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KR20140035869A - 압력 경계 밖에 설치된 트랜스듀서를 갖춘 현모양의 가스 유량계, 하우징 및 방법 - Google Patents

압력 경계 밖에 설치된 트랜스듀서를 갖춘 현모양의 가스 유량계, 하우징 및 방법 Download PDF

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KR20140035869A
KR20140035869A KR1020137014690A KR20137014690A KR20140035869A KR 20140035869 A KR20140035869 A KR 20140035869A KR 1020137014690 A KR1020137014690 A KR 1020137014690A KR 20137014690 A KR20137014690 A KR 20137014690A KR 20140035869 A KR20140035869 A KR 20140035869A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transducer
housing
channel
window
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020137014690A
Other languages
English (en)
Inventor
엠마뉴엘 제이. 고틀립
도날드 알. 오겐스타인
윌리엄 알. 쥬니어. 프로인드
리처드 에이. 저커먼
허버트 에스트라다
칼빈 알. 해스팅스
Original Assignee
카메론 인터내셔널 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US12/927,616 external-priority patent/US8544343B2/en
Application filed by 카메론 인터내셔널 코포레이션 filed Critical 카메론 인터내셔널 코포레이션
Publication of KR20140035869A publication Critical patent/KR20140035869A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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Abstract

파이프에서의 가스 유량을 검출하기 위한 유량계는, 가스가 흐르는 채널을 가진 파이프에 부착되도록 구성된 컨테이너, 및 컨테이너 및 복수의 하우징을 통해 확장되는 복수의 리세스(recess)를 포함하고 있다. 각 리세스는 채널에 압력을 함유하는 하우징을 가지고 있다. 각 하우징은 채널과 음향 통신하고 있는 윈도우를 가지고 있다. 유량계는 복수의 트랜스듀서를 구비하되, 복수의 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서는 각각의 리세스에 배치된다. 트랜스듀서는, 트랜스듀서가 배치된 하우징의 윈도우를 통해 채널로 초음파 신호를 송신하거나 채널로부터 초음파 신호를 수신한다. 유량계는, 트랜스듀서에 의해 송신 및 수신되는 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널을 통한 가스 유량을 결정하는 복수의 트랜스듀서와 전기 통신하고 있는 컨트롤러를 포함하고 있다.

Description

압력 경계 밖에 설치된 트랜스듀서를 갖춘 현모양의 가스 유량계, 하우징 및 방법 {Chordal Gas Flowmeter with Transducers Installed Outside the Pressure Boundary, Housing and Method}
관련 출원에 대한 상호 참조
이것은 2010년 11월 19일에 출원된 미국 특허출원 일련번호 12/927,616의 일부 계속 출원이다.
발명의 분야
본 발명은, 가스가 흐르고 있는 채널과 음향 통신(acoustic communication)하고 있는 압력 함유 물질(pressure containing material)로 만들어진 윈도우(window)를 흐르는 가스로 신호를 보내거나 그 가스로부터 신호를 수신하는 초음파 트랜스듀서에 의해 파이프 내에서의 가스 유량(flow rate)을 결정하는 유량계에 관한 것이다. (여기에서 사용되는 바와 같이, "본 발명" 또는 "발명"에 대한 참조는 예시적인 실시예에 관한 것이고, 반드시 첨부된 특허청구범위에 의해 포함되는 모든 실시예로 될 필요는 없다.) 더 구체적으로는, 본 발명은 트랜스듀서가 수신된 음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 트랜스듀서를 음향적으로 분리하는 하우징 내에 배치되어 있는 경우에 가스가 흐르고 있는 채널과 음향 통신하고 있는 압력 함유 물질로 만들어진 윈도우를 흐르는 가스로 신호를 보내거나 그 가스로부터 신호를 수신하는 초음파 트랜스듀서로 파이프 내에서의 가스 유량을 결정하는 유량계에 관한 것이다.
이 섹션은 본 발명의 다양한 국면에 관련될 수 있는 기술의 다양한 국면을 독자에게 소개하기 위한 것이다. 다음의 논의는 본 발명의 더 나는 이해를 촉진하도록 정보를 제공하기 위한 것이다. 따라서, 다음과 같은 논의에서의 진술은 이러한 관점에서 해석되어야 하고, 종래 기술의 인정(admission)이 아니라는 것을 이해하여야 한다.
초음파 트랜스듀서는 유량계 시스템에 초음파 신호를 송신 및 수신하는 데 사용된다. 몇 가지 문제는 본 발명을 사용함으로써 해결되었는데, 그 문제는 현재 사용되는 초음파 유량계로부터 트랜스듀서를 제거하거나 수리하는 능력이 파이프 가스 라인을 감압하거나 또는 트랜스듀서 교체(replacement)를 위해 특별한 도구의 사용을 필요로 한다는 점; 및 파이프 내에 함유된 가스와 직접 접촉하고 있지 않은 트랜스듀서가 일반적으로 가스 미터에 대해 빈약한 신호 검출을 초래하는 빈약한 트랜스듀서 성능을 가진다는 점이다. 현재의 초음파 가스 미터는 가스 "습식" 트랜스듀서를 사용하는바, 트랜스듀서 자체는 가스와 직접 접촉하고 있으며 특별한 도구 또는 파이프 내에서의 압력의 제거 없이 제거될 수 없다. 트랜스듀서 하우징의 실장에 의해 생성되는 잡음과 결합된 하우징을 통한 음향 손실이 사용할 수가 없는 음향 신호를 만들기 때문에, 액체 미터에 사용되는 것과 같은 파이프 압력 밖에 트랜스듀서를 집어넣은 전통적인 트랜스듀서 하우징은 사용되지 않았다. 전통적인 트랜스듀서 하우징은 두 가지 이유로 가스 환경에서 작동하지 않는다. 첫째로, 기존의 트랜스듀서 하우징은 가스의 음향 임피던스와 좋지 못하게 정합(match)하는 두꺼운 금속 윈도우를 갖기 때문에, 소리를 가스로 전달하지 못했다. 둘째로, 전통적인 트랜스듀서 하우징은 미터 본체에 엄격하게 부착되어 있다. 이들 엄격한 부착은 미터 본체를 통해 전송되는 소리에 대해 경로를 제공하고, 가스를 통해 전송되지 않음으로써 빈약한 신호대 잡음비를 초래한다.
현재의 초음파 가스 미터는, 황화수소나 다른 오염 물질을 함유할 수 있는 가스에 노출되는 그들의 습식 트랜스듀서(wetted transducer)를 갖고 있다. 황화수소는 시간이 지남에 따라 트랜스듀서 내에서의 전기 및 기계적 접속을 위해 기존의 땜납 조인트 및 에폭시로 만들어진 트랜스듀서를 열화시킬 수 있다. 현재의 초음파 가스 미터에서는, 파이프 압력을 유지하고 가스가 밖으로 누출되는 것을 방지하기 위해 금속 밀봉(metal seal)이 트랜스듀서의 뒤에 배치된다. 그래서 트랜스듀서가 고장나면, 트랜스듀서는 파이프 가스 압력으로 인해 고속으로 유량계의 파열로부터 트랜스듀서를 방지하는 특별한 도구를 사용하여 교체되어야 한다. 이것은, 트랜스듀서가 파이프 가스 압력 하에 발사체(projectile)로 되기 때문에 도구가 부적절하게 취급되면 교체품에 치명적일 수 있다. 게다가, 탈출 가스는 일반적으로 교체품과 근처의 다른 사람에게 극단적인 위험을 제공하는 가연성이 높다. 가스 파이프라인/프로세스가 안전을 이유로 트랜스듀서를 교체하도록 감압되면 파이프라인 흐름이 수익 손실을 발생시키는 것을 중단시킨다.
현재의 가스 미터 트랜스듀서는 모놀리딕 PZT 세라믹 트랜스듀서 또는 톤필즈 트랜스듀서(tonpilz transducer) 중의 하나를 사용한다. 이들 트랜스듀서는, 빈약한 대역폭, 100∼300kHz 주파수 범위에서의 빈약한 신호대 잡음비 및 래디얼 모드(radial mode, 방사 모드), 가스 미터에 대한 바람직한 초음파 동작 주파수로부터 문제가 생긴다. 그 결과, 수신된 신호는 매우 왜곡될 수 있다. 이것은, 가스 유량계의 빈약한 체류 시간(transit time) 측정 및 빈약한 정확성을 초래한다. 현재의 가스 미터는 또한, 트랜스듀서를 둘러싸는 케이스가 금속으로 만들어질 때 습식 트랜스듀서이더라도 부품들 사이에 금속대 금속 접촉을 가지며, 그에 따라 유량계가 시스템의 음향 노이즈로 인한 빈약한 신호대 잡음비로부터 문제가 생길 수 있다.
본 발명은, 정확성과 신뢰성이 필수적인 가스의 측정을 위한 유량계, 하우징 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 정확성과 신뢰성이 필수적인 가스의 측정을 위한 유량계에 관한 것이다. 유량계는, 파이프 내의 가스가 흐르고 복수의 상류 초음파 트랜스듀서와 복수의 하류 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 평면파가 전파되는 파이프에 배치된 채널을 갖는 파이프의 가스 유량을 측정한다. 트랜스듀서의 배열은 두 개의 교차 평면을 정의하지만, 더 많거나 적은 평면을 가질 수 있다. 이 미터의 중요한 특징은, 트랜스듀서 엘리먼트(transducer element)가 특별한 도구없이 그리고 트랜스듀서를 유지하고 파이프 압력을 함유하는 하우징으로 인해 라인을 감압하는 일없이 점검 또는 교체될 수 있다는 것이다.
첨부도면에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 본 발명을 실시하는 바람직한 방법이 설명되어 있다:
도 1은 본 발명의 유량계를 나타낸다.
도 2는 두 개의 교차 평면(A 및 B)의 유량계 상단 부분을 나타낸다.
도 3은 평면 A 또는 평면 B의 하나에 따른 유량계 단면을 나타낸다.
도 4는 가스 미터 배열을 나타낸다.
도 5a는 가스 트랜스듀서를 나타낸다.
도 5b는 가스 트랜스듀서의 분해도를 나타낸다.
도 6은 트랜스포머 응용을 나타낸다.
도 7은 체류 시간 유량계 성능의 실례(demonstration)를 나타낸다.
이제, 동일한 참조 부호가 몇몇 도면, 더 구체적으로는 도 1∼도 3에 걸쳐 유사하거나 동일한 부분을 언급하는 도면을 참조하면, 파이프(12)에서의 가스 유량을 검출하기 위한 유량계(10)가 도시되어 있다. 유량계(10)는 가스가 흐르는 채널(17)을 가진 파이프(12)에 부착되도록 구성된 컨테이너(11), 및 컨테이너(11) 및 복수의 하우징(14)을 통해 확장되는 복수의 리세스(recess; 15)를 구비하고 있다. 각 리세스(15)는 채널(17)의 압력을 함유하는 하우징(14)을 가지고 있다. 각 하우징(14)은 채널(17)과 음향 통신하고 있는 윈도우(24)를 가지고 있다. 유량계(10)는 복수의 트랜스듀서(32)를 구비하되, 복수의 트랜스듀서(32) 중 하나의 트랜스듀서(32)가 각각의 리세스(15)에 배치된다. 트랜스듀서(32)는, 트랜스듀서(32)가 배치된 하우징(14)의 윈도우를 통해 채널(17)로 초음파 신호를 송신하거나 채널(17)로부터 초음파 신호를 수신한다. 유량계(10)는, 트랜스듀서(32)에 의해 송신 및 수신되는 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널(17)을 통한 가스 유량을 결정하는 복수의 트랜스듀서(32)와 전기 통신하고 있는 컨트롤러(20)를 구비하고 있다.
윈도우(24)는 윈도우의 재료에서의 초음파의 1/4 파장보다 적은 두께를 가질 수 있다. 윈도우(24) 두께는 윈도우의 재료에서의 초음파의 대략 1/10 파장일 수 있다. 복수의 트랜스듀서(32) 중 하나의 트랜스듀서(32)는 각 리세스(15)에 배치된 각각의 하우징(14)에 배치될 수 있다. 하우징(14)은 채널(17)의 압력을 함유하는 압력 경계일 수 있으며, 기본적으로는 채널(17)의 가스가 하우징(14)으로 탈출하는 것을 방지할 수 있다. 하우징(14)은 채널(17)과 기밀 밀봉을 형성한다.
트랜스듀서(32)는, 파이프(12)를 감압하거나 채널(17)의 압력을 함유하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서(32)를 제거하는 추출 도구를 사용할 필요 없이, 리세스(15)로부터 제거될 수 있다. 트랜스듀서(32)에 의해 송신 및 수신되는 초음파 신호는 제1 평면에 제1 경로 및 제2 평면에 제2 경로를 정의할 수 있고, 이들 경로는 채널(17)에서 교차하고 있다.
유량계(10)는 트랜스듀서 하우징(14)을 컨테이너(11)로부터 음향적으로 분리하는 음향 아이솔레이터(acoustic isolator; 22)를 포함할 수 있다. 트랜스듀서(32)는 윈도우(24)에 결합될 수 있다. 윈도우(24)는 금속 또는 플라스틱으로 만들어진다. 윈도우(24)는 티타늄, PEEK 또는 PPS로 만들어질 수도 있다.
각각의 트랜스듀서(32)는 1대 .7보다 큰 커플링 계수 및 34 Mrayl보다 적은 음향 임피던스를 갖는 광대역 압전 복합 트랜스듀서(32)일 수 있다.
본 발명은, 도 4에 나타낸 바와 같이 가스가 흐르는 컨테이너(11)의 리세스(15)로 삽입되는 유량계(10)의 초음파 트랜스듀서(32)를 위한 하우징(14)에 관한 것이다. 하우징(14)은 트랜스듀서(32)가 배치되는 쉘(shell; 25)을 구비하고 있다. 쉘(25)은, 외부 표면과, 쉘(25)의 외부 표면으로부터 확장되는 플랜지(flange; 34) 및, 신호가 트랜스듀서(32)에 의해 방출되는 쉘(25)의 단부(end) 가까이에 배치된 복수의 음향 리브(acoustic rib; 26)를 가지고 있다. 쉘은 신호대 잡음비를 100:1 이상으로 향상시키고, 리브는 소리의 모든 비가스 경로(non-gas path)를 적어도 25%까지 감쇠시킨다.
하우징(14)은, 하우징(14)에 대해 배치되되 트랜스듀서(32)가 컨테이너(11)의 리세스(15) 내에 배치될 때 컨테이너(11) 및 하우징(14)과 접촉하는 음향 아이솔레이터(22)를 포함할 수 있는데, 음향 아이솔레이터(22)가 컨테이너(11)와 하우징(14) 사이에 배치됨으로써 하우징(14)은 컨테이너(11)와 접촉하지 않는다. 음향 아이솔레이터(22)는 하우징(14)의 플랜지(34)에 대해 배치된 디스크를 포함할 수 있다. 디스크는 플라스틱, 유리 기포 강화 플라스틱(syntactic foam) 또는 고무로 만들어질 수 있다. 임피던스 정합 재료(impedance matching material)는 트랜스듀서(32)로부터의 신호의 가스로의 전송을 향상시키기 위해 외부 표면에 사용하지 않지만, 윈도우(24)를 음향적으로 투명하게 만드는 ¼ 파장보다 적은 윈도우(24) 두께를 사용한다. 하우징(14)과 컨테이너(11) 사이에는 금속대 금속 접촉이 없을 수도 있다.
본 발명은, 파이프(12)에서의 가스 유량을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 각 리세스(15) 내에 배치된 복수의 트랜스듀서(32) 중 하나의 트랜스듀서(32) 및 채널(17)과 음향 통신하고 있는 윈도우(24)를 이용하여, 파이프(12)에 부착된 컨테이너(11)에 설치된 리세스(15) 내에 배치된 복수의 트랜스듀서(32)로부터 각 리세스(15)의 금속으로 만들어진 윈도우(24)를 통해 가스가 흐르는 컨테이너(11)의 채널(17)로 초음파 신호를 전송하는 단계를 구비하고 있다. 리세스(15) 내의 트랜스듀서(32)에 의해 윈도우(24)를 통해 채널(17)로부터 초음파 신호를 수신하는 단계가 있다. 복수의 트랜스듀서(32)와 전기 통신하고 있는 컨트롤러(20)를 이용하여 트랜스듀서(32)에 의해 송신되고 트랜스듀서(32)에 의해 수신된 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널(17)을 통한 가스 유량을 결정하는 단계가 있다.
윈도우(24)는, 채널(17)에 압력을 함유하며 채널(17) 내의 가스가 하우징(14)으로 탈출하는 것을 방지하는 압력 경계일 수 있고, 윈도우(24)는 하우징(14)과 기밀 밀봉을 형성하며, 채널(17)을 감압하는 일없이 또는 채널(17)의 압력을 함유하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서(32)를 제거하는 추출 도구를 사용하는 일없이 트랜스듀서(32)를 교체하는 단계가 있을 수 있다.
송신하는 단계는 채널(17) 내에서 교차하는 제1 평면의 제1 경로 및 제2 평면의 제2 경로를 따라 트랜스듀서(32)에 의해 초음파 신호를 송신하는 단계를 포함할 수 있고, 수신하는 단계는 제1 경로 및 제2 경로로부터 트랜스듀서(32)에 의해 초음파 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 음향 아이솔레이터(22)를 이용하여 트랜스듀서(32)가 리세스(15) 내에 배치되어 있는 하우징(14)을 컨테이너(11)로부터 음향적으로 분리하는 단계가 있을 수 있다. 윈도우(24)와 접촉하고 있는 트랜스듀서(32)를 유지하도록 트랜스듀서(32)에 힘을 인가하는 단계가 있을 수 있다.
송신하는 단계는, 채널(17)을 통해 전파되어 하류 초음파 트랜스듀서(32)에 의해 수신되는 제1 경로 평면파를 상류 초음파 트랜스듀서(32)로 발생시키는 단계; 하류 트랜스듀서(18)가 수신하는 평면파로부터 하류 트랜스듀서(18)로 하류 트랜스듀서(18) 신호를 생성하는 단계; 채널(17)을 통해 전파되어 제1 경로의 상류 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되는 제1 경로 평면파를 하류 초음파 트랜스듀서로 발생시키는 단계; 상류 트랜스듀서(16)가 수신하는 평면파로부터 상류 트랜스듀서(16)로 상류 트랜스듀서(16) 신호를 생성하는 단계; 및 상류 트랜스듀서(16) 및 하류 트랜스듀서(18)에 의해 발생 및 수신된 신호의 체류 시간으로부터 가스 유량을 컨트롤러(20)로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
교체 단계는, 트랜스듀서(32)가 컨테이너(11)로부터 고정되지 않을 수 있고 채널(17) 내의 가스가 컨테이너(11)에 대해 외부 환경으로 누출하는 일없이 인클로저(enclosure)를 채우도록 하는 기밀한 압력-베어링 인클로저(pressure-bearing enclosure)를 제공하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서(32)를 제거하는 추출 도구를 사용하는 일없이 트랜스듀서(32)를 교체하는 단계를 포함할 수 있다. 교체 단계는, 트랜스듀서(32)가 제거됨으로써 추출 도구 내의 인클로저가 구부러지도록 하는 리세스(15)를 밀봉하기 위해 밸브를 사용하는 일없이 트랜스듀서(32)를 교체하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명과는 달리, 트랜스듀서 자체가 가스 속에 담그어지는 설계에 있어서, 추출 도구는 다음과 같은 기능을 수행한다:
1. 트랜스듀서 어셈블리의 외부가 컨테이너에서 풀려질 수 있는 기밀 압력 베어링 인클로저(따라서 통상의 압력 장벽을 깸)를 제공하고, 폐쇄된 가스가 외부 환경으로 누출되는 일없이 추출 도구 인클로저를 가득 채우도록 한다.
2. 추출 기구 내에서 트랜스듀서 어셈블리를 빼내는 수단을 제공한다.
3. 트랜스듀서 어셈블리의 제거에 의해 빈 개구부를 폐쇄하는 수단, 일반적으로는 밸브를 제공함으로써, 추출 도구 내의 밀폐된 공간이 환기되고 밀폐된 (짐작컨대 결함이 있는) 트랜스듀서 어셈블리가 제거되도록 한다.
4. 추출 도구의 밀폐된 공간 내에 완전히 기능적인 트랜스듀서 어셈블리를 제자리에 집어넣는 방법을 제공한다.
5. 컨테이너에 새로운 트랜스듀서를 삽입하고 그것을 제자리에 고정하며 견고성이 있는지 트랜스듀서 어셈블리/컨테이너 조인트를 테스트하는 방법을 제공하고, 그 결과로서 추출 도구는 제거될 수 있다.
본 발명은, 도 5에 나타낸 바와 같이 초음파 유량계(10)를 위한 트랜스듀서(32)에 관한 것이다. 트랜스듀서(32)는 케이스(58)를 구비하고 있다. 트랜스듀서(32)는 케이스(58)에 배치되되 1대 .7보다 큰 커플링 계수 및 34 Mrayl보다 적은 음향 임피던스를 갖는 광대역 압전 복합 재료(50)를 구비하고 있다.
트랜스듀서(32)는 트랜스듀서의 전기 임피던스와 정합하는 트랜스포머(30)를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 여기에 개시된 하우징(14) 및 트랜스듀서(32)뿐만 아니라 여기에 개시된 전반적인 기술은 리세스(15)가 파이프(12)에 형성되어 있는 파이프(12)에 직접 적용될 수 있고, 트랜스듀서(32)를 갖춘 하우징(14)은 파이프(12) 자체에 형성된 리세스(15)에 삽입된다.
본 발명의 동작에서, 유량계(10)는 초음파 체류 시간 기술로 가스 유량을 측정할 수 있다. 이 출원은 특히 천연 가스 측정에 적용된다. 유량계(10)의 신규한 국면은, 윈도우(24) 재료의 초음파의 파장의 1/10보다 적은 압력 함유 윈도우(24)를 가지고 있지만 강도와 견고성을 준수함에도 불구하고 그 외관의 가스의 충분한 압력에 의해 요구 사항이 부과되는 트랜스듀서 하우징(14)이다. 바람직한 윈도우(24)는 티타늄 윈도우(24)이다. 티타늄 윈도우(24)는 거의 음향적으로 투명하도록 충분히 얇은 바, 이것은 황화수소 또는 기타 오염 물질을 포함할 수 있는 천연 가스로부터 기밀 밀봉(hermetic seal)의 역할을 하며, 이것은 파이프(12)에서의 가스에 대한 압력 장벽으로서 기능한다. 재료에서의 소리의 속도가 6070 m/s일 때 200 kHz에서의 티타늄의 파장(λ)은 30.35 mm이다. 티타늄 윈도우(24)는 티타늄 트랜스듀서 하우징(14)에 레이저 용접된다. 레이저 용접은 토치 용접에 비해 낮은 열처리이므로, λ/10의 두꺼운(3mm) 티타늄 윈도우(24)의 하우징(14)에 대한 기계적 건전성(mechanical integrity)에 손상이 없다. 윈도우(24)는 가압된 가스로부터의 압력 장벽으로 됨으로써 트랜스듀서 하우징(14)의 기계적 건전성을 유지하는 역할을 한다. 전형적인 동작 압력 등급(rating)은 475 psi(ANSI 150) 이하로부터 3,705 psi(ANSI 1500)까지이다. 동작 온도는 -40 C로부터 100 C까지이다. 가스 유량계는 라인을 감압하지 않고 교체가능한 트랜스듀서(32)를 가지고 있다. 모든 트랜스듀서 하우징(14)은 트랜스듀서 하우징(14)의 음향 노이즈를 분리 및 소거하고 트랜스듀서 하우징(14) 공명을 브레이크업(breakup)시키도록 λ/8∼λ/4 이격되어 있는 음향 리브(26)를 가지고 있다. 게다가, 모든 트랜스듀서 하우징(14)은 음향 아이솔레이터(22)에 의해 미터 본체로부터 음향적으로 분리되어 있다.
특별한 트랜스듀서(32)는 복합적인 압전 기술을 이용하여 제작되었다. 복합적인 압전 재료는 0.75의 kt 및 17 Mrayl의 낮은 Z를 가진다. 이것은 정확한 시간 측정을 위해 쉽게 검출가능한 상승 에지에 대한 광대역 성능을 가능하게 한다. 각 트랜스듀서(32)는 신호 강도를 17dB만큼 향상시키는 7:1 임피던스 정합 트랜스포머(30)를 사용한다. 이러한 트랜스듀서 배열은 티타늄 윈도우(24)에 연결되고, 3,705 psi보다 큰 압력 장벽으로서 윈도우(24)를 사용하는 초음파 가스 미터의 성능을 위해서는 λ/10가 바람직하다.
파이프(12)의 가스 유량을 검출하기 위한 유량계(10)는, 바람직하게는 파이프(12)에서의 가스가 흐르는 파이프(12) 내에 배치된 다수의 경로를 포함하고 있다. 상류 트랜스듀서(upstream transducer; 16)는 트랜스듀서 하우징(14) 내의 티타늄 윈도우(24)와 접촉하고 있고, 상류 트랜스듀서(16)에 의해 발생된 평면파가 채널(17)을 통해 전파되도록 배치되어 있다. 하류 트랜스듀서(downstream transducer; 18)는 파이프(12)로부터 음향적으로 분리되어 있고, 하류 트랜스듀서(18)에 의해 발생된 평면파가 채널(17)을 통해 전파되도록 배치되어 있으며, 컨트롤러(20)에 제공되는 상류 트랜스듀서(16) 신호를 생성하는 상류 트랜스듀서(16)에 의해 수신된다. 하류 트랜스듀서(18)는 상류 트랜스듀서(16)로부터 평면파를 수신하고, 컨트롤러(20)로 제공되는 하류 트랜스듀서(18) 신호를 제공한다. 유량계(10)는, 트랜스듀서에 의해 송신되고 트랜스듀서에 의해 수신되는 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널(17)을 통한 가스 유량을 결정하는 상류 및 하류 트랜스듀서(16, 18)와 통신하고 있는, 컨트롤러(20)로서 알려진 신호 프로세서를 포함하고 있다.
도 1∼도 3을 참조하면, 유량계(10)는 파이프(12)에서의 가스가 흐르는 파이프(12) 내에 배치된 채널(17)을 구비하고 있다. 유량계(10)는 다수의 경로를 구비하고 있다. 트랜스듀서 하우징(14) 내의 다수의 상류 초음파 트랜스듀서(16)는 음향파가프(12)로부터 음향적으로 분리되고, 상류 트랜스듀서(16)에 의해 발생된 평면파가 채널(17)을 통해 전파되도록 배치되어 있다. 각 경로는 파이프(12)로부터 음향적으로 분리된 트랜스듀서 하우징(14) 내에 하류 초음파 트랜스듀서(18)를 구비하고 있고, 하류 트랜스듀서(18)에 의해 생성된 평면파가 채널(17)을 통해 전파되도록 배치되어 있으며, 상류 트랜스듀서(16) 신호를 생성하는 상류 트랜스듀서(16)에 의해 수신된다. 하류 트랜스듀서(18)는 상류 트랜스듀서(16)로부터 평면파를 수신하고, 하류 트랜스듀서(18) 신호를 제공한다. 유량계(10)는, 트랜스듀서에 의해 송신되고 트랜스듀서에 의해 수신되는 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널(17)을 통한 가스 유량을 결정하는 상류 및 하류 트랜스듀서(16, 18)와 통신하고 있는 컨트롤러(20)를 구비하고 있다.
트랜스듀서 하우징(14)은 바람직하게는 황화수소와 같은 천연 가스 오염 물질에 대한 내식성이 있는 티타늄으로 만들어진다. 상류 트랜스듀서(16) 및 하류 트랜스듀서(18)는 트랜스듀서 하우징(14) 내의 윈도우(24)에 결합되어 있다. 트랜스듀서 하우징(14)은 파이프(12)와 접촉하고 있는 음향 아이솔레이터(22)에 의해 음향적으로 분리된다. 윈도우(24)는 파이프(12)의 가스가 트랜스듀서 하우징(14)으로 누설되는 것을 방지하기 위해 트랜스듀서 하우징(14)과 밀봉을 형성한다. 트랜스듀서 하우징(14)을 포함하고 있는 윈도우(24)는 황화수소가 내부로 누설될 수 없도록 레이저 용접을 통해 밀봉되어 있다. 트랜스듀서(32)는, 접촉 매질, 바람직하게는 실리콘 그리스를 사용하여 음향 윈도우(24)에 결합된다. 스프링 어셈블리(28)는 초음파 신호를 더 효과적으로 윈도우(24)에 결합하기 위해 트랜스듀서(32)에 압력을 인가한다. 스페이서(38) 및 압축 너트(40)는 적어도 100 psi가 트랜스듀서(32)에 인가되도록 스프링 어셈블리(28)를 압축한다. O-링(42)은 트랜스듀서 하우징(14)과 파이프(12) 사이에 또 다른 기밀 밀봉을 만들기 위해 트랜스듀서 하우징(14)과 부싱(44) 주위에 배치된다. 부싱(44)은 트랜스듀서 하우징(14)에 대해 기계적 지지를 제공하고, 컨테이너(11) 내에 트랜스듀서 하우징(14)을 배치한다. 로드 너트(46) 및 잠금 너트(48)는 음향 아이솔레이터(22)에 압력을 인가함으로써 컨테이너(11)에 트랜스듀서 하우징(14)을 고정하고 트랜스듀서 하우징(14)이 파이프 압력 하에 컨테이너(11)의 밖으로 강요되는 것을 방지한다. 트랜스듀서 하우징(14)과 로드 너트(46) 및 잠금 너트(48) 사이에 반경방향으로 배치된 가스 갭(gas gap)이 있기 때문에, 컨테이너(11)와 트랜스듀서 하우징(14) 사이에 금속대 금속 접촉이 존재하지 않게 된다. 기본적으로는, 채널(17)을 갖춘 컨테이너(11)는 파이프(12)의 확장이며, 본 발명에 관한 모든 의도와 목적을 위해 파이프(12)의 일부로 간주된다는 점에 주목해야 한다.
도 5에 나타낸 것은, 웨어페이스(wearface; 56), 압전 복합 재료(piezocomposite; 50) 및 지연 라인(36)으로 구성된 트랜스듀서(32)로서 로드 실린더(52) 및 캡(54)을 갖춘 황동 케이스(58)에 포트(pot)되어 있다. 웨어페이스(56)는 임피던스 정합 재료, 바람직하게는 약 3.64 gm/㎤의 밀도, 1000 Knoop보다 큰 경도 및 두께≪λ를 갖는 96% 이상의 고순도 알루미나(A1203)로 만들어진다. 압전 복합 재료(50)는 바람직하게는 PZT-5H 및 에폭시(스마트 머터리얼 인코포레이티드, 사라소타, FL)로부터 만들어진 1-3 복합 재료이다. PZT-5H의 부피율(volume fraction)은 약 50%이고 이것은 높은 커플링 계수, 1대 .75의 Kt를 생성한다. 이것은 초음파 신호대 잡음비를 향상시키기 때문에 높은 결합 계수를 갖는 것은 필수적이다. Z = ρv(여기서 밀도 ρ(kg/m) 및 속도 v(m/s))로서 알려진 음향 임피던스는 약 17 Mrayl이다. 지연 라인(36)은, 반사 지연 라인(36)으로서 그리고 음향 감쇠기로서의 두 가지 목적을 제공한다. 지연 라인(36)은 낮은 부피율, 전형적으로 15%에서의 에폭시로 가득 채워진 금속 충전재(metal filing)로 만들어진다. 지연 라인(36)은 반사가 압전 소자로부터 떨어진 수개의 파장 이상이도록 충분히 길다. 지연 라인(36)에 대한 소리의 전형적인 속도는 1277 m/s이다. 200 kHz에서의 지연 라인(36)의 파장은 6.3 mm이다. 이 출원에 대한 지연 라인(36)의 전형적인 길이는 32 mm이다. 그러므로, 일단 신호가 트랜스듀서(32)에 의해 수신되면 반사가 트랜스듀서(32)에 의한 반향(reverberation)으로서 수신되기 전에 반사에 지연 라인(36)의 시간의 두 배의 시간이 걸린다. 이 경우, 반사는 검출가능한 신호보다 후에 50 ㎲ 동안 발생한다. 지연 라인(36)에서의 감쇠는 전형적으로 2.29 dB/cm이고, 그에 따라 반사된 신호의 왕복 감쇠는 14.65 dB로 될 것이다. 압전 복합 재료(50)에 전기적 접속을 만들기 위해서, (+) 와이어(60) 및 (-) 와이어(62)가 실버 에폭시를 사용하여 압전 복합 재료(50)에 접합된 실버 호일(silver foil, 은박)에 납땜된다. 전체 트랜스듀서(32)는 모든 컴포넌트를 캡슐화하고 절연하기 위해 비전도성 에폭시로 포트되어 있다.
미터의 특정 동작 조건에 따라, 주파수의 범위는 100 kHz로부터 500 kHz까지 사용될 수 있다. 광대역 복합 트랜스듀서(32)는 가스를 측정하기 위해 사용된다. 가스 응용과는 달리, 유량 > 60피트/s가 존재할 때 음파는 흐름에 의해 왜곡되고 파면(wave front)은 트랜스듀서(32)에 의해 수신된다. 광대역 복합 트랜스듀서(32)가 전형적인 협대역 모놀리딕 PZT 트랜스듀서 또는 톤필즈 트랜스듀서 대신 사용되면, 수신된 음향파의 왜곡이 적다. 상류 및 하류 체류 시간 신호는 컨트롤러(20)에 의해 유량 측정을 하기 위해 검출된다. 복합 트랜스듀서(32)는, 더 정확한 체류 시간 측정을 산출하는 컨트롤러(20)에 의해 더 정확하게 검출될 수 있는 수신된 초음파 펄스의 상승 에지를 갖고 있다.
전기 트랜스포머(30)는, 트랜스듀서(32)의 전기 임피던스를 전자 및 케이블의 전기 임피던스와 정합시키기 위해 각 트랜스듀서(32)와 직렬로 집어넣어져 있다(도 6). 전자는 트랜스포머(L1)와 직렬로 AC 전압(V)에 의해 표시되어 있고, 트랜스포머의 제1 권선 및 트랜스듀서의 임피던스(Z)는 트랜스포머(L2)의 제2 권선과 직렬로 되어 있다. 등가 회로는, 전자 장치, V가 트랜스듀서의 임피던스(Z)와 직접 직렬로 되어 있고, 임피던스는 턴(turn)의 수의 제곱(N2)에 의해 감소된다. 각 트랜스듀서(32)의 전기 임피던스(4900 Ω)는 100 Ω 송신 및 수신 전자 장치와 정합하기 위해 49∼100 Ω에 의해 N2으로 감소된다. 각 트랜스듀서(32)는 웨어페이스(56)가 윈도우(24)에 충분한 기계적 접촉을 만들도록 하기 위해 트랜스듀서 하우징(14) 내부의 스프링 어셈블리(28)에 의해 로드된 스프링이다. 그리스는 윈도우(24)-트랜스듀서(32)의 음향 결합을 위해 사용된다.
트랜스듀서 하우징(14)은 음향 리브(26), 음향 아이솔레이터(22), 및 윈도우(24)를 가지고 있다. 음향 리브(26)는 음향 노이즈를 소거하기 위해 λ/4∼λ/8 이격되어 있다. 윈도우(24)에 결합되어 있는 초음파 트랜스듀서(32)의 여기(excitation) 중에, 낮은 진폭의 음향파가 트랜스듀서 하우징(14)을 따라 가로나 전단 전파된다. 파는 파동 방정식(wave equation)에 따라 전파된다:
Figure pct00001
가로나 전단 파(shear wave)가 리브 인터페이스로부터 반사되어 그 위상이 ω = π 또는 180도 ∼ t = T/2 또는 x = λ/2로 변화할 때, 파괴적으로 소거하기 위해 들어오는 파와 간섭한다. 그러므로,
Figure pct00002
트랜스듀서 하우징(14)에서 발생된 주변 노이즈(ambient noise, 주변 잡음)은 많은 주파수와 진폭에 있을 수 있기 때문에, 소거가 완료되지 않는다. 잡음 제거는 10dB까지 수신된 초음파 신호의 신호대 잡음비를 향상시킨다.
음향 아이솔레이터(22)는 바람직하게는 플랜지(34) 사이의 트랜스듀서 하우징(14) 주위에 설치된 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 디스크(두께> λ)로 만들어진다. 다른 낮은 음향 임피던스 재료, 예를 들어 유리 기포(氣泡) 강화 플라스틱(syntactic foam)이 사용될 수 있다. 음향 아이솔레이터(22)는 파이프(12)와 접촉하고 있지만 플랜지(34)는 아니다. 노이즈 감쇠로부터의 총 노이즈 손실은 다음의 공식을 사용하는 전송 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00003
여기서 Po는 압력 출력이고, Pin은 압력 입력이며, Zpeek, PEEK의 음향 임피던스는 3 Mrayl이고, Zsteel, 강철의 음향 임피던스는 45 Mrayl이며, ZTi, 티타늄의 음향 임피던스는 30 Mrayl이다. 손실 계산은 22dB이지만, PEEK, 강철 및 티타늄 부품이 함께 압축되고 기계적으로 결합되지 않기 때문에 더 많은 손실이 가능하다.
윈도우(24)는 동작 주파수에서 가상적으로 음향적으로 투명하게 되도록 덜 두꺼운 파장을 갖는다. 전송 라인 이론에 따르면, 물질의 음향 임피던스가 그 음향 임피던스에 더 가까워질수록 물질은 더 얇아지게 된다. 티타늄 윈도우의 두께(l)가 티타늄의 λ/10일 때, 음향 에너지는 신호 왜곡없이 가스로 윈도우(24)를 통해 송신된다. 전송 라인 이론에 대한 방정식은:
Figure pct00004
이다.
ZA : 공기의 음향 임피던스
ZTi : 티탄의 음향 임피던스
ZW : 두께 l의 윈도우(24)의 음향 임피던스
CTi : 티타늄에서의 소리의 속도
F : 초음파의 주파수
λ = CTi/f : 티타늄에서의 파장
β = 2π/λ
티타늄은 강철(가스 파이프의 전형적인 재료)보다 낮은 음향 임피던스를 갖기 때문에, 황화수소 및 기타 오염 물질에 내성이 있는 가장 좋은 금속을 음향적으로 사용한다.
이 초음파 유량계 배열(10)은 각각이 트랜스듀서 하우징(14) 내에 있는 다수의 트랜스듀서(32)를 사용하고, 정확하게 파이프(12)에서의 속도 프로파일을 정확하게 샘플링하기 위해 수치 적분 규칙에 따라 간격을 두고 분포된 다수의 현모양의 경로(chordal path)가 있다. 경로는 가스 흐름으로부터 상류에 있는 하나의 트랜스듀서(32) 및 가스 흐름으로부터 하류에 있는 또 다른 트랜스듀서(32)로 구성되고, 양 트랜스듀서(32)는 신호를 송신 및 수신한다. 상류와 하류 신호 사이의 체류 시간의 차이는 경로(path)당 속도를 계산하는데 사용된다. 경로 속도는 유량을 계산하기 위해 컨트롤러(20)에 의해 적분된다. 이들 방정식은 마하수(Mach number)에 대해 수정될 수 있다.
C >> V에 대해:
L : 경로 길이
Lchord : 현모양의 경로 길이
vaxial : 축방향 가스 속도
Q : 체적 흐름(Volume flow)
D : 개구부의 직경
φ : 경로 각도
t1 : 상류 체류 시간
t2 : 하류 체류 시간
Δt : t2 - t1
Vpath : 경로당 가스 속도
wi : 경로당 가중 계수
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
체적 흐름을 직접 측정하기 위해서, 하나는 파이프(12) 축에 수직한 단면에 걸쳐 축방향 유체 속도를 적분해야 한다. 가스에서의 소리의 속도 및 가스 속도에 대해 풀기 위해서, 상류 및 하류 체류 시간은 컨트롤러(20)을 통해 측정될 필요가 있다. 컨트롤러(20)는 경로 길이당 상류 및 하류 체류 시간 사이의 체류 시간의 차를 계산한다. VaxialLchord 곱(product)은 정확하게 코드 위치에서의 Vaxialdy의 선 적분이다. VaxialLchord 곱은 파이프(12)의 단면을 평면당 네 개의 세그먼트로 효과적으로 나누는, 도 3에서의 각 위치 x1, x2, x3, x4에 대해 계산된다. 각 세그먼트의 유효 폭은 x축을 따라 측정된 내부 직경(D)의 일부이다. 르쟝드르 나 자코비안/체비체프(Chebychev) 간격 또는 가중치(weighting)의 어느 하나가 현모양의 유량계를 위해 사용되고, 경로 위치 y, 및 가중 계수 w가 임의로 선택되지 않았지만 수치 적분 규칙을 준수한다. 간격은 파이프(12)의 중심으로부터 측정되고, 간격 y1, y2, -y1, -y2는 가중 계수와 함께 표 1에 나타내어져 있다. 각 코드의 길이는 계산 또는 측정으로 알려져 있다.
표 1 : 유량계 경로 간격 및 가중 인자
위치
y-축		 르쟝드르
간격		 르쟝드르
가중치		 자코비안/체비체프
간격		 자코비안/체비체프
가중치
y1 .34 * 직경/2 .77 .30 * 직경/2 .72
y2 .86 * 직경/2 .22 .80 * 직경/2 .27
-y1 -.34 * 직경/2 .77 -.30 * 직경/2 .72
-y2 -.86 * 직경/2 .22 -.80 * 직경/2 .27
흐름 Q는 지금은 다음의 방정식에 의해 계산될 수 있다:
Q = D [w1 Lchord1 vaxial1 + w2 Lchord2 vaxial2 + w3 Lchord3 vaxial3 + w4 Lchord4 vaxial4]
여기서 w1 = w4 및 w2 = w4, Lchord1 = Lchord4, Lchord2 = Lchord3.
여덟 개의 경로를 갖는 24인치 직경(21.56" ID) 초음파 가스 유량계(10)가 이 발명에서 설명된 바와 같이 제작되었고, 아이오와의 CEESI 가스 교정 시설에서 알려진 표준으로 교정되었다. 결과(도 5)는 퍼센트(%) 에러를 2 ft/s로부터 100 ft/s까지의 속도의 범위의 함수로서 나타낸다. 타고난 선형성(native linearity; 즉, 보정없이 24인치 미터 선형성)은 +/- 0.175% 만으로 되도록 결정되었다. 파이프(12)는 ASME B31.3 프로세스 파이핑 코드(Process Piping Code)에 따라 탄소강으로부터 제작된다. 컨트롤러(20)는 UL/cUL 등급 1, 구분 1, 그룹 C & D를 준수하여 설계된다.
미터 사이즈, 유량 및 유속은 표 2에 설명되어 있다. 나타낸 유량은 스케줄 40 파이프 ID에 기초를 두고 있다. 오버-레인지(over-range, 범위 초과) 유량은 120 fps에 있다.
표 2: 미터 사이즈, 유량 및 유속
미터 사이즈
 유량 - ft3/hr
 유속 - m3/hr
인치 DN Min Max 오버-레인지 Min Max 오버-레인지
8 200 2,500 125,000 150,000 71 3,550 4,250
10 250 3,950 197,000 237,000 110 5,580 6,700
12 300 5,600 280,000 336,000 160 7,900 9,500
16 400 8,850 442,000 530,000 250 12,500 15,000
20 500 13,900 695,000 834,000 400 19,700 23,600
24 600 20,100 1,010,000 1,210,000 570 28,500 34,200
본 발명은 설명을 목적으로 전술한 실시예에 자세히 설명되어 있지만, 이러한 상세한 설명은 그 목적을 위해서만 개시된 것이고, 다음의 특허청구범위에 의해 설명될 수 있는 것과 같은 것을 제외하고 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하는 일없이 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 안에서 변형이 만들어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (28)

  1. 가스가 흐르는 채널을 가진 파이프에 부착되도록 구성된 컨테이너, 및 컨테이너와 복수의 하우징을 통해 확장된 복수의 리세스;
    복수의 트랜스듀서; 및
    트랜스듀서에 의해 송신 및 수신되는 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널을 통한 가스 유량을 결정하는 복수의 트랜스듀서와 전기 통신하고 있는 컨트롤러를 구비하되,
    각 리세스는 채널의 압력을 함유하는 하우징을 가지고 있고, 각 하우징은 채널과 음향 통신하고 있는 윈도우를 가지고 있으며,
    복수의 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서는 각각의 리세스에 배치되고, 트랜스듀서는 트랜스듀서가 배치된 하우징의 윈도우를 통해 채널로 초음파 신호를 송신하거나 채널로부터 초음파 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 윈도우가 윈도우의 재료에서의 초음파의 1/4 파장보다 적은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  3. 제2항에 있어서, 윈도우 두께가 윈도우의 재료에서의 초음파의 대략 1/10 파장인 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  4. 제3항에 있어서, 복수의 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서가 각 리세스에 배치된 각각의 하우징에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  5. 제4항에 있어서, 하우징은 채널의 압력을 함유하는 압력 경계로서, 기본적으로는 채널의 가스가 하우징으로 탈출하는 것을 방지하며, 하우징은 채널과 기밀 밀봉을 형성하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  6. 제5항에 있어서, 트랜스듀서가, 파이프를 감압하거나 채널의 압력을 함유하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서를 제거하는 추출 도구를 사용할 필요 없이, 리세스로부터 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  7. 제6항에 있어서, 트랜스듀서에 의해 송신 및 수신되는 초음파 신호는 제1 평면에 제1 경로 및 제2 평면에 제2 경로를 정의할 수 있고, 이들 경로는 채널에서 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  8. 제7항에 있어서, 트랜스듀서 하우징을 컨테이너로부터 음향적으로 분리하는 음향 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  9. 제8항에 있어서, 트랜스듀서가 윈도우에 결합되는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  10. 제9항에 있어서, 윈도우가 금속 또는 플라스틱으로 만들어진 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  11. 제10항에 있어서, 윈도우가 티타늄, PEEK 또는 PPS로 만들어진 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 트랜스듀서가 1대 .7보다 큰 커플링 계수 및 34 Mrayl보다 적은 음향 임피던스를 갖는 광대역 압전 복합 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하기 위한 유량계.
  13. 가스가 흐르는 컨테이너의 리세스로 삽입되는 유량계의 초음파 트랜스듀서를 위한 하우징으로서,
    트랜스듀서가 배치되는 쉘을 구비하되, 셀이 외부 표면과, 쉘의 외부 표면으로부터 확장되는 플랜지 및, 신호가 트랜스듀서에 의해 방출되는 쉘의 단부 가까이에 배치된 복수의 음향 리브를 가지고 있으며, 쉘은 신호대 잡음비를 100:1 이상으로 향상시키고, 리브는 소리의 모든 비가스 경로를 적어도 25%까지 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 하우징.
  14. 제13항에 있어서, 하우징에 대해 배치되고, 트랜스듀서가 컨테이너의 리세스 내에 배치될 때 컨테이너 및 하우징과 접촉하는 음향 아이솔레이터를 포함하되, 음향 아이솔레이터가 컨테이너와 하우징 사이에 배치됨으로써 하우징이 컨테이너와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 하우징.
  15. 제14항에 있어서, 음향 아이솔레이터가 하우징의 플랜지에 대해 배치된 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
  16. 제15항에 있어서, 디스크가 플라스틱, 유리 기포 강화 플라스틱 또는 고무로 만들어진 것을 특징으로 하는 하우징.
  17. 제16항에 있어서, 임피던스 정합 재료는 트랜스듀서로부터의 신호의 가스로의 전송을 향상시키기 위해 외부 표면에 사용하지 않지만, 윈도우를 음향적으로 투명하게 만드는 ¼ 파장보다 적은 윈도우 두께를 사용하는 것을 특징으로 하는 하우징.
  18. 제17항에 있어서, 하우징과 컨테이너 사이에 금속대 금속 접촉이 없는 것을 특징으로 하는 하우징.
  19. 각 리세스 내에 배치된 복수의 트랜스듀서 중 하나의 트랜스듀서 및 채널과 음향 통신하고 있는 윈도우를 이용하여, 파이프에 부착된 컨테이너에 설치된 리세스 내에 배치된 복수의 트랜스듀서로부터 각 리세스의 금속으로 만들어진 윈도우를 통해 가스가 흐르는 컨테이너의 채널로 초음파 신호를 송신하는 단계;
    리세스 내의 트랜스듀서에 의해 윈도우를 통해 채널로부터 초음파 신호를 수신하는 단계; 및
    복수의 트랜스듀서와 전기 통신하고 있는 컨트롤러를 이용하여 트랜스듀서에 의해 송신되고 트랜스듀서에 의해 수신된 신호의 체류 시간을 측정함으로써 채널을 통한 가스 유량을 결정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 윈도우는 채널에 압력을 함유하며 채널 내의 가스가 하우징으로 탈출하는 것을 방지하는 압력 경계이고, 윈도우는 하우징과 기밀 밀봉을 형성하며, 채널을 감압하는 일없이 또는 채널의 압력을 함유하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서를 제거하는 추출 도구를 사용하는 일없이 트랜스듀서를 교체하는 단계가 있는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 송신하는 단계는 채널 내에서 교차하는 제1 평면의 제1 경로 및 제2 평면의 제2 경로를 따라 트랜스듀서에 의해 초음파 신호를 송신하는 단계를 포함하고, 수신하는 단계는 제1 경로 및 제2 경로로부터 트랜스듀서에 의해 초음파 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 음향 아이솔레이터를 이용하여 트랜스듀서가 리세스 내에 배치되어 있는 하우징을 컨테이너로부터 음향적으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 윈도우와 접촉하고 있는 트랜스듀서를 유지하도록 트랜스듀서에 힘을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 송신하는 단계는,
    채널을 통해 전파되어 하류 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되는 제1 경로 평면파를 상류 초음파 트랜스듀서로 발생시키는 단계;
    하류 트랜스듀서가 수신하는 평면파로부터 하류 트랜스듀서로 하류 트랜스듀서 신호를 생성하는 단계;
    채널을 통해 전파되어 제1 경로의 상류 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되는 제1 경로 평면파를 하류 초음파 트랜스듀서로 발생시키는 단계;
    상류 트랜스듀서가 수신하는 평면파로부터 상류 트랜스듀서로 상류 트랜스듀서 신호를 생성하는 단계; 및
    상류 트랜스듀서 및 하류 트랜스듀서에 의해 발생 및 수신된 신호의 체류 시간으로부터 가스 유량을 컨트롤러로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 교체 단계는, 트랜스듀서가 컨테이너로부터 고정되지 않고 채널 내의 가스가 컨테이너에 대해 외부 환경으로 누출하는 일없이 인클로저를 채우도록 하는 기밀한 압력-베어링 인클로저를 제공하는 압력 함유 컴포넌트를 통해 트랜스듀서를 제거하는 추출 도구를 사용하는 일없이 트랜스듀서를 교체하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 교체 단계는, 트랜스듀서가 제거됨으로써 추출 도구 내의 인클로저가 구부러지도록 하는 리세스를 밀봉하기 위해 밸브를 사용하는 일없이 트랜스듀서를 교체하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 가스 유량을 검출하는 방법.
  27. 초음파 유량계용의 트랜스듀서로서,
    케이스; 및
    1대 .7보다 큰 커플링 계수 및 34 Mrayl보다 적은 음향 임피던스를 갖는 광대역 압전 복합 트랜스듀서를 구비한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
  28. 제27항에 있어서, 트랜스듀서의 전기 임피던스와 정합하는 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
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