KR101302645B1 - 건식 다회선 초음파 유량계 - Google Patents

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KR101302645B1
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전세종
권휴상
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 배관내부의 직경을 직접 측정하지 않고, 배관 내부 유속과 유량을 산출할 수 있는 건식 다회선 초음파 유량계에 관한 것으로, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 부착하여, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 초음파센서부; 상기 초음파센서부의 감지신호에 따른 유량 감지 작업을 제어하는 유량감지제어부 및 배관 내 유량 데이터를 산출하는 유량데이터산출부를 포함하며, 상기 초음파센서부는 사선 방향의 초음파 경로와 브이 형태의 초음파 경로가 결합된 형태로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

건식 다회선 초음파 유량계{Multi path ultrasonic flowmeter}
본 발명은 건식 다회선 초음파 유량계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배관내부의 직경을 직접 측정하지 않고, 배관 내부 유속과 유량을 산출할 수 있는 건식 다회선 초음파 유량계에 관한 것이다.
일반적으로, 건식 단회선 초음파 유량계는 배관 내부의 유량을 측정하기 위한 장치로 유동 방향을 따라 상류측과 하류측에 각각 1개의 초음파센서를 배관 외벽에 설치하는데, [도 5] 및 대한민국 등록특허 공보 제10-0993617호(2010. 11. 04)에 도시된 바와 같이, 배관(5)의 상류측과 하류측에 초음파센서(1, 3)를 각각 배치하여, 사선형태로 초음파 경로를 형성하거나, [도 6]에 도시된 바와 같이, 브이 형태의 초음파 경로를 형성한다.
이러한 종래 초음파 유량계는 사선(＼) 형태 또는 브이(∨) 형태의 초음파 경로를 따라 이동하는 초음파 음속에 의한 도달시간의 차이를 측정하여, 유량을 산출한다.
종래, 배관에 설치된 초음파센서에서 출력되는 초음파 신호들의 도달 시간을 측정하는 기술은 시간-디지털 변환(time-to-digital conversion), 신호피크 위치탐색(peak detection of signal) 등에 의해 정립되어 있으며, 약 10~100 ps 정도의 측정 정확도를 가진 초음파 유량계들이 상용화된 실정이다.
하지만 유량을 측정하기 위해서는 초음파 신호의 도달시간 뿐만 아니라, 초음파 센서 사이의 거리나 배관 직경과 같은 기하학적인 파라미터가 포함되어야 한다. 습식 다회선 초음파 유량계의 경우에는 제품이 제작될 때, 3차원 정밀 측정기 등을 통해 배관 직경과 초음파 센서 사이의 거리와 같은 치수들을 정확하게 측정할 수 있다.
따라서 이 경우에는 초음파 신호의 도달시간 차이가 초음파 유량계의 성능을 좌우하는 가장 큰 불확도 요인이 될 수 있다. 만약 기하학적인 파라미터의 측정 정확도가 떨어지면 그만큼 초음파 유량계의 성능이 저하될 우려가 있다.
건식 단회선 초음파 유량계의 경우에는 현장에서 1쌍의 초음파 센서를 배관 외벽의 상류측과 하류측에 각각 1개씩 부착하므로, 초음파 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 배관 직경의 경우에는 밸브를 이용하여 유체 흐름을 차단하고 배관 직경을 측정하지 않는 한, 정확한 값을 산출하기 어렵다. 따라서 일반적으로 배관 직경은 배관 규격에 제시된 재질(주철관, SUS), 공칭 직경(100A, 200A, 등), 배관 두께(5s, 10s 등)에 따라 배관 직경이 0.1 mm 단위까지 주어지므로, 규격에 제시된 값을 배관 직경으로 사용한다.
그러나 이러한 방법은 배관 직경을 실측하지 않기 때문에, 배관 내부 이물질 부착 등에 의해 배관의 실제 직경이 축소되는 것을 방지할 수 없다. 만약 배관 내부의 유체 흐름을 차단하고, 유량 측정 단면의 배관 내부를 청소한 다음, 배관 직경을 측정하는 등의 일련의 절차를 마련한다면, 배관 직경을 실측하는 것이 가능하다. 그렇지만 이러한 절차를 준수하면서 유량을 측정하기 어려운 작업 환경에 놓이는 경우도 많다.
대한민국 등록특허 공보 10-0993617B1, 2010. 11. 04, 4쪽.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계의 목적은, 배관의 외벽에 사선(＼) 방향의 초음파 경로와 브이(∨) 형태의 초음파 경로를 결합하도록 초음파센서를 배치하여, 배관의 내부 직경을 측정하지 않고, 배관 내부의 유량을 산출하는데 있다.
다른 목적은, 배관의 상류측과 하류측의 일직선 상에 제1센서와 제2센서를 각각 배치하고, 제1센서와 제2센서에서 발생된 초음파가 반사되는 지점의 배관 외벽에 제3센서를 포함하여, 초음파 센서부 경로를 중첩하여 이용하는데 있다.
본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 부착하여, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 초음파센서부; 상기 초음파센서부의 감지신호에 따른 유량 감지 작업을 제어하는 유량감지제어부 및 배관 내 유량 데이터를 산출하는 유량데이터산출부를 포함하며, 상기 초음파센서부는 사선 방향의 초음파 경로와 브이 형태의 초음파 경로가 결합된 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계에 있어서, 초음파센서부는 상기 배관의 상류측 외벽 일지점에 위치한 제1센서, 상기 제1센서와 일직선 상의 하류측 외벽 일지점에 위치한 제2센서 및 상기 제1센서와 상기 제2센서에서 발생한 초음파가 반사되는 지점에 위치한 제3센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계에 있어서, 유량데이터산출부는 상기 초음파센서부의 제1센서, 제3센서 및 제2센서로 이어진 초음파 경로, 제2센서 및 제1센서로 이어진 초음파경로, 제3센서 및 제1센서로 이어진 초음파 경로의 도달시간을 산출하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 사선 방향의 초음파 경로와 브이 형태의 초음파 경로를 결합하도록 초음파센서를 배치함으로써, 배관의 내부 직경을 측정하지 않고, 배관 내부의 정확한 유량 및 유속을 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배관의 상류측과 하류측의 일직선 상에 제1센서와 제2센서를 각각 배치하고, 제1센서와 제2센서에서 발생된 초음파가 반사되는 지점의 배관 외벽에 제3센서를 설치하여, 초음파 센서부 경로를 중첩하여 이용함으로써, 삼각법을 이용하여, 배관 내부 직경을 산출할 수 있으며, 배관 내부 이물질의 고착을 고려하여, 유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계의 전체 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계에 있어서, 초음파센서부의 위치를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계에 있어서, 초음파센서부의 위치에 따른 데이터 표시 도면.
도 4는 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계에 있어서, 배관 내부이 초음파 경로에 대한 개략도.
도 5는 종래 초음파 유량계에 있어서, 사선방향 초음파 경로를 나타내는 도면.
도 6은 종래 초음파 유량계에 있어서 브이 방향 초음파 경로를 나타내는 도면.
이하, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
[도 1]은 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계의 전체 구성을 나타내는 도면으로, 초음파센서부(10), 유량감지제어부(20), 유량데이터산출부(30) 및 유량감지표시부(40)를 포함한다.
상기 초음파센서부(10)는 배관(5)의 외벽에 부착하여, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관(5) 내부의 초음파를 수신하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 상기 초음파센서부(10)는 [도 2]에 도시된 바와 같이, 제1센서(11), 제2센서(13) 및 제3센서(15)를 포함한다.
상기 제1센서(11)는 상기 배관(5)의 상류측 외벽 일지점에 위치하여, 상기 배관(5) 내부의 하류측 사선 방향으로 초음파를 발생시키는 역할을 하며, 상기 제2센서(13)는 상기 제1센서(10)와 일직선 상의 하류측 외벽 일지점에 위치하여, 상기 배관(5) 내부의 상류측 사선 방향으로 초음파를 발생시키는 역할을 한다.
상기 제3센서(15)는 상기 제1센서(11)와 상기 제2센서(13)에서 발생한 초음파가 반사되는 지점의 외벽에 위치하여, 상기 제1센서(11)와 상기 제2센서(13)와 초음파를 송수신하게 된다.
이러한 본 발명에 따른 상기 초음파센서부(10)는 기존의 사선(＼) 형태의 초음파 경로와 브이(∨) 형태의 초음파 경로가 결합하도록 구성이 가능한 것이다.
또한, 이러한 본 발명에 따른 초음파 경로는 배관의 길이 방향으로 배열되며, 서로 중첩되어 있는 것이 특징이다.
즉, 동일한 배관의 단면이라도 이물질의 고착 여부에 따라서 원주 방향으로 배관 직경이 다를 수 있기 때문에 초음파 경로 중첩을 통한 건식 다회선 초음파 유량계를 구성하고, 이를 다시 배관 단면에 대해 원주방향으로 배열하여, 보다 완전한 건식 다회선 초음파 유량계를 구현할 수 있는 것이다.
이때, 상기 배관(5) 내부에 이물질이 부착된 경우라면, 배관의 직경 차이가 두드러질 것이다.
만일 본 발명과 같이, 초음파 경로가 중첩되어 있지 않을 경우, 1개의 유량 데이터를 측정하기 위해 필요한 초음파 도달 시간 데이터는 상류측에서 하류측 2개 하류측에서 상류측 2개로 총 4개가 필요하여, 건식 단회선 측정방법에 비교하였을 때 측정 속도가 2배 이상 느려지는 문제점이 있다.
하지만 본 발명과 같이, 초음파 경로가 중첩된 경우, 제1센서(11), 제3센서(15) 및 제2센서(13)로 연결되는 초음파 경로, 제2센서(13)에서 제1센서(11)로 연결된 초음파 경로, 제3센서(15)에서 제1센서(11)로 연결되는 초음파 경로로 총 3개의 초음파 도달 시간 데이터만 필요로 하게 된다.
따라서 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계는 건식 단회선 초음파 유량계에 비하여, 측정 속도는 다소 떨어지나 배관 내부의 직경 측정이 가능하고, 배관 내부 이물질의 고착 등을 고려한 정확한 유량 산출이 가능한 효과가 있는 것이다.
상기 유량감지제어부(20)는 상기 초음파센서부(10)의 감지신호에 따른 유량 감지 작업을 제어하는 역할을 하며, 상기 유량데이터산출부(30)는 상기 유량감지제어부(20)와 연결되어, 상기 배관(10) 내 유량 데이터를 산출하는 역할을 한다.
이러한 본 발명에 따른 유량데이터산출부(30)는 [도 3]에 도시된 각 변수를 고려하여, 산출되는데 우선 상기 제1센서(11), 제2센서(13) 및 제3센서(15)의 초음파 전달 시간은 다음 [수학식 1]에 의해 산출이 가능하다.
[수학식 1]
상기 제1센서(11)에서 상기 제2센서(13)의 초음파 전달 시간
Figure 112012017016136-pat00001
[수학식 2]
상기 제2센서(13)에서 상기 제1센서(11)의 초음파 전달 시간
Figure 112012017016136-pat00002
[수학식 3]
상기 제1센서(11)에서 상기 제3센서(15)의 초음파 전달 시간
Figure 112012017016136-pat00003
[수학식 4]
상기 제3센서(15)에서 상기 제1센서(11)의 초음파 전달 시간
Figure 112012017016136-pat00004
t() : 초음파 전달 시간
L1 : 제1센서(11)와 제3센서(15)의 초음파 경로 거리
L2 : 제2센서(13)와 제3센서(15)의 초음파 경로 거리
이러한 상기 초음파센서부(10)의 초음파 전달 시간으로, 전달 시간의 차이를 [수학식 5]와 같이 구할 수 있는데, 이를 통해, 초음파 센서에서 측정한 전달 시간의 차이는 상기 배관(5) 내부의 초음파 경로에 대한 시간 전달 차이와 일치하는 것을 알 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012017016136-pat00005
Figure 112012017016136-pat00006
또한, 본 발명에 따른 상기 초음파센서부(10)의 전달 시간을 가지고 다음 [수학식 6]을 유추할 수 있으며, 상기 초음파센서부(10)에서 측정한 전달 시간의 합과 차는 상기 배관(5) 내부의 초음파 경로에 대한 합과 차와 같음을 알 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112012017016136-pat00007
Figure 112012017016136-pat00008
Figure 112012017016136-pat00009

또한, 본 발명에 따른 상기 유량데이터산출부(30)는 배관 내부의 초음파 경로에 따라서, 초음파 음속(c)을 [수학식 7] 및 [수학식 8]과 같이, 산출할 수 있다.
[수학식 7]
제1센서(11)와 제2센서(13) 간의 음속
Figure 112012017016136-pat00010
[수학식 8]
제1센서(11)와 제3센서(15) 간의 음속
Figure 112012017016136-pat00011

또한, [도 4]에 나타난 바와 같이, 초음파 경로(L1, L2)에 따른 배관의 수평방향 거리(H1, H2)를 나타내면 다음 [수학식 9]에 도시된 바와 같다.
[수학식 9]
Figure 112012017016136-pat00012
δ: 배관 외부 벽면에 도달된 초음파의 위치와 초음파센서부(10)의 기준면과의 거리
이때, 실제로 측정 가능한 값은 H1 -δ 와 H2 -δ 이므로, 비례공식을 근사화하면, L1과 L2는 H1 -δ 와 H2 -δ 에 비례한다고 가정할 수 있으므로, 제2초음파경로(L2)는 다음 [수학식 10]과 같이 정리된다.
[수학식 10]
Figure 112012017016136-pat00013

또한, 상기 유량데이터산출부(30)는 상기 초음파 경로의 길이 및 초음파 도달 시간으로, 초음파 속도를 다음 [수학식 11]과 같이 산출이 가능하다.
[수학식 11]
Figure 112012017016136-pat00014

Figure 112012017016136-pat00015
v : 초음파 경로를 지나는 유속
이때, v는 초음파 경로를 지나는 유속이므로, 배관 내벽과 초음파 경로 간의 각도를 고려하면, 유량(Q)을 다음 [수학식 12]와 같이 산출할 있다.
[수학식 12]
Figure 112012017016136-pat00016
Figure 112012017016136-pat00017

또는,
Figure 112012017016136-pat00018
Figure 112012017016136-pat00019

또한, [도 4]에 도시된 바와 삼각형으로부터, 배관의 내부 직경(D)을 다음 [수학식 13]로 산출할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112012017016136-pat00020

단, t1 →2, t2 →1, t3 → 1는 상기 유량감지제어부(20)로부터 측정되는 값이고, H1, H2는 초음파센서부(10)의 기하학적 형상으로부터 측정되는 값이다. 따라서 상기 측정값들을 [수학식 5] 내지 [수학식 8], [수학식 9], [수학식 10], [수학식 13]에 대입하면, 미지의 6개 변수들(t( L1 + L2 )(1→2),t( L1 + L2 )(2→1) , tL1 (1→3), tL1 (3→1), L1, L2 )에 대한 6개의 연립 방정식을 유도할 수 있고, 상기 연립 방정식의 해는 [수학식 11]과 [수학식 12]에 제시된 유속(v)과 유량(Q)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 따라서 상기 유량데이터산출부(30)는 상기 배관(5) 내부의 직경을 직접적으로 측정하지 않고, 유속과 유량을 계산할 수 있는 장점이 있는 것이다.
본 발명에 따른 초음파 음속(c)은 배관 내부의 압력(P)과 온도(T)를 측정하여, 공지된 NIST reference data와 같은 공식에 대입하여, 산출하는 것이 바람직하다. δ는 현재 측정이 불가하므로, 임의의 상수로 두며, δ는 비교적 작은 값이지만 유속(v)에서부터 유량(Q)을 구하기 위해 필요한 각도(θ)에 영항을 줄 수 있다.
상기 유량감지표시부(40)는 상기 유량감지제어부(20)와 연결되어, 상기 유량데이터산출부(30)에서 산출된 유량데이터를 외부에 표시하는 역할을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 다회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 사선 방향의 초음파 경로와 브이 형태의 초음파 경로를 결합하도록 초음파센서를 배치함으로써, 배관의 내부 직경을 측정하지 않고, 배관 내부의 정확한 유량 및 유속 데이터를 산출할 수 있는 효과를 누릴 수 있다.
또한, 배관의 상류측과 하류측의 일직선 상에 제1센서와 제2센서를 각각 배치하고, 제1센서와 제2센서에서 발생된 초음파가 반사되는 지점의 배관 외벽에 제3센서를 설치하여, 초음파 센서부 경로를 중첩하는데, 이에 따라 삼각법을 이용하여, 배관 내부 직경을 산출할 수 있으며, 이와 더불어, 배관 내부 이물질의 고착을 고려하여, 유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 건식 다회선 초음파 유량계로 구현할 수 있다.
1, 3 : 종래 초음파센서
5 : 배관
10 : 초음파센서부
11 : 제1센서
13 : 제2센서
15 : 제3센서
20 : 유량감지제어부
30 : 유량데이터산출부
40 : 유량감지표시부
100 : 초음파 유량계

Claims (8)

  1. 배관의 외벽에 부착하여, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 초음파센서부;
    상기 초음파센서부의 감지신호에 따른 유량 감지 작업을 제어하는 유량감지제어부 및 배관 내 유량 데이터를 산출하는 유량데이터산출부를 포함하며,
    상기 초음파센서부는 사선 방향의 초음파 경로와 브이 형태의 초음파 경로가 결합되도록 제1 내지 제3 센서를 배관의 외벽에 배치하고,
    상기 유량데이터 산출부는 상기 제1센서, 제3센서 및 제2센서로 연결되는 브이 형태의 초음파 경로, 상기 제2센서 및 제1센서로 연결되는 사선 방향의 초음파경로, 상기 제3센서 및 제1센서로 연결되는 사선 방향의 초음파 경로의 도달시간을 산출하여 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파센서부는,
    상기 배관의 상류측 외벽 일지점에 위치한 상기 제1센서;
    상기 제1센서와 일직선 상의 하류측 외벽 일지점에 위치한 상기 제2센서 및
    상기 제1센서와 상기 제2센서에서 발생한 초음파가 반사되는 지점의 외벽에 위치한 상기 제3센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량데이터산출부는,
    상기 초음파센서에서 측정한 전달시간의 합과 차는 상기 배관 내부의 초음파 경로의 합과 차와 일치하는 것으로 판단하며,
    상기 배관 내부의 초음파 경로에 따른 제1센서와 제2센서의 초음파 음속은 [수식 7]에 의해 산출되고, 제1센서 및 제3센서의 초음파 음속은 [수식 8]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
    [수식 7]
    Figure 112013053758613-pat00021

    [수식 8]
    Figure 112013053758613-pat00022

    c : 초음파 음속
    L1 : 제1센서와 제3센서의 초음파 경로 거리
    L2 : 제2센서와 제3센서의 초음파 경로 거리
    t() : 초음파 전달 시간
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유량데이터산출부는,
    상기 초음파센서부의 초음파 경로 거리(L1, L2)와 따른 배관 내부 벽면에서 전파되는 초음파가 반대편 내부 벽면에 도달하기까지의 배관수평방향의 거리(H1, H2)의 관계는 삼각형의 기하학적 모양에서 비례하는 것으로 판단하여, [수식 9]로 산출되고, 제2초음파 경로 거리(L2)는 [수식 10]로 산출하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
    [수식 9]
    Figure 112012017016136-pat00023

    [수식 10]
    Figure 112012017016136-pat00024

    δ : 임의 상수
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유량데이터산출부는,
    배관 내부의 초음파 경로 길이와 초음파 도달시간을 고려한 초음파 속도는 [수식 11]에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
    [수식 11]
    Figure 112012017016136-pat00025

    Figure 112012017016136-pat00026

    v : 초음파 속도
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유량데이터산출부는,
    초음파 경로와 배관 내벽 간의 각도 및 초음파 속도를 고려한 유량은 [수식 12]에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
    [수식 12]
    Figure 112012017016136-pat00027

    Figure 112012017016136-pat00028


    또는,
    Figure 112012017016136-pat00029

    Figure 112012017016136-pat00030

    D : 배관 내부 직경
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유량데이터산출부는,
    상기 초음파센서부의 초음파 경로 거리(L1, L2)에 따른 배관 내부 벽면에서 전파되는 초음파가 반대편 내부 벽면에 도달하기까지의 배관수평방향의 거리(H1, H2)에 따른 삼각형의 기하학적 모양으로 배관의 내부 직경(D)을 [수식 13]에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 건식 다회선 초음파 유량계.
    [수식 13]
    Figure 112012017016136-pat00031
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