KR102190440B1 - 열식 질량 유량계 - Google Patents

Abstract

히터의 소비 전력을 정확하게 계측하여 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있는 열식 질량 유량계에 관한 것으로, 배관의 내부를 유동하는 유체에서 질량 유량을 측정하는 열식 질량 유량계로서, 히터와 상기 히터의 열을 감지하는 센서로 이루어진 제1 감지 부재, 상기 제1 감지 부재를 경유하여 유동하는 유체의 온도를 감지하는 제2 감지 부재, 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서 감지된 계측 값에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈, 상기 노이즈 제거 모듈에서 노이즈가 제거된 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서의 계측 값에 따라 상기 제1 감지 부재에 인가되는 전류량을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 구성을 마련하여, 수처리 플랜트 배관, 바이오 가스의 배관 또는 일반 산업 플랜트의 배관 내에 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있다는 데에 그 특징이 있다.

Description

열식 질량 유량계{Thermal mass flowmeter}

본 발명은 유량을 감지하는 센서를 제어하는 열식 질량 유량계에 관한 것으로, 특히 히터의 소비 전력을 정확하게 계측하여 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있는 열식 질량 유량계에 관한 것이다.

일반적으로, 발전, 화공, 반도체 및 공조 등 각종 다양한 산업 현장에서 사용되는 유량계의 종류는 현장의 요구 조건에 따라 매우 다양하며, 현장 프로세스의 감시 및 제어를 위하여 없어서는 안 되는 매우 중요한 위치를 차지함과 동시에 그 성능의 향상과 기능의 다양화가 요구되고 있다.

현재 상용화가 이루어진 질량 유량계의 기본적인 형태는 열의 전달현상을 이용하는 열선식(hot-wire type)이나 열량식(calorie type) 등을 비롯하여 코리올리 힘을 이용하거나, 양력 또는 각 운동량을 이용하고, 핵자기 공명을 이용하는 경우 등 물리적으로 존재하는 법칙이나 원리를 적극 이용한 형태의 다양한 유량계가 소개 및 설치, 운전되고 있다.

열선식 유량계의 한 형태인 열식 질량 유량계는 유로를 유동하는 유체의 질량 유량을 측정하는 것으로, 가열된 고체와 유동하는 유체 사이에 발생하는 대류에 의하여 열전도에 의하여 감소하는 고체의 열변화량과 유체의 유속 사이의 관계, 즉 열변화에 대응하는 질량 유속(mass flux)의 변화를 검출하여 이를 유량으로 환산한다.

이와 같은 열식 질량 유량계는 일반적으로 백금센서, 센서보호 파이프, 센서파이프 고정대, 리드 와이어로 구성되며, 인서트형 센서는 유속 감지용 히터와 가스의 온도를 보정해주는 온도 센서로 두 개의 감지부로 구성된다. 두 개의 센서는 예를 들어 백금 저항체로 구성되며, 강도와 안정성을 위해 세라믹 원기둥에 감겨있고, 스테인리스 보호 파이프로 보호되고 있다.

상술한 바와 같은 열식 질량 유량계는 직접적인 질량 유량 계측으로 별도의 온도와 압력 보상이 필요 없으며, 저압, 저속의 가스 측정에도 높은 정확도와 재현성을 제공하고, 유량 흐름의 장애를 최소화하고 적은 압력 변화로 구현가능 하며, 공기를 비롯하여 알곤, 산소, 질소, 소화가스, 프로판, 천연가스, 이산화탄소 등 거의 모든 산업가스의 유량계 측에 적합한 빠른 응답을 보인다는 장점으로, 다양한 사업 분야에서 사용되고 있다.

이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 도 1에 도시된 바와 같이, 히터에 의하여 가열되어 배관의 내부를 유동하는 유체와 열 교환된 센서의 온도 변화를 기초로 환산되는 질량 유량을 측정하는 열식 질량 유량계에서, 상기 배관을 관통하여 설치되는 프로브(100), 상기 배관의 내부에 위치되는 상기 프로브의 일단에 구비되고 상기 센서의 온도를 감지하는 센서부(200), 상기 센서부의 감지 값으로부터 상기 배관의 내부를 유동하는 유체의 질량 유량을 환산하는 제어부 및 상기 제어부가 환산한 상기 배관의 내부를 유동하는 유체의 질량 유량을 표시하는 표시부(400)를 구비하고, 센서부가 배관의 내부를 유동하는 유체와 직접 접촉되는 현상을 방지하기 위하여 상기 센서를 차폐하는 커버 부재를 포함하는 열식 질량 유량계에 대해 개시되어 있다.

또 하기 특허문헌 2에는 배관의 외측에서 상기 배관의 내부 매체의 적어도 일부분을 가열하는 가열 장치, 상기 가열 장치에 의해서 상기 배관 내부에서 가열된 상기 매체의 유속에 따른 온도 분포를 상기 배관의 외측에서 측정할 수 있도록, 상기 가열 장치를 기준으로 상기 매체가 흐르는 방향의 전방인 제1 위치에 형성되는 제1 온도 측정 장치 및 상기 가열 장치에 의해서 상기 배관 내부에서 가열된 상기 매체의 유속에 따른 온도 분포를 상기 배관의 외측에서 측정할 수 있도록, 상기 가열 장치를 기준으로 상기 매체가 흐르는 방향의 후방인 제2 위치에 상기 제1 온도 측정 장치와 대칭적으로 형성되는 제2 온도 측정 장치를 포함하는 열식 질량 유량계에 대해 개시되어 있다.

한편, 하기 특허문헌 3에는 외부로부터 인가되는 전류에 따라 가열되는 유속 감지용 센서 및 내부의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 설치되는 내부관, 상기 내부관과 이격되게 배치되어 환형부를 형성하는 유체 접촉관으로 구성된 발열체, 상기 내부관 내 온도 센서에 의해 센싱된 온도가 기준 온도가 되도록 상기 유속 감지용 센서에 인가되는 전류를 제어하는 전류량 제어부, 상기 전류량 제어부에 의해 상기 유속 감지용 센서에 인가되는 전류의 변화를 기반으로 상기 발열체를 통해 흐르는 유체의 유량을 산출하는 유량 산출부를 포함하는 열식 질량 유량계에 대해 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1660226호(2016.09.21 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1943635호(2019.01.13 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1889161호(2018.08.09 등록)

상술한 바와 같은 특허문헌 1에 개시된 기술에서는 커버 부재를 마련하는 것에 의해 센서의 오염을 방지할 수 있지만, 히터에서의 소비 전력을 정확하게 계측할 수 없어 정밀하게 유량을 측정할 수 없다는 문제가 있었다.

또 특허문헌 2에 개시된 기술에서는 가열 장치로서 레이저 발산 장치를 사용하므로, 의약품의 주입량을 모니터링할 수 있지만, 수처리 플랜트 공정의 송풍기 유량 측정, 바이오 가스의 유량 측정, 일반 산업 플랜트의 공기/가스 측정과 같은 대형의 질량 유량을 측정할 수 없다는 문제가 있었다.

한편, 상기 특허문헌 3에는 유속 감지용 센서에 인가되는 전류를 제어하는 전류량 제어부가 마련되어 있지만, 감지용 센서에서 감지된 감지 값에 노이즈가 포함하는 경우, 정확한 감지값에 따라 전류를 제어할 수 없다는 문제도 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 수처리 플랜트 공정의 송풍기 유량 측정, 바이오 가스의 유량 측정, 일반 산업 플랜트의 공기/가스 측정과 같은 대형의 질량 유량을 정밀하게 측정할 수 있는 열식 질량 유량계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 감지용 센서에서 비선형 보상을 실행하고, 감지용 센서에서 감지된 감지 값에 포함된 노이즈를 제거하여 질량 유량을 정확하게 계측할 수 있는 열식 질량 유량계를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 열식 질량 유량계는 배관의 내부를 유동하는 유체에서 질량 유량을 측정하는 열식 질량 유량계로서, 히터와 상기 히터의 열을 감지하는 센서로 이루어진 제1 감지 부재, 상기 제1 감지 부재를 경유하여 유동하는 유체의 온도를 감지하는 제2 감지 부재, 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서 감지된 계측 값에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈, 상기 노이즈 제거 모듈에서 노이즈가 제거된 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서의 계측 값에 따라 상기 제1 감지 부재에 인가되는 전류량을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에서, 상기 제어 모듈은 상기 제1 감지 부재에 인가되는 전류를 일정하게 제어하는 정전류 방식과 온도변화 요인이 있더라도 일정한 온도 값을 유지할 수 있도록 전류 값을 제어하는 정온법 방식 중의 어느 하나를 실행하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에서, 상기 노이즈 제거 모듈은 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서의 계측 값을 각각 증폭하는 한 쌍의 버퍼, 상기 한 쌍의 버퍼에서 증폭된 계측 값을 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기, 상기 AD 변환기에서의 디지털 신호의 입력 전압 레벨을 조정하는 레벨 시프터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에서, 기준 전압에 따라 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에 각각 전류를 인가하는 제1 및 제2 전류 구동기, 상기 제어 모듈에서 상기 제1 감지 부재에 전류를 인가하는 제3 전류 구동기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에서, 상기 제1 및 제2 전류 구동기는 +5V DC에 의해 구동되고, 상기 제3 전류 구동기는 +12V DC에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 의하면, 노이즈 제거 모듈을 마련하여 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서 감지된 계측 값에서 노이즈를 제거하고, 이에 따라 제1 감지 부재에 인가되는 전류량을 제어하므로, 수처리 플랜트 배관, 바이오 가스의 배관 또는 일반 산업 플랜트의 배관 내에 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에 의하면, 제어 모듈이 제1 감지 부재에 인가되는 전류를 일정하게 제어하는 정전류 방식과 온도변화 요인이 있더라도 일정한 온도 값을 유지할 수 있도록 전류 값을 제어하는 정온법 방식 중의 어느 하나를 실행하므로, 유체의 종류에 관계없이 질량 유량을 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 종래의 열식 질량 유량계의 개념을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 열식 질량 유량계의 구성을 나타내는 블록도.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저, 본 발명의 기본적인 개념을 설명한다.

본 발명의 열식 질량 유량계는 유체를 가열하여 어느 일정 온도로 높이는 데 필요한 에너지가 질량의 유량에 비례하는 것을 이용하는 방식의 유량계로서, 히터로부터 기체에 주어진 열량 q는 q = CpΔTM으로 주어진다. 여기서 Cp는 기체의 정압 비열이고, ΔT는 히터를 낀 상류와 하류의 온도차, M은 질량 유량이다. 따라서 ΔT가 일정해지도록 제어하고, 그때의 에너지량 q로부터 질량 유량 M을 구할 수 있다. 기체의 정압비열 Cp는 공기, 질소, 수소와 같은 기체에서는 압력에 관계없고, 온도에 거의 영향 받지 않는다.

또 본 발명에 사용되는 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서는 예를 들어, RTD(Resistance Temperature Detectors)를 사용할 수 있으며, 이 RTD는 저항 온도 센서의 한 종류로서, 온도가 변함에 따라 저항 수치가 변하는 저항을 포함하는 온도 센서이며, 정확도와 반복성 그리고 안정성을 유지하는 센서로 사용된다.

이와 같은 RTD 센서는 프로브 안에 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재로서 고정밀도의 백금 RTD로 구성되고, 제1 감지 부재는 히터와 Pt 1000 ohm의 센서로 이루어지고, 제2 감지 부재의 센서는 Pt 1000 ohm 이다. 제1 감지 부재의 히터는 프로브를 가열하고, △T를 측정하는 기능을 가지고 있으며, 제2 감지 부재의 센서는 가스의 온도를 측정할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 열식 질량 유량계의 구성을 나타내는 블록도 이다.

본 발명에 따른 열식 질량 유량계는 배관의 내부를 유동하는 유체에서 질량 유량을 측정하는 열식 질량 유량계로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 히터와 상기 히터의 열을 감지하는 센서로 이루어진 제1 감지 부재(10), 상기 제1 감지 부재(10)를 경유하여 유동하는 유체의 온도를 감지하는 제2 감지 부재(20), 상기 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에서 감지된 계측 값에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈(30), 상기 노이즈 제거 모듈(30)에서 노이즈가 제거된 상기 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에서의 계측 값에 따라 상기 제1 감지 부재(10)에 인가되는 전류량을 제어하는 제어 모듈(40), 상기 제어 모듈에서 환산한 배관의 내부를 유동하는 유체의 질량 유량을 표시하는 표시부를 포함한다.

상기 제1 감지 부재(10)는 예를 들어, 수처리 플랜트 배관, 바이오 가스의 배관 또는 일반 산업 플랜트의 배관을 관통하여 설치되는 프로브에 마련되고, 상술한 바와 같이, 일정 기준 온도로 발열하는 히터와 Pt 1000 ohm의 제1 센서로 이루어질 수 있다.

상기 제2 감지 부재(20)는 상기 제1 센서와 인접하여 마련되고, Pt 1000 ohm의 제2 센서로 이루어질 수 있다. 이 제2 센서는 제1 감지 부재(10)를 경유한 유체의 온도를 감지한다.

상기 노이즈 제거 모듈(30)은 도 2에 도시된 바와 같이, 노이즈를 제거하여 배관 내에서 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있도록, 상기 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에서의 계측 값을 각각 증폭하는 한 쌍의 버퍼(31, 32), 상기 한 쌍의 버퍼(31, 32)에서 증폭된 계측 값을 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기(33), 상기 AD 변환기(33)에서의 디지털 신호의 입력 전압 레벨을 조정하는 레벨 시프터(34)를 포함한다.

상기 제어 모듈(40)은 마이크로프로세서, 저장부, 통신부를 구비하며, 제1 감지 부재(10)의 히터에 인가되는 전류량을 제어한다. 상기 저장부는 배관 내로 유동하는 유체의 종류에 관한 정보, 히터의 발열에 대한 정보, 각각의 센서에 대한 정보가 저장되고, 상기 마이크로프로세서는 상기 노이즈 제거 모듈(30)에서 계측 노이즈가 제거된 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에서의 계측 값 및 상기 저장부에 저장된 정보에 따라 상기 히터의 발열 온도를 제어한다. 이와 같은 제어는 통신부를 통한 유무선 통신에 의해 실행된다.

상술한 제어 모듈(40)은 상기 제1 감지 부재(10)의 히터에 인가되는 전류를 일정하게 제어하는 정전류 방식과 배관 내에서 온도변화 요인이 있더라도 일정한 온도 값을 유지할 수 있도록 전류 값을 제어하는 정온법 방식 중의 어느 하나를 실행할 수 있다.

상기 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)는 +5V DC의 기준 전압 발생기(50)에서 공급되는 전압에 의해 전류를 공급하는 전류 구동기(60)에 의해 작동된다. 즉 제1 감지 부재(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전류 구동기(61)에 의해 구동되고, 제2 감지 부재(20)는 제2 전류 구동기(62)에 의해 구동된다. 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 제1 전류 구동기(61) 및 제2 전류 구동기(62)에 의해 각각 분리하여 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에 전류를 공급하므로, 배관 내에 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있다.

또 제어 모듈(40)의 통신부를 통한 제어 신호는 DA 변환기(70)를 거쳐 +12V DC에 의해 구동되는 제3 전류 구동기(80)를 제어하고, 이 제3 전류 구동기(80)가 제1 감지 부재(10)의 히터의 발열 상태를 조절하므로, 온도 센서의 보상 등을 정밀하게 실행할 수 있다.

한편, 표시부에 대해서는 도 2에서 생략을 하였지만, 이 표시부는 배관의 외부에 위치되는 프로브의 타단에 마련될 수 있다. 상기 표시부는 제어 모듈(40)에 의하여 환산된 배관의 내부를 유동하는 유체의 질량 유량을 숫자, 문자, 음성 중 적어도 1개의 형태로 표시할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열식 질량 유량계는 제1 감지 부재(10) 및 제2 감지 부재(20)에서 측정된 온도 값(아날로그)이 한 쌍의 버퍼(31, 32)를 통해 증폭 후 AD 변환기(33)에서 디지털 신호로 변환되고, 레벨 시프터(34)에서 제어 모듈(40)이 입력 받을 수 있는 레벨로 변환 입력된다.

제어 모듈(40)에서 출력된 제어신호는 DA 변환기(70)를 통해서 디지털에서 아날로그로 변환되고, 제3 전류 구동기(80)을 통해서 제1 감지 부재(10)의 히터에 공급되는 전류 값을 제어하게 된다. 즉 본 발명에 따른 열식 질량 유량계에서는 종래의 기술과 달리 제1 전류 구동기(61)를 통해 제1 감지 부재(10)의 히터를 제어하는 것이 아니고 제3 전류 구동기(80)를 통해 상기 히터를 제어하므로, 제어 정밀도를 향상시켜 수처리 플랜트 배관, 바이오 가스의 배관 또는 일반 산업 플랜트의 배관 내에 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있다.

또한, 제어 모듈(40)의 컨트롤 프로그램에서 회로 변경 없이 전류를 일정하게 제어하는 방식(정전류 방식)과 온도변화 요인이 있더라도 일정한 온도 값을 유지할 수 있도록 전류 값을 제어하는(정온법 방식)방식 중 한가지를 사용 가능하도록 선택할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 따른 열식 질량 유량계를 사용하는 것에 의해 수처리 플랜트 배관, 바이오 가스의 배관 또는 일반 산업 플랜트의 배관 내에 유동하는 유체를 정밀하게 측정할 수 있다.

10 : 제1 감지 부재
20 : 제2 감지 부재
30 : 노이즈 제거 모듈
40 : 제어 모듈

Claims (5)

1. 배관의 내부를 유동하는 유체에서 질량 유량을 측정하는 열식 질량 유량계로서,
   히터와 상기 히터의 열을 감지하는 센서로 이루어진 제1 감지 부재,
   상기 제1 감지 부재를 경유하여 유동하는 유체의 온도를 감지하는 제2 감지 부재,
   상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서 감지된 계측 값에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 모듈,
   상기 노이즈 제거 모듈에서 노이즈가 제거된 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서의 계측 값에 따라 상기 제1 감지 부재에 인가되는 전류량을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것이며,
   상기 노이즈 제거 모듈은
   상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에서의 계측 값을 각각 증폭하는 한 쌍의 버퍼, 상기 한 쌍의 버퍼에서 증폭된 계측 값을 디지털 신호로 변환하는 AD 변환기, 상기 AD 변환기에서의 디지털 신호의 입력 전압 레벨을 조정하는 레벨 시프터를 포함하는 것이고,
   기준 전압에 따라 상기 제1 감지 부재 및 제2 감지 부재에 각각 전류를 인가하는 제1 및 제2 전류 구동기, 상기 제어 모듈에서 상기 제1 감지 부재에 전류를 인가하는 제3 전류 구동기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열식 질량 유량계.
2. 제1항에서,
   상기 제어 모듈은 상기 제1 감지 부재에 인가되는 전류를 일정하게 제어하는 정전류 방식과 온도변화 요인이 있더라도 일정한 온도 값을 유지할 수 있도록 전류 값을 제어하는 정온법 방식 중의 어느 하나를 실행하는 것을 특징으로 하는 열식 질량 유량계.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에서,
   상기 제1 및 제2 전류 구동기는 +5V DC에 의해 구동되고,
   상기 제3 전류 구동기는 +12V DC에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 열식 질량 유량계.

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