KR102184733B1 - 초음파 유속계 및 유속 측정방법 - Google Patents

초음파 유속계 및 유속 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 흐름방향에 수평면을 이루도록 형성된 지지판, 상기 지지판 일면에 적어도 둘 이상 상호 이격되어 배치되는 초음파 센서, 상기 초음파 센서를 수용하는 수용홀이 형성되며, 상기 지지판 일면에 일면이 마주보도록 이격되어 형성되는 중간판, 상기 중간판의 타면으로부터 이격되어 형성되고, 상기 적어도 둘 이상의 초음파 센서 중 어느 하나로부터 송신된 초음파를 다른 초음파 센서로 수신되도록 반사하는 반사판을 포함하는 초음파 유속계를 제공한다.

Description

초음파 유속계 및 유속 측정방법{Ultrasonic Flow Meter and Method for Flow Speed Measuring}
본 발명의 일실시예는 초음파 유속계 및 유속 측정방법에 관한 것이다. (본 연구는 국민안전처 사회재난안전기술개발사업의 지원으로 수행한 ‘사회재난 대응을 위한 융·복합기술 기반의 지향성 스피커 등을 활용한 인명지킴이 시스템 개발’[MPSS-사회-2015-40]과제의 성과입니다.)
유속계는 기체와 액체를 포함하는 유체의 속도를 관측하는 장비로, 육상 및 해상의 기상상태 측정 및 배관을 흐르는 유체속도 측정에 사용되며, 최근 풍력발전 분야에서도 사용되고 있다. 특히 풍속을 측정하기 위하여, 컵 형(Cup anemometer), 날개형(Vane anemometer), 열선형(Hot-wire anemometer), 레이저형(Laser Doppler anemometer), 초음파형(Ultrasonic anemometer) 등의 방식이 사용된다.
초음파 유속계(Ultrasonic flow meter)는 초음파 센서를 이용하여 유체의 속도와 방향을 측정하며, 높은 정확도를 갖고, 비접촉식이므로 내구성이 우수하며, 흐르는 유체 내부를 이동하는 초음파의 이동 시간 변화를 측정하는 ToF(Time of Flight) 방식으로 유속을 측정한다.
KR 10-0941289 B1
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계는 서로 다른 주파수를 갖는 제1 초음파와 제2 초음파를 이용하여, 제1 초음파 센서에서 송신되어 제2 초음파 센서로 수신되는 기준방향(F)으로 측정된, 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차(ΔθF)를 구하고, 기준방향의 반대방향(R)으로 측정된, 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차(ΔθR)를 구하여, 위상차 측정을 통해 유속(w)을 산출한다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계는 초음파 센서들 사이 영역을 커버하고, 초음파 센서와 마주보는 영역을 커버하지 않는 형태로 형성되는 반사판을 이용한다.
본 발명의 일실시에에 따른 초음파 유속계는, 유체 흐름방향에 수평면을 이루도록 형성된 지지판, 상기 지지판 일면에 적어도 둘 이상 상호 이격되어 배치되는 초음파 센서, 상기 초음파 센서를 수용하는 수용홀이 형성되며, 상기 지지판 일면에 일면이 마주보도록 이격되어 형성되는 중간판, 상기 중간판의 타면으로부터 이격되어 형성되고, 상기 적어도 둘 이상의 초음파 센서 중 어느 하나로부터 송신된 초음파를 다른 초음파 센서로 수신되도록 반사하는 반사판을 포함한다.
또한, 상기 반사판은 상기 어느 하나의 초음파센서로부터 송신되는 초음파가 반사판의 법선방향에 예각으로 입사하고 동일한 예각으로 반사하여 다른 초음파 센서로 수신되도록 형성된다.
또한, 상기 반사판은 상기 초음파 센서에 마주보는 방향으로 관통되는 관통홀이 형성된다.
또한, 상기 지지판과 상기 중간판의 이격공간 및 상기 중간판 및 상기 반사판의 이격공간 사이에 형성되고, 지지판의 일면에 수직한 방향으로 배치되어 상기 지지판, 중간판, 반사판과 결합되는 적어도 하나 이상의 지지대를 더 포함한다.
또한, 상기 중간판은 상기 초음파 센서의 초음파가 방출되는 일면상에 연장되는 평면상에 배치되며, 초음파를 흡수하는 재질로 이루어진다.
본 발명의 일실시예에 따른 유속 측정방법은 제1 초음파 센서에서 송신되어 제2 초음파 센서로 수신되는 기준방향(F) 및 상기 제2 초음파 센서에서 송신되어 상기 제1 초음파 센서로 수신되는 상기 기준방향의 반대방향(R)으로, 상기 제1 초음파 센서와 상기 제2 초음파 센서가 서로 다른 주파수를 갖는 제1 및 제2 초음파를 송수신하고, 각 초음파의 위상값을 구하는 측정단계, 상기 기준방향(F)에서, 상기 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 상기 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차(ΔθF)를 구하고, 상기 기준방향의 반대방향(R)에서, 상기 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 상기 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차(ΔθR)를 구하는 위상차 산출단계, 수학식 1에 따라 유속(w)을 산출하는 유속산출 단계를 포함한다.
[수학식 1]
Figure 112016076348650-pat00001
(w: 유속, L: 초음파의 이동거리, Δf = 제1 초음파의 주파수(f1)와 제2 초음파의 주파수(f2)의 차, ΔθF: 기준방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차, ΔθR: 기준방향의 반대방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차)
또한, 상기 측정단계는 유속측정부가 제1 주파수를 갖는 제어신호를 상기 제1 초음파 센서에 제공하는 제1 단계, 상기 제1 초음파 센서가 상기 제어신호에 기초하여, 제1 주파수의 제1 초음파를 송신하는 제2 단계, 상기 제2 초음파 센서가 반사판에 반사된 상기 제1 초음파를 수신하고, 상기 제1 초음파에 기초하여 생성한 출력신호를 상기 유속측정부로 제공하는 제3 단계, 상기 유속측정부가 상기 제2 초음파 센서로부터 제공된 출력신호에 기초하여 제1 초음파의 위상값(θ1F)을 구하는 제4 단계를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 단계는 상기 기준방향(F)으로 상기 제1 및 제2 초음파에 대하여 실시되고, 순차적으로, 상기 기준방향의 반대방향(R)으로 상기 제1 및 제2 초음파에 대하여 실시된다.
또한, 상기 제1 초음파의 주파수는 41kHz이고, 상기 제2 초음파의 주파수는 39kHz로 정해 유속을 측정할 수 있으며, 두 초음파 주파수를 달리할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 연속파를 이용하고 위상차를 이용하여 유속을 산출하므로, 펄스군의 이동시간 차이를 측정하는 경우에 발생하는, 딜레이타임으로 인한 에러가 발생하지 않고, 펄스군의 이동시간 차이를 측정하는 경우보다 초음파 센서 사이의 거리를 가깝게 할 수 있어, 초음파 유속계를 소형화할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 초음파 센서들 사이 영역을 커버하고, 초음파 센서와 마주보는 영역을 커버하지 않는 형태로 형성되는 반사판을 이용하고, 초음파를 흡수하는 재질의 중간판을 이용하여, 반사판과 중간판 사이에서 반복하여 반사되어 수신되는 초음파를 제거함으로써, 수신측 초음파 센서에서 제공하는 출력파형의 노이즈를 저감하고, 초음파 유속계의 정확도를 향상시킨다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 송신측 초음파 센서에서 송신되는 초음파가 반사판에 반사되어 수신측 초음파 센서로 수신되는 구조를 채택함으로써, 수신측 초음파 센서에서 반사되는 초음파가 다시 송신측 초음파 센서로 향하지 않는 구조이므로, 반사파로 인한 에러가 발생하지 않는다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 동일한 방향으로 서로 다른 주파수를 갖는 초음파의 위상값을 차감하여 위상차를 구함으로써, 이동거리에 의한 위상변화 성분을 제거하고, 초음파의 속도변화에 따른 초음파의 파장변화에 의한 위상변화에 기초하여, 유속을 정확히 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 분해사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 초음파 유속계의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 반사판의 다른 형태를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 일부인 초음파 센서와 반사판을 도시한 도면이다.
도 7은 서로 다른 주파수를 갖는 초음파의 파형을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 유체직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 분해사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 초음파 유속계의 A-A'에 따른 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 반사판의 다른 형태를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계는 유체 흐름방향에 수평면을 이루도록 형성된 지지판(110), 지지판 일면(110.A)에 적어도 둘 이상 상호 이격되어 배치되는 초음파 센서(120), 초음파 센서(120)를 수용하는 수용홀(131)이 형성되며, 지지판 일면(110.A)에 일면(130.A)이 마주보도록 이격되어 형성되는 중간판(130), 중간판(130)의 타면(130.B)으로부터 이격되어 형성되고, 상기 적어도 둘 이상의 초음파 센서(120) 중 어느 하나로부터 송신된 초음파를 다른 초음파 센서(120)로 수신되도록 반사하는 반사판(140)을 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계는 내부에 유체가 통과할 수 있도록, 유체 흐름방향에 수평면을 이루는 지지판(110)이 형성된다. 초음파 센서(120)는 지지판(110)으로부터 수직방향으로 초음파를 송신하도록, 지지판(110)의 일면에 초음파 센서(120)가 적어도 둘 이상 상호 이격되어 배치된다.
초음파 센서(120)는 압전소자에 전압을 가하여 발생하는 압전소자의 신축을 이용하여 초음파를 송신하고, 압전소자가 초음파를 수신하여 전압신호를 출력하는 송수신 가능한 초음파 센서이다. 초음파 센서(120)는 서로 다른 주파수를 갖는 둘 이상의 초음파를 송수신할 수 있으며, 유속측정부(150)로부터 입력받은 제어신호의 주파수에 대응하는 주파수의 초음파를 송신한다. 초음파 센서(120)는 일정 주파수의 초음파를 연속하여 송신하는 연속파 방식으로 운용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중간판(130)에는 초음파 센서(120)를 수용하는 수용홀(131)이 형성되며, 지지판 일면(110.A)상에 일면(130.A)이 마주보도록 이격되어 형성된다. 중간판(130)에 형성되는 수용홀(131)은 초음파 센서(120)의 개수에 대응하는 개수로 형성될 수 있으며, 수용홀(131)의 형상은 초음파 센서(120)의 형상에 대응하도록 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 중간판(130)은 초음파 센서(120)의 초음파가 방출되는 일면(초음파 방출면(120.A)) 상에 연장되는 평면상에 배치되어, 수용홀(131) 내부에 초음파 센서(120)를 수용한다. 즉, 중간판(130)의 타면(130.B)이 초음파 센서(120)의 초음파 출력면(120.A)에 평행하도록, 지지판(110)으로부터 일정 간격 이격되어 형성된다.
중간판(130)은 초음파를 흡수할 수 있는 재질 또는 구조로 형성된다. 종래, 초음파 센서(120)에서 송신된 초음파는 유속계 내부에서 여러번 반사되어 수신용 초음파 센서(120)에 수신되어, 노이즈로 작용하였다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 초음파 센서(121.1)로부터 송신된 초음파가 반사판(140)에 한번 반사되어 제2 초음파 센서(121.2)로 이동하는 경로를 제1 경로(L)라 하면, 초음파를 흡수하는 재질의 중간판(130)은 제1 경로(L) 이외의 경로로 이동하여 노이즈로 작용하는 초음파를 흡수하여, 유속측정의 정확도를 향상시킨다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 반사판(140)은 중간판(130)의 타면(130.B)으로부터 이격되어 형성되고, 적어도 둘 이상의 초음파 센서(120) 중 어느 하나(제1 초음파 센서(120.1))로부터 송신된 초음파를 다른 초음파 센서(제2 초음파 센서(120.2))로 수신되도록 반사한다.
달리 표현하면, 반사판(140)은 어느 하나의 초음파센서(120)로부터 송신되는 초음파가 반사판(140)의 법선방향에 예각(Φ1)으로 입사하고 동일한 예각(Φ2)으로 반사하여 다른 초음파 센서로 수신되도록 형성된다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 반사판(140)에는 초음파 센서(120)에 마주보는 방향으로 관통되는 관통홀(141)이 형성된다. 관통홀(141)은 반사판(140)과 초음파 센서(120)가 마주보는 부분에 형성된다. 관통홀(141)의 직경은 초음파 센서(120)로부터 송신된 대부분의 초음파가 통과하도록, 초음파 센서(120)의 직경보다 더 넓을 수 있다.
이러한 반사판(140) 구조에서, 제1 초음파 센서(121.1)에서 지지판(140)에 수직하는 방향으로 초음파가 송신되면, 반사판(140)에 형성된 관통홀(141)로 대부분의 초음파가 방출된다. 일부 관통홀로 방출되지 않은 초음파는 반사판(140)의 법선방향에 예각으로 입사하여 동일한 예각으로 반사된다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 반사판(140)은 제1 초음파 센서(121.1)와 제2 초음파 센서(121.2) 사이의 영역, 제2 초음파 센서(121.2)와 제3 초음파 센서(121.3) 사이의 영역, 제3 초음파 센서(121.3)와 제1 초음파 센서(121.1) 사이의 영역을 커버하도록, 3개의 원판이 연결된 형상일 수 있다.
이러한 반사판(140) 구조에서, 제1 초음파 센서(121.1)에서 지지판(140)에 수직하는 방향으로 초음파가 송신되면, 대부분의 초음파가 반사판에 반사되지 않고 방출된다. 일부 방출되지 않은 초음파는 반사판(140)의 법선방향에 예각(Φ1)으로 입사하여 동일한 예각(Φ2)으로 반사된다.
즉, 반사판(140)은 초음파 센서(120)들 사이의 영역을 커버할 수 있고, 초음파 센서(120)와 마주보는 영역을 커버하지 않는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 반사판(140)의 제1 초음파 센서(120.1)와 제2 초음파 센서 사이 영역에 한번 반사되는 제1 경로(L)를 따라 이동하는 초음파만이 제2 초음파 센서(121.2)로 수신된다.
일반적으로 초음파 센서(120)에서 송신하는 약 40kHz 주파수의 초음파는 직진성이 강하므로, 반사판(140)과 중간판(130)에 여러번 반사되는 다양한 초음파 경로를 형성할 수 있다. 초음파가 이러한 다양한 초음파 경로를 통과하여 초음파 센서(120)에 수신되는 경우, 초음파 센서(120)에서 출력하는 수신파형에 노이즈로 작용한다.
따라서, 상술한 형태의 반사판(140)은 초음파 방출면(120.A)으로부터 수직으로 직진하는 초음파를 반사하지 않고, 제1 경로(L)를 통과하는 초음파만을 반사함으로써, 수신측 초음파 센서(120)가 생성하는 출력신호의 노이즈를 감소시킨다.
지지대(111)는 지지판(110)과 중간판(130)의 이격공간 및 중간판(130) 및 반사판(140)의 이격공간 사이에 형성되고, 지지판의 일면(110.A)에 수직한 방향으로 배치되어 지지판(110), 중간판(130), 반사판(140)과 결합되어 지지판(110), 중간판(130), 반사판(140)을 고정 및 지지한다. 지지대(111)는 적어도 하나 이상 결합되며, 지지대(111)는 유체의 진행에 방해가 되지 않도록, 얇게 형성되며, 초음파 센서(120)와 멀리 떨어져 배치될 수 있다. 지지대(111)는 본 실시예에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있으며, 지지판(110), 중간판(130), 반사판(140) 등과 일체로 형성될 수도 있다.
유속측정부(150)는 초음파 센서(120)와 전기적으로 연결되고, 초음파 센서(120)의 초음파 송수신을 제어하며, 초음파 센서(120)에서 수신된 초음파에 기초한 출력신호를 입력받아 위상차를 산출하고 유속(w)을 측정한다. 유속측정부(150)는 초음파 센서(120)의 제어 및 위상차 산출 등을 수행하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있으며, 반도체칩 또는 응용집적회로(application-specific integrated circuit) 등을 포함할 수 있다. 유속측정부(150)는 측정한 유속을 저장할 수 있는 메모리와 유속 데이터를 통신망을 통해 전송할 수 있는 통신모듈을 포함할 수 있다.
유속을 측정하는 자세한 방법에 대해서는 후술한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 유속 측정방법을 상세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계의 일부인 초음파 센서와 반사판을 도시한 도면이며, 도 7은 서로 다른 주파수를 갖는 초음파의 파형을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 초음파 센서(121.1)로부터 송신된 초음파는 반사판(140)에 한번 반사되어 제2 초음파 센서(121.2)로 수신된다. 이러한 경로를 제1 경로(L)라 한다. 그리고, 초음파가 제1 초음파 센서(121.1)에서 송신되어 제2 초음파 센서(121.2)로 수신되는 방향을 기준방향(F)이라 하고, 제2 초음파 센서(121.2)에서 송신되어 제1 초음파 센서(121.1)로 수신되는 방향을 기준방향의 반대방향(R)이라 한다.
먼저, 측정단계에서, 서로 다른 주파수를 갖는 제1 초음파와 제2 초음파를 이용하여, 제1 초음파와 제2 초음파의 위상값을 구한다(S100). 구체적으로, 제1 초음파 센서(121.1)에서 송신되어 제2 초음파 센서(121.2)로 수신되는 기준방향(F) 및 상기 기준방향의 반대방향(R)으로, 상기 제1 초음파 센서(121.1)와 상기 제2 초음파 센서(121.2)가 서로 다른 주파수를 갖는 제1 및 제2 초음파를 송수신하고, 유속측정부(150)가 각 초음파의 위상값을 구한다.
제1 초음파 센서(121.1)는 제1 주파수(f1)를 갖는 제1 초음파를 송신하고, 제1 초음파는 반사판(140)에 반사되어 제2 초음파 센서(121.2)로 수신된다(S110). 제1 초음파 센서(121.1)는 제2 주파수(f2)를 갖는 제2 주파수를 송신하고, 제2 초음파는 반사판(140)에 반사되어 제2 초음파 센서(121.2)로 수신된다(S120).
그리고, 제2 초음파 센서(121.2)는 제1 주파수(f1)를 갖는 제1 초음파를 송신하고, 제1 초음파는 반사판(140)에 반사되어 제1 초음파 센서(121.1)로 수신된다(S130). 제2 초음파 센서(121.2)는 제2 주파수(f2)를 갖는 제2 주파수를 송신하고, 제2 초음파는 반사판(140)에 반사되어 제1 초음파 센서(121.1)로 수신된다(S140).
즉, 기준방향(F)으로, 제1 및 제2 주파수를 이용한 측정이 실시되고, 기준방향의 반대방향(R)으로, 제1 및 제2 주파수를 이용한 측정이 실시된다. 측정의 순서는 변경될 수 있다. 제1 초음파의 주파수(f1)는 41kHz이고, 제2 초음파의 주파수(f2)는 39kHz로 정해 유속을 측정할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 서로 주파수가 상이하도록, 다른 주파수를 선택할 수 있다.
초음파 센서(120)는 일정 시간 이상 초음파를 연속적으로 송신하는 연속파 방식으로 동작한다. 송신측 초음파 센서(120)는 수신측 초음파 센서(120)가 처음 초음파를 수신하고 수신된 초음파가 정상상태로 안정되는 때까지 초음파를 연속으로 송신할 수 있다.
측정단계를 자세히 설명하면, 유속측정부(150)가 제1 주파수를 갖는 제어신호를 제1 초음파 센서(121.1)에 제공하는 제1 단계(S111), 제1 초음파 센서(121.1)가 제어신호에 기초하여, 제1 주파수의 제1 초음파를 송신하는 제2 단계(S112), 제2 초음파 센서(121.2)가 반사판(140)에 반사된 제1 초음파를 수신하고, 제1 초음파에 기초하여 생성한 출력신호를 유속측정부(150)로 제공하는 제3 단계(S113), 유속측정부(150)가 제2 초음파 센서(121.2)로부터 제공된 출력신호에 기초하여 제1 초음파의 위상값(θ1F)을 구하는 제4 단계(114)를 포함한다.
제1 내지 제4 단계는 동일한 순서로, 기준방향(F)으로 제1 초음파를 이용한 측정(S110), 기준방향(F)으로 제2 초음파를 이용한 측정(S120), 기준방향의 반대방향(R)으로 제1 초음파를 이용한 측정(S130), 기준방향의 반대방향(R)으로 제2 초음파를 이용한 측정(S140)에 반복적으로 수행된다.
제1 내지 제4 단계가 수행됨에 따라, 기준방향(F)에서 제1 초음파의 위상값(θ1F), 제2 초음파의 위상값(θ2F), 기준방향의 반대방향(R)에서 제1 초음파의 위상값(θ1R), 제2 초음파의 위상값(θ2R)이 측정된다.
초음파의 속도(v), 초음파의 주파수(f) 및 초음파의 파장(λ)의 관계는 λ=v/f 이다. 초음파의 주파수(f)는 초음파 센서(120)에서 송신하는 주파수가 변하지 않는 한 일정한 값이므로, 초음파의 파장(λ)은 초음파의 속도(v)에 비례한다. 초음파의 속도(v), 소리의 속도(c), 유속(w)의 관계는 v=c±w 이다. 초음파의 진행방향과 유체 흐름방향이 일치하면 + 이고, 초음파의 진행방향과 유체 흐름방향이 반대이면 - 이다.
초음파를 이용하여 유속을 측정함에 있어서, 주파수(f)는 일정하고 초음파의 파장(λ)은 초음파의 속도(v)와 비례하는 관계이다. 초음파의 속도(v)는 유속(w)과 소리의 속도(c)의 합이므로, 유속(w)이 변화하면 초음파의 속도(v) 역시 변화한다. 또한, 유속(w)의 영향을 포함한 초음파의 속도(v)의 변화에 따라 초음파의 파장(λ) 역시 변화하게 되므로, 초음파의 파장(λ)변화에 의한 위상변화를 측정하여, 유속(w)을 측정할 수 있다.
제1 초음파 센서(120.1)에서 주파수가 f1 인 제1 초음파를 송신하면, 유속(w)의 영향으로 초음파의 속도(v)가 변하고, 초음파의 파장(λ)변화에 의한 위상의 변화가 발생한다. 그리고 초음파가 초음파의 속도(v)로 제1 초음파가 제1 초음파 센서(120.1)로부터 제2 초음파 센서(120.2) 사이의 이동거리(L)를 통과함에 의한 위상의 변화가 발생한다.
그러므로, 제1 초음파의 위상값(θ1F)에는 이동거리 통과에 의한 위상변화 성분과 파장변화에 의한 위상변화 성분이 포함된다. 또한 제2 초음파의 위상값(θ2F)에도 이동거리 통과에 의한 위상변화 성분과 파장변화에 의한 위상변화 성분이 포함된다. 따라서, 이동거리에 의한 위상변화 성분은 제1 및 제2 초음파에 동일하게 포함되므로 이하의 위상차 산출단계(S200)를 수행하여 제거할 수 있다.
다음으로, 위상차 산출단계(S200)에서, 기준방향(F)에서의 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차(ΔθF)를 구하고, 기준방향의 반대방향(R)에서의 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차(ΔθR)를 구한다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 기준방향(F)으로 제1 주파수(f1)를 갖는 제1 초음파의 위상(θ1F)에서, 동일한 기준방향(F)으로 제2 주파수(f2)를 갖는 제2 초음파의 위상(θ2F)을 차감하여, 기준방향(F)의 위상차(ΔθF)를 구한다.
동일하게, 기준방향의 반대방향(R)으로 제1 주파수(f1)를 갖는 제1 초음파의 위상(θ1R)에서, 동일한 기준방향의 반대방향(R)으로 제2 주파수(f2)를 갖는 제2 초음파의 위상(θ2R)을 차감하여, 기준방향(F)의 위상차(ΔθR)를 구한다.
동일방향으로 진행하는 서로 다른 주파수의 초음파들은 유속(w)의 영향을 같은 방향으로 받는다. 기준방향(F)을 따라 유체가 흐르는 경우, 유속(w)의 영향을 받은 초음파의 속도(v)로 이동거리(L)를 통과함에 의한 위상변화 부분이 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)에 동일하게 포함된다.
동일한 방향, 즉 기준방향(F)으로, 두개의 서로 다른 주파수를 갖는 초음파의 위상끼리 차감(θ1F - θ2F)함으로써, 유속(w)의 영향을 받은 초음파의 속도(v)로 이동거리(L)를 통과함에 의한 위상변화 부분이 제거되고, 유속(w)의 영향을 받은 초음파의 속도(v)에 의한 초음파의 파장(λ)변화에 의한 위상변화 성분만을 포함하는 위상차(ΔθF)를 구할 수 있다.
같은 방법으로, 동일한 방향, 즉 기준방향의 반대방향(R)으로, 두개의 서로 다른 주파수를 갖는 초음파의 위상끼리 차감(θ1R - θ2R)함으로써, 유속(w)의 영향을 받은 초음파의 속도(v)로 이동거리(L)를 통과함에 의한 위상변화 부분이 제거되고, 유속(w)의 영향을 받은 초음파의 속도(v)에 의한 초음파의 파장(λ)변화에 의한 위상변화 성분만을 포함하는 위상차(ΔθR)를 구할 수 있다.
다음으로, 유속산출 단계(S300)에서, 수학식 1에 따라 유속(w)을 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112016076348650-pat00002
(w: 유속, L: 초음파의 이동거리, Δf = 제1 초음파의 주파수(f1)와 제2 초음파의 주파수(f2)의 차, ΔθF: 기준방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차, ΔθR: 기준방향의 반대방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차)
수학식 1은 도 6 및 7을 참고하여, 다음 과정을 거쳐 유도되었다.
초음파가 이동하는 거리를 제1 경로(L)라고 하면,
Figure 112016076348650-pat00003
이고, 여기에서 n은 정수이다. 위상으로 정리하면,
Figure 112016076348650-pat00004
이며, 기준방향(F)에서, 서로 다른 주파수(f1 또는 f2)인 제1 또는 제2 초음파의 위상값은
Figure 112016076348650-pat00005
,
Figure 112016076348650-pat00006
가 된다. 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)을 차감하여 위상차를 구하면,
Figure 112016076348650-pat00007
와 같다. 초음파의 파장, 주파수, 속도의 관계로 다시 풀면,
Figure 112016076348650-pat00008
가 되며, 초음파의 속도에 관하여 정리하면
Figure 112016076348650-pat00009
이다. 초음파의 속도는 소리의 속도(c)와 유속(w)의 관계에서,
Figure 112016076348650-pat00010
Figure 112016076348650-pat00011
이므로, 수학식 1
Figure 112016076348650-pat00012
을 유도할 수 있다.
이상의 방법으로, 초음파의 속도(v) 변화에 따른 초음파의 파장(λ)변화에 의한 위상변화에 기초하여, 유속(w)을 측정한다.
이상의 유속 측정방법은 제1 초음파 센서(121.1)와 제2 초음파 센서(121.2)를 중심으로 기술하였으나, 통상의 기술자는 이상의 유속 측정방법을 도 1 내지 도 5에 도시된 3개의 초음파 센서(120.1, 120.2, 120.3)를 이용하는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 유속계에도 적용할 수 있다.
예를 들면, 제1 초음파 센서(121.1)에서 제1 및 제2 초음파를 송신하면, 반사판(140)에 반사된 초음파가 제2 및 제3 초음파 센서(121.3)로 수신되고, 순차적으로 제2 초음파 센서(121.2)에서 제1 및 제2 초음파를 송신하면, 반사판(140)에 반사된 초음파가 제1 및 제3 초음파 센서(121.3)로 수신되며, 순차적으로 제3 초음파 센서(121.3)에서 제1 및 제2 초음파를 송신하면, 반사판(140)에 반사된 초음파가 제1 및 제2 초음파 센서(121.2)로 수신된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기준방향(F) 및 기준방향의 반대방향(R)을 설정할 수 있고, 3개의 센서쌍(제1 및 제2, 제2 및 제3, 제3 및 제1)을 이용하여 각 기준방향의 유속을 측정하고, 3개의 기준방향(F)을 기준으로 계산된 유속값을 벡터계산하여 유속 및 유체 흐름방향을 산출할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일실시예에 따른 유속 측정방법을 설명하였다.
종래, 초음파 펄스군을 이용하여 초음파의 이동시간(Time of Flight)를 측정하는 방법은 수신측 초음파 센서에서 문턱값 이상의 신호가 수신될 때를 기준으로 하므로, 초음파가 수신측 초음파 센서에 도달한 때부터 문턱값 이상의 신호로 판정될 때까지의 딜레이타임(Delay Time)이 이동시간에 포함된다. 이러한 딜레이타임은 불규칙하므로 정확한 유속 측정이 어렵다.
이에 비하여, 본 발명은 연속파를 이용하여, 일정시간 이상 초음파를 송신하므로, 수신측 파형이 정상상태에 이르면, 기준 파형과 위상을 비교하므로, 딜레이타임으로 인한 에러를 포함하지 않는다.
또한, 종래에 초음파 펄스군을 이용하는 경우, 펄스군이 차지하는 거리상의 크기 이상으로 초음파 센서(120) 사이의 거리를 이격시켜야 한다. 예를 들어, 주파수가 40kHz인 경우, 10개의 펄스로 이루어진 펄스군을 사용한다고 하면, 펄스군이 차지하는 거리상의 크기가 약 8.5cm가 되고, 초음파 센서(120) 사이의 거리는 약 10cm 이상 이격되어야 한다.
본 발명은 연속파를 이용하여 위상차를 기준으로 유속을 산출하므로, 초음파 센서 사이의 거리를 더 가깝게 할 수 있고, 예를 들어, 약 3cm 의 거리에서도 유속 측정이 가능하다. 따라서 초음파 유속계의 소형화에 유리하다.
또한, 종래에 두 초음파센서가 마주보는 구조에서 연속파를 이용하는 경우, 초음파 센서들 사이에서 반사되는 초음파에 의해, 송신측의 파형이 간섭받는 문제가 있었다.
본 발명은 송신측 초음파 센서(120)에서 송신되는 초음파가 반사판(140)에 반사되어 수신측 초음파 센서(120)로 수신되는 구조를 채택함으로써, 수신측 초음파 센서(120)에서 반사되는 초음파가 다시 송신측 초음파 센서(120)로 향하지 않는 구조이므로, 반사파로 인한 에러를 제거한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
110: 지지판
110.A: 지지판의 일면
111: 지지대
120: 초음파 센서
120.1: 제1 초음파 센서
120.2: 제2 초음파 센서
120.3: 제3 초음파 센서
120.A: 초음파 출력면
130: 중간판
130.A: 중간판의 일면
130.B: 중간판의 타면
131: 수용홀
140: 반사판
141: 관통홀
150: 유속측정부
L: 제1 경로
F: 기준방향
R: 기준방향의 반대방향

Claims (8)

  1. 유체 흐름방향에 수평면을 이루도록 형성된 지지판;
    상기 지지판 일면에 적어도 둘 이상 상호 이격되어 배치되는 초음파 센서;
    상기 초음파 센서를 수용하는 수용홀이 형성되며, 상기 지지판 일면에 일면이 마주보도록 이격되어 형성되는 중간판;
    상기 중간판의 타면으로부터 이격되어 형성되고, 상기 적어도 둘 이상의 초음파 센서 중 어느 하나로부터 송신된 초음파를 다른 초음파 센서로 수신되도록 반사하는 반사판을 포함하고,
    상기 반사판은
    상기 초음파 센서에 마주보는 방향으로 관통되는 관통홀이 형성된 초음파 유속계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판은
    상기 어느 하나의 초음파센서로부터 송신되는 초음파가 반사판의 법선방향에 예각으로 입사하고 동일한 예각으로 반사하여 다른 초음파 센서로 수신되도록 형성되는 초음파 유속계.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지판과 상기 중간판의 이격공간 및 상기 중간판 및 상기 반사판의 이격공간 사이에 형성되고, 지지판의 일면에 수직한 방향으로 배치되어 상기 지지판, 중간판, 반사판과 결합되는 적어도 하나 이상의 지지대를 더 포함하는 초음파 유속계.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간판은
    상기 초음파 센서의 초음파가 방출되는 일면상에 연장되는 평면상에 배치되며, 초음파를 흡수하는 재질로 이루어진 초음파 유속계.
  6. 제1 초음파 센서에서 송신되어 제2 초음파 센서로 수신되는 기준방향(F) 및 상기 제2 초음파 센서에서 송신되어 상기 제1 초음파 센서로 수신되는 상기 기준방향의 반대방향(R)으로, 상기 제1 초음파 센서와 상기 제2 초음파 센서가 서로 다른 주파수를 갖는 제1 및 제2 초음파를 송수신하고, 각 초음파의 위상값을 구하는 측정단계;
    상기 기준방향(F)에서, 상기 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 상기 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차(ΔθF)를 구하고, 상기 기준방향의 반대방향(R)에서, 상기 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 상기 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차(ΔθR)를 구하는 위상차 산출단계;
    수학식 1에 따라 유속(w)을 산출하는 유속산출 단계를 포함하는 유속 측정방법.
    [수학식 1]
    Figure 112016076348650-pat00013

    (w: 유속, L: 초음파의 이동거리, Δf = 제1 초음파의 주파수(f1)와 제2 초음파의 주파수(f2)의 차, ΔθF: 기준방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1F)과 제2 초음파의 위상값(θ2F)의 위상차, ΔθR: 기준방향의 반대방향으로 측정된 제1 초음파의 위상값(θ1R)과 제2 초음파의 위상값(θ2R)의 위상차)
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 측정단계는
    유속측정부가 제1 주파수를 갖는 제어신호를 상기 제1 초음파 센서에 제공하는 제1 단계;
    상기 제1 초음파 센서가 상기 제어신호에 기초하여, 제1 주파수의 제1 초음파를 송신하는 제2 단계;
    상기 제2 초음파 센서가 반사판에 반사된 상기 제1 초음파를 수신하고, 상기 제1 초음파에 기초하여 생성한 출력신호를 상기 유속측정부로 제공하는 제3 단계;
    상기 유속측정부가 상기 제2 초음파 센서로부터 제공된 출력신호에 기초하여 제1 초음파의 위상값(θ1F)을 구하는 제4 단계를 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 단계는
    상기 기준방향(F)으로 상기 제1 및 제2 초음파에 대하여 실시되고, 순차적으로, 상기 기준방향의 반대방향(R)으로 상기 제1 및 제2 초음파에 대하여 실시되는 유속 측정방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 초음파의 주파수는 41kHz이고, 상기 제2 초음파의 주파수는 39kHz인 유속 측정방법.
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GB2619626A (en) * 2021-11-10 2023-12-13 Univ Warwick Air flow measuring apparatus
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