KR102165028B1 - 초음파가스유량계 테스트벤치 - Google Patents

초음파가스유량계 테스트벤치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파가스유량계 테스트벤치에 관한 것으로서, 가스가 유동되는 가스유동관 및 상기 가스유동관의 양측면에 장착된 초음파센서를 포함하는 초음파센서모듈; 일정한 압력 하에 가스가 상기 가스유동관으로 유동되도록 상기 가스유동관의 유입부에 연통된 가스유입관; 상기 가스유동관을 통과한 가스가 상기 가스유동관으로부터 유출되도록 상기 가스유동관의 유출부에 연통된 가스유출관; 일단이 상기 가스유출관에 연통된 기준가스유량계; 및 상기 기준가스유량계의 타단에 연통된 유량조절밸브를 포함하며, 상기 초음파센서모듈에 장착된 상기 초음파센서는 3개 이상인 초음파가스유량계 테스트벤치에 관한 것이다.

Description

초음파가스유량계 테스트벤치{A test bench for ultrasonic gas flowmeter}
본 발명은 초음파가스유량계 테스트벤치에 관한 것으로서, 온도나 압력에 따라 변경될 수 있는 다양한 크기의 가스유동관으로 유동되는 가스의 최대 유량과 최소 유량이 규격화된 다양한 등급의 초음파가스유량계를 캘리브레이션함에 있어서, 가스의 유속이 초음파의 속도에 미치는 영향으로 초음파가 송수신되는 시간차이를 계산하여 가스의 유량을 계산하고, 계산된 유량에 3% 또는 1.5%의 오차범위를 허용하기 위하여 유량계를 캘리브레이션하되, 초음파의 송수신 시간차이에 오차범위를 반영할 수 없을 정도로 가스의 유량이 낮을 경우에도 초음파의 송수신 거리를 늘려 나노초(nano second) 수준에서도 캘리브레이션이 가능하도록 구성된 초음파가스유량계 테스트벤치에 관한 것이다.
일반적으로, 소정의 관을 통과하는 유체의 유량을 측정하고자 하는 경우, 유체의 성분, 밀도, 온도와 압력 및 점도, 난류 유·무 등을 고려하여 주로 오리피스(orifice), 노즐, 벤추리관 등과 같은 타입의 접촉식 가스 유량계를 사용하였는데, 이러한 접촉식 가스유량계의 원리는 베르누이 방정식을 이용하여 계측된 압력으로부터 속도를 구하고, 베르누이 방정식을 이용하여 구한 배관의 최초 설치시에 측정해 놓은 단면적을 곱하여 유체의 유량을 산출하였다.
다른 유체의 유량을 계측하는 방법으로서, 상술한 접촉식 유량계측장치에 비하여 압력손실이 적고, 내구성이 우수하다는 장점이 있는 초음파센서를 이용한 유량계측장치가 이용되는데, 이는 가스관의 양측면에 한 쌍의 초음파센서를 장착하고, 이를 이용하여 초음파의 송수신 시간을 측정하는데, 초음파의 경로에서 유체의 속도가 첨가될 경우 초음파 도달시간이 달라진다. 즉, 유속의 흐름이 초음파 경로의 방향과 같으면 빨라지고 반대 방향이면 초음파의 속도는 느려진다. 이를 이용하여 유체속도를 산출해낸다.
도 1을 참조하여 초음파센서를 이용한 가스의 유량을 계측하는 방법을 설명한다.
초음파식 유량계측정장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 가스의 유동유로의 양측면에 초음파센서를 장착시키고, 이렇게 장착된 한 쌍의 초음파센서에서 송수신되는 초음파의 도달시간을 측정하고, 이러한 송수신된 초음파의 도달시간(T1, T2)을 이용하여 가스의 유속(U)을 계산하며, 계산된 가스의 유속에 초기 기설정된 가스의 유동유로의 단면적을 곱하여 가스의 유량을 구한다.
산업용 또는 가정용으로 초음파가스유량계가 사용되기 위해서는 법정 규격을 만족해야 한다. 일례로 소정의 가스유동관 크기에서 최대유량(Qmax)의 경우 0.1m3/min까지 측정 가능해야 하며, 0.7Qmax, 0.4Qmax, 0.2Qmax, 0.1Qmax 단계별로 측정이 가능해야 한다. 0.1Qmax의 경우, 0.01m3/min까지 측정 가능해야 한다. 나아가, 최소유량(Qmin)의 경우, 0.000666667m3/min까지 측정 가능해야 하는 법정 규격이 실행되고 있다.
초음파가스유량계에서 측정되어야 할 도달시간의 시간차이에 대해서 일례를 들어 설명한다.
소정의 가스유동관 크기에서 초음파가스유량계에 허용되는 오차범위는 0.1Qmax의 경우 3%인데, 가스관의 내경이 Qmax에 해당하는 Vmax가 2.6m/s인 내경에서는, 0.1Qmax에 해당되는 0.1Vmax가 0.26m/s, 초음파센서 간의 거리(L)가 0.03m이고, 초음파센서가 송수신되는 각도가 60도인 경우에, 도달시간의 시간차이는 다음과 같다.
시간차이(T2-T1)=L/(343-0.03*0.1Vmax*cos60) - L/(343+0.03*0.1Vmax*cos60)
시간차이(T2-T1)=0.03/(343-013*0.03) - 0.03/(343+013*0.03)=1.99ns
따라서, 1.99ns 시간차이에 대한 시간측정이 가능해야, 0.1Qmax의 오차범위까지 반영된 초음파가스유량계의 캘리브레이션이 가능하다고 볼 수 있다.
Qmin인 경우에도 유량이 측정되어야 하는데, 상술한 일례에서 0.1Qmax가 아닌 Qmin인 경우에는 측정되어야 유량이 너무 미세하여 측정이 어려울 수 있고 따라서 캘리브레이션이 어려울 수 있다. 나아가 오차범위까지 반영된 캘리브레이션이 더욱 어려울 수 있다.
따라서, 내경, 온도, 유체의 성분, 밀도, 압력 및 점도, 난류 유·무 등이 고려된 다양한 등급의 초음파가스유량계가 실험되고, 실험되어 산출된 값으로 초음파가스유량계를 캘리브레이션할 수 있도록 초음파가스유량계 테스트벤치가 절실히 필요한 실정이다.
(특허문헌 1) KR10-1204705 B
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자, 법정 규격을 만족하는 초음파가스유량계를 실험하여 캘리브레이션할 수 있도록, 미세한 유량에도 즉, 도달시간의 시간차이가 아주 짧은 경우에도 도달시간의 시간차이가 측정될 수 있도록 구성되어 미량의 유량의 경우에도 오차범위까지 반영된 캘리브레이션이 진행될 수 있는 초음파가스유량계 테스트벤치를 제공하고자 한다.
구체적으로, 다양한 등급의 초음파가스유량계가 존재함에 있어서, 최대유량과 최소유량을 만족하고, 미세한 유량에도 뷸구하고 오차범위까지 측정되어 오차범위까지 반영된 캘리브이션이 가능하도록 구성된 초음파가스유량계 테스트벤치를 제공하고자 한다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자, 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치는, 가스가 유동되는 가스유동관(120) 및 상기 가스유동관(120)의 양측면에 장착된 초음파센서(140)를 포함하는 초음파센서모듈(100); 일정한 압력 하에 가스가 상기 가스유동관(120)으로 유동되도록 상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에 연통된 가스유입관(200); 상기 가스유동관(120)을 통과한 가스가 상기 가스유동관(120)으로부터 유출되도록 상기 가스유동관(120)의 유출부(124)에 연통된 가스유출관(300); 상기 가스유출관(300)에 연통된 기준가스유량계(400); 및 상기 기준가스유량계(400)의 타단에 연통된 유량조절밸브(500)를 포함하며,
상기 초음파센서모듈(100)에 장착된 상기 초음파센서(140)는 3개 이상이다.
바람직하게는, 상기 초음파센서모듈(100)은, 상기 가스유동관(120)의 내측면에 연통된 상태에서 초음파센서(140)가 장착되는 센서장착부(160); 및 상기 가스유동관(120)의 내측으로 개방된 상기 센서장착부(160)의 전면에서 수평방향으로 슬라이딩 이동되는 초음파반사판(150)을 포함하며,
상기 초음파반사판(150)이 상기 센서장착부(160)의 전면을 따라 슬라이딩 이동됨에 따라 상기 센서장착부(160)의 전면이 개방되거나 폐쇄된다.
바람직하게는, 상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 상기 가스유동관(120)에 장착된 상기 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 첫 번째 초음파센서(141)가 장착된 첫 번째 센서장착부(161) 및 마지막 초음파센서(140)가 장착된 마지막 센서장착부(160)를 제외한 나머지 센서장착부(160)의 전면에서만 상기 초음파반사판(150)이 슬라이딩 이동된다.
바람직하게는, 상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 상기 가스유동관(120)에 장착된 상기 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 두 번째 초음파센서(142)가 수평선을 기준으로 소정의 송수신 각도로 서로 대면한 상태에서, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 상기 두 번째 초음파센서(142)를 향하도록 장착된다.
바람직하게는, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 상기 두 번째 초음파센서(142)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 두 번째 초음파센서(142)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이다.
바람직하게는, 상기 초음파센서(140)는 5개이며, 상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 상기 세 번째 초음파센서(143)로 향하도록 장착되고, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 상기 네 번째 초음파센서(144)로 향하도록 장착된다.
바람직하게는, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 상기 세 번째 초음파센서(143)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 세 번째 초음파센서(143)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이며,
상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 상기 네 번째 초음파센서(144)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 네 번째 초음파센서(144)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이다.
바람직하게는, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 상기 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 상기 세 번째 초음파센서(143)와 상기 다섯 번째 초음파센서(145) 간의 거리는 동일하며,
상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 상기 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 상기 두 번째 초음파센서(142)와 상기 네 번째 초음파센서(144) 간의 거리와 동일하다.
상술한 과제의 해결 수단으로 인하여, 다양한 등급의 초음파가스유량계에도 불구하고, 초음파센서의 작동과 초음파반사판을 이용하여 해당 등급의 초음파가스유량계에 맞게 초음파센서의 개수를 구성시킬 수 있으며, 나아가 해당 초음파가스유량계의 특성을 고려하여 초음파의 이동거리를 줄이거나 늘림으로써 미세한 도달시간의 시간차이의 오차범위까지 측정될 수 있도록 구성되는 바, 다양한 등급의 초음파가스유량계가 법정 규격에 따르는지 여부에 대한 실험을 하나의 테스트벤치로 실험할 수 있고, 실험으로 산출된 값으로 초음파가스유량계를 오차범위까지 정밀하게 캘리브레이션 할 수 있다.
도 1은 초음파센서를 이용하여 가스의 유량을 계측하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치에서 초음파센서모듈이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치의 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치에서 초음파센서 간의 위치에 따른 각도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치는 가스유입관(200), 초음파센서모듈(100), 가스유출관(300), 기준가스유량계(400), 유량조절밸브(500)를 포함한다.
가스가 저장된 탱크로부터 가스가 가스유입관(200)으로 유입된다. 가스유입관(200)으로 가스가 유입되는 과정 중 가스압축기를 거쳐 유입하게 되는 바, 가스유입관(200)으로 유입되는 가스는 일정한 압력인 상태에서 유입된다. 다양한 등급의 초음파가스유량계에 따라 유입되는 가스의 압력이 조절될 수 있음은 물론이다. 이러한 가스유입관(200)은 사용되는 다양한 등급의 초음파가스유량계에 따라 그 내경이 다른 가스유입관(200)으로 변경될 수 있음은 물론이며, 나아가 가스가 유동되는 관의 내경이 변경되는 경우, 가스유입관(200) 전체가 아닌 초음파센서모듈(100)의 가스유입부(122)에 연통된 인근 가스유입관(200)만이 변경될 수 있도록 구성될 수 있음은 물론이다.
가스유입관(200)으로 유입된 가스는 초음파센서모듈(100)의 가스유입부(122)로 유동된다. 상술한 바와 같이 일정한 압력이 유지된 상태로 가스가 가스유입부(122)로 유입된다.
가스유입부(122)로 유동된 가스는 초음파센서모듈(100)의 가스유동관(120)으로 유동되고, 다시 초음파센서모듈(100)의 가스유출부(124)로 유출된다. 가스가 가스유동관(120)으로 유동되는 과정 중, 초음파센서가 작동된 상태에서 가스의 유속이 송수신 초음파의 속도에 영향을 주는 바, 이에 따라 초음파의 송수신 도달시간를 계산하여 가스의 유량을 계산한다. 초음파센서모듈(100)은 후술한다.
가스유출부(124)로 유출된 가스는 온도센서 및 압력센서를 거친 후 기준가스유량계(400)로 유동된다. 법정 규격 범위 내의 유량계임이 판정된 기준가스유량계(400)는 가스유입관(200) 및 가스유출관(300)으로 유동되는 가스의 유량에 대한 기준 측정값을 제시한다. 기준가스유량계(400)로 나온 산출된 값과 초음파센서모듈(100)에서 산출된 값을 비교하여 초음파센서모듈(100)의 법정 규격을 만족하는지 여부를 결정하고, 나아가 기준가스유량계(400)에서 산출된 각각의 유량값을 근거로 초음파센서모듈(100)에서 산출된 각각의 유량값에 대응시켜 초음파센서모듈(100)에서의 유량값을 보정하는 캘리브레이션한다.
초음파센서 간의 거리가 너무 짧은 경우, 최소유량에 해당하는 도달시간 및 이러한 최소유량에 허용되는 오차범위를 측정할 수 없고 나아가 이를 캘리브레이션에 반영할 수 없는 경우가 발생되는데, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 초음파센서 간의 거리를 늘리거나 줄일 수 있는 구성에 대해서는 후술한다.
유량조절밸브(500)는 기준가스유량계(400)의 타단에 연통된다. 유량조절밸브(500)에서 유량이 조절됨에 따라 가스유입관(200) 및 가스유출관(300)으로 유동되는 가스의 유량이 조절된다. 기준가스유량계(400)로 유동된 가스의 유량의 조절 여부가 기준가스유량계(400)에서 확인된다.
유량조절밸브(500)를 거친 가스는 외부로 배출되어 저장장소에 저정되거나 외기에 배출된다.
가스유입관(200)에 유량조절밸브가 연통된 상태에서, 가스가 가스유입관(200)에 유입되기 전에 가스의 유량을 조절하는 경우, 가스유입관(200)에서부터 기준가스유량계(400)까지 유동되는 가스의 압력을 조절하기 어려우며, 이에 따라 가스유입관(200)에서부터 기준가스유량계(400)까지 유동되는 가스의 유량이 일관되게 일정하지 않게 된다. 따라서, 가스압축기를 거쳐면서 일정한 압력을 유지한 채 가스가 가스유입관(122)으로부터 기준가스유량계(400)가 일정하게 유동되도록 하기 위해서는, 유량조절밸브(500)가 기준가스유량계(400)의 뒤쪽에 연통되도록 하여 유량조절밸브(500)의 개폐 정도에 따라 유량을 조절하는 것이 바람직하다.
실제 산업용이나 가정용으로 공급되는 가스의 유량이 다양한 등급의 초음파가스유량계마다 다를 수 있는 바, 이러한 다양한 등급의 초음파가스유량계 각각에 맞춰 유량을 조절하여, 법정 규격을 만족하는지 여부 및 기준가스유량계(400)의 산출값에 각각의 초음파가스유량계 각각 유량값을 대응시켜 오차범위까지 포함한 캘리브레이션이 진행될 수 있다.
도 3을 참조하여 초음파센서모듈(100)에 대해서 설명한다.
초음파센서모듈(100)은 가스유동관(120), 센서장착부(160), 초음파센서(140) 및 초음파반사판(150)을 포함한다.
가스유입부(122)로 유입된 가스가 가스유동관(120)으로 유동되는 과정 중 초음파센서가 작동되어 초음파의 송수신 도달시간이 산출되고, 산출된 값이 반영되어 유량이 산출된다. 이렇게 산출된 유량값이 기준가스유량계(400)에서 산출된 유량값에 따라 보정되되, 오차범위까지 보정되면서 캘리브레이션된다.
초음파센서모듈(100)은 3개 이상의 초음파센서(140)가 장착되어 있다. 바람직하게는 5개일 수 있다. 5개 이상으로 구성될 수 있음은 물론이다.
이러한 초음파센서(140)는 가스유동관(120)의 내측에 연통된 상태로 설치된 센서장착부(160)의 내측에 장착된다. 초음파센서(140)의 개수에 따라, 이러한 센서장착부(160)는 3개 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5개일 수 있다. 5개 이상으로 구성될 수 있음은 물론이다.
초음파센서(140)는 수평선을 기준으로 일정하게 경사진 상태로 위치되는 바, 이러한 센서장착부(160) 또한 수평선을 기준으로 일정한 각도로 경사진 상태로 위치된다.
이러한 센서장착부(160)는, 가스유동관(120)의 외측면에서 외측방향으로 일정한 경사진 각도로 돌출되어 형성된 상태에서, 센서장착부(160)의 내측에 초음파센서(140)가 장착된 상태에서 센서장착부(160)의 내측과 가스유동관(120)이 연통되도록 센서장착부(160)가 설치된 부분의 가스유동관(120)의 내측면은 개방된 상태일 수 있다.
초음파센서(140)가 센서장착부(160) 내측에 장착되는 바, 초음파센서(140)가 5개일 경우, 첫 번째 초음파센서(141)가 첫 번째 센서장착부(161)의 내측에 장착되고, 두 번째 초음파센서(142) 내지 다섯 번째 초음파센서(145)가 이에 대응하는 두 번째 센서장착부(162) 내지 다섯 번째 센서장착부(165)의 내측에 각각 장착된다.
또한, 초음파센서(140)가 센서장착부(160) 내측에 장착되는 바, 센서장착부(160)의 개방된 전면이 향하는 방향은 초음파센서(140)가 향하는 방향과 동일하다. 초음파센서(140)가 향하는 방향에 대해서는 후술한다.
가스유동관(120)의 내측으로 개방된 센서장착부(160)의 전면에서 수평방향으로 슬라이딩 이동되도록 초음파반사판(150)이 장착된다. 따라서, 초음파반사판(150)이 가스유동관(120)의 내측면을 따라 슬라이딩 이동됨에 따라 센서장착부(160)의 전면이 개방되거나 폐쇄된다.
즉, 초음파반사판(150)이 센서장착부(160)의 개방된 전면에 위치되는 경우, 개방된 전면이 폐쇄되고, 이에 따라 해당 센서장착부(160)의 내측에 장착된 초음파센서(140)를 통한 초음파 송수신이 불가능하다. 이러한 초음파반사판(150)이 센서장착부(160)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되어 전면이 개방되는 경우, 해당 센서장착부(160)의 내측에 장착된 초음파센서(140)를 통한 초음파 송수신이 가능하다.
초음파반사판(150)은 가스유동관(120) 또는 센서장착부(160)에 초음파반사판(150)이 슬라이딩 이동될 수 있도록 형성된 반사판가이드부(미도시)를 따라 슬라이딩 이동될 수 있다. 바람직하게는, 센서장착부(160)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되되, 가스유동관(120)으로 유동되는 가스의 유동에 방해가 되지 않은 상태에서 이동되도록 가스유동관(120)의 내측면과 외측면 사이에 형성된 반사판가이드부(미도시)를 따라 슬라이딩 이동될 수 있다.
초음파반사판(150)은 가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 가스유동관(120)에 장착된 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 첫 번째 초음파센서(141)가 장착된 첫 번째 센서장착부(161) 및 마지막 초음파센서(140)가 장착된 마지막 센서장착부(160)를 제외한 나머지 센서장착부(160)의 전면에서만 상기 초음파반사판(150)이 슬라이딩 이동될 수 있다.
초음파반사판(150)은, 초음파센서(140)가 5개로 구성되는 경우, 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되는 두 번째 초음파반사판(152), 세 번째 센서장착부(163)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되는 세 번째 초음파반사판(153), 네 번째 센서장착부(164)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되는 네 번째 초음파반사판(154)으로 구성될 수 있다. 5개 이상인 경우, 결국 첫 번째와 마지막 센서장착부(160)를 제외한 나머지 센서장착부(160)의 개방된 전면에서 슬라이딩 이동되도록 장착될 수 있다.
다양한 등급의 초음파가스유량계에 따라 최소유량까지 측정해야 할 경우, 초음파센서(140)의 송수신 거리(L)가 충분하지 못하여 도달시간의 시간차이를 측정하기 어려울 뿐만 아니라, 최소유량의 오차범위까지 측정해야 하고 이를 초음파가스유량계에 캘리브레이션해야 하는 바, 센서장착부(160)의 전면에 초음파반사판(150)이 슬라이딩 이동되도록 장착시켜, 경우에 따라서 초음파반사판(150)을 센서장착부(160)의 전면에 위치시킴으로써 초음파센서(140)의 송수신 거리(L)를 늘리기 위함이다. 최소유량 및 이에 대한 오차범위까지 측정 가능하도록, 그리고 초음파가스유량계의 캘리브레이션이 가능하도록 하기 위함이다. 도 4를 참조하여 작동을 후술한다.
초음파센서(140)는 다수의 센서장착부(160)에 각각 장착된다. 바람직하게, 다수의 초음파센서(140)가 장착되는 가스유동관(120)에서의 위치는, 초음파 송수신이 가능하도록 가스유동관(120)의 중심을 기준으로 대칭적으로 장착될 수 있다.
첫 번째 초음파센서(141)가 가스유동관(120)의 일측면에 장착되는 경우, 두 번째 초음파센서(142)는 가스유동관(120)의 소정의 중심을 기준으로 이러한 일측면에 경사진 상태에서 대칭인 가스유동관(120)의 타측면에 장착됨이 바람직하다. 마찬가지로, 두 번째 초음파센서(142)가 가스유동관(120)의 타측면에 장착되는 바, 세 번째 초음파센서(143)는 다시 가스유동관(120)의 소정의 중심을 기준으로 경사진 상태에서 대칭적인 가스유동관(120)의 일측면에 장착됨이 바람직하다. 즉, 초음파센서(140)가 3개인 경우, 가스유동관(120)의 단면에서 초음파센서(140) 간의 선을 순서대로 연결하는 경우 'V' 형태일 수 있다. 초음파센서(140)가 4개인 경우 'N' 형태일 수 있으며, 5개인 경우 'W'형태일 수 있다.
가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 가스유동관(120)에 장착된 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 첫 번째 초음파센서(141)와 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 두 번째 초음파센서(142)가 수평선을 기준으로 소정의 송수신 각도로 서로 대면한 상태에서, 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 두 번째 초음파센서(142)를 향하도록 장착된다.
즉, 우선적으로 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142)가 초음파 송수신을 위해 일정한 경사각도를 두고 서로 대면한다. 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 거리(L)만으로 오차범위까지 포함한 최소유량에 해당하는 미세한 도달시간의 시간차이까지 측정 가능하다면, 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 초음파 송수신만으로 작동되도록 한다.
그러나 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 거리(L)만으로 오차범위까지 포함한 최소유량에 해당하는 미세한 도달시간의 시간차이까지 측정 불가능한 경우, 초음파 송수신 거리(L)를 늘리기 위해, 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에 위치되도록 초음파반사판(150)을 슬라이딩 이동시키고 세 번째 초음파센서(143)를 작동시키는 바, 결국 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간에 초음파 송수신이 이루어진다. 초음파 송수신 거리(L)가 늘어난다.
이러한 작동을 위해서는 세 번째 초음파센서(143)가 향하는 방향은, 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에 위치된 초음파반사판(150)에 의해 반사된 초음파를 송수신하기 위하여, 두 번째 초음파센서(142)를 향한다.
가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 두 번째 초음파센서(142)로 향하는 각도는, 수평선에서 두 번째 초음파센서(142)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142)가 수평선을 기준으로 소정의 송수신 각도로 서로 대면한 상태의 각도만큼 경사진 각도이다(도 5 참조). 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간의 초음파 송수신이 이루어지는 경우, 두 번째 초음파센서(142)로 송수신 초음파가 두 번째 초음파반사판(152)에서 반사되어 세 번째 초음파센서(143)로 송수신되게 하기 위함이다.
이에 따라, 초음파센서(140)는 5개인 경우, 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 세 번째 초음파센서(143)로 향하도록 장착되고, 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 네 번째 초음파센서(144)로 향하도록 장착될 수 있다.
마찬가지로, 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 세 번째 초음파센서(143)로 향하는 각도는, 수평선에서 세 번째 초음파센서(143)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이다(도 5 참조).
가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 상기 네 번째 초음파센서(144)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 네 번째 초음파센서(144)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이다(도 5 참조).
따라서, 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 세 번째 초음파센서(143)와 상기 다섯 번째 초음파센서(145) 간의 거리는 동일하다. 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 두 번째 초음파센서(142)와 네 번째 초음파센서(144) 간의 거리와 동일하다(도 5 참조).
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 초음파가스유량계 테스트벤치의 다양한 실시예를 설명한다.
다양한 등급의 초음파가스유량계에 있어서, 오차범위까지 포함한 최소유량이 측정되도록 하고, 초음파가스유량계를 캘리브레이션하기 위한 다양한 실시예를 설명한다. 도 4는 초음파센서(140)가 5개인 경우이다. 따라서, 초음파센서(140)가 3개 이상인 경우, 도 4에 도시된 방식과 동일한 방식으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 4의 (a)는 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 초음파 송수신만으로 상술한 정밀 측정이 가능한 상태를 도시한 도면이다. 이 경우, 세 번째 초음파센서(143) 내지 다섯 번째 초음파센서(145)의 작동은 중지된 상태이다. 또한, 가스유동관(120)으로 유동되는 가스의 유동에 영향을 주지 않기 위해서 세 번째 센서장착부(163)의 개방된 전면에 세 번째 초음파반사판(153)이, 그리고 네 번째 센서장착부(164)의 개방된 전면에 네 번째 초음파반사판(164)이 위치되도록 함이 바람직하다.
도 4의 (b)는 첫 번째 초음파센서(141)와 두 번째 초음파센서(142) 간의 초음파 송수신만으로 상술한 정밀 측정이 어려운 경우, 초음파 송수신 거리(L)를 늘리기 위해 세 번째 초음파센서(143)가 작동되어, 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간의 초음파 송수신이 이루어지는 상태를 도시한 도면이다. 이 경우, 두 번째 초음파센서(142), 네 번째 초음파센서(144) 및 다섯 번째 초음파센서(143)의 작동은 중지된 상태이고, 반드시 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에 두 번째 초음파반사판(152)이 위치되어야 한다.
또한, 가스유동관(120)으로 유동되는 가스의 유동에 영향을 주지 않기 위해서 네 번째 센서장착부(164)의 개방된 전면에 네 번째 초음파반사판(154)이 위치되도록 함이 바람직하다.
도 4의 (c)는 첫 번째 초음파센서(141)와 세 번째 초음파센서(143) 간의 초음파 송수신만으로 상술한 정밀 측정이 어려운 경우, 초음파 송수신 거리(L)를 늘리기 위해 네 번째 초음파센서(144)가 작동되어, 첫 번째 초음파센서(141)와 네 번째 초음파센서(144) 간의 초음파 송수신이 이루어지는 상태를 도시한 도면이다. 이 경우, 두 번째 초음파센서(142), 세 번째 초음파센서(144) 및 다섯 번째 초음파센서(145)의 작동은 중지된 상태이고, 반드시 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에 두 번째 초음파반사판(152)이 위치되어야 하고, 세 번째 센서장착부(163)의 개방된 전면에 세 번째 초음파반사판(153)이 위치되어야 한다.
도 4의 (d)는 첫 번째 초음파센서(141)와 네 번째 초음파센서(144) 간의 초음파 송수신만으로 상술한 정밀 측정이 어려운 경우, 초음파 송수신 거리(L)를 늘리기 위해 다섯 번째 초음파센서(145)가 작동되어, 첫 번째 초음파센서(141)와 다섯 번째 초음파센서(145) 간의 초음파 송수신이 이루어지는 상태를 도시한 도면이다. 이 경우, 두 번째 초음파센서(142), 세 번째 초음파센서(144) 및 네 번째 초음파센서(144)의 작동은 중지된 상태이고, 반드시 두 번째 센서장착부(162)의 개방된 전면에 두 번째 초음파반사판(152)이 위치되어야 하고, 세 번째 센서장착부(163)의 개방된 전면에 세 번째 초음파반사판(153)이 위치되어야 하고, 네 번째 센서장착부(164)의 개방된 전면에 네 번째 초음파반사판(154)이 위치되어야 한다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 초음파센서모듈
120: 가스유동관
122: 가스유입부 124: 가스유출부
140: 초음파센서
150: 초음파반사판
160: 센서장착부
200: 가스유입관
300: 가스유출관
400: 기준가스유량계
500: 유량조절밸브

Claims (8)

  1. 가스가 유동되는 가스유동관(120) 및 상기 가스유동관(120)의 양측면에 장착된 초음파센서(140)를 포함하는 초음파센서모듈(100);
    일정한 압력 하에 가스가 상기 가스유동관(120)으로 유동되도록 상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에 연통된 가스유입관(200);
    상기 가스유동관(120)을 통과한 가스가 상기 가스유동관(120)으로부터 유출되도록 상기 가스유동관(120)의 유출부(124)에 연통된 가스유출관(300);
    상기 가스유출관(300)에 연통된 기준가스유량계(400); 및
    상기 기준가스유량계(400)의 타단에 연통된 유량조절밸브(500)를 포함하며,
    상기 초음파센서모듈(100)에 장착된 상기 초음파센서(140)는 3개 이상이며,
    상기 초음파센서모듈(100)은,
    상기 가스유동관(120)의 내측면에 연통된 상태에서 초음파센서(140)가 장착되는 센서장착부(160); 및
    상기 가스유동관(120)의 내측으로 개방된 상기 센서장착부(160)의 전면에서 수평방향으로 슬라이딩 이동되는 초음파반사판(150)을 포함하며,
    상기 초음파반사판(150)이 상기 센서장착부(160)의 전면을 따라 슬라이딩 이동됨에 따라 상기 센서장착부(160)의 전면이 개방되거나 폐쇄되는 초음파가스유량계 테스트벤치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 상기 가스유동관(120)에 장착된 상기 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 첫 번째 초음파센서(141)가 장착된 첫 번째 센서장착부(161) 및 마지막 초음파센서(140)가 장착된 마지막 센서장착부(160)를 제외한 나머지 센서장착부(160)의 전면에서만 상기 초음파반사판(150)이 슬라이딩 이동되는 초음파가스유량계 테스트벤치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스유동관(120)의 유입부(122)에서 유출부(124)까지 순서대로 상기 가스유동관(120)에 장착된 상기 3개 이상의 초음파센서(140) 중, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 두 번째 초음파센서(142)가 수평선을 기준으로 소정의 송수신 각도로 서로 대면한 상태에서, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 상기 두 번째 초음파센서(142)를 향하도록 장착되는 초음파가스유량계 테스트벤치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 세 번째 초음파센서(143)가 상기 두 번째 초음파센서(142)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 두 번째 초음파센서(142)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도인 초음파가스유량계 테스트벤치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초음파센서(140)는 5개이며,
    상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 상기 세 번째 초음파센서(143)로 향하도록 장착되고, 상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 상기 네 번째 초음파센서(144)로 향하도록 장착되는 초음파가스유량계 테스트벤치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 네 번째 초음파센서(144)가 상기 세 번째 초음파센서(143)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 세 번째 초음파센서(143)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도이며,
    상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 다섯 번째 초음파센서(145)가 상기 네 번째 초음파센서(144)로 향하는 각도는, 수평선에서 상기 네 번째 초음파센서(144)를 향하는 방향으로 경사진 각도이되, 상기 소정의 송수신 각도만큼 경사진 각도인 초음파가스유량계 테스트벤치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 상기 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 상기 세 번째 초음파센서(143)와 상기 다섯 번째 초음파센서(145) 간의 거리는 동일하며,
    상기 가스유동관(120)의 일측면에 장착된 상기 첫 번째 초음파센서(141)와 상기 세 번째 초음파센서(143) 간의 거리는, 상기 가스유동관(120)의 타측면에 장착된 상기 두 번째 초음파센서(142)와 상기 네 번째 초음파센서(144) 간의 거리와 동일한 초음파가스유량계 테스트벤치.
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