KR102491804B1 - 베르누이 원리를 적용한 유량센서 - Google Patents

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Abstract

이 발명의 베르누이 원리를 적용한 유량센서(100)는, 유체의 유동에 따른 탄성거동 특성을 가지며, 일측에 에어포일 형태로 형성되는 에어포일부(111)와 타측에 형성되는 응력 민감부(112)를 갖는 탄성체(110)와, 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지(120), 및 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 갖는 회로기판(130)을 포함하며, 에어포일부는 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 베르누이 원리가 적용되는 에어포일 형태로 구성한 것으로서, 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 응력 민감부에서 압축응력이 발생하도록 구성된다.

Description

베르누이 원리를 적용한 유량센서{Flow sensor with Bernoulli principle}
이 발명은 유량센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 발생하는 변형 정도를 이용해 유로를 따라 유동하는 유체의 유량을 측정하는 베르누이 원리를 적용한 유량센서에 관한 것이다.
일반적으로, 유량계는 유로(관로)의 내부를 따라 유동하는 유체(액체, 기체, 증기, 오폐수, 하수 등등)의 유량을 측정하기 위한 것으로서, 차압 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계 등의 여러 가지 유형의 유량계가 있다.
그 중에서 차압 유량계는 유체의 압력값을 측정하는 차압센서를 통해 유량을 측정하도록 구성된 것으로, 주로 웨지형 차압 유량계(웨지형 차압 유량센서)가 있다. 그 방식은 관로의 일부분에 V자 형상의 웨지를 형성하고, 이 V자 형상의 웨지로 인하여 유체가 유동하는 관로의 단면적이 좁아짐에 따라 유량에 비례하는 차압을 발생시켜, 이 차압을 측정하여 유량을 구하는 것이다.
다른 방식으로는 도 1에 도시된 바와 같은 유량센서를 도 2와 같은 형태로 관로에 설치하여 유량을 측정하는 것이다. 즉, 유속의 압력을 받을 수 있는 형태로 제작된 탄성체를 관로의 내부에 설치하여, 유속에 따른 탄성체의 휨 정도를 이용해 유량을 구하는 것이다. 구체적으로는 탄성체의 휨 정도에 따라 스트레인 게이지에 작용하는 응력이 변화하고, 이 응력 변화값이 저항값으로 변환되어 이 저항값을 회로기판의 판독 집적회로에서 센싱하여, 이 센싱 데이터를 그대로 또는 가공하여 관로를 따라 유동하는 유량을 구하는 것이다.
그런데, 종래의 유량센서는 도 1과 같은 탄성체의 표면이 유동하는 유체와 직접 접촉하도록 배치된다. 즉, 탄성체의 표면이 유체의 유동방향과 직교하도록 배치된다. 그에 따라 유체와 직접 접촉하는 접촉면(탄성체의 표면)이 유속에 따라 두께방향으로 변형되었다가 복원된다. 그로 인해, 유체 진행방향의 반대쪽에 위치하는 탄성체의 배면(뒷면)으로 와류가 형성될 가능성이 높다. 또한, 유체의 감속에 따른 탄성체의 원래 상태로의 복원시에 노이즈가 발생할 우려가 높다. 이러한 와류 및 노이즈는 스트레인 게이지에서의 정확한 응력 감지를 방해하기 때문에, 종래의 유량센서는 정확한 유동 유량을 측정하는데 한계가 있다.
한편, 종래에는 도 3과 같은 형태로 유량센서를 구성하기도 하였다. 즉, 유체와 직접 접촉하는 접촉면이 구 형상을 갖도록 구성해 와류로 인한 문제점을 예방하도록 구성하였다. 그런데, 유체와 접촉하는 접촉면을 구 형상으로 구성함에 따라 제작에 어려움이 있었다.
국내 공개특허 제1998-0040914호 국내 특허등록 제10-1443793호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 에어포일 형태로 구성해 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 발생하는 탄성체의 변형 정도를 이용해 유로를 따라 유동하는 유체의 유량을 정확하게 측정하는 베르누이 원리를 적용한 유량센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 초소형의 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능한 베르누이 원리를 적용한 유량센서를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
또한, 이 발명은 탄성체를 판스프링으로 구성하고 판스프링의 일측으로 연장되는 연장 부위를 굴곡하고 고정하여 에어포일부를 형성함에 따라 간단하게 제작이 가능한 베르누이 원리를 적용한 유량센서를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 베르누이 원리를 적용한 유량센서는, 유체의 유동에 따른 탄성거동 특성을 가지며, 일측에 에어포일 형태로 형성되는 에어포일부와 타측에 형성되는 응력 민감부를 갖는 탄성체와, 상기 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지, 및 상기 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 갖는 회로기판을 포함하며, 상기 에어포일부는 상기 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 베르누이 원리가 적용되는 에어포일 형태로 구성한 것으로서, 상기 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 상기 응력 민감부에서 압축응력이 발생하도록 구성되며, 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(Doping)시켜 형성한 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 탄성체는 일정 두께 및 폭을 갖는 판스프링으로 구성되며, 상기 판스프링은 상기 에어포일부를 형성하기 위한 연장 부위를 일측으로 갖도록 가공하여 형성하고, 상기 에어포일부는 상기 연장 부위를 타측으로 에어포일 형태로 굴곡하여 타측에 고정하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 에어포일부는 굽은 굴곡면을 기준으로 일측면은 수평면의 형태를 갖고 타측면은 경사면의 형태를 갖는 것이 더 바람직하다.
이 발명의 유량센서는 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 에어포일 형태로 구성해 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 발생하는 탄성체의 변형 정도를 이용해 유로를 따라 유동하는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명의 유량센서는 유체의 유동방향으로 배치되는 에어포일부의 양측면에서의 유체의 정밀한 유속차를 반도체형 스트레인 게이지에서 이용하기 때문에, 유동하는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수가 있다.
또한, 이 발명의 유량센서는 초소형의 반도체형 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명의 유량센서는 초소형의 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.
또한, 이 발명은 탄성체를 판스프링으로 구성하고 판스프링의 일측으로 연장되는 연장 부위를 굴곡하고 고정하여 에어포일부를 형성함에 따라 간단하게 제작이 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 유량센서의 개략도이고,
도 2는 유량 측정을 위해 도 1에 도시된 유량센서를 배관에 설치한 상태의 수평 단면도이고,
도 3은 종래기술에 따른 다른 유량센서의 개략도이고,
도 4는 이 발명에 따른 유량센서의 개발 개념을 설명하기 위한 개념도이고,
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 베르누이 원리를 적용한 유량센서의 개략도이고,
도 6은 도 5에 도시된 탄성체의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 7은 도 6에 도시된 탄성체의 제작과정을 도시한 개략도이고,
도 8은 도 5에 도시된 탄성체의 에어포일부에서의 유체의 유속변화를 도시한 개략도이고,
도 9는 도 5에 도시된 반도체형 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도이고,
도 10은 도 5에 도시된 유량센서의 작동개념을 도시한 개략도이고,
도 11 및 도 12는 도 5에 도시된 유량센서를 배관에 설치한 상태의 수직 및 수평 단면도이다.
이하, 이 발명에 따른 베르누이 원리를 적용한 유량센서의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시 예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 4는 이 발명에 따른 유량센서의 개발 개념을 설명하기 위한 개념도이다. 이 발명의 유량센서는 베르누이 원리를 적용하여 구성한 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 비행기의 날개는 에어포일 형상을 갖는다. 즉, 비행기 날개의 아래쪽은 거의 평평해서 공기의 흐름이 느린 반면에, 날개의 위쪽은 곡선으로 되어 있어 공기 흐름이 빠르다. 그로 인해, 날개의 아래쪽은 압력이 높아지고 위쪽은 압력이 낮아지기 때문에, 위로 올라가는 힘이 작용한다.
즉, 이 발명의 유량센서는 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 도 4와 같은 베르누이 원리가 적용되는 에어포일 형태로 구성해 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 발생하는 탄성체의 변형 정도를 이용해 유로를 따라 유동하는 유체(액체, 기체, 증기, 오폐수, 하수 등등)의 유량을 정확하게 측정하도록 구성한 것이다.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 베르누이 원리를 적용한 유량센서의 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 베르누이 원리를 적용한 유량센서(100)는 일측에 에어포일 형태로 형성되는 에어포일부(111)와 타측에 형성되는 응력 민감부(112)를 갖는 탄성체(110)와, 탄성체(110)의 응력 민감부(112)가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지(120), 및 적어도 반도체형 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 반도체형 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 갖는 회로기판(130)을 포함하여 구성된다.
도 6은 도 5에 도시된 탄성체의 구성관계를 도시한 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시된 탄성체의 제작과정을 도시한 개략도이며, 도 8은 도 5에 도시된 탄성체의 에어포일부에서의 유체의 유속변화를 도시한 개략도이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 탄성체(110)는 유체의 유동으로 인해 가해지는 양력(굽힘력(bending force))에 따른 탄성거동(변형된 물체가 원래의 상태로 되돌아오는 현상) 특성을 갖는 것으로서, 일정 두께 및 폭을 갖는 평편한 판스프링으로 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 탄성체(110)는 일측에 에어포일부(111)를 구비하는데, 에어포일부(111)는 탄성체(110) 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 도 4와 같은 베르누이 원리가 적용되는 에어포일 형태로 구성한 것이다. 즉, 에어포일부(111)는 그 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 응력 민감부(112)에 굽힘력이 가해짐에 따라 응력 민감부(112)에서 변형이 발생하도록 구성한 것이다.
상기 판스프링은 에어포일부(111)를 형성하기 위한 연장 부위를 일측으로 갖도록 가공하여 형성하고, 상기 에어포일부(111)는 연장 부위를 타측으로 에어포일 형태로 굴곡하여 타측에 용접 고정하여 형성한 것이다(도 7 참조). 따라서, 이 실시예의 에어포일부(111)는 굽은 굴곡면(111a)을 기준으로 하부면은 수평면(111b)의 형태를 갖고 상부면은 경사면(111c)의 형태를 가짐에 따라, 하부면에서는 유속이 느리고 상부면에서는 유속이 빠르게 된다(도 8 참조). 한편, 에어포일부(111)를 구성함에 있어서, 도 4와 같이 하부면이 거의 평평한 형태를 갖고 상부면은 곡면의 형태를 갖도록 구성할 수도 있다.
또한, 탄성체(110)는 타측에 응력 민감부(112)를 구비하는데, 응력 민감부(112)는 탄성체(110)(예를 들어, 판스프링)의 평편한 일부 부위를 다른 부위보다 그 폭을 좁게 하거나 얇게 구성해 응력을 쉽게 감지할 수 있는 부분을 의미한다. 이 실시예에서는 다른 부위보다 폭을 좁게 형성해 응력 민감부(112)를 구성한 것이다.
도 9는 도 5에 도시된 반도체형 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도이다. 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 반도체형 스트레인 게이지(120)는 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 갖는다. 즉, 이 실시예의 스트레인 게이지(120)는 반도체형으로서, 풀 브리지 저항을 단일 칩 내에 갖도록 구성된다.
이러한 반도체형 스트레인 게이지(120)는 탄성체(110)의 응력 민감부(112)의 표면에 접착되어 응력 민감부(112)가 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 접착부재를 사용하여 응력 민감부(112)의 표면에 접착된다. 이 실시예에서 접착부재로는 글래스 프릿(Glass frit)과 같은 경도가 매우 높은 재료를 사용할 수 있다. 글래스 프릿과 같은 고강도의 접착부재를 이용함에 따라, 반도체형 스트레인 게이지(120)와 응력 민감부(112) 간의 접착강도가 우수하고, 반도체형 스트레인 게이지(120)와 글래스 프릿 간의 낮은 열팽창 계수의 차이로 인해 반도체형 스트레인 게이지(120)가 응력 민감부(112)로부터 박리되는 현상을 예방할 수가 있다. 또한, 글래스 프릿과 같은 고강도 접합재를 통한 하드한 접착방식으로 인해 고온, 고습 환경에서도 신뢰성이 우수하다.
한편, 스트레인 게이지는 필름 저항형 스트레인 게이지와 반도체형 스트레인 게이지로 분류될 수 있다. 이 발명에 적용되는 반도체형 스트레인 게이지는 필름 저항형 스트레인 게이지보다 게이지 팩터(gauge factor)가 크므로 감도가 50배가량 크며, 저항값이 크므로 소모 전류가 작고 회로 제작이 유리하다. 또한, 반도체형 스트레인 게이지는 온도 특성이 우수하며, 일반 금속형 스트레인 게이지로 사용되고 있는 Ni, Cu 합금의 경우 게이지 팩터가 2.0 ~ 2.1 정도지만 반도체형 스트레인 게이지의 게이지 팩터는 이에 비해 10배가량 크다.
따라서, 반도체형 스트레인 게이지를 유량센서(100)에 적용할 경우, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다. 또한, 접착부재로 응력전달이 우수한 접합재를 선정하고, 고집적화, 낮은 히스테리시스, 공정 단순화를 통한 수율 향상, 소형화, 원가절감 및 대량생산 등이 가능하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반도체형 스트레인 게이지(120)는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doing)시켜 형성하는 압저항체(R1, R2, R3, R4)를 포함한다. 여기서, 압저항체(R1, R2, R3, R4)는 힘을 받아 변형이 생기면, 저항값이 증가하거나 감소한다.
예를 들어, 인장응력이 작용하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소한다. 그리고, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 메탈을 포함하여 전도성 와이어와의 접속을 위한 패드 등이 될 수 있도록 한다. 도 9에 도시된 반도체형 스트레인 게이지(120)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 반도체형 스트레인 게이지(120)가 이 발명에 적용될 수가 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이 발명은 하나의 작은 영역에 브리지 저항을 모두 갖는 풀 브리지(Full bridge) 저항의 반도체형 스트레인 게이지(120)를 이용함에 따라, 유체의 유동에 따라 탄성체(110)의 응력 민감부(112)에 인가되는 압축하중에 의한 저항 변화를 감지해 낼 수 있는 유량센서(100)의 구현이 가능하다.
한편, 상기 회로기판(130)은 반도체형 스트레인 게이지(120)에 접속되어 적어도 반도체형 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 반도체형 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 갖는다. 또한, 회로기판(130)은 반도체형 스트레인 게이지(120)를 통해 감지한 신호를 주변회로 등을 거쳐 외부로 전달하기 위한 신호라인을 갖는다.
상기와 같은 회로기판(130)은 탄성체(110)의 응력 민감부(112)의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 응력 민감부(112)의 변형을 방해하지 않도록 응력 민감부(112)에 인접한 탄성체(110)에 완충부재를 통해 소프트하게 접착된다. 예를 들어, 완충 부재로는 실리콘 고무를 이용할 수 있다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예의 베르누이 원리를 적용한 유량센서의 작동관계에 대해 설명한다.
도 10은 도 5에 도시된 유량센서의 작동개념을 도시한 개략도이고, 도 11 및 도 12는 도 5에 도시된 유량센서를 배관에 설치한 상태의 수직 및 수평 단면도이다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 유량센서(100)는 탄성체(110)의 에어포일부(111)의 굴곡면(111a)이 유동하는 유체와 직접 접촉하도록 배치된다. 즉, 탄성체(110)(예를 들어, 판스프링)의 평편한 양표면이 유체의 유동방향과 평행하도록 배치되고, 에어포일부(111)의 양측면(수평면(111b) 및 경사면(111c))이 유체의 유동방향으로 배치된다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 유체는 에어포일부(111)의 굴곡면(111a)에 접촉한 후 에어포일부(111)의 양측면(수평면(111b) 및 경사면(111c))을 따라 각각 유동하는데, 이때 에어포일부(111)의 양측면에서는 유체의 유속차에 따른 압력차가 발생하고, 이러한 압력차로 인해 응력 민감부(112)에 굽힘력이 가해져 응력 민감부(112)에 압축응력으로 인한 변형이 발생한다.
한편, 응력 민감부(112)에 압축응력이 가해지면, 응력 민감부(112)에 부착된 반도체형 스트레인 게이지(120)의 압저항체(R1, R2, R3, R4)에 저항값의 변화를 야기한다. 이러한 압저항체의 저항값 변화를 회로기판(130)의 주변회로가 센싱하게 된다. 그리고, 주변회로는 센싱 신호로부터 센싱 데이터를 얻고 센싱 데이터를 그대로 또는 가공하여 컨트롤러에 제공함으로써, 센싱 데이터로부터 유체의 유량을 정확하게 측정하게 된다.
이 발명의 유량센서는 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 에어포일 형태로 구성해 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 발생하는 응력 민감부의 변형 정도(압축응력 정도)를 이용해 유로를 따라 유동하는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수가 있다. 즉, 이 발명의 유량센서는 유체의 유동방향으로 배치되는 에어포일부의 양측면에서의 유체의 정밀한 유속차를 반도체형 스트레인 게이지에서 이용하기 때문에, 유동하는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수가 있다.
또한, 이 발명의 유량센서는 초소형의 반도체형 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명의 유량센서는 초소형의 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.
또한, 이 발명의 유량센서는 탄성체를 판스프링으로 구성하고 판스프링의 일측으로 연장되는 연장 부위를 굴곡하고 용접 고정하여 에어포일부를 형성함에 따라 간단하게 제작이 가능하다.
이상에서 이 발명의 베르누이 원리를 적용한 유량센서에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
100 : 유량센서 110 : 탄성체
111 : 에어포일부 111a : 굴곡면
111b : 수평면 111c : 경사면
112 : 응력 민감부 120 : 반도체형 스트레인 게이지
130 : 회로기판 R1~R4 : 압저항체

Claims (3)

  1. 유체의 유동에 따른 탄성거동 특성을 가지며, 일측에 에어포일 형태로 형성되는 에어포일부와 타측에 형성되는 응력 민감부를 갖는 탄성체와,
    상기 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지, 및
    상기 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 갖는 회로기판을 포함하며,
    상기 에어포일부는 상기 탄성체 중에서 유체와 접촉하는 접촉면을 베르누이 원리가 적용되는 에어포일 형태로 구성한 것으로서, 상기 에어포일부의 양측면을 따라 각각 유동하는 유체의 유속차에 따른 압력차로 인해 상기 응력 민감부에서 압축응력이 발생하도록 구성되며,
    상기 탄성체는 일정 두께 및 폭을 갖는 평편한 판스프링으로 구성되며,
    상기 판스프링은 상기 에어포일부를 형성하기 위한 연장 부위를 일측으로 갖도록 가공하여 형성하고, 상기 에어포일부는 상기 연장 부위를 타측으로 에어포일 형태로 굴곡하여 타측에 고정하여 형성하며,
    상기 판스프링의 평편한 양표면이 유체의 유동방향과 평행하도록 배치되고, 상기 에어포일부의 굴곡면이 유동하는 유체와 직접 접촉하도록 배치되며, 상기 에어포일부의 양측면이 유체의 유동방향으로 배치되고,
    상기 응력 민감부는 상기 판스프링의 평편한 일부 부위를 다른 부위보다 그 폭을 좁게 하거나 얇게 구성한 것을 특징으로 하는 베르누이 원리를 적용한 유량센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(Doping)시켜 형성한 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 것을 특징으로 하는 베르누이 원리를 적용한 유량센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에어포일부는 상기 굴곡면을 기준으로 일측면은 수평면의 형태를 갖고 타측면은 경사면의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 베르누이 원리를 적용한 유량센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS599517A (ja) * 1982-07-08 1984-01-18 Iwai Kikai Kogyo Kk 流量測定方法および其の装置
KR19980040914A (ko) 1996-11-30 1998-08-17 구자홍 압력/유량 일체형 센서
KR101361737B1 (ko) * 2011-11-11 2014-02-12 (주)맨 텍 반도체형 스트레인 게이지를 이용한 변형 측정 장치
KR101443793B1 (ko) 2014-06-18 2014-09-26 윤득중 차압 유량 센서

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101646056B1 (ko) * 2015-03-11 2016-08-09 한국원자력연구원 기포율 및 유속 측정 센서

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