KR101587827B1 - 음향 신호를 이용한, 배관 내 유속 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관의 외부면에 제공되어, 상기 배관 내부로부터 발생되는 소리 신호를 측정하는 음향 센서; 및 상기 음향 센서로부터 상기 소리 신호를 수신하여, 상기 소리 신호를 통해 상기 배관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정하는 유속 측정 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하여, 배관의 외주면에 붙은 이물질에 영향을 받지 않고, 내관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

음향 신호를 이용한, 배관 내 유속 측정 시스템{SYSTEM FOR MEASURING FLUX OF FLUID IN PIPE BY USING SOUND SIGNAL}

본 발명은 배관 내부에 흐르는 유체의 유속 및 유속을 음향 신호를 이용하여, 측정하고자 하는 시스템에 관한 기술 분야이다.

통상적으로 파이프와 같은 배관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정하기 위해서는 배관 내부에 유속 측정을 위한 장치 등을 직접 삽입하여 설치하는 방식이 존재하며, 반면, 배관 내에 설치되지 않고, 배관 외부에서 배관 내 흐르는 유체의 유속을 측정하도록 하는 측정 장치도 존재한다.

배관 내에서 직접 유속을 측정하는 경우, 유속의 정확한 측정이 이루어질 수는 있으나, 매번 그리고 매구간 측정하기 위한 배관 내에 유속 측정 장치를 삽입 및 설치하는 것은 현실적으로 불가능하며, 시간 및 비용 소모적이다.

따라서, 배관 외부에 위치하여, 배관 내 흐르는 유속을 측정하는 것이 일반적인데, 이러한 경우, 배관 외부에 초음파센서를 이용하는 방법이 흔하다.

그러나, 초음파를 활용한 배관 내 유속 측정 장치는 물과 같은 비점성 및 극성 액체의 경우에는 유속의 측정이 비교적 정확하게 이루어질 수 있으나, 점성 및 비극성 유체 즉, 오일 등의 경우에는 측정된 유속이 실제 유속과 많은 오차가 발생하게 되는 문제점이 존재한다.

도 1은 유체가 흐르는 파이프의 표면에 이물질이 묻어있는 것을 도시한 파이프의 부분 절개도이다.

아울러, 초음파 센서를 이용한 배관 내 유속 측정의 경우에는 배관의 상태, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 배관(10) 외부 면에 이물질(2)의 흡착의 정도에 따라 측정된 유속 및 유량이 상이할 수 있는바, 배관 유속 측정 전 배관을 청소 및 세척해야 하는 번거로움이 존재하며, 이로 인하여 청소 및 세척으로 인한 작업 비효율이라는 문제를 야기하게 된다.

관련된 선행기술로는 "음향을 이용한 유속 계측기의 노이즈 저감 방법(출원 번호 제10-1997-0074243호, 이하 "선행기술1")" 또는 "유속측정장치(출원 번호 제10-1993-0026630호, 이하 "선행기술2")" 등이 존재한다.

선행기술2의 경우, 종래 기술과 다름 없이, 초음파를 활용하여, 관 내의 유속을 측정하는 것인바, 상술한 바와 같은 문제점들이 존재하는 것이다.

선행기술1은 음향 발신기를 활용해야하는 번거로움과 문제점이 존재하며, 유체의 점성에 따른, 보상 값을 제시하지 못하여, 범용적으로 활용하기에는 다소 무리가 따르는 기술에 해당한다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템은 상기한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 관 내에 흐르는 유속을 관의 청결도 등에 좌우되지 않고, 정확하게 측정할 수 있는 유속 측정 시스템을 제공하고자 한다.

둘째, 유체의 음향에 따라 측정된 유속은 유체의 점도에 따라 상이할 수 있는바, 측정된 값을 점도에 따라 보상할 수 있는 유속 측정 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템은 상기의 해결하고자 하는 과제를 위하여 다음과 같은 과제 해결 수단을 가진다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템은 배관의 외부면에 제공되어, 상기 배관 내부로부터 발생되는 소리 신호를 측정하는 음향 센서; 및 상기 음향 센서로부터 상기 소리 신호를 수신하여, 상기 소리 신호를 통해 상기 배관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정하는 유속 측정 유닛을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 유속 측정 유닛은, 상기 소리 신호로부터, 상기 배관 내부에서 흐르는 유체가 발생시키는 소리의 주파수 대역만을 필터링하는 신호 검출부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 유속 측정 유닛은, 상기 소리 신호의 크기를 측정하여, 상기 소리 신호의 크기의 제곱근에 비례하는, 상기 유체의 유속을 측정하는 유속 산출부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 유속 산출부는, 아래 수식을 이용하여, 상기 유속을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

V=a(M/v)^(1/2)+C

(여기서, a는 점성 보정 계수, v는 동점도, M은 측정된 소리 신호의 크기(dB), C는 유체 속도 상수)

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 유속 산출부는, 상기 유체의 점성을 측정하는 점성 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 점성 산출부는, 아래 수식을 이용하여, 상기 유체의 점도를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서 ν=점도(cSt), A 및 B는 유체 상수, T는 절대 온도(K)

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템의 상기 유속 산출부는, 아래 비례식을 통해 상기 유속을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.

V∝1/ν

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 배관의 외주면에 붙은 이물질에 영향을 받지 않고, 내관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정할 수 있는 효과를 제공한다.

둘째, 측정된 음향에 유체의 점성을 보상하여, 보다 정확한 유체의 유속을 측정할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 유체가 흐르는 파이프의 표면에 이물질이 묻어있는 것을 도시한 파이프의 부분 절개도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 파이프에 음향 신호를 이용한 유속 측정 시스템을 적용한 것을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구성에 해당하는 유속 측정 유닛의 하위 구성들을 도시한 블록도이다.

본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 음향 신호를 이용한, 유속 측정 시스템을 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 파이프에 음향 신호를 이용한 유속 측정 시스템을 적용한 것을 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 구성에 해당하는 유속 측정 유닛의 하위 구성들을 도시한 블록도이다.

본 발명에 따른, 음향 신호를 이용한, 배관 내 유속 측정 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 음향 센서(20); 및 유속 측정 유닛(30)을 포함한다.

먼저, 음향 센서(20)는 배관(10)의 외부 표면에 부착되어, 배관(10)의 내부로부터 전해오는, 유체(1)가 발생시키는 소리를 측정하는 구성이다.

소리 신호의 경우, 일반적인 전자기파와는 달리 종파로서, 매질의 특성에 밀도에 의해 크게 좌우되지 않는 것이 특징이며, 이러한 소리 신호는 배관(10)으로 고스란히 전달되는 특성을 가진다.

음향 센서(20)는 유체(1)가 흐를 때 발생시키는 고유한 소리 즉, 소음을 측정하고, 이렇게 측정한 소리 신호를 유속 측정 유닛(30)으로 전달하는 구성이다.

음향 센서(20)는 측정된 소리 신호를 특정한 크기로 증폭시킬 수도 있으며, 외부에서 전달될 수 있는 소음을 필터링하여 전달할 수도 있다.

음향 센서(20)는 측정된 소리 신호를 유선 혹은 무선 데이터 통신 망을 이용하여, 유속 측정 유닛(30)으로 전송해야하는바, 기본적으로 데이터 통신 기능이 구비되어야 함은 물론이다.

음향 센서(20)는 일반적으로 활용될 수 있는, 수중 음향 센서 등을 응용하면 족하는바, 이하에서는 설명을 생략한다.

유속 측정 유닛(30)은 음향 센서(20)로부터 수신한 소리 신호를 이용하여, 배관(10) 내에 흐르는 유체(1)의 유속을 측정하는 구성이다.

보다 구체적으로, 유속 측정 유닛(30)은 도 3에 도시된 바와 같이, 신호 검출부(32)를 포함할 수 있다.

여기서 신호 검출부(32)는 배관(10) 내부에서 흐르는 유체(1)가 발생시키는 소리의 주파수 대역만을 필터링하는 구성이다.

상술한 음향 센서(20)는 배관(10)의 외주면에 부착되어, 배관(10)으로부터 전달되는 소리 신호만을 집중적으로 측정하도록 설계되어 있으나, 실제로 관찰되는 소리 신호는 배관(10) 내의 유체로부터 발생되는 소리 신호 뿐만 아니라, 배관(10)의 기타 잡음 혹은 외부로부터의 기타 잡음까지 관찰될 수 있으며, 이러한 잡음이 포함된 신호가 유속 측정 유닛(30)으로 전달되기 때문에, 신호 검출부(32)는 이러한 신호를 필터링하여, 유체(1)가 발생시키는 특정 주파수 대역만을 통과시키고, 그외 주파수 대역의 신호는 제거하는 구성이다.

일종의 BPF(band pass filter)와 같은 기능을 가지는 신호 검출부(32)는 유체(1)의 종류에 따라 상이할 수 있는 소리 신호의 주파수 대역을 미리 저장하고 있으며, 이러한 주파수 대역에 맞는 BPF 기능을 가지게 된다.

유체(1)가 발생시키는 주파수 대역은 유체의 종류 즉, 물, 알코올, 가솔린, 경유 등에 따라 발생시킬 수 있는 주파수의 대역은 상이하며, 이러한 유체의 종류와 이에 따른 특정 주파수 대역은 실험에 의해 획득될 수 있음을 전제로 한다.

본 발명에 따른, 유속 측정 시스템의 유속 측정 유닛(30)은 유속 산출부(33)를 포함할 수 있는데, 유속 산출부(33)는 소리 신호의 크기를 측정하여, 소리 신호의 크기의 제곱근에 비례하는 유체(1)의 유속을 측정하게 된다.

유속 산출부(33)는 유속을 측정하게 되는데, 배관(10) 내에 흐르는 유량은 배관(10) 단면적에 유속을 곱한 값이기 때문에, 유속을 알면 유량까지 알 수 있는 지표에 해당한다.

일반적으로 유량, 혹은 유속이 클수록 음향의 크기가 커지기 때문에, 이러한 관계를 이용하여 유속을 추정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 음향 즉, 소리 신호의 크기는 유속의 속도의 제곱근에 비례하므로, 유속은 소리 신호의 제곱근에 비례하게 된다.

따라서, V=a(M/v)^(1/2)+C

여기서, a는 점성 보정 계수, v는 동점도, M은 측정된 소리 신호의 크기(dB), C는 유체 속도 상수이다.

실제 유속과, 측정된 소리 신호의 크기를 기초로 하여, 실험을 통해 C값을 구하면, 이후 M만 측정하면, V를 자연히 산출될 수 있는 것이다.

다만, 유체(1)의 유속은 유체(1)로부터 발생되는 소리 신호의 크기 뿐만 아니라, 그 점성에 따라 상이할 수 있는바, 점성의 정도에 따른 보상이 필요하다.

따라서, 유속 산출부(33)는 유체의 점성을 산출하는 점성 산출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

점성 산출부는 유체(1)를 온도에 따른 점도 변화를 기초로 하는 Walther's Equation을 통해 점도를 측정하게 된다.

점도는 수식

을 통해 구할 수 있는데, 여기서 ν는 동점도(cSt), c는 상수(0.6), A 및 B는 기름에 따라 변하는 상수이며, T는 절대온도 K 즉, 273+℃이다.

위 Walther's Equation을 ν를 기준으로 정리하면,

와 같이 구해진다.

상수 A, B는 기름에 대한 주어진 값으로, 기름 구매시 제품 설명서 등을 참고하면 두 온도에서 점도 값이 표시되어 있는데, 대부분 40℃, 100℃에서 점도값이 표시되어 있는바, 이 두 온도 및 두 온도에 따른 점도를 대입다면, 미지수 A, B 및 식 두 개가 나오는바, A, B를 구할 수 있게 된다.

점도가 두 배 증가하면 유속은 반비례하는바, 기준 유체(1)의 점도 대비 현재 유체(1)의 점도가 두 배이면, 동일한 소리 신호의 크기 대비 현재 유체(1)의 유속은 1/2이 된다.

즉, V∝1/ν가 되는 것이며, 이를 통해 점도에 따른 유속을 보상할 수 있는 것이다.

본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 결정되며, 특허 청구범위에 사용된 괄호는 선택적 한정을 위해 기재된 것이 아니라, 명확한 구성요소를 위해 사용되었으며, 괄호 내의 기재도 필수적 구성요소로 해석되어야 한다.

1: 유체
2: 이물질
10: 파이프
20: 음향 센서
30: 유속 측정 유닛
31: CPU
32: 신호 검출부
33: 유속 산출부
34: 출력부

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 배관의 외부면에 제공되어, 상기 배관 내부로부터 발생되는 소리 신호를 측정하는 음향 센서; 및
   상기 음향 센서로부터 상기 소리 신호를 수신하여, 상기 소리 신호를 통해 상기 배관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정하는 유속 측정 유닛을 포함하되,
   상기 유속 측정 유닛은,
   상기 소리 신호로부터, 상기 배관 내부에서 흐르는 유체가 발생시키는 소리의 주파수 대역만을 필터링하는 신호 검출부; 및
   상기 소리 신호의 크기를 측정하여, 상기 소리 신호의 크기의 제곱근에 비례하는, 상기 유체의 유속을 측정하는 유속 산출부를 포함하고,
   상기 유속 산출부는,
   아래 수식을 이용하여, 상기 유속을 측정하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 시스템.
   V=a(M/v)^(1/2)+C
   (여기서, a는 점성 보정 계수, v는 동점도, M은 측정된 소리 신호의 크기(dB), C는 유체 속도 상수)
   
5. 제4항에 있어서, 상기 유속 산출부는,
   상기 유체의 점성을 측정하는 점성 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 시스템.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 점성 산출부는,
   아래 수식을 이용하여, 상기 유체의 점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 시스템.
   

   

   
   (여기서 ν=점도(cSt), A 및 B는 유체 상수, T는 절대 온도(K))
   
7. 제6항에 있어서, 상기 유속 산출부는,
   아래 비례식을 통해 상기 유속을 보상하는 것을 특징으로 하는 유속 측정 시스템.
   V∝1/ν

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