KR20220032416A - 압력센서를 이용한 유량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력센서에 의한 비접촉 방식으로 측정 오차 없이 유량을 측정할 수 있도록 하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유량 측정 장치는, 유체가 유입되는 입구와 배출되는 출구 사이에 설치되어 유체의 흐름을 개폐하는 개폐밸브가 구비된 개폐 시스템과; 개폐 시스템의 작동시 변화되는 유체의 압력을 간접적으로 검출하는 압력센서가 구비된 압력 검출부와; 압력 검출부를 통해 검출된 유체의 압력이 입력되는 MCU와; 출구를 통해 토출되는 유량을 MCU로 입력하는 유량 입력부와; 압력센서를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출한 후, 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

압력센서를 이용한 유량 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring flow rate using pressure sensor}

본 발명은 유량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력센서에 의해 비접촉 방식으로 측정 오차 없이 유량을 측정할 수 있도록 하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유량계는 관로의 내부를 흐르는 유체(액체, 기체 등)의 유량을 측정하는 장치로서, 차압 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계 등의 여러 가지 유형의 유량계가 사용되고 있다.

이들 중 차압 유량계는 유체를 오리피스에 통과시켜 오리피스 전후의 압력차를 마노미터(manometer)나 2개의 압력 센서 등으로 유량을 검출하고, 전자 유량계는 자계 속을 통과하는 유체에 발생하는 자계 직교 방향의 전압변화를 검출하여 유량을 측정하게 된다.

그리고, 초음파 유량계는 유로의 관벽으로부터 유체의 흐름에 대해 비스듬하게 방사한 초음파를 대향하는 관벽에 설치한 초음파 센서로 검출하고, 그 때의 도플러 효과에 의한 검출강도의 변화로부터 유량을 검출한다. 또한 터빈 유량계는 유체의 흐름 내에 익차(翼車)를 설치하고 이 익차의 회전수로부터 유량을 검출하는 방식이다.

그러나, 상기에 열거된 종래의 유량계는 유량을 검출하는 검출부가 대부분 유체에 직접적으로 닿아 검출하는 구조로 이루어져 있기 때문에, 오,폐수와 같이 이물질이 많이 함유된 유량을 측정할 경우 검출부 주위에 오염물 등이 누적되어 측정 시 오차가 발생하게 되고 상기 오염물로 인한 위생상의 문제도 발생하게 된다. 이 때문에 검출부를 주기적으로 청소해주거나 교체해야만 하는 번거로움이 있다.

또한, 상기한 유량계 중 검출부가 유체에 직접 닿지 않는 상태에서 측정이 가능한 전자 유량계, 초음파 유량계, 차압 유량계 등은 가격이 비교적 고가이기 때문에 고정밀도가 요구되지 않은 제품 등에 적용하여 사용하기가 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제2019-0134787호(2019.12.04)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 유량을 검출하는 검출부가 유체에 직접적으로 닿지 않으면서 기존 고가의 센서나 여러 개의 센서를 이용하지 않고 압력센서만을 이용하여 유량을 효과적으로 측정할 수 있고 측정 오차를 보상하는 유량 검출부가 포함된 유량 측정 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유량 측정 장치의 설치 위치 또는 대기압 등의 영향을 받아 유량 측정시 오차가 발생하지 않도록 자가적으로 측정된 초기 압력 값을 이용하여 옵셋 값을 자동 보정함으로써 측정 오차가 발생하지 않는 유량 측정 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유량 측정 장치는, 유체가 유입되는 입구와 배출되는 출구 사이에 설치되어 유체의 흐름을 개폐하는 개폐밸브가 구비된 개폐 시스템과; 개폐 시스템의 작동시 변화되는 유체의 압력을 간접적으로 검출하는 압력센서가 구비된 압력 검출부와; 압력 검출부를 통해 검출된 유체의 압력이 입력되는 MCU와; 출구를 통해 토출되는 유량을 MCU로 입력하는 유량 입력부와; 압력센서를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량단위당 압력변동비인 K 값을 산출한 후, 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 유량 검출부는 압력센서를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출부와, K값 산출부에서 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 보상하는 유량 보상부를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 유량 검출부에는 유체가 현재 흐르고 있는지 여부를 판단하여 유체가 흐르지 않을 경우 기설정된 자동 보정 시퀀스를 통해 압력을 보정하는 압력 보정부가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 유량 측정 장치는 유량 보상부를 통해 연산된 결과 값을 외부로 송,수신하는 통신부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유량 측정 방법은, 개폐 시스템의 작동시 변화되는 유체의 압력을 압력센서를 통해 간접적으로 검출하는 압력 검출 단계와; 압력센서를 통해 검출된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출 단계와; 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 K값 산출 단계는 압력센서로부터 검출된 압력 데이터를 통해 유체의 압력 변화 여부를 검출하는 단계와; 유체의 압력 변화가 검출되면, 검출된 압력 데이터 값과 출력 가능한 최대값의 차이를 역으로 환산하는 단계와; 상기 환산된 값으로부터 옵셋 값을 차감하는 단계와; 변화량을 적분하여 단위당 에너지량을 산출하는 단계와; 산출된 단위당 에너지량을 합산하여 K 값을 산출하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 유량 검출 단계는 K값 산출 단계로부터 산출된 K 값을 압력에 따른 비율로 산출하여 유량 보상 수식을 산출하고, 산출된 수식을 통해 유량 값을 보상할 수 있다.

또한, 상기 유량 검출 단계는, 설치 장소, 날씨, 온도 등에 의한 압력측정 오차를 자동으로 보정하는 자가 보정 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 자가 보정 단계는, 유체의 온도, 기압 변화 여부를 판단하는 단계와; 유체의 온도, 기압 변화가 있는 것으로 판단되면, 저장된 온도와 비교하여 유체의 온도차가 설정치 이상인지 여부를 판단하는 단계와; 유체의 온도차가 설정치보다 큰 것으로 판단되면 이에 대한 옵셋 값을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 유체의 온도차가 설정치 미만으로 판단되면, 다시 옵셋 압력 범위 측정 값을 벗어나는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고, 상기 옵셋 압력 범위 측정 값을 벗어나는 것으로 판단될 경우 이에 대한 옵셋 값을 산출할 수 있다.

또한, 상기 유량 보상 수식의 산출은, 검출된 유체의 압력을 기존 유체의 사양과 비교하여 다른 사양의 유체 압력 인지 여부를 판단하는 단계와; 검출된 유체의 압력이 다른 사양의 유체 압력으로 판단될 경우 온도, 기압 변화에 따른 유효 압력인지 여부를 판단하는 단계와; 상기 단계로부터 유효 압력으로 판단되면, 옵셋 값 보정 시퀀스를 수행하고, 유효 압력이 아니면, 유량 단위당 압력변동비 K 값을 산출하는 시퀀스를 수행할 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 유량 측정 장치 및 방법에 따르면, 압력센서를 통해 비접촉 방식으로 유량을 검출함으로써 유체가 흐르는 관에서 압력에 영향을 주지 않고 간접적으로 측정된 압력 값을 이용하여 유량을 효과적으로 검출할 수 있고, 특히 이물질이 많이 함유된 유량을 측정할 경우 검출부 주위에 오염물 등이 누적되어 검출부가 오염되거나 위생상의 문제를 발생시키는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 기존과 같이 검출부 주변에 오염물이 누적되어 측정 오차가 발생하는 폐단을 미연에 방지할 수 있고, 유량 측정 장치의 구조가 매우 간단하여 기구적인 고장의 위험이 적은 장점이 있고, 장시간 사용시에도 측정되는 값의 오차가 발생하지 않는 장점이 있다.

아울러, 유량 측정 장치가 설치되는 장소, 대기압, 온도 등에 영향을 받아 압력 변화에 의한 오차가 발생하지 않도록 자가적으로 옵셋 값을 자동 보정하는 기능이 갖추어져 있기 때문에 측정된 값에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압력센서를 이용한 유량 측정 장치를 도시한 것으로, 유체의 흐름이 정지된 상태와 유체가 흐르는 상태를 비교 도시한 시스템 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 유량 측정 장치의 전체 구성을 보여주는 블록도.
도 3은 유체의 토출 압력에 따른 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하기 위한 시퀀스를 보여주는 플로우 차트.
도 4는 압력센서로부터 입력된 압력 데이터와 출력 가능한 최대값의 차이를 통해 역으로 환산하는 과정을 보여주는 그래프.
도 5는 실제 흐르는 유량의 면적을 구하기 위해 압력센서로부터 입력되는 데이터를 통해 에너지량을 산출하는 과정 중 옵셋 값을 차감하는 과정을 보여주는 그래프.
도 6은 유량의 단위당 압력변동비인 K 값을 압력에 따른 비율로 계산한 것을 예시한 표
도 7은 상기 도 6에 도시된 K 값 산출표를 이용하여 유량에 대한 보상 수식을 산출한 그래프.
도 8은 유량 측정 장치가 설치되는 설치 장소, 날씨, 온도 등에 따라 자가 보정하는 기능을 설명하는 테이블.
도 9는 유량 측정 장치가 설치된 장소, 유체의 온도 등에 따라 자동으로 보정하는 자동보정 시퀀스를 보여주는 플로우 차트.
도 10은 자동으로 유량 보상 수식을 산출하는 시퀀스를 보여주는 플로우 차트.

아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.

이하, 본 발명에 따른 압력센서를 이용한 유량 측정 장치 및 방법에 대한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 유량 측정 장치를 구현하기 위한 시스템을 개념적으로 도시한 것으로, (a)는 개폐 시스템의 개폐밸브가 닫혀 유체의 흐름이 정지된 상태를 나타낸 것이고, (b)은 개폐밸브의 개방에 의해 유체가 흐르는 상태를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 유량 측정 장치는 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이 개폐 시스템(20)의 개폐밸브(22)가 닫힌 상태에서는 출구(14)로 향하는 관로(10)가 폐쇄되어 유체가 흐르지 않는 유동 정지 상태가 된다. 이 경우 측정된 압력은 가장 큰 상태로 일정하게 유지되며, 이러한 최대 압력은 압력 기준치로 설정하게 된다.

이러한 상태에서 도 1의 (b)와 같이 개폐밸브(22)가 개방되면 유체는 출구(14)를 통해 빠져나가게 되어 관로(10) 내에서는 유체의 압력 변화가 발생된다.

상기 도 1의 (b)와 같이 개폐밸브(22)의 개방에 의해 유체가 관로(10)를 따라 흐르게 될 경우 관로(10)의 면적에 따라 유체의 속도가 변화하게 되며, 그에 따라 관로 내의 압력변화도 발생하게 된다. 이 경우 통상적인 압력을 이용한 유량 측정 공식(Q=A*V)을 이용하면 압력변화에 따른 유량을 쉽게 확인할 수 있다. 여기서, A는 관로(10)의 단면적이고 V는 유체의 유속이다.

이때, 유속 V는 일반적으로 알고 있는 베르누이 방정식(V=√(2*중력가속도*압력변화))을 이용하면 쉽게 구할 수 있다. 즉, 유체의 속도는 넓은 통로(단면적이 큰 통로)를 흐를 때 감소하고, 좁은 통로(단면적이 작은 통로)를 흐를 때 증가한다. 이 경우 유체의 속도가 증가하면 압력이 낮아지고, 반대로 유체의 속도가 감소하면 압력이 높아지기 때문에, 이러한 압력의 변화량을 측정하여 토출 유량을 계산할 수 있다.

그러나, 여기서 문제가 되는 부분은 개폐밸브(22)가 개방되는 과정에서 관로(10)의 단면적 A에 변화가 발생하기 때문에 정확한 유량(Q)의 확인이 어려워질 수 있다. 이 때문에 상기한 유량을 측정하는 공식(Q=A*V)을 이용하기 위해서는 개폐밸브(22)의 개방에 따른 관로(10)의 개방 면적(A)을 확인할 수 있도록 하는 또 다른 센서나 장비의 설치가 요구될 수 있다.

본 발명에서는 상기한 문제를 해결하고자 관로(10)의 단면적(A) 변화에 따른 정확한 유량 측정을 위하여 압력센서(112)를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 흐르는 유량 단위당 압력 변동비인 K 값을 산출하고, 이 산출된 K 값을 토대로 각 압력에 따른 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공한다.

도 2는 본 발명에 따른 유량 측정 장치의 전체 구성을 보여주는 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 유량 측정 장치는 유체가 흐르는 관로(10)를 개폐하는 개폐 시스템(20)과 유체의 압력을 검출하는 압력 검출부(110)를 비롯하여, 유량 입력부(120), MCU(Micro Control Unit; 130), 유량 검출부(170), 통신부(180)를 포함하여 구성된다.

여기서, 유량 검출부(170)는 보상식 유도를 위하여 압력센서(112)를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 출구(14)로 토출되는 유량 단위당 압력 변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출부(140)와, K값 산출부(140)에서 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 보상하는 유량 보상부(150)와, 유체가 현재 흐르고 있는지 여부를 판단하여 유체가 흐르지 않을 경우 기설정된 자동 보정 시퀀스를 통해 압력을 보정하는 압력 보정부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

유체의 관로(10)를 개폐하는 개폐 시스템(20)은 유체가 유입되는 입구(12)와 유체가 배출되는 출구(14) 사이에 설치되며 개폐 시스템(20)에 설치된 개폐밸브(22)를 통해 유체의 흐름을 자동 개폐한다.

압력 검출부(110)는 개폐 시스템(20)의 개방시 유체가 흐르는 관로(10) 내에서 변화되는 유체의 압력을 압력센서(112)를 통해 간접적으로 검출하여 MCU(130)로 전송한다.

유량 입력부(120)는 유체의 유동 시 압력 변화에 따른 유량 보상 수식의 산출을 위해 출구(14)를 통해 토출되는 유량을 검출하여 MCU(130)로 입력한다.

이러한 유량 입력부(120)는 유량의 사양이 변경되는 경우 자동으로 유량 사양을 체크하여 이에 대한 유량 보상 수식을 산출하는 기능도 갖는다. 즉, 유량 보상 수식은 환경에 따라 변경될 수 있으므로 새로운 유량 보상식 유도를 위하여 유량 입력부(120)를 통해 실제 흐르는 유량을 입력하여 개폐밸브(22)의 개폐량에 따른 K 값들을 산출하여 유량 보상식을 재유도할 수 있다.

유량 검출부(170)는 압력센서(112)를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 유체의 출구(14)로 토출되는 유량 단위당 압력 변동비인 K 값을 산출한 후, 이 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하게 된다.

그리고, 통신부(180)는 유량 검출부(170)에서 연산된 유량의 최종 결과값을 외부로 송신하는 기능을 담당한다.

한편, 상기 유량 검출부(170)에 있어서, K값 산출부(140)는 유체의 토출 압력에 대한 유량 단위당 압력 변동비를 연산하게 되며, 이렇게 연산된 결과값은 유량 보상부(150)에서 유량 보상을 위한 비례식 도출에 이용될 수 있다.

여기서, K 값은 유량단위당 압력 변동비를 지칭하는 것으로, 이러한 K 값을 산출하는 이유는 실시간으로 측정된 압력 변화량을 유량으로 환산하기 위함이다.

즉, 유량이 토출되는 개폐 시스템의 면적이 일정하면 압력 변화도 일정하지만 개폐 면적이 변화되면 이에 따라 압력도 변화되기 때문에 각 일정한 면적(예를 들어 대, 중, 소 면적)에서의 압력 변화에 대해 실제 유량으로 보상하기 위하여 K 값을 산출하게 된다.

유량 보상부(150)는 압력 검출부(110)를 통해 실시간으로 압력 변화량을 측정하여 유도된 보상식을 적용하여 실시간 유량을 계산할 수 있다.

그리고, 유량 보상부(150)에서 연산된 최종 유량에 대한 결과값은 통신부(180)를 통해 유, 무선 방식으로 외부로 송신하게 된다.

아울러, 압력 보정부(160)에서는 현재 유체가 흐르고 있는지 여부를 판단하여 유체가 흐르지 않는 것으로 판단된 경우에는 기설정된 자동 보정 시퀀스로 동작하여 압력을 보정하게 된다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 유량 측정 장치를 이용한 유량 측정 방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 유량 측정 장치를 이용한 유량 측정 방법은, 개폐 시스템(20)의 작동시 변화되는 유체의 압력을 압력센서(112)를 통해 간접적으로 검출하는 압력 검출 단계와, 압력센서(112)를 통해 검출된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량의 단위당 압력 변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출 단계와, 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출 단계를 포함하여 구성된다.

도 3은 유체의 토출 압력에 따른 유량 단위당 압력변동비 K 값을 산출하기 위한 시퀀스를 보여주고 있다.

도 3에서 도시하고 있는 바와 같이, 유체의 토출 압력에 따른 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하는 방법은, 압력센서(112)로부터 검출된 압력 데이터를 통해 유체의 압력 변화 여부를 검출하는 단계(S141)와, 유체의 압력 변화가 검출되면 검출된 압력 데이터 값과 출력 가능한 최대값의 차이를 역으로 환산하는 단계(S142)와, 상기 환산된 값으로부터 옵셋 값을 차감하는 단계(S143)와, 변화량을 적분하여 단위당 에너지량을 산출하는 단계(S144)와, 산출된 단위당 에너지량을 합산(S145)하여 K 값을 산출하는 단계(S149)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 압력 변화 여부를 판정하는 S141 단계에서는 압력센서(112)로부터 실시간 검출된 압력 데이터를 이용하여 유체의 압력 변화가 발생하였는지 여부를 판단하게 된다. 즉, 개폐밸브(22)가 닫혀 있는 상태에서 개폐밸브(22)의 개방에 의해 압력 변화가 발생할 경우 이 발생된 시점을 트리거(trigger)로 하여 K 값 산출을 위한 시퀀스를 수행하게 된다.

그리고, 상기 S141 단계로부터 유체의 압력 변화가 없는 것으로 판단되면, 이는 개폐밸브(22)가 닫힌 상태로 유체가 흐르지 않는 유동 정지 상태이기 때문에 이 경우 압력의 평균값을 산출하여 저장하게 된다.(S146) 이때 산출된 압력의 평균값은 압력 최대값이 된다.

만일, 상기 S141 단계로부터 유체의 압력 변화가 감지되면, 실시간 입력되는 압력 데이터로부터 저장된 압력 최대값을 빼주게 됨으로써 압력 변화량을 양의 면적으로 계산 가능하도록 역으로 환산한다.(S142)

이어서, 상기 S143 단계에서는 압력 변화량을 구하기 위해 상기 S142 단계로부터 환산된 값에서 옵셋값을 차감하게 된다. 유량이 흐르지 않을 때는 압력 변화량이 없기 때문에 이를 '0'으로 설정하고 상기 '0'을 기준으로 한 옵셋값을 상기 환산 값으로부터 차감하게 된다.

그리고, 상기 S144 단계에서는 상기 S143 단계로부터 얻어진 압력 변화량을 적분하여 특정 구간에 대한 압력 변화량의 면적을 구한다. 예를 들어, 실시간 측정된 압력 데이터 1구간(2개의 RAW DATA)의 변화량의 면적을 산출할 수 있다.

다음으로, S145 단계에서는 상기 S144 단계로부터 산출된 적분 값(압력 데이터 단위구간당 변화량 면적)을 실시간 합산한다.

한편, 상기와 같이 개폐밸브(22)가 개방된 상태에서 개폐밸브(22)가 닫히면 다시 큰 폭의 압력변화가 발생하게 되는데, S147 단계에서는 압력센서(112)로부터 실시간 측정된 압력 데이터를 통해 유체의 압력 변화가 발생하였는지 여부를 다시 판단하게 된다.

여기서, 상기 S147 단계로부터 압력 변화가 발생된 것으로 판단될 경우 이 시점을 트리거로 하여 실제 토출된 전체 유량 정보를 취득한다.(S148),

그런 다음, 상기 S145 단계로부터 산출된 전체 에너지량을 상기 S148 단계로부터 취득된 전체 유량으로 나누어 유량 단위당 압력 변동비인 K 값을 산출하게 된다.(S149)

한편, 도 1의 (a)의 경우와 같이 개폐 시스템(20)이 닫힌 상태에서는 관로(10) 내로 유체가 흐르지 않아 압력 변화가 없기 때문에 압력은 일정한 값을 유지하게 된다. 이때, 유체가 흐르지 않은 경우에도 대기압이나 온도 등에 따라 유체의 압력 변화가 발생할 수 있기 때문에 압력 변화가 검출되지 않은 경우에는 압력 데이터의 평균값을 산출(S146)하고 다시 압력 변화 검출 단계(S141)로 복귀시키도록 한다.

이 상태에서 개폐 시스템(20)의 개방에 의해 유체가 흐르게 되면 관로(10) 내의 압력은 크게 변화하게 되며 그 압력이 변화된 순간을 검출하게 됨으로써 K 값 산출을 위한 전체 시퀀스 동작이 수행된다. 그리고 상기와 같이 유체의 토출에 따른 압력 변화가 검출될 경우 최대값-압력 데이터를 역으로 환산(S142)하고, 환산된 값에서 옵셋 값을 차감(S143)한 후, 변화량을 적분(S144)하여 시간당 에너지 량을 구한 다음, 전체 에너지 양을 합산(S145)하게 된다. 이어서 압력 변화 유무를 다시 검출(S147)하고 전체 유량을 산출(S148)함으로써 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출(S149)할 수 있게 된다.

여기서, 상기 최대값-압력 데이터를 역으로 환산하는 단계(S142)는 유량단위당 압력변동비인 K 값 산출을 위해 실제 유량이 토출될 때의 압력 변화량을 면적으로 쉽게 산출하기 위한 단순한 데이터 치환 과정으로서, 상기 '최대값'의 의미는 유량이 흐르지 않을 때 압력센서(112)에서 출력 가능한 RAW DATA 값을 의미하며, 상기 '역으로 환산'한다는 의미는 유량이 흐를 때 검출되는 압력 변화량 데이터를 최대값으로 빼주면 압력 변화량이 양의 면적으로 계산 가능하게 환산된다는 것을 의미한다.

그리고, 상기 S143 단계에서 옵셋 값의 차감은, 유량이 흐르지 않을 때에는 압력센서(112)를 통해 검출된 일정 압력 값(압력 최대값)은 존재하지만 압력 변화량은 존재하지 않기 때문에 이와 같이 압력 변화량이 없는 상태를 '0'으로 설정하여 기준점으로 잡고, 유체의 유동시 압력 변화량이 발생하면 상기 S142 단계로부터 환산된 값에서 옵셋 값을 차감하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 유체가 흐르는 관에서 유체가 토출되면서 변하는 압력을 검출하고, 이 것을 시간을 기준으로 하는 에너지 량으로 산출한 후, 이를 총 에너지량으로 환산한 후, 환산된 총 에너지량을 토출된 유량으로 나누게 되면 단위당 에너지량, 즉 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 압력센서(112)로부터 입력되는 압력 데이터와 출력 가능한 최대값의 차이를 통해 역으로 환산하는 과정을 보여주는 것으로서, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이 압력센서로부터 입력된 압력 데이터에서 출력 가능한 최대치를 빼주면 역으로 환산되어 변화되는 면적으로 계산할 수 있다. 이때, 도 4의 그래프에서 가로축은 시간을, 세로축은 압력센서로부터 출력되는 RAW DATA 값을 나타낸다.

도 5는 관로(10) 내부에서 실제로 흐르는 유량의 면적(A)을 구하기 위하여 압력센서(112)에서 입력되는 데이터를 통해 에너지량을 산출하는 과정 중에서 옵셋 값을 차감하는 과정을 보여주는 것으로서, 도 5의 그래프에서 보는 바와 같이 0을 기준으로 실제 흐르는 유량의 면적을 구할 수 있다. 마찬가지로. 도 5의 그래프에 있어, 가로축은 시간을, 세로축은 압력센서로부터 출력되는 RAW DATA 값을 나타낸다.

한편, 도 6은 유량의 단위당 압력변동비인 K 값을 입력된 평균 압력에 따른 비율로 계산한 것을 하나의 표로서 예시하고 있다.

유체의 압력이 변화될 경우 에너지량이 비례적으로 변동되는 것을 이용하여도 6의 표에 나타나 있는 각각의 평균 압력에 따른 압력변동비 K 값을 이용하여 유량에 대한 보상 수식을 도출할 수 있다.

한편, 앞서 언급한 봐와 같이 유량 검출 단계에서는 K값 산출 단계를 통해 산출된 K 값을 압력에 따른 비율로 산출하여 유량 보상 수식을 산출하고, 이렇게 산출된 유량 보상 수식을 이용하여 정확한 유량 값을 보상할 수 있다.

도 7은 도 6의 압력별 K 값의 비율로 계산한 표를 이용하여 유량에 대한 보상 수식을 산출한 그래프를 보여주고 있다. 여기서 가로축은 RAW DATA 변화량을, 세로축은 K 값 비율(개폐면적이 가장 큰 것을 기준으로 함)을 나타내고 있다.

도 7의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 유량 보상부(150)에서는 유량 단위당 압력 변동비인 K 값을 통해 산출된 유량 보상 수식을 이용하여 유량 값을 보상할 수 있다.

또한, 상기 유량 검출 단계에는 유량 측정 장치가 설치되는 장소, 날씨, 온도 등에 의해 발생할 수 있는 압력측정 오차를 자동으로 보정하도록 하는 자가 보정 단계가 추가적으로 진행될 수 있다.

도 8에 도시된 표에서는 유량 측정 장치가 설치되는 설치 장소, 날씨, 온도 등에 따라 압력측정 오차를 자가 보정할 수 있는 기능에 대한 예시가 나타나 있다.

도 8의 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 유량 측정 장치의 경우 POR(Power On Reset) 시 유량 측정 장치가 설치되는 장소, 날씨, 온도를 자동으로 검출하여 이에 대한 옵셋 값을 자동으로 산출하는 자동 보정 시퀀스를 수행하도록 한다. 이 경우, 유체의 사양이 변경될 경우에는 이에 대한 유량 보상 수식을 자동으로 산출하는 기능도 함께 수행하게 된다.

도 9에 도시된 플로우 차트에서는 유량 측정 장치가 설치된 장소, 유체의 온도 등에 따라 자동으로 보정하는 자동 보정 시퀀스를 순차적으로 보여주고 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 압력 측정 오차를 방지하기 위한 자가 보정 단계는, 유체의 온도, 기압 변화 여부를 판단하는 단계(S151)와, 유체의 온도, 기압 변화가 있는 것으로 판단되면 저장된 온도와 비교(S152)하여 유체의 온도차가 설정치 이상인지 여부를 판단하는 단계(S153)와, 유체의 온도차가 설정치보다 큰 것으로 판단되면 이에 대한 옵셋 값을 산출하는 단계(S154)를 포함할 수 있다.

상기 S151 단계에서는 유체 온도 및 기압 변화 여부를 판단하게 되는데, 개폐밸브(22)가 닫힌 상태에서 유체 온도 및 기압 변화를 검출하여 이를 저장하고 이에 따른 압력값도 저장하게 된다.

상기 S152 단계에서는 상기 S151 단계로부터 유체 온도 및 기압 변화가 발생된 것으로 판단된 경우 저장된 온도와 기설정된 보상 온도와 비교하게 된다. 이는 동작 환경 온도에 따른 압력센서의 보정이 필요하기 때문이다.

상기 S153 단계에서는 저장된 온도가 기설정된 보상 온도보다 큰지 여부를 판단하게 되고, 만일 저장된 온도가 기설정된 보상 온도보다 크면 압력센서 옵셋값(개폐밸브의 개방전 압력 및 계산에 필요한 압력값들)을 산출하게 된다.(S154)

여기서, 만일 상기 S153 단계로부터 저장된 온도가 기설정된 보상 온도보다 크지 않은 것으로 판단되면, 다시 옵셋 압력 범위 측정값을 벗어나는지 여부를 판단하고(S155), 옵셋 압력 범위 측정값을 벗어나는 것으로 판단될 경우, 즉 기준값을 벗어나는 것으로 판단될 경우 현재값을 가지고 압력센서 옵셋값을 재산출하게 된다.(S156)

이와 같이, 본 발명의 자가 보정 단계에서는 유체의 온도 및 기압을 검출하여 유체의 온도 및 기압의 변화가 검출(S151)되면, 기저장된 온도와 비교(S152)하게 되고, 유체의 온도차가 설정치 보다 큰 지 여부를 판단(S153)하여, 유체의 온도차가 설정치보다 크면 이에 대한 옵셋 값을 산출(S154)하고, 유체의 온도차가 설정치보다 크지 않으면, 다시 옵셋 압력 범위 측정값을 벗어나는지 여부를 판단(S155)하여, 옵셋 압력 범위 측정값을 벗어나는 것으로 판단될 경우 이에 대한 옵셋 값을 산출(S156)할 수 있다.

도 10에 도시된 플로우 차트는 유체가 흐르게 되어 유체의 압력 값이 변동할 경우 동작하여 검출된 유체의 압력이 기존의 유체 사양 압력과 비교하여 변경된 것으로 확인되면 자동으로 유량 보상 수식을 산출하는 시퀀스를 보여주고 있다.

도 10에서 보는 바와 같이, 유량 보상 수식의 산출은, 먼저, 검출된 유체의 압력을 기존 유체의 압력 사양과 비교하여 다른 사양의 유체 압력 인지 여부를 판단하는 단계(S161)와, 검출된 유체의 압력이 다른 사양의 유체 압력으로 판단될 경우 온도, 기압 변화에 따른 유효 압력인지 여부를 판단하는 단계(S162)와, 상기 단계(S162)로부터 유효 압력으로 판단되면, 옵셋 값 보정 시퀀스를 수행(S163)하고, 유효 압력이 아니면 유량 단위당 압력 변동비 K 값을 산출하는 시퀀스를 수행(S164)하는 것을 통해 산출될 수 있다.

상기 S161 단계는 시스템이 설치된 환경이 설정된 압력값 범위를 벗어나는지 여부를 확인하기 위한 것으로, 유체의 압력을 검출하여 설정된 기존 유체의 압력 사양과 비교하여 다른 사양의 유체 압력 인지 여부를 판단하게 된다.

상기 S162 단계에서는 상기 S161 단계로부터 검출된 유체의 압력이 다른 사양의 유체 압력으로 판정된 경우 설치된 환경의 온도 및 기압을 체크하게 된다.

그리고, 상기 S162 단계로부터 시스템이 설치된 온도 및 기압 변화가 발생하여 압력센서 값에 대한 보정이 필요한 것으로 판단되면, 압력에 대한 옵셋값 보정 시퀀스를 수행하게 되고(S163), 압력센서 값에 대한 보정이 필요없으면 보상식의 보정을 위한 유량단위당 압력변동비 K값 산출 시퀀스를 수행하게 된다(S164)

이와 같이, 검출된 유체의 압력을 기존 유체의 압력 사양과 비교하여 다른 사양의 유체 압력인지 여부를 판단(S161)하고, 기존과 다른 유체 사양의 압력으로 판단되면 온도, 기압 변화에 따른 유효 압력 인지 여부를 판단(S162)하여, 유효 압력이면 이에 상응하는 옵셋 값 보정 시퀀스를 수행(S163)하게 되고, 만일 유효 압력이 아니면 유량의 단위당 압력 변동비 K 값을 산출하는 시퀀스(도 3)를 수행(S164)할 수 있다.

이 경우 일반적인 유체라면 검출된 압력과 기존 압력 간에 큰 변동이 없지만, 혼합 유체는 그 혼합 비율에 따라 압력 변동이 자주 발생하기 때문에 상기 S161 단계에서는 압력 변화를 감지하여 자동으로 유량 사양을 체크하고 이에 대한 유량 보상 수식을 산출할 수 있게 되는 것이다.

상술한 본 발명의 유량 측정 장치 및 방법에 의하면, 압력센서를 통해 비접촉 방식으로 유량을 검출할 수 있기 때문에 유체가 흐르는 관에서 압력에 영향을 주지 않고 간접적으로 측정된 압력 값을 이용하여 유량을 쉽게 검출할 수 있다.

특히, 압력센서를 이용한 비접촉 방식으로 유량을 검출하기 때문에 이물질이 많이 함유된 유량을 측정하는 경우에도 검출부 주변에 오염물 등이 누적되어 검출부가 오염되거나 이로 인해 위생상의 문제를 발생시키는 상황을 만들지 않게 되고, 검출부 주변에 오염물의 누적되어 측정 오차를 발생시키는 상황도 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 유량 측정 장치의 경우 구조가 매우 간단하기 때문에 기구 적인 고장의 위험이 적고, 장시간 사용시에도 측정되는 유량 값의 오차가 발생하지 않는다는 장점이 있으며, 유량 측정 장치의 설치 위치에 따른 대기압, 온도 등에 영향을 받아 압력 측정에 오차가 발생하지 않도록 자가적으로 옵셋 값을 자동 보정하는 기능이 갖추어져 있기 때문에 측정된 값에 대한 신뢰성을 높일 수 있다는 장점도 가지고 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다

10 : 관로 20 : 개폐 시스템
110 : 압력 검출부 112 : 압력센서
120 : 유량 입력부 130 : MCU
140 : K값 산출부 150 : 유량 보상부
160 : 압력 보정부 170 : 유량 검출부
180 : 통신부

Claims (11)

1. 유체가 유입되는 입구와 배출되는 출구 사이에 설치되어 유체의 흐름을 개폐하는 개폐밸브가 구비된 개폐 시스템;
   상기 개폐 시스템의 작동시 변화되는 유체의 압력을 간접적으로 검출하는 압력센서가 구비된 압력 검출부;
   상기 압력 검출부를 통해 검출된 유체의 압력이 입력되는 MCU;
   상기 출구를 통해 토출되는 유량을 상기 MCU로 입력하는 유량 입력부;
   상기 압력센서를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 상기 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출한 후, 상기 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출부;
   를 포함하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 유량 검출부는,
   상기 압력센서를 통해 측정된 압력 값을 이용하여 상기 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출부; 및
   상기 K값 산출부에서 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 보상하는 유량 보상부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 유체가 현재 흐르고 있는지 여부를 판단하여 유체가 흐르지 않을 경우 기설정된 자동 보정 시퀀스를 통해 압력을 보정하는 압력 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 유량 보상부를 통해 연산된 결과 값을 외부로 송,수신하는 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량 측정 장치.
   
5. 개폐 시스템의 작동시 변화되는 유체의 압력을 압력센서를 통해 간접적으로 검출하는 압력 검출 단계;
   상기 압력센서를 통해 검출된 압력 값을 이용하여 출구로 토출되는 유량 단위당 압력변동비인 K 값을 산출하는 K값 산출 단계;
   상기 산출된 K 값을 토대로 압력에 따른 유량의 변화를 비율적으로 연산하여 유량을 검출하는 유량 검출 단계;
   를 포함하는 압력센서를 이용한 유량 측정 방법.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 K값 산출 단계는,
   압력센서로부터 검출된 압력 데이터를 통해 유체의 압력 변화 여부를 검출하는 단계와;
   유체의 압력 변화가 검출되면, 검출된 압력 데이터 값과 압력 최대값의 차이를 역으로 환산하는 단계와;
   상기 환산된 값으로부터 옵셋 값을 차감하는 단계와;
   압력 변화량을 적분하여 단위당 압력 변화량을 산출하는 단계와;
   상기 산출된 단위당 압력 변화량을 합산하여 K 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법
   
7. 제5항에 있어서, 상기 유량 검출 단계는,
   상기 K값 산출 단계로부터 산출된 K 값을 압력에 따른 비율로 산출하여 유량 보상 수식을 산출하고, 산출된 유량 보상 수식을 통해 유량 값을 보상하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법
   
8. 제5항에 있어서, 상기 유량 검출 단계는, 설치 장소, 날씨, 온도 등에 의한 압력측정 오차를 자동으로 보정하는 자가 보정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 자가 보정 단계는,
   유체의 온도, 기압 변화 여부를 판단하는 단계와;
   상기 유체의 온도, 기압 변화가 있는 것으로 판단되면, 저장된 온도와 비교하여 유체의 온도차가 설정치 이상인지 여부를 판단하는 단계와;
   상기 유체의 온도차가 설정치보다 큰 것으로 판단되면 이에 대한 옵셋 값을 산출하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 유체의 온도차가 설정치 미만으로 판단되면, 다시 옵셋 압력 범위 측정 값을 벗어나는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 옵셋 압력 범위 측정 값을 벗어나는 것으로 판단될 경우 이에 대한 옵세 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법
    
11. 제7항에 있어서, 상기 유량 보상 수식의 산출은,
    검출된 유체의 압력을 기존 유체의 사양과 비교하여 다른 사양의 유체 압력 인지 여부를 판단하는 단계와;
    검출된 유체의 압력이 다른 사양의 유체 압력으로 판단될 경우 온도, 기압 변화에 따른 유효 압력인지 여부를 판단하는 단계와;
    상기 단계로부터 유효 압력으로 판단되면, 옵셋 값 보정 시퀀스를 수행하고, 유효 압력이 아니면, 유량 단위당 압력변동비 K 값을 산출하는 시퀀스를 수행하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량측정방법
    

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