KR101340650B1

KR101340650B1 - 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계

Info

Publication number: KR101340650B1
Application number: KR1020130063720A
Authority: KR
Inventors: 최성길; 황일현
Original assignee: 주식회사 서진인스텍
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-12-11

Abstract

본 발명은 초저 전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계를 개사한다. 본 발명은 1㎲/㎝ 이하의 초저 전도도를 지니는 유체가 흐르면 매우 미세한 전압 변화가 발생하는 것을 검지하여 이를 원시신호로서 사용하고, 각각의 유량 검지신호를 유량대별로 증폭율을 달리 적용하는 증폭기에 의해 증폭하여, 유량대별로 달리 적용된 증폭율에 상응하는 유량교정변수를 적용하여 환산함으로써 넓은 범위에 걸쳐 유량 측정의 정확도를 향상시킨다.

Description

초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계{Flow meter for measuring flow rate at several flow rate zones having very low conductive }

본 발명은 출원인의 선출원 제10-2012-0015786호(특허등록 제10-1196755호)에 관련된 기술이다.

본 발명은 초저전도도를 갖는 유체의 량(유량)을 고유량대, 중유량대 및 저유량대로 각각 구분 설정하고, 각각의 유량 검지신호를 유량대별로 증폭율을 달리 적용하는 증폭기에 의해 증폭하여, 유량대별로 달리 적용된 증폭율에 상응하는 유량교정변수를 적용하여 환산함으로써 넓은 범위에 걸쳐 유량 측정의 정확도를 향상시킨 것이다.

본 출원인의 선출원 제10-2012-0015786호는 도 1에 도시된 바와 같이, 관로에 설치되어 그 내부를 흐르는 유체의 량을 상시 검지하는 센서(10); 센서(10)에서 검지된 유량신호를 안정된 유량신호로 증폭하는 안정화증폭기(20); 고유량, 중유량 및 저유량으로 구분 설정된 유량대중 어느 하나의 유량대를 선택하는 유량대별 선택기(30); 유량대별 선택기(30)에서 고유량대로 선택된 고 유량신호를 증폭하는 증폭기(40); 유량대별 선택기(30)에서 중유량대로 선택된 중 유량신호를 증폭하는 증폭기(50); 유량대별 선택기(30)에서 저유량대로 선택된 저 유량신호를 증폭하는 증폭기(60); 증폭기(40)(50)(60)의 증폭신호 중 어느 하나를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(70); A/D변환기(70)로부터 입력된 증폭신호를 연산하여 최종적으로 고유량, 중유량 및 저유량의 어느 하나로 판단하는 제어기(80)로 이루어져서, 센서(10)에서 검지된 유량신호를 고유량, 중유량 및 저유량 설정에 따라 제2단증폭부(200)에서의 증폭율에 상응하는 교정변수를 적용하여 세 개의 유량대 중 어느 유량대에 속하는지를 구분 판단하고, 증폭기(40)는 저증폭율을, 증폭기(60)는 고증폭율을 각각 적용하고, 증폭기(50)는 저증폭율 및 고증폭율 사이의 증폭율을 적용하여 검지된 유량신호를 증폭하게 된다.

그러나 이러한 전자 유량계를 포함하여 현재 공지된 전자유량계는 예를 들어, 5㎲/㎝ 이상의 전도도를 갖는 유체의 유량 측정에 사용되도록 설계된 것으로, 5㎲/㎝ 이하의 초저전도도를 갖는 유량 측정을 위해서는 기존의 기전력을 이용한 방식으로는 곤란하여 정전용량식의 방법을 사용해야 하는 등, 측정방법 변경에 따른 기술 구성이 용이하지 않다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 초저전도도를 갖는 유량 측정에 관련된 문제점을 개선하기 위하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 기존의 기전력을 이용한 측정방식을 그대로 이용하면서도 1㎲/㎝ 이하의 초저전도도를 갖는 유체의 유량측정이 가능토록 한, 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계는, 관로에 설치되어 그 내부를 흐르는 유체의 량을 검지하는 센서와, 센서에서 검지된 초저전도도를 갖는 유체의 원시신호(극히 미세한 신호를 의미한다)를 검출하는 원시신호검출기와, 원시신호검출기에서 검출된 신호에 포함된 노이즈를 차단하는 노이즈차단부와, 노이즈차단부에서 노이즈가 차단된 후 입력되는 원시신호를 소정레벨 증폭하는 원시신호증폭기로 구성된 부분이 초저전도도를 갖는 극기 미세한 유체 신호를 검지하여 유량 측정신호로서 이용되도록 동작한다.

이와 같이 검출된 초저전도도를 갖는 극히 미세한 유량신호는 안정화증폭기를 거치면서 좀 더 안정된 유량측정이 가능한 신호로서 증폭된 후, 검지된 유량신호를 토대로 유량대가 선택되면, 그 선택된 유량대별로 상응하는 증폭율을 적용하여 증폭하게 된다.

본 발명의 제어기는 센서에서 검지된 유량신호를 고유량, 중유량 및 저유량 설정에 따라 제2단증폭부에서의 증폭율에 상응하는 교정변수를 적용하여 세 개의 유량대 중 어느 유량대에 속하는지를 구분 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고유량 증폭기는 저증폭율을, 저유량 증폭기는 고증폭율을 각각 적용하고, 중유량 증폭기는 저증폭율 및 고증폭율 사이의 증폭율을 적용하여 유량 검지신호를 증폭하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 센서에서 검지되는 초저전도도의 미세한 유체신호는, 신호의 세기에 따라 진폭이 유동적으로 변화되는 파형을 이용하여 측정 가능한 유량신호로서 검출되어 이용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계에 따르면, 종래에는 초저전도도를 갖는 유량 측정이 불가능하거나, 부득이할 경우 측정방식을 변경해야 하는 등의 문제가 있었으나, 본 발명은 측정방식의 변경 없이도 초저전도도를 갖는 유량 측정이 가능하고, 종래에는 단일 측정범위로 설정된 유량계로 넓은 범위에 걸쳐 흐르는 유량을 측정하여 정확성을 기하기가 부족하였으나, 본 발명은 하나의 유량계에 유량대를 몇 개로 구분 설정하여 검지된 유량신호의 높고 낮음에 따라 그에 해당하는 증폭률을 적용하여 안정된 증폭을 하고, 제어기에서의 연산시에는 유량대별로 달리 적용된 증폭율을 고려한 유량교정변수를 적용하여 검지된 유량을 판단토록 함으로써 넓은 범위에 걸쳐 정확하게 유량을 측정할 수 있어, 정확한 유량공급이 필요한 반도체 및 각종 정밀기기 생산이 효율적으로 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량계의 제어블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유량계의 유량측정방법 흐름도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 초저전도도를 갖는 유량의 원시신호로부터 측정 가능한 신호를 검출하는 원리도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계의 제어 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 유량계는, 관로에 설치되어 그 내부를 흐르는 유체의 량을 검지하는 센서(10)와, 상기 센서(10)에서 검지된 초저전도도를 갖는 유체의 원시신호(극히 미세한 신호를 의미한다)를 검출하는 원시신호검출기(11)와, 상기 원시신호검출기(11)에서 검출된 신호에 포함된 노이즈를 차단하는 노이즈차단부(12)와, 상기 노이즈차단부(12)에서 노이즈가 차단된 후 입력되는 원시신호를 소정레벨 증폭하는 원시신호증폭기(13)로 구성된 제1단증폭부(15), 상기 제1단증폭부(15)에서 증폭된 초저전도도의 유량신호를 안정된 유량신호로 증폭하는 안정화증폭기(20)와, 각종 산업시설 및 제조시설에 사용되는 기계장치 등에 사용되는 유량이 각기 다를 수 있다는 점을 감안하여 고유량, 중유량 및 저유량으로 구분 설정된 유량대중 어느 하나의 유량대를 선택하는 유량대별 선택기(30)와, 상기 유량대별 선택기(30)에서 고유량대로 선택된 고 유량신호를 증폭하는 증폭기(40)와, 상기 유량대별 선택기(30)에서 중유량대로 선택된 중 유량신호를 증폭하는 증폭기(50)와, 상기 유량대별 선택기(30)에서 저유량대로 선택된 저 유량신호를 증폭하는 증폭기(60)와, 상기 증폭기(40)(50)(60)의 증폭신호 중 어느 하나를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(70)와, 상기 A/D변환기(70)로부터 입력된 고유량, 중유량 및 저유량 중 어느 하나의 증폭신호를 연산하여 최종적으로 고유량, 중유량 및 저유량의 어느 하나로 판단하는 제어기(80)로 이루어진다.

상기에서 제1단증폭부(15)는 초저전도도의 유체를 감지한 극히 미세한 유량신호를 소정레벨 증폭하는 것이고, 안정화증폭기(20)는 제1단증폭부(15)에서 증폭된 초저전도도의 유량신호를 제어기(80)에서의 용이한 판단을 위해 소정레벨로 2차 증폭하는 제2단증폭부(100)로서 제공되는 것이다.

유량대별 선택기(30) 및 증폭기(40)(50)(60)는 상기 제2단증폭부(100)의 안정화증폭기(20)에서 소정레벨 증폭된 유량신호를 유량대별로 구분하여 각기 다른 증폭율을 적용하고, 검지된 유량신호의 정확한 디지털신호로의 변환이 용이하도록 소정레벨로 3차 증폭하는 제3단증폭부(200)로서의 기능을 수행하는 것이다.

유량값 연산기(제어기)(80)는 센서(10)에서 원시신호로서 검지된 유량신호를 고유량, 중유량 및 저유량 설정에 따라 저장 관리되는 제3단증폭부(200)에서의 증폭율에 상응하는 교정변수를 적용하여 세 개의 유량대 중 어느 유량대에 속하는지를 구분하여 정확한 유량을 판단한다.

상기 증폭율 및 유량교정변수에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

전자유량계는 센서로부터 측정되는 미세 전압 신호를 측정하여 VF 컨버터를 통해 주파수신호로 변환하는 동작을 수행하여 유량을 측정 판단하는 장치이다.

그런데 유량이 적은 경우 센서로부터 측정되는 전압 신호가 매우 미세하고 이에 따라 변환된 주파수신호도 매우 작으므로 이에 대한 좀 더 정확한 측정을 위해서는 측정시간을 늘려 일정량 이상의 데이터를 확보하여야만 한다.

예를 들어 0.1% 이상의 정도를 확보하기 위해서는 1,000개 이상의 데이터 확보가 필요하다. 그러나 이 경우 입력분해능은 올릴 수 있으나, 데이터 확보를 위한 시간이 추가로 소요되어 응답시간이 문제가 될 수 있다.

이에 따라 측정시간을 늘리는 대신 증폭기의 증폭율을 올리는 방법으로 카운터값을 확보할 수 있다.

생성된 카운터값 = (변경된 증폭율/기존 증폭율)X(기존에 얻었던 ADC 값)

상기 수식에서 (변경된 증폭율/기존 증폭율) > 1이면 카운터값은 증가 형태로 나타나고 동일한 시간에 확보할 수 있는 데이터량을 늘릴 수 있으므로 종래 응답지연으로 인해 측정할 수 없었던 극히 미세한 유량에서도 측정이 가능할 수 있다.

또한, 동일 시간에 측정된 데이터량이 많기 때문에 종래 측정방법에 비해 측정분해능이 향상되고 이에 따라 측정정도도 향상될 수 있다.

본 발명의 전자유량계는 센서로부터 검지되는 극히 미세한 전압 신호를 측정하여 노이즈를 제거한 후 증폭하고 각 유량대로 구분하여 해당 유량대에 상응하는 교정변수의 곱을 통해서 사용자가 요구하는 유량단위로 정량화하여 표시하도록 하였다.

유량이 적은 경우 센서를 통해 얻을 수 있는 전압신호는 매우 적다. 반면에 유량이 많은 경우 얻어지는 전압신호는 상대적으로 매우 크므로 고유량과 저유량시 센서에서 얻을 수 있는 전압신호와의 차이가 매우 크다. 이러한 점을 감안하지 않고 유량의 많고 적음에 상관없이 큰 범위에서 입력신호를 처리할 수 있도록 설계하면 극히 미세한 유량은 제대로 측정할 수 없으므로 이러한 경우에 대한 적절한 설계가 필요하다.

따라서 상술한 바와 같이 미세 유량을 검지한 센서신호를 이용 가능하도록 하기 위해서는 소정시간동안 데이터를 축적해야 하는데 이는 신호입력으로부터 출력까지 요구되는 시간이 길어지는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명에서는 전자유량계의 입력신호의 데이터량이 측정정도와 상관관계가 있다는 점을 고려하여 만약 데이터량이 100개라면 1개 이하의 오류를 처리할 수 있는 회로를 구성하여 최대± 1%의 정도를 갖도록 한 것으로, 신호 응답시간을 최소화하면서 최대의 데이터량을 얻을 수 있도록 저유량시 증폭을 고유량시 증폭보다 크게 하여 측정토록 함으로써 종래 기술에 관련된 문제를 해소할 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 유량계의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 고유량, 중유량 및 저유량을 각각 구분하여 설정한 후 장치가 동작하는 동안에는 항상 제어기(80)에서 이를 토대로 유량을 측정하도록 세팅한다(S1).

관로에 유체가 흐르면 유량이 센서(10)에 의해 검지된다(S2).

즉 관로에 예를 들어 1㎲/㎝ 이하의 초저전도도를 갖는 유체가 흐르면 매우 미세한 전압 변화가 발생하게 된다.

이러한 미세 전압 변화를 센서(10)가 검지하게 되는 것이다.

제1단증폭부(15)의 원시신호검출기(11)가 상기 센서(10)에 의해 검지되는 미세하게 변화되는 전압신호를 원시신호로서 검출하게 된다(S3).

즉 미세하게 변화되는 전압신호를 유량검출이 가능한 신호로 변환하기 위하여 일정주기의 신호에 원시신호를 실어서 측정하는 것인데, 이를 좀 더구체적으로 설명하면 도 3a에 도시된 바와 같이 원시신호가 입력되기 전에는 신호의 변화가 없는 구형파를 생성시킨다.

그러나 센서(10)에 의해 초저전도도의 유체가 검지되면 전압 변화에 따라 원시신호검출기(11)에 미세한 원시신호가 인가되며, 이러한 경우 도 3a에 도시된 구형파에 상기 원시신호가 영향을 미치게 되어 도 3b에 도시된 바와 같이 파형 변화가 발생된다.

이와 같이 변화되는 파형은 신호의 세기에 따라 진폭이 유동적으로 변화되는 파형으로, 이러한 진폭의 변화 정도에 따라 미세 신호를 검출하게 되는 것이다. 여기서 진폭의 변화란 도 3b에서 높은 파형과 낮은 파형의 간격차를 의미한다.

이후, 제1단증폭부(15)의 노이즈차단기(12)가 상기 원시신호검출기(11)에서 검출된 미세신호에 포함되는 노이즈를 차단하게 된다(S4). 이는 미세신호가 증폭되면 측정에 불필요한 노이즈도 함께 커지게 되어 유량값 측정시 유량값의 변화가 불규칙하게 변하는 헌팅현상이 발생되므로, 신호를 안정화시키고 정확한 유량값 측정을 위해 노이즈 필터링회로를 구성하여 노이즈를 차단하는 것이다.

이와 같이 노이즈가 차단된 원시신호는 원시신호증폭기(13)에서 소정레벨 증폭된다(S5).

이후, 상기 원시신호증폭기(13)에서 증폭된 유량신호가 유량 분석에 매우 미약한 신호일 수 있으므로 제2단증폭부(100)의 안정화증폭기(20)에 의해 다시 소정레벨 증폭된다(S6).

이와 같이 증폭된 유량신호는 제3단증폭부(200)로 입력되어 처리되며, 먼저 유량대별 선택기(30)에 의해 상기 검지된 유량이 고유량, 중유량 및 저유량 중 어느 범위에 속하는지를 선택된다(S7).

유량대별 선택기(30)에 의해 고유량대인 것으로 판단되면(S8), 검지된 유량신호는 고유량 증폭기(40)에 입력되어 소정레벨 증폭된다(S9). 고유량 증폭기(40)는 유량이 많은 것을 센서(10)가 검지한 것이므로 검지신호의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 거의 없는 것으로 보아 낮은 증폭율을 적용하여 증폭하도록 설정된다.

이와 유사하게 유량대별 선택기(30)에 의해 중유량대인 것으로 판단되면(S9) 검지된 유량신호가 중유량 증폭기(50)에 입력되어 소정레벨 증폭되고(S12), 저유량대인 것으로 판단되면(S10), 검지된 유량신호가 저유량 증폭기(60)에 각각 입력되어 소정레벨 증폭된다(S13).

이 단계에서도 유사하게 중유량 증폭기(50)는 유량이 저유량보다 높고 고유량보다 적은 것이 센서(10)에 의해 검지된 것이므로 검지신호의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 중간 정도 되는 것으로 보아 고증폭율 또는 저증폭율 사이의 증폭율을 적용하여 증폭하는 것이고, 저유량 증폭기(60)는 유량이 미세한 것이 센서(10)에 의해 검지된 것이므로 검지된 유량신호의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 많을 수 있다고 보아 높은 증폭율을 적용하여 증폭하도록 설정된다.

유량대별 선택기(30)의 유량대 선택에 따라 스텝 S8 내지 스텝 S13의 동작은 서로 번갈아 판단되어 검지된 유량신호가 소정레벨 증폭되도록 한다.

상기 스텝 S11 내지 S13에서 고유량, 중유량 및 저유량에 해당하는 각각의 증폭율이 적용되어 소정레벨 증폭된 유량신호는 A/D변환기(70)에 입력되어 디지털신호로 변환되고(S14), 제어기(80)에 입력된다(S15).

따라서 제어기(80)에서는 자체 메모리에 저장 관리되고 있는 유량측정 프로그램을 가동하여 유량을 판단한다.

이때 제어기(80)에서는 입력된 디지털신호가 고유량, 중유량 및 저유량 중 어느 유량대에 해당하는 것인지를 구분하여 각기 다른 교정변수를 적용하여 고유량, 중유량 및 저유량으로 구분 연산한다(S16).

10 : 센서 11 : 원시신호검출기
12 : 노이즈차단부 13 : 원시신호증폭기
15 : 제1단증폭부 20 : 안정화증폭기
30 : 유량대별 선택기 40, 50, 60 : 증폭기
70 : A/D변환기 80 : 제어기
100 : 제2단증폭부 200 : 제3단증폭부

Claims

관로에 설치되어 그 내부를 흐르는 유체의 량을 검지하는 센서(10);
상기 센서(10)에서 검지되는 신호는 그 세기에 따라 진폭이 유동적으로 변화되는 파형을 이용하여 측정 가능한 유량신호로서 검출되고,
상기 센서(10)에서 검지된 초저전도도의 미세신호를 검출하는 원시신호검출기(11)와, 상기 원시신호검출기(11)에서 검출된 신호에 포함된 노이즈를 차단하는 노이즈차단부(12)와, 상기 노이즈차단부(12)에서 노이즈가 차단되어 입력되는 원시신호를 증폭하는 원시신호증폭기(13)로 구성된 제1단증폭부(15);
상기 제1단증폭부(15)에서 증폭된 원시 유량신호를 안정된 유량신호로 증폭하는 안정화증폭기(20);
상기 센서(10)에서 검지된 유량신호를 토대로 고유량, 중유량 및 저유량으로 구분 설정된 유량대중 어느 하나의 유량대를 선택하는 유량대별 선택기(30);
상기 유량대별 선택기(30)에서 고유량대로 선택된 고 유량신호를 증폭하는 증폭기(40);
상기 유량대별 선택기(30)에서 중유량대로 선택된 중 유량신호를 증폭하는 증폭기(50);
상기 유량대별 선택기(30)에서 저유량대로 선택된 저 유량신호를 증폭하는 증폭기(60);
상기 증폭기(40)(50)(60)의 증폭신호 중 어느 하나를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(70);
상기 A/D변환기(70)로부터 입력된 증폭신호를 연산하여 최종적으로 고유량, 중유량 및 저유량의 어느 하나로 판단하는 제어기(80)로 이루어진 것을 특징으로 하는 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계.
제1항에 있어서, 상기 제어기(80)는 센서(10)에서 검지된 유량신호를 고유량, 중유량 및 저유량 설정에 따라 제3단증폭부(200)에서의 증폭율에 상응하는 교정변수를 적용하여 세 개의 유량대 중 어느 하나의 유량대를 구분 판단하는 것을 특징으로 하는 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계.
제1항에 있어서, 상기 증폭기(40)는 저증폭율을, 증폭기(60)는 고증폭율을 각각 적용하고, 증폭기(50)는 저증폭율 및 고증폭율 사이의 증폭율을 적용하여 검지된 유량신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는 초저전도도의 다중 유량대를 구분설정하여 유량을 측정하는 유량계.
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