Design and Implementation of an Ultrasonic Flowmeter Based on the Cross-Correlation Method 논문 링크
Abstract
Ultrasonic Flowmeter는 산업 생산, 항공우주, 기타 분야에서 중요한 역할을 함. 본 논문에서는 cross-correlation method 기반으로 한 고정밀 ultrasonic flowmeter를 설계하고 COMSOL Multiphysics 5.6 SW를 통해 유량 측정 시 ultrasonic wave의 propagation과 cross-correlation 과정을 시뮬레이션 함.
(알고리즘)Cross-correlation 알고리즘은 python으로 시뮬레이션 됨. Flow meter는 cross-correlation 알고리즘을 채택해 ultrasonic time of flight 의 측정 정확도를 향상시키고 FPGA와 embedded microprocessor 를 결합하는 방식을 채택하여 작동 효율성을 향상시킴
(검증) flow meter의 performance(성능)을 verify(검증)하기 위해, still water dragging method(정수항력법), dynamic volume methode(동적 체적법), field comparison method(현장비교법) 을 각각 이용하여 국립 계량원과 자체 구축 시험대에서 flow meter를 test함.
(결론) 높은 유속(26m/s) 와 DN6~DN1600 범위의 파이프 직경 조건에서 flow를 테스트할 수 있는 ability 를 갖고 있고 relative indication error(상대표시오류)의 absolute value이 0.815%를 초과하지 않는 걸 보여줌. Repeatability 는 0.150% 를 초과하지 않음
*relative indication error: 실제 값과 측정된 값의 차이를 백분율로 표현
*Repeatability: flow meter가 동일조건에서 반복적으로 동일한 결과를 제공하는 능력
-> 논문 쓸때 이 두 가지 성능에 대해서 test 한 거 쓸듯
Introduction
산업 생산의 control 및 detection 과정에서 flow는 중요한 참조 지표, 산업 생산의 안정적인 운영에 중추적 역할함. At present, flow measurement는 medical, petroleum(석유), gas, heating, aerospace 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있음. Liquid flow를 어떻게 정확하게 측정하는 가는 생산과정과 생활과정에서 중요한 문제.
Liquid- measuring instruments(액체 측정 장비)에는 주로 electromagnetic flowmeters, turbine flowmeters, vortex flowmeters, ultrasonic flowmeters가 포함됨. 다른 유형의 flowmeters와 비교하여,
(장점/특징)
ultrasonic flowmeters는 쉬운 설치, simple working principle, strong adaptability to pipe diameter(직경), high measurement accuracy, fast response speed 등 장점을 갖고 있음. 이는 군사 및 민간 사용의 다양한 분야에서 매우 중요한 적용 가치를 갖고 있음.
Ultrasonic flowmeters의 측정원리는 frequency difference method, quartz oscillator method, beam shift method, time difference method 등 있음.
(frequency difference method) ultrasonic wave가 fluid 내에서 propagates 되면, fluid 에 포함된 bubbles(기포)와 fine particles(미세 입자)가 ultrasonic signal의 scattering과 refraction(굴절) 을 일으켜 ultrasonic transmitting point(송신점)와 receiving point(수신점) 사이에 freuquency difference가 발생함. 이 freuqeuncy difference를 측정하여 fluid flow rate(유체 유량)를 측정할 수 있음.
이 방법은 fluid 내 solid particles 의 movement에 의해 발생하는 sound wave(암파)의 doppler frequency shift (도플러 주파수 편이)에 따른 fluid velocity를 측정하는 방법인데, 유체에 입자나 기포가 포함되어 있어야하므로 순수한 물을 측정하는 데는 적합 X
(beam deflection(빔 편향) method) 이 방법은 ultrasonic deflection 의 angle을 통해 flow를 측정하는 구현하며, low flow velocity 의 condition에서 정확도가 낮기 때문에 high flow velocity 환경에 적합함.
(time difference method) 이 방법은 certain distance 내에서 downstream 및 upstream directions을 따라 ultrasonic signal의 TOF를 기반으로 fluid velocity를 측정함. 이 방법은 원리가 간단하고 실용성이 뛰어나 널리 사용되어 왔음.
측정 중에 TOF 초음파 유량계는 insert type을 사용하여 sensor를 pipeline 내부에 배치하거나 외부 clamp type을 사용하여 sensor를 pipeline 외부에 배치할 수 있음. inser type ultrasonic flowmeter는 pipleline을 수정하는 작업이 필요할 수 있는 반면, outer(외부) clamp-type ultrasonic flowmeter는 pipeline을 수정할 필요 x (여기서 수정은 유량계 설치할 때 물리적인 작업을 의미) sensor는 detachable(탈부착가능)하며 편리하고 사용하기에 빠름, 활용 범위가 넓으나 accuracy는 더욱 향상될 필요가 있음. ultrasonic flowmeter의 measurement accuracy를 높이는 핵심은 TOF의 정확한 측정임.
현재 TOF를 측정하는 두 가지 일반적인 방법은 zero-crossing detection method와 cross-correlation method임.
zero-crossing detection method와 비교하여 cross-correlation method is only related to the similarity of the signals (신호의 유사성에만 관련되며) noise signal의 interfere(간섭)에 쉽게 받지 않음. 이는 upstream 및 downstream directions에 따라 ultrasonic signal의 TOF를 보다 더 정확하게 결정하고 measurement accuracy를 향상시킬 수 있음.
-> 오호
최근 몇년동안 초음파 유량계의 측정 정확도와 안정성을 향상시키는데 많은 성과들이 있었음 영국의
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In this work (본 연구에서는) ultrasonic flow measurement에 대한 이론적 연구를 기반으로 cross-correlation을 기반으로 한 ultrasonic flowmeter를 design(설계하고) flowmeter의 function verification 및 performance teset를 수행함.
section 2에서는 ultrasonic flowmeter의 measurement principle 설명하고 section 3에서는 COMSOL SW를 통한 ultrasonic flow measurement simulation 및 modeling 을 설명하고 python을 통해 cross-correlation 알고리즘의 구현 과정을 시뮬레이션함. section 4에서는 ultrasonic meter의 HW 및 SW 설계에 대해 설명함. section5에서는 test에 사용된 methodology(방법론)과 data analysis(데이터 분석)을 설명. section6에서는 결론을 요약함.
4. ultrasonic flowmeter의 설계
4.1 전체 계획 설계
전체 측정 시스템은 ultrasonic flowmeter, ultrasonic transducer, temperature sensor, a connecting wire, 고정 장치 및 컴퓨터로 구성됨. ultrasonic flowmeter는 파이프 외부에 고정된 ultrasonic transducer와 연결됨. connecting line을 통해 온도 센서와 연결되어 파이프의 온도를 실시간으로 수집하여 온도를 통해 초음파 sound speed(음속)을 보정함. 초음파 유량계는 일반적으로 독립적으로 작동함. USB 인터페이스를 통해 컴퓨터에 연결하면 유량계를 컴퓨터로 원격 제어할 수 있으며, 기기에 기록된 원본 정보를 USB 인터페이스를 통해 자세히 분석하고 표시할 수 있음.또한 파이프라인 매개변수, 매체 매개변수 및 유량 측정 구성 정보와 같은 교정 데이터도 가져올 수 있음.
4.2 Hardware Circuit Design
- Embedded Microprocessor 와 FPGA controller는 측정 system의 전체 control 기능을 완성하기 위한 control module (제어모듈)임
- sensor drive module은 주로 2개의 ultrasonic transducer를 switch (전환) 및 drive(구동)하고 온도 센서를 control하는데 사용됨
- echo signal conditioning module은 주로 ultrasonic transducer에 의해 수신된 신호의 filtering, amplification, ADC 를 완료함.
- time measurement module은 주로 초음파 신호의 송신부터 수신까지의 시간 측정을 완료함
- communication, display, storage module은 주로 초음파 유량계 및 외부 통신, 유량계 관련 매개변수 및 작동 표시 상태는 물론 echo waveform, 속도 및 유량과 같은 정보 저장(storage module인듯)을 담당함.
본 논문은 초음파 유량측정 시스템 H/W 구축을 위해 FPGA와 embedded microprocessor의 조합을 사용함. 이는 각 칩의 장점을 활용하고 system의 운영 효율성을 향상 시킬 수 있음.
- FPGA는 parellel control (병렬 제어), massive data pro-cessing (대용량 데이터처리) 등에 장점이 있어 초음파 신호 전송, 초음파 echo 신호 처리, 데이터 저장 및 time data readback (시간 데이터 피드백 제어)에 사용함.
- embedded microprocessor는 알고리즘 구현에 이점이 있음. 따라서 주로 cross-correlation 알고리즘 및 quadratic interpolation (2차 보간) 알고리즘, USB 인터페이스 통신, 온도 측정, OLED 디스플레이 및 time chip control 의 구현을 완료
* embedded microprocessor는 알고리즘 구현에 이점이 있는 이유
: 애초에 특정 응용 프로그램에 특화된 HW 로 설계됨, 이는 알고리즘의 실행을 위한 최적화된 HW 및 주변 장치 포함 (종종 여러 주변장치와 통합되어있는데, 이는 알고리즘의 구현이 주변 장치와의 효율적인 통합을 위함)
*사용된 임베디드 MCU
: STMicroelectronics의 STM32F103C8T6 - cross-correlation 알고리즘의 실현 플랫폼으로 사용
*사용된 FPGA
: Xilinx의 XC6SLX9 칩 - 최대 작동 주파수: 667MHZ
- 상호상관 알고리즘을 구현하기 위해서는 정확한 아날로그 신호를 획득해야 합니다. 초음파 변환기의 전송 신호 주파수는 최대 5MHz에 도달할 수 있으므로 아날로그 신호 획득을 위해 충분히 높은 샘플링 속도가 보장되어야 수신된 아날로그 신호가 왜곡되지 않습니다.
- AD9226은 샘플링 속도가 65MSPS인 12비트 ADC로 두 채널의 아날로그 획득을 실현할 수 있습니다.
*여기서 두 채널이 의미하는 것은 두 개의 독립적인 analog 입력 신호임, 즉 두개의 다른 analog 입력 신호를 동시에 샘플링할 수 있음
6. conclusions
전통적인 flow(유량) 측정기술과 비교하여, ultrasonic flow measurement 기술은 측정 정확도, 측정 range 와 portability(휴대성) 측면에서 이점을 갖고 있음. 논문에서는 초음파 유량 측정의 실제 수요에 따라 국내외 동일한 유형의 초음파 유량계의 연구 현황 및 개발 동향을 결합하여 초음파 유량 측정 관련 이론을 연구하고 클램프 설계를 수행. clamp-on ultrasonic flowmeter는 cross-corretion method를 기반으로 제안되었음.
*clamp-on ultraosnic flowmeter: 유체의 유속을 측정하기 위한 장치로, 센서는 파이프나 튜브의 외부에 부착되며 초음파 파동을 이용하여 유속 측정
(모델링) -> 나의 경우, MATLAB에서 초음파 유량 측정의 모델링, 시뮬레이션 및 분석
본 논문에서는 COMSOL S/W 를 통해 초음파 유량 측정의 모델링, 시뮬레이션 및 분석을 수행하고 다양한 유체 상태에서의 backgroud flow와 파이프 직경이 초음파 신호 propagation에 미치는 영향을 분석함.
(알고리즘 구현)
cross-corretion 알고리즘의 구현 process는 python을 통해 시뮬레이션되며, 이는 cross-corretion의 후속 적용을 위한(실제 system에 적용하기 위한..) 기반을 마련함. embedded microprocessor와 FPGA의 설계된 조합은 각각의 장점을 최대한 활용하고 system의 작동 효율성을 향상시킬 수 있음.
(검증)
설계방안의 타당성을 검증하기 위해 정수항력법, 동적체적법, 현장비교법을 각각 이용하여 중국과학원과 자체 제작한 장치에 대한 기능검증 및 성능시험을 실시.
- Static Calibration Method (정수 항력법): 시스템의 출력을 검증하기 위해 정지된 상태에서 입력 신호를 적용하는 방법, 측정값과 실제 값을 비교하여 시스템의 정확성을 평가 (이 방법은 특히 정확한 기준이 있는 경우에 사용)
- Dynamic Calibration Method(동적 체적법): 시스템의 동적인 응답을 검증하기 위해 시간에 따라 변하는 입력 신호를 적용하는 방법, 시스템의 동작이 실제 환경에서 얼마나 정확하게 재현되는지를 평가
- Field Comparison Method (현장 비교법): 이 방법은 시스템을 실제 운영 환경에서 다른 독립적인 측정 장비와 비교하여 평가하는 방법/ 다른 독립적인 측정 장비를 사용하여 신뢰성을 높일 수 있습니다.
(결과)
테스트 결과는 작은 직경(DN6), 기존 직경(DN15, DN26 및 DN55) 및 큰 직경(DN1600) 조건에서 유량계의 상대 지시 오차의 절대값이 0.815%를 넘지 않는 것으로 나타났습니다. 반복성은 0.150% 이하이며 높은 유속(26m/s)에서도 유량을 측정할 수 있습니다. 측정된 유량은 최저 0.088m 3 /h, 최고 157.000m 3 /h입니다. 설계된 초음파 유량계는 높은 정밀도, 우수한 반복성, 강력한 안정성 및 넓은 적용 범위를 가지며 농업 생산, 산업 제조, 국방 건설 및 기타 분야에 사용할 수 있습니다.
// 24.03.02
2. Measurement Principle of the Flowmeter (유량계의 측정원리)
cross-correlation을 기반의 ultrasonic flowmeter는 time difference method를 사용해 개선됨.
time difference method는 고정된 거리 내에 fluid 내 upsteram 초음파와 downstream 초음파 사이의 flight time difference 를 측정함. fluid medium 내 ultrasonic wave의 propagation speed를 따라 fulid medium의 flow velocity를 측정할 수 있으며, 파이프라인의 직경에 따라 파이프라인을 통과하는 flow(흐름)을 계산할 수 있음.
그림1처럼 flowmeter는 파이프라인 외부 표면에 설치된 a pair of ultrasonic sensors로 구성됨. 두 sensor는 각각 측정된 파이프라인의 upstream 및 downstream 에 certain angle(특정 각도)로 고정되어있음. fluid flow direction(유체 흐름 방향)의 초음파 구성 요소가(sensor말하는 듯) 측정된 파이프라인의 fluid flow direction 과 동일하면, 두 ultrasonic transducers 사이의 transmisstion time(전송 시간)이 줄어듬. 반면 fluid flow direction 방향과 반대인 경우 두 ultrasonic transoducers 사이의 transmisstion time이 증가
*유량계의 측정원리에서 상류와 하류에 각각 sensor를 설치하는 이유
: 상류 sensor: 상류에 설치된 sensor는 유체의 흐름이 시작되는 부분을 측정
하류 sensor: 하류에 설치된 sensor는 상류에서 측정된 정보를 바탕으로 유체가 흐르는 파이프라인의 다른 부분에서의 유속을 확인. 이 위치에서의 측정은 상류와 하류 사이의 압력 차이와 함께 유속을 측정하여 효율적인 유량계산에 도움이 됨
-> 따라서 상류와 하류에 각각 sensor를 설치함으로써, 유속의 정확한 측정 및 유량의 정확한 계산이 가능해지며(측정 오차를 최소화), 시스템 모니터링에 필요한 정보 제공
-> 상류와 하류에 각각 sensor를 배치함으로써 유속의 변화를 더 잘 감지. 이를 통해 유체의 흐름이 변화하는 지점을 식별하고, 예기치 못한 상황에 대처.
//240304
논문 읽고 알게된 점
- ultrasonic flow 측정의 actual demand(실제 수요)에 따라 국내(중국) 외 same type of ultrasonic flowmeter의 연구 현황 및 개발 trend을 알 수 있어서 좋았음.
- flow 측정 장비에는 다양한 type의 flow meter이 존재하고, 그 중 다양한 장점을 갖는 ultrasonic flow meter에 대해 소개하고 ultrasonic flow 측정방법에도 여러 방법이 존재했으며 본 논문에서는 cross-corretion method를 사용
- 초음파 변환기의 전송 신호 주파수는 최대 5MHz에 도달할 수 있
