KR101764870B1 - 초음파 유량계의 신호처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 개시(Disclosure)는, 초음파 유량계의 신호처리시스템에 관한 것으로서, 설정된 송신주파수의 초음파신호를 발진하는 한 쌍의 발진기가 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되며, 상기 한 쌍의 발진기와 각각 대응하도록 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되는 한 쌍의 수신기를 가지는 초음파 유량계의 신호처리시스템에서, 상기 한 쌍의 수신기에 의해 수신되는 신호로부터 상기 한 쌍의 발진기로부터 발진된 초음파신호를 검출하는 검출부; 상기 검출부에 의해 검출된 신호를 주기당 설정된 횟수로 샘플링하여 검출된 신호의 파형을 감지하는 A/D 컨버터(Analog to Digital converter)를 가지며, 상기 검출된 신호의 파형을 기준으로 첫 주기 초음파신호를 결정하는 변환부; 및 상기 변환부에 의해 결정된 첫 주기 초음파신호를 기준으로 설정된 계측주기만큼 이동된 위치의 계측포인트에서 유량을 계산하는 계측부;를 포함하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제1 발명으로 제공한다.

Description

초음파 유량계의 신호처리시스템{SIGNAL PROCESSING SYSTEM FOR ULTRASONIC FLOEMETER}

본 개시(Disclosure)는, 초음파 유량계의 신호처리시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 유량계로부터 얻어지는 신호로부터 측정되는 유량의 오차를 줄일 수 있는 초음파 유량계의 신호처리시스템에 관한 것이다.

여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

음파가 유체 중을 흐르는 방향으로 전해지는 속도는 반대 방향에 전하는 속도보다 빠르다. 초음파 유량계는 이 두 전파(傳播) 속도의 차를 비교해서 유체의 속도를 측정하는 장치이다.

초음파 유량계는, 반도체 공정에서도 다수 사용되는데, 클리닝 및 식각 노즐의 화학약품 약액의 유량 계측을 예로 들 수 있다.

종래 초음파 유량계의 경우, 송신측 초음파를 수신측에서 주파수만으로 탐색하여 초음파신호를 필터링 하여 유량 계측을 하였다. 이때, 반도체 약액의 온도가 급격히 변화하면 초음파 전달 시간이 변화하여 정확한 계측포인트를 놓치는 경우가 발생하고, 일정 주파수의 노이즈 신호를 측정하여 유량 계측 오류가 발생하기도 한다.

구체적으로, 계측된 초음파신호의 디지털 변환은 변환기에서 제로크로스(Zero-Cross) 기법을 이용하여 구형파 펄스로 디지털 변환을 한다.

변환된 펄스의 특정 번째 신호에 맞추어 TDC(Time to Digital Convertor) IC를 이용해서 시간측정 후 유량을 표시한다.

따라서, 계측포인트가 초음파 신호의 특정 번째 주기에 일정하게 고정되어 있지 않다면 주기별 시간 오프셋(Offset)으로 인한 유량 오차가 발생한다.

이는 검출부 양단 초음파 센서의 주파수를 일정하게 관리하더라도 여전히 오차가 존재하게 된다.

이러한 파형의 주기별 오차를 줄이기 위해서는, 계측포인트를 항상 일정하게 유지하며 계측하여야만 하며, 이를 위해서는 시간 측정의 기준이 되는 기준신호를 정확하게 찾아야 한다.

시작신호를 정확하게 찾아내면, 시간 측정의 기준이 되는 특정 번째 신호에 맞추어 TDC IC와 동기화를 할 수 있다.

종래 시작신호를 찾아내고 노이즈 파형의 필터링을 하는 방법으로는, 수신측에서 초음파 송신 주파수와 같은 주파수를 탐색하여 찾아낸다.

초음파 센서 고유 주파수(ex, 2Mhz)와 동일한 주파수의 신호가 감지되면 이를 계측 파형이라 판단한다.

노이즈 파형은 초음파 신호의 고유 주파수와 매칭 되지 않고 지속적 변화 하므로 위의 기법으로 필터링 될 수 있기 때문이다.

그러나 검출부 내부 약액에 버블이 유입된다거나, 기타 환경적 요인으로 초음파신호의 진폭이 변화할 수 있다.

진폭의 감소가 발생하게 되면 초음파의 첫 주기 진폭은 상대적으로 작기 때문에 사라져 감지가 되지 않을 수 있다.

이 경우, 첫 주기 초음파신호를 감지하고 계측포인트를 특정 주기로 이동시켜 계측 하면, 계측포인트가 1주기 이동되어 유량 오차를 발생시킬 수 있다.

또한, 노이즈 파형의 경우 매우 낮은 확률이지만 초음파센서의 기준 주파수와 매칭되어 계측에 오류를 야기 시키기도 한다. 이러한 단점이 주파수 방식의 파형 필터링 방법의 단점이다.

1. 특허문헌 0001) 일본 공개특허공보 특개 2012-193966호 2. 특허문헌 0002) 한국 등록특허공보 제10-1330032호

본 개시는, 첫 주기 초음파신호를 오류 없이 감지하여 계측포인트를 일정하게 유지함으로써, 유량 오차를 최소화할 수 있는 초음파 유량계의 신호처리시스템의 제공을 일 목적으로 한다.

여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).

상기한 과제의 해결을 위해, 본 개시는, 설정된 송신주파수의 초음파신호를 발진하는 한 쌍의 발진기가 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되며, 상기 한 쌍의 발진기와 각각 대응하도록 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되는 한 쌍의 수신기를 가지는 초음파 유량계의 신호처리시스템에서, 상기 한 쌍의 수신기에 의해 수신되는 신호로부터 상기 한 쌍의 발진기로부터 발진된 초음파신호를 검출하는 검출부; 상기 검출부에 의해 검출된 신호를 주기당 설정된 횟수로 샘플링하여 검출된 신호의 파형을 감지하는 A/D 컨버터(Analog to Digital converter)를 가지며, 상기 검출된 신호의 파형을 기준으로 첫 주기 초음파신호를 결정하는 변환부; 및 상기 변환부에 의해 결정된 첫 주기 초음파신호를 기준으로 설정된 계측주기만큼 이동된 위치의 계측포인트에서 유량을 계산하는 계측부;를 포함하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제1 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제1 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 상기 검출부는, 상기 설정된 송신주파수와 동일한 주파수의 신호를 탐색하여 검출하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제2 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제1 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 상기 변환부는, 상기 계측포인트를 기준으로 전후로 적어도 상기 계측주기보다 많은 주기의 신호를 샘플링하며, 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제3 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제3 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 모두 설정된 값 이상인 경우에 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제4 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제3 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 3주기 이상 연속하여 증가하는 경우에 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제5 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제3 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 설정된 정상파 값과 같도록 증폭하여 진폭을 조절하는 증폭부;를 더 포함하는 초음파 유량계의 신호처리시스템를 제6 발명으로 제공한다.

본 개시는, 상기 제3 발명에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템으로서, 각 주기별 샘플링 값을 기준으로, 검출된 초음파신호를 실시간으로 출력하는 스코프부;를 더 포함하는 초음파 유량계의 신호처리시스템을 제7 발명으로 제공한다.

본 개시에 따르면, A/D 컨버터를 이용하여 수신되는 초음파신호를 샘플링하여 첫 주기 초음파신호를 정확히 감지하게 되므로, 유량 계측 오차를 최소화할 수 있는 이점을 가진다.

본 개시에 따르면, 샘플링된 초음파신호의 크기로 노이즈를 판별하여 노이즈 신호에 의한 유량 계측 오류를 제거할 수 있다.

도 1은 본 개시에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템의 일 실시형태를 보인 블록도.
도 2는 도 1의 변형 예를 보인 블록도.
도 3은 도 1의 다른 변형 예를 보인 블록도.

이하, 본 개시에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템을 구현한 다양한 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.

다만, 본 개시의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 개시의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.

또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 개시의 기술적 내용을 파악함에 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 개시에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템의 일 실시형태를 보인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 초음파 유량계의 신호처리시스템(10)은, 피 계측물(11)에 부착되는 한 쌍의 발진기(12)와 한 쌍의 수신기(13)를 통해 얻어지는 신호를 처리하여 계측되는 유량의 정확도를 높이기 위한 것으로서, 검출부(14), 변환부(15) 및 계측부(17)를 포함한다.

한 쌍의 발진기(12)는, 설정된 송신주파수의 초음파신호를 발진하며, 피 계측물(11)의 일 측과 타 측에 각각 배치된다.

한 쌍의 수신기(13)는, 한 쌍의 발진기(12)와 각각 대응하도록 피 계측물(11)의 일 측과 타 측에 각각 배치되며, 한 쌍의 발진기(12)에서 발진된 초음파신호를 포함한 다양한 신호를 수신한다.

검출부(14)는, 한 쌍의 수신기(13)에 의해 수신되는 다양한 신호로부터 한 쌍의 발진기(12)로부터 발진 된 초음파신호를 검출한다.

검출부(14)는, 한 쌍의 발진기(12)에서 발진 되는 설정된 송신주파수(예: 2MHz)와 동일한 주파수의 신호를 탐색하여 검출한다.

변환부(15)는, 검출부(14)에 의해 검출된 신호를 주기당 설정된 횟수로 샘플링하여 검출된 신호의 파형을 감지하는 A/D 컨버터(16)(Analog to Digital converter)를 가지며, 검출된 신호의 파형을 기준으로 첫 주기 초음파신호를 결정한다.

구체적으로, 검출부(14)에 의해 초음파신호 탐색이 완료되면 A/D 컨버터(16)를 이용하여 시간 측정의 기준이 되는 특정 번째 주기를 기준으로 앞, 뒤 5주기를 1주기당 16개로 샘플링해서 초음파신호를 내부적으로 그려낸다.

한편, 변환부(15)는, 1주기당 16개의 샘플링 값을 모두 더한 후, 앞 주기의 샘플링 값의 합과 비교하면서 초음파신호의 위치를 정확히 특정할 수 있다.

계측부(17)는, 변환부(15)에 의해 결정된 첫 주기 초음파신호를 기준으로 설정된 계측주기(예: 3주기)만큼 이동된 위치의 계측포인트에서 유량을 계산한다.

한편, 본 실시형태에서, 변환부(15)가 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 첫 주기 초음파신호를 결정하는 것은, 각 주기별 샘플링 값의 합이 모두 설정된 값 이상인 경우에 한하도록 구비되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 변환부(15)는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 일정한 값 이상이고, 첫 주기 초음파신호부터 뒤로 5주기까지 샘플링 값의 합이 일정 값 이상으로 유지되어야 초음파 파형으로 인식한다.

예를 들어, 첫 주기 초음파신호로부터 1,2주기는 샘플링 값의 합이 일정 값 이상으로 샘플링되었으나 3,4주기의 샘플링 값의 합이 매우 작거나 크다면 이는 노이즈로 간주하고 재 주파수 탐색을 실시한다.

한편, 본 실시형태에서, 변환부(15)는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 3주기 이상 연속하여 증가하는 경우에 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 첫 주기 초음파신호를 결정한다. 즉, 정상 초음파는 주기별 파형의 크기가 1<2<3주기 형태로 발생 되므로 이러한 규칙으로 발생 되지 않은 신호 또한 노이즈로 간주하고 필터링 한다.

한편, 변환부(15)는, 도 2와 같이, 각 주기별 샘플링 값의 합이 설정된 정상파 값과 같도록 증폭하여 진폭을 조절하는 증폭부(18)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

증폭부(18)는, A/D 컨버터(16)에 의한 본 개시의 효과가 안정적으로 구현되도록 한다. 즉 A/D 컨버터(16)에 의한 본 개시의 효과가 정상적을 구현되기 위해서는, 초음파 파형의 진폭이 항상 일정크기로 유지되어야 한다.

초음파 파형의 진폭이 작아지게 되면 첫 파형이 사라져 A/D 컨버터(16)에 의해 샘플링하여도 계측포인트의 이동이 발생 될 수 있다.

따라서, 증폭부(18)는, 피 계측물인 내부 배관에 버블의 유입 및 외부 환경적 요소에 의해 진폭의 변화가 발생하더라도 항상 일정한 크기로 진폭을 유지시켜주는 자동 증폭 기능을 구현하게 된다.

구체적으로, 증폭부(18)는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 미리 설정되어 있는 정상파 값보다 작거나 크다면 이를 정상파의 샘플링 값의 합과 같도록 증폭 배율을 변경하여 항상 일정한 진폭으로 유지하도록 한다. 이에 의하면, 첫 주기의 진폭 변화로 인한 계측 파형주기 변화로 발생 되는 오차를 줄일 수 있다.

한편, 본 개시는, 도 3과 같이, 각 주기별 샘플링 값을 기준으로, 검출된 초음파신호를 실시간으로 출력하는 스코프부(19)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

스코프부(19)는, 모니터링 프로그램을 의미하는 것으로서, 초음파 신호를 실시간으로 그래프로 그려줌으로써 사용자가 별도의 계측기 없이 초음파 신호를 시각적으로 확인할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 설정된 송신주파수의 초음파신호를 발진하는 한 쌍의 발진기가 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되며, 상기 한 쌍의 발진기와 각각 대응하도록 피 계측물의 일 측과 타 측에 각각 배치되는 한 쌍의 수신기를 가지는 초음파 유량계의 신호처리시스템에서,
   상기 한 쌍의 수신기에 의해 수신되는 신호로부터 상기 한 쌍의 발진기로부터 발진된 초음파신호를 검출하는 검출부;
   상기 검출부에 의해 검출된 신호를 주기당 설정된 횟수로 샘플링하여 검출된 신호의 파형을 감지하는 A/D 컨버터(Analog to Digital converter)를 가지며, 상기 검출된 신호의 파형을 기준으로 첫 주기 초음파신호를 결정하는 변환부; 및
   상기 변환부에 의해 결정된 첫 주기 초음파신호를 기준으로 설정된 계측주기만큼 이동된 위치의 계측포인트에서 유량을 계산하는 계측부;를 포함하되,
   상기 변환부는, 상기 계측포인트를 기준으로 전후로 적어도 상기 계측주기보다 많은 주기의 신호를 샘플링하며, 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 검출부는, 상기 설정된 송신주파수와 동일한 주파수의 신호를 탐색하여 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 모두 설정된 값 이상인 경우에 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 3주기 이상 연속하여 증가하는 경우에 각 주기별 샘플링 값의 합을 비교하여 상기 첫 주기 초음파신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환부는, 각 주기별 샘플링 값의 합이 설정된 정상파 값과 같도록 증폭하여 진폭을 조절하는 증폭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   각 주기별 샘플링 값을 기준으로, 검출된 초음파신호를 실시간으로 출력하는 스코프부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량계의 신호처리시스템.

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