KR20030062999A - 공동식유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관부에 설치된 공동 내의 유체의 압력진동에 의한 주파수를 측정함으로써, 관부를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 공동식유량계에 있어서, 공동 내의 유체의 압력진동에 의한 주파수를 정확하고 간편하게 측정할 수 있도록 관부의 유입부에 소음차단기(Noise Filter)를 설치하여 유입부로 흘러들어오는 유체를 따라 전파하는 소음파가 공동 내에서 발생하는 유체의 압력진동파와 간섭하지 않도록 한다.

또한, 본 발명은 저속으로 흐르는 유체의 유량측정을 용이하게 하고, 이로써 공동식유량계의 유량측정범위를 넓게 하기 위해 관부에 유로 수축부와 유로 팽창부를 설치한다.

Description

공동식유량계{CAVITY FLOWMETER}

본 발명은 배관 내를 흐르는 기체 또는 액체, 즉 유체의 유량을 측정하는 유량계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유체가 관부 내의 공동 내에서 압력진동할 때 발생하는 진동파의 주파수를 정확히 검출하여 유량을 측정하는 공동식유량계에 관한 것이다.

일반적으로, 배관 내를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량계의 종류에는 그 작동원리에 따라 차압식, 터빈식, 전자식, 용적식, 질량식, 초음파식, 와류식 등의 여러 가지가 있다. 공동식유량계와 상기 와류식유량계를 비교하면, 양자는 유량에 비례하는 주파수를 검출하여 유량을 측정한다는 점에서 공통점이 있으나, 와류식유량계의 경우는 와류발생장치에서 발생하는 와류의 발생주기를 측정해서 유량을 산출하는 장치임에 반하여, 공동식유량계는 공동을 스쳐 지나가는 유체의 유속에 비례하는 주파수를 검출하여 유량을 산출하는 점에서 차이점이 있다.

공동식유량계는 상기의 여러 유량계와 비교하여 볼 때, 설계와 제조의 간편성, 유지보수의 불필요성 등의 큰 장점을 가지고 있으나, 주파수측정시 외부소음과의 간섭의 문제점으로 인하여 종래의 공동식유량계는 주파수를 정확하게 측정하지 못하고 있어서 그 활용이 미진한 상태이며, 아직까지 상업화가 되지 못하고 있는 실정이다.

종래의 공동식유량계의 작동원리를 첨부되는 도면을 참조하여 설명하면, 도 1은 종래의 공동식 유량계의 구성을 나타내며, 유량계는 유체의 압력진동을 발생하기 위한 공동(2)과 공동 내의 압력을 감지하는 압력센서(3)로 구성되며, 상기 압력센서(3)에 의해 감지된 공동내의 압력의 주파수를 측정하여 유량을 측정한다.

하지만, 이러한 종래의 공동식유량계에 있어서는 유체의 공동내 압력진동을 실질적으로 정확히 검출하는 것이 불가능하거나, 신호 자동추적기와 같은 장비로 검출하지 못하고 수작업으로 일일이 검출하기가 어렵기 때문에 유량측정장치로서의 활용이 미진할 뿐만 아니라, 아직까지 상업화가 되고 있지 못한 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 배관 내에 흐르는 유체의 유량을 공동 내의 주파수를 검출하여 측정하는 공동식유량계로서, 외부소음등의 간섭을 차단하여 공동진동 주파수를 간편하고 정확하게 측정하여 유량을 정확하게 산출할 수 있는 공동식유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 간단한 장치를 도입하여 공동식유량계의 공동 내의 주파수를 적은 비용으로 정확히 측정하기 위한 공동식유량계를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 공동식 유량계의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 2은 본 발명의 공동식유량계의 작동원리를 설명하기 위한 공동식 유량계의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 3는 도 2의 공동식유량계의 압력센서(3)에 의해 검출되는 시간 대 압력파의 파형과 주파수 대 유속의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프이다.

도 4은 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 구성도이다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 구성도이다.

도 6는 도 4과 도 5의 A-A 단면의 확대도이다

도 7은 본 발명의 관부에 설치된 공동의 투시도이다.

도 8은 도 4과 도 5의 소음차단기(12, Noise Filter)의 확대도이다.

도 9은 도 8의 구형볼 형태의 소음차단기의 확대된 사시도이다.

도 10은 소음차단기(Noise Filter)가 없는 종래의 공동식유량계의 공동에서 검출된 주파수스펙트럼의 주파수 대 피크크기를 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 소음차단기가 달린 공동식유량계의 공동에서 검출된 주파수스펙트럼의 주파수 대 피크크기를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 관부2 : 공동

3 : 압력센서5 : 유출부

6 : 유입부7 : 유로 수축부

8 : 유로9 : 정압감지공

10 : 온도센서 삽입공11 : 유로팽창부

12 : 소음차단기(Noise Filter)13 : 전자부

20 : 케이스21 : 나사조임부

본 발명의 공동식유량계에 있어, 공동진동 주파수를 f, 공동의 길이를 L, 유속을 V라 놓으면 S = f * L/V 의 관계를 가지는 무차원수 S를 얻으며, 이러한 관계식은 진동의 수학적 모델로서, 여기서, S를 스트로홀 수(strouhal number)이라 부른다.

상기 스트로홀 수는 공동의 모양과 크기에 따라 달라지며, 만일 스트로홀 수가 일정치 않다면 유량값에서 큰 오차를 발생하나, 본 공동식유량계는 일정한 레이놀스 수의 범위 내에서는 거의 일정하게 되어 유량계의 오차가 줄어듬으로서 공동식유량계가 정확하게 유량을 측정할 수 있다는 사실은 이미 알려진 바 있다.

하지만, 이러한 공동식유량계의 경우, 공동내에서 발생하는 압력진동을 측정한다는 원리만이 공지된 채 유량측정의 구체적인 측정방법이나 구성에 대한 자료나 연구가 부족하여 상기의 공동식유량계는 업계에서 실질적으로 사용되고 있지 못한 실정이다.

본 발명에 의한 공동식유량계의 유량측정원리를 도 2와 도 3을 이용하여 설명하면, 도 2는 본 발명의 공동식유량계의 작동원리를 설명하기 위한 공동식 유량계의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도면에서 유량계는 유체의 압력진동을 발생하기 위한 공동(2)와 공동 내의 압력을 감지하여 주파수신호로 변환하는 압력센서(3), 유체의 압력을 측정하기 위한 압력센서가 설치된 정압감지공(9), 유체의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 설치된 온도센서 삽입공(10) 및 전자부(13)으로 구성되며, 상기 전자부(13)은 정압감지공(9)에서 측정된 압력(15)과, 온도센서 삽입공(10)으로부터 측정된 온도(16) 및 압력센서(3)에 의해 출력되는 주파수신호 (14)를 데이터 입력단자(17)로 입력받으며, 주파수신호를 화면출력기(20)에 표시하고 FFT변환(Fast Fourier Transform)하여 주파수 신호 중 최대피크를 검출하는 신호 자동추적기(19,Signal Tracker)로 구성된다.

도 3은 공동식유량계에 있어, 공동 내 압력센서(3)의 입력을 시간 대 압력진동으로 나타낸 간략화한 그래프와, 압력센서(3)의 출력을 주파수 대 유속으로 나타낸 간략화한 그래프로 주파수 대 유속의 비가 직선적으로 비례함을 알 수 있다.

하지만, 상기 구성만으로된 공동식유량계의 경우에는 공동에서 얻어진 공동 내 유체의 압력진동에 의한 주파수를 검출할 때, 잡음성분의 주파수 피크가 유체의 압력진동에 의한 주파수 피크 보다 우세하거나 비슷하여 스펙트럼분석기에 포착된 주파수 스펙트럼의 신호 대 잡음비(SNR 또는 Signal to Noise Ratio)가 1.0에 가까워 신호 자동추적기(Signal Tracker)에 의해 자동적인 피크 검출이 되지 못하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 관부(1) 내에 유체의 압력진동을 발생시키기 위한 공동이 설치되어 공동(2) 내의 유체의 압력진동에 의한 주파수를 측정하여 유량을 측정하는 공동식유량계에 있어서, 관부(1)의 유입부 (6)에 유입되는 유체를 따라 전파되는 소음이 공동(2)내 압력진동과 간섭하지 못하도록, 케이스(20) 내의 구형(球形)상체나 파이버가 나사조임부(21)를 조임으로써 최대밀집구조로 조밀하게 충전된 소음차단기(12, Noise Filter)가 공동 (2)의 상류측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계이다.

더욱 바람직하게는, 본 발명은 상기 관부(1)의 소음차단기(12, Noise Filter )와 공동(2) 사이에 노즐형상의 유로 수축부(7)가 설치되고, 공동(2)과 유출부(5)의 사이에 디퓨저형상의 유로 팽창부(1)를 설치하는 것을 특징으로 하는 공동식유량계이다.

즉, 본 발명은 유체가 흐르는 관부의 유입부에 공동진동과 간섭할 수 있는 소음을 제거하기 위한 소음차단기(12, Noise Filter)를 설치하여 관부 소정의 위치에 설치되어있는 공동 내에서 발생하는 유체의 압력진동을 감지하여 주파수를 측정할 때 소음에 의한 잡음을 제거함으로써, 잡음 성분에 의한 주파수 피크가 제거되어, 상기 관부(1)에 흐르는 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.

도 2에 의한 소음차단기(Noise Filter)가 없는 공동식유량계는, 유체의 유량이 작은 경우, 관부 자체나 외부에 의해 발생하거나 유체 흐름시 발생하는 소음에 의한 압력의 강도(Intensity)보다 측정하려는 공동압력진동의 강도가 약한 경우가 많으며, 유체의 유량이 일정 정도 이상이라 할 지라도 상기 소음에 의한 압력때문에 공동압력진동에 의한 주파수 피크를 감지하지 못하거나 정확하게 감지할 수가 없다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 관부(1)의 유입부(6)에 소음차단기(12, Noise Filter)를 도입함으로써, 소음에 의한 주파수의 잡음성분을 제거하여 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 유체의 유속이 작은 경우 공동 내의 압력진동의 강도가 약해 이를 측정할 수 없는 단점을 해결하기 위하여 유입부(6)의 소음차단기 (12, Noise Filter) 하류 측에 유로의 면적이 좁아지는 노즐형상의 유로 수축부 (7)를 설치하여 유체의 유속이 작더라도 유로 수축부(7)를 거쳐 일정 유속이상이 나오게 함으로써 유속이 작은 경우의 유체의 압력진동에 의한 주파수 측정을 용이하게 하여 유체의 유량측정범위를 넓게 하였다.

또한, 관부의 말단에 디퓨저형상의 유로 팽창부(11)를 설치하여 유체가 유로 수축부(7)를 거치기 전의 상태로 환원될 수 있도록 하였다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부되는 도면을 참고로 하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 공동식유량계는 유체가 흐르는 관부(1), 관부(1)에 흐르는 유체가 압력진동을 발생하도록 한 공동(2,Cavity), 상기 공동에서 발생한 압력진동을 감지하여 주파수로 변환하고, 감지된 압력축적으로 형성된 누적주파수를 화면에 표시하는 전자부(13)로 구성되어 있다.

보다 구체적으로, 상기 관부(1)에 있어, 유체의 유입부(6)에는 유체를 따라 전파되는 소음이 공동진동과 간섭하지 못하도록 구형상체나 파이버로 조밀하게 충전되어 있는 소음차단기(12, Noise Filter)가 있으며, 상기 소음차단기 (12, Noise Filter) 하류측에는 유입된 유체가 공동진동을 발생할 수 있는 공동 (2,Cavity)이 설치되어 있으며, 또한 관부(1)에는 유동 유체의 압력을 측정할 수 있는 정압감지공(9)과 유동 유체의 온도를 감지할 수 있는 온도센서 삽입공 (10)이 있어 유동 유체의 압력과 온도를 측정하여 유체의 열역학적 상태를 알 수 있다. 유체의 열역학적 상태를 알게 됨으로써, 측정된 유체의 체적유량을 유체의 질량유량으로 변환하여 나타낼 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 소음차단기(12, Noise Filter)의 외형은 관부(1)의 형상을 따라 형성되며, 그 내부에는 도 8에 도시된 바와 같이, 소음차단기 (12, Noise Filter)의 케이스(20) 내에 구형상체나 파이버를 충전시키고 나사조임부(21)를 조임으로써 케이스(20) 내의 구형상체나 파이버가 최대밀집구조로 조밀하게 충전될 수 있도록 하고, 소음차단기(12, Noise Filter)에 충전되는 구형상체나 파이버의 양을 조절할 수 있도록 하여, 관부(1)의 유입부(6)로 흘러 들어온 유체는 그 유속분포와 그 속에 존재하던 소음파의 구조가 교란되어, 유체가 소음차단기(12, Noise Filter)를 통과한 하류에는 상기의 소음파 등이 전달되지 못한다. 또한, 상기 구형상체 및 파이버는 사용되는 유체의 종류와 화학적 특성에 따라 그 재질을 구형상체의 경우에는 강철(Steel)이나 세라믹 (Ceramic) 등으로, 파이버의 경우는 광섬유나 폴리에스테르등의 섬유질로서 다양한 재질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 일반적인 경우에는 강철의 구형상체를 사용하나, 부식성이 강하거나 고온의 유체의 유량을 측정하는 경우에는 세라믹 등을 사용하는 것을 들 수 있다. 또한, 상기 구형상체의 크기도 사용환경에 따라 달리 할 수 있다. 일반적으로 단위 구형상체의 크기가 클수록 공극이 커짐으로써 유체의 흐름에 의한 마찰손실이 적고, 제작이 용이하나, 그와 반대로 단위 구형상체의 크기가 작을수록 소음차단기(12, NoiseFilter)를 통과한 후의 유체의 소음파의 차단효과가 크기 때문에, 이러한 상충적인 요구를 적당히 조절할 필요가 있다. 이는 유체의 평균적인 유속과 유체의 성질에 따라서도 달라질 수 있다. 또한, 상기 파이버의 배열구조도 그물모양의 형태이거나 단순히 서로 얽혀있는 형태 등 다양하게 할 수 있다.

본 발명의 한 실시예를 나타내는 도 4는, 공동식유량계에 소음차단기 (12, Noise Filter)가 부착된 단면도이다. 도면에서 보는 바와 같이 관부(1)의 유입부 (6)에는 소음차단기(12, Noise Filter)가 설치되고, 유로(8)을 따라 흐르는 유체는 압력센서(3)이 부착된 공동(2)에서 공동진동을 발생하도록 구비되며, 관부(1)의 끝단에는 정압감지공(9)와 온도감지공(10)이 설치되어 유체의 압력과 온도를 감지한다.

공동식유량계의 또 다른 실시예를 나타내는 도 5는, 도 4의 공동식유량계에 소음차단기(12, Noise Filter)와 공동(2) 사이에 노즐 형상의 유로 수축부 (7)와 공동(2)과 유출부(5)의 사이에 디퓨저형상의 유로 팽창부(11)가 더욱 포함되어 있다.

또한, 도 6과 도 7은 도 4와 도 5의 A-A' 단면의 확대도와 관에 부착된 공동의 투시도를 나타낸다.

본 발명의 관부(1)에 설치된 소음차단기(12, Noise Filter)는, 상기 소음차단기(12,Noise Filter)의 확대도를 나타내는 도 8에 도시된 것처럼, 소음차단기 (12, Noise Filter) 내부에는 구형상체나 파이버가 그 케이스(20)에 나사조임부 (21)를 조임으로써 최대밀집구조로 조밀하게 충전되어 있으며, 바람직하게는 상기구형상체는 강철볼 또는 세라믹볼이고, 상기 파이버는 광섬유 또는 폴리에스테르 등의 섬유질이고, 이러한 소음차단기(12, Noise Filter)는 유입부(6)로 유입되는 유체를 따라 전파되는 소음을 차단하는 역할을 하여 공동 내에서 발생하는 유체의 주파수 피크를 신호 자동추적기(19)에 의해 자동으로 검출될 수 있도록 한다.

소음차단기를 사용하지 않은 경우와 소음차단기를 사용한 경우를 비교 설명하기 위한, 도 10과 도 11은 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyser)에 포착된 공동에서 발생된 유체의 압력진동에 의한 주파수 스펙트럼으로서, 도 10은 소음차단기 (12, Noise Filter)가 부착되지 않은 종래의 공동식유량계에서 검출된 주파수 스펙트럼이고, 도 11는 소음차단기(Noise Filter)가 부착된 본 발명의 공동식유량계에서 검출된 주파수 스펙트럼을 나타낸다.

도 10과 도 11에 도시된 것처럼, 도 10에서 446 Hz에서 수동으로 그 피크가 잡혔으나, 신호 대 잡음비가 1.0에 가까워 신호 자동추적기(19)에 의해 자동으로 그 피크가 검출되지 못한다. 반면에, 도 11의 본 발명의 주파수 스펙트럼을 보면, 448 Hz에서 피크의 신호 대 잡음비가 커서 쉽게 신호 자동추적기(19)에 의해 자동으로 그 피크를 검출할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 공동식유량계가 가지는 여러 가지 장점에도 불구하고, 공동 내에서 발생한 유체의 압력진동에 의한 주파수 스펙트럼의 신호 대 잡음비가 적어 자동으로 정확한 유량을 측정할 수 없어 그 활용이 미비했던 문제점을 개선하여 공동식유량계를 적극적으로 활용할 수 있게 하였다.

본 발명에 의한 소음차단기(12, Noise Filter)가 부착된 공동식유량계에 의하면, 유체의 압력진동을 발생토록 하는 공동과 유체의 소음파를 교란하여 유체의 압력진동에 의한 진동주파수를 정확하고 간편하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 소음차단기(12, Noise Filter)가 부착된 공동식유량계에 있어서, 소음차단기(12, Noise Filter)는 그 구조가 간단하고 단순하며 요동하는 부분이 없어 그 설계와 가공비용이 매우 적으며, 또한 공동식유량계는 공동을 관부(1)의 상부에 위치하도록 할 경우 공동에 축적될 수 있는 이물질의 자정효과도 있어 청소 및 보수가 필요 없다. 계측장비의 경우 초기 설계 및 설치비용에 못지 않게 유지 및 보수비용이 많이 드는 점을 고려할 때, 본 공동식유량계는 요동부분이 없고 자정효과를 가졌다는 점은 매우 큰 이점을 가진다.

또한, 본 발명에 의한 공동식유량계에 의하면, 유속과 주파수가 정비례관계에 있으며, 주파수 피크의 검출이 정확하고 간단하게 이루어질 수 있어 유량을 정확하게 측정할 수 있다. 또한 본 발명의 공동식유량계는 와류식유량계에 비하여 유체의 압력이나 온도변화에 민감하지 않아 신호처리기의 설계와 제조도 간편하며, 공동이 배관직경의 대소에 관계없이 같은 크기의 표준공동을 이용할 수 있으므로 대구경 배관에 설치될 용량이 큰 유량계의 제작비용이 크게 절감된다.

이와 같이, 본 발명은 정확하고 신뢰성이 높고 비용이 크게 절감되는 공동식유량계를 제공한다.

Claims (5)

1. 관부(1) 내에 유체의 압력진동을 발생시키기 위한 공동(2)이 설치되어 공동 (2) 내의 유체의 압력진동에 의한 주파수를 측정하여 유량을 측정하는 공동식유량계에 있어서,

   관부(1)의 유입부(6)에 유입되는 유체를 따라 전파되는 소음이 유체의 공동 (2)내 압력진동과 간섭하지 못하도록 하는 소음차단기(12)가 공동(2)의 상류측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소음차단기(12)는 케이스(20) 내의 구형상체가, 나사조임부(21)를 조임으로써 최대밀집구조로 조밀하게 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소음차단기(12)는 케이스(20) 내에 파이버가, 나사조임부(21)를 조임으로써 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관부(1)의 소음차단기 (12)와 공동(2) 사이에 노즐형상의 유로 수축부(7)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 공동(2)과 유출부(5)의 사이에 디퓨저형상의 유로 팽창부(1)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동식유량계.