유도초음파의 모드 변환을 이용한 수위 추정 기술 개발 (Development of Liquid Level Estimation Technique Using Ultrasonic Guided Wave Mode Conversion)

서지정보

· 발행기관 : 한국비파괴검사학회
· 수록지 정보 : 비파괴검사학회지 / 45권 / 3호 / 231 ~ 239페이지
· 저자명 : 권오준, 김승일, 남기림, 박춘수, 승홍민

초록

액체 탱크는 최근 다양한 산업 분야에서 액체의 저장, 운송, 제조, 가공 등을 위해 널리 사용되고 있으며, 사용이 증가함에 따라 효율적이고 안전한 액체 탱크 운영을 위한 탱크 내부 수위 추정 연구가 활발히 수행되고 있다. 하지만, 현재 사전 실험이나 온도 보정 없이 액체 탱크 수위 추정이 가능한 기술이 없어 사용 중인 액체 탱크의 수위 추정이 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 사용 중인 액체 탱크에 적용을 위한 사전 실험이나 온도 보정 없이 내부 수위를 추정할 수 있는 기술을 초음파 도파관의 경계 조건 변화(도파관 표면의 공기 접촉에서 액체 접촉, 액체 접촉에서 공기 접촉)로 인한 유도초음파의 모드 변환을 이용하여 개발하였다. 먼저 유도초음파 전파 특성을 분석하기 위하여 COMSOL Multiphysics를 이용해 노치가 있는 초음파 도파관, 공기, 액체를모델링하였고, 공기 중 도파관에서 전파되던 유도초음파가 액체에 잠긴 도파관으로 들어갈 때의 모드 변환을시뮬레이션으로 분석하였다. 분석 결과를 기반으로 모르는 수위 상태에서 측정한 초음파만을 이용한 수위 추정 기술을 개발하였고, 구축한 시뮬레이션 모델을 통해 다양한 수위 조건에서 개발된 기술의 성능을 검증하였다.

영어초록

Liquid tanks have been widely used across industries for the storage and transport of fluids, requiring accurate liquid level estimation for optimal operation. Existing techniques typically depend on calibration tests or temperature compensation, limiting their use in in-service tanks. In this study, we propose a novel ultrasonic guided wave technique for estimating liquid level without calibration or temperature correction. The method exploits mode conversion induced by changes in boundary conditions—specifically transitions between air and liquid contact along an ultrasonic waveguide. Using COMSOL Multiphysics, we modeled the waveguide, air, and liquid to analyze ultrasonic signal changes as the liquid level varied. Mode conversion behavior was characterized during transitions from air to liquid contact and vice versa. Based on this analysis, we developed a signal-based level estimation technique that requires no prior liquid level information. Simulation results validated the method, demonstrating reliable liquid level estimation without the need for calibration or thermal compensation.

참고자료

· 없음