KR102606533B1 - U형 측정관을 가진 초음파유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초음파 유량계는 초음파 센서 직관형으로 U형 유량계의 측정관로 내부에서 유체의 수평 흐름의 경로차를 최소화하여 신뢰성이 높고 측정성능이 우수한 초음파 유량계를 제공하며 또한 연결관로의 축선과 와 측정관로의 축선이 단차를 이루고 있어서 배관에 발생하는 공기층의 영향을 최소화 할 수 있고 구조가 단순하여 제작 및 생산을 용이하게 하는 U형 측정관을 가진 초음파 유량를 제공한다.

Description

U형 측정관을 가진 초음파유량계{Ultrasonic flow meter with U_Type measurement tube}

본 발명은 배관을 통해 흐르는 유체속에서 전파되는 초음파의 전파 속도가 유체의 흐름 방향과 같은 방향 즉 순방향일 때는 빨라지고 유체 흐름과 역방향일 때는 늦어지는 특성을 이용하여 유체속에서 전파되는 초음파의 순방향과 역방향의 전파 시간차를 이용하여 유량을 측정하는 유량계에 있어서 수평배관의 연결관로와 초음파 측정관로가 단차를 이루는 U형 측정관을 가진 유량계에 관한 것이다..

초음파유량계는 배관속을 흐르는 유체의 양을 측정하는 수단으로 초음파가 유체속에서 전파될 때 배관의 일정 부분의 유체가 흐르는 공간내에서 초음파의 송 수신 경로를 확보할 수 있는 측정관로를 형성시켜서 유체속에서 전파되는 초음파의 속도를 측정하여 유량을 측정한다. 초음파의 전파경로를 확보하는 측정관로의 형태는 구경에 따라 다르다. 대구경형의 초음파유량계에서는 초음파의 전파경로가 유체의 흐름 방향과 일정 경사각을 이루는 경사직관형의 측정관로가 주로 사용되며 초음파 수도미터기와 같은 소구경형의 유량계에서는 반사경을 사용하여 배관내에서 유체의 이동 경로에 초음파의 전파경로를 확보하는 반사경형 초음파유량계가 주로 적용되어 사용되고 있으며 극히 소구경의 반도체 설비등 산업용이나 의료용등의 유량계에서는 U자형 측정관로를 가진 유량계가 사용되고 있다.

소구경형의 초음파 센서 직관형의 U형 측정관을 가진 유량계는 초음파 센서가 마주보도록 설치되는 직관형의 측정관로를 구성하고 측정관로가 유입관로와 유출관로로 구성되는 배관과의 연결관로와 단차를 이루도록 형성하여 측정관로의 상류측에 유입관로로부터 하방으로 유입되는 유체가 수평의 측정관체로 유입되는 하방유동관로와 측정관체에서 수평으로 유동하여 유출되는 유체가 유출공간인 상방유동관로를 통하여 유출관로로 흐르는 측정관의 구조를 이루는 것이다.

여기서 도 2의 종래의 U형 초음파유량계를 참조하면 측정관로(30)의 초음파 전파경로는 초음파센서(40)와 측정관체(31)와 하방유동관로(11)의 공간이 이루는 거리(d1), 측정관체(31)의 길이(L1), 측정관체(31)와 초음파센서(41)사이의의 상방유동관로(12)의 공간이 이루는 거리(d2) 즉 d1 + L1 + d2가 되고 d1,d2 구간에서의 유체의 흐름은 수직유동, L1 구간에서는 수평유동임을 알 수 있다.

초음파의 전파경로에 일정각 Θ를 이루며 속도 V로 흐르는 유체의 흐름이 초음파의 진행 방향에 미치는 속도 ｖ= VcosΘ로 나타나며 Θ=90도를 이면 ｖ= 0이므로 측정관로의 상부에서는 유체의 수평방향 이동경로가 L1, 하부에서는 d1+L1+d2가 됨으로 측정관로내에서 유체의 수평방향 흐름의 경로 차는 최대 d1+d2가 되고 이는 곧 측정의 오차를 발생시키는 원인이 되므로 측정관체의 구경이 커지면 d1,d2도 비례하여 커지게 되므로 U형 측정관로를 사용하기 어렵다. 본 발명에서는 측정관체의 구경에 구애받지 않는 U형 측정관을 적용하는 초음파 유량계에거 측정관로를 적용할 수있는 기술을 제공하여 측정 신뢰성을 높이고 현장의 요구에 따라 관로구조를 이용하여 간단히 역류방지 기능도 부가할 수 있는 U형 측정관을 가진 초음파 유량계를 제시하고자 한다.

상기의 문제점의 해결 수단으로 측정관로내에서 유체의 수평유동의 경로차를 최소화 하는 방안으로 유입관로에서 측정관체로 연결되는 하방유동관로와 측정관체에서 유출관로로 연결되는 상방유동관로를 일반적으로 사용되는 원통형 관로구조가 아닌 도 3과 같이 원통형의 단면적 이상으로 형성되는 장방형(Oblong) 관로구조를 적용하여 초음파센서와 측정관로사이의 이격거리(d1)를 줄이고 초음파센서와 측정관체사이의 유체의 유동을 상방 혹은 하방의 수직유동에서 도3-b와 같이 상,하,좌,우의 전방향 유동으로 바꾸어 유체흐름의 수평방향의 경로차를 최소화 하는 수단을 제공함으로써 측정관체의 구경에 구애됨이 없이 U형 측정관을 가진 초음파유량계를 제공할 수 있다.

본 발명의 초음파 유량계는 초음파센서 직관형으로 U형 유량계의 측정관로에서 측정관로 내부에서 유체 흐름의 수평 방향의 경로차를 최소화하여 신뢰성이 높고 측정의 정밀도를 높인 초음파 유량계를 제공하며 또한 연결관로와 측정관로가 단차를 이루고 있어서 배관에 발생하는 공기층의 영향을 최소화 할 수 있어 현장 적응력을 높이고 단순한 구조로서 생산 비용을 줄일 수 있을 뿐만아니라 구조적 특징을 이용하여 유출관로상에 효율적인 역류 방지 수단을 포함하는 U형 측정관을 가진 초음파 유량계의 제공이 가능하다.

도 1은 본 발명이 적용된 U형 초음파유량계의 측정관
도 2의 2-a는 종래의 U형 초음파유량계의 측정관
도 2의 2-b 는 도 2의 측정관의 a 방향의 종 단면도
도 3의 3-a는 본 발명의 초음파유량계의 U형 측정관의 단면도
도 3의 3-b는 3-a의 b 방향의 U형 측정관의 종 단면도
도 3의 3-c는 3-a의 c 방향의 U형 측정관의 횡단면도
도5의 5-a는 본 발명의 역류방지 수단을 가진 초음파 유량계 측정관의 단면도
도5의 5-b는 역류방지 밸브공간의 마개
도5의 5-c는 역류방지 밸브
도6은 역류방지 수단을 갖는 본발명 초음파 유량계의 측정관

이하 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도면을 참조하여 살펴보면 본 발명의 초음파유량계의 측정관은 도 1과 도 3에서 도시된 바와 같이 유입관로(10)와 유출관로(20)가 수평관로로 배관에 연결되며 하부에 단차(100)를 두고 측정관로(30)가 구비된다. 상기 측정관로는 양단부에 상류측 초음파센서(40)와 하류측 초음파센서(41)가 마주보게 삽입되어 체결되고 초음파의 전파경로와 유체 흐름의 수평 유동경로를 제공하는 일정 구경의 수평 관로로 형성되는 측정관체(31)와 상류측 단부와의 그 상단의 유입관로(10)와 연결되는 하방유동관로(11)와 측정관체(31)의 하류측 단부의 상단에 유출관로(20)와 연결되는 상방유동관로(12)로 구성된다. 이하 설명에 유동관로의 단면으로 형성되는 관로구조에서 단축방향의 거리를 폭이라하고 장축방향의 거리를 길이라 한다. 도 3을 참조하면 하방유동관로(11)와 상방유동관로(12)는 폭(14)은 측정관체의 구경(15)보다 작고 길이(13)는 측정관체의 구경(15)보다 크게 장방형(Oblong)구조의 관로로 형성되고 단면의 면적은 측정관체(31)의 단면의 면적과 같거나 크게하여 압력손실을 방지한다. 즉 측정관체(31)의 구경이 15mm 라면 단면적은 177㎟이다. 측정관체의 구경이 15mm인 측정관로에서 하방유동관로(11)과 상방유동관로(12)의 장방형 관로 구조의 폭(14)을 5mm 로 하면 길이(13)는 35.4mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 장방형 관로 구조의 폭(14)을 7.5mm 로 하면 길이(13)는 23.6mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 장방형 관로의 폭과 길이는 목적하는 유량계의 측정성능과 형태에 따라 달리 정해 질 수 있고 폭은 측정관체(31) 구경의 1/2이하로 하는 것이 바람직하나 이에 제약을 두는 것은 아니다. 상기와 같이 하면 초음파 센서와 측정관체사이의 이격거리 d1,d2 가 크게 줄어들 뿐아니라 측정관체(31)로 유입되는 공간부(11)가 측정관체의 구경(15)보다 크므로 유체의 유동이 도 2-b와 같이 수직하방이나 수직상방이 아니라 도 3_b와 같이 상,하 좌,우 모든 방향(16)으로 측정관체(31)를 향하여 유입되고 하류측에서는 측정관체에서 하방유동관로(12)로 전방향으로 유출되는 유동경로를 가지므로 측정관로(30)내에서 유체의 수평유동의 경로차를 크게 줄일수 있어 일정 주기로 측정하는 초음파의 전파시간의 측정오차도 크게 줄일 수있다. 상방유동관로 및 하방유동관로의 형태는 장방형(Oblong)으로 설명되고 있으나 측정관체로 유입, 유출되는 유동경로를 상기와 같이 확보할 수 있는 형태이면 타원형관로, 장방형관로과 원형관로의 결합형태들 등 다양한 모습으로 대체될 수 있을 것이다.

또한 본 발명의 U형 초음파수도미터의 측정관은 유출관로(20)상에 역류방지 수단을 제공할 수 있다. 형성되는 역류방지 수단을 도5를 참조하여 살펴보면 유출관로(20)상에 역류방지 밸브의 유동공간(115)를 형성하고 유동공간 내에 경사면을 형성하여 하류측으로 단턱(110)과 밸브공(111)을 형성하고 밸브공을 개폐하는 밸브공 개폐부(119)와 유동축(113)을 가지는 역류방지밸브(112)와 역류방지밸브의 유동을 안내하는 유동홀이 구비된 유동가이드(118)와 밸브 유동공간(115)를 밀폐하는 체결수단(117)을 가진 마개(114)가 구비된다. 상기 역류방지밸브(112)는 유동하는 유체의 압력에 의해서 마개(114)의 유동가이드(118)에 안내되어 밸브공(111)을 개폐할 수 있도록 유동하는 밸브 유동축(113)과 역류 흐름에의해 밸브공의 밀폐시 기밀성을 유지하도록 밸브공의 접촉면 게개폐부(119)에 실리콘 등 연질의 패킹이 구비될 수 있다. 밸브 유동축은 역류방지 밸브가 유동가이드(112)에 안내되어 밸브공을 향하는 방향으로 유동하도록 작용하며 유동거리를 보장하는 깊이를 가지도록 형성하면 유체의 유동이 순방향일때는 유압에 의해서 밸브공이 열리고 역방향 일때는 밸브공이 닫히게 되어 역류흐름을 방지가 가능하다.

상기와 같이 초음파 유량계의 측정관이 제작되면 초음파센서의 신호선은 전자회로에 연결되고 프로세서를 내장한 전자회로부와 내장된 초음파 유량계용 운용소프트웨어의 동작으로 측정관로 내의 유체 흐름의 속도를 검출하여 관로를 통과한 유량 정보 및 유량계의 상태 정보를 수집하여 표시부(LCD)에 표시 및 유 무선 통신 수단을 통하여 원격 시스템에 제공하는 초음파 유량계의 제공이 가능하다.

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

10: 유입관로 20: 유출관로
11: 하방유동관로: 유입관로와 측정관체의 유입부 사이를 연결하는 유동관로
12: 상방유동관로: 측정관체의 유출부와 유출관로 사이를 연결하는 유동관로
13: 하방유동관로, 상방유동관로의 단면의 장축방향의 거리(길이)
14: 하방유동관로, 상방유동관로의 단면의 단축방향의 거리(폭)
15: 측정관체의 구경
16: 측정관체로 유입되는 유체의 유동방향
30: 측정관로: 직관하는 초음파센서를 포함하고 초음파의 전파 경로를 이루는 관로 31: 측정관체 : 측정관로내에서 일정한 구경으로 유체의 수평유동을 이루는 관로
40: 상류측 초음파센서 41: 하류측 초음파센서
d1,d2: 초음파센서와 측정관체사이의 이격거리 L1: 측정관체의 길이
100; 단차, 유입관로와 유출관로를 잇는 축선과 측정관로의 축선과의 높이의 차
112: 역류방지 밸브 113: 역류방지밸브의 유동축 119: 역류방지밸브의 밸브공 개폐부
114 : 밸브 유동공간 마개 115 : 밸브 유동 공간
118: 역류방지 밸브의 유동 가이드

Claims (4)

1. 유체가 흐르는 배관에 연결되어 유량을 측정하는 초음파 유량계에 있어서
   배관과 연결되고 유입되는 유체의 흐름을 하방유동관로로 연결하는 유입관로;
   유입관로와 측정관체의 유입부에 이르는 유체의 하방유동 통로를 이루며 초음파센서와 측정관체와의 사이에서 유체의 유동공간이 이루는 장축방향의 거리(13)는 측정관체의 구경(15)보다 크고 초음파센서와 측정관체사이의 이격거리(d1,14)은 측정관체의 구경(15)보다 작도록 구비되는 하방유동관로;
   유체의 수평유동과 초음파의 전파경로를 이루며 유입관로 및 유출관로의 축선과 와 하방으로 단차를 가지는 측정관로;
   측정관로의 중심축을 따라 마주보게 설치되는 한쌍의 초음파 센서;
   측정관로내에서 일정한 구경으로 유체의 수평유동을 이루는 측정관체;
   측정관로의 유출부에서 유출관로로 유체의 상방유동 통로를 이루며 초음파센서와 측정관체와의 사이에서 유체의 유동공간이 이루는 장축방향의 거리(13)는 측정관체의 구경(15)보다 크고 초음파센서와 측정관체사이의 이격거리(d2,14)은 측정관체의 구경(15)보다 작도록 구비되는 상방유동관로;
   상방유동관로에서 유출되는 유체의 흐름을 배관과 연결하는 유출관로;
   를 구비하는것을 특징으로하여 측정관로내에서 초음파와 유체 흐름의 순방향의 초음파의 전파시간과 역방향의 초음파의 전파시간과의 시간차를 이용하여 유량을 측정하는 U형 측정관을 가지는 초음파 유량계
   
2. 삭제
3. 청구 1항에서
   유출관로(20)는 측정관로(30)와 단차를 이루고 상방유동관로(12)와 연결되어 외부 배관과 연결되는 수평관로로 형성되며 내부에 경사면으로 형성되는 단턱(110), 밸브공(111), 역류방지밸브(112)와 마개(114)로 구비되는 역류방지 수단을 더 포함하는 것을 특징으로하는 U형 측정관을 가지는 초음파 유량계
   
   
4. 삭제