KR20150141876A - 클램프온식 초음파 유량계 및 유량 계측 방법 - Google Patents

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KR20150141876A
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Abstract

유체의 유량을 정확하게 계측 가능한 클램프온식 초음파 유량계를 제공한다.
유체가 흐르는 배관(10)에 대하여 임계각을 넘는 각도(θwi1)로 제1 초음파 신호를 입사시켜, 배관(10)의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제1 초음파 트랜스듀서(101)와, 배관(10)에 대하여 제1 초음파 신호의 입사 각도(θwi1)와 동일한 각도(θwi2)로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 배관(10)의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제2 초음파 트랜스듀서(102)와, 제1 초음파 신호가 배관(10) 내를 지나 제2 초음파 트랜스듀서(102)에 도달하기까지의 제1 시간과, 제2 초음파 신호가 배관 내를 지나 제1 초음파 트랜스듀서(101)에 도달하기까지의 제2 시간에 기초하여, 배관(10) 내의 유체의 유속 및/또는 유량을 산출하는 유량 산출부(302)를 구비하는 클램프온식 초음파 유량계.

Description

클램프온식 초음파 유량계 및 유량 계측 방법{CLAMP-ON TYPE ULTRASONIC FLOWMETER AND METHOD FOR MEASURING FLOW RATE}
본 발명은 유체 계측 기술에 관한 것으로, 특히 클램프온식 초음파 유량계 및 유량의 계측 방법에 관한 것이다.
클램프온식 초음파 유량계는, 배관의 외측의 상류측과 하류측에 각각 배치되는 초음파 트랜스듀서를 구비한다. 클램프온식의 유량계는 일반적으로 초음파를 이용하기 때문에, 이하, 본 명세서에 있어서는, 「클램프온식 초음파 유량계」를, 단순히 「클램프온식 유량계」라고 약기하는 경우가 있다. 클램프온식 유량계는, 배관 속을 흐르는 유체를 향하여 초음파를 송출하여, 유체의 상류로부터 하류 방향에 따라 전파되는 초음파의 전파 시간과, 하류로부터 상류 방향으로 거슬러 전파되는 초음파의 전파 시간에 기초하여, 배관 내를 흐르는 유체의 유속 및 유량을 산출한다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 클램프온식 유량계는, 배관의 외측에 초음파 트랜스듀서를 갖다 대면 되기 때문에, 설치할 때에 배관을 절단할 필요가 없고, 배관 내의 공동(空洞)부를 흐르는 유체에 닿지 않기 때문에, 측정 대상의 유체가 부식성이어도 좋으며, 측정 대상의 유체의 순도에 영향을 주지 않고, 또한 배관 내에 구조물이 삽입되지 않기 때문에, 압력 손실이 생기지 않는 것, 등의 이점을 갖는다.
특허문헌 1: 유럽 특허 제1173733호 명세서
본 발명은 유체의 유량을 정확하게 계측 가능한 클램프온식 초음파 유량계 및 유량의 계측 방법을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 여기서, 유체란, 기체 및 액체를 포함한다.
본 발명의 양태에 따르면, (a) 유체가 흐르는 배관에 대하여 임계각을 넘는 각도로 제1 초음파 신호를 입사시켜, 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제1 초음파 트랜스듀서와, (b) 제1 초음파 신호를 수신 가능한 위치에 배치되며, 배관에 대하여 제1 초음파 신호의 입사 각도와 동일한 각도로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제2 초음파 트랜스듀서와, (c) 제1 초음파 신호가 배관 내를 지나 제2 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제1 시간과, 제2 초음파 신호가 배관 내를 지나 제1 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제2 시간에 기초하여, 배관 내의 유체의 유속 및/또는 유량을 산출하는 유량 산출부를 구비하는 클램프온식 초음파 유량계가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, (a) 유체가 흐르는 배관에 대하여 임계각을 넘는 각도로 제1 초음파 신호를 제1 초음파 트랜스듀서로부터 입사시켜, 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 것과, (b) 제1 초음파 신호를 수신 가능한 위치에 배치된 제2 초음파 트랜스듀서로부터 배관에 대하여 제1 초음파 신호의 입사 각도와 동일한 각도로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 것, (c) 제1 초음파 신호가 배관 내를 지나 제2 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제1 시간과, 제2 초음파 신호가 배관 내를 지나 제1 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제2 시간에 기초하여, 배관 내의 유체의 유속 및/또는 유량을 산출하는 것을 포함하는, 유량의 계측 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 유체의 유량을 정확하게 계측 가능한 클램프온식 초음파 유량계 및 유량의 계측 방법을 제공 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 클램프온식 유량계의 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 클램프온식 유량계의 모식적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 클램프온식 유량계의 모식적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 클램프온식 유량계의 모식적 단면도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 클램프온식 유량계의 모식적 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 초음파 패킷의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 패킷의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 패킷의 그래프이다.
이하에 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사 부분에는 동일 또는 유사 부호로 표시하고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 대조하여 판단하여야 하는 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
실시형태에 따른 클램프온식 유량계는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 유체가 흐르는 배관(10)에 대하여 임계각을 넘는 각도(θwi1)로 제1 초음파 신호를 입사시켜, 배관(10)의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제1 초음파 트랜스듀서(101)와, 제1 초음파 신호를 수신 가능한 위치에 배치되며, 배관(10)에 대하여 제1 초음파 신호의 입사 각도(θwi1)와 동일한 각도(θwi2)로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 배관(10)의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제2 초음파 트랜스듀서(102)를 구비한다. 유체란, 기체 또는 액체이다.
제1 초음파 트랜스듀서(101)는 배관(10) 내를 흐르는 유체의 상류측에 배치되고, 제2 초음파 트랜스듀서(102)는 하류측에 배치된다. 제1 초음파 트랜스듀서(101)로부터 발생한 제1 초음파 신호는, 배관(10)을 지나 제2 초음파 트랜스듀서(102)에서 수신된다. 제2 초음파 트랜스듀서(102)로부터 발생한 제2 초음파 신호는, 배관(10)을 지나 제1 초음파 트랜스듀서(101)에서 수신된다. 예컨대, 제1 초음파 트랜스듀서(101)와 제2 초음파 트랜스듀서(102)는, 교대로 구동 신호가 인가되어, 교대로 초음파 신호를 발한다.
제1 초음파 트랜스듀서(101) 및 제2 초음파 트랜스듀서(102)는, 중앙 처리 장치(CPU)(300)에 전기적으로 접속되어 있다. CPU(300)는, 제1 초음파 신호가 제1 초음파 트랜스듀서(101)로부터 발생하고 나서 배관(10) 내를 지나 제2 초음파 트랜스듀서(102)에 도달하기까지의 제1 시간, 및 제2 초음파 신호가 제2 초음파 트랜스듀서(102)로부터 발생하고 나서 배관 내를 지나 제1 초음파 트랜스듀서(101)에 도달하기까지의 제2 시간을 계측하는 시간 계측부(301)와, 제1 시간과, 제2 시간에 기초하여, 배관(10) 내의 유체의 유속 및/또는 유량을 산출하는 유량 산출부(302)를 포함한다.
제1 초음파 트랜스듀서(101)는, 예컨대, 제1 초음파 신호를 발하는 제1 진동자(1)와, 제1 초음파 신호가 임계각을 넘는 각도(θwi1)로 배관(10)을 향하여 입사하도록, 배관(10)의 외표면 상에 배치되는 제1 웨지(11)를 구비한다. 마찬가지로, 제2 초음파 트랜스듀서(102)는, 예컨대, 제2 초음파 신호를 발하는 제2 진동자(2)와, 제2 초음파 신호가 임계각을 넘는 각도(θwi2)로 배관(10)을 향하여 입사하도록, 배관(10)의 외표면 상에 배치되는 제2 웨지(12)를 구비한다. 배관(10)은, 예컨대 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 금속 배관이다. 제1 및 제2 웨지(11, 12)는, 예컨대 폴리에테르이미드 등의 플라스틱 등의 합성 수지 등으로 이루어진다.
초음파가 등방 등질의 고체 내를 전파되는 경우, 종파와 횡파의 2종류의 평면파가 전파될 수 있으며, 실체파(body wave)라고 불린다. 종파와 횡파는 각각 스넬의 법칙에 따라 2개의 매질의 계면에서 굴절한다. 제1 및 제2 초음파 트랜스듀서(101, 102)의 제1 및 제2 웨지(11, 12)에 있어서의 초음파의 음속을 cW, 배관(10)의 관벽에 있어서의 초음파의 음속을 cP라고 하고, 제1 웨지(11)와 배관(10)의 계면에 대한 제1 웨지(11)로부터의 입사각을 θWi1, 제2 웨지(12)와 배관(10)의 계면에 대한 제2 웨지(12)로부터의 입사각을 θWi2, 배관(10)의 관벽에의 출사각을 θP라고 하면, 스넬의 법칙으로부터, 하기 식 (1)을 만족한다.
sin(θWi1)/cW
=sin(θWi2)/cW
=sin(θP)/cP (1)
따라서, 입사각(θW)의 임계각(θc)은, 하기 식 (2)로 주어진다.
θc=sin-1(cWi1/cP)
=sin-1(cWi2/cP) (2)
초음파의 입사각이 임계각(θc)을 넘는 경우, 초음파는 계면에서 전반사하여, 제1 및 제2 웨지(11, 12)로부터 배관(10)의 관벽 내에 평면파는 전파되지 않는다. 일반적으로 종파보다 횡파 쪽이 임계각이 크기 때문에, 입사각이 횡파의 임계각을 넘는 경우에는, 종파도 횡파도 평면파로서는 배관(10)의 관벽 내에 전파할 수 없게 된다. 이때, 배관(10)의 관벽 내의 음장은, 계면에 수직인 방향으로는 지수 함수적으로 감쇠하고, 계면에 평행한 방향으로는 주기성을 갖는 파동이 된다. 이 음장을 에바네센트파라고 한다. 에바네센트파의 에너지는, 계면에 수직인 방향을 따라 계면으로부터 파장 정도의 범위에 집중하고 있으며, 그보다 깊게는 침투하지 않는다(예컨대, 「초음파 용어 사전」, 2005년, 공업 조사회, 27 페이지 참조).
예컨대, 배관(10)이 스테인리스강(SUS304)으로 이루어지는 경우, 종파의 음속은 5780 m/s이며, 횡파의 음속은 3141 m/s이다. 그 때문에, SUS304로 이루어지는 배관(10)의 관벽 내에 있어서, 예컨대 1 ㎒의 초음파의 종파의 파장은 5.8 ㎜, 횡파의 파장은 3.1 ㎜가 된다. 따라서, 관벽의 두께가 수 ㎜ 정도까지이면, 배관(10)의 외표면측에서 생긴 에바네센트파는, 내표면까지 침투할 수 있다. 에바네센트파는 외표면의 법선 방향으로 평행하게 침투해 가는 것이기 때문에, 에바네센트파의 마루(peak)와 마루, 골(trough)과 골의 간격은 변하지 않고 내표면에 전해진다. 에바네센트파가 배관(10)의 내표면까지 침투함으로써, 배관(10)의 관벽 내로부터 배관(10) 내의 유체를 향하여, 제1 초음파 신호로서의 평면파가 출사된다. 배관(10)의 관벽의 외표면과 내표면에 있어서의 초음파 진동의 마루와 마루, 골과 골 사이의 간격이 동일하기 때문에, 관벽 부분을 중공으로 하여 스넬의 법칙을 적용할 수 있다. 그래서, 배관(10) 내의 유체에 있어서의 초음파의 음속을 ca로 하여, 출사하는 평면파의 출사각(θao1)은, 하기 (3) 식으로 주어진다.
θao1=sin-1(sinθWi1·ca/cW) (3)
제1 초음파 신호로서의 평면파는 배관(10) 내의 유체 중을 진행하여, 배관(10)의 관벽의 출사한 부분과 대향하는 부분에 입사한다. 그래서 재차 에바네센트파가 발생하고, 에바네센트파는 제1 초음파 신호로서 배관(10)의 관벽 내를 침투한다. 더욱이 배관(10)의 관벽으로부터 각도(θwi1)와 동일한 각도(θwo1)로 제1 초음파 신호로서의 평면파가 배관 외부에 출사되어 제2 초음파 트랜스듀서(102)에서 수신된다.
제2 초음파 트랜스듀서(102)로부터 발생한 제2 초음파 신호로서의 평면파도, 임계각을 넘는 각도(θwi2)로 배관(10)에 입사하여, 배관(10)의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시킨다. 에바네센트파는, 제2 초음파 신호로서 배관(10)의 관벽 내에 침투한다. 에바네센트파가 배관(10)의 내표면까지 침투함으로써, 배관(10)의 관벽 내로부터 배관(10) 내의 유체를 향하여, 제2 초음파 신호로서의 평면파가 출사되고, 평면파는 배관(10)의 관벽의 출사된 부분과 대향하는 부분에 입사한다. 그래서 재차 에바네센트파가 발생하고, 에바네센트파는 제2 초음파 신호로서 배관(10)의 관벽 내를 침투한다. 더욱이 배관(10)의 관벽으로부터 각도(θwi2)와 동일한 각도(θwo2)로 제2 초음파 신호로서의 평면파가 배관 외부에 출사되어 제1 초음파 트랜스듀서(101)에서 수신된다.
배관(10)의 내부에 있어서는, 유체가 유속(v)으로 흐르고 있다. 전술한 바와 같이, 제1 초음파 트랜스듀서(101)는 배관(10) 내를 흐르는 유체의 상류측에 배치되고, 제2 초음파 트랜스듀서(102)는 하류측에 배치된다. 그 때문에, 제1 초음파 트랜스듀서(101)로부터 발생한 제1 초음파 신호는, 배관(10) 내의 공동부를 유체의 흐름에 따라 전파된다. 이에 대하여, 제2 초음파 트랜스듀서(102)로부터 발생한 제2 초음파 신호는, 배관(10) 내의 공동부를 유체의 흐름에 거슬러 전파된다. 따라서, 배관(10) 내의 공동부에 있어서, 제1 초음파 신호의 전파 시간과, 제2 초음파 신호의 전파 시간에서, 유체의 유속(v)에 의한 차가 생긴다.
제1 초음파 신호가 배관(10) 내의 공동부를 가로지르기 위해 필요한 전파 시간(t1)은, 하기 (4) 식으로 주어진다.
t1=L/(ca+v·cos((π/2)-θao1)) (4)
또한, 제2 초음파 신호가 배관(10) 내의 공동부를 가로지르기 위해 필요한 전파 시간(t2)은, 하기 (5) 식으로 주어진다.
t2=L/(ca-v·cos((π/2)-θao2)) (5)
여기서, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, L은 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호의 각각이 배관(10) 내의 공동부를 가로지르는 길이를 나타낸다.
또한, θao2는 θao1과 같기 때문에, 상기 (5) 식으로부터, 하기 (6) 식이 얻어진다.
t2=L/(ca-v·cos((π/2)-θao1)) (6)
상기 (4) 및 (6) 식으로부터, 전파 시간(t2)과 전파 시간(t1)의 차(Δt)는, 하기 (7) 식으로 주어진다.
Δt=t2-t1≒(2Lv·sinθao1)/ca 2 (7)
상기 (7) 식으로부터, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체의 유속(v)은, 하기 (8) 식으로 주어진다.
v=ca 2Δt/(2L·sinθao1) (8)
여기서, 출사각(θao1)은 상기 (3) 식으로부터 산출 가능하다. 길이(L)는, 배관(10)의 직경과 출사각(θao1)으로부터 산출 가능하다. 또한, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체에 있어서의 음속(ca)은, 유체의 종류나 온도에 따라 정해지는 정수이다. 따라서, 제1 및 제2 초음파 신호의 전파 시간의 차(Δt)를 계측함으로써, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체의 유속(v)을 산출 가능하다.
또한, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체의 유량(q)은, 하기 (9) 식으로부터 산출 가능하다.
q=kSv (9)
상기 (9) 식에 있어서, k는 유량 보정 계수, S는 배관(10)의 단면적을 나타낸다. 배관(10)의 내직경을 D라고 하면,
L=D/cos(θao1)
S=πD2/4
가 되기 때문에, (8) 및 (9) 식으로부터, 유체의 유량(q)을 이하와 같이 나타내어도 좋다.
q=πkDca 2Δt/(4·tanθao1) (9')
도 1 내지 도 4에 나타내는 시간 계측부(301)는, 제1 초음파 트랜스듀서(101)가 제1 초음파 신호를 발한 타이밍과, 제2 초음파 트랜스듀서(102)가 제1 초음파 신호를 수신한 타이밍을 감시하여, 제1 초음파 신호가 제1 초음파 트랜스듀서(101)로부터 발생하고 나서 배관(10) 내를 지나 제2 초음파 트랜스듀서(102)에 도달하기까지의 제1 시간을 계측한다. 또한, 시간 계측부(301)는, 제2 초음파 트랜스듀서(102)가 제2 초음파 신호를 발한 타이밍과, 제1 초음파 트랜스듀서(101)가 제2 초음파 신호를 수신한 타이밍을 감시하여, 제2 초음파 신호가 제2 초음파 트랜스듀서(102)로부터 발생하고 나서 배관(10) 내를 지나 제1 초음파 트랜스듀서(101)에 도달하기까지의 제2 시간을 계측한다.
시간 계측부(301)는, 제2 시간과 제1 시간의 차의 값을 산출하여, 유량 산출부(302)에 전송한다. 단, 시간 계측부(301)는, 제2 시간과 제1 시간의 차를, 직접 계측하여도 좋다. 여기서, 제1 및 제2 웨지(11, 12) 및 배관(10)의 관벽 내부에서는, 제1 초음파 신호의 전파 시간과, 제2 초음파 신호의 전파 시간 사이에, 차가 생기지 않는다. 따라서, 제2 시간과 제1 시간의 차는, 상기 (7) 식으로 주어지는 배관(10) 내의 공동부에 있어서의 전파 시간(t2)과 전파 시간(t1)의 차(Δt)에 의해서만 생긴다.
유량 산출부(302)는, 예컨대, 상기 (3) 식에 기초하여, 배관(10)의 관벽으로부터 공동부에 출사되는 제1 초음파 신호의 출사각(θao1)의 값을 산출한다. 또한, 유량 산출부(302)는, 미리 산출된 출사각(θao1)을 기억하고 있어도 좋다.
유량 산출부(302)는, 상기 (8) 식의 우변의 변수에 산출한 값을 대입하여, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체의 유속(v)을 산출한다. 또한, 유량 산출부(302)는, 제1 시간의 역수와 제2 시간의 역수의 차에 기초하여 유속을 산출하여도 좋다. 또한, 유량 산출부(302)는, 상기 (9) 식의 우변의 변수에 산출한 값을 대입하여, 배관(10) 내의 공동부를 흐르는 유체의 유량(q)을 산출한다. CPU(300)에는, 유량 기억 장치(303) 및 출력 장치(304)가 접속되어 있다. 유량 산출부(302)는, 산출한 유체의 유속(v) 및 유량(q)을, 유량 기억 장치(303)에 보존하며, 출력 장치(304)에 출력한다.
본 발명자들은, 예의 연구한 끝에, 이하의 지견을 발견하였다. 즉, 종래의 클램프온식 유량계에 있어서는, 웨지(11)와 배관(10)의 접합부에 있어서 전반사가 일어나지 않도록, 배관에 대하여 임계각을 넘지 않는 각도로 초음파 신호를 입사하고 있다. 그 때문에, 배관의 관벽에, 실체파가 전반사되는 일없이 진입한다. 또한, 배관의 관벽의 두께에 따라서는, 실체파와 함께, 배관 관벽 내부에, 전파 형태가 상이한 복수의 종류의 가이드파가 발생하여, 혼재하게 된다. 그러나, 전파 형태가 상이한 초음파는, 각각 음속이 상이하다. 그 때문에, 계측되는 초음파의 전파 시간에 분포가 생겨, 산출되는 유체의 유속에 오차가 생긴다.
이에 대하여, 본 발명의 실시형태에 따르면, 배관(10)에 대하여 임계각을 넘는 각도로 초음파 신호를 입사함으로써, 실체파를 전반사시켜, 배관의 관벽에 있어서, 에바네센트파를 발생시킨다. 이에 의해, 배관 관벽 내에서의 다중 반사는 발생하지 않게 되기 때문에, 계측되는 유체의 유속의 오차를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 종래의 클램프온식 유량계는, 배관에 대하여 임계각을 넘지 않는 각도로 초음파 신호를 입사하고 있기 때문에, 배관의 관벽 내에서, 초음파의 다중 반사가 일어난다. 그러나, 다중 반사가 일어나면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 수신측의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 파형이 시간적으로 확장되어, 진폭의 피크가 (1)인지, (2)인지, 특정하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 이에 의해, 초음파의 전파 시간의 특정도 곤란해지는 경우도 있다. 이에 대하여, 다중 반사를 일으키지 않는 에바네센트파를 이용함으로써, 수신측의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 파형의 시간적인 확장을 억제하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 신호 파형이 예리해져, 초음파의 전파 시간의 특정이 용이해진다. 또한, 종래의 클램프온식 유량계에서는 배관의 관벽 내를 다중 반사한 초음파가 배관의 플랜지면 등에서 반사하여 되돌아오기 때문에, 본래의 초음파 신호가 아닌 신호가 수신측의 초음파 트랜스듀서에 있어서 수신되어, 옳은 계측에 영향을 끼치는 경우가 있다. 이에 대하여, 다중 반사를 일으키지 않는 에바네센트파를 이용함으로써, 수신측의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 본래의 수신 신호를 높은 SN비로 수신하는 것이 가능해진다.
(실시예)
두께가 3.7 ㎜인 스테인리스강(SUS304) 강관(40A 스케줄 40)을 준비하였다. 이것에, 폴리에테르이미드로 이루어지는 웨지를 각각 갖는 송신측 및 수신측 초음파 트랜스듀서를 배치하였다. 웨지는, 스테인리스강에의 초음파의 입사각이, 54°및 57°가 되도록 제작하였다.
폴리에테르이미드에 있어서의 초음파의 종파의 음속은 2438 m/s이다. 또한, 스테인리스강에 있어서의 초음파의 종파의 음속은 5780 m/s, 또한 횡파의 음속은 3141 m/s이기 때문에, 종파, 횡파의 임계각은 각각 24.9°, 50.9°이다. 입사각이 50.9°를 넘으면 초음파의 실체파(종파, 횡파)는 배관에 전해질 수 없게 되기 때문에, 단순히 각도의 양적인 문제가 아니라, 질적으로 상이한 상태로 되어 있다.
스테인리스강 강관에 0.3 ㎫G의 압축 공기를 흐르게 하고, 송신측 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 신호를 발한 바, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 입사각이 54°및 57° 중 어느 쪽이어도, 시간적인 확장이 억제되며, 또한 진폭이 충분한 초음파 신호를, 수신측 초음파 트랜스듀서에서 수신할 수 있었다.
(그 외의 실시형태)
상기한 바와 같이 본 발명을 실시형태에 의해 기재하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해하여서는 안 된다. 이 개시로부터 당업자에게는 여러가지 대체 실시형태, 실시예 및 운용 기술이 분명해질 것이다. 예컨대, 웨지의 재료는 폴리에테르이미드에 한정되지 않고, 배관의 재료도 스테인리스강에 한정되지 않는다. 이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하지 않는 여러가지 실시형태 등을 포함한다고 하는 것을 이해하여야 한다.
1 제1 진동자
2 제2 진동자
10 배관
11 제1 웨지
12 제2 웨지
101 제1 초음파 트랜스듀서
102 제2 초음파 트랜스듀서
301 시간 계측부
302 유량 산출부
303 유량 기억 장치
304 출력 장치

Claims (18)

  1. 유체가 흐르는 배관에 대하여 임계각을 넘는 각도로 제1 초음파 신호를 입사시켜, 상기 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제1 초음파 트랜스듀서와,
    상기 제1 초음파 신호를 수신 가능한 위치에 배치되며, 상기 배관에 대하여 상기 각도와 동일한 각도로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 상기 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 제2 초음파 트랜스듀서와,
    상기 제1 초음파 신호가 상기 배관 내를 지나 상기 제2 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제1 시간과, 상기 제2 초음파 신호가 상기 배관 내를 지나 상기 제1 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제2 시간에 기초하여, 상기 배관 내의 유체의 유속과 유량의 적어도 하나를 산출하는 유량 산출부
    를 포함하는 클램프온식 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초음파 신호 및 상기 제2 초음파 신호가, 상기 배관의 관벽의 외표면과 내표면 사이를 상기 에바네센트파로서 침투하는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 초음파 트랜스듀서가, 상기 제1 초음파 신호를 발하는 제1 진동자와, 상기 제1 초음파 신호가 상기 임계각을 넘는 각도로 상기 배관에 입사하도록, 상기 배관 상에 배치되는 제1 웨지를 포함하는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 초음파 트랜스듀서가, 상기 제2 초음파 신호를 발하는 제2 진동자와, 상기 제2 초음파 신호가 상기 임계각을 넘는 각도로 상기 배관에 입사하도록, 상기 배관 상에 배치되는 제2 웨지를 포함하는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유량 산출부가, 상기 배관의 관벽으로부터 상기 배관 내의 공동(空洞)부에 출사하는 상기 제1 및 제2 초음파 신호의 출사각에 기초하여, 상기 배관 내의 유체의 유속과 유량의 적어도 하나를 산출하는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배관의 관벽으로부터 상기 공동부에 출사하는 상기 제1 초음파 신호의 출사각이, 상기 제1 초음파 트랜스듀서로부터 상기 배관에의 상기 제1 초음파 신호의 입사각, 상기 제1 초음파 트랜스듀서에 있어서의 상기 제1 초음파 신호의 음속, 및 상기 공동부를 흐르는 유체에 있어서의 상기 제1 초음파 신호의 음속에 기초하여 산출되는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배관의 관벽으로부터 상기 공동부에 출사하는 상기 제2 초음파 신호의 출사각이, 상기 제2 초음파 트랜스듀서로부터 상기 배관에의 상기 제2 초음파 신호의 입사각, 상기 제2 초음파 트랜스듀서에 있어서의 상기 제2 초음파 신호의 음속, 및 상기 공동부를 흐르는 유체에 있어서의 상기 제2 초음파 신호의 음속에 기초하여 산출되는 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배관이 금속 배관인 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체가 기체인 것인, 클램프온식 초음파 유량계.
  10. 유체가 흐르는 배관에 대하여 임계각을 넘는 각도로 제1 초음파 신호를 제1 초음파 트랜스듀서로부터 입사시켜, 상기 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 단계와,
    상기 제1 초음파 신호를 수신 가능한 위치에 배치된 제2 초음파 트랜스듀서로부터 상기 배관에 대하여 상기 각도와 동일한 각도로 제2 초음파 신호를 입사시켜, 상기 배관의 관벽에 있어서 에바네센트파를 발생시키는 단계와,
    상기 제1 초음파 신호가 상기 배관 내를 지나 상기 제2 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제1 시간과, 상기 제2 초음파 신호가 상기 배관 내를 지나 상기 제1 초음파 트랜스듀서에 도달하기까지의 제2 시간에 기초하여, 상기 배관 내의 유체의 유속과 유량의 적어도 하나를 산출하는 단계
    를 포함하는, 유량 계측 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 초음파 신호 및 상기 제2 초음파 신호가, 상기 배관의 관벽의 외표면과 내표면 사이를 상기 에바네센트파로서 침투하는 것인, 유량 계측 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 초음파 트랜스듀서가, 상기 제1 초음파 신호를 발하는 제1 진동자와, 상기 제1 초음파 신호가 상기 임계각을 넘는 각도로 상기 배관에 입사하도록, 상기 배관 상에 배치된 제1 웨지를 포함하는 것인, 유량 계측 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제2 초음파 트랜스듀서가, 상기 제2 초음파 신호를 발하는 제2 진동자와, 상기 제2 초음파 신호가 상기 임계각을 넘는 각도로 상기 배관에 입사하도록, 상기 배관 상에 배치되는 제2 웨지를 포함하는 것인, 유량 계측 방법.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 배관의 관벽으로부터 상기 배관 내의 공동부에 출사하는 상기 제1 및 제2 초음파 신호의 출사각에 기초하여, 상기 배관 내의 유체의 유속과 유량의 적어도 하나가 산출되는 것인, 유량 계측 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배관의 관벽으로부터 상기 공동부에 출사하는 상기 제1 초음파 신호의 출사각이, 상기 제1 초음파 트랜스듀서로부터 상기 배관에의 상기 제1 초음파 신호의 입사각, 상기 제1 초음파 트랜스듀서에 있어서의 상기 제1 초음파 신호의 음속, 및 상기 공동부를 흐르는 유체에 있어서의 상기 제1 초음파 신호의 음속에 기초하여 산출되는 것인, 유량 계측 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배관의 관벽으로부터 상기 공동부에 출사하는 상기 제2 초음파 신호의 출사각이, 상기 제2 초음파 트랜스듀서로부터 상기 배관에의 상기 제2 초음파 신호의 입사각, 상기 제2 초음파 트랜스듀서에 있어서의 상기 제2 초음파 신호의 음속, 및 상기 공동부를 흐르는 유체에 있어서의 상기 제2 초음파 신호의 음속에 기초하여 산출되는 것인, 유량 계측 방법.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 배관이 금속 배관인 것인, 유량 계측 방법.
  18. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 유체가 기체인 것인, 유량 계측 방법.
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