KR20180066184A

KR20180066184A - 초음파 유량계

Info

Publication number: KR20180066184A
Application number: KR1020187013111A
Authority: KR
Inventors: 하툼 에듀어드 디어터 반
Original assignee: 버킨 비.브이.
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-06-18
Also published as: JP2018529973A; CN108139245A; US10571325B2; WO2017061870A1; EP3359922B1; CN108139245B; KR102687758B1; US20180306627A1; EP3359922A1; JP6726274B2; NL2015591B1

Abstract

본 발명은 유량이 결정될 유체를 위한 유동관 및 적어도 2개의 초음파 변환기 회로를 포함하는 초음파 유동 측정 시스템에 관한 것이다. 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 하나는 전송 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호를 전송하기 위해 배열되는 초음파 전송기를 포함하고, 그리고 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 또 다른 하나는 수신 단계에서 전송된 초음파 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 수신기를 포함한다. 시스템은 수신 단계에서 초음파 수신기를 판독하기 위해 배열되는 적어도 하나의 수신 회로; 및 적어도 2개의 초음파 변환기 회로와 적어도 하나의 수신 회로에 연결되는 제어 수단을 더 포함한다. 본 발명에 따르면, 유동 측정 시스템은 유동관의 외부 재킷 상에 제공되는 초음파 감쇠층을 포함하고, 초음파 감쇠층은, 초음파 감쇠층이 유동관의 외부 재킷을 실질적으로 둘러싸고 그리고 초음파 전송기 및 초음파 수신기 둘 다와 접촉하도록 제공된다. 유동관의 재료의 음속은 초음파 감쇠층의 재료의 음속을 상당히 초과한다.

Description

초음파 유량계

본 발명은, 유량이 결정될 유체를 위한 유동관; 적어도 2개의 초음파 변환기 회로로서, 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 하나는 전송 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호를 전송하기 위해 배열되는 초음파 전송기를 포함하고, 그리고 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 또 다른 하나는 수신 단계에서 전송된 초음파 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 수신기를 포함하는, 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 회로를 포함하는, 초음파 유동 측정 시스템에 관한 것이다.

종래 기술의 초음파 유량계에서, 유동관의 재킷 측에 배열되고, 그리고 유동관의 길이 방향 축에 대하여 비스듬히 초음파를 전송하기 위해 배열되는 초음파 전송기를 가진 유동관이 사용된다. 수신기가 초음파를 수신하기 위해 하류에 그리고 유동관의 맞은편에 제공된다. 초음파가 유동관을 통해 전파되는데 필요한 시간은 유동관 내의 유속을 결정하기 위해 사용된다. 시차는, 그 중에서도 유동관의 직경, 초음파가 전파되는 각, 및 유속에 의해 결정된다. 이들 유량계의 크기가 감소될 때, 시차는 매우 작아질 것이고, 즉, 대략 피코초(10^-12초)가 될 것이다. 그럼에도 불구하고 이 시차를 측정할 수 있기 위해서, 대략 기가헤르츠(㎓)의 매우 높은 주파수가 요구된다. 유체가 자주 이들 고 주파수를 감쇠시킨다는 사실은 불리하다.

2개의 링 형상의 오실레이터(oscillator)가 제공되는 유동관을 포함하는 유량계가 US 6,055,868에 공지되어 있다. 오실레이터는 초음파를 방출하기 위해 교대로 활성화되고, 이 파동은 다른, 비활성화된 오실레이터에 의해 검출된다. 초음파가 상류로 전파되기 위해 요구되는 시간과 함께 새로운 초음파가 하류로 전파되기 위해 요구되는 시간뿐만 아니라 상기 시간 간의 시차가 유동관 내의 유속을 결정하기 위해 사용된다. 이 공지된 유량계의 단점은, 신호/잡음 비가 최상이 아니기 때문에, 유량계가 비교적 작은 유동에 사용되기에 덜 적합하다는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 또한 비교적 작은 유동에 사용될 수 있는, 개선된 초음파 유동 센서를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 수신 단계에서 초음파 수신기를 판독하기 위해 배열되는 적어도 하나의 수신 회로, 및 적어도 2개의 초음파 변환기 회로와 적어도 하나의 수신 회로에 연결되는 제어 수단을 포함하는, 전술한 종류의 초음파 유동 측정 시스템을 제공한다. 초음파 변환기 회로는 유동관의 외측에 제공된다. 따라서, 초음파 변환기 회로를 위한 유동관의 내부 용적이 없다. 본 발명에 따르면, 초음파 감쇠층(ultrasound damping layer)이 유동관의 외부 재킷 상에 제공되고, 초음파 감쇠층은, 초음파 감쇠층이 유동관의 외부 재킷을 실질적으로 둘러싸고 그리고 초음파 전송기 및 초음파 수신기 둘 다와 접촉하도록 제공된다. 초음파 감쇠층과 유동관의 재료는, 유동관의 재료의 음속이 초음파 감쇠층의 재료의 음속을 상당히 초과하는 이러한 방식으로, 선택되고 배열된다.

본 발명에 따르면, 개선된 신호/잡음 비가 수신기의 위치에서 획득된다는 것이 발견되었다. 이에 이론적으로 매이지 않고, 이 놀라운 효과에 대한 가능한 설명이 단지 예시로서 이하에 제공될 것이다.

예를 들어 링 형상의 오실레이터의 형태인 유동관과 접촉하는 전송기의 사용은, 초음파가 유동관의 길이 방향 축과 평행하게 전파되게 한다. 그런 경우에 초음파는 관-유체 표면에 걸쳐 적어도 부분적으로 전파된다. 따라서 전송기와 수신기 사이의 파동에 의해 이동된 거리는 관의 직경과 관계가 없다. 이것은 유량계가 비교적 작은 크기로 디자인될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 전송기와 수신기 사이의 거리가 충분히 길게 디자인함으로써, 유량을 결정하기 위해 측정 가능한 시간을 획득하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따른 유동관에서, 주로 숄티파(Scholte wave)가 생성된다. 이들 숄티파는 고체(유동관)와 유체(액체 또는 기체일 수도 있는, 측정될 유체)의 계면 상의 표면파이다. 상기 숄티파는 유동이 결정될 매체의 유동에 의해 영향을 받는다. 그러나, 생성될 초음파의 일부는 숄티파가 아닐 것이지만, 유동관의 고체 물질에 전부 전파될 것이다. 이 파동은 수신기의 위치에서 원하는 신호를 교란한다. 또한, 이 파동은 유체와 상호작용하지 않는 파동보다 빠르게 전파된다.

유동관의 외부 재킷과 그리고 초음파 전송기 및 초음파 수신기와 접촉하는 초음파 감쇠층을 사용함으로써, 그리고 유동관의 재료의 음속이 감쇠층의 재료의 음속을 상당히 초과하도록 초음파 감쇠층과 유동관이 디자인되고 배열되는 것을 보장함으로써, 측정될 유체와 상호작용하지 않는 파동의 일부는, 파동이 측정을 위해 사용되는 시간대 밖에서 초음파 수신기에 도달할 수 없거나, 초음파 수신기에 도달하지 못하는 이러한 정도로 영향을 받는다. 그런 면에서, 유동관의 외부 재킷과 접촉하는 초음파 감쇠층의 사용은 스톤리파(Stoneley wave)가 생성되는 것을 보장한다. 이들 스톤리파는 고체(유동관)와 고체(초음파 감쇠층)의 계면 상의 표면파이다. 초음파 감쇠층 내의 음속이 유동관의 재료의 음속보다 더 작기 때문에, 따라서 유체와 상호작용하지 않는 정확하게 이들 파동의 적어도 일부는, 유체와 상호작용하는 파동과 비교하여, 파동이 수신기에 늦게 도착하거나 심지어 전혀 도착하지 못하는 이러한 정도로 영향을 받는다. 따라서, 결과는, 유동을 더 나타내는, 개선된 신호/잡음 비이다.

따라서 개선된 초음파 유동 센서가 획득되는 것이 명백하고, 개선된 초음파 유동 센서는 게다가, 또한 비교적 작은 크기로 디자인될 수 있다. 따라서 본 발명의 목적이 달성된다.

실시형태에서, 적어도 전송기는 링 형상의 오실레이터이다. 또 다른 실시형태에서, 초음파 변환기(전송기(들) 및/또는 수신기(들))는 링 형상의 오실레이터이다. 전체 유동관 내의 유동을 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 링 형상의 오실레이터에 의해 생성되는 초음파(숄티파)가 그 링 형상 때문에, 유동관의 직경의 절반을 커버할(cover) 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 초음파는 또한 방사상으로 반대 방향으로, 외향으로 그리고 유동관으로부터 멀리, 그리고 감쇠층 내로 전송된다. 경험 법칙으로서, 초음파 변환기를 둘러싸는 감쇠층의 벽 두께(또는 방사상 두께)는 적어도 유동관의 반경과 같다.

실시형태에서, 초음파 감쇠층의 방사상 두께는 유동관의 외측 반경보다 크고, 그리고 특히, 초음파 감쇠층의 방사상 두께는 유동관의 외경을 초과한다.

실시형태에서, 초음파 감쇠층의 방사상 두께는 유동관의 외측 반경과 초음파 전송기 또는 수신기의 두께의 합보다 크다. 특히, 감쇠층의 벽 두께는 유동관의 외경과 초음파 전송기 또는 수신기의 두께의 합보다 클 수도 있다.

실시형태에서 감쇠층은 유동관을 원주 방향으로 완전히 둘러싼다. 특히, 또한 초음파 변환기(전송기 및 수신기)는 감쇠층에 의해 둘러싸이고, 그리고 감쇠층은 전송기와 수신기 사이에서 완전히 연장된다.

초음파 변환기는 바람직하게 예를 들어 초음파 변환기가 유동관의 외부 재킷에 바로 연결되거나, 또는 음향학적으로 전도성(바람직하게 박형) 층을 통해 유동관의 외부 재킷 상에 제공된다는 점에서, 유동관의 외부 재킷과 음파로 접촉된다.

감쇠층은 유동관의 완전한 원주 방향으로 연장된다. 이 경우에, 유동관 및 초음파 변환기는 이를테면, 초음파 감쇠층의 재료로 이루어지는 제2, 큰 관에 의해 둘러싸인다. 감쇠층에 의해 형성되는 이 제2, 큰 관의 내측은 최외측 초음파 변환기 사이에서 연장되는 유동관의 외부 재킷의 일부와 완전히 접촉된다.

실시형태에서, 초음파 유동 측정 시스템은 숄티파의 파장에 기초하여 디자인된다. 실시형태에서 숄티파는 초음파 전송기의 내측 반경에 따라, 1 내지 20㎜의 범위 내이다. 초음파 전송기와 초음파 수신기 사이의 거리는 일반적으로 숄티파의 파장의 10 내지 20배의 범위 내이고, 따라서 전송기와 수신기 사이의 거리는 10㎜ 내지 400㎜의 범위 내이다. 부가적으로, 유동관의 벽 두께는 숄티파의 파장의 0.1 내지 0.5배의 범위 내일 수도 있다. 따라서 유동관의 벽 두께는 0.1 내지 10㎜의 범위 내일 수도 있다. 상기 값은 양호한 신호/잡음 비를 갖는 컴팩트한(compact) 유량계를 발생시킨다.

또한, 실시형태에서 유량계의 내경은 0.1㎜ 내지 10㎜의 범위 내일 수도 있다.

실시형태에서, 초음파 전송기와 초음파 수신기 사이의 길이 방향 거리로서 규정되는, 변환기 간격 대 유동관의 내경의 비는 1:1 내지 2000:1의 범위 내이다. 보다 구체적으로, 대략 40㎜인 전송기와 수신기 사이의 거리를 사용하여, 그리고 0.1㎜ 내지 10㎜의 범위 내의 내경을 사용하여, 비는 각각 400:1 및 4:1이 된다. 전송기와 수신기 사이의 거리의 다른 치수를 사용하여, 또 다른 비가 가능하다.

초음파 유동 측정 시스템의 사용 시, 초음파 감쇠층의 재료의 음속은 유량이 결정될 유체 내의 음속을 상당히 초과한다. 동시에, 초음파 감쇠층의 재료의 음속은 유동관의 재료의 음속보다 상당히 더 작다. 이 구성 때문에 증가된 신호/잡음 비가 획득된다. 이 실시형태에 따른 유동 측정 시스템에서, 숄티파와 스톤리파의 조합이 유동 측정 시스템 내에 존재할 것이라고 여겨진다: 감쇠층과 유동관의 외부 재킷의 계면에서의 제1 숄티파, 및 유동관의 내부 재킷과 측정될 파동의 계면에서의 제2 숄티파. 감쇠층의 특성 때문에, 발생한 제1 숄티파는, 이 숄티파가 수신기에 도달하지 못하거나, 또는 보다 적은 정도로 수신기에 도달하는 이러한 방식으로, 감쇠될 것으로 여겨진다. 그러므로, 수신기에 수신되는 신호는 제2 숄티파를 더 나타내고, 따라서 상기 신호는 측정될 유동을 더 나타낸다. 따라서 신호 대 잡음 비가 증가된다.

실시형태에서 유동관의 재료의 음속은 2000m/s보다 크고, 특히, 2500m/s보다 크고, 보다 구체적으로 3000m/s 내지 7000m/s이다.

실시형태에서 초음파 감쇠층의 재료의 음속은 1000m/s보다 크고, 특히, 1500m/s보다 크고, 보다 구체적으로 2000m/s 내지 3000m/s이다.

실시형태에서, 유동 측정 시스템은 1000m/s 내지 2000m/s의 범위 내에 있는 음속을 가진 유체의 유동을 측정하기 위해 디자인된다. 그런 경우에, 초음파 감쇠층의 재료의 음속은 2000m/s 내지 3000m/s이고, 유동관의 재료의 음속은 3000m/s보다 더 크다. 바람직하게, 유동 측정 시스템은, 감쇠층, 유동관 및 측정될 유동 각각의 음속이 예를 들어 대략 500m/s 또는 심지어 1000m/s만큼 서로 상당히 상이하도록 디자인된다. 예를 들어, 시스템이 대략 1800m/s의 음속을 가진 유체를 위해 디자인되는 경우에, 감쇠층의 음속은 대략 2300m/s일 수도 있고, 그리고 유동관의 재료의 음속은 대략 3300m/s일 수도 있다.

실시형태에서, 유동관의 음속과 감쇠층의 음속 간의 차는 감쇠층의 음속과 측정될 유동의 음속 간의 차와 대략 동일할 수도 있거나, 또는 심지어 상당히 동일할 수도 있다. 예를 들어, 유동관의 음속이 대략 4500m/s이고, 감쇠층의 음속이 대략 3000m/s이 되도록 디자인될 수도 있는 경우에, 그러면 유동 측정 시스템은 1000m/s 내지 2000m/s의 범위 내의 음속, 보다 구체적으로 대략 1500m/s의 음속을 가진 매체에 사용되기에 적합하다.

실시형태에서, 초음파 전송기 및 초음파 수신기 각각은, 각각의 전송 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호를 전송하기 위해, 그리고 각각의 수신 단계에서 또 다른 초음파 변환기로부터 전송된 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 변환기이다. 이로써, 초음파를 방출하기 위해 변환기를 교대로 활성화시키는 것이 가능하고, 이 파동은 다른, 비활성화된 오실레이터에 의해 검출된다. 초음파가 상류로 전파되기 위해 요구되는 시간과 새로운 초음파가 하류로 전파되기 위해 요구되는 시간뿐만 아니라 상기 시간 간의 시차가 유동관 내의 유속 및/또는 질량 유량을 결정하기 위해 사용된다. 이를 위해, 유동 측정 시스템이 상기 적어도 하나의 수신 회로를 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 중 하나에 선택적으로 연결시키기 위해 배열되는 멀티플렉서 회로(multiplexer circuit)를 포함할 때가 유리하다. 실시형태에서, 상기 적어도 2개의 변환기는 상기 초음파 신호를 교대로 전송하도록 배열되고, 그리고 상기 멀티플렉서 회로는 상기 적어도 하나의 수신 회로 각각을 상기 비-전송 초음파 변환기 중 하나에 각각 교대로 연결시키도록 배열된다. 적어도 하나의 수신 회로에서 발생하는 시간 지연, 시간 오차 및/또는 시간 오프셋은 유량 측정의 정확도에 부정적으로 영향을 미친다. 이 시간 지연, 시간 오차 및/또는 시간 오프셋은, 유동 측정 시스템이 적어도 하나의 수신 회로를 상기 비-전송 변환기 중 하나에 선택적으로 연결시키기 위해 배열되는 멀티플렉서를 포함하는 경우에, 상쇄될 수도 있거나, 즉, 필터링될(filtered out) 수도 있다.

실시형태에서, 감쇠층은 에폭시 또는 에폭시의 복합재를 포함한다. 초음파 감쇠층은 특히, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 노볼락 에폭시 수지, 지방족 에폭시 수지, 및 글리시딜아민 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된, 경화된 에폭시 수지로 이루어질 수도 있다. 에폭시 수지는 동종중합(homopolymerisation)에 의해, 또는 아민, 무수물, 페놀, 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택된 에폭시 경화제에 의해 경화될 수도 있다. 실시형태에서, 감쇠층은 에폭시 또는 에폭시의 복합재일 수도 있고, 그리고 유동관은 (스테인리스) 강, 테플론, PEEK, 유리, 또는 세라믹과는 다른 재료를 포함할 수도 있다. 대안적인 실시형태에서, 감쇠층은 임의의 재료일 수도 있지만 에폭시 또는 에폭시의 복합재일 수도 있다.

유동관에 적합한 재료는 (스테인리스) 강 관과 같은 금속일 수도 있다. 하스텔로이(hastelloy), 또는 비금속, 에컨대, 테플론, PEEK, 유리 또는 세라믹 재료와 같은, 유동관을 위한 다른 재료가 또한 고려 가능하다. 실시형태에서, 유동관은 금속, 예컨대, (스테인리스) 강 관, 하스텔로이, 또는 비금속, 예컨대, 테플론, PEEK, 유리 또는 세라믹 재료이고, 그리고 감쇠 재료는 에폭시 또는 에폭시의 복합재가 없는 재료이다.

실시형태에서, 감쇠층은, 사용 시, 감쇠층의 재료의 음속이 유량이 결정될 유체의 음속을 상당히 초과하도록 디자인된다.

또한 생산하기 비교적 쉬운, 비교적 단순한 실시형태에서, 초음파 변환기는 피에조 구성요소(piezo element)를 포함한다. 상기 피에조 구성요소는 비교적 박형 피에조 필름을 포함할 수도 있다. 플루오르화 폴리비닐리덴 또는 이플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF) 재료가 대안적으로 사용될 수도 있다. PVDF는 매우 강한 피에조 전기 효과를 갖고, 그리고 PVDF는 특히, 재료가 진동하게 설정될 때 전압을 생성하기에 적합하다. 또한, 전송기 및/또는 수신기로서 기능할 수 있는 PZT 구성요소, 세라믹 결정을 사용하는 것이 고려 가능하다.

본 발명의 실시형태에서, 유동관, 초음파 전송기와 초음파 수신기, 및 초음파 변환기 회로의 적어도 일부의 조립체가 상기에 기술된 바와 같이 에폭시 또는 에폭시 복합재로 완전히 성형된다. 이 방식으로 개선된 초음파 유량계가 비교적 쉽고 비용 효율적인 방식으로 제공될 수 있다. 상기에 기술된 조립체가 중공형 관-주형 내에 삽입될 수도 있고, 그 후 경화되지 않은 에폭시 또는 에폭시 복합재가 조립체와 관-주형의 내부 재킷 사이에 주입될 수도 있다. 경화 후, 관-주형이 제거될 수도 있다.

하나의 실시형태에서, 초음파 변환기(초음파 전송기 및 수신기)가 유동관 둘레에 적어도 실질적으로 전적으로 제공된다. 이 방식으로, 실질적으로 회전-대칭 신호가 획득되고, 그리고 본질적으로 유동의 평균은 유동이 전적으로 균일하지 않는다면 결정될 것이다.

실시형태에서, 유동관은 유동관 내의 실질적으로 균일한 유동에 영향을 주도록 곧은 관이다.

양상에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법을 제공한다. 방법은 상기에 기술된 바와 같이, 유동관, 초음파 변환기 회로, 초음파 전송기와 초음파 수신기의 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 초음파 감쇠층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 초음파 감쇠층의 재료 특성은, 유동관의 재료의 음속이 초음파 감쇠층의 재료의 음속을 상당히 초과한다는 것이다. 방법에 따르면, 상기 초음파 감쇠층 재료가 유동관의 외부 재킷을 실질적으로 둘러싸고 그리고 초음파 전송기와 초음파 수신기 및 초음파 변환기 회로의 적어도 일부 둘 다와 접촉하는 이러한 방식으로, 초음파 감쇠층 재료가 유동관의 외부 재킷 상에 제공된다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 유동 측정 시스템이 비교적 신속하고 쉬운 방식으로 만들어질 수 있다.

실시형태에서, 방법은 특히, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 노볼락 에폭시 수지, 지방족 에폭시 수지, 및 글리시딜아민 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된, 에폭시 수지를 초음파 감쇠층으로서 제공하는 단계를 포함하고, 그리고 방법은 상기 에폭시 수지를 경화하는 단계를 포함한다.

에폭시 수지는 열 경화에 의해 경화될 수도 있다.

에폭시 수지는 동종중합에 의해, 또는 아민, 무수물, 페놀, 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택된 에폭시 경화제에 의해 경화될 수도 있다.

실시형태에서, 유동관, 초음파 변환기 회로, 초음파 전송기와 초음파 수신기의 조립체가 주형 내에 위치되고, 그리고 그 후 액체 형태인 감쇠층 재료가 주형에 제공된다. 예를 들어, 중공형 관-주형이 주형으로서 제공될 수도 있고, 조립체가 주형 내에 위치될 수도 있고, 그리고 관의 외측 단부가 밀봉될 수도 있다. 그 후, 경화되지 않은 에폭시 수지가 조립체 및 주형의 내부 재킷과 접촉하도록, 경화되지 않은 에폭시 수지가 주형 내에 주입된다. 열 경화가 에폭시 수지를 경화시키기 위해 사용될 수도 있다. 최종적으로, 주형이 본 발명에 따른 유동 측정 시스템을 획득하도록 제거될 수도 있다. 상기 방법은 비교적 신속하고, 쉽고, 비용 효과적이다.

본 발명은 이제 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 몇몇의 가능한 실시형태의 설명에 의해 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른, 유량계의 제1 실시형태의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른, 유량계의 제2 실시형태의 개략적인 측면도;
도 3은 본 발명에 따른, 유량계의 제3 실시형태의 개략적인 측면도;
도 4는 본 발명에 따른, 유량계의 제4 실시형태의 개략적인 측면도.

도 1은 본 발명에 따른 유동 측정 시스템(1)의 부분을 사시도로 도시한다. 유동 측정 시스템(1)은 유동이 측정될 매체를 위한 유동관(2)을 포함한다. 유동관이 외부 재킷(3)을 갖는다. 유동관(2)에는 유입구(A) 및 유출구(B)가 제공된다. 유동관은 바람직하게 길이 방향(L)으로 연장되는, 가늘고 긴, 곧은 관(2)이다.

유동관의 외측에, 제1 오실레이터(11a)가 유동관(2)의 외부 재킷(3) 상에 제공된다. 제1 오실레이터(11a)는 예시된 실시형태에서 링 형상이고, 그리고 관(2)의 원주 둘레에 전반적으로 제공된다. 제1 오실레이터(11a)는, 오실레이터(11a)를 재킷(3)에 부착하도록 사용되는 경화성 수지에 의해 제공될 수도 있는, 음향학적으로 전도성 층(21)을 통해 유동관의 외부 재킷(3)과 음파로 접촉한다. 마찬가지로 이 경우에 음향학적으로 전도성 층(22)을 통해, 유동관(2)의 외부 재킷(3)과 접촉하는 제2 오실레이터(11b)가 제1 오실레이터(11a)로부터 길이 방향으로 이격된 위치에 제공되고, 그리고 제1 오실레이터의 상류에 제공된다. 마찬가지로 이 경우에 음향학적으로 전도성 층(23)을 통해, 유동관(2)의 외부 재킷(3)과 접촉하는 제3 오실레이터(11c)가 제1 오실레이터(11a)로부터 길이 방향으로 이격된 위치에 제공되고, 그리고 하류에 제공된다.

각각의 오실레이터(11a 내지 11c)는 이하에 설명될 바와 같이, 초음파 변환기 회로 또는 수신 회로일 수도 있는, 각각의 초음파 회로(31, 32, 33)의 부분이다. 예시된 실시형태에서, 초음파 회로(31, 32, 33)는 유동 측정 시스템(1), 특히, 초음파 변환기(전송기 및/또는 수신기)를 제어하기 위한 제어 수단(9)에 연결된다.

실시형태에서, 제1 오실레이터(11a)는 초음파 신호를 전송하기 위해 배열되는 초음파 전송기이고, 그리고 제2 오실레이터(11b)와 제3 오실레이터(11c)는 초음파 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 수신기이다.

제1 오실레이터(11a) 및/또는 제2 오실레이터(11b)와 제3 오실레이터(11c)는 피에조 구성요소로서 구성될 수도 있다. 피에조 구성요소는 그런 경우에 피에조 필름을 포함할 수도 있다. 수신 구성요소가 PZT 구성요소이고, PVDF 재료를 포함하거나 세라믹 결정인 것이 또한 고려 가능하다.

전송 구성요소로서 기능하는, 유동관(2) 둘레에 제공되는 링 형상의 오실레이터(11a)의 예시된 구성은, 유동관(2) 내에서 소위 숄티파를 생성하기로 되어 있다. 표면파는 고체 재료(유동관(2)의 내부 재킷)와 유량이 결정될 유체의 계면에서 발생한다. 상기 숄티파는 유량이 결정될 매체의 유동에 의해 영향을 받는다. 그러나, 생성될 초음파의 일부가 숄티파가 아닐 것이고, 하지만 유동관(2)의 고체 재료에 전부, 예를 들어, 유동관(2)의 외부 재킷(3) 근방의 일부로 전파될 것이다. 이러한 파동은 유량이 결정될 유동에 관한 어떤 정보도 포함하지 않고, 그리고 실제로 측정될 신호를 교란한다.

이 교란을 방지하기 위해서, 본 발명에 따른 유동 측정 시스템(1)에는 명료성을 위해 도 1에 도시되지 않지만 도 2 내지 도 4에 도시된 실시형태에서 보이는 초음파 감쇠층(13)이 제공된다. 초음파 감쇠층(13)은 유동관(2)의 외부 재킷(3) 상에 제공되고, 그리고 초음파 감쇠층이 실질적으로 유동관의 외부 재킷(3)을 둘러싸고 초음파 변환기(11a 내지 11c)와 접촉하고, 그리고 초음파 회로(31, 32, 33)의 적어도 일부와 접촉하도록 제공된다. 유동관(2)의 재료 및 초음파 감쇠층(13)의 재료는, 유동관(2)의 재료의 음속이 초음파 감쇠층(13)의 재료의 음속을 상당히 초과하도록 선택된다. 초음파 감쇠층(13)은, 외부 재킷(3) 내에 전파되는 방출된 초음파가 측정을 위해 사용되는 시간대 후까지 상기 파동이 수신기에 도달할 수 없거나 수신기에 도달하지 못하는 이러한 정도로 영향을 받게 된다. 따라서, 결과는, 유동을 더 나타내는, 개선된 신호/잡음 비를 달성하는 것이 가능하다는 것이다.

재료 층(13)은, 파동이 수신 구성요소(12)에 도착하지 못하거나, 또는 숄티파보다 훨씬 더 늦게까지는 아니고 숄티파보다 훨씬 더 빨리 도착하지 못하는 이러한 정도로, 초음파의 일부를 흡수하거나 적어도 초음파에 영향을 주기로 되어 있는(초음파의 방향을 변화시킴), 에폭시 층일 수도 있다.

도 2는, 2개의 초음파 변환기만, 즉, 링 형상의 전송 구성요소(11) 및 링 형상의 수신 구성요소(12)가 사용되는, 제작하기가 비교적 쉬운, 바람직한 실시형태를 도시한다. 상기 전송 구성요소 및 수신 구성요소는 유동관(2)의 외부 재킷(3)과 음파로 접촉한다. 영향 구성요소(13)는, 영향 구성요소가 유동관과 모든 초음파 변환기, 이 경우에 전송 구성요소(11), 수신 구성요소(12) 및 초음파 변환기 회로(31, 32)의 적어도 일부의 조립체를 완전히 둘러싸는 이러한 방식으로 제공된다. 특별한 실시형태에서, 이것은 상기 목적에 적합한 재료 층의 조립체를 성형함으로써 가능하고, 조립체는 상기 파동이 관련된 시간대 밖에서 수신 구성요소에 도달하는 이러한 방식으로 초음파의 일부에 영향을 주도록 디자인된다. 적합한 재료는 예를 들어, 에폭시, 또는 에폭시의 복합재이다. 유동관에 적합한 재료는 (스테인리스) 강관과 같은 금속일 수도 있다. 이전에 이미 말한 바와 같이, 또한 다른 재료, 예컨대, 하스텔로이, 또는 비금속, 예컨대, 테플론, PEEK, 유리 또는 세라믹 재료가 고려 가능하다.

도 3은 바람직한 또 다른 실시형태를 도시한다. 도 3은 링 형상의 전송 구성요소(11), 및 링 형상의 전송 구성요소(11)의 상류 및 하류에 배치되는 2개의 링 형상의 수신 구성요소(12a, 12b)의 형태인 초음파 변환기를 가진 초음파 변환기 회로(31, 32, 33)에 연결되는 제어 유닛(9)을 포함하는 센서 디바이스(1)를 도시한다. 전송 구성요소(11) 및 수신 구성요소(12a, 12b)는 유동관의 외부 재킷(3)과 음파로 접촉한다. 감쇠층(13)은, 이미 도 2를 참조하여 상기에 기술된 바와 같이, 관(2)과 초음파 변환기, 즉, 초음파 변환기 회로(31, 32)의 적어도 일부를 포함하는, 전송 및 수신 구성요소(11, 12a, 12b)의 조립체를 둘러싼다. 이러한 실시형태를 사용하여, 정확한 측정이 달성될 수 있다.

초음파 전송기(11) 및 초음파 수신기(12a, 12b)가 각각의 전송 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호를 전송하기 위해 그리고 각각의 수신 단계에서 또 다른 초음파 변환기로부터 전송된 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 변환기일 때가 또한 유리하다. 제어 수단(9)은 초음파 변환기 중 각각의 초음파 변환기를 전송 단계 및 수신 단계로 순환시키도록 사용될 수도 있다. 이러한 관점에서, 초음파 변환기(11, 12a, 12b) 중 하나의 변환기는 전송기로서 작용하고, 그리고 다른 2개의 변환기는 수신기로서 작용한다. 이어서, 또 다른 하나가 전송기가 되도록 선택되고, 그리고 남은 2개의 변환기가 수신기가 되도록 설정된다. 그 결과, 측정이 상이한 방식으로 수행될 수 있고, 더 높은 정확도를 발생시킨다.

도 4는, 2개의 이격된 링 형상의 전송 구성요소(11a, 11b) 및, 2개의 이격된 링 형상의 전송 구성요소(11a, 11b) 사이에 배치된 2개의 이격된 수신 구성요소(12a, 12b)를 포함하는 총 4개의 초음파 변환기 회로(31, 32, 33, 34)에 연결되는 제어 유닛(9)을 구비한 센서 디바이스(1)를 포함하는, 또 다른 실시형태를 도시한다. 감쇠층(13)은 관과 초음파 변환기 회로의 적어도 일부를 포함하는, 전송 및 수신 구성요소(11a, 11b, 12a, 12b)의 조립체를 둘러싼다. 이러한 실시형태에서, 상이한 측정이 결합될 수 있도록, 상류 및 하류 측정이 가능하다. 수신 구성요소가 상류에 그리고 하류에, 각각 더 멀리 위치되도록, 전송 및 수신 구성요소가 미리 교환되는 것이 또한 고려 가능하다. 이러한 교환은 또한, 예를 들어, 전송기와 수신기의 전환이 사용 동안 가능하도록, 이미 도 3에 나타낸 바와 같이, 제어 유닛(9)을 사용하여, 제어된 방식으로 발생할 수 있다. 그 결과, 측정이 상이한 방식으로 수행될 수 있고, 더 높은 정확도를 발생시킨다.

측정은 2개의 매개변수를 획득하기 위해 수행된다. 제1 매개변수는 상류 측정과 하류 측정 간의 시차이고, 그리고 제2 매개변수는 초음파의 전파 속도이다. 또한, 전파 속도가 여기서 측정되는 액체의 음속이 아님을 주의하라. 측정될 전파 속도는 유속과 관련된다.

또한, 상류 측정과 하류 측정은 서로 상관될 수도 있고, 그리고 그 결과로부터 시차가 결정될 수 있으며, 이에 기초하여, 유동의 측정이 또한 결정될 수 있다. 파면 사이의 이러한 상관은 종합적인 신호 처리 분야의 당업자에게 그 자체가 공지되어 있다.

당업자는 본 발명이 본 발명의 바람직한 실시형태를 참조하여 전술한 내용에서 설명된다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 본 발명은 이들 실시형태로 제한되지 않는다.

그러므로, 예를 들어, 부가적인 전송 및/또는 수신 구성요소가 제공되는 것이 고려 가능하다. 그러므로, 2개의 길이 방향으로 이격된 전송 구성요소와, 그것들 사이에 배치된 수신 구성요소를 포함하는 실시형태를 사용하는 것이 고려 가능하다. 또한, 2개의 길이 방향으로 이격된 수신 구성요소와, 그것들 사이에 배치된 전송 구성요소를 포함하는 실시형태를 사용하는 것이 고려 가능하다. 전송기 및/또는 수신기를 포함하는, 부가적인 초음파 회로의 사용이 또한 고려 가능하고, 물론, 이 경우에 감쇠층이 바람직하게 부가적인 전송기 및/또는 수신기를 둘러싼다.

이에 따라, 다양한 수정이 본 발명의 틀 내에서 고려 가능하다. 추구되는 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 결정된다.

Claims

초음파 유동 측정 시스템으로서,
- 유량이 결정될 유체를 위한 유동관;
- 상기 유동관의 외측에 제공되는 적어도 2개의 초음파 변환기 회로로서, 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 하나는 전송 단계에서 상기 유체를 통해 초음파 신호를 전송하기 위해 배열되는 초음파 전송기를 포함하고, 그리고 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 회로 중 적어도 또 다른 하나는 수신 단계에서 전송된 초음파 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 수신기를 포함하는, 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 회로;
- 상기 수신 단계에서 상기 초음파 수신기를 판독하기 위해 배열되는 적어도 하나의 수신 회로; 및
- 상기 적어도 2개의 초음파 변환기 회로와 상기 적어도 하나의 수신 회로에 연결되는 제어 수단을 포함하되,
- 상기 유동 측정 시스템이 상기 유동관의 상기 외부 재킷 상에 제공되는 초음파 감쇠층(ultrasound damping layer)을 포함하고, 상기 초음파 감쇠층이 상기 유동관의 상기 외부 재킷을 실질적으로 둘러싸고 그리고 상기 초음파 전송기 및 상기 초음파 수신기 둘 다와 접촉하도록 초음파 감쇠층이 제공되며; 그리고
- 상기 유동관의 재료의 음속이 상기 초음파 감쇠층의 재료의 음속을 상당히 초과하는 것을 특징으로 하는, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 적어도 상기 초음파 전송기가 상기 유동관의 상기 외부 재킷과 음파로 접촉하게 제공되는 링 형상의 오실레이터(oscillator)를 포함하는, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초음파 유동 측정 시스템의 사용 시, 상기 초음파 감쇠층의 재료 내의 상기 음속이 유량이 결정될 상기 유체 내의 상기 음속을 상당히 초과하는, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 초음파 전송기와 상기 초음파 수신기 간의 길이 방향 거리로서 규정되는, 변환기 간격 대 상기 유동관의 외경의 비가 1:1 내지 2000:1의 범위 내, 보다 구체적으로 4:1 내지 400:1의 범위 내인, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 초음파 전송기 및 상기 초음파 수신기 각각은, 그 각각의 전송 단계에서 상기 유체를 통해 상기 초음파 신호를 전송하기 위해, 그리고 그 각각의 수신 단계에서 또 다른 초음파 변환기로부터 상기 전송된 신호를 수신하기 위해 배열되는 초음파 변환기인, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 유동관의 상기 재료 내의 상기 음속은 2000m/s 초과, 구체적으로 2500m/s 초과, 더 구체적으로 3000m/s 내지 7000m/s인, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 초음파 감쇠층의 상기 재료 내의 상기 음속은 1000m/s 초과, 구체적으로 1500m/s 초과, 더 구체적으로 2000m/s 내지 3000m/s인, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 초음파 감쇠층의 방사상 두께는 상기 유동관의 외측 반경보다 크고, 특히, 상기 감쇠층의 상기 방사상 두께는 상기 유동관의 외경을 초과하는, 초음파 유동 측정 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초음파 감쇠층의 상기 방사상 두께는 상기 유동관의 상기 외측 반경과 상기 초음파 전송기 또는 수신기의 상기 방사상 두께의 합보다 크고, 특히, 상기 감쇠층의 벽 두께는 상기 유동관의 상기 외경과 상기 초음파 전송기 또는 수신기의 상기 두께의 합보다 큰, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 초음파 감쇠층은, 특히, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 노볼락 에폭시 수지, 지방족 에폭시 수지, 및 글리시딜아민 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된, 경화된 에폭시 수지로 이루어지는, 초음파 유동 측정 시스템.
제9항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 동종중합(homopolymerisation)에 의해, 또는 아민, 무수물, 페놀, 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택된 에폭시 경화제에 의해 경화되는, 초음파 유동 측정 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 유동관, 상기 초음파 전송기와 상기 초음파 수신기, 및 상기 초음파 변환기 회로의 적어도 일부의 조립체가 상기 에폭시 또는 에폭시 복합재로 완전히 성형되는, 초음파 유동 측정 시스템.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에폭시 수지가 열 경화에 의해 경화되는, 초음파 유동 측정 시스템.
제1항에 기재된 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법으로서, 상기 유동관, 상기 초음파 변환기 회로, 상기 초음파 전송기와 상기 초음파 수신기의 조립체를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 방법은, 상기 유동관의 상기 재료 내의 상기 음속이 초음파 감쇠층의 상기 재료 내의 상기 음속을 상당히 초과하는 이러한 방식으로 상기 초음파 감쇠층을 제공하는 단계, 및 상기 초음파 감쇠층이 상기 유동관의 상기 외부 재킷을 실질적으로 둘러싸고 그리고 상기 초음파 전송기와 상기 초음파 수신기 둘 다 그리고 상기 초음파 변환기 회로의 적어도 일부와 접촉하는 이러한 방식으로 상기 유동관의 상기 외부 재킷 상에 상기 초음파 감쇠층을 제공하는 단계를 포함하는, 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 방법은, 특히, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 노볼락 에폭시 수지, 지방족 에폭시 수지, 및 글리시딜아민 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된, 에폭시 수지를 상기 초음파 감쇠층으로서 제공하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 방법은 상기 에폭시 수지를 경화하는 단계를 포함하는, 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 에폭시 수지가 열 경화에 의해 경화되는, 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 동종중합에 의해, 또는 아민, 무수물, 페놀, 및 티올로 이루어진 군으로부터 선택된 에폭시 경화제에 의해 경화되는, 초음파 유동 측정 시스템을 제작하는 방법.