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탄성파를 발생시키는 제1 압전체,상기 제1 압전체와 연결되어, 입사된 상기 탄성파에 대하여 제1 탄성파 모드 변환 공진 현상을 유도하는 제1 메타 슬랩,상기 제1 메타 슬랩과 연결되고 파이프의 외면에 부착되어, 상기 제1 메타 슬랩을 통과한 탄성파를 제1 입사각으로 상기 파이프에 전달하는 제1 웨지,상기 파이프의 외면에 부착되어, 상기 파이프를 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 제2 웨지,상기 제2 웨지와 연결되어, 입사된 상기 탄성파에 대하여 제2 탄성파 모드 변환 공진 현상을 유도하는 제2 메타 슬랩,상기 제2 메타 슬랩에 연결되어 탄성파를 수신하는 제2 압전체를 포함하고,상기 제1 메타 슬랩 및 상기 제2 메타 슬랩은 이방성매질로서 각각의 두께가 하기 식 (1)을 만족시키며, 식 (1)(d: 메타 슬랩의 미소구조의 단위 셀 두께, m: 홀수인 정수, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드(fast skew mode)와 느린 스큐 모드(slow skew mode)에 해당하는 서로 소인 정수, λFS: 빠른 스큐 모드 파장, λss: 느린 스큐 모드 파장, odd: 홀수인 정수)상기 제1 메타 슬랩 및 상기 제2 메타 슬랩의 미소구조는 단일계층(monolayer) 또는 다중계층(multilayer) 구조인,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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2
제1항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩은 하기 식 (2)를 만족시키고, 식 (2)(Z: 제1 메타 슬랩의 임피던스, ρ: 제1 메타 슬랩의 질량밀도, C11: 제1 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제1 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제1 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ0A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c11A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 종탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c66B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 횡탄성계수)상기 제2 메타 슬랩은 하기 식 (3)을 만족시키는, 식 (3)(Z: 제2 메타 슬랩의 임피던스, ρ: 제2 메타 슬랩의 질량밀도, C11: 제2 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제2 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제2 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ0A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c66A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 횡탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c11B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 종탄성계수)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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3 |
3
제2항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩은 각각의 상기 유효 종탄성계수와 상기 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향은 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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4 |
4
제1항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩의 유효 종탄성계수와 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향은 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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5 |
5
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩 각각의 모드결합 탄성계수는 하기 식 (4)를 만족하는,C16 ≠ 0,C16 003c# (C11 + C66)/4 식 (4)(C11: 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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6 |
6
제5항에 있어서, 상기 제1 메타 슬랩은 상기 식 (1), 상기 식 (2), 상기 식 (3), 상기 식 (4)를 만족하고 상기 유효 종탄성계수와 상기 유효 횡탄성계수가 일치하여 완전모드변환을 일으키고, 하기 식 (5-1)을 만족하며 식 (5-1)(C11: 제1 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제1 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제1 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ: 제1 메타 슬랩의 질량밀도, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드와 느린 스큐 모드에 해당하는 서로 소인 정수, ρ0A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c11A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 종탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c66B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 횡탄성계수, fFMC: 완전모드변환이 일어나는 설정주파수, d: 메타 슬랩의 미소구조의 단위 셀 두께),상기 제2 메타 슬랩은 상기 식 (1), 상기 식 (2), 상기 식 (3), 상기 식 (4)를 만족하고 종탄성계수와 횡탄성계수가 일치하여 완전모드변환을 일으키고, 하기 식 (5-2)를 만족하는 식 (5-2)(C11: 제2 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제2 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제2 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ: 제2 메타 슬랩의 질량밀도, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드와 느린 스큐 모드에 해당하는 서로 소인 정수, ρ0A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c66A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 횡탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c11B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 종탄성계수, fFMC: 완전모드변환이 일어나는 설정주파수, d: 메타 슬랩의 미소구조의 단위 셀 두께),메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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7 |
7
제5항에 있어서상기 파이프의 재질이 고분자 수지의 그룹 중에서 선택된 하나의 고분자 수지인 경우, 상기 제1 웨지와 상기 제2 웨지의 재질은 고분자 수지이고,상기 파이프의 재질이 금속인 경우, 상기 제1 웨지와 상기 제2 웨지의 재질은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸인,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 구비한 유속 측정 장치
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8 |
8
제1 압전체가 탄성파를 발생시키는 단계(S1),이방성매질로서 두께가 하기 식 (6)을 만족하는 제1 메타 슬랩에서 상기 제1 압전체에서 발생시킨 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S2) 식 (6)(d: 메타 슬랩의 단위 셀 두께, m: 홀수인 정수, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드와 느린 스큐 모드에 해당하는 서로 소인 정수, λFS: 빠른 스큐 모드 파장, λss: 느린 스큐 모드 파장, odd: 홀수인 정수),제1 웨지에서 상기 제1 메타 슬랩을 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S3),상기 제1 웨지에서 상기 탄성파를 제1 입사각으로 파이프에 입사시키는 단계(S4),제2 웨지에서 상기 파이프를 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S5),이방성매질로서 두께가 상기 식 (6)을 만족하는 제2 메타 슬랩에서 상기 제2 웨지를 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S6),제2 압전체가 상기 제2 메타 슬랩을 통과한 상기 탄성파를 감지하는 단계(S7),감지된 상기 탄성파를 이용하여 하기 식 (7)에 의하여 상기 파이프를 흐르는 유체의 유속을 결정하는 단계(S8) 식 (7)(D: 파이프의 내경, θ3L: 물에서의 종파 투과각, Δt1: 탄성파의 방향이 유체의 흐름방향과 같을 때의 송수신 신호 시간차, Δt2: 탄성파의 방향이 유체의 흐름방향과 반대일 때의 송수신 신호 시간차)를 포함하는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 이용한 유속 측정 방법
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9
제8항에 있어서,상기 이방성매질로서 두께가 식 (6)을 만족하는 제1 메타 슬랩에서 상기 제1 압전체에서 발생시킨 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S2) 및 상기 제1 웨지에서 상기 제1 메타 슬랩을 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S3)는 제1 압전체, 제1 메타 슬랩, 제1 웨지가 하기 식 (8)을 만족시켜 임피던스 매칭이 되고, 식 (8)(Z: 제1 메타 슬랩의 임피던스, ρ: 제1 메타 슬랩의 질량밀도, C11: 제1 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제1 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제1 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ0A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c11A: 탄성파가 제1 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 종탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c66B: 탄성파가 제1 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 횡탄성계수)상기 제2 웨지에서 상기 파이프를 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S5) 및 상기 이방성매질로서 두께가 상기 식 (6)을 만족하는 제2 메타 슬랩에서 상기 제2 웨지를 통과한 상기 탄성파를 받아들이는 단계(S6)는 제2 웨지, 제2 메타 슬랩, 제2 압전체가 하기 식 (9)를 만족시켜 임피던스 매칭이 되는 식 (9)(Z: 제2 메타 슬랩의 임피던스, ρ: 제2 메타 슬랩의 질량밀도, C11: 제2 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 제2 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 제2 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ0A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c66A: 탄성파가 제2 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 횡탄성계수, ρ0B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c11B: 탄성파가 제2 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 종탄성계수)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 이용한 유속 측정 방법
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제9항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩의 상기 유효 종탄성계수와 상기 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향이 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 이용한 유속 측정 방법
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제8항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩의 유효 종탄성계수와 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향이 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 이용한 유속 측정 방법
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제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 메타 슬랩과 상기 제2 메타 슬랩 각각의 모드결합 탄성계수는 하기 식 (10)을 만족하는,C16 ≠ 0,C16 003c# (C11 + C66)/4 식 (10)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서를 이용한 유속 측정 방법
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탄성파를 발생시키는 압전체,상기 압전체와 연결되어, 입사된 상기 탄성파에 대하여 탄성파 모드 변환 공진 현상을 유도하는 메타 슬랩,상기 메타 슬랩과 연결되고 파이프의 외면에 부착되어, 상기 메타 슬랩을 통과한 상기 탄성파를 제1 입사각으로 상기 파이프에 전달하는 웨지,를 포함하고,상기 메타 슬랩은 이방성매질로서 두께가 하기 식 (11)을 만족시키며, 식 (11)(d: 메타 슬랩의 미소구조의 단위 셀 두께, m: 홀수인 정수, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드와 느린 스큐 모드에 해당하는 서로 소인 정수, λFS: 빠른 스큐 모드 파장, λss: 느린 스큐 모드 파장, odd: 홀수인 정수) 상기 메타 슬랩의 미소구조는 단일계층 또는 다중계층 구조인,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제13항에 있어서,상기 메타 슬랩은 하기 식 (12)를 만족시키는, 식 (12)(Z: 메타 슬랩의 임피던스, ρ: 메타 슬랩의 질량밀도, C11: 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ0A: 탄성파가 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c11A: 탄성파가 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 종탄성계수, ρ0B: 탄성파가 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c66B: 탄성파가 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 횡탄성계수)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제14항에 있어서,상기 메타 슬랩은 상기 유효 종탄성계수와 상기 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향은 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제13항에 있어서,상기 메타 슬랩의 유효 종탄성계수와 유효 횡탄성계수가 일치하고,상기 빠른 스큐 모드와 상기 느린 스큐 모드의 파동 진동 방향은 각각 +45도와 -45도의 각도를 이루는,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수는 하기 식 (13)를 만족하는,C16 ≠ 0,C16 003c# (C11 + C66)/4 식 (13)메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제17항에 있어서, 메타 슬랩은 상기 식 (11), 상기 식 (12), 상기 식 (13)을 만족하고 상기 유효 종탄성계수와 상기 유효 횡탄성계수가 일치하여 완전모드변환을 일으키고, 하기 식 (14)를 만족하는 식 (14)(C11: 메타 슬랩의 유효 종탄성계수, C66: 메타 슬랩의 유효 횡탄성계수, C16: 메타 슬랩의 모드결합 탄성계수, ρ: 메타 슬랩의 질량밀도, nFS와 nSS: 각각 빠른 스큐 모드와 느린 스큐 모드에 해당하는 서로 소인 정수, ρ0A: 탄성파가 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 질량 밀도, c11A: 탄성파가 메타 슬랩으로 입사해 들어오는 배경매질의 종탄성계수, ρ0B: 탄성파가 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 질량 밀도, c66B: 탄성파가 메타 슬랩을 통과해 나가는 배경매질의 횡탄성계수, fFMC: 완전모드변환이 일어나는 설정주파수, d: 메타 슬랩의 미소구조의 단위 셀 두께),메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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제17항에 있어서상기 파이프의 재질이 고분자 수지의 그룹 중에서 선택된 하나의 고분자 수지인 경우, 상기 웨지의 재질은 고분자 수지이고,상기 파이프의 재질이 금속인 경우, 상기 웨지의 재질은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸인,메타 슬랩을 적용한 초음파 트랜스듀서
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