초음파 유량계 document_id A220623036998

초음파 유량계들의 측정의 정확성은 일반적으로 측정 튜브를 통과하는 유체가 불규칙하게 흐를 때 즉 완전히 발전된 층류 또는 난류의 흐름 양상으로부터 벗어난 경우 저하된다. 이러한 불규칙성은 파이프 직경들의 변경 또는 유체의 유로를 따르는 굽힘들에 기인할 수 있다. 이러한 불규칙성은 일반적으로 세 가지 항목들로 세분화된다: 축방향 외란들(axial disturbances), 보틱스(vortices)와 같은 접선방향 외란들(tangential disturbances), 및 반경방향 외란들(radial disturbances). 접선방향 및 반경방향 외란들은 실제적인 유량의 체적 변화를 초래한다. 또한, 그것들은, 이하에서 기술되는 바와 같이, 초음파 측정들에 영향을 미친다. 초음파 유량계는 전형적으로 적어도 두 개의 초음파 컨버터(ultrasonic converter)들을 포함하며, 이들 두 개의 초음파 컨버터들은 하나의 초음파 컨버터 짝(ultrasonic converter pair)을 구성하며 흐름의 방향에서 상호 이격된 위치에 설치된다. 이러한 초음파 컨버터들 중 어느 하나는, 유체를 통과하며 다른 초음파 컨버터에 수신될, 초음파 신호를 발사한다. 이러한 시스템 설계는 통상적으로 초음파 신호를 수신한 초음파 컨버터가 수신된 초음파 신호를 발사할 수 있도록 한다. 이러한 방식으로, 초음파 신호들은 흐름의 방향을 따라 또는 반하여 흐르는 유체를 교차적으로(alternately) 통과한다. 흐르는 유체의 편승 효과(entrainment effect)로 인하여 흐름 방향을 따를 때와 흐름 방향에 거스를 때의 실행시간(runtime)이 다르게 된다. 흐름 방향에 상대적인 음파 경로의 길이 및 각도가 알려지면, 흐름 방향을 따를 때와 거스를 때에서의 실행시간들에 의해 유체의 유량이 결정될 수 있다. 예를 들어 파이프라인(pipeline)이 우측 또는 좌측으로의 굽힘(bend)에 의한 상방 또는 하방의 굽힘을 포함하면, 흐름의 양상은 축방향 뿐만 아니라 접선방향의 불규칙성을 갖게 된다. 더욱이, 접선방향의 외란(disturbance)은 음파 측정 경로를 따라 또 다른 속도 성분을 추가할 수 있으며, 따라서 총 유량 결정의 기초가 되는 실행시간이 왜곡된다. 현재까지, 이러한 문제에 대한 해결책은 하나의 공통 평면에서 상호 교차하는 두 개의 측정 경로들 중에서 최소의 것을 채택하는 것이었다. 흐름 방향에서 두 개의 측정 경로들의 각도들이 동일하다면, 바람직하지 못한 접선방향 및 반경방향의 속도 성분들은 이러한 두 개의 경로들에 따라 결정되는 유량들을 평균함으로써 제거될 수 있다. 여기에는 적어도 두 배의 많은 초음파 컨버터들이 필요하다는 한 가지 단점이 있다. 측정 튜브 내에 추가적인 초음파 컨버터들을 수용하는 것은, 다시 흐름의 외란들을 더 추가하는, 측정 튜브의 벽에 컨버터 포켓(converter pocket)들을 통상적으로 필요로 한다. 전술한 문제점을 해결하는 다른 해결책은 V자형의 신호 경로들을 사용하는 것이었다. 채택된 방법은 측정 튜브에서 공통의 일측에 설치되는 초음파 컨버터 짝의 두 개의 초음파 컨버터들을 제공하며, 이때 초음파 리플렉터는 측정튜브의 타측에 위치된다. 각 평면에서 측정 튜브의 곡률에 따라, 초음파 리플렉터는, 사실상 측정 튜브 자체의 내측벽으로 구성될 수 있거나, 별개의 초음파 리플렉터가 예를 들어 평판의 형상으로 설치될 수 있다. 이는 선행 기술 부분이며 또한 이하에서 추가 기술되는 본 발명에 또한 적용된다. 이러한 경우, 하나의 초음파 컨버터에 의해 발사된 초음파 신호는 V자형의 신호 경로를 따라 초음파 리플렉터에 의해 초음파 컨버터 짝의 다른 초음파 컨버터로 향한다. 유사하게, 초음파 신호는 반대 방향으로 전파될 수 있다. 전술했듯이, 이에 의해 평균 작업을 통하여 접선방향 및 반경방향의 성분들의 제거를 가능케 하는 구성이 만들어진다. 이러한 해결책의 주 이점은 어떠한 추가적인 초음파 컨버터들이 필요하지 않다는 것이다. US 200410011141은 전술한 유형의 초음파 유량계를 기술한다. 상기 공보에 기술된 장치는 상호 평행한 평면들을 따라 연장된 복수의 V자형의 신호 경로들을 사용한다. 초음파 컨버터 짝들과 초음파 리플렉터들은 초음파 유량계의 측정 튜브에서 다른 측면들 상에 설치된다. 이러한 설계의 한 가지 이점은, 적어도 최상측의 그리고 최하측의 V자형의 신호 경로들이, 측정 튜브의 내측벽으로부터 오로지 작은 최대 거리에 위치될 수 있다는 것이다. 사실상, 측정 튜브의 내측벽으로부터의 최소 거리는 개선된 측정의 정확도를 유도하는데, 그 이유는 이러한 유형의 신호 경로가 매우 정밀한 감지와 특히 축방향의 불규칙성의 제거를 가능케 하기 때문이다. 더욱이, 모든 초음파 컨버터들을 측정 튜브의 하나의 단일측 상에 함께 위치시키는 것은, 특히 측정 튜브가 매우 어렵게 접근될 수 있는 경우 특히 일측으로부터만 접근될 수 있는 경우, 유지 보수가 용이하게 된다. 전술한 바와 같이 상호 평행한 평면들에 있는 V자형의 신호 경로들을 사용하는 것은 반경방향 및 접선방향의 흐름 외란들을 제거함에 있어, 앞서 언급한 전통적인 신호-경로 구성들에서 달성되는 것보다 실질적으로 더 효과적임이 밝혀졌다. 하지만, 테스트 결과 여전히 약 1.5%의 에러율이 여전히 있음이 드러났다.