KR20010069397A - A Method and a Device for the Measurement of Flow Rate in a Pipe using a Microphone Array - Google Patents

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KR20010069397A
KR20010069397A KR1020010014160A KR20010014160A KR20010069397A KR 20010069397 A KR20010069397 A KR 20010069397A KR 1020010014160 A KR1020010014160 A KR 1020010014160A KR 20010014160 A KR20010014160 A KR 20010014160A KR 20010069397 A KR20010069397 A KR 20010069397A
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정해동
박윤원
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김세종
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    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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Abstract

PURPOSE: A method and a device for measuring the inside flow rate of a pipe using microphones arranged in equal intervals are provided to exactly and simply measure flow rate using a general formula of sound field arranged in equal intervals inside the pipe when there is a flow rate. CONSTITUTION: A method for measuring the inside flow rate of a pipe using microphones arranged in equal intervals includes the steps of obtaining the number of waves related with flow rate using correlation between sound pressures inside the pipes arranged in regular intervals since sound wave transferred in the pipe has the number of waves changed according to the flow rate, and measuring an average flow rate inside the pipe using a value of the wave number.

Description

등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법 및 측정장치{A Method and a Device for the Measurement of Flow Rate in a Pipe using a Microphone Array}A method and a device for the measurement of flow rate in a pipe using a microphone array}

본 발명은 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법 및 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a flow rate measuring method and a measuring device in the tube using a microphone arranged at equal intervals.

일반적으로 관내 유량을 측정할 때는 일반적으로 관 내부에 피토관(Pitot tube)이나 오리피스미터(Orifice meter) 등을 이용하여 유량을 측정하는 방법이 주로 사용된다.In general, when measuring the flow rate inside the tube, a method of measuring the flow rate using a pitot tube or an orifice meter is generally used.

이 방법들은 유량측정 장치들을 관 내부에 직접 삽입하여 측정을 해야하므로, 유량측정 장치들로 인해 유체의 흐름이 변형되거나 방해를 받게되는 한계가 있다.These methods have to be measured by inserting the flow measuring devices directly into the tube, so that the flow measuring devices are limited in that the flow of the fluid is deformed or disturbed.

또한 이와 다른 방법으로서 유체와 비접촉 방식인 초음파를 이용한 유량측정 장치가 있으나, 이 장치 또한 초음파의 특성상 관의 불균일한 두께, 초음파 발신부및 수신부에서 검출기와 관과의 접촉상태, 유체의 탁도 및 온도 등에 따라 초음파의 굴절각 및 전달경로가 달라지기 때문에 주변환경 조건의 변화에 매우 민감한 한계가 있다.In addition, there is another method of measuring the flow rate using ultrasonic waves that are non-contact with the fluid, but this device also has the nonuniform thickness of the tube, the contact state between the detector and the tube in the ultrasonic transmitter and receiver, the turbidity and the temperature of the fluid. Since the refraction angle and the transmission path of the ultrasonic waves are different, there is a limit that is very sensitive to changes in the environmental conditions.

상기 종래의 측정방법은 공통적으로 측정장치가 놓여있는 한 위치에서의 유량만을 측정하기 때문에 관 내부의 공간상의 평균적인 유량을 측정할 수 없는 한계가 있다.The conventional measuring method has a limitation in that the average flow rate in the space inside the pipe cannot be measured because it only measures the flow rate at one position where the measuring device is placed.

본 발명에서는 종래의 측정방법과는 다른 방법으로서 파동전파 특성을 이용하여 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 공간상의 평균유량을 측정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.The present invention proposes a method that can measure the average flow rate in space without disturbing the flow of the fluid using wave propagation characteristics as a method different from the conventional measuring method.

관 내에서 파동의 전파특성은 관내 유체의 속도크기에 따라 파수가 변하는 특성이 있다. "마이크로폰 어레이를 이용한 관내음장 및 평균유속 측정”, 대한기계학회논문집1998년 제 22권, 제 9호, pp 1761~1768에 기재된 파동의 전파특성을 이용한 관내 평균 유속 측정방법은 파수계산시 자기스팩트럼(auto spectrum)항을 이용하기 때문에 측정잡음오차가 내포된 결과를 얻을 수 밖에 없다. 또한 3개의 센서를 이용한 유량측정 방법(1996, "A three accelerometer method for the measurement of flow rate in pipe," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 100, No. 2, pp. 717~726.)에 공개된 3개의 센서를 이용한 유량측정 방법은 3개의 센서중 가운데 위치한 센서를 중심으로 대칭되는 파동장신호가 측정될 경우에 특이값이 발생되는 것을 피할 수 없는 문제점이 있어 왔다.The propagation characteristics of the waves in the tube have the characteristic that the wave number changes according to the velocity of the fluid in the tube. "Measurement of in-tube sound field and average flow rate using a microphone array", Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 22, No. 9, pp 1761 ~ 1768. The use of the auto spectrum term inevitably leads to measurement noise implications, as well as to a flow measurement method using three sensors (1996, "A three accelerometer method for the measurement of flow rate in pipe," J The flow measurement method using three sensors disclosed in Acoust.Soc.Am., Vol. 100, No. 2, pp. 717 ~ 726.) Shows a wave field signal that is symmetric about the sensor located among the three sensors. There has been a problem that the occurrence of singular values is inevitable when measured.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 유량이 존재하는 상황에서 관 내부에 형성되는 음장에 대한 일반적인 관계식을 이용하여 유량을 측정하는 방법, 파수변화량의 산출방법, 측정오차의 보정방법, 측정방법의 적용조건, 그리고 모의해석 및 실험을 통해 검증한 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법 및 측정장치를 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, a method for measuring the flow rate using the general relationship to the sound field formed inside the tube in the presence of the flow rate, the method of calculating the wave change amount, correction of the measurement error It is a technical object of the present invention to provide a method and a measuring apparatus for in-flow flow using microphones arranged at equal intervals verified through methods, application conditions, and simulations and experiments.

도1 관내에서 유속이 U인 유체 내를 통해 전파되는 평면파1 is a plane wave propagating through a fluid having a flow rate of U in a tube

도2 측정오차와 마이크로폰 어레이 계의 전달함수Fig. 2 Measurement error and transfer function of microphone array system

도3 센서들간 전달함수 크기만의 차이로 인해 발생되는 오차가 포함된Figure 3 contains the error caused by the difference in the size of the transfer function between the sensors

경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과Simulation results for flow rate (10m / sec)

도4 센서들간 전달함수 위상만의 차이로 인해 발생되는 오차가 포함된Figure 4 contains the error caused by the difference in the transfer function phase only between the sensors

경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과Simulation results for flow rate (10m / sec)

도5 센서들간 전달함수 크기 및 위상 차이로 인해 발생되는 오차를 보정한Figure 5 corrects the error caused by the transfer function magnitude and phase difference between the sensors

경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과Simulation results for flow rate (10m / sec)

도6 마이크로폰을 이용하여 관내 유량을 측정하는 실험장치Figure 6 Experimental apparatus for measuring the flow in the tube using a microphone

도7 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 4개의 마이크로폰을Figure 4 shows four microphones when the air flow rate in the tube is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec.

이용하여 센서간 오차보정 없이 구한 유량 측정결과Flow measurement results obtained without error correction between sensors

도8 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 4개의 마이크로폰을8 Four microphones are used when the air flow in the tube is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec.

이용하여 센서간 오차보정을 하고 구한 유량 측정결과Flow measurement result obtained by using error correction between sensors

도9 주파수별로 구한 측정유량의 도수 분포와 그에 대한 가우스 분포Fig. 9 Frequency distribution of measured flow rates obtained by frequency and Gaussian distribution

적합 곡선Fit curve

도10 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 전영두 방법을Fig. 10 shows the whole Youngdu method when the air flow in the pipe is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec.

이용하여 구한 유량 측정결과Flow measurement result obtained using

도11 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 Kim의 방법을Figure 11 Kim's method when the air flow rate in the pipe is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec.

이용하여 구한 유량 측정결과Flow measurement result obtained using

<도면의 부호 설명><Description of the symbols in the drawing>

관(1), 음파측정기(2)Tube (1), sonic measuring instrument (2)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도 1과 같이 균일한 단면적을 갖는 관에서 유체가 흐를 때 관의 음향 임피던스가 관내 유체의 음향 임피던스에 비해 상대적으로 매우 커서 관을 강체 덕트로 간주할 수 있는 경우에, 관내에서 길이 방향으로 1차원적인 음파 전파만을 고려한다면 관내 음장은 식 (1)과 같이 표현된다.(6) In order to achieve the above object, the present invention can consider the tube as a rigid duct when the fluid flow in the tube having a uniform cross-sectional area as shown in Figure 1 is relatively very large compared to the acoustic impedance of the fluid in the tube. If possible, the sound field in the tube is expressed as Eq. (1), considering only one-dimensional sound wave propagation in the longitudinal direction in the tube. (6)

(1) (One)

여기서,는 각각 유체 내에서의 음압과 정지해 있는 유체 내에서의 음파의 전파속도를 나타내며는 관 내부 유체의 평균 유속이다.here, Wow Represents the sound pressure in the fluid and the propagation velocity of the sound wave in the stationary fluid, respectively. Is the average flow velocity of the fluid inside the tube.

식 (1)을 만족하는 음파는 1차원 파동인 평면파이므로 식 (1)의 일반해는 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.Since sound waves satisfying Equation (1) are plane waves that are one-dimensional waves, the general solution of Equation (1) can be expressed as Equation (2).

(2) (2)

여기서, 는 복소상수를 나타내며, 와 는 각각 음파의 주파수와 파수를 나타낸다. 파동의 전파특성을 구하기 위해 식 (2)를 식 (1)에 대입 정리하면 파동의 주파수와 파수와의 관계식인 식 (3)을 얻게 된다.Where denotes a complex constant and denotes the frequency and frequency of sound waves respectively. Substituting Eq. (2) into Eq. (1) to obtain the propagation characteristics of the wave gives Eq. (3), which is the relationship between the frequency and the frequency of the wave.

(3) (3)

여기서,은 유체의 속도를 음파의 속도로 나누어 무차원화한 값, 즉,인 마하수(Mach number)를 나타낸다.here, Is a dimensionless value divided by the velocity of a sound wave, that is, Mach number.

관내 매질의 동점성 계수가 매우 작아 열점성 감쇠의 영향을 무시할 수 있는 경우로 가정하면, 식 (3)으로부터 구한를 식 (2)에 적용하여 식 (4)와 같은 관 내부 음장을 나타내는 식을 얻게 된다.(7) Given that the kinematic viscosity of the media in the tube is so small that the effects of thermal viscous damping can be neglected, Is applied to equation (2) to obtain an expression representing the sound field inside the tube as shown in equation (4). (7)

(4) (4)

여기서,here,

(5a) (5a)

(5b) (5b)

식 (5)에서 상첨자 (+)는 유체의 유동방향과 음파의 전파방향이 같은 경우를, 상첨자 (-)는 유체의 유동 방향과 음파의 전파방향이 서로 반대인 경우를 나타낸다.In equation (5), the superscript (+) indicates the case where the flow direction of the fluid and the propagation direction of sound waves are the same, and the superscript (-) indicates the case where the flow direction of the fluid and the propagation direction of the sound waves are opposite to each other.

식 (5)를 살펴보면 유체가 정지해 있는 경우, 즉,인 경우에는 동일한 크기의 파수를 갖는 두 개의 음파가 서로 반대 방향으로 전파하게 되는 것을 알 수 있다. 그리고 유체의 유동속도가 증가하게 되면 유체의 유동방향과 같은 방향인 양의 방향으로 전파하는 음파는 그 파수의 크기가 감소하고, 반면에 음의 방향으로 전파하는 음파는 반대로 파수가 증가하는 현상인 도플러 효과(Doppler effect)가 나타나는 것을 알 수 있다.Looking at equation (5), the fluid is at rest, i.e. In this case, it can be seen that two sound waves having the same magnitude wave propagate in opposite directions. And when the flow velocity of the fluid increases, the sound wave propagating in the positive direction, which is the same direction as the flow direction of the fluid, decreases in magnitude, whereas the sound wave propagating in the negative direction increases the wave number. It can be seen that the Doppler effect appears.

유속과 파수 변화량과의 정량적인 관계식을 얻기 위해 파수 변화량을 식 (6)과 같이 정의하면 식 (5)로부터 유속과 파수 변화량과의 정량적인 관계식은 식 (7)과 같이 된다.In order to obtain a quantitative relationship between the flow rate and the wave change amount, the wave change amount is defined as shown in Eq. (6). From Eq. (5), the quantitative relationship between the flow rate and the wave change amount is shown in Eq. (7).

(6) (6)

(7) (7)

따라서 유량과 파수 변화량과의 상관식은 식 (7)로부터 식 (8)과 같이 얻어진다.Therefore, the correlation between the flow rate and the wave number change amount is obtained from equation (7) as shown in equation (8).

(8) (8)

여기서,는 관의 내경을 나타낸다. 식 (8)로부터 관내 유량은 파수 변화량, 음파의 주파수 및 전파속도, 그리고 관의 내경 등의 정보만 알면 구할 수 있는 것을 알 수 있다.here, Represents the inner diameter of the tube. It can be seen from Equation (8) that the flow rate in the pipe can be obtained only by knowing information such as the wave number change, the frequency and propagation speed of the sound wave, and the inner diameter of the pipe.

관내 유량과 관련되는 파수 변화량을 구하기 위해서는 관내 실제 음장 특성을 알아야 한다. 관내에서 정재파가 형성되어 있는 경우 임의의 위치에서 음장은식 (4)와 같이 양의 방향 및 음의 방향으로 진행하는 파동의 합으로 표현할 수 있으므로 이러한 경우 관내 음장 특성은 4개의 미지수 즉, 두 방향으로 진행하는 파동의 크기와 파수를 알아야 구할 수 있게 된다. 따라서 음장 특성을 구하기 위해서는 최소 4개 지점 이상의 음압 정보와 이들 음압 정보간의 상관관계를 알아야 할 필요가 있다.The actual sound field characteristics in the pipe must be known in order to determine the wave change associated with the flow in the pipe. In the case where standing waves are formed in the tube, the sound field at any position can be expressed as the sum of the waves traveling in the positive and negative directions as shown in Eq. (4). You need to know the magnitude and number of waves going on. Therefore, in order to obtain sound field characteristics, it is necessary to know the correlation between the sound pressure information of at least four points and the sound pressure information.

도 1과 같이 등간격으로개 지점에서 음압을 측정하는 경우, 이들 음압간의 상관관계를 구하기 위해, 식 (4)를 이용하여 연속된 3개 지점(n, n+1, n+2) 에서의 음압을 푸리에 변환(Fourier transform)한 식으로 나타내면 식 (9)와 같이 된다.At equal intervals as shown in FIG. In the case of measuring sound pressures at four points, Fourier transform the sound pressures at three consecutive points (n, n + 1, n + 2) using Equation (4) to find a correlation between these sound pressures. In this case, the equation (9) is obtained.

(9) (9)

여기서, 이고,는 센서사이의 간격이다. 식 (9)에서 좌변의등은 측정을 통해 알 수 있는 변수이고는 미지의 복소상수(unknown complex)에 해당된다.here, ego, Is the distance between the sensors. On the left side in (9) And so on are the variables that we know from measurement Is an unknown complex.

식 (9)를 살펴보면 미지의 복소상수 개수는 4개이고 수식의 개수는 3개이므로, 식 (9)로부터 복소상수의 해는 구할 수 없지만 복소상수간의 상관관계식은 구할 수 있는 것을 알 수 있다. 복소상수 중에서 유량과 관련된 항은 파수이므로 이들만 남겨 놓고 음압의 크기를 나타내는를 소거하기로 한다. 식 (9)에서와 를 소거하기 위해 식 (9)에서 임의의 두 개의 행으로 이루어진 식을 구성하여를 구하고 이를 나머지 행으로 이루어진 식에 대입하면가 소거된다. 한 예로써, 식 (9)의 첫째 행과 둘째 행으로 이루어진 식을 이용하여를 구하면 식 (10)과 같이 표현된다.Looking at Equation (9), since the unknown number of complex constants is four and the number of equations is three, it can be seen from Equation (9) that the solution of the complex constant cannot be obtained, but the correlation between the complex constants can be obtained. Among complex constants, the term related to the flow rate is Wow So only these are left, indicating the magnitude of the sound pressure Wow Will be deleted. In equation (9) Construct an arbitrary two-row equation in (9) to eliminate and Wow Obtaining this Wow Substituting into an expression with the rest of the row Wow Is erased. As an example, using the formula consisting of the first and second rows of Eq. (9) Wow Is given by Eq. (10).

(10) 10

식 (10)을 식 (9)의 셋째 행으로 이루어진 식에 대입하면 식 (11)과 같이로 표현되는 3개 지점 음압간의 회기적인(recursive) 관계식을 얻게 된다. 그리고 식 (9)에서 임의의 다른 두 행을 택하여 상기와 같은 방법으로 수식을 정리해도 결과는 식 (11)과 동일한 결과를 얻게 된다.Substituting equation (10) into the equation consisting of the third row of equation (9), Wow We get a recursive relation between the three points of sound pressure. In addition, even if any two other rows are selected in Equation (9) and the equation is arranged in the same manner as described above, the result is the same as in Equation (11).

(11) (11)

식 (11)은 균일한 단면적을 갖는 관 내부에 평면파가 전파하는 경우에 등간격으로 인접한 세 지점의 음압간에 특별한 제한조건을 갖지 않는 일반적인 관계식이 된다. 식 (11)을 살펴보면 등간격으로 인접한 3개 지점의 음압인는 측정을 통해 구할 수 있는 값이고 파수인는 미지수이므로 두 쌍의 인접한 세 지점 즉, 최소 4개 지점의 음압정보만 있으면 이론적으로를 구할 수 있는 것을 알 수 있다.Equation (11) becomes a general relation without special limitations between the sound pressures of three adjacent points at equal intervals when a plane wave propagates inside a tube having a uniform cross-sectional area. Equation (11) shows that the sound pressure at three adjacent points at equal intervals Is the value that can be obtained from the measurement Wow Is an unknown, so theoretically if you have two adjacent pairs of sound pressure information of at least four points Wow It can be seen that can be obtained.

등간격으로 인접한 4개 지점의 측정신호 정보를위치에서 얻은 경우에 측정신호간의 관계식은 식 (11)을 이용하면 식 (12)와 같이 표현된다.Measurement signal information of four adjacent points at equal intervals In the case of the position, the relation between the measured signals is expressed by Equation (12) using Equation (11).

(12) (12)

여기서,here,

(13a) (13a)

(13b) (13b)

식 (12)로부터 파수인를 구할 수 있지만 측정잡음 오차가 최소화 된 해를 구하기 위해서는 상호 스팩트럼(cross spectrum)을 이용해야 하며, 그 이유는 다음절에서 설명하기로 한다. 상호 스팩트럼을 이용하기 위해 식 (12)의 첫째 행에는을 곱하고 둘째 행에는을 곱하여 정리하면 식 (14)와 같이 된다.Watchtower from equation (12) Wow However, cross-spectrum should be used to find a solution that minimizes the measurement noise error. In order to use the mutual spectrum, the first line of equation (12) Multiply by the second row Multiply by to get the result of Eq. (14).

(14) (14)

식 (14)에서는 식 (15)로 정의되는 파워 스팩트럼을 나타낸다.In equation (14) Denotes a power spectrum defined by equation (15).

(15) (15)

여기서,[.]는 기대값을 그리고 *는 공액복소수를 나타낸다. Cramer의 정리를 이용하여 식 (14)를 정리하면는 식 (16)과 같이 표현된다.here, [.] Represents the expected value, and * represents the conjugate complex number. Using Cramer's Theorem to sum up Eq. (14) and Is expressed as shown in equation (16).

(16a) (16a)

(16b) (16b)

만약 등간격으로 N개의 지점에서 음압신호를 측정한다면는 식 (17)과 같이 4개 지점마다 구한값들의 공간상의 평균값으로 나타낼 수 있다.If you measure sound pressure signals at N points at equal intervals and Is obtained every four points as shown in equation (17). and It can be expressed as the spatial mean value of the values.

(17a) (17a)

(17b) (17b)

파수및 파수변화량wave number Wow And wave change

는 식 (13)과 (17)로부터 식 (18)과 식 (19)와 같이 표현된다. Is represented by equations (18) and (19) from equations (13) and (17).

(18a) (18a)

(18b) (18b)

(19) (19)

여기서,의 위상각을 나타낸다. 식 (18)과 (19)로부터 등간격으로 배열된 위치에서 음압신호를 얻게 되면 파수 및 파수 변화량을 구할 수 있으며, 이 결과와 식 (8)을 이용하면 관내 유량을 구할 수 있게 된다.here, silver Indicates the phase angle of. If the negative pressure signals are obtained at the same intervals from Eqs. (18) and (19), the wave number and the wave number change can be obtained. Using this result and Eq. (8), the flow rate in the pipe can be obtained.

등간격으로 배열된 마이크로폰 신호를 이용하여 유량을 측정하는 경우 신호취득 과정에서 백색잡음 형태의 측정잡음과 센서간 특성차이에 의한 오차가 존재할 수 있으므로 보다 정확한 유량을 측정하기 위해서는 이러한 오차를 보정해야 한다.When measuring the flow rate using microphone signals arranged at equal intervals, there may be errors due to measurement noise in the form of white noise and characteristic differences between the sensors during the signal acquisition process. .

일반적으로 측정잡음은 도 2와 같이 센서의 입력단 및 출력단에서 모두 존재할 수 있으며, 이러한 측정잡음은 백색잡음(white noise)으로 가정할 수 있다. 도2에서 측정잡음이 섞여있는 출력신호의 푸리에 변환값는 식 (20)과 같이 표현할 수 있다.In general, measurement noise may exist at both the input and output terminals of the sensor as shown in FIG. 2, and the measurement noise may be assumed to be white noise. Output signal with mixed measurement noise in Fig. Fourier transform of Can be expressed as Eq. (20).

(20a) (20a)

(20b) (20b)

여기서,는 각각 입력신호, 입력신호측의 잡음, 출력신호측의 잡음, 그리고 센서특성에 의한 전달함수를 나타낸다. 각 채널별 측정신호간의 상호스팩트럼(cross spectrum)은 측정잡음을 백색잡음으로 가정할 수 있기 때문에 측정잡음과 측정잡음이 섞이지 않은 신호간의 상호스팩트럼이 식 (21a)와 같이 0이 되는 것을 이용하면 식 (21b)와 같이 표현된다.here, Denotes the transfer function by the input signal, the noise on the input signal side, the noise on the output signal side, and the sensor characteristics, respectively. Since the cross spectrum between the measured signals for each channel can be assumed to be white noise, the cross spectrum between the measured noise and the signal that is not mixed with the measured noise becomes 0 as shown in Equation (21a). It is expressed as (21b).

(21a) (21a)

(21b) (21b)

식 (21b)로 표현되는 각 채널별 측정신호간의 상호스팩트럼을 살펴보면 측정잡음과 관련된 항은 배제된 것을 알 수 있으며, 또한 측정 시스템의 전달함수만 알면 원래 신호의 상호스팩트럼을 구할 수 있는 것을 알 수 있다.Looking at the cross-spectrum between the measured signals of each channel represented by Equation (21b), it can be seen that the terms related to the measured noise are excluded, and only the transfer function of the measurement system can be used to find the cross-spectrum of the original signal. have.

센서간 특성차이에 의한 오차는 유체의 정지 여부에 관계없이 구조적으로 존재한다. 따라서 유체가 정지해 있을 때 센서간 특성차이에 의한 오차 보정계수를 구할 수 있으면 이 보정계수 값을 유체가 흐르는 경우에 적용하여 유량을 좀 더 정확하게 구할 수 있을 것이다. 이러한 오차 보정계수를 구하기 위해 각 센서의 특성을 나타내는 전달함수를 식 (22)와 같이 정의하기로 한다.Errors due to characteristic differences between sensors exist structurally regardless of whether the fluid is stopped or not. Therefore, if the error correction coefficient due to the characteristic difference between the sensors can be obtained when the fluid is stopped, the flow rate can be more accurately obtained by applying the value of the correction coefficient to the flow of the fluid. In order to calculate the error correction coefficient, a transfer function representing the characteristics of each sensor will be defined as shown in Equation (22).

(22) (22)

센서간 특성차이에 의한 오차가 포함되어 있는 경우 상호스팩트럼 의 관계식은 식 (14), (21), (22)를 이용하면 식 (23)과 같이 표현된다.If errors due to characteristic differences between sensors are included, the relational expression of the mutual spectrum is expressed as Equation (23) using Equations (14), (21) and (22).

(23) (23)

여기서,here,

유체가 정지해 있는 경우에 대해 식 (23)을 살펴보면는 센서에 의한 측정값으로부터 알 수 있고는 식 (5)와 식 (13)으로부터 알 수 있으므로 미지수값은 식 (23)을 변환하여 구할 수 있게 된다.If you look at equation (23) for the fluid at rest Is obtained from the measured value by the sensor Is unknown since equations (5) and (13) The value can be obtained by converting equation (23).

미지수값을 구하기 위해의 실수부와 허수부를 식 (24)와 같이 정의하기로 한다.Unknown To get the value Wow The real part and the imaginary part of are defined as Eq. (24).

(24a) (24a)

(24b) (24b)

식 (24)를 식 (23)에 대입하여 실수부와 허수부를 각각 구분하여 정리하면 실수부는 식 (25)로, 그리고 허수부는 식 (26)으로 표현된다.Substituting equation (24) into equation (23) to separate the real part and the imaginary part separately, the real part is expressed by equation (25) and the imaginary part is expressed by equation (26).

(25) (25)

여기서,here,

, ,

그리고And

(26) (26)

여기서,here,

, ,

식 (25)와 (26)을 살펴보면 보정계수인 미지수가 각각 5개인데 식은 각각 2개이며, 또한 미지수가 모두 주파수의 함수이므로 엄밀히 말하면 식 (25)와 (26)을 이용해서는 미지수를 구할 수 없다.Looking at equations (25) and (26), the unknown coefficient, the correction factor, Wow Are five each, two each, and an unknown. Wow Since both are functions of frequency, strictly speaking, the unknowns cannot be obtained using equations (25) and (26).

하지만가 구하고자 하는 주파수 부근에서 일정하다고 가정하면 인접한 주파수를 포함한 3개 이상의 주파수에 대해서는 식 (27) 및 (28)과 같이 6개 이상의 식을 얻을 수 있다.However Wow Assuming that it is constant near the frequency to be estimated, six or more equations can be obtained for three or more frequencies including adjacent frequencies as shown in equations (27) and (28).

(27) (27)

(28) (28)

여기서,는 주파수 대역이고,사이의 주파수 대역내의 임의의 주파수를 나타낸다. 식 (27) 및 (28)과 같이 미지수의 개수(5개)보다 방정식의 개수(6개 이상)가 많게 되는 경우에는 최소자승법을 이용하여 미지수를 구할 수 있다.here, Is the frequency band, Is Wow It represents the arbitrary frequency in the frequency band between. If the number of equations (6 or more) becomes larger than the number of unknowns (5), as in equations (27) and (28), the unknowns are determined using the least-squares method. Wow Can be obtained.

일반적으로의 수식이 있을 때 행렬의 행의 개수가 열의 개수보다 많은 경우에는 최소자승법을 이용하여 해를 구할 수 있으며 이 경우는 다음 식과 같이 표현된다.(8) Generally Matrix with the formula If the number of rows in is greater than the number of columns, the solution can be found using the least-squares method, in which case Is expressed as (8)

(H : Hermitian operator) (H: Hermitian operator)

따라서 식 (27)과 (28)로부터 주파수가 3개 이상인 경우에 얻어지는 행렬로부터 최소자승법을 이용하여를 구해보면 식 (29)와 (30)과 같이 표현된다.Therefore, using the least-square method from the matrix obtained when there are three or more frequencies from equations (27) and (28) Wow The equations are expressed as equations (29) and (30).

(29) (29)

(30) (30)

유체가 정지해 있는 경우에 대해 식 (29)와 (30)으로부터 구한값은 센서간 특성차이에 의해 나타나는 값이므로 이 값은 유체가 흐르는 경우에도 동일한 값을 가진다고 볼 수 있다. 따라서 유체가 정지해 있는 경우에 식 (29)와 (30)으로부터 구해지는값과, 유체가 흐르는 경우에 측정을 통해 얻게 되는를 이용하여 유체가 흐르는 경우의를 구하는 식을 표현하면 식 (23)으로부터 식 (31)과 같이 표현된다.Obtained from equations (29) and (30) for the fluid at rest Wow Since the value is represented by the difference in characteristics between the sensors, this value can be considered to have the same value even when the fluid is flowing. Therefore, when the fluid is at rest, it is obtained from equations (29) and (30). Wow The value and the measurement When fluid flows using and When the equation is obtained, equation (23) is expressed as equation (31).

(31) (31)

식 (31)과 (18)를 이용하면 센서간 특성차이를 배제한 파수값을 구할 수 있으며이로부터 오차가 보정된 파수 변화량 및 관내 유량값을 구할 수 있게 된다.Using Eqs. (31) and (18), it is possible to obtain the wave value excluding the characteristic difference between the sensors.

관내의 유량을 측정하는 경우, 유량측정식이 1차원 파동만을 고려한 식으로부터 유도되었기 때문에, 본 논문에서 제안하는 유량측정 방법은 관내에서 1차원 파동만이 전파되는 조건에서 유효하다. 관내에서 1차원 파동만 전파되는 주파수 범위의 상한값은 식 (32)와 같이 표현된다.(9) In the case of measuring the flow rate in the pipe, the flow measurement method is derived from the equation considering only the one-dimensional wave, so the flow measurement method proposed in this paper is effective in the condition that only one-dimensional wave propagates in the pipe. The upper limit of the frequency range in which only one-dimensional wave propagates in the pipe is expressed as in Eq. (32). (9)

(32) (32)

따라서 관내 파동의 주파수가 식 (32)와 같은 상한 주파수보다 큰 경우에는 본 논문에서 제안한 방법으로 유량측정시 오차가 발생될 수 있다.Therefore, if the frequency of the tube wave is greater than the upper limit frequency as shown in Eq. (32), an error may occur when measuring the flow rate using the method proposed in this paper.

본 발명에서 유량을 측정하기 위해 기초식으로 사용하고 있는 식 (11)은 공간 회기식으로서 센서가 등간격으로 배치되어 있는 것을 전제로 하여 유도되었기 때문에, 이 식을 이용할 경우 센서 간격의 크기에 따라 발생되는 특이조건을 피할 수 없다. 이 특이조건은 식 (11)의 유도과정을 살펴보면 구할 수 있다.Equation (11), which is used as a basic formula for measuring the flow rate in the present invention, is derived based on the assumption that the sensors are arranged at equal intervals as a space recirculation formula. The singularity that occurs is inevitable. This specific condition can be obtained by looking at the derivation process of Eq. (11).

식 (10)과 같이를 구하는 과정에서등으로 이루어진 행렬의 역행렬을 이용하게 되는데, 이때 센서 간격에 따라 역행렬을 구할 수 없는 경우, 즉, 행렬가 특이행렬이 되는 경우가 발생할 수 있다. 이렇게 행렬의 역행렬을 구할 수 없는 특이조건(singular condition)이 발생하는 경우에는 식 (11)이 성립하지 않으므로 식 (11)로부터 구한 파수값은 부정확한 결과를 나타내게 된다. 행렬의 역행렬이 존재하지 않는 경우에 행렬의 행렬식은이 되므로 이 행렬식을 이용하여 특이조건이 발생하는 경우의 조건식을 유도할 수 있게 된다. 즉,을 정리하면 식 (33)과 같이 된다.As shown in equation (10) Wow In the process of finding Wow Matrix If the inverse is not available according to the sensor interval, that is, the matrix Can be a singular matrix. Matrix In the case of a singular condition in which the inverse of the equation cannot be obtained, Eq. (11) does not hold, so the wavenumber value obtained from Eq. (11) has an inaccurate result. procession Matrix if inverse does not exist The determinant of Therefore, this determinant can be used to derive a conditional expression when a singular condition occurs. In other words, In sum, Eq. (33) is obtained.

(33) (33)

식 (33)이 성립하기 위해서는 파수는 식 (34)와 같아야 한다.In order for Eq. (33) to hold, the wavenumber must be equal to Eq. (34).

(34) (34)

인 관계를 이용하면 식 (34)로부터 특이주파수를 나타내는 조건식은 식 (35)와 같이 얻게 된다. Using the relation of, the conditional expression representing the singular frequency from Eq. (34) is obtained as Eq. (35).

(35) (35)

식 (35)의 조건식은 센서가 한 점에 위치한다고 가정한 이상적인 경우의 조건식이며, 실제적인 경우에는 센서의 직경()까지 고려해 주어야 하므로 이 경우의 특이주파수 범위는 식 (36)과 같이 표현된다.The conditional expression in equation (35) is an ideal condition in the assumption that the sensor is located at one point, and in actual cases the diameter of the sensor ( In this case, the singular frequency range is expressed as Eq. (36).

(36) (36)

본 발명에서 제시하는 방법이 적합한지 확인하기 위해 관내에 모의로 유동장과 오차가 포함된 음장을 구성한 후 모의해석을 통해 유량을 구해 보았다. 모의해석시 오차의 영향은 오차 종류 가운데 측정잡음 오차가 상호스팩트럼을 이용하면 제거될 수 있으므로 이 오차는 배제하고 센서간의 특성차이에 의한 오차 영향만을살펴보았다.In order to check whether the method proposed in the present invention is suitable, the flow field was simulated and the flow rate was obtained through simulation. The effects of the error in the simulation can be eliminated by using the spectral error among the error types, so this error is excluded and only the effect of the error due to the characteristic difference between the sensors is examined.

모의해석시 관내 음장을 모의로 만들기 위해 식(4)와 유체입자의 속도를 나타내는 식 (37)을 이용하면 식 (38)과 같은 식을 얻게 된다.In order to simulate the sound field in the tube, Eq. (4) and Eq. (37), which represent the velocity of the fluid particles, are obtained.

(37) (37)

(38) (38)

여기서,는 유체의 밀도이다. 관내 모의음장을 구성하기 위해 관내 조건은 임의로 다음과 같이 가정하였다. 즉, 식 (38)에서이고, 유체종류는 공기이며, 온도는 20℃이고, 유체의 속도는 10 m/sec인 경우로 가정하였다. 모의음장은 이러한 조건들을 식 (38)에 적용하여 구하였다. 그리고 센서는 4개의 센서가 10 cm 간격으로 배열되어 있다고 가정하였다.here, Is the density of the fluid. In order to construct the simulated sound field in the hall, the conditions in the hall were arbitrarily assumed as follows. That is, in equation (38) It is assumed that the fluid type is air, the temperature is 20 ° C, and the fluid velocity is 10 m / sec. The simulated sound field was obtained by applying these conditions to equation (38). The sensor assumes that four sensors are arranged at 10 cm intervals.

센서간 특성차이에 의한 오차 영향을 살펴보기 위해, 각 채널별 센서의 특성을 나타내는 전달함수()을 전달함수의 크기와 위상에 오차가 포함되어 있는 형태로 나타내면 식 (39)와 같다.In order to examine the effect of error due to the difference in characteristics between sensors, the transfer function ( ) Is expressed in the form that the error is included in the magnitude and phase of the transfer function.

(39) (39)

여기서,는 오차의 크기를 나타내고,은 오차로서 0과 1사이에서 균일하게 분포하는 랜덤수(random number)로 정해지며, 하첨자 n, m, p는 각각 채널 번호, 전달함수의 크기 및 위상을 의미한다.here, Represents the magnitude of the error, Is an error, which is defined as a random number uniformly distributed between 0 and 1, and the subscripts n, m, and p represent the channel number, the magnitude and phase of the transfer function, respectively.

먼저, 센서 특성중 센서의 전달함수의 크기에만 오차가 존재하는 경우, 즉,,이고인 각 경우에 채널별 오차인값이 Table 1과 같을 때 오차를 보정하지 않고 본 논문에서 제시한 방법으로 유속을 구해보면 도 3과 같은 결과를 얻게 된다.First, if an error exists only in the magnitude of the transfer function of the sensor among the characteristics of the sensor, that is, , ego In each case, When the values are shown in Table 1, the flow rate is calculated using the method presented in this paper without compensating for the error.

또한, 센서 특성중 센서의 전달함수의 위상에만 오차가 존재하는 경우, 즉,이고이고인 각 경우에 채널별 오차인값이 Table 1과 같을 때 오차를 보정하지 않고 유속을 구해보면 도 4와 같은 결과를 얻게 된다.In addition, when an error exists only in the phase of the transfer function of the sensor among the sensor characteristics, that is, ego ego In each case, When the value is shown in Table 1, if the flow velocity is obtained without compensating for the error, the result shown in FIG. 4 is obtained.

표 1. Random number distribution ofon each channel Table 1 . Random number distribution of on each channel

Ch. 1Ch. One Ch. 2Ch. 2 Ch. 3Ch. 3 Ch. 4Ch. 4 0.02580.0258 0.92100.9210 0.70080.7008 0.19010.1901 0.53870.5387 0.38150.3815 0.05120.0512 0.28510.2851

도 3과 도 4를 살펴보면 유속값은 주파수가 1700 Hz 부근에서 공통적으로 큰 오차를 나타내는데, 이 오차는 센서간격이 10 cm일 때 식 (35)를 이용해 예측한 센서간격에 따른 특이조건의 오차와 일치한다.Referring to Figures 3 and 4, the flow rate value has a large error in common at a frequency of around 1700 Hz, and this error is related to the error of the specific condition according to the sensor interval predicted using Equation (35) when the sensor interval is 10 cm. Matches.

도 3을 보면 채널별로 센서의 전달함수의 크기에만 차이가 있는 경우에 유속은 센서간격과 관련된 오차가 나타나는 주파수를 제외한 주파수 영역에서 채널별 센서의 전달함수의 크기 차이에 거의 영향을 받지 않고 그 크기의 변화에도 민감하지 않는 특성을 나타내는 것으로 보인다.Referring to FIG. 3, in the case where there is a difference only in the magnitude of the transfer function of the sensor for each channel, the flow rate is almost unaffected by the difference in the magnitude of the transfer function of the sensor for each channel in the frequency domain except for the frequency in which an error related to the sensor interval appears. It appears to be insensitive to changes in the properties.

한편, 도 4를 보면 채널별로 센서의 전달함수의 위상에만 차이가 있는 경우에 유속은 센서간격과 관련된 오차가 나타나는 주파수를 중심으로 비교적 넓은 주파수 영역에서 변동하는 값을 나타내고 있어 유속은 채널별 센서의 전달함수의 위상 차이에 많은 영향을 받고, 위상 크기의 변화에도 매우 민감한 특성을 나타내는 것으로 보인다.Meanwhile, referring to FIG. 4, in the case where there is a difference only in the phase of the transfer function of the sensor for each channel, the flow rate represents a value that varies in a relatively wide frequency region centered on a frequency at which an error related to the sensor interval occurs. It is highly influenced by the phase difference of the transfer function and appears to be very sensitive to the change of phase size.

센서의 전달함수의 크기 및 위상 모두가 차이가 있는 경우, 즉,이고인 경우에 채널별 오차인값이 Table 1과 같을 때 유속을 구해보면 도 4와 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 이 결과에 본 논문에서 제시한 오차 보정 방법을 적용하게 되면 유속은 도 5와 같은 결과를 얻게 된다.If both the magnitude and phase of the transfer function of the sensor are different, ie ego Where is the error per channel and When the flow rate is as shown in Table 1, the flow rate is similar to that of FIG. 4. When the error correction method presented in this paper is applied to the result, the flow rate is as shown in FIG. 5.

도 5로부터 오차보정 방법을 적용하게 되면 센서간격과 관련된 특이조건의 주파수 부분에서만 약간의 오차가 발생하며 그 외의 주파수 영역에서는 센서특성에 의한 오차가 잘 보정되는 것을 알 수 있다.When the error correction method is applied from FIG. 5, a slight error occurs only in the frequency part of the specific condition related to the sensor interval, and the error due to the sensor characteristic is well corrected in the other frequency domains.

실험예Experimental Example

본 발명에서 제시하는 방법의 타당성 확인을 위해 관내 유량을 측정하는 실험을 수행하였고, 실험장치는 도 6과 같이 구성하였다. 관은 내부직경 및 길이가 각각 40cm, 3m인 것을 사용하였고, 마이크로폰은 직경이 1/4인치인 B&K type 4938 마이크로폰 4개를 10cm간격으로 관의 내부표면과 일치하도록(flush mount) 설치하였다. 유동장은 공기 압축기 및 공기 저장탱크 그리고 일정량의 유량이 흐르도록 하는 자동유량 조절밸브를 이용하여 형성시켰고, 실제 유량과의 비교를 위해 관 내부에 상용 유량측정장치를 설치하였다. 관내 음장은 관의 전단부위에 설치한 스피커를 이용하여 백색 잡음(white noise)이 되도록 하였다. 관내 유량은 0, 8, 10, 12 liter/sec로 변화시키면서 실험을 수행하였고 음압신호는 마이크로폰과 B&K Type 3560 PULSE 분석기를 이용하여 측정 및 분석하였다.In order to confirm the validity of the method proposed in the present invention was carried out an experiment to measure the flow rate in the pipe, the experimental apparatus was configured as shown in FIG. The inner diameter and length of the tube were 40 cm and 3 m, respectively, and the microphones were mounted with four 1/4 inch diameter B & K type 4938 microphones flush mounted at intervals of 10 cm. The flow field was formed using an air compressor, an air storage tank, and an automatic flow control valve to allow a certain amount of flow. A commercial flow measuring device was installed inside the pipe for comparison with the actual flow rate. The sound field inside the tube was made white noise by using the speaker installed at the front end of the tube. The experiments were carried out with varying flow rates of 0, 8, 10 and 12 liters / sec, and sound pressure signals were measured and analyzed using a microphone and B & K Type 3560 PULSE analyzer.

실험장치와 관련하여 상기에서 언급한 측정방법의 적용조건을 구해보면 식 (32)로부터 관의 내경크기를 고려하였을 때 1차원 음파만 전파되는 주파수 영역의 상한주파수는 5 kHz가 되며, 식 (36)으로부터 센서간격 및 센서의 직경을 고려하였을 때 특이 조건이 발생되는 주파수 영역은 1610~1830 Hz가 된다.Considering the application conditions of the above-mentioned measuring method in relation to the experimental apparatus, considering the inner diameter of the tube from Eq. (32), the upper limit frequency of the frequency range where only one-dimensional sound wave propagates is 5 kHz, and Eq. (36) Considering the sensor spacing and the diameter of the sensor, the frequency range where the singular condition occurs is 1610 ~ 1830 Hz.

도 7은 오차를 보정하지 않고 본 논문에서 제시한 방법으로 600~3000 Hz 주파수 범위에서의 유량을 구한 결과를 나타낸다. 도 7로부터 유량은 주파수 범위가 1600~1900 Hz인 부분에서는 예상대로 센서간격에 의한 특이값이 나타나는 것을 볼 수 있으며, 전 주파수 영역에서는 센서간의 위상 특성차이가 존재할 때의 모의해석 결과인 도 4와 같은 형태의 유량이 얻어지는 것을 볼 수 있다.Figure 7 shows the results obtained by calculating the flow rate in the 600 ~ 3000 Hz frequency range by the method proposed in this paper without correcting the error. From the flow rate of Figure 7 can be seen that the singular value by the sensor interval in the frequency range of 1600 ~ 1900 Hz as expected, the simulation results when there is a difference in phase characteristics between the sensors in the entire frequency range It can be seen that the same type of flow rate is obtained.

도 8은 도 7과 같이 구한 유량에 대해 오차보정 방법을 적용하여 구한 결과를 보여준다. 도 8로부터 특이값이 나타나는 1600~1900 Hz 주파수 범위를 제외한 주파수 영역에서는 비교적 실제 유량에 가깝게 유량이 얻어지는 것을 볼 수 있다.FIG. 8 shows the results obtained by applying the error correction method to the flow rate obtained as shown in FIG. 7. It can be seen from FIG. 8 that the flow rate is obtained relatively close to the actual flow rate in the frequency domain except for the 1600-1900 Hz frequency range where the singular value appears.

전 주파수 영역에서 나타난 유량값의 통계적인 평균 유량값을 구하고자 할 때 주파수별 유량값을 산술 평균하게 되면 센서간격에 의해 나타나는 특이값으로 인해 평균값이 편이되어 부정확한 결과를 얻을 수 있게 된다. 따라서 이를 피하기 위해 주파수별 유량값의 빈도수를 히스토그램(histogram)으로 그린 후 이에 대한Gauss 분포 적합식(curve fitting)를 구해서 그 적합식의 평균값을 유량측정값으로 정하는 방법을 적용하였다.When calculating the statistical average flow rate of the flow rate values in all frequency ranges, if the arithmetic average of the flow rate values for each frequency is obtained, the average value is shifted due to the singular value represented by the sensor interval, resulting in inaccurate results. Therefore, in order to avoid this, the frequency of the flow rate values for each frequency was drawn as a histogram, and then a Gaussian distribution fitting equation was obtained, and the mean value of the fit equation was determined as the flow measurement value.

도 9는 주파수별 유량값의 빈도수를 나타낸 히스토그램과 그에 대한 Gauss 분포 적합식의 곡선을 보여준다. 도 9에서 Gauss 분포 적합식의 평균값은 실제 유량값과 잘 일치함을 볼 수 있으며, 실제값에 대한 측정값의 상대오차 백분율과 Gauss 분포곡선의 표준편차값을 Table 2에 나타내었다. Table 2로부터 유량 측정값의 최대 오차와 최대 표준편차값은 각각 4.8%와 0.45가 되는 것을 알 수 있다.Figure 9 shows a histogram showing the frequency of the flow rate value for each frequency and curves of Gauss distribution fit equation for it. In Figure 9 it can be seen that the average value of the Gauss distribution fit equation is in good agreement with the actual flow rate, and the relative error percentage of the measured value with respect to the actual value and the standard deviation value of the Gauss distribution curve are shown in Table 2. From Table 2, it can be seen that the maximum error and maximum standard deviation of the flow measurement values are 4.8% and 0.45, respectively.

Table 2. The flow rate and theirs estimated from the Gaussian distribution curve fit Table 2 . The flow rate and theirs estimated from the Gaussian distribution curve fit

True flow rate(liter/s)True flow rate (liter / s) Estimated flow rate(liter/s)Estimated flow rate (liter / s) % error in flow rate×100% error in flow rate × 100 Standard deviation of(liter/s)Standard deviation of (liter / s) 00 -0.0003-0.0003 -- 0.030.03 8.08.0 8.388.38 4.84.8 0.340.34 10.010.0 10.210.2 22 0.390.39 12.012.0 12.4712.47 3.93.9 0.450.45

본 유량측정 방법과 서론에서 언급한 파동전파 특성을 이용한 유량측정 방법인 전영두 방법(4)및 Kim의 방법(5)을 비교해 보기 위해 전영두 방법 및 Kim의 방법으로 오차보정까지 한 유량을 구하였고 그 결과는 각각 도 10 및 도 11과 같다. 도 10의 결과로부터 전영두 방법은 센서간격에 의해 특이값이 나타나는 주파수보다 높은 주파수 대역에서는 오차보정이 잘 되지 않는 결과가 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 도 11의 결과로부터 Kim의 방법은 센서간격에 의한 특이값 뿐만 아니라 3개의 센서 중 가운데 위치한 센서를 중심으로 대칭되는 파동 신호로 인한 특이값들이 많이 나타나 유량 데이터의 분산 정도가 큰 것을 볼 수 있다. 도 8과 도 10 및 도 11의 결과를 종합적으로 비교해 볼 때 본 유량측정 방법은 전영두 방법 및 Kim의 방법에 비해 상대적으로 유량 데이터의 분산 정도가 작고 센서간격에 의한 특이값이 나타나는 주파수 대역을 제외한 주파수 대역에서 실제값에 좀더 근접하는 결과를 나타내는 것으로 보인다.To compare the flow measurement method and the flow measurement method using wave propagation characteristics mentioned in the introduction, Jeon Young Doo method (4) and Kim's method (5) , the flow rate to the error correction by Jeon Young Doo method and Kim's method The results are shown in FIGS. 10 and 11, respectively. From the results of FIG. 10, it can be seen that the Jeon Young Do method exhibits a result in which error correction is not performed well in a frequency band higher than the frequency at which the singular value appears due to the sensor interval. In addition, in the result of FIG. 11, Kim's method shows not only the singular value due to the sensor interval but also the singular values due to the wave signals symmetrical around the sensor located among the three sensors. . Comparing the results of FIG. 8, FIG. 10 and FIG. 11, the present flow measurement method has a frequency band in which the dispersion of the flow rate data is smaller and the singular value due to the sensor interval is relatively smaller than that of the Jeon Young Doo method and the Kim method. It appears to be closer to the actual value in the excluded frequency band.

본 발명은 관내에서 전파되는 음파가 유량에 따라 축 방향의 파수가 변화하는 특성을 이용하여 관내 유량을 측정하는 방법을 제시하였다. 관내 유량과 상관되는 파수 변화량은 등간격 위치에서의 관 내부 음압간의 상관관계를 이용하여 구할 수 있으며, 관내 유량은 최종적으로 파수 변화량과 유량과의 상관식으로부터 구해진다. 본 유량측정 방법은 음파를 평면파로 가정한 것과 센서 간격 등으로 인한 적용조건이 존재하며 이들 적용조건의 주파수 범위를 제시하였다. 유량측정시 발생할 수 있는 오차의 종류와 이들의 보정방법도 제시하였다. 모의 해석을 통해 유량 측정방법의 적용 가능성을 확인하였고, 실제 실험을 통해 관 내부에 유동이 있는 경우에 유량을 측정해 보았으며 측정한 유량값은 실제값과 비교하여 약 5% 오차범위 내에서 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.The present invention proposes a method for measuring the flow rate in a pipe by using the characteristic that the sound wave propagated in the pipe changes in the axial wave number according to the flow rate. The wave change amount correlated with the flow rate in the pipe can be obtained by using the correlation between the sound pressure inside the pipe at equal intervals, and the pipe flow rate is finally obtained from the correlation between the wave change amount and the flow rate. In this flow measurement method, there are application conditions due to the assumption of sound waves as plane waves and sensor intervals, and the frequency ranges of these application conditions are presented. The types of errors that can occur during flow measurement and their correction methods are also presented. Through the simulation, we confirmed the applicability of the flow measurement method, and through the actual experiment, we measured the flow rate when there was flow inside the pipe, and the measured flow value was well within the 5% error range compared to the actual value. A matching result was obtained.

이하 본 발명의 도면을 간단히 설명하면 다음과 같다Hereinafter, the drawings of the present invention will be briefly described.

도1 관내에서 유속이 U인 유체 내를 통해 전파되는 평면파, 도2 측정오차와 마이크로폰 어레이 계의 전달함수, 도3 센서들간 전달함수 크기만의 차이로 인해 발생되는 오차가 포함된 경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과, 도4 센서들간 전달함수 위상만의 차이로 인해 발생되는 오차가 포함된 경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과, 도5 센서들간 전달함수 크기 및 위상 차이로 인해 발생되는 오차를 보정한 경우에 유속(10m/sec)에 대한 모의해석 결과, 도6 마이크로폰을 이용하여 관내 유량을 측정하는 실험장치, 도7 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 4개의 마이크로폰을 이용하여 센서간 오차보정 없이 구한 유량 측정결과, 도8 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 4개의 마이크로폰을 이용하여 센서간 오차보정을 하고 구한 유량 측정결과, 도9 주파수별로 구한 측정유량의 도수 분포와 그에 대한 가우스 분포 적합 곡선, 도10 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 전영두 방법을 이용하여 구한 유량 측정결과, 도11 관내 공기 유량이 Q=0, 8, 10, 12l/sec 인 경우에 Kim의 방법을 이용하여 구한 유량 측정결과를 도시한 것이며, 관(1), 음파측정기(2)을 나타낸 것임을 알 수 있다Figure 1 includes a plane wave propagating through a fluid having a flow rate of U in a pipe, a measurement error of FIG. 2 and a transfer function of a microphone array system, and an error caused by a difference only in the size of the transfer function between the sensors of FIG. Simulation results for 10 m / sec), simulation results for flow rate (10 m / sec) when the error generated due to the difference in the phases of the transfer functions between the sensors in FIG. 4 is included, transfer function magnitudes between the sensors in FIG. Simulation results for the flow rate (10m / sec) when the error caused by the phase difference is corrected, the experimental apparatus for measuring the flow rate in the tube by using the microphone of Figure 6, the air flow rate of the tube in Figure 7 Q = 0, 8, As a result of the flow measurement obtained without error correction between the sensors using four microphones at 10 and 12 l / sec, four microphones were used when the air flow in the pipe was Q = 0, 8, 10 and 12 l / sec. Flow rate calculated by using error correction between sensors As a result of the measurement, the frequency distribution of the measured flow rate obtained by the frequency of FIG. 9, the Gaussian distribution curve, and the flow rate obtained by using the front zero method when the air flow rate in FIG. 10 is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec As a result of the measurement, FIG. 11 shows the flow measurement results obtained by using Kim's method when the air flow rate in the tube is Q = 0, 8, 10, 12 l / sec. It is understood that it is shown

본 발명의 유량 측정방법은 음압을 측정하기 위해 관에 구멍을 뚫어 센서의 표면이 관의 내부표면과 일치하도록 설치해야 하기 때문에 관내 유체의 종류가 기체 혹은 액체 여하에 따라 마이크로폰이나 하이드로폰을 적절히 선택하여 유량을 측정해야 하며, 센서는 관내 유체의 압력과 온도에 견딜 수 있는 적절한 센서를 선택해야 한다.In the flow rate measuring method of the present invention, the surface of the sensor must be installed so that the surface of the sensor coincides with the inner surface of the tube in order to measure the sound pressure. The flow rate must be measured, and the sensor should select an appropriate sensor that can withstand the pressure and temperature of the fluid in the tube.

상기와 같이 제조된 본 발명은 유량이 존재하는 상황에서 관 내부에 형성되는 등간격으로 배열된 음장에 대한 일반적인 관계식을 이용하여 간단한 장치를 갖고 유량을 정확하고 간단하게 측정하는 효과가 있는 것이다.The present invention manufactured as described above has the effect of accurately and simply measuring the flow rate with a simple device using a general relationship to the sound field arranged at equal intervals formed inside the tube in the presence of the flow rate.

Claims (5)

등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법에 있어서, 관내에서 전파되는 음파가 유량에 따라 파수가 변화하는 특성을 갖고 있어 유량과 상관되는 파수는 등간격의 관내부 음압들의 상관관계를 이용하여 구할 수 있으며, 이 파수값으로부터 관 내부의 평균유량을 측정함을 특징으로 하는 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법.In the pipe flow measurement method using microphones arranged at equal intervals, the sound wave propagated in the pipe has the characteristic that the wave number changes according to the flow rate. A method for measuring the flow rate in a pipe using microphones arranged at equal intervals, wherein the average flow rate in the pipe is measured from the wave number value. (8) (8) (17a) (17a) (17b) (17b) (18a) (18a) (18b) (18b) (19) (19) 여기서,의 위상각을 나타낸다. 등간격으로 배열된 위치에서 음압신호를 얻게되면 이로부터형태의 음압신호 상호스팩트럼을 구할 수 있게 되고, 식 (17)을 이용하여값을 구할 수 있으며, 식 (18)과 식 (19)로부터 파수 및 파수변화량을 구할 수 있고, 이로부터 식 (8)을 이용하면 관내 유량을 구할 수 있는 것을 알 수 있다.here, silver Indicates the phase angle of. If you get a sound pressure signal at equally spaced positions, The sound pressure signal interspectral of the form can be obtained, and using Equation (17) and Values can be obtained, and the wave number and wave change amount can be obtained from equations (18) and (19). From this, it can be seen that the flow rate in the pipe can be obtained using equation (8). 청구항 1에서 측정한 유량측정시 잡음오차를 다음 식에 따라 보정하여 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법.In-flow flow measurement method using a microphone arranged at equal intervals by correcting the noise error when measuring the flow rate measured in claim 1. (21a) (21a) (21b) (21b) (20a) (20a) (20b) (20b) 여기서, 는 각각 입력신호, 입력신호측의 잡음, 출력신호측의 잡음, 그리고 센서특성에 의한 전달함수를 표시한 것이다Where denotes the transfer function by the input signal, the noise on the input signal side, the noise on the output signal side, and the sensor characteristics, respectively. 청구항 1에서 측정한 유량측정시 센서간 특성차이에 의한 오차를 다음 식에 따라 파수값 등을 보정하여 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법.In-flow flow measurement method using a microphone arranged at equal intervals by correcting the wave number value according to the following equation in the error due to the characteristic difference between the sensors when measuring the flow rate measured in claim 1. (31) (31) (29) (29) (30) (30) 여기서,here, , , 그리고And , , 여기서,,,는 각각의 실수부와 허수부로서 다음과 같이 정의된다.here , , , Are each Wow The real and imaginary parts of are defined as (24a) (24a) (24b) (24b) 청구항 1에서 측정한 유량측정방법이 관내에서 1차원 파동만 전파되는 조건에서 유도하였기 때문에 바람직한 유효한 주파수 범위의 상한값은 식 (32)와 같이 표현되며, 마이크로폰의 등간격 크기와 센서의 크기에 따라 결정되는 특이주파수 범위는 식 (36)과 같으며 이 특이주파수 범위를 제외한 주파수 범위에서 유량측정함을 특징으로 하는 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정방법.Since the flow measuring method measured in claim 1 is derived under the condition that only one-dimensional wave propagates in the pipe, the upper limit of the preferable effective frequency range is expressed as shown in Eq. The singular frequency range is as shown in Equation (36), and the flow rate measurement method using the microphones arranged at equal intervals, characterized in that the flow rate is measured in the frequency range except the singular frequency range. (32) (32) (36) (36) 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정장치에 있어서, 균일한 단면적을 갖는 관(1)의 상부에 관내에서 길이 방향으로 4개 이상의 음파측정기(2)로 구성됨을 특징으로 하는 등간격으로 배열된 마이크로폰을 이용한 관내 유량 측정장치.In the pipe flow rate measuring apparatus using the microphones arranged at equal intervals, arranged at equal intervals, characterized in that the top of the pipe (1) having a uniform cross-sectional area is composed of four or more sound wave meters (2) in the longitudinal direction in the tube Flow measurement device using a conventional microphone.
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