KR100536432B1 - 서보형 용적식 유량계 - Google Patents

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Abstract

서보형 용적식 유량계의 작은 유량영역에서부터 큰 유량영역에 걸쳐서의 계기오차특성을 개선한다. 용적식 유량계(1)는 케이싱(2)에 배설된 계량실(3)내에서, 유체차압에 의해 회전하여 유입한 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이룬 제 1 및 제 2 회전자(6,7)를 가지며, 해당 회전자의 회전으로부터 유량을 계측한다. 상기 제 1 회전자(6)에는 서보 모터(17)가 연결되어 있다. 용적식 유량계(l)의 유입구(8)와 유출구(9)에 설치한 압력검출구(10,11)의 압력은 도관에 의해 차압계(l2)에 도입되어, 차압이 구해지고, 서보기구가 해당 차압신호를 k(γ/2g)V2(단, γ:피측정유체의 밀도, V:회전자의 회전속도, g:중력가속도, k:유량계의 구조치수, 관마찰계수로 결정되는 정수)가 되도록 서보 모터(17)를 구동한다. 이 때의 회전자(6)의 회전을 유량발신기(19)에 의해 유량신호로서 취득한다.

Description

서보형 용적식 유량계{SERVO TYPE VOLUMETRIC FLOWMETER}
본 발명은, 서보형 용적식 유량계에 관한 것이며, 보다 상세하게는 작은 유량영역에서 큰 유량영역까지 계기오차가 거의 제로에 가까운 뛰어난 특성을 가진 서보형 용적식 유량계에 관한 것이다.
한 쌍의 회전자를 가진 대표적인 용적식 유량계는, 계량실과, 계량실내에서 유체차압에 의해 회전하는 한 쌍의 회전자를 가지며, 계량실과 회전자로 형성되는 용적을 기준용적으로 하여 계량실내에 유입하는 피측정유체를 회전자의 회전에 따라서 유출함으로써, 회전자의 회전수로부터 유량을 구하는 유량계이다.
즉, 이상적으로는, 기준용적에 해당하는 부피의 피측정유체가 회전자의 회전에 비례하여 배출된다.
그러나, 실제의 용적식 유량계에 있어서는, 회전자의 회전을 가능하게 하기 위해서 회전자와 계량실의 사이에는, 미소한 빈틈이 형성되어 있으며, 회전자는 계량실과 접촉하지 않고 회전한다.
또한, 회전자가 회전하기 위해서는, 기계적 요소의 부하, 예를 들면 축받이의 마찰이나 계수부의 부하에 이길 수 있는 회전 토크가 필요하고, 이 회전 토크를 피측정유체가 회전자에 작용하는 유체차압에 의한 회전 모멘트에 의해 얻고 있다.
이 때문에, 피측정유체의 에너지로 회전자를 회전시킨 경우(자력식 용적식 유량계), 이 빈틈에서 약간이지만 입구측에서 출구측으로 누설이 발생한다.
도 1은, 자력식 용적식 유량계의 계기오차특성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 이 누설의 크기는 유체차압에 의한 모멘트에 대하여, 마찰 토크의 비율이 큰 소유량(小流量)의 범위에서 크고, 계기오차가 마이너스가 되며, 그 밖의 유량영역에서 생기는 차압의 크기에 따라서도 다르고, 또한, 도 1에 있어서 점도가 다른 3개의 계기오차곡선으로 나타낸 바와 같이, 피측정유체의 점도의 영향을 받아 계기오차특성이 변화한다.
한편, 용적식 유량계는 직접 부피유량을 측정할 수 있고 정밀도도 높기 때문에, 산업용, 상업용의 유량계로서 널리 사용되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 원리적으로 계량실내에서 회전자가 회전하기 때문에 계량실과 회전자의 사이에 존재하는 빈틈에 의한 누설이, 미소한 유량의 측정이나, 더욱 고정밀도를 추구하는 측정의 경우에는, 무시할 수 없게 된다.
또한, 이 누설량은 용적식 유량계의 유출입구사이의 압력손실에 비례한다.
피측정유체의 점도나 밀도 등의 물성치에 영향을 받지 않고 안정된 고정밀도의 유량의 측정이 가능하도록, 유량계의 유출입구사이의 압력손실을 정확히 검출하여, 이 압력손실이 항상 제로가 되도록 회전자에 외부에서 서보 모터로 구동력을 주고 있으며, 그 때의 회전자의 동작회전수로부터 유량을 측정하도록 한 유량계가, 서보형 용적식 유량계이다.
도 2는, 종래의 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2에 있어서, 1은 용적식 유량계, 2는 케이싱, 3은 계량실, 4는 제 1 회전자축, 5는 제 2 회전자축, 6은 제 1 회전자, 7은 제 2 회전자, 8은 유입구, 9는 유출구, 10은 유입측 압력검출구, 11은 유출측 압력검출구, 12는 차압계, 13은 디스트리뷰터A, 14는 조절계, 15는 목표설정기, 16은 서보 모터구동회로, 17은 서보 모터(S.M), 18은 태코 제너레이터(T.G:tachometer generator), 19는 유량발신기(P.G)이다.
용적식 유량계(1)는, 유입구(8)와 유출구(9)에 연이어 통하여, 유로{케이싱 (2)}에 형성된 계량실(3)과, 이 계량실(3)내에 고정부착된 제 1 회전자축(4) 및 제 2 회전자축(5)에 각각 축지지된 제 1 회전자(6) 및 제 2 회전자(7)로 이루어져 있다.
제 1 회전자(6), 및 제 2 회전자(7)에는 본체외부, 즉 계량실(3)외부의 각각의 회전자에 설치한 파일롯 기어(도시하지 않음)와의 맞물림에 의해, 서로 반대방향으로, 동기회전가능하고, 제 1 회전자(6)측{본 실시예에서는 제 1 회전자(6)측이 되고 있지만, 제 2 회전자(7)측으로 하여도 좋다}의 파일롯 기어에는, 서보 모터 (SM)(17)의 구동축이 접합되어 있다.
용적식 유량계(1)의 유입구(8)와 유출구(9)에는, 각각 유입측 압력검출구 (10), 유출측 압력검출구(11)가 설치되고, 유입구(8) 및 유출구(9)의 압력은, 양 압력검출구(10,11)로부터 도관에 의해, 차압계(12)로 유도되어, 용적식 유량계(1)의 유출입구사이의 압력손실이 측정된다.
서보 모터(S.M)(17)의 구동축에는, 태코 제너레이터(T.G)(18)도 직접 연결되어 있고, 서보 모터(S.M)(17), 태코 제너레이터(T.G)(18) 및 제 1 회전자(6)측의 파일롯 기어는 서로 세로로 접속되어 있다.
태코 제너레이터(T.G)(18)는 서보 모터(S.M)(17)의 회전에 비례한 전압값을 발생하고, 그 출력은 서보 모터구동회로(16)를 통하여, 서보 모터(S.M)(17)에 피드백된다.
유량발신기(P.G)(19)는 제 1 회전자(6){본 실시예에서는 제 1 회전자(6)로 되어 있지만, 제 2 회전자(7)라도 좋다}의 회전수를 계측하는 기구를 가지며, 유량에 비례하는 펄스를 발생한다.
차압계(12)로부터의 차압신호는 디스트리뷰터A(13)를 통해 차압에 비례한 전압치 Vp로 변환된 후, 조절계(14)에 입력되어, 목표설정기(15)로부터의 목표설정치와 비교되고, 그 출력 V1은, 서보 모터구동회로(16)의 한쪽의 입력단자에 접속되어 있다.
서보 모터구동회로(16)의 또 한쪽의 입력단자에는 태코 제너레이터(T.G)(18)의 출력 V2가 피드백되어 접속되고, 조절계(14)로부터의 용적식 유량계(1)의 유출입구사이의 압력손실 ΔP에 해당하는 차압계(12)로부터의 차압신호 Vp와 목표설정치와의 비교치 V1와, 서보 모터(S.M)(17)의 회전수에 해당하는 태코 제너레이터(T.G) (18)의 출력 V2이 같아지도록, 서보 모터(S.M)(17)의 회전을 제어하는 서보기구를 형성하고 있다.
피측정유체가 화살표방향으로 흐른 상태에서는 차압계(12)의 차압신호는 증가하지만, 서보 모터구동회로(16)와 서보 모터(S.M)(17)로 이루어진 서보제어계를 구동함으로써, 유량계의 입구와 출구사이의 차압 ΔP를 무차압으로 제어한다. 이 때, 조절계 (14)의 목표치를 차압 제로로 설정하여, 서보 모터(17)로 회전자를 강제적으로 회전시켜, ΔP를 제로가 되도록 제어하고 있다.
종래, 서보형 용적식 유량계는, 상술한 바와 같이, 유량의 대소에 관계없이, 유량계의 입구측과 출구측의 차압 ΔP을, ΔP = 0이 되도록, 회전자의 회전을 서보 모터로 강제구동하여 제어하고 있었다. 이것은, 용적식 유량계의 유출입구사이의 압력손실이 제로가 되도록 유량을 측정할 수 있으면, 누설량도 제로가 된다고 하는 이론에 기초를 둔 것이다.
그러나, 종래의 서보형 용적식 유량계로 유량을 실제로 계측하여 보면, 적은 유량영역에서는, 종래의 자력식 용적식 유량계에서의 큰 마이너스 계기오차가 개선되지만, 계기오차는 전반적으로 플러스로 바뀌며, 더구나, 유량, 밀도의 상승과 함께 증대하는 특성을 나타내게 된다.
플러스 계기오차의 원인으로는, 용적식 유량계의 유출입구사이의 압력손실을 무차압으로 제어하기 위해서, 서보 모터로 회전자를 강제적으로 회전시킨 경우, 용적식 유량계의 유출입구사이의 압력손실 ΔP가 제로가 되더라도, 계량실내의 회전자의 회전방향 앞면측의 압력은 상승하고, 배면측은 하강하게 되어, 회전자의 회전방향의 앞면과 배면측에, 차압 ΔPi가 발생해 버리고, 케이싱과 회전자사이에 존재하는 빈틈에서, 이 차압 ΔPi에 의해, 유출측에서 유입측으로 피측정유체의 누설이 발생하는 데에 있다.
도 1은, 자력식 용적식 유량계의 계기오차특성의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는, 종래의 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 서보형 용적식 유량계의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 종래의 서보형 용적식 유량계의 유체압분포의 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 5는, 도 4의 실시예의 서보형 용적식 유량계에 의한 계기오차특성의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 7은, 도 6의 실시예의 서보형 용적식 유량계에 의한 계기오차특성의 일례를 도시한 도면이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 실정에 비추어 이루어진 것으로, 종래, 서보형 용적식 유량계의 유입측과 유출측의 차압 ΔP을 제로로 제어하지 않고, 후술하는 외부압력손실 ΔPe로 제어함으로써, ΔPi= 0이 되어, 유출측에서 유입측에의 누설에 의한 계기오차특성의 악화를 막는 것이 가능한 서보형 용적식 유량계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 서보형 용적식 유량계는 유로내에 설치된 계량실과, 해당 계량실내에서 유체차압에 의해 회전하며, 해당 회전마다 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이룬 제 1 및 제 2 회전자를 구비하고, 해당 회전자의 회전으로부터 유량을 계측하는 서보형 용적식 유량계로서, 상기 제 1 또는 제 2 회전자 중의 어느 하나와 연결된 서보 모터와, 상기 계량실의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 차압계와, 해당 차압계의 차압신호를 입력하여, 해당 차압신호를 k(γ/2g)V2(단, γ:피측정유체의 밀도, V:유체의 유속, g:중력가속도, k:유량계의 각 부분의 구조치수, 관마찰계수로 결정되는 정수)가 되도록 상기 서보 모터를 구동하는 서보기구를 구비한 것을 특징으로 한 것이다.
여기서, k는 유량계의 입구, 출구의 형상·치수 및, 내부형상·치수, 관마찰계수 등으로 결정되는 정수로, 예를 들면 k = λ(L/D)로 표시되고, 각 부분부분으로 계산한 총합이다(λ:관마찰계수, L:유량계 각부의 관축길이, D:유량계 각부의 안지름). 또, V는 관내의 유속 또는 유량으로 하여도 좋고, 회전자의 회전속도로 하여도 좋다.
또한, 본 발명의 기체용 서보형 용적식 유량계는 상기 서보형 용적식 유량계에 있어서, 상기 γ를 상기 차압계의 상류측 또는 하류측의 어느 하나의 압력검출구에 있어서의 압력검출기로부터 얻고, 그리고, 상기 V를 상기 제 1 또는 제 2 회전자중의 어느 하나와 연결된 유량발신기로부터 얻어, 양자를 승산기로 승산함으로써 상기 k(γ/2g)V2를 구하도록 한 것이다.
또한, 본 발명의 액체용 서보형 용적식 유량계는 상기 서보형 용적식 유량계에 있어서, 상기 γ를 외부에서 입력하고, 그리고, 상기 V를, 상기 제 1 또는 제 2 회전자중의 어느 하나와 연결된 유량발신기로부터 얻어, 양자를 승산기로 승산함으로써 상기 k(γ/2g)V2를 구하도록 한 것이다.
또한, 본 발명의 서보형 용적식 유량계는 상기 서보형 용적식 유량계에 있어서, 상기 차압신호를 k(γ/2g)V2가 되도록 상기 서보 모터를 구동하는 서보기구를, 마이크로컴퓨터에 조립해 넣은 프로그램에 의해 실현하도록 한 것이다.
본 발명은, 또한, 상술의 차압제어에 있어서, 유량계와는 별도로 설치한 벤추리관(venturi tube), 오리피스 플레이트(orifice plate), 노즐(nozzle) 등의 조임 기구(즉, 차압발생기구)로부터 외부압력손실을 취득하여, 여기서 취득한 신호를 제어목표차압으로 하여 차압 ΔP를 제어함으로써, 내부압력손실만을 보완제어 함으로써, 유출측에서 유입측에의 누설에 의한 계기오차 특성의 악화를 막는 것이 가능한 서보형 용적식 유량계를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 서보형 용적식 유량계는 유로내에 설치된 계량실과, 해당 계량실내에서 회전하며, 해당 회전마다 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이룬 제 1 및 제 2 회전자와, 상기 계량실의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 제 1 차압계와, 상기 유로에 직렬로 설치되어, 유로를 좁히기 위한 조임 기구와, 해당 조임 기구의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 제 2 차압계와, 상기 제 1 차압계로부터의 차압신호를 상기 제 2 차압계로부터의 차압신호로 조절하여 목표치로 하고, 해당 목표치에 따라 상기 제 1 또는 제 2 회전자 중의 어느 하나를 구동하는 서보기구를 구비하는 것을 특징으로 한 것이다.
일반적으로, 용적식 유량계에 유체를 흘렸을 때, 회전자로부터 충분히 떨어진 차압검출위치에 있어서, ΔP의 압력손실이 생겼다고 하면,
ΔP = ΔPi + ΔPe
가 성립한다. 여기서, ΔPi는 회전자를 회전시키기 위해서 소비되는 압력손실로, 유량계내부의 누설에 직접 관여하기 때문에 내부압력손실이라고 한다. 또한, ΔPe는 유체가 유량계를 흐르기 위해서 소비되는 압력손실로, 누설에는 직접 관여하지 않기 때문에 외부압력손실이라고 한다.
한 쌍의 회전자를 내장한 용적식 유량계에 있어서, 유량계내부의 누설에 관여하는 회전자 전후의 차압 ΔPi에 대하여, 단위시간당의 유량계내부의 누설량 Δq는, μ을 유체의 점도, Q를 유량으로 하여,
Δq = ka ·(ΔPi/μ) + kb ·Q ‥‥(1)
로 나타낸다.
단, ka, kb는 회전자와 케이싱의 형상에 의해 결정되는 정수이다. 따라서, 단위시간당의 유량계내부의 누설량은 회전자전후의 차압에 비례하는 한편, 유체의 점도에 반비례하는 항과 유량에 비례하는 항으로 나누어진다.
여기서, I를 교정되는 수험기의 지시량, Q를 표준기의 진실값으로 하면, 계기오차 E는,
E = ((I - Q)/Q) ×100(%) ‥‥(2)
으로 나타낸다. 또한, 유량계내부의 누설량 Δq와의 관계로부터
I - Q = - Δq ‥‥(3)
가 성립한다. 따라서, (1), (2), (3)식으로부터, 계기오차 E는,
E = -(Δq/Q) = -(ka·(ΔPi/(μ·Q)) + kb) ‥‥(4)
로 나타낼 수 있다. 여기서, 계기오차 E를 제로로 하기 위해서는, (4)식 제 1 항의 회전자전후의 차압 ΔPi를 제로로 하면, 유량계내부의 누설량도 제로가 되어, 유량은 회전수에 정확히 비례함으로써, 계기오차도 거의 제로부근에 나타나게 된다. 또 (4)식의 제 2 항은 미터 팩터를 변경함으로써 무시할 수가 있다.
따라서, 서보형 용적식 유량계의 계기오차를 제로로 하기 위해서는, 압력손실 ΔP을 검출하는 위치에서의 차압을 내부압력손실 ΔPi= 0으로 제어하면 좋다. 즉, 제어목표차압과 외부압력손실 ΔPe가 같아지도록 외부에서 구동력을 부여하는 것에 의해, 내부압력손실 ΔPi이 제로가 되기 때문에, 유량계내부의 누설이 없어지고, 필연적으로 누설없음, 즉 계기오차 제로의 유량계를 구현화할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 서보형 용적식 유량계의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 종래의 서보형 용적식 유량계의 유체압분포의 상태를 나타내는 모식도이다.
상술한 바와 같이, 서보형 용적식 유량계에 있어서 유입측과 유출측의 차압 ΔP을 제로로 제어한 경우에는 회전자의 회전방향의 앞면과 배면에서 차압 ΔPi이 발생한다. 이 차압 ΔPi에 의해, 케이싱과 회전자의 빈틈에서, 유출측에서 유입측으로 누설되는 누설량은, 피측정유체의 밀도 γ 및 회전자의 회전속도 V와 상관한 압력, 유량의 증가와 함께 증대하여, 계기오차가 플러스가 되는 것이다.
본 발명의 일실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계에 있어서는, 외부압력손실 ΔPe을 감안하여, 서보형 용적식 유량계의 유입측과 유출측의 차압 ΔP를 제로로 제어하지 않고서, ΔP = Pi + ΔPe에 있어서, 회전자의 전후의 압력손실 ΔPi , 즉 내부압력손실 ΔPi = O로 제어하기 때문에, ΔP = ΔPe = k (γ/2g)V2 만큼, 유입측의 압력을 높게 하도록 서보형 용적식 유량계를 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측 사이의 내부압력손실 ΔPi = O로 하고, 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 피측정유체의 누설을 없애도록 한 것이다.
여기서, k는 유량계의 내부형상·치수, 관마찰계수로 결정되는 정수로, 예컨대 k = λ(L/D)로 표시된다(λ:관마찰계수, L :유량계내부의 관축길이, D:유량계내부의 안지름). 또한, V를 회전자의 회전속도로 하였지만 관내의 유속 또는 유량으로 하여도 좋다.
도 4는, 본 발명의 일실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 나타내는 개념도이다.
도면중에서, 1은 용적식 유량계, 2는 케이싱, 3은 계량실, 4는 제 1 회전자축, 5는 제 2 회전자축, 6은 제 1 회전자, 7은 제 2 회전자, 8은 유입구, 9는 유출구, 10은 유입측 압력검출구, 11은 유출측 압력검출구, 12는 차압계, 13은 디스트리뷰터A, 14는 조절계, 16은 서보 모터구동회로, 17은 서보 모터(S.M), 18은 태코 제너레이터(T.G), 19는 유량발신기(P.G)이고, 이들은, 도 2에 나타낸 종래의 서보형 용적식 유량계의 구성요소와 공통되며, 기본적으로 같은 기능을 가지고 있어(상세한 설명은 생략한다), 동일한 부호를 붙이고 있다. 제 1 회전자(6) 또는 제 2 회전자(7)는 계량실(3)내에서 서보 모터(17)에 의해 회전시킨다.
본 실시예의 서보형 용적식 유량계에 있어서는, 도 2에 있어서의 종래 장치의 목표설정기(15) 대신에, F/V 변환기(20), 리니어라이져(21), 압력계(22), 디스트리뷰터B(23), 승산기(24)를 설치하고 있다.
F/V 변환기(20)는 유량발신기(P.G)(19)로부터의 유량을 나타내는 펄스신호를 그 주파수에 비례하는 아날로그전압으로 변환하는 것으로, 회전자의 회전속도 V에 해당하는 신호를 출력한다.
리니어라이져(21)는 F/V 변환기(20)의 출력을 평방하여, 회전자의 회전속도 V의 2승에 해당하는 신호 V2를 출력한다.
압력계(22)는 유입측 압력검출구(10){혹은, 유출측압력검출구(11)}의 압력을 유체압력 P에 해당하는 전압신호로 변환한다.
디스트리뷰터B(23)는 압력계(22)로부터의 유체압력(P)에 해당하는 전압신호를 피측정유체가 기체인 경우 유체압력(P)과 비례하는 유체밀도(γ)에 해당하는 전압신호로 변환한다.
또, 액체의 경우는 유체압력(P)에 따라 유체밀도(γ)는 변하지 않고, 액체의 종류에 따라 결정되기 때문에, 압력계(22)는 불필요하고, 승산기(24)에 직접, 외부에서 승산기(24)에 피측정액체에 따른 값을 설정하여 입력한다.
승산기(24)는 리니어라이져(21)로부터의 회전자의 회전속도(V)의 2승에 해당하는 신호(V2)와, 디스트리뷰터B(23)로부터의 밀도(γ) 에 해당하는 신호를 승산하여, (k0·γ·V2)에 해당하는 신호 Vs를, 조절계(14)의 목표설정치로서 출력한다. 한편, k0은 정수로, k0 = k(1/2g) = λ(L/D) ·(1/2g)가 된다.
조절계(14)의 또 한쪽의 단자에는, 종래의 장치와 마찬가지로, 유량계의 입구측과 출구측의 차압 ΔP에 해당하는 신호 Vp가 입력되고, 조절계(14)에서는, 승산기(24)로부터의 신호 Vs와 비교되어, Vp-Vs = (ΔP - ko ·γ ·V2)에 해당하는 신호 V1가, 서보 모터 구동회로(16)의 한쪽의 입력단자에 출력된다.
서보 모터구동회로(16)의 또 한쪽의 입력단자에는 태코 제너레이터(T.G)(18)로부터의 서보 모터(S.M)(17)의 회전수에 비례한 전압 V2가 피드백되어 접속되어 있고, 조절계(14)로부터의 신호 V1와 같아지도록 서보기구가 작동하여, 서보 모터 (S.M)(17)의 회전을 제어한다.
피측정유체가 화살표방향으로 흐르는 상태에서는, 종래와 같이 서보형 용적식 유량계의 유입측과 유출측의 차압 ΔP를 제로로 제어하지 않고서, 회전자의 회전속도(V)에 따라서 유량계내부에서 발생하는 외부압력손실 ΔPe= k(γ/2g)V2만큼, 유입측의 압력을 높게 하도록 서보형 용적식 유량계를 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압 ΔPi을 제로로 한다.
이에 따라, 종래의 서보형 용적식 유량계에 있어서, 유입측과 유출측의 차압 ΔP를 제로로 제어한 것에 의해 생기는 회전자의 전후면사이의 상기 차압 ΔPi과는 역방향의 차압을 소거할 수가 있고, 그에 따른 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 역류에 의한 누설을 보다 적게 할 수 있었다.
도 5는, 본 실시예의 서보형 용적식 유량계에 의한 계기오차특성의 일례를 나타낸 도면으로, 도면중에, P1, P2, P3는 각각 피측정유체의 유체압력을 나타낸다.
도 5와 같이, 본 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계의 계기오차특성은, 피측정유체의 압력의 크기에 관계없이, 작은 유량영역에서 큰 유량영역까지, 계기오차가, 거의 제로에 가까운 직선적인 뛰어난 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
또, 회전자의 회전속도 V는, 회전자의 선단과, 회전자의 뿌리에서, 속도가 다르기 때문에 평균속도로 계산한 값으로 제어하거나, 케이싱과 회전자의 선단과의 빈틈을 고려하여, 회전자의 선단의 속도로 계산한 값에 가까운 값의 차압으로 제어하면, 보다 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
이상은, 하드 구성으로, 제어계를 구성한 경우이지만, 마이크로컴퓨터로 제어계를 조립하는 경우에는, 상기와 같은 동작처리를 소프트웨어화하여 조립하면 되고, 피측정유체의 명칭과 밀도의 관계를 테이블화해 두면, 피측정유체의 명칭을 선택하는 것만으로, 밀도설정을 할 수 있다.
한편, 유체의 온도가 변하는 경우는 계측유체의 팽창 등에 의해 밀도가 변하기 때문에, 계측유체의 온도를 측정하여 밀도보정을 하는 것에 의해, 보다 고정밀도인 유량계측이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 서보형 용적식 유량계에 의하면, 회전자의 회전속도에 따라서 발생하는 차압분만큼 유입측의 압력을 높게 하도록 서보형 용적식 유량계를 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압 ΔPi= 0이 되어 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 누설을 없앨 수 있기 때문에 고정밀도의 유량계측이 가능해진다. 이 서보형 용적식 유량계는, 기체용, 액체용의 어느 쪽에도 적용할 수 있다.
상술한 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계에 있어서는, 외부압력손실 ΔPe을 감안하여, 서보형 용적식 유량계의 유입측과 유출측의 차압 ΔP을 제로로 제어하지 않고서, ΔP = Pi + ΔPe에 있어서, 회전자의 전후의 압력손실 ΔPi 즉 내부압력손실 ΔPi=0으로 제어하기 때문에, ΔP = ΔPe = k(γ/2g)V2 = C·γ·Q 2만큼, 유입측의 압력을 높게 하도록 서보형 용적식 유량계를 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측 사이의 내부압력손실 ΔPi = 0로 하고, 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 피측정유체의 누설을 없애는 것이 가능하게 되어 있다. 여기서, k 및 C는, 유량계의 내부형상·치수, 관마찰계수 등으로 결정되는 정수로, 예를 들면 λ(L/D)를 사용하여 표시한다(λ:관마찰계수, L :유량계내부의 관축길이, D:유량계내부의 안지름). 또한, 상술한 바와 같이, V를 회전자의 회전속도로 하였지만 관내의 유속, 또는 유량 Q을 사용하더라도 좋다.
본 발명의 다른 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계는, 상술의 차압제어에 있어서, 유량계와는 별도로 설치한 벤추리관, 오리피스 플레이트, 노즐 등의 조임 기구(즉, 차압발생기구)로부터 외부압력손실을 취득하여, 여기서 취득한 신호를 제어목표차압으로서 차압 ΔP를 제어함으로써, 내부압력손실만을 보완제어하고 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계의 구성의 일실시예를 도시한 도면으로, 도면 중에서, 1은 용적식 유량계, 2는 케이싱, 3은 계량실, 4는 제 1 회전자축, 5는 제 2 회전자축, 6은 제 1 회전자, 7은 제 2 회전자, 8은 유입구, 9는 유출구, 10는 유입측 압력검출구, 11은 유출측 압력검출구, 12는 제 1 차압계이고, 이들은, 도 2에 나타낸 종래의 서보형 용적식 유량계의 구성요소와 공통되며, 기본적으로 같은 기능을 가지고 있으며(상세한 설명은 생략한다), 동일한 부호를 붙이고 있다. 제 1 회전자(6) 또는 제 2 회전자(7)는, 계량실(3)내에서 서보 모터(17)에 의해 회전시킨다.
본 실시예의 서보형 용적식 유량계에 있어서는, 도 2에 있어서의 종래의 장치의 목표설정기(15) 대신에, 조임 기구(31) 및 제 2 차압계(32)를 설치하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 제 1 차압계(12)로부터의 차압신호 및 제 2 차압계(32)로부터의 차압신호를 조절계(14)에 입력하여, 제 1 차압계(12)로부터의 차압신호 및 제 2 차압계(32)로부터의 차압신호로 조절하여 목표치로 하여, 그 목표치에 따라 제 1 회전자(6) 또는 제 2 회전자(7)를 서보기구로 구동시킨다. 본 실시예에서는, 서보기구로서 서보 모터구동회로(16), 서보 모터(S.M)(17), 태코 제너레이터(T.G) (18)를 구비하고, 상술의 목표치(추종용 목표치)를 서보 모터구동회로(16)에 지시하고, 서보 모터(S.M)(17)를 구동시켜, 회전자(6 또는 7)를 구동시킨다. 단, 본 실시예에 있어서, 목표치는 제 2 차압계(32)로부터의 차압신호를 증폭기(33)로 증폭시켜 조절하는 것으로 한다.
조임 기구(차압발생기구)(31)는 오리피스 플레이트, 노즐, 벤추리관 등, 유로의 중간에 부착하여 유로를 좁혀서, 차압을 발생시키는 기구를 가리킨다. 본 실시형태에 있어서는, 조임 기구(31)는 유로에 직렬로 설치하고, 더욱 계량실(3)과 떨어진 위치에 설치하고 있다. 제 2 차압계(32)에 있어서는, 조임 기구(31)의 상류측과 하류측에 각각 설치한 압력검출구로 차압 ΔPe(Cp·γx·Qx2에 해당한다)를 측정하여 차압신호를 취득한다. 여기서, Cp는 오리피스 등의 조임 기구에 있어서의 조임비로 결정되는 정수, γx는 유체밀도, Qx는 유량이다.
제 2 차압계(32)로부터의 차압신호는, 우선 증폭기(33)에 입력된다. 증폭기 (33)는, 예를 들면 차압신호(차압 ΔPe= Cp·γx·Qx2에 해당한다)를 k = Co/Cp 배로 증폭한다. 한편, C0는, 조임 기구의 구조·치수 등으로 결정되는 정수이다.
조절계(14)의 또 한쪽의 단자에는, 도 2에 있어서의 종래의 장치와 마찬가지로 유량계의 입구측과 출구측의 차압 ΔP에 해당하는 신호 Vp(프로세스치 PV에 대응한다)가 입력되고, 조절계(14)에서는, 증폭기(33)로부터의 신호 Vs(기준치 SV에 대응한다)와 비교되어, (Vp-Vs)에 해당하는 신호 V1(상술의 목표치에 해당한다)가, 서보 모터구동회로(16)의 한쪽의 입력단자에 출력된다.
서보 모터구동회로(16)의 또 한쪽의 입력단자에는, 태코 제너레이터(T.G) (18)로부터의 서보 모터(S.M)(17)의 회전수에 비례한 전압 V2가 피드백되어 접속되어 있고, 조절계(14)로부터의 신호 V1와 같아지도록 서보기구가 작동하여, 서보 모터(S.M)(17)의 회전을 제어한다. 이 제어에 의해, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압 ΔP1을 제로로 한다.
따라서, 오리피스 플레이트 등의 조임 기구를 넣은 것으로, 유로의 압력손실은 늘지만 미리 유체밀도를 달아 둘 필요가 없고, 또한, 유체밀도의 온도압력보정도 불필요하며, 리니어라이져, 승산기 등도 불필요한 간략화된 제어시스템을 구축할 수 있다. 이 제어시스템에 의해, 종래의 서보형 용적식 유량계에 있어서, 유입측과 유출측의 차압 ΔP를 제로로 제어함으로써 생기는 회전자의 전후면사이의 상기 차압 ΔP1과는 역방향의 차압을 소거할 수 있고, 그에 따라 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 역류에 의한 누설을 보다 적게 할 수 있었다. 특히, 유체의 성분이 변하여 밀도가 안정되지 않은 경우 등은 유효하고, 도 1에서 나타낸 바와 같은 피측정유체의 점도에 의한 계기오차의 시프트도 고려하지 않아도 된다.
도 7은, 본 실시예의 서보형 용적식 유량계에 의한 계기오차특성의 일례를 도시한 도면이다.
도 7에는 계산으로 얻은 외부압력손실을 설정하여 계기오차시험(30.9 ℃, 1.12mPa·s)을 한 결과를 나타내고 있으며, 구성한 전기계량기 등의 기본정밀도를 포함하면서, 일반적인 유량범위의 수배의 구간에서 ±O.1% 이상의 뛰어난 계기오차정밀도를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 서보형 용적식 유량계는, 회전마다 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이루는 제 1 및 제 2 회전자(6,7)를 가지며, 그 중의 어느 하나를 구동하는 서보 모터의 회전수로부터 유량을 계측한다. 유입구 (8)와 유출구(9)에 설치한 압력검출구(10,11)사이의 차압계(12)에 의해 제 1 차압신호가 구해진다. 한편, 유로의 중간에 조임 기구(31)를 설치하여, 차압계(32)에 의해 상하류측에 각각 설치한 압력검출구로 차압 ΔPe를 측정하여 제 2 차압신호를 취득한다. 제 1 차압신호를 제 2 차압신호로 조절하여 목표치로 하여, 그 목표치에 따라 제 1 회전자(6) 또는 제 2 회전자(7)를 서보 모터(17)로 구동한다.
본 실시형태에 의하면, 조임 기구 등의 차압발생기구의 전후에서 측정된 차압을 증폭기로 원하는 값까지 증폭하여, 차압제어 목표치를 얻어, 이 차압제어 목표치가 되도록 유량계의 입구출구사이의 차압을 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압이 제로가 되어 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 누설을 없앨 수 있기 때문에, 간단한 시스템구성으로, 넓은 유량범위에 걸쳐 고정밀도인 유량계측이 가능해진다. 또한, 유체의 성분이 변하여 밀도가 안정되지 않은 경우 등에는 특히 유효하고, 피측정유체의 점도에 의한 계기오차도 고려하지 않아도 된다.
본 발명에 의하면, 회전자의 회전속도에 따라서 발생하는 차압분만큼 유입측의 압력을 높게 하도록 서보형 용적식 유량계를 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압 ΔP1= 0이 되어 케이싱과 회전자사이의 빈틈에서의 누설을 없앨 수 있기 때문에 고정밀도의 유량계측이 가능해진다. 이 서보형 용적식 유량계는, 기체용, 액체용 어느쪽에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 조임 기구 등의 차압발생기구의 전후에서 측정된 차압을 증폭기로 원하는 값까지 증폭하여, 차압제어 목표치를 얻어, 이 차압제어 목표치가 되도록 유량계의 입구출구사이의 차압을 제어함으로써, 회전자의 회전방향 앞면측과 배면측의 차압이 제로가 되어 케이싱과 회전자사이의 빈틈으로부터의 누설을 없앨 수 있기 때문에, 간단한 시스템구성으로, 넓은 유량범위에 걸쳐 고정밀도인 유량계측이 가능해진다. 또한, 유체의 성분이 변하여 밀도가 안정되지 않은 경우 등에는 특히 유효하고, 피측정유체의 점도에 의한 계기오차도 고려하지 않아도 된다.

Claims (5)

  1. 유로내에 설치된 계량실과, 해당 계량실내에서 유체차압에 의해 회전하며, 해당 회전마다 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이룬 제 1 및 제 2 회전자를 구비하고, 해당 회전자의 회전으로부터 유량을 계측하는 서보형 용적식 유량계로서, 상기 제 1 또는 제 2 회전자중의 어느 하나와 연결된 서보 모터와, 상기 계량실의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 차압계와, 해당 차압계의 차압신호를 입력하고, 해당 차압신호를 k(γ/2g)V2(단, γ:피측정유체의 밀도, V:유체의 유속, g:중력가속도, k:유량계의 구조치수, 관마찰계수 등으로 결정되는 정수)가 되도록 상기 서보 모터를 구동하는 서보기구를 구비한 것을 특징으로 하는 서보형 용적식 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 γ를 상기 차압계의 상류측 또는 하류측의 어느 하나의 압력검출구에서의 압력검출기로부터 얻고, 그리고, 상기 V를, 상기 제 1 또는 제 2 회전자 중의 어느 하나와 연결된 유량발신기로부터 얻어, 양자를 승산기로 승산함으로써 상기 k(γ/2g)V2를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 서보형 용적식 유량계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 γ를 외부에서 입력하고, 그리고, 상기 V를, 상기 제 1 또는 제 2 회전자 중의 어느 하나와 연결된 유량발신기로부터 얻어, 양자를 승산기로 승산함으로써 상기 k(γ/2g)V2를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 서보형 용적식 유량계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 차압신호를 k(γ/2g)V2가 되도록 상기 서보 모터를 구동하는 서보기구를, 마이크로컴퓨터에 조립해 넣은 프로그램에 의해 실현하도록 한 것을 특징으로 하는 서보형 용적식 유량계.
  5. 유로내에 설치된 계량실과, 해당 계량실내에서 회전하며, 해당 회전마다 일정부피의 유체를 유출하는 쌍을 이룬 제 1 및 제 2 회전자와, 상기 계량실의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 제 1 차압계와, 상기 유로에 직렬로 설치되어, 유로를 좁히기 위한 조임 기구와, 해당 조임 기구의 상류측과 하류측의 차압을 검출하는 제 2 차압계와, 상기 제 1 차압계로부터의 차압신호를 상기 제 2 차압계로부터의 차압신호로 조절하여 목표치로 하고, 해당 목표치에 따라 상기 제 1 또는 제 2 회전자중의 어느 하나를 구동하는 서보기구를 구비한 것을 특징으로 하는 서보형 용적식 유량계.
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