KR0170815B1 - 초음파 다회선 유량계 - Google Patents

Abstract

주로 대구경 관로에서의 기체, 액체 유량을 측정하는 초음파 다회선 유량계에 있어 관로의 직관부분의 길이가 짧아 유속분포 상태가 복잡하게 변하는 조건에서 여러 현선상에서의 유속을 측정하는 회선수를 증가시킴에 있어 초음파전환기의 크기에 따르는 제한을 축소하며 순간유량 측정시간을 동시에 모든 회선을 가동시켜 축소시키기 위하여 관로 한지점에 한개의 초음파 발사전환기가 설치되어 있고 이로부터 좌우로 동일한 간격에서 관로 원주선을 따라 수신만하는 초음파전환기들이 배치되어 있어 관로 단면을 방사형으로 수많은 현으로 분할하여 현선상의 유속을 측정하여 근사 적분방법으로 유량을 연산하도록 되어 있는 초음파 다회선 유량측정장치.

Description

초음파 다회선 유량계

제1도는 종전의 기술인 초음파 유속측정 다회선 구성도.

제2도는 본 발명에 따르는 초음파 유속측정 다회선 구성도.

제3도는 본 발명에 따르는 초음파 지향성 조절장치.

제4도는 본 발명에 따르는 시간차방법으로 유속, 유량을 측정하는 전자회로의 골격도.

제5도는 본 발명에 따르는 위상차방법으로 유속, 유량을 측정하는 전자회로 골격도.

제6도는 본 발명에 따르는 방사 방향으로 배치된 현들을 반경선상으로 제 배치하여 유량을 연산하는 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1_i, 2_i: 초음파 발사 수신전환기 11 : 시간측정용 발진기

4_i, 5_i, 6 : 초음파 수신전환기 12 : 유속, 유량연산 제어장치

3 : 초음파 발사전환기 13 : 초음파 발진기

7 : 초음파 흡수체 14 : 입력장치

8 : 증폭기 15 : 유량 적산장치

9 : 펄스 성형기 16 : 표시장치

10 : 시간측정용 카운터 17 : 디지털 위상분별기

본 발명은 초음파 유량측정 기술과 관련된 것으로 주로 관로(파이프)에서 기체, 액체의 유속분포가 비정상적이고 복잡한 지점에서 또 관로의 내경이 큰 곳에서 유량을 측정하는데 효과적으로 활용되는 것이다.

초음파 일회선(clamp on) 유량계, 전자(electro-magnetic) 유량계, 차압식(오리피스, 노즐 등) 유량계 등 대부분의 유량계들은 정상적으로 동작하기 위해서는 반듯이 충분한 길이의 직관(直管) 부분에 유량계를 설치 해야만 한다.

이와 같은 조건에서 유량계를 표준유량장치로 교정 검사하여 구한 유량계수들이 보존되는 것이다.

또 한가지 조건은 상기의 유량계수가 비교적 안정하고 변하지 않는 최소유량이 있다는 것을 지적해야 한다(Re수가 예를 들어 5·10⁴이상이 되어야 한다). 유량이 작아지면서 Re(레이놀드)수가 작아져 난류(turbulent) 영역에서 완류(laminar) 영역 또는 과도영역의 유체흐름이 형성될 때에는 난류 영역에서 구한 유량계수가 적용않되어 유량측정 오차가 커진다.

특히 유량계가 설치된 위치 좌우로 직관부분의 길이가 짧고 유량계 설치 부근에서 밸브가 설치되어 있던지, 관(파이프)이 90°로 굴절(bend)되어 배관되어 있다며 유량계수가 불안정하여 유량측정 오차가 커진다.

이외에도 유량측정 전 범위에서 교정 검사할 수 있는 표준유량측정장치도 없다. 특히 기체 대유량 표준장치는 없다.

따라서 유량계수를 대유량 측정 전 범위에 걸쳐 교정검사를 통해 구하기도 힘들다[다만 상이판별(similarity criterion) 방법으로 대구경의 유량 계수를 선택할 수밖에 없다].

그뿐 아니라 관로의 직경 D가 클수록 직관부분(L≥60D)을 보장하기 흠들다.

상기한 직관부분이 짧고 유속분포 상태가 복잡하게 수시로 변하는 경우, 유량측정 범위가 커서 직접 유량표준장치로 교정검사가 곤란할 경우에도 신뢰도 높게 유량을 측정할 수 있는 유량계로서 초음파 다회선 유량계가 가장 큰 가능성을 내포하고 있다.

본 발명도 초음파 다회선 유량계와 관련된 것이다.

초음파 다회선 유량계는 널리 알려져 있다. 그 중에서도 관로를 흐르고 있는 유체의 단면을 여러 현으로 분할하고 현선상에서의 평균유속을 초음파로 측정하여 총 단면 평균유속을 연산하여 유량을 연산하는 다회선 유량계도 있으며 또는 유속분포 상태를 측정하고 여러 현을 중심으로 부분유량을 측정하여 부분유량들을 합하여 총 유량을 산출하는 다회선 유량계들이 상기한 문제점들을 해결하는데 가장 유리하다.

알려져 있는 종전의 기술인 초음파 다회선 유량계로서 영국특허 GB2139755A, 미국특허 5.515.721(1996년), 일본특허 4-47768(1992년), 미국 Ultraflux社에서 제작하는 UF-21000(개수로용) 등을 들 수 있다.

종전기술의 초음파 다회선 유량계에서 대표적인 회선 구성도를 3회선을 실 예로 제1도에 도시하였다.

제1도에서 1₁과 2₁, 1₂와 2₂그리고 1₃과 2₃은 현 Ⅰ, Ⅱ 그리고 Ⅲ에서의 유속을 측정하는 초음파 발사수신전환기(transducer) 쌍(雙)이다(앞으로는 간단히 전환기라고 하겠다).

종전의 초음파 다회선 유량계에서는 현선상에서의 유속을 시간차 방법으로 측정하도록 되어 있다.

예를 들어 제1도에서 현 Ⅰ선상에의 유속 V_I은 다음 측정 식에 의하여 측정된다.

상기 식에서 C는 유속이 V=0일 때의 초음속이고, L₁, d는 상수이고 직접측정하는 것은 전환기 2₁에서 1₁로 초음파 펄스가 전번하는 시간 t₂₁과 반대로 전환기 1₁에서 2₁까지 전번하는 시간 t₁₂이다.

유속측정 회선들을 순차로 일정한 시간 간격으로 동작시키는 방법을 가장 많이 사용하고 있다. 물론 회선 전체를 동시에 동작시킬 수도 있다.

전 회선을 동시에 동작시키기 위해서는 초음파 발사수신전환기의 지향각이 매우 작아서(말 그대로 빔 형태의 지향성) 인접 회선에 영향을 미치지 않게 하던가 또는 각 회선의 초음파 신호 주파수가 서로 충분히 차이가 나도록 보장해야 한다.

동시에 모든 회선을 동작시키는 경우에는 순간유량 측정시간이 단축되어 동(dynamic) 유량계를 구성하는데에는 적합하지만 문제점들이 많다.

전환기의 지향성을 빔과 같이 좁게 보장하기 위해서는 전환기의 크기 ℓ과 초음파의 파장 λ의 비율 ℓ/λ를 크게 보장해야 하는바 관로의 직경과 회선 수에 따라 ℓ을 임의로 크게 할 수 없다. 따라서 주파수를 높여 파장 λ를 작게 보장해야 하는데 주파수가 높을수록 초음파 감쇄도 크고 유체에 부유물질들이 있으면 반사 확산도 심해진다.

기체에서는 액체에 비해 파장이 3~4배 크기 때문에 초음파 빔을 보장하기 더욱 힘들다.

매 회선의 주파수를 다양하게 선택하는 경우에는 전자회로가 매우 복잡해지며 매 회선에서의 지연시간이 서로 차이가 나기 때문에 지연시간 보상이 힘들며 초음파 전번시간 측정오차가 커질 수도 있다(다양한 필터를 사용하는 조건에서).

이런 문제점들을 고려하여 또 유속분포 형태가 비교적 안정되어 있는 조건에서는 순차적으로 회선을 동작시키는 방법을 가장 많이 사용하고 있다.

종전기술의 초음파 다회선 유량계의 단점들은 다음과 같다.

첫 째로 직관부분이 짧은 곳에서, 특히 밸브 근처에 있어 유속분포 상태가 복잡하게 변하는 경우 유량측정 정도(accuracy)를 보장하기 위해서는 유속측정 회선수를 증가시켜야 한다. 그러나 유속측정 회선수가 많을수록 유량계가 복잡해지며 또 많은 수의 전환기 쌍들을 관로에 설치하는 작업도 매우 복잡하다. 그 뿐만 아니라 회선수가 많을수록 전환기의 직경도 작아져야 할 것이다. 전환기의 직경이 작을수록 지향성은 넓어지고 수신강도를 보장하기 위해서는 강하게 초음파를 발사해야 한다. 따라서 잔향강도도 커져 잡음 레벨도 커진다.

두 번째 단점은 순차적으로 회선을 동작시키는 경우 1회 순간유량 측정시간이 회선수가 많을수록 길어진다. 유속의 맥동을 고려하여 여러번 반복 측정을 하여 평균치를 구한다면 관로 직경이 클수록 순간유량 측정시간이 상당히 길어진다.

특히 기체유량을 측정할 경우 액체에 비하여 초음속이 몇 배 낮기 때문에 순간유량 측정시간은 더욱 길어진다.

기체유량을 측정하는 경우 관로에서의 기체유속분포는 액체에 비하여 더욱 복잡하며 회전성분, 사선성분들의 맥동도 심하다. 따라서 순간유량 측정시간도 가능한 한 짧아야 한다.

이러한 조건에서 여러번 일정한 시간간격으로 순간유량을 반복측정하여 평균 순간유량을 더욱 정확하게 측정할 수 있을 것이다.

그렇다고 하여 종전의 기술을 이용하여 전체회선을 동작시킨다면 다음과 같은 문제점이 생긴다.

기체에서 초음파 발사수신이 잘되게 하기 위해서는 비교적 낮은 주파수를 이용해야 하기 때문에 또한 필요한 지향성을 보장하기 위해서라도 회선수에 따라 전환기의 직경이 커진다. 관로의 직경과 회선수에 따라 전환기의 크기가 제한되는바 필요한 지향성을 보장하기도 힘들며 또 매 회선의 주파수를 서로 다르게 한다고 하더라도 위에서 언급한 지연시간 차이, 전번시간 측정오차, 심한 잔향현상(특히 낮은 주파수에서) 등의 문제를 해결하는데 복잡하다.

세 번째 단점으로 다음과 같은 것을 들 수 있다.

유량변화율, 즉 최대유량 Q_max과 최소량 Q_min비율(Q_max/Q_min)이 매우 크며(예를 들어 50:1) 전 측정범위에서 주어진 허용오차를 보장해야 할 때가 있다.

종전의 유속측정회선 구성에서는 유속을 시간차(또는 주파수차 방법)으로만 측정할 수 있는데 관로의 구경이 그리 작지 않고 600mm가 된다고 하여도 식(1)에서 시간차 Δt=t₂₁-t₁₂가 매우 작다.

실 예를 들어보자(물의 유량을 측정하는 경우). 내경이 600mm되는 파이프 관에서 2d=0.6m로 선택했으며 어떤 현선상의 최소유속이 V=0.5m/s라고 하자. 이때 시간차 Δt는 다음과 같다.

이런 시간차를 오차 1%로 측정한다면 Δt 측정 허용오차는 1.4·10^-9s가 되어야 한다. 따라서 전환기들간의 초음파 펄스 전번시간 측정 허용오차는 0.7·10^-9s가 되어야 할 것이다.

관로에서 최대단면 총 평균유속이 보통 10m/s를 초과하지 않는다. 따라서 V_min 7.5m/s라는 것은 유량변화율이 20:1에 해당된다.

현대의 시간간격 측정기술로 허용오차 ±0.5·10^-9s를 보장할 수는 있지만 시간간격 측정장치가 매우 복잡하고 사용조건도 까다롭고 고가이다.

유량계의 간격을 참조하여 생산 판매되고 있는 초음파 유량계들은 상기한 원인으로 인하여 유량이 작아지면 유속 측정오차가 증가된다. 다시 말하여 최저유량 측정한계가 비교적 높다.

기체에서는 초음속이 물에 비해 거의 4배나 낮기 때문에 시간차 측정 허용오차가 훨씬 커서 유리하며 또 관로의 내경이 클수록 유체의 초음속과 관계없이 허용오차가 커지기 때문에 유리하다.

만일에 시간차방법 대신에 위상차 방법을 사용한다면 위상차 Δφ는 다음과 같다.

여기서 ω=2πf인데 초음파의 각 주파수이다. 초음파 주파수가 f₀=1MHz라면 상기 실 예로 보면 위상 차는 다음과 같이 된다.

Δφ1.4 Rad80.2°

이런 위상차를 1% 오차로 디지털 위상분별기(phase detector)를 이용하여 측정하는 것이 시간차를 측정하는 것에 비해 더욱 간단하고 가격도 저렴해진다.

그러나 제1도에 도시한 종전의 다회선 구성방식으로서는 위상차 유속 측정식을 활용할 수 없다. 그 원인은 초음파 전환기 1_i와 2_i쌍이 동시에 초음파 연속파를 같은 주파수로 상호 발신 수신할 수 없기 때문이다.

위상차 방식을 이용하려면 유속방향과 반대방향으로 초음파를 따로 발사 수신하는 회선을 구성해야 한다(초음파 전번궤도가 상호 교차하는 형태이다). 따라서 한 개의 유속측정 회선을 구성하기 위해서는 4개의 초음파 전환기가 필요하게 되고 다회선 구성작업도 복잡해진다.

네 번째 단점은 제1도에서 보다시피 초음파 전환기들을 다양한 각도 φ_i로 설치하기 위하여 관로 벽에 착공을 다양한 각도 φ_i로 실시해야하기 때문에 착공작업이 힘들 뿐만 아니라 전환기가 유체로 돌출 된다던가 또는 돌출되지 않게 하려면 홈이 생기게 되어 유속분포에 영향을 미친다.

여러 현선상의 유속을 측정하여 유량을 연산하는 종전의 초음파 다회선 유량계는 유속측정 회선수를 증가시킴에 있어 상기한 여러 가지의 단점과 문제점들을 내포하고 있다.

본 발명의 목적은 유속분포가 복잡하고 수시로 변하는 조건에서(직관 부분이 짧을 경우) 유량측정 정확도를 보장하기 위하여 유속측정 회선을 증가시키는데 있어 초음파 전환기의 크기에 의한 회선수 증가 제한을 훨씬 줄이고 전 회선을 동시에 작동시켜 순간유량 측정시간을 현저히 감소시켜 파이프 관의 내경, 유량측정 범위에 따라 유속을 시간차방법으로도 측정할 수 있으며 위상차 방법으로도 측정할 수 있도록 유속측정 다회선을 구성하며 또 유속측정 전자회로를 간소화하며 초음파 전환기 설치작업도 간소화하는데 있다.

본 발명을 첨부 도면에 의하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

제2도에 유속측정 회선 배치도를 도시하였다. 제2도에 3은 초음파(음파) 발사전환기이며 4₁, 4₂, 4₃, …, 4_n과 5₁, 5₂, 5₃, …, 5_n그리고 6은 초음파(음파) 수신전환기들이다. 초음파 발사전환기 3은 초음파만 발사하며 지향성은 180°이다. 따라서 관로내에서 초음파가 사방으로 전번하게 되어 있다.

종전의 기술과는 달리 초음파 빔을 발사하지 않기 때문에 초음파 발사전환기 3의 발사면 크기는 초음파의 파장보다 훨씬 작아도 된다. 즉, 전환기 3의 크기는 작다.

초음파 수신전환기 4_i와 5_i는 초음파를 수신만하며 종전의 기술과는 달리 초음파 펄스를 발사하지 않는다. 수신전환기 4_i와 5_i들은 발신전환기 3의 위치에서 좌우로 동일한 간격 d에 놓인 관로의 원주선 상에 설치되어 있다.

수신전환기 4₁와 5₁, 4₂와 5₂, …4_n와 5_n은 수신전환기의 쌍이되어 유속측정 회선을 구성하고 있다. 수신전환기 쌍을 구성하는 4_i와 5_i들은 발사전환기 3을 중심으로 대칭으로 배치되어 있으며 3과 4_i간의 간격 L_i와 3과 5_i간의 간격 L_i는 상호 동일하다.

제2도에서 보다시피 종전의 기술과는 달리 발사전환기 3을 중심으로 방사형으로 유체 흐름 단면을 여러 현으로 분할하는 것이다. 직경을 이루는 현을 중심으로 보면 좌우로 다른 현들은 -α₁, -α₂, …, +α₁, +α₂, …의 각도로 배치되어 있다. 각도 ±αi는 유량을 측정하려는 지점에서의 유속분포 형태에 따라 선택하며 +α_i, -α_i를 대칭으로 선택할 필요는 없다.

평균유속 방향이 관로 축 방향과 일치된다면 전환기 3과 4_i또는 5_i와 연결하는 직선 L_i상의 유속성분 υ_i는 다음과 같다.

여기서 φ_i유속방향과 L_i와 이루는 각도이다.

이와 같이 구성된 유속측정 회선들은 다음과 같이 동작한다.

우선 시간차 방법으로 유속을 측정하는 경우를 보자.

발사전환기 3이 초음파 펄스를 사방으로 발사한다. 따라서 유속측정 회선을 구성하는 수신전환기 쌍(4_i, 5_i)들은 초음파 펄스가 전번하는 길이 L_i와 유속에 따라 초음파 펄스 발사순간부터 각이한 시간으로 수신하여 출력신호가 발생한다. 예를 들어 수신전환기 4_i와 5_i까지 초음파 펄스가 전번한 시간은 다음과 같이 된다(지연시간을 보상한 조건에서).

수신전환기 4_i와 5_i의 수신신호를 펄스신호로 성형하여 시간차 측정장치에 입력시키면 다음과 같이 될 것이다.

현 i에 직각성분인 유속는 다음과 같이 된다.

관로 d 구간에서 초음속 C는 균일하기 때문에 종전에 사용하던 초음파 측정식를 사용하여 각회선마다 유속을 측정하는 식(1)을 반듯이 사용하지 않아도 된다.

본 발명에서는 초음속 C 측정용 수신전환기 6이 발신전환기 3의 지점을 통과하는 관로의 직경선이 관벽과 교차하는 지점에 배치되어 있다. 발신전환기 3에서 수신전환기 6까지의 거리 길이를 L_o이라고 하면(직경 D와 L_o이 전환기 설치 여하에 따라 약간 차이가 날수 있다). 초음속 C²은 다음과 같이 된다.

물론 직경선상의 평균유속의 방향이 직경선과 엄격히 90°가 되지 않을 수도 있다(설치오차, 유속방향 맥동 때문에). 만일에 90°±1°가 된다면 C²의 오차는 물인 경우=10m/s가 된다고 하여도 ±0.024% 정도이며 무시할 수 있다.

이와 같이 초음속 측정회선을 구성하면 유속측정 전자회로가 상당히 간소화된다. 식 (1)을 사용하려면 각회선의 초음파 전번시간 t_4i와 t_5i를 따로 측정하여 유속, 유량 연산장치에 기억시켜야 하나 초음속 측정회선을 따로 하나 설치해 놓으면 유속측정 회선에서는 다만 시간차 Δt_i만 측정하면 된다.

종전의 유속측정식 (1)을 사용하는 경우 매 회선에서 유속방향과 유속 반대로 초음파를 발사 수신하여 측정된 시간에서 반듯이 지연시간 τ를 삭제해야만 초음속 C²=L²(t₁₂·t₂₁)를 정확히 연산할 수 있다. 모든 회선에서 지연시간을 동일하게 조절하는 작업도 복잡하다. 그러나 다만 시간차 Δt_i를 측정하는 경우에는 지연시간이 상호 삭제되기 때문에 지연시간 보상 문제가 없다.

Δt_i=(t_4i+τ_i)-(t_5i+τ_i)=t_4i-t5_i

위상차 유속측정식 (2)를 사용할 경우에는 위상차 분별기가 동작하는데 필요한 시간동안 초음파 연속파를 발사하던지 또는 연속적으로 발사하면서 수신전환기 4_i와 5_i의 출력신호를 위상차 분별기에 입력시켜야 한다.

이럴 경우 제3도에 보인 것처럼 d 구간 관벽에서 반사한 반사파를 수신하여 위상차 측정이 불안정하게 될 수 있다. 이럴 경우에는 발사전환기 발사면에 초음파 흡수체 7을 부착시켜 수신전환기들이 설치된 방향으로만 초음파가 전번하게 하는 것은 힘들지 않다.

압전전환기를 사용할 경우 원통형전환기를 이용할 수도 있다. 또는 발사전환기 앞에 추형 반사경을 사용할 수도 있다.

기체유량을 측정하는 경우에는 액체에 비해 시간차 Δt_i가 크기 때문에 또 관로의 구경이 클 경우에 액체에서도 Δt_i가 크기 때문에 시간차 유속 방법을 쉽게 실현시킬 수 있다. 이때 d 구간 관벽에서의 번사파들의 영향을 차단하는 것은 일반기술이다.

대구경 관로에서 기체의 유량을 측정할 경우 낮은 주파수의 초음파를 사용하는바 발신전환기로서 전자(electro-magnetic) 전환기를 활용할 수 있다.

수신전환기들은 수신만 하기 때문에 또 좁은각의 지향성도 필요 없기 때문에 그의 크기는 종전의 기술과 달리 매우 작다(발사, 수신전환기들은 특허대상이 아니기 때문에 그들의 구조에 대해서는 생략한다).

제2도에서 보다시피 초음파 전환기 3, 4_i, 5_i그리고 6은 설치점 접선면에 수직이 되는 방향으로(즉 관로의 중심을 향하여) 관로 벽에 착공을 하고 설치된다. 따라서 착공작업이 종전의 기술에 비해(일정한 각도로 착공하는 것) 훨씬 간소화된다.

제4도에 본 발명에 따르는 다회선 구성에 해당되는 시간차 유속측정 방식을 실현시키는 유량계 회로 골격도를 도시하였다. 제5도에는 위상차 유속측정 방식을 이용하는 경우의 골격도를 도시하였다.

제4도, 제5도에서 8―수신전환기 4_i, 5_i들의 증폭기, 9―수신한 신호가 0점을 통과하는 순간에 펄스를 발생하는 펄스 성형기이고 10―시간간격 측정용 카운터로서 수신전환기, 4_i와 5_i에 초음파 신호가 도달하는 시간차 Δt_i측정용이고 11―시간간격 측정용 고주파 발진기(클럭발진기)이다. 12―유량계 제어 및 유속, 유량 연산장치이며 13―발사전환기를 구동시키는 초음파 발진기이며 14―입력장치로서 유속, 유량을 연산하는데 필요한 상수 L_o ²/2d, 관로의 내경 D와 반복측정 주기, 횟수 등을 제어 연산장치에 입력하는 역할을 하며 15―순간유량을 적산하는 적산기이고 16―표시기이다.

제4도는 다음과 같이 동작한다.

유량계를 동작시키면 지정된 주기로 제어 연산장치 11에서 제어신호가 발생한다(점 a). 제어신호는 카운터 10들을 원점으로 전환시키는 동시에 초음파발진기 13을 동작시킨다. 이 제어신호는 카운터 10_o의 동작신호 역할도 한다.

발사전환기 3에서 초음파 펄스가 발사되면 초음파가 L_i거리를 전번하여 수신전환기 5_i, 4_i순서로 수신신호가 발생한다. 수신전환기 5_i와 4_i의 출력신호는 증폭기 8에 의하여 증폭되어 펄스성형기 9에 입력된다. 펄스성형기는 초음파주파수의 증폭된 신호 중에서 지정된 레벨을 초과하는 반주기가 0점을 통과할 때 펄스를 발생하는 장치이다. 따라서 4_i와 5_i의 연결된 펄스성형기 9의 출력펄스들 간에는 Δti의 시간차가 생긴다. 9의 출력 펄스가 카운터 10에 입력되는데 첫 번째 펄스(5₁의 신호)가 카운터 시작(start) 신호가 되고 두 번째 펄스(4₁의 신호)가 정지(stop) 신호가 된다. 시작, 정지신호 사이에 카운터 10은 시간간격 측정용 고주파발진기 11에서 발진하는 펄스 수 N을 적산하게 된다. 따라서 Δt_i=N_i·τ_o이 될 것이다(τ_o은 11의 발진펄스의 주기). 물론 카운터 9에서 직접 Δt_i를 측정할 필요가 없고 제어연산장치 12에서 τ_o을 곱해도 된다.

이와같이 발사전환기 3에서 한 번 초음파 펄스를 발사하면 모든 회선에서의 시간차 Δt_i(또는 N_i)가 측정되어 제어 연산장치에서 Δt_i(또는 N_i)를 읽어 기억하게 된다. 이와 동시에 발사전환기 3에서 수신전환기 6까지 초음파 펄스가 전번한 시간 t_o이 측정되어 12에 입력된다. 제어 연산장치 12에는 사전에 유속 V_i를 측정하는데 필요한 상수 L_o ²/2d, 관로의 내경 D, 현들의 길이와 좌표 등이 입력장치 14에 의해 입력되어 있어 여러 현선상에서의 유속을 연산하고 유량을 연산한다.

위상차 유속측정방식을 채택하는 경우에는 제5도에 보인 것처럼 시간차 측정용 카운터 10 대신에 디지털 위상분별기 17이 연결되어 있고 펄스성형기 9는 필요없다. 다만 발사전환기 3은 초음파를 연속파로 필요한 시간간격으로 발사한다. 다만 초음속 C를 측정하는데 필요한 발사전환기 3에서 수신전환기 6에 처음에 초음파가 전달되는 초음파 전번시간 t_o은 카운터 10_o과 고주파발진기 11을 이용하여 측정된다.

제6도에 유량연산을 쉽게 하기 위하여 여러 방사각도 α_i로 관로의 단면을 분할하는 현들을 반경 γ_i의 좌표로 대치시키고 여러 현선상의 유속을 관로의 반경함수로 유속분포도를 작성한 것을 보였다. 이와같이 현들을 배치하고 각 현선상에서의 유속 V_i에 부분면적 ΔS_i를 곱하면서 합해 가면 총 유량 Q=∑V_i·ΔS_i가 된다. 이런 유량연산을 12가 수행한다.

제6도에서 보다시피 유량측정 회선수가 많을수록(점선) 매우 복잡한 유속분포도를 더 정확하게 작성할 수 있고 따라서 유량도 더욱 정확하게 연산할 수 있게 된다.

전자회로 골격도(제4도와 제5도)에서 보다시피 종전의 초음파 다회선 유량계의 전자회로에 대비해보면 훨씬 간단하다.

종전의 기술에 따르면 유속방향과 반대방향으로 한 회선에서 초음파 펄스를 발사, 수신해야 하기 때문에 전환기 쌍 스위치가 필요했으며 또 유속 측정 회선을 절환하는 스위치가 필요했으며 또한 유속방향과 반대방향으로 초음파가 전번하는 시간을 따로 측정해야만하기 때문에 카운터, 연산장치들의 용량도 커야한다.

또 종전의 기술에 따르면 편리한 위상차 유속측정방식을 다회선에서는 이용할 수 없었으나 본 발명에 따르면 위상차 유속측정 방식을 쉽게 실현할 수 있다. 위상차 방식을 이용하면 연속적으로 유량을 측정하는데에도 편리하고 유속, 유량 맥동을 평균화하는데도 편리하다.

본 발명의 상세한 설명에서 보다시피 본 발명에 따라 유속측정 회선을 방사현으로 구성하면 초음파 발사전환기가 하나만 있고 그의 지향성은 빔이 아니고 또 수신전환기는 수신만 하는 조건에서 그들의 크기도 매우 작기 때문에 종전의 기술과는 달리 유속측정 회선 수를 증가시키는데 지장도 없고 1회 순간유량을 측정하는데 소요되는 시간은 매우 짧다. 따라서 직관부분이 매우 짧아 비정상적으로 복잡하게 유속이 분포되는 조건에서 유량을 측정하는데 매우 효과적이다.

또 종전의 다회선 구성에 있어 시간차 유속측정방법보다 감도도 높고 연속적으로 측정하기 편리한 위상차 유속측정방법을 이용할 수 없었으나 본 발명에 따르면 쉽게 실현되어 유속이 낮다든지 관로의 구경이 작을 때에도 유량측정 정도를 높일 수 있게 된다.

또 기체유량을 측정하는데 더욱 효과적이다(초음속이 액체에 비해 몇 배 낮기 때문에 위상차와 시간차 감도도 훨씬 높아진다. 구경이 큰 관로에서 낮은 주파수의 초음파 또는 높은 초음파의 가청음파를 사용할 수 있다).

크기가 작은 발신, 수신전환기들을 장착하기 위하여 관로 벽에 착공을 해야 하는데 종전의 기술과는 달리 관로 중심을 향해 착공하기 때문에 착공작업이 쉬우며 또 종전의 기술과는 달리 관 내부벽 표면에서 돌출되는 부분도 없고 또는 홈이 생기지도 않으므로 유속분포에 영향을 미치지 않는다.

유량계 회로도 더욱 간소화되어 각 회선별로 수신신호 레벨을 조절하기도 쉬우며 유속측정 회선들의 지연시간이 동일하지 않아도 되고 다만 수신기 전환기 쌍 회선에서만 산호 동일하게 조절만 하는 것은 쉽다(예를 들어 고주파 케이블 선의 길이를 조절하여).

특히 기체유량, 대구경용 유량계를 설계, 제작함에 있어 본 발명의 효과가 크다.

표준유량장치없이 시간차 Δt_i또는 위상 차 Δφ_i측정오차, 간격 d 측정오차 등을 검사하여 유속측정 오차한도를 검사할 수 있으며 유량 연산 과정인 근사적분 오차도 쉽게 검사할 수 있어 유량측정 오차를 쉽게 검정할 수 있다.

특히 종전의 기술과는 달리 회선 수를 5회선 이상(예: 10회선, 15회선)으로 보장할 수 있어 근사적분 오차를 매우 작게 보장할 수 있어 유속분포가 복잡한 직관부분이 짧은 지점에서 정도 높게 유량을 측정할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면 많은 장점들을 보장할 수 있다.

Claims (3)

1. 관로(파이프 관)단면을 여러 현으로 분할하고 현에 대하여 직각으로 되는 현선상의 평균유속을 측정하는 초음파 발사, 수신 전환기 쌍이 관로에 배치된 유속측정 회선이 다수로 되어 있고 초음파 전환기 쌍(雙) 사이에서의 초음파 펄스 전번시간을 측정하는 시간간격 측정장치, 여러 현에서의 유속을 연산하고 이에 근거하여 유량을 연산하며 유속측정 회선들의 동작을 제어하는 제어 연산장치 등을 포함한 초음파 다회선 유량측정 장치에 있어서 유속측정 회선 수를 증가시킴에 있어 초음파 전환기의 크기의 제한을 현저히 축소시키고 순간유량 측정시간을 감소시키며 유량계 전자회로를 간소화 할 목적을 달성하기 위하여 관로벽 한 지점에 넓은 지향성으로 초음파만 발사하는 초음파 발사전환기가 장착되어 있고 이 지점에서 관로길이를 따라 좌우로 일정한 동일 간격에서 원주선을 따라 여러 개의 초음파를 수신만하는 초음파 수신전환기들이 대칭으로 장착되어 있어 발사전환기 위치를 원점으로 해서 관로 단면을 방사형의 여러 현으로 분할하여 각 현선상에 직각으로 되는 유속을 측정하는 여러 개의 유속측정 회선이 구성되어 있으며 현선상의 평균유속을 측정하기 위한 수신전환기 쌍은 각각 증폭기에 연결되어 있고 유속을 시간차(또는 주파수차)방법으로 측정하는 경우에는 증폭기 출력이 펄스 성형장치와 연결되어 그의 출력은 시간차 측정장치 입력에 연결되어 있고 위상차 방법으로 유속을 측정할 경우에는 수신전환기 쌍들의 증폭기 출력들이 디지털 위상분별기에 연결되어 있고 시간차 측정장치 또는 위상분별기 출력들은 유속 및 유량 연산 및 제어장치 입력에 연결되어 있으며 초음파 발사전환기점 반대측에 또 하나의(유체 내에서의 초음속을 측정하는) 수신전환기가 장착되어 있고 그의 출력은 유속, 유량연산 제어장치와 연결되어 있으며 초음파 발사전환기는 유속, 유량연산 및 제어장치에서 발생하는 제어신호에 의하여 동작하는 초음파 발진기와 연결되어 있는 것이 특징으로된 초음파 다회선 유량측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 여러 현에서의 유속을 위상차 방법으로 측정하는 경우 초음파 전환기들이 설치된 관로 길이 내벽에서 초음파 연속파들이 반사하여 수신전환기들이 수신할 수 있는 것을 방지할 목적으로 초음파 발사전환기 발사면에 고리띠형의 초음파 흡수체가 정착되어 있는 것이 특징으로된 초음파 발사전환기를 내포한 초음파 다회선 유랑측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 유량연산의 편의성과 정확도를 보장하기 위하여 방사형으로 배치된 현들을 해당한 관로의 반경 γ 위치로 대치하고 유속분포함수 υ=f(γ)를 구하여 υ_i=f(γ_i)에 해당되는 부분면적을 곱하여 부분유량을 연산하면서 적산하여 총 유량을 연산하는 유속, 유량연산 제어장치를 내포한 초음파 다회선 유량측정 장치.