KR20020031906A - 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법과 이를 이용한질량 유량 측정센서 - Google Patents

열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법과 이를 이용한질량 유량 측정센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서가 관로 내에 위치하도록 관로에 설치된 센서유닛과, 상기 센서유닛에 설치되어 상기 열선에 의해 가열된 유체의 온도를 감지하는 하나의 온도센서와, 상기 센서유닛에 설치되어 상기 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 하나 이상의 온도센서와, 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서로부터 입력되는 온도 데이터를 증폭하여 디지털신호로 변환하고, 이를 마이크로 프로세서에 제공하는 증폭 및 A/D 변환부 및 상기 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량을 제어하며 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 감지되는 온도 차이 및/또는 상기 열선에 공급되는 전기적인 열량으로부터 관로 내의 유체의 질량 유량을 연산하는 마이크로 프로세서로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 관로 내의 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와 이를 마이크로 프로세서에 연결하기 위한 회선수를 최소로 줄일 수 있는 것이다.

Description

열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법과 이를 이용한 질량 유량 측정센서 {Thermal mass flow meter}
본 발명은 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법과 이를 이용한 질량 유량 측정센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원형(圓形) 또는 사각(四角) 관로 내의 유체의 온도를 측정하여 관로 내의 질량 유량을 측정할 수 있도록 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법 및 이를 이용한 질량 유량 측정센서에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 관로 내의 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와 이를 마이크로 프로세서(micro processor)에 연결하기 위한 회선수를 최소로 줄일 수 있도록 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법 및 이를 이용한 질량 유량 측정센서에 관한 것이다.
관로 내를 흐르는 유체(액체 혹은 기체 등을 말한다)의 유량을 측정하기 위하여 차압 유량계와 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계, 열 전달 질량 유량계 등의 여러 종류의 유량계를 사용하고 있다.
여러 종류의 유량계 중 열 전달 질량 유량계는 온도센서를 이용하여 제작된 유량센서와 변환기 등으로 구성되어 있는데, 이는 열선이 구비되지 않은 온도센서 및 열선이 구비된 온도센서의 개수에 대응되는 회선수를 구비해야 할뿐만 아니라 아날로그 신호 방식을 채용하고 있다. 이에 따라 열 전달 유량계의 구조가 복잡해짐은 물론이고, 측정된 데이터가 정확하게 처리되지 않아 관로 내의 질량 유량이 정확하게 측정되지 않는다.
본 발명은 원형 또는 사각 관로 내의 유체의 온도 및 관로 내의 열선에 공급되는 열량을 측정하여 관로 내의 질량 유량을 측정할 수 있도록 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법 및 이를 이용한 질량 유량 측정센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 관로 내의 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와 이를 마이크로 프로세서에 연결하기 위한 회선수를 최소로 줄일 수 있도록 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법 및 이를 이용한 질량 유량 측정센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 내지 도 3은 온도센서의 개수에 따른 질량 유량 측정센서의 여러 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 동작을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 측정센서의 설치상태를 나타낸 사시도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
11∼1n : 온도센서 20 : 열선이 구비된 온도센서
21∼2n,30 : 증폭 및 A/D 변환부 40 : 마이크로 프로세서
51 : 센서유닛 52 : 몸체
53 : 플렌지 54 : 단자함
55 : 관로 61∼6n : 관통홀
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법의 일 실시예는, 관로 내에 설치된 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량이 일정하게 유지되도록 제어하는 제 1단계와, 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 제 2단계와, 상기 각 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도 데이터를 디지털 상태로 변환하는 제 3단계 및 상기 열선이 구비된 온도센서와 열선이 구비되지 않은 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도 차이를 구하고, 이로부터 관로 내의 질량 유량을 연산하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법의 다른 실시예는 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 제 1단계와, 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도가 동일하도록 열선에 공급되는 전기적인 열량을 조절하는 제 2단계와, 상기 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량 데이터를 디지털 상태로 변환하는 제 3단계 및 상기 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량 데이터로부터 관로 내의 질량 유량을 연산하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의한 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법에서 최종적으로 질량 유량을 연산하는 과정으로는 열전도도, 점도, 밀도, 프란틀 수(Prandtl number)(Pr), 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전류 및 전압, 온도센서의 회선수, 관로의 크기, 온도센서의 크기 등에 대한 입력으로부터 대류 열 전달 계수(h)를 구하고, 이로부터 너셀 수(Nusselt number)(), 로이놀즈 수 (Reynolds number)(RedT) 등을 구한 후 이를 적용하여 관로 내의 질량 유량(m)을 구할 수 있을 것이다.
상기한 방법으로 질량 유량을 측정하는 질량 유량 측정센서는, 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서가 관로 내에 위치하도록 관로에 설치된 센서유닛과, 상기 센서유닛에 설치되어 상기 열선에 의해 가열된 유체의 온도를 감지하는 열선이 구비된 하나의 온도센서와, 상기 센서유닛에 설치되어 상기 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서와, 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서로부터 입력되는 온도 데이터를 증폭하여 디지털신호로 변환하고, 이를 마이크로 프로세서에 제공하는 증폭 및 A/D 변환부 및 상기 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량을 제어하며 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 감지되는 온도 차이 및/또는 상기 열선에 공급되는 전기적인 열량으로부터 관로 내의 유체의 질량 유량을 연산하는 마이크로 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나의 온도센서는 센서유닛(senser unit)의 몸체 끝부분으로 노출되는 설치되는 것이 바람직하다. 또한 상기 센서유닛의 몸체에 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서는 유체와 접하도록 하나의 관통홀에 설치되며, 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서는 유체와 접하도록 각각의 관통홀에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 프로세서는 열전도도, 점도, 밀도, 프란틀 수(Prandtl number) (Pr) , 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전류 및 전압, 온도센서의 회선수, 관로의 크기, 온도센서의 크기 등에 대한 입력으로부터 대류 열 전달 계수(h)를 구하고, 이로부터 너셀 수(Nusselt number)(), 로이놀즈 수(Reynolds number) (RedT) 등을 구한 후 이를 적용하여 관로 내의 질량 유량(m)을 구하도록 구성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면과 함께 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 온도센서의 개수에 따른 질량 유량 측정센서의 여러 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 4는 도 1 내지 도 3의 동작을 설명하기 위한 블록 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 측정센서의 설치상태를 나타낸 사시도이다.
본 발명에 의한 질량 유량 측정센서, 즉 센서유닛(51)은 도 5에 도시한 것처럼, 사각 혹은 원형의 관로(55) 내에 다수개의 온도센서를 구비한 몸체(52)가 위치하도록 설치되는데, 센서유닛(51)은 몸체(52)의 일측에 구성된 플렌저(53)와 몸체(52)의 일측 단부에 구성된 단자함(54)에 의해 관로(55)에 고정되도록 되어 있다. 또한, 몸체(52)의 관통홀(61∼6n)에는 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서가 내장되는데, 그 예는 아래와 같다.
도 1은 센서유닛(51)의 일 예로서, 한 쪽에 플렌저(53)와 단자함(54)이 구성된 몸체(52)의 다른 한 쪽에는 열선이 구비된 하나의 온도센서(20)와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11)가 관로(55) 내를 흐르는 유체와 접하도록 설치되어 있으며, 이 온도센서(11)(20)는 몸체(52)를 길이방향으로 관통하는 관통홀을 통해 단자함(54)에 연결되어 있다.
도 2와 도 3은 센서유닛(51)의 다른 예로서, 한 쪽에 플렌저(53)와 단자함(54)이 구성된 몸체(52)에는 몸체(52)의 길이방향과 직교되는 하나 이상의 관통홀(61∼6n)이 형성되어 있으며, 이 관통홀(61∼6n)에는 열선이 구비된 하나의 온도센서(20)와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11∼16n)가 관로(55) 내를 흐르는 유체와 접하도록 내장되어 있으며, 이 온도센서(11∼1n)(20)는 몸체(52)를 길이방향으로 관통하는 관통홀을 통해 단자함(54)에 각각 접속되어 있다. 도 2와 도 3의 실시예의 차이점은 열선이 구비되지 않은 온도센서(11∼1n)의 개수에 있다.
여기서, 열선이 구비되지 않은 온도센서(11∼1n)의 개수에 따라 몸체(52)에 형성되는 관통홀(61∼6n)의 개수가 결정됨을 알 수 있으며, 열선이 구비된 온도센서(20)가 몸체(52)의 중앙, 즉 관로(55)의 중앙에 위치하도록 설치됨을 알 수 있다.
이렇게 다양한 형태를 갖는 센서유닛(51)에 설치된 열선이 구비된 하나의 온도센서 (20)와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11∼1n)는 도 4에서와 같이 증폭 및 A/D 변환부(21∼2n)(30)를 매개로 마이크로 프로세서(40)에 각각 접속되어 있다. 이에 따라 마이크로 프로세서(40)에는 온도센서(11∼1n)(20)에 의해 감지된 온도 데이터가 증폭 및 A/D 변환부(21∼2n)(30)에 의해 디지털신호로 변환되어 제공된다. 물론, 온도센서(20)에 구비된 열선에 전기적인 열량을 공급하기 위해서 온도센서(20)의 열선과 마이크로 프로세서(40) 사이에 별도의 라인을 구비해야 함은 당연하다 할 것이다.
위와 같이 다수개의 온도센서(11∼1n)(20)와 그리고 온도센서(20)에 구비된 열선이 연결된 마이크로 프로세서(40)는 열선에 공급되는 전기적인 열량을 제어하는 한편 다수개의 온도센서(11∼1n)(20)에 의해 감지되는 온도 데이터와 열선에 공급되는 전기적인 열량을 토대로 관로 내를 흐르는 유체의 질량 유량을 연산하도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명한다.
먼저, 마이크로 프로세서(40)는 온도센서(20)에 구비된 열선에 전기적인 열량을 일정하게 공급하면서 열선이 구비된 하나의 온도센서(20)와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11∼1n)에 의해 감지되는 관로(55) 내의 유체의 온도를 감지한다. 여기서, 마이크로 프로세서(40)에 공급되는 온도값은 증폭 및 A/D 변환부 (21∼2n)에 의해 디지털신호로 변환되어 입력된다.
이어서 마이크로 프로세서(40)는 열선이 구비된 하나의 온도센서(20)에 의해 감지되는 온도와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11∼1n)에 의해 감지되는 온도와의 차이를 구한 후 이를 기초로 아래에서와 같이 관로 내의 유체의 질량 유량을 구한다.
관로 내의 유체의 질량 유량을 구하는 다른 방법으로는 열선이 구비된 하나의 온도센서(20)와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서(11∼1n)에 의해 감지되는 유체의 온도를 감지한 마이크로 프로세서(40)는 열선이 구비된 하나의 온도센서 (20)에 의해 감지되는 유체의 온도와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서 (11∼1n)에 의해 감지되는 유체의 온도가 동일한 값을 갖도록 온도센서(20)에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량, 즉 전류 및 전압을 제어한다.
이어서 마이크로 프로세서(40)는 온도센서(20)에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량(전류, 전압 등을 말한다)을 감지하고, 이를 기초로 아래에서와 같이 관로 내의 유체의 질량 유량을 구한다.
위와 같이 마이크로 프로세서(40)는 열 전달 이론을 이용하여 관로 내의 유체의 질량 유량을 연산하는데, 이러한 열 전달 이론을 설명한다.
어떤 질량 유량(m)으로 흐르는 유체가 열선이 부착된 온도 센서로부터 빼앗아 오는열량(Q)을 아래의 수학식 1에 의하여 주어진다.
여기서, h : 대류 열 전달 계수(=)이고,
As: 열선이 부착된 온도 센서의 표면적()이며,
dT: 열선이 부착된 온도 센서의 직경이며,
: 열선이 부착된 온도 센서가 유체 내에 잠겨진 부분의 길이로서,
As는 열선이 부착된 온도 센서의 기하학적인 정보로부터 구할 수 있으며, 온도(Tf) (Ts)는 측정되는 값이다.
그러나 대류 열 전달 계수(h)는 정상적인 계산 방법으로는 구할 수 없으며 이를 구하는 방법은 아래와 같다.
우선, 대류 열 전달 계수(h)는 유속(질량 유량 또는 레이놀즈 수(RedT)), 유체의 밀도(ρ), 유체의 점도(μ), 유체의 열전도도(k) 및 유체의 프란틀 수()의 함수이다. 이러한 대류 열 전달 계수(h)는 아래의 경험식, 즉 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
여기서, 평균 너셀 수()는 아래의 수학식 3과 같다.
그 다음에, 수학식 2를 이용하여 레이놀즈 수(RedT)를 구한 후 아래의 수학식 4에 의해 질량 유량(m)을 구한다.
여기서,는 평균 너셀 수(너셀 수는 표면에서의 온도 구배를 가리키는 무차원 수이다)이고,
m : 질량 유량이며, D : 관로의 내경이다.
다시 말하면, 레이놀즈 수(RedT)와 프란틀 수()가 알려진 값이면, 너셀 수()는 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다. 그리고 너셀 수()와 열선이 구비된 온도센서의 직경(dT) 및 유체의 열전도도(k) 값을 알면, 대류 열 전달 계수(h)의 값은 수학식 3에 의해 구할 수 있을 것이다. 또한, 수학식 3을 이용하여 구한 대류 열 전달 계수(h)의 값과 수학식 1에 의해 구해진 대류 열 전달 계수(h)의 값이 같아야 함은 당연하다 할 것이다. 마지막으로, 수학식 4를 이용하여 질량 유량(m)을 구한다.
본 발명에 의하면, 관로 내의 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와 이를 마이크로 프로세서에 연결하기 위한 회선수를 최소로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 관로 내의 질량 유량을 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 한하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

  1. 관로 내에 설치된 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량이 일정하게 유지되도록 제어하는 제 1단계;
    상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 제 2단계;
    상기 각 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도 데이터를 디지털 상태로 변환하는 제 3단계; 및
    상기 열선이 구비된 온도센서와 열선이 구비되지 않은 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도 차이를 구하고, 이로부터 관로 내의 질량 유량을 연산하는 제 4단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법.
  2. 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 제 1단계;
    열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 감지되는 유체의 온도가 동일하도록 열선에 공급되는 전기적인 열량을 조절하는 제 2단계;
    상기 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량 데이터를 디지털 상태로 변환하는 제 3단계; 및
    상기 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량 데이터로부터 관로내의 질량 유량을 연산하는 제 4단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 4단계는, 열전도도, 점도, 밀도, 프란틀 수(Prandtl number)(Pr), 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전류 및 전압, 온도센서의 회선수, 관로의 크기, 온도센서의 크기 등에 대한 입력으로부터 대류 열 전달 계수(h)를 구하고, 이로부터 너셀 수(Nusselt number)(), 로이놀즈 수(Reynolds number)(RedT) 등을 구한 후 이를 적용하여 관로 내의 질량 유량(m)을 구하는 것을 특징으로 하는 상기 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법.
  4. 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서가 관로 내에 위치하도록 관로에 설치된 센서유닛;
    상기 센서유닛에 설치되어 상기 열선에 의해 가열된 유체의 온도를 감지하는 열선이 구비된 하나의 온도센서;
    상기 센서유닛에 설치되어 상기 관로 내의 유체의 온도를 감지하는 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서;
    상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서로부터 입력되는 온도 데이터를 증폭하여 디지털신호로 변환하고, 이를 마이크로프로세서에 제공하는 증폭 및 A/D 변환부; 및
    상기 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전기적인 열량을 제어하며 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서에 의해 감지되는 온도 차이 및/또는 상기 열선에 공급되는 전기적인 열량으로부터 관로 내의 유체의 질량 유량을 연산하는 마이크로 프로세서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열선이 구비된 하나의 온도센서와 열선이 구비되지 않은 하나의 온도센서가, 센서유닛의 몸체 끝부분으로 노출되는 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 센서유닛의 몸체에 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 열선이 구비된 하나의 온도센서가 유체와 접하도록 하나의 관통홀에 설치되며, 열선이 구비되지 않은 하나 이상의 온도센서가 유체와 접하도록 각각의 관통홀에 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정센서.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서는, 열전도도, 점도, 밀도, 프란틀 수(Prandtl number)(Pr), 하나의 온도센서에 구비된 열선에 공급되는 전류 및 전압, 온도센서의 회선수, 관로의 크기, 온도센서의 크기 등에 대한 입력으로부터 대류 열 전달 계수(h)를 구하고, 이로부터 너셀 수(Nusselt number)(), 로이놀즈 수(Reynolds number)(RedT) 등을 구한 후 이를 적용하여 관로 내의 질량 유량(m)을 구하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정센서.
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KR1020000062689A KR20020031906A (ko) 2000-10-24 2000-10-24 열 전달 원리를 이용한 질량 유량 측정방법과 이를 이용한질량 유량 측정센서

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101520759B1 (ko) * 2013-09-27 2015-05-19 한국전력공사 보일러 튜브의 온도분포를 측정하기 위한 시스템 및 방법
KR20180048026A (ko) 2016-11-02 2018-05-10 성낙원 열식 질량 유량계

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