KR101416123B1

KR101416123B1 - 동적 응답방식 피토튜브

Info

Publication number: KR101416123B1
Application number: KR1020130032614A
Authority: KR
Inventors: 오세윤; 이종건; 조철영
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-07-09

Abstract

본 발명은 동적으로 빠르게 변동하는 유동장의 특성을 MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM) 기반의 다수의 전압력센서(23)에 의해 실시간으로 정확하게 측정할 수 있도록 하며, 상기 전압력센서(23)의 종류별 교정계수 정보를 제공하는 RFID(RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION) 모듈(23)을 적용하고, 상기 전압력센서(23)의 교체와 변경이 용이하도록 모듈화함으로써, 특히, 유동장 측정 실험에 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있도록 하는 동적 응답방식 피토튜브에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 외압의 작용에 의한 공기를 유입하도록 구성된 하우징(10)과, 상기 하우징(10)에 형성된 제1공기유입부(21)로 유입된 공기를 압력에 따라 다중으로 분배하여 동적 특성을 측정하는 전압력측정부(20)와, 상기 전압력센서(23)의 종류별 교정계수가 저장된 교정정보 저장모듈(25) 및 상기 하우징(10)에 형성된 제2공기유입부(31)로 유입된 공기의 정압력을 측정하는 정압력측정부(30)를 포함하는 동적 응답방식 피토튜브가 제공된다.

Description

동적 응답방식 피토튜브{DYNAMIC RESPONSE TYPE PITOT TUBE}

본 발명은 공기의 동적 유동압력을 측정하여, 이동체 외부의 유동장 환경과, 속도 등의 정보를 측정할 수 있는 동적 응답방식 피토튜브에 관한 것이다.

일반적으로 유동장의 특성에 주로 사용되는 피토튜브(PITOT TUBE)는 미지 유동의 전압력(TOTAL PRESSURE)과 정압력(STATIC PRESSURE)을 동시에 측정할 수 있도록 하는 압력측정 장치의 하나로 풍동실험이나 기타 여러 분야의 유동특성측정에 사용되는 범용 속도 측정장치이다.

기존의 피토튜브는 정적압력의 전달을 위해 사용하는 긴 공압 연결관과 이에 연결된 압력측정용 센서에서 정상상태(STEADY STATE)의 전압력과 정압력을 각각 측정하는 구조를 갖고 있다.

그러나, 비정상(UNSTEADY)이나, 난류유동(TURBULENT FLOW) 등의 동적으로 빠르게 변동하는 유동장 특성의 측정을 위해서는 센서의 빠른 응답특성을 방해하는 긴 공압관과 정적 압력센서를 특징으로 하는 기존의 피토관 측정장치로는 이에 대한 측정이 불가능하다.

최근 고속 고기동 첨단 비행체의 개발분야에서는 기존의 정적 유동장 특성뿐만 아니라 동적으로 변하는 유동장 압력 특성을 빠르게 측정해야 할 필요성이 점차 증가하고 있는 실정이므로, 긴 공압관의 연결이 없이 전압력과 정압력을 유동장의 동적특성을 정확히 측정할 수 있는 별도의 방안이 필요하게 된다.

또한 풍동교정실험에서와 같이 시험부의 정적특성과 동적 응답특성을 각각 요구하는 경우에는 기존의 피토관 시스템과 열선유속계(HOT-WIRE SYSTEM)와 같은 고가의 실험장비를 이용하는 별도의 교정실험이 필요하게 되어 시험에 소요되는 시간과 비용이 증가될 수 있다.

따라서, 시험 도중에도 압력센서의 유효 측정범위를 넘어서는 압력특성에 대해서도 전체 센서의 장/탈착이 없이도 이를 탄력적으로 수용할 수 있는 측정방안이 필요로 되고 있는 실정이다.

국내공개 10-2012-0066378

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 동적으로 빠르게 변동하는 유동장 특성을 다수의 전압력센서에 의해 실시간으로 정확하게 측정할 수 있도록 하며, 상기 전압력센서의 교체와 변경이 용이한 동시에 유동장의 동적 특성을 측정하기 위한 상기 전압력센서의 종류별 교정계수를 RFID 방식에 의해 제공하도록 구성함으로써, 유동장 측정 실험시에 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있도록 하는 동적 응답방식 피토튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 외압의 작용에 의한 공기를 내부로 유입하도록 구성된 하우징과, 상기 하우징의 선단부에 형성된 제1공기유입부로 유입된 공기를 압력에 따라 다중으로 분배하여 각각의 동적 특성을 측정하는 적어도 1 개 이상의 전압력센서가 장착된 전압력측정부와, 상기 전압력센서의 종류별 고유 특성치에 따른 교정계수가 저장된 교정정보 저장모듈 및 상기 하우징의 측부에 형성된 제2공기유입부로 유입된 공기의 정압력을 측정하는 정압력센서가 장착된 정압력측정부를 포함하는 동적 응답방식 피토튜브가 제공된다.

상기 전압력센서 및 상기 정압력센서는 MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM) 기반의 소형 센서로 구성될 수 있다.

상기 전압력센서 및 상기 정압력센서는 온도보상 기능이 포함된 센서로 구성될 수 있다.

상기 전압력측정부는 상기 제1공기유입부를 통해 유입된 공기를 압력에 따라 다중의 모드로 선택하여 분배하는 분배통로가 형성된 전방 전환블록과, 상기 전압력센서가 설치되고, 상기 분배통로를 통해 분배된 공기를 상기 전압력센서로 유입시키는 유입통로가 형성되는 후방 전환블록을 포함하는 압력센서 전환모듈로 구성될 수 있다.

상기 전압력센서는 상기 후방 전환블록의 후단부에 삽입되어 장착 및 분리되는 것을 특징으로 한다.

상기 분배통로는 상기 제1공기유입부로 유입된 공기를 고압, 저압 및 고-저압의 3 모드로 각각 분배할 수 있도록 3 개의 분배통로로 구성되고, 상기 후방 전환블록은 상기 전방 전환블록의 분배통로와 연결되는 2 개의 유입통로를 상하로 수직하게 배열되도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 분배통로는 상기 전방 전환블록의 후부면에서 삼각형상을 이루도록 배열되어, 상기 전방 전환블록의 회전 시 상기 후방 전환블록의 유입통로와 대응되는 1 개 또는 2 개의 분배통로가 상기 유입통로에 선택적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 전방 전환블록의 후부면은 상기 후방 전환블록의 전방으로 삽입되어 결합될 수 있도록 사각형상의 요철부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 전압력측정부와 상기 정압력측정부를 전기적으로 분리 가능하게 직결시키는 면접촉식 커넥터가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 교정정보 저장모듈은 상기 피토튜브 내부에 설치되어 상기 전압력측정부에 상기 교정계수 정보를 전송하는 RFID(RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION) 모듈로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 RFID 모듈은 상기 전압력센서의 종류별 고유 특성치에 따른 교정계수가 저장된 RFID 저장부와, 상기 RFID 저장부에 저장된 정보를 송수신하는 RFID 송수신부 및 상기 RFID 송수신부에 의한 신호를 분석 및 처리하는 RFID 분석 및 처리부로 구성될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 동적 응답방식 피토튜브에 의하면, 온도보상 기능이 포함된 MEMS 기반의 소형 센서를 적용하여, 비행체나, 풍동 실험장치에서 동적으로 빠르게 변동하는 유동장 특성을 실시간으로 정확하게 획득할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 동적 응답방식 피토튜브에 의하면, 전압력센서의 종류별 교정계수 정보를 제공하는 RFID 모듈과, 상기 전압력센서를 용이하게 교체 및 변경할 수 있도록 하는 압력센서 전환모듈 구조를 적용함으로써, 유동장 특성 실험에 사용되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 피토튜브의 전체 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 피토튜브의 압력센서 전환모듈을 확대하여 도시한 사시도와 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 피토튜브의 압력센서 전환모듈의 작동을 나타낸 사시도와 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 피토튜브의 교정정보 저장모듈의 요부 구성을 나타낸 블록도.

본 발명은 비행체 등에 설치되어 외부 공기의 유입 압력을 통해 이동 속도를 측정하는 피토튜브에 관한 것으로, 특히, 공기의 흐름을 발생시키는 풍동장치와 함께 이동체의 유동장 특성을 분석하기 위한 실험장치로도 사용될 수 있는 동적 응답방식 피토튜브에 관한 것이다.

본 발명에 따른 동적 응답방식 피토튜브에 따르면, 외부 공기 유동의 정적 및 동적 특성을 동시에 측정하여, 급격하게 변하는 동적 유동압력을 측정할 수 있도록 하는 동적 응답용 전압력센서를 내장하고 있는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 동적 응답방식 피토튜브에 따르면, 기존의 긴 공압 연결관의 사용으로 인한 압력측정의 단점을 극복하기 위해 다중 고속 응답형 센서를 적용하고, MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM) 기반의 온도 보상기능이 포함된 센서를 적용하며, 전압력과 정압력의 동적특성을 실시간으로 획득 가능한 센서 직결식 측정방식을 적용하였다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 피토튜브의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 피토튜브(1)는 외부의 공기를 내부로 유입시키도록 구성된 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 내부에 설치되어 외부로부터 유입된 공기의 압력을 통한 동적 특성을 측정하는 전압력측정부(20)와, 상기 외부로부터 유입된 공기 압력의 정압력을 측정하는 정압력측정부(30)로 구성된다.

상기 하우징(10)은 선단부와, 측부에 각각 제1공기유입부(21)와, 제2공기유입부(31)를 형성하여, 외압에 의해 공기를 내부로 유입시키도록 구성된다.

상기 전압력측정부(20)는 상기 하우징(10)의 선단부에 형성된 제1공기유입부(21)로부터 유입된 공기를 압력에 따라 다중으로 분배하는 분배통로(211)가 형성된 전방 전환블록(210)과, 상기 전방 전환블록(210)의 분배통로(211)을 선택적으로 연결하는 유입통로(221)가 형성되고, 상기 유입통로(221)로 유입된 공기의 동적 특성을 측정하는 전압력센서(23)가 장착되는 후방 전환블록(220)으로 구성된다.

그리고, 상기 정압력측정부(30)는 상기 하우징(10)의 측부에 형성된 제2공기유입부(31)로부터 유입된 공기의 정압력을 측정하는 정압력센서(33)가 설치된다.

상기 전압력측정부(20)의 전압력센서(23)와, 상기 정압력측정부(30)의 정압력센서(33)는 MEMS 기반의 소형 센서로 구성될 수 있으며, 특히, 온도보상 기능이 포함된 센서로 구성될 수 있다.

상기 전압력센서(23) 및 정압력센서(33)를 MEMS 기반의 소형 센서로 구성함으로써, 피토튜브(1)의 압력 측정 응답시간에 가장 큰 영향을 주는 긴 공압관의 길이를 대부분 제거할 수 있으며, 측정하려는 유동장에 흐름 간섭이 없도록 피토튜브(1)의 직경을 줄일 수 있다. 또한, 온도보상 기능이 포함된 센서를 적용함으로써, 온도변화에 민감한 MEMS 센서의 단점을 보완하여, 풍동실험과 같은 장시간의 실험에도 안정적인 측정이 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 상기 전압력측정부(20)와, 정압력측정부(30)의 사이에는 상기 전압력센서(23) 및 상기 정압력센서(33)의 동작에 필요한 전원과 신호의 전달을 분리 및 직결시키는 소형 면접촉식 커넥터(40)가 설치된다.

상기 면접촉식 커넥터(40)는 mV 범위의 센서 출력 전압에 영향을 주지 않도록 접촉저항을 낮추어야 하므로, 커넥터(40)의 접촉면적을 최대로 할 수 있도록 하여, 내장된 전압력센서(23)의 동작에 필요한 전원과 신호선도 쉽게 분리될 수 있도록 한다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 피토튜브(1)의 전압력측정부(20)를 확대하여 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전압력측정부(20)는 상기한 전방 전환블록(210)과, 상기 전방 전환블록(210)에 분리 가능하게 결합되는 후방 전환블록(220)을 포함하는 압력센서 전환모듈(200)로 구성될 수 있다.

상기 압력센서 전환모듈(200)은 상기 전방 전환블록(210)과, 상기 후방 전환블록(220)이 마주하는 면에 사각형상의 요철부(212)를 형성하여 결합 및 분리가 이루어지도록 구성될 수 있다.

이러한, 본 발명의 동적 응답방식 피토튜브(1)는 속도를 모르는 미지의 유동장에서 압력측정이 수행되므로, 측정압력의 크기에 따라 상기 전압력센서(23)를 교환할 수 있도록 구성된다.

이를 위해, 상기 전압력센서(23)는 상기 후방 전환블록(220)은 후부단부로 삽입하여 장착 및 분리 가능하게 구성된다. 따라서, 상기 전압력센서(23)의 유효 측정범위를 넘어서는 압력특성에 대한 센서의 교체가 필요하거나, 주기적인 점검 또는 고장 발생시에 간편하고 신속하게 교체 및 변경할 수 있도록 한다.

한편, 상기 전방 전환블록(210)의 내부에 설치되는 상기 분배통로(211)는 상기 제1공기유입부(21)로 유입된 공기를 압력에 따라 고압, 저압 및 고-저압의 3 모드로 분배할 수 있는 3 개의 분배통로(211)로 구성되고, 상기 전방 전환블록(210)의 후부면에서 상기 3 개의 분배통로(211)가 삼각형상을 이루며 후방으로 이어지도록 구성된다.

그리고, 상기 후방 전환블록(220)는 상하 수직을 이루도록 배열되는 2 개의 유입통로(221)를 형성하여, 상기 전방 전환블록(210)에 결합 시 상기 분배통로(211) 중 1 개 또는 2 개의 분배통로(211)를 선택적으로 연결하도록 구성되며, 상기 2 개의 유입통로(221)의 후부측에 각각 상기 전압력센서(23)가 연결되도록 구성된다.

즉, 도 2의 (a)와 같이 상기 전방 전환블록(210)에 설치된 3 개의 분배통로(211) 중 2 개가 수직 배열되도록 이루도록 한 상태에서 상기 후방 전환블록(220)에 결합하면, 도 2의 (b)에서와 같이 상기 후방 전환블록(220)에 형성된 2 개의 유입통로(221)가 동시에 공기를 유입시키도록 연결된다.

도 3은 도 2에 도시된 전방 전환블록(210)의 회전에 따른 분배통로(211)의 형상과, 이에 따른 결합 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 전방 전환블록(210)은 상기 요철부(212)의 사각형상에 따라서 90도 마다 회전시켜 상기 후방 전환블록(220)에 결합되도록 구성된다.

즉, 상기 전방 전환블록(210)을 90도로 회전시킬 경우, 상기 전방 전환블록(210)의 후부면에 형성된 상기 분배통로(211)의 배열이 변경되어, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 상기 후방 전환블록(220)에 형성된 2 개의 유입통로(221)에 1 개의 분배통로(211)가 선택적으로 연결되도록 한다.

따라서, 상기 전방 전환블록(210)과, 상기 후방 전환블록을 해체한 상태에서 상기 전방 전환블록(210)을 회전시켜 재결합함으로써, 상기 하우징(10)의 내부로 유입된 공기의 압력에 따라 상기 분배통로(211)를 통해 고압, 저압 및 고-저압으로 3 모드로 분배하여, 상기 분배통로와 연결되는 상기 유입통로(221)로 유입되는 공기 압력의 동적 특성을 상기 후방 전환블록(220)에 장착된 전압력센서(23)를 통해 측정할 수 있도록 하는 작용을 한다.

그리고, 상기 전압력측정부(20)는 상기 전압력센서(23)의 종류별 고유 특성치에 따른 교정계수가 저장된 교정정보 저장모듈(25)을 설치하여, 상기 전압력센서(23)의 교체 시 변경된 센서의 교정정보에 의해 공기 압력의 동적 특성을 측정하도록 구성된다.

도 4는 상기 교정정보 저장모듈(25)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 교정정보 저장모듈(25)은 피토튜브(1) 내부에 설치되어, 상기 전압력센서(23)의 교정정보를 저장하는 RFID 저장부(50)와, 피토튜브(1)의 외부에 설치되어 상기 RFID 저장부(50)에 저장된 정보를 송수신하는 RFID 송수신부(500) 및 상기 RFID 송수신부(500)에 의한 신호를 분석 및 처리하여 정보를 획득하는 RFID 분석 및 처리부(510)로 구성된다.

상기 교정정보 저장모듈(25)은 상기 전압력측정부(20)에 장착된 상기 전압력센서(23)의 일련번호를 읽어 들여, 해당 일련번호에 따르는 고유의 교정계수를 상기 전압력측정부(20)를 통해 측정된 전기적 신호에 적용하여 공기 압력의 동적 특성을 측정하도록 한다.

따라서, 상기 교정정보 저장모듈(25)에 저장된 센서 종류별 교정계수를 이용함으로써, 모듈화된 상기 전압력센서(23)만 교체하면 되므로 유동장 특성 실험에 사용되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있도록 한다.

10: 하우징
20: 전압력측정부
21: 제1공기유입부
23: 전압력센서
25: 교정정보 저장모듈
30: 정압력측정부
31: 제2공기유입부
33: 정압력센서
200: 압력센서 전환모듈

Claims

외압의 작용에 의한 공기를 내부로 유입하도록 구성된 하우징;
상기 하우징의 선단부에 형성된 제1공기유입부로 유입된 공기를 압력에 따라 다중으로 분배하여 동적 특성을 측정하는 적어도 1 개 이상의 전압력센서가 장착된 전압력측정부;
상기 전압력센서의 종류별 고유 특성치에 따른 교정계수가 저장된 교정정보 저장모듈; 및
상기 하우징의 측부에 형성된 제2공기유입부로 유입된 공기의 정압력을 측정하는 정압력센서가 장착된 정압력측정부;
를 포함하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 1에 있어서,
상기 전압력센서 및 상기 정압력센서는 MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM) 기반의 소형 센서로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 2에 있어서,
상기 전압력센서 및 상기 정압력센서는 온도보상 기능이 포함된 센서로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 2에 있어서,
상기 전압력측정부는 상기 제1공기유입부를 통해 유입된 공기를 압력에 따라 다중의 모드로 선택하여 분배하는 분배통로가 형성된 전방 전환블록; 및
상기 전압력센서가 설치되고, 상기 분배통로를 통해 분배된 공기를 상기 전압력센서로 유입시키는 유입통로가 형성되는 후방 전환블록;
을 포함하는 압력센서 전환모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 4에 있어서,
상기 전압력센서는 상기 후방 전환블록의 후단부에 삽입되어 장착 및 분리되는 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 4에 있어서,
상기 분배통로는 상기 제1공기유입부로 유입된 공기를 고압, 저압 및 고-저압의 3 모드로 각각 분배할 수 있도록 3 개의 분배통로로 구성되고, 상기 후방 전환블록은 상기 전방 전환블록의 분배통로와 연결되는 2 개의 유입통로를 상하로 수직하게 배열되도록 형성한 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 6에 있어서,
상기 분배통로는 상기 전방 전환블록의 후부면에서 삼각형상을 이루도록 배열되어, 상기 전방 전환블록의 회전 시 상기 후방 전환블록의 유입통로와 대응되는 1 개 또는 2 개의 분배통로가 상기 유입통로에 선택적으로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 7에 있어서,
상기 전방 전환블록의 후부면은 상기 후방 전환블록의 전방으로 삽입되어 결합될 수 있도록 사각형상의 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 2에 있어서,
상기 전압력측정부와 상기 정압력측정부를 전기적으로 분리 가능하게 직결시키는 면접촉식 커넥터가 더 형성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 1에 있어서,
상기 교정정보 저장모듈은 상기 피토튜브 내부에 설치되어 상기 전압력측정부에 상기 교정계수 정보를 전송하는 RFID(RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION) 모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.
청구항 10에 있어서,
상기 RFID 모듈은 상기 전압력센서의 종류별 고유 특성치에 따른 교정계수가 저장된 RFID 저장부;
상기 RFID 저장부에 저장된 정보를 송수신하는 RFID 송수신부; 및
상기 RFID 송수신부에 의한 신호를 분석 및 처리하는 RFID 분석 및 처리부;
로 구성된 것을 특징으로 하는 동적 응답방식 피토튜브.