KR100550384B1 - 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유체가 흐르는 관로에의 설치 및 보수가 용이하여 소형 관로나 복잡한 관로 시스템 등에 용이하게 적용 가능하며, 전자기 유도 장애 등의 영향이 없어 설치 위치에 구애받지 않고 신뢰성 있는 측정이 가능하며, 관로 내의 다른 여러 위치나 관로 분포에 따라 다수 개의 센서를 사용하여 많은 데이터를 확보하고자 하는 경우에도 최소의 비용으로 정밀한 측정이 가능하도록 하는 새로운 소용돌이형 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 유량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 측면에 의한 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서는: 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브; 튜브에 의하여 발생되는 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기; 및 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 포함한다.

유량, vortex shedding, 센서, 광섬유, 패브리페로 간섭계, 공진기

Description

광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치{FIBEROPTIC VORTEX SHEDDING FLOWMETER}

도1은 일반적인 소용돌이형 유량 측정 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도2는 본 발명의 한 바람직한 실시예인 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치의 한 예를 나타낸다.

도3은 본 발명의 다른 한 바람직한 실시예인 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서의 배치 및 구성을 나타낸다.

도4는 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 장치에서 사용되는 신호 처리부의 구성을 예시한다.

도5는 본 발명의 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서의 한 실시예의 구성을 상세히 나타낸다.

도6a는 쉐딩주파수를 구하기 위한 처리의 한 예로서 검출부의 출력 신호에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform) 처리를 한 결과를 개략적으로 나타낸다.

도6b는 얻어진 쉐딩주파수로부터 유속을 구하기 위해서 사용되는 유속 대 쉐딩주파수의 특성 곡선을 예시한다.

도6c는 얻어진 유속으로부터 유량을 구하기 위해서 사용되는 유속 대 유량의 특성 곡선을 예시한다.

도7은 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서의 다른 적용 예를 나타낸다.

도8은 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서의 유체 관 내부에서의 다양한 배치 형태를 예시한다.

도9는 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서에 사용되는 페브리페로 공진기의 한 예를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21: 광원 22: 펄스 변조기

23: 광도파로 24: 광분배 결합기

25: 광섬유 패브리페로 공진기 26: 검출부

27: 종단 광섬유 부 28: 신호 처리부

29: 제어부 30: 유량 측정 센서

31: 광섬유 부 32: 지지부

33: 밀봉부 34: 소용돌이 발생체

38: 유체 흐름 39: 유체 관

본 발명은 소용돌이형 유량 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유체 관에 설치 및 보수가 용이하여 소형 관로나 복잡한 관로 시스템 등에 용이하게 적용 가능하며, 전자기 유도 장애 등의 영향이 없어 위치에 구애받지 않고 신뢰성 있는 측정이 가능하며, 관로 내의 다른 여러 위치나 관로 분포에 따라 다수 개의 센서를 사용하여 많은 데이터를 확보하고자 하는 경우에도 최소의 비용으로 정밀한 측정이 가능하도록 하는 새로운 소용돌이형 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 유량 측정 방법에 관한 것이다.

관로에 흐르는 유량을 알아내기 위해서 유체의 고유한 특성을 결정하는 여러 요인들과 경계 조건에 따른 유체의 흐름 패턴에 따른 요인들을 복합적으로 고려하여 수학적인 모델링을 한다는 것은 대단히 복잡하고 어려운 일이므로, 다양한 종류의 측정 기술이 발달되어 있다. 그 중, 소용돌이형 유량계(vortex flowmeter)는 유체의 진동 현상을 이용하여 유량을 검출하는 방식의 유량계이다. 도1은 일반적인 소용돌이형 유량 측정 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

이러한 소용돌이형 유량 측정 방식은, 관로에 소용돌이 발생체(bluff body)인 물체를 삽입하였을 때, 유체는 이 소용돌이 발생체(bluff body)로 인해 그 흐름에 방해를 받아 소용돌이를 일으키게 되고, 또 유속에 관계되는 유체역학적 진동(vortex shedding)을 발생시키게 된다. 이러한 유체역학적 진동을 적합한 트랜스듀서(transducer)로서 검출하여 유속을 추정하는 방식의 유량계를 상술한 바와 같이 소용돌이형 유량계라고 한다.

소용돌이형 유량계는 소용돌이에 의해 발생되는 열을 이용한 칼먼(Karmann)식, 축방향 소동돌이 중심의 회전운동을 이용한 스윌(Swirl)식, 그리고 코안다(Coanda) 효과로 알려진 유체의 진동현상을 이용한 유체역학식으로 크게 나 눌 수 있다. 그러나 스윌식 및 유체역학식은 현재 거의 실용화되지 않은 것으로, 이하에서는 일반적으로 사용되는 칼먼식에 대해서만 설명한다. 칼먼식 유량계는 유속식, 추측식 또는 유체진동식 등으로도 불리어 진다.

소용돌이가 발생되는 주파수는 유체 속도와 선형성을 가지고 있으며, 이러한 선형성을 이용하여 유량을 측정한다. 즉, 소용돌이 주파수와 유속사이에는 아래와 같은 관계식이 성립된다.

f = S*U/D (1)

f: 소용돌이(vortex shedding) 진동 주파수

D: 소용돌이 발생체(bluff body)의 직경

U: 유체의 평균속도

S: 스트라우할 수(Strouhal number)

위의 관계식을 살펴보면, 레이놀즈 수(Reynolds number) 300에서부터 200,000까지의 넓은 범위에서 스트라우할 수(Strouhal number)는 0.2로 거의 고정되어 있으므로 소용돌이 진동 주파수와 유체의 평균속도의 위와 같은 선형관계는 대부분의 유체에 적용될 수 있으며, 이 주파수 출력은 정확한 선형성과 재현성을 가지고 있어 잦은 보정이 필요하지 않다는 장점이 있어, 이러한 관계를 이용하여 매우 신뢰성 있는 유량 측정이 가능함을 알 수 있다.

소용돌이형 유량 측정의 경우 현재까지 개발된 방식은 초음파 검출, 압력 검출 또는 온도 검출을 적용한 장치가 주류를 이루고 있으나, 초음파 검출은 유속의 범위와 관로의 크기에 제약을 받는 문제점을 갖고 있고, 온도 검출 방식은 유체 진 동에 대한 감도가 상당히 떨어지는 문제점이 있다. 압전 소자나 실리콘 다이아프램을 사용하는 압력 검출 방식은 센서로부터 나오는 전기적 신호를 사용하기 때문에 전자기 간섭에 민감하다는 문제가 있으며, 사용 가능한 온도 범위가 좁고, 센서로 사용되는 소자들이 경년변화를 일으키기 때문에, 주기적으로 교환해야하는 단점이 있으므로 사용이 매우 불편하여, 사용이 간편하고 캘리브레이션(calibration)이 용이한 유량계의 필요성이 매우 절실하다.

또한, 일반적으로 생산되는 소용돌이형 유량계의 센서들은 측정되는 유체의 흐름을 우회시켜주기 위해 파이프라인을 막거나 다른 파이프를 설치하여 흐름을 전환시켜주지 않고서는 교체할 수가 없도록 된 직렬 교체식으로 되어 있고, 용접 등의 방법으로 센서 자체를 관로에 영구적으로 부착해 놓고 있기 때문에, 작동 중 센서에 고장이 발생된다면 센서가 부착된 부분의 관로 전체를 교환하여야 하므로, 우회 관로와 밸브가 설치되어 있어야만 하여 추가적인 설치비용이 소요될 뿐만 아니라 관로의 구성이 복잡하여진다는 문제점이 있다.

또한, 복잡하고 규모가 큰 유량 시스템에서는 다수 개의 센서를 여러 위치에 배치하여 사용하여야 할 필요가 있는 경우가 많다. 유량계가 지능화됨에 따라 유량계의 단가는 신호 처리나 신호 변환부의 성능에 따라 결정되는 경향이 있다. 현재 보급되어 있는 유량계는 이러한 다수 개의 센서를 사용하는 유량 계측 시스템에 적합하도록 설계된 것이 아니고 각각의 센서에 따라 별도의 신호 처리부가 개별적으로 신호 처리나 신호 변환을 하도록 되어 있어, 근접한 여러 위치에 다수 개의 유량 센서를 적용하여야 할 경우에도 동일한 신호 처리부를 센서의 개수만큼 설치 하여야 하므로 설치비용 및 유지 보수비용이 과다하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체가 흐르는 관로에의 설치 및 보수가 용이하여 소형 관로나 복잡한 관로 시스템 등에 용이하게 적용 가능하며, 전자기 유도 장애 등의 영향이 없어 위치에 구애받지 않고 신뢰성 있는 측정이 가능하며, 관로 내의 다른 여러 위치나 관로 분포에 따라 다수 개의 센서를 사용하여 많은 데이터를 확보하고자 하는 경우에도 최소의 비용으로 정밀한 측정이 가능하도록 하는 새로운 소용돌이형 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 유량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명에서는 상술한 종래의 문제점들을 해소하기 위하여 광섬유 패브리페로(Fabry-Perot) 간섭계를 사용하여 소용돌이 진동 주파수를 측정하는 새로운 방식을 제공하며, 광섬유 공진기를 내장한 센서 헤드를 착탈식의 간단한 구조로 구성함으로써 설치 및 유지보수가 매우 간편한 소용돌이형 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 유량 측정 방법을 제공하고자 한다.

또한, 광섬유 간섭계를 사용함으로써, 유량 측정 센서에서 검출된 신호를 멀리 떨어진 안전한 지역까지 광으로 전송하는 것이 가능하기 때문에 전자장 간섭이 문제가 되는 곳에서도 적용이 가능하며, 다수 개의 유량 측정 포인트가 필요한 경우 광신호의 다중화를 이용한 측정의 다중화가 용이하여 총 설치비용을 줄일 수 있다.

또한, 광섬유 패브리페로 공진기는 1000??의 고온에서도 그 성능이 입증되어 있기 때문에 고온의 유체에도 적용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 작고 가벼운 광섬유 공진기를 사용하여 유량 측정 센서를 구성함으로써 취급 및 교환이 매우 용이하고, 원격지에서도 측정 신호의 보정이 가능하며, 다 지점에서의 유량 측정을 저가로 구현할 수 있게 함으로써, 보다 경제적이고 간편한 유량 측정 장치를 보급하고자 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 측면에 의한 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서는: 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브; 상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기; 및 상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 광섬유 부는 상기 튜브 내에 삽입되어 상기 소정 유체가 흐르는 관 외부로 연장되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 광섬유 패브리페로 공진기는 상기 광섬유 부가 연장되어 그 말단에 형성되는 제1 반투과면과, 그에 접한 공진부와, 상기 공진부의 상기 제1 반투과면과 반대쪽 말단에 형성되는 제2 반투과면과, 상기 제2 반투과면이 그 말단 에 형성되어 연장되는 종단 광섬유 부를 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 종단 광섬유 부는 상기 공진부 반대쪽의 말단이 난반사를 유도하여 신호의 혼입을 저지하도록 처리되어 있는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 광섬유 부는 상기 튜브의 말단에 고정되며, 상기 광섬유 패브리페로 공진기는 상기 광섬유 부가 연장되어 그 말단에 형성되며, 일부의 빛을 투과하고 일부는 반사시키는 제1 반투과면과, 상기 제1 반투과면에 접하여 형성된 공진부와, 상기 공진부의 상기 제1 반투과면과 반대쪽 말단에 형성되며, 적어도 일부의 빛을 반사시키는 제2 반투과면과, 한 쪽 말단이 상기 제2 반투과면에 접하고, 그로부터 연장되는 종단 광섬유 부를 포함하여 상기 튜브의 진동이 상기 공진부에 전달되어 소정 주파수 특성의 스트레인을 유발하도록 구성되며, 상기 광섬유 패브리페로 공진기에 유체가 접촉하는 것을 방지하기 위한 기밀용 캡 부를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 한 측면에 의한 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치는: 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브와, 상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기와, 그리고 상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 갖는 유량 측정 센서; 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되며 상기 광원으로부터 발생되는 광을 입력하여 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부로 전달되는 입사광을 합성하고 이를 송출하는 광 입력부; 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되어 상기 광섬유 부를 통하여 출력되는 간섭광을 수신하고 이를 전기적 신호로 변환하는 검출부; 및 상기 검출부에서 수신된 간섭광의 위상 변화로부터 상기 유체의 소용돌이에 의한 진동 주파수(shedding frequency)를 추출하고, 이를 통하여 상기 유체의 유량을 구하는 신호 처리부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 광 입력부는, 상기 광원으로부터 입력되는 광을 광 펄스로 변조하는 펄스 변조기를 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치는, 제1 단자를 통하여 상기 펄스 변조기로부터 전달되는 광을 입력하고, 제2 단자는 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되며, 제3 단자는 상기 유량 측정 센서로부터 전달되는 간섭광을 출력하여 상기 검출부로 전달하는 광분배 결합기를 더 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 신호 처리부는 상기 유체의 소용돌이에 의한 진동 주파수(shedding frequency)를 상기 간섭광의 주파수 특성으로부터 추출하고, 상기 진동 주파수와 유속의 관계를 정의하는 특성 곡선을 통하여 상기 유체의 유속을 산출하며, 상기 유속과 유량의 관계를 정의하는 특성 곡선을 통하여 상기 유체의 유량을 구하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 유량 측정 센서는, 상기 소정 유체가 흐르는 관 내부의 희망하는 위치에 설치 가능하며, 상기 유체가 저 유속 범위에 있는 경우, 보다 정확한 측정을 위해 상기 관의 중심 축을 기준으로 연직 하방으로 치우쳐 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한 광섬유 센서를 이용한 유량 측정 방법은: 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입될 때 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브와, 상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기와, 그리고 상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 갖는 유량 측정 센서를 상기 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입하는 단계; 상기 광원으로부터 발생되는 광을 통하여 소정의 입사광을 합성하여 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부를 통하여 입사시키는 단계; 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부로부터 상기 광섬유 부를 통하여 출력되는 간섭광을 수신하고 이를 전기적 신호로 변환하는 단계; 및 상기 수신된 간섭광의 위상 변화로부터 상기 유체의 소용돌이에 의한 진동 주파수(shedding frequency)를 추출하고, 이를 통하여 상기 유체의 유량을 구하는 단계를 포함한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 한 바람직한 실시예인 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치의 한 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이 본 실시예의 장치는, 패브리 페로 공진기(25)를 포함하는 유량 측정 센서(30)와, 광원(21), 펄스 변조기(22) 및 광 전달을 위한 광도파로(23)들로 이루어진 광 입력부와, 광분배 결합기(24), 광 검출부(26), 신호 처리부(28) 및 제어부(29)로 이루어진다. 여기서, 광섬유 패브리페로 공진기(20)는 본 발명에서 신호 변환의 핵심 기능을 지니고 있다. 광원(21)은 가 간섭성이 높으면서 직접변조가 가능한 반도체 레이저 다이오우드 등이 사용되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 광의 역방향 진행을 막아주는 광 아이솔레이터를 채용하는 것도 가능하다.

도9는 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서에 사용되는 패브리페로 공진기(25)의 한 예를 나타낸다. 도시된 공진기(25)는 광을 전달하는 입력단의 광섬유(31)(바람직하게는, 싱글 모드 광섬유가 사용됨)를 통하여 분기 출력되는 소정 파장의 광(예를 들어, 단 파장의 레이저 빔 등)이 입사되면, 광섬유(31) 말단부에 마련된 제1 반투과면(S1)에 의하여 일부의 광은 반사되고(약 10%), 나머지 광(약 90%)은 제2 반투과면(S2) 방향으로 통과된다. 제2 반투과면(S2)은 투과된 광의 일부를 다시 제1 반투과면(S1)의 방향으로 반사시키고, 나머지를 종단 광섬유 부(51)로 투과시킨다. 이와 같은 과정을 거쳐 상기 제1 반투과면(S1)과 제2 반투과면(S2) 사이의 공진기(R) 내부를 왕복 반사하는 광 빔이 존재하게 된다. 따라서 광분배 결합기(24)로 되돌아오는 광 빔은, 상기 공진기(R) 내부를 왕복 반사하면서 생기는 광로차(optical path difference)를 가진 광 빔의 중첩에 의하여, 간섭계 특유의 위상에 따른 광 빔 세기의 강약을 갖게 된다.

광섬유에 인가되는 스트레인에 의한 광의 위상 변화는 다음의 수식과 같이 표현될 수 있다.

(2-1)

여기에서, 광의 파장(??)이 633nm이고, 용융실리카 재질인 경우에 대한 각 상수들의 값은 다음과 같다.

n = 1.46, p ₁₁ = 0.12, p ₁₂ = 0.27, σ= 0.16

따라서 위의 식 2-1은 다음과 같이 표현된다.

(2-2)

여기서, λ = 633nm 및 n = 1.46 의 값들을 대입하면 다음의 관계식을 얻을 수 있다.

(2-3)

예를 들어, 길이의 미소 변화가 Δl=1[㎛]라면, ΔΦ=1.623π의 위상 변화가 일어나게 되고 이러한 위상 변화는 간섭 광의 패턴 변화를 유발시키게 된다.

이러한 패브리페로 공진기는 구조가 간단하고 소형으로 제작 가능하다는 장점을 갖고 있다.

이하, 도2의 실시예의 작동을 설명한다. 우선, 광원(21)은 펄스 변조기(22) 에 의해 광 펄스로 변조되어 광섬유(23) 속을 진행하는 광 신호를 만들어 낸다. 이 광 신호는 광분배 결합기(24)를 통해 분배되어 광섬유 패브리페로 공진기(25)로 진행한다. 광섬유 패브리페로 공진기(25)는 측정하고자 하는 대상에 위치하여, 스트레인이나 온도 변화를 통해 광의 경로 차를 만들어 내는 트랜스듀서(transducer)의 역할을 한다. 상기 공진기에서 광의 반사파들 간의 경로 차는 간섭파를 형성하게 되며, 상기 공진기의 미세한 물리적 변화는 간섭 신호의 형태를 변조시킨다. 이 간섭 신호를 광 신호 검출기(26)를 통해 검출하면 공진기에서 일어난 미세한 물리적 변화의 량을 추정할 수 있게 된다.

도3은 본 발명의 다른 한 바람직한 실시예인 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서의 배치 및 구성을 나타낸다. 또한, 도5는 본 발명의 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서의 한 실시예의 구성을 상세히 나타낸다. 도3에 나타낸 바와 같이, 광섬유 패브리페로 공진기(25)와 이를 내장하는 소용돌이 발생체(34), 이를 지지해주는 지지부(32)로 구성되어 있는 유량 측정 센서(30)는 관로의 측부를 통하여 마련된 삽입구를 통하여 삽입된다. 본 발명의 센서를 사용하는 경우, 매우 소형의 센서 제작이 가능하게 되므로, 삽입구는 유량 측정 센서를 용이하게 설치 또는 제거할 수 있도록 소정 플랜지(flange)의 형태로 마련될 수 있어 상술한 종래 기술의 경우와는 달리 센서의 설치 및 교환을 위해 관로 전체를 교환하여야 하거나 분기 관로와 밸브를 설치하여야 하는 등의 필요가 없이 용이하게 설치 및 교환이 가능하여 진다.

여기서, 소용돌이 발생체(34)는 금속 또는 세라믹 등의 재료를 사용하여 원 통형, 사각기둥형 또는 삼각기둥형 등 여러 가지 형상으로 제작 가능하며, 상기 광섬유 패브리페로 공진기(25)는 에폭시 접착제 등으로 소용돌이 발생체(34)의 내벽에 부착시킨다. 이 때 접착부의 두께를 가능한 한 얇게 하여, 압력차에 의한 진동이 소용돌이 발생체(34)를 통해 거의 그대로 광섬유 패브리페로 공진기(25)에 전달되도록 하는 것이 바람직하다. 펄스 변조기(22)에 의해 변조된 광신호가 광섬유 부(31)를 통하여 전송되어 유량 측정 센서(30)에 들어가면, 패브리페로 공진기(25)에서 유속의 변화에 따른 광 신호의 변조가 일어나고, 이 변조된 광 신호를 광 신호 검출기(26)에 의해 검출하여 신호 처리부(28)를 통해 분석하면 유속이 검출된다.

도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유량 검출 센서(30)는, 센싱 프로브(sensing probe) 역할을 하는 광섬유 패브리페로 공진기(25), 난반사를 유도하여 신호의 혼입을 막아주는 광섬유 종단(51), 유체에 소용돌이를 형성해 주는 소용돌이 발생체(34), 상기 발생체(34)를 견고하게 지지해 주는 지지부(31), 상기 지지부(31)와 상기 공진기(25)를 치밀하게 연결해 주는 광섬유 접합부(53)로 구성되어 있고, 센서 전체는 소용돌이 진동에 충분히 견딜 정도의 기계적 강도를 가지도록 제작한다. 여기서 유체의 흐름에 따라 소용돌이 진동을 만들어 내어 bluff body역할을 하는 소용돌이 발생체(32)는 기밀 구조로서 유체의 점도나 속도 특성에 따라 타원형 튜브 또는 삼각기둥 형 튜브 등으로 구성할 수도 있다. 일반적으로는, 유량검출센서(30)는 유량 측정에 있어 직접적인 영향을 주는 소용돌이 발생체(Bluff body)의 역할을 하므로 넓은 레이놀즈 수의 범위에 걸쳐 스트라우할 수가 일정히 유지될 수 있고, 넓은 레이놀즈 수 범위에 걸쳐 소용돌이가 안정하게 발생할 수 있도록 원통형으로 제작하는 것이 바람직하나, 유속이 지나치게 빠르거나 지나치게 느린 경우와 같이 특수한 경우에는 각기둥 형으로 제작하는 것이 바람직하다. 소용돌이의 검출 방법에 따라 유량 측정 장치의 적용 범위가 결정되므로 가능한 한 낮은 레이놀즈 수의 유체에서도 소용돌이가 검출되어야 하고, 소용돌이에 의한 진동이외는 검출되지 않는 구조를 가져야 하며, 또 기계적 내구성이 높아야 한다.

이러한 센서의 구성과 설치 방식을 사용할 경우, 센서를 영구적으로 고정시키지 않고, 관로에 마련된 플랜지를 통하여 이중 볼트를 이용한 착탈식 부착 등이 가능하여, 필요할 때 다른 작업을 방해하지 않고서도 쉽게 교체가 가능하게 되며, 전체 장치를 구성하는 각 부분이 모듈화 되어 있어, 일부가 고장이 나더라도 교체하여야 할 부품의 수가 적게 된다. 또한, 원격지에서도 소프트웨어적 처리에 의하여 캘리브레이션(calibration)이 가능하게 되고, 광섬유 센서를 적용하였으므로, 저가격으로 다중화 시킬 수 있고, 이 경우, 신호처리부를 공유할 수 있으므로, 시스템 유지비용이 적게 든다는 많은 장점을 얻게 된다.

도4는 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 장치에서 사용되는 신호 처리부의 구성을 예시한다. 도4에서, 전 처리부(41)는 광 신호 검출기(26)에서 나오는 아날로그 전기신호를 아날로그 영역에서의 신호 대역에 맞게 컨디셔닝 해 주는 부분이며, A/D 변환 모듈(42)은 이 신호를 디지털 신호로 변환해 줌과 동시에 데이터 버퍼 역할을 하는 모듈이고, 전치 가산 저장기(43)는 시스템에 무작위로 발생되는 잡음을 제거하기 위한 것이며, 마이크로 콘트롤러 시스템(44)은 전체 유량 측정 장치를 제어하는 일종의 보드형 컴퓨터로 구성이 가능하다.

도6a는 출력 신호로부터 쉐딩주파수를 구하기 위한 처리의 한 예로서 검출부의 출력 신호에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform) 처리를 한 결과를 개략적으로 나타낸다. 도6b는 얻어진 쉐딩주파수로부터 유속을 구하기 위해서 사용되는 유속 대 쉐딩주파수의 특성 곡선을 예시한다. 랜덤 노이즈의 영향을 없애기 위하여, 이동평균(moving average) 기법 등이 사용 가능하다. 도6c는 얻어진 유속으로부터 유량을 구하기 위해서 사용이 가능한 유속 대 유량의 특성 곡선을 예시한다.

유체가 관로(39)를 통하여 흐르면 bluff body의 작용에 의해 소용돌이 진동을 만들어 내는 소용돌이 발생체(34)가 진동을 하게 되고, 이 진동은 미세한 상대적 변위를 야기 시키게 되는데, 이러한 변위는 센서(30) 내에 있는 공진기(25)에 스트레인으로 작용하고, 이 스트레인은 광 위상을 변화시키게 된다. 따라서 이러한 광 위상 변화를 추적하면, 간섭계에 가해진 스트레인의 주파수 특성을 알 수 있고, 이 스트레인의 주파수 특성으로부터 쉐딩 주파수(shedding frequency)를 얻어 낼 수 있다. 여기서 사용되는 상술한 특성 곡선들은 모두 디지털 화된 참조테이블로 변환되어 신호 처리부의 특정 메모리에 저장되는 것이 바람직하다.

도7은 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서의 다른 한 적용 예를 나타낸다. 상술한 도3에 도시된 바와 같이 관로의 중심 부근에 이르도록 센서를 삽입하는 것이 일반적인 사용 형태이다. 즉, 유속이 일정속도 이상(0.1m/s)이고, 스트레이너와 같은 것을 사용하여 난류를 줄여 놓은 경우에 사용 가능한 형태이다. 그러나 예를 들어 난류가 심하거나 유속이 0.1m/s 이하로 낮은 경우, 도7과 같이 관로 중심축으로부터 관로 하부에 치우쳐 있는 위치(82)에 센서를 배치하는 것이 바람직하다. 이는, 유속이 낮은 경우 유체의 주된 흐름이 관로 하부로 치우치는 경향이 있기 때문이다. 따라서 도7과 같이 통상적인 동작 범위와 정밀도를 갖는 간섭계를 중심축 부근에 배치(81)하고 사용하며, 저속의 유속에 대비하여 좁은 동작 범위의 정밀도가 높은 간섭계를 하부에 배치(82)하는 구성을 병행하여 보다 넓은 영역에 걸쳐 높은 정밀도의 유량 측정이 가능하게 된다.

도8은 본 발명의 소용돌이형 유량 측정 센서의 유체 관 내부에서의 다양한 배치 형태를 예시한다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 유량 측정 센서는 관로(39)의 측 부를 통하여 삽입하는 방식의 설치(83, 84, 85)가 가능하며, 또는 관로의 양 측 부를 통하여 관로를 관통하도록 설치하는 경우(81), 또는 관로 내부에서 관로의 중심축에 대하여 평행하도록 설치하는 것 등이 가능하다. 이러한 다양한 배치 방식이 사용될 수 있는 것은 본 발명의 유량 측정 센서가 광섬유 패브리페로 공진기를 사용함으로써 매우 컴팩트한 구성으로 제조될 수 있고, 그 취급이 용이하게 때문이다.

광섬유는 그 특성상 다중화가 용이하고, 싱글 모드 광섬유를 사용하여 장거리(수 km)까지 신호의 높은 감도를 유지할 수 있기 때문에, 측정하고자 하는 여러 지점이 서로 공간적으로 떨어져 있더라도 신호 처리부를 공유할 수 있어서 보다 경제적인 시스템을 구축할 수 있고, 또 패브리페로 간섭계를 사용하므로 감도의 조절이 용이하여 저속(수 cm/s)의 유량도 측정 가능하게 된다.

상술한 본 발명의 유량 측정 센서는 소형의 광섬유 패브리페로 공진기로 구성이 되어 있어 소형 경량으로 제작할 수 있으므로, 설치가 간편하고 작은 사이즈의 관로에서도 사용 가능하며 유지 보수도 매우 간편하다. 측정부에서 검출된 신호를 멀리 떨어진 안전한 지역까지 광으로 전송하기 때문에 전자장 간섭이 문제가 되는 곳에서도 적용이 가능하며, 다수 개의 유량측정 포인트가 필요한 경우 광을 이용한 다중화가 용이하여 총 설치비용을 줄일 수 있다. 광섬유 패브리패로 공진기는 1000℃의 고온에서도 그 성능이 입증되어 있기 때문에 고온 유체에도 적용할 수 있다.

본 발명에 의한 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명에 의한 유량 측정 센서, 유량 측정 장치 및 방법을 사용함으로써, 전자파 유도장애를 받지 않아 전자파 잡음이 심한 지역에서도 측정신호의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 센서가 단순하고 소형경량이어서 취급이 간편하여 센서의 설치가 어려운 소형 관로나 복잡한 관로 시스템에 적합하며, 센서의 주 재료인 용융 실리카는 경년 변화가 적으므로 공정 제어용으로도 적용 가능하며, 재질이 인체에 무해하므로 식품관련 유량제어에도 적용가능하다. 또한 전체 시스템이 광섬유로 구성되어 있으므로 다중화가 용이하여 저가로 광섬유 기술을 이용한 다 지점 유량측정시스템을 제작할 수 있다.

또한, 유량 검출 센서를 측정부에 영구적으로 고정시키지 않고 필요할 때 다른 작업을 방해하지 않고서도 쉽게 교체 및 유지시킬 수 있는 소용돌이형 유량 센서가 제공된다.

본 발명에 의한 유량 측정 장치는 센서의 교환이 용이하므로, 센서 고장 시에 센서를 교환하는데 필요한 작업수가 적고 또 지극히 간단하므로 유지 보수 시간이 최소화되는 것이 가능하게 된다.

또한, 전체 장치가 모듈화 되어 있어 일부가 고장이 나더라도 교체하여야할 부품의 수가 적고, 캘리브레이션은 소프트웨어적으로 처리되므로 현장에서 용이하게 처리가 가능하게 된다.

Claims (11)

1. 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브;

   상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기; 및

   상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 포함하며,

   상기 광섬유 패브리페로 공진기는 상기 광섬유 부가 연장되어 그 말단에 형성되는 제1 반투과면과, 그에 접한 공진부와, 상기 공진부의 상기 제1 반투과면과 반대쪽 말단에 형성되는 제2 반투과면과, 상기 제2 반투과면이 그 말단에 형성되어 연장되는 종단 광섬유 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서.
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4. 제 1항에 있어서,

   상기 종단 광섬유 부는 상기 공진부 반대쪽의 말단이 난반사를 유도하여 신호의 혼입을 저지하도록 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서.
5. 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브;

   상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기; 및

   상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 포함하며,

   여기서, 상기 광섬유 부는 상기 튜브에 고정되고,

   상기 광섬유 패브리페로 공진기는 상기 광섬유 부가 연장되어 그 말단에 형성되며, 일부의 빛을 투과하고 일부는 반사시키는 제1 반투과면과,

   상기 제1 반투과면에 접하여 형성된 공진부와,

   상기 공진부의 상기 제1 반투과면과 반대쪽 말단에 형성되며, 적어도 일부의 빛을 반사시키는 제2 반투과면과,

   한 쪽 말단이 상기 제2 반투과면에 접하고, 그로부터 연장되는 종단 광섬유 부를 포함하여 상기 튜브의 진동이 상기 공진부에 전달되어 소정 주파수 특성의 스트레인을 유발하도록 구성되며,

   상기 광섬유 패브리페로 공진기에 유체가 접촉하는 것을 방지하기 위한 기밀용 캡 부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 간섭계를 이용한 소용돌이형 유량 측정 센서.
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8. 소정 유체가 흐르는 관 내부에 삽입되어 상기 유체에 대하여 소용돌이 발생체(bluff-body)로 작용하는 튜브와, 상기 튜브에 의하여 발생되는 상기 유체의 소용돌이(vortex shedding)에 의한 소정 주파수 영역의 진동이 전달되어 주기적인 광 위상 변화를 일으키도록 상기 튜브 내에 고정된 광섬유 패브리페로 공진기와, 상기 광섬유 패브리페로 공진기에 연결되고, 광원으로부터 입사되는 광을 전달하며, 상기 광 위상 변화를 외부에서 감지 가능하도록 상기 광섬유 패브리페로 공진기로부터 나오는 간섭광을 외부로 전달하는 광섬유 부를 구비하는 유량 측정 센서;

   상기 광원으로부터 입력되는 광을 광 펄스로 변조하는 펄스 변조기를 구비하며, 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되어 상기 광원으로부터 발생되는 광을 입력하여 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부로 전달되는 입사광을 합성하고 이를 송출하는 광 입력부;

   상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되어 상기 광섬유 부를 통하여 출력되는 간섭광을 수신하고 이를 전기적 신호로 변환하는 검출부;

   상기 검출부에서 수신된 간섭광의 위상 변화로부터 상기 유체의 소용돌이에 의한 진동 주파수(shedding frequency)를 추출하고, 이를 통하여 상기 유체의 유량을 구하는 신호 처리부; 및

   제1 단자를 통하여 상기 펄스 변조기로부터 전달되는 광을 입력하고, 제2 단자는 상기 유량 측정 센서의 상기 광섬유 부에 결합되며, 제3 단자는 상기 유량 측정 센서로부터 전달되는 간섭광을 출력하여 상기 검출부로 전달하는 광분배 결합기를 포함하며,

   상기 광섬유 패브리페로 공진기는 상기 광섬유 부가 연장되어 그 말단에 형성되는 제1 반투과면과, 그에 접한 공진부와, 상기 공진부의 상기 제1 반투과면과 반대쪽 말단에 형성되는 제2 반투과면과, 상기 제2 반투과면이 그 말단에 형성되어 연장되는 종단 광섬유 부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 소용돌이형 유량 측정 장치.
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