KR20130042377A - 초음파를 이용한 표준유량 측정 시스템 - Google Patents

초음파를 이용한 표준유량 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 유류저장탱크의 유량측정장치에 있어서, 최소한의 오차로 온도조건과 무관하게 유류저장탱크의 표준유량을 측정하는 시스템에 관한 발명이다. 더욱 상세하게는 유류저장탱크 상단부에 설치된 초음파 진동자로부터 발사된 초음파가 유류면으로부터 반사되어 되돌아온 시간을 측정하는 초음파 측정기; 상기 유류저장탱크 내부에 장착되어 상기 유류저장용기 내부 온도를 측정하는 온도센서; 상기 초음파 측정기와 온도센서로부터 측정된 시간 및 온도 정보를 토대로 상기 유류저장탱크의 표준유량을 연산하는 연산장치; 상기 연산장치를 통해 연산된 표준유량을 디스플레이부에 표시하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템에 관한 발명이다.
본 발명에 따라 유류저장탱크의 유량을 측정하게 되면 외부 온도의 변화에 관계없이 유류의 재고량을 정확하게 파악할 수 있어서 정확한 유통 및 관리비용 절감이 가능하다.

Description

초음파를 이용한 표준유량 측정 시스템{STANDARD VOLUME MEASURING SYSTEM USING ULTRASONIC WAVE}
본 발명은 유류저장탱크의 유량 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파를 이용하여 측정된 유량을 15℃에서의 유량으로 보정하여 표준유량을 측정하는 시스템에 관한 것이다.
유류저장탱크의 액위의 측정은 막대식, 부유식, 초음파식 등 여러 방식으로 이루어지는데, 일반적으로 막대식, 부유식 측정방법이 주로 사용되고 있다.
막대식 측정방법이란 줄이나 자, 막대 등 간단한 측정기구를 이용하여 사람이 직접 액위을 측정하는 방법을 말하고, 부유식 측정방법이란 저장탱크 내에 장착된 부유물이 유류가 충전됨에 따라 부력에 의해 상승하는 원리를 이용하여 액위를 측정하는 방법을 말한다.
상기와 같은 물리적인 측정기구를 이용하여 액위를 측정하는 경우 저장탱크의 크기가 비교적 작은 경우에는 효율적이나, 정유소 등지에서 사용하는 부피가 큰 저장탱크에 있어서는 액위를 측정함에 있어서 애로사항이 있으며, 측정이 가능하다고 하더라도 오차가 매우 커 정확한 유류의 양을 측정하기 어렵다.
또한, 대용량의 유류저장탱크의 경우에는 작은 오차가 발생하여도 막대한 손실이 발생할 수 있으며, 유류의 잔류량을 정확히 측정하기 어려워 재고관리측면에서도 불리하다.
한편, 초음파를 이용하여 액위를 측정하는 기술은 20~100kHz의 높은 주파수의 음파를 발사하여 유류면에 부딪히게 한 후 되돌아온 반사파를 수신하여 되돌아오는데 걸린 시간을 통하여 액위를 측정하는 것이며, 구체적으로 초음파의 속력과 초음파가 유류면으로부터 반사되어 되돌아온 시간을 곱한 후, 이를 2로 나누어 액면까지의 거리를 계산하게 된다.
따라서 초음파에 의하여 거리를 정확하게 측정하기 위해서는 초음파의 속력이 일정하다는 것을 전제로 하게 되는데, 초음파의 속력은 온도에 의하여 변화할 뿐 아니라((초음파의 속력)= 331.5＋0.607×(섭씨 온도),단위:m/s) 매질에 따라서도 차이가 나게 되므로, 유류탱크와 같이 매질변화가 심한 곳에서는 측정오차가 커지게 된다. 예를 들어 공기중에서 초음파의 속력은 0℃ 기준으로 331.5m/s 이지만, 매질이 염소(Cl2)일 경우 206m/s, 산소(O2)일 경우 316m/s, 메탄(CH4)일 경우 430m/s 등 큰 차이가 있으며, 단일 기체가 아닌 혼합 기체의 경우 초음파의 속력을 알아내는 것이 더욱 어렵게 된다.
또한, 초음파에 의하여 거리를 정확히 측정한다고 하더라도 유류의 경우 온도에 따른 부피변화가 상당하다는 문제점이 있다. 도1은 15℃에서 50℃까지 온도 변화에 따른 휘발유, 등유, 경유의 상대적 부피 변화를 나타낸 것으로, 10℃ 온도가 증가할 때마다 휘발유는 0.11%, 등유는 0.1%, 경유는 0.09%의 부피 증가를 보인다. 따라서 초음파에 의하여 액위를 정확히 측정하였다고 하더라도 유류저장탱크 내의 유류 재고량을 정확하게 파악할 수 없다는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명이 이루려고 하는 기술적 과제는 초음파를 이용한 유류저장탱크의 유량 측정시스템에 있어서, 최소의 오차로 온도조건과 무관하게 유류저장탱크의 표준유량을 측정하는 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여, 유류저장탱크에 설치된 초음파 진동자로부터 발사된 초음파가 유류면으로부터 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 초음파 측정기; 상기 유류저장탱크 내부에 장착되어 상기 유류저장탱크의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 초음파 측정기와 온도센서로부터 측정된 시간 및 온도 정보를 토대로 상기 유류저장탱크의 표준유량을 연산하는 연산장치; 및 상기 연산장치를 통해 연산된 표준유량을 디스플레이부에 표시하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템을 제공한다.
또한, 초음파의 음속을 측정하기 위하여 상기 초음파 측정기의 수직 하부에 영점 타겟을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템이 제공된다. 또한 상기 온도센서는 유류저장탱크의 하단부에 고정되어 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템을 제공한다.
상기 유류저장탱크의 형상은 수직방향 원통, 수평방향 원통 또는 구형임을 특징으로 한다.
또한 상기 표준유량 측정시스템은 유류저장탱크의 형상에 따른 용량 산출 연산식, 유류의 온도변화에 따른 부피 증가율을 입력할 수 있는 입력장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
외부 온도의 변화에 관계없이 유류의 재고량을 정확하게 파악할 수 있어서 정확한 유통 및 관리비용 절감의 효과가 있다.
도1은 15℃에서 50℃ 사이에서 휘발유, 등유, 경유의 온도에 따른 부피 변화를 나타내는 그래프이다.
도2는 본 발명에 따른 표준유량 측정시스템이다.
도3는 초음파 측정기의 단면도이다.
도4는 수직방향 원통형 유류저장탱크이다.
도5는 수평방향 원통형 유류저장탱크이다.
도6은 구형 유류저장탱크이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 유류저장탱크 상단부에 설치된 초음파 진동자로부터 발사된 초음파가 유류면으로부터 반사되어 되돌아온 시간(제2소요시간)을 측정하는 초음파 측정기; 상기 유류저장탱크 내부에 장착되어 상기 유류저장탱크의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 초음파 측정기와 온도센서로부터 측정된 시간 및 온도 정보를 토대로 상기 유류저장탱크의 표준유량을 연산하는 연산장치; 상기 연산장치를 통해 연산된 표준유량을 디스플레이부에 표시하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 표준유량이라는 표현은 1기압, 15℃에서의 유체의 부피를 말한다.
상기 초음파 진동자(201)은 유류저장탱크 상단부에 설치되어, 유류면을 향하여 초음파를 수직으로 발신할 뿐 아니라, 역으로 유류면으로부터 반사되어 초음파 진동자(201)로 전달되는 초음파를 수신하는 공지의 부재이다.
상기 초음파 진동자(201) 수직 하부에는 영점타겟(zero target)(202)이 구비되어 있으며, 상기 영점타겟(202)은 초음파진동자(201)로부터 일정한 거리(d)에 위치하고 있어서, 영점타겟(202)에 반사되어 되돌아온 시간(제1소요시간, t1)을 통하여 초음파의 속력을 정확하게 계산할 수 있다.
상기 일정한 거리(d)는 15 내지 100cm인 것이 타당하다.
유류저장탱크(100)와 유체 사이에 열전달이 충분히 이루어지지 않아 탱크 내 유체와 기체의 온도가 서로 상이할 수 있으므로 상기 온도센서(300)는 유류저장탱크(100)의 하단부에 고정되어 설치하거나 부유식으로 제작되어 유체와 직접 닿아 있도록 하는 것이 타당하다.
상기 연산장치(400)에는 유류저장탱크(100) 및 유류의 기본 데이터, 즉 유류저장탱크(100)의 형상에 따른 하기와 같은 용량 산출 연산식, 휘발유, 등유, 경유의 온도변화에 따른 부피 증가율 등이 저장되어 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 하기와 같은 형상의 유류저장탱크(100) 외에도 실제 사용되는 유류저장탱크의 형상에 따라 각기 다른 연산식을 입력할 수 있도록 또한 휘발유, 등유, 경유 외의 다른 유류를 사용할 경우의 온도변화에 따른 부피 증가율을 입력할 수 있도록 입력장치(600)가 결합되어 있을 수 있다.
이하 도면을 참조하여 표준유량을 계산하는 연산과정에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
<초음파 속력 측정>
도2는 초음파 측정기 내부 단면을 나타내며, 하기에 사용되는 용어 중 d는 초음파 진동자(201)로부터 영점타겟(202)까지의 거리를 의미하며, vs는 초음파의 속력, t1은 초음파가 영점타겟(202)에서 반사되어 되돌아오는데 걸리는 시간(이하 “제1소요시간”)을 의미한다.
(거리)=(속력)*(시간)이므로
Figure pat00001
이며, 따라서 초음파의 속력,
Figure pat00002
이다.
<액위측정>
하기에 사용되는 용어 중 H는 유류저장탱크(100)의 높이를, h는 액위를, s는 초음파진동자(201)로부터 유류면까지의 거리를, t2는 초음파가 유류면에서 반사되어 되돌아오는데 걸리는 시간(이하 “제2소요시간”)을 의미한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
<유량 측정>
(1) 수직방향 원통형 유류저장탱크
도4와 같이 유류저장탱크의 형상이 반지름을 r인 원통형으로서 지면과 수직으로 놓여있는 경우, 밑면적은
Figure pat00005
이며 상기 유류저장탱크(100)에 저장되어 있는 유량은
Figure pat00006
이다.
(2) 수평방향 원통형 유류저장탱크
도5과 같이 유류저장탱크의 형상이 반지름이 r인 원기둥으로서 지면에 수평으로 놓여있는 경우,
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
(3) 구형 유류저장탱크
도6과 같이 유류저장탱크의 형상이 반지름이 r인 구형인 경우
Figure pat00012
<온도 보정>
상기 계산된 유량값을 이용하여 15℃일 때의 부피로 보정한 표준유량을 연산한다. 하기에 사용되는 용어 중 V는 현재 온도에서의 유량, Vs는 표준유량, T는 현재 온도, d(%)는 각 유체별 온도 변화에 따른 부피 증가율이다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
100: 유류저장탱크
200: 초음파 측정기
201: 초음파 진동자
202: 영점 타겟
300: 온도센서
400: 연산장치
500: 표시장치
600: 입력장치

Claims (7)

  1. 유량측정시스템에 있어서,
    유류저장탱크에 설치된 초음파 진동자로부터 발사된 초음파가 유류면으로부터 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 초음파 측정기;
    상기 유류저장탱크 내부에 장착되어 상기 유류저장탱크의 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 초음파 측정기와 온도센서로부터 측정된 시간 및 온도 정보를 토대로 상기 유류저장탱크의 표준유량을 연산하는 연산장치; 및
    상기 연산장치를 통해 연산된 표준유량을 디스플레이부에 표시하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서, 초음파의 음속을 측정하기 위하여 상기 초음파 측정기의 수직 하부에 영점 타겟을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도센서는 유류저장탱크의 하단부에 고정되어 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유류저장탱크의 형상은 수직방향 원통형임을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유류저장탱크의 형상은 수평방향 원통형임을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유류저장탱크의 형상은 구형임을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
  7. 제1항에 있어서, 유류저장탱크의 형상에 따른 용량 산출 연산식, 유류의 온도변화에 따른 부피 증가율을 입력할 수 있는 입력장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 표준유량 측정시스템.
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