KR20170033263A - 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량이 결정될 유체를 위한 유동 관을 포함하는 초음파 유량계에 관한 것이다. 그 유량계는 초음파를 방출하고 유동 관의 외피 상에 구비되며 초음파를 방사하기 위한 송신 소자를 포함한다. 유동 관의 외피 상에 구비되는 수신 소자는 송신 소자로부터 축 방향으로 이격된다. 영향 소자는 송신 소자와 수신 소자 사이에 구비되고 초음파의 일부의 속도 및/또는 방향에 영향을 미친다.

Description

초음파 유량계{ULTRASONIC FLOW METER}

본 발명은 유량이 결정될 유체(fluid)를 위한 유동 관(flow tube)을 포함하는 초음파 유량계에 관한 것으로, 유량계는 유동 관의 외피(outer jacket)에 구비되며 초음파를 방출하기 위한 송신 소자(transmitting element)와, 유동 관의 외피에 구비되며 초음파를 위한 수신 소자(receiving element)를 포함한다.

그러한 유량계는, 예를 들어 미국 특허 제6,055,868호로부터, 두 개의 링 형상의 발진기(oscillator)를 구비하는 유동 관을 포함하는 유량계로부터 공지되어 있다. 발진기들은 초음파를 방출하기 위하여 교대로 통전되는데, 파는 통전되지 않은 다른 발진기에 의해 검출된다. 초음파가 업스트림(upstream)을 전파(propagate)하는데 필요한 시간과 새로운 초음파가 다운스트림(downstream)을 전파하는 데 필요한 시간은, 그 둘 사이의 시차(time difference)뿐만 아니라, 유동 관 내에서의 유속을 결정하는 데 사용된다.

시차는 무엇보다 유동 관의 직경, 초음파가 전파되는 각도, 및 유속에 의해 결정된다. 이러한 유량계의 크기가 감소하면, 시차는 피코초(picosecond)(10^-12초) 단위로 매우 작아진다. 여전히 이러한 시차를 측정하기 위해서는 기가㎐(㎓) 정도의 매우 높은 주파수가 요구된다. 유체가 종종 이러한 높은 주파수를 감쇄한다는 사실은 불리하다.

본 발명의 목적은 비교적 작은 유량으로도 사용될 수 있는 개선된 초음파 유량 센서(ultrasonic flow sensor)를 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 수신 소자를 포함하여 송신 소자로부터 수신 소자까지 연장된 유동 관 부의 적어도 일부분에, 영향 소자(influencing element)가 구비되고, 상기 영향 소자는 초음파의 최대 일부의 속도 및/또는 방향에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계를 제공한다. 상기 영향 소자는 수신 소자를 포함하여 송신 소자로부터 수신 소자까지 연장된 유동 관의 일 영역에 위치하는 외피의 일부에 제공된다. 영향 소자는 전체 영역을 커버(cover)할 수 있고, 또는 그 일부 영역만 커버할 수도 있다. 영향 소자는, 예를 들어 에폭시(epoxy) 또는 그 화합물을 포함하는 물질 층이다.

본 발명에 따르면, 수신기의 위치에서 개선된 신호/잡음 비(ratio)가 획득된다는 것을 알 수 있다. 이것에 의해 이론적으로 제한됨이 없이, 이 놀라운 효과에 대한 가능한 설명은 이하에서 단지 예시적으로 설명한다.

두 개의 링 타입 발진기(하나의 전송기와 하나의 수신기)의 사용은 초음파가 유동 관의 길이 방향의 축에 평행하게 전파되게 한다. 그 경우 초음파는 적어도 관-유체 표면상에 부분적으로 전파된다. 따라서 초음파가 송신기와 수신기 사이를 이동한 거리는 유동 관의 직경과는 독립적이다. 이는 유량계가 비교적 작은 크기로 설계될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 상기 송신기와 수신기 사이의 거리를 충분히 크게 설계함으로써, 유량을 결정하기 위한 측정 시간을 확보할 수 있다.

그러나, 단점은 두 개의 링 타입 발진기의 종래 기술에 따라 사용한 결과, 비교적 상당히 복잡한 파동 패턴이 생성된다는 것이다. 본 발명에 따른 유동 관에서는 스톤리 파(Stoneley wave), 즉, 고체(유동 관)와 유체의 계면에서 표면 파((숄티 파(Scholte wave)라고 하는)가 주로 생성된다. 상기 스톤리 파는 유량이 결정될 매개체의 흐름에 영향을 받는다. 그러나, 생성된 초음파의 일부는 스톤리 파가 아니라, 예를 들어 유동 관의 고형분 내에서 전체적으로 전파될 것이다. 이 파는 원하는 신호를 방해한다. 또한, 이 파는 유체와 반응하는 파보다 더 빨리 전파되지만, 아직 감쇄되지 않으므로, 측정에 영향을 준다.

초음파의 최대 일부(즉, 측정될 유체와 반응하지 않는 파동의 적어도 일부)를 지연시키고(delay), 가속하고(accelerate), 편향시키고(deflect), 감쇄하거나(damp) 또는 영향을 미치도록 설계된 영향 소자를 사용함으로써, 특히 상기 후자의 파는 수신기에 도달하지 못할 정도, 또는 측정에 사용되는 시간 윈도우(time window) 밖에서 수신기에 도달할 정도로 영향을 받는다. 유체와 작용하지 않는 파의 정확하게 적어도 일부는 유체와 상호 작용하는 파와 비교해서 시간 이전 또는 그 이후의 시점에(또는 전혀) 수신기에 도달하는 정도로 영향을 받는다. 따라서, 그 결과 유량을 보다 잘 나타내는 개선된 신호/잡음 비를 갖는다.

그리하여, 이 외에도, 비교적 작은 크기로 설계될 수 있는 개선된 초음파 유량 센서가 수득된다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 목적이 달성된다.

상기 설명으로부터 또한, 상기 영향 소자는 소자가 사용되는 동안 초음파의 일부를 편향, 지연, 가속 및/또는 흡수하도록 설계되는 것이 바람직한 것으로 보인다.

상기 영향 소자는 스톤리 파에는 영향을 주지 않도록, 예를 들어 영향 소자가 없는 것처럼 스톤리 파에 나타나도록 구성되는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 이는 상기 영향 소자가 적절한 음향 임피던스(acoustic impedance)를 갖는 것을 보장함으로써 달성될 수 있다. 그러나 그 경우, 한편으로는, 음향 임피던스는 다른 파들이 상기 영향 소자에 의해 적어도 부분적으로 영향을 받도록 선택된다.

상기 영향 소자는 바람직하게는 수동 소자, 즉 전기적 또는 기계적 소자 없이 동작할 수 있는 소자이다. 일 실시예에서, 상기 영향 소자는 외피에 구비된 예를 들면 물질 층(에폭시 층이나 에폭시 화합물과 같은)이다.

일 실시예에서, 상기 영향 소자는 송신 소자와 수신 소자 사이에 존재하는 유동 관의 외피의 적어도 일부에 구비된다. 영향 소자는 송신 소자와 수신 소자 사이의 어딘가에 구비될 수 있으며, 결과적으로 유동 관의 외피의 상대적으로 작은 부분에만 구비된다.

일 실시예에서, 송신 소자 및/또는 수신 소자는 영향 소자에 의해 둘러싸인다. 송신 소자 및/또는 수신 소자는, 송신 소자 및/또는 수신 소자가 원하는 파를 방출 및/또는 수신하고, 반대로, 원치않는 파의 방출은 방지되도록 상기 영향 소자에 의해 둘러싸인다. 이는, 예를 들어, 일 실시예에서 송신기 및 수신기를 포함하는 유동 관이 에폭시 또는 그 화합물 내에 몰딩된 경우이다.

특별한 실시예에서, 단지 수신 소자만 상기 영향 소자, 예를 들면 에폭시를 포함하는 물질 층에 둘러싸인다. 이 방법으로, 원치않는 파는 수신기 위치에서 편향 및/또는 지연되어, 수신기에 도달하지 않는 (또는 제시간보다 이르거나 늦은) 것을 보장한다.

다른 실시예에서, 반대로, 단지 송신기만 상기 영향 소자에 둘러싸인다. 그러나, 이 실시예에서, 원치않는 신호들이 그럼에도 불구하고 다시 발생되어, 상대적으로 복잡한 신호가 아직 측정된다고 가정한다.

또한 일 실시예에서, 상기 영향 소자가 유동 관을 원주 방향으로 완전히 둘러싸는 것으로 생각할 수 있다. 또한, 이 경우 유동 관의 작은 축 부분이 영향 소자를 구비하거나, 또는 상대적으로 큰 부분(송신기 및/또는 수신기를 포함)이 영향 소자를 구비할 수 있다는 것을 얻는다. 상기 영향 소자는 원주 방향으로 완전히 연장하는 물질 층일 수 있다. 이 후자의 경우, 유동 관은, 가능한 송신 소자 및/또는 수신 소자와 함께, 말하자면, 영향 소자와 같은 재질로 이루어진 더 큰 제2 관(tube)에 의해 둘러싸인다.

영향 소자의 두께는 초음파의 일부의 편향에 영향을 줄 수 있다. (스테인레스) 스틸 유동 관과 에폭시 물질 층의 경우, 유동 관의 반경 방향에서 측정되는 영향 소자의 두께와 유동 관의 벽 두께 사이의 비(ratio)가 5 이상이면 좋은 결과가 얻어진다는 것은 알려져 있다. 다른 물질의 경우에는 다른 비율이 요구될 것이다. 일 실시예에서, 영향 소자의 두께가 송신 소자 및/또는 수신 소자의 두께보다 두꺼운데, 이 경우 영향 소자와 유동 관 벽 두께 사이의 어떠한 비율도 원칙적으로 가능하다.

비교적 간단하고, 진행하기가 비교적 쉬운 실시예에서, 수신 소자는 압전 소자(piezo element)를 포함한다. 상기 압전 소자는 비교적 얇은 압전 필름을 포함할 수 있다.

매우 적절한 실시예에서, 수신 소자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 또는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride)(PVDF) 재질을 포함한다. PVDF는 매우 강한 압전 효과(piezoelectric effect)를 가지며, PVDF는 특히 재질이 진동 설정된 경우에 전압을 생성하기에 적합하다.

또한, PZT 소자, 송신기 및/또는 수신기로서 기능할 수 있는 세라믹 결정(ceramic crystal)을 사용하는 것을 고려할 수 있다.

유동 관은 특히 스테인리스 스틸로 이루어진 금속 유동 관일 수 있다. 또는, 하스텔로이가 적절한 물질일 수 있다. 특정 용도로는 비금속이 사용될 수 있다. 이와 관련하여 테플론(teflon), PEEK, 글래스 또는 세라믹 재질을 고려할 수 있다.

일 실시예에서, 송신 소자 및/또는 수신 소자는 적어도 실질적으로 완전히 유동 관 주위에 구비된다. 이러한 방식으로 실질적으로 회전-대칭 신호가 얻어지고, 흐름이 전체적으로 균일하지 않아야 본질적으로 흐름의 평균이 결정된다.

송신 소자는 유동 관의 외피와 음향적으로 접촉하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이에 직접 접속되거나 음향 도전성(바람직하게는 얇은) 층을 통해 그 위에 구비된다.

신호의 더욱 정확한 측정값을 얻기 위해서는, 유량계의 유동 관의 외피에 구비되는, 초음파를 위한 추가의 수신 소자를 포함하는 것을 고려할 수 있다.

일 실시예에서, 수신 소자와 추가의 수신 소자 사이에 송신 소자가 배치되도록 상기 추가의 수신 소자가 송신 소자로부터 축 방향으로 이격된다. 그 경우 송신 소자는 수신 소자와 추가 수신 소자 사이의 가운데에 배치되어, 예를 들면, 업스트림으로 전파되는 초음파와 다운스트림으로 전파되는 초음파가 수신 소자와 추가의 수신 소자에 의해 측정된다.

상기 유량계가 초음파를 위한, 유동 관의 다른 외피에 구비되는 추가 송신 소자를 포함하는 것도 가능하다. 상기 추가 송신 소자는 송신 소자로부터 이격될 수 있다. 그 위치는 수신 소자가 송신 소자와 추가 송신 소자 사이에 배치되도록 하는 위치일 수 있다. 따라서, 업스트림 및 다운스트림의 측정이 실행될 수 있다. 다른 거리에서 측정이 이루어지도록 추가 송신 소자와 수신 소자 사이에 송신 소자가 배치되도록 추가 송신 소자가 배치되는 것도 고려할 수 있다. 다른 위치도 물론 고려할 수 있다.

일 실시예에서, 송신 소자(또는 추가의 송신 소자)는 유동 관 내에서 스톤리 파(Stoneley wave), 특히 숄트 파(Scholte wave)를 생성하도록 설계된다.

비교적 적은 소자들을 포함하고 있지만, 그럼에도 불구하고 비교적 큰 정교함으로 기능하는 일 실시예에서, 송신 소자가 수신 소자로서도 기능하도록 설계되는 것도 고려할 수 있다. 이와 유사하게, 또한 (아마도 추가의) 수신 소자는 송신 소자로서도 기능하도록 설계되는 것을 고려할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 유동 관은 유동 관 내에서 실질적으로 균일한 흐름을 행하도록 하기 위해 직관(straight tube)이다.

적절한 영향 소자는 초음파의 일부에 영향을 주는 물질 층일 수 있다. 일 실시예에서, 초음파를 편향하기 위한 물질 층은 에폭시 또는 에폭시 화합물을 포함하는 물질 층으로 이루어진다.

유동 관, 송신 소자 및/또는 수신 소자가 예를 들면 에폭시와 같은 물질 층 내에 몰딩되거나, 또는 유동 관, 송신 소자 및 수신 소자의 조립체가 상기 물질 층 내에 몰딩되는 경우 유량계는 단순한 수단을 사용하여 영향 소자를 물질 층 형태로 구비할 수 있다.

일 양태에 따르면, 본 발명은, 본 발명에 따른 유량계를 이용하여 다음의 단계를 포함하는 유량 측정 방법을 제공한다:

- 송신 소자를 이용하여 초음파를 방출하는 단계;

- 수신 소자를 이용하여 상기 방출된 초음파를 기록하는(register) 단계;

- 상기 기록된 초음파에 기초하여 상기 유량을 결정하는 단계.

본 발명에 따르면, 상기 방법은 영향 소자를 이용하여 상기 초음파의 일부의 속도 및/또는 방향에 영향을 미치는 단계를 포함한다. 상기 영향을 미치는 단계는 상기 파를 편향, 지연, 가속 및/또는 흡수하는 것을 포함할 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, 측정하고자 하는 유량의 측정이 아닌, 초음파의 일부가 상기 파가 수신기에 도달하지 못하거나, 또는 측정에 사용되는 시간 윈도우 밖에서 수신기에 도달할 정도로 영향을 받는 것으로 가정한다. 그리하여 수신기에서 개선된 신호/잡음 비가 획득된다.

일 실시예에서, 송신 소자는 표면 파(스톤리 파)를 생성하는데, 표면 파는 유동 관의 경계면과 유량이 결정될 흐름 사이에서 전파된다.

초음파의 측정이 아닌 초음파의 일부는 단순히 유동 관을 통해 전파되는 파로 가정된다. 일 실시예에서, 상기 방법은 따라서 상기 유동 관의 외피에서 방출된 파의 적어도 일부를 편향시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 유량계의 제조방법에 관한 것으로, 특히 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 유량계는 유동 관, 송신 소자 및 수신 소자를 포함하는 유량계를 제공하는 단계를 포함한다. 송신 소자, 수신 소자 또는 유동 관 중 적어도 하나가 상기 초음파의 최대 일부의 속도 및/또는 방향에 영향 소자에 둘러싸인다. 바람직하게는, 상기 영향 소자는 본 발명에 따른 유량계를 참고하여 이미 상술한 방법으로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 유량계는 단순한 방법으로 형성된다.

상기 방법은 특히 유동 관, 송신 소자 및 수신 소자의 조립체를 영향 소자를 형성하는 물질 층 내에 몰딩하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 그 경우 유동 관, 송신 소자 및 수신 소자 중의 하나를 액체 형태의 영향 소자로 둘러싸는 단계를 포함할 수 있다.

그에 따라, 액체 형태의 영향 소자는 고체의 물질 층이 얻어지도록 경화(curing)될 수 있다.

영향 소자가 에폭시 또는 에폭시 화합물인 경우 상기한 액상 물질에 몰딩 및/또는 침지(dipping)하고, 이어지는 경화는 단순한 방법으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 몇몇 가능한 실시예의 설명으로써 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유량계의 제1 실시예의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 유량계의 제2 실시예의 개략적인 측면도;
도 3은 본 발명에 따른 유량계의 제3 실시예의 개략적인 측면도;
도 4는 본 발명에 따른 유량계의 제4 실시예의 개략적인 측면도;
도 5는 본 발명에 따른 유량계의 제5 실시예의 개략적인 측면도;
도 6은 본 발명에 따른 유량계의 제6 실시예의 개략적인 측면도;
도 7a은 종래 기술에 따른 유량계을 이용하여 획득한 신호의 진폭을 시간 함수로 나타낸 그래프;
도 7b는 본 발명에 따른 유량계을 이용하여 획득한 신호의 진폭을 시간 함수로 나타낸 그래프.

도 1은 본 발명에 따른 유량계(1)를 사시도로 나타낸 것이다. 유량계(1)는 유량이 측정될 매체를 위한 유동 관(flow tube)(2)을 포함한다. 유동 관은 외피(3)를 갖는다. 유동 관은 입구(A)와 출구(B)를 구비한다. 유동 관은 바람직하게, 세장형의 직관(elongate, straight tube)(2)으로, 길이 방향(L)으로 연장된다.

유동 관(2)의 외피(3)에는 제1 발진기(11)가 구비되는데, 도시된 실시예에서 링 모양을 하며 유동 관(2)의 둘레에 전체적으로 구비된다. 제1 발진기(11)는 음향 도전층(21)을 통해 유동 관의 외피(3)와 음향적으로 접촉한다. 제2 발진기(12)는 제1 발진기(11)로부터 길이 방향으로 이격된 위치에 구비되는데, 이 경우, 음향 도전층(22)을 통해 유동 관(2)의 외피(3)와 음향적으로 접촉한다.

제1 발진기(11) 및/또는 제2 발진기(12)는 압전 소자로 구성될 수 있다. 이 경우 압전 소자는 압전 필름을 포함할 수 있다. 상기 수신 소자는 PZT 소자이거나, PVDF 물질을 포함하거나, 또는 세라믹 결정(ceramic crystal)인 것을 고려할 수 있다.

제1 발진기(11)가 송신 소자이고, 제2 발진기(12)가 수신 소자, 즉 수신 소자가 송신 소자의 다운스트림(downstream)에 배치되는 것을 고려할 수 있다. 다르게는, 물론, 반대로 송신 소자가 수신 소자의 다운스트림에 배치되는 것을 고려할 수 있다.

유동 관(2) 주위에 구비된, 송신 소자로서 기능하는 링 모양의 발진기(11)의 도시된 구성은 유동 관(2) 내에 소위 스톤리 파(Stoneley wave)를 생성하도록 되어 있다. 고체 물질(유동 관(2)의 내피)과 그 유량이 결정될 유체의 계면에서 표면 파(surface wave)가 생성된다. 상기 스톤리 파는 유량이 결정될 매개체의 흐름에 영향을 받는다. 생성된 초음파의 일부는 스톤리 파가 아니라 유동 관(2)의 고체 물질, 예를 들어 유동 관(2)의 외피(3) 부근에서 전체적으로 전파된다. 이 파는 유량이 결정될 파에 대한 어떠한 정보도 포함하지 않고, 측정되는 신호를 실제로 간섭한다.

이러한 간섭(disturbance)을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 유량계(1)는, 도 1에 나타낸 것과 같이, 송신 소자(11)와 수신 소자(12) 사이에 링 모양 물질 층(13)의 형상으로 영향 소자를 구비한다. 링 모양의 물질 층(13)은 유동 관의 외피(3)와 음향적으로 접촉한다. 링 모양의 물질 층(13)은 외피(3) 내에서 전파되는 방사된 초음파가 수신기에 도달할 수 없거나 측정에 사용되는 시간 윈도우가 끝날 때까지 수신기에 도달하지 않을 정도로 영향을 받게 한다. 그 결과, 흐름을 보다 잘 나타내는 개선된 신호/잡음 비를 구현할 수 있다.

영향 소자는 초음파의 상기 부분을 편향, 지연, 가속 및/또는 흡수하도록 설계될 수 있다. 도시된 실시예에서, 물질 층(13)은 에폭시 층으로서, 초음파의 상기 부분을 흡수하거나, 또는 적어도 파가 수신 소자(12)에 도달하지 않거나, 스톤리 파보다도 훨씬 빨리 도달하거나 또는 훨씬 나중까지도 도달하지 않을 정도로 영향을 미치도록(방향을 바꾸도록) 되어 있다.

도 2 내지 4에는 가능한 다른 실시예들을 나타낸 것으로, 유사한 부분은 동일한 부호로 표시하였다.

도 2는 송신 소자(11)와 수신 소자(12)가 유동 관 둘레에 전체적으로 구비되지 않고 외피(3)의 일부만 덮도록 구비된 것을 보여준다. 다른 한 편으로는, 영향 소자(13)는 여전히 외피(3) 주위에 전체적으로 구비된다.

도 3은, 영향 소자(13)가 외피(3) 주위에 전체적으로 제공될 필요가 없는 것을 상정할 수 있지만, 영향 소자(13)가 송신 소자(11)와 수신 소자(12) 사이의 직선 연결라인 상에 위치하는 방식으로 구비되는 것도 가능하다는 것을 도시한다.

도 4는 링 모양의 송신 소자(11)와 링 모양의 수신 소자(12)를 사용하여 비교적 제조하기 쉬운 바람직한 실시예를 보여준다. 상기 송신 및 수신 소자들은 유동 관(2)의 외피(3)와 음향적으로 접촉한다. 영향 소자(13)는 유동 관, 송신 소자(11) 및 수신 소자(12)의 조립체를 완전히 둘러싸도록 구비된다. 특별한 실시예에서, 이는 그 목적에 적합한, 상기 파가 해당 시간 윈도우 밖에서 수신 소자에 도달하게 하는 방식으로 초음파의 상기 부분에 영향을 주도록 설계된 물질 층 내에 상기 조립체를 몰딩함으로써 가능하다. 그 적합한 물질은 예를 들어 에폭시 또는 그 화합물이다. 상기 유동 관에 적합한 물질은 (스테인레스) 스틸 관과 같은 금속일 수 있다. 이미 상기한 바와 같이, 하스텔로이(hastelloy), 또는 테플론, PEEK, 유리와 같은 비금속 물질, 또는 세라믹 물질과 같은 다른 물질들도 고려될 수 있다.

도 5는 다른 바람직한 실시예를 보여준다. 도 5는 링 모양의 송신 소자(11)와 그 업스트림 및 다운스트림에 배치된 두 개의 수신 소자(12a, 12b)를 포함하는 센서 소자(1)를 보여준다. 송신 소자(11)와 수신 소자들(12a, 12b)은 유동 관의 외피(3)와 음향적으로 접촉한다. 에폭시 또는 그 화합물 형태의 영향 소자(13)는 도 4를 참고하여 상술한 바와 같이, 유동 관(2)과 송신 및 수신 소자들(11, 12a, 12b)의 조립체를 둘러싼다. 그러한 실시예를 이용함으로써, 정밀한 측정이 이루어질 수 있다.

도 6은 다른 실시예로서, 두 개의 이격된 링 모양의 송신 소자(11a, 11b)와, 그 사이에 배치된 두 개의 이격된 링 모양의 수신 소자(12a, 12b)를 갖는 센서 소자(1)를 포함한다. 영향 소자(13)는 유동 관과, 송신 및 수신 소자들(11a, 11b, 12a, 12b)의 조립체를 감싼다. 그러한 실시예에서, 각 업스트림 및 다운스트림 측정은 가능하므로, 서로 다른 측정들을 결합할 수 있다. 사전에 송신 및 수신 소자들을 교환하여, 수신 소자들이 각각 가장 먼 업스트림 및 다운스트림에 위치하는 것을 고려할 수 있다. 그러한 교환은 사용 중에 송신기와 수신기를 전환하는 것이 가능하도록, 예를 들어 제어부를 사용하여 제어된 방식으로 이루어질 수 있다. 그 결과, 측정(measurment)은 서로 다른 방식으로 수행되어 높은 정밀도를 가져올 수 있다.

측정은 두 개의 파라미터(parameter)를 구하기 위하여 수행된다. 첫 번째 파라미터는 업스트림 측정과 다운 스트림 측정 사이의 시차(time difference)이고, 두 번째 파라미터는 초음파의 전파율(propagation rate)이다. 무엇보다, 여기서 측정되는 것은 액체에서의 음속(sound velocity)이 아닌 것에 유의해야 한다. 측정된 전파율은 유체 속도에 관한 것이다.

업스트림 측정과 다운스트림 측정은 또한 서로 연관될 수 있고, 이들 결과로부터 시차가 결정될 수 있고, 그 측정에 기초하여 유량 또한 결정될 수 있다. 파면(wave front) 사이의 이러한 관계는 일반적인 신호 처리 분야에서 당업자에게 그 자체로 공지되어 있다.

도 7a는 송신 소자와 수신 소자를 포함하며 유동 관이 영향 소자를 구비하지 않는 유량계를 이용하여 획득한 신호를 보여준다. 도 7a는 상기 신호의 진폭(A, 세로 축)을 시간(t, 가로 축)의 함수로 나타낸 그래프이다. 이 그래프로부터, 상기 측정된 신호는 복잡한 파동 신호로 이루어져 있으며, 그로부터 시차를 결정하는 것이 극도로 어려움을 명백히 알 수 있다.

도 7b는 도 7a에 도시된 신호를 획득하기 위해 사용된 유동 관을 사용하여 구한 신호를 보여준다. 이 경우 상기 유동 관은 본 발명에 따른 영향 소자를 구비한다. 이 경우, 상기 유동 관은 송신 소자와 수신 소자와 함께 비교적 두꺼운 에폭시 층 내에 몰딩된다. 도면은, 보다 큰 신호의 진폭을 획득하였으므로, 동일한 설정을 사용하여 본 발명에 따른 소자로 개선된 신호가 구해진다는 것을 명확히 보여준다. 이에 대한 가능한 설명은, 상기 영향 소자의 사용으로 인해 송신기와 수신기는 원하는 진동을 송신 또는 수신하도록 강요되고, 이에 따라 원하는 신호에 더욱 민감해지고, 그리하여 더 큰 진폭이 측정될 수 있다는 것이다.

당업자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상기에 설명한 것을 이해할 것이다. 본 발명은 그러나 이러한 실시예에 한정되지 않는다.

따라서, 예를 들어, 추가적인 송신 및/또는 수신 소자들이 구비되는 것을 고려할 수 있다. 따라서, 두 개의 길이 방향으로 이격된 송신 소자와 그 사이에 배치된 수신 소자를 포함하는 실시예를 사용하는 것이 고려될 수 있다. 또한, 두 개의 길이 방향으로 이격된 수신 소자들과, 그 사이에 배치된 송신 소자를 포함하는 실시예를 사용하는 것도 고려될 수 있다. 추가적인 송신기 및/또는 수신기의 사용 또한 물론 고려될 수 있는데, 각 송신 소자와 그에 연관된 수신 소자 사이에 (추가) 영향 소자를, 예를 들어 물질 층의 형태로 구비할 수 있다.

따라서, 본 발명의 프레임워크(framework) 내에서 다양한 변형이 고려될 수 있다. 청구된 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (25)

1. 유량이 측정될 유체를 위한 유동 관을 포함하는 초음파 유량계로서,
   상기 유량계는 상기 유동 관의 외피(outer jacket) 상에 구비되며 초음파를 방출하기 위한 송신 소자(transmitting element)와, 상기 유동 관의 외피 상에 구비되고, 상기 송신 소자로부터 축 방향으로 이격되며, 상기 초음파를 위한 수신 소자(receiving element)를 포함하되,
   상기 송신 소자로부터 상기 수신 소자를 포함하여 연장되는 상기 유동 관 부분의 적어도 일부에, 영향 소자(influencing element)를 구비하고, 상기 영향 소자는 상기 초음파의 최대 일부의 속도 및/또는 방향에 영향을 미치도록 기능하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
2. 제1항에 있어서, 상기 영향 소자는 상기 초음파의 상기 부분을 편향(deflect), 지연(delay), 가속(accelerate) 및/또는 흡수(absorb)하도록 설계된, 초음파 유량계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 영향 소자는 상기 송신 소자와 상기 수신 소자 사이의 전체 거리에 연장되는, 초음파 유량계.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자 및/또는 수신 소자는 상기 영향 소자에 둘러싸인, 초음파 유량계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영향 소자가 상기 유동 관을 원주 방향으로 완전히 둘러싸는, 초음파 유량계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영향 소자의 두께는 상기 송신 소자 및/또는 상기 수신 소자의 두께보다 두꺼운, 초음파 유량계.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자 및/또는 상기 수신 소자는 압전 소자(piezo element)를 포함하는, 초음파 유량계.
8. 제7항에 있어서, 상기 압전 소자는 압전 필름을 포함하는, 초음파 유량계.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수신 소자는 PZT 물질을 포함하는, 초음파 유량계.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자 및/또는 상기 수신 소자는 적어도 실질적으로 완전히 상기 유동 관 주위에 구비되는, 초음파 유량계.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 관의 외피에 구비되는 상기 초음파를 위한 추가의 수신 소자를 더 포함하는, 초음파 유량계.
12. 제11항에 있어서, 상기 추가의 수신 소자는 상기 송신 소자로부터 축 방향으로 이격되어 상기 송신 소자가 상기 수신 소자와 상기 추가의 수신 소자 사이에 배치되는, 초음파 유량계.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자는 상기 유동 관 내에서 스톤리 파(Stoneley wave), 특히 숄티 파(Scholte wave)를 생성하도록 설계된, 초음파 유량계.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자는 수신 소자로서도 기능하도록 설계된 그리고/또는 상기 수신 소자는 송신 소자로서도 기능하도록 설계된, 초음파 유량계.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 관은 직관(straight tube)인, 초음파 유량계.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영향 소자는 물질 층을 포함하는, 초음파 유량계.
17. 제16항에 있어서, 상기 물질 층은 에폭시 또는 에폭시 화합물인, 초음파 유량계.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 소자 및 수신 소자가 상기 에폭시 또는 에폭시 화합물에 둘러싸이도록, 상기 유동 관, 상기 송신 소자 및 상기 수신 소자의 조립체가 상기 에폭시 또는 에폭시 화합물 내에 몰딩된, 초음파 유량계.
19. 유량계를 이용해서 유량을 측정하는 방법으로서,
    송신 소자를 이용하여 초음파를 방출하는 단계;
    수신 소자를 이용하여 상기 방출된 초음파를 기록하는 단계; 및
    상기 기록된 초음파에 기초하여 상기 유량을 결정하는 단계를 포함하되,
    영향 소자를 사용하여 상기 초음파의 일부의 속도 및/또는 방향에 영향을 미치는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량을 측정하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 영향 소자는 상기 유동 관의 외피 내에 방출된 파의 적어도 일부에, 예를 들어 상기 파를 편향, 지연, 가속 및/또는 흡수함으로써 영향을 미치는, 유량을 측정하는 방법.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 송신 소자는 표면 파를 생성하고, 상기 표면 파는 상기 유동 관과 유량이 결정될 흐름의 계면(interface) 사이를 전파하는, 유량을 측정하는 방법.
22. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 초음파 유량계를 제조하는 방법으로서,
    적어도 하나의 유동 관, 송신 소자 및 수신 소자를 포함하는 초음파 유량계를 제공하는 단계; 및
    상기 송신 소자, 수신 소자 또는 유동 관 중 적어도 하나를 상기 초음파의 최대 일부의 속도 및/또는 방향에 영향 소자로 둘러싸는 단계를 포함하는, 초음파 유량계를 제조하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 둘러싸는 단계는 상기 영향 소자를 액체 형태로 하여 둘러싸는 단계를 포함하는, 초음파 유량계를 제조하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 액체 상태의 영향 소자를 경화(curing)시키는 단계를 포함하는, 초음파 유량계를 제조하는 방법.
25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영향 소자는 에폭시 또는 에폭시 화합물인, 초음파 유량계를 제조하는 방법.

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