KR20070022840A

KR20070022840A - 극저유량용 초음파 유량측정장치

Info

Publication number: KR20070022840A
Application number: KR1020070012709A
Authority: KR
Inventors: 신민철
Original assignee: 자인테크놀로지(주)
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2007-02-27

Abstract

극저유량용 초음파 유량측정장치가 개시된다. 본 발명에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치는 유량을 측정하고자 하는 관로 사이에 설치되는 측정 관로부(204)와, 상기 측정 관로부(204)의 일측에 매설되고 헤드 부분(206)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제1 초음파 트랜스듀서(208), 및 상기 측정 관로부(204)의 타측에 매설되고 헤드 부분(210)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제2 초음파 트랜스듀서(212);를 포함하고, 상기 측정 관로부(204)의 직경을 L이라 할 때 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)와 제2 초음파 트랜스듀서(212)의 직경은 L/4 내지 L/6 이며, 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)에서 출사된 초음파는 그 직진방향으로 반대편의 측정 관로부로 도달하여 제1 경로(PATH_1)를 형성하고 상기 제1 경로(PATH_1)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제1 경로(PATH_1)와 대칭인 제2 경로(PATH_2)를 형성하며 상기 제2 경로(PATH_2)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제2 경로(PATH_1)와 대칭인 제3 경로(PATH_3)를 형성하고 상기 제3 경로(PATH_3)에서 반사된 초음파는 제2 초음파 트랜스듀서(212)로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제3 경로(PATH_1)와 대칭인 제4 경로(PATH_4)를 형성하는 것을 특징으로 한다.본 발명에 따르면 종래의 전자유량계나 차압식 유량계가 감지할 수 없는 영역인 0.3m/sec이하의 저유속에서 정밀한 유량계측이 가능하도록 함으로써, 약품투입장치나 유체혼합장치등에서 정밀한 유량계측이 가능하다.

극저유량, 초음파, 유량계

Description

극저유량용 초음파 유량측정장치{Ultrasonic flow meter for ultra low flow rate}

도 1은 종래의 초음파 유량측정장치의 구조를 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치의 구조를 나타낸 단면도,

도 3a는 종래의 초음파 유량계에서 발생하는 시간차이를 설명하기 위한 도면,

도 3b는 에코 현상으로 인하여 시간차이를 측정하기 어렵게 되는 문제점을 설명하기 위한 도면, 및

도 3c는 본 발명에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치에서 에코 현상이 발생하지 않고 4 배 길이의 시간차가 나타나는 작용 효과를 설명하기 위한 도면.

본 발명은 유량측정장치에 관한 것으로 특히 극저유량용 초음파 유량측정장치에 관한 것이다.하수처리장, 정수장, 화학공장, 지자체 상수도사업소 등에서는 상대적으로 적은 유량의 유체를 측정하고 있고, 약품투입장치와 같은 곳에는 특히 극저유량의 유량을 제어할 필요가 있다.

종래에는 이러한 적은 양의 측정을 위해 전자식유량계(Magnetic Flowmeter)가 사용되어 왔으나, 전자식유량계는 0.3m/sec이하의 극저유량에 해당하는 유속에서 급격히 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있어, 실제로 유속이 낮은 현장에 가보면 유량측정을 못하여 "0"을 지시하고 있는 경우를 많이 보게 된다.또한, 측정하고자 하는 관로의 중간에 설치되는 초음파 방식의 유량측정장치는 통상 양단이 플랜지로 이루어지고 그 길이에는 많은 제한을 받게 된다.

따라서 종래의 초음파 유량계는 도 1과 같이 트랜스듀서(10, 12)가 마주보는 형태 또는 한번 반사시켜 수신하는 구조로 이루어져 있어, 시간차의 발생이 크지 않아 역시 저유속 유량의 측정에 같은 어려움을 가지고 있다. 따라서, 사용자들은 약품투입양을 조정하거나, 유체를 혼합하는 과정에 많은 어려움을 겪고 있다.

더욱이, 종래의 초음파 유량측정장치는 트랜스듀서의 헤드 부분이 측정하고자 하는 관로의 표면으로부터 돌출되어 설치되는데 이러한 돌출 부분에서 와류가 발생하고 이 와류로 인하여 일측 초음파 트랜스듀서에서 출사된 초음파가 타측 초음파 트랜스듀서에 도달할 때 간헐적으로 일측 초음파 트랜스듀서에서 출사된 초음파가 상기 일측 초음파 트랜스듀서로 되돌아 오는 현상이 발생하여 예컨데 타측 초음파 트랜스듀서에서 출사된 초음파인지 식별되지 않아 측정의 정밀도가 떨어지는 현상이 발생한다는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 측정하고자 하는 관로의 중간에 설 치되는 초음파 방식의 유량측정장치에서 종래의 전자유량계나 삽입식 유량계가 감지할 수 없는 영역인 0.3m/sec이하의 저유속에서 정밀한 유량계측이 가능하도록 함으로써, 약품투입장치나 유체혼합장치등에서 정밀한 유량계측이 가능한 극저유량용 초음파 유량측정장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치는,

유량을 측정하고자 하는 관로 사이에 설치되는 측정 관로부(204);

상기 측정 관로부(204)의 일측에 매설되고 헤드 부분(206)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제1 초음파 트랜스듀서(208); 및

상기 측정 관로부(204)의 타측에 매설되고 헤드 부분(210)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제2 초음파 트랜스듀서(212);를 포함하고,

상기 측정 관로부(204)의 직경을 L이라 할 때 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)와 제2 초음파 트랜스듀서(212)의 직경은 L/4 내지 L/6 이며, 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)에서 출사된 초음파는 그 직진방향으로 반대편의 측정 관로부로 도달하여 제1 경로(PATH_1)를 형성하고 상기 제1 경로(PATH_1)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제1 경로(PATH_1)와 대칭인 제2 경로(PATH_2)를 형성하며 상기 제2 경로(PATH_2)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제2 경로(PATH_1)와 대칭인 제3 경로(PATH_3)를 형성하고 상기 제3 경로(PATH_3)에서 반사된 초음파는 제2 초음파 트랜스듀서(212)로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제3 경로(PATH_1)와 대칭인 제4 경로(PATH_4)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치는,유량을 측정하고자 하는 관로 사이에 설치되며 양단은 플랜지(202) 또는 나사연결식 조음쇠(미도시)가 부설된 측정 관로부(204);상기 측정 관로부(204)의 일측에 매설되고 헤드 부분(206)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제1 초음파 트랜스듀서(208); 및 상기 측정 관로부(204)의 타측에 매설되고 헤드 부분(210)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제2 초음파 트랜스듀서(212);를 포함하고,

상기 측정 관로부(204)의 직경을 L이라 할 때 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)와 제2 초음파 트랜스듀서(212)의 직경은 L/4 내지 L/6 이며, 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)에서 출사된 초음파는 그 직진방향으로 반대편의 측정 관로부로 도달하여 제1 경로(PATH_1)를 형성하고 상기 제1 경로(PATH_1)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제1 경로(PATH_1)와 대칭인 제2 경로(PATH_2)를 형성하며 상기 제2 경로(PATH_2)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제2 경로(PATH_1)와 대칭인 제3 경로(PATH_3)를 형성하고 상기 제3 경로(PATH_3)에서 반사된 초음파는 제2 초음파 트랜스듀서(212)로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제3 경로(PATH_1)와 대 칭인 제4 경로(PATH_4)를 형성한다.

상기와 같은 초음파 유량측정장치의 작용 효과를 설명한다.

제1 초음파 트랜스듀서(208)에서 출사된 초음파는 제1 경로(PATH_1), 제1 경로(PATH_2), 제3 경로(PATH_3), 및 제4 경로(PATH_4)를 거쳐 제2 초음파 트랜스듀서(212)에 도달하게 된다. 이러한 경로의 길이의 합은 도 1을 참조하여 설명한 종래의 초음파 유량계에 비하여 4 배 정도가 된다. 경로의 길이가 늘어나면 당업자에 의하여 이해되어지는 바와 같이 초음파의 전달 시간 차이가 늘어나게 된다.

하지만, 초음파 트랜스듀서의 헤드가 돌출됨으로 인하여 발생되는 와류는 그다지 문제가 되지 않지만 0.3 m/sec 미만의 극저유량이면서 초음파의 이동 경로가 긴 경우에는 정밀도에 악영향을 끼친다.

따라서, 본 발명에 따르면 초음파 트랜스듀서(208, 212)의 헤드가 돌출됨으로 인하여 발생되는 와류를 제거하기 위하여 상기 측정 관로부(204)의 일측과 타측에 매설되는 초음파 트랜스듀서(208, 212)의 헤드 부분(206, 210)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된다. 즉, 본 발명의 극저유량용 초음파 유량 측정장치에서 상기 측정 관로부(204)의 일측에 매설되는 초음파 트랜스듀서(208, 212)의 헤드 부분(206)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리됨으로써 유체 흐름에 방해를 주지 않는다. 초음파 트랜스듀서(208, 212)의 끝부분을 관로, 즉, 파이프와 같은 면을 이루도록 가공하여 0.3 m/sec 미만의 극저유량에서 물의 흐름을 방해로 인한 측정 정확도 저하의 원인을 제거하였으며, 빔의 에코(Echo)현상으로 인한 측정상의 Mis-Resistration (잘못된 신호설정) 현상을 제거하여 신뢰도를 향상시킬 수 있다.이와 같이 헤드 부분(206, 210)이 절삭 처리된 초음파 트랜스듀서(208, 212) 부근에서는 와류의 발생이 현저하게 줄어들고 이로 인하여 초음파의 반사를 포함하는 비교적 거친 4 배 정도의 초음파 전달 경로를 거쳐도 극저유량에서 에코 현상이 없는 4 배 길이의 시간차가 발생하여 충분한 정밀도를 확보할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에서는 전자유량계와 같이 양단이 플랜지로 되어있지만, 초음파의 반사특성을 이용하여 전달시간을 늘려줌으로써 저유속에서도 큰 시간차가 나도록 하여 정밀한 유량측정이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 측정 관로부(204)의 직경을 L이라 할 때 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)와 제2 초음파 트랜스듀서(212)의 직경을 L/4 내지 L/6로 구성한다. 아래 표 1에는 측정 관로부의 직경에 대하여 초음파 트랜스듀서의 직경에 따른 육안적으로 시간차 발생에 의한 파형 판정 결과를 나타내었다.

트랜스듀서 직경	L/3	L/4	L/4.5	L/5	L/5.5	L/6	L/7
4 배 길이의 시간차 발생 여부	△	○	◎	◎	◎	○	△

여기서, △는 초음파 빔의 폭이 너무 넓어 서로 간섭을 일으키거나, 초음파 빔의 촉이 너무 좁아 측정이 불안한 경우를 나타내며, ○는 초음파 빔의 간섭은 별로 없으나, 측정이 불안정한 경우이고, ◎는 초음파 빔의 간섭이나 불안정한 신호없이 시간차가 매우 뚜렷하게 나타남을 나타낸 것이다.

상기 표 1을 참조하면, 초음파 트랜스듀서의 직경을 L/4를 초과하면 초음파의 확산으로 인하여 정밀도가 떨어지며, 초음파 트랜스듀서의 직경을 L/6 미만으로 구성하면 초음파의 확산은 줄어들지만 초음파 신호의 손실로 인해 역시 측정 정밀도가 떨어진다. 예컨대, 현장에서 약품투입용으로 많이 쓰이는 32mm 직경의 파이프인 경우, 파이프 직경의 1/4인 8mm의 트랜스듀서를 사용할 수 있다.

한편, 도 3a에는 종래의 초음파 유량계에서 발생하는 시간차이를 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 3a를 참조하면, 0.3 m/sec 미만의 극저유량에서 도 1에 나타낸 바와 같이 초음파 트랜스듀서를 구성하면 입사 초음파와 수신 초음파 사이의 시간차이가 매우 적어 시간차이를 측정하기가 어려운 상태가 발생한다.

또한, 에코 현상이 심한 경우에는 도 3b에 나타낸 바와 같이 시간차이를 측정하기 어렵게 되는 경우도 있다.

반면에, 도 3c에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 극저유량용 초음파 유량측정장치는 에코 현상이 발생하지 않고 4 배 길이의 시간차가 나타난다. 본 발명에 따르면, 초음파 진동자의 지름을 측정 관로부(204)의 직경 L에 대하여 L/4 내지 L/6으로 구성함으로써 초음파 빔의 확산을 방지하여 출사된 초음파가 4 경로를 거쳐 반사되는 경우라도 빔의 확산에 의하여 측정 정밀도가 떨어짐을 방지하면서 초음파 빔의 강도가 수신에 적합한 정도를 유지한다.즉, 본 발명에 따르면 종래의 전자유량계나 삽입식 유량계가 감지할 수 없는 영역인 0.3m/sec이하의 저유속에서 정밀한 유량계측이 가능하도록 함으로써, 약품투입장치나 유체혼합장치등에서 정밀한 유량계측이 가능한 극저유량용 초음파 측정 장치를 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 종래의 전자유량계나 삽입식 유량계가 감지할 수 없는 영역인 0.3m/sec이하의 저유속에서 정밀한 유량계측이 가능하도록 함으로써, 약품투입장치나 유체혼합장치등에서 정밀한 유량계측이 가능하다.

Claims

유량을 측정하고자 하는 관로 사이에 설치되는 측정 관로부(204);

상기 측정 관로부(204)의 일측에 매설되고 헤드 부분(206)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제1 초음파 트랜스듀서(208); 및

상기 측정 관로부(204)의 타측에 매설되고 헤드 부분(210)은 측정 관로부(204)의 내면을 따라 절삭 처리된 제2 초음파 트랜스듀서(212);를 포함하고,

상기 측정 관로부(204)의 직경을 L이라 할 때 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)와 제2 초음파 트랜스듀서(212)의 직경은 L/4 내지 L/6 이며, 상기 제1 초음파 트랜스듀서(208)에서 출사된 초음파는 그 직진방향으로 반대편의 측정 관로부로 도달하여 제1 경로(PATH_1)를 형성하고 상기 제1 경로(PATH_1)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제1 경로(PATH_1)와 대칭인 제2 경로(PATH_2)를 형성하며 상기 제2 경로(PATH_2)에서 반사된 초음파는 반대편의 측정 관로부로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제2 경로(PATH_1)와 대칭인 제3 경로(PATH_3)를 형성하고 상기 제3 경로(PATH_3)에서 반사된 초음파는 제2 초음파 트랜스듀서(212)로 도달하여 도달점에 대하여 상기 제3 경로(PATH_1)와 대칭인 제4 경로(PATH_4)를 형성하는 것을 특징으로 하는 극저유량용 초음파 유량측정장치.