KR102442396B1

KR102442396B1 - 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102442396B1
Application number: KR1020200124850A
Authority: KR
Inventors: 이승우; 권영민; 김성섭; 윤종석
Original assignee: 한국전자기술연구원; 한국가스공사
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-09-13
Also published as: KR20220041524A

Abstract

초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템이, DNS와 UPS의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하는 단계; 및 신호 보정 시스템이, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 단계;를 포함한다. 이에 의해, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지함으로써, TDC 방식의 Time of Flight 계산 방식의 정확도를 향상시키고 저전력 하이브리드 초음파 유량계를 구현할 수 있다.

Description

초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법 및 시스템{Signal correction method and system for improved ultrasonic flow accuracy}

본 발명은 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 가스미터의 전처리 과정 중 하나인 Automatic Gain Control 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 알고리즘 기반 Time of Flight 측정 방식은 두 파형간의 delay를 계산하기 위한 Cross Correlation이 필요하며, 낮은 Sampling rate의 ADC 파형의 해상도 복원을 위한 Interpolation 등의 과정이 필요하며 이러한 과정들은 전력 소모가 크다는 단점이 있다.

한편, TDC 방식은 아날로그 회로의 일종인 Comparator를 이용하게 되는데, 이러한 Comparator는 Rx 신호를 입력으로 받아 Amplitude 설정된 threshold를 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하고 Tx 신호에 의해 생성된 START Pulse와의 시간 차를 계산하여 Time of Flight를 계산하게 된다.

그러나 초음파 유량계의 경우 유량값이 증가하면, 도 1에 예시된 바와 같이 상측에서 하측으로 전달되는 제1 입력 신호의 Amplitude는 그대로 유지되지만, 하측에서 상측으로 전달되는 제2 입력 신호의 Amplitude가 점점 축소되어 두 파형의 Amplitude 편차가 커짐으로서, 정확한 ToF 계산을 보장할 수 없다는 문제점이 존재한다.

따라서, 저전력으로 운영 가능한 초음파 유량계를 구현하기 위해서, 도 2에 예시된 바와 같이 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude가 서로 유사한 값을 유지하기 위한 Automatic Gain Control을 수행할 수 있는 방안의 모색이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고 Linear Prediction 알고리즘을 이용하여 다음 Sample에 적용할 Gain 값을 예측함으로써, TDC 방식의 Time of Flight 계산 방식의 정확도를 향상시키고 저전력 하이브리드 초음파 유량계를 구현할 수 있는 신호 보정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템이, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하는 단계; 및 신호 보정 시스템이, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

그리고 모델링하는 단계는, Gain Control에 유량값 하나만을 이용할 수 있다.

또한, 모델링하는 단계는, 기준 유량계를 이용하여 유량 데이터를 수집하는 단계; 및 수집된 유량 데이터를 이용하여, 하측에서 상측으로 전달되는 제2 입력 신호의 Amplitude를 상측에서 하측으로 전달되는 제1 입력 신호의 Amplitude과 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize하는 Gain 값을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른, 신호 보정 방법은, 미래의 Gain 값이 예측된 이후, 유량이 증가하면, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하도록, Gain 값의 계산 결과를 이용하여 Normalize를 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

그리고 Normalize를 수행하는 단계는, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Max Amplitude의 70% 이상의 Amplitude를 가지는 peak 들의 Amplitude 평균값이 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른, 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템이, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호를 Normalize한 이후, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude가 기설정된 임계값을 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하고, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 의해 생성된 START Pulse와 Stop Pulse 간의 시간차를 계산하여, Time of Flight를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

그리고 미래의 Gain 값을 예측하는 단계는, 유량과 계산된 Gain 값이 선형을 이루는 경우, 선형으로 모델링한 모델링 결과가 반영된 Linear Prediction 알고리즘을 이용하여 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

또한, 실측값(gain_real)은, 유량과 계산된 Gain 값을 이용하여 모델링 결과인 함수를 이용하여 계산할 수 있다.

그리고 미래의 Gain 값을 예측하는 단계는, 기존에 계산된 5개 이상의 실측값을 모델링 결과인 함수에 입력하여, 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 신호 보정 시스템은, 유량 데이터가 입력되는 입력부; 및 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 프로세서;를 포함한다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른, 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템이, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하는 단계; 및 신호 보정 시스템이, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 신호 보정 시스템은, 유량 데이터가 입력되는 입력부; 및 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 프로세서;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지함으로써, TDC 방식의 Time of Flight 계산 방식의 정확도를 향상시키고 저전력 하이브리드 초음파 유량계를 구현할 수 있다.

도 1은, 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차 문제를 설명하기 위해 예시된 도면,
도 2는, 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude가 유사한 값으로 유지하기 위한 방법의 설명에 제공된 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 시스템의 설명에 제공된 도면,
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 시스템 구조의 설명에 제공된 도면,
도 5는, 유량이 증가함에 따라 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 모습이 예시된 도면,
도 6은, 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude가 유사한 값으로 유지하기 위해, normalize된 모습이 예시된 도면,
도 7은, Linear Prediction의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법의 설명에 제공된 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 시스템(이하에서는 '신호 보정 시스템'으로 총칭하기로 함)의 설명에 제공된 도면이고, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 보정 시스템 구조의 설명에 제공된 도면이다.

본 실시예에 따른 신호 보정 시스템은, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과가 반영된 Linear Prediction 알고리즘을 이용하여 다음 Sample에 적용할 Gain 값을 예측함으로써, TDC 방식의 Time of Flight 계산 방식의 정확도를 향상시키고 저전력 하이브리드 초음파 유량계를 구현할 수 있다.

이를 위해, 본 신호 보정 시스템은, 입력부(110), 저장부(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.

입력부(110)는, 기준 유량계를 이용하여 가스의 유량 데이터를 입력 신호로 수신할 수 있다.

구체적으로 입력부(110)는, 가스 유량을 측정하기 위해 마련되는 한 쌍의 트랜스듀서로부터 서로 다른 방향으로 전달되는 초음파 신호를 입력 신호로 수신할 수 있다.

예를 들면, 수신되는 입력 신호는, 상측에서 하측으로 전달되는 제1 입력 신호 및 하측에서 상측으로 전달되는 제2 입력 신호일 수 있다.

저장부(120)는, 프로세서(130)가 동작함에 있어 필요한 프로그램 및 데이터를 저장하는 저장매체이다.

프로세서(130)는, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

즉, 프로세서(130)는, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해, 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

이때, 프로세서(130)는, 모델링 시, Gain Control에 유량값 하나만을 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링할 수 있다.

예를 들면, 프로세서(130)는, 입력부(110)를 통해 수집된 유량 데이터를 이용하여, 하측에서 상측으로 전달되는 제2 입력 신호의 Amplitude를 상측에서 하측으로 전달되는 제1 입력 신호의 Amplitude과 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize하는 Gain 값을 계산할 수 있다.

이는, 도 4에 예시된 바와 같이 수집된 데이터를 이용하여 유량값이 증가함에 따라, 제1 입력 신호의 Amplitude가 거의 변화가 없으나 제2 입력 신호의 경우 점점 작아질 수 있어, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호가 기설정된 오차 범위 이내가 되도록 하기 위해, Normalize가 필요하며, 이를 위해, 적절한 Gain 값의 계산이 필요한 것이다.

구체적으로, 프로세서(130)는, Normalize 수행 시, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Max Amplitude의 70% 이상의 Amplitude를 가지는 peak 들의 Amplitude 평균값이 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize함으로써, 도 6에 예시된 수식과 같이 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링할 수 있다.

(수식) y=0.0029x+1.0465

도 7은, Linear Prediction의 설명에 제공된 도면이다.

프로세서(130)는, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링한 이후, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하게 된다.

구체적으로, 프로세서(130)는, 유량과 Gain 값을 이용하여 선형 모델링한 함수를 이용하여 계산된 실측값(gain_real)을 Linear Prediction 필터에 입력하여, 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

이때, Linear Prediction 필터는, 모델링 결과인 함수가 반영되어 생성되며, 프로세서(130)는, 기존에 계산된 5개 이상의 실측값을 모델링 결과인 함수에 입력하여, 미래의 Gain 값을 예측하는 것이 바람직하다.

또한, 프로세서(130)는, 미래의 Gain 값의 예측이 완료되면, 예측 결과인 Gain 값의 계산 결과를 이용하여 Normalize를 수행할 수 있다.

예를 들면, 프로세서(130)는, 미래의 Gain 값이 예측된 이후, 유량이 증가하면, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하도록, Gain 값의 계산 결과를 이용하여 Normalize를 수행할 수 있다.

그리고 프로세서(130)는, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호를 Normalize한 이후, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude가 기설정된 임계값을 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하고, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 의해 생성된 START Pulse와 Stop Pulse 간의 시간차를 계산하여, Time of Flight를 산출할 수 있다.

구체적으로 예를 들면, 프로세서(130)는, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 예측된 Gain 값(추정값)을 곱하여, 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하고, 증폭된 두 신호가 두 개의 각기 다른 비교기를 통과하여, Amplitude가 기설정된 임계값을 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하도록 할 수 있다.

그리고 프로세서(130)는, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 의해 생성된 START Pulse와 Stop Pulse 간의 시간차를 계산하여, Time of Flight를 산출할 수 있다.

이를 통해, TDC 방식의 Time of Flight 계산 방식의 정확도를 향상시키고 저전력 하이브리드 초음파 유량계를 구현할 수 있다.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 유량 정확도 향상을 위한 신호 보정 방법(이하에서는 '신호 보정 방법'으로 총칭하기로 함)의 설명에 제공된 도면이다.

도 8을 참조하면, 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템을 이용하여, 기준 유량계를 이용하여 가스의 유량 데이터를 입력 신호로 수신하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고(S810), 모델링 결과가 반영된 Linear Prediction 알고리즘을 이용하여 다음 Sample에 적용할 Gain 값을 예측할 수 있다(S820).

구체적으로, 신호 보정 방법은, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해, 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측할 수 있다.

그리고 신호 보정 방법은, 신호 보정 시스템을 이용하여, 미래의 Gain 값의 예측이 완료되면, 예측 결과인 Gain 값의 계산 결과를 이용하여 Normalize를 수행할 수 있다(S830).

즉, 신호 보정 방법은, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 예측된 Gain 값(추정값)을 곱하여, Normalize를 수행하고, 이를 통해, 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성할 수 있다.

그리고 신호 보정 방법은, 증폭된 두 신호가 두 개의 각기 다른 비교기를 통과하여, Amplitude가 기설정된 임계값을 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하도록 할 수 있으며, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 의해 생성된 START Pulse와 Stop Pulse 간의 시간차를 계산하여, Time of Flight를 산출할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 입력부
120 : 저장부
130 : 프로세서

Claims

신호 보정 시스템이, 서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하는 단계; 및
신호 보정 시스템이, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 단계;를 포함하는 신호 보정 방법.
청구항 1에 있어서,
모델링하는 단계는,
Gain Control에 유량값 하나만을 이용하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 2에 있어서,
모델링하는 단계는,
기준 유량계를 이용하여 유량 데이터를 수집하는 단계; 및
수집된 유량 데이터를 이용하여, 하측에서 상측으로 전달되는 제2 입력 신호의 Amplitude를 상측에서 하측으로 전달되는 제1 입력 신호의 Amplitude과 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize하는 Gain 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 3에 있어서,
미래의 Gain 값이 예측된 이후, 유량이 증가하면, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하도록, Gain 값의 계산 결과를 이용하여 Normalize를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 4에 있어서,
Normalize를 수행하는 단계는,
제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Max Amplitude의 70% 이상의 Amplitude를 가지는 peak 들의 Amplitude 평균값이 기설정된 오차 범위 이내가 되도록, Normalize를 수행하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 4에 있어서,
신호 보정 시스템이, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호를 Normalize한 이후, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 Amplitude가 기설정된 임계값을 넘어서는 순간 출력을 0에서 1로 바꾸는 Stop Pulse를 생성하고, Normalize된 제1 입력 신호와 제2 입력 신호에 의해 생성된 START Pulse와 Stop Pulse 간의 시간차를 계산하여, Time of Flight를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 1에 있어서,
미래의 Gain 값을 예측하는 단계는,
유량과 계산된 Gain 값이 선형을 이루는 경우, 선형으로 모델링한 모델링 결과가 반영된 Linear Prediction 알고리즘을 이용하여 미래의 Gain 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 7에 있어서,
실측값(gain_real)은,
유량과 계산된 Gain 값을 이용하여 모델링 결과인 함수를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
청구항 7에 있어서,
미래의 Gain 값을 예측하는 단계는,
기존에 계산된 5개 이상의 실측값을 모델링 결과인 함수에 입력하여, 미래의 Gain 값을 예측하는 것을 특징으로 하는 신호 보정 방법.
유량 데이터가 입력되는 입력부; 및
서로 다른 방향으로 전달되는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 Amplitude 편차가 커지는 것을 방지하기 위해 계산된 Gain 값의 계산 결과를 이용하여, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 프로세서;를 포함하는 신호 보정 시스템.
신호 보정 시스템이, 유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하는 단계; 및
신호 보정 시스템이, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 단계;를 포함하는 신호 보정 방법.
유량 데이터가 입력되는 입력부; 및
유량값과 Gain값을 선형으로 모델링하고, 모델링 결과를 이용하여, 다음 Sample에 적용하고자 하는 미래의 Gain 값을 예측하는 프로세서;를 포함하는 신호 보정 시스템.