KR101522249B1 - 초음파를 이용한 질량유량측정 프로그램 및 이를 이용한 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 질량유량측정 프로그램, 그리고 초음파를 이용한 질량유량 측정방법 및 이를 이용한 초음파 측정장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초음파를 이용하는 유체 유량측정 장치 또는 방법에서 압력 및 온도에 따라 변하는 밀도의 차이에 의하여 유체의 부피가 변화됨에도 불구하고 정확한 유체의 유량을 측정할 수 있는 질량유량측정 프로그램 및 그 방법 및 이를 이용한 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,
질량유량을 측정하고자 하는 유체의 종류, 온도(T), 압력(P), 시간차(Δt)가 입력되는 과정,
기설정된 유체의 종류에 따른 입력상수(유체의 밀도 ρ 값) 데이터베이스에서 상기 유체의 종류, 온도, 압력에 따른 입력상수가 선택되어 입력되는 과정,
유량보정계수(K)가 입력되는 과정,
상기 유량보정계수, 주파수 및 유체의 밀도가 질량유량 측정공식에 대입되여 연산되는 과정을 포함하여 이루어진 질량유량측정방법을 제공한다.
또한 여러 종류로 혼합된 유량 측정대상 유체의 함유비율이 측정되어 입력되는 과정이 포함되고,
상기 입력된 함유비율과 측정대상 유체의 입력상수를 이용한 연산을 통하여 단일의 입력상수가 도출되는 과정이 포함되는 것을 특징으로 하는 질량유량측정방법을 제공한다.
또한 상기한 질량유량측정방법을 프로그래밍 언어를 이용하여 구현된 질량유량측정 프로그램을 제공한다.
또한 유체가 통과되는 몸체(10), 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50)가 구비되고,
상기한 질량유량측정 프로그램이 탑재된 유량측정 처리장치(60)가 구비되고,
상기한 질량유량측정 프로그램에서 이용할 수 있는 기설정된 입력상수 데이터베이스(80)가 포함되어 구비된 초음파 질량유량측정장치를 제공한다.

Description

초음파를 이용한 질량유량측정 프로그램 및 이를 이용한 측정장치{a gas mass flow meter program using ultra sonic wave and the measuring device using thereof}

본 발명은 초음파를 이용한 질량유량측정 프로그램, 그리고 초음파를 이용한 질량유량 측정방법 및 이를 이용한 초음파 측정장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초음파를 이용하는 유체 유량측정 장치 또는 방법에서 압력 및 온도에 따라 변하는 밀도의 차이에 의하여 유체의 부피가 변화됨에도 불구하고 정확한 유체의 유량을 측정할 수 있는 질량유량측정 프로그램 및 그 방법 및 이를 이용한 측정장치에 관한 것이다.

초음파 유량계는 초음파 센서로 유체의 전파속도를 측정하는 전파속도차법(위상차법, sing around법, 전파시간차법)과 부유입자의 반사 초음파를 검출하는 도플러법이 있다.

검출된 주파수를 변환기에서 속도로 변환하여 유동면적(A)을 곱하여 체적유량(q_v)을 표시하는 선형보정유량계이다.

체적유량(부피유량)은 유체의 물성조건 즉 온도(T)와 압력(P)에 따라 수축팽창을 하기 때문에 체적유량은 공급자와 소비자간의 분쟁의 원인이 된다. 초음파유량계는 체적유량계이기 때문에 정확한 질량유량(q_m)을 측정하여 제공하는 것이 불가능하다.

이를 해결하기 위해 초음파유량계의 편협성을 개선하여 체적유량값에 밀도(ρ)를 적용하여 질량유량을 제공할 수 있다.

그런데 실제기체의 경우 밀도를 계산하는 방법은 압축계수(Z)를 알아야 하지만, 정형화된 기체 외에 압축계수를 계산하는 것은 매우 어려운 방법으로 대부분 초음파유량계는 기체에 적용하는 것보다, 비압축성 유체인 액체의 유량측정에 활용되고 있는 실정이며 이를 개선하여 기체와 같은 압축성 유체에 대해서도 정확한 질량유량을 제공하는 것이 필요하다.

[여기서 q_v = K·Δt·A (K는 유량보정계수, Δt는 시간차)

q_m = q_v ·ρ]

등록특허 10-0854229(유속측정장치, 유속측정방법, 유량측정장치 및 유량측정방법, 이하 선행기술)은 "초음파의 신호음을 관체 등의 내부의 유체로 전달하여 원신호와의 위상차를 검출하는 단계, 상기 검출단계에서 검출된 위상차를 동기시키는 단계, 상기 동기 단계에서 위상 동기가 완료되기까지 필요한 시간 또는 진동수를 검출하는 단계, 및 상기 검출단계에서 위상 동기가 완료되기까지 필요한 시간 또는 진동수와 그 시간 또는 진동수에 대응하여 테이블에 미리 설정된 유속을 상호 비교하여 유체의 유속을 산출하는 단계 등을 포함하는 유량측정장치"를 제공한바 있다.

그러나 상기한 종래기술 및 선행기술은 기체와 같은 압축성 유체, 즉 온도와 압력에 따라 밀도가 변하는 질량유량측정방법 또는 장치를 제공하지는 못하였다.

기존의 초음파유량계는 체적유량계로서 정확한 질량유량을 측정할 수 없는 단점을 가지고 있다.

초음파유량계가 질량유량을 표현하기 위해서는 유체의 밀도를 알아야 되는데, 기존의 밀도계산방법음 PC급 용량으로 매우 복잡하고 유량계산시스템에 적용하기가 어려웠다.

이에 따라 본 발명은 밀도매트릭스를 활용하여 온도와 압력에 따라 변하는 밀도를 미리 데이터베이스화된 매트릭스를 활용하여 질량유량 계산프로시저에 필요한 순간에 불러와서 질량유량을 아주 용이하게 구할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,

질량유량을 측정하고자 하는 유체의 종류, 온도(T), 압력(P), 시간차(Δt)가 입력되는 과정,

기설정된 유체의 종류에 따른 입력상수(유체의 밀도 ρ 값) 데이터베이스에서 상기 유체의 종류, 온도, 압력에 따른 입력상수가 선택되어 입력되는 과정,

유량보정계수(K)가 입력되는 과정,

상기 유량보정계수, 주파수 및 유체의 밀도가 질량유량 측정공식에 대입되여 연산되는 과정을 포함하여 이루어진 질량유량측정방법을 제공한다.

또한 여러 종류로 혼합된 유량 측정대상 유체의 함유비율이 측정되어 입력되는 과정이 포함되고,

상기 입력된 함유비율과 측정대상 유체의 입력상수를 이용한 연산을 통하여 단일의 입력상수가 도출되는 과정이 포함되는 것을 특징으로 하는 질량유량측정방법을 제공한다.

또한 상기한 질량유량측정방법을 프로그래밍 언어를 이용하여 구현된 질량유량측정 프로그램을 제공한다.

또한 유체가 통과되는 몸체(10), 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50)가 구비되고,

상기한 질량유량측정 프로그램이 탑재된 유량측정 처리장치(60)가 구비되고,

상기한 질량유량측정 프로그램에서 이용할 수 있는 기설정된 입력상수 데이터베이스(80)가 포함되어 구비된 초음파 질량유량측정장치를 제공한다.

종래의 초음파유량계는 체적유량계로서 유체의 부피만 측정하는 편협한 유량측정 기능을 가지고 있어서 온도와 압력에 따라 밀도가 변할 경우 이를 측정하는 것은 불가능한데 반하여 본 발명은 상기한 매트릭스 형태의 밀도값 데이터 베이스를 활용하여 질량유량을 쉽게 구할 수 있기 때문에 정확한 유량측정이 가능한 장점을 가지고 있다.

또한, 본 발명은 온도와 압력에 따라 밀도의 변화가 있는 압축성 유체(기체 등)의 질량유량을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 나타난다.

또한, 본 발명은 특히 초음파를 이용한 유량측정방법에서 특정 유체에 대하여 기측정되고 설정된 입력상수(기체의 밀도 ρ) 값을 데이터 베이스화하여 입력상수로 사용할 수 있음에 따라 많은 연산 및 용량을 필요로 하지 않는 연산기(computing device)를 이용할 수 있어 신속하고 정확한 유체의 질량유량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 기체가 단일한 경우, 혼합된 경우 또는 혼합되어 성분이 변하는 경우에도 모두 다 적용할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 초음파 질량유량측정장치는 구조가 간단하여 제조비용이 저렴하여 높은 경제적 효과가 있다.

또한 초음파 질량유량측정장치는 대부분 해외 선진업체로부터 수입하여 판매되고 있는데, 본 발명을 적용한 질량유량측정이 가능한 초음파질량유량계는 기존의 기술종속에서 기술독립으로 전환하여 기술자유도를 높이고 효과를 창출하게 된다.

도 1은 메탄의 압력과 온도에 따른 밀도 데이터베이스.
도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 온도 및 압력에 따른 특정 액체(R134a(냉매))의 밀도 데이터 베이스(매트릭스).
도 3은 본 발명에 따른 기설정된 입력상수 데이터 베이스를 이용한 유체의 질량유량측정방법의 흐름도.
도 3b는 본 발명에 따른 기설정된 입력상수 데이터 베이스를 이용한 유체의 질량유량측정방법의 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 기설정된 입력상수 데이터 베이스를 이용한 유체유량측정방법에서 혼합유체의 성분이 변하는 경우의 입력상수를 도출하는 과정 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 유체유량측정방법을 이용한 초음파 질량유량측정장치의 구조도(전파속도차법 이용).
도 5b는 본 발명에 따른 유체유량측정방법을 이용한 초음파 질량유량측정장치의 구조도(도플러법 이용).

7이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 일반적으로 사용하는 초음파 유량계에서 온도 및 압력에 의하여 체적이 변하는 압축성 유체(주로 가스)의 질량유량을 측정하는 질량유량측정프로그램 및 이를 이용한 유량측정장치를 제공한다.

또한 상기한 압축성 유체는 액체에도 적용될 수 있는 것이어서 고온의 액체의 경우 밀도의 변화를 일으키게 된다.

액체의 경우 비압축성이기 때문에 밀도와 점성의 영향은 온도(T)에 크게 지배된다.

압력의 경우는 밀도와 점성계수변화에 거의 영향은 없으나 임계압력 근처로 상승하게 되면 deviation은 커지게 되고 약 1%이하의 오차를 보이게 된다.

일반적으로 사용하는 압력(R134a(냉매)의 경우 20bar)에서는, 압력(p) = aT³ + bT² + cT + d 로 정리된다.

따라서 유량측정시 임계압력의 50% 미만에서는 단순한 온도측정으로 압력을 계산하여 산정된 밀도를 활용할 수 있다.

즉, 사용자의 압력이 임계압력의 50% 미만일 때는 압력측정센서를 제거하고 온도만으로 유량을 측정할 수 있다는 것이다.

그러나, 임계압력의 50% 이상에서는 온도와 압력을 모두 측정하여 밀도 매트릭스를 활용해야 더욱 정확한 값을 도출할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 온도와 압력에 따라 부피가 변화는 압축성 유체에 적용할 수 있다.

도 5에서 보는 것처럼 본 발명에서 유량측정장치는 초음파를 이용하여 질량유량을 측정할 수 있는 것으로 유체가 통과되는 몸체(10), 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파 센서(40), 제2초음파 센서(50), 유량측정 처리장치(60)로 이루어져 있다.

상기한 몸체는 통상 원통형의 형상으로 되어 있으며 유체가 원통형의 몸체를 통과하면서 몸체의 유동 단면적(A)에 유체의 유속(V)를 곱하게 되면 부피 유량이 산출되게 된다.

본 발명에서 초음파를 이용한 유량측정장치는 상기한 몸체를 통과하는 유체가 몸체에 장착되어 있는 제1초음파센서에 의하여 초음파를 발신하여 제2초음파센서에서 수신하고, 또한 제2초음파센서에서 초음파를 발신하여 제1초음파센서에서 수신함으로써, 이들 초음파의 전달 시간차로부터 관체 내의 유체의 유속을 구하게 된다. 또한, 유량은 상기 유속에 관체의 내경을 곱하여 구하게 된다.

따라서 앞서 설명한 바와 같이 유체의 부피유량(q_{v ,} m³/s)은

q_v = K·Δt·A (K는 유량보정계수, Δt는 시간차)

으로 구할 수 있게 된다.

앞서 설명한 종래기술 및 선행기술(등록특허 10-0854229)에서 언급한 바처럼 초음파를 이용한 유량측정장치는 유체의 유속이 빠르면 위상차는 커진다. 위상차가 커지면 그에 비례하여 위상 동기에 필요한 시간이 길어지고, 또한 초음파 진동수의 변화가 커지기 때문에, 유체의 유속과 위상 동기에 필요한 시간 또는 진동수와의 관계를 미리 설정하고, 검출된 상기 시간 또는 진동수와 미리 설정된 유속을 비교하는 것으로 유체의 유속을 산출할 수 있다.

그 결과, 미묘한 수치인 위상차를 비교적 큰 수치인 위상 동기에 필요한 시간 또는 진동수로 정확하게 변환시킬 수 있어서 고정밀도로 유속을 측정할 수 있으며 그에 따라 유동 단면적을 곱하면 부피유량을 측정할 수 있는 것이다.

따라서 상기한 유량보정계수(K)는 초음파의 시간차에 대하여 기설정된 속도를 보정해주는 상수로서 각각의 유체(가스)에 따라 미리 설정되어 있을 수 있다.

상기한 바처럼 온도와 압력에 따라 부피가 변하는 가스 등과 같은 유체의 경우 질량유량(q_{m ,} kg/s)은 구하는 공식은 다음과 같다.

q_m = q_v ·ρ

(여기서 q_v : 부피유량,

ρ : 유체의 밀도)

그러나 상기한 초음파 유량계에서 온도측정센서와 압력측정센서를 설치하여 유체의 밀도를 계산할 수 있는데, 밀도를 계산하기 위해서는 압축계수(Z)를 알아야하며 이는 Virial coefficient equation을 통해 구하게 되는데, 아래의 식과 같은 매우 복잡한 Taylor급수를 적용한 방법으로 실제기체의 경우 온도와 압력에 따라 압축계수가 바뀌기 때문에 이를 계산하여 밀도값으로 적용하는 것은 매우 어려운 방법이다.

(테일러 급수 방정식)

따라서 상기한 테일러 급수 방정식을 풀어 밀도를 구하려면 고용량의 컴퓨팅 능력이 필요한 정보처리장치가 필요할 뿐만 아니라 밀도를 구하는 시간도 많이 소요된다는 문제점이 있다.

이와 같이 본 발명은 압축성 유체의 질량유량에서 필요한 것은 궁극적으로 밀도이기 때문에 유체의 온도와 압력에 따라 밀도값을 매트릭스형태로 데이터베이스화하여 유체의 온도와 압력이 변하더라도 온도와 압력에 매칭되는 밀도값을 불러들여 질량유량을 쉽게 구할 수 있는 점에 착안한 것이다.

따라서 본 발명은 매트릭스구조는 2차원구조로서 유체의 종류에 따라 미리 정의된 값으로 나타내고, 온도와 압력에 의한 중간값은 내삽법을 통해 보다 정확하게 밀도를 계산할 수 있다. 이러한 방법은 기존의 PC급 용량의 계산을 매우 단순화시켜 처리속도를 향상시키고, 유체의 종류에 따라 매트릭스 형태의 단순한 방법으로 밀도를 계산할 수 있어서 기존선진업체의 기술종속에서 벗어나 질량유량측정의 자유도를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하게 된 것이다.

그러나 상기한 선행기술 및 종래의 기술은 압축성 유체(즉, 기체 등)의 밀도(ρ)를 구하는 과정(computing)이 복잡할 뿐만 아니라 많은 메모리와 중앙처리장치를 보유한 대용량 컴퓨터를 사용하지 않으면 해결하지 못하는 단점을 가지고 있다.

또한 종래 통상의 컴퓨터를 사용한다고 하여도 시간이 많이 소요되는 문제점이 있어 즉시 유체의 유량을 측정하지 못하는 단점이 있어서 실효성이 떨어지는 문제점이 있었다.

그러나 본 발명은 매우 적은 용량으로 이루어진 전자계산장치를 이용하여도 상기한 유체밀도 ρ를 정확하게 즉시 도출시킬 수 있는 방법을 제공하며 그에 따라 질량유량을 신속하게 측정할 수 있는 방법 및 유량측정장치를 제공한다.

1. 유체의 밀도(ρ) 데이터 베이스 구축과정

본 발명의 기술적 특징은 사용자가 미리 특정한 유체에 대하여 실험적으로 구한 유체의 유량측정에 필요한 계수인 유체의 밀도(ρ)에 대한 값을 정리한 매트릭스 형식의 데이터 베이스를 미리 구축한다.

본 발명은 상기한 특정한 유체의 온도(T)와 압력(P)에 따른 밀도(ρ)를 매트릭스 형식의 데이터 베이스로 미리 구축한다.

이와 같이 본 발명은 그 측정하고자 하는 특정 유체에 대한 특정한 온도와 압력에 대한 유체의 밀도 ρ를 이 데이터베이스에서 용이하게 선택하여 입력하거나 또는 이 데이터베이스를 이용하여 쉽게 계산되어(연산되어) 입력됨으로써 복잡한 연산이 필요 없는 질량유량측정방법을 제공한다는 점이다.

따라서 본 발명은 유량측정방법 중 매트릭스 구조(데이터베이스)를 이용한다는 것이며, 이를 초음파를 이용한 유량측정계에 직접 적용함에 따라 기입력된 수학적 연산작용으로 계산하기 때문에 선형보정이 필요없는 직접계산방식의 유량측정방법이라 할 수 있다.

또한 복잡한 연산이 필요 없음에 따라 연산 시간을 현저히 줄이고 컴퓨터의 용량을 현저히 줄일 수 있으며 더불어 매우 정확한 유체의 유량을 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 특정한 유체(또는 2종류 이상이 혼합된 가스)에 대하여 각각의 온도 및 압력에 따라 미리 실험적으로 구한 유체의 밀도 ρ에 대한 값을 정리한 매트릭스 형식의 데이터 베이스를 미리 구축하여 다음에 설명할 유량을 측정하는 방법에 사용한다.

상기한 바와 같이 유체의 밀도 ρ는 특정한 유체(또는 2종류 이상이 혼합된 기체)의 실험적으로 구할 수 있으며, 또한 다양한 유체에 대하여 이미 많은 데이터로 확보된 열전도 계수, 열확산 계수 또는 코어압력 등에 대한 실험 데이터와 열역학적 방정식에 의하여 확보된 데이터를 이용하여 구할 수가 있다.

상기한 유체(기체)의 밀도 ρ 값은 온도와 압력에 따라 변하는 상수에 해당한다.

따라서 특정한 유체에 대하여 이와 같은 유체의 밀도 ρ 값을 미리 구하여 각각의 데이터 베이스를 구축한다.

미리 구축된 유체의 밀도 ρ 값을 본 발명에서는 "입력상수"라고 정의한다.

입력상수(유체의 밀도)의 데이터베이스를 테이블 형태로 구축한 예로 도 1 내지 도 2에서 보여주고 있다.

도 1은 메탄에 대한 각각의 온도와 압력에 따라 기체의 밀도 ρ 값을 나타내 주는 데이터 베이스 표이다.

도 2는 특정 액체(R134a(냉매))에 대한 각각의 온도와 압력에 따라 액체의 밀도 ρ 값을 나타내 주는 표이다.(임계압력 이상의 경우를 나타냄)

상기한 실시 예처럼 측정하고자 하는 유체가 단일의 성분으로 이루어져 있는 경우, 또는 여러 유체가 일정한 조성비로 혼합되어 있는 경우 예를 들어 X기체 50%, Y기체 50%로 유량측정장치로 일정하게 유입되는 경우에는 그 X와 Y로 혼합된 기체에 대한 기체의 밀도 ρ 값을 측정하거나 계산하여 미리 데이터 베이스화 하는 것이다.

2. 상기 입력상수 데이터베이스를 이용한 유체 유량측정방법

본 발명은 상기한 데이터 베이스화된 입력상수를 이용하여 유체의 유량을 측정하는 방법을 제공한다.

본 발명은 도 3에서 보는 바와 같이 측정대상 유체의 종류가 입력되고 초음파를 이용한 유량측정장치의 유동 단면적(A)이 입력되는 과정이 수행된다.

측정대상 유체의 종류는 하기할 바와 같이 유체의 종류를 센싱하는 장치에 의하여 감지되어 입력되거나 사용자에 의하여 수동으로 입력될 수 있다.

상기한 유동단면적은 초음파의 몸체의 직경(D)이 기설정되어 있어 쉽게 연산되어 도출되거나 사용자가 설정하거나 추후에 보정할 수 있다.

상기한 초음파 유량측정장치에서 측정대상 유체의 온도(T) 및 압력(P)이 온도측정센서 및 압력측정센서에 의하여 측정되어 입력되는 과정이 수행된다.

본 발명의 초음파 유량측정장치에는 유동되는 유체의 온도를 측정하는 센서가 부착되어 있다.

온도측정센서는 통상의 온도를 측정하는 장치 또는 기기를 의미한다.

또한 본 발명은 상기한 압력을 측정하는 센서가 부착되어 있다.

상기 압력 측정 센서는 초음파 유량측정장치의 몸체의 관내부의 압력을 측정하는 장치 또는 기기를 의미한다.

상기한 압력측정센서 및 온도측정센서에는 측정된 압력(P), 온도(T)에 대한 값을 디지털화하여 전송하는 방식으로 입력될 수가 있다.

이와 같이 센서에 의하여 측정된 값의 디지털화 방식은 통상의 전자회로 또는 반도체 회로가 부착된 MCU 등이 센서에 부착되어 수행될 수 있다.

따라서 상기한 과정을 통하여 온도(T)와 압력(P)이 구해지고 다음 과정에서 수행하는 자료로 입력된다.

① 본 발명은 특정한 유체 또는 조성비가 일정한 혼합 유체에 대하여 상기한 과정을 통하여 얻어진 온도(T)와 압력(P)을 이용하고 앞서 언급한 입력상수인 유체의 밀도 ρ 값에 대한 데이터 베이스에서 어떤 특정의 온도와 압력에 상응하는 유체의 밀도 ρ 값이 선택되어 입력되는 과정이 수행된다.(본 발명은 이와 같은 입력 과정을 "입구조건 조성비가 고정된 형태"라고 정의한다)

이 과정에서는 입력된 특정한 유체(또는 2 이상이 혼합된 기체 등과 같은 경우)의 특정한 온도와 압력에 대응하는 유체의 밀도 ρ 값이 자동적으로 선택되게 되는 것이다.

이와 같이 본 발명에서 어떤 특정의 값에 대응하는 값이 선택되는 과정은 통상적으로 메모리와 중앙처리장치를 포함하고 그에 따라 응용프로그램이 탑재된 통상의 전자계산장치 또는 연산기 등을 통하여 구현할 수 있음은 물론이다.

이때 상기한 입력상수 데이터 베이스에서 어떤 특정의 온도와 압력에 일치하는 입력상수가 없는 경우, 그 특정의 온도와 압력에 근접하는 온도와 압력을 찾아서 내삽법 등을 이용하여 그 특정의 온도와 압력에 대응되는 입력상수인 유체의 밀도 ρ 값을 구하는 과정을 수행할 수 있다.

상기한 내삽법(內揷法, interpolation)은 실변수 x의 함수 f(x)의 모양은 미지이나, 어떤 간격(등간격이나 부등간격이나 상관없다)을 가지는 2개 이상인 변수의 값 xi(i＝1,2,…,n)에 대한 함수값 f(xi)가 알려져 있을 경우, 그 사이의 임의의 x에 대한 함수값을 추정하는 것을 말한다. 실험이나 관측에 의하여 얻은 관측값으로부터 관측하지 않은 점에서의 값을 추정하는 경우나 로그표 등의 함수표에서 표에 없는 함수값을 구하는 등의 경우에 이용된다. 가장 간단한 방법으로서는, 변수를 x좌표, 그 변수에 대한 기지 함수값을 y좌표로 하는 점들을 이어 곡선을 그어, 구하고자 하는 함수값을 구하는 방법이다.

또 함수의 전개를 이용하여 변수 x0,x1의 근방에서 함수 f(x)를 근사적으로 나타내는 식,

f(x)=f(x0)+[{f(x1)-f(x0)}/(x1-x0)]*(x-x0)

에 의하여 구할 수 있다.

이것이 간단한 공식인데, 비례부분 또는 선형보간이라고 한다. x0,x1을 로그표나 삼각함수표에서와 같이 그 사이의 간격을 충분히 작게 해 놓았으므로 선형보간이 이용된다. 더욱 엄밀한 계산을 하기 위해서는 뉴턴의 보간공식을 사용할 수 있다.

내삽법에 대응하여 x1과 xn의 바깥쪽에 있는 임의의 x에 대한 f(x)의 근삿값을 구하는 방법을 외삽법(外揷法) 또는 보외법(補外法)이라 한다.

따라서 본 발명은 내삽법 뿐만 아니라 외삽법을 사용할 수도 있음은 물론이다.

본 발명의 이와 같은 내삽법 또는 외삽법을 사용하여 입력상수를 구하는 방법은 상기한 내삽법 또는 외삽법의 계산 공식을 연산 프로그램화한 것을 이용하여 구현할 수 있다.

본 발명에서 상기한 입력상수 데이테베이스를 이용하여 내삽법을 적용한 예를 다음과 같이 설명한다.

도 2에서 온도 249(K)이고 압력이 430(kpa)인 경우 유체의 밀도(ρ)에 대한 값을 선택할 수 없게 된다.

따라서 이 경우에는 상기한 바와 같이 통상적으로 사용하는 내삽법을 이용할 수 있다.

즉 온도 249(K)는 248(K)과 250(K)사이에 있으며 압력 430(kpa)은 압력 420(kpa)와 압력 430(kpa)사이에 있으므로 간단히 내삽법을 통하여 그 값을 계산할 수 있다.

그 하나의 예로 먼저 248(K)와 420(kpa) 및 440(kpa)에 해당하는 밀도 ρ1, ρ2 값을 선택하여 다음 식에 대입하면 249(kpa)일 때의 밀도 ρ3값을 다음과 같은 식으로 간단히 계산할 수 있다.

ρ3=ρ1+{(ρ2-ρ1)/(440-420)}*(440-430)

마찬가지로 250(k)와 420(kpa) 및 440(kpa)에 해당하는 밀도 ρ4 및 ρ5값을 선택하여 상기의 식에 대입하게 되면,

ρ6=ρ4+{(ρ5-ρ4)/(440-420)}*(440-430)이 되고,

132(kpa)일 때의 밀도 ρ6값을 구할 수 있게 된다.

그리고 상기한 ρ3 및 ρ6 값을 이용하여 249(k) 및 430(kpa)일 때의 밀도 ρ7값을 구할 수 있는데, 상기한 방식을 이용하여 간단히 구할 수 있다.

즉, ρ7=ρ3+{(ρ6-ρ3)/(440-420)}*(440-430)로 ρ7값을 구할 수 있다.

상기한 내삽법에 의한 방법으로 입력상수 데이터 베이스에 존재하지 않은 온도(T)와 압력(P)에 대한 모든 입력상수(ρ)를 간단히 구할 수 있게 된다.

② 또한 본 발명에서는 상기한 바와 같이 단일의 유체 또는 고정된 비율로 혼합된 유체가 유입되는 경우와 달리 혼합 유체의 비율이 시간에 따라 변하는 경우에 적용할 수 있는 입력상수가 구해지는 과정이 수행될 수 있다.(본 발명은 이와 같은 경우를 입구조건 조성비 가변시라고 정의한다)

도 4에서 보는 바와 같이 입구조건이 가변되는 경우는 앞서 설명한 "입력상수 데이터 베이스"를 이용하여 유체의 밀도(ρ) 값이 구해지는 과정이 수행된다.

입구조건이 가변되는 경우는 측정할 유체(G1, G2)의 성분이 시간에 따라 변하므로 측정할 유체에 대하여 성분의 함량비율(R)을 측정하는 장치로 그 비율을 측정한다.

상기 성분의 함량비율을 측정하는 장치는 유체의 성분에 대한 함량을 측정할 수 있는 센서가 구비된 장치 또는 수단을 의미한다.

상기 함량비율 측정장치에서 측정된 비율 값은 디지털화되어 전송되는 방식으로 입력될 수가 있다. 이와 같이 센서에 의하여 측정된 값의 디지털화 방식은 통상의 전자회로 또는 반도체 회로가 부착된 MCU 등이 센서에 부착되어 수행될 수 있음은 물론이다.

단일의 입력상수 도출 연산 과정은 다음과 같다.

먼저, 상기한 "입구조건 조성비가 고정된 형태"에서 입력상수 도출 과정에서 본 것과 마찬가지로 성분의 함량이 변하는 유체 G1 및 G2에 대한 개별적인 입력상수가 도출되는 과정이 수행된다.

따라서 입력상수 데이터베이스에서 특정한 온도와 압력에 따른 입력상수가 선택되거나 또는 앞서 살펴본 바와 같은 내삽법 등을 통하여 입력상수가 연산되어 도출되는 과정이 수행되면 G1 및 G2에 대한 입력상수가 도출된다.

이와 같이 도출된 G1 및 G2에 대한 입력상수(유체의 밀도 ρ)는 개별적으로 100% 있는 경우를 가정하여 산정한 것이다.

따라서 이와 같이 혼합된 유체에 대한 단일의 입력상수를 도출하기 위해서는 상기한 성분함량비율을 곱하면 단일의 입력상수(ρ)가 도출된다.

즉, 상기의 예를 보면 G1(ρ)*R1 + G2(ρ)*R2로 되면 단일의 유체(G)와 동일한 것으로 볼 수 있는 보정된 단일의 입력상수(ρ)가 설정되는 것이다.

여기서 R1은 G1에 대한 함량비율이고 R2는 G2에 대한 함량비율을 의미한다.

본 발명은 상기한 초음파 유량측정장치의 초음파센서에서 유체에 대한 시간차 또는 위상차(Δt)를 센싱하는 과정이 수행되고 측정된 시간차(Δt)가 입력되는 과정이 수행된다.

본 발명은 상기한 측정대상 유체의 종류 또는/및 초음파 센서의 종류에 따른 유량보정계수(K)는 이미 설정되어 있다.

이와 같은 유량보정계수는 데이터베이스화되어 있어서 입력된 측정대상 유체의 종류 또는/및 기설정된 초음파 센서의 종류에 따라 선택되어 입력될 수 있다.

더불어 앞서 설명한 바처럼 측정대상유체가 혼합되어 있는 경우 혼합된 측정대상유체의 G1, G2의 K1, K2를 각각의 혼합비율에 의하여 단일의 유량보정계수(K)를 구할 수 있다.

즉, 상기의 예를 보면 K1*R1 + K1*R2로 되면 단일의 유체(G)와 동일한 것으로 볼 수 있는 보정된 단일의 유량보정계수(K)가 설정될 수 있는 것이다.

일반적으로 상기한 유량보정계수는 모든 종류의 기체에 적용하는 초음파센서에 따라 일정하게 설정되어 있으나 상기한 방법으로 더욱 정확한 유량보정계수를 설정할 수 있다.

상기한 바와 같이 측정된 시간차(Δt)를 이용하여 유속을 계산할 수 있게 된다.

즉, 상기한 시간차 또는 위상차(Δt)와 유량보정계수(K)를 연산하는 경우 유체의 속도(V)가 연산되게 된다.

따라서, V= K·Δt가 되는 것이다.

상기한 바와 같이 압축성 유체의 유량측정공식은 아래와 같으며 유량측정 처리장치의 중앙처리장치에서 다음 수식으로 연산하여 유체의 부피유량을 측정하게 된다.

즉, 유체의 부피유량(q_v) 측정공식(연산식)은

q_v =K·Δt·A ---- 식 (1)이며

(여기서 K: 유량보정계수,

Δt : 초음파의 시간차(또는 위상차),

A : 몸체의 단면적, 또는 유체의 유동면적)

상기 식(1)에 입력된 K,Δt, A 값이 대입되고 연산되어 부피유량이 구해지게 된다.

그리고, 상기에서 입력된 측정대상 유체의 밀도(ρ)와 상기한 부피유량(q_v )을 곱하는 연산을 수행하면 정확한 측정대상유체의 질량 유량(q_m)을 구할 수 있게 된다.

즉, 질량유량(q_m) = 부피유량(q_v ) × 유체의 밀도(ρ) ---- 식(2)

상기한 공식들은 간단한 수식이며 중앙처리장치가 탑재된 유량측정 처리장치에서 탑재된 프로그램 또는 연산기를 통하여 구현할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 일관되게 본 발명에서 사용하는 공식(또는 수식)을 이용하여 어떤 값을 도출하는 과정은 이미 언급한 바와 같이 이와 같은 수식에 대하여 프로그래밍된 응용 프로그램이 이용되거나 또는 통상의 연산기 등을 통하여 수행되게 된다.

그리고, 상기에서 구해진 유속, 부피유량, 질량유량이 표시하는 과정이 수행된다.

이와 같이 본 발명은 상기와 같은 과정을 통하여 압축성 유체의 질량유량을 정확하게 측정하는 방법을 제공한다.

상기한 본 발명의 설명에 따른 유체유량측정방법은 컴퓨터, 계산기, 연산기 또는 정보처리장치 등에서 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 프로그램 명령

은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

3. 응용프로그램

또한 본 발명은 앞에서 언급한 바처럼 상기의 2. 입력상수 데이터베이스를 이용한 압축성 유체 유량측정방법을 응용프로그램으로 구현할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 상기의 과정은 측정대상 유체에 대한 유량측정공식, 입력상수 선택 또는/및 산정 과정, 유량보정계수 선정 과정 등 수식에 대한 연산과정 및 알고리즘이 제시되어 있다.

따라서 상기의 과정을 통상의 C언어, 자바, 포트란 등을 이용하여 응용프로그램으로 프로그래밍할 수 있다.

도 3은 입구조건 조성비가 고정된 형태에서의 유량을 측정하는 방법을 흐름도로 보여주고 있으며, 이와 같은 방법에 대한 알고리즘을 구현하는 응용프로그램을 제작하면 된다.

도 4는 입구조건 조성비가 가변된 형태에서의 유량을 측정하는 방법을 흐름도로 보여주고 있으며, 이와 같은 방법에 대한 알고리즘을 구현하는 응용프로그램을 제작하면 된다.

이와 같은 응용프로그램은 매우 간단한 응용프로그램에 해당하며 용량이 크지 않을 뿐만 아니라, 메모리와 중앙처리장치(CPU) 또는 MCU(Micro Controller Unit)를 구비한 정보처리장치에 쉽게 탑재되어 운용될 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 유체의 유량을 측정하는 방법을 프로그래밍 언어를 이용하여 구체적으로 구현한 유량측정 프로그램을 제공하게 된다.

4. 본 발명의 유량측정방법을 이용한 초음파을 이용한 질량유량측정장치

본 발명은 상기한 유체의 질량유량측정방법을 이용한 초음파을 이용한 질량유량측정장치 또는 질량유량측정 시스템을 제공한다("초음파 질량유량 측정장치"라 통칭한다).

본 발명의 초음파유량측정장치는 유체가 통과되는 몸체(10), 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50), 유량측정 처리장치(60)로 이루어져 있다.

또한 본 발명의 유량측정 처리장치(60)에는 상기한 유체유량측정방법을 구체적으로 구현한 응용프로그램이 탑재된 정보처리장치가 구비되고 상기한 응용프로그램에서 사용할 수 있는 입력상수 데이터베이스(80)가 포함되어 구비되어 있다.

본 발명의 초음파 질량유량 측정장치는 음파센서를 삽입하는 방식과 외부에 부착하는 Clamp-on형태 등으로서 전파속도차법과 도플러법에 의한 초음파유량계가 이에 해당된다

도 5은 본 발명인 전파속도차법을 이용한 초음파 질량유량측정창치의 개념도를 보여주고 있다.

전파속도차법은 제1초음파센서와 체2초음파센서가 일정한 거리를 두고 서로 대향되게 장치되어 있는 구조로 되어 있다.

도 5b는 본 발명인 도플러법을 이용한 초음파 질량유량측정창치의 개념도를 보여주고 있다.

도플러법은 도플러 효과를 이용한 것으로 제1초음파센서와 체2초음파센서가 동일한 위치에 장치되어 있는 구조로 되어 있다.

본 발명의 상기한 몸체(10)는 유체가 통과되는 부분을 의미하며 관형의 장치 또는 기기를 의미한다.

상기한 압력측정센서(20)는 몸체에 장착되어 있어 앞서 몸체를 통과하는 유체의 압력을 측정할 수 있는 장치 또는 기기를 포함하는 개념이다.

또한 몸체에는 유체의 온도를 감지하는 온도측정센서(30)가 구비되어 있다.

상기한 제1초음파센서(40)는 앞서 언급한 바처럼 초음파를 발생시키는 수단과 또한 제2초음파센서에서 발생한 초음파를 감지하는 수단이 구비된 장치 또는 수단을 의미한다.

또한 제2초음파센서(50)는 상기한 제1초음파센서로부터 발생한 초음파를 감지할 수 있는 수단과 제1초음파센서에서 초음파를 감지하도록 초음파를 발생하는 수단이 구비된 장치 또는 수단을 의미한다.

상기한 제1초음파센서 및 제2초음파센서는 연동되어 있으며 상호간에 감지된 두 개의 초음파의 시간차 또는 위상차(Δt)를 측정하여 유체의 유속을 측정할 수 있도록 해 주는 기능을 수행한다.

이와 같이 두 개의 초음파센서에 의하여 초음파의 도달 시간차(Δt)가 구해지고 제1초음파센서 및 제2초음파센서와의 거리(L), 초음파 전달로와 유체의 유동방향사이의 각도(θ), 초음파 음속(C)은 기설정되어 있어 유체의 유속을 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 통상의 초음파를 이용한 유체유량측정장치 또는 방법은 공개된 등록특허 10-0488272에 의하여 자세히 소개된 바와 동일하거나 유사한 구조로 이루어져 있어 본 발명에서는 자세한 사항은 생략한다.

본 발명은 상기한 압력측정센서, 온도측정센서, 제1초음파센서, 제2초음파센서에는 감지된 측정값을 전송하는 전송수단을 구비한다.

또한 상기 전송수단은 이러한 센서에서 측정된 값이 아나로그인 경우 디지털신호로 변환하는 경우 디지털신호변환기를 구비할 수 있다.

본 발명에서 상기한 유량측정 처리장치(60)는 상기한 본 발명의 유량측정방법을 컴퓨터 프로그램으로 구현한 응용프로그램을 탑재하고 이를 구동할 수 있는 메모리부와 CPU, MCU 등이 장착된 장치 또는 기기를 의미한다.

본 발명의 유량측정 처리장치는 측정하고자 하는 유체의 종류를 선택하는 유체선택부(61)가 구비될 수 있다.

이와 같은 유체선택부에 의하여 하나의 종류로 된 유체, 또는 혼합된 유체의 종류를 사용자가 선택하여 입력한다.

또한 이 유체선택부에는 입구조건 조성비가 고정된 형태 또는 입구조건 조성비가 가변된 형태 등을 선택할 수 있는 기능선택부(62)를 구비할 수 있다.

이와 같은 기능선택부에 의하여 유량측정 처리장치에서 가동할 프로그램을 선정할 수 있게 된다.

또한 유량측정 처리장치는 상기한 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50)에서 감지한 압력, 온도, 주파수 값을 수신받을 수 있는 수신수단을 구비한다.

이와 같이 측정값이 디지털신호로 수신되고 이 수신된 값은 상기한 응용프로그램에 입력이 된다.

이와 같이 입력된 유체의 종류, 압력, 온도에 대한 입력상수(밀도)를 입력상수 데이터베이스를 이용하여 응용프로그램이 선택하거나 산정하여 유체의 질량유량을 정확히 측정할 수 있다.

응용프로그램이 유체의 유량을 측정하는 과정은 앞서 이미 충분히 설명한 바와 같다.

본 발명에서 유량측정 처리장치와 입력상수 데이터베이스(80)는 하기할 디스플레이부에 장착하거나 유체유량측정장치 몸체 외부에 구비할 수 있다.

본 발명의 디스플레이부는 정확히 측정된 유체의 유량을 질량 유량, 부피유량 또는/및 유속을 나타내주는 기능을 수행한다.

또한 본 발명은 상기한 초음파 질량유량측정장치에 제어부(70)를 구비하여 상기한 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50), 유량측정 처리장치(60), 유체선택부(61), 기능선택부(62)를 제어할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서 제어부에는 정보송신모듈(71) 및 제어수신모듈(72)이 구비되어 있다.

정보송신모듈(71)은 상기한 유체유량측정장치에서 측정한 측정 데이터를 유선 또는 무선의 통신을 통하여 송신할 수 있는 기능을 하는 장치 또는 수단을 의미한다.

이와 같이 정보송신모듈은 본 발명의 가장 큰 기술적인 특징으로서 상기한 초음파 질량유량측정장치에서 측정한 데이터를 실시간으로 모니터링할 수 있기 위한 기술적 사상을 채용한 것으로서, 바람직하게는 본 발명은 무선으로 측정데이터를 송신할 수 있는 수단을 채용한 점을 들 수 있다.

본 발명에서 상기한 바의 무선의 통신 단으로는 Bluetooth, Zigbee 모듈 등과 같은 근거리 정보통신수단을 채용한 것을 의미한다.

즉, 본 발명의 근거리 정보통신수단은 상기와 같은 Bluetooth 모듈 또는 Zigbee 모듈 뿐만 아니라 4G, LTE, UWB, WiFi, WCDMA, USN, IrDA 모듈 등을 포함하며 기타 근거리에서 정보를 송신 또는 수신할 수 있는 기능을 가진 장치 또는 수단은 모두 포함된다 할 것이다.

따라서 정보송신모듈은 상기한 Bluetooth 모듈, Zigbee 모듈, 4G, LTE, UWB, WiFi, WCDMA, USN 또는 IrDA 모듈이 탑재되어 있다.

상기한 정보송신모듈에 의하여 휴대형 통신기에서도 초음파 질량유량측정장치에서 측정한 데이터를 실시간 모니터링할 수 있게 된다.

본 발명의 휴대용 통신기는 컴퓨터, 노트북, 스마트폰, 일반 휴대폰, PDA, 별도의 통신기능을 가지는 계측기 또는 제어 기기 등의 휴대용통신기를 포함하는 개념이다.

또한 본 발명은 제어수신모듈(72)이 구비되어 있어 상기한 휴대형 통신기 등으로부터 원격으로 상기한 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 초음파센서(40), 유량측정 처리장치(60), 유체선택부(61), 기능선택부(62)를 제어할 수 있게 있는 기능과 작용을 갖게 된다.

이에 따라 원격으로 측정하고자 하는 유체의 종류를 선택하고 기능을 선택하며 각각의 센서에 대하여 제어할 수 있는 효과가 창출된다.

본 발명은 이와 같이 본 발명의 기술적 사상인 유체의 유량을 측정하는데 필수불가결하게 입력되어야 하는 입력상수를 데이터베이스화하여 특정한 유체, 특정한 온도, 특정한 압력에 따른 입력상수를 쉽게 선택하거나 산정할 수 있게 하는 구성을 이용하여 압축성 유체(주로 기체)의 질량유량을 정확히 측정하게 하는 장치를 제공한다.

본 발명은 유체의 유량을 측정하는 장치를 생산, 판매, 제공하는 산업에 매우 유용한 발명이다.

또한 본 발명은 특히 초음파을 이용한 유체의 질량유량을 측량하는 산업에 매우 유용한 발명이다.

또한 본 발명은 유체를 생산, 판매, 제공하는 산업에 적용할 수 있는 발명이다.

10 : 몸체 20 : 압력측정센서
30 : 온도측정센서 40 : 제1초음파센서
50 : 제2초음파센서 60 : 유체유량측정 프로그램이 탑재된 유량측정 처리장치
70 : 제어부 80 : 입력상수 데이터베이스

Claims (4)

1. 질량유량을 측정하고자 하는 유체의 종류, 온도(T), 압력(P)이 입력되는 과정,
   초음파를 이용한 유량측정장치의 유동 단면적(A)이 입력되는 과정,
   초음파를 이용한 유량측정장치에서 초음파의 시간차(Δt)가 입력되는 과정,
   기설정된 유체의 종류에 따른 입력상수(유체의 밀도 ρ 값) 데이터베이스에서 상기 유체의 종류, 온도, 압력에 따른 입력상수가 선택되어 입력되는 과정,
   유량보정계수(K)가 입력되는 과정,
   상기 입력된 유량보정계수, 초음파의 시간차, 초음파를 이용한 유량측정장치의 유동 단면적(A)이
   q_v = K·Δt·A
   의 유체의 부피유량을 측정하는 공식에 대입되어 연산되는 과정으로 유체의 부피유량이 측정되는 과정,
   상기 측정된 부피유량(q_v) 값, 입력된 유체의 밀도(ρ) 값이
   q_m = q_v ·ρ
   의 유체의 질량유량 측정공식에 대입되어 연산되는 과정을 포함하여 이루어진 질량유량측정방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   여러 종류로 혼합된 유량 측정대상 유체의 함유비율이 측정되어 입력되는 과정이 포함되고,
   상기 입력된 함유비율과 측정대상 유체의 입력상수를 이용한 연산을 통하여 단일의 입력상수가 도출되는 과정이 포함되는 것을 특징으로 하는 질량유량측정방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 의한 질량유량측정방법을 프로그래밍 언어를 이용하여 구현된 질량유량측정 프로그램이 탑재된 정보처리장치.
   
4. 유체가 통과되는 몸체(10), 압력측정센서(20), 온도측정센서(30), 제1초음파센서(40), 제2초음파센서(50)가 구비되고,
   제1항 또는 제2항의 질량유량측정방법을 구현한 프로그램이 탑재된 유량측정 처리장치(60)가 구비되고,
   상기한 질량유량측정방법을 구현한 프로그램에서 이용할 수 있는 기설정된 입력상수 데이터베이스(80)가 포함되어 구비된 초음파 질량유량측정장치.
   

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