KR20060016557A

KR20060016557A - 피토관과 그 것을 이용한 유속측정방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20060016557A
Application number: KR1020040065052A
Authority: KR
Inventors: 노희천; 이동원; 이어확
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-22

Abstract

이 발명은, 유선방향이 가변적이거나 부지상태인 경우에도, 유체 내에 배치된 피토관을 이용하여 적어도 2개의 압력을 채취하고 그 차압을 구함으로써 속도를 측정하는 유속측정방법을 제안하려는 것이다.

그러한 방법을 구현하기 위해 이용할 수 있는 피토관(20)은 한 쌍의 단일관으로 구성된 본체를 가지며, 그 제1 관(21)과 제2 관(22)은 각각의 중간부분에서 서로 정반대방향을 향해 굴절되어 굴절위치부터 팁까지 직선형을 이루고 있다. 제1 관(21)의 팁(212)과 제2 관(22)의 팁(222)에는 유체의 압력을 채취하기 위한 입구가 개방되어 있다.

피토관, 유속, 유선방향, 전압, 배압, 차압

Description

피토관과 그 것을 이용한 유속측정방법 및 시스템 {PITOT TUBE AND FLOW VELOCITY MEASUREMENT METHOD AND SYSTEM USING IT}

도 1은 종래의 피토관의 일례를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 2는 도 1에 도시된 피토관의 종단면도이며,

도 3은 종래의 피토관의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 4는 도 3에 도시된 피토관을 이용하여 관로 내의 유속을 측정하는 사용례를 도시한 도면이며,

도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 피토관의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 6는 도 5에 도시된 피토관의 종단면도이며,

도 7은 도 5에 도시된 유속측정시스템을 이용하여 유속을 측정할 때 이용할 수 있는 유속과 차압 및 유체의 밀도의 관계식에 따른 값과 실제 측정치를 도시한 그래프이고,

도 8은 도 5에 도시된 피토관을 이용하여 관로 내의 유속을 측정하는 사용례를 도시한 도면이며,

도 9은 도 5에 도시된 피토관을 포함한 유속측정시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 10은 이 발명의 다른 실시예에 따른 피토관의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이 발명은 유속측정에 이용되는 피토관(pitot tube)에 관한 것이며, 좀더 상세하게는, 유선방향이 가변적이거나 부지상태인 경우에도 유속측정을 용이하게 행할 수 있는 피토관에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 그러한 피토관을 이용한 유속측정방법 및 시스템에 관한 것이기도 하다.

도 1에는 종래의 피토관의 외관이 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 종단면도로부터 알 수 있듯이, 종래의 피토관(10)의 본체(11)는 중앙관(112)과 그 중앙관(112)의 외측의 동심의 환형으로 형성된 주위관(111)을 포함하는 이중관으로 구성된다.

주위관(111) 속에는 마우스(mouth)가 유선방향과 평행한 면상에 형성된 입구(113)를 통해 유체의 정압이 가해지며, 중앙관(112) 속에는 마우스(mouth)가 유선방향과 직교하는 면상에 형성된 입구(114)를 통해 유체의 동압이 가해진다.

주위관(111) 속의 정압은 정압관로(12)를 통해 압력측정기(14)의 정압실(141)로 전달되며, 중앙관(112) 속의 동압은 동압관로(13)를 통해 압력측정 기(14)의 동압실(142)로 전달된다.

이 때의 동압은 정압성분에 더하여 유체의 속도성분이 포함된 것이므로, 압력측정기(14)에서는 정압실(141)의 압력과 동압실(142)의 압력의 차압을 측정함으로써 유체의 속도성분만을 구할 수 있다.

이렇게 구해진 동압 중 유체의 속도성분을 베르누이방정식에 대입함으로써 유체의 속도를 용이하게 산출할 수 있다.

도 3은 또다른 종래의 피토관(10A)을 도시하고 있다. 이 피토관(10A)은 본체(11A)가 직각으로 굴절되어 있는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 피토관(10)과 동일하다. 피토관(10A)의 팁으로부터 굴절위치까지의 직선부의 최소길이 및 중앙관의 직경은 측정하고자하는 유체의 성상 및 속도에 따라 다르다.

이 피토관(10A)은, 도 4에 보이듯이, 관로 내에서 흐르는 유체의 유속을 측정하기 위해 유용하게 이용될 수 있다.

관로 내에서의 유선방향이 도 4에 도시된 바와 같은 경우에, 즉 유체가 좌측(L)에서 우측(R)으로 흐르고 있는 경우에, 팁이 좌측(L)으로 향하게 피토관(10A)을 배치하면, 주위관에는 정압이 걸리고, 중앙관에는 양압, 즉 정압보다 높은 압력이 걸리게 되며, 이 상태에서는, 차압을 구하고 그 차압을 적절한 상관관계식에 대입하여 속도를 구할 수 있다.

그런데, 유체가 우측(R)에서 좌측(L)으로 흐르고 있는 경우에, 팁이 좌측(L)으로 향하게 피토관(10A)을 배치하면, 주위관에는 정압이 걸리지만, 중앙관에는 부압, 즉 정압보다 낮은 압력이 걸리게 되며, 이 상태에서 구해진 차압은 양압일 경 우의 차압과 속도의 상관관계와 다르기 때문에, 앞서 이용했던 상관관계식을 이용하여 속도를 구할 수 없다.

설령, 부압일 경우의 상관관계식과 양압일 경우의 상관관계식을 모두 갖추고 있다고 할지라도, 유선방향을 모르거나 유선방향이 시시각각으로 변하는 경우에는 속도를 구할 수 없다.

이 발명은 유선방향이 가변적이거나 부지상태일지라도 유속을 용이하면서도 정확하게 측정할 수 있는 유속측정방법을 제안하려는 것이다.

이 발명은 그러한 유속측정방법을 구현하기 위해 이용할 수 있는 적절한 피토관의 구조도 제안한다.

또한, 이 발명은 그러한 피토관을 이용하여 유선방향이 가변적이거나 부지상태인 유체의 유속을 측정하기 위한 유속측정시스템을 제안하려는 것이다.

이 발명에 따르면, 유선방향이 가변적이거나 부지상태인 경우에도, 유체 내에 배치된 피토관을 이용하여 적어도 2개의 압력을 채취하고 그 차압을 구함으로써 속도를 측정하는 유속측정방법이 제공된다.

이 유속측정방법은 제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고, 상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직 각으로 가해지는 제2 유압을 채취하며, 상기 제1 유압과 상기 제2 유압의 차압을 측정하고, 상기 차압으로부터 유속을 연산하는 것을 특징으로 한다.

상기 연산단계에서는 아래의 수학식을 이용하여 연산할 수 있다.

여기에서, v는 유속, ΔP는 차압의 절대값, ρ는 유체의 밀도임.

또한, 이 발명에 따르면, 위와 같은 유속측정방법을 구현하기 위해 이용할 수 있는 피토관이 제공된다.

이 피토관은 유체 내에 배치되어 적어도 2개의 압력을 채취하기 위한 것으로서, 적어도 2개의 압력채취공을 포함하며, 제1 압력채취공은 제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고, 제2 압력체취공은 상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직각으로 가해지는 제2 유압을 채취하게 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 압력채취공은 제1 방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제1 관으로 형성되고, 상기 제2 압력채취공은 상기 제1 압력채취공과 정반대방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제2 관으로 형성될 수 있다.

상기 소정의 길이와 구경은 유체의 밀도나 점성이나 성상 또는 유속의 크기에 따라 가변적일 수 있는 값이며, 상기 피토관의 사용목적 및 환경에 따른 유체의 밀도나 점성이나 성상 또는 유속의 크기를 감안하여 안정적인 압력을 채취할 수 있 는 최적치를 실험적으로 구할 수 있다.

상기 피토관은 병렬배치된 한 쌍의 단일관으로 구성된 본체를 포함하며, 상기 한 쌍의 단일관 중 제1 관은 적어도 일부가 제1 방향으로 굴절되어 상기 제1 압력채취공을 형성하고, 상기 한 쌍의 단일관 중 제2 관은 적어도 일부가 상기 제1 관과 정반대방향으로 굴절되어 상기 제2 압력채취공을 형성할 수 있다.

상기 피토관은 일정한 고도 간격을 두고 배열된 여러 쌍의 압력채취관을 가지며, 각 쌍의 압력채취관은 동일한 고도에서 서로 반대방향으로 향하게 배치되어 상기 제1 압력채취공과 상기 제2 압력채취공을 형성할 수도 있다.

또한, 이 발명에 따르면, 유선방향이 가변적이거나 부지상태인 경우에도, 유체 내에 배치된 피토관을 이용하여 적어도 2개의 압력을 채취하고, 압력측정기를 이용하여 그 차압을 구함으로써 속도를 측정하는 유속측정시스템이 제공된다.

이 유속측정시스템의 피토관은 적어도 2개의 압력채취공을 포함하며, 제1 압력채취공은 제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고, 제2 압력체취공은 상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직각으로 가해지는 제2 유압을 채취하게 구성된 것을 특징으로 한다.

이 유속측정시스템의 제1 압력채취공은 제1 방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제1 관으로 형성되고, 제2 압력채취공은 상기 제1 압력채취공과 정반대방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제2 관으로 형성될 수 있다.

이 유속측정시스템의 피토관은 병렬배치된 한 쌍의 단일관으로 구성된 본체 를 포함하며, 상기 한 쌍의 단일관 중 제1 관은 적어도 일부가 제1 방향으로 굴절되어 상기 제1 압력채취공을 형성하고, 상기 한 쌍의 단일관 중 제2 관은 적어도 일부가 상기 제1 관과 정반대방향으로 굴절되어 상기 제2 압력채취공을 형성할 수 있다.

이 유속측정시스템의 피토관은 일정한 고도 간격을 두고 배열된 여러 쌍의 압력채취관을 가지며, 각 쌍의 압력채취관은 동일한 고도에서 서로 반대방향으로 향하게 배치되어 상기 제1 압력채취공과 상기 제2 압력채취공을 형성할 수도 있다.

이 유속측정시스템은 상기 압력측정기에 의해 측정된 차압을 아래의 수학식에 대입하여 유속을 연산하는 연산부를 부가적으로 포함할 수 있다.

이하에서는 도면에 도시된 상세한 실시예를 참조하여 이 발명의 특징과 구성에 대해 상세히 설명하겠다.

도 5에는 이 발명의 한 실시예에 따른 피토관(20)이 도시되어 있다. 종래의 피토관의 본체가 이중관으로 구성됨에 반해, 이 피토관(20)의 본체는 한 쌍의 단일관으로 구성된다. 이 실시예에서는 성상이 다른 혼합유체의 유속측정도 큰 오차 없이 행할 수 있도록 각각의 관의 직경을 1.5 내지 3.0㎜로 하였다.

이 실시예에 따른 피토관(20)의 제1 관(21)은 그 중간부분에서 굴절되어 굴 절위치부터 팁까지 직선형을 이루고 있으며, 제2 관(22)도 그 중간부분에서 굴절되어 굴절위치부터 팁까지 직선형을 이루고 있지만, 제1 관(21)의 팁과 제2 관(22)의 팁은 완전히 반대방향을 향하고 있다. 즉, 제1 관(21)의 굴절위치부터 팁까지의 부분과 제2 관(22)의 굴절위치부터 팁까지의 부분은 서로 반대방향으로 배치되어 있다.

도 6에 보이듯이, 이 실시예에 따른 피토관(20)의 제1 관(21)의 팁(212)이 유선방향과 마주하는 방향으로 배치될 때, 제2 관(22)의 팁(222)은 유선방향을 등지는 방향으로 배치된다. 이 상태에서 제1 관(21)과 제2 관(22)에는 모두 동압, 즉 속도성분을 포함하는 압력이 걸리게 된다. 이 명세서에서는 제1 관(21)에 걸리는 압력을 전압이라고 하고, 제2 관(22)에 걸리는 압력을 배압이라고 하기로 한다. 전압은 전압관로(23)를 통해 압력측정기(25)의 전압실(251)로 전달되고, 배압은 배압관로(24)를 통해 압력측정기(25)의 배압실(252)로 전달되며, 압력측정기(25)는 전압과 배압의 차압을 측정한다.

도면에 도시된 바와 같이 배치된 상태에서는, 제1 관(21)에 걸리는 전압은 양압, 즉 정압에 속도성분압력이 더해진 압력이며, 제2 관(22)에 걸리는 배압은 부압, 즉 정압에 속도성분압력이 감해진 압력이다.

하나의 정압과 하나의 동압의 차압을 측정하여 속도값을 산출하는 종래의 유속측정장치에서는 베르누이의 방정식을 이용하여 속도값을 산출한다. 실제로 측정되는 값은 유속 외에도 유체의 밀도나 점성 또는 유속의 크기 등에 의해 영향을 받을 수 있지만, 점성이나 유속의 크기 등에 의한 영향은 무시하고 유체의 밀도에 의 한 영향만을 고려하여 보정한 값을 이용하는 것이 보통이다.

이 발명에 따른 유속측정시스템에서도 베르누이의 방정식을 기본식으로 이용할 수 있지만, 두개의 동압, 특히 그 중의 하나는 부압을 이용하는 이 발명의 유속측정시스템의 특성상, 유체의 밀도나 점성 또는 유속의 크기 등에 의한 영향이 크게 작용할 수 있다. 즉, 일반적으로 적용할 수 있는 방정식을 유도하고 그 적합성을 시험하기 위해서는 많은 연구와 관찰이 요구된다. 이 발명의 발명자들은 속도와 점성만을 주요 파라미터로 고려하여 실험과 관찰을 함으로써 아래의 수학식 1과 같은 관계식을 얻었다.

도 7에는 수학식 1에 의해 연산되는 속도와 밀도 및 차압과의 관계 및 실제로 측정된 속도와 밀도 및 차압과의 관계를 그래프로 도시하고 있다. 도 7의 그래프에 보이듯이, 수학식 1은 상당히 유용하게 활용될 수 있다. 그러나, 영향을 미치는 여러 파라미터들을 좀더 다각적으로 실험하고 관찰함으로써 좀더 정교한 수학식을 도출할 수도 있을 것이다.

도 5에 도시된 피토관(20)을 도 8에 보이듯이 관로내에 배치하면, 유선방향이 좌측(L)에서 우측(R)으로 흐르는 방향일 때에는, 제1 관(21)에 걸리는 전압이 양압이고, 제2 관(22)에 걸리는 배압이 부압이다. 이 경우에, 차압은 양의 값이 되며, 수학식 1에 의해 연산되는 값은 정방향의 속도를 의미한다.

반면에, 유선방향이 우측(R)에서 좌측(L)으로 흐르는 방향일 때에는, 제1 관(21)에 걸리는 전압이 부압이고, 제2 관(22)에 걸리는 배압이 양압이다. 이 경우에, 차압은 음의 값이 되며, 앞서와 마찬가지로 수학식 1에 의해 연산할 수 있고, 그렇게 연산되는 값은 역방향의 속도를 의미한다.

즉, 이 피토관(20)을 이용하면 관로내의 유성방향이 정방향이든 역방향이든, 또는 그 방향이 수시로 변하든간에, 그 유선방향을 실시간으로 탐지하고 유속을 측정할 수 있다.

도 9를 보면, 이 발명에 따른 피토관을 이용하여 유속을 측정하는 유속측정시스템(30)이 도시되어 있다. 이 시스템(30)은 피토관과 압력측정기와 연산부 및 표시부를 포함한다. 압력측정기(25)는 피토관에 형성된 두개의 유체압력, 즉 제1 관(21)을 통해 가해진 전압과 제2 관(22)을 통해 가해진 배압의 차압을 측정한다. 압력측정기(25)에 의해 측정된 차압은 압전소자 등과 같은 적절한 수단에 의해 전기신호로 전환되어 연산부로 전송된다. 연산부는 압력측정기(25)로부터 전달된 차압신호를 적절한 연산알고리즘으로 연산하여 속도값을 산출하고, 이렇게 산출된 속도값은 표시부에 표시된다.

도 10에는 이 발명에 따른 피토관의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예의 피토관은 일정한 고도 간격을 두고 배열된 5쌍의 압력채취관(201, 202, 203, 204, 205)을 가지며, 각 쌍의 압력채취관은 동일한 고도에서 서로 반대방향으로 향하게 배치되어 있다.

이 실시예에 따른 피토관(20A)은 고도별 유속을 측정하기 위해 이용된다. 즉, 이 피토관(20A)을 관로 내에 배치하면, 5층의 고도에서의 유속을 동시에 측정할 수 있다.

이 발명에 따른 피토관을 포함한 유속측정시스템을 이용하면 유선방향이 가변적이거나 부지상태일지라도 유속을 신속하고 용이하면서도 정확하게 측정할 수 있다.

위에서는 이 발명에 따른 유속측정방법 및 시스템과 거기에 이용되는 피토관의 구성을 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 그러한 실시예는 이 발명에 따른 구성을 제한하려는 것이 아니라, 단지 예시적인 것이다. 이 발명이 속한 기술분야에서 숙련된 자에게는, 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이, 그러한 예시적 실시예로부터의 변화나 조절 및 변경이 자명할 것이다.

그러므로, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 그러한 변화예와 조절예 및 변경예를 이 발명의 보호범위 내에 두고자 한다.

Claims

유체 내에 배치된 피토관을 이용하여 적어도 2개의 압력을 채취하고 그 차압을 구함으로써 속도를 측정하는 유속측정방법에 있어서,

제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고,

상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직각으로 가해지는 제2 유압을 채취하며,

상기 제1 유압과 상기 제2 유압의 차압을 측정하고,

상기 차압으로부터 유속을 연산하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 연산단계에서는 아래의 수학식을 이용하여 연산하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기에서, v는 유속, ΔP는 차압의 절대값, ρ는 유체의 밀도임.
유체 내에 배치되어 적어도 2개의 압력을 채취하여 그 차압을 구함으로써 속 도를 측정하기 위해 이용되는 피토관에 있어서,

적어도 2개의 압력채취공을 포함하며,

제1 압력채취공은 제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고,

제2 압력체취공은 상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직각으로 가해지는 제2 유압을 채취하게 구성된 것을 특징으로 하는 피토관.
청구항 3에 있어서,

상기 제1 압력채취공은 제1 방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제1 관으로 형성되고,

상기 제2 압력채취공은 상기 제1 압력채취공과 정반대방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제2 관으로 형성된 것을 특징으로 하는 피토관.
청구항 3에 있어서,

상기 피토관은 병렬배치된 한 쌍의 단일관으로 구성된 본체를 포함하며,

상기 한 쌍의 단일관 중 제1 관은 적어도 일부가 제1 방향으로 굴절되어 상 기 제1 압력채취공을 형성하고,

상기 한 쌍의 단일관 중 제2 관은 적어도 일부가 상기 제1 관과 정반대방향으로 굴절되어 상기 제2 압력채취공을 형성하는 것을 특징으로 하는 피토관.
청구항 3에 있어서,

상기 피토관은 일정한 고도 간격을 두고 배열된 여러 쌍의 압력채취관을 가지며,

각 쌍의 압력채취관은 동일한 고도에서 서로 반대방향으로 향하게 배치되어 상기 제1 압력채취공과 상기 제2 압력채취공을 형성하는 것을 특징으로 하는 피토관.
유체 내에 배치된 피토관을 이용하여 적어도 2개의 압력을 채취하고, 압력측정기를 이용하여 그 차압을 구함으로써 속도를 측정하는 유속측정시스템에 있어서,

상기 피토관은 적어도 2개의 압력채취공을 포함하며,

제1 압력채취공은 제1 방향에서 제1 평면에 직각으로 가해지는 제1 유압을 채취하고,

제2 압력체취공은 상기 제1 방향과 정반대방향에서 상기 제1 평면과 평행한 제2 평면에 직각으로 가해지는 제2 유압을 채취하게 구성된 것을 특징으로 하는 유 속측정시스템.
청구항 7에 있어서,

상기 제1 압력채취공은 제1 방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제1 관으로 형성되고,

상기 제2 압력채취공은 상기 제1 압력채취공과 정반대방향으로 소정의 길이와 구경을 갖게 배치되어 그 팁이 개방되어 있는 제2 관으로 형성된 것을 특징으로 하는 유속측정시스템.
청구항 7에 있어서,

상기 피토관은 병렬배치된 한 쌍의 단일관으로 구성된 본체를 포함하며,

상기 한 쌍의 단일관 중 제1 관은 적어도 일부가 제1 방향으로 굴절되어 상기 제1 압력채취공을 형성하고,

상기 한 쌍의 단일관 중 제2 관은 적어도 일부가 상기 제1 관과 정반대방향으로 굴절되어 상기 제2 압력채취공을 형성하는 것을 특징으로 하는 유속측정시스템.
청구항 7에 있어서,

상기 피토관은 일정한 고도 간격을 두고 배열된 여러 쌍의 압력채취관을 가지며,

각 쌍의 압력채취관은 동일한 고도에서 서로 반대방향으로 향하게 배치되어 상기 제1 압력채취공과 상기 제2 압력채취공을 형성하는 것을 특징으로 하는 유속측정시스템.
청구항 7 내지 10 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 압력측정기에 의해 측정된 차압을 아래의 수학식에 대입하여 유속을 연산하는 연산부를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 유속측정시스템.

여기에서, v는 유속, ΔP는 차압의 절대값, ρ는 유체의 밀도임.