KR101195491B1 - 하이브리드형 가스 유량계 - Google Patents

하이브리드형 가스 유량계 Download PDF

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KR101195491B1
KR101195491B1 KR1020110115552A KR20110115552A KR101195491B1 KR 101195491 B1 KR101195491 B1 KR 101195491B1 KR 1020110115552 A KR1020110115552 A KR 1020110115552A KR 20110115552 A KR20110115552 A KR 20110115552A KR 101195491 B1 KR101195491 B1 KR 101195491B1
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김일환
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주식회사 태산에너지기술
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Abstract

본 발명은 하이브리드형 가스 유량계에 관한 것으로, 유입구(11)와 유출구(12)가 각각 형성된 케이싱(10)과; 상기 유입구(11)와 상기 유출구(12) 사이를 연결하는 연결배관(20)과; 상기 연결배관(20)에 설치되는 소닉노즐(30)과; 상기 소닉노즐(30)의 전단의 가스 압력을 측정하는 전단압력센서(40)와; 상기 소닉노즐(30)의 후단의 가스 압력을 측정하는 후단압력센서(50)와; 상기 케이싱(10) 주변의 대기압을 측정하는 대기압센서(60)와; 상기 소닉노즐(30을 통과하는 가스의 온도를 측정하는 온도센서(70)와; 상기 소닉노즐(30)을 통과하는 가스의 후단압력에 대한 전단압력의 압력비에 따라 유량 계산식을 다르게 적용하여 유량을 산출하는 컨트롤러(80) 및; 상기 컨트롤러(80)를 통해 산출된 유량에 대한 정보를 출력하는 디스플레이부(90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 낮은 압력비 하에서도 소닉노즐을 이용하여 가스 유량을 측정하기 때문에 오리피스 플레이트와 벤튜리관 등을 이용한 종래의 차압식 가스 유량계에 비해 훨씬 정확하게 유량을 측정할 수 있다.

Description

하이브리드형 가스 유량계{HYBRID-TYPE GAS FLOWMETER}
본 발명은 가스 유량계에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 유로를 통과하는 가스의 유량을 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는 하이브리드형 가스 유량계에 관한 것이다.
가스 유량계(flowmeter)는 그 내부에 가스가 흐르는 배관에 설치되어 배관을 통과하는 가스의 유량을 측정하는 장치로서, 이러한 가스 유량계에는 가스 유량을 측정하는 방식에 따라 차압 유량계, 속도 유량계, 변위 유량계, 질량 유량계, 오픈 채널 유량계 등이 있다.
이 중 차압 유량계는 배관 내부에 흐름에 대한 장애물로 작용하는 교축장치(throttle device)를 삽입하여 이러한 교축장치로 인한 압력차를 이용하여 유량을 측정하는 방식으로서 가장 대표적인 것으로 오리피스 플레이트, 벤투리관 및 소닉 노즐 등을 이용한 것을 들 수 있다.
오리피스식 유량계는 원형의 판 중앙에 동심원의 구멍을 뚫은 오리피스 플레이트를 유체가 흐르는 배관 중에 설치하여 오리피스 플레이트에 의해 생성된 압력차를 측정하여 유량을 측정하는 방식이다.
또한 벤투리관식 차압 유량계는 유체 통로에 단면적이 줄어드는 벤튜리관을 삽입하여 차압을 발생시켜 유량을 측정하는 방식의 유량계이다.
오리피스 플레이트와 벤튜리관을 이용하는 방식의 유량계는 구조가 간단하고 가격이 저렴한 반면, 배관 내의 유량이 작은 곳에서는 측정 정밀도가 낮다는 단점이 있다.
상기와 같은 오리피스 플레이트식 유량계와 벤튜리관식 유량계의 단점을 보완하기 위한 것으로 소닉 노즐을 이용한 유량계가 사용되기도 하는데, 이러한 소닉 노즐은 수렴부(Converging Section)와 발산부(Diversing Section)로 이루어지는데, 노즐을 통과하는 가스는 수렴부에 의해 점점 가속되어 노즐 목(throat)에서 최대가 되는데, 가스의 상류측 압력과 하류측 압력의 비가 일정 값(임계압력비, 이론적으로는 1.2배) 이상이 되면 노즐 목에서의 유속이 음속(Mach 1)에 이르게 되는데, 이때에는 노즐 하류측의 압력을 낮추더라도 유량이 변하지 않기 때문에 즉, 가스의 유량이 하류측의 압력에 영향을 받지 않기 때문에 노즐 전단에서의 압력과 온도만 측정하여 사용하며, 이러한 소닉 노즐을 이용한 가스 유량계는 반복적이며 정확한 가스 유량을 측정할 수 있어 많은 제어시스템에 사용되고 있는데, 그 하나의 예로서 특허 제10-983948호의 정밀 유량 측정장치를 들 수 있다.
그러나 이러한 소닉노즐을 이용한 가스 유량계는 정확도는 띄어나지만 가스 배관의 전후단에서의 압력비가 임계압력비(critical pressure ratio) 이상에만 사용될 수 있고, 또한 극히 정밀한 노즐의 가공이 요구되기 때문에 이러한 소닉노즐을 이용한 유량계는 주로 교정검사용이나 산업용 표준 유량계로서 한정 사용되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 가스 유량계가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 배관의 전후단의 압력차에 상관없이 전범위의 압력에 걸쳐 유량을 정확하게 측정할 수 있고, 또한 범용으로서 휴대하기에 간편한 하이브리드형 가스 유량계를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 가스 유량계를, 유입구와 유출구가 각각 형성된 케이싱과; 상기 유입구와 상기 유출구 사이를 연결하는 연결배관과; 상기 연결배관에 설치되는 소닉노즐과; 상기 소닉노즐의 전단의 가스 압력을 측정하는 전단압력센서와; 상기 소닉노즐의 후단의 가스 압력을 측정하는 후단압력센서와; 상기 케이싱 주변의 대기압을 측정하는 대기압센서와; 상기 소닉노즐을 통과하는 가스의 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 소닉노즐을 통과하는 가스의 후단압력에 대한 전단압력의 압력비에 따라 유량 계산식을 다르게 적용하여 유량을 산출하는 컨트롤러 및; 상기 컨트롤러를 통해 산출된 유량에 대한 정보를 출력하는 디스플레이부를 포함하여 구성하는 것에 의해 달성된다.
이때 상기 컨트롤러에는 상기 파이프를 통과하는 가스의 종류를 선택하여 입력할 수 있도록 하는 선택버튼이 구비될 수 있다.
또한 상기 컨트롤러는 상기 전단압력센서에서 측정된 가스의 압력이 상기 후단압력센서에 의해 측정된 가스의 압력의 2배 이상인 경우에는 소닉노즐 유량 계산식을 적용하고, 압력비가 2배 이하인 경우에는 차압 유량 계산식을 적용하여 유량을 계산하는 것으로 실시될 수 있다.
본 발명은 임계압력비 이상에서 휴대 가능한 소닉노즐을 이용하여 정확하고도 쉽게 가스 유량을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 압력비 하에서도 소닉노즐을 이용하여 가스 유량을 측정하기 때문에 오리피스 플레이트와 벤튜리관 등을 이용한 종래의 차압식 가스 유량계에 비해 훨씬 정확하게 유량을 측정할 수 있다.
또한 본 발명의 가스 유량계에는 측정대상이 되는 가스의 종류를 선택할 수 있는 선택버튼이 마련되어 있어, 다양한 종류의 가스 유량을 정확하고 간편하게 측정할 수 있다.
도 1은 종래의 소닉노즐의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차압 유량계의 예를 보인 사시도,
도 3은 도 2의 내부 구성을 보인 사시도,
도 4는 도 3의 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 소닉노즐, 전,후단압력센서, 온도센서 및 대기압센서의 배치를 나타낸 구성도이다.
이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 종래의 오리피스식 및 벤튜리관식 가스 유량계와 소닉 노즐을 이용한 가스 유량계가 가지는 문제점을 동시에 해결할 수 있도록 하는 하이브리드형 가스 유량계에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은 케이싱(10), 연결배관(20), 소닉 노즐(30), 전단압력센서(40), 후단압력센서(50), 대기압센서(60), 온도센서(70), 컨트롤러(80) 및 디스플레이부(90) 등을 포함한다.
케이싱(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 그 내부에 수용공간이 마련된 함체형상으로서, 그 전면에는 컨트롤러(80)와 디스플레이부(90)가 노출되도록 설치되고, 양측면에는 각각 유입구(11)와 유출구(12)가 형성되며, 이러한 유입구(11)와 유출구(12)는 케이싱(10)의 내부에 설치된 연결배관(20)과 연결된다.
또한 케이싱(10)의 일측에는 전원케이블이 연결되는 케이블연결단자(13)와, 전원을 공급 및 차단하는 전원스위치(14)가 구비된다.
그리고 케이스(10)의 상면에는 이동이 용이하도록 파지 가능한 형태의 손잡이(15)가 구비된다.
연결배관(20)은 케이싱(10) 내부에 설치되어 유입구(11)와 유출구(12)와 연결되고, 이러한 연결배관(20)은 그 내부로 가스가 통과하는 유로로서 기능하며, 이 연결배관(20)에는 소닉노즐(30)이 설치된다.
소닉노즐(30)은 연결배관(20)의 내부를 흐르는 가스의 유체의 유량을 측정하기 위한 것으로 이러한 소닉노즐(30)의 전,후단에는 각각 전후단압력센서(40, 50)가 설치되고, 소닉노즐(30)을 통과하는 가스의 온도를 측정할 수 있도록 연결배관(20)에는 온도센서(70)가 설치된다.
앞에서 설명한 바와 같이 소닉노즐(30)은 임계압력비가 유지되기만 하면 하류측의 압력과 상관없이 일정한 유량의 가스가 흐르기 때문에 후단압력센서(50)를 설치할 필요가 없으나, 본 발명에서는 임계압력비 이하에서도 소닉노즐이 유량을 측정할 수 있도록 소닉노즐(30)의 후단에도 후단압력센서(50)가 설치된다.
전,후단압력센서(40, 50)와 온도센서(70)는 도 4에 도시된 바와 같이 소닉노즐(30)의 전,후단에 각각 설치되어 노즐을 통과하는 가스의 압력과 온도를 각각 측정하는데, 이에 의해 전단압력과 후단압력이 측정되고, 본 발명에서는 이 측정된 전후단압력의 압력비에 따라 아래의 수학식 1의 소닉노즐 유량 계산식을 적용하거나 또는 아래의 수학식 2의 차압 유량 계산식을 적용하여 연결배관(20) 내부를 흐르는 가스의 유량을 산출한다.
Figure 112011087845918-pat00001
여기서,
Figure 112011087845918-pat00002
은 가스의 질량유량,
Figure 112011087845918-pat00003
는 소닉노즐의 목(throat)의 단면적,
Figure 112011087845918-pat00004
는 유량계수,
Figure 112011087845918-pat00005
는 임계유동 함수,
Figure 112011087845918-pat00006
은 소닉노즐의 전단압력,
Figure 112011087845918-pat00007
는 가스상수 비율, T_1은 소닉노즐의 전단온도이다.
Figure 112011087845918-pat00008
여기서,
Figure 112011087845918-pat00009
은 가스의 유량,
Figure 112011087845918-pat00010
은
Figure 112011087845918-pat00011
,
Figure 112011087845918-pat00012
은 배관에 대한 소닉노즐의 목의 면적비(
Figure 112011087845918-pat00013
),
Figure 112011087845918-pat00014
는 유량계수,
Figure 112011087845918-pat00015
는 소닉노즐의 목(throat)의 직경,
Figure 112011087845918-pat00016
는 팽창계수,
Figure 112011087845918-pat00017
는 가스의 밀도,
Figure 112011087845918-pat00018
는 소닉노즐의 전단압력,
Figure 112011087845918-pat00019
는 소닉노즐의 후단압력이다.
대기압센서(60)는 소닉노즐(30)이 설치된 주변의 대기압을 측정하여 컨트롤러(80)에 송신하는데, 이러한 대기압 정보는 가스의 유량을 산출할 때에 반영되며, 이에 의해 산출되는 유량의 정확도를 향상시킬 수 있다.
컨트롤러(80)는 장치 전체의 기능을 제어하기 위한 것으로 이 컨트롤러(80)에는 사용자가 유량 계산을 위한 각각의 정보를 직접 입력할 수 있도록 하는 입력버튼(81)과, 소닉노즐을 통과하는 가스의 종류를 선택하는 선택버튼(82)이 구비되며, 이에 의해 측정대상이 되는 가스의 종류에 따라 정확한 유량이 산출된다.
또한 컨트롤러(80)에는 외부 출력장치에 의해 측정 데이터와 입력정보 등을 출력할 수 있도록 유/무선통신을 위한 통신장치가 마련될 수 있다.
컨트롤러(80)에 연결 설치되는 디스플레이부(90)는 컨트롤러(80)를 통해 산출된 결과를 출력하고, 또한 사용자가 컨트롤러(80)의 입력버튼(81) 또는 선택버튼(82)을 조작하여 유량 산출에 필요한 값을 입력하거나 변경할 때에 이를 확인할 수 있도록 제반 정보를 출력한다.
이상과 같이 이루어진 본 발명의 가스 유량계를 사용하여 가스의 유량을 측정할 때에는 먼저 유입구(11)와 유출구(12)에 각각 유로를 연결한 다음, 컨트롤러(80)를 제어하여 유량을 측정하는데, 이때 전,후단압력센서(40, 50)에 의해 검출된소닉노즐(30)의 전,후단에서의 압력비, 즉 후단압력에 대한 전단압력의 압력비가 임계압력비 이상인 경우에는 컨트롤러(80)는 소닉노즐 유량 계산식(수학식 1)을 적용하여 유량을 산출한다.
이때 수학식 1의 소닉노즐 유량 계산식을 적용하기 위한 연결배관 전후단에서의 임계압력비는 이론상으로는 1.2배이지만 실제에 있어서는 1.2배의 압력비에서 소닉노즐의 목에서의 가스의 속도가 음속에 이르도록 소닉노즐을 제작하기가 곤란하고, 또한 측정여유를 주기 위해 본 발명에서는 연결배관(20)의 후단압력에 대한 전단압력의 압력비가 2.0배 이상인 경우를 임계압력비로 설정하여 압력비가 2.0배 이상인 경우에는 수학식 1의 소닉노즐 유량 계산식을 적용하고, 2.0배 이하인 경우에는 수학식 2의 차압 유량 계산식을 적용하여 유량을 계산한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 임계압력비 이상에서 휴대 가능한 소닉노즐을 이용하여 정확하고도 쉽게 가스 유량을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 압력비 하에서도 소닉노즐(30)을 이용하여 가스 유량을 측정하기 때문에 오리피스 플레이트와 벤튜리관 등을 이용한 종래의 차압식 가스 유량계에 비해 훨씬 정확하게 유량을 측정할 수 있다.
10: 케이싱 11: 유입구
12: 유출구 13: 케이블연결단자
14: 전원스위치 15: 손잡이
20: 연결배관 30: 소닉노즐
40: 전단압력센서 50: 후단압력센서
60: 대기압센서 70: 온도센서
80: 컨트롤러 81: 입력버튼
82: 선택버튼 90: 디스플레이부

Claims (4)

  1. 유입구(11)와 유출구(12)가 각각 형성된 케이싱(10)과;
    상기 유입구(11)와 상기 유출구(12) 사이를 연결하는 연결배관(20)과;
    상기 연결배관(20)에 설치되는 소닉노즐(30)과;
    상기 소닉노즐(30)의 전단의 가스 압력을 측정하는 전단압력센서(40)와;
    상기 소닉노즐(30)의 후단의 가스 압력을 측정하는 후단압력센서(50)와;
    상기 케이싱(10) 주변의 대기압을 측정하는 대기압센서(60)와;
    상기 소닉노즐(30)을 통과하는 가스의 온도를 측정하는 온도센서(70)와;
    상기 소닉노즐(30)을 통과하는 가스의 후단압력에 대한 전단압력의 압력비에 따라 유량 계산식을 다르게 적용하여 유량을 산출하는 컨트롤러(80) 및;
    상기 컨트롤러(80)를 통해 산출된 유량에 대한 정보를 출력하는 디스플레이부(90)를 포함하고,
    상기 컨트롤러(80)는 상기 전단압력센서(40)에서 측정된 압력이 상기 후단압력센서(50)에서 측정된 압력의 2배 이상인 경우에는 아래의 수학식 1을 적용하여 가스의 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 가스 유량계.

    [수학식 1]
    Figure 112012076069331-pat00043

    여기서,
    Figure 112012076069331-pat00044
    은 가스의 질량유량,
    Figure 112012076069331-pat00045
    는 소닉노즐의 목(throat)의 단면적,
    Figure 112012076069331-pat00046
    는 유량계수,
    Figure 112012076069331-pat00047
    는 임계유동 함수,
    Figure 112012076069331-pat00048
    은 소닉노즐의 전단압력,
    Figure 112012076069331-pat00049
    는 가스상수 비율, T_1은 소닉노즐의 전단온도이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러(80)에는 상기 연결배관(20)을 통과하는 가스의 종류를 선택하여 입력하는 선택버튼(82)이 마련되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 가스 유량계.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러(80)는 상기 전단압력센서(40)에서 측정된 압력이 상기 후단압력센서(50)에 의해 측정된 압력의 2배 이하인 경우에는 아래의 수학식 2를 적용하여 가스의 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 가스 유량계.

    [수학식 2]
    Figure 112011087845918-pat00027

    여기서,
    Figure 112011087845918-pat00028
    은 가스의 유량,
    Figure 112011087845918-pat00029
    은
    Figure 112011087845918-pat00030
    ,
    Figure 112011087845918-pat00031
    은 배관에 대한 소닉노즐의 목의 면적비(
    Figure 112011087845918-pat00032
    ),
    Figure 112011087845918-pat00033
    는 유량계수,
    Figure 112011087845918-pat00034
    는 소닉노즐의 목(throat)의 직경,
    Figure 112011087845918-pat00035
    는 팽창계수,
    Figure 112011087845918-pat00036
    는 가스의 밀도,
    Figure 112011087845918-pat00037
    는 소닉노즐의 전단압력,
    Figure 112011087845918-pat00038
    는 소닉노즐의 후단압력이다.
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KR102158294B1 (ko) 2019-03-20 2020-09-21 자인주식회사 음속 및 아음속에서 측정이 가능한 가스 유량계

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100983948B1 (ko) * 2010-05-06 2010-09-27 김성환 휴대용 정밀유량 측정장치

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