믹(PZT)의 예민한 고유특성을 변화시키지 않으면서도 생산이 가능하며, 이를 통해 초음파 검출기의 품질의 규격화 및 생산효율을 증대시킬 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기에 지지볼트가 체결된 상태의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 외부 구성을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 따른 지지볼트의 구성을 상세히 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 분해 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 몸체 구성을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 조립 체결의 과정을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기를 배관에 설치한 일례를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기에 지지볼트가 체결된 상태의 구성을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)는, 압전세라믹 초음파 진동자(110), 몸체(120), 결합층(130), 배면층(140), 보호 하우징(150)을 포함하여 구성될 수 있으며, 임피던스 매칭회로(160), 지지볼트(170)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
압전세라믹 초음파 진동자(110)는, 파장이 짧고 지향성(directivity)이 우수한 초음파를 방출한다. 즉, 압전세라믹 초음파 진동자(110)는 파장이 짧고 지향성(directivity)이 예민한 특성을 갖는 수MHz 대역의 주파수를 활용한다. 압전세라믹 초음파 진동자(110)는 후술하게 될 결합층(130)에 비스듬하게 안착될 수 있도록 몸체(120) 내부의 결합층(130)에 직접 가공될 수도 있다. 이는 스넬의 법칙(Snell's law)의 초음파 입사각을 일정하게 유지하여 상류측 검출기 및 하류측 검출기 간의 이격 거리 및 초음파의 투과 경로를 예측할 수 있도록 할 수 있다.
몸체(120)는, 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 하우징이다. 몸체(120)의 외형은, 원통 형상으로 횡단면의 일부가 평평하고, 나머지 부분의 횡단면의 외형은 둥근 모양으로 구성되어 있다. 이와 같은 몸체(120)의 형상은 후술할 보호 하우징(150)과의 체결 시에 횡단면의 평평한 일부만이 개방되도록 구성되며, 배관(10)에 기밀하게 밀착된 상태에서 체결될 수 있다.
결합층(130)은, 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 몸체(120)의 내부에 경사지게 형성되고, 몸체(120)의 내부에 수용되는 압전세라믹 초음파 진동자(110)를 전방 및 하방에 걸쳐 경사진 면을 통해 지지하게 된다. 결합층(130)은 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 전방 및 하방에 걸쳐 설치되어 압전세라믹 초음파 진동자(110)에서 방출되는 초음파가 직진하도록 한다. 결합층(130)의 재질은 내열성과 강도가 높고 기계적 가공성이 우수하며, 초음파 신호의 효율적인 투과와 안정된 특성을 갖는 플라스틱 수지(plastic resin)가 사용될 수 있다.
배면층(140)은, 몸체(120)에 수용되어 결합층(130)에 지지되는 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 후방 및 상방에 걸쳐 설치된다. 배면층(140)은 초음파 반사로 인해 발생하는 불필요한 잡음을 최소화하고, 외부로부터의 열전달 억제 및 수분의 침투를 방지하기 위한 역할을 한다. 배면층(140)은 압전세라믹 초음파 진동자(110)에 의해 후방으로 방출된 초음파가 후방의 몸체(120)의 내벽 면에서 반사되어 발생하는 불필요한 잡음(noise)을 최소화하고, 외부로부터의 열전달 억제 및 수분의 침투를 방지하게 된다. 배면층(140)은 몸체(120)의 내벽 면에 초음파의 흡음성이 우수한 고무(rubber) 재질로 구성될 수 있다. 즉, 배면층(140)은 외부적인 환경요인으로부터 충분히 격리될 수 있으며, 흡음성이 우수한 탄성 재질로 구성됨으로써, 배면층(140)에서 반사되는 불필요한 초음파 신호에 의한 잡음(noise)을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 외부에서의 열전달을 억제할 수 있으며, 충분한 방수를 보장하게 되고, 그로부터 초음파 검출기(100)의 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다.
보호 하우징(150)은, 몸체(120)의 외형에 대응하는 형상으로, 초음파 검출기(100)를 외부의 충격으로부터 보호하고 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하도록 하기 위해 일부가 개방된 형태로 몸체(120)의 외부에 체결될 수 있다. 보호 하우징(150)은 외부에서 가해지는 충격으로부터 초음파 검출기(100)를 충분히 보호할 수 있는 견고한 비철금속의 알루미늄(aluminum) 재질로 구성될 수 있다.
임피던스 매칭회로(160)는, 압전세라믹 초음파 진동자(110)와 전기적으로 접속되며, 초음파 변환기를 연결하는 케이블에서 발생하는 임피던스 차이에 의한 반사손실을 최소화한다. 임피던스 매칭회로(160)는 외부 환경과 격리되고 흡음성이 우수한 배면층(140)으로 둘러싸인 몸체(120)의 공간에 설치된다. 이때, 임피던스 매칭회로(160)를 포함하는 초음파 검출기(100)는 임피던스 매칭회로(160)와 전기적으로 연결 접속되며, 휴대용으로 용이한 구조를 가지고 쌍심 차폐 케이블(30)과의 반사손실을 최소화할 수 있는 쌍심 차폐 커넥터(40)를 채용함이 바람직하다. 즉, 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 압전세라믹(PZT)(송신측)에 가해지는 전압이나 반대편(수신측)에서 검출되는 신호는 매우 미약한 전압의 신호이므로, 초음파 검출기(100)와 초음파 변환기(미도시)를 연결하는 케이블로 쌍심 차폐 케이블(30)이 채용되고, 여기에서 발생하는 임피던스 차이에 의한 반사손실(reflection loss)을 최소화하도록 임피던스 매칭회로(160)가 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 몸체(120)의 내부에 설치되는 것이다.
지지볼트(170)는, 몸체(120)의 결합층(130)에 지지되는 압전세라믹 초음파 진동자(110)를 배면에서 밀착하여 결합층(130)과 압전세라믹 초음파 진동자(110)가 기밀되게 부착되도록 한다. 이를 통해 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하게 수행될 수 있도록 한다. 지지볼트(170)의 세부적인 구성에 대해서는 추후 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 외부 구성을 도시한 도면이다. 도 3의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)의 외부 구성을 도시하며, 쌍심 차폐 케이블(30)이 결합된 쌍심 차폐 커넥터(40)의 채용 상태를 도시한다. 도 3의 (b)는 쌍심 차폐 커넥터(40)가 채용된 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)의 일 측면을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 지지볼트의 구성을 상세히 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기에 적용되는 지지볼트(170)는, 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 신호 케이블의 통로로 활용되는 중공(171)을 형성하는 원통형상의 볼트 하우징(172), 압전세라믹 초음파 진동자(110)와 맞닿아 밀착되기 위한 탄성체(173), 탄성체(173)가 안착될 수 있도록 볼트 하우징(172)의 일면에 형성되는 홈부(174), 압전세라믹 초음파 진동자(110)가 지지되는 결합층(130)의 몸체(120)에 형성된 나사부(121)와 체결될 수 있도록 볼트 하우징(172)의 외각 둘레에 형성되는 나사산(175), 및 볼트 하우징(172)의 다른 일면에 형성되어, 결합층(130)과의 체결 장착이 용이하도록 형성된 볼트 머리 오목부(176)를 포함한다. 도 4의 (a)는 지지볼트(170)의 사시 구성을 도시하고, 도 4의 (b)는 탄성체(173)가 체결되는 홈부(174)가 형성된 지지볼트(170)의 일면을 도시하며, 도 4의 (c)는 지지볼트(170)의 다른 일면을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 분해 구성을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)는 결합층(130)을 형성하는 몸체(120)의 내부 공간으로 압전세락믹 초음파 진동자(110)와, 압전세라믹 초음파 진동자(110)를 결합층(130)에 부착시키기 위한 지지볼트(170)의 분해 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 몸체 구성을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 몸체(120)의 구성을 도시한다. 즉, 몸체(120)의 내부 공간에는 비스듬한 경사진 면을 갖는 결합층(130)이 형성되고, 그 결합층(130)의 주변으로 몸체(120)의 나사부(121)가 형성된다. 압전세라믹 초음파 진동자(110)가 부착되는 결합층(130)의 후면으로는 배면층(140)이 형성된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 조립 체결의 과정을 도시한 도면이다. 도 7의 (a)는 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 몸체(120)의 내부로 지지볼트(170)가 삽입 체결되는 상태를 도시하고, 도 7의 (b)는 지지볼트(170)가 삽입 체결된 몸체(120)에 보호 하우징(150)이 체결되는 상태를 도시하며, 도 7의 (c)는 보호 하우징(150)의 체결이 완료된 상태의 초음파 검출기(100)를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기를 배관에 설치한 일례를 도시한 도면이다. 도 8의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기의 배관 설치의 일례를 도시하고, 도 8의 (b)는 도 8의 (a)와 대비되는 종래의 초음파 유량계용 초음파 검출기의 배관 설치 일례를 도시한다.
초음파 검출기(100)는 내부에 유체가 흐르는 배관(10)의 외벽에 고정용 호스밴드(20)를 이용하여 설치하게 된다. 고정용 호스밴드(20)는 초음파 검출기(100)를 배관에 밀착하여 고정시키는 호스밴드(22)와 호스밴드(22)의 조임 상태를 조절하는 결속장치(21)로 구성된다. 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 검출기(100)의 외형 구조는 그 횡단면의 일 측이 둥근 모양으로 형성된다. 이와 같은 형상은, 도 8의 (b)에 도시되는 바와 같이, 종래의 사각형 구조의 초음파 검출기를 고정용 호스밴드(20)를 이용하여 배관(10)에 견고하게 고정시킬 때, 초음파 검출기의 일 측이 배관(10)으로부터 들뜨게 되어 배관(10)과 수평으로 가지런히 설치하기 어려운 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 종래의 일반적인 사각형 초음파 검출기에서는 고정용 호스밴드(20)를 이용하여 배관(10)에 견고히 조일 때, 결속장치(21)의 반대편 초음파 검출기 부분이 들뜨게 되어 배관(10)과 수평으로 가지런히 설치하기 어렵게 된다. 이와 같이 부정확하게 설치될 경우 펌프나 유체의 흐름으로 인한 배관(10)의 진동으로 인하여 종래의 사각형 초음파 검출기와 고정용 호스밴드(20)가 맞닿는 부분에 유격이 발생할 수 있으며, 이는 결속장치(21)가 풀리거나 두 모서리(edge)의 꺾임 부분이 끊어지는 현상을 유발할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에서는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 초음파 검출기(100)의 설치에 사용되는 부속품으로서 쉽게 탈착이 가능한 결속장치(21)가 포함된 고정용 호스밴드(20)를 활용하여 초음파 검출기(100)를 설치할 수 있도록 함으로써 보다 능률적인 설치작업의 수행이 가능하도록 개선하고 있다. 특히 종래의 사각형 초음파 검출기에서와 같이 고정용 호스밴드(20)가 모서리 부분에서 꺾이는 것으로 인한 이설 및 재사용이 용이하지 못한 점과, 초음파 검출기(100)의 상/하 측 부분에 가해지는 장력(tension)의 불균형으로 인한 경년변화(經年變化)가 적도록 개선된 구조를 제공하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유량계용 초음파 검출기(100)는, 종래에 많이 사용하던 기계식(turbine) 유량계, 전자식(magnetic) 유량계, 차압식(differential pressure) 유량계 및 삽입식(insertion) 초음파 유량계 등과 비교하여 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다.
1) 기계식 유량계와 비교하여 터빈 및 임펠러(impeller) 등과 같은 가동부가 없어 유속, 유량, 압력 및 관경에 관계없이 장기간 사용이 가능하고, 특히 맥동 유동에도 파손되는 부품이 없다. 유체의 화학적 특성(부식성, 산성, 알칼리성, 점착성 등)에도 영향을 받지 않고, 유체에 포함된 가늘고 긴 섬유, 머리카락 등과 같은 이물질에도 고장이 없으며, 관경이 증가해도 유량계 가격 및 설치비용이 증가하지 않는다.
2) 전자식 유량계와 비교하여 순수(pure water), 탈이온수(deionized water) 및 초순수(ultra pure deionized water) 등과 같이 전기전도도(conductivity)가 낮은 유체에서도 유량을 측정할 수 있으며, 기름(oil), 등유(kerosene), 휘발유 (gasoline) 등과 같은 비전도성 유체에서도 측정이 가능하며, 또한 에탄올 등과 같은 알콜(alcohol), 벤젠, 페놀 등과 같은 화학약품에서도 측정이 가능하다.
3) 차압식 유량계와 비교하여 압력손실이 전혀 없으며, 이는 유량계측을 위해 펌프용량 증가로 인한 전력비용 손실이 없고, 특히 설비(plant)의 공정관리 및 유지보수 비용이 증가하지 않는다.
4) 삽입식 초음파 유량계와 비교하여 무단수(無斷水) 외벽부착식으로 초음파 검출기를 간소하게 설치하여 유량을 측정할 수 있으며, 이는 기타 다른 유량계와 비교하여도 가장 두드러진 장점이다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 배관 20: 고정용 호스밴드
21: 결속장치 22: 호스밴드
30: 쌍심 차폐 케이블 40: 쌍심 차폐 콘넥터
100: 초음파 검출기 110: 압전세라믹 초음파 진동자
120: 몸체 121: 나사부
130: 결합층 140: 배면층
150: 보호 하우징 160: 임피던스 매칭회로
170: 지지볼트 171: 중공
172: 볼트 하우징 173: 탄성체
174: 홈부 175: 나사산
176: 볼트 머리 오목부

Claims (9)

  1. 유체가 흐르는 배관(10)에 고정용 호스밴드(20)를 사용하여 무단수(無斷水) 외벽부착식(clamp-on)으로 설치되는 초음파 유량계용 초음파 검출기로서,
    상기 초음파 검출기(100)는,
    파장이 짧고 지향성이 우수한 초음파를 방출하는 압전세라믹(PZT) 초음파 진동자(110);
    상기 초음파 검출기(100)의 외형을 이루는 몸체(120)의 내부에 경사지게 형성되며, 상기 몸체(120)의 내부에 수용되는 압전세라믹 초음파 진동자(110)를 전방 및 하방에 걸쳐 경사진 면을 통해 지지하기 위한 결합층(maching layer)(130);
    상기 몸체(120)에 수용되어 상기 결합층(130)에 지지되는 상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 후방 및 상방에 걸쳐 설치되어, 초음파 반사로 인해 발생하는 잡음을 최소화하고, 외부로부터의 열전달 억제 및 수분의 침투를 방지하기 위한 배면층(backing layer)(140);
    상기 몸체(120)의 외형에 대응하는 형상으로, 상기 초음파 검출기(100)를 외부의 충격으로부터 보호하고 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하도록 하기 위해 일부가 개방된 형태로 상기 몸체(120)의 외부에 체결되는 보호 하우징(150); 및
    상기 몸체(120)의 결합층(130)에 지지되는 상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)를 배면에서 밀착하여 상기 결합층(130)과 상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)가 기밀되게 부착되도록 함으로써, 초음파 에너지의 전달 및 수신이 원활하게 수행될 수 있도록 하는 지지볼트(170)를 포함하며,
    상기 몸체(120)는,
    원통 형상으로 횡단면의 일부가 평평하고, 나머지 부분의 횡단면의 외형은 둥근 모양으로 구성되어, 상기 보호 하우징(150)과의 체결 시에 횡단면의 평평한 일부만이 개방되도록 구성되고,
    상기 지지볼트(170)는,
    상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)의 신호 케이블의 통로로 활용되는 중공(171)을 형성하는 원통 형상의 볼트 하우징(172)과, 상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)와 맞닿아 밀착되기 위한 탄성체(173)와, 상기 탄성체(173)가 안착될 수 있도록 상기 볼트 하우징(172)의 일면에 형성되는 홈부(174)와, 상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)가 지지되는 결합층(130)의 몸체(120)에 형성된 나사부(121)와 체결될 수 있도록 상기 볼트 하우징(172)의 외각 둘레에 형성되는 나사산(175), 및 상기 볼트 하우징(172)의 다른 일면에 형성되어, 상기 결합층(130)과의 체결 장착이 용이하도록 형성된 볼트 머리 오목부(176)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 검출기(100)는,
    무단수 외벽부착식의 형식으로 고정용 호스밴드(20)를 사용하여 배관(10)에 설치되는 경우, 몸체(120)와 보호 하우징(150)의 횡단면에 형성되는 둥근 모양으로 인해 상기 고정용 호스밴드(20)의 결속장치(21) 반대편이 들뜨게 되는 것이 방지되도록 하는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전세라믹 초음파 진동자(110)와 전기적으로 접속되며, 초음파 변환기를 연결하는 케이블에서 발생하는 임피던스 차이에 의한 반사손실을 최소화하기 위한 임피던스 매칭회로(160)를 더 포함하되,
    상기 임피던스 매칭회로(160)는,
    외부 환경과 격리되고 흡음성이 우수한 배면층(140)으로 둘러싸인 몸체(120)의 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초음파 검출기(100)는,
    상기 임피던스 매칭회로(160)와 전기적으로 연결 접속되며, 휴대용으로 용이한 구조를 가지고, 쌍심 차폐 케이블(30)과의 반사손실을 최소화할 수 있는 쌍심 차폐 커넥터(40)를 채용하는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 결합층(130)의 재질은,
    내열성과 강도가 높고 기계적 가공성이 우수하며, 초음파 신호의 효율적인 투과와 안정된 특성을 갖는 플라스틱 수지(plastic resin)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배면층(140)은,
    초음파의 흡음성이 우수한 고무(rubber) 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 보호 하우징(150)은,
    외부에서 가해지는 충격으로부터 초음파 검출기(100)를 충분히 보호할 수 있는 견고한 비철금속의 알루미늄(aluminum) 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 유량계용 초음파 검출기.
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