KR101807859B1 - 비전도성 유체의 유량 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량 측정 장치에 관한 것으로서. 유체가 유입되는 경로에 위치하며, 상기 유체를 적어도 일부 이온화시키는 제 1 전극부, 상기 제 1 전극부를 통해 일부 이온화된 상기 유체가 유입되는 경로에 자기장을 발생시키는 자기장 발생부, 및 상기 자기장 발생부에 의하여 발생된 상기 자기장과 상기 적어도 일부 이온화 된 유체에 의하여 유도되는 전압을 감지하는 적어도 한 쌍의 제 2 전극부를 포함한다.

Description

비전도성 유체의 유량 측정 장치{Electromagnetic flowmeter for non-conducting fluid}
본 발명은 비전도성 유체의 유량 측정 장치에 관한 것으로서, 순수한 물이나 기름과같이 이온화 된 성분을 포함하고 있지 않은 유체의 유량을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전자식 유량계는 하수의 유량을 계측하는 방법으로 알려져 있으며, 전도성 유체가 자장속을 통과할 때 기전력이 유속에 비례하여 발생하는 패러데이법칙을 이용한 유량 계측 방법이다.
전도성 유체의 흐름에 직각으로 자기장을 가하여 직각인 두 방향으로 기전력이 발생하는 원리를 이용하며 유체의 온도, 점도, 밀도 등의 영향을 받지 않고 유량을 계측할 수 있다.
그러나, 전자유량계는 패러데이 법칙에 따른 전자유도원리를 이용하여 유로관내를 흐르는 유체의 양을 측정하므로, 비전도성 유체의 경우 자기장을 통과하여도 기전력을 발생하지 않는다. 즉, 무극성 유체에 대해서는 유량을 측정하지 못한다는 한계가 있다. 즉, 상하수, 정유, 화학물과 같은 각종 유체 중 전도도를 가진 유체만을 측정할 수 있는 한계점이 있었다.
한국 등록 특허 제 10-0832793 (등록)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 비전도성 유체를 방전 장치를 통해서 이온화를 발생시켜 일시적으로 전도성 유체로 변환시켜 유량을 측정하는 전자유량계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 비전도성 유체의 유량 측정 장치는, 유체가 유입되는 경로에 위치하며, 상기 유체를 적어도 일부 이온화 시키는 제 1 전극부, 상기 제 1 전극부를 통해 일부 이온화된 상기 유체가 유입되는 경로에 자기장을 발생시키는 자기장 발생부 및 상기 자기장 발생부에 의하여 발생된 상기 자기장과 상기 적어도 일부 이온화된 유체에 의하여 유도되는 전압을 감지하는 적어도 한 쌍의 제 2 전극부를 포함한다.
본 발명에서 상기 제 1 전극부는 상기 유체를 적어도 일부 이온화 시키기 위해 방전하는 방전 전극들을 포함하며, 상기 방전 전극들의 일단은 상기 유체가 흐르는 관로 내부의 유체를 향하도록 기 설정된 간격으로 이격 되어 고정 설치될 수 있다.
상기 방전 전극들에 흐르는 전류 또는 전압을 감지하여 상기 유체의 수위를 감지하는 수위 계산부를 더 포함하며, 상기 수위 계산부는 상기 방전 전극들이 기체상에 노출된 영역에 위치한 방전 전극들과, 유체상에 위치하는 방전 전극들을 구별하고, 상기 구별된 방전 전극들 간의 전류 또는 전압의 차이를 이용하여 수위를 측정할 수 있다.
본 발명의 유량 측정 장치는 상기 관로 내부에는 상기 관로를 통과하는 유체의 수위를 측정하는 수위 감지센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극부에 방전을 위한 방전 전압을 인가하고, 상기 제 2 전극부로부터 전달받은 전압을 기 설정된 알고리즘에 따라 분석하여 상기 유체의 유량을 측정하는 제어부를 더 포함한다. 상기 제어부는 상기 제 1 전극부에 포함된 상기 방전 전극들에 인가되는 전압을 제어하는 방전 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제 1 전극부에 포함된 상기 방전 전극들에 인가되는 전압을 제어하는 방전 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제 1 전극부는 상기 방전 제어부로부터 제 1 방전 전압의 신호를 인가받는 적어도 하나의 제 1 방전 전극 및 제 2 방전 전압의 신호를 인가받는 적어도 하나의 제 2 방전 전극을 더 포함한다.
또한, 상기 방전 제어부는 상기 유체의 종류에 따라 상기 방전 전압 전압의 전압 레벨을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 유량 측정 장치는 상기 방전 전극들에 스케일(Scale)이 발생한 경우, 상기 스케일(Scale)을 제거하기 위해 초음파를 제공하는 초음파 제공부; 또는 상기 방전 전극들에 숏 펄스 형태의 충격파를 가하는 방전 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 방전 전극들 각각의 일단은 상기 방전에 의한 마모를 방지하기 위해 곡면으로 구현될 수 있다.
본 발명의 제어부는 상기 자기장 발생부와 연결되어 펄스 신호를 전달하는 여자 발생부, 상기 제 2전극부로부터 전달받은 전압의 신호를 증폭시키는 증폭부, 상기 증폭부로부터 상기 전달받은 신호에 포함된 불필요한 신호를 제거하는 필터부 및 상기 전기적 신호에 따라 유량을 계산하는 유량 계산부를 더 포함한다.
본 발명의 유량 측정 장치는 필터부로부터 상기 필터링된 신호를 입력받고, 상기 입력된 신호의 크기에 따라 주파수가 다른 펄스신호를 출력하는 전압주파수 변화부를 더 포함하며, 상기 유량 계산부는 상기 출력된 펄스 신호를 이용하여 유량을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 측정 장치는 유체의 유량과 유속을 계측하는 전자식 유량 측정 장치가 방전 장치를 구비하여 비전도성 유체를 이온화함으로써, 비전도성 유체가 극성을 갖도록 하여 비전도성 유체에 대한 유량과 유속의 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 유량 측정 장치의 일부분의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 유량 측정 장치에서 자기장 발생부 및 제 2 전극부의 구성을 상세하게 나타난 도면이다.
도 3은 유량 측정 장치의 전체적인 흐름도와 간략하게 도시된 기전력이 발생되는 장치의 구성도를 함께 나타낸 도면이다.
도 4는 제 1 전극부의 정면도를 도시한 도면이다.
도 5는 액체와 기체 상태에서 전압크기에 따라 각각 측정되는 전류의 양을 나타내는 그래프이다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 일 실시예에 따라 상세히 설명한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 해당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
나아가, 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조 번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 유량 측정 장치의 구성을 보여주는 사시도이고, 도2는 도1의 유량 측정 장치에서 자기장 발생부 및 제 2 전극부의 구성을 상세하게 나타난 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 유량 측정 장치는 유량을 유체가 유입되는 배관부(10, 20), 제 1 전극부(200), 자기장 발생부(300) 및 제 2 전극부(400)를 포함한다.
도 1의 실시예에서는, 제 1 전극부(100)가 자기장 발생부(300) 및 제 2 전극부(400)가 함께 배관에 결합되는 예를 도시하였으나, 경우에 따라서 제 1 전극부(100)는 자기장 발생부(300)및 제 2 전극부(400)를 구비하는 배관부와 별도로 구비될 수 있다.
배관부는 관로를 통해 흐르는 유체가 흐르는 관형 몸체(10)및 관형 몸체(10)관로에 연결하기 위한 결합 체결부(20)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 유량 측정 장치는 도 2에 도시된 관형 몸체(10), 결합 체결부(20)를 포함하도록 구현될 수 있고, 유량 측정 장치의 내적 구성요소가 아닌 외적 구성요소로서 기존의 배관 구조를 이용하여 배관부를 대체할 수도 있다.
제 1 전극부(200)는 관형 몸체(10)의 내부, 유체가 흐르는 방향으로 자기장 발생부(300)의 전단에 배치되며, 복수의 방전 전극들을 포함한다.
제 1 전극부(200)는 비전도성 유체를 일시적으로 일부 이온화시켜, 일부 이온화된 유체를 자기장 발생부(300)로 전달하기 위한 구성이므로, 반드시 자기장 발생부(300)의 전단에 배치되어야 한다.
또한, 이온화한 유체의 이온은 점차적으로 재결합하여 다시 비전도성 유체로 변환되기 때문에, 제 1 전극부(200)는 유체가 비전도성 유체로 재변환 되기 이전에 자기장 발생부(300)에 도달할 수 있는 거리에 배치되어야 한다.
이때, 제 1 전극부(200)와 자기장 발생부(300)사이의 거리는 비전도성 유체의 종류와 방전 전압, 유량 및 관형 몸체(10)의 크기 등을 고려하여 결정될 수 있다.
제 1 전극부(200)는 예를 들어 아크 방전을 위한 아크 방전부 일 수 있다. 아크 방전은 전극에 전위차가 생기는 것으로, 일반적으로 고 전류, 저 전압 상태일 때 발생한다. 높은 전류로 인해 방전 전극의 음극에 전자들이 넘쳐나게 되고, 가열된 열에너지로 인해 다량의 전자가 방출하게 된다. 따라서, 열전자들은 양극으로 흘러 들어가면서 비전도성 유체에 전류가 흐르게 된다.
방전이 일어나는 방전 전극의 첨부(211)는 방전이 용이하게 발생될 수 있도록 첨부가 점점 날카로워 지는 형태로도 구현될 수 있지만, 방전으로 인한 산화 및 마모현상 등과 같은 내구성 문제를 개선하기 위해서는 전극의 말단을 곡면 형태로 구현하는 것이 바람직하다.
자기장 발생부(300)는 관로를 흐르는 유체 주위에 자기장을 형성시킨다.
본 실시예로, 제 1 전극부(200)는 플러스 전압을 인가하는 제1방전 전극들(201a, 202a, 203a, 204a, 205a)을 포함하고, 제 1 방전 전극 각각에 대응하는 마이너스 전압을 인가하는 제 2 방전 전극들(201b, 202b, 203b, 204b, 205b)을 구비한다.
제 1 방전 전극들과 제 2 방전 전극들은 각각 서로 교대로 기 설정된 간격으로 이격되어 배치되고, 제 1 방전 전극들에 제 1 방전 전압이 인가되고, 제 2 방전 전극들으로 제 2 방전 전압이 인가되는 방식으로 관로는 통과하는 유체에 대한 이온화 처리가 수행된다.
일 예로, 만관(滿管)이 되지 않은 상태에서 방전이 발생할 경우, 즉 관의 상부에 위치하는 기체상에 노출된 방전 전극들에 의해 대기 중 방전이 발생할 경우, 공기중의 산소, 수소와 결합하여 폭발하게 되는 위험이 있으므로, 유체의 수위를 감지하고, 유체가 존재하는 위치에 있는 전극들에 전압을 가해 방전을 발생시켜야 한다. 따라서, 설치된 복수개의 방전 전극(201a 내지 205b)들에 전부 전기적인 신호를 주지 않고, 유체가 존재하는 곳에 위치한 일부 방전 전극들만을 선별하여 동작시키는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 제 1 실시예로,수위 감지 센서(30)가 흘러 들어오는 유체의 수위를 측정하면, 수위에 따라 동작시켜야 할 방전 전극과 동작하지 말아야 할 방전 전극이 구별될 것이므로, 상기 제어부(500)는 수위에 따라 방전 전극들의 온/오프(on/off)를 제어하기 위한 제어신호를 상기 제 1 전극부(200)에 인가하여 방전 전극을 동작시킨다.
예를 들어, 유체의 수위가 상기 관로의 절반에 해당하는 위치까지 흐르고 있다면, 복수개의 방전 전극(201a 내지 205b)들 중 일부 방전 전극들(201a, 201b, 204a, 204b, 205a, 205b)에 신호를 인가하고, 나머지 방전 전극들(202a, 202b, 203a, 203b)에는 오프(Off)상태로 신호를 인가하지 않는다.
도 3은 본 발명에 일 실시예에 따른 유량 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 3에서, 수위 계산부(510)는 흐르는 유체의 수위를 측정하여 계산하는 또 다른 제 2 실시예이다. 보다 상세한 설명을 위하여, 제 1 전극부(200)의 상세한 구조를 도시한 도 4를 참고하여 설명한다.
도 4는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유량 측정 장치의 제 1 전극부의 정면도이다.
도 4에 도시된 제 1 전극부는 방전 전압을 인가할 뿐만 아니라, 수위 측정을 위한 수위 측정 전압을 인가하기 위한 복수개의 방전 전극들(1201-1,1201-2,1202-1,1202-2,1203-1,1203-2,1204-1,1204-2,1205-1,1205-2,1206-1,1206-2,1207-1,1207-2,1208-1,1208-2,1209-1,1209-2,1210-1,1210-2,1211-1,1211-2,1212-1,1212-2)을 포함한다.
도 4에서도 역시 복수개의 방전 전극들 중 플러스 전압을 인가하는 제 1 방전전극들(1201-1,1202-1,1203-1,1204-1,1205-1,1206-1,1207-1,1208-1,1209-1,1210-1,1211-1)과, 마이너스 전압을 인가하는 제 2 방전 전극들(1201-2,1202-2,1203-2,1204-2,1205-2,1206-2,1207-2,1208-2,1209-2,1210-2,1211-2,1212-1,1212-2)을 포함한다.
도 5는 전압크기에 따른 액체와 기체 상태에서 각각 측정되는 전류의 양을 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프에서 액체 상태에서의 전압과 전류의 관계 곡선과, 기체 상태에서의 전압 및 전류 관계 곡선은 구별된다.
특히, 액체 상태에서의 문턱 전압(Vliq)는 기체 상태에서의 문턱 전압(Vgas)에 비하여 낮기 때문에, 도 5에서 수위 감지를 위한 기준 전압(Vref)을 인가할 경우, 액체 상태의 매질은 통전되지만, 기체 상태의 매질에서는 통전이 일어나지 않는다. 본 실시예에서는 이러한 원리를 이용하여 수위를 감지할 수 있으며, 이는 본 발명의 일 특징이기도 하다.
다시 도 4와 도 5를 참조하면, 비만관(非滿管) 상태일 때, 저 전압을 인가하는 경우 유체는 낮은 문턱 전압으로도 통전이 발생하므로 유체가 채워진 영역에 위치한 방전 전극들(1202-1 내지 1210-2)에는 전류 또는 전류가 측정된다.
즉, 유체의 문턱전압과 기체의 문턱전압 사이의 값을 인가할 경우, 유체가 존재하지 않는 영역에 위치한 방전 전극들에는 전류가 측정되지 않으나, 유체가 채워짐에 따라 전류가 측정되는 방전 전극들이 존재하게 된다.
따라서, 유체가 채워지지 않은 영역에 위치한 방전 전극들, 도 4에서 방전전극들(1201-1,1201-2,1211-1,1211-2,1212-1,1212-2)은 낮은 레벨의 전압 단계에서 통전이 발생하지 않게 된다. 그에 따라, 수위 계산부는 전류가 감지된 방전 전극들이 특정하고, 특정된 방전 전극들의 위치를 고려하여 유체의 수위를 계산한다.
도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 비만관(非滿管)시 유체가 존재하지 않는 상부에 위치한 방전 전극들간의 전위차와 유체가 존재하는 하부에 위치한 방전 전극들간의 전위차는 분명하다.
도 4에서, 유체의 수위 측정을 위하여, 방전 제어부는 도시된 방전 전극들(1201-1 내지 1212-2)에 Vref의 전압을 인가한다.
도 5를 참조하면, Vref는 Vliq보다 크고 Vgas보다 작은 것이 바람직하다.
유체 상태에서는 상대적으로 낮은 전압(Vliq)이 인가되어도 전류가 측정되지만, 기체상태에서는 그보다 높은 전압(Vgas)이 인가될 때까지는 전류가 측정되지 않기 때문에, Vref는 Vliq와 Vgas사이의 값인 것이 바람직하다.
대기상에서의 방전 전압은 기체의 종류, 방전 전극의 구조, 형상 및 간격에 따라 다르며, 대체적으로 플러스/마이너스의 전극 간격당 수만 내지 수십만 Volt/cm가 필요하나, 그렇다고 방전 전압의 크기가 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 방전 전극의 말단이 뾰족하고, 방전 전극 간 간격이 조밀한 경우에는 이보다 낮은 전압을 인가하여도 방전이 발생할 수 있기 때문이다.
도 4에서 만관이 되지 않은 경우, Vref의 전압을 흘려주었을 때, 공기중에 노출된 방전 전극들(1201-1,1201-2,1211-1,1211-2,1212-1,1212-2)의 경우 기체에서 통전을 위한 문턱전압(Vgas) 보다 낮은 전압이 인가되는 상황에서는 전류가 거의 측정되지 않을 것이고, 유체가 존재하는 영역에 위치한 방전 전극들(1202-1 내지 1210-2)에는 I1의 전류가 측정될 것이다.
수위 계산부(510)는 전류가 측정된 방전 전극과 전류가 측정되지 않은 방전 전극을 구별할 수 있고, 이를 통해 방전 전극들 중 전류 또는 전압이 감지되는 방전 전극들의 위치를 고려하여 수위 계산부(510)에서 유체의 수위를 계산할 수 있다.
수위 계산부(510)가 유체의 수위를 실시간으로 측정할 수 있으며, 방전 전극부는 상기 측정된 유체의 수위를 고려하여 유체의 이온화를 위한 방전 전압을 유체가 존재하는 영역에 대응되는 방전 전극에 인가한다.
방전 전극들간에 인가되는 전압의 차이에 의하여 방전 현상이 발생하고, 이러한 방전 현상은 관로를 이동하는 비전도성 유체의 일부를 적어도 일시에 이온화하여 전도성 유체로 변환할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 방전 전극들에 부착한 피막상의 불순물 또는 금속 산화물 등의 스케일(Scale)이 발생한 경우, 초음파 제공부를 통해 초음파의 높은 에너지를 이용해 음향진동을 부여하여 스케일(Scale)을 제거하고 방지한다.
보다 상세하게는, 초음파를 이용해 방전 전극들의 관내벽과 스케일 사이의 공기방울을 제거하면서 스케일을 제거하고, 스케일이 관벽에 부착되는 것을 막는다. 초음파 스케일 방지기는 주파수 16~20 KHZ의 음파 및 음향진동이 갖는 물리적 힘을 이용하여 금속 표면에 생성된 고형물을 분리시키는 기술은 이미 개발되어 공개된 바 있으므로 그 구성에 대해서 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.
도 2에서, 상기 자기장 발생부(300)는 복수개의 자기 코일부가 관형 몸체(10)의 상단면과 하단면에 서로 대향되게 설치 될 수 있다.
자기장 발생부(300)는 자기장을 효과적으로 발생시키기 위하여 코일을 지지체에 감은 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 코일은 코일의 굵기, 권선수, 코일을 감는 방향 등이 자기장의 형성 위치에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
또한, 자기장 발생부(300)는 관로 내에 자기장이 고르게 분포되어 유체의 유량을 정확하게 측정하기 위해 다양한 형태로 코일을 감아 자기장을 형성할 수 있다.
제 2 전극부(400)는 자기장 발생부(300)에 대응하는 위치에 배치되고, 일부 이온화된 유체가 자기장 발생부(300)에 의해 발생 된 자기장을 통과하면서 발생 되는 전압을 감지하기 위한 감지 전극을 구비한다.
일반적으로, 유체가 흐르는 관로는 금속관으로 구현되지만, 본 발명에서는 제 1 방전 전극들과 제 2 방전 전극들에서 인가된 전류가 관로를 따라 타 구조물에 영향을 주지 않도록, 관형 몸체(10)의 내부는 부도체로 라이닝(lining) 처리를 하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 유량 측정 장치에서 자기장 발생부 및 제2전극부의 구성을 상세하게 나타난 도면이다. 제 2 전극부는 증폭부(600)에 전기적 신호를 전달하기 위한 전극들을 포함하며, 여기에서 전극들은 그라운드 전극과 증폭부와 연결된 2개의 전극들을 포함할 수 있다. 상기 전극들의 위치에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 자기장 발생부(300)로부터 발생한 자기장의 영향을 많이 받을 수 있도록 전극들을 수직 하방에 위치시키는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 유량 측정 장치는 관로에 적용되는 기구적인 유량 측정 수단과 전기적인 신호 처리를 하고, 유량 및/또는 유속을 계산하는 제어수단으로 이루어진다. 도 3의 유량 측정 장치는, 여자 발생부(100), 제 1 전극부(200), 자기장 발생부(300), 제 2 전극부(400), 방전 제어부(500), 증폭부(600), 필터부(700), 전압 주파수 변환부(800) 및 유량 계산부(900)를 포함한다.
도 3에는 도시되지 않았지만, 제 1 전극부(200)는 복수개의 방전 전극들을 포함할 수 있다.
방전 제어부(500)는 제 1 전극부(200)를 구동/스위칭 하기 위한 전기적인 제어 신호를 전달하며, 제 1 전극부는 방전 제어부에 의하여 인가된 제어 신호에 따라 동작한다.
방전 제어부(500)에서는 유체의 수위를 측정하기 위해 방전 전극들에 테스트 전압(Vref)을 인가하고, 유체의 수위가 측정되면 전류 또는 전압이 감지된 그룹에 속하는 방전 전극들에 플러스 전압과 마이너스 전압을 흘려주어 비전도성 유체를 대상으로 이온화가 될 수 있도록 방전현상을 일으킨다.
여자 발생부(100)는 자기장 발생부(300)와 도선으로 연결되며, 미리 정해진 파형의 펄스 신호를 자기장 발생부, 즉 코일에 인가한다. 펄스 신호, 즉 교류적인 성질을 갖는 전기적 신호가 코일에 흐를 경우, 코일 주변에 자기장이 발생한다. 코일에 의하여 생긴 자기장은 그에 대응되는 전기장을 형성시키며, 그러한 시변 전기장에 위치하는 제 2 전극부(400)에는 최초 인가된 펄스 신호에 대응되는 전기적인 신호가 약하게 측정된다.
또한, 비전도성 유체가 배관부를 통해 제 1 전극부(200)로 진입하면, 제 1 전극부의 방전으로 인해서 일부가 이온화 되면서, 일시적으로 전도성을 갖는 유체의 성질을 갖게 된다.
플레밍의 오른손 법칙(Fleming's right hand rule)을 고려할 때, 상기 자기장 발생부(300)에 의하여 형성된 자기장을 통과하는 전도성 유체의 흐름에 따라 기전력은 발생하게 되며, 또한 발생하는 기전력은 전도성을 갖는 유체의 유속 내지는 전하량의 정도에 의존하게 된다. 유속 내지는 전하량과, 발생하는 기전력과의 관계는 미리 정해진 함수에 따라 모델링 될 수 있으며, 예를 들어 선형적인 1차 함수 내지 2차 함수로 모델링 될 수 있다.
제 2 전극부(400)에서 측정되는 전압은, 전도성을 갖는 유체의 이동에 의하여 발생된 전압과, 코일에 인가되는 펄스 파형의 전기적 신호에 의하여 발생된 전압이 중첩된 형태로 나타나며, 제 2 전극부에서 측정되는 전기적 신호를 분석함으로써 결과적으로 유량을 계산할 수 있게 된다.
하지만, 제 2 전극부(400)에서 측정되는 전압 파형 분석을 보다 용이하게 하기 위해서는, 제 2 전극부(400)의 후단에 측정된 전기적 신호를 증폭하기 위한 증폭부(600)를 위치시키는 것이 바람직하다.
필터부(700)는 상기 증폭된 전기적 신호에 포함된 불필요한 성분을 제거한다. 바람직하게는 필터부(700)는 상기 전기적 신호에 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위한 저역 통과 필터(LPF)가 바람직하다. 상기 언급한 부분 외에도 전단과 후단의 관로의 영향, 유체의 온도, 자기장을 발생시키는 자기장 발생부(300)의 코일의 노화로 인해 신호가 안정적이지 않은 경우에 상기 안정적이지 않게 되는 영향에 의한 오차 또는 노이즈 값은 필터부(700)에 의하여 제거 될 수 있다.
다음으로, 전압 주파수 변환부(800)는 필터부(700)에서 필터링 된 신호를 입력 받고, 상기 입력 받은 신호의 크기에 따라 주파수가 다른 펄스 신호를 출력한다. 보다 상세하게는, 전압 주파수 변환부(800)는 상기 입력 받은 신호의 크기가 작으면 저주파로 변환하고, 상기 입력 받은 신호의 크기가 크면 고주파로 변환할 수 있다.
또한, 유량 계산부(900)는 인가되는 전압의 크기에 의존하는 주파수 성분을 갖는 신호의 주파수를 계산하고, 계산된 주파수에 따른 유량을 계산하고, 계산된 유량을 출력한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제 1 전극부에 별도의 추가적인 펄스 신호를 더욱 인가하고, 추가로 인가된 펄스가 제 2 전극부에 감지되는지 여부를 판단하여, 유량 측정 장치 자체의 고장 내지는 관로의 결함을 판단하는 수단으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 방전 제어부(500)는 미리 정해진 패턴에 따라 제 1 전극부를 구동시킬 수 있다. 본 실시예는 비전도성 유체를 위주로 기술되었지만, 실제로 비전도성 유체라 할지라도 일부 전도성을 가질 수 있으므로, 애초에 포함된 전도성 성분에 대한 고려가 필요하다.
이를 위해서, 방전 제어부(500)는 일정 시간 간격으로 오프 된 상태로 동작하도록 구현될 수 있다. 즉, 제 1 전극부가 구동되지 않는 시간 구간에서 유량 계산부(900)에서 측정되는 유량은 제 1 전극부의 동작에 따라 이온화된 것에 의하여 발생한 것이 아니라, 유체에 이미 포함된 이온성 물질에 의하여 측정된 것이다.
따라서, 오프 된 상태에서 측정된 값은 일종의 오프셋 값으로 볼 수 있으며, 유량 계산부(90)는 유량을 계산함에 있어서 제 1 전극부가 동작하는 상태에서 계산되는 제 1 유량 값과, 오프 된 상태에서 계산되는 제 2 유량 값 간의 차이를 계산하여, 그 차이 값을 최종적인 유량 값으로 출력할 수 있다.
상기 실시예에서 제어부(미도시)는 도 3에 도시된 상기 여자 발생부(100), 방전 제어부(500), 증폭부(600), 필터부(700), 전압 주파수 변환부(800), 유량 계산부(900)를 포함하는 것으로서, 유량을 계산하기 위한 전기적 신호를 제어하고, 결과적으로 유량을 계산하는데, 제어부를 이루는 각 구성요소의 기능에 대하여는 이미 상술하였으므로 공통된 생략은 생략한다.
상술한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석 되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 변환이 가능할 것이다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 제 1 전극부
211: 방전 전극의 첨부
300: 자기장 발생부
400: 제 2 전극부
100: 여자 발생부
500: 방전 제어부
510: 수위 계산부
600: 증폭부
700: 필터부
800: 전압 주파수 변환부
900: 유량 계산부

Claims (12)

  1. 유체가 유입되는 경로에 위치하며, 상기 유체를 적어도 일부 이온화 시키는 제 1 전극부;
    상기 제 1 전극부를 통해 일부 이온화된 상기 유체가 유입되는 경로에 자기장을 발생시키는 자기장 발생부; 및
    상기 자기장 발생부에 의하여 발생된 상기 자기장과 상기 적어도 일부 이온화된 유체에 의하여 유도되는 전압을 감지하는 적어도 한 쌍의 제 2 전극부;를 포함하되, 상기 제 1 전극부는 상기 유체를 적어도 일부 이온화 시키기 위해 방전하는 방전 전극들을 포함하며, 상기 방전 전극들의 일단은 상기 유체가 흐르는 관로 내부의 유체를 향하도록 기 설정된 간격으로 이격되어 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 전극들에 흐르는 전류 또는 전압을 감지하여 상기 유체의 수위를 감지하는 수위 계산부를 더 포함하며,
    상기 수위 계산부는 상기 방전 전극들이 기체상에 노출된 영역에 위치한 방전 전극들과, 유체상에 위치하는 방전 전극들을 구별하고,
    상기 구별된 방전 전극들 간의전류 또는 전압의 차이를 이용하여 수위를 측정하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 관로 내부에는 상기 관로를 통과하는 유체의 수위를 측정하는 수위 감지센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부에 방전을 위한 방전 전압을 인가하고, 상기 제 2 전극부로부터 전달받은 전압을 기 설정된 알고리즘에 따라 분석하여 상기 유체의 유량을 측정하는 제어부; 를 더 포함하는 유량 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제 1 전극부에 포함된 상기 방전 전극들에 인가되는 전압을 제어하는 방전 제어부를 더 포함하는 유량 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 전극부는 상기 방전 제어부로부터 제 1 방전 전압의 신호를 인가받는 적어도 하나의 제 1 방전 전극; 및
    제 2 방전 전압의 신호를 인가 받는 적어도 하나의 제 2 방전 전극을 더 포함하는 유량 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 방전 제어부는
    상기 유체의 종류에 따라 상기 방전 전압의 전압 레벨을 조절하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 전극들에 스케일(Scale)이 발생한 경우, 상기 스케일(Scale)을 제거하기 위해 초음파를 제공하는 초음파 제공부, 또는 상기 방전 전극들에 숏 펄스 형태의 충격파를 가하는 방전 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 전극들 각각의 일단은 상기 방전에 의한 마모를 방지하기 위해 곡면으로 구현되는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 자기장 발생부와 연결되어 펄스 신호를 전달하는 여자 발생부;
    상기 제 2전극부로부터 전달받은 전압의 신호를 증폭시키는 증폭부;
    상기 증폭부로부터 상기 전달받은 신호에 포함된 불필요한 신호를 제거하는 필터부; 및
    상기 불필요한 신호가 제거된 상기 전달받은 신호에 따라 유량을 계산하는 유량계산부;를 더 포함하는 유량 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 필터부로부터 상기 필터링 된 신호를 입력받고, 상기 입력된 신호의 크기에 따라 주파수가 다른 펄스신호를 출력하는 전압주파수 변환부를 더 포함하며, 상기 유량 계산부는 상기 출력된 펄스 신호를 이용하여 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 장치.
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