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1 보고서초록 사업명국제공동연구사업기술분류실용화 연구과제명 최종성과품 기관 ( 기업 ) 명 상수도구역계량용복합유량계개발 구역계량용습식다회선초음파유량계 ( 주 ) 씨엠엔텍설립일 수행기관 ( 주관기관 ) 주소 대표자 ( 기관장 ) 경기도성남시분당구야탑동 150 번지분당테크노파크 A 동 102 호 홍대진연락처 홈페이지 팩스 연구과제개요 주관연구책임자황상윤소속부서연구소 실무담당자 참여기업 총사업비 ( 천원 ) 연구관리최경화 정부출연금 현금 전화 전화 해당사항없음 민간부담금 현물 cmsonic1@msn.com khchoi@cmentech.co.kr 합계 220,000 16, , ,000 총연구기간 2008 년 2 월 1 일 ~ 2009 년 11 월 30 일 ( 총 22 개월 ) 연구개발결과 최종목표 개발내용및결과 개발기술의 - 최저유속에서도안정적유동측정이되는유동관로설계및제작 - 직관부 1D인조건에서도 ±1.0% 정밀도보증하는유량알고리즘개발 - 최저유속 0.1m s에서도 ±0.5 % 를보장하는유량알고리즘개발 - 관압과유량을동시계측용계량기개발 - 관압및최저 / 최고유량을관리저장하는알고리즘개발 - 교란지점해석알고리즘및소프트웨어개발 - 완전방수형관압계설계상수공급관망을안정적으로신뢰성있게분석관리하기위하여가장필요한구역별유량및관압을동시에계측하고, 야간최소유량과관압을이벤트별로분석하고해석하여이벤트별로저장하고이를효과적인통신망으로연결할수있도록해주는고정밀복합유량계개발. 제품 : 구역계량용습식다회선초음파유량계 (UR-1000PlusP) 성능평가 : 중국국가수대유량점 ( 저유속 0.5% 보증 ) 제품인증 : 중국계량원방폭인증 (NEPSI) 제품 : 구역계량용습식다회선초음파유량계 (UR-1000PlusP) - 1 -

2 특징 장점 기대효과 ( 기술적및경제적효과 ) 적용분야 특징 : 유량, 관압, 온도를동시에측정, 데이터저장및통신실현 상수도구역계량현장 : 누수, 계량기불감, 양방향측정이필요한곳에서본제품 1 대로모든것이해결되므로관리및설치비용이획기적으로개선되며, 누수량산정의기준기역할을수행하여성과지표활용에역할을함. 상수도구역계량및유량발란스정밀측정오일및지역난방등고온고점도유량측정 과학기술적성과 특허 논문게재 국내 7건출원국외해당사항없음 SCI 해당사항없음비SCI 해당사항없음 기타중소기업청성능인증 ( 제 ), 조달청우수제품인증 ( ) 개발후현재까지 85 억원 매출액 향후 3 년간매출 360 억원 시장 현재의시장규모 국내 : 560억원세계 : 16,000억원 사업화 성과 규모시장 향후 (3년) 예상되는시장규모개발후현재까지 국내 : 1200억원세계 : 42,000억원국내 : 15.2% 세계 : 0.7% 점유율 향후 3 년 국내 : 30% 세계 : 0.9% 세계시장 경쟁력순위 현재제품세계시장경쟁력순위 100 위 (0.7%) 3 년후제품세계시장경쟁력순위 80 위 (0.9%) - 2 -

3 목 차 제 1 장서론 5 가. 연구개발의중요성및필요성 5 나. 연구개발의국내외현황 7 다. 연구개발대상기술의차별성 8 제 2 장연구개발의목표및내용 11 가. 연구의최종목표 11 나. 연도별연구개발의목표및평가방법 11 다. 연도별추진체계및평가기준 12 라. 추진체계및수행방법 13 마. 결과활용방안및기대성과 17 바. 공동개발추진 18 제 3 장연구개발결과및활용계획 20 가. 연구개발결과및토의 20 나. 연구개발결과요약 44 다. 연도별연구개발목표의달성도 44 라. 연도별연구성과 ( 논문 특허등 ) 45 마. 관련분야의기술발전기여도 46 바. 연구개발결과의활용계획 47 제 4 장참고문헌 48 부록

4 제 1 장서론 가. 연구개발의중요성및필요성 제품명 : 상수도구역계량용복합유량계개발전기적으로충격을가하면압전효과에의해진동하는초음파센서를이용하여유체 ( 물, 기름, 가스등 ) 가흐르고있는배관내에초음파진동전파를보내면그초음파전달속도는유체의흐름에영향을받아흐름과동일방향에대하여음속에유속을더한속도로도착되고, 반대방향은반대로유속을뺀속도로도착되는원리인초음파전파시간차법유량계를활용하여 ( 예 : 우리가강에서수영을할때상류와하류방향으로수영할때같은거리를가는데걸리는시간이다르게나타나는현상과유사, 또한우리가비행기를타고미국을갈때제트기류에의해갈때와올때거리는같지만걸리는시간이다르게나타는현상. 왕복시간을알면제트기류의속도를알수있음.) 왕복방향초음파전달시간의차를측정하면이것이유속이므로이것을이용하여유체의체적유량을측정할수있다. 이러한전달시간차원리를이용한초음파유량계의정확도를결정하는가장큰기술적요소는얼마나정밀, 정확하게시간차를측정하느냐의측정기술에 1차적으로모든성능이의존하게된다.( 예 : 전달시간측정회로측정능력이피코초 초의정밀도로측정할수있어야한다.) 초음파전달시간차법을이용한유량기술은대형관로의유량측정에서경쟁력을갖춘제품으로각광받고있다. 이를소형화하고관압을동시에측정하여유량과관압의동시상관성을분석하여유동흐름장내에서이벤트발생시교란영향의지점과원인을분석하여이를상수도관망해석의새로운분석툴로만들어내고자하였다. 이를위해서는유동장의흐름이직관부영향을거의받지않도록유로의형상단면을최적화하여 1급유량계측이실현되어야만신뢰성확보와유수율제고를보다확고히수행할수있다고보았다. 또한유량측정범위가최소유속어디까지보장하느냐의실제적문제이다. 급수유량은야간엔거의사용하지않으므로최소유량을낮게할수록불감수량을줄이고누수유량을감지할수있는가장큰측정변수를결정하는항목으로계측능력의핵심이된다. 특히유량과압력그리고온도를동시간에동일한장소에서측정하여각측정요소들의상관관계를동시에비교하고이를통해교란장요소들의발생지점과시간을모니터링할 - 4 -

5 수있도록개별데이터의저장과통신이가능하도록실현하는데있다. 필요성우리생활에서의상수도공급망의효율화는피할수없는시대조류이다. 물론상수도사고나누수가직접적인피해를야기하는면에서는다른공공재인가스나전기보다는피해가적다고는하지만유수율을극대화하고재투자의효율성을보장하는측면에서의관리와계량은필수불가결한측정을필요로한다. 디지털측정기술을기반으로하면서도향후다양한측정정보를얻을수있으면서도전자기유량계보다훨씬적은전력으로동작할수있는초음파유량측정기술을최적화하면서, 미소유량과직관부영향을최소화하는기술그리고소구경이므로영점안정도와현장에서이를자동보정과진단을함께진행할수있고미터가스스로유체상태를진단할수있는복합유량계를개발하여향후 50~900 mm시장을선점할수있으며, 특히중국시장의넓은시장과고객을안정적으로확보할수있을것으로기대한다. 또한관로유량측정시독립전원을필요로하는장소인농업용, 차량, 선박, 기차등과같이이동하는설비용으로는가장유효하며, 외부노이즈와낙뢰영향을최소화할수있는유량계로도확대응용적용할수있을것이다. 국내시장의경우이미상수관망사업과유수율제고사업등을통해상수도기반시설의경우포화상태로접어들고있다. 따라서세계시장중에서도폭발적으로시장수요를나타내는중국시장의선점이야말로국내기업이반드시성공하여야만세계시장진출의발판을마련할수있을것으로본다. 또한유량계중에서초음파유량계시장의성장세는세계적으로도년간 9.6% 에이를정도이다. 또한중국의유량계시장규모는구체적으로통계화되어있지는않지만중국의자동화조사기업인 Gongkong 이발표한자료에따르면압력, 유량, 레벨, 온도의계기시장규모는 11,660백만위안, 우리돈으로 1조4천억원에이른다고발표하였다. 또한기존의산업시장뿐만아니라상하수도시장의투자열기도지속적으로성장세를이어갈것으로예측된다. 다만중국시장의현지특성이공급계약과설치그리고유지보수및자금회수에이르는일련의과정이계획화, 계량화, 예측가능하지않은부분이많으며또한각지역정부별로요구하는품질과기술수준또한다양함으로기본측정기술과솔루션을현지화하지않는다면진입장벽이높을수밖에없다. 단수를실시하고배관을잘라유량계를설치하려면공 - 5 -

6 사에대한협의와진행그리고소요일정등을고려하여볼때소요되는설치기술을현지화하여야만할것이다. 또한유량계제품특성상유량측정관의중량물은현지화하고전자회로의트랜스미터는한국에서공급하여야할것이다. 또한설치와시운전그리고유지보수인원의현지화가절실하므로이를갖춘현지화업체의동반진출은매우중요한초기위험분산의중요사항이다. 위탁연구기관인북경경의해복이자동화의표유한공사는이미대형유량계시장에서중국내에서인지도와제품판매와기술력그리고기술지원능력을검증받았고또한제조생산시설과기술인력그리고개발인원의보유가된기업이다. 이러한측면에서현지업체와의협력을통해시장진출의가속화와안정화그리고전국화를동시에추구하고자하였다. 나. 연구개발의국내 외현황 (1) 세계적수준 : 기업화단계전세계적으로는상수도복합구역유량계시장에서유량과관압을동시에모니터링하는복합유량계개발은데이터로거나통신모듈의연결을통해이루어지고있다. 다만전자기유량계에서는관압을동시에측정하기보다는별도로연결하여데이터로거와의연결을통해구현이가능하다. 전자기의경우절연을위한라이닝을포함하기때문에제작시누수에따른품질관리문제와압력계교체에대한문제그리고도압관의 KS규격의만족을하기가번거롭기때문이다. (2) 국내수준 : 기업화단계국내초음파유량측정기술의개발의국내역사는약 10여년정도로파악되고있다. 근래에들어서초음파건식과습식유량계개발그리고에너지미터로의개발과제들이속속등장하여이를활용한상품화를진행하고있다. 따라서국내최초로시작한구역계량용습식다회선초음파유량계시장은신뢰성면과현장적용실적면에서공고하다고볼수있다. 또한현재압력계의설치기준과제품보증방법그리고유지보수에필요한수명과주기그리고현장교정을통한현장적용능력향상을위해보다더현장친화적인품질기준확립을위해방수능력과내서지대책이절대적으로필요하다. 이를위해방수능력인정을평가를거쳐충분하게국내상수도맨홀의조건에부합하도록품 - 6 -

7 질기준을마련하였다. (3) 국내 외의연구현황연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황자인테크놀러지건식초음파유량계시제품적용 Siemens 건식다회선초음파유량계제품적용 Controlotron Tokimec 건식다회선초음파유량계제품적용특히해외업체의경우저전력을기반으로하면서도측정항목을다른계측항목과병합할수있도록데이터게이트웨이즉로거개념으로발전시켜왔다. 그러나별도의게이트웨이를사용할경우통신에대한선택성과다른측정항목을복합화하는경우매우유리하지만사용현장에이를별도로채택하기위하여서는신규로구매하여야하고일부유량계의최초선택시이를지원하는버전관리가일원화되어있지않으므로실제로는확장성이높지않고신규로설치하는개념을내포할수밖에없다. 따라서현장에서저유속과다른측정항목들을측정하는개념에서는유량계가작은게이트웨이역할을담당하는것이매우중요하다. 또한구역계량시측정항목들의시간적동시성과상사성을보증하는것이오히려더데이터의신뢰성을향상하는데도움이되는것으로판단하고있다. 따라서복합화의문제점도있지만구역계량을통한유수율제고사업의목적을일시에해결하기위하여서는절대적으로동시계측의복합측정이필수적이라고판단하였다. 다. 연구개발대상기술의차별성상수공급관망을안정적으로신뢰성있게분석관리하기위하여가장필요한구역별유량및관압을동시에계측하고, 야간최소유량과관압을이벤트별로분석하고해석하여이벤트별로저장하고이를효과적인통신망으로연결할수있도록해주는고정밀복합유량계이다. 씨엠엔텍의정밀시간측정회로는콘덴서충방전회로를이용한정밀시간측정장치와알고리즘을포함합니다. 일부기능은외부에서볼수없는소프트웨어에서명령을주고이를실행하도록설계되어있다. T1( 순방향전달시간 ) - 7 -

8 유속방향 T2( 역방향전달시간 ) 초음파센서에서발사와수신그리고수신과발신 전달시간차를이용한유량계의전달시간측정원리 5 MHz (200 ns, 나노초 ) 계수기 ( 카운터 ) 를사용하여측정된전달시간 (t) 를계수하다가 1주기가않되는자투리시간이남게되는데이자투리시간을전자부품중콘덴서라는부품을이용하여자투리시간을콘덴서에충전시킨후다시방전을시키는작업을하면이때충전은급속하게충전되지만방전은그기울기가아주완만하고천천히진행된다. 즉짧은시간을수천배로확장해주는효과를만들어낸다. 따라서 5 MHz (200 ns ) 계수기로얻을수있는측정단위가 0.1 ns이하가된다. 따라서평범한카운터용부품으로도정밀한시간측정을할수있는능력을만들어주는회로가된다. 이는우리가가지고있는자의눈금이 1 mm이라면측정능력은 1 mm에불과하지만측정대상을수천배늘려놓을수있다면 ( 예를들어측정물체에빛을비춰그길이를 1000배확장시킨다.) 1 mm자로측정한다면얼마든지 1 mm자를이용하여서도μm (1/1000 mm ) 수준까지측정할수있게되는원리와유사한기능을갖게되는걸의미한다. 이렇게측정하는기본시간측정에다가충전을할때 ( 자투리시간 + 계수기1주기시간 ), ( 자투리시간 + 계수기2주기시간 ) 을하였다가방전을시키고시간을측정한후서로이두값의차를빼게된다면계수기 1주기의실제시간간격을알수있게된다. 만약 1000배늘리는회로에서는 5 MHz (200 ns ) 가 1000개계수되어야할것이다. 하지만실제로는부품도온도나주변환경에의하여그특성이변하게되므로매번그계수기의실제크기를측정해줄수있어야만한다. 즉 1000개가계수되어야하나 998개, 999개, 1001개등으로나나기도한다. 따라서이러한계수기를매번현장에서교정할수있는추가적인기술을도입하여정밀도와함께정확도까지가미하게되는효과를실현할수있게되었다. 실제로충방전특성을크게하기위하여여러주기등을활용한다. 이는우리가활용하는자 ( 尺 ) 로비유하자면플라스틱자눈금이온도에따라수축과팽창을하므로매번눈금 1 mm를교 - 8 -

9 정하여사용할수있는기술이라는의미한다. ( 주 ) 씨엠엔텍이활용하고있는시간측정회로는 0.01 ns이하의시간측정정밀도 ( 정확도 ) 를실현하므로써유량측정에있어서효과는만약 100 mm배관에서유속이 0.03 m s로느리게흐르는곳에서도 0.45 % 정밀도를실현할수있게됩니다. 실제로배관의크기가작을수로유속이느릴수록측정오차가커지는것이초음파유량계이다. 따라서실제측정능력은 0.01 ns이하이므로매우느리고작은배관크기에서도충분히안정되고정밀한측정을실현할수있게만들어주는정밀한측정기술이고현장중심적인기술이되는것이다. 기술적특징을요약하면최저유속에서도안정적유동측정용유동관로개발하여직관부 1D에서 ±1.0% RD 정밀도보증 ( 알고리즘 ) 하여구역계량용에가장신뢰성의중심인최저유속 (0.1m s) 에서 ±0.5 % 보장을할수있게하는관압과유량을동시계측용계량기개발하는것이다. 이를통해관압및최저 / 최고유량을관리저장알고리즘을향상시키고교란지점해석알고리즘및소프트웨어개발도가능하도록하는것이다. 이를통해복합유량계의적용대상을상수도처리공정라인에서상수도급수공정구역 (Block) 라인과오 폐수공정라인그리고개수로 소규모하천유량측정에적용하고자한다

10 제 2 장연구개발의목표및내용 가. 연구의최종목표 상수도구역계량용유량 / 관압 / 온도동시계측복합계량기개발 상수관망에설치된유량계의데이터획득을통한교란지점자동분석알고리즘개발 연구개발의성격 : 제품또는공정개발 연구개발의세부적목표 최저유속에서도안정적유동측정이되는유동관로설계및제작 직관부 1D인조건에서도 ±1.0% 정밀도보증하는유량알고리즘개발 최저유속 0.1m s에서도 ±0.5 % 를보장하는유량알고리즘개발 관압과유량을동시계측용계량기개발 관압및최저 / 최고유량을관리저장하는알고리즘개발 교란지점해석알고리즘및소프트웨어개발 나. 연도별연구개발의목표및평가방법 단계구분연도연구개발의목표연구개발의내용평가사양 1 단계 1 차년도 2 차년도 유동관로설계 - 직관부 1D 보증알고리즘개발 관압 / 유량동시계측 - 관리알고리즘개발 - 교란지점해석 유로유동해석정밀도보증알고리즘개발 데이터로거설계분석 S/W 설계해석알고리즘 직관부 : 1D 정확도 : 1% ( 공인기관평가 ) 방수형관압계교란해석알고리즘 ( 특허 )

11 다. 연도별추진체계및평가기준 연도 1 차년도 연구개발의내용 - 구역개량용유량계유동관로설계및제작 - 곡관부유동에따른유동해석및유동안정성확보 - 직관부별유량측정정밀도보증알고리즘과회선배치설계 추진일정 비고 주관위탁 주관 주관 - 완전방수형관압계설계주관 2 차년도 - 관압보정및교정기능을갖춘관압관리소프트웨어개발 - 교란이나수충격해석및최고, 최저관압관리용알고리즘개발 - 상수도복합유량계제작, 공인기관성능평가및현장적용 - 최종보고서 주관위탁 주관 위탁 주관위탁 연도별연구성과 : 상수도구역계량용유량 / 관압 / 온도동시계측복합계량기개발 공인기관의성능평가및논문이나특허를통해성과입증을하고자한다. 평가기준 구분년도세부연구개발목표평가의착안점및기준 1 차유동관로설계 (1 %) 직관부 : 1D( 상류 / 하류측 ) 년도 2008 직관부 1D보증알고리즘정확도 : ±1 % 2 차년도 2009 최종평가 2009 관압 / 유량동시계측 방수형관압계 관리알고리즘개발관리모형 ( 특허 ) 교란지점해석교란해석알고리즘 ( 특허 ) 관압 / 유량 / 온도복합유량계 ±1 %( 공인기관성적서 ) 교란해석모니터링알고리즘 현장적용및시험결과 ( 공인기관 : 중국의표창 )

12 라. 추진체계및수행방법 ⑴. 연구개발의추진전략 중국시장의전폭적적용과확대를위하여, 중국시장조사및화면메뉴제공을중국어로제공하도록개발에대한업무분담과함께, 가격경쟁력과생산성을향상시키기위하여비용과중량이많이나가는유량측정관의현지화개발을동시에추진한다. 또한중국정부가요구하는측정인자와유수율지표에효율적데이터제공을위한알고리즘개발에중점사항을둔다. 상호년 2회씩정기교류를통한시장과경쟁사의정보교환을통해개발팀의개발업무효율화를도모한다. 유량측정관의방수능력을 IP68 등급 (KTL 공인시험합격 ) 을 3 bar 수준에서 450시간정도로확장하고자한다. [ 위탁기관 ] 과 1. 포괄적업무제휴협약체결, 중국시장개척을위한협약 1차년도 상수도구역계량용초음파유량계용 multi-trigger 회로개발발사주파수측정및반사파를활용한자동영점보정기술개발유량측정관개발중국어메뉴및기술지침서제작 2차년도 초음파자동신호증폭회로개발구역계량용자동시간측정회로개발복합구역유량계중국내공인기관성능평가현지적용평가현장적용평가보고서및마케팅보고서 ⑵. 연차별추진체계

13 구역계량용복합유량계개발 1 차년도 (2008 년 ) 최적유동관로설계 관압 / 유량동시계측기술개발 관망교란지점모니터링알고리즘개발 복합계량유량계설계 시제품제작 성능개선설계 2 차년도 (2009 년 ) 직관부 1D 성능실험 교란영향평가 상수도구역계량용복합유량계 ( 상수관망해석 ) ⑶ 기술개발추진전략 초음파유량측정 CFD 모델수립 : 유동장이있는조건에서의매질내에서초음파빔의전달과수신, 온도기울기및압력구배에서의평면파의전달과정을모델화가우선선행되어야함. 유량측정알고리즘개발과유로단면의상업성을고려한다양한설계 직관부를없애는효과를줄이거나, 상쇄할수있는초음파회선의배치와측정알고리즘의연계성을통해실현가능한최소회선별유량계의구조설계 최소회선, 최소직관부구조의유로단면설계 유량측정알고리즘과진단기능모델시험 직관부영향없는유로설계 평균유속산출알고리즘개발 부단수시공 tool 개발 ( 천공기, 진동자교체장치 ) ⑷ 1차년도 1 개발목표 유체유동을통한유로설계 회전및사선성분제거용스트레이너효과용축소관설계 ( 유체유동 ) 유로에서온도변화에따른초음파빔의밀림현상과보상방법설계 ( 유체유동 )

14 2 개발내용및범위 유체유동의유량측정단면을모사하여직관부별영향평가모델개발 회전및사선성분설계 ( 유체유동 ) 하여축소도와스트레이너형상에따른완화효과계산 유로에서온도기울기변화에따른초음파빔의밀림현상과보상방법설계 ( 유체유동 ) : 지향각모델과잔향잡음특성설계 직관부 3D/1D에서회전과사선성분이제거된유량측정관모델평가 유량측정관시제품제작및유속분포측정하여모델과상사성평가 유량측정관및진동자빔간의안정성평가를통한회선배치구조와위치최적화 ⑸ 2차년도 1 개발목표 온도보상및영향최적화지향각설계 ( 유체유동 ) 1, 2, 3회선을유로단면에서적용시최적유량알고리즘개발 ( 유체유동 ) 유량측정단관제작및실제적용시험 관압및유량동시계측기술개발 관망내부에서교란지점발생시자동추정알고리즘개발 2 개발내용및범위 고온용초음파진동자의유동장에서의지향각 2도이내설계 1회선유량알고리즘개발 ( 반사횟수, 발사횟수, 샘플링조건등 ) 2회선유량알고리즘및회선배치에따른보정방법개발 3회선유량알고리즘개발및가중치계산알고리즘유도 자동영점지능형알고리즘설계 회선별시제품제작및모델과의상사성비교 회선별최적화시제품비교시험 방수형관압계개발 복합계량기개발 ⑹ 사업화전략 사업화추진전략

15 ᄀ제품홍보 : 에너지및계량계측기기전시회참가ᄂ판로확보 : KOTRA 및에너지미터시장조사보고서를통한메이저에너지공급사 sales marketing 집중 ( 시스템규격과선호하는성능과디자인선행조사하여제품개발에반영 ) ᄃ판매전략 : OIML 1급미터획득 (PTB, NIST), CE & UL 등급획득지역별판매및제품유지보수망구축 ( 기존유량계공급사와제휴 ) 온-라인을통한진단, 유지보수및업-그레이드기능개발에반영 본기술제품의수입대체효과, 수출증대효과, 수입단가인하효과등ᄀ수입대체 : 현재대형에너지미터전량수입에의존 (2003년약 400대 ) 2008년이후전량수입대체가능ᄂ수출증대 : 450만불 (2008) 135만불(2009) 675만불(2010) 실현ᄃ수입단가인하 : 4~5백만원 / 대 2.5백만원 / 대로 55 % 이상유도가능 본기술제품의원가절감효과전자요소조립성극대화 돌출도최소화 품질 / 내구성 / 신뢰성인증 (1ppm) ( 전자요소는 SMD화하여전원소모를최소화한모듈팩으로개발진동자및유량튜브의구조도현재의돌출형에서플랜지삽입형으로단순화하고복합화하도록설계및디자인하여일체형과분리형이용이한구조화를실현하여탈부착이용이하면서충격영향이최소화되도록개발한다.) 본기술제품이신규시장창출가능성및신규시장정의등기술ᄀ신규시장전자식유량계시장중 50 mm ~350 mm시장선점대형유량계시장의시장선점고온까지 (300 ) 유체용유량계시장선점고점도유체의유량측정시장및제어시스템시장진입유 무선데이터수집시스템과함께세계시장진출에너지및석유화학용칼로리미터시장진출이동형정밀유량계시장진출

16 독립적유량센서 +RFID로선도시장창조지역난방공사구역유량계에적용 법정계량기 1급인증 ( 국제인증 ) 냉난방, 고온용, 공정용분야의산업용에적용 AC/DC 겸용, 밧데리팩, RF모듈, GUI개발. 석유화학및오일용의고점도고온용 ᄂ신규시장정의대형유량계시장의시장선점고온 (300 ) 유체용유량계및에너지미터시장선점고점도유체의유량측정시장및제어시스템시장진입기계식시장이대응하는전통시장시스템이복잡하고여러대의계측기를구동하며배관복잡한전통시장신규에너지효율인증제도혜택시장 마. 결과활용방안및기대성과 ⑴ 연구개발결과의활용방안위탁기관 : 공동전시회개최중국상수도구역계량사업중국상수도관망정비사업중국남수북조펌프장유량계개선사업에공동진출 ⑵ 기대성과 1 기술적측면 : 관망해석의차원을 2개의측정인자를상관함수화하고이를시간적으로동시에공조시킴으로써해석의신뢰성과연관성을일치시켜이벤트의교란지점을정확하게알아냄으로써진단및관리기능을제대로구현할수있는계량기개발한다. 2 환경적측면 : 진단의신뢰성을향상시킬수있고, 유수율을증대시킬수있는지표의신뢰성을보장함으로써투자와진단의신뢰성을보장하면투자의낭비와계획성을높일것으로예상한다. 3 경제적 산업적측면, 재투자의적정성, 투자의우선순위신뢰도제고, 에너지절감을직접적인효과를예상할수있다

17 ⑶ 시장현황 : 시장규모 1 주력시장 ( 국가또는지역 ) : 북미시장, 중국, 인도시장 2 시장규모 구 분 현재의시장규모 예상되는시장규모 세계시장규모 16,000억원 (2010년)42,000억원 한국시장규모 560억원 (2010년)1,200억원 * 산출근거 : 환경부상수도백서 (2005년), 계량계측기기공업협동조합통계 (2004) Flow Research(2004) : 세계유량계시장조사보고서 ( 단위 : 억원 ) 3 세계시장의성격 : 영속성이있음 4 기술을보유하고있는국내 외회사 : 회사 : ABB( 영국 ), Controlotron ( 미국 ) 외 5개사미만 ⑷ 사업화계획및효과 1 사업화가능성 SWOT 분석 ( 강점 ) 원천기술보유관망해석및구역계량사업화경험복합계량계측기술수요경험 ( 약점 ) 제품과기술의품질보증체계넓은지역적기술지원세계모든기업진출 / 예상 ( 위기 ) 중국시장의유동성 자금회수의안정성 지역별설계원별도존재 ( 기회 ) 중국시장의선점 지리적 / 인적자원 정부지원정책 마. 공동개발추진 ⑴ 추진배경 북경경의해복이자동화의표유한공사는북경시계량기기그룹 (BIIC) 의산하기업으로서중국정 부의지원과중국시장에맞는인력과시설을보유하고있어초기시장진입이보다용이하며, 중국시장이기술경쟁을통한신기술경쟁과기술지원을요구하므로밀착된지원시스템을확

18 보할수있기때문이다. ⑵ 성공요인분석현재 Hifor 내부임원및기술인력이한국인들이함께근무하고있으며긴밀한업무제휴가능, 기본적인유량계판매사업을통한시장선점및제조생산능력보유, 국영회사와합작사설립으로정부지원및정책자료선점유리, 상대국의공동연구기관및공동연구책임자의실적 연구능력보유하고있다. 위탁기관의주요유량계관련실적수력발전소용대형유량관제작및납품 (2004) 원유용오일유량계제작및납품 (2005) 펌프장형비대칭관로유량측정기술개발 (2006) 간접식유량교정기술개발 (2007) ⑶ 연구개발비용, 인력, 시설의공유유량측정관현지화제작중국어메뉴개발초음파유량계다중트리거기술개발초음파유량계자동신호증폭회로개발

19 제 3 장연구개발결과및활용계획 가. 연구개발결과및토의 ⑴ 연구개발결과 1 다회선구조에서유동장영향분석결과 [ 목적 ] 다회선초음파유량계의사선및회전성분보정유량계측 [ 배경 ] 유체유동의흐름에있어서전파시간차방법초음파유량계가측정하는원리에서전파시간의도착시간에영향을주는요소는기본적으로유체의흐름장이다. 다라서이를 3차원적으로살펴볼필요가있다. 실제유체의유동은층류 (Laminar) 영역이아닌난류 (Turbulent) 영역에서는유체의흐름은회전성분의영향이계속커지게된다. 특히이중곡관부 (double elbow pipe configuration) 이나회전하는유체기계의영향을받을때에는더욱커지게된다. 그리고그영향의지속길이또한매우길어지게된다. 일반적으로사선흐름 (cross flow or cosine component) 보다절대적크기는작지만이와같은회전류의진행에따른회전성분 (swirl) 은직관부가길어져도사라지지않는특징을갖는다. 이를평가하기위하여서는회전성분의크기, 회전성분의중심, 회전성분의반경그리고회전성분의주기등에의하여해당유량계를설치하는장소즉직관부에따라그영향이다르게나타나게된다. 따라서이를해소하기위하여현재측정하는유속에서해당회전성분의유속의영향을 평가하여이를보완하는유량계의설계와알고리즘을개선하고자한다. [ 기초원리 ] 초음파전파시간차방법의유속측정원리를간단하게설명하면다음과같다. ᄀ성분특성 ( 斜線성분, cosine component) 우리가배관을통해흘러가는유체의유속을측정할때에는측정해야할유속은유량측정물흐름단면 A에대하여직각으로되는유속성분 V 이다. 그러나배관에서배관의상태나상류측의배관구조에따라물흐름이사선 ( 斜線 ) 성분의유속이생성될수있다. 따라서유량계가직각성분 V 를측정할수있는지를표현하는것이유량계의성분특 성이라고한다. 그림 1에서보다시피기준단면 A에대하여유속방향이 90 ± α 가되는경우

20 V = V cos α ⑴ 가되어야한다. 그림 1. 사선성분과수직성분 유속의성분특성은사선성분의각도 α 에따라 c os α 가보장되는 α 범위로표현된다. 이러한특성을측정에잘활용할수있는분야가휴대용유속계로서예를들어 ±20 ; δ =1.5 % 라고표시되어있으면 V α =±20 범위에서 cos α 를 1.5 % 오차로보증한다는것이다. 만약초음파를이용한다면수직평균유속계의성분특성은 α =0±90 범위에서보장되기때문에성분특성이이상적인유속계개발도가능하다. ᄂ반사법의성분특성해결 그림 2 의측정방식에서는다음과같이된다. 그림 2. 반사법에의한사선성분해결

21 t 1 2 = L C + v 1 + L C + v 2, t 2 1 = L C - v 1 + L C - v 2 따라서시간차 Δ t = t 2 - t 1 는다음과같이된다. Δt = t 2 - t 1 = 2L v 1+ 2L v 2 C 2 = 2L V [ cos ( φ + α ) + cos (φ - α )] C 2 = 2L V [ cos φ cos α - sin φ sin α + cos φ cos α + sin φ sin α )] C 2 = 4L V cos φ cos α C 2 여기서 2L cosφ =d 가되며 V cos α = V 가되므로 가된다. V = V cos α = Δ t C 2 2d ⑵ 즉반사형은측정단면수직선에대하여항상수직성분의유속 V 을측정하는유속측 정방법이다. TR1 TR2 V y V y V x cos α V x s in α V V x sin α V V x cos α α V x α V x

22 반사면 a 초음파전파경로 ( 입사 ) b 초음파전파경로 ( 반사 ) 그림 3. 반사법에의한사선성분제거방법 초음파전파경로상의유속성분측정결과실제유속이사선방향으로 V 일때 V =( V x cos α - V x sin α )-( V x sin α + V x cos α ) = V x cos α 즉결과론적으로이미설정한단면 A 에대하여수직성분의유속만을측정할수있는 장점이대단한방법이되는것이다. 왜냐하면코사인성분은단순하게 d 값즉검출 기이격거리로이것은외부에서바로정확하게측정할수있는성분이기때문이다. ᄃ회전성분 회전성분의영향을계산하기위하여간단하게원리를설명한다. 그림 4. 회전성분에대한모식도 그림 5. 이중곡관부후단에서의회전성분발생

23 그림 6. 회전성분의발생과소멸 그림 7. 사선및회전성분의구성 t 1 2 = t 1 = t 2 1 = t 2 = L C - V x cos α - V y cos θ, L C + V x cos α + V y cos θ 1 t 2-1 t 1 = [ ( C + V x cos α + V y cos θ ) - ( C - V x cos α - V y cos θ ) ] L t 2 - t 1 t 1 t 2 = t t 2 t 1 = 2V x cos α + 2V y cos θ L V x = L 2 cos α t cos θ - V t 1 t y 2 cos α = L 2 2d t t 1 t 2 - V y D d 여기에서 cos α = d L, cos θ = D L 이다

24 V 12 = L 2 2d t t 1 t 2 = V x + V y D d, V 34 = V x - V y D d V 12 - V 34 = 2V y D d, 그림 8. 회전성분의구성 V y = d ( V 12 - V 34 ) 2D 그림 9. 초음파회전수구성예 그림 10. 씨엠엔텍다회선구조

25 그림 11. 다회선구성의예 성능면에서는약간저하되는것처럼보이지만결과적으로유동장의영향즉유속분포영 향측면에서는가장안정된결과를나타내는회선구조는바로 5 회선구조임을확인할 수있었다. 그림 12. 비대칭유동장분포에다른적분효과비교결과 회전성분에대한효과회전성분 : Yeh & Taylor Vortex 식이용 u θ = u 0 r v ex p ( - r 2 v) 여기에서, u θ : z축유속 ( 접선유속 ), u : 회전 (vortex) 강도, 0 r v = r c / r, 0 r : vortex 중심반경, c r : vortex의직경이다. 0 u θ = u 0 r v ex p ( - r 2 v) ( 1 - r 2 ) 1/

26 그림 13. 회전성분모델링 ᄅ회전성분효과평가 아래와같이세가지로회전성분을주고각회선수와배치형태에따라그영향을 평가하였다. 회전성분변수 사례 1 사례 2 사례 3 크기, u 0 / U Vortex 중심, x/ R, y/ R 0, 0.1 0, 0.1 0, 0.2 Vortex 반경, r v 세가지경우에대하여영향을아래그림에나타내었다. 그림 14. 회전성분해석결과결과적으로완벽하게대칭되는회선배치이이야만완벽하게회전성분을보정할수있음을나타낸다. ᄆ 3-회선구조와형상

27 그림 회선의전형적인배치예 ᄇ 4- 회선구조와형상 그림 회선의전형적인배치예 ᄉ 5- 회선구조와형상 그림 회선의전형적인배치예 ᄋ 8- 회선 (4 4 cross 배치 ) 구조와형상

28 그림 18. 교차형 4 회선의전형적인배치예 ᄌ적용실험내용요약 ( 이중곡관부후단 17D 에설치 ) 그림 19. 회전성분영향에따른유속측정결과 ( 제 1, 2 단면별 ) (1 단면 : -0.12%, 2 단면 : %, 1 단면 +2 단면 : ±0.05 %) ᄎ성능평가요약 목적은 3, 4, 5, 8 회선구조에서회선별민감도를조사하고그불확도크기를알아보기 위함이었다. 유량계별합성불확도 U total = U 2 R e + U 2 A xial+ U 2 Swir l

29 회선구조 3회선 (Z) 3회선 ( 교차 ) 4회선 (Z) 4회선 ( 교차 ) 5회선 (Z) 5회선 ( 교차 ) 8회선 ( 교차 ) 비선형성 비대칭성 분포 분포 평균 회전성분 사례 사례 사례 평균 합성불확도 ⑵ 초음파유량계의온도특성조사 그림 20. 교차형의기본적인회선구조. 서론 : 산업용유량계들의종류와응용범위는사용유체와동작환경그리고측정결과의활용방법등에따라서많은종류와제품이존재한다. 특히본연구에서주목하고자하는종류는상수도산업현장에서주로부피유량과적산량을계측하는목적의유량계에국한시켜논의와조사를수행하고자한다. 상수도산업용유량계들의사용환경과그특징들에대하여서는주로설치환경과 Re 변화와조도변화등에대하여많은연구들이있어왔으며특히제작회사들에서도이에대한기준과설치방법들에대하여많은가이드와규격을통해많은연구결과들을선보여왔다. 상수도산업용유량계들의특성도사용용도를구분함에따라취수, 송수, 배수그리고구역유량계로구분하여사용조건이약간씩은차별화할수있다고보겠다. 특히근래에들어서는송수유량계의중요성이점점더커지고있다. 이는대부분의정수생산량의결정과함께수용가에공급되어요금조정을거쳐획득한사용량기준의유수율산정의기준이되는유량계이기때문일것이다. 그러므로이러한기준이되는송수유량계의경우그기준이사용

30 환경과조건에가장영향을적에받으며항상기준기로서의역할을충실히할수있는신 뢰성을가진유량계여야할것이다. 따라서본연구는실제국내사용환경에서가장많이사용되고있는전자기유량계 ( 이하 전자 이라한다.), 외벽부착식초음파유량계 ( 이하 건식 이라한다.) 그리고다회선초음파유량계 ( 이하 습식 이라고한다.) 를조사대상을선정하였다. 국내는취수가주로강변취수혹은댐취수를주로선택하고있으므로취수한물의온도변화를약 0 ~30 로산정하여이를바탕으로취수한물의온도변화에따른유량계들의특성변화요인들을조사하고자한다. 이론및배경 : clamp-on 초음파빔의입사와굴절각 그림 21. 건식초음파유량계굴절및전파방향 선행조사결과한국표준과학연구원에서국내에서판매중인건식초음파유량계 3 개모델을 가지고정상적인상태즉, 유동분포가가장이상적인곳에서의유량계교정결과를그림 22 에나타내었다. 한국표준과학연구원유체유동그룹의유량계시험결과장기적으로교정라인에서평가시에도 ±2.0% RD 를유지하는것을확인할수있다. 다음으로는한국수자원공사평가결과를참조하면아래표와같이요약정리할수있다. 수 행결과를요약하면 ±2.0% RD 기준으로 30D 와 5D 보장되어야만한다. 버터플라이단일곡관부게이트밸브구분밸브 ±1.0 % ±2.0 ±1.0 ±2.0 ±1.0 ±2.0 상류 40D 30D - 30D - 40D 초음파하류 10D 5D - 5D - 5D

31 그림 22. 건식유량계들의특성평가 씨엠엔텍의시험결과중국개봉의표창에서시험한결과를표시하였다. 중국개봉의표창에서 1000 mm 4대를교정한결과및데이터요약 S/N UF0506A027 UF0506A028 UF0606A032 UF0606A033 비고 / 분석 유량관 보통형 고온형 플랜지형 플랜지형 직접시공과플랜지형 Year Angle Angle Angle Angle Angle A_Input 각도측정3회선 ( 직접시공 ) Dia_v Dia_h Diameter 직경도실측치가아니다. Hight Hight Hight Hight Hight Length 각도가크면길이도길다. Length Length Length Length Tau_up Tau_up Tau_up Tau_up Tau_up Tau_dn Tau_dn Tau_dn Tau_dn Tau_dn Factor 대략적보정치이다. 교정결과 -0.60% -1.25% 0.30% -0.75%

32 그림 23. 습식다회선의제조시성능평가결과비교 실제건식초음파유량계의온도변화에따른설치간격변화영향을조사하였다. 건식휴대용 초음파유량계 (GE Panametrics PT868) 온도별센서이격거리 ( 단위 : mm) 를구경별로 ( 구경에 대한 Pipe Data 는 KS 규격을적용함 ) 조사하여아래표에나타내었다. 구경 ( mm ) 편차 (30-5) mm mm mm mm mm mm 동점도 ( cm 2 / s) 고정식일경우와이동식일경우에는상당한차이를나타낼수있으므로계절이나수온을 고정된상태로시험을하여야할것이다. ᄃ중국국가수대유량계교정센터 ( 개봉의표창 ) 저유속및성능평가결과 평가모델구경유속범위성능평가 UR-1000Plus( 구역영 ) 1000 mm 0.02~0.50 m s ±0.46 % UR-1000Plus( 만관용 ) 1200 mm 0.39~1.96 m s ±0.27 % 실제로개봉의표창에서저유속 0.02 m s에서도성능 ±0.46 % 가보장됨을확인하였다. 이러한구역계량형압력과유량이동시에측정되고측정결과는 1 분단위이상으로데이터

33 가저장된다. 그림 24. 구역계량용습식다회선초음파유량계의저유속성능평가결과 ( 평가대상 : 구경 1000 mm)

34 그림 25. 구역계량용습식다회선초음파유량계시험전경 그림 26. 습식다회선초음파유량계성능평가 ( 구경 1200 mm)

35 그림 27. 습식다회선초음파유량계시험전경 ( 구경 1200 mm) ᄅ습식다회선초음파유량계성능평가결과 ( 국내 : 한국수자원공사 ) 적용모델 구경 유속범위 성능평가 UR-1000Plus( 만관용 ) 800mm 0.37~1.29 m s ±0.51 % UR-1000Plus(P)( 구역용 ) 800mm 0.38~1.35 m s ±0.31 % UR-1010Plus( 비만관용 ) 800mm 0.37~1.29 m s ±0.24 % UR-1000Plus( 직접시공 ) 800mm 0.37~1.29 m s ±0.39 % 그림 28. 습식다회선초음파유량계의성능평가전경 (800 mm) 그림 29. 만관형습식다회선초음파유량계성능평가 (800 mm)

36 그림 30. 구역계량형습식다회선초음파유량계성능평가 (800 mm) 그림 31. 직접시공형습식다회선초음파유량계성능평가 (800 mm)

37 그림 31. 비만관형습식다회선초음파유량계성능평가 (800 mm) ᄇ직관부 1D/1D 공간에서의성능평가 ( 중국 ) 직관부가전혀없는이중곡관부단일면에서상류측과하류측의영향을평가하기위하여 성능실험을중국남수북조시험공정센터에서수행하였다. 그림 32. 직관부가없는이중곡관부성능평가시험전경 그림 33. 직관부없는이중고관부에서의성능평가결과

38 ( 수직과수평으로설치시 ) 성능평가결과전유속에걸쳐습식다회선초음파유량계를수직혹은수평으로설치하여도 정확도는 0.5%MV 에서성능을보증함을확인하였다. ᄉ설치환경에따른성능평가 ( 갑압변설치시 ) 근래에들어구역계량현장에서누수량을줄이기위하여배관의압력이일부분지나치게높은경우해당블록의관압을모니터링하여유량소요량에따라관압변동이생기므로이를적절한압력으로일정하게유지시켜주어누수량을감소하는용도로감압변을함께설치하곤한다. 이러한갑압변과유량계가함께설치시의환경에따른유량계특성을평가하기위하여시험을실시하였다. 배수구역내수압이필요이상으로높은지역의상류분기 관, 압력차가큰지역의경계지점의상류분기관, 배관및감압밸브규격선정, 설치지점 겹칠때, ~3 bar 이내에서주야간 2 단계조절선호하는경향이고, 누수량감소, 불감수량 개선, 구역고립효과확인에도움을받을수있다. 그림 34. 감압변과유량계조합환경에서의특성평가전경 설치환경 : 측정관이모수침수되는것이유량측정실의현실적인상황이므로반드시 IP 68 등급에대한보장이절대적으로필요하다. 실험조건은약 3 bar 정도에서약 450 시간 KTL 시험을실시하였다

39 방수등급시험성적서 (IP68, 3bar, 450 시간 ) 그림 35. 감압변과유량계조합환경에서의특성평가 ( 유량계후단에갑압변설치 ) ᄋ설치환경에따른성능평가 ( 버터플라이밸브 )

40 그림 36. 유량계전후단에버터플라이밸브를설치후성능평가 버터플라이밸브를유량계상류측 1D 지점과하류 0D 지점에설치하고개도율을 90% 로 조절하는경우성능은 1.0 % 를보장하였다. (V=0.28~3.5 m/s) 추가로개도율을 25% 까지조절하는경우성능은 2.0 % 까지를보증하는것을확인하였다. ᄌ신호품질자동보증평가유량계가설치되는현장에서기포가혼입되는등의악영향으로인하여시간측정안정도가저하되거나심한경우신호측정지점이상류와하류로교대로측정수신하는신호의차이가발생하는경우측정오류로나타나게된다. 이러한불안정한요소를해소하기위하여신호의크기를자동으로조절하고감지할수있도록감지레벨을이중화하고자동으로그크기를조절할수있도록신호를설계하여항상안정된시간측정이되도록하였다

41 그림 37. 자동신호품질보증확인평가 공기를배관에혼입시켜서신호가약화되면서요동치도록환경을조성하여실험하여항상 안정된신호크기와품질을보장함을확인하였다. ᄎ개발된유량계의구성요소 그림 38. 습식다회선초음파유량계의구성요소 개발된습식다회선초음파유량계의특징한글화면과메뉴구성지원이가능하다. 화면과메뉴의한글화를실현 ( 영문, 국문, 중문선택 ) 하였고, LCD는 그래픽용을사용하였다. 직관부에따라성능이변하므로선택가능하도록하여회선배치구조를 0D=5x5p, 1D=3px2p, 3D=5p, 3회선등으로차별화한제품모델을구성하였다. 유량계입 출력통신기능을다양하게제공하게되어, 아날로그입 출력은 4port, 디지털 2port를기본으로제공하고, 수압, 온도, 수위 ( 수심 ), 수질입력을할수있도록 RS-232,422,485(Modbus) 통신규격으로설계하였다. 데이터저장및활용고객이별도의추가비용이불필요하도록 기본모드에서 256kb 를보장 하고, 추가로 1Gb 저장용량을보장하여순간, 적산 (+, -, ±), 유속, 압력. 수질등과각종 전원및측정, 통신상태에대한진단기능을보증할수있도록설계하였다. 간접교정이제 작과현장에서기능구현이가능하도록 dry, In-situ & On-site Calibration 기능을개발하여자

42 동영점보정기능을실현하였다. 또한유체 / 온도 / 계절영향에따라특성이불변하도록온압보정이가능하도록하여사계절 (0~50 ) 동안 ±0.15% 이내가보장되도록하였다. 유량실이침수가됨에따라유량계의안전보장과관압계의침수방지를위하여방수인증등급획득 (IP68, 10m 침수현장적용완료 ) 침수감지기능을부가하여TR이레벨스위치역할을할수 있도록설계하였다. 현장에서자유로운설치와유지보수가가능하도록부단수시공 (Hot-tapping) 은강관, 주철관, 콘크리트, PVC, 갱생관에서도가능하도록부속장비와방법도개발하였다. 야간최소유량과양방향영향과압력변화를감지할수있도록미소유속과완벽한양방향계측과순간압력변화를감지저장되게실현하였다. 각종진단기능은 H/W, S/W 봉인, 음속 / 온도, HW 부품동작상태, 내부기록이력, 전원이력, 통신이력을개발하였다. ᄏ중국천진및북경자래수적용결과요약 그림 39. 중국북경및천진자래수현장적용및평가결과 북경시자래수 9 창에 2200 mm 2 개소와천잔자래수에 800 mm 2 개소를적용하였고또한 직접시공제품을 400, 500 mm 를적용하여현장평가를수행하였다. ᄐ유동교란장치및해석실험결과

43 그림 40. 유동교란시험장치의제작및평가전경 ( 유량, 역류, 관압, 누수, 수충격시험및데이터모니터링측정 ) 나. 연구개발결과요약 번호 세부연구목표 달성내용 달성도 (%) 1 정확도 : 1%(@1D) ±1%( 수자원공사용역 ) 방수형관압계판매중 ( 특허출원 ) 복합유량계 ( 유량, 관압, 온도 ) 성능인증 ( 중기청, 조달청 ) 교란해석알고리즘관압모니터링 / 데이터저장기능 교란해석모니터링알고리즘공인기관평가 ( 중국개봉의표창 ) 100 다. 연도별연구개발목표의달성도 번호연차평가의견반영결과 1 차 2 차 중국시장의적용과 확대를위하여중국정부가요구하는측정 인자와유수율지표제공 라. 연도별연구성과 ( 논문 특허등 ) ⑴ 특허출원 중국어화면메뉴제공 ( 운영자접근성 ) 유량측정관의현지화개발 ( 가격경쟁력 ) 달성도 (%) 100 관망해석매뉴얼및구역고립절차서제공, 중국기술자 2 회방한기술교육

44 번호출원번호 ( 출원일자 ) 명칭 ( ) 맨홀용유량측정시스템 ( ) 초음파유량계및초음파유량측정방법 ( ) ( ) 써지보호형방수형압력전송기용보호케이스및이를구비한써지보호용방수형압력전송기모듈 리벳형새들어셈블리및이를이용한무용접부단수습식초음파유량계설치방법 ( ) 유관두께및내경측정장치 ( ) ( ) 이동식유량계교정장치및이를이용한유량측정시스템검사방법 이동식유량계교정장치및이를이용한유량측정시스템교정방법 ⑵ 매뉴얼 습식다회선초음파유량계 UR-1000PlusP 운영메뉴얼 ( 국문및중문판 ) 다회선초음파유량계다운로드프로그램설명서 ( 국문 ) 초음파다회선유량계유지관리지침서 ( 국문및중문판 ) ⑶ 활용실적 제품 : 구역계량용습식다회선초음파유량계 (UR-1000PlusP) 중국시범설치 : 천진자래수, 북경자래수 9창시범설치 성능평가 : 중국국가수대유량점교정센터 ( 개봉의표창 ) 1000, 1200 mm 평가모델구경유속범위성능평가 UR-1000PlusP( 구역계량형 ) 1000mm 0.02~0.50 m s ±0.46% UR-1000Plus( 만관형 ) 1200mm 0.39~1.96 m s ±0.27% 내구성평가 : 습식다회선초음파유량계 ( , 한국기기유화시험연구원 ) 인증 : 중소기업청성능인증 ( 제15-479호, ) 인증 : 조달청우수제품 ( , ) 습식다회선초음파유량계의특성평가연구 ( , 한국수자원공사 )

45 평가항목 장애물종류 습식다회선성능평가결과 정상상태 (90D 이상보장 ) 0.45% 버터플라이밸브개도율 100% 상류 3D이상 /-0.38% 하류 2D이상 /0.11% 50% 상류 5D이상 /-0.75% 하류 2D이상 /-0.11% 25% 상류 5D이상 /-0.78% 하류 2D이상 /-0.15% 상류 3D 이상 /-0.29% 100% 게이트밸브개도율하류 2D 이상 /-0.22% 50% 상류 3D 이상 /-0.16% 하류 2D 이상 /-0.19% 25% 상류 2D 이상 /-0.42% 하류 2D 이상 /-0.14% 곡관부 이중 상류 3D 이상 /-0.79% 하류 - ⑷기존제품개선 유동관로개선 : 교차형회선배치및삽입형새들어답터개발 직관부효과 ±1.0%(@1D) : 센서돌출도에따른유량계산알고리즘개발 저유속효과 ±0.5 %(@0.1m s) : 이중적분법에의한유량계산개발 ( 특허 ) 복합계측 : 유량측정기본기능에관압및수온측정기능개발 ( 특허 ) 해석알고리즘 : 관압및교란지점해석알고리즘개발 ( 특허 ) 마. 관련분야의기술발전기여도상기국제공동연구과제는과제계획일정과목표대로위탁기관과함께협력하여 100% 성실하게달성되었다고판단하며, 특허 7건출원과제품기능개발과각종인증및성능평가를통해신뢰성향상을달성하였다고사료됩니다. 국제공동사업을통해중국시장개척과선점을위해, 중국업체와포괄적업무제휴협약체결및일부제품의공동개발과정기적인적정보교류의실시를통해, 천진시와북경시에성공적으로시험제품을납품하여안정적운영결과를확보하고, 공인기관에서의초저유속에서도안정적인성능보장평가를얻었습니다. 바. 연구개발결과의활용계획

46 중국교육훈련거점센터는북경으로하고, 위탁기관과함께설치장비와운전교육을통해중국시장의지역별특성을고려하여권역별영업망을구축하여 2차현지화작업및표준화를통해설계영업활성화를실시하고자합니다. 보다쉬운이해를위한시각적영업자료개발을진행하고자합니다. 고온 (300 ) 및고점도유체의유량측정및제어시스템시장진입유 무선데이터수집시스템과함께세계시장진출에너지및석유화학용칼로리미터시장진출냉난방, 고온용, 공정용분야의산업용에적용석유화학및오일용의고점도고온용시스템이복잡하고여러대의계측기를구동하며배관복잡한전통시장신규에너지효율인증제도혜택시장

47 제 4 장참고문헌 (1) C J Coull, In Service Performance of Ultrasonic Flowmeters-Investigation of Installation Effect, Flow Programme NEL, December (2) Yeh & Mattingly, NIST Papers for Taylor Vortex Effects. (3) Cousins & D Augenstein (2002) Proving of Multi-path Liquid Ultrasonic Flow Meters orth Sea Flow Measurement Workshop, St Andrews, Scotland, October 2002 (4) Cousins & J. Thorogood (2004) Small Volume Proving of Ultrasonic Flow Meters S E sia Hydrocarbon Flow Measurement Workshop, Singapore, March 2004 (5) T. Cousins, H. Estrada & D. Augenstein (2004) Installation Effects and Diagnostic Interpretation Using the Caldon Ultrasonic Meter orth Sea Flow Measurement (6) T. Cousins, D. Augenstein, G. Brown, S. Eagle and D. THE PERFORMANCE OF ULTRASONIC FLOW METERS IN THE PRESENCE OF WATER-IN-OIL, 6TH ISFFM, (7) Kritz, J (1955) An ultrasonic meter for liquids, Proceedings of the Instrument Society of America, Vol. 10, Part 1, Paper no (8) Fischbacher, R E (1962) An ultrasonic flowmeter for process liquids, Proceedings of Flow Measurement in Closed Conduits, NEL, September 1960, Vol. 2, HMSO, Edinburgh, pp (9) Baker, R C and Thompson, E J (1975) A two beam ultrasonic phase shift flowmeter, Proceedings of Fluid Flow Measurement in the Mid-1970 s, National Engineering Laboratory, Glasgow, UK, 8-10 April 1975, E A Spencer and W J Ramsay (eds), HMSO, Edinburgh, Vol. 2, pp (10) Hastings, C R (1968) LE flowmeter a new device for measuring liquid flow rates, Westinghouse Engineer, Vol. 28, No. 6, pp (11) API (1995) Manual of Petroleum Measurement Standards, Chapter 5 Metering, Section 8 - Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters Using Transit Time Technology. 6th International Symposium on Fluid Flow Measurement Querétaro, Mexico, May 2006 (12) Fisher, S G and Spink, P G (1972) Ultrasonics as a standard for volumetric flow measurement, Proceedings of Modern Developments in Flow Measurement, Harwell, Berks.,

48 UK, September 1971, pp (14) Zanker, K J (1999) The effects of Reynolds number, wall roughness, and profile asymmetry on single and multipath ultrasonic meters, Proceedings of the orth Sea Flow Measurement Workshop, Oslo, Norway, October 1999, pp (15) Wyler, J S (1976) Fluid flow measurement system for pipes U.S. Patent No. 3,940,985 (16) Schlichting, H (1968) Boundary Layer Theory, McGraw-Hill, New York, pp (17) Fischl (1974) The deduction of volume flow in a pipe from ultrasonic transits, Flow Measurement Memo o. 139, National Engineering Laboratory, East Kilbride, Glasgow, August (18) Moore, P I, Brown, G J and Stimpson, B P (2000) Ultrasonic transit-time flowmeters modelled with theoretical velocity profiles: methodology, Measurement Science and Technology, Vol. 11, No. 12, pp (19) Brown, G J (1997) Factors Affecting the Performance of Ultrasonic Flowmeters. Proceedings of the orth Sea Flow Measurement Workshop, Kristiansand, Norway, October 1997, Paper 33. (20) Brown, G J, Barton, N A, and Moore, P I (1999) Installation effects on ultrasonic flowmeters, Proceedings of the orth Sea Flow Measurement Workshop, Oslo, Norway, October (21) Hilgenstock, A and Heinz, M (1996) Numerical flow simulation as a tool for developing and calibrating ultrasonic flowmeters, Proceedings of FLOMEKO 96, October 20-24, Beijing, China, pp (22) Duffell, C J, Brown, G J, Barton, N A and Stimpson, B P (2003) A New Family of Ultrasonic Flowmeters, with Improved Performance in Asymmetric Flows, Produced by using Optimization Algorithms and CFD Proceedings of the International Conference on Hydrocarbon Flow Measurement, Fluid Control Research Institute, Palakkad, India, September (23) Brown, G J, Coull, C, and Barton, N A (2005) Installation effect on ultrasonic flowmeters and evaluation of computational fluid dynamics prediction

49 methods Proceedings of the South East Asia Hydrocarbon Flow Measurement Workshop, 9 11 March 2005, Kuala Lumpur, Malaysia. (24) Yeh, T T and and Mattingly, G E (1997) Computer simulation of ultrasonic flow meter performance in ideal and non-ideal pipeflows, ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSM 97), June 22 26, Paper no. FEDSM

50 부록 1 요약서 요약 본발명은초음파를이용하여관내를흐르는유체의유속을측정하는초음파다회선유속측정방법과, 이를이용하여유량을측정하는초음파다회선유량측정방법및유속측정회선사이의거리를측정하는초음파거리측정방법에관한것이다. 본발명에따른유속측정방법은복수의유속측정회선이구비된유관을마련하는준비단계와, 구비된유속측정회선의두진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는제1유속측정단계와, 이웃하는두유속측정회선의서로마주하지않는두진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는스위칭유속측정단계와, 스위칭유속측정단계에서측정된유속으로부터두초음파유속측정회선사이를통과하는유체의유속을구하는제2유속측정단계및제1유속측정단계와제2유속측정단계로부터구하여진유속을이용하여평균유속을구하는평균유속산출단계를포함하는것을특징으로하며, 본발명에따른유량측정방법은유속측정방법으로부터구하여진유속과유관의단면적을이용하여유체의유량을측정하는유량산출단계를포함하는것을특징으로한다. 또한본발명에따른초음파거리측정방법은예비단계와, 제1거리측정단계와, 제2거리측정단계및연산단계를포함하는것을특징으로한다. 대표도 도 3 색인어 초음파진동자, 유속측정회선 명세서 발명의명칭 초음파다회선유속측정방법, 초음파다회선유량측정방법및초음파거리측정방법. {Ultrasonic multi circuit speed measurement, Ultrasonic multi circuit flow measurement and ultrasonic distance measurement} 도면의간단한설명 도 1은전파시간차방법으로유속을측정하는방법을설명하기위한개략적인단면도이다. 도 2는유관을흐르는유체의유속분포를설명하기위한개략적인도면이다. 도 3은본발명에따른초음파다회선유속측정방법및초음파다회선유량측정방법의일실시예를설명하기위한단계별흐름도이다. 도 4는도 3에도시된준비단계를설명하기위한개략적인사시도이다. 도 5는도 3에도시된준비단계및제1유속측정단계를설명하기위하여도 4에표시된투영선을유체진행방향으로바라본개략적인투영도이다. 도 6은도 3에도시된스위칭유속측정단계및제2유속측정단계를설명하기위하여도 4에표시된투영선을유체진행방향으로바라본개략적인투영도이다. 도 7은도 3에도시된초음파다회선유속측정방법을사용하여유속을측정한효과를

51 설명하기위한개략적인도면이다. 도 8은도 3에도시된초음파다회선유속측정방법을사용하여유속을측정한효과를설명하기위한그래프이다. 도 9는본발명에따른초음파거리측정방법의일실시예를설명하기위한단계별흐름도이다. 도 10은도 9에도시된제1거리측정단계, 제2거리측정단계및연산단계를설명하기위한개략적인도면이다. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > M 초음파다회선유속측정방법 M 준비단계 M 제1유속측정단계 M 스위칭유속측정단계 M 제2유속측정단계 M 평균유속산출단계 M 초음파다회선유량측정방법 M 유량산출단계 M 초음파거리측정방법 M 예비단계 M 제1거리측정단계 M 제2거리측정단계 M 연산단계 I... 투영선 유관 D... 수직거리 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술분야및그분야의종래기술 본발명은초음파다회선유속측정방법및이를이용한초음파다회선유량측정방법에관한것이며, 더욱상세하게는복수의초음파유속측정회선을이용하여관내에서유동하는유체의유속을측정하고이를통하여관내를통과하는유체의유량을측정하기위한방법에관한것이다. 또한본발명은초음파거리측정방법에관한것으로, 더욱상세하게는초음파유속측정회선사이의거리를측정하는방법에관한것이다. 상수를각가정과산업현장에공급하거나이로부터생성되는하수를다시배출하기위한상하수도를설치하는경우를비롯하여, 도시가스의공급, 송유관을통한원유의이송, 농업용수를위한개수로의설치및철강, 화학, 석유화학분야의냉각수의순환등오늘날가스나액체등유체를이용하고있는산업분야는수없이많으며, 이러한산업분야들에서는유체의유량및유속을적절하게조절하여관리하는것이매우중요한문제이다. 이렇게유체의유량관리가중요한산업현장에서는일반적으로유량계를사용하여유로내의유량을측정하고있다. 관내를통과하는유량은관내를통과하는유체의평균속도 V와유로의단면적의곱으로구할수있다. 즉, 유량 = 유로의단면적 유체의평균유속 V으로구해진다. 따라서유체의유량을정확히측정하기위하여는, 유체의유속을정확히측정하여야한다. 오늘날유체의유속을측정하기위한방법으로는초음파진동자를이용한전파시간차방법이널리이용되고있다. 도 1은전파시간차방법으로유속을측정하는방법을설명하기위한개략적인단면도

52 이며, 도 2는관내를흐르는유체의유속분포를나타내는도면이다. 도 1 및도 2를참조하면, 유체의진행방향 (a) 에대하여일정각도 (θ) 로한쌍의초음파진동자 (P 1, P 2 ) 를각기유로의 A 지점과, 유체의유동방향상상기 A지점의하류측에위치하는 B지점에서로대면하도록설치한후유로에유체를유입시킨다. A지점에설치된초음파진동자 (P 1 ) 에서초음파를발생시킨시점부터 B지점의초음파진동자 (P 2 ) 가 A지점에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간 T AB 과, 역으로 B지점에설치된초음파진동자 (P 2 ) 에서초음파를발생시킨시점부터 A지점의초음파진동자 (P 1 ) 가 B지점에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간T BA 을측정한다. 초음파가유체를통하여전달될때유속에의한영향을받으므로측정된 T AB 와 T BA 는서로다르며, 그차이를통하여유체의유속을구하게된다. 단, 이때측정되는유체의유속은 A 지점과 B 지점연결하는직선상을통과하는유체의유속이다. 한편유체가관내를흐르는경우관벽과의마찰에의한영향을받으므로, 도 2에도시되어있듯이관의중심부에서관의가장자리로갈수록유체의유속이떨어지게된다. 따라서관내를통과하는유체전체의평균유속을구하기위하여서는유관의여러지점에서유속을측정하여야하며, 설치된유속측정회선의수가많을수록관내를통과하는유체전체의평균유속을정확하게측정할수있다. 하지만유속측정회선을구성함에있어서두개의초음파진동자가서로대면하도록배치된다는점과, 유지보수를위해진동자를삽입또는추출할때작업을진행하기위한공간이필요하다는점등의공간적인제약때문에유관에구비될수있는유속측정회선의수에제한이있었다. 또한다수의초음파진동자를설치하는경우비용이증가한다는점도유관에구비될수있는유속측정회선의수를제한하는한요인이었다. 그결과관내를흐르는유속을정확하게측정하는데에한계가있었으며, 앞서검토한바와같이유관을흐르는유체의평균유속과유관의단면적의곱으로나타내어지는유량을측정함에있어서도그정확성에한계가있다는문제점이있었다. 한편, 유량을정확하게산출하기위해서는서로나란하게배치되어있는유속측정회선사이의수직거리 ( 높이 ) 를정확하게알필요가있다. 더욱이유관을장시간사용함에따라변형등이발생하는경우이러한필요성은더욱증대된다. 따라서종래에는 3차원측정기를사용하여유속측정회선사이의수직거리를측정하였으나고가의비용이소요되었으며, 다른방법으로는그측정이용이하지않다는문제점이있었다. 발명이이루고자하는기술적과제 본발명은상기한문제점을해결하기위하여안출된것으로서, 본발명의목적은유관에배치된일정수의유속측정회선을사용하되, 종래보다많은지점에서유속을측정하고이를통하여정확한평균유속을측정할수있는초음파다회선유속측정방법을제공하는것이다. 또한본발명의다른목적은초음파다회선유속측정방법을통해얻어진유속을이용하여정확한유량을측정할수있는초음파다회선유량측정방법을제공하는것이다. 또한본발명의또다른목적은서로나란하게배치된복수의유속측정회선을사용하여, 유속측정회선사이의거리를측정할수있는초음파거리측정방법을제공하는것이다

53 발명의구성 상기한목적을달성하기위하여, 본발명에따른초음파다회선유속측정방법은유로를따라흐르고있는유체의진행방향에있어서상류측과하류측에서로마주하도록상기유로에설치되는한쌍의초음파진동자로이루어진초음파유속측정회선을복수로구비하되, 상기유체의진행방향과수직인방향을따라서로이격되어나란하게배치되도록상기초음파유속측정회선을마련하는준비단계와. 상기초음파유속측정회선의두개의초음파진동자중일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간과, 상기타측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터상기일측초음파진동자에서상기타측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지걸리는시간의차이를측정하여상기두초음파진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는제1유속측정단계와, 상기복수의초음파유속측정회선중인접하는두개의초음파유속측정회선을선택하고, 선택된상기두초음파유속측정회선에구비된초음파진동자들중서로마주하지않는상류측초음파진동자와하류측초음파진동자사이에서상기상류측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터하류측초음파진동자가상기상류측초음파진동자가발생한초음파를수신할때까지소요되는시간과, 상기하류측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터상기상류측초음파진동자에서상기하류측초음파진동자가발생시킨초음파를수신할때까지소요되는시간의차이를측정하여이로부터서로마주하지않는상기상류측초음파진동자와상기하류측초음파진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는스위칭유속측정단계와, 상기스위칭유속측정단계에서구하여진두유속으로부터소정의연산을통하여구하여진값을상기선택된두개의초음파유속측정회선사이에배치되며상기두개의초음파유속측정회선과나란한평행선상을통과하는유체의유속으로정하는제2유속측정단계를포함하는것을특징으로한다. 또한본발명의다른목적을달성하기위한초음파다회선유량측정방법은, 상기한초음파다회선유속측정방법으로구해진유속과유관의단면적을곱하여유량을산출하는것을특징으로한다. 또한본발명의또다른목적을달성하기위한초음파거리측정방법은, 서로마주하게배치되는한쌍의초음파진동자로구성되는초음파유속측정회선을복수로구비하되, 상기초음파유속측정회선이서로나란히배치되도록상기초음파유속측정회선을마련하는예비단계와, 상기초음파유속측정회선에구비되어서로마주하게배치된초음파진동자들중일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간을측정하여상기두초음파진동자사이의거리를측정하는제1거리측정단계와, 상기복수의초음파유속측정회선중두개의초음파유속측정회선을선택하고, 선택된상기두초음파유속측정회선에구비된초음파진동자들중서로마주하지않는일측초음파진동자와타측초음파진동자사이에서상기일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간을측정하여두초음파진동자간의거리를측정하는제2거리측정단계와, 상기제1거리측정단계및제2거리측정단계로부터구하여진각

54 각의거리로부터상기두초음파유속측정회선사이의수직거리를구하는연산단계를포함하는것을특징으로한다. 이하, 본발명에따른바람직한실시예들을첨부된도면들을참조하여상세히설명하기로한다. 도 3은본발명에따른초음파다회선유속측정방법및초음파다회선유량측정방법의일실시예를설명하기위한단계별흐름도이다. 도 4는도 3에도시된준비단계를설명하기위한개략적인사시도이다. 도 5는도 3에도시된준비단계및제1유속측정단계를설명하기위하여도 4의투영선 (I) 을유체진행방향으로바라본개략적인투영도이다. 도 6은도 3에도시된스위칭유속측정단계및제2유속측정단계를설명하기위하여도 4의투영선 (I) 을유체진행방향으로바라본개략적인투영도이다. 도 3 내지도 6을참조하면, 본실시예에따른초음파다회선유속측정방법 (M100) 은준비단계 (M101) 와, 제1유속측정단계 (M102) 와, 스위칭유속측정단계 (M103) 와, 제2유속측정단계 (M104) 및평균유속산출단계 (M105) 를포함한다. 상기준비단계 (M101) 에서는반경이 R 인유관 (11) 에두개의초음파진동자로이루어진복수의유속측정회선들을설치한다. 두개의초음파진동자 (21A, 21B) 를포함하는제1유속측정회선을도 5에나타난것과같이투영면의중심선상에배치하되, 하나의초음파진동자 (21A) 는유체의진행방향상상류쪽에설치하고, 다른하나의초음파진동자 (21B) 는하류쪽에설치한다. 이에따라초음파진동자 (21A) 와초음파진동자 (21B) 를연결하는직선 (K21) 과유체의진행방향 (a) 은일정각도 (θ) 를이루게된다. 제1유속측정회선에대하여수직한방향을따라일측으로 설치한다. 및 만큼이격된지점에제 2 유속측정회선및제 3 유속측정회선을각각나란하게 동일한방식으로제 1 유속측정회선에대하여수직한방향을따라타측으로각각 및 만큼이격된지점에제 4 유속측정회선및제 5 유속측정회선을각각나란하게 설치한다. 각각의초음파진동자들이초음파를수신및발신할수있도록컨트롤러 ( 미도시 ) 와연결한다. 검토한바와같이유관 (11) 에직접유속측정회선을설치함으로써본실시예에서의준비단계 (M101) 를실시할수있으나, 위와같은구성으로복수의유속측정회선들이설치되어있는유관을마련함으로써도본실시예에서의준비단계 (M101) 를실시할수있다. 상기제1유속측정단계 (M102) 에서는유속측정회선들이설치된유관 (11) 에유체를흘린후, 이른바전파시간차방법을사용하여유체의유속을측정한다. 즉, 제1유속측정회선의상류측초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시키고하류측초음파진동자 (21B) 에서상류측초음파진동자 (21A) 가발생한초음파를수신하되, 상류측초음파진동자 (21A) 에서초음파가발생된시점부터하류측초음파진동자 (21B) 가상류측초음파진동자 (21A) 에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간T 12 을측정한다. 반대로하류측초음파진동자 (21B) 에서초음파를발생시키고상류측초음파진동자 (21A) 에서하류측초음파진동자 (21B) 가발생한초음파를수신하되, 하류측초음파진동자 (21B) 에서초음파가발생된시점부터상류측초음파진동자 (21A) 가하류

55 측초음파진동자 (21B) 세어발생된초음파를수신할때까지걸린시간T 21 을측정한다. 이때측정하고자하는제1유속측정회선을제외한나머지유속측정회선들의초음파진동자는작동되지않도록한다. 왜냐하면발생된초음파를수신하도록설정된초음파진동자이외의다른초음파진동자에의하여서도초음파가수신되는경우, 초음파를수신하도록설정된초음파진동자이외의다른초음파진동자에서도초음파를수신하였다는수신신호를컨트롤러 ( 미도시 ) 로발생하게된다. 따라서초음파를수신하도록설정된초음파진동자가발생하는수신신호와, 초음파를수신하도록설정된초음파진동자이외의다른초음파진동자에서발생되는수신신호가함께컨트롤러로수신되면서발생하는부작용에의하여측정결과가부정확해지는것을방지하기위해서이다. 또한초음파의전달경로상배관의벽면에서반사된초음파가수신될수있으므로이는 echo-canceling 전자부품소자를사용하여제거하는것이바람직하다. 유체가움직이지않는조건에서초음파진동자에서발사된초음파가유체를통해전파되는음속을 C라하고, 두초음파진동자 (21A, 21B) 를연결한직선 (K21) 상을통과하는유체의유속을 V 1 라고하고, 두초음파진동자 (21A, 21B) 간의거리를 L이라하면, T 12 와 T 21 는각기다음과같다., 초음파가유체의진행방향에대해순방향으로발사되는경우의시간 T 12 는초음파가유체의진행방향에대해역방향으로발사된경우의시간 T 21 에비해서짧다. 그시간의차이ΔT 를구하여보면, 여기서 항은무시할수있을정도로작은양이다. 따라서, 두초음파진동 자 (21A, 21B) 를연결한직선1(K21) 상을통과하는유체의유속 V 1 은이된다. 동일한방법으로나머지유속측정회선들을사용하여직선 (K22~K25) 상을통과하는유체의유속 V 2 ~ V 5 를측정한다. 상기스위칭유속측정단계 (M103) 에서는서로인접하는두개의유속측정회선으로이루어지는유속측정회선조합들을구성한다. 이하제1유속측정회선과제2유속측정회선으로구성되는제1.2유속측정회선조합에대하여살펴보기로한다. 제1.2유속측정회선조합에포함된초음파진동자 (21A, 21B, 22A, 22B) 들중서로마주하지않는초음파진동자즉, 제1유속측정회선의상류측초음파진동자 (21A) 와제2유속측정회선

56 의하류측초음파진동자 (22B) 를선택한다. 두초음파진동자 (21A, 22B) 를제외한나머지초음파진동자들을작동되지않도록한다. 초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시키면발생된초음파는유체를통해전파된다. 이때전파되는초음파는일정크기의지향각을가지면서전파되므로, 초음파진동자 (21A) 와마주하는초음파진동자 (21B) 뿐아니라서로마주하지않는초음파진동자즉, 초음파진동자 (22B) 에도초음파진동자 (21A) 에서발생된초음파가전파되게된다. 초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시킨시점으로부터초음파진동자 (22B) 가초음파진동자 (21A) 에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간을측정하고, 초음파진동자 (22B) 에서초음파를발생시키고초음파진동자 (21A) 가초음파진동자 (22B) 에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간을측정한다. 측정된두시간의차이를이용하여두초음파진동자 (21A, 22B) 를연결한직선 (K1) 상을통과하는유체의유속을구한다. 같은방식으로제2유속측정회선의상류측초음파진동자 (22A) 와제1유속측정회선의하류측초음파진동자 (21B) 를이용하여두초음파진동자 (21B, 22A) 를연결한직선 (K2) 상을통과하는유체의유속을구한다. 제2유속측정단계 (M104) 에서는스위칭유속측정단계 (M103) 에서구하여진직선 (K1) 상을지나는유체의유속과직선 (K2) 상을지나는유체의유속을합하고, 합산된값을 2로나누는연산과정을한다. 연산과정을통해구하여진유속을제1유속측정회선과제2유속측정회선사이의중간지점에배치되며, 두유속측정회선과나란한직선 (K26) 상을통과하는유체의유속 V 6 으로설정한다. 위에서검토한스위칭유속측정단계 (M103) 와동일한과정을제2.3유속측정회선조합 (22A, 23B, 24A, 24B), 제1.4유속측정회선조합 (21A, 21B, 24A, 24B) 및제1.5유속측정회선조합 (24A, 24B, 25A, 25B) 에대하여실시하여직선 (K3~K8) 위를흐르는유체의유속을구한후, 이로부터제2유속측정단계 (M104) 를거쳐서직선 (K27), 직선 (K28) 및직선 (K29) 위를흐르는유체의유속 V 7, V 8, V 9 을설정하게된다. 상기평균유속산출단계 (M105) 에서는제1유속측정단계 (M102) 에서측정된 5개의유속 V 1 ~ V 5 와, 제2유속측정단계 (M104) 에서구하여진 4개의유속 V 6 ~ V 9 을이용하여유관 (11) 내를흐르는유체의평균유속 V를구한다. 제1유속측정단계 (M102) 및제2유속측정단계 (M104) 를통하여구하여진 9개의유속 V 1 ~ V 9 에각각가중계수를곱한후이들을합산하고합산된값을 9로나누는단계이다. [ ( 유속 V i 가중계수 )] 9 = 평균유속 V 이렇게가중계수를곱하여연산을하는것을가중계수법이라하며, 이는공지의방법이다. 가중계수는유관에배치되는초음파진동자들의배치에따라달라지며, 이는반복실험또는유관단면의기하학적인형상을고려하여결정할수있다. 공지된초음파진동자들의배치및이에따른가중계수로서는, 소위 " 가우시안 " 형상, " 셰비세프 " 형상및 " 테일러 " 형상등의가중계수가알려져있으며이에대한설명은생략하기로한다. 이와같이본발명의초음파다회선유속측정방법 (M100) 을사용하여유관 (11) 을흐르는유체의유속을측정하면, 도 7 및도 8에도시된것과같이유관 (11) 단면상에배치된 9개의나란한직선 (K21~K29) 상을통과하는유체의유속 V 1 ~V 9 를측정할수있으며, 이를바탕으로유관 (11) 을통과하는유체전체의평균유속 V를구할수있다. 이는동일한수의유속측

57 정회선들을사용하는종래의유속측정방법이 5개지점 (K21~K25) 의유속 V 1 ~V 5 만을측정하고, 5개지점의유속을이용하여유체의평균유속 V를구하였던것을감안하면, 종래에비해더욱정확한평균유속을측정할수있음을알수있다. 위와같이구하여진유체의평균유속 V를이용하여유관을흐르는유체의유량을측정할수있다. 도 3을참조하면본실시예에서의초음파다회선유량측정방법 (M200) 은앞서검토한초음파다회선유속측정방법 (M100) 및유량산출단계 (M201) 를포함한다. 즉, 준비단계 (M101) 와, 제1유속측정단계 (M102) 와, 스위칭유측정단계 (M103) 와, 제2유속측정단계 (M104) 와, 평균유속산출단계 (M105) 및유량산출단계 (M201) 를포함한다. 유량산출단계 (M201) 을제외한나머지단계들은앞서검토한초음파다회선유량측정방법 (M100) 에서와동일하므로설명을생략하기로하고유량산출단계 (M201) 에대해서만설명하기로한다. 상기유량산출단계 (M201) 에서는유체가흐르는유관의단면적을측정하여앞서검토한초음파다회선유량측정방법 (M100) 에의하여구하여진유체의평균유속 V와곱함으로써유관을흐르는유체의유량을산출한다. 즉, 유량 = 평균유속 V 유관의단면적이다. 또한본발명의또다른목적인초음파거리측정방법 (M300) 의실시예를설명하기로한다. 도 9는초음파거리측정방법 (M300) 의실시예를설명하기위한단계별흐름도이며, 도 10 은도 9에도시된제1거리측정단계 (M302), 제2거리측정단계 (M303) 및연산단계 (M304) 를설명하기위한개략적인도면이다. 도 9 및도 10을참조하면본실시예의초음파거리측정방법 (M300) 은예비단계와 (M301), 제1거리측정단계 (M302) 와, 제2거리측정단계 (M303) 및연산단계 (M304) 를포함한다. 상기예비단계 (M301) 는앞서검토한초음파다회선유속측정방법의준비단계 (M101) 과유사하다. 앞에서검토한도 4 및도 5를참조하여살펴보면, 예비단계 (M301) 에서는반경이 R 인유관 (11) 에두개의초음파진동자로이루어진유속측정회선들을설치한다. 제1유속측정회선은도 5에나타난것과같이투영면의중심선상에배치하되, 하나의초음파진동자 (21A) 는유체의진행방향상상류쪽에설치하고, 다른하나의초음파진동자 (21B) 는하류쪽에설치한다. 이에따라초음파진동자 (21A) 와초음파진동자 (21B) 를연결하는직선 (K21) 과유체의진행방향은일정각도 (θ) 를이루게된다. 제1유속측정회선에대하여수직한방향을따라일측으로이격된지점에제2유속측정회선및제3유속측정회선을각각나란하게설치한다. 동일한방식으로제1유속측정회선에대하여수직한방향을따라타측으로이격된지점에초음파제4유속측정회선및제5유속측정회선을각각나란하게설치한다. 각각의초음파진동자들이초음파를수신및발신할수있도록컨트롤러 ( 미도시 ) 와연결한다. 검토한바와같이유관 (11) 에직접유속측정회선을설치함으로써본실시예에서의예비단계 (M301) 를실시할수있으나, 기존에위와같은구성으로유속측정회선들이설치되어있는유관 (11) 을마련함으로써도본실시예에서의예비단계 (M301) 를실시할수있다. 상기제1거리측정단계 (M302) 에서는유관 (11) 에유체를채운후제1유속측정회선의상류측초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시키고초음파를발생시킨시점으로부터발생된초음파가하류측초음파진동자 (21B) 에서수신될때까지걸린시간 T 를측정한다. 유체내에

58 서의초음파의진행속도를 C 라고하면두초음파진동자 (21A, 21B) 사이의거리 L은걸린시간 T와초음파의진행속도 C의곱으로표현된다. 즉, L = T C 이다. 동일한방법을사용하여나머지유속측정회선들의초음파진동자사이의거리를측정할수있다. 상기제2거리측정단계 (M303) 에서는인접하는두개의유속측정회선으로이루어지는유속측정회선조합들을구성한다. 이하제1유속측정회선과제2유속측정회선으로구성되는제1.2 유속측정회선조합에대하여설명하기로한다. 제1.2유속측정회선조합의초음파진동자 (21A, 21B, 22A, 22B) 들중서로마주하지않는두초음파진동자 (21A, 22B) 를선택한다. 선택된두초음파진동자 (21A, 22B) 를제외한나머지초음파진동자들을작동하지않도록한다. 초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시키면발생된초음파는유체를통해전파된다. 이때전파되는초음파는일정크기의지향각을가지면서전파되므로, 초음파진동자 (21A) 와마주하는초음파진동자 (21B) 뿐아니라서로마주하지않는초음파진동자즉, 초음파진동자 (22B) 에도초음파진동자 (21A) 에서발생된초음파가전파되게된다. 초음파진동자 (21A) 에서초음파를발생시킨시점으로부터초음파진동자 (22B) 가초음파진동자 (21A) 에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간 (T') 을측정한다. 유체내에서의초음파의진행속도를 C라고하면두초음파진동자 (21A, 22B) 사이의거리 L' 은 L' = T' C 로표현된다. 동일한과정으로초음파진동자 (21B) 에서초음파를발생시키고초음파진동자 (22A) 가초음파진동자 (21B) 에서발생된초음파를수신할때까지걸린시간을측정하여두초음파진동자 (21B, 22A) 사이의거리를측정한다. 위의과정을나머지유속측정회선조합으로도반복하여나머지유속측정회선조합들에포함되며서로마주하지않는초음파진동자들간의거리를측정한다. 상기연산단계 (M303) 에서는앞서검토한제1거리측정방법및제2거리측정방법으로구하여진초음파진동자사이의거리 (EF, HG, HF, EG) 를이용한연산과정을통하여두유속측정회선사이의수직거리 (D) 를산출하게된다. 원형의유관 (11) 에서로평행하게설치된제1유속측정회선및제2유속측정회선에포함된초음파진동자 (21A, 21B, 22A, 22B) 들은도 10에도시된바와같이등변사다리꼴의형상을구성하게된다. 따라서두유속측정회선사이의수직거리 (D) 는다음과같다. 동일한방식을사용하면나머지유속측정회선사이의수직거리 (D) 도측정할수있다. 상술한바와같이, 초음파다회선유속측정방법 (M100) 을사용하여유속을측정하면종래의유속측정방법보다더정확하게유속을측정할수있다. 이는종래의유속측정방법이 5개의유속측정회선을사용하여유속을측정하는경우각각의유속측정회선의두초음파진동자를연결하는 5개의직선 (K21 ~ K25) 상을흐르는 5개의유속 V 1 ~ V 5 만을측정할수있었던것에반하여, 본발명에따른초음파다회선유속측정방법 (M100) 을사용하는경우각각의유속측정회선의두초음파진동자를연결하는 5개의직선 (K21 ~ K25) 상을흐르는 5개의유속 V

59 ~ V 5 및서로이웃하는유속측정회선사이의중간지점에배치되며유속측정회선과나란한 4개의직선 (K26 ~ K29) 상을흐르는유속 V 6 ~ V 9 을더측정할수있기때문이다. 또한, 유속측정회선을설치할때유속측정회선의 2개의초음파진동자를서로마주보게배치함에따라발생되는공간적인제약과, 초음파진동자를설치하는데필요한비용등의경제적인제약때문에유관 (11) 에설치될수있는유속측정회선의수에한계가존재하였으므로, 측정되는유속의정확성에도그한계가존재하는문제점이있었으나, 본발명에따른초음파다회선유속측정방법 (M100) 을사용하는경우동일한수의유속측정회선으로더많은유속측정회선을구비한효과를얻을수있으므로종래의방법이지니고있던문제점을극복할수있게된다. 또한, 본발명의초음파다회선유량측정방법 (M200) 을사용하면초음파다회선유속측정방법 (M100) 으로구하여진평균유속 V를이용하여유량을측정하게되므로정확한유량을측정할수있게된다. 또한, 본발명의초음파거리측정방법 (M300) 을이용하는경우유속측정회선사이의수직거리 (D) 를측정할수있으며, 유관단면의기하학적구조와함께유속측정회선사이의수직거리 (D) 를이용하여유속측정회선들사이의면적을구할수있다. 이를통하여앞서검토한평균유속산출단계 (M105) 에서의가중계수를정확하게설정하여할수있으며그결과정확한평균유속 V를측정할수있게된다. 또한, 유량측정단계 (M201) 에서의유관의단면적도정확하게계산할수있게된다. 이상, 본발명을바람직한실시예들을들어상세하게설명하였으나, 본발명은상기실시예들에한정되지않으며, 본발명의기술적사상내에서당분야에서통상의지식을가진자에의하여여러가지많은변형이가능함은명백하다. 예를들어본실시시예에서는 5개의초음파유속측정회선으로유관 (11) 내의유속을측정하였으나유속측정회선의수를다르게하여본발명인초음파다회선유속측정방법을사용할수있다. 또한본실시예에서는반경 R인원형의유관 (11) 에대한실시예를설명하였으나, 유관의형상을삼각형, 사각형등의다른형상으로구성할수있으며, 본실시예에서는제1유속측정단계 (M100) 를실시한후에제2유속측정단계 (M200) 를실시하는것으로설명하였으나제2유속측정단계 (M200) 를제1유속측정단계 (M100) 보다먼저실시하도록구성할수있다. 또한본실시예에서는유속측정회선간의간격을 2R/5 동일한간격으로이격시켜배치하였으나, 유속측정회선간의간격을다르게구성할수도있다. 또한본실시예의유량산출단계 (M201) 에서는평균유속산출단계 (M105) 에서구하여진유체의평균유속 V에유관 (11) 의단면적을곱하여유량을산출하였으나, 제1유속측정단계 (M102) 및제2유속측정단계 (M104) 에서구하여진 9개의유속 V 1 ~V 9 와각각의유속을가지는유체가흐르는단면적을곱하고곱하여진값을합산함으로써즉, 유량 = [ 유속 (V i ) 단면적 ] 으로구해지도록구성할수도있다. 발명의효과 상기한구성의본발명의초음파다회선유속측정방법에의하면 N개의유속측정회선을사용하여유관의단면상에존재하는 (2N-1) 개의직선상에서유체의유속을측정할수있다

60 이는종래의방식을사용하는경우 N개의유속만을측정할수있던것에비하여 (2N-1) 배에해당하는유속을측정할수있는것이다. 유관내를흐르는유체전체의평균유속 V는유관내의각지점에서의유속을이용하여구하여지므로, 본발명의초음파다회선유속측정방법을사용하는경우유체의평균유속 V를종래보더정확하게측정할수있다. 또한본발명의초음파거리측정방법에의하면유속측정회선사이의수직거리 (D) 를측정할수있고, 이를통하여유속측정회선사이의단면적을구할수있으며, 결과적으로유관내의평균유속 V를정확하게측정할수있다. 또한본발명의초음파다회선유량측정방법에의하면초음파다회선유속측정방법에의하여구하여진유속및초음파거리측정방법에의하여구하여진유속측정회선사이의수직거리를이용하여유관을흐르는유체의유량을정확하게측정할수있다

61 특허청구범위 청구항 1 유로를따라흐르고있는유체의진행방향에있어서상류측과하류측에서로마주하도록상기유로에설치되는한쌍의초음파진동자로이루어진초음파유속측정회선을복수로구비하되, 상기유체의진행방향과수직인방향을따라서로이격되어나란하게배치되도록상기초음파유속측정회선을마련하는준비단계 ; 상기초음파유속측정회선의두개의초음파진동자중일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간과, 상기타측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터상기일측초음파진동자에서상기타측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지걸리는시간의차이를측정하여상기두초음파진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는제1유속측정단계 ; 상기복수의초음파유속측정회선중인접하는두개의초음파유속측정회선을선택하고, 선택된상기두초음파유속측정회선에구비된초음파진동자들중서로마주하지않는상류측초음파진동자와하류측초음파진동자사이에서상기상류측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터하류측초음파진동자가상기상류측초음파진동자가발생한초음파를수신할때까지소요되는시간과, 상기하류측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터상기상류측초음파진동자에서상기하류측초음파진동자가발생시킨초음파를수신할때까지소요되는시간의차이를측정하여이로부터서로마주하지않는상기상류측초음파진동자와상기하류측초음파진동자사이를통과하는유체의유속을측정하는스위칭유속측정단계 ; 상기스위칭유속측정단계에서구하여진두유속으로부터소정의연산을통하여구하여진값을상기선택된두개의초음파유속측정회선사이에배치되며상기두개의초음파유속측정회선과나란한평행선상을통과하는유체의유속으로정하는제2유속측정단계 ; 를포함하는것을특징으로하는초음파다회선유속측정방법. 청구항 2 제 1항에있어서, 상기소정의연산은상기스위칭유속측정단계를통하여구하여진두유속을합산하고상기합산된값을 2로나누어행하여지는것을특징으로하는초음파다회선유속측정방법. 청구항 3 제 1항에있어서, 상기제2유속측정단계에서정해진유속을상기선택된두개의초음파유속측정회선사이의중간지점에배치되며, 상기선택된두개의초음파유속측정회선과나란한직선상을통과하는유체의유속으로설정하는것을특징으로하는초음파다회선유속측정방법. 청구항 4 제 1항에있어서, 상기제1유속측정단계및제2유속측정단계로부터구하여진각각의유속을이용하여상

62 기유관내를흐르는유체의평균유속을구하는평균유속산출단계를더포함하는것을특징으로하는초음파다회선유속측정방법. 청구항 5 제 4항에있어서, 상기평균유속산출단계에서는상기제1유속측정단계및제2유속측정단계로부터구하여진각각의유속에가중계수를곱하여이들을합산한값을상기유속의개수로나누어상기평균유속을구하는것을특징으로하는초음파다회선유속측정방법. 청구항 6 유관을지나는유체의평균유속에상기유관의단면적을곱하여유량을측정하는초음파다회선유량측정방법에있어서, 상기유속은상기제 4항또는제 5항에서측정된평균유속으로하는것을특징으로하는초음파다회선유량측정방법. 청구항 7 서로마주하게배치되는한쌍의초음파진동자로구성되는초음파유속측정회선을복수로구비하되, 상기초음파유속측정회선이서로나란히배치되도록상기초음파유속측정회선을마련하는예비단계 ; 상기초음파유속측정회선에구비되어서로마주하게배치된초음파진동자들중일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간을측정하여상기두초음파진동자사이의거리를측정하는제1거리측정단계 ; 상기복수의초음파유속측정회선중두개의초음파유속측정회선을선택하고, 선택된상기두초음파유속측정회선에구비된초음파진동자들중서로마주하지않는일측초음파진동자와타측초음파진동자사이에서상기일측초음파진동자에서초음파를발생시킨시점으로부터타측초음파진동자에서상기일측초음파진동자에서발생된초음파를수신할때까지소요되는시간을측정하여두초음파진동자간의거리를측정하는제2거리측정단계 ; 상기제1거리측정단계및제2거리측정단계로부터구하여진각각의거리로부터상기두초음파유속측정회선사이의수직거리를구하는연산단계 ; 를포함하는것을특징으로하는초음파거리측정방법

63 도 1 도면 도

64 도 3 도 4 도

65 - 65 -

66 도

67 도 7 도

68 도 9 도

69 부록 2 요약서 요약 본발명은초음파유량계및초음파유량계에사용되는측정관에대한것이다. 본발명에따른초음파유량계는내부를통해유체가흐르도록중공형으로형성되며, 유체의유속을측정하기위하여유로에설치되는측정관과, 한쌍으로이루어져측정관을통해흐르는유체의진행방향에대하여경사진방향을따라서로마주하도록측정관의상류측과하류측에각각설치되며, 상호대응하여초음파를수신및발신하는초음파진동자와, 초음파진동자의작동을제어하며, 초음파진동자로부터전송된신호를이용하여측정관을통해흐르는유체의유량을측정하는컨트롤러를구비하며, 측정관은상호이격되어유로에각각고정되게설치되는한쌍의고정관과, 초음파진동자가설치되며한쌍의고정관사이에끼워져고정관에대하여회전가능하게결합되는회전관을포함하여이루어진것에특징이있다. 대표도 도 3 색인어 초음파진동자, 초음파유속계

70 명세서 발명의명칭 측정관및이를이용한회전형초음파유량계 {Flow measurement pipe and Rotation type ultrasonic flowmeter using the same} 발명의상세한설명 기술분야 본발명은유로를따라흐르는유체의유속및유량을측정하기위한유량계및유량계에채용되는측정관에대한것으로서, 보다상세하게는유체를통해전달되는초음파를이용하여유체의유속및유량을측정하는초음파유량계및이에채용되는측정관에대한것이다. 배경기술 상수를각가정과산업현장에공급하거나이로부터생성되는하수를다시배출하기위한상하수도를설치하는경우를비롯하여, 도시가스의공급, 송유관을통한원유의이송, 농업용수를위한개수로의설치및철강, 화학, 석유화학분야의냉각수의순환등오늘날가스나액체등유체를이용하고있는산업분야는수없이많으며, 이러한산업분야에서유체의유량을적절히조절하여관리하는것이매우중요한문제이다. 이렇게유체의유량관리가중요한산업현장에서는일반적으로유량계를사용하여유로내의유량을측정하고있으며, 오늘날에는유로에초음파진동자를설치하여이초음파진동자로부터초음파를수발신하여유속을측정하고, 이유속을이용하여유량을측정하는방법이가장광범위하게사용되고있다. 이렇게초음파진동자를이용한유량측정방법에사용되는장치가초음파유량계이다. 종래의초음파유량계가도 1에도시되어있다. 도 1은종래의초음파유량계와유속측정원리를설명하기위한개략적구성도이다. 도 1을참조하면, 종래의초음파유량계 (9) 는내측을통해유체가흐를수있도록중공형으로이루어진측정관 (1) 을구비한다. 이측정관 (1) 의양단에는상하수도관 (p) 등유로와의연결을위한플랜지부 (1a,1b) 가형성되어있다. 또한, 측정관에는새들 (5,6) 이마련된다. 이새들 (5,6) 은측정관 (1) 의축방향에대하여경사지게배치된다. 각새들 (5,6) 에는초음파진동자 (3,4) 가삽입되어설치되며, 두개의초음파진동자 (3,4) 는상호마주하게된다. 초음파진동자 (3,4) 는미도시된컨트롤러 ( 미도시 ) 와전기적으로연결되어컨트롤러에의하여제어된다. 위와같은구성으로이루어진초음파유량계 (9) 에서유량을측정하는원리를간단히설명하면다음의공식으로나타낼수있다. Q=A V 이때, Q : 유체의유량 A : 유로의단면적 V : 유체의평균속도즉, 유로에서유체의단면적과유체의유속을아는경우그유량을계산할수있는것이다. 유체가유로를모두채우고있다는전제하에유체의단면적은그유로의단면적과동일하다. 한편, 초음파유량계에서유체의유속측정은일반적으로전파시간차방법에의하여얻

71 어진다. 즉, 유체의진행방향 ( 측정관의축방향 ) 에대하여일정각도 (θ) 로한쌍의초음파진동자 (4,5) 를각기유로의 A지점과, 유체의유동방향상상기 A지점의하류측에위치하는 B지점에서로대면하도록설치한다. 유체가움직이지않는조건에서초음파진동자에서발사된초음파가유체를통해전파되는음속을 C라하고, 유체의평균속도를 V라고하며, 초음파진동자들사이의거리를 L이라하면, A지점에서발사된초음파가 B지점까지도달하는시간t AB 와 B지점에서발사된초음파가 A지점까지도달하는시간t BA 는각기다음과같다., 초음파가유체의진행방향에대해순방향 (A지점에서 B지점 ) 으로발사되는경우의전파시간은초음파가유체의진행방향에대해역방향 (B지점에서 A지점 ) 으로발사된경우의전파시간에비해서짧으므로, 시간의차이가발생한다. 위시간차를이용하여유체의속도를다음의식과같이구할수있으며, 유체의속도에유로의단면적을곱해유량을산출할수있다. 그러나, 위와같이시간차를이용하여유체의속도를구하는경우, 유체의진행방향과측정관 (1) 의축방향이서로나란하다는것을전제로성립된다. 그러나, 도 2에도시된바와같이, 측정관 (9) 이곡관부 ( 유체의진행방향이바뀌는영역 ) 에가깝게배치된경우에는유체의진행방향 (d) 이측정관 (9) 의축방향과서로나란하지못하고경사지게된다. 이렇게유체의진행방향이측정관 (9) 의축방향과경사지게된경우에는유체의속도가정확하게측정되지못하므로정확한유량산출도불가능해지는문제점이있었다. 또한, 상기한바와같이곡관부의영향이아니더라도유로내의장애물등으로인하여유체가난류로형성될수도있다. 이렇게유체가난류로형성되는경우유체중일부는측정관 (9) 의축방향에대하여경사지게진행될수있으므로, 위의경우와마찬가지로정확한유량산출이불가능해진다

72 발명의내용 해결하고자하는과제 본발명은상기한문제점을해결하기위한것으로서, 유체의진행방향이측정관의축방향에대하여경사지게형성된경우에도정확한유속및유량을산출할수있도록구조가개선된초음파유량계와, 이초음파유량계에사용되는측정관을제공하는데그목적이있다. 과제해결수단 상기한목적을달성하기위한본발명에따른회전형초음파유량계는내부를통해유체가흐르도록중공형으로형성되며, 유체의유속을측정하기위하여유로에설치되는측정관과, 한쌍으로이루어져상기측정관을통해흐르는유체의진행방향에대하여경사진방향을따라서로마주하도록상기측정관의상류측과하류측에각각설치되며, 상호대응하여초음파를수신및발신하는초음파진동자와, 상기초음파진동자의작동을제어하며, 상기초음파진동자로부터전송된신호를이용하여상기측정관을통해흐르는유체의유량을측정하는컨트롤러를구비하며, 상기측정관은상호이격되어상기유로에각각고정되게설치되는한쌍의고정관과, 상기초음파진동자가설치되며상기한쌍의고정관사이에끼워져상기고정관에대하여회전가능하게결합되는회전관을포함하여이루어진것에특징이있다. 본발명에따르면, 상기유로는내측을통해유체가흐를수있는파이프형상으로서상기파이프의내경은상기회전관의내경과서로동일하며, 상기회전관과각고정관사이에는베어링이개재되는것이바람직하다. 또한, 본발명에따르면, 상기회전관이위치고정되도록하는위치고정수단을더구비하는것이바람직하다. 효과 본발명에따른회전형초음파유량계는회전관을회전시킴으로써유속의측정영역을변경시킬수있을뿐만아니라, 측정영역의변경을통해유체의다양한영역을측정할수있어유속측정의오차율을현저하게감소시킬수있다. 또한, 본발명에서는소수의초음파진동자쌍만이설치된경우에도회전관의회전을통해다수의초음파진동자쌍이설치된다회선의효과를형성할수있어매우경제적이며, 유속과유량을정확하게측정할수있다. 이는배관은한번설치되면변하지않으므로유동형상이나조건이일정하기에더욱유효하다. 또한, 초음파유량계를설치하면장기간사용하게되므로유지보수가필수적인데, 수도관등유로가설치된공간이비좁은경우등작업공간이부족한경우회전관을회전시켜상대적으로넓은작업공간을확보할수있어유지관리가용이하다는장점이있다. 특히부단수 ( 不斷水 ) 로센서를교체할때교체장비를활용하게되어한쪽측면의공간이부족할때더욱효과적이다. 또한, 초음파진동자의설치위치를변경할수있어유체의거동을실험및연구하는데있어매우유용하다는장점이있다. 발명의실시를위한구체적인내용 이하, 첨부된도면을참조하여, 본발명의바람직한실시예에따른초음파유량계를

73 더욱상세히설명한다. 도 3은본발명의바람직한실시예에따른유량측정관과이를이용한회전형초음파유량계의개략적사시도이며, 도 4는도 3의 Ⅳ-Ⅳ선개략적단면도이고, 도 5는도 3에서초음파유량계를상호연결한타원면을평면적으로투영한도면이다. 도 3 내지도 5를참조하면, 본발명의바람직한실시예에따른회전형초음파유량계 (100) 는측정관 (10), 초음파진동자 (20) 및콘트롤러 ( 미도시 ) 를구비한다. 측정관 (10) 은상수도관, 하수도관등유체가흐르고있는유로 (p) 에끼워져설치되는것으로서, 그내측을통해유체가흐를수있도록중공의관형으로형성된다. 본실시예에서측정관 (10) 은회전관 (11) 과, 고정관 (12a,12b) 을구비한다. 고정관 (12a,12b) 은유로 (p) 의양단에각각고정되게설치된다. 각고정관 (12a,12b) 의끝단에는플랜지부 (13a,13b) 가마련되며, 이플랜지부 (13a,13b) 에는결합공 (16) 이형성되어있다. 마찬가지로상수도관등의유로 (p) 에도관통공 (c) 이형성된플랜지부가마련된다. 볼트 (b) 가관통공 (c) 과결합공 (16) 에끼워져너트 (n) 에나사결합됨으로써각고정관 (12a,12b) 은유로 (p) 에고정된다. 회전관 (11) 은고정관 (12a,12b) 의사이에끼워져회전가능하게결합된다. 더욱상세하게는고정관 (12a,12b) 의내주면과회전관 (11) 의외주면사이에는두개의볼베어링 (18) 이개재되어회전관 (11) 이회전가능하게지지된다. 또한, 본실시예에서, 회전관 (11) 의내경은유로 (p) 의내경과서로동일하게설정된다. 회전관 (11) 에는복수의새들 (15) 이부착된다. 새들 (15) 은후술할초음파진동자 (20) 가끼워져고정되는부분으로서회전관 (11) 의축방향에대하여경사지게배치된다. 새들 (15) 은중공형으로형성되며, 새들 (15) 이부착된지점의회전관 (11) 은천공되므로새들 (15) 은회전관 (11) 의내측과연통된다. 후술하겠지만, 본실시예에따른초음파유량계 (100) 는 5회선유량계이므로초음파진동자 (20) 가다섯쌍설치되므로, 새들 (15) 도다섯쌍부착된다. 다섯상의새들 (15) 은도 3에참조번호 h로표시된타원상에배치된다. 이타원은회전관 (11) 의축방향에대하여경사지게배치되어있다. 위의타원 (h) 을평면적으로투영시켜표현한도 5를참조하면, 새들 (15) 은회전관 (11) 의중앙부를기준으로양측에각각두개씩배치되어있음을알수있다. 각새들 (15) 에는초음파진동자 (20) 가끼워져설치된다. 초음파진동자 (20) 는각각쌍을이루어서로마주보게설치된다. 즉, 도 3의타원에서장축과평행한직선상에두개의초음파진동자가서로마주하여한쌍을형성하며, 5섯쌍이설치되어 5회선을이룬다. 도 5 에서참조번호 L1, L2, L3, L4, L5로표시된직선이각각하나의회선을형성하며, 이회선들 (L1~L5) 은회전관 (11) 의축방향에대하여경사지게배치된다. 각초음파진동자쌍은서로대응하여초음파를발신및수신한다. 즉, 유체의진행방향에있어서상류측에배치된초음파진동자로부터발사된초음파는유체를통해하류측에배치된초음파진동자에수신되며, 역으로하류측에배치된초음파진동자로부터발사된초음파는유체를통해전하되어상류측에배치된초음파진동자로수신된다. 컨트롤러 ( 미도시 ) 는각각의초음파진동자 (20) 와전기적으로연결되어초음파진동자 (20) 의작동을제어한다. 즉, 컨트롤러는초음파발사신호를전송하여상류측또는하류측에

74 있는초음파진동자로부터초음파가발사되게한다. 이렇게발사된초음파가유체를통해반대측에있는초음파진동자에수신되면, 수신신호는다시컨트롤러에전송되고, 컨트롤러는초음파발사신호를전송한시점부터초음파수신신호가도달한시점까지의시간을측정한다. 또한, 역으로초음파를수신했던초음파진동자가초음파를발사하게하고초음파를발사했던초음파진동자가초음파를수신하게하여시간을측정한다. 위두개의과정에서측정된초음파전파시간은위종래기술에서설명한바와같이상호차이가발생하며, 이시간차이를이용하여유체의유속을연산한다. 다만, 유체의유속은측정관 (10) 의전영역에서일정한것은아니며측정관 (10) 의중심부에서는빠르고주변부에서는측정관 (10) 과의마찰로인하여느리다. 따라서, 상기한바와같이, 관의직경방향을따라다섯쌍의초음파진동자를설치하여, 각쌍의초음파진동자들사이의영역을지나는유체의속도를개별적으로구한다. 각각구해진속도는예컨대가중계수들을곱하여평균유속으로환산될수도있으며, 가중계수를이용하지않고유속함수를설정하여유속을구할수도있다. 이렇게유속을구한후측정관 (10), 더욱엄밀하게는회전관 (11) 의단면적을곱해유량을산출하게된다. 종래기술에서도설명하였지만초음파진동자에의하여구해지는유체의속도는유체의진행방향이회전관 (11) 의축방향과동일함을전제로한다. 그러나, 회전관 (11) 의축방향과유체의진행방향은언제나상호일치하는것은아니다. 즉, 유체가측정관 (10) 으로유입되기전에일정시간동안직선구간의유로를지나온경우라면측정관 (10) 에유입된유체의진행방향과회전관 (11) 의축방향은서로평행하게되겠지만, 도 2에도시된바와같이측정관 (10) 에유입되기직전에유체가구부러진경로를지남으로써경로가변경된경우에는측정관 (10) 내에서의진행방향이회전관 (11) 의축방향과다르게될수있다. 따라서, 회전관 (11) 의축방향과유체의진행방향이서로다른경우에는유속과유량이정확하게산출될수없다. 본발명에서는상기한문제점을해결하기위하여, 회전관 (11) 이회전될수있도록구성하였다. 회전관 (11) 은원통형이므로회전을하는경우에도유체가함께회전하거나진행방향이바뀌지는않지만, 초음파진동자쌍은회전하므로초음파진동자쌍에의하여측정되는유체의영역은변경된다. 이에따라, 유체의진행방향과회전관 (11) 의축방향이서로다른경우, 회전관을회전시킴으로써초음파진동자쌍에의하여측정되는유체의영역을변경시켜유속측정의오차율을최소화시킬수있다. 이하, 도 6을참조하여상세히설명하기로한다. 도 6은본발명에따른회전형초음파유량계의회선증가효율을설명하기위한개략적투영도이다. 도 6에도시된회전형초음파유량계는 2회선으로참조번호 41a, 41b로표시된초음파진동자쌍과, 42a, 42b로표시된초음파진동자쌍이설치되어있다. 두쌍의초음파진동자 (41,42) 가설치되어있다. 도 5의실선으로표시된바와같이회전하기전기본상태에서의각초음파진동자쌍은각각 K1, K2로표시된영역을통해초음파를수발신하므로, K1, K2로표시된영역을지나는유체의속도를측정하게된다. 그러나, 회전관 (11) 을일정각도 (α) 회전시키면, 도 5의가상선으로표시된바와같이, 각초음파진동자쌍은각각 K3, K4로표시된영역을통해초음파를수발신하므로, K3, K4로표시된영역을지나는유체의속도를측정하게