KR20040044561A - 착유용 유량계 및 유량 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산 낙농가에서 사용하고 있는 착유시스템에서 착유되는 젓소 원유량을 측정하는 유량계에 관한 것으로, 상세하게는 세척과 유량측정을 매우 효과적으로 수행할 수 있는 구조로 되어 있는 착유용 탐침식 유량기이다.

이를 위하여 본 발명은, 탐침식 유량기에 사용되는 유량기의 몸통부분인 실린더 돔형 확장부(1)는 상부의 2중 톰형 개방형 반구(하부 사각 단면)(13), 하부에 5°경사각도의 바닦면을 갖는 사각 실린더(4, 14), 원유를 원유 이송호스에서 확장부로 도입시키기 위한 튜브형 입구(7) 및 확장부에서 맥동기로 방출하기 위한 출구(7)와 개방형 유로(15)에서 원유의 통과시간을 측정하기 위한 상하 반대방향에서 설치된 탐침(3, 5)으로 구성되어 있다.

돔형 반구면은 개방형 유로(15)와 유로 양측에 둑(9)을 설치하여, 측정부로 유입되는 착유된 원유가 탐침(3, 5)이 설치된 개방형 유로(15) 내로 흘러가도록 유도한다. 착유된 개체별 원유량은 개방형 유로(15) 내에 상하 반대방향에서 설치된 탐침(3, 5)에 접촉하는 원유의 통과시간을 측정하여 계산한다.

Description

착유용 유량계 및 유량 측정방법{omitted}

본 발명은 젖소의 각 개체에서 착유된 원유량을 측정하는 유량 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개방형 유로(15) 내에 상 하부에서 반대방향으로 설치된 두 개 탐침(3, 5)을 통과하는 원유의 누적 접촉시간을 측정수단으로 이루어진 착유기용 유량측정장치, 누적시간 자료와 상관수치를 이용하여 원유량을 산출하는 방법에 관한 것이다.

착유시스템은 35 cmHg 정도의 진공도로 조절된 진공펌프를 이용하여 일정 맥동을 가하면서 젖소 개체에서 원유를 착유하게 된다.

착유된 원유는 라이너 - 밀크크로우 - 유량계 - 밀크라인 순으로 흘러 집유통에 이송저장된다.

젖소 개체별 사양관리는 가축 급이, 착유량과 추이 상태 및 발정기 감지에 대한 자료를 이용하여 최적의 수태율, 착유량, 원유질, 젖소의 건강상태 및 사전 질병에 대한 예측 등을 위한 시스템이다.

최적의 개체별 사양관리를 위해서는 보다 정확하게 개체별 착유량를 측정하는 것이 가장 중요하다.

착유는 압력조절기를 이용하여 진공압이 35 cmHg로 일정하게 조절된 진공펌프에 의해 수행되며, 착유된 원유는 공기와 원유가 섞인 상태에서 일정 크기의 맥동을 가지고 원유 이송호스로 이송된다.

원유 이송호스 내에서 맥동을 갖는 원유의 흐름유체는 기본적으로 원유와 공기가 섞인 2상 흐름이며, 원유와 공기 흐름이 순차적인 반복을 갖는 특이 흐름이다.

상기의 특이 흐름에 대한 유량속도의 결정은 일정한 속도로 이송되는 단일 흐름이나 복합흐름에 비해 측정방법이 매우 제한적이다.

착유된 원유에 대한 종래의 유량 측정방법은 맥동식 유체를 용기에 담아서 이 유체를 일정한 양만큼 퍼내는 방법(용적식, 대한민국특허공보 특1993-0001727)과 직선 및 회전 구동이 가능한 공압장치들을 뚜껑에 설치하여 용적측정을 하는 방법(공압장치를 이용한 용적식, 대한민국특허공보 특2000-0071990)이 적용되고 있다.

용적식 방법은 젖소의 개체별 착유량을 높이가 상이한 한 쌍의 전극봉으로 용기 내에서 채워지는 원유의 양을 감지하여 기계 구동부로 퍼내는 방법으로 측정하는 수단이다.

공압장치를 이용한 용적식 방법은 기존의 용적식에 의한 방법과 거의 유사하나, 직선 및 회전 구동이 가능한 공압장치들을 뚜껑에 설치하여, 용적 측정 및 세척을 보다 원활하게 수행하고자 한 것이다.

젖소에서 원유를 착유함에 있어 가장 중요한 문제는 유량계나 착유시스템이 세균감염으로부터 안전성이 확보되어야 하며, 이를 위해 착유를 수행하기 전에 반드시 세척을 수행하여야 한다.

착유용 유량 측정수단의 내부에 복잡한 구조물이나 측정 용기를 갖는 다면, 착유시스템을 세척하여도 구조물 외부 벽면 등에 세균덩어리인 유석이 발생할 수 있다.

상기 문제를 해결하기 위해서는 착유용 유량계 내부에는 복잡한 구조물, 주름 표면이나 직각 벽면 등을 가져서는 안되며, 결과적으로 원유의 흐름라인은 매우 단순한 흐름구조를 가져야 한다.

유량계 내부에 설치된 구동부는 세척 문제뿐만 아니라 장시간의 조업에서 고장요인을 제공할 수 있다.

결과적으로 기존 용적방식을 이용한 착유된 원유량의 측정수단은 상당한 문제를 유발할 소지를 갖는다고 볼 수 있다.

이외에 상품화되어 시판되고 있는 깔대기형 착유 유량계는 착유과정에서 일정 양의 원유를 조그만 홈을 통해 수집되도록 하는 유량 측정수단이다.

상기 방식은 사람의 눈으로 유량의 양을 나타내는 눈금을 일일이 읽어야 하는 불편함을 가지고 있으며, 정확도에서도 상당히 낮을 수 있다.

원유는 착유과정에서 거품을 일부 포함하고 있어 눈금이 정확하지 않으며, 유량계가 수직에서 조그만 기울어져 정확도는 상당히 떨어질 수 있다.

젖소에서 원유를 착유하는 과정은 상당히 낙농가에게 높은 노동력을 요구하며, 이 과정에서 유량계의 눈금을 읽는 것은 요구되는 노동력을 배가시킨다.

그러므로 착유과정에서 원유량을 측청하는 수단에 대한 표시기능은 디지털화되어 수치로서 표현되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 원천적으로 해결하기 위한 것으로, 종래 방식과는 기본적으로 다른 개념을 도입한 디지털 측정 기술이다.

본 발명은 도 1에 나타낸 것처럼 공기와 원유를 실린더 돔형 확장부(1)에서 분리하여 개방형 유로(3, 5)에서 탐침을 이용한 시간 적산 측정수단으로, 유량기 내부의 단순화와 구동부 배제로 장시간 조업에서 세균감염이나 고장요인을 원천적으로 배제한 유량측정 수단과 방법을 제공한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 착유시스템의 원유 이송호스에서 유입되는 맥동형 공기/원유 혼합흐름에서 원유와 공기를 흐름을 분리할 수 있는 45°각도로 깍인 출구면(10)을 갖는 공기/원유 유입구(7)와 실린더 돔형 확장부(1)를본체로 구성하였고, 분리된 원유가 원심력을 이용하여 돔형 표면(13)에서 일정 영역 내로 흐를 수 있도록 개방형 유로(15)를 설치하였고, 개방형 유로(15)에서 원유의 흐름시간을 감지할 수 있는 상하로 반대방향에서 두 개의 탐침(3, 5)을 설치하였고, 개방형 유로(15)를 통과한 원유가 원활하게 실린더 돔형 확장부(1)를 빠져나가도록 사각 실린더의 바닦은 5°경사(4)로 만들었다.

본질적으로 착유시스템의 진공도는 진공조절기에 의해 35 cmHg로 거의 일정하게 조절되며, 개방형 유로를 통과하는 착유된 원유의 이송속도는 진공도에 의해 결정된다.

본 발명에서는 누적 통과시간과 유량에 대한 상관식으로부터 정상 진공도에서 상관수치를 도출하였으며, 각 낙농가의 상황에서 발생될 수 있는 진공도의 변화에 따른 상관 수치의 변화를 DIP SET 스위치로 간단하게 보정할 수 있는 수단도 제공하고 있다.

제1도는 본 발명에 탐침식 유량기 전면도

제2도는 도 1에서의 사각 실린더 돔형 확장부의 입체도

제3도는 도 2에서 상부의 2중 톰형 개방형 반구에 대한 입체도

제4도는 도 1에서의 상하 반대 방향으로 설치된 탐침과 개반형 유로를 나타내기 위한 측면에서의 단면도

제5도는 유입 호스내에서 착유된 원유의 맥동흐름과 필터 및 비교전압 회로를 거친 전압 신호

제6도는 상관수치를 구하기 위한 착유된 원유량과 누적 통과시간을 나타낸 상관도

제7도는 탐칙식 유량기의 외형과 Dip Set 스위치의 모형도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 사각 실린더 돔형 확장부 2 : 하부 사각 실린더 부분

3 : 상부 탐침 4 : 5°경사를 갖는 실린더 바닦면

5 : 하부탐침 6 : 유출구

7 : 유입구 8 : 착유된 원유의 이송호스

9 : 둑 10 : 45°경사도를 갖는 유입구의 출구면

11 : 착유된 원유의 유입라인 12 : 맥동기로 향하는 원유의 유출라인

13 : 상부 돔 14 : 하부 사각 실린더

15 : 개방형 유로

Q : 착유된 누적 원유량

V_i: 개방형 유료에서 원유의 통과속도

t : 탐침과 원유의 부분 접촉시간

T : 탐침과 원유의 전체 접촉시간

A : 개방형 유로에서의 통과 원유의 전단면

K : 상관수치

K₁: Dip Set 스위치의 보정값

본 발명에 따른 착유시스템에서 착유된 원유량 측정수단 및 적산 시간과 원유량의 자료에서 상관수치를 도출하여 착유량을 계산하는 수단 및 각 낙농가에서 발생할 수 있는 진공도변화에 따른 원유량 보정수단을 본 발명에 따른 실시 예를 통하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 상하 양방향 탐침식 유량기의 단면도를 나타내는 데, 착유량 측정과 탁월한 세척 효과 및 장시간 사용에서 무 고장에 대한 기능을 가지고 있다.

- 착유량 측정 -

젖소에서 원유를 착유하는 시스템은 송아지가 입으로 젖을 빠는 동작과 같은 원리로 원유를 짜는 수단이다.

착유시스템에서는 송아지가 입으로 빨아서 진공을 만들 듯이 고무수지 원통의 라이너에 35 cmHg 정도의 진공과 대기압을 교대로 작용하여 라이너 속의 유두를 작극하여 원유의 흡입과 휴식을 반복한다.

도 5에서처럼, 착유 시스템에서 이송호스 내의 원유는 맥동성을 가진 원유와 공기의 혼합 흐름으로, 일정 간격으로 공기와 원유가 반복적으로 파형을 가지고 흐르게 된다.

상기의 이유로 일반적인 관 내 유량 측정 수단으로 착유시스템에서 개체별 착유량을 측정하는 것은 거의 불가능하며, 개체별 착유량을 측정하기 위해서는 원유와 공기를 분리하는 수단이 필수적이다.

착유 시스템의 이송호스 내에서 원유와 공기의 이송속도는 착유시스템 내의 진공도에 의해 결정되며, 젖소의 유방염이나 원활한 착유를 고려하여 착유 시스템내의 진공도는 진공조절기에 의해 35 cmHg로 일정하게 유지된다.

착유 시스템의 이송호스로 맥동성을 갖는 원유와 공기의 흐름은 출구면이 45°로 깍인 튜브형 유입구(7)을 통하여 사각 톰형 확장부(1)로 유입된다.

진공압에 의해 흐르는 유체 흐름은 일반 모형의 튜브를 통해 확장부로 유도되는 경우, 원유는 여러 방향을 분산되어 확장부로 분사된다.

상기의 다방향 분사는 반구형 돔의 표면에 구성된 개방형 유로로 원유 전체를 모아 흐르게 하기 힘들다.

상기 문제를 해결하기 위해서는 튜브 유입구의 개선이 필수적이며, 본 발명에서는 45°경사로 깍인 유입구 출구면(10)으로 원유 전체가 개방형 유료로 모아져서 흐르도록 하였다.

사각 실린더 돔형 확장부(1)로 유입된 공기와 원유 혼합흐름은 반구형 곡면에 대해 접선반향으로 유입되어 흐르게 되며, 이런 접선 유입은 원유에 대해서 원심력을 부과하여 개방형 유로(15)를 따라 흐르도록 한다.

원유와 같이 유입된 공기는 확장부 내에서 확산되면서 원유 흐름과 분리되어 자체적인 기상 흐름을 가지게 된다.

도 4에 나타낸 것처럼 확장부의 상부 돔(13) 표면에서 구성된 개방형 유로(15)는 길이 5mm와 폭 13mm이며, 양 주위에 2mm 인 뚝(weir)을 설치하여 확장부(1)에서 공기와 분리된 원유 전체가 흐르도록 하였다.

확장부의 개방형 유로(15)를 흐르는 원유는 펄스 파형과 유사한 맥동성을 가지고 흐르며, 개방형 유로 상하의 방향에서 설치된 탐침(3, 5)과 접촉하게 된다.

개방형 유로 홈 내의 상하 반대방향으로 위치한 탐침(3, 5)은 간극 2mm으로 수직방향으로 동일 선상에 놓이게 된다.

반대방향으로 위치한 두 개의 탐침(3, 5)에는 미량의 전류가 흐를 수 있도록 직류 5V가 인가되어 있으며, 두 탐침으로 동시에 원유가 접촉되면 미량의 전류가 흐를 수 있다.

그러나 원유가 접촉되지 않고 공기만이 흐른다면 두 탐침 사이에는 전류가흐르지 않으며, 전압이 형성되지 않는다.

그러므로 전류가 흐르는 시간을 측정하거나 전압이 형성된 시간을 측정하면 탐침과 접촉하는 원유의 통과시간을 측정할 수 있으며, 이를 바탕으로 통과시간에 대한 누적시간을 계산할 수 있다.

상기의 누적 통과시간과 도 6에 나타낸 진공도 35 cmHg에서 상관수치를 이용하면, 젖소 개체당 착유된 원유량을 계산할 수 있다.

착유된 원유는 일정 크기의 점도를 가지고 있으며, 벽면이나 탐침을 따라 흐르는 경향을 가지고 있다.

상기한 경향은 일반적으로 적용되고 있는 동일 방향의 돌출 탐침에 공기만 접촉하더라도 두 탐침 사이에 전류가 흘려 전압이 나타날 수 있다.

상기 현상은 결과적으로 공기만 흐르고 있어도 마치 원유가 흐르는 것으로 인지되어 잘못된 통과시간과 누적시간의 정보를 제공한다.

상기 이유로 동일 방향의 돌출탐침을 착유량 측정수단에 적용하는 것은 매우 큰 오차를 수반하므로, 공기 접촉 하에서 탐침 사이에 전류가 흐르지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.

본 발명에서는 상기에서 제시된 문제점을 완벽하게 해결할 수 있도록 상하 반대 방향으로 탐침(3, 5)을 설치하였으며, 탐침의 노출 영역도 탐침 끝의 매우 적은 영역으로 극한시켰다.

탐침의 제한된 노출지점(탐침의 끝부분)을 제외하고는 전류가 세어나가지 않도록 탐침을 불소수지로 코팅처리하여 절연시켰다.

상하 반대방향에서 탐침(3, 5)이 설치된 개방형 유료(15)를 통과한 원유는 5°경사로 기울어진 확장부 바닦면(4)에 도달하여, 확장부(1)에서 확산된 공기와 같이 맥동형으로 유량기를 빠져 나가게 된다.

- 누적 통과시간에서 착유된 원유량 산출 및 상관 수치 도출 -

도 5의 상부에 나타낸 것처럼 원유 이송호스 내에서 원유 흐름은 공기와 원유가 펄스 파형 형태를 갖는 맥동형 흐름으로 초당 대략 5회 정도의 순차적인 주파수를 갖고 있다.

상기 맥동 흐름은 원유 이송호스(11, 7)에서 실린더 돔형 확장부(1)로 유입되면, 공기와 원유가 분리되면 원유는 개방형 유로(15)를 따라 흐른다.

상기의 원유 흐름이 개방형 유로에 설치된 두 탐침의 끝부분(노출지점)을 동시에 접촉하면서 통과하면, 두 탐침 사이에는 전류가 흐르면서 전압차가 발생한다.

도 5는 상하 반대방향으로 설치된 두 탐침(3, 5) 사이의 전압에 대해 필터회로와 비교전압회로를 거친 전압 신호를 시간함수로 나타낸 그림이다.

도 5에서 5V 전압파형이 나타난 신호는 원유가 두 탐침을 동시에 접촉하면서 통과하고 있음을 나타내며, 0V 전압은 공기만이 두 탐침을 통과하고 있으며 원유는 통과하지 않음을 나타내고 있다.

도 5 에 나타낸 것처럼 하나의 원유 파형이 탐침을 지나가는 시간을 △t ₁라고 하면, 이 시간에 대응하는 부분 원유량은Q ₁=A △t ₁이다.

상기 식에서 A은 개방형 유로를 통과하는 펄스 파형 원유의 단면적이고,는 탐침을 통과하는 원유의 통과속도로 착유시스템의 진공도에 의해 결정된다.

착유 종료까지 원유 통과시간의 합은,

상기식에서 통과속도와 단면적A가 일정하다면 착유된 전체 원유량은,

상기식에서 K는 착유된 전체 원유량과 통과시간에 대한 비례상수이며, 도 6의 상관식에 대한 상관수치이다.

젖소를 사육하면서 원유를 생산하는 국내의 대부분 낙농가는 착유시스템의 진공도를 33 ∼ 38 cmHg로 적용하고 있으며, 학계나 산업체 등에서도 착유시스템의 진공도를 35 ±3 cmHg로 권장하고 있다.

도 6은 착유시스템의 진공도 35 cmHg에서 착유된 원유량과 통과시간의 상관관계를 나타낸 것으로, 대부분의 낙농가는 착유 진공도를 33 ∼ 38 cmHg로 적용하고 있다.

본 발명에서는 권장되는 진공도에서 도 6을 이용하여, 착유된 전체 원유량과 통과시간에 대한 상관수차인 K 값이 21로 도출할 수 있다.

- Dip Set 스위치를 이용한 각 낙농가의 보정 -

국내 또는 국외에서도 착유시스템의 진공도는 유방염의 문제나 원활한 착유를 위해서 35 cmHg를 추천하고 있으나, 실질적인 낙농가에서의 조업되는 착유시스템의 진공도는 상기값과 크게 다르지 않지만 상황에 따라 다른 진공도를 적용할 수도 있다.

실린더 돔형 확장부의 개방 유로에서 원유의 통과속도,는 착유시스템의 진공도에 따라 다른 값을 가진다.

상기 값은 높은 진공도에서는 보다 빠른 통과속도 값을 가지며, 낮은 진공도에서는 보다 느린 통과속도 값을 가지게 된다.

상기의 경우에서 상관 수치값을 21로 사용하면 계산된 착유량은 실제 값에 대해 오차를 수반하게 된다.

본 발명에서는 상기 문제를 해결하기 위해 각 농가에서 Dip Set 스위치를 이용하여 상관수치를 보정할 수 있도록 하였다.

착유시스템의 진공도가 35 cmHg와 상이한 경우에 대한 착유된 원유량의 계산식은

상기식에서 K₁은 상관수치를 각 농가에서 보정할 수 있도록 한 보정계수로 Dip Set 스위치로 설정할 수 있으며, 초기 K₁값은 1로 설정되어 있다.

일반적으로 각 낙농가에서는 하루 2회인 아침과 저녁에 착유를 하며, 유가공업체에서는 하루에 1회씩 원유를 수거하면서 착유된 하루 전체의 원유량을 통보한다.

유가공업체의 수거량은 거품이 없고 액체 단일상인 집유된 원유를 대상으로 하므로 거의 정확한 값으로 인지할 수 있다.

본 발명에서 각 낙농가의 보정계수 산정은 본 발명의 유량기의 전체 하루 원유량과 유가공업체의 수거량을 근거로 계산된다.

일례로 본 발명에서 측정된 착유 원유량이 100 kg/day이고, 유가공업체의 일 수거량이 115 kg/day이면 보정계수는,

낙농가의 착유시스템은 주어지는 상황에서 거의 일정한 상태로 조업되므로, 상기에서 산출된 보정계수 K₁을 착유된 원유량의 계산식에 적용하면 정확한 원유량을 측정할 수 있다.

본 발명에서는 도 7에 나타낸 것처럼 0과 1을 갖는 4개의 스위치 보턴을 Dip Set 스위치로 사용하였으며, 보정계수를 표 1에 나타낸 것처럼 16단계로 나누어 그에 상응하는 보정계수를 설정하고 있다.

유방염 방지나 원활한 착유를 위해 각 낙농가는 착유시스템의 진공도를 30 ∼ 40 cmHg 사이의 값을 적용하고 있으며, 상기 범위 밖에서는 거의 조업되지 않는다.

상기 이유로 보정계수 값의 범위는 0.8 ∼ 1.2이므로, 본 발명에서는 안정적인 보정계수를 확보하기 위해 그 범위를 0.65 ∼ 1.4로 설정하였다.

각 낙농가에서는 본 발명의 유량기에서 측정된 일 착유 원유량과 유가공업체의 수거량을 근거로 계산된 보정계수 K₁와 표 1에서 제시된 Dip Set 스위치에 대한 조견표를 이용하여 본 발명의 유량기에 대한 보정계수를 설정할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 개방형 유로(15) 및 상하 반대방향의 탐침(3, 5)을 사용하면 용이하게 개체별 유량 측정이 가능하며, 세척효과 우수하며 극히 간단한 구조에서 개체별 착유용 원유 유량기를 구현할 수 있다. 또한 본 발명은 디지털 방식을 채용하므로 기존 상품화된 깔대기형 유량기의 추가적인 노동력을 완전히 해소하여 농가별 젖소 각 개체에 대한 편리하고 안정적인 사양관리를 수행할 수 있다.

Claims (7)

1. 실린더 돔형 확장부(1)를 사용하여 공기와 원유를 분리하고, 원유를 개방형 유로(15)에서 상하 반대방향으로 설치된 탐침(3, 5)을 이용하여 원유의 통과시간을 측정하고, 누적 통과시간과 상관수지를 이용하여 개체별 착유된 원유량을 측정하는 방식의 착유기용 유량 측정장치.
2. 제 1항에서 전기한 공기와 원유를 분리하고, 원유에 원심력을 부가하여 원유의 벽면 흐름을 구현하는 사각 실린더 돔형 확장부 모형(1)을 갖는 원유 유량 측정수단.
3. 제 1항에서 전기한 사각 실린더 돔형 확장부로 유입되는 원유를 개방형 유로로 모아 흐르게 하는 45°경사로 깍인 유입구 출구면(7, 10)을 갖는 유입구조.
4. 제 1항에서 전기한 시각 실린더 돔형 확장부(1)로 유입된 원유가 원심력에 의해 일정 통로로 흐르게 하는 개방형 유로형상(15)을 갖는 흐름구조.
5. 제 1항에서 전기한 개방형 유로(15)에 상하 반대방향으로 설치된 탐침(3, 5)을 이용하여 원유의 통과시간을 측정하고 이를 근거로 착유된 원유량을 산출하는 유량 측정수단.
6. 탐침의 누적 통과시간과 상관수치를 이용하여 착유된 원유량을 계산하는 유량 측정방법.
7. 기존 진공도와 상이하게 조업되는 진공도에 대한 각 낙농가에서 Dip Set 스위치를 이용하여 착유된 원유량을 보정하는 방법과 측정수단.