KR102191395B1 - 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법 - Google Patents

초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 의한 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법이 개시된다. 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 한 쌍의 초음파 센서가 배치된 초음파 유량 측정 장치를 위한 컨트롤러는 상기 한 쌍의 초음파 센서에 각각 연결되어 수신 신호를 전달하기 위한 신호 수신 경로를 온 또는 오프시키는 다수의 스위치; 상기 신호 수신 경로로 전달된 수신 신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거부; 상기 잡음이 제거된 수신 신호의 수신 시간과 송신 신호의 송신 시간의 시간 차에 대응하는 디지털 코드를 출력하는 시간-디지털 변환기; 및 상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파 시와 역방향 신호 전파 시에 각각 출력된 2개의 디지털 코드를 제공받고, 상기 제공받은 2개의 디지털 코드를 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법{APPARATUS FOR MEASURING ULTRASONIC FLOW, CONTROLLER FOR THE SAME AND METHOD FOR MEASURING ULTRASONIC FLOW}
실시예는 소구경 관로에서 적용 가능한 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법에 관한 것이다.
전달 시간차 방식의 초음파 유량 측정기는 유체가 흐르는 관로 내에 특정한 공진 주파수를 갖는 두 개의 압전형 초음파 센서를 배치하고 두 개의 압전형 초음파 센서 간에 초음파 신호를 송수신하여 유체의 유속 및 유량을 측정하는데 사용되는 기기를 일컫는다.
이러한 종래의 초음파 유량 측정기는 각종 산업현장 등의 다양한 분야에서 사용된다.
하지만 초음파 측정 방식은 소구경 또는 저유속 관로일 경우 초음파 센서 간의 거리가 매우 가까운 상태가 되거나 저유속에 의해 초음파 전달 시간차가 작기 때문에 측정이 되지 않거나 측정 오차가 발생하는 문제점이 있다.
따라서 소구경 관로에서도 적용 가능한 유량 측정기의 개발이 필요한 실정이다.
실시예는, 소구경 관로에서 적용 가능한 초음파 유량 측정 장치, 이를 위한 컨트롤러 및 초음파 유량 측정 방법을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 한 쌍의 초음파 센서가 배치된 초음파 유량 측정 장치를 위한 컨트롤러는 상기 한 쌍의 초음파 센서에 각각 연결되어 송신 신호를 전달하기 위한 수신 신호를 전달하기 위한 신호 수신 경로를 온 또는 오프 시키는 다수의 스위치; 상기 신호 수신 경로로 전달된 수신 신호의 잡음을 제거하는 잡음 제거부; 상기 잡음이 제거된 수신 신호의 수신 시간과 송신 신호의 송신 시간의 시간 차에 대응하는 디지털 코드를 출력하는 시간-디지털 변환기; 및 상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파 시와 역방향 신호 전파 시에 각각 출력된 2개의 디지털 코드를 제공받고, 상기 제공받은 2개의 디지털 코드를 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
상기 다수의 스위치는 제1 스위치와 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 상기 한 쌍의 초음파 센서 중 어느 하나의 초음파 센서와 상기 시간-디지털 변환기 사이의 신호 수신 경로 상에 연결되어, 상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파시 상기 신호 수신 경로를 오프시키고, 상기 제2 스위치는 상기 한 쌍의 초음파 센서 중 다른 하나의 초음파 센서와 상기 시간-디지털 변환기 사이의 신호 수신 경로 상에 연결되어, 상기 유체의 진행 방향에 대한 역방향 신호 전파시 상기 신호 수신 경로를 오프시킬 수 있다.
상기 스위치는 T/R(Transmit/Receive) 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 디지털 코드에 상응하는 전달 시간을 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리와 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리의 비율을 이용하여 보정하고, 상기 보정된 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출할 수 있다.
상기 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00001
,
Figure 112020064545202-pat00002
에 의해 구하고, 역방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00003
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Figure 112020064545202-pat00004
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 디지털 코드에 상응하는 제1 전달 시간과 수학식에 의해 산출된 제2 전달 시간의 평균값을 산출하여 상기 산출된 평균값으로 제1 전달 시간을 보정하되, 상기 제2 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00005
에 의해 구하고, 역방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00006
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
상기 잡음 제거부는 LNA(Low Noise Amplifier)를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치는 내부에 유체가 흐르는 측정관; 상기 측정관의 적어도 일측에 배치되는 한 쌍의 초음파 센서; 및 상기 측정관에 연결되고, 청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 컨트롤러와 상기 컨트롤러가 수용된 케이스로 이루어진 제어부를 포함할 수 있다.
상기 초음파 유량 측정 장치는 상기 측정관과 상기 제어부를 결합시키고, 상기 한 쌍의 초음파 센서와 상기 컨트롤러를 전기적으로 연결시키는 케이블이 배치되는 연결관을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 배치된 한 쌍의 초음파 센서 간의 전달 시간을 측정하는 시간-디지털 변환기를 포함하는 초음파 유량 측정 장치의 초음파 유량 측정 방법은 상기 유체의 진행 방향에 대해 순방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 순방향 전달 시간을 측정하는 단계; 역방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 역방향 전달 시간을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 순방향 전달 시간과 상기 역방향 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 순방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 순방향 전달 시간을 수학식에 의해 보정하되, 상기 순방향 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00007
,
Figure 112020064545202-pat00008
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
상기 역방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간을 수학식에 의해 보정하되, 상기 역방향 전달 시간은 역방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00009
,
Figure 112020064545202-pat00010
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
상기 순방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 순방향 전달 시간과 수학식에 의해 산출된 전달 시간의 평균값을 산출하여 상기 산출된 평균값으로 순방향 전달 시간을 보정하되, 상기 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00011
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
상기 역방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간과 수학식에 의해 산출된 전달 시간의 평균값을 산출하여 상기 산출된 평균값으로 역방향 전달 시간을 보정하되, 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간과 수학식에 의해 산출된 전달 시간의 평균값을 산출하여 상기 산출된 평균값으로 역방향 전달 시간을 보정하되, 상기 전달 시간은 역방향 신호 전파 시 수학식
Figure 112020064545202-pat00012
에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각일 수 있다.
실시예에 따르면, 초음파 센서와 연결되는 신호 수신 경로 상에 스위치와 LNA를 구비하고, 신호를 송신하는 경우에 스위치가 오프되고, 신호를 수신하는 경우에 스위치가 온되도록 함으로써, 미세한 신호를 수신하는 경우 수신기 전체의 감도를 높이고 잡음을 저감할 수 있다.
실시예에 따르면, 수신기 전체의 감도를 높이고 잡음을 저감하는 것이 가능하기 때문에 측정값에 대한 오차율을 줄일 수 있다.
실시예에 따르면, 외부 요인에 의해 발생한 고전압 잡음이 충격파 형태로 신호와 같이 들어오게 될 경우 스위치가 동작되어 내부 회로를 보호하며 안정적인 측정이 가능할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 초음파 센서와 제어부의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2a에 도시된 컨트롤러의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 신호 송신 경로와 신호 수신 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 유량 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 유량 측정 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에서는, 초음파 센서에 신호 송신 경로와 신호 수신 경로를 각각 연결하고, 신호 수신 경로 상에 스위치를 배치하여 신호를 송신하는 경우에 스위치가 오프되고, 신호를 수신하는 경우에 스위치가 온되도록 한, 새로운 방안을 제안한다.
도 1a 내지 도 1c 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치는 내측에 유체가 흐르는 측정관(100), 초음파 센서(200), 제어부(300)를 포함할 수 있다.
측정관(100)은 원통형으로 형성되어 내부의 유로를 통해 유체가 흐를 수 있다. 측정관(100)은 예컨대, 상하수도 배관의 중간에 삽입 결합되어 상하수도 배관 내부의 관로에 연결되되, 관로의 직경과 측정관(100) 내부의 유로의 직경은 동일할 수 있다.
측정관(100)은 몸체부(110), 고정부(120), 결합부(130), 커버(140)를 포함할 수 있다. 몸체부(110)는 원통형으로 형성되어 내측에 유체가 흐르고, 고정부(120)는 몸체부(110)의 일측에 한 쌍이 형성되어 한 쌍의 초음파 센서(200)가 배치되고, 결합부(130)는 몸체부(110)의 양단에 한 쌍이 형성되어 관로에 연결되고, 커버(140)는 한 쌍의 고정부(120)에 각각 결합되어 각 고정부(120)의 내부를 밀폐할 수 있다. 또한 고정부(120)는 일 측면에 초음파 센서(200)와 제어부(300)를 연결하기 위한 케이블이 삽입되는 연결구(100a)가 형성될 수 있다.
또한 측정관(100)의 재질은 합성 수지 및 금속을 포함할 수 있다. 이때, 측정관(100)을 구성하는 몸체부(110), 고정부(120), 결합부(130)는 일체형으로 형성될 수 있다.
초음파 센서(200)는 측정관(100)의 일측에 경사지게 결합 배치되되, 측정관(100) 내부의 유로에 흐르는 유체에 초음파 신호를 송신하여 수신하도록 한 쌍이 구비될 수 있다. 즉, 초음파 센서(200)는 제1 초음파 센서(200a)와 제2 초음파 센서(200b)를 포함하고, 제1 초음파 센서(200a)는 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 센서(200b)가 초음파 신호를 수신하거나 제2 초음파 센서(200b)가 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 센서(200a)가 초음파 신호를 수신할 수 있다.
이때, 초음파 센서(200)는 측정관(100) 내부의 유로로부터 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 이격된 거리만큼 초음파 신호의 전달 거리가 늘어날 수 있다.
제어부(300)는 측정관(100)에 설치된 한 쌍의 초음파 센서(200)와 연결되고, 한 쌍의 초음파 센서(200)로부터 수신되는 초음파 신호를 전달받아 전달받은 초음파 신호의 전달 시간차를 이용하여 측정관(100) 내부의 유로를 흐르는 유체의 유속 및 유량을 산출할 수 있다.
제어부(300)는 케이스(310), 컨트롤러(320)를 포함할 수 있다. 케이스(310)의 내부에는 컨트롤러(320)가 배치되고, 컨트롤러(320)는 측정관(100)에 설치된 초음파 센서와 연결되어 두 초음파 센서 간 송수신된 초음파 신호를 이용하여 유체의 유속 및 유량을 측정할 수 있다. 또한 케이스(310)는 일 측면에 초음파 센서(200)와 제어부(300)를 연결하기 위한 케이블이 삽입되는 연결구(300a)가 형성될 수 있다.
연결관(400)은 측정관(100)과 제어부(300) 사이에 배치되어, 측정관(100)의 일측면에 형성된 다수의 체결구(100b)와 제어부(300)의 일측면에 형성된 다수의 체결구(300b)를 통해 나사 결합됨으로써 고정 결합될 수 있다.
연결관(400)은 고정 결합된 측정관(100)의 일 측면에 형성된 연결구(100a)와 케이스(310)의 일 측면에 형성된 연결구(300a)를 연결시킴으로써, 초음파 센서와 컨트롤러를 연결하는 케이블이 하우징 내부에 위치하도록 하여 외부에서 케이블을 접촉할 수 없다.
도 1c를 참조하면, 도 1b에서 설명한 연결관(400)을 사용하지 않고 측정관(100)의 연결구(100a)와 제어부(300)의 연결구(300a)를 직접 연결할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2b는 초음파 센서와 제어부의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 실시예에 따른 연결관(400)을 통해 측정관(100)에 배치된 한 쌍의 초음파 센서(200a, 200b)와 제어부(300)는 케이블(10)로 연결될 수 있다. 즉, 케이블(10)은 측정관(100)의 일 측면에 형성된 연결구(100a), 연결관(400), 케이스(310)의 일 측면에 형성된 연결구(300a)에 배치되어 연결될 수 있다.
또한, 측정관(100)과 제어부(300)는 연결관(400)에 의해 연결되어 연결관(400)의 길이만큼 이격되어 배치되기 때문에, 단열 및 절연(insulation)이 가능할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치는 반사 타입으로, 한 쌍의 초음파 센서(200a, 200b)를 몸체부(110)의 일측에 형성된 한 쌍의 고정부(120a, 120b)에 각각 배치되되, 유체가 흐르는 유로로부터 미리 정해진 거리(L11, L21)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 초음파 센서의 직경과 고정부의 직경은 서로 동일하게 설계될 수 있다.
이때, 초음파 센서(200a, 200b)는 실제 초음파 신호가 발생하는 끝단의 제1 파트와 제1 파트를 지지하는 제2 파트로 구분될 수 있다. 초음파 센서의 직경은 제2 파트의 직경을 나타내고, 제1 파트의 직경은 제2 파트의 직경과 동일하거나 작을 수 있다.
이때, 고정부(120a, 120b)는 몸체부의 중심축을 기준으로 소정 각도만큼 틸팅되어 형성되되, 소정 각도는 30도 ~ 60도의 범위 내에서 형성될 수 있고, 45도로 형성되는 것이 바람직하다.
제1 초음파 센서(200a)로부터 발생된 초음파 신호가 유로의 내면에 한번 반사되어 제2 초음파 센서(200b)로 전달되거나 제2 초음파 센서(200b)로부터 발생된 초음파 신호가 유로의 내면에 한번 반사되어 제1 초음파 센서(200a)로 전달되도록 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 한 쌍의 초음파 센서가 유로로부터 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치되기 때문에 초음파 신호의 전달 경로가 (L11+L21)만큼 증가할 수 있다.
도 4는 도 2a에 도시된 컨트롤러의 상세한 구성을 나타내는 도면이고, 도 5a 내지 도 5b는 신호 송신 경로와 신호 수신 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 컨트롤러(320)는 제어 유닛(321), 시간-디지털 변환기(Time-Digital Converter, TDC)(322), 제1 잡음 제거부(323), 제2 잡음 제거부(324), 제1 스위치(325), 제2 스위치(326), 인터페이스(Interface)(327), 디스플레이부(328), 출력부(329)를 포함할 수 있다.
제어 유닛(321)은 유체의 흐름에 대한 순방향 또는 역방향으로 초음파 센서(200a, 200b)를 통해 송신하고자 하는 펄스 수를 갖는 송신 신호를 생성할 수 있다.
제어 유닛(321)은 시간-디지털 변환기(322)로부터 생성된 송신 신호와 수신 신호 사이의 시간 차에 대응하는 디지털 코드를 제공받고, 제공받은 디지털 코드에 상응하는 시간 차 즉, 전달 시간을 이용하여 유체의 유속 및 유량을 산출할 수 있다.
제어 유닛(321)은 유체의 순방향 흐름 또는 역방향 흐름에 대한 전달 시간을 각각 측정할 수 있다. 일반적으로 초음파 전달시간 차이를 이용하여 유속을 측정하는 경우 순방향과 역방향에서 전달 시간 차이가 증가하는 경우 신뢰성이 높아진다. 따라서 실시예에서는 전달 시간 차이가 증가하도록 초음파 센서를 측정관 내부의 유로로부터 일정 거리 이격되어 배치시켜 전달 경로가 길어지도록 한다.
시간-디지털 변환기(322)는 시간 정보를 디지털 코드로 변환하는 장치로, 두 입력 신호 즉, 송신 신호와 수신 신호 사이의 시간 차 즉, 전달 시간에 대응하는 디지털 코드를 생성할 수 있다. 여기서 입력 신호는 펄스 형태가 될 수도 있고 각기 다른 신호원(source)으로부터의 단순한 상승 신호(Rising signal)일 수도 있다.
이러한 시간-디지털 변환기는 예컨대, 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter, ADC), 위상 고정 루프(Phase Locked Loop, PLL), 지연고정루프(Delay Locked Loop, DLL), 이미지 센서, 형상 스캔 장치, 거리 측정 장치 등에 사용된다.
시간-디지털 변환기(322)는 초음파 센서와의 임피던스 매칭을 위해 직접적으로 연결하는 것이 일반적이지만, 높은 주파수를 갖는 신호는 신호 레벨이 비교적 낮고 간섭 현상에 매우 민감한 특성을 가지고 있기 때문에 미세한 신호의 수신 시 수신기 전체의 감도를 높이고 잡음을 저감시키기 위해 저잡음 증폭기를 이용하고자 한다.
제1 잡음 제거부(323)는 시간-디지털 변환기(322)와 제1 초음파 센서의 사이의 신호 수신 경로(P12) 상에 연결되고, 제1 초음파 센서(200a)를 통해 수신된 수신 신호의 잡음을 제거할 수 있다. 즉, 제1 잡음 제거부(323)는 제1 초음파 센서(200a)를 통해 수신되는 대역 이외의 신호를 제거할 수 있다.
제2 잡음 제거부(324)는 시간-디지털 변환기(322)와 제2 초음파 센서의 사이의 신호 수신 경로(P22) 상에 연결되고, 제2 초음파 센서(200b)를 통해 수신된 수신 신호의 잡음을 제거할 수 있다. 즉, 제2 잡음 제거부(324)는 제2 초음파 센서(200b)를 통해 수신되는 대역 이외의 신호를 제거할 수 있다.
여기서는 제1 잡음 제거부(323)와 제2 잡음 제거부(324)를 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)로 구현한 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 부품의 적용이 가능하다.
제1 스위치(325)는 제1 잡음 제거부(323)와 제1 초음파 센서(200a) 사이의 신호 수신 경로(P12) 상에 연결되어 온 또는 오프될 수 있다. 제1 스위치(324)는 제1 초음파 센서(200a)를 통한 신호 송신 시 오프되어, 신호 송신 경로(P11)를 통해 송신되는 신호가 신호 수신 경로(P12)로 들어오는 것을 차단할 수 있다.
제2 스위치(326)는 제2 잡음 제거부(324)와 제2 초음파 센서(200b) 사이의 신호 수신 경로(P22) 상에 연결되어 온 또는 오프될 수 있다. 제2 스위치(326)는 제2 초음파 센서(200b)를 통한 신호 송신 시 오프되어, 신호 송신 경로(P21)를 통해 송신되는 신호가 제2 신호 수신 경로(P22)로 들어오는 것을 차단할 수 있다.
이때, 제1 스위치(325)와 제2 스위치(326)는 예컨대, T/R(Transmit/Receive) 스위치가 사용될 수 있다.
이러한 제1 스위치(325)와 제2 스위치(326)는 신호를 송신하거나 수신하는 과정에서 외부 요인에 의해 발생할 수 있는 고전압 잡음이 충격파 형태로 신호와 함께 들어오게 되면 동작되어 내부 회로를 보호하여 안정적인 측정이 가능할 수 있다.
인터페이스(327)는 외부의 단말과 연동하여 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 여기서 인터페이스(327)는 예컨대, 병렬 데이터의 형태를 직렬 방식으로 전환하는 데이터를 전송하는 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)일 수 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 방식이 적용될 수 있다.
디스플레이부(328)는 산출된 유속 및 순시 유량, 적산 유량을 화면 상에 디스플레이할 수 있다.
출력부(329)는 산출된 유속 및 순시 유량, 적산 유량을 아날로그 방식으로 출력할 수 있다. 예컨대, 출력부(329)는 산출된 유량을 전류 또는 전압의 크기로 변환하여 출력할 수 있다.
출력부(329)는 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog Converter, DAC)(329a)와 아날로그 출력부(329b)를 포함할 수 있다. 디지털-아날로그 변환기(329a)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 아날로그 출력부(329b)로 출력할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 실시예에 따른 신호 송신 경로(P11)는 제어 유닛(321), 시간-디지털 변환기(322), 제1 초음파 센서(200a)를 포함할 수 있다. 제어 유닛(321)에서 생성된 송신하고자 하는 펄스를 갖는 송신 신호는 시간-디지털 변환기(322)를 거쳐 제1 초음파 센서(200a)에 제공될 수 있다.
실시예에 따른 신호 수신 경로(P22)는 제2 초음파 센서(200b), 제2 스위치(326), 제2 잡음 제거부(324), 시간-디지털 변환기(322), 제어 유닛(321)을 포함할 수 있다. 제2 초음파 센서(200b)를 통해 수신된 수신 신호는 제2 스위치(326), 제2 잡음 제거부(324), 시간-디지털 변환기(322)를 차례로 거쳐 제어 유닛(321)에 제공될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 실시예에 따른 신호 송신 경로(P21)는 제어 유닛(321), 시간-디지털 변환기(322), 제2 초음파 센서(200b)를 포함할 수 있다. 제어 유닛(321)에서 생성된 송신하고자 하는 펄스를 갖는 송신 신호는 시간-디지털 변환기(322)를 거쳐 제2 초음파 센서(200b)에 제공될 수 있다.
실시예에 따른 신호 수신 경로(P12)는 제1 초음파 센서(200a), 제1 스위치(325), 제1 잡음 제거부(323), 시간-디지털 변환기(322), 제어 유닛(321)을 포함할 수 있다. 제1 초음파 센서(200a)를 통해 수신된 수신 신호는 제1 스위치(325), 제1 잡음 제거부(323), 시간-디지털 변환기(322)를 차례로 거쳐 제어 유닛(321)에 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파 유량 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치(이하 측정 장치라고 한다)는 유체의 흐름에 대해 순방향으로 초음파 신호를 전달하여(S610), 순방향으로 전파되는 초음파 신호의 순방향 전달 시간 tdownstream을 측정할 수 있는데, 이때의 순방향 전달 시간은 시간-디지털 변환기로부터 획득할 수 있다(S620).
이러한 순방향 전달 시간은 다음의 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020064545202-pat00013
여기서, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체 흐름의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각을 나타낸다. 여기서 L은 도 3을 참조하면 L11, L12, L21, L22의 합이 된다.
다음으로, 측정 장치는 유체의 흐름에 대해 역방향으로 초음파 신호를 전달하여(S630), 역방향으로 전달되는 초음파 신호의 역방향 전달 시간 tupstream을 측정할 수 있는데, 이때의 역방향 전달 시간은 시간-디지털 변환기로부터 획득할 수 있다(S640).
이러한 역방향 전달 시간은 다음의 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020064545202-pat00014
상기 [수학식 1]과 [수학식 2]를 정리하면 다음의 [수학식 3]와 같이 나타낸다.
[수학식 3]
Figure 112020064545202-pat00015
,
Figure 112020064545202-pat00016
다음으로, 측정 장치는 전달 시간 tupstream과 tdownstream을 이용하여 유속을 산출할 수 있다(S650). 상기 [수학식 3]의 두 방정식으로부터 유속 v와 음속 c를 각각 구하면 다음의 [수학식 4], [수학식 5]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112020064545202-pat00017
[수학식 5]
Figure 112020064545202-pat00018
다음으로, 측정 장치는 산출된 유속 v을 이용하여 체적 유량을 산출할 수 있다(S660).
이때, 측정관 내에서 유량의 영향을 받는 영역은 초음파 신호의 전달 거리 L'= L12 + L21의 범위이기 때문에, 전달 거리 L'과 전달 거리 L의 비율로 순방향 전달 시간과 역방향 전달 시간을 산출하면, 다음의 [수학식 6]과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020064545202-pat00019
,
Figure 112020064545202-pat00020
상기 [수학식 6]를 정리하면 전달 시간으로 정리하면 다음의 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
Figure 112020064545202-pat00021
,
Figure 112020064545202-pat00022
상기 [수학식 7]을 상기 [수학식 4]에 대입하되, [수학식 4]에서 항목 (tupstream-tdownstream) 즉, 두 전달 시간의 차 Δt는 유량이 흐르지 않는 부분 L11, L21을 포함하여 계산되지만, 전체 전달 거리 L(=L11+L12+L21+L22)의 순방향 시간에서 역방향 시간을 뺄 때 상쇄되어 (L12+L22)의 시간차만이 계산되는 결과와 같은 값을 갖기 때문에 상기 [수학식 7]와 같이 전달 거리의 비율을 곱하지 않고 적용하면 다음의 [수학식 8]과 같이 정의된다.
[수학식 8]
Figure 112020064545202-pat00023
상기 [수학식 8]를 이용하면 체적 유량 즉, 유량 qv는 다음의 [수학식 9]와 같다.
[수학식 9]
Figure 112020064545202-pat00024
여기서, A는 측정관의 내부에서 유체가 흐르는 유로의 횡단면의 면적을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파 유량 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 초음파 유량 측정 장치(이하 측정 장치라고 한다)는 유체의 흐름에 대해 순방향으로 초음파 신호를 전달하여(S710), 순방향으로 전파되는 초음파 신호의 순방향 전달 시간 tdownstream을 측정할 수 있는데, 이때의 순방향 전달 시간은 시간-디지털 변환기로부터 획득할 수 있다(S720).
이때, 측정 장치는 획득된 순방향 전달 시간 tdownstream과 수학식 1에 의해 산출된 순방향 전달 시간의 평균값을 산출하여 산출된 평균값을 순방향 전달 시간 tdownstream으로 보정할 수 있다(S721).
다음으로, 측정 장치는 유체의 흐름에 대해 역방향으로 초음파 신호를 전달하여(S730), 역방향으로 전달되는 초음파 신호의 역방향 전달 시간 tupstream을 측정할 수 있는데, 이때의 역방향 전달 시간은 시간-디지털 변환기로부터 획득할 수 있다(S740).
이때, 측정 장치는 획득된 역방향 전달 시간 tupstream과 수학식 2에 의해 산출된 역방향 전달 시간의 평균값을 산출하여 산출된 평균값을 역방향 전달 시간 tupstream으로 보정할 수 있다(S741).
다음으로, 측정 장치는 전달 시간 tupstream과 tdownstream을 이용하여 유속을 산출할 수 있다(S750).
다음으로, 측정 장치는 산출된 유속을 이용하여 체적 유량을 산출할 수 있다(S760).
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 측정관
200: 초음파 센서
300: 제어부
310: 케이스
320: 컨트롤러
321: 제어 유닛
322: 시간-디지털 변환기
323: 제1 잡음 제거부
324: 제2 잡음 제거부
325: 제1 스위치
326: 제2 스위치
327: 인터페이스
328: 디스플레이부
329: 출력부
400: 연결관

Claims (14)

  1. 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 한 쌍의 초음파 센서가 배치된 초음파 유량 측정 장치를 위한 컨트롤러에 있어서,
    상기 한 쌍의 초음파 센서에 각각 연결되어 수신 신호를 전달하기 위한 신호 수신 경로를 온 또는 오프시키는 다수의 스위치;
    상기 신호 수신 경로로 전달된 수신 신호의 잡음을 제거하는 다수의 잡음 제거부;
    상기 잡음이 제거된 수신 신호의 수신 시간과 송신 신호의 송신 시간의 시간 차에 대응하는 디지털 코드를 출력하는 시간-디지털 변환기; 및
    상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파 시와 역방향 신호 전파 시에 각각 출력된 다수의 디지털 코드를 제공받고, 상기 제공받은 다수의 디지털 코드를 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 디지털 코드에 상응하는 전달 시간을 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리에 대한 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리의 비율로 보정하고,
    상기 보정된 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는, 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 스위치는 제1 스위치와 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 한 쌍의 초음파 센서 중 어느 하나의 초음파 센서와 상기 시간-디지털 변환기 사이의 신호 수신 경로 상에 연결되어, 상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파시 상기 신호 수신 경로를 오프시키고,
    상기 제2 스위치는 상기 한 쌍의 초음파 센서 중 다른 하나의 초음파 센서와 상기 시간-디지털 변환기 사이의 신호 수신 경로 상에 연결되어, 상기 유체의 진행 방향에 대한 역방향 신호 전파시 상기 신호 수신 경로를 오프시키는, 컨트롤러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치는 T/R(Transmit/Receive) 스위치를 포함하는, 컨트롤러.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020109633569-pat00025
    ,
    Figure 112020109633569-pat00026
    에 의해 구하고, 역방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020109633569-pat00027
    ,
    Figure 112020109633569-pat00028
    에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각인, 컨트롤러.
  6. 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 한 쌍의 초음파 센서가 배치된 초음파 유량 측정 장치를 위한 컨트롤러에 있어서,
    상기 한 쌍의 초음파 센서에 각각 연결되어 수신 신호를 전달하기 위한 신호 수신 경로를 온 또는 오프시키는 다수의 스위치;
    상기 신호 수신 경로로 전달된 수신 신호의 잡음을 제거하는 다수의 잡음 제거부;
    상기 잡음이 제거된 수신 신호의 수신 시간과 송신 신호의 송신 시간의 시간 차에 대응하는 디지털 코드를 출력하는 시간-디지털 변환기; 및
    상기 유체의 진행 방향에 대한 순방향 신호 전파 시와 역방향 신호 전파 시에 각각 출력된 다수의 디지털 코드를 제공받고, 상기 제공받은 다수의 디지털 코드를 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 디지털 코드에 상응하는 전달 시간을 상기 디지털 코드에 상응하는 전달 시간과 수학식에 의해 산출된 전달 시간의 평균값으로 보정하되,
    상기 수학식에 의해 산출된 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020109633569-pat00029
    에 의해 구하고, 역방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020109633569-pat00030
    에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각인, 컨트롤러.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 잡음 제거부는 LNA(Low Noise Amplifier)를 포함하는, 컨트롤러.
  8. 내부에 유체가 흐르는 측정관;
    상기 측정관의 적어도 일측에 배치되는 한 쌍의 초음파 센서; 및
    상기 측정관에 연결되고, 청구항 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 의한 컨트롤러와 상기 컨트롤러가 수용된 케이스로 이루어진 제어부를 포함하는, 초음파 유량 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정관과 상기 제어부를 결합시키고, 상기 한 쌍의 초음파 센서와 상기 컨트롤러를 전기적으로 연결시키는 케이블이 배치되는 연결관을 더 포함하는, 초음파 유량 측정 장치.
  10. 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 배치된 한 쌍의 초음파 센서 간의 전달 시간을 측정하는 시간-디지털 변환기를 포함하는 초음파 유량 측정 장치의 초음파 유량 측정 방법에 있어서,
    상기 유체의 진행 방향에 대해 순방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 순방향 전달 시간을 측정하는 단계;
    역방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 역방향 전달 시간을 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 순방향 전달 시간과 상기 역방향 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 산출하는 단계에서는,
    상기 디지털 코드에 상응하는 전달 시간을 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리에 대한 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리의 비율로 보정하고,
    상기 보정된 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는, 초음파 유량 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 순방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는,
    상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 순방향 전달 시간을 수학식에 의해 보정하되,
    상기 순방향 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020064545202-pat00031
    ,
    Figure 112020064545202-pat00032
    에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각인, 초음파 유량 측정 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 역방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는,
    상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간을 수학식에 의해 보정하되,
    상기 역방향 전달 시간은 역방향 신호 전파 시 수학식
    Figure 112020064545202-pat00033
    ,
    Figure 112020064545202-pat00034
    에 의해 구하고, c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, L'은 초음파 센서와 측정관 사이의 영역을 제외한 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각인, 초음파 유량 측정 방법.
  13. 유체가 흐르는 측정관의 적어도 일측에 배치된 한 쌍의 초음파 센서 간의 전달 시간을 측정하는 시간-디지털 변환기를 포함하는 초음파 유량 측정 장치의 초음파 유량 측정 방법에 있어서,
    상기 유체의 진행 방향에 대해 순방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 순방향 전달 시간을 측정하는 단계;
    역방향으로 초음파 신호를 전달하여 상기 시간-디지털 변환기에 의해 상기 초음파 신호의 역방향 전달 시간을 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 순방향 전달 시간과 상기 역방향 전달 시간을 이용하여 상기 유체의 유속과 유량을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 순방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는,
    상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 순방향 전달 시간을 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 순방향 전달 시간과 수학식1에 의해 산출된 전달 시간의 평균값으로 보정하되, 상기 수학식1에 의해 산출된 전달 시간은 순방향 신호 전파 시 수학식1
    Figure 112020109633569-pat00035
    에 의해 구하고,
    상기 역방향 전달 시간을 측정하는 단계에서는,
    상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간을 상기 시간-디지털 변환기에 의해 측정된 역방향 전달 시간과 수학식2에 의해 산출된 전달 시간의 평균값으로 보정하되, 상기 수학식2에 의해 산출된 전달 시간은 역방향 신호 전파 시 수학식2
    Figure 112020109633569-pat00048
    에 의해 구하고,
    c는 유체가 가지는 음속이고, v는 유체의 평균 속도이고, L은 두 초음파 센서 사이의 초음파 신호의 전달 거리이고, θ는 초음파 센서의 경사각인, 초음파 유량 측정 방법.
  14. 삭제
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