KR100201077B1 - 평균 피토관형 유량측정장치 - Google Patents

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Abstract

평균 피토관의 감지부 내부에 고압영역과 저압영역을 분리시켜 주위에 흐르는 유체의 물리적 특성에 의한 압력차를 발생시켜 유량측정에 이용하는 피토관형 유량측정장치에 관한 것이다.
본 발명은, 고압영역 및 저압영역이 내측에 형성된 분할벽에 의해 분리된 감지부를 포함하는 피토관형 유량측정장치에 있어서, 상기 감지부의 단면형상이 중앙에 유체의 흐름방향에 마주하는 분할벽을 포함하여 전체적으로 변형된 원뿔형을 이루며, 유체의 흐름방향의 전단에 위치하는 상기 원뿔의 꼭지점에는 전압공이 형성되며, 상기 원뿔의 측면에는 유체의 흐름방향에 평행하는 서로 마주보는 2개의 정압공이 형성되는 형태로 이루어진다.
따라서, 감지부의 형상에서 인입각도를 예각으로 하고 모서리를 곡선화로 하여 유체의 물리적 특성인 유량계수가 안정적으로 유지되며 와류의 발생이 최소화되어 측정의 정확성을 기할 수 있다는 효과가 있다.

Description

피토관형 유량측정장치
본 발명은 피토관형 유량측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유량계수를 안정시킨 평균 피토관형 유량측정장치에 관한 것이다.
공업적인 공정에서 유체에 대한 정확한 유량측정을 위해서는 유체의 유량특성에 대한 정확한 인식이 필요하며, 액체, 기체, 미립고체 또는 이들의 결합형태로 나타나는 유체의 성질 및 층류, 난류, 정상류 또는 비정상류 등의 흐름특성에 유의하여야 한다.
일반적으로 유체가 균일도관을 저속으로 흐를 때 각 입자들의 운동이 도관벽에 평행한 궤적을 그리며 흐르는 층류를 형성한다. 유량이 증가하고 유속이 빨라지면 입자의 운동은 복잡해지고 임계속도를 넘으면 난류를 형성하게 된다. 임계속도는 레이놀즈수(Reynolds Number)의 형태로 나타내며, 이는 유량측정 범위를 결정하게 된다.
공업적으로 많이 사용되는 유량계는 가변수두 유량계(variable-head meter)와 면적 유량계(area meter)가 있으며, 상기 가변수두 유량계는 크게 벤츄리 유량계, 오리피스 유량계 및 피토관 유량계로 분류된다. 특히, 피토관은 유선에서의 국부속도를 측정하는 기구이며, 유체의 흐름방향에 수직하는 전압관(total pressure tube) 또는 충격관(impact tube)과 흐름방향에 평행하는 정압관(static pressure tube) 사이에서의 압력차를 간단한 차압 마노미터나 경사형 마노미터로 측정하여 유량을 측정하는 것이다. 피토관은 이들 전압관과 정압관이 함께 조합되어 있는 것이 많이 사용되고 있으며, 측정관 내에서 전체 유량의 평균을 측정하기 위해 측정지점을 측정하고자 하는 관내의 여러 점에서 측정할 수 있게 설계되고 있다.
한편 피토관에서 정확한 유량측정을 위해서는 유량계수(K)의 값이 측정범위 내에서 일정하게 유지되는 것이 최대의 관건이 되고 있으며, 이외에도 측정공의 막힘이나 와류(Vortex)의 발생을 억제할 필요가 있으며, 이들을 고려하여 다양한 형상의 피토관이 제작되고 있다.
특히, 전압관과 정압관을 동체로 형성하여 그 압력차에 유량계수를 적용하여 유량측정을 수행하는 것으로서, 다양한 단면형상으로 상품화가 되어 있으며, 예를 들어 미합중국 디트릿지사의 다이아몬드형, 프레소사의 타원형, 베리스사의 총알형, 메리암사의 원형 등이 있다.
상기 다이아몬드형 피토관은 중앙에 분할벽이 수직으로 형성되어 있으며 그 형상이 안정되고 정밀도가 높다는 장점이 있으나, 유동유체와의 충격면이 직각 내지 둔각 형태로 되어 와류의 영향을 많이 받게 되므로 지시안정도가 불안하고 측정 구멍의 막힘이 발생할 우려가 크다는 단점이 있다. 이러한 점을 보완하기 위한 것이 상기 미국 베리스사의 유선 총알형(상품명 : Verisbar)이다. 상기 베리스사의 제품은 유선형의 총알형태로 되어 유량측정시 와류의 영향을 가능한 한 적게 하여 신호의 안정 및 구멍막힘을 방지하는 데 유리하나, 유량 측정범위가 좁아지고 유량계수가 측정범위에서 편차가 커진다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 항력계수를 안정시켜 유량계수의 값이 넓은 유량 측정범위에서 안정되게 유지되는 피토관형 유량측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 피토관에 의한 와류의 발생을 최소한으로 억제하여 신호의 지시안정도를 높이고 구멍의 막힘을 방지할 수 있는 피토관형 유량측정장치를 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피토관형 유량측정장치의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도2는 도1의 피토관을 구체적으로 도시한 도면이다.
도3은 도2의 III-III선을 따라 절개한 단면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10; 피측정관20; 피토관
22; 고압영역24; 저압영역
26; 플렌지30; 감지부
32; 전압공(全壓孔)34; 분할벽
36; 정압공(靜壓孔)38; 노치
40; 유량측정기42; 고압부
44; 저압부46; 매개물질
θ; 인입각도
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피토관형 유량측정장치는, 고압영역 및 저압영역이 내측에 형성된 분할벽에 의해 분리된 감지부를 포함하며, 상기 고압영역 및 저압영역이 각기 길이방향으로 연장되어 피측정관 외측에 설치되는 측정기기에 연결되는 피토관형 유량측정장치에 있어서, 상기 감지부의 단면형상이 중앙에 유체의 흐름방향에 마주하는 분할벽을 포함하여 전체적으로 변형된 원뿔형을 이루며, 유체의 흐름방향의 전단에 위치하는 상기 원뿔의 꼭지점에는 전압공이 형성되며, 상기 원뿔의 측면에는 유체의 흐름방향에 평행하는 서로 마주보는 2개의 정압공이 형성되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 감지부는 측정하고자 하는 피측정관 내에 위치되도록 일정 간격을 두고 복수개가 형성되어 있어 평균 유량을 측정할 수 있도록 구성되며, 각 감지부는 동일한 형상을 갖는 것이 바람직하다.
상기 원뿔의 인입각도(θ)는 60°이하의 예각으로 형성하여 항력계수를 낮춤으로써 유량계수를 안정되게 유지할 수 있어 바람직하다.
또한 상기 분할벽은 유체의 흐름방향에 대하여 수직하는 수직벽으로 형성하여 유량계수 값을 안정시키는 것이 바람직하다.
상기 원뿔의 각 꼭지점 부분을 곡선화시켜 와류의 발생을 최소로 억제시켰으며, 상기 감지부의 전압공 부근의 외벽면에 노치(notch)를 형성시켜 난류영역을 조기에 형성하여 유량 측정범위를 확대시키는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피토관형 유량측정장치의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이며, 도2는 도1의 피토관을 구체적으로 도시한 도면이며, 도3은 도2의 III-III선을 따라 절개한 단면도이다.
도1을 참조하면, 유체가 화살표 방향으로 흐르며, 유량측정을 하고자 하는 피측정관(10) 내에 피토관(20)이 삽입되어 있으며, 플렌지(26)에 의해 고정된다. 피측정관(10) 외측으로 연장된 피토관(20)은 압력측정기(40)에 연결되어 있다.
상기 피토관(20)은 피측정관(10) 내의 평균 유량을 측정하기 위한 평균 피토관으로써 피토관(20)의 길이방향을 따라 감지부가 일정한 간격을 두고 복수개가 형성되어 있다. 도1에서 a는 피측정관(10) 내에서 유체의 속도 프로파일을 나타내는 것이며, b는 평균속도를 나타내는 선이다. 따라서 본 발명의 평균 피토관(20)은 피측정관(10) 내에 복수개의 측정지점을 설정하여 측정함으로써 유체의 평균속도에 따른 평균압력이 발생하여 피토관의 이동없이 평균유량을 용이하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 도1에서 I부분은 유체의 흐름에 대하여 피토관(20)의 전단에 형성되는 고압영역을 나타내며. II는 유체의 흐름에 대하여 피토관(20)의 후단에 형성되는 저압영역을 나타낸다. 상기 고압영역의 압력값은 정적압력값 보다 높고 저압영역의 압력값은 낮다.
평균 피토관의 유량측정원리를 살펴보면, 전압개구(32)를 통하여 유동유체의 충격을 받는 고압영역(22)에는 전압(Pt)이 걸리며, 정압개구(36)를 통하여 저압영역(24)에는 정압(PS)이 걸린다. 압력측정기(40)에는 일정한 밀도를 갖는 측정 매개물질(46)이 내장되어 있으며, 압력측정기(40)로부터 측정한 전압과 정압의 압력차가 동압(Pv)이 된다. 유량은 유량계수와 단면적과 유속에 비례하며, 유속은 동압과 관련있기 때문에 단순히 동압을 측정함으로써 유량을 쉽게 측정할 수 있게 된다.
본 발명은 유량계수를 유량 측정범위 내에서 안정되게 유지할 수 있는 감지부의 형상과 특히 관련있다. 유량계수값에 가장 큰 영향을 주는 것이 항력계수값이며, 유동유체와 충격되는 면이 수직이거나 둔각이 되는 경우 항력계수는 크면서도 레이놀즈수에 의해 결정되는 유량 측정범위 내에서 안정되며, 유체의 충격면이 유선형에 근접할 수록 항력계수는 낮아지면서 그 변화가 심하다는 것은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 한편 충격면이 둔각이 될 수록 와류의 발생이 심하기 때문에 전압공 또는 정압공 등의 구멍이 막히거나 압력 신호의 지시 안정도가 일정하지 않아 반드시 바람직한 것만도 아니다.
따라서 항력계수의 크기에 관계없이 유량 측정범위 내에서 항력계수의 값을 안정되게 유지하면서 와류의 발생을 최대한 억제하는 것이 바람직하다.
도3은 전압공(32)과 정압공(36)이 형성된 감지부의 단면형상을 나타낸 것으로서, 24인치 피측정관(10)내에 설치되는 피토관(20)에 대한 것이다.
도3을 참조하면, 감지부는 전체적으로 변형된 예각의 원뿔형을 이루며, 중앙에 유체의 흐름방향에 수직한 분할벽(34)이 형성되어 있으며, 인입각도(θ)는 36°로 형성되어 있다. 전압공(32)에 근접한 피토관 외벽에는 노치(notch)가 형성되어 있다. 유량측정의 기준면적을 계산하기 위한 감지부의 높이(도3에서 감지부의 수직높이)는 26.57 mm이며, 감지부의 길이(도3에서 감지부의 수평길이)는 34.68 mm이며, 전압공(32) 및 정압공(36)의 직경은 4.8 mm로 같다. 노치(38)의 폭은 0.7 mm로 형성되어 있으며, 감지부의 전단 꼭지점으로부터 분할벽(34)에 이르는 거리는 15.5 mm이며, 분할벽(34)의 두께는 3 mm로 형성하였다. 감지부의 각 꼭지점부위는 곡선화하여 와류발생을 최소화 하였으며, 구체적으로 전압공(32)이 형성된 꼭지점의 곡률반경은 7 mm이며, 정압공(36) 후단의 꼭지점 부위의 곡률반경은 8 mm로 형성하였다.
한편, 4인치 피측정관(10)내에 설치되는 피토관(20)에 대한 예로서, 인입각도(θ)는 44°로 형성된다. 또한 감지부의 높이는 16 mm이며, 감지부의 길이는 20.6 mm이며, 전압공(32) 및 정압공(36)의 직경은 2 mm로 같다. 노치(38)의 폭은 0.5 mm로 형성하며, 감지부의 전단 꼭지점으로부터 분할벽(34)에 이르는 거리는 10.5 mm이며, 분할벽(34)의 두께는 2 mm로 형성하였다. 감지부의 각 꼭지점부위는 곡선화하여 하였으며, 구체적으로 전압공(32)이 형성된 꼭지점의 곡률반경은 3.75 mm으로 형성하였다.
이상은 본 발명의 구체적인 실시예를 나타낸 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 수치한정이나 재질로서 변형 및 수정이 가능하다.
따라서, 본 발명에 의하면 감지부를 변형된 예각 원뿔형으로 그 인입각도를 조정함으로써 항력계수와 그에 따른 유량계수를 안정적으로 유지하여 측정의 정확성을 기할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면 원뿔의 모서리를 곡선화하여 와류발생이 최소화 되어 구멍막힘이 방지되어 측정의 정확성을 확보하고, 보수에 따른 불편한 점이 줄어드는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

  1. 고압영역 및 저압영역이 내측에 형성된 분할벽에 의해 분리된 감지부를 포함하며, 상기 고압영역 및 저압영역이 각기 길이방향으로 연장되어 측정관 외측에 설치되는 측정기기에 연결되는 피토관형 유량측정장치에 있어서,
    상기 감지부의 단면형상이 중앙에 유체의 흐름방향에 마주하는 분할벽을 포함하여 전체적으로 변형된 원뿔형을 이루며, 유체의 흐름방향의 전단에 위치하는 상기 원뿔의 꼭지점에는 전압공이 형성되며, 상기 원뿔의 측면에는 유체의 흐름방향에 평행하는 서로 마주보는 2개의 정압공이 형성되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 피토관형 유량측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부는 피측정관내에 위치되도록 일정 간격을 두고 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 피토관형 유량측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원뿔의 인입각도(θ)는 60°이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 피토관형 유량측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할벽은 유체의 흐름방향에 대하여 수직하는 수직벽으로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 피토관형 유량측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 원뿔의 각 꼭지점 부분이 곡선화되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 피토관형 유량측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부의 전압공 부근의 외벽면에 노치(notch)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 피토관형 유량측정장치.
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