KR20040096936A - 영점타겟을 가진 초음파 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영점타겟을 가진 초음파 측정장치에 관한 것으로, 일반적으로 초음파 센서에서 발사된 초음파가 피측정물의 표면에 부딪힌 후 반사되어 온 반사파의 수신되는 시간차를 거리로 환산, 측정하는 수위계, 액면계, 용량계 등의 초음파 측정계기는 피측정물 경계면과 초음파 센서간의 거리가 멀어질수록, 또는 초음파 센서와 피측정물 사이에 존재하는 가스나 공기의 매질 변화가 많으면 초음파의 진행속도나 난반사에 따른 오차가 커진다.

본 발명은 초음파 센서에서 사전에 인지된 거리에 정확히 발사된 초음파를 반사할 수 있는 영점타겟을 설치함으로써 초음파 센서와 측정하고자 하는 피측정물 표면 사이에 존재하는 공기나 가스의 매질, 온도, 습도가 수시로 변해도 영점타겟에서 반사되는 시간값을 기준으로 초음파의 음속을 결정하고 피측정물에서 반사되어 오는 시간을 측정하여 거리로 환산함으로써 측정오차를 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

영점타겟을 가진 초음파 측정장치{The ultrasonic instrument with zero target}

본 발명은 초음파를 이용하여 측정하는 수위계, 액면계, 용량계 등의 초음파 측정계기에 영점타겟을 설치함으로써 수위의 변화나 초음파 센서와 피측정물 사이에 존재하는 공기나 가스의 매질, 온도, 압력변화에 따른 초음파 진행속도의 변화를 영점타겟에서 사전 측정하여 비례 환산함으로써 초음파 측정계기의 측정오차를 최소화 하는데 그 목적이 있다.

초음파를 사용하는 기술은 40∼200kHz의 높은 주파수의 음파를 발사하여 물체에 부딪히게 한 후 되돌아 온 반사파를 수신하는 원리를 이용한 것으로 실생활에 다양하게 사용되고 있다.

의료용으로는 반사파의 파형을 그림으로 나타내어 인체의 구조나 태아의 상태, 병의 원인 등을 파악하고 있으며, 생활용으로는 초음파의 음파를 이용하여 식기세척기 등에 사용하고 있으며, 공업용으로는 발사된 초음파가 반사되어 되돌아 온 시간을 거리로 환산하여 하천의 수위계, 탱크내의 액면계, 가스탱크의 용적계 등에 사용하고 있다.

본 발명은 영점타겟을 가진 초음파 측정장치에 관한 것으로써, 특히 공업용으로 사용되는 하천의 수위계, 탱크내의 액면계, 가스탱크의 용적계 등에 적용되는것이다.

초음파는 음속으로 파장이 진행되고 반사면에 부딪힌 후 같은 속도로 되돌아오기 때문에 초음파 발사 후 반사되어 되돌아 온 반사파의 수신되는 시간에 음속을 곱한 후 2로 나누면 거리로 환산되지만, 음속은 온도, 매질, 압력 등에 따라 차이가 나게 된다.

공기중의 음속은 0℃일때 331.5m/s 이나 다른 기체 및 가스가 섞여 있을 경우 그에 따라 음속은 변하게 되는데, 예를 들어 염소(Cl₂)는 206m/s, 산소(O₂)는 316m/s, 메탄(CH₄)은 430m/s 등 큰 차이가 있고 또한 이들 기체가 100% 단일 기체일 경우 정확한 측정값을 얻을 수 있지만 기체가 혼합되어 있으면 현장에서 정확히 측정한 값을 기준값으로 하여야만 더욱 정확한 값을 얻을 수 있다.

종래의 기술은 이러한 문제점을 해소하기 위하여 일반적인 환경(상온, 무풍상태)에서 공장에서 출하시에 기본값을 선정한 후 출하한 후에 매질인 기체 및 가스가 혼합된 경우 사전에 혼합비율을 별도로 계산한 후 음속을 설정하고, 자체에 내장된 온도계를 이용하여 온도변화에 따라 자동으로 음속보정을 하고 있어서 하천의 수위계 등 비교적 온도나 매질 변화가 적은 곳에서의 사용은 유용하지만 가스탱크 등과 같이 압력이나 온도변화에 따른 매질변화가 심한 곳은 측정오차가 커진다.

또한, 일부 종래의 기술에서는 초음파 측정기를 설치한 후 사전에 측정하고자 하는 피측정물과의 거리를 정확히 산정한 후에 초음파를 발사할 때 주파수를 고정시키고 반사파가 초음파를 검지했을 때의 주파수를 reset을 시키면 반사파가 되돌아오기까지의 시간을 폭으로 하는 펄스가 만들어지게 되므로 물체에 따라서 기준 펄스를 조정해주고 결과로 얻어낸 초음파의 왕복시간을 폭으로 하는 펄스에 대하여 기준펄스를 계수하면 cm 단위의 거리를 알아낼 수 있도록 되어 있으며, 이러한 기술은 고정된 반사면을 가진 물체를 지속적으로 검지하거나 매질의 변화가 적은 곳에서 유용하며 온도나 압력, 매질변화가 심한 곳에서는 역시 측정오차가 커지는 단점이 있다.

따라서, 상기의 종래 기술은 하천의 수위레벨 측정과 같은 비교적 온도 및 압력변화가 적고 매질의 변동이 적은 곳에서만이 사용이 가능하며, 가스나 기름탱크 등과 같이 온도, 압력 및 매질변화가 심한 곳의 액면계나 용적계 등에 사용하는 것은 측정 오차 범위가 커 신뢰성이 떨어지므로 계측기로 사용하기에는 어려운 점이 있다.

본 발명은 초음파 센서부 하단쪽 사전에 인지된 거리(30㎝∼100cm범위내)에 영점타겟을 두고 탱크내의 온도, 압력 및 매질에 동일한 변화가 일어났을 때 영점타겟에서 반사되는 초음파의 수신시간을 거리로 환산하여 정확한 동일계내에서 정확한 음속을 계산하여 기준 음속으로 계수한 뒤 측정물의 경계면에서 반사되어 오는 반사파의 수신시간을 기준 음속과 곱하여 거리로 환산함으로써 어떠한 온도, 압력 및 매질의 변화에도 자동적으로 변화되어 오차범위를 최소화시키는 영점타겟을 가진 초음파 측정장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치 구성도이다.

도2는 본 발명에 따른 영점타겟 구조도이다.

도3은 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치 작동 개요도이다.

도4는 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치와 기존기술과의 실험자료를 도출한 예시도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ***

10. 초음파계측기 11. 연결케이블

20. 방폭헤더 21. 헤더연결 니플

22. 헤더연결 나사 23. 후렌지

24. 탱크용 후렌지 25. 팩킹

26. 볼트 27. 초음파센서 연결통

28. 센서 보호구 연결통 29. 센서 보호구

30. 탱크 31. 센서연결용 니플

32. 초음파 센서 33. 홀

40. 영점타겟 41. 나사형 밴드

42. 외부지지대 43. 원형태

44. 내부지지대

본 발명에 의한 영점타겟을 가진 초음파 측정장치는 초음파 센서(32) 하부에 수직으로 30cm∼100cm 거리에 영점타겟(40)을 두고 초음파 센서(32)에서 발사된 40∼100kHz의 초음파가 영점타겟(40)에서 반사된 반사파를 초음파센서(32)에서 감지한 1차 수신파의 감지시간을 저장하여 음속을 계측한 후 피측정물의 표면에서 반사되어온 2차 수신파를 감지한 후 감지시간에 사전에 계측된 음속을 곱하여 수위에 대한 높이 정보를 획득하는 것이다.

여기서 영점타겟(40)의 크기는 측정하고자 하는 피측정물의 거리에 따라 다소 변화가 필요하지만 실험결과로 볼때 영점타겟(40)은 2cm∼5cm 범위내에 두고 설치위치도 초음파센서(32)에서 30cm∼100㎝ 범위내에 두는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 영점타겟(40)을 가진 초음파 측정장치를 가스탱크나 압력용기 등에 사용할 때는 설치시에 외부와 밀폐되어야 하며 영점타겟(40)은 피측정물과 같은 온도나 압력, 매질 등에 노출되도록 탱크(30)내부에 설치되어야 한다.

이하 본 발명의 구성 및 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

[실시예1]

도1은 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치 구성도이다.

도1을 참조하면 초음파 발진부, 연산부, 전원부, 표시부 등이 내장된 초음파 계측기(10)와의 연결케이블(11)을 안전하게 연결할 수 있는 방폭헤더(20)는 외부로 노출되어 있고 탱크(30)와 연결하기 위한 후렌지(23) 상부에 용접된 헤더 연결나사(22) 및 헤더 연결니플(21)에 의해 내부의 부속물과 기밀성을 유지하며 연결된다.

한편, 탱크(30)와 연결되는 후렌지(23)는 탱크(30)에 부착된 탱크용 후렌지(24)와의 사이에 기밀을 유지하기 위하여 팩킹(25)을 넣은 후 볼트(26)로 체결된다.

후렌지(23) 하부에는 2중통이 용접되는데 내통은 초음파 센서 연결통(27)으로 하부에 나사가 있어서 초음파 센서(32)를 연결하는데 사용되어지며 초음파 센서(32) 연결은 센서연결용 니플(31)에 의해서 연결된다.

외통은 센서 보호구 연결통(28)으로 통 외부 전체가 나사로 되어 있어 센서 보호구(29)를 쉽게 조립할 수 있도록 되어 있다.

센서 보호구(29)에는 초음파 센서(32)가 탱크내의 온도나 압력, 기체매질의 변화를 쉽게 감지할 수 있도록 외부에 많은 홀(33)이 뚫려 있으며 하부에는 영점타겟(40)을 연결할 수 있도록 나사형태로 제작되어 있다.

영점타겟(40)이나 초음파 센서(32)는 탱크내에서 높이조절이 가능하도록 연결부위가 나사형태로 되어 있지만 나사형태가 특허범위에 포함되지는 않는다.

[실시예2]

도2는 본 발명에 따른 영점타겟의 구성도이다.

도2를 참조하면 영점타겟(40)은 나사형 밴드(41) 및 4개의 외부지지대(42)에 의하여 수평을 유지하고 있으며 외부의 원형태(43) 및 내부지지대(44) 에 의해서 고정되어 있다.

영점타겟(40) 자체는 2㎝∼5cm 크기이고 두께는 2mm∼5mm 두께로 제작되는 것이 바람직하며 초음파 센서부(32)와의 거리는 나사형 밴드(41)의 조임상태에 따라 상하로 움직여서 조정할 수 있다.

[실시예3]

도3은 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치의 작동 개요도이다.

초음파 측정장치를 가동한 후 설정을 누르면 초음파가 발사되고 영점타겟(40)에서 반사된 반사파를 먼저 수신한 후 1차 검지시간을 저장하여 탱크내의 온도나 압력 및 매질 변화에 맞는 음속을 계산해 낸 후 피측정물에 반사되어 오는 반사파를 수신한 후 2차 검지시간과 비례한 시간에 설정된 음속과의 곱으로 피측정물 표면의 높이 정보를 획득한 후에 사전에 입력된 연산식을 이용하여 수위, 액면레벨을 표시하거나 용량, 용적으로 표시해 주도록 구성되어 있다.

[실시예4]

도4는 본 발명에 따른 영점타겟을 가진 초음파 측정장치와 기존 기술과의 실험자료를 도출한 예시도이다.

도4a는 영점타겟을 가진 초음파 측정장치의 실험자료로써, 송신된 송신파가 예시된 거리에 설치된 영점타겟에서 반사되어 온 1차 반사파에 의해 수신되는 시간은 현재 피측정물을 담은 용기내의 압력, 온도 및 매질 변화에 따른 음속이 반영된 결과이므로 피측정물에서 반사된 2차 반사파도 같은 속도로 반사되는 것이므로 1차 반사파와 2차 반사파의 수신시간을 비율로 거리를 환산, 언제든지 실시간 측정이 오차없이 시행될 수 있음을 알 수 있다.

도4b는 송신파가 송신된 후 피측정물에서 반사되는 시간을 측정한 값에 각종 센서가 측정한 온도 및 압력을 사전에 보정한 보정표에 의해 기준음속을 보정한 값과 곱하여 거리를 환산하므로 온도나 압력 변화에 따른 매질의 변화폭은 무시한 체 거리가 환산되어 오차가 커질 수밖에 없다.

한편, 실시예1 내지 실시예4에서 예시된 고주파의 주파수나 영점타겟(40)의 크기, 영점타겟(40)과 초음파 센서(32)와의 거리는 피측정물의 물질조성에 따라 변경될 수 도 있다.

본 발명은 초음파를 이용하여 피측정물의 레벨을 측정하는 데 있어서, 초음파 센서와 피측정물 사이에 존재하는 기체나 가스 등의 매질 및 온도, 압력변화에 따른 초음파 진행 변화를 실시간 측정하여 보정하는 것이 어려워 많은 측정오차를 일으키는 현재의 측정방법을 개선하기 위하여 초음파 센서 하부에 사전에 거리가 인지된 영점타겟(40)을 설치하여 실시간으로 음속을 먼저 측정하고 동일한 상태에서 피측정물에서 반사되어오는 반사파의 도달시간에 사전에 측정된 음속을 곱하여 피측정물 표면의 높이를 산정함으로써 오차범위가 적은 초음파 측정장치를 제공하는데 그 효과가 있다.

Claims (2)

1. 초음파를 이용한 수위계, 용적계, 액면계 등의 피측정물 높이 정보를 기본으로 레벨, 용적, 용량 등을 나타내는 초음파 측정장치에 있어서,

   상기 측정장치의 초음파 센서 하단에 영점타겟을 가진 초음파 측정장치
2. 상기 영점타겟을 가진 초음파 측정장치에 있어서,

   영점타겟 설치방법이 밴드나사에 지지대가 부착된 영점타겟과,

   밴드나사를 돌려서 영점타겟 높이를 조정할 수 있는 구조를 가진 영점타겟을 가진 초음파 측정장치