KR20140012761A - 초음파 전이시간을 이용한 유체의 유동율을 결정하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

초음파 전이시간 방법을 이용하여 유체의 유동율을 결정하기 위한 방법에 있어서, 유동속도 및, 유동속도로부터 유동의 유동율(flow rate)은 측정 섹션을 통해 초음파 신호의 전이시간으로부터 결정된다.
측정값 변수의 변동으로서 작용하는 초음파 컨버터의 전달함수 변화를 고려하기 위하여, 상기 측정 섹션의 전달함수가 적어도 대략적으로 결정되고, 적어도 한 개의 초음파 전이시간이 전달함수의 그룹 전이시간으로부터 결정되는 수정값에 의해 수정된다.

Description

초음파 전이시간을 이용한 유체의 유동율을 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE FLOW RATE OF FLUIDS USING THE ULTRASONIC TRANSIT-TIME METHOD}

본 발명은, 초음파 전이시간을 이용한 유체의 유동율을 결정하기 위한 방법에 관한 것이고, 유동속도 및, 유동속도로부터 유동의 유동율(flow rate)은 측정 섹션을 통해 초음파 신호의 전이시간으로부터 결정된다.

최근에, 전이시간 방법(transit time method)을 기초한 체적과 질량 유동율을 측정하기 위한 초음파 센서시스템들이 정평있는 고정밀 측정기술로서 간주될 수 있다. 상기 측정장치들이 달성하는 정밀도(accuracy)는 전달시스템의 영향(influences)에 의해 결정되고, 상기 영향은, 시간에 대해 불변하는 시스템의 경우에 캘리브레이션(calibration)에 의해 제거될 수 있다.

초음파 컨버터(ultrasonic converter)의 전달함수(transfer function)가 변화하는 원인은 다양하다(예를 들어, 오염, 공기습도 또는 재료의 노화). 상기 컨버터의 전달함수의 변화는 측정값을 변동(drift)시킨다.

본 발명의 목적은, 상기 변동을 고려하고 따라서 측정결과를 개선시킬 수 있는 개선된 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 측정 섹션의 전달함수가 적어도 대략적으로 결정되고, 적어도 한 개의 초음파 전이시간이 전달함수의 그룹 전이시간으로부터 결정되는 수정값에 의해 수정된다.

상기 수정값은 작업과정동안 정기적으로 결정되는 것이 유리하다.

본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전달함수는 적어도 세 개의 주파수 포인트에서 초음파 컨버터의 전기적 임피던스를 결정하여 근사화된다.

본 발명을 따르는 또 다른 변형예에 의하면, 상기 전달함수는 상기 수신 신호의 FFT로부터 결정되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 전달함수는 상기 수신 신호와 전이신호사이의 상관 FFT로부터 결정된다.

본 발명에 의하면, 상기 전달함수의 이론적 모델이 형성되고, 상기 모델의 매개변수들이 피팅 방법에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 유리한 변형예에 의하면, 센서들사이의 실제 거리는 정확한 온도 측정값으로부터 결정된 음파속도와 수정된 전이시간을 곱하여 계산된다.

상기 수정값은 작업과정동안 정기적으로 결정되는 것이 특히 유리하다.

하기 설명에서 본 발명은 첨부된 도면들을 참고하여 예를 들어 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은, 초음파 펄스(ultrasonic pulse)의 전이 경로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는, 상기 초음파 컨버터의 전달함수 변화에 의해 야기되는 전이시간 오차를 도시한 도면.

도 1에 의하면, 측정 섹션은 다음과 같은 구성부품들을 가지는 것으로 표시될 수 있다: 밴드 패스 필터(Band- pass filter)(BP1)( 전이 컨버터), 공기 갭(air gap) 및 밴드 패스 필터(Band-pass filter)(BP2)(수용 컨버터). 여기서 S0는, 전이신호의 FFT를 지정하고, ST는 전달된 신호의 FFT를 지정하며, SA는 공기 갭의 하류에 위치하고 수신 컨버터(receive converter)에 들어가기 전에 위치한 신호의 FFT를 지정하며, SR은 필터 (BP2)의 하류에 위치한) 수신 신호의 FFT를 지정한다. FFT는 "패스트 푸리에 변환(Fast Fourier transform)"의 약자이다. 상기 FFT는 분산 푸리에 변환(discrete Fourier transform)의 값들을 효과적으로 계산(calculation)하기 위한 알고리듬이고, 상기 직접 계산과 비교하여 앞서 계산된 중간 결과들이 고려되고 상기 방법에 의해 산술적인 작업이 절약된다.

전이시간을 결정하기 위해 이용될 수 있고 예를 들어, 트리거링(triggering) 방법, 위상결정(phase determination) 이용 또는 상관관계(correlation) 방법과 같은 다양한 방법들이 공지되어 있다. 상기 방법에 의하면, 개별 성분들에 관한 전체 전달함수로부터 구해지는 평균 신호 전이 시간(mean signal transit time)이 결정된다.

t_meas = t_air + t_BP1 + t_BP2

상기 t_meas 는 측정된 전이시간이고, 상기 t_air는 공기 갭내에서 음파 전이시간(sound transit time)이며, t_BP1 는 제 1 밴드 패스 필터(band-pass filter)를 통과하는 신호 전이시간(그룹 전이시간)이고, t_BP2는 제 2 필터의 그룹 전이시간이다.

유동율의 측정값은 공기 갭의 전달함수(A(ω))의 변화에 해당하고, 두 개의 밴드 패스 필터들의 전달함수의 잠재적인 변화는 교란 변수로서 작용한다.

S_T(ω) = S₀(ω)BP₁(ω)

S_A(ω) = S_T(ω)A(ω) = S₀(ω)BP₁(ω)A(ω)

S_R(ω) = S_A(ω)BP₂(ω) = S₀(ω)BP₁(ω)A(ω)BP₂(ω)

S_R(ω) = S₀(ω)│BP│₁e^{j φ BP1}│BP│₂e^{j φ BP2}│1│e^{j φA}

여기서 BP1 및 BP2는, 절대값(│BP1│,│BP2│)와 위상(φ₁, φ₂)을 가진 두 개의 밴드 패스 필터들의 복소 전달함수(complext transmission function)를 나타낸다.

상기 변동(drift)은 도 2에 도시된 두 개의 밴드 패스 필터들의 그룹 전이시간의 변화를 나타낸다. 상기 변동이 캘리브레이션에 의해 제거되면, 상기 변동은 측정작업동안 발생할 수 없지만 정밀하게 제어된 주변조건하에서 단지 영 측정값(null measurement)으로서 이용된다.

Δt = t_BP1 + t_BP2 = t_meas - t_{air , 0, theoretical}

t_{air ,}= t_meas - Δt

상기 방법에 의하면, 초음파 센서의 그룹 전이시간의 현재 값들은, 측정된 전이시간(t_meas)과 교란없는 이론 음파 전이시간(t_{air , 0, theoretical})을 비교하여 결정된다. 상기 수정계수(correction factor)들은 작동과정동안 측정된 전이시간으로부터 차감되고, 따라서 상기 공기 갭의 음파 전이시간(t_{air ,})이 결정된다.

본 발명의 방법을 이용하면, 영점보상(zero compensation)이 측정작업동안 정기적으로 수행될 수 있다. 상기 목적을 위해, 상기 측정 섹션의 전달함수가 적어도 대략적으로 결정되고, 적어도 한 개의 초음파 전이시간이 상기 전달함수의 그룹 전이시간으로부터 결정된 수정값에 의해 수정된다. 상기 수정값은 작업과정동안 정기적으로 결정될 수 있다.

전달함수를 결정하기 위해, 상기 전달함수가 적어도 세 개의 주파수 포인트들에서 상기 초음파 컨버터의 전기적 임피던스(impedance)를 결정하여 근사화되는 것이 선호되지만, 수신신호와 전이신호사이의 상관(correlation) FFT 또는 수신 신호의 FFT로부터 결정될 수 있는 여러 가지 가능성들이 존재한다. 적용될 수 있다면, 전달함수의 이론적 모델이 또한 형성되고, 모델 매개변수들이 상기 피팅(fitting) 방법에 의해 결정될 수 있다.

장비와 관련하여, 추가로 측정결과를 개선하기 위해 센서들사이의 실제거리가 정밀한 온도 측정값으로부터 결정된 음파속도와 수정된 전이시간을 곱하여 계산될 수 있다. 또한, 센서들사이의 실제거리는 작업과정동안 정기적으로 측정될 수 있다.

BP1.....밴드 패스 필터(Band- pass filter),
BP2.....공기 갭(air gap) 및 밴드 패스 필터(Band-pass filter)

Claims (8)

1. 초음파 전이시간 방법을 이용하여 유체의 유동율을 결정하기 위한 방법으로서 유동속도 및, 유동속도로부터 유동의 유동율(flow rate)은 측정 섹션을 통해 초음파 신호의 전이시간으로부터 결정되는 방법에 있어서,
   상기 측정 섹션의 전달함수가 적어도 대략적으로 결정되고, 적어도 한 개의 초음파 전이시간이 전달함수의 그룹 전이시간으로부터 결정되는 수정값에 의해 수정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수정값은 작업과정동안 정기적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전달함수는 적어도 세 개의 주파수 포인트에서 초음파 컨버터의 전기적 임피던스를 결정하여 근사화되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전달함수는 상기 수신 신호의 FFT로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전달함수는 상기 수신 신호와 전이신호사이의 상관 FFT로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전달함수의 이론적 모델이 형성되고, 상기 모델의 매개변수들이 피팅 방법에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 센서들사이의 실제 거리는 정확한 온도 측정값으로부터 결정된 음파속도와 수정된 전이시간을 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 수정값은 작업과정동안 정기적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   

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