KR0151723B1 - 열플럭스 질량유량계 - Google Patents

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KR0151723B1
KR0151723B1 KR1019890008835A KR890008835A KR0151723B1 KR 0151723 B1 KR0151723 B1 KR 0151723B1 KR 1019890008835 A KR1019890008835 A KR 1019890008835A KR 890008835 A KR890008835 A KR 890008835A KR 0151723 B1 KR0151723 B1 KR 0151723B1
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Abstract

내용없음.

Description

열플럭스 질량 유량계
제1도는 본 발명의 제1실시예를 설명하는 구성도.
제2도는 본 발명의 제2실시예를 설명하는 구성도.
제3도는 본 발명의 제3실시예를 설명하는 구성도.
제4도는 본 발명에 사용되는 센서중의 하나를 분해하여 설명한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11,29 : 센서 35 : 액티브센서
37 : 레퍼런스센서 13 : 절연체
15 : 절연기판 17 : 금속층
19 : 코일 21 : 전원
23 : 측정회로 25,31,33,39,41,43 : 열싱크
27 : 증분체적 28 : 작용체적
45 : 베터리 47,49 : 저항기
51 : A/D회로 53 : 컴퓨터
본 발명은 일반적으로 유체의 흐름을 측정하기 위한 장치로 특히 열유체 유량계에 관한 것이다.
유체의 속도를 측정하기 위한 유량계에는 여러 가지 유형이 있다. 본 명세서에 사용된 유체란 말은 액체 및 가스의 흐름을 뜻한다. 유량계의 일종으로 열 유량계가 있다. 열유량계는 두가지 일반형으로 나뉜다.
첫 번째 유형의 열유량계에서 유동관은 측정할 유체가 통과하기 위한 통로로 사용된다. 하나 또는 그 이상의 전기히터가 유동관 또는 센서관내에 배치된다. 히터는 유체가 센서관을 따라 흐를 때 유체에 열을 가한다. 센서관 내의 다른 두 지점의 온도를 측정한다. 상류지점과 하류지점 사이의 온도차는 속도에 상호 관련될 수 있다.
두 번째 유형의 열질량 유량계에서, 히터/온도 센서는 붐위에 배치되어, 흐르는 유체 속에 잠겨져 있다. 회로는 질량유체 유동율의 함수로써 센서의 온도반응을 감지한다.
이러한 두가지 유형의 열유량계의 공통점은 센서로부터 유체속으로 열유동율이 유체의 질량 유동율에 정비례하게 되어 있다는 점이다. 이러한 종래의 열질량유량계의 정밀도는 비교적 좁은 범위의 흐름속도로 제한된다. 저속인 경우의 정밀도는 대류와 주변으로의 누설에 기인한 의사(擬似) 열손실에 의해 제한된다. 고속인 경우의 정밀도는 센서소자나 기타 소자등의 유한 열저항에 의해 제한된다.
고속범위의 제한을 피하기 위하여, 주관내에 층류소자들이 포함되도록 통상의 기술을 사용하여야만 한다. 이러한 층류소자들은 요구되는 범위의 속도가 측정되도록 확실한 압력강하를 발생시킬 수 있게 배치된다. 층류소자들의 상·하류 압력차는 측정된 유체의 체적 유동율에 비례한다.
센서관은 주관으로부터 분기하여 하류로 다시 들어간다. 이 센서관은 가열소자 및 센서를 가지고 있다. 주관보다는 센서관을 통하여 훨씬 적은 유체가 흐를 것이다. 센서관의 유체속도는 주관을 흐르는 유체의 주속도에 비례한다. 비록 센서관을 가공할 수 있다하더라도 설계범위 밖의 유동율은 그 층류소자들을 변경하지 않고서는 정확하게 측정할 수 없다.
1985년 5월 21일자의 미합중국 특허 제4,517,838호(wachi 등)에는 열전도 상자가 도시되어 있다. 이 전도상자는 센서관에 미세한 홈을 가지고 있다. 유체의 흐름을 측정하기 위하여 그 미세한 홈에 가열수단이 부착된다. 이러한 미세한 홈에 의해 센서관의 규격이 작아지기 때문에 유량계로 높은 유체속도를 측정할 수 있는 가능성이 제한된다.
본 발명에서 센서는 유체의 본류속에 배치된다. 이 센서는 전력이 공급되면 열을 발생할 수 있다. 열싱크는 유체가 흐르는 방향에 수직으로 센서 바로 건너편에 배치된다.
센서에 공급된 전력은 센서로부터, 열을 흡수하는 열싱크로 흐르는 열플럭스를 야기시킨다. 이 열플럭스는 흐르는 유체에 의해 조절된다. 회로소자는 센서의 온도상승을 측정하고, 그 측정된 것으로부터 유체가 흐르는 속도를 계산한다.
제1도를 참고하면 열원/온도센서 박편(11)의 조합이 도시되어 있다. 이 센서(11)는 절연체(13)에 부착되어 있다. 센서(11)는 온도를 기록하기 위하여 보통 사용되는 종래 형태의 소자가 바람직하다. 제4도에 도시된 바처럼 센서는 캘톤과 같은 재료로된 얇은 절연층 또는 절연기판(15)을 갖는다. 이 절연기판(15)에는 도전성 금속의 얇은층(17)이 입혀지거나 갖추어진다. 이 금속층은 꾸불꾸불한 코일패턴(19)으로 에칭된다. 대단히 미세한 선들이 금속층(17)에 새겨져 코일(19)을 만들어낸다. 코일(19)과 기판(15)은 평평한 편이다. 종래에는 이러한 일반형의 센서를 사용할 수 있었다.
본 발명에서는 센서(11)로부터 열을 방출시키기 위하여, 제1도에 도시된 바처럼, 센서(11)의 코일(19)이 전원(21)에 연결되어 있다. 전원(21)은 전력을 공급하여 센서(11)의 코일(19)제4도)을 통해 전류가 흐르게 한다. 센서(11)의 코일(19)은 센서(11)로부터 방출하는 열을 발생시킨다. 측정회로(23)는 공급된 전력을 측정하고, 이와같이하여 지시된 온도를 알 수 있다.
열싱크(25)는 센서(11) 맞은편에 배치된다. 열싱크(25)는 열을 쉽게 전도하고 센서(11)로부터 발생한 열을 흡인하여 흡수하는 금속으로 이루어진다. 열싱크(25)의 표면은 평편하고 센서(11)에 나란하게 되어있다. 유체는 센서(11)와 열싱크(25)의 법선에 수직한 방향으로 흐른다.
그 움직임을 분석하고 설명할 목적으로 센서(11)와 열싱크(25) 사이의 작용체적(28) 내에 위치한 유체의 증분체적(27)을 도시하고 있다. 다음은 부호에 대한 정의를 설명한다,
z = 센서(11)와 증분체적(27) 사이의 거리
dz = 증분체적(27)의 두께
A = 증분체적(27)의 면적
To= 센서(11)의 온도
Ta= 유량계를 흐르는 유체와 열싱크(25)의 주위온도
T = 증분체적(27) 내의 유체온도
Q = 열
C = 유체의 열용량 또는 비열(BTU/1b. F)
D = 유체의 밀도(1b/cu in)
K = 유체의 열전도율(BTUin/hr.sq.ft.F)
d = 미분연산자
t = 시간
V = 센서(11)를 지나 흐르는 유체의 평균분자속도(ft/m)
W = 센서(11)에 의해 유체에 공급된 전력(watt)
일정한 유체속도 분포형은 센서(11)와 열싱크(25) 사이의 간격을 가로지르는 것으로 생각된다. 증분체적(27) 내에 함유된 열(Q1)은 유체의 열용량(C), 유체의 질량(DAdz) 및 유체의 온도(T)에 비례하며 다음식으로 표시된다.
Q1 = CDTAdz
증분체적(27) 내의 열저장율 dQ1/dt는 속도 V로 흐르는 유체에 의해 소자로부터 증분체적에서 열이 제거되는 비율을 뺀 것으로 다음식과 같다.
dQ1 / dt = CDAdz(dT/dt) - CDAdz(T-Ta)V
=CDAdz [dT/dt - (T-Ta) V]
센서(11)로부터 증분체적(27)으로 이동하는 열유동율 또는 열플럭스율은 증분체적의 표면적(A) 유체의 열전도율(K) 및 온도의 외부표준 구배(dT/dz)에 비례하는 것으로 다음과 같다.
dQ2 / dt = KAdT /dz
증분체적(27) 밖의 열유동율은 다음과 같다.
dQ3 / dt = dQ2 / dt + d / dz (dQ2 / dt) dz
= -KAdT / dz - d / dz (KAdT / dz) dz)
열의 보존에 의해
dQ2 / dt - dQ3 / dt = dQ1 / dt;
-KAdT / dz + KAdT / dz + d / dz (KAdT / dz) dz = CDAd
[dT / dt - (T - Ta) V]; 및
d2T / dz2= CD / K [dT / dt - (T - Ta) V]
정상상태에서는
dt / dt = 0 이므로
d2T / dz2= CDV / K (-T + Ta)
다음의 결제조건과 같이 이 미분방정식은 센서(11)와 열싱크(25) 사이의 작용체적(28) 내의 열환경을 독특하게 설명한다.
1. z = 0 [센서(11)]에서
a. dt / dz = -(1 / KA) [센서(11)에 공급된 전력]
=-W / KA
b. T = Te
2. z=G [열싱크(25) 표면]에서 T = Ta
그러므로 작용체적(28) 내의 어떤위치(z)에 대한 온도(T)를 기술하는 정상상태의 방정식은
T = Ta + [(G-z) W / KA] EXP [-(G-z) SQRT(CDV / K)]
이다.
z = 0에서 센서의 온도를 기술하는 정상상태의 방정식은
To= Ta+ [GW / KA] EXP [-(G) SQRT (CDV / K)]
이다.
그러므로 주위온도 이상의 센서(11)의 온도상승 TR = To- Ta는 다음과 같이 표현될 수 있다.
TR = (상수 1 * G * W/A) * EXP [-G * SQRT(상수2 * V)]
여기에서 상수 1과 상수 2는 유체의 성질에 의해서만 결정된다. 이렇게 분석하여 선정된 측정단위는 상수 1=482.4/K, 상수 2=103,000(CD/K)이다.
이 방정식의 두드러진 특징은, 유체속도에 대한 TR [흐르는 유체의 주위온도 이상의 센서(11)의 온도상승]의 전체적인 변분(변화량) 및 감도가 간격치수(G)를 단순히 특정시킴으로써 임의의 요구되는 유체유형 또는 속도범위로 지시될 수 있다는 점이다.
이하에 기술된 실시예에서는 상술한 바처럼 바람직하게 에칭된 센서(11)보다 표준형의 센서가 사용된다. 이 센서에는 두 황동디스크 사이에 끼워진 직경 0.08인치의 어닐링한 동전을 60회감은 코일이 구비되어 있다.
예1 : P = 0.4 와트
G = 0.05 인치
A = 0.3 평방인치
유체유형 = 표준온도와 압력에서의 공기
에 대해서
V = 0 피트/분에서의 TR은 100.5。F가 될 것이고,
V = 20 피트/분에서의 TR은 74.5。F가 될 것이며,
V = 5000 피트/분에서의 TR은 0.8。F가 될 것이다.
예2 : P = 2 와트
G = 0.04 인치
A = 0.3 평방인치
유체유형 = 물
에 대해서
V = 0 피트/분에서의 TR은 30.99。F가 될 것이고,
V = 0.1 피트/분에서의 TR은 21.33。F가 될 것이며,
V = 20 피트/분에서의 TR은 0.7。F가 될 것이다.
이상의 두 실시예는, 본 발명을 사용하는 높은 유동율인 경우의 측정할 수 있는 데이터를 획득할 수 있는 가능성 뿐만 아니라, 공기와 물의 낮은 유동율인 경우에도 이용할 수 있는 높은 해결성을 설명해 준다. 본 발명의 작용 체적내에서 속도 0인 때의 유체의 평균온도상승은 종래의 열유량계에 비하여 대단히 작기 때문에 포스쳐 에러(posture error) 및 대류에러는 무시할 수 있다.
제2도의 제2실시예는 제1도의 절연표면(13)에 기인한 의사 열손실을 어떻게 최소화 하는가를 설명한다. 제2도에서 센서(29)는 제1도의 센서(11)와 같은 것이나, 두 개의 열싱크(31)(33) 사이에 동거리 배치된다. 유체는 센서(29)의 양면에 흐른다. 열싱크표면(31)(33)은 유체의 온도와 같은 주위온도를 갖는다. 센서(29)의 양면 또는 양측면의 면적은 온도/유체속도 관계를 계산하는데 사용된다. 센서(29)의 기판이 얇기 때문에 대체로 같은 양의 열이 센서(29)의 양방향으로 흐를 것이다.
제3도는 제3실시예를 도시한다. 본 실시예에서 센서중의 하나는 열플럭스 유체유량계에 들어가는 유체의 변화하는 온도를 보상할 수 있다. 본 실시예에서 센서(35)는 제1도 및 제2도의 센서(11)(29)와 비슷한 계량센서 또는 액티브센서이다. 센서(35)는 두 열싱크(39)(41) 사이에 동거리 배치된다.
제2센서(37)는 열싱크(41)와 다른 열싱크(43) 사이에 동거리 배치된다. 센서(37)는 센서(35)와 같은 구조이나 레퍼런스센서이다. 레퍼런스센서(37)는 액티브센서(35)와 동일한 열특성을 가지나, 레퍼런스센서(37)를 온도측정하게 하는데 사용된 전력은 계량센서 혹은 액티브센서(35)에 사용된 전력의 1/100 이하로 설정된다. 이 경우에 DT는 액티브센서(35)의 온도에서 레퍼런스 센서(37)의 온도를 뺀 값이다.
또 제3도를 참조하면 배터리(45) 또는 직류전원은 센서(35)(37) 코일의 일단에 연결된 양극의 리드선을 갖는다. 액티브센서(35) 코일의 타단은 저항기(47)의 일단에 연결된다. 일례로 저항기(47)는 10오옴의 저항기이다. 레퍼런스센서(37) 코일의 타단은 저항기(49)의 일단에 연결된다. 일례로 저항기(49)는 200오옴의 저항기이다.
저항기(47)(49)의 타단은 전원(45)의 음극에 연결된다. 전원(45)의 음극은 종래의 아날로그전압-디지탈데이타 취득 시스템 또는 컨버터(51)의 단자(C1)에 연결된다. A/D 컨버터(51)의 단자(C2)는 저항기(47)와 액티브센서(35) 사이에 연결된다. 단자(C3)는 배터리(45)의 양극측에 연결된다. 단자(C4)는 저항기(49)와 레퍼런스센서(37) 사이에 연결된다. A/D 컨버터(51)는 종래의 컴퓨터(53)에 연결된다. A/D 컨버터(51)는 단자(C1)(C2)(C3) 및 (C4)에서 아날로그전압을 받아 속도를 계산하는 컴퓨터(53)로 디지털데이타를 공급한다.
제3도의 실시예에서 열싱크(39)와 (41) 사이의 간격 및 열싱크(41)과 (43) 사이의 간격을 0.025인치로 한다. 저항기(47)(49)의 값은 액티브센서(35)에 약 0.4와트를 생기게 하고 레퍼런스센서(37)에는 그 값의 약 1/100을 생기게 한다. 다음의 방정식은 필요한 양을 산출해 내기 위해 컴퓨터 속에 프로그램되어 입력된다.
액티브센서(35)의 저항
Ra = 10(C3 - C2) / (C2 - C1) 오옴
액티브센서(35)에 분배된 전력
W = (C3 - C2)(C2 - C1) / 10 와트
레퍼런스 센서(37)의 저항
Rr = 200(C3 - C4) / (C4 - C1) 오옴
액티브센서(35)의 온도
Ta = 458.01(Ra-주위온도에서 Ra) / (주위온도에서의 Ra)。F
기준센서(37)의 온도
Tr = 458.01(Rr-주위온도에서의 Rr) / (주위온도에서의 Rr)。F
온도상승
TR = Ta - Tr 。F
일반적으로 겉보기 유체속도에 대한 식은 V = (K / 103000CD) [ LOG (482.4gw / AKTR) / G]2이다.
1기압 70。F에서 공기의 열특성에 대한 다음의 값
C = 0.24BTU / 1bF
D = 0.0000464 1b/cu in
K = 0.16BTU in/hr sq ft
을 사용하면 풍속계로서 본 발명의 실현을 위해 선택된 설계상수는
A = 0.4 평방인치
G = 0.025 인치
이다.
프로그램된 특정한 겉보기 유체속도 방정식은 V = 2230 LOG(188W / TR)2이다.
결과로써 생기는 출력속도는 2피트/분 내지 2,000피트/분의 범위에 걸쳐 있는 입력속도에 대해서는 5퍼센트의 범위내에서 선형이며, 본 발명의 실시예에 대한 제로안정성 및 포스쳐 에러는 70-110。F의 주위온도범위에 대해서는 0.5피트/분 이하이다. 점성 또는 기타 인자들에 기인한 유체의 일정한 추정속도 분포형을부터의 편차뿐 아니라 액티브센서(35)의 측정가능하 직렬 및 분류 열임피던스와 같은 인자들을 수정하기 위하여 앞서의 연산방법을 더욱 개량함으로써 더 좋은 선형성이 가능해진다.
본 발명은 상당한 장점을 갖는다. 본 발명의 열질량 유량계는 독특한 열플럭스 조절기술을 사용함으로써 종래의 질량유량계의 고속 및 저속의 한계를 향상시켜 광범위한 유체유형 및 유체속도의 달성을 가능하게 하고 있다.
본 명세서에는 본 발명의 형태가 단지 3개만 도시되어 있지만, 본 발명은 거기에만 한정되지 않고, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않은 각종 변경물의 실시예 또한 가능하다는 것은 당해분야의 전문가에 있어서 명백한 사실이다.

Claims (12)

  1. 흐르는 유체속에 배치되어 전력이 공급되면 열을 발생시킬 수 있는 센서(11); 유체가 흐르는 방향에 대체로 수직인 방향으로 센서(11)로부터 선정된 거리만큼 떨어져서 유체속에 배치된 열싱크(25); 유체에 의해 조절되는 열플럭스가 센서(11)로부터 열싱크(25)로 흐르도록 야기시키기 위하여 센서(11)에 전력을 공급하는 수단(21); 및 흐르는 유체의 주위온도 이상의 센서(11)의 온도상승을 측정하고, 그 측정된 값으로부터 흐르는 유체속도를 계산하기 위한 수단(23)의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체속도측정용 열플럭스 질량유량계.
  2. 제1항에 있어서, 센서(11)와 열싱크(25)는 흐르는 유체속에 배치될 때 서로 평행하게 마주보는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 유량계.
  3. 제1항에 있어서, 센서(11)와 열싱크(25)는 흐르는 유체속에 배치될 때 서로 평행하게 마주보는 평편한 면을 갖는 것을 특징으로 하는 유량계.
  4. 제1항에 있어서, 센서(11)는 코일(19)을 구비하고 상기 센서(11)는 유체 속에 배치될 때 열싱크(25)와 마주보는 평편한 면을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 유량계.
  5. 제1항에 있어서, 센서(11)는 코일(19)을 제공하도록 에칭된 금속층(17)을 갖춘 기판(15)을 포함하며, 또 흐르는 유체속에 배치될 때 열싱크(25)와 마주보는 평편한 면을 갖는 것을 특징으로 하는 유량계.
  6. 유량계에 부착되며 유체가 흐르는 방향에 대략직각으로 배치되도록된 한 쌍의 금속열싱크(31), (33)와; 열싱크들(31), (33) 사이에 동거리 배치되어 각각 열싱크(31), (33) 방향으로 열을 방출시키기 위하여 양면에 방열면을 구비하고, 전력이 공급되면 방열면에서 열을 발생시킬 수 있는, 유량계에 구비된 센서(29)와; 센서(29)의 방열면으로부터 열싱크(31), (33)로 흐르는 열플럭스(흐르는 유체에 의해 조절됨)을 야기시키기 위하여 센서(29)에 전력을 공급하기 위한 수단; 및 유체의 주위온도 이상의 센서방열면의 온도상승을 측정하고, 그 측정된 값에 기초하여 유체속도를 계산하기 위한 수단의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체속도측정용 열플럭스 질량유량계.
  7. 제6항에 있어서, 방열면은 평편하고, 열싱크(31), (33)는 방열면과 평행한 평편한 면을 갖는 것을 특징으로 하는 유량계.
  8. 제6항에 있어서, 센서(29)는 코일(19)을 형성하도록 에칭된 금속층(17)으로 입혀진 기판(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  9. 각각 흐르는 유체속에 배치되어 전력이 공급되면 맞은편으로 열을 방출하는 평편한 방열면을 양면에 구비하며, 서로 평행하게 배치된 방열면을 가지고 유체가 흐르는 방향과 대체로 수직인 방향으로 서로 간격져 있는 레퍼런스 센서(37)와 액티브 센서(35); 센서들(35), (37) 사이에 배치된 열싱크(41)와 레퍼런스 센서(37)의 맞은 편에 배치된 열싱크(45) 및 액티브 센서(35)의 맞은 편에 배치된 열싱크(39)가 유체가 흐르는 방향과 수직방향으로, 방열면중의 하나로부터 동거의 간격져서 평행하게 배치되어 있는 3개의 금속열싱크(39), (41), (43); 흐르는 유체에 의하여 조절되는 열플럭스를 야기시켜 액티브 센서(35)의 방열면으로부터 액티브 센서(35) 양면의 맞은편에 있는 열싱크(39), (41)로 흐르게 하는, 액티브 센서(35)에 전력을 공급하기 위한 수단; 액티브 센서(35)에 공급되는 전력보다 대체로 낮은 수준의 전력을 레퍼런스 센서(37)에 공급하기 위한 수단; 및 액티브 센서(35) 방열면과 레퍼런스 센서(37) 방열면의 온도를 측정해서 액티브 센서(35) 온도에서 레퍼런스 센서(37)의 온도를 빼고 그 온도차에 기초하여 유체의 속도를 계산하기 위한 수단의 조합을 특징으로 하는 유체속도 측정용 열플럭스 질량유량계.
  10. 전력이 공급될 때 열을 발생시킬 수 있는 센서(11)를 흐르는 유체속에 배치하고; 흐르는 유체에 대체로 수직인 방향으로 센서(11)로부터 선정된 거리만큼 간격을 두고 열싱크(25)를 배치하며; 흐르는 유체에 의하여 조절되는 열플럭스를 센서(11)로부터, 열싱크(25)로 흐르도록 하기 위하여 센서(11)에 전력을 공급하고; 흐르는 유체의 주위온도의 상승온도 이상의 센서(11)의 온도상승을 측정하며; 또 그 측정된 온도로부터 유체가 흐르는 속도를 계산해 내는 것의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 속도측정방법.
  11. 제10항에 있어서, 제2열싱크(33)를 제1열싱크(31) 맞은편 센서(29)측의 유체속에 동거리로 추가 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1센서(35)와 대향하는 제2열싱크(41) 옆을 흐르는 유체속에 제2센서(37)를 동거리 배치하고, 상기 제2열싱크(41)와 대향하는 제2센서(37) 옆을 흐르는 유체속에 제3열싱크(43)를 동거리 배치하며, 제1센서(35)에 공급되는 전력보다 훨씬 낮은 전력을 제2센서(37)에 공급하고, 제2센서(37)의 온도를 측정하여 제1센서(35)의 온도측정 값으로부터 뺀 다음 유체속도를 계산하기 위하여 그 차이를 이용하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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