KR101195438B1 - Ultrasonic flowmeter and method of measuring flux by ultrasonic waves - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유관에 유체가 완전히 채워지지 않은 상태, 즉 비만관 상태로 흐르는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있는 초음파 유량계 및 초음파 유량측정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초음파 유량계는 유관과, 유체의 흐름방향 상 상류측과 하류측에 서로 마주보도록 유관에 설치되는 한 쌍의 초음파 진동자를 각각 구비하며, 유체의 흐름방향과 교차하는 방향을 따라 서로 이격되어 나란하게 배치되는 복수의 초음파 유속측정회선과, 유관에 설치되어 상방향으로 초음파를 발신하며, 이 초음파가 유체를 통해 상방향으로 진행하다가 유체의 표면에서 반사된 후 하방향으로 진행되는 초음파를 수신하는 초음파 센서와, 초음파 진동자 및 초음파 센서와 전기적으로 연결되며, 초음파 유속측정회선의 한 쌍의 초음파 진동자 사이에서 초음파가 전달되는데 소요되는 시간을 측정하고 이 시간을 이용하여 유체의 유속을 측정하며, 초음파 센서에서 초음파가 발신된 시점에서부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 초음파 센서에서 수신되는 시점까지 소요되는 시간을 측정하고 이 시간을 이용하여 유체의 수위를 측정하며, 측정된 유속 및 수위를 이용하여 유체의 유량을 산출하는 컨트롤러를 포함한다.The present invention relates to an ultrasonic flowmeter and an ultrasonic flow rate measuring method capable of accurately measuring a flow rate of a fluid flowing in a state in which a fluid is not completely filled in an oil pipe, that is, an obesity pipe. The ultrasonic flowmeter according to the present invention includes an oil pipe and a pair of ultrasonic vibrators installed on the oil pipe so as to face each other on the upstream side and the downstream side in the flow direction of the fluid, and are spaced apart from each other along the direction crossing the flow direction of the fluid. And a plurality of ultrasonic flow rate measuring lines arranged side by side, and installed in the conduit to transmit ultrasonic waves upwards, and the ultrasonic waves proceed upward through the fluid and are reflected from the surface of the fluid, It is electrically connected to the receiving ultrasonic sensor, the ultrasonic vibrator and the ultrasonic sensor, and measures the time required for the ultrasonic wave to be transmitted between the pair of ultrasonic vibrators on the ultrasonic flow rate measurement line, and uses the time to measure the flow velocity of the fluid. From the point at which the ultrasonic wave is sent by the ultrasonic sensor, after the ultrasonic wave is reflected off the surface of the fluid It includes a controller for measuring the time required to receive from the wave sensor, using the time to measure the level of the fluid, and calculates the flow rate of the fluid using the measured flow rate and level.
초음파 진동자, 초음파 센서, 유속, 유량, 수위, 비만관 Ultrasonic Oscillator, Ultrasonic Sensor, Flow Rate, Flow Rate, Water Level, Obesity Tube
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 유체의 유량을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비만관 상태, 즉 유관 내부에 유체가 꽉 차지 않은 상태로 흐르는 유체의 유량을 측정하기 위한 초음파 유량계 및 초음파 유량측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the flow rate of a fluid using ultrasonic waves, and more particularly, an ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate of a fluid flowing in an obese tube state, that is, a state in which the fluid is not filled inside the duct. And an ultrasonic flow rate measuring method.
유관의 내부에 유체가 꽉 차지 않은 상태, 즉 비만관 상태로 흐르는 유체의 유량을 측정하기 위해서는 유체의 유속과 유체의 수위를 측정하여야 한다. 종래의 경우, 도 1에 도시된 형태의 비만관용 유량계를 이용하여 유체의 유량을 측정하였다.In order to measure the flow rate of the fluid flowing in the state in which the fluid is not filled inside the tube, that is, the obesity tube state, the flow rate of the fluid and the level of the fluid should be measured. In the conventional case, the flow rate of the fluid was measured using an obesity tube flow meter of the type shown in FIG.
도 1을 참조하면, 종래의 비만관용 유량계(9)는 초음파 유속측정계(1)와, 음파 수위계(4)가 조합된 형태로 이루어진다.Referring to FIG. 1, the conventional obesity
초음파 유속측정계(1)는 유관(2)과, 초음파 유속측정회선을 구비한다. 유관(2)은 중공의 형상으로 형성되며, 내부로 유체가 흐른다. 초음파 유속측정회선은 복수 구비되며, 상하 방향으로 서로 이격되어 나란하게 유관에 설치된다. 각 초음파 유속측정회선은 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 초음파 진동자(3)로 이루어진다.The ultrasonic flowmeter 1 includes an
음파 수위계(4)는 유관(2) 내에서의 유체의 수위를 측정하기 위한 것으로, 도파관(5)과, 음파 발신기(6)와, 음파 수신기(7)를 구비한다. 도파관(5)은 중공의 형상으로 형성되며, 유관(2)의 상단에 결합된다. 음파 발신기(6)는 도파관(5)에 결합되며, 유체의 표면을 향해 하방향으로 음파를 발신한다. 음파 수신기(7)는 음파 발신기(6)의 하측에 배치되며, 음파 발신기(6)에서 발신된 음파 및 음파 발신기(6)에서 발신된 후 유체의 표면에서 반사된 음파를 수신한다. The sound level gauge 4 is for measuring the level of the fluid in the
그리고, 상기 초음파 유속측정계의 초음파 진동자(3) 및 음파 수위계의 음파 발신기(6) 및 음파 수신기(7)는 컨트롤러(미도시)와 연결된다. 컨트롤러는 각 초음파 유속측정회선의 한 쌍의 초음파 진동자(3) 사이에서 초음파가 전달되는 시간의 차이를 이용한, 소위 '전파 시간차법'을 이용하여 유체의 유속을 측정한다. 또한, 컨트롤러는 음파 발신기(6)에서 발신된 음파가 유체의 표면에서 반사된 후 음파 수신기(7)에 도달하기에 까지 걸린 시간을 이용하여 유체의 수위(h)를 측정하며, 유체의 유속 및 수위를 이용하여 유관(1)을 따라 흐르는 유체의 유량을 산출한다.In addition, the
하지만, 종래의 비만관용 유량계(9)의 경우, 초음파 진동자(3)에서 발신되는 초음파의 진동수는 수백 킬로 헤르쯔인 반면, 음파 발신기(6)에서 발신되는 음파의 주파수는 수십 킬로 헤르쯔로, 사용되는 두 파의 진동수 대가 서로 상이하다. 따라서, 하나의 컨트롤러를 이용하여 한 쌍의 초음파 진동자(3) 사이에서 초음파가 발신 및 수신되는데 소요되는 시간과, 음파 발신기(6)와 음파 수신기(7) 사이에서 음파가 발신 및 수신되는데 소요되는 시간을 측정하는 경우, 측정되는 시간에 오차가 발생하게 된다. 즉, 하나의 컨트롤러로 주파수 영역대가 서로 다른 두 종류의 전파의 발신 및 수신시점을 측정하는 경우에는 그 정확성이 떨어지게 되므로, 측정되는 소요시간에 오차가 발생하게 되며, 따라서 유량이 부정확하게 측정되게 되는 문제점이 있다.However, in the case of the conventional obesity
또한, 종래의 경우에는 유관(2)에 일정 길이, 즉 음파 수신기(6)의 불감 구간 이상의 길이를 가지는 도파관(5)을 별도로 설치해야 한다. 여기서, 도 2를 참조하여 불감구간에 대하여 설명한다. In addition, in the conventional case, the waveguide 5 having a predetermined length, that is, a length longer than the dead period of the
음파가 음파수신기(7)를 통과하고 유체의 표면에서 반사되어 다시 음파수신기(7)를 통과하는데 소요되는 시간차이를 측정하여 수위를 측정하는 원리는, 도 2(A) 에 도시된 바와 같이, 음파발신기(6)에서 하방향으로 발신된 음파가 음파수신기(7)에서 수신되기 시작(a)하여 측정이 끝난 시점(b) 뒤에 유체의 표면에서 반사된 음파가 음파수신기(7)에서 다시 수신되기 시작(c)하면 두 음파가 측정되기 시작하는 두 시점(a, c)의 사이의 시간차이를 이용하는 것이다. 하지만, 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 음파발신기(6)에서 하방향으로 발신된 음파가 음파수신기(7)에서 수신이 종료되는 시점(b') 전에 유체의 표면에서 반사된 음파가 음파수신기(7)로 수신되는 경우, 두 개의 음파가 중첩되어 하나의 음파로 측정됨으로써 두 음파가 측정되기 시작하는 두 시점(a', c')의 시간차이를 측정하지 못하게 되며, 따라서 수위도 측정하지 못하게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 수면과 음파 수신기 사이의 거리가 가까워서 발생하는 현상이며, 수면으로부터 이러한 현상이 발생할 수 있는 지점까지를 불감구간이라 한다.The principle of measuring the water level by measuring the time difference between the sound wave passing through the
즉, 종래의 경우 수위를 측정하기 위해서는 불감구간 이상의 길이를 가지는 도파관(5)을 별도로 설치하여야 하므로, 비만관용 유량계(9)의 크기가 커지게 되며, 따라서 비만관용 유량계(9)를 설치하는데 있어서 공간상의 제한 또는 어려움이 발생하게 되는 문제점이 있다. That is, in the conventional case, in order to measure the water level, the waveguide 5 having a length greater than the dead period must be separately installed, and thus the size of the
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 비만관 상태로 흐르는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있는 초음파 유량계 및 초음파 유량측정방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flow meter and ultrasonic flow rate measuring method capable of accurately measuring the flow rate of the fluid flowing in the obesity tube state.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초음파 유량계는 내부로 유체가 흐르는 유관과, 상기 유체의 흐름방향 상 상류측과 하류측에 서로 마주보도록 상기 유관에 설치되며 상호간에 초음파를 발신 및 수신하는 한 쌍의 초음파 진동자를 각각 구비하며, 상기 유체의 흐름방향과 교차하는 방향을 따라 서로 이격되어 나란하게 배치되는 복수의 초음파 유속측정회선과, 상기 유관에 설치되어 상방향으로 초음파를 발신하며, 이 초음파가 상기 유체를 통해 상방향으로 진행하다가 상기 유체의 표면에서 반사된 후 하방향으로 진행되는 초음파를 수신하는 초음파 센서와, 상기 초음파 진동자 및 상기 초음파 센서와 전기적으로 연결되며, 상기 각 초음파 유속측정회선의 한 쌍의 초음파 진동자 사이에서 초음파가 전달되는데 소요되는 시간을 측정하고 이 시간을 이용하여 상기 유체의 유속을 측정하며, 상기 초음파 센서에서 초음파가 발신된 시점에서부터 이 초음파가 상기 유체의 표면에서 반사된 후 상기 초음파 센서에서 수신되는 시점까지 소요되는 시간을 측정하고 이 시간을 이용하여 상기 유체의 수위를 측정하며, 상기 측정된 유속 및 수위를 이용하여 상기 유체의 유량을 산출하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the ultrasonic flowmeter according to the present invention is installed in the conduit so as to face each other on the upstream side and the downstream side of the flow direction and the flow direction of the fluid and the ultrasonic wave to send and receive mutually And a pair of ultrasonic vibrators, each of which has a plurality of ultrasonic flow rate measuring lines disposed side by side and spaced apart from each other along a direction crossing the flow direction of the fluid, and installed in the conduit to transmit ultrasonic waves upwards. An ultrasonic sensor which is ultrasonically advanced upward through the fluid and is reflected from the surface of the fluid and receives ultrasonic waves downwardly, and is electrically connected to the ultrasonic vibrator and the ultrasonic sensor, wherein each ultrasonic flow velocity is measured Measure the time it takes for ultrasound to pass between a pair of ultrasonic vibrators on the line. Using this time, the flow velocity of the fluid is measured, and the time taken from the time when the ultrasonic wave is transmitted by the ultrasonic sensor to the time when the ultrasonic wave is reflected from the surface of the fluid and received by the ultrasonic sensor is measured. Measure the level of the fluid using the, characterized in that it comprises a controller for calculating the flow rate of the fluid using the measured flow rate and level.
본 발명에 따른 초음파 유량측정방법은, 유관을 따라 흐르는 유체의 흐름방향 상 상류측과 하류측에 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 초음파 진동자를 각각 구비하며 상기 유체의 흐름방향과 교차하는 방향으로 서로 이격되도록 상기 유관에 설치되는 복수의 초음파 유속측정회선을 이용하여 상기 유체의 유량을 측정하기 위한 초음파 유량측정방법에 있어서, 상기 각 초음파 유속측정회선의 두 개의 초음파 진동자 중 상류측 초음파 진동자에서 초음파를 발신시킨 시점으로부터 하류측 초음파 진동자에서 상기 상류측 초음파 진동자에서 발신된 초음파를 수신할 때까지 소요되는 시간과, 상기 하류측 초음파 진동자에서 초음파를 발신시킨 시점으로부터 상기 상류측 초음파 진동자에서 상기 하류측 초음파 진동자에서 발신된 초음파를 수신할 때까지 걸리는 시간의 차이를 측정하여, 상기 두 초음파 진동자 사이를 통과하는 유체의 유속을 측정하는 메인유속측정단계와, 상기 초음파 센서에서 초음파를 발신시킨 시점으로부터 이 초음파가 상기 유체를 통해 상방향으로 진행되다가 상기 유체의 표면에서 반사된 후 하방향으로 진행하여 상기 초음파 센서에 수신될 때까지 소요되는 시간을 측정하여 상기 유체의 수위를 측정하는 수위측정단계와, 상기 메인유속측정단계에서 측정된 유속과, 상기 수위측정단계에서 측정된 수위를 이용하여 상기 유관을 따라 흐르는 유체의 유량을 산출하는 유량산출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The ultrasonic flow rate measuring method according to the present invention comprises a pair of ultrasonic vibrators disposed to face each other upstream and downstream of the flow direction of the fluid flowing along the conduit and each other in a direction crossing the flow direction of the fluid. In the ultrasonic flow rate measuring method for measuring the flow rate of the fluid by using a plurality of ultrasonic flow rate measuring lines provided in the flow pipe, the ultrasonic wave is upstream of the two ultrasonic vibrators of each ultrasonic flow rate measuring line The time required for receiving the ultrasonic wave transmitted by the upstream ultrasonic vibrator from the downstream ultrasonic vibrator from the time point at which it is transmitted, and the downstream ultrasonic wave in the upstream ultrasonic vibrator from the time when the ultrasonic wave is transmitted from the downstream ultrasonic vibrator. Until you receive the ultrasound from the vibrator Measuring the difference in the time taken, the main flow rate measuring step of measuring the flow rate of the fluid passing between the two ultrasonic vibrator, and the ultrasonic wave proceeds upward through the fluid from the time when the ultrasonic sensor sends the ultrasonic wave A water level measurement step of measuring the level of the fluid by measuring a time required until it is received by the ultrasonic sensor after being reflected from the surface of the fluid, and the flow velocity measured in the main flow rate measurement step, And a flow rate calculation step of calculating a flow rate of the fluid flowing along the duct using the level measured in the level measurement step.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 유속 및 수위 측정 과정에서 모두 초음파가 이용되므로, 종래와 같이 유속 및 수위 측정 과정에서 사용되는 전파의 진동수 의 영역대가 서로 상이함으로 인해 측정되는 소요시간에 오차가 발생되는 것이 방지되며, 그 결과 비만관 상태로 흐르는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다. According to the present invention having the above-described configuration, since both ultrasonic waves are used in the flow rate and level measurement process, an error occurs in the required time measured due to the difference in the frequency bands of the radio waves used in the flow rate and level measurement process as in the prior art. It is possible to accurately measure the flow rate of the fluid flowing in the obesity tube state.
또한, 장치의 크기가 작아지므로, 장치를 설치하는데 있어서 공간상의 제약 및 어려움이 감소된다.In addition, since the size of the device is smaller, space limitations and difficulties in installing the device are reduced.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량계의 사시도이며, 도 4는 도 3의 투영선(I)을 유체의 흐름방향(a)으로 바라본 개략적인 투영도이며, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선의 단면도이다. 3 is a perspective view of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a schematic projection view of the projection line I of FIG. 3 as the flow direction a of the fluid, and FIG. 5 is V- of FIG. 3. It is sectional drawing of the V line.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 유량계(100)는 유관(10)과, 초음파 유속측정회선(21~25)과, 초음파 센서(30)와, 컨트롤러(미도시)를 포함한다.3 to 5, the ultrasonic flowmeter 100 according to the present embodiment includes an
유관(10)은 중공의 형상으로 형성되며, 그 내부로 유체가 흐른다. 본 실시예의 경우 유관(10)은 그 단면의 반경이 R인 원통 형상으로 형성된다. 그러나, 유관은 그 단면이 원형 또는 정사각형 등과 같이 폐쇄된 형태가 아닌, ""과 같은 형태, 예를 들어 하천이나 개수로 등이 될 수도 있다.
초음파 유속측정회선(21~25)은 복수 구비되는데, 본 실시예의 경우 5개의 초음파 유속측정회선(21~25)이 구비된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 5개의 초음파 유속측정회선(21~25) 중 제1초음파 유속측정회선(21)은 투영면의 중심선 상에 배치되고, 제2초음파 유속측정회선(22) 및 제3초음파 유속측정회선(23)은 제1초음파 유 속측정회선(21)으로부터 하방으로 및 만큼 이격된 지점에 각각 배치되며, 제4초음파 유속측정회선(24) 및 제5초음파 유속측정회선(25)은 제1초음파 유속측정회선(21)으로부터 상방으로 및 만큼 이격된 지점에 각각 배치된다. 각 초음파 유속측정회선(21~25)은 한 쌍의 초음파 진동자(21A~25B)를 포함하는데, 한 쌍의 초음파 진동자 중 하나의 초음파 진동자(21A,22A,23A,24A,25A)는 유체의 흐름방향(a) 상 상류측에 배치되며, 다른 하나의 초음파 진동자(21B,22B,23B,24B,25B)는 유체의 흐름방향(a) 상 하류측에 배치된다. 한 쌍의 초음파 진동자는 서로 마주보게 배치되며, 한 쌍의 초음파를 연결한 직선과 유체의 흐름방향은 일정각도(θ)를 이루게 된다. 후술하는 바와 같이, 각 초음파 진동자(21A~25B)는 컨트롤러(미도시)와 전기적으로 연결되며, 초음파를 수신 및 발신한다.Ultrasonic flow
초음파 센서(30)는 초음파를 발신 및 수신할 수 있는 공지의 장치로, 그 작동 원리 및 구조는 초음파 진동자와 동일하다. 본 실시예의 경우, 초음파 센서(30)는 앞서 설명한 초음파 진동자(21A~25B)와 동일한 주파수 영역대(수백 킬로 헤르쯔)의 초음파를 발신 및 수신한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 센서(30)는 유관(10)의 바닥부에 설치되어, 상방향, 특히 유체의 표면과 직교하는 방향으로 초음파를 발신하며, 발신된 후 유체에 표면에서 반사되어 하방향으로 진행하는 초음파를 수신한다. 그리고, 초음파 센서(30)는 후술하는 바와 같이, 컨트롤러와 전기적으로 연결된다. The
컨트롤러는 초음파 진동자(21A~25B) 및 초음파 센서(30)와 전기적으로 연결된다. 컨트롤러는 각 초음파 유속측정회선(21~25)의 초음파 진동자 사이에서 초음파가 전달되는데까지 소요되는 시간을 이용하여 유체의 유속을 측정하며, 측정된 유속들을 기초로 하여 유관(10) 내부를 흐르는 유체의 평균유속을 산출한다. 그리고, 컨트롤러는 초음파 센서(30)에서 발신된 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후, 다시 초음파 센서(30)에 수신되기까지 소요되는 시간을 측정하고, 이 시간을 이용하여 유체의 수위(h)를 산출된다. 또한, 컨트롤러는 산출된 유체의 평균유속 및 유체의 수위(h)를 이용하여, 유관(10)을 따라 흐르는 유체의 유량을 산출한다. 컨트롤러에서 수행되는 유속, 수위 및 유량측정의 구체적인 과정에 대해서는 초음파 유량측정방법에서 설명하기로 한다.The controller is electrically connected to the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량측정방법의 개략적인 흐름도이며, 도 7은 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개략적인 도면이며, 도 8은 도 6에 도시된 단부유속측정단계를 설명하기 위하여 개략적인 투영도이며, 도 9는 초음파 유속측정방법을 사용하여 유속을 측정한 효과를 설명하기 위한 그래프이며, 도 10은 초음파가 중첩되지 않은 상태로 초음파 센서에 수신된 경우를 나타내는 그래프이며, 도 11은 초음파가 중첩된 상태로 초음파 센서에 수신된 경우에 소요시간을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 6 is a schematic flowchart of an ultrasonic flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention, FIG. 7 is a schematic view for explaining Snell's law, and FIG. 8 illustrates an end flow rate measuring step shown in FIG. 6. FIG. 9 is a graph for explaining the effect of measuring the flow rate using the ultrasonic flow rate measurement method, and FIG. 10 is a graph showing a case where the ultrasonic wave is received by the ultrasonic sensor without overlapping the ultrasonic wave. FIG. 11 is a graph for describing a method of measuring a time required when ultrasonic waves are received by an ultrasonic sensor in an overlapped state.
도 6 내지 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 유량측정방법(M100)은 제1준비단계(S10), 제2준비단계(S20), 메인유속측정단계(S30), 단부유속측정단계(S40), 평균유속산출단계(S50), 수위측정단계(S60) 및 유량산출단계(S70)를 포함 한다.6 to 11, the ultrasonic flow rate measuring method M100 according to the present embodiment includes a first preparation step S10, a second preparation step S20, a main flow rate measurement step S30, and an end flow rate measurement step. (S40), the average flow rate calculation step (S50), the water level measurement step (S60) and the flow rate calculation step (S70).
제1준비단계(S10)에서는 유관(10)에 복수의 초음파 유속측정회선(21~25)을 설치한다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 초음파 유속측정회선(21~25)이 유체의 흐름방향(a)과 교차하는 방향으로 서로 이격되게 설치하며, 각 초음파 유속측정회선의 한 쌍의 초음파 진동자는 상류측 및 하류측에 서로 마두보게 설치한다. 이후, 각 초음파 진동자(21A~25b)와 컨트롤러를 전기적으로 연결한다.In the first preparation step (S10), a plurality of ultrasonic flow
제2준비단계(S20)에서는 도 5에 도시된 바와 같이 유관의 바닥부에 초음파 센서(30)를 설치한다. 이때, 초음파 센서(30)에서 발신되는 초음파가 유체의 표면에 대하여 수직 방향으로 진행되도록 초음파 센서의 초음파 발신면과 유체의 표면과 평행하게 설치한다. 이후, 설치된 초음파 센서(30)와 컨트롤러를 전기적으로 연결한다.In the second preparation step (S20), as shown in FIG. 5, the
한편, 상술한 바와 같이 유관(10)에 직접 초음파 유속측정회선(21~25) 및 초음파 센서(30)를 설치함으로써 본 실시예에서의 제1준비단계(S10) 및 제2준비단계(S20)를 실시할 수 있으나, 앞서 도 3에 도시된 바와 같이 초음파 유속측정회선(21~25) 및 초음파 센서(30)가 설치되어 있는 유관(10)을 마련함으로써 본 실시예에서의 제1준비단계(S10) 및 제2준비단계(S20)를 실시할 수도 있다.On the other hand, the first preparation step (S10) and the second preparation step (S20) in the present embodiment by installing the ultrasonic flow
메인유속측정단계(S30)에서는 유관(10)에 유체가 흐르는 상태에서, 이른바 전파시간차 방법을 사용하여 유체의 유속을 측정한다. 즉, 제1초음파 유속측정회선(21)의 상류측 초음파 진동자(21A)에서 초음파를 발생시키고 하류측 초음파 진동자(21B)에서 상류측 초음파 진동자(21A)가 발생한 초음파를 수신하되, 상류측 초음 파 진동자(21A)에서 초음파가 발생된 시점부터 하류측 초음파 진동자(21B)가 상류측 초음파 진동자(21A)에서 발생된 초음파를 수신할 때까지 걸린 시간T12을 측정한다. 반대로 하류측 초음파 진동자(21B)에서 초음파를 발생시키고 상류측 초음파 진동자(21A)에서 하류측 초음파 진동자(21B)가 발생한 초음파를 수신하되, 하류측 초음파 진동자(21B)에서 초음파가 발생된 시점부터 상류측 초음파 진동자(21A)가 하류측 초음파 진동자(21B)세어 발생된 초음파를 수신할 때까지 걸린 시간T21을 측정한다. 이때 측정하고자 하는 제1초음파 유속측정회선(21)을 제외한 나머지 초음파 유속측정회선들의 초음파 진동자는 작동되지 않도록 한다. 왜냐하면 제1초음파 유속측정회선의 초음파 진동자(21A,21B) 이외의 다른 초음파 진동자에 의하여서도 초음파가 수신되는 경우, 이 초음파 진동자에서도 초음파를 수신하였다는 수신신호가 컨트롤러에 전달된다. 그리고, 이와 같이 여러개의 수신신호가 함께 컨트롤러로 수신되는 경우, 부작용이 발생하여 측정결과가 부정확해지기 때문이다.In the main flow rate measuring step (S30), the flow rate of the fluid is measured using a so-called propagation time difference method while the fluid flows in the
한편, 유체가 움직이지 않는 조건에서 초음파 진동자에서 발사된 초음파가 유체를 통해 전파되는 음속을 C라하고, 두 초음파 진동자(21A, 21B)를 연결한 직선(K1) 상을 통과하는 유체의 유속을 V1라고 하고, 두 초음파 진동자(21A, 21B)간의 거리를 L이라하면, T12 와 T21 는 각기 다음과 같다.On the other hand, the sound velocity that the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic vibrator propagates through the fluid under the condition that the fluid does not move is called C, and the flow velocity of the fluid passing through the straight line K1 connecting the two
, ,
초음파가 유체의 흐름방향에 대해 순방향으로 발사되는 경우의 시간 T12는 초음파가 유체의 흐름방향에 대해 역방향으로 발사된 경우의 시간 T21에 비해서 짧다. 그 시간의 차이ΔT를 구하여 보면, The time T 12 when the ultrasonic wave is fired in the forward direction with respect to the flow direction of the fluid is shorter than the time T 21 when the ultrasonic wave is fired in the reverse direction with respect to the flow direction of the fluid. If we find the time difference ΔT,
여기서 항은 무시할 수 있을 정도로 작은 양이다. 따라서, 두 초음파 진동자(21A, 21B)를 연결한 직선(K1)상을 통과하는 유체의 유속 V1은 이 된다. here The term is negligibly small. Therefore, the flow rate V 1 of the fluid passing through the straight line K1 connecting the two
동일한 방법으로 나머지 초음파 유속측정회선들(22~25)을 사용하여 직선(K2~K5) 상을 통과하는 유체의 유속 V2 ~ V5 를 측정한다. 이때, 유체가 채워져 있지 않은 지점에 배치된 초음파 유속측정회선, 즉 도 4에서 제5초음파 유속측정회선(25)의 경우에는 유체의 외부에 배치되어 있는 바, 유체의 흐름에 의한 초음파의 전달속도 차이가 발생되지 않게 된다. 즉, 유체의 흐름방향에 대해 순방향으로 초음파를 발신하는 경우에 초음파가 전달되는데 소요되는 시간과, 역방향으로 발신하는 경우에 소요되는 시간이 동일하게 되므로 ΔT = 0 이 된다. 따라서, 이 지점을 통과하는 유체의 유속은 0이 되며, 후술하는 바와 같이 이 지점에서의 유속(V5)은 유체의 평균유속을 구하는 과정에서 제외된다.In the same manner, the flow rates V 2 to V 5 of the fluid passing through the straight lines K2 to K5 are measured using the remaining ultrasonic flow
단부유속측정단계(S40)에서는 5개의 초음파 유속측정회선(21~25) 중 최하측 에 배치된 초음파 유속측정회선, 즉 제3초음파 유속측정회선(23)과 유관의 바닥면으로 둘러싸인 지점을 통과하는 유체의 유속을 측정한다. 이하, 단부유속측정단계(S40)에서 이용되는 전반사 현상에 관해 먼저 설명한 후, 단부유속측정단계(S40)의 진행과정에 대하여 상세히 설명하기로 한다.In the end velocity measurement step (S40), the ultrasonic flow velocity measurement line disposed at the lowermost side of the five ultrasonic flow
광선 또는 전파가 서로 다른 매질의 경계면에 입사하여 통과할 때 입사각과 굴절각의 관계를 표현하는 법칙, 즉 스넬의 법칙은 하기하는 식으로 표현된다.Snell's law, which represents the relationship between the angle of incidence and the angle of refraction when light rays or radio waves enter and pass through the interface of different media, is expressed by the following equation.
C1 / C2 = sinθ1 / sinθ2 = n2 / n1 C 1 / C 2 = sinθ 1 / sinθ 2 = n 2 / n 1
이때, C1 및 C2는 매질1과 매질2 내를 진행하는 전파의 속도이며, θ1 및 θ2는 입사각과 굴절각이며, n1 및 n2 는 매질1 및 매질2의 굴절률이다. In this case, C 1 and C 2 are the speeds of propagation propagating through the medium 1 and the
스넬의 법칙에 따르면 매질의 굴절율과 매질 내에서 전파의 진행속도는 서로 반비례하며, 도 7에 도시된 바와 같이 굴절률이 작은 매질(n1)에서 굴절률이 큰 매질(n2)로 전파가 입사되는 경우에는 입사각(θ1)보다 반사각(θ2)이 더 크게 된다. 그리고, 전파의 입사각(θ1)이 증가함에 따라 반사각(θ2)도 점점 더 커지게 되는데, 이때 반사각이 90°가 되는 순간의 입사각을 임계각(θc)이라고 한다. 그리고, 입사각(θ1)이 임계각(θc) 이상이 되는 경우 매질의 경계면에서 전반사가 발생하여, 도 6에 이점 쇄선으로 도시된 바와 같이 전파가 매질의 경계면에서 입사각과 동일한 각도로 반사된다. 이러한 전반사가 발생하는 임계각(θc)을 매질 내에서의 전파의 진행속도로 나타내면 θc = arcsin(C1 / C2) 으로 표현된다. 예를 들어, 본 실시예의 유관 재질인 강철 내에서의 초음파의 전달속도는 약 5900m/s 이며, 유관 내를 흐르는 유체 특히 물에서의 초음파 전달속도는 약 1480m/s이다. 따라서, 물에서 강철방향으로 초음파가 전달되는 경우 그 임계각(θc)은 arcsin(1480/5900) ≒ 14.53°가 된다.According to Snell's law, the refractive index of the medium and the propagation speed of the propagation in the medium are inversely proportional to each other, and as shown in FIG. 7, the radio wave is incident from the medium having a small refractive index n 1 to the medium having a large refractive index n 2 . In this case, the reflection angle θ 2 is larger than the incident angle θ 1 . In addition, as the incident angle θ 1 of the radio wave increases, the reflection angle θ 2 also becomes larger and larger, and the incident angle at the instant when the reflection angle becomes 90 ° is referred to as the critical angle θ c . When the incident angle θ 1 is greater than or equal to the critical angle θ c , total reflection occurs at the interface of the medium, and as shown by the dashed-dotted line in FIG. 6, radio waves are reflected at the same angle as the incident angle at the interface of the medium. When the critical angle (θ c ) in which total reflection occurs is represented by the propagation speed of the propagation in the medium, θ c = arcsin (C 1 / C 2 ). For example, the transmission speed of ultrasonic waves in the steel tube material of the present embodiment is about 5900m / s, and the ultrasonic transmission speed of the fluid flowing in the milk pipe, in particular water is about 1480m / s. Therefore, when ultrasonic waves are transmitted from the water to the steel direction, the critical angle θ c becomes arcsin (1480/5900) ≒ 14.53 °.
한편, 초음파 진동자에서 발신되는 초음파는 직선방향으로만 전파되는 것이 아니라, 소정의 각도(지향각)로 퍼져서 유체 내에서 전파된다. 따라서, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 제3초음파 유속측정회선(23)의 상류측 초음파 진동자(23A)에서 발신된 초음파는 유관의 내벽, 즉 바닥면 쪽으로도 전파되는데, 상류측 초음파 진동자(23A)와 하류측 초음파 진동자(23B)의 중앙지점 즉 제1반사지점(H1)으로 입사된 초음파는 유관의 바닥면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(23B)에 수신된다. 참고로, 초음파가 제1반사지점(H1)에서 전반사 되기 위해서는 초음파의 입사각(θi), 즉 제1반사지점(H1)을 통과하며 제1반사지점(H1)에 접하는 평면에 대하여 수직인 직선 즉 직경선(T)과, 초음파 진동자(23A)와 제1반사지점(H1)을 연결한 직선 사이에 형성되는 제1입사각이 상술한 임계각(θc) 즉 14.53° 이상이 되어야 한다. 본 실시예에서의 제1입사각(θi)을 도 8에 도시되어 있는 기하학적 구조를 이용하여 계산해보면, 제1입사각(θi)은 arctan(50.5) ≒ 65.9°가 된다. 즉, 초음파의 제1입 사각(θi)이 임계각(θc)보다 훨씬 크므로, 상류측 초음파 진동자(23A)에서 발신된 초음파가 제1반사지점(H1)에서 전반사 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 상류측 초음파 진동자(23A)에서 발신된 초음파는 거의 동일한 세기를 유지하면서 하류측 초음파 진동자(23B)로 수신된다. On the other hand, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator is not only propagated in the linear direction but is spread at a predetermined angle (direction angle) and propagates in the fluid. Therefore, as shown in FIG. 8, the ultrasonic waves transmitted from the upstream
반대로, 제3초음파 유속측정회선(23)의 하류측 초음파 진동자(23B)에서 발신된 초음파는 유관의 바닥면 쪽으로도 전파되며, 이때 상류측 초음파 진동자(23A)와 하류측 초음파 진동자(23B)의 중앙지점 즉 제2반사지점(H2)으로 입사된 초음파는 유관의 바닥면에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(23A)에 수신된다. 그리고, 도 8에 도시된 바와 같이 제1반사지점(H1)과 제2반사지점(H2)이 일치하므로, 제2입사각은 제1입사각과 동일하며, 따라서 하류측 초음파 진동자(23B)에서 발신된 초음파 역시 제2반사지점(H2)에서 전반사 된다. On the contrary, the ultrasonic wave transmitted from the downstream
즉, 제3초음파 유속측정회선(23)에서 발신되는 초음파는 유관의 바닥면에서 전반사 되며, 이를 바탕으로 하여 단부유속측정단계(S40)의 진행과정에 대해 설명한다.That is, the ultrasonic wave transmitted from the third ultrasonic flow
먼저, 제3초음파 유속측정회선(23)의 상류측 초음파 진동자(23A)에서 초음파를 발신하면, 이 초음파는 소정의 지향각으로 전파되다가 제1반사지점(H1)에서 전반사 된 후 제3초음파 유속측정회선의 하류측 초음파 진동자(23B)에 수신된다. 이때, 상류측 초음파 진동자(23A)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 제1반 사지점(H1)에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(23B)에 수신될 때까지 소요되는 제1소요시간을 측정한다. 반대로, 하류측 초음파 진동자(23B)에서 초음파를 발신하면, 이 초음파는 제2반사지점(H2)에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(23A)에 수신되는데, 이때 하류측 초음파 진동자(23B)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 제2반사지점(H2)에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(23A)에 수신될 때까지 소요되는 제2소요시간을 측정한다. 이후, 제1소요시간과 제2소요시간의 차이와 상술한 전파시간차 방법을 사용하면, 초음파가 진행하는 경로(G) 상을 지나는 유체의 유속(V6)을 구할 수 있다. 그런데, 도 8에 도시된 바와 같이 초음파가 제3초음파 유속측정회선(23)과 초음파가 반사된 유관의 바닥면으로 둘러싸인 영역, 즉 빗금으로 도시된 유관의 바닥층 영역(P)을 가로지르면서 진행하므로, 초음파는 이 영역(P)을 통과하는 유체의 영향을 골고루 받게 된다. 따라서 초음파의 진행경로(G) 상을 통과하는 유체의 유속을 유관의 바닥층 영역(P)을 통과하는 유체의 유속으로 설정할 수 있다. First, when the ultrasonic wave is transmitted from the
특히, 도 9에 도시된 바와 같이 바닥층 영역(P)의 경우, 유관의 바닥면과의 마찰에 의해 유속의 변화가 매우 심하므로 유관 내의 정확한 평균유속을 산출하기 위하여 반드시 측정될 필요성이 있다. 그러나, 초음파 유속측정회선을 설치하기가 용이하지 않아서, 종래의 방법으로는 그 유속을 측정하기 어려웠다. 하지만, 본 실시예에서는 유관의 바닥면에서 전반사되는 초음파를 이용하여 바닥층 영역(P)의 유속을 측정할 수 있으며, 그 결과 후술하는 바와 같이 종래보다 더 정확한 평균유 속을 측정할 수 있게 된다.In particular, in the case of the bottom layer region P, as shown in FIG. 9, since the change of the flow velocity is very severe by friction with the bottom surface of the milk pipe, it is necessary to be measured in order to calculate an accurate average flow speed in the milk pipe. However, it was not easy to provide an ultrasonic flow rate measurement line, so it was difficult to measure the flow rate by the conventional method. However, in the present embodiment, it is possible to measure the flow rate of the bottom layer region P by using ultrasonic waves totally reflected from the bottom surface of the milk pipe, and as a result, it is possible to measure the average flow velocity more accurately than in the prior art.
한편, 단부유속측정단계(S40)에서 측정된 유속(V6)을 유관의 바닥층 영역(P)에 포함되며 제3초음파 유속측정회선(23)과 나란한 직선(K6) 상을 통과하는 유체의 유속으로 설정한다. 특히, 본 실시예에서는 단부유속측정단계(S40)에서 측정된 유속(V6)을 제3초음파 유속측정회선(23)과 나란하며 바닥층 영역(P)의 중심, 즉 높이가 인 지점을 지나는 직선(K6) 상을 통과하는 유체의 유속으로 설정한다. 다만, 설정되는 위치는 유관의 형상 또는 유관 바닥면의 마찰에 의한 영향 등에 따라서 달라질 수 있는 것으로서, 그 위치는 실험을 통하여 최적화된 지점으로 변경될 수 있을 것이다.Meanwhile, the flow velocity V 6 measured in the end velocity measurement step S40 is included in the bottom layer region P of the oil pipe and passes through a straight line K 6 parallel to the third ultrasonic flow
평균유속산출단계(S50)에서는 메인유속측정단계(S30)에서 측정된 5개의 유속 V1 ~ V5 와, 단부유속측정단계(S40)에서 구하여진 유속 V6을 이용하여 유체의 평균유속(V)을 구한다. 다만, 본 실시예와 같이 제5초음파 유속측정회선(25)이 배치된 지점에 유체가 채워지지 않는 경우에는 이 지점에서의 유속을 배제하여야 하는 바, 제5초음파 유속측정회선(25)에서 구하여지는 유속(V5)을 제외한 나머지 유속, 즉 도 9의 그래프에 도시된 5개의 유속(V1 ~ V4, V5)을 이용하여 유관(10) 내를 흐르는 유체의 평균유속 V를 구한다. 즉, 평균유속산출단계(S50)에서는 5개의 유속(V1 ~ V4, V5)에 각각 가중계수를 곱한 후 이들을 합산하고 합산된 값을 5으로 나눔으로써 유 관 내부를 흐르는 유체의 평균유속(V)을 구한다.In the average flow rate calculation step (S50), the average flow rate (V) of the fluid using the five flow rates V 1 to V 5 measured in the main flow rate measurement step (S30) and the flow rate V 6 obtained in the end flow rate measurement step (S40). ) However, when the fluid is not filled at the point where the fifth ultrasonic flow
이렇게 가중계수를 곱하여 연산을 하는 것을 가중계수법이라 하며, 이는 공지의 방법이다. 가중계수는 유관에 배치되는 초음파 진동자들의 배치에 따라 달라지며, 이는 반복 실험 또는 유관 단면의 기하학적인 형상을 고려하여 결정할 수 있다. 공지된 초음파 진동자들의 배치 및 이에 따른 가중계수로서는, 소위 "가우시안" 형상, "셰비세프" 형상 및 "테일러" 형상 등의 가중계수가 알려져 있으며 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. The multiplication by multiplying the weighting factor is called the weighting factor method, which is a known method. The weighting factor depends on the arrangement of the ultrasonic vibrators placed in the canal, which can be determined by taking into account the repeated shape or the geometric shape of the canal cross section. As a known arrangement of the ultrasonic vibrators and a weighting factor accordingly, weighting factors such as a "Gaussian" shape, a "Shevysef" shape, and a "Taylor" shape are known and the description thereof will be omitted.
수위측정단계(S60)에서는 유체의 수위(h)를 측정한다. 즉, 수위측정단계(S60)에서는 초음파 센서(30)에서 초음파가 발신된 시점으로부터, 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 다시 수신될 때까지 소요되는 시간을 측정하고, 이 시간을 이용하여 유체의 수위를 측정한다. In the water level measurement step S60, the water level h of the fluid is measured. That is, in the water level measurement step S60, the time required for the ultrasonic wave to be received again after being reflected from the surface of the fluid from the time point at which the
도 5에 확대되어 도시된 바와 같이, 초음파 센서에서 발신된 초음파 중 일부는 유관(10)과 유체의 경계면, 즉 유관(10)의 내벽에서 반사되어 다시 초음파 센서(30)로 수신되고, 나머지는 유체를 통해 상방향으로 진행한다. 상방향으로 진행하는 초음파는 유체의 표면에서 반사된 후 하방향으로 진행하게 되며, 이후 초음파 센서(30)에 수신된다(이때, 하방향으로 진행하던 초음파의 일부는 유관의 내벽에서 반사된다). 이에 따라, 초음파 센서에는 도 10의 형태로 초음파가 수신되며, 이로부터 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 수신될 때 까지 소요되는 시간을 측정할 수 있다. 측정된 소요시간(Tt)에서 초음파가 유 관(10)을 통과하는데 소요되는 시간(Te)을 빼면, 초음파가 유체 내를 진행하는데 소요되는 시간(Tt)이 구해지며, 이 시간에 초음파가 유체 내에서 진행하는 속도를 곱한 후, 이 값을 2로 나누면 유체의 수위(h)가 산출된다. 이때, 초음파가 유관(10)을 통과하는데 소요되는 시간(Te)은 초음파 센서에서 수신된 펄스 형태를 통해 직접 측정할 수도 있으나, 유관(10)의 두께를 유관(10)과 동일한 재질 및 해당온도에서의 초음파의 진행속도로 나눔으로써 구할 수도 있으며, 이때 온도는 유체와 동일한 온도로 설정한다.As shown in an enlarged view in FIG. 5, some of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic sensors are reflected at the interface between the
한편, 유체의 수위가 낮은 경우에는 유관(10)의 내벽에서 반사된 초음파와 유체의 표면에서 반사된 초음파가 중첩되어서, 도 11의 (A)형태로 초음파가 수신된다. 이 경우, 유체의 표면에서 반사된 초음파의 수신시점을 판단하는 것이 어려우므로, 앞서 설명한 방식이 아닌 다음 두 가지 방식으로 초음파가 유체 내를 진행하는데 소요되는 시간을 산출한다.On the other hand, when the fluid level is low, the ultrasonic waves reflected from the inner wall of the
첫 번째 방식은, 수신된 두 초음파를 A/D 변환을 하여 두 초음파의 마루 부분, 즉 봉우리 부분을 연결한 형태의 파형, 즉 도 11의 (B)에 도시된 형태의 파형을 생성한다. 그리고, 생성된 파에 있어서 가장 높은 두 개의 마루 사이의 시간(Tt')을 초음파가 유체 내를 진행하는데 소요되는 시간으로 정하고, 이 시간에 초음파의 진행속도를 곱한후 2로 나누면 유체의 수위(h)가 산출된다.In the first method, two received ultrasounds are subjected to A / D conversion to generate a waveform in which a floor portion, that is, a peak portion, of two ultrasounds is connected, that is, a waveform of the shape shown in FIG. Then, the time (T t ') between the two highest floors in the generated wave is defined as the time it takes for the ultrasonic wave to progress in the fluid, multiplying the traveling speed of the ultrasonic wave by 2 and dividing it by 2 (h) is calculated.
두 번째 방식은, 수신된 두 초음파에 있어서 펄스의 크기가 기준값, 즉 도 11의 (A)에 도시된 기준선(j) 이상의 펄스가 검출되는 시점에 새로운 펄스를 생성 하여, 도 11의 (C)에 도시된 형태의 파형을 생성한다. 이때, 기준값의 크기는 두 초음파가 중첩되지 않은 상태로 수신될 때, 각 초음파에서 기준값 이상의 펄스가 검출되는 횟수가 2~5회 정도가 될 정도의 크기로 설정되는 것이 바람직하다. 그리고, 이와 같은 형태의 파형을 생성하면, 생성된 파는 도 11의 (C)에 도시된 바와 같이 두 초음파가 중첩되는 시점의 전과 후의 두 그룹으로 분리되게 되는데, 이때 각 그룹의 가장 마지막 펄스 사이의 시간(Tt'')을 초음파가 유체 내를 진행하는데 소요되는 시간으로 정하고, 이 시간에 초음파의 진행속도를 곱한후 2로 나누면 유체의 수위(h)가 산출된다.In the second method, new pulses are generated when the magnitude of the pulse in the two received ultrasounds is detected as a reference value, that is, a pulse higher than or equal to the reference line j shown in FIG. 11A, and FIG. 11C. Generate a waveform of the form shown in. At this time, the size of the reference value is preferably set to a size such that the number of times that the pulse is more than the reference value is detected in each of the two ultrasonic waves when the two ultrasonic waves are not overlapped. When the waveform of this type is generated, the generated wave is divided into two groups before and after the time when the two ultrasonic waves are overlapped, as shown in FIG. The time T t '' is defined as the time it takes for the ultrasonic wave to progress in the fluid, and multiplying this time by the advancing speed of the ultrasonic wave and dividing by 2 yields the fluid level h.
유량산출단계(S70)에서는 앞서 구하여진 평균유속 및 수위를 이용하여 유체의 유량을 산출한다. 즉, 유관(10)의 단면 형상과 유체의 수위(h)를 이용하여 유관(10) 내를 흐르는 유체의 유동면적(X), 즉 도 5의 빗금친 부분(X)의 면적을 구하고, 이 유동면적(X)과 평균유속을 곱하면 유체의 유량이 산출된다.In the flow rate calculation step (S70), the flow rate of the fluid is calculated by using the average flow rate and the water level previously obtained. That is, using the cross-sectional shape of the
상술한 바와 같이, 본 실시예의 경우 동일한 영역대의 주파수를 가지는 초음파 진동자(21A~25B) 및 초음파 센서(30)를 이용하여 유체의 유속 및 유체의 수위를 측정한다. 따라서, 종래와 같이 사용하는 전파(초음파 및 음파)의 주파수 차이에 의해 컨트롤러에서 측정오류가 발생되는 것이 방지되며, 그 결과 정확하게 유체의 유량을 측정할 수 있게 된다.As described above, in the present embodiment, the flow rate of the fluid and the water level are measured using the
그리고, 종래와 같이 수위 측정을 위한 별도의 도파관이 필요하지 않으므로, 초음파 유량계를 종래보다 더 작은 크기로 제작할 수 있으며, 따라서 초음파 유량 계를 설치하는데 있어서 공간적인 제한 및 노력이 감소된다.In addition, since a separate waveguide for level measurement is not required as in the prior art, an ultrasonic flowmeter can be manufactured in a smaller size than the conventional one, and thus space limitation and effort in installing the ultrasonic flowmeter are reduced.
또한, 본 실시예의 경우 유관의 바닥면에서 전반사되는 초음파를 이용하여 유관의 바닥층 영역을 흐르는 유체의 유속을 측정하고 이를 유체의 평균유속에 반영하므로, 유체의 평균유속이 더욱더 정확하게 측정되며, 따라서 유체의 유량을 더욱더 정확하게 측정할 수 있다.In addition, in the present embodiment, since the flow rate of the fluid flowing through the bottom layer region of the milk pipe is reflected using the ultrasonic waves totally reflected from the bottom surface of the milk pipe and reflects it in the average flow speed of the fluid, the average flow speed of the fluid is measured more accurately, and thus the fluid The flow rate of can be measured more accurately.
한편, 도 6에 가상선으로 도시된 바와 같이, 초음파 유량측정방법(M100)은 표면층 유속측정단계(S45)를 더 포함할 수도 있다. 표면층 유속측정단계(S45)는 유체의 표면 주위의 유속을 측정하기 위한 것으로, 그 원리는 앞서 설명한 단부유속측정단계(S40)와 동일하다. 표면층 유속측정단계(S45)에서는 유체의 표면의 하방에 배치되되 유체의 표면과 가장 인접하게 배치된 초음파 유속측정회선이 이용되며, 앞서 설명한 수위측정단계에서 구하여진 수위(h)를 이용하거나, 메인유속측정단계에서 설명한 바와 같이 유체가 흐르지 않는 초음파 유속측정회선에서는 상방향과 역방향 사이의 시간차 ΔT = 0이 된다는 것을 이용하면 표면층 유속측정단계(S45)에서 어떤 초음파 유속측정회선을 사용할지 정할 수 있다. 이하, 첨부된 도 12를 참조하여, 표면층 유속측정단계(S45)에 관해 상세하게 설명한다.On the other hand, as shown in phantom in Figure 6, the ultrasonic flow rate measuring method (M100) may further comprise a surface layer flow rate measuring step (S45). Surface layer flow rate measurement step (S45) is for measuring the flow rate around the surface of the fluid, the principle is the same as the above-described end flow rate measurement step (S40). In the surface layer flow rate measuring step (S45), an ultrasonic flow rate measuring line disposed below the surface of the fluid and disposed closest to the surface of the fluid is used, and using the water level (h) obtained in the above-described water level measuring step, As described in the flow rate measurement step, it is possible to determine which ultrasonic flow rate measurement line is to be used in the surface layer flow rate measurement step (S45) by using the time difference ΔT = 0 between the upward direction and the reverse direction in the ultrasonic flow rate measurement line where the fluid does not flow. . Hereinafter, with reference to the accompanying Figure 12, the surface layer flow rate measurement step (S45) will be described in detail.
도 12를 참조하면, 제4초음파 유속측정회선(24)의 상류측 초음파 진동자(24A)에서 발신된 초음파는, 소정의 지향각으로 전파되다가 유체의 표면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(24B)에 수신되며, 반대로 하류측 초음파 진동자(24B)에서 발신된 초음파도 유체의 표면에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(24A)에 수신되게 된다. 이때, 상류측 초음파 진동자(24A)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(24B)에 수신될 때까지 소요되는 시간 및 하류측 초음파 진동자(24B)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(24A)에 수신될 때까지 소요되는 시간을 측정한다. 그리고, 상기 측정된 두 시간의 차이 및 초음파가 진행한 경로(E)의 길이를 기초로 하여 전파시간차 방법을 사용하면, 초음파가 진행하는 경로(E) 상을 지나는 유체의 유속을 구할 수 있다. 이때, 초음파가 진행하는 경로(E)의 길이는 앞서 구한 유체의 수위(h)와 유관(10)의 기하학적 형상을 이용하면 계산할 수 있다(피타고라스 정리).Referring to FIG. 12, the ultrasonic waves transmitted from the upstream
그리고, 이 초음파는 유관의 표면층 영역, 즉 유체의 표면과 제4초음파 유속측정회선(24)으로 둘러싸인 영역을 가로지르면서 진행하므로, 표면층 영역을 통과하는 유체의 영향을 골고루 받게 된다. 따라서 이 초음파의 진행경로(E) 상을 통과하는 유체의 유속을 유관의 표면층 영역을 통과하는 유체의 유속으로 설정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 유관의 표면층 영역을 통과하는 유체의 유속을 평균유속산출단계에 반영하여 평균유속을 산출하면, 유체의 평균유속을 보다 더 정확하게 산출할 수 있으며, 그 결과 유체의 유량을 더욱더 정확하게 구할 수 있게 된다.The ultrasonic wave proceeds across the surface layer region of the duct, i.e., the region surrounded by the surface of the fluid and the fourth ultrasonic flow
한편, 수위측정단계는 앞서 설명한 바와 같이 초음파 센서를 이용하지 않고, 다음과 같이 방식으로 진행될 수 있다. 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위측정단계를 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 13을 참조하여 본 실시예에 따른 수위측정단계에 관하여 설명한다.Meanwhile, the water level measuring step may be performed in the following manner without using the ultrasonic sensor as described above. 13 is a view for explaining a water level measuring step according to another embodiment of the present invention. Hereinafter, the water level measuring step according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 13.
먼저, 유관에 설치된 복수의 초음파 유속측정회선 중 유체 표면의 하방에 배 치되되 유체 표면과 가장 인접한 초음파 유속측정회선을 정하는데, 이는 유체가 흐르지 않는 경우에는 순방향으로 초음파를 발신한 경우와 역방향으로 초음파를 발신한 경우 사이의 시간차 ΔT = 0 이 된다는 점을 이용하여 정할 수 있다. First, among the plurality of ultrasonic flow rate measurement lines installed in the conduit, the ultrasonic flow rate measurement line, which is disposed below the surface of the fluid, is determined closest to the surface of the fluid. This can be determined using the fact that the time difference ΔT = 0 between the ultrasonic waves is transmitted.
상기 정해진 초음파 유속측정회선의 상류측 초음파 진동자(2A)에서 발신된 초음파는, 소정의 지향각으로 전파되다가 유체의 표면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(24B)에 수신되며, 반대로 하류측 초음파 진동자(24B)에서 발신된 초음파도 유체의 표면에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(24A)에 수신되게 된다. 이때, 상류측 초음파 진동자(24A)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자(24B)에 수신될 때까지 소요되는 시간(Tr1) 및 하류측 초음파 진동자(24B)에서 초음파가 발신된 시점부터 이 초음파가 유체의 표면에서 반사된 후 상류측 초음파 진동자(24A)에 수신될 때까지 소요되는 시간(Tr2)을 측정한다. Ultrasonic waves transmitted from the upstream ultrasonic vibrator 2A of the determined ultrasonic flow rate measurement line are received by the downstream
한편, 유체의 유속에서 상류측 초음파 진동자에서 하류측 초음파 진동자를 향하는 방향의 유속을 V 라고 하고, 유체 내에서의 초음파의 속도를 C 라고 하고, 초음파가 진행하는 경로(E')의 길이를 L' 라고 하면, On the other hand, the flow velocity in the direction of the fluid from the upstream ultrasonic vibrator to the downstream ultrasonic vibrator is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the length of the path E 'through which the ultrasonic wave proceeds is L. ',
Tr1 = L'/( C + Vcosθ ) , Tr2 = L'/( C - Vcosθ ) 가 된다.T r1 = L '/ (C + Vcosθ) and T r2 = L' / (C-Vcosθ).
따라서, 1/Tr1 + 1/Tr2 = 2C/L' 가 되며, Tr1 및 Tr2는 측정된 값이므로 L'을 알 수 있다.Therefore, 1 / T r1 + 1 / T r2 = 2C / L ', and L r can be known since T r1 and T r2 are measured values.
그리고, 두 초음파 진동자(24A,24B) 사이의 거리 2L은 사전에 알 수 있는 거 리이므로, 도 13에 도시된 기하학적 구조를 이용하면 초음파 유속측정회선으로부터 수면까지의 거리(h')를 계산할 수 있고, 따라서 유체의 수위를 알 수 있게 된다.Since the distance 2L between the two
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.
예를 들어, 앞서 설명한 실시예에서는 초음파 센서가 유관의 외벽에 설치되도록 구성하였으나, 유관의 바닥부에 삽입공을 형성하고 이 삽입공에 초음파 센서가 삽입되도록 구성할 수 있다. 이 경우, 초음파 센서에서 발신된 초음파가 곧바로 유체를 통해 진행하게 되므로, 앞서 설명한 바와 같이 유관의 내벽에서 초음파의 일부가 반사된 후 초음파 센서에 수신되는 현상이 방지된다는 장점이 있다.For example, in the above-described embodiment, the ultrasonic sensor is configured to be installed on the outer wall of the milk pipe, but an insertion hole may be formed at the bottom of the milk pipe and the ultrasonic sensor may be inserted into the insertion hole. In this case, since the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor proceeds directly through the fluid, as described above, there is an advantage in that the phenomenon that the ultrasonic wave is received after the portion of the ultrasonic wave is reflected from the inner wall of the milk canal is prevented.
또한, 표면층 유속측정단계 및 단부유속측정단계에서 상류측 초음파 진동자에서 발신된 후 바로 하류측 초음파 진동자로 수신되는 초음파와, 초음파 진동자에서 발신된 후 유체의 표면 또는 유관의 바닥면에서 반사된 후 하류측 초음파 진동자로 수신되는 반사파가 서로 중첩될 수도 있는데, 이 경우에도 앞서 설명한 수위측정단계에서와 같은 두 가지 방식을 이용함으로써 두 파가 도달되는데 소요되는 시간의 차이를 구할 수 있다. In addition, the ultrasonic wave received from the upstream ultrasonic vibrator immediately after being transmitted from the upstream ultrasonic vibrator in the surface layer flow velocity measuring step and the end velocity measuring step, and reflected from the surface of the fluid or the bottom surface of the oil pipe after being emitted from the ultrasonic vibrator downstream The reflected waves received by the side ultrasonic vibrator may overlap each other. In this case, the difference in the time required for the two waves to be reached may be obtained by using the same two methods as in the above-described water level measurement step.
도 1은 종래의 비만관용 유량계의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional obesity tube flow meter.
도 2는 불감구간을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining a dead period.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량계의 사시도이다.3 is a perspective view of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 투영선을 유체의 흐름방향으로 바라본 개략적인 투영도이다.4 is a schematic projection of the projection line of FIG. 3 as viewed in the flow direction of the fluid.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선의 단면도이다. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 3.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량측정방법의 개략적인 흐름도이다.6 is a schematic flowchart of an ultrasonic flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.7 is a schematic diagram for explaining Snell's law.
도 8은 도 6에 도시된 단부유속측정단계를 설명하기 위하여 투영도이다.FIG. 8 is a projection view for explaining the end velocity measurement step shown in FIG. 6.
도 9는 초음파 유속측정방법을 사용하여 유속을 측정한 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 9 is a graph for explaining the effect of measuring the flow rate using the ultrasonic flow rate measurement method.
도 10은 초음파가 중첩되지 않은 상태로 초음파 센서에 수신된 경우를 나타내는 그래프이다.10 is a graph illustrating a case where ultrasonic waves are received by an ultrasonic sensor without overlapping.
도 11은 초음파가 중첩된 상태로 초음파 센서에 수신된 경우에 소요시간을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다. FIG. 11 is a graph for describing a method of measuring a time required when ultrasonic waves are received by an ultrasonic sensor in an overlapped state.
도 12는 표면층 유속측정단계를 설명하기 위한 단면도이다.12 is a cross-sectional view for explaining a surface layer flow rate measuring step.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위측정단계를 설명하기 위한 단면도이다.13 is a cross-sectional view for explaining a water level measuring step according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100...초음파 유량계 10...유관100 ...
21~25...초음파 유속측정회선 21A~25B...초음파 진동자21 ~ 25 ... Ultrasonic flow
30...초음파 센서 M100...초음파 유량측정방법30 ... Ultrasonic sensor M100 ... Ultrasonic flow measurement method
S10...제1준비단계 S20...제2준비단계S10 ... Step 1 Preparation S20 ...
S30...메인유속측정단계 S40...단부유속측정단계S30 ... Main flow rate measurement step S40 ... Step flow rate measurement step
S50...평균유속산출단계 S60...수위측정단계S50 ... Average velocity calculation step S60 ... Level measurement step
S70...유량산출단계S70 ... flow calculation stage
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