KR102189806B1 - 초음파 수도미터기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초음파 수도미터기는 초음파센서가 직관하는 구조로서 수도배관에서 발생할 수있는 공기층의 영향을 최소화하고 측정관로 내부에서 물 흐름의 위치에 따른 경로차가 없는 측정의 신뢰성이 높은 측정관을 사용하는 전 전자식 으로 용수의 사용량의 정보와 미터기의 동작상태와 사용상태를 나타내는 정보를 미터기의 정보 표시용 표시장치(LCD)에 표시 하고 원격 관리 시스템에 제공할 수 있는 수단을 가진 스마트 미터기로서의 기능을 구비한 초음파 수도미터기에 관한 것이다.

Description

초음파 수도미터기{Ultrasonic Water meterter}

본 발명은 배관을 통해 물이 흐를때 물속에서 전파되는 초음파의 전파 속도가 물의 흐름 방향과 같은 방향 즉 순방향일 때는 빨라지고 물 흐름과 역방향일 때는 늦어지는 특성을 이용하여 초음파의 순방향과 역방향의 전파 시간차를 이용하여 수도물의 사용량을 측정하는 초음파 수도미터기에 관한 것이다.

초음파 수도미터기는 초음파를 발생시키는 기능과 전파되어 오는 초음파를 감지할 수 있는 기능을 가진 초음파 송수신기(Ultrasonic Transducer)를 내장하고 배관에 결합 구조를 갖는 하우징을 포함하는 센서 블록을 이하 초음파센서라 할때 배관의 일정 부분에 측정관로를 형성하고 2개의 초음파센서를 물이 흐르는 측정관로에서 직관하거나 2개의 반사판을 이용하여 측정관로에 초음파 전파 선로를 이루게 하여 일측의 초음파센서가 초음파를 발생시키고 서로 마주한 초음파센서가 수신할 때 측정관로에서 흐르는 물의 흐름과 역방향, 순방향의 전파 시간을 각기 측정하여 그 시간의 차를 이용하여 물의 흐르는 속도를 구하여 배관의 단면적과의 곱을 적산하여 배관을 통과한 수량을 측정한다.

상온의 공기속에서 초음파의 전파속도는 343m/sec이고 물속에서 1480m/sec이다. 초음파센서간 측정 이격거리 즉 측정관로의 길리가 10cm 이면 정지된 공기속에서 전파속도는 291.5uSec 이고 정지된 물속에서는 67.5uSec 로 그 속도 차이가 크다. 초음파 수도 미터기의 측정관로 내부에 일정 양 이상의 공기가 차 있는 경우 이 측정관로에서 초음파센서의 측정속도는 공기속에서의 속도로 감지되거나 물속에서의 속도로 감지 될 수 있다. 물속의 전파속도를 기준으로 할때 공기속에서의 초음파 측정속도가 감지되면 측정불가 상태가 되고 물의 측정속도가 감지되면 신뢰성이 없는 측정 결과가 될 것이다. 가정용 수도미터기는 설치 환경이 매우 다양하고 단수 역류등 관로의 상태나 물의 흐름 상태에 따라 초음파 수도미터기의 측정관로에 공기가 유입되어 측정에 영향을 주는 경우에 전자식 미터기인 초음파 수도미터기는 초음파 신호가 감지범위를 벗어나면 센서 고장상태를 보고하거나 감지범위를 내에 있는 경우에는 신뢰할 수 없는 측정값을 표시할 될 것이다.

이하 설명에서 도 1의 1-A와 같이 정면에서 볼때 유입관로(20)와 유출관로(21)(이하 연결관로(20,21)라함)의 중심축선(30)과 하방으로 단차(a)를 이루며 중심축선(31)이 평행한 측정관로(14)와 측정관로(14)의 양 단부에 자리잡은 초음파센서(10,11)가 서로 마주보며 직관형을 이루는 구조체를 U형 측정관이라하고 도 1의 1-B와 같이 윗면에서 볼때 연결관로(20,21)의 중심축선(33)과 측정관로(15)의 중심축선(32)이 일정 경사를 이루는 초음파센서 직관형을 이루는 구조체를 X형 측정관이라고 하고 수평의 측정관로에 유입관로가 결합되는 부위의 연결구를 상류 유입구(25) 측정관로와 유출관로의 연결구를 하류 유출구(26)라 한다.

수도미터기와 같은 소구경용 초음파 측정관에는 배관의 변형없이 초음파센서 직관형 측정관로를 구성할 수 없어서 U형 측정관이나 X형 측정관과 같이 관로를 변형시켜서 측정관로를 구성하거나 수평배관의 상부에 2개의 초음파센서를 설치하고 센서하부 수평배관의 유로에 2개의 초음파 반사판을 마주보게 설치하여 측정관로를 구성하는 반사판형 초음파 수도미터기가 있다. 반사판형 측정관로의 특성도 이하 설명에서 X형 측정관로의 특성과 다르지 않다.

측정관로 내에서의 물 흐름의 경로와 측정관로 내에 공기층이 존재할 경우에 대해서 U형 측정관과 X형 측정관이 나타내는 특성과 문제점을 파악하여 그 문제점의 해결 방안을 제시하고자 한다.

도 1을 참조하여 유입관로를 통하여 유입된 물이 측정관로를 통하여 유출관로로 흘러 나갈때 측정관로 속에서 초음파의 진행 방향과 같은 수평방향의 물의 흐름을 살펴보면 도 1의 1-A의 U형 측정관의 경우 측정관로(14)에 상류 유입구(25)와 하류 유출구(26)가 측정관로(14)의 축선(31)의 상부에서 같은 방향으로 위치하므로 측정관로(14)내에서 물의 흐름의 수평방향의 이동 거리가 그 위치에 따라 a1,b1,c1 과 같이 다르게 되어 a1 = L1, b1 = a1 + d1, c1 = a1 +2d1 으로 나타나고 수도미터기와 같은 소구경 측정관로에서 d1의 값이 L1의 10%이상으로 무시할 수 없는 큰 값이 됨으로 같은 유속에서도 측정관로(14)내에서 감지되는 초음파의 전파경로에 따라 초음파의 전파 속도가 변화 할 수 있어 측정치에서 오차를 발생시킬 수 있는 구조이다.

이에 비해 도 1의 1-B의 X형 측정관을 수평으로 설치할 때 윗면에서 본 X형 측정관의 측정관로(15)는 상류 유입구(25)와 하류 유출구(26)가 측정관로(15)의 축선(32)의 반대 방향에 위치 하므로 측정관로(14)내에서 물의 흐름의 수평 방향의 이동 거리가 a2,b2,c2 와 같이 배관내에서 그 위치에 관계없이 같아서 a2 = L2 + d2 ,b2 = L2 + d2, c2 = L2 + d2 로 나타나므로 측정관로(15)내에서 초음파의 전파 경로에 따른 변화가 없어 우수한 측정 성능을 갖는다.

도 2를 참조하여 유입관로를 통하여 유입된 물이 측정관로를 통하여 유출관로로 흘러 나갈때 수도배관에 공기층이 있을 경우의 측정관로에 주는 영향을 살펴본다.

물이 흐르는 수도배관에 초음파 수도미터기의 설치시나 단수 역류등 배관에 공기가 유입될 수 있는 영향이 발생하여 초음파 측정관로내에 공기층이 발생하거나 존재할 경우나 초음파 수도미터기의 설치 위치가 수전보다 높고 배관에 걸리는 압력이 낮아 유출구로 흐르는 물이 소량일 경우 배관 내부에서 일정 공기층이 형성된 상태로 배관의 하부로만 물이 흐르는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 배관에 수평으로 초음파 측정관이 설치되는 도 2의 2-A와 같이 X형 측정관의 경우 공기층의 크기에 따라 측정이 불능 상태가 되거나 신뢰 할 수 없는 측정값을 얻는다. 도 2의 2-B와 같이 U형 측정관로(14)의 경우 유입관로(20)와 유출관로(21)를 통하여 공기층 아래로 물이 흐르는 경우에도 측정관로(14)에는 물이 가득한 상태가 되어 배관에 발생하는 공기층으로 부터 발생되는 경우에도 우수한 측정 성능을 보인다.

초음파센서가 대응하여 마주보는 직관형 측정관로에서 상기의 U형 측정관이나 X형 측정관의 형태에서 U형 측정관은 배관의 공기층이 있는 경우에 우수하지만 측정관로(14)에서 위치에 따른 물 흐름의 경로차가 발생하고 X형 측정관은 측정관로(15)에서 위치에 따른 물의 흐름의 경로차는 없지만 배관의 공기층이 있는 경우에 측정에 문제점이 발생한다는 것을 알 수 있다. 이상적으로는 수도 배관에는 항상 높은 수압이 걸려있으므로 내부에 공기층이 발생하더라도 수도물의 사용시 공기는 배출되고 배관에는 물이 차 있는 상태가 정상적이지만 현실적으로는 항상 그렇지 않는 경우가 종종 있다. 임펠러 구동형의 기계식 수도미터기는 관로에 공기가 흐를 경우에도 계량기가 동작하는것으로 인식되지만 전자식인 초음파 미터기는 초음파 센서이상으로 감지되어 고장 상태를 리포트하고 정상적인 물 흐름으로 관로에서 공기가 배출되면 정상 상태로 전환되어 사용자에게 혼란을 주기도 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하는 방안으로 초음파 측정관의 구조를 도 3의 3-A와 같이 연결관로(20,21)와 측정관로(15)를 구성하여 U형 측정관의 형태로 상부구조를 취하고 하부의 초음파 측정관로(15)는 X형 측정관의 측정관로의 형태를 취하여 도 3의 3-C와 같이 정면에서 볼때 측정관로(15)는 연결관로(20,21)와 하방 단차(a)를 이루게하여 배관내의 공기층의 문제를 해결하고 도 3의 3-B와 같이 윗면에서 볼때 연결관로의 중심축선(18)과 측정관로의 중심축선(19)이 일정 꼬임각 θ를 이루고 측정관로(16)의 상류 유입구(25)와 하류 유출구(26)를 측정관로(16)의 양 측면 단부에 자리하여 측정관로(15)내에서 믈 흐름의 경로차를 없는 측정관을 통하여 신뢰성을 높인 초음파 수도미터기를 제시한다.

본 발명의 초음파 수도미터기는 초음파센서가 직관하는 구조로서 수도배관에서 발생할 수있는 공기층의 영향을 최소화하고 측정관로 내부에서 물 흐름의 위치에 따른 경로차가 없는 측정의 신뢰성이 높은 측정관을 사용하는 전 전자식 으로 용수의 사용량 정보와 미터기의 동작상태와 사용상태를 나타내는 정보를 미터기의 정보 표시용 표시장치(LCD)에 표시 하고 원격 관리 시스템에 제공할 수 있는 통신 수단을 가진 스마트 미터기로서의 기능을 구비한 초음파 수도미터기의 실시가 가능하다.

도 1은 1-A의 U형 초음파 측정관의 측정관로(14)와 1-B의 X형 초음파 측정관의 측정관로(15)에서 상류 유입구(25)와 하류 유출구(26)의 위치에 따라 측정관로 내부에서 흐르는 물의 경로를 보여준다.
도 2는 2-A의 연결관로(20,21)와 측정관로(15)가 수평을 이루는 X형 측정관과 2-B의 연결관로(20,21)와 측정관로(14)가 단차(a)를 갖는 U형 측정관의 측정관로(14)에서 연결관로에 공기층이 형성될때 측정관로의 상태를 보여준다.
도 3은 본발명 초음파 수도미터기의 측정관의 형태와 측정관로의 양 단부(12,13)에 결합되는 초음파센서로서 3-A는 측정관의 사시도이며 3-B는 윗면에서 본그림이고 3-C는 정면에서 본 그림이며 3-D는 초음파센서의 결합구조의 일례이다.
도 4에서 4-A는 발명에 따른 초음파 수도미터기의 유입부(34)와 측정관로부(35) 유출관로부(36)으로 나누어 제작되는 결합구조를 4-B는 4-A와 같은 결합 구조에서 유입부(34)와 측정관로부(35)의 결합면과 유입관으로 부터 상류 유입구(25)로 물이 흐르는 결합부에 형성되는 수로(41)의 수평 절단면(38)을 보여준다.
도 5는 5-A에서 본 발명에 따른 초음파 수도미터기의 측정관의 모습과 내장되는 기능 블록도 이다.

초음파 수도미터기에서 관로를 흐르는 유체는 물이고 유량은 Q = A*V 이다.

A = 유체가 흐르는 관로의 단면적, V = 유체의 속도이다

측정관로(15) 내에서 초음파센서(10,11) 사이의 거리 = L, 상류측 초음파센서(10)에서 하류측 초음파센서(11)로의 초음파 전파속도 = T12, 하류측 초음파센서(11)에서 상류 초음파센서(10)로의 초음파 전파속도 = T21, △T = T21-T12 이라 하면 V = L/2 *(1/T12 - 1/T21) = L/2 *(T21-T12)/T12 * T21 = L/2 * △T/(T12 * T21) 로 속도 V는 계산값의 절대값이다. 초음파 수도미터기에서 유량은 측정관로(15)의 단면적(A)과 초음파 센서사이의 거리(L)를 알고 초음파센서(10,11) 사이의 초음파 전파시간 T12, T21를 측정하면 계산된다.

측정관로(15)의 구경(A)과 길이(L)는 초음파 측정관이 연결되는 수도 배관의 구경에 따른 최대유량, 최소유량에 따른 규격 조건과 사용되는 초음파센서의 구경 및 초음파 전파 특성과 전자부의 전자회로와 운용 소프트웨어의 처리능력 의해 결정된다. 유속의 변화에 따른 속도(V)의 변화가 클수록 정밀한 측정이 가능하므로 측정관로(15)의 구경은 연결되는 수도 배관의 구경보다 가능한 범위 내에서 작게 결정된다.

본 발명 초음파 수도미터기의 측정관은 도 3을 참조하여 설명하면 측정관로(15)의 상류측 측면에 상류 유입구(25)가 있고 그 대응되는 하류측 측면에 하류 유출구(26)가 있으며 연결되는 축선(18)이 직선상에 있는 유입관로(20)와 유출관로(21)가 도 3-C의 정면도에서와 같이 측정관로(15)보다 수평 높이 방향으로 단차(a)를 이루고 도 3-B의 그림과 같이 윗면에서 볼때 측정관로의 축선(19)와 연결관로의 축선(18)이 일정 비틀림각 θ를 이룬다. 비틀림 각θ는 측정관로의 구경에 따라 15도 내지 40도 이내의 값으로 결정 될 수 있다. 유입관로는 하향하면서 측정관로(15)의 측면의 상류 유입구(25)를 향하는 굴곡관부(22)를 이루며 측정관로(15)의 상류 유입구(25)에 연결되고 유출관로(21)는 하향하면서 측정관로(15)의 측면의 하류 유출구(26)를 향하는 굴곡관부(23)를 이루며 측정관로(15)의 하류 유입구(26)에 연결된다. 이상과 같은 방법으로 제작된 본 발명 초음 수도미터기는 도 3-A의 완성된 모습을 보이며 측정관로(15)의 양단부의 초음파센서 삽입구(12,13)에는 도 3-D와 같이 오링(16)과 초음파 송수신기(10,11)가 결합되는 하우징(17)을 이용하여 방수가 되도록 결합하면 초음파 측정관로가 완성된다.

도 3-A와 같이 설계된 초음파 측정관은 황동관, 스테인레스관등 금속의 재질이나 고강도 플라스틱 재질로 제조 될 수 있고 유입관로(20)와 측정관로(15), 유출관로(21)와 측정관로(15) 사이는 굴곡관(22,23)을 이루고 있으므로 제조과정의 생산성 향상을 위해 도 4-A와 같이 각 부분품에 굴곡관이 없도록 유입부(34), 측정관로부(35), 유출부(36)로 분리 제작하여 결합하는 구조로 하면 금형의 제작이나 사출 및 가공 과정에서 제작비를 줄이고 생산성을 향상 시킬 수 있다. 분리 제작되는 측정관은 도 3-C의 측정관로(15)의 상류측 절단선(27)과 하류측 절단선(28)을 기준면으로 절단하여 각 부분에 곡관부가 없는 부분품으로 나누고 각 절단부에 플랜지(30,31,32,33)를 형성하여 도 4-A와 같이 유입부(34) 측정관로부(35) 유출부(36)로 나누어 제작하면 유입부(34)와 유출부(36)는 같은 형상으로 공유 될 수 있다. 상류측 절단선(27)과 하류측 절단선(28)을 기준면으로하여 절단하면 측정관로부의 하향곡관부(25,26)의 수평단면도는 도 4-B의 37과 같은 절단면의 수로 형상이되므로 제조 과정의 편리를 위해 도 4-C의 38과 같은 의 수로 형태가 되도록 변형시킨 구조로 한다.

상기와 같이 초음파 측정관이 제작되면 초음파센서의 신호선은 전자회로에 연결되고 전자회로부와 내장된 운용소프트웨어의 동작으로 측정관로 내의 물 흐름의 속도를 검출하여 관로를 통과한 수량 정보 및 초음파센서의 이상유무, 누수, 과부하, 미사용 상태등의 정보를 수집하여 표시부(LCD)에 표시 및 유무선 통신 수단을 통하여 원격검침 시스템에 제공하는 전 전자식 스마트 수도 계량기의 기능을 갖는다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능할 것이나 이는 본 발명의 기술 사상내에 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10,11 : 초음파 송수신기(Ultrasonic Transducer)
12,13 : 초음파 센서 결합구, 14 : U형 측정관로, 15 : X형 측정관로
16 : 오링, 17 : 초음파 송수신 하우징
18 : 연결관로(20+21)의 중심축선, 19 : 측정관로의 중심축선
20 : 유입관로 , 21 : 유출관로
22 : 유입관로의 하향곡부, 23 : 유출관로의 하향곡부
25 : 측정관로의 상류 유입구, 26 : 측정관로의 하류 유출구
27,28 : 측정관의 분리 제작시 절단부
30 : 유입부 플랜지, 31,32 : 측정관로부 플랜지, 33: 유출부 플랜지
34 : 유입부, 25 : 측정관로부, 36 : 유출부
37 : 27,37의 절단시 하향 곡부의 횡단면도
38 : 37을 변형시킨 제품의 하향 수로의 횡단면도
41: 유입관에서 상류 유입구로 흐르는 상류 수로
42: 하류 유출구에서 유출관으로 흐르는 하류 수로
a : 연결관로(20,21)와 와 측정관로와의 높이 차이(단차)

Claims (4)

1. 수도배관에 연결되는 초음파 측정관을 가지고 물속에서 초음파의 전파속도를 이용하여 배관을 통과한 물의 양을 측정하는 초음파 수도미터기에 있어서
   a. 상기 측정관은 측정관로와 유입관로와 유출관로를 가지며
   b. 상기 측정관로는 직선 관로로 구성되고 양측단부에 초음파센서가 대응하여 직관하는 구조로 삽입되어 체결되며 상기 유입관로 및 유출관로는 측정관로와 하방으로 단차(a)를 이루며 유입관로와 유출관로를 연결하는 연결 축선은 직선을 이루고 상기 연결 축선과 측정관로의 축선은 윗면에서 볼때 15도 내지 40도의 일정 비틀림 각을 이루고
   c. 상기 유입관로는 하향 곡관을 이루어 측정관로의 상류측 단부의 측면의 상류 유입구에 연결되고 상기 유출관로는 하향 곡관을 이루어 측정관로의 하류측 단부의 상류 유입구의 반대쪽의 측면의 하류 유출구에 연결된다
   는 것을 특징으로 하여 측정관로 내에서 물 흐름 방향과 초음파 진행 방향이 역방향일 때와 순방향일 때의 시간을 이용하여 수량을 측정하는 초음파 수도미터기
   
   
   
   
2. 삭제
3. 청구 1항에서
   초음파 수도미터기의 측정관의 유입관로와 유출관로를 연결하는 축선은 직선상에 있고 측정관로와 하방으로 단차를 이루며 수평방향의 단차는 측정관로의 구경 이상의 값을 가지며 측정관로에 연결되는 유입관로의 유입부와 측정관로에 연결되는 유출관로의 유출부는 각기 측정관로의 양 단부에서 수평 방향의 반대쪽 측면에 대응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 수도미터기
   
4. 삭제

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