KR101075347B1 - 유량 측정용 시스템과, 유량 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저 유량 액체 유량을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 제어기와, 유동 시스템 구성요소와, 수집 용기에 결합된 하나 또는 그 이상의 로드 셀을 제공한다. 수집 용기는 액체가 위어를 넘쳐흐를 때까지 액체가 위어내에서 상승하게 하는 통로로서 기능을 하는 위어를 포함한다. 공급된 유체가 유압 안정화 기간을 통과한 후에, 제어기는 로드 셀 신호를 획득하고 타이밍 윈도우를 개방한다. 타이밍 윈도우의 단부에서, 제어기는 다른 로드 셀 신호를 획득한다. 제어기는 수집 기간에 대한 수집 액체의 질량 및 질량률 및/또는 체적률과 같은 유동률을 계산한다. 타이밍 윈도우의 지속 기간은 소망된 측정에 따라 다르다. 액체가 위어에 차거나 넘쳐흐르기 때문에, 시스템은 저 유량의 정확한 측정을 할 수 있다. 다른 특징에 있어서, 피드백 제어 메커니즘은 배치식 일정 유동법 또는 정상 상태 일정 유동법으로 실시된다. 양자의 방법에 있어서, 순간 측정된 유량은 유량 보정으로부터 유도된 입력 명령어와 비교되어, 영 오차 또는 수용가능한 오차 범위에 도달하거나 소망의 유량이 확립될 때까지 액체 공급 및 드레인의 유량과, 가스압을 작동하도록 제어된 밸브에 오차 보정 피드백 신호를 송신한다.

Description

유량 측정용 시스템과, 유량 측정 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR MEASUREMENT OF LOW LIQUID FLOW RATES}
도 1은 유체 유량 측정용 시스템의 실시예로서, 시간 간격에 관한 개시 및 정지 액체 레벨을 갖는 배치식 방법을 도시한 도면,
도 2는 위어(weir)의 상부에서 액체 이동을 나타낸 시스템의 확대도,
도 3은 유량 측정의 배치식 방법의 흐름도,
도 4는 수집 용기에서 액체 경로를 나타내는 시스템의 실시예의 사시도,
도 5는 유량 측정용 시스템을 나타내는 시스템의 실시예로서, 피드백 제어 시스템을 도시한 도면,
도 6a는 도 6b의 피드백 제어 방법 전의 액체 유량 측정용 배치식 방법을 도시한 흐름도,
도 6b는 도 6a의 연속으로 실시될 수 있는 2개의 피드백 제어 방법을 도시한 도면.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 시스템 14 : 3방향 밸브
20 : 수집 용기 28 : 액체 공급구
36 : 위어 40 : 공급 라인
42 : 2방향 공급 밸브 24, 48 : 제 1 및 제 2 로드 셀
50 : 제어기 55, 57 : 피드백 제어 신호
본 발명은 액체 유량의 측정에 관한 것이다.
반도체 제조 회사, 건강 산업, 식품 산업 등에서는 저 유량 유체의 정확한 측정을 필요로 한다. 저 유량 유체는 소체적인 일련의 소적(droplet)을 분해하는 경향이 있다. 소적의 체적이 소망된 정밀도에 도달하기 때문에, 측정은 신뢰적이지 못하게 된다.
미국 특허 제 4,869,722 호에는, 반응 셀(reaction cell)(16)의 상부에서 액적 깔때기(drop funnel)(13)의 팁부로부터 액체상으로 해제된 소적을 모니터함으로써 이러한 문제점을 처리하려는 장치가 개시되어 있다. 반응 셀(16)은 소적의 충격을 감지하지만, 사용자는 소적의 크기 또는 유량을 쉽게 제어할 수 없고, 이 측정은 환경 변화 및 작은 물리적 섭동(physical perturbation)에 민감하다. 소적 크기는 깔때기 개구 직경을 변경하지 않고 변화될 수 없고, 액체 유량은 액체 공급 높이의 변경으로 변화된다. 소적이 표면 장력으로 인한 깔때기 개구부에 형성되거나, 측정 간격 사이의 충격전에 공중(mid-air)에 떨어지는 경우, 소적의 샘플링은 또한 부정확하다. 상기 방법은 소적을 형성하지 않는 보다 높은 액체 유량을 측정하기에 부적당하며, 이에 따라 그 적용이 제한된다.
미국 특허 제 4,244,218 호와 미국 특허 제 6,026,683 호에서는 액체 레벨과 유량을 측정하기 위해 부력 원리를 이용한다. 이들 방법은 허용 오차가 소적 또는 보다 작은 소적 범위를 초과하는 매우 저유량을 측정하기에 적당하지 않다. 부유 선광 장치(floatation device)에는 교정 오차(calibration error)와 물리적 손상을 받기 쉬운 민감한 기계 부품이 있어서, 제조 및 유지 보수 비용이 추가된다.
본 발명은 액체 유량의 측정에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 제어기와, 밸브와 같은 유동 제어 구성요소와, 액체를 수집 용기(collection vessel)에 충전하게 하는 위어(weir)를 갖는 수집 용기에 결합된 하나 또는 그 이상의 로드 셀(load cell)을 제공한다. 위어에 공급된 액체는 액체가 위어를 넘칠 때까지 위어내에서 상승한다. 수집 용기는 보통 충전시 배압을 낮추도록 배출되고, 가압된 가스는 드레인을 촉진하는데 이용될 수 있다.
다른 특징에 있어서, 액체가 공급되고, 유압 안정화 기간(hydraulic stabilization period) 후에, 제어기는 로드 셀 신호를 획득하고 타이밍 윈도우(timing window)를 개방한다. 타이밍 윈도우의 단부에서, 제어기는 다른 로드 셀 신호를 획득한다. 제어기는 수집 기간을 지나 수집 액체의 질량과, 질량률 및/또는 체적률 등의 흐름률을 연산한다. 타이밍 윈도우의 지속 기간은 소망된 측정에 따라 다르다. 액체가 최상에 가깝게 차거나 위어를 넘치기 때문에, 시스템은 저유량을 정확하게 측정할 수 있다.
다른 특징에 있어서, 피드백 제어는 배치식 일정 유동법(batch constant flow method) 또는 정상 상태 일정 유동법(steady state constant flow method)에서 실시된다. 양자의 방법에 있어서, 순간 측정된 유량은 입력 명령어와 비교되고, 예컨대 유량 교정으로부터 유도되고, 허용가능한 사전결정된 오차 범위 및/또는 소망의 유량을 갖는 오차 보정 피드백 신호가 확립될 때까지, 오차 보정 피드백 신호를 제어가능한 밸브에 송신하여 액체 공급의 유량, 드레인 및 가스압을 조절한다.
액체 유량 측정 시스템 및 방법은 민감하여 저유량을 측정하기에 매우 적합하다. 시스템 및 방법은 원한다면 점도의 범위를 포함하는 액체 유량의 넓은 범위를 측정하도록 조정될 수 있다. 액체 유량 시스템은 단순, 견고하고 적은 제조비용이 들며, 환경 변화와 작은 물리적 섭동에 비교적 영향을 받지 않는다.
이하의 설명에는 본 발명을 실행하는 최선책이 포함되어 있다. 상세한 설명은 본 발명의 일반 원리를 설명할 목적으로 이루어졌으며, 제한적인 의미로 받아들이지 않아야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 언급된 것으로 결정된다.
도 1은 저유량 측정용 시스템의 실시예를 도시하고 있다. 시스템(10)은 수집 용기(20)내에 배치된 위어(36)를 구비한다. 위어(36)의 높이(h)는 액체 공급구 (28)로부터 공급된 액체용 통로를 수집 용기(20)의 바닥부상에 배치된 위어 개구부(32)에 제공한다. 위어(36)의 하부가 도시한 바와 같이 수집 용기(20)의 하부를 지나 연장되는 것은 필수적이지 않다. 또한, 수집 용기(20)의 하부로부터 연장될 수도 있다. 수집 용기(20)와 위어(36)는 낮은 표면 장력을 갖고, 폴리프로필렌 또는 테프론(등록 상표) 코팅된 재료와 같은 수집 액체(30)에 대한 화학적 비반응성 및/또는 내부식성을 갖는 경량 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 내구성이 있고, 충분히 견고하며, 측정되는 화학 물질과 화학적으로 양립할 수 있는 스테인리스강 및 다른 재료가 이용될 수 있다.
작동시, 액체는 공급 라인(40)을 통해 위어 압력, 내부 대기압 및 라인 마찰력을 초과하는 압력으로 수집 용기(20)내로 공급된다. 이것은 개방형 2방향 공급 밸브(42)를 통한 액체 유동을 위어 개구부(32)의 전측에 있는 액체 공급구(28)내로 발생시킨다. 위어 개구부(32)에도, 액체는 하측 방향으로 위어(36)를 넘쳐흘러 바람직하게는 액적 또는 소적을 분해하지 않고 수집 액체(30)를 형성한다. 위어(36)가 도시한 바와 같이 원통형의 수집 용기(20)내에 수직방향으로 배치되고 중심설정된 기둥(column) 또는 튜브인 경우, 구성체는 도시한 제 1 및 제 2 로드 셀(24, 48)을 가로질러 대칭적으로 하중을 분배할 것이다. 변형 실시예에 있어서, 위어(36)는 수집 용기(20)에 대해 중심설정할 필요가 없다.
수집 용기(20)의 하부에 위치된 드레인(26)은 액체 레벨을 조절한다. 액체 레벨은 2방향 드레인 밸브(44)를 통해 드레인 라인(46)까지 수동식, 주기식 또는 피드백 제어식 드레인으로 조절될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 수집 액체(30)는 드레인 라인(46)을 통해 중력만큼 배출된다.
측정되는 액체의 휘발성에 따라서, 가압된 비반응성 가스(12)를 수집 용기(20)내로 공급함으로써 작동시 대기압 이상에서 수집 용기(20)의 내부 가스압(38)을 유지하는 것이 필요할 수 있다. 3방향 밸브(14)는 가스의 공급을 가스 유입구 또는 배출구(18)내로 제어한다. 비반응성 가스(12)는 저 유량 측정의 정확성에 영향을 주는 것을 회피하기 위해 측정되는 액체에 화학 작용을 하지 않는 것이 바람직하다. 동일한 가스 유입구 또는 배출구(18)는 3방향 밸브(14)를 통해 내부 가스압(38)을 배출하는데 이용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수집 액체(30)와 함께 수집 용기(20)는 수집 지지부(22)를 통해 한 세트의 로드 셀(24, 48)에 따라 다르다. 변형예로서, 시스템은 단일 로드 셀 또는 2개 이상의 로드셀을 이용한다. 하나의 적당한 로드 셀은 스케일 로드 셀 모델 번호 제 F60X10C610E 호이다. 로드 셀(24, 48)은 로드 셀(들)에 의해 감지된 총질량(Mtotal)을 지시하는 전압과 같은 아날로그 전기 신호를 출력한다. 아날로그 전기 신호는 컴퓨터를 구비하는 제어기(50)에 의해 획득되고, 전형적으로 저장된 보정 정보(calibration information)를 갖는 아날로그/디지털 변환 기능을 구비하며, 디지털 신호는 다른 처리를 위해 발생되거나 디지털 표시 장치를 발전하는데 이용된다. 사용된 제어기(50)의 유형에 관해서는 본 발명에 필수적이라고 사료되지는 않는다. 하나의 적당한 제어기(50)는 공지된 종래의 아날로그/디지털 변환기를 갖는 미쓰비시 FX2N 프로그램가능한 로직 제어기이다. 변형 실시예에 있어 서, 아날로그/디지털 변환기가 없는 제어기는 디지털 신호를 제어기내로 직접 출력하는 로드 셀과 함께 이용될 수 있다.
제어기(50)는 빈 수집 용기(20)에 대한 알려진 질량을 저장하거나, 수집 용기(20)가 빈 경우 로드 셀(24, 48)의 출력값을 판독하고 지지부(22)에 의존함으로써 수집 액체(30)의 질량(Mliquid)을 계산한다. 빈 수집 용기의 질량을 Mempty로 언급할 것이다.
이것을 알고 난 후, 제어기(50)는 수집 용기(20)가 수집 액체(30)를 함유하는 경우 총 질량(Mtotal)을 나타내는 로드 셀(24, 48)로부터의 출력값을 판독하고, Mliquid를 구하기 위해 뺄 수 있다.
[수학식 1]
Mtotal = Mliquid - Mempty
수집 액체(30)의 질량률(m)은 시간 간격(ΔT)에 대한 질량(ΔM)의 변화를 연산함으로써 계산된다. 유량 측정에 대한 상세한 설명이 후술될 것이다. 수집 액체(30)의 체적은 밀도 관계에 의해 주어진다.
[수학식 2]
V = Mliquid/ρ
여기서, V는 액체 체적, Mliquid는 수집 액체(30)의 질량, 및 ρ는 액체 밀도이다.
제어기(50)는 밀도 관계를 이용하여 시간 간격(ΔT)에 대한 질량(ΔM) 변화의 연산과 함께 수집 액체(30)의 체적 유량(Q)을 계산할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 시스템의 일부의 확대도이다. 위어 개구부(32)에서 액체 빌드업(build up)(80)을 갖는 위어(36) 내부의 상측 액체 이동(86)을 나타내고 있다. 액체 빌드업(80)은, 액체 표면 장력을 극복하고, 중력으로 인한 하측 방향(88, 90)으로 위어(36)를 넘쳐흐르고, 위어(36)의 주위 벽을 따라 흐르고, 수집 액체(30)의 표면(84)에 도달한다. 액체의 흐름은 수집 용기(20)내에서 확립되어 수집된다. 상기 방법은 액체 유량 측정시 미스트(mist) 또는 소적으로부터 액체의 손실을 감소 또는 제거한다.
측정되는 액체의 휘발성 또는 가연성에 따라서, 내부 가스압(38)은 가압된 비반응성 가스로 조절되거나 가스 유입구 또는 배출구(18) 및 3방향 밸브(14)를 통해 배출된다. 일 실시예에 있어서, 가스 유입구 또는 배출구(18)는 보통 충전 단계시 3방향 밸브(14)를 통해 배출되는 반면에, 가압된 비반응성 가스(12)는 드레인 단계시 수집 용기(20)내로 펌핑된다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시한 시스템내에서 실시하는 유량 측정의 배치식 방법의 흐름도이다. 상기 방법은 순차적으로, 동시 발생식으로, 병렬식으로 또는 파이프라인 방식으로 발생할 수 있다. 간결성으로 위해, 상기 방법은 순차적으로 실시하는 것으로 설명될 것이다. 상기 방법을 시작하기 위해, 제어기(50)는 단계(200)에서 새로운 유량 측정을 개시할 것이다. 단계(202)에서, 제어기(50)는 소망 의 유량(Qo)을 저장할 것이다. 단계(208)에서, 수집 용기(20)내의 수집 액체(30)는 사전결정된 레벨 미만으로 드레인되고, 2방향 드레인 밸브(44)는 유량 측정의 지속 기간동안 폐쇄된다. 단계(210)에서, 제어기(50)는 제어 신호를 3방향 밸브(14)로 송신하여, 배압을 낮추기 위해 수집 용기(20)내의 가스를 가스 유출 라인(14)을 통해 배출하면서 액체는 수집 용기(20)를 충전한다. 단계(212)에서, 제어기(50)는 제어 신호를 2방향 공급 밸브(42)로 송신하여, 수집 용기(20)를 공급 라인(40)으로부터의 액체로 충전한다. 단계(214)에서 그리고 짧은 안정화 기간후에, 제어기(50)는 타이밍 윈도우를 개방하는 하나 또는 그 이상의 로드 셀(24, 48)로부터의 순간 로드 셀 신호를 획득(샘플링)한다. 타이밍 윈도우는 충전 단계시 요구된 정확성에 따라서 다양한 시간을 가질 수 있다. 단계(218)에서, 제어기(50)는 타이밍 윈도우에 대한 수집 액체(30)의 질량을 나타내는 획득(즉, 샘플링)된 로드 셀 신호를 순간 유량(Q)으로 변환한다.
단계(220)에서, 제어기(50)는 순간 유량(Q)과 소망 유량(Qo)을 비교하는 결정 블록을 수행한다. 순간 유량(Q)이 소망 유량(Qo)보다 높은 경우, 제어기(50)는 2방향 공급 밸브(42)의 개구부를 감소시키기 위해 제어 신호를 송신하여, 단계(224)에서 수집 용기(20)에 공급된 액체의 양을 감소시킨다. 반대로, 순간 유량(Q)이 소망 유량(Qo)보다 적은 경우, 제어기(50)는 단계(204)에서 2방향 공급 밸브를 개방하기 위해 제어 신호를 송신한다. 어느 상태에 있어서, 순간 유량(Q)이 소 망 유량(Qo)에 도달할 때까지, 제어기(50)는 단계(214 내지 220)에서 순간 유량(Q)과 소망 유량(Qo)을 측정하여 비교한다.
순간 유량(Q)이 소망 유량(Qo)과 동일한 경우, 유량 데이터가 알려져 제어기(50)는 단계(228)에서 메모리내에 그 데이터를 기억하고, 단계(230)에서 제어기는 2방향 공급 밸브(42)를 차단하기 위해 제어 신호를 송신하여, 수집 용기(20)내로의 액체의 공급을 중단시킨다. 단계(232)에서, 제어기(50)는 3방향 밸브(14)를 개방하기 위해 제어 신호를 송신하여, 가스 유출 라인(16)을 통해 수집 용기(20)로부터 가스를 배출하고, 그 다음 3방향 밸브(14)를 폐쇄한다. 단계(234)에서, 제어기(50)는 3방향 밸브(14)를 개방하기 위해 제어 신호를 송신하여, 수집 용기(20)내로 비반응 가스(12)를 공급한다. 단계(236)에서, 제어기(50)는 2방향 드레인 밸브(44)를 개방하기 위해 제어 신호를 송신하여, 액체를 배출시킨다. 다른 새로운 유량 측정이 단계(238)에서 필요한 경우, 유량 측정 방법은 단계(200)에서 다시 반복을 시작하여 유량의 넓은 범위에 대한 일련의 보정 곡선을 확립한다. 이와는 달리, 유량 측정 방법은 단계(240)에서 종료된다.
도 4는 액체 공급 유입구(28)(도 1)로부터 위어(36)내로 펌핑된 액체를 나타내는 시스템(10)의 일 실시예의 부분 절결도 및 사시도이다. 액체는 위어(36)내에서 상측부(122)로 상승하고, 위어 개구부(32)에서 늘어나고, 모든 방향으로 하측부(124)를 넘쳐흐르는 동안 위어(36)의 외벽에 그리고 수집 용기(20) 내부의 액체 표면(110)에 부착된다. 일 실시예에 있어서, 시스템은 배치식 유량 측정 환경에서 작동하는데, 이 환경에서 충전 단계가 종료하고 드레인(26)을 통한 드레인 단계가 위어(32)의 상측 개구부 아래의 특정 액체 레벨(110)에서 개시된다. 점진적인 진공 상태가 시간 경과에 따라 발생되는 떨어지는 액체 레벨(110)로 인한 감소하는 드레인 유량을 오프셋하기 위해, 가압된 비반응성 가스(12)는 가스 유입구(18)를 통해 수집 용기(20)내로 펌핑된다. 시간에 따라 내부 가스 대기(38)의 압력을 증가시킴으로써, 드레인 속도는 피드백 제어 메커니즘이 이용되는 경우 실질적으로 일정한 유량을 성취하기 위해 보상될 수 있다.
배치식 방법 유동 또는 정상 상태 유동 전달에서의 일정 드레인 속도를 성취하기 위한 피드백 제어 메커니즘의 실시예가 도 5에서 설명될 것이다. 수집 액체 또는 액체 유량은 용기 지지부(22) 아래의 로드 셀(24, 48)의 세트에 의해 모니터된다.
또한, 위어(36)는 측정시 수집 액체에 작은 물리적 섭동을 감쇠시키는 댐퍼로서 기능도 한다. 기둥형 위어(36)와 수집 용기(20)의 직경비는 감쇠 효과를 결정한다. 시스템(10)내에 어떠한 이동 부품이 없는 경우, 시스템(10)은 비교적 견고하여 오차 또는 물리적 손상에 덜 영향을 받는다.
위어(36)와 수집 용기(20)는 폴리프로릴렌과 같은 낮은 표면 장력의 구성 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 위어(36)가 튜브인 경우, 위어(36)의 정확한 직경은 이하의 관계로부터 계산될 수 있다. 최적의 위어 직경(φc) 설계는 매우 광범위한 점도의 뉴튼 유체 클래스(Newtonian fluid class)의 액체의 유량을 측정가능하 게 한다. 뉴튼 유체는 일정 온도 및 압력에서 모든 전단 속도에서 일정한 점도를 가지고, 일 매개변수 유동학적 모델(one-parameter rheological model)에 의해 설명될 수 있다. 뉴튼 유체를 설명하는 수학식 3이 이하에 주어진다.
[수학식 3]
τ= μγ
여기서, τ는 전단 응력, μ는 점도, 및 γ은 전단 속도이다.
하겐-포아즈이유의 법칙(Hagen-Poiseuille law)이 적용가능하다고 가정하면(시.브이. 이스와란과 에스.엘.코칼 제이. 응용 수학, 52째줄, 1501페이지, 1992년 참조), 위어(36)를 통한 유량이 이하에 주어진다.
[수학식 4]
Q = (πΔPφc 4)/(128μh)
[수학식 5]
ΔP = ρgh + Pf + Pi
여기서, ΔP는 위어 압력(ρgh), 전달 시스템내의 액체 마찰력(Pf) 및 내부 대기압(Pi)을 극복하기 위해 필요한 압력차, 즉 액체 펌프 압력이고,
ρ는 액체의 밀도이고,
g는 중력 상수이고,
h는 위어 높이이고,
Pf는 전달 시스템내의 액체 마찰력이고,
Pi는 내부 가스 압력이고,
φ는 위어의 내경이고,
μ는 액체의 점도이며,
h는 위어 높이이다.
밀도(ρ), 중력 상수(g), 위어 높이(h), 위어 내경(φ)이 일정하므로, 유량(Q)은 ΔP에 비례하고, μ에 반비례할 것이다. 액체의 점도(μ)가 어떤 요인에 의해 증가 또는 감소되면, 동일한 유량(Q)을 유지하기 위해, 펌프 압력(ΔP)은 전달되는 액체가 뉴튼 유체라고 가정하면 동일한 요인에 의해 증가 또는 감소해야 할 것이다. 마찬가지로, 유량이 수집 액체(30)상의 가스내에 과도한 미스트 또는 소적을 형성하지 않는 레벨에서 유지된다고 가정하면, 유량(Q)은 펌프 압력(ΔP)을 증가 또는 감소시킴으로써 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 액체 유량 측정의 배치식 방법을 수행하기에 적합한 시스템(10)이 도시되어 있다. 연동 펌프(peristaltic pump)(도시하지 않음)와 같은 적당한 펌프는 위어(36)의 하부에 있는 액체 공급 유입구(28)내로 2방향 공급 밸브(42)를 통한 실질적으로 일정한 압력으로 공급 라인(40)을 통해 액체를 펌핑하는데 이용된다. 2방향 드레인 밸브(44)가 측정시 폐쇄되는 곳에서 정상 유동이 확립된다. 용기 지지부(22)에 결합된 로드 셀(24, 48)의 세트는, 실선(100)으로 표시된 개시 시간의 액체 레벨에서 수집 액체(30)를 포함하는 수집 용기(20)의 순간 총 질량(M1)을 알려준다. 이 시간에서의 액체의 순간 질량은 Mtotal = Mliquid - Mempty이다. 그 다음, 시간(T1)에서의 질량(M1)이 샘플링되어 제어기(50)용 디지털 포맷으로 변환된다. 그 다음, 시간(T2)에서의 질량(M2)은 수집 액체(30)의 레벨이 점선(102)까지 상승할 때 샘플링된다. 이 제 2 질량 측정은 샘플링되어 제어기(50)용 디지털 포맷으로 변환될 수 있다. 질량 흐름률의 측정값의 오차를 감소시키기 위해, 시스템(10)은 동일한 기술을 이용하여 짧은 시간에 걸쳐 다수의 샘플을 취할 수 있다. 액체 유량(Q)은 사전결정된 시간 간격에 대한 로드 셀(24, 48)에 의해 기록된 질량 변화로 유도된다.
그 후, 시간 경과에 따른 유체 체적 변화는 시간 경과에 따른 생성물의 질량 변화와, 상수항인 액체 밀도로부터 계산될 수 있다.
[수학식 6]
ΔT = ΔM/ρ= (M2- M1)/ρ
여기서, ΔM은 사전결정된 시간 간격에 대한 수집 용기(20)내의 액체에 의해 얻어진 순 질량(net mass)을 반영하는 시간 간격(T2 및 T1)에 따른 질량 변화이고, M2, M1은 시간 간격(T2 및 T1)에 따른 로드 셀(24, 48)로부터의 측정된 총 질량 데이터이다.
액체 유량(Q)은 시간 간격에 따른 액체 체적 변화로 규정될 수 있다.
[수학식 7]
Q = ΔV/ ΔT = (V2-V1)/(T2-T1)
여기서, Q는 액체 유량이고,
ΔV는 시간 간격(T2 및 T1)에 따른 액체 체적 변화이며,
ΔT는 최종 측정(T2)과 개시 측정(T1)에 대한 시간 간격이다.
치환에 의해, 유량이 이하에서와 같이 결정된다.
[수학식 8]
Q = ΔM/(ρ ΔT) = (M2-M1)/(ρ(T2-T1))
여기서, 액체 물성은 측정 과정동안 실질적으로 변화 없이 유지되는 것으로 가정한다.
순간 체적 정보는 상술한 관계를 이용하여 로드 셀(24, 48)에 의해 기록된 순간 질량 데이터에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 9]
V = Mliquid/ρ
여기서, 시간 상수(T)에서, Mtotal = Mliquid - Mempty이다.
도 5는 피드백 제어 방법을 이용하여 액체 유량 측정 시스템(41)의 일 실시예이다. 피드백 제어의 이론은 잘 공지되어 있으며, 시스템이 어떻게 피드백 제어를 실시하는지에 대해서만 설명할 것이다.
일 실시예에 있어서, 액체 유량 측정 시스템(41)은 배치식 피드백 제어 흐름 법을 기술하고 있다. 제어기(50)는 입력(39, 49, 51)을 수신하여, 피드백 제어 신호(55, 57)를 출력한다. 제어기(50)는 피드백 제어 신호(55, 57)를 대응하는 3방향 밸브(14)와 2방향 드레인 밸브(44)에 송신한다. 압력 센서(37)는 수집 용기(20)내의 가스압을 지시하는 입력(39)을 발생한다. 로드 셀(24, 38)은 수집 용기(20)의 질량을 지시하는 입력(49)에 임의의 수집 액체를 제공한다. 입력(51)은 소망의 유량(Qo)을 지시한다. 피드백 제어 신호(55, 57)의 크기는 입력(39, 41)의 합과 입력(51) 사이의 차이에 대응한다.
배치식 방법으로 일정한 드레인 속도로 드레인 라인(46)을 유지하기 위해, 피드백 제어 신호(55)는 3방향 밸브(14)를 작동시켜, 떨어지는 액체 레벨로부터 유량 감소를 보상하기 위해 비반응성 가스(12)를 가스 유입구(18)내로 유입함으로써 수집 용기(20)내의 압력을 조절한다. 피드백 제어 신호(57)는 2방향 드레인 밸브(44)를 작동시켜, 드레인 라인(46)을 통해 수집 액체(30)의 드레인 속도를 증가 또는 감소시킨다. 특정 시간에 대한 수집 액체의 질량의 감소가 사전결정된 오차 범위내에서 액체 드레인 속도를 성취하는 것을 지시하는 피드백 제어 신호(55, 57)가 영(zero)에 근접할 때, 일정한 드레인 속도에 도달된다.
다른 실시예에 있어서, 액체 유량 측정 시스템(41)은 정상 상태 피드백 제어 흐름법을 실시하는데 이용될 수 있다. 정상 상태시, 수집 용기(20)내에 공급된 액체의 양과, 수집 용기(20) 외부로 드레인된 액체의 양은 동일하거나, 사전결정된 오차 범위내에 있다. 영 또는 영 근방에서, 시간에 따른 질량 변화가 발생되어 정 상 상태 방법 동안에 기록된다. 따라서, 소망의 유량은 도 6a에 도시한 바와 같은 흐름도에서 설명하는 바와 같이 정상 상태 일정 유동법이 개시되기 전에 수집 용기(20)내에서 확립되는 것이 바람직하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 입력(39, 49, 51)은 제어기(50)내로 공급된다. 정상 상태 동안에 피드백 제어 신호(59)는 전체 방법 동안에 확립된 공급 유량으로 2방향 공급 밸브(42)를 개방 유지하도록 송신되는 것이 지적되어야 한다. 제어기(50)는 대응하는 밸브에 입력(39, 49)의 합과 입력(51) 사이의 차이에 근거한 오차 크기로 피드백 제어 신호(55, 57)를 전달함으로써 드레인 속도를 유지한다.
피드백 제어 신호(55)는 수집 용기(20)내의 내부 가스압(38)을 증가 또는 감소시키도록 3방향 밸브(14)를 작동시킨다. 피드백 제어 신호(57)는 드레인 라인(46)을 통하여 수집 액체(30)의 드레인 속도를 증가 또는 감소시키도록 2방향 드레인 밸브(44)를 작동시킨다. 새로운 유량 명령 입력(51)이 유입구(28)내로의 액체의 유량을 조절하기 위해 2방향 공급 밸브(42)를 작동시키도록 제어기(50)에 송신되지 않으면, 피드백 제어 신호(59)는 소망의 유량에 도달할 때 사전결정된 오차 범위내에 유지된다. 새로운 유량 명령 입력(51)이 실행되기만 하면, 제어기(50)는 3방향 밸브를 통해 내부 가스압을 작동시키고, 액체 공급 유량으로 액체를 배출하도록 2방향 드레인 밸브(44)를 작동시킬 것이다. 정상 상태에서, 평형 상태의 액체 공급 및 드레인 유량은 피드백 제어 신호(55, 57, 59)가 모두 영에 근접할 때 소망의 액체 유량에 도달되며, 시간에 따른 총 질량 변화는 영 또는 수용가능한 오차 범위내에 있을 것이다.
피드백 제어 신호(55, 57, 59)는 오차의 크기를 감소하도록 오프셋 효과를 형성한다. 오차 범위의 크기는, 측정시의 액체의 특성의 안정성, 충격 또는 섭동 격리 설계, 환경적인 섭동에 대한 물리적 지속성 설계, 샘플링 속도에 대한 피드백 루프의 반응 시간, 유압 시스템의 민감성, 로드 셀(24, 48)의 민감성, 수집 액체(30)와 수집 용기(20)를 구비한 액체 유량 측정 시스템(41)의 결합된 총 질량에 대한 수집 액체(30)의 질량률 및 샘플링 오차 등의 요인에 따라 다르다.
액체 전달 시스템의 성능을 비교할 목적으로, (1) 액체의 물성은 온도 변화율의 적당한 범위 이상에서 실질적으로 변화되지 않고, (2) 피드백 루프의 반응 시간은 질량 샘플링 속도보다 빠른 다수의 차순이고, (3) 액체 공급 및 드레인 펌핑 시스템의 유압 상태는 적당하게 일정한 압력 조건에서 유지될 수 있으며, (4) 로드 셀은 작은 질량 변화 감지를 할 수 있음을 가정한다. 그 다음, 이하의 고려 사항을 최적화하도록 이러한 조건이 만족되면, 이 시스템을 개선하는데 도움이 될 것이다. (1) 수집 용기에 대한 수집 액체의 질량비에 근거하여 전체 시스템의 민감성은 가능한 한 높아야 하고, (2) 환경적인 물리적 섭동의 지속성이 최소화되어야 한다.
일 실시예에 있어서, 수집 용기(20)는 폴리프로필렌과 같은 경량 재료로 구성된다. 따라서, 수집 액체(30)의 질량은 저 유량 측정에서 주요하다. 수집 용기(20)의 크기가 고 정밀도로 넓은 범위의 액체 유량을 측정하도록 크기 설정될 수 있으므로, 전체 시스템 민감성은 높다. 유량 측정이 수집 용기(20)내에 소적이 형성되는 것을 회피하는 연속적인 흐름법이기 때문에, 샘플링 오차의 원인인 소적이 거의 없거나 전혀 없다. 마지막으로, 수집 용기(20)내의 위어(36)는 환경적인 물 리적 섭동에 응답하여 액체 이동을 감쇠하여, 질량 감지법에서 이동하는 부품이 없다.
도 6a 및 도 6b는 2가지 피드백 제어 방법, 즉 도 5와 관련하여 기술되었던 (1) 배치식 일정 유동법 및 (2) 정상 상태 일정 유동법을 설명하고 있다.
도 6a는 단계(228)까지는 도 3과 동일하다. 소망의 유량(Qo)은 도 6b에 설명된 피드백 제어 방법중 어느 하나를 진행하기 전에 확립되어 있다. 이에 따라, 수집 액체(30)는 수집 용기(20)내의 특정 레벨에 도달해야 하고, 수집 액체(30)는 소망의 유량(Qo)으로 드레인되고 어느 쪽의 피드백 방법을 통해 일정하고 안정되게 유지될 수 있다.
도 6b는 단계(242)에서 개시하는 2가지 피드백 제어 방법을 설명하고 있다. 정상 상태 일정 유동법(244)과 배치식 일정 유동법(248)은 전술한 단계(252, 254, 256, 258, 262)와 같은 공통 단계를 공유하지만 어떠한 차이점이 있다. 제 1 차이점은 2방향 공급 밸브(42)가 정상 상태 흐름법 동안에 단계(246)에서 액체에 대해 개방된 채로 유지되지만, 2방향 공급 밸브(42)는 배치식 일정 유동법 동안에 단계(250)에서 폐쇄된 채로 유지되는 점이다. 제 2 차이점은 드레인되는 액체의 양이 배치식 일정 유동법 동안에 방해받지 않고 동일한 공급 유량(Qo)으로 일정하게 보충될 것이고, 고갈된 수집 액체(30)가 배치식 방법에서 보충되지 않기 때문에 수집 용기(20)내의 모든 수집 액체(30)가 모두 고갈되거나, 이 방법이 종료될 때까지, 액체 레벨은 소망의 유량(Qo)으로 감소될 것이기 때문에, 전체 정상 상태 일정 유동 법을 통해 실질적으로 변화되지 않는 점이다.
다른 차이점은 정상 상태 일정 유량을 지시하는 로드 셀로부터의 순 제로 질량 변화(net zero mass change)를 판독할 것이라는 점이며, 순간 유량(Q)은 단계(264)에서 소망의 유량(Qo)에 동일하지만 배치식 일정 유동법은 소망의 유량(Qo)에 동일한 순간 일정 유량(Q)을 지시하는 로드 셀로부터 질량 감소를 판독할 것이다.
따라서, 양자의 피드백 제어 방법에 있어서, 수집 용기(20)내의 내부 가스압(38)은 단계(274) 또는 단계(282)에서 비반응성 가스(12)와 같은 가스를 공급 또는 배출함으로써 조절될 것이고, 2방향 드레인 밸브는 소망의 유량(Qo)으로 일정한 유량을 유지하도록 단계(270) 또는 단계(278)에서 작동될 것이다. 새로운 유량 명령 변화(Qn)가 배치식 일정 유동법 또는 정상 상태 일정 유동법 동안에 수신되면, 이 방법은 순간 유량(Q)이 수용가능한 오차 범위내에 소망의 새로운 유량(Qn)에 일치할 때까지 도 6b에 도시한 단계에 따라서 수집 용기(20)에서 유량을 작동함으로써 섭동에 반응할 것이다.
본 발명에 따른 액체 유량 측정 시스템 및 방법은 민감하여 저유량을 측정하기에 매우 적합하며, 시스템 및 방법은 원한다면 점도의 범위를 포함하는 액체 유량의 넓은 범위를 측정하도록 조정될 수 있다. 또한, 액체 유량 시스템은 단순, 견고하고 적은 제조비용이 들며, 환경 변화와 작은 물리적 섭동에 비교적 영향을 받지 않는다.

Claims (18)

  1. 액체의 유량을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    공급 밸브와 드레인 밸브에 결합된 수집 용기와,
    상기 액체용 통로를 상기 수집 용기내에 제공하는 위어(weir)로서, 상기 액체는 상기 위어의 하부로부터 상부까지 이동하고 상기 수집 용기내로 넘쳐흐르는, 상기 위어와,
    상기 수집 용기에 결합되고, 수집된 상기 액체를 갖는 상기 수집 용기의 질량을 지시하는 로드 셀 신호를 발생시키는 로드 셀과,
    상기 수집 용기 내로의 액체 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 제어기와,
    상기 수집 용기에 결합된 가스 밸브를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 수집 용기로부터 배기하거나 상기 수집 용기에 비반응성 가스를 공급하도록 상기 가스 밸브를 작동시키는 전자 신호를 송신하는
    유량 측정용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 공급 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 제어기로부터의 전자 신호에 응답하여 작동함으로써 제어가능한
    유량 측정용 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기로의 상기 수집 용기의 가스압을 지시하는 전자 신호를 발생시키는 가스압 센서를 더 포함하는
    유량 측정용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    비반응성 가스의 압력 변화는 상기 제어기로부터의 전자 신호에 응답하여 상기 수집 용기내로의 상기 액체 유량의 변화를 발생시키는
    유량 측정용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드 셀 신호는 전자식 아날로그 신호 또는 디지털 신호인
    유량 측정용 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 안정화 기간후에 상기 로드 셀 신호를 샘플링하고, 상기 수집 용기내로의 액체 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는
    유량 측정용 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 수집 용기내로의 액체 유량을 소망의 액체 유량과 비교함으로써 피드백 오차 신호를 발생시키며, 상기 피드백 오차 신호는, 상기 피드백 오차 신호가 사전결정된 오차 범위내에 있고 상기 액체 유량이 상기 소망의 액체 유량의 사전결정된 범위내에 있을 때까지 상기 가스 밸브와, 상기 공급 밸브와, 상기 드레인 밸브 중 적어도 하나를 작동시키는
    유량 측정용 시스템.
  8. 액체의 유량을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    공급 밸브와 드레인 밸브에 결합된 수집 용기와,
    상기 액체용 통로를 상기 수집 용기내에 제공하는 위어로서, 상기 액체는 상기 위어의 하부로부터 상부까지 이동하고 상기 수집 용기내로 넘쳐흐르는, 상기 위어와,
    상기 수집 용기에 결합되고, 수집된 상기 액체를 갖는 상기 수집 용기의 질량을 지시하는 로드 셀 신호를 발생시키는 로드 셀과,
    상기 수집 용기 내로의 액체 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 제어기를 포함하고,
    상기 위어는 기둥 또는 튜브를 포함하며, 상기 위어의 상부는 상기 수집 용기의 하부로부터 위쪽에 있고,
    상기 액체는 미스트 또는 소적을 형성하지 않고 상기 위어의 상부에서 중력에 의해 상기 수집 용기내로 점차적으로 넘쳐흐르게 하는 일정 압력으로 상기 위어의 하부로부터 펌핑되는
    유량 측정용 시스템.
  9. 액체의 유량을 측정하는 방법에 있어서,
    통로용 위어를 수집 용기내에 제공하는 단계와,
    상기 액체가 상기 위어를 넘쳐흐르고 상기 수집 용기내에 수집되도록 액체를 상기 위어에 공급하는 단계와,
    수집된 상기 액체를 갖는 상기 수집 용기의 질량을 지시하는 로드 셀 신호를 발생시키는 단계와,
    상기 수집 용기내로의 상기 액체의 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 단계와,
    제어기로부터의 전자 신호에 응답하여 작동함으로써 제어가능한 액체 공급 밸브와 드레인 밸브를 제공하는 단계와,
    상기 수집 용기로부터 배기하거나 상기 수집 용기에 비반응성 가스를 공급하도록 가스 밸브를 작동하도록 상기 제어기로부터의 전자 신호를 송신하는 단계를 포함하는
    유량 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기로의 상기 수집 용기의 가스압을 지시하는 전자 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는
    유량 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 수집 용기내로의 액체 유량을 변화시키도록 상기 비반응성 가스압을 변화시키는 단계를 더 포함하는
    유량 측정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    안정화 기간후에 상기 로드 셀 신호를 샘플링하고, 상기 수집 용기내로의 액체 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 단계를 더 포함하는
    유량 측정 방법.
  13. 액체의 유량을 측정하는 방법에 있어서,
    통로용 위어를 수집 용기내에 제공하는 단계와,
    상기 액체가 상기 위어를 넘쳐흐르고 상기 수집 용기내에 수집되도록 액체를 상기 위어에 공급하는 단계와,
    수집된 상기 액체를 갖는 상기 수집 용기의 질량을 지시하는 로드 셀 신호를 발생시키는 단계와,
    상기 수집 용기내로의 상기 액체의 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 단계와,
    상기 액체는 미스트 또는 소적을 형성하지 않고 상기 위어의 상부에서 중력에 의해 상기 수집 용기내로 점차적으로 넘쳐흐르게 하는 일정 압력으로 상기 위어의 하부로부터 상기 액체를 공급하는 단계를 포함하는
    유량 측정 방법.
  14. 액체의 유량을 측정하는 방법에 있어서,
    가스 밸브와, 공급 밸브와, 드레인 밸브에 결합되는 수집 용기를 제공하는 단계와,
    통로용 위어를 상기 수집 용기 내에 제공하는 단계와,
    상기 액체가 상기 위어를 넘쳐흐르고 상기 수집 용기내에 수집되도록 액체를 상기 위어에 공급하는 단계와,
    수집된 상기 액체를 갖는 상기 수집 용기의 질량을 지시하는 로드 셀 신호를 발생시키는 단계와,
    상기 수집 용기내로의 상기 액체의 유량을 지시하도록 상기 로드 셀 신호를 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 수집 용기 내로의 액체 유량과 소망의 액체 유량을 비교함으로써 피드백 오차 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 상기 피드백 오차 신호는, 상기 피드백 오차 신호가 사전결정된 오차 범위 내에 있고 상기 액체 유량이 상기 소망의 액체 유량의 사전결정된 범위 내에 있을 때까지 상기 가스 밸브와, 상기 공급 밸브와, 상기 드레인 밸브 중 적어도 하나를 작동시키는
    유량 측정 방법.
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