KR20180047205A - 코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질량 유량계에 관한 것으로써 더욱 상세하게는 선박의 배관에 설치되며, 코리올리력을 이용하여 질량 유량을 측정하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계는 내부에 선박 연료유가 유통되는 선박배관에 설치되어 유량을 측정하는 것으로서, 관 형상이되, 만곡된 형태를 가지며, 양단이 서로 수평하게 위치한 플로튜브와, 상기 플로튜브 일단에 설치되는 제1 유입플랜지와, 상기 일측 선박배관과 상기 제1 유입플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 일단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 유입플랜지와, 상기 플로튜브 타단에 설치되는 제1 출구플랜지와, 상기 타측 선박배관과 상기 제1 출구플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 타단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 출구플랜지와, 상기 플로튜브의 만곡부 중심 축선상에 위치하도록 설치되며, 진동을 발생시키는 구동체와, 상기 플로튜브의 좌우 양측에 각각 설치되며, 코리오스힘을 검출하기 위한 진동 측정센서와, 상기 진동 측정센서에서 검출된 데이터를 질량유량으로 전환시켜 나타내는 디스플레이 및 상기 플로튜브와, 제1 유입플랜지와, 제1 출구플랜지와, 구동체와, 진동측정센서를 감싸도록 형성되는 하우징을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계{A Mass Flow Meter For Ship Useing Coriolis Force}

본 발명은 선박의 배관에 설치되며, 코리올리력을 이용하여 질량 유량을 측정하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계에 관한 것이다.

선박의 주된 연료로 사용되는 벙커유는 유조선, 화물 및 벌크선, 바지선 등 다양한 선박의 연료 탱크로 매일 공급이 되고 있다. 이러한 선박의 연료 비용은 선박 운영 비용의 60~70%로 대부분을 차지한다. 중형의 30,000 DWT 선박에서도 하루 평균 20톤의 연료유를 사용하며, 2013년 벙커유 기준으로 $650/톤 임을 감안하면 상당한 비용이 소모되므로 이런 고부가가치의 벙커유 측정이 정확하지 않을 경우, 많은 금전적인 손실이 발생되어 시간 소모적인 분쟁을 야기시킬 수 있다.

한편, 기존의 선박 연료유는 주문 시 무게로 주문하며, 그에 따른 부피를 측정하고, 해당제품의 특정온도에 대한 비중적용 무게로 환산한다.

즉, 기존의 선박 연료유 측정 방식은 부피량(volume)을 사용하는데, 이러한 부피유량계는 유체의 온도나 압력이 크게 변화하는 유동환경에서는 체의 밀도가 온도나 압력에 따라 변화하기 때문에 온도나 압력의 변화가 큰 유동의 부피유량을 측정하는 경우에 정확도의 측면에서 약점을 보이게 된다.

따라서 필요한 경우에는 온도나 압력을 측정하여 온도보정 및 압력보정을 해야하며, 이를 다시 질량으로 변환하는 과정에서 오차가 발생할 수 있으며, 온도에 따라 부피가 달라지는 공기의 특성으로 인해 실제 측정양보다 팽창되었다가 줄어드는 “카푸치노 효과”등의 문제를 수반하여 이러한 시스템은 1~3% 또는 경우에 따라서는 5%의 낮은 정확도를 가진다.

이러한 문제를 해결하기 위해 질량유량계를 사용하는 곳도 일부 있으나, 각 제조사들 마다 생산하는 질량유량계의 형상이 상이하여 유량계의 교체시 기존 배관 구조 및 시스템을 개조해야 하는 문제도 있었다.

KR 10-0804968 B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 코리올리력을 이용하여 정확도가 높은 연료유의 질량유량의 측정이 가능하며, 선박배관에 따라 그 길이가 가변 가능한 새로운 형태의 유량계를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 내부에 선박 연료유가 유통되는 선박배관에 설치되어 유량을 측정하는 것으로서, 관 형상이되, 만곡된 형태를 가지며, 양단이 서로 수평하게 위치한 플로튜브와, 상기 플로튜브 일단에 설치되는 제1 유입플랜지와, 상기 일측 선박배관과 상기 제1 유입플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 일단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 유입플랜지와, 상기 플로튜브 타단에 설치되는 제1 출구플랜지와, 상기 타측 선박배관과 상기 제1 출구플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 타단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 출구플랜지와, 상기 플로튜브의 만곡부 중심 축선상에 위치하도록 설치되며, 진동을 발생시키는 구동체와, 상기 플로튜브의 좌우 양측에 각각 설치되며, 코리오스힘을 검출하기 위한 진동 측정센서와, 상기 진동 측정센서에서 검출된 데이터를 질량유량으로 전환시켜 나타내는 디스플레이 및 상기 플로튜브와, 제1 유입플랜지와, 제1 출구플랜지와, 구동체와, 진동측정센서를 감싸도록 형성되는 하우징을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플로튜브에 설치되며, 상기 플로튜브 내부를 유통하는 연료유의 온도를 측정하는 온도 측정센서가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 유입플랜지에서 일측으로 연장형성되며, 내부에 철망통이 삽입되어 상기 제2 유입플랜지를 통과하는 연료유 내부의 고체입자를 여과하는 스트레이너를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계는 플로튜브와, 플로튜브에 진동을 발생시키는 구동체를 통하여 코리올리력을 발생시켜 이를 진동 측정센서를 통하여 측정함으로써 정확한 유량의 측정이 가능한 효과가 있다.

또한, 제1 유입플랜지와 제2 유입플랜지 및 제1 출구플랜지와 제2 출구플랜지가 이루는 길이가 가변 가능함으로 다양한 선박배관에 대응하여 설치할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계의 일부분을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계의 일부분을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계의 플랜지부분의 길이가 연장된 모습을 나타낸 평면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계는 도 1에 도시된 바와 같이 크게 플로튜브(100)와, 플랜지와, 구동체(400)와, 진동 측정센서(500)와, 디스플레이와, 하우징으로 구성된다.

먼저, 상기 플로튜브(100)는 선박 내 설치되며 내부에 연료유가 유통되는 선박배관과 연결되도록 설치되는데, 그 형상은 대략 'U' 형태로 만곡된 형태이다.

상기 플로튜브(100)는 관 형태로 선박배관을 유통하는 연료유가 상기 플로튜브(100)의 일단을 통해 그 내부로 유입되어 다시 타단을 통해 상기 선박배관으로 유통된다.

상기 플로튜브(100)의 만곡부 중심 축선상에는 상기 구동체(400)가 설치된다.

상기 구동체(400)는 상기 플로튜브(100)를 진동시키기 위한 구성으로 상기 구동체(400)가 구동되면 상기 플로튜브(100)는 상기 구동체(400)에서 발생한 진동에 의하여 상하로 왕복운동을 하게 된다.

상기 플로튜브(100)의 비틀림 각도를 측정하기 위하여 상기 플로튜브(100)는 좌우 양측에 한 쌍의 진동 측정센서(500)가 설치된다.

참고로, 상기 비틀림 각도는 상기 플로튜브(100) 내부에서 발생하는 코리올리 힘과 비례하도록 나타나는데 이에 관해서는 후술할 본 발명의 사용양태에서 좀 더 상세히 설명하도록 한다.

이어, 상기 플로튜브(100) 일측에는 온도 측정센서(600)가 설치된다.

상기 온도 측정센서(600)는 상기 플로튜브(100) 내부를 유통하는 연료유의 온도에 따라 상기 플로튜브(100)의 탄성계수가 변하여 상기 플로튜브(100)의 고유진동수 및 비틀림 각도가 미묘하게 변화하여 유량의 측정에 오차가 발생하는 것을 방지하기 위한 구성이다.

도시하지는 않았지만 상기 진동 측정센서(500)와 온도 측정센서(600)에서 측정된 데이터는 전기 회로부(미도시)로 전달되어 검출된 각도데이터와 온도데이터를 기반으로 질량유량의 값으로 변환된다.

변환된 질량유량의 값은 상기 디스플레이에 제공된다.

한편, 상기 구동체(400)와, 진동 측정센서(500)와, 온도 측정센서(600)와, 전기 회로부와, 디스플레이는 제어부(미도시)에 의해 구동된다.

다음, 도 2를 참고로 하여 상기 플랜지에 대해 알아보도록 한다.

상기 플랜지(200, 250, 300, 350)는 상기 선박배관과 상기 플로튜브(100)를 서로 연결하기 위한 구성으로 일측 선박배관과 연결하기 위한 유입플랜지(200, 250)와, 타측 선박배관과 연결하기 위한 출구플랜지(300, 350)로 구성된다.

상기 유입플랜지(200, 250)는 제1 유입플랜지(200)와 제2 유입플랜지(250)가 한 세트로 구성되는데, 상기 제1 유입플랜지(200)는 상기 플로튜브(100)의 일단과 연결되고 그 내부는 상기 플로튜브(100)가 연결된 타측 방향으로 암나사가공이 형성된다.

상기 제2 유입플랜지(250)는 상기 일측 선박배관과 결합되며, 상기 일측 선박배관과 결합 된 타측부 외주면에는 나사가공이 형성되어있어 상기 제1 유입플랜지(200)와 서로 결합될 수 있다.

또한, 상기 제1 유입플랜지(200)와 상기 제2 유입플랜지(250)의 나사 가공부를 통해 상기 제1 유입플랜지(200)와 상기 제2 유입플랜지(250)가 이루는 전체 길이를 조절할 수 있는 효과도 있다.

한편, 상기 제2 유입플랜지(250)는 상기 일측 선반배관과 연결된 측의 단부에 일측으로 길게 연장형성된 스트레이너(260)가 더 마련된다.

상기 스트레이너(260)는 상단이 상기 제2 유입플랜지(250)와 연통 되도록 개구된 중공형의 원통 모양이되, 그 내부는 상기 제2 유입플랜지의 내부 통로를 가로막도록 삽입설치된 철망통이 마련되어 상기 일측 선박배관으로부터 공급되는 연료유 내부의 슬러리 혹은 고체입자가 상기 플로튜브(100) 내부로 유입되어 고장을 일으키거나 압력손실을 유발하는 것을 방지한다.

상기 스트레이너(260)는 필요에 따라 상기 제2 유입플랜지(250)로부터 분리할 수 있도록 나사결합 되어있어 상기 철망통 내부에 쌓인 슬러리 혹은 고체입자를 제거하거나 미립고체입자를 제거하기 위하여 메시단위가 비교적 높은 철망통으로 교체 할 수 있다.

다음, 상기 출구플랜지(300, 350)는 상기 유입플랜지(200, 250)와 마찬가지로 제1 출구플랜지(300)와 제2 출구플랜지(350)로 구성된다.

상기 제1 출구플랜지(300)는 상기 플로튜브(100)의 타단과 연결되고 그 내부는 상기 플로튜브(100)가 연결된 타측 방향으로 암나사가공이 형성되고, 상기 제2 출구플랜지(350)는 상기 타측 선박배관과 결합되며, 상기 타측 선박배관과 결합된 타측부 외주면에 나사가공이 형성되어있어 상기 제1 출구플랜지(300)와 길이조절과 탈착이 가능하도록 결합 된다.

다음, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 하우징(800)은 상기 플로튜브와, 제1 유입플랜지와, 제1 출구플랜지와, 구동체와, 진동 측정센서와, 온도 측정센서를 감싸도록 형성되며, 내부의 각부 구성을 보호하는 역할을 한다.

이하, 상술한 각부 구성을 바탕으로 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계의 사용 양태에 대해 알아보도록 한다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 코리올리력을 이용한 선박용 질량 유량계의 상기 제2 유입플랜지(250)와 제2 출구플랜지(350) 각각을 상기 제1 유입플랜지와 제1 출구플랜지 내부로 최대한 삽입되도록 조절한다.

다음, 일측 선박배관에 상기 제2 유입플랜지(250)을 결합시키고, 타측 선박배관과 상기 제2 출구플랜지(350)의 단부가 서로 맞닿을 수 있도록 상기 유입플랜지(200, 250)와 출구플랜지(300, 350)를 조절한 후 상기 제2 출구플랜지(350)와 상기 타측 선박배관을 결합시킨다.

유량계의 설치가 완료되면 상기 제어부를 통해 상기 구동체와, 진동 측정센서와, 온도 측정센서와, 전기 회로와, 디스플레이(700)을 구동시키고, 상기 선박배관 내부로 연료유를 유통시킨다.

연료유 내에 존재하는 슬러리 혹은 고체입자는 상기 제2 유입플랜지(250)을 통과하며 상기 스프레이어(260) 내부에 여과된다.

다음, 상기 구동체에 의해 승강 및 하강운동을 하고 있는 상기 플로튜브 내부로 상기 연료유가 유입되면 상기 플로튜브의 승강 및 하강에 따른 속도에 의해 상기 연료유의 질량과 유속에 비례하는 코리올리 힘이 발생하는데, 상기 플로튜브의 만곡부를 기준으로 상기 입구플랜지와 가까운 영역은 상기 구동부의 진동이 일어나는 방향과 반대 방향으로 코리올리 힘이 작용하고, 상기 플로튜브의 만곡부를 기준으로 상기 출구플랜지와 가까운 영역은 상기 구동부의 진동 방향과 같은 방향으로 코리올리 힘이 작용하게 되어 상기 플로튜브에는 비틀림이 발생하게 된다.

이때, 상기 온도 측정센서는 상기 플로튜브 내부를 유동하는 연료유의 온도를 측정하여 얻어진 온도데이터를 상기 전기 회로부로 전달하고, 상기 진동 측정센서에서는 상기 플로튜브의 비틀림 각도를 측정하여 상기 전기 회로부로 전달한다.

상기 전기 회로부에서는 코리올리의 힘을 나타내는 식

와,

를 이용하여 질량유량을 구하는데, 상기 식에서

는 코리올리의 힘을, mU는 질량유량을,

는 각속도를,

는 시간의 변화량을,

는 각변위를 나타낸다.

즉, 상기 식을 정리하면 질량유량은

가 되고, 여기서 상기

는 상기 플로튜브에 작용하는 비틀림모멘트의 값과 같으므로 비틀림모멘트에 관한 식

(여기서, 상기 T는 비틀림모멘트, P는 상기 구동체에서 작용하는 힘, L은 상기 한 쌍의 진동 측정센서 사이의 거리를 나타낸다)를 적용하여

를 통하여 도출해 낸다.

한편, 상기 각변위는 상기 구동체에서 같은 힘이 작용하더라도 상기 플로튜브의 온도에 따라 재료의 탄성계수가 다르므로 상기 전기 회로부에는 상기 플로튜브가 상온(20℃)인 경우에 대한 각 온도에 따른 탄성계수의 비가 저장되어 있어 상기 질량유량의 계산 시 상기 각변위에 곱하도록 설계된다.

상기 식을 통해 도출해 낸 질량유량의 값은 상기 디스플레이(700)를 통해 표기된다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 플로튜브
200: 제1 유입플랜지
250: 제2 유입플랜지
260: 스트레이너
300: 제1 출구플랜지
350: 제2 출구플랜지
400: 구동체
500: 진동 측정센서
600: 온도 측정센서
700: 디스플레이
800: 하우징

Claims (3)

1. 내부에 선박 연료유가 유통되는 선박배관에 설치되어 유량을 측정하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계에 있어서,
   관 형상이되, 만곡된 형태를 가지며, 양단이 서로 수평하게 위치한 플로튜브;
   상기 플로튜브 일단에 설치되는 제1 유입플랜지;
   상기 일측 선박배관과 상기 제1 유입플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 일단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 유입플랜지;
   상기 플로튜브 타단에 설치되는 제1 출구플랜지;
   상기 타측 선박배관과 상기 제1 출구플랜지를 연결하며, 상기 플로튜브의 타단과의 거리를 조절 가능하도록 결합되는 제2 출구플랜지;
   상기 플로튜브의 만곡부 중심 축선상에 위치하도록 설치되며, 진동을 발생시키는 구동체;
   상기 플로튜브의 좌우 양측에 각각 설치되며, 코리오스힘을 검출하기 위한 진동 측정센서;
   상기 진동 측정센서에서 검출된 데이터를 질량유량으로 전환시켜 나타내는 디스플레이; 및
   상기 플로튜브와, 제1 유입플랜지와, 제1 출구플랜지와, 구동체와, 진동측정센서를 감싸도록 형성되는 하우징;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 플로튜브에 설치되며, 상기 플로튜브 내부를 유통하는 연료유의 온도를 측정하는 온도 측정센서;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 유입플랜지에서 일측으로 연장형성되며, 내부에 철망통이 삽입되어 상기 제2 유입플랜지를 통과하는 연료유 내부의 고체입자를 여과하는 스트레이너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코리올리력을 이용한 선박용 질량유량계.

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