KR20030090740A - 와류주파수 유량계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 저항보디가 착설되어 파이프라인을 통한 액체 또는 기체매체의 유량을 검출하기 위한 와류주파수 유량계에 관한 것으로, 상기 저항보디는 유동방향에 대하여 평행하게 배열되고 양 유동방향에서는 와류발산변부에서 끝나는 측면을 포함한다. 발산변부로부터 주기적으로 발산하는 와류를 검출하기 위한 하나의 센서가 상기 측면의 적어도 한 곳에 배치된다. 본 발명의 목적은 양측 유동방향에서 측정이 이루어질 수 있고 또한 간단한 수단을 이용하여 유동방향을 측정할 수 있는 와류주파수 유량계를 발달시키는데 있다. 이러한 목적은 적어도 하나의 센서(16)가 발산변부(8, 8.1; 9, 9.1) 사이에서 유동방향(20, 21)에서 보았을 때 중심으로부터 벗어난 위치에 배치되는 와류주파수 유량계에 의하여 달성된다.
Description
본 발명은 파이프라인을 통한 액체 또는 기체 매체의 유량을 측정하기 위한 청구범위 제1항의 전문에 따른 와류주파수 유량계에 관한 것이다.
와류주파수 유량계는 유체흐름내에 배치된 굵은 장애물(장벽동체)에서 발산하는 주기적인 와류를 이용한다. 이로써 유체의 흐름방향으로 향하는 장애물 표면의 양측으로부터 교대로 와류가 발산되는 현상이 나타난다. 따라서, 소위 폰-칼만 와류스트리트(von-Karman vortex street)가 생성된다. 즉, 와류는 이것이 와해되기 전에 유체흐름내에 배치된 장애물의 후측으로 일정한 거리까지 활성적인 상태로 유지된다. 와류주파수 유량계는 어떠한 장애물 프로파일에 대하여 와류발산의 주파수와 광범위한 저속영역의 유속 사이에 선형 종속성이 존재한다는 사실을 이용하는 바, 환언컨데, 이들과 함께 파이프라인을 통한 유체의 유동체적이 이러한 주파수를 측정함으로써 직접 유도될 수 있다. 이와 같이, 장애물 이외에 와류발산 또는 이로부터 나타나는 유동유체의 파라미터(예를 들어, 압력, 속도, 온도)의 변화를 측정하기 위한 센서수단이 와류주파수 유량계의 측정조립체의 일부를 구성한다.
주로 상업적으로 입수가능한 상기 언급된 와류주파수 유량계의 경우 장애물은 유동단면에서 직경방향으로 연장된 롯드형태로 구성된다. 이러한 장애물 동체를 갖는 와류주파수 유량계의 예는 특허문헌 GB 1 401 272, US 4,206,642, US 4,285,247, DE 37 14 344 C2, DE 41 02 920 C2, US 3,979,954, EP 0 077 764, US 4,434,668, US 4,922,759, US 5,214,965, US 5,321,990 및 EP 0 666 468에서 찾아 볼 수 있다.
이후에 링형 장애물을 갖는 와류주파수 유량계가 개발되었다. 롯드형 장애물에 비하여 이들은 유동단면의 동일한 절대블로킹(압력손실)의 경우 작은 폭의 프로파일을 보인다. 따라서, 동일한 유동속도에서 높은 와류주파수를 보인다. 즉, 롯드형 장애물에 비하여 측정정확도가 개선된다. 링형 장애물을 이용하는 와류주파수 유량계의 예는 특허문헌 GB 1 502 260, WO 88/04410, DE 32 20 539, DE 28 02 009, US 5,170,671, US 5,289,726, JP 560 22 963, JP 59 19 8317, JP 11 48 912, JP 11 48 913 및 JP 11 48 914에서 찾아 볼 수 있다. 그러나, 이러한 링형 장애물을 갖는 와류주파수 유량계는 실제로 현재까지 실시된 바 없다.
특허문헌 DE 28 02 009에는 링형 장애물을 갖는 와류주파수 유량계가 기술되어 있다. 한 실시형태에서, 이 장애물은 단면이 직사각형이다. 즉, 이는 유동방향에 평행하게 놓이고 양 유동방향에서 와류발산변부에서 끝나는 측면을 가짐으로써 발산변부 사이에서 장애물의 단면이 유동방향에 대칭이고 이에 대하여 수직을 이룬다. 따라서, 이는 양 방향에서 유동의 측정에 적합하다. 방사상의 연결바아는 장애물이 파이프라인내에서 동심원상으로 착설될 수 있도록 한다. 장애물에서 발산되는 와류를 측정하기 위하여 장애물 자체에 또는 그 부근에, 예를 들어 파이프라인 벽에 압력 또는 속도감응형 측정센서가 제공된다. 이러한 측정센서의 구성과 배치에 대한 상세한 내용이 특허문헌 DE 28 02 009에는 기술되어 있지 않다.
특허문헌 GB 1 401 272에는 마찬가지로 양 방향에서 유동측정이 이루어질 수 있도록 하는 롯드형 장애물을 갖는 와류주파수 유량계가 기술되어 있다. 이 장애물에는 장애물의 일측 측면으로부터 타측 측면까지 연장되고 측면에 밀착되게 정렬되는 박막으로 양측이 폐쇄되며 방사방향 및 축방향으로 중심에 놓이는 통공이 구비되어 있다. 통공은 오일로 채워져 있어 박막이 수압적으로 연통된다. 통공내에는 압전센서가 배치되며 이는 와류발산에 의하여 박막을 통해 전당되는 압력펄스를 오일매체를 통하여 검출한다.
본 발명의 목적은 양측 유동방향에서 측정이 이루어질 수 있고 또한 간단한 수단을 이용하여 유동방향을 측정할 수 있는 와류주파수 유량계를 제공하는데 있다.
본 발명의 이러한 과제는 청구범위 제1항의 특징부에 따른 와류주파수 유량계에 의하여 해결된다.
여하튼간에 존재하고 요구되는 적어도 하나의 센서가 발산변부 사이의 편심유동방향(중앙이 아님)에 배치된다는 간단한 사실에 의하여, 양측 유동방향에서 측정이 이루어질 수 있고 또한 유동방향을 측정할 수 있다. 이러한 효과는 예를 들어 와류발산에 의한 압력, 온도 및 속도와 같은 파라미터의 변화가 발산변부 사이의 중심에 배치하는 것과는 다르게 적어도 하나의 센서를 축방향으로 배치함으로써 두 유동방향에서 다르게 나타나고, 이러한 차이에 기초하여 유동방향이 검출될 수 있다는 사실로부터 나온다. 이를 위하여 와류주파수 유량계의 설계와 부가적인 측정장치에 부가적인 경비가 요구되지 않는다. 그러나, 이러한 이점은 실제로 측정된 주파수와 진폭이 어떠한 유동방향에 관련하여 독특하게 조합되는 한정된 조건하에서 측정된 주파수 진폭쌍과 비교되는 매우 복잡한 데이터처리과정을 거쳐야 하는 희생이 따른다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 신호처리의 복잡성은 적어도 하나의 센서가 유동방향에서 제1센서에 대하여 다른 위치에 배치되고 동일한 유동선 상에 배치된 제2센서와 관련되게 함으로써 감소될 수 있다. 이러한 센서의 배열구성으로 유동방향이 저장된 주파수 진폭쌍과의 비교없이 측정됨으로써 실제 측정된 진폭이 서로 직접 비교되어 유동방향이 진폭의 차이로부터 결정될 수 있다. 또한 적당한 조건하에서, 양측 센서의 신호의 시간적 변위가 유동방향을 측정하는데 이용될 수 있다.
유동방향에서 전후로 두 센서를 배치하지 않고, 이들 센서가 롯드형 장애물의 길이방향 또는 링형 장애물의 주연방향으로 분배되어 배치되고 각각 유동방향으로 이동가능하게 배치될 수 있다. 이러한 배열구성은 유동방향을 측정할 수 있는 이점과 아울러 유동의 대칭검출이 이루어질 수 있도록 하는 부가적인 이점도 준다. 센서의 수가 많으면 많을 수록 대칭검출의 정확도는 증가할 것이다.
만약 센서가 발산변부 사이의 편심위치에서 반대방향으로 배치되는 경우, 즉 이들의 간격이 가능한 한 클 경우에는 이러한 경우에 있어서 양 유동방향에서 신호의 차이가 최대가 됨으로 유리한 것이다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명에 있어서는 마이크로센서를 이용하는 것이 유리하다. 이러한 센서는 그 크기가 작으므로 발산변부에 매우 근접한 위치에 배치될 수 있어 한편으로는 축방향으로 간격을 둔 센서 사이의 간격이 최적한 상태가 되게 넓으며 다른 한편으로는 강한 신호가 발생될 수 있는 것이다.
본 발명의 제2 이점은 측정점을 장애물의 측면부의 양측에 배치할 때 측정점이 통공을 통하여 연결될 수 있다는 것에 있다. 이는 강하압력과 상승압력을 가산할 수 있도록 함으로써 이러한 연결이 없는 측정점과 비교하였을 때 이중압력의 크기가 매우 높은 측정감도에 의하여 나타날 수 있도록 한다. 이와 같이, 본 발명은 차동압력센서로서 가장 적합한 것이다.
더욱이, 통공은 외측부와 내측부의 표면에 밀착되게 정렬되는 박막으로 폐쇄되는 것이 바람직하다. 이는 통공이 폐색되는 것을 방지하고 와류의 발생을 저해하는 통공을 통한 수직방향 유동의 발생을 방지하도록 한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다 :
도 1은 링형 장애물을 가지고 파이프라인내에 착설되는 와류주파수 유량계와 그 후측에 형성되는 폰-칼만 와류스트리트를 보인 단면도 ;
도 2-도 8은 롯드형 장애물과 여러 센서구성을 가지고 파이프라인내에 착설되는 와류주파수 유량계를 보인 단면도 ;
도 9는 양 유동방향의 신호차이를 설명하는 압력-시간 그래프 ;
도 10은 도 2의 A-A 선 확대단면도 ;
도 11은 도 3의 B-B 선 확대단면도 ;
도 12와 도 13은 링형 장애물과 여러 센서구성을 갖는 와류주파수 유량계를 보인 각 사시도 ; 및
도 14는 여러 장애물의 형태를 보인 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호설명
4... 장애물8, 8.1, 9, 9.1... 발산변부
16... 마이크로센서17, 18... 측면
20, 21... 유동방향
도 1은 와류주파수 유량계(2)가 착설된 파이프라인(1)을 보이고 있다. 상기 유량계는 외부고정링(3)과 내부의 장애물 링(4)으로 구성되며, 상기 장애물 링(4)은 120°간격을 두고 방사상으로 배치된 3개의 바에 의하여 고정링(3)에 견고히 연결되어 있다(도 1에서는 도시하지 않았음). 이러한 바(5)는 도 12와 도 13에 도시되어 있으며, 이들 도면에는 예를 들어 장애물 링(4)을 고정하기 위하여 2~4개의 바(5)가 사용된다. 고정링(3)은 파이프라인(1)의 내부에 와류주파수 유량계(2)를 착설하는데 사용되며 이 와류주파수 유량계는 상세히 도시하지 않은 두 플랜지 사이에 고정된다. 이러한 고정링은 그 내경이 파이프라인(1)의 내경 R0와 일치함으로써 파이프라인의 내벽(6)이 고정링(3)의 내면과 연속되어 이들 사이에서 와류는 발생되지 않는다. 유체의 유동(유동방향을 화살표 20으로 보임)에 대향하는 장애물 링(4)의 면(7)은 전후에서 예리한 발산변부(8)(9)를 가지며 유체의 유동에 대하여수직으로 배치된다. 이들 발산변부(8)(9)에서, 링형 와류(10)(11)가 동일한 주파수를 가지고 교대로 발산되며 직경이 큰 링형 와류(10)는 발산변부(8)에 의하여 형성되고 직경이 작은 링형 와류(11)는 발산변부(9)에 의하여 형성된다. 장애물 링(4)이 바에 의하여 파이프라인(1)의 내부에서 동심원상으로 고정되어 있으므로 파이프라인의 전체 단면을 통한 유동이 이루어지는 경우 상기 장애물 링은 도 1에서 보인 난류속도 프로파일(12)로 보인 바와 같은 원형 등속곡선내에 놓인다. 이와 같이, 와류발산은 매우 균등하게 일어날 수 있어 링형 와류(10)(11)는 이들이 와해되기 전 와류주파수 유량계(2)의 후측으로 비교적 장시간 동안 소위 폰-칼만 와류스트리트라고 불리는 영역에 활성적인 상태를 유지할 것이다.
예시된 실시형태에 선택된 롯드형 및 링형 장애물(4)은 그 단면부(13)가 직사각형이다. 이러한 단면부(13)는 유동방향(20)(21)에 대하여 수직인 그 두개의 주축선(19)(22)을 중심으로 하여 대칭이므로 와류주파수 유량계(2)에 유동방향(21)의 유체가 부딪치는 경우 파라미터는 동일하게 될 것이다(도 1)(와류 10, 11는 각각 발산변부 8.1 및 9.1로부터 시작된다). 환언컨데, 이러한 단면부에 있어서 어떠한 흐름속도는 양 유동방향에 대하여 주파수가 동일하도록 한다. 양 방향에서 유량측정의 선택에 불구하고 신호처리의 복잡성은 낮게 유지된다.
도 14에서는 예를 들어 양 방향에서 측정이 이루어질 수 있도록 하는 장애물 링(4)의 다른 단면부(13)를 보이고 있다. 이후의 설명에서는 예로써 직사각형의 단면부에 대하여 설명될 것이나(도 14.2, 14.3), 다른 단면부에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.
장애물 링(4)에 구성되는 센서는 마이크로센서(16)이다(도 10, 도 11). 이들은 도 2~도 8, 도 12 및 도 13에서 간단히 원으로 표시하였다. 상기 언급된 바와 같이, 발산변부(8, 9, 또는 8.1, 9.1)에서 각각 발산된 와류는 속도와 압력에서 부분적인 변화를 보이도록 한다. 이와 같이, 모든 측정원리는 이들 값 또는 이들 값에 따른 파라미터를 검출하는데 적합하다. 적당한 센서의 예로서는 다음과 같은 것이 있다 : 차동압력센서, 절대압력센서, 총유동자항센서, 유동마찰센서, 열분산센서 및 열분배센서. 일반적으로 이러한 형태의 센서는 전문가에게 잘 알려져 있으므로 이들 구조의 원리는 마이크로테크놀로지로 전환될 수 있다. 즉, 이들 잘 알려진 형태의 센서를 미니추어화할 수 있다는 것이다. 이와 같이 마이크로센서(16)는 이러한 마이크로센서에 의하여 실현되는 측정원리가 중요한 것이지 그 구성이 정확할 필요는 없으므로 도 10과 도 11에서 블랙박스 형태로 도시하였다.
선택된 실시형태에서는 예를 들어 차동압력마이크로센서(16)가 이용되었으나 본 발명에서는 이러한 센서로 제한되는 것은 아니다. 차동압력마이크로센서(16)에 의한 측정에 있어서, 두 측정점(16.1)(16.2)이 단면부(13)의 측면(17)(18)에 놓인다. 측정점(16.1)(16.2)은 통공(23)으로 연결된다. 측정점(16.1)(16.2)은 도 10과 도 11에서 보인 바와 같이 차동압력마이크로센서(16)이거나 통공(23)의 유출구일수 있다. 이 통공(23)을 통하여 측면(17)(18)의 압력차가 중첩된다. 와류의 발산이 교대로 일어나므로 측면(17)(18)중 하나에서의 압력증가는 동일한 크기로 측면(18)(17)중 다른 하나에서의 압력강하와 같아 신호의 진폭이 두배가 된다. 즉 측정신호가 크게 증폭되어 측정감도가 증가한다.
본 발명에 따라서 유동방향을 검출하기 위한 센서의 구성은 도 2-도 8에서 설명된다. 이들 도면은 롯드형 장애물(4)을 가지고 파이프라인(1)내에 구성된 와류주파수 유량계(2)를 보이고 있다. 난류유동의 프로파일(12)이 도시되어 있다.
기본적으로, 유량과 유동방향으 측정하는데에는 하나의 센서(16)로 충분하다. 이러한 가장 간단한 경우가 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 차동압력마이크로센서(16)가 파이프 축선의 레벨에서 유동방향(20)에 대항하여, 즉 발산변부(8)(9)를 향하여 배치된다. 이러한 구성으로 동일한 유동속도에 기초하여 측정된 압력크기는 유동이 방향(20)을 향할 때 유동이 방향(21)을 향하는 경우 보다 크다. 이는 도 9의 그래프에서 설명되는 바, 여기에서 곡선 A는 유동방향(20)에 관련된 것이고 곡선 B는 유동방향(21)에 관련된 것이다. 하나의 진폭값이 두개의 주파수, 즉 유동방향(20 또는 21)의 속도에 관련되므로 자체의 이러한 진폭은 유동방향(20)(21)을 측정하는데 충분치 않다. 따라서 실제측정값이 비교될 수 있는 한정된 조건하에서 주파수 진폭쌍의 특성과 데이터가 부가적으로 이용되어야 한다. 이와 같이, 단 하나의 센서(16)가 배치된 구성에 있어서는 데이터처리의 복잡성이증가한다.
이러한 복잡성은 도 3에 따른 구성을 이용함으로써 피할 수 있다. 이러한 구성에서는 두개의 차동압력마이크로센서(16)가 파이프 축선의 동일한 레벨에 배치된다. 두 차동압력마이크로센서(16)는 단면부(13)의 주축선(19)에 대하여 각각 발산변부(8)(8.1)(9)(9.1)를 향하여 배치된다(도 11). 두 유동방향(20)(21)에 대한 이러한 센서(16)의 배치는 도 2에 따른 구성의 경우와 같이 특성테이터의 저장없이 신호크기의 비교가 직접적으로 실행될 수 있어(도 9) 유동방향측정의 정확도가 증가하고 데이터처리의 복잡성이 감소한다. 상기 언급된 도 2에 따른 구성 보다 나은 이점은 증가된 측정용장성에 있다.
더욱이, 도 2에 따른 구성에 비하여 증가된 측정용장성은 도 4에 따른 센서의 분배에 의하여 얻을 수 있다. 여기에서는 두개의 차동압력마이크로센서(16)가 파이프 축선으로부터 센서(16)의 동일한 거리 rM를 두고 동일한 방향으로 발산변부(8)(9)를 향하여 배치된다. 유량과 유동방향(20)(21)의 측정 이외에, 이러한 구성에 있어서는 각각 복잡한 데이터처리가 이용되는 경우 비대칭유동의 검출이 이루어질 수 있도록 한다. 유동방향(20)(21)의 검출에 관하여, 도 2에 따른 센서배열과 같이 약간의 결점이 있다. 그러나, 이러한 결점은 도 5에서 보인 바와 같이 센서(16)를 두배로 중가구성함으로써 도 3에 따른 해결방법과 유사한 방법으로 해소할 수 있다.
그러나, 이러한 결점은 도 6에서 보인 보다 간단한 해결방법에 의하여 해소할 수 있다. 여기에서는 파이프 축선으로부터 동일한 거리 rM를 두고 배치되는 두개의 차동압력마이크로센서(16)가 반대방향으로 배치된다. 대칭유동인 경우 이들 센서는 파이프 축선으로부터 동일한 거리에 배치되어 있어 동일한 유동속도, 즉 주파수를 검출하므로 이러한 구성은 도 3에 따른 센서배열구성과 같으나 유동방향(20)(21)의 검출에 대하여서는 비대칭유동의 검출이 이루어질 수 있도록 하는 이점을 준다.
장애물(4)의 높이에서 분포된 센서(16)의 수를 증가시키면 비대칭유동의 검출의 정확성을 높일 수 있을 것이다. 도 7은 도 6에서 보인 구성에 제3의 중앙측정점을 부가한 센서배열구성을 보이고 있다. 이러한 중앙위치에 대하여서는 비교위치가 없으므로 발산변부(8)(9)(8.1)(9.1) 사이의 중앙에 배치된다. 또한 주요 유동방향(20)(21)에 대한 중앙측정점의 신호진폭을 최대화하기 위하여 일측 또는 타측 유동방향(20)(21)에 이 중앙측정점을 배치할 수도 있을 것이다.
도 8은 4개의 차동압력마이크로센서(16)가 쌍으로 배치된 장애물(4)을 보인 것으로, 여기에서 한쌍의 차동압력마이크로센서(16)는 항상 파이프 축선으로부터동일한 거리 rM1또는 rM2를두고 배치된다. 도 5에 따른 구성과 유사하게, 이러한 구성은 유동방향(20)(21)의 검출에 대하여 용장성을 보인다.
측정점에 관한 다른 배치구성으로서 모든 측정점이 일측 방향에서는 파이프 축선의 하측에 놓이고 타측 방향에서는 파이프 축선의 상부에 배치될 수 있음을 예상할 수 있다.
도 12와 도 13은 센서배열구성이 도 6 및 도 8과 유사한 링형 장애물(4)을 갖는 와류주파수 유량계(2)를 보인 것이다. 이와 같은 경우에도 상기 언급된 롯드형 장애물(4)을 갖는 경우에 대하여 설명된 내용들이 적용될 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 내부에 장애물(장벽동체)(4)이 착설되어 파이프라인(1)을 통한 액체 또는 기체매체의 유량을 검출하기 위한 와류주파수 유량계로서, 상기 장애물은 유동방향에 대하여 평행하게 배열되고 양 유동방향(20, 21)에서는 와류발산변부(8, 8.1; 9, 9.1)에서 끝나는 측면(17, 19)을 포함하며, 유동방향(20, 21)에서 이에 수직인 발산변부(8, 8.1; 9, 9.1) 사이의 장애물(4)의 단면이 대칭이고 하나 또는 그 이상의 측면(17, 18)에서 하나 또는 그 이상의 센서(16)가 발산변부(8, 8.1; 9, 9.1)로부터 주기적으로 발산하는 와류(10, 11)를 검출할 수 있게 된 와류주파수 유량계에 있어서, 유동방향(20, 21)을 검출하기 위한 하나 또는 그 이상의 센서(16)가 발산변부(8, 8.1; 9, 9.1) 사이에서 유동방향(20, 21)에서 보았을 때 중심으로부터 벗어난 위치에 배치됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제1항에 있어서, 장애물(4)이 롯드형, 링형 또는 적어도 부분적으로 링형임을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 센서(16)가 유동방향(20, 21)에서 제1센서에 대하여 다른 위치에 배치되고 동일한 유동선 상에 배치된 제2센서(16)와 협동토록 구성됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 두개 또는 그 이상의 센서(16)가 적어도 부분적으로 링형인 장애물(4)의 내부 또는 주연에 배치되고 유동방향(20, 21)에서 서로 대향되게 배치됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제4항에 있어서, 상기 센서(16)가 쌍으로 배치되고 파이프 축선으로부터 한쌍의 센서(16)의 거리가 동일함을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(16)가 발산변부(8, 8.1; 9, 9.1) 사이에서 반대방향으로 중심으로부터 벗어나 배치됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 장애물(4)의 측면(17, 18)의 양측에 배치된 측정점(16.1, 16.2)이 통공(23)으로 연결됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 제7항에 있어서, 상기 통공(23)이 측면(17, 18)의 표면에 본질적으로 밀착되는 박막에 의하여 양측에서 폐쇄됨을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
- 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(16)가 마이크로센서임을 특징으로 하는 와류주파수 유량계.
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