KR101609677B1 - 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치 - Google Patents

공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스에 대한 음속의 상관관계를 이용하여 발열량을 측정하되, 공진주파수의 개념을 도입하여 발열량을 산출함으로써 매우 정확한 가스발열량의 실시간 측정은 물론 소형으로 제작이 가능하여 비용을 절감시킨 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치에 관한 것으로, 내부에 구형태의 공간부(11)를 가지도록 형성되며, 상기 공간부의 일측에는 음파출력부(20)가 설치되고, 이에 대향되는 반대 측에는 음파수신부(40)가 설치되는 측정챔버(10); 가청 주파수 범위를 가지는 음향을 공간부(11)로 출력하는 음파출력부(20); 상기 음파출력부(20)로 가청 주파수 대역의 음파를 순차적으로 가변하여 출력하여 주는 음파가변발생부(30); 상기 공간부(11)를 통해 전송되어 오는 음향를 수신하는 음파수신부(40); 상기 음파수신부(50)로부터 수신된 미약한 신호를 증폭하는 증폭부(50); 및 상기 음파가변발생부(30)로 가청주파수 대역의 주파수를 선형적으로 또 순차적으로 발생하도록 명령 제어하고, 상기 증폭부(50)를 통하여 입력되는 수신 음파 주파수 중 공진이 최대한 일어나는 공진주파수를 측정 검출하며, 상기 측정된 공진주파수를 이용하여 챔버 공간부(11) 내부에 투입된 천연가스의 음속을 산출하고, 산출된 음속을 회귀분석식에 대입하여 천연가스(G)의 발열량을 산출하는 제어부(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치{CALORIFIC VALUE MEASURING DEVICE OF NATURAL GAS USING RESONANCE FREQUENCY}
본 발명은 천연가스의 발열량 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연가스에 대한 음속의 상관관계를 이용하여 발열량을 측정하되, 공진주파수의 개념을 도입하여 발열량을 산출함으로써 매우 정확한 가스발열량의 실시간 측정은 물론 소형으로 제작이 가능하여 비용을 절감시킨 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 천연가스(예: 액화천연가스)는 사용된 가스의 부피에 따라 요금을 부과하는 방식이 적용되어 왔다.
이와 같이 가스의 부피에 따라 요금을 부과할 경우 똑같은 부피를 사용하더라도 열량이 높은 가스보다는 열량이 낮은 가스를 사용하는 가정에서 더 많은 요금을 납부해야 하는 부당한 문제점이 있어왔다.
이러한 문제점을 개선하고자 가스의 발열량에 따라 가스 사용 요금을 부과하는 기술들이 개발되고 있다.
등록특허공보 10-0362820에는 가스의 열량값 측정 방법 및 장치가 개시된다.
상기 기술은, 가스 내에서 음속을 측정하는 단계와, 제1 온도에서 가스의 제1 열전도율을 측정하는 단계와, 제1 온도와는 다른 제2온도에서 가스의 제2 열전도율을 측정하는 단계와, 상기 음속과 상기 제1 및 제2 열전도율에 대응하는 가스의 열량값을 산출하는 작업에서 음속과 제1 및 제2 열전도율을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 이와 같은 종래의 기술은, 가스 발열량을 분석하는 데 많은 시간이 소모될 뿐만 아니라 실시간 측정이 불가능하고, 정밀하게 측정할 수 없으며, 설치비용이 매우 고가인 문제점이 있어 왔다.
등록특허공보 10-0362820, 등록특허공보 10-1284281, 등록특허공보 10-1423566
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 천연가스에 대한 음속의 상관관계를 이용하여 발열량을 측정하되, 공진주파수의 개념을 도입하여 발열량을 산출함으로써 매우 정확한 가스발열량의 실시간 측정은 물론 소형으로 제작이 가능하여 비용을 절감시킨 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 구형태의 공간부를 가지도록 형성되고, 천연가스가 유입되는 유입구와, 유입된 천연가스가 유출되는 유출구가 천공 형성되며, 상기 공간부의 일측에는 음파출력부가 설치되고, 이에 대향되는 반대 측에는 음파수신부가 설치되는 측정챔버와; 가청 주파수 범위를 가지는 음향을 공간부로 출력하는 음파출력부와; 상기 음파출력부로 가청 주파수 대역의 음파를 순차적으로 가변하여 출력하여 주는 음파가변발생부와; 상기 공간부를 통해 전송되어 오는 음향를 수신하는 음파수신부와; 상기 음파수신부로부터 수신된 미약한 신호를 증폭하는 증폭부와; 상기 음파가변발생부로 가청주파수 대역의 주파수를 선형적으로 또 순차적으로 발생하도록 명령 제어하고, 상기 증폭부를 통하여 입력되는 수신 음파 주파수 중 공진이 최대한 일어나는 공진주파수를 측정 검출하며, 상기 측정된 공진주파수를 이용하여 챔버 공간부 내부에 투입된 천연가스의 음속을 산출하고, 산출된 음속을 회귀분석식에 대입하여 천연가스의 발열량을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면, 상기 제어부는 아래의 수식을 이용하여 천연가스의 발열량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015066201353-pat00001
Figure 112015066201353-pat00002
Figure 112015066201353-pat00003
Figure 112015066201353-pat00004
Figure 112015066201353-pat00005
Figure 112015066201353-pat00006
Figure 112015066201353-pat00007
Figure 112015066201353-pat00008
여기서, ρstd=표준밀도, Pstd=표준압력, R=기체상수, Tstd=표준온도, k=비열비, Mw=몰질량, Hm=질량 발열량, Hv=체적 발열량임.
또한 본 발명에 따르자면, 상기 측정챔버의 유입부로 유입되는 천연가스의 입력단에는 정밀온도센서를 부가하고; 상기 제어부는 측정된 공진주파수를 FFT분석 후 천연가스의 표준온도상태의 주파수로 보정하여 회귀분석식에 대입하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 측정챔버는 외부 표면을 실리콘 코팅 처리되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 천연가스에 대한 음속의 상관관계를 이용하여 발열량을 측정하되, 공진주파수의 개념을 도입하여 발열량을 산출함으로써 매우 정확한 가스발열량의 실시간 측정은 물론 소형으로 제작이 가능하여 비용을 절감시킨 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 측정챔버의 상세 구성도,
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 비열(K)과 음속의 상관 그래프,
도 4은 본 발명에 따른 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치의 제어 수순이다.
이하 첨부된 도면을 찬조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치는,
측정챔버(10)와, 음파출력부(20)과, 음파가변발생부(30)과, 음파수신부(40)과, 증폭부(50)와, 제어부(60)를 포함한다.
상기 측정챔버(10)는 내부에 구형태의 공간부(11)를 가지도록 형성되며, 상기 공간부의 일측에는 음파출력부(20)가 설치되고, 이에 대향되는 반대 측에는 음파수신부(40)가 설치되도록 구성된다.
또한 상기 측정챔버(10)는 도 2의(a)(b)와 같이 반구형태의 2개 몸체(12)(13)가 결합되어 구성되며, 각 몸체에는 천연가스(G)가 유입되는 유입구(14)와, 유입된 천연가스가 유출되는 유출구(15)가 천공 형성된다.
또한 상기 공간부(11)는 구형태로 구성되어, 음향의 공진이 최대화될 수 있도록 환경을 조성하여 주게 된다.
또한 상기 유입부(14)로 유입되는 천연가스(G)의 입력단에는 정밀온도센서(16)를 부가하여 측정챔버(10)의 공간부(11)로 유입되는 천연가스의 온도를 검출하여 추후 온도에 따른 공진주파수 보정을 수행할 수 있도록 하여준다.
또한 상기 측정챔버(10)는 외부 표면을 실리콘 코팅처리하여 외부로부터 오는 각종 진동을 최대한 줄여주어, 측정 주파수에 영향을 미치지 않도록 하여준다.
상기 음파출력부(20)는 음파(음향)를 출력하는 수단으로, 가청 주파수 범위(8~16KHz)를 가지는 음향을 공간부(11)로 출력하여 준다.
상기 음파출력부(20)는 마이크로 스피커로 구성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음파가변발생부(30)는 상기 음파출력부(20)로 음향신호를 출력하는 수단으로, 이때 사용되는 음원은 DDS(digital data storage)를 사용하여 발생시키며, 가청 주파수 대역의 음파를 순차적으로 가변하여 상기 음파출력부(20)로 출력하여 준다.
상기 음파수신부(40)는 공간부(11)를 통해 전송되어 오는 음파(음향)를 수신하는 수단으로, 콘덴서 마이크로 구성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 증폭부(50)는 상기 음파수신부(50)로부터 수신된 미약한 신호를 증폭하여 제어부(60)로 전송하여 준다.
상기 제어부(60)는 상기 음파가변발생부(30)로 가청주파수 대역(8~16KHz)의 주파수를 선형적으로 또 순차적으로 발생하도록 명령 제어하고, 상기 음파수신부(40) 및 증폭부(50)를 통하여 입력되는 수신 음파 주파수 중 공진이 최대한 일어나는 공진주파수를 측정 검출한다.
또한 상기 제어부(60)는 상기 측정된 공진주파수를 이용하여 챔버 공간부(11) 내부에 투입된 천연가스의 음속을 산출하고, 산출된 음속을 회귀분석식에 대입하여 천연가스(G)의 발열량을 산출하게 된다.
이 과정을 상세히 알아보면,
이상기체에서의 표준밀도는 아래의 <수식1>과 같다.
<수식1>
Figure 112015066201353-pat00009
여기서 ρstd=표준밀도, Pstd=표준압력, R=기체상수, Tstd=표준온도이다.
또한 이상기체 상태에서의 표준 음속은 아래의 <수식2>와 같다.
<수식2>
Figure 112015066201353-pat00010
여기서 k는 비열비이다.
상기 <수식1>과 <수식2>로부터,
Figure 112015066201353-pat00011
이다.
여기서 압력과 온도가 일정한 상태에서의 표준밀도는 표준음향 속도의 제곱*
에 반비례하며, 도 3에서와 같이 비열, k의 비율이 표준음속의 함수로써 선형적으로 증가한다.
따라서 표준 천연가스의 샘플에 의한 회귀분석을 통하여 음향의 표준속도와 표준밀도를 근사함수형태로 나타내면,
Figure 112015066201353-pat00012
이고,
몰질량(Mw)을 구하기 위해 회귀식으로 표현하면,
Figure 112015066201353-pat00013
이다.
또한 질량을 기반으로 한 발열량을 표현하면,
Figure 112015066201353-pat00014
Figure 112015066201353-pat00015
이며, 앞서 구한 식으로부터 표준상태의 부피 발열량을 구하면,
Figure 112015066201353-pat00016
된다.
이러한 수식을 통해 천연가스(G)의 발열량을 측정하게 되는 것이다.
또한 상기 음속은 매질, 즉 천연가스(G)의 온도에 따라 가변적이기 때문에 상기 정밀온도센서(16)를 사용하여, 주파수를 FFT분석 후 표준온도상태의 주파수로 보정하여 회귀분석식에 대입하여 준다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 제어부(60)에는 통신부(70)가 더 연결될 수 있도록 구성된다.
상기 통신부(70)는 상기 제어부(60)와 외부기기 사이에 통신을 담당하며, RS-485통신 환경을 제공할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명 발명량 측정장치의 동작을 도 4의 순서도를 참조하여 설명한다.
먼저, 발열량을 측정하기 위한 천연가스(G)를 측정챔버(10)의 유입구(14)로 주입시켜준다. 이때 유입구(14)로 주입된 천연가스(G)는 구형태의 공간부(11)로 투입되고 다시 유출구(15)로 빠져나간다.
이와 같은 상태에서 제어부(60)은 음파가변발생부(30)로 가청주파수의 범위(8~16KHz)를 가지는 DDS를 이용한 소정의 음향이 선형적으로 또 순차적으로 가변 발생되도록 명령 제어한다.
따라서 상기 음파가변발생부(30)는 음파출력부(20)를 통해 소정의 음향이 선형적으로 또 순차적으로 가변 출력되도록 하여준다.(S10 과정)
이때 상기 음파출력부(20)로 출력된 음향은 측정챔버(10)의 공간부(11)로 발산되고, 상기 공간부(11)내부에 투입된 천연가스(G)와 간섭을 일으키며, 동시에 음파수신부(40)로 수신되어진다.
상기 음파수신부(40)는 상기 공간부(11)를 통해 전송되어온 음파출력부(20)의 음향신호를 수신한다.
상기 음파수신부(40)를 통해 수신된 미약한 음향신호는 증폭부(50)를 통해 증폭된 후, 제어부(60)로 입력된다.
상기 제어부(60)는 상기 음파수신부(40) 및 증폭부(50)를 통하여 입력되는 수신 음파 주파수 중 공진이 최대한 일어나는 공진주파수를 측정 검출한다.(S20 과정)
그리고 상기 제어부(60)는 상기 측정된 공진주파수를 이용하여 측정챔버(10)의 공간부(11) 내부에 투입된 천연가스(G)의 음속을 산출하고, 산출된 음속을 회귀분석식에 대입하여 천연가스(G)의 발열량을 산출하게 된다.(S30, S40과정)
상기 음속 및 발열량 산출 과정은 전술한 수식을 이용한다.
또한, 상기 S20 과정에는 주파수를 보정하는 과정(S21)이 더 포함되며, 이는 측정챔버(10)의 공간부(11)로 유입되는 천연가스(G)의 온도를 검출하여, 추후 검출된 공진주파수를 FFT분석 후 표준온도상태의 주파수로 보정하여 회귀분석식에 대입함으로써, 측정 오류를 배제하게 되는 것이다.
10: 측정챔버 11: 공간부
12: 유입구 12: 유출구
14,15: 반구형몸체
16: 정밀온도센서 20: 음파출력부
30: 음파가변발생부 40: 음파수신부
50: 증폭부 60: 제어부

Claims (4)

  1. 내부에 구형태의 공간부(11)를 가지도록 형성되고, 천연가스(G)가 유입되는 유입구(14)와, 유입된 천연가스가 유출되는 유출구(15)가 천공 형성되며, 상기 공간부의 일측에는 음파출력부(20)가 설치되고, 이에 대향되는 반대 측에는 음파수신부(40)가 설치되는 측정챔버(10);
    가청 주파수 범위를 가지는 음향을 공간부(11)로 출력하는 음파출력부(20);
    상기 음파출력부(20)로 가청 주파수 대역의 음파를 순차적으로 가변하여 출력하여 주는 음파가변발생부(30);
    상기 공간부(11)를 통해 전송되어 오는 음향를 수신하는 음파수신부(40);
    상기 음파수신부(40)로부터 수신된 미약한 신호를 증폭하는 증폭부(50); 및
    상기 음파가변발생부(30)로 가청주파수 대역의 주파수를 선형적으로 또 순차적으로 발생하도록 명령 제어하고, 상기 증폭부(50)를 통하여 입력되는 수신 음파 주파수 중 공진이 최대한 일어나는 공진주파수를 측정 검출하며, 상기 측정된 공진주파수를 이용하여 챔버 공간부(11) 내부에 투입된 천연가스의 음속을 산출하고, 산출된 음속을 회귀분석식에 대입하여 천연가스(G)의 발열량을 산출하는 제어부(60)를 포함하고;
    상기 제어부(60)는 아래의 수식을 이용하여 천연가스의 발열량을 산출하는 것을 특징으로 하는 공진주파수를 이용한 천연가스의 발열량 측정장치.
    Figure 112015107038234-pat00017

    Figure 112015107038234-pat00018

    Figure 112015107038234-pat00019

    Figure 112015107038234-pat00020

    Figure 112015107038234-pat00021

    Figure 112015107038234-pat00022

    Figure 112015107038234-pat00023

    Figure 112015107038234-pat00024

    여기서, ρstd=표준밀도, Pstd=표준압력, R=기체상수, Tstd=표준온도, k=비열비, Mw=몰질량, Hm=질량 발열량, Hv=체적 발열량임.
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