KR101513697B1 - Ultrasonic transducing apparatus for measuring pipe thickness and apparatus for measuring flow velocity using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파이프(pipe)의 두께 측정이 가능한 초음파 변환 장치 및 이를 이용한 유속 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic transducer capable of measuring the thickness of a pipe and a flow velocity measuring apparatus using the ultrasonic transducer.
일반적으로 초음파 유량계 또는 유속계는 파이프 내 흐르는 유체의 상태 변화를 사용하여 초음파 신호를 송수신하는 송신 트랜스듀서 및 수신 트랜스듀서를 포함하고, 송신 트랜스듀서 및 수신 트랜스듀서 간에 초음파 신호의 송수신을 소정 횟수 반복하여 초음파 신호의 송수신이 반복되는 동안 유체의 상태 변화에 따른 전파 시간을 측정하여 유체의 유량 또는 유속을 검출한다.Generally, an ultrasonic flowmeter or an anemometer includes a transmitting transducer and a receiving transducer that transmit and receive an ultrasonic signal by using a state change of fluid flowing in the pipe, and the transmission and reception of ultrasonic signals are repeated a predetermined number of times between the transmitting transducer and the receiving transducer The flow rate or the flow rate of the fluid is detected by measuring the propagation time according to the state change of the fluid while the transmission and reception of the ultrasonic signal is repeated.
이와 관련하여, 대한민국등록특허 제 487690 호(발명의 명칭: 유량계)에서는, 유로에 설치되어 유체의 상태 변화를 사용하여 송수신하는 송수신 수단과, 상기 송수신을 반복하는 반복 수단과, 상기 반복 수단에 의해 반복되는 전파 시간을 계측하는 계시 수단과, 상기 계시 수단의 측정값에 기초하여 유량을 검출하는 유량 검출 수단과, 소정 반복 횟수를 변경하는 횟수변경 수단을 구비하되, 반복 횟수를 변동에 적합한 수로 변경시키는 것에 의해 유동의 변동에 의한 영향을 억제할 수 있고 안정한 유량 계측이 가능한 유량계를 개시하고 있다.In this connection, Korean Patent Registration No. 487690 (entitled "Flow Meter") discloses a flowmeter that includes a transceiving means that is provided in a flow path and that transmits and receives using a state change of a fluid, a repetition means that repeats the transmission and reception, A flow rate detecting means for detecting a flow rate based on the measured value of the timing means; and a number changing means for changing a predetermined number of times of repetition, wherein the number of repetition times is changed to a number suitable for the variation And the influence due to the fluctuation of the flow can be suppressed and stable flow measurement can be performed.
한편, 초음파 신호를 이용한 유속 및 유량 측정 시 정확한 측정을 위해서는 파이프의 두께 치수가 필요하나, 파이프의 두께는 최초 설치 이후 시간 경과에 따라 변경이 가능하므로 실시간으로 파이프 두께를 측정할 수 있는 수단이 필요하다.On the other hand, in order to accurately measure the flow velocity and flow rate using ultrasonic signals, it is necessary to measure the thickness of the pipe. However, since the thickness of the pipe can be changed according to the elapsed time since the initial installation, it is necessary to measure the pipe thickness in real time Do.
본 발명의 일 실시예는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초음파 신호를 이용하여 파이프의 두께를 측정하는 초음파 변환 장치 및 이를 이용하여 유속을 측정하는 유속 측정 장치를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention provides an ultrasonic transducer for measuring the thickness of a pipe using ultrasonic signals and a flow velocity measuring apparatus for measuring the velocity using the ultrasonic wave transducer.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 초음파 변환 장치는, 파이프 외벽에 부착되며, 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 웨지; 상기 웨지의 적어도 두 면 중 제 1 면에 부착되며, 상기 웨지를 통해 상기 파이프 내로 초음파 신호를 전파하는 초음파 트랜스듀서; 및 상기 초음파 트랜스듀서로부터 입사된 초음파 신호가 상기 파이프의 외벽과 상기 웨지의 경계면, 상기 파이프의 내벽과 내부 유체와의 경계면 및 상기 웨지의 두 면 중 제 2 면의 내벽에서 각각 반사되어 상기 초음파 트랜스듀서로 재전달되는 둘 이상의 반사파의 시간 차에 기초하여 상기 파이프의 두께를 측정하는 파이프 측정부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer according to one aspect of the present invention, comprising: a wedge attached to an outer wall of a pipe, the wedge having at least two surfaces other than a contact surface with the pipe; An ultrasonic transducer attached to the first of the at least two sides of the wedge and propagating ultrasonic signals into the pipe through the wedge; And an ultrasonic signal incident from the ultrasonic transducer is reflected at an interface between the outer wall of the pipe and the wedge, the interface between the inner wall of the pipe and the inner fluid, and the inner wall of the second surface of the two surfaces of the wedge, And a pipe measuring section for measuring the thickness of the pipe based on a time difference between two or more reflected waves that are re-transmitted to the ducer.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 파이프 내 유체의 유속을 측정하는 유속 측정 장치는, 상기 파이프 외벽에 부착되며 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 제 1 웨지, 및 상기 제 1 웨지를 통해 파이프 내로 초음파 신호를 전파하는 제 1 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 송신부; 상기 파이프 외벽에 부착되되 상기 제 1 웨지와 일정 간격 이격되어 배치되며 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 제 2 웨지, 및 상기 파이프 내 유체를 통과하여 전파된 상기 초음파 신호를 상기 제 2 웨지를 통해 수신하는 제 2 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 수신부; 상기 제 1 웨지의 내부 및 상기 파이프 벽의 내부 중 적어도 하나의 반사 경로를 통해 반사된 둘 이상의 초음파 신호가 상기 제 1 초음파 트랜스듀서에 재전달되는 시간 차, 또는 상기 제 2 웨지의 내부 및 상기 파이프 벽의 내부 중 적어도 하나의 반사 경로를 통해 반사된 둘 이상의 초음파 신호가 상기 제 2 초음파 트랜스듀서에 재전달되는 시간 차에 기초하여 상기 파이프의 두께를 산출하는 파이프 측정부; 및 상기 제 1 초음파 트랜스듀서에서 상기 초음파 신호가 전파된 시간, 상기 제 2 초음파 트랜스듀서가 상기 초음파 신호를 수신한 시간 및 상기 산출된 파이프의 두께에 기초하여 상기 파이프 내 유체의 유속을 측정하는 유속 측정부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a flow rate measuring apparatus for measuring a flow rate of a fluid in a pipe, comprising: a first wedge attached to an outer wall of the pipe and having at least two surfaces other than a contact surface with the pipe; An ultrasonic transmitter including a first ultrasonic transducer for propagating an ultrasonic signal into the pipe through the first ultrasonic transducer; A second wedge attached to the outer wall of the pipe, the second wedge being spaced apart from the first wedge by a predetermined distance and having at least two surfaces other than the contact surface with the pipe; and a second wedge, An ultrasonic receiver including a second ultrasonic transducer for receiving through a wedge; A time difference in which two or more ultrasonic signals reflected through the reflection path of at least one of the inside of the first wedge and the inside of the pipe wall are transferred to the first ultrasonic transducer, A pipe measuring unit for calculating a thickness of the pipe based on a time difference in which two or more ultrasonic signals reflected through at least one reflection path of the interior of the wall are transmitted to the second ultrasonic transducer; And a flow velocity measuring unit that measures a flow velocity of the fluid in the pipe based on a time at which the ultrasonic signal propagated in the first ultrasonic transducer, a time at which the second ultrasonic transducer received the ultrasonic signal, and a thickness of the calculated pipe, And a measurement unit.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전파된 초음파 신호가 웨지 내부 및 파이프 벽의 내부에 형성되는 둘 이상의 반사 경로를 통해 반사된 반사파의 초음파 트랜스듀서로의 재전달 시간 차를 이용하여 파이프의 두께를 측정함으로써, 실시간으로 파이프 두께를 간편하게 측정할 수 있는 효과가 있다.According to any one of the above-mentioned objects of the present invention, the propagated ultrasonic signal utilizes a difference in redistribution time of the reflected wave reflected by the two or more reflection paths formed inside the wedge and inside the pipe wall to the ultrasonic transducer By measuring the thickness of the pipe, it is possible to easily measure the pipe thickness in real time.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면 실시간으로 측정된 파이프 두께를 적용하여 파이프 내 유체의 유량 및 유속 등을 측정함으로써 정확한 유체 특성 측정이 가능하다.Further, according to any one of the tasks of the present invention, it is possible to accurately measure the fluid characteristics by measuring the flow rate and the flow rate of the fluid in the pipe by applying the measured pipe thickness in real time.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유속 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 초음파 트랜스듀서와 수신 초음파 트랜스듀서의 설치 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 두께 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 웨지 및 파이프의 경계면에서의 초음파 신호의 반사 및 투과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 웨지의 일면 및 공기의 경계면에서의 초음파 신호의 입사 및 반사를 설명하기 위한 도면이다.1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic flow velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a method of installing a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a pipe thickness measurement method according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining reflection and transmission of an ultrasonic signal at an interface between a wedge and a pipe in an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the incidence and reflection of an ultrasonic signal at one surface of a wedge and at an interface of air in an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유속 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 초음파 트랜스듀서와 수신 초음파 트랜스듀서의 설치 방식을 설명하기 위한 도면이다.1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic flow velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 is a view for explaining a method of installing a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 유속 측정 장치(100)는 초음파 송신부(110), 초음파 수신부(120), 파이프 측정부(130) 및 유속 측정부(140)를 포함한다.1, the flow
초음파 송신부(110)는 파이프 외벽에 부착되며 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 제 1 웨지(wedge)를 포함하고, 제 1 웨지를 통해 파이프 내로 초음파 신호를 전파하는 제 1 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 이때, 제 1 초음파 트랜스듀서는 기설정된 전압 신호가 인가되면 상기 전압 신호를 초음파 신호로 변환하여 전파하는 압전 트랜스듀서일 수 있다.The
초음파 수신부(120)는 파이프 외벽에 부착되되 제 1 웨지와 일정 간격 이격되어 배치되는 제 2 웨지를 포함하며, 제 2 웨지는 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된다. 또한, 초음파 수신부(120)는 제 1 초음파 트랜스듀서로부터 발생된 후 파이프 내 유체를 통과하여 전파된 초음파 신호를 제 2 웨지를 통해 수신하는 제 2 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 이때, 제 2 초음파 트랜스듀서는 수신된 초음파 신호를 전압 신호 변환하여 출력하는 압전 트랜스듀서일 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에서, 초음파 송신부(110) 및 초음파 수신부(120)에 각각 포함되는 웨지 및 초음파 트랜스듀서는 도 2및 도 3에 도시한 바와 같다. 구체적으로, 초음파 송신부(110)는 제 1 웨지(112) 및 제 1 초음파 트랜스듀서(111)를 포함한다. 그리고, 초음파 수신부(120)는 제 2 웨지(122) 및 제 2 초음파 트랜스듀서(121)를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the wedge and the ultrasonic transducer included in the
참고로, 본 발명의 일 실시예에서는 하기에서 설명할 파이프 측정부(130)가 파이프 두께 측정에 필요한 조건들을 초음파 송신부(즉, 제 1 웨지 및 제 1 초음파 트랜스듀서)(110)로부터 획득하는 것을 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 측정부(130)가 파이프 두께 측정에 필요한 조건들을 초음파 수신부(즉, 제 2 웨지 및 제 2 초음파 트랜스듀서)(120)로부터 획득하는 것도 가능하다.For reference, in an embodiment of the present invention, the
도 3에 도시한 바와 같이, 웨지(112)는 파이프(10)와 부착되는 접촉면(113), 제 1 초음파트랜스듀서(111)가 부착되는 제 1 면(114), 및 상기 제 1 면과 대향하되 제 1 면과 파이프(10) 외벽에 대해 일정 경사각을 갖는 제 2 면(115)을 포함하도록 가공된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지(112)는 제 1 면(114)와 제 2면(115) 사이에, 파이프(10)에의 고정을 위한 부재(예를 들어, 와이어 등)가 장착될 수 있는 제 3 면(116)이 더 형성된 형태로 가공되는 것도 가능하다.3, the
한편, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유속 측정 장치(100)가 상이한 방식으로 파이프에 장착되는 것을 예로서 설명하였다.On the other hand, FIG. 2 illustrates an example in which the flow
먼저, 도 2의 (a)에서는 초음파 송신부(110) 및 초음파 수신부(120)가 ‘Z-path’ 방식으로 서로 이격되어 설치된 것을 나타내었고, 도 2의 (b)에서는 초음파 송신부(110) 및 초음파 수신부(120)가 ‘V-path’방식으로 서로 이격되어 설치된 것을 나타내었다.2 (a) shows that the
즉, 도 2의 (a)에서 도시한 ‘Z-path’에서는, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)와 제 2 초음파 트랜스듀서(121)가 파이프(10)를 가로질러 맞은 편에 설치되되, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)의 위치에 비해 유체의 흐름 방향(또는 역방향)으로 진행된 위치에 제 2 초음파 트랜스듀서(121)가 위치하여, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로부터 발생된 초음파 신호가 파이프(10) 및 유체(Fluid)를 통과하여 곧바로 제 2 초음파 트랜스듀서(121)에 수신된다.That is, in the 'Z-path' shown in FIG. 2 (a), the first
반면, 도 2의 (b)에서 도시한 ‘V-path’에서는, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)와 제 1 초음파트랜스듀서(121)가 파이프(10)의 같은 편에서 설치되되, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)의 위치에 비해 유체의 흐름 방향(또는 역방향)으로 진행된 위치에 제 2 초음파 트랜스듀서(121)가 위치한다. 이때, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로부터 발생된 초음파 신호는 파이프(10)의 제 1 벽 및 유체를 통과한 후 파이프(10)의 제 2 벽에서 반사되어 유체 및 파이프(10)의 제 1 벽을 다시 투과하여 제 2 초음파트랜스듀서(121)에 수신된다.On the other hand, in the 'V-path' shown in FIG. 2 (b), the first
다시 도 1로 돌아가서, 파이프 측정부(130)는 제 1 웨지(111)의 내부 및 파이프 벽(10)의 내부 중 적어도 하나에 형성되는 반사 경로를 통해 반사된 둘 이상의 초음파 신호를 이용하여 파이프(10)의 벽 두께를 산출한다.Referring back to FIG. 1, the
이때, 파이프 측정부(130)는 초음파 트랜스듀서로부터 전파된 초음파 신호에 대응하여 발생된 둘 이상의 반사파를 웨지를 통해 수신하되, 수신된 반사파 중 기설정된 특성(예를 들어, 종파 또는 횡파)의 반사파를 유효 반사파로 선택하여 파이프의 두께 산출 조건으로 사용할 수 있다.At this time, the
이와 같은, 파이프 측정부(130)의 동작에 대해서는 하기 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.The operation of the
유속 측정부(140)는 제 1 초음파 트랜스듀서(111)에서 초음파 신호가 전파된 시간, 제 2 초음파 트랜스듀서(121)가 파이프(10) 및 유체를 통과한 초음파 신호를 수신한 시간, 및 파이프 측정부(130)를 통해 산출된 파이프의 두께에 기초하여 파이프(10) 내 유체의 유속을 측정한다.The flow
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 두께 측정 방식에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a pipe thickness measuring method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5. FIG.
파이프 측정부(130)는 초음파 트랜스듀서로부터 발생된 초음파 신호가 파이프의 외벽과 웨지의 경계면, 파이프의 내벽과 내부 유체와의 경계면 및 웨지의 두 면 중 제 2 면의 내벽에서 각각 반사되어 초음파 트랜스듀서로 재전달되는 둘 이상의 반사파의 시간 차에 기초하여 파이프의 두께를 산출한다.The
구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 두께 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a pipe thickness measuring method according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로부터 발생된 초음파 신호는 종파 형태로 웨지(112)의 제 1 면(114)에 입사된다. 그런 후, 입사된 종파는 웨지(112)와 파이프(10) 외벽의 경계면(P31)에서 횡파 형태로 반사되어 웨지(112) 제 2면의 내벽(즉, 웨지(112)와 공기의 경계면: P32)에서 반사된다. 그런 다음, 웨지(112)의 제 2 면 내벽에서 종파 형태로 반사된 탄성파는 파이프(10)로 수직 입사되어, 파이프(10)를 투과하여 유체로 전달되고, 파이프(10)를 투과하지 않고 웨지(112)와 파이프(10)의 외벽의 경계면(P31)에서 종파 형태로 반사(P34)되고, 파이프(10)를 투과하되 파이프(10)의 내벽과 내부 유체와의 경계면(P33)에서 종파 형태로 반사(P35)된다.3, the ultrasonic signal generated from the first
이상에서 설명한, 파이프(10)를 투과하지 않고 웨지(112)와 파이프(10)의 외벽의 경계면(P31)에서 반사된 반사파(P34), 및 파이프(10)를 투과하되 파이프(10)의 내벽과 내부 유체와의 경계면(P33)에서 반사된 반사파(P35)는, 각각 원래 경로(즉, 웨지의 제 1면으로부터 반사되어 온 경로)를 되돌아 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로 각각 시간 차를 두고 재전달된다.The reflected wave P34 reflected from the interface P31 between the
도 3에서와 같이 제 1 초음파 트랜스듀서(111)에서 발생한 종파는 제 1 웨지(112) 내에서 전파되다가 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 종파와 횡파로 반사, 투과된다. 도 3에서는 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 횡파인 것을 설명하였으나, 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 웨지의 제 2 면 내벽으로 입사 및 반사된 반사파가 종파인 것도 가능하다. 즉, 파이프 측정부(130)는 종파 특성에 따른 반사파들을 유효한 파장으로 선택하여 둘 이상의 반사파의 시간 차를 측정하는 것도 가능하다.As shown in FIG. 3, the longitudinal waves generated in the first
이처럼, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로 재전달된 반사파들의 시간 차에 기초하여 파이프 측정부(130)는 파이프(10)의 두께를 산출할 수 있다. 즉, 파이프 측정부(130)는 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 신호가 발생된 시간, 웨지 내부에 형성된 제 1 반사 경로를 통해 반사된 제 1 반사파가 초음파 트랜스듀서에 재수신된 시간, 및 파이프 벽의 내부 및 웨지 내부의 제 2 반사 경로를 통해 반사된 제 2 반사파가 초음파 트랜스듀서에 재수신된 시간에 기초하여 파이프(10)의 두께를 산출한다.In this way, the
이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 웨지-파이프의 경계면(P31)에서의 종파 또는 횡파의 반사 특성을 이용할 수 있다.At this time, as shown in Fig. 4, the reflection characteristic of the longitudinal wave or the transverse wave at the interface P31 of the wedge-pipe can be used.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 웨지 및 파이프의 경계면에서의 초음파 신호의 반사 및 투과를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining reflection and transmission of an ultrasonic signal at an interface between a wedge and a pipe in an embodiment of the present invention.
도 4에서와 같이, 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 종파의 반사각θ1은 입사각 θ0과 동일한 각(즉, 'θ1=θ0')이며, 횡파의 반사각 θ2는 입사각보다 작은 각으로서 와 같다. 이때, CL은 웨지의 특정 재질 및 밀도에서의 종파 속도이고, CT는 동일 웨지에서의 횡파 속도이다.4, the reflection angle? 1 of the longitudinal wave at the interface P31 of the wedge-pipe is the same angle as the incident angle? 0 (i.e.,? 1 =? 0 ') and the reflection angle? 2 of the transverse wave is smaller than the incident angle As . Where C L is the longitudinal velocity at a particular material and density of the wedge and C T is the transverse velocity at the same wedge.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 웨지-공기 경계면(P32)으로의 횡파 또는 종파의 입사 특성을 이용할 수 있다.Further, as shown in Fig. 5, the incident characteristic of the transverse wave or the longitudinal wave to the wedge-air interface P32 can be used.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 웨지의 일면 및 공기의 경계면에서의 초음파 신호의 입사 및 반사를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the incidence and reflection of an ultrasonic signal at one surface of a wedge and at an interface of air in an embodiment of the present invention.
도 5의 (a)는 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 종파 형태로 웨지-공기 경계면(P32)에 입사하여 반사되는 것을 나타내었고, 도 5의 (b)는 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 횡파 형태로 웨지-공기 경계면(P32)에 입사하여 반사되는 것을 나타내었다.5 (a) shows that the reflected wave reflected from the interface P31 of the wedge-pipe is incident on and reflected by the wedge-air interface P32 in a longitudinal wave form, and FIG. 5 (b) The reflected wave reflected at the interface P31 enters the wedge-air interface P32 in the form of a transverse wave and is reflected.
도 5의 (a)를 참조하면, 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 종파 형태로 웨지-공기 경계면(P32)에 입사하여 반사될 경우, 반사각(θ1) 및 웨지의 제 2면의 경사각(β)은 각각 ‘α1/2’이다. 또한, 도 5의 (b)를 참조하면, 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 횡파 형태로 웨지-공기 경계면(P32)에 입사하여 반사될 경우, 반사각(θ1)은 ''이고, ''의 조건일 때 경사각(β)은 ''이다.5A, when the reflected wave reflected at the interface P31 of the wedge-pipe is incident on and reflected by the wedge-air interface P32 in a longitudinal wave form, the reflection angle? 1 and the second angle of inclination (β) of the surface are each 'α 1/2'. Also, referring to (b) of Figure 5, wedge - if the reflection incident on the air interface (P32), the reflection angle (θ 1) is "- a reflected wave reflected on the border plane (P31) of the transverse pipe in the form wedge 'ego, ' ', The inclination angle β is' 'to be.
한편, 파이프(10)의 정확한 두께를 측정하기 위해서는 웨지-파이프의 경계면(P31)에서 반사된 반사파가 파이프(10)로 수직으로 입사되어야 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 웨지(112, 122)의 제 2 면은, 입사된 탄성파(즉, 종파 또는 횡파)의 각 특성에 따라 반사파를 수직으로 반사하도록 설정된 경사각(예를 들어, 도 5에서의 ‘β’)으로 가공된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 웨지(112, 122)의 제 2 면은, 웨지(112, 122) 제 1 면의 경사각과 웨지의 매질 특성에 따른 탄성파의 종류 별 투과율 및 반사율에 따라 설정되며, 이는 사전의 실험 등을 통해 설정될 수 있다. 이때, 웨지(112, 122)의 제 1 면의 경사각은, 제 1 초음파 트랜스듀서(111)로부터 발생되어 제 1 웨지(112)에 입사된 초음파 신호의 입사각, 또는 초음파 신호가 제 2 웨지(122)를 통해 제 2 초음파 트랜스듀서(121)에 입사된 후 입사 경로를 향해 재반사된 최초 반사파의 입사각과 관련된다.On the other hand, in order to measure the accurate thickness of the
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다.Furthermore, while the methods and systems of the present invention have been described in terms of specific embodiments, some or all of those elements or operations may be implemented using a computer system having a general purpose hardware architecture.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. .
100: 유속 측정 장치
110: 초음파 송신부
120:초음파 수신부
130: 파이프 측정부
140: 유속 측정부
111: 제 1 초음파 트랜스듀서
112: 제 1 웨지
121: 제 2 초음파 트랜스듀서
122: 제 2 웨지
10: 파이프 벽
P31: 웨지 및 파이프 외벽의 경계면
P32: 웨지 내벽
P33: 파이프 내벽 및 유체의 경계면100: Flow rate measuring device
110: Ultrasonic transmitter
120: Ultrasound receiver
130: pipe measuring section
140:
111: first ultrasonic transducer
112: 1st wedge
121: Second ultrasonic transducer
122: second wedge
10: pipe wall
P31: Interface between wedge and pipe outer wall
P32: Wedge inner wall
P33: Interface between pipe inner wall and fluid
Claims (8)
파이프 외벽에 부착되며, 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 웨지;
상기 웨지의 적어도 두 면 중 제 1 면에 부착되며, 상기 웨지를 통해 상기 파이프 내로 초음파 신호를 전파하는 초음파 트랜스듀서; 및
상기 초음파 트랜스듀서로부터 입사된 초음파 신호가 상기 파이프의 외벽과 상기 웨지의 경계면, 상기 파이프의 내벽과 내부 유체와의 경계면 및 상기 웨지의 두 면 중 제 2 면의 내벽에서 각각 반사되어 상기 초음파 트랜스듀서로 재전달되는 둘 이상의 반사파의 시간 차에 기초하여 상기 파이프의 두께를 측정하는 파이프 측정부를 포함하는 초음파 변환 장치.In the ultrasonic transducer,
A wedge attached to the outer wall of the pipe, the wedge having at least two surfaces other than the contact surface with the pipe;
An ultrasonic transducer attached to the first of the at least two sides of the wedge and propagating ultrasonic signals into the pipe through the wedge; And
The ultrasonic signal incident from the ultrasonic transducer is reflected at the interface between the outer wall of the pipe and the wedge, the interface between the inner wall of the pipe and the inner fluid, and the inner wall of the second surface of the two surfaces of the wedge, And a pipe measuring unit measuring the thickness of the pipe based on a time difference between two or more reflected waves transmitted to the pipe.
상기 파이프 측정부는,
상기 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 신호가 발생된 시간, 상기 웨지 내부에 형성된 제 1 반사 경로를 통해 반사된 제 1 반사파가 상기 초음파 트랜스듀서에 재수신된 시간, 및 상기 파이프 벽의 내부 및 상기 웨지 내부의 제 2 반사 경로를 통해 반사된 제 2 반사파가 상기 초음파 트랜스듀서에 재수신된 시간에 기초하여 상기 파이프의 두께를 산출하는 초음파 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the pipe measuring unit comprises:
A time at which the ultrasonic signal is generated from the ultrasonic transducer, a time at which the first reflected wave reflected through the first reflection path formed in the wedge is re-received in the ultrasonic transducer, And the thickness of the pipe is calculated on the basis of the time when the second reflected wave reflected through the second reflection path is re-received by the ultrasonic transducer.
상기 제 1 반사 경로는, 상기 웨지의 제 1 면에 입사된 초음파 신호가 상기 웨지와 상기 파이프의 외벽의 경계면에서 반사되는 경로, 상기 웨지의 제 2면의 내벽에서 상기 파이프를 향해 수직 반사되는 경로, 및 상기 웨지와 상기 파이프의 외벽의 경계면에서 상기 제 2 면을 향해 수직 반사되는 경로를 포함하고,
상기 제 2 반사 경로는, 상기 웨지의 제 1 면에 입사된 초음파 신호가 상기 웨지와 상기 파이프의 외벽의 경계면에서 반사되는 경로, 상기 웨지의 제 2면의 내벽에서 상기 파이프를 향해 수직 반사되는 경로, 및 상기 파이프 벽의 내부를 투과한 후 상기 파이프의 내벽과 내부 유체와의 경계면에서 상기 제 2면을 향해 수직 반사되는 경로를 포함하는 초음파 변환 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the first reflective path includes a path in which an ultrasonic signal incident on the first surface of the wedge is reflected at an interface between the wedge and an outer wall of the pipe, a path in which the wedge is vertically reflected from the inner wall of the second surface of the wedge toward the pipe And a path vertically reflected from the interface between the wedge and the outer wall of the pipe toward the second surface,
Wherein the second reflective path includes a path through which an ultrasonic signal incident on the first surface of the wedge is reflected at an interface between the wedge and the outer wall of the pipe, a path through which the wedge is vertically reflected from the inner wall of the second surface of the wedge toward the pipe And a path passing through the inside of the pipe wall, and being perpendicularly reflected from the interface between the inner wall of the pipe and the inner fluid toward the second surface.
상기 웨지의 제 2 면은 기설정된 경사각으로 가공된 것이되,
상기 경사각은,
상기 웨지의 제 1 면의 경사각과 상기 웨지의 매질 특성에 따른 투과율 및 반사율에 따라 설정된 것인 초음파 변환 장치.The method according to claim 1,
The second surface of the wedge is machined to a predetermined inclination angle,
The inclination angle,
And the reflectance is set in accordance with the transmittance and the reflectance depending on the inclination angle of the first surface of the wedge and the medium property of the wedge.
상기 초음파 트랜스듀서는,
기설정된 전압 신호가 인가되면 상기 전압 신호를 초음파 신호로 변환하여 전파하거나,
초음파 신호를 수신하면 전압 신호로 변환하여 출력하는 초음파 변환 장치.The method according to claim 1,
The ultrasonic transducer includes:
When the predetermined voltage signal is applied, the voltage signal is converted into an ultrasonic signal and propagated,
And converts the ultrasonic signal into a voltage signal upon reception of the ultrasonic signal, and outputs the converted voltage signal.
상기 파이프 외벽에 부착되며 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 제 1 웨지, 및 상기 제 1 웨지를 통해 파이프 내로 초음파 신호를 전파하는 제 1 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 송신부;
상기 파이프 외벽에 부착되되 상기 제 1 웨지와 일정 간격 이격되어 배치되며 상기 파이프와의 접촉면 이외에 적어도 두 면이 더 형성된 제 2 웨지, 및 상기 파이프 내 유체를 통과하여 전파된 상기 초음파 신호를 상기 제 2 웨지를 통해 수신하는 제 2 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 수신부;
상기 제 1 웨지의 내부 및 상기 파이프 벽의 내부 중 적어도 하나의 반사 경로를 통해 반사된 둘 이상의 초음파 신호가 상기 제 1 초음파 트랜스듀서에 재전달되는 시간 차, 또는 상기 제 2 웨지의 내부 및 상기 파이프 벽의 내부 중 적어도 하나의 반사 경로를 통해 반사된 둘 이상의 초음파 신호가 상기 제 2 초음파 트랜스듀서에 재전달되는 시간 차에 기초하여 상기 파이프의 두께를 산출하는 파이프 측정부; 및
상기 제 1 초음파 트랜스듀서에서 상기 초음파 신호가 전파된 시간, 상기 제 2 초음파 트랜스듀서가 상기 초음파 신호를 수신한 시간 및 상기 산출된 파이프의 두께에 기초하여 상기 파이프 내 유체의 유속을 측정하는 유속 측정부를 포함하는 유속 측정 장치.A flow velocity measuring apparatus for measuring a flow velocity of a fluid in a pipe,
An ultrasonic transmitter including a first wedge attached to the pipe outer wall and having at least two surfaces other than a contact surface with the pipe, and a first ultrasonic transducer propagating an ultrasonic signal into the pipe through the first wedge;
A second wedge attached to the outer wall of the pipe, the second wedge being spaced apart from the first wedge by a predetermined distance and having at least two surfaces other than the contact surface with the pipe; and a second wedge, An ultrasonic receiver including a second ultrasonic transducer for receiving through a wedge;
A time difference in which two or more ultrasonic signals reflected through the reflection path of at least one of the inside of the first wedge and the inside of the pipe wall are transferred to the first ultrasonic transducer, A pipe measuring unit for calculating a thickness of the pipe based on a time difference in which two or more ultrasonic signals reflected through at least one reflection path of the interior of the wall are transmitted to the second ultrasonic transducer; And
Measuring a flow rate of the fluid in the pipe based on a time at which the ultrasonic signal propagated in the first ultrasonic transducer, a time at which the second ultrasonic transducer received the ultrasonic signal, and a thickness of the calculated pipe, And a flow rate measuring unit.
상기 제 1 초음파 트랜스듀서는 기설정된 전압 신호가 인가되면 상기 전압 신호를 초음파 신호로 변환하여 전파하고,
상기 제 2 초음파 트랜스듀서는 상기 수신된 초음파 신호를 전압 신호로 변환하는 유속 측정 장치.The method according to claim 6,
The first ultrasonic transducer converts the voltage signal into an ultrasonic signal and propagates when a predetermined voltage signal is applied,
And the second ultrasonic transducer converts the received ultrasonic signal into a voltage signal.
상기 제 1 및 제 2 웨지의 각 제 2 면은,
상기 제 1 웨지 또는 제 2 웨지의 각 제 1 면의 경사각 및 각 매질 특성에 따른 초음파 투과율 및 반사율에 따라 설정된 경사각으로 가공된 것인 유속 측정 장치.The method according to claim 6,
Each second side of the first and second wedges,
Wherein the first wedge or the second wedge is machined to an inclination angle set in accordance with the inclination angle of each first surface of the first wedge or the second wedge and the ultrasonic transmittance and reflectance according to each medium property.
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