KR101979877B1 - 다회선 초음파 유량계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체가 흐르는 배관의 중심부를 포함하는 중간 영역과 가장자리 영역을 서로 다른 주파수를 가지는 초음파 센서를 이용하여 유속을 측정함으로써 측정 편차를 줄일 수 있는 다회선 초음파 유량계에 관한 것으로서, 유체가 흐르는 배관의 중심부를 포함하는 제 1 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 1 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 1 주파수를 가지는 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1 초음파 센서 조합 및 상기 배관의 상기 제 1 영역 외측의 제 2 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 2 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 2 주파수를 가지는 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2 초음파 센서 조합을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 다회선 초음파 유량계에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유체가 흐르는 배관의 중심부를 포함하는 중간 영역 및 가장자리 영역을 서로 다른 주파수를 가지는 초음파 센서를 이용하여 유속을 측정함으로써 측정 편차를 줄일 수 있는 다회선 초음파 유량계에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 유량계는 초음파를 이용하여 유속을 측정하고 그로부터 유량을 계산하는 계측장치로서, 현재 가스 유동이나 액체 유동의 경우에 폭 넓게 응용되고 있는 유량계측장치이다. 이러한 초음파 유량계는 직관부분의 길이가 짧은 경우, 예를 들어 밸브나 곡관 등이 설치된 부근에서도 충분한 정확도로 유량을 측정할 수 있고, 마모되는 부품이 없어 수명이 길며, 유체 흐름에 장애가 되는 부분이 없으므로 유체 수송의 압력 손실을 야기하지 않는다는 장점을 가지고 있다. 또한, 모든 유체(기체, 액체)의 유량을 측정할 수 있으며, 대구경 관에 대해서도 저렴한 비용으로 제작 및 설치가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이러한 초음파 유량계 중에서도 다회선 초음파 유량계는 유량계수를 사용하지 않으면서 3~5개의 회선의 초음파 경로에서 측정한 초음파 경로별 유속을 이용하여 유속분포 곡선을 재생하고, 이를 측정 단면에 대해 이중 적분하여 현장별 실제 유속분포를 정확히 재생하여 유량을 측정함으로써, 배관의 요구조건이 거의 필요 없는 정밀한 유량계측장치로 알려져 있다.
그러나, 이러한 종래의 다회선 초음파 유량계는 모든 회선의 초음파 경로의 초음파 주파수가 동일한 상태에서, 배관의 가장자리 영역은 초음파 경로의 초음파 이동거리가 짧고 배관을 흐르는 유체의 유속이 배관의 중간 영역에 비해 현저히 낮은 특징을 가짐으로써, 동일한 주파수를 가지는 중간 영역 회선의 초음파 경로에 비해 가장자리 영역 회선의 초음파 경로의 측정 해상도가 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 다회선 초음파 유량계는, 등간격 면적분할 또는 가우스 적분에 의한 면적분할을 주로 사용하는데, 가우스 적분의 분할점의 수(대부분 5개까지)의 한계가 있다는 점에서 다회선 초음파 유량계가 구성할 수 있는 초음파 경로의 수도 그만큼 제약을 받으므로, 유량의 측정 정확도를 높이는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 초음파 이동거리가 짧고 유속이 낮은 배관의 가장자리 영역에는 배관의 중건 영역 보다 초음파 주파수가 높은 초음파 센서를 사용하여, 배관의 가장자리 영역의 측정 해상도를 높일 수 있다. 또한, 쳬비셰프 적분에 의한 면적분할을 사용함으로써, 분할점의 수(대부분 9개까지)가 가우스 적분에 비해 많기 때문에 그 만큼 더 많은 회선의 초음파 경로를 구성하여 유량의 측정 정확도를 더욱 정밀하게 높일 수 있는 다회선 초음파 유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 다회선 초음파 유량계가 제공된다. 상기 다회선 초음파 유량계는, 유체가 흐르는 배관의 중심부를 포함하는 제 1 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 1 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 1 주파수를 가지는 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1 초음파 센서 조합; 및 상기 배관의 상기 제 1 영역 외측의 제 2 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 2 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 2 주파수를 가지는 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2 초음파 센서 조합;을 포함할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제 1 초음파 센서 조합은, 상기 배관의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 설치되고, 상기 배관 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 1 각도로 경사진 제 1-1 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-1 초음파 센서; 및 상기 배관의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 설치되고, 상기 배관 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 2 각도로 경사진 제 1-2 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-2 초음파 센서;를 포함하고, 상기 제 2 초음파 센서 조합은, 상기 배관의 일측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 상기 제 1 각도로 경사진 제 2-1 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-1 초음파 센서; 및 상기 배관의 타측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 상기 제 2 각도로 경사진 제 2-2 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-2 초음파 센서;를 포함할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제 1 초음파 센서 조합은, 상기 배관의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 상기 제 1-1 초음파 센서와 나란하게 설치되고, 상기 제 1 각도로 경사진 제 1-3 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-3 초음파 센서; 및 상기 배관의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 상기 제 1-2 초음파 센서와 나란하게 설치되고, 상기 제 2 각도로 경사진 제 1-4 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-4 초음파 센서;를 더 포함할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제 1 각도로 경사진 상기 제 1-1 초음파 경로 및 상기 제 2-1 초음파 경로와, 상기 제 2 각도로 경사진 상기 제 1-2 초음파 경로 및 상기 제 2-2 초음파 경로는 상기 배관 내에서 엇갈리게 형성될 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제 1 초음파 센서 조합의 상기 제 1 주파수는, 상기 제 2 초음파 센서 조합의 상기 제 2 주파수 보다 낮은 초음파 주파수를 가질 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제 1 초음파 센서 조합에서 측정된 상기 배관의 상기 제 1 영역의 유속 분포 측정 값과 상기 제 2 초음파 센서 조합에서 측정된 상기 배관의 상기 제 2 영역의 유속 분포 측정 값을 이용하여, 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제어부는, 체비셰프(Chebyshev) 적분법을 이용한 [수식 1] 
에 의해 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 가중치(wi)는, 초음파 경로의 위치에 상관없이 [수식 2] 
에 의해 동일하게 계산될 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 제어부는, 상기 제 1 초음파 센서 조합 및 상기 제 2 초음파 센서 조합의 각각의 초음파 경로에 서로 다른 값을 가지는 유속분포 보정계수를 적용할 수 있다.
상기 다회선 초음파 유량계에서, 상기 유속분포 보정계수는, [수식 3] 
및 [수식 4] 
에 의해 한 개의 초음파 경로가 상기 배관에서 차지하는 면적에서 적분된 유량을 상기 면적으로 나눈 비율로 계산될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 이동거리가 짧고 유속이 낮은 배관의 가장자리 영역에는 배관의 중심부를 포함하는 중간 영역 보다 초음파 주파수가 높은 초음파 센서를 사용하여, 배관의 가장자리 영역의 측정 해상도를 높일 수 있다. 또한, 쳬비셰프 적분에 의한 면적분할을 사용함으로써, 분할점의 수(대부분 9개까지)가 가우스 적분에 비해 많기 때문에 그 만큼 더 많은 회선의 초음파 경로를 구성할 수 있다. 또한, 각 회선의 초음파 경로에 대해 유속분포 보정계수를 적용하여, 초음파 경로마다 보정되는 값이 다르게 유속분포 보정계수를 적용할 수 있다.
이에 따라, 2개 이상의 초음파 주파수로 다회선의 초음파 경로를 구성하는 방법, 쳬비셰프 적분을 이용한 면적분할에 따른 초음파 경로 배열 방법 및 각 회선의 초음파 경로 각각에 유속분포 보정계수를 적용할 수 있는 보정 방법을 이용하여, 종래의 다회선 초음파 유량계 보다 측정 해상도를 높이고 유량의 측정 정확도를 더욱 정밀하게 높일 수 있는 다회선 초음파 유량계를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다회선 초음파 유량계를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다회선 초음파 유량계를 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 4는 도 1의 다회선 초음파 유량계에서 유속분포 보정계수를 계산하기 위한 배관 내부의 적분 영역을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 다회선 초음파 유량계에서 유속분포 보정계수의 반지름 방향 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다회선 초음파 유량계를 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 4는 도 1의 다회선 초음파 유량계에서 유속분포 보정계수를 계산하기 위한 배관 내부의 적분 영역을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 다회선 초음파 유량계에서 유속분포 보정계수의 반지름 방향 분포를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다회선 초음파 유량계(100)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 다회선 초음파 유량계(100)를 개략적으로 나타내는 단면도들이다. 그리고, 도 4는 도 1의 다회선 초음파 유량계(100)에서 유속분포 보정계수를 계산하기 위한 배관(P) 내부의 적분 영역을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 1의 다회선 초음파 유량계(100)에서 유속분포 보정계수의 반지름 방향 분포를 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다회선 초음파 유량계(100)는, 크게 제 1 초음파 센서 조합(10) 및 제 2 초음파 센서 조합(20)을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 초음파 센서 조합(10)은, 유체가 흐르는 배관(P)의 중심부를 포함하는 제 1 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 배관(P)의 상기 제 1 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어 제 1 주파수를 가지는 제 1 초음파를 발진 및 수신할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제 1 초음파 센서 조합(10)은, 배관(P)의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 설치되고, 배관(P) 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 1 각도(A1)로 경사진 제 1-1 초음파 경로(R1-1)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-1 초음파 센서(11)와, 배관(P)의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 설치되고, 배관(P) 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 2 각도(A2)로 경사진 제 1-2 초음파 경로(R1-2)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-2 초음파 센서(12)와, 배관(P)의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 제 1-1 초음파 센서(11)와 나란하게 설치되고, 제 1 각도(A1)로 경사진 제 1-3 초음파 경로(R1-3)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-3 초음파 센서(13) 및 배관(P)의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 제 1-2 초음파 센서(12)와 나란하게 설치되고, 제 2 각도(A2)로 경사진 제 1-4 초음파 경로(R1-4)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-4 초음파 센서(14)를 포함할 수 있다.
또한, 2에 도시된 바와 같이, 제 2 초음파 센서 조합(20)은, 배관(P)의 상기 제 1 영역 외측의 제 2 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 배관(P)의 상기 제 2 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어 제 2 주파수를 가지는 제 2 초음파를 발진 및 수신할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제 2 초음파 센서 조합(20)은, 배관(P)의 일측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 제 1 각도(A1)로 경사진 제 2-1 초음파 경로(R2-1)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-1 초음파 센서(21) 및 배관(P)의 타측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 제 2 각도(A2)로 경사진 제 2-2 초음파 경로(R2-2)를 가질 수 있도록 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-2 초음파 센서(22)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 영역은 배관(P)의 중심부와 그 주변 영역을 포함하는 배관(P)의 중간 영역이고, 상기 제 2 영역의 배관(P)의 상기 중간 영역을 제외한 가장자리 영역일 수 있다. 또한, 제 1 각도(A1)로 경사진 제 1-1 초음파 경로(R1-1), 제 1-3 초음파 경로(R1-3) 및 제 2-1 초음파 경로(R2-1)와, 제 2 각도(A2)로 경사진 제 1-2 초음파 경로(R1-2), 제 1-4 초음파 경로(R1-4) 및 제 2-2 초음파 경로(R2-2)는 배관(P) 내에서 엇갈리게 형성될 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 다회선 초음파 유량계(100)를 수직 방향으로 절단한 절단면 기준으로 보면, 배관(P)의 상기 제 1 영역은, 제 1-3 초음파 센서(13)의 제 1-3 초음파 경로(R1-3)가 지나는 영역과, 제 1-2 초음파 센서(12)의 제 1-2 초음파 경로(R1-2)가 지나는 영역과, 제 1-1 초음파 센서(11)의 제 1-1 초음파 경로(R1-1)가 지나는 영역 및 제 1-4 초음파 센서(14)의 제 1-4 초음파 경로(R1-4)가 지나는 영역으로 나뉘어 형성될 수 있다. 또한, 배관(P) 일측의 상기 제 2 영역은, 제 2-1 초음파 센서(21)의 제 2-1 초음파 경로(R2-1)가 지나는 영역이 형성되고, 반대측 상기 제 2 영역은, 제 2-2 초음파 센서(22)의 제 2-2 초음파 경로(R-2)가 지나는 영역이 형성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 다회선 초음파 유량계(100)를 수평 방향으로 절단한 절단면 기준으로 보면, 제 1-1 초음파 센서(11)의 제 1-1 초음파 경로(R1-1)와, 제 1-3 초음파 센서(13)의 제 1-3 초음파 경로(R1-3) 및 제 2-1 초음파 센서(21)의 제 2-1 초음파 경로(R2-1)가 배관(P) 내에서 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 1 각도(A1)로 경사지게 형성되고, 제 1-2 초음파 센서(12)의 제 1-2 초음파 경로(R1-2)와, 제 1-4 초음파 센서(14)의 제 1-4 초음파 경로(R1-4) 및 제 2-2 초음파 센서(22)의 제 2-2 초음파 경로(R-2)가 제 1 각도(A1)와 반대 각도를 가지는 제 2 각도(A2)로 경사지게 형성됨으로써, 배관(P) 내에서 제 1 각도(A1)를 가지는 초음파 경로와 제 2 각도(A2)를 가지는 초음파 경로가 직교하는 방향으로 엇갈리게 형성될 수 있다. 이에 따라, 각 회선의 초음파 경로가 배관(P) 내에서 겹치는 영역이 없이 각각의 영역을 가지고 엇갈리게 형성될 수 있다.
또한, 각 초음파 센서는, 초음파 발진부와 수신수가 배관(P)을 기준으로 마주하게 형성될 수 있다. 예컨대, 제 1-1 초음파 센서(11)는, 배관(P)의 상기 제 1 영역의 상부 표면에 제 1 각도(A1)로 경사지게 형성되는 제 1-1 초음파 발진부(11a) 및 배관(P)의 상기 제 1 영역의 하부 표면에 제 1 각도(A1)로 제 1-1 초음파 발진부(11a)와 대향하도록 경사지게 형성되는 제 1-1 초음파 수신부(11b)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 나머지 초음파 센서(12, 13, 14, 21, 22)도 각각 초음파 발진부(12a, 13a, 14a, 21a, 22a) 및 초음파 수신부(12b, 13b, 14b, 21b, 22b)를 포함할 수 있다.
이때, 제 1 초음파 센서 조합(10)의 상기 제 1 주파수는, 제 2 초음파 센서 조합(20)의 상기 제 2 주파수 보다 낮은 초음파 주파수를 가질 수 있다. 더욱 구체적으로, 배관(P)의 상기 제 2 영역에 배열되는 제 2 초음파 센서 조합(20)의 제 2-1 초음파 센서(21) 및 제 2-2 초음파 센서(22)는, 각 초음파 경로(R2-1, R2-2)의 초음파 이동거리가 짧고 각 초음파 경로(R2-1, R2-2)가 지나는 영역의 유속이 낮을 수 있다. 이에 따라, 각 초음파 경로(R2-1, R2-2)가 상기 제 1 주파수 보다 높은 상기 제 2 주파수를 가짐으로써, 측정 해상도를 높여 배관(P)의 상기 제 2 영역의 유속을 정확하게 측정할 수 있다.
예컨대, 배관(P)의 상기 제 2 영역에 배열된 제 2 초음파 센서 조합(20)의 2개의 초음파 경로(R2-1, R2-2)가 높은 초음파 주파수(예를 들어 3MHz)를 가지고, 배관(P)의 상기 제 1 영역에 배열된 제 1 초음파 센서 조합(10)의 4개의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4)가 낮은 초음파 주파수(예를 들어 1MHz)를 가질 수 있다. 이에 따라,제 1 영역에 4회선 만을 가지는 종래의 다회선 초음파 유량계보다 배관(P)의 가장자리 영역인 상기 제 2 영역의 유속 측정을 추가하게 됨으로써, 더욱 정확한 유량의 측정이 가능할 수 있다. 이때, 상기 제 2 영역의 초음파 경로(R2-1, R2-2)의 주파수에 차이를 두는 이유는, 배관(P)의 상기 제 2 영역에서 형성되는 초음파 경로(R2-1, R2-2)의 길이가 배관(P)의 상기 제 1 영역에서 형성되는 다른 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4) 보다 더 짧고, 초음파 주파수가 높을수록 파장의 길이가 짧아서 길이 분해능이 향상되기 때문이다.
또한, 도시되진 않았지만 제어부(미도시)는, 제 1 초음파 센서 조합(10)의 각 초음파 센서(11, 12, 13, 14)와 제 2 초음파 센서 조합(20)의 각 초음파 센서(21, 22)와 전기적으로 연결되어, 제 1 초음파 센서 조합(10)에서 측정된 배관(P)의 상기 제 1 영역의 유속 분포 측정 값과, 제 2 초음파 센서 조합(20)에서 측정된 배관(P)의 상기 제 2 영역의 유속 분포 측정 값을 이용하여, 배관(P)을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 제어부는, 쳬비셰프(Chebyshev) 적분법을 이용한 [수식 1]에 의해 배관(P)을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출할 수 있다.
[수식 1]
R : 배관 반지름(m)
r : 반지름 방향 좌표(m)
V : 유속(m/s)
Vmax : 배관 중심축을 통과하는 유속 최대값(m/s)
p : 유속 분포를 구현하기 위한 지수(일반적으로 p=1/7)
n : 초음파 경로의 개수
i : i번째 초음파 경로
xi : 초음파 경로의 무차원화된 위치(-1에서 1사이에 정의되는 어떤 값)
wi : i번째 초음파 경로에 대응하는 가중치(0에서 1사이에 정의되는 어떤 값)
예컨대, 쳬비셰프 적분법은, [수식 1]을 적용한다는 점에서는 가우스 적분과 비슷하나, 초음파 경로의 위치에 상관없이 각 초음파 경로의 가중치(wi)가 동일한 점이 다를 수 있다. 이때, 가중치(wi)는, 초음파 경로의 위치에 상관없이 [수식 2]에 의해 동일하게 계산될 수 있다.
[수식 2]
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예들을 제공한다, 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
표 1은 [수식 1]을 적용한 가우스 적분에서 사용되는 무차원화된 위치와 그 위치에 대한 가중치 및 쳬비셰프 적분에서 사용되는 무차원화된 위치와 그 위치에 대한 가중치를 나타낸다.
| 번호 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
| 가우스 적분 (5회선) |
위치 |
-0.906180 |
-0.538469 |
0 |
0.538469 |
0.906180 |
- |
| 가중치 |
0.236927 |
0.478629 |
0.568889 |
0.478629 |
0.236927 |
- |
|
| 쳬비셰프 적분 (5회선) |
위치 |
-0.832497 |
-0.374541 |
0 |
0.374541 |
0.832497 |
- |
| 가중치 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
- |
|
| 쳬비셰프 적분 (6회선) |
위치 |
-0.866247 |
-0.422519 |
-0.266635 |
0.266635 |
0.422519 |
0.866247 |
| 가중치 |
1/3 |
1/3 |
1/3 |
1/3 |
1/3 |
1/3 |
위의 표 1과 같이, 쳬비셰프 적분법은 [수식 1]을 적용한다는 점에서는 가우스 적분법과 비슷하나, 초음파 경로의 위치에 상관없이 가중치가 동일한 점이 다르다. 쳬비셰프 적분법의 가중치는 [수식 2]에 의해 동일하게 계산될 수 있다.
표 2는 수치해석과 가우스 적분법 및 쳬비셰프 적분법의 계산값 비교 결과를 나타낸다.
| 적분 방법 |
이론 해 |
가우스 (5회선) |
쳬비셰프 (5회선) |
쳬비셰프 (6회선) |
| 적분값 |
1.75 |
1.763973 |
1.767905 |
1.754292 |
| 등간격 유효 개수 |
- |
10 |
8 |
24 |
| 수치해석 값 |
- |
1.761110 |
1.764209 |
1.754177 |
위의 표 2와 같이, 제시된 이론 해는 1.75로 p=1/7 일때 정확하게 계산될 수 있다. 가우스 적분법과 쳬비셰프 적분법은 근사값을 내는데, 초음파 경로가 5개일 때 가우스 적분이 쳬비셰프 적분법 보다 이론 해에 더 가까울 수 있다. 그러나, 쳬비셰프 적분에서 사용되는 초음파 경로의 개수를 6개로 늘리면, 가우스 적분(5회선) 보다 더 이론 해에 가까운 값을 계산할 수 있다. 또한, 가우스 적분법과 쳬비셰프 적분법이라는 적분 방법보다는 초음파 경로의 개수가 적분값에 더 큰 영향을 끼치고 있다.
이것을 등간격 면적분할로 환산하면, 표 2에 나타난 바와 같이, 유효한 등간격 분할 개수가 각각 10개(가우스 5회선), 8개(쳬비셰프 5회선), 24개(쳬비셰프 6회선)와 같다. 이와 같이, 등간격 분할 개수가 많을수록 수치해석 값이 이론 해에 더 가까우므로, 적분 방법보다는 초음파 경로의 개수가 측정 정확도에 더 큰 영향을 끼친다고 할 수 있다.
따라서, 종래의 다회선 초음파 유량계가 4회선의 초음파 경로를 가지고 있으므로, 6회선의 초음파 경로를 가지는 본 발명의 다회선 초음파 유량계(100)가 더욱 정확하게 배관(P)을 흐르는 상기 유체의 유량을 측정할 수 있을 것으로 분석된다.
또한, 상기 제어부는, 제 1 초음파 센서 조합(10) 및 제 2 초음파 센서 조합(20)의 각각의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)에 서로 다른 값을 가지는 유속분포 보정계수를 적용할 수 있다. 이때, 상기 유속분포 보정계수는, [수식 3] 및 [수식 4]에 의해 한 개의 초음파 경로가 배관(P)에서 차지하는 면적에서 적분된 유량을 상기 면적으로 나눈 비율로 계산될 수 있다.
[수식 3]
[수식 4]
θ1, θ2 : 초음파 경로와 배관 표면이 교차하는 지점을 배관의 중심점과 연결한 직선이 수평선과 이루는 각도(rad)
더욱 구체적으로, 종래의 다회선 초음파 유량계는, 모든 초음파 경로에 동일한 값을 가진 유속분포 보정계수를 적용한다면, 본 발명의 다회선 초음파 유량계(100)는, 각각의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)에서 서로 다른 값을 가진 상기 유속분포 보정계수를 적용할 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유속분포 보정계수는, 빗금친 면적(한 개의 초음파 경로가 차지하는 면적)에서 적분된 유량을 상기 빗금친 면적으로 나눈 비율로 정의될 수 있다.
상기 빗금친 면적은 한 개의 초음파 경로가 차지하는 면적이므로, 모든 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)에 대한 면적을 합한다고 해서 배관(P) 전체의 단면적이 되지는 않는다. 여기서 정의된 상기 유속분포 보정계수가 각 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)의 크기를 고려하므로 기존 방법보다 더 실제에 가깝게 유속을 보정할 수 있다.
예컨대, 초음파 경로의 면적이 무한히 가늘다고 가정한 다음, 상기 유속분포 보정계수를 반지름 방향 좌표의 함수로 나타내면 도 5와 같다. 도 5는, 다회선 초음파 유량계(100)의 상류측 방향으로 직관부 길이가 충분히 확보되어 있다고 가정할 때, 레이놀즈 수(유속과 점도, 배관 직경에 대한 무차원 수)에 따라 상기 유속분포 보정계수가 달라지는 것을 알 수 있다. [수식 1]에 나타낸 유속분포 대신에 특정한 형태의 유속분포 함수를 가지고 동일한 작업을 반복하면 특정한 유량계 설치 조건에 적용 가능한 상기 유속분포 보정계수를 얻을 수 있다.
상기 유속분포 보정계수를 고려한 유량 측정 알고리즘은 다음과 같을 수 있다.
먼저, 상기 제어부에, 유체 물성, 배관(P) 직경 및 직관부 길이와 같은 측정환경을 입력하고, 초음파 센서의 주파수, 직경 및 위치와 같은 센서 파라미터를 입력한다. 이어서, 온도, 압력에 따른 밀도, 점도 및 음속 계산을 위해 배관(P)의 내부 온도 및 압력을 측정하고, 초음파 도달시간 차이에 따른 유속 계산을 위해 초음파 도달시간을 측정한다.
이어서, 상기 유속분포 보정계수를 계산하고, 각 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)의 유속 보정 및 레이놀즈 수를 계산한다. 이때, 상기 유속분포 보정계수가 수렴할 때까지 반복해서 계산할 수 있다. 이어서, 최종적으로 상기 유속분포 보정계수가 수렴되면 유속 적분 및 유량 계산을 실시한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다회선 초음파 유량계(100)에 따르면, 초음파 이동거리가 짧고 유속이 낮은 배관(P)의 상기 가장자리 영역에는 배관(P)의 중심부를 포함하는 중간 영역 보다 초음파 주파수가 높은 초음파 센서를 사용하여, 배관(P)의 상기 가장자리 영역의 측정 해상도를 높일 수 있다.
또한, 쳬비셰프 적분에 의한 면적분할을 사용함으로써, 분할점의 수가 가우스 적분에 비해 많기 때문에 그 만큼 더 많은 회선의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)를 구성할 수 있다. 또한, 각 회선의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)에 대해 상기 유속분포 보정계수를 적용하여, 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)마다 보정되는 값이 다르게 상기 유속분포 보정계수를 적용할 수 있다.
그러므로, 2개 이상의 초음파 주파수로 다회선의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2)를 구성하는 방법, 쳬비셰프 적분을 이용한 면적분할에 따른 초음파 경로 배열 방법 및 각 회선의 초음파 경로(R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2) 각각에 상기 유속분포 보정계수를 적용할 수 있는 보정 방법을 이용하여, 종래의 다회선 초음파 유량계 보다 측정 해상도를 높이고 유량의 측정 정확도를 더욱 정밀하게 높일 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제 1 초음파 센서 조합
20: 제 2 초음파 센서 조합
R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2: 초음파 경로
P: 배관
100: 다회선 초음파 유량계
20: 제 2 초음파 센서 조합
R1-1, R1-2, R1-3, R1-4, R2-1, R2-2: 초음파 경로
P: 배관
100: 다회선 초음파 유량계
Claims (10)
- 유체가 흐르는 배관의 중심부를 포함하는 제 1 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 1 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 1 주파수를 가지는 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1 초음파 센서 조합; 및
상기 배관의 상기 제 1 영역 외측의 제 2 영역에 적어도 하나 이상의 초음파 경로를 형성하여 상기 배관의 상기 제 2 영역의 유속을 측정할 수 있도록, 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어 제 2 주파수를 가지는 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2 초음파 센서 조합;을 포함하고,
상기 제 1 초음파 센서 조합은,
상기 배관의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 설치되고, 상기 배관 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 1 각도로 경사진 제 1-1 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-1 초음파 센서; 및
상기 배관의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 설치되고, 상기 배관 내의 상기 유체가 흐르는 방향을 기준으로 제 2 각도로 경사진 제 1-2 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-2 초음파 센서;를 포함하고,
상기 제 2 초음파 센서 조합은,
상기 배관의 일측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 상기 제 1 각도로 경사진 제 2-1 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-1 초음파 센서; 및
상기 배관의 타측의 상기 제 2 영역에 설치되고, 상기 제 2 각도로 경사진 제 2-2 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 2 초음파를 발진 및 수신하는 제 2-2 초음파 센서;를 포함하고,
상기 제 1영역 보다 초음파의 이동거리가 짧고 유속이 낮은 상기 제 2 영역의 상기 제 2-1 초음파 경로 및 상기 제 2-2 초음파 경로의 측정 해상도를 높일 수 있도록, 상기 제 1 초음파 센서 조합의 상기 제 1 주파수는, 상기 제 2 초음파 센서 조합의 상기 제 2 주파수 보다 낮은 초음파 주파수를 가지는, 다회선 초음파 유량계. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 초음파 센서 조합은,
상기 배관의 상기 제 1 영역의 타측으로 치우치게 상기 제 1-1 초음파 센서와 나란하게 설치되고, 상기 제 1 각도로 경사진 제 1-3 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-3 초음파 센서; 및
상기 배관의 상기 제 1 영역의 일측으로 치우치게 상기 제 1-2 초음파 센서와 나란하게 설치되고, 상기 제 2 각도로 경사진 제 1-4 초음파 경로를 가질 수 있도록 상기 배관을 기준으로 마주하게 형성되어, 상기 제 1 초음파를 발진 및 수신하는 제 1-4 초음파 센서;
를 더 포함하는, 다회선 초음파 유량계. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 각도로 경사진 상기 제 1-1 초음파 경로 및 상기 제 2-1 초음파 경로와, 상기 제 2 각도로 경사진 상기 제 1-2 초음파 경로 및 상기 제 2-2 초음파 경로는 상기 배관 내에서 엇갈리게 형성되는, 다회선 초음파 유량계. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 초음파 센서 조합에서 측정된 상기 배관의 상기 제 1 영역의 유속 분포 측정 값과 상기 제 2 초음파 센서 조합에서 측정된 상기 배관의 상기 제 2 영역의 유속 분포 측정 값을 이용하여, 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출하는 제어부;
를 더 포함하는, 다회선 초음파 유량계. - 제 6 항에 있어서,
상기 제어부는,
체비셰프(Chebyshev) 적분법을 이용한 [수식 1]에 의해 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 산출하는, 다회선 초음파 유량계.
[수식 1]
R : 배관 반지름(m)
r : 반지름 방향 좌표(m)
V : 유속(m/s)
Vmax : 배관 중심축을 통과하는 유속 최대값(m/s)
p : 유속 분포를 구현하기 위한 지수(일반적으로 p=1/7)
n : 초음파 경로의 개수
i : i번째 초음파 경로
xi : 초음파 경로의 무차원화된 위치(-1에서 1사이에 정의되는 어떤 값)
wi : i번째 초음파 경로에 대응하는 가중치(0에서 1사이에 정의되는 어떤 값) - 제 7 항에 있어서,
상기 가중치(wi)는,
초음파 경로의 위치에 상관없이 [수식 2]에 의해 동일하게 계산되는, 다회선 초음파 유량계.
[수식 2]
- 제 7 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제 1 초음파 센서 조합 및 상기 제 2 초음파 센서 조합의 각각의 초음파 경로에 서로 다른 값을 가지는 유속분포 보정계수를 적용하는, 다회선 초음파 유량계. - 제 9 항에 있어서,
상기 유속분포 보정계수는,
[수식 3] 및 [수식 4]에 의해 한 개의 초음파 경로가 상기 배관에서 차지하는 면적에서 적분된 유량을 상기 면적으로 나눈 비율로 계산되는, 다회선 초음파 유량계.
[수식 3]
[수식 4]
θ1, θ2 : 초음파 경로와 배관 표면이 교차하는 지점을 배관의 중심점과 연결한 직선이 수평선과 이루는 각도(rad)
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