KR102133482B1 - 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기 및 입자 검출 방법 - Google Patents

가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기 및 입자 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기는, 가스 배관에 삽입되어 유체 및 상기 유체를 따라 흐르는 입자(particle)의 통로를 제공하는 튜브, 상기 유체가 흐를 수 있도록 상기 튜브와 연결되는 입구와 상기 입구에 비해 면적이 좁은 노즐 형태의 출구를 가지는 가변 노즐 감압 장치 및 상기 가스 배관에서 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling)이 수행될 수 있도록 상기 출구의 면적을 조절할 수 있는 노즐 면적 조절 장치를 포함한다.

Description

가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기 및 입자 검출 방법{Particle detector and Method of detecting particle for isokinetic sampling of gas pipe}
본 발명은 가스 배관의 입자 검출기 및 입자 검출 방법에 관한 것이다.
가스 배관에서의 입자 검사는 가스를 사용하는 제품의 작동 건강성을 유지하는 데 매우 중요한 검사 사항이다. 특히 고압의 가스 배관에서는, 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling) 방식을 통해 입자를 포집해야 한다는 규정이 존재한다(ISO 8573-4). 등운동에너지 샘플링이란, 입자를 포집하는 프로브의 입구(inlet)에서의 유체의 속도와 프로브를 지나쳐가는 유체의 속도가 같은 상태에서 샘플링을 수행함을 의미한다.
한국공개특허 제10-2013-0044434호 (공개일 2013.05.03)
본 발명은 정확한 등운동에너지 샘플링을 수행하기 위한 입자 검출기 및 입자 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기는, 가스 배관에 삽입되어 유체 및 상기 유체를 따라 흐르는 입자(particle)의 통로를 제공하는 튜브; 상기 유체가 흐를 수 있도록 상기 튜브와 연결되는 입구와, 상기 입구에 비해 면적이 좁은 노즐 형태의 출구를 가지는 가변 노즐 감압 장치; 및 상기 가스 배관에서 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling)이 수행될 수 있도록 상기 출구의 면적을 조절할 수 있는 노즐 면적 조절 장치;를 포함한다.
일 실시예에 따른 입자 검출기는, 상기 노즐 면적 조절 장치와 연결되어, 상기 가스 배관을 지나는 유체의 정보를 입력받아, 등운동에너지 샘플링이 가능한 상기 출구의 면적을 산출하여 상기 노즐 면적 조절 장치의 움직임을 제어하는 제어 장치;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가변 노즐 감압 장치는, 일단이 상기 가변 노즐 감압 장치의 내벽과 맞닿은 상태로 회전할 수 있는 플레이트;를 포함할 수 있고, 상기 노즐 면적 조절 장치는, 상기 플레이트에 연결되고 길이 조절을 통해 상기 플레이트를 움직여 상기 출구의 면적을 조절하는 길이 조절부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 입자 검출기는, 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구부와 연결되고, 외부의 공기를 출입시키나 입자의 출입을 차단하는 필터를 가져 상기 출구부를 빠져나온 유체의 압력을 감소시키는 필터 감압 장치;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출 방법은, 가스 배관에 삽입되어 입자를 검출하기 위한 튜브에, 출구 면적을 조절할 수 있는 가변 노즐 감압 장치를 연결하는 단계; 상기 가스 배관을 지나는 유체의 속도, 압력, 온도, 밀도 정보를 포함하는 유체 데이터를 획득하는 단계; 상기 유체 데이터를 이용하여, 상기 튜브를 지나는 유체의 속도를 상기 가스 배관을 지나는 유체의 속도와 같게 하는 등운동에너지 샘플링 출구 면적을 산출하는 단계; 및 상기 가변 노즐 감압 장치의 상기 출구 면적을, 상기 등운동에너지 샘플링 출구 면적이 되도록 조절하는 단계;를 포함한다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자 검출기 및 입자 검출 방법에 따르면, 가변 노즐 감압 장치의 출구 면적 조절을 통해 정확하게 등운동에너지 샘플링을 수행할 수 있다. 이에 따라 가스 배관의 입자 검사 결과의 정확성이 향상된다.
도 1은 고압 가스 배관의 입자 검출을 위한 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling) 방식을 나타낸 그림이다.
도 2 및 도 3은 각각 비-등운동에너지(non-isokinetic) 샘플링 방식을 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 5는 노즐 면적 조절 장치를 통해 출구 면적을 조절하여 등운동에너지 샘플링을 수행하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그림이다.
도 6은 제어 장치를 더 포함하는 입자 검출기를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 7은 가변 노즐 감압 장치와 노즐 면적 조절 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 8은 필터 감압 장치를 더 포함하는 입자 검출기를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출 방법의 각 단계를 순서대로 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 '위'에 또는 '상'에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서, "연결된다"는 것은 제1구성요소와 제2구성요소가 직접적으로 연결되는 것뿐만 아니라 제3구성요소에 의해 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서, '위', '아래', '왼쪽', '오른쪽', '시계 방향', '반시계 방향' 등과 같이 위치 관계는 참조된 도면을 기준으로 한다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 단계는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 단계는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 고압 가스 배관(gas pipe, GP)의 입자(particle) 검출을 위한 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling) 방식을 나타낸 그림이다.
가스 배관(GP)을 타고 흐르는 입자를 검출하기 위해서는, 입자 검출용 튜브(410)의 입구가 가스 배관(GP)의 중심축에 놓이고, 튜브(410)의 입구 방향이 유체의 유동 방향(flow) 또는 유선(streamline)과 평행하도록 튜브(410)를 삽입하여 입자(PTC)를 샘플링한다. 튜브(410)의 입구로 들어온 입자(PTC)는 90도로 꺾여 외부의 분석 장치(analyzing device, AD)로 향하게 된다.
입자 검출의 목적은, 가스 배관(GP)을 지나는 입자의 전체 개수 또는 밀도 등을 파악하기 위한 것이다. 이때 튜브(410) 안쪽으로 들어오는 입자 개수와 가스 배관(GP) 전체를 지나는 입자 개수의 비율이 튜브(410)의 단면적과 배관 전체의 단면적의 비율과 같다고 전제하게 된다.
이러한 전제가 성립하기 위해서는, 튜브(410) 쪽으로 진입하는 유체(또는 입자)의 속도와, 튜브(410) 밖을 지나는 유체(또는 입자)의 속도가 같아야 한다. 이 경우 튜브(410)의 입구 근처에서는 유동장이 튜브(410) 입구 방향에 평행하게 형성된다. 이를 만족하는 샘플링 방식을 등운동에너지 샘플링이라 한다.
도 2 및 도 3은 각각 비-등운동에너지(non-isokinetic) 샘플링 방식을 나타낸 그림이다. 도 2를 참조하면, 튜브(410) 쪽으로 진입하는 유체의 속도(V tube )가 가스 배관을 지나는 유체의 속도(V pipe )보다 작은 경우, 튜브(410)의 입구 근처에서의 압력이 높으므로 입자는 튜브(410) 안으로 진입하지 않는다. 따라서 배관 전체의 입자의 밀도가 실제보다 낮게 측정된다.
반대로 도 3과 같이 튜브(410) 쪽으로 진입하는 유체의 속도(V tube )가 가스 배관을 지나는 유체의 속도(V pipe )보다 큰 경우, 튜브(410)의 입구 근처에서의 압력이 낮으므로 입구 주위에 있던 입자도 튜브(410) 안으로 진입한다. 따라서 배관 전체의 입자의 밀도가 실제보다 높게 측정된다.
즉 정확하게 가스 배관(GP) 전체의 입자 밀도를 측정하기 위해서는, 도 1과 같이 배관에서의 유체 속도(V pipe )와 튜브(410)에서의 유체 속도(V tube )가 같도록 등운동에너지 샘플링을 수행하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기(400)(이하, '입자 검출기(400)'라고도 칭함)를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자 검출기(400)는, 가스 배관에 삽입되어 유체 및 입자(particle)의 통로를 제공하는 튜브(410), 입구 면적보다 출구 면적이 좁은 가변 노즐 감압 장치(420) 및 출구의 면적을 조절할 수 있는 노즐 면적 조절 장치(430)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 튜브(410)는 가스 배관(GP)에 삽입되어 입자(PTC)를 포집해 분석 장치(AD)로 전달하는 관이다. 튜브(410)는 예컨대 'ㄱ'자 형태로 꺾어져 가스 배관에 삽입될 수 있다. 튜브(410)는 스테인레스, 금속 등 강성(rigid)을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 한편, 튜브(410)는 예컨대 일(ㅡ)자 형태로 가스 배관에 삽입된 뒤, 입구부를 회전시키는 장치(미도시)를 통해 가스 배관 내에서 'ㄱ'자 형태로 꺾어질 수 있다. 이때 튜브(410)의 꺾이는 부분은 유연성(flexible)을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
튜브(410)의 출구(outlet, 410O)는, 가변 노즐 감압 장치(420)와 연결된다. 즉 튜브(410)의 출구(410O)와 가변 노즐 감압 장치(420)의 입구(inlet, 420I)는 서로 직접적으로 연결될 수 있다. 한편, 튜브(410)와 가변 노즐 감압 장치(420)는 '간접적으로' 연결될 수도 있다. 이때 튜브(410)와 가변 노즐 감압 장치(420) 사이에는 유체를 통하게 하는 다른 구성요소가 배치될 수 있다. 예컨대, 튜브(410)와 가변 노즐 감압 장치(420)에는 압력 레귤레이터가 배치될 수 있다. 도 4에서는 튜브(410)와 가변 노즐 감압 장치(420)가 이음부(L)에 의해 결합된 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
가변 노즐 감압 장치(420)는 관(tube) 형태를 가질 수 있다. 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구(420O)는 입구(420I)보다 면적이 좁은 노즐 형태를 가질 수 있다. 튜브(410)로 포집된 입자(PTC)는 넓은 입구(420I)를 지나 좁은 출구(420O)로 빠져나간다.
일 실시예에 따른 가변 노즐 감압 장치(420)는 내부에 플레이트(plate, 420P)를 가질 수 있고, 이에 따라 출구 방향으로 갈수록 유체 통로의 단면적은 좁아질 수 있는데 이에 관하여는 후술한다.
면적이 좁은 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구(420O)에서는 질식 유동(choked flow)이 일어날 수 있다. 질식 유동이 일어날 때, 가변 노즐 감압 장치(420)를 빠져나가는 유량은 '최대'인 상태에서 일정하게 유지될 수 있다.
노즐 면적 조절 장치(430)는, 출구(420O)의 면적(A n )을 조절한다. 질식 유동이 일어날 때의 유량은 노즐 출구의 면적에 비례하기 때문에, 노즐 면적 조절 장치(430)는 출구 면적(A n ) 조절을 통해 결과적으로 질식 유동 상태에서의 유량을 조절할 수 있다. 노즐 면적 조절 장치(430)의 일 실시예에 대해서는 도 7과 관련된 설명에서 후술한다.
도 5는 노즐 면적 조절 장치(430)를 통해 출구 면적(A n )을 조절하여 등운동에너지 샘플링을 수행하는 방법을 개략적으로 설명하기 위한 그림이다. 본 발명의 입자 검출기(400)가 배관에 삽입되면, 튜브 입구(410I)로 유체가 들어오게 된다. 이때 시간에 따른 유량 변화를 나타내는 질량 흐름률(mass flow rate, 단위 kg/s)
Figure 112017109913184-pat00001
는 아래 [수학식 1]과 같이 정해진다.
[수학식 1]
Figure 112017109913184-pat00002
여기서, ρ는 유체의 일반 밀도, V tube 는 튜브(410)에서의 유체의 속도, A tube 는 튜브(410)의 단면적이다.
한편, 가변 노즐 감압 장치(420)의 노즐 형태의 출구(420O)에서 질식 유동이 일어날 때, 노즐을 빠져나가는 유체의 질량 흐름률
Figure 112017109913184-pat00003
은 아래 [수학식 2]와 같이 정해진다.
[수학식 2]
Figure 112017109913184-pat00004
여기서, C d 경험적 감쇄계수로 시험을 통해 실측되는 값이며, 이상적인 경우에는 1.0이나 실제는 0.6~0.9 정도의 값을 가진다.
A n 은 노즐의 단면적이다.
k는 유체의 비열비로, 유체의 압축성과 관계있는 값이며 유체의 종류와 온도가 결정되면 그 값은 일정하다. 공기의 비열비는 1.4이다.
ρ 0 는 정체 밀도로, 유동의 현재 상태에서 이상적인 과정으로 속도가 0이 되었을 때의 밀도이다. 고압 가스 유동에서 정체 밀도는 밀도와 거의 같으므로 일반 밀도 ρ를 적용할 수 있다.
P 0 는 정체압력 또는 전압력으로, 정체 밀도와 마찬가지로 이상적인 과정으로 유체의 속도가 0이 될 때의 압력이다. 마찬가지로 고압 가스 유동에서는 일반 압력 P와 동일하다고 가정할 수 있다.
이때, 나머지 인수는 모두 가스 배관을 지나는 유체의 종류 및 속도에 따라 정해지는 상수이므로, 가변 노즐 감압 장치의 출구(420O)에서의 질량 흐름률
Figure 112017109913184-pat00005
는 출구 면적 A n 에 비례하게 된다. 따라서 노즐 면적 조절 장치(430)에 의해 출구 면적 A n 이 변하면, 출구(420O)에서의 질량 흐름률
Figure 112017109913184-pat00006
역시 선형(linear)으로 변하게 된다.
이때 튜브 입구(410I)를 지나는 유체의 질량 흐름률
Figure 112017109913184-pat00007
과, 튜브(410)와 연결된 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구(420O)를 빠져나가는 유체의 질량 흐름률
Figure 112017109913184-pat00008
은 같다. 즉 아래 [수학식 3]이 유도된다.
[수학식 3]
Figure 112017109913184-pat00009
튜브(410)에서의 유체의 속도 V tube 를 기준으로 쓰면, 아래의 [수학식 4]가 유도된다.
[수학식 4]
Figure 112017109913184-pat00010
즉 V tube 는 노즐 면적 A n 에 비례한다. 한편, 본 발명의 일 목적은 등운동에너지 샘플링을 위해 튜브(410) 입구에서의 유체의 속도 V tube 와 배관을 지나는 유체의 속도 V pipe 를 일치시키는 것이다. 즉, 등운동에너지 샘플링을 가능케 하는 출구 면적 A n 은 아래 [수학식 5]와 같이 정해진다.
[수학식 5]
Figure 112017109913184-pat00011
이때 배관에서의 유체의 속도 V pipe 는 별도의 검사 등을 통해 사전에 알 수 있는 값이다. 따라서, 노즐 면적 A n 을 조절하여 V tube 의 값을 V pipe 와 일치시킬 수 있다. 즉 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구 면적 A n 을 [수학식 5]에 맞게 조절하는 경우, 등운동에너지 샘플링을 수행할 수 있다.
도 6은 제어 장치(440)를 더 포함하는 입자 검출기(400)를 개략적으로 나타낸 그림이다. 일 실시예에 따른 입자 검출기(400)는 노즐 면적 조절 장치(430)의 움직임을 제어하는 제어 장치(440)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 제어 장치(440)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(440)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다. 제어 장치(440)는 입력 장치, 출력 장치, 연산 장치 등을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어 장치(440)는 가변 노즐 감압 장치(420)의 외부에서, 노즐 면적 조절 장치(430)와 연결되어 노즐 면적 조절 장치(430)의 움직임을 조절한다. 제어 장치(440)는 노즐 면적 조절 장치(430)와 기계적, 전기적으로 연결될 수 있다.
제어 장치(440)에는 가스 배관을 지나는 유체의 속도, 밀도, 압력 등의 정보가 입력될 수 있다. 이후 제어 장치(440)는 상술한 [수학식 1] 내지 [수학식 5]를 기초로, 등운동에너지 샘플링을 가능하게 하는 출구 면적 A n 을 산출하여 노즐 면적 조절 장치(430)의 움직임을 자동으로 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 장치(440)는 가스 배관을 지나는 유체의 속도(V pipe )를 측정하는 제1 속도측정계(미도시)와 연결될 수 있다. 제어 장치(440)는 제1 속도측정계에서 측정한 배관에서의 유체의 속도(V pipe ) 데이터를 전송받아, 등운동에너지 샘플링을 가능하게 하는 출구 면적을 실시간으로 산출할 수 있다. 이후 제어 장치(440)는 출구 면적(A n )을 실시간으로 변화시켜 등운동에너지 샘플링 조건을 만족시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 장치(440)는 튜브(410)를 지나는 유체의 속도(V tube )를 측정하는 제2 속도측정계(미도시)와 연결될 수 있다. 이때 제어 장치(440)는 튜브(410)를 지나는 유체의 속도가 기 알려져 있는 배관에서의 유체의 속도(V pipe )와 같아지도록 노즐 면적 조절 장치(430)에 피드백(feedback) 정보를 줄 수 있다.
도 7은 가변 노즐 감압 장치(420)와 노즐 면적 조절 장치(430)의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 그림이다.
일 실시예에 따르면, 가변 노즐 감압 장치(420)는 사각 관(rectangular tube)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 가변 노즐 감압 장치(420)의 적어도 출구 부분은 사각 관일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 가변 노즐 감압 장치(420)는 일단이 가변 노즐 감압 장치(420)의 내벽과 맞닿은 상태로 회전할 수 있는 플레이트(420P)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 가변 노즐 감압 장치(420)는 내부에 플레이트(420P)를 포함할 수 있다. 플레이트(420P)는 가변 노즐 감압 장치(420)가 길게 늘어진 방향(z방향)에 비스듬하게 배치될 수 있다. 플레이트(420P)는 직사각형 모양으로 형성될 수 있고, 제1 모서리(421), 제2 모서리(422), 제3 모서리(423)가 가변 노즐 감압 장치(420)의 내벽과 맞닿을 수 있다. 이때 플레이트(420P)의 일단은 플레이트(420P)의 회전축일 수 있다. 예컨대 도 7을 기준으로 플레이트(420P)의 제1 모서리(421)가 회전축이 되어, 다른 모서리(422, 423, 424)가 회전할 수 있다. 이때 제2 모서리(422)와 제4 모서리(424)는 내벽에 닿은 채로 회전할 수 있다. 이에 따라
한편, 플레이트(420P)의 타단은 가변 노즐 감압 장치(420)에 맞닿지 않은 상태가 되어, 노즐 면적 조절 장치(430)의 출구(420O)를 형성할 수 있다. 예컨대, 도 7을 기준으로 플레이트(420P)의 제3 모서리(423)는 내벽에 닿지 않은 상태이다. 따라서 제3 모서리(423)와 내벽 사이에는 유체가 흐를 수 있는 출구(420O)가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 노즐 면적 조절 장치(430)는, 플레이트(420P)에 연결되는 길이 조절부(431)를 포함할 수 있다. 길이 조절부(431)는 실린더, 리니어 기어 등 다양한 형태로 길이를 조절할 수 있는 장치일 수 있다. 길이 조절부(431)의 일단은 플레이트(420P)에 연결되고, 타단은 가변 노즐 감압 장치(420)의 외부에 배치된 노브(knob, 432) 등에 연결될 수 있다. 예컨대 노브(432)의 회전으로 인해 길이 조절부(431)의 길이가 늘어나면, 플레이트(420P)의 제3 모서리(423)는 회전하여 도 7을 기준으로 오른쪽으로 이동할 수 있다. 이 경우 노즐의 면적, 즉 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구 면적이 감소한다. 반대로 길이 조절부(431)의 길이가 줄어들면, 플레이트(420P)의 제3 모서리(423)는 회전하여 도 7을 기준으로 왼쪽으로 이동할 수 있다. 이 경우에는 노즐의 면적, 즉 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구 면적(A n )이 증가한다. 한편 길이 조절부(431)는 제어 장치(440)에 의해 움직임이 조절될 수 있다.
상술한 가변 노즐 감압 장치(420)는 내부 구조가 단순하여, 검출되어야 할 입자가 내부에서 걸리는(trapped) 문제를 최소화할 수 있다.
도 8은 필터 감압 장치(450)를 더 포함하는 입자 검출기(400)를 개략적으로 나타낸 그림이다.
일 실시예에 따르면, 입자 검출기(400)는 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구부와 연결되는 필터 감압 장치(450)를 더 포함할 수 있다. 필터 감압 장치(450)는 입구와 출구를 가지는 관 형태일 수 있다.
필터 감압 장치(450)는, 대기압(Po) 상태인 외부의 공기를 출입시키는 필터(450F)를 통해 내부의 압력을 대기압과 같게 한다. 이에 따라 필터 감압 장치(450)를 통과한 유체의 압력 및 입자의 속도가 감소된다. 이때 필터(450F)는 외부의 입자가 필터 감압 장치(450) 안으로 들어오거나 필터 감압 장치(450) 안의 입자가 외부로 빠져나가는 것을 방지한다. 이에 따라 필터 감압 장치(450)는 포집된 입자의 개수를 유지하면서 감압을 수행할 수 있다. 한편, 필터 감압 장치(450)로 들어온 입자가 침적되는 것을 방지하기 위해, 필터 감압 장치(450)는 중력 방향으로 길게 늘어져 분석 장치(AD)와 연결될 수 있다. 이때 필터 감압 장치(450)의 출구부(450O)는 깔때기 모양을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
일 실시예에 따른 입자 검출 방법은, 가스 배관에 삽입되어 입자를 검출하기 위한 튜브(410)에, 출구의 면적을 조절할 수 있는 가변 노즐 감압 장치(420)를 연결하는 단계(S910), 가스 배관을 지나는 유체의 속도, 압력, 온도, 밀도 정보를 포함하는 유체 데이터를 획득하는 단계(S920), 유체 데이터를 이용하여 튜브(410)를 지나는 유체의 속도를 가스 배관을 지나는 유체의 속도와 같게 하는 등운동에너지 샘플링 면적을 산출하는 단계(S930) 및 가변 노즐 감압 장치의 출구 면적을, 등운동에너지 샘플링 면적이 되도록 조절하는 단계(S940)를 포함한다.
도 9를 참조하면, 튜브(410)에 가변 노즐 감압 장치(420)를 연결하는 단계(S910)가 수행된다. 이때 튜브(410)와 가변 노즐 감압 장치(420)는 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 상기 단계(S910)는 분석 장치(AD)와 연결하여 가스 배관의 샘플링을 수행하기 전에 수행될 수 있다.
한편, 가스 배관을 지나는 유체의 속도, 압력, 온도, 밀도 정보를 포함하는 유체 데이터를 획득하는 단계(S920)가 수행된다. 도 9에서는 유체 데이터 획득 단계(S920)가 가변 노즐 감압 장치 연결 단계(S910) 이후에 수행되는 것으로 표현하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉 유체 데이터는 가스 배관의 샘플링 이전 시점에 이미 획득되어 있을 수도 있다.
유체 데이터는 상술한 [수학식 1] 내지 [수학식 5]의 인수 데이터 중 유체의 성질과 관련된 데이터를 포함할 수 있다. 예컨대 유체 데이터는 경험적 감쇄계수 C d , 비열비 k, 밀도 ρ, 일반 압력 P, 속도 V pipe 등을 포함할 수 있다.
이후, 유체 데이터를 이용하여 등운동에너지 샘플링 출구 면적을 산출하는 단계(S930)가 수행된다. 상기 단계(S930)에서는 [수학식 1] 내지 [수학식 5]에 따라 튜브를 지나는 유체의 속도(V tube )를 가스 배관을 지나는 유체의 속도(V pipe )와 같게 하는 등운동에너지 샘플링 출구 면적 A n 이 산출된다.
이후, 가변 노즐 감압 장치의 실제 출구 면적을, 등운동에너지 샘플링 출구 면적이 되도록 조절하는 단계(S940)가 수행된다. 상기 단계(S940)는 사용자가 눈금에 맞게 노브(knob)를 회전시키는 등으로 직접(manually) 수행될 수도 있으나, 제어 장치(440)에 의해 자동으로 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자 검출기 및 입자 검출 방법에 따르면, 가변 노즐 감압 장치(420)의 출구 면적 조절을 통해 정확하게 등운동에너지 샘플링을 수행할 수 있다. 이에 따라 가스 배관의 입자 검사 결과의 정확성이 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
400: 입자 검출기 410: 튜브
420: 가변 노즐 감압 장치 430: 노즐 면적 조절 장치
440: 제어 장치 450: 필터 감압 장치

Claims (5)

  1. 가스 배관에 삽입되어 유체 및 상기 유체를 따라 흐르는 입자(particle)의 통로를 제공하는 튜브;
    상기 유체가 흐를 수 있도록 상기 튜브의 출구와 연결되는 입구와, 상기 입구에 비해 면적이 좁은 노즐 형태의 출구를 가지는 가변 노즐 감압 장치;
    상기 가변 노즐 감압 장치의 출구를 빠져나가는 유량이 최대인 상태에서 일정하게 유지되는 질식 유동이 일어나도록 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구의 면적을 조절할 수 있는 노즐 면적 조절 장치; 및
    상기 가스 배관을 지나는 유체의 정보를 입력받아, 상기 질식 유동 상태가 만족하는 조건을 이용하여 등운동에너지 샘플링(isokinetic sampling)이 가능하도록 하는 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구의 면적을 산출하여 상기 노즐 면적 조절 장치의 움직임을 제어하는 제어 장치;를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구에서 유체가 질식 유동 상태일 때, 상기 가스 배관을 지나는 유체의 속도와 상기 튜브의 입구에서의 유체의 속도가 일치하도록 하는 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구의 면적을 산출하고,
    상기 가변 노즐 감압 장치는, 길이 방향을 따라 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구로 갈수록 점진적으로 단면적을 선형으로 감소시키는 플레이트를 포함하고,
    상기 가변 노즐 감압 장치의 출구부에 대하여 중력 방향인 하부에, 외부의 공기를 출입시키는 필터 감압 장치가 연결되고,
    상기 필터 감압 장치는, 상기 가변 노즐 감압 장치와 분석 장치를 중력 방향에 상응하게 연결하며,
    상기 제어 장치가 입력받는 유체의 정보는, 유체의 실제 질량 흐름률에 영향을 주는 변수인 경험적 감쇄계수를 포함하며, 상기 경험적 감쇄계수는 시험을 통해 실측되는, 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 수학식
    Figure 112019041187274-pat00021

    에 의해 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구의 면적을 산출하며, 상기 수학식에서,
    An 은 상기 가변 노즐 감압 장치의 출구의 면적, Vpipe 는 상기 가스 배관을 지나는 유체의 속도, ρ는 유체의 일반 밀도, Atube 는 상기 튜브의 단면적, Cd 경험적 감쇄계수, k는 유체의 비열비, ρ0 는 유체의 정체 밀도, P0 는 유체의 정체 압력을 나타내는, 입자 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는, 일단이 상기 가변 노즐 감압 장치의 내벽과 맞닿은 상태로 회전할 수 있고,
    상기 노즐 면적 조절 장치는, 상기 플레이트에 연결되고, 길이 조절을 통해 상기 플레이트를 움직여 상기 출구의 면적을 조절하는 길이 조절부;를 포함하는, 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터 감압 장치는,
    외부의 공기를 출입시키나 입자의 출입을 차단하는 필터를 가져 상기 출구부를 빠져나온 유체의 압력을 감소시키는, 가스 배관의 등운동에너지 샘플링을 위한 입자 검출기.
  5. 삭제
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