KR20080048164A - Vortex flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 외관 사시도. 1 is an external perspective view of a vortex flow meter according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 와류식 유량계의 와류발생부재와 유량센서부의 배치 관계를 도시한 사시도.Figure 2 is a perspective view showing the arrangement relationship between the vortex generating member and the flow sensor of the vortex flow meter of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 분해 사시도.Figure 3 is an exploded perspective view of the vortex flow meter according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 종단면도.Figure 4 is a longitudinal cross-sectional view of a vortex flow meter according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 일부 절개 사시도. 5 is a partially cutaway perspective view of a vortex flow meter according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계에 구성되는 압전센서와 센서캡의 결합원리를 설명하기 위한 도면.6 is a view for explaining the coupling principle of the piezoelectric sensor and the sensor cap configured in the vortex flow meter according to an embodiment of the present invention.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 유량센서부의 여러 가지 형상을 도시한 종단면도.7A to 7E are longitudinal cross-sectional views showing various shapes of the flow sensor part of the vortex flow meter according to the embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 압전센서 구조도.8 is a structural diagram of a piezoelectric sensor of the present invention.
도 9a so 도 9e는 본 발명의 와류발생부재의 여러 가지 형상을 나타낸 도면. Figure 9a so Figure 9e is a view showing the various shapes of the vortex generating member of the present invention.
도 10은 본 발명의 와류식 유량계의 제어장치 구성도.10 is a block diagram of a control device of the vortex flow meter of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Major Parts of Drawings *
10 : 유로 20 : 몸통10: euro 20: torso
21 : 와류발생부재 30, 40 : 결합부재 21:
50 : 유량센서부 51 : 센서캡50: flow sensor 51: sensor cap
52 : 압전센서 53 : 리이드선52: piezoelectric sensor 53: lead wire
본 발명은 와류식 유량계에 관한 것으로서, 특히 유체가 흐르는 관내에서의 와류 발생이 효과적으로 이루어지도록 함과 동시에 와류의 물리적변화에 따른 전기신호의 출력감도를 증대시켜 정확한 유량 제어가 가능토록 한 와류식 유량계에 관한 것이다.The present invention relates to a vortex flow meter, and more particularly, a vortex flow meter which enables accurate flow control by increasing the output sensitivity of an electrical signal according to the physical change of the vortex and at the same time effectively generating the vortex in a fluid flow pipe. It is about.
일반적으로 관내에 흐르는 유체의 량을 측정하는 유량계로는 여러 종류가 있으나, 특히 초음파의 속도가 유체의 속도에 의해 변화하는 것을 이용한 초음파 유량계와, 유체내에 와류를 발생시켜 유량을 측정하는 와류식 유량계가 대표적이다.Generally, there are various types of flowmeters for measuring the amount of fluid flowing in a pipe, but in particular, an ultrasonic flowmeter using a change in the speed of ultrasonic waves by a fluid velocity, and a vortex flowmeter for measuring the flow rate by generating a vortex in the fluid. Is representative.
초음파 유량계는 서로 교대로 송수신하도록 관내에 한 쌍의 초음파 송수신기가 대향 설치되어 유속을 연산한다. 예를 들어, 초음파 송수신기는 전기 에너지, 기계적 에너지 변환소자로서 압전세라믹 등의 압전진동자를 사용한다. A pair of ultrasonic transceivers are installed in the pipe so as to alternately transmit and receive ultrasonic flowmeters to calculate the flow rate. For example, an ultrasonic transceiver uses piezoelectric vibrators, such as piezoelectric ceramics, as an electrical energy and a mechanical energy conversion element.
즉, 일측의 초음파 송수신기에서 초음파신호를 방사하면 일정시간 후에 타측의 초음파 송수신기에 도달한다. 상기 타측의 초음파 송수신기에서는 전달된 초음파 버스트 신호만을 전기 버스트 신호로 변환하고, 이 전기 버스트 신호를 트리거 신호로 해서 일측의 초음파 송수신기로 다시 초음파 버스트 신호를 방사하면 이 초음파 버스트 신호는 일정경로를 거쳐 일정시간 후에 일측의 초음파 송수신기에 도달한다. That is, when the ultrasonic transceiver of one side radiates the ultrasonic signal, the ultrasonic transceiver of the other side reaches after a certain time. The ultrasonic transceiver on the other side converts only the transmitted ultrasonic burst signal into an electrical burst signal, and emits the ultrasonic burst signal back to the ultrasonic transceiver on one side by using the electrical burst signal as a trigger signal. After time, one side of the ultrasonic transceiver is reached.
이와 같은 초음파신호의 송수신에 따라 유체의 유속을 구하고 유속으로부터 유량을 구하는 것이 초음파 유량계이다.Ultrasonic flowmeters determine the flow rate of a fluid and the flow rate from the flow rate according to the transmission and reception of such an ultrasonic signal.
그러나, 이러한 초음파 유량계는 일측의 초음파 송수파기와 타측의 초음파 송수파기의 간격이 길거나, 유체흐름에 다양한 크기의 와류가 발생하는 경우에는 초음파 펄스가 굴절, 확산하거나 흡수 감쇄도가 변하여 측정 오차가 발생될 수 있다. 또한, 초음파 유량계는 구성이 복잡하고 제조 단가도 고가인 문제가 있었다.However, when the ultrasonic flowmeter has a long interval between the ultrasonic wave receiver on the one side and the ultrasonic wave receiver on the other side, or when vortices of various sizes occur in the fluid flow, ultrasonic pulses may be refracted, diffused, or absorbed attenuation changes, thereby causing measurement errors. have. In addition, the ultrasonic flowmeter has a problem in that the configuration is complicated and the manufacturing cost is high.
한편, 상기 와류센서를 사용하는 와류식 유량계는 카르만 와류(Karman swirling flow) 주파수가 유체의 흐르는 유속에 비례하는 것을 이용한다. 예컨대, 관내에 기둥형상의 와류발생체를 설치하면 유체가 흐르면서 와류발생체에 의해 안정하고 규칙적인 와류가 발생한다. On the other hand, the vortex flowmeter using the vortex sensor uses that the Karman swirling flow frequency is proportional to the flow rate of the fluid. For example, when a columnar vortex generator is installed in a pipe, the vortex generator generates a stable and regular vortex due to the flow of fluid.
이 와류는 물체와 유체와의 경계층의 박리에 따라서 생기며 소위 카르만 와류라고 불리어진다. 이 경우 물체의 우측면에 단위시간에 생성되는 와류의 수(와류의 발생주파수)는 유체의 유속에 비례되는 것으로 잘 알려져 있다.This vortex occurs due to the separation of the boundary layer between the object and the fluid and is called a carman vortex. In this case, it is well known that the number of vortices (frequency of vortices) generated in unit time on the right side of an object is proportional to the flow velocity of the fluid.
따라서 단위 시간에 생성되는 와류의 수가 알려지면 유체의 유속 혹은 유량을 알 수가 있다. 즉, 와류식 유량계는 와류발생체에서 와류를 발생시켜 응력의 변화, 압력의 변화 등에 의한 와류신호를 생성하고, 와류센서는 이 와류신호는 수신하여 펄스 신호로서 출력한다.Therefore, when the number of vortices generated in unit time is known, the flow velocity or flow rate of the fluid can be known. That is, the vortex flowmeter generates vortices in the vortex generator to generate vortex signals due to changes in stress, pressure, and the like, and the vortex sensor receives the vortex signals and outputs them as pulse signals.
그러나, 이러한 와류식 유량계는 와류발생체로부터 발생되는 와류신호의 검출시 그 측정되는 와류신호가 미약하여 일정량 이하의 미소한 유량대역 이상에서만 사용 가능한 문제가 있었다.However, such a vortex flowmeter has a problem that the vortex signal measured when the vortex signal generated from the vortex generator is weak is used only in a minute flow rate band of less than a certain amount.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 와류식 유량계의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 와류발생부재에 의해 효과적으로 와류가 발생토록 함과 동시에 와류의 물리적변화에 따른 전기신호의 출력감도를 증진시켜 정확한 유량 제어가 가능토록 한 와류식 유량계를 제공하는데 있다.Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the conventional vortex flow meter as described above, the object of the present invention is to cause the vortex to be effectively generated by the vortex generating member and at the same time of the electrical signal according to the physical change of the vortex The purpose is to provide a vortex flowmeter that allows for accurate flow control by enhancing output sensitivity.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 와류식 유량계는, 유체가 흐르도록 양측을 관통하는 유로가 형성되고, 유체가 유입되어 와류가 발생되면 그 발생된 와류의 물리적변화를 전기신호로의 변환을 위해 유체가 일시 저장되도록 유로 사이에 배치된 몸통과, 상기 몸통의 양측에 형성된 유로에 유체공급부와 유체수요부를 각각 연결시키도록 일종의 캡 형식으로 형성된 결합부재로 구성되고, 상기 몸통내에는 유입된 유체의 정상적인 흐름을 방해하여 유관내에 와류를 발생시키는 와류발생부재와, 상기 와류발생부재 하류의 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 물리적변화량을 효율적으로 제어부에 전달할 수 있도록 센서캡에 압전센서를 삽입 몰딩한 유량센서부를 포함 구성된 것을 특징으로 한다.In the vortex flow meter of the present invention for achieving the above object, a flow path is formed to penetrate both sides so that the fluid flows, and when the fluid flows into the vortex, the physical change of the generated vortex is converted into an electrical signal. A body disposed between the flow paths so that the fluid is temporarily stored, and a coupling member formed in a kind of cap form to connect the fluid supply part and the fluid demand part to the flow paths formed on both sides of the body, and the fluid flows into the body. A vortex generating member which interrupts normal flow and generates vortices in the duct, and a piezoelectric sensor is inserted and molded into the sensor cap so as to efficiently transmit the physical change due to the vortex, which is installed within the vortex action range downstream of the vortex generating member. Characterized in that configured to include a flow sensor.
본 발명의 유량센서부는 발생된 카르만 와류의 교번압력을 통해 유량에 비례 한 전기신호를 출력하도록 센서캡에 내장된 복수 층으로 적층된 압전센서를 포함 구성하는 것을 특징으로 한다.Flow sensor unit of the present invention is characterized in that it comprises a piezoelectric sensor laminated in a plurality of layers built in the sensor cap to output an electrical signal proportional to the flow rate through the alternating pressure of the generated Karman vortex.
본 발명의 센서캡은 그 날개부분이 발생된 와류를 효과적으로 전달받아 압전센서에서 전기신호로 변환하도록 그 하부면이 중앙쪽으로 일정각도 경사진 굴곡진 형상으로 제조되는 것을 특징으로 한다.The sensor cap of the present invention is characterized in that the lower portion is manufactured in a curved shape inclined at an angle toward the center so that the wing portion is effectively transmitted to the generated vortex to convert the piezoelectric sensor into an electrical signal.
본 발명의 압전센서는 금속과 그 양측에 PZT가 구성된 3층 적층 방법 및 마이너스단자를 서로 연결하고 리이드선을 어느 하나의 마이너스단자에 용접한 플러스/마이너스 결선방법을 채택한 것을 특징으로 한다.The piezoelectric sensor of the present invention is characterized in that it adopts a three-layer lamination method in which a metal and PZT are configured on both sides thereof, and a plus / minus connection method in which a lead wire is connected to each other and a lead wire is welded to any one minus terminal.
본 발명의 와류발생부재는 그 형상에 제한이 없으며, 바람직하게는 사각형, 반원, 평행사변형, 마름모꼴, 삼각형 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The vortex generating member of the present invention is not limited in shape, and is preferably formed in any one of a quadrangle, a semicircle, a parallelogram, a lozenge, and a triangle.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 외관 사시도, 도 2는 본 발명의 와류식 유량계의 와류발생부재와 유량센서부의 배치 관계를 도시한 사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 분해 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 종단면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 일부 절개 사시도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계에 구성되는 압전센서와 감지캡의 결합원리를 설명하기 위한 도면, 도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 실시예에 따른 와류식 유량계의 유량센서부의 여러 가지 형상을 도시한 종단면도, 도 8은 본 발명의 압전센서 구조도, 도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 여러 가지 형상의 와류발생부재를 나타낸 도면, 도 10은 본 발명의 와류식 유량계의 제어장치 구성도이다1 is an external perspective view of a vortex flow meter according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view showing the arrangement relationship between the vortex generating member and the flow sensor of the vortex flow meter of the present invention, Figure 3 is an embodiment of the present invention Figure 4 is an exploded perspective view of the vortex flow meter according to the present invention, Figure 4 is a longitudinal sectional view of the vortex flow meter according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a partially cutaway perspective view of the vortex flow meter according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is an embodiment of the present invention 7A to 7E are cross-sectional views illustrating various shapes of a flow sensor part of a vortex flow meter according to an embodiment of the present invention. FIG. 7A to 7E illustrate a coupling principle of a piezoelectric sensor and a sensing cap. 8 is a structural diagram of the piezoelectric sensor of the present invention, Figures 9a to 9e is a view showing the vortex generating member of various shapes of the present invention, Figure 10 is a configuration diagram of the control device of the vortex flow meter of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 와류식 유량계는, 유체가 흐르도록 양측을 관통하는 유로(10)가 형성되고, 유체가 유입되어 와류가 발생되면 그 발생된 와류의 물리적변화를 전기신호로의 변환을 위해 유체가 일시 저장되도록 유로(10) 사이에 배치된 몸통(20)과, 상기 몸통(20)의 양측에 형성된 유로(10)에 유체공급부(도시생략)와 유체수요부(도시생략)를 각각 연결시키도록 일종의 캡 형식으로 형성된 결합부재(30)(40)로 구성된다.As shown in FIG. 1, in the vortex flow meter of the present invention, a
도 2, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 와류식 유량계의 몸통(20)내에는 유입된 유체의 정상적인 흐름을 방해하여 관(24)내에 와류를 발생시키는 와류발생부재(21)와, 상기 와류발생부재 하류의 와류 작용범위내에 설치되어 와류에 의한 물리적변화량을 효율적으로 제어부에 전달할 수 있도록 센서캡(51)에 압전센서(52)를 삽입 몰딩한 유량센서부(50)를 포함한다.As shown in FIGS. 2, 4 and 5, the
상기 와류발생부재(21)는 유관(24)내에서의 유체의 흐름을 방해하여 와류 형성이 가능토록 하면 되므로 특별한 형상으로 한정되지는 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 와류발생부재(21)는 상기 관(24)의 내벽에 도 9a 내지 도 9e에 도시한 바와 같은 여러 가지 형상(사각형, 반원, 평행사변형, 마름모꼴, 삼각형 등)중 어느 하나의 형상으로 수직 배치된다.The
이와 같이 관(24)내에 배치 고정된 와류발생부재(21)에 의해 발생된 와류는 와류발생부재(21)로부터 일정 거리 내에서는 활성적인 상태가 유지되므로 이 거리 내에 도 2, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)가 배치된다.In this way, the vortex generated by the
한편, 상기 와류발생부재(21)는 그 굵기에 따라 와류발생정도가 달라질 수 있으므로 적절한 굵기를 설정하여 설계한다.On the other hand, the
또한 유량센서부(50)에서 최대의 감도로 와류를 감지하여 정확한 유량조절이 가능하도록 와류발생부재(21)와 유량센서부(50)간의 거리 및 와류발생부재(21)의 개수를 조절 설치한다.In addition, the
도 6에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)는 발생된 와류의 교번압력을 통해 유량에 비례한 전기신호를 출력하도록 센서캡(51)에 내장된 압전센서(52)를 포함한다. As shown in FIG. 6, the
도 6에 도시한 바와 같이 센서캡(51)에는 압전센서(52)와 연결되는 리이드선(53)이 구성되고, 상기 리이드선(53)을 통해 압전센서(52)와, 도 3의 판넬(26) 위에 배치되는 인쇄회로기판(28)간의 전기적 연결이 이루어진다.As shown in FIG. 6, the
상기 센서캡(51)은 그 하부의 날개부분이 상기 발생된 와류를 효과적으로 전달받아 압전센서(52)에서 전기신호로 변환하도록 그 하부면이 중앙지점쪽으로 움푹 들어간 일정각도 굴곡진 형상(U)으로 제조한다. 즉 압전센서(52)에서 충분한 검출감도를 얻기 위해서는 표면상의 왜곡이 큰 것이 유리하므로 상기와 같이 센서캡(51)을 제조하는 것이다.The
센서캡(51)의 다양한 형상은 도 7a 내지 도 7e에 도시되어 있다.Various shapes of the
본 실시예에 따른 압전센서(52)는 상기 와류발생부재(21)로부터 발생되는 와류에 의한 물리적 에너지 변화를 전기신호의 변화로서 검출하고, 이 변화의 회수를 검출하는 것에 따라 와류발생 주파수를 검출하도록 예를 들어 압전센서(52)의 분극 방향에 대해 힘을 가하면 양측으로 전하가 발생하고, 가해진 힘의 크기에 비례하는 전위차가 발생한다. The
상기 압전센서(52)는 그 재료 및 재료합성비율, 크기 등에 따라 공진주파수 특성이 다르므로 이를 고려하여 제품을 제조하며, 본 발명의 압전센서(52)는 도 8에 도시한 바와 같이 금속(M)과 그 양측에 PZT가 구성된 3층 적층 방법 및 (-)단자를 서로 연결하고 리이드선(53)을 어느 하나의 (-)단자에 용접(W)한 (+)(-) 결선방법을 채택하여 와류감지효과를 향상시키도록 한다.The
도 3에 도시한 바와 같이 유량센서부(50)는 오링(25)을 통해 하우징내에 삽입되어 상부에 덮여지는 판넬(26)을 볼트 따위의 고정수단(27)으로 체결함으로써 유관(24) 내에 고정된다.As shown in FIG. 3, the
상기 인쇄회로기판(28)이 몸통(20)내에 재치되면 그 위에 커버(29)를 씌우고 볼트 따위의 고정수단(31)으로 몸통(20)과 체결시키면 몸통(20)의 상부면은 폐쇄되고, 오링(32)(33)을 개재하여 상기 유로(10)에 일치하도록 체결된 결합부재(30)(40)의 홀에는 유체공급부와 유체수요부가 각각 결합된다. When the printed
따라서 몸통(20)의 양측도 폐쇄되어 결국 몸통(20)내에 유체가 흐를 때 누수가 방지된다. Therefore, both sides of the
이와 같이 구성된 본 발명의 와류식 유량계의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the vortex flow meter of the present invention configured as described above are as follows.
유체공급부로부터 일정량의 유체가 유량계쪽으로 공급되어 유로(10)를 통해 유관(24)내에 유입된다. A certain amount of fluid is supplied from the fluid supply part to the flowmeter and flows into the
따라서 유관(24)내에 배치된 와류발생부재(21)를 통해 유체의 흐름방향으로 향하는 와류발생부재(21)의 표면 양측으로부터 카르만 와류가 생성된다. Therefore, Karman vortices are generated from both sides of the surface of the
카르만 와류는 유체 흐름내에 배치된 와류발생부재(21)의 후방으로 활성적인 상태가 유지되는 일정거리 이내에 배치된 유량센서부(50)에 도달된다. The Karman vortex reaches the
이때, 상기 카르만 와류에 의해 작용되는 교번응력은 상기 유량센서부(50)의 센서캡(51) 하부에 전달된다. 따라서, 움푹 들어가도록 일정각도 굴곡지게 형성된 센서캡(51)의 하부에 전달된 와류의 압력이 크게 변화하게 된다.At this time, the alternating stress acting by the Karman vortex is transmitted to the lower portion of the
따라서 센서캡(51) 하부형상에 의해 큰 변위량으로 변화하는 압력이 압전센서(52)에 의해 용이하게 감지되어 전기신호로 변환된 후, 그 변환된 감지신호가 신호증폭부(60)를 통해 일정신호로 증폭된다.Therefore, after the pressure that is changed by the
일정신호로 증폭된 감지신호는 필터(70)에 의해 잡음이 제거된 후 감지신호입력부(80)를 통해 제어부(90)에 입력된다.The detection signal amplified by the predetermined signal is input to the
따라서 제어부(90)에서는 이미 저장된 유량 기준치와 현재의 유량치를 비교하여 유량제어치를 판단한 후 그 제어신호를 제어신호출력부(100)를 통해 유체공급부(110)로 입력한다.Accordingly, the
따라서 유체공급부(110)에서는 상기 제어부(90)의 제어신호에 의해 조정된 유량을 유량계(120)에 공급하는 것이다.Therefore, the
본 발명은 특정한 실시예를 참조하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적사상을 벗어나지 않는 범위내에서는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 및 변형실시가 가능하다.Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and modifications and variations may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 와류식 유량계에 따르면 다음과 같은 뛰어난 효과가 있다.According to the vortex flow meter according to the present invention as described above has the following excellent effects.
첫째, 관내 와류발생부재에 의해 발생된 와류의 압력변화가 크도록 하여 압전센서의 감지성능을 향상시킬 수 있다.First, it is possible to improve the detection performance of the piezoelectric sensor by making the pressure change of the vortex generated by the vortex generating member in the pipe large.
둘째, 유량감지용 압전센서를 3층으로 적층 구성하여 와류의 감지성능을 향상시킬 수 있다.Second, the piezoelectric sensor for flow rate sensing can be laminated in three layers to improve the sensing performance of the vortex.
셋째, 센서캡의 하부면을 일정각도 굴곡진 형상으로 함으로써 발생된 와류를 효과적으로 전달받아 압전센서에서의 전기신호로의 변환성능이 향상된다.Third, by converting the lower surface of the sensor cap into a curved shape at an angle, the generated vortex is effectively transmitted and the conversion performance of the piezoelectric sensor into an electrical signal is improved.
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