KR20070115480A - Apparatus for measuring mass flow of thermal type - Google Patents

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KR20070115480A
KR20070115480A KR1020060049983A KR20060049983A KR20070115480A KR 20070115480 A KR20070115480 A KR 20070115480A KR 1020060049983 A KR1020060049983 A KR 1020060049983A KR 20060049983 A KR20060049983 A KR 20060049983A KR 20070115480 A KR20070115480 A KR 20070115480A
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김택영
민병광
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한국산업기술대학교산학협력단
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Abstract

A thermal apparatus for measuring mass flow is provided to measure the mass flow of liquid as well as gas. A thermal apparatus for measuring mass flow comprises a heat generating device(200) installed on a pipe(100), first and second temperature detecting devices(310,320) and a controller(400). The first and second temperature detecting devices are spaced apart from the heat generating device and are installed at sides of the heat generating device, respectively. The controller transmits a signal to intermittently operate the heat generating device and outputs the mass flow of the fluid based on data detected from the first and second temperature detecting devices through a predetermined algorithm.

Description

열식 질량유량 계측장치{Apparatus for measuring mass flow of thermal type} Apparatus for measuring mass flow of thermal type

도 1은 종래의 기술에 따른 열식 질량유량 계측장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a thermal mass flow measurement apparatus according to the prior art.

도 2는 종래의 기술에 따른 열식 질량유량 계측장치의 계측원리를 설명하기 위한 그래프이다.Figure 2 is a graph for explaining the measurement principle of the thermal mass flow measurement device according to the prior art.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열식 질량유량 계측장치의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a thermal mass flow measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치에서 유체를 단속적으로 가열하였을 때 관의 길이방향으로 유체의 최고 온도가 발생하는 위치를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the position where the maximum temperature of the fluid occurs in the longitudinal direction of the tube when the fluid is heated intermittently in the thermal mass flow meter according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치에서 유체를 0.3초 동안 가열한 후 정지하였을 때 시간에 따른 써미스터 1, 2에 계측된 온도변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the temperature change measured in thermistors 1 and 2 with time when the fluid is heated for 0.3 seconds and then stopped in the thermal mass flow measuring apparatus according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 배관 200 : 히터100: piping 200: heater

310, 320 : 써미스터 400 : 제어부310, 320: thermistor 400: control unit

본 발명은 유체의 질량유량을 직접 측정하는 열식 질량유량 계측장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 열 용량(heat capacity)과 대류열전달 특성을 이용한 변형된 열식 질량유량 계측장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal mass flow measuring device for directly measuring a mass flow rate of a fluid, and more particularly, to a modified thermal mass flow measuring device using heat capacity and convective heat transfer characteristics of a fluid.

유체의 유량을 계측하기 위한 계측기(계측 장치)는 매우 다양하게 개발되었으며, 이미 매우 많은 분야에서 사용되고 있다. 특히, 질량유량 측정용 열식 계측기는 기체유량을 측정하기 위하여 사용되는 다양한 방법 중 하나로서, 타 기술에 비해 정밀도와 신뢰성이 매우 높고, 측정하고자 하는 유체의 온도나 압력 및 점도 등 열 물성치에 대한 보정이 필요치 않아서 효율적이며, 계측치가 실시간에 공급되므로 유량 제어용으로도 그 효용도가 매우 높다. 그러나 이와 같은 장점에도 기존의 열식 질량유량 계측기는 주로 기체의 질량유량 계측에 한정되며, 액체에는 가열에 따른 비등 등의 문제로 적용이 어렵다. Instruments (measurement devices) for measuring the flow rate of fluids have been developed in various ways and are already being used in many fields. In particular, the thermal flow meter for mass flow measurement is one of various methods used to measure gas flow rate, which is highly accurate and reliable compared to other technologies, and corrects thermal properties such as temperature, pressure, and viscosity of a fluid to be measured. This is efficient because it is not necessary, and the measured value is supplied in real time, so the utility is very high for flow control. However, even with these advantages, the conventional thermal mass flow meter is mainly limited to the mass flow rate measurement of the gas, and it is difficult to apply the liquid to problems such as boiling due to heating.

이를 도 1 및 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.This will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 종래의 기술에 따른 열식 질량유량 계측장치의 개략도로, 배관(10)에 하나의 히터(20)와 2개의 써미스터(31)(32)가 대칭되도록 설치되며, 제어부(40)에 의해 히터(20)에 열이 가해지고 배관의 온도분포에 의하여 발생하는 두 써미스터(31)(32)의 저항변화에 의한 전압차를 제어부(40)에서 검출하고, 제어부(40)에서는 그 데이터를 분석한 후, 그 값을 유량으로 환산한다.1 is a schematic diagram of a thermal mass flow measuring apparatus according to the related art, in which one heater 20 and two thermistors 31 and 32 are symmetrically installed in a pipe 10, and are controlled by the controller 40. The controller 40 detects a voltage difference caused by a change in resistance of the two thermistors 31 and 32 generated by the heater 20 and caused by the temperature distribution of the pipe, and the controller 40 analyzes the data. After that, the value is converted into a flow rate.

도 2는 종래의 기술에 따른 질량유량 계측장치의 계측원리를 설명하기 위한 그래프이다. 2 is a graph for explaining the measurement principle of a mass flow measurement apparatus according to the prior art.

그래프를 분석하면, x축(가로축)은 배관의 축 방향 좌표를 나타낸다. 즉, 히터(20)는 배관의 중앙(0mm 지점)에 설치되며, 두 개의 써미스터(31)(32)는 히터의 양측(ㅁ6mm 지점)에 각각 설치된다. 한편, y축(세로축)은 두 써미스터 위치에서 나타나는 유체의 온도를 의미한다.In analyzing the graph, the x-axis (horizontal axis) represents the axial coordinate of the pipe. That is, the heater 20 is installed at the center (0 mm point) of the pipe, and the two thermistors 31 and 32 are installed at both sides of the heater (6 mm point). On the other hand, the y-axis (vertical axis) refers to the temperature of the fluid appearing at both thermistor positions.

상기에서 유체가 정지하고 있다(H 곡선을 나타냄)면 배관의 온도분포는 그림에 도시한 바와 같이 대칭이며, 두 써미스터에서 계측된 온도차(△Tno flow)에 의한 전압차는 0일 것이다. If the fluid is at rest (showing an H curve), the temperature distribution of the pipe is symmetrical as shown in the figure, and the voltage difference due to the temperature difference (ΔT no flow ) measured at both thermistors will be zero.

만약, 유체 유동이 존재하면 대류열전달 효과로 온도분포의 편이가 발생하여 두 써미스터에 온도차가 발생한다. 이 온도차는 유동이 저유속이고 층류로 유지되면 유체의 질량유량에 비례하며, 이와 같이 온도차를 계측함으로써 유체의 질량유량을 계측할 수 있다. 참고로, 도 2에서 유체 유동이 존재하는 I 곡선인 경우, 두 써미스터에서 계측된 온도차(△Twith flow)는 대략 85℃이다.If the fluid flow is present, the temperature distribution shifts due to the convective heat transfer effect, resulting in a temperature difference between the two thermistors. This temperature difference is proportional to the mass flow rate of the fluid when the flow is kept at low flow rate and laminar flow, and thus the mass flow rate of the fluid can be measured by measuring the temperature difference. For reference, in the case of the I curve in which the fluid flow exists in FIG. 2, the temperature difference (ΔT with flow ) measured in the two thermistors is approximately 85 ° C.

그러나 종래의 열식 질량유량 계측장치는 앞에서도 언급한 바와 같이, 주로 기체의 질량유량 계측에 한정되며, 유체가 액체이면 가열에 의한 액체의 비등이 발생하여 계측이 불가능해진다. 특히, 유량이 작아서 유속이 느리면 액체의 온도가 상승하여 비등의 가능성이 더욱 커지므로 사용이 불가능하다. However, as mentioned above, the conventional thermal mass flow measurement device is mainly limited to the mass flow rate measurement of a gas. If the fluid is a liquid, boiling of the liquid occurs due to heating, and measurement becomes impossible. In particular, if the flow rate is small due to the small flow rate, the temperature of the liquid rises, and thus the possibility of boiling increases, making it impossible to use.

또한, 종래의 열식 질량유량 계측장치는 계측하고자하는 온도차가 주위온도의 변화에 따라 변할 수 있는데 이로 인해 정확한 온도차 계측이 어려워지며, 오차 발생의 원인이 된다. In addition, in the conventional thermal mass flow measurement apparatus, the temperature difference to be measured may change according to a change in the ambient temperature, which makes accurate temperature difference measurement difficult and causes errors.

뿐만 아니라 종래의 열식 질량유량 계측장치는 히터에 의한 지속적인 가열로 인해 센서의 작동온도가 상승된다. 이와 같은 온도상승에 따른 열화현상이 발생되며, 이로 인해 부품의 수명이 단축된다. In addition, the conventional thermal mass flow measurement device increases the operating temperature of the sensor due to the continuous heating by the heater. Deterioration due to such a temperature rise occurs, which shortens the life of the parts.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 단속적으로 가열되는 유체의 최고 온도 발생 시간차 측정 방식을 이용한 열식 질량유량 계측장치를 제공하여, 유체가 기체뿐만 아니라 액체인 경우의 질량유량 계측도 가능하고, 액체의 유량이 작더라도 가열량이 적고 단속적이어서 액체의 온도 상승이 작아 비등이 발생하지 않으며, 주위온도의 변화에도 민감하지 않고, 센서(써미스터) 자체에 가해지는 열도 최소화하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to provide a thermal mass flow rate measurement device using the method of measuring the time difference between the maximum temperature generation of the fluid being intermittently heated, It is possible to measure mass flow rate, and even if the flow rate of liquid is small, the heating amount is small and intermittent, so that the temperature rise of liquid is small, so that boiling does not occur, and it is not sensitive to changes in ambient temperature, and also minimizes the heat applied to the sensor (thermistor) itself. There is.

이에, 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치는 온도차 계측이 아닌 최고 온도 발생의 시간차를 측정한다. 또한, 기존의 방식과는 달리 히터는 펄스방식으로 작동되며, 이로 인해 유체의 가열량이 종래보다 작아진다.Thus, the thermal mass flow measurement device according to the present invention measures the time difference of the highest temperature generation, not the temperature difference measurement. In addition, unlike the conventional method, the heater is operated in a pulsed manner, which causes the amount of heating of the fluid to be smaller than before.

만약 관 내에 흐르는 유량이 작으면 유속도 느리므로 본 발명에서는 이에 대응하도록 펄스와 펄스 사이의 주기도 길게 하여 유체에 부과되는 열량을 최소화시킨다.  If the flow rate in the tube is small, the flow rate is slow, so the present invention also minimizes the amount of heat applied to the fluid by correspondingly increasing the period between the pulses.

또한, 본 발명의 장치에서는 온도변화에 따른 저항변화를 계측하는 것이 아니라 두 써미스터의 저항변화(온도변화)가 최고가 되는 시간을 측정하므로 주위 온 도조건의 영향으로부터 자유롭다. 뿐만 아니라 펄스방식을 이용함으로써 열화현상도 감소시킬 수 있다. In addition, the apparatus of the present invention is free from the influence of the ambient temperature condition because it measures the time at which the resistance change (temperature change) of the two thermistors is the highest rather than measuring the resistance change according to the temperature change. In addition, the degradation can be reduced by using the pulse method.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 그 내부에 유체 유동이 층류가 유지되도록 구성시킨 배관 내의 질량유량을 측정하는 열식 질량유량 계측 장치에 있어서, 상기 배관에 설치되어 유체에 열을 가해주는 열 발생장치; 상기 열 발생장치와 일정 간격 이격되되, 열 발생장치의 일측에 각각 설치되어 배관 내 흐르는 유체의 온도를 측정하는 제 1,2 온도 측정장치; 및 상기 열 발생장치가 단속적으로 가동되도록 신호를 인가하고, 제 1,2 온도 측정장치에서 측정된 데이터를 받아 소정 알고리즘을 통해 유체의 질량유량을 산출하는 기능을 포함하는 제어부를 포함하고,In order to achieve the above object, the present invention is a thermal mass flow rate measuring device for measuring the mass flow in the pipe configured to maintain the laminar flow of the fluid flow therein, the heat generation is installed in the pipe to apply heat to the fluid Device; A first and second temperature measuring devices spaced apart from the heat generating device at predetermined intervals and installed at one side of the heat generating device to measure a temperature of a fluid flowing in the pipe; And a controller including a function of applying a signal to operate the heat generator intermittently, receiving data measured by the first and second temperature measuring devices, and calculating a mass flow rate of the fluid through a predetermined algorithm.

상기 질량 유량을 산출하는 알고리즘은 다음과 같은 수식을 가지며,The algorithm for calculating the mass flow rate has the following formula,

Figure 112006039314336-PAT00008
Figure 112006039314336-PAT00008

여기서,

Figure 112006039314336-PAT00009
는 질량 유량,
Figure 112006039314336-PAT00010
는 유체의 밀도,
Figure 112006039314336-PAT00011
는 배관의 단면적,
Figure 112006039314336-PAT00012
은 질량유량 변화에 따른 실제 평균유속과 계측평균 유속과의 비선형 상관 계수,
Figure 112006039314336-PAT00013
는 두 써미스터간의 거리,
Figure 112006039314336-PAT00014
는 제 1,2 온도 측정장치에서 측정된 온도의 최대값에 해당하는 시간차를 나타냄을 특징으로 한다.here,
Figure 112006039314336-PAT00009
Is the mass flow rate,
Figure 112006039314336-PAT00010
Is the density of the fluid,
Figure 112006039314336-PAT00011
Is the cross-sectional area of the pipe,
Figure 112006039314336-PAT00012
Is the nonlinear correlation coefficient between the actual average flow rate and the measured average flow rate
Figure 112006039314336-PAT00013
Is the distance between the two thermistors,
Figure 112006039314336-PAT00014
Is characterized in that the time difference corresponding to the maximum value of the temperature measured by the first and second temperature measuring devices.

상기 열 발생장치는 열선이고, 온도 측정장치는 써미스터 선인 것이 바람직 하다.Preferably, the heat generator is a hot wire, and the temperature measuring device is a thermistor wire.

상기 열 발생장치는 펄스 방식으로 작동되는 것을 특징으로 한다.The heat generator is characterized in that it is operated in a pulsed manner.

본 발명에서는 배관을 통과하는 유량이 작아 유속이 느리면 이에 대응하도록 펄스와 펄스사이의 주기도 길게 하여 유체에 부과되는 열량을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, when the flow rate through the pipe is small and the flow rate is slow, the period between the pulses and the pulse is also long so as to minimize the amount of heat imposed on the fluid.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열식 질량유량 계측장치의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a thermal mass flow measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치는 크게, 열 발생장치(200), 온도 측정장치(310)(320) 및 제어부(400)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 3, the thermal mass flow measuring device according to the present invention includes a heat generating device 200, a temperature measuring device 310, 320, and a controller 400.

본 발명에서는 유체 유동이 층류가 유지되는 매우 얇은 관(배관)(100)을 사용하는 것이 좋다. 그 이유는 유체가 난류가 되면 유량에 따른 비선형성이 커지므로 유량계로서 사용하기가 부적합해지기 때문이다. In the present invention, it is preferable to use a very thin tube (pipe) 100 in which fluid flow is maintained in laminar flow. The reason for this is that when the fluid becomes turbulent, the nonlinearity according to the flow rate increases, making it unsuitable for use as a flow meter.

상기 배관(100)에는 열 발생장치(200)가 설치되는데, 상기 열 발생장치(200)는 배관(100)의 일측 가장자리에 설치되는 것이 바람직하다.The heat generating device 200 is installed in the pipe 100, and the heat generating device 200 is preferably installed at one side edge of the pipe 100.

상기 열 발생장치(200)는 제어부(400)에서 인가된 펄스에 의해 단속적으로 가동되는 장치로, 배관(100) 내 흐르는 유체에 열을 가하는 역할을 수행한다.The heat generator 200 is a device that is intermittently operated by a pulse applied from the controller 400 and serves to apply heat to the fluid flowing in the pipe 100.

상기 열 발생장치(200)에는 그 일례로, 선(wire) 형태의 히터(이하, '히터 선'이라고도 함) 등이 있다.The heat generator 200 includes, for example, a wire-type heater (hereinafter, also referred to as a “heater wire”).

본 발명에서는 상기 히터 선(200)을 복층으로 감으며, 전체 히터 구간을 짧게 하여 가열부위가 작도록 하는 것이 좋다. 이는 최고 온도 발생 시간의 계측을 용이하고, 유체 가열부를 최소화하기 위한 것이다.In the present invention, it is preferable to wind the heater wire 200 in a double layer and to shorten the entire heater section so that the heating portion is small. This is to facilitate the measurement of the maximum temperature occurrence time and to minimize the fluid heating portion.

도 3에서 배관(100)의 길이는 대략 140mm이며, 상기 히터 선(200)은 배관(100)의 일단에서 20mm 떨어진 지점에 5mm 폭으로 설치된다.In FIG. 3, the length of the pipe 100 is approximately 140 mm, and the heater wire 200 is installed at a point of 20 mm away from one end of the pipe 100 with a width of 5 mm.

또한, 상기 히터 선(200)이 설치된 지점에서 배관(100)의 타측방향으로 제 1,2 온도 측정장치(310)(320)가 설치된다. In addition, the first and second temperature measuring devices 310 and 320 are installed in the other direction of the pipe 100 at the point where the heater wire 200 is installed.

본 발명의 일실시예에서는 히터 선(200)과 제 1 온도 측정장치(310)간 거리는 10mm, 제 1 온도 측정장치(310)와 제 2 온도 측정장치(320)간 거리는 10mm가 되도록 히터 선(200), 제 1,2 온도 측정장치(310)(320)를 배관(100)에 설치하였다.In an embodiment of the present invention, the distance between the heater wire 200 and the first temperature measuring device 310 is 10 mm, and the distance between the first temperature measuring device 310 and the second temperature measuring device 320 is 10 mm. 200) and the first and second temperature measuring devices 310, 320 are installed in the pipe 100.

상기 온도 측정장치(310)(320)는 상기 배관(100) 내 흐르는 유체의 온도를 측정한다. The temperature measuring device (310, 320) measures the temperature of the fluid flowing in the pipe (100).

상기 온도 측정장치(310)(320)에는 그 일례로, 선(wire) 형태의 써미스터(Themistor)(이하, '써미스터 선'이라고도 함) 등이 있다.Examples of the temperature measuring devices 310 and 320 include a thermistor in the form of a wire (hereinafter, also referred to as a thermistor wire).

본 발명의 일실시예에서는 상기 써미스터 선(310)(320)을 배관에 감을 때 그 폭이 5mm가 되도록 하였다.In one embodiment of the present invention, the thermistor wires 310 and 320 were wound to a pipe width of 5 mm.

상기 써미스터(310)(320)는 온도변화에 따라 저항이 변하는 센서로, 최고 온도 발생 시간을 계측하기 위한 것이다. The thermistors 310 and 320 are sensors whose resistance changes with temperature change, and are used to measure the maximum temperature generation time.

본 발명에서는 써미스터(310)(320)의 폭을 최소로 하는 등 써미스터 자체에서 발생하는 열량이 최소화가 되도록 하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is desirable to minimize the amount of heat generated by the thermistor itself, such as to minimize the width of the thermistors 310 and 320.

또한, 본 발명에서는 제어부(400)가 구비되는데, 상기 제어부(400)는 열 발생장치(히터 선)(200)가 단속적으로 가동되도록 펄스신호를 인가하고, 제 1,2 온도 측정장치(310)(320)에서 측정된 데이터를 받아 식 (4)와 같은 알고리즘을 통해 유체의 질량유량을 산출한다.In addition, in the present invention, the control unit 400 is provided, and the control unit 400 applies a pulse signal so that the heat generator (heater line) 200 is intermittently operated, and the first and second temperature measuring devices 310. The mass flow rate of the fluid is calculated through the algorithm as shown in Equation (4) by receiving the data measured at 320.

본 발명에서는 배관(100)을 통과하는 유량이 작아 유속이 느리면 이에 대응하도록 펄스와 펄스 사이의 주기도 길게 하여 유체에 부과되는 열량을 최소화하는 것이 바람직하다.In the present invention, when the flow rate passing through the pipe 100 is small and the flow rate is slow, it is preferable to minimize the amount of heat applied to the fluid by increasing the period between the pulses to correspond to this.

<유체의 질량유량 산출 알고리즘>Algorithm for calculating mass flow rate of fluid

도 4는 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치에서 유체를 단속적으로 가열하였을 때 관의 길이방향으로 시간에 따라 유체의 최고 온도가 발생하는 위치를 나타내는 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the position where the maximum temperature of the fluid occurs with time in the longitudinal direction of the tube when the fluid is heated intermittently in the thermal mass flow meter according to the present invention.

도 4에 도시된 그래프를 분석하면, x축(가로축)은 배관의 축방향 좌표를 나타내며, y축(세로축)은 두 써미스터 위치에서 나타나는 유체의 온도를 나타낸다.Analyzing the graph shown in FIG. 4, the x axis (horizontal axis) represents the axial coordinates of the pipe, and the y axis (vertical axis) represents the temperature of the fluid appearing at both thermistor positions.

즉, 제어부(400)에서는 히터(200)가 0.3초 동안 작동되도록 한 번의 펄스 신호가 인가되는데, 유체가 유동하며 대류열전달 효과로 인하여 시간에 따라 최고온도가 나타나는 지점이 관(10)의 축 방향으로 이동한다.That is, in the control unit 400, a single pulse signal is applied so that the heater 200 is operated for 0.3 seconds. The fluid flows and the point where the maximum temperature appears over time due to the convective heat transfer effect is the axial direction of the pipe 10. Go to.

다시 말하면, 히터(200) 가동 0.3초 후 배관(100)의 일단에서 20mm 떨어진 지점에서 유체 온도의 최대값(약 68℃)이 나타나고(A 곡선 참조), 히터(200) 가동 0.9초 후에는 이 지점이 이동하여 배관(100)의 일단에서 35mm 떨어진 부분에서 유체 온도의 최대값(약 55℃)이 나타나며(B 곡선 참조), 히터(200) 가동 1.5초 후에는 더욱 하류로 이동하여 배관(100)의 일단에서 52mm 떨어진 부분에서 유체 온도의 최대값(약 47℃)이 나타난다.(C 곡선 참조) 또한, 히터(200) 가동 2.1초 후에는 배관(100)의 일단에서 66mm 떨어진 부분에서 유체 온도의 최대값(약 43℃)이 나타나고(D 곡선 참조), 히터(200) 가동 2.7초 후, 배관(100)의 일단에서 83mm 떨어진 부분으로 유체 온도의 최대값(약 41℃) 지점이 이동한다(E 곡선 참조). In other words, the maximum value of the fluid temperature (about 68 ° C.) appears at a point 20 mm away from one end of the pipe 100 after 0.3 seconds of heater 200 operation (see curve A), and 0.9 seconds after heater 200 operation. The point moves and the maximum value of the fluid temperature (approximately 55 ° C.) appears at 35 mm away from one end of the pipe 100 (see curve B), and after 1.5 seconds of operation of the heater 200, it moves further downstream to the pipe 100. The maximum value of the fluid temperature (approximately 47 ° C.) is shown at 52 mm from one end of the circumference (see C curve). Also, 2.1 seconds after the heater 200 is operated, the fluid temperature is 66 mm from one end of the pipe 100. The maximum value (approximately 43 degrees Celsius) of (refer to D curve) appears, and after 2.7 seconds of heater 200 operation, the point of maximum fluid temperature (approximately 41 degrees Celsius) moves to 83 mm from one end of the pipe 100. (See E curve).

도 5는 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치에서 유체를 0.3초 동안 가열한 후 정지하였을 때 시간에 따른 써미스터 1, 2에 계측된 온도변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the temperature change measured in thermistors 1 and 2 with time when the fluid is heated for 0.3 seconds and then stopped in the thermal mass flow measuring apparatus according to the present invention.

도 5를 참조하면, 각 써미스터(F 곡선, G 곡선)에서 최고 온도가 발생하는 시간

Figure 112006039314336-PAT00015
과
Figure 112006039314336-PAT00016
를 계측하면, 하나의 펄스 히팅에 대한 최고 온도차 발생 시간차(
Figure 112006039314336-PAT00017
)를 알 수 있다. Referring to FIG. 5, the time at which the highest temperature occurs in each thermistor (F curve, G curve)
Figure 112006039314336-PAT00015
and
Figure 112006039314336-PAT00016
If you measure, the time difference of the highest temperature difference for one pulse heating (
Figure 112006039314336-PAT00017
Can be seen.

또한, 1차, 2차 써미스터 선 사이의 간격(

Figure 112006039314336-PAT00018
)을 알고 있으므로, 두 써미스터에서 최고 온도가 발생한 시간차를 상기와 같이 계측하면 유체의 평균속도(
Figure 112006039314336-PAT00019
)는 식(1)과 같다.In addition, the spacing between the primary and secondary thermistor lines (
Figure 112006039314336-PAT00018
), We can measure the time difference between the two thermistors as the
Figure 112006039314336-PAT00019
Is the same as Equation (1).

Figure 112006039314336-PAT00020
Figure 112006039314336-PAT00020

일반적으로 단면이 원통형인 관을 흐르는 유체가 층류이면 유체의 실제 평균유속

Figure 112006039314336-PAT00021
와 질량유량
Figure 112006039314336-PAT00022
사이에는 다음과 같은 식이 성립한다.In general, if the fluid flowing through a cylindrical cross section is laminar, the actual average flow velocity of the fluid
Figure 112006039314336-PAT00021
And mass flow rate
Figure 112006039314336-PAT00022
The following equation holds in between.

Figure 112006039314336-PAT00023
Figure 112006039314336-PAT00023

식(2)에서

Figure 112006039314336-PAT00024
는 유체의 밀도이고,
Figure 112006039314336-PAT00025
는 관의 단면적으로
Figure 112006039314336-PAT00026
이며,
Figure 112006039314336-PAT00027
는 관의 내경이다.In equation (2)
Figure 112006039314336-PAT00024
Is the density of the fluid,
Figure 112006039314336-PAT00025
Cross section of the tube
Figure 112006039314336-PAT00026
Is,
Figure 112006039314336-PAT00027
Is the inner diameter of the tube.

계측된 시간차로부터 직접 산출한 평균유속

Figure 112006039314336-PAT00028
는 써미스터의 저항변화로부터 추정한 최고 온도의 발생 위치의 속도를 의미할 뿐, 실제 평균유속은 아니다. 예측 평균유속과 실제 평균유속이 일대일로 대응하지 않고, 관 표면의 전도열전달 효과로 인하여 비선형적인 차이가 발생하며, 이는 시간차를 계측하기 위하여 제작하는 제어부에서 유체의 종류에 따라 보정하면 정확한 질량유량을 계측할 수 있다. 즉, 실제 평균유속과 예측된 평균유속과는 다음과 같은 선형 또는 비선형 상관 관계가 성립한다.Average velocity calculated directly from the measured time difference
Figure 112006039314336-PAT00028
Is the velocity of the location where the highest temperature is estimated from the thermistor's resistance change, and is not the actual average velocity. The predicted average flow rate and the actual average flow rate do not correspond one-to-one, and a non-linear difference occurs due to the conduction heat transfer effect on the tube surface. I can measure it. That is, the following linear or nonlinear correlation is established between the actual average velocity and the predicted average velocity.

Figure 112006039314336-PAT00029
Figure 112006039314336-PAT00029

여기서,

Figure 112006039314336-PAT00030
은 질량유량 변화에 따른 실제 평균유속과 계측평균 유속과의 비선형 상관 계수를 나타낸다.here,
Figure 112006039314336-PAT00030
Represents the nonlinear correlation coefficient between the actual average flow rate and the measured average flow rate according to the mass flow rate change.

식(3)에 식(1) 및 식(2)을 적용하면 실제 질량유량은 다음과 같은 식으로 산출된다.When equations (1) and (2) are applied to equation (3), the actual mass flow rate is calculated by the following equation.

Figure 112006039314336-PAT00031
Figure 112006039314336-PAT00031

상기와 같이, 본 발명에서는 계측된 시간차(

Figure 112006039314336-PAT00032
)로부터 유체의 질량유량을 산출해 낼 수 있다.As described above, in the present invention, the measured time difference (
Figure 112006039314336-PAT00032
), The mass flow rate of the fluid can be calculated.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.

종래의 열식 질량유량계측장치는 유체가 액체일 경우 가열에 의한 액체의 비등이 발생하여 계측이 불가능해진다. 또한, 주위 온도변화에 민감하게 반응하여 오차의 발생원인이 되며, 센서의 고온동작으로 인하여 열화현상이 발생한다. 그러나,In the conventional thermal mass flow measurement device, when a fluid is a liquid, boiling of the liquid occurs due to heating, and measurement becomes impossible. In addition, it is sensitive to changes in ambient temperature, causing errors, and deterioration occurs due to high temperature operation of the sensor. But,

반면에, 본 발명에 따른 열식 질량유량 계측장치는 써미스터에서의 계측은 온도차 계측이 아닌 최고 온도 발생의 시간차를 측정한다. 또한, 기존의 방식과는 달리 히터는 펄스방식으로 작동되며, 이로 인해 유체의 가열량이 종래보다 작아진다.On the other hand, in the thermal mass flow measurement apparatus according to the present invention, the measurement in the thermistor measures the time difference of the highest temperature generation, not the temperature difference measurement. In addition, unlike the conventional method, the heater is operated in a pulsed manner, which causes the amount of heating of the fluid to be smaller than before.

또한, 본 발명의 장치에서는 관 내에 흐르는 유량이 작은 경우, 이에 대응하도록 펄스와 펄스사이의 주기도 길게 함으로써 유체에 부과되는 열량을 최소화시킬 수 있다. In addition, in the apparatus of the present invention, when the flow rate flowing in the tube is small, the period between the pulses and the pulses can be lengthened correspondingly to minimize the amount of heat applied to the fluid.

또한, 본 발명의 장치에서는 온도변화에 따른 저항변화를 계측하는 것이 아 니고, 두 써미스터의 저항변화(온도변화)가 최고가 되는 시간을 측정하므로 주위 온도조건의 영향으로부터 자유롭다. 뿐만 아니라 펄스 방식을 이용한 단속적 히터 가열 방식을 이용함으로써 센서 자체에 부과된 열을 최소화할 수 있다.In addition, in the apparatus of the present invention, the resistance change according to the temperature change is not measured, and the measurement is made at the time when the resistance change (temperature change) of the two thermistors is the highest, thus freeing the influence from the ambient temperature condition. In addition, it is possible to minimize the heat applied to the sensor itself by using an intermittent heater heating method using a pulse method.

Claims (4)

그 내부에 유체 유동이 층류가 유지되도록 구성시킨 배관 내의 질량유량을 측정하는 열식 질량유량 계측 장치에 있어서,A thermal mass flow rate measuring device for measuring a mass flow rate in a pipe configured to maintain a laminar flow of a fluid flow therein, 상기 배관에 설치되어 유체에 열을 가해주는 열 발생장치;A heat generating device installed on the pipe to heat the fluid; 상기 열 발생장치와 일정 간격 이격되되, 열 발생장치의 일측에 각각 설치되어 배관 내 흐르는 유체의 온도를 측정하는 제 1,2 온도 측정장치; 및A first and second temperature measuring devices spaced apart from the heat generating device at predetermined intervals and installed at one side of the heat generating device to measure a temperature of a fluid flowing in the pipe; And 상기 열 발생장치가 단속적으로 가동되도록 신호를 인가하고, 제 1,2 온도 측정장치에서 측정된 데이터를 받아 소정 알고리즘을 통해 유체의 질량유량을 산출하는 기능을 포함하는 제어부를 포함하고,A control unit including a function of applying a signal to operate the heat generator intermittently, receiving data measured by the first and second temperature measuring devices, and calculating a mass flow rate of the fluid through a predetermined algorithm; 상기 질량 유량을 산출하는 알고리즘은 다음과 같은 수식을 가지며,The algorithm for calculating the mass flow rate has the following formula,
Figure 112006039314336-PAT00033
Figure 112006039314336-PAT00033
 여기서,
Figure 112006039314336-PAT00034
는 질량 유량,
Figure 112006039314336-PAT00035
는 유체의 밀도,
Figure 112006039314336-PAT00036
는 배관의 단면적,
Figure 112006039314336-PAT00037
은 질량유량 변화에 따른 실제 평균유속과 계측평균 유속과의 비선형 상관 계수,
Figure 112006039314336-PAT00038
는 두 써미스터간의 거리,
Figure 112006039314336-PAT00039
는 제 1,2 온도 측정장치에서 측정된 온도의 최대값에 해당하는 시간차를 나타냄을 특징으로 하는 열식 질량유량 계측 장치.here,
Figure 112006039314336-PAT00034
Is the mass flow rate,
Figure 112006039314336-PAT00035
Is the density of the fluid,
Figure 112006039314336-PAT00036
Is the cross-sectional area of the pipe,
Figure 112006039314336-PAT00037
Is the nonlinear correlation coefficient between the actual average flow rate and the measured average flow rate
Figure 112006039314336-PAT00038
Is the distance between the two thermistors,
Figure 112006039314336-PAT00039
The thermal mass flow measurement device, characterized in that the time difference corresponding to the maximum value of the temperature measured by the first and second temperature measuring devices. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 열 발생장치는 열선이고, 온도 측정장치는 써미스터 선인 것을 특징으 로 하는 열식 질량유량 계측 장치.The heat generating device is a hot wire, the temperature measuring device is a thermal mass flow measurement device, characterized in that the thermistor wire. 제 1항 또는 2항에 있어서, 열 발생장치는 펄스 방식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 열식 질량유량 계측 장치.The thermal mass flow measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein the heat generator is operated in a pulsed manner. 제 1항 또는 2항에 있어서, 배관을 통과하는 유량이 작아 유속이 느리면 이에 대응하도록 펄스와 펄스사이의 주기도 길게 하여 유체에 부과되는 열량을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 열식 질량유량 계측 장치.The thermal mass flow measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein when the flow rate through the pipe is small and the flow rate is low, the period between the pulses and the pulses is also long so as to minimize the amount of heat applied to the fluid.
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