KR101983817B1 - 초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용하여 배관 내의 수위를 감시하는 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 탐촉자 및 상기 초음파 탐촉자와 연결되어 있으며 상기 배관에 연결되는 지연 부재를 포함하는 초음파 모듈, 그리고 상기 초음파 모듈로부터 상기 초음파 에코 신호를 받아 분석하여 상기 초음파 에코 신호로부터 복수의 피크 값을 검출하고, 상기 배관에 대한 온도 및 초음파 속도의 제1 상관관계와 상기 배관 내의 액체에 대한 온도 및 초음파 속도의 제2 상관관계를 기억하며, 상기 배관에 의하여 반사된 피크와 관련된 제1 경로 시간과 상기 배관 두께에 기초하여 상기 배관에서의 초음파 속도를 계산하고, 상기 배관에서의 초음파 속도와 상기 제1 상관관계에 의하여 상기 배관의 온도를 추정하고, 상기 추정된 온도 및 상기 제2 상관관계에 따라 상기 액체에서의 초음파 속도를 도출하며, 상기 액체 수위면에 의하여 반사된 피크와 관련된 제3 경로 시간 및 상기 액체에서의 초음파 속도에 기초하여 상기 수위면을 계산하는 제어부를 포함한다.

Description

초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법{APPARATUS FOR MONITORING WATER LEVEL USING ULTRASONIC WAVE AND METHOD FOR CALCULATING WATER LEVEL CONSIDERING TEMPERATURE THEREOF}
본 발명은 초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상온을 포함하여 고온에서도 작동하는 배관 및 용기 내의 수위를 상시적으로 감시할 수 있는 장치 및 그 장치의 온도를 고려한 수위 계산 방법에 관한 것이다.
냉각수, 오일, 화학 물질 등을 처리하는 프로세스에서 액체를 사용하는 계통 내부에는 기체가 유입되어서는 안 된다. 만일 계통 내부에 기체가 유입되어 축적되면 유입된 기체에 의하여 펌프 임펠러가 손상되거나, 배관 수격 현상에 의한 압력파로 인하여 배관 지지대 건전성에 위협을 줄 수 있다. 또한 이 경우 계통에서 요구하는 설계 유량, 주입 시간 등을 만족하지 못할 수 있다. 따라서 배관 내 기체가 축적될 수 있는 위치에 측정 장비를 설치해두고 수위를 감시할 필요가 있다.
기존 배관 수위를 측정할 수 있는 장치로서 주로 차압식 레벨 트랜스미터, 전자 감지식 장치 등이 있는데, 해당 계측기는 배관에 연결 포트를 설치해야 하는 등 배관 설비의 물리적인 변경이 필요하며 고온 환경에 적용하기 힘든 단점이 있다. 고온 배관의 경우 초음파 탐상기를 휴대하여 수 초에서 수 분간 일시적인 측정을 할 수 있으나, 탐촉자의 냉각을 위한 시간이 필요하므로 배관에 연결하여 상시로 사용하기에는 제한이 있으며, 내부 구조의 복잡성과 고소 지점에 위치한 배관으로 인하여 접근성이 어렵다는 제한 사항이 있다. 또한 기존 초음파 적용 기술은 대부분 결함 검출이나 배관 두께 측정과 같은 기술에 적용되어 와서 배관 내의 수위를 측정하는 데 어려움이 있을 뿐만 아니라 초음파 특성으로 인하여 정확한 수위 측정도 어렵다.
특허등록 10-1841806
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상온뿐만 아니라 고온에서 상시로 배관 내의 수위를 정확하게 측정할 수 있는 초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른, 초음파를 이용하여 배관 내의 수위를 감시하는 장치는, 초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 탐촉자 및 상기 초음파 탐촉자와 연결되어 있으며 상기 배관에 연결되는 지연 부재를 포함하는 초음파 모듈, 그리고 상기 초음파 모듈로부터 상기 초음파 에코 신호를 받아 분석하여 상기 초음파 에코 신호로부터 복수의 피크 값을 검출하고, 상기 배관에 대한 온도 및 초음파 속도의 제1 상관관계와 상기 배관 내의 액체에 대한 온도 및 초음파 속도의 제2 상관관계를 기억하며, 상기 배관에 의하여 반사된 피크와 관련된 제1 경로 시간과 상기 배관 두께에 기초하여 상기 배관에서의 초음파 속도를 계산하고, 상기 배관에서의 초음파 속도와 상기 제1 상관관계에 의하여 상기 배관의 온도를 추정하고, 상기 추정된 온도 및 상기 제2 상관관계에 따라 상기 액체에서의 초음파 속도를 도출하며, 상기 액체 수위면에 의하여 반사된 피크와 관련된 제3 경로 시간 및 상기 액체에서의 초음파 속도에 기초하여 상기 수위면을 계산하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 탐촉자 및 상기 초음파 탐촉자와 배관 사이에 연결되는 지연 부재를 포함하는 장치의 수위 계산 방법은, 상기 초음파 펄스를 송신하는 단계, 상기 초음파 펄스에 의하여 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 단계, 상기 초음파 에코 신호를 분석하여 상기 초음파 에코 신호로부터 복수의 피크 값을 검출하는 단계, 상기 배관에 대한 온도 및 초음파 속도의 제1 상관관계와 상기 배관 내의 액체에 대한 온도 및 초음파 속도의 제2 상관관계를 기억하는 단계, 상기 배관에 의하여 반사된 피크와 관련된 제1 경로 시간과 상기 배관 두께에 기초하여 상기 배관에서의 초음파 속도를 계산하고, 상기 배관에서의 초음파 속도와 상기 제1 상관관계에 의하여 상기 배관의 온도를 추정하는 단계, 상기 추정된 온도 및 상기 제2 상관관계에 따라 상기 액체에서의 초음파 속도를 도출하며, 상기 액체 수위면에 의하여 반사된 피크와 관련된 제3 경로 시간 및 상기 액체에서의 초음파 속도에 기초하여 상기 수위면을 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치에 의하면 상온뿐만 아니라 고온에서도 상시적으로 배관 내의 수위를 감시하고 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치에 의하면 상시적으로 장시간 배관 내의 수위를 감시할 수 있으므로 수위 데이터를 축적할 수 있으며 지속적으로 축적된 수위 이력 데이터를 이용하여 근본적인 기체의 축적 원인을 추적 및 분석할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 클램프에 의하면 배관 계통의 용접, 절단, 천공 등의 물리적인 변경 없이 클램프를 배관에 간단하고 신속하게 설치할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 클램프에 의하면 초음파 탐촉자를 배관 내의 수위면에 수직으로 배치할 수 있으므로 더욱 정확하게 수위를 측정할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 장치 및 온도를 고려한 수위 계산 방법에 의하면 온도 센서가 없더라도 온도를 추정함으로써 온도 변화에 따른 수위 계산을 정확하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수위 감시 및 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 초음파 모듈의 결합 사시도이다.
도 4는 피검체 배관 하부에 배치된 초음파 탐촉자의 위치에 따른 초음파 신호의 반사 경로를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3에 도시한 초음파 모듈을 배관에 장착하기 위한 클램프를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 6은 도 3에 도시한 초음파 모듈을 배관에 장착하기 위한 클램프를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 클램프 하부에 위치한 초음파 모듈 홀더의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 클램프 하부에 위치한 초음파 모듈 홀더의 배면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 클램프 하부에 위치한 초음파 모듈 홀더의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치가 측정한 초음파 신호를 도시한 그래프이다.
도 12는 특정 재질의 매질 내에서 온도에 따른 초음파의 속도를 측정한 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치의 블록도이다. 도 1에 도시한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치(100, 이하, ‘초음파 감시 및 제어 장치’라 함)는 초음파 펄서(110), 멀티플렉서(120), 제어부(130), 구동부(140), 적어도 하나의 초음파 모듈(150), 그리고 표시부(160)를 포함한다.
초음파 펄서(110)는 다중 채널 초음파 펄스를 생성하여 멀티플렉서(120)에 전송한다. 멀티플렉서(120)는 초음파 펄스를 초음파 모듈(150)에 전송하고 초음파 모듈(150)로부터 초음파 에코 신호를 수신하여 제어부(130)에 전달한다.
초음파 모듈(150)은 배관 하부 외측에 설치되며, 초음파 송신기(transmitter) 및 수신기(receiver)를 가지는 초음파 탐촉자를 포함한다. 초음파 탐촉자는 종파형 탐촉자로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않으며 횡파형 탐촉자일 수도 있다. 또한 초음파 탐촉자는 고온에서 작동되는 배관에서 사용되지만 반드시 고온용일 필요는 없으며 상온용이더라도 무방하다.
초음파 모듈(150)이 배관 여러 곳의 수위를 측정하기 위하여 복수 개가 구비되는 경우 멀티플렉서(120)를 통하여 필요한 신호가 제어부(130)에 전달된다. 다만 초음파 모듈(150)이 하나만 구비되는 경우 멀티플렉서(120)는 생략될 수 있다.
제어부(130)는 초음파 탐촉자에서 송신된 초음파가 초음파 모듈(150), 배관, 배관 내부 액체 수면 등에서 반사되어 생성된 에코 신호를 초음파 탐촉자를 통하여 입력받아 시간차 측정법을 적용하여 배관 내 수위를 계산하는데, 수위 계산을 위하여 배관 재질, 크기, 두께 및 온도 등과 관련된 정보를 가지고 있다. 또한 제어부(130)는 배관 두께에서 발생하는 초음파 신호의 피크 변화를 감지하여 온도를 환산함으로써 배관에 온도 센서가 구비되어 있지 않더라도 온도에 따른 초음파 속도를 보상하여 배관 수위를 계산할 수 있다.
제어부(130)는 계산된 배관 내 수위를 표시부(160)를 통하여 표시한다. 표시부(160)는 수위가 수치로 표시되는 표시 장치로 구비될 수 있으며, 이 외에도 작업자가 수위를 쉽게 알 수 있도록 배관 주위에 LED 등으로 수위를 표시할 수 있도록 구비될 수도 있다.
구동부(140)는 배관에 구비되어 있는 배기 밸브를 개폐할 수 있는 솔레노이드 등으로 구비될 수 있으며, 제어부(130)의 지시에 따라 수위가 기준치보다 낮게 되면 배기 밸브를 열어 배관 내부의 기체를 배관 밖으로 내보내게 한다.
그러면 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모듈의 구조에 대하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 초음파 모듈의 결합 사시도이다.
초음파 모듈(290)은 초음파 탐촉자(291), 제1 커플런트 코팅(293), 지연 부재(295), 제2 커플런트 코팅(297), 고정 캡(299)을 포함한다.
초음파 탐촉자(291)는 앞서 설명한 것처럼 고온용일 수도 있고 일반적으로 사용하는 상온용일 수도 있다. 초음파 탐촉자(291)는 커넥터(292)에 연결되는 고온 및 내방사성 케이블을 통하여 멀티플렉서(120)와 신호를 주고받는다.
지연 부재(295)는 고온 배관으로부터 초음파 탐촉자(291)로의 열전달을 효과적으로 억제하고 초음파의 전파 시간을 지연시키기 위한 것으로서, 열전도가 낮고 배관 재질과의 임피던스 매칭을 고려한 금속 재질이나 폴리이미드 등으로 이루어질 수 있다. 또한 지연 부재(295)는 냉각 효과를 증대시키기 위해 나사선 구조로 이루어질 수 있으며, 배관의 온도 범위에 따라 지연 부재(295)의 길이, 재질, 나사선 형태 등이 결정될 수 있다.
제1 및 제2 커플런트 코팅(293, 297)은 각각 초음파 탐촉자(291)와 지연 부재(295) 사이 및 지연 부재(295)와 배관 사이에 배치되어 접촉면에서의 초음파의 송수신 감도를 유지하여 초음파의 효과적인 전달을 위한 것으로, 재질의 변형이 일어나지 않고 비휘발성인 금박 등 연금속으로 이루어질 수 있으며, 고온에서 사용 가능한 것이 좋다. 제2 커플런트 코팅(297)은 지연 부재(295)에 접착제로 접착되며, 배관 표면 사이에서 초음파 출력 경계를 형성한다. 제1 커플런트 코팅(293)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
고정 캡(299)은 내부에 나사산이 구비되어 있고, 초음파 탐촉자(291) 외부에 구비되어 있는 나사산에 회전 결합함으로써 초음파 탐촉자(291), 제1 커플런트 코팅(293) 및 지연 부재(295)가 체결되거나 분리될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 모듈(290)은 배관 하부에 배치되어 배관 내부 수위를 측정한다. 만일 상부에 초음파 탐촉자(291)가 위치하게 되면 배관 내의 기체층을 초음파가 투과하지 못하여 수위를 측정할 수 없다.
배관 하부에서 수위를 측정할 때, 초음파 탐촉자(291)의 송신기에서 발생되는 초음파 펄스는 지연 부재(295), 배관, 배관과 액체 경계면, 액체를 순차적으로 지나고 액체 및 기체 경계면에서 반사되어 초음파 에코 신호는 다시 액체, 액체 및 배관 경계면, 배관, 지연 부재(295)를 지나 초음파 탐촉자(291)의 수신기로 전달된다.
이러한 과정에서 지연 부재(295), 배관, 액체, 기체에서의 임피던스 차이로 인하여 초음파 펄스의 투과 및 반사되는 에너지가 결정된다. 이론적으로 초음파 탐촉자(291)의 송신기에서 발생하는 에너지를 100이라고 할 때, 최종적으로 초음파 탐촉자(291)의 수신기에 도달하는 에너지는 1 정도로 매우 작다. 따라서 초음파 탐촉자(291)와 배관 사이에서의 임피던스 매칭, 초음파 탐촉자(291)의 초음파 중심주파수 및 대역폭, 초음파 펄서(110)에서의 펄스 모드(Pulse Mode), 펄스 폭(Pulse Width), 펄스 에너지(Pulse Energy), 댐핑(Damping), 하이 패스 필터(High Pass Filter), 로우 패스 필터(Low Pass Filter), 수신기 감쇠(Receiver Attenuation) 등의 설정값을 최적화하는 것이 중요하며, 이를 통하여 미세 초음파 에코 신호를 검출할 수 있다.
한편 초음파 탐촉자(291)가 배관 하부에 배치되더라도 보다 정확한 수위 측정을 위하여 정확한 위치에 배치되는 것이 중요하다.
도 4는 피검체 배관 하부에 배치된 초음파 탐촉자의 위치에 따른 초음파 신호의 반사 경로 차이를 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 단면으로 표시되어 있는 배관(1) 하부의 3곳(PA, PB, PC)에 초음파 탐촉자가 위치하는 경우 초음파 신호가 송수신될 때, PA 및 PC 위치에서는 초음파 신호가 배관(1) 내부의 액체 영역과 기체 영역의 경계면과 수직을 이루지 않아서 초음파 에코 신호가 초음파 탐촉자로 되돌아가지 않게 된다. 이와 달리 PB 위치에서는 초음파 탐촉자의 초음파 전파 방향과 경계면이 수직을 이루므로 초음파 에코 신호가 초음파 탐촉자로 되돌아가게 된다.
결국 정확한 수위 측정을 위하여 배관의 수위면과 초음파 탐촉자가 수직을 이루도록 초음파 탐촉자를 배치할 필요가 있으며, 따라서 초음파 탐촉자를 배관 하부 가장 아래 부위에 배치할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 클램프는 초음파 탐촉자가 포함되어 있는 초음파 모듈을 배관 하부에 배치하여 초음파 탐촉자로부터의 초음파 전파가 배관 수위면과 수직을 이루도록 한다.
도 5는 도 3에 도시한 초음파 모듈을 배관에 장착하기 위한 클램프를 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 6은 도 3에 도시한 초음파 모듈을 배관에 장착하기 위한 클램프를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6에 도시한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 클램프(200)는 초음파 모듈(290)을 배관(1)에 밀착시켜 고정하기 위한 것으로서, 반원형의 상하 두 개의 몸체(210), 회전 부재(220), 복수의 표시등(230), 연결 부재(240), 수평계(250), 초음파 모듈 홀더(260), 그리고 적어도 3쌍의 지지대(270) 및 댐퍼(280)를 포함한다. 배관(1)에는 배기 밸브(13)가 구비되어 있어 배관(1) 내의 기체를 바깥으로 내보낼 수 있다.
두 개의 몸체(210)는 회전 부재(220)를 중심으로 회전 가능하도록 연결되어 있으며, 연결 부재(240)에 의하여 결합될 수 있다. 연결 부재(240)는 현장 설치의 편리성을 고려하여 퀵 링크 또는 스냅 후크 방식 등의 커넥터를 구비할 수 있다. 두 몸체(210)가 결합되어 있으면 클램프(200)는 원형을 이루게 된다.
적어도 세 개의 지지대(270)는 클램프(200) 및 초음파 모듈(290)을 배관(1)에 고정시킨다. 각각의 지지대(270) 끝에는 배관(1)의 표면 손상을 방지하고 지지대(270)의 미끄러짐을 방지하고 둘 사이의 고정력을 향상시키며, 클램프(200)에 전달되는 열을 감소시키기 위해 댐퍼(280)가 위치한다.
두 개의 몸체(210)를 벌려 배관(1)을 감싼 후 두 개의 몸체(210)를 오므려 연결 부재(240)를 고정하고, 배관(1) 크기에 따라 지지대(270)의 길이를 조절하여 고정시킴으로써 클램프(200)를 배관(1)에 연결시킬 수 있다. 따라서 배관(1) 계통에서의 용접, 절단, 천공 등의 물리적인 변경 없이 클램프(200)를 배관(1)에 간단하고 신속하게 설치할 수 있다.
표시등(230)은 LED 램프로 이루어질 수 있다. 제어부(130)는 배관 온도, 배관 경사도, 배관 두께, 지연 부재(295)의 길이 등을 고려하여 초음파 에코 신호를 분석하여 배관(1) 내의 수위를 계산하고, 해당 수위에 대응하도록 표시등(230)을 점등한다. 즉 제어부(130)는 상단부터 실제 배관(1) 내의 수위에 대응하는 위치까지의 표시등(230)이 점등되도록 한다. 따라서 작업자가 현장에서 육안으로 클램프(200)의 표시등(230)을 보는 것만으로도 배관(1) 내의 수위를 손쉽게 확인할 수 있다.
수평계(250)는 상부 몸체(230)의 상단에 배치되어 있으며, 이를 통하여 클램프(200)가 수평하게 설치되는지 확인할 수 있다.
초음파 모듈 홀더(260)는 하부 몸체(230)의 하단에 배치되어 있으며, 초음파 모듈(290)이 배관(1)의 가장 하부에서 배관(1)에 밀착하고, 배관(1) 내의 수면에 대하여 수직으로 배치될 수 있도록 초음파 모듈(290)을 지지한다.
수평계(250)는 클램프(200)의 수평만 확인할 수 있으면 되므로 반드시 클램프(200) 상단에 배치될 필요는 없으나, 초음파 모듈 홀더(260)는 초음파 전파 특성 상 클램프(200) 하단에 배치될 필요가 있다.
그러면 도 7 내지 도 9를 참조하여 초음파 모듈 홀더(260)에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다. 도 7 내지 도 9는 각각 본 발명의 실시예에 따른 클램프 하부에 위치한 초음파 모듈 홀더의 정면도, 배면도 및 측면도이다. 도 7 내지 도 9에 도시한 배관(1), 몸체(210) 및 초음파 모듈 홀더(260)는 곡률, 크기 및 모양이 앞선 실시예에서의 도 5 및 도 6에 도시한 그것과 차이가 있으나 그 기능은 실질적으로 동일하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 도면 부호를 사용하였다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 모듈 홀더(260)는 원주 방향의 관통홀 형태로 몸체(210) 하단에 형성되어 있는 레일(261)에 너트 및 볼트와 같은 체결 부재(267)로 결합된다. 체결 부재(267)를 느슨하게 하여 초음파 모듈 홀더(260)를 레일(261) 상에서 좌우로 이동시켜 초음파 모듈 홀더(260)의 배치 각도를 미세하게 조절할 수 있다.
초음파 모듈 홀더(260)는 중앙 부위에 홀이 구비되어 있어 홀 안으로 초음파 모듈(290)을 넣을 수 있다. 또한 초음파 모듈 홀더(260) 홀 안에 스프링(265)이 구비되어 있으며, 초음파 모듈(290)이 초음파 모듈 홀더(260) 홀 안에 격납되어 있으면 스프링(265)이 상방향으로 일정한 압력을 가하게 되어 초음파 모듈(290)이 배관(1)에 밀착되도록 한다.
레일(261) 아래쪽에는 눈금(213)이 표시되어 있고, 초음파 모듈 홀더(260)의 배면에는 눈금 지시자(263)가 구비되어 있어 초음파 모듈 홀더(260)가 레일(261) 상에서 이동할 때 그 이동량을 파악하면서 초음파 모듈 홀더(260)를 미세하게 조정할 수 있다.
다음은 작업자가 초음파 모듈(290)을 배관(1) 하부 중심선에 위치시켜 초음파 모듈(290)의 길이 방향을 배관(1) 내의 수면과 수직으로 맞추기 위한 방법이다. 우선 초음파 모듈(290)을 초음파 모듈 홀더(260)에 격납한 채로 수평계(250)를 보면서 클램프(200)가 대략적으로 수평을 이루게 클램프(200)를 배관(1)에 장착한다. 그 후 초음파 모듈(290)을 통하여 시험 초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 받아 측정 장비를 통하여 파형을 보면서 초음파 모듈 홀더(260)의 위치를 미세하게 조정한다. 초음파 에코 신호 파형 중에서 배관(1) 내의 수면에 반사된 파형 부분의 피크값이 가장 크게 될 때가 초음파 모듈(290)과 배관(1) 내 수면이 수직이 될 때이다. 따라서 해당 피크값이 가장 큰 위치에 초음파 모듈 홀더(290)를 고정시키면 된다.
그러면 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 방법에 대하여 도 10 내지 도 12를 참고하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 방법을 도시한 흐름도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 장치가 측정한 초음파 신호를 도시한 그래프이며, 도 12는 특정 재질의 매질 내에서 온도에 따른 초음파의 속도를 측정한 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 수위 감시 및 제어 방법은 앞서 설명한 수위 감시 및 제어 장치(100)에 의하여 실행되므로 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다.
먼저 수위 감시 및 제어 장치(100)는 초음파 탐촉자(291)에서 초음파 펄스를 송신하고(S110), 초음파 탐촉자(291)와 지연 부재(295) 사이의 접촉면, 지연 부재(295)와 배관(1) 사이의 접촉면, 배관(1) 내부의 액체와 기체 경계면 등에서 반사되어 되돌아온 초음파 에코 신호를 수신한다(S120).
그런 후 수위 감시 및 제어 장치(100)는 수신된 초음파 에코 신호의 파형을 분석한다(S130).
도 11을 참고하면, 게이트 1, 게이트 2 및 게이트 3은 각각 지연 부재(295)의 두께, 배관(1)의 두께, 수위 경계면에 대응하는 피크가 발생되는 영역을 의미한다. 게이트 1의 지연 부재 피크 영역에서 제1 피크(TOP)와 제2 피크(TOP) 또는 제1 피크(RISING)와 제2 피크(RISING)의 경로 시간은 지연 부재(295)를 왕복하는 시간(t1)을 의미한다. 이 때 반복되는 피크 중에 최초 2개의 피크인 제1 피크 및 제2 피크를 사용하거나 그 이후의 피크값을 평균하여 시간(t1)을 계산할 수 있다.
게이트 2의 배관 피크 영역에서 제3 피크(TOP)와 제4 피크(TOP)의 경로 시간은 배관(1) 두께를 왕복하는 시간(t2)을 의미한다. 배관(1) 두께 내에서 초음파 속도는 물보다 약 4배 정도 빨라 경계면에 대응하는 신호가 검출되기 이전에 일정한 반복 파형이 검출되는 특성을 가지고 있다.
게이트 3의 수위 경계면 피크 영역에서는 게이트 2의 배관 피크 영역에서의 신호와 달리 해당 영역에서의 초음파 에코 신호는 미세하게 오실레이션이 발생한다. 따라서 수위를 측정하기 위한 기준 피크는 피크 상승 시점(rising time)인 제5 피크(RISING)를 기준으로 한다. 이 때 도 11에 표시된 초음파 펄스 송신 트리거 시점과 제5 피크(RISING) 시점 사이의 경로 시간(t3)에서 지연 부재(295)의 경로 시간(t1)과 배관(1) 두께에서의 경로 시간(t2)을 뺀 시간 값(t4)이 수위 값에 대응하는 시간에 해당한다. 따라서 배관(1) 내의 액체에서의 초음파 속도를 알게 되면 배관(1) 내의 수위를 계산할 수 있다.
한편, 매질 내에서의 초음파 속도는 온도에 따라 변하므로 초음파를 이용한 거리를 측정하는 데 있어서 온도를 측정하거나 온도를 추정하여 초음파 속도를 알아낼 필요가 있다. 그런데 본 발명의 실시예에서는 온도 센서를 채용하지 않으므로 온도를 추정하여 수위를 계산에 이용할 필요가 있다.
도 12에 도시한 것처럼 특정 재질에서 온도가 증가할수록 초음파 속도는 감소하는 경향을 보인다. 사전에 배관(1)과 배관(1) 내의 액체에 대하여 각각 온도에 따른 초음파 속도를 측정하거나 또는 알려져 있는 값을 사용하여 도 12와 같은 상관관계를 도출해 둔다.
배관(1) 두께는 알고 있고 측정된 시간(t2)을 고려하면 배관(1) 두께에서의 초음파 속도를 구할 수 있게 된다. 따라서 배관(1)에서의 온도 및 초음파 속도 상관관계를 통하여 배관(1)에서의 초음파 속도에 따른 온도를 추정할 수 있다. 배관(1) 온도와 배관(1) 내의 액체 온도는 실질적으로 동일하므로, 결국 배관(1) 온도를 알아내면 배관(1) 내의 액체에서의 온도 및 초음파 속도 상관관계를 통하여 온도에 따른 액체(매질)에서의 초음파 속도도 알아낼 수 있다.
따라서 배관(1) 내의 액체에서의 초음파 속도와 앞서 구한 시간 값(t4)을 계산하면 수위를 도출해낼 수 있다.
수위 감시 및 제어 장치(100)는 계산된 수위 값을 표시부(160) 또는 표시등(230)에 표시한다(S140).
그런 후 계산된 수위와 기준치를 비교하여(S150) 수위가 기준치보다 높으면 동작을 되돌려 단계(S110)부터 다시 시작해서 감시 동작을 수행하고, 수위가 기준치보다 낮으면 구동부(140)를 구동하여 배기 밸브를 열어 배관(1) 내의 기체를 밖으로 내보낸다(S160).
이와 같은 방법으로 본 발명의 실시예에 따른 수위 감시 및 제어 장치(100)가 동작함으로써 배관(1)의 물리적인 변경 없이 또한 온도 센서의 추가 장착 없이 상시로 배관(1) 내의 수위를 감시할 수 있으며 또한 수위가 낮아지는 경우 배기 밸브(13)를 열어 배관(1) 내의 기체를 밖으로 내보낼 수 있으므로 배관 계통에 미치는 위험을 안정적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수위 감시 및 제어 장치(100)는 장기간 배관(1) 수위를 감시하여 수위 데이터를 축적할 수 있으며, 지속적으로 축적된 수위 이력 데이터를 이용하여 근본적인 기체 축적 원인을 추적할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배관, 13: 배기 밸브,
100: 수위 감시 및 제어 장치, 110: 초음파 펄서,
120: 멀티플렉서, 130: 제어부,
140: 구동부, 150: 초음파 모듈,
160: 표시부, 200: 클램프,
210: 몸체, 220: 회전 부재,
230: 표시등, 240: 연결 부재,
250: 수평계, 260: 초음파 모듈 홀더,
270: 지지대, 280: 댐퍼,
290: 초음파 모듈, 291: 초음파 탐촉자,
293, 297: 커플런트 코팅, 295: 지연 부재,
299: 고정 캡

Claims (2)

  1. 초음파를 이용하여 배관 내의 수위를 감시하는 장치로서,
    초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 탐촉자 및 상기 초음파 탐촉자와 연결되어 있으며 상기 배관에 연결되는 지연 부재를 포함하는 초음파 모듈,
    상기 초음파 모듈로부터 상기 초음파 에코 신호를 받아 분석하여 상기 초음파 에코 신호로부터 복수의 피크 값을 검출하고, 상기 배관에 대한 온도 및 초음파 속도의 제1 상관관계와 상기 배관 내의 액체에 대한 온도 및 초음파 속도의 제2 상관관계를 기억하며, 상기 배관에 의하여 반사된 피크와 관련된 제1 경로 시간과 상기 배관 두께에 기초하여 상기 배관에서의 초음파 속도를 계산하고, 상기 배관에서의 초음파 속도와 상기 제1 상관관계에 의하여 상기 배관의 온도를 추정하고, 상기 추정된 온도 및 상기 제2 상관관계에 따라 상기 액체에서의 초음파 속도를 도출하며, 상기 액체 수위면에 의하여 반사된 피크와 관련된 제3 경로 시간 및 상기 액체에서의 초음파 속도에 기초하여 상기 수위를 계산하는 제어부, 그리고
    상기 초음파 탐촉자의 길이 방향과 상기 액체 수위면이 수직이 되도록 상기 초음파 모듈을 상기 배관의 하부에 밀착시키는 클램프
    를 포함하고,
    상기 초음파 모듈은 상기 클램프의 하단에 구비되어 있는 레일에 결합되며, 상기 초음파 모듈이 상기 레일 상에서 좌우로 이동되어 상기 초음파 탐촉자의 배치 각도가 조절되며,
    상기 초음파 모듈을 통하여 시험 초음파 펄스를 송신하고, 상기 시험 초음파 펄스에 대한 초음파 에코 신호 파형 중에서 상기 액체 수위면에 반사된 파형 부분의 피크값이 가장 큰 위치에서 상기 초음파 모듈이 상기 레일에 결합되는
    초음파를 이용한 수위 감시 장치.
  2. 초음파 펄스를 송신하고 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 탐촉자 및 상기 초음파 탐촉자와 배관 사이에 연결되는 지연 부재를 포함하는 초음파 모듈 및 상기 초음파 탐촉자의 길이 방향과 상기 배관 내의 액체 수위면이 수직이 되도록 상기 초음파 모듈을 상기 배관의 하부에 밀착시키는 클램프를 포함하는 장치의 수위 계산 방법으로서,
    상기 초음파 펄스를 송신하는 단계,
    상기 초음파 펄스에 의하여 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 단계,
    상기 초음파 에코 신호를 분석하여 상기 초음파 에코 신호로부터 복수의 피크 값을 검출하는 단계,
    상기 배관에 대한 온도 및 초음파 속도의 제1 상관관계와 상기 배관 내의 액체에 대한 온도 및 초음파 속도의 제2 상관관계를 기억하는 단계,
    상기 배관에 의하여 반사된 피크와 관련된 제1 경로 시간과 상기 배관 두께에 기초하여 상기 배관에서의 초음파 속도를 계산하고, 상기 배관에서의 초음파 속도와 상기 제1 상관관계에 의하여 상기 배관의 온도를 추정하는 단계, 그리고
    상기 추정된 온도 및 상기 제2 상관관계에 따라 상기 액체에서의 초음파 속도를 도출하며, 상기 액체 수위면에 의하여 반사된 피크와 관련된 제3 경로 시간 및 상기 액체에서의 초음파 속도에 기초하여 상기 수위를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 초음파 모듈은 상기 클램프의 하단에 구비되어 있는 레일에 결합되며, 상기 초음파 모듈이 상기 레일 상에서 좌우로 이동되어 상기 초음파 탐촉자의 배치 각도가 조절되며,
    상기 초음파 모듈을 통하여 시험 초음파 펄스를 송신하고, 상기 시험 초음파 펄스에 대한 초음파 에코 신호 파형 중에서 상기 액체 수위면에 반사된 파형 부분의 피크값이 가장 큰 위치에서 상기 초음파 모듈이 상기 레일에 결합되는
    초음파를 이용한 수위 계산 방법.
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