KR100276462B1 - 초음파 유속측정 장치 - Google Patents

Abstract

대부분의 초음파 유량 측정장치의 중요한 구성인 유속 측정장치는 초음파 전파 시간차 방법으로 동작하는데 초음파 펄스를 발사 수신하는 조건에서 유체의 상태, 부유입자들의 농도변화 등으로 수신점에서의 초음파펄스의 강도는 심하게 맥동을 하여 초음파 전파시간 측정오차를 크게 초래하며 측정이 불가능 할 경우가 하천, 대구경관로에서 흔히 발생한다.

본 발명에 따르면 주파수 변조된 연속초음파를 발사 수신하여 초음파 전파시간을 측정하게 되어 있는데 발사 및 수신되는 초음파의 주파수가 변조되는 순간을 한 개의 주파수 분별기를 사용하여 검출하게 되어 있어 모든 과도현상에 따르는 검출 지연시간에 의한 초음파 전파시간 측정오차가 제거되며 수신신호가 심히 맥동을 하여도 초음파 전파시간 측정오차를 초래하지 않는다. 본 발명은 하천, 인공 대개수로, 대구경용 초음파 유량측정장치에 효과적으로 사용된다.

Description

초음파 유속 측정장치

본 발명은 초음파로 유체의 유속을 측정하는 장치와 관한 것으로, 주로 대구경용 및 개수로용 초음파 유량측정 장치를 구성하는데 사용된다.

초음파 유량계를 구성하는 주요부분이 초음파를 이용하여 유체가 흐르고 있는 관로 또는 개수로의 단면선 상의 유속을 측정하는 장치이다.

현재 주로 초음파 전파 시간차 방법으로 다음의 수학식 1에 의하여 유속을 측정하고 있다.

여기서, Δt=t₂₁-t₁₂ 이고 t₁₂와t₂₁ 은 유속방향에 대해 일정한 각도φ로 유속방향과 반대방향으로 초음파가 유체에서 전파하는 시간이고, L은 두 개의 초음파변환기(transducer)간의 간격이고 d=LcosΦ 이다. C는 유체에서의 음속이다.

이와 같은 초음파전파시간차(transit time difference)유속 측정방법은 너무도 널리 알려져 있으며 대부분의 초음파 유량계에서 사용되고 있기 때문에 그 인용문헌을 제시할 필요도 없다.

초음파 전파시간 t₁₂와t₂₁ 를 측정하기 위하여 초음파 펄스파를 발사하는데 발사순간부터 수신되는 순간까지의 시간을 측정하게 된다.

만일에 초음파 변환기들 간의 간격 L이 길다든지 또 유체흐름에서 다양한 크기의 와류(vortex, eddy)가 발생한다든지 부유입자(suspension)의 농도가 변하는 경우(예; 하천) 초음파 펄스가 굴절확산도 하며 흡수감쇄도 변하기 때문에 초음파 펄스수신점에서 초음파 음압이 심히 맥동(pulsation)을 한다.

그 뿐 아니라 이상적인 짧은 초음파를 발사한다 하여도 펄스의 고조파(higher harmonic)성분이 심히 감쇄하기 때문에 초음파 수신신호의 형태는 종형(Bell-Shaped pulse)으로 된다. 이로 인하여 초음파 펄스가 수신되는 순간을 포착함에 있어 초음파의 한주기, 두주기 정도의 오차가 발생하는 것은 보통이고 수신이 안 될 경우도 적지 않다.

초음파 펄스를 발사 수신함에 있어 수신된 펄스의 형태가 왜곡되지 않게 하기 위하여 광대역증폭기(wide-band amplifier)를 사용하기 때문에 다양한 잡음이 증폭되며 특히 펄스형 잡음 때문에 초음파 전파시간 측정에 혼돈을 야기시킬 때도 많다.

구경이 큰 파이프관로, 폭이 넓은 인공개수로, 자연 하천에서는 위에서 언급한 여러 요인에 의하여 수신점에서의 초음파 전파시간 t₁₂와t₂₁ 를 정확히 측정하지 못 할 경우가 많다. 구경이 그리 크지 않은 관로용 초음파 유량계들에서는 발사 변환기를 충격여진(shock-excitation)시키는데, 이때 ＜전기-초음파＞변환 효율이 상당히 저하된다.

이와 같은 문제점들 때문에 폭이 넓은 개수로, 하천에서 초음파펄스를 발사 수신하면서 초음파 전파시간차 방법으로 유속을 측정하기는 곤란하며 초음파 유량 측정장치를 이용 할 수 있는 한도가 생긴다.

본 발명은 초음파펄스를 사용하지 않으며 초음파 연속파(싸인파)를 발사 수신하면서 초음파 전파시간을 측정하여 초음파 전파시간차 방법으로 유속을 측정하는 장치를 제공하여 종전의 기술의 문제점들을 해결하는데 주 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명의 초음파 유속 측정장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 초음파 유속 측정장치의 동작시간 다이어그램.

도 3은 주파수 변조된 초음파를 도시한 것으로, (A)는 수신변환기의 출력신호형태, (B)는 수신신호가 포화상태까지 증폭된 모양을 나타낸 도면.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1, 2 - 초음파변환기 3 - 주파수변조발진기

4 - 단안정 구형 펄스발진기 5 - 제어 구형 펄스발진기

6 - 출력증폭기 7 - 수신증폭기

8 - 출력절환 스위치 9 - 주파수 분별기

10 - 펄스성형기 11 - 시간간격 측정장치

12 - 유속 연산장치 13 - 감쇄기

14 - 변환기 절환 스위치

상술한 본 발명의 목적은 유속을 측정하는 구간에서 유속방향에 대해 일정한 각도φ를 이루게 두 개의 초음파 변환기쌍을 설치하고 상호 초음파를 발사 수신하여 초음파 전파시간차 방법으로 유속을 측정하는 장치에 있어서, 초음파 발사장치는 주파수 변조기, 출력증폭기, 변환기, 주파수 변조 전압 펄스발진기로 구성되어 있는데 발사변환기는 출력증폭기와 연결되어 있고 출력증폭기 입력은 주파수 변조기 출력과 연결되어 있으며 주파수 변조기는 변조전압 펄스발진기와 연결되어 있으며 출력증폭기 출력은 감쇄기와 주파수 분별기 입력 절환 스위치 회로를 통해 주파수 분별기 입력과 연결되어 있으며 주파수 간격 측정장치의 측정 시작신호로 입력되는 동시에 스위치 회로가 절환되어 수신변환기 출력신호가 수신증폭기 입력과 연결되어 있고 수신증폭기 출력은 스위치 회로를 통해 상기 주파수 분별기 입력과 연결되어 있어 상기 펄스성형기의 출력이 시간간격 측정장치에 시간측정 완료신호로 입력되게 되어 있고 시간간격 측정장치의 출력은 유속 연산장치와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 유속 측정장치에 의해 달성된다.

본 발명을 첨부도면 도 1 내지 도 3에 근거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 장치, 그리고 도 2에는 그 장치의 동작을 설명하는 시간 다이어그램(time chart)을 도시하였다.

도 1에서 (1)과 (2)는 발사 수신 초음파 변환기이고, (3)은 주파수변조발진기, (4)는 주파수변조발진기(3)의 변조전압 펄스를 발진하는 단안정 구형 펄스발진기(one shot multivibrator)이고, (5)는 단안정 구형 펄스발진기(4)를 일정하게 주워진 주기로 가동시키는 동시에 출력 절환 스위치(8)을 제어하는 구형 펄스발진기이다. (6)은 주파수변조발진기(3)의 출력을 증폭하는 출력증폭기이고, (7)은 수신변환기 출력을 증폭하는 수신증폭기, (9)는 주파수 분별기(frequency discriminator), (10)은 분별기(9)의 출력 전압에 의해 짧은 펄스를 성형하는 펄스성형기이고, (11)은 펄스성형기(10)에서 발생되는 두 개의 펄스간의 시간을 측정하는 시간간격측정장치이고, (12)는 유속 연산장치이다. (13)은 감쇄기(attenuator)이고, (14)는 변환기(1과 2)를 출력증폭기(6)과 수신증폭기(7)로 연결시키는 변환기 절환 스위치이다.

장치는 다음과 같이 동작한다.

제어 구형 펄스발진기(control square pulse generator)(5)는 주워진 주기로 도 2의 (A)에 보인 것처럼 긴 펄스 T₁ 를 발진한다. 이 펄스의 앞부분(leading edge)신호에 의하여 단안정 구형 펄스발진기(4)가 동작하여 일정한 길이 T₂ 의 구형펄스를 도 2의 (B)와 같이 발진한다. 주파수변조발진기(3)은 이 펄스에 따라 발진주파수 f 가 f₀=f+Δf 로 변하고 펄스가 끊어지면 다시 f 주파수의 싸인파를 발진한다. [도 2의 (C)]

여기서 f₀ 는 변환기(1과 2)의 공진주파수이고 Δf 는 주파수변조편차(deviation)이다. 주파수변조발진기(3)의 출력을 출력증폭기(6)으로 증폭하여 변환기 절환 스위치(14)를 통해 변환기(1)에 입력시키면 도 2의 (D)와 같이 초음파가 유체에 발사된다.

동시에 출력증폭기(6)의 출력은 감쇄기(13)과 스위치(8)을 통해 주파수 분별기(9)에 입력되고 따라서, 주파수 변조신호 f₀ 이 지속되는 동안 출력전압이 도 2의 (E)와 같이 발생한다. 이 출력신호가 짧은 펄스성형기(10)에 입력되어 도 2의 (F)와 같은 펄스가 발생한다. 그 후, T₁ 의 펄스가 종료되는 순간(trailing edge), 스위치(8)과 변환기 절환 스위치(14)가 절환되어 수신증폭기(7)의 출력이 주파수 분별기(9)의 입력과 연결된다.

초음파가 전파하여 수신변환기(2)에 작용하면, 이 수신변환기(2)의 출력신호는 수신증폭기(7)에 의하여 증폭되어 [도 2의 (G)]주파수 분별기(9)에 입력되고, 이 주파수 분별기(9)의 출력신호 [도 2의 (H)] 가 펄스성형기(10)를 작동시켜 짧은 펄스로 성형된다. [도 2의 (I)]

여기서 주파수 분별기(9)의 출력신호 [도 2의 (E)와 도 2의 (H)] 는 동일하고 그들의 과도 현상에 따르는 지연시간 τ 도 동일해진다.

주파수 분별기(9)의 출력신호로 펄스성형기(10)에 의하여 성형된 짧은 펄스 도 2의 (F)와 도 2(I)의 펄스간의 시간간격 t₁₂ 는 시간간격 측정장치(11)로 측정되어 유속 연산장치(12)에 전달되어 기억시킨다. t₁₂ 는 변환기(1)에서 (2)까지 초음파가 전파한 시간이다.

변환기(1)에서 변환기(2)까지의 전파시간 t₁₂ 의 측정이 완료되면 변환기 절환 스위치(14)가 제어 구형 펄스발진기(5)의 펄스 종료신호에 의해 동작하여 변환기(2)가 초음파를 발사하게 되고 변환기(1)이 수신하게 된다. 따라서, t₂₁ 을 측정하게 되어 t₂₁ 이 유속 연산장치(12)에 입력된다.

유속 연산장치(12)에는 사전에 변환기간의 간격 L 과 d=LcosΦ 가 입력 기억되어 있어 t₁₂ 와 t₂₁ 측정결과에 의하여 수학식 1로 유속V를 연산하게 된다. 이와 같이 연산된 유속V의 값이 유량계인 경우에는 유량연산장치에 입력된다.

이와 같이 초음파펄스를 발사하는 것이 아니고 주파수변조된 초음파를 이용함으로써 동일한 전압에서 발사변환기의 효율이 펄스로 동작할 때 보다 3∼5배 높아져서 초음파강도도 높아지고 가장 중요한 것은 수신신호의 진폭(amplitude)을 포착하여 전파시간을 측정하는 것이 아니고 수신신호의 주파수가 변하는 순간들을 포착하여 초음파전파시간을 측정하게 되어 있다. 그리고 한 개의 주파수 분별기로 발사신호와 수신신호를 검출하기 때문에 주파수 분별기 출력신호의 지연시간에 의한 오차도 없어진다.

이로 인하여 수신신호의 진폭이 아무리 맥동을 한다 하여도 수신신호를 충분히 증폭하여, 예를 들어 포화상태까지 증폭하여 (주파수 분별기 입력허용 전압까지) 주파수 분별기에 입력시킬 수 있다.

또 싸인파를 연속발사 수신하기 때문에 f₀~f 의 대역필터를 사용하여 수신신호를 증폭시킬 수 있어 잡음제거도 쉽게 된다.

초음파펄스를 사용할 경우 파형을 왜곡시키지 않기 위해 광대역증폭기(wide-band amplifier)를 사용하기 때문에 많은 잡음, 특히 펄스형태의 잡음이 증폭되어 초음파 전파시간 측정에 혼돈을 야기시키는 것이 제거된다.

도 3(A)에 수신변환기의 출력신호 형태를 도시하였다. 공진주파수 f₀ 때의 수신신호의 진폭 a₂ 와 f=f₀-Δf (또는 f₀+Δf ) 때의 수신신호 a₁ 과의 차이는 Δf/f₀ - 주파수 편차가 클수록 커진다. 그러나 Δf/f₀0,1 정도 때는 a₁ 과 a₂ 의 차이가 그리 심하지 않다.

도 3(B)에는 수신신호가 포화상태까지 증폭된 모양을 도시하였다. 이와 같이 증폭된 신호를 주파수 분별기에 입력시켜도 된다.

물론 이와 같이 포화 상태까지 증폭된 신호의 진폭을 주파수 분별기(9)의 최대 허용입력 전압과 동일하게 해야한다.

도 1에서 감쇄기(attenuator)(13)의 역할도 역시 출력증폭기(6)의 출력전압을 주파수 분별기(9)의 허용 입력전압까지 감쇄시키기 위한 것이다.

본 발명의 장치를 이용하면 변환기(1과 2)간의 간격 L이 수백m가 되어도 초음파 수신이 확실히 되며 여러 요인에 의하여 초음파 수신점에서 초음파 음압이 심히 맥동하는 조건에서도 초음파 전파시간 측정이 확실하게 진행되어 유속측정 정도(精度)가 높아진다.

Claims (1)

1. 유속을 측정하는 구간에서 유속방향에 대해 일정한 각도φ를 이루게 두 개의 초음파 변환기쌍을 설치하고 상호 초음파를 발사 수신하여 초음파 전파시간차 방법으로 유속을 측정하는 장치에 있어 초음파 발사장치는 주파수 변조기, 출력증폭기, 변환기, 주파수 변조 전압 펄스발진기로 구성되어 있는데 발사변환기는 출력증폭기와 연결되어 있고 출력증폭기 입력은 주파수 변조기 출력과 연결되어 있으며 주파수 변조기는 변조전압 펄스발진기와 연결되어 있으며 출력증폭기 출력은 감쇄기와 주파수 분별기 입력 절환 스위치 회로를 통해 주파수 분별기 입력과 연결되어 있으며 주파수 간격 측정장치의 측정 시작신호로 입력되는 동시에 스위치 회로가 절환되어 수신변환기 출력신호가 수신증폭기 입력과 연결 되 있고 수신증폭기 출력은 스위치 회로를 통해 상기 주파수 분별기 입력과 연결되어 있어 상기 펄스성형기의 출력이 시간간격 측정장치에 시간측정 완료신호로 입력되게 되어 있고 시간간격 측정장치의 출력은 유속 연산장치와 연결되어 있는 것이 특징으로 된 초음파 유속 측정장치.