KR101897601B1 - 측면 방사 구조를 갖는 초음파 진동센서 및 이를 이용한 초음파 전달거리가 연장가능한 초음파 유량계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 진동 센서 및 이를 이용한 초음파 유량계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파 진동 센서는, 초음파 유량계의 중공형 새들에 삽입설치되는 것으로서, 새들의 길이방향인 제1방향을 따라 연장되게 형성되며 내부에 수용부가 형성되어 있는 센서 본체 및 센서 본체의 수용부에 설치되며, 전기신호를 인가받아 압전효과에 의하여 제1방향과 교차되는 제2방향을 따라 진동하여 제2방향으로 초음파를 발사하며, 유체를 통과한 초음파를 수신하여 상기 제2방향을 따라 진동하여 전기적 신호를 송출하는 초음파 진동자를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

측면 방사 구조를 갖는 초음파 진동센서 및 이를 이용한 초음파 전달거리가 연장가능한 초음파 유량계{ULTRASONIC TRANSDUCER AND ULTRASONIC FLOWMETER USING THE SAME}
본 발명은 초음파를 이용하여 흐르는 유체의 유속 및 유량을 측정하는데 사용되는 초음파 진동센서 및 초음파 유량계에 관한 것이다.
도 1은 종래의 초음파 유량계와 유속측정원리를 설명하기 위한 개략적 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 초음파 유량계(9)는 내측을 통해 유체가 흐를 수 있도록 중공형으로 이루어진 측정관(1)을 구비한다. 측정관(1)의 양단에는 상하수도관(p) 등 유로와의 연결을 위한 플랜지부(1a,1b)가 형성되어 있다. 또한 측정관에는 새들(5,6)이 마련된다. 새들(5,6)은 측정관(1)의 축방향에 대하여 경사지게 배치된다. 각 새들(5,6)에는 초음파 진동자(3,4)가 삽입되어 설치되며, 두 개의 초음파 진동자(3,4)는 상호 마주하게 된다. 초음파 진동자(3,4)는 미도시된 컨트롤러(미도시)와 전기적으로 연결되어 컨트롤러에 의하여 제어된다.
위와 같은 구성으로 이루어진 초음파 유량계(9)에서 유량을 측정하는 원리를 간단히 설명하면 다음의 공식으로 나타낼 수 있다.
Q=A×V
이때, Q : 유체의 유량
A : 유로의 단면적
V : 유체의 평균속도
즉, 유로에서 유체의 단면적과 유체의 유속을 아는 경우 그 유량을 계산할 수 있는 것이다. 유체가 유로를 모두 채우고 있다는 전제하에 유체의 단면적은 그 유로의 단면적과 동일하다.
한편, 초음파 유량계에서 유체의 유속측정은 일반적으로 전파시간차 방법에 의하여 얻어진다. 즉, 유체의 진행방향(측정관의 축방향)에 대하여 일정 각도(θ)로 한 쌍의 초음파 진동자(4,5)를 각기 유로의 A지점과, 유체의 유동방향상 A지점의 하류측에 위치하는 B지점에 서로 대면하도록 설치한다. 유체가 움직이지 않는 조건에서 초음파 진동자에서 발사된 초음파가 유체를 통해 전파되는 음속을 C라하고, 유체의 평균속도를 V라고 하며, 초음파 진동자들 사이의 거리를 L이라 하면, A지점에서 발사된 초음파가 B지점까지 도달하는 시간tAB 와 B지점에서 발사된 초음파가 A지점까지 도달하는 시간tBA 는 각기 다음과 같다.
Figure 112017029822993-pat00001
,
Figure 112017029822993-pat00002
초음파가 유체의 진행방향에 대해 순방향(A지점에서 B지점)으로 발사되는 경우의 전파시간은 초음파가 유체의 진행방향에 대해 역방향(B지점에서 A지점)으로 발사된 경우의 전파시간에 비해서 짧으므로, 시간의 차이가 발생한다. 위 시간차를 이용하여 유체의 속도를 다음의 식과 같이 구할 수 있으며, 유체의 속도에 유로의 단면적을 곱해 유량을 산출할 수 있다.
Figure 112017029822993-pat00003
초음파 유량계는 상기한 바와 같이 초음파 전달시간 차이를 이용하여 유속을 측정하는 방법이기 때문에, 정방향과 역방향에서 시간 차이가 많이 나는 경우 신뢰성이 증대한다는 특징이 있다. 시간 차이가 많이 나기 위해서는 초음파의 전달 경로가 길어야 한다. 전달 경로가 길면 초음파가 유속의 영향을 받는 길이가 길어지므로 정역방향에서의 시간차가 더 커지기 때문이다. 또는 초음파 경로가 동일한 경우에는 유속이 빠른 것이 유리하다.
그러나 측정하고자 하는 유체의 속도, 예컨대 상수도의 속도는 임의로 조절할 수 없다. 또한 초음파 전달경로는 측정관의 길이에 의존하는 것이고, 측정관의 길이 역시 규격으로 정해져 있는 경우가 일반적이므로 초음파 전달경로도 임의로 늘릴 수 없다.
도 2는 정해진 조건 내에서 초음파 전달경로를 길게 만들기 위하여, 초음파가 측정관 내벽에서 반사된 후 상대방 초음파 진동자에 수신하게 만든 구조이다. 이른바 '반사법' 타입의 초음파 유량계이다. 도 1에 도시된 초음파 유량계와 측정원리는 동일하지만, 초음파가 한 번 반사된 후 상대편 초음파 진동자로 수신된다는 점에서만 차이가 있다. 이렇게 반사법을 사용하는 경우, 정해진 구간 내에서 초음파 경로를 길게 하여 유속 측정의 신뢰성이 향상된다. 1번 반사하는 경우도 있지만, 여러 번 반사한 후 수신되는 구조도 있다. 다만, 반사 횟수가 늘어나면 신호에 노이즈가 많이 생겨서 초음파 전달신호의 해석에 어려움이 따른다.
이상에서 설명한 바와 같이, 초음파 유량계는 초음파 전달 경로가 긴 경우에 신뢰성이 향상되기 때문에, 길이가 짧고 관경이 좁은 측정관에는 많이 적용되지 못했다. 예컨대 구경 100mm의 기계식 유량계 및 전자식 유량계 경우 측정관의 길이가 최소 250mm 정도로 규정되어 있지만, 초음파 유량계의 경우 360mm 정도로 규정되어 있다.
소규모 관경을 갖는 유로에 대해서도 초음파 유량계의 적용율을 높이기 위해서는 소규모 관경에서도 초음파 전달경로를 최대한 길게 하기 위한 초음파 유량계의 구조적 개선이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 관경이 작고 길이가 짧은 측정관에서도 초음파 전달경로를 최대한 길게 설계하여 초음파 전달시간차 방식에 의한 유속 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 구조가 개선된 음파 진동자 및 이를 이용한 초음파 유량계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 진동 센서는 초음파 유량계의 중공형 새들에 삽입설치되는 것으로서, 상기 새들의 길이방향인 제1방향을 따라 연장되게 형성되며 내부에 수용부가 형성되어 있는 센서 본체; 및 상기 센서 본체의 수용부에 설치되며, 전기신호를 인가받아 압전효과에 의하여 상기 제1방향과 교차되는 제2방향을 따라 진동하여 상기 제2방향으로 초음파를 발사하고, 유체를 통과한 초음파를 수신하여 상기 제2방향을 따라 진동하여 전기적 신호를 송출하는 초음파 진동자;를 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 초음파 진동자의 진동방향인 제2방향은 상기 제1방향에 대하여 60~120°의 범위, 바람직하게는 80~110°의 범위에서 설정되며, 특히 상기 제2방향은 상기 제1방향에 대하여 직교하는 방향인 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 본체의 외주면에는 상기 제2방향을 따라 오목하게 홈부가 형성되며, 특히 상기 홈부는 상기 제1방향을 따라 길게 장홈 형태로 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 초음파 유량계는, 유체가 흐르는 관로에 삽입설치되며, 양단에 상기 관로와의 결합을 위한 플랜지부가 형성되어 있는 측정관; 상기 측정관의 외측에 결합되는 중공형 관으로서, 상기 유체의 진행방향에 대하여 경사진 방향으로 배치되되, 하단부는 상기 플랜지부에 근접하게, 상단부는 상기 측정관의 중앙부 쪽에 배치되는 복수의 새들; 및 상기 새들에 끼워져 설치되는 것으로서, 앞에서 서술된 구성의 초음파 진동 센서;를 구비하여, 상기 유체의 진행방향을 따라 서로 이격되어 있는 2개의 초음파 진동 센서가 한 쌍을 이루어 초음파를 송신 및 수신하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 한 쌍을 이루는 상기 초음파 진동 센서가 각각 삽입되는 한 쌍의 상기 새들은 서로 평행하게 배치되어 상기 초음파 진동 센서 사이의 직선 라인을 통해 초음파가 발신 및 수신되거나, 또는 상호 교차하는 방향으로 배치되어 일측의 상기 초음파 진동 센서에서 발사한 초음파가 상기 측정관 내에서 반사된 후 타측의 상기 초음파 진동 센서에서 수신될 수 있다.
그리고 상기 새들에는 외주면과 내주면 사이를 관통하는 나사공이 형성되며, 상기 초음파 진동 센서가 상기 새들에 삽입된 상태에서, 나사가 상기 나사공에 체결됨으로써 상기 초음파 진동 센서를 고정시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 새들의 개방된 상방을 밀폐하기 위하여 상기 새들에 결합되는 덮개를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 측정관은, 상기 새들이 부착되는 중공형의 본체와, 상기 본체 양단으로부터 환형으로 돌출되게 형성되며 외주면에 오목하게 고리형 홈부가 형성되어 있는 내측플랜지와, 고리형으로 형성되어 상기 내측플랜지에 끼워지며, 상기 관로의 플랜지부와의 결합을 위한 복수의 관통공이 형성되며 내주면이 단차지게 형성되는 외측플랜지와, 상기 고리형 홈부에 삽입되어 상기 내측플랜지의 외주면과 상기 외측플랜지의 내주면 사이에 개재되어 상기 내측플랜지와 외측플랜지를 상호 결합시키는 스냅링을 구비한다.
본 발명에서는 초음파 진동 센서의 구조를 새롭게 변경하고, 이에 맞게 새들의 배치 방향도 변경함으로써, 초음파 전달경로를 최대한 길게 확보할 수 있어 관로의 길이가 짧은 유량계에서 초음파를 이용한 유속 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한 플랜지부를 내측플랜지와 외측플랜지로 분리함으로써 기존 관로의 규격 편차에도 유연하게 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 새들을 측정관에 용접할 때도 보다 용이하다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 초음파 유량계와 유속측정원리를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 2는 종래의 반사형 초음파 유량계를 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량계의 개략적 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 초음파 유량계에서 플랜지부의 결합을 설명하기 위한 개략적 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동 센서를 설명하기 위한 개략적 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B선 개략적 단면도이다.
도 7은 도 3의 A-A선 개략적 단면도이다.
도 8 및 도 9는 새들의 배열(초음파 진동 센서의 배열)에 따른 초음파 전달경로를 비교하기 위한 도면이다.
본 발명은 초음파를 이용하여 관로를 흐르는 유체의 유속 및 유량을 측정하기 위한 초음파 유량계 및 이 유량계에 사용되는 초음파 진동 센서에 관한 것이다. 특히 본 발명에서는 대규모 관로가 아니라 관 내경이 100mm 정도, 관 길이가 200mm 정도의 산업용 수도관 등 소구경 관로에 적용하도록 설계되었다. 다만, 본 발명이 소구경 관로에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 관로의 구경에 상관없이 초음파를 이용한 유량계, 수도미터 및 열량계에 모두 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동 센서 및 이를 이용한 초음파 유량계에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량계의 개략적 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 초음파 유량계에서 플랜지부의 결합을 설명하기 위한 개략적 분리 사시도이고, 도 7은 도 3의 A-A선 개략적 단면도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량계(100)는 측정관(10), 새들 및 초음파 진동 센서(90)를 구비한다.
측정관(10)은 중공형의 관으로서, 유체가 흐르는 기존의 관로(p)의 중간에 삽입되어 설치되어 관로(p)와 일체화된다. 측정관(10)은 중공형 관을 형성하는 본체(11)를 구비하며, 본체(11) 내부에 유체가 흐르는 유로는 기존 관로(p)의 내경과 일치하는 규격으로 형성된다. 본체(11)의 양단에는 기존 관로(p)와의 결합을 위한 플랜지부(12)가 환형으로 돌출되게 형성된다. 플랜지부(12)는 내측플랜지(13)와 외측플랜지(14)가 결합되는 형태로 제조된다. 내측플랜지(13)는 본체(10)와 일체로 형성되어 본체(10)의 양단 외주면으로부터 환형으로 돌출된다. 그리고 내측플랜지(13)의 외주면을 따라 오목하게 홈부(14)가 형성된다. 외측플랜지(15)도 환형으로 형성되어 내측플랜지(13)에 끼워진다. 외측플랜지(15)의 내주면에는 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이 단차지게 걸림턱(16)이 형성된다.
내측플랜지(13)와 외측플랜지(15) 사이의 결합은 스냅링(19)에 의하여 이루어진다. 스냅링(19)은 고리형으로 형성되며 내측플랜지(14)의 홈부(14)에 끼워진다. 본 실시예에서 스냅링(19)은 완전히 연결된 고리형이 아니라, 일측이 끊어져 있는 형태로 형성되며 탄성을 가진다. 따라서 홈부(14)의 길이가 스냅링(19)의 길이보다 긴 경우에도 스냅링(19)이 홈부(14)에 끼워져 들어가기 용이하다.
구체적 조립 과정을 보면, 먼저 외측플랜지(15)를 측정관 본체(10) 쪽으로 삽입해 놓은 상태에서 스냅링(19)을 홈부(14)에 장착한 후, 외측플랜지(15)를 스냅링(19)의 위쪽으로 밀어 넣는다. 스냅링(19)과 외측플랜지(15)는 억지끼움 방식으로 결합될 수 있다. 외측플랜지(15)의 걸림턱(16)은 내측플랜지(13)와 대면하므로 내측플랜지(13)를 넘어서 외측으로 이탈되지 않는다. 그리고 외측플랜지(15)는 기존 관로(p)의 플랜지부와 볼트와 너트에 의하여 결합될 때, 기존 관로(p)의 플랜지부 쪽으로 당겨지게 되어 외측플랜지(15)의 걸림턱(16)이 내측플랜지(13) 쪽으로 가압되므로 외측플랜지(15)와 내측플랜지(13)의 결합은 공고하게 이루어질 수 있다. 그리고 외측플랜지(15)에는 기존 관로(p)와의 결합을 위한 복수의 관통공(17)이 형성된다.
상기한 바와 같이 플랜지부(12)를 내측플랜지(13)와 외측플랜지(15)로 분리하여 결합하는 형태로 제조하는 이유는 기존 관로(p)의 플랜지부의 규격이 정해진 규격과 약간의 편차가 있는 경우가 있기 때문이다. 관로(p)의 관경은 대체로 일정하지만 플랜지의 규격이나 관통공의 위치에 있어서 약간의 차이가 있는 바, 기존 관로(p)의 플랜지의 규격을 조사한 후 외측플랜지(15)만을 별도로 제작하는 것이다. 즉, 측정관 본체(11)와 내측플랜지(13)는 일체로 형성하여 대량으로 제조한 후, 외측플랜지(15)만 실제 현장 상황에 맞게 조절하여 현장 조건을 만족하도록 하였다. 또한 외측플랜지(15)를 결합식으로 만든 더욱 중요한 이유는 후술할 새들의 용접작업을 용이하게 하기 위함이다. 이에 대해서는 다시 설명하기로 한다.
본 발명에서는 종래와 달리 초음파 진동 센서(90)의 구조를 새롭게 설계하였으며, 이에 맞게 새들의 배치 방향도 새롭게 바꾸었다. 자세히 설명하기로 한다.
도 8 및 도 9는 종래의 초음파 유량계에서 새들의 배열(초음파 진동 센서의 배열)에 따른 초음파 전달경로를 비교하기 위한 도면이다. 도 8은 직진형 초음파 유량계이며, 도 9는 반사형 초음파 유량계이다. 새들(s)은 유체의 진행 방향에 대하여 경사지게 배치되며, 이는 본 발명에서도 동일하다. 종래기술에서도 설명하였지만, 초음파 유량계에서 측정의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 유속(V)이 빠르고, 또한 초음파 전달경로가 길어야 한다. 유속은 정해져 있으며, 유량계의 규격(길이)도 정해져 있으므로 이들을 변경할 수는 없다. 결국 정해진 규격의 유량계에서 초음파 전달경로를 최대화해야 한다. 도 8 및 도 9를 참고하면, A 지점과 B 지점 사이에서 초음파가 전달되는 것이 정해진 유량계에서 가장 긴 전달경로를 확보할 수 있다. 즉, 초음파 발사 및 수신지점이 플랜지(f)에 최대한 근접해 있어야 한다. 그러나 종래의 초음파 진동 센서(u)는 평판형의 압전소자(e)가 센서의 선단에 배치되어 새들(s)의 길이방향을 따라 진동되는 구조이다. 따라서 진동 센서(u)가 경사지게 배치되면, 새들(s)의 상부가 플랜지(f)와 간섭이 일어날 수 밖에 없다. 이에 도 8 및 도 9에서 초음파 진동 센서의 선단면이 배치되는 지점이 A, B 지점이 될 수 없고, 플랜지(f)로부터 일정 거리 떨어져서 A', B' 지점이 될 수 밖에 없다. 결국 초음파의 전달경로는 도면에서 점선으로 표시된 것처럼 짧아질 수 밖에 없다. 유량계의 길이가 긴 경우라면 플랜지로부터 약간 이격된 지점에 진동 센서를 설치하여도 괜찮았지만, 유량계의 길이가 짧아지는 경우 문제가 되는 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 고안되었다.
먼저 초음파 진동 센서(90)의 구조에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 진동 센서를 설명하기 위한 개략적 사시도이며, 도 6은 도 5의 B-B선 개략적 단면도이다.
본 발명에서 초음파 진동 센서(90)는 대락 원통형으로 길게 형성된 센서 본체(50)를 구비한다. 센서 본체(50)의 내측에는 수용부가 형성된다. 그리고 센서 본체(50)의 선단에는 압전소자(60)가 설치되며, 전선(미도시)과 연결되어 전기적 신호를 송수신할 수 있다. 종래의 압전소자는 진동방향이 센서 본체의 길이방향과 일치하였지만, 본 발명에서 초음파 진동자(압전소자,60)의 진동방향은 센서 본체(50)와 교차되는 방향으로 설정된다. 예컨대 센서 본체(50)의 방향(새들의 길이방향)에 대하여 80~110°의 범위에서 설정되며, 본 실시예의 경우 수직하게 설정된다. 이에 초음파 진동자(60)도 종래와 비교하여 수직하게 배치된다. 따라서 종래에는 초음파가 센서 본체(50)의 선단면(51)을 통해 발사되었다면, 본 실시예에서는 센서 본체(50)의 측면(52)을 통해 발사된다. 본 실시예에서는 초음파가 수평면을 통해 전달될 수 있도록 초음파 진동자(60)의 발사면과 맞닿는 센서 본체(50) 측면(52)을 수평하게 가공한다. 그리고 초음파 진동 센서(60)의 후단에는 초음파 진동자(60)의 진동방향으로 오목하게 홈부(53)를 형성한다. 이 홈부(53)는 장홈 형태로 초음파 진동 센서(60)의 길이방향을 따라 길게 배치된다.
상기한 바와 같이 초음파 진동 센서(90)에서 초음파가 발사되는 방향이 초음파 진동 센서(90)의 길이방향과 수직하므로, 본 발명에서는 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이 새들(20)의 경사방향을 종래와는 정반대로 배치할 수 있다. 즉, 새들(20)의 하단부(21)는 플랜지부(12)에 최대한 근접하게 배치하고, 상단부(22)는 측정관(10)의 중심부쪽으로 배치시킬 수 있다. 종래와 같이 새들이 플랜지부와 간섭을 일으키지 않기 때문이다. 이렇게 되면, 도 7과 같이 초음파 진동자(60)가 플랜지부(12)에 최대한 밀착될 수 있다. 이에 정해진 유량계의 규격 내에서 초음파 전달경로를 가장 길게 형성할 수 있다. 도 8 및 도 9에서 초음파 진동자가 각각 A,B 지점에 배치된 것과 동일한 효과를 나타내는 것이다. 결국 초음파 전달경로가 길어져 유속 측정의 신뢰성이 향상되는 것은 앞에서 설명한 바와 같다.
새들(20)은 초음파 진동 센서(90)를 측정관(10)에 장착하기 위한 중공형 관 구조로 측정관 본체(11)에 용접방식으로 부착된다. 즉, 측정관 본체(11)에 구멍을 뚫고, 새들(20)이 이 구멍을 둘러싸고 결합시킨다. 다만 유량계에 따라서는 초음파 진동 센서가 유로와 연통되지 않게 측정관의 외벽에 부착되는 경우도 있으며, 이 경우에는 측정관 본체에 구멍을 형성하지 않는다. 앞에서 설명한 대로 하단부(21)는 플랜지부(12)에 근접하게 상단부(22)는 측정관(10)의 중앙부 쪽에 배치된다. 새들(20)의 경사방향이 종래와 반대로 형성되면 또 다른 장점이 발생한다. 즉, 새들(20)의 용접이 쉬워진다. 기존에는 새들을 용접할 때 플랜지부와의 간섭때문에 작업 공간이 충분하지 않았지만, 본 발명과 같이 새들의 경사방향이 반대가 되면 작업 공간 확보가 용이하다. 더욱이, 본 발명에서는 플랜지부(12)를 내측플랜지(13)와 외측플랜지(15)로 분리하여 결합하도록 하였다. 새들(20)을 용접할 때에는 외측플랜지(15)를 결합시키기 전이므로 내측플랜지(12)만 존재한다. 따라서 새들의 용접을 위한 작업 공간이 충분히 확보되어 용접이 용이하다는 이점이 있다.
한편, 새들(20)의 내측의 상단쪽은 단차지게 형성되며, 이 단차진 부분에 밀폐 및 방수를 위한 오링(25)이 개재된다. 초음파 진동 센서(90)도 상단이 단차지게 형성되어 오링(25)은 초음파 진동 센서(90)의 단차진 부분과 새들의 단차진 부분 사이에 개재된다. 그리고 오링(25) 위쪽으로는 와셔(26)가 선택적으로 개재될 수 있다. 즉, 초음파 진동 센서(90)에서 초음파 진동자(60)의 위치를 정확하게 설정하려면, 새들의 길이방향을 따라 초음파 진동 센서(90)의 삽입 깊이를 조절할 필요가 있다. 이에 본 실시예에서는 오링(25) 위에 하나 이상의 와셔(26)를 선택적으로 개재하여 초음파 진동 센서(90)의 삽입 깊이를 조절한다.
그리고 새들(60)의 상단부에는 외주면과 내주면 사이를 관통하는 나사공(23)이 형성된다. 초음파 진동 센서(90)가 새들(20)에 삽입되면 나사공(23)을 통해 나사(55)가 초음파 진동 센서(90)의 홈부(53)까지 삽입 체결된다. 나사공의 내주면에 나사산이 형성되지 않은 관통공 형태인 경우는 홈부(53)의 내주면에 나사산이 형성될 수 있다. 나사공(23)과 홈부(53)는 초음파 진동 센서(90)가 회전되지 않고 위치고정될 수 있도록 하는 역할 이외에, 초음파 진동 센서(90)를 정확하게 배치하기 위한 표식으로 기능한다. 즉, 외부에서 초음파 진동 센서(90)를 새들(20) 내부로 삽입해야 하는데 초음파 진동 센서(90)는 원통형으로 형성되므로 새들(20) 내에서 회전될 수 있다. 이에 나사공(23)과 홈부(53)가 일직선 상에 놓여서 나사(55)가 이들에 체결될 수 있으면 초음파 진동자(60)가 원하는 위치에 정확하게 배치되었다는 것을 알 수 있다.
초음파 진동 센서(90)가 새들(20)에 삽입되면 덮개(70)를 새들(20)에 결합시켜 새들(20) 내측을 밀폐한다. 덮개(20)와 새들(20) 사이에는 오링(77)이 개재되어 밀폐성을 보강한다. 본 실시예에서 덮개(70)는 외주면에 나사산이 형성되고, 새들(20)의 내주면에 암나사산이 형성되어 나사체결되지만, 다른 실시예에서는 가압형 또는 후크 등의 다양한 체결구조를 활용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 초음파 진동 센서(90)의 구조를새롭게 변경하고, 이에 맞게 새들의 배치 방향도 변경함으로써, 초음파 전달경로를 최대한 길게 확보할 수 있어 관로의 길이가 짧은 유량계에서 초음파를 이용한 유속 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한 플랜지부를 내측플랜지와 외측플랜지로 분리함으로써 기존 관로의 규격 편차에도 유연하게 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 새들을 측정관에 용접할 때도 보다 용이하다는 이점이 있다.
100: 초음파 유량계
10: 측정관, 11: 본체, 12: 플랜지부
13: 내측플랜지, 15: 외측플랜지, 19: 스냅링
20: 새들, 21: 하단부, 22: 상단부, 23: 나사공
90: 초음파 진동 센서
50: 센서 본체, 53: 홈부, 55: 나사
60: 초음파 진동자(압전센서), 70: 덮개
p: 관로

Claims (10)

  1. 초음파 유량계의 중공형 새들에 삽입설치되는 것으로서, 상기 새들의 길이방향인 제1방향을 따라 연장되게 형성되며 내부에 수용부가 형성되어 있는 센서 본체; 및
    상기 센서 본체의 수용부에 설치되며, 전기신호를 인가받아 압전효과에 의하여 상기 제1방향과 교차되는 제2방향을 따라 진동하여 상기 제2방향으로 초음파를 발사하며, 유체를 통과한 초음파를 수신하여 상기 제2방향을 따라 진동함으로써 전기적 신호를 송출하는 초음파 진동자;를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 진동자의 진동방향인 제2방향은 상기 제1방향에 대하여 60~120°의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2방향은 상기 제1방향에 대하여 직교하는 방향인 것을 특징으로 하는 초음파 진동 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 외주면에는 상기 제2방향을 따라 오목하게 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홈부는 상기 제1방향을 따라 길게 장홈 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 센서.
  6. 유체가 흐르는 관로에 삽입설치되며, 양단에 상기 관로와의 결합을 위한 플랜지부가 형성되어 있는 측정관;
    상기 측정관의 외측에 결합되는 중공형 관으로서, 상기 유체의 진행방향에 대하여 경사진 방향으로 배치되되, 하단부는 상기 플랜지부에 근접하게, 상단부는 상기 측정관의 중앙부 쪽에 배치되는 복수의 새들; 및
    상기 새들에 끼워져 설치되는 것으로서, 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 초음파 진동 센서;를 구비하여,
    상기 유체의 진행방향을 따라 서로 이격되어 있는 2개의 초음파 진동 센서가 한 쌍을 이루어 초음파를 송신 및 수신하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
  7. 제6항에 있어서,
    한 쌍을 이루는 상기 초음파 진동 센서가 각각 삽입되는 한 쌍의 상기 새들은 서로 평행하게 배치되어 상기 초음파 진동 센서 사이의 직선 라인을 통해 초음파가 발신 및 수신되거나, 또는 상호 교차하는 방향으로 배치되어 일측의 상기 초음파 진동 센서에서 발사한 초음파가 상기 측정관 내에서 반사된 후 타측의 상기 초음파 진동 센서에서 수신되는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 새들에는 외주면과 내주면 사이를 관통하는 나사공이 형성되며,
    상기 초음파 진동 센서가 상기 새들에 삽입된 상태에서, 나사가 상기 나사공에 체결됨으로써 상기 초음파 진동 센서를 고정시키는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 새들의 개방된 상방을 밀폐하기 위하여 상기 새들에 결합되는 덮개를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 측정관은,
    상기 새들이 부착되는 중공형의 본체와,
    상기 본체 양단으로부터 환형으로 돌출되게 형성되며 외주면에 오목하게 고리형 홈부가 형성되어 있는 내측플랜지와, 고리형으로 형성되어 상기 내측플랜지에 끼워지며, 상기 관로의 플랜지부와의 결합을 위한 복수의 관통공이 형성되며 내주면이 단차지게 형성되는 외측플랜지와,
    상기 고리형 홈부에 삽입되어 상기 내측플랜지의 외주면과 상기 외측플랜지의 내주면 사이에 개재되어 상기 내측플랜지와 외측플랜지를 상호 결합시키는 스냅링을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
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