KR200387718Y1 - 온도 보상이 불필요한 유속 측정회로 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열식 유량계의 유속 측정과정에 필수적 요소인 구동회로에 관한 것이다.

열식 유량계는 열전달 현상을 이용하여 유속을 측정, 유량을 산출하는 계측기로써 산업 현장에서의 활용도가 매우 높은 기기이다. 하지만 유속 측정과정에 있어서 필수적 요소인 구동회로를 구성함에 있어서 측정 원리상 반드시 구비하여야 하는 온도 보상회로로 인하여 회로 구성요소의 추가나 온도 보상 및 보정 시험 등 여러가지 기술적 문제점들이 발생하고 있으며, 이는 설계자 및 제작자로 하여금 시간과 비용의 추가를 요구하며, 산업상 활용도를 감소시키는 결과를 초래하고 있다.

본 고안은 온도 보상을 필요로하지 않는 새로운 구동회로를 제공함으로써 열식 유량계의 산업상 활용도를 높이고자 한다.

Description

온도 보상이 불필요한 유속 측정회로{Circuits for measuring flow velocity without temperature calibration}

본 고안은 열식 유량계의 구동회로에 있어서, 유속 측정 과정에 필수적인 온도 보상이 필요없는 회로, 즉 유체의 온도 변화와 무관하게 유속 측정이 가능하도록 구현된 새로운 구동회로에 관한 것이다.

열전달을 이용하여 유속을 측정, 유량을 산출하는 열식 유량계들은 도 1에 나타난 것과 같은 구동 회로의 구현을 기본으로 한다. 유속 센서로써 작용하는 측온 저항체 1(4)과 저항 3(3)으로 구성된 회로를 흐르는 전류(9)와 저항 1(1)과 저항 2(2)로 구성된 회로를 흐르는 전류(8) 사이에는 일정한 크기의 불평형 전압(5)이 발생하게 되는데, 유체가 흐르면서 유체 중에 노출된 측온 저항체 1(4)의 온도를 변화시켜 전기적 저항의 변화를 일으키기 때문이다. 유체의 흐름이 없을 때 순수한 저항차에 의해 발생한 불평형 전압를 초기 불평형 전압이라 한다. 유체의 흐름에 의해 발생된 유동에 의해 변화된 불평형 전압을 초기 불평형 전압으로 되돌리기 위해서는 변화된 불평형 전압에 상응하는 전압(7)의 추가적 인가가 이루어지는데, 이때 발생한 불평형 전압은 미소 전압이므로 증폭(6)이 수행된다.

상기와 같은 과정을 통하여 측온 저항체 1(4)에 가해진 유속의 정도와 전기적 변화량을 관련 지을 수 있으며, 이와 같은 원리로 유속의 측정이 가능하다. 상기의 과정을 수행함에 있어서 기존의 구동회로들은 측온 저항체 1(4)에 가해지는 유체의 온도를 측정할 것이 요구되며, 이를 위하여 추가적인 측온 저항체 2(10)가 구비된다. 또한, 저항 3(3)은 구동회로의 초기상태를 조절하기 위하여 가변저항을 채택하는 것이 일반적이다.

근본 원리를 좀 더 상세하게 기술해보면, 측온 저항체 1(4)에 인가된 전기적 에너지에 의하여 발생한 열의 일정량이 유체의 흐름에 의하여 냉각되는 상태의 지속을 의미하며, 이러한 관계는 수학식 1과 같이 표현된다.

상기 수학식에서 E_RTD1는 측온 저항체 1(4)에 인가된 전압이고, R_RTD1는 측온 저항체 1(4)의 저항이고, A는 유체의 흐름에 노출된 측온 저항체 1(4)의 표면적이고, H는 유체와 고체의 열전달에 관계하는 계수인 대류 열전달 계수이고, T_RTD1는 측온 저항체 1(4)의 온도이고, T_RTD2는 유체의 온도 측정을 위한 측온 저항체 2(10)의 온도이다.

상기의 대류 열전달 계수는 다음과 같은 수학식2로서 정의된다.

상기 수학식에서 i, j 및 k는 경험적으로 결정되는 상수이고, V는 측온 저항체 1(4)에 가해지는 유체의 유속이다.

동일 도선상에 있는 이유로 인하여 측온 저항체 1(4)과 저항 3(3)에 각각 흐르는 전류는 모두 같으므로, 회로의 우변에 대하여 전압과 저항과의 관계는 수학식 3으로 표현될 수 있다.

상기 수학식에서 E_IN는 회로에 인가되는 전압(7)이고, R_R3는 저항 3(3)의 저항이다.

측온 저항체 1(4)에서 온도와 전기적 저항의 관계는 수학식 4로 정의된다.

상기 수학식에서 R_RTD1(0)는 측온 저항체 1(4)의 온도가 0℃일 때의 저항이고, δ는 측온 저항체를 구성하는 재질의 온도계수이다.

수학식 3과 수학식 4를 연립시킴으로서 측온 저항체 1(4)의 온도 산출을 위한 수학식 5가 유도된다.

측온 저항체 2(10)의 온도는 측온 저항체 1(4)의 경우와는 달리 수학식 6으로 정의된다.

상기 수학식에서 T_RTD2는 측온 저항체 2(10)의 온도이고, R_RTD2는 측온 저항체 2(10)가 온도 T_RTD2일때의 저항이고, T_RTD2(0)는 측온 저항체 2(10)의 온도가 0℃일 때의 저항이다.

수학식 2와 수학식 3을 수학식 1에 대입하면 다음과 같은 수학식 7이 유도된다.

수학식 7을 변형함으로서 최종적으로 유속을 산출할 수 있는 수학식 8이 유도된다.

유속을 산출하기 위한 상기의 수학식 7에 의하면, 근본적으로 측온 저항체 1(4)과 측온 저항체 2(10)에 의한 온도 측정이 필수적이다. 따라서 열전달을 이용하는 유속 측정장치는 도 2에 표현한 바와 같은 형상을 취하는 것이 일반적이며, 제작자 입장에서는 관로(12) 내에 측온 저항체 1(4)과 측온 저항체 2(10)를 적절히 설치하기 위한 설계상의 부담이 작용하는 것이 사실이며, 측온 저항체 상호간에 미칠 수 있는 영향에 의한 오차를 정량화하기 위한 노력 또한 필요하다.

종래의 기술에 의하면, 상기에 기술한 바와 같이 근본적으로 유체가 보유한 온도와 유체에 의하여 냉각된 온도를 모두 측정해야 유속의 산출이 가능하다. 상기의 두 온도를 측정하기 위한 위치는 관로 내를 흐르는 동안 유체의 온도가 변화할 가능성에 대비하여 동일한 지점이 가장 바람직하나, 실제적으로는 불가능하므로 도 2에 표현한 실제적인 형상과 같이 근접한 위치에서 측정이 수행되도록 제작되는 것이 일반적이다. 그러나 서로 다른 2개의 측온 저항체가 근접할 경우, 정량화하기 난해한 몇 가지 문제가 발생한다.

예를 들어, 측온 저항체 2(10)가 측온 저항체 1(4)의 후위에 위치할 경우 측온 저항체 1(4)에 의하여 가열된 유체의 영향으로 인해 실제 유체의 온도보다 높은 온도를 지시할 것이며, 측온 저항체 1(4)이 측온 저항체 2(10)의 후위에 위치할 경우 측온 저항체 2(10)에 의하여 교란된 유동이 측온 저항체 1(4)에 가해짐으로써 실제 유체의 유속과는 다른 유속성분이 가해질 수 있을 것이므로, 설계상 매우 부담스러운 사항으로 작용한다.

적당한 거리를 두고 설치할 경우 측온 저항체 1(4)과 측온 저항체 2(10) 간에 서로 온도와 유속의 영향을 최소화 할 수는 있지만, 센서 어셈블리의 부피가 너무 커지게 되어 설치시 부담스러운 사항으로 작용한다.

또한, 측온 저항체 1(4)에서 발열된 열이 센서 지지부(11)를 통하여 측온 저항체 2(10)로 전도되는 현상도 문제점으로 볼 수 있으며, 그 결과 측온 저항체 2(10)에서 측정된 온도가 과지시되는 과실을 범하기도 한다.

상기 열거된 몇 가지 문제점은 서로 다른 2개의 측온 저항체를 수용함으로써 발생하는 문제이므로 측온 저항체의 수가 1개로 축소될 경우 해소될 수 있음은 자명한 일이나, 근본적 원리에 입각하면 2개의 서로 다른 온도측정이 반드시 필요하므로 측온 저항체의 수를 축소시키기 위해서는 근본적 원리의 수정이 불가피하다.

따라서, 본 고안은 새로운 원리를 적용하여 하나의 측온 저항체만으로도 유속 측정이 가능한 구동회로를 제공하고자 한다. 즉, 유체의 온도 측정을 위한 측온 저항체를 수용하지 않고도 유속을 측정할 수 있게 됨으로써, 종래의 기술에 의한 문제점들을 해결해 보고자 한다.

본 고안은 도 1의 측온 저항체 2(10)를 수용하지 않으며, 도 1의 저항 3(3)을 도3의 저항 3a(13)와 저항 3b(14)로 분리한 것을 특징으로 한다.

도 1의 측온 저항체 1(4)과 저항 3(3)이 동일 도선상에 위치하였던 것과 유사하게, 도 3에서는 측온 저항체 1(4)과 저항 3a(13) 또는 측온 저항체 1(4)과 저항 3b(14)가 동일 도선상에 위치하나, 스위치(17)를 수용함으로서 일정한 주기를 갖는 결선과 단선을 반복함으로서, 교대로 동일 도선상에 위치시킨다. 단, 저항 3a(13)와 저항 3b(14)가 동일 도선상에 위치하지는 않는다.

측온 저항체 1(4)이 저항 3a(13)와 동일 도선상에 위치하도록 결선된 경우, 측온 저항체 1(4)의 온도 산출을 위한 수학식 5는 수학식 9로 변형된다.

상기 수학식에서 첨자 a는 측온 저항체 1(4)과 저항 3a(13)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미하며 온도, 저항 및 전압 등 변수의 구성은 수학식 5의 경우와 동일하다.

측온 저항체 1(4)이 저항 3b(14)와 동일 도선상에 위치하도록 결선된 경우는, 측온 저항체 1(4)의 온도 산출을 위한 수학식 5는 수학식 10으로 변형된다.

상기 수학식에서 첨자 b는 측온 저항체 1(4)과 저항 3b(14)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미하며 온도, 저항 및 전압 등 변수의 구성은 수학식 5의 경우와 동일하다.

측온 저항체 1(4)이 저항 3a(13)와 동일 도선상에 위치하도록 결선된 경우, 유속 산출을 위한 수학식 7은 수학식 11로 변형된다.

상기 수학식에서 첨자 a는 측온 저항체 1(4)과 저항 3a(13)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미하며 전압, 저항 및 온도 등 변수의 구성은 수학식 7의 경우와 동일하다.

측온 저항체 1(4)이 저항 3b(14)와 동일 도선상에 위치하도록 결선된 경우, 유속 산출을 위한 수학식 7은 수학식 12로 변형된다.

상기 수학식에서 첨자 b는 측온 저항체 1(4)과 저항 3b(14)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미하며 전압, 저항 및 온도 등 변수의 구성은 수학식 7의 경우와 동일하다.

수학식 11과 수학식 12를 연립시키고 유속에 대한 함수로 표현하면, 다음과 같은 수학식 13이 유도된다.

상기 수학식에서 첨자 a는 측온 저항체 1(4)과 저항 3a(13)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미하고, 첨자 b는 측온 저항체 1(4)과 저항 3b(14)가 동일 도선상에 위치한 경우를 의미한다.

본 고안에 의한 구동 회로로부터 유도된 수학식 13에 의해 산출된 유속을 이용하면 유량은 쉽게 구할 수 있다.

열식 유량계는 산업상 활용도가 매우 높은 계측기임에도 불구하고 기존에 들어난 많은 문제점들로 인해 사용 빈도가 낮아지고 있다. 기존의 열식 유량계들의 문제점들은 근본적으로 2개의 서로 다른 측온 저항체를 필요로하기 때문인데, 본 고안에 의하면 측온 저항체를 하나만 수용하고도 종래의 방법들이 갖는 설계상, 설치상 기술적 한계를 극복할 수 있게 되고, 생산 단가도 낮출 수 있게 된다. 또한, 센서 어셈블리 설계 및 설치의 유연성을 증대시킬 수 있게 되므로, 궁극적으로는 산업 발전에 이바지할 것으로 기대된다.

이상에서 본 고안은 기재된 구체 예에 한하여 상세히 설명되었지만 본 고안의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 열식 유량계의 유속 측정에 있어서 기본적으로 구비되는 구동회로를 나타낸 도면이다.

도 2는 열식 유량계의 유속 측정장치를 실제 적용한 예를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 고안에서 의한 새로운 구동회로를 나타낸 도면이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 저항 1 2 : 저항 2

3 : 저항 3 4 : 측온저항체 1

5 : 불평형 전압차 6 : 증폭기

7 : 증폭되어 회로에 인가되는 전압 8 : 회로의 좌변에 인가되는 전류

9 : 회로의 우변에 인가되는 전류 10 : 측온저항체 2

11 : 센서 지지부 12 : 관로

13 : 저항 3a 14 : 저항 3b

15 : 저항 3a가 위치한 도선에 인가되는 전류

16 : 저항 3b가 위치한 도선에 인가되는 전류

17 : 저항 3a와 저항 3b를 교대로 결선 및 단선하기 위한 스위치

Claims (6)

1. 열식 유량계의 유속 측정에 있어서 기본이 되는 구동회로가 유체의 온도측정을 위한 측온 저항체 없이 유속 센서로 작용하는 단일 측온 저항체만 구비하고 있으며 이와 인접한 동일 도선상에 위치한 저항을 2개로 구분한 구동회로.
2. 제1항에 있어서,

   구분된 2개의 저항의 결선 및 단선을 상호 교대로 반복하기 위하여 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
3. 제2항에 있어서,

   스위치의 작동 주기가 1초 내지 10초인 것을 특징으로 하는 구동회로.
4. 제1항에 있어서,

   구분된 2개의 저항의 전기적 크기가 상호 동일하지 않는 것을 특징으로 하는 구동회로.
5. 제4항에 있어서,

   구분된 2개의 저항의 전기적 크기의 상대 비율이 최대 100대 1인 것을 특징으로 하는 구동회로.
6. 제4항에 있어서,

   구분된 2개의 저항 중 작은 저항의 전기적 크기가 측온 저항체의 전기적 저항의 크기와 동일하거나, 최대 99대 1의 상대 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구동회로.