KR20070053645A - 유체 계측 장치 및 유체 계측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유체 계측 장치는 계측 기간 동안 히터를 간헐적으로 구동시켜서 계측 기간 도중에 히터가 가열을 중지할 때마다 횡측 온도 센서의 출력을 비구동시 횡측 온도 신호로서 수신한다. 그리고, 상기 유체 계측 장치는 히터(4)의 가열에 따른 횡측 온도 센서의 출력을 비구동시 횡측 온도 신호에 대응한 구동시 횡측 온도 신호로서 수신한다. 상기 유체 계측 장치는 또한 상기 구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상류측 온도 센서와 하류측 온도 센서로부터 출력된 상류측 온도 신호와 하류측 온도 신호를 수신한다. 상기 유체 계측 장치는 상기 비구동시 횡측 온도 신호와 구동시 횡측 온도 신호에 근거하여 유체의 물성 정보를 검출한다. 상기 유체 계측 장치는 이 물성 정보에 근거하여 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정한다. 상기 유체 계측 장치는 상기 보정한 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 유체의 유속에 따라 변화된 온도 분포를 검출하고 유체의 유량을 산출한다.

유체 계측 장치, 히터, 횡측 온도 센서, 횡측 온도 신호, 상류측 온도 센서, 하류측 온도 센서, 써모파일, 플로우 센서, 히터 컨트롤러

Description

유체 계측 장치 및 유체 계측 방법{FLUID-MEASURING DEVICE AND FLUID-MEASURING METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 유체 계측 장치의 기본 구성을 나타내는 개요도이다.

도 2는 플로우 센서를 사용하는 유체 계측 장치의 블록도이다.

도 3은 마이크로컴퓨터에 의해 실행되는 본 발명에 따른 유량계측처리의 일례를 나타내는 플로우챠트이다.

도 4a 및 도 4b는 히터 인가전압 및 플로우 센서의 출력의 일례를 설명하는 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 온도차 및 기기오차와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 종래의 열형 플로우 센서를 나타내는 개요도이다.

도 7은 도 6의 플로우 센서의 단면도이다.

도 8은 종래 방식에 따른 써모파일의 출력 대 온도차를 나타내는 개요 다이어그램이다.

도 9는 종래 플로우 센서에 의해 계측된 유체온도와 센서 바디 온도의 온도차, 및 기기오차와의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 유체 계측 장치 및 유체 계측 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유동 가스, 물 등을 플로우 센서를 사용하여 계측하는 유체 계측 장치 및 유체 계측 방법에 관한 것이다.

가스, 물 등의 유체의 유량을 계측하기 위해 열적 플로우 센서를 사용한 유체 계측 장치가 공지되어 있다. 이러한 플로우 센서는 유체의 온도보다 높은 온도를 갖는 히터를 유체의 흐름 중에 배치하고, 이 히터에 의해 가열된 유체의 온도 분포가 유속의 증가에 따라 변화한다는 원리를 이용한다.

일본특허공개 공보 2001-12988호에는 이러한 플로우 센서가 공개되어 있다. 이 종래의 열적 플로우 센서를 도 6 및 도 7의 도면을 참조하여 설명한다.

도 6에서, 플로우 센서(1)는 실리콘 기판(2), 다이아프램(3), 다이아프램(3)에 형성된 백금 등으로 이루어진 마이크로 히터(4), 마이크로 히터(4)의 하류측에 배치되며 다이아프램(3)에 형성된 하류측 써모파일(5), 도시 생략된 전원으로부터 마이크로 히터(4)에 구동 전류를 공급하는 전원 단자(6A, 6B), 마이크로 히터(4)의 상류측에 배치되며 다이아프램(3)에 형성된 상류측 써모파일(8), 상류측 써모파일(8)로부터 상류측 온도 신호를 출력하는 제1 출력 단자(9A, 9B), 하류측 써모파일(5)로부터 하류측 온도 신호를 출력하는 제2 출력 단자(7A, 7B)를 포함하고 있다.

또한, 플로우 센서(1)는 마이크로 히터(4)에 대하여 유체의 유동 방향(P 에 서 Q로의 방향)과 대체로 수직인 방향으로 배치되며 유체의 물성 데이터를 검출하고 우측 온도 검출 신호(제3 온도 검출 신호에 대응)를 출력하는 우측 써모파일(11), 우측 써모파일(11)로부터 우측 온도 검출 신호를 출력하는 제3 출력 단자(12a, 12B), 마이크로 히터(4)에 대하여 유체의 유동 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치되며 유체의 물성 데이터를 검출하고 좌측 온도 검출 신호(제3 온도 검출 신호에 대응)를 출력하는 좌측 써모파일(13), 좌측 써모파일(13)로부터 좌측 온도 검출 신호를 출력하는 제4 출력 단자(14A, 14B), 유체 온도를 얻기 위한 저항(15, 16), 및 저항(15, 16)으로부터 유체 온도 신호를 출력하는 출력 단자(17A, 17B)를 포함하고 있다. 우측 및 좌측 써모파일(11, 13)이 온도 센서를 구성한다.

각각의 상류측 써모파일(8), 하류측 써모파일(5), 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)이 열전대를 구성한다. 이 열전대는 p++-Si 및 Al으로 구성되고, 냉접점(5b, 8b)과 온접점(5a, 8a)을 갖고 있다. 열을 검출할 때, 냉접점(5b, 8b)과 온접점(5a, 8a) 사이의 온도차로 인해 열기전력이 발생하므로 열전대가 온도 검출 신호를 출력한다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 다이아프램(3)은 실리콘 기판(2)에 형성되어 있다. 다이아프램(3)에는 마이크로 히터(4), 상류측 써모파일(8), 하류측 써모파일(5), 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)의 각각의 온접점이 형성되어 있다.

플로우 센서(1)에서, 마이크로 히터(4)가 외부로부터의 구동 전류에 의해 가열을 개시하면, 마이크로 히터(4)로부터 발생한 열은 유체를 통하여 하류측 써모파 일(5)과 상류측 써모파일(8)의 각각의 온접점(5a, 8a)에 전달된다. 각각의 냉접점(5b, 8b)은 실리콘 기판에 있으므로 냉접점은 기판 온도가 된다. 각각의 온접점(5a, 8a)은 다이아프램에 있으므로 전달된 열에 의해 가열되고, 온접점(5a, 8a)의 온도는 실리콘 기판보다 높다. 그러므로, 각각의 써모파일은 온접점(5a, 8a)과 냉접점(5b, 8b) 사이의 온도차에 의해 열기전력을 발생시키며 온도 검출 신호를 출력한다.

유체에 의해 전달된 열은 유체의 열확산 효과 및 P로부터 Q를 향해 유동하는 유체의 유속에 의한 상승 효과에 의해 써모파일에 전달된다. 즉, 유속이 없는 경우, 열확산에 의해서 열은 상류측 써모파일(8)과 하류측 써모파일(5)에 균등하게 전달되고, 상류측 써모파일(8)로부터의 상류측 온도 신호와 하류측 써모파일(5)로부터의 하류측 온도 신호 사이의 차이는 영이다.

한편, 유체에 유속이 발생하는 경우, 하류측 써모파일(5)의 온접점(5a)에 전달되는 열량은 증가되고, 상류측 써모파일(8)의 온접점(8a)에 전달되는 열량은 감소된다. 그러므로, 상기 하류측 온도 신호와 상류측 온도 신호 사이의 차이 신호는 유속에 대응하는 플러스 값이 된다.

마이크로 히터(4)가 구동 전류에 의해 가열을 개시하면, 마이크로 히터(4)에 의해 발생한 열은 유체의 유속의 영향을 받지 않고 유체의 열확산 효과에 의해서, 마이크로 히터(4)에 대하여 유체의 유동 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치된 우측 써모파일(11)에 전달된다. 마이크로 히터(4)에 대하여 유체의 유동 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치된 좌측 써모파일(13)에도 동일한 열이 전달된다. 따라 서, 우측 써모파일(11)의 기전력에 의해 제3 출력 단자(12A, 12B)로부터 출력되는 우측 온도 검출 신호 및/또는 좌측 써모파일(13)의 기전력에 의해 제4 출력 단자(14A, 14B)로부터 출력되는 좌측 온도 검출 신호는 열전달, 열확산, 비열 등에 의해서 결정되는 열확산 계수 등과 같은 유체의 물성과 관련이 있다. 적당한 프로세스로 물성치를 얻을 수 있다.

또한 열확산 정수의 크기는 상류측 써모파일(8)에 의해 출력되는 상류측 온도 신호와 하류측 써모파일(5)에 의해 출력되는 하류측 온도 신호에 영향을 준다. 우측 및 좌측 써모파일 출력의 크기는 동일하게 변화된다. 그러므로, 원리적으로 상류측 온도 신호, 하류측 온도 신호, 또는 이들 사이의 차이로부터 우측 및/또는 좌측 써모파일 출력을 감산함으로써 다양한 열확산 정수를 갖는 유체, 즉 어떠한 종류의 유체라도 정확한 유량을 산출할 수 있게 된다.

따라서, 도시되지 않은 유량 측정기는 좌측 및 우측 온도 검출 신호에 기초하여 유체의 물성 상태 정보를 계산하고, 상류측 온도 신호와 하류측 온도 신호 사이의 차이를 그 물성 상태 정보로 보정함으로써 높은 정밀도의 계측을 실현한다.

그러나, 이러한 플로우 센서(1)에서는 유체의 물성 상태 정보에 대한 보정에도 불구하고, 계측 정보의 재현성이 좋지 않다는 문제가 있다. 특히 많은 유량의 계측, 즉 유속이 빠른 경우에 재현성이 나쁘다. 이것은 유량 측정기의 계측 범위를 제한하는 하나의 이유이다.

본원 발명자는, 마이크로 히터(4)에 전류가 흐르지 않는 상태, 즉 플로우 센서(1)가 구동되지 않는 상태에서도 유량 측정기의 출력이 변화되고 있다는 것을 알 아내었다. 상세한 내용은 이하에서 구체적으로 설명한다.

유량은 표준 상태에서 100L/mim로 계측된다.

도 9에서 종축으로 도시된 바와 같이 기기 오차의 단위는 % RD(% of Reading)로 되어 있다. 예를 들면 최대 유량 100L/min의 측정기에서, 측정기가 10L/min 을 계측하고 출력이 9L/min 인 경우 기기 오차는 -10% RD이다. 이 때의 허용공차는 -1%(FS) 이다.

도 8에 도시한 바와 같이 온도차가 없고 히터가 가열되지 않은 경우, 온도 센서 출력은 출력 V0 이다. 히터가 가열될 때 온도 센서 출력은 V2 이다. 이 경우에서, 가스 온도가 하우징 온도보다 높아질 때, 출력 V0는 V1으로 바뀌고 출력 V2는 V3로 바뀐다. 그러나, 플로우 센서(1)에는 항상 전력이 인가되고 있기 때문에 출력 V0 및 출력 V3은 계측할 수 없다. 출력 V2가 V3로 변화된다.

도 9는 도 6에 도시한 플로우 센서(1)의 출력을 계측한 결과를 나타낸다. 기기 오차는 -30도의 온도차에서 약 +20 %RD 이고, +30도의 온도차에서 약 -20 %RD이다.

도 6의 플로우 센서(1)에서, 가스와 센서 보디의 온도차에 기인하는 상류측 써모파일(8)과 하류측 써모파일(5)의 출력이 거의 동일하기 때문에, 그 차이 출력의 계측은 자동적으로 캔슬된다. 그러나, 좌측 및 우측 써모파일의 출력은 차이 출력을 취하지 않기 때문에 상쇄될 수 없다. 상류측 써모파일(8)과 하류측 써모파일(5)의 차이 출력이 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)의 출력에 의해 보정되지 않으면 정확한 계측이 이루어지지 않기 때문에 플로우 센서(1)의 출력 정밀도 는 나빠진다. 그러므로, 플로우 센서(1)의 출력은 가스와 센서 보디 사이의 온도차에 비례하여 변화된다.

따라서, 본 발명의 목적은 플로우 센서 구조의 복잡함을 증가시키는 일 없이, 계측 정밀도를 향상시킬 수 있는 유체 계측 장치 및 유체 계측 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면,

유로 내를 유동하는 유체를 가열하여 소정의 온도 분포를 발생시키는 히터(4);

상기 히터(4)에 대한 상기 유로의 상류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 상류측 온도 신호를 출력하는 상류측 온도 센서(8);

상기 히터(4)에 대한 상기 유로의 하류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 하류측 온도 신호를 출력하는 하류측 온도 센서(5); 그리고

상기 유체의 흐름 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치되어 있으며 상기 유체의 온도를 검출하고 횡측 온도 신호를 출력하는 횡측 온도 센서(11, 13)를 포함하고 있는 플로우 센서(1)를 이용하는 유체 계측 장치를 제공하는데,

상기 유체 계측 장치는

상기 유량의 계측을 개시하고 나서 종료하기까지의 계측 기간 동안 상기 히터(4)를 간헐적으로 구동시키는 히터 컨트롤러(41a);

상기 히터 컨트롤러(41a)의 제어에 의해 상기 히터(4)가 구동을 정지할 때마다 상기 횡측 온도 센서(11, 13)로부터 출력된 횡측 온도 신호를 비구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41b);

상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41b)가 비구동시 횡측 온도 신호를 수신한 후 상기 히터 컨트롤러(41a)에 의해 제어된 상기 히터(4)의 구동에 따라 상기 횡측 온도 센서(11, 13)로부터 출력된 횡측 온도 신호를, 상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41b)에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호에 대응한 구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41c);

상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41b)에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호와 상기 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41c)에 의해 수신된 구동시 횡측 온도 신호에 근거하여, 상기 대체로 수직인 방향에서의 상기 온도 분포에 따른 상기 유체의 물성 상태를 나타내는 물성 상태 정보를 검출하는 물성 상태 정보 검출 부재(41d);

상기 히터 컨트롤러(41a)의 제어에 의해 상기 히터(4)가 구동되고 있을 때에, 상기 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41c)에 의해 수신된 구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서(8)에 의해 출력된 상류측 온도 신호와 상기 하류측 온도 센서(5)에 의해 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 온도 신호 수신 부재(41e);

상기 물성 상태 정보 검출 부재(41d)에 의해 검출된 물성 상태 정보에 근거하여 상기 온도 신호 수신 부재(41e)에 의해 수신된 상기 상류측 온도 신호 및 하 류측 온도 신호를 보정하는 보정 부재(41f); 그리고

상기 보정 부재(41f)에 의해 보정된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 유체의 유속에 따라 변화된 상기 온도 분포를 검출하고, 이 검출된 온도 분포에 근거하여 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출 부재(41g)를 포함하고 있다.

바람직하게는, 상기 유체 계측 장치가 상기 히터 컨트롤러(41a)의 제어에 의해 상기 히터가 구동되고 있지 않을 때에, 상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재(41b)에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서(8)에 의해 출력된 상류측 온도 신호와 상기 하류측 온도 센서(5)에 의해 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 비구동시 온도 신호 수신 부재(41h)를 더 포함하고 있고, 상기 보정 부재(41f)가 상기 비구동시 온도 신호 수신 부재(41h)에 의해 수신된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 온도 신호 수신 부재(41e)에 의해 수신된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정하고, 이 보정된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 상기 물성 상태 정보 검출 부재(41d)에 의해 검출된 물성 상태 정보에 근거하여 보정한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면,

유로 내를 유동하는 유체를 가열함으로써 소정의 온도 분포를 발생시키는 히터(4);

상기 히터(4)에 대한 상기 유로의 상류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 상류측 온도 신호를 출력하는 상류측 온도 센서(8);

상기 히터(4)에 대한 상기 유로의 하류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 하류측 온도 신호를 출력하는 하류측 온도 센서(5); 그리고

상기 유체의 흐름 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치되어 있으며 상기 유체의 온도를 검출하고 횡측 온도 신호를 출력하는 횡측 온도 센서(11, 13)를 포함하고 있는 플로우 센서(1)로 유체의 유량을 계측하는 유체 계측 방법이 제공되는데,

상기 유체 계측 방법은

상기 유량의 계측을 개시하고 나서 종료하기까지의 계측 기간 동안 상기 히터(4)가 간헐적으로 구동하도록 제어하는 단계;

상기 계측 기간 동안 상기 히터(4)가 구동을 정지할 때마다 상기 횡측 온도 센서(11, 13)로부터 출력된 횡측 온도 신호를 비구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 단계;

상기 히터(4)의 구동에 따라서 상기 횡측 온도 센서(11, 13)로부터 출력된 횡측 온도 신호를 상기 비구동시 횡측 온도 신호에 대응한 구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 단계;

구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서(8)로부터 출력된 상류측 온도 신호 및 상기 하류측 온도 센서(5)로부터 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 단계;

비구동시 횡측 온도 신호와 구동시 횡측 온도 신호에 근거하여, 상기 대체로 수직인 방향에서의 상기 온도 분포에 따른 상기 유체의 물성 상태를 나타내는 물성 상태 정보를 검출하는 단계;

상기 물성 상태 정보에 근거하여 상기 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정하는 단계;

상기 보정한 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 유체의 유속에 따라 변화된 상기 온도 분포를 검출하는 단계; 그리고

상기 검출한 온도 분포에 근거하여 상기 유체의 유량을 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 장점과 그 밖의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 참고하면 보다 잘 알 수 있다.

[바람직한 실시예의 상세한 설명]

이하, 전술한 플로우센서(1)(도 6 참조)를 이용한 본 발명에 따른 유체 계측 장치의 실시예에 대하여, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 2에서, 본 발명에 따른 유체 계측 장치(20)는 플로우센서(1)를 사용하여, 유체로서의 가스의 유량을 계측한다. 플로우센서(1)는 유체 계측 장치(20)의 구동에 의하여 유체를 가열함으로써 소정의 온도분포를 발생시키는 마이크로 히터(4); 마이크로 히터(4)에 대하여 유동 경로의 상류에서 유체의 온도를 검출하여 상류측 온도신호를 출력하는 상류측 써모파일(상류측 온도센서)(8); 마이크로 히터(4)에 대하여 유동 경로의 하류에서 유체의 온도를 검출하여 하류측 온도신호를 출력하는 하류측 써모파일(하류측 온도센서)(5); 및 유동방향에 대체로 수직인 방향으로 배 치되어 유체의 온도를 검출하여 좌측 온도검출신호 및 우측 온도검출신호를 출력하는 좌측 및 우측 써모파일(횡측 온도센서)(13, 11);을 포함한다.

유체 계측 장치(20)는 플로우센서(1)에서 하류측 써모파일(5) 및 상류측 써모파일(8)로부터 출력된 하류측 온도신호 및 상류측 온도신호 사이의 차동신호를 증폭하기 위한 차동앰프(33); 플로우센서(1)에서 우측 써모파일(11)로부터의 우측 온도검출신호를 증폭하는 앰프(35a); 플로우센서(1)에서 좌측 써모파일(13)로부터의 좌측 온도검출신호를 증폭하는 앰프(35b); 및 마이크로 히터(4)를 구동하기 위하여 MPU(40)에 의하여 제어되는 구동부(50)를 포함한다. 차동앰프(33), 앰프(35a, 35b) 및 구동부(50)는 MPU(40)에 접속되어 있다.

일반적으로 알려진 바와 같이, MPU(40)는 CPU(41), ROM(42) 및 RAM(43)을 포함한다.

ROM(42)에는, CPU(41)가 히터 컨트롤러, 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재, 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재, 물성 상태 정보 검출 부재, 온도 신호 수신 부재, 보정 부재, 유량 산출 부재, 및 비구동시 온도 신호 수신 부재로서의 기능을 하도록 각종 프로그램이 저장되어 있다.

하류측 써모파일(5) 및 상류측 써모파일(8)로부터의 하류측 온도신호 및 상류측 온도신호 사이의 차동신호는 차동앰프(33)를 통하여 CPU(41)로 입력된다. 본 실시예에서는 차동앰프(33)가 사용되는 경우에 대하여 설명하고 있지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 증폭된 하류측 온도신호 및 상류측 온도신호가 곧바로 CPU(41)로 입력될 수도 있다.

우측 써모파일(11)로부터의 우측 온도검출신호는 앰프(35a)를 통하여 CPU(41)로 입력된다. 좌측 써모파일(13)로부터의 좌측 온도검출신호는 앰프(35b)를 통하여 CPU(41)로 입력된다. 본 실시예에서는 두 개의 앰프(35a, 35b)가 사용되는 경우에 대하여 설명하고 있지만, 두 개의 신호의 합이 사용될 수도 있다.

구동부(50)는 MPU(40)에 접속되어 있고, MPU(40)로부터의 지시에 응답하여 마이크로 히터(4)를 구동하는 구동회로를 구비하고 있다.

다음으로, MPU(40)의 CPU(41)에 의해 실행되는 유량계측처리의 일 실시예에 대하여 도 3의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 본 실시예에서, 상기 유량계측처리는 유량계측장치(20)가 기동되어 있는 상태에서 상시 실행되고, 유량계측장치(20)의 동작이 정지되는 것에 상응하여 처리가 종료된다.

도 3에서와 같이, 단계 S11(비구동시 횡측 온도 신호 수신 단계)에서, 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)로부터 앰프(35a, 35b)를 통하여 우측 온도검출신호 및 좌측 온도검출신호가 수신된다. 이러한 신호는 비구동시 온도분포출력(V3off)으로서 RAM(43)에 저장되고, 그 후 단계 S12로 진행한다.

단계 S12(비구동시 온도 신호 수신 단계)에서, 비구동시 온도분포출력(V3off)에 상응해서 상류측 써모파일(8) 및 하류측 써모파일(5)로부터 출력된 상류측 온도신호 및 하류측 온도신호 사이의 차동신호는 차동앰프(33)를 통하여 수신된다. 이 신호는 비구동시 온도차출력(Voff)로서 RAM(43)에 저장되고, 그 후 단계 S13로 진행한다.

단계 S13(히터 제어 단계)에서, 마이크로 히터(4)의 가열을 시작하도록 구동 부(50)에 지시되고, 그 후 단계 S14로 진행한다. 이러한 지시에 응하여, 구동부는 마이크로 히터(4)에 일정한 전압을 인가한다. 그 결과, 마이크로 히터(4) 주위의 가스가 가열되어, 소정의 온도분포가 발생된다.

단계 S14에서, 마이크로 히터(4)의 온도가 안정되어 있는지 여부가 판정된다. 물론, 이러한 판정을 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도가 안정화되는 소정의 시간을 기억한 다음, 타이머를 이용하여 판정할 수 있다. 또한, 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)을 사용하여 검출된 온도로 판정할 수도 있다.

온도가 안정적이지 않다고 판정된 경우(S14에서 "N")에, 이러한 처리과정은 온도가 안정될 때까지 반복된다. 반면에, 온도가 안정적이라고 판정된 경우(S14에서 "Y")에는, 단계 S15로 진행된다.

단계 S15(구동시 횡측 온도 신호 수신 단계)에서, 우측 써모파일(11) 및 좌측 써모파일(13)로부터 앰프(35a, 35b)를 통하여 우측 온도검출신호 및 좌측 온도검출신호가 수신되어, 구동시 온도분포출력(V3on)로서 RAM(43)에 저장된다. 그 후, 단계 S16로 진행된다.

단계 S16(구동시 온도 신호 수신 단계)에서, 구동시 온도분포출력(V3on)에 상응해서 상류측 써모파일(8) 및 하류측 써모파일(5)로부터 출력된 상류측 온도신호 및 하류측 온도신호가 차동앰프(33)를 통하여 수신되고, 그 차동신호는 구동시 온도차출력(Von)으로서 RAM(43)에 저장된다. 그 후, 단계 S17로 진행된다.

단계 S17(히터를 제어하는 단계)에서는, CPU(41)가 구동부(50)가 마이크로 히터(4)를 가열하는 것을 중지하도록 명령한다. 그 후, 단계 S18로 진행된다.

단계 S18(물성 상태 정보 검출 단계, 보정 단계)에서, 온도 분포 출력 V3on와 온도 분포 출력 V3off의 차이를 구함으로써, 물성 상태 정보가 산출되어 RAM(43)에 저장된다. 그 후, 단계 S19로 진행된다. 물론, 상기 물성 상태 정보에 기초하여 유체의 물성상태가 어느 정도 얻어질 수 있다.

단계 S19(유량 산출 단계, 보정 단계)에서, RAM(43)에서의 온도차 출력(Von, Voff), 물성 상태 정보(V3on - V3off), 후술하는 유량산출식을 이용하여 산출함으로써, 1회 계측 당 유량이 산출되어 유량 정보로서 RAM(43)에 저장된다. 그 후, 단계 S20에서 유량 정보가 소정의 표시장치에 표시된다.

물론, 본 실시예에서, (Von - Voff)/(V3on - V3off)를 산출하기 위한 산출 프로그램이 ROM(42)에 미리 저장되어 있다. 그러나, 온도차 출력(Von)의 보정이 불필요할 때에는, Von/(V3on - V3off)의 식을 산출하기 위한 산출 프로그램이 RAM(42)에 저장될 수 있고, 단계 S12를 삭제하는 것이 가능하다.

단계 S21에서는, 단계 S17에서 구동이 정지된 마이크로 히터(4)의 비구동시 온도가 안정적인가 여부가 판단된다. 단계 S14와 유사하게, 온도가 안정적이지 않으면(S21에서 "N"), 온도가 안정적이 될 때까지 이 과정을 반복한다. 반면에, 온도가 안정적이라고 판단되면(S21에서 "Y"), 이 과정은 단계 S11로 돌아가고, 일련의 처리과정이 반복된다. 또한, 이 과정은 즉시 돌아갈 필요는 없으며, 어느 정도 시간 후에 돌아가도 된다.

여기서, 위에서 설명한 유체 계측 장치와 유체 계측 방법이 유효한 이유를 종래의 계측 장치 및 방법과 비교하여 설명한다.

종래의 계측에서는 마이크로 히터(4)는 간헐적으로 구동되지 않는다. 따라서, 비구동시의 온도 센서 출력은 측정되지 않는다. 따라서 플로우 센서(1)로부터의 출력은 Von / V3on 이다. 반면에, 본 발명에 따른 출력은 Von / (V3on - V3off)이다. 만약 V3off=0 이라면, 두 출력은 동일할 것이다. 그러나 유체의 온도가 센서 몸체보다 높다면, 온도 센서가 장착된 다이아프램(3)의 온도가 상승할 것이며, 출력 V3off는 0 보다 클 것이다. 출력 V3on 역시 다이아프램(3)의 온도 증가에 영향을 받아, 출력 V3off는 온도차가 없는 경우보다 높게 된다.

즉, 다이아프램(3)의 온도 증가에 의한 측정 오차는 제거될 수 있다.

또한, Von이 Von - Voff가 될 때에도 유사하다. 즉, 출력 Von은 하류측 온 도 출력과 상류측 온도출력과의 차이이므로, 상류와 하류의 온도 센서가 엄격하게 대칭이라면, 비구동시 양쪽 출력은 동일하고 보정은 불필요하다. 그러나, 엄밀한 대칭센서는 제조하기 곤란하므로 양호한 계측 정확도는 Von - Voff를 이용함으로써 기대할 수 있다.

다음으로, 유체 계측장치(20)의 작동예를 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다. 위에서 설명한 유체계측 과정이 유체계측 장치(20)에 의해서 실행될 때, 전압 (Vth)이 도 4a의 실선으로 표시된 구동 신호(G)에 의해 소정 시간 간격으로 그리고 간헐적으로 플로우 센서(1)의 마이크로 히터(4)에 공급된다. 그리고, 본 실시예에서는 마이크로 히터(4)에 전압(Vth)을 공급하는 구동시간(T1) 및 전압을 공급하지 않는 비구동시간(T2)으로 구성되는 펄스신호가 가스 계측 시작부터 마지막까지 계 측시간 동안 마이크로 히터(4)를 제어한다. 본 실시예에서는 계측시간은 유체 계측 장치(20)의 시동시로 하고 있으나 본 발명에서는 이것에 한정되지 않는다.

구동시간(T1)은 가스(유체)를 가열하여 소정의 온도분포를 보이기에 충분한 시간이며, 비구동시간(T2)은 정상적인 온도로 돌아가기에 충분한 시간이다. 그리고 마이크로 히터(4)를 제어하는 다양한 방법들이 있다. 예를 들어, 마이크로 히터(4)는 계측 시작부터 마지막까지 소정의 시간동안 간헐적으로 구동된다.

가스와 센서 몸체의 온도 차이가 0인 경우, 구동신호(G)에 대응하여 플로우 센서(1)에 의해 감지되고 출력된 신호는 온도 신호(G1)으로 표시한다. 가스와 센서 몸체 사이의 온도차가 0가 아닌 경우, 신호는 온도 신호(G1)보다 △V만큼 높게되고 이것을 온도 신호(G2)로 표시한다.

위에 따르면, 본 발명에서는 일정한 전압(Vth)이 간헐적으로 공급되고, 종래 기술에서는 연속적으로 공급된다. 도 4에서 보이 듯이, 각 써모파일로부터의 출력은 가스와 센서 몸체 사이의 온도 차이에 기초하여 변화한다.

플로우 센서(1)에 대하여, 유체 계측 장치(20)은 마이크로 히터(4)에 전압(Vth)이 공급되지 않는 경우, 써모파일(11, 13)의 오른쪽 및 왼쪽에서 온도 분포 출력(V3off)를 입력하고, 도 4에서 측정점(P1)에서 상류측 써모파일(8) 및 하류측 써모파일(5)로부터의 온도 차이(Voff)를 입력하고, 그리고 마이크로 히터(4)는 가스를 가열하기 시작한다.

도 4에서 측정점(P2)에서는, 가열된 가스의 온도가 안정적인 조건에서 유체 계측 장지(20)는 써모파일(11, 13)의 오른쪽 및 왼쪽에서 온도 분포 출력(V3off)를 입력하고, 상류측 써모파일(8) 및 하류측 써모파일(5)로부터의 온도 차이(Voff)를 입력하고, 그리고 마이크로 히터(4)는 가스를 가열하기 시작한다.

유체 계측 장치(20)는 온도 분포 출력 (V3on, V3off)에 기초하여 물성상태 정보를 검출하고, 상기 물성상태 정보, Von, Voff 및 유량 계측식을 이용하여 가스의 유량을 계산하고 상기 유량 데이터를 표시한다.

그리고 나서, 도 4의 측정점(P3)에서, 비구동하에서 온도가 안정적인 경우, 측정점(P1)과 유사하게, 유체 측정 장치(20)는 온도 분포 출력(V3off)과 온도 차이 출력(Voff)을 각각 입력하고, 그리고 마이크로 히터(4)가 가스를 가열하기 시작한다. 그리고, 도 4의 측정점(P4)에서, 가열된 가스의 온도가 안정적인 경우, 측정점(P2)와 유사하게, 유체 계측 장치(20)는 온도 분포 출력(V3on), 온도차이 출력(Voff)을 각각 입력하고, 그리고 마이크로 히터(4)는 가스 가열을 중단한다. 그리고 유체 계측 장치(20)는 온도 분포에 대응하는 물성 상태 정보를 검출하고 유량으 계산한다.

가스 계측 기간 동안, 위와 같은 과정은 반복되며, 물성 상태 정보는 계속해서 검출되고, 상류와 하류의 온도 센서 출력은 물성 상태 정보에 의해 보정되고, 유량이 계산된다.

관련 기술 분야에서 상술한 계측 조건하에서, 온도 차이와 기기 오차 사이의 관계가 도 5에서 보인다. 자세하게는, 센서 몸체와 가스 사이의 온도 차이가 -30도 에서 30도로 변화하는 경우, 기기 오차는 -30도에서 1% RD, -15도에서 0% RD, -5도에서 0.5% RD, 5도에서 0% RD, 15도에서 0% RD, 30도에서 -1% RD 이다. 즉, 본 발명에 따른 유체 측정 장치(20)는 온도차의 변화에 의한 기기 오차의 발생을 방지한다.

본 발명에 따른 유체 계측 장치(20)에 의하면, 유체 측정 동안에 마이크로 히터(4)는 간헐적으로 구동되고, 마이크로 히터(4)가 구동을 멈추는 경우, 유체 계측 장치(20)는 왼쪽 및 오른쪽 써모파일(11, 13)로부터 비구동시 횡측 온도 신호를 입력한다. 마이크로 히터(4)가 구동되는 경우, 유체 계측 장치(20)는 구동시 횡측 온도 신호를 입력한다. 횡측 온도 신호에 기초하여, 흐름 방향에 대체로 수직인 온도 분포에 대응하는 유체의 물성 상태 정보가 검출된다. 상기 물성 상태 정보에 의해 보정된 상류 및 하류측 온도 신호에 기초해서, 가스의 속도에 대응하여 변화한 온도 분포가 검출된다. 유량은 상기 온도 분포에 기초해서 측정된다. 따라서 센서 몸체와 유체 사이의 온도 차이에 의해 발생한 온도 센서의 오프셋 출력은 소거된다. 따라서, 센서 몸체와 유체 사이에 온도차가 존재하는 경우에도, 플로우 센서의 출력의 정확성이 담보된다.

플로우 센서의 마이크로 히터(4)에 대해서, 구동 제어 방법을 변경하는 것만에 의해서, 플로우 센서의 구조를 복잡하게 하지 않고 다양한 가스(유체)의 측정의 정확성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 기존의 플로우 센서(1)은 유체 계측 장치(20)로 사용될 수 있다. 몇 개의 추가적인 스위치와 같은 하드웨어를 변경하고, 그들을 제어하는 소프트웨어를 변경함으로써 유체 계측 장치(20)를 만들 수 있다. 즉, 측정의 정확성은 단순한 변경으로 가능한 것이다.

또한, 마이크로 히터가 구동을 멈추는 경우, 유체 측정 장치(20)는 상류측 써모파일(8) 및 하류측 써모파일(5)로부터 상류 및 하류 온도 신호를 받아서, 상류 및 하류 온도 신호를 수정한다. 따라서, 측정의 정확성에 대한 오차 요인 중의 하나가 소거되고, 측정의 정확성은 더욱 향상된다.

그리고, 바람직한 실시예에서는 청구항에서의 각 수단은 MPU(40)에 의해서 실현된다. 그러나 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, DSP(digital signal processor) 또는 ASIC(application specific IC)도 이용될 수 있다.

또한, 상기 바람직한 실시예에서는 상기 유체 계측 장치(20)가 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 유체 측정 장치(20)는 기어 미터에 넣어질 수 있고, 유체 계측 장치(20)는 물이나 의약품 그 밖의 것을 측정하는 데 이용될 수도 있다.

본 발명은 첨부된 도면과 실시예에 의해서 충분히 설명되었으나, 이하에서 규정되는 본 발명의 범위 내에 있는 다양한 변화나 변경은 당업자에게 자명한 경우 본 발명에 속한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 유체 계측 장치에 의하면, 유체 측정 동안에 히터는 간헐적으로 구동되고, 히터가 구동을 멈추는 경우, 유체 계측 장치는 횡측 온도 센서로부터 비구동시 횡측 온도 신호를 입력한다. 히터가 구동되는 경우, 유체 계측 장치는 구동시 횡측 온도 신호를 입력한다. 횡측 온도 신호에 기초하여, 흐름 방향에 대체로 수직인 온도 분포에 대응하는 유체의 물성 상태 정보가 검출된다. 상기 물성 상태 정보에 의해 보정된 상류 및 하류측 온도 신호에 기초 해서, 가스의 속도에 대응하여 변화한 온도 분포가 검출된다. 유량은 상기 온도 분포에 기초해서 측정된다. 따라서 센서 몸체와 유체 사이의 온도 차이에 의해 발생한 온도 센서의 오프셋 출력은 소거된다. 따라서, 센서 몸체와 유체 사이에 온도차가 존재하는 경우에도, 플로우 센서의 출력의 정확성이 담보된다.

플로우 센서의 히터에 대해서, 구동 제어 방법을 변경하는 것만에 의해서, 플로우 센서의 구조를 복잡하게 하지 않고 다양한 가스(유체)의 측정의 정확성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 기존의 플로우 센서를 유체 계측 장치로 사용할 수 있다. 몇 개의 추가적인 스위치와 같은 하드웨어를 변경하고, 그들을 제어하는 소프트웨어를 변경함으로써 유체 계측 장치를 만들 수 있다. 즉, 측정의 정확성은 단순한 변경으로 가능한 것이다.

또한, 히터가 구동을 멈추는 경우, 유체 측정 장치는 상류측 온도 센서 및 하류측 온도 센서로부터 상류 및 하류 온도 신호를 받아서, 상류 및 하류 온도 신호를 수정한다. 따라서, 측정의 정확성에 대한 오차 요인 중의 하나가 소거되고, 측정의 정확성은 더욱 향상된다.

Claims (3)

1. 유로 내를 유동하는 유체를 가열하여 소정의 온도 분포를 발생시키는 히터;

   상기 히터에 대해 상기 유로의 상류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 상류측 온도 신호를 출력하는 상류측 온도 센서;

   상기 히터에 대해 상기 유로의 하류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 하류측 온도 신호를 출력하는 하류측 온도 센서; 그리고

   상기 유체의 흐름 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치되어 있으며 상기 유체의 온도를 검출하고 횡측 온도 신호를 출력하는 횡측 온도 센서를 포함하고 있는 플로우 센서를 이용하는 유체 계측 장치로서,

   상기 유량의 계측을 개시하고 나서 종료하기까지의 계측 기간 동안 상기 히터를 간헐적으로 구동시키는 히터 컨트롤러;

   상기 히터 컨트롤러의 제어에 의해 상기 히터가 구동을 정지할 때마다 상기 횡측 온도 센서로부터 출력된 횡측 온도 신호를 비구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재;

   상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재가 비구동시 횡측 온도 신호를 수신한 후 상기 히터 컨트롤러에 의해 제어된 상기 히터의 구동에 따라 상기 횡측 온도 센서로부터 출력된 횡측 온도 신호를, 상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호에 대응한 구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재;

   상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호와 상기 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 구동시 횡측 온도 신호에 근거하여, 상기 대체로 수직인 방향에서의 상기 온도 분포에 따른 상기 유체의 물성 상태를 나타내는 물성 상태 정보를 검출하는 물성 상태 정보 검출 부재;

   상기 히터 컨트롤러의 제어에 의해 상기 히터가 구동되고 있을 때에, 상기 구동시 횡측 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서에 의해 출력된 상류측 온도 신호와 상기 하류측 온도 센서에 의해 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 온도 신호 수신 부재;

   상기 물성 상태 정보 검출 부재에 의해 검출된 물성 상태 정보에 근거하여 상기 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 상기 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정하는 보정 부재; 그리고

   상기 보정 부재에 의해 보정된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 유체의 유속에 따라 변화된 상기 온도 분포를 검출하고, 이 검출된 온도 분포에 근거하여 상기 유체의 유량을 산출하는 유량 산출 부재;

   를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유체 계측 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 히터 컨트롤러의 제어에 의해 상기 히터가 구동되고 있지 않을 때에, 상기 비구동시 횡측 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 비구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서에 의해 출력된 상류측 온도 신호와 상기 하류 측 온도 센서에 의해 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 비구동시 온도 신호 수신 부재를 더 포함하고 있고,

   상기 보정 부재가 상기 비구동시 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 온도 신호 수신 부재에 의해 수신된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정하고, 이 보정된 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 상기 물성 상태 정보 검출 부재에 의해 검출된 물성 상태 정보에 근거하여 보정하는 것을 특징으로 하는 유체 계측 장치.
3. 유로 내를 유동하는 유체를 가열함으로써 소정의 온도 분포를 발생시키는 히터;

   상기 히터에 대해 상기 유로의 상류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 상류측 온도 신호를 출력하는 상류측 온도 센서;

   상기 히터에 대해 상기 유로의 하류측에서의 상기 유체의 온도를 검출하고, 하류측 온도 신호를 출력하는 하류측 온도 센서; 그리고

   상기 유체의 흐름 방향과 대체로 수직인 방향으로 배치되어 있으며 상기 유체의 온도를 검출하고 횡측 온도 신호를 출력하는 횡측 온도 센서를 포함하고 있는 플로우 센서로 유체의 유량을 계측하는 유체 계측 방법으로서,

   상기 유량의 계측을 개시하고 나서 종료하기까지의 계측 기간 동안 상기 히터가 간헐적으로 구동하도록 제어하는 단계;

   상기 계측 기간 동안 상기 히터가 구동을 정지할 때마다 상기 횡측 온도 센 서로부터 출력된 횡측 온도 신호를 비구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 단계;

   상기 히터의 구동에 따라서 상기 횡측 온도 센서로부터 출력된 횡측 온도 신호를 상기 비구동시 횡측 온도 신호에 대응한 구동시 횡측 온도 신호로서 수신하는 단계;

   구동시 횡측 온도 신호에 대응하여 상기 상류측 온도 센서로부터 출력된 상류측 온도 신호 및 상기 하류측 온도 센서로부터 출력된 하류측 온도 신호를 수신하는 단계;

   비구동시 횡측 온도 신호와 구동시 횡측 온도 신호에 근거하여, 상기 대체로 수직인 방향에서의 상기 온도 분포에 따른 상기 유체의 물성 상태를 나타내는 물성 상태 정보를 검출하는 단계;

   상기 물성 상태 정보에 근거하여 상기 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호를 보정하는 단계;

   상기 보정한 상류측 온도 신호 및 하류측 온도 신호에 근거하여 상기 유체의 유속에 따라 변화된 상기 온도 분포를 검출하는 단계; 그리고

   상기 검출한 온도 분포에 근거하여 상기 유체의 유량을 산출하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 유체 계측 방법.

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