KR100868046B1 - 와류식 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류식 유량계에 관한 것이다. 본 발명은 유체가 흐르는 관내에 와류를 발생시키는 와류발생부재와, 상기 와류발생부재 하류의 카르만 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 변형량을 효율적으로 전달할 수 있는 구조를 가진 와류센서캡에 PZT 압전센서를 몰딩한 와류유량센서부를 포함한다. 본 발명은 관내에서 와류발생부재 기둥에 의해 발생되는 유체의 와류에 의한 물리적 변화가 와류센서캡 내의 압전센서를 통해 전기신호로 발생되면 이를 감도증대용 회로 및 마이크로프로세서로 프로그래밍하여 유량 정밀도를 향상시킬 수 있다.

유체, 와류, 압전소자

Description

와류식 유량계{VORTEX FLOWMETER}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 외관 사시도.

도 2는 본 발명의 와류식 유량계의 와류발생부재와 유량센서부의 배치 관계를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 종단면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 일부 절개 사시도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계에 구성되는 압전센서와 센서캡의 결합원리를 설명하기 위한 도면.

도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 유량센서부의 여러 가지 형상을 도시한 종단면도.

도 8은 본 발명의 압전센서 구조도.

도 9a so 도 9e는 본 발명의 와류발생부재의 여러 가지 형상을 나타낸 도면.

도 10은 본 발명의 와류식 유량계의 제어장치 구성도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

10 : 유로 20 : 몸통

21 : 와류발생부재 30, 40 : 결합부재

50 : 유량센서부 51 : 센서캡

52 : 압전센서 53 : 리이드선

본 발명은 와류식 유량계에 관한 것으로서, 특히 유체가 흐르는 관내에서의 와류 발생이 효과적으로 이루어지도록 함과 동시에 와류의 물리적변화에 따른 전기신호의 출력감도를 증대시켜 정확한 유량 제어가 가능토록 한 와류식 유량계에 관한 것이다.

일반적으로 관내에 흐르는 유체의 량을 측정하는 유량계로는 여러 종류가 있으나, 특히 초음파의 속도가 유체의 속도에 의해 변화하는 것을 이용한 초음파 유량계와, 유체내에 와류를 발생시켜 유량을 측정하는 와류식 유량계가 대표적이다.

초음파 유량계는 서로 교대로 송수신하도록 관내에 한 쌍의 초음파 송수신기가 대향 설치되어 유속을 연산한다. 예를 들어, 초음파 송수신기는 전기 에너지, 기계적 에너지 변환소자로서 압전세라믹 등의 압전진동자를 사용한다.

즉, 일측의 초음파 송수신기에서 초음파신호를 방사하면 일정시간 후에 타측의 초음파 송수신기에 도달한다. 상기 타측의 초음파 송수신기에서는 전달된 초음파 버스트 신호만을 전기 버스트 신호로 변환하고, 이 전기 버스트 신호를 트리거 신호로 해서 일측의 초음파 송수신기로 다시 초음파 버스트 신호를 방사하면 이 초음파 버스트 신호는 일정경로를 거쳐 일정시간 후에 일측의 초음파 송수신기에 도달한다.

이와 같은 초음파신호의 송수신에 따라 유체의 유속을 구하고 유속으로부터 유량을 구하는 것이 초음파 유량계이다.

그러나, 이러한 초음파 유량계는 일측의 초음파 송수파기와 타측의 초음파 송수파기의 간격이 길거나, 유체흐름에 다양한 크기의 와류가 발생하는 경우에는 초음파 펄스가 굴절, 확산하거나 흡수 감쇄도가 변하여 측정 오차가 발생될 수 있다. 또한, 초음파 유량계는 구성이 복잡하고 제조 단가도 고가인 문제가 있었다.

한편, 상기 와류센서를 사용하는 와류식 유량계는 카르만 와류(Karman swirling flow) 주파수가 유체의 흐르는 유속에 비례하는 것을 이용한다. 예컨대, 관내에 기둥형상의 와류발생체를 설치하면 유체가 흐르면서 와류발생체에 의해 안정하고 규칙적인 와류가 발생한다.

이 와류는 물체와 유체와의 경계층의 박리에 따라서 생기며 소위 카르만 와류라고 불리어진다. 이 경우 물체의 우측면에 단위시간에 생성되는 와류의 수(와류의 발생주파수)는 유체의 유속에 비례되는 것으로 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.

그러나, 이러한 와류식 유량계는 와류발생체로부터 발생되는 와류신호의 검출시 그 측정되는 와류신호가 미약하여 일정량 이하의 미소한 유량대역 이상에서만 사용 가능한 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 와류식 유량계의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 와류발생부재에 의해 효과적으로 와류가 발생토록 함과 동시에 와류의 물리적변화에 따른 전기신호의 출력감도를 증진시켜 정확한 유량 제어가 가능토록 한 와류식 유량계를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 와류식 유량계는, 유체가 흐르도록 양측을 관통하는 유로가 형성되고, 유체가 유입되어 와류가 발생되면 그 발생된 와류의 물리적변화를 전기신호로의 변환을 위해 유체가 일시 저장되도록 유로 사이에 배치된 몸통과, 상기 몸통의 양측에 형성된 유로에 유체공급부와 유체수요부를 각각 연결시키도록 일종의 캡 형식으로 형성된 결합부재로 구성되고, 상기 몸통내에는 유입된 유체의 정상적인 흐름을 방해하여 유관내에 와류를 발생시키는 와류발생부재와, 상기 와류발생부재 하류의 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 물리적변화량을 효율적으로 제어부에 전달할 수 있도록 그 하부면이 중앙쪽으로 일정각도 경사진 굴곡진 형상으로 제조된 센서캡에 복수 층으로 적층된 압전센서를 삽입 몰딩한 유량센서부를 포함 구성된 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 압전센서는 금속과 그 양측에 PZT가 구성된 3층 적층 방법 및 마이너스단자를 서로 연결하고 리이드선을 어느 하나의 마이너스단자에 용접한 플러스/마이너스 결선방법을 채택한 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 외관 사시도, 도 2는 본 발명의 와류식 유량계의 와류발생부재와 유량센서부의 배치 관계를 도시한 사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 분해 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 종단면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 일부 절개 사시도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계에 구성되는 압전센서와 감지캡의 결합원리를 설명하기 위한 도면, 도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 유량센서부의 여러 가지 형상을 도시한 종단면도, 도 8은 본 발명의 압전센서 구조도, 도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 여러 가지 형상의 와류발생부재를 나타낸 도면, 도 10은 본 발명의 와류식 유량계의 제어장치 구성도이다

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 와류식 유량계는, 유체가 흐르도록 양측을 관통하는 유로(10)가 형성되고, 유체가 유입되어 와류가 발생되면 그 발생된 와류의 물리적변화를 전기신호로의 변환을 위해 유체가 일시 저장되도록 유로(10) 사이에 배치된 몸통(20)과, 상기 몸통(20)의 양측에 형성된 유로(10)에 유체공급부(도시생략)와 유체수요부(도시생략)를 각각 연결시키도록 일종의 캡 형식으로 형성된 결합부재(30)(40)로 구성된다.

도 2, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 와류식 유량계의 몸통(20)내에는 유입된 유체의 정상적인 흐름을 방해하여 유관(24)내에 와류를 발생시키는 와류발생부재(21)와, 상기 와류발생부재 하류의 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 물리적변화량을 효율적으로 제어부에 전달할 수 있도록 센서캡(51)에 압전센서(52)를 삽입 몰딩한 유량센서부(50)를 포함한다.

상기 와류발생부재(21)는 유관(24)내에서의 유체의 흐름을 방해하여 와류 형성이 가능토록 하면 되므로 특별한 형상으로 한정되지는 않는다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 와류발생부재(21)는 상기 유관(24)의 내벽에 도 9a 내지 도 9e에 도시한 바와 같은 여러 가지 형상(사각형, 반원, 평행사변형, 마름모꼴, 삼각형 등)중 어느 하나의 형상으로 수직 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같이 유관(24)내에 배치 고정된 와류발생부재(21)에 의해 발생된 와류는 와류발생부재(21)로부터 일정 거리 내에서는 활성적인 상태가 유지되므로 이 거리 내에 도 2, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)가 배치된다.

한편, 상기 와류발생부재(21)는 그 굵기에 따라 와류발생정도가 달라질 수 있으므로 적절한 굵기를 설정하여 설계한다.

또한 유량센서부(50)에서 최대의 감도로 와류를 감지하여 정확한 유량조절이 가능하도록 와류발생부재(21)와 유량센서부(50)간의 거리 및 와류발생부재(21)의 개수를 조절 설치한다.

도 6에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)는 발생된 와류의 교번압력을 통해 유량에 비례한 전기신호를 출력하도록 센서캡(51)에 내장된 압전센서(52)를 포함한다.

도 6에 도시한 바와 같이 센서캡(51)에는 압전센서(52)와 연결되는 리이드선(53)이 구성되고, 상기 리이드선(53)을 통해 압전센서(52)와, 도 3의 판넬(26) 위에 배치되는 인쇄회로기판(28)간의 전기적 연결이 이루어진다.

상기 센서캡(51)은 그 하부의 날개부분이 상기 발생된 와류를 효과적으로 전달받아 압전센서(52)에서 전기신호로 변환하도록 그 하부면이 중앙지점쪽으로 움푹 들어간 일정각도 굴곡진 형상(U)으로 제조한다. 즉 압전센서(52)에서 충분한 검출감도를 얻기 위해서는 표면상의 왜곡이 큰 것이 유리하므로 상기와 같이 센서캡(51)을 제조하는 것이다.

센서캡(51)의 다양한 형상은 도 7a 내지 도 7e에 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 압전센서(52)는 상기 와류발생부재(21)로부터 발생되는 와류에 의한 물리적 에너지 변화를 전기신호의 변화로서 검출하고, 이 변화의 회수를 검출하는 것에 따라 와류발생 주파수를 검출하도록 예를 들어 압전센서(52)의 분극 방향에 대해 힘을 가하면 양측으로 전하가 발생하고, 가해진 힘의 크기에 비례하는 전위차가 발생한다.

상기 압전센서(52)는 그 재료 및 재료합성비율, 크기 등에 따라 공진주파수 특성이 다르므로 이를 고려하여 제품을 제조하며, 본 발명의 압전센서(52)는 도 8에 도시한 바와 같이 금속(M)과 그 양측에 PZT가 구성된 3층 적층 방법 및 (-)단자를 서로 연결하고 리이드선(53)을 어느 하나의 (-)단자에 용접(W)한 (+)(-) 결선방법을 채택하여 와류감지효과를 향상시키도록 한다.

도 3에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)는 오링(25)을 통해 하우징내에 삽입되어 상부에 덮여지는 판넬(26)을 볼트 따위의 고정수단(27)으로 체결함으로써 유관(24) 내에 고정된다.

상기 인쇄회로기판(28)이 몸통(20)내에 재치되면 그 위에 커버(29)를 씌우고 볼트 따위의 고정수단(31)으로 몸통(20)과 체결시키면 몸통(20)의 상부면은 폐쇄되고, 오링(32)(33)을 개재하여 상기 유로(10)에 일치하도록 체결된 결합부재(30)(40)의 홀에는 유체공급부와 유체수요부가 각각 결합된다.

따라서 몸통(20)의 양측도 폐쇄되어 결국 몸통(20)내에 유체가 흐를 때 누수가 방지된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 와류식 유량계의 동작을 설명하면 다음과 같다.

유체공급부로부터 일정량의 유체가 유량계쪽으로 공급되어 유로(10)를 통해 유관(24)내에 유입된다.

따라서 유관(24)내에 배치된 와류발생부재(21)를 통해 유체의 흐름방향으로 향하는 와류발생부재(21)의 표면 양측으로부터 카르만 와류가 생성된다.

카르만 와류는 유체 흐름내에 배치된 와류발생부재(21)의 후방으로 활성적인 상태가 유지되는 일정거리 이내에 배치된 유량센서부(50)에 도달된다.

이때, 상기 카르만 와류에 의해 작용되는 교번응력은 상기 유량센서부(50)의 센서캡(51) 하부에 전달된다. 따라서, 움푹 들어가도록 일정각도 굴곡지게 형성된 센서캡(51)의 하부에 전달된 와류의 압력이 크게 변화하게 된다.

따라서 센서캡(51) 하부형상에 의해 큰 변위량으로 변화하는 압력이 압전센서(52)에 의해 용이하게 감지되어 전기신호로 변환된 후, 그 변환된 감지신호가 신호증폭부(60)를 통해 일정신호로 증폭된다.

일정신호로 증폭된 감지신호는 필터(70)에 의해 잡음이 제거된 후 감지신호입력부(80)를 통해 제어부(90)에 입력된다.

따라서 제어부(90)에서는 이미 저장된 유량 기준치와 현재의 유량치를 비교하여 유량제어치를 판단한 후 그 제어신호를 제어신호출력부(100)를 통해 유체공급부(110)로 입력한다.

따라서 유체공급부(110)에서는 상기 제어부(90)의 제어신호에 의해 조정된 유량을 유량계(120)에 공급하는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적사상을 벗어나지 않는 범위내에서는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 및 변형실시가 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 와류식 유량계에 따르면 다음과 같은 뛰어난 효과가 있다.

첫째, 관내 와류발생부재에 의해 발생된 와류의 압력변화가 크도록 하여 압전센서의 감지성능을 향상시킬 수 있다.

둘째, 유량감지용 압전센서를 3층으로 적층 구성하여 와류의 감지성능을 향상시킬 수 있다.

셋째, 센서캡의 하부면을 일정각도 굴곡진 형상으로 함으로써 발생된 와류를 효과적으로 전달받아 압전센서에서의 전기신호로의 변환성능이 향상된다.

Claims (5)

1. 유체가 흐르도록 양측을 관통하는 유로(10)가 형성되고, 유체가 유입되어 와류가 발생되면 그 발생된 와류의 물리적변화를 전기신호로의 변환을 위해 유체가 일시 저장되도록 유로(10) 사이에 배치된 몸통(20)과, 상기 몸통(20)의 양측에 형성된 유로(10)에 유체공급부와 유체수요부를 각각 연결시키도록 캡 형상으로 형성된 결합부재(30)(40)를 포함 구성된 유량계에 있어서,

   상기 몸통(20)내에는 유입된 유체의 정상적인 흐름을 방해하여 유관(24)내에 와류를 발생시키는 와류발생부재(21)와, 상기 와류발생부재 하류의 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 물리적변화량을 효율적으로 제어부에 전달할 수 있도록 그 하부면이 중앙쪽으로 경사진 굴곡진 형상(U)으로 제조된 센서캡(51)에 복수 층으로 적층된 압전센서(52)를 삽입 몰딩한 유량센서부(50)를 포함 구성된 것을 특징으로 하는 와류식 유량계.
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4. 제1항에 있어서, 상기 압전센서(52)는 금속(M)과 그 양측에 PZT가 구성된 3층 적층 방법으로 구성되고, (-)단자를 서로 연결하고 리이드선(53)을 어느 하나의 (-)단자에 용접(W)한 (+)(-) 결선방법을 채택한 것을 특징으로 하는 와류식 유량계.
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