KR830001218B1 - 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

초음파 유량계

제1도는 주지의 초음파 유량계의 개략 구성도.

제2도는 본 발명의 1실시예에 관한 초음차 유량계의 블록 구성도.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 초음파 유량계의 블록 구성도이다.

본 발명은, 초음파 유량계, 특히 연속파의 초음파신호를 이용하여 유체의 유속을 정확하고 신속하게 측정하는데에 적합한 초음파 유량계에 관한 것이다.

제1도는 주지하는 초음파 유량계의 개략구성도를 표시하는 것으로서, 도면중(2)는 유체(4)의 도관, (6)은 상기 도관(2)의 내벽부에 장치된 초음파의 송신소자, (8)은 상기도관(2)의 내벽부에 장치된 초음파의 수신소자를 각각 표시하는 것이다.

이러한 구성에 있어서, L은 송신소자(6)와 수신소자(8)사이의 거리, V_F는 유체(4)의 유속, V_T는 음속, θ는 송신소자(6)와 수신소자(8)를 연결시키는 선과 유체(4)의 흐르는 방향이 이루는 각도, A는 도관 (2)의 단면적이다.

그러면, 초음파를 이용하여 유량을 측정할경우, 송신소자(6)로 부터 단발(單發)펄스, 실제로는 송신소자(6)의 관진주파수를 캐리어로소 포함하는 버어스트(bnrst)파를 발사하고, 수신소자(8)에서 수신할때까지의 시간 T₁을 측정하여

이라는 식에서 유속V_F를 산출하고, V_F.A=U[2]이라는 식에서 유량 U를 구한다.

구체적으로는, 수신과 동시에 다시 송신신호를 발사하는 일을 반복하면, 일정시간내의 발사회수 n은 T₁에 반비례하는 것을 이용하여, 다수회송신, 수신을 반복하는 것에 의하여 측정치를 평균화하고 측정정밀도를 향상시키고 있다.

그러나 이 경우 다수회 송수신을 반복하기 때문에 수초정도의 시간을 요하는 것이라든가, 측정중의 기포발생등에 의한 측정오차의 누적, 수신파형의 올라갈때의 완만해짐이나, 내려갈때의 왜형(歪形)되는 것에 의한 측정오차등의 문제점도 포함하고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 결점을 없게하고, 검지정밀도가 높고, 또 측정시간이 짧고, 또 기포등의 외란을 제거할 수 있는 초음파 유량제를 제공하는데에 있다.

좀더 상세하게 말하면, 본 발명은 송신소자로 부터 발사된 초음파 송신신호와 수신소자에 수신된 수신신호와의 위상차가, 유체의 유속에 의하여 변화하는 양을 정밀하게 검지하는 것에 의하여 유속 및 유량을 측정, 지시하는 신규의 초음파 유량계를 제공한는 것이다.

다음에 도면에 따라서 본 발명을 다시 상세하게 설명한다.

제2도는 본 발명의 1실시예에 관한 초음파 유량계의 블록구성도를 표시하는 것으로서, 도면중(10)은 주파수 f₁의 신호출력신을 행하는 발진회로, (12)는 상기 발진회로(10)의 출력신호를 송출하는 송신회로 (14)는 상기 송신회로(12)의 출력신호를 점차로 강하 시켜서 주파수 f₂의 신호로 변환시키는 체강(遞降)회로,(16)은 상기 송신회로(12)에서의 신호와 상기 체강회로(14)에서의 신호를 혼합하여서 주파수 f₁+f₂및 f₁-f₂의 신호출력을 행하는 혼합회로, (18)은 상기 혼합회로(18)의 출력에서 주파수 f₁-f₂의 신호를 분리하는 동조(同調)필터회로, (20)은 상기동조 필터회로(18)의 출력신호를 파형 정형하는 정형회로, (22)는 상기 수신소자(8)의 수신출력을 증폭하는 수신증폭회로, (24)는 상기 수신증폭회로(22)에서의 주파수 f₁의 수신신호와 상기 체강회로(14)에서의 신호를 혼합하여서 주파수 f₁+f₂및 f₁-f₂의 신호출력을 행하는 혼합회로, (26)은 상기 혼합회로(24)의 출력에서 주파수 f₁-f₂의 신호를 분리하는 동조 필터회로, (28)은 상기 동조 필터회로(18)의 출력신호를 파형정형하는 정형회로, (30)은 상기 정형회로(20)의 주파수 f₁-f₂의 출력신호와 상기 정형회로(28)의 주파수 f₁-f₂의 출력신호의 시간차를 비교하는 시간차 비교회로 (32)는 시간간격 측정용의 클럭주파수 f₃의 클록펄스를 발생시키는 발진회로, (34)는 상기 발진회로(32)의 출력에 따라서 개폐하는 게이트회로, (36)은 상기 시간차 비교회로(30)의 출력에 의거하여 유체(4)의 유량을 연산함과 동시에 오측정등의 판별을 행하는 처리회로, (38)은 상기 처리회로(36)의 출력에 의거하여 유량등의 표시를 행하는 표시기이다.

제2도의 구성에서는, 설명을 간단하게 하기위하여, 송신소자(6) 및 수신소자(8)를, 이들을 연결하는 선이 유체(4)의 흐름과 병행하게 되도록 도시되어있으나, 실제에는 제1도와 같이 배치하는 것이다.

지금, 송신소자(6)에서의 송신신호의 각속도를 W₁이라고 하면, W₁=2πf₁[3] 으로되고, 송신신호는 A₁coswlt로 표시할 수가 있다. 또한 송신회로(12)에서는, 혼합회로(16)에 대하여서도, 동일한 신호가 입력된다.

송신소자(6)에서 송출된 초음파신호는 도관(2)안의 유체(4)중을 전송되어서 수신소자(8)에서 검출되는데, 이 수신신호는 수신 증폭회로(22)에서 증폭되고, 혼합회로(24)의 입력으로된다. 또한 수신신호는 송신소자(6)와 수신소자(8)사이의 거리 L을 전파시킨것에 의하여, 통상 위상차 α를 가지는 신호로서 수신되고, A₂cos(wlt-α)로 표시되는 신호로서 검지된다. 이 위상차 α는 주파수 f₁거리 L 및 유속 V_T에 의존한다. 이경우, 송수신간의 거리 L이 주파수 f₁의 역수로 표시되는 파장의 정수배이면 유속 V_T=0에 있어서의 위상차 α는 "0"으로되고, α는 유속 V_T에만 비례하게 된다. 다음의 설명에서는 주파수 f₁및 거리 L에 의존하는 고정된 위상차 α^'포함한 통상의 위상차 α로서 설명한다.

한편, 송신회로를 기본으로하여 체강회로(14)에서는 주파수 f₂의 정현파신호를 발생시키고, 혼합회로(16),(24)에 송신한다. 부가하여 말하면, 상기 체강회로(14)는 주파수 f₂를 발생시키기 위한 카운터나 증폭동조회로등을 포함하는 것이다.

상기 혼합회로(16),(24)에서는 입력의 2주파가 혼합되고, 송신측의 혼합회로916) 및 수신측의 혼합회로(24)는 각각

B₁{cos(w₁+w₂)t+cos(w₁-w₂)t}………………………………[4]

B₂[cos(w₁+w₂)t-}+α}cos{(w₁-w₂)t-α}]………………[5]

로 표시할 수 있는 출력을 발생시킨다. 이들 출력은 동조 필터회로(18),(26)에 의하여 각각(f₁-f₂)의 성분만을들어 내게되기 때문에, 각 회로의 출력은,

B₁'·cos(w₁-w₂)t………………………………[6]

B₂'·{cos(w₁-w₂)t-α}………………………[7]

로 된다. 상기(6,)(7)식의 신호의 위상차는 α이고, 송신신호와 수신신호의 위상차와 동일하나, 주파수가 f₁-f₂로 되어있기 때문에, α를 시간간격으로서 표시하면, 송수신신호의 주파수 f₁/일때의 α의 시간간격에 대하여 t-1 배로 되기 때문에, 정밀도가 높은 측정이 가능하게 된다.

또한, 정형회로(20),(28)는 상기(6),(7)식의 신호를 정현파의 입력을 증폭포화시키고, 구형파신호로서 출력시키는 것으로서, 위상차의 검출, 즉 신호의 올라감 또는 내려감의 시간간격의 측정을 용이하게 하기 위하여 사이에 끼워지는 것이다.

상기 정형회로(20),(28)의 각 출력은 시간차 비교회로(30)에 입력되나, 여기에서는 입력신호의 올라감 또는 내려감을 비교하여서 양자의 시간간격을 출력으로서 게이트회로(34)에 공급한다. 상기 게이트회로(34)에는, 발진회로(32)로 부터 높은 주파수 f₃의 신호가 공급되어있고, 상기 시간차 비교회로(30)의 검출시간 간격에 비례한 펄스수의 신호가 얻어진다.

상기 게이트회로(34)의 출력은 처리회로(36)에 공급되는데, 상기 처리회로(36)에 있어서는, 주파수 f₁-f₂의 각 사이클마다 게이트회로(34)로 부터의 신호를 계수기억하고, 복수개의 데이터를 상호 비교하여서 이상 데이터의 제거, 각 측정데이터의 변동비율이 설정치를 초과할 경우의 이상데이터의 제거, 정상데이터의 평균치의 산출등을 행한다.

그런데, 유체(4)의 유속 V_F가 "0"인 경우에, 고정된 위상차 α'가 존재하는 것은 바람직하지 않으므로, 장치를 가동시킬 경우, 미리 유속 "0"에 있어서, 고정된 위상차 α'는 "0" 또는 "2π"의 정수 배가 되도록 거리 L 또는 주파수 f₁을 조정하여 놓는다. 또, 거리 L혹은 주파수 f₁을 조정하지 않아도 송신측의 각회로의 입력측 또는 출력측 혹은 회로중에 1개 또는 복수개의 위상 조정회로를 설치하는 것에 의하여, 동일효과를 얻을 수 있다.

또, 송신소자(6), 수신소자(8)를 각각 송신출력, 수인입력에 접촉시켜서 측정한 유속 V₁또는 유량치 U₁을 구하고, 다음에 각각을 역접속시켜서 측정한 유속 V₂또는 유량치 U₂를 구하여, 양조건의 각 측정치의 차를 2분하는 것에 의하여, 고정된 위상차 α'의 영향을 방지할 수가 있다.

한편, 송신소자(6)와 수신소자(8)의 종류가 다를 경우에는 이들 소자의 위치에 송신소자와 수신소자를 1조씩 배치하고, 상기와 동일하게, 송수신측을 정접속 혹은 역접속시켜서, 각각 유속 V₁또는 유량치 U₁및 유속 V₂또는 유량 U₂를 구하여서, 각 소자의 종류가 다른것에 대한 영향을 제거할 수가 있는 것이다.

또, 온도조건, 유체의 종류에 의한 음속의 음정은, 처리회로(36)에 미리 각 파라미터(Parameter)를 기억설정하여 놓는것에 의하여 보정연산한다. 구체적인 수치예로서, 음속 1500m/sec의 유체(4)에 있어서, 거리 L이 1,005m, 주파수 f₁이 100KHz,주파수 f₂가 98KHz, f₃이 20MHz라고 한다.

지금, V_F를 "0"이라고 하면, 초음파의 전송시간을

1.005m÷1500m/sec=670×10^-6sec………………[8]

따라서, 670μsec로 된다. 따라서,

670μsec÷10μsec=67………………………………[9]

따라서 수신파는 송신파보다 100KHz의 67사이클분 늦어지나, 위상으로서는 2π의 67배이므로, 송신 및 수신의 각 위상은 일치되어있다.

여기에 대하여 VF를 10m/sec로 하면, 초음파의 전송 시간은, 1.005÷1510m/sec=666×10^-6sec에서, 666μsec로 된다 따라서,

670μsec-666μsec=4μsec………………………………[10]

따라서, 수신파는 송신파보다 4μsec분, 즉 100KHz의 신호파에 있어서,

만큼 위상이 진행된 것이된다. 여기에서, 98KHz의 주파수 f₂의 신호를 혼합하는 것에 의하여, 주파수는 2KHz까지 점차로 내려가게 할수가 있으나, 송신신호와 수신신호의 위상차는 0.8π로서 변하지 않기 때문에, 시간간격으로서는, 2KHz의 1시이클이 500μsec인 것으로해서,

로 된다.

시간차 비교회로(30)는 상기[12]식의 처리를 행하고, 200μsec의 시간폭을 가진 신호로서, 2KHz의 주파수로 출력하고, 이것을 게이트회로(34)에 출력한다.

상기 게이트회로(34)에는 발진회로(32)로 부터 주파수 f₃즉 20MHz의 고주파신호가 인가되어 있으므로, 그 출력은

200μsec÷0.05μsec=4000………………………………[13]

즉, 200μsec사이에 4000개의 펄스로서 처리회로(36)에 보내진다. 처리회로(36)에 있어서는, 이 펄스를 계수한다음에, 유속 또는 유량으로 환산한후에 표시기(38)에 출력한다.

또, VF를 5m/sec로하면, 동일하게 하여서, 2000개의 펄스를 얻을 수가 있다는 것은 말할것도 없다. 또한, 상기한 구체예에서는 유속 VF가 10m일때에, 4000개의 펄스가 얻어지는 것으로 해서, 1개의 펄스는

10m÷4000=2.5×10^-8m………………………………[14]

에 상당하는 것으로 되어, 0.025%의 정밀도가 얻어지게 된다.

다음에, 소구경관을 사용하여서 동일한 동작을 행하게하였을 경우, 예를들면 거리 1이 10.05cm, 주파수 f₁이 1MHz, 주파수 f₂가 998KHz, 주파수 f₃이 20MHz인 경우도, 상기와 전혀 동일하게 되어서, 10m/sec의 유속 VF에 대하여 4000개의 펄스를 얻을 수가 있는 것이다.

이상 기술한 바와 같이, 송수신간의 거리가 짧을때에는 주파수 f₁를 높게하고, 반대로 길때에는 낮게하는 것에 의하여, 정밀도를 바꾸는 일 없이 유속의 측정을 행할 수가 있는 것이다. 한편, 거리 1이 길때에는 주파수 f₁을 낮게할 수 있다고 하는 것은 초음파 전송의 감쇠를 작게할 수 있으므로 그 장점이 크다.

또한, 2개의 주파수 f₁,f₂를 혼합할 경우, 입력주파수 f₁,f₂와 출력주파수 f₁-f_2,f₁+f₂와는 서로 될수 있는대로 다르게되어 있는편이, 혼합회로(16),(26)의 출력신호의 분리 및 입력신회의 출력신호로의 돌아 들어감을 방지하는 의미에서도 유리하므로, 실용상으로는 2회 이상의 혼합을 행하는 것이 좋다.

또, 송신측에서 f₁-f₂의 주파수 신호를 얻는데에는, 특히 혼합회로에 의하지 않드라도, 체강회로만으로 f₁-f₂의 주파수까지 떨어뜨릴 수 있으면, 송신주파수 f₁과 동일한 신호 f₁-f₂를 얻을 수가 있으므로, 이와같은 회로구성으로 하여도된다.

제3도는 이러한점에 착안하여서 구성된 본 발명의 다른실시예에 관한 초음파 유량계의 블록구성도로서, 도면중(24-1)은 다른 혼합회로 (26-1)은 다른 동조 필터회로 (26-1)이다.

제3도의 구성에 있어서, 발진회로(10)는, 발신주파수 f₁에 대하여 6배의 주파수 6f₁의 신호를 출력하고, 체강회로(14)에 있어서 카운터다운 동작에 의하여 f₁-f₂를 얻고있다. 동시에, 상기 체강회로(14)에서는 발진회로(10)의 출력주파수 6f₁을 적절히 카운트다운하여서

의 주파수의 신호를 발생시키고 있다.

상기 체강회로(14)는, 그 발생신호중에서, 발신주파수 f₁에 대하여, 예를들면 주파수

의 신호를 혼합회로(24)에 주고, 수신증폭회로(22)에서의 주파수 f₁의 신호와 이것을 혼합하여서,

라는 신호를 얻어, 이들을 혼합회로(24)의 출력으로하고 있다. 한편, 혼합회로(16)에 대하여는, 체강회로(14)에서, 송신주파수 f₁에 대하여

의 신호 및 주파수 f₁-f₂의 신호를 주고, 그 결과

라는 주파수의 신호를 얻고있다.

상기 각 혼합회로(24),(26)의 입력과 출력을 상기[15][18]식에서 비교하여보건대, 예를들면 f₁이 100KHz, f₂가 98KHz라고하면, 혼합회로(24)의 입력은, 100KHz와 6KHz, 출력은 160KHz와 40KHz라고하는 식으로 각각에 큰 차이가 있으므로, 각 주파수의 신호를 용이하게 분리시킬 수 있다. 한편, 혼합회로(16)에 있어서도, 입력이 2KHz와 40KHz, 출력이 42KHz와 38KHz이고, 입력내지는 다른 출력사이에 5%이상의 차가 있으므로 용이하게 분리가능하다.

동조 필터회로(18),(26)은 각각 혼합회로(16),(26)의 출력중에서, 주파수

와 주파수

의 신호를 선택하여서 혼합회로(24-1)에 준다. 그결과, 혼합회로(24-1)에서는

라는 2개의 주파수의 신호를 얻는데, 이 경우에도 f₁을 100KHz, f₂를 98KHz로 하였을 경우, 입력이 38KHz와 40KHz인 것에 대하여, 출력이 2KHz와 78KHz라고 하는 식으로 분리는 용이하다.

이상 기술한 바와 같이 하여서 분리된 신호중에서, 동조 필터회로(26-1)에 의하여 f₁-f₂라는 주파수의 신호를 선택적으로 들어내는 것에 희하여, 돌아들어감이 적은 주파수 f₁-f₂의 수신출력을 얻을 수가 있는 것이다. 또한 다른 동작에 대하여는 제2도 구성의 경우와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

첨언하면, 제3도에 표시한 실시예에서 인용한 구체적인 수치를 실시할때의 1예이고, 각 주파수내지는 체강비등에 대하여는 설계상의 요구로 여러가지의 것을 선택가능하다는 점에 대하여 대하여는 말할것도 없다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 의하면,

(1) 연속파의 초음파신호에 의하여 유체의 유속을 검지함에 있어서 송신소자로 부터 발사된 수신소자에서 수신된 초음파 신호의 위상차를 검출하여서 이것을 행하고 있기 때문에, 유체의 유속을 정밀하게 검지 할 수 있다.

(2) 초음파의 송신측과 수신측의 각각에 주파수의 혼합회로를 설치하고, 여기에 국부발진신호를 주어, 송신측과 수신측에서 생기는 위상차를, 비교적 긴 시간간격의 신호로 바꾸어 놓고 있기 때문에, 검출정밀도를 보다 높일 수 있다.

(3) 송신측의 f₁-f₂의 주파수성분의 신호는 송신신호 f₁과의 동기점에 있어서 위상차가 고정된 신호이므로으로 부터 적당한 체강비로 카운트다운 하는것에 의하여, 회로구성을 간단하게 할 수가 있다.

(4) 유속을 연속적으로, 그리고 비교적 짧은 주기로 계측이 가능하기 때문에 처리장치측에 기억, 연산, 판별기능을 가지게하는 것에 의하여, 측정결과의 평가, 오측정 데이터의 제거등을 비교적 단시간내에 종료하는 것이 가능하고, 측정의 방해가 되는 기포에 마주치는 기회가 적다.

(5) 또, 가령 기포등에 의한 이상데이터가 있어도, 이것을 제거 하거나, 또는 다수데이터의 평균화에 의하여, 이 영향을 적게 할 수가 있다.

(6) 연속적인 초음파신호에 의한 측정을 행하기 때문에, 종래의 단발펄스, 즉 버어스트파를 사용하였을 경우의 파형의 완만함, 올라감 또는 내려감의 시간의 왜형에 의한 측정오차가 적다.

(7) 또한, 유속을 위상차에서 시간차로 바꾸어 놓아서 측정하도록한 방식을 채용하고 있는 것으로해서, 송수신간의 거리가 변하여도, 여기에 따라서 적절한 주파수, 예를들면 소구경관이고 송수신간의 거리가 짧을때에는 수 MHz의 고주파, 대구경관이고 송수신간의 거리가 길때에는 100KHz 정도의 주파수를 선택하면, 전송에 있어서의 감쇠의 영향을 적게하고, 또한 정밀도가 높은 유속측정이 가능하다.

(8) 또, 사용하는 초음파는 반드시 연속적으로 발신되는 것일 필요는 없고, 적어도 1회의 측정이 완료하는데에 충분한 길이를 가지고 있으면 버어스트파라도 적용이 가능하다. 위와 같이 수많은 특징을 가지는 초음파 유량계를 얻을 수가 있는 것으로서, 그 유용성은 극히 큰 것이다.

Claims (1)

1. 유체중에 연속파 또는 버어스트파의 초음파를 송신하는 송신소자(6), 상기 송신소자와 일정한 간격을 가지고 유체중을 전파한 초음파를 수신하는 수신소자(8), 상기 송신소자(6)의 송신신호와 수신신호(8)의 위상차를 주파수 혼합수단에 의해 증대된 시간간격으로 바꾸어 놓아서 검출하는 위상차 검출회로, 위상차 검출회로 출력을 적절히 처리하여 유량에 비례한 신호를 출력하는 처리회로를 갖는 초음파 유량계에 있어서, 상기 위상차 검출회로는 국부발진신호와 송신신호 및 수신신호를 혼합하는 적어도 두개의 혼합회로(16,24), 혼합회로의 각 출력의 시간차를 검출하는 비교회로(30)를 구비한 것을 특징으로 한 초음파 유량계.

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