KR102055055B1 - 전자식 유량계 및 그 측정 오차 보정방법 - Google Patents

Abstract

유량계의 오차특성은 도 1과 같이 시간당 유량이 변함에 따라 나타나는 오차의 특성이 선형적이지 않으므로 유량 구간을 적절히 나누어 보정하는 방법을 선택한다. 유량 구간을 나누어 보정 한다는 것은 구간마다 보정시험을 거쳐야 함으로 보정 구간이 많아지면 측정품질은 증가하지만 보정시험 횟수가 증가함으로 효율적인 보정 시험방법이 요구된다. 일정 개수의 표본 시료의 보정시험을 통해 검출한 측정계수를 생산 제품에 일괄 적용함으로서 각 유량계 마다 각각의 기차 등의 원인으로 오차의 허용범위를 벗어나는 제품이 많고 이들 제품들은 재시험을 통한 보정 절차를 거쳐야 함으로서 발생하는 생산성 저하가 크다. 이에 본 발명은 전자식 유량계의 MCU의 프로그래밍과 통신 기능을 활용하여 한 구간에 한번이나 두번의 시험으로 각 유량계에서 각각의 기차가 반영되어 보정된 측정계수를 검출하여 적용할 수 있는 보정기능을 가진 전자식 유량계와 그 보정방법을 제시한다.

Description

전자식 유량계 및 그 측정 오차 보정방법{Electronic Flow Meter and The Measurement Error Correcting Methode}

본 발명은 유량계 내부의 일정 관로에 흐르는 유체에 의하여 회전하는 임펠러를 두고 임펠러의 회전당 유량값(이하 측정계수라함)을 임펠러가 회전할 때 그 회전수 만큼 적산하여 유량을 측정하는 기능과 그 측정값을 표시부에 표시하는 기능 등이 내장된 MCU에 의하여 프로그램 제어방식으로 처리되는 전자식 유량계에 있어서 유량계에 내장된 임펠러의 회전이 관로에 흐르는 유체의 속도의 변화에 선형적으로 비례하지 않고 회전수에 편차를 발생시킴으로 인한 오차와 각각의 유량계가 내부 구조물의 기구적인 차이 즉 기차(器差)로 인해 발생하는 임펠러의 회전수의 편차로 인해 발생하는 유량의 측정 오차를 측정계수를 보정하는 방법으로 측정유량값을 보정하는 방법을 채택하는 유량계에서 보다 효율적이고 정확한 측정계수 보정 방법을 제공함으로서 제품의 생산성을 높이고 그 측정 품질을 높이기 위한 것이다, 보다 상세하게는 유속에 따른 임펠러 회전수의 편차는 유속구간을 적절히 나누어 그 유속구간 각각에 대응하는 측정계수를 두고 보정대상 유량계에서 각 구간별로 직접 측정계수들을 실측하여 적용함으로서 유량계 각각의 기차에 의한 편차가 전혀 없는 정확한 측정계수를 해당 유량지점에서 한번의 시험으로 얻어내어 제품의 생산성과 측정 품질을 향상시키는 전자식 유량계 및 그 오차 보정방법에 관한 것이다.

본 발명의 기술이 적용되는 가장 일반적인 유량계로서 수도미터기 온수미터기 적산열량계의 유량부 가스미터기 등과 같은 가정용 유량측정 장치가 있으며 이 같은 유량 측정 장치들은 제품으로 출하되기 전에 국가 검정기관의 검정시험을 통해 시험규격에 따른 허용 오차 범위를 만족시켜야 함으로 이러한 유량계의 보정방법 및 그 기술의 발전 상황은 국가기관이 제정하는 검정규격의 변화에 따라 수동적으로 발전해 왔으며 전자식 유량계에 있어서 유량부의 기구적 구조물을 별도로 하면 측정치 오차의 보정과정이 제품의 생산과정에 큰부분을 차지하고 있어 효율적인 보정방법이 요구된다.

임펠러 타입의 유량계의 오차 보정기술 및 그 방법을 도면을 통해 살펴보면 도 1은 유량계를 통해 흐르는 유체의 시간당 유량(ℓ/h)(X축)의 변화에 따른 공급유량과 측정유량 사이에서 나타나는 오차의 백분율(Y축)을 보여주는 일반적으로 나타나는 유량계의 오차율 특성 그래프로서 전 유량구간에서 하나의 측정계수를 적용한 일예로서 시간당 유량(ℓ/h) 지점 22 에서 측정계수가 보정된 유량계의 오차율 특성 그래프를 보여주고 있다.

도 2는 시간당 유량 구간을 3개(11,12,13)로 나누고 시간당 유량의 특정 지점(20 21 22)을 보정하고 그 보정된 측정계수( 30, 31, 32)가 각 구간에 적용된 유량계의 오차율 특성 그래프를 보여주고 있다.

도 2의 오차율 특성을 가진 유량계가 특정 시간당 유량(ℓ/h) 지점(20,21,22)에서 공급유량과 측정유량의 오차율(40,42,42)이 0 인것을 알 수 있다.

종래의 유량계 보정방법에서 시간당 유량(ℓ/h) 지점(20,21,22)에서 측정계수(30,31,32)를 찾는 보정시험을 살펴보면

1단계: 우선 복수개의 시료를 선택하여 20,21,22의 각 시간당 유량(ℓ/h) 지점에서 일정 시험유량을 유량계에 통수시키고 각 지점에서의 보정율을 계산하여 보정된 측정계수 (30,31,32)를 구한다.

공급유량(N) , 측정 유량값(M), 임펠러의 회전수(R), 설정되어 있는 측정계수(P), 보정된 측정계수(P')라고 두면 임펠러의 회전수(R)를 알면 P'= N/R 로서 보정된 측정계수를 바로 구할 수 있다. 그러나 임펠러의 회전수는 전자식 유량계의 프로그램에서 사용되는 내부변수 이므로 시험자가 알 수가 없다. 그래서 지시부에 표시되는 측정 결과로 나타나는 측정 유량값을 사용하면 P' = N/M * P 로서 측정계수의 보정 값을 구한다

2단계: 1단계에서 구해진 측정계수(30,31,32)를 프로그램에 반영하여 제품을 생산한다. 생산된 제품은 하나의 시간당 유량지점(22)를 선택하여 시료와 같은 방법으로 보정시험을 실시하여 그 오차 보정율을 구하여 측정계수(32)를 보정하고 그 보정율을 30, 31에 적용하여 간접 보정한다.

3단계: 보정된 유량계의 각 구간에서 유량 측정시험을 통해 과대 오차가 발생하는 구간이 있는 유량계를 찾아서 재조정 시험을 실시하여 보정한다.

전자식 유량계는 유량감지부와 LCD 표시창이 있어 유량 측정값을 표시하고 있다. 외부와 통신기능이 있어 측정치 값을 외부에 송출하여 원격 검침이 가능하게 한다. 정상적인 유량계의 동작모드에서 유량계에서 시험자가 알 수 있는 정보는 시험을 위해 일정량을 유량계에 공급하는 공급유량의 값과 LCD 표시창에 표시된 통수 후의 측정 유량값 뿐이므로 공급유량과 측정유량의 오차값으로 보정치를 계산하여 피드백시키고 결과를 확인하고 재보정하는 피드백 보정방법이나 보정 시험을 위해 하드웨어에 모드 선택스위치를 두어 각 개별 유량계의 동작모드를 단계별로 변경 시켜가면서 시험해야 함으로서 그 과정을 복잡하게 하는 것은 유량계 자체의 기능과 정보 의존하여 시험방법을 추구하기 때문이다.

본 발명은 상기와 같이 구간별 보정을 실시하는 전자식 유량계에서 구간별 보정방법에서 각종 시험모드의 설정, 일정 시험유량을 공급하고 유량계의 표시부에 나타나는 측정치를 확인하여 보정하고 재시험을 통해 과대 오차인 경우 그 결과치의 피드백을 통해 다시 보정하는 복잡한 보정 과정 없이 한번의 시험으로 해당 시험구간의 정확한 측정계수를 산출하여 적용할 수 있는 기술을 제공 함으로서 제품의 생산성을 높이고 유량계의 측정 품질을 높일 수 있으며 또한 본 발명 기술을 이용하면 전 보정 시험 과정을 자동화 할 수 있는 방안 을 제시한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 해결 수단으로서 유량계의 구조가

유량의 감지센서의 구동 및 유량값의 적산 그 값의 표시, 데이터 통신기능 등의 운용 방식이 MCU와 MCU에 내장되는 프로그램으로 처리되는 지능형 전자식 유량계와 전자식 유량계와 시리얼 통신라인으로 연결되며 일정 프로토콜에 의해 연동하는 핸드터미널이 제시된다. 연동하는 핸드터미널은 보정 시험시 전자식 유량계가 측정계수를 직접 산출하기 위해서 알아야 할 시험 유량정보를 유량계에 제공하고 그 결과의 확인등의 기능을 수행하거나 보정에 관련된 기본 데이타들을 유량계로 부터 읽어와서 직접 보정계수를 산출하여 유량계에 제공하는 기능을 제공한다. 시험 유량정보란 시험을 유량계에 통수시킨 유량값이나 유량구간에 관한 정보이다.

시험 및 보정을 위한 설비 및 장치로서 도 4를 통하여 살펴보면 전자식 유량계(100,101,..N)와 통신선(204)으로 연결 되며 정해진 프로토콜에 의해서 전자식 유량계와 정보교환이 가능한 핸드터미널(203)과 시간당 공급유량 조절기능 (201) 과 유체 관로 개폐기능(202)을 가진 유체 공급장치(200)가 요구된다. 핸드터미널(203)은 보정대상 유량계의 유량구간 정보, 공급유량, 측정유량, 임펠러의 회전수, 측정계수 등의 정보를 유량계와 통신선로를 통해 공유(유량계와 핸드터미널간 상호 보유한 정보를 필요시 일정 프로토콜에 의해 제공하거나 제공받음)하며 시험장치의 시간당 공급유량 조절기능(201) 과 유체 관로 개폐기능(202)을 제어하는 기능을 가지도록 제작된 별도 제작품이나 유량계와 통신 접속모듈을 통해 접속가능한 일반 컴퓨터, 노트북 컴퓨터등 프로그램 할 수 있는 장치이다.

본 발명은 전자식 유량계의 유량 측정값의 오차보정을 위해서 하는 시험 과정을 단순화시킴으로써 제품의 생산성을 높이고 더욱 정확한 오차보정을 할 수 있어 유량계의 유량 측정품질을 향상시킬 수 있고 이를 확장하여 오차보정 시험 공정의 자동화에 적용할 수 있는 기술을 제공한다.

도 1은 시간당 유량(ℓ/h)의 보정 지점 22에서 보정된 측정계수 32가 전 유량 구간의 유량측정에 적용된 결과의 오차율 특성그래프를 보여준다.
도 2는 도 1의 결과에서 시간당 유량(ℓ/h)의 일점 20 과 21에서 추가로 보정된 측정계수 30,31을 그 보정지점을 포함하는 일정 구간 11,12에 적용된 결과의 오차율 특성그래프를 보여준다.
도 3은 도 2의 결과에서 에서 시간당 유량(ℓ/h)의 일점 23 과 24에서 측정계수를 33과 34를 구하고 그래프상에서 유량지점과 측정계수로 이루어지는 두점의 좌표(20,30) (23,33)로 직선 50, 좌표(23,33) (21,31)로 직선 51, 좌표(24,34) (22,32)로 직선 52의 방정식을 구하여 각 시간당 유량(ℓ/h)구간내에서 보정지점외의 측정계수는 이 직선 방정식에서 측정계수를 구하여 선형 보정한 결과의 오차율 특성그래프를 보여준다.
도 4는 본 발명 제품 유량계의 시험을 위해 요구되는 시험설비 구성도이다.
도 5는 본 발명 제품 유량계의 보정시험의 과정을 보여 주는 순서도 이다.

이하에서, 본 발명의 실시 내용을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이상적인 유량계란 공급유량을 내재된 측정수단을 가지고 측정하여 표시하는 표시 값이 공급유량과 같은 값을 표시해야 할 것이다. 특정 시간당 유량지점 에서 유량계에 공급유량(N), 측정유량(M), 공급된 유량에 따른 임펠러 회전수(R), 단위 회전당 측정계수(P)라 할 때 N = R * P 이다. 측정계수 P = N/R 로서 계산되며 이 값은 보정대상이 아닌 정확한 실측 측정계수이다, 시간당 유량구간의 일지점 보정지점을 포함하는 유량의 구간을 한개 이상으로 나누고 각 구간별 실측 측정계수를 를 구하는 방안을 제시하고자 한다.

유량구간(ℓ/h)	a1	a2	a3	~~	an
시험유량(ℓ)	N1	N2	N3	~~	Nn
회전수	R1	R2	R3	~~	Rn
측정계수(ℓ)	P1	P2	P3	~~	Pn

위 표에서와 같이 시간당 유량의 구간을 n개로 나누고 각 구간에서 측정계수를 찾는 보정시험응 하는 과정을 도 5의 순서도를 바탕으로 설명하면 시험전 생산된 제품에는 기본 값으로 측정계수가 설정되어 있으며 이 값은 시험 시료를 통해 얻어진 값으로 보정 시험에서 참조 되지 않는다. 아래에서 측정 초기화란 유량계의 표시부에 표시되는 측정값 = 0 유량계의 내부 변수인 임펠러 회전수 = 0 인 상태를 말한다. 핸드터미널에는 보정시험 시나리오에 따른 유량구간과 그 구간내의 일 측정 지점에서 공급하는 시험유량에 관한 유량정보들이 가 설정 되어 있다. 50. 제품이 생산되어 측정 초기화 된 유량계가 시험 준비되면 일정 시간당 유량구간(a1)에 해당하는 시험유량(N1)을 시험장치를 운전하여 통수 시킨다. 51 유량계는 통수 유량에 대한 임펠러의 회전수(R1)를 검출한다.

52. 핸드터미널에서 측정계수의 계산에 필요한 유량정보를 유량계에 제공한다.

(여기서 핸드터미널이 제공하는 유량정보는 시험유량값(N1)과 유량구간(a1)이거나 일정 유량구간에 시험 유량값이 항상 일정하여 시험유량값(N1)이 유량계의 내장 프로그램에 고정값으로 설정된 경우에는 유량구간(a1)일 수 있다.)

53. 유량계는 측정계수 P1(= N1/R1)을 계산하고 저장함으로서 일정 시간당 유량구간(a1)에 해당하는 측정계수(P1)이 얻어진다.

54. 다음 구간 시험을 위해서 핸드터미널에서 측정 초기화를 실시한다

여기서 51과 53의 과정은 유량계의 프로세서가 자동처리함으로 시험자는 이단계를 고려할 사항이 아니다.

상기 시험은 측정계수를 구하기 위해서 설정한 유량지점 만큼 반복함으로서 완료된다. 측정계수를 구하기 위한 시험 유량지점은 하나의 유량구간내에 하나이거나 두개일 수 있으며 유량구간 경계지점에서 얻어지는 측정계수는 양구간에서 공유 될 수 있다.

상기 시험에서 하나의 구간내에서 하나의 측정계수를 구하여 해당 유량구간별로 측정계수를 적용한 유량계의 오차율 특성곡선은 도 2와 같이 나타난다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이 실측된 유량지점의 오차율은 0으로 보정되었으나 오차율 특성에 따라 보정지점외의 유량에서는 오차율의 보정이 만족스럽지 못함을 알 수 있다. 여기서 보정 구간을 더욱 세분화하면 더 높은 단계의 보정이 이루어 질 수 있으나 구간이 너무 많이 설정되면 보정시험 횟 수가 늘어나 생산성에 지장을 줄 것이다.

여기서 유량 구간내의 다른 일점에서 측정계수를 측정하여 즉 하나의 유량구간 내의 두 유량지점과 그 지점의 측정계수를 이용하면 직선의 방정식을 도출할 수 있고 구간에 속하는 유량지점들에서는 이 직선의 방정식으로 부터 측정계수를 도출할 수 있고 이를 이용하여 선형 보정하는 과정을 도 1과 도 2를 통해서 상술하면 시간당 유량(ℓ/h)의 일점 23 과 24에서 측정계수를 33과 34를 구하고 그래프상에서 유량지점과 측정계수로 이루어지는 두점의 좌표(20,30) (23,33)로 직선 50, 좌표(23,33) (21,31)로 직선 51, 좌표(24,34) (22,32)로 직선 52의 방정식을 구하여 각 시간당 유량(ℓ/h)구간내에서 보정지점외의 측정계수는 이 직선 방정식에서 측정계수를 구하여 선형 보정한 결과의 오차율 특성그래프를 도 3을 보여준다. 선형 보정을 위한 구간 내의 두유량 지점의 선택은 오차율의 특성에 따라 구간 경계점이거나 구간내의 지점이거나 유량구간은 줄이고 오차 보정율은 높이는 효과를 얻을 수 있도록 선택되는 유량지점이면 족하다.

또한 위의 과정에서 유량구간별 측정계수가 하나의 유량구간에서 하나가 존재하면 그구간의 보정은 하나의 측정계수로 보정하고 하나의 유량구간내에 2개의 측정계수가 존재하면 선형보정을 실시하는 선택적 방법이 적용된다. 이는 보정 대상 유량계의 시간당 유량의 전구간에서 나타나는 오차율의 특성에 의존하여 선택되어 지며 보정 방법의 선택은 유량계의 내장 프로그램에의해 하나의 유량구간내에 존재하는 실측된 측정계수의 수에 따라 자동 처리된다.

이러한 보정 시험을 위해 시간당 공급유량 조절기능(201)과 유체 관로 개폐기능(202)등이 전자식 제어 기능을 가지고 있는 유량 공급장치(200)를 시험 설비로 구성하고 핸드터미널에 일련의 시험 시나리오를 구현하여 유량 공급장치의 시간당 공급유량 조절기능(201)과 유체 관로 개폐기능(202)를 제어 하는 기능을 구현하고 한개이상의 보정대상 유량개를 연결하면 보정 시험의 전 공정에 대한 일괄 자동화도 쉽게 구현 할 수 있슴을 알 수 있다.

20,21,22, 23,24 보정 시험을 위해 선정된 시간당 유량(ℓ/h)의 지점
30,31,32 유량 보정지점에서의 측정계수(임펠러의 1회전당 유량 (ℓ))
40,41,42 측정오차율
50,51,52 유량구간내에서 두 유량지점과 측정계수로 형성되는 직선
11,12,13 측정계수가 적용되는 시간당 유량 구간
200 시험유량 공급장치
201 시간당 공급유량 조절기능
202 유체 관로 개폐기능
100,101,....N 보정 시험 대상 유량계
203 핸드터미널(유량계와 시리얼 통신 방식으로 접속되는 컴퓨터 장치)
204 핸드터미널 과 유량계사이의 시리얼 통신선로
X 시간당 유량(ℓ/h) (X축)
Y 공급유량과 측정유량의 오차의 백분율 (Y축)

Claims (7)

1. 임펠러 회전수와 유량측정계수의 곱을 적산하여 유량을 측정하는 전자식 유량계에 있어서,
   a) 보정 대상 유량계에 해당 유량지점의 일정유량을 시험유량으로 하여 통수시키고 그 유량의 흐름에 따라 보정대상 유량계의 임펠러 회전수정보를 구하고;
   b) 핸드터미널로부터 시험유량정보를 제공받은 후
   c) 시험유량값을 상기 임펠러 회전수로 나누어 실측 유량 측정계수를 구하고,
   d) a) 에서 통수시킨 공급유량과 시험구간에 관한 정보와 공급유량에 의해 유량계가 검출한 회전수 정보를 핸드터미널과 유량계가 공유하여 하나의 구간에 한번의 통수시험으로 상기 실측 유량 측정계수를 유량 측정에 적용하여 유량측정계수를 보정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
2. 청구항 1에 있어서 핸드터미널로부터 제공 받는 시험유량정보는 시험유량값과 유량구간이거나 일정 유량구간에서 시험유량값이 유량계의 내장프로그램에 고정값으로 설정된 경우에는 유량구간의 정보만을 받아서 실측 측정계수를 구하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 두개 이상으로 나누어진 유속구간 내에서 구간 경계점이 포함되어 질 수 있는 두개의 유량지점을 선택하고 그 유량지점에서 유량측정계수를 구하고 상기 구간 경계점을 이용하여 상기 유량측정계수를 선형 보정하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계
   
6. 임펠러 회전수와 유량측정계수의 곱을 적산하여 유량을 측정하는 전자식 유량계의 유량 측정계수 보정방법으로,
   상기 유량 측정계수 보정방법은,
   1) 한 대 이상의 보정 대상 유량계에 해당 유량지점의 일정유량을 시험유량으로 하여 통수시키고 그 유량의 흐름에 따라 보정대상 유량계의 임펠러 회전수정보를 구하는 단계와;
   2) 핸드터미널로부터 시험유량정보를 제공받는 단계; 와
   3) 시험유량값을 상기 임펠러 회전수로 나누어 실측 유량 측정계수를 구하는 단계; 및
   4) 1) 단계에서 통수시킨 공급유량과 시험 구간에 관한 정보와 공급유량에 의해 유량계가 검출한 회전수 정보를 핸드터미널과 유량계가 공유하여 하나의 구간에 한번의 통수시험으로 상기 실측 유량 측정계수를 유량 측정에 적용하여 유량측정계수를 보정하는 것을 특징으로 하는 전자식 유량계의 유랑 측정계수 보정 방법
   
7. 청구항 6에 있어서, 나누어진 유량 구간의 수 만큼 상기 단계 1) 내지 4) 를 반복하는 것을 특징으로 전자식 유량계의 유랑 측정계수 보정 방법

Images