KR101695541B1 - 초음파 유량계 및 초음파 흡수체의 이상 판정 방법 - Google Patents

초음파 유량계 및 초음파 흡수체의 이상 판정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전파 시간차 방식의 초음파 유량계에 있어서, 배관 전파파 억제용의 초음파 흡수재의 이상을 용이하게 검지하는 것을 목적으로 한다.
내부에 유체가 흐르는 배관(A)의 상류측의 외주에 설치되는 제1 초음파 송수신부(20A)와, 배관(A)의 하류측의 외주에 설치되는 제2 초음파 송수신부(20B)와, 제1 초음파 송수신부(20A)로부터 송신된 초음파가 제2 초음파 송수신부(20B)에 수신되기까지의 시간과 제2 초음파 송수신부(20B)로부터 송신된 초음파가 제1 초음파 송수신부(20A)에 수신되기까지의 시간에 기초하여 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부(55)와, 배관(A)의 외주에 설치되어 초음파의 배관 전파파를 흡수하는 초음파 흡수체(10)를 구비하는 초음파 유량계(1)로서, 특정한 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과 기준값의 차 또는 비가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정부(63)를 구비한다.

Description

초음파 유량계 및 초음파 흡수체의 이상 판정 방법{ULTRASONIC FLOWMETER AND METHOD FOR JUDGING ABNORMALITY IN ULTRASONIC ABSORBER}
본 발명은 초음파 유량계 및 초음파 흡수체의 이상 판정 방법에 관한 것이다.
종래부터, 각종 유체의 유량을 계측하기 위한 초음파 유량계가 제안되어, 실용화되고 있다. 예컨대, 현재에 있어서는, 진동자를 실장하는 쐐기 부재의 바닥면부를, 음향 결합재를 통해 배관의 외벽에 접속한 클램프온형 초음파 유량계가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 기재된 클램프온형 초음파 유량계에 의하면, 특정 진단 파형의 주파수 스펙트럼의 총합을 소정의 임계값과 비교함으로써, 음향 결합재의 이상 진단을 행할 수 있다고 되어 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2013-181812호 공보
그런데, 최근에 와서는, 초음파 진동자와 사각(斜角) 쐐기에 의해 구성한 한 쌍(내지 복수 쌍)의 초음파 송수신기를 유체가 흐르는 배관의 외벽에 설치하여, 유체의 유동 방향 및 반대 방향으로 초음파를 전파시켰을 때의 각각의 전파 시간을 계측하고, 이들 전파 시간의 차에 기초하여 유체의 유량을 산출하는, 이른바 「전파 시간차」 방식의 초음파 유량계가 제안되어 있다.
이러한 「전파 시간차」 방식의 초음파 유량계에 있어서는, 배관 전파파(초음파 진동자로부터 발생한 초음파 중, 배관의 관벽에서 반사하여 배관을 전파하는 전파파)를 억제하기 위해서, 배관 주위에 댐핑재(초음파 흡수재)를 설치할 필요가 있다. 댐핑재의 열화나 박리가 발생하면 유량 계측이 불가능해지고, 유량계는 높은 곳 등의 작업이 곤란한 개소에 설치되는 경우도 많기 때문에, 댐핑재의 이상을 조기에 검지할 필요가 있다. 그러나, 현단계에서는, 댐핑재의 이상을 유효하게 검지하는 방법은 제안되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 전파 시간차 방식의 초음파 유량계에 있어서, 배관 전파파 억제용의 초음파 흡수재의 이상을 용이하게 검지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 유량계는, 내부에 유체가 흐르는 배관에 있어서의 상류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 배관에 있어서의 하류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 제2 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간과 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 제1 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간에 기초하여 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부와, 배관의 외주에 설치되어 초음파의 배관 전파파를 흡수하는 초음파 흡수체와, 배관 전파파를 특정하는 배관 전파파 특정부와, 배관 전파파 특정부에서 특정한 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 감쇠 상태값 취득부와, 기준 상태에서의 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과 감쇠 상태값 취득부에서 취득한 값의 차 또는 비가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정부를 구비하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 이상 판정 방법은, 내부에 유체가 흐르는 배관에 있어서의 상류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 배관에 있어서의 하류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 제2 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간과 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 제1 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간에 기초하여 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부와, 배관의 외주에 설치되어 초음파의 배관 전파파를 흡수하는 초음파 흡수체를 구비하는 초음파 유량계의 초음파 흡수체의 이상 판정 방법으로서, 배관 전파파를 특정하는 배관 전파파 특정 공정과, 배관 전파파 특정 공정에서 특정한 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 감쇠 상태값 취득 공정과, 기준 상태에서의 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과 감쇠 상태값 취득 공정에서 취득한 값의 차 또는 비가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정 공정을 포함하는 것이다.
이러한 구성 및 방법을 채용하면, 기준 상태에서의 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과, 특정한 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값을 비교하여, 양자의 차 또는 비가 소정의 임계값을 초과하는 경우에, 초음파 흡수체에 이상이 발생한 것으로 판정할 수 있다. 즉, 배관 전파파를 특정해서 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하여 기준 상태의 값과 비교하는 것만으로, 초음파 흡수체의 이상(열화나 박리)을 매우 용이하게 검지할 수 있다. 따라서, 초음파 흡수체가 열화하는 기간을 측정하여 적절한 교환 시기를 파악하거나, 시공 초기의 설치 불량을 발견할 수 있다. 한편, 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값으로서는, 배관 전파파의 제곱 평균 제곱근(RMS), 배관 전파파의 최대값과 최소값의 차, 배관 전파파의 적산값, 배관 전파파의 SN비 등을 채용할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 유량계에 있어서, 유체 전파파와 배관 전파파의 혼합파를 포함하는 초음파의 파형에 기초하여 배관 전파파를 특정하는 배관 전파파 특정부를 채용할 수 있다.
이러한 구성을 채용하면, 유체 전파파와 배관 전파파의 혼합파를 포함하는 초음파의 파형에 기초하여 배관 전파파를 특정할 수 있다. 예컨대, 횡축에 시간, 종축에 전압을 취하여 초음파의 파형을 표시했을 때에, 초음파의 파형의 최대 피크로부터 좌우의 최소 피크를 향해 2개의 직선을 그리고, 이들 2개의 직선과 횡축과의 교점을 각각 혼합파의 개시시 및 종료시로 하며, 혼합파의 개시시보다 소정 시간 전부터 존재하는 파형(또는 혼합파의 종료시로부터 소정 시간 후까지 존재하는 파형)을 배관 전파파로서 특정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전파 시간차 방식의 초음파 유량계에 있어서, 배관 전파파 억제용의 초음파 흡수재의 이상을 용이하게 검지하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 초음파 유량계의 개략 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 초음파 유량계의 제1 초음파 송수신부의 구성을 설명하는 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 초음파 유량계를 이용하여 배관의 내부에 흐르는 기체의 유량을 산출하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 도 1에 도시한 초음파 유량계의 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 제2 초음파 송수신부에 수신되는 모습을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 도 1에 도시한 초음파 유량계의 본체부의 연산 제어부의 기능적 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 배관 전파파의 특정 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 초음파 흡수체의 이상 판정용의 기준값을 설정하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 초음파 흡수체의 이상 판정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호로 나타내고 있다. 한편, 도면은 실제의 치수를 나타내는 것이 아니며, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 대조하여 판단해야 하는 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 도면의 상측을 「상」, 하측을 「하」, 좌측을 「좌」, 우측을 「우」라고 말한다.
먼저, 도 1 내지 도 7을 이용하여, 본 발명의 실시형태에 따른 초음파 유량계(1)의 구성에 대해 설명한다. 본 실시형태에 따른 초음파 유량계(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 배관(A)의 내부에 흐르는 기체(가스)의 유량을 측정하기 위한 것이다. 초음파 유량계(1)의 측정 대상인 기체는, 도 1에 있어서 흰 화살표로 나타내는 방향(도 1에서의 좌측으로부터 우측의 방향)으로 흐르고 있다. 초음파 유량계(1)는, 제1 초음파 송수신부(20A)와, 제2 초음파 송수신부(20B)와, 본체부(50)와, 초음파 흡수체(10)를 구비한다.
제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)는, 각각 배관(A)의 외주에 설치된다. 도 1에 도시한 예에서는, 제1 초음파 송수신부(20A)가 배관(A)에 있어서의 상류측에, 제2 초음파 송수신부(20B)는 배관(A)에 있어서의 하류측에, 각각 배치된다. 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)는, 각각 초음파의 송신 및 수신을 행하며, 상호 초음파를 송수신한다. 즉, 제1 초음파 송수신부(20A)가 송신한 초음파는 제2 초음파 송수신부(20B)에 의해 수신되고, 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신한 초음파는 제1 초음파 송수신부(20A)에 의해 수신된다.
제1 초음파 송수신부(20A)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 쐐기(21)와, 압전 소자(22)를 구비한다.
쐐기(21)는 배관(A)에 대해 소정의 예각으로 초음파를 입사시키기 위한 것이며, 수지제 또는 금속제의 부재이다. 쐐기(21)는 바닥면(21a)이 배관(A)의 외주면에 접촉하도록 설치된다. 또한, 쐐기(21)는 바닥면(21a)에 대해 소정의 각도를 갖는 경사면(21b)이 형성되어 있다. 경사면(21b)에는 압전 소자(22)가 설치된다. 본 실시형태에서는, 바닥면(21a)이 배관(A)의 외주면에 접촉하는 예를 나타내었으나, 이것에 한정되지 않는다. 바닥면(21a)과 배관(A)의 외주면 사이에 접촉 매질(커플런트)을 개재시켜도 좋다.
압전 소자(22)는 초음파를 송신하고, 초음파를 수신하기 위한 것이다. 압전 소자(22)에는, 리드선(도시 생략)이 전기적으로 접속되어 있다. 리드선을 통해 소정 주파수의 전기 신호가 인가되면, 압전 소자(22)는 상기 소정 주파수로 진동하여 초음파를 발한다. 이에 의해, 초음파가 송신된다. 도 2에 있어서 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 압전 소자(22)로부터 송신된 초음파는, 경사면(21b)의 각도로 쐐기(21)를 전파한다. 쐐기(21)를 전파하는 초음파는, 쐐기(21)와 배관(A)의 외벽과의 계면에서 굴절하여 입사각이 변화하고, 배관(A)의 내벽과 배관(A)의 내부에 흐르는 기체와의 계면에서 또한 굴절하여 입사각이 변화해서, 상기 기체를 전파한다. 계면에 있어서의 굴절은, 스넬의 법칙에 따르기 때문에, 배관(A)을 전파할 때의 초음파의 속도, 기체를 전파할 때의 초음파의 속도에 기초하여, 경사면(21b)의 각도를 미리 설정함으로써, 초음파를 원하는 입사각으로 기체에 입사시켜, 전파시킬 수 있다.
한편, 압전 소자(22)에 초음파가 도달하면, 압전 소자(22)는 상기 초음파의 주파수로 진동하여 전기 신호를 발생시킨다. 이에 의해, 초음파가 수신된다. 압전 소자(22)에 발생한 전기 신호는, 리드선을 통해 후술하는 본체부(50)에서 검출된다.
한편, 제2 초음파 송수신부(20B)는, 제1 초음파 송수신부(20A)와 동일한 구성을 구비한다. 즉, 제2 초음파 송수신부(20B)도, 쐐기(21)와, 압전 소자(22)를 구비한다. 따라서, 전술한 제1 초음파 송수신부(20A)의 설명으로, 제2 초음파 송수신부(20B)의 상세한 설명을 생략한다.
도 1에 도시한 본체부(50)는, 초음파가 배관(A)의 내부에 흐르는 기체를 전파하는 시간에 기초하여 상기 기체의 유량을 측정하기 위한 것이다. 본체부(50)는, 전환부(51)와, 송신 회로부(52)와, 수신 회로부(53)와, 계시부(54)와, 연산 제어부(55)와, 입출력부(56)를 구비한다.
전환부(51)는 초음파의 송신 및 수신을 전환하기 위한 것이다. 전환부(51)는 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)에 접속되어 있다. 전환부(51)는, 예컨대, 전환 스위치 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 전환부(51)는 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초해서 전환 스위치를 전환하여, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 한쪽을 송신 회로부(52)에 접속시키고, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 다른쪽을 수신 회로부(53)와 접속시킨다. 이에 의해, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 한쪽이 초음파를 송신하고, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 다른쪽이 상기 초음파를 수신할 수 있다.
송신 회로부(52)는 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)에 초음파를 송신시키기 위한 것이다. 송신 회로부(52)는, 예컨대, 소정 주파수의 직사각형파를 생성하는 발진 회로, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)를 구동하는 구동 회로 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 송신 회로부(52)는 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여, 구동 회로가 발진 회로에 의해 생성된 직사각형파를 구동 신호로서 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 한쪽의 압전 소자(22)에 출력한다. 이에 의해, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)의 한쪽의 압전 소자(22)가 구동되어, 상기 압전 소자(22)가 초음파를 송신한다.
수신 회로부(53)는 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 수신한 초음파를 검출하기 위한 것이다. 수신 회로부(53)는, 예컨대, 신호를 소정의 이득(게인)으로 증폭하는 증폭 회로, 소정 주파수의 전기 신호를 취출하기 위한 필터 회로 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 수신 회로부(53)는 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B) 중 한쪽의 압전 소자(22)로부터 출력된 전기 신호를 증폭하고, 필터링하여 수신 신호로 변환한다. 수신 회로부(53)는 변환한 수신 신호를 연산 제어부(55)에 출력한다.
계시부(54)는 소정의 기간에 있어서의 시간을 계측하기 위한 것이다. 계시부(54)는, 예컨대, 발진 회로 등으로 구성하는 것이 가능하다. 한편, 발진 회로는 송신 회로부(52)와 공유하도록 해도 좋다. 계시부(54)는 연산 제어부(55)로부터 입력되는 스타트 신호 및 스톱 신호에 기초하여, 발진 회로의 기준파의 수를 카운트하여 시간을 계측한다. 계시부(54)는 계측한 시간을 연산 제어부(55)에 출력한다.
연산 제어부(55)는 배관(A)의 내부에 흐르는 기체의 유량을 연산에 의해 산출하기 위한 것이다. 연산 제어부(55)는, 예컨대, CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리, 입출력 인터페이스 등으로 구성하는 것이 가능하다. 또한, 연산 제어부(55)는, 전환부(51), 송신 회로부(52), 수신 회로부(53), 계시부(54) 및 입출력부(56) 등의 본체부(50)의 각부를 제어한다. 한편, 연산 제어부(55)가 기체의 유량을 산출하는 방법에 대해서는 후술한다.
입출력부(56)는 유저(이용자)가 정보를 입력하고, 또한, 유저에 대해 정보를 출력하기 위한 것이다. 입출력부(56)는, 예컨대, 조작 버튼 등의 입력 수단, 표시 디스플레이 등의 출력 수단 등으로 구성하는 것이 가능하다. 유저가 조작 버튼 등을 조작함으로써, 설정 등의 각종의 정보가 입출력부(56)를 통해 연산 제어부(55)에 입력된다. 또한, 입출력부(56)는 연산 제어부(55)에 의해 산출된 기체의 유량, 기체의 속도, 소정 기간에 있어서의 적산 유량 등의 정보를, 표시 디스플레이 등에 표시하여 출력한다.
여기서, 도 3을 이용하여, 배관(A)의 내부에 흐르는 기체의 유량의 산출 방법에 대해 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 배관(A)의 내부에 소정의 방향(도 3에 있어서 좌측으로부터 우측으로의 방향)으로 흐르는 기체의 속도(이하, 유속이라고 함)를 V[m/s], 상기 기체 중을 초음파가 전파할 때의 속도(이하, 음속이라고 함)를 C[m/s]라고 하고, 상기 기체를 전파하는 초음파의 전파 경로 길이를 L[m]이라고 하며, 배관(A)의 관축과 초음파의 전파 경로가 이루는 각도를 θ라고 하자. 여기서, 배관(A)의 상류측(도 3에 있어서 좌측)에 설치된 제1 초음파 송수신부(20A)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 하류측(도 3에 있어서 우측)에 설치된 제2 초음파 송수신부(20B)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A)의 내부의 기체를 전파하는 전파 시간 t12는 이하의 식 (1)로 표시된다.
t12=L/(C+Vcosθ) …(1)
한편, 배관(A)의 하류측에 설치된 제2 초음파 송수신부(20B)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 상류측에 설치된 제1 초음파 송수신부(20A)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A)의 내부의 기체를 전파하는 전파 시간 t21은 이하의 식 (2)로 표시된다.
t21=L/(C-Vcosθ) …(2)
식 (1) 및 식 (2)로부터, 기체의 유속 V는 이하의 식 (3)으로 표시된다.
V=(L/2cosθ)·{(1/t12)-(1/t21)} …(3)
식 (3)에 있어서, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ는, 유량의 측정 전에 기지의 값이기 때문에, 유속 V는 전파 시간 t12 및 전파 시간 t21을 계측함으로써, 식 (3)으로부터 산출할 수 있다.
그리고, 배관(A)의 내부에 흐르는 기체의 유량 Q[㎥/s]는 유속 V[m/s]와, 보정 계수 K 및 배관(A)의 단면적 S[㎡]를 이용하여 이하의 식 (4)로 표시된다.
Q=KVS …(4)
따라서, 연산 제어부(55)는 전파 경로 길이 L, 각도 θ, 보정 계수 K 및 배관(A)의 단면적 S를 미리 메모리 등에 기억해 둔다. 그리고, 연산 제어부(55)는 수신 회로부(53)로부터 입력되는 수신 신호에 기초하여, 계시부(54)에 의해 전파 시간 t12 및 전파 시간 t21을 계측함으로써, 식 (3) 및 식 (4)로부터, 배관(A)의 내부에 흐르는 기체의 유량 Q를 산출할 수 있다. 즉, 연산 제어부(55)는, 본 발명에서의 유량 산출부로서 기능하는 것이다.
본 실시형태에서는, 도 3과 식 (1) 내지 식 (4)를 이용하여, 전파 시간 역수차법에 의해 기체의 유량을 산출하는 예를 나타내었으나, 이것에 한정되지 않는다. 연산 제어부(55)는, 다른 방법, 예컨대, 주지의 전파 시간차법에 의해 기체의 유량을 산출하도록 해도 좋다.
한편, 도 1에서는, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 서로 대향하도록, 도 1에 있어서 배관(A)의 상측에 제1 초음파 송수신부(20A)를 배치하고, 배관(A)의 하측에 제2 초음파 송수신부(20B)를 배치하는 예를 나타내었으나, 이것에 한정되지 않는다. 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)는, 배관(A)의 상류측과 하류측의 외주에 설치되어 있으면 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)의 한쪽이 송신한 초음파가, 배관(A)의 내부의 기체를 전파하여, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)의 다른쪽에서 직접 수신하는 예를 나타내었으나, 이것에 한정되지 않는다. 배관(A)의 내부의 기체를 전파하는 초음파는, 배관(A)의 내벽에 있어서 반사될 수 있다. 따라서, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)의 다른쪽은, 배관(A)의 내벽에서 2n회(n은 양의 정수) 반사한 초음파를 수신해도 좋다.
일반적으로, 초음파는, 20 ㎑ 이상의 주파수대의 음파를 의미한다. 따라서, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신하는 초음파는, 20 ㎑ 이상의 주파수대의 음파이다. 바람직하게는, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신하는 초음파는, 100 ㎑ 이상이며 2.0 ㎒ 이하의 주파수대의 초음파이다. 보다 바람직하게는, 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신하는 초음파는, 0.5 ㎒ 이상이며 1.0 ㎒ 이하의 주파수대의 초음파이다. 한편, 어느 경우라도, 제1 초음파 송수신부(20A)가 송신하는 초음파와 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신하는 초음파는 동일 주파수여도 좋고, 상이한 주파수여도 좋다.
도 1에 도시한 초음파 흡수체(10)는, 배관(A)의 외주면에 설치된다. 구체적으로는, 초음파 흡수체(10)는, 배관(A)의 외주면에 있어서, 적어도 제1 초음파 송수신부(20A)와 제2 초음파 송수신부(20B) 사이의 영역을 덮도록 배치되며, 배관(A)의 외주면에 밀착되어 고정된다. 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 배관(A)의 외주면에 직접 접촉하도록, 초음파 흡수체(10) 중의 제1 초음파 송수신부(20A) 및 제2 초음파 송수신부(20B)가 배치되는 부분은, 초음파 흡수체(10)의 일부가 프레임 형상으로 절취된다.
도 4는 제1 초음파 송수신부(20A)로부터 송신된 초음파가 제2 초음파 송수신부(20B)에 수신되는 모습을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 예컨대, 제1 초음파 송수신부(20A)로부터 송신된 초음파는, 배관(A)을 통과(투과)하여 배관(A)의 내부의 기체를 전파하는 기체 전파파(W1)와, 배관(A)의 관벽에서 반사하여 배관(A)을 전파하는 배관 전파파(W2)로 나뉜다. 기체 전파파(W1)는, 다시 배관(A)을 통과하여 제2 초음파 송수신부(20B)에 도달한다. 한편, 배관 전파파(W2)도, 배관(A)의 내벽 및 외벽을 복수 회 반사하면서 제2 초음파 송수신부(20B)에 도달할 수 있다. 도시 및 그 상세한 설명을 생략하지만, 제1 초음파 송수신부(20A)로부터 송신된 초음파와 마찬가지로, 제2 초음파 송수신부(20B)로부터 송신된 초음파도, 기체 전파파(W1)와 배관 전파파(W2)로 나뉘며, 기체 전파파(W1)는 배관(A)을 통과하여 제1 초음파 송수신부(20A)에 도달하고, 배관 전파파(W2)도 배관(A)의 내벽 및 외벽을 복수 회 반사하면서 제1 초음파 송수신부(20A)에 도달할 수 있다.
일반적으로, 한쪽의 매질을 전파하는 음파가, 다른쪽의 매질과의 계면에서 투과(통과)하는지, 반사하는지는, 한쪽의 매질과 다른쪽의 매질과의 음향 임피던스의 차에 의해 결정된다. 즉, 음향 임피던스의 차가 작을수록, 한쪽의 매질을 전파하는 음파는 다른쪽의 매질에 투과하고, 음향 임피던스의 차가 클수록, 한쪽의 매질을 전파하는 음파는 다른쪽의 매질과의 계면에서 반사하는 경향이 있다.
배관(A)의 내부에 흐르는 유체가, 예컨대 액체인 경우, 액체의 음향 임피던스와, 배관의 재료, 예컨대, 스테인리스(SUS) 등의 금속이나 합성 수지 등의 고분자 화합물의 음향 임피던스의 차가 상대적으로 작기 때문에, 초음파는, 배관(A)을 투과(통과)하여 내부에 흐르는 액체를 전파하는 비율(투과율)이 많으며(크며), 즉, 배관(A)의 관벽에서 반사하는 비율(반사율)이 적어(작아), 배관 전파파(W2)의 에너지(크기, 또는 강도)는 작다. 이에 비해, 기체의 음향 임피던스는, 액체의 음향 임피던스와 비교하여 작다. 그 때문에, 배관(A)의 내부에 흐르는 유체가 기체인 경우, 기체의 음향 임피던스와, 배관(A)의 음향 임피던스의 차가 상대적으로 커지기 때문에, 초음파는, 배관(A)을 투과(통과)하여 내부에 흐르는 기체를 전파하는 비율(투과율)이 적으며(작으며), 즉, 배관(A)의 관벽에서 반사하는 비율(반사율)이 많아(커서), 배관 전파파(W2)의 에너지(크기, 또는 강도)는 크다.
여기서, 초음파의 기체 전파파(W1)를 수신하여 전파 시간을 계측하고, 상기 전파 시간에 기초하여 유량을 측정하는 초음파 유량계에 있어서, 기체 전파파(W1)는 검출해야 할 신호(신호 성분)이며, 배관 전파파(W2)는 신호에 대한 노이즈(노이즈 성분)이다. 노이즈 성분으로서의 배관 전파파(W2)는, 초음파 흡수체(10)의 열화나 박리가 발생하면 증대하는 경향에 있다. 이러한 초음파 흡수체(10)의 이상(열화나 박리)을 조기에 검지하기 위해서, 본 실시형태에서의 연산 제어부(55)는 이하와 같은 기능적 구성을 갖고 있다.
즉, 연산 제어부(55)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 배관 전파파(W2)를 특정하는 배관 전파파 특정부(61)와, 배관 전파파 특정부(61)에서 특정한 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 감쇠 상태값 취득부(62)와, 기준 상태에서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값과 감쇠 상태값 취득부(62)에서 취득한 값의 차 또는 비가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정부(63)를 갖고 있다.
본 실시형태에서의 배관 전파파 특정부(61)는, 혼합파[기체 전파파(W1)와 배관 전파파(W2)가 혼합된 파]를 포함하는 초음파의 파형에 기초하여 배관 전파파(W2)를 특정하고 있다. 구체적으로는, 도 6에 도시한 바와 같이, 횡축에 시간(μsec), 종축에 전압(V)을 취하여 초음파의 파형을 표시했을 때에, 초음파의 파형의 최대 피크 PMAX로부터 좌우의 최소 피크 PMIN을 향해 2개의 직선 L1, L2를 그리고, 이들 2개의 직선 L1, L2와 횡축과의 교점 T1, T2를 각각 혼합파의 개시시 및 종료시로 하며, 혼합파 개시시 T1보다 소정 시간 ΔT1 전부터 존재하는 파형 및/또는 혼합파 종료시 T2로부터 소정 시간 ΔT2 후까지 존재하는 파형을, 배관 전파파(W2)로서 특정할 수 있다. ΔT2는 ΔT1과 상이한 값으로 할 수 있다.
여기서, 최대 피크 PMAX란, 도 6에 도시한 바와 같이, 초음파의 피크 중에서 최대값을 갖는 피크를 의미한다. 또한, 좌우의 최소 피크 PMIN이란, 도 6에 도시한 초음파의 파형에서 최대 피크 PMAX의 좌측(시간적으로 전) 및 우측(시간적으로 후)에 인접하는 수개(예컨대 2개∼4개)의 피크 중 최소의 것을 의미한다. 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이, 최대 피크 PMAX의 좌측에 인접하는 피크 2개 중 최소의 것을 좌측의 최소 피크 PMIN으로 하고, 최대 피크 PMAX의 우측에 인접하는 피크 4개 중 최소의 것을 우측의 최소 피크 PMIN으로 할 수 있다. 한편, 본 실시형태에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 「양」의 최대값을 갖는 피크를 PMAX로 하고 있으나, 음의 최대값을 갖는 피크를 PMAX로 할 수도 있다.
한편, 초음파로서는, 상류측의 제1 초음파 송수신부(20A)가 송신하고 하류측의 제2 초음파 송수신부(20B)가 수신하는 것(상류 송신형 초음파)과, 하류측의 제2 초음파 송수신부(20B)가 송신하고 상류측의 제1 초음파 송수신부(20A)가 수신하는 것(하류 송신형 초음파)의 2종류가 있는 것은 이미 서술한 바와 같다. 도 6의 굵은 선의 그래프는 상류 송신형 초음파의 파형을 나타낸 것이고, 도 6의 가는 선의 그래프는 하류 송신형 초음파의 파형을 나타낸 것이다. 이들 2종류의 초음파의 파형의 각각에 기초하여, 2세트의 배관 전파파(상류 송신형 배관 전파파 및 하류 송신형 배관 전파파)를 특정할 수도 있다.
감쇠 상태값 취득부(62)는, 배관 전파파 특정부(61)에서 특정한 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 것이다. 여기서, 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값으로서는, 배관 전파파(W2)의 제곱 평균 제곱근(RMS), 배관 전파파(W2)의 최대값과 최소값의 차, 배관 전파파(W2)의 적산값, 배관 전파파(W2)의 SN비 등을 채용할 수 있다. 예컨대, 배관 전파파 특정부(61)가, 도 6에 도시한 바와 같은 혼합파 개시시 T1보다 소정 시간 ΔT1 전부터 존재하는 파형을 배관 전파파(W2)로서 특정한 경우에는, 감쇠 상태값 취득부(62)는, 감쇠 상태를 나타내는 값으로서, 소정 시간 ΔT1에 있어서의 배관 전파파(W2)의 RMS를 산출할 수 있다.
이상 판정부(63)는, 기준 상태에서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값(기준값)과, 감쇠 상태값 취득부(62)에서 취득한 값(측정값)의 차가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정하는 것이다. 여기서, 「기준값」으로서는, 초음파 흡수체(10)의 배치 직후에 취득한 초기값[초음파 흡수체(10)가 정상적인 상태에 있어서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값]을 채용하거나, 실험 등으로 미리 취득한 값을 채용할 수 있다.
도 7은 이상 판정부(63)에서 이용되는 「기준값」을 설정하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이며, 측정 대상이 되는 기체(공기)의 압력을 0.3 ㎫로 설정했을 때의 초음파의 파형을 표시한 것이다. 도 7에서는, 횡축에 시간(μsec)을, 종축에 전압(V)을 각각 취하고 있다. 도 7의 (a)는 외주 360 ㎜의 초음파 흡수체(10) 중 외주 70 ㎜의 부분을 박리시켰을 때의 초음파의 파형이며, 이때 특정된 배관 전파파(W2)는 파선으로 둘러싸인 부분의 파형이고, 감쇠 상태를 나타내는 값인 SN비는 「3.8」이었다. 도 7의 (b)는 외주 360 ㎜의 초음파 흡수체(10) 중 외주 37 ㎜의 부분을 박리시켰을 때의 초음파의 파형이며, 이때 특정된 배관 전파파(W2)는 파선으로 둘러싸인 부분의 파형이고, 감쇠 상태를 나타내는 값인 SN비는 「7.6」이었다. 도 7의 (c)는 외주 360 ㎜의 초음파 흡수체(10) 중 전혀 박리가 없을 때의 초음파의 파형이며, 이때 특정된 배관 전파파(W2)는 파선으로 둘러싸인 부분의 파형이고, 감쇠 상태를 나타내는 값인 SN비는 「9.1」이었다. 상기 실험에 의해, (SN비=)「9.1」이 「기준값」으로 설정되었다.
이상 판정부(63)에서 이용되는 「임계값」은, 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값의 종류나 초음파의 파형 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 예컨대, 임계값을 「2.0」으로 설정하면, 도 7의 (b)의 케이스는 기준값(9.1)과 측정값(7.6)의 차가 「1.5」로 상기 임계값 미만이기 때문에 초음파 흡수체(10)에는 이상이 없는 것으로 판정되고, 도 7의 (a)의 케이스는 기준값(9.1)과 측정값(3.8)의 차가 「5.3」으로 상기 임계값을 초과하기 때문에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정된다. 한편, 임계값을 「1.0」으로 설정하면, 도 7의 (b)의 케이스도 기준값과 측정값의 차(1.5)가 상기 임계값을 초과하기 때문에, 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정된다.
다음으로, 도 8의 흐름도를 이용하여, 본 실시형태에서의 초음파 유량계(1)의 초음파 흡수체(10)의 이상 판정 방법에 대해 설명한다.
먼저, 초음파 유량계(1)의 연산 제어부(55)의 메모리에, 초음파 흡수체(10)의 이상 판정에서 이용하는 기준값[기준 상태에서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값]을 기억시킨다(기준값 기억 공정: S1). 기준값으로서는, 전술한 바와 같이, 초음파 흡수체(10)의 배치 직후에 취득한 초기값을 채용하거나, 실험 등으로 미리 취득한 값을 채용할 수 있다.
이어서, 연산 제어부(55)의 배관 전파파 특정부(61)는, 배관 전파파(W2)를 특정한다(배관 전파파 특정 공정: S2). 배관 전파파 특정 공정 S2에서는, 전술한 바와 같이, 도 6에 도시한 바와 같은 초음파의 파형에 기초하여 혼합파 개시시 T1을 특정하고, 혼합파 개시시 T1보다 소정 시간 ΔT1 전부터 존재하는 파형을 배관 전파파(W2)로서 특정할 수 있다.
이어서, 연산 제어부(55)의 감쇠 상태값 취득부(62)는, 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값(측정값)을 취득한다(감쇠 상태값 취득 공정: S3). 감쇠 상태값 취득 공정 S3에서는, 예컨대 배관 전파파 특정 공정 S2에 있어서 도 6에 도시한 바와 같은 소정 시간 ΔT1 존재하는 파형을 배관 전파파(W2)로서 특정한 경우에, 소정 시간 ΔT1에 있어서의 배관 전파파(W2)의 RMS를, 감쇠 상태를 나타내는 값(측정값)으로서 산출(취득)할 수 있다.
계속해서, 연산 제어부(55)의 이상 판정부(63)는, 기준값 기억 공정 S1에서 기억시킨 기준값과, 감쇠 상태값 취득 공정 S3에서 취득한 값(측정값)의 차가 소정의 임계값을 초과하는지의 여부를 판정한다(이상 판정 공정: S4). 그리고, 이상 판정부(63)는, 기준값과 측정값의 차가 소정의 임계값을 초과하는 경우에, 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 하여 소정의 경고 정보를 입출력부(56)의 표시 디스플레이 등에 표시하여 출력하고(이상 출력 공정: S5), 그 후 제어를 종료한다. 한편, 이상 판정부(63)는, 기준값과 측정값의 차가 소정의 임계값 이하인 경우에, 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생하지 않은 것으로 하여 그대로 제어를 종료한다.
이상 설명한 실시형태에 따른 초음파 유량계(1)에 있어서는, 기준 상태에서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값(기준값)과, 특정한 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값(측정값)을 비교하여, 양자의 차가 소정의 임계값을 초과하는 경우에, 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정할 수 있다. 즉, 배관 전파파(W2)를 특정해서 감쇠 상태를 나타내는 값(측정값)을 취득하여 기준 상태의 값(기준값)과 비교하는 것만으로, 초음파 흡수체(10)의 이상(열화나 박리)을 매우 용이하게 검지할 수 있다. 따라서, 초음파 흡수체(10)가 열화하는 기간을 측정하여 적절한 교환 시기를 파악하거나, 시공 초기의 설치 불량을 발견할 수 있다.
한편, 이상의 실시형태에서는, 초음파 유량계(1)의 연산 제어부(55)의 이상 판정부(63)에 있어서, 기준 상태에서의 배관 전파파(W2)의 감쇠 상태를 나타내는 값(기준값)과, 감쇠 상태값 취득부(62)에서 취득한 값(측정값)의 「차」가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정한 예를 나타내었으나, 기준값과 측정값의 「비」가 소정의 임계값을 초과하는 경우에 초음파 흡수체(10)에 이상이 발생한 것으로 판정할 수도 있다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 초음파의 파형의 최대 피크로부터 좌우의 최소 피크를 향해 2개의 직선을 그리고, 이들 2개의 직선과 횡축과의 교점을 각각 혼합파의 개시시 및 종료시로 하며, 혼합파 개시시보다 소정 시간 전부터 존재하는 파형(또는 혼합파 종료시로부터 소정 시간 후까지 존재하는 파형)을 배관 전파파로서 특정한 예를 나타내었으나, 배관 전파파의 특정 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 수신 파형의 파수와 주파수의 관계로부터 파형의 크기를 추정할 수 있기 때문에, 초음파의 파형의 최대 피크 PMAX가 발생한 시점으로부터 소정 시간(예컨대 5 μsec∼10 μsec) 전의 파형(또는 소정 시간 후의 파형)을 배관 전파파(W2)로서 특정할 수도 있다.
본 발명은 이상의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 이 실시형태에 당업자가 적절하게 설계 변경을 가한 것도, 본 발명의 특징을 구비하고 있는 한, 본 발명의 범위에 포함된다. 즉, 상기 실시형태가 구비하는 각 요소 및 그 배치, 재료, 조건, 형상, 사이즈 등은 예시한 것에 한정되는 것은 아니며 적절하게 변경할 수 있다. 또한, 상기 실시형태가 구비하는 각 요소는, 기술적으로 가능한 한에 있어서 조합할 수 있으며, 이들을 조합한 것도 본 발명의 특징을 포함하는 한 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 초음파 유량계 10: 초음파 흡수체
20A: 제1 초음파 송수신부 20B: 제2 초음파 송수신부
55: 연산 제어부(유량 산출부) 61: 배관 전파파 특정부
62: 감쇠 상태값 취득부 63: 이상 판정부
A: 배관 W1: 기체 전파파
W2: 배관 전파파

Claims (7)

  1. 내부에 유체가 흐르는 배관에 있어서의 상류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 상기 배관에 있어서의 하류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 상기 제2 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간과 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 상기 제1 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부와, 상기 배관의 외주에 설치되어 상기 초음파의 배관 전파파를 흡수하는 초음파 흡수체를 구비하는 초음파 유량계로서,
    상기 배관 전파파를 특정하는 배관 전파파 특정부와,
    상기 배관 전파파 특정부에서 특정한 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 감쇠 상태값 취득부와,
    기준 상태에서의 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과, 상기 감쇠 상태값 취득부에서 취득한 값의 차 또는 비가 미리 정해진 임계값을 초과하는 경우에 상기 초음파 흡수체에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정부
    를 구비하는 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배관 전파파 특정부는, 유체 전파파와 상기 배관 전파파의 혼합파를 포함하는 상기 초음파의 파형에 기초하여 상기 배관 전파파를 특정하는 것인 초음파 유량계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값은, 상기 배관 전파파의 제곱 평균 제곱근(RMS)인 초음파 유량계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값은, 상기 배관 전파파의 최대값과 최소값의 차인 초음파 유량계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값은, 상기 배관 전파파의 적산값인 초음파 유량계.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값은, 상기 배관 전파파의 SN비인 초음파 유량계.
  7. 내부에 유체가 흐르는 배관에 있어서의 상류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 상기 배관에 있어서의 하류측의 외주에 설치되어 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 상기 제2 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간과 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 상기 제1 초음파 송수신부에 수신되기까지의 시간에 기초하여 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부와, 상기 배관의 외주에 설치되어 상기 초음파의 배관 전파파를 흡수하는 초음파 흡수체를 구비하는 초음파 유량계의 초음파 흡수체의 이상 판정 방법으로서,
    상기 배관 전파파를 특정하는 배관 전파파 특정 공정과,
    상기 배관 전파파 특정 공정에서 특정한 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값을 취득하는 감쇠 상태값 취득 공정과,
    기준 상태에서의 상기 배관 전파파의 감쇠 상태를 나타내는 값과, 상기 감쇠 상태값 취득 공정에서 취득한 값의 차 또는 비가 미리 정해진 임계값을 초과하는 경우에, 상기 초음파 흡수체에 이상이 발생한 것으로 판정하는 이상 판정 공정
    을 포함하는 초음파 흡수체의 이상 판정 방법.
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