KR20230096241A

KR20230096241A - 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법

Info

Publication number: KR20230096241A
Application number: KR1020210185549A
Authority: KR
Inventors: 전세종; 양인석; 명섭 리 마이클
Original assignee: 한국표준과학연구원; 주식회사 싸이트로닉
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-30

Abstract

본 발명은 물리량 변화에 따라 변화되는 제1 내지 제4 초음파센서부 및 배관에 열팽창률을 반영하여 매질에서의 보정된 음속에 따른 매질의 보정된 물리량을 보정함으로써 연도 변화에 따른 오차를 최소화시키는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법을 제공한다.

Description

초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법{A sound velocity correction according to the arrival time of an ultrasonic signal, a method for measuring the physical quantity of a medium using the same}

본 발명은 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물리량 변화에 따라 변화되는 제1 내지 제4 초음파센서부 및 배관에 열팽창률을 반영하여 매질에서의 보정된 음속에 따른 매질의 보정된 물리량을 보정함으로써 연도 변화에 따른 오차를 최소화시키는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법에 관한 것이다.

액화 천연 가스(LNG)는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 -163℃ 이하로 냉각하여 부피를 1/600으로 줄인 무색 투명한 액체 상태이다. LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크는 가스 액화에 따른 초저온에 견딜 수 있는 구조 및 재료로 제작된다. LNG 저장 탱크는 예를 들어 1차 방벽, 상부 단열보드, 2차 방벽, 및 하부 단열보드를 포함하는 2중 밀폐 구조로 형성된다.

1차 방벽은 LNG와 접촉하여 LNG를 1차로 밀폐시킨다. 2차 방벽은 1차 방벽에서 LNG가 누액되는 경우 누액된 LNG를 2차로 밀폐시켜 LNG가 내부 선체에 닿지 않도록 차단하는 기능을 한다.

LNG 저장 탱크의 단열 밀폐 성능은 LNG의 증발율(BOR; Boil Off Ratio)에 영향을 미친다. 증발율을 낮추기 위해서는 LNG 저장 탱크의 단열 밀폐 성능을 유지하고, LNG의 온도를 극저온으로 유지해야 하며, 이를 위해 LNG 저장 탱크의 온도를 측정하고 있다. 또한 LNG 누액 여부를 감지하기 위하여 LNG 저장 탱크의 온도를 측정할 필요가 있다.

최근에 들어 온도 측정 기술의 하나로, 광섬유 온도, 압력 또는 진동 센서가 연구되고 있다. 광섬유 물리량 센서는 예컨대, 광섬유 주변의 물리량에 따라 광섬유의 매질 특성이 변화하는 것을 이용한 것으로, 광섬유를 통해 전파되는 광신호를 분석하여 광섬유 주변의 물리량을 측정하는 것이다.

광신호를 활용하는 계측 방식으로는 라이더(lidar), 입자 추적 속도계(particle tracking velocimetry), 입자 영상 유속계(particle image velocimetry), 스트레인 센서(strain sensor), 가속도계(accelerometer), 전류계(ammeter), 음향방출검사기(acoustic emission tester), 지진감지기(seismometer), 유속계(current meter), 온도센서(thermal sensor) 또는 광격자 계측기 (Fiber Bragg Grating (FBG) Sensor & FBG Interrogator), 간섭분석 방식 계측기 (Interferometric sensors), 거리분할 광손실 측정기(optical time domain reflectometer(OTDR)), DTS(distrivuted temperature sensor), BOTRA(brillouin optical time domain reflectometry analyzer), BOTDR(brillouin optical time domain reflectometry), DAS(distributed acoustic sensor) 또는 DVS(distributed vibration sensor)이 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 광계측 관련 신호 전달의 소요시간 대비 유도체 흐름의 량 또는 유량계 계측 신호와의 동기화 방법으로 활용한다.

일반적인 광섬유 온도센서는 LNG 저장 탱크의 1차 방벽과 같이 극저온의 온도를 정확하게 측정하기 어렵다. 기존 LNG 저장 탱크에 적용되는 온도센서는 극저온에 견딜 수 있고, 극저온의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 고가의 특수 온도센서가 적용되어야 하는 제약 사항이 있었다.

온도 센서를 2차 방벽 측에 적용하는 경우에 있어서의 문제점은 1차 방벽 측의 온도를 정확하게 반영하기 어려워지게 되는 것이다. 1차 방벽과 2차 방벽 사이에는 단열 보드가 적용되어 있으며, 단열 보드는 두께 방향으로 선형적인 온도 분포 특성을 갖지 않는다. 따라서 2차 방벽 측에 설치한 온도 센서에 의하여 1차 방벽 측의 온도를 정확하게 측정하지 못하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 스테인리스 재질의 초음파 센서를 이용하여 온도와 압력에 따라 액체 내의 음속을 측정하여 액체의 온도를 측정하는 기술이 개시된 바 있다.

그러나, 상기한 종래기술은 온도 변화에 의해 변화되는 초음파 센서의 길이와 액체를 수용하는 배관의 반지름을 반영하지 못하여 측정된 액체의 온도에 오차가 생기는 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1706193호(2017.02.17.)

(특허문헌 2) 등록특허공보 제1706193호(2017.02.07.)

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 제1 내지 제4 음향유도봉의 각각의 길이인 제1 거리(X), 제1 초음파센서부의 일단과 제2 초음파센서부의 일단 사이의 거리인 제1 이격거리(Y₁), 제3 초음파센서부의 일단과 제4 초음파센서부의 일단 사이의 거리인 제2 이격거리(Y₂)가 반영된 2개의 연립방정식을 수립하여 연산된 매질에서의 음속을 열물성 테이블에 매칭시켜 매질에서의 온도를 측정하되, 온도 차이에 따라 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁) 및 제2 이격거리(Y₂)에 열팽창률을 반영하여 보정된 제1 거리(X), 보정된 제1 이격거리(Y₁) 및 보정된 제2 이격거리(Y₂)를 산출하며, 보정된 제1 거리(X), 보정된 제1 이격거리(Y₁) 및 보정된 제2 이격거리(Y₂)가 반영된 2개의 연립방정식을 수립하여 연산된 매질에서의 보정된 음속을 열물성 테이블에 재매칭시켜 매질의 보정된 온도를 정확하게 측정하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 (a) 제1 초음파센서 조립체 및 제2 초음파센서 조립체가 제1 이격거리로 이격되어 매질을 수용하는 배관의 내부에 삽입되는 단계; (b) 제3 초음파센서 조립체 및 제4 초음파센서 조립체가 제2 이격거리로 이격되어 상기 매질을 수용하는 상기 배관의 내부에 삽입되는 단계; (c) 연산부가 상기 제1 내지 제4 초음파센서 조립체에 각각 구비된 제1 내지 제4 음향유도봉의 각각의 길이인 제1 거리 및 상기 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 음속과 매질에서의 음속을 산출하는 단계; (d) 상기 연산부가 상기 산출된 매질에서의 음속을 기반으로 상기 매질의 물리량을 측정하는 단계; (e) 상기 연산부가 열팽창에 따라 변화하는 상기 제1 거리 및 상기 제1, 2 이격거리를 보정하는 단계; (f) 상기 보정된 제1 거리 및 상기 보정된 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여, 음향유도봉에서의 보정된 음속과 매질에서의 보정된 음속을 산출하는 단계; 및 (g) 상기 연산부가 상기 매질에서의 보정된 음속을 기반으로 매질의 보정된 물리량을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비된 제1 초음파센서부가 상기 배관의 외부 일측에 배치되는 단계; (a2) 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제1 초음파센서부와 결합되는 제1 음향유도부의 타측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계; (a3) 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비된 제2 초음파센서부가 상기 배관의 외부 타측에 배치되는 단계; 및 (a4) 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제2 초음파센서부와 결합되는 제2 음향유도부의 일측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;를 포함하고, 상기 제1 초음파센서부, 상기 제2 초음파센서부, 상기 제1 음향유도부 및 상기 제2 음향유도부는 동일직선상에 위치하고, 상기 제1 음향유도부와 상기 제2 음향유도부는 상기 제1 이격거리만큼 이격되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 제3 초음파센서 조립체에 구비된 제3 초음파센서부가 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비된 제1 초음파센서부의 하부에 위치하면서 상기 배관의 외부 일측에 배치되는 단계; (b2) 상기 제3 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제3 초음파센서부와 결합되는 제3 음향유도부의 타측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계; (b3) 상기 제4 초음파센서 조립체에 구비된 제4 초음파센서부가 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비된 제2 초음파센서부의 하부에 위치하면서 상기 배관의 외부 타측에 배치되는 단계; 및 (b4) 상기 제4 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제4 초음파센서부와 결합되는 제4 음향유도부의 일측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;를 포함하고, 상기 제3 초음파센서부, 상기 제4 초음파센서부, 상기 제3 음향유도부 및 상기 제4 음향유도부는 동일직선상에 위치하고, 상기 제3 음향유도부와 상기 제4 음향유도부는 상기 제2 이격거리만큼 이격되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 초음파 펄스 공급부에 구비된 펄스발생부가 ±50 V의 전압으로 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 상기 초음파 펄스 공급부에 구비된 제1 펄스 채널 및 제2 펄스 채널에 각각 인가하는 단계; 상기 제1 초음파 펄스가 상기 제1 초음파센서부, 상기 제1 음향유도부, 상기 제2 음향유도부 및 상기 제2 초음파센서부의 순서대로 통과하여 증폭부로 전달되는 단계; 상기 제2 초음파 펄스가 상기 제3 초음파센서부, 상기 제3 음향유도부, 상기 제4 음향유도부 및 상기 제4 초음파센서부의 순서대로 통과하여 증폭부로 전달되는 단계; 상기 증폭부에 구비된 제1 전치 증폭기가 상기 제1 초음파 펄스를 증폭시킨 제1 초음파 신호를 초음파 신호 수신부로 전달하는 단계; 상기 증폭부에 구비된 제2 전치 증폭기가 상기 제2 초음파 펄스를 증폭시킨 제2 초음파 신호를 초음파 신호 수신부로 전달하는 단계; 상기 초음파 신호 수신부에 구비된 제1 초음파 신호 채널이 상기 제1 초음파 펄스를 상기 초음파 신호 수신부에 구비된 오실로스코프로 전달하는 단계; 상기 초음파 신호 수신부에 구비된 제2 초음파 신호 채널이 상기 제2 초음파 펄스를 상기 오실로스코프로 전달하는 단계; 및 상기 오실로스코프가 상기 제1 초음파 신호, 상기 제1 초음파 신호에 대한 제1 시간, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제2 초음파 신호에 대한 제2 시간을 측정하여 상기 연산부로 전송하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 음향유도봉은 스테인리스 재질로 이루어지고, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 연산부가 상기 2개의 연립 방정식인 2X/V_solid+Y₁/V_liquid=t₁, 2X/V_solid+Y₂/V_liquid=t₂(X=제1 거리, Y₁=제1 이격거리, Y₂=제2 이격거리, V_solid=스테인리스(음향유도봉)에서의 음속, V_liquid=저온 유체(매질)에서의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X+Y₁)을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X+Y₂)을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계; 및 (c2) 상기 연산부가 상기 2개의 연립 방정식을 연산하여 상기 음향유도봉에서의 음속 및 상기 매질에서의 음속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 연산부가 열물성 테이블에서 상기 산출된 매질에서의 음속을 매칭시키는 단계; 및 (d2) 상기 연산부가 상기 열물성 테이블에서 상기 산출된 매질에서의 음속과 매칭되는 매질에서의 음속에 따른 매질의 물리량을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 거리(X) 및 상기 배관의 반지름은 기준 물리량(T₀)인 15°C에서 측정된 길이로서, 상기 매질의 물리량에서 열팽창에 의해 변화되고, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 연산부가 상기 제1 거리(X)에 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 물리량 차이값에 따른 상기 보정된 제1 거리(X')를 연산하는 단계; (e2) 상기 연산부가 상기 제1 거리(X)에서 상기 보정된 제1 거리(X')를 뺀 변화된 거리(X_diff)를 연산하는 단계; (e3) 상기 연산부가 상기 배관의 반지름에 상기 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 보정된 배관의 반지름을 연산하는 단계; 및 (e4) 상기 연산부가 상기 배관의 반지름에 상기 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 물리량 차이값에 따른 상기 보정된 제1 이격거리 및 상기 보정된 제2 이격거리를 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e1) 단계에서, 상기 연산부는 T_diff= T_liquid - T₀의 수식(T_diff=물리량 차이값, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량)을 이용하여 상기 물리량 차이값(T_diff)를 연산하고, 상기 연산부는 X'=Xⅹ(1+αⅹ(T_liquid- T₀))의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 상기 보정된 제1 거리(X')를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e2) 단계에서, 상기 연산부는 X'=X+X_diff의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 상기 변화된 거리(X_diff)를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e3) 단계에서, 상기 연산부는 R'=Rⅹ(1+αⅹ(T_liquid- T₀))의 수식(R'=보정된 배관의 반지름, R=배관의 반지름, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 보정된 배관의 반지름(R')을 연산하고, 상기 연산부는 R'=R+R_diff의 수식(R'=보정된 배관의 반지름, R=배관의 반지름, R_diff=변화된 배관의 반지름 차이값)을 이용하여 변화된 배관의 반지름 차이값(R_diff)을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e4) 단계에서, 상기 연산부는 Y₁'=Y₁+2ⅹR_diff-2ⅹX_diff의 수식(Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₁=제1 이격거리, R_diff=보정된 배관의 반지름, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 상기 보정된 제1 이격거리(Y₁')를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e4) 단계에서, 상기 연산부는 Y₂'=Y₂+2ⅹR_diffⅹcos(θ)-2ⅹX_diff의 수식(Y₂'=보정된 제2 이격거리, Y₂=제2 이격거리, R_diff=보정된 배관의 반지름, X_diff=변화된 거리)를 이용하여 상기 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계는, (f1) 상기 연산부가 상기 보정된 제1 거리 및 상기 보정된 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립 방정식인 2X'/V_solid'+Y₁'/V_liquid'=t₁, 2X'/V_solid'+Y₂'/V_liquid'=t₂(X'=보정된 제1 거리, Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₂=보정된 제2 이격거리, V_solid'=보정된 스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid'=보정된 저온 유체(매질)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X'+Y₁')을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X'+Y₂')을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계; 및 (f2) 상기 연산부가 상기 보정된 제1 거리(X') 및 상기 제1, 2 이격거리(Y₁', Y₂')가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여 상기 음향유도봉에서의 보정된 음속 및 상기 매질에서의 보정된 음속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (g) 단계는, (g1) 상기 연산부가 열물성 테이블에서 상기 매질에서의 보정된 음속을 매칭시키는 단계; 및 (g2) 상기 연산부가 상기 열물성 테이블에서 상기 매질에서의 보정된 음속과 매칭되는 매질에서의 음속에 따른 매질의 보정된 물리량을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, (h) 제어부가 상기 매질의 물리량과 상기 매질의 보정된 물리량을 이용하여 상기 매질에서의 보정된 음속에 대한 추가 보정 여부를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (h) 단계는, (h1) 상기 제어부가 상기 매질의 보정된 물리량에서 상기 매질의 물리량을 뺀 절대값이 기설정된 물리량차이값보다 작은 경우

(T_liquid =이전 루프인 (d) 단계에서 측정된 매질의 물리량, T_liquid' =현재 루프인 (g) 단계에서 측정된 매질의 물리량, ε=기설정된 물리량차이값), 종료하는 단계; (h2) 상기 제어부가 상기 매질의 보정된 물리량에서 상기 매질의 물리량을 뺀 절대값이 기설정된 물리량차이값보다 크거나 같은 경우, 상기 (e) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 전술한 바에 따른 제1 내지 제4 초음파센서 조립체; 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체와 연결되고 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체에 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 공급하는 펄스발생부; 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체와 연결되고 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체를 각각 통과한 상기 제1 초음파 펄스 및 상기 제2 초음파 펄스를 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호로 증폭시키는 증폭부; 상기 증폭부로부터 전달되는 상기 제1, 2 초음파 신호를 수신하여 상기 연산부로 전송하는 초음파 신호 수신부; 전술한 바에 따른 연산부; 및 전술한 바에 따른 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 시스템을 제공한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 전술한 바에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법에 의해 획득된 매질의 물리량을 이용하여 유량을 측정하는 스마트 유량계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 매질의 물리량은 상에 따라 물리량을 포함한 유동체의 속도, 방향, 와류, 압력, 점성, 밀도 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정과 연관된 수치인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 매질의 물리량은 MRV(Measurable Reportable, Verifiable)한 수치, 룩업-테이블(Look-up Table) 또는 수치모델(Numerical Modeling)에 활용 가능한 수치인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 제1 내지 제4 음향유도봉의 각각의 길이인 제1 거리(X), 제1 초음파센서부의 일단과 제2 초음파센서부의 일단 사이의 거리인 제1 이격거리(Y₁), 제3 초음파센서부의 일단과 제4 초음파센서부(400)의 일단 사이의 거리인 제2 이격거리(Y₂)가 반영된 2개의 연립방정식을 수립하여 연산된 매질에서의 음속을 열물성 테이블에 매칭시켜 매질의 물리량을 측정하되, 물리량 차이에 따라 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁) 및 제2 이격거리(Y₂)에 열팽창률을 반영하여 보정된 제1 거리(X), 보정된 제1 이격거리(Y₁) 및 보정된 제2 이격거리(Y₂)를 산출하며, 보정된 제1 거리(X), 보정된 제1 이격거리(Y₁) 및 보정된 제2 이격거리(Y₂)가 반영된 2개의 연립방정식을 수립하여 연산된 매질에서의 보정된 음속을 열물성 테이블에 재매칭시켜 매질의 보정된 물리량을 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 초음파센서부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 음향유도부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 초음파센서부와 제1 음향유도부가 결합된 제1 초음파센서 조립체를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체의 배치를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템을 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에서 열팽창에 의해 길이가 변화된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체의 배치를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법 시스템에서 열팽창에 의해 길이가 변화된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체, 초음파 펄스 공급부, 증폭부, 초음파 신호 수신부 및 연산부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법의 세부단계를 나타낸 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법에서 보정된 제1 이격거리를 설명하기 위한 일 방향에서의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법에서 보정된 제2 이격거리를 설명하기 위한 일 방향에서의 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 명세서 전반에 걸쳐서 사용되는 '매질'라는 용어는 액화질소(liquid nitrogen), 액화 헬륨(He), 수소(hydrogen) 등 공기에 포함 또는 태양계에 존재 가능한 모든 유동체, 암모니아(ammonia), 액화 천연가스(LNG: liquefied natural gas) 등을 예시로 탄소 또는 수소와 구성된 유동체를 포함한 화학반응의 결과 산물, 플라즈마 상태의 가스를 포함한 모든 기체가스(gas) 등 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 액체상태 또는 기체상태 등 매질이 존재하는 상(Phase) 또한 제한 없이 사용될 수 있음을 의미하고, 이하에서는 매질이 액화질소인 경우에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.

또한, 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐서 사용되는 '상'이라는 용어는 액상 (액체), 기체상(기체) 또는 액상과 기체상의 2가지 물질(유동체)의 혼합 상태를 의미한다.

또한, 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐서 사용되는 '물리량'이라는 용어는 상에 따라 온도를 포함한 유동체 속도, 연관된 유동체 방향 또는 유동체 와류, 압력, 점성, 밀도 등 등을 적어도 하나를 포함하여, 초음파 신호의 도달 시간에 따른 음속 보정에 연관되는 것을 의미하고, 이하에서는 물리량이 온도인 경우에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.

또한, 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐서 사용되는 '음향유도봉에서의 음속'라는 용어는 음향유도봉의 일단에서 타단까지의 거리인 제1 거리(X), 초음파 신호가 변화된 음향유도봉의 일단에서 타단까지의 거리인 보정된 제1 거리(X')를 통과하는 초음파 신호의 속도를 의미한다.

또한, 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐서 사용되는 '액화질소에서의 음속'라는 용어는 제1 음향유도봉과 제2 음향유도봉 사이의 이격된 거리인 제1 이격거리(Y₁), 초음파 신호가 변화된 제1 음향유도봉과 변화된 제2 음향유도봉 사이의 이격된 거리인 보정된 제1 이격거리(Y₁'), 초음파 신호가 제3 음향유도봉과 제4 음향유도봉 사이의 이격된 거리인 제2 이격거리(Y₂), 초음파 신호가 변화된 제3 음향유도봉과 변화된 제4 음향유도봉 사이의 이격된 거리인 보정된 제1 이격거리(Y₂')를 통과하는 초음파 신호의 속도를 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

1. 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 초음파센서부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 음향유도부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 초음파센서부와 제1 음향유도부가 결합된 제1 초음파센서 조립체를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에 구비된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체의 배치를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템을 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템은 제1 초음파센서 조립체(100), 제2 초음파센서 조립체(200), 제3 초음파센서 조립체(300), 제4 초음파센서 조립체(400), 초음파 펄스 공급부(500), 증폭부(600), 초음파 신호 수신부(700) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 제1 초음파센서 조립체(100)는 제1 초음파센서부(110) 및 제1 음향유도부(120)를 포함한다.

제1 초음파센서부(110)는 제1 초음파 케이스(111), 제1 압전소자(112), 제1 흡음재(113) 및 제1 케이블(114)을 포함한다.

제1 초음파 케이스(111)는 스테인리스 재질로 이루어지고 내부가 비어 있는 형상을 가진다. 이에 따라 제1 초음파 케이스(111)의 내부에는 제1 압전소자(112) 및 제1 흡음재(113)가 배치된다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 초음파 케이스(111)의 타측에는 제1 흡음재(113)와 연결되는 제1 케이블(114)이 삽입된다.

제1 압전소자(112)는 PZT 계열의 압전소자로서, 제1 초음파 케이스(111)의 내부 일측에 배치된다.

제1 흡음재(113)는 제1 압전소자(112)와 평행하도록 결합되고 제1 초음파 케이스(111)의 내부에 위치한다.

제1 케이블(114)은 제1 초음파 케이스(111)의 타측에 삽입되어 초음파 펄스 공급부(500)로부터 공급되는 제1 초음파 펄스를 제1 흡음재(113)로 전달하는 역할을 한다.

도 2를 참조하면, 제1 음향유도부(120)는 제1 음향유도 케이스(121) 및 제1 음향유도봉(122)을 포함한다.

제1 음향유도 케이스(121)는 스테인리스 재질로 이루어지고 내부가 비어 있는 형상을 가진다. 구체적으로 제1 음향유도 케이스(121)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 초음파 케이스(111)와 동일한 크기의 단면을 가지나, 제1 초음파 케이스(111)보다 더 길게 형성된다.

상기한 제1 음향유도 케이스(121)의 내부에는 제1 음향유도봉(122)이 위치한다.

제1 음향유도봉(122)은 스테인리스 재질의 도파관(waveguide) 다발로 구성되어 제1 음향유도봉(122)의 내부에 위치한다.

상기한 제1 초음파 케이스(111)와 제1 음향유도 케이스(121)는 도 3에 도시된 바와 같이 결합된다.

도 4를 참조하면, 제2 초음파센서 조립체(200)는 제2 초음파센서부(210) 및 제2 음향유도부(220)를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이 제2 초음파센서 조립체(200)는 전술한 제1 초음파센서 조립체(100)과 동일하게 형성되어 동일한 기능을 수행하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 전술한 바를 참고하도록 한다.

다만, 제2 초음파센서 조립체(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 초음파센서 조립체(100)와 좌우로 대칭되도록 배치된다.

상기한 제2 초음파센서부(210)는 제2 초음파 케이스(211), 제2 압전소자(212), 제2 흡음재(213) 및 제2 케이블(214)을 포함한다.

제2 초음파 케이스(211)는 제1 초음파 케이스(111)와 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 초음파 케이스(111)와 동일하다.

제2 압전소자(212)는 제1 압전소자(112)와 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 압전소자(112)와 동일하다.

제2 흡음재(213)는 제1 흡음재(113)와 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 흡음재(113)와 동일하다.

제2 케이블(214)은 제1 케이블(114)와 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 케이블(114)과 동일하다.

제2 음향유도부(220)는 제2 음향유도 케이스(221) 및 제2 음향유도봉(222)을 포함한다.

제2 음향유도 케이스(221)는 제1 음향유도 케이스(121)와 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 음향유도 케이스(121)와 동일하다.

제2 음향유도봉(222)은 제1 음향유도봉(122)과 좌우로 대칭되도록 배치되고, 형상 및 기능이 제1 음향유도봉(122)과 동일하다.

상기한 제2 초음파 케이스(211)와 제2 음향유도 케이스(221)는 도 4에 도시된 바와 같이 결합된다.

제3 초음파센서 조립체(300)는 제3 초음파센서부(310) 및 제3 음향유도부(320)를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이 제3 초음파센서 조립체(300)는 전술한 제1, 2 초음파센서 조립체(100, 200)과 동일하게 형성되어 동일한 기능을 수행하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 전술한 바를 참고하도록 한다.

다만, 제3 초음파센서 조립체(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 초음파센서 조립체(100)와 소정거리 이격되도록 제1 초음파센서 조립체(100)의 하부에 위치한다.

상기한 제3 초음파센서부(310)는 제3 초음파 케이스(311), 제3 압전소자(312), 제3 흡음재(313) 및 제3 케이블(314)을 포함한다.

제3 초음파 케이스(311)는 제1 초음파 케이스(111)와 소정거리 이격되도록 제1 초음파 케이스(111)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 초음파 케이스(111)와 동일하다.

제3 압전소자(312)는 제1 압전소자(112)와 소정거리 이격되도록 제1 압전소자(112)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 압전소자(112)와 동일하다.

제3 흡음재(313)는 제1 흡음재(113)와 소정거리 이격되도록 제1 흡음재(113)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 흡음재(113)와 동일하다.

제3 케이블(314)는 제1 케이블(114)와 소정거리 이격되도록 제1 케이블(114)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 케이블(114)와 동일하다.

제3 음향유도부(320)는 제3 음향유도 케이스(321) 및 제3 음향유도봉(322)을 포함한다.

제3 음향유도 케이스(321)는 제1 음향유도 케이스(121)와 소정거리 이격되도록 제1 음향유도 케이스(121)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 음향유도 케이스(121)와 동일하다.

제3 음향유도봉(322)은 제1 음향유도봉(122)과 소정거리 이격되도록 제1 음향유도봉(122)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제1 음향유도봉(122)과 동일하다.

상기한 제3 초음파 케이스(311)와 제3 음향유도 케이스(321)는 도 3에 도시된 바와 같이 결합된다.

도 4에 도시된 바와 같이 제4 초음파센서 조립체(400)는 전술한 제1, 2, 3 초음파센서 조립체(100, 200, 300)과 동일하게 형성되어 동일한 기능을 수행하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 전술한 바를 참고하도록 한다.

다만, 제4 초음파센서 조립체(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 제2 초음파센서 조립체(200)와 소정거리 이격되도록 제2 초음파센서 조립체(200)의 하부에 위치한다.

상기한 제4 초음파센서 조립체(400)는 제4 초음파센서부(410) 및 제4 음향유도부(420)를 포함한다.

제4 초음파센서부(410)는 제4 초음파 케이스(411), 제4 압전소자(412), 제4 흡음재(413) 및 제4 케이블(414)을 포함한다.

제4 초음파 케이스(411)는 제2 초음파 케이스(211)와 소정거리 이격되도록 제2 초음파 케이스(211)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 초음파 케이스(211)와 동일하다.

제4 압전소자(412)는 제2 압전소자(212)와 소정거리 이격되도록 제2 압전소자(212)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 압전소자(212)와 동일하다.

제4 흡음재(413)는 제2 흡음재(213)와 소정거리 이격되도록 제2 흡음재(213)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 흡음재(213)와 동일하다.

제4 케이블(414)은 제2 케이블(214)과 소정거리 이격되도록 제2 케이블(214)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 케이블(214)과 동일하다.

제4 음향유도부(420)는 제4 음향유도 케이스(421) 및 제4 음향유도봉(422)을 포함한다.

제4 음향유도 케이스(421)는 제2 음향유도 케이스(221)와 소정거리 이격되도록 제2 음향유도 케이스(221)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 음향유도 케이스(221)와 동일하다.

제4 음향유도봉(422)은 제2 음향유도봉(222)과 소정거리 이격되도록 제2 음향유도봉(222)의 하부에 위치하고, 형상 및 기능이 제2 음향유도봉(222)과 동일하다.

도 4를 참조하면, 제1 음향유도봉(122)의 길이, 제2 음향유도봉(222)의 길이, 제3 음향유도봉(322)의 길이 및 제4 음향유도봉(422)의 길이는 각각 제1 거리(X)로서 같다.

또한, 도 4를 참조하면, 제1 초음파센서부(100)의 일단과 제2 초음파센서부(200)의 일단 사이의 거리는 제1 이격거리(Y₁)이고, 제3 초음파센서부(300)의 일단과 제4 초음파센서부(400)의 일단 사이의 거리는 제2 이격거리(Y₂)이다.

이때, 상기한 제1 이격거리(Y₁)와 제2 이격거리(Y₂)는 서로 다르다. 구체적으로 본 발명에서 제2 이격거리(Y₂)는 제1 이격거리(Y₁)보다 긴 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 5를 참조하면, 초음파 펄스 공급부(500)는 펄스발생부(510) 및 펄스 채널부(520)를 포함한다.

펄스발생부(510)는 제1 초음파센서 조립체(100) 및 제3 초음파센서 조립체(300)와 연결되고 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 제1 초음파센서 조립체(100) 및 제2 초음파센서 조립체(200)에 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 공급한다.

구체적으로 펄스발생부(510)는 ±50 V의 전압으로 제1, 2 초음파 펄스를 발생시킨다.

이때, 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스는 각각 5개의 펄스가 한 묶음인 톤 버스트(tone burst) 신호이다.

도 5를 참조하면, 펄스 채널부(520)는 제1 펄스 채널(521) 및 제2 펄스 채널(522)을 포함한다.

제1 펄스 채널(521)은 펄스발생부(510)의 내부에 위치하고 제1 케이블(114)와 연결된다.

상기한 제1 펄스 채널(521)은 펄스발생부(510)로부터 공급되는 제1 초음파 펄스를 수신하여 제1 케이블(114)로 전달한다.

제2 펄스 채널(522)은 펄스발생부(510)의 내부에 위치하고 제3 케이블(314)와 연결된다.

상기한 제2 펄스 채널(522)은 펄스발생부(510)로부터 공급되는 제2 초음파 펄스를 수신하여 제3 케이블(314)로 전달한다.

증폭부(600)는 제1 초음파센서 조립체(100) 및 제3 초음파센서 조립체(300)와 연결되고 제1 초음파센서 조립체(100) 및 제3 초음파센서 조립체(300)를 각각 통과한 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호로 증폭시킨다.

위와 같이 증폭부(600)를 사용하는 이유는 물의 음향 임피던스와 비교하면 저온 유체(액화질소)의 음향 임피던스는 상대적으로 작기 때문이다.

이를 위한 증폭부(600)는 제1 전치 증폭기(610) 및 제2 전치 증폭기(620)를 포함한다.

제1 전치 증폭기(610)는 제1 초음파 펄스를 증폭시켜 제1 초음파 신호로 변환한 후 제1 초음파 신호를 초음파 신호 수신부(700)로 전송한다.

여기서, 제1 초음파 신호는 제1 초음파센서 조립체(100), 제1 이격거리(Y₁), 제2 초음파센서 조립체(200)를 순차적으로 통과한 신호이다.

제2 전치 증폭기(620)는 제2 초음파 펄스를 증폭시켜 제2 초음파 신호로 변환한 후 제2 초음파 신호를 초음파 신호 수신부(700)로 전송한다.

여기서, 제2 초음파 신호는 제3 초음파센서 조립체(300), 제2 이격거리(Y₂), 제4 초음파센서 조립체(400)를 순차적으로 통과한 신호이다.

상기한 전치 증폭기(Pre-amplifier)는 일반적으로 20 dB (10배 증폭)에서부터 40 dB(100배 증폭)인 경우가 많다.

(

[dB], I=증폭률, A_in=입력 신호 크기, A_out=출력 신호 크기)

초음파 신호 수신부(700)는 증폭부(600)로부터 전달되는 제1, 2 초음파 신호를 수신하고 수신된 제1, 2 초음파 신호에 대한 제1, 2 시간을 측정한다.

여기서, 제1 시간은 제1 초음파 신호가 제1 초음파센서부(110)의 일단으로부터 제2 초음파센서부(210)의 타단까지 이동하는데 걸린 시간을 의미한다.

또한, 제2 시간은 제2 초음파 신호가 제3 초음파센서부(110)의 일단으로부터 제4 초음파센서부(210)의 타단까지 이동하는데 걸린 시간을 의미한다.

또한, 초음파 신호 수신부(700)는 연산부(600)로 제1 시간 및 제2 시간을 전송한다.

상기한 초음파 신호 수신부(700)는 오실로스코프(710) 및 초음파 신호 채널(720)을 포함한다.

오실로스코프(710)는 제1 초음파 신호 채널(721)을 통해 전송되는 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호 채널(722)로부터 전송되는 제2 초음파 신호를 수신하여 제1 초음파 신호에 대한 제1 시간(t₁) 및 제2 초음파 신호에 대한 제2 시간(t₂)을 측정한 후 연산부(600)로 전송한다.

제1 초음파 신호 채널(721) 및 제2 초음파 신호 채널(722)을 포함한다.

제1 초음파 신호 채널(721)은 오실로스코프(710)의 내부에 위치하고, 증폭부(600)로부터 전송되는 제1 초음파 신호를 수신하여 연산부(800)로 전송한다.

제2 초음파 신호 채널(722)은 제1 초음파 신호 채널(721)과 이격되도록 오실로스코프(710)의 내부에 위치하고, 증폭부(600)로부터 전송되는 제2 초음파 신호를 수신하여 연산부(800)로 전송한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에서 열팽창에 의해 길이가 변화된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체의 배치를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 시스템에서 열팽창에 의해 길이가 변화된 제1 내지 제4 초음파센서 조립체, 초음파 펄스 공급부, 증폭부, 초음파 신호 수신부 및 연산부를 나타낸 일 방향에서의 단면도이다.

연산부(800)는 오실로스코프(710)로부터 전송되는 제1 초음파 신호에 대한 제1 시간(t₁) 및 제2 초음파 신호에 대한 제2 시간(t₂)을 수신한다.

또한, 연산부(800)에는 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁) 및 제2 이격거리(Y₂)가 기저장되어 있다.

연산부(800)는 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁) 및 제2 이격거리(Y₂)가 반영된 2개의 연립 방정식을 수립한 후 미지수인 음향유도봉에서의 음속(V_solid) 및 액화질소에서의 음속(V_liquid)을 연산한다.

또한, 연산부(800)는 연산된 액화질소에서의 음속(V_liquid)에 대한 액화질소의 온도를 열물성 테이블에서 찾는다.

다음, 연산부(800)는 열물성 테이블을 통해 측정된 액화질소의 온도(T_liquid)와 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁) 및 제2 이격거리(Y₂)를 측정한 온도(T₀)의 온도 차이값(T_diff)를 연산한다.

다음, 연산부(800)는 스테인리스 재질로 이루어진 음향유도봉의 길이인 제1 거리(X)에 온도 차이값(T_diff)에 따른 열팽창률(α)을 반영하여 보정된 제1 거리(X')를 연산한다.

다음, 연산부(800)는 스테인리스 재질로 이루어진 배관(10)의 반지름(R)에 온도 차이값(T_diff)에 따른 열팽창률(α)을 반영하여 변화된 배관(10)의 반지름 차이값(R_diff)를 연산한다.

다음, 연산부(800)는 제1 이격거리(Y₁), 배관(10)의 반지름 차이값(R_diff) 및 변화된 거리(X_diff)를 이용하여 보정된 제1 이격거리(Y₁')를 연산하고, 제2 이격거리(Y₂), 배관(10)의 반지름 차이값(R_diff) 및 변화된 거리(X_diff)를 이용하여 보정된 제1 이격거리(Y₂')를 연산한다.

상기한 연산부(800)에서 연산되는 과정에 대한 구체적인 수식 및 설명은 후술되는 초음파 신호를 이용한 매질의 온도 측정 방법의 내용을 참고하도록 한다.

2. 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법을 나타낸 순서도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호를 이용한 매질의 온도 측정 방법은 (a) 제1 초음파센서 조립체(100) 및 제2 초음파센서 조립체(200)가 제1 이격거리(Y₁)로 이격되어 액화질소를 수용하는 배관(10)의 내부에 삽입되는 단계(S100), (b) 제3 초음파센서 조립체(300) 및 제4 초음파센서 조립체(400)가 제2 이격거리(Y₂)로 이격되어 액화질소를 수용하는 상기 배관의 내부에 삽입되는 단계(S200), (c) 연산부(800)가 제1 내지 제4 초음파센서 조립체(100, 200, 300, 400)에 각각 구비된 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)의 각각의 길이인 제1 거리(X) 및 제1, 2 이격거리(Y₁, Y₂)가 적용된 2개의 연립방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 음속(V_solid)과 액화질소에서의 음속(V_liquid)을 산출하는 단계(S300), (d) 연산부(800)가 액화질소에서의 음속(V_liquid)을 기반으로 액화질소의 온도(T_liquid)를 측정하는 단계(S400), (e) 연산부(800)가 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422) 및 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)의 열팽창에 따라 변화하는 제1 거리(X), 제1, 2 이격거리(Y₁, Y₂)를 보정하는 단계(S500), (f) 보정된 제1 거리(Y₁', Y₂'), 제1, 2 이격거리(Y₁', Y₂')가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 보정된 음속(V_solid')과 액화질소에서의 보정된 음속(V_liquid')을 산출하는 단계(S600), (g) 연산부(800)가 액화질소에서의 보정된 음속(V_liquid')을 기반으로 액화질소의 보정된 온도(T_liquid')를 측정하는 단계(S700), 및 (h) 제어부(미도시)가 액화질소의 온도(T_liquid)와 액화질소의 보정된 온도(T_liquid')를 이용하여 액화질소에서의 보정된 음속(T_liquid')에 대한 추가 보정 여부를 결정하는 단계(S800)를 포함한다.

여기서, 액화질소는 저온 유체(F) 중 하나이며, 본 발명에서 설명하는 액화질소 이외에 다른 저온 유체가 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 제1 초음파센서부(110)의 일단 및 제3 초음파센서부(310)의 일단에는 실린더가 장착되어 제1, 2 이격거리(Y₁, Y₂)를 조절할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 액화질소의 온도 측정 방법의 세부단계를 나타낸 순서도이다.

도 4, 도 5 및 도 9를 참조하면, 상기 (a) 단계는, (a1) 제1 초음파센서 조립체(100)에 구비된 제1 초음파센서부(110)가 배관(10)의 외부 일측에 배치되는 단계, (a2) 제1 초음파센서 조립체(100)에 구비되고 제1 초음파센서부(110)와 결합되는 제1 음향유도부(120)의 타측부가 배관(10)의 내부에 배치되는 단계, (a3) 제2 초음파센서 조립체(200)에 구비된 제2 초음파센서부(210)가 배관(10)의 외부 타측에 배치되는 단계 및 (a4) 제2 초음파센서 조립체(200)에 구비되고 제2 초음파센서부(210)와 결합되는 제2 음향유도부(220)의 일측부가 배관(10)의 내부에 배치되는 단계를 포함한다.

도 5를 참조하면, 제1 초음파센서부(110), 제2 초음파센서부(210), 제1 음향유도부(120) 및 제2 음향유도부(220)는 동일직선상에 위치하고, 제1 음향유도부(120)와 제2 음향유도부(220)는 제1 이격거리(Y₁)만큼 이격된다.

여기서, 제1 이격거리(Y₁)는 사용자가 기설정한 거리로서, 사용자의 설정에 따라 달라질 수 있다.

다음, 도 4, 도 5 및 도 9를 참조하면, 상기 (b) 단계는, (a1) 제3 초음파센서 조립체(300)에 구비된 제3 초음파센서부(310)가 제1 초음파센서부(110)의 하부에 위치하면서 배관(10)의 외부 일측에 배치되는 단계, (a2) 제3 초음파센서 조립체(300)에 구비되고 제3 초음파센서부(310)와 결합되는 제3 음향유도부(320)의 타측부가 배관(10)의 내부에 배치되는 단계, (a3) 제4 초음파센서 조립체(400)에 구비된 제4 초음파센서부(410)가 제2 초음파센서부(210)의 하부에 위치하면서 배관(10)의 외부 타측에 배치되는 단계, (a4) 제4 초음파센서 조립체(400)에 구비되고 제4 초음파센서부(410)와 결합되는 제4 음향유도부(420)의 일측부가 배관(10)의 내부에 배치되는 단계를 포함한다.

도 5를 참조하면, 제3 초음파센서부(310), 제4 초음파센서부(410), 제3 음향유도부(320) 및 제4 음향유도부(420)는 동일직선상에 위치하고, 제3 음향유도부(320)와 제4 음향유도부(420)는 제2 이격거리(Y₂)만큼 이격된다.

또한, 상기한 제1, 2 초음파센서 조립체(100, 200)는 제3, 4 초음파센서 조립체(300, 400)와 평행하도록 배치된다.

다음, 도 9를 참조하면, 본 발명은 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 초음파 펄스 공급부(500)에 구비된 펄스발생부(510)가 ±50 V의 전압으로 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 초음파 펄스 공급부(500)에 구비된 제1 펄스 채널(521) 및 제2 펄스 채널(522)에 각각 인가하는 단계, 제1 초음파 펄스가 제1 초음파센서부(110), 제1 음향유도부(120), 제2 음향유도부(210) 및 제2 초음파센서부(220)의 순서대로 통과하여 증폭부(600)로 전달되는 단계, 제2 초음파 펄스가 제3 초음파센서부(310), 제3 음향유도부(320), 제4 음향유도부(410) 및 제4 초음파센서부(420)의 순서대로 통과하여 증폭부(600)로 전달되는 단계, 증폭부(600)에 구비된 제1 전치 증폭기(610)가 제1 초음파 펄스를 증폭시킨 제1 초음파 신호를 초음파 신호 수신부(700)로 전달하는 단계, 증폭부(600)에 구비된 제2 전치 증폭기(620)가 제2 초음파 펄스를 증폭시킨 제2 초음파 신호를 초음파 신호 수신부(700)로 전달하는 단계, 초음파 신호 수신부(700)에 구비된 제1 초음파 신호 채널(721)이 제1 초음파 신호를 초음파 신호 수신부(700)에 구비된 오실로스코프(710)로 전달하는 단계, 초음파 신호 수신부(700)에 구비된 제2 초음파 신호 채널(722)이 제2 초음파 신호를 오실로스코프(710)로 전달하는 단계 및 오실로스코프(710)가 제1 초음파 신호에 대한 제1 시간(t₁) 및 제2 초음파 신호에 대한 제2 시간(t₂)을 측정하고 제1 초음파 신호, 제2 초음파 신호, 제1 시간(t₁) 및 제2 시간(t₂)을 연산부(800)로 전송하는 단계를 더 포함한다.

이때, 저온 유체(F)인 액화질소, 제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410) 및 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)은 온도 평형을 이루는 것으로 전제한다.

만약, 액화질소, 제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410) 및 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)의 온도가 평형을 이루지 못한 경우, 본 발명은 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 액화질소, 제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410) 및 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)의 온도가 평형을 이룰 때까지 대기하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다음, 도 9를 참조하면, 상기 (c) 단계는, (c1) 연산부(800)가 2개의 연립 방정식인 2X/V_solid+Y₁/V_liquid=t₁, 2X/V_solid+Y₂/V_liquid=t₂(X=제1 거리, Y₁=제1 이격거리, Y₂=제2 이격거리, V_solid=스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid=저온 유체(액화질소)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X+Y₁)을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X+Y₂)을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계 및 (c2) 연산부(800)가 2개의 연립 방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 음속(V_solid) 및 액화질소에서의 음속(V_liquid)을 산출하는 단계를 포함한다.

여기서, 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)은 스테인리스 재질로 이루어진다.

예를 들어, 연산부(800)는 제1 거리(X)=0.3 m, 제1 이격거리(Y₁)=0.275 m, 제2 이격거리(Y₂)=0.395 m, 제1 시간(t₁)=450 μs, 제2 시간(t₂)=585 μs이면, 상기한 제1 거리(X), 제1 이격거리(Y₁), 제2 이격거리(Y₂), 제1 시간(t₁) 및 제2 시간(t₂)을 하기의 [수학식 1], [수학식 2]에 적용하여 2개의 연립 방정식을 푼다.

[수학식 1]

2X/V_solid+Y₁/V_liquid=t₁

(X=제1 거리, Y₁=제1 이격거리, Y₂=제2 이격거리, V_solid=스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid=저온 유체(액화질소)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X+Y₁)을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X+Y₂)을 통과하는데 걸린 시간)

[수학식 2]

2X/V_solid+Y₂/V_liquid=t₂

상기한 [수학식 1], [수학식 2]를 연산하면, 음향유도봉에서의 음속(V_solid) = 4266.67m/s, 액화질소에서의 음속(V_liquid) = 888.89m/s가 나온다.

다음, 상기 (d) 단계는, (d1) 연산부(800)가 열물성 테이블([표 1], [표 2], [표 3])에서 산출된 액화질소에서의 음속(V_liquid)을 매칭시키는 단계 및 (d2) 연산부(800)가 열물성 테이블([표 1], [표 2], [표 3])에서 산출된 액화질소에서의 음속(V_liquid)과 매칭되는 액화질소에서의 음속에 따른 액화질소의 온도(T_liquid)를 측정하는 단계를 포함한다.

온도[K]	압력[kPa]	밀도[kg/m³]	음속(sound speed)[m/s]
64	100	863.88	987.09
66	100	855.58	966.70
68	100	847.17	946.41
70	100	838.64	926.18
72	100	829.98	905.94
74	100	821.18	885.66
76	100	812.24	865.27

초음파 경로	거리[mm]	주행시간 (Transit time)[μs]	음속 (sound speed)[m/s]
센터(center)	395	444.37	888.89
오프 센터(off-center)	275	309.37	888.89
도파관(waveguide)	300	140.63	4266.67

초음파 경로	거리[mm]	주행시간 (Transit time)[μs]	음속 (sound speed)[m/s]
센터(center)	397.06	446.69	888.89
오프 센터(off-center)	277.06	311.69	888.89
도파관(waveguide)	298.97	138.31	4323.23

구체적으로 [수학식 1], [수학식 2]에 의해 연산되어 산출된 액화질소에서의 음속(V_liquid)인 888.89 m/s과 산출된 음향유도봉에서의 음속(V_solid)인 4266.67 m/s을 [표 2]에 매칭시켜 찾는다.

다음, [표 1]에서 산출된 액화질소에서의 음속(V_liquid)= 888.89 m/s과 매칭되는 액화질소에서의 음속을 찾은 후 찾은 액화질소에서의 음속에 따른 액화질소의 온도(T_liquid)를 찾는다.

이때, 측정된 액화질소의 온도(T_liquid)는 약 73.68 K이다.

한편, 음향유도봉의 명목상 음속은 5800m/s이므로 4266.67 m/s와 차이가 많다.

음향유도봉에서의 음속(V_solid)은 알고 있으므로 초음파 신호가 2X를 통과할 때 걸린 시간은 140.63 μs임을 연산할 수 있다.

또한, 연산부(800)는 초음파 신호가 제1 이격거리(Y₁)를 통과할 때 걸린 시간이 309.37 μs(t₁-140.63 μs)이고, 초음파 신호가 제2 이격거리(Y₂)를 통과할 때 걸린 시간이 444.37 μs(t₂-140.63 μs)임을 연산할 수 있다.

다음, 도 9를 참조하면, 상기 (e) 단계는, (e1) 연산부(800)가 제1 거리(X)에 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 온도 차이값에 따른 보정된 제1 거리(X')를 연산하는 단계, (e2) 연산부(800)가 제1 거리(X)에서 보정된 제1 거리(X')를 뺀 변화된 거리(X_diff)를 연산하는 단계, (e3) 연산부(800)가 배관(10)의 반지름(R)에 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 보정된 배관(10)의 반지름(R')을 연산하는 단계 및 (e4) 연산부(800)가 배관(10)의 반지름(R)에 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 온도 차이값에 따른 보정된 제1 이격거리(Y₁') 및 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산하는 단계를 포함한다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 액화질소의 온도 측정 방법에서 보정된 제1 이격거리를 설명하기 위한 일 방향에서의 사시도이다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 액화질소의 온도 측정 방법에서 보정된 제2 이격거리를 설명하기 위한 일 방향에서의 단면도이다.

상기 (e) 단계와 같이 보정된 제1 거리(X'), 보정된 제1 이격거리(Y₁') 및 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산하는 이유는 스테인리스 재질로 이루어진 제1 내지 제4 음향유도봉(122, 222, 322, 422)과 스테인리스 재질로 이루어진 배관(10)이 온도에 따라 열팽창되거나 열수축되기 때문이다.

이때, 제1 거리(X) 및 배관(10)의 반지름은 액화질소의 온도에서 열팽창에 의해 도 6 및 도 11에 도시된 바와 같이 변화되기 때문에 하기와 같이 스테인리스의 열팽창률(α)을 반영한다.

보다 상세하게 제1 거리(X)는 기준 온도(T₀)인 15 °C에서 측정된 길이이므로 열물성 테이블을 통해 측정된 액화질소의 온도인 73.68 °C에서는 열팽창에 의해 제1 거리(X)가 줄어든다.

도 6에 도시된 바와 같이 제1 거리(X)가 줄어든 만큼, 제1 이격거리(Y₁)와 제2 이격거리(Y₂)가 늘어난다.

따라서, 상기한 바와 같이 제1 거리(X)에서 줄어든 보정된 제1 거리(X'), 제1 이격거리(Y₁)에서 늘어난 보정된 제1 이격거리(Y₁'), 제2 이격거리(Y₂)에서 늘어난 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산하기 위해 열팽창률(α)을 다음과 같이 반영한다.

구체적으로 상기 (e1) 단계에서, 연산부(800)는 T_diff= T_liquid - T₀의 수식(T_diff=온도 차이값, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도)을 이용하여 온도 차이값(T_diff)을 연산한다.

[수학식 3]

T_diff= T_liquid - T₀

(T_diff=온도 차이값, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도)

또한, 도 10을 참조하면, 연산부(800)는 X'=X ⅹ (1 + α ⅹ (T_liquid- T₀))의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 보정된 제1 거리(X')를 연산한다.

[수학식 4]

X'=X ⅹ (1 + α ⅹ (T_liquid- T₀))

(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도, α=스테인리스의 열팽창률)

예를 들어, 스테인리스의 열팽창률(α)이 16 ⅹ 10^-6 1/K (SUS 316 기준)이라고 가정하면, 보정된 제1 거리(X')는 0.3ⅹ(1 + (16 ⅹ 10^-6ⅹ (73.68 - (15+273.15)))) = 0.29897 m가 된다.

다음, 상기 (e2) 단계에서, 연산부(800)는 X'=X+X_diff의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 변화된 거리(X_diff)를 연산한다.

[수학식 5]

X'=X+X_diff

상기한 [수식식 5]에 제1 거리(X)=0.3 m 와 보정된 제1 거리(X')= 0.29897 m를 적용하여 연산하면, 변화된 거리(X_diff)=-1.03 x 10^-3m가 된다.

이에 따라 보정된 제1 이격거리(Y₁')와 보정된 제2 이격거리(Y₂')는 양측으로 1.03x10^-3m씩 늘어나게 되는 것이다. 이에 따라 보정된 제1 이격거리(Y₁')=0.27706 m, 보정된 제2 이격거리(Y₂')는 0.39706 m이 되지만 실질적으로는 아래와 같이 배관(10)의 열팽창도 고려해야 한다.

제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410)가 설치된 배관(10) 또는 컨테이너의 단면적에 대한 열팽창을 고려해야 한다.

만약, 본 발명과 같이 제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410)가 원형인 배관(10)에 설치되었다면, 배관(10)의 단면적은 반지름 방향으로 열팽창이 일어난다.

이에 따라 초음파 경로가 배관 중심축을 가로지르면 초음파 경로는 배관(10)의 반지름 방향으로 열팽창이 일어나는 것을 고려해야 한다.

초음파 경로가 배관 중심축에서 이격되어 있으면, 초음파 경로는 배관(10)의 반지름 방향과 θ만큼 각도 차이가 있기 때문에 cos(θ)만큼 곱하여 열팽창이 배관의 반지름 방향과 일치하지 않음을 표시해야 한다.

만약, 제1 내지 제4 초음파센서부(110, 210, 310, 410)가 사각형 컨테이너에 설치되어 있다면 컨테이너 단면적은 가로, 세로 방향으로 열팽창이 일어난다. 이에 따라 초음파 경로는 가로 또는 세로 방향과 평행하므로, 초음파 경로는 열팽창이 일어나는 방향과 일치하게 되어 cos(θ)를 고려할 필요가 없다.

다음, 도 11을 참조하면, 상기 (e3) 단계에서, 연산부(800)는 R'=R ⅹ (1 + α ⅹ (T_liquid- T₀))의 수식(R'=보정된 배관(10)의 반지름, R=배관(10)의 반지름, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 보정된 배관(10)의 반지름(R')을 연산한다. 이때, 배관(10)의 반지름(R)=0.4m이고 cos(θ)=1로 가정한다.

[수학식 6]

R'=R ⅹ (1 + α ⅹ (T_liquid- T₀))

(R'=보정된 배관(10)의 반지름, R=배관(10)의 반지름, T_liquid =액화질소의 온도, T₀=기준 온도, α=스테인리스의 열팽창률)

나아가, 도 11을 참조하면, 연산부(800)는 R'=R+R_diff의 수식(R'=보정된 배관(10)의 반지름, R=배관(10)의 반지름, R_diff=변화된 배관(10)의 반지름 차이값)을 이용하여 변화된 배관(10)의 반지름 차이값(R_diff)을 연산한다.

[수학식 7]

R'=R+R_diff

(R'=보정된 배관(10)의 반지름, R=배관(10)의 반지름, R_diff=변화된 배관(10)의 반지름 차이값)

다음, 도 11을 참조하면, 상기 (e4) 단계에서, 연산부(800)는 Y₁'=Y₁+2ⅹR_diff-2ⅹX_diff의 수식(Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₁=제1 이격거리, R_diff=보정된 배관(10)의 반지름, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 보정된 제1 이격거리(Y₁')를 연산한다.

[수학식 8]

Y₁'=Y₁+2ⅹR_diff-2ⅹX_diff

(Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₁=제1 이격거리, R_diff=보정된 배관(10)의 반지름, X_diff=변화된 거리)

다음, 도 11을 참조하면, 상기 (e4) 단계에서, 연산부(800)는 Y₂'=Y₂+2ⅹR_diffⅹcos(θ)-2ⅹX_diff의 수식(Y₂'=보정된 제2 이격거리, Y₂=제2 이격거리, R_diff=보정된 배관(10)의 반지름, X_diff=변화된 거리)를 이용하여 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산한다.

[수학식 9]

Y₂'=Y₂+2ⅹR_diffⅹcos(θ)-2ⅹX_diff

(Y₂'=보정된 제2 이격거리, Y₂=제2 이격거리, R_diff=보정된 배관(10)의 반지름, X_diff=변화된 거리)

다음, 상기 (f) 단계는, (f1) 연산부(800)가 보정된 제1 거리(X'), 제1, 2 이격거리(Y₁', Y₂')가 적용된 2개의 연립 방정식인 2X'/V_solid'+Y₁'/V_liquid'=t₁, 2X'/V_solid'+Y₂'/V_liquid'=t₂(X'=보정된 제1 거리, Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₂=보정된 제2 이격거리, V_solid'=보정된 스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid'=보정된 저온 유체(액화질소)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X'+Y₁')을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X'+Y₂')을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계 및 (f2) 연산부(800)가 보정된 제1 거리(X'), 제1, 2 이격거리(Y₁', Y₂')가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 보정된 음속 및 액화질소에서의 보정된 음속을 산출하는 단계를 포함한다.

[수학식 10]

2X'/V_solid'+Y₁'/V_liquid'=t₁

(X'=보정된 제1 거리, Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₂=보정된 제2 이격거리, V_solid'=보정된 스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid'=보정된 저온 유체(액화질소)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X'+Y₁')을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X'+Y₂')을 통과하는데 걸린 시간)

[수학식 11]

2X'/V_solid'+Y₂'/V_liquid'=t₂

전술한 [수학식 1], [수학식 2]를 이용하여 2개의 연립 방정식을 연산한 것과 동일한 방법으로 [수학식 10], [수학식 11]을 연산한다.

이에 따라 음향유도봉에서의 보정된 음속(V_solid')=4228.81 m/s이고, 액화질소에서의 보정된 음속(V_liquid')=888.89 m/s이다.

다음, 상기 (g) 단계는, (g1) 연산부(800)가 열물성 테이블(표 1, 표 2, 표 3)에서 액화질소에서의 보정된 음속을 매칭시키는 단계 및 (g2) 연산부(800)가 열물성 테이블(표 1, 표 2, 표 3)에서 액화질소에서의 보정된 음속과 매칭되는 액화질소에서의 음속에 따른 액화질소의 보정된 온도를 측정하는 단계를 포함한다.

그런데, 액화질소에서의 음속(V_liquid)과 액화질소에서의 보정된 음속(V_liquid')이 888.89 m/s로 동일하므로 [표 1]에서 액화질소에서의 보정된 음속(V_liquid')과 매칭되는 액화질소에서의 음속에 따른 액화질소의 온도(T_liquid')도 73.68 K로 같다.

매스매티카로 확인한 결과에 따르면, 액화질소의 온도는 -2.8ⅹ10^-14 K만큼 차이가 나므로 무시할 정도로 작다.

다음, 상기 (h) 단계는, (h1) 제어부가 액화질소의 보정된 온도(T_liquid')에서 액화질소의 온도(T_liquid)를 뺀 절대값이 기설정된 온도차이값(ε)보다 작은 경우

(T_liquid =이전 루프인 (d) 단계에서 측정된 액화질소의 온도, T_liquid' =현재 루프인 (g) 단계에서 측정된 액화질소의 온도, ε=기설정된 온도차이값), 종료하는 단계 및 (h2) 제어부가 액화질소의 보정된 온도(T_liquid')에서 액화질소의 온도(T_liquid)를 뺀 절대값이 기설정된 온도차이값(ε)보다 크거나 같은 경우, 상기 (e) 단계로 복귀하는 단계를 포함한다.

[수학식 12]

3. 유량계

또한, 본 발명은 전술한 바에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 온도 측정 방법에 의해 획득된 매질의 온도를 이용하여 유량을 측정하는 스마트 유량계를 제공한다.

이러한 유량계에서의 매질 유량 측정 방법에 있어서, 본 실시예에서는 초음파 신도의 도달시간에 따른 음속 및 온도 측정 과정에 대하여 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 유량계의 흐름을 측정하기 위하여 매질의 다양한 상(Phase) 또는 다양한 물리량(온도, 유동체 속도, 와류, 압력, 점성, 밀도 등)을 측정할 수 있다.

대표적인 유량계 계측 방식으로 체적유량계 (volume flowmeter) 와 질량 유량계 (mass flow meter)로 구분을 하며, 차압식, 층류, 면전식, 용적식, 터빈, 전자, 초음파, 열식, 카르만 소용돌이, 진동측정, 및 코리올리 유량계 (Coriolis flowmeter)를 나열했으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

코리올리 유량계 (Coriolis flowmeter)의 원리 및 특징을 예로 들자면, 관로(管路)를 강제로 진동시켜 흐름으로 인해서 일어나는 코리올리력을 이용하여 질량유량을 계측하는 유량계. 코리올리력은 회전좌표계에 있어서 직선 등속 운동을 하는 물체에 작용하는 힘이다. 고유진동수에서 1차 굽힘 진동을 하고 있는 U자형의 관로 속을 유체가 속도 U로 흐르면 코리올리력 Fc는 U자관의 축선에 수직방향으로, 또 두 팔에서는 흐름이 역방향이기 때문에 역방향으로 작용한다. 이 1쌍의 U자관에 비틀림 변위를 일으킨다. 관로내의 유체 질량을 m, 관로의 회전 각속도를 ω라고 하면 Fc=2mω이고, 이 식 중의 m×U는 질량유량에 관계되는 양을 나타내고 있다. 따라서 관로의 비틀림 변위를 양쪽의 변위 검출기 D1, D2로 검출하여 유량을 구한다. 코리올리 유량계는 질량유량을 직접 계측할 수 있고, 또 기체와 액체 2상류(二相流), 슬러리, 고점성(高粘性) 유체 등의 유량 측정에도 적합하다.

또한, 이러한 유체 흐름에 대한 다양한 물리량들을 직접, 룩업-테이블(Look-up Table) 또는 수치모델(Numerical Modeling)을 포함한 간접적으로 측정함으로써 유량 측정이 가능하며, 이와 같은 유량 측정 방법으로는 전자기적 측정, 진동 측정(Coriolis), 초음파 속도 측정, 압력 측정(Differential pressure) 등 다양한 방법을 포함할 수 있다.

전술한 스마트 유량계를 이용하여 측정된 물리량을 기반으로 에너지 변환 시스템의 계측 관련 신호의 전달 소요시간 동기화에 활용할 수 있으며, 이와 관련된 에너지 변환 시스템의 계측 관련 신호의 전달 소요시간 동기화 방법은 다음과 같다.

첫째, 스마트 유량계에 의한 계측과 물리량의 결과를 통한 진단(diagnostic) 기능 또는 예지(prognostic) 기능을 수행하여 에너지 변환 시스템의 계측 관련 신호의 전달 소요시간 동기화할 수 있다.

둘째, 스마트 유량계에 의한 계측과 물리량의 결과를 활용한 예측 제어를 포함한 제어 기능, EC(emergency control) 또는 ESD(emergency shut down)를 포함한 안전 기능을 제공할 수 있다.

셋째, 스마트 유량계에 의한 계측 또는 물리량의 계측 대상 구조물이 전도체이거나 상기 에너지 변환 시스템이 전자기장 내에서 계측을 수행할 경우, 광 계측을 이용하여 실험 또는 관찰에 의한 계측 결과 또는 실증 데이터(empirical data)의 오차 범위를 최소화할 수 있다.

넷째, 스마트 유량계에 의한 계측 또는 물리량의 계측 대상 구조물이 전도체이거나 상기 에너지 변환 시스템이 전자기장 내에서 계측을 수행할 경우, 광 계측을 이용하여 실험 또는 관찰에 의한 계측 결과 또는 실증 데이터(empirical data)를 생성하고, 상기 계측 결과 또는 상기 실증 데이터를 상황 인식(context awareness) 기술을 이용하여 처리 또는 가공함으로써 상기 계측 결과 또는 상기 실증 데이터의 오차 범위를 최소화할 수 있다.

다섯째, 스마트 유량계에 의한 계측과 물리량의 결과를 인공 지능(artificial intelligence) 또는 머신 러닝(machine learning) 기법을 이용하여 상기 계측 결과 또는 상기 실증 데이터의 오차 범위를 최소화할 수 있다.

여섯째, 스마트 유량계에 의한 계측과 물리량의 결과의 센서는 계측 대상 구조물의 온도 또는 장력을 측정하는 광 섬유 센서(optical fiber sensor)인 스마트 유량계의 계측 관련 신호의 전달 소요시간 동기화 방법 등을 구현할 수 있다.

이때, 매질의 물리량은 상에 따라 온도를 포함한 유동체의 속도, 방향, 와류, 압력, 점성, 밀도 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정과 연관된 수치이다.

또한, 매질의 물리량은 MRV(Measurable Reportable, Verifiable)한 수치, 룩업-테이블(Look-up Table) 또는 수치모델(Numerical Modeling)에 활용 가능한 수치이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 제1 초음파센서 조립체
110: 제1 초음파센서부
111: 제1 초음파 케이스
112: 제1 압전소자
113: 제1 흡음재
114: 제1 케이블
120: 제1 음향유도부
121: 제1 음향유도 케이스
122: 제1 음향유도봉
200: 제2 초음파센서 조립체
210: 제2 초음파센서부
211: 제2 초음파 케이스
212: 제2 압전소자
213: 제2 흡음재
214: 제2 케이블
220: 제2 음향유도부
221: 제2 음향유도 케이스
222: 제2 음향유도봉
300: 제3 초음파센서 조립체
310: 제3 초음파센서부
311: 제3 초음파 케이스
312: 제3 압전소자
313: 제3 흡음재
314: 제3 케이블
320: 제3 음향유도부
321: 제3 음향유도 케이스
322: 제3 음향유도봉
400: 제4 초음파센서 조립체
410: 제4 초음파센서부
411: 제4 초음파 케이스
412: 제4 압전소자
413: 제4 흡음재
414: 제4 케이블
420: 제4 음향유도부
421: 제4 음향유도 케이스
422: 제4 음향유도봉
500: 초음파 펄스 공급부
510: 펄스발생부
520: 펄스 채널부
521: 제1 펄스 채널
522: 제2 펄스 채널
600: 증폭부
610: 제1 전치 증폭기
620: 제2 전치 증폭기
700: 초음파 신호 수신부
710: 오실로스코프
720: 초음파 신호 채널
721: 제1 초음파 신호 채널
722: 제2 초음파 신호 채널
800: 연산부

Claims

(a) 제1 초음파센서 조립체 및 제2 초음파센서 조립체가 제1 이격거리로 이격되어 매질을 수용하는 배관의 내부에 삽입되는 단계;
(b) 제3 초음파센서 조립체 및 제4 초음파센서 조립체가 제2 이격거리로 이격되어 상기 매질을 수용하는 상기 배관의 내부에 삽입되는 단계; 및
(c) 연산부가 상기 제1 내지 제4 초음파센서 조립체에 각각 구비된 제1 내지 제4 음향유도봉의 각각의 길이인 제1 거리 및 상기 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립방정식을 연산하여 음향유도봉에서의 음속과 매질에서의 음속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제1 항에 있어서,
(d) 상기 연산부가 상기 산출된 매질에서의 음속을 기반으로 상기 매질의 물리량을 측정하는 단계;
(e) 상기 연산부가 열팽창에 따라 변화하는 상기 제1 거리 및 상기 제1, 2 이격거리를 보정하는 단계;
(f) 상기 보정된 제1 거리 및 상기 보정된 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여, 음향유도봉에서의 보정된 음속과 매질에서의 보정된 음속을 산출하는 단계; 및
(g) 상기 연산부가 상기 매질에서의 보정된 음속을 기반으로 매질의 보정된 물리량을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a1) 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비된 제1 초음파센서부가 상기 배관의 외부 일측에 배치되는 단계;
(a2) 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제1 초음파센서부와 결합되는 제1 음향유도부의 타측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;
(a3) 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비된 제2 초음파센서부가 상기 배관의 외부 타측에 배치되는 단계; 및
(a4) 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제2 초음파센서부와 결합되는 제2 음향유도부의 일측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;를 포함하고,
상기 제1 초음파센서부, 상기 제2 초음파센서부, 상기 제1 음향유도부 및 상기 제2 음향유도부는 동일직선상에 위치하고,
상기 제1 음향유도부와 상기 제2 음향유도부는 상기 제1 이격거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 상기 제3 초음파센서 조립체에 구비된 제3 초음파센서부가 상기 제1 초음파센서 조립체에 구비된 제1 초음파센서부의 하부에 위치하면서 상기 배관의 외부 일측에 배치되는 단계;
(b2) 상기 제3 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제3 초음파센서부와 결합되는 제3 음향유도부의 타측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;
(b3) 상기 제4 초음파센서 조립체에 구비된 제4 초음파센서부가 상기 제2 초음파센서 조립체에 구비된 제2 초음파센서부의 하부에 위치하면서 상기 배관의 외부 타측에 배치되는 단계; 및
(b4) 상기 제4 초음파센서 조립체에 구비되고 상기 제4 초음파센서부와 결합되는 제4 음향유도부의 일측부가 상기 배관의 내부에 배치되는 단계;를 포함하고,
상기 제3 초음파센서부, 상기 제4 초음파센서부, 상기 제3 음향유도부 및 상기 제4 음향유도부는 동일직선상에 위치하고,
상기 제3 음향유도부와 상기 제4 음향유도부는 상기 제2 이격거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에,
초음파 펄스 공급부에 구비된 펄스발생부가 ±50 V의 전압으로 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 상기 초음파 펄스 공급부에 구비된 제1 펄스 채널 및 제2 펄스 채널에 각각 인가하는 단계;
상기 제1 초음파 펄스가 상기 제1 초음파센서부, 상기 제1 음향유도부, 상기 제2 음향유도부 및 상기 제2 초음파센서부의 순서대로 통과하여 증폭부로 전달되는 단계;
상기 제2 초음파 펄스가 상기 제3 초음파센서부, 상기 제3 음향유도부, 상기 제4 음향유도부 및 상기 제4 초음파센서부의 순서대로 통과하여 증폭부로 전달되는 단계;
상기 증폭부에 구비된 제1 전치 증폭기가 상기 제1 초음파 펄스를 증폭시킨 제1 초음파 신호를 초음파 신호 수신부로 전달하는 단계;
상기 증폭부에 구비된 제2 전치 증폭기가 상기 제2 초음파 펄스를 증폭시킨 제2 초음파 신호를 초음파 신호 수신부로 전달하는 단계;
상기 초음파 신호 수신부에 구비된 제1 초음파 신호 채널이 상기 제1 초음파 펄스를 상기 초음파 신호 수신부에 구비된 오실로스코프로 전달하는 단계;
상기 초음파 신호 수신부에 구비된 제2 초음파 신호 채널이 상기 제2 초음파 펄스를 상기 오실로스코프로 전달하는 단계; 및
상기 오실로스코프가 상기 제1 초음파 신호, 상기 제1 초음파 신호에 대한 제1 시간, 상기 제2 초음파 신호 및 상기 제2 초음파 신호에 대한 제2 시간을 측정하여 상기 연산부로 전송하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 음향유도봉은 스테인리스 재질로 이루어지고,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 연산부가 상기 2개의 연립 방정식인 2X/V_solid+Y₁/V_liquid=t₁, 2X/V_solid+Y₂/V_liquid=t₂(X=제1 거리, Y₁=제1 이격거리, Y₂=제2 이격거리, V_solid=스테인리스(음향유도봉)에서의 음속, V_liquid=저온 유체(매질)에서의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X+Y₁)을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X+Y₂)을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계; 및
(c2) 상기 연산부가 상기 2개의 연립 방정식을 연산하여 상기 음향유도봉에서의 음속 및 상기 매질에서의 음속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제2 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 상기 연산부가 열물성 테이블에서 상기 산출된 매질에서의 음속을 매칭시키는 단계; 및
(d2) 상기 연산부가 상기 열물성 테이블에서 상기 산출된 매질에서의 음속과 매칭되는 매질에서의 음속에 따른 매질의 물리량을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제2 항에 있어서,
상기 제1 거리(X) 및 상기 배관의 반지름은 기준 물리량(T₀)인 15°C에서 측정된 길이로서, 상기 매질의 물리량에서 열팽창에 의해 변화되고,
상기 (e) 단계는,
(e1) 상기 연산부가 상기 제1 거리(X)에 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 물리량 차이값에 따른 상기 보정된 제1 거리(X')를 연산하는 단계;
(e2) 상기 연산부가 상기 제1 거리(X)에서 상기 보정된 제1 거리(X')를 뺀 변화된 거리(X_diff)를 연산하는 단계;
(e3) 상기 연산부가 상기 배관의 반지름에 상기 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 보정된 배관의 반지름을 연산하는 단계; 및
(e4) 상기 연산부가 상기 배관의 반지름에 상기 스테인리스의 열팽창률을 반영하여 물리량 차이값에 따른 상기 보정된 제1 이격거리 및 상기 보정된 제2 이격거리를 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제8 항에 있어서,
상기 (e1) 단계에서,
상기 연산부는 T_diff= T_liquid - T₀의 수식(T_diff=물리량 차이값, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량)을 이용하여 상기 물리량 차이값(T_diff)를 연산하고,
상기 연산부는 X'=Xⅹ(1+αⅹ(T_liquid- T₀))의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 상기 보정된 제1 거리(X')를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제8 항에 있어서,
상기 (e2) 단계에서,
상기 연산부는 X'=X+X_diff의 수식(X'=보정된 제1 거리, X=제1 거리, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 상기 변화된 거리(X_diff)를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제8 항에 있어서,
상기 (e3) 단계에서,
상기 연산부는 R'=Rⅹ(1+αⅹ(T_liquid- T₀))의 수식(R'=보정된 배관의 반지름, R=배관의 반지름, T_liquid =매질의 물리량, T₀=기준 물리량, α=스테인리스의 열팽창률)을 이용하여 보정된 배관의 반지름(R')을 연산하고,
상기 연산부는 R'=R+R_diff의 수식(R'=보정된 배관의 반지름, R=배관의 반지름, R_diff=변화된 배관의 반지름 차이값)을 이용하여 변화된 배관의 반지름 차이값(R_diff)을 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제8 항에 있어서,
상기 (e4) 단계에서,
상기 연산부는 Y₁'=Y₁+2ⅹR_diff-2ⅹX_diff의 수식(Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₁=제1 이격거리, R_diff=보정된 배관의 반지름, X_diff=변화된 거리)을 이용하여 상기 보정된 제1 이격거리(Y₁')를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제8 항에 있어서,
상기 (e4) 단계에서,
상기 연산부는 Y₂'=Y₂+2ⅹR_diffⅹcos(θ)-2ⅹX_diff의 수식(Y₂'=보정된 제2 이격거리, Y₂=제2 이격거리, R_diff=보정된 배관의 반지름, X_diff=변화된 거리)를 이용하여 상기 보정된 제2 이격거리(Y₂')를 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제2 항에 있어서,
상기 (f) 단계는,
(f1) 상기 연산부가 상기 보정된 제1 거리 및 상기 보정된 제1, 2 이격거리가 적용된 2개의 연립 방정식인 2X'/V_solid'+Y₁'/V_liquid'=t₁, 2X'/V_solid'+Y₂'/V_liquid'=t₂(X'=보정된 제1 거리, Y₁'=보정된 제1 이격거리, Y₂=보정된 제2 이격거리, V_solid'=보정된 스테인리스(음향유도봉)의 음속, V_liquid'=보정된 저온 유체(매질)의 음속, t₁=제1 초음파 펄스가 (2X'+Y₁')을 통과하는데 걸린 시간, t₂= 제2 초음파 펄스가 (2X'+Y₂')을 통과하는데 걸린 시간)을 수립하는 단계; 및
(f2) 상기 연산부가 상기 보정된 제1 거리(X') 및 상기 제1, 2 이격거리(Y₁', Y₂')가 적용된 2개의 연립 방정식을 연산하여 상기 음향유도봉에서의 보정된 음속 및 상기 매질에서의 보정된 음속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제2 항에 있어서,
상기 (g) 단계는,
(g1) 상기 연산부가 열물성 테이블에서 상기 매질에서의 보정된 음속을 매칭시키는 단계; 및
(g2) 상기 연산부가 상기 열물성 테이블에서 상기 매질에서의 보정된 음속과 매칭되는 매질에서의 음속에 따른 매질의 보정된 물리량을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제2 항에 있어서,
(h) 제어부가 상기 매질의 물리량과 상기 매질의 보정된 물리량을 이용하여 상기 매질에서의 보정된 음속에 대한 추가 보정 여부를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제16 항에 있어서,
상기 (h) 단계는,
(h1) 상기 제어부가 상기 매질의 보정된 물리량에서 상기 매질의 물리량을 뺀 절대값이 기설정된 물리량차이값보다 작은 경우
(T_liquid =이전 루프인 (d) 단계에서 측정된 매질의 물리량, T_liquid' =현재 루프인 (g) 단계에서 측정된 매질의 물리량, ε=기설정된 물리량차이값), 종료하는 단계;
(h2) 상기 제어부가 상기 매질의 보정된 물리량에서 상기 매질의 물리량을 뺀 절대값이 기설정된 물리량차이값보다 크거나 같은 경우, 상기 (e) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법.
제1 항에 따른 제1 내지 제4 초음파센서 조립체;
상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체와 연결되고 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 발생시켜 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체에 제1 초음파 펄스 및 제2 초음파 펄스를 공급하는 펄스발생부;
상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체와 연결되고 상기 제1 초음파센서 조립체 및 상기 제3 초음파센서 조립체를 각각 통과한 상기 제1 초음파 펄스 및 상기 제2 초음파 펄스를 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호로 증폭시키는 증폭부;
상기 증폭부로부터 전달되는 상기 제1, 2 초음파 신호를 수신하여 상기 연산부로 전송하는 초음파 신호 수신부;
제1 항에 따른 연산부; 및
제16 항에 따른 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 시스템.
제1 항에 따른 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정 및 이를 이용한 매질의 물리량 측정 방법에 의해 획득된 매질의 물리량을 이용하여 유량을 측정하는 스마트 유량계.
제19 항에 있어서,
상기 매질의 물리량은 상에 따라 온도를 포함한 유동체의 속도, 방향, 와류, 압력, 점성, 밀도 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 초음파 신호의 도달시간에 따른 음속 보정과 연관된 수치인 것을 특징으로 하는 스마트 유량계.
제19 항에 있어서,
상기 매질의 물리량은 MRV(Measurable Reportable, Verifiable)한 수치, 룩업-테이블(Look-up Table) 또는 수치모델(Numerical Modeling)에 활용 가능한 수치인 것을 특징으로 하는 스마트 유량계.