KR100780819B1 - Ultrasonic level measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 수위측정장치의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional water level measuring device.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수위측정장치의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of the ultrasonic level measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3는 본 발명에서 초음파가 진행되는 경로를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.3 is a schematic diagram for explaining a path in which ultrasonic waves proceed in the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 수위측정장치의 개략적인 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view of the ultrasonic level measurement apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 수위측정장치의 개략적인 단면도이다.5 is a schematic cross-sectional view of the ultrasonic level measurement apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 수위측정장치의 개략적인 단면도이다.6 is a schematic cross-sectional view of the ultrasonic level measurement apparatus according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1...저장탱크 2...측정챔버1.
3...초음파 발신기 4...온도센서3 ... ultrasonic transmitter 4 ... temperature sensor
5...컨트롤러 9...수위측정장치5 ...
f...유체 P...초음파f ... fluid P ... ultrasonic wave
100...초음파 수위측정장치 10...저장탱크100 ... Ultrasonic water level
11...주입부 12...내측벽11 Injection ... 12 Inner wall
13...상단부 14...수용부13
15...외측벽 16...하단부15 ...
20...전달부재 21...상단면20.Transmitting
22...하단면 23...케이스22.Bottom 23.Case
24...덮개 25...하측벽24
26...하단벽 27...충전부26.
28...볼트 30, 30'...초음파 진동자28 ... Volt 30, 30 '... ultrasonic oscillator
40...결합부재 50...자석40
60...컨트롤러 F, F'...유체60 Controller F, F '... Fluid
S...유체 표면 A...공기S ... Fluid surface A ... Air
P0, P1, P2, P3 ...초음파 R0, R1, R2...반사파P 0 , P 1 , P 2 , P 3 ... Ultrasound R 0 , R 1 , R 2 ...
L1...전달부재의 길이 H...수위L 1 ... length of transmission member H ... water level
t0...상쇄시간 t1...제1소요시간t 0 ... offset time t 1 ... first travel time
t2...제2소요시간t 2 ... 2nd time required
본 발명은 저장탱크 내에 저장된 유체의 수위를 측정하는 초음파 수위측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 진동자를 이용하여, 저장탱크 외부에서 저장탱크 내의 수위를 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic level measuring apparatus for measuring the level of fluid stored in a storage tank, and more particularly, to an apparatus capable of measuring the level in a storage tank outside the storage tank by using an ultrasonic vibrator.
화력발전소나 제철소 등은 시설물을 가동하기 위하여 많은 양의 연료를 필요로 하며, 따라서 연료를 저장하기 위한 대규모의 저장탱크가 설치되어 있다. 이러한 저장탱크에 저장되어 있는 연료의 양을 정확하게 측정하는 것이 필요한데, 이를 위하여 종래에는 수위측정장치가 이용되었다. Thermal power plants and steel mills require large amounts of fuel to operate their facilities, so large storage tanks are installed to store fuel. It is necessary to accurately measure the amount of fuel stored in such a storage tank, and for this purpose, a water level measuring device is conventionally used.
종래의 수위측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체(f)를 저장하는 저장탱크(1)와, 저장탱크(1)에 저장되어 있는 유체(f)가 유입되도록 구성되어 저장탱크(1) 내의 수위(H)와 동일하도록 구성된 측정챔버(2)를 구비한다. 이 측정챔버(2)의 측면에는 유체(f)의 온도를 측정할 수 있도록 복수의 온도센서(4)가 부착된다. 측정챔버(2) 하단부에 설치된 초음파 진동자(3)자에서 상방향으로 초음파(P)를 발신하고, 발신된 초음파(P)가 측정챔버(2) 내에 있는 유체의 표면(S)에서 반사되어 다시 초음파 진동자(3)에서 수신되기까지 걸리는 소요시간을 측정한다. 이렇게 구하여진 소요시간과 유체(f) 내에서의 초음파의 전파속도를 곱하여 수위(H)를 측정하였다.As shown in FIG. 1, the conventional water level measuring device is configured to allow the storage tank 1 for storing the fluid f and the fluid f stored in the storage tank 1 to flow therein. Is provided with a
앞서 검토한 것처럼 수위(H)가 전파속도와 소요시간의 곱으로 구하여지므로, 수위를 정확히 측정하기 위해서는 정확한 전파속도를 구하여야 하는데, 유체 내에서의 초음파의 전파속도가 유체의 온도에 따라 변화하므로, 유체 내의 온도를 정확히 측정해야 한다. 종래에는 온도측정을 위하여 저장탱크(1) 측면에 별도의 측정 챔버(2)를 구비하고, 측정챔버(2)의 측면에 복수의 온도센서(4)를 설치하여서 저장탱크(1) 내의 유체의 온도를 측정하였다.As discussed above, the water level (H) is obtained by multiplying the propagation speed by the required time. Therefore, in order to accurately measure the water level, an accurate propagation speed must be obtained. Since the propagation speed of the ultrasonic wave in the fluid varies with the fluid temperature, The temperature in the fluid must be measured accurately. Conventionally, a separate measuring chamber (2) is provided on the side of the storage tank (1) for temperature measurement, and a plurality of temperature sensors (4) are provided on the side of the measuring chamber (2). The temperature was measured.
하지만 이러한 방식을 사용하는 경우, 온도측정을 위하여 저장탱크(1)에 연결되는 측정챔버(2)를 별도로 설치되고, 복수의 온도센서(4)를 구비하여야 하므로, 수위측정장치(9)의 구조가 복잡해지게 되고, 그에 따라서 제작이 어려워지며 비용도 증가하는 문제점이 있었다.However, when using this method, the measurement chamber (2) connected to the storage tank (1) for the temperature measurement must be provided separately, and a plurality of temperature sensors (4), so the structure of the water level measuring device (9) Has become complicated, accordingly, the production is difficult and the cost increases.
또한, 온도센서(4)가 유체(f)와 직접 접촉되어 온도가 측정되는 것이 아니라, 온도센서(4)가 부착된 측정챔버(2) 측면의 온도를 측정하므로, 측정챔버(2)와 유체(f) 사이에 열전달이 충분히 이루어져 두 개의 온도가 동일한 경우가 아니라면 정확한 온도측정이 불가능하다. 게다가 측정챔버(2)와 유체(f) 사이에 열전달이 충분히 이루어지는 경우에는, 측정챔버(2)를 통하여 측정챔버(2) 내에 있는 유체(f)의 열에너지가 이동하게 된다. 따라서 측정챔버(2) 내의 유체(f)의 온도와 저장탱크(1) 내의 유체(f)의 온도가 상이해지므로, 측정챔버(2)에 설치된 온도센서(4)로 측정된 온도와, 실제 저장탱크(1) 내의 유체(f)의 온도가 서로 다르게 된다. 즉, 저장탱크(1) 내에 있는 유체(f)의 온도가 정확하게 측정되지 못하므로, 초음파의 전파속도를 정확하게 구할 수 없게 되며, 이에 따라 수위도 정확하게 측정할 수 없게 되는 문제점이 있었다. In addition, since the temperature sensor 4 is not in direct contact with the fluid f to measure the temperature, the temperature of the side of the
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구성이 간단하여 용이하게 제작이 가능하고, 정확성을 보장할 수 있으며 경제적 인 초음파 수위측정장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic level measurement apparatus which is simple in construction and easy to manufacture, guarantees accuracy and is economical.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 수위측정장치는, 유체가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크 외측벽에 설치되며 초음파를 발신 및 수신하는 초음파 진동자와, 상기 저장탱크의 내의 유체에서 초음파의 전파속도를 측정하기 위한 것으로서, 상기 초음파 진동자에서 발신된 초음파가 전달되도록 상기 저장탱크의 내측벽에 설치되는 전달부재와, 상기 초음파 진동자와 전기적으로 연결되어, 상기 초음파 진동자가 초음파를 발신 및 수신하도록 제어하는 컨트롤러를 구비하며, In order to achieve the above object, the ultrasonic level measuring apparatus according to the present invention includes a storage tank in which a fluid is stored, an ultrasonic vibrator installed on an outer wall of the storage tank and transmitting and receiving ultrasonic waves, and ultrasonic waves in a fluid in the storage tank. In order to measure the propagation speed of the, the transmission member is installed on the inner wall of the storage tank so that the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator, and electrically connected to the ultrasonic vibrator, the ultrasonic vibrator transmits and receives ultrasonic waves It has a controller to control to
상기 초음파 진동자에서 발신된 초음파가 상기 전달부재를 통해 전달된 후 이 전달부재의 상단면에서 반사되어 다시 상기 전달부재를 통해 상기 초음파 진동자에 수신되는 과정을 이용하여 초음파의 유체 내 전파속도를 측정하는 것을 특징으로 한다.After the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator is transmitted through the transmitting member, the ultrasonic wave is reflected from the upper surface of the transmitting member, and is then measured by the ultrasonic vibrator through the transmitting member to measure the propagation velocity of the ultrasonic wave in the fluid. It is characterized by.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 따른 초음파 수위측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, an ultrasonic level measurement apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 수위측정장치의 개략적인 단면도이며, 도 3는 본 발명에서 초음파가 진행되는 경로를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.2 is a schematic cross-sectional view of the ultrasonic level measurement apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a schematic diagram for explaining the path of the ultrasonic wave in the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 수위측정장치(100)는 저장탱크(10)와, 전달부재(20)와, 초음파 진동자(30)와, 컨트롤러(60)를 구비한다.2 and 3, the ultrasonic
저장탱크(10)는 고압을 견딜 수 있으며, 저장되는 유체(F)와 화학반응을 일으키지 않는 금속재질로 만들어진다. 저장탱크(10)는 직육면체 형상으로, 그 내부에 유체(F)가 저장될 수 있는 수용부(14)가 형성되어 있다. 또한 이 저장탱크(10)의 상단부(13)에는 저장탱크(10)의 수용부(14)로 유체(F)를 주입할 수 있는 주입부(11)가 형성되어 있다. 주입부(11)는 저장탱크(10) 내부가 고압을 유지할 수 있도록 밀폐되어 있다. 저장탱크(10)의 하단부(16)는 수평하게 형성되어 있다.The
초음파 진동자(30)는 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 설치되어, 유체(F)를 향하여 초음파(P)를 수직하게 발신한다. 초음파 진동자(30)는 초음파(P)를 발신할 뿐 아니라 역으로 초음파 진동자(30)로 전달되는 초음파(P)를 수신할 수 있는 공지의 부재로서, 예컨대 등록번호 제0169091호의 등록특허공보에 개시된 초음파 진동자 등 다양한 방식의 초음파 진동자가 사용될 수 있다. The
초음파 진동자(30)의 외주면에는 자석(50)이 결합된다. 자석(50)은 후술하는 결합부재(40)와의 사이에서 자기력을 발생한다. 자석(50)은 고리형으로 형성되어 초음파 진동자(30)의 외주면에 끼워져 결합된다. 또한 자석(50)은 초음파 진동자(30)에 끼워진 상태로 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 자기력에 의해 부착된다. The
전달부재(20)는 초음파(P)가 전달되는 매질로서, 초음파 진동자(30)에서 발신된 초음파(P)를 상방향으로 전달한다. 전달부재(20)는 전달부재(20)의 상측면(21)에서 반사되어 역으로 진행하는 반사파(R1) 및 유체 표면(S)에서 반사되어 역으로 진행하는 반사파(R2)를 하방향으로 전달한다. 전달부재(20)의 열팽창계수와, 전달부재(20) 내에서 온도에 따른 초음파의 전파속도는 사전에 실험을 통하여 구하거나, 기존에 알려져 있는 물질로 구성되며, 이는 전달부재(20)를 이용하여 유체(F)의 온도를 측정하기 위한 것으로 후에 상세히 설명하기로 한다. 전달부재(20)는 원형의 봉 형상으로 일방향으로 길게 형성되며, 저장탱크(10) 내측벽(12)에 설치된다. 또한, 전달부재(20)는 수심방향과 동일하게 수직하게 배치된다. 초음파 진동자(30)에서 발신된 초음파(P)가 저장탱크(10)의 하단부(16)를 통해 전달부재(20)로 전달될 때, 전달되는 초음파(P) 간의 위상차가 발생하지 않도록, 전달부재(20)의 하단면(22)은 저장탱크(10)의 하단부(16)에 대응되도록 수평하게 형성된다. 또한, 전달부재(20)를 통해 전달된 초음파는 그 상단면(21)에서 유체(F)로 전달되는데, 유체(F) 내로 전달되는 초음파 간의 위상차가 발생하지 않도록, 전달부재(20)의 상단면(21)은 수평하게 형성된다. 즉, 초음파 진동자의 발사면과 저장탱크(10)의 하단부(16)와 전달부재(20)의 양단면(21, 22)은 모두 나란하며 수평으로 배치된다. The
전달부재(20) 하단의 외주면에는 결합부재(40)가 결합된다. 결합부재(40)는 자석(50)과의 사이에서 자기력을 발생하도록 금속재질로 만들어진다. 결합부재(40)는 고리형으로 형성되어 전달부재(20)에 끼워져 결합된다. 결합부재(40)는 자석(50)과 마주하도록 저장탱크(10)의 내측벽(12)에 배치되며, 자석(50)과의 관계에서 발생되는 자기력에 의하여 저장탱크(10) 내측벽(12)에 고정됨으로써, 전달부재(20)를 저장탱크(10) 내측벽(12)에 고정시킨다.Coupling
컨트롤러(60)는 저장탱크(10)의 외부에 배치되며, 초음파 진동자(30)와 전기 적으로 연결되어 있다. 컨트롤러(60)는 초음파 진동자(30)가 초음파를 발신하도록 하는 발신신호를 초음파 진동자(30)로 보내며, 초음파가 초음파 진동자(30)로 수신되면 초음파 진동자(30)로부터 초음파가 수신되었음을 알리는 수신신호를 전달받는다. 컨트롤러(60)는 초음파 진동자(30)로부터 수신신호를 받아서, 초음파(P)가 발신된 시점(Q)으로부터 발신된 초음파(P)가 저장탱크(10)의 내측벽(12)에서 반사되어 초음파 진동자(30)로 수신되는 시점까지 소요되는 상쇄시간(t0)과, 초음파(P)가 발신된 시점(Q)으로부터 발신된 초음파(P)가 전달부재(20)의 상단면(21)에서 반사되고, 이 반사파(R1)가 초음파 진동자(30)로 수신되는 시점까지 소요되는 제1소요시간(t1)과, 초음파(P)가 발신된 시점(Q)으로부터 발신된 초음파(P)가 유체(F)의 표면(S)에서 반사되고, 이 반사파(R2)가 초음파 진동자(30)로 수신되는 시점까지 소요되는 제2소요시간(t2)을 측정한다. 컨트롤러(60)는 위에서 측정되는 소요시간(t0, t1, t2)들을 이용하여 수위(H)를 측정하며 그 연산과정에 대하여는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.The
위와 같이 구성된 초음파 수위측정장치(100)로 유체(F)의 수위(H)를 측정하는 원리를 살펴보기로 한다.The principle of measuring the water level (H) of the fluid (F) with the ultrasonic
컨트롤러(60)에서 발신신호를 초음파 진동자(30)로 인가하면, 초음파 진동자(30)가 초음파(P)를 상방향으로 발신한다. 발신된 초음파(P)는 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 저장탱크(10)의 하단부(16)을 통하여 상향방으로 진행한다. 저장 탱크(10)의 하단부(16)와 전달부재(20)가 서로 상이한 매질이므로 저장탱크의 내측벽(12)에서 반사가 일어나게 된다. 그에 따라서 상방향으로 진행하던 초음파(P0)의 일부(R0)는 저장탱크(10)의 내측벽(12)에서 반사되며, 이 반사파(R0)는 저장탱크(10) 하단부(16)을 통해 하방향으로 전달되어 초음파 진동자(30)에서 수신되고 , 나머지 초음파(P1)는 전달부재(20)로 전달된다. 전달부재(20) 내로 전달된 초음파(P1)는 상방향으로 진행하고, 전달부재(20)의 상단면(21)에서 전달부재(20)와 유체(F)의 매질 차이에 따른 반사가 일어나게 된다. 그에 따라서 전달부재(20) 내를 진행하던 초음파(P1) 중, 일부(R1)는 반사되고 나머지 초음파(P2)는 유체(F)로 전달된다. 반사되는 제1반사파(R1)는 전달부재(20)를 통하여 하방향으로 진행하여 저장탱크(10)의 하단부(16)을 거쳐 초음파 수신기(30)에 수신된다. 유체(F)로 전달된 초음파(P2)는 상방향, 즉 유체 표면(S)과 수직인 방향으로 진행하고, 유체 표면(S)에서 유체(F)와 공기(A)의 매질 차이에 따른 반사가 일어나게 된다. 그에 따라서 유체(F) 내를 진행하던 초음파(P2) 중, 일부(R2)는 반사되고 나머지 초음파(P3)는 공기(A)로 전달된다. 반사되는 제2반사파(R2)는 유체(F)를 통하여 하방향으로 진행하여 전달부재(20)와 저장탱크(10)의 하단부(16)를 거쳐서 초음파 진동자(30)로 수신된다. 초음파가 발사된 후 시간이 경과함에 따라, 앞서 언급한 각각의 반사파(R0, R1, R2)가 초음파 진동자(30)로 수신되면, 초음파 진동자(30)는 각각의 반사 파(R0, R1, R2)를 수신한 즉시 수신신호를 컨트롤러(60)로 전송하고, 컨트롤러(60)는 이 수신신호를 이용하여 상쇄시간(t0)과, 제1소요시간(t1)과, 제2소요시간(t2)을 측정한다.When the outgoing signal is applied to the
한편, 유체(F)의 수위(H)는 전달부재(20)의 길이(L1)와 전달부재(20)의 상단면(21)에서부터 유체 표면(S)까지의 길이(L2)를 합하여 구할 수 있다. 온도 T 에서 전달부재(20)의 길이(L1)는, 전달부재(20)의 특정온도 T0 에서의 길이를 L0 라 하고, 전달부재(20)의 열팽창계수를 α라 할 때, On the other hand, the water level (H) of the fluid (F) by adding the length (L 1 ) of the
L1 = L0 × [ 1 + α(T - T0 ) ] 로 구하여 지며, 전달부재(20)의 상단면(21)에서부터 유체 표면(S)까지의 길이(L2)는, 온도가 T 인 유체(F) 내에서의 초음파의 전파속도를 V라 할 때, L2 = V × [제2소요시간(t2) - 제1소요시간(t1)]÷2 로 구하여 진다.L 1 = L 0 × [1 + α (T − T 0 )], and the length L 2 from the
따라서 전달부재(20)의 온도와 유체(F)의 온도를 알면 유체의 수위(H)를 측정할 수 있는데, 전달부재(20)와 유체(F)는 서로 접하여 있으므로, 열적 평형상태라 할 수 있고, 따라서 두 개(20, F)의 온도가 동일하다고 할 수 있으므로, 전달부재(20)의 온도 T를 구하면 유체(F)의 수위(H)를 구할 수 있게 된다. 이하 전달부재(20)의 온도 T를 구하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.Therefore, knowing the temperature of the
컨트롤러(60)는 전달부재(20)의 길이(L1)의 두 배를 초음파가 전달부재(20) 내를 진행하는 시간, 즉 제1소요시간(t1)에서 상쇄시간(t0)을 뺀 시간으로 나누어서 전달부재(20) 내를 진행하는 초음파의 전파속도를 산출한다. 이때 전달부재(20)의 길이(L1)는, 전달부재(20)가 열팽창을 하므로 온도 T에 따라 달라질 수 있으나, 온도 T의 변화가 크지 않은 경우에는 특정온도 T0에서의 길이 L0와 동일하다고 생각할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 전달부재(20)의 온도 T에 따른 음파전달속도는 실험을 통하여 알고 있으므로, 위에서 구한 전파속도를 이용하여 역으로 전달부재(20)의 온도 T를 구할 수 있게 된다.
다만 유체(F)의 온도변화가 커서 전달부재(20)의 길이 변화를 무시할 수 없는 경우에는, 시행착오법을 이용하여 전달부재(20)의 온도 T를 측정할 수 있으며, 시행착오법은 공지의 방법으로써 간략히 설명하면 다음과 같다. 위와 같이 전달부재(20)의 열팽창계수와 온도 T에 따른 전달부재(20) 내의 초음파의 전달속도를 알고 있는 경우, 전달부재(20)의 온도를 임의의 온도 T'으로 설정하고 이 임의의 온도 T'에서의 전달부재(20)의 길이 L' = L0 × [ 1 + α(T' - T0 ) ] 와 초음파의 진행속도 V' 을 구한다. 이렇게 구하여진 전달부재(20)의 길이 L' 과 초음파의 진행속도 V'을 이용하면, 초음파가 전달부재(20) 내를 진행하는데 소요되는 시간은 t' = 2L' ÷ V' 이 되며, 이 t'과 전달부재(20) 내를 초음파가 진행하는데 실제로 소요되는 시간 t1 - t0을 비교하고, 그 값이 다른 경우 임의의 온도 T'을 변경하면서 위의 과정을 반복한다. 이렇게 반복하여서, 실제 측정되는 소요시간 t1 - t0 과 계 산에 의해 구하여지는 t'= 2L'÷ V'이 같아질 때의 온도 T'이 실제 전달부재(20) 내의 온도 T가 되며, 유체(F)의 온도와 전달부재(20)의 온도가 같으므로, 이와 같은 방법을 이용하여 유체(F)의 온도 T를 측정할 수 있다. However, when the temperature change of the fluid F is so large that the change in the length of the
이와 같이 측정된 유체(F)의 온도 T를 바탕으로 유체(F) 내에서의 초음파의 전달속도 V 를 구할 수 있으므로 유체의 수위(H)는, Based on the temperature T of the fluid F measured as described above, the delivery speed V of the ultrasonic waves in the fluid F can be obtained, so that the fluid level H is
전달부재(20)의 길이 L1 = L0 × [ 1 + α(T - T0 ) ]과, 전달부재 상단면(21)에서 유체 표면(S)까지의 길이 L2 = V × [제2소요시간(t2) - 제1소요시간(t1)] ÷ 2 의 합으로 구할 수 있다.Length L 1 = L 0 × [1 + α (T − T 0 )] of the
한편, 초음파 진동자(30)에서 발신된 초음파는 저장탱크(10)의 하단부, 전달부재(20), 및 유체(F) 등의 매질을 통해 전파되면서, 매질이 가지고 있는 초음파의 진행을 방해하는 음파저항의 영향과 매질 간의 경계에서 일어나는 반사로 인하여, 전달되는 초음파의 세기가 점차 약해지게 된다. 이는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 초음파 진동자(30)에 수신된 상쇄반사파(R0), 제1반사파(R1), 제2반사파(R2)의 세기가 점차 약해진 것을 통해 확인할 수 있다. 따라서 초음파가 발신되는 저장탱크(10)의 외측벽(15)으로부터 유체 표면(S)까지의 거리가 먼 경우, 즉 측정하고자 하는 유체(F)의 깊이가 깊은 경우에는, 유체 표면(S)에서 반사되어 초음파 진동자로 돌아오는 제2반사파(R2)가 초음파 진동자(30)까지 전달되지 못할 우려가 있다. 이를 방지하기 위하여 전달부재(20)의 상단면(21)에서 반사가 조금만 일어나게 함 으로써, 반사되는 제1반사파(R1)의 세기는 약하게 하고 유체(F)로 전달되는 초음파(P2)의 세기를 강하게 하여, 유체 표면(S)에서 반사되어 초음파 진동자(20)로 전달되는 제2반사파(R2)의 세기를 강하게 하여야 한다. 한편 매질 간의 경계면에서 발생하는 반사는 두 매질의 음향저항계수의 차이가 클수록 반사가 많이 일어나므로, 전달부재(20) 상단면(21)에서 발생하는 반사를 약하게 하여 제2반사파(R2)의 세기를 강하게 하기 위해서는, 전달부재(20)와 유체(F)의 음향저항계수가 비슷해야하며, 이하 음향저항계수에 대해 간략히 설명하기로 한다. On the other hand, the ultrasonic wave transmitted from the
매질 내에서 음파가 진행할 때, 음파가 전해지는 매질의 각 미소부분의 진동속도 즉 입자속도를 u라 하고, 음파의 파면에 평행한 특정 지역의 넓이를 S라 하며, 이 특정 지역에서의 음파의 압력을 P라 했을 때, Z=P/uS 로 표시되는 Z가 음향임피던스이다. 이에 대해서 음파의 압력 P와 입자속도 u와의 비, 즉 P/u 를 단위넓이 음향임피던스 또는 비(比)음향임피던스라 하여 구별한다. 음향임피던스와 단위넓이 음향임피던스는 일반적으로 복소수로 표시되는데, 음향임피던스의 실수 부분을 음향저항계수, 허수 부분을 음향리액턴스라 하며, 단위로는 음향옴을 사용한다. 다만, 매질 내를 진행하는 음파가 평면파인 경우, 음압과 입자속도가 항상 비례하고 위상이 일치하므로, 단위넓이 음향임피던스는 실수 부분만으로 되며, 매질의 밀도 ρ와 그 매질 내의 음파의 전파속도 c와의 곱, 즉 ρc와 같아진다. 이 단위넓이 음향임피던스는 물질에 따라 상수로 정해지며, 이 상수를 고유음향저항계수라 한다. As the sound wave progresses in the medium, the oscillation speed or particle velocity of each micro part of the medium through which the sound wave is transmitted is referred to as u, and the area of a particular area parallel to the wavefront of the sound wave is called S, When the pressure is P, Z represented by Z = P / uS is the acoustic impedance. On the other hand, the ratio between the pressure P of the sound wave and the particle velocity u, i.e., P / u, is distinguished by unit width acoustic impedance or non-acoustic impedance. Acoustic impedance and unit width Acoustic impedance is generally expressed as a complex number. The real part of the acoustic impedance is called the acoustic resistance coefficient and the imaginary part is called the acoustic reactance. However, if the sound wave traveling in the medium is a plane wave, the sound pressure and particle velocity are always proportional and in phase, so the unit width acoustic impedance is only a real part, and the density of the medium ρ and the propagation speed c of the sound wave in the medium are Is equal to the product, ρc. This unit-wide acoustic impedance is defined as a constant depending on the material, and this constant is called the intrinsic acoustic resistance coefficient.
초음파 진동자(30)에서 발생되어 전달부재(20) 내를 진행하는 초음파는 평면파로 간주할 수 있고, 따라서 전달부재(20)와 유체(F)의 음향저항계수는 두 매질의 밀도와 그 매질 내의 음파의 전파속도의 곱으로 정해지므로, 두 매질의 음향저항계수를 비슷하게 하기 위해서는 전달부재(20)의 밀도와 유체(F)의 밀도가 비슷해야 하며, 전달부재(20)와 유체(F) 내에서의 음파의 전파속도도 유사하여야 한다. 공지되어 있는 물질 중 유체(F)와 음향저항계수가 유사한 플라스틱 종류, 예를 들어 폴리에틸렌으로 전달부재(20)를 형성하는 것이 바람직하다. Ultrasonic waves generated by the
한편 유체(F)가 저장탱크(10) 내에 저장되어 있는 상태는, 유체(F)의 움직임이 거의 없는 안정된 상태라 할 수 있고, 이 상태에서의 유체(F)의 온도분포는 하측에서 상측으로 갈수록 온도가 높아지게 분포되어 있다. 따라서 엄밀히 말하면 위에서 구한 전달부재(20)의 온도 T는 전달부재(20)가 배치되어 있는 수심까지의 온도, 즉 저장탱크(10) 내측벽(12)에서부터 전달부재(20)의 상단면(21)까지의 유체의 온도이며, 유체(F) 전체의 온도와는 다소 차이가 있을 수 있다. 따라서 이 차이를 줄이기 위하여는 유체의 표면(S)과 전달부재(20)의 상단면(21)의 높이가 유사하여야 한다. On the other hand, the state in which the fluid F is stored in the
유체 표면(S)의 높이 즉 수위(H)와, 전달부재(20) 상단면(21)의 높이 즉 전달부재의 길이(L1)를 유사하게 하기 위한 방법으로, 앞에서 설명하는 실시예에서 하나의 전달부재(20)만을 사용한 것과 달리, 도 4에 도시된 바와 같이 저장탱크(10) 내에 전달부재(20)의 길이(L1)를 상이하게 하여 복수로 배치하여 구성할 수 있다. 전달부재 상단면(21)이 유체 표면(S) 아래에 배치된 경우에는, 저장탱크 내측벽(12)과 전달부재 상단면(21)과 유체 표면(S)에서 발생하는 반사파(R0, R1, R2) 및 앞에서 설명하지 않았으나 공기(A)중을 진행하는 초음파(P3)가 저장탱크(10) 상단부(13)에서 반사되어 다시 초음파 진동자(30)에 수신되는 반사파까지 총 4개의 반사파가 초음파 진동자(30)에 수신된다. 하지만 전달부재 상단면(21)이 유체 표면(S) 위에 배치되는 경우, 전달부재(20)와 유체(F)의 매질 차이에 따른 반사가 일어나지 않고, 전달부재(20)와 공기(A)와의 매질 차이에 따른 반사가 일어나므로 3개의 반사파만이 초음파 진동자(30)로 수신된다. 따라서 서로 상이한 높이를 가지는 전달부재 중에서 4개의 반사파가 측정되면서 가장 길이가 긴 전달부재를 이용하여 유체(F)의 온도를 측정하면 유체 온도의 오차 범위를 줄일 수 있고, 그에 따라서 정확한 수위(H)를 측정할 수 있게 된다.As a method for similarizing the height of the fluid surface S, that is, the water level H, and the height of the
이하, 상술한 바와 같이 구성된 초음파 수위측정장치(100)를 이용하여 수위(H)를 측정하는 일례를 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an example of measuring the water level H by using the ultrasonic
결합부재(40)가 결합되어 있으며 길이가 서로 상이한 3개의 전달부재(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)를 저장탱크(10)의 내측벽(12)에 배치한다. 자석(50)이 결합된 초음파 진동자(30)를 위 전달부재(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)와 각각 마주보도록 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 배치하면, 자석(50)과 결합부재(40) 사이의 자기력에 의하여 전달부재(20)와 초음파 진동자(30)는 저장탱크(10)에 고정되게 된다. 초음파 진동자(30)와 컨트롤러(60)를 연결한다. 저장탱크(10)의 주입부(11)를 통하여 유체(F)를 주입한다.Coupling
컨트롤러(60)에서 발신신호를 초음파 진동자(30)로 전달하면, 초음파 진동자(30)는 초음파(P)를 상방향으로 발신한다. 발신된 초음파(P)는 상방향으로 전달되며, 그 일부(R0, R1, R2)가 저장탱크의 내측벽(12), 전달부재의 상단면(21), 유체의 표면(S) 및 저장탱크의 상단부(13)에서 각각 반사되어 초음파 발신기(30)로 수신된다. 각각의 초음파 진동자(30)들은 초음파가 수신될 때마다 수신신호를 컨트롤러(60)로 전송한다. 컨트롤러(60)는 전송된 수신신호를 이용하여 상쇄시간(t0), 제1소요시간(t1), 제2소요시간(t2)을 각각 측정한다. 앞서 검토한 바와 같이, 배치된 전달부재들(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ) 중 상단면(21)이 유체의 표면(S) 밖으로 나와있는 경우(Ⅲ)에는 3개의 반사파만이 초음파 진동자(30)로 수신되므로, 4개의 반사파가 수신되면서 길이가 가장 긴 전달부재(Ⅱ)에서 측정된 데이터를 선택한다. 이 데이터와, 앞서 검토한 시행착오법을 이용하여 유체(F)의 온도 T를 측정한다. 온도 T에서의 전달부재의 열팽창계수와 초음파의 전달속도를 찾고, 이를 이용하여 전달부재(Ⅱ)의 길이와 전달부재(Ⅱ) 상단면(21)에서 유체 표면(S)까지의 길이를 구하고 둘을 합하여 수위(H)를 구한다.When the
상술한 바와 같이, 초음파 수위측정장치(100)는 종래의 수위측정장치(9)보다 구조가 간단하여 제작이 용이하며 경제적이다. 이는 종래의 수위측정장치(9)가 유체의 온도를 측정하기 위하여 별도의 측정챔버(2)와 복수의 온도센서(4)를 구비하였던 것에 비하여, 본 발명에 따른 초음파 수위측정장치(100)는 전달부재(20)를 이용하여 온도를 측정하기 때문이다.As described above, the ultrasonic
또한 전달부재(20)가 저장탱크(10) 내의 유체(F)와 직접적으로 접촉하는 상태에서 유체(F)의 온도를 측정하도록 구성되어 있으므로, 종래의 수위측정장치(10)에서 측정챔버(2)의 온도를 온도센서(4)로 측정하고, 이 온도를 유체의 온도로 설정하였던 것보다 더 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 그 결과 유체(F) 내에서의 초음파의 전파속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 종래보다 정확하게 수위(H)를 측정할 수 있다. 특히 복수의 전달부재(20)를 사용하는 경우에는 더욱 더 정밀한 수위(H)를 측정할 수 있다.In addition, since the
한편, 앞선 실시예들에서와 달리, 도 5에 도시된 바와 같이 두개의 초음파 진동자(30, 30')와 하나의 전달부재(20)를 구비하도록 구성할 수도 있다.On the other hand, unlike in the previous embodiments, as shown in Figure 5 may be configured to include two ultrasonic vibrators (30, 30 ') and one transmission member (20).
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 초음파 수위측정장치(100)는 저장탱크(10)와, 전달부재(20)와, 초음파 진동자(30, 30')와 컨트롤러(60)를 구비한다. 초음파 수위측정장치(100)의 각 구성요소들의 구조와 기능은 앞선 실시예에서와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 두개의 초음파 진동자(30, 30')가 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 설치된다. 설치된 두개의 초음파 진동자(30, 30') 중 하나의 초음파 진동자(30)에서 발신되는 초음파가 전달되도록, 저장탱크(10)의 내측벽(12)에 전달부재(20) 설치한다. 전달부재(20)와 마주보지 않는 초음파 진동자(30')는 저장탱크(10)의 외측벽(15)에 볼트(28)로 결합되며, 전달부재(20)와 마주보는 초음파 진동자(30)는 앞선 실시예에서와 같이 결합부재(40)와 자석(50) 사이의 자기력에 의해 결합된다. 전달부재(20)와 마주보는 초음파 진동자(30)에서 초음파를 발신하고 발신된 초음파가 전 달부재(20)의 상단면(21)에서 반사되어 초음파 진동자(30)에 수신되기까지 소요되는 제1소요시간을 측정한다. 측정된 시간과 전달부재(20)의 길이를 이용하여 앞서 검토한 방법으로 저장탱크(10) 내의 유체(F)의 온도를 측정한다. 측정된 유체(F)의 온도를 이용하여 유체(F) 내에서의 초음파의 전파속도를 구한다. 전달부재(20)와 마주보지 않는 초음파 진동자(30')에서 초음파를 발신하고 발신된 초음파가 유체의 표면(S)에서 반사되어 다시 초음파 진동자(30')로 수신되는데 소요되는 제2소요시간을 측정한다. 측정된 제2소요시간과 초음파의 전파속도를 이용하여 수위(F)를 측정한다.Referring to FIG. 5, the ultrasonic
또한, 앞선 실시예에서 전달부재(20)가 플라스틱으로 구성되었으나, 도 6에 도시된 바와 같이 충전부(27)에 유체(F')가 채워지도록 구성할 수도 있다.In addition, although the
도 6을 참조하면, 전달부재(20)는 케이스(23)와 덮개(24)를 구비한다. 케이스(23)에는 수위를 측정하고자하는 유체와 동일한 유체가 채워지는 충전부(27)가 형성된다. 케이스(23)는 일방향으로 길게 형성된다. 케이스(23)는 초음파 진동자(30)와 마주하도록, 저장탱크(20)의 내측벽(12)에 설치된다. 충전부(27)에는 유체(F')가 채워진다. 덮개(25)는 케이스(23)의 상단에 결합되어 케이스(23)를 폐쇄한다. 케이스(23) 및 덮개(25)는 열전달이 잘되는 소재로 이루어지며, 그 두께가 얇은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 앞선 실시예에서 전달부재(20)를 이용하여 유체(F)의 온도를 측정한 것에 대응하여, 본 실시예에서는 후술하는 바와 같이 케이스(23)의 충전부(27)에 채워진 유체(F')를 이용하여 저장탱크(20) 내의 유체(F)의 온도 및 유체(F) 내에서의 초음파의 전달속도를 구하므로, 이를 정확하게 구하기 위하여는 충전부(27)에 채워진 유체(F')와 저장탱크(20) 내부에 있는 유체(F)의 온도가 동일하여야 하기 때문이다.Referring to FIG. 6, the
초음파 진동자(30)에서 초음파를 발신하면, 발신된 초음파가 전달되는 매질 차이에 따라서 저장탱크(10)의 내측벽(12), 전달부재(20)의 하단벽(26), 덮개(24)의 하측벽(25), 전달부재(20)의 상단면(21) 및 유체 표면(S)에서 반사되어 다시 초음파 진동자로 수신된다. 각각의 반사파가 수신되는 시점을 측정하여, 초음파가 전달부재(20)의 하단벽(26)과 덮개(24)의 하측벽(25) 사이를 진행하는데 소요되는 시간을 측정한다. 측정된 소요시간과 전달부재(20)의 하단벽(26)과 덮개(24)의 하측벽(25) 사이의 거리를 이용하여 초음파의 전달속도를 측정한다. 측정된 전달속도와, 초음파 진동자(30)에서 발신된 초음파가 유체 표면(S)에서 반사되어 다시 초음파 진동자(30)로 수신되기까지 소요되는 시간을 이용하여 수위(H)를 측정한다.When the ultrasonic wave is transmitted from the
앞에서 설명한 실시예의 전달부재(20)를 사용하여 수위를 측정하는 경우에는 전달부재(20)를 사용하여 유체(F)의 온도를 측정하고, 이 온도에 해당하는 유체(F)에서의 전파속도를 온도보정식을 통하여 구하고 이와 같이 구하여진 전파속도를 이용하여 수위(H)를 측정하였다. 하지만 본 실시예에 따른 전달부재를 사용하면, 케이스(23)의 충전부(27)에 채워진 유체(F')와 저장탱크 내의 유체(F)가 서로 동일하므로 충전부(27)에 채워진 유체(F')를 진행하는 초음파의 전달속도와 저장탱크 내의 유체(F)를 진행하는 초음파의 전달속도가 동일하게 된다. 따라서 별도의 온도보정식을 이용하지 않고도 수위(H)를 측정할 수 있는 장점이 있다.In the case of measuring the water level using the
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명 은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.As mentioned above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and many modifications can be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. Is obvious.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는 전달부재(20)가 원 형상이었으나, 사각형 등의 다른 형상으로 구성할 수 있다.For example, in one embodiment of the present invention, although the
또한 본 발명의 일 실시예에서는 전달부재(20)에 결합된 결합부재(40)와 저장탱크 외측벽(15)에 배치된 자석(50) 사이의 자기력을 이용하여, 전달부재(20)를 저장탱크(10) 내측벽(12)에 고정하였으나, 전달부재(20)에 결합부재(40)를 결합하고, 결합부재(40)와 저장탱크 내측벽(12)을 나사로 결합하여 전달부재(20)가 고정되도록 구성할 수도 있다.In addition, in one embodiment of the present invention using the magnetic force between the coupling
또한 본 발명의 사용 방법을 설명하기 위한 실시예에서는 3개의 전달부재(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)를 이용하여 수위(H)를 측정하였으나, 전달부재(20)의 수를 달리하여 수위(H)를 측정하도록 구성할 수도 있다. In addition, in the embodiment for explaining the use method of the present invention, the water level (H) was measured by using three transmission members (I, II, III), the water level (H) by varying the number of the
또한 초음파의 진동수에 따라 초음파가 전파될 수 있는 매질 및 거리가 상이하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 한 종류의 초음파 진동자를 사용한 것과 달리, 서로 다른 진동수의 초음파를 발신하는 초음파 진동자를 구비하여, 하나의 초음파 진동자는 저장탱크(10) 하단부(16)의 두께를 측정하기 위하여 사용되며, 다른 초음파 진동자는 유체 내부를 진행하여 수위(H)를 측정하는 용도로 사용되도록 발명을 구성할 수도 있다.In addition, since the medium and distance through which ultrasonic waves can be propagated vary according to the frequency of ultrasonic waves, in one embodiment of the present invention, unlike one type of ultrasonic vibrator, the ultrasonic vibrator which transmits ultrasonic waves of different frequencies is provided. One ultrasonic vibrator may be used to measure the thickness of the
상기한 구성의 본 발명의 초음파 수위측정장치에 의하면 전달부재를 이용하 여 저장탱크 내의 수위를 측정할 수 있도록 구성되므로, 종래의 수위측정장치가 저장탱크에 연결된 별도의 측정챔버와 복수의 온도센서를 구비하였던 것을 감안할 때 그 구성이 간단하여, 종래보다 용이하고 저렴하게 제작될 수 있다According to the ultrasonic level measurement apparatus of the present invention having the above-described configuration is configured to measure the water level in the storage tank by using the transfer member, the conventional water level measurement apparatus is provided with a separate measuring chamber and a plurality of temperature sensors connected to the storage tank. Given that the configuration is simple, it can be produced easier and cheaper than the conventional
또한, 저장탱크 내의 배치되는 전달부재를 이용하여 유체의 온도를 측정하므로, 종래보다 더 정확하게 온도를 측정할 수 있고, 그 결과 더 정확한 수위를 측정할 수 있다.In addition, since the temperature of the fluid is measured by using the transfer member disposed in the storage tank, the temperature can be measured more accurately than the conventional method, and as a result, a more accurate water level can be measured.
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KR1020070045630A KR100780819B1 (en) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | Ultrasonic level measurement device |
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2007
- 2007-05-10 KR KR1020070045630A patent/KR100780819B1/en active IP Right Grant
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