KR20040054741A - 도플러식 초음파 유량계 - Google Patents

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도쿄 덴료쿠 가부시기가이샤
야스시 다케다
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Abstract

본 발명의 도플러식 초음파 유량계는 초음파 트랜스듀서로부터 유체배관내에 초음파 펄스를 입사시키는 초음파 송신수단, 유체배관내의 측정영역으로부터 반사된 초음파 에코를 수신하고 피측정 유체의 유속분포를 측정하는 유속분포 측정수단, 피측정 유체의 유속분포로부터 그 유량을 산출하는 유체유량 연산수단, 및 초음파 트랜스듀서로부터 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 기본 주파수를 자동적으로 선택하는 주파수 선택 설정수단을 구비하며, 상기 주파수 선택설정수단은 선택된 최적 주파수의 초음파를 초음파 트랜스듀서로부터 발진시키도록 초음파 송신수단을 작동 제어하며, 상기 구성에 의하면 여러가지의 유체 배관내를 흐르는 피측정 유체의 유량을 간단하고 용이하게, 또한 비접촉 상태로 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있는 범용성이 높은 도플러식 초음파 유량계를 제공할 수 있다.

Description

도플러식 초음파 유량계{DOPPLER ULTRASONIC FLOWMETER}
유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 유속이나 유량을 측정하는 유량계에는 측정원리에 의해 2종류로 크게 나누어진다.
제 1 유량계는 유체배관내를 흐르는 유체의 프로세스량이 흐름방향으로 변화되는 것을 이용하여 유량을 측정하는 것이고, 이 종류의 유량계에는 오리피스 유량계가 있다. 오리피스 유량계는 오리피스 상류측과 하류측에서 유체의 압력이 다른 것을 이용하여 유량을 계측하는 것으로, 이와 같은 유량계측방법을 이하 「평균치 근사법」이라고 한다.
제 2 유량계는 주로 원형관 등의 배관내의 흐름의 유량측정에 사용되는 것이다.
상기 유량계에서는 배관내의 흐름의 한 점, 예를 들어 관축상의 소정점에서의 유속을 측정하고, 얻어진 측정치에 기초하여 이론치로부터 배관내의 유속분포형상을 가정하고, 상기 유속분포형상을 적분하여 유량을 구하는 것이다. 이와 같은 유량측정방법을 이하 「근사적분법」이라고 한다.
한편, 유량계 중에서는 측정대상인 피측정 유체에 초음파를 조사하여 유체의 유량을 계측하는 초음파 유량계가 알려져 있다.
상기 초음파 유량계에는 평균치 근사법에 의해 유량을 계측하는 것과, 근사 적분법에 의해 유량을 계측하는 것으로 크게 나누어진다.
평균치 근사법을 채용한 초음파 유량계는 초음파 펄스가 일정 간격의 2점간을 통과하는 데에 필요한 시간이, 초음파 펄스가 유체의 흐름의 상류를 향하여 나아가는 경우와, 그 반대로 흐름의 하류를 향하여 나아가는 경우로, 유체의 흐름의 속도만 다른 것을 이용하여, 소정의 2점간의 평균속도를 구하고 유량을 계측하는 것이다.
또한, 근사적분법을 채용한 초음파 유량계는 배관의 중심축상의 한 점에서의 피측정 유체의 속도를 도플러 시프트법을 이용하여 구하고, 상기 유체속도로부터 유량을 계측하는 것이고, 일본 특개평6-294670호 공보에 개시된 것이 있다. 상기 근사적분법의 초음파 유량계에서는 이론치 또는 경험칙으로부터 유속분포의 형을 구하여 적분을 실시하는 것이다. 예를 들어, 배관내의 층류 영역에서는 유속분포는 포물선으로 나타나므로, 관벽에서의 경계조건을 사용함으로써, 중심축상에서 측정된 유체속도를 사용하여 유량을 구할 수 있다. 이 이론의 해는 엄밀하게는 정상(定常)상태의 흐름에 대해서 성립되는 것이므로, 근사적분법의 초음파 유량계는 정상상태의 흐름에 밖에 적용할 수 없고 비정상(非定常) 상태의 흐름에는 대응할 수 없다.
일반적으로, 점성유체의 흐름은 나비어·스톡스(Navier-Stokes) 방정식(이하, NS 방정식이라고 함)으로서 잘 알려져 있다. 종래의 초음파 유량계는 NS방정식의 시간 미분항을 무시하여 정상상태에 대한 유동분포의 지식을 이용하여 유량을 구하고 있다. 이 때문에, 유량이 시간적으로 변동되고, 근사적분법이 성립하지 않는 유동장(流動場)(유체의 흐름의 장)이 측정대상인 경우에는 측정정밀도가 현저하게 저하되거나, 측정결과의 유효성이 손상될 우려가 있다.
이와 같은 유동장으로서 예를 들어 평균유량을 내는 데에 필요한 시간보다 유량계의 변동시간이 짧은 유동장이나, 흐름이 충분히 발달되어 있지 않은 유동장을 들 수 있다. 전자의 경우에는 NS방정식의 시간 미분항이 제로가 되지 않고, 후자의 경우에는 NS방정식의 일차원 근사가 성립되지 않는다.
종래의 유량계에서는 정상상태에서의 유량계측이고 충분한 정밀도로 유량측정을 실시하기 위해서는 예를 들어 측정부분의 상류측에 흐름을 정상화시키는 조주로(助走路)를 매우 길게 취할 필요가 있고, 배관시설에 시간과 비용, 노력을 요하는 한편, 정상상태의 흐름의 유량계측이므로, 비정상 상태의 흐름의 유량계측을 실시하는 것이 곤란했다.
또한, 종래의 유량계는 원형관 등의 폐쇄된 배관내를 흐르는 유체의 평균유량을 측정대상으로 하기 때문에, 보다 큰 유량체계의 국소적인 유량을 측정하는 것이 불가능했다. 예를 들어, 매우 큰 교반조의 입구부근 또는 출구부근의 시간변동을 수반하는 특징적인 유량계측은, 어떤 유량계에서도 측정이 불가능했다.
그런데, 삼차원 공간의 유량장에서의 피측정 유체의 흐름은 삼차원의 벡터량으로 나타나는 데에 비해서, 종래의 유량계는 배관내에 일차원의 흐름을 가정하여 유량계측을 실시하는 것이다. 이 때문에, 폐쇄된 배관내이어도 흐름이 삼차원적으로 되어 있는 경우에는 유량의 측정정밀도가 매우 나빠지거나 불가능해진다. 예를 들어, 엘보 배관이나 U자형상의 반전배관과 같이 구부러진 배관의 직후에서는 유체의 흐름이 원심력 작용에 의해 삼차원적으로 되어 있고, 이와 같은 장소에 종래의 유량계를 설치해도 유량계측을 정확하게 실시할 수 없다.
그래서, 본 발명자 등은 초음파의 도플러 시프트를 이용하여 피측정 유체의 유량을 비정상 상태의 흐름이어도, 시간의존으로 정확하게 정밀도 좋게 비접촉 상태로 측정할 수 있는 도플러식 초음파 유량계를 일본 특원평10-272359호 명세서에서 제안했다.
상기 도플러식 초음파 유량계는 유체 배관내를 흐르는 피측정 유체의 순간의 유속분포로부터 직접 유량을 산출하는 방법을 적용한 것이고, 피측정 유체의 유량계측에 높은 정밀도나 응답성을 갖는 것을 견지했다.
종래의 도플러식 초음파 유량계에서도 유체 배관내를 흐르는 피측정 유체의 유량계측을 간이하고 큰 범용성을 가지고 실시하는 것이 바람직하다.
도플러식 초음파 유량계에서 여러가지의 유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 유속을 매끄럽고 원활하게 측정하기 위해서는 여러가지의 관벽 두께의 유체배관에 대해서도 초음파의 투과효율을 충분히 확보하고, 충분한 반사파 S/N비를 확보할 필요가 있다.
종래의 도플러식 초음파 유량계에서는 초음파의 금속벽의 투과특성을 금속벽의 막두께를 변화시킴으로써 조사하고, 유체배관의 두께가 최적이 되도록 설정해 왔다.
그러나, 도플러식 초음파 유량계의 실기(實機)로의 적용에 의해, 유체배관의 두께를 여러가지 변화시키는 것은 불가능하고, 유체배관의 종류마다 최적인 초음파 투과특성을 갖는 초음파 유량계를 준비하지 않으면 안되어 범용성이 낮은 것이다.
본 발명은 상술한 사정을 고려하여 이루어진 것으로 여러가지의 유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 유량을 간단하고 용이하게, 또한 비접촉으로 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있는 범용성이 높은 도플러식 초음파 유량계를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 유체배관의 여러가지의 벽두께에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 최적 주파수 또는 초음파의 최적 입사각도를 자동적으로 선정하고, 피측정 유체의 유량을 초음파의 도플러 시프트를 이용하여 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있는 도플러식 초음파 유량계를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 광학적 유량측정방법이 적용할 수 없는 불투명 또는 반투명의 액체이어도, 유량을 정밀도 좋고 정확하게 측정할 수 있는 도플러식 초음파 유량계를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 유체배관내에서 선회류나 배관과 평행하지 않은 흐름이 발생해도, 유체배관내를 흐르는 피측정 유체를 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있는 도플러식 초음파 유량계를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 초음파의 도플러 시프트를 이용하여 피측정 유체의 유량을 측정하는 도플러식 초음파 유량계에 관한 것으로, 특히 초음파의 최적 주파수나 최적 입사각도를 자동적으로 조정하고, 설정 가능한 도플러식 초음파 유량계에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 1 실시형태를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계에 의한 유량측정에서의 동작원리를 설명하는 도면,
도 3은 초음파의 금속벽면 투과특성을 도시한 도면,
도 4는 유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 평균유속분포를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 2 실시형태를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 3 실시형태를 설명하기 위해 사용한, 초음파 입사 각도 방향의 속도성분을 도플러 주파수에 의해 산출한 이미지도,
도 7은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 3 실시형태를 도시한 원리도, 및
도 8은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 3 실시형태를 도시한 신호처리블럭도이다.
본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계는 상술한 과제를 해결하기 위해 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 펄스를 유체배관내를 흐르는 피측정 유체에 입사시키는 초음파 송신수단과, 피측정 유체에 입사된 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정영역에서 반사된 초음파 에코를 수신하고, 상기 측정영역에서의 피측정 유체의 유속분포를 측정하는 유속분포 측정수단과, 상기 피측정 유체의 유속분포에 기초하여 피측정 유체의 유량을 산출하는 유체유량 연산수단과, 상기 유체배관의 관벽에 대해서 초음파 트랜스듀서로부터 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 기본 주파수를 자동적으로 선택하는 주파수 선택 설정수단을 구비하고, 상기 주파수 선택설정수단은 선택된 최적 주파수의 초음파를 초음파 트랜스듀서로부터 발진시키도록 상기 초음파 송신수단을 작동제어하는 것이다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 적절한 실시형태에서는 발진 주파수 선택설정수단은 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 발진 주파수를 자동적으로 조절 설정하고 있고, 초음파 반파장의 정수배가 유체배관의 벽 두께가 되도록 초음파 펄스의 발진 주파수가 선택된 것이고, 또한 발진 주파수 선택 설정수단은 초음파 트랜스듀서로부터 필요한 발진 주파수를 가지는 초음파를 발진시키는 발진용 앰프와, 상기 발진용 앰프의 발진 주파수를 가변 가능하게 조절 설정하는 발진 주파수 가변장치와, 미리 지정된 주파수 영역내에서 발진 주파수 가변장치를 동작시키는 주파수 영역 설정수단과, 상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진된 초음파 펄스 중, 유체 배관내의 측정영역으로부터반사되는 초음파 에코를 수신하는 초음파 수신수단과, 수신된 초음파 에코의 강도를 추출하고, 기억시키는 반사파 강도 추출수단을 구비하고, 발진 주파수 선택설정수단은 발진 주파수의 추출선정조작이 반복하여 실시되고 초음파의 최적 주파수가 자동적으로 선택되는 것이다.
또한, 도플러식 초음파 유량계는 초음파 트랜지스듀서로부터 피측정 유체내에 입사되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정하는 입사각 조절 설정수단을 추가로 구비하고, 상기 입사각 조절 설정수단은 유체배관의 관벽에 대하여 초음파 펄스가 공명적 투과현상을 발생시키는 입사각도가 되도록, 초음파 트랜스듀서를 유체 배관에 조절 설정 가능하게 설치하고, 주파수 선택 설정수단과 입사각 조절 설정수단을 조합시킨 것이다.
한편, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계는 상술한 과제를 해결하기 위해, 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 펄스를 유체배관내를 흐르는 피측정 유체에 입사시키는 초음파 송신수단과, 피측정 유체에 입사된 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정영역에서 반사된 초음파 에코를 수신하고, 상기 측정영역에서의 피측정 유체의 유속분포를 측정하는 유체속도분포 측정수단과, 상기 피측정 유체의 유속분포에 기초하여, 피측정 유체의 유량을 산출하는 유체유량 연산수단과, 초음파 트랜스듀서로부터 피측정 유체내에 입사되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절설정하는 입사각 조절 설정수단을 구비하고, 상기 입사각 조절 설정수단은 유체배관의 관벽에 대해서 초음파 펄스가 공명적 투과현상을 발생시키는 입사각도가 되도록, 초음파 트랜스듀서를 유체배관에 조절 설정 가능하게 설치한 것이다.
또한, 입사각 조절수단은 유체배관에 외측으로부터 설치된 초음파 트랜스튜서와, 상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정 가능한 입사각 변환기구와, 미리 지정된 입사각 영역의 범위내에서 상기 입사각 변환기구를 동작시키는 입사각 영역 설정수단과, 상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정영역에서 반사되는 초음파 에코를 수신하여 초음파 에코의 강도를 추출하고, 기억하는 반사파 강도 추출수단을 구비하고, 상기 입사각 조절 설정수단은 초음파 펄스 입사각도의 추출선정 조작이 반복하여 실시되어 최적인 초음파 펄스 입사각도를 자동적으로 선택하도록 해도 좋다. 또한, 초음파 트랜스듀서는 유체배관의 외측에 부착각도가 조절 자유롭게 설치되고, 상기 초음파 트랜스듀서의 부착각도를 입사각 변환기구에 의해 선택함으로써 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계는 상술한 과제를 해결하기 위해, 유체배관에 설치된 제 1 초음파와 트랜스듀서와, 상기 초음파 트랜스듀서로부터 유체배관의 축방향으로 이간하여 설치된 제 2 초음파 트랜스듀서와, 제 1 초음파 트랜스듀서를 제 2 초음파 트랜스듀서에 상대적으로 진퇴시키는 초음파 트랜스듀서 이동기구를 구비하고, 상기 두 초음파 트랜스듀서는 발진되는 초음파 펄스가 유체 배관내의 측정영역에서 직교하도록 설치하고, 상기 제 1 및 제 2 초음파 트랜스듀서로부터 발진된 초음파 펄스의 유체 배관내의 측정영역으로부터 반사파인 초음파 에코를 각각 수신하는 반사파 레시버와, 각 반사파 레시버에서 수신된 초음파에코 강도로부터 초음파 측정선 방향의 속도 벡터를 각각 산출하는 속도벡터 산출수단과, 각 속도벡터 산출수단에서 산출된 속도벡터의 벡터합으로부터 피측정 유체의 유속벡터를 산출하는 유속벡터 산출수단을 추가로 구비하고, 유속벡터 산출수단에서 산출되는 유체배관내의 측정선 방향의 유속분포로부터 피측정 유체의 유유량을 산출하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계에서는 초음파의 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 발진주파수를 자동적으로 선택 설정하는 주파수 선택 설정수단을 설치하거나, 또한 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 최적 각도로 선택 설정하는 입사각 조절설정수단을 설치한 것으로, 유체배관의 벽두께에 대해 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 최적 주파수나 최적 입사각도로 자동적으로 설정할 수 있고, 각종 유체배관마다 최적인 초음파 트랜스듀서를 설치할 필요가 없고 높은 범용성을 가지며, 유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 유량을 간단하고 용이하게, 또한 정확하게 정밀도 좋게 비접촉 상태로 계측할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계에서는 초음파의 도플러 시프트를 이용하여 피측정 유체의 유량을 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있고, 광학적 유량 측정수단으로는 측정할 수 없는 불투명 또는 반투명의 유체이어도, 또한 유체배관내에서 선회류나 와류, 평행이 아닌 흐름이 발생하고 있는 유체이어도 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 또는 다른 구성 및 특징은 이하, 첨부도면을 참조하여설명하는 실시형태의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 실시형태에 대해서 첨부도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 1 실시형태를 도시한 도면이다. 도플러식 초음파 유량계(10)는 유체배관(11)내를 흐르는 액체나 기체 등의 피측정 유체(12)의 유속분포를 측정하고, 유량을 시간의존으로 순간에 측정하는 것이다.
도플러식 초음파 유량계(10)는 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 유속을 비접촉으로 측정하는 초음파 속도분포 계측유닛(이하, UVP유닛이라 한다)(13)을 구비한다. UVP 유닛(13)은 피측정 유체(12)에 측정선(ML)을 따라 소요 주파수(기본주파수 f0)의 초음파 펄스를 송신시키는 초음파 송신수단(15)과, 피측정 유체(12)에 입사된 초음파 펄스의 측정영역으로부터의 반사파인 초음파 에코를 수신하고, 측정영역에서의 피측정 유체(12)의 유속분포를 측정하는 유체속도분포 측정수단(16)과, 피측정 유체(12)의 유속분포에 기초하여 연산처리하여 반경방향의 적분을 실시하고, 피측정 유체(12)의 유량을 시간의존으로 구하는 유체유량 연산수단으로서의 마이크로 컴퓨터, CPU, MPU 등의 컴퓨터(17)와, 상기 컴퓨터(17)로부터의 출력을 시계열적으로 표시 가능한 표시장치(18)와, 유체배관(11)을 흐르는 피측정 유체(12)의 최적 주파수의 초음파를 자동적으로 선정하는 주파수 선택 설정수단(19)을 갖는다.
초음파 송신수단(15)은 소요 주파수의 초음파 펄스를 발진시키는 초음파 트랜스듀서(20)와, 상기 초음파 트랜스듀서(20)를 발진시키는 신호 발생기로서의 발진용 앰프(21)를 갖는다. 발진용 앰프(21)는 소요의 기본 주파수(f0)의 전기신호를발생시키는 발진기(오실레이터)(23)와, 상기 발진기(23)로부터의 전기신호를 소정의 시간간격(1/Frpf)마다 펄스형상으로 출력하는 에미터(24)(주파수Frpf)를 구비하고, 상기 신호 발생기인 발진용 앰프(21)로부터 소요의 기본 주파수(f0)의 펄스전기신호가 초음파 트랜스듀서(20)에 입력된다.
초음파 트랜스듀서(20)는 펄스전기신호의 인가에 의해 기본 주파수(f0)의 초음파 펄스가 측정선(ML)을 따라서 발신된다. 초음파 펄스는 예를 들어 펄스폭 5㎜ 정도로 확장을 거의 갖지 않는 직진성의 빔이다.
초음파 트랜스듀서(20)는 송수신기를 겸하고 있고, 초음파 트랜스듀서(20)는 발신된 초음파 펄스가 유체중의 반사체에 닿아 반사되는 초음파 에코를 수신하도록 이루어져 있다. 반사체는 피측정 유체(12) 중에 한결같이 포함되는 기포이거나, 금속의 미분말 등의 입자이거나, 또는 피측정 유체(12)와는 음향 임피던스가 다른 이물질이다.
초음파 트랜스듀서(20)에 수신된 초음파 에코는 반사파 레시버(27)에서 수신되고, 상기 반사파 레시버(27)에서 에코 전기신호로 변환된다. 상기 에코 전기신호는 증폭기(28)에서 증폭된 후, A/D 변환기(29)를 통하여 디지털 처리되고, 상기 디지털 에코 신호가 유체속도분포 측정수단을 구성하는 유속분포 계측회로(30)에 입력된다. 유속분포 계측회로(30)에는 발진용 앰프(21)로부터의 기본 주파수(f0)의 전기신호가 디지털화되어 입력되고, 두 신호의 주파수차로부터 도플러 시프트에 기초하는 유속의 변화를 계측하며, 측정선(ML)을 따른 특정영역의 유속분포를 산출하고 있다. 측정영역의 유속분포를 경사각α로 교정함으로써 유체배관(11)의 횡단면에서의 유속분포를 계측할 수 있다.
한편, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 기본 주파수(f0)는 유체배관(11)의 벽두께에 대해서, 공명적 투과현상을 발생시키도록 주파수 선택 설정수단(19)에서 최적치가 선택된다. 초음파의 금속벽 투과특성은 유체배관(11)의 벽두께가 초음파의 기본 주파수(f0)의 1/2 또는 그 정수배일 때, 매우 높은 것을 알았다.
이에 기초하여 상기 도플러식 초음파 유량계(10)에는 유체배관(11)의 관벽의 두께를 변화시키지 않고 각종 유체배관(11)에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키는 소요의 기본 주파수(f0)를 자유롭고 자동적으로 선택할 수 있는 주파수 선택 설정수단(19)이 조립되어 있다.
상기 주파수 선택 설정수단(19)은 초음파 트랜스듀서로부터 필요한 발진 주파수(기본 주파수(f0))를 가지는 초음파를 발진시키는 발진용 앰프(21)와, 상기 발진용 앰프(21)의 발진 주파수를 가변 가능하게 조절 설정하는 발진 주파수 가변장치(31)와, 상기 발진 주파수 가변장치(31)에 미리 지정된 범위 내, 예를 들어 200㎑~4㎒의 주파수 영역내에서 발진 주파수 가변장치(31)를 동작시키는 기본주파수영역 설정수단(32)과, 상기 유체배관(11) 내의 측정영역으로부터 반사되는 초음파 에코를 수신하는 초음파 수신수단으로서의 반사파 레시버(27)와, 수신된 초음파 에코 신호를 증폭기(28)에서 증폭한 후, 초음파 에코신호의 강도를 추출하고 기억시키는메모리를 구비한 반사파 강도 추출수단(33)과, 상기 반사파 강도 추출수단(33)에서 추출되고, 기억된 반사강도(초음파 에코 강도)가 표시되는 반사파 강도 표시기능을 구비한 표시장치(18)를 구비한다.
그러나, 주파수 선택 설정수단(19)은 발진용 앰프(21)에 의해 초음파 트랜스듀서(20)에 진동을 가하여, 초음파 펄스를 발진시키지만, 발진용 앰프(21)의 발진 주파수(f0)는 발진 주파수 가변장치(31)의 출력신호에 기초하여 결정된다. 발진 주파수 가변장치(31)는 기본 주파수 영역 설정수단(32)으로 미리 설정된 주파수 영역내에서 발진용 앰프(21)의 발진 주파수를 가변 자유롭게 설정하고 있다.
주파수 선택 설정수단(19)은 반사파 강도 추출수단(33) 및 발진 주파수 가변장치(31) 등의 협동작용에 의해, 초음파의 발진 주파수의 추출 선택 조작이 반복하여 실시되고, 유체배관(11)의 벽 두께에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 최적 주파수가 자동적으로 선택되고 설정된다.
초음파의 최적 주파수가 선택되어 설정되면, 발진 주파수 가변장치(31)로부터의 출력신호에 의해, 발진용 앰프(21)의 발진 주파수가 결정되고, 상기 발진용 앰프(21)에 의해 초음파 트랜스듀서(20)에 진동을 가하여, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 최적 주파수인 소요의 기본 주파수(f0)의 초음파 펄스가 유체배관(11)내에 발신된다.
초음파 트랜스듀서(20)로부터 최적 주파수의 초음파 펄스가 발신되므로, 충분한 반사파 S/N비를 확보할 수 있고, 반사파인 초음파 에코의 신호를 크게 취할수 있다. 초음파 에코 신호를 크게 취하기 위해서는, 유체배관(11)의 벽두께(측정선(ML)방향의 벽두께)에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 기본주파수(f0)를 선택하는 것이 중요하다.
유체배관(11)의 벽두께가 초음파 반파장의 정수배가 되면, 공명효과에 의해 유체 배관(11)의 계면에서의 초음파 투과율이 현저하게 증가되고, 초음파 투과율의 증대의 결과, 피측정 유체(12)의 반사체로부터의 반사파인 초음파 에코신호가 증대된다.
따라서, 주파수 선택 설정수단(19)에 의해, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 발진 주파수가 유체배관(11)의 벽두께에 대하여 최적인 기본 주파수(f0)가 선택되면, 초음파 경로(측정선(ML)방향의 주행로)중에서의 감쇄가 작아지고, 또한, 유체배관(11)의 계면에서의 초음파 투과율이 증가되므로 충분한 반사파 강도를 얻을 수 있다.
또한, 도 1에서 부호 "35"는 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파를 유체배관(11)내에 매끄럽게 발진시킬 수 있도록 한 접촉매체이다. 접촉매체(35)는 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되어 유체배관(11)내에 입사되는 음향 임피던스를 작게 하여 음향 스위칭을 양호하게 하기 위해 설치된다.
또한, 제 1 실시형태에서는 초음파 펄스의 반사파인 초음파 에코를 반사파 레시버(27)에서 받도록 했지만, 반드시 반사파 레시버(27)를 단독으로 설치할 필요가 없고, 반사파 레시버는 초음파 트랜스듀서(20)의 수신기능에 내장시켜도 좋다.
다음에, 도 2(도 2의 (A), (B), (C))를 참조하여 도플러식 초음파 유량계(10)의 동작원리를 설명한다.
도 2의 (A)에 도시한 바와 같이 초음파 트랜스듀서(20)를 유체배관(11)의 방사방향에 대해서 각도 α만큼 피측정 유체의 흐름방향으로 기울어져 설치된 상태에서, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 소요의 기본 주파수(f0)의 초음파 펄스를 입사시키면, 상기 초음파 펄스는 측정선(ML)상의 피측정 유체(12)에 한결같이 분포하는 기포나 이물질 등의 반사체에 닿아 반사되고, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이 반사파인 초음파 에코(a)가 되어 초음파 트랜스듀서(20)로 돌아간다. 또한, 도 2의 (B)에서 부호 "b"는 초음파 펄스 입사측의 관벽에서 반사되는 다중반사에코이고, 부호 "c"는 반대측 관벽에서 반사되는 다중반사에코이다. 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발신되는 초음파 펄스의 발신간격은 1/Frpf이다.
그리고, 초음파 트랜스듀서(20)에서 발신한 에코신호를 필터링 처리하고, 도플러 시프트법을 이용하여 측정선(ML)을 따라서 유속분포를 계측하면, 도 2의 (C)와 같이 표시된다. 이 유속분포는 UVP 유닛(13)의 유체속도분포 측정수단(16)으로 측정할 수 있다.
도플러 시프트법은 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)중에 초음파 펄스를 방사하면, 피측정 유체(12) 중에 혼재 또는 한결같은 분포의 반사체에 의해 반사되고 초음파 에코가 되어, 상기 초음파 에코의 주파수가 유속에 비례한 크기만큼 주파수 시프트하는 원리를 적용한 것이다.
또한, 초음파 유체 속도분포 측정수단(16)에서 측정된 피측정 유체(12)의 유속분포신호는 유체유량 연산수단으로서의 컴퓨터(17)에 보내어지고, 여기에서 유속분포신호를 유체배관(11)의 반경방향으로 적분하고, 피측정 유체(12)의 유량을 시간의뢰하여 구할 수 있다. 상기 피측정 유체(12)의 시간(t)에서의 유량을 m(t)으로 하면, 다음식으로 나타낼 수 있다.
단, p: 피측정 유량의 밀도
v(x·t): 시간 t에서의 속도성분(x방향)
상기 수학식 1에서 유체배관(11)을 흐르는 시간(t)의 유량 m(t)은 수학식 2로 바꾸어 쓸 수 있다.
단, vx(r·θ·t): 시간 t에서의 배관횡단면상의 중심으로부터 거리 r, 각도 θ의 관축방향의 속도성분
수학식 2에서, 도플러식 초음파 유량계(10)는 피측정 유체(2)의 흐름의 공간분포를 순간, 예를 들어 50msec~100msec정도의 응답속도로 얻을 수 있다. 피측정 유체(12)는 유체배관(원형관)(11)내의 흐름이어도, 충분한 조주(助走)구간을 취하지 않는 경우나, 밸브의 개폐나 펌프의 기동·정지 등에서 시간적인 흔들림이 존재하는 경우에는 유체의 흐름은 비정상 상태에서 삼차원 분포를 가지고 있지만, 상기 도플러식 초음파 유량계(10)는 측정영역의 유속분포를 시간 의존으로 순식간에 구할 수 있으므로, 피측정 유체(12)의 유량을 정상상태, 비정상 상태 여하를 불문하고, 정확하게 정밀도 좋게 구할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계(10)를 사용하여 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파의 투과특성의 확인시험을 실시했다.
도 3은 초음파의 벽면투과특성을 나타내는 실험결과이다.
상기 시험에 사용한 도플러식 초음파 유량계(10)는 주파수 선택 설정수단(19)에 의해 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파의 기본 주파수를 200㎑로부터 수 ㎒, 예를 들어 2㎒까지 5㎑ 단위로 자동적으로 조절 설정할 수 있도록 한 것을 사용했다.
초음파의 벽면투과시험은 250㎜φ의 아크릴 배관의 일부에 스텐레스강을 메워 넣고, 상기 스텐레스강 벽의 외부에 초음파 트랜스듀서(20)를 설치하여 초음파를 입사하고, 아크릴배관 대향측벽면으로부터의 초음파의 반사강도를 기본 주파수를 변화시키겨 조사한 것이다. 기본 주파수를 5㎑ 단위로 변화시켰을 때의 반사파의 투과강도곡선 "h", "i", "j"를 나타낸다.
초음파의 벽면투과시험에서는 스텐레스강의 벽두께가 9.5㎜, 11.5㎜, 13㎜의 3종류를 준비했다. 도 3은 벽 두께 9.5㎜의 스텐레스강에 의한 초음파의 벽면투과시험예를 나타낸다. 횡축이 초음파의 기본 주파수(f0)이고, 종축은 대향벽으로부터의 초음파의 반사강도이다. 사용한 3종류의 초음파 트랜스듀서의 특성 주파수는 0.25㎒, 0.5㎒ 및 1㎒이고, 그 투과강도곡선은 부호 "h", "i", "j"로 각각 나타낸다.
한편, 도 3에서 화살표 l, m, n은 초음파의 발진주파수파장과 스텐레스강의 벽두께의 관계를 도시한 것으로, 초음파 파장이 낮은 쪽부터 스텐레스강의 벽두께의 1/2배, 1배 및 3/2배의 주파수 위치를 나타낸다.
도 3에서 예를 들어 1㎒의 초음파 트랜스듀서를 사용하는 경우, 스텐레스강 배관의 벽두께에 맞추어 약 910㎑로 기본주파수를 설정하여 유량계측을 실시하면 초음파의 투과특성이 양호한 것을 알 수 있다. 주파수의 투과강도곡선(j)은 화살표 n의 위치에서 반사파의 투과강도가 높은 것을 알 수 있다.
다음에, 도 3에 도시한 초음파의 투과특성에 기초하여, 벽두께 9.5㎜의 탄소강(내부직경 150㎜)의 유체배관을 준비하고, 초음파 트랜스듀서(20)의 특성 주파수 1㎒의 것을 사용하고, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 기본 주파수(f0)를 910㎑에 주파수 선택 설정수단(19)에 의해 선택 설정하고 피측정 유체의 유속분포를 측정했다.
상기 측정시험에서 얻어진 피측정 유체의 시간평균유속 분포결과를 도 4에 나타낸다. 피측정 유체의 유속분포의 계측점은 60㎜~150㎜에서 실시했다. 탄소강의 유체배관의 관중심부보다 앞쪽(0㎜~60㎜의 범위)에서는 벽내부에서의 초음파의 반사를 위해, 충분한 유속분포를 얻는 것이 곤란했지만, 관중심부보다 앞쪽의 측정영역에서는 피측정 유체(12)의 유속분포에 벽면의 영향이 나타나지 않고, 비교적 매끄러운 평균유속분포곡선(O)이 얻어졌다.
상기 평균유속분포곡선(O)으로부터, 평균유속분포를 유체배관(11)내에서 적분함으로써, 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 유량을 정밀도 좋게, 피접촉 상태에서 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 2 실시형태를 도시한 도면이다.
상기 실시형태에서 나타난 도플러식 초음파 유량계(10A)는 유체배관(11)내에 입사되는 초음파 펄스의 최적 주파수를 선정하는 대신, 반사파의 S/N비를 향상시키는 방법으로서, 유체배관(11)의 벽 두께를 변화시켜 공명적 투과현상을 발생시키도록 해도 좋다.
그러나, 유체배관(11)의 두께를 변화시키는 것은 실제적으로는 불가능하고, 유체배관(11)의 두께를 변화시키는 것과 등가의 수단을, 초음파 트랜스듀서(20)의 부착각도를 변화시킴으로써 가져온 것이다.
제 2 실시형태는 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도(α)를 입사각 조절설정수단(40)으로 조절설정하고, 유체배관(11)의 벽두께에 적합한 초음파의 입사각도를 자동적으로 선정한 것이다. 제 1 실시형태에 나타난 도플러식 초음파 유량계(10)와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 5에 도시한 도플러식 초음파 유량계(10A)는 주파수 선정 설정수단(19) 대신 입사각 조절설정수단(40)을 설치한 것이다.
입사각 조절설정수단(40)은 유체배관(11)에 외측으로부터 부착 각도가 조절 자유롭게 설치된 초음파 트랜스듀서(20)와, 상기 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도(α)를 조절설정 가능한 입사각 변환기구(41)와, 미리 지정된 입사각 영역의 범위내에, 예를 들어 입사각도α가 5도~45도의 각도 영역폭의 범위내에서 변화 가능하게 입사각 변환기구(41)를 동작시키는 입사각 영역설정수단(43)과, 상기 유체배관(11) 내의 측정영역으로부터 반사되는 초음파 에코를 수신하여 초음파 에코의 강도를 추출하고, 기억하는 반사파 강도 추출수단(44)을 구비하고, 반사파 강도 추출수단(44)에서 추출되고, 기억된 초음파 에코강도는 반사파 강도 표시기능을 구비한 표시장치(18)로 표시되도록 이루어져 있다.
상기 입사각 조절 설정수단(40)은 입사각 변환기구(41)가 초음파의 입사각도 α를 약 5도~45도의 범위에서 변화시키도록 한 기구이고, 상기 입사각 변환기구(41)로부터 출력되는 출력신호에 의해, 초음파 트랜스듀서(20)의 부착각도가 최적치가 되도록 자동적으로 조절 설정된다. 초음파 트랜스듀서(20)의 부착각도는 입사각 변환기구(41)로부터 출력되는 출력신호에 의해 예를 들어 스테핑 모터(46) 등의 부착각 변경 조정기구를 구동시켜, 초음파 트랜스듀서(20)의 부착각도를 변경 자유롭게 조절 설정하고 있다.
초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파의 입사각도α는 유체배관(11)의 관표면의 수직선 또는 수직면 사이에 형성되는 각도이다. 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도는 유체배관(11)의 벽두께에 대해 공명적 투과현상을 발생시키도록 최적인 각도가 입사각 조절 설정수단(4)으로 설정된다.
입사각 조절 설정수단(40)은 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 입사각 변환기구(41)로부터의 출력신호에 의해 약 5도~45도 정도의 입사각의 각도 범위내에서 변화시켜 반사파 강도 추출수단(44)에 의해 반사파 강도를 추출하고 기억시킨다. 반사파 강도 추출수단(44)에서 기억된 반사파 강도는 표시장치(18)에 의해 표시되는 한편, 초음파 펄스의 입사각도의 추출선택조작이 입사각 조절 설정수단(40)에서 반복하여 실시되어 초음파 펄스의 최적인 입사각도가 자동적으로 선택되어 선정된다.
입사각 조절 설정수단(40)에 의해 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 최적 각도로 조절 설정함으로써 유체배관(11)의 벽두께를 물리적으로 변화시킨 것과 등가가 되고, 초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파 펄스에 의해 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 유속분포 및 유량을 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
초음파 트랜스듀서(20)로부터 발진되는 초음파의 입사각도(진입각도)를 변화시키면, 물질내의 전반거리, 즉 유체배관(11)내의 초음파 전반거리가 변화된다. 초음파 전반거리를 초음파 반파장의 정수배에 맞춤으로써, 유체배관(11)의 벽두께에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키고, 충분한 반사파 S/N비를 확보할 수 있고, 반사파인 초음파 에코의 강도를 확보할 수 있다. 따라서, 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체의 유속분포나 유량을 비접촉으로 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
또한, 도플러식 초음파 유량계의 각 실시형태에서는 주파수 선택 설정수단(19)과 입사각 조절 설정수단(40)을 각각 구비한 예를 나타냈지만, 1대의 도플러식 초음파 유량계에 주파수 선택 설정수단(19)과 입사각 조절 설정수단(40)을 조합하여 구비하도록 해도 좋다. 두 설정수단(19과 40)을 조합하여 구비하면, 도플러식 초음파 유량계에서 최적 주파수 및 최적 입사각도를 자동적으로 선택하고 설정하는 것이 용이해진다.
도 1 내지 도 4에 도시한 도플러식 초음파 유량계(10, 10A)는 초음파 펄스와 초음파 에코의 도플러 시프트를 이용한 유속분포의 선 측정법으로 피측정 유체의 유량을 측정하는 것으로부터, 측정정밀도를 향상시키기 위해서는 측정선(ML)의 수, 더 나아가서는 초음파 트랜스듀서(23)의 설치대수를 증가시킬 필요가 있다. 실제로는 N개의 초음파 트랜스듀서(20)를 배관(11)의 둘레방향에 소요되는 간격을 두고 설치하고, 측정선(ML)은 관벽으로의 수선에 대하여 각도 α기울어지게 하고, 모든 측정선(ML)이 배관(11)의 축선을 통과하도록 세트해도 좋다.
그래서, 배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 흐름이, 관축방향의 흐름에서 반경방향이나 각도 θ의 흐름(vr, vθ)를 무시할 수 있다고 하면, vx＞＞vr, Vx＞＞vθ가 되고, 유량계측은 간소화되어 수학식 3으로 나타난다.
이와 같이 구해진 피측정 유체(12)의 유량은 표시장치(18)에 의해 시간의존으로 순식간에 표시할 수 있다. 상기 표시장치(18)에는 피측정 유체(12)의 유체배관(11)내의 측정선(ML)을 따른 유속분포 또는 배관횡단면에서의 유속분포를 표시할 수도 있다.
도 6에서 도 8은 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계의 제 3 실시형태를 도시한 것이다.
상기 실시형태에 나타난 도플러식 초음파 유량계(10B)는 도 6에 도시한 바와 같이, 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 초음파 입사각도(진입각도)방향의 속도성분(V2)을 도플러 주파수에 의해 산출하고, 상기 산출된 도플러 주파수로부터 측정선(ML)을 따른 유속분포를 선측정법으로 구하고, 피측정 유체(12)의 유량을 산출하고 있다.
상기 도플러식 초음파 유량계(10B)에서는 초음파 경로방향(측정선(ML))을 따른 속도 벡터(V2)를, 도플러 주파수로부터 산출하고, 속도벡터(V2)를 sinα로 나눔으로써, 유체배관(11)의 축방향을 따른 속도벡터(V1)를 산출하고 있다.
상기 도플러식 초음파 유량계(10B)에서는 피측정 유체(12)의 흐름이 유체배관(11)에 평행하지 않은 경우, 유체배관(11)내에 선회류나 흐름이 유체배관(11)내에서 평행이 아닌 흐름이 발생하고 있으면, 올바른 유속을 산출할 수 없다. 예를 들어, 도 7에 도시한 바와 같이 속도벡터(V3)를 갖는 기포가 존재하는 경우, 상기 속도벡터(V3)는 피측정 유체(12)의 속도 벡터(V1)와 동일한 방향의 속도벡터(V2)를 공유하므로, 외관상 피측정 유체(12)의 기포의 속도는 큰 유체배관(11)의 축방향 속도로 잘못하여 산출한다.
상기 외관상의 속도산출유량을 해소하기 위해, 도플러식 초음파 유량계(10B)는, 2개의 초음파 트랜스듀서(20, 20a)를 구비하여, 유체배관(11)에 부착한다. 한쪽의 초음파 트랜스듀서(20)는 다른쪽 초음파 트랜스듀서(20a)를 직교하도록 설치하고, 두 초음파 트랜스듀서(20와 20a)에서 쌍방의 속도벡터(V2, V4)를 각각 구하고, 상기 속도벡터(V2, V4)의 벡터합을 산출함으로써 피측정 유체(12)의 유속이나 기포의 유속을 올바르게 구하여 얻도록 한 것이다.
상기 도플러식 초음파 유량계(10B)는 피측정 유체(12)의 유속을 올바르게 측정하기 위해, 한쪽의 초음파 트랜스듀서(20)에 대하여 다른쪽 초음파 트랜스듀서(20a)를 유체배관(11)상에서 가동할 수 있는 구조로 한다.
이 때문에, 도플러식 초음파 유량계(10B)는 다른쪽 트랜스듀서(20a)를 한쪽의 초음파 트랜스듀서(20)에 대해서 상대적으로 진퇴시키는 초음파 트랜스듀서 이동기구(46)를 구비하고, 도 8에 도시한 신호처리블럭도와 같이 구성된다.
도 8에 도시된 도플러식 초음파 유량계(10B)에서는 두 초음파 트랜스듀서(20, 20a)로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사방향이 유체배관(11)내에서 서로 직교하도록 배치된다. 즉, 도플러식 초음파 유량계(10B)는 두 초음파 트랜스듀서(20, 20a)로부터 발진되는 초음파 펄스가 유체배관(11)내의 측정영역에서 직교하도록 설치된다.
상기 도플러식 초음파 유량계(10B)는, 두 초음파 트랜스듀서(20, 20a)로부터 발진된 초음파 펄스의 유체배관(11)내의 측정영역으로부터 반사파인 초음파 에코를 각각 수신하는 반사파 레시버(27, 27a)와, 각 반사파 레시버(27, 27a)에서 수신된초음파 에코강도로부터 초음파 측정선 방향의 속도벡터를 각각 산출하는 속도벡터 산출수단(47, 47a)과, 각 속도벡터 산출수단(47, 47a)에서 산출된 속도벡터의 벡터합으로부터 피측정 유체의 유속벡터를 산출하는 유속벡터 산출수단(48)을 구비하고, 유속벡터 산출수단(48)에서 산출되는 유체배관(11)내의 측정선 방향(ML)의 유속분포로부터 피측정 유체(12)의 유량을 산출하도록 한 것이다.
그리고, 두 초음파 트랜스듀서(20, 20a)로부터 발진된 초음파 펄스의 유체배관(11)내의 측정영역으로부터 반사되는 반사파의 초음파 에코는 각 반사파 레시버(27, 27a)에서 각각 수신된다. 각 반사파 레시버(27, 27a)에서 수신된 초음파 에코의 강도신호는 속도벡터 산출수단(47, 47a)에 의해 측정선(ML)방향(경로방향)의 속도벡터로 변환된다. 얻어진 경로방향의 속도벡터의 벡터합을 유속벡터 산출수단(48)에 의해 산출하고, 피측정 유체(12) 유속이 올바른 속도벡터를 산출한다.
상기 속도벡터 산출수단(47, 47a) 및 유속벡터 산출수단(48)에 의해 유속분포 계측회로(30)를 구성하거나, 유체배관(11)내를 흐르는 피측정 유체(12)의 유속분포가 경로방향(측정선)(ML)을 따라서 측정되고, 상기 유속분포를 초음파의 경로방향으로 적분하는 연산을 함으로써 피측정 유체(12)의 유량을 구할 수 있다.
유속분포 계측회로(30)의 유속벡터 산출수단(48)인 위치의 유속을 산출한 후, 초음파 트랜스듀서(20 또는 20a)를 초음파 트랜스듀서 이동기구(46)에서 유체배관(11)상을 이동시킴으로써, 다음 위치에서의 데이터를 채취한다. 초음파 트랜스듀서 이동기구(46)에서 초음파 트랜스듀서(20, 20a)를 차례차례 이동조작시킴으로써 초음파 펄스의 경로방향에 전체에 걸쳐서 피측정 유체(12)의 유속분포를 구하고, 그 유량을 연산에 의해 정확하게 구할 수 있다.
본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계에서는 유체배관의 벽두께에 대해서 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 최적 주파수나 최적 입사각도로 자동적으로 설정할 수 있고, 각종 유체배관마다 최적인 초음파 트랜스듀서를 설치할 필요가 없고, 높은 범용성을 갖고 유체배관내를 흐르는 피측정 유체의 유량을 간단하고 용이하게, 또한 정확하게 정밀도 좋게 비접촉 상태에서 계측할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 도플러식 초음파 유량계에서는 초음파의 도플러 시프트를 이용하여 피측정 유체의 유량을 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있고, 광학적 유량측정수단으로는 측정할 수 없는 불투명 또는 반투명의 유체이어도, 또한 유체배관내에서 선회류나 와류, 평행이 아닌 흐름이 발생하고 있는 유체이어도 정확하게 정밀도 좋게 측정할 수 있어 산업상의 이용가능성이 큰 것이다.

Claims (8)

  1. 초음파의 도플러 시프트를 이용하는 유량계에 있어서,
    초음파 펄스를 발진하는 초음파 트랜스듀서를 구비하고, 상기 초음파 트랜스듀서로부터의 초음파 펄스를 유체배관내에 흐르는 피측정 유체에 입사시키는 초음파 송신수단과,
    피측정 유체에 입사된 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정 영역에서 반사된 초음파 에코를 수신하고, 상기 측정영역에서의 피측정 유체의 유속분포를 측정하는 유속분포 측정수단과,
    상기 피측정 유체의 유속분포에 기초하여 피측정 유체의 유량을 산출하는 유체 유량 연산수단과,
    상기 유체배관의 관벽에 대해서 초음파 트랜스듀서로부터 공명적 투과현상을 발생시키는 초음파의 기본 주파수를 자동적으로 선택하는 주파수 선택 설정수단을 포함하고,
    상기 주파수 선택 설정수단은 선택된 최적 주파수의 초음파를 초음파 트랜스듀서로부터 발진시키도록 상기 초음파 송신수단을 작동제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진 주파수 선택설정수단은 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파펄스의 발진 주파수를 자동적으로 조절 설정하고, 초음파 반파장의 정수배가 유체배관의 벽두께가 되도록 초음파 펄스의 발진 주파수가 선택되는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진 주파수 선택 설정수단은 초음파 트랜스듀서로부터 필요한 발진주파수를 가지는 초음파를 발진시키는 발진용 앰프,
    상기 발진용 앰프의 발진 주파수를 가변 가능하게 조절 설정하는 발진 주파수 가변장치,
    미리 지정된 주파수 영역내에서 발진 주파수 가변 장치를 동작시키는 주파수 영역 설정수단,
    상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진된 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정영역에서 반사되는 초음파 에코를 수신하는 초음파 수신수단, 및
    수신된 초음파 에코의 강도를 추출하고 기억시키는 반사파 강도 추출수단을 포함하고,
    상기 발진 주파수 선택설정수단은 발진 주파수의 추출선정조작을 반복하여 실시하고, 초음파의 최적 주파수를 자동적으로 선택할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도플러식 초음파 유량계는 상기 초음파 트랜스듀서로부터 피측정 유체내에 입사되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정하는 입사각 조절 설정수단을 추가로 구비하고,
    상기 입사각 조절 설정수단은 유체배관의 관벽에 대해서 초음파 펄스가 공명적 투과현상을 발생시키는 입사각도가 되도록 초음파 트랜스듀서를 유체배관에 조절 설정 가능하게 설치하고,
    상기 주파수 선택설정수단과 입사각 조절 설정수단을 조합시키는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  5. 초음파의 도플러 시프트를 이용하는 유량계에 있어서,
    초음파 펄스를 발진하는 초음파 트랜스듀서를 구비하고, 상기 초음파 트랜스듀서로부터의 초음파 펄스를 유체배관내에 흐르는 피측정 유체에 입사시키는 초음파 송신수단,
    피측정 유체에 입사된 초음파 펄스 중, 유체배관내의 측정영역에서 반사된 초음파 에코를 수신하고, 상기 측정영역에서의 피측정 유체의 유속분포를 측정하는 유체속도분포 측정수단,
    상기 피측정 유체의 유속분포에 기초하여, 피측정 유체의 유량을 산출하는 유체유량 연산수단, 및
    상기 초음파 트랜스듀서로부터 피측정 유체내에 입사되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정하는 입사각 조절 설정수단을 포함하고,
    상기 입사각 조절 설정수단은 유체배관의 관벽에 대하여 초음파 펄스가 공명적 투과현상을 발생시키는 입사각도가 되도록 초음파 트랜스듀서를 유체배관에 조절 설정 가능하게 설치하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 입사각 조절수단은 유체배관에 외측으로부터 설치된 초음파 트랜스듀서와,
    상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정 가능한 입사각 변환기구와,
    미리 지정된 입사각 영역의 범위내에서 상기 입사각 변환기구를 동작시키는 입사각 영역 설정수단과,
    상기 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스 중, 유체배관 내의 측정영역으로부터 반사되는 초음파 에코를 수신하여 초음파 에코의 강도를 추출하고 기억하는 반사파 강도 추출수단을 구비하고,
    상기 입사각 조절 설정수단은 초음파 펄스 입사각도의 추출선정조작을 반복하여 실시하여, 최적인 초음파 펄스 입사각도를 자동적으로 선택하도록 하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 유체배관의 외측에 부착각도가 조절 자유롭게 설치되고, 상기 초음파 트랜스듀서의 부착각도를 입사각 변환기구에 의해 선택함으로써, 초음파 트랜스듀서로부터 발진되는 초음파 펄스의 입사각도를 조절 설정하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
  8. 초음파의 도플러 시프트를 이용하는 유량계에 있어서,
    ⓐ유체배관에 설치된 제 1 초음파 트랜스듀서,
    ⓑ상기 초음파 트랜스듀서로부터 유체배관의 축방향으로 이간하여 설치된 제 2 초음파 트랜스듀서, 및
    ⓒ제 1 초음파 트랜스듀서를 제 2 초음파 트랜스듀서에 상대적으로 진퇴시키는 초음파 트랜스듀서 이동기구를 포함하고,
    상기 두 초음파 트랜스듀서는 발진되는 초음파 펄스가 유체배관내의 측정영역에서 직교하도록 설치되고,
    또한 상기 두 초음파 트랜스듀서는
    ①상기 제 1 및 제 2 초음파 트랜스듀서로부터 발진된 초음파 펄스의 유체 배관내의 측정영역으로부터 반사파인 초음파 에코를 각각 수신하는 반사파 레시버,
    ②각 반사파 레시버에서 수신된 초음파 에코 강도로부터 초음파 측정선 방향의 속도 벡터를 각각 산출하는 속도 벡터 산출수단, 및
    ③각 속도 벡터 산출수단에서 산출된 속도 벡터의 벡터합으로부터 피측정 유체의 속도벡터를 산출하는 유속벡터 산출수단을 추가로 구비하고,
    유속벡터 산출수단에서 산출되는 유체배관내의 측정방향의 유속분포로부터피측정 유체의 유량을 산출하도록 하는 것을 특징으로 하는 도플러식 초음파 유량계.
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