KR100811652B1 - 일정한 온도기울기를 갖는 차동열질량유동센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서도관(112)을 통하여 유동하는 유체에 대한열전달이 센서도관의 가열되는 길이부분을 따라서 대칭삼각형의 온도분포를 이루도록 최적화되는 열질량유동센서(200)에 관한 것이다. 센서도관은 한쌍의 분산형 열원(214, 216)과 분산형 열원 사이에 배치된 집중형 열원(310)에 의하여 가열된다. 센서도관의 히터밀도는 분산형 열원의 외측단부로부터 센서도관의 가열되는 길이부분의 중앙을 향하여 직선상으로 증가하며 중앙에 배치된 집중형 열원에 해당하는 지점에서 최대값이 된다.유동센서도관을 따른 온도분포함수는 대칭삼각형 함수이다.

열질량유동센서, 센서도관, 분산형 열원, 집중형 열원.

Description

일정한 온도기울기를 갖는 차동열질량유동센서 {CONSTANT TEMPERATURE GRADIENT DIFFERENTIAL THERMAL MASS FLOW SENSOR}

본 발명은 열질량유동센서에 관한 것으로, 특히 센서를 통하여 유동하는 유체에 대한 열전달 또는 이로부터의 열전달에 대하여 일정한 온도기울기를 제공할 수 있도록 구성된 차동열질량유동센서에 관한 것이다.

유체의 질량유량은 유체가 층류채널을 통하여 유동할 때 유체온도를 일정한 양 만큼 상승시키는데 요구되는 열량에 비례하는 것으로 알려져 있다. 차동열질량유동센서에 있어서, 유체는 대칭적으로 증가하고 감소하는 온도분포가 유지되는 도관을 통하여 통과하며, 도관 내에서의 유체유량을 측정하기 위하여 유체에 대한 열전달과 유체로부터의 열전달 사이에 비교가 이루어진다.

이러한 원리를 기초로 하여 작동되는 센서는 질량유량에 비례하는 유동신호를 발생한다. 이들은 또한 무작위 특성을 가지고 시간에 따른 변화가 느린 작은 잡음신호를 발생한다. 간단한 센서도관(바이패스가 없음)의 경우, 잡음신호의 진폭은 근본적으로 유동과는 무관하지만 도관내에서 유동하는 유체의 열특성에 따라서 달라진다. 잡음신호는 제로 유동에서도 존재하므로 이를 "제로-유동잡음"이라 한다. 제로-유동잡음은 그 전체 유동감지범위를 통하여 열유동센서의 순간유동해상도를 제한한다. 이는 또한 특정 센서를 이용하여 효과적으로 측정될 수 있는 최소유동을 한정한다. 끝으로, 변화가 느린 현저한 제로-유동잡음신호의 존재는 열유동센서를 이용하는 기구의 교정(특히 제로설정화)을 방해한다.

이들 제로-유동잡음은 센서도관에 접촉하는 유체(센서도관내의 유체)의 느린 열교란 또는 진폭제한형의 열적 불안정성에 그 원인이 있는 것으로 보인다. 센서도관의 유입구 및 유출구 반부분에 대칭으로 배치된 저항가열기에서 작은 유동유도 온도차이에 의한 상대저항변화를 검출하는 통상적인 센서의 경우에, 제로-유동잡음신호의 진폭은 통상적으로 사용되는 주파수대역폭의 범위인 센서의 작동온도에서 이러한 저항가열기로부터 예상되는 잘 알려진 존슨잡음(Johnson noise)보다 수 배가 크다.

일부의 센서구조는 다른 것 보다는 본질적으로 잡음이 적으므로, 종래의 알려진 유동센서의 센서유동신호에 대하여 센서 제로-유동잡음을 줄이는 센서를 설계하는 것이 유리하다.

센서도관을 따른 제로-유동 온도유체의 프로파일은 대칭(이등변) 삼각형의 형상에 가까우므로 제로-유동 센서잡음은 유동유도 센서신호에 대하여 크게 감소한다. 이는 열유동로를 따른 대류(센서 길이를 따른 위치에 대한 온도의 제1미분계수를 포함하는 항)에 비교하여 이들 센서에 적용된 열대류등식에서 열유동로를 따른 분균일한 열의 대류(센서 길이를 따른 위치에 대한 온도의 제2미분계수를 포함하는 항)의 불충분성 또는 부재의 결과일 것이다. 삼각형의 온도분포 프로파일을 갖는 센서의 경우, 이러한 모든 제2미분계수는 삼각형의 온도분포의 정점을 제외하고는 열적으로 활성인 도관 길이의 어느 부분에서나 제로이다.

본원 출원인에게 양도된 매기니스 주니어(Maginnis, Jr.)의 미국특허 제5,693,880호에 기술된 테이퍼형의 히터 센서는 열유동도관의 중심으로부터 멀리 벗어난 거의 삼각형에 가까운 온도분포 프로파일을 제공하며, 도 2의 그래프에서 보인 바와 같이, 도관 길이의 상단한 부분에 연장된 열도관의 중심에서 만곡된 정점부를 갖는다. 본 발명은 도 5의 그래프에서 보인 바와 같이 예리한 정점을 갖는 거의 완벽한 대칭삼각형의 온도분포 프로파일을 제공하는 열원구조를 기술하고 있다.

본문에 사용된 "히터밀도"라는 용어는 열유동센서에서 통로의 단위길이당 열유동통로에 인가되는 가열력을 일컫는다. 히터밀도는 유동통로의 가열부분을 따른 위치의 연속함수이다. 가열력이 도관의 가열되는 길이 전체에 걸쳐 일정한 직사각형 히터 밀도 함수가 특징인 질량유동센서는 온도분포 프로파일에서 비직선성을 보이는 것으로 알려져 있다. 이러한 비직선성은 이들이 비교적 높은 잡음, 감소된 감도, 유동하는 유체에 대한 분균일한 열전도와, 센서로 측정가능한 유량범위의 감소에 관련이 있으므로 불리한 것이다.

상기 언급된 미국특허 제5,693,880호는 유동센서도관의 가열되는 부분에 불균일한 히터밀도를 제공하는 차동열질량유동센서를 기술하고 있다. 유동센서도관은 예를 들어 통상적인 원통형 센서도관의 둘레에 균일하게 권취된 한쌍의 저항와이어도체로 가열된다. 이들 도체는 두 도체의 접속부에서는 간격이 좁고 도체의 외측단에서는 간격이 넓게 되어 있다. 이와 같은 불균일한 권취구조는 균일한 변화를 보이는 테이퍼형 히터밀도를 제공하고, 가열력은 권취된 도체의 전 길이에 걸쳐 불균일하다.

상기 미국특허 제5,693,880호의 유동센서에 있어서는 유체의 온도가도체의 접속부로부터 어느 정도 거리를 둔 위치에 따라서 거의 직선으로 변화하고 도체의 접속부 영역에서는 비직선형으로 변화한다. 이러한 온도분포 프로파일이 도 2에서 보인 바와 같이 평탄한 정점부를 갖는 삼각형의 형태를 보인다. 온도분포함수의 평탄한 정점부는 도체 접속부에서 불충분한 가열력이 그 원인이며, 감소된 감도, 열적 불안정성에 의한 증가된 잡음과, 센서의 거의 전 길이에 걸쳐 연장된 삼각형의 온도분포 프로파일을 갖는 보다 이상적인 센서로부터 예상된 성능에 대한 감소된 유동센서 성능에 관련이 있다.

따라서, 이들 또는 다른 결점이 유도됨이 없이 유동하는 유체에 대한 보다 이상적인 열전달이 이루어질 수 있는 열질량유동센서를 제공하는 것이 유리하다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 유체유동이 이루어질 수 있게 된 유동센서도관, 센서도관에 근접하여 배치되고 센서도관의 가열되는 길이부분을 따라서 히터밀도가 균일하게 변화하도록 분포될 수 있게 구성된 제1가열요소와, 센서도관과 제1가열요소에 근접하여 배치되고 센서도관의 가열되는 길이부분내의 미리 선택된 위치에 히터밀도가 집중될 수 있도록 구성된 제2가열요소로 구성되는 열질량유동센서가 제공된다. 센서도관의 가열되는 길이부분내에서 유체의 온도분포함수는 대칭삼각형 분포함수이다.

제1가열요소는 한쌍의 분산형 열원으로 구성되는 것이 좋다. 제2가열요소는 두 분산형 열원 사이에 배치되는 단일집중형의 열원으로 구성되는 것이 좋다. 우선실시형태에서, 분산형 열원은 센서도관에서 집중형 열원에 대하여 대칭으로 배치되고, 집중형 열원은 센서도관의 가열되는 길이부분의 중간에서 이들 분산형 열원사이에 배치된다.

본 발명의 유동센서에서 분산형 히터밀도는 센서도관의 가열되는 길이부분의 단부 가까이에서 동일한 최소값으로부터 도관의 가열되는 길이부분의 중심을 향하여 균일하게 증가하고 중앙에 배치된 집중열원에 해당하는 지점에서 최대값으로 증가한다. 분산형 히터밀도의 최소값은 제로 또는 센서제작에 있어서 실직적인 제로에 가까우며, 이러한 값은 센서도관의 가열부분의 외측단부에서 나타난다.

우선실시형태에서, 분산형 열원은 센서도관의 가열되는 길이부분의 양단부에 최소의 열을 제공하고 센서도관의 가열되는 길이부분의 중간부분에 최대의 열을 제공한다. 한 우선실시형태에 있어서, 분산형 열원은 예를 들어 통상적인 원통형 튜브의 둘레에 권취된 저항코일, 또는 이러한 센서 튜브에 증착된 저항필름으로 구성된다. 다른 실시형태에서, 분산형 열원은 예를 들어 복사에너지를 도관에 조사하여 도관의 가열되는 길이부분을 따라서 요구된 삼각형의 온도분포가 이루어질 수 있도록 유동센서도관의 둘레에 배치되는 광섬유어레이와 같은 복사열원으로 구성된다.

만약 분산형 열원으로서 저항코일 또는 복사가열 광섬유가 사용되는 경우, 코일의 인접한 권취부분 또는 광섬유의 단부 사이의 간격은 요구된 온도분포 프로파일을 얻기 위하여 센서도관의 위치에 따라서 연속적으로 변화되는 것이 좋다. 만약 저항필름이 분산형 열원으로서 사용되는 경우, 증착된 필름의 두께 또는 폭은 요구된 온도분포 프로파일을 얻기 위하여 센서도관의 위치에 따라서 연속적으로 변화되는 것이 좋다. 예를 들어, 밀집되게 권취된 코일로부터 그리고 얇거나 좁은 저항필름으로부터 보다 많은 열이 가하여진다. 따라서, 튜브의 가열되는 길이부분의 중앙에 최대의 가열이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 코일이 보다 밀집되게 권취되고 저항필름은 가장 얇게 또는 좁게 증착된다. 반대로, 간격이 넓게 권취된 코일부분과 두껍거나 폭이 넓은 저항필름으로부터는 적은 양의 열이 가하여진다. 따라서, 튜브의 가열되는 길이부분의 양단부에 인접하여 최소의 열을 가하기 위하여, 코일은 간격이 넓게 권취되고 저항필름은 가장 두껍게 또는 폭넓게 증착된다.

또한 열질량유동센서도관은 제1 및 제2가열시스템에 전류를 공급하기 위한 연결부를 포함한다.

제1가열시스템은 또한 차동열센서로서 작용하고 도관의 가열되는 길이부분, 즉 센서도관을 통하여 유체가 유동하는 부분의 상류측 및 하류측 부분의 대칭위치에서 유체온도차이를 나타내는 신호를 발생할 수 있도록 되어 있다. 온도감지기능부분은 센서도관의 가열되는 길이부분의 상류측과 하류측에서 1차가열요소로부터 전기적으로 격리된 부가적이고 균일한 저항코일 또는 필름을 제공함으로서 삼각형의 온도분포가 이루어질 수 있도록 이용되는 가열기능부분과는 분리될 수 있다. 이들은 이들의 가열기능이 무시될 수 있도록 낮은 분산가열력으로 작동될 수 있다. 삼각형의 온도분포를 얻기 위하여 다수의 광섬유로부터의 단부복사방식을 이용하는 실시형태에서는 센서도관을 따른 유동유도형 온도변화를 감지할 수 있도록 패시브형의 온도센서로서 전기적인 저항요소(코일 또는 필름)을 이용하는 것이 바람직하다. 유동도관의 여러 부분에 적용되는 다른 차동온도감지요소의 이러한 모든 변형형태와 대체형태는 상기 언급된 바와 같이 유동도관을 따른 제로-유동 온도분포가 거의 삼각형이 되는 경우 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 간주된다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래기술로서 알려진 열질량유동센서의 부분 블록 다이아그램과 부분단면도.

도 2는 도 1의 열질량유동센서에 대한 온도분포함수 T(x)를 보인 그래프.

도 3은 도 1의 질량유동센서에 대한 균일변화 히터밀도함수 λ(x)를 보인 그래프.

도 4a는 본 발명의 한 실시형태에 따른 열질량유동센서의 부분 블록 다이아그램과 부분단면도.

도 4b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 열질량유동센서의 부분 블록 다이아그램과 부분단면도.

도 5는 본 발명의 열질량유동센서에 대한 온도분포함수 T(x)를 보인 그래프.

도 6은 본 발명의 질량유동센서에 대한 균일변화 히터밀도함수 λ(x)를 보인 그래프.

본 발명은 유동센서도관을 따라서 대칭삼각형인 제로-유동 온도분포 프로파일을 얻기 위하여 한쌍의 균일변화 분산형 열원에 집중형의 열원을 조합한다. 유체 가 도관을 흐를 때에, 열원은 센서도관과 이러한 센서도관을 통하여 유동하는 유체사이에 온도기울기가 일정하고 최적화된 열전달이 이루어질 수 있도록 한다. 열은 센서도관으로부터 센서도관의 가열되는 부분의 상류측 반부분내의 유체에, 그리고 유체로부터 센서도관의 가열되는 부분의 하류측 반부분의 센서도관에 균일하게 전달된다. 그 결과의 온도분포함수 T(x)는 센서도관을 따른 위치와 근사값으로 도관내 유체체적에 따른 위치에 대한 온도의 대칭삼각형 함수이다. 유체의 온도는 센서도관의 가열되는 부분의 상류측 및 하류측 단부에서 주위온도로부터 도관의 가열되는 부분의 중앙부분의 최대온도까지 균일하게 증가한다. 이러한 센서도관의 중앙부분에 집중형 열원이 배치된다.

대칭삼각형 온도분포함수는 최적한 저잡음 유동센서성능을 위하여 양호한 온도분포인 것으로 믿어진다. 이는 유동신호가 실질적으로 일정한 도관을 따른 온도기울기(1차 공간 미분계수)에 비례하기 때문이다. 도관을 따른 공간변화 온도기울기(또는 비-제로 2차 미분계수)는 외견상 안정되지 않고 유동센서에서 잡음을 발생하는 유동-독립형의 열공정을 유도한다. 이와 같이, 매우 작은 온도기울기가 이러한 온도기울기의 광범위한 공간변화와 함께 존재하는 도 2에서 보인 종래기술의 센서에서 온도분포 프로파일의 폭넓고 완만한 정점영역은 잡음이 비교적 강하고 유동신호는 비교적 약한 영역이다.

본 발명은 도 5에서 보인 바와 같이 삼각형의 온도분포 프로파일을 제공하는 유동센서이며, 이는 감지영역의 각 반부분에서 일정한 온도기울기를 유지하는 반면에 온도분포 프로파일의 완만한 정점부분이 센서의 매우 짧은 길이로 한정되고 중 앙의 집중 히터의 위치에 고정되며, 여기에는 유동감지요소가 배치되지 아니한다.

유동센서의 신호대 잡음비가 정확히 감지될 수 있는 최소유동과 높은 유량에서 유동측정의 해상도 모두를 제한하므로 유동센서의 신호대 잡음비의 개선이 유동센서 설계의 주요 목적이다. 또한 이러한 개선은 제로-유동 잡음의 진폭을 유동센서 풀-스케일 출력신호에 대하여 무시할 수 있을 정도의 레벨로 감소시킴으로서 유량계의 제로화 문제점을 개선하는 경향을 보인다.

이미 언급된 바와 같이, 유동신호는 유동센서도관을 따른 온도기울기의 함수이다. 다른 원인중에서도 열적 불안정성으로부터의 신호잡음은 유동센서도관을 따른 유체온도의 비직선성 변화를 나타낸다. 이와 같이, 센서의 신호대 잡음비는 함수중에 달리 만곡성 또는 비직선성 없이 센서도관의 단위길이당 유체온도의 변화가 일정한 값을 갖는 프로파일인 일정한 기울기를 갖는 유체온도분포함수를 한정함으로서 최대화될 수 있다. 도관을 따른 위치에서 직선상으로 상승 및 하강하고 이들 조건을 만족시키는 온도분포함수만이 삼각형의 함수이다.

이러한 함수는 실질적으로 공간변화 히터밀도를 제공할 수 있도록 구성된 히터를 갖는 센서를 이용함으로서 실현될 수 있다.

이는 다음의 이유로부터 이해될 수 있을 것이다. 센서도관을 따라서 요구된 완벽한 삼각형 온도분포를 갖는다고 가정한다. 그러면, 이 도관은 한정된 길이방향의 열전도율을 가지므로 일정한 크기를 갖는 열류(熱流)는 높은 온도로부터 낮은 온도로, 그리고 중앙의 최고 온도로부터 양단부의 온도로 도관의 상류측 및 하류측 부분을 따라서 반대방향으로 전도될 것이다. 이러한 현상은 중앙부분으로부터 상류측 및 하류측으로 향하는 열류를 공급하기 위하여 상류측 및 하류측 부분 사이에 집중열원이 배치되는 경우에만 일어날 수 있을 것이다. 만약 센서도관이 단위길이당 표면열손실이 없다면, 센서의 중앙에 배치된 집중열원은 요구된 열원이 될 것이다. 중앙에서 주입되는 열류는 상류측 및 하류측 도관부분으로 전도되고 도관의 단부의 서멀 클램프에서 흡수될 것이다. 그러나, 실제로 센서도관은 표면을 통한 열손실이 있다. 만약 보정되지 않는 경우, 이러한 표면손실은 양측이 늘어져 삼각형의 온도 프로파일이 지수형으로 뾰족하게 되도록 할 것이다. 따라서, 어느 부분에서나 부분적인 표면열손실이 동일하게 되도록 도관을 따라 강도가 변하는 분산형 열원을 이용함으로서 도관의 표면을 통한 열손실을 대체하는 것이 필요하다. 삼각형의 온도분포와 균일한 표면손실계수를 위하여 부분적인 표면열손실함수는 부분적인 온도상승(주위온도 이상)에 비례하고 또한 삼각형의 함수이다. 따라서 대칭삼각형의 히터밀도와 적당한 강도를 갖는 분산형 열원은 중앙에 배치된 집중 히터만을 이용하였을 경우에 일어날 수 있는 표면열손실을 효과적으로 보상하고, 지수형으로 뾰족한 형태로부터 요구된 대칭삼각형의 형태로 온도분포함수를 회복시킬 수 있다.

이와 같이 적절하게 균형잡힌 "교회와 첨탑" 또는 "지붕과 굴뚝"형의 히터밀도함수가 센서도관을 따라서 높은 유동감도와 낮은 제로-유동 열잡음을 갖는 최적하고 완벽한 대칭삼각형온도분포를 만들어낼 수 있다.

도 1에서 보인 바와 같이, 종래기술로서 알려진 질량유동센서(200)는 층류바이패스요소(118)와 유동센서도관(112)으로 불리는 2차유동통로를 포함하는 주유동도관(110)을 포함한다. 센서도관(112)은 이를 통하여 층류유동만이 이루어질 수 있 도록 구성되어 있다. 유동센서는 센서도관의 불균일한 가열이 이루어질 수 있도록 센서도관(112)의 둘레에 불균일하게 권취된 저항코일과 같은 한쌍의 가열요소(214)(216)를 포함한다. 각 가열요소는 센서도관(112)의 해당부분에 길이 L 만큼 연장된 것으로 도시되어 있다.

가열요소(214)의 상류측 단부는 와이어(134)를 통하여 전자측정회로(132)에 전기적으로 연결되어 있다. 가열요소(214)의 하류측 단부와 가열요소(216)의 상류측 단부를 전기적으로 연결하는 접속부는 와이어(136)를 통하여 회로(132)에 전기적으로 연결된다. 가열요소(216)의 하류측 단부는 와이어(138)를 통하여 회로(132)에 전기적으로 연결된다. 회로(132)는 가열요소(214)(216)의 각 전기저항을 감지하여 이들로부터 전도되는 열량의 차이를 측정하여 센서도관(112)을 통하여 유동하는 유체(216)의 질량유량을 나타내는 출력신호를 발생한다. 센서도관(112)을 통한 질량유동은 단위시간당 주유동도관의 입력포트(112)로부터 출력포트(124)로 유동하는 전체 질량의 일정한 부분이므로 이러한 출력신호는 유동센서(200)를 통한 전체 질량유량을 나타낼 수 있다. 본 출원인에게 양도된 1995년 10월 31일자 Hinkle 등의 미국특허 제5,461,913호는 유동센서(200)과 함께 사용될 수 있는 측정회로(132)의 한 형태를 기술하고 있다. 차동저항을 측정하기 위한 많은 다른 감지회로가 종래기술로서 알려져 있다.

유동센서(200)의 케이싱 일부일 수 있는 서멀 클램프(120)가 통공(132)내에서 가열요소(214)(216)를 둘러싸고 있다. 서멀 클램프(120)는 가열요소(214)의 상류측 단부와 가열요소(216)의 하류측 단부에 근접하여 센서도관(112)에 양호한 열 적 접촉이 이루어질 수 있도록 착설되어 있다. 서멀 클램프(120)는 전형적으로 센서도관(112)의 열전도율에 대하여 높은 열전도율을 갖는 물질로 제조되고 센서도관(112)의 가열되는 부분의 단부에 고정된다.

작용에 있어서, 유체(126)가 바이패스 채널(110)에서 화살표(128)의 방향으로 입력포트(122)로부터 출력포트(124)로 유동하고, 유체의 일부가 제한층류요소(118)를 통하여 유동한다. 나머지 유체는 센서도관(112)을 통하여 유동한다. 회로(132)는 전류가 가열요소(214)(216)를 통하여 흐르도록 함으로서 이들이 열을 발생하여 센서도관(112)을 유동하는 유체(126)에는 간접적으로 전달될 수 있도록 센서도관(112)에 열을 직접 가한다. 열은 유입포트(122)에 유입되기 전과 출력포트(124)를 통하여 유출되기 전에 주위온도의 온도를 갖는 유체(126)와 유체가 도관을 통과할 때의 센서도관 사이에 교환된다. 센서의 설계유량범위내에서, 상류측 가열요소(214)는 일부의 열을 가열된 도관의 상류측 반부분에서 유동하는 유체(126)에 전달하고 유동하는 유체(126)는 이 열을 가열된 도관의 하류측 반부분에서 하류측 가열요소(216)에 되돌려 준다. 유동센서도관(112)의 상류측 반부분으로부터 하류측 반부분으로 전달이 이루어지는 이러한 유동유도열전달은 거의 동일한 양으로 상류측 가열요소(214)를 냉각시키고 하류측 가열요소(216)를 가열시킨다. 하류측 가열요소(216)에 의하여 이루어지는 유동유도가열과 상류측 가열요소(214)에 의하여 이루어지는 유동유도냉각 사이의 차이는 센서도관(112)을 통한 유체(126)의 질량유량을 나타낸다.

도 2의 그래프에서 보인 바와 같이, 센서도관(112)은 가열되는 부분의 시작 과 끝부분, 즉 -L과 +L에서는 온도가 주위온도이다. 센서도관의 가열되는 부분의 온도는 가열요소의 외측단부로부터 도관의 가열되는 길이부분의 중간, 즉 가열요소의 접속부를 향하여 거리가 증가함에 따라서 거의 직선상으로 증가한다. 온도분포함수 T(x)는 가열요소의 접속부에서 가열력이 불충분하여 이러한 위치에서는 비직선형이다. 종래 유동센서의 성능은 가열요소사이의 영역에서 감소된 감도와 비교적 높은 신호잡음의 결과로 그 만큼 떨어진다.

도 3은 도 1에서 보인 질량유동센서의 히터밀도함수 λ(x)의 그래프이다. 이는 삼각형의 프로파일을 보이고 있으며 히터밀도가 -L로부터 0까지는 균일하게 증가하고 0부터 +L까지는 균일하게 감소한다. 이미 언급된 바와 같이, 분산형 열원은 가열요소의 접속부 부근에서 온도의 강하(이상적인 삼각형 분포)에 의하여 센서를 통하여 유동하는 유체에 대하여 그리고 이러한 유체로부터의 최적한 열전달이 이루어지지 않는다.

센서도관과 이 도관의 가열되는 길이부분을 통하여 도관을 유동하는 유체사이의 균일한 열전달이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 유동방향으로 일정한 히터밀도기울기가 유지되어야 한다. 두 가열요소를 이용하는 차동온도센서에 있어서, 상류측 가열요소는 포지티브 히터밀도기울기를 보여야 하고 하류측 가열요소는 동일한 네거티브 히터밀도기울기를 보이므로서 유동하는 유체가 상류측 가열요소가 결합된 센서도관의 부분을 냉각시키고 하류측 가열요소에 결합된 센서도관의 부분을 가열시켜야 한다. 이는 미국특허 제5,693,880호에 기술된 테이퍼형이고 균일하게 변화하는 가열개념에 기초하고 있다.

그러나, 도 2의 그래프에서 보인 바와 같이, 종래 질량유동센서의 온도분포함수 T(x)는 두 가열요소의 접속부에 인접한 영역에서 비직선성이다. 센서도관에서 온도와 위치 사이가 직선관계를 이룰 수 있도록 하기 위하여, 분산형 열원으로 얻을 수 있는 것 이외의 부가적인 열이 요구된다.

삼각형의 온도분포 프로파일의 요구된 뾰족한 정점부는 분산형 열원의 접속부에서 온도기울기의 단절된 불연속성과 같이 수학적으로 설명될 수 있다. 종래의 기술(도 3)과 같이 단순히 삼각형 히터밀도함수를 제공하는 것만으로는 그 온도분포(도 2)에서 뾰족한 정점부를 얻을 수 없는 바, 그 이유는 온도분포함수와 온도기울기가 어떠한 연속히터밀도함수를 위하여 모두 연속함수이어야 하기 때문이다.

그러나, 중앙 포인트에서단절된 불연속성의 포인트(스파이크)를 갖는 히터밀도함수를 이용함으로서, 온도분포함수에서 뾰족한 정점부를 제공하는데 필요한 온도기울기에서 요구된 단절불연속성을 얻는 것이 가능하다. 이러한 단절된 열원은 그 자체에 의하여 삼각형의 온도분포를 보이지 않을 것이다. 대신에, 이는 지수적으로 만곡된 측면(예를 들어 미국특허 제5,693,880호의 도 9 참조)을 갖는 뾰족한 온도분포 프로파일을 제공할 것이다.

연속적이고 공간적으로 분포되어있는 대칭삼각형의 히터밀도함수(미국특허 제5,693,880호에 기술된 바와 같은)와 요구된 온도분포함수의 정점부에 일치하는 열원 사이의 위치에서 단절형 또는 집중형 열원을 제공하는 센서를 이용함으로서, 센서도관의 전체 가열되는 길이부분을 따라서 삼각형 온도분포를 제공하는 것이 가능하다. 최적한 히터밀도의 수학적 유도식이 첨부된 부록 I에서 주어진다.

실제로, 상류측 및 하류측 히터의 길이에 대하여 한정된 작은 길이부분에 연장되고 크지만 한정된 히터밀도를 갖는 공간집중형이고 중앙에 배치된 히터는 중앙에 집중배치된 히터의 영역에서만 완만하게 만곡된 온도피크를 만들어 낼 것이며, 상기 영역은 실질적으로 종래 센서(도 2)의 온도분포 프로파일의 만곡부분 보다 짧게 되어 있다. 이러한 구성으로 실질적인 유동감지가 이루어지는 가열된 상류측 및 하류측 부분을 따른 도관을 위한 제로-유동 온도분포함수의 부분이 직선상이 된다. 수학적인 부록 II는 실제로 이러한 구성이 이루어질 수 있는 어느 곳에서나 한정된 하나의 가능성 있는 히터밀도함수의 유도식을 제공한다. 이와 같이, 도 6의 집중되었으나 한정된 히터밀도함수는 도 5의 도관온도분포 프로파일을 만들어 낼 것이다. 대조적으로, 도 3의 히터밀도함수는 도 2의 도관온도 프로파일을 만들어 낸다. 비교를 위하여, 이들 히터 구조가 동일한 열전도율, 동일한 표면열손실계수, 도관에 공급된 동일한 전체 가열력을 갖는 동일한 도관에 적용되었다.

도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 열질량유동센서를 보인 것이다. 도 4a에서 균일하게 변화하는 열원으로서 도시되고 도 4b에서는 저항코일로서 도시된 분산형 열원(214)(216)은 센서도관과, -L과 0 및 0과 +L 사이를 유동하는 유체의 분산 및 균일한 변화하는 가열이 이루어질 수 있도록 -L과 +L 사이의 센서도관(112)의 부분과 열적으로 연통된다. 도 5의 온도분포함수에서 보인 바와 같이, -L과 0 사이에서 센서도관의 온도는 균일하게 증가하고 0과 +L 사이에서는 센서도관의 온도가 균일하게 감소한다. 분산형 열원(214)(216)은 센서도관의 외면과 내면으로부터의 전도 및 복사에 의한 열손실을 대체하기 위하여 각 포인트에서 요구된 양으로 센서도관 을 따른 각 포인트에 열을 공급하며, 상기 손실은 국부온도의 함수이다.

단일집중열원(310)이 -L과 +L 사이의 중간부분인 0에서 가열력의 첨두부를 제공하기 위하여 분산형 열원(214)(216)사이의 이러한 위치에 배치된다. 가열력의 이러한 첨두부는 단 두개의 열원이 사용될 때 얻는 삼각형 온도분포 프로파일의 평탄한 정점부에 일치하는 포인트에서 형성된다. 집중열원(310)은 0의 양측에서 센서도관의 가열되는 길이부분의 상류측 및 하류측 부분 사이에서 균등하게 나누어진 주어진 양의 가열력을 제공한다.

집중 및 분산형 열원의 조합은 도 5에서 보인 바와 같은 유동유체의 요구된 대칭삼각형 온도 프로파일과 도 6에서 보인 바와 같은 요구된 히터밀도함수 λ(x)를 제공한다. 도 6에서 보인 히터밀도함수는 도 5에서 보인 분산형의 균일하게 변화하는 히터밀도함수와 집중열원의 히터밀도함수의 합성함수이다.

이러한 구조의 표준형 센서를 통한 예비시험에서 제로-유동 잡음(질소유동)은 풀 스케일 유동신호의 10,000분의 1.3부이었다. 개략적인 비교에서, 현재 시중에 있는 최상의 열질량유동제어기는 이들의 풀 스케일 유동신호값의 약 2000분의 1부인 유동안정성(일정한 셋포인트에서, 독립된 하류측 유량계에 의하여 측정하였을 때)을 갖는다. 더 전형적으로, 저품위의 질량유동제어기는 풀 스케일의 약 400분의 1의 유동안정성을 갖는다.

집중열원의 목적은 삼각형 온도분포 프로파일의 기울기가 급격히 변화될 수 있도록 하는데 있으며, 이는 각각 균일하게 변화하는 열원사이에 삼각형 온도분포함수에 뾰족한 정점부를 제공하는데 필요한 것이다. 진성펄스, 즉 첨두부는 온도분 포함수의 기울기에 진성의 불연속성을 만들어낸다. 이러한 구성은 분산형 가열요소를 갖는 집중형의 열원을 이용하지 않는 도 1에서 보인 종래의 유동센서를 이용하여 얻을 수 있는 보다 정확한 삼각형 온도분포함수를 제공한다.

한쌍의 균일하게 변화하는 가열요소만을 이용하는 유동센서와 가열요소사이에 부가적인 집중열원을 이용하는 유동센서사이의 차이는 이들 두 센서의 각 온도분포 프로파일을 보면 알 수 있다. 전자의 유동센서는 표면열손실계수와 센서도관의 종방향 열전도성에 따라 달라지는 거리에 연장된 만곡형 정점부를 갖는 대략적인 삼각형 온도분포 프로파일을 갖는다. 후자의 유동센서는 예리하고 보다 식별가능한 정점부를 갖는 삼각형 온도분포 프로파일을 갖는다. 온도분포 프로파일의 정점부가 완벽한 삼각형이 아닌 것은 집중 열원의 폭 때문이며 튜브표면손실함수에 의하여 제어될 수 없다. 이와 같이, 분산형 및 집중형 가열시스템의 조합을 이용하는 센서는 균일한 변화를 보이는 가열요소만을 이용하여 얻을 수 있는 것 보다 센서도관의 보다 짧은 길이에서 얻을 수 있는 유동감지의 잇점이 특징이다. 어울러, 본 발명의 센서는 센서도관과 유체 사이의 요구된 열전달이 이루어질 수 있도록 하는데 적은 가열력을 필요로 한다.

본 발명 유동센서의 신호대 잡음비는 종래 유동센서 보다 현저히 개선되었다. 따라서, 본 발명의 유동센서는 보다 정밀한 유동측정과 제어를 위한 개선된 해상도를 가지고 보다 현저히 개선된 낮은 유동특성을 갖는다. 아울러, 개선된 낮은 유동특성의 결과로 현저히 확장된 유량측정범위를 얻을 수 있다. 더욱이, 보다 큰 열전도계수 때문에, 센서도관의 가열되는 부분의 길이가 짧아질 수 있다.

아울러, 직경이 일정한 원통형의 도관을 따른 위치에서 온도분포가 선형함수이므로 도관의 각 직선부분에서 온도분포가 예상될 수 있으며, 보다 복잡하고 비선형인 온도분포함수를 제공하는 종래의 센서도관에 비하여 이러한 센서도관의 열전달이 최적하게 된다. 특히, 누셀수(Nusselt number)는 정확한 측정을 위하여 복잡하고 비용이 많이 들며 시간이 많이 소요되는 제한된 요소의 설계를 필요로 하는 열원위치와 유량의 복잡한 함수가 아닌 온도분포함수의 선형부분에 간단하고 알려진 상수가 된다. 이는 기구의 설계를 매우 편리하게 하는 유량, 도관 및 유체특성에 따라서 센서출력을 위한 간단하고 정확한 이론상의 모델을 용이하게 개발할 수 있도록 한다.

집중형으로 중앙에 배치된 히터를 이용하지 않는 종래기술의 차동열유동센서에 대한 본 발명의 센서의 다른 잇점은 높은 유체유량에서 나타난다. 유체가 집중형의 중앙히터를 갖지 않는 어떠한 열유량센서를 통하여 고속으로 유동할 때, 이러한 고속의 유동은 하류측 감지요소에 의하여 가열되는 도관의 길이부분내에서 온도피크를 하류측으로 이동시킴으로서 제로-유동 온도프로파일을 왜곡시키는 경향이 있다. 이는 네거티브 온도기울기가 그 길이의 일부에만 연장되므로 하류측 감지요소의 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 하류측 감지요소로부터의 출력신호는 상류측 감지요소로부터의 출력신호에 대하여 감쇠된다. 아울러, 영향을 받는 감지요소의 출력신호는 유량이 어떠한 한계를 초과할 때 뚜렷한 비직선성을 보인다. 대조적으로, 본 발명의 유동센서에 있어서는 중앙에 배치된 집중형 히터는 높은 유량에서도 집중형 히터의 정점부에서 삼각형의 온도분포함수를 보인다. 하류측 감지요소의 길이를 통한 온도분포 프로파일의 기울기는 아주 높은 유량에서도 네거티브를 유지하여 종래 센서에 비하여 센서출력신호의 직선성을 개선한다. 이와 같이, 본 발명의 센서는 종래 열질량유동센서로서 측정할 수 있었던 것 이상으로 고저의 유량에 대하여 유용한 유동측정범위를 확장할 수 있다.

본 발명의 센서는 유입측 압력이 10 토르이고 유출측 압력이 수십분의 일 토르인 것관 같은 매우 낮은 압력환경에서 작동하여야 하는 열질량유량계와 제어기에 결합시켜 사용할 수 있는 독특한 잇점을 갖는다. 이러한 기구의 경우 측정되는 가스가 한정된 속도를 가지므로 제로가 될 수 없는 유동도관을 따라서 압력강하를 최소화하는 것이 필수적인 것이다. 전형적으로 이러한 문제의 해결은 비상하게 큰 내경을 갖는 단일 도관, 또는 높은 용량의 바이패스 도관과 병렬로 사용되는 중간직경의 도관의 세부적인 구성내용을 포함한다. 이들 경우에 있어서, 가능한 한 낮게 점성압력강하를 유지하기 위하여 센서도관의 하측단부만이 유동측정범위이 이용된다. 이와 같이, 이러한 기구에 결합되어 사용되는 열센서도관은 전형적으로 센서의 제로-유동잡음이 현저하고 센서의 유용성과 성능을 제한하는 질량유동측정범위에서 작동된다. 본 발명의 센서는 제로-유동잡음의 진폭과 지나친 잡음없이 낮은 질량유량을 정확히 측정할 수 있는 능력때문에 이러한 저압작동용으로서 종래 열유동센서에 비하여 우수한 잇점을 갖는다.

유체유로를 따른 유체유동센서의 온도분포와 이에 관련된 열전달을 최적화하기 위한 분산형 및 집중형 가열시스텐의 조합은 어떠한 형태이든지 간에 열질량 유량계 또는 유동제어기와, 특히 현재 균일형의 분산형 열원만이 사용되는 질량유량계 또는 유동제어기에 적용할 수 있다.

본 발명은 그 범위를 벗어남이 없이 상기 장치에서 어느 정도의 변경이 가능하므로 상기 설명과 도면의 모든 내용들은 본 발명을 제한하는 것이 아니고 단순히 설명을 위하여 제시된 것임을 이해하여야 할 것이다.

특히, 본 발명의 센서의 효과와 잇점은 상기 언급된 바와 같이, 온도가 최저인 양측부분이 직선을 이루나 온도가 최고인 정점부를 갖는 역대칭삼각형인 온도분포가 센서도관에서 이루어질 수 있도록 집중형의 중앙냉각기를 갖는 분산형의 가열 또는 냉각요소의 조합을 이용하여 얻을 수 있음이 명백하다. 온도분포의 공간변화방향의 이러한 역전구조가 본 발명의 범위를 벗어나는 것은 아니며 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (14)

1. 유체유동이 이루어질 수 있게 된 유동센서도관, 한쌍의 분산형 열원을 포함하고 상기 각 분산형 열원이 센서도관에 근접하여 배치되며 센서도관의 가열되는 길이부분을 따라서 균일변화 분산형 히터밀도가 형성될 수 있게 구성된 제1가열요소와, 센서도관에 근접하여 분산형 열원 사이에 배치된 단일 집중형 열원을 포함하고 센서도관의 가열되는 길이부분내의 미리 선택된 위치에 집중 히터밀도가 형성될 수 있도록 구성된 제2가열요소로 구성되고, 센서도관의 가열되는 길이부분내에서 유체의 온도분포함수가 센서도관을 따른 위치에서 직선상으로 변화하는 대칭삼각형 분포함수이고 상기 삼각형 분포의 정점부가 센서도관의 가열되는 길이부분에서 단일 집중형 열원의 미리 선택된 위치에 놓임을 특징으로 하는 열질량유동센서.
2. 제1항에 있어서, 제1가열요소가 한쌍의 분산형 열원으로 구성되고, 제2가열요소가 두 분산형 열원 사이에 배치되는 단일집중형의 열원으로 구성됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
3. 제2항에 있어서, 분산형 열원이 이들 분산형 열원 사이에 배치된 집중형 열원에 대하여 센서도관에 대칭으로 배치됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
4. 제3항에 있어서, 집중형 열원이 센서도관의 가열되는 길이부분의 중간에 배치됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
5. 제3항에 있어서, 분산형 열원이 센서도관의 가열되는 길이부분의 단부에 또 는 이에 근접하여 단위길이당 최소의 열을 전달하고 센서도관의 가열되는 길이부분의 중간 또는 이에 근접하여 최대의 열을 전달하는 저항열원으로 구성됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
6. 제5항에 있어서, 저항열원이 센서도관의 둘레에 배치된 권취부를 갖는 전기적인 저항코일로 구성되고, 권취부가 도관의 가열되는 길이부분의 외측단부 또는 이에 근접하여 간격이 가장 넓게 되어 있으며 집중형 열원에 근접한 위치에서는 간격이 가장 좁게 되어 있음을 특징으로 하는 열질량유동센서.
7. 제5항에 있어서, 저항열원이 요구된 폭과 두께로 센서도관에 배치된 저항필름이고, 이 필름의 두께 또는 폭이 도관의 가열되는 길이부분의 외측단부 또는 이에 근접하여 최대이고 집중형 열원에 근접하여서는 최소가 됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
8. 제5항에 있어서, 분산형 열원이 복사열원임을 특징으로 하는 열질량유동센서.
9. 제8항에 있어서, 복사열원이 광섬유 어레이임을 특징으로 하는 열질량유동센서.
10. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 가열요소에 전류를 공급하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 열질량유동센서.
11. 제10항에 있어서, 제1가열요소가센서도관의 가열되는 길이부분의 상류측 및 하류측 부분을 따라 대칭인 지점에서 유체온도차를 나타내고 이에 따라서 센서도관을 통한 유체의 유량을 나타내는 신호를 발생할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 열질량유동센서.
12. 제1항에 있어서, 센서도관상에 배치되고 제1 및 제2가열요소로부터 전기적으로 절연된 하나 이상의 온도감지요소를 포함함을 특징으로 하는 열질량유동센서.
13. 제12항에 있어서, 온도감지요소가 센서도관의 둘레에 균일하게 권취된 저항코일로 구성됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.
14. 제12항에 있어서, 온도감지요소가 센서도관상에 증착된 저항필름으로 구성됨을 특징으로 하는 열질량유동센서.

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