KR102545782B1 - Automatic flow calculation device through loss head measurement - Google Patents
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Abstract
본 발명은 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력감지센서부에서 측정한 압력값에 의해 회로부에서 손실수두를 측정하고, 상기 측정된 손실수두와 온도감지센서부에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산함으로써, 수력발전소 발전 방류량의 실측 유량이 가능하여 수문 자료 적산 및 통계자료 관리가 편리하고, 발전기의 성능 및 노후 등을 빠르게 판단할 수 있으며, 이에 따라 수자원분야 수문자료의 정화성이 향상되는 특징이 있다.The present invention relates to an automatic device for calculating flow rate through head loss measurement, and more particularly, to measure head loss in a circuit unit by a pressure value measured by a pressure sensor unit, and to measure head loss and temperature sensor unit in the measured head loss and temperature sensor unit. By collecting the measured temperature values and calculating the flow rate through the flow calculation algorithm, it is possible to measure the actual flow rate of the discharge amount generated by the hydroelectric power plant, so it is convenient to integrate hydrologic data and manage statistical data, and to quickly determine the performance and aging of the generator. As a result, the purification of hydrological data in the field of water resources is improved.
Description
본 발명은 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력감지센서부에서 측정한 압력값에 의해 회로부에서 손실수두를 측정하고, 상기 측정된 손실수두와 온도감지센서부에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산함으로써, 수력발전소 발전 방류량의 실측 유량이 가능하여 수문 자료 적산 및 통계자료 관리가 편리하고, 발전기의 성능 및 노후 등을 빠르게 판단할 수 있으며, 이에 따라 수자원분야 수문자료의 정화성이 향상되는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic device for calculating flow rate through head loss measurement, and more particularly, to measure head loss in a circuit unit by a pressure value measured by a pressure sensor unit, and to measure head loss and temperature sensor unit in the measured head loss and temperature sensor unit. By collecting the measured temperature values and calculating the flow rate through the flow calculation algorithm, it is possible to measure the actual flow rate of the discharge amount generated by the hydroelectric power plant, so it is convenient to integrate hydrologic data and manage statistical data, and to quickly determine the performance and aging of the generator. Accordingly, it relates to an automatic flow calculation device through measurement of head loss, which improves the purification of hydrological data in the field of water resources.
수자원분야 수문자료 중 수력발전소(대수력 및 소수력) 발전 방류량은 실측 유량이 아닌 발전출력에 따른 추정치로 방류량을 관리하고 있어 수문 자료 적산 및 통계자료 관리에 어려움이 있다.Among the hydrological data in the field of water resources, the amount of discharge generated by hydroelectric power plants (large hydro and small hydro) is managed based on estimates based on power generation output, not actual flow rates, making it difficult to integrate hydrological data and manage statistical data.
또한, 수력발전기 발전 방류량은 실측값이 아닌 발전출력에 따른 방류량 환산값 을 적용하여, 발전기 노후 및 성능저하에 따른 여건을 반영하지 못한다.In addition, the amount of discharge generated by hydroelectric power generators does not reflect the conditions caused by aging and degradation of the generator by applying the discharge amount conversion value according to the power generation output, not the actual measured value.
그리고, 댐 하류 무효 방류시 토출밸브 개도, 수위에 따른 추정치를 적용하여 정확 한 실제 유량을 확인하기 어려움이 있었다.In the case of invalid discharge downstream of the dam, it was difficult to confirm the accurate actual flow rate by applying the estimated value according to the discharge valve opening and water level.
이렇듯, 수자원분야 수문 자료중 방류량은 실측 유량이 아닌 추정치로 관리하고 있어 정확한 수문자료 적산 및 통계자료 관리 어려움이 상존하고 있다.As such, the amount of discharge among hydrological data in the field of water resources is managed as an estimated value rather than an actual flow rate, so there are always difficulties in accurately integrating hydrological data and managing statistical data.
그리고, 발전 방류량은 실측이 아닌 발전 출력에 따른 환산 값을 적용하고, 발전기 노후 및 성능 저하시 방류량 변화를 반영하지 못하며, 토출밸브를 이용한 무효 방류시 수위와 개도에 따른 추정치를 적용하고 있어서 실제 정확한 방류량 확인 어려움이 있다.In addition, the generation discharge amount is applied by a conversion value according to the generation output, not actual measurement, and does not reflect the change in discharge amount when the generator deteriorates and deteriorates. It is difficult to check the discharge amount.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,The present invention has been made to solve the above conventional problems,
압력감지센서부에서 측정한 압력값에 의해 회로부에서 손실수두를 측정하고, 상기 측정된 손실수두와 온도감지센서부에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산함으로써, 수력발전소 발전 방류량의 실측 유량이 가능하여 수문 자료 적산 및 통계자료 관리가 편리하고, 발전기의 성능 및 노후 등을 빠르게 판단할 수 있으며, 이에 따라 수자원분야 수문자료의 정화성이 향상되는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치를 제공하는데 목적이 있다.By measuring the head loss in the circuit part by the pressure value measured by the pressure sensor unit, and by collecting the measured head loss and the temperature value measured by the temperature sensor unit and calculating the flow rate value through a flow calculation algorithm, a hydroelectric power plant It is possible to measure the actual flow rate of power generation discharge, so it is convenient to accumulate hydrologic data and manage statistical data, and it is possible to quickly judge the performance and aging of the generator, thereby improving the purification of hydrological data in the field of water resources. The purpose is to provide an automatic computing device.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 수력발전소의 방류관에 설치되어 방류되는 유량을 자동으로 연산하는 장치에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention is a device for automatically calculating the discharged flow rate installed in the discharge pipe of a hydroelectric power plant,
본체부와;a body part;
상기 본체부와 연결되어 방류관에 관통 설치되고, 상기 방류관에서 방류되는 유체의 압력을 측정하는 압력감지센서부와;a pressure sensor unit connected to the main body and installed through the discharge pipe to measure the pressure of the fluid discharged from the discharge pipe;
상기 본체부와 연결되어 방류관에 관통 설치되고, 상기 방류관에서 방류되는 유체의 온도를 측정하는 온도감지센서부와;a temperature sensor unit connected to the main body and installed through the discharge pipe to measure the temperature of the fluid discharged from the discharge pipe;
상기 본체부의 내부에 설치되어 압력감지센서부에서 측정한 압력값에 의해 방류관 내 손실수두를 측정하고, 상기 측정한 손실수두와 온도감지센서부에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산하는 회로부와;The head loss in the discharge pipe is measured by the pressure value measured by the pressure sensor installed inside the main body, and the measured head loss and the temperature value measured by the temperature sensor are combined to calculate the flow rate through an algorithm. a circuit unit that calculates a flow rate value;
상기 본체부에 설치되어 회로부와 연결되고, 상기 회로부에 취합된 압력값, 온도값 및 유량값을 표시하는 디스플레이부;a display unit installed in the main body unit, connected to the circuit unit, and displaying a pressure value, a temperature value, and a flow rate value collected in the circuit unit;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.It relates to an automatic flow calculation device through measurement of head loss, characterized in that it is configured to include.
또한, 본 발명의 본체부에는 회로부와 연결되어 회로부의 데이터를 송수신하는 통신부가 연결되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.In addition, the main body of the present invention relates to a device for automatically calculating flow rate through head loss measurement, characterized in that a communication unit for transmitting and receiving data of the circuit unit is connected to the circuit unit.
또한, 본 발명의 디스플레이부가 설치된 본체부의 일면에는 디스플레이부에 유체가 유입되는 것을 방지하도록 방수커버부가 더 설치되고, 상기 방수커버부의 일면은 디스플레이부가 식별되도록 투명하게 형성되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.In addition, head loss measurement characterized in that a waterproof cover is further installed on one side of the main body where the display of the present invention is installed to prevent fluid from flowing into the display, and one side of the waterproof cover is formed transparent to identify the display. It relates to an automatic flow calculation device through.
또한, 본 발명의 회로부의 유량계산 알고리즘은 베르누이 정리에 의해 도출된 하기의 수학식 1-4와 Darcy-Weisbach 식에서 도출된 하기의 수학식 1-9를 대입한 수학식 1-10 및 Colebrook-White 식에서 도출된 하기의 수학식 1-11에 의해 손실수두가 도출되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.In addition, the flow rate calculation algorithm of the circuit part of the present invention is Equation 1-10 and Colebrook-White substituting Equation 1-9 derived from Equation 1-4 and Darcy-Weisbach Equation below derived from Bernoulli's theorem It relates to an automatic flow calculation device through head loss measurement, characterized in that the head loss is derived by the following Equation 1-11 derived from the equation.
또한, 본 발명의 회로부의 유량계산 알고리즘은 수학식 1-10과 수학식 1-11의 유량과 마찰계수를 뉴튼반복법에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치에 관한 것이다.In addition, the flow calculation algorithm of the circuit part of the present invention relates to an automatic device for calculating flow rate through head loss measurement, characterized in that the flow rate and friction coefficient of Equations 1-10 and Equation 1-11 are derived by the Newton iterative method. .
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치는 압력감지센서부에서 측정한 압력값에 의해 회로부에서 손실수두를 측정하고, 상기 측정된 손실수두와 온도감지센서부에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산함으로써, 수력발전소 발전 방류량의 실측 유량이 가능하여 수문 자료 적산 및 통계자료 관리가 편리하고, 발전기의 성능 및 노후 등을 빠르게 판단할 수 있으며, 이에 따라 수자원분야 수문자료의 정화성이 향상되는 효과가 있다.As described above, the automatic flow calculation device through the measurement of the head loss of the present invention measures the head loss in the circuit unit by the pressure value measured by the pressure sensor unit, and measures the head loss in the measured head loss and the temperature sensor unit. By collecting the measured temperature values and calculating the flow rate through the flow calculation algorithm, it is possible to measure the actual flow rate of the discharge amount generated by the hydroelectric power plant, so it is convenient to integrate hydrologic data and manage statistical data, and to quickly determine the performance and aging of the generator. Thereby, there is an effect of improving the purification of hydrological data in the field of water resources.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방류관에 설치되는 유량 자동 연산장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치를 나타낸 분해 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치를 나타낸 정면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부를 나타낸 측면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하류측 말단부에 설치되는 밸브와 압력계를 나타낸 개략도이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치의 시험성적서를 나타낸 문서도이다.1 is a schematic diagram showing an automatic flow calculation device installed in an outlet pipe according to an embodiment of the present invention;
2 is an exploded perspective view showing an automatic flow calculation device according to an embodiment of the present invention;
3 is a front view showing an automatic flow calculation device according to an embodiment of the present invention;
4 is a side view showing a main body according to an embodiment of the present invention;
5 is a schematic diagram showing a valve and a pressure gauge installed at the downstream end part according to an embodiment of the present invention;
6A to 6C are document diagrams showing a test report of an automatic flow calculation device according to an embodiment of the present invention.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.The present invention having such characteristics will be more clearly explained through the preferred embodiments thereof.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.Before describing various embodiments of the present invention in detail with reference to the accompanying drawings, it will be appreciated that the application is not limited to the details of the configuration and arrangement of components described in the following detailed description or shown in the drawings. will be. The invention is capable of being implemented and practiced in other embodiments and of being carried out in various ways. Also, device or element orientation (e.g., "front", "back", "up", "down", "top", "bottom") The expressions and predicates used herein with respect to terms such as ", "left", "right", "lateral", etc. are only used to simplify the description of the present invention and related devices. Or it will be appreciated that it does not indicate or imply that an element simply must have a particular orientation. Also, terms such as "first" and "second" are used herein and in the appended claims for descriptive purposes and are not intended to indicate or imply relative importance or significance.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various alternatives may be used at the time of this application. It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방류관에 설치되는 유량 자동 연산장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치를 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부를 나타낸 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하류측 말단부에 설치되는 밸브와 압력계를 나타낸 개략도이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 자동 연산장치의 시험성적서를 나타낸 문서도이다.1 is a schematic diagram showing an automatic flow calculation device installed in an outlet pipe according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view showing an automatic flow calculation device according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a front view showing an automatic flow calculation device according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a side view showing a main body according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is installed at the downstream end according to an embodiment of the present invention It is a schematic diagram showing a valve and a pressure gauge, and FIGS. 6A to 6C are document diagrams showing a test report of an automatic flow calculator according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치(100)는 본체부(10)와; 상기 본체부(10)와 연결되어 방류관(1)에 관통 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 압력을 측정하는 압력감지센서부(20)와; 상기 본체부(10)와 연결되어 방류관(1)에 관통 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 온도를 측정하는 온도감지센서부(30)와; 상기 본체부(10)의 내부에 설치되어 압력감지센서부(20)에서 측정한 압력값에 의해 방류관(1) 내 손실수두를 측정하고, 상기 측정한 손실수두와 온도감지센서부(30)에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산하는 회로부(40)와; 상기 본체부(10)에 설치되어 회로부(40)와 연결되고, 상기 회로부(40)에 취합된 압력값, 온도값 및 유량값을 표시하는 디스플레이부(50)를 포함하여 구성된다.As shown in FIGS. 1 to 5, the automatic
상기 본체부(10)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 내부가 중공되어 회로부(40)가 구비되고, 상기 본체부(10)는 방류관(1) 주변에 설치되도록 하부에 결착구(11)가 더 형성된다.As shown in FIGS. 1 to 4, the
여기서, 상기 본체부(10)의 양측면에는 압력감지센서부(20) 또는 온도감지센서부(30) 또는 통신부(60)와 연결되도록 다수개의 연결구(12)가 형성되고, 상기 연결구(12)를 통해 본체부(10)의 내부에 구비된 회로부(40)에 압력감지센서부(20) 또는 온도감지센서부(30) 또는 통신부(60)가 연결되는 것이다. 이때, 상기 통신부(60)는 회로부(40)와 통신선에 의해 연결되어 회로부(40)의 데이터를 송수신한다.Here, a plurality of
그리고, 상기 본체부(10)의 전면에는 디스플레이부(50)가 설치되도록 설치홀(13)이 형성되며, 상기 본체부(10)의 설치홀(13)에 설치된 디스플레이부(50)는 회로부(40)와 연결되어 회로부(40)에서 취합된 데이터가 표시된다.In addition, an
또한, 상기 디스플레이부(50)가 설치된 설치홀(13)에는 디스플레이부(50)에 유체가 유입되는 것을 방지하도록 방수커버부(14)가 더 설치되고, 상기 방수커버부(14)의 일면은 디스플레이부(50)가 식별되도록 투명하게 형성된다.In addition, a
상기 압력감지센서부(20)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본체부(10)의 연결구(12)와 연결선으로 연결된 상태에서 방류관(1)의 내부까지 관통되어 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 압력을 측정하여 회로부(40)에 전달한다. As shown in FIGS. 1 to 3, the
상기 온도감지센서부(30)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본체부(10)의 연결구(12)와 연결선으로 연결된 상태에서 방류관(1)의 내부까지 관통 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 온도를 측정하여 회로부(40)에 전달한다. As shown in FIGS. 1 to 3, the
상기 디스플레이부(50)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본체부(10)의 설치홀(13)에 설치되어 회로부(40)와 연결되고, 상기 회로부(40)에 취합된 압력값, 온도값 및 유량값을 표시하여 정보를 제공한다.As shown in FIGS. 1 to 3 , the
상기 회로부(40)는 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본체부(10)의 내부에 설치되어 압력감지센서부(20)에서 측정한 압력값에 의해 방류관(1) 내 손실수두를 측정하고, 상기 측정한 손실수두와 온도감지센서부(30)에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산한다.As shown in FIGS. 1 to 5, the
이하에서는 상기 회로부(40)의 유량계산 알고리즘에 대해 수학식과 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, the flow calculation algorithm of the
1.1 손실수두식 유량계 유량측정원리1.1 Flow measurement principle of loss head type flow meter
도 5와 같은 배관에서 밸브가 완전히 닫힌 상태를 베르누이 방정식으로 하기와 같이 도출하면,If the completely closed state of the valve in the pipe shown in FIG. 5 is derived from the Bernoulli equation as follows,
[수학식 1-1][Equation 1-1]
밸브가 개방되어 유동이 발생한 상태에서는,When the valve is open and flow occurs,
[수학식 1-2][Equation 1-2]
상기의 수학식 1-1과 수학식 1-2를 하나로 합쳐서 다시 쓰면,Rewriting Equation 1-1 and Equation 1-2 above as one,
[수학식 1-3][Equation 1-3]
밸브가 완전히 닫힌 상태에서는 = 0이고 압력계의 높이 이므로 수학식 1-4는 하기와 같이 쓸 수 있다.When the valve is fully closed = 0 and the height of the pressure gauge Therefore, Equations 1-4 can be written as follows.
[수학식 1-4][Equation 1-4]
여기서, P : 유체의 압력, r : 유체의 밀도, V:평균 유속, g:중력가속도, A:관로의 단면적 :손실수두이다.Here, P: fluid pressure, r: fluid density, V: average flow velocity, g: gravitational acceleration, A: cross-sectional area of the pipe : is the loss head.
1.2 관로 손실수두1.2 Pipe loss head
손실수두식 유량측정원리는 관로 내 유동이 정지될 때 형성되는 정수두 라 도출하고, 유동이 형성될 때 관로 특정 지점에서의 수두 는 이 에서 관로 내 관로 표면과 유체와의 마찰에 의한 마찰손실 그리고 밸브, 곡관 등에서 유동교란에 의해 손실되는 미소손실 을 감한 수두와 동일하다는 것이다.The loss head type flow measurement principle is the hydrostatic head formed when the flow in the pipe is stopped. , and the head at a specific point in the pipeline when the flow is formed is this Friction loss due to friction between the surface of the pipe and the fluid in the pipe In addition, minute losses due to flow disturbance in valves, bends, etc. It is equivalent to chickenpox minus .
[수학식 1-5][Equation 1-5]
여기서, : 유동이 정지된 상태에서 수두, : 유동이 형성된 상태에서 수두, : 관로 내 마찰손실수두, : 관로 내 미소손실수두, : 관로 내 손실수두이다.here, : head in a state where the flow is stopped, : head in the state where the flow is formed, : Head of friction loss in the pipeline, : Minimal head loss in the pipeline, : is the head loss in the pipeline.
Darcy-Weisbach 식으로 마찰손실수두 와 미소손실수두 을 하기와 같이 구할 수 있다.Head friction loss by Darcy-Weisbach equation and small loss head can be obtained as follows.
[수학식 1-6][Equation 1-6]
[수학식 1-7][Equation 1-7]
여기서, : 마찰계수, L : 관로 길이, D : 관로 직경, V : 관로 내 평균 유속, g : 중력가속도, : 각종 손실계수, A : 관로의 단면적이다.here, : Friction coefficient, L : Pipe length, D : Pipe diameter, V : Average flow velocity in the pipe, g : Gravitational acceleration, : Various loss coefficients, A: Cross-sectional area of the pipeline.
그리고, 전체손실수두 은 하기와 같다.And, the total number of losses is as follows.
[수학식 1-8][Equation 1-8]
이렇듯, 상기 수학식 1-6 내지 1-8을 정리하면 하기와 같고, 유량 Q가 증가할수록 이 증가하는 것을 알 수 있다.In this way, Equations 1-6 to 1-8 are summarized as follows, and as the flow rate Q increases, It can be seen that this increases
[수학식 1-9][Equation 1-9]
여기서, 상기 수학식 1-4에 측정된 압력차를 수두차 로 표시하고, 이므로 수학식 1-4에 수학식 1-9를 대입해서 하기와 같이 쓴다.Here, the pressure difference measured in Equation 1-4 is the head difference denoted by Therefore, Equation 1-9 is substituted into Equation 1-4 and written as follows.
[수학식 1-10][Equation 1-10]
1.3 직관부 유량과 마찰계수의 관계1.3 Relationship between flow rate and friction coefficient in straight piping
관로 직관부에서 유동형성시 관로 내 마찰손실이 작용할 때 유량 Q와 마찰계수 의 관계는 다음 Colebrook-White 식으로 도출할 수 있다.The flow rate Q and the friction coefficient when the friction loss in the pipe acts when the flow is formed in the straight pipe part of the pipe The relationship of can be derived from the following Colebrook-White equation.
[수학식 1-11][Equation 1-11]
여기서, e : 배관 절대조도, : 유체 동점성계수이다.Where, e: absolute roughness of pipe, : is the fluid kinematic viscosity.
2. 뉴튼반복법을 이용한 비선형식 해법2. Non-linear solution using Newton's iterative method
미지수가 n개인 비선형공식시스템을 해결하기 위한 뉴튼 반복식을 하기와 같 이 작성할 수 있다.Newton's iterative equation for solving a nonlinear formula system with n unknowns can be written as follows.
[수학식 2-1][Equation 2-1]
여기서, {}는 전체 미지수, 의 열벡터, {F}는 전체 공식의 열벡터, 그리고, 은 자코비언행렬, [D]는 역행렬이다. 이때, 자코비언은 수학의 여러 분야에서 적용되고 있으며 하기와 같은 도함수의 행렬로 나타낼 수 있다.here, { } is the total unknown, is the column vector of , {F} is the column vector of the overall formula, and is the Jacobian matrix, and [D] is the inverse matrix. At this time, the Jacobian is applied in various fields of mathematics and can be expressed as a matrix of derivatives as follows.
[수학식 2-2][Equation 2-2]
그리고, 유사하게 {}와 {F}를 하기와 같이 나타낼 수 있다. And, similarly { } and {F} can be expressed as follows.
[수학식 2-3][Equation 2-3]
여기서, ,{F}는 선형 공식시스템의 해를 나타내므로 뉴튼법을 사용하여 선형공식 시스템을 반복법으로 풀어 비선형 공식시스템을 해결할 수 있다는 것을 수학식 2-1에서 보여주고 있다.here, Since , {F} represents the solution of the linear formula system, Equation 2-1 shows that the nonlinear formula system can be solved by solving the linear formula system in an iterative way using Newton's method.
[수학식 2-4][Equation 2-4]
그리고, 상기 수학식 2-1의 현재 추정치의 미지 벡터 {}에서 수학식 2-4인 선형공식시스템의 해 벡터 {} 빼면 다음 반복에서의 해 벡터가 된다. 실제로 뉴튼법은 반복법으로 공식시스템을 해결하는 것이다. And, the unknown vector of the current estimate of Equation 2-1 { }, the solution vector of the linear formula system of Equation 2-4 { } Subtracting it gives us the solution vector at the next iteration. In practice, Newton's method is an iterative method for solving formal systems.
[수학식 2-5][Equation 2-5]
상기 수학식 2-5에서 {}는 [D]{}={F}를 해결함으로써 구할 수 있는 해 벡터이다. 만일 오직 선형식만이 포함되면 1회 반복으로 엄밀해를 구할 수 있다.In Equation 2-5 above, { } is [D]{ It is a solution vector that can be obtained by solving }={F}. If only linear equations are included, an exact solution can be obtained in one iteration.
3. 유량 계산3. Flow Calculation
통상적으로 관로자료 D와 L은 도면으로부터 구할 수 있고, 관로 라이닝 재료 에 따라 결정되는 절대조도 e, 곡관, 유입구, 유출구, 밸브 등 각종 장치에서 발 생하는 손실계수 는 관련 문헌으로부터 구할 수 있다. Pipeline data D and L can usually be obtained from drawings, the absolute roughness e determined by the pipe lining material, and the loss coefficients generated from various devices such as bends, inlets, outlets, and valves. can be obtained from the relevant literature.
또한, 현장에서 특정 관로 지점에 온도계와 압력계를 설치하여 측정된 온도와 압력에 따라 결정되는 유체의 동점성계수 는 문헌에서 구하고, 와 를 측정하면를 구할 수 있으므로 수학식 1-9와 수학식 1-11로 부터 Q와 f를 제외하고는 모두 기저가 된다. In addition, the kinematic viscosity of the fluid determined by the temperature and pressure measured by installing a thermometer and a pressure gauge at a specific pipe point in the field is obtained from the literature, and If you measure Since can be obtained, from Equations 1-9 and 1-11, all except Q and f are the basis.
이제 두 개의 비선형식인 수학식 1-9와 수학식 1-11 그리고 두 개의 미지수 Q와 f를 가지므로 뉴튼 반복법으로 미지수 Q와 f를 해결할 수 있으며, 수학식 1-9와 수학식 1-11을 하기와 같이 도출할 수 있다.Now, since we have two nonlinear equations 1-9 and 1-11 and two unknowns Q and f, we can solve the unknowns Q and f by Newton's iterative method, and we can solve equations 1-9 and 1-11 It can be derived as follows.
[수학식 3-1][Equation 3-1]
[수학식 3-2][Equation 3-2]
여기서, 상기 수학식 3-2를 에 관해 미분하면 하기와 같다.Here, Equation 3-2 above If it is differentiated with respect to , it is as follows.
[수학식 3-3][Equation 3-3]
여기서, 이다.here, am.
그리고, 상기 수학식 3-2를 Q에 관해 미분하면 하기와 같다.Then, when Equation 3-2 is differentiated with respect to Q, it is as follows.
[수학식 3-4][Equation 3-4]
여기서, 이다.here, am.
또한, 상기 수학식 3-1을 에 관해 편미분하면 하기와 같다.In addition, Equation 3-1 above The partial derivative with respect to is as follows.
[수학식 3-5][Equation 3-5]
여기서, 이다.here, am.
그리고, 상기 수학식 3-1을 Q에 관해 편미분하면 하기와 같다.Then, the partial differentiation of Equation 3-1 with respect to Q is as follows.
[수학식 3-6][Equation 3-6]
여기서, 이다.here, am.
이제 상기 수학식 3에서 기술한 절차에 따라 수학식 3-1과 수학식 3-2를 수학식 2-3에, 그리고 수학식 3-3 내지 수학식 3-6을 수학식 2-2에 대입하여 수학식 2-4로부터 {}를 구하고, 이를 수학식 2-5에 대입하여 개선된 해를 구한다. Now, substitute Equations 3-1 and 3-2 into Equation 2-3, and Equations 3-3 to 3-6 into Equation 2-2 according to the procedure described in
이와 같이, 개선된 해의 오차가 허용 범위 이내가 될 때까지 상기의 절차를 반복하면 수학식 1-9와 수학식 1-11에서 미지수인 마찰계수 와 유량 Q에 대한 해를 구할 수 있다.In this way, if the above procedure is repeated until the error of the improved solution is within the allowable range, the unknown friction coefficient in Equations 1-9 and 1-11 and the solution for the flow rate Q can be obtained.
이하에서는 본 발명의 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치(100)에 대해 공인시험한 검증결과를 기술한다.Hereinafter, the verification results of the official test for the automatic
- 공인기관시험 3자 검증TEST - 3rd party verification test by accredited institution
- 시험장소 : K-WATER 연구원내 공인교정기관 - Test place: K-WATER Research Institute certified calibration institute
- 공인(시험)기관 : 한국기계전기전자시험연구원- Authorized (testing) institution: Korea Institute of Machinery and Electronic Testing
공인시험은 한국기계전기전자시험연구원에 의뢰하여 진행하였으나 대구경 배관 측정의 문제로 부득이 장소를 K-water연구원내 국제공인교정기관 표준장비를 활용하여 비교 측정하였다.The official test was conducted by requesting the Korea Institute of Machinery and Electricity Testing, but due to the problem of measuring the large-diameter pipe, the place was inevitably compared and measured using the standard equipment of an internationally accredited calibration institution within the K-water Research Institute.
1. 우선 3.5bar 압력센서 교정데이터 7point를 보내 피팅 상수값을 상출하였으며 온도센서도 1℃ 변화에 0.4 ~ 1.9%까지 변하기 때문에 3point(10℃, 20℃, 30℃) 측정하여 보정값을 사용하였다. 1. First of all, 7 points of 3.5 bar pressure sensor calibration data were sent and the fitting constant value was exported. Since the temperature sensor also changes by 0.4 to 1.9% per 1 ° C change, 3 points (10 ° C, 20 ° C, 30 ° C) were measured and the correction value was used. .
2. 실험전 각 센서별 측정 특히사항 2. Measurements for each sensor before experiment
가. 온도센서 : 15.8℃ 유지(온도 bath 사용) go. Temperature sensor: Maintain 15.8℃ (using temperature bath)
나. 레벨센서 : 0.35bar로 유지 me. Level sensor: maintained at 0.35 bar
다. 압력센서 : 2.879bar로 유지후 압력 offset 데이터 입력 all. Pressure sensor: After maintaining at 2.879 bar, input pressure offset data
라. 압력센서 : offset 값 입력후 2.862bar로 유지하고 측정된 유량값 확인 (표준 1360.8㎥/s) la. Pressure sensor: After entering the offset value, maintain it at 2.862 bar and check the measured flow rate (standard 1360.8㎥/s)
마. 압력센서 : 2.823bar로 유지하고 유량값 확인(표준 2688.1 ㎥/s)mind. Pressure sensor: Maintain at 2.823 bar and check flow rate (standard 2688.1 ㎥/s)
3. 세부 시험내용은 도 6a 내지 도 6c의 유량시험 공인시험성적서를 참조한다.3. For details of the test, refer to the flow test official test report of FIGS. 6a to 6c.
10 : 본체부 11 : 결착구
12 : 연결구 13 : 설치홀
14 : 방수커버부
20 : 압력감지센서부 30 : 온도감지센서부
40 : 회로부 50 : 디스플레이부
60 : 통신부 100 : 연산장치10: body part 11: fastener
12: connector 13: installation hole
14: waterproof cover
20: pressure sensor unit 30: temperature sensor unit
40: circuit unit 50: display unit
60: communication unit 100: arithmetic device
Claims (5)
본체부(10)와;
상기 본체부(10)와 연결되어 방류관(1)에 관통 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 압력을 측정하는 압력감지센서부(20)와;
상기 본체부(10)와 연결되어 방류관(1)에 관통 설치되고, 상기 방류관(1)에서 방류되는 유체의 온도를 측정하는 온도감지센서부(30)와;
상기 본체부(10)의 내부에 설치되어 압력감지센서부(20)에서 측정한 압력값에 의해 방류관(1) 내 손실수두를 측정하고, 상기 측정한 손실수두와 온도감지센서부(30)에서 측정한 온도값을 취합하여 유량계산 알고리즘을 통해 유량값을 연산하는 회로부(40)와;
상기 본체부(10)에 설치되어 회로부(40)와 연결되고, 상기 회로부(40)에 취합된 압력값, 온도값 및 유량값을 표시하는 디스플레이부(50);를 포함하여 구성되고,
상기 본체부(10)의 양측면에는 압력감지센서부(20) 또는 온도감지센서부(30)와 연결되도록 다수개의 연결구(12)가 형성되고, 상기 연결구(12)를 통해 본체부(10)의 내부에 구비된 회로부(40)에 압력감지센서부(20) 또는 온도감지센서부(30)가 연결되며,
상기 회로부(40)의 유량계산 알고리즘은 베르누이 정리에 의해 도출된 하기의 수학식 1-4와 Darcy-Weisbach 식에서 도출된 하기의 수학식 1-9를 대입한 수학식 1-10 및 Colebrook-White 식에서 도출된 하기의 수학식 1-11에 의해 손실수두가 도출되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치.
[수학식 1-4]
[수학식 1-9]
[수학식 1-10]
[수학식 1-11]
(여기서, P:유체의 압력, r:유체의 밀도, :각종 손실계수, f:마찰계수, L:관로 길이, D:관로 직경, V:평균 유속, g:중력가속도, Q:유량, A:관로의 단면적 :손실수두, e:배관 절대조도, :유체 동점성계수, :수학식 1-4에 측정된 압력차를 수두차로 표시함.)
In the device installed in the discharge pipe (1) of a hydroelectric power plant and automatically calculating the discharged flow rate,
The body portion 10 and;
A pressure sensor unit 20 connected to the main body 10, installed through the discharge pipe 1, and measuring the pressure of the fluid discharged from the discharge pipe 1;
A temperature sensor unit 30 connected to the main body 10, installed through the discharge pipe 1, and measuring the temperature of the fluid discharged from the discharge pipe 1;
The head loss in the discharge pipe 1 is measured by the pressure value measured by the pressure sensor unit 20 installed inside the main body unit 10, and the measured head loss and temperature sensor unit 30 a circuit unit 40 that collects the temperature values measured in and calculates a flow rate value through a flow calculation algorithm;
A display unit 50 installed on the main body unit 10 and connected to the circuit unit 40 and displaying the pressure value, temperature value, and flow rate value collected in the circuit unit 40; configured to include,
A plurality of connectors 12 are formed on both sides of the body portion 10 to be connected to the pressure sensor unit 20 or the temperature sensor unit 30, and through the connectors 12, the body portion 10 The pressure sensor unit 20 or the temperature sensor unit 30 is connected to the circuit unit 40 provided therein,
The flow calculation algorithm of the circuit part 40 is Equation 1-10 and Colebrook-White equation substituting Equation 1-9 derived from Equation 1-4 and Darcy-Weisbach equation below derived from Bernoulli's theorem. An automatic device for calculating flow rate through head loss measurement, characterized in that the head loss is derived by the derived Equation 1-11.
[Equation 1-4]
[Equation 1-9]
[Equation 1-10]
[Equation 1-11]
(Where, P: pressure of the fluid, r: density of the fluid, : Various loss coefficients, f: friction coefficient, L: pipe length, D: pipe diameter, V: average flow velocity, g: gravitational acceleration, Q: flow rate, A: cross-sectional area of the pipe :head loss, e:absolute roughness of pipe, : Fluid dynamic viscosity coefficient, : The pressure difference measured in Equation 1-4 is expressed as the head difference.)
상기 본체부(10)에는 회로부(40)와 연결되어 회로부(40)의 데이터를 송수신하는 통신부(60)가 연결되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치.
According to claim 1,
Automatic flow calculation device through loss head measurement, characterized in that the main body portion (10) is connected to the circuit portion (40) is connected to the communication unit (60) for transmitting and receiving data of the circuit portion (40).
상기 디스플레이부(50)가 설치된 본체부(10)의 일면에는 디스플레이부(50)에 유체가 유입되는 것을 방지하도록 방수커버부(14)가 더 설치되고, 상기 방수커버부(14)의 일면은 디스플레이부(50)가 식별되도록 투명하게 형성되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치.
According to claim 1,
A waterproof cover part 14 is further installed on one surface of the body part 10 where the display part 50 is installed to prevent fluid from flowing into the display part 50, and one surface of the waterproof cover part 14 is Automatic flow calculation device through measurement of head loss, characterized in that the display unit 50 is formed transparently to be identified.
상기 회로부(40)의 유량계산 알고리즘은 수학식 1-10과 수학식 1-11의 유량과 마찰계수를 뉴튼반복법에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 손실수두 측정을 통한 유량 자동 연산장치.According to claim 1,
The flow rate calculation algorithm of the circuit unit 40 automatically calculates flow rate through head loss measurement, characterized in that the flow rate and friction coefficient of Equation 1-10 and Equation 1-11 are derived by the Newton iterative method.
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