KR102040420B1 - 방폭형 가스 및 에어 검출 센서 - Google Patents

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KR102040420B1
KR102040420B1 KR1020180150218A KR20180150218A KR102040420B1 KR 102040420 B1 KR102040420 B1 KR 102040420B1 KR 1020180150218 A KR1020180150218 A KR 1020180150218A KR 20180150218 A KR20180150218 A KR 20180150218A KR 102040420 B1 KR102040420 B1 KR 102040420B1
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gas
proof
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air detection
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KR1020180150218A
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정회성
정인호
김진해
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삼회산업 (주)
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Abstract

본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 선박의 가스 엔진에 설치되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 있어서, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 방폭형 열식 유량 타입인 것으로,
본 발명은 선박의 가스 엔진에 적용할 수 있는 방폭형 열식 유량 센서를 제공하여, 가스 라인에서 고압에 견딜 수 있으며, 진동으로부터 견딜 수 있게 내구성이 강하다는 점에서 현저한 효과가 있다.

Description

방폭형 가스 및 에어 검출 센서{Explosion-proof type gas and air detection sensor}
본 발명은 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브(Probe)에 설치된 두 개의 온도 소자에서 측정되는 온도의 차이를 감지하여 유체의 흐름을 인지하며, 가스엔진 및 가스발전소 등의 가스배출 라인에 설치되어 가스의 흐름을 감지하여 설정치를 초과하면 알람경고를 하여 폭발의 위험으로부터 보호될 수 있도록 주변기기의 동작을 멈추거나 플로우(FLOW)량을 조절할 수 있도록 하는 초정밀과 안전성이 요구되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서이다.
그리고 가스 라인에 설치되기 때문에 고압에 견딜 수 있는 방폭 기능과 지진이나 심한 진동, 열악한 환경에서도 견딜 수 있는 내진, 내구성이 요구되는 중요한 센서인 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 관한 것이다.
대형선박 및 화석연료발전소(화력) 대기 오염 기준 강화에 (TIER 3가 2016년 발효)따라 그린 청정에너지인 천연가스를 연료로 사용하는 대형선박 및 천연가스 등을 사용하는 복합화력 발전소로 점차 전환되고 있는 추세이다.
NOx 배출량을 기존의 80% 수준으로 줄여야 한다(천연가스사용시 76% 수준유지).
원자력 안전성 문제와 NOx, 미세먼지등의 대기오염방지를 위하여 향후 건설 예정인 발전소,노후발전소 교체는 GAS를 주원료로 사용하는 발전소로 건설 예정이다.
현대중공이 국산화 기술개발 대상품목으로 선정할 만큼 주요 제품임이다.
1) 국내 가스엔진 및 가스 배관의 Flow Sensor는 내 진동, 방폭 기술 및 신뢰성 미흡으로 국외의 특정 제품을 수입하여 사용하고 있다.(현재 선박용 엔진과 발전사의 가스배관라인에는 외국 제품이 사용 되고 있으며 국산 제품은 성능에 대한 신뢰성과 품질문제로 적용이 되고 있지 않음).
2) 선박용 엔진에 적용되는 센서는 잦은 기동 및 선박의 심한진동 등에 의해 수명이 짧고 고장이 빈번하므로 선박용 엔진에 적용 가능한 사양을 만족해야 하고, 엔진의 진동 조건을 만족해야 한다.
3) 선박 및 발전소의 가스(Gas) 연료 라인에 설치되어야 하므로 방폭 기준에 부합해야 한다.
4) 따라서 해외 제품의 적용 시 AS문제, 납기와 재고파악 및 배송 등의 문제로 수입품을 대체할 인증된 국산화 제품 개발이 필요하며, Gas 배관라인에 적용할 수 있는 외국제품에 비하여 동등 이상의 방폭형 가스 및 에어 검출 센서 개발이 본 기술개발과제의 목표이다.
종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-0742078호의 열식 유량 센서에 의하면, 하나 이상의 발열체와 유체 온도 검출체와 복수의 저항에 의해 브리지 회로를 구성하고, 상기 발열체 및 상기 유체 온도 검출체를 유체중에 배치함과 함께, 상기 발열체로부터의 열의 영향을 받지 않는 위치에 상기 유체 온도 검출체를 배치하고, 상기 유체 온도 검출체에 의해 검출되는 상기 유체의 온도보다도 항상 소정 온도만큼 높은 제어 온도로 상기 발열체의 온도를 유지한 상태에서, 상기 발열체로부터 상기 유체에 전달되는 열량이 상기 유체의 유량에 의존하는 것을 이용하여, 상기 유체의 유량을 검출하는 열식 유량 센서로서, 상기 복수의 저항중의 적어도 하나의 저항의 양단 전압을 증폭하는 증폭 수단과, 상기 증폭 수단의 출력 전압에 의거하여 제어되는 전류 제어 수단과, 상기 전류 제어 수단을 통하여 통전 제어되는 상기 발열체의 일단에 접속되어 상기 유체의 유량에 대응한 검출 결과를 출력하는 출력 단자를 구비하고, 상기 증폭 수단은, 상기 증폭 수단으로의 입력 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부의 증폭률을 제어하기 위한 증폭률 제어부에 의해 구성되고, 상기 증폭률 제어부는, 상기 증폭부의 증폭률을 전기 신호에 의해 변화시켜서, 상기 발열체의 온도를 상기 제어 온도로 조정하는 것을 특징으로 하는 열식 유량 센서가 공개되어 있다.
다른 종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1536582호의 열선식 유량센서를 포함하는 가스미터기에 의하면, 열선식 유량센서를 내부에 포함하는 열선식 유량센서 외함; 및 가스의 유입(Gas In)과 가스의 배출(Gas out)을 위해 가스 유동 경로를 형성하는 개구통로가 형성되는 유동외함; 를 포함하며, 상기 개구통로의 입구부에 해당하는 가스미터 상류측 입구부와, 개구통로의 출구부에 해당하며 열선식 유량센서 외함과 연결된 구조의 가스미터 하류측 출구부는, 유동외함 상측부에 형성되며, 상기 열선식 유량센서 외함은, 하부가 나팔관 형태를 이루어 유체의 흐름을 일정하게 형성시킬 수 있는 유선형 나팔관 격벽부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열선식 유량센서를 구비하는 가스미터기가 공개되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래기술들은 가스 라인에서 고압에 견딜 수 없으며, 진동으로부터 견딜 수 없어 내구성이 약한 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 선박의 가스 엔진에 적용할 수 있는 방폭형 열식 유량 센서를 제공하여, 가스 라인에서 고압에 견딜 수 있으며, 진동으로부터 견딜 수 있게 내구성이 강한 방폭형 가스 및 에어 검출 센서를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 선박의 가스 엔진에 설치되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 있어서, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 방폭형 열식 유량 타입인 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 선박의 가스 엔진에 적용할 수 있는 방폭형 열식 유량 센서를 제공하여, 가스 라인에서 고압에 견딜 수 있으며, 진동으로부터 견딜 수 있게 내구성이 강하다는 점에서 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 개요도
도 2는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 블록도
도 3은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서 사시도
도 4는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서도
도 5는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 엔진 및 가스배관에서의 설치 위치를 나타낸 상세도
도 6, 7은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 설계도
도 8은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 구성 및 설치 사양도
도 9는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 wiring 도면
도 10은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 조립도
도 11은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 커버
도 12는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 바디 조립부 상세도
도 13은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 케이블 인입구 상세도
도 14는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 설계도
도 15 내지 17은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 기판 상세도
도 18, 19는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 흐름 영역을 나타낸 개요도
도 20은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 CFD 용 그리드 생성을 나타낸 도면
도 21은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 모델링도면
도 22는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 흐름 영역을 나타낸 도면
도 23은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 경계조건을 나타낸 도면
도 24 내지 36은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 조립도
도 37은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 요구사항을 나타낸 도면
본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 선박의 가스 엔진에 설치되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 있어서, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 방폭형 열식 유량 타입인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 엔진에 공급되는 가스(GAS)의 누설을 감지하기 위하여 공급되는 에어 라인(Air Line)에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 기판에는 조정부가 형성되는 것으로, 상기 조정부는 가변저항을 돌려서 동작의 상한 범위를 설정할 수 있는 상한점 조정부와; 가변저항을 톨려서 동작의 하한 범위를 설정할 수 있는 하한점 조정부와; 유량이 감지되는 기준점을 설정하는 버튼인 기준점 설정 버튼과; 동작의 상태를 나타내거나, 메모리에 새로운 유량값이 저장되는 것을 나타내는 상태 LED와; 유량이 발생할 경우를 표시하기 위한 단자로 사용되는 릴레이(Relay) 연결부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 센서(Sensor)의 한쪽 프로브(Probe)에 RTD 센서(Sensor)를 설치하여 유체의 실제 온도를 측정하고, 센서(Sensor)의 다른 한쪽 프로브(Probe)에는 RTD 센서(Sensor) + 히터(Heater)를 설치하여 일정온도로 가열을 하고, 유체의 흐름이 발생하면 두 프로브(Probe)에서 열 손실이 발생하며, 유체의 속도에 따라서 두 프로브(Probe)의 열 손실량이 달라지며, 발생하는 온도차를 측정하여 유체의 흐름을 감지하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 개요도, 도 2는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 블록도, 도 3은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서 사시도, 도 4는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서도, 도 5는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 엔진 및 가스배관에서의 설치 위치를 나타낸 상세도, 도 6, 7은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 설계도, 도 8은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 구성 및 설치 사양도, 도 9는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 wiring 도면, 도 10은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 조립도, 도 11은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 커버, 도 12는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 바디 조립부 상세도, 도 13은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 케이블 인입구 상세도, 도 14는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 설계도, 도 15 내지 17은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 기판 상세도, 도 18, 19는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 흐름 영역을 나타낸 개요도, 도 20은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 CFD 용 그리드 생성을 나타낸 도면, 도 21은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 모델링도면, 도 22는 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 열 유형 가스 유량 센서 흐름 영역을 나타낸 도면, 도 23은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 경계조건을 나타낸 도면, 도 24 내지 36은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 조립도, 도 37은 본 발명 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 요구사항을 나타낸 도면이다.
본 발명의 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 센서(Sensor)의 한쪽 프로브(Probe)에 RTD 센서(Sensor)를 설치하여 유체의 실제 온도를 측정하고, 센서(Sensor)의 다른 한쪽 프로브(Probe)에는 RTD 센서(Sensor) + 히터(Heater)를 설치하여 일정온도로 가열을 하고, 유체의 흐름이 발생하면 두 프로브(Probe)에서 열 손실이 발생하며, 유체의 속도에 따라서 두 프로브(Probe)의 열 손실량이 달라지며, 이때 발생하는 온도차를 측정하여 유체의 흐름을 감지한다. 가열시 측온 소자를 사용한다.
본 발명의 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 가스엔진 및 가스발전소 등의 가스배출 라인에 설치되어 가스의 흐름을 감지하여 설정치를 초과하면 알람경고를 하여 폭발의 위험으로부터 보호될 수 있도록 주변기기의 동작을 멈추거나 FLOW량을 조절할 수 있도록 한다.
가스 라인에 설치되기 때문에 고압에 견딜 수 있는 방폭 기능과 지진이나 심한 진동,열악한 환경에서도 견딜 수 있는 내진, 내구성이 강하다.
1) Hardware 방폭 설계
하우징(Housing)은 방폭 조건에 견딜수 있도록 설계
커버 나사 사양 M80 x 1.5, 맞물림 나사산 수 : 12, 맞물림 깊이 : 17.5mm(방폭 요구 조건 : 피치≥ 0.7mm², 맞물림 나사산 수 ≥ 5, 맞물림 깊이 ≥ 0.7mm)
케이블 인입구 나사 사양 : PF1/2 x 1.5, 나사산 수 : 9, 나사부 깊이 : 16.5mm (방폭 요구 조건 : 나사부 깊이 ≥ 8mm, 나사산 수 ≥ 8)
프로브(Probe) : Seamless Tube ø8(1t) 적용 : 내부에 측온 소자 설치
2) 구조해석을 통한 Hardware 설계 검증
부품 선정 및 조립, 제작이 용이하게 구조 설계
구조 해석을 통한 구조 검토 및 공진회피 설계
방폭 구조의 취약부인 접합면 등 응력 해석을 통한 구조 보강
최대 등가응력과 방폭기준 안전계수를 고려하여 방폭구조물의 최적화된 두께 설계
구조 개선된 방폭 구조에 대한 안정성 검증
Flow Sensor 설치 부 구조 강도 검토
구조해석 결과 검토 및 설계 반영
3) 구조 검증된 Flow Sensor내부 유동영역 유동 해석
온도/압력에 따른 Flow Sensor의 열 해석 수행
작동온도 조건(-20~60℃)에서의 Flow Sensor의 유동 특성 검토
작동 유체에 따른 Flow Sensor의 유동해석
Air, water 등 작동 유체에 따른 속도 분포 검토
작동 유체에 따른 온도/압력 분포 검토 및 유동 특성 도출
유동해석 결과 검토 및 설계 반영
4) 회로 설계
회로는 감지(Sensing)부, 증폭부, 출력부로 구성
파워 서플라이(Power Supply)는 24V DC로 설계
노이즈(Noise) 방지를 위한 회로 설계
기타 상세 사항 설계는 유체의 종류 및 히터(Heater)의(측온 소자) 사양 및 출력 사양에 맞추어 설계
5) 회로 기판 설계 검토
사양 결정 및 회로 설계
온도 및 환경 조건검토
환경 조건에 적합한 부품 선정
선박의 가혹한 진동조건을 고려한 공진 회피 설계
6) 기판 성능 테스트(Test)
소자 및 회로를 결합하여 설계된 출력이 발생하는지 확인
기판에 대한 진동 및 환경 테스트(Test) 실시
7) 시제품 제작
작성된 도면에 도시된 바를 기준으로 시제품 제작
완전히 조립한 상태에서 성능 테스트(Test) 실시
진동, 온도, 압력 등 환경 테스트(Test) 실시
8) 문제점 도출
성능 및 환경 테스트(Test) 시에 발생한 문제점에 대하여 개선안 도출
본 발명의 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 엔진에 공급되는 가스(GAS)의 누설을 감지하기 위하여 공급되는 에어 라인(Air Line)에 설치된다.
가) 수요자 초기 요구 사양서
센서(Sensor) 및 파이프(Pipe)로 구성
나) 사양 변경
센서(Sensor)용 Amplifier를 별도의 박스(Box)에 설치하여 Safety Zone에 설치
센서(Sensor)는 기존과 동일하게 Pipe에 설치하여 Hazardous area에 설치
공급 Scope : Sensor&Pipe, Junction Box, Cable
다) 사양 변경에 따라서 회로 변경이 불가피함
Sensor의 설치 사양 변경(Amplifier Box 추가) 됨에 따라서 내부 회로 구성 및 PCB 설계 변경한다.
회로구성 및 기판설계(삼회산업)
1) 회로구성
회로는 감지(Sensing)부, 증폭부, 출력부로 구성
파워 서플라이(Power Supply)는 24V DC로 설계
노이즈(Noise) 방지를 위한 회로 설계
기타 상세 사항 설계는 유체의 종류 및 히터(Heater)의 사양 및 출력 사양에 맞추어 설계
2) 기판설계
설계된 회로 및 하우징(Housing) 크기에 맞게 기판 설계
3) 기판 각 부위의 기능
가) 유량 발생 표시 LED - 운용 모드에 따라 유량의 발생 여부를 LED를 통해 표시해 주거나, 디바이스가 현재 대기 모드에 있음을 LED를 통해 표시해준다.
상기 기판에는 조정부가 형성된다.
측정 모드
NF(Non Flow): 유량 발생 없음 또는 약함
FL(Flow): 유량이 기준량 이상으로 3초 이상 발생
대기 모드
NF: 1초마다 점멸
나) 조정부
상한점 조정부 : 가변저항을 돌려서 동작의 상한 범위를 설정할 수 있다.
상한점의 조정은 컴퓨터와 별도의 통신으로 설정값을 확인하면서 조정해야하는 부분이므로 임의로 조작하는 것은 금지됨
하한점 조정부 : 가변저항을 톨려서 동작의 하한 범위를 설정할 수 있다.
하한점의 조정은 컴퓨터와 별도의 통신으로 설정값을 확인하면서 조정해야하는 부분이므로 임의로 조작하는 것은 금지됨
기준점 설정 버튼 : 유량이 감지되는 기준점을 설정하는 버튼임.
유량이 발생하고 있을 때 2초간 눌러서 현재 발생하고 있는 유량의 값을 메모리에 저장하는 기능을 수행함. 새로운 유량값이 저장이 될 때 전원 LED가 약 2초간 점멸.
상태 LED : 동작의 상태를 나타내거나(정상 동작일 경우 1초마다 점멸), 메모리에 새로운 유량값이 저장되는 것(약 2초간 빠르게 점멸)을 나타냄
릴레이(Relay) 연결부 : 램프나 부저등을 연결하여 유량이 발생할 경우 이를 표시하기 위한 단자로 사용됩니다. (C: Com, B: NC, A: NO)
유동해석
1) 해석 목적
본 유동해석의 수해 목적은 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 유동 특성 검토에 있으며, Flow sensor 단독일 때와 1-2“파이프에 1개 체결하였을 때, 4“파이프에 2개 체결하였을 때의 유동특성 검토를 목표로 한다.(유동해석은 ANSYS V17.0을 이용하여 해석을 수행하였다.)
구조 검증된 Flow Sensor내부 유동영역 유동 해석을 위해 작동온도 조건(-40~70℃)에서의 Flow Sensor의 유동 특성 검토를 통해 압력분포 및 속도 분포 등 유동 특성을 검토하였다.
2) 해석 조건
Analysis type Steady state erating Temp. 0~70℃ (Ambient Temp.)
orking Fluid ir let 3m/s
(Velocity)
utlet 1. utlet / relative pressure 0 [bar] tlet 2. tlet / relative pressure 0 [bar]
ravity direction Y direction
(-g)		 rbulence ear Stress Transport model
esidual target e-09 ference Pressure 0bar
3) 유동영역 확보
일반적으로 모든 유동 해석을 위해서는 제품이 포함하고 있는 구조부에 대한 영역을 제외한 유체가 흘러가는 영역(유동 영역)에 대한 3D Modeling을 필요로 한다. 다음 그림은 형상변화에 따라 형성되는 유로부의 modeling을 나타낸 것이다.
관내 유동해석을 위해서는 유체가 유입되는 입구에서 직경의 5배 이상, 출구로부터 직경의 10배 이상 도출시킨 영역을 포함하여야 한다. 이는 입구의 경우, 관내로 유입되는 유체가 완전 발달된 유동(fully developed flow)의 형태를 나타내기 위한 거리를 확보해야 하고 출구의 경우 body부를 통과하며 극히 불안정해진 유동이 안정화되어 순환유동이나 back flow가 출구경계에서 재유입되어 수치계산에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 거리를 필요로 하기 때문이다.
최종적으로 차압의 측정 위치는 필터 입구에서 2D지점, 필터 출구에서 6D지점에서의 압력을 측정하므로 본 위치에서의 차압특성을 검토하기로 한다.
기본적으로 관내부를 통과하는 유체의 유속은 평균 1.5 ~ 2.5m/s 이나, Flow Sensor의 특성을 고려하여 Inlet 조건은 Static Pressure 조건으로 설정하여 해석을 수행하였다.
Analysis type eady state
urbulent model T model
(Shear Stress Transport model)
perating Temp. 0~70℃ (Ambient Temp.)
orking Fluid r
ravity direction Y direction (-g)
nlet 3m/s (Velocity)
utlet 1. tlet / relative pressure 0 [bar]
utlet 2. tlet / relative pressure 0 [bar]
<Boundary Condition>
Analysis type eady state
urbulent model T model
(Shear Stress Transport model)
perating Temp. ℃ (Ambient Temp.)
orking Fluid r
ravity direction Y direction (-g)
nlet bar, 240bar (Static Pressure)
utlet tlet / relative pressure 0 [bar]
< Boundary Condition >
작동 유체는 공기이고, 공기의 밀도는 온도, 압력, 상대습도를 토대로 계산되어진다. 공기의 밀도는 압력, 온도, 상대습도 측정으로부터 계산되고, 단위는 kg/cm³이다.
5) 유체유동 지배방정식(Governing Equation)
해석의 대상이 되는 Flow sensor의 유동조건은 작동유체로 air를 사용하고, 관벽을 통한 열전달의 영향을 고려하지 않고 수행하였다.
유체유동의 지배방정식은 다음의 연속방정식과 운동량방정식의 연산으로 수행된다. 여기서 연속방정식은 질량보전의 법칙을, 운동량방정식은 운동량보전의 법칙을 만족한다.
해석 대상인의 작동 유체인 air의 흐름을 설명하기 위한 과정에서 연속체로 가정하기 때문에 연속방정식과 운동량 방정식의 연산으로 수행된다.
연속방정식 :
(1)
Figure 112018119190622-pat00001
운동량방정식(Navier-Stokes equation) :
(2)
Figure 112018119190622-pat00002
유체 유동의 영향을 파악하기 위해 구조물의 길이에 대한 레이놀즈 수(Re)를 고려해 보면 난류유동을 나타낸다.
난류유동장의 수치해석은 통계학적인 처리를 위하여 유속성분과 압력성분을 시간평균성분과 변동성분으로 구성하고 다음과 같이 식(1),식(2)를 변화시킨다.
(3)
Figure 112018119190622-pat00003
(4)
Figure 112018119190622-pat00004
여기서
Figure 112018119190622-pat00005
와
Figure 112018119190622-pat00006
는 시간평균속도와 시간평균압력을 나타낸다. 이것을 이용하여 식(1)과 식(2)를 나타내면 다음과 같다.
시간평균 연속방정식 :
(5)
Figure 112018119190622-pat00007
시간평균 운동량방정식(Navier-Stokes equation) :
(6)
Figure 112018119190622-pat00008
식(7)을 레이놀즈 평균방정식이라고 부르며 식(7)의 우변의 마지막 항을 레이놀즈 응력(Reynolds stress)라고 부른다.
레이놀즈 응력은 난류유동의 특성을 이해하고 수치해석 하는데 있어 매우 중요한 항으로 해석학적으로 식(5)과 식(6)을 이용하여 압력과 평균속도는 구할 수 있으나 레이놀즈 응력은 구할 수 없는 종결문제(closure problem)가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 난류모델링을 사용하는데, 일반적으로 표준
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난류모델,
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난류모델 등이 사용된다.
본 발명에서는 표준
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난류모델을 주유동장에,
Figure 112018119190622-pat00012
난류모델을 벽면 근처의 경계층영역의 해석에 사용하는 SST(Shear Stress Transport)모델을 사용하였다. 이 난류모델은 기본적으로 유동해석프로그램인 CFX에서 제공하는 난류모델로서 벽면 근처의 난류 경계층의 해석을 위해서 기존에 공학적으로 널리 사용되는
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난류모델 대신
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난류모델을 적용하여 속도의 구배가 급격한 경계층 영역에 대한 정밀도를 높인 난류모델이며 일반적으로
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난류 모델에서 사용되는 standard wall function 대신 scalable wall function을 사용한다.
정밀한 수치해를 얻기 위해서는 경계층 영역의 속도 구배를 충분히 모사할 수 있도록 벽면 근처에 격자를 조밀하게 집중시킬 필요가 있다. 또한, 좌변의 첫 번째 항은 시간변동성분에 대한 항으로 통상적으로 배관망의 유동과 같이 시간적으로 외력이 일정하게 유지되는 경우에는 시간변화에 따른 유속의 변동성분이 없기 때문에 무시할 수 있다.
결과 분석
가) 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 유속 조건이 1m/s, 2m/s, 3m/s일 때의 각각 -40℃일 때와 70℃일 때의 유동 특성을 검토하였다. 입구로부터 유입된 유체가 Housing에 진입하면서 급확대 양상을 지니게 된다.
또한 under의 출구로 유출되면서 급축소 및 유동이 두 갈래로 나뉘는 양상을 보이면서 유체의 전체적인 압력과 전압력이 급격히 감소하는 경향을 보이게 된다. 작동 온도 조건의 경우 온도 분포가 -40℃인 경우가 70℃일 때 압력장과 전압력장이 크게 나타남을 확인할 수 있고, 유속이 증가할수록 그 차이가 크게 발생함을 확인하였다.
나) Case1(관경이 일정할 때) 보다, Case2가 측정 부위의 용적이 커짐에 따라 전.후단의 차압이 감소하고, 유량이 현저히 줄어 듬.
다) 입력/출력단의 파이프 사이즈에 맞추어 측정 부위의 용적을 적절히 설계함에 따라서, 측정부위의 유량을 일정 범위 내에서 한정지을 수 있으며 이를 통하여 센서의 안정성을 높일 수 있다.
본 발명의 방폭형 가스 및 에어 검출 센서 제작 방법
1) Main PCB 조립 : Main PCB에 부품을 조립한다.
2) Terminal PCB 조립 : Terminal PCB에 부품을 조립한다.
3) Sensor PCB 조립 : Sensor PCB에 부품을 조립한다.
4) PCB 조립 : Main PCB와 Sensor PCB를 조립한다.
5) Program Loading : Interface PCB(UART To USB)와 PCB를 연결하고, Interface PCB를 PC를 연결하여 Program을 Loading 한다.
6) Sensor PCB Ass’y 조립
Sensor PCB에 Cable을 결선한다.
3mm 두께의 스펀지를 사이에 끼워넣고 두 개의 PCB를 부품이 바깥을 향하도록 하여 부착한다.
7) Sensor Probe 조립 : 센서 프로브(Probe)에 실리콘을 주사기로 채우고 Sensor PCB 조립체를 그림과 같이 실리콘을 채운 프로브(Probe)에 삽입고, 내부의 기포를 제거하기 위하여 3~4회정도 PCB 조립체를 상하로 움직여 줍니다.
8) Epoxy 주입 : 에폭시를 Sensor 조립체가 삽입된 프로브(Probe) 상단부에 채워 넣는다.
9) Probe 조립체의 Cable의 손상을 방지하기 위하여 보호 튜브를 삽입한다.
10) Sensor Body와 프로브(Probe) 조립체 용접
Sensor Body와 프로브(Probe) 조립체를 레이져 용접한다.
용접의 결함을 확인하기 위하여 PT(Penetration Inspection)를 실시한다.
11) Sensor Head부 조립 : Hensor Head와 Sensor Body 조립체를 조립한다.
12) PCB 결선 및 장착 : Sensor의 Cable을 PCB에 연결하고, PCB 조립체를 Head 부위에 고정시킨다.
13) Cover 및 Cable Gland 조립 : Cover 및 Cable Gland를 조립하여 시제품 조립 완료한다.
따라서 본 발명은 선박의 가스 엔진에 적용할 수 있는 방폭형 열식 유량 센서를 제공하여, 가스 라인에서 고압에 견딜 수 있으며, 진동으로부터 견딜 수 있게 내구성이 강하다는 점에서 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 선박의 가스 엔진에 설치되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서로서, 상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서는 방폭형 열식 유량 타입인 것이며,
    엔진에 공급되는 가스(GAS)의 누설을 감지하기 위하여 공급되는 에어 라인(Air Line)에 설치되는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서에 있어서,
    상기 방폭형 가스 및 에어 검출 센서의 기판에는 조정부가 형성되는 것으로, 상기 조정부는 가변저항을 돌려서 동작의 상한 범위를 설정할 수 있는 상한점 조정부와; 가변저항을 돌려서 동작의 하한 범위를 설정할 수 있는 하한점 조정부와; 유량이 감지되는 기준점을 설정하는 버튼인 기준점 설정 버튼과; 동작의 상태를 나타내거나, 메모리에 새로운 유량값이 저장되는 것을 나타내는 상태 LED와; 유량이 발생할 경우를 표시하기 위한 단자로 사용되는 릴레이(Relay) 연결부; 를 포함하는 것이며,
    하드웨어(Hardware) 방폭 설계로서, 하우징(Housing)은 방폭 조건에 견딜수 있도록 설계하는 것으로, 커버 나사 사양은 M80 x 1.5이며, 맞물림 나사산 수는 12이며, 맞물림 깊이는 17.5mm이며, 케이블 인입구 나사 사양은 PF1/2 x 1.5이며, 나사산 수는 9이며, 나사부 깊이는 16.5mm인 것이며, 프로브(Probe)는 이음매없는 튜브(Seamless Tube) ø8(1t) 적용하며 내부에 측온 소자를 설치하는 것이며,
    상기 상한점 조정부는 가변저항을 돌려서 동작의 상한 범위를 설정할 수 있는 것으로, 상한점의 조정은 컴퓨터와 별도의 통신으로 설정값을 확인하면서 조정해야하는 부분이므로 임의로 조작하는 것은 금지되는 것이며,
    상기 하한점 조정부는 가변저항을 돌려서 동작의 하한 범위를 설정할 수 있는 것으로, 하한점의 조정은 컴퓨터와 별도의 통신으로 설정값을 확인하면서 조정해야하는 부분이므로 임의로 조작하는 것은 금지되는 것이며,
    상기 기준점 설정 버튼은 유량이 감지되는 기준점을 설정하는 버튼인 것으로, 유량이 발생하고 있을 때 일정시간 눌러서 현재 발생하고 있는 유량의 값을 메모리에 저장하는 기능을 수행하며, 새로운 유량값이 저장이 될 때 전원 LED가 일정시간 점멸하는 것이며,
    상기 상태 LED는 동작의 상태를 나타내거나, 메모리에 새로운 유량값이 저장되는 것을 나타내는 것이며,
    상기 릴레이(Relay) 연결부는 램프나 부저등을 연결하여 유량이 발생할 경우 표시하기 위한 단자로 사용되는 것을 특징으로 하는 방폭형 가스 및 에어 검출 센서
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