KR20000039377A - 초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 유량계를 사용하여 가스의 유량을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 초음파 유량계의 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리를 별도의 정밀거리 측정장치를 이용하지 않고 보다 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 유량을 측정하고자 하는 가스가 내부를 통해 이송되도록 구성되는 가스이송관에 설치되는 두개의 초음파 변환용센서를 포함하는 초음파 유량계, 및 상기 가스 이송관을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정할 수 있도록 가스 이송관의 벽에 구비되는 온도 센서를 설치하는 단계;

초음파 유량계의 상류쪽 초음파 변환용 센서의 도달시간(Tup) 및 하류쪽 초음파 변환용 센서의 도달시간(Tdn)을 구하는 단계;

상기 온도센서를 이용하여 상기 가스 이송관을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정하는 단계; 및

상기와 같이 구해진 도달시간(Tup) 및(Tdn),과 상기와 같이 측정된 가스의 온도(t)값을 이용하여 상기한 두개의 초음파 변환용 센서 사이의 거리(P)를 구하는 단계를 포함하여 구성되는 초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법을 그 요지로 한다.

Description

초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법

본 발명은 초음파 유량계를 사용하여 가스의 유량을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 유량계의 초음파 변환용 센서(ultrasonic transducer) 사이의 거리를 측정하는 방법에 관한 것이다.

초음파 유량계는 가스 유동 뿐만 아니라 액체유동의 경우에도 폭 넓게 응용되고 있는 유량계측장치이다.

일반적으로, 가스 초음파 유량계의 경우에는 가스 이송관 양쪽 벽에 구멍을 내고 두개의 초음파 변환용 센서를 가스와 접촉되게 설치하여 양쪽에서 초음파의 전달 시간을 측정하여 이로 부터 가스의 유속과 유량을 구하는 가스 접촉식(wetted type)초음파 유량계이다.

상기한 가스 접촉식 초음파 유량계를 사용하여 유량을 정확하게 측정하기 위해서는 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리, 두개의 초음파 변환용 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 이루는 각, 두개의 초음파 변환용 센서 사이의 초음파의 도달시간등에 대하여 정확하게 알고 있어야 한다.

초음파 유량계를 사용하여 유량을 측정하는 종래의 방법을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 방법에 따라 초음파 유량계(10)를 사용하여 유량을 측정하기 위해서는 가스 이송관(20)에 설치되어 있는 초음파 유량계(10)의 두개의 초음파 변환용 센서(11)(12)를 이용하여 한쪽 초음파 변환용 센서에서 먼저 초음파를 발생시켜서 반대쪽 초음파 변환용 센서로 보내고 다시 역으로 반대쪽 초음파 변환용 센서에서 다른쪽 초음파 변환용 센서로 초음파를 보낸다.

이렇게 하여 각각의 초음파 변환용 센서(11)(12)에서 초음파가 도달하는데 걸린 시간을 측정하여 유동중인 가스의 유속을 구하게 된다.

즉, 이를 보다 구체적으로 설명하면, 송,수신회로로 이루어져 있는 증폭기(11a,12a)의 송신회로에서는 초음파 신호를 송신하고, 수신회로에서는 초음파 신호를 수신하고, 이를 증폭하여 주 제어기(main controller)(13)로 보낸다.

상기 주 제어기(13)에서는 증폭기(11a,12a)로 부터 입력받은 초음파 신호를 이용하여 도달시간을 구한 후, 마이크로 프로세서(micro processor)(14)로 보낸다.

상기 마이크로 프로세서(14)에서는 초음파의 도달시간을 이용하여 가스의 유량을 구하게 된다.

그런데, 이때의 초음파의 도달시간은 초음파가 진행할 때 통과한 중간 매질인 유동중인 가스의 상태에 따라 달라지게 된다.

즉, 유동중인 가스의 유속, 가스의 밀도에 의해서 달라지게 된다.

그런데, 여기서 가스 밀도에 의한 초음파 진행속도는 두개의 초음파 변환용 센서를 사용하는 경우에는 이론식을 통해서 소거가 가능하다.

그래서 초음파의 도달시간을 유동중인 가스유속의 함수로 표현할 수 있다.

즉, 가스 이송관(20)내 가스의 평균유속이 V일 때 상류쪽 초음파 변환용센서(upstream ultrasonic transducer)(11)의 도달시간 (Tup)와 하류쪽 초음파 변환용 센서(downstream ultrasonic transducer)(12)의 도달시간 (Tdn)은 다음과 같다.

여기서, c : 초음파의 진행속도

P : 초음파의 진행거리(두 센서사이의 거리)

V : 가스의 평균 유속

θ: 두개의 초음파 변환용 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 이루는 각

위의 두 식으로 부터 초음파의 진행속도 c를 소거하고 가스의 평균유속 V를 Tup과 Tdn의 함수로 쉽게 구할 수 있다.

즉, 가스의 평균 유속V는 하기 식(3)과 같다.

그리고, 가스유량(Q)은 가스의 평균유속 V와 이송관의 단면적 A의 곱으로 표현된다.

즉, 가스유량(Q)은 하기 식(4)과 같이 구할 수 있다.

Q = V × A

상기 수학식으로 부터 가스유량(Q)은 가스의 평균유속(V)의 함수이다.

그리고 가스의 평균유속 (V)는 초음파의 진행거리(P), 두개의 초음파 변환용 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 이루는 각(θ), 초음파 도달시간(Tup,Tdn)의 함수로 표현된다.

여기서, 두개의 초음파 변환용 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 이루는 각 (θ)은 이송관 외벽에 설치된 초음파 변환용 센서의 지지대를 이용하여 쉽게 측정할 수 있으며, 또한 두개의 초음파 변환용 센서사이의 초음파 도달시간(Tup,Tdn)도 초음파 유량계 자체적으로 쉽게 측정할 수 있다.

그런데, 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리(P)는 초음파 유량계를 처음으로 가스 이송관에 설치할 때 정확하게 측정해서 설정해주어야한다.

그러나, 도 1에 나타난 초음파 유량계를 사용하여 유량을 측정하는 종래의 방법에서는 관경이 아주 큰 2000mm이상의 대형관의 경우 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리를 정확하게 측정하는 것이 쉽지 않으며 별도의 정밀 거리 측정장치를 필요로하게 된다.

따라서, 종래의 방법에서는 초음파 유량계의 설치상의 많은 어려움이 존재하며, 또한 별도의 정밀거리 측정장치를 부가적으로 사용해야 하는 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구를 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 초음파 유량계의 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리를 별도의 정밀거리 측정장치를 이용하지 않고 보다 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 방법에 따라 가스의 유량을 측정하기 위한 초음파 유량계를 나타내 는 개략도

도 2는 본 발명에 따라 초음파 유량계의 센서사이의 거리를 측정하기 위한 초음파 유량계의 일례를 나타내는 개략도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

120... 가스 이송관 100...초음파 유량계 111, 112...초음파 변환용 센서

113... 주 제어기 114... 마이크로 프로세서 115... 온도센서

본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 유량을 측정하고자 하는 가스가 내부를 통해 이송되도록 구성되는 가스이송관에 설치되는 두개의 초음파 변환용센서를 포함하고, 상기 초음파 변환용 센서는 각각 초음파를 발생시켜 상기 가스 이송관내로 이송되는 가스를 통해 서로에 대하여 조사되도록 상기 가스 이송관의 벽에 위치되고, 그리고 상기 초음파 변환용 센서들은 가스의 흐름방향으로 상류쪽 초음파 변환용 센서 및 하류쪽 초음파 변환용 센서로 구분되도록 두 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 θ의 각을 이루도록 배치되어 구성되는 초음파 유량계, 및 상기 가스 이송관을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정할 수 있도록 가스 이송관의 벽에 구비되는 온도 센서를 설치하는 단계;

초음파 유량계의 상류쪽 초음파 변환용 센서의 도달시간(Tup) 및 하류쪽 초음파 변환용 센서의 도달시간(Tdn)을 하기 식(1) 및 (2)를 이용하여 구하는 단계;

(수학식 1)

Tup =

(수학식 2)

Tdn =

상기 온도센서를 이용하여 상기 가스 이송관을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정하는 단계; 및

상기와 같이 구한 도달시간(Tup) 및(Tdn), 과 상기와 같이 측정된 가스의 온도(t)값을 이용하여 하기 식(5)에 의해

상기한 두개의 초음파 변환용 센서 사이의 거리(P)를 구하는 단계를 포함하여 구성되는 초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 초음파 유량계의 센서사이의 거리를 측정하기 위해서는 도 2에 나타난 바와 같이 초음파 유량계(100)와 온도센서(115)를 가스 이송관(120)에 설치해야 한다.

즉, 본 발명에서는 도 2에 나타난 바와 같이 유량을 측정하고자 하는 가스가 내부를 통해 이송되도록 구성되는 가스 이송관(120)에 초음파 유량계(100)를 설치해야하는데, 이 초음파 유량계(100)는 두개의 초음파 변환용 센서(111)(112)를 포함한다.

상기 초음파 변환용 센서들(111)(112)은 각각 초음파를 발생시켜 상기 가스 이송관(120)내로 이송되는 가스를 통해 서로에 대하여 조사되도록 상기 가스 이송관의 벽에 위치되고, 그리고 상기 초음파 변환용 센서들(111)(112)은 가스의 흐름방향으로 상류쪽 초음파 변환용 센서(111) 및 하류쪽 초음파 변환용 센서(112)로 구분되도록 두 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 θ의 각을 이루도록 배치된다.

또한, 본 발명에 있어서는 상기 가스 이송관(120)을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정할 수 있도록 가스 이송관(120)의 벽에 온도 센서(115)를 설치해야 한다.

도 2에는 송,수신회로로 이루어져 송신회로에서는 초음파 신호를 송신하고, 수신회로에서는 초음파 신호를 수신하고, 이를 증폭하여 주 제어기(main controller)(113)로 보내도록 구성되는 증폭기(111a,112a)가 구비되어 있다.

또한, 상기 증폭기(111a,112a)로 부터 입력받은 초음파 신호를 이용하여 도달시간을 구한 후, 상기 온도센서(115)에서 측정된 가스온도 함께 마이크로 프로세서(micro processor)(114)로 보내도록 구성되는 주 제어기(113)가 구비되어 있다.

상기 마이크로 프로세서(114)에서는 두 센서 사이의 거리를 구하고, 구해진 두 센서 사이의 거리와 입력된 초음파의 도달시간을 이용하여 가스의 유량을 구한다.

상기와 같이 초음파 유량계(100)및 온도센서(115)를 설치한 다음에, 두개의 초음파 변환용 센서(111)(112)를 이용하여 한쪽 초음파 변환용 센서에서 먼저 초음파를 발생시켜서 반대쪽 초음파 변환용 센서로 보내고 다시 역으로 반대쪽 초음파 변환용 센서에서 다른쪽 초음파 변환용 센서로 초음파를 보낸다.

이렇게 하여 각각의 초음파 변환용 센서에서 초음파가 도달하는데 걸린 시간즉, 도달시간(Tup,Tdn)을 하기 식(1)및(2)에 의해 구한다.

(수학식 1)

Tup =

(수학식 2)

Tdn =

그리고, 상기 온도센서(115)를 이용하여 상기 가스 이송관을 통해 이송되는 가스의 온도(t)를 측정한다.

다음에, 초음파 변환용 센서 사이의 거리(P)를 온도센서(115)로 부터 측정한 가스온도(t), 초음파의 도달시간(Tup,Tdn)과 초음파의 전파속도(c)의 상관관계식을 이용하여 구하는데, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선 위의 초음파의 도달시간(Tup,Tdn)에 관한 두 수학식으로 부터 구하면 하기 식(6)과 같다.

그리고 초음파의 전파속도(c)와 가스온도(t)와의 상관관계는 하기 식(7)과 같다.

여기서, c_o= 표준상태(0℃, 1기압)에서 가스의 초음파 전파속도(공기에 대해서c_o=331.5m/sec)

상기 두 상관관계식으로 부터 두 초음파 변환용 센서사이의 거리(P)와 가스온도(t)와의 상관관계를 구하면 하기 식(5)과 같다.

(수학식 5)

P = 2c_o·{(Tup × Tdn)/(Tup + Tdn)}·

상기 식(5)에 측정된 가스온도(t), 및 초음파 도달시간 (Tup,Tdn)을 대입하면 두 초음파 변환용 센서 사이의 거리(P)를 쉽게 구할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 가스 온도센서와 초음파 유량계를 사용하여 간단하게 초음파 변환용 센서사이의 거리(P)를 정밀하게 결정할 수 있으며, 센서 설치상의 부가적인 불편을 최소화 할 수 있다.

상기에서는 가스 초음파 유량계를 이용하여 가스의 유량을 측정하는 경우 초음파 유량계의 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리를 측정하는 것에 대해서만 기술하였지만, 본 발명에서는 이에 한정되는 것은 아니며, 액체 초음파 유량계를 사용하여 액체의 유량을 측정하는 경우 초음파 유량계의 두개의 초음파 변환용 센서사이의 거리를 측정하는 것에 대해서도 적용됨은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 방법에서와 같이 관경이 아주 큰 2000mm이상의 대형관의 경우에도 두개의 초음파 변환 센서 사이의 거리를 별도의 정밀 거리 측정장치를 사용하지 않고서도 정확하게 측정할 수 있으므로, 초음파 유량계의 설치상의 어려움이 없을 뿐만 아니라 보다 간단하게 유량을 측정할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 초음파 유량계를 사용하여 가스의 유량을 측정하는 방법에 있어서,

   유량을 측정하고자 하는 가스가 내부를 통해 이송되도록 구성되는 가스 이송관(120)에 설치되는 두개의 초음파 변환용 센서들(111)(112)을 포함하고, 상기 초음파 변환용 센서들(111)(112)은 각각 초음파를 발생시켜 상기 가스 이송관(120)내로 이송되는 가스를 통해 서로에 대하여 조사되도록 상기 가스 이송관(120)의 벽에 위치되고, 그리고 상기 초음파 변환용 센서들은 가스의 흐름방향으로 상류쪽 초음파 변환용 센서(111) 및 하류쪽 초음파 변환용 센서(112)로 구분되도록 두 센서의 중심을 연결하는 선과 센서의 중심을 지나는 수직선이 센서의 중심에서 θ의 각을 이루도록 배치되어 구성되는 초음파 유량계(100), 및 상기 가스 이송관(120)을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정할 수 있도록 가스 이송관(120)의 벽에 구비되는 온도 센서(115)를 설치하는 단계;

   초음파 유량계(100)의 상류쪽 초음파 변환용 센서(111)의 도달시간(Tup) 및 하류쪽 초음파 변환용 센서(112)의 도달시간(Tdn)을 하기 식(1),(2)을 이용하여 구하는 단계;

   (수학식1)

   Tup =

   (수학식 2)

   Tdn =

   상기 온도센서(115)를 이용하여 상기 가스 이송관(120)을 통해 이송되는 가스의 온도를 측정하는 단계; 및

   상기와 같이 구한 도달시간(Tup)및(Tdn), 상기와 같이 측정된 가스의 온도(t)값을 이용하여 하기 식(5)에 의해

   (수학식 5)

   P = 2c_o·{(Tup × Tdn)/(Tup + Tdn)}·

   상기한 두개의 초음파 변환용 센서 사이의 거리(P)를 구하는 단계를 포함하여 구성되는 초음파 유량계의 센서사이의 거리 측정방법