KR20100001900A - 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 유량계에 관한 것으로서, 곡관부(엘보우)와 같이 유속을 정확하게 측정하기 어려운 부분에서 측정 오차를 최소화하기 위하여, 반사 경로를 이용하되 상기 각 반사 경로들이 이중 경로(2 path) 또는 사중 경로(4 path)를 이루도록 하고, 센서 설치 시 지지대를 측정관에 수직으로 형성하고 진동자의 각도를 조절하여 초음파 빔의 발사 또는 수신 각도를 조절하는 방식을 사용함으로써, 유량계의 제작을 용이하게 하고 설치 비용을 절감시키며 정확한 센서 설치를 가능하게 하여 유량계의 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

초음파 유량계{ULTRASONIC FLOW METER}

본 발명은 초음파 유량계에 관한 것으로서, 특히 초음파유량계의 측정관에 구비되는 센서의 배열을 반사 경로를 갖도록 함으로써, 곡관부에서도 오차를 감소시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 초음파 유량계는 초음파를 이용하여 유속을 측정하고 그로부터 유량을 계산하는 계측장치로서, 현재 가스 유동이나 액체 유동의 경우에 폭 넓게 응용되고 있는 유량계측장치이다.

이러한 초음파 유량계는 설치비용이 저렴하고, 유체흐름에 따른 가동부위가 없어 마모되는 부품이 없어 수명이 길며, 유체 흐름에 장애가 되는 부분이 없으므로 유체 수송의 압력 손실을 야기하지 않으며, 또한 모든 유체(기체, 액체)의 유량을 측정할 수 있고, 특히 대구경 관에 대해서도 저렴한 비용으로 제작 및 설치가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 측정관의 직관길이가 짧아 충분한 직관거리가 확보되지 않는 경우, 예를 들어 밸브나 곡관등이 설치된 부근에서는 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 여러 개의 센서를 사용하는 다회선 초음파유량계가 사용되고 있는데, 다회선 초음파유량계는 일반적으로는 유량계수를 사용하지 않으면서 2 ~ 5개(그 이상도 가능함)의 측정회선에서 측정한 회선별 유속을 이용하여 유속분포 곡선을 재생하고, 이를 측정 단면에 대해 이중 적분하여 현장별 실제 유속분포를 정확히 재생하여 유량을 측정함으로써, 배관의 요구조건이 거의 필요 없는 초음파 유량계측장치로 알려져 있다.

그러나, 이러한 다회선 초음파 유량계는 직접경로(Direct)방식으로 설치될 수 밖에 없음으로 인해, 편류에 따른 오차를 유발시키고 있어 다회선 초음파 유량계의 장점을 구현하지 못하고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 다회선 초음파유량계의 측정관을 도시한 도면들로서, 다양한 형태의 측정관을 보여주고 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 다회선초음파유량계에 포함되는 측정관의 구성에 대해 개략적으로 설명하면, 단관(11)에 중계박스(14) 및 복수개의 센서(15)가 미리 정해진 각 위치에 장착된 구성으로 되어 있으며, 기본적으로 측정관(10)은 관 본체가 되는 단관(11), 관 연결을 위한 플랜지(12), 센서(15)가 장착되는 새들(13)이 일체화되어 있고, 각 새들(13)에 센서(15)가 장착되는 구성으로 되어 있다.

보다 상세하게는, 측정관(10)은 관 연결을 위한 플랜지(12)가 단관(11)의 양단에 용접되어 일체형으로 형성되고, 특히 센서(15)가 장착되는 단관 외주면의 각 위치에 새들(13)이 설치된 구조로 되어 있는 바, 각 센서(15)는 해당 새들(13)의 내경부에 삽입되는 동시에 나사 체결되어 고정 장착된다.

이때, 단관(11)에 설치되는 복수개의 새들(13) 중에서도 단관을 중심으로 반대편의 상호 대응된 위치에 설치되는 한 쌍의 새들은 그 축선방향(센서의 축선방향 또는 새들의 길이방향)이 일직선 상태가 되도록 단관 외주면상의 소정 위치 및 각도로 설치된다.

여기서, 다회선 초음파유량계의 측정관(10)은 각 제조사에 따라 센서의 위치가 및 측정관의 형상이 모두 다르다.

도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 다회선 초음파유량계의 측정관을 도시한 개략도들이다.

도 2는 센서 4조를 유속 방향과 경사진 제 1 방향에 대해서만 배열하는 구조이고, 도 3은 제 1 센서 3조는 제 1 방향 제 2 센서 2조는 제 2 방향에 대해서 배열한 구조를 나타낸 것이다. 이와 같이 센서를 직접경로(Direct)로 배열하는 것은 유체의 흐름이 일정하지 않은 경우, 특히 엘보우와 연결되는 부분에서 유체가 한쪽으로 치우쳐 흐르게 되는 경우 평균 유속에 오차가 발생하는데, 이를 감소시키기 위한 것이다.

도 4는 엘보우와 연결되는 부분의 측정관을 도시한 개략도이다.

도 4를 참조하면, 이상적인 유속 방향(a)과 실제 유속 방향(b) 사이에 오차 각(θ)이 발생하는 것을 알 수 있다. 이때, 미국 표준연구원(NIST)의 실험자료에 따르면 오차 각(θ) 1° 당 실제 유속의 약 4%에 해당하는 오차가 발생하는 것으로 측정이 되었다.

상기와 같은 오차를 감소시키기 위하여 상기 도 3에서와 같이 센서를 서로 엇갈린 X자 형태로 설치하고 있으나 이로 인해 측정회선수가 1/2로 감소되어 그 효과가 센서 수에 비례하게 나타나지 못하고 있으며, 오차 감소 효과가 적은 문제가 있다.

본 발명은 다회선 센서를 직접 경로(Direct)로 설치하지 않고, 반사 경로(Reflect)로 설치하되, 이중 경로 내지 사중 경로를 갖도록 하여, 실제로 4중 내지 8중 경로의 효과가 구현될 수 있도록 하며, 곡관부에서도 정확도가 유지되는 초음파 유량계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

아울러, 상기 반사 경로를 갖는 측정관의 센서를 측정관의 측벽 수직한 형태로 형성하고 센서의 진동자 부분을 경사지게 구비하여, 초음파가 발생하는 각도가 측정관에 평행한 면에 대하여 10 ~ 80°의 각도를 갖도록 하는 초음파 유량계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 초음파 유량계는 유량을 측정하는 측정관과, 상기 측정관의 측벽에 고정되는 초음파 센서와, 관 연결을 위해서 상기 측정관의 양측에 구비되는 초음파 전달시간차 방식 유량계에 있어서, 상기 측정관의 일측벽에 제 1 센서가 구비되고, 상기 제 1 센서에서 발사되는 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 상기 측정관의 측벽에 반사체가 구비되고, 상기 반사체 의해서 반사되는 상기 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 상기 측정관의 측벽에 제 2 센서가 구비되어 상기 제 1 센서, 상기 반사체 및 상기 제 2 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용하거나, 상기 제 2 센서, 상기 반사체 및 상기 제 1 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용하는 것 을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제 1 센서, 상기 반사체 및 상기 제 2 센서가 각각 2 ~ 4개씩 구비되어 형성되는 이중경로 내지 사중경로를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 초음파 빔은 상기 측정관의 측벽과 10 ~ 80°를 이루도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서가 각각 센서의 몸체가 되는 지지대 및 상기 측정관의 내측에 구비되는 진동자로 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서의 상기 지지대는 상기 측정관에 수직하게 구비되고, 상기 진동자의 각도를 조절하여 상기 초음파 빔이 발사되는 각도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초음파 유량계는 반사 경로를 이용하고, 이중 경로(2 path) 설치시 실제적인 4중 경로효과와 사중 경로(4 path) 설치시 8중 경로 효과가 구현되기 때문에 곡관부와 같이 정확한 유량측정이 어려운 부분에서도 측정 오차를 최소화할 수 있다. 또한, 센서 설치 시 지지대를 측정관에 수직으로 형성하고 진동자의 각도를 조절하여 초음파 빔의 발사 또는 수신 각도를 조절하는 방식을 사용함으로써, 유량계의 제작을 용이하게 하고 설치 비용을 절감시키며 정확한 센서 설치를 가능하게 하여 유량계의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면 본 발명에 따른 초음파 유량계에 대하여 상세하게 설명하는 것으로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

먼저, 본 발명에서는 반사(Reflect) 경로를 갖도록 센서를 설치한다.

도 5는 본 발명에 따른 초음파 유량계를 도시한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 유량을 측정하는 측정관(110)과, 측정관(110)의 측벽에 고정되는 초음파 센서(150, 170) 및 반사체(Reflector, 160)가 구비된다.

다음으로, 관 연결을 위해서 측정관(110)의 양측에는 플랜지(120)가 구비된다. 이때, 본 발명에 따른 초음파 유량계(100)는 상기 배경 기술에서 설명한 중계박스 및 새들과 같은 일반적인 장비를 포함하고 있으며 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되지 않는다.

그 다음으로, 본 발명에 따른 초음파 유량계(100)에는 측정관(110)의 일측벽에 제 1 센서(150)가 구비되고, 제 1 센서(150)에서 발사되는 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 측정관(110)의 측벽에 반사체(160)가 구비되고, 반사체(160)에 의해서 반사되는 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 측정관(110)의 측벽에 제 2 센서(170)가 구비된다. 이때, 제 1 센서(150), 반사체(160) 및 제 2 센서(170)는 2 ~ 4개가 구비되어 이중 경로 내지 사중 경로를 갖도록 한다.

각 경로는 하기 도 9에서 보는 바와 같이 초음파 빔의 반사 및 수신이 수평을 이루도록 한다. 이와 같이 초음파 센서를 배열함으로써, 본 발명은 제 1 센서, 반사체 및 제 2 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용하거나, 상기 제 2 센서, 상기 반사체 및 상기 제 1 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용한다.

도 6은 본 발명에 따른 초음파 유량계의 센서 및 초음파 경로를 도시한 개략도이다.

도 6은 평면도 상에서 볼 수 있는 반사 경로를 나타낸 것으로, 제 1 센서(150), 반사체(160) 및 제 2 센서(170) 순으로 삼각형 형태로 초음파 빔 경로가 설정된다. 이때, 제 1 센서(150) 및 반사체(160) 사이의 거리와 반사체(160) 및 제 2 센서(170) 사이의 거리를 동일하게 유지하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 초음파 유량계가 적용된 곡관부를 도시한 개략도이다.

도 7에서 보는 바와 같이 곡관부와 인접한 영역에서는 이상적인 유로(a)를 벗어나 비스듬하게 흐르는 실제 유로(b)가 형성된다. 이때, 본 발명에 따른 초음파 유량계는 제 1 센서(150), 반사체(160) 및 제 2 센서(170) 순으로 형성되는 반사 경로를 이용함으로써, 정확도가 높게 나타난다. 최초 제 1 센서(150)에서 반사체(160)로 발사되는 초음파 빔은 실제 유로(b)에 대하여 음(-)의 방향 효과를 가지 게 되고, 반사체(160)에서 제 2 센서(170)로 반사되는 초음파 빔은 양(+)의 방향 효과를 가지게 되어 오차를 보상한다. 즉, θ₁의 -오차가 θ₂의 +오차와 상쇄되어 오차요인이 제거되는 것이다.

도 8a 및 도 8b 본 발명에 따른 초음파의 전달 시간차를 나타낸 개략도이다.

도 8a는 직접 경로를 사용하는 경우의 전달시간차(Δt)를 나타내는 것으로 다음과 같이 구해진다.

Δt= t1 - t2

여기서, 예를 들어 t1이 11이고 t2가 9라면 전달시간차(Δt)는 Δt = 11 - 9 = 2 가 된다.

도 8b는 반사 경로를 사용하는 경우의 전달시간차(Δt)를 나타내는 것으로 다음과 같이 구해진다.

반사 경로는 상기 도 8a에서 나타나는 시간의 2배가 되므로 전달시간차(Δt)는 Δt = 22 - 18 = 4 가 된다. 이때, 실제 유속에는 변화가 없고, 유속을 측정하는 거리가 증가한 것이므로 Δt의 증가는 유량측정 시간의 증가를 뜻한다. 따라서, 유량계의 분해능이 2배로 증가된다는 것을 알 수 있고, 2배 더 정확한 계측이 가능하다는 것을 알 수 있다.

여기서, 유량을 Q 라고 하고, 측정관의 단면적을 A라 하고, 유속을 V라고 할 때, 유량을 구하는 공식인

유량(Q) = A(단면적) x V(유속)

을 이용하면, 상기 공식에서 유속(V)은 초음파의 전달속도의 차와 비례하여 더 정밀하게 구해질 수 있으므로 유량도 더 정밀하게 측정되는 것이다.

아울러, 본 발명은 이중 경로 또는 사중 경로를 사용하는데, 이중 경로를 사용할 경우 4회선의 효과가 있고, 사중경로를 사용하는 경우 8회선의 효과가 있어, 종래의 5회선이 실제적으로 2.5회선의 효과밖에 없는 것에 비하면 성능 및 효율성에서 훨씬 진보된 것임을 알 수 있다.

엘보우 후단과 같이 직관부가 충분히 확보되지 못하는 경우에 유체의 흐름은 편류, 와류, 소용돌이효과 등에 의해 유량측정 정확도가 감소된다.

종래 기술에 따른 경우 초음파 유량계는 1조의 초음파 센서가 측정관의 중심부만을 지나도록 설계되어 평균유속을 측정시 오차가 발생하게 되는데, 본 발명에 따른 초음파 유량계는 하기 도 9와 같이 여러 개의 센서를 사용하여 측정관 전체를 분할하여 측정할 수 있고, 평균 유속을 구하는데 정확도를 높일 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 초음파 유량계의 반사 경로를 나타낸 단면도이다.

도 9를 참조하면, 측정관(310)의 측벽에 제 1 센서(360), 반사체(350) 및 제 2 센서(370)가 일직선 상에 구비되어, 각 한 조의 센서에서 형성되는 반사 경로가 수평하게 형성되는 것을 알 수 있다. 이것은 상기 도 1a 및 도 1b와 비교할 때 매우 단순한 배열이 된다. 따라서, 초음파 유량계 설계를 용이하게 할 수 있는 장점이 된다.

도 10은 본 발명에 따른 초음파 유량계의 센서를 도시한 단면도이다.

도 10을 참조하면, 초음파 센서가 몸통이 되는 지지대(450)와 초음파 빔을 발생시키는 진동자(455)로 구비되는 것을 알 수 있다. 종래의 경우 초음파 빔을 발사하는 각도를 조절하기 위하여 지지대(450)를 기울여서 측정관(410)에 부착하였고, 이를 위해서 새들과 같은 장치가 필요하였다.

그러나, 본 발명에서와 같이 초음파 센서를 측정관(410)에 수직한 형태로 부착하는 경우 특별한 장치나 설계가 필요하지 않으므로 초음파 유량계 제작이 용이해지고 설치 비용이 절감될 수 있다. 이때, 초음파 빔을 발사하는 각도(α)는 10 ~ 80°가 되도록 하는 것이 바람직하며, 이는 진동자(455)의 각도를 조절하여 실현하는 것이 바람직하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 다회선 초음파유량계의 측정관을 도시한 도면들.

도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 다회선 초음파유량계의 측정관을 도시한 개략도들.

도 4는 엘보우와 연결되는 부분의 측정관을 도시한 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 초음파 유량계를 도시한 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 초음파 유량계의 센서 및 초음파 경로를 도시한 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 초음파 유량계가 적용된 곡관부를 도시한 개략도.

도 8a 및 도 8b 본 발명에 따른 초음파의 전달 시간차를 나타낸 개략도.

도 9는 본 발명에 따른 초음파 유량계의 반사 경로를 나타낸 단면도.

도 10은 본 발명에 따른 초음파 유량계의 센서를 도시한 단면도.

Claims (4)

1. 유량을 측정하는 측정관과, 상기 측정관의 측벽에 고정되는 초음파 센서와, 관 연결을 위해서 상기 측정관의 양측에 구비되는 초음파 전달시간차 방식 유량계에 있어서,

   상기 측정관의 일측벽에 제 1 센서가 구비되고, 상기 제 1 센서에서 발사되는 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 상기 측정관의 측벽에 반사체가 구비되고, 상기 반사체에 의해서 반사되는 상기 초음파 빔의 진행 방향에 위치한 상기 측정관의 측벽에 제 2 센서가 구비되어 상기 제 1 센서, 상기 반사체 및 상기 제 2 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용하거나, 상기 제 2 센서, 상기 반사체 및 상기 제 1 센서 순으로 형성되는 반사 경로를 이용하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 센서, 상기 반사체 및 상기 제 2 센서가 각각 2 ~ 4개씩 구비되어 형성되는 이중경로 내지 사중경로를 이용하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 초음파 빔은 상기 측정관의 측벽과 10 ~ 80°를 이루도록 하는 것을 특 징으로 하는 초음파 유량계.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는 각각 센서의 몸체가 되는 지지대 및 상기 측정관의 내측에 구비되는 진동자를 포함하며, 상기 지지대는 상기 측정관에 수직하게 구비되고, 상기 진동자의 각도를 조절하여 상기 초음파 빔이 발사되는 각도를 조절할 수 있게 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.

Images