KR100298474B1 - 초음파유속측정방법 - Google Patents

Abstract

초음파 전파시간차 방법으로 하천, 개수로, 대구경 파이프관에서 유속을 측정하는 경우 초음파 펄스를 발사수신하여 초음파 전파시간을 측정하지 않으며 초음파 연속싸인파를 일정한 주파수로 진폭변조하여 발사수신하면서 진폭변조파을 초음파 전파시간 측정에 사용하며 초음파 위상차 방법으로 유속(특히 기체의)을 측정하는 경우 유속방향과 반대방향으로 전파한 초음파 신호간의 위상차가되는 경우 초음파를 일정한 주파수으로 진폭변조하여신호를 이용하여를 구하고되는 부분은신호간의 위상차를 구하여 총 위상차

Description

초음파 유속측정방법

본 발명은 하천, 대(大)인공 개수로에서의 유량 그리고 비교적 구경이 큰 파이프관에서의 기체, 액체의 유량을 측정하기 위하여 유속을 초음파로 측정하는데 활용되는 것이다.

현재 알려진 개수로용 파이프관용 모든 초음파 유량 측정장치의 핵심부분이 바로 초음파를 이용하여 유속을 측정하는 부분이다. 그렇기 때문에 초음파 유량계라고 부르는 것이다.

현재 알려진 대다수의 초음파 유량 측정장치는 초음파 전파시간차(transit time defference) 유속 측정방법으로 유속을 측정하고 있다.

도 1에 전형적인 초음파 전파시간차 유속 측정장치의 구성을 도시하였다.

도 1에서 1과 2는 초음파를 발사수신하는 변환기(transducer)이고 3은 스위치회로인데 변환기 1과 2를 교대로 발신과 수신회로 입력에 절환시키는 역할을 한다. 4는 초음파 펄스발진기, 5는 초음파 수신신호 증폭기, 6은 수신신호를 포착하여 짧은 펄스를 성형하는 회로이고 7은 초음파펄스를 발사한 순간부터 L간격을 전파하여 수신되는 순간까지의 전파시간를 측정하는 시간간격 측정장치이고 8은 수학식 1에 따라 유속을 연산하는 장치다.

도1에서 변환기 1에서 발사한 초음파 펄스가 변환기 2까지 전파하는 시간을 측정하고 또 반대로 변환기 2에서 발사된 초음파 펄스가 변환기 1까지 전파한 시간를 측정하면 다음과 같이된다 .

일반적으로 이와 같은 전파시간들의 차은 다음과 같이 된다고 본다.

(수학식 1)

여기서 C-유체(액체, 또는 기체)의 음속이고 L은 변환기 1과 2간의 간격이고 V는 L구간에서의 평균유속이다.

수학식 1에서 유속 V는 다음과 같이 된다.

(수학식 2)

유속 V가 전파시간차에 비례한다하여 전파시간차 유속 측정방법이라고 한다.

수학식 2를 보면 음속의 2승인항이 있기 때문에 전파시간차 방법은 음속에 관련된 것으로 보고 음속 C를 동시에 측정해야 한다고 한다.

음속의 2승은 다음과 같다:

이것을 수학식 2에 대입하면 최종적인 유속 측정식이 된다:

(수학식 3)

(3)

이기 때문에 초음파 전파시간만 직접 측정하여 수학식 3의 연산을 하여 유속을 구할 수 있다.

(예:미국특허 5, 531, 124, Jul.2.1996, 日本특허 2676321,

Jul.25, 1998-Ultrasonic flow measuling method and apparatus thereof 또는 Ultraflux社의 개수로용 초음파 유량계 UF-2000C)

전파시간차 유속 측정방법의 가장 큰 장점은 수학식 3에서 보다시피 유체(流體)에서의 음속이 심히 변한다하여도 유속측정이 간단히 시행된다는 것이다.

유속측정식을 유도하는 방법에 따라 마치 음속의 2승에 관련된 것 처럼보일 수 도 있지만 원칙으로는 유속에 관련되지 않는다.

예를 들어 전파시간의 역수의 차를 구하면 다음과 같다:

즉 음속 C가 상호삭제 된다.

여기서이 된다.

여기서.

결국은 수학식 3과 동일하다.

이와 같이 유체에서의 음속C가 넓은 폭에서 변한다하여도 무관하다는 큰 장점을 내포하고 있다. 그러나 전파시간차 유속 측정방법을 이용할 수 있는 한도가 있다. 예를 들어 L이 매우 작다든가 유속 V가 매우 낮을 때 유속을 정밀하게 측정하기 힘들다.

만일에 L=0.05m이고 V=0.1m/s,

가 된다.

이와 같이 매우 작은 시간차를 1%의 오차로 측정 하려면 시간차 측정 절대오차는를 초과하면 안된다. 이와 같은 시간차를 측정하려면 시간간격 측정장치가 매우 복잡해지며 또 초음파 펄스 발사 및 수신 순간을 포착하는 장치가 매우 안정하고 정밀 해야 한다.

또 후에 언급하겠지만 구경이 비교적 큰 파이프관에서의 기체유속을 측정한다든가 하천, 대 인공개수로에서의 수평 평균유속을 측정하려면 여러 문제가 발생한다.

전파시간차 유속 측정방법외에도 초음파 위상차 유속 측정방법도 알려져 있다.(예:독일 특허 공개공보 DE19722140A1 int.cl⁸G01F 1/66 11월 12일 97년 日本公開특허공보 10-104039, Int.cl⁶G01F 1/66,01.apl.24, 1998. 다회선 유량 측정장치)

도 2(A)와 (B)에 위상차 유속 측정장치의 전형적인 구성도를 도시하였다.

도 2에서 1, 1′, 2, 2′는 초음파 변환기이고 9는 주파수의 싸인파 발진기, 10은 위상조절기(phase shifter)이고 11은 증폭기, 12는 위상차 측정장치(phase difference discriminator)이다.

발진기 9가 작동하면 변환기 2, 2′는 같은 위상으로 초음파를 발사하게 되는데 수신변환기 1과 1′가 수신한 신호들의 위상은 다음과 같이 된다.

여기서이다.

은 초음파가 발사된 초기위상이다.

따라서 수신 신호들간의 위상차는 다음과 같이 된다.

(수학식 4)

여기서 유속은 다음과 같이 된다.

(수학식 5)

위상차방법의 특징은 전파시간차 방법과는 달리 싸인파의 초음파를 연속적으로 발사한다는 것과 위상차는 초음파 주파수에 비례한다는 것이다.

따라서 만일에 LV가 매우 작다하여도 초음파 주파수를 높게 선택하면 위상차는 커져서 위상차를 정밀하게 측정하는데 편리하다.

또 L이 클 경우 초음파 연속파를 발사수신하기 때문에 초음파 펄스에 비해 감쇄가 훨씬 작고 또 수신 순간을 측정하는 것이 아니기 때문에 수신 신호의 진폭이 크게 맥동(Pulsation)을 한다하여도 충분히 증폭 할 수 있고 또 자동증폭조절(AGC)회로도 사용할 수 있어 위상차를 측정하는데 문제가 없다.

다만 위상차방법은 음속 C가 거의 변하지 않는 조건에서 활용한다든가 또는 다른 수단으로 음속 C를 측정할 수 있는 경우에 활용하기좋다. 예를 들어 기체질량유량을 측정하기 위해 압력계와 온도계가 파이프관에 설치되어 있는 조건에서 기체의 음속을 쉽게 연산 할 수 있다.

본 발명은 유속 측정간격 L이 클 경우, 예를 들어 개수로, 하천에서의 수평 평균유속을 측정하는 경우, 비교적 큰 구경의 파이프관에서의 기체의 유속을 측정하는 경우에 초음파 전파시간차 방법과 위상차방법으로 유속을 원만히 측정할 수 있는 초음파 유속 측정방법을 제공하는 것이 주 목적이다.

이미 언급했지만 전파시간차 방법의 가장 큰 장점은 유체에서의 음속이 심히 변하는 조건에서도 활용할 수 있다는 것이다.

그러나 초음파 펄스를 발사수신 하기 때문에 변환기들간의 간격 L이 커지면 다음과 같은 문제들이 발생한다.

첫째로는 초음파 펄스는 고조파(higher harmonicy, overton)성분이 풍부하여 싸인파에 비해 감쇄도(damping factor)가 훨씬 크다.

따라서 초음파 펄스가 전파하는 거리 L이 커지면 수신하기 힘들어 진다.

심한 감쇄 때문에 수신된 펄스 형태는 종형(鐘形)으로 된다.

그렇다하여 임의로 발사하는 초음파 강도(Ultrasonic-wave intensity)를 높일수도 없다. 강도가 높아지면 예를들어 하천물에서는공동(cavitation)현상이 발생하여 초음파가 전파 되지 못한다.

특히 감쇄를 축소하기 위해 펄스 주파수를 낮출수록 공동현상이 발생하는 초음파 강도가 낮아진다. 따라서 주파수를 낮출수 있는 한도가 있다.

두 번째로는 초음파 펄스가 전파하면서 다만 거리 L에 따라 감쇄하는 것이 아니고 예를 들어 개수로에서는 다양한 크기의 와류, 부유입자들의 농도변화, 물의 온도 변화층, 등등에 의하여 확산, 굴절을 하기 때문에 초음파 수신신호의 진폭이 매우 심하게 맥동(Pulsation)을 한다. 때로는 수신이 안 될 경우도 있다.

기체의 유속을 측정할 때는 초음파 펄스의 감쇄가 액체에 비해 더 크다. 펄스가 감쇄하며 심하게 맥동을하기 때문에 초음파 펄스가 도달하는 순간을 포착할 때 오차가 많이 발생한다. 따라서 유속 측정오차가 증가한다.

이와 같은 원인으로 초음파 펄스를 발사수신하여 전파시간차 방법으로 유속을 측정할 수 있는 초음파 전파거리 L의 한도가 있는 것이다. 따라서 하천, 큰 인공개수로, 대구경 파이프관에서의 유속을 측정하는데 곤란하다.

위상차 방법으로 유속을 측정한다면 초음파 펄스를 사용하는 것이 아니고 초음파 연속파(싸인파)를 발사수신 하기 때문에 펄스에 비해 감쇄가 2∼3배 작아지며 또 초음파 신호의 도달 순간을 포착하는 것이 아니고 두 개의 싸인파 신호간의 위상차를 측정하기 때문에 수신신호 진폭이 맥동을 해도 무관하다. 그러나 위상차 방법을 이용하는 데도 한도가 있다.

두 개의 싸인파의 위상차가가 되는 경우 일반 위상차 측정장치로서(1, 2, 3, ····)을 검출 할 수 없다.

만일에 초음파 전파거리 L또는 유속 V가 클경우에는가 된다.

예를 들어보자.

불과 내경이300mm되는 파이프관에서의 기체유량을 측정한다고 하자. 보통 기체의 단면 평균 유속은 V=10∼30m/s정도 된다. 기체에서의 음속이 C400m/s이고 초음파 주파수를 잡음주파수 대역에서 벗어나기 위해=40KHZ를 선택했다고 하고=45°로 하자.

이 때 위상차변화폭은 다음과 같다.

즉가 된다.

비교적 넓이가 작은 개수로에서KHZ인 경우는 다음과 같다.

.

따라서 비교적 작은 개수로에서도 위상차 방법으로 유속을 측정할 수 없다. 전파시간차 방법은 유체에서의 음속이 큰 폭으로 변할 때 이용할 수 있는 장점이 있으나 초음파 펄스를 발사수신하기 때문에 초음파 펄스의 감쇄가 커서 유속 측정간격 L이 클 경우에는 불안정한 것이 단점이고 위상차 방법은 초음파 싸인파를 발사수신하기 때문에 초음파 감쇄가 작고 수신신호 처리가 간단하다는 장점이 있으나 L과 유속이 크다든가 음속이 낮아 위상차가을 초과하면 위상차 방법으로 유속 측정이 불가능 하다는 단점을 내포하고 있다. 또 음속 C를 따로 측정해야 한다는 단점도 있다.

본 발명은 유속 측정간격 L이 클 경우, 유속이 높고 음속이 낮을 경우에도 유속을 안정하게 측정할 수 있는 전파시간차 방법과 위상차 방법에 근거한 초음파 유속 측정방법을 제공하는데 목적을 두고 있다.

도1 -초음파 전파시간차 유속 측정장치의 골격도(종전의 기술).

도2 -(A)와 (B) 초음파 위상차 유속측정 장치의 골격도(종전의 기술)

도3 -본 발명에 따르는 초음파 전파시간차 방법의 설명 시간도.

도4 -본 발명의 방법에 근거한 장치의 골격도.

도5 -본 발명에 따르는 초음파 위상차 유속 측정장치의 골격도.

도6 -본 발명에 따르는 초음파 위상차 유속 측정장치의 골격도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1, 1′ 2, 2′-초음파 변환기(Ultrasonic Transducer),

3-변환기 절환 스위치 4-초음파 펄스발진기,

5-초음파 펄스 수신증폭기 6-초음파 펄스 수신 순간포착 장치,

7-시간 간격 측정장치 8-유속연산 장치,

9-초음파 주파수 발진기 10-위상 조절기,

11-수신증폭기 12-위상차 검출기,

13-초음파 반송 주파수 발진기 14-진폭변조 주파수 발진기,

15-0점 크로싱회로 16-단안정 펄스발진기,

17-진폭 변조기 18-출력증폭기,

19-협대역 수신 증폭기 20-진폭 변조파 복조기,

21-협대역 증폭기 22-0점 크로싱회로,

23-스위치회로 24-변조신호통과 스위치회로,

25-수신 및 출력증폭기 출력절환 스위치,

26-스위치 회로 제어장치,

27-감쇄기 28-저주파 위상차 검출기,

29-위상조절기 30-제한증폭기 ,

31-반송신호 위상검출기 32-유속 연산장치,

(요약) 본 발명에 따르면 전파시간차 방법에 근거하여 유속을 측정하는 경우 초음파 펄스를 발사수신하지 않으며 초음파 싸인 연속파 반송파를 초음파 전파시간을 측정할 때 마다 저주파로 진폭변조하여 발사하며 수신 신호는 복조(demodulation)되어 진폭변조파가 검출되고 발사파를 진폭변조한 순간과 수신된 진폭변조파가 복조되는 순간 간의 시간 간격을 측정할 수 있도록 되어 있다.

위상차 방법에 근거하여 유속을 측정함에 있어 유속방향과 반대 방향으로 전파한 초음파들간의 위상차가 일반 위상차검출기의 측정범위을 초과하여으로 되는 경우 초음파를 낮은 주파수로 진폭변조하여 발사수신하여 진폭변조 신호들간의 위상차와 반송파 초음파간의 위상차를 측정하여을 구하여 반송초음파간의 위상차를 매우 정확하게 측정할 수 있도록 되어 있어 음속에 종속되지 않는 위상차 유속 측정방법을 실현시킨 것이다.

우선 본 발명의 초음파 전파시간차 유속 측정방법을 상세히 첨부도면에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 3에 본 발명의 유속 측정방법을 설명하는 시간도(time chart)를 도시하였다.

반송초음파 주파수는 유체흐름에서 발생하는 잡음 주파수 대역, 초음파 변환기의 지향성(directivity diagram)보장, 유체에서의 초음파감쇄등을 참작하여 선택하는 것은 다알고 있는 사실이다.

이와 같이 선택된 초음파 반송파(도 3Ⅵ)를보다 낮은 주파수(도 3Ⅰ)으로 유속을 측정할 때 일정한 시간(도 3Ⅴ)동안 진폭변조하여(도 3Ⅵ)유속방향 또는 반대 방향으로 발사한다.

진폭변조하는 어떤 지정된 순간을 시작점으로 보고 진폭변조된 초음파가 일정한 간격 L을 전파하여 수신된 신호를 복조하여 복조된 진폭변조신호의 지정된 순간까지의 시간을 측정하면 이 시간이 바로 유속방향 또는 반대 방향으로 전파한 시간또는가 될 것이다.

다시 말하여 진폭변조된 초음파가 초음파 전파시간 측정용 마크(mark)신호 역할을 하는 것이다. 초음파는 싸인파로서 연속 발사하면서 유속을 측정하기 위하여 일정한 시간간격동안 진폭변조를 하기 때문에 초음파의 주파수 대역은이 되어 짧은 초음파 펄스에 비해 주파수 대역이 훨씬 좁아 감쇄도 작아지고 감쇄가 심하게 변한다하여도 수신신호 처리가 쉽고 전파시간 측정에 영향을 주지 않는다.

그러나 초음파를주파수로 진폭변조함에 있어 항상진폭변조신호의 같은 위상에서 예를 들어 도 3Ⅴ에 보인 것처럼 0위상에서 변조가 시작되도록 해야 한다. 초음파 변환기에 진폭변조된 전압이 인가 되었을 때 인가된 전압과 동일한 형태의 초음파가 발사되지 않고 첫 번째 변조된 반주기의 초음파 형태는 왜곡된다. 그 뿐 아니라 진폭변조된 초음파를 수신하여 복조된 신호는 진폭변조전기신호의 형태와 일치하지 않는다.

이런 것을 참작하여 초음파 변환기에 인가되는 진폭변조 신호를 복조기에 입력시켜 복조하여 진폭변조 신호을 검출하여 복조된 신호의 첫 번째 주기가 0전위를 통과하는 순간을 포착하여 (예를 들어 0크로싱회로를 이용하여)이순간을 초음파 전파시간 측정 원점으로 한다.(도 3의 Ⅶ과 Ⅷ) 수신된 진폭변조파의 신호도 역시 위에서 지적한 복조기에 의해 복조되어신호를 검출하여 첫 번째 주기가 0전위를 통과하는 순간을 포착하여 시간간격 종지(stop)신호의 역할을 시킨다.(도 3의 Ⅹ과ⅩⅠ)

이와 같이 한 개의 복조기로 발사수신 신호를 복조하고 복조된 신호들의 첫 번째 주기가 0점을 통과하는 순간을 시간간격 측정개시(start) 및 종지(stop)신호로 사용함으로서 초음파 전파시간 측정 정도(精度)를 높일 수 있다.

물론 복조기, 증폭기, 0점 크로싱회로등에서 발생하는 지연시간도 동일하기 때문에 보상할 필요는 없다.

진폭변조 주파수은 다음과 같은 조건들을 만족 시켜야 한다.

첫째 조건은이 초음파의 감쇄맥동 주파수보다 훨씬 높아야 한다. 즉, 초음파가 유체에서 전파하면서 여러 요인에 의해 감쇄도가 변한다. 감쇄가 변한다는 것은 초음파가 진폭변조를 당한 것과 동일하다. 따라서은 이와 같은 감쇄도가 맥동하는 주파수보다 높아야만 한다.(는 유체내에서 발생하는 잡음 주파수가 아니다.)

감쇄맥동 주파수는 그리 높지않고 보통 100HZ를 초과하지 않는다. 두 번째 조건은 진폭변조 주기에 반송파주기가 최소 20번 이상 포함되어야만 한다. 즉,이 되어야 한다. 이와 같은 요구조건은 반송파를 진폭변조함에 있어 변조신호는 도 3Ⅴ에 보인 것 처럼 항상 0위상에서 반송파를 진폭변조시킨다 하더라도 진폭변조시작점에서의 반송파의 위상은 일정하지 않다.

이로 인하여 진폭변조된 초음파는 진폭변조신호의 첫 번째 1/4주기 구간내에서는 과도 현상이 나타나고 파형이 왜곡된다. 파형이 왜곡되는 부분이 1/4주기를 초과하지 못하게 하기 위해서는의 첫 1/4주기내에 반송파의 주기가 최소 5개 포함되어야 한다. 따라서의 한 주기에신호가 4×5=20개 이상되어야 한다.

그 뿐 아니라 복조된신호를맥동에서 여과하기 위해서는 반송파주파수가 진폭변조 주파수보다 높을수록 좋다.

세 번째 조건은 진폭변조된 신호를 복조하여 진폭변조 주파수을 검출하는 경우 진폭변조된 신호의 연속시간은 최소를 초과하는 것이 좋다.

만일에 진폭변조된 주기가(2∼3)번 반복하는 진폭변조 신호를 복조하면 복조기 출력신호가 왜곡된다.

그러나 유속방향과 반대방향으로 초음파를 순차로 발사수신하는 경우 진폭변조된 초음파의 연속시간이 초음파 전파시간의 1/2를 초과하지 않는 것이 좋다. 즉또는이 되어야 한다. 이와 같은 네가지의 조건을 만족시키는 진폭변조 주파수은 다음식에 의해 선택된다 .

(수학식 6)

여기서은 유체에서의 기대할 수 있는 최대 음속이고

는 유속측정 최대치이다.

수학식 6을 만족시키는을 선택함에 있어 가능한데로 낮은 주파수를 선택하는 것이 좋다. 왜냐하면 초음파변환기에 인가되는 전압이 급속히 변할 때 과도 현상이 나타난다.

진폭변조도(modulation percentage)m은 50%를 초과하지 않는 것이 좋다. 실험에 의하면 m=25∼30%가 가장 합리적이다. 낮은 주파수로 초음파 감쇄도가 맥동을 하는데 감쇄도가 변하는 것이 일반적으로 50%정도 된다. 따라서 m 〉50%인 경우에는 진폭변조파가 끊어질 위험성이 있는 것이다.

예를 들어보자. 초음파 변환기들간의 간격이

KHZ 라고 하자.

그러면HZ 가 된다. 따라서KHZ 범위에서 선택할 수 있다. 초음파 변환기의 과도 현상을 고려하여 높은 주파수KHZ를 선택 할 필요 없다.

도 4에 한 개의 예로서 위에서 설명한 유속 측정방법을 실현시키는 장치의 골격도를 도시하였다.

도 4에서 1과 2는 초음파 변환기이며 3은 변환기 1과 2를 상호 발사수신 상태로 절환하는 변환기 절환 스위치 장치이고 18은 변환기를 여진시키는(excite)출력 증폭기이고 19는 변환기의 수신신호를 증폭하는 수신증폭기이다. 수신증폭기 19는 자동증폭조절(AGC)이 되고 진폭 변조신호 주파수 대역만 증폭하는 협대역 증폭기이다.

17은 진폭변조기(amplitude modulator)이고 13은 초음파 반송주파수(carrierfrequncy)발진기이고 14는 초음파 주파수보다 낮은 주파수의 변조 발진기이다. 13과 14는 모두 싸인파 발진기 이다. 20은 진폭변조파를 복조하는 복조기(amplitude demodulator)로서 변조 주파수을 검출한다. 21은 검출된신호를 증폭하는 협대역 증폭기(narrow-band amqlifier)이다. 22는 증폭기 21의 출력신호에서 첫 번째 주기가 0점을 통과 할 때 구형펄스를 출력하는 0점 크로싱 회로이고 7은 두 개의 펄스간의 시간간격을 측정하는 시간간격 측정장치이고 8은 초음파 전파시간차 유속 측정식으로 유속을 연산하는 장치이다. 23은 변조 주파수발진기 14의 출력을 주워진 시간간격으로 통과 시키는 스위치 회로이며 15는 통과된신호의 첫 번째 반주기가 0점을 통과할 때 구형 펄스신호를 발생하는 0(zerro)크로싱 회로이다. 16은 15의 펄스에 의해 작동되는 단안정 펄스발진기(mono stable multivibrator 또는 univibrator)인바 주워진 길이의 펄스를 발진한다.

24는 16의 펄스에 의해 열려지는 스위치 회로다. 스위치회로 16이 열려있는 동안 변조주파수 발진기 14의 출력이 진폭변조기 17에 인가 된다. 25는 스위치회로인데 초음파 변조파의 출력을 복조기 20에 통과 시킨다음 절환되어 수신증폭기 19의 출력을 복조기 20과 연결 시키는 역할을 한다. 27은 출력증폭기 18의 출력전압을 조절하는 전압 감쇄기다. 26은 스위치회로 3, 23그리고 25를 제어하는 스위치회로 제어장치이다.

도 4의 장치의 동작을 도 3에 따라 설명하면 다음과 같다. 초음파 발진기 13과 진폭변조 주파수 발진기 14는 연속적으로 동작하면서 초음파 주파수와 변조주파수의 싸인파를 발진한다.(도 3의 Ⅵ와 Ⅰ) 유속을 측정할 순간이 되면 스위치회로 제어장치 26에서길이의 구형펄스(도 4의 Ⅱ)가 스위치회로 23에 인가되어 스위치회로는시간동안 변조 주파수발진기 14의 출력신호를 통과 시켜 0점 크로싱회로 15에 입력된다. 15의 동작 전위(potential)레벨은 "-"로 되어 있어 발진기 14의 출력신호의 첫 번째 "-"반주기가 0점(U=0)을 통과 할 때 구형펄스 (도 3Ⅲ)를 발진한다. 이 펄스가 단안정 펄스발진기 16에 입력(인가)되어 16은길이의 펄스를 (도 3Ⅳ)발진하게 된다.펄스에 의해 스위치회로 24가 열리고 변조 주파수발진기 14의 출력이 진폭변조기 17에 입력된다. 따라서시간 동안 초음파 반송주파수의 신호는 도 3의 Ⅵ과 같이 진폭변조된다.

이와 같이 항상동일한위상으로 변조 되게끔되어 있다.

이와 같이 진폭변조된 변조기 17의 출력은 출력증폭기 18에 의해 증폭되어 변환기 1에 인가 되어 변환기 1은 진폭변조된 초음파를 유체에 발사하게된다.

동시에 출력증폭기 18의 출력은 감쇄기(attenuator)27과 스위치회로 25를 통해 진폭변조파를 복조하는 복조기 20에 입력되어 복조기 20의 출력에신호가(도 3의 Ⅶ)검출된다.복조된 신호는 협대역 증폭기 21로 증폭되어 0점 크로싱회로 22에 입력된다. 0점 크로싱회로 22는 입력된신호의 첫 번째 - 반주기가 0점(전위-potential)을 통과하는 순간 도 3의(Ⅷ)과 같은 짧은 구형 펄스를 발진한다. 이 짧은 구형펄스는 시간간격 측정장치 7에 입력되어 시간 측정개시(start)신호 역할을 한다.

이와 같은 과정이 끝나면 스위치회로 25는 감쇄기 입력을 차단하고 수신증폭기 19출력은 복조기 20과 연결된다.

변환기 1이 발사한 진폭변조된 초음파가 L간격을 전파하여 변환기 2에 의해 수신되며 수신증폭기 19에 의해 (도 3의 Ⅸ) 증폭된다. 19의 출력신호는 복조기 20, 증폭기 21를 걸쳐 0점 크로싱회로 22에 입력되고 그의 출력 신호인 짧은 구형파 펄스(도 3의ⅩⅠ)가 시간 간격측정장치 7에 입력되어 시간측정 종결(stop) 신호 역할을 한다.

따라서 시간간격 측정장치 7이 측정한 시간은 0점 크로싱회로 22의 첫번째와 두번째 출력구형파 펄스간의 시간 간격이 된다.시간 간격 측정이 끝나면 변환기 절환 스위치회로 3이 절환되어 변환기 2가 출력증폭기 18과 연결되고 스위치회로 25는 감쇄기 27과 연결되며 스위치회로 23은 다시 열려지게 된다. 따라서 변환기 2에서 발사된 진폭변조된 초음파가 발사되어 변환기 1에서 수신될 때까지의 시간를 측정하게 된다.

이와 같이 측정된 시간간격과가 유속 연산장치 8에 입력되여 유속측정식(수학식 3)에 따라 유속이 연산되어 유속 V에 해당되는 신호가 출력된다. 유속V의 출력신호는 유량 측정장치인 경우에는 유량 연산장치에 입력된다.

여기서 중요한 것은 다음과 같다.

시간간격또는를 측정하기 위하여 시간간격 측정장치 7에 입력되는 개시(start), 종료(stop)펄스 신호를 변환기 1(또는 2)에 입력되는 진폭변조 출력신호와 변환기 2(또는 1)로 수신된 신호를 한 개의 복조기, 0점 크로싱회로를 통과시켜 성형하는 것이 특징이다.

널리 알려진 위상차 유속 측정식인 수학식 5를 보면 음속의 자승인에 종속된다.

또 수학식 5에서는 유속방향과 반대 방향으로 전파한 초음파 신호간의 위상차이다. 수학식 5의 유속 측정방법외에 음속에 종속되지않는 위상차 유속 측정식을 유도 할 수 있다.

초음파 발사파와 유속방향으로 전파하여 수신된 신호간의 위상차과 또 유속 반대방향으로 전파하여 수신된 신호간의 위상차는 다음과 같이 된다.

(수학식 7)

여기서이다. L은 초음파 변환기들간의 간격이고이다.

과의 역수의 차는 다음과 같이된다.

(수학식 8)

여기서 V는 다음과 같이 된다.

(수학식 9)

이와 같은 유속 측정방법은 음속이 크게 변하는 조건에서도 음속을 따로 측정할 필요가 없어 매우 사용가치가 크지만 위상차과측정오차는 무시할 정도로 작아야만 수학식 9를 이용하여 유속을 측정할 수 있는 것이다.

예를 들어 보자.인데 이와 같은 위상차를 오차 ±0.5%로 측정 했다고 하자.

그러면 측정된 위상차는가 되고

가 되었을 것이다.

그 결과이 될 것이다.

그러나와 대비해 보면 오차가

나 된다.

즉 위상차는 0.5%로 측정했는데 역수의 차의 오차는 20배나 커졌다. 따라서 유속 측정오차는 10%이상 되었을 것이다.

음속에 종속되지 않는 위상차 유속 측정방법을 실현하기 위해서는 위상차를 매우 정밀하게 측정 해야만 한다.

다음 문제는 수학식 7에서 보다시피 L이 클수록, 음속가 낮을수록, 초음파 주파수가 높을수록 위상차는보다 훨씬 커진다.

물론가 주워졌다면가 일반 위상차 검출기의 측정범위를 초과하지 않는 초음파 주파수를 선택할 수 있다. 그러나가 유체에서 발생하는 잡음 주파수 대역보다 훨씬 높아야만 한다.

예를 들어보자.

천연가스 파이프관 내경이

인 경우 위상차가를 초과하지 않는는 다음과 같다.

HZ

이와 같은 주파수는 잡음주파수 대역에 포함된다.

그 뿐 아니라 165HZ음파를 발사하는 변환기를 작게 간단하게 제작할 수도 없다.

잡음대역을 벗어나기 위해KHZ를 선택하였고 상기 예에서 위상차는

따라서를 알수가 없다.

이런 문제점들을 해결하기 위하여 본발명에서는 초음파 주파수보다 낮은 주파수으로 진폭변조하여 유속방향과 반대방향으로 발사하고 발사파와 수신파들간의 위상차를 다음과 같이 측정한다.

우선 진폭변조 주파수을 다음과 같이 선택한다.

진폭변조 신호의 발사파와 유속방향과 반대방향으로 전파하여 수신복조된 신호간의 위상차가 다음과 같은 조건을 만족시키는 변조주파수을 구해야 한다 .

(수학식 10)

여기서 n=const(1, 2, 3, …); a〈1.0, b〈1.0,과은 유체에서의 최저 및 최대음속이고인데 최대 유속 측정범위다.

이럴 경우는 사전에 알고 있기 때문에와를 측정한 다음를 가산하면와를 측정한 것으로 된다. 여기서가 최대 측정한도가 되고가 최저 측정한도가 되는데 a=1.0, b=0으로 하면 불안정하기 때문에 a=0.95, b=0.2정도로 선택하는 것이 좋다.

수학식 10을 만족시키는 n은 다음과 같다.

수학식 10에서 다음과 같은 관계식이 주워진다.

;

여기서 n은 다음과 같이된다.

(수학식 11)

이와 같이 구해진 n에 의해 변조주파수은 다음과 같이 된다.

(수학식 12)

또는

이와 같이 선정된 주파수으로 초음파, 즉 반송파(carrier -wave)를 진폭변조하여 발사수신하여 변조주파수간의 위상차를 일정한 오차로 측정하여과를 계산하면 다음과 같이된다.

(수학식 13)

여기서과은 위상검출기가 측정할 수 있는 위상차이다. 이와 같이 구해진 변조파의 위상차를으로 곱하면 반송파간의 위상차과를로 나눈 값이된다.

(수학식 14)

여기서이고는 정수(1, 2, 3, 4, …)이다.

이와 같이과를 측정한다면가 된다는 것을 알 수 있다.

반송파들간의 위상차를 위상차 검출기가 측정한 값은 다음과 같이 된다.

(수학식 15)

이와 같이 측정된 값에를 가산하면 반송파의 발사때의 위상과 유속방향과 반대방향으로 전파하여 수신된 신호의 위상간의 차가 된다.

(수학식 16)

이와 같이 산출된 위상차과를 유속측정식에 대입하여 유속을 연산한다.

(수학식 17)

이와 같이 반송파의 위상차를 측정하면 측정 오차가 위상검출기의 오차보다 수십, 수백배로 작아진다.

(수학식 18)

가 된다.이고는 1.0보다작다.

따라서 에 비해 훨씬 작아진다.

이와 같이 본발명에 따라 초음파(반송파)의 발사때와 수신되었을때의 위상차를 매우 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 음속에 종속되지 않는 위상차 유속측정식으로 유속을 측정할 수 있다.

또 L, V가 크고 또 음속 C가 낮아 초음파간의 위상차가을 얼마든지 초과하는 경우에도 쉽게 유속을 측정할 수 있다.

예를 들어보자.

구경 300mm되는 파이프관을 흐르고 있는 자연가스의 유속을 측정한다고 하자.

이때 자연가스에서의 음속이

그리고 반송초음파의 주파수는 파이프관내에서의 잡음을 고려하여KHZ로 선택했다고하자. 그리고 위상차 검출기의 측정범위는인데 이중에서 위상차가 최소로 될 때최대로 될 때

로 선택하자.

그러면 변조주파수은 다음과 같다.

로 선택하고 기억해 둔다.

HZ

HZ로 선택하자.

HZ로 진폭변조된 초음파를 유속방향과 반대 방향으로 발사하면서 수신신호를 복조하여신호를 검출하여 발사측의위상과 수신측의 위상간의 위상차를 측정한다면 그 결과는 다음과 같이 될 것이다.

만일에 유속이였다면

위상차 검출기가 측정할 수 있는 위상차는

와의 오차로 측정 되었다고 하자. 그러면 연산된 위상차는 다음과 같다.

다음 과정은 다음과 같다.

여기서를 기억시켜 둔다

여기서를 기억시켜둔다.

반송파간의 위상차는 다음과같다.

가 일치되었고 직접 측정할 수 있는 반송파간의 위상차는이다.

은 일치되었다.

과의 오차로 측정되었다면

이 되고계산 결과는 다음과 같이 된다.

이들을 유속측정식에 대입하여 유속을 연산한다.

였었는데 측정된 유속은 19.97m/s가 되었다. 따라서 오차는정도로 되었다. 즉 위상차들은 두번이나로 측정되었는데 결과적으로는 유속 측정오차는정도로 감소되었다.

이와 같이 오차가 감소된 이유는측정 오차가 매우 작아졌기 때문이다.

로 측정했지만 측정오차는 감소 되었기 때문이다.(수학식 18참조)

상기 예에서그리고로 측정했다고 가정했으나 실제로는 위상차를 ±0.5%로 측정하는 것은 보통이다.

이와 같이 본 발명에 따르면 유속이 높고 음속이 낮은 기체의 유속을 큰 구경의 파이프관에서 위상차 방법으로 음속변화에 관계없이 유속을 정확하게 측정 할 수 있다.

도 5에 본 발명의 위상차 유속 측정방법을 실현시킬수 있는 골격도를 한 개의 예로서 도시 하였다.

도 5에서 1과 1′는 수신용 초음파 변환기이고 2는 지향각이 넓은 발사용 초음파 변환기이다. 13과 14는 반송파발진기와 변조파발진기 이다. 17은 진폭변조기, 18은 출력증폭기이다. 19는 수신변환기 1과 1′의 수신신호 증폭기이고 20은 진폭신호 복조기이고 28은 복조기 출력신호를 증폭하는 협대역 증폭기이다. 28은 진폭변조파간의 위상차검출기(phase diffrence discriminator)이고 31은 반송파간의 위상차검출기이다. 30은 진폭변조된 신호를 제한 증폭하는 제한증폭기(amplifier-limiter)이다. 29는 위상조절기(phase shifter)인데 유속이 V=0인 경우 위상차검출기의 출력이 0이 되게끔 조절하는데 필요하다. 32는 본 발명에 따라 반송파들간의 위상차를 연산하여 유속을 연산하는 연산장치이다.

다음과 같이 동작한다.

진폭변조기 17은 13에서 발진되는 반송주파수의 신호를 14에서 발진되는 진폭변조주파수의 신호로 진폭변조한다.

이와 같이 진폭변조된 신호는 출력 증폭기 18에 의해 증폭되어 발사초음파 변환기 2에 공급된다.

변환기 2는 유체에 유속방향과 반대방향으로 진폭변조된 초음파를 발사하게되면 수신변환기 1은 유속 V방향의 반대방향으로 전파한 초음파를 수신하여 전기 신호로 변환한다. 수신변한기 1의 출력신호는주파수 대역을 증폭하는 증폭기 19에 의해 증폭되어 복조기(detector)에 입력되고 복조기 20의 출력에는 진폭변조신호이 나타난다. 이 신호는 위상조절기 29를 통해 협대역 증폭기에 입력되어 다시한번 여과되어저주파 위상차 검출기 28에 입력되고 28의 출력에는 위상차에 해당되는 출력신호가 위상차 및 유속연산 장치 32에 입력된다.

유속방향으로 전파한 초음파는 수신변환기 1′에 의해 수신되고 위에서 언급한 과정을 걸쳐위상차가 검출된다.

이와 동시에 19의 수신증폭기 출력은 제한 증폭기 30을 통해 포화상태로 증폭되어 반송파위상차 검출기 31에 각각 입력되여 위상차

과에 해당한 신호들이 연산 장치 32에 입력된다.

연산장치 32에는 사전에 n,,,의 정수들이 입력되어 있어 수학식 14에 따라 연산을 하여를 구하고 수학식 16에 따라 반송파의 위상차과의 연산을 하여 수학식 17에 의해 유속 V를 연산한다.

이와 같이 연산된 유속은 유량계인 경우는 유량연산에 사용되게 된다.

음속 C를 다른방법으로 측정하는 경우도 있다. 예를 들어 기체의 질량유량을 측정하기 위해서는 체적유량을 측정하는 유량계가 설치되었다면 기체의 압력과 온도를 별도로 측정한다. 이럴 경우에는 기체의 압력과 온도 측정결과를 이용하여 음속을 연산할 수 있다.

때로는 액체의 유량을 측정하는 경우 액체에서의 음속이 변하지 않고 음속 C를 사전에 알고 있는 경우도 있다.

이럴 경우에는 유속방향과 반대방향으로 전파한 초음파를 수신하여 수신신호간의 위상차를 측정하여 수학식 5에 의해 유속 V를 측정할 수 있다.

이때되는 경우에는 다음과 같이를 측정한다.

초음파를주파수로 진폭변조하는데은 다음과 같이 선택한다.

(수학식 19)

여기서은 유체에서 기대할 수 있는 최저 음속이다. 이와 같이 선택된 진폭주파수들의 수신신호들간의 위상차는 최대 유속측정치에서를 초과하지 않는다.

수신된 진폭변조신호를 복조하여 변조 주파수간의 위상차을 측정하여 다음식 20에 의해 m을 구한다.

(수학식 20)

여기서이다.

수학식 19에서가 반송파 신호간의 위상차를 측정할 수 있는 부분이다. 동시에 반송파 신호들간의 위상차를 측정하고 다음식에 의해를 계산한다.

(수학식 21)

이와 같이 구해진를 수학식 5에 대입하여 유속 V를 연산하게 된다.

여기서 측정되는 위상차는인바측정 절대오차가였다면측정오차는 다음과 같다.

따라서가 되어 유속연산 정도(精度)가 높아진다.

이와 같은 방법으로 유속을 측정하는 방법을 실현시키는 장치의 한 개의 실예로서 도 6에 골격도를 도시하였다.

도 6의 기호와 동작은 도 5와 동일하다.

다만 유속 연산장치에는의 정수가 입력되어 있고 수학식 19, 20그리고 5에 따라 연산할 수 있도록 되어 있다.

이와 같이 초음파를 진폭변조하여 초음파 전파시간차 방법으로 하천, 대인공개수로, 대구경 파이프관에서 유속을 신뢰도 높게 측정할 수 있으며 또 위상차 유속 측정방법에 있어 위상차가을 훨씬 초과하는 경우에도 일반적으로 사용되는 위상차 측정 범위가인 위상차 검출기를 이용하여 음속에 종속되지 않는 위상차 유속 측정방법을 실현시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 유속방향과 반대방향으로 초음파가 전파한 시간들을 측정하여 유속을 연산하는 방법에 있어서,

   초음파 전파 시간을 측정할 때마다 주파수의 초음파 반송파를보다 낮은 주파수으로이상의 시간동안 진폭변조하고,

   이 진폭 변조된 신호를 유속방향과 반대 방향으로 발사하며,

   이렇게 발사되어 수신된 진폭변조 신호를 복조하여 진폭 변조파신호를 검출하며,

   이와 같이 하여 검출되는 초음파 반송파를주파수로 진폭변조한 순간과 수신신호에서신호가 검출되는 순간간의 시간과를 측정하며,

   이 시간을 이하의 초음파전파 시간차 유속 측정식에 대입하여 유속을 산출하는 것을 특징으로 된 유속 측정방법.

   여기서,

   단, 진폭변조 신호의 주파수은 다음 식에 따라 설정한다 .

   여기서는 초음파가 유체에서 전파할 때 감쇄도가 맥동하는 최대 주파수,는 유체에서의 최대음속, L은 초음파 전파 거리의 길이,은 L구간에서 기대 할 수 있는 최대 유속이고는 L과 유속방향이 이루는 각도이다.
2. 청구항 1에 있어서,

   진폭변조기에 항상 0위상에서 +로 증가하는 진폭변조전압을 입력시키며,

   진폭변조된 출력 전압을 초음파 변환기에 인가시키는 동시에 이 출력전압을 복조기에 입력시켜신호를 검출하여 이의 첫 번째 주기가 0전위를 통과하는 순간을 초음파 전파시간 측정개시(start) 시점으로 하고,

   진폭변조된 초음파가 L간격을 전파하여 초음파 변환기로 수신된

   신호를 위에서 지적한 복조기로 복조하여 진폭 변조신호을 검출하며, 이의 첫 번째 주기가 0전위를 통과하는 순간을 초음파 전파 시간측정 종료(stop)신호로 사용하여 초음파 전파시간을 측정하는 것을 특징으로 한 유속방향과 반대방향으로 초음파가 전파한 시간을 측정하는 방법.
3. 유속방향과 반대방향으로 초음파가 전파할 때 발생하는 위상차를 이용하는 위상차 유속 측정방법에 있어서,

   초음파가 발사될 때의 초음파의 위상과 유속방향으로 전파하여 수신된 신호의 위상간의 위상차과 유속방향 반대방향으로 전파하여 수신된 신호의 위상간의 위상차를 측정하여 음속에 종속되지 않는 이하의 유속 측정식에 따라 유속을 연산하는데 있어,

   에서

   가을 훨씬 초과하여 (())로 되는 경우 주파수의 초음파를 다음식에서 구해지는 주파수으로 진폭 변조하여 발사하고,

   또는

   여기서,

   유속방향과 반대방향으로 전파하여 수신된 진폭 변조된 신호를 복조하여신호를 검출하여 발사때의과 수신된신호간의 위상차

   에서 위상차 검출기로 측정할 수 있는를 측정하고 이에를 가산하여를 구하여 다음과 같은 연산을 하여

   를 구하여 기억하고 동시에 초음파발사때의 위상과 유속방향과 반대방향으로 전파하여 수신된 신호들과의 위상차에서를 측정하고 그 결과에 각각를 가산하여를 구하여 상기 유속측정식에 대입하여 유속을 연산하는 것을 특징으로 한 위상차 유속 측정방법

   단 상기식들에서 L-초음파 발사변환기와 수신변환기들간의 간격,과 유속방향간의 각도,- 측정하려는 유체에서 기대할 수 있는 최소, 최대음속,- 최대유속 측정범위,- 위상차 검출기의 최대 측정범위를 규정하는 계수,위상차 검출기의 최저 측정범위를 규정하는 계수이다.
4. 초음파를 유속방향과 반대방향으로 발사하여 수신된 초음파 신호들간의 위상차를 측정하여 유속을식으로 연산하는 방법에 있어서,

   가 되는 경우 초음파를 다음과 같은주파수으로 진폭변조하여 발사하고,

   유속방향과 반대방향으로 전파하여 수신된 초음파신호를 복조하여 수신된 복조신호간의 위상차를 측정하고 다음과 같은 계산을 하여값을 구하여 기억시키고

   동시에 수신된 초음파신호간의 위상차의부분을 측정하고 이에를 가산하여를 구하여 유속 측정식에 대입하여 유속을 연산하는 것을 특징으로 한 위상차 유속 측정방법. 상기 식들에서 기호는 청구항 3과 동일하다.