본 연구에서는 가스 탱크 내부의 연료량을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 방안을 제시하기 위하여 초음파 센서를 이용한 실험적 연구를 진행하였다. 우선 압전소자와 매칭레이어간의 특성을 파악하기 위해 초음파 센서를 설계 및 제작하였다. 그리고 제작된 초음파 센서의 성능을 분석하였으며, 이를 통해 최적의 초음파 센서를 선정하였다. 마지막으로 가스 저장 탱크의 주변 환경 온도와 내부 압력에 따른 초음파 센서의 수신감도 특성을 파악하였으며, 이를 통해 기존의 압력 센서 계측 방식에서 문제가 되었던 환경 온도에 따른 영향을 개선할 수 있었다.
실험에 사용된 초음파 센서는 외부 온도 및 압력, 진동수 등을 고려하여 소형화된 크기와 두께를 갖추고 있는 Disk 타입의 압전 세라믹으로 제작되었다. 이는 MS-21방식으로, 음파의 노이즈를 최소화하고 음파를 원활하게 전달할 수 있는 구조이다. 다음으로, Matching assay와 Ceramic assay를 설계하였으며, Ceramic assay의 경우 에너지 전달 효율을 향상시키기 위하여 Backing 디자인을 적용하였다. 즉, 초음파 센서는 Matching layer의 두께와 배열을 변경한 총 6종류가 제작되었다. 세번째로, 제작된 센서의 거리 감도와 지향성은 기초 실험을 통해 확인하였다. 거리 감도 실험은 0.5 ~ 1.2m, 간격은 0.1m로 선택하였다. 지향성 실험은 0을 기준으로 -20 ~ 20 °의 범위에서 수행되었으며 간격은 1 °였다. 이를 통해 최적의 초음파 센서를 선정할 수 있었다. 초음파 센서의 거리 감도 및 지향성 실험을 통하여, 불감지영역, 감쇠영역에 대한 실험결과 두께가 4+1t인 타입 E가 모든 관점에서 효율적으로 제작된 센서임을 확인할 수 있었다. 네번째로, 선정된 타입 E를 가스 탱크에 적용하기 위한 기초 실험이 진행되었다. 기초 실험에서 사용된 탱크는 알루미늄 소재로 선정하였으며, 초음파 센서의 부착면 접촉 방식, 부착 위치에 따른 수신감도를 분석함으로써 최적의 부착면 형상과 위치를 도출할 수 있었다. 다섯번째로 CNG 차량용 탱크(Type-3)를 대상으로 초음파 센서를 이용한 연료량 계측 시스템을 구축하여 압력과 온도에 따른 수신감도를 분석하였다. 안전사고를 예방하기위해 실험가스는 CNG를 대신하여 압축공기를 사용하였다.탱크 주변 온도는 -45℃, -30℃, -10℃, -5℃, 0℃, 25℃, 40℃, 80℃로 설정하였고, 탱크내 압력조건은 100bar에서 5bar씩 저감하면서 진행하였다. 모든 실험에서의 초음파센서 출력신호는 오실로스코프를 통하여 데이터를 추출하였다. 데이터는 감도의 안정화를 위하여 오실로스코프의 평균검출방법을 활용하여 데이터를 수집하였다. 각 실험은 5회에 걸쳐서 반복실험을 진행하였다. Type-3 탱크의 주변환경 온도가 변화에 따라 수신감도 특성을 분석한 결과 온도가 증가할 경우 수신감도가 감소하였고, 온도가 감소할 경우 수신감도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 온도가 증가함에 따라 위상이 진각되는 것을 확인할 수 있었다. 온도가 증가함에 따라 위상이 진각되었는데 이는 구조적 측면보다는 탱크 내 압력이 변화함에 따라 발생되는 공기의 밀도 차에 의하여 나타나는 것으로 판단된다. 그리고 수신부의 출력신호를 통하여 주변 환경 온도 및 연료량을 동시 계측할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 초음파 센서의 최대 출력신호와 PSD를 통하여 압력, 온도 및 압축인자에 따른 관계식을 도출할 수 있었다.

In this study, an experimental study was carried out using an ultrasonic sensor to suggest a method for more precise measurement of the amount of fuel in a gas tank. Ultrasonic sensors were designed and fabricated to characterize the piezoelectric transducer and matching layer. The performance of the ultrasonic sensors were analyzed and the optimal ultrasonic sensor was selected. Finally, the receiver sensitivity characteristics of the ultrasonic sensor according to the ambient temperature and internal pressure of the gas storage tank were determined. As a result, it was possible to improve the influence of the environmental temperature which was a problem in the conventional pressure sensor measurement method.
The ultrasonic sensor used in the experiment was made of a disk type piezoelectric ceramics having a small size and thickness in consideration of external temperature, pressure, and frequency. It was a structure that can minimize noise of sound wave and smoothly transmit sound wave by MS-21 method. Next, a matching assay and a ceramic assay were designed. In the case of the ceramic assay, a backing design was applied to improve energy transfer efficiency. In other words, a total of six types of ultrasonic sensors were fabricated by changing the thickness and arrangement of the matching layer. Third, distance sensitivity and directivity of fabricated sensors were confirmed through basic experiments. The distance sensitivity experiment was selected as 0.5 ~ 1.2m and the interval was 0.1m. Directionality experiments were carried out in the range of -20 to 20 ° based on 0 ° and interval was 1°. Through this, the optimal ultrasonic sensor could be selected. Through distance sensitivity and directionality experiments of ultrasonic sensors. The results of the experiment on the undetected area and attenuation area showed that type-E with matching layer thickness of 4+1t was an efficient sensor from all perspectives. Fourth, a basic experiment was conducted to apply the selected type-E to the gas tank. The tank used in the basic experiment was selected as aluminum material, and the optimum attachment surface shape and position could be derived by analyzing the receiving sensitivity according to the attachment surface contact method and the attachment position of the ultrasonic sensor. Fifthly, we constructed a fuel gauging system using an ultrasonic sensor for the tank (Type-3) of CNG car, And analyzed the sensitivity of receiving pressure and temperature. To prevent safety accidents, experimental gas used compressed air instead of CNG. The temperature around the tank is set to -45℃, -30℃, -10℃, -5℃, 0℃, 25℃, 40℃, and 80℃ and the pressure conditions in the tank were reduced by 5 bar from 100 bar to 0 bar. In all experiments, the ultrasonic sensor output signal obtained the data through the oscilloscope. To stabilize the sensitivity, the oscilloscope''s average detection method was used to collect data and each experiment was repeated five times. Analysis of reception characteristics of the type-3 tank showed that reception intensity decreased as the temperature increased and reception intensity increased when the temperature decreased. Phase appeared ahead as the temperature increased, which is judged to be due to the difference in density of the air generated by the pressure in the tank, rather than to the structural side. And through the power signal of the receiver, it was able to verify that the ambient environment temperature and the amount of fuel would be measured simultaneously. Finally, the relationship between the maximum output signal of an ultrasonic sensor and the pressure, temperature and compression factor was derived through the PSD.