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KR101206915B1 - Control apparatus of ultrasonic beam width and its decision method of installation position - Google Patents

Control apparatus of ultrasonic beam width and its decision method of installation position Download PDF

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KR101206915B1
KR101206915B1 KR1020110018597A KR20110018597A KR101206915B1 KR 101206915 B1 KR101206915 B1 KR 101206915B1 KR 1020110018597 A KR1020110018597 A KR 1020110018597A KR 20110018597 A KR20110018597 A KR 20110018597A KR 101206915 B1 KR101206915 B1 KR 101206915B1
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beam width
ultrasonic
installation position
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ultrasonic wave
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권휴상
윤병로
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명이 해결하려는 과제는 요구되는 빔폭에 따른 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 정확하게 결정하기 위한 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 의하면, 빔폭확장부에 의하여 초음파의 빔폭이 확장되므로 관내에 회전류가 발생한 경우에도 정확한 유량을 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치에 따라 빔폭의 크기가 달라지며, 요구되는 빔폭의 크기에 따라 설치위치 결정함수를 이용하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 정확하게 산출할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인해 빔폭의 크기를 정확하게 제어할 수 있는 장점이 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method for determining the installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus for accurately determining the installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus according to the required beam width. According to the present invention, since the beam width of the ultrasonic wave is extended by the beam width expansion unit, there is an advantage that the accurate flow rate can be measured even when a rotational flow occurs in the pipe. In addition, the size of the beam width varies according to the installation position of the ultrasonic beam width adjusting device, and there is an advantage that the installation position of the ultrasonic beam width adjusting device can be accurately calculated using the installation positioning function according to the required beam width. Therefore, there is an advantage that the size of the beam width can be accurately controlled.

Description

초음파 빔폭 조절장치 및 이의 설치위치 결정방법{Control apparatus of ultrasonic beam width and its decision method of installation position}Control apparatus of ultrasonic beam width and its decision method of installation position

본 발명은 초음파 빔폭 조절장치 및 이의 설치위치 결정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 요구되는 빔폭에 따른 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 정확하게 결정하기 위한 초음파 빔폭 조절장치 및 이의 설치위치 결정방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic beam width adjusting apparatus and an installation position determining method thereof, and more particularly, to an ultrasonic beam width adjusting apparatus and an installation position determining method thereof for accurately determining the installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus according to the required beam width. will be.

유량계의 종류는 약 100여 가지로, 실제 산업현장에서 널리 사용되고 있는 것은 차압 유량계, 전자기 유량계, 용적식 유량계, 초음파 유량계 등 10여 가지이다. 그 중 초음파 유량계는 관 외벽에서 유량을 측정할 수 있다는 큰 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있으며, 초음파 유량계는 전달 시간차법(Time-of-flight, Transit Time), 상호상관법(Cross Correlation), 도플러 법(Doppler Technique) 또는 와검출법(Vortex Shedding detection)을 이용하여 유량을 측정한다.There are about 100 kinds of flowmeters, and about 10 kinds of flowmeters are widely used in industrial fields such as differential pressure flowmeters, electromagnetic flowmeters, volumetric flowmeters and ultrasonic flowmeters. Among them, ultrasonic flowmeters are used most frequently because of their great merit that they can measure the flow rate on the outer wall of the tube, and ultrasonic flowmeters are used for time-of-flight (transit time), cross-correlation, and Doppler ( Flow rates are measured using Doppler Technique or Vortex Shedding detection.

전달 시간차법은 유동방향 및 유동 역방향의 초음파 전달 시간이 다르다는 것을 이용하여 이 두 경로에서 초음파가 전달되는 시간의 차이를 측정하여 유량을 측정한다. 상호상관법은 두 쌍의 초음파 센서를 일정 거리 이격시켜 설치하고 상하류 수신부에서 검출되는 신호의 상관 관계를 계산하여 상류 신호와 일치하는 하류 신호를 검출하고 두 신호가 수신부에 수신된 시간차를 이용하여 유속을 계산한다.The propagation time difference method measures the flow rate by measuring the difference in the time that the ultrasonic waves are delivered in these two paths using the difference in the ultrasonic propagation time in the flow direction and the reverse flow direction. The cross-correlation method installs two pairs of ultrasonic sensors at a certain distance, calculates the correlation between the signals detected at the upstream and downstream receivers, detects downstream signals that match upstream signals, and uses the time difference received by the two receivers at the flow rate. Calculate

이러한 방법은 관 내의 유속분포가 충분히 발달된 난류 유속분포로 대표되는 일반적인 경우에는 정확한 측정값을 나타내나, 관 내에 회전류가 강하게 발생하는 경우에는 측정의 정확도가 현저히 저하된다. 전달 시간차법을 이용하는 초음파 유량계의 경우, 유체가 회전류에 의하여 초음파의 진행 경로를 벗어나 흐르게 되면 회전류가 없는 상태에서 유량을 측정하는 경우에 비해 측정의 정확도가 현저히 저하된다. 즉, 관 내에 회전류가 발생하는 경우에는 특정한 형태의 유동구조가 초음파의 진행 경로를 따라 흘러가면서 초음파 전달 시간 차이를 발생시켜야 정확한 측정이 가능하나, 초음파의 빔폭이 크지 않은 경우에는 그러한 유동구조가 회전류에 의해 초음파의 진행 경로를 벗어나면서 흘러가므로 정확한 측정을 할 수 없는 문제점이 있었다.This method shows an accurate measurement in the general case where the flow velocity distribution in the tube is represented by a sufficiently developed turbulent flow distribution, but the accuracy of the measurement is significantly reduced when the rotational flow is strongly generated in the tube. In the case of an ultrasonic flowmeter using a transmission time difference method, when the fluid flows out of the traveling path of the ultrasonic wave by the rotational flow, the accuracy of the measurement is significantly lower than that in the case where the flow rate is measured in the absence of the rotational flow. That is, in the case of rotational flow in the tube, a specific flow structure flows along the path of ultrasonic waves to generate an ultrasonic wave transmission time difference, but accurate measurement is possible. There was a problem that can not be accurately measured because the flow flows out of the progress path of the ultrasonic wave by the rotary flow.

또한, 상호상관법을 이용하는 초음파 유량계의 경우, 상류에 설치된 초음파 센서에서 발생한 초음파의 진행 경로를 따라 특정한 형태의 유동구조가 흐르더라도 상기 회전류에 의해 그러한 유동구조가 하류에 설치된 초음파 센서에서 발생한 초음파의 경로를 벗어나 흐르는 경우가 발생하므로 측정의 정확도가 현저히 저하되는 문제점이 발생한다. 즉, 유속 측정을 위하여 사용되는 유동구조가 상류에 설치된 초음파 센서에서 발생한 초음파 경로와 하류에 설치된 초음파 센서에서 발생한 초음파 경로를 모두 통과하면서 흘러야 정확한 측정이 가능하나, 초음파의 빔폭이 크지 않은 경우에는 회전류에 의해 유동구조가 초음파의 경로를 벗어나게 되어 정확한 측정을 할 수 없는 문제점이 있었다.In addition, in the case of the ultrasonic flowmeter using the cross-correlation method, even if a specific type of flow structure flows along the path of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic sensor installed upstream, the ultrasonic wave generated by the ultrasonic sensor provided by the rotary flow downstream of the flow structure. Since the flow occurs outside the path of, the accuracy of the measurement is significantly reduced. In other words, accurate measurement is possible when the flow structure used for the flow rate measurement flows through both the ultrasonic path generated by the ultrasonic sensor installed upstream and the ultrasonic path generated by the ultrasonic sensor installed downstream. However, when the beam width of the ultrasonic wave is not large, The flow structure is off the path of the ultrasonic wave by the current, there was a problem that can not measure accurately.

본 발명이 해결하려는 과제는 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭을 확장하여 정확한 유량을 측정하기 위한 초음파 빔폭 조절장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an ultrasonic beam width adjusting device for measuring the accurate flow rate by extending the beam width of the ultrasonic waves generated from the sensor.

또한, 본 발명이 해결하려는 과제는 요구되는 빔폭에 따른 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 정확하게 결정하기 위한 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법을 제공하는 것이다.In addition, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for determining the installation position of the ultrasonic beam width adjustment apparatus for accurately determining the installation position of the ultrasonic beam width adjustment apparatus according to the required beam width.

초음파 빔폭 조절장치는, 초음파 유량계의 센서 일단에 결합되어, 상기 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송하는 초음파전송부; 및 상기 초음파전송부에서 전송되는 초음파의 빔폭을 확장시키는 빔폭확장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Ultrasonic beam width control device, the ultrasonic transmission unit is coupled to one end of the sensor of the ultrasonic flowmeter, and transmits while maintaining a constant beam width of the ultrasonic waves generated by the sensor; And a beam width expansion unit for extending the beam width of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitting unit.

또한, 상기 초음파전송부는, 상기 센서와 동일한 재질로 형성되어 상기 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송하는 것이 바람직하다.In addition, the ultrasonic transmitter is preferably made of the same material as the sensor and transmits while maintaining a constant beam width of the ultrasonic wave.

또한, 상기 빔폭확장부는, 유체가 흐르는 관의 외벽에 일체로 형성되며, 상기 관과 동일한 재질로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the beam width expansion portion is formed integrally with the outer wall of the tube through which the fluid flows, preferably formed of the same material as the tube.

또한, 상기 빔폭확장부는, 상기 초음파의 빔폭을 확장시키기 위하여 상기 관의 곡률보다 큰 곡률을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
In addition, the beam width expansion unit is preferably formed to have a curvature greater than the curvature of the tube in order to extend the beam width of the ultrasonic wave.

초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법은, 초음파 유량계의 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭(2D1)과 상기 빔폭(2D1)을 기반으로 확장하고자 하는 보정빔폭(2D3)을 입력받는 단계(S100); 관의 안지름(2R1)과 빔폭확장부의 바깥지름(2R2)을 입력받는 단계(S200); 초음파전송부상에서 전송되는 초음파의 제1속도(V1), 상기 빔폭확장부상에서 전송되는 초음파의 제2속도(V2) 및 상기 관의 내부에 흐르는 유체상에서 전송되는 초음파의 제3속도(V3)를 검출하는 단계(S300); 상기 센서에서 발생하는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제1입사각(θ1), 상기 초음파전송부상에서 전송되는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제2입사각(θ2) 및 상기 유체상에서 전송되는 초음파와 상기 관의 내측접선이 이루는 제3입사각(θ3)을 산출하는 단계(S400); 상기 센서에서 발생하는 초음파의 경로를 기반으로 삼각함수 알고리즘을 적용하여 설치위치 결정함수를 산출하는 단계(S500); 및 상기 설치위치 결정함수에 상기 관의 안지름(2R1), 상기 빔폭확장부의 바깥지름(2R2), 상기 제1입사각(θ1), 상기 제2입사각(θ2) 및 상기 제3입사각(θ3)을 반영하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치(H)를 결정하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for determining the installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus, receiving the correction beam width 2D 3 to be expanded based on the beam width 2D 1 of the ultrasonic wave generated by the sensor of the ultrasonic flowmeter and the beam width 2D 1 (S100). ); Receiving an inside diameter 2R 1 of the tube and an outside diameter 2R 2 of the beam width expansion unit (S200); The first velocity V 1 of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmitter, the second velocity V 2 of the ultrasonic waves transmitted from the beam width expansion unit, and the third velocity V of ultrasonic waves transmitted from the fluid flowing inside the tube. 3 ) detecting (S300); The first incident angle θ 1 formed by the tangent of the ultrasonic wave generated by the sensor and the ultrasonic transmitter, the second incident angle θ 2 formed by the tangent of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transmitter and the ultrasonic wave, and transmitted on the fluid. Calculating a third incident angle (θ 3 ) formed by the ultrasonic wave and the inner tangent of the tube (S400); Calculating an installation position determination function by applying a trigonometric algorithm based on the path of the ultrasonic waves generated by the sensor (S500); And an inner diameter (2R 1 ) of the tube, an outer diameter (2R 2 ) of the beam width extension portion, the first incident angle (θ 1 ), the second incident angle (θ 2 ), and the third incident angle (2R 1 ). It is characterized in that it comprises a step (S600) of determining the installation position (H) of the ultrasonic beam width adjusting device by reflecting θ 3 ).

본 발명에 의하면, 빔폭확장부에 의하여 초음파의 빔폭이 확장되므로 관내에 회전류가 발생한 경우에도 정확한 유량을 측정할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, since the beam width of the ultrasonic wave is extended by the beam width expansion unit, there is an advantage that the accurate flow rate can be measured even when a rotational flow occurs in the pipe.

또한, 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치에 따라 빔폭의 크기가 달라지며, 요구되는 빔폭의 크기에 따라 설치위치 결정함수를 이용하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 정확하게 산출할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인해 빔폭의 크기를 정확하게 제어할 수 있는 장점이 있다.In addition, the size of the beam width varies according to the installation position of the ultrasonic beam width adjusting device, and there is an advantage that the installation position of the ultrasonic beam width adjusting device can be accurately calculated using the installation positioning function according to the required beam width. Therefore, there is an advantage that the size of the beam width can be accurately controlled.

도 1은 본 발명인 초음파 빔폭 조절장치의 일 실시예를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명인 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 설치위치 결정함수를 산출하기 위한 도면.
도 4a, 4b는 초음파 빔폭의 변화를 도시한 도면.
Figure 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention ultrasonic beam width adjustment device.
Figure 2 is a flow chart showing an embodiment of the installation position determination method of the present invention ultrasonic beam width adjustment apparatus.
3 is a view for calculating an installation position determination function.
4A and 4B show changes in ultrasonic beamwidth.

이하 초음파 빔폭 조절장치 및 이의 설치위치 결정방법의 바람직한 일 실시예에 대하여 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
Hereinafter, a preferred embodiment of the ultrasonic beam width adjusting apparatus and its installation position determining method will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명인 초음파 빔폭 조절장치의 일 실시예를 도시한 구성도로, 초음파 빔폭 조절장치는, 초음파 유량계의 센서(30) 일단에 결합되어 상기 센서(30)에서 발생하는 초음파 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송하는 초음파전송부(10); 및 상기 초음파전송부(10)에서 전송되는 초음파 빔폭을 확장시키는 빔폭확장부(20)를 포함한다.
1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, the ultrasonic beam width control device, the ultrasonic beam width control device is coupled to one end of the sensor 30 of the ultrasonic flowmeter to maintain a constant ultrasonic beam width generated by the sensor 30 Ultrasonic transmitting unit 10 while transmitting; And a beam width expanding unit 20 for extending the ultrasonic beam width transmitted from the ultrasonic transmitting unit 10.

초음파 유량계는 센서(30) 및 유량검출기(40)를 포함하며, 센서(30)는 유체가 흐르는 관(50)의 외벽에 설치되어 유량 측정을 위한 초음파를 발생시키고 유체를 통과한 초음파를 수신한다. 유량검출기(40)는 센서(30)가 수신한 초음파를 기반으로 관(50) 내에 흐르는 유량을 검출한다.
The ultrasonic flowmeter includes a sensor 30 and a flow detector 40, and the sensor 30 is installed on the outer wall of the pipe 50 through which the fluid flows to generate ultrasonic waves for measuring the flow rate and receive ultrasonic waves passing through the fluid. . The flow rate detector 40 detects the flow rate flowing in the tube 50 based on the ultrasonic waves received by the sensor 30.

상기 초음파전송부(10)는 센서(30)에서 발생하는 초음파를 빔폭확장부(20)로 전송하며, 이때 초음파전송부(10)는 센서(30)에서 발생하는 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 빔폭확장부(20)로 전송한다. 즉, 초음파전송부(10)에 의하여 센서(30)에서 발생하는 초음파의 빔폭과 빔폭확장부(20)로 전송된 빔폭의 크기가 동일하게 된다.The ultrasonic transmitter 10 transmits the ultrasonic waves generated by the sensor 30 to the beam width expansion unit 20, wherein the ultrasonic transmitter 10 maintains the beam width of the ultrasonic waves generated by the sensor 30 at a constant level. The beam width expansion unit 20 is transmitted. That is, the beam width of the ultrasonic wave generated by the sensor 30 by the ultrasonic transmitter 10 and the beam width transmitted to the beam width expander 20 are equal to each other.

또한, 초음파전송부(10)의 일단은 센서(30)에 결합되고 타단은 빔폭확장부(20)에 결합되며, 초음파전송부(10)의 타단은 빔폭확장부(20)의 형상과 대응하도록 형성된다. 초음파전송부(10)는 센서(30)와 동일한 재질로 형성되며, 이로 인해 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송할 수 있다. 예를 들면, 초음파전송부(10)는 Poly carbonate 또는 이와 비슷한 폴리머 계열의 재질로 형성되며, 이때 초음파는 약 음속 2300m/s로 초음파전송부(10)를 통과한다.
In addition, one end of the ultrasonic transmitter 10 is coupled to the sensor 30 and the other end is coupled to the beam width expansion unit 20, and the other end of the ultrasonic transmitter 10 to correspond to the shape of the beam width expansion unit 20. Is formed. The ultrasonic transmitter 10 may be formed of the same material as the sensor 30, and thus may be transmitted while maintaining a constant beam width of the ultrasonic waves. For example, the ultrasonic transmitter 10 is formed of polycarbonate or a similar polymer-based material, and ultrasonic waves pass through the ultrasonic transmitter 10 at a sound speed of about 2300 m / s.

상기 빔폭확장부(20)는 유체가 흐르는 관(50)의 외벽에 일체로 형성되어, 초음파전송부(10)에서 전송되는 초음파의 빔폭을 확장시킨다. 즉, 빔폭확장부(20)의 일단은 관(50)에 결합되고 타단은 초음파전송부(10)에 결합되며, 이때 빔폭확장부(20)는 관(50)과 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.The beam width expansion unit 20 is integrally formed on the outer wall of the pipe 50 through which the fluid flows, thereby extending the beam width of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmission unit 10. That is, one end of the beam width expansion unit 20 is coupled to the tube 50 and the other end is coupled to the ultrasonic transmission unit 10, wherein the beam width expansion unit 20 is preferably formed of the same material as the tube 50. Do.

또한, 초음파전송부(10)에서 전송되는 초음파의 속도보다 빔폭확장부(20)에서 전송되는 초음파의 속도가 더 빨라야 초음파전송부(10)를 통과한 초음파의 빔폭이 빔폭확장부(20)의 경계면에서 확장되므로, 빔폭확장부(20)의 재질은 초음파전송부(10)보다 초음파가 더 빠르게 전송될 수 있는 재질로 형성한다. 예를 들면, 빔폭확장부(20)의 재질은 스텐레스로 형성되며, 이때 초음파는 약 음속 3200m/s로 빔폭확장부(20)를 통과한다. 즉, 초음파는 폴리머 계열의 재질로 형성된 초음파전송부(10)에서 약 음속 2300m/s의 속도를 가지며 스텐레스 재질로 형성된 빔폭확장부(20)에서 약 음속 3200m/s의 속도를 가지므로, 초음파의 빔폭은 빔폭확장부(20)의 경계면에서 확장된다.
In addition, the speed of the ultrasonic wave transmitted from the beam width expansion unit 20 is faster than the speed of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmission unit 10. Since the expansion at the boundary surface, the material of the beam width expansion unit 20 is formed of a material that can transmit ultrasonic waves faster than the ultrasonic transmission unit 10. For example, the material of the beam width expansion unit 20 is made of stainless steel, and the ultrasonic waves pass through the beam width expansion unit 20 at a sound speed of about 3200 m / s. That is, the ultrasonic wave has a speed of about 2300 m / s at a sound velocity in the ultrasonic transmitter 10 formed of a polymer-based material, and has a speed of about 3200 m / s at a beam width expansion portion 20 formed of stainless steel. The beam width is extended at the interface of the beam width extension 20.

또한, 빔폭확장부(20)는 원호 형상을 가지며 관(50)보다 큰 곡률을 가진다. 즉, 빔폭확장부(20)가 관(50)보다 큰 곡률을 가지므로, 초음파전송부(10)를 통과한 초음파는 빔폭확장부(20)의 경계면에서 굴절되며, 이러한 굴절로 인하여 센서(30)에서 발생한 초음파의 빔폭이 확장된다. 이때, 빔폭확장부(20)의 곡률을 달리하여 초음파의 빔폭이 확장되는 크기를 조절할 수 있다.
In addition, the beam width expansion unit 20 has an arc shape and has a curvature larger than that of the pipe 50. That is, since the beam width expansion unit 20 has a larger curvature than the tube 50, the ultrasonic waves passing through the ultrasonic transmission unit 10 are refracted at the interface of the beam width expansion unit 20, and due to such refraction, the sensor 30 The beam width of the ultrasonic wave generated at) is expanded. At this time, by varying the curvature of the beam width expansion unit 20 it can adjust the size of the beam width of the ultrasonic wave is expanded.

또한, 관(50) 내에 흐르는 유체가 물인 경우에 초음파는 약 음속 1500m/s를 가지므로, 관(50)을 통과한 초음파의 빔폭은 상기 관(50)과 유체의 경계면에서 축소된다. 즉, 초음파는 유체보다 관(50)에서 더 빠르게 전송되므로, 관(50)과 유체의 경계면에서 초음파의 빔폭이 축소된다. 이때, 초음파의 빔폭이 축소되는 크기를 조절하여, 초음파가 일정한 빔폭을 가지면서 유체를 통과하도록 하는 것이 바람직하다.
In addition, when the fluid flowing in the tube 50 is water, the ultrasonic wave has a sound speed of about 1500 m / s, so that the beam width of the ultrasonic wave passing through the tube 50 is reduced at the interface between the tube 50 and the fluid. That is, since the ultrasonic waves are transmitted faster in the tube 50 than in the fluid, the beam width of the ultrasonic waves at the interface between the tube 50 and the fluid is reduced. In this case, it is preferable to adjust the size of the beam width of the ultrasonic wave so that the ultrasonic wave passes through the fluid while having a constant beam width.

도 4a는 종래 초음파 유량계에 의한 초음파 빔폭의 변화를 도시한 것이고 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 초음파 빔폭의 변화를 도시한 것으로, 본 발명인 초음파 빔폭 조절장치는 빔폭확장부(20)를 더 포함함으로써, 종래에 비하여 초음파의 빔폭이 더욱 확장되는 것을 알 수 있다. 즉, 초음파의 빔폭을 확장함으로써 관(50)내에 회전류가 발생한 경우에도 정확한 유량을 측정할 수 있는 장점이 있다.
Figure 4a shows the change in the ultrasonic beam width by the conventional ultrasonic flow meter and Figure 4b shows the change in the ultrasonic beam width according to an embodiment of the present invention, the ultrasonic beam width adjusting apparatus of the present invention is a beam width expansion unit 20 By further including, it can be seen that the beam width of the ultrasonic wave is further extended as compared with the conventional art. That is, by expanding the beam width of the ultrasonic wave, there is an advantage in that the accurate flow rate can be measured even when a rotational flow occurs in the tube 50.

도 2는 본 발명인 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법의 일 실시예를 도시한 흐름도로, 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법은 초음파 유량계의 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭(2D1)과 상기 빔폭(2D1)을 기반으로 확장하고자 하는 보정빔폭(2D3)을 입력받는 단계(S100); 관의 안지름(2R1)과 빔폭확장부의 바깥지름(2R2)을 입력받는 단계(S200); 초음파전송부상에서 전송되는 초음파의 제1속도(V1), 상기 빔폭확장부상에서 전송되는 초음파의 제2속도(V2) 및 상기 관의 내부에 흐르는 유체상에서 전송되는 초음파의 제3속도(V3)를 검출하는 단계(S300); 상기 센서에서 발생하는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제1입사각(θ1), 상기 초음파전송부상에서 전송되는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제2입사각(θ2) 및 상기 유체상에서 전송되는 초음파와 상기 관의 내측접선이 이루는 제3입사각(θ3)을 산출하는 단계(S400); 상기 센서에서 발생하는 초음파의 경로를 기반으로 삼각함수 알고리즘을 적용하여 설치위치 결정함수를 산출하는 단계(S500); 및 상기 설치위치 결정함수에 상기 관의 안지름(2R1), 상기 빔폭확장부의 바깥지름(2R2), 상기 제1입사각(θ1), 상기 제2입사각(θ2) 및 상기 제3입사각(θ3)을 반영하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 결정하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure 2 is a flow chart showing an embodiment of the installation position determination method of the ultrasonic beam width adjustment apparatus of the present invention, the installation position determination method of the ultrasonic beam width adjustment apparatus is the beam width (2D 1 ) of the ultrasonic wave generated from the sensor of the ultrasonic flowmeter Receiving a correction beam width 2D 3 to be extended based on the beam width 2D 1 (S100); Receiving an inside diameter 2R 1 of the tube and an outside diameter 2R 2 of the beam width expansion unit (S200); The first velocity V 1 of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmitter, the second velocity V 2 of the ultrasonic waves transmitted from the beam width expansion unit, and the third velocity V of ultrasonic waves transmitted from the fluid flowing inside the tube. 3 ) detecting (S300); The first incident angle θ 1 formed by the tangent of the ultrasonic wave generated by the sensor and the ultrasonic transmitter, the second incident angle θ 2 formed by the tangent of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transmitter and the ultrasonic wave, and transmitted on the fluid. Calculating a third incident angle (θ 3 ) formed by the ultrasonic wave and the inner tangent of the tube (S400); Calculating an installation position determination function by applying a trigonometric algorithm based on the path of the ultrasonic waves generated by the sensor (S500); And an inner diameter (2R 1 ) of the tube, an outer diameter (2R 2 ) of the beam width extension portion, the first incident angle (θ 1 ), the second incident angle (θ 2 ), and the third incident angle (2R 1 ). It is characterized in that it comprises a step (S600) of determining the installation position of the ultrasonic beam width adjustment apparatus by reflecting θ 3 ).

상기 S100단계는 초음파의 빔폭(2D1)과 보정빔폭(2D3)을 입력받는 단계로, 빔폭(2D1)은 센서(30)에서 발생하는 초음파의 빔폭이고 보정빔폭(2D3)은 빔폭확장부(20)에 의하여 확장되는 빔폭이다. 즉, 빔폭확장부(20)의 설치위치에 따라 보정빔폭(2D3)의 크기가 달라지므로, 보정빔폭(2D3)의 크기를 먼저 입력받고 입력받은 보정빔폭(2D3)에 따른 빔폭확장부(20)의 설치위치를 결정한다. 도 3에서 D1은 빔폭(2D1)의 1/2 값이고, D3는 보정빔폭(2D3)의 1/2 값이다.
The S100 step of the ultrasonic beam width (2D 1) and the correction beam width to the step of receiving the (2D 3), beam width (2D 1) is a beam width of the beam width and the correction of the ultrasonic waves generated by the sensor (30) (2D 3) is a beam width extension It is the beam width extended by the part 20. That is, since the size of the correction beam width 2D 3 varies depending on the installation position of the beam width expansion unit 20, the beam width expansion unit according to the correction beam width 2D 3 received after receiving the size of the correction beam width 2D 3 first. Determine the installation position of (20). In FIG. 3, D 1 is a half value of the beam width 2D 1 , and D 3 is a half value of the correction beam width 2D 3 .

상기 S200단계는 관(50)의 안지름(2R1)과 빔폭확장부(20)의 바깥지름(2R2)을 입력받는 단계로, 안지름(2R1)은 초음파 유량계가 설치되는 관(50)의 안지름이고, 바깥지름(2R2)은 원호형상으로 형성된 빔폭확장부(20)를 연장하여 형성된 가상 원의 바깥지름이다. 빔폭확장부(20)는 관(50)보다 큰 곡률을 가지므로 바깥지름(2R2)의 길이를 안지름(2R1)보다 작도록 형성하며, 센서(30)에서 발생하는 초음파의 빔폭을 효과적으로 확장하기 위하여 바깥지름(2R2)의 길이를 빔폭(2D3)보다 작도록 형성한다.
The step S200 is a tube (50) inside diameter (2R 1) and the beam width to the step of receiving the external diameter (2R 2) of the extended portion 20, the inside diameter (2R 1) is a tube 50 which is an ultrasonic flow meter installation of The inner diameter 2R 2 is the outer diameter of the imaginary circle formed by extending the beam width extension 20 formed in the shape of an arc. Since the beam width expansion unit 20 has a larger curvature than the tube 50, the beam width expansion unit 20 is formed to have a length of the outer diameter 2R 2 smaller than the inner diameter 2R 1 , and effectively expands the beam width of the ultrasonic wave generated from the sensor 30. In order to do so, the length of the outer diameter 2R 2 is formed to be smaller than the beam width 2D 3 .

상기 S300단계는 제1속도(V1), 제2속도(V2) 및 제3속도(V3)를 검출한다. 제1속도(V1)는 초음파전송부(10)에서 전송되는 초음파의 속도이며, 초음파전송부(10)가 폴리머 계열의 재질로 형성된 경우에 약 음속 2300m/s를 가진다. 제2속도(V2)는 빔폭확장부(20)에서 전송되는 초음파의 속도이며, 빔폭확장부(20)가 스텐레스 재질로 형성된 경우에 약 음속 3200m/s를 가진다. 제3속도(V3)는 관(50)내에 흐르는 유체에서 전송되는 초음파의 속도이며, 유체가 물인 경우에 약 음속 1500m/s를 가진다.The step S300 detects the first speed V 1 , the second speed V 2 , and the third speed V 3 . The first speed V 1 is the speed of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 10, and has a sound speed of 2300 m / s when the ultrasonic transmitter 10 is formed of a polymer-based material. The second speed V 2 is the speed of the ultrasonic wave transmitted from the beam width extension 20, and has a sound speed of 3200 m / s when the beam width extension 20 is formed of stainless material. The third speed V 3 is the speed of ultrasonic waves transmitted from the fluid flowing in the tube 50 and has a sound speed of 1500 m / s when the fluid is water.

상술한 바와 같이 제1속도(V1)가 제2속도(V2)보다 느리므로 초음파전송부(10)에서 전송된 초음파의 빔폭은 초음파전송부(10)와 빔폭확장부(20)의 경계면에서 확장되고, 제2속도(V2)가 제3속도(V3)보다 빠르므로 관(50)에서 전송된 초음파의 빔폭은 관(50)과 유체의 경계면에서 축소된다.
As described above, since the first speed V 1 is slower than the second speed V 2 , the beam width of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter 10 is an interface between the ultrasonic transmitter 10 and the beam width extender 20. Since the second velocity (V 2 ) is faster than the third velocity (V 3 ), the beam width of the ultrasonic wave transmitted from the tube 50 is reduced at the interface between the tube 50 and the fluid.

상기 S400단계는 제1입사각(θ1), 제2입사각(θ2) 및 제3입사각(θ3)을 산출하는 단계로, 도 3에 도시된 초음파의 경로를 기반으로 산출한다. 제1입사각(θ1)은 센서(30)에서 발생한 초음파의 경로와 빔폭확장부(20)의 A점에서 접선이 이루는 각을 말하며, 제1입사각(θ1)은 D1을 R2로 나눈값에 역코사인을 취하여 산출한다. 즉,The step S400 is to calculate a first incident angle θ 1 , a second incident angle θ 2 , and a third incident angle θ 3 , based on the path of the ultrasonic wave illustrated in FIG. 3. The first incident angle θ 1 refers to an angle formed by a tangent at the path of the ultrasonic wave generated by the sensor 30 and the A point of the beam width extension 20, and the first incident angle θ 1 is obtained by dividing D 1 by R 2 . Calculate by taking the inverse cosine of the value. In other words,

Figure 112011015124212-pat00001
Figure 112011015124212-pat00001

을 이용하여 산출하며, 이때, D1은 빔폭(2D1)의 1/2 값이고 R2는 바깥지름(2R2)의 1/2 값이다.It is calculated using, where D 1 is 1/2 of the beam width 2D 1 and R 2 is 1/2 of the outer diameter 2R 2 .

제2입사각(θ2)은 빔폭확장부(20)에서 초음파의 경로와 빔폭확장부(20)의 A점에서 접선이 이루는 각을 말하며, 제2입사각(θ2)은 스넬의 법칙(Snell's law)을 이용하여 산출한다. 즉,The second incident angle θ 2 refers to an angle formed by a tangent at the path of the ultrasonic wave in the beam width extension 20 and the A point of the beam width extension 20, and the second incident angle θ 2 is Snell's law. Calculated using In other words,

Figure 112011015124212-pat00002
Figure 112011015124212-pat00002

을 이용하여 산출하며, 이때, V1은 초음파전송부(10)에서 초음파의 속도, V2는 빔폭확장부(20)에서 초음파의 속도이다.Calculated using V 1 , where V 1 is the speed of the ultrasonic waves in the ultrasonic transmitter 10 and V 2 is the speed of the ultrasonic waves in the beam width expansion unit 20.

제3입사각(θ3)은 유체에서 초음파의 경로와 관(50)의 B점에서 접선이 이루는 각을 말하며, 제3입사각(θ3)은 D3을 R1으로 나눈값에 역코사인을 취하여 산출한다. 즉,The third incident angle θ 3 refers to the angle formed by the tangential line at the point B of the tube 50 and the path of the ultrasonic wave in the fluid. The third incident angle θ 3 takes an inverse cosine at a value obtained by dividing D 3 by R 1 . Calculate. In other words,

Figure 112011015124212-pat00003
Figure 112011015124212-pat00003

을 이용하여 산출하며, 이때, D3는 보정빔폭(2D2)의 1/2 값이고, R1은 안지름(2R1)의 1/2 값이다.
It is calculated by using, where D 3 is 1/2 of the correction beam width 2D 2 , and R 1 is 1/2 of the inner diameter 2R 1 .

상기 S500단계는 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 결정하는 설치위치 결정함수를 산출하는 단계로, 도 3에 도시된 초음파의 경로를 기반으로 삼각함수 알고리즘을 적용하여 산출한다.The step S500 is a step of calculating an installation position determining function for determining an installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus, and is calculated by applying a trigonometric function algorithm based on the path of the ultrasonic wave shown in FIG. 3.

빔폭확장부(20)를 연장하여 가정한 가상 원의 원점인 O'점, 빔폭확장부(20)상의 A점 및 관(50)상의 B점을 바탕으로 형성되는 삼각형 O'AB에 삼각함수 알고리즘인 코사인 제2법칙을 적용하여,A trigonometric algorithm is performed on the triangle O'AB formed based on the point O ', which is the origin of the virtual circle assuming the beam width extension 20, the point A on the beam width extension 20, and the point B on the tube 50. By applying the second law of cosine,

Figure 112011015124212-pat00004
Figure 112011015124212-pat00004

을 산출하고,Yields,

빔폭확장부(20)를 연장하여 가정한 가상 원의 원점인 O'점, 관(50)상의 원점인 O점 및 관(50)상의 B점을 바탕으로 형성되는 삼각형 O'OB에 삼각함수 알고리즘인 코사인 제2법칙을 적용하여,Triangular function algorithm on a triangle O'OB formed based on the O 'point, which is the origin of the virtual circle, the O point which is the origin on the tube 50, and the B point on the tube 50, which is assumed by extending the beam width extension 20. By applying the second law of cosine,

Figure 112011015124212-pat00005
Figure 112011015124212-pat00005

을 산출한다.To calculate.

상기 L2는 A점과 B점을 잇는 선분이고 두 개의 원점인 O와 O'를 기준으로 벡터합을 산출하면 아래와 같이 나타낼 수 있다.The L 2 is a line segment connecting the A point and the B point, and when the vector sum is calculated based on two origins, O and O ', it can be expressed as follows.

Figure 112011015124212-pat00006
Figure 112011015124212-pat00006

상기 H는 관(50)의 원점인 O에서 빔폭확장부(20)를 연장하여 가정한 가상 원의 원점인 O'까지의 거리이다.H is a distance from O, which is the origin of the tube 50, to O ', which is the origin of the virtual circle, which is assumed by extending the beam width extension 20.

상기 수학식 5, 수학식 6 및 수학식 7을 정리하면, 아래와 같이 설치위치 결정함수를 산출할 수 있다.If the equations (5), (6) and (7) are summarized, the installation position determination function can be calculated as follows.

Figure 112011015124212-pat00007
Figure 112011015124212-pat00007

상기 S600단계는 상기 S500단계에서 산출한 설치위치 결정함수인 수학식 7을 기반으로 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치를 결정한다. 즉, 수학식 7에 관(50)의 안지름(R1), 빔폭확장부(20)의 바깥지름(R2), 제1입사각(θ1), 제2입사각(θ2) 및 제3입사각(θ3)을 반영하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치(H)를 결정한다.In step S600, the installation position of the ultrasonic beam width adjusting apparatus is determined based on Equation 7, which is the installation position determination function calculated in step S500. That is, in equation (7), the inner diameter R 1 of the tube 50, the outer diameter R2 of the beam width extension 20, the first incident angle θ 1 , the second incident angle θ 2 , and the third incident angle ( θ 3 ) to determine the installation position (H) of the ultrasonic beam width adjusting device.

설치위치(H)는 관(50)의 원점인 O점과 빔폭확장부(20)를 연장하여 가정한 가상 원의 원점인 O'점 사이의 거리이므로, 설치위치(H)가 결정되면 초음파 빔폭 조절장치를 어느 위치에 설치하여야 하는지 알 수 있다.
Since the installation position H is the distance between the O point which is the origin of the tube 50 and the O 'point which is the origin of the virtual circle assuming the beam width extension 20 is extended, the ultrasonic beam width is determined when the installation position H is determined. Know where to install the controls.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 요구되는 보정빔폭(2D3)의 크기에 따라 설치위치 결정함수를 이용하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치(H)를 정확하게 산출할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인해 보정빔폭(2D3)의 크기를 정확하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
As described above, there is an advantage that the installation position (H) of the ultrasonic beam width adjusting device can be accurately calculated using the installation positioning function according to the size of the required correction beam width (2D 3 ), and thus the correction beam width There is an advantage that the size of (2D 3 ) can be precisely controlled.

이상, 본 발명의 일 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 일 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 초음파 빔폭 조절장치 및 이의 설치위치 결정방법을 구현할 수 있다.As described above, but described in one embodiment of the present invention, the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiment, and various ultrasonic beam width adjusting devices and their installation position determining methods may be implemented in a range that does not depart from the technical idea of the present invention. Can be.

10… 초음파전송부
20… 빔폭확장부
30… 센서
40… 유량검출기
50… 관
10... Ultrasonic Transmitter
20... Beam width extension
30 ... sensor
40 ... Flow detector
50... tube

Claims (5)

초음파 유량계의 센서 일단에 결합되어, 상기 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송하는 초음파전송부; 및
상기 초음파전송부에서 전송되는 초음파의 빔폭을 확장시키는 빔폭확장부를 포함하고,
상기 빔폭확장부는,
유체가 흐르는 관의 외벽에 일체로 형성되며, 상기 관과 동일한 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 빔폭 조절장치.
An ultrasonic transmitter coupled to one end of the sensor of the ultrasonic flowmeter and transmitting while maintaining a constant beamwidth of ultrasonic waves generated by the sensor; And
It includes a beam width expansion unit for extending the beam width of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitter,
The beam width expansion unit,
Ultrasonic beam width adjusting device is formed integrally with the outer wall of the fluid flow pipe, it is formed of the same material as the pipe.
제1항에 있어서, 상기 초음파전송부는,
상기 센서와 동일한 재질로 형성되어 상기 초음파의 빔폭을 일정하게 유지시키면서 전송하는 것을 특징으로 하는 초음파 빔폭 조절장치.
The method of claim 1, wherein the ultrasonic transmitter,
Ultrasonic beam width adjusting apparatus is formed of the same material as the sensor and transmitted while maintaining a constant beam width of the ultrasonic wave.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 빔폭확장부는,
상기 초음파의 빔폭을 확장시키기 위하여 상기 관의 곡률보다 큰 곡률을 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 빔폭 조절장치.
The method of claim 1, wherein the beam width expansion unit,
Ultrasonic beam width adjusting device characterized in that it is formed to have a curvature larger than the curvature of the tube in order to expand the beam width of the ultrasonic wave.
초음파 유량계의 센서에서 발생하는 초음파의 빔폭(2D1)과 상기 빔폭(2D1)을 기반으로 확장하고자 하는 보정빔폭(2D3)을 입력받는 단계(S100);
관의 안지름(2R1)과 빔폭확장부의 바깥지름(2R2)을 입력받는 단계(S200);
초음파전송부상에서 전송되는 초음파의 제1속도(V1), 상기 빔폭확장부상에서 전송되는 초음파의 제2속도(V2) 및 상기 관의 내부에 흐르는 유체상에서 전송되는 초음파의 제3속도(V3)를 검출하는 단계(S300);
상기 센서에서 발생하는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제1입사각(θ1), 상기 초음파전송부상에서 전송되는 초음파와 상기 초음파전송부의 접선이 이루는 제2입사각(θ2) 및 상기 유체상에서 전송되는 초음파와 상기 관의 내측접선이 이루는 제3입사각(θ3)을 산출하는 단계(S400);
상기 센서에서 발생하는 초음파의 경로를 기반으로 삼각함수 알고리즘을 적용하여 설치위치 결정함수를 산출하는 단계(S500); 및
상기 설치위치 결정함수에 상기 관의 안지름(2R1), 상기 빔폭확장부의 바깥지름(2R2), 상기 제1입사각(θ1), 상기 제2입사각(θ2) 및 상기 제3입사각(θ3)을 반영하여 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치(H)를 결정하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 빔폭 조절장치의 설치위치 결정방법.
Receiving a beam width (2D 1 ) of the ultrasonic wave generated by the sensor of the ultrasonic flowmeter and a correction beam width (2D 3 ) to be extended based on the beam width (2D 1 ) (S100);
Receiving an inside diameter 2R 1 of the tube and an outside diameter 2R 2 of the beam width expansion unit (S200);
The first velocity V 1 of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmitter, the second velocity V 2 of the ultrasonic waves transmitted from the beam width expansion unit, and the third velocity V of ultrasonic waves transmitted from the fluid flowing inside the tube. 3 ) detecting (S300);
The first incident angle θ 1 formed by the tangent of the ultrasonic wave generated by the sensor and the ultrasonic transmitter, the second incident angle θ 2 formed by the tangent of the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transmitter and the ultrasonic wave, and transmitted on the fluid. Calculating a third incident angle (θ 3 ) formed by the ultrasonic wave and the inner tangent of the tube (S400);
Calculating an installation position determination function by applying a trigonometric algorithm based on the path of the ultrasonic waves generated by the sensor (S500); And
The inner diameter 2R 1 of the tube, the outer diameter 2R 2 of the beam width extension portion, the first incident angle θ 1 , the second incident angle θ 2 , and the third incident angle θ to the installation position determining function. 3 ) reflecting the step of determining the installation position (H) of the ultrasonic beam width adjusting apparatus (S600), characterized in that the installation position determination method of the ultrasonic beam width adjusting apparatus.
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