KR101476534B1 - 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 측정관로 내벽에 마주보도록 초음파 트랜스듀서를 각각 설치하고 상기 트랜스듀서의 송,수신부 전면에 반사판을 설치하여 트랜스듀서에서 송신된 초음파가 반사판에 의해 반사되어 왕복함으로써 전파시간이 연장됨에 따라 유량측정 정확도를 높이는 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법에 관한 것이다
즉, 본 발명은 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치에 있어서; 측정관로 내벽에 상호 마주보도록 대향 되게 각각 설치되는 초음파 트랜스듀서와, 상기 초음파 트랜스듀서의 송·수신부 전면에 반사판이 설치되어 송신된 초음파가 반사판에 의해 왕복하여 수신부로 전달되는 것을 특징으로 한다.

Description

전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법{Ultra sonic Flow measuring Device}

본 발명은 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 측정관로 내벽에 마주보도록 초음파 트랜스듀서를 각각 설치하고 상기 트랜스듀서의 송,수신부 전면에 반사판을 설치하여 트랜스듀서에서 송신된 초음파가 반사판에 의해 반사되어 왕복함으로써 전파시간이 연장됨에 따라 유량측정 정확도를 높이는 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 초음파 유량측정장치는 관로 내에 초음파 트랜스듀서(변환기)를 마주보게 설치하여 관로 내의 유량을 측정하는 장치로서 각종 산업현장 등의 다양한 분야에 사용된다.

종래의 초음파 유량측정 방법은 도 1에 도시한 바와 같이, 각 설치된 트랜스듀서 a와b(10,10`)의 초음파 도달 시간차(△t)를 이용하여 먼저 유속(V)을 측정한다. 유속을 측정하는 방법은 다음과 같다.

[수학식 1]

이므로,

상기 식의 t_u는 트랜스듀서(10)에서 트랜스듀서(10')까지의 전파시간, t_d는 반대로 트랜스듀서(10')에서 트랜스듀서(10)까지의 전파시간을 의미하고 C는 초음속을 의미한다.

[수학식 2]

이와 같이 t_u와 t_d 의 시간차(△t) 를 이용하여 유속(V)를 측정한다. 여기서 L은 트랜스듀서간의 간격길이를 말하는 것이고, d는 L의 사영(projection)길이 (d=L cosφ)를 말한다.

[수학식 3]

이와 같이 측정된 유속(V)을 관로 내의 단면적(A)를 곱함으로써 유량을 측정할수 있게 되는 것이다.

그러나 상기와 같은 초음파 측정방법은 소구경 또는 저유속 관로일 경우 초음파 트랜스듀서(10,10') 간의 거리(L)가 매우 근접한 상태가 되거나 저유속에 의해 초음파 전달의 시간차(△t)값이 작기 때문에 유량측정에 있어서 측정이 되지 않거나 측정값의 오차가 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 초음파 트랜스듀서(10,10')간의 거리(L)를 늘려 측정정확도를 높이고자 하는 선행기술을 살펴보면 다음과 같다.

공개특허 제 10-2007-0022840호(극저유량용 초음파 유량측정장치)에는 제1 초음파 트랜스듀서에서 출사된 초음파는 그 직진방향으로 반대편의 측정 관로부로 도달하여 제1 경로를 형성하고 상기 제1 경로에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제1 경로와 대칭인 제2 경로를 형성하며 상기 제2 경로에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제2 경로와 대칭인 제3 경로를 형성하고 상기 제3경로에서 반사된 초음파는 제2 초음파 트랜스듀서로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제3 경로와 대칭인 제4 경로를 형성하는 구성으로 제시되어 있다.

그러나 상기 선행기술은 초음파가 단순히 관로 내 벽면에 의해 반사되면서 제 1 경로에서 제3 경로로 이동하기 때문에 반사될 때마다 초음파가 확산되고, 반사면이 곡률을 형성하여 파동의 파면 형성에서 시간지연 등이 발생하여 반사효율이 떨어질 뿐만 아니라 지그재그 형태의 반사각을 유지하기 위해서는 측정 관로의 길이가 종래대비 4배 정도 길어지는 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 등록특허 제 10-1163567호(유속/유량측정용 정류반사체, 유속/유량측정용 정류반사관 및 이를 구비한 초음파 유량계)에는 유관의 내부로 흐르는 유체의 유속을 측정하기 위하여 초음파 진동자에서 발신된 초음파를 유체의 유동방향으로 반사하기 위한 것으로, 유관의 길이방향으로 길게 형성되며 유체가 유동하는 복수의 유동공이 관통 형성되어 있으며, 유관의 길이방향에 대하여 경사지게 형성되어 초음파를 반사시키는 반사면을 가지며, 유관과 연통되게 설치되는 구성으로 제시되어 있다.

그러나 상기 선행기술은 발신된 초음파가 정류반사체 또는 정류반사관의 반사판에 의해 반사되는 구조로 반사판에 다수 형성된 유동공에 의해 반사면이 매끄럽지 못해 정확한 초음파 반사가 용이하지 못하고 초음파 전달 거리가 관로의 지름정도의 거리만큼 늘어나는 것에 미치지 않아 초음파 전달거리가 늘어남에 따라 측정정확도가 높아졌다고 보기에는 어려운 상태이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 측정관로 내벽에 마주보도록 초음파 트랜스듀서를 각각 설치하고 사이 초음파 트랜스듀서의 송·수신부 전면에 반사판이 설치되어 송신된 초음파가 반사판에 의해 왕복하면서 전달함에 따라 초음파 전달거리와 이에 따른 전파시간을 늘려 소구경 또는 저유량 조건에서도 유량측정 정확도를 높이는 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치 및 측정방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치에 있어서; 측정관로 내벽에 상호 마주보도록 대향 되게 각각 설치되는 초음파 트랜스듀서와, 상기 초음파 트랜스듀서의 송·수신부 전면에 반사판이 설치되어 송신된 초음파가 반사판에 의해 왕복하여 수신부로 전달되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 반사판은 초음파 트랜스듀서의 송·수신부의 면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 반사판에 의해 늘어난 초음파 전달 거리(L)는 왕복 횟수에 따라 2n+1배(n=정수)만큼 늘어나는 것을 특징으로 한다.

아울러 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법에 있어서, 유속(V)은

의 식에 의해 유도되고, 상기 유도된 유속(V)에 의해 유량(Q)은

의 식으로 유도되어 측정되되, 상기 유속(V)은 초음파 트랜스듀서의 반사판에 의해

식이 성립되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 측정관로 내벽에 마주보도록 초음파 트랜스듀서를 각각 설치하고 사이 초음파 트랜스듀서의 송·수신부 전면에 반사판이 설치되어 송신된 초음파가 반사판에 의해 왕복하면서 전달함에 따라 초음파 전달거리와 이에 따른 전파시간을 늘려 소구경 또는 저유량 조건에서도 유량측정 정확도를 높이는 효과가 있다.

도 1은 종래의 초음파 유량측정장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 발명의 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치의 반사판에 의한 초음파 전달경로를 나타낸 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

일반적으로 초음파 유량측정장치는 유체가 이동하는 측정관로 내에 초음파 트랜스듀서(10,10')를 설치하여 유량을 측정하는 것으로, 종래에는 도 1에 도시한 바와 같이 측정관로 내에 각각 마주보게 설치된 초음파 트랜스듀서(10,10')가 송신된 초음파를 직접적으로 수신하여 유속 및 유량을 측정하였다.

이와 같이 구성으로 이루어진 종래기술의 유량측정 방법은 설치된 초음파 트랜스듀서(10,10') a와b(10,10`)의 초음파 도달 시간차(△t)를 이용하여 먼저 유속(V)을 측정한다. 유속을 측정하는 방법은 다음과 같다.

상기 식의 t_u는 트랜스듀서(10)에서 트랜스듀서(10')까지의 전파시간, t_d는 반대로 트랜스듀서(10')에서 트랜스듀서(10)까지의 전파시간을 의미하고 C는 초음속을 의미한다. 이와 같이 도달시간(t)을 구한 다음

이와 같이 t_u와 t_d 의 시간차(△t) 를 이용하여 유속(V)를 측정한다. 여기서 L은 트랜스듀서간(10,10')의 간격길이를 말하는 것이고, d는 L의 사영(projection)길이 (d=L cosφ)를 말한다.

이와 같이 측정된 유속(V)을 관로 내의 단면적(A)를 곱함으로써 유량을 측정할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 종래의 초음파 측정방법은 소구경 또는 저유속 관로일 경우 초음파 트랜스듀서(10,10') 간의 거리(L)가 매우 근접한 상태가 되거나 저유속에 의해 초음파 전달의 시간차(△t)값이 작기 때문에 유량측정에 있어서 측정이 되지 않거나 측정값의 오차가 발생하는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 도 2에 도시한 바와 같이, 측정관로(200) 내벽에 상호 마주보도록 대향 되게 각각 설치되는 초음파 트랜스듀서(100,100')와, 상기 초음파 트랜스듀서(100,100')에는 송수신 기능을 갖도록 한 양측 송·수신부(110,110') 전면에 양측 반사판(300)이 각각 설치되어 송신된 초음파가 상호 대향된 위치의 양측 반사판(300)에 상호 부딪히는 반사에 의해 왕복하여 반대편 송수신부(110,110')에서 초음파를 수신할 수 있도록 되어 있다.

즉, 본 발명의 양측 반사판(300)은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 송·수신부(110,110')의 전면에 설치되어 상호 반사가 이루어지되 양측 반사판(300)에 부딪히면서 발생되는 초음파 진동에너지는 후면에 접촉된 송·수신부(100,100')에 각각 전달되어 수신이 되는 것으로서, 상기 송·수신부(100,100')의 전면이 반사판(300)에 의해 막혀있더라도 반사판(300)에 의해 전달되는 초음파 진동에너지에 의해 송·수신부(100,100')에서 수신할 수 있는 것이다.

아울러 상기 반사판(300)은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 송·수신부(110,110') 면적보다 크게 형성하여 반사면적을 충분히 확보하는 것이 바람직한데, 이를 위해서는 반사판(300)이 넓은 형태로 돌출되는 구조로 형성될 수 있다.

본 발명은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 반사판(300)에 의한 초음파 반사 경로는 도 3에 도시한 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(100)을 기준으로 하였을 때 최초 송신된 초음파는 마주보는 초음파 트랜스듀서(100')의 반사판(300)에 의해 되돌아오고 다시 송신된 초음파 트랜스듀서(100)의 반사판(300)에 의해 반사되어 다시 맞은편 초음파 트랜스듀서(100')에서 수신하게 된다. 이와 같이 반사판(300)에 의해 초음파 전달거리(L)는 종래대비 3배가 늘어나게 되고 왕복 횟수에 따라 2n+1배(n=정수) 즉, 3,5,7,9...n배 만큼 늘어날 수 있다.

이와 같이 늘어난 초음파 전달거리(L)에 의해 초음파 전파시간이 연장되어 그만큼 늘어나면서 소구경 관로 및 저유량 측정에도 측정정확도를 높이는 효과를 가진다.

이렇게 이루어진 본 발명의 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법을 설명하면 다음과 같다.

유속(V)은

의 식에 의해 유도되고, 상기 유도된 유속(V)에 의해 유량(Q)은

의 식으로 유도되어 측정되되, 상기 유속(V)은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 반사판(300)에 의해

식이 성립되어 유량을 측정한다.

이로써 종래의 직접 전달되는 방식의 초음파 유량측정 방법은 V≠0 이라고 가정하였을 때, 유속(V)이 다음과 같은 식

으로 성립되지만, 본 발명의 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법은 유속(V)이 다음과 같은 식

으로 성립되어 유량을 측정함으로써 초음파 전달거리(L)는 3배가 되고 이에 따른 전달시간은 9배가 늘어나면서 유량측정의 정확도를 높이는 효과가 있다.

본 발명의 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법은 상기와 같이 초음파 전달거리(L)가 반사판(300)에 의해 2번 반사되면서 3배만큼 늘어난 측정방법을 예시하였지만 반사 횟수에 따라 초음파 전달거리(L)는 3배, 5배, 7배 이상 증가할 수 있고, 상기와 같이 증가함에 따라 전달시간은 9배, 25배, 49배 이상 증가 되어 유량을 측정할 수 있다.

상기 초음파전달거리(L)는 통상의 제어부(신호측정수단)를 통해 초음파신호가 3배, 5배, 7배... 간격을 두고 측정되고 이를 판별하여 초음파전달거리(L)가 몇 배만큼 증가하였는지 확인할 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 권리는 적시된 실시예에 한하지 않고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 변형된 실시예가 있을 수 있다고 본다.

10, 10', 100, 100' : 초음파 트랜스듀서
110, 110' : 송·수신부
200 : 측정관로
300 : 반사판

Claims (4)

1. 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정장치에 있어서,
   측정관로(200) 내벽에 상호 마주보도록 대향 되게 각각 설치되는 초음파 트랜스듀서(100,100')와,
   상기 초음파 트랜스듀서(100,100')의 송·수신부(110,110') 전면에 반사판(300)이 설치되어 송신된 초음파가 반사판(300)에 의해 왕복하여 수신부로 전달되는 것을 특징으로 하는 전파시간 연장을 통한 유량측정장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 반사판(300)은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 송·수신부(110,110')의 면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 전파시간 연장을 통한 유량측정장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 반사판(300)에 의해 늘어난 초음파 전달 거리(L)는 왕복 횟수에 따라 2n+1배(n=정수)만큼 늘어나는 것을 특징으로 하는 전파시간 연장을 통한 유량측정장치.
   
   
4. 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법에 있어서,
   유속(V)은

   

   의 식에 의해 유도되고, 상기 유도된 유속(V)에 의해 유량(Q)은

   

   의 식으로 유도되어 측정되되, 상기 유속(V)은 초음파 트랜스듀서(100,100')의 반사판(300)에 의해

   

   식이 성립되는 것을 특징으로 하는 전파시간 연장을 통한 초음파 유량측정방법.
   
   
   
   

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