KR101043344B1 - Manufacturing Method for Clamp-on type Ultrasonic Transducer using a multi-path - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 원형 파이프의 중심을 통과하는 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 중심 송신트랜스듀서와 중심 수신트랜스듀서; 및 상기 원형 파이프의 중심에서 벗어나는 경로를 가진 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 보조 송신트랜스듀서와 보조 수신트랜스듀서를 구비하고, 상기 보조 송신트랜스듀서 및 상기 보조 수신트랜스듀서는 각각 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서를 제공한다.The present invention relates to a multi-line outer wall type ultrasonic transducer manufacturing method. The present invention includes a center transmitting transducer and a center receiving transducer for measuring the amount of fluid flowing in the circular pipe using ultrasonic waves passing through the center of the circular pipe; And an auxiliary transmitting transducer and an auxiliary receiving transducer for measuring an amount of fluid flowing in the circular pipe by using an ultrasonic wave having a path deviating from the center of the circular pipe. Producers provide a multi-line outer wall-mounted ultrasonic transducer, characterized in that each of which is provided with a plurality.
따라서, 본 발명에 의하면 원형 파이프 내부를 흐르는 유체의 양을 정확하게 측정할 수 있고, 트랜스듀서의 설치가 용이하다.Therefore, according to the present invention, the amount of fluid flowing in the circular pipe can be accurately measured, and the installation of the transducer is easy.
다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서, 클램프형, 원형 파이프 Multi-line outer wall-mounted ultrasonic transducer, clamped, round pipe
Description
본 발명은 파이프 내에 흐르는 유량을 측정하기 위한 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원형 파이프 내에 흐르는 유체의 양을 다회선을 이용해서 보다 정확하게 측정할 수 있는 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a multi-line outer wall type ultrasonic transducer for measuring a flow rate in a pipe, and more particularly, a multi-line that can more accurately measure the amount of fluid flowing in a circular pipe. The present invention relates to an outer wall type ultrasonic transducer manufacturing method.
초음파란 '사람이 들을 수 없는 주파수대의 소리'로 일반적으로 정의되며 기체, 액체는 물론이고 고체 중에서 잘 전파되는 특성을 가지고 있다. 초음파에 대한 과학적 연구는 제1차 세계대전 말에 프랑스의 물리학자 P.랑주뱅이 잠수함을 탐지하는데 초음파를 사용하려 한 것이 처음이었다. Ultrasonics is generally defined as 'sounds invisible to human beings' and has the property of propagating well in solids as well as gases and liquids. The first scientific study of ultrasound was at the end of World War I, when French physicist P. Lange-Binin attempted to use ultrasound to detect submarines.
초음파는 본질적으로는 가청범위의 음파와 성질이 같으나, 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 상당히 강한 진동이 생기므로 일반적인 음파에서는 볼 수 없는 성질을 가지고 있다. 초음파는 진로가 방향성을 가지는 짧은 펄스(Pulse)인데, 박쥐는 초음파를 이용해서 어두운 밤에 가느다란 물체까지 식별할 수 있다. 이러한 초음파의 특성을 이용하여 유량을 측정하는 것이 초음파 유량계이다. Ultrasonic waves are essentially the same as sound waves in the audible range, but because of their high frequencies and short wavelengths, they generate quite strong vibrations, which are not seen in normal sound waves. Ultrasound is a short pulse whose path is directional, and bats can use ultrasound to identify objects that are thin at night. An ultrasonic flowmeter is used for measuring the flow rate using the characteristics of such ultrasonic waves.
수도관 같은 관로에서 유량을 측정하는 기술에는 여러 가지 방식이 있다. 축류익차 방식은 구조가 단순하고 저렴하여 널리 사용되어 왔다. 전자기 방식은 측정 정확도가 우수하여 정확성을 요하는 곳에 사용되어 왔다. 그런데 축류익차는 관로 내부에 설치되어야 하고 전자기 유량계는 관로중간에 단관 형태로 플랜지 접합해야 하므로, 설치할 때에 단수를 해야 하고 설치 후에 점검이나 수리를 하기 위해서는 가동을 수도관의 가동을 중단해야한다는 문제가 있다.There are many ways to measure flow in a pipeline, such as a water pipe. The axial vane method has been widely used because of its simple structure and low cost. Electromagnetic methods have been used where accuracy is required because of their excellent measurement accuracy. However, because the axial vane must be installed inside the pipeline and the electromagnetic flowmeter must be flanged in the form of a single pipe in the middle of the pipeline, there is a problem that the water must be cut off during installation, and the operation of the water pipe must be stopped to check or repair after installation. .
한편, 초음파를 이용한 유량계는 도 1(a)에 도시된 침습형 초음파 트랜스듀서와 도 2(b)에 도시된 외벽부착식(clamp-on type) 초음파 트랜스듀서의 두 가지로 나눌 수 있다.On the other hand, the flow meter using ultrasonic waves can be divided into two types: the invasive ultrasonic transducer shown in Fig. 1 (a) and the clamp-on type ultrasonic transducer shown in Fig. 2 (b).
침습형 초음파 트랜스듀서는 유체와 직접 접하여 초음파를 송신 또는 수신한다. 트랜스 듀서와 유체사이에 관 벽이나 다른 소재가 없어야 하기 때문에 관 벽에 구멍을 내어야하는 설치의 어려움이 있고, 부식성 유체의 유량측정이 불가능한 문제점이 있다.Invasive ultrasonic transducers transmit or receive ultrasonic waves in direct contact with the fluid. Since there should be no pipe wall or other material between the transducer and the fluid, there is a difficulty in installing a hole in the pipe wall and there is a problem in that the flow rate of the corrosive fluid cannot be measured.
반면에 외벽부착식 초음파 트랜스듀서는 관벽에 손쉽게 설치하여 유량을 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 측정오차가 2 % 이상이고, 측정하고자 하는 전단에 곡관, 밸브 등 유동의 장애요인이 있으면 10 % 까지 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 누수여부를 확정할 수 있을 정도의 정확한 측정에 사용하기에는 부절절하다는 문제가 있다.On the other hand, the external wall-mounted ultrasonic transducer has the advantage that it can be easily installed on the pipe wall to measure the flow rate. Errors may occur. Therefore, there is a problem that it is inadequate to use for accurate measurement to the extent that it is possible to determine whether or not leaks.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출한 것으로, 유량을 정확하게 측정할 수 있고, 손쉽게 설치, 유지 및 관리를 할 수 있도록 하는 데에 목적이 있다. 또한 본 발명은 부식성 유체, 고온 또는 저온 유체의 유량을 측정할 수 있는 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서를 제공하는데에 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to be able to accurately measure the flow rate, and to be easy to install, maintain and manage. It is also an object of the present invention to provide a multi-line external wall type ultrasonic transducer capable of measuring the flow rate of corrosive fluid, hot or cold fluid.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원형 파이프의 중심을 통과하는 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 중심 송신트랜스듀서와 중심 수신트랜스듀서; 및 상기 원형 파이프의 중심에서 벗어나는 경로를 가진 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 보조 송신트랜스듀서와 보조 수신트랜스듀서를 구비하고, 상기 보조 송신트랜스듀서 및 상기 보조 수신트랜스듀서는 각각 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a center transmitting transducer and a center receiving transducer for measuring the amount of fluid flowing in the circular pipe using ultrasonic waves passing through the center of the circular pipe; And an auxiliary transmitting transducer and an auxiliary receiving transducer for measuring an amount of fluid flowing in the circular pipe by using an ultrasonic wave having a path deviating from the center of the circular pipe. Producers provide a multi-line outer wall-mounted ultrasonic transducer, characterized in that each of which is provided with a plurality.
또한, 상기 보조 송신트랜스듀서에서 발생된 초음파는 상기 중심 송신트랜스듀서에서 발생된 초음파에 평행하게 이동하는 것이 가능하다.In addition, the ultrasonic waves generated by the auxiliary transmission transducer may move in parallel to the ultrasonic waves generated by the central transmission transducer.
상기 보조 송신트랜스듀서 및 이에 대응되는 상기 보조 수신트랜스듀서는, 상기 원형 파이프의 단면을 기준으로 반원의 범위 내에 장착될 수 있다.The auxiliary transmitting transducer and the corresponding auxiliary receiving transducer may be mounted within a range of a semicircle based on the cross section of the circular pipe.
나아가 상기 복수 개의 보조 송신트랜스듀서는 상기 중심 송신트랜스듀서를 기준으로 각각 대칭되도록 장착되는 것이 가능하다.Furthermore, the plurality of auxiliary transmission transducers may be mounted to be symmetrical with respect to the center transmission transducer.
특히, 제트 패쓰(Z-path)법을 이용하여 유량이 측정되는 것이 바람직하다.In particular, the flow rate is preferably measured using the jet path (Z-path) method.
한편, 상기 보조 송신트랜스듀서 및 상기 보조 수신트랜스듀서는 상기 원형 파이프에 접하는 접촉면이 바닥면에 대해 기울어지게 가공된 웨지; 및 상기 웨지에 설치되는 압전 진동자;를 포함할 수 있다.On the other hand, the auxiliary transmitting transducer and the auxiliary receiving transducer, the contact surface which is in contact with the circular pipe is inclined with respect to the bottom surface; And a piezoelectric vibrator installed in the wedge.
물론, 상기 접촉면의 상기 바닥면에 대한 경사각은 상기 웨지로부터 상기 원형 파이프에 초음파가 입사되는 웨지 입사각()과 동일한 것이 가능하며, 상기 웨지 입사각은 상기 원형 파이프의 종류 및 상기 원형 파이프 내부를 흐르는 유체의 종류 중 적어도 어느 하나에 따라 달라질 수 있다.Of course, the inclination angle of the contact surface with respect to the bottom surface is a wedge incidence angle at which ultrasonic waves are incident from the wedge to the circular pipe ( The wedge incidence angle may vary depending on at least one of the type of the circular pipe and the type of fluid flowing inside the circular pipe.
본 발명은 원형 파이프 내부를 통과하는 초음파의 방향을 선정하여 유체쪽 굴절각()을 산출하는 단계; 스넬의 법칙을 이용해서 상기 원형 파이프의 안쪽 입사각() 및 상기 원형 파이프의 바깥쪽 굴절각()를 산출하는 단계; 스넬의 법칙을 이용해서 상기 원형 파이프의 바깥쪽 굴절각으로부터 웨지 입사각()를 산출하는 단계; 및 상기 웨지 입사각에 따라 웨지의 접촉면이 경사지도록 가공하는 단계;를 포함하는 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서 제조방법을 제공한다.The present invention is to select the direction of the ultrasonic wave passing through the inside of the circular pipe fluid side refracting angle ( Calculating c); Using Snell's law, the inner angle of incidence ) And the outward deflection angle of the circular pipe ( Calculating c); Using Snell's law, the wedge angle of incidence from the Calculating c); And processing the inclined contact surface of the wedge according to the incidence angle of the wedge.
특히, 상기 접촉면의 기울어진 경사각은 상기 웨지로부터 상기 원형 파이프에 초음파가 입사되는 웨지 입사각()과 동일한 것이 바람직하고, 상기 유체쪽 굴절각()은 30°이하인 것이 가능하다. In particular, the inclined inclination angle of the contact surface is a wedge incidence angle at which ultrasonic waves enter the circular pipe from the wedge ( It is preferable that the same as the ) Can be 30 ° or less.
물론, 상기 웨지 입사각은 상기 원형 파이프의 종류 및 상기 원형 파이프 내부를 흐르는 유체의 종류 중 적어도 어느 하나에 따라 달라질 수 있다.Of course, the wedge incidence angle may vary depending on at least one of the type of the circular pipe and the type of the fluid flowing inside the circular pipe.
본 발명에 따르면, 다회선을 이용해서 파이프 내의 유체의 양을 보다 정확하게 측정하여, 누수여부를 확정할 수 있을 정도의 정확한 측정을 할 수 있다. 특히, 파이프 내에 유동에 와류 등의 유동교란이 형성된 경우에도 정밀하게 유량을 측정할 수 있다.According to the present invention, it is possible to measure the amount of fluid in the pipe more accurately by using multiple lines, so that accurate measurement to the extent that it is possible to determine whether or not leaks can be determined. In particular, even when a flow disturbance such as vortex is formed in the flow in the pipe, the flow rate can be accurately measured.
또한, 유체에 직접 접촉하는 방식으로 설치될 필요가 없기 때문에 부식성 유체, 고온 또는 저온의 유체의 유량을 측정할 수 있으며, 초음파 트랜스듀서의 설치가 용이하다. 즉, 파이프의 벽에 일시적으로 부착하여 사용할 수도 있고, 영구적으로 부착해놓을 수도 있다. 따라서, 사용 중 점검이나 수리가 용이하다.In addition, since it does not need to be installed in a direct contact with the fluid, it is possible to measure the flow rate of the corrosive fluid, the hot or cold fluid, and the installation of the ultrasonic transducer is easy. That is, it may be temporarily attached to the wall of the pipe or may be permanently attached. Therefore, it is easy to inspect or repair during use.
본 발명에 따르면, 합리적인 유수율 관리 및 신속한 누수지역을 탐지 할 수 있고, 설치 시 공간적 제약을 최소화 할 수 있으며, 대구경 원형 파이프에도 손쉽게 설치가 가능하다. According to the present invention, it is possible to detect the rational flow rate management and rapid leak area, to minimize the space constraints when installing, and can be easily installed in large diameter round pipe.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention that can specifically realize the above object will be described.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 개념도이다. 이하, 도 2를 참조 해서 설명한다.2 is a conceptual diagram of an ultrasonic transducer according to the present invention. A description with reference to FIG. 2 is as follows.
도 2(a)의 단선 방식은 종래 기술에서 사용되던 방식이다. 그러나 본 발명에서는 중심 송신트랜스듀서와 중심 수신트랜스듀서 이외에도 별도로 보조 송신트랜스듀서와 보조 수신트랜스듀서를 구비하여 도 2(b)의 다회선 방식을 사용한다. 즉, 초음파가 단회선이 아니라 다회선으로 전송되고 수신된다. 이러한 다회선 방식은 파이프 내부를 흐르는 유체에 대해 단선방식에 비해서 다양한 수치를 계측할 수 있어 유량 측정의 정확도를 높일 수 있다. 예를 들어, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 3회선을 사용하는 경우 각각의 회선에서 계측된 값으로 계산된 파이프 내의 유량 추정치를 평균을 내는 등의 다양한 계산 처리를 통해서 보다 정확한 유량을 측정할 수 있다. 이때, 'C'는 원형 파이프의 중심을 의미한다.The disconnection method of FIG. 2A is a method used in the prior art. However, in the present invention, in addition to the central transmission transducer and the center receiving transducer, the auxiliary transmission transducer and the auxiliary receiving transducer are provided separately, and the multi-line method of FIG. 2 (b) is used. That is, ultrasonic waves are transmitted and received in multiple lines rather than in single lines. This multi-line method can measure a variety of values for the fluid flowing in the pipe compared to the disconnection method can improve the accuracy of the flow measurement. For example, when using three lines as shown in FIG. 2 (b), more accurate flow rate is measured through various calculation processes such as averaging the flow rate estimate in the pipe calculated from the measured value on each line. can do. In this case, 'C' means the center of the circular pipe.
다회선이라 함은 단선과 달리 복수 개의 회선을 의미하는 것이 가능하고, 특히 Top-Middle-Bottom 3 path(TMB 3회선)을 포함하는 것이 가능하다.Unlike a single line, a multi-line may mean a plurality of lines, and in particular, may include a Top-Middle-Bottom 3 path (TMB 3 lines).
한편, 다회선을 사용하는 경우에 파이프 내부를 통과하는 유체의 프로파일을 보다 정확하게 계측할 수 있다. 파이프 내부를 통과하는 유체는 파이프의 중심에서 내측면으로 갈수록 저항 등의 다양한 요인에 의해서 속도가 변화하기 때문에 다회선의 경우에는 단회선에 비해서 유체에 대해서 보다 많은 정보를 획득할 수 있다.On the other hand, when using multiple lines, the profile of the fluid passing through the inside of the pipe can be measured more accurately. Since the fluid passing through the inside of the pipe changes in speed due to various factors such as resistance from the center of the pipe to the inner side, more information about the fluid can be obtained than in the case of the multi-line.
도 3은 본 발명에 따른 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서가 원형 파이프에 설치된 상태를 도시한 사시도이다. 다만, 도 3에서는 설명의 편의상 송신트랜스듀서만을 도시하고, 이에 대응되는 수신트랜스듀서는 도시하지 않았으나, 송신트랜스듀서와 수신트랜스듀서는 구성이 대부분 동일하고, 설치방식도 동일하여 설명의 편의상 생략한다. 또한, 본 실시에에서는 보조 트랜스듀서를 두 개만 도시하였으나, 유량 측정의 정확성을 높이기 위해 세 개 이상을 설치하는 것도 가능하다. 3 is a perspective view showing a state in which a multi-line outer wall type ultrasonic transducer according to the present invention is installed in a circular pipe. In FIG. 3, only the transmission transducer is illustrated for convenience of description, and the reception transducer corresponding thereto is not illustrated. However, the transmission transducer and the reception transducer have the same configuration, and the installation method is also the same. . In addition, in the present embodiment, only two auxiliary transducers are shown, but three or more may be installed to increase the accuracy of the flow measurement.
나아가, 본 발명에서는 송신트랜스듀서와 수신트랜스듀서라고 표현하였으나, 송신트랜스듀서와 수신트랜스듀서가 각각 송수신 기능이 모두 이루어질 수 있는 쌍방향트랜스듀서인 것이 가능하다. 이러한 경우에도 본 발명에서 설명되는 방식과 동일하게 장착되어, 작용한다.Furthermore, in the present invention, although it is expressed as a transmit transducer and a receive transducer, it is possible that the transmit transducer and the receive transducer are bidirectional transducers, each of which can transmit and receive functions. Even in this case, it is mounted and functions in the same manner as described in the present invention.
이하, 도 3을 참조해서 설명한다.A description with reference to FIG. 3 is as follows.
본 발명에 따른 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서는 원형 파이프(10)의 중심을 통과하는 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프(10) 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 중심 송신트랜스듀서(20)와 중심 수신트랜스듀서(120)를 포함한다. The multi-line external wall type ultrasonic transducer according to the present invention includes a
또한, 본 발명은 상기 원형 파이프(10)의 중심에서 벗어나는 경로를 가진 초음파를 이용하여 상기 원형 파이프(10) 내를 흐르는 유체의 양을 측정하는 보조 송신트랜스듀서(30,40)와 보조 수신트랜스듀서(130,140)를 구비한다.In addition, the present invention is an auxiliary transmission transducer (30, 40) and the auxiliary receiving transformer for measuring the amount of fluid flowing in the
특히, 상기 보조 송신트랜스듀서(30,40)는 제1보조 송신트랜스듀서(30) 및 제2보조 송신트랜스듀서를 포함하고, 상기 보조 수신트랜스듀서(130,140)는 제1보조 수신트랜스듀서(130) 및 제2보조 수신트랜스듀서(140)를 포함한다. 다만, 상기 보조 수신트랜스듀서(130,140)는 도 5에 도시된다.In particular, the
즉, 본 발명은 상기 보조 송신트랜스듀서(30,40) 및 상기 보조 수신트랜스듀서(130,140)는 각각 복수 개 구비되어, 상기 중심 송신트랜스듀서(20)와 상기 중심 수신트랜스듀서(120)와는 다른 경로를 이용한 추가적인 트랜스듀서가 구비된다.That is, according to the present invention, a plurality of
도 4는 본 발명에 따른 중심 송신트랜스듀서를 도시한 분해사시도이다. 한편, 중심 수신트랜스듀서도 중심 송신트랜스듀서와 동일한 형상으로 이루어지므로 자세한 설명을 생략한다. 이하, 도 4를 참조해서 설명한다.4 is an exploded perspective view showing a center transmission transducer according to the present invention. On the other hand, since the center receiving transducer also has the same shape as the center transmitting transducer, detailed description thereof will be omitted. A description with reference to FIG. 4 is as follows.
본 발명에 따른 중심 송신트랜스듀서(20)는 베이스(22)에 압전 진동자(24)가 설치되고, 상기 압전 진동자(24)에는 BNC커넥터 연결부(26)가 장착된다. 그리고, 상기 BNC커넥터 연결부(26)에는 BNC커넥터(28)이 장착되는 구조로 이루어진다. In the
이때, 상기 베이스(22)는 쐐기 모양으로 이루어지고, 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 가능하다. 특히, 상기 베이스(22)는 Engineering Plastic PEEK-1000 (PolyEtherEtherKetone)로 이루어지는 것이 가능하다. 상기 베이스(22)는 바닥면이 평평한 평면으로 이루어지고, 평평한 바닥면이 상기 원형 파이프(10)에 접촉된다.At this time, the
한편, 상기 압전 진동자(24)는 종파(두께방향 진동)를 발생하는 원형의 압전 세라믹 진동자를 포함하고, 1 MHz이며 종파형인 것이 가능하다.On the other hand, the
도 5는 도 3의 단면도이며, 초음파가 통과하는 경로가 굵은 실선으로 도시된다. 이하, 도 5를 참조해서 설명한다.FIG. 5 is a cross-sectional view of FIG. 3, in which a path through which ultrasonic waves pass is shown by a thick solid line. A description with reference to FIG. 5 is as follows.
초음파 트랜스듀서가 관의 외벽에 3회선으로 설치되었을 때 즉, 보조 송신트랜스듀서가 두 개 설치되는 경우에는 도5에 도시된 바와 같이 초음파가 전파된다.When the ultrasonic transducer is installed in three lines on the outer wall of the tube, that is, when two auxiliary transmitting transducers are installed, ultrasonic waves are propagated as shown in FIG.
본 발명에서 상기 보조 송신트랜스듀서(30,40)에서 발생된 초음파는 상기 중심 송신트랜스듀서(20)에서 발생된 초음파에 평행하게 이동한다. 다시 말해서, 상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)에서 송신되어 상기 제1보조 수신트랜스듀서(130)에서 수신되는 초음파의 경로와, 상기 중심 송신트랜스듀서(20)에서 송신되어 상기 중심 수신트랜스듀서(120)에서 수신되는 초음파의 경로는 서로 평행하다. 이러한 특징은 상기 제2보조 송신트랜스듀서(40)에서도 동일한다. In the present invention, the ultrasonic waves generated by the
특히, 상기 중심 송신트랜스듀서(20)에서 송신된 초음파는 상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)에서 송신된 초음파 및 상기 제2보조 송신트랜스듀서(40)에서 송신된 초음파와 서로 교차하지 않는다. In particular, the ultrasonic waves transmitted from the
본 발명에서 상기 보조 송신트랜스듀서(30,40) 및 이에 대응되는 상기 보조 수신트랜스듀서(130,140)는 상기 원형 파이프(10)의 단면을 기준으로 반원의 범위 내에 장착된다. 다시 말해서, 상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)와 상기 제1보조 수신트랜스듀서(130)는 상기 중심 송신트랜스듀서(20)와 상기 중심 수신트랜스듀서(120)를 잇는 선에 의해서 분할되는 반원 상에 위치한다. 이러한 특징은 상기 제2보조 송신트랜스듀서(40) 및 상기 제2보조 수신트랜스듀서(130)에서도 동일하다. In the present invention, the
본 발명에서, 상기 복수 개의 보조 송신트랜스듀서(30,40)는 상기 중심 송신트랜스듀서(20)를 기준으로 각각 대칭되도록 장착된다. 다시 말해서, 상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)와 상기 제2보조 송신트랜스듀서(40)는 상기 중심 송신트랜스듀서(20)를 기준으로 서로 대칭하는 위치에 장착되는 것이 가능하다.In the present invention, the plurality of
도 6은 도 5에서 웨지 입사각을 설명하기 위한 개념도이다. 이하, 제1보조 송신트랜스듀서가 장착되는 위치를 중심으로 웨지 입사각을 산출하는 방법에 대해서 설명한다.FIG. 6 is a conceptual diagram for describing a wedge incident angle in FIG. 5. Hereinafter, a method of calculating the wedge incidence angle around the position at which the first auxiliary transmission transducer is mounted will be described.
관의 바깥 지름을 d라 하고, 관의 두께를 t라 하자. 중심으로부터 반지름의 1/2 거리 ( = 30°) 이내에서, 파동의 굴절 투과가 가능한 위치를 선정한다. 즉, 제1보조 송신트랜스듀서(30)가 장착될 위치를 선정한다.Let d be the outer diameter of the tube and t be the thickness of the tube. 1/2 distance of the radius from the center ( = 30 °), select the position where the wave can be transmitted through refraction. That is, the position where the first
그리고, 스넬(Snell)의 법칙을 이용하여, 유체 쪽 굴절각 로부터 관 벽 안쪽 입사각( )를 산출한다. 즉, , ( : 유체에서 파동 전파속도, : 관 벽에서 파동 전파 속도)를 이용한다.Then, using Snell's law, the incidence angle inside the tube wall ) Is calculated. In other words, , ( = Wave propagation velocity in a fluid, : Wave propagation velocity in the pipe wall.
이어서, 삼각형의 sine공식을 이용하여, 관 벽 바깥쪽 굴절각( )를 산출한다. 즉, 을 이용한다.Then, using the triangular sine formula, the angle of refraction outside the tube wall ( ) Is calculated. In other words, Use
이때, 관 벽 바깥쪽 투과지점 위치에 해당되는 각( )를 삼각함수 공식에 의해서 산출할 수 있다. 를 이용하면 상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)와 상기 제1보조 수신트랜스듀서(130)를 견고하게 고정할 수 있다.At this time, the angle corresponding to the position of the transmission point outside the pipe wall ( ) Can be calculated by the trigonometric formula. By using the first
스넬의 법칙을 이용하여, 관 벽 바깥쪽 굴절각()로부터 웨지 입사각 ()을 산출한다. (: 웨지에서 파동 전파속도)에 의해서 산출할 수 있다.Using Snell's law, the angle of refraction outside the tube wall Wedge incidence angle from ) Is calculated. ( It can be calculated from the wave propagation speed in the wedge).
이렇게 산출한 상기 웨지 입사각()에 따라 웨지의 접촉면이 경사지도록 가공하는 것이 가능하다.The wedge incident angle thus calculated ( It is possible to process so that the contact surface of the wedge is inclined.
상술한 바와 같이 상기 웨지 입사각()은 상기 원형 파이프의 종류 및 상기 원형 파이프 내부를 흐르는 유체의 종류 중 적어도 어느 하나에 따라 달라지지는 것을 알 수 있다.As described above, the wedge incident angle ( ) May vary depending on at least one of the type of the circular pipe and the type of fluid flowing in the circular pipe.
예를 들어, 앞에서 설명한 관의 바깥 지름을 d=114.3 mm 라 하고, 관의 두께를 t= 2.9 mm 라 하자. 관 내의 유체가 물, 관의 재질이 스텐레스강(STS 304), 트랜스듀서 웨지 재질이 플라스틱(PEEK 1000) 일 때에 앞에 식에 대입해 계산한다.For example, let us say that the outer diameter of the tube described earlier is d = 114.3 mm and the thickness of the tube is t = 2.9 mm. When the fluid in the pipe is water, the pipe material is stainless steel (STS 304), and the transducer wedge material is plastic (PEEK 1000), it is calculated using the preceding equation.
그러면, = 27°이고, = 1500 m/s,=3281.3 m/s임을 알 수 있다. then, = 27 °, = 1500 m / s, It can be seen that = 3281.3 m / s.
이고, 이다. ego, to be.
또한, 로 계산된다.Also, .
따라서, 로 계산된다. therefore, .
한편, 상기 유체쪽 굴절각()은 30°이하인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 스넬의 법칙을 이용하여 웨지를 통하여 입사하는 각도를 계산하였을 때, 원형 파이프의 중심에서 이루는 각도가 30°를 넘어가게 되면 초음파가 관 벽에서 유체로 투과할 수 없기 때문이다. Meanwhile, the fluid side deflection angle ( ) Is preferably 30 ° or less. This is because when the angle of incidence through the wedge is calculated using Snell's law, the ultrasonic wave cannot penetrate into the fluid in the tube wall if the angle formed at the center of the circular pipe exceeds 30 °.
도 7은 본 발명에 따른 보조 송신트랜스듀서를 도시한 분해사시도이다. 특히, 도 7은 제1보조 송신트랜스듀서만을 도시한 것으로 제1보조 수신트랜스듀서, 제2보조 송신트랜스듀서 및 제2보조 수신트랜스듀서와 동일한 유사한 형상으로 이루어진다. 이하, 도 7을 참조해서 설명한다.7 is an exploded perspective view showing an auxiliary transmission transducer according to the present invention. In particular, FIG. 7 shows only the first auxiliary transmission transducer and has the same similar shape as the first auxiliary receiving transducer, the second auxiliary transmitting transducer and the second auxiliary receiving transducer. A description with reference to FIG. 7 is as follows.
본 발명에 따른 제1보조 송신트랜스듀서(30)는 웨지(32)에 압전 진동자(34)가 설치되고, 상기 압전 진동자(34)에는 BNC커넥터 연결부(36)가 장착된다. 그리고, 상기 BNC커넥터 연결부(36)에는 BNC커넥터(38)이 장착되는 구조로 이루어진다. In the first
상기 제1보조 송신트랜스듀서(30)는 상기 웨지(32)만이 상기 중심 송신트랜스듀서(20)와 차이를 가지므로, 차이점을 중심으로 설명한다.Since only the
상기 웨지(32)는 대략 쐐기 모양으로 이루어지고, 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 가능하다. 상기 웨지(22)는 Engineering Plastic PEEK-1000 (PolyEtherEtherKetone)로 이루어지는 것이 가능하다.The
특히, 상기 웨지(32)는 상기 원형 파이프(10)에 접하는 접촉면(32b)이 바닥면(32a)에 대해 기울어지게 가공된다. 상기 베이스(22)와는 달리 상기 바닥면(32a)이 아닌 상기 접촉면(32b)에서 상기 원형 파이프(10)에 접촉되어 고정된다. 상기 압전 진동자(34)에서 발생된 초음파는 상기 바닥면(32a)이 아닌 상기 접촉면(32b)을 통해서 상기 원형 파이프(10)에 전달되기 때문이다.In particular, the
이때, 상기 접촉면(32b)의 상기 바닥면(32a)에 대한 경사각은 상기 웨지로부터 상기 원형 파이프에 초음파가 입사되는 웨지 입사각()과 동일한 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 8을 참조해서 설명한다.At this time, the inclination angle of the
한편, 보조 트랜스듀서를 원형 파이프에 견고하게 장착하고, 초음파가 일정한 각도로 원형 파이프에 입사하도록 하기 위해 상기 웨지(32)의 일측에 고정용 지그 구멍(미도시)를 형성하는 것도 가능하다.On the other hand, it is also possible to firmly mount the auxiliary transducer to the circular pipe, and to form a fixing jig hole (not shown) on one side of the
도 8은 도 7의 경사각을 설명하기 위한 개념도이다. 이하, 도 8을 참조해서 설명한다.FIG. 8 is a conceptual view illustrating the inclination angle of FIG. 7. A description with reference to FIG. 8 is as follows.
중심에서 이어진 선(①)과 원형 파이프의 접선은 수직이므로, 웨지 입사각()에 맞닿아 있는 각은 90°-가 됨을 알 수 있다. 웨지에서 발생하는 초음파의 경로와 평행한 선(②)을 보조선으로 생성하면, 초음파의 경로와 평행한 선(②)에 의해서 형성되는 각은 90°-가 된다. 따라서, 웨지의 바닥면과 접촉 면은 서로 수직을 이루므로, 접촉면의 경사각은 웨지 입사각()과 동일함을 확인할 수 있다.Since the tangent line (①) from the center and the tangent of the circular pipe are vertical, the wedge incident angle ( Angle of contact is 90 °- It can be seen that. If a line (②) parallel to the path of the ultrasonic wave generated in the wedge is generated as an auxiliary line, the angle formed by the line (②) parallel to the path of the ultrasonic wave is 90 °- Becomes Therefore, since the bottom surface and the contact surface of the wedge are perpendicular to each other, the inclination angle of the contact surface is the wedge incident angle ( You can see the same as).
도 9는 Z-path법을 설명한 개념도이다. 이하, 도 9를 참조해서 설명한다.9 is a conceptual diagram illustrating a Z-path method. A description with reference to FIG. 9 is as follows.
본 발명의 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서는 제트 패쓰(Z-path)법을 이용하여 유량이 측정되는 것이 바람직하다. In the multi-line external wall type ultrasonic transducer of the present invention, the flow rate is preferably measured by using a jet path method (Z-path).
이때, 제트 패쓰법이라 함은 송신트랜스듀서(20,30,40)와 수신트랜스듀서(120,130,140)가 한 쌍을 이룬다. 즉, 상류(UP)측 Transducer와 하류(DN)측 Transducer가 1조를 이루는데 측정관의 상류(UP)측에 하나를 그 반대쪽 관 벽의 하류(DN)측에 다른 하나를 설치하여 Transducer가 대각선으로 마주보게 한 것이 1-Traveres(Z-법)이다.In this case, the jet path method is a pair of the transmitting
본 발명에서는 원형 파이프(10)의 외벽에 송신트랜스듀서(20,30,40)를 부착하고, 전기적 신호가 압전 진동자에 가해지며 압전 진동자에 의해서 발생된 초음파가 웨지 또는 베이스를 타고 전파된다. 초음파는 원형 파이프(10)의 벽과 파이프 내부의 유체를 투과하여 수신트랜스듀서(120,130,140)의 압전 진동자 통해 들어오는데, 이때 유체의 흐름 등의 다양한 요인에 따라 물리적 변형이 이루어지며 이러한 변형을 전기적인 신호로 바꾸어 계측하는 방식으로 유량을 측정할 수 있다.In the present invention, the
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and as can be seen in the appended claims, modifications can be made by those skilled in the art to which the invention pertains, and such modifications are within the scope of the present invention.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 트랜스듀서를 도시한 도면.1 illustrates an ultrasonic transducer according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 개념도.2 is a conceptual diagram of an ultrasonic transducer according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 다회선 외벽부착식 초음파 트랜스듀서가 원형 파이프에 설치된 상태를 도시한 사시도.Figure 3 is a perspective view showing a state in which a multi-line external wall type ultrasonic transducer according to the present invention is installed in a circular pipe.
도 4는 본 발명에 따른 중심 송신트랜스듀서를 도시한 분해사시도.4 is an exploded perspective view showing a center transmission transducer according to the present invention.
도 5는 도 3의 단면도.5 is a cross-sectional view of FIG. 3.
도 6은 도 5에서 웨지 입사각을 설명하기 위한 개념도.6 is a conceptual diagram for explaining the wedge incident angle in FIG.
도 7은 본 발명에 따른 보조 송신트랜스듀서를 도시한 분해사시도.7 is an exploded perspective view showing an auxiliary transmission transducer according to the present invention.
도 8은 도 7의 경사각을 설명하기 위한 개념도.8 is a conceptual view illustrating the inclination angle of FIG. 7.
도 9는 Z-path법을 설명한 개념도.9 is a conceptual diagram illustrating a Z-path method.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of Signs for Main Parts of Drawings>
10: 원형 파이프 20: 중심 송신트랜스듀서10: round pipe 20: center transmission transducer
30: 제1보조 송신트랜스듀서 40: 제2보조 송신트랜스듀서30: first auxiliary transmission transducer 40: second auxiliary transmission transducer
120: 중심 수신트랜스듀서 130: 제1보조 수신트랜스듀서120: center receiving transducer 130: first auxiliary receiving transducer
140: 제2보조 수신트랜스듀서140: second auxiliary receiving transducer
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