KR101364648B1 - 다점 차압 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량계 및 이를 구비하는 관유량 측정시스템에 관한 것으로, 상기 유량계는, 복수의 전압공을 구비하는 제1 바디와, 상기 제1 바디와 중첩되도록 배치되며 복수의 정압공을 구비하는 제2 바디와, 상기 제1 바디 및 제2 바디와 각각 연결되어 상기 전압공 및 정압공을 통하여 측정되는 압력들의 차압을 산출하는 차압센서를 포함한다. 상기 차압이 관 내에서 평균값으로 측정될 수 있도록, 상기 복수의 전압공은 상기 제1 바디의 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 바디는 상기 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 한 지점으로 모아주게 형성된다. 이에 의하여 압력손실이 작으면서도 간단하게 유량을 측정할 수 있는 유량측정장치가 구현된다.

Description

다점 차압 유량계{MULTI-POINT DIFFERENTIAL PRESSURE FLOW METER}

본 발명은 동압과 정압의 차이(차압)를 측정하고, 측정된 차압을 이용하여 유량을 산출하는 유량계에 관한 것이다.

동압과 정압 차이의 제곱근은 유속과 비례관계가 있어 피토관으로 유속을 측정하고 있다. 상기 피토관은 주로 비행기의 속도, 풍동에서 유속 등을 측정하는 유속계로 사용되고 있다. 또한, 상기 피토관을 관내에 삽입하여 한 지점에서 측정한 유속에 단면적을 곱하면 유량이 되지만 이는 오차가 아주 큰 문제가 있다. 따라서, 피토관은 정확한 유량측정에 사용할 수 없다.

반면, 오리피스, 노즐과 같은 차압 유량계는 압력손실이 커서 유동을 발생시키는 펌프, 송풍기와 같은 동력원의 용량이 커져 에너지 손실이 크다. 특히, 유속 분포가 이상적인 완전히 발달된 경우에 유량계를 설치하여야 관련된 ISO, KS 규격에 주어진 오차를 보장할 수 있다. 유속 분포가 비 이상적인 경우에 오차가 얼마나 커질 수 있는지는 예측하기 어려우며, 이러한 단점을 해결하기 위하여 유량계 상류에 긴 직관을 설치하거나 콘디션어(flow conditioner)를 설치하는 경우도 있다. 그러나, 이러한 경우에 장치가 매우 커지는 문제가 발생한다.

이와 같이 피토관은 정확한 유량측정에 사용할 수 없고, 차압 유량계는 압력손실이 크므로, 압력손실이 작으면서도 간단하고 정확하게 유량을 측정할 수 있는 유량측정장치가 고려될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 압력손실이 작고 유량측정 정확도의 향상된 유량계 및 이를 구비하는 관유량 측정시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 유량계는, 복수의 전압공을 구비하는 제1 바디와, 상기 제1 바디와 중첩되도록 배치되며 복수의 정압공을 구비하는 제2 바디와, 상기 제1 바디 및 제2 바디와 각각 연결되어 상기 전압공 및 정압공을 통하여 측정되는 압력들의 차압을 산출하는 차압센서를 포함한다. 상기 차압이 관 내에서 평균값으로 측정될 수 있도록, 상기 복수의 전압공은 상기 제1 바디의 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 바디는 상기 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 한 지점으로 모아주게 형성된다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 바디는, 상기 복수의 전압공이 원주방향을 따라 배치되며 상기 복수의 전압공을 연결하는 제1 전압유로를 구비하는 환형부재, 및 상기 환형부재를 감싸도록 이루어지고 상기 제1 전압유로와 연결되며 상기 제1 전압유로를 따라 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 제2 전압유로를 구비하는 연결부재를 포함한다. 상기 제1 전압유로는 상하좌우 대칭으로 형성되며, 제2 전압유로는 좌우대칭으로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 바디는 각각 전면 및 후면을 구비하고, 상기 제1 바디의 후면은 상기 제2 바디의 전면을 덮도록 이루어지며, 상기 전압공은 상기 제1 바디의 전면에 상기 정압공은 상기 제2 바디의 후면에 배치된다.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 전압공과 정압공은 상기 관의 중심선을 따라 서로 대응되는 위치에 형성된다. 상기 제1 바디의 전면에는 돌출부가 형성되고, 상기 전압공은 상기 돌출부의 돌출면에 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 연결부재는 상기 환형부재를 감싸는 환형의 메인부와, 상기 메인부와 상기 환형부재를 연결하는 연결부를 구비한다.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제2 바디는 상기 환형부재 및 연결부재와 각각 동일한 형태로 형성되는 제2 환형부재 및 제2 연결부재를 구비하며, 상기 제2 바디에는 상기 복수의 정압공을 통하여 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 정압유로가 형성된다.

또한, 본 발명은, 유체가 유동하도록 형성되는 관과, 상기 관 내에서 차압을 측정하도록 이루어지는 유량계, 및 상기 차압을 이용하여 유량을 연산하는 유량연산기를 포함하며, 상기 유량계는, 상기 관 내에 배치되는 복수의 전압공을 구비하며, 상기 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 제1 부분으로 모아주게 형성되는 제1 바디와, 상기 제1 바디와 중첩되도록 배치되는 복수의 정압공을 구비하며, 상기 복수의 정압공을 연결하여 상기 정압공으로 유입된 유체를 제2 부분으로 모아주게 형성되는 제2 바디, 및 상기 제1 및 제2 부분과 각각 연결되어, 상기 제1 부분에서 모인 유체와 상기 제2 부분에서 모인 유체들의 차압을 산출하는 차압센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 관유량 측정시스템을 제시한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 유량계에 의하면, 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 한 지점으로 모아줌에 따라, 측정한 차압을 유량계 본체에서 평균할 수 있게 된다. 이를 통하여, 피토관과 차압 유량계의 장점(압력손실이 작고 유량측정 정확도의 향상)을 취한 유량계가 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 관유량 측정시스템을 나타내는 개념도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 유량계 본체의 전면도 및 후면도.
도 3은 도 1의 유량계 본체내의 유로를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 유량계를 나타내는 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 유량계 및 이를 구비하는 관유량 측정시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 관유량 측정시스템을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 관유량 측정시스템(100)는 관(10)에 유량계(100)가 장착됨에 따라 형성된다.

유체가 유동하도록 형성되는 관(10)의 내부에 유량계(100)가 장착되며, 상기 유량계는 관(10) 내에서 차압을 측정하도록 이루어진다. 도시에 따르면, 상기 유량계(100)는 유량연산기(20)와 연결되며, 상기 유량연산기(20)가 유량계에서 측정된 차압을 이용하여 유량을 연산하게 된다.

상기 유량계(100)는 제1 및 제2 바디(110, 120)와, 차압센서(130)를 포함한다.

제1 및 제2 바디(110, 120)는 상기 관 내에서 유체의 유동을 가로막는 방향(관의 중심선에 수직한 방향)으로 배치되며, 제1 바디(110)에는 상기 관 내에 배치되는 복수의 전압공(111)의 형성되고, 제2 바디(120)에는 상기 관 내에 배치되는 복수의 정압공(121)이 형성된다. 도시에 의하면, 상기 전압공(111)과 정압공(121)은 상기 관의 중심선을 따라 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

이 경우에, 상기 제1 및 제2 바디(110, 120)는 각각 전면 및 후면을 구비하고, 상기 제1 바디(110)의 후면은 상기 제2 바디(120)의 전면을 덮도록 이루어지며, 상기 전압공(111)은 상기 제1 바디(110)의 전면에 상기 정압공(121)은 상기 제2 바디(120)의 후면에 배치될 수 있다.

복수의 전압공(111)으로 유입된 유체가 평균되도록, 상기 제1 바디(110)는 상기 복수의 전압공(111)을 연결하여 상기 전압공(111)으로 유입된 유체를 제1 부분(112)으로 모아주게 형성된다. 마찬가지로, 복수의 정압공(121)으로 유입된 유체가 평균되도록, 상기 제2 바디(120)는 상기 복수의 정압공(121)을 연결하여 상기 정압공(121)으로 유입된 유체를 제2 부분(122)으로 모아주게 형성된다.

차압센서(130)는 상기 제1 및 제2 부분(112, 122)과 각각 연결되어, 상기 제1 부분(112)에서 모인 유체와 상기 제2 부분(122)에서 모인 유체들의 차압을 산출하게 된다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 바디(110, 120)는 유체의 유동방향에 대하여 서로 중첩되도록 배치되고, 제1 및 제2 바디(110, 120)의 상측에서 차압센서(130)와 각각 연결된다.

상기의 차압측정 메커니즘에 의하면, 피토관의 원리를 이용하여 간단하게 관내의 다수의 지점에서 차압의 평균값을 측정할 수 있게 된다. 이하, 상기 차압측정 메커니즘에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 유량계 본체의 전면도 및 후면도이며, 도 3은 도 1의 유량계 본체내의 유로를 나타내는 개념도이다.

제1 바디(110)를 살펴보면, 차압이 관 내에서 평균값으로 측정될 수 있도록, 복수의 전압공(111)은 상기 제1 바디(110)의 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 바디(110)는 상기 복수의 전압공(111)을 연결하여 상기 전압공(111)으로 유입된 유체를 한 지점으로 모아주게 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 바디(110)는 환형부재(113) 및 연결부재(114)를 포함한다.

환형부재(113)에는 상기 복수의 전압공(111)이 상기 환형부재(113)의 원주방향을 따라 배치된다. 보다 구체적으로, 상기 제1 바디(110)의 전면에는 돌출부(115, 도 1 참조)가 형성되고, 상기 전압공(111)은 상기 돌출부(115)의 돌출면(115a)에 형성될 수 있다. 상기 돌출부(115)는 상기 전압공(111)에 대응되게 복수로 구비되어진다.

도 3을 참조하면, 상기 환형부재(113)에는 상기 복수의 전압공(111)을 연결하는 제1 전압유로(116)가 형성된다. 상기 제1 전압유로(116)는 상하좌우 대칭으로 형성되는 바, 차압센서와 연결되는 제1 부분(112)의 좌우측에 각각 2개씩 배치되며, 각각은 인접한 2개의 전압공(111a, 111b)를 서로 이어주도록 형성된다. 즉, 제1 전압유로(116)는 환형부재(113)의 원주를 따라 이격되는 4개의 원호로 이루어지며, 이 경우에 전압공(111)은 모두 8개가 될 수 있다.

결국, 각 전압공(111) 사이의 간격은 8개의 전압공(111)이 균일하게 45도의 간격으로 배치되어 유속분포의 영향을 최소화하게 되어 있다.

연결부재(114)는 상기 환형부재(113)를 감싸도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 연결부재(114)는 환형부재(113)보다 큰 원주를 따라 형성되어 상기 환형부재(113)를 감싸는 환형의 메인부(114a)와, 상기 메인부(114a)와 상기 환형부재(113)를 연결하는 연결부(114b)를 구비한다. 이 경우에 연결부(114b)는 메인부(114a)의 반경방향을 따라 연장되는 형태로, 상기 제1 전압유로(116)의 4개의 원호에 대응되도록 4개로 구성될 수 있다.

도시에 의하면, 연결부재(114)는 상기 제1 전압유로(116)와 연결되며 상기 제1 전압유로(116)를 따라 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 제2 전압유로(117)를 구비한다. 예를 들어, 제2 전압유로(117)는 좌우대칭으로 이루어진다. 보다 구체적으로, 제2 전압유로(117)는 상기 연결부(114b)에 배치되어 상기 제1 전압유로(116)의 4개의 원호에 연결되는 연결유로(117a)와, 상기 전압공으로부터 유입된 유체가 합산되도록 상기 연결유로(117a)를 이어주며, 상기 제1 부분(112)으로 연장되는 합산유로(117b)로 이루어진다. 상기 합산유로(117b)는 결국 상기 전압공으로부터 유입된 유체를 한 부분으로 모아주게 된다.

결국 제1 전압유로(116)와 제2 전압유로(117)는, 8 지점에서 동압이 평균 되어지는 유로가 된다. 2개 지점에서 동압이 평균이 되고, 계속해서 같은 방법을 3회 적용하면 8곳의 동압의 평균값이 되는 것이다. 이 경우에, 동압을 측정하는 위치는 관 벽에서 0.15 R ~ 0.26 R (R은 관의 반지름)이 될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 제2 바디(120)는 상기 환형부재(113) 및 연결부재(114)와 각각 동일한 형태로 형성되는 제2 환형부재(123) 및 제2 연결부재(124)를 구비하며, 상기 제2 바디(120)에는 상기 복수의 정압공(121)을 통하여 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 정압유로(미도시)가 형성된다. 상기 정압유로는 전압유로(구체적으로 제1 및 제2 전압유로)와 동일한 형태(예를 들어, 동일 크기, 동일 형상)으로 이루어질 수 있다.

이러한 구조에 의하면, 상기 제2 바디의 정압유로는 정압이 평균 되어지는 유로가 된다. 2개 지점에서 정압의 평균이 되고, 계속해서 같은 방법을 3회 적용하면 8곳의 정압의 평균값이 되는 것이다. 이 경우에, 정압을 측정하는 위치는 동압과 마찬가지로 관 벽에서 0.15 R ~ 0.26 R (R은 관의 반지름)이 될 수 있다.

상기에서 설명된 차압측정 메커니즘에 의하면, 여러 지점에서 유속을 계산하기 위해서 각 지점의 차압을 측정하는 대신에 유량계의 본체에서 여러 지점의 차압을 평균화시켜 한 개의 차압계로 유량을 측정하는 기술을 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 유량계를 나타내는 개념도이다.

앞선 실시예에서는 유량측정 지점에서 기체의 압력과 온도의 변화가 작은 경우에 차압만을 측정하여 유량을 지시하는 유량계를 제시하나, 본 실시예에서는 압력과 온도를 측정하여 기준 상태의 유량으로 환산할 수 있는 유량계(200)를 예시한다.

도시에 의하면, 상기 유량계(200)에는 온도센서 및 압력센서가 더 구비된다. 압력센서는 차압센서와 유량계 바디의 사이의 연결라인에서 분기된 압력라인상에 배치되며, 온도센서는 유체의 유동방향에 대하여 유량계의 후측의 온도를 측정할 수 있는 위치에서 관에 장착될 수 있다.

이와 같은 유량계(200)에 의하여, 차압에 의하여 측정된 유량을 기준 상태의 유량으로 환산할 수 있는 데이터를 획득할 수 있게 된다. 이 경우에, 유량연산기는 획득한 데이터를 이용하여, 기준상태의 유량을 산출하게 된다.

상기와 같은 유량계 및 이를 구비하는 관유량 측정시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (9)

1. 복수의 전압공을 구비하는 제1 바디;
   상기 제1 바디와 중첩되도록 배치되며, 복수의 정압공을 구비하는 제2 바디; 및
   상기 제1 바디 및 제2 바디와 각각 연결되어, 상기 전압공 및 정압공을 통하여 측정되는 압력들의 차압을 산출하는 차압센서를 포함하고,
   상기 차압이 관 내에서 평균값으로 측정될 수 있도록, 상기 복수의 전압공은 상기 제1 바디의 원주방향을 따라 배치되며, 상기 제1 바디는 상기 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 한 지점으로 모아주게 형성되고,
   상기 제1 바디는,
   상기 복수의 전압공이 원주방향을 따라 배치되며, 상기 복수의 전압공을 연결하는 제1 전압유로를 구비하는 환형부재; 및
   상기 환형부재를 감싸도록 이루어지고, 상기 제1 전압유로와 연결되며 상기 제1 전압유로를 따라 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 제2 전압유로를 구비하는 연결부재를 포함하는 유량계.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 바디는 각각 전면 및 후면을 구비하고, 상기 제1 바디의 후면은 상기 제2 바디의 전면을 덮도록 이루어지며, 상기 전압공은 상기 제1 바디의 전면에 상기 정압공은 상기 제2 바디의 후면에 배치되는 것을 특징으로 하는 유량계.
4. 제3항에 있어서,
   상기 전압공과 정압공은 상기 관의 중심선을 따라 서로 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 유량계.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 바디의 전면에는 돌출부가 형성되고, 상기 전압공은 상기 돌출부의 돌출면에 형성되는 것을 특징으로 하는 유량계.
6. 제1항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 환형부재를 감싸는 환형의 메인부와, 상기 메인부와 상기 환형부재를 연결하는 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 유량계.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전압유로는 상하좌우 대칭으로 형성되며, 제2 전압유로는 좌우대칭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량계.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 바디는 상기 환형부재 및 연결부재와 각각 동일한 형태로 형성되는 제2 환형부재 및 제2 연결부재를 구비하며,
   상기 제2 바디에는 상기 복수의 정압공을 통하여 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 정압유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 유량계.
9. 유체가 유동하도록 형성되는 관;
   상기 관 내에서 차압을 측정하도록 이루어지는 유량계; 및
   상기 차압을 이용하여 유량을 연산하는 유량연산기를 포함하며,
   상기 유량계는,
   상기 관 내에 배치되는 복수의 전압공을 구비하며, 상기 복수의 전압공을 연결하여 상기 전압공으로 유입된 유체를 제1 부분으로 모아주게 형성되는 제1 바디;
   상기 제1 바디와 중첩되도록 배치되는 복수의 정압공을 구비하며, 상기 복수의 정압공을 연결하여 상기 정압공으로 유입된 유체를 제2 부분으로 모아주게 형성되는 제2 바디; 및
   상기 제1 및 제2 부분과 각각 연결되어, 상기 제1 부분에서 모인 유체와 상기 제2 부분에서 모인 유체들의 차압을 산출하는 차압센서를 포함하며,
   상기 제1 바디는,
   상기 복수의 전압공이 원주방향을 따라 배치되며, 상기 복수의 전압공을 연결하는 제1 전압유로를 구비하는 환형부재; 및
   상기 환형부재를 감싸도록 이루어지고, 상기 제1 전압유로와 연결되며 상기 제1 전압유로를 따라 유입된 유체를 한 지점으로 모아주도록 형성되는 제2 전압유로를 구비하는 연결부재를 포함하는 관유량 측정시스템.

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