KR100690053B1

KR100690053B1 - 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기

Info

Publication number: KR100690053B1
Application number: KR1020040113141A
Authority: KR
Inventors: 최상호
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2007-03-08
Also published as: KR20060074412A

Abstract

본 발명은 유체관내로 흐르는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기에 관한 것으로, 전도성 유체가 흐르는 유체관과; 상기 유체관에 상호 대향설치되는 한쌍의 전극과; 상기 유체관내에 자기장을 형성시키는 영구자석과; 상기 유체관이 내설되며, 상기 영구자석이 내측면에 부착설치되는 영구자석 지지대와; 상기 영구자석 지지대와 일체로 회전되는 각도계측기; 및 상기 전도성 유체의 유동과 영구자석으로 인해 형성된 자기장의 상호작용으로 발생되는 유도기전력의 잡음제거 및 증폭을 하는 신호처리부로 이루어진다. 이러한 본 발명은 물 유량계로 주로 사용되는 종래의 전자기 유량계와는 전혀 다른 것으로, 전자기 유량계에서 측정할 수 없는 유체관내의 각 지점에서의 속도와 이 각 지점의 속도를 통해 평균속도 및 이 평균속도에 의해 유량도 구할 수 있고, 또한, 전도성 유체의 속도분포를 측정할 수 있으므로 속도분포를 통해 각 지점에서의 압력 구배를 구하여 압력 구배에 걸맞는 펌프의 용량설계가 가능해 진다.

전도성 유체, 액체금속, 영구자석, 각도계측기, 전극, 속도분포

Description

전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기{Electromagnetic type velocity profile measurement device of conductive fluid}

도 1 은 본 발명의 구성단면도

도 2 는 본 발명의 사시도

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 전극 2 : 영구자석

3 : 영구자석 지지대 4 : 각도계측기 지지대

5 : 각도계측기 6 : 유체관

7 : 신호선 8 : 신호처리부

9 : 각도조절기 10 : 스토퍼

본 발명은 액체금속과 같은 전도성 유체의 속도분포 측정에 관한 것으로, 특히 유체관 내부의 유체의 유량뿐만 아니라 유체의 유동장 교란없이 유체의 속도분포까지도 측정할 수 있도록 한 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기에 관한 것이다.

일반적으로 관내에 흐르는 유체의 속도분포를 측정하기 위해서는 소형의 프루브(probe)를 관내에 삽입한 후 이를 이동시켜 가면 측정하고 있으나 이러한 방법은 프루브 자체의 크기로 인해 속도분포 측정시 유동장의 교란이 발생되는 문제점을 갖고있다.

또한, 레이저를 이용한 레이저도플러유속계(LDV:Laser Doppler Velocimetry)와 같은 방법은 유체내에 시드(seed)를 넣어주어야 하며 불투명한 유체에 대해서는 적용할 수 없다는 문제점을 갖고 있다.

한편, 상용으로 판매되는 전자기 유량계는 교류 자기장을 이용하며 전자석이 고정되어 있는 형태로 전도성 유체의 유량 측정에서 보면, 타 원리를 이용한 유량계에 비해 월등히 뛰어난 정확성을 지니고 있지만 유량 또는 유체의 평균속도밖에 측정할 수 없다는 문제점을 지니고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 전도성 유체(액체금속)의 유량을 측정하는 방법중 하나로써, 종래의 패러다이의 전자기 유도 법칙을 이용한 전자기 유량계의 원리를 더욱 확장시킨 것으로, 액체금속의 유동에 대하여 유동장 교란없이 유체관내의 유량측정뿐만 아니라 속도분포까지도 측정할 수 있는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적은 전도성 유체가 흐르는 유체관과; 상기 유체관에 상호 대향설치되는 한쌍의 전극과; 상기 유체관내에 자기장을 형성시키는 영구자석 과; 상기 유체관이 내설되며, 상기 영구자석이 설치되는 영구자석 지지대와; 상기 영구자석 지지대와 일체로 회전되는 각도계측기; 및 상기 전도성 유체의 유동과 영구자석으로 인해 형성된 자기장의 상호작용으로 발생되는 유도기전력의 잡음제거 및 증폭을 하는 신호처리부에 의해 달성된다.

이하, 본 발명의 기술구성과 작용효과를 첨부도면에 의거하여 상세하게 기술하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 구성단면도이고, 도 2는 본발명의 사시도로서, 이에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 액체금속이 흐르는 유체관(6)과; 상기 유체관(6)에 액체금속의 유동을 측정토록 상호 대향설치되는 한쌍의 전극(1)과; 상기 유체관(6)내에 자기장을 형성시키는 영구자석(2)과; 상기 유체관(6)이 내설되며, 상기 영구자석(2)이 내측면에 부착설치되는 영구자석 지지대(3)와; 상기 영구자석(2)과 전극(1)과의 상대적인 각도를 측정토록 영구자석 지지대(3)와 일체로 회전되는 각도계측기(5); 및 상기 한쌍의 전극(1)과 신호선으로 연결되어 상기 액체금속의 유동과 영구자석(2)으로 인해 형성된 자기장의 상호작용으로 발생되는 유도기전력을 상기 신호선(7)을 통해 입력받아 그 잡음제거 및 증폭을 하는 신호처리부(8)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 지름이 1.2mm인 구리선 한쌍이 180°방향으로 마주보게 삽입되 있는데, 상기 유체관(6)의 재질에 따라 전극(1)의 설치를 달리 할 수 있다. 예를 들면, 재질이 전도체일 경우에는 전극(1)을 유체관(6) 표면에 용접설치하면 되고, 재질이 절연체일 경우에는 유체관(6)내로 전극(1)이 돌출되지 않도록 관통설치하면 된다. 이렇게 전극(1)을 돌출되지 않게 설치하는 이유는 돌출 전극으로 인해 발생하는 액체금속의 유동장의 교란을 방지하기 위한 것이다.

상기 영구자석 지지대(3)와 각도계측기(5)는 각도계측기 지지대(4)에 의해 연결될 수도 있다.

상기 영구자석(2)은 원통 형태의 영구자석 지지대(3)에 부착되어 있으며, 상기 각도계측기(5)는 유체관(6) 주위로 회전시킬 수 있도록 각도계측기 지지대(4)에 의해 영구자석 지지대(3)와 상호연결되어 일체로 된다.

한편, 상기 영구자석(2)의 길이는 전극 부분에서의 균일한 자기장을 유지하기 위해서는 유체관 반경의 4배 이상이어야 한다. 또한, 영구자석(2)의 자기장이 유체관 내부로 갈수록 약해지므로 전극(1)에 영구자석(2)이 접촉하지 않는 동시에 최대로 가까이 위치시킨다.

상기 영구자석 지지대(3)는 영구자석(2)의 자기장의 세기를 유지하기 위해서 자성이 높은 자성체로 제작되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전자기식 유체 속도분포 측정기의 신호처리부(8)에 마이크로프로세서를 연결하여 증폭 신호를 연산처리하고, 연산처리된 신호를 디스플레이에 표시하여 주면 측정자가 그 속도분포를 알 수 있게 된다.

이렇게 측정된 속도분포에 의해 액체금속의 압력 구배를 알 수 있고, 이 압력 구배를 통해 액체금속을 유체관내로 송출시키는 펌프의 용량을 설계할 수 있게 된다. 한편, 본 발명은 종래의 전자기 유량계에서 사용되는 전자석에 의한 교류자기장과는 달리 직류자기장을 이용하는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 한쌍의 전극(1)이 유체관(6)에 서로 마주보면서 고정되어 있고, 영구자석 지지대(3)에 영구자석(2)이 고정되어 있어 영구자석(2)에 의해 유체관(6)내에 자기장이 형성되어 있는 상태에서 액체금속이 유체관(6)을 통해 유동하게 되면 페러데이의 전자기 유도 법칙에 의해 자기장과 액체금속의 유동에 의해 전극(1)간에 유도기전력이 발생하는데, 이 유도기전력이 신호선(7)을 통해 신호처리부(8)로 입력된다. 즉, 액체금속이 자기장을 지나갈때 유도되는 전압이 신호선(7)을 통해 신호처리부(8)로 입력된다.

이후, 측정자가 각도조절기(9)를 돌려 수동으로 영구자석 지지대(3)를 회전시켜서 영구자석(2)을 회전시켜 주게 되는데, 이렇게 영구자석 지지대(3)를 회전시키는 것은 전극(1)과 영구자석(2)과의 각도에 따른 유도기전력을 측정하기 위한 것이다. 즉, 영구자석 지지대(3)를 각도조절기(9)로 회전시키면 일체로 각도계측기(5)가 회전되고, 이어서 측정하려는 각도가 되면 스토퍼(10)를 돌려 고정시켜서 상기 각도계측기(5)에 의해 전극(1)과 영구자석(2)과의 상대적인 각도에 따라 변하는 유도기전력을 측정할 수 있게된다.

이렇게 측정된 신호를 후처리 과정, 즉 마이크로 프로세서와 같은 연산기에 의한 연산처리를 통해 액체금속의 속도분포를 계산하게 된다.
상기한 마이크로 프로세서에 의한 속도분포 계산과 관련한 속도분포 측정원리에 대해서는「Satoshi Honda and Yutaka Tomita, 1991, "Estimation of velocity profile by magnetic flowmeter with rotating field", FLUCOME'91 ASME 1991, PP. 131~137」에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있도록 기술되어 있다.
한편,「Ansgar Trachtler and Franz Mesch, 1998, "In-line monitoring of Rhological parameters with an electromagnetic flowmeter", Part. Part. Syst. Charact., Vol. 15, pp. 30~35」에는 상기 사토시(Satoshi) 등의 논문에 나타난 원리를 이용하여 제한된 상황하에서 적용 가능성을 설명하고 있다.
본 발명에서는 이미 기존의 많은 논문들에서 이론적으로 제시하고 있는 전도성 유체의 속도분포 측정원리를 일반적인 상황에 대해서 적용할 수 있도록 영구자석, 전극 및 신호처리부를 구현하였으며, 측정된 전압을 가지고 상기 마이크로 프로세서에서 상기 논문에서 설명된 원리를 이용하여 속도분포를 측정할 수 있도록 프로그래밍을 한 것이다.
본 발명의 특징은 통상의 지식을 가진 자가 알고 있는 이론을 가지고 전도성 유체의 속도분포를 측정할 수 있도록 하드웨어를 구성한 것이다.

상기처럼 액체금속이 유체관(6)을 통해 유동하게 되면 액체금속은 유체관(6)내 각 지점마다 속도가 다르다.

종래의 전자기 유량계가 유체의 유량 또는 유체의 평균속도밖에 측정할 수 없었는데, 즉, 유체관 각 지점마다 다른 유체의 평균속도와 유체관의 단면적×평균 속도에 의해 구할 수 있는 유량만을 측정할 수 있었다.

하지만 본 발명에 의해 속도분포를 측정한다는 것은 평균속도가 아닌 유체관(6)내의 각 지점에서의 속도를 측정하는 것이며, 이러한 속도분포를 알게 되면 유체관(6)내의 압력 구배를 알 수 있게 된다.

통상 유체를 유동시키려면 유체가 움직일 수 있도록 펌프를 사용하여 유체를 밀어주어야 하는데, 이때 압력 구배를 알게 된다면 이러한 유체를 움직일 수 있는 펌프의 용량을 설계할 수 있고, 또한 유체관내의 각 지점에서의 속도도 알 수 있다. 이에 따라 평균속도도 알 수 있어 상기한 것처럼 유체관의 단면적×평균속도의 식을 통해 유량도 구할 수 있다.

종래의 전자기 유량계는 전자석을 이용하는데, 전자석을 이용하게 되면 전원을 공급해 주어야 하므로 이러한 전원으로서 일반적인 교류전원을 사용하게 된다. 이렇게 교류전원을 사용하는 이유는 종래의 전자기 유량계가 주로 물 유량계로 사용되기 때문에 채택된 것으로, 물은 극성을 지닌 물체로 직류 자기장(영구자석)을 사용하게 되는 경우, 전극 주변의 분극화 현상이 일어나게 되어 측정되는 신호에 유도기전력외의 신호가 추가적으로 발생하게 된다. 따라서 이러한 분극화 현상을 방지하기 위해서 교류 자기장을 발생시키는 전자석을 사용하게 되는 것이다.

또한, 교류자기장의 경우 자기장이 시간에 따라 변하기 때문에 이로 인해 추가적인 신호(transformer emf)가 발생하게 되는데, 이러한 신호는 측정하고자 하는 속도와는 무관한 것이다. 따라서 추가적인 신호를 제거하여 유체의 유동에 의해 발생되는 유도기전력(motional emf)만 측정해야 되는데, 상기 추가적인 신호를 제거 해 주기 위해서는 많은 비용 및 노력이 필요하다.

그러나 본 발명에서 전도성 유체로써 사용되는 액체금속의 경우, 극성을 지닌 물질이 아니기 때문에 직류 자기장(영구자석)을 사용하여도 문제가 없고, 전자석에 비해 영구자석(2)은 전원이 필요없다.

종래의 전자기 유량계는 전자석이 고정되어 있는데, 이것은 전극과 자석의 상대적인 각도가 고정되어 있음을 의미한다. 전자석의 위치가 변경되게 되면 발생되는 유도기전력은 같은 유체의 속도에 대해서도 달라진다. 따라서 전자기 유량계는 유도기전력의 신호가 가장 크게 나오는 위치에 고정되어 있다. 즉, 전극과 자석이 수직인 위치에 놓여있다.

본 발명에서와 같이 전극과 자석과의 상대적인 각도를 변경시켜 가며 유도기전력을 측정하게 되면 평균속도 이외의 속도분포를 알 수 있다.

이상 기술한 바처럼, 본 발명은 물 유량계로 주로 사용되는 종래의 전자기 유량계와는 전혀 구성이 다른 것이고, 전자기 유량계에서 측정할 수 없는 유체관내의 각 지점에서의 속도와 이 각 지점의 속도를 통해 평균속도 및 이 평균속도에 의해 유량도 구할 수 있고, 또한, 액체금속의 속도분포를 측정할 수 있으므로 속도분포를 통해 각 지점에서의 압력 구배를 구하여 압력 구배에 걸맞는 펌프의 용량설계가 가능해 진다.

Claims

전도성 유체가 흐르는 유체관과; 상기 유체관에 전도성 유체의 유동을 측정토록 상호 대향설치되는 한쌍의 전극과; 상기 유체관내에 자기장을 형성시키는 영구자석과; 상기 유체관이 내설되며, 상기 영구자석이 내측면에 부착설치되는 영구자석 지지대와; 상기 영구자석과 전극과의 상대적인 각도를 측정토록 영구자석 지지대와 일체로 회전되는 각도계측기; 및 상기 한쌍의 전극과 신호선으로 연결되어 상기 전도성 유체의 유동과 영구자석으로 인해 형성된 자기장의 상호작용으로 발생되는 유도기전력을 상기 신호선을 통해 입력받아 그 잡음제거 및 증폭을 하는 신호처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기.
청구항 1에 있어서, 상기 영구자석의 길이는 유체관 반경의 4배 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기.
청구항 1에 있어서, 상기 유체관은 전도체이며, 전극이 유체관의 표면에 용접설치되는 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기.
청구항 1에 있어서, 상기 유체관은 절연체이며, 전극이 유체관내로 돌출되지 않도록 관통설치되는 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정 기.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 영구자석은 전극에 근접 설치되는 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기.
청구항 1에 있어서, 상기 영구자석 지지대는 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 유체의 전자기식 속도분포 측정기.