KR102509623B1 - Ultrasonic flow meter for measuring fluid velocity in porous material, and fluid velocity measurement method and apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정을 위한 초음파 유량계 및 이를 이용한 유체 속도 측정 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 유체가 흐르는 다공탄성물질 내에 삽입되며 초음파 신호를 발생시키는 발진기 및 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기를 포함하는 복수의 송수신부; 및 상기 복수의 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 측정부를 포함하되, 상기 복수의 송수신부는, 제1 및 제3 송수신부를 포함하는 제1 쌍, 제2 및 제4 송수신부를 포함하는 제2 쌍을 포함하고, 상기 측정부는 상기 제1 쌍에 포함된 제1 및 제3 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제1 속도와 상기 제2 쌍에 포함된 제2 및 제4 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하는 초음파 유량계가 제공된다. The present invention discloses an ultrasonic flowmeter for measuring fluid velocity in a porous elastic material, and a fluid velocity measuring method and apparatus using the same. According to the present invention, a plurality of transmission and reception units including an oscillator and an amplifier for receiving and amplifying an oscillator for generating an ultrasonic signal and inserted into a porous elastic material through which fluid flows; And a measuring unit for measuring the speed of the fluid using an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different points in time by each of the plurality of transceivers, wherein the plurality of transceivers, first and third A first pair including a transceiver, and a second pair including second and fourth transceivers, wherein the measuring unit includes an ultrasonic signal received at a slow time by each of the first and third transceivers included in the first pair. Calculating the speed of the fluid using a first speed calculated using a second speed calculated using an ultrasonic signal received at a slow time in each of the second and fourth transceivers included in the second pair An ultrasonic flow meter is provided.
Description
본 발명은 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정을 위한 초음파 유량계 및 이를 이용한 유체 속도 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for measuring fluid velocity in a porous elastic material, and a fluid velocity measuring method and apparatus using the same.
초음파 유량계는 관로의 외부에서 유체의 흐름에 초음파 신호를 방사하여 유속에 의하여 변화를 받은 투과파나 반사파를 관로 외부에서 포착하여 유량을 구하는 방식을 이용한다. The ultrasonic flowmeter emits ultrasonic signals to the flow of fluid from the outside of the pipe and uses a method to obtain the flow rate by capturing the transmitted wave or the reflected wave changed by the flow rate from the outside of the pipe.
초음파 유량계는 측정 방법에 따라 전파 속도차 법과 도플러 법으로 나뉘어지며, 또한 센서의 설치를 배관내에 직접 설치하느냐, 혹은 배관 외부에 클램프를 이용하여 설치하는가에 따라 건식과 습식으로도 나뉘어진다. Ultrasonic flowmeters are divided into the propagation velocity difference method and the Doppler method according to the measurement method, and are also divided into dry and wet types depending on whether the sensor is installed directly inside the pipe or installed using a clamp outside the pipe.
그러나, 다공탄성물질에 있어서 종래에는 지질 내의 가스나 지하수 흐름 예측을 위해 또는 생체조직공학에서 세포 실험을 진행할 때 스캐폴드에 부착된 세포들의 유체 흐름에 의한 반응을 해석하기 위한 초음파 유량계가 제공되지 못하고 있는 실정이다. However, conventionally, in porous elastic materials, ultrasonic flowmeters have not been provided for predicting the flow of gas or groundwater in lipids or for analyzing the response by fluid flow of cells attached to the scaffold when conducting cell experiments in biotissue engineering. There is a situation.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정을 위한 초음파 유량계 및 이를 이용한 유체 속도 측정 방법 및 장치를 제안하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention is to propose an ultrasonic flowmeter for measuring the fluid velocity in a porous elastic material, and a fluid velocity measuring method and apparatus using the same.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 유량계로서, 유체가 흐르는 다공탄성물질 내에 삽입되며 초음파 신호를 발생시키는 발진기 및 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기를 포함하는 복수의 송수신부; 및 상기 복수의 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 측정부를 포함하되, 상기 복수의 송수신부는, 제1 및 제3 송수신부를 포함하는 제1 쌍, 제2 및 제4 송수신부를 포함하는 제2 쌍을 포함하고, 상기 측정부는 상기 제1 쌍에 포함된 제1 및 제3 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제1 속도와 상기 제2 쌍에 포함된 제2 및 제4 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하는 초음파 유량계가 제공된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, an ultrasonic flowmeter is inserted into a porous elastic material through which a fluid flows and includes an oscillator for generating an ultrasonic signal and an amplifier for receiving and amplifying the ultrasonic signal a plurality of transceivers; And a measuring unit for measuring the speed of the fluid using an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different points in time by each of the plurality of transceivers, wherein the plurality of transceivers, first and third A first pair including a transceiver, and a second pair including second and fourth transceivers, wherein the measuring unit includes an ultrasonic signal received at a slow time by each of the first and third transceivers included in the first pair. Calculating the speed of the fluid using a first speed calculated using a second speed calculated using an ultrasonic signal received at a slow time in each of the second and fourth transceivers included in the second pair An ultrasonic flow meter is provided.
상기 제1 및 제3 송수신부를 연장하는 선분과 상기 제2 및 제4 송수신부를 연장하는 선분은 직각을 이룰 수 있다. A line segment extending the first and third transceivers and a line segment extending the second and fourth transceivers may form a right angle.
상기 제1 송수신부와 상기 제2 송수신부는, 제1 방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 송수신부와 상기 제3 송수신부는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 이격 배치되며, 상기 제4 송수신부는, 상기 제1 송수신부와 상기 제2 방향으로 이격 배치될 수 있다. The first transceiver and the second transceiver are spaced apart from each other in a first direction, and the second transceiver and the third transceiver are spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction. The unit may be spaced apart from the first transceiver in the second direction.
상기 측정부는, 상기 제1 쌍에 포함된 송수신부와 상기 제2 쌍에 포함된 송수신부가 서로 다른 시간에 초음파 신호를 발생시키도록 타이밍을 조절할 수 있다. The measurement unit may adjust timing such that the transceiver included in the first pair and the transceiver included in the second pair generate ultrasonic signals at different times.
상기 제1 속도는 상기 제1 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제3 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 계산되고, 상기 제2 속도는 상기 제2 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제4 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 계산될 수 있다. The first speed is calculated using a difference between the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the first transceiver and the ultrasonic signal received at a slow time in the third transceiver, and the second speed is the second speed. It may be calculated using a difference between the speed of an ultrasonic signal received at a slow time in the transceiver and the ultrasonic signal received at a slow time in the fourth transceiver.
상기 측정부는 상기 제1 속도 및 제2 속도의 비율을 이용하여 상기 유체의 방향을 결정할 수 있다. The measuring unit may determine the direction of the fluid using a ratio of the first speed and the second speed.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 유체가 흐르는 다공탄성물질 내에 삽입되며 초음파 신호를 발생시키는 발진기 및 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기를 포함하는 복수의 송수신부와 연결되는 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 제1 쌍에 포함되는 제1 및 제3 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제1 쌍에서의 제1 속도를 계산하고, 제2 쌍에 포함되는 제2 및 제4 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제2 쌍에서의 제2 속도를 계산하고, 상기 제1 속도 및 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하도록, 상기 프로세서에 의해 실행가능한 프로그램 명령어들을 저장하는 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정 장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, a device connected to a plurality of transceivers including an oscillator for generating an ultrasonic signal and an amplifier for receiving and amplifying an ultrasonic signal inserted into a porous elastic material through which a fluid flows, comprising: a processor; and a memory connected to the processor, wherein the memory uses a speed of an ultrasonic signal received at a slow time among ultrasonic signals received at different time points in each of the first and third transceivers included in the first pair. to calculate the first speed in the first pair, and use the speed of the ultrasonic signal received at a slow time point among the ultrasonic signals received at different points in each of the second and fourth transceivers included in the second pair storing program instructions executable by the processor to calculate a second velocity in the second pair, and to calculate a velocity of the fluid using the first and second velocities; A speed measurement device is provided.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유체가 흐르는 다공탄성물질 내에 삽입되며 초음파 신호를 발생시키는 발진기 및 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기를 포함하는 복수의 송수신부와 연결되는 장치를 이용하여 유체의 속도를 측정하는 방법으로서, 제1 쌍에 포함되는 제1 및 제3 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제1 쌍에서의 제1 속도를 계산하는 단계; 제2 쌍에 포함되는 제2 및 제4 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제2 쌍에서의 제2 속도를 계산하는 단계; 및 상기 제1 속도 및 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하는 단계를 포함하는 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, the velocity of the fluid is inserted into the porous elastic material through which the fluid flows and connected to a plurality of transceivers including an oscillator generating an ultrasonic signal and an amplifier receiving and amplifying the ultrasonic signal. A method for measuring , using a speed of an ultrasonic signal received at a slow time among ultrasonic signals received at different time points in each of the first and third transceivers included in the first pair to determine the first signal in the first pair. calculating speed; Calculating a second velocity in the second pair by using a velocity of an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different time points in each of the second and fourth transceivers included in the second pair; and calculating the velocity of the fluid using the first velocity and the second velocity.
본 발명에 따르면, 복수의 송수신부 중 직각 방향으로 쌍을 이루는 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that the velocity of the fluid can be accurately measured using the velocity of the ultrasonic signal received at a slow time in the transceiver unit forming a pair in the orthogonal direction among the plurality of transceiver units.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다공탄성물질 내에서의 유체 속도를 측정하기 위한 초음파 유량계의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 송수신부 및 측정부의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 측정부의 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter for measuring the fluid velocity in a porous elastic material according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a transmission/reception unit and a measurement unit according to the present embodiment.
3 is a diagram showing the configuration of the measuring unit according to the present embodiment.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다공탄성물질 내에서의 유체 속도를 측정하기 위한 초음파 유량계의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 실시예에 따른 송수신부 및 측정부의 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter for measuring the velocity of a fluid in a porous elastic material according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the configuration of a transceiver and a measurement unit according to this embodiment. it is a drawing
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 다른 초음파 유량계는 다공탄성물질(100) 내에 삽입되는 복수의 송수신부(102-1 내지 102-4)을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1 , the ultrasonic flowmeter according to this embodiment may include a plurality of transceivers 102-1 to 102-4 inserted into the porous
각 송수신부(102)는 막대 형상을 가질 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 신호를 발생시키는 발진기(200) 및 다른 송수신부가 발생시키고 다공탄성물질을 통과하여 수신된 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기(202)를 포함할 수 있다. Each
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 발진기(200) 및 증폭기(202)는 도 1에 도시된 본체의 표면에 배치되는 것이 바람직하다. According to a preferred embodiment of the present invention, the
이는, 발진기(200)와 증폭기(202)가 본체 내부에 들어가 있으면 하우징의 물성치에 의해 속도에 변화가 생겨 정확한 값을 측정하기 어렵기 때문이다. This is because, when the
본 실시예에 따른 유속 측정이 지질 내의 유체의 속도를 측정하는 경우에는 크기에 문제가 없으나, 스캐폴드와 작은 작은 샘플 내에서의 유속을 측정하기 위한 경우에는 하나의 막대에서 발진기(200)와 증폭기(202)가 상하 방향으로 배열되는 것이 바람직하다. In the case of measuring the velocity of the fluid in the lipid according to the present embodiment, there is no problem in size, but in the case of measuring the velocity in the scaffold and the small sample, the
상하 방향으로 배열하는 경우, 좌우 방향으로 배열하는 것에 비해 하우징의 폭을 작게할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In the case of arranging in the vertical direction, the width of the housing may be reduced compared to arranging in the left and right directions, but is not necessarily limited thereto.
여기서, 초음파 신호는 단일 펄스 신호일 수 있다. Here, the ultrasound signal may be a single pulse signal.
여기서, 다공탄성물질은 복수의 기공을 가지면서 유체가 기공 사이를 흐를 수 있는 물질로서, 가스나 지하수 등이 흐르는 지질 또는 세포를 포함하는 생체조직일 수 있다. Here, the porous elastic material is a material that has a plurality of pores and allows fluid to flow between the pores, and may be a biological tissue including lipids or cells through which gas or groundwater flows.
도 1에서, 제1 송수신부(102-1) 및 제3 송수신부(102-3)가 하나의 쌍(제1 쌍)을 형성하고, 제2 송수신부(102-2) 및 제4 송수신부(102-4)가 하나의 쌍(제2 쌍)을 형성한다.1, a first transceiver 102-1 and a third transceiver 102-3 form a pair (first pair), and a second transceiver 102-2 and a fourth transceiver (102-4) form one pair (second pair).
측정부(210)는 상기한 제1 쌍에 포함된 제1 및 제3 송수신부(102-1,102-3) 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제1 속도와 제2 쌍에 포함된 제2 및 제4 송수신부(102-2,102-4) 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제2 속도를 이용하여 다공탄성물질 내에서의 유체의 속도를 계산한다. The
바람직하게, 제1 및 제3 송수신부(102-1,102-3)를 연장하는 선분과 상기 제2 및 제4 송수신부(102-2,102-4)를 연장하는 선분은 직각을 이루게 된다. Preferably, a line segment extending the first and third transceivers 102-1 and 102-3 and a line segment extending the second and fourth transceivers 102-2 and 102-4 form a right angle.
보다 상세하게, 제1 송수신부(102-1)와 제2 송수신부(102-2)는, 제1 방향(예를 들어, 수평 방향)으로 이격 배치되고, 제2 송수신부(102-2)와 제3 송수신부(102-3)는 제1 방향에 수직인 제2 방향(예를 들어, 수직 방향)으로 이격 배치되며, 제4 송수신부(102-4)는, 제1 송수신부(102-1)와 제2 방향으로 이격 배치된다. More specifically, the first transceiver 102-1 and the second transceiver 102-2 are spaced apart in a first direction (eg, horizontal direction), and the second transceiver 102-2 and the third transceiver 102-3 are spaced apart in a second direction (eg, vertical direction) perpendicular to the first direction, and the fourth transceiver 102-4 includes the first transceiver 102 -1) and are spaced apart from each other in the second direction.
본 실시예에서는 다공탄성물질 내에서 초음파 신호를 발생시키고 수신하는 적어도 4개의 송수신부 중 서로 서로 직각으로 배치되는 두 개의 송수신부를 하나의 쌍으로 설정하고, 각 쌍에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 유체의 속도를 계산한다. In this embodiment, among at least four transceivers for generating and receiving ultrasonic signals within a porous elastic material, two transceivers disposed at right angles to each other are set as a pair, and ultrasonic signals received at different times in each pair are set. The speed of the fluid is calculated using the speed of the ultrasonic signal received at the slowest point in time.
도 1과 같은 다공탄성물질 내에서 초음파 신호가 유체를 통과하는 경우와 유체 및 고체의 결합 부분을 통과하는지 여부에 따라 각 송수신부(102)는 서로 다른 시점에 초음파 신호를 수신하며, 본 발명은 이중 유체를 통과한 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하는 경우 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있다는 점을 확인하였다. In the porous elastic material as shown in FIG. 1, each
이처럼 쌍을 구성하는 송수신부(102)에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하게 위해, 측정부(210)는 제1 쌍에 포함된 송수신부(102-1,102-3)와 제2 쌍에 포함된 송수신부(102-2,102-4)가 서로 다른 시간에 초음파 신호를 발생시키도록 타이밍을 조절하기 위한 제어를 수행할 수 있다. In order to use the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the
예를 들어, 측정부(210)는 제1 쌍에서의 초음파 신호 송수신이 완료된 이후에, 제2 쌍에서의 초음파 신호 송수신이 이루어지도록 제어할 수 있다. For example, the
측정부(210)는 각 송수신부(102)의 초음파 신호 발생 시점을 제어하고, 증폭기(202)를 통해 수신한 초음파 신호를 이용하여 유체의 속도를 계산한다.The
도 3은 본 실시예에 따른 측정부의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing the configuration of the measuring unit according to the present embodiment.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 측정부(유속 측정 장치)는 프로세서(300) 및 메모리(302)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 3 , the measuring unit (flow rate measuring device) according to the present embodiment may include a
여기서, 프로세서(300)는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다. Here, the
메모리(302)는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리(302)는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.
이와 같은 메모리(302)에는 프로세서(300)에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들이 저장된다. Program instructions executable by the
본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은, 제1 쌍에 포함되는 제1 및 제3 송수신부(102-1,102-3) 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 제1 쌍에서의 제1 속도를 계산하고, 제2 쌍에 포함되는 제2 및 제4 송수신부(102-2,102-4) 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제2 쌍에서의 제2 속도를 계산하고, 상기 제1 속도 및 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산한다. The program instructions according to the present embodiment are performed by using the speed of the ultrasonic signal received at the slow time point in each of the first and third transceivers 102-1 and 102-3 included in the first pair to transmit the first signal in the first pair. Calculate the speed, and calculate the second speed in the second pair using the speed of the ultrasonic signal received at the slow time in each of the second and fourth transceivers 102-2 and 102-4 included in the second pair. And, the velocity of the fluid is calculated using the first velocity and the second velocity.
또한 프로그램 명령어들은, 상기 제1 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제3 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 제1 속도를 계산하고, 상기 제2 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제4 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 제2 속도를 계산한다. In addition, the program instructions calculate a first speed using a difference between the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the first transceiver and the ultrasonic signal received at a slow time in the third transceiver, and the second transceiver. The second speed is calculated using a difference between the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the unit and the ultrasonic signal received at a slow time in the fourth transceiver.
나아가, 본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은, 상기 제1 속도 및 제2 속도의 비율을 이용하여 다공탄성물질 내에서 흐르는 유체의 방향을 결정할 수 있다. Furthermore, program instructions according to this embodiment may determine the direction of the fluid flowing in the porous elastic material using the ratio of the first speed and the second speed.
본 실시예에 따르면, 다공탄성이론에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 초음파 방사 방향으로의 다공탄성물질 내의 유체의 속도(유속)을 측정한다. According to this embodiment, the speed (flow rate) of the fluid in the porous elastic material in the direction of ultrasonic radiation is measured using the ultrasonic signal received at a slow point in the porous elasticity theory.
이하에서는, 유속 측정을 위한 다공탄성이론을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the porosity elasticity theory for flow rate measurement will be described in detail.
다공탄성이론의 주어진 방정식은 다음과 같다. The given equation of the porosity theory is:
여기서 N, R, Q와 A는 다공탄성이론에서 주어진 상수이며, u와 U는 다공탄성물질 내 고체 부분과 유체 부분의 변위에 해당한다. 이를 한 번 미분하면 속도를 의미한다. 상수 b는 로 표시되며, 는 유체의 점도, K는 유체가 가진 투과성을 나타낸다. 는 다공성을 나타낸다. 여기서, 로 정의하며, 다공탄성계수 P, Q, R은 다음과 같이 주어진다. Here, N, R, Q and A are constants given in the porous elasticity theory, and u and U correspond to the displacement of the solid part and the fluid part in the porous elastic material. Differentiating this once means the speed. constant b is is indicated by is the viscosity of the fluid, and K is the permeability of the fluid. represents porosity. here, , and the porosity modulus P, Q, and R are given as follows.
여기서 는 각각 고체의 부피탄성률 (bulk modulus), 유체의 부피탄성율, 그리고 다공체의 부피탄성률이다. here are the bulk modulus of the solid, the bulk modulus of the fluid, and the bulk modulus of the porous body, respectively.
주어진 고체 및 유체의 변위 u와 U를 주기함수로 가정하면, 와 로 주어진다. Assuming that displacements u and U of given solids and fluids are periodic functions, and is given as
이를 수학식 1 및 2에 대입하면 다음과 같다. Substituting this into Equations 1 and 2 gives:
여기서, k는 파수(wave number)이고, 는 주파수이다. where k is the wave number, is the frequency.
상기한 방정식이 해를 갖기 위해서는 수학식 6과 7의 계수가 같은 판별식이 0이 되어야 하며, 다음과 같이 표시할 수 있다. In order for the above equation to have a solution, the discriminant with the same coefficients of Equations 6 and 7 must be 0, and can be expressed as follows.
상기한 판별식의 실수부는 다음과 같이 표시된다. The real part of the above discriminant is expressed as follows.
또한, 상기한 판별식의 허수부는 다음과 같이 표시된다. In addition, the imaginary part of the above discriminant is expressed as follows.
상기한 실수부와 허수부는 모두 값이 0이 되어야 하며, 실수부로부터 초음파의 속도(실수값) 는 다음 식으로부터 구해진다. Both the real part and the imaginary part must have a value of 0, and the speed of the ultrasonic wave from the real part (real value) is obtained from the following equation.
여기서, B는 다음과 같다. Here, B is
허수부의 값은 감쇄현상(attenuation)을 의미하고, 파수 k는 다음과 같이 허수부에서 구할 수 있으며 이다. 여기서, 는 감쇄상수이다. The value of the imaginary part means attenuation, and the wavenumber k can be obtained from the imaginary part as follows, am. here, is the decay constant.
상기한 수학식으로부터 감쇄상수는 다음과 같이 구해진다. From the above equation, the attenuation constant is obtained as follows.
여기서, 속도의 허수값은 다음과 같이 구해진다. Here, the imaginary value of the velocity is obtained as follows.
다공탄성물질 내에서의 밀도 의 값은 다음과 같이 구해진다. Density in Porous Elastomers The value of is obtained as follows.
여기서, 는 고체의 밀도, 는 유체의 밀도, s는 고체 부분의 비틀림(tortuosity)이다. here, is the density of the solid, is the density of the fluid and s is the tortuosity of the solid part.
이하에서는 상기한 다공탄성이론을 통해 유체의 속도를 측정하는 방법을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method for measuring the velocity of a fluid through the porous elasticity theory described above will be described in detail.
수학식 11에서의 계산 결과치는 2개의 속도(빠른 시점 및 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도)를 나타낸다. The calculation result in Equation 11 represents two velocities (velocities of the ultrasonic signal received at fast and slow times).
빠른 파형은 다공탄성물질의 고체 부분과 유체 부분이 결합되는 부분에서 고체 부분을 따라 이동한다. The fast wave moves along the solid portion of the porous elastomer at the junction of the solid and fluid portions.
느린 시점에 수신된 초음파 신호는 고체 부분과 유체 부분의 상대 변위에 의해 발생한다. An ultrasonic signal received at a slow time is generated by the relative displacement of the solid part and the fluid part.
따라서 상대 변위에 해당하는 느린 시점에 수신된 초음파 신호에 집중하면, 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도 는 이다. Therefore, if we focus on the ultrasonic signal received at a slow time point corresponding to the relative displacement, the speed of the ultrasonic signal received at a slow time point Is am.
고체 부분의 움직임이 없고 유체의 흐름이 없을 경우, 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도는 이다. 여기서 는 다공성 에 영향을 받는 함수이다. 그리고, c는 유체에서의 초음파 신호의 속도이다. 각 쌍에서 서로 반대 방향으로 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 측정할 때, 는 같은 값이 되어 결과적으로 상쇄된다. When there is no motion of the solid part and no flow of the fluid, the speed of the ultrasonic signal received at the slow time is am. here is porous is a function affected by And, c is the velocity of the ultrasonic signal in the fluid. When measuring the speed of ultrasonic signals received at slow times in opposite directions in each pair, becomes the same value and consequently cancels out.
물에서의 초음파 신호의 속도는 이다. 그러나 유체가 흐르게 되면 초음파 신호의 속도는 유체의 흐름에 영향을 받게 된다. The speed of the ultrasonic signal in water is am. However, when the fluid flows, the velocity of the ultrasonic signal is affected by the flow of the fluid.
따라서 본 실시예에서와 같이, 직각으로 배열된 2쌍의 송수신부로부터 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도 차이를 에서 구할 수 있다. Therefore, as in the present embodiment, the speed difference of the ultrasonic signal received at a slow time from the two pairs of transceivers arranged at right angles can be obtained from
하나의 쌍에서, 제1 방향으로 초음파를 발생시켜 구한 느린 시점에 수신된 초음파 신호 속도 와 반대쪽의 제2 방향으로 초음파를 발생시켜 구한 느린 시점에 수신된 초음파 신호 속도 를 구하면, 제1 내지 제2 방향에서의 유체의 속도는 가 된다. In one pair, the received ultrasonic signal velocity at a slow time point obtained by generating ultrasonic waves in the first direction Ultrasonic signal speed received at a slow time obtained by generating ultrasonic waves in the second direction opposite to , the velocity of the fluid in the first and second directions is becomes
이와 같은 방법으로서, 첫 번째 쌍과 두 번째 쌍에서 각각 계산된 유체의 속도(제1 속도 및 제2 속도)는 와 가 된다. In this way, the velocity of the fluid (first velocity and second velocity) calculated in the first pair and the second pair, respectively, is and becomes
제1 속도와 제2 속도는 서로 직각방향을 나타내므로 다공탄성물질 내에서의 유체의 속도는 가 된다. Since the first velocity and the second velocity are perpendicular to each other, the velocity of the fluid in the porous elastic material is becomes
또한, 본 실시예에 따르면, 제1 속도와 제2 속도의 비율을 이용하여 유체의 방향을 결정할 수 있으며, 방향성은 로 결정된다. In addition, according to this embodiment, the direction of the fluid can be determined using the ratio of the first speed and the second speed, and the direction is determined by
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be considered to fall within the scope of the following claims.
Claims (8)
유체가 흐르는 다공탄성물질 내에 삽입되며 초음파 신호를 발생시키는 발진기 및 초음파 신호를 수신하여 증폭하는 증폭기를 포함하는 복수의 송수신부; 및
상기 복수의 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 상기 유체의 속도를 측정하는 측정부를 포함하되,
상기 복수의 송수신부는, 제1 및 제3 송수신부를 포함하는 제1 쌍, 제2 및 제4 송수신부를 포함하는 제2 쌍을 포함하고,
상기 측정부는 상기 제1 쌍에 포함된 제1 및 제3 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제1 속도와 상기 제2 쌍에 포함된 제2 및 제4 송수신부 각각에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호를 이용하여 계산된 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하는 초음파 유량계.As an ultrasonic flow meter,
A plurality of transmission and reception units including an oscillator for generating an ultrasonic signal and an amplifier for receiving and amplifying the ultrasonic signal and inserted into the porous elastic material through which the fluid flows; and
A measuring unit for measuring the velocity of the fluid using an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different time points in each of the plurality of transceivers,
The plurality of transceivers include a first pair including first and third transceivers and a second pair including second and fourth transceivers,
The measurement unit calculates a first speed using an ultrasonic signal received at a slow time in each of the first and third transceivers included in the first pair and the second and fourth transceivers included in the second pair, respectively. Ultrasonic flowmeter for calculating the velocity of the fluid using the second velocity calculated using the ultrasonic signal received at the slow time point.
상기 제1 및 제3 송수신부를 연장하는 선분과 상기 제2 및 제4 송수신부를 연장하는 선분은 직각을 이루는 초음파 유량계. According to claim 1,
A line segment extending from the first and third transceivers and a line segment extending from the second and fourth transceivers form a right angle.
상기 제1 송수신부와 상기 제2 송수신부는, 제1 방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 송수신부와 상기 제3 송수신부는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 이격 배치되며, 상기 제4 송수신부는, 상기 제1 송수신부와 상기 제2 방향으로 이격 배치되는 초음파 유량계. According to claim 1,
The first transceiver and the second transceiver are spaced apart from each other in a first direction, and the second transceiver and the third transceiver are spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction. Part, ultrasonic flowmeter disposed spaced apart from the first transceiver and the second direction.
상기 측정부는,
상기 제1 쌍에 포함된 송수신부와 상기 제2 쌍에 포함된 송수신부가 서로 다른 시간에 초음파 신호를 발생시키도록 타이밍을 조절하는 초음파 유량계.According to claim 1,
The measuring unit,
An ultrasonic flowmeter for controlling timing so that the transceiver included in the first pair and the transceiver included in the second pair generate ultrasonic signals at different times.
상기 제1 속도는 상기 제1 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제3 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 계산되고,
상기 제2 속도는 상기 제2 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도와 상기 제4 송수신부에서 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 차이를 이용하여 계산되는 초음파 유량계.According to claim 1,
The first speed is calculated using a difference between the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the first transceiver and the ultrasonic signal received at a slow time in the third transceiver,
The second speed is calculated using a difference between the speed of the ultrasonic signal received at a slow time in the second transceiver and the ultrasonic signal received at a slow time in the fourth transceiver.
상기 측정부는 상기 제1 속도 및 제2 속도의 비율을 이용하여 상기 유체의 방향을 결정하는 초음파 유량계. According to claim 1,
Wherein the measuring unit determines the direction of the fluid using the ratio of the first speed and the second speed.
프로세서; 및
상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
상기 메모리는,
제1 쌍에 포함되는 제1 및 제3 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제1 쌍에서의 제1 속도를 계산하고,
제2 쌍에 포함되는 제2 및 제4 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제2 쌍에서의 제2 속도를 계산하고,
상기 제1 속도 및 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하도록,
상기 프로세서에 의해 실행가능한 프로그램 명령어들을 저장하는 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정 장치. A device inserted into a porous elastic material through which fluid flows and connected to a plurality of transceivers including an oscillator for generating an ultrasonic signal and an amplifier for receiving and amplifying an ultrasonic signal,
processor; and
Including a memory coupled to the processor,
the memory,
Calculating a first speed in the first pair using a speed of an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different time points in each of the first and third transceivers included in the first pair;
Calculating a second speed in the second pair using the speed of an ultrasonic signal received at a slow time among ultrasonic signals received at different time points in each of the second and fourth transceivers included in the second pair;
To calculate the velocity of the fluid using the first velocity and the second velocity,
A device for measuring fluid velocity in a porous elastic material storing program instructions executable by the processor.
제1 쌍에 포함되는 제1 및 제3 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제1 쌍에서의 제1 속도를 계산하는 단계;
제2 쌍에 포함되는 제2 및 제4 송수신부 각각에서 서로 다른 시점에 수신된 초음파 신호 중 느린 시점에 수신된 초음파 신호의 속도를 이용하여 상기 제2 쌍에서의 제2 속도를 계산하는 단계; 및
상기 제1 속도 및 제2 속도를 이용하여 상기 유체의 속도를 계산하는 단계를 포함하는 다공탄성물질 내에서의 유체 속도 측정 방법.
A method of measuring the speed of a fluid using a device inserted into a porous elastic material through which fluid flows and connected to a plurality of transceivers including an oscillator generating an ultrasonic signal and an amplifier receiving and amplifying the ultrasonic signal,
Calculating a first velocity in the first pair by using a velocity of an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different time points in each of the first and third transceivers included in the first pair;
Calculating a second velocity in the second pair by using a velocity of an ultrasonic signal received at a slow time point among ultrasonic signals received at different time points in each of the second and fourth transceivers included in the second pair; and
A method for measuring fluid velocity in a porous elastic material comprising the step of calculating the velocity of the fluid using the first velocity and the second velocity.
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