KR101630301B1 - 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계 - Google Patents

자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기왜곡 방식으로 플로트 높이를 측정하여 유량을 정확하게 측정할 수 있는 면적식 유량계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계(1)는, 하방에 유입구를 갖고 상방에 유출구를 가지며 하측으로 갈수록 지름이 작아지도록 테이퍼진 형상의 테이퍼관(10)과, 자석이 내장되어 있고, 상기 테이퍼 관내의 유량에 따라 높이가 가변되는 플로트(20)와, 자왜선이 내장되어 있고, 상기 테이퍼 관 내에 설치되어 상기 플로트의 위치를 자기왜곡방식으로 감지하기 위한 프로브 샤프트(30)와, 상기 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 상기 플로트에서 반사된 신호를 수신하여 상기 플로트의 위치를 측정한 후 플로트 위치로부터 유량을 산출하는 자기왜곡방식의 거리측정부(40)로 구성된다.
본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계는 플로트의 위치 측정에 자기왜곡 방식을 적용하여 정밀도가 높고, 간단한 기계적 구조를 사용하여 적은 비용으로 유량을 측정할 수 있으며, 측정값을 전기적인 신호로 제공하여 공정제어 등 다양한 분야에 사용할 수 있는 장점이 있다.

Description

자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계{ TAPER TUBE TYPE AREA FLOW METER USING MAGNETROSTRICIVE POSITION DETECTOR }
본 발명은 면적식 유량계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기왜곡 방식으로 플로트 높이를 측정하여 유량을 정확하게 측정할 수 있는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계에 관한 것이다.
일반적으로, 액체나 기체의 유량을 측정하는데 사용되는 유량계는 다양한 형태의 것들이 사용되고 있는데, 그중 플로트형 면적 유량계는 구조가 간단하면서도 유량계의 캘리브레이션(calibration)에 이용할 정도로 정밀도가 높으나 측정값을 전기적인 신호로 생성할 수 없어 측정값을 눈금으로 나타내는 현장 지시계를 통해 육안으로 유량을 확인하는 분야로 활용성이 제한되어 있었고, 공정 제어용 유량제어시스템에는 활용될 수 없었다.
차압 유량계는 유체의 유동통로가 고정되어 있으며, 조임기구 상하류에서 측정된 차압이 유량과의 함수관계를 가지고 있으나 면적식 유량계는 유체의 통로가 유량에 따라 변할 수 있는 구조로 되어 있기 때문에 플로트 상하의 압력차가 항상 일정하게 유지된다. 즉, 면적식 유량계에서는 유체가 흐르는 유로의 면적 변화가 유량의 함수이기 때문에 테이퍼관을 사용하면 유량과 유로면적 변화를 선형적인 관계로 만들수 있다.
면적식 유량계는 여러 종류가 있으나 가장 간단한 형태의 면적식 유량계(50)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유입구(53)와 유출구(54)가 형성된 테이퍼진 투명한 유리 또는 플라스틱 관(51)과, 관내를 수직으로 움직이는 플로트(52)로 구성되어 있다. 도 1을 참조하면, 테이퍼관형 면적식 유량계(51)는 상부 방향이 넓고 하부 방향이 좁은 테이퍼(Taper)관(51)을 수직으로 세워 설치하면, 플로트(Float;52)가 관내를 수직으로 움직이는데, 유체가 Taper관(51) 내부를 아래에서 위로 흐를 때 유량에 비례하여 Float(52)가 상승하게 된다. 이와 같은 동작은 유체의 흐름이 Float(52)에서 조임기구 역할을 하여 Float(52) 전후에는 차압이 발생하기 때문이다. Float(52)가 상승을 하게 되면 Taper관(51)의 면적이 넓어지고 차압이 줄어들어 Float(52)의 무게와 BALANCE가 되는 지점에서 Float(52)가 평형을 이루어 도 1에 도시된 바와 같이 정지하게 된다.
그리고 플로트(52)의 수직이동 위치에 따라 결정되는 Taper관(51)의 유통 단면적과 유량은 비례관계가 성립되므로, Float(52)의 수직 이동 위치를 검출하여 유량을 측정한다. 예컨대, 대한민국 등록특허공보(B1)에 등록번호 제10-0650526호로 공고된 종래기술에는 유입구와 유출구를 갖는 테이퍼관 안에 플로트가 배치된 통상의 면적식 유량계가 개시되어 있다.
또한 공개특허공보(A)에 공개번호 특2002-0006138호로 공개된 플로트형 면적식 유량계는 하측으로 갈수록 지름이 좁아지고 하단은 유로의 입구와 연통하며 상단은 유로의 출구와 연통하는 테이퍼 유로부를 갖는 본체와, 이 본체의 테이퍼 유로부내에 수용되며 유량에 따라 수직으로 이동하는 플로트와, 본체의 테이퍼 유로부 상측에 장착되고 그로부터 플로트까지의 거리와 유량간의 관계 데이타가 입력되며 플로트의 위치를 측정하여 거리-유량 관계 데이타로부터 유량을 산출하여 출력하는 거리측정기로 구성되는데, 거리측정기는 테이퍼 유로부의 직상부에 위치하여 그와 플로트간의 거리를 측정하며 측정값을 전기적 신호로 출력하는 레이저 또는 초음파 센서를 포함하고 있다.
KR 10-0650526 B1 KR 10-2002-0006138 A
종래의 대부분의 플로트형 면적식 유량계는 플로트의 높이를 유리관을 통하여 관측할 수 있는 눈금으로 표시하는 방식이므로 정확한 유량의 산출이 어려웠고, 전기적인 신호로 검출하는 방식에서는 플로트의 위치를 측정하기 위한 센서로서 레이저 혹은 레이다 센서나 초음파 센서를 사용할 수 있겠으나 현실적으로 불가능하며, 아직 레이저 센서나 초음파를 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계는 상품화되지 못하고 있다.
즉, 레이다나 레이저 방식의 거리측정 기술은 극초단파 사용하는데, 전파의 특성상 펄스를 발사한 후 목표물에서 반사되어 돌아오는 시간이 너무 짧기 때문에 50 ㎝ 이하의 짧은 거리 측정에는 부적당하고, 초음파 방식의 거리측정 기술은 전파의 특성상 굴절 및 회절이 심하고, 전파 매질에 따른 전파속도가 일정하지 않기 때문에 측정 오차가 커 적용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 자기왜곡 방식으로 플로트 높이를 측정하여 유량을 정확하게 측정할 수 있는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 면적식 유량계는, 하방에 유입구를 갖고 상방에 유출구를 가지며 하측으로 갈수록 지름이 작아지도록 테이퍼진 형상의 테이퍼관; 자석이 내장되어 있고, 상기 테이퍼 관내의 유량에 따라 높이가 가변되는 플로트; 자왜선이 내장되어 있고, 상기 테이퍼 관 내에 설치되어 상기 플로트의 위치를 자기왜곡방식으로 감지하기 위한 프로브 샤프트; 및 상기 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 상기 플로트에서 반사된 신호를 수신하여 상기 플로트의 위치를 측정한 후 플로트 위치로부터 유량을 산출하는 자기왜곡방식의 거리측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 면적식 유량계는 본체에 유량을 직접 표시하거나 상기 거리측정부의 측정 데이터를 전기적인 신호로 외부로 전송하는 것이고, 상기 자기왜곡방식의 거리측정부는, 시작신호에 따라 소정의 펄스파를 발생하여 상기 프로브 샤프트에 인가하는 펄스파 발생기와, 상기 프로브 샤프트로부터 상기 펄스파에 기인한 반사파신호를 수신하는 반사파 수신수단과, 상기 반사파 수신수단을 통해 수신된 신호와 소정의 비교전압을 비교하여 정지신호를 출력하는 비교기와, 제어신호에 따라 상기 비교기에 비교전압을 제공하는 비교전압 발생부와, 측정이 요구되면, 상기 비교전압 발생부를 제어하여 제1전압을 비교전압으로 제공하게 하고 상기 펄스파 발생기에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 상기 비교기의 출력에 따라 수신데이터를 구해 수신신호가 없으면 비교전압을 낮추도록 제어하여 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호가 최초로 검출되면 그때의 비교전압을 수신신호의 상한값으로 저장하고, 다시 비교전압을 낮추면서 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호의 펄스폭이 소정값 이상이 되면 그때의 비교전압을 수신신호의 하한값으로 저장한 후 상한값과 하한값의 중간을 기준 비교전압으로 설정하고, 상기 기준 비교전압이 설정되면 측정을 위해 상기 펄스파 발생기에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 상기 비교기가 수신신호와 기준 비교전압을 비교하여 정지신호를 출력하면 타이머값을 읽어 펄스인가 후 반사파 수신까지의 시간을 구하고 이로부터 액면의 높이를 산출하는 마이크로프로세서를 구비한 것이다.
상기 자기왜곡방식 거리측정부는 측정 데이터를 송신하기 위한 통신부를 더 구비하고, 상기 마이크로 프로세서는 액면 높이로부터 유량을 산출하고, 온도센서로부터 온도를 입력받아 순(NET) 유량으로 환산하여 상기 통신부를 통해 외부로 전송할 수도 있다.
본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계는 플로트의 위치 측정에 자기왜곡 방식을 적용하여 정밀도가 높고, 간단한 기계적 구조를 사용하여 적은 비용으로 유량을 측정할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따르면, 거리측정 정밀도를 0.1 mm로 하고, 측정 간격을 0.1초로 하여 정확하게 플로트의 높이를 측정을 할 수 있으므로 유량을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계는 자기왜곡방식을 적용하여 플로트의 위치를 측정하기 때문에 측정값을 전기적인 신호로 제공하여 공정제어 등 다양한 분야에 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 면적식 유량계를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 적용되는 자기왜곡방식의 거리측정을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계를 도시한 개략도,
도 4는 도 3에 도시된 자기왜곡방식 거리측정부의 구성 블럭도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 적용되는 자기왜곡방식의 거리측정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계는 테이퍼(Taper) 관 형태의 면적식 유량계의 플로트 거리측정에 자기왜곡(magnetostrictive) 방식을 적용하여 플로트의 높이를 저비용으로 정확하게 측정할 수 있도록 한 것이다. 즉, 테이퍼 관 형태의 면적식 유량계는 정밀도가 높아 유량계의 캘리브레이션에 적용할 정도이나 측정값을 전기적인 신호로 생성할 수 없으므로 육안으로 유량을 확인하는 분야로 사용이 제한되었으나 본 발명에서는 테이퍼 관내의 플로트 위치를 자기왜곡방식으로 정확하게 측정하고 측정값을 전기적인 신호로 제공하여 공정제어 등 다양한 분야에 사용할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 적용되는 자기왜곡방식 거리측정기술은 도 2에 도시된 바와 같이, 자성체 물질에 자계를 가했을 때 탄성파가 발생하는 자기왜곡현상을 이용한 것으로, 자왜선상에 영구자석이 내장된 부표(Float)를 배치하여 횡방향의 자계를 발생시키고, 자왜선에 Pulse를 인가하여 축방향으로 자기장을 발생시키면 영구자석과의 교차 지점에서 탄성파가 발생하는데, Pulse를 발사한 후 자왜선 상으로 전파되는 탄성파가 수신되기까지의 시간을 측정하여 Pulse 인가장치에서부터 영구자석이 내장된 플로트(Float)까지의 거리를 측정하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 자기왜곡방식 거리측정부의 구성 블럭도이다.
본 발명의 실시예에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계(1)는 도 3에 도시된 바와 같이, 테이퍼 관(10)과, 영구자석(22)이 장착된 플로트(20)와, 자왜선이 내장된 프로브 샤프트(30)와, 자기왜곡방식의 거리 측정부(40)로 이루어져 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 면적식 유량계(1)는 하방에 유입구(12)를 갖고 상방에 유출구(14)를 가지며 테이퍼진 형상의 테이퍼 관(10)과, 영구자석(22)이 장착되어 있고 테이퍼 관(10) 내의 유량에 따라 높이가 가변되는 플로트(20)와, 자왜선이 내장되어 있고 테이퍼 관(10) 내 중앙에 설치되어 플로트(20)의 위치를 자기왜곡방식으로 감지하기 위한 프로브 샤프트(30)와, 프로브 샤프트(30)에 펄스를 인가한 후 플로트(20)에서 반사된 신호를 수신하여 플로트(20)의 위치를 측정하여 유량을 산출하는 자기왜곡방식의 거리측정부(40)로 구성된다. 여기서, 거리측정부(40)는 측정 유량값을 본체(1)에서 바로 표시하거나 통신포트를 통해 외부에 전기적인 신호로 제공하여 외부의 LCD에 디스플레이하거나 공정제어 등 다른 용도로 사용할 수 있다.
또한 플로트(20)는 기존 테이퍼관형 면적식 유량계의 플로트를 그대로 사용하면서 내부에 원통형 영구자석(22)을 내장한 구조로 구현할 수 있다.
그리고 자기왜곡방식의 거리측정부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, MPU(41)와, 펄스발생기(42), 펄스인가부(43), 반사파 수신부(44), 증폭기(45), 대역통과필터(BPF:46), 비교전압발생부(47), 비교기(48), 및 통신부(49)로 이루어져 있다.
도 4를 참조하면, MPU(41)는 CPU 코어와 내장 타이머, EEPROM, 디지털 입출력단자, 아날로그 입출력단자 등을 구비하고 있으며, 본 발명에 따른 측정 소프트웨어를 실행한다. 즉, MPU(41)는 측정이 요구되면, 비교전압 발생부(47)를 제어하여 제1전압을 비교전압으로 제공하게 하고 펄스파 발생기(42)에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 비교기(48)의 출력에 따라 수신데이터를 구해 수신신호가 없으면 비교전압을 낮추도록 제어하여 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호가 최초로 검출되면 그때의 비교전압을 수신신호의 상한값으로 저장하고, 다시 비교전압을 낮추면서 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호의 펄스폭이 소정값 이상이 되면 그때의 비교전압을 수신신호의 하한값으로 저장한 후 상한값과 하한값의 중간을 기준 비교전압으로 설정하고, 기준 비교전압이 설정되면 측정을 위해 펄스파 발생기(42)에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 비교기(48)가 수신신호와 기준 비교전압을 비교하여 정지신호를 출력하면 타이머값을 읽어 펄스인가 후 반사파(탄성파) 수신까지의 시간을 구하고 이로부터 액면의 높이를 산출한다.
펄스파 발생기(42)는 다단의 배전압회로로 구성되어 MPU(41)로부터 시작(Start)신호가 전달되면 소정 크기의 펄스를 발생하여 펄스 인가부(43)를 통해 프로브 샤프트(30)내 자왜선에 펄스를 인가한다.
증폭기(45)는 펄스인가 후 프로브 샤프트 내의 자왜선을 통해 전달되는 반사파(탄성파) 신호를 반사파 수신부(44)로부터 전달받아 증폭하고, 대역통과필터(46)는 불필요한 대역의 잡음을 일차 제거하며, 비교기(48)는 필터링된 수신신호를 비교전압과 비교하여 비교결과를 정지(Stop)신호로서 MPU(41)로 전달한다. 이에 따라 MPU(41)는 시작신호로 내부의 타이머를 기동시킨 후 정지신호로 타이머 종료까지의 시간을 구해, 펄스인가 후 반사파 수신까지의 시간을 산출할 수 있다.
비교전압 발생부(47)는 MPU(41)의 제어에 따라 다단의 비교전압 중 하나를 선택하여 비교기(48)로 출력하고, 통신부(49)는 유선이나 무선으로 디스플레이장치나 외부 호스트장치(도시 생략함)와 프로세서(41) 사이에 통신을 수행한다. 즉, MPU(41)가 제공하는 측정결과 데이터를 도시 생략된 디스플레이장치로 전송하여 표시할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계(1)는 유량에 따라 수직방향으로 높이가 가변되는 플로트(20)의 위치를 측정하기 위해 프로브 샤프트(30)의 자왜선에 펄스를 인가하여 축방향으로 자기장을 발생시킨 후, 플로트(20)의 영구자석(22)과의 교차 지점에서 발생되는 탄성파를 수신하여 펄스(Pulse)를 발사한 후 자왜선 상으로 전파되는 탄성파가 수신되기까지의 시간을 측정하여 플로트(Float;20)의 위치를 측정한 후 유량을 산출한다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
1: 면적식 유량계 10: 테이퍼관
12: 유입구 14: 유출구
20: 플로트 22: 영구자석
30: 프로브 샤프트 40: 자기왜곡방식 거리측정부
41: MPU 42: 펄스발생기
43: 펄스인가부 44: 반사파 수신부
45: 증폭기 46: BPF
47: 비교전압발생부 48: 비교기
49: 통신부

Claims (5)

  1. 하방에 유입구를 갖고 상방에 유출구를 가지며 하측으로 갈수록 지름이 작아지도록 테이퍼진 형상의 테이퍼 관;
    영구자석이 내장되어 있고, 상기 테이퍼 관내의 유량에 따라 높이가 가변되며 중앙에 관통홀이 형성된 플로트;
    자왜선이 내장되어 있는 봉 형상으로, 상기 테이퍼 관 내에서 상기 플로트의 관통홀을 통과하여 수직으로 설치되어 상기 플로트의 위치를 자기왜곡방식으로 감지하기 위한 프로브 샤프트; 및
    상기 프로브 샤프트에 펄스를 인가한 후 상기 플로트의 영구자석에서 반사된 신호를 수신하여 상기 플로트의 위치를 측정한 후 플로트 위치로부터 유량을 산출하는 자기왜곡방식의 거리측정부를 포함하여
    테이퍼(Taper) 관 형태의 면적식 유량계의 플로트 위치 측정에 자기왜곡(magnetostrictive) 방식을 적용하여 플로트의 높이를 저비용으로 정확하게 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 면적식 유량계는
    본체에 유량을 직접 표시하거나 상기 거리측정부의 측정 데이터를 전기적인신호로 외부로 전송하는 것을 특징으로 하는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자기왜곡방식의 거리측정부는,
    시작신호에 따라 소정의 펄스파를 발생하여 상기 프로브 샤프트에 인가하는 펄스파 발생기와,
    상기 프로브 샤프트로부터 상기 펄스파에 기인한 반사파신호를 수신하는 반사파 수신수단과,
    상기 반사파 수신수단을 통해 수신된 신호와 소정의 비교전압을 비교하여 정지신호를 출력하는 비교기와,
    제어신호에 따라 상기 비교기에 비교전압을 제공하는 비교전압 발생부와,
    측정이 요구되면, 상기 비교전압 발생부를 제어하여 제1전압을 비교전압으로 제공하게 하고 상기 펄스파 발생기에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 상기 비교기의 출력에 따라 수신데이터를 구해 수신신호가 없으면 비교전압을 낮추도록 제어하여 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호가 최초로 검출되면 그때의 비교전압을 수신신호의 상한값으로 저장하고, 다시 비교전압을 낮추면서 펄스파 인가 및 수신과정을 반복하여 수신신호의 펄스폭이 소정값 이상이 되면 그때의 비교전압을 수신신호의 하한값으로 저장한 후 상한값과 하한값의 중간을 기준 비교전압으로 설정하고, 상기 기준 비교전압이 설정되면 측정을 위해 상기 펄스파 발생기에 시작신호를 제공하여 펄스를 발생하게 함과 아울러 내부의 타이머를 개시하고 상기 비교기가 수신신호와 기준 비교전압을 비교하여 정지신호를 출력하면 타이머값을 읽어 펄스인가 후 반사파 수신까지의 시간을 구하고 이로부터 액면의 높이를 산출하는 마이크로프로세서를 구비한 것을 특징으로 하는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계.
  5. 제4항에 있어서, 상기 자기왜곡방식 거리측정부는
    측정 데이터를 전송하기 위한 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기왜곡방식의 거리측정을 이용한 테이퍼관형 면적식 유량계.
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