KR101622543B1 - 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계가 개시된다. 본 발명에 따른 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계는 재질은 확인 가능하고 두께는 알 수 없는 파이프의 외측에 고정 결합되는 외벽부착식 초음파유량계 설치시, 한 쌍의 외벽부착식 초음파유량계중에서 어느 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 일측의 배관벽을 통과하고 배관내를 지나 타측의 배관벽을 통과하여 다른 하나의 초음파 트랜스듀서까지 도달하는 전체 경로에 대하여 초음파의 주파수를 변화시키면서 설치되는 파이프에 공진되는 양측 두께 부분을 모두 거쳐 최대 전압 레벨을 발생하는 공진 주파수, 즉, 평균 공진 주파수를 적용하므로 배관 내부의 고형 슬러지나 기타 오염등에 의하여 실제 배관 두께가 달라져도 정확하게 두께를 포착하게 된다. 이후에 유량을 측정하기 위한 수식에 정확한 파이프의 실제 두께를 자동으로 입력함으로써 유체가 흐르는 관로내의 면적을 정확하게 결정할 수 있게 되고 결국 유량측정 정확도를 높일 수 있다. 상기와 같은 본 발명은 다양한 배관 오염이 상존할 수 있는 실제 현장 상황에 적합하다는 것에 주목할 필요가 있다.

Description

파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계{Clamp-on type ultrasonic flow meter comprising automatic measurement of pipe thickness}

본 발명은 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계에 관한 것으로 더 상세하게는 설치되는 파이프의 두께를 자동으로 측정하여 유량계에 세팅을 해주는 기능으로서, 특히 외벽부착식 초음파유량계의 특성상 이미 설치된 파이프에 설치되며, 이때 파이프의 정확한 두께를 자동으로 측정하여 입력해주는 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계에 관한 것이다.

외벽부착식(Clamp-On) 초음파 유량계는 대한민국 등록 특허 제10-1302645호에 개시된 바와 같이 이미 설치된 파이프의 외벽에 탈부탁이 가능하게 부착되는 초음파 유량계이다. 상기 등록특허 공보에 개시된 바와 같이 외벽 부착식 초음파 유량계는 배관의 외벽에 부착하여, 배관 내부에 초음파를 송신하고, 상기 배관 내부의 초음파를 수신하는 초음파센서부; 상기 초음파센서부의 감지신호에 따른 유량 감지 작업을 제어하는 유량감지제어부 및 배관 내 유량 데이터를 산출하는 유량데이터산출부를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 외벽 부착식 초음파 유랑계는 다양한 규격의 파이프에 설치가 가능하다. 기설치되는 파이프들은 그 재질, 직경, 및 크기 뿐만 아니라 두께도 다양하다.

하지만 이와 같은 종래의 외벽 부착식 초음파 유랑계는 이미 설치된 파이프의 경우, 사용자가 정확한 두께를 모르는 경우가 많아 별도의 파이프 두께 측정 장치를 휴대하여 파이프의 두께를 측정하고 이를 외벽부착식 초음파유량계에 입력하는 과정이 요구된다.

더욱이 등록특허 공보의 식별변호 [0007] ~ [0008]에 개시된 바와 같이, 『 건식 단회선 초음파 유량계의 경우에는 현장에서 1쌍의 초음파 센서를 배관 외벽의 상류측과 하류측에 각각 1개씩 부착하므로, 초음파 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 배관 직경의 경우에는 밸브를 이용하여 유체 흐름을 차단하고 배관 직경을 측정하지 않는 한, 정확한 값을 산출하기 어렵다. 따라서 일반적으로 배관 직경은 배관 규격에 제시된 재질(주철관, SUS), 공칭 직경(100A, 200A, 등), 배관 두께(5s, 10s 등)에 따라 배관 직경이 0.1 mm 단위까지 주어지므로, 규격에 제시된 값을 배관 직경으로 사용한다.

그러나 이러한 방법은 배관 직경을 실측하지 않기 때문에, 배관 내부 이물질 부착 등에 의해 배관의 실제 직경이 축소되는 것을 방지할 수 없다. 만약 배관 내부의 유체 흐름을 차단하고, 유량 측정 단면의 배관 내부를 청소한 다음, 배관 직경을 측정하는 등의 일련의 절차를 마련한다면, 배관 직경을 실측하는 것이 가능하다. 그렇지만 이러한 절차를 준수하면서 유량을 측정하기 어려운 작업 환경에 놓이는 경우도 많다.』는 문제점이 있다.

배관 두께를 측정하기 위해서는 초음파 두께 측정기를 사용한다. 초음파 두께 측정기는 초음파로 시험체의 두께를 측정하는 장치로서 공진 방식과 펄스 반사 방식이 있다. 공진 방식은 두께가 반파장의 정수배일 때 초음파는 공진하므로 그 주파수를 측정하여 두께를 구한다. 펄스 반사 방식은 초음파 펄스가 시험체를 왕복하는 시간으로 측정한다. 최근에는 대부분 간편한 펄스 에코 방식이 사용되고 있다. 이 방식은 측정 면에서 저면 에코까지의 초음파 왕복시간을 미터 또는 디지털로 표시하는 것으로, 초음파 펄스의 전파시간과 측정물의 음속으로부터 두께를 측정하는 펄스 반사 방식의 장치이다.

하지만 이와 같은 초음파 두께 측정기를 사용하는 경우에는 측정점 한 지점에서의 두께만을 측정하는 것 뿐만 아니라 내벽의 찌꺼기에 의하여 실제 배관 단면적과는 큰 차이를 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 재질은 확인 가능하고 두께는 알 수 없는 파이프의 외측에 고정 결합되는 한 쌍의 외벽부착식 초음파유량계 설치시, 파이프의 두께를 측정하여 자동으로 입력하기 위하여 한 쌍의 외벽부착식 초음파유량계중에서 어느 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 일측의 배관벽을 통과하고 배관내를 지나 타측의 배관벽을 통과하여 다른 하나의 초음파 트랜스듀서까지 도달하는 전체 경로에 대하여 초음파의 주파수를 변화시키면서 설치되는 파이프에 공진되는 최적의 주파수를 찾아내어, 파이프의 정확한 실질 두께를 자동으로 입력함으로써 실제 현장에 적합하며 유량측정 정확도를 높일 수 있는 외벽 부착식 초음파 유량계를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계는

파이프의 외경에 고정하여 사용되는 외벽 부착식 초음파 유량계에 있어서,

동일한 외경과 재질에 대해서 서로 다른 두께를 가지는 복수 개의 파이프에 대하여 공진에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 공진 주파수를 측정하여 주파수별 파이프 두께를 매핑시킨 매핑 테이블(100)과;

초음파 트랜스듀서(102)의 측정 주파수의 ± 30%의 범위내에서 주파수를 스위핑시켜 출력하는 주파수 스위핑부(104)와;

상기 주파수 스위핑부(104)로부터 입력된 주파수 신호를 사용하여 초음파를 방사하고 방사된 초음파를 수신하는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(102)와;

상기 초음파 트랜스듀서(102)에 의하여 수신된 초음파 신호의 전압 레벨을 측정하는 전압레벨 측정부(106)와;

상기 주파수 스위핑부(104)에 의하여 높은 주파수에서 낮은 주파수로 주파수를 스위핑할 때 상기 전압레벨 측정부(106)에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 주파수를 결정하는 공진주파수 결정부(110); 및

사용자로부터 외경과 재질을 입력받고 상기 공진주파수 결정부에 의하여 결정된 공진주파수를 사용하여 상기 매핑 테이블을 참조함으로써 파이프 두께(TH)를 얻는 파이프 두께 결정부(120);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계는 재질은 확인 가능하고 두께는 알 수 없는 파이프의 외측에 고정 결합되는 외벽부착식 초음파유량계 설치시, 한 쌍의 외벽부착식 초음파유량계중에서 어느 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 일측의 배관벽을 통과하고 배관내를 지나 타측의 배관벽을 통과하여 다른 하나의 초음파 트랜스듀서까지 도달하는 전체 경로에 대하여 초음파의 주파수를 변화시키면서 설치되는 파이프에 공진되는 최적의 주파수를 찾아내어, 유량을 측정하기 위한 수식에 파이프의 두께를 자동으로 입력함으로써 유체가 흐르는 관로내의 면적을 정확하게 결정함으로써 결국 유량측정 정확도를 높일 수 있고 다양한 배관 오염이 상존할 수 있는 실제 현장 상황에 적합하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치의 구조를 나타낸 블록도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치에서 유량을 계산하기 위한 수식을 나타낸 도면, 및
도 5는 도 4에서의 면적을 본 발명에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치에서 결정된 파이프 두께를 적용하여 계산하기 위한 수식을 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치의 구조를 블록도로써 나타내었으며, 도 2 및 도 3에는 본 발명에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면을 나타내었다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치는 파이프의 외경에 고정하여 사용되는 외벽 부착식 초음파 유량계로서,

동일한 외경과 재질에 대해서 서로 다른 두께를 가지는 복수 개의 파이프에 대하여 공진에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 공진 주파수를 측정하여 주파수별 파이프 두께를 매핑시킨 매핑 테이블(100)을 구비한다. 상기 매핑 테이블(100)은 프로그래밍된 마이크로컴퓨터내의 메모리 영역에 저장되는 형태로 구비되는 것으로 각기 다른 파이프 두께에 대하여 미리 실험된 공진 주파수(fr)가 매핑되어 있다.

주파수 스위핑부(104)는 초음파 트랜스듀서(102)의 측정 주파수의 ± 30%의 범위내에서 주파수를 스위핑시켜 출력하며, 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(102)는 상기 주파수 스위핑부(104)로부터 입력된 주파수 신호를 사용하여 초음파를 방사하고 방사된 초음파를 수신한다.

전압레벨 측정부(106)는 상기 초음파 트랜스듀서(102)에 의하여 수신된 초음파 신호의 전압 레벨을 측정하며, 공진주파수 결정부(110)는 주파수 스위핑부(104)에 의하여 높은 주파수에서 낮은 주파수로 주파수를 스위핑할 때 상기 전압레벨 측정부(106)에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 주파수를 결정한다.

예컨대 도 2에 도시한 바와 같이 초음파 트랜스듀서(102)의 측정 주파수가 1 MHz라 할 때 그 측정주파수의 30%인 700 MHz ~ 1.3 MHz 범위내에서 주파수를 스위핑시키면서 전압 레벨(VL)을 측정하여 그것이 가장 높은 전압 레벨(Vmax)을 나타낼 때의 주파수를 공진 주파수로 결정한다.

파이프 두께 결정부(120)는 사용자로부터 외경과 재질을 입력받고 상기 공진주파수 결정부에 의하여 결정된 공진주파수를 사용하여 상기 매핑 테이블(100)을 참조함으로써 파이프 두께(TH)를 얻는다.

본 발명에 따른 외벽 부착식 초음파 유량계용 파이프 두께 자동 측정 장치에서 유량을 계산하기 위해서는 도 4와 같이 유량을 Q, 관로내 면적을 A, 유속을 V라 하면, 유량 Q는 A * V로 구할 수 있다. 유속 V는 통상의 초음파 유량계에서 이루어지는 측정 방법으로 구하는 것으로 설명을 생략한다.

관로내 면적 A는 도 5에 도시한 바와 같이 관로의 실제 직경을 r_pipe라 하면 외경 - 파이프 두께(TH)의 관계가 성립하므로, (외경- r_pipe)² × π로부터 계산된다.

즉, 상기와 같은 본 발명에 따른 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계는 재질은 확인 가능하고 두께는 알 수 없는 파이프의 외측에 고정 결합되는 외벽부착식 초음파유량계 설치시, 한 쌍의 외벽부착식 초음파유량계중에서 어느 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 일측의 배관벽을 통과하고 배관내를 지나 타측의 배관벽을 통과하여 다른 하나의 초음파 트랜스듀서까지 도달하는 전체 경로에 대하여 초음파의 주파수를 변화시키면서 설치되는 파이프에 공진되는 양측 두께 부분을 모두 거쳐 최대 전압 레벨을 발생하는 공진 주파수, 즉, 평균 공진 주파수를 적용하므로 배관 내부의 고형 슬러지나 기타 오염등에 의하여 실제 배관 두께가 달라져도 정확하게 두께를 포착하게 된다. 이후에 유량을 측정하기 위한 수식에 정확한 파이프의 실제 두께를 자동으로 입력함으로써 유체가 흐르는 관로내의 면적을 정확하게 결정할 수 있게 되고 결국 유량측정 정확도를 높일 수 있다. 상기와 같은 본 발명은 다양한 배관 오염이 상존할 수 있는 실제 현장 상황에 적합하다는 것에 주목할 필요가 있다.

한편, 측정하고자 하는 파이프의 외경과 재질에 따라 적합한 초음파 트랜스듀서의 측정 주파수가 달라질 수 있다. 따라서, 상기 매핑 테이블은 동일한 외경과 재질 및 측정 주파수에 대해서 서로 다른 두께를 가지는 복수 개의 파이프에 대하여 공진에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 공진 주파수를 측정하여 주파수별 파이프 두께를 매핑시킨 것이 보다 바람직하다.

100 : 매핑 테이블 102 : 초음파 트랜스듀서
104 : 주파수 스위핑부 106 : 전압레벨 측정부
110 : 공진주파수 결정부 120 : 파이프 두께 결정부

Claims (2)

1. 파이프의 외경에 고정하여 사용되는 외벽 부착식 초음파 유량계에 있어서,
   동일한 외경과 재질 및 측정 주파수에 대해서 서로 다른 두께를 가지는 복수 개의 파이프에 대하여 공진에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 공진 주파수를 측정하여 주파수별 파이프 두께를 매핑시킨 매핑 테이블(100);
   초음파 트랜스듀서(102)의 측정 주파수의 ± 30%의 범위내에서 주파수를 스위핑시켜 출력하는 주파수 스위핑부(104);
   상기 주파수 스위핑부(104)로부터 입력된 주파수 신호를 사용하여 초음파를 방사하고 방사된 초음파를 수신하는 것으로 어느 하나의 초음파 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 일측의 배관벽을 통과하고 배관내를 지나 타측의 배관벽을 통과하여 다른 하나의 초음파 트랜스듀서까지 도달하도록 설치되는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(102);
   상기 초음파 트랜스듀서(102)에 의하여 수신된 초음파 신호의 전압 레벨을 측정하는 전압레벨 측정부(106);
   상기 주파수 스위핑부(104)에 의하여 높은 주파수에서 낮은 주파수로 주파수를 스위핑할 때 상기 전압레벨 측정부(106)에 의하여 최대 전압 레벨을 얻는 주파수를 결정하는 공진주파수 결정부(110); 및
   사용자로부터 외경과 재질을 입력받고 상기 공진주파수 결정부에 의하여 결정된 공진주파수를 사용하여 상기 매핑 테이블을 참조함으로써 파이프 두께(TH)를 얻는 파이프 두께 결정부(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 두께 자동 측정 기능을 구비하는 외벽 부착식 초음파 유량계.
   
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