KR100732116B1 - Vortex flowmeter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 와류식 유량계에 관한 것으로서, 유관내에 와류를 발생시키는 와류발생부와, 상기 와류발생부 하류의 카르만 와류 작용범위내에 설치되어 양단부가 하우징에 연결된 압전소자를 통해 와류에 의한 변형량을 측정하는 유량센서부를 포함하는 구성으로, 유관에서 와류 발생시 하우징이 마련된 압전소자를 통해 횡방향 및 두께방향에서도 동시에 응력이 발생 되도록 하여 전기신호의 출력감도를 증대시킬 수 있는 특징이 있다.The present invention relates to a vortex flow meter, comprising: a vortex generating unit for generating a vortex in an oil conduit, and a Karman vortex operating range downstream of the vortex generating unit to measure deformation amount due to vortex through a piezoelectric element connected at both ends of the housing. In the configuration including the flow sensor, the eddy current in the pipe through the piezoelectric element provided with the housing is characterized in that the stress can be generated simultaneously in the transverse direction and the thickness direction to increase the output sensitivity of the electrical signal.
카르만 와류, 주파수, 압전소자 Carman vortex, frequency, piezoelectric element
Description
도 1은 종래기술에 따른 초음파 유량계를 도시한 측면도.1 is a side view showing an ultrasonic flowmeter according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 와류식 유량계를 도시한 사시도.Figure 2 is a perspective view of a vortex flow meter according to the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 와류식 유량계의 유량센서부를 도시한 작동 상태도.3a and 3b is an operating state diagram showing the flow sensor portion of the vortex flow meter according to the invention.
도 4a 및 4b는 본 발명의 변형예에 따른 와류식 유량계의 유량센서부를 도시한 단면도.4A and 4B are sectional views showing a flow sensor part of a vortex flow meter according to a modification of the present invention.
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 와류식 유량계를 도시한 사시도.5 is a perspective view showing a vortex flowmeter according to a modification of the present invention.
도 6은 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 와류식 유량계를 도시한 사시도.Figure 6 is a perspective view of a vortex flow meter according to another variant of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
100...와류발생부 200...유량센서부100 Vortex
210...하우징 220...압전소자210.Housing 220.Piezoelectric element
300...지지대 400...유관300
본 발명은 와류식 유량계에 관한 것으로서, 유관에서 와류 발생시 하우징이 마련된 압전소자를 통해 전기신호의 출력감도를 증대시킬 수 있는 와류식 유량계에 관한 것이다.The present invention relates to a vortex flow meter, and relates to a vortex flow meter that can increase the output sensitivity of an electrical signal through a piezoelectric element provided with a housing when the vortex occurs in the oil pipe.
일반적으로 유관 내에 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계로는 여러 종류가 있으나, 특히, 초음파의 속도가 유체의 속도에 의해 변화하는 것을 이용한 초음파 유량계와, 유체내에 와류를 발생시켜 유량을 측정하는 와류식 유량계가 주목받고 있다.In general, there are various types of flowmeters for measuring the flow rate of the fluid flowing in the duct, but in particular, an ultrasonic flowmeter using the speed of the ultrasonic wave varies with the speed of the fluid, and a vortex type for generating the vortex in the fluid and measuring the flow rate. Flow meters are attracting attention.
초음파 유량계는 주로 초음파 전파 시간차(transit time difference) 유속 측정방법이 널리 이용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 유량계는 서로 교대로 발사 또는 수신하도록 유관(10)내에 한 쌍의 초음파 송수파기(20)(30)가 대향 설치되어 유속을 연산한다. 예를 들어, 초음파 송수파기는 전기 에너지, 기계적 에너지 변환소자로서 압전세라믹 등의 압전진동자를 사용한다. 즉, 일측의 초음파 송수파기(20)에 구동용 버스 전압신호를 인가하여 초음파 버스트 신호를 방사하면, 이 초음파 버스트 신호는 도면의 L경로를 거쳐 t시간 후에 타측의 초음파 송수파기(30)에 도달한다. 상기 타측의 초음파 송수파기(30)에서는 전달된 초음파 버스트 신호만을 전기 버스트 신호로 변환하고, 이 전기 버스트 신호를 트리거 신호로 해서 일측의 초음파 송수파기(20)로 다시 초음파 버스트 신호를 방사한다. 이 초음파 버스트 신호는 L경로를 거쳐 t시간 후에 일측의 초음파 송수파기(20)에 도달한다. 이와같은 장치를 싱어라운드 장치라고 하고, 일측의 초음파 송수파기(20)에서 초음파 펄스가 방사되어 타측의 초음파 송수파기(30)에 도달하는데에 필요한 시간을 싱어라운드 주기라고 하며, 그 역수를 싱어라운드 주파수라고 한다.Ultrasonic flowmeters are widely used in ultrasonic transit time difference flow rate measurement method. As illustrated in FIG. 1, the ultrasonic flowmeters have a pair of
유관을 흐르는 액체의 유속을 V, 유체 중의 초음파의 속도를 C, 유체가 흐르는 방향과 초음파 펄스의 전반방향의 각도를 θ로 하고, 일측의 초음파 송수파기(20)에서 나온 초음파 펄스가 타측의 초음파 송수파기(30)에 도달하는 시간인 싱어라운드 주기를 t, 싱어라운드 주파수를 f라고 하면 다음 식이 성립한다.The flow velocity of the liquid flowing through the duct is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, the angle between the direction in which the fluid flows and the ultrasonic pulse is θ, and the ultrasonic pulse from the
<수학식 1><Equation 1>
f = 1/t =(C + Vcosθ)/Lf = 1 / t = (C + Vcosθ) / L
일측의 초음파 송수파기(20)에서 나온 초음파 펄스가 타측의 초음파 송수파기(30)에 도달하는 시간인 싱어라운드 주기를 t1, 싱어라운드 주파수를 f1이라 하고, 타측의 초음파 송수파기(30)에서 나온 초음파 펄스가 일측의 초음파 송수파기(20)에 도달하는 시간인 싱어라운드 주기를 t2, 싱어라운드 주파수를 f2이라 하면 다음 식이 성립한다.Singaround period, which is the time when the ultrasonic pulse from one side of the
<수학식 2><Equation 2>
△f= f1 - f2 =2Vcosθ/LΔf = f1-f2 = 2Vcosθ / L
즉, 초음파의 전반경로의 거리(L)와 주파수차(△f)로 부터 유체의 유속(V)를 구할 수 있고, 그 유속(V)으로부터 유량을 조사한다.That is, the flow rate V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic wave propagation path and the frequency difference Δf, and the flow rate is irradiated from the flow rate V.
그러나, 이러한 초음파 유량계는 일측의 초음파 송수파기와 타측의 초음파 송수파기의 간격이 길거나, 유체흐름에 다양한 크기의 와류가 발생하는 경우에는 초음파 펄스가 굴절, 확산하거나 흡수감쇄도가 변하여 측정에 오차가 발생될 수 있다. 또한, 초음파 유량계는 구성이 복잡하고 제조 단가도 고가인 문제가 있었다.However, when the ultrasonic flowmeter has a long interval between the ultrasonic wave receiver on the one side and the ultrasonic wave receiver on the other side, or when vortices of various sizes occur in the fluid flow, the ultrasonic pulses are refracted, diffused, or absorbed attenuation changes, thereby causing errors in the measurement. Can be. In addition, the ultrasonic flowmeter has a problem in that the configuration is complicated and the manufacturing cost is high.
한편, 상기 와류센서를 사용하는 와류식 유량계는 카르만 와류(Karman swirling flow) 주파수가 유체의 흐르는 유속에 비례하는 것을 이용한다. 예컨대, 유관내에 기둥형상의 와류발생체를 설치하면 유체가 흐르면서 와류발생체에 의해 안정하고 규칙적인 와류가 발생한다. 이 와류는 물체와 유체와의 경계층의 박리에 따라서 생기며 소위 카르만 와류라고 칭호된다. 이 경우 물체의 우측면에 단위시간에 생성되는 와류의 수(와류의 발생주파수)는 유체의 유속에 비례되는 것이 종래부터 잘 알려져 있다. 따라서 단위 시간에 생성되는 와류의 수가 알려지면 유체의 유속 혹은 유량을 알 수가 있다. 즉, 와류식 유량계는 와류발생체에서 와류를 발생시켜 응력의 변화, 압력의 변화 등에 의한 와류신호를 생성하고, 와류센서는 이 와류신호는 수신하여 펄스 신호로서 출력한다. On the other hand, the vortex flowmeter using the vortex sensor uses that the Karman swirling flow frequency is proportional to the flow rate of the fluid. For example, when the column-shaped vortex generator is installed in the oil pipe, the vortices generate a stable and regular vortex as the fluid flows. This vortex occurs as a result of the separation of the boundary layer between the object and the fluid and is called the Karman vortex. In this case, it is well known in the art that the number of vortices (frequency of vortices) generated in unit time on the right side of an object is proportional to the flow velocity of the fluid. Therefore, when the number of vortices generated in unit time is known, the flow velocity or flow rate of the fluid can be known. That is, the vortex flowmeter generates vortices in the vortex generator to generate vortex signals due to changes in stress, pressure, and the like, and the vortex sensor receives the vortex signals and outputs them as pulse signals.
그러나, 이러한 와류식 유량계는 와류발생체로부터 발생되는 와류신호의 검출시 그 측정되는 와류신호가 미약하여 일정량 이하의 미소한 유량에서만 사용 가능한 문제가 있었다.However, such a vortex flowmeter has a problem that the vortex signal measured at the time of detection of the vortex signal generated from the vortex generator is weak and can be used only at a minute flow rate of less than a certain amount.
본 발명의 목적은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 와류발생부에 의해 발생되는 와류신호의 출력감도를 증대시킬 수 있는 와류식 유량계를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a vortex flow meter which can increase the output sensitivity of the vortex signal generated by the vortex generating unit.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유관내에 설치되어 유동하는 유체에 카르만 와류를 발생시키기 위한 와류발생부와, 상기 와류발생부의 하류에 카르만 와류의 작용범위내에 설치되어 상기 와류발생부에 의한 카르만 와류가 인가되는 하우징과 상기 하우징 내에 고정되어 상기 와류에 의한 변형량을 측정하기 위한 압전소자를 포함하는 유량센서부를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a vortex generating unit for generating a Karman vortex in the fluid flowing and installed in the duct, and a Karman vortex installed in the operating range of the Karman vortex downstream of the vortex generating unit. And a flow sensor unit fixed in the housing to which the vortex is applied and including a piezoelectric element for measuring the amount of deformation caused by the vortex.
이때, 상기 하우징은 일단부와 타단부가 상기 압전소자의 양단부에 고정되고 상기 압전소자의 양대향면측에 각각 배치된 제1 및 제2하우징을 포함하고, 상기 압전소자는 상기 제1 및 제2하우징 사이에 소정 공간이 형성된다. 또한, 상기 유량센서부의 하우징은 카르만 와류의 진행 방향에 대면되도록 설치된다.In this case, the housing includes first and second housings having one end portion and the other end portion fixed to both ends of the piezoelectric element, and disposed on opposite sides of the piezoelectric element, respectively, and the piezoelectric element includes the first and second housings. A predetermined space is formed between the housings. In addition, the housing of the flow sensor unit is installed to face the traveling direction of the Karman vortex.
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 유관(400)내에 카르만 와류를 발생시키는 와류발생부(100)와, 상기 카르만 와류에 의해 발생되는 주파수를 측정하는 유량센서부(200)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the present invention includes a
구체적으로 상기 와류발생부(100)는 유관(400)내에 설치되어 유동되는 유체에서 와류 형성이 가능한 방해물의 형상이면 모두 만족하며 특별히 형상이 한정되지는 않는다. 본 실시에에 따른 와류발생부(100)는 상기 유관(400)의 내벽에 양단부가 수직 배열되어 고정되는 원기둥 형상으로 형성된다.Specifically, the
또한, 상기 와류발생부(100)는 유관(400)내에 끼워 넣어서 적당한 위치를 결정하고, 이들의 내벽에 전자빔 또는 레이저 등을 조사하여 용접하여 고정 부착하거 나, 나사나 볼트로 조여 고정할 수 있으며, 접착하여 고정할 수도 있다.In addition, the
이와 같이 유관(400)내에 고정된 와류발생부(100)를 통해 유관(400)내에는 유체의 흐름방향으로 향하는 와류발생부(100)의 표면 양측으로부터 카르만 와류가 생성된다. 카르만 와류는 유체 흐름 내에 배치된 와류발생부(100)의 후방으로 일정 거리 내에서 활성적인 상태가 유지되는데, 이 활성적인 상태가 유지되는 범위 내에 상기 유량센서부(200)가 배치된다. As described above, Karman vortices are generated from both sides of the surface of the
상기 유량센서부(200)는 생성된 카르만 와류의 교번압력을 통해 유량에 비례한 전기신호를 출력하는 압전소자(220)와, 상기 압전소자(220)의 단부를 상호 연결하는 하우징(210)으로 구성된다. 이때, 상기 와류발생부(100)의 후방으로 와류의 활성적인 상태가 유지되는 범위 내에 지지대(300)가 마련되어 상기 지지대(300)에 의해 상기 유량센서부(200)는 유관(400) 내에 고정가능하다. 또한, 상기 지지대(300)에는 상기 압전소자(220)와 연결되는 도시되지 않은 리이드선이 마련될 수 있고, 상기 리이드선을 통해 압전소자(220)와 전기계측 회로 간의 연결이 이루어질 수 있다.The
일반적인 압전소자는 기계적에너지와 전기에너지 상호 간의 전환이 가능하다. 압전소자의 분극결정에 압력을 가하여 기계적인 변형을 일으키면 전기장이 형성되어 전압이 유기되며, 반대로 분극결정에 전압을 가하면 기계적인 변형이 유발되기도 한다.In general, piezoelectric elements can switch between mechanical energy and electrical energy. When pressure is applied to the polarization crystal of a piezoelectric element to cause mechanical deformation, an electric field is formed to induce a voltage. On the contrary, when a voltage is applied to the polarization crystal, mechanical deformation may be caused.
본 실시예에 따른 압전소자(220)는 상기 와류발생부(100)로부터 발생되는 카르만 와류에 의한 물리적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 예를 들어 압전소 자(220)의 분극 방향에 대해 힘을 가하면 양측으로 전하가 발생하고, 이에 의한 전위차가 발생한다. 이 전위차는 가해진 힘의 크기에 비례한다.The
예컨대, 상기 압전소자(220)는 상기 교번응력의 응력 변화를 전기신호의 변화로서 검출하고, 이 변화의 회수를 검출하는 것에 따라 와류발생 주파수를 검출한다. 상기 압전소자(220)는 응력을 검지할 수 있는 소자이면 만족한다. 예를 들어 니오브산 리튬으로 된 압전소자가 사용될 수 있다.For example, the
한편, 상기 압전소자(220)에서 충분한 검출감도를 얻기 위해서는 표면상의 왜곡이 큰 것이 유리하며, 이를 위하여 상기 압전소자(220)에는 하우징(210)이 마련된다.On the other hand, in order to obtain sufficient detection sensitivity in the
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(210)은 상기 압전소자(220)의 일측면 양단부에 일단과 타단이 연결되는 제1하우징(210a)과, 상기 압전소자(220)의 타측면 양단부에 일단과 타단이 연결되는 제2하우징(210b)으로 구성된다. As shown in FIGS. 3A and 3B, the
이때, 상기 제1 및 제2하우징(210a),(210b)에는 그 일측 상부면에 수평으로 연장형성되는 외측곡면부(211)가 형성되고, 상기 압전소자(220)에 연결되는 그 타측 하부면에 곡면 형상의 연장형성되는 내측곡면부(212)가 형성된다. At this time, the first and second housing (210a, 210b) is formed on the
또한, 상기 제1 및 제2하우징(210a),(210b)의 각 단부는 상기 압전소자(220)의 단부에 연결되고 중간부는 상기 압전소자(220)와의 사이에 소정공간이 형성되도록 이격된다. 이때, 상기 하우징(210)은 와류에 의한 외부 응력 발생시 상기 압전소자(220)와 하우징(210) 사이에 형성된 소정 공간(230)에 의해 변형 가능한 가요 성의 부재로 구성되는 것이 바람직하다. 이를 통해 상기 제1 및 제2하우징(210a),(210b)에 가해지는 와류에 의한 외부 응력은 압전소자(220)의 횡방향과 두께방향으로 동시 전달이 가능하다. 이에 따라, 외부 응력을 통한 압전소자(220)에서의 전기신호 출력감도를 증대시킬 수 있다.In addition, each end of the first and
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(210)은 외측수평부(213)와 내측곡면부(212)를 갖는 제1 및 제2하우징(210a),(210b)으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2하우징(210a),(210b)에는 그 일측 상부면에 수평으로 연장형성되는 외측수평부(213)가 형성되고, 상기 압전소자(220)에 연결되는 그 타측 하부면에 곡면 형상의 연장형성되는 내측곡면부(212)가 형성된다. As shown in FIG. 4A, the
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(210)은 외측수평부(213)와 절곡부(215) 및 내측수평부(216)를 갖는 제1 및 제2하우징(210a),(210b)으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2하우징(210a),(210b)에는 그 상부면과 하측면에 수평 연장형성되는 외측수평부(213)와 내측수평부(216)가 각각 형성되고, 상기 외측 및 내측수평부(213),(216)의 양측으로 절곡 형성되는 절곡부(215)가 연장 형성된다. 이때, 상기 절곡부(215)의 단부는 상기 압전소자(220)의 양단부와 연결된다.In addition, as shown in FIG. 4B, the
상기 유량센서부(200)는 그 양대향면인 하우징(210)이 유관(400)내의 카르만 와류의 진행방향에 대면되도록 설치되는데, 압전소자(220)의 크기 및 배치 간격을 다양하게 변경 가능하다. 다만, 압전소자(220)의 수가 많을수록 감지 민감도는 증가하게 된다.The
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 유량센서부(200)는 유관(400)을 지지하는 지지대(300)를 중심으로 카르만 와류의 진행방향과 대면되는 방향에 2개가 설치될 수 있다. 이를 통해 하나의 유량센서부(200)를 통한 와류 측정시보다 감지 민감도의 증가가 가능하다. 즉, 유량센서부(200)가 설치되는 유관(400)의 직경을 고려하여 다수개의 유량센서부(200)가 유관(400)내에 설치될 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, two
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유량센서부(200)는 하우징(210)의 곡률방향이 유관(400)의 직경 방향으로 굴곡 형성되도록 배치할 수 있다. 즉, 상기 유량센서부(200)는 그 양대향면인 하우징(210)이 유관(400)내의 카르만 와류의 진행방향에 대면되도록 설치되면 본 발명의 구성을 만족한다.In addition, as shown in FIG. 6, the
한편, 각각의 압전소자(220)에는 인가된 압력에 의해 발생된 압전류(압전하)로부터 압전압 출력을 발생시키기 위하여 저항, 캐패시터로 구성되는 회로가 제공될 수 있다. 또한, 압전소자(220)로부터 출력되는 출력감도를 일정 크기로 증폭시키기 위하여 도시되지 않은 신호증폭부가 더 구비될 수 있다. 신호증폭부는 각각의 압전소자(220) 회로에 대응하는 증폭회로로 구성되는데, 상기 신호증폭부는 일반적인 신호 증폭회로를 이용하여 구현하기 때문에 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 상기 신호증폭부에는 신호에 포함되어 있는 화이트 노이즈를 제거하기 위하여 저주파수대역 필터가 더 구비될 수도 있다. Meanwhile, Each
이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention made of such a configuration as follows.
유관(400)내에 배치된 와류발생부(100)를 통해 유체의 흐름방향으로 향하는 와류발생부(100)의 표면 양측으로부터 카르만 와류가 생성된다. 카르만 와류는 유체흐름내에 배치된 와류발생부(100)의 후방으로 활성적인 상태가 유지되는 일정거리 이내의 유량센서부(200)에 전달된다. Karman vortices are generated from both sides of the surface of the
이때, 상기 카르만 와류에 의해 작용되는 교번응력은 상기 유량센서부(200)의 하우징(210)에 전달된다. 도 3a 및 도 3b를 다시 참조하면, 도시된 A방향으로 외부 응력이 상기 하우징(210)에 가해지면 도시된 화살표 B의 방향으로 압전소자(220)의 변위량이 증가하고, 상기 압전소자(220)는 상기 하우징(210)을 통해 카르만 와류에 의한 압력의 변동을 큰 변위량으로 검출할 수가 있다. 이에 따라 측정감도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 상기 하우징(210)에 의한 변위량이 압전소자(220)에 전달되면, 압전소자(220)는 전달된 변위량을 전기신호로 변환한 후에, 도시되지 않은 리이드선을 통하여 전기계측의 회로에 공급되고, 그 피계측 유체의 유속 및 유량의 계측이 가능하다.At this time, the alternating stress acting by the Karman vortex is transmitted to the
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화 될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀 두고자 한다.While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be appreciated that the invention can be variously modified and modified without departing from the spirit or scope of the invention as provided by the following claims. It will be clear to those skilled in the art that they can easily know.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 유관에서 와류발생부에 의한 와류 발생시, 하우징이 마련된 압전소자의 횡방향 및 두께 방향에서도 동시에 응력이 발생 되도록 하여 압전소자를 통한 전기신호의 출력감도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, when the vortex is generated by the vortex generating unit in the pipe, stress is simultaneously generated in the transverse direction and the thickness direction of the piezoelectric element provided with the housing, thereby increasing the output sensitivity of the electrical signal through the piezoelectric element. It can be effective.
또한, 본 발명은 유관내에 와류를 발생시키고, 발생된 와류에 의한 응력으로 전기신호를 감지하여 흐르는 유량을 측정하기 위한 구조를 간단한 구성을 통해 구현함으로써 가격경쟁력을 통한 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention can improve the productivity of the product through the price competitiveness by implementing a structure for generating a vortex in the pipe, and measuring the flow rate by detecting the electrical signal by the stress caused by the vortex generated through a simple configuration There is an advantage.
Claims (4)
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