KR102503801B1 - 주파수 제어를 통한 온도 보상 방법 및 이를 이용한 상호유도전류형 액위계 - Google Patents

Abstract

상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법은 제1 온도 하에서, 제1 전류 및 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상호유도전류형 액위계에 의해 제1 유도기전력을 측정하는 단계, 제2 온도 하에서, 제1 전류 및 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상호유도전류형 액위계에 의해 제2 유도기전력을 측정하는 단계, 제1 주파수를 변화시키면서 제1 유도기전력과 제2 유도기전력을 측정하는 단계, 제1 유도기전력과 제2 유도기전력의 차이가 최소화되는 경우의 제1 주파수를 최적 주파수로 도출하는 단계, 그리고 제1 전류 및 최적 주파수를 갖는 전원을 상호유도전류형 액위계로 공급하는 단계를 포함한다.

Description

주파수 제어를 통한 온도 보상 방법 및 이를 이용한 상호유도전류형 액위계{Method for Temperature Compensation by Controlling Frequency and Mutual Inductance Type Liquid Level Detector Using the Same}

주파수 제어를 통한 온도 보상 방법 및 이를 이용한 상호유도전류형 액위계가 제공된다.

액체(액체금속 포함)를 사용하거나 취급하는 시험시설 또는 산업시설에는 자유액면이 존재하는 용기가 다수 존재하며 이들의 액위에 대한 정보는 사건 및 사고를 포함한 여러가지 운전조건에서 매우 중요하므로 이에 대한 지속적인 감시가 필요하다.

만일 시험시설 또는 산업시설에서 정상운전 중에 갑작스러운 액위 변화가 발생한다면 이는 시설 일부 손상에 의해 시설 내부 액체가 시설 외부로 누설되었거나, 연결배관 차단밸브의 누설 혹은 오작동이 발생했음을 의미하는 것이며, 만일 취급 액체가 독성을 갖거나 알칼리계 금속인 경우 액체 외부 누설 시 이에 따른 인명손상은 물론이고 화재 등에 의한 시설 손상도 피할 수 없다.

물론 액체 누설 감지를 위한 시설이나 센서 등을 구비하고 있는 경우 대형 사고로 확대되기 전에 사고 피해를 최소화할 수 있겠지만, 그와 더불어 시설의 액위에 대한 지속적인 감시가 동시에 이루어진다면 누설과 같은 사고를 조기에 감지해 신속하게 대처할 수 있으며, 여러가지 운전조건에서 시설의 안정적인 운전이 이루어지고 있는지 확인하는 지표가 될 수 있다.

그 동안 액위를 정확하게 측정하기 위한 다양한 방법과 장치들이 고안되었다. 특히 직관적으로 액위 확인이 가능하고, 작동원리의 단순성, 유지/보수의 편리성, 저렴한 가격을 이유로 액면과 액위 센서(전극봉)가 접촉 시 액위 신호를 발생하는 접촉식 액위계가 널리 사용되고 있지만 설치 시 미리 지정한 액위만 계측 가능하기 때문에 연속적인 액위 계측은 불가능하고, 전극봉이 주변 금속체 또는 금속성 이물질과 접촉해 통전이 되는 경우 액위와 관계없이 오신호를 발생할 수 있다.

이를 개선하기 위해, 액체의 도전성을 이용하는 상호유도전류형 액위계가 개발되었다. 상호유도전류형 액위계는 연속적인 액위 계측이 가능할 뿐만 아니라 액체와 비접촉식으로 신호 신뢰성이 높고, 유지/보수도 용이해 작동원리가 복잡하고 고가라는 단점에도 불구하고 많은 시험시설과 산업시설에서 주로 사용되고 있다.

하지만 상호유도전류형 액위계도 액체의 온도가 변하면 동일한 액위임에도 불구하고 서로 다른 액위 신호를 발생할 수 있기 때문에 이를 개선하기 위해 복잡한 온도 보상회로를 채택하고, 온도 보상을 위한 실험 등이 수반되어야만 하므로 이를 위한 복잡한 실험 시설까지 요구하는 경우도 있다.

관련 선행문헌으로, 미국등록특허 4,164,146는 " Apparatus and method for monitoring the presence of a conductive media"를 개시한다. 그러나, 이 특허는 온도 보상을 위한 위상 전이 회로(phase shifting circuit)를 별도로 이용하여 2차 코일에서 발생하는 유도 전압 V의 크기에 cos (φ-θ)에 곱한 것과 동일한 유도 전압 신호를 제공한다.

또한, 한국등록특허 1,892,732는 "다접점 온도센서를 이용한 광대역 용융금속 액위 측정 장치 및 열 시스템"를 개시한다. 그러나, 이 특허는 상호유도전류형 액위계를 제시하지만, 온도 보상 기술을 개시하고 있지 않다.

또한, 미국등록특허 3,948,100는 " Probe for measuring the level of a liquid"를 개시한다. 그러나, 이 특허는 2차 코일에 외부 저항을 설치하는 부가 회로를 별도로 이용하여 온도 보상이 수행된다.

미국등록특허 4,164,146 한국등록특허 1,892,732 미국등록특허 3,948,100

일 실시예는 종래의 복잡한 온도 보상회로 없이 빠르고 정확하며 편하게 상호유도전류형 액위계의 온도보상을 하기 위한 것이다.

일 실시예는 종래의 복잡한 온도 보상을 위한 실험 시설을 생략하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법은 제1 온도 하에서, 제1 전류 및 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상호유도전류형 액위계에 의해 제1 유도기전력을 측정하는 단계, 제2 온도 하에서, 제1 전류 및 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상호유도전류형 액위계에 의해 제2 유도기전력을 측정하는 단계, 제1 주파수를 변화시키면서 제1 유도기전력과 제2 유도기전력을 측정하는 단계, 제1 유도기전력과 제2 유도기전력의 차이가 최소화되는 경우의 제1 주파수를 최적 주파수로 도출하는 단계, 그리고 제1 전류 및 최적 주파수를 갖는 전원을 상호유도전류형 액위계로 공급하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계는 코일 보빈, 코일 보빈을 감은 1차 코일 및 2차 코일, 제1차 코일에 제1 전류 및 제1 주파수를 제공하는 전원공급부, 2차 코일에서 제1 유도기전력 및 제2 유도기전력을 측정하는 신호처리부를 포함한다.

일 실시예는 종래의 복잡한 온도 보상회로 없이 빠르고 정확하며 편하게 온도보상을 수행할 수 있으며, 종래의 복잡한 온도 보상을 위한 실험 시설을 생략할 수 있다.

도 1은 종래의 상호유도전류형 액위계의 온도별 액위에 다른 유도기전력 차이를 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계를 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전원공급회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 신호처리 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계에서 주파수 변화에 따른 유도기전력의 절대 오차의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계에서 특정 주파수에서 온도 별로 액위의 변화에 따른 유도기전력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계에서 최적 주파수에서 온도 별로 액위의 변화에 따른 유도기전력의 변화를 나타내는 그래프이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

그러면, 일 실시예에 따른 주파수 제어를 통한 온도 보상 방법 및 이를 이용한 상호유도전류형 액위계에 대하여 설명한다.

일 실시예는 상호유도전류형 액위계의 온도 보상법을 제시하고 이를 적용한 상호유도전류형 액위계이다. 일 실시예에 따르면, 오로지 1차 코일에 공급되는 정전류(AC)와 단순 실험을 통해 도출된 공급전원의 최적 주파수를 적용해 온도변화에 따른 2차 코일에서의 유도기전력 왜곡을 최소화함으로써, 운전 온도범위가 넓은 시설에서 일관성 있는 액위 정보가 취득될 수 있다. 이에 따라, 일 실시예에 따르면 종래의 복잡한 온도 보상회로와 온도 보상을 위한 실험 시설의 사용이 배제될 수 있다.

그러나, 종래의 상호유도전류형 액위계에 따르면, 동일 액위에서 온도에 따라 서로 다른 유도기전력을 발생하는 것을 보상하기 위해, 종래의 복잡한 온도 보상회로와 온도 보상을 위한 실험 시설이 사용되어야 한다.

도 1은 종래의 상호유도전류형 액위계의 온도별 액위에 다른 유도기전력 차이를 나타내는 그래프이다. 도 1을 참고하면, 종래의 상호유도전류형 액위계는 각 액위에서 온도에 따라 서로 다른 유도기전력을 지시하고 있는 것을 보여준다. 도 1을 참고하면, 각 온도에서 액위가 증가하면서 2차 코일의 유도기전력이 선형적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.

일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계는 1차 코일에 교류 공급 시 발생하는 자속이 2차 코일에 쇄교되면서 패러데이(Faraday) 법칙에 의해 2차 코일에서 유도기전력이 발생하며 그 크기는 식 (1)을 따른다.

[식 1]

여기서 E ₂ 는 2차 코일에 발생하는 유도기전력(V), N₂는 2차 코일의 권선 수, ΔΦm은 1차 코일의 자속 변화(Wb), Δt는 1차 코일의 자속이 변화하는 시간(sec)이다.

[식 2]

그리고 식 (2)는 코어에 감긴 코일에 발생하는 자속(Φm, Wb)과 코일의 권선 수(N), 전류(I, A), 코어의 투자율(μ, H/m), 코어의 단면적(A, m²), 그리고 코어의 길이(l, m)의 상관관계식을 보여준다. 액위계의 물리적 변수(N, A, l)가 변하지 않는 한 자속의 크기는 공급전류의 크기 변화에 비례한다. 이에 따라, 1차 코일에 공급되는 전류가 증감하면, 자속도 증감하고, 2차 코일에 유도되는 기전력도 증감한다. 그러므로 일정 액위에서 1차 코일에 항상 일정한 주파수의 정전류가 공급되면 2차 코일에 유도되는 기전력은 항상 일정한 값을 지시한다.

또한 1차 코일에서 발생하는 자속은 2차 코일뿐만 아니라 상호유도전류형 액위계 주위의 액체에도 쇄교되는데, 이 때 2차 코일과 액위계 주변 액체 자체에서 1차 코일의 자속 변화에 저항해 자속 변화를 방해하는 방향으로 맴돌이전류가 발생하고 이는 2차 코일에서 발생하는 유도기전력을 저하시킨다. 그러므로 상호유도전류형 액위계 주변의 액위가 높아지면 액체에서 발생하는 맴돌이전류의 크기가 상대적으로 증가하면서 2차 코일의 유도기전력의 크기는 감소하고, 주변 액위가 낮아지면 액체에서 발생하는 맴돌이전류의 크기가 상대적으로 감소하면서 2차 코일의 유도기전력의 크기는 증가한다. 이처럼 액위계 주변의 액체 액위의 변화에 따라 증감하는 맴돌이전류에 의한 2차 코일에서 발생하는 유도기전력의 변화를 계측해 액위를 특정하는 것이 상호유도전류형 액위계이다.

그런데 맴돌이전류는 쇄교되는 자기장의 세기, 전기전도도의 크기, 자속 변화율에 비례해 증가한다. 이에 따라, 액위계 주변의 액체 온도가 증가하면, 2차 코일의 저항과 주변 액체의 전기 저항이 증가해, 전기전도도가 감소하면서 맴돌이전류의 크기는 작아지지만, 2차 코일에서 발생하는 유도기전력은 증가하게 된다. 이에 따라, 사용자는 동일 액위임에도 불구하고 온도 변화에 따라 왜곡된 액위 정보를 받게 된다. 그러므로 상호유도전류형 액위계는 반드시 온도에 따른 액위 지시값 왜곡을 보정하기 위한 일련의 온도보정이 필요하다.

이에 따라, 종래의 상호유도전류형 액위계에 따르면, 1차 또는 2차 코일에 복잡한 온도 보상회로를 채택하고, 온도보정을 위한 현장실험도 요구된다.

일 실시예에서 제안하고 있는 상호유도전류형 액위계는 간단한 실험 절차를 통해 온도 변화에 따른 액위 정보의 왜곡을 최소화할 수 있으며, 크게 1차/2차 코일이 감긴 센서부와 1차 코일에 정주파수의 정전류를 공급하고 신호처리를 위한 전원공급부 및 신호처리부로 구성된다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 상호유도전류형 액위계(1)에서 센서부는 십자형 코일 보빈(코어)(10)에 일정 피치(등간격)로 동일 권선 수를 교차해서 감은 1차 및 2차 코일(20), 1차 코일(21) 및 2차 코일(22)을 보호하는 보호관(30), 그 외측에 액체(8)와 보호관(30)의 직접적인 접촉을 방지하는 안내관(40), 계측기를 액체 용기에 설치 시 계측기 지지를 위한 액위계 설치용 플랜지(50), 전원공급부와 센서부의 전원공급선 및 신호 취득선을 연결하기 위한 케이블 접속부(60) 등으로 구성되며, 1차/2차 코일(20)은 니켈선을 사용하는 MI(Mineral Insulated) 케이블(29)로 제작될 수 있다. 1차 코일(21) 및 2차 코일(22)의 피치는 서로 다를 수 있으며, 권선 수도 서로 다를 수 있다.

전원공급부(100)는 1차 코일(21)에 임의의 정전류를 제공할 수 있는 가변 전류(AC) 공급회로와 1차 코일(21)에 임의의 정주파수를 제공할 수 있는 가변 주파수 공급회로를 포함할 수 있다.

전원공급부(100)는 주파수 발생 회로(110), 정전류 제어 회로(120), 디스플레이 입출력 장치(130), 그리고 터미널 단자(140)를 포함할 수 있다.

주파수 발생 회로(110)는 약 1kHz 내지 약 10kHz까지의 주파수(F) 제어가 가능한 아날로그 회로 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 주파수 발생회로(110)는 가변 주파수 공급회로일 수 있다.

정전류 제어 회로(120)는 증폭기와 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)로 구성될 수 있으며, 입력에 따라 원하는 정전류 레벨(mA)(I) 출력이 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 정전류 제어 회로는 가변 전류 공급회로일 수 있다.

디스플레이 입출력 장치(130)는 사용자 입력 및 주파수, 전류 등의 데이터(D)를 표시할 수 있다.

터미널 단자(140)는 데이터 수집 시스템에 신호(M)를 전송할 수 있다.

1차 코일(21)에 공급되는 전류는 디스플레이 입출력 장치(130)을 통한 사용자 입력에 따라 주파수 발생 회로(110)에 의해서 1kHz~10kHz 범위로 제어되며, 정전류 제어 회로(120)의 피드백 제어에 의해 사용자가 원하는 일정한 전류 출력 레벨(mA)로 제어된다. 주파수 발생 회로(110) 및 정전류 제어 회로(120)에 의해 제어된 정전류의 주파수 및 전류 레벨(mA)은 디스플레이 입출력 장치(130)에 표시된다. 이러한 주파수 및 전류 정보는 약 4mA 내지 20mA형태의 신호로 터미널 단자(140)를 통하여 데이터 수집 시스템으로 전송된다.

신호처리부(200)는 2차 코일(22)의 유도기전력을 수집을 위한 신호처리 회로를 포함한다. 신호처리부(200)는 유도전류, 유도기전력 등을 측정하고 연산하는 프로세서(230)를 포함한다.

2차 코일(22)의 유도기전력은 노이즈 제거 필터(210)를 통과하여 전원에서 기인하는 60Hz 노이즈가 제거되고, 신호처리가 용이하도록 증폭기(220)에 의해서 신호 레벨이 증폭된다. 증폭된 신호는 프로세서(230)에 내장된 프로그램에 의해서 이동평균연산(Moving Average)을 기반으로 한 신호처리가 이루어져 디지털 형태의 신호로 변환된다. 변환된 신호는 DAC(Digital to Analog Converter)(240)에 의하여 약 4mA 내지 약 20mA 전류 형태의 아날로그 신호(250)로 변환되어 데이터 수집 시스템으로 전송(O)이 이루어진다.

또한, 신호처리부(200)는 데이터 수집 시스템과 독립적으로 데이터를 저장할 수 있도록 데이터 기억장치(260)를 연결할 수 있는 포트, 내부 신호처리 프로그램의 디버깅을 위한 디버깅 포트(280), 프로세서(230)의 작동이 멈추었을 때 재부팅을 위한 리셋스위치(270), 그리고 프로세서(230)의 동작 상태를 확인할 수 있는 램프(290)를 선택적으로 포함할 수 있다.

상호유도전류형 액위계(1)는 1차/2차 코일(20)의 입/출력 전원 정보를 확인하고 제어할 수 있는 터치식 액정 패널을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 주파수 제어를 통한 상호유도전류형 액위계 온도 보상 방법과 이를 위한 간단한 최적 주파수 도출 방법이 제공된다.

온도 변화에 따른 2차 코일의 유도기전력 변화는 2차 코일과 액위계 주변의 액체의 온도 변화에 따라 저항이 변하면서 2차 코일과 액위계 주변 액체의 전기전도도가 함께 변해 발생하는 현상이다.

1차 코일에서 발생한 자속이 2차 코일에 쇄교할 때 2차 코일과 액위계 주변 액체 자체에서 1차 코일의 자속 변화에 저항해 자속 변화를 방해하는 방향으로 맴돌이전류가 발생한다. 맴돌이전류의 세기는 2차 코일에 쇄교되는 자기장의 세기, 2차 코일 또는 액체의 전기전도도, 쇄교 자속의 변화율에 비례하기 때문에, 온도가 증가하면 2차 코일에서 발생하는 유도기전력은 전기전도도 감소에 따른 맴돌이전류의 세기 감소에 비례해 상대적으로 증가한다. 이에 따라, 동일 액위에서 온도가 변화하는 경우 일관성 없는 왜곡된 액위 정보를 사용자에게 제공할 수 있으므로, 온도 보상이 필요하다.

2차 코일에서 발생하는 유도기전력의 크기는 또한 식 (3)으로 표현할 수 있다.

[식 3]

여기서 E는 2차 코일에 발생하는 유도기전력, X는 임피던스, I는 2차 코일의 유도전류, R은 2차 코일의 권선저항, ω는 각진동수(angular frequency), L은 2차 코일의 인덕턴스이다.

상호유도전류형 액위계가 사용되는 용기의 최저 운전 온도를 L, 최고 운전 온도를 H라 하고, 각 온도에서 식 (3)을 각각의 온도에서 표현하면 다음과 같다.

[식 4]

[식 5]

동일 액위에서 온도 변화에 따른 유도기전력의 차이가 없어야 하므로(ΔE = EH - EL = 0) 식 (4) 및 (5)로부터 다음 식(6)을 얻을 수 있다.

[식 6]

식 (6)에서 공급 주파수는 동일 주파수를 공급하기 때문에 ω는 각진동수(angular frequency)는 동일하며, ω에 대해서 다시 정리하면 다음 식 (7) 및 (8)을 얻는다.

[식 7]

[식 8]

결국 식 (8)은 온도 변화에 의한 유도기전력의 차이를 없애 주는 특정 주파수가 존재하며, 만일 특정 주파수를 알 수 있다면 간단하게 주파수 제어만으로 상호유도전류형 액위계에서 온도 변화에 따른 유도기전력 왜곡을 보정하거나 최소화할 수 있음을 의미한다. 본 명세서에서는 이러한 특정 주파수를 최적 주파수라 칭한다.

그러나 식 (8)에서 각 온도에서 계측 가능한 2차 코일의 권선저항을 제외하면 유도전류, 인덕턴스의 크기는 공급 주파수의 영향을 받는 사실상 미지수이므로, 식 (8)을 통해 최적 주파수를 도출하는 것은 쉬운 일이 아니며, 결국 최적 주파수 도출을 위한 일련의 실험이 필요하다.

일 실시예에서는 상호유도전류형 액위계의 온도에 따른 액위 정보 왜곡을 최소화하는 최적 주파수의 존재가 존재하는 것을 확인하기 위한 실험을 수행한다.

실험조건은 최저 온도 200℃, 최고 온도 550℃에서 100 mA AC 정전류를 주파수 1.5 kHz ∼ 4.5 kHz까지 0.1 kHz 단위로 증가시키면서 공급하고 각각 최저 액위 0 mm와 최고 액위 1,800 mm에서 발생하는 2차 코일의 유도기전력을 측정한다.

액체 금속(소듐)이 담긴 챔버에 상호유도전류형 액위계를 설치하며, 최고 액위와 최저 액위를 확인할 수 있는 기준 액위계로 접촉식 액위계를 설치한다.

도 6은 주파수를 변화시키며 계측한 상호유도전류형 액위계의 최고/최저 액위에서 온도 차이에 따라 발생하는 유도기전력의 절대 오차(ΔE= |E₅₅₀ - E₂₀₀|)를 보여주고 있다. 상호유도전류형 액위계의 최고/최저 액위에서 온도 차이에 따라 발생하는 유도기전력의 절대 오차가 주파수를 증가시키면 최적 주파수(2.8kHz)까지 감소하다가 최적 주파수를 초과하면 다시 증가하는 것이 확인된다.

다만 3.0 kHz ∼ 3.2 kHz 영역에서 증가하는 패턴을 벗어나 불안정한 현상을 보이고 있는데, 이는 1차 코일의 공급전류와 주파수가 공급오차를 벗어나 불안정 했던 것이 원인이다.

도 7 및 도 8은 최저/최고 온도에서 각 액위별로 주파수 4.5 kHz 공급 시 계측된 유도기전력과 최적 주파수(2.8 kHz) 공급 시 계측된 유도기전력을 보여주고 있다. 이를 통해 특별한 온도 보상회로 없이 주파수 제어만으로 온도변화에 의한 유도기전력 왜곡 현상을 제거할 수 있음을 확인하며, 공급 주파수를 세분하여 공급하면 더욱 오차를 줄일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 실험 결과 최적 주파수가 액위에 영향을 받지 않는 것을 볼 때 특수한 실험장치 없이도 대기 중에서 간단한 실험을 통해 최적 주파수의 도출이 가능하며 실험 절차는 다음과 같다.

상호유도전류형 액위계의 안내관 외측면에 히터와 온도 측정용 열전대를 설치한다.

히터와 안내관을 감싸는 단열재를 설치한다.

최저 운전 온도까지 승온시킨 후 1차 코일에 주파수를 변조시키면서 정전류를 공급하고, 2차 코일에서 발생하는 유도기전력을 측정한다.

최고 운전 온도까지 승온시킨 후 1차 코일에 주파수를 변조시키면서 정전류를 공급하고, 2차 코일에서 발생하는 유도기전력을 측정한다.

최고/최저 온도에서 계측된 유도기전력의 오차가 최소화되는 최적 주파수를 찾는다.

제안된 최적 주파수 도출 실험 방법은 상호유도전류형 액위계가 설치되는 용기 내에 액체가 없는 환경과 동일하므로, 용기에 설치해 최적 주파수를 도출하는 추가적인 실험은 불필요하다.

일 실시예에 따르면, 1차 코일에 임의의 정전류/정주파수를 공급할 수 있는 가변형 전류(AC)/주파수 전원공급부가 제공된다.

식 (2)에 의해 2차 코일에 항상 균일한 자속이 쇄교 되도록 하기 위해 정전류 AC를 공급하는 회로를 구비하고 있으며 정전류의 크기는 사용범위(최대 1,000 mA) 내에서 1 mA 단위로 사용자가 임의 선택할 수 있도록 하였다. 이는 온도 변화시 1차 코일의 저항이 증가하므로, 1차 코일에 정전류 AC를 공급하기 위해 공급전압이 이에 대응해 변화하는 전기회로를 포함한다.

식 (1)에 의해 2차 코일에서 발생하는 유도기전력이 일정하게 하려면 공급 전원의 주파수 역시 일정해야 하므로 정주파수(Hz) 공급회로를 구비하고 있으며, 주파수의 크기도 사용자가 사용범위(1kHz ∼ 10kHz) 내에서 10 Hz 단위로 임의 조정할 수 있도록 하였고, 온도 보상 시 주파수 변조를 위한 전기회로이다.

일 실시예에 따르면, 입/출력 정보 지시 및 제어를 위한 터치식 디스플레이 채용 및 사용자의 편의성을 제고한 제어 화면이 제공된다.

일 실시예에 따른 상호유도전류형 액위계는 1차 코일에 전류와 주파수를 공급하는 전원공급부를 구비하고 있으며, 이는 상호유도전류형 액위계의 현 상태를 나타내는 지시값(전압, 전류, 주파수 등)을 나타내는 디스플레이를 포함할 수 있다.

또한 터치식 디스플레이를 채용하기 때문에 제어 변수 입력 등을 위한 기능버튼이 필요하지 않으며, 공급하기 원하는 전류와 주파수를 직관적이고 용이하게 변경 또는 선정할 수 있어서 사용자의 편의성이 향상될 수 있다.

터치 패널 화면은 현 입/출력 전원 상태, 공급전원 세팅, 1차 코일용 외부 송출 신호 세팅, 2차 코일용 외부 송출 신호 세팅 등 총 4개로 구성되며, 각 화면의 구성과 기능은 다음과 같다.

현 입/출력 전원 상태 화면(Status)에서는 현재 1차 코일에 공급되는 공급전류/전압/주파수, 2차 코일에서 발생하고 있는 유도전류/기전력의 지시값을 표시한다. 또한 공급전원 설정 화면에서 지정한 조건이 만족되면 초록색 등이 점등되어 정상상태에 도달해 정주파수의 정전류가 공급되고 있음을 사용자에게 지시해준다.

공급전원 설정 화면(Coil setting)에서는 사용자가 1차 코일에 공급하고자 하는 전류값과 주파수를 지정할 수 있는 화면이며, 공급전류는 -1 mA, -10 mA, -50mA, -100 mA, 1mA, 10 mA, 50mA, 100 mA 단위로 설정된 버튼을 터치해 원하는 값으로 설정하고, 공급 주파수는 -10 Hz, -50 Hz, -100 Hz, -1,000 Hz, 10 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 1,000 Hz 단위로 설정된 버튼을 터치해 원하는 값으로 미세 설정할 수 있다.

1차 코일용 외부 송출 신호 세팅(Output #1 Setting)은 1차 코일의 공급전류/주파수/전압 현재의 계측값을 4 mA ∼ 20 mA 신호로 변환해 외부 자료처리 장치로 신호를 송출하기 위한 최저값(4 mA 대응값)과 최고값(20 mA 대응값)을 터치식 패널 화면을 통해 설정할 수 있다.

2차 코일용 외부 송출 신호 세팅(Output #2 Setting)은 2차 코일의 유도기전력 현재의 계측값을 4 mA ∼ 20 mA 신호로 변환해 외부 자료처리 장치로 신호를 송출하기 위한 최저값(4 mA 대응값)과 최고값(20 mA 대응값)을 설정하고, 액위를 %로도 설정한다

일 실시예는 단순히 1차 코일에 공급하는 주파수만 제어해 동일 액위에서 온도 변화에 의해 발생하는 상호유도전류형 액위계의 액위 신호 왜곡을 보정하는 새로운 방법을 제안하고 있기 때문에 상호유도전류형 액위계의 기술현안인 온도 보상회로 설계라는 문제가 사라진다. 그리고 단지 간단한 실험절차를 통해 도출된 최적 주파수를 이용해 온도보정을 할 수 있기 때문에 복잡하거나 고가의 온도보정시험시설 및 장시간의 실험도 필요 없다.

일 실시예는 상호유도전류형 액위계의 입/출력 현황을 나타내는 터치식 액정 패널을 포함하고 있어 제어 변수 입력 등을 위한 기능버튼이 필요하지 않으며, 공급하기 원하는 전류와 주파수를 직관적이고 용이하게 변경 또는 선정할 수 있어서 사용자의 편의성이 향상될 수 있다.

일 실시예를 통해 운전 온도범위가 넓은 시설에서 일관성 있는 액위 정보 취득이 가능하며 연속적인 액위 정보의 취득/감시를 통해 안정적인 시설 운전 가능이 하다. 특히 수입에 의존하던 고가의 상호유도전류형 액위계를 수입가의 50% 비용으로 자체 제작해 수입대체 효과까지 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 상호유도전류형 액위계 8: 액체
10: 코일 보빈 20: 1차 및 2차 코일
30: 보호관 40: 안내관
50: 플랜지 60: 케이블 접속부
100: 전원공급부 200: 신호처리부

Claims (19)

1. 제1 온도 하에서, 제1 전류 및 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상호유도전류형 액위계에 의해 제1 유도기전력을 측정하는 단계,
   제2 온도 하에서, 상기 제1 전류 및 상기 제1 주파수를 갖는 전원이 공급되는 상기 상호유도전류형 액위계에 의해 제2 유도기전력을 측정하는 단계,
   상기 제1 주파수를 변화시키면서 상기 제1 유도기전력과 상기 제2 유도기전력을 측정하는 단계,
   상기 제1 유도기전력과 상기 제2 유도기전력의 차이가 최소화되는 경우의 상기 제1 주파수를 최적 주파수로 도출하는 단계, 그리고
   상기 제1 전류 및 상기 최적 주파수를 갖는 전원을 상기 상호유도전류형 액위계로 공급하는 단계
   를 포함하는 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
2. 제1항에서,
   상기 상호유도전류형 액위계는 1차 코일 및 2차 코일을 포함하고,
   상기 제1 온도 하에서, 상기 1차 코일에 상기 제1 주파수를 변화시키면서 상기 제1 전류를 공급하면서, 상기 2차 코일에서의 상기 제1 유도기전력을 측정하고, 그리고
   상기 제2 온도 하에서, 상기 1차 코일에 상기 제1 주파수를 변화시키면서 상기 제1 전류를 공급하면서, 상기 2차 코일에서의 상기 제2 유도기전력을 측정하는 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
3. 제1항에서,
   상기 상호유도전류형 액위계를 대기 중에서 히터로 가열하여, 상기 제1 유도기전력과 상기 제2 유도기전력을 측정하는 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
4. 제1항에서,
   상기 상호유도전류형 액위계를 액체 안에 넣은 후, 상기 액체를 가열하여, 상기 제1 유도기전력과 상기 제2 유도기전력을 측정하는 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
5. 제1항에서,
   상기 제1 온도는 상기 상호유도전류형 액위계가 사용되는 시설의 최저 운전 온도이고, 그리고 상기 제2 온도는 상기 상호유도전류형 액위계가 사용되는 시설의 최고 운전 온도인 것인 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
6. 제5항에서,
   상기 상호유도전류형 액위계는 1차 코일 및 2차 코일을 포함하고,
   상기 최적 주파수는 하기 수학식 1을 만족하고,
   [수학식 1]
   

   

   
   여기서, f는 상기 제1 주파수, I는 상기 2차 코일의 유도전류, R은 상기 2차 코일의 권선저항, L은 상기 2차 코일의 인덕턴스이며, 아래 첨자 L은 상기 최저 운전 온도이며, 아래 첨자 H는 상기 최고 운전 온도인 것인 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
7. 제1항에서,
   온도 보상회로 없이 주파수 변조에 의해 상기 상호유도전류형 액위계의 온도를 보상하는 것인 상호유도전류형 액위계의 온도 보상 방법.
   
8. 코일 보빈,
   상기 코일 보빈을 감은 1차 코일 및 2차 코일,
   상기 제1차 코일에 제1 전류 및 제1 주파수를 제공하는 전원공급부,
   상기 2차 코일에서 제1 유도기전력 및 제2 유도기전력을 측정하는 신호처리부,
   를 포함하고,
   상기 제1 유도기전력은 제1 온도 하에서 측정되는 것이며, 상기 제2 유도기전력은 제2 온도 하에서 측정되고,
   상기 제1 유도기전력과 상기 제2 유도기전력의 차이가 최소화되는 경우의 상기 제1 주파수가 최적 주파수인 것인 상호유도전류형 액위계.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제8항에서,
    상기 전원공급부는 임의의 정전류를 제공하는 가변 전류 공급회로를 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
12. 제11항에서,
    상기 전원공급부는 임의의 정주파수를 제공하는 가변 주파수 공급회로를 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
13. 제12항에서,
    상기 신호처리부는 상기 제1 유도기전력 및 상기 제2 유도기전력을 측정하는 프로세서를 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
14. 제8항에서,
    상기 제1 전류, 상기 제1 주파수, 상기 제1 유도기전력, 그리고 상기 제2 유도기전력을 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
15. 제8항에서,
    상기 1차 코일은 제1 간격으로 제1 권선수로 감은 것이고, 상기 2차 코일은 제2 간격으로 제2 권선수로 감은 것인 상호유도전류형 액위계.
    
16. 제8항에서,
    상기 1차 코일 및 상기 2차 코일을 둘러싸고 있는 보호관을 더 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
17. 제16항에서,
    상기 보호관을 둘러싸고 있는 안내관을 더 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
18. 제17항에서,
    상기 전원공급부와 상기 신호처리부에 연결되어 있는 케이블 접속부를 더 포함하는 상호유도전류형 액위계.
    
19. 제18항에서,
    상기 상호유도전류형 액위계를 지지하는 플랜지를 더 포함하는 상호유도전류형 액위계.

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