KR200349291Y1

KR200349291Y1 - 수도계량기용 순간유량 계측장치

Info

Publication number: KR200349291Y1
Application number: KR20-2004-0003535U
Authority: KR
Inventors: 김경섭
Original assignee: 대진 시스템(주)
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2004-05-04
Anticipated expiration: 2014-02-12

Abstract

본 고안은 프로펠러식 수도계량기에 간단하게 부착함으로써 현실적으로 누적유량만을 계측하고 순간유량을 계측하지 못하였던 프로펠러식 수도계량기로 순간유량을 측정할 수 있도록 하는 수도계량기용 순간유량 계측장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치(1)는, 수돗물이 유입되고 배출되는 유입구(11)와 유출부(12)가 형성된 본체(10)와, 상기 본체(10) 내에 회전 가능하게 설치되어 흐르는 수돗물에 의해 회전되는 프로펠러(20)와, 상기 프로펠러(20)의 회전축(21)에 장착된 구동자석(30)과 상기 본체(10)와는 별체로 형성되어 상기 본체(10)에 장착 봉인되는 계수기체(40)와, 상기 계수기체(40) 내에 장착되어 상기 구동자석(30)의 자기력에 의해 회전하는 피동자석(50)과, 상기 피동자석(50)의 회전에 의해 사용된 유량을 표시하는 계수표시블록(60)을 포함하는 프로펠러식 수도계량기(WG)에서, 상기 본체(10)와 상기 계수기체(40) 사이에 장착되어 상기 자석들(30, 50) 중 적어도 하나의 회전에 따른 회전자계를 검출하는 센서(2)와, 상기 센서(2)에 의해 검출된 회전자계의 주기를 통해 상기 수도계량기(WG)를 통해 흐르는 실시간 순간유량을 연산하여 디스플레이하는 컨트롤러(3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수도계량기용 순간유량 계측장치{Device for measuring instantaneous flux in Water Gauge}

(기술분야)

본 고안은 순간유량 계측장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 프로펠러식 수도계량기에 간단하게 부착함으로써 현실적으로 누적유량만을 계측하고 순간유량을 계측하지 못하였던 프로펠러식 수도계량기로 순간유량을 측정할 수 있도록 하는 수도계량기용 순간유량 계측장치에 관한 것이다.

(배경기술)

수돗물공급을 관리함에 있어서 가장 핵심적인 관리요소 중에 하나는 누수의 관리이다. 즉, 수돗물을 공급함에 있어서는 노후수도관이나 시공하자 등의 이유로 누수가 발생하기 마련이며, 이런 누수를 탐사하고 분석하여 노후관을 교체하는 등의 조치를 취하는 것이야말로 수돗물공급관리의 핵심사항의 하나라고 할 수 있다.

이런 이유로, 누수를 예방하고 수도시설을 효율적으로 운영 및 관리토록 함으로써 상수도의 유수율을 제고하고 상수도 경영의 효율화를 도모하고자, 예를 들어 상수도 유수율제고업무처리규정 등이 마련되어 시행되고 있다.

유수율제고업무처리규정은, 수도관의 관망구성을 블록시스템(수도관의 관망구성을 바둑판 모양의 블록형태로 해서 블록별 수돗물 공급량 및 소비량, 누수량 등의 측정분석이 가능하도록 관리하는 시스템)으로 구축하고, 블록별로 유수율과 누수율 등 분석하여 전산 관리토록 하는 것을 핵심으로 하고 있다.

이와 같은 블록시스템에서의 누수율 분석을 위해서는 블록단위별로 보다 정밀하게 누수를 탐사할 수 있어야 하는바, 누수 탐사에는 블록별로 설치되어지는 수도계량기가 필수적이다. 즉, 정수장 및 배수장의 유입부 및 유출부, 각 블록의 유입부 및 유출부에 해당 관로의 구경에 맞는 계량기를 설치하여 누수를 탐사하는 것이 기본이 된다.

수도계량기는 관로의 크기와 수돗물 사용량, 그리고 수도계량의 목적 등에 따라 다양한 종류가 개발 및 사용되고 있으며, 대표적인 계량기로서는 예를 들어 전자식, 초음파식 및 기계식 계량기 등이 있다.

수돗물 계량에 관련하여, 전자식 계량기와 초음파식 계량기는, 일정기간 동안의 관로를 통해 흘러간 수돗물의 누적수량을 계측할 수 있을 뿐만 아니라 현시점에서 관로를 흐르고 있는 실시간 유량도 계측할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 전자식 계량기와 초음파식 계량기는 그 가격이 상대적으로 고가이고 적정용량의 5% 이하의 유량에 대해서는 측정오차가 크기 때문에, 대블록의 고용량의 수량을 측정하기 위한 용도로서는 적합할 수 있지만 소블록의 소용량의 수량을 저렴한 비용으로 측정하기 위한 용도로서는 적합하지 아니하다는 한계가 있다.

대표적인 기계식 계량기의 하나인 프로펠러식 수도계량기(자석식 수도계량기라고도 함)는, 그 구조가 매우 간단하고 전자식이나 초음파식에 비하여 그 가격이 현저하게 저렴하면서도 예를 들어 80mm-250mm 수도관 정도의 관로 정도의 유량 규모에서 매우 정밀하게 누적유량을 측정할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 종래부터 실용적인 수도계량기로서 널리 사용되고 있다.

그러나, 프로펠러식 수도계량기는 저렴한 장비비용으로 누적유량을 계측할 수 있는 있지만, 관로를 흐르고 있는 실시간의 유량을 계측하는 것에 한계가 있다는 단점이 있다.

도4는 일반적인 종래의 프로펠러식 수도계량기의 개략 단면도이다.

도시된 바와 같이 종래 프로펠러식 수도계량기(100)는, 수돗물이 유입되고 배출되는 유입구(111)와 유출부(112)가 형성된 본체(110), 상기 본체(110) 내에 회전 가능하게 설치되어 흐르는 수돗물에 의해 회전되는 프로펠러(120: 로터), 상기 프로펠러(120)의 회전축(121)에 장착된 구동자석(130), 상기 본체(110)와는 별체로 형성되어 상기 본체(110)에 마련된 장착부(113)에 장착 및 봉인되는 계수기체(140), 상기 계수기체(140) 내에 장착되어 상기 구동자석(130)의 자기력에 의해 회전하는 피동자석(150), 및 상기 피동자석(150)의 회전에 의해 회전되는 축(161)에 기계적으로 연결되어 다수의 기어를 통해 사용된 유량을 수치로 표시하는 계수표시블록(160)을 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기와 같은 종래의 프로펠러식 수도계량기(100)는, 수돗물이 유입구(111)와 유출부(112)를 통해 본체(110)를 통과하는 동안에 상기 프로펠러(120)가 회전하면서 구동자석(130)을 회전시키게 되고, 회전하는 구동자석(130)의 자기력이 계수기체(140)에 설치된 피동자석(150)을 회전시켜 계수표시블록(160)의 기어들을 회전시킴으로써 계수표시블록(160)에 사용 유량이 누적 표시되는 것이다.

그러나, 이와 같은 종래의 프로펠러식 수도계량기(100)로부터는, 계수표시블록(160)에 표시된 수치를 통해 상당히 긴 시간 동안의 누적유량을 알 수 있긴 하지만, 계량기(100)가 설치된 관로(170)를 흐르고 있는 현재 시점의 순간유량이 얼마인지는 직접적으로 알 수 없다는 한계가 있다.

블록시스템을 적용하여 각 블록별 누수율을 분석하고 관리함에 있어서, 분석 대상 블록에 있어서 수돗물의 1일 사용 패턴을 분석하고 최저량 사용시점에서의 사용유량의 변화 여부의 측정을 통해서 누수여부를 탐사하는 방법이 누수탐사방법으로 널리 사용되고 있다는 점을 고려할 때, 종래 프로펠러식 수도계량기(100)는 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 이점에도 불구하고 누적유량을 측정할 수 있을 뿐 현재 흐르는 유량을 알 수 없다는 한계로 인하여 블록시스템의 누수측정용으로 사용하기 적합하지 않다.

본 고안의 목적은, 순간유량을 측정하지 못하는 수도계량기에 간단하게 설치함으로써 순간유량을 측정할 수 있도록 하는 수도계량기용 순간유량 계측장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 고안의 목적은, 수돗물공급관리에 적용되고 있는 블록시스템에서 블록단위의 수돗물 누수를 탐사함에 있어서, 구조가 간단하고 가격이 저렴한 프로펠러식 수도계량기를 그대로 사용하면서도 누적유량뿐만 아니라 해당 관내를 흐르는 실시간 순간유량을 측정할 수 있도록 하여 보다 저렴한 비용으로 블록시스템의 누수관리체계를 구축할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

도1은 본 고안에 따른 예시적인 순간유량 계측장치가 장착된 프로펠러식 수도계량기의 개략 개념도,

도2는 센서에 의한 회전자계 측정의 개념도,

도3은 저속반응성을 높이기 위한 복수의 센서를 사용하는 것의 개념도,

도4는 일반적인 종래의 프로펠러식 수도계량기의 개략 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 본 고안의 순간유량 계측장치 2: 센서

3: 컨트롤러 4: A/D 변환기

5: 유량표시부 6: 통신부

10: 본체 20: 프로펠러

30: 구동자석 40: 계수기체

50: 피동자석 60: 계수표시블록

WG: 프로펠러식 계량기

본 고안에 따라, 프로펠러식 수도계량기에 장착되는 순간유량 계측장치가 제공되다.

본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치는, 수돗물이 유입되고 배출되는 유입구와 유출부가 형성된 본체와, 상기 본체 내에 회전 가능하게 설치되어 흐르는 수돗물에 의해 회전되는 프로펠러와, 상기 프로펠러의 회전축에 장착된 구동자석과 상기 본체와는 별체로 형성되어 상기 본체에 장착 봉인되는 계수기체와, 상기 계수기체 내에 장착되어 상기 구동자석의 자기력에 의해 회전하는 피동자석과, 상기 피동자석의 회전에 의해 사용된 유량을 표시하는 계수표시블록을 포함하는 프로펠러식 수도계량기에서, 상기 본체와 상기 계수기체 사이에 장착되어 상기 자석들 중 적어도 하나의 회전에 따른 회전자계를 검출하는 센서와, 상기 센서에 의해 검출된 회전자계의 주기를 통해 상기 수도계량기를 통해 흐르는 실시간 순간유량을 연산하여 디스플레이하는 컨트롤러를 포함한다.

바람직하게, 상기 센서는 둘 이상 다수개, 예를 들어 3개, 5개, 10개, 20개 등 다수개를 포함시켜 저속유량 응답속도를 높일 수 있다.

바람직하게, 본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치는, 상기 센서와 상기 컨트롤러를 통해 얻어진 순간유량 데이터를 원격 송신할 수 있는 통신부가 더 포함될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치를 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 고안의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

도1은 본 고안에 따른 예시적인 순간유량 계측장치가 장착된 프로펠러식 수도계량기의 개략 개념도, 도2는 센서에 의한 회전자계 측정의 개념도, 도3은 저속반응성을 높이기 위한 복수의 센서를 사용하는 것의 개념도이다.

도시된 바와 같이 본 고안에 따른 수도계량기용 순간유량 계측장치(1)는, 자석이 사용된 수도계량기, 예를 들어 널리 일반적으로 사용되고 있는 프로펠러식 수도계량기(WG)에 사용하기 위한 순간유량 계측장치이다.

본 고안의 순간유량 계측장치(1)가 적용되는 프로펠러식 수도계량기(WG)는, 앞서 도4와 관련하여 설명한 종래의 계량기와 마찬가지로, 본체(10), 프로펠러(20), 구동자석(30), 계수기체(40), 피동자석(50), 및 계수표시블록(60)을 포함하는 계량기 다.

상기 본체(10)에는 관로(70)에 장착했을 때 수돗물이 유입되는 유입구(11)와 배출되는 유출부(12)가 전후로 형성되어 있다. 그리고 유입구(11)와 유출부(12)의 사이의 공간에는 프로펠러(20: 로터)가 회전 가능하게 설치되어 본체(10)를 통해 흘러가는 수돗물에 의해 회전된다.

상기 프로펠러(20)가 회전됨에 따라, 그 회전축(21)의 일지점에 장착된 구동자석(30)도 함께 회전하게 되어 회전자계를 발생시키게 된다.

상기 본체(10)와는 별체로 본체(10)의 상측에는 계수기체(40)가 설치된다. 예를 들어 계수기체(40)는 본체(10)의 상측에 오목하게 형성된 장착부(13)에 장착되어 불법적으로 본체(10)로부터 제거할 수 없도록 봉인된다.

계수기체(40)에는 상기 구동자석(30)의 자기력이 미치는 범위 내에피동자석(50)이 장착되어 있으며, 따라서 구동자석(30)이 회전됨에 따라 피동자석(50)도 함께 회전하게 된다.

계수기체(40)에는 계수표시블록(60)이 장착되어 있다. 계수표시블록(60)에는 피동자석(50)의 회전력을 전달받아 작동하는 계수판이 포함되어 있어서 사용된 유량을 아날로그 수치로 표시하게 된다.

이상과 같은, 본체(10), 프로펠러(20), 구동자석(30), 계수기체(40), 피동자석(50) 및 계수표시블록(60)의 구조에 따라, 본체(10)를 통해 수돗물이 흘러가게 되면 프로펠러(20)가 회전되면서 그 회전력이 구동자석(30)과 피동자석(50)을 통해 전달되어 계수기체(40)의 계수표시블록(60)을 작동시킴으로써 누적유량이 표시되는 것이다.

본 고안에 따른 순간유량 계측장치(1)는 센서(2)와 컨트롤러(3)를 포함한다.

상기 센서(2)는 상기 본체(10)와 상기 계수기체(40) 사이에 장착되어 상기 자석들(30, 50) 중 적어도 하나의 회전에 따른 회전자계를 검출한다. 바람직하게 상기 센서(2)는 상대적으로 더 강한 자기력을 나타내는 상기 구동자석(30)의 회전자계를 검출한다.

상기 컨트롤러(3)는 상기 센서(2)에 전기적으로 연결되어 있으며, 센서(2)에 의해 검출된 회전자계의 주기를 기초로 하여 수도계량기(WG)를 통해 흐르는 실시간 순간유량을 연산하여 디지털로 디스플레이한다.

널리 알려진 바와 같이 관내를 흐르는 유체에 의해 프로펠러가 회전되는 경우에 프로펠러의 회전속도를 측정하면 유체의 유속을 알 수 있고, 관로의 크기와유속을 알면 순간유량을 알 수 있다.

본 고안의 순간유량 계측장치(1)는 수돗물의 흐름에 따라 프로펠러가 회전하고 그와 함께 자석이 회전하는 수도계량기(WG)에 있어서, 회전하는 자석의 회전자계의 회전속도를 측정하여 프로펠러의 회전속도를 측정하고, 이로부터 수돗물의 유속을 측정하여 관로를 흐르는 수돗물의 실시간 순간유량(Q)을 측정하는 것이다.

즉, 프로펠러의 회전(각)속도(W)와 유량(Q)의 관계는 식1과 같다.

식1: W/Q= (tanβ/rA)-(KSA²Re^-0.2sinβ/r²)

(여기에서, K: 비례상수, S: 프로펠러의 면적, A: 배관면적, Re: 레이놀즈넘버, r: 프로펠러의 유효반지름, β: 프로펠러의 유체흐름 방향에 대한 각도)

프로펠러의 회전속도(W)와 유속의 관계를 측정하면, 약간의 비선형성을 가지지만 최대/최소 유량사이에서 정해진 오차(±0.5%)의 범위 내에서 직선성을 가지는 것으로 측정된다.

그리고, 계량기(WG)에서 구동자석(30)이 회전함에 따라 발생하는 회전자계는 프로펠러(20)의 회전속도에 비례하는 회전자계이며, 이를 상기 센서(2)로 검출하면 그 출력값은 의사정현파(pseudo-sinusoidal wave: 의사 사인파)가 된다.

이런 회전자계에 의한 의사정현파는 그 주기와 회전각속도 사이에 식2와 같은 관계가 있으며, 식1과 식2로부터 회전자계의 회전속도(W)를 측정하여 관내를 흐르는 유량(Q)을 측정할 수 있게 된다. 여기에서 센서(2)의 출력값은 정현파(사인파)와 거의 유사한 의사정현파이므로 정현파로 취급할 수 있다.

식2: W=2π/T(여기에서 W=회전각속도, T=주기)

이론적으로 회전자계의 주기측정을 위해서는 주기성을 가지는 임의의 점 사이의 시간을 측정하면 되지만, 본 고안의 순간유량 계측장치(1)에서 센서(2)에 의해 측정되는 회전자계는 그 주파수가 매우 낮고 프로펠러와 기어박스 등의 기구들과 전기적인 노이즈 등에 의해 측정주기의 불균일이 유발될 수 있으므로, 이런 불균일을 줄이는 것이 바람직하다.

먼저, 회전자계의 각도(θ)가 변화할 때 센서의 출력값(sinθ)의 변화율이 가능한 큰 시점에서 주기(T)를 측정하면 측정오차를 줄일 수 있다. 즉, 센서(2)의 출력값(sinθ)을 θ에 대해 편미분한 감도 S(θ)는 nπ(n=정수)에서 절대값이 최대값 1을 가지므로, 회전자계의 주기는 센서의 출력값의 극성이 변하는 지점인 nπ를 기준으로 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 센서(2)의 출력은 주파수가 낮고 프로펠러/기어 등의 기구부와 전지적인 노이즈의 영향을 받게 되므로, 감도가 최대로 되는 지점에 히스테리시스(hysteresis: 이력)를 적용하여 측정 오차를 더욱 줄이는 것이 바람직하다.

또한, 하나의 센서(2)로 여러 지점의 주기를 측정할 때 가능한 한 센서의 감도(S)가 높은 지점을 선택하는 것이 바람직하고, 아울러 반주기(T/2)만으로 전체주기를 알 수 있으므로 반주기 측정에 의한 유속측정도 가능하다.

또한, 도3에 예시한 바와 같이, 저속반응성을 높이기 위해 하나의 센서(2)가 아닌 복수(예, 2개 내지 5개, 또는 10개 및 20개 이상)의 센서들을 사용할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 센서(2)에 의해 측정된 의사정현파인 회전자계의 출력값(sinθ)은 컨트롤러(3)로 전송되고, 전송된 출력값에 히스테리시스를 적용하고 감도가 높은 지점(nπ 부근)을 기준으로 그 주기를 측정하여 프로펠러의 회전속도를 얻게 되며, 프로펠러의 회전속도와 유량과의 관계식(식1)에 따라 계량기(WG)를 통과하는 수돗물의 실시간 유량을 알 수 있게 되는 것이다.

상기 컨트롤러(3)에는 A/D 변환기(4) 등이 포함되어 있어서 센서(2)의 출력을 디지털데이터로 변환시킨다. 측정된 실시간 유량은 유량표시부(5)에 디지털숫자로 표시된다.

바람직하게, 본 고안에 따른 순간유량 계측장치(1)는 상기 식1에서 나타나는 유량계 유량의 비직선성을 보정하는 로직을 포함시킴으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

바람직하게, 본 고안의 순간유량 계측장치(1)에는 센서(2)와 컨트롤러(3)에 의해 측정 및 가공된 유량데이터를 원격지에서도 전송할 수 있도록 예를 들어 모뎀과 같은 통신부(6)를 더 포함시킬 수 있다.

이상과 같은 본 고안에 따른 순간유량 계측장치(1)는, 기존에 이미 개발되어 생산되고 있는 프로펠러식 수도유량계에 큰 설계 변경 없이 거의 그대로 장착하여 사용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 고안에 따른 순간유량 계측장치는, 적은 비용으로 제작하여 기존의 프로펠러식 수도유량계에 단단하고 용이하게 장착할 수 있으며, 이로써 종래의 프로펠러식 수도유량계가 단지 누적유량을 측정할 수 있을 뿐 실시간 관로 통과 유량을 측정할 수 없었던 한계를 완전히 극복할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 고안의 순간유량 계측장치의 적용으로 프로펠러식 수도유량계의 기능이 순간유량계측기능을 가지도록 확장됨에 따라, 수돗물공급관리의 일환으로 블록시스템을 구축함에 있어서 고가의 전자식 계량기나 초음파식 계량기를 사용하지 아니하고 구조가 간단하고 가격이 저렴한 프로펠러식 수도계량기를 그대로 사용할 수 있게 되었으며, 따라서 블록시스템을 구축하기 위한 예산을 현격하게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

수돗물이 유입되고 배출되는 유입구(11)와 유출부(12)가 형성된 본체(10)와, 상기 본체(10) 내에 회전 가능하게 설치되어 흐르는 수돗물에 의해 회전되는 프로펠러(20)와, 상기 프로펠러(20)의 회전축(21)에 장착된 구동자석(30)과 상기 본체(10)와는 별체로 형성되어 상기 본체(10)에 장착 봉인되는 계수기체(40)와, 상기 계수기체(40) 내에 장착되어 상기 구동자석(30)의 자기력에 의해 회전하는 피동자석(50)과, 상기 피동자석(50)의 회전에 의해 사용된 유량을 표시하는 계수표시블록(60)을 포함하는 프로펠러식 수도계량기(WG)에서,

상기 본체(10)와 상기 계수기체(40) 사이에 장착되어 상기 자석들(30, 50) 중 적어도 하나의 회전에 따른 회전자계를 검출하는 센서(2)와, 상기 센서(2)에 의해 검출된 회전자계의 주기를 통해 상기 수도계량기(WG)를 통해 흐르는 실시간 순간유량을 연산하여 디스플레이하는 컨트롤러(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수도계량기용 순간유량 계측장치.
제1항에 있어서, 저속유량 응답속도를 높이도록, 상기 센서(2)는 둘 이상 다수개 포함되는 것을 특징으로 하는 수도계량기용 순간유량 계측장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서(2)와 상기 컨트롤러(3)를 통해 얻어진 순간유량 데이터를 원격 송신할 수 있는 통신부(6)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수도계량기용 순간유량 계측장치.