KR101192957B1

KR101192957B1 - 토르크 튜브 조립체를 적용한 패들식 질량 유량계

Info

Publication number: KR101192957B1
Application number: KR1020100081173A
Authority: KR
Inventors: 이성호; 최성길
Original assignee: 이성호
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-10-18
Also published as: KR20100099088A

Abstract

본 발명은 기체, 액체 혹은 혼합 상태의 유체가 흐르는 관로의 외벽에 수직 혹은 단면 방향으로 패들을 설치하여 유량을 측정하고 신호를 전송하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 관로 방향과 수직으로 조립할 수 있도록 부싱(Bushing)이나 플랜지(Flange)형상부를 가지고 있으며 유체가 흐르지 않는 상태에서 패들(Paddle)이 설치구멍을 통하여 관로에 삽입되어 조립된다. 이때 패들의 면은 관로의 단면과 일치하여 설치된다. 패들과 연결된 로드(Rod)는 토르크 튜브 조립체에 연결된다. 이 토르크 튜브 조립체가 패들의 회전축이 됨과 동시에 외부와의 압력을 차단하며 패들에 미친 힘을 로드셀로 전달한다. 관로내에 흐르는 유체가 관 단면 방향으로 설치된 간섭물 즉 패들에 미치는 힘을 측정하므로서 관경에 따른 유량을 계산할 수 있다. 이 유량의 변화에 따라 유체의 밀도와 유속에 따른 패들에 미친 힘은 토르크 튜브의 비틀림 응력변화로 발생하도록 하는 연결장치와 연결되어 있고 이 힘은 로드셀의 의하여 전기 신호로 변환되어 유량으로 변환된다. 본 발명은 고온 고압 공정 조건 하에서 압력을 유지하면서 효율적으로 고정밀의 유량을 측정하며 분진이나 고형물의 영향에 간섭을 받지 않고, 유지관리에 보다 효율적인 방법을 제시하도록 구성된다.

Description

토르크 튜브 조립체를 적용한 패들식 질량 유량계{PADDLE TYPE MASS FLOW METER WITH TORQUE TUBE ASSEMBLY}

본 발명은 질량 유량 측정 기기로서 관로 내에 저항체를 설치하고 유체의 밀도와 유속에 따라 이 저항체에 미치는 힘을 이용하여 유량을 측정하는 패들식 유량 계에 관한 것이다.

본 발명은 저온, 고온, 고압 사용환경에서 슬러리 같은 불순물이나 고형물의 포함 여부에 관계없이 수처리 플랜트, 석유화학 플랜트의 액체탱크나 원자력, 화력발전소의 터빈 등에 연결되는 각종 배관에 설치하여 유량을 측정, 표시하는데 사용된다.

관로 내에 흐르는 유체가 미치는 힘을 이용하는 유량계로서는 질량 유량계인 Coriolis 유량계가 있고, 다른 질량유량계로는 열식유량계가 있다.
본 발명이 속하는 유량 측정 기술에 대하여 유사한 종류의 기기는 세계에서 발명된 바가 없으며 단지 패들을 이용하여 유량제어에 사용하는 기기로는 Flow Switch가 있다.

유량계측기기는 오리피스유량계, 피토관 유량계, 전자유량계, 초음파유량계 등 그 종류가 다양하고 차압식 유량계가 아닌 저항체를 이용한 유량측정기기는 Voltex 유량계, Turbine 유량계 등이 있다.
이러한 유량계의 장점은 차압식 유량계는 측정대상 유체에 고형물이나 불순물이 포함되어 있을 경우 압력 측정공이 좁아져서 발생하는 측정오차나 감압비로 안한 에너지 손실에 비하여 측정시 불순물에 대한 영향이 적고 에너지 손실이 적다는 것이다.

Voltex 유량 측정기기의 경우는 유체가 저항체의 간섭을 받을 경우 특정의 와류가 발생하면 이 와류에 의하여 발생하는 진동주파수를 이용하여 측정하는 것인데, 저유량일 경우 감압비를 증가시켜야 하고 진동이 심한 배관이나 슬러리(Slurry)가 포함된 유체 및 부착성이 있는 유체에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 그리고 이 유량계는 일반적으로 고유속 유량계에 적용한다.

Turbine 유량 측정기기의 경우에는 흐르는 유체가 관로 축에 위치한 블레이드(Blade)를 회전시켜 내장된 장치에 의하여 발생하는 펄스를 측정하여 유량으로 표시한다. 이 기기는 유체에 불순물이 포함된 경우 블레이드를 손상시키거나 회전자의 회전에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 유량계들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 관로 내에 흐르는 유체의 고온, 고압 등의 측정환경 그리고 구성성분이나 점도, 산도에 관계없이 관로의 단면방향으로 설치된 패들에 미치는 힘을 정밀하게 측정하여 질량유량으로 측정할 수 있도록 한 토르크 튜브 조립체에 의해 안정된 유량측정이 가능한 패들식 질량 유량계를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 관로에 패들을 설치하는 작업이 매우 간편하게 이루어지고 측정을 위한 유량범위에 따라 유량측정을 위한 저항체인 패들의 형상을 저렴한 비용으로 사용자의 요구사항이나 특성에 맞게 가변적으로 설계할 수 있도록 한 토르크 튜브 조립체에 의해 안정된 유량측정이 가능한 패들식 질량 유량계를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유체가 흐르는 관로의 외경 표면에 설치공과 플랜지를 포함하는 설치부가 구성된 상태에서 설치공을 통해 패들이 삽입되고 본 발명의 플랜지를 통해 조립된다. 토르크 튜브 조립체에 연결된 패들이 유체의 흐름 방향으로 회전하게 되고 회전으로 인한 토르크 모멘트는 토르트 튜브 조립체의 축을 통하여 로드셀로 전달되어 유량측정에 이용되고 이에 대한 반력은 토르크 튜브에 저장되었다가 유량이 정지하면 패들이 원래대로 유지하도록 구성됨을 특징으로 한다. 패들 면이 유량이 흐르는 관로의 축에 수직으로 형성되고 패들의 회전운동을 지지하는 토르크 튜브 조립체와, 측정기기 전체를 보호하고 관로 내부의 환경을 외부와 차단하며 설치, 조립하도록 하는 토션바 가드(Torsion Bar Guard)와 로드셀이 포함된 로드셀 인크로져와 회로 부분을 포함하는 회로 인크로져로 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 패들 외에 센서부가 관로 배관 외부에 위치해 있으므로 센서부가 유량에 따른 충격이나 부식에 대한 내성을 지니도록 한 구성을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 토르크 튜브 조립체를 적용한 패들식 질량 유량계에 따르면 다음과 같은 뛰어난 효과가 있다.

첫째, 고온 고압 공정 조건하에서 압력을 유지하면서 효율적으로 고정밀의 유량을 측정하며 분진이나 고형물의 영향에 간섭을 받지 않고 안정되고 정밀한 측정이 가능하다.

둘째, 관로내에 패들 설치작업이 용이하게 이루어지고 패들의 원상태로의 복귀가 안정적으로 이루어지며, 사용자의 요구나 특성에 맞는 다향한 형태의 패들 설계가 가능하여 다양한 측정환경에 맞출 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계가 현장 배관에 설치된 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 로드셀 인크로져의 커버를 제거한 정면도로서 기기의 작동원리를 설명하기 위한 이해도.
도 3은 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 패들과 연결되는 토르크 튜브 조립체의 조립 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 패들 형상에 대한 다른 예1을 설명하기 위한 측면도.
도 6는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 패들 형상에 대한 다른 예2을 설명하기 위한 측면도.
도 7는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 패들 형상에 대한 다른 예3을 설명하기 위한 측면도.
도 8은 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 패들 형상에 대한 다른 예4을 설명하기 위한 측면도.
도 9는 본 발명에 따른 패들식 질량 유량계의 측정 이해도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1 내지 도 9에 있어서, 본 발명의 유량계는 토션바가드(1), 토크튜브조립체(2), 패들(3), 연장로드(6), 로드셀인크로져(7), 회로인크로져(8), 센서플랜지(9), 토르크튜브조립체거치대(10), 가스켓(11), 마개(12), 거치부분(13), 작동연결자(21), 고정연결자(22), 힌지로드(23), 토션바힌지(24), 토르크튜브(25), 설치플랜지(49) 등으로 이루어진다.
유체가 흐르도록 설계된 관로(51)의 외경 표면에 일정크기의 설치구멍(50)이 형성되고, 설치 플랜지(49)를 포함하는 설치부(48)가 구성된 상태에서 상기 설치구멍(50)을 통해 패들(3)을 관로(51)내에 삽입하여 센서플랜지(9)를 통해 조립한다.

관로(51)내에 삽입된 패들(3)의 면(52)은 유량이 흐르는 관로의 단면(53)과 평행이 되도록 설치하며(관로의 축에 대해서는 수직으로 설치), 이와 같이 설치된 패들(3)은 연장로드(6)에 끼워져서 도 4에 도시된 바와 같이 토르크 튜브(25)가 조립된 토르크 튜브 조립체(2)의 작동연결자(21)에 연결 조립된다. 따라서 관로(51)내 유량의 흐름에 힘을 받는 패들(3)의 회전 움직임이 연장로드(6)를 통해 작동 연결자(21)에 전달 가능해진다.

한편, 토르크 튜브 조립체(2)는 토션바 힌지(24)를 통해 도 6, 도 7 및 도 8에 부호로 표시된 토션바 가드(1)에 끼워져 토르크 튜브 조립체 고정 너트(26)에 의하여 결속 조립된다. 외팔보 형상으로 고정된 토르크 튜브 조립체(2)는 도 4의 거치부분(13)으로 표시된 바와 같이 토르크 튜브 조립체 거치대(10)에 형성된 홈(부호 생략)내로 작동연결자(21)의 일단이 끼워져서 토르크 튜브 조립체(2)의 마찰없는 회전시 지지 가능하도록 한다.
상기 작동 연결자(21)는 도 4에 도시된 바와 같이 힌지로드(23)를 통해 토션바 힌지(24)쪽으로 연장 구성되며, 작동 연결자(21)에 연결되는 힌지로드(23)는 힌지로드(23)의 길이를 커버할 수 있도록 설계된 토르크 튜브(25)에 내장되는 형태로 설치된다.
따라서 토르크 튜브 조립체(2)에 연결된 패들(3)이 유체의 흐름 방향으로 회전하게 되면 그 회전으로 인한 토르크 모멘트가 토르트 튜브 조립체(2)의 축, 즉 작동 연결자(21), 힌지로드(23)를 통하여 로드셀(5)로 전달되어 유량측정에 이용되고, 상기 토르크 모멘트에 대한 반력은 토르크 튜브(25)에 저장되었다가 유체의 흐름이 정지되면 힌지로드(23), 작동연결자(21)의 안정된 움직임에 의해 패들(3)이 원 상태로 안정적으로 복귀하여 그 상태를 유지하게 된다.
본 발명은 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 토션바 가드(1)의 일단에 가스켓(11)과 마개(12)를 조립하여 내부 압력이 유지되도록 한다. 본 발명은 토션바 가드(1)의 설치부를 통하여 공정 배관에 플랜지 형식 혹은 나사 형식으로 조립되며 별도의 지지물 없이 배관에 고정되도록 구성되어 있다.

삭제

토션바 가드(1)의 타단에는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 내부에 토르크 튜브 조립체(2)의 고정 연결자(22)와 로드셀(5)이 고정자(4)에 의하여 연결 결합되도록 구성된 로드셀 인크로져(7)가 결합된다.

또한, 로드셀 인크로져(7) 일단의 연결구를 통하여 회로 인크로져(8)가 조립되어 내부에 장착된 LCD Window를 통하여 현장에서 유량을 확인할 수 있고, 유량신호를 원거리로 전송할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 장치의 동작에 대해 설명한다.
최초 관로(51) 내부의 유체 흐름에 의하여 발생하는 운동에너지는 유체가 흐르는 관로의 단면(53)과 평행이 되도록 설치된 패들(3)의 면(52)에 축 방향으로 미는 힘으로 작용하고, 연장 로드(6)와 토르크 튜브 조립체(2)의 작동 연결자(21)에 연결된 패들(3)은 작동 연결자(21)를 축으로 하여 회전운동을 하도록 한다. 따라서 이 회전운동은 토르크 튜브(25)내에서 힌지로드(23)를 연동시킨다.
이러한 회전운동은 도 1에 화살표로 도시된 바와 같은 토르크 튜브 모멘트(54)를 발생하게 된다. 즉 패들(3)에 의해 발생된 힘은 토르크 튜브 모멘트(54)로 작용하여 이 모멘트의 양이 힌지로드(23)를 통해 고정자(4)로 전달되고 이어서 로드셀(5)로 전달되어 전기적인 신호로 변환된다.
관로(51)에 흐르는 유체의 량과 패들(3)에 미치는 힘의 관계는 비례하게 되며, 도 9를 참조하여 본 발명의 유량 측정 과정을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

한편

가

에 의해 비례 특정을 가지므로, 여기서 C1은 비례상수,

,

라고 하면

을 유도할 수 있다.
F:힘, ρ:밀도, Q: 유량, V: 유속, A:관단면적, C: 유출계수,
T: 비틀림모멘트

: 토션바 길이

: 비틀림에 의한 각도
L: 회전축으로부터의 거리, I: 관성2차 모멘트 d2:토르크튜브 반지름
d1: 힌지로드 반지름, de: 토르크튜브와 힌지로드의 평균 반지름,
Ff: 유량에 의하여 발생한 힘, Lf: 힌지로드축과 패들까지의 거리
Fs: 로드셀에 미치는 힘, Ls: 로드셀까지의 거리,
Fd: 토르크튜브에 미치는 힘
관로(51)의 내부에 흐르는 유체의 량에 대한 측정이 완료되어 더 이상 유체가 흐르지 않을 경우에는, 토르크 튜브 조립체(2)에 연결된 패들(3)이 유체의 흐름 방향으로의 회전으로 인한 토르크 모멘트가 발생되었던 힘에 대한 반력이 토르크 튜브(25)에 저장되었다가 토선바 힌지(24), 힌지로드(23) 및 작동 연결자(21)의 안정된 움직임에 의해 패들(3)이 원 상태로 안정적으로 복귀하여 원 상태를 유지하게 된다.
한편, 본 발명의 패들은 그 형상이 유량 측정조건에 따라 여러 가지로 구현될 수 있는바, 도 5와 같이 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐있는 봉 형상의 패들(31), 도 6과 같이 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐 있는 판 형상의 패들(32), 도 7과 같이 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐 있는 X자 형상의 패들(33) 및, 도 8과 같이 둥근 공모양 형상의 패들(34) 등으로 다양하게 구성할 수 있다.
이러한 패들의 형상들 역시 상기와 같은 방법으로 유량을 측정하는데 이용될 수 있다.

1 : 토션바 가드(Torsion Bar Guard)
2 : 토르크 튜브 조립체(Torque Tube Assembly)
3 : 패들(Paddle) 4 : 고정자(Fixture)
5 : 로드셀(Load Cell) 6 : 연장 로드(Rod)
7 : 로드셀 인크로져(Load Cell Enclosure)
8 : 회로 인크로져(PCB Enclosure) 9 :센서 플랜지(Sensor Flange)
10 : 토르크 튜브 조립체 거치대 11 : 가스켓(Gasket)
12 : 마개(Plug) 13 : 거치부분
21 : 작동연결자(Operating Connector)
22 : 고정 연결자(Fixture Connector) 23 : 힌지 로드(Hinge Rod)
24 : 토션바 힌지(Torsion Bar Hinge) 25 : 토르크 튜브(Torque Tube)
26 : 토르크 튜브 조립체 고정 너트(Torque Tube Assembly Fix Nut)
31 : 관의 내경을 가로질러 걸처있는 봉 형상의 패들
32 : 관의 내경을 가로질러 걸처있는 판 형상의 패들
33 : 관의 내경을 가로질러 걸처있는 X자 형상의 패들
48 : 설치부 49 : 설치 플랜지
50 : 설치구멍 51 : 관로(Pipe line)
52 : 패들(Paddle)면 53 : 관로 단면
54 : 토르크 튜브 모멘트(Moment)
55 : 토르크 튜브 조립체(Torque Tube Assembly)의 모멘트

Claims

기체, 액체 혹은 혼합 상태의 유체가 흐르는 관로내 유량을 측정하고 신호를
전송하는 장치에 있어서,
유체가 흐르도록 설계되고, 외경 표면에 설치구멍(50)이 형성된 관로(51);
상기 설치구멍(50)을 통해 관로(51)내에 패들 면(52)이 유량이 흐르는 관로(51)의 단면(53)과 평행이 되도록 삽입 설치되어 관로(51)내를 흐르는 유체의 힘을 받아 토르크 모멘트를 발생하도록 하는 패들(3);
상기 패들(3)에 연결되는 연장 로드(6);
상기 패들(3)로부터 연장 로드(6)를 통해 전달되는 유체의 힘을 비틀림응력으로 발생하여 유량을 측정하도록, 연장 로드(6)에 연결되어 패들(3)이 관로(51) 내부를 흐르는 유체의 힘을 받으면 연장 로드(6)를 통해 그 힘을 전달받아 회전되는 작동 연결자(21)와, 상기 작동 연결자(21)에 연결되어 연동되는 힌지로드(23)와, 상기 힌지로드(23)를 내장하여 유체의 흐름에 의한 패들(3)의 회전시와 유체의 흐름이 정지되어 패들(3)의 원상태로의 복귀시 가이드하는 토르크튜브(25)를 포함하는 토르크튜브 조립체(2);
상기 작동 연결자(21)의 일측이 끼워져서 패들(3)의 회전에 따라 연장 로드(6)를 통해 전달되는 토르크 모멘트에 의한 회전이 가능하도록 거치부분(13)이 형성된 토르크튜브 조립체 거치대(10);
일단에 구성되어 압력이 유지되도록 하는 가스켓(11)및 마개(12)을 포함하고, 토르크 튜브 조립체 고정 너트(26)에 의하여 상기 토르크튜브 조립체(2)에 토션바 힌지(24)를 통해 결속 고정되어 토르크 튜브 조립체(2)를 보호하고, 관로(51) 내부의 환경을 외부와 차단하는 토션바 가드(1); 및
상기 토션바 가드(1)의 타단에, 내부에 토르크 튜브 조립체(2)의 고정 연결자(22)와 로드셀(5)이 고정자(4)에 의해 연결 결합되도록 구성된 상태로 결합되는 로드셀 인크로져(7)로 이루어진 것을 특징으로 하는 토르크 튜브 조립체를 적용한 패들식 질량 유량계.
제1항에 있어서,
상기 패들(3)은, 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐 있는 봉 형상의 패들(31), 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐 있는 판 형상의 패들(32), 관로(51)의 내경을 가로질러 걸쳐 있는 X자 형상의 패들(33) 및, 둥근 공모양 형상의 패들(34)로 선택적으로 구성됨을 특징으로 하는 토르크 튜브 조립체를 적용한 패들식 질량 유량계.