플라스틱으로 이루어진 초음파측정부품 그리고 그에상응하는 측정방법

플라스틱으로 이루어진 초음파측정부품 그리고 그에 상응하는 측정방법 {ULTRASOUND MEASURING SECTION MADE FROM PLASTIC AND CORRESPONDING MEASURING METHOD}

본 발명은 독립 청구항들에 상응하는 플라스틱 초음파측정부품 그리고 초음파 측정방법에 관한 것이다.

산업 분야에서 흐름을 결정하기 위한 가장 중요한 방법으로 전파 시간차 방법이 개발되었다. 상기 전파 시간차 방법은, 한 초음파 신호의 확장 속도가 확장이 이루어지는 매질의 유동 속도에 의존한다는 사실을 활용한다. 그에 상응하게, 초음파 신호는 흐름 방향과 반대로, 흐름 방향의 경우보다 더 느리게 이동한다. 기술적인 변환은 가급적 동일한 전송 기능을 갖는 두 개의 초음파 변환기를 사용하여 이루어진다. 전파 시간차를 검출하기 위하여, 초음파 펄스는 매질에 의해 유동 방향으로, 즉 제 2 반대 방향으로 전송된다. 이 경우에는 두 개의 센서가 송신기 및 수신기로서 교대로 동작한다.

종래 기술, 특허 및 특허 출원서에는 전술된 원리로 동작하는 다수의 변형 실시예들이 공지되어 있다.

플라스틱으로 이루어진 다수의 공지된 측정 장치들은 측정을 위해서 필요한 초음파 변환기의 소위 일직선(colinear) 배열 상태를 이용하는데, 다시 말해 초음파 변환기들은 서로 직접 마주 보도록 배치되어 있다. 그 결과, 유동 가이드는 직선일 수 없고, 오히려 예를 들어 일직선으로 배열된 측정 챔버 안에 u자 모양으로 결합될 수밖에 없으며, 이를 위해서는 몰드로부터 분리될 수 있는 사출 성형 몰드가 제조될 수가 없다. 사출 성형 몰드는 오히려 두 개 또는 다수의 부분들로 제조되어야만 하고, 함께 용접되어야만 한다. 이와 같은 내용은 예를 들어 WO-A1-94/21989호에서 제안되었으며, 이 경우 측정부품은 U자-모양으로 형성되었다. 이 경우의 단점은, 측정부품이 다수의 부분들로부터 함께 용접되어야만 한다는 것이며, 이와 같은 용접으로 인해 측정부품 내에서는 어쩔 수 없이 용접 심(seam)이 야기된다. 이와 같은 용접 심은 입자 형성의 경우에는 바람직하지 않다.

DE-A1-39 41 544호에는, 초음파가 두 개의 신호 변환기 사이에 형성된 "W"자 모양의 방사선 경로를 통과하는 초음파 측정 장치가 공지되어 있다. 음파는 우선 관의 하부 벽에서, 그 다음에는 상부 벽에서, 그리고 마지막으로는 재차 관의 하부 벽에서 반사된다. 음파의 일부분은 관의 하부 벽에서 이루어지는 단 한 번의 반사에 의해 하나의 경로를 통과한다. 이와 같은 음파들은 하부 벽에 댐퍼를 설치함으로써 감쇠 된다.

EP-B1-0 521 855호는 유사한 흐름 측정기를 기술하고 있다. 하지만 상기 간행물에서는 반사 면들이 구부러져 있음으로써, 음파는 포커싱 된다. 하부 관의 벽은 포커싱 작용하는 면들 사이에 하나의 디포커싱 작용하는 반사 면을 갖는다. 이 경우에는 "V"자 모양의 경로를 따라 측정용 관을 통과하는 음파들의 부분이 댐핑 된다. 하지만 이와 같은 조치들에 의해서도 음향 신호는 흐름 측정기에 의해 강하게 댐핑 되고, 수신-신호 변환기는 "V"자 모양의 경로를 따라 관을 통과하는 음파들과 중첩되는 약한 신호를 수신한다. 신호 변환기가 약한 신호를 수신하면, 상기 신호 변환기는 장애에 민감하다. 이와 같은 내용은 기계적인 소음에 적용될 뿐만 아니라 전자기적인 잡음에도 적용된다.

EP-A1-0 538 930호에는, 횡단면 상으로 볼 때 벽이 타원 모양의 프로파일을 갖는 측정용 관이 도시되어 있다. 타원의 초점에는 초음파 송신기 및 초음파 수신기가 각각 한 대씩 배치되어 있다. 측정용 관의 중앙에서는 마찬가지로 타원 모양으로 형성되었거나 또는 유동 방향으로 향하는 피크를 갖는 타원 형태로 형성된 프로파일을 갖는, 방해물로서 형성된 삽입물이 세로 방향으로 연장된다. 이와 같은 삽입물에 의해서는, 측정용 관의 벽에서 반사가 이루어지지 않은 상태에서 초음파가 송신기로부터 직접 수신기에 도달하는 경우가 피해진다. 초음파 송신기 및 초음파 수신기는 측정용 관의 축 방향 중심 축 상에 배치되어 있다.

측정부품을 비스듬하게 또는 V자 모양으로 통과할 수 있도록 하기 위해서 개발된 상기와 같은 공지된 구조물들은 플라스틱 특성 및 필요한 측정 정확성 때문에 사용될 수 없다.

전술한 종래 구조물들의 추가의 한 단점은, 기포 또는 입자를 형성하는 경향이다. 특히 서문에 언급된 간행물들의 경우에는 함몰부(dent) 또는 에지가 존재하는데, 상기 함몰부 또는 에지 안에는 기포 및 입자가 수집되어 측정 결과를 왜곡할 수 있다. 그와 동시에, 유동 기술적으로 바람직하지 않은 각진 형상을 갖는 다수의 유입 장소들은 불순물에 의해서 오염되기 쉽다.

본 발명의 목적은, 전술한 단점들을 피하는 동시에 흐름 측정을 왜곡할 수 있는 기포 또는 입자가 그 내부에서 형성되지 않는 초음파측정부품 그리고 흐름 측정방법을 제시하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정 신호 내부의 간섭이 예방되는 초음파측정부품 그리고 흐름 측정방법을 제시하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은, 하나의 섹션으로부터 사출 성형에 의해서 일체로, 내부 용접 심 또는 기포 혹은 입자 형성 없이 플라스틱으로부터 초음파측정부품을 만들기 위한 방법을 제시하는 것이다.

상기 과제들은 본 발명에 따라 독립 청구항들에 의해서 해결된다.

특히 상기 과제들은, 유체의 흐름을 측정하기 위해서 사용되는 플라스틱 초음파측정부품에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 측정부품은 유체의 유동 방향으로 떨어져 있는 두 개의 초음파 송·수신 변환기를 포함하며, 이 경우 음은 상기 송·수신 변환기 사이에서 두 개 이상의 반사기에 의해 z자 모양으로 가이드 될 수 있다.

특히 상기 과제들은, 본 발명에 따른 초음파측정부품을 이용한 흐름 측정방법에 의해서도 해결되며, 이 경우 음은 송·수신 변환기 사이에서 두 개 이상의 반사기에 의해 z자 모양으로 안내된다.

상기 과제들은 또한 본 발명에 따른 초음파측정부품을 만들기 위한 방법에 의해서도 해결되며, 상기 방법은 아래와 같은 처리 단계들로 실시된다:

(a) 함께 층계 모양의 윤곽을 형성하는 확장되는 두 개의 슬라이드를 인접 배치하는 단계,

(b) 사출 성형에 의해서 슬라이드 주변에 측정부품을 만드는 단계, 그리고

(c) 상기 두 개의 슬라이드를 여러 측에서 측정부품으로부터 인출하는 단계.

바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 측정부품의 한 가지 장점은, 상기 측정부품이 하나의 섹션으로부터 사출 성형에 의해서 만들어질 수 있다는 것인데, 그 이유는 두 개의 슬라이드를 사용함으로써 가공품을 몰드로부터 분리할 수 있다는 것이다. 용접 심, 다시 말해 잠재적인 입자 형성은 전혀 존재하지 않는다. 또한, 공기- 또는 가스 거품은 액체 내부에 고착되기가 어렵고, 측정부품을 신속하게 통과할 수 있으며, 이와 같은 사실은 측정 왜곡 가능성을 충분히 방지한다.

바람직하게 측정부품은 층계 모양으로 구현되며, 반사기로서는 사용된 플라스틱의 성질에 따라 외벽(측정부품을 둘러싸는 공기에서의 반사), 내벽(측정부품의 플라스틱에서의 반사), 상기 외벽에 설치된 또는 삽입부로서 플라스틱으로 사출된, 예를 들어 금속과 같이 관련 반사용으로 적합한 재료로 이루어진 반사기가 이용된다. 상기 플라스틱 벽이 관통되어야만 하는 경우에, 관통될 플라스틱 벽은 반사기의 전체 범위에 걸쳐서 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.

도 1은 초음파 송·수신기 및 반사기를 구비한 본 발명에 따른 초음파측정부품의 사시도이고,

도 2a는 뒤로 물러난 음 경로를 갖는 본 발명에 따른 초음파측정부품의 단면도이며,

도 2b는 본 발명에 따른 초음파측정부품의 층계 모양의 실시예를 명확하게 볼 수 있는 도 2a의 측면도이고,

도 3은 두 개의 슬라이드를 제조하는 동안에 본 발명에 따른 초음파측정부품을 도시한 단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 측정부품을 제조하기 위해서 사용되는 두 개의 슬라이드의 사시도이고,

도 5a 내지 도 5d는 반사기를 측정부품에 설치하는 네 가지 다양한 방법이며,

도 6a 내지 도 6d는 도 5a 내지 도 5d에 상응하는 도면이나, 본 도면의 각각의 실시예에서는 반사기가 있는 장소에 반경이 추가로 제공되어 있다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 초음파측정부품 2: 초음파 송·수신 변환기

3: 초음파 송·수신 변환기 4: 반사기

5 ₁ , 5 ₂ : 좌측 및 우측 연결부 6: 초음파 경로, 측정부품 경로

7: 온도 측정 센서 8: 우측 슬라이드

9: 좌측 슬라이드

도 1은 유체의 유동 방향으로 떨어져 있는 두 개의 초음파 송·수신 변환기(2, 3)를 포함하는 본 발명에 따른 초음파측정부품(1)을 보여주고 있다. 상기 송·수신 변환기(2, 3)에 의해서 검출된 음은, 이 음이 다시 제 2 송·수신 변환기(3, 2)에 의해서 수신되기 전에 두 개의 반사기(4)를 거쳐 측정부품(1)을 통과하게 된다. 전파 시간차 그리고 그와 더불어 유동 속도를 검출하기 위하여, 초음파 펄스는 매질을 통해 유동 방향, 즉 제 2의 반대 방향으로 전송된다. 이 경우 두 개의 센서(2, 3)는 교대로 송신기로서 및 수신기로서 동작한다. 초음파측정부품(1)은 두 개의 단부에 두 개의 연결부(51, 52)를 가지며, 상기 연결부들은 도시된 실시예에서 둥글게 형성되었다. 상기 연결부(51, 52)에서는 측정부품이 도면에 도시되지 않은 외부 장치에 연결되며, 상기 외부 장치는 측정부품(1)을 통과하는 유체를 안내한다. 초음파측정부품(1)은 사출 성형 방법에 의해서 하나의 부품으로 제조되었다. 상기 초음파측정부품은, 예를 들어, 순도가 높은 테플론으로부터 제조될 수 있다. 초음파측정부품(1)에 의해서는, 예를 들어, 가스 또는 액체의 흐름이 측정될 수 있다. 상기 측정부품(1)에 연결된 평가 전자 장치는 종래 기술에 공지된 전자 장치들과 다르지 않다.

도 2a는 전술한 소자, 즉 초음파 송·수신 변환기(2, 3) 및 반사기(4)를 포함하는 본 발명에 따른 초음파 부품(1)의 한 단면을 보여주고 있다. 측정부품(1) 안에서의 초음파 경로는 도면 부호(5)로 표기된다. 측정부품(1)은 본 발명에 따라 층계 모양으로 설치된 관통구로서 구현되어 있다. 도 2b는 도 2a의 측면도를 명확하게 해주며, 본 도면에서는 본 발명에 따른 초음파측정부품의 층계 모양의 실시예를 볼 수 있다. 상기 관통구의 경사부에는 두 개 이상의 반사기(4)가 있으며, 상기 반사기들은 초음파 송·수신 변환기(2, 3)에 의해서 반사되어 전달된다. 본 발명에 따른 측정부품(1)은 단 하나의 사출 성형부로 이루어지고, 유체를 위한 직선의 관통구를 갖는다. 따라서, 측정부품(1) 안에서는 흐름 측정 결과를 왜곡할 수 있는 기포 또는 입자가 전혀 형성되지 않는다. 측정 신호의 간섭이 배제될 수 있다. 따라서, 도 2a에서 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 음은 송·수신 변환기(2, 3) 사이에서 두 개의 반사기를 거쳐 z자 모양으로 층계 모양의 관통구/측정부품(1)을 통과하게 된다. 그와 동시에 측정부품(1)의 벽 안에는 온도측정센서(7)가 있을 수 있으며, 상기 온도 센서는 측정 데이터 평가시에 온도가 함께 포함될 수 있게 해준다.

본 발명에 따른 측정부품(1)을 제조하기 위한 방법은 도 3 및 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 제 1 단계에서는 두 개의 확장 슬라이드(8, 9)가 상호 인접하여 배치된다. 상기 두 개의 슬라이드(8, 9)는 함께 상기 측정부품(1)의 층계 모양의 윤곽을 형성한다. 상기 측정부품(1)은 사출 성형 방식에 의해서 슬라이드(8, 9) 주변에 만들어진다. 그 다음에 상기 두 개의 슬라이드(8, 9)는 각각 상이한 측에서 측정부품(1)으로부터 인출될 수 있다. 도 3은 두 개의 슬라이드(8, 9)를 제조하는 동안에, 본 발명에 따른 초음파측정부품(1)의 한 단면도를 도시하고 있다. 측정부품(1) 밖에 제공되어야만 하는 모든 소자들은 다음 단계에서 설치될 수 있다: 초음 파 송·수신 변환기(2, 3), 온도 측정 센서(7) 및 경우에 따라서는 외부로부터 설치될 반사기(4).

본 발명에서는 사용된 플라스틱의 성질에 따라 외벽(도 5a, 측정부품(1)을 둘러싸는 공기에서의 반사), 내벽(도 5b, 측정부품(1)의 플라스틱에서의 반사), 상기 외벽에 설치된(도 5c) 또는 삽입부로서 플라스틱으로 사출된, 예를 들어 금속과 같이 관련 반사용으로 적합한 재료로 이루어진 반사기(도 5d)가 이용된다. 상기 적합한 재료는 당연히 사용된 각 플라스틱의 음향적 특성들에 개별적으로 매칭되어야만 한다. 따라서, 본 발명은 매질에 접촉하는 금속 반사기를 전혀 사용하지 않는다. 플라스틱 벽이 관통되어야만 하는 경우에는, 관통될 플라스틱 벽이 반사기의 전체 범위에 걸쳐서 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.

제조 허용 오차를 보상하고 상기 측정부품(1)의 온도에 따른 길이 변동을 보상하기 위하여, 반사기들은 반경을 가질 수 있으나, 이와 같은 사실은 수신 신호를 약화시킨다. 상기 반경의 크기는 사용된 각각의 재료에 의존한다. 도 6a 내지 도 6d의 실시예들은 도 5a 내지 도 5d의 실시예에 상응하나, 각각의 상응하는 실시예들에는 추가로 반경이 제공되었다.