KR101324574B1 - 건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법 - Google Patents

건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법 Download PDF

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KR101324574B1
KR101324574B1 KR1020120073537A KR20120073537A KR101324574B1 KR 101324574 B1 KR101324574 B1 KR 101324574B1 KR 1020120073537 A KR1020120073537 A KR 1020120073537A KR 20120073537 A KR20120073537 A KR 20120073537A KR 101324574 B1 KR101324574 B1 KR 101324574B1
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전세종
권휴상
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 배관의 상류측과 하류측에 설치된 유량 센서의 설치거리를 보정하여, 초음파 경로 상의 음속과 유속을 보다 정확하게 측정할 수 있는 건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 부착되어, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 유량센서를 적어도 두 개 이상 포함하는 유량센서부, 상기 유량센서부에서 수신된 초음파 신호를 이용하여, 유량 측정의 보정 정보의 생성을 제어하는 유량측정제어부, 상기 유량센서부가 부착된 배관의 규격정보를 입력하는 규격정보입력부 및 상기 규격정보입력부에서 입력된 배관의 규격정보와 상기 유량센서부에서 입력된 정보를 이용하여, 상기 유량센서부의 위치보정정보를 산출하는 센서위치보정부를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법{Clamp-on type ultrasonic flowmeter and the measuring method of correction data}
본 발명은 건식 단회선 초음파 유량계에 관한 것으로, 배관의 상류측과 하류측에 설치된 유량 센서의 설치거리를 보정하여, 초음파 경로 상의 음속과 유속을 보다 정확하게 측정할 수 있는 건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 유량계는 음향식 유량계라고도 부르며, 유체가 흐르고 있는 관내에 음파를 보내면 그 전파 속도는 유체의 흐름에 영향을 받아 흐름과 동일한 방향에 대해서는 정지된 상태의 음속에 유속을 가한 속도로 전해지고 반대방향에 대해서는 음속에 유속을 뺀 속도로 전해진다.
이러한 두 가지 방향의 음속의 차를 측정하면 유속이 산출되고, 이것을 이용하여, 유체의 체적유량을 측정할 수 있는 것이 초음파 유량계이다.
초음파 유량계는 센서의 설치방법에 따라 배관 내에 직접 설치되는 습식(wet type)과 배관 외부에 클램프 등을 이용하여 설치하는 건식(Clamp on type)이 있으며, 습식 초음파 유량계는 배관 내에 유량센서가 설치됨에 따라 유체를 통과하는 초음파가 원래의 파형을 그대로 유지할 수 있으나 건식 초음파 유량계는 배관 외부에 유량센서를 설치함에 따라 배관 벽을 통과하는 과정에서 원래의 파형을 잃어버리게 되어 신호처리에 편차가 발생할 수 있다.
종래 건식 초음파 유량계의 측정 원리는 습식 초음파 유량계의 측정원리와 동일하며, [도 9] 및 [도 10]에 도시된 바와 같이, /자형과 V자형의 초음파 경로를 주로 형성하며, 배관(1) 내 유체의 음속(c)와 유속(v)은 다음 [수학식 1]과 [수학식 2]로 산출된다.
Figure 112012054007531-pat00001
Figure 112012054007531-pat00002
여기서, c : 음속
v : 유속
L : 초음파 경로의 길이
t1, t2 : 초음파 도달 시간
또한, /자형 초음파 경로의 길이(L)와 V자형 초음파 경로의 길이는 각각 [수학식 3]과 [수학식 4]로 산출된다.
Figure 112012054007531-pat00003
Figure 112012054007531-pat00004
이때, D : 배관직경
H : 두 개의 초음파 유량 센서 간의 설치거리
이러한 건식 초음파 유량계에 있어서, 초음파 경로의 길이를 정확하게 측정하기 위해서는 배관(1)의 상류측과 하류측에 설치된 초음파 유량센서(11, 12) 간의 설치 위치를 정확하게 측정하는 것이 필요하다.
즉, 종래 습식 초음파 유량계의 경우에는 유량계를 제작할 때 유량 센서의 설치 위치를 결정하기 위해, 3차원 형상 측정기를 활용하거나, 대한민국 등록특허 공보 제10-0321074호(2002. 03. 08)에 기재된 초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법 등을 이용하여, 정확한 설치거리를 측정할 수 있다.
이처럼 습식 초음파 유량계에서는 초음파 경로의 길이(L)를 정확하게 예측할 수 있으므로, 초음파 도달시간(t1, t2)을 정확하게 측정하기만 하면, 초음파 경로상의 음속과 유속을 정확하게 측정할 수 있으며, 실제로 습식 초음파 유량계의 측정 불확도는 0.3 % (k = 2) 이내로 정확한 유량 측정이 가능하다.
하지만 종래 건식 초음파 유량계의 경우에는 초음파 유량 센서를 배관의 외벽에 부착하기 때문에, 유량 센서의 설치 위치가 초음파 경로 상에 어느 정도로 일치되어 있는지를 확인하기는 매우 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 1) 유량 센서의 재질과 배관의 재질, 그리고 배관 내부를 지나는 유체의 물성에 따른 음속과 유량 센서에서부터 송신되는 초음파의 각도를 가지고 스넬의 법칙을 사용하여 초음파 경로를 예상하고, 2) 유량 센서의 설치 위치가 초음파 경로와 일치하도록 미리 계산된 표를 가지고 유량 센서의 설치 위치를 정밀하게 조절하는 방법을 이용한다.
이러한 종래 유량센서의 위치 조절 방법은 대부분의 유량계 제조회사에서 사용하고 있는 방법으로, KS 규격(또는 ISO 규격)에서 제시하는 배관 규격에 따라 배관의 재질과 배관 두께, 배관 직경을 입력하고, 스넬의 법칙에 따라 계산하면, 측정하고자 하는 배관에 대한 유량 센서의 설치 위치를 구할 수 있다.
종래 유량센서의 위치 조절 방법은 배관 내부에 이물질이 부착되지 않은 상태에서, 물성이 잘 정의된 유체가 배관 내부를 지나는 경우에는 어느 정도의 정확도로 유량을 측정할 수 있지만 오랜 시간 동안 유량을 측정하는 경우에는 배관 내부에 이물질이 고착되어 있거나, 불순물이 혼합된 유체가 배관 내부를 지나는 경우도 발생하므로, 배관 규격표를 바탕으로 초음파의 경로를 계산하여 유량 센서의 설치 위치를 결정하는 데는 한계가 발생하는 문제점이 있다.
즉, 종래의 건식 초음파 유량계를 사용함에 있어서, 배관 내부가 잘 연마되어 있고, 깨끗한 유체를 사용하는 경우와 같은, 유량계 설치 환경에서는 사용하기 적합한 방법이 될 수 있지만 배관 내부에 부식, 마모가 발생하는 경우에는 KS 규격에서 제시한 배관 직경, 배관 두께와 같은 형상 치수가 정확하게 일치하지 않기 때문에, 유량 측정시 불확도 요소로 작용할 수 있는 문제점이 있다.
또한 유량 센서 사이의 설치 거리를 유량계 제조회사에서 제공하는 설치 지그에 표시된 눈금을 사용하여 조절하기 때문에, 설치 거리의 측정에 있어서도 불확도 요소로 작용할 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 공보 10-03210744B1, 2002. 03. 08, 4쪽 내지 6쪽.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 목적은, 배관의 상류측과 하류측에 설치된 유량센서의 설치거리를 보정하여, 초음파 경로 상의 음속과 유속 산출의 정확성을 확보하는데 있다.
다른 목적은, 위치보정정보를 포함하여, 배관에 설치된 유량센서 간의 설치 거리(H)와 실제 측정된 초음파 경로 길이로 유추되는 유량센서 간의 설치 거리(Htrue)의 차이인 보정거리를 산출하는데 있다.
또 다른 목적은, 보정속도산출부를 더 포함하여, 유량센서의 보정거리에 적용된 유체의 음속 및 유속을 산출하는데 있다.
또 다른 목적은, 배관 내 유체의 음속 산출 시, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 알고리즘을 적용하여, 간소화된 연산 작업으로 수렴된 음속값을 산출하는데 있다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 목적은 배관의 규격정보와 실제 측정된 초음파 신호를 분석하여, 유량센서의 위치보정정보를 산출하고, 이에 따른 배관 내 유체의 음속을 산출하는데 있다.
다른 목적은, 배관의 재질, 직경, 두께 중 어느 하나 이상의 정보를 고려하여, 이론적인 유량센서 위치를 결정하는데 있다.
또 다른 목적은, 스넬 법칙을 이용하여, 예측된 초음파 경로 길이에 따른 유량 센서 간의 설치거리와 실제 유량 센서 간의 설치거리의 차인 보정거리를 정의 하고, 실제 초음파 도달 시간을 고려하여, 보정거리를 산출하는데 있다.
또 다른 목적은, 배관 내 유체의 음속함수 및 음속함수의 1차 도함수를 정의하고, 뉴턴-랩슨 방식으로 연산하는데 있다.
또 다른 목적은 음속함수의 수렴조건을 판단하여, 정확한 음속값을 산출하는데 있다.
또 다른 목적은, 음속값에 따른 초음파 경로의 각도를 산출하여, 정확한 초음파 경로를 판단하는데 있다.
또 다른 목적은, 초음파 경로를 지나는 배관 내 유체의 유속을 산출하는데 있다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 배관의 외벽에 부착되어, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 유량센서를 적어도 두 개 이상 포함하는 유량센서부, 상기 유량센서부에서 수신된 초음파 신호를 이용하여, 유량 측정의 보정 정보의 생성을 제어하는 유량측정제어부, 상기 유량센서부가 부착된 배관의 규격정보를 입력하는 규격정보입력부 및 상기 규격정보입력부에서 입력된 배관의 규격정보와 상기 유량센서부에서 입력된 정보를 이용하여, 상기 유량센서부의 위치보정정보를 산출하는 센서위치보정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서, 위치보정정보는 유량센서와 배관의 재질, 배관 내부의 유체 물성을 스넬의 법칙에 적용하여, 예측된 유량센서 간의 설치 거리(H)에서 실제 초음파 경로에 따른 유량 센서 간의 설치거리(Htrue)의 차이로 산출되는 보정거리(△H) 및 상기 보정거리(△H)에 해당하는 초음파 도달 보정시간(△t)을 포함하며, 상기 실제 초음파 경로에 따른 유량 센서 간의 설치거리(Htrue)는 [수학식 12]로 산출되고, 상기 초음파 도달 보정시간은 [수학식 13]로 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 유량측정제어부와 연결되어, 배관 내부 유체의 음속 및 유속을 산출하고, 초음파 경로의 각도를 산출하는 보정속도산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서, 보정속도산출부는 상기 위치보정정보를 적용한 비선형의 음속 함수를 정의하고, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 알고리즘에 따라 음속값을 산출하는 음속산출부, 상기 음속산출부에서 산출된 음속값을 초음파 경로의 길이에 적용하여, 상기 초음파 경로의 각도를 산출하는 초음파각도산출부 및 상기 초음파각도산출부에서 산출된 초음파 경로의 각도를 적용하여, 배관 내부 유체의 유속을 산출하는 유속산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법은 (a) 규격정보입력부를 이용하여, 배관 및 상기 배관에 설치된 유량센서의 규격정보를 입력하는 단계, (b) 센서위치보정부를 이용하여, 배관 및 상기 배관에 설치된 유량센서의 규격정보와 실제 측정된 초음파 신호 정보를 이용하여, 유량센서의 위치보정정보를 산출하는 단계 및 (c) 보정속도산출부를 이용하여, 배관 내 유체의 음속을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법에 있어서, (b) 단계는 (b-1) 유량센서와 배관의 재질 및 배관 내 유체의 물성과 스넬 법칙을 적용하여, 예측 초음파 경로의 길이를 설정하는 단계, (b-2) 초음파 경로의 길이에 대한 유동 방향성분을 연산하여 보정거리(△H)를 정의하고, 상기 보정거리에 따른 초음파 도달의 보정시간(△t)을 산출하는 단계 및 (b-3) 상기 보정시간에 따른 제1보정도달시간 및 제2보정도달시간을 적용하여, 상기 보정거리를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법에 있어서, 상기 (c)는 (c-1) 변수입력부를 이용하여, 유량센서, 배관의 설치 규격정보 정보를 입력하는 단계, (c-2) 도달시간측정부를 이용하여, 초음파 도달 시간을 측정하는 단계, (c-3) 음속함수정의부를 이용하여, 비선형 음속함수 및 상기 음속함수의 1차 도함수를 정의하는 단계 및 (c-4) 상기 음속함수와 상기 음속함수의 1차 도함수를 뉴턴-랩슨 방식으로 연산하여, 음속값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법은 (c-4) 단계 이후에, (d) 초음파각도산출부를 이용하여, 상기 음속값에 따른 초음파 경로의 각도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법은 (d) 단계 이후에 (e) 유속산출부를 이용하여, 상기 초음파 경로의 각도에 따른 배관 내 유체의 유속을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 배관의 상류측과 하류측에 설치된 유량센서의 설치거리를 보정하고, 이를 통해, 초음파 경로 상의 음속과 유속 산출의 정확성을 확보할 수 있으며, 나아가 초음파 유량계의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 위치보정정보를 포함함으로써, 배관에 설치된 유량센서 간의 설치거리(H)와 실제 측정된 초음파 경로 길이로 유추되는 유량센서 간의 설치 거리(Htrue)의 차이인 보정거리를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 보정속도산출부를 더 포함함으로써, 유량센서의 보정거리가 적용된 배관 내 유체에 의한 음속 및 유체의 유속을 정확하게 산출하는 효과가 있다.
또한, 배관 내 유체의 음속 산출 시, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 알고리즘을 적용함으로써, 종래 비선형 방정식의 수치해석 보다 간소화된 연산 작업으로 수렴된 음속값을 산출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법은 배관의 규격정보와 실제 측정된 초음파 신호를 분석함으로써, 배관 내 부식이나 마모의 발생 또는 이물질 고착 등의 불확도 요소를 고려하여, 유량 센서의 설치거리를 결정할 수 있으며, 유체에 의한 정확한 음속을 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배관의 재질, 직경, 두께 중 어느 하나 이상의 정보를 고려하여, 예측된 초음파 경로에 따른 유량센서 위치를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 스넬 법칙을 이용하여, 예측된 초음파 경로 길이에 따른 유량 센서 간의 설치거리와 실제 유량 센서 간의 설치거리의 차인 보정거리를 정의하고, 실제 초음파 도달 시간을 고려하여, 보정거리를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배관 내 유체의 음속함수 및 음속함수의 1차 도함수를 정의하고, 뉴턴-랩슨 방식으로 연산함으로써, 정확한 음속값을 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 음속값에 따른 초음파 경로의 각도를 산출함으로써, 정확한 초음파 경로를 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 초음파 경로를 지나는 배관 내 유체의 유속을 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 전체 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서, 유량센서 간의 설치거리와 초음파 경로의 길이를 고려한 초음파 도달시간 개념을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서 보정속도산출부의 상세구성도.
도 4는 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서 초음파 경로의 굴절에 따른 스넬의 법칙 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계에 있어서, 음속산출부의 상세구성도.
도 6은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법의 전체 흐름도.
도 7은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법에 있어서, S20 단계의 상세 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법에 있어서, S30 단계의 상세 흐름도.
도 9는 종래 /자 형 초음파 유량계의 개념도.
도 10은 종래 V자 형 초음파 유량계의 개념도.
이하, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
[도 1]은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계(200)의 전체 구성을 나타내는 도면으로, 유량센서부(10), 유량측정제어부(20), 규격정보입력부(30), 센서위치보정부(40), 보정속도산출부(50) 및 유량측정부(60)를 포함한다.
상기 유량센서부(10)는 배관의 상류측과 하류측 외벽에 부착되어, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 유량센서(초음파센서)를 포함한다.
상기 유량센서부(10)의 위치에 따라서 초음파 경로가 결정되는데, 두 개의 유량센서 중 하나를 배관의 상류측 하부에 위치시키고, 나머지 하나를 배관의 하류측 상부에 위치시키면 /자 형의 초음파 경로가 발생되고, [도 2]에 도시된 바와 같이, 두 개의 유량센서(11, 12)를 배관의 상류측과 하류측의 동일 선상에 나란히 배치하면 V자 형의 초음파 경로가 발생된다.
상기 유량측정제어부(20)는 상기 유량센서부(10)에 수신된 초음파 신호를 이용하여, 유량측정의 보정정보를 생성하는 작업을 제어하며, 유량 산출 작업을 제어하는 역할을 한다.
상기 규격정보입력부(30)는 상기 유량측정제어부(20)와 연결되어, 배관(1)의 규격정보를 입력하는 역할을 한다.
즉, 본 발명에 따른 상기 규격정보입력부(30)는 배관(1)의 공칭 직경을 배관직경으로 입력하고, 배관 용도에 따라 배관두께를 입력하고, 배관(1) 재질을 입력하게 된다. 또한, 상기 배관(1)에 설치된 유량센서(11, 12)의 재질과 두께도 입력한다.
이러한 본 발명에 따른 상기 규격정보입력부(30)에서 입력된 배관의 규격정보를 가지고 스넬 법칙에 따른 초음파 경로의 길이를 산출할 수 있으며, 이렇게 산출된 초음파경로의 길이에 따라 표준화된 유량센서의 설치거리를 산출할 수 있는 것이다.
상기 센서위치보정부(40)는 상기 유량측정제어부(20)와 연결되어, 상기 규격정보입력부(30)에서 입력된 배관의 규격정보에 따른 유량센서의 간의 표준 설치거리와 실제 측정된 초음파 경로에 따라 산출된 설치거리 간의 차이를 위치보정정보로 산출하는 역할을 한다.
즉, 본 발명에 따른 상기 센서위치보정부(40)는 스넬의 법칙을 적용하여, 상기 규격정보입력부(30)에서 입력된 배관(1)의 규격정보와 유량센서의 두께에 따라 표준화된 유량센서 간의 설치거리(H)를 산출하고, 실제 상기 유량센서부(10)로 측정된 초음파 경로에 따른 유량센서 간의 설치거리(Htrue)를 산출하고, 이러한 표준 설치거리(H)와 산출 설치거리(Htrue)의 차이인 보정거리(△H)를 산출하게 된다.
이러한 센서위치보정부(40)의 기능을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유량센서(11, 12)와 배관(1)의 재질, 배관 내부의 유체 물성에 따른 스넬의 법칙으로 초음파 경로의 길이를 계산하면 [수학식 5]과 같으며, [도 3]은 본 발명에 따른 스넬 법칙 적용에 따른 초음파 각도의 변화를 나타내는 도면이다.
Figure 112012054007531-pat00005
여기서, C1 : 유량 센서 재질에 의한 음속
C2 : 배관 재질에 의한 음속
C3 : 배관 내부 유체에 의한 음속
θ1 : 유량 센서에서 송신되는 초음파의 각도
θ2 : 배관을 지나는 초음파의 각도
θ3 : 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도
상기 [수학식 5]에 있어서, 초음파 각도의 변화를 고려하여 초음파 경로의 길이를 계산하면, 다음 [수학식 6]과 같다.
Figure 112012054007531-pat00006
여기서, d1 : 유량 센서의 두께
d2 : 배관의 두께
D : 배관 직경
l1, l2, l3 : 각각 d1, d2, d3에 대응되는 초음파 경로의 길이
이때, /자 형태의 초음파 경로에 대한 초음파 경로의 길이를 표현하면 다음 [수학식 7]과 같으며, V자 형태의 초음파 경로에 대해서는, 초음파 경로의 길이는 다음 [수학식 8]과 같다.
Figure 112012054007531-pat00007
Figure 112012054007531-pat00008
실제 건식 단회선 초음파 유량계에서는 /자 형태 보다는 V자 형태의 초음파 경로를 더 많이 활용함에 따라 본 발명의 실시예에서는 V자 형태의 초음파 경로의 길이를 기준으로 하여 설명하기로 한다.
상기 [수학식 8]에 [수학식 6]을 대입하면 다음 [수학식 9]와 같으며, 상기 [수학식 5]에서 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도(θ3)가
Figure 112012054007531-pat00009
이므로, 초음파 경로의 길이는 다음 [수학식 10]과 같이 변형이 가능하다.
Figure 112012054007531-pat00010
Figure 112012054007531-pat00011
이때, 상기 [수학식 10]을 초음파 음속 산출 공식에 대입하면 다음 [수학식 11]과 같다.
Figure 112012054007531-pat00012
한편, 본 발명에 따른 각 유량센서(11, 12)의 초음파의 도달시간 t1과 t2는 이론적으로 산출된 초음파 경로의 길이와 실제로 측정되는 초음파 경로의 길이를 고려하여 보정되어야 하며, 실제 측정된 초음파 경로에 대하여, 유동 흐름 방향 성분을 계산하면 [수학식 12]와 같다.
Figure 112012054007531-pat00013
여기서, H : 유량 센서의 표준 설치거리
Htrue : 측정된 초음파 경로의 길이에 대해서 성립될 수 있는 유량 센서 사이의 산출 설치거리
h1 : 유량 센서를 지나는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
h2 : 배관 두께를 지나는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
h3 : 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
본 발명에 있어서, 상기 표준 설치거리(H)와 산출 설치거리(Htrue)의 차이에 해당하는 보정거리(△H)를 구하기 위해서, 배관(1)의 내부 벽면에 도달한 초음파가 배관 내부 유체의 음속으로 유량센서에 도달한다고 가정한다. 이 경우, 상기 보정거리(△H)를 산출하기 위해서 초음파 도달시간의 보정시간(△t)을 다음 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012054007531-pat00014
이때, 상기 [수학식 13]에 있어서, 초음파의 도달시간 t1과 t2은 상기 보정된 초음파 도달시간으로 입력되어야 하므로, [수학식 14]와 [수학식 15]에 나타낸 바와 같이, 각각 제1보정도달시간(t1true) 및 제2보정도달시간(t2true)으로 변경되어 산출이 가능하다.
Figure 112012054007531-pat00015
Figure 112012054007531-pat00016
본 발명에 있어서, [수학식 14]와 [수학식 15]를 유도할 때에는 초음파가 배관(1)의 내부 벽면에 도달한 다음, 배관(1)의 벽면을 따라 배관 내부 유체의 음속과 같은 속도로 유량 센서에 도달하는 것으로 가정하므로, △t는 배관 내부 유체에 의한 유속의 영향을 받지 않을 것으로 가정할 수 있다.
즉, 배관(1)의 내부 벽면에서는 마찰에 의해 경계층 유동이 발생하는데, 경계층 내에서는 벽면에 접근할수록 유속이 감소하므로, 벽면 근처의 유속은 △t에 영향을 끼칠 수 없을 정도로 충분히 작다고 가정할 수 있다.
따라서 제1보정도달시간(t1true)와 제2보정도달시간(t2true)에 사용되는 보정시간(△t)은 유동흐름 방향과 상관없이 일정하다고 생각할 수 있다. 만약 배관 내부 벽면 근처에서 발생하는 유속의 영향이 △t에 영향을 끼칠 정도로 크다고 가정하면, 유동흐름 방향에 따라 상류측 방향과 하류측 방향의 △t가 다른 값을 가져야 하므로, [수학식 14]와 [수학식 15]는 더 복잡한 공식으로 유도되어야 하는 문제점이 발생한다.
상기 [수학식 14]와 [수학식 15]를 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도인
Figure 112012054007531-pat00017
에 대입하면, 배관 내부 유체에 의한 음속은 [수학식 16] 과 같으며, 그에 따른 제1보정도달시간(t1true) 및 제2보정도달시간(t2true)은 상기 [수학식 17]과 같다.
Figure 112012054007531-pat00018
Figure 112012054007531-pat00019
Figure 112012054007531-pat00020

[도 1]에 도시된 상기 보정속도산출부(50)는 상기 유량측정제어부(20)와 연결되어, 상기 위치보정정보를 적용하여, 배관 내부 유체에 의한 음속 및 유체의 유속 및 초음파 경로의 각도를 산출하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 상기 보정속도산출부(50)는 [도 3]에 도시된 바와 같이, 음속산출부(51), 초음파각도산출부(53) 및 유속산출부(55)를 포함한다.
상기 음속산출부(51)는 상기 위치보정정보를 적용한 비선형의 음속함수를 정의하고, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson 알고리즘에 따라 배관 내부 유체에 의한 음속값을 산출하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 상기 음속산출부(51)는 [도 5]에 도시된 바와 같이, 변수입력부(511), 도달시간측정부(513), 음속함수정의부(515) 및 음속함수연산부(517)를 포함한다.
상기 변수입력부(511)는 배관 내부 유체에 의한 음속을 산출하기 위해 필요한 변수 정보를 입력하는 역할을 하며, 본 발명에 있어서, 상기 변수입력부(511)에서 입력하는 변수 정보는 유량 센서의 두께(d1), 배관의 두께(d2), 유량 센서에서 송신되는 초음파의 각도(θ1), 배관을 지나는 초음파의 각도(θ2), 배관 직경(D), 유량 센서의 설치 거리(H)를 포함한다.
상기 도달시간산출부(513)는 실제 초음파의 도달 시간(t1, t2)을 측정하는 역할을 한다.
상기 음속함수정의부(515)는 상기 도달시간산출부(513)에서 측정된 초음파의 도달 시간(t1, t2)에 관하여, 실제 측정된 초음파 경로의 길이에 따라 보정시간을 적용하여, 제1보정도달시간(t1true)과 제2보정도달시간(t2true)을 산출하며, 배관 내 유체에 의한 음속함수를 정의하는 역할을 한다.
본 발명에 있어서, 상기 음속함수는 비선형 함수 F(c3)로 나타낼 수 있으며, F(c3)=0을 만족시키는 해를 구하면, 초음파의 경로를 지나는 배관 내부 유체의 음속(c3)을 계산할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 음속함수 F(c3)는 복잡한 형태의 식으로 표현되는데, 다음 [수학식 19] 및 [수학식 20]에 나타낸 것처럼 배열 변수 A와 B를 도입하면, 비교적 이해하기 쉬운 형태로 다음 [수학식 21]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012054007531-pat00021
Figure 112012054007531-pat00022
Figure 112012054007531-pat00023
Figure 112012054007531-pat00024
Figure 112012054007531-pat00025
Figure 112012054007531-pat00026
Figure 112012054007531-pat00027

Figure 112012054007531-pat00028
Figure 112012054007531-pat00029
Figure 112012054007531-pat00030
Figure 112012054007531-pat00031
또한, 상기 음속함수 F(c3)의 1차 도함수 F´(c3)는 다음 [수학식 22]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012054007531-pat00032
본 발명에 있어서, A1 ~ A7은 초음파 도달시간 t1과 t2를 계산하기 전에 이미 결정된 값으로 상수이며, B1 ~ B3은 배관 내부 유체의 음속 c3에 대한 함수로서, 유동 조건에 따라 변경될 수 있는 값이다.
상기 음속함수연산부(517)는 상기 음속함수F(c3)와 상기 음속함수의 1차 도함수 F´(c3) 를 연산하는 역할을 하며, 배관 내부의 유체의 음속(c3)과 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도(θ3)를 계산하기 위해서는 F(c3)=0을 비선형 방정식으로 놓고, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 알고리즘을 도입하여 해를 구한다.
본 발명에 있어서, 뉴턴-랩슨 방법은 축차 이분법(successive bisection method)이나 선형 역 보간법(linear inverse interpolation method)에 비해 수렴 속도가 빠른 방법으로 가장 많이 사용되는 비선형 방정식에 대한 수치해석 방법이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 비선형 방정식 F(c3)=0 의 근사해인 c3i 에 대한 1차 테일러(Taylor) 전개를 활용하는데, c3
Figure 112012054007531-pat00033
c3i 가정하면, 상기 음속함수 는 1차 테일러 전개에 의해 다음 [수학식 23]으로 표현된다.
Figure 112012054007531-pat00034
또한, 음속함수 F(c3)의 접선이 배관 내부의 유체의 음속(c3)의 축과 교차하는 지점을 (c3 (i+1), 0)이라고 하면, 상기 [수학식 23]에서 c3
Figure 112012054007531-pat00035
c3 (i+1) 이고 F(c3)=0 이 되므로 다음 [수학식 24]와 같이 나타낼 수 있으며, 상기 [수학식 24]를 c3 (i+1) 에 대해 풀면, 다음 [수학식 25]와 같은 재귀 관계식이 성립한다.
Figure 112012054007531-pat00036
Figure 112012054007531-pat00037
본 발명에 있어서, 상기 음속함수연산부는 뉴턴-랩슨 알고리즘을 적용함에 따라 [수학식 21]과 [수학식 22]를 [수학식 25]에 대입하고, 배관 내부를 지나는 유체의 음속에 대한 초기값을 c3 (i=0)=cwater와 같이 잘 알려진 물성치를 이용하여 정의하면, 3-4번의 반복 계산으로도 c3의 수렴된 값을 구할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 있어서, [수학식 25]의 수렴 조건을 결정하기 위해서는 c3 (i+1)과 c3i의 차이가 기준 레벨보다 작은지를 판별하는 것이 바람직하며, 이는 [수학식 26]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012054007531-pat00038
이때, e는 수렴 조건을 결정하기 위한 기준 레벨로서, 10-7과 같은 작은 값으로 정의할 수 있다.
상기 초음파각도산출부(53)는 상기 음속함수연산부(517)를 통해 산출된 배관 내부를 지나는 유체의 음속을 상기 [수학식 5]에 대입하여, 초음파 경로의 각도를 산출하는 역할을 한다.
상기 유속산출부(55)는 상기 초음파각도산출부(53)에서 산출된 초음파 경로의 각도를 적용하여, 초음파 경로를 지나는 배관 내부 유체의 유속을 산출하는 역할을 하며, 본 발명에 따른 배관 내부 유체의 유속은 다음 [수학식 27]에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012054007531-pat00039
상기 유량측정부(60)는 상기 유량측정제어부(20)와 연결되어, 상기 보정속도산출부(50)에서 산출된 배관 내 유체의 음속 및 유속을 이용하여, 유량을 측정하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 표준화된 초음파 경로의 길이와 실제 측정된 초음파 경로의 길이 차이를 보정함으로써 상기 유량측정부(60)를 이용하여, 보다 정확한 유량을 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계는 배관의 상류측과 하류측에 설치된 유량센서의 설치거리를 보정하고, 이를 통해, 초음파 경로 상의 음속과 유속 산출의 정확성을 확보할 수 있으며, 나아가 초음파 유량계의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이러한 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법을 설명하면 다음과 같다.
[도 6]은 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법의 전체 흐름을 나타내는 도면으로, 상기 규격정보입력부(30)를 이용하여, 배관 및 배관에 배치된 유량센서의 규격정보를 입력하는 단계를 수행한다.(S10)
상기 S10 단계에서 상기 규격정보는 배관의 재질, 직경, 두께, 유량센서의 두께 중 어느 하나를 입력하는 단계로, 본 발명의 실시예에서 상기 규격정보입력부(30)는 배관(1)의 공칭 직경을 배관직경으로 입력하고, 배관 용도에 따라 배관두께를 입력하고, 배관(1) 재질 및 상기 배관(1)에 설치된 유량센서(11, 12)의 재질과 두께도 입력하였다.
다음으로, 센서위치보정부(40)를 이용하여, 배관에 설치된 유량센서의 위치보정정보를 산출하는 단계를 수행한다.(S20)
상기 S20 단계는 [도 7]에 도시된 상세 흐름도와 같이, 상기 규격정보입력부(30)에서 입력된 규격정보와 유체의 물성정보에 관해 스넬 법칙을 적용하여, 초음파 경로의 길이를 산출하고, 이에 따른 유량센서의 표준 설치거리(H)를 산출하는 단계(S21)를 수행한다.
다음으로, 상기 유량센서부(10)에서 수신된 초음파 신호로 실제 초음파 경로의 길이를 산출하고, 이러한 실제 초음파 경로의 길이에 따른 유량센서의 설치거리를 산출하는 단계(S23)를 수행하고, 상기 센서위치보정부(40)를 이용하여, 유량센서 간의 표준 설치거리(H)와 산출 설치거리의 차인 보정거리(△H)를 정의하고, 측정된 초음파의 도달 시간(t1, t2)에 관하여, 보정시간(△t)을 적용하여, 제1보정도달시간(t1true)와 제2보정도달시간(t2true)을 산출하는 단계(S25)를 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1보정도달시간(t1true)과 제2보정도달시간(t2true)는 상기 [수학식 14] 및 [수학식 15]로 산출된다.
다음으로, 상기 보정속도산출부(50)의 상기 음속산출부(51)를 이용하여, 배관 내 유체에 의한 음속을 산출하는 단계를 수행한다.(S30)
본 발명에 따른 상기 S30 단계는 [도 8]에 도시된 바와 같이, 상기 변수입력부(511)를 이용하여, 배관 및 유량센서의 규격정보 및 설치 상태에 따른 초기값을 입력하는 단계를 수행한다.(S31)
상기 S31 단계에서 입력되는 상기 유량센서의 두께(d1), 유량센서에서 송신되는 초음파각도(θ1), 배관의 두께(d2), 배관을 지나는 초음파의 각도(θ2), 배관의 직경(D), 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도(θ3), 배관 내부 유체에 의한 음속(c3), 초음파 센서의 설치거리(H)를 포함한다.
다음으로, 상기 도달시간측정부(513)를 이용하여, 초음파의 도달 시간(t1, t2)을 측정하는 단계를 수행한다.(S32)
다음으로, 상기 음속함수정의부(515)를 이용하여, 비선형 음속함수 및 상기 음속함수의 1차 도함수를 정의하는 단계를 수행한다.(S32)
본 발명에 따른 상기 S32 단계에서 상기 음속함수의 정의 시, 상기 S25단계에서 제1보정도달시간(t1true)과 제2보정도달시간(t2true)을 적용하며, 비선형 음속함수F(c3)는 상기 [수학식 21]로 정의되며, 상기 음속함수의 1차 도함수F´(c3)는 상기 [수학식 22]로 정의된다.
다음으로, 상기 음속함수연산부(517)를 이용하여, 상기 음속함수의 1차 도함수F´(c3)를 연산하는 단계를 수행한다.(S34)
본 발명에 있어서, 상기 S34 단계는 뉴턴-랩슨 방식을 적용하며, 상기 [수학식 23] 내지 상기 [수학식 25]를 통해 산출된다.
다음으로, 음속함수의 1차 도함수F´(c3)의 수렴조건을 판단하는 단계(S35)를 수행하고, 본 발명에 있어서, 상기 수렴조건은 상기 [수학식 26]을 만족하는지 여부로 판단되며, 상기 [수학식 26]에서 e는 수렴 조건을 결정하기 위한 기준 레벨로서, 10-7과 같은 작은 값으로 정의할 수 있다.
상기 S35 단계에서 상기 수렴조건을 만족할 경우, 음속함수의 해를 산출하는 단계(S37)를 수행하며, 상기 S35 단계에서, 상기 수렴조건을 만족하지 못할 경우, 배관 내부 유체의 음속(c3)에 c3´을 대입(S36)하고, 상기 S34단계로 돌아가 재수행한다.
다음으로, 초음파각도산출부(52)를 이용하여, 보정된 초음파 경로의 각도를 산출하는 단계(S40)를 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 S40 단계는 상기 S30 단계에서 수렴된 배관 내부 유체의 음속(c3)을 산출 시, 스넬의 법칙에 의해 상기 [수학식 5]에서 초음파 경로의 각도(θ3)를 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 유속산출부(55)를 이용하여, 상기 초음파 경로의 각도에 따른 배관 내 유체의 유속을 산출하는 단계(S50)를 수행한다.
본 발명에 있어서, 상기 S50 단계는 상기 S30 단계 내지 상기 S40 단계에서 배관 내부 유체의 음속(c3)과 초음파 경로의 각도(θ3) 산출 시, 상기 [수학식 27]에 대입하여, 유속(v)을 산출하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법은 배관의 규격정보와 실제 측정된 초음파 신호를 분석하여 산출된 보정정보를 적용함으로써, 배관 내 부식이나 마모의 발생 또는 이물질 고착 등의 불확도 요소를 고려하여, 유량 센서의 설치거리를 결정할 수 있으며, 유체에 의한 정확한 음속을 산출할 수 있는 효과를 누릴 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 건식 단회선 초음파 유량계 및 그 보정정보 산출 방법으로 구현할 수 있다.
1 : 배관
10 : 유량센서부
20 : 유량측정제어부
30 : 규격정보입력부
40 : 센서위치보정부
50 : 보정속도산출부
51 : 음속산출부
511 : 변수입력부
53 : 초음파각도산출부
55 : 유속산출부
60 : 유량측정부
200 : 초음파 유량계
513 : 도달시간측정부
515 : 음속함수정의부
517 : 음속함수연산부

Claims (15)

  1. 배관의 외벽에 부착되어, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 유량센서를 적어도 두 개 이상 포함하는 유량센서부;
    상기 유량센서부에서 수신된 초음파 신호를 이용하여, 유량계의 보정 정보 생성을 제어하는 유량측정제어부;
    상기 유량센서부가 부착된 배관의 규격정보를 입력하는 규격정보입력부;
    상기 규격정보입력부에서 입력된 배관의 규격정보와 상기 유량센서부에서 입력된 정보를 이용하여, 상기 유량센서부의 위치보정정보를 산출하는 센서위치보정부;
    상기 유량측정제어부와 연결되어, 배관 내부 유체의 음속 및 유속을 산출하고, 초음파 경로의 각도를 산출하는 보정속도산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치보정정보는,
    유량센서와 배관의 재질, 배관 내부의 유체 물성을 스넬의 법칙에 적용하여, 예측된 유량센서 간의 설치 거리(H)에서 실제 초음파 경로에 따른 유량 센서 간의 설치거리(Htrue)의 차이로 산출되는 보정거리(△H) 및 상기 보정거리(△H)에 해당하는 초음파 도달 보정시간(△t)을 포함하며,
    상기 실제 초음파 경로에 따른 유량 센서 간의 설치거리(Htrue)는 [수학식 12]로 산출되고, 상기 초음파 도달 보정시간은 [수학식 13]로 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
    [수학식 12]
    Figure 112012054007531-pat00040

    여기서, h1 : 유량 센서를 지나는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
    h2 : 배관 두께를 지나는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
    h3 : 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 유동 흐름방향 경로 길이
    d1 : 유량 센서의 두께
    d2 : 배관의 두께
    D : 배관 직경
    [수학식 13]
    Figure 112012054007531-pat00041

    c3 : 배관 내부 유체에 의한 음속
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 도달 보정시간에 입력되는 제1보정도달시간(t1true) 및 제2보정도달시간(t2true)은, [수학식 14], [수학식 15] 또는 [수학식 17]로 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
    [수학식 14]
    Figure 112012054007531-pat00042

    [수학식 15]
    Figure 112012054007531-pat00043

    여기서, t1, t2 : 각 유량센서의 초음파 도달 시간
    c2 : 배관 재질에 의한 음속
    d1 : 유량 센서의 두께
    d2 : 배관의 두께
    D : 배관 직경
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보정속도산출부는,
    상기 위치보정정보를 적용한 비선형의 음속 함수를 정의하고, 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 알고리즘에 따라 음속값을 산출하는 음속산출부;
    상기 음속산출부에서 산출된 음속값을 초음파 경로의 길이에 적용하여, 상기 초음파 경로의 각도를 산출하는 초음파각도산출부 및
    상기 초음파각도산출부에서 산출된 초음파 경로의 각도를 적용하여, 배관 내부 유체의 유속을 산출하는 유속산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음속함수는 [수학식 21]로 산출되며, 상기 음속함수의 1차 도함수는 [수학식 22]로 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
    [수학식 21]
    Figure 112013092462810-pat00044

    [수학식 22]
    Figure 112013092462810-pat00045

    이때, A, B는 배열 변수 이며,
    Figure 112013092462810-pat00046

    Figure 112013092462810-pat00047

    Figure 112013092462810-pat00048

    Figure 112013092462810-pat00049

    Figure 112013092462810-pat00050

    Figure 112013092462810-pat00051

    Figure 112013092462810-pat00052

    Figure 112013092462810-pat00053

    Figure 112013092462810-pat00054
    Figure 112013092462810-pat00055

  7. 제5항에 있어서,
    상기 초음파 경로의 각도는, [수학식 5]에서 상기 음속산출부에서 산출된 음속값(c3)을 대입하여, 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
    [수학식 5]
    Figure 112012054007531-pat00056

    여기서, c1 : 유량 센서 재질에 의한 음속
    c2 : 배관 재질에 의한 음속
    c3 : 배관 내부 유체에 의한 음속
    θ1 : 유량 센서에서 송신되는 초음파의 각도
    θ2 : 배관을 지나는 초음파의 각도
    θ3 : 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도
  8. 제5항에 있어서,
    상기 배관 내부 유체의 유속은 [수학식 27]로 산출되는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계.
    [수학식 27]
    Figure 112012054007531-pat00057

    c1 : 유량 센서 재질에 의한 음속
    c2 : 배관 재질에 의한 음속
    c3 : 배관 내부 유체에 의한 음속
    θ1 : 유량 센서에서 송신되는 초음파의 각도
    θ2 : 배관을 지나는 초음파의 각도
    θ3 : 배관 내부 유체를 통과하는 초음파의 각도
    d1 : 유량 센서의 두께
    d2 : 배관의 두께
    D : 배관 직경
  9. (a) 규격정보입력부를 이용하여, 배관 및 상기 배관에 설치된 유량센서의 규격정보를 입력하는 단계;
    (b) 센서위치보정부를 이용하여, 배관 및 상기 배관에 설치된 유량센서의 규격정보와 실제 측정된 초음파 신호 정보를 이용하여, 유량센서의 위치보정정보를 산출하는 단계 및
    (c) 보정속도산출부를 이용하여, 배관 내 유체의 음속을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계는, (b-1) 유량센서와 배관의 재질 및 배관 내 유체의 물성과 스넬 법칙을 적용하여, 예측 초음파 경로의 길이를 설정하는 단계; (b-2) 초음파 경로의 길이에 대한 유동 방향성분을 연산하여 보정거리(△H)를 정의하고, 상기 보정거리에 따른 초음파 도달의 보정시간(△t)을 산출하는 단계 및 (b-3) 상기 보정시간에 따른 제1보정도달시간(t1true) 및 제2보정도달시간(t2true)을 적용하여, 상기 보정거리를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 입력되는 상기 규격정보는
    배관의 재질, 직경, 두께, 유량센서의 두께 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 (c)는
    (c-1) 변수입력부를 이용하여, 유량센서, 배관의 설치 규격정보를 입력하는 단계;
    (c-2) 도달시간측정부를 이용하여, 초음파 도달 시간을 측정하는 단계;
    (c-3) 음속함수정의부를 이용하여, 비선형 음속함수 및 상기 음속함수의 1차 도함수를 정의하는 단계 및
    (c-4) 상기 음속함수와 상기 음속함수의 1차 도함수를 뉴턴-랩슨 방식으로 연산하여, 음속값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (c-4) 단계는,
    (c-4-1) 상기 음속함수 F(c3)의 접선이 c3 축과 교차하는 지점을 (C3 (i+1), 0) 이라 정의 시, C3 (i+1)과 c3i의 차이가 e(10-7)보다 작은 값인지 여부를 판단하는 수렴조건 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (c-4) 단계 이후에,
    (d) 초음파각도산출부를 이용하여, 상기 음속값에 따른 초음파 경로의 각도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에,
    (e) 유속산출부를 이용하여, 상기 초음파 경로의 각도에 따른 배관 내 유체의 유속을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 단회선 초음파 유량계의 보정정보 산출 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007017157A (ja) * 2005-07-05 2007-01-25 Aichi Tokei Denki Co Ltd 超音波流量計
JP2010230394A (ja) 2009-03-26 2010-10-14 Yamatake Corp 流量計

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007017157A (ja) * 2005-07-05 2007-01-25 Aichi Tokei Denki Co Ltd 超音波流量計
JP2010230394A (ja) 2009-03-26 2010-10-14 Yamatake Corp 流量計

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102191395B1 (ko) * 2020-06-23 2020-12-15 (주)발맥스기술 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법
WO2021261814A1 (ko) * 2020-06-23 2021-12-30 (주)발맥스기술 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법

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