KR100500532B1 - 유량측정용 피토 콘 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관로내의 유체 전압과 유체 정압의 차이를 이용하여 유량을 측정하는 유량측정용 피토 콘 조립체에 관한 것이다.

본 발명의 유량측정용 피토 콘 조립체는, 전압구멍(21a)을 중심부에 형성하고 유체의 흐름방향에 대하여 지름이 점점 커지는 확대경사면(21b)을 가지는 콘부 (21)와, 상기 배관(25)의 플랜지부(25a) 사이에 고정되어 상기 콘부(21)를 관로의 중심부에 위치하도록 복수개의 이음부(23)를 통해 지지함과 동시에, 상기 배관(25)의 안둘레면에 일치하는 정압면(22b)을 가지며, 이 정압면(22b)에 정압구멍(22a)을 형성한 링형상의 고정부(22)로 이루어진다.

따라서, 관로내에 흐르는 유체의 최고 전압과 최저 정압이 정확하게 검출되어 측정 차압이 커지게 됨으로써 저유량, 즉 유체가 저속으로 흐르는 경우에도 유량의 측정 정확도를 높일 수 있다. 또한 관로에 설치하는 작업이 매우 간편하게 이루어지고, 견고하게 지지 및 고정되므로, 유체의 충돌에 의한 손상이 방지되고, 진동에 의한 콘부의 유동이 방지되어 차압 측정을 더욱 정확하게 할 수 있다.

Description

유량측정용 피토 콘 조립체{PITOT CONE ASSEMBLY FOR FLOW MEASUREMENT}

본 발명은 관로내의 유체 전압과 유체 정압의 차이를 이용하여 유량을 측정하는 유량측정용 피토 콘 조립체에 관한 것이다.

유량계측기기인 유량계는 그 종류가 다양하고, 그 중 차압식 유량계는 관로내에 흐르는 유체 전압(total pressure)과 유체 정압(static pressure)의 차압을 이용하여 유량을 측정하는 유량계로서 제작이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.

차압식 유량계는 차압을 발생시켜 검출하기 위한 엘리먼트와, 이 엘리먼트로부터 검출된 차압을 전기적 신호로 출력하는 압력 전송기와, 압력 전송기로부터 출력된 차압신호를 유량으로 계산해 주는 플로우 컴퓨터로 구성되어 있으며, 질량 유량을 계측하기 위해서는 현장에 설치되어 있는 배관에 온도계와 절대압 게이지를 별도로 설치하여 배관내 유체의 온도와 압력에 따른 유체 물성치를 고려하여 계산하고 있다.

상기 엘리먼트로는 피토관, 오리피스, 콘(Cone) 타입 조립체등의 제품이 사용되고 있다. 도 1 및 도 2는 종래의 피토관 타입 조립체를 나타낸 것으로, 관로내에 설치되는 전압관(1)과 정압관(2)으로 구성하고 있으며, 전압관(1)의 전압구멍 (1a)은 유체의 흐름방향에 마주하는 반대방향으로 개구되어 있고, 정압관(2)의 정압구멍(2a)은 유체의 흐름방향에 수직 또는 동일방향으로 개구되어 있다.

따라서 상기 전압구멍(1a)과 정압구멍(2a)을 통해 검출된 관로내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 이와 연결된 차압전송기(3)로 보내져 차압신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(4)에서는 상기 차압신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하게 된다.

이러한 피토관 타입 조립체는 운전중 손실압력이 적은 장점이 있지만, 저 유량에서 차압의 측정정확도가 급격하게 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 이는 유량이 측정되는 차압의 제곱근에 비례하기 때문에 저 유량 범위 즉, 저 유속범위에서는 차압 측정치가 작기 때문이다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 유속 프로파일 (profile)이 편심을 이룰 경우 오차가 발생될 수 있어 측정 전단부에 유속 프로파일을 안정화시키기 위해 별도의 긴 직관부 또는 플로우 스트레이닝 베인(Flow straightening vane)을 관로내에 설치해야 하는 단점이 있다.

도 3은 종래의 콘(Cone) 타입 조립체를 나타낸 것으로, 유체의 전압은 관로내에 설치한 콘(11)의 전압구멍(11a)으로부터 검출하도록 되어 있고, 유체 정압은 배관(12)의 안둘레면 위치에 구비된 정압구멍(12a)을 통해 배관(12)의 안둘레면 부근의 유체 정압을 검출하도록 구성되어 있다.

콘(11)은 유체의 흐름방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대경사부 (11b)와, 급격히 작아지는 축소경사부(11c)로 이루어지며, 축소경사부(11c)의 끝부분에 전압구멍(11a)이 형성되어 있고, 콘(11)은 상기 전압구멍(11c)이 관로의 중심에 위치되도록 Ｌ자 형상의 튜브(13)에 의해 지지되고, 전압구멍(11a)은 튜브(13)의 전압통로(13a)를 통해 배관(12) 외부로 연결되어 있다.

따라서 상기 전압구멍(11a)과 정압구멍(12a)을 통해 검출된 관로내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 이와 연결된 차압전송기(14)로 보내져 차압신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(15)에서는 상기 차압신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하게 된다.

그러나 상기와 같은 종래의 콘(Cone) 타입 조립체는, 콘(11)을 L자형상의 튜브(13)로 지지한 구성이므로, 배관(12)내에 설치하는 작업이 어렵고 콘(11)의 지지구조도 매우 취약하다. 따라서 유체가 콘(11)에 충돌하여 발생되는 충격력과 콘 (11)의 진동에 의해 튜브(13)의 고정부위가 쉽게 파손되거나 손상되는 문제가 있고, 콘(11)의 진동이 차압측정에 영향을 주어 정확한 측정을 어렵게 하는 단점이 있다.

또한 종래의 콘(Cone) 타입 조립체는 정압구멍(12a)이 배관(12)의 한곳에만 형성되어 정압을 검출하도록 되어 있기 때문에, 배관(12) 내로 흐르는 유체의 프로파일 변화에 따른 오차가 발생할 수 있어 정압을 정확하게 검출하기 어려운 단점이 있다. 따라서 평균 정압을 구하기 위해 복수개의 정압구멍을 다수곳에 형성하는 경우, 각각의 정압구멍에 연결되는 별개의 튜브를 설치하여 서로 연결하여야 하므로, 설치작업이 더욱 어려워지게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 관로내에 흐르는 유체의 최고 전압과 최저 정압을 검출하여 측정 차압을 크게 함으로써 저유량, 즉 유체가 저속으로 흐르는 경우에도 유량의 측정 정확도를 높일 수 있는 유량측정용 피토 콘 조립체를 제공하는데 있다.

또한 관로에 설치하는 작업이 매우 간편하게 이루어지고, 견고하게 지지 및 고정되어 유체의 충돌에 의한 손상이나 진동을 최소화할 수 있는 유량측정용 피토 콘 조립체를 제공하는데 있다.

상기의 목적은, 관로의 중심부에 위치한 전압구멍과 이 전압구멍을 배관 외부로 연결하기 위한 전압통로을 통해 유체 전압을 검출하고, 배관의 안둘레면에 위치한 정압구멍과 이 정압구멍을 배관 외부로 연결하기 위한 정압통로를 통해 유체 정압을 검출하도록 구성된 유량측정용 피토 콘 조립체에 있어서, 상기 전압구멍을 중심부에 형성하고 유체의 흐름방향에 대하여 지름이 점점 커지는 확대경사면을 가지는 콘부와, 상기 배관의 플랜지부 사이에 고정되어 상기 콘부를 관로의 중심부에 위치하도록 지지함과 동시에, 상기 배관의 안둘레면에 일치하는 정압면을 가지며, 이 정압면에 정압구멍을 형성한 링형상 고정부로 이루어짐을 특징으로 하는 유량측정용 피토 콘 조립체에 의해 달성될 수 있다.

또한 상기 정압구멍은 정압면의 둘레방향을 따라 등간격으로 복수개 형성하고, 복수개의 정압구멍은 고정부 내에 형성된 하나의 정압통로와 연통시킨 유량측정용 피토 콘 조립체에 의해 달성될 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 유량측정용 피토 콘 조립체에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 유량측정용 피토 콘 조립체를 나타낸 분리사시도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 피토 콘 조립체의 설치상태를 나타낸 정면도 및 측단면도로서, 본 발명의 피토 콘 조립체는 전압구멍(21a)이 형성된 콘부(21)와, 정압구멍 (22a)이 형성된 고정부(22)로 구성되고, 상기 콘부(21)와 고정부(22) 사이는 복수개의 이음부(23)에 의해 연결되고, 상기 콘부(21)와 고정부(22) 사이에 유체통로 (24)가 형성된 구성이다.

콘부(21)는 그 끝단 중앙부에 전압구멍(21a)을 형성하고 있으며, 유체의 흐름방향으로 점점 지름이 커지는 확대경사면(21b)을 형성하고 있다. 상기 전압구멍 (21a)을 배관(25)의 외부로 연결하는 전압통로(21c)는 콘부(21) 내부, 이음부(23)의 내부 및 고정부(22)의 내부를 통해 고정부(22)의 바깥둘레면(22c)으로 연결되도록 형성되어 있다.

고정부(22)는 링 형상으로 형성되어 배관(25)의 플랜지부(25a) 사이에 설치되는 것으로, 배관(25)의 안둘레면에 일치하는 정압면(22b)과, 배관(25)의 외부로 노출된 바깥둘레면(22c)을 구성하고 있다. 정압면(22b)에는 복수개의 정압구멍 (22a)이 둘레방향을 따라 등간격으로 형성되어 있고, 정압통로(22d)는 고정부(22)의 내부를 통해 배관(25)의 외부인 바깥둘레면(22c)으로 연결되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 피토 콘 조립체는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 고정부(22)를 배관(25)의 양쪽 플랜지부(25a) 사이에 위치시키고, 콘부 (21)를 관로 내부에 위치시킴과 동시에, 고정부(22)의 정압면(22b)을 배관(25)의 안둘레면과 일치시킨 상태에서 양쪽 플랜지부(25a)를 볼트(26)와 너트(27)로 체결함으로써 견고하게 고정되어 설치된다. 이때 볼트(26)의 고정위치는 도 5에 도시된 바와 같이 고정부(22)의 바깥둘레면(22c)에 접촉되도록 설정하여 고정부(22)가 유동되지 않게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 설치된 본 발명의 피토 콘 조립체에 의하면, 고정부(22)가 배관 (25)의 플랜지부(25a) 사이에서 복수개의 볼트(26) 및 너트(27)로 견고하게 고정되고, 콘부(21)는 상기 고정부(22)와 연결된 복수개의 이음부(23)에 의해 견고하게 지지됨으로써 유체의 충돌에 의해 손상되거나 진동으로 인해 콘부(21)가 유동되는 것을 최소화할 수 있게 되고, 이로인해 정확한 차압의 측정을 가능하게 할 수 있다.

또한 정압구멍(22a)이 정압면(22b)을 따라 복수개 형성되어 있고, 이 복수개의 정압구멍(22a)은 하나의 정압통로(22d)에 연결된 것이므로, 복수부분에서의 정압을 검출하여 평균화함으로써, 오차를 줄여 보다 정확한 정압을 검출할 수 있다.

따라서 배관(25) 내부에 설치된 콘부(21)의 전압구멍(21a)을 통해 관로를 흐르는 유체의 전압을 검출할 수 있고, 고정부(22)의 정압면(22b)에 형성된 정압구멍 (22a)을 통해 배관의 안둘레면 근방의 유체 정압을 검출할 수 있게 되며, 전압구멍 (21a)과 정압구멍(22a)을 통해 검출된 유체 전압과 유체 정압이 전압통로(21c)와 정압통로(22d)를 통해 차압전송기(28)로 보내져 차압신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(29)에서는 상기 차압신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하게 된다.

이와같이 측정되는 유체 전압과 유체 정압의 차압은, 피토관 타입에 비하여 측정되는 차압이 커 유량의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

즉, 도 7은 피토관 타입의 차압측정 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 도 7의 ①, ②에서 베르누이(Bernoulli) 방정식을 적용하면,

여기서, ①에서의 유속, 압력, 높이는 이고, ②에서의 유속, 압력, 높이는 는 중력가속도, 는 유체의 비중량이다.

일 때, 양변을 로 곱하여 정리하면,

이므로, 좌변은 Pt(①에서의 전압) 로, P₂는 Ps(②에서의 정압)로 계측되어진다. 그리고, 단면적의 변화가 없으므로, 가 되고,

이로써 측정되어지는 차압은 상기 식(3)으로 표현될 수 있다.

이어서, 도 8은 본 발명에 따른 피토 콘 조립체의 차압 측정 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 도 8의 ①, ②에서 베르누이 방정식을 적용하면,

이고, 일 때, 양변을 로 곱하여 정리하면,

이므로, 좌변은 Pt 로, P₂는 Ps로 계측되어진다.

그리고, 단면적의 변화가 있으므로, 가 되고,

배관지름을 D, 콘 지름을 d라 하면, ①, ②에서의 유량이 같으므로,

가 되며, 위에서 유도된 식(3)과 식(6)을 비교해보면,

이므로

본 발명의 피토 콘 조립체 유량계에서 측정되는 차압은 종래의 피토관 조립체에 비해 배 큰 차압으로 측정됨을 알 수 있다.

그리고, 도 9는 본 발명의 피토 콘 조립체와 종래의 피토관 조립체에 대한 차압의 제곱근과 정확도 관계 비교그래프를 나타낸 것으로, 차압식 유량계는 저유속범위 즉, 미소 차압범위에서는 정확도가 현저히 떨어진다. 도 9의 그래프에서 ±x(%)이내의 정확도를 갖기 위해서는 최소 이상이여야 한다. 만약, 종래의 피토관 조립체를 사용하여 측정할 경우 미소차압의 발생구역내의 의 값을 지닌다면 ±x(%)내의 정확도를 벗어 나는 것을 알 수 있다. 하지만 같은 조건에서 본 발명의 피토 콘 조립체를 사용한다면 을 즉, 로 증가시킬 수 있고, 이로 인해 정확도 ±x(%)내를 유지할 수 있음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 유량측정용 피토 콘 조립체에 의하면, 관로내에 흐르는 유체의 최고 전압과 최저 정압이 정확하게 검출되어 측정 차압이 커지게 됨으로써 저유량, 즉 유체가 저속으로 흐르는 경우에도 유량의 측정 정확도를 높일 수 있다.

또한 본 발명은 관로에 설치하는 작업이 매우 간편하게 이루어지고, 견고하게 지지 및 고정되므로, 유체의 충돌에 의한 손상이 방지되고, 진동에 의한 콘부의 유동이 방지되어 차압 측정을 더욱 정확하게 할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 유량측정용 피토관 조립체를 나타낸 단면도.

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도.

도 3은 종래의 유량측정용 콘(Cone) 타입 조립체를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 유량측정용 피토 콘 조립체의 설치상태를 나타낸 분리사시도.

도 5는 본 발명에 따른 유량측정용 피토 콘 조립체의 설치상태를 나타낸 정면도.

도 6은 도 5의 A-A선 단면도.

도 7은 피토관 타입의 차압측정 원리를 설명하기 위한 개략도.

도 8은 본 발명에 따른 피토 콘 조립체의 차압 측정 원리를 설명하기 위한 개략도.

도 9는 본 발명의 피토 콘 조립체와 종래의 피토관 조립체에 대한 차압의 제곱근과 정확도 관계 비교그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21 : 콘부 21a : 전압구멍

22b : 확대경사면 21c : 전압통로

22 : 고정부 22a : 정압구멍

22b : 정압면 22c : 바깥둘레면

22d : 정압통로 23 : 이음부

24 : 유체통로 25 : 배관

25a : 플랜지부 26 : 볼트

27 : 너트

Claims (2)

1. 관로의 중심부에 위치한 전압구멍과 이 전압구멍을 배관 외부로 연결하기 위한 전압통로을 통해 유체 전압을 검출하고, 배관의 안둘레면에 위치한 정압구멍과 이 정압구멍을 배관 외부로 연결하기 위한 정압통로를 통해 유체 정압을 검출하도록 구성된 유량측정용 피토 콘 조립체에 있어서,

   상기 전압구멍을 중심부에 형성하고 유체의 흐름방향에 대하여 지름이 점점 커지는 확대경사면을 가지는 콘부와, 상기 배관의 플랜지부 사이에 고정되어 상기 콘부를 관로의 중심부에 위치하도록 복수개의 이음부를 통해 지지함과 동시에, 상기 배관의 안둘레면에 일치하는 정압면을 가지며, 이 정압면에 정압구멍을 형성한 링형상의 고정부로 이루어지고,

   상기 정압구멍은 상기 정압면의 둘레방향을 따라 같은 간격으로 복수개 형성되고, 복수개의 상기 정압구멍은 상기 고정부 내에 형성된 하나의 정압통로와 연통시키는 것을 특징으로 하는 유량측정용 피토 콘 조립체.
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