KR102437647B1 - 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치와 방법, 이것이 구비된 온수 설비, 대응하는 열식 질량 유량 센서, 및 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치, 이러한 장치가 구비된 온소 설비, 및 대응하는 열식 질량 유량 센서 및 방법에 관한 것이다. 본 장치는 공기 라인; 제어 밸브가 구비되는 가스 라인; 공기 라인과 가스 라인을 연결하는 제1 측정 라인; 제1 측정 라인을 가스 라인 및/또는 공기 라인에 연결하여 3방향 교차점을 형성하는 제2 측정 라인; 제1 측정 라인에 제1 및 제2 온도 센서를 포함하는 열식 질량 유량 센서로서, 제1 및 제2 온도 센서는 사용시 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동에, 및 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동에 각각 위치하도록 배치되는 열식 질량 유량 센서; 및 열식 질량 유량 센서에 의해 측정되는, 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량과, 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량 사이의 차이에 기초하여 제어 밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치와 방법, 이것이 구비된 온수 설비, 대응하는 열식 질량 유량 센서, 및 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 방법
본 발명은 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치에 관한 것이다. 그러한 장치는 버너에 의해 가연성 가스를 연소하기 위한 가스-공기 혼합물을 제공한다. 이러한 장치는 예컨대, 중앙 난방 보일러, 보일러 또는 온수기와 같은 온수 설비에 적용된다.
그러한 가연성 가스의 예비 혼합 연소를 위하여, 혼합물 내의 연소 공기와 관련 가스의 비율이 제어된다. 연소 공기와 가연성 가스의 비율은 효율적이고 안전한 연소가 얻어지도록 선택된다. 소정의 과잉 공기를 가진 화학양론 연소비는 일반적으로 가스-공기 비율에 대해 선택된다. 예컨대, 10 파트 공기 대 1 파트 천연가스의 비율이 천연가스의 연소를 위해 선택된다.
US 6561791 는 가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인 및 연소 가스의 공급을 위한 공기 라인을 가진 장치를 개시하고 있다. 가스 라인은 제어 밸브("스로틀 밸브"라고도 칭함)를 포함한다. 유동 센서가 가스 라인 및 공기 라인에 연결되어 있다. 제어 밸브는 유동 센서에 의해 측정된 유량에 기초하여 제어된다. 가스 라인과 공기 라인의 압력이 동일하면, 측정된 유량은 0과 동일할 것이다. 그러나, 공기 압력이 가스 압력보다 크면, 센서는 공기 도관에서 가스 도관으로의 유동을 측정한다. 그러한 경우 가스 밸브가 더 개방된다. 공기 압력이 가스 압력보다 더 작으면, 반대방향의 유동이 측정될 것이다. 그러한 경우 가스 밸브가 더 폐쇄된다.
그러한 제어는 유동 센서를 통과하는 가스 유동의 유량을 0으로 유지하기 위하여 제어 밸브를 제어한다. 그러나, 유동 센서는 일반적으로 낮은 유체 유동의 범위, 즉 0 근처의 측정 범위에서 덜 정확하다. 따라서, 공지된 제어는 마찬가지로 부정확하다.
더욱이 결함이 있는 유동 센서는 종래 장치에서 인지하기 어렵다. 이것은 결함이 있는 유동 센서가 대개 수치 0의 출력; 정확하게는 제어가 조정되는 값의 출력을 가질 것이기 때문이다. 이것은 제어가 정확하게 기능하고 있다는 잘못된 인상을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치를 제공하는 것이고, 가스-공기 비율은 정확하고 신뢰가능한 방식으로 제어될 수 있다.
이러한 목적은 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 본 발명에 따른 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 장치의 일실시예에서, 장치는 다음을 포함한다:
연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인;
제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하는 열식 질량 유량 센서로서, 상기 제1 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고, 상기 제2 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되는, 열식 질량 유량 센서; 및
제어기로서, 상기 제어기는 상기 열식 질량 유량 센서 및 상기 제어 밸브에 연결되고, 상기 열식 질량 유량 센서에 의해 측정되는, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량과, 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량 사이의 차이에 기초하여 상기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는, 제어기.
열식 질량 유량 센서는 그 자체로 알려진 바와 같이, 열식 유동 센서라고도 칭해진다. 열식 질량 유량 센서는 특히 유동 가스의 질량 유량을 측정하는데 적절한다.
종래의 열식 질량 유량 센서의 제1 예시는 가열 요소 및 2개의 온도 센서를 포함한다. 온도 센서 중 하나는 가열 요소의 상류에 위치하고, 다른 하나의 온도 센서는 가열 요소의 하류에 위치한다. 가열 요소는 유체를 국소적으로 가열한다. 유체가 유동할 때, 열은 유동 질량과 함께 이동할 것이다. 이로 인해, 가열 요소의 하류에 있는 센서는 가열 요소의 상류에 있는 센서보다 더 높은 온도를 측정한다. 따라서, 유체 유동의 방향과 질량 유량은 온도 차이에 기초하여 결정될 수 있다.
열식 질량 유량 센서의 다른 유형은 열선(열선 질량 유량 센서 또는 열선 질량 공기 유동(MAF) 센서)을 포함한다. 여기에서 열선은 측정을 위해 가스 유동 내에 위치한다. 열선의 냉각은 지나가는 가스의 질량 유량의 측정치이다.
열식 질량 유량 센서의 추가적 유형은 열선 질량 유량 센서의 변형예이고, 서미스터, 예컨대 pt100 저항과 같은 PTC 저항 또는 NTC 저항이 열선 대신에 적용된다.
본 발명의 문맥에서 질량 유량은 단위 시간당 질량으로 표현되는 유체 유동의 크기를 의미하는 것으로 이해된다. 크기에 추가하여, 유체 유동은 방향을 가지는데, 즉 유체 유동의 벡터량이다. 부호 φ는 유체 유동에 대해 적용될 것이고, 표시 |φ|는 유량에 대해 사용될 것이다.
전술한 실시예에 따른 열식 질량 유량 센서는 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하고, 둘 다 제1 측정 라인에 구비된다. 제1 온도 센서는 사용시 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치된다. 제2 온도 센서는 사용시 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치된다. 따라서, 제2 온도 센서는, 공기 라인에서 가스 라인으로 가는 방향에서 볼 때 제1 온도 센서의 하류에 위치한다.
제1 및 제2 온도 센서는 예컨대 3방향 교차점의 양측에 위치한다. 온도 센서들은 예컨대, 제2 측정 라인이 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 양측에 구비된다. 즉, 제1 온도 센서는 3방향 교차점에서 공기 라인으로 연장되는 제1 측정 라인의 부분에 위치하고, 제2 온도 센서는 3방향 교차점에서 가스 라인으로 연장되는 제1 측정 라인의 부분에 위치한다. 그러나, 제1 센서가 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동을 측정하도록 구성되고 제2 센서가 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동을 측정하도록 구성되는 한, 온도 센서들은 서로 인접하여 배치될 수도 있다. 제1 및 제2 센서는 예컨대, 제2 측정 라인의 제1 외부 단부의 중심을 관통하는 제1 측정 라인에 대해 직각인 가상의 선의 양측에 위치한다.
공기 라인의 방향으로 제1 측정 라인에서의 가스 유동이 제2 측정 라인의 방향으로의 가스 유동과 상이하면, 이러한 차이는 제1 및 제2 온도 센서에 의해 기록된다. 제1 예시에서, 제1 및 제2 온도 센서는 서미스터 또는 열선으로 구현되고, 각각은 파워 서플라이에 연결되어, 전류가 서미스터 또는 열선을 통해 흐른다. 지나가는 가스는 온도 센서를 냉각시키고, 이것은 온도 센서의 저항에 영향을 준다. 이러한 저항 변화는 기록되고, 지나가는 가스의 질량 유량의 측정치이다. 각각의 센서는 예컨대, 일정 온도 유속측정 회로, 또는 일정 전압 유속측정 회로, 또는 일정 전류 유속측정 회로에 통합된다. 제2 예시에서, 가열 요소는 지나가는 가스를 가열하기 위해 구비되고, 제1 및 제2 온도 센서에 의해 측정된 온도 차이는 각각 공기 라인 및 가스 라인으로 가는 가스 유동에서의 차이의 측정치이다.
3방향 교차점은 제1 측정 라인이 제2 측정 라인에 연결되도록 형성된다. 즉, 3방향 교차점에는 하나의 유입구 및 2개의 배출구 또는 하나의 배출구 및 2개의 유입구가 구비된다. 첫번째 경우, 2개의 배출구는 공기 라인 및 가스 라인에 연결된다. 두번째 경우, 2개의 유입가 공기 라인 및 가스 라인에 연결된다.
따라서, 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동은 3방향 교차점에서 공기 라인으로, 또는 그 반대방향으로 모두 지향될 수 있다. 더욱이, 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동은 가스 라인을 향하거나 또는 그 반대로 모두 지향될 수 있다. 어떠한 경우에도 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동은 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동의 방향에 대해 반대방향을 가진다.
열식 질량 유량 센서는, 이러한 방식으로 측정된 질량 유량의 차이에 기초하여 제어 밸브를 제어할 수 있는 제어기에 연결된다. 차이가 탐지되면, 가스 라인과 공기 라인의 압력이 달라지고, 제어 밸브는 이것을 수정하도록 제어된다.
제2 측정 라인이 구비되지 않는 종래의 시스템에서, 제어 밸브는 제1 측정 라인을 통과하는 유동이 발생하지 않도록 제어된다. 그러나, 본 발명에 따른 장치에서, 제어 밸브는 제1 측정 라인에서 유동이 발생하도록 제어된다. 유동 센서가 낮은 유체 유동의 범위에서 덜 정확하기 때문에, 본 발명은 종래의 시스템보다 더 정확하게 공기 라인과 가스 라인 사이의 압력 차이를 측정할 수 있다. 원한다면, 덜 정확한 센서가 본 발명에 따른 장치에 대해 충분하다.
본 발명의 추가 이점은 결함이 있는 센서가 좀 더 용이하게 인지될 수 있다는 것이다. 종래의 시스템에서, 결합이 있는 센서는 0의 값인 출력을 가지면서, 실제로 유동이 가스 라인에서 공기 라인으로 또는 그 반대로 발생할 수 있다. 제2 측정 라인의 존재로 인하여, 공기 라인과 가스 라인의 압력이 동일할 때, 가스 유동이 여전히 제1 측정 라인에 존재한다. 센서가 질량 유량 0의 출력을 가지는 바람직하지 않은 상황에서, 결함이 존재하는 것이 즉시 명확하게 될 것이다.
본 발명의 추가 이점은 제2 측정 라인이 구비되기 때문에, 원한다면 공기 및/또는 가스의 총 질량 유량이 이러한 목적으로 구비되어야 하는 별도의 센서 없이 결정될 수 있다는 것이다. 이러한 결정은 이하 설명될 것이다. 제1 측정 라인과 제2 측정 라인은 3방향 교차점을 형성한다. 3개의 유체 유동이 정의될 수 있다. 제1 유체 유동 φ1은 3방향 교차점에서 공기 라인으로 가는 제1 측정 라인 내의 유동으로 정의된다. 제2 유체 유동 φ2은 3방향 교차점에서 가스 라인으로 가는 제1 측정 라인 내의 유동으로 정의된다. 제2 유체 유동 φ2은 제1 유체 유동 φ1에 대해 반대방향을 가진다. 제3 유체 유동 φ3은 측정 라인에서 3방향 교차점으로 가는 제2 측정 라인 내의 유동으로 정의된다. 3방향 교차점으로 유동하는 가스의 양이 3방향 교차점에서 흘러나오는 가스의 양과 동일해야 하기 때문에, φ1 + φ2 = φ3 가 된다. 유체 유동 φ1과 유체 유동 φ2의 질량 유량은 제1 및/또는 제2 온도 센서에 의한 측정에 기초하여 결정될 수 있다. 그러면 φ3은 예컨대 φ1과 φ2의 합으로서 φ1과 φ2에 기초하여 계산될 수 있다.
제어기는 |φ1| = |φ2|가 되도록 가스값을 제어하기 때문에, 질량 유량 |φ3|은 원한다면 |φ3| = 2*|φ1| 또는 |φ3| = 2*|φ2| 가 되도록 결정될 수 있지만, 그러한 결정은 일반적으로 φ1과 φ2의 합에 기초한 결정보다 덜 정확할 것이다.
즉, 오직 하나의 측정 라인을 가지는 종래의 시스템에서, 오직 하나의 양만이 측정될 수 있는 반면, 본 발명에서는 적어도 2개의 양이 측정될 수 있는데: 가스 라인과 공기 라인 사이의 압력 차이를 나타내는 유체 유동의 차이, 및 총 유량을 나타내는 유체 유동의 합이다.
버너에서 화염의 전도율(conductivity)은 연소가 실제로 발생했는지 여부를 측정하는데 사용된다. 또한, 전도율에 기초하여 연소가 정확한지, 예컨대 연소가 충분한 과잉 산소와 함께 발생했지는 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 이것은 문제되는 설비의 안전성을 위하여 매우 중요하다. 그러나, 측정되는 화염 흐름은 하중, 즉 가스 유동의 크기에 의존한다. 본 발명은 가스 유동의 총 유량이 측정될 수 있기 하기 때문에, 예상된 화염 흐름이 결정될 수 있고 장치의 정확한 기능을 모니터링하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 추가 이점은 제어가 전자적으로 수행될 수 있다는 것이다.
열식 질량 유량 센서는 예컨대, 장치가 작동되기 전에 교정된다. 바람직하게는 교정은, 장치가 꺼질 때, 적어도 가스 및 공기 유동이 장치에서 발생하지 않을 때 수행된다. 처리 유닛은 예컨대, 제1 온도 센서에 의해 측정된 값과 제2 온도 센서에 의해 측정된 값 중 적어도 하나, 및 교정 데이터 및/또는 센서 특성에 기초하여 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정한다.
바람직한 실시예에서, 제1 온도 센서와 제2 온도 센서는 각각 일정 온도 유속측정을 위한 회로에 구비된다. 제1 온도 센서와 제2 온도 센서는 바람직하게는 서미스터, 고온 열선, 또는 고온 필름 센서(고온 필름 프로브라고도 알려짐)로서 구현된다.
그러한 회로는 센서는 통과하는 유동을 제어함으로써 온도 센서의 온도, 및 따라서 저항을 일정하게 유지하도록 구성된다. 예컨대, 이것은 예컨대 휘트스톤 브릿지와 조합된 증폭기에 기초하여 피드백 루프로 구현된다. 온도 센서에 걸린 전압은 센서를 통과하는 전류를 공급함으로써, 온도 센서가 가열된다. PTC 서미스터 또는 열선과 같은 온도 센서가 지나가는 가스에 의해 냉각될 때, 피드백 회로는 온도 센서를 동일한 온도에 유지하기 위하여 더 많은 전력을 가할 것이다. 이것은 회로의 출력에서 측정될 수 있다.
대안적으로, 제1 온도 센서와 제2 온도 센서는 각각 일정 전압 유속측정 또는 일정 전류 유속측정을 위한 회로에 구비된다. 다른 바람직한 실시예에서, 열식 질량 유량 센서는 제1 측정 라인에 배치되고 3방향 교차점에 또는 3방향 교차점에 인접하여 위치하는 가열 요소를 더 포함하고, 공기 라인에서 가스 라인으로 가는 방향에서 볼 때, 제1 온도 센서는 가열 요소의 상류에 위치하며 제2 온도 센서는 가열 요소의 하류에 위치하고, 제어기는 제1 온도 센서에 의해 측정된 온도와 제2 온도 센서에 의해 측정된 온도 사이의 차이에 기초하여 제어 밸브를 제어하도록 구성된다.
제1 및 제2 온도 센서는 바람직하게는 가열 요소로부터 실질적으로 동일한 거리에 배치되어, 가스 라인에서 공기 라인으로 또는 그 반대로의 측정 라인을 통과하는 유동이 존재하지 않을 때, 센서에 의해 측정된 온도 차이가 0이 된다. 2개의 온도 센서가 가열 요소까지 상이한 거리를 가지면, 거기에 대해 제어가 보상될 수 있다.
일실시예에서, 본 장치는 처리 유닛을 포함하고, 상기 처리 유닛은 열식 질량 유량 센서에 작동 연결되고, 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서에 의해 출력된 값에 기초하여 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하도록 구성된다.
처리 유닛과 제어기는 통합될 수 있다. 즉, 별도의 처리 유닛 대신에, 제어기가, 제어 밸브를 제어하고, 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정, 즉 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 계산하는 것을 둘다 하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서, 열식 질량 유량 센서는 제3 온도 센서를 포함하고, 상기 제3 온도 센서는 제2 측정 라인 쪽으로 향하는 가열 요소의 일측에 위치하고, 상기 처리 유닛은 제1, 제2, 및 제3 온도 센서에 의해 출력된 값에 기초하여 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하도록 구성된다.
제2 측정 라인을 통과하는 총 유량은 제3 온도 센서를 제공함으로써 더욱 정확하게 결정될 수 있다. 유동 φ3는 예컨대, 제2 측정 라인에서 3방향 교차점으로 가는 유동으로 정의된다. 이러한 정의에 따르면, 제3 온도 센서는 유동 방향 φ3 로 가열 요소에 대해 상류에 위치하는 반면, 제1 및 제2 온도 센서는 가열 요소에 대해 하류에 위치한다. 양의 유동, 즉 전술한 방향의 유동의 경우, 제1 및 제2 온도 센서는 제3 온도 센서보다 더 높은 온도를 측정할 것이다. 유사하게, 음의 유동, 즉 3방향 교차점에서 제2 측정 라인으로의 유동의 경우, 제3 온도 센서는 제1 및 제2 온도 센서보다 더 높은 온도를 측정할 것이다. 따라서, 제2 측정 라인을 통과하는 총 유량은 제3 온도 센서에 의해 측정된 온도와 제1 및/또는 제2 온도 센서에 의해 측정된 온도 사이의 차이에 관련된다. 이러한 차이는 예컨대, ΔT = T1 + T2 - 2*T3 또는 ΔT = (T1 + T2)/2 - T3 로서 결정되고, Ti는 i번째 온도 센서의 온도이다. 유량과 온도 차이 사이의 선형 관계에 기초하여, |φ3| = |ΔT|*C가 되고, C는 상수를 나타낸다.
제1, 제2, 및 제3 온도 센서는 바람직하게는 동일한 평면에 배치된다.
열식 질량 유량 센서는 바람직하게는 마이크로센서, 예컨대 박막 센서로서 구현된다.
본 발명에 따르면, 제2 측정 라인은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서, 제2 측정 라인은 가스 라인에 연결되는 반면, 제3 및 제4 실시예에서는 제2 측정 라인은 공기 라인에 연결된다.
제1 실시예에서, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 가스 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 제1 측정 라인이 가스 라인에 연결되는 지점에 대해 상류에 위치하는 지점에서 가스 라인에 연결된다.
이러한 실시예에서, 제2 측정 라인을 통해 유동하는 유량은 장치 내로의 가연성 가스의 유입량의 측정치이다. 따라서, 본 발명으로 인해 가스 유동의 크기를 결정하는 것이 가능하다. 예상된 화열 흐름은 이러한 가스 유량에 기초하여 결정될 수 있어서, 정확한 연소가 발생하는지 여부를 정확하게 모니터링하는 것이 가능하다.
제2 실시예에서, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 가스 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 제1 측정 라인이 가스 라인에 연결되는 지점에 대해 하류에 위치하는 지점에서 가스 라인에 연결된다.
유동 방향은 제1 실시예에 대해 반전된다. 그러나, 이러한 실시예에서, 제2 측정 라인 내의 유동도 가스 유동의 측정치이다. 압력은 마찬가지로 공기 라인에서 3방향 교차점으로의 제1 유동 φ1과 3방향 교차점에서 가스 라인으로의 제2 유동 φ2의 차이에 기초하여 유사한 방식으로 제어된다.
제1 또는 제2 실시예에서, 가스 라인은 바람직하게는 제1 측정 라인이 가스 라인에 연결되는 지점과, 제2 측정 라인이 가스 라인에 연결되는 지점의 사이에 유동 제한부를 포함한다.
유동 제한부, 예컨대 좁아지는 부분을 가짐으로써, 충분히 큰 유동이 제2 측정 라인을 통해 유동하는 것이 달성된다. 즉, φ3의 값은 신뢰가능한 가스 유동의 측정이 수행될 수 있도록 충분히 높다.
제3 실시예에서, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 공기 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 제1 측정 라인이 공기 라인에 연결되는 지점에 대해 상류에 위치하는 지점에서 공기 라인에 연결된다.
제3 실시예에서, 제2 측정 라인을 통해 유동하는 유량은 장치 내로의 연소 가스의 유입량의 유량의 측정치이다. 따라서, 본 발명 때문에 공기 유동의 크기를 결정하는 것이 가능하다.
제4 실시예에서, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 공기 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 제1 측정 라인이 공기 라인에 연결되는 지점에 대해 하류에 위치하는 지점에서 공기 라인에 연결된다.
제3 실시예에서와 같이, 공기 유입의 크기는 이러한 방식으로 결정될 수 있다.
제3 또는 제4 실시예에서, 공기 라인은 바람직하게는 제1 측정 라인이 공기 라인에 연결되는 지점과, 제2 측정 라인이 공기 라인에 연결되는 지점의 사이에 유동 제한부를 포함한다.
유동 제한부가 제2 측정 라인을 통과하는 충분히 큰 공기 유동을 보장한다는 점에서 측정의 신뢰성이 증가된다.
제5 실시예에서, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 제1 측정 라인이 공기 라인에 연결되는 지점의 하류 및 제1 측정 라인이 가스 라인에 연결되는 지점의 하류에서, 가스 라인과 공기 라인 양자에 연결된다.
이러한 경우에, 제2 측정 라인을 통과하는 유동의 유량은 가스 및 공기 유량의 총합의 측정치이다. 가스-공기 혼합물 유입의 유량은 따라서 이러한 구성에서 결정된다.
제5 실시예에서, 공기 라인은 바람직하게는 공기 라인을 통과하는 공기의 유동 방향에서 볼 때, 공기 라인이 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 하류에 위치하는 제1 유동 제한부를 포함하고, 가스 라인은 가스 라인을 통과하는 가스의 유동 방향에서 볼 때, 가스 라인이 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 하류에 위치하는 제2 유동 제한부를 포함한다.
가스-공기 혼합물의 유입 유량의 측정 신뢰성이 이러한 방식으로 증가되는데, 그 이유는 유동 제한부가 제2 측정 라인 내로의 가스 및 공기 유입을 향상시키기 때문이다.
제6 실시예에서, 가스 라인은 제어 밸브의 상류에서 차단 밸브를 포함하고, 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는 제어 밸브와 차단 밸브의 사이에 위치한 지점에서 가스 라인에 연결된다.
이러한 구성에서, 제2 측정 라인을 통과하는 유동의 유량은 가스 공급 압력(Pgas_supply)과 제어 밸브 하류의 가스 압력(Pgas)의 차이의 측정치이다.
차단 밸브는 예컨대, 제어기에 의해 폐쇄 상태에서 개방 상태로 전환될 수 있다. 그렇지 않으면, 다른 실시예에서 차단 밸브는 제어 밸브에 추가하여 구비될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
제6 실시예에서, 공기 라인은 선택적으로, 공기 라인을 통과하는 공기 유동의 방향에서 볼 때, 공기 라인이 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 하류에 위치되는 유동 제한부를 포함한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 열식 질량 유량 센서는 적어도 하나의 추가 온도 센서 및/또는 가열 요소를 포함한다.
측정의 정확도가 복수의 온도 센서를 제공함으로써 증가될 수 있다. 측정이 복수의 센서로 일어나기 때문에, 측정 오차가 감소될 수 있다. 결정된 센서에 의해 측정된 값이 근처의 센서에 의해 측정된 값과 크게 다르면, 이러한 센서는 예컨대 계산하는 동안 무시될 수 있다.
복수의 가열 요소를 제공함으로써, 각각의 온도 센서가 가열 요소로부터 동일한 거리에 배치될 수 있어서, 측정된 온도와 유체 유동 사이에 실질적으로 동일한 관계가 각각의 경우에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 장치를 포함하는 온수 설비에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치와 관련하여 전술한 바와 같은 동일한 이점과 효과가 그러한 온수 설비에 적용된다.
본 발명은 또한 열식 질량 유량 센서에 관한 것으로서,
가열 요소; 및
제1, 제2, 및 제3 온도 센서를 포함하고,
상기 제1 및 제2 온도 센서는 상기 가열 요소의 양측에 배치되고, 제1 방향으로 상기 가열 요소와 하나의 라인에 배치되고, 상기 제3 온도 센서는 제2 방향으로 상기 가열 요소와 하나의 라인에 배치되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 상이하고, 바람직하게는 상기 제1 방향에 대해 실질적으로 횡방향으로 놓인다.
그러한 질량 유량 센서는 특히 본 발명에 따른 장치에 사용되는데 적합하다. 그러나, 본 발명에 따른 질량 유량 센서는 다른 적용예에 대하여 사용될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 열식 질량 유량 센서는 적어도 하나의 추가 온도 센서 및/또는 가열 요소를 포함한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 열식 질량 유량 센서는 상기 가열 요소의 동일한 측에 상기 가열 요소로부터 실질적으로 동일한 거리에서 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 온도 센서를 포함한다.
이들은 가열 요소의 동일한 측에 배치되고, 더욱이 가열 요소로부터 동일한 거리에 배치되기 때문에, 2개의 온도 센서는 실질적으로 동일한 온도를 측정한다. 따라서, 온도가 이러한 2개의 센서에 의해 측정된 온도의 평균을 취함으로써 정확하게 결정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가열 요소 및 온도 센서가 그리드에 배치된다.
즉, 열식 질량 유량 센서는 매트릭스 센서로서 구현된다. 이로 인해, 센서는 유체 유동(가스 또는 액체)을 정확하게 측정할 수 있다. 유체 유동이 종래의 센서로 측정될 때, 오직 국지적 유동만이 측정된다. 그러나, 유동은 일반적으로 위치의 함수로서 변화한다. 파이프에서 벽을 따른 유동은 예컨대, 파이프의 중심에서의 유동과는 상이할 것이다. 본 발명에 따른 매트릭스 센서는 그러한 유동 프로파일이 측정될 수 있게 해준다.
열식 질량 유량 센서는 바람직하게는 박막 센서이다.
본 발명에 따른 센서는 예컨대 박막을 기판에 가함으로써 생성된다. 기판은 예컨대, 낮은 열전도성을 가진 재료, 예컨대 세라믹 재료이다. 그러면, 전자적 구조가 박막 상에 배치되고, 측정 저항과 가열 저항이 형성된다. 이것은 예컨대 박막층을 에칭하거나 또는 칩 생산을 위해 다른 공지된 기술을 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 장치는:
연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인을 포함하고,
상기 방법은:
상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량을 측정하는 단계;
상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량을 측정하는 단계;
상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량이, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동보다 더 작은 미리 정해진 제1 임계값이면, 상기 제어 밸브를 개방하는 단계; 및
상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량이, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동보다 더 큰 미리 정해진 제2 임계값이면, 상기 제어 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함한다.
제어 밸브는 더 크거나 또는 더 작은 정도로 개방될 수 있다. 따라서, "제어 밸브를 개방하는 것"과 "제어 밸브를 폐쇄하는 것"은 "제어 밸브를 더 개방하는 것"과 "제어 밸브를 더 폐쇄하는 것"을 의미하는 것으로 이해된다.
제1 임계치 및/또는 제2 임계치는 바람직하게는, 3방향 교차점과 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량과, 3방향 교차점과 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량 사이의 1:1 비율에 대해 0으로 설정된다.
본 발명은 또한 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치에서의 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 장치는:
연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인; 및
제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하는 열식 질량 유량 센서로서, 상기 제1 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고, 상기 제2 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되는, 열식 질량 유량 센서를 포함하고,
상기 방법은:
상기 제1 온도 센서에 의해 출력된 값과 상기 제2 온도 센서에 의해 출력된 값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 장치와 관련된 전술한 동일한 이점과 효과가 상기 방법에 적용된다. 본 방법은 특히 본 발명에 따른 장치와 조합하여 적용될 수 있다.
제1 및 제2 온도 센서에 의해 출력된 값은 예컨대 온도를 나타내고, 예컨대 온도를 나타내는 전압값 또는 전류값이다. 다른 예시에서, 제1 및 제2 온도 센서는 유동 속도 또는 질량 유량을 나타내는 값의 출력, 예컨대 유동 속도 또는 질량 유량을 나타내는 전압값 또는 전류값의 출력을 가진다.
본 발명의 추가적 이점, 특징, 세부사항은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 기초하여 설명된다.
도 1a는 본 발명에 따른 장치의 제1 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 1b는 도 1a의 장치를 위한 열식 질량 유량 센서를 구체적으로 도시하고 있다.
도 2a-c는 도 1b의 센서를 따라 상이한 유체 유동을 측정하는 것을 도시하고 있다.
도 3a는 도 1a의 장치를 위한 열식 질량 유량 센서의 제2 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 3b는 도 1a의 장치를 위한 열식 질량 유량 센서의 제3 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 3c는 도 3a의 질량 유량 센서의 온도 센서를 위한 회로를 도시하고 있다.
도 3d는 도 1a의 장치를 위한 열식 질량 유량 센서의 제4 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제2 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제3 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 제4 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제5 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 제6 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 9a-b는 본 발명에 따른 열식 질량 유량 센서의 제2 및 제3 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 9c-d는 본 발명에 따른 열식 질량 유량 센서의 제4 및 제5 예시적 실시예를 개략적으로 도시하고 있고, 센서는 가열 요소와 온도 센서의 매트릭스로서 구현되고 있다.
장치(2)(도 1a)는 공기 라인(4)과 가스 라인(6)을 포함한다. 공기는 팬(8)을 이용하여 공기 라인(4)을 통해 끌려온다. 또한, 천연가스는 가스 라인(6)을 통해 공급된다. 가스 라인(6)은 유입측에 제어 밸브(12)를 구비한다. 가스 라인(6)은 가스를 공기와 혼합하기 위한 목적으로 공기 라인(4) 내로 유출된다. 가스 라인(6)은 선택적으로 외부 단부에 공기 라인(4) 내로 유출되는 노즐(10)을 포함한다.
공기 라인(4)은 제1 측정 라인(14)을 통해 가스 라인(6)에 연결된다. 측정 라인(14)의 하나의 외부 단부(a)는 이러한 목적으로 공기 라인(4)에 연결되고, 다른 외부 단부(b)는 가스 라인(6)에 연결된다. 제2 측정 라인(16)은 하나의 외부 단부(c)로 측정 라인(14)에 연결되고, 다른 외부 단부(d)는 가스 라인(6)에 연결된다. 측정 라인(16)의 외부 단부(d)는 가스 라인(6)을 통과하는 가스의 유동 방향에서 볼 때, 측정 라인(14)의 외부 단부(b)의 상류에 위치한다.
측정 라인(16)의 외부 단부(c)가 측정 라인(14)의 외부 단부들(a, b) 사이에 있는 지점에서 측정 라인(14)에 결합되기 때문에, 3방향 교차점(T-접속이라고도 칭함)이 형성된다. 열식 질량 유량 센서(18)는 3방향 교차점에 위치한다(도 1b).
좁아짐과 같은 유동 제한부(19)가 측정 라인(14)의 외부 단부(b)와 측정 라인(16)의 외부 단부(d)의 사이의 가스 라인에 배치된다.
제어 밸브(12)는 센서(18)에 의해 측정된 유체 유동에 기초하여 제어기(미도시)에 의해 제어된다. 센서(18)는 3방향 교차점에서 공기 라인(4)으로 유동하는 유체 유동(φ1)의 크기를 측정한다. 또한, 센서(18)는 3방향 교차점에서 가스 라인(4)으로 유동하는 유체 유동(φ2)의 크기를 측정한다. 유체 유동의 크기는 예컨대, kg/s로 표시되는 유동의 질량 유량의 형태로 센서(18)에 의해 결정된다. 센서(18)의 출력은 예컨대 관련 가스 유동(φ1, φ2)의 질량 유량을 나타내는 전압 또는 전류이다.
센서(18)는 본 예시에서, 예컨대 저항기 또는 열선 형태의 가열 요소(20)를 포함한다. 3개의 온도 센서(22, 24, 26)가 가열 요소(20) 주위에 배치된다. 온도 센서(22, 24)는 가열 요소(20)의 양측에 위치한다. 따라서, 온도 센서(22), 가열 요소(20), 및 온도 센서(24)는 측정 라인(14) 내에서 하나의 라인, 적어도 실질적으로 하나의 라인에 놓인다. 제3 온도 센서(26)는 가열 요소(20)에 대해 제2 측정 라인(16)의 측에 위치한다. 예시에 도시된 바와 같이, 온도 센서(22, 24, 26)를 가열 요소(20)로부터 실질적으로 동일한 거리에 배치하는 것이 권장된다. 대안적으로 상이한 거리에 배치되면, 이것은 센서(22, 24, 26)에 의해 측정된 값의 처리를 위하여 수정되어야 한다.
온도 센서(22, 24, 26)는 예컨대, PTC 또는 NTC 서미스터와 같은 서미스터일 수 있다.
가열 요소(20)에는 미리 정해진 전력, 바람직하게는 일정한 전력이 공급된다. 가열 요소(20)에 의해 제공된 열은 이러한 방식으로 공지되어 있다. 만약 가스 유동이 발생하지 않으면, 열은 균일하게 분배되고 온도 센서(22, 24, 26)는 동일한 온도를 측정한다. 그러나, 가스(천연가스, 공기, 또는 천연가스-공기 혼합물)의 유동이 측정 라인(14, 16)을 통해 발생하면, 열은 그 가스에 의해 분배되고 온도 차이가 발생한다. 따라서, 3방향 교차점을 통과하는 유체 유동의 질량 유량과 방향은 센서(22, 24, 26)에 의해 측정된 온도에 기초하여 결정될 수 있다.
공기 라인(4) 방향의 가스 유동(φ1)의 질량 유량은 센서(22) 및 센서(26)에 의해 측정된 온도 차이에 비례한다(도 2a). 예컨대, 가열 요소(20)의 일정한 가열 전력이 사용되면, 선형 근사에서 φ1 = C*(T22 - T26)이고, C는 상수를 나타낸다. 유사하게, φ2 = C*(T24 - T26)이다(도 2b 참조). 3방향 교차점으로 유동하는 총 유체 유동(φ3)을 계산하면, φ3 = φ1 + φ2 = C*(T22 + T24 - 2*T26)이다.
제어기로 제어 밸브(12)를 제어함으로써, 압력 Pair(도 1a)와 압력 Pgas _out(도 1a)가 서로 동일하게 유지된다. 동일 압력의 경우, φ1 = φ2 이다. 압력이 실제로 동일한지 여부는 온도 센서(22)와 온도 센서(24) 사이의 온도 차이를 결정함으로써 측정된다. 도 2c는 압력이 동일하지 않아서, 가스가 센서(24)에서 센서(22)로 가는 방향으로 유동하는 상황을 도시하고 있다. 그러면 센서(22)는 센서(24)보다 더 높은 온도를 감지할 것이다. 따라서, 제어기는 센서(22)와 센서(24) 사이의 온도 차이에 기초하여 제어 밸브(12)를 제어한다.
제2 측정 라인(16)을 통과하는 가스 유동(φ3)은 가스 라인(6)을 통과하는 유동과 상관되어 있고, 특히 압력 강하(Pgas _in - Pgas _out)에 의존한다. 따라서, 가스 유입량은 φ3 에 기초하여 결정될 수 있다.
φ3 에 기초하여 가스 라인(6)을 통과하는 가스 유동을 계산하기 위하여, 교정 데이터 및/또는 센서 특성에 대한 데이터가 선택적으로 사용된다.
3개의 온도 센서(22, 24, 26)를 가진 질량 유량 센서(18) 대신에, 대안적으로 2개의 온도 센서(22', 24')와 가열 요소(20')를 가진 종래의 질량 유량 센서(18')(도 3a)를 사용할 수 있다. 전술한 바와 유사한 방식으로, 제어 밸브(12)는 센서(22')와 센서(24')에 의해 측정된 온도 차이에 기초하여 제어된다. 이러한 온도 차이는 φ1 - φ2 의 측정치이다. 가스 유동(φ3)의 총 유량은 센서(22') 및/또는 센서(24')에 의해 측정된 온도에 기초하여 결정될 수 있다. 이것은 가열 요소(20')가 일정한 전력으로 가스를 가열하기 때문이다. 가스 유동(φ3)이 증가하면, φ1 및 φ2 에 의해 측정된 온도가 감소할 것이다. 가스 유동이 φ1 = φ2 가 되도록 제어되기 때문에, φ3 = 2*φ1 = 2*φ2 가 된다. 센서들(22', 24')의 온도에 대한 함수로서 표현하면 이것은 φ3 = R*2*T22' = R*2*T24' 가 되고, R은 특히 일정하고, 미리 정해진 가열 요소(20')의 전력에 의존하는 상수이다. φ3 는 바람직하게는 φ3 = R*(T22' + T24')에 따라, 센서에 의해 측정된 온도의 총합에 기초하여 결정되어, 결정된 유량 |φ3 |은 측정 부정확성에 덜 민감하다.
추가적 변형예에서, 질량 유량 센서(1018)(도 3b)는 별도의 가열 요소 없이 구현된다. 2개의 온도 센서(1022, 1024)는 각각 전기 회로에 통합된다. 전류가 온도 센서를 통해 흐르기 때문에, 온도 센서는 열을 생성한다. 이러한 열은 온도 센서(1022, 1024)의 저항을 변화시킨다. 바람직하게는 정온도 계수(PTC) 서미스터가 온도 센서(1022, 1024)로서 적용된다. 그러면, 센서(1022, 1024)의 가열은 저항의 증가로 나타난다. 음온도 계수(NTC) 서미스터가 대안적으로 적용될 수 있고, 가열은 저항 감소로 나타난다. 추가적 대안으로, PTC 서미스터와 유사한 방식으로 열선이 온도 센서로서 적용된다.
온도 센서(1022, 1024)의 자기 가열은 통과하는 가스에 의해 영향을 받는다. 온도 센서(1022, 1024)는 특히 통과하는 가스에 의해 냉각된다. 냉각의 정도는 가스 유동의 질량 유량에 의존하는데: 단위 시간당 더 많은 가스가 센서(1022, 1024)를 통과할수록, 센서(1022, 1024)가 더 많이 냉각된다. 요컨대, 가스 유동은 센서(1022, 1024)의 온도에 영향을 줌으로써, 저항에 영향을 주고, 이 저항은 측정될 수 있다. 이러한 측정을 위하여 센서(1022, 1024)가 측정 회로에 통합된다. 예컨대, 회로가 관련 센서(1022, 1024)에 일정한 전압을 가하도록 구성된다. 가스 유동이 센서(1022, 1024)를 냉각하여, 저항이 감소(PTC) 또는 증가(NTC)하고, 이것은 전압이 일정할 때 각각 전류의 증가 또는 감소를 제공한다. 전류가 측정되고, 이것은 질량 유량의 측정치이다. 예컨대, 회로의 출력은 센서(1022, 1024)를 통과하는 전류를 나타내며, 따라서 논의되고 있는 각각의 질량 유량 |φ1| 또는 |φ2|을 나타내는 전압이다.
관련 가스 유동의 질량 유량 |φ|이 센서(1022, 1024)로 측정될 수 있지만, 이러한 가스 유동의 방향을 측정될 수 없다는 것을 유의해야 한다. 그러나, 제2 측정 라인의 선택된 구성때문에 방향이 고정된다.
다른 예시에서, 센서(1022, 1024)는 센서(1022, 1024)를 통과하는 일정한 전류를 유지하도록 구성된 회로에 통합된다. 그러한 회로에서, 센서(1022, 1024)에 걸린 전압은 가스 유동의 질량 유량의 측정치이다.
그러나, 바람직하게는 센서(1022, 1024)의 온도를 일정하게 유지하도록 구성된 회로가 적용된다. 그러한 회로의 예시는 도 3c에 도시되어 있다. 회로는 음의 입력와 양의 입력을 가진 OP 앰프와 같은 증폭기를 포함한다. 회로는 PTC 서미스터(Rptc)가 도시된 예시에서 포함되는 휘트스톤 브릿지를 더 포함한다. 휘트스톤 브릿지의 지점 A는 증폭기의 음의 입력에 연결되고, 지점 B는 양의 입력에 연결된다. 가스가 이러한 센서를 지나 유동하기 때문에 Rptc의 온도가 강하하면, 그 저항은 감소할 것이다. 그러나, 증폭기는 2개의 입력에서 동일한 전압을 유지하여, V+ = V- 및 VA = VB 가 된다. 저항이 감소할 때, 증폭기는 휘트스톤 브릿지의 지점 C에 더 많은 전력을 주입할 것이고, 이에 따라 출력 전압 Vout도 증가한다. 따라서, Vout은 가스 유동의 질량 유량의 측정치이고: 높은 질량 유량은 높은 전압 Vout을 의미한다.
도 3d는 도 3b의 변형예를 도시하고 있는데, 질량 유량 센서(1018')가 3개의 온도 센서(1022, 1024, 1026)를 가지도록 구현된다. 관련 유동의 질량 유량은 질량 유량 센서(1018)에 대하여 전술한 것과 유사한 방식으로 각각의 온도 센서(1022, 1024, 1026)로 결정될 수 있다. 요컨대, 센서(1022)를 가진 측정 회로는 |φ1|을 나타내는 출력을 생성하고, 센서(1024)를 가진 측정 회로는 |φ2|를 나타내는 출력을 생성하고, 센서(1026)를 가진 측정 회로는 |φ3|을 나타내는 출력을 생성한다.
제2 예시적 실시예(도 4)에 따른 장치(102)에서, 제2 측정 라인(116)은 제1 측정 라인(114)에 대해 하류에 위치한다. 즉, 측정 라인(116)의 외부 단부(d)는 가스 라인(106)을 통과하는 유동의 방향으로 볼 때, 측정 라인(114)의 외부 단부(b)에 대해 하류에 위치한다. 마찬가지로, 센서는 도 1b에 대해 미러 대칭, 즉 온도 센서(26)가 가열 요소(20)의 반대측(도 1b에서 요소(20)의 왼쪽 대신에 오른쪽)에 위치할 것이다. 이러한 대안적 구성 때문에, φ1, φ2, 및 φ3 의 유동 방향은 도 1a에서의 대응 유동에 대해 반대이다. 그러나, 마찬가지로 장치(102)에 대해 φ3 = φ1 + φ2 이다(도 4에서 정의된 유동 방향으로).
장치(102)의 제어 밸브(112)는 Pgas _in = Pair 가 되도록 제어된다. 그러한 경우, φ1 = φ2 이다. 요컨대, 장치(102)에서와 같이, 제어기(미도시)는 φ1 와 φ2 사이의 차이에 기초하여 제어 밸브(112)를 제어한다. 이러한 차이는, φ1 - φ2 = C*(T24 - T22)에 따라 센서(22, 24)에 의해 측정된 온도에 기초하여 측정될 수 있다. 요컨대, 센서(22, 24)가 동일한 온도를 측정하면, φ1 = φ2 가 된다.
장치(102)에서, 팬(108)은 도 1a에서와 같이 측정 라인(14)의 하류 대신에 공기의 유동 방향으로 측정 라인(114)의 상류에 위치한다. 이것은 선택적인데: 본 발명에 따른 장치의 임의의 실시예에서 바람직한 바와 같이 팬이 제1 측정 라인의 상류 또는 하류에 위치할 수 있다는 것을 유의해야 한다.
제3 실시예에서, 장치(202)는 끌려 들어온 가스의 유량 대신에 공급된 공기의 유량을 측정하기 위한 구성을 가진다(도 5). 이러한 경우, 제2 측정 라인(216)은 가스 라인 대신에 공기 라인(204)에 연결된다. 공기 라인(204)에서, 유동 제한부(219)가 측정 라인(216)의 외부 단부(d)와 측정 라인(214)의 외부 단부(a)의 사이에 제공된다. 비교를 위하여, 도 1a에서 유동 제한부는 가스 라인에 위치되었다. 다시 한번 φ3 = φ1 + φ2 가 된다. 도 5에 따른 실시예에서, φ3 는 그러나 끌려 들어온 가스 유동 대신에 끌려 들어온 공기 유동의 측정치이다. 이러한 경우, φ3 는 특히 압력 차이 Pair_in - Pair_out 에 의존한다. 즉, |φ3| 는 공기 유동의 유량의 측정치이다.
제4 실시예(도 6)에 따른 장치(302)는, 도 5에 따른 실시예에서와 같이, 제2 측정 라인(316)을 가지고, 이것은 공기 라인(304)에 연결된다. 그러나, 도 5와는 대조적으로, 측정 라인(316)이 측정 라인(314)에 대해 하류에 위치한다. 이러한 경우, |φ3| 는 또한 공기 유동의 유량의 측정치이다.
제5 실시예(도 7)에서, 제2 측정 라인(416)은 제2 외부 단부(d)에서 공기 라인(404)와 가스 라인(406) 양자에 연결되고, 라인들(404, 406, 416)은 혼합 챔버(428)에서 수렴한다. 본 예시에서 팬이 도시되어 있지 않지만, 장치는 부압 PZ가 Pair 및 Pgas 에 대해 생성되는 결과로서 화살표 Z를 따라 혼합물에서 하류로 흡인하는 팬을 포함한다.
유동 제한부(419a)가 제1 측정 라인(414)의 하류에서 공기 라인(404)에 제공된다. 유동 제한부(419b)가 제1 측정 라인(414)의 하류에서 가스 라인(406)에 제공된다.
제5 실시예에서, φ3 = φ1 + φ2 는 버너의 방향으로 가스-공기 혼합물의 총 유량의 측정치이다. 제어 밸브(412)는 다시 한번 질량 유량 센서(418)를 이용해 결정된 바와 같이, φ1 - φ2 에 기초하여 제어된다. 이것은 φ1 = φ2 을 얻고, 그 결과 Pair = Pgas 가 된다.
제6 실시예(도 8)에서, 가스 라인에는 제어 밸브(512)에 대해 상류에 있는 차단 밸브(530)가 구비된다. 차단 밸브는 바람직하게는 전술한 실시예에서 제어 밸브(512)의 상류에 구비된다는 것을 유의해야 한다.
제6 실시예에 따른 장치(502)는 제어 밸브(512)의 상류에 있는 지점에서 가스 라인(506)에 연결된 제2 측정 라인(516)을 포함한다. 선택적인 차단 밸브(530)을 가진 도시된 실시예에서, 측정 라인(516)의 외부 단부(d)는 제어 밸브(512)와 차단 밸브(530)의 사이에 위치한다. 따라서, 도 8에 따른 구성에서, 유동 φ3 은 압력 차이 Pgas _supply = Pgas 에 의존한다. 따라서, φ3 은 이러한 압력 차이의 측정치를 형성한다. 전술한 것과 동일한 방식으로, 제어 밸브(512)는 φ1 = φ2 이고, 따라서 Pair = Pgas 가 되도록 제어된다.
장치(502)는 도시된 실시예에서 제1 측정 라인(514)의 하류에 공기 라인(504)에 있는 선택적인 유동 제한부(519)를 포함한다.
장치(102, 202, 302, 402, 502)에서, 마찬가지로 센서(18, 118) 대신에, 도 3a, 3b, 또는 3d의 센서(18', 1018, 또는 1018')를 적용하는 것이 가능하다.
다양한 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 목적으로, 본 발명에 따른 열식 질량 유량 센서는 선택적으로 3개 이상의 온도 센서 및/또는 1개 이상의 가열 요소를 포함한다. 도 9a는 센서(618)를 도시하고 있는데, 2개의 온도 센서(622, 624)가 가열 요소(620)의 양측에 제공되어 있고, 온도 센서(622, 624)는 가열 요소(620)와 실질적으로 하나의 라인에 배치되어 있다. 이것은 도 1b에 따른 실시예와 유사하다. 그러나, 센서(618)는 하나의 센서(26) 대신에 2개의 센서(626a, 626b)를 포함한다. 이러한 온도 센서(626a, 626b)는 가열 요소(620)로부터 실질적으로 동일한 거리에 배치된다. 유동 φ1의 질량 유량은 이제 센서(622, 626a, 626b)에 의해 측정된 온도에 기초하여 결정될 수 있다. 2개의 온도 센서(626a, 626b)를 제공함으로써, 유동 φ1 및 φ2의 질량 유량의 결정의 정확도가 증가된다.
실질적으로 선형 관계에 기초하여, φ1 은 예컨대 φ1 = V * (T622 - 0,5 * T626a - 0,5 * T626b)에 따라 계산되고, V는 상수이다. 요컨대, 센서(626a, 626b)의 평균값은 요소(620)의 상류 온도로서 사용되고, 센서(622)의 온도는 요소(620)의 하류 온도로서 사용된다.
추가 실시예(도 9b)에서, 센서(718)는 2개의 가열 요소(720a, 720b)를 포함한다. 2개의 온도 센서(722a, 722b)는 제1 측에 구비되고, 2개의 온도 센서(724a, 724b)는 반대측에 구비된다. 센서(722a, 722b, 724a, 724b)는 제1 방향으로 가스 유동의 유량을 측정하도록 구성된다. 제1 방향에 실질적으로 수직하게 놓인 제2 방향으로 가스 유동의 유량을 측정하도록 구성된 3개의 온도 센서(726a, 726b, 726c)가 가열 요소(720a, 720b)의 다른측에 구비된다.
가열 요소(720a, 720b)는 미리 정해진 일정한 전력이 공급되어, 열 생성이 일정하다. 센서(722a, 722b)는 유동 φ1의 결과로서 가열되는 것을 측정한다. 센서(724a, 724b)는 유동 φ2의 결과로서 가열되는 것을 측정한다. 센서(726a, 726b, 726c)는 유동 φ3의 결과로서 냉각되는 것을 측정한다. 항상 1개 이상의 센서를 구비함으로써, 온도 측정의 정확도가 증가된다. 따라서, 결정된 질량 유량의 정확도가 증가된다.
추가 실시예(도 9c)에서, 열식 질량 유량 센서(818)가 가열 요소(H)와 온도 센서(R)의 매트릭스 센서로서 제공된다. 도 9c의 예시에서, 구성요소는 그리드에 배치되고, 9개의 센서(R)가 각각의 가열 요소(H)의 주위에 배치된다.
그러나, 센서(R)와 가열 요소(H)의 대안적 배치가 마찬가지로, 도 9d에서 열식 질량 유량 센서(918)가 도시된 바와 같이 가능하다. 이러한 예시에서, 온도 센서(R)와 가열 요소(H)는 체커보드 패턴으로 배치된다.
매트릭스 센서는 예컨대 박막 센서로서 구현된다. 매트릭스 센서는 예컨대 박막을 기판에 적용하여 생성된다. 기판은 예컨대 낮은 열전도성을 가진 재료, 예컨대 세라믹 재료로 만들어진다. 그러면, 전자적 구조물이 박막 상에 배치되고, 측정 저항과 가열 저항이 형성된다. 이것은 예컨대 박막층을 에칭하거나, 또는 칩 생산을 위한 다른 공지된 기술에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 매트릭스 센서는 가스와 공기를 혼합하기 위한 장치에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 적용예에서도 사용될 수 있다. 매트릭스 센서는 예컨대 도관의 유동 프로파일을 결정하도록 적용될 수 있다. 매트릭스 센서는 가스 유동의 측정과 액체 유동의 측정 양자를 위한 목적으로 적용될 수 있다.
본 발명은 결코 전술한 바람직한 실시예에 제한되지 않는다. 요구되는 권리는 다음의 청구항에 의해 정의되고, 그 범위 내에서 많은 변경이 예상될 수 있다.

Claims (24)

  1. 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치로서,
    연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
    가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
    상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
    상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인;
    열식 질량 유량 센서; 및
    제어기를 포함하고,
    상기 열식 질량 유량 센서는 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하고,
    상기 제1 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고,
    상기 제2 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고,
    상기 제어기는 상기 열식 질량 유량 센서 및 상기 제어 밸브에 연결되고, 상기 열식 질량 유량 센서에 의해 측정되는, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량과, 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량 사이의 차이에 기초하여 상기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 각각 일정한 온도 유속측정(anemometry)을 위한 회로에 구비되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서미스터, 열선 센서, 또는 고온 필름 센서로서 구현되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열식 질량 유량 센서는 가열 요소를 더 포함하고, 상기 가열 요소는 상기 제1 측정 라인에 배치되고 상기 3방향 교차점에 또는 3방향 교차점에 인접하여 위치되고, 상기 공기 라인에서 상기 가스 라인으로 가는 방향에서 볼 때 상기 제1 온도 센서는 상기 가열 요소의 상류에 위치하며 상기 제2 온도 센서는 상기 가열 요소의 하류에 위치하고, 상기 제어기는 상기 제1 온도 센서에 의해 측정된 온도와 상기 제2 온도 센서에 의해 측정된 온도 사이의 차이에 기초하여 상기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장치는 처리 유닛을 더 포함하고, 상기 처리 유닛은 상기 열식 질량 유량 센서에 작동 연결되고, 상기 제1 온도 센서 및 상기 제2 온도 센서에 의해 출력된 값에 기초하여 상기 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하도록 구성되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열식 질량 유량 센서는 제3 온도 센서를 포함하고, 상기 제3 온도 센서는 상기 제2 측정 라인 쪽으로 향하는 가열 요소의 일측에 위치하고, 상기 처리 유닛은 상기 제1, 제2, 및 제3 온도 센서에 의해 출력된 값에 기초하여 상기 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하도록 구성되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 상기 가스 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 상기 제1 측정 라인이 상기 가스 라인에 연결되는 지점에 대해 상류 또는 하류에 위치하는 지점에서 상기 가스 라인에 연결되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가스 라인은, 상기 제1 측정 라인이 상기 가스 라인에 연결되는 지점과, 상기 제2 측정 라인이 상기 가스 라인에 연결되는 지점의 사이에 유동 제한부를 포함하는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 상기 공기 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 상기 제1 측정 라인이 상기 공기 라인에 연결되는 지점에 대해 상류 또는 하류에 위치하는 지점에서 상기 공기 라인에 연결되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 공기 라인은, 상기 제1 측정 라인이 상기 공기 라인에 연결되는 지점과, 상기 제2 측정 라인이 상기 공기 라인에 연결되는 지점의 사이에 유동 제한부를 포함하는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는, 상기 제1 측정 라인이 상기 공기 라인에 연결되는 지점의 하류 및 상기 제1 측정 라인이 상기 가스 라인에 연결되는 지점의 하류에서, 상기 가스 라인과 상기 공기 라인 양자에 연결되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공기 라인은 공기 라인을 통과하는 연소 공기의 유동 방향에서 볼 때, 상기 공기 라인이 상기 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 하류에 위치하는 제1 유동 제한부를 포함하고, 상기 가스 라인은 가스 라인을 통과하는 가연성 가스의 유동 방향에서 볼 때, 상기 가스 라인이 상기 제1 측정 라인에 연결되는 지점의 하류에 위치하는 제2 유동 제한부를 포함하는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 라인은 상기 제어 밸브의 상류에서 차단 밸브를 포함하고, 상기 제2 측정 라인의 제2 외부 단부는 상기 제어 밸브와 상기 차단 밸브의 사이에 위치한 지점에서 상기 가스 라인에 연결되는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 온도 센서 및/또는 가열 요소를 포함하는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치.
  17. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 온수 설비.
  18. 열식 질량 유량 센서로서,
    가열 요소; 및
    제1, 제2, 및 제3 온도 센서를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 온도 센서는 상기 가열 요소의 양측에 배치되고, 제1 방향으로 상기 가열 요소와 하나의 라인에 배치되고, 상기 제3 온도 센서는 제2 방향으로 상기 가열 요소와 하나의 라인에 배치되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 상이하고, 상기 제1 방향에 대해 횡방향으로 놓이는, 열식 질량 유량 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 온도 센서 및/또는 가열 요소를 포함하는, 열식 질량 유량 센서.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 가열 요소의 동일한 측에 상기 가열 요소로부터 동일한 거리에서 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 온도 센서를 포함하는, 열식 질량 유량 센서.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 가열 요소와 상기 온도 센서는 그리드에 배치되는, 열식 질량 유량 센서.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 열식 질량 유량 센서는 박막 센서인, 열식 질량 유량 센서.
  23. 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 장치는:
    연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
    가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
    상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
    상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인을 포함하고,
    상기 방법은:
    상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량을 측정하는 단계;
    상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량을 측정하는 단계;
    상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량이, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동보다 더 작은 미리 정해진 제1 임계값이면, 상기 제어 밸브를 개방하는 단계; 및
    상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동의 질량 유량이, 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동보다 더 큰 미리 정해진 제2 임계값이면, 상기 제어 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치를 제어하기 위한 방법.
  24. 버너에 공급하기 위한 가연성 가스와 연소 공기를 혼합하기 위한 장치에서의 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 방법으로서, 상기 장치는:
    연소 공기의 공급을 위한 공기 라인;
    가연성 가스의 공급을 위한 가스 라인으로서, 제어 밸브가 구비되는 가스 라인;
    상기 공기 라인에 연결되는 제1 외부 단부 및 상기 가스 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제1 측정 라인;
    상기 제1 측정 라인의 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에 있는 지점에서 상기 제1 측정 라인에 연결되어 3방향 교차점을 형성하는 제1 외부 단부, 및 상기 가스 라인 및/또는 상기 공기 라인에 연결되는 제2 외부 단부를 가지는 제2 측정 라인; 및
    열식 질량 유량 센서를 포함하고,
    상기 열식 질량 유량 센서는 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하고,
    상기 제1 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 공기 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고,
    상기 제2 온도 센서는 상기 제1 측정 라인에 배치되고, 사용시 상기 3방향 교차점과 상기 가스 라인 사이의 가스 유동에 위치하도록 배치되고,
    상기 방법은:
    상기 제1 온도 센서에 의해 출력된 값과 상기 제2 온도 센서에 의해 출력된 값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제2 측정 라인을 통과하는 질량 유량을 결정하는 단계를 포함하는, 가스 유동의 질량 유량을 측정하기 위한 방법.
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