KR20220137349A - 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

일정 구경의 직선형 관로의 양딘부에 센서 장착홀을 형성시키고 상류측 초음파 센서 장착홀의 전단부 일측에 유입구를 가지며 유입구와 반대 측면의 하류측 초음파 센서의 전단부 일측에 유출구를 가지고 유입구와 유출구에는 유입관체와 유출관체와의 나사의 결합 수단을 갖는 측정관체를 독립구조로 단순화 시키고 이 측정관체와 수평으로 연결되고 측정관체와 외부관로와의 결합구 가 나사산으로 형성된 유입관체와 유출관체로서 이루어지며 유입관로와 유출관로에 외부 배관부의 연결부 구경과 측정관로부의 구경의 차이를 이용하여 배관에 존재할 수 있는 공기층의 문제를 최소화 할 수 있도록 배관의 단차구조를 형성시켜서 구조를 단순화 시킴으로서 측정성능과 생산성을 높이는 소구경용 초음파 유량계를 제시한다.

Description

초음파 유량계{Ultrasonic Flow Meter}

본 발명은 초음파를 이용하여 배관을 통해 흐르는 유체의 유량을 측정하는 초음파 유량계에 관한 것으로 특히 유체가 흐르는 관로의 구경이 사용되는 초음파 센서 구경의 4배 이내 정도의 소구경용 배관에 적용되는 초음파 유량계에 관한 것이다.

배관을 통해 흐르는 유체 속에서 전파되는 초음파의 전파 속도를 이용하여 유속(V)를 구하고 관로의 단면적을 A라고 하면 관로를 통과한 유량(Q)은 Q = A * V 이다. 단면적(A)은 일정한 값이므로 측정값 V의 정밀도가 초음파 유량계의 유량 측정값의 정밀도가 될 것이다. 초음파의 전파 속도에 영향을 주는 유체의 흐름 속도(v)가 초음파의 전파 방향과 각θ를 이룰때 유체의 흐름이 초음파의 전파 속도에 영향을 주는 요소는 vCosθ이다. 즉 θ = 0일때 즉 vCos0 = v으로 유체의 흐름방향과 초음파의 전파방향이 평행할때 같은 방향이면 +v , 반대방향이면 -v의 영향을 준다. θ = 90일때 즉 vCos90 = 0, 유체의 흐름 방향과 초음파의 전파 방향이 수직을 이루면 유체의 흐름은 초음파의 진행에 영향을 주지 않는다. 유체속에서 초음파의 전파 시간을 이용해서 유속을 구하여 유량을 측정하는 유량계는 측정관로속에서 유체의 흐름이 초음파의 진행 방향과 평행 일때의 측정관로가 가장 유리하며 일정 경사각을 갖는 측정관로는 유속의 변화에도 Cosθ가 일정한 값을 유지하는 측정관로가 요구된다. 관로의 구경이 초음파 센서의 구경에 비해 충분히 큰 대형관로에서는 초음파 센서를 관로에 경사 직관하는 구조의 측정관로를 널리 사용하고 있지만 소구경의 측정관로에서는 이러한 방법으로는 측정에 요구되는 초음파의 전파거리를 확보 할 수 없어서 유체가 흐르는 관로의 상부에 한쌍의 초음파 센서를 요구되는 초음파의 전파 거리만큼 이격시켜서 초음파의 전파 방향이 수직 하향하도록 결합하고 두개의 초음파 반사경을 유체가 흐르는 관로 내부에 설치하여 초음파 전파 경로를 이루는 측정관로를 구성하여 유량을 측정하는 반사경형 유량계가 수도 미터기용으로 널리 사용되고 있으나 반사경이 유체의 흐름을 방해하는 구조로 측정관로 내에서 와류를 발생시킬 수 있으므로 측정의 정밀도에 영향을 미치는 문제점이 있어서, 직선형 외부 배관에 연결되는 유입관로와 유출관로의 축선과 일정 경사를 갖도록 초음파 측정부의 관로를 변형시켜서 초음파 센서를 직관하는 구조로 측정관로를 형성시켜서 유량을 측정하는 방법으로 측정의 정밀도를 높인 초음파 센서 직관형의 소구경의 관로용 초음파 유량계가 개시되고 있다..

소구경용 초음파 유량계에서 센서 직관형 측정관체를 구비하고 측정관체의 상류측의 일측면에 유입관체를 연결하고 유입관체와 반대측의 하류측에 유출관체를 연결하여 측정관로내에서 유체의 수평 방향의 이동거리의 경로차가 없으며 외부관로와 연결되는 유입관체와 유출관체가 이루는 축선이 측정관체와 일정 단차를 두게하여 관로 내부에 존재할 수 있는 공기층의 영향을 최소화한 초음파 수도미터기의 구조를 대한미국 특허[등록번호 10-21898060000]에서 보여 주고 있다. 상기 수도미터기는 유입관로와 유출관로가 하향 곡관을 이루어 측정관로에 연결되고 측정관로와 유입관로의 결합이 플랜지 결합이고 측정관로와 유출관로의 결합이 플랜지 결합으로 수도미터기와 같은 유량계의 유로부분의 제작이 주로 황동이나 스테인레스강의 주조물로 제작되고 관로에 일정 압력하에서도 방수가 될 수 있도록 플랜지면의 정밀 가공이 요구되어 가공비가 높고 플랜지의 나사체결 부가 많은 점등으로 제품의 생산비용이 크다는 문제점이 있다. 이에 보다 단순한 구조로서 제작이 용이하여 생산비용을 절감하는 초음파 유량계를 제시한다.

일정 구경의 직선형 관체의 양딘부에 센서 장착홀(27,28)을 형성시키고 상류측 초음파 센서 장착홀(27)의 전단부 일측에 유입구(19)를 가지며 유입구와 반대 측면의 하류측 초음파 센서의 장착홀(28) 전단부 일측에 유출구(20)를 가지고 유입구와 유출구에는 유입관체(30)와 유출관체(40)과의 결합 수단으로 나사산(12,13)을 가지는 측정관체(10)를 독립구조로 단순화 시키고

유입관체(30)는 측정관체(10)와의 결합 나사부(33)가 가공되고 외부 배관의 결합구(31)가 나사산으로 가공되며 유출관체(40)는 측정관체(10)와의 결합 나사부(43)가 가공되고 외부 배관의 결합구(41)가 나사산으로 가공되어 별도의 보조적인 체결 수단을 요하지 않고 스스로 측정관체(10)와 체결 수단을 갖도록 구성되어 있으며 유입관체(30)와 유출관체(40)에 외부 배관의 연결부 구경(54)과 측정관로부의 구경(55)의 차이를 이용하여 배관에 존재할 수 있는 공기층의 문제도 최소화 할 수 있도록 배관의 단차(53) 구조를 형성시켜서 구조를 단순화 시킴으로서 생산성의 향상시키고 생산비를 절감하는 초음파 유량계 제시한다.

본 발명의 초음파 유량계는 측정관체(10)내에서 초음파 센서(22,25)가 직관하는 구조로서 유입관체(30)와 유출관체(40)내의 관로에 단차를 이루게 하여 배관내에서 발생할 수 있는 공기층의 영향을 최소화하고 측정관로내에서 흐르는 유체의 수평 방향의 흐름 거리가 모든 경로(16,17,18)에서 일정하여는 측정의 신뢰성이 높은 초음파 유량계로서 그 제조 과정을 용이하게 하여 제조 단가를 낮추고 측정유량의 정보와 미터기의 동작 상태와 사용 상태 및 측정관체 내에 공기층의 존재를 나타내는 정보를 미터기의 정보 표시용 표시장치(LCD)에 표시 하고 원격 관리 시스템에 제공할 수 있는 통신 수단을 구비한 초음파 유량계의 실시가 가능하다.

도 1은 1-A에서 초음파 유량계의 측정관체(10)의 구조와 초음파 센서(22,25)의 체결 구조를 보여 주고 있으며 1-B에서는 1-A의 수평 단면도를 보여주고 있다. 도 2는 측정관체(10)에 초음파 센서가 결합 체결되고 외부 배관과 측정관체를 연결하는 유입관체(30)와 유출관체(40)가 측정관체(10)와 결합된 모습을 보여준다. 도 3은 도 2의 결합된 구조를 분리하여 부분품의 구성 및 조립 형태를 보여준다. 도 4 의 4-A와 4-B는 외부 배관과 측정관체(10)과 연결되는 유입관체(30)의 유입관로의 구조를 보여 주고 있으며 외부 배관과 측정관로와 연결되는 관로의 중심축이 단차를 이루고 있는 구조를 보여 주고 있다.
도 5는 유입관체(30)와 초음파 센서가 결합된 측정관체(10)와 유출관체(40)로이루어지는 유체가 흐르는 관체부와 LCD 표시부를 포함하는 전자회로부와 하우징으로 구성되는 초음파 유량계의 구성도이다.

이하 본발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도면을 참조하여 상술한다.

하기의 설명에서 측정관체, 유입관체, 유출관체의 용어는 구성물의 관점에서 측정관로, 유입관로, 유출관로의 용어는 유체의 흐름의 관점에서 사용되나 혼용될 수 있다. 본 발명의 초음파 유량계의 측정관체(10)는 유입관체(30)와 결합되어 유체가 유입되는 부분을 측정관체(10)의 상류측(19)이라하고 유출관체(40)와 결합되어 유체가 측정관체(10)에서 유출되는 부분을 측정관체(10)의 하류측(20)이라 하고 도 1을 중심으로 측정관체(10)를 상술한다. 도 의 1-A는 초음파유량계의 측정관체(10)의 양 단부의 초음파 센서 장착홀(27,28)이 구비되어 있고 초음파 센서(22,25)가 상 하류측에서 결합되는 구조를 보여 준다.

초음파 유량계의 측정관체는 목적하는 측정 정밀도에 따라 요구되는 관로의 길이를 결정하고 관로에 흐르는 유체의 최대 유량값에 따라 관로의 구경이 결정된다. 일정 길이와 구경으로 결정된 직선형 파이프의 양단면에 초음파센서 장착홀(27,28)을 형성시키고 상류측 초음파센서 장착홀 만큼 이격된 거리에 유입구(19)를 형성시키고 돌출 나사산(12)을 가공하여 유입관체(30)와 결합 수단을 만들고 하류측 초음파센서 장착홀 만큼 이격된 거리에 유입구와 반대측 측면에 돌출 나사산(14)을 가공하여 유출관체(40와 결합 수단을 만들고 초음파 센서 장착홀(27,28)에 오링(23,26)과 초음파 센서(22,25)를 삽입하고 캡너트(21,24)로 방수가 되도록 압착 결합하면 ┏━┛형의 측정관로를 이루는 측정관체(10)가 완성된다.

측정관체에 캡너트의 체결이나 유입관체의 결합, 유출관체의 결합시 측정관체의 고정을 위해 측정관체의 중심부에 각면 형태의 스패너 지지부(15)를 형성시킨다. 도 1의 1-B는 측정관체(10) 1-A의 수평 단면도이고 유체의 흐름 방향을 보여준다. 측정관로에서 유체 흐름의 수평방향의 거리 16,17,18 은 같다. 도 2는 상 하류측의 초음파 센서가 캡너트(21,24)로 밀봉 장착된 측정관체(10)에 상류측에 유입관체(30)가 관체에 가공된 나사(12) 결합되고 하류측에 유출관체(40)가 관체에 가공된 나사(14) 결합되어 별도의 조립 수단이 필요 없이 결합되는 초음파 유량계의 관로를 이루는 관체 구조의 결합체를 보여준다. (50)은 유체 흐름 방향을 보여주며 유입관체와 유출관체를 이루는 축선은 일 직선상에 있어서 외부 직선형 관로에 연결 될 수 있도록 한다. 초음파는 전파되는 속도는 매질에 따라 차이가 크다. 상온의 공기속에서 초음파의 전파속도는 340m/sec 이고 물속에서 초음파의 전파 속도는 1480m/sec 이다. 측정관로를 흐르는 공기가 아닌 유체의 속도를 측정할 때 측정관로 내부에 일정량 이상의 공기층이 존재하면 측정되는 초음파의 전파 경로가 유체속을 통과 하거나 공기층을 통과하거나 선택적일 수 있어 측정오차가 발생하게 된다. 도 4는 측정관로에서 발생할 수 있는 공기층의 영향을 최소화 할 수 있도록 하는 유입관로의 형태를 보여 주고 있고 이것은 유출관로에서도 같이 적용된다. 수도미터기와 같은 유량계의 측정관로의 내경은 요구되는 최대 유량 범위내에서 연결되는 외부 배관의 관로 구경의 50% 이내로 제작될 수 있고 이를 이용하여 유입관체(30)의 유입관로를 도 4와 같이 작은 구경의 측정관체(10)와의 연결부 구경(55)의 반지름(52)과 큰 구경의 외부 배관 연결부 구경(54)의 반지름(51)이 이루는 두 개의 원이 밑면에서 접하는 구조로 연결되는 구조로 제작하면 유입관체(30) 내부에서 단차(53)을 발생시키게 되어 측정관로의 보다 상부의 배관층에 존재하는 공기층의 영향은 받지 않게 된다. 유입관체(30)와 유출관체(40)는 같은 구조로 합동형이므로 실용에서는 어느 하나의 구조로 2개를 제작하여 사용하게 되므로 달리 유출관로에 대해서는 언급하지 않는다. 또한 유입관체(30)와 유출관체(40)에는 측정관체(10)와의 나사 결합구조를 이루므로 회전 체결시의 스패너 지지부(33,43)와 외부 관로와 연결시 스패너 지지부(32, 42)를 형성시켜서 체결작업이 용이 하게 한다. 상기와 같이 초음파 유량계의 측정관체(10)와 유입관체(30) 유출관체(40)로 이루어지는 유량부의 관로가 제작되면 초음파센서(22,25)의 신호선은 전자회로에 연결되고 전자회로부와 내장된 운용소프트웨어의 동작으로 측정관체 내부의 측정관로를 흐르는 유체 흐름의 속도를 검출하여 관로를 통과한 유량 정보 및 초음파 센서의 이상유무, 누수, 과부하, 미사용 상태, 초음파의 전파 속도를 이용하여 측정관로 내의 공가층의 유무등의 상태 정보를 수집하여 표시부(LCD)에 표시 및 유무선 통신 수단을 통하여 원격검침 시스템에 제공하는 초음파 유량계가 제공된다.

10 : 초음파 유량계 측정관체 11, 13 : 초음파 센서 고정 캡너트 체결용 나사산
12, 14 : 유입관체와 유출관체와의 체결용 측정관체의 나사산
15 : 회전 나사 체결시 스패너 지지부
16,17,18 : 측정관로 내부에서 유체의 수평 방향 이동거리
19 : 측정관체의 상류측 유입구 20 : 측정관체의 하류측 유출구
23,26 : 오-링 22, 25 : 초음파 센서
21, 24 : 초음파 센서 압착 고정용 캡너트
27 : 상류측 센서 장착홀 28 :하류측 센서 장착홀
30 : 유입관체 31,41 : 외부 배관 체결 나사산 34, 44 : 오-링
32,42, 33, 43 : 스패너 지지부 50 : 유체 흐름 방향
51 : 외부 배관 연결부 구경의 반지름
52 : 측정 관로 구경의 반지름 53 : 단차
54 : 배관 연결부 구경 55 : 측정관로부 구경

Claims (4)

1. 유체가 흐르는 배관에 연결되어 초음파를 이용하여 유량을 측정하는 초음파 유량계에 있어서
   -.상기 초음파 유량계는 측정관체(10)와 유입관체(30)와 유출관체(40)와, 전자회로부와 하우징으로 구성되며
   -.상기 측정관체(10)는 직선관체로 양단부에 초음파센서(22,25)의 체결 구조를 가지고 결합된 초음파센서(22,25)는 마주보며 직관하는 구조를 이루고 상류측 일방의 측면에 유입관체(30)와의 나사결합부가 돌출관(12)으로 형성되어 있고 유입관체(30)와의 반대측의 하류측 측면에 유출관체(40)와의 나사결합부가 돌출관(14)으로 형성되어 있어┏━┛형의 측정관로를 이루고 있으며
   -.상기 유입관체(31)는 외부 배관과의 나사 결합수단(31)과 측정관체(10)와의 나사 결합수단(33)을 가지며
   -.상기 유출관체(40)는 외부 배관의 나사 결합수단(41)과 측정관체(10)와의 나사 결합수단(43)을 가지며
   -. 상기 전자회로부는 측정관로내에서 초음파의 전파시간을 이용하여 측정관로내의 공기층의 존재를 인식하고 공기층의 유 무를 문자나 기호로 표시창에 표시하거나 원격시스템에 전송하는 는 기능을 가지는 것을
   특징으로 하는 초음파 유량계
   
2. 청구항 1에서
   상기 유입관체(30)는 외부 배관의 관로와의 결합부 구경(54)은 측정관체(10)와의 연결부 구경(55)보다 크고 두 구경이 합류하는 지점에서 각기 구경이 이루는 두개의 원은 밑면에서 접하는 구조로 하여 두 구경의 중심 축선은 단차(53)를 이루는 구조를 가지는 것을 특징으로하는 초음파 유량계
   
3. 청구항 1에서 측정관체(10)는 관체의 일부에 각면 형태로 스패너 지지부(15)를 형성한 것을 특징으로 하는 초음파 유량계.
   
4. 청구항 1에서 측정관체(10)의 초음파 센서의 결합구조는 캡너트(21,24) 구조인 것을 특징으로하는 초음파 수도미터기
   
   
   

Images