KR0163621B1 - 한개의 열선센서를 이용한 유동장 내의 온도 및 속도의 측정방법 - Google Patents

Abstract

한개의 센서를 이용하여 유동장의 온도와 속도를 측정할 수 있는 열선유속계를 제공하기 위한 것으로, 종래의 경우에 유동장의 온도가 변화하는 경우에 보다 정확한 유속을 측정하기 위하여서는 온도정보를 보상할 수 있는 별도의 온도센서를 유동장에 설치할 수 밖에 없었으나 이러한 상황에서는 센서의 크기가 커서 유동장에 장애를 일으켜 올바른 유속정보를 얻기가 어려웠다. 따라서 하나의 열선센사가 스위칭수단에 의해 온도정보와 유속정보로 연속하여 선택하게 하고, 상기 금속열선을 온도증폭기 즉 정전류형 열선유속계에 연결하여 온도에 대응하는 출력을 얻고 온도보상에 적합하게 조정한 후 전압유지회로에 입력하여 온도정보를 얻는다. 유지된 온도정보의 전압을 유속계의 브릿지에 가한 상태에서 온도증폭기에 연결되어 있던 상기 열선을 열선유속계의 브릿지에 연결하여 온도보상된 속도의 출력을 유속계로부터 얻는다. 이러한 과정을 다수의 계전기와 컴퓨터를 이용하여 주기적으로 수행하여 온도와 속도의 정보를 얻을 수 있다.

Description

한 개의 열선센서를 이용한 유동장 내의 온도 및 속도의 측정방법

제1도는 본 발명의 개념을 나타내는 개략적인 회로도이다.

제2도는 임의 전압형태의 유체 온도정보를 이용한 열선유속계의 온도보상방법의 개략도로서 본 출원인에 의한 특허출원 제94-2452호에 도시한 바와 같다.

제3도는 열선을 저항온도계로 사용하기 위한 온도변환기의 회로도의 일실시예이다.

제4도는 유동장의 온도에 대한 제3도에 도시한 온도변환기의 출력 그래프이다.

제5도는 본 발명의 일실시예에 따른 온도변환기에서 출력되는 온도에 대응하는 전압을 가감(Bias)하는 조정회로와 온도변화에 대한 비례계수(Gain)를 정하기 위 한 조정회로이다.

제6도는 온도변환기의 출력이 제5도의 조정회로를 지난 후의 그래프이다.

제7도는 제5도에서 조정된 전압을 유지하기 위한 전압유지수단을 도시한 회로도이다.

제8도는 본 발명에서 사용한 전압유지수단의 시간에 따른 전압강하를 도시한 것이다.

제9도는 본 발명을 자동으로 수행하기 위한 전환스위치와 온도출력전압을 획득(Sample)하고 유지(Hold)하는 각종 스위치가 컴퓨터에 의해 순서적으로 작동되는 시 간표(Timem Chatr) 및 흐름도이다.

제10도는 온도변환기의 출력을 이용하여 최종적으로 열선유속계의 출력을 보상한 것이다.

제11도는 본 발명의 응용예로서 유속계출력을 공기유량에 대하여 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유동장 2 : 온도증폭수단

3 : 전압조정회로 4 : 전압유지회로

5 : 브릿지상단 6 : 전압가감회로

7 : 비례계수조정회로

[발명의 분야]

본 발명은 한개의 열선센서를 이용하여 유동장 내의 온도 및 속도를 측정하는 방법에 관한 것으로 본출원인에 의한 특허출원 제94-2452호(열선유속계의 온도보상방법)의 기술을 응용한 것이다.

한개의 열선센서를 저항온도계에 연결하여 유동의 온도를 측정하고 또한 이 열선을 속도측정용 유속계로 전환연결하여 유속계의 센서로 사용하여 유동의 속도를 계측한다.

또한 속도계측 이전에 측정된 유동온도의 전압정보를 유지하여 유속계출력의 온도보상을 행하여 속도측정의 신뢰도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

두개의 측정용 센서를 한 개로 줄일 수 있으므로 측정점의 부피를 크게 줄일수 있고 따라서 실제현상의 유동 및 온도를 교란시키지 않으므로 더욱 정밀한 측정을 가능하게 하는 기술이다.

[선행기술의 설명]

현재 공업적으로 사용되고 있는 온도측정용 센서로는 열전대, 반도체 온도소자, 열선과 같은 금속저항온도계 등이 있다. 열선의 재질은 텅스텐이나 백금이 사용되며 온도변화에 대한 응답시간을 줄이기 위해 직경 1㎛의 제품도 생산되고 있다. 열선의 저항온도관계는

R = R₀(1 +α)

으로 표시되는데 이 식에서 R₀는 0℃에서의 저항, α는 열선의 저항온도계수 그리고 는 열선이 놓인 유동장의 온도이다. 대부분의 금속은 온도에 대하여 선형적인 특성을 보이며 물질에 따라 정해지는 α는 그 물질의 고유한 값이다. 온도의 변화가 있으면 열선의 저항이 변화하고 이를 증폭하면 온도의 변화를 전압으로 검출할 수 있다. 이것은 열선이 포함된 브릿지에 미세한 전류를 흘려 저항 즉, 온도의 변화를 전압의 형태로 검출하는 것이다. 온도에 따른 저항의 변화가 선형적이므로 그 출력전압도 선형적 특성을 갖게 된다.

브릿지에 흐르는 전류를 증가시켜 열선의 온도를 자체 주울열(Joule's Haet)발생으로 상승시켜 유동장에 놓으면 열선과 유체간의 대류열전달 관계에 의해 유동의 속도를 검출할 수도 있다. 이 경우 열선과 그 증폭기를 포함하여 정전류형 열선유속계(Constant Current Anemometer)라 부른다.

일반적으로 사용되는 유속측정용 기기에는 피토관과 열선유속계가 있으나 피토관은 평균유속의 측정만이 가능하며 난류(Turbulence)등과 같이 빠른 변동을 가지는 유동의 측정에는 열선유속계가 필수적이다.

열선유속계는 열선과 주위유체사이의 대류열전달현상을 이용하여 유동속도를 측정하는장치로서 실험유체역학분야, 전자제어 자동차용 공기유량계등 그 응용분야는 매우 넓다. 그러나 열선주위의 대류열전달양은 유체의 속도 뿐만 아니라 열선과 주위 유체사이의 온도차에 따라 변화하므로 유체의 온도변동을 보상해 주지 않으면 유속측정에 많은 오차가 발생하게 된다.

물리량을 측정하는 센서는 그 부피가 작아야 실제 유동현상을 교란시키지 않는다. 화학공정이나 열교환기 등과 같은 유체의 온도와 속도가 동시에 변화하는 유동현상을 실험적으로 기술하기 위하여 최소한 온도센서와 속도계측용 센서 2개가 필요하며 이들 센서를 유동에 위치시키기 위해 두개의 지지기구가 필요하고 이 역시 불편하고 비경제적이다.

[발명의 요약]

본 발명의 목적은 한 개의 열선을 이용하여 유동장의 온도와 속도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 열선을 저항온도계로 사용하였을 때 출력전압을 유지하고 출력전압의 기준과 비례계수를 조정하는 회로를 구성하고, 또한 열선을 저항온도계와 유속계용 센서로 주기적으로 전환하여 사용하면서 온도변화에 대한 유속계의 출력을 자동으로 보상하는 회로의 구성과 시간표(Time Chart)를 작성한다.

한편 온도 측정용 증폭기는 종래의 표준형 정전류형 열선유속계회로를 채택하여 이용하고 속도의 측정을 위하여 특허출원 제94-2452호(열선유속계의 온도보상방법)의 기술을 응용한다.

실험적으로 본 발명의 타당성을 검토하기 위하여 먼저 열선을 저항온도계로 이용하고 넓은 온도 범위에 대하여 보정하고 특허출원 제94-2452호(열선유속계의 온도보상방법)의 방법으로 유속계를 조정하고 주기적인 온도측정과 속도의 보상을 자동적으로 행하는 전체회로를 구성한다.

또한 유체의 속도와 온도가 가변되는 노즐의 출구에서 본 발명에 의한 기기를 실험하여 유체의 온도와 속도가 변화하는 유동장의 정보를 한개의 센서를 이용하여 얻음으로써 본 발명의 타당성을 검증한다..

본 발명이 다른 목적과 특징, 장점은 관련된 도면과 실시예를 통한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

[발명의 상세한 설명]

제1도는 본 발명의 개념을 나타내는 개략도이다. 한개의 열선 R_W이 스위치(S1)의 작용에 따라 유속계의 브릿지(B1)와 정전류형 온도증폭기의 브릿지(B2)에 교대로 사용되고 있다. 유속계와 온도증폭기 즉 온도변환기(2)의 접지는 공통으로 연결되어 있다. 따라서 열선 R_W의 한줄만 전환하면 열선의 교환이 이루어지게 된다. 이 스위치(S1)와 스위치(S2)의 연속적인 작용에 따라 주기적으로 유동의 온도정보(T)와 보상된 속도정보(EO)가 검출된다.

스위치(S1)의 고정단자(C)가 고정단자(A)에 연결되면 열선 R_W을 온도정보로 사용하기 위한 온도변환기(2)를 거친 전압형태의 정보 E1는 열선유속계의 속도 출력이 유체의 온도변화에 따른 영향을 받지 않도록 적절한 전압의 형태로 조정하기 위한 전압조정회로(3)를 거쳐 전압유지회로(4)로 간다.

본 발명의 일실시예에 따른 온도변환기(2)는 제3도에 예시하고 있다. 전압조정회로(3)는 상기에서 언급한 본 출원인에 의한 특허출원 제94-2452호에 잘 나타나 있다.

전압조정회로(3)는 온도변환기(2)의 출력 E1을 γ(1+αT_a)로 조정하는 회로이다. 여기서 α는 온도저항계수이고 T_a는 유체의 온도이고 γ는 비례상수로서 열선의 과열비와 출력감도에 관계된다. 특허출원 제94-2452호에 이론전개를 한 바와 같이 (1+αT_a)에 비례하는 전압 E_T를 열선유속계의 브릿지(B1)에 가하게 되면 열선유속계의 출력에는 온도의 영향을 받지 않고 속도만의 정보가 검출된다.

전압유지회로(4)는 전압조정회로에서 조정된 전압 E_T를 유지하는 회로이고 스위치(S1)의 고정단자(C)가 고정단자(A)에서 떨어져 고정단자(B)에 연결되는 동안 전압을 유지하여 유속계의 브릿지(B1)에 전압 E_T을 가할 수 있게 됨으로써 온도를 보상하는 소기의 목적을 달성한다. 전압유지회로의 출력 E_T는 유동장의 온도정보(T)로도 검출된다.

스위치(S1,S2)의 작동시 실시예는 제9도에서 도시하고 있다.

제2도는 임의 전압형태의 유체온도정보를 이용한 열선유속계의 온도보상방법의 개념을 나타내는 화로도로서 제1도의 상부에 위치한 회로와 동일한 개념에 의한 것이다. 여기서 R_W는 유동장에 놓이는 열선 센서이며, R1, R2, R3는 브릿지(B1')를 구성하는 고정저항이고 VR은 가변저항으로 그 값을 조정하여 전체 유속계의 출력에 R2와 R3의 영향이 나타나지 않도록 한다. 본 발명의 실시예에서는 R1, R2, R3 그리고 VR은 각각 47㏀, 4.7㏀, 1㏀, 100Ω이 된다.

상기 브릿지(B1')는 이득(Gain)이 매우 큰 직류증폭기(OP1')에 부귀환이 되도록 연결되어 있으며 E_T는 유속계의 온도보정을 위해 가하는 전압으로 그 크기는 상기에서 설명한 바와 같고 온도정보(T)로 이용될 수도 있다. E_T의 크기를 적절하게 외부유체의 함수로 조정하여 유속계의 브릿지(B1')에 가함으로써 열선유속계의 출력(EO')에는 온도의 영향이 없는 유속만의 정보가 나오게되는 것이다.

본 발명과 다른점은 본 발명에는 센서가 하나만 있으면 되고 이 하나의 센서를 스위치에 의해 열선센서와 온도센서로 번갈아 사용함으로써 온도보상의 효과도 얻으면서 센서의 크기를 줄일 수 있게 되었다. 다만 이를 위하여 본 발명에서는 스위치(S1,S2)와 전압유지회로(4)가 필요하게 된다.

제3도는 본 발명의 일실시예에 따라 열선 R_W를 저항온도계로 사용하기 위한 온도변환기 즉 정전류형 열선유속계(CCA)의 회로도로서 제1도에서 도시한 것을 보다 상세히 한 것이다. 브릿지(B2)와 차동증폭수단(OP2)을 포함하고 있으며 브릿지(B2)에 미세한 전류가 흐르도록 브릿지 상단에 큰 저항이 연결되어 있다. 예컨대 저항 R4는 20㏀이고 저항 R5, R6, R7는 각각 4.7㏀, 47㏀, 1㏀이다. 열선 R_W에 흐르는 전류의 양은 매우 적어서 자체 열발생은 무시되고 외부온도에 따라 그 저항값이 변화한다. 이 저항의 변화는 브릿지(B2)의 불균형을 가져오고 그 변화가 출력전압(E1)으로 나타나게 된다. 증폭수단(OP2)의 자세한 설명은 종래의 정전류형 열선유속계의 회로와 유사하므로 생략한다.

제4도는 제3도의 온도변환기의 출력그래프이다 제5도에서 설명될 두개의 조정저항을 지나기 전의 출력(E1)으로 온도의 변화에 대하여 선형적인 특성만을 보여주고 있다. 서로 다른 날에 검출한 출력그래프가 제4도에서 도시한 바와 같이 동일하다.

제5도는 온도변환기(2)에서 출력되는 온도에 대응하는 전압(E1)을 가감(Bias)하는 조정회로(6)와 온도변화에 대한 비례계수(Gain)를 정하기 위한 조정회로(7)의 일실시예이다. 전압가감회로(6)는 0℃에서 0볼트가 되도록 조정하는 역할이며 온도비례계수 조정용 저항 RG는 100℃에서 1볼트가 출력되도록 조정하는 역할을 한다. 전압버퍼(9)가 연결되어 있다. 본 발명에 의한 실시예에서는 R과 RG는 모두 10㏀이다. 보다 상세한 것은 본 출원인에 의한 상기에서 인용한 특허출원 제94-2452호에 잘 나타나 있다.

제6도는 온도변환기의 출력이 조정회로를 지난 후의 그래프이다. 0℃에서 0볼트 100℃에서 1볼트가 출력되도록 조정되어 있다. 실제적으로 이 조정과정은 여러온도를 반복적으로 바꾸어가며 기준전압조정저항과 온도비례계수 조정용저항을 조정하여 이루어진다.

그리고 제7도는 조정된 전압을 유지(Hold)하기 위한 회로도의 실시예이다.

본 발명에서는 전압을 유지하는 회로로 0.1㎌의 필름형 콘덴서(F)를 사용하였으며 콘덴서의 전후에 신호의 누설을 막기 위하여 전압버퍼(9)를 사용하였다.

제8도는 본 발명에서 사용한 전압유지회로의 시간에 따른 전압강하를 도시한 것이다. 약 1mV/min의 강하특성을 보여주고 있다. 전압유지회로의 강하특성이 우수하여 충분한 시간을 두고 각종의 전환 스위치를 순차적으로 전환할 수 있으며 시험결과 1분정도 지연 후의 이 전압강하에 의한 보상된 속도의 오차는 나타나지 않았다.

제9도는 본 발명을 자동으로 수행하기 위한 전환스위치와 온도출력전압을 획득(Sample)하고 유지(Hold)하기 위한 시간표(Timem Chart) 및 흐름도이다. 스위치(S1)의 고정단자(C)가 온도계(A)에 연결되어 센서R_W의 온도정보가 온도증폭기(2)를 거쳐 전압조정수단(3)을 지나 스위치(S2)가 연결되어 있는 상태에서 전압유지회로(4)에 온도정보가 전압의 형태로 유지된다. 그리고 스위치(S1)가 유속계(B)로 연결된 상태에서 스위치(S2)가 연결되어 있으면 열선의 온도정보가 아닌 전압이 전압유지회로(4)에 유지되기 때문에 스위치(S1)가 유속계(B)로 연결되기 전에 스위치(S2)는 끊어져서 온도정보에 관한 전압을 유지하고 있어야 한다. 따라서 스위치(S1)가 유속계(B)에 연결된 상태에서 온도정보에 관한 전압이 브릿지(B1)에 인가되게 한다. 그리고 스위치(S1)가 온도계(A)로 연결되면 온도정보를 전압유지회로(4)에 보내기 위하여 스위치(S2)는 연결되어야 한다. 상기에서 설명한 바와 같은 과정이 주기적으로 계속 반복된다.

상기 스위치의 작동은 중앙처리유니트(CPU) 즉 컴퓨터에 의해 수행된다.(미도시)

제10도는 온도를 측정하면서 유속을 보정하는 본 발명의 최종적인 결과를 보여준다. 전과정이 개인용 컴퓨터의 신호에 의해 순차적으로 진행되고 전환스위치의 개폐가 스위치에 의해 자동으로 행해진 것이다. 자동화로 인하여 전체 측정시간이 단축될 수 있다. 유체의 온도가 56℃에서 78℃로 변화하여도 한 곡선위에 일치함을 알 수 있다.

제11도는 본 발명의 응용예로서 유속계출력을 공기유량에 대하여 도시한 그래프이다. 노즐출구 단면적에 열전대로부터 구한 온도로부터 환산된 공기의 밀도, 피토관으로부터 구한 속도를 곱하여 토출된 공기유량을 계산하고 출력전압에 대하여 도시한 것이다. 제10도와 마찬가지로 한곡선위에 일치함을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 유동체의 온도 및 유동속도를 감지한 뒤에 이를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 열선센서와, 상기 열선센서의 출력하는 열선센서와, 상기 열선센서의 출력신호를 압력신호로 하여 이를 소정의 크기로 증폭하여 출력하는 온도증폭수단과, 상기 온도증폭수단의 출력신호를 입력신호로 하여, 입력신호를 일정시간 동안 유지시키는 전압유지수단과, 상기 열선센서와 전압유지수단의 출력신호를 입력으로 하여 입력 신호를 직류 증폭하여 출력하는 브리지회로와, 상기 열선센서로부터 출력되는 신호를 상기 브릿지회로와 온도증폭수단이 선택적으로 차단 통과시키는 제1스위칭 수단과, 상기 온도증폭수단과 상기 전압유지수단사이의 신호의 전송을 제어하는 제2스위칭 수단을 포함하여 이루어지는 열선유속계.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도증폭수단과 상기 제2스위칭수단 사이에 위치하여 상기 온도증폭수단의 출력신호를 입력신호로 하여 소정의 크기로 조정하여 출력하는 전압조정수단을 더욱 포함하는 열선유속계.
3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭수단들의 동작타이밍을 조절하기 위하여 중앙처리유니트를 더욱 포함하는 열선유속계.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전압조정수단은 출력전압이 γ(1+αT)가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 열선유속계(γ는 1비례상수이고 α는 온도저항계수이고 T는 유동체의 온도.)
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 스위칭수단들이 계전기인 열선유속계.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전압유지수단은 일측단이 접지되어 있으며 타측단이 상기 제2스위치에 연결되어 있는 콘덴서와, 일측단이 상기 제2스위치에 연결되어 있으며, 타측단은 상기 브리지회로에 연결되어 있는 전압버퍼를 포함하여 이루어진 열선유속계.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 온도증폭수단은 온도증폭브리지회로와 상기 온도증폭브리지회로의 출력을 증폭하기 위한 차동증폭기와, 상기 온도증폭브리지회로의 상단에 위치하여 상기 온도증폭브리지회로에 흐르는 전류의 양을 제어하기 위한 저항을 포함하여 이루어진 열선유속계.