KR101415183B1 - 반능동 와류식 유량계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반능동 와류식 유량계에 관한 것으로, 피측정유체가 흐르는 이송파이프 내에 구비되는 와류 발생체, 및 이 이송파이프에 삽입되어 와류 발생체를 왕복 이동시킴으로써 와류 발생체 후측에서 저유속(低流速)인 피측정유체에 후류(wake)를 발생시키기 위한 진동기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술과 달리 와류 발생기를 유동 방향에 대하여 직각 방향으로 왕복 진동시켜, 물체의 후류(wake)에서 발생하게 되는 공진 주파수(resonance frequency)를 측정하여 유속을 얻는 원리를 이용함으로써 저유량 영역에서도 와류식 유량계를 사용하여 유량을 정확히 검출할 수 있다.

Description

반능동 와류식 유량계{SEMI-ACTIVE VORTEX FLOWMETER}
본 발명은 반능동 와류식 유량계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유속이 큰 영역에서는 와류 발생기를 진동시키지 않고 기존과 같은 원리의 와류식 유량계로 사용할 수 있도록 하고, 유속이 낮아져 와류가 발생하지 않는 유량 영역에서는 와류발생기를 진동시켜 인위적으로 와류를 발생시켜 와류의 공진 주파수를 측정할 수 있도록 함으로써 저 유량 영역에서 적용할 수 없었던 와류식 유량계를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 유동이 비정상(unsteady)인 경우에도 시간 의존 유량을 측정할 수 있어 활용 가치가 높은 반능동 와류식 유량계에 관한 것이다.
현재까지 개발되어 활용되고 있는 유량계는 수십 종에 이르고 있으며, 이들 중에서 측정 정확도가 높고, 유체의 상태량 즉, 밀도, 압력, 온도 등에 영향을 많이 받지 않고 광범위한 유량 영역에 대하여 사용할 수 있는 와류식 유량계 또는 와유량계(vortex flowmeter)가 개발되어 있다.
일반적으로 와류식 유량계의 원리는 유로에 장애물을 설치하여 장애물 하류에서 발생하는 와류의 이탈 주기(vortex shedding frequency,f)를 측정하여, 유체의 유속을 환산하는 것이다. 이 경우, 장애물은 와류발생기(vortex generator)의 역할을 하며, 발생하는 와류의 이탈 주기(f)는 다음의 식으로 표현하는 바와 같이 유속(V)에 비례하므로, 장애물의 직경(D)이 주어지는 경우, 센서 등으로 와류의 이탈 주기(f)를 측정하면 유속을 쉽게 얻을 수 있다.
f=St·(V/D)
위의 식에서 st는 상수로 Strouhal Number를 의미한다.
위와 같은 와류식 유량계는 유체의 종류에 상관없이 사용할 수 있는 장점이 있는 반면, 와류발생기 상류에 유동의 분포가 균일하게 유지되어야 하고, 맥동 등의 영향이 없어야 한다. 또, 와류식 유량계가 발생하는 와류의 이탈 주기(f)를 측정하여 유량을 얻는 것이기 때문에, 와류의 이탈 주기(f)를 측정하는 과정에서 외란(disturbances) 등의 노이즈 영향을 최소화하지 않으면 유량 측정의 정확도에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서, 현재까지 와류의 이탈 주기를 측정하는 센서부와 신호처리 및 증폭방법 등에 관하여 많은 기술적 방법들이 제안되어 있다.
즉, 국내특허공고 제10-1982-0001974(발명의 명칭: 와 유량계), 국내공개특허 제10-1989-0004447호(발명의 명칭: 와류량계), 국내특허공고 제1989-0004418호(발명의 명칭: 와류량계), 국내특허등록 제10-0216932호(발명의 명칭: 카르만 와류식 유량계), 국내특허등록 제10-0732116호(와류식 유량계), 국내공개특허 제10-2008-0085265호(발명의 명칭: 와유량계)에는 와류식 유량계가 제안되어 있다.
특히, 국내특허등록 제10-0547708호(발명의 명칭: 퍼지식 와류 유량계)에는 와류 검출기에 오염 등의 영향을 없애기 위한 퍼지식 유량계가 제안되어 있다.
도 1은 유속에 따른 와류 변화패턴을 도식화한 것이다.
기존 와류식 유량계는, 도 1에서처럼, 물체를 지나는 유동의 유속이 작은 경우, 물체(와류발생기) 하류에 와류가 발생하지 않음으로써, 저유량 영역에서는 와류식 유량계를 사용할 수가 없는 문제점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 와류 발생기를 유동 방향에 대하여 직각 방향으로 왕복 진동시켜, 물체의 후류(wake)에서 발생하게 되는 공진 주파수(resonance frequency)를 측정하여 유속을 얻는 원리를 이용함으로써 저유량 영역에서도 와류식 유량계를 사용하여 유량을 정확히 검출하고자 하는 반능동 와류식 유량계를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 반능동 와류식 유량계는: 피측정유체가 흐르는 이송파이프 내에 구비되는 와류 발생체, 및 상기 이송파이프에 삽입되어 상기 와류 발생체를 왕복 이동시킴으로써 상기 와류 발생체 후측에서 저유속인 피측정유체에 후류(wake)를 발생시키기 위한 진동기를 포함한다.
상기 진동기는, 상기 이송파이프의 둘레면에 삽입되고 하측에 상기 와류 발생체를 연결하는 진동샤프트, 및 상기 이송파이프의 외측에 구비되어 상기 진동샤프트를 상하 왕복 이동시킴으로써 상기 와류 발생체에 진동을 부여하는 작동부를 포함한다.
상기 이송파이프는 둘레면에 부싱을 삽입하고, 상기 진동샤프트는 상기 부싱에 밀봉 처리된 채 왕복 이송 가능하게 장착됨이 바람직하다.
상기 작동부는, 강제 회전되는 로테이터, 및 상기 로테이터의 가장자리에 일측이 연결되고 타측이 상기 진동샤프트에 연결됨으로써 상기 로테이터의 회전으로 상기 진동샤프트를 승하강 유도하는 커넥팅로드를 포함한다.
상기 이송파이프는 상기 와류 발생체의 강제적 진동에 의한 피측정유체의 공진 주파수를 측정함으로써 유량을 검출하기 위해 공진주파수측정유닛을 구비함이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반능동 와류식 유량계는 종래 기술과 달리 와류 발생기를 유동 방향에 대하여 직각 방향으로 왕복 진동시켜, 물체의 후류(wake)에서 발생하게 되는 공진 주파수(resonance frequency)를 측정하여 유속을 얻는 원리를 이용함으로써 저유량 영역에서도 와류식 유량계를 사용하여 유량을 정확히 검출할 수 있다.
도 1은 기존 유속에 따른 와류 변화패턴을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 와류식 유량계와 공진주파수측정유닛을 설치한 이송파이프의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체가 진동기에 설치되어 작동되는 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체의 사시도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예들에 따른 와류 발생체의 형상을 보인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체의 상하 방향 왕복 이동에 따른 유체의 파장을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수와 유속과의 관계를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수측정유닛의 내부도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 반능동 와류식 유량계의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 와류식 유량계와 공진주파수측정유닛을 설치한 이송파이프의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체가 진동기에 설치되어 작동되는 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체의 사시도이며, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예들에 따른 와류 발생체의 형상을 보인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류 발생체의 상하 방향 왕복 이동에 따른 유체의 파장을 보인 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수와 유속과의 관계를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수측정유닛의 내부도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반능동 와류식 유량계(100)는 와류 발생체(110), 및 진동기(120)를 포함하여 이루어진다.
와류 발생체(110)는 피측정유체가 흐르는 이송파이프(10) 내에 구비된다. 피측정유체는 기체일 수도 있고, 액체일 수도 있다. 와류 발생체(110)는 이송파이프(10) 내측에 구비됨으로써 피측정유체에 저항을 부여함에 따라, 피측정유체는 흐르는 방향에 대해 와류 발생체(110)의 후측에서 와류(vortex)를 발생시키는 역할을 한다.
편의상, 도 4에서처럼, 와류 발생체(110)는 후측에서 와류의 충분한 발생을 위해 구(球) 형상으로 형성되는 것으로 도시한다.
물론, 도 5a 내지 도 5e에서처럼, 와류 발생체(110)는 후측에 와류를 충분히 발생시킬 수 있는 다양한 형상으로 적용할 수 있기 때문에 형상에 한정되지 않는다. 편의상, 다양한 형상의 와류 발생체(110)는 동일한 도면부호를 부여한다.
특히, 피측정유체가 저유속(低流速)으로 흐를 경우, 와류 발생체(110)의 후측에서 와류가 제대로 생성되지 않는다. 이로 인해, 피측정유체로부터 공진 주파수가 약해, 유량의 검출이 어렵게 된다.
따라서, 진동기(120)가 이송파이프(10)에 구비되어 와류 발생체(110)에 진동을 부여하게 된다.
즉, 진동기(120)는 이송파이프(10) 둘레면에 삽입되어 와류 발생체(110)를 강제로 왕복 이동시킴으로써 와류 발생체(110) 후측에서 저유속인 피측정유체에 후류(wake)를 발생시키는 역할을 한다.
이때, 진동기(120)는 피측정유체의 흐름에 의해 이송파이프(10)의 축 방향을 따라 와류 발생체(110)가 떠내려가는 것도 방지하는 역할을 한다.
한편, 기존의 연구보고("Vortex Shedding in Subcritical Conditions", Physics of Fluids, Vol.15, pp.814-816, 2003)에 의하면, 와류가 발생하지 않는 작은 유속의 범위라고 하더라도, 물체를 인위적으로 진동시키는 경우에 후류에서 발생하는 진동의 공진주파수를 얻을 수 있으며, 도 7과 같이, 공진주파수는 매우 넓은 유속 범위에서 유속에 선형적으로 비례한다는 것이 알려져 있다. 이러한 원리는 외부 유동에서 얻은 결과로서, 이송파이프(10) 내 유동에 대해서는 적용된 바 없다.
진동기(120)가 와류 발생체(110)를 자동적으로 진동시킴으로써 기존 연구보고의 내용을 실현할 수 있게 된다.
도 3에서처럼, 진동기(120)는 진동샤프트(130), 및 작동부(150)를 포함하여 이루어진다.
진동샤프트(130)는 이송파이프(10)의 둘레면에 삽입된다. 즉, 이송파이프(10)는 둘레면에 삽입홀(132)을 통공한다.
진동샤프트(130)는 하측이 와류 발생체(110)에 연결되고, 상측이 이송파이프(10)의 둘레면 외측으로 노출된다. 이때, 진동샤프트(130)는 용접이나 볼팅 등 다양한 방식에 의해 와류 발생체(110)에 연결 고정된다.
또한, 작동부(150)는 이송파이프(10)의 외측에 구비되어 진동샤프트(130)를 상하 왕복 이동시킴으로써 와류 발생체(110)에 진동을 부여하는 역할을 한다.
즉, 작동부(150)가 작동하면서 진동샤프트(130)를 이송파이프(10)의 축 방향에 대해 수직한 방향으로 왕복 승하강 작동시킨다. 진동샤프트(130)가 왕복 이송됨에 따라, 와류 발생체(110)는 이송파이프(10) 내부에서 상하 방향으로 진동을 하게 된다.
그래서, 저유속으로 흐르는 피측정유체는 와류 발생체(110)의 진동으로 인해 와류 발생체(110)의 후측에서 와류를 발생하게 된다.
물론, 피측정유체가 저유속 이상의 유속으로 이송파이프(10) 내부를 흐를 경우, 피측정유체는 와류 발생체(110)의 후측에서 자연적으로 와류를 발생시키게 된다. 이에 따라, 와류 발생체(110)는 이송파이프(10)의 내부 중앙 부위에 위치 고정되고, 작동부(150)는 작동 정지된 상태를 유지하게 된다.
한편, 진동샤프트(130)가 삽입홀(132)에 직접적으로 삽입될 경우, 진동샤프트(130)는 삽입홀(132)의 내측면에 해당되는 이송파이프(10)와의 마찰로 인해 안정적으로 상하 왕복 이동되지 않게 된다.
그래서, 이송파이프(10)는 둘레면에 부싱(140)을 삽입한다. 즉, 부싱(140)은 삽입홀(132)에 억지 삽입되고, 이송파이프(10)와의 사이 틈새가 밀봉 처리된다.
그리고, 진동샤프트(130)는 부싱(140)에 밀봉 처리된 채 왕복 이송 가능하게 장착된다. 이때, 진동샤프트(130)와 부싱(140) 사이의 틈새는 다양한 방식에 의해 밀봉 처리된다.
또한, 작동부(150)는 진동샤프트(130)를 원활하게 고속으로 상하 왕복 이송시킬 수 있도록 구성된다.
예로서, 작동부(150)는 로테이터(152), 및 커넥팅로드(154)를 포함하여 이루어진다.
로테이터(rotator,152)는 이송파이프(10)의 외측에 구비된 임의의 고정체(도시하지 않음)에 회전 가능하게 장착된다. 그리고, 로테이터(152)의 중심축은 구동모터(153)에 연결되어 구동모터(153)의 구동력에 의해 강제 회전된다. 물론, 로테이터(152)는 다양한 형상으로 변형 가능하다.
아울러, 커넥팅로드(154)는 로테이터(152)의 가장자리에 일측이 연결되고, 타측이 진동샤프트(130)에 연결된다. 즉, 커넥팅로드(154)의 일측은 로테이터(152)의 중심축에 대해 편심되는 위치의 로테이터(152)에 연결된다. 그래서, 로테이터(152)가 강제 회전되면, 커넥팅로드(154)의 하측은 승하강 왕복 이송되고, 이로 인해, 진동샤프트(130)는 부싱(140) 또는 삽입홀(132)에 삽입된 채 직선 왕복 상하 이송된다.
따라서, 와류 발생체(110)는 로테이터(152)의 회전에 의해 이송파이프(10) 내부에 상하 방향으로 진동을 하게 된다. 이때, 와류 발생체(110)의 진폭이나 진동 사이클은 한정되지 않는다.
한편, 도 6에서처럼, 와류 발생체(110)가 진동기(120)에 의해 수직방향으로 진동됨으로서, 피측정유체는 물결파 형상을 이루는 진동파형을 형성한다. 이를 공진주파수라고 한다.
이때, 와류 발생체(110)의 진동에 의해 발생되는 공진주파수의 세기를 통해, 이송파이프(10)를 흐르는 피측정유체의 유량을 검출함이 바람직하다.
그래서, 이송파이프(10)는 와류 발생체(110)의 강제적 진동에 의한 피측정유체의 공진 주파수의 세기를 측정함으로써 유량을 검출하기 위해 공진주파수측정유닛(200)을 구비한다.
예로서, 도 8에서처럼, 공진주파수측정유닛(200)은 이송파이프(10)에 연결되어 진동파형을 형성하며 흐르는 피측정유체를 통과시키는 바디(210), 바디(210) 내부에 구비되어 피측정유체에 저항을 부여하며 소용돌이를 발생시키는 소용돌이 발생체(220), 이 소용돌이 발생체(220)에 구비되어 진동파형에 따른 공진주파수의 세기를 검출함으로써 유량을 산출하는 검출소자(230)를 포함하여 이루어진다.
이때, 바디(210)는 양측에 플랜지(212)를 구비하여 이송파이프(10)의 절단 부위의 대향하는 단부에 면접되어 볼팅 등에 의해 분리 가능하게 결합된다. 물론, 이송파이프(10)의 절단 부위 단부에도 플랜지(212)가 구비됨이 바람직하다.
특히, 와류 발생체(110)가 상하 방향으로 진동함으로써, 공진주파수가 설정치 이상으로 세어지게 되어, 공진주파수측정유닛(200)은 정확한 유량을 산출할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 이송파이프 100: 와류식 유량계
110: 와류 발생체 120: 진동기
130: 진동샤프트 132: 삽입홀
140: 부싱 150: 작동부
152: 로테이터 153: 구동모터
154: 커넥팅로드 200: 공진주파수측정유닛
210: 바디 212: 플랜지
220: 소용돌이 발생체 230: 검출소자

Claims (5)

  1. 피측정유체가 흐르는 이송파이프 내에 구비되는 와류 발생체; 및
    상기 이송파이프에 삽입되어 상기 와류 발생체를 강제로 왕복 이동시킴으로써 상기 와류 발생체 후측에서 저유속인 피측정유체에 후류(wake)를 발생시키기 위한 진동기를 포함하고,
    상기 진동기는, 상기 이송파이프의 둘레면에 삽입되고, 하측에 상기 와류 발생체를 연결하는 진동샤프트; 및
    상기 이송파이프의 외측에 구비되어 상기 진동샤프트를 상하 왕복 이동시킴으로써 상기 와류 발생체에 진동을 부여함에 따라 상기 와류 발생체의 후측에 후류를 발생시키는 작동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 와류식 유량계.
    피측정유체가 흐르는 이송파이프 내에 구비되는 와류 발생체; 및
    상기 이송파이프에 삽입되어 상기 와류 발생체를 왕복 이동시킴으로써 상기 와류 발생체 후측에서 저유속인 피측정유체에 후류(wake)를 발생시키기 위한 진동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 와류식 유량계.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이송파이프는 둘레면에 부싱을 삽입하고;
    상기 진동샤프트는 상기 부싱에 밀봉 처리된 채 왕복 이송 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 반능동 와류식 유량계.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 작동부는,
    강제 회전되는 로테이터; 및
    상기 로테이터의 가장자리에 일측이 연결되고, 타측이 상기 진동샤프트에 연결됨으로써, 상기 로테이터의 회전으로 상기 진동샤프트를 승하강 유도하는 커넥팅로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 와류식 유량계.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이송파이프는 상기 와류 발생체의 강제적 진동에 의한 피측정유체의 공진 주파수를 측정함으로써 유량을 검출하기 위해 공진주파수측정유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 반능동 와류식 유량계.
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JPH06102070A (ja) * 1992-09-21 1994-04-12 Nkk Corp 渦流量計
JP2007101284A (ja) * 2005-10-03 2007-04-19 Oval Corp 振動型カルマン渦流量計

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