KR100525789B1 - 시계 저울 유량계 - Google Patents

Abstract

수리 또는 유체 실험시 사용법이 간단하고 정밀도가 높으면서도, 구조가 간단하여 내구성이 높고, 유지관리가 용이함과 동시에, 유체의 흐름이 언제 정상류가 되는지 뚜렷하게 판단 할 수 있는 정보를 제공하며, 유량데이터의 디지털화로 데이터 처리 효율을 높임과 동시에 객관성을 보장할 수 있는 시계 저울 유량계를 제공할 목적으로

수조 상단에 낙하된 유체의 충격으로 인한 손실 방지를 위한 부분 덮개; 상기 덮개 하부에 낙하되는 유체의 수충격 방지 및 물길을 벽면으로 유도하기 위한 필터; 상기 필터 하부에 측정 유체의 월류를 위한 사각 위어 및 수로; 상기 필터를 통하여 유도되어 벽면을 타고 내려오는 유체가 상기 사각 위어 및 수로를 통하여 손실되는 것을 방지하기 위한 차양(벽면을 타고 내려오는 물길을 위어 밖으로 유도할 경우 차양이 필요없음); 수조의 최하부에 유체의 유출을 위한 밸브; 상기 장치 및 구조를 갖는 수조; 상기 수조 하부에 유체의 중량 측정을 위한 정밀 중량계; 시간 측정을 위한 정밀 시계; 데이터 처리 장치를 포함하는 시계 저울 유량계를 제공한다.

Description

시계 저울 유량계 {Clock Balance Flow Meter}

본 발명은 유체 또는 수리 실험시 사용되는 유량 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필터가 장착된 수조를 이용하여 측정하고자 하는 유체를 담고, 정밀 중량계와 정밀 시계를 이용하여 시간당, 분당 또는 초당 중량을 측정하거나 중량당 시각을 측정하여 정상류 또는 부정류의 유량을 측정하는 장치에 관한 것이다.

일반적인 유량의 측정 방식은 단면적과 유속을 따로따로 측정하여 유량을 결정하는 것이다. 관수로와 개수로의 유량측정에는 벤튜리미터(Venturi Meter), 유량측정용 노즐(Nozzle), 오리피스(Orifice), 피토우(Pitot)관 등을 사용한다. 이들은 모두 어떤 형태로든 관로 일부의 단면적을 축소시킨 다음 그 부분에서 유속의 증가에 따른 압력수두 저하량을 측정하여 베르누이 정리식을 응용한 식으로 유량을 구한다. 수리 구조물을 이용한 유량측정에는 위어(Weir), 파샬플륨(Parshall flume) 등의 장치를 사용하며, 그 외의 특수한 방법으로 유속계를 이용하거나, 초음파 센서를 이용하여 유량을 직접 구하는 방법이 있다.

벤튜리미터(Venturi Meter)는 일직선의 관로 중간에 단면을 축소시켜 유속을 증가시키며, 이때 강하된 압력 또는 압력차를 계측하여 단면 평균유속 또는 유량을 계측하는 장비이다. 새로 설치된 벤튜리미터(Venturi Meter)는 수개월간 상당한 정밀도를 유지하나, 시간이 지남에 따라 목(throat)부분에 스케일(scale)이 끼어서 정밀도가 점점 떨어지게 되고, 큰 이물질이 들어왔을 때 막힘현상이 발생할 수 있다. 또한 정확한 측정을 위하여 벤튜리미터(Venturi Meter) 앞에는 지름의 10배 정도의 곧은 파이프 부분이 있어야 하며, 수두를 측정하기 위하여 별도의 수은주를 설치해야 하는 단점이 있다.

오리피스는 수조에서 나가는 유량을 측정하는데 주로 사용되며, 설치 비용이 적게 들고 비교적 유량측정이 정확하여 널리 이용되고 있다. 오리피스는 축소되는 목(throat)부분을 조절하므로써 유량이 조절된다는 장점이 있는 반면, 오리피스(Orifice) 단면에서 커다란 수두손실이 일어나 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

피토관은 흐름이 평행할 때 마노미터에 나타나는 수두차에 의하여 계산된 유속을 이용하여 유량을 구할 수 있다. 피토관으로 측정할 때는 반드시 일직선상의 관에서 이루어져야 하며, 관의 설치장소는 엘보우(elbow), 티(tee)등 관이 변화하는 지점으로부터 최소한 관지름의 15∼50배 정도 떨어진 지점이어야 한다. 또한 피토관은 부유물질이 적은 대형관에서는 효율적인 유량측정기이나, 부유물질이 많이 함유된 폐하수에서는 부유물질이 피토관을 막아 수두측정을 정확하게 할 수 없으므로 사용이 곤란하다.

위어의 장점으로는 수리가 간단하고 유지관리에 용이하며, 관련계수를 정확히 산출한 후에는 유량을 상당히 정확하게 측정할 수 있다. 특히 정밀계측으로 제 경험계수들을 정확하게 제시한 표준위어를 사용할 경우 상당히 신뢰할 만한 유량자료를 획득할 수 있다. 그러나 위어의 단점으로는 제 관련 경험계수를 각 종의 위어마다 일일이 측정하여 결정하여야 하며, 수위 측정시 수위의 미세한 시간 변동으로 초정밀 계측은 거의 불가능하다.

파샬플륨(Parshall flume)은 수두차가 작아도 유량측정의 정확도가 양호하며 측정하려는 폐하수중에 부유물질 또는 토사 등이 많이 섞여 있는 경우에도 목(throat)부분에서의 유속이 상당히 빠르므로 부유물질의 침전이 적고 자연유하가 가능하다. 부식에 대한 내구성이 강한 스테인레스 강판, 염화비닐합성수지, 섬유유리, 강철판, 콘크리이트 등을 이용하여 설치하되 면처리는 매끄럽게 처리하여 가급적 마찰로 인한 수두 손실을 작게 하면 상당히 효율적인 유량 측정기가 될 수 있다. 그러나 파샬플륨(Parshall flume) 내의 흐름이 정부(頂部)에서 사류(射流) 혹은 잠긴 수로의 상태가 되면 유량계산은 매우 복잡해지므로 항상 자유흐름이 발생되도록 플륨을 설치하여야 하며, 이렇게 하기 위하여는 상류측 측정 수심(Ha)에 대한 하류 측정수심(Hb)의 비(Hb / Ha)가 최소한 95 ％이하이어야 한다.

유속계를 사용하여 유량을 측정할 경우 단면상 수개의 지점에서 유속을 관측한 후 적분을 수행하여 유량을 산출한다. 이 경우 계측 및 분석이 매우 어렵고, 경우에 따라 상당히 고가이다. 초음파 센서를 이용한 유량계 역시 유체 또는 수리 실험을 행하기에 매우 고가의 장비이다.

따라서 본 발명은 수충격 완화를 위한 필터가 설치된 수조, 정밀 중량계, 정밀 시계, 데이터 처리 시스템으로 구성된 유량 측정기를 개발하여, 사용법이 간단하고 정밀도가 높으면서도, 구조가 간단하여 내구성이 높고, 유지관리가 용이한 유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적으로는 시간당, 분당 또는 초당 유체의 중량을 측정함으로써 수리 또는 유체 실험시 유체의 흐름이 정상류가 되는지 뚜렷하게 판단 할 수 있는 정보를 제공하며, 유량데이터의 디지털화로 데이터처리 효율을 높임과 동시에 객관성을 보장할 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유체를 저장할 수 있는 내부 공간이 형성되고, 일측 벽면에 배출수로가 형성되는 수조; 유체가 상기 수조의 내벽을 타고 유도되어 낙하되는 유체로 인한 충격을 방지하도록, 상기 배출수로보다 상측으로 상기 수조의 내부에 설치되는 필터; 상기 수조의 배출수로 입구에 설치되며, 측정 유체의 월류를 유도하기 위한 사각 위어; 상기 수조에 장착되며, 수조 내에 저장되는 유체의 중량 및 시간을 측정하는 측정수단; 및 상기 측정수단을 통해 측정된 유체의 중량 및 시간 데이터를 통해 유량을 계산하는 처리 장치;를 포함하는 시계 저울 유량계를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 전체 사시도이고, 도 2는 발명에 의한 유량 측정장치의 측면도이며, 도 3은 필터의 횡 단면도 및 평면도이다. 본 발명에 따른 시계 저울 유량계(100)는 수조(3)와 정밀 중량계(4)와 정밀 시계, 데이터 처리 시스템으로 구성된다.

상기 수조(3)의 상부 입구(2)에는 관측하고자 하는 유체의 유입시 충격되는 현상 방지를 위한 부분 덮개(1)를 형성하고, 상기 부분 덮개(1) 하부에는 유체의 자유낙하시 수조(3) 및 정밀 중량계(4)에 미치는 수충격을 완화하여 측정시 오차를 줄일 목적으로 필터(6)가 형성된다.

이때 필터(6)는 도 3에 도시한 바와 같이 낙하된 유체의 수충격을 완화할 목적으로 필터 상부면(6a)과 하부면(6c)사이에 충진재(6b)가 채워지게 되며, 필터 상부면(6a)과 하부면(6c)는 유체가 바로 밑으로 흐르지 않고, 수조(3)의 벽면을 타고 흐르도록 유도하기 위하여 약간의 경사(2∼5°)를 가진다. 필터의 하부면(6c)는 유체를 직접적으로 통과시키지 않고 벽면과 약간 떨어져 있어 옆으로 유체를 흘려 내려보내게 된다.

이 과정에서 필터의 하부면(6c)에 의하여 유도된 유체가 벽면으로 넘어가기 위하여 유체의 무게에 따라 유연성을 가질 수 있는 연결재(6d)가 연결되어, 유입되는 유량이 적을 때는 연결재가 벽면에 충분히 가까이 있고, 유량이 많을 때는 연결재가 벽면에서 충분히 떨어져 유체가 벽면으로 잘 빠져나갈 수 있도록 한다. 다른 방안으로는 벽면 경사를 두어 경사로를 따라 흐르는 물의 중량을 저울에 바로 감지시키도록 구성할 수 있다. 필터는 벽면에 장착된 지지대(6e)에 의하여 지지된다.

필터(6)와 위어(9) 사이에는 차양(8)이 형성되어 필터를 거쳐 벽면을 타고 흘러내려오는 유체가 위어의 입구(9)를 통하여 손실이 일어나지 않도록 물길을 유도한다.

차양(8) 하부에는 위어(9)가 설치되어 일정 유량 이상이 유입되면 유량은 위어(9)를 통하여 넘어들어가게 된다. 이때 유입 유량이 유출 유량보다 크면 측정 유체가 수조 입구(2)를 통하여 월류하게 되므로, 위어는 그 크기가 충분히 큰 사각위어가 되는 것이 바람직하다. 또한 위어를 통해 유출되는 유체의 물길을 유도하고자 사각 수로(7)를 형성한다. 수조(3)의 하부에는 모든 측정이 끝난 후 수조(3)안의 유체를 모두 유출시킬 목적으로 밸브(10)가 형성되어 있다.

정밀 중량계(4)와 정밀 시계 및 데이터 처리 장치는 시간당, 분당 또는 초당 유입되는 유체의 중량을 측정하여 데이터를 포트(5)를 통하여 컴퓨터로 전송하게 된다. 정밀 중량계는 유체가 필터(6)에 닿는 순간부터 중량을 측정해야 하며, 유체가 벽면을 타고 흘러내리는 동안에도 역시 중량이 측정되어야 한다.

상기한 바와 같은 시계 저울 유량계의 작동을 살펴보면, 자유낙하되는 유체는 수조의 입구부(1)를 통하여 수조안으로 유입되고 필터(6)를 거쳐 유체가 벽면으로 유도되며, 벽면을 타고 흘러 내려오는 유체의 중량을 일정시간 간격으로 또는 일정 중량마다 시각을 측정하여 유량을 산정하게 된다. 이 과정중 필터를 거쳐 벽면을 타고 흘러 내려오는 유체가 위어(9)부분을 통하여 손실되는 것을 방지하기 위하여 위어의 바로 상단에 차양(8)을 설치하여 상부에서 흘러 내려오는 물길이 위어를 우회하도록 유도한다.

이 과정동안 유입되는 정밀 중량계 및 정밀 시계는 유체의 시간당, 분당 또는 초당 중량을 측정하여 데이터를 포트(5)를 통하여 컴퓨터로 전송하게 된다. 유량은 유입되는 유체의 단위시간당, 분당 또는 초당 증분된 중량에 의하여 계산된다.

개수로, 레이놀즈, 투수층 실험 등 대부분의 유체실험의 수리 조건이 되는 정상류(steady flow)란 시간 변화에 대한 제 관련특성치의 변화가 무시할 수 있을 만큼 작은 흐름이므로, 계산된 유량 데이터 값이 시간변화에 대하여 일정하다면 정상류가 되었음을 의미하게 되고, 이로써 유입되는 유체가 언제 정상류가 되는지를 정확히 파악할 수 있게 된다. 그러나 수문시스템 실험과 같이 제 관련특성치가 시간에 대하여 무시할 수 없을 정도의 변화가 발생하는 비정상류 또는 부정류(unsteady flow)는, 계산된 유량 데이터 값이 시간변화에 대하여 불규칙적으로 변하게 되므로, 실험의 시작할 때부터 끝날 때까지 모든시간에 대한 유량 자료가 필요하다. 따라서 측정유량이 상당히 많게 되므로 대용량의 수조 또는 도 4 및 도 5에서와 같이 필요한 경우 상기 시계 저울 유량계(100)보다 작은 크기의 또 다른 시계 저울 유량계(200, 300)들을 설치하여 연속 측정할 수 있다.

관측된 유량의 오차는 여러 기법의 데이터 처리로 최소화 한다. 모든 실험이 끝난 후 수조 하부에 설치된 밸브(10)를 열어 모든 유체를 유출시킨다.

본 발명은 수조와 정밀 중량계, 정밀 시계를 이용하여 유량을 정밀 측정할 수 있으며, 데이터 처리 장치(PC 또는 NoteBook에 장착)를 이용하여 관측자료를 객관적이고도 정확하게 처리 할 수 있다. 이는 기존 방법에 비하여 정밀도가 높으며, 유지관리가 용이하고, 구조가 단순하여 내구성이 높으며, 유량의 변화를 눈으로 직접 확인할 수 있으므로 현장감을 높인다. 또한 유량 데이터의 디지털화로 효율적이고 객관적인 데이터 관리가 이루어지며, 이 과정중 실험장치의 유체가 언제 정상류를 이루는지 뚜렷하게 알 수 있다. 또한 크기가 다양한 수조를 연립하면 연속유량 측정이 가능하며 분리하였을 때 여러 종류의 실험을 동시에 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 시계 저울 우량계의 전체 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 시계 저울 우량계의 측면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 필터의 측면도 및 평면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 시계 저울 유량계의 연속 유량 측정시의 상태도이다.

도 5는 본 발명에 의한 직사각형 형상의 시계 저울 유량계의 연속 유량 측정시의 배열을 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 부분덮개 2: 수조 입구

3: 수조 4: 측정수단

5: 포트 6: 필터

7: 수로 8: 차양

9: 위어 10: 밸브

Claims (8)

1. 유체를 저장할 수 있는 내부 공간이 형성되고, 일측 벽면에 배출수로가 형성되는 수조;

   유체가 상기 수조의 내벽을 타고 유도되어 낙하되는 유체로 인한 충격을 방지하도록, 상기 배출수로보다 상측으로 상기 수조의 내부에 설치되는 필터;

   상기 수조의 배출수로 입구에 설치되며, 측정 유체의 월류를 유도하기 위한 사각 위어;

   상기 수조에 장착되며, 수조 내에 저장되는 유체의 중량 및 시간을 측정하는 측정수단; 및

   상기 측정수단을 통해 측정된 유체의 중량 및 시간 데이터를 통해 유량을 계산하는 처리 장치;

   를 포함하는 시계 저울 유량계.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수조의 상부 투입구에는 부분 덮개가 설치되어, 낙하되는 유체의 충격과 분사로 인한 유체의 손실을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
3. 제 1항에 있어서, 상기 필터에는 소정 두께의 충진재가 채워져있는 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
4. 제 1항에 있어서, 상기 필터는 중앙에서 외주연을 향해 경사져있는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
5. 제 1항에 있어서, 상기 필터의 하부면은 상기 수조의 내부 벽면과 소정간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
6. 제 1항에 있어서, 상기 필터의 하부 외주연에는 플렉시블한 원형의 연결재가 부착되며, 상기 연결재의 외측은 자유단인 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
7. 제 1항에 있어서, 상기 필터와 상기 위어의 사이에는 상기 수조의 내부 중심을 향해 하방으로 경사지도록 형성된 차양이 장착되는 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.
8. 제1항에 있어서, 상기 수조는 적어도 2개 이상이며, 각각의 수조는 인접한 수조의 배출수로가 다른 수조의 상부 입구에 위치하도록 서로 인접하도록 배치되어, 비정상류의 유량을 연속적으로 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 시계 저울 유량계.