KR20130058354A - 콘 타입 차압식 유량 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 콘 타입 차압식 유량 측정장치(100)는 콘(110)이 유체의 흐름 방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대 경사 부(111)와 그 지름이 급격히 작아지는 축소 경사 부(112)로 이루어지며, 상기 축소 경사 부(112)의 끝 부분에 전압구멍(112a)이 형성되고, 상기 전압구멍(112a)이 배관(메타 바디)(120)의 중심에 위치되도록 상기 콘(110)은 지지 튜브(130)에 의해 지지되고, 상기 전압구멍(112a)은 상기 지지 튜브(130)의 전압통로(131)를 통해 상기 바디(120) 외부로 연결되며, 상기 전압구멍(112a)과 정압구멍(120a)을 통해 검출된 상기 배관(120) 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 차압 전송기(140)로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(150)에서 상기 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하도록 구성하되, 상기 콘(110)은 판재로 구성되어 내부가 중공 구조로 형성되며, 상기 콘(110)에는 상기 콘(110) 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 상기 콘(110)의 변형을 방지하기 위한 동압 홀(H)이 다수 형성되는 구조이다.
본 발명은 판재로 형성된 중공의 콘의 후단부에 동압 홀이 다수 형성됨으로써 콘의 두께를 두껍게 하지 않으면서도 콘의 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체압에 의한 콘의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

콘 타입 차압식 유량 측정장치{CONE TYPE DIFFERENTIAL PRESSURE FLOW MEASURING APPARATUS}
본 발명은 차압식 유량계에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 콘의 후단 면에 동압 홀이 다수 형성되어 콘 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 함으로써 유체 압에 의한 콘의 변형을 효과적으로 방지할 수 있는 콘 타입 차압식 유량 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 원형 관로 내를 흐르는 유체(액체, 기체, 증기, 오폐수, 하수 등을 말함)의 유량을 측정하기 위한 유량계로서는 차압 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계 등의 여러 가지 유량계가 사용되고 있다.
특히, 이 중에서도 차압 유량계(差壓 流量計)는 배관(메타 바디) 내에 흐르는 유체 전압(total pressure)과 유체 정압(static pressure)의 차압을 이용하여 유량을 측정하는 유량계로서 제작이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.
차압식 유량계는 차압을 발생시켜 검출하기 위한 엘리먼트와, 이 엘리먼트로부터 검출된 차압을 전기적 신호로 출력하는 압력 전송기와, 압력 전송기로부터 출력된 차압 신호를 유량으로 계산해 주는 플로우 컴퓨터로 구성되며, 질량 유량을 계측하기 위해서는 현장에 설치되어 있는 배관에 온도계와 절대압 게이지를 별도로 설치하여 배관 내 유체의 온도와 압력에 따른 유체 물성치를 고려하여 계산하고 있다. 엘리먼트로는 피토관, 오리피스, 콘(Cone) 타입 조립체 등의 제품이 사용되고 있다.
차압식 유량계의 측정방법은 유체 관내에 오리피스(orifice), 벤츄리관(venturi-tube), 노즐(nozzle) 등과 같은 차압 기구를 설치하여 유속에 따라 기구 전후의 압력 차가 유속에 비례하여 변하는 것을 이용해 유량을 측정하는 것이다.
유량측정에는 측정 관로에서 단위시간당 유체가 흐르는 비율을 구하는 순시 유량 측정법과 유체가 흐르는 시간을 계산하여 측정하는 적산 유량 측정법이 있다.
도 1은 차압식 유량계의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 측정원리를 살펴보면, 관로 내에 단면 적을 축소시킨 기구를 설치하고, 기구의 전단 및 후단에 대해 베르누이의 정리를 적용하면 비 압축성 유체의 경우 다음과 같은 식이 성립된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, v1, v2, P1, P2, A1, A2는 각각 기구 전단 및 후단에서의 평균유속, 압력, 유체 단면이고, ρ는 유체의 밀도이다.
식(1)에서 v2를 구해 식(2)에 대입하면 체적 유량 Q는 다음 식으로 구해진다.
Figure pat00003
차압식으로 유량을 측정하는 경우, 도 1에 도시된 차압 기구에 의해서 축소된 단면적 A2는 유체의 관성 때문에 실제의 기구 구경보다 조금 하류 쪽에서 최소로 되어 기구의 개구 단면 A0보다 적게 된다. 이것을 축류(Vena-Contracta)라고 하는 데, A2는 유체의 밀도나 기구의 형상에 의해서도 변하므로 실제 측정하는 것이 곤란하여 보통 기구단면 A0로 대신하는 것이 일반적이다. 이와 같은 여러 가지 조건을 고려하여 실제 단면적에 보정계수 C를 곱해서
Figure pat00004
로 단면적으로 정한다. 여기서 C를 유출계수(Discharge Coefficient)라고 하는 데, 유출계수를 도입하면 식(3)은 다음 식으로 주어진다.
Figure pat00005
식 (5)로 구해진 유량은 이상적인 경우를 생각해 도출한 식이나 실제 유체에서는 유체의 점성, 밀도, 온도, 기타 팽창 계수 등에 의해 실제의 유량과는 다소 차이가 있게 된다. 따라서 이러한 조건을 고려하여 여러 가지 계수를 곱해 수정하여야 한다. 따라서 유출계수 C 대신 유량 계수 α가 이용된다. 즉,
Figure pat00006
의 관계가 있다. 따라서 C와 α와의 사이에는
Figure pat00007
가 되는 데, 이들 값은 차압 장치의 기구, 즉 오리피스, 노즐, 벤츄리관 등에 따라 각각 다른 값을 갖는다. 유량계수 α는 실측에 의해 정해지나 기구의 형상, 압력 취부 점의 위치에 의해 다르므로 이들을 규격화하여 기하학적으로 근사한 값을 이용하고 있다. α는 기구의 비율 β(=d/D)와 레이놀즈 수 Re와의 함수이나 Re가 104-107 범위에서는 Re의 영향은 없고 β만의 함수로 되므로 이 영역을 유량계로 사용한다.
또한 기체와 같이 압축특성이 있는 유체에서는 식(6)에 압축성을 고려한 보정계수를 곱해 주어야 한다.
한편, 콘 타입의 차압식 유량계(HFV-SERIES)는 물, 증기, 공기, 질소, 수소, 소화 tank의 gas, ethanol, ethylacetate, 초산 및 극저온 neon에서부터 임계 초과의 ethylene에 이르기까지 많은 다른 유체의 유량을 측정하는데 사용하고 있다. 표준 HFV-SERIES 유량계로서는 stainless 강과 함께 PVC 제품도 공급하고 있으며, 리는 부식성이 강한 환경에 적합하다. 또한, 표준 stainless강 유량계는 온도가 370℃에 이르거나, 압력이 40 ㎏/㎠에 이르는 유체에도 사용할 수 있다. 그 이상으로 온도나 압력이 높으면 주문에 의해 특별 제작이 가능하다. 또한, 아주 높은 Reynolds수(수백만)에서부터 아주 낮은(8,000) 범위까지 작동하는 1 차 소자를 제작하고 있고, 예비실험을 하여 본 결과 충류, 천이류 및 난류까지 연속적으로 측정을 할 수 있음을 보여주었다. 소자는 full scale에서 통풍 압력 범위 (0～250mmH2O)의 차압을 발생시키기도 하고, 수천㎜의 차압을 발생시키기도 하므로 근본적으로 V-cone은 가장 많은 용도에 사용할 수 있는 유량계로 고려하게 되었다.
장기적인 성능 유지에 있어서, HFV-SERIES에서 가장 위험한 곳을 생각한다면 이는 원뿔에서 가장 직경이 큰 모서리 일 것이며, 이 모서리는 원뿔에서 가장 큰 단면적을 가지고 있으며, β -비를 결정한다. 이 모서리를 변경시키면 결과적으로 단면적이 변화되고 분명히 β -비가 변경된다. HFV-SERIES가 유선형 소자이며 속도가 빠른 흐름의 중심부에 설치되어있어 흐름의 대부분이 이 모서리로 향하게 된다. 흐름이 어떤 각도로 휘어져 분리점(이곳은 곧바로 위험한 모서리의 하류이다)에서 와류가 일어나며 HFV-SERIES로부터 흘러나가는 힘으로 인하여 마모가 감소하는 결과가 된다. 이점이 orifice 판과 비교할 때 가장 큰 장점이다. Orifice 판의 위험한 모서리는 연속적으로 많은 힘을 받게 되어 가끔 부식되어 정밀도가 떨어진다.
측정범위에 있어서, HFV-SERIES는 원뿔 소자 위로 유체가 흘러 유체의 속도 분포도를 다시 평탄하게 하므로 다른 차압식 계기보다도 측정 범위가 훨씬 넓다. 일반적인 다른 소자는 속도 분포도를 악화시키므로 좁은 범위에서만 차압과 유량의 관계가 선형을 유지한다.
신호안정도에 있어서, HFV-SERIES는 유체의 속도 분포도를 좀 더 균일한 모양으로 평탄하게 한다. 이러한 사실은 HFV-SERIES가 실질적으로 측정관 중심부의 빠른 속도 분포도를 새로운 모양으로 만들기 때문에 흐름의 많은 부분에 영향을 주고있다는 사실은, 계기가 자신의 흐름을 정류하게 정류기(conditioner)로서 작용하고 있다는 뜻이며, 결과적으로 보다 정확하고 일관된 신호를 내보내고 있다는 것이다.
도 2의 (a)(b)(c)를 참조하여 측정원리를 살펴보면, 유체가 흐르는 관로의 일부를 축소하면 유체가 그 부분을 통과할 때 속도가 증가하고, 압력이 감소하여 두 지점(A-B)에 압력차이가 발생한다. 이 발생한 차압(△P)과 유량(Qv)이 Qv ∝ K
Figure pat00008
(△P)라는 비례 관계를 갖고 있어 차압을 측정하여 유량을 구한다.
콘 타입 차압식 유량장치는 관로 중심부에 원추모양의 소자를 설치하여 유체의 통과 면적을 축소시켜 차압을 발생시킨다. 이는 다른 차압 유량계와 동일한 원리이나 관로의 중심부가 막혀 있는 새로운 형태로 유효 면적 비(m)가 m=
Figure pat00009
이고,
Figure pat00010
이 된다.
따라서 유량 측정공식(Qv)은
Figure pat00011
로 표현된다.
여기서, D: 관로의 내경, d=원추의 직경, β=유효 직경비, cd: 유출계수, A1:관로의 단면적, m:유효면적비, A2:축소된 부분의 면적, E:접근 속도계수, ε=팽창계수, ρ:유체의 밀도, △P=차압
도 3은 종래 콘 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 종단면도로서, 유체의 전압은 배관(메타 바디)(12) 내에 설치한 콘(11)의 전압구멍(11a)으로부터 검출하도록 구성되어 있고, 유체 정압은 배관(12)의 안둘레면 위치에 구비된 정압구멍(12a)을 통해 배관(12)의 안둘레면 부근의 유체 정압을 검출하도록 구성되어 있다.
콘(11)은 유체의 흐름 방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대 경사 부 (11b)와, 급격히 작아지는 축소 경사 부(11c)로 이루어지며, 축소 경사 부(11c)의 끝 부분에 전압구멍(11a)이 형성되어 있고, 콘(11)은 상기 전압구멍(11a)이 배관(12) 중심에 위치되도록 Ｌ자 형상의 지지 튜브(13)에 의해 지지되고, 전압구멍(11a)은 지지 튜브(13)의 전압통로(13a)를 통해 배관(12) 외부로 연결되어 있다.
따라서 전압구멍(11a)과 정압구멍(12a)을 통해 검출된 배관(12) 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 이와 연결된 차압 전송기(14)로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(15)에서는 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하게 된다.
종래 차압식 유량 측정장치는 해양플랜트용이나 시추한 원유 량을 측정하는 대형 배관에서는 콘을 판재로 형성하여 제작하고 있지만, 높은 압력에 의하여 콘 자체의 변형을 유발하는 문제점이 있어 콘의 두께를 설계하는 데에 큰 제약이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 판재로 형성된 중공의 콘의 후단부에 동압 홀이 다수 형성됨으로써 콘의 두께를 두껍게 하지 않으면서도 콘의 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체 압에 의한 콘의 변형을 효과적으로 방지할 수 있는 콘 타입 차압식 유량 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치는 콘이 유체의 흐름 방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대 경사 부와 그 지름이 급격히 작아지는 축소 경사 부로 이루어지며, 상기 축소 경사 부의 끝 부분에 전압구멍이 형성되고, 상기 전압구멍이 배관(메타 바디)의 중심에 위치되도록 상기 콘은 지지 튜브에 의해 지지되고, 상기 전압구멍은 상기 지지 튜브의 전압통로를 통해 상기 바디 외부로 연결되며, 상기 전압구멍과 정압구멍을 통해 검출된 상기 배관 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 차압 전송기로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터에서 상기 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하도록 구성하되, 상기 콘은 판재로 구성되어 내부가 중공 구조로 형성되며, 상기 콘에는 상기 콘 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 상기 콘의 변형을 방지하기 위한 동압 홀이 다수 형성되는 구조이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 판재로 형성된 중공의 콘의 후단부에 동압 홀이 다수 형성됨으로써 콘의 두께를 두껍게 하지 않으면서도 콘의 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체압에 의한 콘의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 차압식 유량계의 원리를 설명하기 위한 도면
도 2는 콘 타입 차압식 유량계의 원리를 설명하기 위한 도면
도 3은 종래 콘 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 종단면도
도 4는 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 분리 사시도
도 5는 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 정면도
도 6은 도 5의 좌측면도
도 7은 도 5의 우측면도
도 8은 (a)는 동압 홀이 없는 콘을 구비한 차압식 유량계를 보인 것이고, 도 8의 (b)는 본 발명의 차압식 유량계를 보인 도면
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 콘 타입 차압식 유량 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 분리 사시도, 도 5는 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치를 보인 정면도, 도 6은 도 5의 좌측면도, 및 도 7은 도 5의 우측면도이다.
위 도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 콘 타입 차압식 유량 측정장치(100)는 세밀한 정확도와 재현성과 넓은 측정범위, 설치의 용이성, 간편한 관리 등의 장점을 가지는 해양플랜트용 콘 메타(특수사양을 갖는 900mm 대구경의 Cone Meter/원추형관 차압식 유량계) 등에 적용 가능한 것으로, 시추한 원유 량을 측정하는 유량계이기 때문에 기존의 제품과는 비교할 수 없을 정도로 까다롭고 정확한 측정을 필요로 하는 장치다.
참고로, 재료가 어떤 크기의 변동 응력이나 또는 반복 응력을 받으면, 그 재료는 물리적 및 기계적 성질이 변하여 미세한 균열이 생기고, 이 균열이 서서히 진행하여 판단에 이른다. 이러한 현상을 재료에서의 피로라 하며, 이와 같은 파괴를 피로 파괴라 한다.
콘은 자중이나 유체 항력에 의한 굽힘 모멘트뿐만 아니라 유체 유동 진동에 의한 반복적인 동 하중이 작용하므로 이러한 피로 파괴의 한 원인이 될 수 있다.
본 발명의 콘 타입 차압식 유량 측정장치(100)는 피로 파괴 및 유체 압에 의한 변형을 방지하기 위한 것으로, 콘(110)이 유체의 흐름 방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대 경사 부(111)와 그 지름이 급격히 작아지는 축소 경사 부(112)로 이루어진다.
상기 축소 경사 부(112)의 끝 부분에 전압구멍(112a)이 형성되고, 상기 전압구멍(112a)이 배관(메타 바디)(120)의 중심에 위치되도록 상기 콘(110)은 엘자 형상의 지지 튜브(130)에 의해 지지된다.
상기 전압구멍(112a)은 상기 지지 튜브(130)의 전압통로(131)를 통해 상기 배관(120) 외부로 연결되며, 상기 전압구멍(112a)과 정압구멍(120a)을 통해 검출된 상기 배관(120) 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 차압 전송기(140)로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(150)에서 상기 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하도록 구성된다.
본 발명은 상기 콘(110)은 판재 또는 판상체로 구성되어, 그 내부가 중공 구조로 형성되며, 상기 콘(110)에는 상기 콘(110) 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체 항력에 의한 상기 콘(110)의 변형을 방지하기 위한 동압 홀(H)이 다수 형성된 것에 특징이 있다. 상기 동압 홀(H)은 균등 간격을 두고 배치되며, 방사상으로 배치될 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 타입 차압식 유량 측정장치의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
유체가 배관(120) 내를 흐를 때 전압구멍(112a)과 정압구멍(120a)을 통해 검출된 배관(120) 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 이와 연결된 차압 전송기(140)로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(150)에서는 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하게 된다.
본 발명은 판재로 형성된 중공의 콘(110)의 후단부에 동압 홀(H)이 다수 형성됨으로써, 콘(110)의 두께를 두껍게 하지 않으면서도 콘(110)의 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체 압에 의한 콘(110)의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 8의 (a)는 동압 홀이 없는 콘을 구비한 종래 차압식 유량계를 보인 것이고, 도 7의 (b)는 본 발명의 차압식 유량계를 보인 도면이다.
도 8의 (a)는 동압 홀이 없는 콘을 구비한 종래 차압식 유량계를 보인 것으로, 유체의 압력에 의하여 콘(110)이 변형되는 문제가 발생하는 반면에, 도 8의 (b)에 도시된 본 발명의 차압식 유량계(100)는 동압 홀(H)에 의해서 콘(110)의 내부와 외부가 동압(同壓)이 형성되어 유체의 압력에 의한 콘(110)의 변형을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 판재로 형성된 중공의 콘의 후단부에 동압 홀이 다수 형성됨으로써 콘의 두께를 두껍게 하지 않으면서도 콘의 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 유체 압력에 의한 콘의 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
100: 콘 타입 차압식 유량 측정장치
110: 콘
111: 완만한 확대 경사 부
112: 축소 경사 부
112a: 전압구멍
120: 배관(메타 바디)
130: 지지 튜브
131: 전압통로
140: 차압 전송기
150: 플로우 컴퓨터

Claims (3)

  1. 콘(110)이 유체의 흐름 방향으로 그 지름이 점점 커지는 완만한 확대 경사 부(111)와 그 지름이 급격히 작아지는 축소 경사 부(112)로 이루어지며, 상기 축소 경사 부(112)의 끝 부분에 전압구멍(112a)이 형성되고, 상기 전압구멍(112a)이 배관(메타 바디)(120)의 중심에 위치되도록 상기 콘(110)은 지지 튜브(130)에 의해 지지되고, 상기 전압구멍(112a)은 상기 지지 튜브(130)의 전압통로(131)를 통해 상기 배관(메타 바디)(120) 외부로 연결되며, 상기 전압구멍(112a)과 정압구멍(120a)을 통해 검출된 상기 배관(120) 내에 흐르는 유체의 유체 전압과 유체 정압이 차압 전송기(140)로 보내져 차압 신호로 출력되고, 플로우 컴퓨터(150)에서 상기 차압 신호의 유체 전압과 유체 정압의 압력차를 이용하여 유량을 측정하도록 구성하되,
    상기 콘(110)은 판재로 구성되어 내부가 중공 구조로 형성되며, 상기 콘(110)에는 상기 콘(110) 내부 압력과 외부 압력을 동일하게 하여 상기 콘(110)의 변형을 방지하기 위한 동압 홀(H)이 다수 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는 콘 타입 차압식 유량 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동압 홀(H)은 방사상으로 배치되는 구조인 것을 특징으로 하는 콘 타입 차압식 유량 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지 튜브(130)는 엘자 형상의 구조인 것을 특징으로 하는 콘 타입 차압식 유량 측정장치.
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