KR20150043598A - Method for measuring physical value of fluid flow in pipe using ultrasonic waves and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파를 이용하여 유체의 흐름에 관한 물리량을 측정하는 기술에 관한 것으로서, 특히 초음파 변환기를 배관의 외부에 설치하여 배관 내의 유체의 유량, 유속, 유향을 측정하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
지구 온난화에 따른 기상이변으로 가뭄 현상이 빈번하게 발생하며 이에 따라 국내 저수지의 저수율이 급격히 낮아져 물 부족이 우려되는 상황이 많이 발생하고 있다. 가뭄과 같은 자연재해로 인해 상수도를 농업용수로 일시 전환하여 운용할 때 유량 분석과 같은 물 관련 정보를 체계적으로 확립하고 분석할 수 있는 기술을 개발함과 동시에 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.Drought often occurs due to the unusual weather caused by global warming. As a result, water reserves are rapidly decreasing in the domestic reservoir and there is a possibility of water shortage. It is necessary to develop technologies that can systematically establish and analyze water-related information such as flow analysis when waterworks are temporarily converted to agricultural water due to natural disasters such as drought and to develop technologies that can be monitored in real time. Do.
배관 내에 흐르는 유체의 양을 측정하는 유량계는 측정 원리에 따라 차압식, 면적식, 용적식, 전자, 및 초음파 유량계 등과 같이 많은 종류의 유량계가 있으나 대부분 배관을 해체한 후 유량계를 설치해야 한다. 농업 용수로에 물을 일시적으로 공급하는 관로에 유량계를 설치하기 어려운 상황일 경우 상수도에서 배출되어 소모된 물의 양을 모니터링 하는데 많은 시간과 노력이 소모된다. 따라서 배관 내 유체의 유량을 간편하고 신속하게 측정할 수 있는 기술 개발이 필요하다. There are many types of flowmeters, such as differential pressure type, area type, volumetric type, electronic, and ultrasonic flowmeter, depending on the principle of measurement, but the meter must measure the amount of fluid flowing in the pipe. If it is difficult to install a flow meter in a pipeline that temporarily supplies water to an agricultural waterway, it takes a lot of time and effort to monitor the amount of water discharged from the waterway. Therefore, it is necessary to develop a technique to measure the flow rate of the fluid in the pipe easily and quickly.
초음파 유량계는 대부분 유속과 유량을 동시에 계측할 수 있는 장비로서, 관내에 흐르는 유체의 방향에 따라 발생하는 초음파의 도플러 원리를 이용한다. 초음파 유량계는 설치 방법에 따라 배관 내에 삽입되어 유체 내에서 초음파가 전달되는 습식 초음파 유량계와 배관 외부에 접촉시켜 관의 외벽과 유체를 투과하여 초음파가 전달되는 건식 초음파 유량계의 2 종류가 있다. The ultrasonic flowmeter is a device that can measure the flow rate and the flow rate at the same time, and utilizes the Doppler principle of the ultrasonic wave generated according to the direction of the fluid flowing in the tube. There are two types of ultrasonic flowmeter: a wet ultrasonic flowmeter which is inserted into the pipe according to the installation method and transmits ultrasonic waves in the fluid, and a dry ultrasonic flowmeter in which the ultrasonic wave is transmitted through the outer wall of the pipe in contact with the outside of the pipe.
습식은 건식에 비해 유체 내에서 초음파가 잘 전달되기 때문에 전파 경로가 비교적 단순하므로 정확도와 정밀도가 높은 장점이 있다. 반면 땅 속이나 발전소 계통의 관로와 같이 해체가 불가능한 시설의 경우 유량계의 철거, 교정, 재설치 과정에서 발생하는 여러 가지 요인에 의하여 습식 초음파 유량계를 폭넓게 적용하기에는 많은 한계가 있다. Since the ultrasonic wave is transmitted well in the fluid as compared with the wet type, the propagation path is relatively simple, and therefore, the accuracy and accuracy are high. On the other hand, in the case of facilities that can not be disassembled such as in the ground or power plant pipelines, there are many limitations to apply a wet ultrasonic flowmeter widely due to various factors in the process of dismantling, correcting and reinstalling the flowmeter.
건식 초음파 유량계는 배관 내부에 초음파 변환기가 위치하고 있지 않아 배관의 표면에 설치하여 탈부착이 편리하기 때문에 배관의 유지·보수가 용이하다. 또한 배관의 종류에 따라 변환기에서 발생하는 초음파의 굴절 각도를 조절하여 구경이 다양한 배관에 적용할 수 있으며 모든 배관에 대하여 유량계를 고정적으로 설치해야 하는 습식 유량계보다 비용을 절감할 수 있다. 그러나 배관 내 유체의 유향을 측정하기 위한 장치는 거의 없으며 실제 배관의 관망에서 주 배관으로부터 분기하는 배관들이 복잡하게 얽혀 있을 경우 주 배관과 분기 배관을 구별하기 위해서는 배관의 유향을 정확하게 측정할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.The dry ultrasonic flowmeter is installed on the surface of the piping because the ultrasonic transducer is not located inside the piping, which makes it easy to maintain and repair the piping. In addition, according to the type of piping, the angle of refraction of the ultrasonic waves generated by the transducer can be adjusted to apply to various pipe sizes, and the cost can be saved compared to a wet type flow meter in which a flow meter is fixedly installed for all pipes. However, there are few devices for measuring the flow direction of the fluid in the piping. In order to distinguish the main piping from the branch piping when the piping branching from the main piping is intricately intertwined in the piping system of the actual piping, Is required.
현재 유량계의 경우 초음파의 도플러 원리를 이용한 장치가 대부분이며 유량 및 유속의 측정은 가능하나 유향을 측정할 수 있는 장치는 거의 없는 실정이다. 국내외에서 초음파 유량계에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있으며 주로 유량계의 정확도를 향상시키기 위한 연구가 대부분이다. 이들 연구들은 발전소, 상·하수도에서 의료용까지 다양한 분야에 응용되었으나 특히 농업용 온실 및 정밀농업 등을 위한 초음파 유량계의 적용 및 개발은 거의 이루어지지 않고 있다. 특히 상수도 배관망의 구조가 복잡할 경우 주 배관과 분기 배관을 구분할 수 있는 유향을 측정할 수 있는 방법은 거의 전무한 실정이다. Currently, most of the flowmeters use ultrasonic Doppler principle and flow rate and flow rate can be measured, but there are few devices capable of measuring flow direction. Numerous studies have been conducted on ultrasonic flowmeters at home and abroad, and most of them have been mainly studied to improve the accuracy of flowmeters. These studies have been applied to a wide range of fields from power plants, water supply and sewerage to medical use, but application and development of ultrasonic flowmeters for agricultural greenhouses and precision agriculture have hardly been applied. Especially, when there is a complicated structure of the waterworks pipe network, there is almost no way to measure the flow that can distinguish the main pipe from the branch pipe.
본 발명에서는 초음파를 이용하여 배관 내 유체의 유향, 유량, 및 유속을 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 특히 배관을 분해하지 않고 유량을 계측할 수 있도록 구조가 단순화된 초음파 측정 장치를 제공하고자 한다. 또한 다양한 배관에 적용할 수 있도록 초음파를 굴절시키는 배관별 쐐기(wedge)를 제공하고자 한다. 또한 배관 내 초음파 반사 횟수에 따른 예측 유량의 정확도와 정밀도를 고려하여 오차를 보정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 종합적으로, 위의 방법들을 바탕으로 초음파의 전파속도차를 이용하여 배관 내 유체의 유향, 유속, 유량을 동시에 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention provides a method for measuring the flow direction, flow rate, and flow rate of fluid in a piping by using ultrasonic waves. In particular, the present invention is to provide an ultrasonic measuring apparatus with a simplified structure for measuring a flow rate without disassembling a pipe. It is also intended to provide a wedge for each pipe to deflect the ultrasonic wave so that it can be applied to various piping. Also, it is aimed to provide a method of compensating the error in consideration of the accuracy and precision of the predicted flow rate according to the number of ultrasonic wave reflections in the pipe. In general, based on the above methods, a method for simultaneously measuring the flow direction, flow rate, and flow rate of a fluid in a piping by using the propagation speed difference of an ultrasonic wave is provided. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 관점에 따라, 배관의 외부에 서로 이격되어 설치된 한 쌍의 초음파 변환기를 이용하는 전파시간차법을 이용하여 상기 배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량을 측정하는 방법이 제공될 수 있다. 이 방법은, ①상기 전파시간차법에 의해 측정한 시간차(Δt), ②상기 유체가 정지한 상태에서의 상기 유체에서의 초음파의 제1 전파속도(Vm), ③상기 한 쌍의 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 상기 유체에서의 굴절각(θf), 및 ④상기 굴절각(θf)과 상기 배관의 크기에 의해 계산되는 상기 초음파의 전파거리(W)를 획득하는 단계; 및 상기 유체의 유속(VF')을 식 (1)에 비례하는 값으로 추정하는 단계를 포함한다.
According to an aspect of the present invention, there can be provided a method of measuring a physical quantity relating to the flow of fluid in a piping by using an electric wave time difference method using a pair of ultrasonic transducers provided apart from each other on the outside of the piping. This method, ① a time difference measured by the propagation time difference method (Δt), ② the fluid ultrasound first propagation speed of the in the fluid at the stop state (
식 (1) : (Vm 2·Δt)/(W·sin(θf))
Equation (1): (V m 2 · Δt) / (W · sin (θ f))
이때, 상기 굴절각(θf), 상기 배관의 크기, 및 상기 한 쌍의 초음파 변화기가 이격된 거리(S)로부터 계산되는 상기 초음파의 상기 유체 내에서의 반사횟수(n)을 획득하는 단계; 및 상기 유속(VF')을 식 (2)에 비례하는 값으로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Obtaining a number of reflections (n) of the ultrasonic wave in the fluid, which is calculated from the refraction angle? F , the size of the pipe, and the distance S between the pair of ultrasonic transducers; And estimating the flow velocity (V F ') to a value proportional to the equation (2).
식 (2) : (Vm 2·Δt)/(n·W·sin(θf))
Equation (2): (V m 2 · Δt) / (n · W · sin (θ f))
이때, 상기 유체의 유량(Q)을, 상기 추정된 유속(VF')에 상기 배관의 내경의 제곱(d2)을 곱한 값에 비례하는 값으로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include estimating the flow rate Q of the fluid to a value proportional to the estimated flow velocity V F 'multiplied by the square of the inner diameter of the pipe d 2 .
이때, 상기 추정된 유량(Q)에 보정계수(k)를 곱하여 상기 추정된 유량(Q)을 보정하는 단계를 더 포함한다. 상기 보정계수(k)는, 위의 추정방법을 이용하는 측정 프로세스를 통해 계산된 값이며, 상기 보정계수(k)는, 유량계로부터 측정된 유량 값에서 획득된 유속 값을 상기 측정 프로세스에서 추정한 상기 추정된 유속(VF')으로 나눈 값(=Measured velocity / Calculated velocity)에 비례하는 값을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.The method further includes the step of correcting the estimated flow Q by multiplying the estimated flow Q by a correction coefficient k. Wherein the correction coefficient k is a value calculated through a measurement process using the above estimation method and the correction coefficient k is a value obtained by multiplying the flow rate value obtained from the flow rate value measured by the flow rate meter Divided by the estimated flow velocity (V F ') (= Measured velocity / Calculated and a velocity proportional to the velocity .
이때, 상기 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 이격거리(S)는 식 (3)을 만족할 수 있다.
At this time, the separation distance S between the pair of ultrasonic transducers can satisfy the formula (3).
식 (3) : S = 2(t·tanθE + d·tanθf)(3): S = 2 (t? Tan? E + d? Tan? F )
단, only,
t는 상기 배관의 벽의 두께,t is the thickness of the wall of the pipe,
θE는 상기 배관의 벽에서의 상기 초음파의 굴절각,&thetas; E is the refraction angle of the ultrasonic wave at the wall of the pipe,
d는 상기 배관의 내경,d is the inner diameter of the pipe,
θf는 상기 유체에서의 상기 초음파의 굴절각.
and? f is the refraction angle of the ultrasonic wave in the fluid.
이때, 상기 한 쌍의 초음파 변환기 각각과 상기 배관 사이에는 쐐기가 개재되어 있고, 상기 쐐기의 쐐기 각도(α)는 상기 유체 내에서 상기 초음파의 횡파 성분만이 진행하도록 조정된 값인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, a wedge is interposed between each of the pair of ultrasonic transducers and the pipe, and the wedge angle? Of the wedge is a value adjusted so that only the transverse wave component of the ultrasonic wave propagates in the fluid. have.
이때, 상기 쐐기 각도(α)는, 상기 배관의 벽에서의 굴절 종파에 대한 임계각(αLC) 이상이고 상기 배관의 벽에서의 굴절 횡파에 대한 임계각(αSC) 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the wedge angle? Is not less than a critical angle? LC with respect to a refractive denominational wave at the wall of the pipe, and is not greater than a critical angle? SC with respect to a transverse wave at the wall of the pipe.
이때, 상기 시간차(Δt)는 한국산업표준 KS B ISO TR12765에 정의된 영점 교차점을 이용하여 측정된 것일 수 있다.At this time, the time difference DELTA t may be measured using the zero crossing point defined in Korean Industrial Standard KS B ISO TR12765.
본 발명의 다른 관점에 따라, 배관의 외부에 서로 이격되어 설치된 한 쌍의 초음파 변환기를 이용하는 전파시간차법을 이용하여 상기 배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량을 측정하는 방법을 실행하도록 되어 있는 장치가 제공될 수 있다. 이 장치는, 저장부 및 처리부를 포함하며, 상기 처리부는, 상기 저장부로부터 ①상기 전파시간차법에 의해 측정한 시간차(Δt), ②상기 유체가 정지한 상태에서의 상기 유체에서의 초음파의 제1 전파속도(Vm), ③상기 한 쌍의 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 상기 유체에서의 굴절각(θf), 및 ④상기 굴절각(θf)과 상기 배관의 크기에 의해 계산되는 상기 초음파의 전파거리(W)를 획득하는 단계; 및 상기 유체의 유속(VF')을 위의 식 (1)에 비례하는 값으로 추정하는 단계를 실행하도록 되어 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a physical quantity relating to a flow of fluid in a piping by using an electric wave time difference method using a pair of ultrasonic transducers spaced apart from each other outside the piping . The apparatus includes a storage unit and a processing unit, wherein the processing unit is configured to perform: (1) a time difference? T measured by the propagation time difference method from the storage unit; (2) 1 propagation velocity (
이때, 상기 처리부는, 상기 유체의 유량(Q)을, 상기 추정된 유속(VF')에 상기 배관의 지름의 제곱(d2)을 곱한 값에 비례하는 값으로 추정하는 단계를 더 실행하도록 되어 있을 수 있다.The processing unit may further include a step of estimating the flow rate Q of the fluid by a value proportional to a value obtained by multiplying the estimated flow velocity V F 'by the square of the diameter of the pipe (d 2 ) .
이때, 상기 처리부는, 상기 추정된 유량(Q)에 보정계수(k)를 곱하여 상기 추정된 유량(Q)을 보정하는 단계를 더 실행하도록 되어 있을 수 있다. 이때, 상기 보정계수(k)는, 상술한 추정방법을 이용하는 측정 프로세스를 통해 계산된 값일 수 있다. 그리고 상기 보정계수(k)는, 유량계로부터 측정된 유량 값으로부터 획득된 유속 값을 상기 측정 프로세스에서 추정한 상기 추정된 유속(VF')으로 나눈 값에 비례하는 값인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the processing section may be further adapted to execute a step of correcting the estimated flow rate Q by multiplying the estimated flow rate Q by a correction coefficient k. At this time, the correction coefficient k may be a value calculated through a measurement process using the above-described estimation method. The correction coefficient k may be a value proportional to a value obtained by dividing the flow rate value obtained from the flow rate value measured from the flow meter by the estimated flow rate V F 'estimated in the measurement process.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 초음파를 이용하여 지중에 매설된 배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량을 측정하기 위한 방법이 제공될 수 있다. 이 방법은, 상기 유체부분에서 상기 초음파가 전파된 전파거리 및 상기 유체가 흐르지 않을 때의 초음파 전파속도를 기초로 상기 유체의 유속을 측정하는 단계를 포함한다. 이때, 이 방법은, 상기 유속과 상기 배관의 단면적을 기초로 상기 유체의 유량을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 측정하는 단계는 미리 결정된 값을 갖는 보정계수를 기초로 상기 측정된 유속 및 유량을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a method for measuring a physical quantity relating to the flow of fluid in a piping embedded in the ground using ultrasonic waves can be provided. The method includes measuring a flow rate of the fluid based on a propagation distance of the ultrasonic wave propagating in the fluid portion and an ultrasonic propagation velocity of the fluid when the fluid does not flow. At this time, the method may further include measuring the flow rate of the fluid based on the flow rate and the cross-sectional area of the pipe. At this time, the measuring step may include correcting the measured flow rate and the flow rate based on a correction coefficient having a predetermined value.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 초음파를 이용하여 지중에 매설된 배관 내 유체의 유속, 유량, 및 유향을 측정하기 위한 시스템이 제공될 수 있다. 이 장치는, 상기 유체 부분에서 초음파가 전파된 전파거리, 및 상기 유체가 흐르지 않을 때의 초음파 전파속도를 기초로 상기 유속을 측정하는 단계; 상기 유속과 상기 배관의 단면적을 기초로 상기 유량을 측정하는 단계; 및 상기 유속과 상기 초음파의 전파속도를 이용하여 상기 유향을 측정하는 단계를 수행하도록 되어 있는 처리부를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a system for measuring the flow rate, flow rate, and flow direction of fluid in a piping embedded in the ground using ultrasonic waves can be provided. The apparatus comprises: measuring the flow rate based on a propagation distance of ultrasonic waves propagated in the fluid portion and an ultrasonic propagation velocity of the fluid when the fluid is not flowing; Measuring the flow rate based on the flow rate and the cross-sectional area of the pipe; And a processing unit configured to perform the step of measuring the flow direction using the flow velocity and the propagation velocity of the ultrasonic waves.
이때, 이 시스템은 상기 초음파의 전파속도를 고려하여 상기 초음파가 상기 배관 내로 잘 전파될 수 있도록 하기 위한 쐐기를 더 포함할 수 있다.In this case, the system may further include a wedge for allowing the ultrasonic wave to propagate into the pipe in consideration of the propagation speed of the ultrasonic wave.
이때, 상기 초음파는, 상기 쐐기에서는 종파 형태로 전파되고, 상기 배관에서는 횡파 형태로 전파되며, 상기 유체에서는 종파 형태로 전파되도록 되어 있다. At this time, the ultrasonic waves propagate in a longitudinal wave form on the wedge, propagate in a transverse wave form in the pipe, and propagate in a longitudinal wave form in the fluid.
이때, 상기 쐐기의 각도는, 굴절 종파에 대한 임계각 이상의 값이어야 하며, 굴절 횡파에 대한 임계각 미만의 값일 수 있다.At this time, the angle of the wedge should be a value equal to or greater than a critical angle with respect to the refractive longitudinal wave, and may be a value less than the critical angle with respect to the refractive transverse wave.
본 발명에 따르면 배관에 영향을 주지 않고 배관 내 유체의 유향, 유속, 유량을 동시에 간편하게 측정할 수 있는 기술을 제공할 수 있다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. According to the present invention, it is possible to provide a technique capable of easily and simultaneously measuring the flow direction, flow rate, and flow rate of a fluid in a pipe without affecting the pipe. The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 한 쌍의 송·수신 초음파 변환기의 송수신 역할 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다양한 초음파 변환기의 설치 예를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 각각 압전현상과 역압전현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 쐐기에 입사되는 초음파의 입사각과 굴절파, 모드 변환에 의한 회절파의 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 진행 경로와 파이프의 단면도를 나타낸다.
도 7은 한 쌍의 초음파 변환기에서 초음파를 송·수신할 때 발생하는 초음파의 전파시간차를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 배관에 흐르는 유체의 유향, 유속, 유량을 동시에 계측하기 위해 구성한 장비의 구성도를 나타낸다.
도 9는 도 8의 실시예에서 쐐기를 고정시키기 위해 설계한 고정 지그를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 배관을 통해 전파되는 초음파가 반사되는 횟수에 따른 초음파의 전파 경로를 나타낸 것이다.
도 11은 배관 내에서 초음파가 배관 내에서 반사되는 횟수가 1번 일 때 수신된 초음파 신호를 나타낸다.
도 12는 배관 내에서 초음파가 배관 내에서 반사되는 횟수가 1번 일 때 두 번째 수신된 초음파 신호를 나타낸다.
도 13은 도 12의 A부분을 확대한 도면이다.
도 14는 배관 내에서 2회 반사되는 초음파 신호의 송수신 개념도이다.
도 15는 도 14의 구성에 의해 수신한 초음파의 실제 신호이다.
도 16과 도 17은 각각 도 15의 'b' 부분과 'c' 부분에서의 시간차를 확대한 모습이다.
도 18은 배관 내에서 3회 반사되는 초음파 신호의 송수신 개념도이다.
도 19는 도 18의 구성에 의해 수신한 초음파의 실제 신호이다.
도 20, 도 21, 및 도 22는 각각 도 19의 'b', 'c', 'd'를 확대한 그림이다.FIG. 1 is a view for explaining a change in transmission / reception roles of a pair of transmitting and receiving ultrasonic transducers.
Fig. 2 shows an installation example of various ultrasonic transducers.
FIGS. 3 and 4 are views for explaining the piezoelectric phenomenon and the reverse piezoelectric phenomenon, respectively.
5 is a view for explaining an incident angle and a refraction wave of an ultrasonic wave incident on a wedge and a refraction angle of a diffraction wave due to mode conversion.
6 shows a progress path of the ultrasonic wave generated in the ultrasonic transducer and a cross-sectional view of the pipe.
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of obtaining a propagation time difference of an ultrasonic wave generated when an ultrasonic wave is transmitted and received in a pair of ultrasonic transducers.
FIG. 8 is a block diagram of an apparatus configured to simultaneously measure a flow direction, a flow rate, and a flow rate of a fluid flowing through a pipe according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining a fixing jig designed to fix a wedge in the embodiment of FIG.
FIG. 10 shows propagation paths of ultrasonic waves according to the number of times the ultrasonic waves propagated through the pipe are reflected.
11 shows the ultrasonic signal received when the number of times the ultrasonic waves are reflected in the pipe in the pipe is one.
FIG. 12 shows a second received ultrasound signal when the number of times the ultrasonic waves are reflected in the pipe in the pipe is one.
13 is an enlarged view of a portion A in Fig.
14 is a conceptual diagram of transmission and reception of an ultrasonic signal reflected twice in the pipe.
Fig. 15 is an actual signal of the ultrasonic wave received by the configuration of Fig.
FIGS. 16 and 17 are enlarged views of time differences in the 'b' portion and the 'c' portion of FIG. 15, respectively.
18 is a conceptual diagram of transmission and reception of ultrasonic signals reflected three times in a pipe.
Fig. 19 is an actual signal of the ultrasonic wave received by the configuration of Fig.
20, 21, and 22 are enlarged views of 'b', 'c', and 'd' in FIG. 19, respectively.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 첨부한 도면에 나타낸 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낼 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. Like reference numbers in the accompanying drawings may represent like elements.
초음파 유량계의 원리는 유체가 흐르는 관에 초음파를 경사지게 입사시켜 배관 내부에서 반사 혹은 투과되는 초음파 신호의 변화를 이용한다. 이러한 초음파 신호의 변화는 주파수, 위상, 전달 시간 등이 있으며, 주로 전달 시간의 차이를 이용하는 방법이 대부분이다.The principle of the ultrasonic flowmeter utilizes the change of the ultrasonic signal reflected or transmitted inside the pipe by inclining the ultrasonic wave into the pipe through which the fluid flows. Such changes in the ultrasonic signal include frequency, phase, and propagation time, and most of them use a difference in propagation time.
일정한 속도(v1)를 가지고 있는 배가 수면 위로 진행하고 있을 때, 유체가 흐르는 방향과 같은 방향인 경우 유체의 진행 속도(v0)가 더해져 물체의 진행속도는 v1+v0가 되며 유체의 흐름 방향과 반대 방향의 경우 진행 속도는 v1-v0가 된다. 이와 같은 원리는 흐르는 유체에서 초음파의 진행에도 그대로 적용될 수 있으며 이를 전파시간차법이라 한다. 즉, 이미 알고 있는 내경을 가지고 있는 배관 내에서 유체의 방향으로 초음파가 진행할 때와 유체의 반대 방향으로 진행할 때의 시간을 비교해 보면 유체의 역방향으로 진행할 때보다 유체와 같은 방향으로 진행할 때 초음파 빔이 더 빠르게 전달된다. 이러한 원리를 응용하면 유체의 유향을 측정하는 데 이용할 수 있다. 즉, 도 1과 같이 송·수신 초음파 변환기의 송수신 역할을 1번씩 변경한다. 도 1의 (a), (b)에서 참조번호 11, 12, 13은 각각 배관 벽(pipe wall), 빔 경로(bean path), 및 흐름의 방향(flow direction)을 나타낸다. When a vessel with a constant velocity v 1 is moving on the surface of the water, the velocity of the fluid (v 0 ) is added to the velocity of the fluid, v 1 + v 0 , In the opposite direction to the flow direction, the traveling speed is v 1 -v 0 . This principle can be applied to the progress of ultrasonic wave in flowing fluid, and it is called the propagation time difference method. In other words, comparing the time when the ultrasonic wave advances in the direction of the fluid in the direction of the fluid and the time in which the ultrasonic wave advances in the direction opposite to the fluid in the pipe having the known inner diameter, when the ultrasonic wave advances in the same direction as the fluid, It is delivered faster. Applying this principle can be used to measure the flow direction of the fluid. That is, as shown in Fig. 1, the transmission / reception function of the transmitting / receiving ultrasonic transducer is changed once. In FIGS. 1 (a) and 1 (b),
임의의 방향으로 흐르는 유체가 배관 내에 흐르고 있을 때, 초음파 변환기 A를 가진 시켜 초음파 변환기 B가 수신할 때까지의 시간을 t1, 변환기 B를 가진 시켰을 때 변환기 A가 수신할 때의 시간을 t2라 가정한다. 이때, t1-t2 < 0이면 유체의 흐름 방향은 A→B이며, t1-t2 > 0이면 유체의 흐름 방향은 A←B 이고, t1-t2 ≒ 0이면 유체는 흐르지 않는다. 즉, 이들 초음파 도달 시간의 차를 이용하여 유향을 측정할 수 있으며 유체의 속도 및 유량의 측정도 가능하다.When the fluid flowing in an arbitrary direction is flowing in the pipe, the time until the ultrasound transducer B is received by the ultrasonic transducer A is t 1 , the time when the transducer A is received when the transducer B is excited is t 2 . In this case, <0, and the flow direction is A → B, t 1 -t 2 > t 1 -
건식 상용 초음파 유량계의 경우, 도 2의 (a)와 같은 모양으로 초음파 변환기를 설치하거나, 정밀도와 정확도를 높이기 위해 도 2의 (b)와 같이 다수의 초음파 변환기를 배치하기도 한다. 도 2의 (a)에서 참조번호 11, 12, 13은 각각 배관 벽, 빔 경로, 및 흐름의 방향을 나타낸다. In the case of a dry ultrasonic flowmeter, a plurality of ultrasonic transducers may be arranged as shown in FIG. 2 (b) in order to install an ultrasonic transducer in the shape as shown in FIG. 2 (a) or to increase accuracy and accuracy. 2 (a),
그러나 본 발명의 일 실시예에서는, 현장에서 신속하고 간편하게 유향을 측정하기 위해서는 노출된 배관의 외벽에 도 1과 같이 동일한 편에 부착할 수 있도록 초음파 변환기를 설치한다.However, in one embodiment of the present invention, an ultrasonic transducer is installed on the outer wall of the exposed pipe so as to be attached to the same side as shown in FIG. 1 in order to measure the orientations quickly and easily in the field.
이하, 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 초음파 변환기에 대하여 설명한다. Hereinafter, an ultrasonic transducer that can be used in an embodiment of the present invention will be described.
배관 외벽에서 유량을 측정하기 위한 초음파 변환기는 배관 표면에 접촉시킬 때 변환기에서 발생되는 초음파 에너지의 손실을 최소화하여 배관 내부로 투과시켜야 한다. 이러한 초음파 변환기의 핵심 요소로서 압전소자가 주로 사용된다.The ultrasonic transducer for measuring the flow rate at the outer wall of the pipe must transmit the inside of the pipe by minimizing the loss of ultrasonic energy generated in the transducer when it comes into contact with the pipe surface. A piezoelectric element is mainly used as a key element of such an ultrasonic transducer.
압전소자는 압전현상(piezoelectric effect)과 역압전현상(inverse piezoelectric effect)을 일으키는 물질로, 압전효과는 도 3과 같이 어떤 종류의 물질에 힘이나 변형이 가해지면 힘이나 변형의 크기에 비례한 전압이 발생하는 현상을 말하며, 역압전현상은 도 4와 같이 그 반대의 현상을 의미한다. 이와 같은 성질을 갖는 물질을 압전재료(piezoelectric material)라 하여 압전재료를 판형으로 가공한 후 양면에 전극을 증착하여 압전 진동자로 제작한다.The piezoelectric effect is a material which causes piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect. The piezoelectric effect is a voltage which is proportional to the magnitude of force or deformation when a force or deformation is applied to a certain kind of material, And the reverse piezoelectric phenomenon means the opposite phenomenon as shown in Fig. A material having such properties is called a piezoelectric material, and a piezoelectric material is processed into a plate shape, and then electrodes are deposited on both surfaces thereof to produce a piezoelectric vibrator.
진동자의 양극에 전압을 인가하면 진동자는 그 두께에 대응한 신축의 진동(공진)을 개시한다. 이 진동 방향에 따라 종파 및 횡파의 초음파가 생성되고, 진동자를 시험체에 접촉시키면 시험체의 접촉면에 진동자의 신축에 의해 초음파가 전달되어 초음파가 송신된다. 반면 진동자가 접촉해 있는 면에 초음파가 전달되면 진동자의 면에 힘이 가해지며 이 힘에 비례하여 압전진동자 내에서 전압이 발생하게 되어 이러한 전기 신호가 발생되는 것이 초음파의 수신 원리이다. 압전소자로 초음파를 송·수신 하여 전기신호로 출력하는 장치를 초음파 변환기라 한다. When a voltage is applied to the anode of the oscillator, the oscillator starts oscillation (resonance) of expansion and contraction corresponding to its thickness. Ultrasonic wave of longitudinal wave and transverse wave is generated according to the vibration direction, and when the vibrator is brought into contact with the test body, the ultrasonic wave is transmitted by the expansion and contraction of the vibrator to the contact surface of the body to transmit ultrasonic waves. On the other hand, when the ultrasonic wave is transmitted to the contact surface of the vibrator, a force is applied to the surface of the vibrator, and a voltage is generated in the piezoelectric vibrator in proportion to the force, so that the electric signal is generated. An ultrasonic transducer is a device that transmits and receives ultrasonic waves to and from a piezoelectric element and outputs them as electric signals.
이하, 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 쐐기에 대하여 설명한다.Hereinafter, a wedge that can be used in an embodiment of the present invention will be described.
초음파에는 여러 가지의 전파모드가 존재하며 시험 조건에 따라 이들 모드들이 혼재하고 매질이 바뀌는 계면에서는 모드 변환(mode conversion)이 일어난다. 일반적으로 고체 내에서 관찰 할 수 있는 초음파의 모드는 종파(longitudinal wave), 횡파(shear wave), 표면파(Rayleigh wave), 그리고 판파(Lamb wave)등이 있다. 종파는 입자의 진동 방향이 파를 전달하는 입자의 진행 방향과 일치하는 파를 말하며, 횡파는 탐상면에 대해 초음파의 진행 방향이 수직으로 진동하는 파이다. 표면파는 탐상체의 표면 부근의 입자가 종진동과 횡진동의 혼합된 거동을 나타내고, 판파는 재질의 전 두께를 통하여 진행하는 복합된 진동 형태로 구성된다. There are various modes of propagation in ultrasonic wave, and mode conversion occurs at the interface where these modes are mixed according to the test conditions and the medium is changed. In general, modes of ultrasonic waves that can be observed in a solid are longitudinal waves, shear waves, Rayleigh waves, and Lamb waves. The longitudinal wave is a wave whose direction of vibration corresponds to the traveling direction of the particle that transmits wave, and the transverse wave is a wave whose ultrasonic wave propagates perpendicularly to the flaw surface. Surface waves represent the mixed behavior of longitudinal vibration and transverse vibration in the vicinity of the surface of the trombone body, and the plate wave is composed of a combined vibration type that proceeds through the entire thickness of the material.
사각탐상법은 임의의 각도로 초음파를 입사시켜 탐상시험체 내부에 초음파를 입사시키기 위하여 쐐기(wedge)를 이용한다. 이때, 종파 초음파 변환기에서 발생하는 초음파가 쐐기에서 종파로 전달되지만 시험체면에서는 쐐기의 영향으로 모드 변환이 되어 횡파가 발생한다. 도 5는 쐐기에 입사되는 초음파의 입사각과 굴절파, 모드 변환에 의한 회절파의 굴절각을 도시하고 있다. 도 5에 나타낸 참조번호 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30는 각각 초음파 변환기(20), 입사 빔(종방향)(21), 입사 각(22), 입자운동방향(23), 굴절 빔(종방향)(24), 굴절 빔(횡방향)(25), 굴절각(종방향)(26), 굴절각(횡방향)(27), 플라스틱 쐐기(28), 강철 배관(29), 경계면(30)을 나타낸다.The square test method uses a wedge to introduce ultrasonic waves at an arbitrary angle and to introduce ultrasonic waves into the test object. At this time, the ultrasonic wave generated from the longitudinal ultrasonic transducer is transmitted from the wedge to the longitudinal wave, but in the test body, the transverse wave is generated due to the mode conversion due to the wedge. 5 shows the incident angle and the refraction wave of the ultrasonic wave incident on the wedge, and the refraction angle of the diffraction wave due to the mode conversion.
본 발명의 일 실시예에서는, 쐐기의 각도와 굴절되는 초음파의 각도는 수학식 1과 같은 스넬의 법칙에 의해 순방향과 역방향의 초음파 전파 시간차이가 잘 관찰되는 적당한 쐐기각도를 선택한다.
In one embodiment of the present invention, the angle of the wedge and the angle of the ultrasonic wave to be refracted are selected by a Snell's law as shown in Equation (1), so that a suitable wedge angle in which forward and reverse ultrasonic propagation time differences are well observed is selected.
단, only,
= 입사각 = Incident angle
= 굴절각 = Refraction angle
= 매질 I에서의 초음파 속도 = Ultrasonic velocity in medium I
= 매질 II에서의 초음파 속도
= Ultrasonic velocity in medium II
여기서 와 는 각각 입사파의 입사각과 속도이며, 와 는 각각 대상체에서의 굴절파의 굴절각과 속도이다. here Wow Are the incident angles and velocities of the incident waves, respectively, Wow Are the refraction angles and velocities of refraction waves in the object, respectively.
이때, 배관의 재질은 대부분 강(鋼)재이며, 쐐기의 재질은 초음파가 배관을 통과하였을 때 스넬의 법칙을 만족시키는 초음파 속도와 음향임피던스를 갖는다. 도 5에서 알 수 있듯이 초음파가 쐐기와 탐상체의 경계면을 지날 때 종파의 일부가 횡파와 종파로 변환된다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서 쐐기 각도는, 수학식 1에 의해, 모드 변환될 때 탐상체 내부에서 횡파만을 전달시키기 위해서 굴절 종파에 대한 임계각 이상으로, 또 굴절횡파에 대한 임계각 미만이 되도록 조정해야 한다. 즉, 쐐기 각도는 의 조건으로 결정된다.
At this time, the material of the pipe is mostly steel, and the material of the wedge has the ultrasonic velocity and the acoustic impedance which satisfy the Snell's law when the ultrasonic wave passes through the pipe. As shown in Fig. 5, when the ultrasonic waves pass through the interface between the wedge and the fulcrum, a part of the longitudinal waves is converted into transverse waves and longitudinal waves. At this time, in one embodiment of the present invention, Is expressed by Equation (1), and when the mode conversion is performed, the critical angle < RTI ID = 0.0 > As described above, the critical angle . That is, The .
이하, 본 발명의 일 실시예에 따라 배관 내 유체에서의 초음파의 진행시간을 측정하는 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of measuring the progress time of ultrasonic waves in a fluid in a pipe according to an embodiment of the present invention will be described.
유속은 배관 내에서의 초음파의 진행 시간과 거리의 기하학적인 표현을 이용하여 유도할 수 있다. 도 6은 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 진행 경로와 파이프(11)의 단면도를 나타낸다. 이때, 유체가 흐르는 배관 내에서, 변환기 A에서 발생된 초음파는 쐐기(28)→배관 두께 부분→유체→배관 안쪽(바닥)면으로 전달된 다음 다시 바닥면으로부터 반대의 경로로 반사되어 변환기 B로 수신된다. 이때, 다음과 같은 관계가 될 수 있다.
The flow rate can be derived using the geometric representation of the travel time and distance of the ultrasonic waves in the pipe. 6 shows a progress path of ultrasonic waves generated in the ultrasonic transducer and a cross-sectional view of the
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쐐기부분을 초음파가 진행할 때 걸리는 시간 The time taken for ultrasonic wave to propagate through the wedge
배관두께 부분을 초음파가 진행할 때 걸리는 시간 Time taken for ultrasonic wave propagation in pipe thickness
유체부분을 초음파가 진행할 때 걸리는 시간
The time it takes for the ultrasonic wave to propagate through the fluid part
총 전달 시간은 수학식 2와 같다.
The total delivery time is given by Equation (2).
단, only,
E = 쐐기에서의 초음파의 전파 거리 E = propagation distance of the ultrasonic wave at the wedge
P = 파이프 벽에서의 초음파의 전파 거리 P = propagation distance of ultrasonic wave from pipe wall
W = 유체에서의 초음파의 전파 거리 W = propagation distance of ultrasonic wave in fluid
= 쐐기에서의 초음파 속도 = Ultrasonic velocity at the wedge
= 파이프 벽에서의 초음파 속도 = Ultrasonic velocity in pipe wall
= 유체에서의 초음파 속도 = Ultrasonic velocity in fluid
또한, 유체가 흐르는 경우, 유향에 따라 변환기 A와 변환기 B에서 초음파를 송수신할 때 발생하는 초음파의 전파시간차는 도 7의 기하학적인 분석으로부터 구할 수 있다.Also, when the fluid flows, the propagation time difference of the ultrasonic waves generated when the ultrasonic waves are transmitted and received by the transducers A and B according to the orientations can be obtained from the geometrical analysis of FIG.
도 7에서, 유체의 흐름 방향이 왼쪽일 때, 는 유체 속도의 벡터이다. 도 6의 변환기 A에서 출발한 초음파는 배관(11) 내에서 왼쪽 방향으로 진행하는 유체에 영향을 받아 흐르지 않을 때보다 더 늦은 시간에 변환기 B에 도달하게 될 것이다. 도 6의 변환기 위치에서 발생된 초음파가 A에서 B까지 도달하는데 소요되는 시간은 이며, 유체가 흐르지 않을 때의 초음파 속도 에서, 유체가 왼쪽으로 흐르면 로 증가하며, 도 6과 같이 거리 S에 대한 초음파 도달 시간은 수학식 3과 같이 표현된다.
7, when the flow direction of the fluid is left, Is the vector of the fluid velocity. The ultrasonic waves originating from the transducer A in Fig. 6 will reach the transducer B at a later time than when they are not influenced by the fluid traveling in the leftward direction in the
단.
only.
유체의 흐름 방향과 초음파 전파 방향이 동일할 경우 유체 속도는가 되며, 이때의 초음파 도달 시간은 수학식 4와 같이 표현된다.
If the fluid flow direction and the ultrasonic wave propagation direction are the same, And the ultrasound arrival time at this time is expressed by Equation (4).
단,
only,
따라서 전파시간차 는 수학식 5와 같다.
Therefore, Is expressed by Equation (5).
단, only,
흐름이 없는 상태에서의 초음파 속도 Ultrasonic velocity in the absence of flow
유체에서의 초음파 전파거리 Ultrasonic propagation distance in fluid
또한, 초음파는 도 6과 같이 배관의 바닥에서 한번 반사될 때와 달리, 여러 번(n번) 반사될 경우 초음파 빔의 진행 거리가 n번만큼 증가하게 되므로 전파시간차는 수학식 6과 같이 표현된다.
6, the propagation time of the ultrasonic beam is increased by n times when the ultrasonic wave is reflected many times (n times) unlike the case of once reflecting at the bottom of the pipe, so the propagation time difference is expressed by Equation 6 .
이하, 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 한 쌍의 초음파 변환기 간의 최적 거리에 대하여 설명한다.Hereinafter, an optimum distance between a pair of ultrasonic transducers used in an embodiment of the present invention will be described.
도 6에서, 변환기 A와 B의 최적 거리는 로부터, 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
In Figure 6, the optimum distance of transducers A and B is (7) " (7) "
단, only,
t = 파이프 벽의 두께 t = thickness of pipe wall
이하, 본 발명이 일 실시예에 따라 배관 내부의 유속을 측정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of measuring the flow velocity inside a pipe according to an embodiment of the present invention will be described.
수학식 6에서, 초음파가 배관 내부에서 n번 반사되어 전달될 때 계산유속()은 수학식 8과 같이 표현된다.
In Equation (6), when the ultrasonic wave is reflected n times in the inside of the pipe and is transmitted, ) Is expressed by Equation (8).
단, only,
n=초음파의 반사 횟수
n = number of ultrasonic reflections
수학식 8에 배관의 단면적(A)을 곱하면, 초음파가 배관 내부에서 n번 반사되어 전달될 때의 유량(Q)을 수학식 9와 같이 얻을 수 있다.
If the cross-sectional area A of the pipe is multiplied by the equation (8), the flow rate Q when the ultrasonic wave is reflected n times in the pipe and is transmitted can be obtained as shown in Equation (9).
단, only,
n = 초음파의 반사 횟수 n = number of ultrasonic reflections
d = 파이프의 내경
d = inner diameter of pipe
이하, 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 상술한 초음파 변환기, 쐐기, 배관 내 유체에서의 초음파의 진행시간 측정방법, 초음파 변환기 간의 최적 거리 측정방법, 및 배관 내부의 유속을 측정하는 방법을 이용한 실제 실험결과의 예를 설명한다.Hereinafter, the ultrasound transducer, wedge, method of measuring ultrasonic wave propagation time in a fluid in a pipe, method of measuring an optimum distance between ultrasonic transducers, and method of measuring a flow velocity inside a pipe can be used in an embodiment of the present invention An example of actual experimental results will be described.
배관의 유향, 유속, 유량을 동시에 계측하기 위해 도 8과 같은 실험 장치를 구성하였다. 도 8의 참조번호 11, 13, 20, 28, 31, 32, 33, 34, 35, 36은 각각 파이프(11), 흐름 방향(13), 초음파 변환기(20), 쐐기(28), 오실로스코프(31), 초음파 변환기에서 수신한 초음파를 수신하는 수신기(32), 초음파 변환기가 초음파를 발생하도록 제어하는 펄서(33), 유량계(34), 수조(35), 및 펌프(36)를 나타낸다.In order to simultaneously measure the flow direction, flow rate, and flow rate of the piping, an experimental apparatus as shown in FIG. 8 was constructed.
주요 실험 장치는 가압 펌프(WPMS-5500 series, HWARANG SYSTEM, Incheon, Korea), 오실로스코프(Waverunner 62XI, Lecroy, USA), Pulser & receiver(HIS-2, Krautkramer, Japan), 유량계(Z4005, Nuritech, Korea)이며, 유량계의 오차 범위는 5%이다. 오실로스코프에서 획득된 초음파 신호는 100번 평균하였으며, 초음파 리시버의 조건은 attenuation 40dB, pulser energy 2, damping 1로서 초당 25,000개의 데이터를 수집하였다.The main experimental devices were a pressure pump (WPMS-5500 series, HWARANG SYSTEM, Incheon, Korea), an oscilloscope (Waverunner 62XI, Lecroy, USA), a pulser and receiver (HIS-2, Krautkramer, Japan), a flow meter (Z4005, Nuritech, Korea ), And the error range of the flowmeter is 5%. The ultrasonic signals obtained from the oscilloscope were averaged 100 times. The conditions of the ultrasonic receiver were attenuation 40dB,
초음파 변환기는 공칭주파수 1MHz인 광대역 초음파 변환기(Panametrics Co. Ltd. USA)를 사용하였으며, 직경 1배관의 곡률에 맞도록 쐐기를 제작하였다. 유량계(Z4005, Nuritech, Korea)의 측정 범위는 이며, 가압 펌프(WPMS-5500 series, HWARANG SYSTEM, Incheon, Korea)의 성능은 최대 이다.The ultrasound transducer was a broadband ultrasonic transducer (Panametrics Co. Ltd. USA) with a nominal frequency of 1 MHz and a wedge was made to fit the curvature of a single diameter tube. The measuring range of the flow meter (Z4005, Nuritech, Korea) is , And the performance of the pressure pump (WPMS-5500 series, HWARANG SYSTEM, Incheon, Korea) to be.
배관의 재질은 SUS304이며, 쐐기는 초음파의 감쇄가 비교적 적은 poly methacrylate(, plexiglass)를 적용하였다. 스넬의 법칙을 적용하기 위해 SUS304와 poly methacrylate 사이에서의 모드 변환을 고려한 초음파 속도는 강 내에서의 횡파 초음파 속도(3,200 m/s)와, 쐐기의 종파 초음파 속도(2,760 m/s)를 수학식 1에 적용하였다. The material of the pipe is SUS304, and the wedge is made of poly methacrylate ( , plexiglass) was applied. In order to apply Snell's law, the ultrasound velocity considering mode conversion between SUS304 and poly methacrylate was calculated from the transverse ultrasonic velocity (3,200 m / s) in the steel and the longitudinal ultrasonic velocity of the wedge (2,760 m / s) 1.
강 재료 중에 횡파만을 입사시키기 위해 굴절 종파가 발생하지 않도록 제1 임계각이상의 각도를 계산하였으며 굴절 횡파가 발생하도록 제2 임계각 미만의 각도를 계산하였다. 따라서 임계각 , 를 각각 수학식 1에 대입하면 아래와 같이 각 변환 모드에 맞는 쐐기의 각도를 계산할 수 있다.
The first critical angle < RTI ID = 0.0 > And the second critical angle < RTI ID = 0.0 > Were calculated. Therefore, , Into the equation (1), the angle of the wedge corresponding to each conversion mode can be calculated as follows.
단, only,
= 종파의 굴절각 = Refraction angle of sect
= 횡파의 굴절각 = Refraction angle of transverse wave
= 쐐기의 초음파 종파 속도 = Ultrasonic wave velocity of the wedge
= SUS304의 초음파 종파 속도 = Ultrasonic wave velocity of SUS304
= SUS304의 초음파 횡파 속도
= Ultrasonic transverse velocity of SUS304
따라서 쐐기의 각도는 의 범위로 계산되었으며, 가능한 느린 유속에서도 전파시간차를 잘 관찰할 수 있도록 제2 임계각인 에 가까운 로 결정하였다. 이때, 쐐기에서 굴절되는 초음파 굴절각은 약 가 된다. 결국 초음파는 초음파 변환기→쐐기(종파)→배관(횡파)→유체(종파)→배관(횡파)→쐐기(종파)→초음파 변환기의 경로로 이동한다. 한편 배관에 접촉하여 적용할 수 있도록 쐐기를 고정시키기 위해 도 9와 같은 고정 지그를 설계하여 이용하였다. 도 9의 참조번호 28, 37은 각각 쐐기(28)와 고정 지그(37)를 나타낸다.Therefore, the angle of the wedge The . In order to observe the difference in propagation time as slowly as possible, the second critical angle sign Close to Respectively. At this time, The ultrasonic refraction angle, which is refracted from the wedge, . Ultrasonic ultrasound moves to the path of ultrasonic transducer → wedge (longitudinal wave) → piping (transverse wave) → fluid (longitudinal wave) → pipeline (transverse wave) → wedge (longitudinal wave) → ultrasound transducer. The fixing jig shown in FIG. 9 was designed and used to fix the wedge so that it can be applied to the pipe.
지금까지 기술된 유향, 유속, 유량측정에 대한 이론적인 방법을 근거로 실제 초음파 실험을 통하여 얻어진 유량과 기존의 유량계로 얻어진 유량과의 차이를 비교하고, 배관 내에서 반사되어 전달되는 초음파 신호의 반사 횟수를 증가시켜 적절한 초음파 반사 횟수와 그에 따른 초음파 변환기 간의 최적 거리를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 초음파 반사 횟수의 증가 이유는 유량 변화에 의해 발생하는 초음파 전파시간차를 증가시키면서 유량 및 유속의 측정 정확도를 비교해 보기 위함이며, 이에 대한 설명은 도 10에서 보는 바와 같다. 도 10의 (a), (b), (c)는 각각 초음파가 파이프 내에서 1회, 2회, 3회 반사하는 경우를 나타낸 것이다. Based on the theoretical method for measuring the flow direction, flow rate and flow rate described above, the difference between the flow rate obtained by the actual ultrasonic experiment and the flow rate obtained by the conventional flow meter is compared, and the reflection of the ultrasonic signal reflected in the pipe Experiments were performed to determine the appropriate number of ultrasonic reflections and the optimal distance between the ultrasonic transducers by increasing the number of times. The reason for the increase of the number of ultrasonic wave reflections is to compare the measurement accuracy of the flow rate and the flow velocity while increasing the ultrasonic wave propagation time difference caused by the flow rate change, and the explanation thereof is shown in FIG. 10 (a), 10 (b) and 10 (c) show cases where ultrasonic waves are reflected once, twice, and three times in the pipe, respectively.
도 8에서, 물탱크에 담긴 물을 펌프에 의해 시계 반대 방향으로 지속적으로 순환시킬 경우, 유량은 초음파 변환기가 설치된 배관 양단의 밸브를 통해 조절이 가능하다. 이때, 유량은 유량계를 이용하여 측정하였다. 유량의 변화 시 유속과 유량 값을 비교하기 위해 유량을 각각 30, 45, 60 L/m의 3수준으로 변화시켰으며, 송수신 초음파 변환기의 거리에 따른 영향을 분석하기 위하여 초음파 신호를 수신하였다. 최종적으로 초음파 신호를 통하여 얻어진 유량 값과 유량계에 의해 측정된 유량 값과의 차이를 보정하기 위하여 보정 계수를 산출하여 오차를 줄이도록 하였다. 이하, 반사 횟수가 1회, 2회, 3회인 경우의 실험 결과를 설명한다.
In Fig. 8, when the water contained in the water tank is continuously circulated in the counterclockwise direction by the pump, the flow rate can be adjusted through the valves at both ends of the pipe provided with the ultrasonic transducer. At this time, the flow rate was measured using a flow meter. In order to compare the flow rate with the flow rate, we changed the flow rate to three levels of 30, 45, and 60 L / m, respectively. Ultrasonic signals were received to analyze the effect of the distance of the ultrasonic transducer. In order to correct the difference between the flow rate value obtained through the ultrasound signal and the flow rate value measured by the flow meter, To reduce the error. Experimental results in the case where the number of reflections is 1, 2, and 3 will be described below.
<반사 횟수가 1회인 경우><When the number of reflections is one time>
두 개의 초음파 송수신 변환기를 고정시키고 임의의 방향에서 물이 흐른다고 가정하였을 때, 의 유량 조건에서 초음파 전파시간차를 이용하여 유향을 결정할 수 있는 지를 고찰하였다. 도 11은 배관 내에서 도 10의 (a)와 같이 초음파가 배관 내에서 반사되는 횟수가 1번일 때 유량 조건에서 수신된 초음파 신호를 나타냈다. 도 11에서 보는 바와 같이, 2개의 초음파 신호가 수신되었는데 2개의 신호 중 'a' 신호는 배관의 표면을 따라 전파되는 신호이며 향후 분석에서 이러한 배관의 표현을 따라 전파하는 초음파 신호는 제외하였다.Assuming that two ultrasonic transducers are fixed and water flows in an arbitrary direction, And the flow direction of ultrasonic waves was used to determine the flow direction. 11 is a graph showing the relationship between the flow rate of the ultrasonic waves in the pipe when the number of times of reflection of the ultrasonic waves in the pipe is 1, The ultrasound signals received under the conditions are shown. As shown in FIG. 11, two ultrasonic signals were received. The 'a' signal among the two signals propagated along the surface of the piping, and ultrasonic signals propagating along the pipeline expression in the future analysis were excluded.
유량이 일 때의 수신된 신호에 대하여 도 11에서의 2번째 수신 신호, 즉, 'b' 신호를 확대하여 나타낸 결과는 도 12에서 보는 바와 같다. 도 12에서 수신된 신호의 파형의 차이를 구분하기 곤란하여 "A" 부분을 확대하여 나타낸 결과는 도 13과 같다.
유체에서의 초음파 전파시간차는 한국산업표준(KS B ISO TR12765)의 '영점 교차점'을 사용하여 측정하였다. '영점 교차점'이란 처음 수신된 신호의 반주기가 지나고 난 후에 도착하는 신호이다(도 13 참조).Ultrasonic wave propagation time difference in fluid Was measured using the 'zero crossing point' of the Korean Industrial Standard (KS B ISO TR12765). The zero crossing is a signal arriving after the half period of the first received signal passes (see FIG. 13).
배관의 제원은 SUS 304이며, 외경은 25.4mm, 내경은 25 mm이다. 입사각이 로 설계된 쐐기에 의해 굴절되는 초음파 빔의 굴절각은 수학식 1에 의해, , 로 계산된다(도 6 참조). 유량이 일 때 초음파 전파시간차를 구하기 위해, 유량의 정의(Q=AV, Q=유량, A=단면적, V=유속)로부터, 아래와 같이 측정 유속 을 구하였다.
The specification of the pipe is SUS 304, the outer diameter is 25.4 mm, and the inner diameter is 25 mm. Angle of incidence The refraction angle of the ultrasonic beam refracted by the wedge designed by the equation (1) , (See FIG. 6). Flow rate Ultrasonic wave propagation time difference (Q = AV, Q = flow rate, A = cross sectional area, V = flow rate) to obtain the measured flow rate Respectively.
를 수학식 5에 대입하면 전파시간차는 아래와 같이 로 계산된다. Is substituted into Equation (5), the propagation time difference Is as follows .
단, only,
유량이 일 때 계산되는 이론적인 전파시간차와 유속을 검토하기 위하여 수학식 8에 대입하여 얻어지는 계산 유속()은 다음과 같다.
Flow rate Theoretical propagation time difference And equation (8) to examine the flow velocity Calculation flow rate ( )Is as follows.
이에 따라, 계산 유속()과 측정 유속()의 오차는 약 0.02m/s(2.04m/s-2.02m/s)로서 본 발명에서의 이론식인 수학식 8이 타당하다고 판단된다. Accordingly, the calculated flow rate ( ) And the measured flow rate ( ) Is about 0.02 m / s (2.04 m / s-2.02 m / s), so that the equation (8), which is a theoretical formula in the present invention, is valid.
또한 도 13에서 초음파 신호로부터 측정된 전파시간차는 약 이며, 수학식 8에 대입하면 초음파 신호 측정으로부터 얻어지는 계산 유속()은 약 으로 나타났다.
In Fig. 13, the propagation time difference measured from the ultrasonic signal About (8), the calculation flow rate obtained from the ultrasonic signal measurement ) Is about Respectively.
주어진 유량 조건과 배관 단면적으로부터 얻어지는 측정 유속()과 수학식 8에 의해 얻어진 계산 유속()과의 오차()는 약 로서, 이론적으로 계산된 전파시간차와 유속은 타당한 것으로 판단된다. 도 13에서 "B" 부분의 전파시간차는 약 이며, 계산 유속()은 수학식 8에 의해 이며, 수학식 9에 의해 계산되는 유량은 로서, 실제 유량과의 오차는 약 7.5%로 나타났다.
Given flow conditions And the measured flow rate obtained from the pipe cross-sectional area ( ) And the calculated flow rate ( ) ) Is about Theoretically calculated propagation time difference And the flow rate is judged to be reasonable. In Fig. 13, the propagation time difference of the portion "B" About , And the calculated flow rate ( ) ≪ RTI ID = 0.0 > , And the flow rate calculated by equation (9) is , The actual flow rate And the error was 7.5%.
다음의 표 1에 유량이 각각 일 경우 배관 내에서 초음파의 반사 횟수가 1번일 때 각각 계산되는 초음파의 전파시간차, 측정 유속(), 측정 유량()과 실험을 통해 얻어지는 전파시간차, 계산 유속(), 계산 유량()을 비교하여 나타내었다. 이때, 각각의 실험에 의해 얻어진 측정값은 5회 반복에 의한 평균값이다.
Table 1 below shows the flow rates The propagation time difference of the ultrasonic wave calculated when the number of reflection times of the ultrasonic waves in the pipe is 1 , Measured flow rate ( ), Measured flow rate ( ) And the propagation time difference , The calculated flow rate ( ), Computed flow rate ). At this time, the measurement value obtained by each experiment is an average value by repeating 5 times.
Error of flow rate
표 1의 유량측정 오차를 감소시키기 위하여 보정 계수를 수학식 10과 같이 정의하였다.
In order to reduce the flow measurement error shown in Table 1, Is defined as Equation (10).
보정 계수를 유속을 이용하여 결정한 이유는 유량을 나타내는 식에서 유속이 주요 인자이기 때문이다.
Correction coefficient Is determined by using the flow rate, Because the flow rate is the main factor.
표 1과 수학식 10을 이용하여 유량과 유속을 보정한 결과는 표 2에서 보는 바와 같다.
Table 2 shows the results obtained by correcting the flow rate and flow rate using Table 1 and Equation 10.
Error of velocity rate
rate
flow
rate
velocity
flow rate
velocity
flow rate
velocity
보정 계수를 이용하여 최종적으로 유량은 수학식 11과 같이 표현 될 수 있다.
Correction coefficient And finally the flow rate Can be expressed by Equation (11).
<반사 횟수가 2회인 경우><When the number of reflections is two times>
배관 내에서 2회 반사되는 초음파 신호의 송수신 개념도는 도 14에서 보는 바와 같다. 즉 초음파 변환기의 거리를 증가시켜 도 15에서 보는 바와 같은 초음파 수신 신호를 얻을 수 있다. 이때, 도 15에서 신호 'a'는 배관 표면을 따라 전달되는 신호이다.The concept of transmission and reception of the ultrasonic signal reflected twice in the pipe is shown in FIG. That is, by increasing the distance of the ultrasonic transducer, an ultrasonic reception signal as shown in FIG. 15 can be obtained. In this case, the signal 'a' in FIG. 15 is a signal transmitted along the pipe surface.
배관 내 유량이 일 때 도 15에서 신호 'b'와 'c'에서의 초음파 전파시간차를 분석하였다. 도 16 및 도 17은 도 15의 'b'부분과 'c'부분에서의 시간차를 확대한 모습이다. 도 16에서 'b'부분의 전파시간차는 약 53ns로 나타났으며 이 신호는 도 13에서와 같이 1회 반사된 신호가 배관의 표면을 전파하여 수신용 초음파 변환기 (B)에 도달되는 것으로 판단된다. 한편 도 15의 신호 'c'의 경우 이론적인 전파시간차는 수학식 5에 의해 83ns로 계산되었으며, 도 17에서 측정된 초음파 전파시간차는 약 96.4ns로 나타났다. 전체적으로 초음파 신호가 2회 반사되어 수신되는 신호가 1회 반사되어 수신되는 신호보다 감쇠가 상대적으로 크게 나타났다.The flow rate in the pipe In Fig. 15, the time difference of ultrasonic wave propagation in signals 'b' and 'c' is analyzed. FIGS. 16 and 17 are enlarged views of time differences in the portions 'b' and 'c' of FIG. In Fig. 16, the propagation time difference at the portion 'b' is about 53 ns. This signal is judged to be transmitted to the receiving ultrasound transducer (B) by propagating the once reflected signal on the surface of the pipe as shown in Fig. 13 . On the other hand, in the case of the signal 'c' in FIG. 15, the theoretical propagation time difference is calculated as 83 ns by Equation 5, and the ultrasonic wave propagation time difference Was about 96.4 ns. Overall, the attenuation is relatively larger than the received signal by reflecting the ultrasonic signal two times.
유량이 일 때 유속은 초음파의 반사 횟수와 관계없이 항상 동일하기 때문에 이론적인 유속은 이다. 수학식 9에 도 17에서 측정된 전파시간차인 96.4ns를 대입하여 다음과 같이 계산하면 유속은 가 된다.
Flow rate Flow rate Is always the same irrespective of the number of reflections of ultrasonic waves, so the theoretical flow rate to be. In Equation (9), the propagation time difference And the following calculation is performed to calculate the flow rate silver .
단, n=2
However, n = 2
한편 수학식 9에 의해 다음과 같이 측정된 유량은 이며 이때, 에 대하여 오차는 약 18%로 나타났다.
On the other hand, the flow rate silver At this time, The error was about 18%.
단, n=2
However, n = 2
표 3에 유량이 각각 일 때 배관 내 초음파의 반사 횟수가 2번일 때 각각 계산되는 초음파의 전파시간차, 유속, 유량과 초음파 실험을 통해 얻어지는 전파시간차, 유속, 유량을 비교하여 나타내었다. 각각의 유량 조건에서 실험에 의해 얻어진 측정값은 5회 반복에 의한 평균값으로 나타내었다.
Table 3 shows the flow rates The propagation time difference of the ultrasonic waves calculated when the number of reflection times of the ultrasonic waves in the pipe is 2 , Flow rate , Flow rate And the propagation time difference obtained by the ultrasonic experiment , Flow rate , Flow rate Respectively. The measured values obtained by the experiment at each flow rate condition are shown by the average value by repeating 5 times.
Error of flow rate
한편, 초음파를 이용한 유량 측정 오차를 보정하기 위한 보정 계수를 구하여 적용한 결과는 표 4에서 보는 바와 같다.
Table 4 shows the results of applying correction coefficients for correcting flow measurement errors using ultrasonic waves.
Error of velocity rate
rate
flow
rate
velocity
flow rate
velocity
flow rate
velocity
<반사 횟수가 3회인 경우><When the number of reflections is three times>
배관 내에서 3회 반사되는 초음파 신호의 송수신 개념도는 도 18에서 보는 바와 같다. 즉 초음파 변환기의 거리를 증가시켜 도 19에서 보는 바와 같은 초음파 수신 신호를 얻을 수 있다. 마찬가지로 도 19에서 'a'신호는 배관 표면을 따라 전달되는 신호이다.The concept of transmission and reception of the ultrasonic signal reflected three times in the pipe is as shown in FIG. That is, by increasing the distance of the ultrasonic transducer, an ultrasonic reception signal as shown in FIG. 19 can be obtained. Similarly, in FIG. 19, the signal 'a' is a signal transmitted along the pipe surface.
도 19에서 초음파 반사 횟수가 3회일 때 수신되는 신호를 분석해 보면 신호 'a'는 배관 표면을 따라 전달되는 신호이며, 신호 'b'는 배관 내에서 초음파 반사 횟수가 1회일 때, 신호 'c'는 반사 횟수가 3회일 때의 신호를 각각 나타내는 것으로 판단된다. 도 20은 도 19에서 신호 'b'의 모습을 확대하여 나타낸 그림으로서, 신호 'b'의 전파시간차는 약 52ns로 나타났으며 도 18에서 초음파가 1번 반사되어 배관의 표면을 따라 전달되었기 때문에 1회 반사에 외해 계산되는 전달 시간인 41ns보다 도달 시간이 더 소요되는 것으로 나타났다.In FIG. 19, the signal 'a' is a signal transmitted along the pipe surface, and the signal 'b' is the signal 'c' when the number of times of ultrasonic reflection is one in the pipe, Is a signal when the number of reflections is three. FIG. 20 is an enlarged view of the signal 'b' in FIG. 19. The difference in the propagation time of the signal 'b' is about 52 ns. In FIG. 18, since the ultrasonic wave is reflected once and transmitted along the surface of the pipe Transmission time calculated by one reflection Which is more than 41 ns.
도 21 및 도 22는 신호 'c' 및 'd'를 각각 확대한 모습이며, 이때 전파시간차는 각각 100ns, 150ns로 나타났다. 이들 값들은 반사 횟수가 각각 2회 및 3회 일 때 의 유량 조건에서 계산되는 이론적인 전파시간차인 83ns 및 170ns와 유사한 값을 나타내었다.21 and 22 are enlarged views of the signals 'c' and 'd', respectively. At this time, Are 100 ns and 150 ns, respectively. These values are obtained when the number of reflections is 2 and 3, respectively Which is the theoretical propagation time difference calculated from the flow condition of 83ns and 170ns.
유량이 일 때 측정된 (c)의 전파시간차인 150ns를 수학식 8에 대입하였을 때 측정 유속은 다음과 같이 로 계산되었다.
Flow rate The propagation time difference of (c) Is substituted into equation (8), the measured flow rate Is as follows Respectively.
단, n=3
However, n = 3
수학식 9에 의해 다음과 같이 측정된 유량은 이며, 이때 에 대하여 오차는 약 12%로 나타났다.
The flow rate measured by Equation 9 as follows silver Lt; / RTI > The error was about 12%.
단, n=3
However, n = 3
표 5에 유량이 각각 일 경우 배관 내의 초음파의 반사 횟수가 3회일 때 각각 계산되는 초음파의 전파시간차, 유속, 유량과 얻어지는 전파시간차, 유속, 유량을 비교하여 나타내었다. 각각의 유량계에서 실험에 의해 얻어진 측정값은 5회 반복에 의한 평균값을 나타내었다.
Table 5 shows the flow rates The propagation time difference of the ultrasonic wave calculated when the number of reflection times of the ultrasonic waves in the pipe is 3, , Flow rate , Flow rate And the obtained propagation time difference , Flow rate , Flow rate Respectively. The measured value obtained by the experiment in each flow meter showed the average value by repeating 5 times.
Error of flow rate
한편, 초음파의 3회 반사 조건에서 유량 측정 오차를 설정하기 위한 보정계수를 구하여 적용한 결과는 표 6에서 보는 바와 같다.
On the other hand, the correction coefficient for setting the flow measurement error under the three reflection conditions of the ultrasonic wave was obtained and applied.
Error of velocity rate
rate
flow
rate
velocity
flow rate
velocity
flow rate
velocity
이상 본 발명의 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 통상적인 지식을 가진 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 통하여 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, . The contents of each claim in the claims may be combined with other claims without departing from the scope of the claims.
그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, it should be understood that the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense, and that the true scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof, .
Claims (14)
상기 전파시간차법에 의해 측정한 시간차(t), 상기 유체가 정지한 상태에서의 상기 유체에서의 초음파의 제1 전파속도(Vm), 상기 한 쌍의 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 상기 유체에서의 굴절각(f), 및 상기 굴절각(F)과 상기 배관의 크기에 의해 계산되는 상기 초음파의 전파거리(W)를 획득하는 단계; 및
상기 유체의 유속(VF')을 식 (1)에 비례하는 값으로 추정하는 단계
를 포함하는,
배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량의 추정방법.
식 (1) : (Vm 2·t)/(W·sin(f))A method for measuring a physical quantity relating to a flow of fluid in a piping by using an electric wave time difference method using a pair of ultrasonic transducers installed apart from each other on a pipe,
A time difference (t) measured by the propagation time difference method, a first propagation speed (V m ) of ultrasonic waves in the fluid in a state where the fluid is stopped, Obtaining a propagation distance (W) of the ultrasonic wave calculated by the refraction angle ( f ) and the refraction angle ( F ) and the size of the pipe; And
Estimating the flow velocity (V F ') of the fluid to a value proportional to equation (1)
/ RTI >
A method for estimating a physical quantity relating to a flow of fluid in a pipe.
Equation (1): (V m 2 · t) / (W · sin (f))
상기 굴절각(f), 상기 배관의 크기, 및 상기 한 쌍의 초음파 변화기가 이격된 거리(S)로부터 계산되는 상기 초음파의 상기 유체 내에서의 반사회수(n)을 획득하는 단계; 및
상기 유속(VF')을 식 (2)에 비례하는 값으로 추정하는 단계
를 포함하는,
배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량의 추정방법.
식 (2) : (Vm 2·t)/(n·W·sin(f))The method according to claim 1,
Obtaining the number of reflections (n) of the ultrasonic wave in the fluid, which is calculated from the refraction angle ( f ), the size of the pipe, and the distance (S) between the pair of ultrasonic transducers; And
Estimating the flow velocity V F 'as a value proportional to equation (2)
/ RTI >
A method for estimating a physical quantity relating to a flow of fluid in a pipe.
Equation (2): (V m 2 · t) / (n · W · sin (f))
상기 추정된 유량(Q)에 보정계수(k)를 곱하여 상기 추정된 유량(Q)을 보정하는 단계를 더 포함하며,
상기 보정계수(k)는, 제1항의 상기 추정방법을 이용하는 측정 프로세스를 통해 계산된 값이며,
상기 보정계수(k)는, 유량계로부터 측정된 유량 값에서 획득된 유속 값을 상기 측정 프로세스에서 추정한 상기 추정된 유속(VF')으로 나눈 값(=Measured velocity/Calculated velocity)에 비례하는 값을 이용하는 것을 특징으로 하는,
배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량의 추정방법.The method of claim 3,
Further comprising the step of correcting the estimated flow rate (Q) by multiplying the estimated flow rate (Q) by a correction coefficient (k)
Wherein the correction coefficient k is a value calculated through a measurement process using the estimation method of claim 1,
The correction coefficient k is a value proportional to a value obtained by dividing the flow velocity value obtained from the flow rate value measured from the flow meter by the estimated flow velocity V F 'estimated in the measurement process (= Measured velocity / Calculated velocity ) Is used.
A method for estimating a physical quantity relating to a flow of fluid in a pipe.
식 (3) : S=2(ttan E +dtan f )
단, t는 상기 배관의 벽의 두께,
E 는 상기 배관의 벽에서의 상기 초음파의 굴절각,
d는 상기 배관의 내경,
f 는 상기 유체에서의 상기 초음파의 굴절각.The method according to claim 1, wherein the separation distance ( S ) between the pair of ultrasonic transducers satisfies equation (3).
Equation (3): S = 2 ( t tan E + d tan f )
Where t is the thickness of the wall of the pipe,
E is the refraction angle of the ultrasonic wave at the wall of the pipe,
d is the inner diameter of the pipe,
and f is the refraction angle of the ultrasonic wave in the fluid.
저장부 및 처리부를 포함하며,
상기 처리부는,
상기 저장부로부터 상기 전파시간차법에 의해 측정한 시간차(t), 상기 유체가 정지한 상태에서의 상기 유체에서의 초음파의 제1 전파속도(Vm), 상기 한 쌍의 초음파 변환기에서 발생한 초음파의 상기 유체에서의 굴절각(F), 및 상기 굴절각(f)과 상기 배관의 크기에 의해 계산되는 상기 초음파의 전파거리(W)를 획득하는 단계; 및
상기 유체의 유속(VF')을 식 (1)에 비례하는 값으로 추정하는 단계
를 실행하도록 되어 있는,
배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량 측정장치.
식 (1) : (Vm 2·t)/(W·sin(f))There is provided an apparatus for measuring a physical quantity relating to a flow of fluid in a piping by using a propagation time difference method using a pair of ultrasonic transducers spaced apart from each other,
A storage unit and a processing unit,
Wherein,
From the storage unit the time difference (t) measured by the propagation time difference method, the first propagation speed (V m) ultrasonic waves in the fluid in the state in which the fluid is stopped, the generated in the ultrasonic transducer of the pair of ultrasonic Obtaining a refraction angle ( F ) in the fluid and a propagation distance (W) of the ultrasonic wave calculated by the refraction angle ( f ) and the size of the pipe; And
Estimating the flow velocity (V F ') of the fluid to a value proportional to equation (1)
Lt; / RTI >
A device for measuring a physical quantity relating to the flow of fluid in a pipe.
Equation (1): (V m 2 · t) / (W · sin (f))
상기 처리부는, 상기 추정된 유량(Q)에 보정계수(k)를 곱하여 상기 추정된 유량(Q)을 보정하는 단계를 더 실행하도록 되어 있으며,
상기 보정계수(k)는, 제1항의 상기 추정방법을 이용하는 측정 프로세스를 통해 계산된 값이며,
상기 보정계수(k)는, 유량계로부터 측정된 유량 값에서 획득된 유속 값을 상기 측정 프로세스에서 추정한 상기 추정된 유속(VF')으로 나눈 값(=Measured velocity/Calculated velocity)에 비례하는 값인 것을 특징으로 하는, 배관 내 유체의 흐름에 관한 물리량 측정장치.11. The method of claim 10,
Wherein the processing unit is further adapted to perform a step of correcting the estimated flow rate Q by multiplying the estimated flow rate Q by a correction coefficient k,
Wherein the correction coefficient k is a value calculated through a measurement process using the estimation method of claim 1,
The correction coefficient k is a value proportional to a value (= Measured velocity / Calculated velocity ) obtained by dividing the flow velocity value obtained from the flow rate value measured from the flow meter by the estimated flow velocity V F 'estimated in the measurement process And the flow rate of the fluid in the pipe is measured.
상기 유체부분에서 상기 초음파가 전파된 전파거리 및 상기 유체가 흐르지 않을 때의 초음파 전파속도를 기초로 상기 유체의 유속을 측정하는 단계를 포함하는,
유체의 흐름에 관한 물리량 측정방법.A method for measuring a physical quantity related to a flow of fluid in a piping embedded in the ground using ultrasonic waves,
Measuring the flow rate of the fluid based on the propagation distance of the ultrasonic wave propagated in the fluid portion and the ultrasonic propagation velocity when the fluid does not flow.
Method of measuring physical quantity relating to fluid flow.
상기 측정하는 단계는 미리 결정된 값을 갖는 보정계수를 기초로 상기 측정된 유속 및 유량을 보정하는 단계를 포함하는,
유체의 흐름에 관한 물리량 측정방법.The method according to claim 12 or 13,
Wherein the measuring step comprises calibrating the measured flow rate and flow rate based on a correction factor having a predetermined value,
Method of measuring physical quantity relating to fluid flow.
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