KR20000038758A

KR20000038758A - 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20000038758A
Application number: KR1019980053859A
Authority: KR
Inventors: 신기태
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2000-07-05

Abstract

본 발명은 원료저장용기 내 원료의 양 즉, 원료의 저장레벨을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 원료저장용기(1)와 충격장치(3), 음파측정장치(4), 신호증폭기(5), 대역필터(6) 및 레벨값 추출연산 제어장치(7)를 구비한 원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격장치(3)로 충격을 가하는 단계와, 상기 원료저장용기(1)의 벽면충격으로 발생하는 음파를 음파측정장치(4)로 측정하는 단계와, 측정된 음파신호를 신호증폭기(5)로 증폭시키는 단계와, 증폭된 신호를 주파수 대역필터(6)로 필터링하는 단계와, 필터링된 신호를 주파수 대역설정 및 연산장치(7)에 의해 원료의 저장레벨로 추출연산하여 출력하는 단계로 원료의 저장레벨을 측정함으로써 원료가 전도체인지 비 전도체인지의 여부에 관계없이 원료의 저장레벨을 측정할 수 있으며, 원료저장용기 내의 온도변화나, 먼지, 연무등이 존재하는 경우에도 간단한 방법으로 정확하게 원료의 저장레벨을 측정할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치 및 그 방법

본 발명은 원료저장용기 내 원료의 양 즉, 원료의 저장레벨을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 원료저장용기에 충격을 가하여 발생하는 음파의 주파수를 측정하여 원료의 저장레벨을 측정하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 시멘트 공장, 제철소, 화(華)학플랜트 및 곡물 저장소에서는 원료나 화(華)학물질, 곡물 등을 다음 공정을 위해 저장해 두는 원료저장용기인 탱크나 빈(bin)이 수없이 사용되고 있고, 이들 탱크나 빈(bin)등 원료저장용기에서는 각각의 공정에서 공정제어 및 제고량 파악을 위해 저장용기내 저장물질인 원료의 양을 원료저장용기 내 원료 저장레벨(level)의 계측을 통하여 관리하는 것이 일반적이다. 그런데 이러한 원료의 양 즉, 원료저장레벨을 계측하는 방법은 한 가지로 국한되어 있는 것이 아니라 다양하게 연구 개발되어 여러 가지가 알려져 있다.

예컨대 원료저장레벨을 계측하는 종래의 방법으로는 접촉식과 비접촉식의 2가지 방법이 알려져 있는 바, 이는 탱크나 빈등 원료저장용기내 원료의 저장레벨을 계측할 때, 원료저장용기내 원료에 계측장비가 접촉하는지의 여부에 따라 분류한 것으로 원료저장용기와 원료 사이에 전압을 걸어 충전되는 전기용량이 원료의 저장레벨 값에 따라 달라지는 성질을 이용하여 원료의 저장레벨을 측정하는 접촉식과, 초음파, 레이다 신호, 마이크로웨이브(micro-wave) 등의 신호를 방사한 후 되돌아 오는 신호를 측정하여 그 때 걸리는 시간과 신호의 전파속도와의 관계로 거리를 측정하는 방법을 응용하여 원료의 저장레벨을 측정하는 비접촉식이 있다. 상기한 전기용량을 이용하는 방법의 경우는 원료가 비 전도체인 경우에는 적용할 수 없으며, 초음파 등 신호를 이용하는 방법은 원료저장용기 내의 온도, 먼지나 연무 등의 유무에 따라 원료의 저장레벨 값을 측정하기 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 원료저장용기에서의 원료의 저장레벨 측정방법이 갖는 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 원료저장용기에 충격을 가하고 그때 발생하는 음파의 주파수를 측정하여 원료의 저장레벨을 측정하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치의 구성도,

도 2는 음파신호로부터 원료의 저장레벨값을 환산하는 방법을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 충격장치의 구성도,

도 4a는 본 발명의 방법에 의해 측정된 음파의 주파수 대역에 따른 파형도,

도 4b는 본 발명의 방법에 의해 측정된 음파의 주파수에 대응하는 원료의 레벨값을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치의 블록구성도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 원료저장용기 2 : 외벽면

3 : 충격장치 4 : 음파측정장치

5 : 신호증폭기 6 : 주파수 대역필터

7 : 레벨값 추출연산 11 : 충격해머

12 : 해머자루 13 : 회전조인트 지지대

14 : 캠 15 : 원통형 몸체

16 : 모터 17 : 고정대

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치는 다음 공정을 위해 원료를 저장해 두는 원료저장용기(1)와, 상기 원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격을 가하기 위한 충격장치(3)와, 상기 원료저장용기(1)의 외벽면(2) 충격에 의해 발생하는 음파를 측정하는 음파측정장치(4)와, 상기 음파측정장치(4)로 측정한 신호를 증폭시키는 신호증폭기(5)와, 상기 신호증폭기(5)에서 증폭된 신호를 필터링하는 주파수 대역필터(6)와, 소음에 따라 상기 주파수 대역필터(6)의 필터링 주파수 대역을 설정하고 측정된 음파신호를 원료의 레벨값으로 추출연산하는 레벨값 추출연산 제어장치(7) 구비한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 충격장치(3)는 충격해머(11)를 연결한 해머자루(12)의 끝 부분을 충격해머(11)가 시계추 처럼 일정 각도로 반복운동 가능하도록 하여 회전조인트 지지대(13)에다 설치하고, 외주연에 일정 각도로 다수의 톱니형 캠(14)이 형성된 원통형 몸체(15)를 상기 해머자루(12)의 끝부분이 캠(14)에 닿도록 하여 모터(16)에 연결 설치하며, 상기 모터(16)를 충격장치 고정대(17)에다 고정하여서 이루어진 것이다.

그리고 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정방법은 원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격장치(3)로 충격을 가하는 단계와, 상기 원료저장용기(1)의 벽면충격으로 발생하는 음파를 음파측정장치(4)로 측정하는 단계와, 측정된 음파신호를 신호증폭기(5)로 증폭시키는 단계와, 증폭된 신호를 주파수 대역필터(6)로 필터링하는 단계와, 필터링된 신호를 주파수 대역설정 및 연산장치(7)에 의해 원료의 저장레벨로 추출연산하여 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

일반적으로 원료저장용기가 금속 종류의 탱크나 빈일 경우에는 충격을 가하면 음파가 발생하는데 이 때 발생되는 음파의 주파수는 탱크나 빈내에 물질이 얼마만큼 들어 있느냐에 따라 달라진다. 즉 탱크나 빈내에 저장 물질이 가득 들어 있을 때에는 고주파의 음파가 발생하고 텅 비어 있을때는 상대적으로 낮은 주파수의 음파가 발생한다.

본 발명은 상기한 원리를 이용하여 원료저장용기 내 원료의 저장레벨을 측정하는 것으로서 원료저장용기인 탱크나 빈에 충격장치로 충격을 주고, 그때 발생하는 음파를 측정한 후 측정된 신호를 증폭, 필터링하여 원료의 저장레벨 값으로 추출연산한 후 출력함으로써 원료저장용기 내 원료의 저장레벨을 측정하는 것이다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정방을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치의 구성도로서, 원료저장용기인 금속성 탱크나 빈(1)의 상부에 충격장치(3)를 설치하여 일정한 주기로 원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격을 주어 음파를 발생 시킨다. 이때 충격의 크기는 원료저장용기(1)의 외벽면(2)이 충격에 의해 손상을 입지 않을 정도의 크기로 하며, 발생된 음파는 원료저장용기(1)의 외벽면(2) 근처에 설치한 음파측정장치(4)를 이용하여 측정한다. 충격장치(3)는 도 3에 도시한 바와 같이 충격해머(11)를 연결한 해머자루(12)의 끝 부분을 충격해머(11)가 시계추 처럼 일정 각도로 반복운동 가능하도록 하여 회전조인트 지지대(13)에다 설치하고, 외주연에 일정 각도로 다수의 톱니형 캠(14)이 형성된 원통형 몸체(15)를 상기 해머자루(12)의 끝부분이 캠(14)에 닿도록 하여 모터(16)에 연결 설치하며, 상기 모터(16)를 충격장치 고정대(17)에다 고정하여서 이루어진 것으로서, 모터(16)가 화살표(A) 방향으로 회전함에 따라 점선으로 표시된 캠(14)이 해머자루(12)의 끝 부분을 좌측으로 밀어주게 되고, 그에 따라 충격해머(11)가 화살표(B') 방향으로 한계위치까지 이동한 후 캠(14)이 화살표(A) 방향으로 조금 더 회전함에 따라 해머자루(12)를 지탱하던 캠(14)의 형상이 급격히 바뀌어 충격해머(11)는 캠(14)과 더 이상 접촉하지 않고 중력에 의해 해머자루(12)에 매달려 화살표(B)의 방향으로 회전하면서 탱크나 빈의 외벽면(2)을 때리게 된다. 그리고 이러한 동작은 캠(14)이 원통형 몸체(15)의 외주연에 일정한 각도의 간격을 두고 다수 설치되어 있기 때문에 모터(16)가 일정한 속도로 회전함에 따라 주기적으로 탱크나 빈의 외벽면(2)에 충격을 가할 수 있으며, 그에 따라 발생하는 음파를 음파측정장치(4)로 측정한 후 다음 충격을 가하기 직전에 진동을 잡아주어야 하는데 이는 여진으로 인해 음파의 특성이 달라지는 것을 방지 하기 위해서 이다.

이와 같이 원료저장용기(1)에 충격을 가함에 따라 음파(S)가 발생하는데 이 때 발행하는 음파(S)를 지지대(8)에 다수 개 설치된 음파측정장치(4)로 측정하게 된다. 측정된 음파(S)는 그 신호의 강도가 작기 때문에 신호증폭기(5)로 충분히 증폭하고, 이 음파(S)에는 주변의 여러 가지 기계의 소음, 사람의 음성 등의 환경적인 요인에 의해 발생하는 음파를 포함하고 있으므로 이들 소음을 미리 측정하여 주파수 대역필터(6)의 통과 주파수 대역을 미리 레벨값 추출연산 제어장치(7)에 기억시키고, 그에 따라 주파수 대역필터(6)를 제어하여 즉, 주파수 대역필터(6)의 필터링 주파수 대역을 설정하여 실제 원료의 저장레벨값 측정시에는 이들 소음에 대한 신호를 주파수 대역필터(6)를 통하여 제거함으로써 충격에 의한 금속성 탱크나 빈의 음파만 분리한다. 그에 따라 주파수 대역필터(6)의 출력은 충격에 의해 발생한 음파 신호만으로 되고 이 신호를 레벨값 추출연산 제어장치(7) 의해 원료의 저장레벨 값으로 추출연산하여 출력한다.

다음에는 분리된 음파에서 레벨값을 추론하는 방법에 대하여 설명한다.

도 2는 음파신호로부터 원료의 저장레벨값을 추론하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 원료저장용기(1)의 잘려진 부분을 통해 저장 물질(1b)이 원료의 레벨값 h₂만큼 들어 있음을 알 수 있다. 그리고 레벨값 h₂상하 2 개의 점선은 레벨값이 각각 h₁, h₃인 경우를 나타내고 있다. 상기 원료저장용기(1)의 외벽변(2)충격에 의한 원료저장용기(1)인 금속성 탱크나 빈의 음파는 레벨값 h₁, h₂, h₃에 따라 그 주파수 특성이 다르게 되는데 레벨값이 클수록 고주파의 음파가 발생하고 낮을수록 저주파의 음파가 발생한다. 그러므로 먼저 원료의 레벨값을 측정하기 이전에 탱크나 빈이 텅 빈 경우에서부터 시작하여 저장물질(1b)이 가득 찬 경우에 대한 음파를 측정하여 각각의 경우에 대한 주파수 대역을 분석한 후 그 결과를 레벨값 추출연산 제어장치(7)에 기억시켜 둔다. 즉 각각의 레벨값에 대한 주파수 대역의 관계를 데이터 베이스화 한다. 도 2에서 h₁의 레벨값을 갖는 경우에 대한 주파수 대역이 도 3에 F₁으로 나타나고 레벨값이 h₂, h₃으로 상승 함에 따라 음파의 주파수 대역이 F₂, F₃으로 상승한다.

이제 실제 원료의 저장레벨 값을 추출하는 방법을 요약하여 설명한다.

도 5는 먼저 충격장치(3)로 탱크나 빈등 저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격을 가하여 음파(S)를 발생시킨다. 발생된 음파(S)는 음파측정장치(4)로 측정하여 신호증폭기(5)에서 증폭을 한 후, 주파수 대역필터(6)을 통과 시켜 잡음을 제거한 저장용기(1)의 외벽면(2) 충격에 의한 음파(S)만을 분리한다. 분리된 음파(S)는 레벨값 추출연산 제어장치(7)에서 도 4a와 같은 주파수대역 분석을 통하여 평균 주파수를 구하고, 주파수대역과 레벨값과의 관계를 데이터 베이스화하여 나타낸 도 4b로부터 알 수 있는 바와 같이 점들은 데이터 베이스화 된 주파수대역과 레벨값과의 관계를 나타내는데, 실제 측정한 음파(S)의 평균 주파수대역(F₁,F₂,F₃)에 대한 레벨값은 보간법으로 쉽게 계산할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 원료가 전도체인지 비 전도체인지의 여부에 관계없이 원료의 저장레벨을 측정할 수 있으며, 원료저장용기 내의 온도변화나, 먼지, 연무등이 존재하는 경우에도 간다한 방법으로 정확하게 원료의 저장레벨을 측정할 수 있는 장점이 있다.

Claims

다음 공정을 위해 원료를 저장해 두는 원료저장용기(1)와, 상기 원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격을 가하기 위한 충격장치(3)와, 상기 원료저장용기(1)의 외벽면(2) 충격에 의해 발생하는 음파를 측정하는 음파측정장치(4)와, 상기 음파측정장치(4)로 측정한 신호를 증폭시키는 신호증폭기(5)와, 상기 신호증폭기(5)에서 증폭된 신호를 필터링하는 주파수 대역필터(6)와, 소음에 따라 상기 주파수 대역필터(6)의 필터링 주파수 대역을 설정하고 측정된 음파신호를 원료의 레벨값으로 추출연산하는 레벨값 추출연산 제어장치(7)를 구비한 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치.
제 1항에 있어서, 충격장치(3)는 충격해머(11)를 연결한 해머자루(12)의 끝 부분을 충격해머(11)가 시계추 처럼 일정 각도로 반복운동 가능하도록 하여 회전조인트 지지대(13)에다 설치하고, 외주연에 일정 각도로 다수의 톱니형 캠(14)이 형성된 원통형 몸체(15)를 상기 해머자루(12)의 끝부분이 캠(14)에 닿도록 하여 모터(16)에 연결 설치하며, 상기 모터(16)를 충격장치 고정대(17)에다 고정하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치.
음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정장치 및 그 방법원료저장용기(1)의 외벽면(2)에 충격장치(3)로 충격을 가하는 단계와, 상기 원료저장용기(1)의 벽면충격으로 발생하는 음파를 음파측정장치(4)로 측정하는 단계와, 측정된 음파신호를 신호증폭기(5)로 증폭시키는 단계와, 증폭된 신호를 주파수 대역필터(6)로 필터링하는 단계와, 필터링된 신호를 레벨값 추출연산 제어장치(7)에 의해 원료의 저장레벨로 추출연산하여 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정방법.
제 3항에 있어서, 음파신호를 원료의 저장레벨로 추출연산하는 단계는 미리 저장용기가 텅 빈 경우에서부터 시작하여 원료의 저장물질이 가득 찬 경우에 데하여 일정한 간격으로 음파를 측정하여 각각의 경우에 대한 주파수대역을 분석하여 레벨값 추출연산 제어장치(7)에 기억시킨 후 실제 측정한 음파의 평균 주파수대역(F₁, F₂, F_3,ㆍㆍㆍ)에 대한 원료의 레벨값을 보간하여 구하는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 원료의 저장레벨 측정방법.