KR20090025973A - 차압식 유량계 - Google Patents

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KR20090025973A
KR20090025973A KR1020070091215A KR20070091215A KR20090025973A KR 20090025973 A KR20090025973 A KR 20090025973A KR 1020070091215 A KR1020070091215 A KR 1020070091215A KR 20070091215 A KR20070091215 A KR 20070091215A KR 20090025973 A KR20090025973 A KR 20090025973A
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Abstract

본 발명은 유체의 압력을 측정하기 위한 압력측정기가 광섬유 압력센서로 이루어진 차압식 유량계에 관한 것으로, 본 발명에 따른 차압식 유량계는 유체가 흐를 수 있는 내부공간을 가지며, 내부 단면적이 좁아지는 교축부를 갖는 본체와, 상기 교축부의 상,하류 측에 고정부에 의해 각각 설치되어 유체의 압력을 검출하는 검출수단과, 상기 검출수단에서 검출된 압력을 전기신호로 수신하여 상기 각 지점의 압력차를 이용해 상기 본체를 통과하는 유체의 유량을 계산하고 이를 표시하는 제어수단을 구비하며, 상기 검출수단은 광섬유 압력센서로 된 것이다.
본 발명에 따른 차압식 유량계는 광섬유 압력센서를 통해 관 내부의 유체의 정확한 압력을 측정함으로써, 유량을 정확하게 계산할 수 있는 이점이 있다.
차압식 유량계, 광섬유, 압력센서

Description

차압식 유량계 {Differential pressure flowmeter}
본 발명은 차압식 유량계에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유체의 압력을 측정하기 위한 압력측정기가 광섬유 압력센서로 이루어진 차압식 유량계에 관한 것이다.
유량계에는 여러 종류가 있으나, 비교적 널리 사용되고 있는 것에 날개차 유량계, 차압식 유량계, 면적식 유량계가 있다. 이 중에서 날개차 유량계가 제일 간단한 것으로 흐름에 의해 날개차를 돌려, 그 회전수를 기어의 메커니즘으로 지시한다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 것으로 수도의 미터가 이것을 이용하고 있다.
면적식은 위쪽으로 올라갈수록 넓어진 압력검출관 속에 플로트(float)를 넣고, 유체를 아래에서 위로 흘려보내고, 유체류에 밀어올려진 플로트의 전후에 생기는 차압에 의한 부력과 플로트의 무게를 평형시켜 플로트의 위치에서 유량을 안다. 이 밖에 일정한 부피의 용기로 직접 유체의 양을 측정하는 것도 있으며, 도시가스의 가스미터는 그 일종이다.
차압식 유량계는 주로 공업방면에서 많이 사용되는 것인데, 유체가 흐르는 관로 중에 조리기구인 오피리스, 벤츄리관, 플로우 노즐 등을 설치하여 교축부의 전후 지점에서 발생되는 유체의 압력차를 이용하여 유량을 검출하는 방식이다.
베르누이의 법칙에 의하면 유체가 흐르고 있는 관로 상 일부를 축소시키면 유체가 그 부분을 통과할 때 속도는 증가하고 압력이 감소함으로써 관로의 전후 압력차와 유량과의 사이에는 일정한 관계가 성립되어 짐으로써 곧 차압을 측정유량으로 환산하는 것이다.
따라서 차압식 유량계에 있어서 압력을 측정하는 압력센서는 매우 중요하다. 종래의 압력을 측정하기 위한 센서는 검출방식에 따라 기계식과 전기식 및 반도체식으로 분류할 수 있는데, 이러한 압력센서들의 경우 정밀한 압력 측정이 어렵고, 이를 보완하기 위해 압력에 대한 민감도를 증진시킬 경우 압력측정범위가 아주 협소하게 되며, 광범위의 압력을 계측하고자 할 경우 감도가 좋지 않게 되어 정확한 유량을 계산하기 위해 선행되어야 하는 정확한 압력 측정이 어려워지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정확한 유량의 측정을 위해 교축부의 전후에서의 유체의 압력을 광섬유 압력센서를 이용해 측정하는 차압식 유량계를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차압식 유량계는 유체가 흐를 수 있는 내부공간을 가지며, 내부 단면적이 좁아지는 교축부를 갖는 본체와, 상기 교축부의 상,하류 측에 고정부에 의해 각각 설치되어 유체의 압력을 검출하는 검출수단과, 상기 검출수단에서 검출된 압력을 전기신호로 수신하여 상기 각 지점의 압력차를 이용해 상기 본체를 통과하는 유체의 유량을 계산하고 이를 표시하는 제어수단을 구비하며, 상기 검출수단은 광섬유 압력센서로 된 것이다.
상기 고정부는 상기 광섬유 압력센서가 유체의 압력에 따른 상기 본체의 변형량을 통해 유체의 압력을 측정할 수 있도록 상기 광섬유 압력센서를 상기 본체의 외주면에 밀착 고정시키는 고정밴드로 형성될 수 있다.
상기 본체에는 상기 교축부를 중심으로 상류측과 하류측에 각각 제1, 제2 압력취출구가 형성되어 있고, 상기 제1, 제2 압력취출구로부터 상기 본체의 내부로 연통되는 제1, 제2 압력검출관이 연장되며, 상기 고정부는 상기 광섬유 압력센서를 상기 제1, 제2 압력검출관으로 소정깊이 인입되게 고정하며, 상기 제1, 제2 압력취출구가 밀폐되도록 상기 본체에 결합되는 하우징을 포함하고, 상기 제어수단은 상 기 하우징의 상부에 설치될 수도 있다.
또한 상기 본체는 상기 교축부를 중심으로 상류측과 하류측에 각각 유체의 압력에 의해 길이방향을 따라 신축되는 벨로우즈형 신축부가 형성되어 있고, 상기 광섬유 압력센서는 상기 신축부의 변형량에 의해 압력을 측정할 수 있도록 상기 신축부에 접촉하도록 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 차압식 유량계는 광섬유 압력센서를 통해 관 내부의 유체의 정확한 압력을 측정함으로써, 유량을 정확하게 계산할 수 있는 이점이 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차압식 유량계에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 차압식 유량계(10)의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 차압식 유량계(10)는 내부 유로를 갖는 본체(11)와, 본체(11)의 외주면에 설치된 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)와, 본체(11)의 외주면에 결합되며, 상기 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)를 감싸는 하우징(16)과, 하우징(16)의 내부에 설치되어 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)에서 측정된 측정치를 통해 유량을 계산하고, 사용자가 인식할 수 있도록 표시하는 제어수단(20)을 포함한다.
본체(11)는 내부에 유체가 이동할 수 있는 유로가 마련되어 있다. 그리고 내부 유로 상에는 유로의 폭이 점차 좁아지는 교축부(12)가 형성되어 있으며, 본 체(11)의 양단은 유체의 이송관에 연결할 수 있도록 플랜지부(13)가 구비되어있다. 본체(11)는 내부 유로를 통해 유체가 이동할 때, 유체의 압력에 의해 팽창될 수 있도록 탄성력을 갖는 소재로 제작된다.
본체(11)의 외주면에는 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)가 부착되어 있다. 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)는 본체(11)의 내부를 흐르는 유체의 압력을 측정하기 위한 것으로서, 제1 광섬유 압력센서(14)는 상기 교축부(12)를 중심으로 상류 측의 유체의 압력을 측정하도록 설치되어 있고, 제2 광섬유 압력센서(15)는 하류측의 유체의 압력을 측정하도록 본체(11)에 설치되어 있다.
제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)는 모두 동일한 구조를 갖는다.
제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)는 기준 신호용 광섬유와, 압력측정용 광섬유가 내장되어 있으며, 이 두 가지 광섬유에 광을 공급하는 광원과, 광섬유를 통과한 광신호를 검출하는 광검출기를 구비한다. 기준 신호용 광섬유에서는 유체의 압력에 상관없이 일정한 광신호가 검출된다. 반면에 압력측정용 광섬유는 본체(11)의 외주면에 접촉하는 탄성체를 감싸도록 설치되며, 유체의 압력에 의해 본체(11)가 팽창하거나 변형이 일어나면 탄성체가 본체(11)의 변형에 따라 함께 변형이 일어나게 된다. 압력측정용 광섬유는 탄성체의 형태변형에 따라 길이가 변화하거나 굴절율 및 직경이 변하게 되며, 이에 따라 동일 광원에서 광신호를 인가하여도 기준 신호용 광섬유와 위상차가 있는 광신호가 검출된다. 따라서 외부 인가 압력에 따른 광신호의 위상차를 통해 유체의 압력을 측정할 수 있다.
제어수단(20)에서는 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)에서 측정된 유체의 압 력 측정값을 토대로 유체의 유량을 계산하고, 이를 사용자가 인식할 수 있도록 수치화하여 표시하는데, 제어수단(20)은 연산부(21)와, 연산부(21)의 연산결과를 외부에서 인식할 수 있도록 하우징(16)의 상면으로 노출되는 디스플레이부(22)를 포함한다.
연산부(21)에서는 각각의 지점에서 즉, 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)에서 측정된 압력값을 토대로 유량을 계산하는데, 유량계산은 연속의 법칙과 베르누이 방정식에 따른 것이다.
유체의 압력변화와 무관하게 밀도가 일정하다고 가정하면, 제1 광섬유 압력센서가 설치된 지점의 면적을 A1[㎥], 유속을 V1[㎨], 압력을 P1[㎏/㎡]라고 하고, 상기 제2 광섬유 압력센서가 설치된 지점의 면적을 A2[㎥], 유속을 V2[㎨], 압력을 P2[㎏/㎡]라 할 때 관로가 수평으로 되어 있으면 상류 지점과 하류 지점을 흐르는 유체의 유량은 동일하다.
Q = A1v1 = A2v2
상류 지점과 하류 지점 위치에서 에너지 관계를 보면 다음과 같다.
Figure 112007065287290-PAT00001
여기서 관을 수평으로 하게 되면 위치에너지가 동일하므로 상기 식은
Figure 112007065287290-PAT00002
와 같이 표기될 수 있으며,
양변을
Figure 112007065287290-PAT00003
로 나누게 되면
Figure 112007065287290-PAT00004
과 같은 결과가 도출된다.
Figure 112007065287290-PAT00005
이므로
Figure 112007065287290-PAT00006
이며,
결과식 연속의 법칙에서
Figure 112007065287290-PAT00007
에 대해 정리한 것을 대입하면
Figure 112007065287290-PAT00008
가 된다.
또한 기체 유체를 측정하는 경우에는 기체유량은 온도, 압력에 따라 크게 변한다. 따라서 차압식 유량계(10)를 이용하여 비압축성 유체와 같이 계산 측정하면 오차가 발생하게 된다. 측정기체가 이상기체라고 하면 보일-샤를의 법칙에 의해 기체의 비중량(
Figure 112007065287290-PAT00009
)은
Figure 112007065287290-PAT00010
(n:기준상태,T:절대온도(T=273.15+℃,P:절대압력)
이 되며, 압축성 유체의 중량 유량은 구하는 식에 대입하면
Figure 112007065287290-PAT00011
Figure 112007065287290-PAT00012
{
Figure 112007065287290-PAT00013
= 기체 팽창 보정계수(0.01252),
Figure 112007065287290-PAT00014
= 유량계수(
Figure 112007065287290-PAT00015
)}
을 얻는다.
따라서 이것으로부터 알 수 있듯이 유체의 차압을 측정함과 동시에 유체의 압력 및 온도를 측정하여 유량계의 설계 시 기준치와 비만 정확히 보정하면 바른 유량을 얻을 수 있다.
연산부(21)에서는 상기와 같은 과정을 통해 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)에서 측정된 압력 값을 통해 유량을 계산하게 된다.
본 실시예에서는 비압축성 유체의 유량을 측정하는 차압식 유량계(10)이므로 온도센서가 설치되지 않았으나, 상기한 바와 같이 기체와 같은 압축성 유체의 유량을 측정하기 위한 차압식 유량계(10)인 경우에는 상류측 지점과 하류측 지점의 온도를 측정하여 연산부(21)에 정보를 전달하는 별도의 온도센서가 더 구비될 것이다.
연산부(21)에서 계산된 유량은 디스플레이부(22)를 통해 관리자가 인식할 수 있도록 표시된다.
디스플레이부(22)는 연산부(21)와 연결되어 있으며, 본체(11)의 상면을 통해 외부로 노출되게 되어있다. 연산부(21)에서 계산된 유량은 디스플레이부(22)의 액정 표시장치(23)를 통해 수치화하여 표시되므로, 관리자는 쉽게 유량을 파악할 수 있다.
하우징(16)은 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)를 감싸도록 본체(11)에 결합되며, 하우징(16)의 상부에는 차압식 유량계(10)의 전원을 단속하기 위한 전원버튼(17)과, 유량의 재측정을 위한 리셋버튼(18) 및 유량측정 시작을 위한 시작버튼(19)이 마련되어 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 차압식 유량계(30)의 제2 실시예가 도시되어 있는데, 도 3을 참조하면, 차압식 유량계(30)는 본체(31)와, 본체(31)의 내부 유로로 연장된 제1, 제2 압력검출관(35,36)과, 상기 제1, 제2 압력검출관(35,36)에 삽입설치되는 제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38) 및 제어수단(20)을 구비한다.
본 실시예의 본체(31)는 양 측단이 유체가 유입 및 배출될 수 있도록 개방되어 있으며, 외부 관과의 연결이 용이하도록 플랜지부(33)가 형성되어 있다. 또한 내부 유로 상에는 관로의 폭이 좁아지는 교축부(32)가 형성되어 있으며, 교축부(32)를 중심으로 본체(31)의 상류측과 하류측에는 각각 본체(31)의 외부와 내부 공간을 연통하는 압력취출구(34)가 형성되어 있다.
제1, 제2 압력검출관(35,36)은 제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38)가 설치될 수 있는 설치공간을 제공하며, 상기 본체(31)의 압력취출구(34)를 통해 본체(31)의 내부로 연장되게 설치된다. 압력취출구(34)를 통해 외부공기가 본체(31)의 내부로 유입되는 것을 방지하도록 제1, 제2 압력검출관(35,36)과의 결합부분에는 실링처리 를 하는 것이 바람직하다.
제1, 제2 압력검출관(35,36)은 하방이 개방되어 있어서 유체가 본체(31)를 통과할 때, 제1, 제2 압력검출관(35,36)의 하부를 통해 유체의 압력이 제1, 제2 압력검출관(35,36)의 내부로 전달된다.
제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38)는 제1, 제2 압력검출관(35,36)을 통해 전달되는 유체의 압력에 의해 형 변형이 일어날 때, 광검출기에서 수신되는 광신호의 위상차에 의해 각 지점에서의 유체의 압력을 측정하게 된다.
본 실시예의 제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38)는 제1 실시예의 제1, 제2 광섬유 압력센서(14,15)와 동일한 원리로 유체의 압력을 측정하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한 본 실시예의 연산부 및 디스플레이부를 포함하는 제어수단은 도시되지는 않았으나 본체(31)와 인접하도록 설치되어 있으며, 연산부는 제1 실시예의 연산부(21)와 동일한 방법으로 제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38)의 압력 측정값을 통해 유량을 계산하며, 디스플레이부에서는 이를 수치화 하여 사용자가 인식할 수 있도록 표시한다.
본 실시예에서는 제1, 제2 압력검출관(35,36)의 하부가 개방되어 있고, 개방된 부분을 통해 유입되는 유체의 압력이 직접 제3, 제4 광섬유 압력센서(37,38)에 인가되도록 되어 있다. 그러나 본체(31)를 통과하는 유체가 광섬유 압력센서에 부식을 유발하는 경우와 같이 광섬유 압력센서에 직접 접촉할 수 없는 유체인 경우, 광섬유 압력센서를 보호하기 위한 별도의 보호층을 형성하고, 유체의 압력으로 인 한 보호층의 변형을 광섬유 압력센서가 감지하여 유체의 압력을 측정하도록 형성할 수도 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 차압식 유량계(40)의 제3 실시예가 도시되어 있는데, 도면을 참조하면, 차압식 유량계(40)는 본체(41)와, 본체(41)에 설치되는 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)와, 제어수단을 구비한다.
본체(41)는 내부에 유로의 폭이 좁은 교축부(42)를 가지며, 양단에는 유체이송관과의 결합이 용이하도록 플랜지부(44)가 마련되어 있고, 교축부(42)를 중심으로 양 측에 신축 가능한 밸로우즈형의 신축부(43)가 형성되어 있다. 유체가 유동할 때, 유체의 압력을 받으면 상기 신축부(43)가 길이방향을 따라 소정길이 신장 된다.
유체의 압력을 측정하기 위한 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)는 상기 신축부(43)에 부착 설치된다.
유체의 압력에 의한 신축부(43)의 신장시, 신축부(43)에 부착된 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)가 신축부(43)에 의해 신장되며, 이에 따라 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)에 내장된 기준신호 광섬유와 압력측정용 광섬유의 굴절률과 길이에 차이가 생기면서 광검출기에 수신되는 광신호 사이에 위상차가 발생한다. 이를 토대로 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)는 교축부(42)를 중심으로 상류측과 하류측의 압력을 측정한다.
도시되지는 않았으나, 제어수단의 연산부는 제5, 제6 광섬유 압력센서(45,46)와 유체의 압력 측정값을 전달받을 수 있도록 전기적으로 연결되어 있으 며, 양 측의 압력 측정값을 토대로 본체(41)를 지나는 유체의 유량을 연산한다. 유량의 연산과정 및 디스플레이부의 표시방법은 상기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 차압식 유량계의 제1 실시예를 도시한 부분 절단 사시도,
도 2는 도 1의 유량 연산 및 표시 단계를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 차압식 유량계의 제2 실시예를 도시한 부분 절단 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 차압식 유량계의 제3 실시예를 도시한 단면도.

Claims (4)

  1. 유체가 흐를 수 있는 내부공간을 가지며, 내부 단면적이 좁아지는 교축부를 갖는 본체와;
    상기 교축부의 상,하류 측에 고정부에 의해 각각 설치되어 유체의 압력을 검출하는 검출수단과;
    상기 검출수단에서 검출된 압력을 전기신호로 수신하여 상기 각 지점의 압력차를 이용해 상기 본체를 통과하는 유체의 유량을 계산하고 이를 표시하는 제어수단;을 구비하며,
    상기 검출수단은 광섬유 압력센서로 된 것을 특징으로 하는 차압식 유량계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 광섬유 압력센서가 유체의 압력에 따른 상기 본체의 변형량을 통해 유체의 압력을 측정할 수 있도록 상기 광섬유 압력센서를 상기 본체의 외주면에 밀착 고정시키는 고정밴드로 된 것을 특징으로 하는 차압식 유량계.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 교축부를 중심으로 상류측과 하류측에 각각 제1, 제2 압력취출구가 형성되어 있고, 상기 제1, 제2 압력취출구로부터 상기 본체의 내부로 연통되는 제1, 제2 압력검출관이 연장되며,
    상기 고정부는 상기 광섬유 압력센서를 상기 제1, 제2 압력검출관으로 소정깊이 인입되게 고정하며, 상기 제1, 제2 압력취출구가 밀폐되도록 상기 본체에 결합되는 하우징을 포함하고,
    상기 제어수단은 상기 하우징의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 차압식 유량계.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 본체는 상기 교축부를 중심으로 상류측과 하류측에 각각 유체의 압력에 의해 길이방향을 따라 신축되는 벨로우즈형 신축부가 형성되어 있고,
    상기 광섬유 압력센서는 상기 신축부의 변형량에 의해 압력을 측정할 수 있도록 상기 신축부에 접촉하도록 설치된 것을 특징으로 하는 차압식 유량계.
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