KR100456908B1

KR100456908B1 - 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식유량계의 정밀 보정장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100456908B1
Application number: KR10-2002-0073517A
Authority: KR
Inventors: 김정수; 이균호; 이승우
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-11-10
Also published as: KR20040045671A

Abstract

본 발명은 나노 및 우주 산업과 같이 특수한 첨단 분야에서 기존의 임펄스 출력식 유량계를 이용해 미세유량을 측정할 경우, 주위 환경의 간섭에 의해 발생되는 오차를 최대한 배제하면서 더욱 정확한 유량 값을 구할 수 있도록 측정된 임펄스 값을 미세유량률로 보정해 주는 방법 및 관련 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 가압제(2)와 작동유체(3)를 저장 및 공급하는 가압제/작동유체 공급탱크(23)와, 가압제(2)를 공급해주는 유로 개폐밸브(1)와, 작동유체(3)의 유량을 측정하는 임펄스 출력식 유량계(18) 및 그 출력신호(19)를 처리할 수 있는 출력신호 처리 장치(22)와, 작동유체(3)를 보정 장치 내에 흐르게 하는 유량 제어밸브(7)와, 유량계(18)를 통과한 작동유체(3)를 저장하는 저장 탱크(10)와, 작동유체(3)의 질량(무게)(20)을 측정할 수 있는 저울(17)과, 보정 탱크(10) 내 불활성 기체(9)의 배출을 제어하는 정압제어 밸브(13)와, 무게가 가벼운 유연 배관(12) 등으로 연결됨을 특징으로 하는 것이다.

Description

정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정장치 및 그 방법{The Precision Calibration Method of the Impulse Output Type Flowmeter for Microflow Rate Measurement Using the Static Pressure Calibration Tank}

본 발명은 기존의 임펄스 출력식 유량계를 이용해 미세유량을 측정할 경우, 주위 환경의 간섭에 의해 발생되는 오차를 최대한 배제하면서 더욱 정확한 유량 값을 구할 수 있도록 측정된 임펄스 값을 미세유량률로 보정해 주는 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정장치 및 그 방법에 관한 것이다.

대표적인 임펄스 출력식 유량계(18)인 터빈 유량계는 원통상의 유로 속에 로터(회전날개)가 설치되어 있다. 유체가 이곳을 통과하면서 그 속도에 비례한 회전속도로 로터가 회전하게 되는데 이때 이 로터의 회전속도를 검출하여 임펄스 형태로 유량을 구하는 방식이다.

그러나 다음과 같이 측정조건이 유량계의 설계조건과 차이가 생길 경우에는 오차가 발생해 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.

첫째, 유체저항이 큰 고점도의 유체 유량을 측정할 경우

둘째, 유속에 의한 압력이 로터 축에 작용해 큰 마찰이 발생할 경우

셋째, 선회하는 유체를 측정할 경우

넷째, 유체 내에 기포가 발생할 경우

현대 산업에서는 많은 물질이나 에너지가 유체의 형태로 공급되고 있는데 특히 나노나 우주분야와 같이 첨단 영역에서는 기술의 극소형화 및 정밀화가 요구되면서 유체의 미세 운동과 이에 수반되는 에너지의 이동을 더욱 정확하게 측정해야할 필요성이 높아져가고 있다.

그러나 이러한 유량계의 오차들은 실제 측정되는 미세유량 값과 비교해 볼 때 그 크기가 비슷하거나 오히려 더 크므로 측정결과의 신뢰도를 크게 떨어뜨리게 된다.

또한 유량계 제작업체에서 제공하는 유량계의 시험결과는 실제 측정할 유체 및 작동 조건과 상이하거나 대부분 미세유량보다 큰 범위에 대해서 얻은 값이기 때문에 실제 측정결과와는 차이가 존재한다.

따라서 단지 유량계 성능의 타당성에 대한 기준 값으로만 활용될 뿐 미세유량 측정결과의 정확성을 보장해주지는 못한다.

본 발명은 임펄스 출력식 유량계를 이용해 미세유량을 구할 경우, 사전에 작동 유체와 조건을 모사해 유량계의 특성을 파악함으로써 측정된 임펄스 값을 미세유량률 값으로 정확하게 보정해 주는 방법 및 관련 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 제어밸브 및 저장용 탱크, 저울 등으로 구성된 보정 장치에 보정할 임펄스 출력식 유량계를 연결한 후 실제로 측정할 작동유체를 정상상태로 흘림으로써 임펄스 값을 측정한다.

측정된 결과는 유체역학과 기체 운동론 분야 등에서 유도되어진 관련 공식을이용함으로써 유량률과 임펄스와의 관계를 함수로 정의할 수 있게 해준다.

이렇게 정의된 유량률-임펄스의 보정 함수를 실제 운전장치에 유량계를 장착하여 측정한 임펄스 값과 비교 및 보정함으로써 정확한 미세유량률 값을 계산할 수 있다.

또한 이러한 본 발명은 다양한 작동유체에 대해 유량률-임펄스의 보정 함수를 구하는 것이 가능하기 때문에 그 적용 범위가 넓으며 동시에 쉽고 정확하게 사용자가 원하는 미세유량률 범위를 측정 및 보정함으로써 측정결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

도 1 은 임펄스 출력식 유량계의 출력신호 개략도

도 2 는 본 발명 중 가압제/작동유체 공급탱크 개략도

도 3 은 본 발명 중 정압보정 탱크 개략도

도 4 는 미세유량률-임펄스 보정함수()개략도

도 5 는 본 발명의 전체 설치상태 개략도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1, 5, 8, 11 : 유로 개폐밸브 2 : 가압제 (기체 질소)

3 : 작동유체 (액체) 4 : 가압제/작동유체 저장탱크

6, 15 : 압력계 7 : 유량 제어밸브

9 : 불활성 기체 10 : 작동유체 저장탱크

12 : 유연 배관 13 : 정압 제어밸브

14, 16 : 온도계 17 : 저울

18 : 임펄스 출력식 유량계 19, 20, 25 : 측정값

21 : 타이머 22 : 출력신호 처리장치

23 : 가압제/작동유체 공급탱크 24 : 정압보정 탱크

본 발명의 미세유량률 보정 장치는 크게 가압제/작동유체 공급탱크(23)와, 정압보정 탱크(24)와, 임펄스 출력식 유량계(18) 및 관련 출력신호 처리장치(22)의 네 부분으로 구성되어 있다.

가압제/작동유체 공급탱크(23)는 가압제(기체질소)(2)와 작동유체(액체)(3)를 저장한 후, 보정 탱크(10)에 연결된 유량 제어밸브(7)가 개방되면 고압의 가압제(2)에 의해 작동유체(3)를 전체 장치에 공급하는 역할을 한다.

이때 고압의 가압제(2)는 유로 개폐밸브(1)를 통해 공급탱크(4)에 저장되며 압력계(6)를 이용해 가압제의 압력을 측정할 수 있다.

정압보정 탱크(24)는 유량 제어밸브(7)와, 저장탱크(10)와, 저울(17)과, 정압 제어밸브(13)와, 무게가 가벼운 유연 배관(12)과, 그 외 온도계(14, 16) 및 압력계(15)로 구성된다.

가압제/작동유체 공급탱크(23)에서 공급된 작동유체(3)는 유량계(18)를 통과한 후 유량 제어밸브(7)를 거쳐 정압보정 탱크(10)에 저장된다.

이때 저장되는 유체(3)의 질량(무게)(20)은 보정 탱크(10)에 연결된 저울(17)을 통해 측정되며, 유체(3)의 질량(무게)(20)증가에 따른 탱크(10) 내 불활성 기체(9)는 정압 제어밸브(13)를 통해 일정한 압력으로 배출된다.

임펄스 출력식 유량계(18)는 가압제/작동유체 공급탱크(23)와 정압보정 탱크(24) 사이에 유연 배관(12) 및 유로 개폐밸브(5, 8, 11) 등으로 연결되며, 작동유체(3)는 공급탱크(4)로부터 흘러나온 후 유량계(18)를 거쳐 보정 탱크(10)로 이동하게 된다.

일정시간 동안 측정된 유량계(18)의 임펄스 신호(19)와 정압보정 탱크(10)의 저울(17)을 통해 구한 유체(3)의 질량(무게) 값(20), 그리고 작동유체(3) 및 불활성 기체(9)의 물성치 정보(25)를 관련 출력신호 처리장치(22)를 이용해 처리함으로써 유량률-임펄스의 보정 함수를 계산할 수 있다.

이때 출력신호를 처리해 유량률-임펄스의 보정 함수를 구하는 관련 공식은 다음과 같다.

- ⓐ

- ⓑ

- ⓒ

- ⓓ

- ⓔ

- ⓕ

- ⓖ

단,

: 유량률-임펄스 보정함수

: 온도에 종속하는 작동유체 고유특성의 밀도함수

: 정압보정 탱크 내 유체의 증발을 고려한 기체상수

보정함수

: 임펄스 (19)

: 시간 i에서의 저울지시 정미 질량(무게) (20)

: 정미 유량률

: 정압보정 탱크 내의 기체 압력 (25)

: 정압보정 탱크 내 기체의 실제 기체상수

: 정압보정 탱크 내 기체의 이상 기체상수

: 작동유체의 온도 (25)

: 정압보정 탱크 내 기체의 온도 (25)

:동안의 저울지시 정미 질량(무게) 변화량

: 정상상태에서의 유량 측정시간 변화량

: 작동유체의 점도

: 작동유체의 밀도

: 정압보정 탱크 내의 기체 밀도

이때, 공식 ⓖ는 보정탱크(10) 내 유체(3)와 기체(9)가 접하는 경계 면에서 발생하는 유체(3)의 증발을 고려한 실제 기체상수이며, 유체의 점도()는 유체 온도()(25)의 함수이다.

또한 함수과,는 유체역학 및 기체 운동론 분야 등에서 유도된 공식으로 그 상세한 내용은 편의를 위해 생략하였다.

이러한 본 발명의 보정방법과 장치를 이용해 다음과 같은 순서로 임펄스 출력식 유량계의 유량률-임펄스 보정함수()를 구할 수 있다.

① 가압제/작동유체 저장탱크(4)에 유량률을 측정할 작동유체(액체)(3)와 고압의 가압제(기체질소)(2)를 일정량 채운다. 이때 고압의 가압제(2)는 유로 개폐밸브(1)를 통해 공급탱크(4)에 저장되며, 압력계(6)를 이용해 그 압력()을 측정할 수 있도록 하였다.

② 정압보정 탱크(10)에 연결된 유량 제어밸브(7)를 일부 개방한 후 그 상태를 유지하게 되면 고압의 가압제(기체 질소)(2)에 의해 일정량의 유량이 전체 보정장치에 흐르게 된다.

③ 가압제/작동유체 공급탱크(23)에서 공급되는 작동유체(3)는 유량계(18)를 통과하면서 도1과 같은 임펄스 값(19)을 출력신호 처리장치(22)에 전송한다. 측정 초기에는 갑작스런 유체의 흐름으로 도1처럼 출력 값이 불안정한 섭동 현상을 보이지만 일정시간()이 지나면 유량에 변동이 없는 정상상태(Steady State)에 도달하게 된다.

④ 유량계(18)를 통과한 작동 유체(3)는 유량 제어밸브(7)를 거쳐 정압보정 탱크(10)에 저장된다. 이때 저장되는 유체(3)의 질량(무게)(20)은 보정 탱크(10)에 연결된 저울(17)을 통해 실시간으로 측정되어 출력신호 처리장치(22)에 전송된다.

⑤ 유체(3)가 보정 탱크(10)에 저장되면서 탱크(10) 내 불활성 기체(9) 압력은 유체(3)의 질량(무게) 증가율에 비례해 증가하게 된다. 이때 기체(9)의 압력 증가로 인해 질량(무게) 측정에 미치는 오차를 배제하기 위해 정압 제어밸브(13)를 통해 기체(9)를 일정한 압력으로 배출시키도록 구성하였다.

⑥ 일정시간()이 지나 정상상태(Steady State)에 도달하게 되면 도1처럼 임펄스 값(19)이 일정한 수준으로 유지된다. 이때 타이머(21)를 이용해 정상상태인 임의의 두 시간,에서 임펄스(19)와 유체 질량(무게) 값(20)을 측정한다.

측정한 두 질량 값을 이용해 관련 공식 를 계산함으로써 저울지시 정미 질량(무게)의 변화량() 및 정상상태에서의 유량 측정시간 변화량()을 구한다.

⑦ 동시에 보정 탱크(10) 내 유체(3)의 온도()(25)와, 기체의압력()(25) 및 온도()(25)를 장착된 온도계(14, 16)와 압력계(15)를 이용해 측정한다.

측정된와,,를 관련 공식 ⓔ, ⓕ, ⓖ에 대입함으로써 작동유체의 밀도()와, 기체의 밀도()와, 기체의 실제 기체상수()를 계산한다.

⑨ 유량 제어밸브(7)의 개방상태를 변경한 후, 과정 ②부터 ⑧까지 반복함으로써 임의의 유량 제어밸브(7) 개방상태에서 유량계(18)의 임펄스값(19)과 작동유체(3)의 정미 유량률()을 구할 수 있다.

이 측정값들을 도 4 처럼 그래프와 커브피팅으로 처리함으로써 두 변수 사이의 관계식인 유량률-임펄스 보정함수()를 관련공식 ⓐ와 같이 정의할 수 있다.

이러한 본 발명의 보정 방법 및 장치를 이용해 유량률-임펄스 보정함수()을 구함으로써 실제 작동조건에서 측정된 임펄스 값에 대해 사용자가 원하는 미세유량률로 계산 및 보정할 수 있다.

본 발명은 기존의 임펄스 출력식 유량계를 이용해 미세유량을 측정할 경우, 발생되는 오차들은 실제 측정되는 미세유량 값과 비교해볼 때 그 크기가 비슷하거나 오히려 더 크므로 측정결과의 신뢰도를 크게 떨어뜨리게 된다.

본 발명은 실제 측정할 유체 및 작동 조건과 상이하거나 대부분 미세유량보다 큰 범위에 대해서 얻은 시험 결과를 이용해 보정하므로 실제 미세유량의 측정결과와는 차이가 존재한다.

본 발명은 이러한 오차에 의한 영향을 최대한 배제하면서 더욱 정확한 유량 값을 구할 수 있도록 측정된 임펄스 값을 미세유량률로 보정해 주는 방법 및 관련 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 보정 방법 및 장치를 이용해 유량률-임펄스 보정함수()을 구함으로써 측정된 임펄스 값에 대해 쉽고 정확하게 미세유량률로 계산 및 보정할 수 있으므로 측정결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 다양한 작동유체에 대해 측정이 가능하므로 그 적용 범위가 넓다.

Claims

정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정법에 있어서,

고압의 가압제(2) 및 작동유체(3)를 저장하는 저장 탱크(4)에 유로 개폐밸브(1, 5) 및 압력계(5)가 장착된 가압제/작동유체 공급탱크(23)와,

유량계(18)를 통과한 작동유체(3)의 질량(무게)(20)을 측정하는 정압보정 탱크(24)와,

작동유체(3)의 유량을 측정하는 임펄스 출력식 유량계(18)와 유량계(18)로부터 측정된 임펄스 신호(19)와 정압보정 탱크(24)로부터 출력되는 탱크(10) 내 불활성 기체(9)의 온도(25) 및 압력 값(25), 유체(3)의 유량(질량) 값(20)과 온도 값(25)을 처리해 유량률-임펄스 보정함수()를 구해주는 출력신호 처리장치(22)와 유연 밸브(12) 등으로 연결됨을 특징으로 하는 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정장치.
제1항에 있어서, 정압보정 탱크(24)는 보정 장치에 작동유체(3)를 흐르게 해주는 유량 제어밸브(7)와, 유체(3)를 저장하는 저장탱크(10)와, 유체(3)의 질량(무게)(20)을 측정하는 저울(17)과, 탱크(10) 내 블활성 기체(9)의 압력을 일정하게 유지해 배출시켜주는 정압 제어밸브(13)와, 무게가 가벼운 유연 배관(12)과, 저장탱크(10) 내 유체(3) 및 기체(9)의 온도(25)와 압력(25)을 측정해주는 온도계(14,16) 및 압력계(15)로 구성되어 유체(3)의 유량(질량)변화를 측정할 수 있도록 함을 특징으로 하는 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정장치.
정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정법에 있어서,

보정 장치(23, 24)를 이용해 임펄스 출력식 유량계(18)로부터 측정된 임펄스 신호(19)와,

정압보정 탱크(24)로부터 출력되는 탱크(10) 내 불활성 기체(9)의 온도(25) 및 압력 값(25)과, 유체(3)의 질량(20) 및 온도 값(25)을 출력신호 처리장치(22)에서 관련 공식에 대입하여 정상상태에서 작동유체(3)의 정미 유량률()을 계산함으로써 최종적으로 미세유량률-임펄스 보정함수()를 구함을 특징으로 하는 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정 방법.
제3항에 있어서, 출력신호 처리장치(22)에서 대입하는 관련 공식은

- ⓐ

- ⓑ

- ⓒ

- ⓓ

- ⓔ

- ⓕ

- ⓖ

임을 특징으로 하는 정압보정 탱크를 이용한 미세유량률 측정용 임펄스 출력식 유량계의 정밀 보정 방법.