KR102284977B1 - 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법 및 대응하는 유동 측정 시스템 - Google Patents

유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법 및 대응하는 유동 측정 시스템 Download PDF

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버킨 비.브이.
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Abstract

유동 측정 시스템은 유량을 결정할 유체를 위한 유동 튜브를 포함하고, 여기서 상기 시스템은, 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로로서, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서; 다수의 수신 회로로서, 각 수신 회로는 대응하는 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서를 판독하도록 배열된, 상기 다수의 수신 회로; 및 상기 다수의 수신 회로 각각을 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서에 선택적으로 각각 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함한다.

Description

유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법 및 대응하는 유동 측정 시스템
본 발명은, 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량(flow rate)을 결정하는 방법으로서, 상기 시스템은 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는, 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 초음파 트랜스듀서로부터 송신된 신호를 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하는, 상기 유량을 결정하는 방법에 관한 것이다.
이러한 유동 측정 시스템은, 예를 들어, 2개의 링-형상의 발진기를 포함하는 유동 측정 시스템을 설명하는 US 6,055,868에 알려져 있다. 발진기들은 교대로 활성화되어 초음파 신호들을 방출하는데, 상기 신호들은 다른 비-송신 발진기에 의해 수신되고 검출된다. 초음파 신호들이 상류로 전파하는 데 필요한 시간과, 초음파 신호들이 하류로 전파하는 데 필요한 시간, 및 이들 사이의 시간 차이는 유동 튜브 내 유체의 속도를 결정하는 데 사용된다.
국제 특허 출원 WO2011039311은 음향 파를 발생시키는 적어도 하나의 방출기, 및 이 방출기로부터 소정의 거리에 배치되어 음향 파를 수신하는 적어도 하나의 수신기에 의해 매체의 유동 속도를 측정하는 방법을 개시한다. 이를 위해 음향 표면파(acoustic surface wave)는 매체를 향하는 표면을 갖는 기판 상에서 방출기에 의해 유도되며, 이 음향 표면파는 매체 내에서 전파하는 음향 파를 유도하여, 복수의 파 열(wave train)이 전파 경로들 상에 있는 방출기와 수신기 사이에서 전파하며 이들 중 적어도 일부는 매체를 통과하여 적어도 하나의 수신기에 의해 수신된다.
유체의 유량을 결정하는 분야에서 항상 존재하는 과제 중 하나는 측정의 정확도를 향상시키는 것이다. 다시 말해, 유동 튜브 내의 유체의 유량은 가능한 한 정확하게 결정되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 보다 정확한 방식으로 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대응하는 유동 측정 시스템을 제공하는 것이다.
제1 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 제1 양태에서, 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하며, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 초음파 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 상기 방법은,
a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기(exciting)시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제1 시간 차이를 결정하는 단계; 및
b) 적어도 상기 결정된 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도를 결정함으로써, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 상기 제1 트랜스듀서의 송신 지연을 제거하는 단계를 포함하는, 상기 유량을 결정하는 방법을 제공한다.
본 발명자들은 상기 초음파 트랜스듀서 회로에서 발생하는 시간 지연 및/또는 시간 에러가 상기 유량 측정의 정확도에 악영향을 미친다는 것을 발견하였다.
상기 유동 측정 시스템이 적어도 3개의 트랜스듀서를 포함하고, 단일 트랜스듀서가 초음파 신호들을 송신하도록 여기되고, 적어도 2개의 다른 트랜스듀서가 송신된 초음파 신호들을 수신하고, 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도는 상기 판독들의 정확한 순간들 간의 시간 차이에 기초하는 경우, 이러한 시간 지연 및/또는 시간 에러는 필터링될 수 있고, 즉 무시될 수 있다. 그리하여, 상기 비-송신 트랜스듀서들 중 임의의 트랜스듀서에 의한 상기 초음파 신호의 송신과 상기 초음파 신호의 수신 사이의 시간 차이는 고려되지 않는다. 따라서, 이 시간 차이는 제1 비-송신 트랜스듀서에서의 상기 초음파 신호의 수신과 제2 비-송신 트랜스듀서에서 동일한 초음파 신호의 수신 사이의 시간 차이이고, 이 시간 차이는 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도를 결정하는데 사용된다.
이러한 경우에, 상기 단일 트랜스듀서가 상기 송신 단계로 제어되는 동안, 즉 상기 단일 트랜스듀서가 여기되도록 제어되는 동안, 발생하는 시간 지연 및/또는 시간 에러는 2개의 상이한 트랜스듀서에서 송신된 초음파 신호들을 수신함으로써 필터링될 수 있다. 예를 들어, 상기 2개의 상이한 트랜스듀서가 모두 여기된 트랜스듀서에 대해 상류에 또는 하류에 배치되는 경우, 이들 2개의 상이한 트랜스듀서에서 상기 초음파 신호를 수신하는 것들 사이의 시간 차이는 상기 유량을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 방법은 유체의 유량, 유체의 질량 유량 및 유체의 체적 유량과 같은 상이한 유형의 유량을 정확하게 결정하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은. a2) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제2 시간 차이를 결정하는 단계를 더 포함하고,
상기 b) 단계는,
b) 적어도 상기 결정된 제1 시간 차이 및 상기 제2 시간 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도를 결정하는 단계를 포함한다.
이하에서는, 전술한 실시예의 장점에 대한 설명이 정확하게 3개의 초음파 트랜스듀서 회로에 관하여 제공되며, 여기서 상기 3개의 초음파 트랜스듀서는 상기 유동 튜브 내에서 또는 상기 유동 튜브에서 서로 연속적으로 배치되고, 상기 3개의 초음파 트랜스듀서 사이의 물리적 거리들은 미리 알려져 있다.
그러나, 이 논리는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 바와 같이 3개를 초과하는 초음파 트랜스듀서 회로로 확장될 수 있다. 3개를 초과하는 비-송신 트랜스듀서가 송신 트랜스듀서의 상류 및/또는 하류에 배치되는 경우 유리할 수 있다. 이러한 경우에, 상기 비-송신 트랜스듀서들에서 수신된 초음파 신호들 사이의 다수의 개별 시간 차이가 결정될 수 있기 때문에, 상기 유량을 결정하는 것은 이들 결정된 다수의 시간 차이 모두에 걸쳐 평균화될 수 있다.
상기 방법의 단계 a1)에서 여기된 트랜스듀서는 2개의 비-송신 트랜스듀서를 향하여 유체를 통해 초음파 신호들을 송신할 것이다.
이들 2개의 비-송신 트랜스듀서에서 수신된 신호들 간의 시간 차이는, 특히, 초음파 신호들이 상기 유체를 통해 전파하는 속도, 및 유체 그 자체의 유량에 의존한다.
상기 방법의 단계 a2)에서 여기된 트랜스듀서는 또한 2개의 비-송신 트랜스듀서를 향하여 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신할 것이다. 명확히, 단계 a2)에서 여기된 트랜스듀서는 단계 a1)에서 여기된 트랜스듀서와는 상이하다.
상기에 기초하여, 2개의 방정식과 2개의 미지의 변수의 세트가 남게 되고, 이들을 풀면, 1) 상기 유체에서 초음파 신호의 속도, 및 2) 유체 그 자체의 유량을 획득할 수 있다.
상기에서 명백한 바와 같이, 3개의 초음파 트랜스듀서의 경우, 단계 a1)에서 3개의 트랜스듀서 중 제1 외부 트랜스듀서가 여기되고, 단계 a2)에서 3개의 트랜스듀서 중 제2 외부 트랜스듀서가 여기된다. 또한 중간 트랜스듀서가 단계 a1) 및 단계 a2) 중 임의의 단계에서 여기되는 것도 가능하다.
일 실시예에서, 상기 방법은,
a3) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제3 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 더 포함한다.
측정의 정확도를 더 향상시키기 위해, 더 많은 트랜스듀서가 한 번에 하나씩 여기될 수 있으며, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서가 매번 판독되어 상기 유량이 다수 번 측정될 수 있다. 임의의 부정확성을 더 필터링하기 위해 이들 측정값은 평균화될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은,
- a4) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 나머지 트랜스듀서를 교대로 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서, 각각 교대로 여기된 트랜스듀서에 대해, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 방법 단계들은 측정의 정확도를 더 향상시키기 위해 다수 번 수행되고, 예를 들어, 각 단계는 두 번 수행된다.
일 실시예에서, 상기 방법은,
- 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것에 기초하여 상기 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠를 결정하는 단계;
- 상기 진폭의 상기 결정된 감쇠에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이(medium transition)시 발생하는 투과 계수(transmission coefficient)들을 결정하는 단계; 및
- 상기 유체의 질량 유량을 결정하기 위해 상기 결정된 감쇠 및 상기 결정된 투과 계수에 기초하여 상기 유체의 질량 밀도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명자들은, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독함으로써, 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠가 결정될 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 송신된 초음파 신호들이 매체 전이를 받는다는 것을 더 발견하였는데, 이는 보다 상세히 더 설명될 것이다. 마지막으로, 본 발명자들은 상기 매체 전이시의 투과 계수들이 상기 유체의 질량 밀도에 적어도 의존하기 때문에 상기 유체의 질량 밀도가 결정된 감쇠 및 결정된 투과 계수들에 기초하여 결정될 수 있다는 것을 발견하였다.
일단 상기 유체의 유량 및 상기 유체의 질량 밀도가 결정되었다면, 상기 유체의 질량 유량이 수립될 수 있다.
본 발명의 상황에서, 투과 계수는 제1 매체로부터 제2 매체로 통과하는, 즉 매체 전이시 송신된 초음파 신호들이 감쇠하는 것에 관한 것이다.
매체 전이는 예를 들어 상기 적어도 3개의 트랜스듀서가 상기 유동 튜브에 배치되거나 또는 상기 유동 튜브에 접해 배치되는 경우에 발생한다. 이러한 경우에, 상기 송신 트랜스듀서는 상기 유동 튜브를 통해 상기 유체에 상기 초음파 신호들을 삽입할 것이다. 또한, 상기 송신된 초음파 신호들은 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서에 도달하기 전에 상기 유체로부터 상기 유동 튜브로 또 그 반대 방향으로 수 회 전파될 수 있다.
예를 들어, 상기 유동 튜브가 강철을 포함하는 경우, 상기 유동 튜브로부터 상기 유체로 상기 초음파 신호들의 투과 계수는 대략 0 내지 0.1이다. 상기 유체로부터 상기 유동 튜브로 상기 초음파 신호의 투과 계수는 대략 1.9 내지 2.0이다.
매체 전이는 상기 적어도 3개의 트랜스듀서가 상기 유동 튜브, 즉 상기 유체 내에 배치된 경우에도 발생할 수 있다. 상기 초음파 신호들은 예를 들어 초음파 트랜스듀서에 포함된 압전 소자들로부터 상기 유체로 그리고 그 반대 방향으로 전파될 수 있다.
본 발명의 상황에서, 상기 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠를 결정하는 단계는 또한 상기 수신된 초음파 신호들의 증폭을 결정함으로써 대체될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 투과 계수들을 결정하는 단계는,
- 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것들 사이의 시간 차이에 기초하여 숄테 파(Scholte wave)의 속도를 결정하는 단계를 포함한다.
숄테 파는 상기 유동 튜브와 같은 고체 매체와 유체 사이의 계면에서 전파하는 표면파 계면파(surface wave interface wave)이다. 상기 파는 상기 계면에서 최대 세기를 갖고, 상기 계면으로부터 멀어져 상기 유동 튜브 및 상기 유체 내로 들어갈수록 지수 함수적으로 감소한다.
다른 실시예에서, 상기 방법은,
- 상기 숄테 파의 상기 결정된 속도에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이한 수를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 매체 전이들의 결정된 수에 기초하여 상기 질량 밀도가 더 결정된다.
전형적으로, 송신 트랜스듀서는 특정 주파수 또는 주파수 세트에서 신호들을 송신하도록 설정된다. 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이의 알려진 미리 결정된 거리, 숄테 파의 속도 및 송신 트랜스듀서에 인가된 주파수에 기초하여, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에 송신된 초음파 신호들이 매체 전이한 수를 결정할 수 있다.
제2 양태에서, 본 발명은, 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내의 유체의 유량을 결정하는 방법으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통한 초음파 신호를 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 시스템은,
- 적어도 2개의 수신 회로로서, 상기 수신 회로들은 상기 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하도록 각각 배열된, 상기 적어도 2개의 수신 회로; 및
- 상기 수신 회로들을 상기 트랜스듀서들에 선택적으로 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함하고, 상기 방법은,
a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 포함하고,
각 여기하는 단계는,
- 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 적어도 2개의 수신 회로 각각을 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서에 각각 선택적으로 연결하는 단계를 포함하고,
각 여기하는 단계(a1)는 적어도 한번 반복되고, 상기 반복되는 각 여기하는 단계마다 상기 적어도 2개의 수신 회로는 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서에 연결된, 상기 유량을 결정하는 방법을 제공한다.
본 발명자들은, 상기 적어도 2개의 수신 회로에서 발생하는 시간 지연, 시간 에러 및/또는 시간 오프셋이 또한 유량 측정의 정확도에 악영향을 미친다는 것을 더 발견하였다.
상기 유동 측정 시스템이 상기 수신 회로들을 상기 비-송신 트랜스듀서들에 선택적으로 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함하는 경우에 이러한 시간 지연, 시간 에러 및/또는 시간 오프셋은 보상될 수 있고, 즉 필터링될 수 있다. 따라서, 상기 멀티플렉서 회로는, 예를 들어, 각 상기 비-송신 트랜스듀서를 상기 수신 회로들 중 하나의 수신 회로에 연결하고, 각 여기하는 단계, 예를 들어, 단계 a1) 내지 단계 a4)에서 그렇게 할 것이다.
이하에서는, 전술한 실시예는, 예로서, 3개의 트랜스듀서 및 정확히 2개의 수신 회로를 참조하여 보다 명확한 방식으로 설명된다. 그러나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 바와 같이, 기본 개념은 2개를 초과하는 수신 회로에도 적용 가능하다.
단계 a1)에서, 상기 제1 트랜스듀서는 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 그 다음, 상기 제2 및 제3 트랜스듀서는 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 2개의 수신 회로 중 하나의 수신 회로에 각각 연결되고 나서 판독된다.
이후, 상기 제1 트랜스듀서가 다시 여기되어 초음파 신호들을 송신한다는 점에서 단계(a1)가 반복된다. 상기 제2 및 제3 트랜스듀서는 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 수신 회로들 중 하나의 수신 회로에 다시 각각 연결되고 나서 판독된다. 그러나, 이 경우에, 상기 제2 및 제3 트랜스듀서는 상기 멀티플렉서를 사용하여 이전의 단계(a1)에 비해 다른 수신 회로에 연결된다.
일 예에서, 상기 방법은,
a2) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 더 포함하고,
상기 단계 a2)는 또한 적어도 한번 반복되고, 상기 반복되는 각 여기하는 단계(a1, a2)에서, 상기 적어도 2개의 수신 회로는 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서에 연결된다.
또한, 본 발명의 제2 양태와 관련하여 제공된 방법 실시예들은 본 발명의 제1 양태와 관련하여 제공된 방법 실시예들과 결합될 수 있다는 것이 주목된다.
제3 양태에 따르면, 본 발명은, 유량을 결정할 유체를 위한 유동 튜브를 포함하는 유동 측정 시스템으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 시스템은,
a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제1 시간 차이를 결정하는 동작; 및
b) 적어도 상기 결정된 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도를 결정함으로써, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 상기 제1 트랜스듀서의 송신 지연을 제거하는 동작을 수행하도록 배열된, 상기 유동 측정 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 시스템은,
a2) 상기 송신 단계에서 상기 3개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제2 시간 차이를 결정하도록 더 배열될 수 있고,
상기 시스템은,
b) 적어도 상기 결정된 제1 시간 차이 및 상기 제2 시간 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호의 속도를 결정하도록 더 배열된다.
보다 상세한 예에서, 상기 시스템은,
a3) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제3 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하도록 더 배열된다.
다른 예에서, 상기 시스템은,
- 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것에 기초하여 상기 수신된 초음파 신호의 진폭의 감쇠를 결정하는 동작;
- 상기 진폭의 상기 결정된 감쇠에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이시 발생하는 투과 계수를 결정하는 동작; 및
- 상기 유체의 질량 유량을 결정하기 위해 상기 결정된 감쇠 및 상기 결정된 투과 계수에 기초하여 상기 유체의 질량 밀도를 결정하는 동작을 수행하도록 더 배열된다.
상기 방법 예들과 관련하여 언급된 장점은 시스템 예들과 관련된 장점에 해당한다는 것이 주목된다.
제4 양태에 따르면, 본 발명은, 유량을 결정할 유체를 위한 유동 튜브를 포함하는 유동 측정 시스템으로서, 상기 시스템은,
- 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로로서, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하는, 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로;
- 적어도 하나의 수신 회로로서, 각 수신 회로는 대응하는 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서를 판독하도록 배열된, 상기 적어도 하나의 수신 회로; 및
- 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 사이에서 상기 적어도 하나의 수신 회로를 선택적으로 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함하는, 상기 유동 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 제4 양태는 상기 적어도 하나의 수신 회로에서 발생하는 시간 지연, 시간 에러 및/또는 시간 오프셋이 유량 측정의 정확도에 악영향을 미친다는 통찰에 기초한다.
상기 유동 측정 시스템이 상기 적어도 하나의 수신 회로를 상기 비-송신 트랜스듀서들 중 하나의 트랜스듀서에 선택적으로 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함하는 경우에, 이러한 시간 지연, 시간 에러 및/또는 시간 오프셋이 보상될 수 있고, 즉 필터링될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서는 상기 초음파 신호들을 교대로 송신하도록 배열되고, 상기 멀티플렉서 회로는 상기 적어도 하나의 수신 회로 각각을 상기 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서에 교대로 각각 연결하도록 배열된다.
이 실시예의 상황에서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서는 상기 초음파 신호들을 교대로 송신하도록 배열되고, 이는 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 각각이 초음파 신호들을 송신하도록 순번을 갖는다는 것을 의미한다. 그리하여, 적어도 2개의 트랜스듀서가 상기 초음파 신호들을 송신하는 특별한 순서가 있다.
상기 적어도 2개의 트랜스듀서 중 나머지 트랜스듀서, 즉 송신하지 않는 트랜스듀서(들)는 적어도 하나의 수신 회로 중 하나의 수신 회로에 각각 유일하게 연결된다. 그리하여, 상기 비-송신 트랜스듀서(들)는 상기 하나의 송신 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하는 수신 단계로 제어된다.
전술한 바와 같이, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서가 초음파 신호들을 송신하는 교대 순서, 및 이에 따라 또한 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 중 나머지 트랜스듀서가 상기 수신 단계에 있는 교대 순서의 장점은, 상기 수신 회로 또는 다수의 수신 회로에 의해 야기되는 임의의 에러, 불일치, 시간 지연 등이 평균화된다는 것이다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 수신 회로 각각을 상기 비-송신 초음파 트랜스듀서들 중 상기 하나의 트랜스듀서에 각각 연결시키는 교대 순서는 상기 초음파 신호들을 교대로 송신하는 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서의 교대 순서와 동일한 교대 순서이다.
이 예의 장점은, 상기 적어도 하나의 수신 회로 각각이 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 각각에 한번 연결됨으로써, 상기 적어도 하나의 수신 회로에 의해 야기되는 임의의 시간 에러들이 효율적으로 평균화된다는 것이다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 회로를 포함하고, 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서는 서로 앞뒤로 연속적으로 배치되고, 연속적으로 배치된 2개의 초음파 트랜스듀서 사이의 물리적 거리는 실질적으로 동일하다.
상기는 상기 초음파 신호들이 2개의 연속적으로 배치된 초음파 트랜스듀서 사이에서 상기 유체를 통해 전파할 필요가 있는 각 거리가 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 유동 측정 시스템이 3개의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 경우, 상기 제1 및 제2 초음파 트랜스듀서 사이의 거리는 상기 제2 및 제3 초음파 트랜스듀서 사이의 거리와 실질적으로 동일하다.
일 실시예에서, 상기 유동 측정 시스템은 3개의 초음파 트랜스듀서 회로 및 2개의 수신 회로를 포함한다.
실제 상황에서는 3개의 초음파 트랜스듀서 회로, 및 이에 따라 3개의 독립적인 트랜스듀서를 적용하면 충분히 정확한 유량 결과가 제공되는 것으로 보인다.
일 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서 회로의 각각은 단일 부하 임피던스를 포함하고, 상기 단일 부하 임피던스를 통해 대응하는 초음파 트랜스듀서가 상기 송신 단계로 여기되고, 상기 단일 부하 임피던스를 통해 상기 수신 단계 동안 상기 대응하는 초음파 트랜스듀서가 판독된다.
본 발명자들은 초음파 트랜스듀서를 송신 단계로 활성화하고 동일한 트랜스듀서를 상기 적어도 하나의 수신 회로 중 하나의 수신 회로에 의해 판독하기 위해 단일 부하 임피던스가 사용되는 것이 유리할 수 있다는 것을 발견하였다.
일 실시예에서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 회로 각각의 상기 단일 부하 임피던스는 동일한 값을 갖는다.
이 실시예의 장점은 측정의 정확도가 더욱 더 향상된다는 것이다. 다시 말해, 각 송신 초음파 트랜스듀서의 송신 진폭 및/또는 음파 특성이 보다 균일하게 된다. 또한, 상기 수신 단계에 있을 때 초음파 트랜스듀서의 수신 감도뿐만 아니라 수신기 특성이 또한 보다 균일하게 된다.
일 실시예에서, 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로 각각은 전자 스위치들을 포함하고, 초음파 트랜스듀서는, 대응하는 부하 임피던스를 높은 공급 전압에 잠깐 연결하고 나서, 대응하는 전자 스위치들을 통해 낮은 공급 전압으로 연결함으로써 상기 송신 단계로 여기된다.
본 발명에 따르면, 초음파 트랜스듀서를 송신 단계로 여기시키기 위해, 상기 초음파 트랜스듀서는 높은 공급 전압에 잠깐 연결되고 나서, 낮은 공급 전압에 연결될 수 있으며, 이에 의해 상기 초음파 트랜스듀서에서 여기 펄스를 생성한다.
상기 여기 펄스 후에, 상기 초음파 트랜스듀서는 접지에 연결되고, 서서히 0으로 감쇠하는 자유 발진 기간을 지속한다. 자유 발진 동안, 상기 초음파 트랜스듀서는 이 초음파 트랜스듀서가 상기 수신 단계에 있을 때와 같이 동일한 부하 임피던스를 통해 자체적으로 방전한다.
상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서를 상기 높은 공급 전압 및 상기 낮은 공급 전압에 매번 연결하는 것은 마이크로컨트롤러에 의해 적시에 제어되는 전자 스위치들, 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(FET)들에 의해 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다수의 수신 회로 각각은 연산 증폭기, 예를 들어, 연산 증폭기 기반 버퍼를 포함한다.
연산 증폭기 기반 버퍼 증폭기의 장점은 이러한 증폭기의 입력 저항이 매우 높아서, 수신 단계에서 트랜스듀서들에 의해 수신된 상기 초음파 트랜스듀서 신호들이 상기 적어도 하나의 수신 회로에 의해 영향을 받지 않는다는 것이다.
일 실시예에서, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서는 압전 트랜스듀서이다.
상기에 기초하여, 상기 적어도 하나의 수신 회로는 하강 에지 또는 후미 에지를 검출하는 슬로프 또는 에지 검출기를 포함할 수 있다. 초음파 트랜스듀서가 여기될 때마다 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 유동 튜브 내의 유체를 통해 사운드(sound)의 형태로 움직임을 생성한다. 생성된 사운드는 이어서 다른 초음파 트랜스듀서들에 의해 수신된다. 상기 초음파 트랜스듀서가 3개인 경우 다음 순서를 따를 수 있다.
1) 제1 초음파 트랜스듀서는 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 이들 신호는 다른 2개의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되고, 2개의 수신 회로를 통해 각각 판독된다. 멀티플렉서는, 제1 수신 회로가 제2 트랜스듀서에 연결되고, 제2 수신 회로가 제3 트랜스듀서에 연결되는 것을 확인한다.
2) 이후 상기 제1 초음파 트랜스듀서가 비활성화되고, 제2 초음파 트랜스듀서가 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 다른 2개의 초음파 트랜스듀서, 즉 제1 및 제3 트랜스듀서는 이 송신된 초음파 신호들을 수신할 것이다. 상기 제1 및 제3 트랜스듀서는 동일한 2개의 수신 회로를 통해 각각 판독된다. 그러나, 이 경우 상기 멀티플렉서는, 상기 제1 수신 회로가 상기 제3 트랜스듀서에 연결되고, 상기 제2 수신 회로가 상기 제1 트랜스듀서에 각각 연결되는 것을 확인한다.
3) 상기 제2 초음파 트랜스듀서는 이후 비활성화되고, 상기 제3 초음파 트랜스듀서는 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 다른 2개의 초음파 트랜스듀서, 즉 제1 및 제2 트랜스듀서는 이 송신된 초음파 신호들을 수신할 것이다. 상기 제1 및 제2 트랜스듀서는 동일한 2개의 수신 회로를 통해 각각 다시 판독된다. 그러나, 이 경우, 상기 멀티플렉서는, 상기 제1 수신 회로가 상기 제1 트랜스듀서에 연결되고, 상기 제2 수신 회로가 상기 제2 트랜스듀서에 각각 연결되는 것을 확인한다.
마지막으로, 상기에서 언급한 모두 3개의 단계는 다시 수행될 수 있다. 그러나, 이 경우, 각 단계마다, 2개의 수신 회로가 2개의 비-송신 트랜스듀서에 상이하게 연결된다.
따라서, 상기 제1 단계에서,
- 상기 멀티플렉서는, 상기 제2 수신 회로가 상기 제2 트랜스듀서에 연결되고, 상기 제1 수신 회로가 상기 제3 트랜스듀서에 각각 연결되는 것을 확인한다.
상기 제2 단계에서,
- 상기 멀티플렉서는, 상기 제2 수신 회로가 상기 제3 트랜스듀서에 연결되고, 상기 제1 수신 회로가 상기 제1 트랜스듀서에 각각 연결되는 것을 확인한다.
상기 제3 단계에서,
- 상기 멀티플렉서는, 상기 제2 수신 회로가 상기 제1 트랜스듀서에 연결되고, 상기 제1 수신 회로가 상기 제2 트랜스듀서에 각각 연결되는 것을 확인한다.
본 발명의 제3 양태와 관련된 시스템 예들은 본 발명의 제4 양태와 관련된 시스템 예들과 결합될 수 있다는 것이 주목된다.
본 발명은, 제5 양태에서, 전술한 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 유동 측정 시스템을 사용하여 유체의 유량을 측정하는 방법으로서,
- 상기 초음파 트랜스듀서들 중 하나의 트랜스듀서를 교대로 여기시키는 단계; 및
- 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 트랜스듀서들 중 나머지 트랜스듀서들 각각을 상기 적어도 하나의 수신 회로 중 다른 수신 회로에 선택적으로 각각 연결함으로써 상기 초음파 트랜스듀서들 중 나머지 트랜스듀서를 상기 수신 단계에 교대로 제공하는 단계를 포함하는, 상기 유량을 측정하는 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서들 중 하나의 트랜스듀서를 상기 송신 단계로 교대로 활성화하는 단계는,
- 상기 초음파 트랜스듀서들을 갖는 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로에 개별 제어 신호들을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 개별 제어 신호들은 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로의 상기 초음파 트랜스듀서들 중 하나의 트랜스듀서를 상기 송신 단계로 교대로 활성화시키도록 배열된다.
추가적인 실시예에서, 상기 개별 제어 신호들을 제공하는 단계는,
- 상기 멀티플렉서 회로에 의해 상기 개별 제어 신호들 각각을 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로 중 다른 트랜스듀어에 교대로 각각 연결하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 유동 측정 시스템 및/또는 방법에 포함된 상이한 양태들의 표현, 즉 어구는 문자 그대로 취해서는 안 된다. 이들 양태의 어구는 양태들의 실제 기능 뒤에 있는 이유를 정확히 표현하기 위해 단지 선택된 것이다.
본 발명에 따라, 본 발명의 장점을 포함하는 본 방법의 전술한 예들에 적용 가능한 상이한 양태들은 본 발명에 따른 유동 측정 시스템에 적용 가능한 양태들에 대응한다.
본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 기능 또는 동작을 수행하는 부분 또는 동일한 부분을 나타낸다.
본 발명은 특정 유형의 유동 측정 시스템과 관련하여 하기에 개시된 특정 예들로 제한되지 않는다.
도 1은 유동 튜브를 통한 유체의 유량을 결정하기 위한 회로 토폴로지의 일례이다
도 2는 3개의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 유동 튜브의 일례이다.
도 1은 유동 측정 시스템(1)의 일부, 보다 구체적으로 전기적 부분을 개시한다. 유량, 즉 유체의 속도를 결정할 유체가 흐르는 유동 튜브는 여기에 도시되어 있지 않다.
이 특정 예에서, 유동 측정 시스템(1)은 3개의 초음파 트랜스듀서 회로(7, 13, 14)를 포함하며, 각 초음파 트랜스듀서 회로는 단일 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)를 포함한다.
이들 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)는 송신 단계에서 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하는데 사용되며, 수신 단계에서 송신된 신호들을 수신하도록 배열된다.
유동 측정 시스템(1)은 2개의 수신 회로(10, 12)를 더 포함하며, 각 수신 회로(10, 12)는 대응하는 수신 단계에서 3개의 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16) 중 하나의 트랜스듀서를 판독하도록 배열된다.
본 예에서, 유동 측정 시스템(1)은 3개의 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16) 중 다른 트랜스듀서에 2개의 수신 회로(10, 12) 각각을 선택적으로 연결하는 멀티플렉서 회로(9)를 포함한다. 이것은, 각 수신 회로(10, 12)가 3개의 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16) 중 하나의 트랜스듀서에 유일하게 결합되고, 즉 연결된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 제1 초음파 트랜스듀서(C1 - 8)가 여기되는 경우, 즉, 초음파 신호들을 송신하는 경우, 다른 2개의 초음파 트랜스듀서(C2 - 15 및 C3 - 16)는 수신 단계에 있는데, 즉 제1 트랜스듀서(C1 - 8)에 의해 송신된 초음파 신호들을 수신할 수 있다. 멀티플렉서 회로는 제2 트랜스듀서(C2 - 15)를 제1 수신 회로(10)에 연결하고, 제3 트랜스듀서(C3 - 16)를 제2 수신 회로(12)에 연결할 것이다.
유동 측정 시스템(1)은 3개의 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16) 중 하나의 트랜스듀서를 교대로 여기시켜 또는 활성화시켜, 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 더 배열된다. 그래서, 예를 들어, 초기에, 제1 트랜스듀서(C1 - 8)는 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 이후, 제1 트랜스듀서(C1 - 8)는 비활성화되고 제2 트랜스듀서(C2 - 15)는 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 마지막으로, 제2 트랜스듀서(C2)는 비활성화되고 제3 트랜스듀서(C3 - 16)는 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하도록 여기된다. 이 과정은 연속적으로 반복될 수 있으며, 바람직하게는 총 6회 트랜스듀서들이 여기되도록 2회 반복될 수 있다.
전술한 프로세스의 장점은 3개의 초음파 트랜스듀서 회로(7, 13, 14)에 의해 뿐만 아니라 수신 회로(10, 12)에 의해 야기되는 임의의 시간 에러, 불일치, 시간 지연 등이 평균화된다는 것이다.
그리하여, 전술한 과정을 용이하게 하기 위해, 본 발명자들은 초음파 신호들을 송신하도록 여기되지 않은 트랜스듀서들, 즉 수신 단계에 배치되어야 하는 비-송신 트랜스듀서들에 2개의 수신 회로(10, 12)가 매번 연결되어야 한다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 비-송신 초음파 트랜스듀서들 각각을 수신 회로(10, 12)들 중 하나의 수신 회로에 유일하게 각각 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로(9)를 통합함으로써 해결책을 발견하였다.
본 발명의 장점은 2개의 수신 회로(10, 12)에 의해 야기된 임의의 에러, 불일치, 시간 지연 등이 평균화된다는 것이다. 이 예에서, 이것은 3개의 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)들 각각, 예를 들어 압전 트랜스듀서들이 적어도 한 번 송신 단계에 있는 경우에 가장 효율적으로 작용하여, 상기 전술한 평균화 효과가 가장 효율적이다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 각 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)는 두 번 여기된다. 멀티플렉서 회로(9)는 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)가 여기된 제2 시간에 상이하게 동작할 것이다. 제2 시간에, 수신 회로(10, 12)들은 대응하는 수신 트랜스듀서들에 상이하게, 즉 상이한 방식으로 연결된다.
예를 들어, 제1 트랜스듀서(C1 - 8)가 제1 시간에 여기될 때, 멀티플렉서 회로(9)는 제1 수신 회로(10)를 제2 초음파 트랜스듀서(C2 - 15)에 연결하고, 제2 수신 회로(12)를 제3 초음파 트랜스듀서(C3 - 16)에 연결할 것이다.
제1 트랜스듀서(C1 - 8)가 제2 시간 동안 여기될 때, 멀티플렉서 회로(9)는 수신 회로(10, 12)들을 제2 및 제3 초음파 트랜스듀서(C2 - 15, C3 - 16)에 상이한 방식으로 연결할 것이다. 멀티플렉서 회로(9)는 제1 수신 회로(10)를 제3 초음파 트랜스듀서(C3 - 16)에 연결하고, 제2 수신 회로(12)를 제2 초음파 트랜스듀서(C2 - 15)에 연결할 것이다.
이것은 유동 튜브를 통해 흐르는 유체의 유량을 훨씬 더 정확하게 결정할 수 있게 한다.
본 발명에 따르면, 유동은 유체 유량, 유체의 질량 유량 및/또는 유체의 체적 유량을 포함할 수 있다. 이들 상이한 유형의 유량들 각각은 본 발명에 따른 유동 측정 시스템 및/또는 방법에 의해 정확하게 결정될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 초음파 트랜스듀서 회로(7, 13, 14)는 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16), 부하 임피던스(R1 - 6, R2 - 17, R3 - 18) 및 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)(즉, Fet 1(5), Fet 2(19), 및 Fet 3(20)) 형태의 전자 스위치와 같은 복수의 구성 요소를 더 포함할 수 있다.
특정 트랜스듀서 회로의 부하 임피던스(예를 들어 R1 - 6)는, 초음파 트랜스듀서(8)의 자유 발진 단계 동안, 그러나 또한 대응하는 수신 단계 동안, 대응하는 초음파 트랜스듀서(8)를 송신 단계로 여기시키는데 사용된다.
Fet 1(5), Fet 2(19) 및 Fet 3(20) 각각은 실제 인버터 회로와 유사하며, 대응하는 제어 신호(2, 21, 22)는 부하 임피던스(R1 - 6, R2 - 17, R3 - 18)가 높은 공급 전압, 즉 +V-ex - 4 또는 낮은 공급 전압, 예를 들어, 접지(3)에 연결되는지 여부를 결정한다. 제어 신호(2, 21, 22)는 대응하는 Fet 1(5), Fet 2(19) 및 Fet 3(20)의 게이트들에 각각 제공된다.
초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15, C3 - 16)를 송신 단계로 활성화시키기 위해, 초음파 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15, C3 - 16)가 여기될 필요가 있다. 이것은 대응하는 부하 임피던스(R1 - 6, R2 - 17, R3 - 18)를 통해 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)를 높은 전원 전압(+V-ex - 4)에 잠깐 연결하고 나서, 낮은 공급 전압, 즉 접지(3)에 연결함으로써 달성된다.
여기(excitation)는 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)가 유체를 통해 초음파 신호, 즉 사운드를 방출하기 시작하게 하고, 이 신호가 다른 트랜스듀서들, 즉 비-송신 트랜스듀서들에 의해 픽업될 수 있게, 즉 수신될 수 있게 한다.
모든 상기의 장점은 각 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)가 동일한 부하 임피던스 값에 걸쳐 여기되고 판독된다는 것이다. 예를 들어, 제1 트랜스듀서(C1 - 8)는 대응하는 부하 임피던스(R1 - 6)를 통해 활성화되고, 또한 트랜스듀서(8)가 부하 임피던스(R1 - 6)를 통해, 예를 들어, 접지(3)로 방전될 때 수신 회로(10, 12)들 중 하나의 수신 회로에 의해 판독된다.
상이한 초음파 트랜스듀서 회로(7, 13, 14)를 서로 동조시키기 위해, 부하 임피던스(R1 - 6, R2 - 17, R3 - 18)는 동일한 값을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수신 회로(10, 12)들은 연산 증폭기 기반의 버퍼 증폭기(11, 23)를 포함할 수 있다. 이 증폭기의 장점은 이 증폭기의 입력 임피던스가 커서, 즉 메가 오옴(mega ohm) 또는 심지어 기가 옴(giga ohm) 정도로 커서, 수신 회로(10, 12)가 판독 동안 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)의 방전에 영향을 미치지 않는다는 것이다.
제어 신호(2, 21, 22)들은 전계 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array: FPGA), 마이크로프로세서 등에 의해 제공될 수 있으며,이 디바이스들은 트랜스듀서들이 송신 단계 및 수신 단계에 있어야 하는 타이밍, 즉 순간을 제어하는데 사용된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 유동 튜브를 통과하는 유체의 질량 유량을 결정하는 데 적합하다. 이 원리는 이하에서 보다 상세히 설명된다.
먼저, 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16) 중 하나, 예를 들어, 제1 트랜스듀서(C1 - 8)가 여기되고, 즉 초음파 신호를 송신하고, 다른 2개의 초음파 트랜스듀서(C2 - 15 및 C3 - 16)는 수신 단계에 제공되고, 즉 제1 트랜스듀서(C1 - 8)에서 송신된 초음파 신호를 수신한다. 멀티플렉서 회로(9)는 예를 들어, 제2 트랜스듀서(C2 - 15)를 제1 수신 회로(10)에 연결하고, 제3 트랜스듀서(C3 - 16)를 제2 수신 회로(12)에 연결할 것이다.
제2 트랜스듀서(C2 - 15) 및 제3 트랜스듀서(C3 - 16)는 모두 제1 트랜스듀서(C1 - 8)의 상류 또는 하류에 배치된다. 그리하여, 제2 트랜스듀서(C2 - 15) 및 제3 트랜스듀서(C3 - 16)에서 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠 또는 증폭은 다음 식을 통해 유도될 수 있다:
α = A2/A3.
여기서 α는 제2 트랜스듀서(C2 - 15)에서 수신된 초음파 신호의 진폭(A2)과, 제3 트랜스듀서(C3 - 16)에서 수신된 초음파 신호의 진폭(A3)에 대한 증폭을 나타낸다.
본 발명자의 통찰에 따르면, 초음파 신호들의 진폭의 감소는 유체와 유동 튜브 사이에 초음파 신호들을 투과시키는 것에 의해 주로 결정되며, 그 반대도 마찬가지라는 것이다.
고체로부터 유체로 초음파 신호들이 전이하는 것과 관련된 투과 계수는 다음 식으로 한정된다:
Tr = 2r/(r + 1)이고, 여기서 r = Z2/Z1이고 Z = ρc이다.
여기서, 제1 재료는 유동 튜브용 재료, 예를 들어, 강철을 나타내고, 제2 재료는 유체를 나타낸다. 기호 "ρ"는 해당 재료의 밀도를 나타내고, 기호 "c"는 해당 재료를 통과하는 초음파 신호들의 속도를 나타낸다.
유사하게, 유체로부터 고체로 초음파 신호들이 전이하는 것과 관련된 투과 계수는 다음 식으로 한정된다:
Trb = 2r/(r + 1), 여기서, r = Z2/Z1 및 Z = ρc이다.
여기서, 제1 재료는 유체이고, 따라서 제2 재료는 강철, 즉 유동 튜브를 나타낸다.
숄테 파의 속도가 미리 알려지거나, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 결정된 경우, 및 트랜스듀서(C1 - 8, C2 - 15 및 C3 - 16)들 사이의 거리가 알려진 경우, 및 송신된 초음파 신호들의 주파수가 알려진 경우, 고체로부터 유체로 및/또는 그 역으로 초음파 신호들이 전이하는 횟수는 다음 식을 통해 결정될 수 있다:
λ = c/f;
n = x/λ;
α = n.Tr.Trb
여기서, 기호 "λ"는 송신된 초음파 신호들의 파장을 나타내고, 기호 "f"는 송신된 초음파 신호들의 주파수를 나타내며, 기호 "n"은 초음파 신호들이 고체로부터 유체로 및/또는 그 반대로 전이하는 횟수를 나타내고, 기호 "x"는 제2 트랜스듀서(C2 - 15)와 제3 트랜스듀서(C3 - 16) 사이의 거리를 나타낸다.
유체의 밀도 "ρ"에 대한 값은 다음과 같이 반복적으로 결정될 수 있다. 먼저, 유체는 물이라고 가정한다. 물로부터 강철로 초음파 신호들이 전이시의 투과 계수는 알려져 있고, 즉, "Trb"는 약 1.94로 알려져 있다. 나머지 파라미터들이 알려지거나, 본 발명에 따른 방법을 통해 결정될 수 있으므로, 밀도 "ρ"에 대한 값이 결정될 수 있다. 그 다음, 밀도 "ρ"에 대해 결정된 값을 사용하여 "Trb"에 대한 값이 다시 결정된다. 이 과정은, 밀도 "ρ"에 대한 적당한 상수 값이 얻어질 때까지, 반복적으로, 예를 들어, 한 번 또는 여러 번 반복된다.
유체의 밀도 "ρ" 및 (결정된) 유체 유량에 기초하여 유체의 질량 유량이 수립될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템에 사용되는 유량계(101)의 사시도를 도시한다. 유량계(101)는 유동을 측정할 매체용 유동 튜브(102)를 포함한다. 유동 튜브는 외부 재킷(jacket)(103)을 갖는다. 유동 튜브에는 입구(A) 및 출구(B)가 제공된다. 유동 튜브는 바람직하게는 길이방향(L)으로 연장되는 세장형 직선형 튜브(102)이다.
유동 튜브(102)의 외측 재킷(103)에는 제1 초음파 트랜스듀서(111)가 제공되고, 이 제1 초음파 트랜스듀서는 도시된 실시예에서 링 형상을 갖고, 튜브(102)의 원주 둘레에 완전히 제공된다. 제1 발진기(111)는 음향 전도 층(121)을 통해 유동 튜브(102)의 외부 재킷(103)과 음향 접촉한다.
제1 초음파 트랜스듀서(111)로부터 길이방향으로 이격된 위치에는 제2 초음파 트랜스듀서(113)가 제공되고, 이 제2 초음파 트랜스듀서는 음향 전도 층(123)에 의해 유동 튜브(102)의 외부 재킷(103)과 접촉한다.
제2 초음파 트랜스듀서(113)로부터 길이방향으로 이격된 위치에는 제3 초음파 트랜스듀서(112)가 제공되며, 이 제3 초음파 트랜스듀서도 또한 유동 튜브(102)의 외측 재킷(103)과 접촉하는데, 이 경우 음향 전도 층(122)을 통해 접촉한다.
제1 초음파 트랜스듀서(111), 제2 초음파 트랜스듀서(113) 및 제3 초음파 트랜스듀서(112)는 압전 소자로 구성될 수 있다. 압전 소자는 이 경우에 압전 필름을 포함할 수 있다. 이 수신 소자는 PZT 소자이거나, PVDF 재료를 포함하거나 세라믹 결정인 것을 더 생각할 수 있다.
본 발명에 따르면, 3개의 트랜스듀서(111, 113, 112)는 각각 특정 순서로 여기되고, 여기되지 않은 트랜스듀서들은 대응하는 수신 회로를 통해 판독된다. 표 1은, 3개의 트랜스듀서(111, 113, 112)가 여기되는 순서, 및 3개의 트랜스듀서(111, 113, 112) 중 어느 트랜스듀서가 수신 회로에 연결되는지를 나타내는 일례를 제공한다.
여기된 트랜스듀서 수신 회로 1개 수신 회로 2개
제1 트랜스듀서(111) 제2 트랜스듀서(113) 제3 트랜스듀서(112)
제1 트랜스듀서(111) 제3 트랜스듀서(112) 제2 트랜스듀서(113)
제2 트랜스듀서(113) 제1 트랜스듀서(111) 제3 트랜스듀서(112)
제2 트랜스듀서(113) 제3 트랜스듀서(112) 제1 트랜스듀서(111)
제3 트랜스듀서(112) 제2 트랜스듀서(113) 제1 트랜스듀서(111)
제3 트랜스듀서(112) 제1 트랜스듀서(111) 제2 트랜스듀서(113)
따라서, 상기 테이블은, 트랜스듀서들이 여기되는 순서(제1 열), 어느 트랜스듀서가 제1 수신 회로에 연결되고(제2 열) 그리고 어느 트랜스듀서가 제2 수신 회로에 연결되는지(제3 열)를 나타낸다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상기에서 설명되었다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되지 않는다.
따라서, 예를 들어 추가적인 초음파 트랜스듀서 회로 및/또는 수신 회로들이 제공되는 것을 생각해 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 뼈대 내에서 다양한 변형이 고려될 수 있다. 그러므로 청구되는 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 결정된다.

Claims (27)

  1. 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 상기 방법은,
    a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제1 시간 차이를 결정하는 단계;
    b) 적어도 상기 결정된 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호들의 속도를 결정함으로써, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 상기 제1 트랜스듀서의 송신 지연을 제거하는 단계;
    c) 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것에 기초하여 상기 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠를 결정하는 단계;
    d) 상기 진폭의 결정된 감쇠에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이시 발생하는 투과 계수(transmission coefficient)들을 결정하는 단계; 및
    e) 상기 유체의 질량 유량을 결정하기 위해 상기 결정된 감쇠 및 상기 결정된 투과 계수에 기초하여 상기 유체의 질량 밀도를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 투과 계수들을 결정하는 단계는,
    - 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것들 사이의 시간 차이에 기초하여 숄테 파(Scholte wave)의 속도를 결정하는 단계를 포함하는, 유량을 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    a2) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제2 신호를 여기시켜 상기 초음파 신호를 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제2 시간 차이를 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 b) 단계는,
    b) 적어도 상기 결정된 제1 시간 차이 및 상기 제2 시간 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호들의 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 유량을 결정하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a3) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제3 초음파 수신기를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 더 포함하는, 유량을 결정하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    - a4) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 나머지 트랜스듀서를 교대로 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서, 각 교대로 여기된 트랜스듀서에 대해, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는 단계를 더 포함하는, 유량을 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방법 단계들 각각은 다수 회 수행되는, 유량을 결정하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    - 상기 숄테 파의 상기 결정된 속도에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이한 수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 매체 전이의 결정된 수에 기초하여 상기 질량 밀도가 더 결정되는, 유량을 결정하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 매체 전이들은 상기 유동 튜브로부터 상기 유체로 그리고 상기 유체로부터 상기 유동 튜브로 상기 초음파 신호들이 전이하는 것을 포함하는, 유량을 결정하는 방법.
  8. 유동 측정 시스템의 유동 튜브 내 유체의 유량을 결정하는 방법으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 상기 시스템은,
    적어도 2개의 수신 회로로서, 상기 수신 회로들은 상기 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하도록 배열된, 상기 적어도 2개의 수신 회로; 및
    상기 트랜스듀서들에 상기 수신 회로들을 선택적으로 연결하도록 구성된 멀티플렉서 회로를 포함하고,
    상기 방법은,
    a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기시켜서, 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는, 여기 단계를 포함하되,
    각각의 여기 단계는,
    - 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 적어도 2개의 수신 회로 각각을 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서에 선택적으로 각각 연결하는 단계를 포함하고, 각각의 여기 단계(a1)는 적어도 한번 반복되고, 각 반복되는 여기 단계에 대해서 상기 적어도 2개의 수신 회로는 상기 멀티플렉서 회로를 이용하여 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서에 연결되는, 유량을 결정하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    a2) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하는, 여기 단계를 더 포함하고,
    상기 단계 a2)는 또한 적어도 한번 반복되며, 각 반복적인 여기 단계(a1, a2)에서, 상기 적어도 2개의 수신 회로는 상기 멀티플렉서 회로를 사용하여 상기 적어도 2개의 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서에 연결되는, 유량을 결정하는 방법.
  10. 유량을 결정할 유체를 위한 유동 튜브를 포함하는 유동 측정 시스템으로서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 회로를 포함하고, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고, 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 상기 시스템은,
    a1) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제1 시간 차이를 결정하는 동작;
    b) 적어도 상기 결정된 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호들의 속도를 결정함으로써, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 상기 제1 트랜스듀서의 송신 지연을 제거하는 동작;
    c) 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것에 기초하여 상기 수신된 초음파 신호들의 진폭의 감쇠를 결정하는 동작;
    d) 상기 진폭의 결정된 감쇠에 기초하여 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서 사이에서 상기 송신된 초음파 신호들이 매체 전이시 발생하는 투과 계수들을 결정하는 동작; 및
    e) 상기 유체의 질량 유량을 결정하기 위해 상기 결정된 감쇠 및 상기 결정된 투과 계수들에 기초하여 상기 유체의 질량 밀도를 결정하는 동작을 수행하도록 배열되고,
    상기 투과 계수들을 결정하는 동작은,
    - 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독한 것들 사이의 시간 차이에 기초하여 숄테 파(Scholte wave)의 속도를 결정하는 동작을 포함하는, 유동 측정 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 시스템은,
    a2) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하고, 상기 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서의 상기 판독들 중 2개의 판독 사이의 제2 시간 차이를 결정하는 동작을 수행하도록 더 배열되고,
    상기 시스템은,
    b) 적어도 상기 결정된 제1 시간 차이 및 상기 제2 시간 차이에 기초하여 상기 유체를 통한 상기 초음파 신호들의 속도를 결정하도록 더 배열된, 유동 측정 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 시스템은,
    a3) 상기 송신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 제3 트랜스듀서를 여기시켜 상기 초음파 신호들을 송신하고, 상기 수신 단계에서 상기 적어도 3개의 트랜스듀서 중 적어도 2개의 비-송신 트랜스듀서를 판독하도록 더 배열된, 유동 측정 시스템.
  13. 유량을 결정할 유체를 위한 유동 튜브를 포함하는 유동 측정 시스템으로서, 상기 시스템은,
    - 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로로서, 각 회로는 송신 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호들을 송신하고 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 중 다른 트랜스듀서로부터 송신된 신호들을 수신하도록 배열된 초음파 트랜스듀서를 포함하는, 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 회로;
    - 적어도 하나의 수신 회로로서, 각 수신 회로는 대응하는 수신 단계에서 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서를 판독하도록 배열된, 상기 적어도 하나의 수신 회로; 및
    - 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서 사이에 상기 적어도 하나의 수신 회로를 선택적으로 연결하도록 배열된 멀티플렉서 회로를 포함하고,
    상기 적어도 2개의 트랜스듀서는 상기 초음파 신호들을 교대로 송신하도록 배열되고, 상기 멀티플렉서 회로는 상기 적어도 하나의 수신 회로 각각을 비-송신 초음파 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서에 교대로 각각 연결하도록 배열된, 유동 측정 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다수의 수신 회로들 각각을 상기 비-송신 초음파 트랜스듀서들 중 하나에 각가 연결시키는 교대 순서는 상기 초음파 신호들을 교대로 송신하는 상기 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서의 동일한 교대 순서인, 유동 측정 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 시스템은 적어도 3개의 초음파 회로를 포함하고, 상기 적어도 3개의 초음파 트랜스듀서는 서로 앞뒤로 연속적으로 배치되고, 2개의 연속적으로 배치된 초음파 트랜스듀서 사이의 물리적 거리는 실질적으로 동일한, 유동 측정 시스템.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 유동 측정 시스템은 3개의 초음파 트랜스듀서 회로 및 2개의 수신 회로를 포함하는, 유동 측정 시스템.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서 회로의 각각은 단일 부하 임피던스를 포함하고, 대응하는 초음파 트랜스듀서는 상기 단일 부하 임피던스를 통해 상기 송신 단계로 여기되고, 상기 대응하는 초음파 트랜스듀서는 상기 단일 부하 임피던스를 통해 상기 수신 단계 동안 판독되는, 유동 측정 시스템.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서 회로 각각의 상기 단일 부하 임피던스들은 동일한 값을 갖는, 유동 측정 시스템.
  20. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 다수의 수신 회로 각각은 연산 증폭기를 포함하는, 유동 측정 시스템.
  21. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 적어도 2개의 트랜스듀서는 압전 트랜스듀서인, 유동 측정 시스템.
  22. 삭제
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  24. 삭제
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