KR20000075878A - 이중 직관식 코리올리 유량계 - Google Patents

Abstract

이중 직관식 코리올리 유량계는 피측정 유체가 흐르는 직관형인 플로우튜브(4), 카운터밸런서로서 기능하도록 양단에 고정된 중공통형의 외측 튜브(5), 구동장치(7), 및 한 쌍의 센서(8)로 구성되고, 플로우튜브(4)를 구동장치(7)에 의해 진동시켜, 플로우튜브(4)에 작용하는 코리올리 힘에 비례한 위상차를 한 쌍의 센서(8)에 의해 검지함으로써 질량유량을 측정한다. 본 발명은 이와 같은 이중 직관식 코리올리 유량계에 있어서, 판부재(결합플레이트(6))를 사용하여 외측 튜브(5)의 양단에서 플로우튜브(4)를 고정하고 결합플레이트(6)를 튜브어셈블리 지지용 판스프링(14)과 일체형으로 형성한다. 본 발명은 이와 같이 플로우튜브와 외측 튜브를 판부재에 의해 결합함으로써, 그 사이에 발생하는 응력을 흡수하고, 또한 외측 튜브의 온도의 균일화를 도모할 뿐아니라 제조비용을 현저히 절감할 수 있게 된다.

Description

이중 직관식 코리올리 유량계 {STRAIGHT DOUBLE TUBE TYPE CORIOLIS FLOWMETER}

코리올리 유량계는 측정매체가 흐르는 양단이 지지된 측정관(測定管)을 진동시켰을 때 측정관에 작용하는 코리올리 힘(Coriolis force)이 측정매체의 질량유량(mass flow)에 비례하는 것을 이용하여 질량유량의 측정을 행하는 것이다.

종래의 코리올리 유량계에 관하여 도 4에 따라 설명한다. 이 코리올리 유량계는 이중 직관식으로서, 양단에 접속 플랜지(2)를 가지는 중공(中空) 원통형 외측 하우징(1)을 가지며, 외측 하우징(1) 내에는 그 외측 하우징(1)과 동축 상에 플로우튜브(flow tube)(4) 및 외측 튜브(5)로 이루어지는 이중 직관이 배설되어 있다. 직관형 플로우튜브(4)에는 피측정유체가 흐르고, 중공 직관형인 외측 튜브(5)의 중앙부에는 평형추(balance weight)(10)가 장착되어 있다. 그리고 상기 플로우튜브(4) 및 외측 튜브(5)는 그 양측에서 강체(剛體)인 연결블록(coupling block)(12)에 의해 동축 상에 고착되어 있다. 평형추(10)의 중량은 양측의 연결블록(12)을 지지부로 한 플로우튜브(4)의 고유진동수 및 외측 튜브(5)의 고유진동수가 동일하게 되도록 조정되어 있다.

또한, 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 중앙부에는 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)를 서로 반대위상으로 공진구동(共振驅動)하기 위한 구동장치(7)가 장착되고, 구동장치(7) 양측의 대칭위치에 코리올리 힘에 의한 플로우튜브(4)의 위상차를 검지(檢知)하기 위한 한 쌍의 센서(8)가 설치되어 있다.

이와 같은 이중 직관식 코리올리 유량계는 단순하고 콤팩트한 구성으로 되어 있어 코리올리 힘에 의한 위상차에 비례한 질량유량을 안정적으로 검출할 수 있게 되어 있다.

그러나 이와 같은 이중 직관식인 코리올리 유량계는 측정유체의 온도가 변하고 플로우튜브와 외측 튜브에 매우 큰 온도차가 생길 경우에는, 튜브의 길이방향으로 응력(stress)이 발생하고 열응력의 발생에 따른 스프링정수의 변화에 의해 튜브의 고유진동수가 변화한다. 이에 의해 에너지밸런스가 무너지고 공진구동이 곤란하게 된다.

또한, 코리올리 유량계에는 실제로 흐르는 양인 참값과 계측결과인 측정치 사이에는 계기오차(計器誤差)로 불리우는 오차가 존재하며, 이러한 계기오차는 보정할 필요가 있다. 이중 직관식 코리올리 유량계는 일반적으로 외측 튜브의 어느 한 지점의 온도 또는 응력을 계측하고, 이것에 의거하여 보정을 행하는 것이 효율적이지만, 외측 튜브의 온도분포가 불균일하게 되면 정확한 보정이 불가능하게 된다. 종래의 강체(剛體)로 만들어지는 연결블록(12)을 사용한 결합에 의하면, 길이방향 전체가 동일하게 전열되지 않고, 양단으로부터의 국부적인 연결블록(12)에 의한 열전도(熱傳導)가 커지며, 그 결과 외측 튜브의 온도분포가 불균일하게 된다.

또한, 일반적으로 진동지지단(振動支持端)은 브레이징(brazing)에 의해 결합되지만, 지지단과 튜브의 열용량에 큰 차이가 있으면 브레이징 절차가 복잡하게 되고 코스트 상승의 원인이 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고, 플로우튜브와 외측 튜브를 판부재(板部材)로 결합함으로써 튜브들 사이에 발생하는 응력을 흡수하고 국부적인 열전도를 제한하여 외측 튜브의 온도의 균일화를 꾀하고, 박판(薄板)의 두께를 튜브 두께에 근접시킴으로써 브레이징을 간단하고도 양호하게 하는 이중 직관식 코리올리 유량계를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 카운터밸런서(counterbalancer)용 외측 튜브를 가지는 이중 직관식 코리올리(Coriolis) 유량계에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하는 이중 직관식 코리올리 유량계의 일예를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1에 있어서, A로 표시한 원형 내의 플로우튜브와 외측 튜브의 결합부를 확대하여 나타내는 상세도이다.

도 3은 본 발명을 적용하는 코리올리 유량계의 다른 예로서, 플로우튜브와 외측 튜브의 결합부를 부분적으로 확대하여 나타내는 도면이다.

도 4는 종래기술의 이중 직관식 코리올리 유량계를 나타내는 도면이다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 이중 직관식 코리올리 유량계는 피측정유체가 흐르는 직관형(直管形) 플로우튜브(flow tube)(4), 상기 플로우튜브의 외주측에 동심(同心)으로 배치되어 카운터밸런서(counterbalancer)로서 기능하도록 양단이 고정된 중공통형(中空筒形) 외측 튜브(5), 구동장치(7), 및 한 쌍의 센서(8)로 구성된다. 상기 플로우튜브(4)가 구동장치(7)에 의해 진동을 일으키게 되면, 그 진동에 의해 플로우튜브(4)의 양측에서 상기 플로우튜브(4)에 작용하는 코리올리 힘에 비례한 위상차가 한 쌍의 센서(8)에 의해 검지되어 질량유량이 측정된다. 본 발명은 이와 같은 이중 직관식 코리올리 유량계에 있어서, 플로우튜브(4)가 판부재를 거쳐 외측 튜브(5)의 양단에 고정되고, 또한 그 판부재는 자신의 탄성에 의해 플로우튜브와 외측 튜브의 신장(伸長)의 차이에 기인하는 열응력을 흡수하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명은, 이와 같이 플로우튜브와 외측 튜브를 판부재로 결합함으로써 튜브들 사이에 발생하는 응력을 흡수할 수 있고, 이에 따라 열응력의 발생에 의해 스프링정수가 변화하거나 튜브 고유진동수가 변화하지 않으면서 공진구동이 안정적으로 유지된다. 또, 판부재이므로 얇은 두께를 통하여 열전도를 감소시키고, 플로우튜브와 외측 튜브 사이의 공간을 통하여 길이방향으로 균일한 전열 비율을 증대시키므로, 외측 튜브 온도의 균일화를 도모할 수 있다. 그 결과, 계기오차의 보정을 위해 외측 튜브의 한 지점에서 측정한 온도가 보다 정확해짐으로써 계기오차의 정확한 보정이 가능하게 된다. 그리고 판부재의 두께를 튜브 두께에 근접하게 함으로써 그들 부재의 열용량이 거의 동일하게 되어 브레이징을 간단하고도 양호하게 할 수 있다는 효과가 있다.

또, 본 발명의 이중 직관식 코리올리 유량계는 동심(同心)으로 배치된 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 사이를 폐색(閉塞)하도록 상기 판부재를 디스크형상으로 하고, 플로우튜브(4)의 외주측과 외측 튜브(5)의 내주측을 브레이징한 구조를 특징으로 하고 있다. 이와 같이, 판부재를 디스크형상으로 함으로써 판부재를 통한 열전도를 곤란하게 하는 얇은 두께를 유지하면서 충분한 기계적 강도 및 견고한 브레이징을 가능하게 한다.

또한, 본 발명의 이중 직관식 코리올리 유량계는 상기 판부재를 외측 튜브(5)의 반경방향 외측까지 대칭으로 연장하여 판(板)스프링(14)으로 형성하고, 그 단부(端部)를 외측 하우징(1)에 고정하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써 구성을 간단히 하고, 안정된 진동을 얻기 위한 판스프링(14)의 기능을 겸비할 수 있다. 결합플레이트와 판스프링을 일체형 구조로 함으로써 부품수를 감소시키고, 비용을 절감할 수 있는 동시에 플로우튜브와 외측 튜브의 지지점(支持点) 및 튜브어셈블리의 지지점을 완전히 일치시켜 안정한 진동이 얻어김으로써, 높은 성능의 코리올리 유량계를 낮은 코스트로 제조할 수 있다.

이하에서, 본 발명을 실시형태에 따라 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명을 적용하는 이중 직관식 코리올리 유량계의 일예를 나타낸다. 본 예의 이중 직관식 코리올리 유량계는 양단에 접속 플랜지(2)를 가지는 중공원통형 외측 하우징(1)을 가지고, 외측 하우징(1) 내에는 그 외측 하우징(1)과 동축 상으로 피측정유체가 흐르는 직관형으로 예를 들면 스텐레스강, 하스텔로이(Hastelloy), 티타늄합금 등으로 만들어진 플로우튜브(4)가 배설되어 있다. 이하에서 상세하게 기술하는 바와 같이, 상기 플로우튜브(4)의 외측에는 길이방향 양단부를 제외하고 동심 이중관을 구성하도록 판부재(결합플레이트(6))를 거쳐 중공통형상의 외측 튜브(5)가 그 양측에 동심으로 고정되어 있다. 이 위치가 진동지점(振動支点)이 된다. 외측 튜브(5)는 탄성을 가지는 재료로서, 예를 들면 스텐레스강, 하스텔로이, 티타늄합금 등에 의해 구성하는 동시에, 그 중앙부에 평형추(10)를 장착하여, 전체로서 카운터밸런서로서 기능한다.

플로우튜브(4)의 가진(加振) 및 그에 따른 코리올리 힘에 의해 발생된 위상차의 검출은 통상의 방법으로 행해진다. 즉, 구동장치(7)가 외측 튜브(5)에 장착되어, 플로우튜브(4)를 그 고유진동의 1차 모드(primary mode)로 진동시킨다. 그리고, 유체가 흐를 때, 진동의 스피드가 최대로 되는 중앙부를 경계로 하여 유입측과 유출측에서는 코리올리 힘이 반대방향으로 되어 플로우튜브는 파도치듯이 휘게 된다. 이것을 2차 모드성분이라고 칭하는데, 플로우튜브는 구동장치에 의해 야기되는 가진에 기인한 1차 모드의 진동, 및 코리올리 힘에 기인한 2차 모드의 진동이 중첩되는 형태로 변위한다. 한 쌍의 센서(8)가 구동장치(7)의 양측에 2차 모드성분이 최대로 되는 위치에서 외측 튜브(5)에 설치되고 코리올리 힘에 의한 플로우튜브(4)의 위상차를 검지하며, 이에 따라 질량유량을 알 수 있다.

도 2의 (A)는 도 1에서 A로 표시한 원형 내의 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 진동지점이 되는 결합부를 확대하여 나타내는 상세도이다. 본 발명은 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)를 결합할 때, 결합플레이트(6)로서 예시한 바와 같은 판부재를 사용하는 것이다. 후술하는 바와 같이, 판부재로서는 전열의 관점에서는 얇을 수록 유리하지만, 외측 튜브를 지지하는 데 필요한 기계적 강도의 관점에서는 견고하게 브레이징하기 위해서 상기 두 튜브와 같은 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 기계적 강도 및 견고한 브레이징의 관점에서 결합플레이트(6)는 동심으로 배치된 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 사이를 폐색하는 디스크형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 2의 (B)는 (A)와 동일하게 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 진동지점이 되는 결합부를 확대하여 나타내는 상세도이다. 결합플레이트(6)에서의 플로우튜브(4)와의 결합부는 안정한 브레이징 강도를 얻기 위해 도시된 바와 같이 프레스 압출하여 형성할 수 있다.

상기 결합플레이트(6)는 예를 들면 스텐레스강, 하스텔로이, 티타늄합금 등에 의해 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 결합플레이트(6)를 플로우튜브(4) 외주 및 외측 튜브(5)의 내주와 각각 브레이징함으로써 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)는 그 양단측에서 결합플레이트(6)를 거쳐 일체로 고정되어 진동지점으로 된다.

브레이징 재료로서는 금, 니켈, 은, 바나듐 등이 사용된다. 또한 외측 튜브(5)의 내주 및 결합플레이트(6)의 외주를 브레이징하는 예를 도시하였으나, 외측 튜브(5)의 양단의 단부 측면에 결합플레이트(6)의 외주부를 측면에서 맞대어 브레이징하는 것도 가능하다. 또, 브레이징 대신에 용접, 접착 등의 적절한 고착수단을 사용하여 고착할 수 있다.

본 발명에 따라 판부재를 사용하여 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)를 결합함으로써 열응력을 흡수할 수 있다. 예를 들어 유체온도에 변화가 생길 경우, 내부에 유체가 흐르는 플로우튜브(4)는 바로 그 온도변화를 따라가는 한편 그 외측에 있는 외측 튜브(5)의 온도응답에는 지연(遲延)이 생긴다. 즉 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5) 사이에 온도차가 생기게 되는데, 이 온도차에 의한 플로우튜브(4)와 외측 튜브(5)의 신장(伸長)의 차이에 따라 열응력이 생기게 된다. 본 발명에 의하면, 이러한 열응력은 전술한 결합플레이트(6)의 탄성에 의해 흡수된다. 따라서, 열응력의 발생에 따라 스프링정수가 변화하거나 튜브의 고유진동수가 변화하지 않고 공진구동이 안정적으로 유지된다.

또, 본 발명은 결합플레이트(6)를 사용하여 결합함으로써, 외측 튜브(5)의 온도분포가 균일하게 된다. 전술한 바와 같이, 예를 들어 유체온도가 변화할 경우, 그에 따라 변화한 플로우튜브(4)의 온도가 외측 튜브(5)에 전달될 때에는 동심의 양 튜브 사이의 공간(여기에 존재하는 공기 및 방사(放射))를 거치고, 결합플레이트(6)의 전열을 거쳐 이루어진다. 양 튜브 사이의 공간을 거쳐 이루어지는 전열은 그 길이방향으로 동일한 반면, 결합플레이트(6)를 거쳐 이루어지는 전열은 양 단측에서만 이루어져서 온도분포에 불균일을 일으키는 원인이 된다. 본 발명은 결합플레이트(6)를 종래기술과 같은 강체블록이 아니고 판부재로 함으로써, 불균일의 원인이 되는 결합플레이트(6)를 거쳐 이루어지는 전열이 양 튜브간의 공간을 거쳐 동일하게 이루어지는 것보다 작아진다. 이에 따라 전체적으로 외측 튜브(5)의 온도분포가 균일하게 되고, 계기오차의 보정을 위해 외측 튜브의 한 지점에서 측정한 온도는 보다 정확한 온도를 나타내게 되므로 계기오차의 정확한 보정이 가능하게 된다.

도 3은 본 발명을 적용하는 코리올리 유량계의 다른 예로서, 플로우튜브와 외측 튜브의 결합부를 부분적으로 확대하여 나타낸다. 도면에서, 도면 부호 (14)는 결합플레이트(6)와 일체로 형성된 판(板)스프링이다.

이중 직관식의 경우, 진동지점을 판스프링(14)에 의해 외측 하우징(1)에 지지함으로써 지지부의 특성변화의 영향을 받기 어렵고, 안정한 진동을 얻을 수 있는 것이 종래부터 알려져 있으나, 도시된 예에 있어서는 결합플레이트(6)를 외측 튜브(5)의 반경방향 외측까지 좌우대칭으로 연장하여 양측에 판스프링(14)을 구성한 것이다. 바꾸어 말하면, 판스프링(14)과 결합플레이트(6)를 일체로 하여 1매의 판으로 공용(共用)하는 것이다. 이와 같은 공용에 의해 구성이 간단해지고, 결합플레이트(6)의 기능 및 판스프링(14)의 기능을 함께 갖추게 할 수 있을 뿐 아니라, 브레이징이 용이해진다. 도시된 바와 같이, 브레이징을 용이하게 하기 위한 돌출부(13)를 상하로 남기고, 좌우를 절결하여 여기에 일체로 형성한 결합플레이트(6) 및 판스프링(14)을 끼워 넣고 브레이징한다. 판스프링(14)의 타단측도 또한 브레이징과 같은 적절한 수단에 의해 외측 하우징(1)에 고정된다.

도시된 예에 있어서는, 도면의 상하방향으로 진동구동하는 것을 상정하고 이에 대하여 직각의 횡단방향으로 판스프링(14)을 연장하고 있으나, 판스프링(14)의 연장방향은 도시된 예와는 직각인 상하방향으로 하고, 진동구동의 방향과 동일하게 하는 것, 또는 반경방향 사방(四方)으로 연장시키는 것도 가능하다.

이상 기술된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 카운터밸런서용인 외측 튜브를 가지는 이중 직관식 코리올리 유량계에 있어서, 플로우튜브와 외측 튜브 사이에 발생하는 응력을 흡수하고, 또한 국부적인 열전도를 제한하여 외측 튜브의 온도의 균일화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

Claims (3)

1. 피측정유체가 흐르는 직관형(直管形)인 플로우튜브(flow tube), 상기 플로우튜브의 외주측에 동심(同心)으로 배치되어 카운터밸런서(counterbalancer)로서 기능하도록 양단이 플로우튜브에 고정된 중공통형(中空筒形)인 외측 튜브, 구동장치, 및 한 쌍의 센서로 구성되고, 상기 플로우튜브를 구동장치에 의해 진동시켜서 그 진동에 의해 플로우튜브에 작용하는 코리올리 힘(Coriolis force)에 비례하는 위상차를 상기 한 쌍의 센서에 의해 검출함으로써 질량유량(mass flow)을 측정하는 이중 직관식 코리올리 유량계에 있어서,

   상기 플로우튜브가 상기 외측 튜브의 양단에서 판부재(板部材)를 거쳐 고정되고, 상기 판부재는 플로우튜브와 외측 튜브의 신장(伸長)의 차이에 기인하는 열응력을 자신의 탄성에 의해 흡수하는 것을 특징으로 하는

   이중 직관식 코리올리 유량계(Coriolis flowmeter).
2. 제 1항에 있어서,

   상기 판부재가 동심으로 배치된 상기 플로우튜브와 상기 외측 튜브의 사이를 폐색(閉塞)하는 디스크 형상으로 형성되고, 플로우튜브 외주측 및 외측 튜브 내주측과 고착(固着)되는 것을 특징으로 하는 이중 직관식 코리올리 유량계.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 판부재는 반경방향으로 외측 튜브의 외측까지 대칭으로 연장되어 판스프링을 형성하고, 그 단부는 외측 하우징에 고정되는 것을 특징으로 하는 이중 직관식 코리올리 유량계.