KR20220084278A - 유량 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하(10)의 유량을 측정하는 측정 시스템에 관한 것으로, 매체 연결부(18)와 퍼지가스 연결부(20) 및/또는 불활성가스나 압축공기 연결부(22)를 갖춘 공급 유닛(12); 매체나 퍼지가스의 선택적 도입을 위해 공급 유닛(12)에 연결되고 유량을 측정할 수 있으며, 적어도 하나의 유량계(50)와 적어도 하나의 제어밸브(46,60,70)를 구비한 측정 유닛(14); 측정 유닛(14)을 부하(10)에 연결하고, 적어도 하나의 출구압력센서(86)와 적어도 하나의 제어밸브(80,116,124)를 구비한 출구압력 제어 유닛(16);매체 연결부(18), 공급 유닛(12), 측정 유닛(14) 및 출구압력 제어 유닛(16)에 연결되는 메인라인(26)을 포함한다.

Description

유량 측정시스템

본 발명은 매체 연결부와 퍼지가스 연결부 및/또는 불활성가스나 압축공기 연결부를 갖춘 공급 유닛; 매체나 퍼지가스의 선택적 도입을 위해 공급 유닛에 연결되고 유량을 측정할 수 있으며, 적어도 하나의 유량계와 적어도 하나의 제어밸브를 구비한 측정 유닛; 측정 유닛을 부하에 연결하고, 적어도 하나의 출구압력센서와 적어도 하나의 제어밸브를 구비한 출구압력 제어 유닛; 및 매체 연결부, 공급 유닛, 측정 유닛 및 출구압력 제어 유닛에 연결되는 메인라인을 포함하고 부하의 유량을 측정하는 측정시스템에 관한 것이다.

이런 측정시스템 및 관련 측정 방법은 유량(체적유량이나 질량유량)에 대한 정보가 필요한 플랜트에서 널리 사용된다. 측정 유닛은 해당 라인에서 액체와 기체의 유량을 측정하는데 사용할 수 있다. 유량 측정의 예로 디젤이나 가솔린뿐만 아니라 수소와 같은 자동차 연료의 소비량 측정이 있다.

알려진 소비량 측정시스템에서, 코리올리 측정기는 단상 유량측정에 높은 정확도를 갖고 가스 매체의 속도와 유량 측정에도 적합해 사용된다. 이런 측정기는 특정 유량 범위에서만 측정결과가 정확해, 다양한 크기의 코리올리 측정기 여러 개 결합한 측정기가 알려졌다.

또, 코리올리 측정기는 측정 유닛의 압력조절기와 결합되어 있으며 2대의 다른 크기의 코리올리 측정기들 중의 적어도 하나를 밸브가 배치된 바이패스라인을 통해 우회하여 측정기들 사이를 앞뒤로 전환할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이런 측정 유닛이 WO2016/206983 A1에 공지되어 있다. 매체는 입구연결부를 통해 측정 유닛과 메인라인에 들어간 다음 컨디셔닝 유닛에서 템퍼링되고 제1 압력조절기에서 원하는 압력으로 팽창된다. 이어서, 유량을 측정하는데 사용되는 코리올리 ㅊ츠측ol정기들을 통과하는데, 이런 계량기들 하류에 제2 압력조절기가 있어서, 출구압력을 설정한다. 이것은 소비량 측정기 출구에 출구압력센서를 배치해 이루어지는데, 이 센서는 출구압력을 감지하여 코리올리 측정기 하류의 출구압력조절기를 제어하는 제어유닛에 보낸다. 조절된 매체는 출구를 통해 부하에게 공급된다. 측정시스템에 불활성가스 연결부도 있는데, 이를 통해 불활성가스가 세정용으로 측정시스템에 유입된다.

그러나 이런 시스템의 단점은 부하가 기후실과 같은 실험대에서 극한의 압력과 온도 조건에 노출되었을 때 측정 오류가 생기는데 있다.

따라서 본 발명의 목적은 부하가 극한의 기후 조건에 노출되어도 정확한 측정값을 얻을 수 있으면서도 지출을 가능한 적게 유지하는 유량 측정시스템을 제공하는데 있다. 또, 시스템의 사용과 유지관리도 가능한 간단해야 하고 융통성도 충분해야 한다.

본 발명의 이런 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 유량 측정시스템에 의해 달성된다.

본 발명의 측정시스템은 3개의 유닛, 즉 공급과 제어를 위한 요소들과 매체 연결부와 불활성가스 연결부를 갖는 공급 유닛, 매체 연결부에 연결된 메인라인에서 유량을 측정할 수 있는 코리올리 측정기와 같은 적어도 하나의 유량계를 구비한 측정 유닛, 및 측정시스템의 출구압력을 측정하는 하나 이상의 출구압력센서가 있는 출구압력 제어 유닛으로 구성된다. 이런 유닛들이 별도의 모듈로 형성될 수 있다. 측정 유닛에는 측정 유닛의 메인라인을 개폐하는 밸브 및/또는 메인라인의 압력을 조절하기 위한 압력조절기가 있다. 이런 밸브는 특히 공압으로 작동될 수 있다. 측정 유닛은 측정 매체나 불활성가스를 선택적으로 도입하도록 공급 유닛에 연결된다. 출구압력센서 외에도, 출구압력 제어 유닛에 매체 흐름을 제어하기 위한 제어밸브가 있고, 이 밸브는 측정 유닛에 연결된다. 또, 출구압력 제어 유닛이 부하에게 연결되어, 측정 유닛도 출구압력 제어 유닛을 통해 부하에게 연결될 수 있다. 이런 연결이 메인라인을 통해 이루어지는데, 메인라인은 측정 매체 소스에 연결된 매체 입구에서 공급 유닛까지 그리고 측정 유닛과 출구압력 제어 유닛을 통해 출구까지 이어진다.

본 발명에 따르면, 공급 유닛과 측정 유닛이 한 하우징에 배치되고 출구압력 제어 유닛은 측정 유닛의 하우징이 아닌 별도의 하우징에 배치된다. 이 경우 측정 유닛과 출구압력 제어 유닛의 제어밸브와 압력조절기가 공급 유닛에 연결되어, 배관들을 통해 밸브와 압력조절기를 제어할 수 있다. 따라서 이런 배관들은 공압이나 유압 배관이나 전선이 될 수 있다. 이런 설계로 측정 유닛의 열이나 냉기에 민감한 요소들을 해당 조건에 노출시키지 않고도 출구압력 제어 유닛과 출구압력센서를 부하에게 직접 배치할 수 있다. 최대 10m 정도의 거리가 가능한다. 따라서 매우 정확한 측정 결과를 얻음과 동시에 장비의 복잡성을 증가시키지 않고도 측정 유닛의 긴 서비스 수명이 보장된다. 대신에, 매우 작은 출구압력 제어 유닛을 기존의 작은 기후 챔버에 쉽게 수용할 수 있다. 따라서 이런 설계에서는 융통성이 아주 높고 여러가지 매체를 측정할 수 있다.

출구압력 제어 유닛은 측정 유닛에서 거리를 두고 배치되고 메인라인을 통해서만 측정 유닛에 직접 연결된다. 따라서 열이나 추위에 노출될 수 있고 동일한 기후 조건에서 부하에서 직접 압력을 기록할 수 있는, 열에 민감한 요소가 있는 측정 유닛과 출구압력 제어 유닛 사이에 거리가 있다. 측정 유닛의 출구압력조절기를 제어하기 위해 출구압력센서의 피드백 신호가 제어 유닛에서 제공된다.

출구압력 조절기 유닛이 공급 유닛에서 거리를 두고 메인라인, 공압 제어라인 및 적어도 하나의 전선을 통해서만 공급 유닛에 연결되며, 전선이 출구압력센서를 제어 유닛에 연결한다. 출구압력 제어 유닛의 전체 전기 제어 및 공압 공급은 멀리 떨어진 공급 유닛을 통해 이루어진다.

따라서, 출구압력 제어 유닛이 공조실에 부하와 함께 배치되고, 측정 유닛과 공급 유닛은 공조실 외부에 배치될 수 있다. 이런 식으로, 측정 오류 없이 실험실에서 다양한 기후 조건을 쉽게 시뮬레이션할 수 있다.

공급 유닛은 여러 솔레노이드 밸브를 갖춘 밸브레일을 구비하고, 밸브 각각은 공기압 제어라인을 통해 공급 유닛, 측정 유닛 및 출구압력 제어 유닛의 제어밸브들에 연결되며, 제어유닛에 전기연결된다. 공급 유닛의 솔레노이드 밸브들을 작동시켜, 측정 유닛의 밸브와 압력조절기, 출구압력 제어 유닛 및 공급 유닛을 순수히 공압으로 작동시킬 수 있다. 이런 공압 작동은 온도에 둔감하므로, 민감한 전기장치들을 갖춘 공급 유닛은 큰 열에 노출되지 않아야 한다.

또, 공급 유닛의 불활성가스나 압축공기 연결부가 불활성가스나 공기 압력조절기 및 입구압력센서가 배치된 불활성가스나 압축공기 라인을 통해 밸브 레일에 연결된다. 따라서, 밸브를 전환하거나 제어하기 위한 올바른 압력이 압력센서의 피드백을 기반으로 하는 불활성가스 압력조절기를 통해 설정될 수 있으며, 솔레노이드 밸브를 통한 스위칭에 충분한 압력이 보장될 수 있다.

공급 유닛은 메인라인에 제1 스위칭밸브를 갖춘 댐핑요소와 바이패스 라인을 갖고, 바이패스 라인은 제1 스위칭밸브를 우회하며 이곳에 제2 스위칭밸브와 스로틀이 배치된다. 댐핑 요소는 측정시스템이 켜져 있을 때 특히 압력조절기의 갑작스러운 압력 상승을 방지한다. 이를 위해 측정시스템이 켜지면 밸브를 통해 메인라인을 닫아 매체가 먼저 스로틀을 통해 라우팅된다. 따라서 스로틀로 인해, 밸브가 전환되고 메인라인이 다시 흐를 때까지 점진적인 압력 증가가 발생한다.

공급 유닛이 메인라인에 배치된 입구압력센서를 갖고, 메인라인의 측정 유닛의 유량계 상류에 배치된 제1 출구압력조절기가 압력센서의 함수로 조절된다. 이런 배치는 압력조절기 하류와 유량계에서 발생하는 맥동을 방지할 수 있다. 예를 들어 소비량이 갑자기 증가하거나 감소하면 압력센서의 압력이 최대 1bar까지 떨어지거나 올라갈 수 있다. 펌프의 히스테리시스로 인해, 약 0.3bar 정도의 추가적인 압력차가 발생하여 입구압력센서에서 총 약 1.3bar의 압력 강하가 발생하여 측정값의 오차가 발생한다. 따라서 유량계의 상류 출구압력조절기는 측정시스템의 공급 압력보다 1.3bar 이상, 예를 들어 2bar 낮은 압력으로 설정되어 맥동이 시스템에서 더 이상 전파되는 것을 방지한다. 따라서 이런 배치는 공급 압력이 측정시스템의 출구압력 아래로 떨어지지 않는 한 일정한 압력 조건을 코리올리의 상류에서 설정할 수 있기 때문에 신뢰할 수 있는 판독값을 얻기 위해 공급 압력을 일정하게 유지할 필요가 없다.

또, 공급 유닛은 퍼지가스 연결부에서 메인라인으로 이어지는 퍼지가스 공급 라인을 갖고, 이 라인에 제1 퍼지가스 밸브, 제1 체크밸브 및 퍼지가스 압력센서가 배치된다. 따라서, 퍼지가스 압력이 충분한지 확인하는 퍼지가스 압력센서를 사용해 측정시스템을 간단히 세정할 수 있다. 퍼지가스 밸브는 퍼지가스 라인을 개폐하는데 사용되며 체크밸브는 다른 매체가 메인라인에서 퍼지가스 라인으로 흐를 수 없도록 한다.

추가 경로에서, 공급 유닛은 계량 유닛 상류의 메인라인에서 분기되고 제1 퍼지가스 출구로 이어진 공급 유닛의 퍼지가스 배출 라인을 가지며, 제2 퍼지가스 밸브와 제2 체크밸브가 공급 유닛의 퍼지가스 배출 라인에 배치된다. 따라서, 계량 유닛의 상류 영역을 별도로 세정할 수 있다. 출구를 통한 가스 유입은 체크밸브에 의해 방지된다. 이 경우, 공급 유닛의 체크밸브나 퍼지가스 배출 라인의 치수는 기존 스로틀 효과로 유동제한이 될 정도로 작을 수 있다.

또, 공급 유닛에는 추가 유닛을 메인라인에 연결할 수 있는 연결 포트가 있다. 이 추가 유닛으로 예열기가 있을 수 있고, 예열기를 통해 측정 유닛의 제1 출구압력조절기를 통한 후속 팽창 동안 사양을 벗어난 매체 냉각을 방지할 수 있다. 그러나, 연결 포트가 질량 유량 교정기에 연결되거나, 이 포트를 통해 샘플을 채취할 수도 있다. 추가 압력조절기를 연결하여 측정시스템의 허용 압력 범위를 확장할 수도 있다. 그러나 압력조절기가 항상 연결되는 것은 아니므로 정상 압력 범위의 바람직하지 않은 압력손실을 방지한다.

측정 유닛의 메인라인에 제2 출구압력조절기, 제1 코리올리 측정기 및 제2 코리올리 측정기가 있고, 제2 코리올리 측정기가 메인라인에서 제1 코리올리 측정기 하류에 배치되고 밸브가 있는 바이패스 라인이 이 측정기를 우회할 수도 있다. 따라서 출구압력조절기의 하류 압력은 임의의 값, 특히 일정한 값으로 설정할 수 있다. 이에 따라 부하로 이어지는 다음 라인은 질량소모 측정 오차 없이 거의 임의의 길이를 가질 수 있어 출구압력 조절 유닛을 측정 유닛에서 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 측정 유닛과 제2 출구압력조절기 사이의 라인만 압력이 일정치 않아, 압축성 매체에 대한 이 라인 섹션의 질량이 일정하지 않게 됩니다. 그러나 매우 정확한 측정 결과를 얻을 수 있도록 길이를 쉽게 최소화할 수 있다. 또, 탱크가 비었을 때 차량에서 발생하여 압력값이 떨어지는 것과 같이 압력 비율을 변경하여 조건을 시뮬레이션할 수 있다. 물론 이를 위해 공급 유닛과 측정 유닛 사이의 메인라인 압력은 출구압력 제어 유닛의 출구와 부하에 대한 압력보다 크게 선택해야 한다. 또한 압력조절기를 사용하여 질량 흐름을 제한할 수 있으므로 연료전지에서 허용 질량 흐름 한계를 초과하는 경우 압력을 낮춰 다시 허용 질량 흐름을 생성할 수 있다. 따라서, 제2 출구압력 조절기가 제어 유닛을 통해 출구압력 제어 유닛의 출구압력센서와 통신하여 출구압력을 매우 정밀하게 설정 및 제어할 수 있다.

출구압력 조절기는 측정 유닛의 바로 하류에 위치하고 일정한 설정점으로 또는 설정점 특성 곡선을 따라 제어 가능하므로, 측정 유닛과 출구압력 조절기 사이의 선 길이를 최소화하여, 라인상의 비일정 질량으로 인한 측정 오차를 최소화할 수 있다. 다양한 특성 곡선을 사용하여 부하의 다양한 상태를 시뮬레이션할 수 있다.

바이패스 라인의 밸브가 압력에 따라 열리고 제2 바이패스 코리올리 측정기가 최대유량이 제1 코리올리 측정기보다 낮으면 유리하다. 바이패스 라인의 압력 의존형 개방 밸브를 사용해, 각각의 경우에 해당 측정 범위에서 더 높은 정확도로 측정하는 코리올리 측정기의 측정값을 사용할 수 있다. 압력 의존형 개방 밸브는 임계 압력에 도달할 때 개방 단면적을 해제하기 시작하는 밸브로, 압력이 상승함에 따라 개방 단면적이 증가한다. 이런 식으로 스위칭밸브와 비교하여 측정된 유량의 불연속성을 초래하는 압력 서지를 피할 수 있다.

측정 유닛의 압력센서는 제1 출구압력조절기와 제1 코리올리 측정기 사이에 배치되어, 코리올리 측정기의 입구압력은 제1 출구압력조절기에 의해 결정되고 조정되는 것이 좋다.

또, 측정 유닛의 제1 퍼지가스 라인이 제1 출구압력조절기에서 분기되고 측정 유닛의 제2 퍼지가스 라인이 측정 유닛의 제2 출구압력조절기에서 분기되며, 제3 체크밸브를 통해 퍼지가스 출구로 이어지는 것이 좋다. 따라서 측정 유닛은 이런 라인들을 통해 입구영역 전체나 일부를 세정할 수 있다. 반대 방향으로의 원치 않는 가스 유입은 체크밸브에 의해 방지된다. 공급 유닛의 퍼지가스 출구를 출구로 사용할 수 있다. 물론, 체크밸브나 적당히 작은 치수의 라인을 통해 조절을 할 수도 있다.

제2 코리올리 측정기 하류이자 제2 출구압력조절기의 상류에서, 교정 장치를 메인라인에 연결하는 추가 연결 포트가 형성된다. 이 위치에서 연결하면 메인라인에서 출구압력조절기로의 흐름이 더 이상 흐르지 않고 측정 유닛의 완전한 보정이 수행될 수 있다. 따라서 보정을 위해 연료전지 연결을 끊지 않을 수 있어, 시간을 절약하고 연료전지에 재연결할 때 누출이 발생할 위험이 없다.

전술한 퍼지가스 라인에 더하여, 출구압력 제어 유닛의 제1 퍼지가스 라인이 출구압력센서 상류의 출구압력 제어 유닛의 메인라인에서 분기되고 출구압력 제어 유닛의 제2 퍼지가스 출구는 출구압력 센서 레벨이나 그하류에서 분기되는 것이 좋다. 따라서 출구압력 제어 유닛은 이런 라인을 통해 퍼지하거나 밸브를 전환하여 부하도 퍼지할 수 있으며 출구압력조절기를 사용하여 부하 및 출구압력 제어를 퍼지할 때 압력을 설정할 수도 있다. 또, 유량계를 통해 퍼지가스의소비량을 결정할 수도 있다.

또, 온도센서가 출구압력 제어 유닛의 메인라인에 배치되고, 이를 통해 출구와 부하 입구에서의 온도가 결정될 수 있다. 이것은 한편으로는 해당 컨디셔닝 장치로 온도를 조정하는데 사용할 수 있지만 측정된 유량을 수정하는데에도 사용할 수 있다.

또, 출구압력 제어 유닛의 연결포트를 통해 라인 볼륨 시뮬레이션 유닛을 메인라인에 연결할 수도 있다. 따라서 탱크에서 부하까지의 특정 라인 부피를 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 여기에서 여전히 수소가 필요하기 때문에 연료전지를 정지하는 동안 특히 중요하다.

따라서 라인의 압력 변동으로 인한 오류와, 라인의 부피 변화로 인한 오류가 크게 방지되고 측정시스템과 부하 사이의 예측되지 않은 압력변화가 방지되어 넓은 유량범위에 걸친 유량을 아주 정확하게 측정할 수 있는 측정시스템이 생기는데, 이는 출구압력 제어 유닛이 동일한 기후 조건에서 부하의 바로 근처에 배치될 수 있기 때문이다. 이것은 기후 캐비닛 테스트에서 흔한 것처럼 부하와 공급 유닛 사이의 더 먼 거리에서도 작동한다. 이런 측정시스템은 출구압력 및 온도와 관련하여 고객 요구 사항에 쉽게 적응할 수 있으며 알려진 측정 유닛보다 정확도가 훨씬 더 높다.

도 1은 본 발명에 따른 측정시스템의 개략도.

도면에 도시된 본 발명의 측정시스템은 내연기관의 액체연료와, 연료전지의 수소와 같은 기체연료인 부하(10)내 매체의 소비량이나 유량을 측정하는데 사용되고, 3개의 모듈, 즉 공급 유닛(12), 측정 유닛(14) 및 출구압력 제어 유닛(16)을 포함한다.

공급 유닛(12)은 측정시스템에 공급하고 제어하는데 사용되며, 이를 위해 매체 연결부(18), 퍼지가스 연결부(20), 공압용 불활성가스/압축공기 연결부(22), 및 필요시 측정시스템의 전기공급과 제어를 위한 유압 공급/제어 유닛(24)이 공급유닛(12)에 연결된다.

매체 연결부(18)는 메인라인(26)에 이어지고, 메인라인은 공급 유닛(12)에서 측정 유닛(14)과 출구압력 제어 유닛(16)을 통해 매체 출구(28)로 이어지며, 이를 통해 측정시스템이 부하(10)에 연결되고 측정중에 흐르는 질량 유량이 결정된다.

매체 연결부(18)의 바로 하류의 메인라인(26)의 입구압력센서(30)는 매체 연결부(18)의 압력이 충분한지 확인할 수 있다. 그 다음 제1 공압 스위칭밸브(32)가 메인라인(26)의 흐름을 차단할 수 있다. 바이패스 라인(34)은 제1 공압 스위칭밸브(32)를 우회하고, 바이패스 라인에 제2 공압 스위칭밸브(36)와 스로틀(38)이 배치된다. 따라서, 측정시스템이 켜져있을 때 적용된 압력이 너무 높으면 제2 스위칭밸브(36)가 열리고, 그동안 제1 스위칭밸브(32)는 닫혀있어, 매체는 스로틀(38)을 통해 흐를 수밖에 없고, 이때문에 후속 메인라인(26)의 압력이 점진적으로 증가한다. 필요한 압력에 이르자마자, 두 스위칭밸브(32,36)가 바뀌어 스로틀(38)을 통한 압력 손실이 없어지고 매체 연결부(18)로부터의 전체 압력을 측정시스템에 이용할 수 있다. 이것은 측정시스템이 시동될 때 하류 유닛들의 손상을 방지할 수 있다.

메인라인(26)은 제1 연결포트(40)로 이어지고, 이 포트에 보조히터나 보정장치가 연결되어 메인라인(26)으로 전환될 수 있다. 작동 압력을 예를 들어 250bar에서 25bar로 조절할 수 있는 선택적 압력조절기를 연결할 수도 있다. 이런 연결은 압력조절기에서 생기는 압력강하를 정상 작동압력에서 없애는 장점이 있다.

스프링식 안전밸브(42)가 측정 유닛(14) 상류의 메인라인(26)에 배치되고, 측정 유닛(14)의 요소들을 보호하기 위해 30바 이상의 압력에서 안전밸브가 열린다.

공급 유닛(12)의 일정 공급압력으로부터 독립하기 위해, 메인라인(26)내 공급 유닛(12)과 측정 유닛(14) 사이에 제1 출구압력조절기(44)가 배치된다. 측정 유닛(14)을 통한 역류를 없애기 위해, 출구압력조절기(44)의 출구압력을 공급 유닛(12)의 통상적 공급압력보다 낮게 하여, 공급유닛(12)의 압력이 강하해도 출구압력조절기(44)와 측정 유닛(14)의 출구압력을 유지할 수 있다.

메인라인(26)을 차단하기 위해 제1 출구압력 조절기(44)의 하류에 스위칭밸브(46)가 배치되고, 출구압력 조절기(44)가 설정한 압력을 체크하는데 측정 유닛 압력센서(48)를 사용한다.

측정 유닛(14)의 압력센서(48) 하류에 유량계(50)의 제1 코리올리 측정기(52)는 측정시스템에서 예상되는 최대 유량보다 높은 유량으로 설계된 것으로, 정확한 측정에 특정 최소 유량이 필요해 생기는 제로 드리프트로 인해 낮은 유량에서는 판독이 정확하지 않다.

제1 코리올리 측정기(52) 하류의 메인라인(26)에 제2 코리올리 측정기(54)가 배치되는데, 이것의 최대 유량은 제1 코리올리 측정기(52)의 최대 유량보다 낮지만, 측정범위 때문에 더 낮은 유량에서 제1 코리올리 측정기보다 판독이 더 정확하다.

제2 코리올리 측정기(54)가 오리피스 효과로 인해 최대 유량 이상의 상한 범위에서 압력손실이 극히 높아, 시편에서 측정할 유량을 위조하거나, 최소 출구압력이 충분하지 않아 측정할 수 없게 하며, 제1 코리올리 측정기(52)와 제2 코리올리 측정기(54) 사이의 메인라인(26)에서 바이패스 라인(56)이 분기된다. 바이패스 라인(56)은 제2 코리올리 측정기(54) 하류에서 메인라인(26)에 연결된다.

체크밸브로 설계된 압력의존 스위칭밸브(58)와 다른 스위칭밸브(60)가 바이패스 라인(56)에 배치된다. 압력의존 스위칭밸브(58)는 밸브(58)에 작용하는 압력차의 함수로 바이패스 라인(56)의 유동단면을 개폐한다. 임계 압력차를 넘는 압력차가 있으면 유동 단면이 해제되고 매체는 바이패스 라인(56)의 분기(62)로부터 메인라인(26) 밖으로 흐르고, 바이패스 라인(56)의 입구(64)를 통해 메인라인(26)으로 되들어간다.

유량계(50)가 제어유닛(24)에 연결되고, 코리올리 측정기(52,54)의 측정값이 제어유닛에 전송 및 처리되어 사용가능한 측정 결과를 생성하여, 양쪽 코리올리 측정기들(52,54)의 측정값들이 사용되는 전이 범위와 유량의 크기에 따라 제1 코리올리 측정기(52)나 제2 코리올리 측정기(54)의 측정값들이 사용된다.

압력 증가에 따라 밸브(58)가 더 열려 유동단면이 점점더 해제된다는 사실 때문에 측정시스템의 출력값에 대한 압력의존 개방 밸브(58)의 스위칭에 의한 백래시는 배제되지만, 제2 코리올리 측정기(54)에서의 저항은 증가한다. 이런 방식으로 압력 점프가 확실하게 방지된다.

바이패스 라인(56) 입구(64) 하류의 메인라인(26)에, 압력을 체크하기 위한 압력게이지(66)가 배치된다. 메인라인(26)은 다른 연결포트(68)로 이어지고, 이 포트에 교정 유닛이 연결되며, 연속되는 라인에 개입하지 않고도 유량계(50)가 교정될 수 있다.

다른 스위칭밸브(70) 하류의 메인라인에 제2 출구압력조절기(72)가 배치되고, 측정시스템과 부하(10)의 출구압력이 일정하게 유지되거나 시간 특성곡선에 기초해 제어된다. 탱크를 비울 때와 같은 압력 특성곡선도 시뮬레이션할 수 있다.

공급 유닛(12)은 공통 하우징(74)내 측정유닛(14)과 함께 배치되고, 공통 하우징의 출구(76)는 다음 출구압력 제어 유닛(16)의 입구(78)에 연결된다. 초기에, 스위칭밸브(80)가 출구압력 제어 유닛(16)의 메인라인(26)에 배치되어, 메인라인(26)이 차단될 수 있다. 다음, 출구압력 제어 유닛(16)에 다른 연결 포트(82)가 있다. 특히, 라인 부피 시뮬레이션 유닛이 이곳에 연결될 수 있다. 이것은 탱크에서 부하(10)까지의 특정 라인 부피를 시뮬레이션하고, 연료전지 시스템 정지에 여전히 수소를 요하기 때문에 필요할 수 있다. 라인에 저장된 가스가 충분하도록 전체 시스템을 설계하는 것이 이상적이다. 설계시 이를 시뮬레이션하는데, 이 연결 포트(82)를 사용할 수 있다.

다음 경로에서, 온도센서(84)와 출구압력센서(86)가 매체 출구(28)와 부하(10) 상류 메인라인(26)에 배치되어 있어, 출구압력 제어 유닛(16)을 부하(10)에 적당히 가깝게 배치할 수 있으면 부하(10) 입구압력과 입구온도를 측정할 수 있다. 온도센서(84)와 출구압력센서(86)는 (도시되지 않은) 전선을 통해 제어 유닛(24)에 연결되고, 제어 유닛은 출구압력조절기(72)에 대응 명령을 주어, 출구압력센서(86)에서 원하는 출구압력을 측정하고 출구압력조절기(72)를 통해 출구압력을 측정값에 맞게 조정한다.

전선과 공압 제어라인(88)을 통해서만 출구압력 제어 유닛(16)을 공급 유닛(12)에 연결해 부하(10)에 충분히 가까이 배치하거나, 그렇지 않으면 공급 유닛(12)과 측정 유닛(14)에서 최대 10m 떨어지게 한다.

이를 위해 출구압력 제어 유닛(16)을 별도의 하우징(90)에 배치하며, 예컨대 공조실내에 부하(10)와 함께 배치하여, 유량계(50)나 출구압력조절기(44,72)와 같은 측정 유닛(14)의 민감 요소나, 제어 유닛(24)과 같은 공급 유닛(12)의 민감 요소에 손상 우려 없이 실제 압력값을 전달할 수 있다.

공급 유닛(12)을 통해, 예를 들어 질소로 측정시스템 전체나 일부를 세정해 다른 매체로 전환할 수도 있다. 이를 위해, 퍼지가스 연결부(20)가 퍼지가스 공급라인(92)에 연결되고, 이 공급라인에 퍼지가스 압력센서(94), 제1 퍼지가스밸브(96) 및 제1 체크밸브(98)가 배치되며, 제1 스위칭밸브(32)와 제1 연결포트(40) 사이의 메인라인(26)에 연결된다. 퍼지가스는 일반적으로 질소와 같은 불활성가스다.

퍼지가스 압력센서(94)는 퍼지가스 압력측정에 사용되며, 이는 더 이상 세정을 보장하지 못할 정도로 낮은 압력을 감지하는 역할만 한다. 퍼지가스 밸브(96)는 세정과정을 위해 열리고 그렇지 않으면 닫혀있는 반면, 체크밸브(98)는 측정 매체가 퍼지가스 공급 라인(92)으로 흐르는 것을 방지하는 역할만 한다.

연결 포트의 하류이자 안전밸브(42)의 상류에서, 공급 유닛(12)의 퍼지가스 배출 라인(100)이 메인라인(26)에서 분기되며, 제2 공압 퍼지가스 밸브(102)와 제2 체크밸브(104)가 메인라인에 배치되고, 이 메인라인은 소정의 유량값을 갖도록 가늘게 만들어진다. 퍼지가스 밸브(102)가 열리면, 측정 유닛(14)의 상류와 출구압력조절기(44) 상류의 공급유닛(12) 영역이 세정된다. 체크밸브(104)는 공급 유닛(12)의 제1 퍼지가스 배출 라인(100)이 있는 제1 퍼지가스 배출 포트(106)로부터 측정시스템으로 가스가 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.

측정 유닛(14) 하나만, 또는 측정 유닛(14)과 출구압력 조절 유닛(16) 둘다를 세정해야할 경우, 스위칭밸브(32,36)가 먼저 닫힌다. 측정 유닛(14)의 제1 퍼지가스 라인(108)은 제1 출구압력조절기(44)에서 분기되고 측정 유닛(14)의 제2 퍼지가스 라인(110)은 제3 체크밸브(112)의 상류에 연결된 제2 출구압력조절기(72)에서 분기된다. 측정 유닛의 공통 퍼지가스 라인은 제1 퍼지가스 출구(106)에 연결된다. 또, 유량감소를 위해 가늘어진 출구압력 제어 유닛(16)의 제1 퍼지가스 라인(114)이 출구압력 제어 유닛(16)에 제공되고, 메인라인(26)에서 분기되며, 스위칭밸브(116)와 전술한 이유로 체크밸브(118)가 이곳에 배치된다. 출구압력 제어 유닛(16)의 퍼지가스 라인(114)은 제2 퍼지가스 출구(120)까지 이어지고, 이 출구에 출구압력 제어 유닛(16)의 제2 퍼지가스 라인(122)도 연결되며 출구압력센서(86)의 레벨에서 메인라인(26)에서 분기되고, 제2 퍼지가스 라인(122)에 스위칭밸브(124)와 체크밸브(126)가 역시 배치된다. 스위칭밸브(102,46,70,116,124) 중 어느 것이 개방되는지에 따라, 측정시스템의 각각 다른 영역이 세정될 수 있다. 밸브(46,70,96,124)가 열리면, 출구압력 제어 유닛(16)을 포함한 전체 측정시스템이 세정된다. 공급 유닛(12)과 측정 유닛(14)만 세정해야 할 경우, 밸브(80,116)는 닫히고 밸브(46,70,96)는 열린다. 부하(10)도 세정해야 할 경우, 밸브(80)는 열리고 밸브(116,124)는 닫힌다. 부하(10)를 세정할 때, 부하로 정의될 수 있는 원격조정 출구압력조절기(72)에 의해 소정의 세정압력이 부하에 제공될 수 있다.

물론, 공급 유닛(12)이 세정되고 있을 뿐만 아니라, 유량계(50)로 퍼지가스 유량도 측정하여, 퍼지가스의 소비를 결정할 수도 있다. 특히 효율적인 세정은 맥동 작업에서 생긴다. 이 경우, 가압가스를 퍼지가스 라인(100,108,110,114,122)에 보내기 위해 스위칭밸브(102,46,70,116,124)만 열면 된다. 밸브가 닫히면, 퍼지가스가 메인 가스와 혼합되어, 퍼지가스와의 혼합으로 측정 대상 매체가 수집된 데드 스페이스를 없앨 수 있다.

측정시스템에 불활성가스를 공급하는 외에도, 공급 유닛(12)은 공압 밸브(32,36,46,60,70,80,96,102,116,124)와 출구압력조절기(44,72)를 작동시켜, 압축공기의 공급도 할 수 있지만, 불활성가스를 예로 든다. 이를 위해, 불활성가스 라인(128)은 가압된 불활성가스가 있는 불활성가스 연결부(22)로부터 입구압력센서(130) 및 불활성가스 압력조절기(132)를 거쳐 밸브 레일(134)로 연결되며, 밸브 레일에 다수의 솔레노이드 밸브(136)가 배치된다. 입구압력센서(130)는 압력이 충분한지 여부를 결정하는데 사용되고, 이 압력은 불활성가스 압력조절기(132)에 의해 공압 밸브(32,36,46,60,70,80,96)를 작동시키는데 필요한 압력으로 조절될 수 있다. 각각의 솔레노이드 밸브(136)는 밸브(32,36,46,60,70,80,96,102,116,124) 중 하나와 대응하여 연관되고 대응 공압 제어라인(88)을 통해 관련 밸브(32,36,46,60,70,80,96,102,116,124)에 연결된다. 솔레노이드 밸브(136)가 전환되면, 불활성가스 압력조절기(132)나 압축공기 조절기에 의해 상응하게 제어된 압력이 스위칭밸브(32,36,46,60,70,80,96,102,116,124)의 압력 챔버에 공급되고, 이에 의해 상응하는 밸브가 개방상태로 설정되는 반면, 솔레노이드 밸브가 전환되지않으면 밸브는 닫힌 상태로 유지된다. 솔레노이드 밸브(136)는 제어 유닛(24)에 연결되고 동일한 하우징(74)에 위치하므로, 솔레노이드 밸브(136)를 스위칭하는데 짧은 전선만 필요한다.

공압 제어 출구압력조절기(44,72)의 스위칭은 코일에 작용하는 전류의 함수로서 유동단면을 조절할 수 있는 전기공압 변환기(138,140)에 의해 수행된다. 따라서, 전류에 따른 불활성가스 압력이 각각의 출구압력조절기(44,72)에 공급되어, 매체 압력조절이 가능해진다.

이런 식으로 구성된 측정시스템은 부하가 측정 유닛이나 공급 유닛의 전자 장치에 손상을 줄 수 있는 높거나 낮은 온도와 같은 특수한 조건에서 테스트해야 하는 경우에도 지속적으로 사용할 수 있는 광범위한 압력 범위 및 유량 범위에 걸쳐 매우 정확한 측정값을 제공한다. 이 측정시스템은 가스와 액체 측정에 적합하며 매우 낮은 유량에서도 높은 측정 정확도를 달성한다. 모듈식 설계를 통해 두 장치를 서로 다르게 배치할 수 있고 다양한 추가 장치를 연결할 수 있으므로 고객 요구 사항에 매우 정확하게 적응할 수 있다.

물론, 실시예에 기재되지 않은 추가 구성도 생각할 수 있다. 예를 들어, 온도 조절 장치를 계속 설치하거나 밸브를 전기나 유압 밸브로 설계하거나 다른 유량계를 사용할 수도 있다. 청구항의 보호범위 내에서 당업자를 위한 추가 수정도 가능하다.

Claims (20)

1. 매체 연결부(18)와 퍼지가스 연결부(20) 및/또는 불활성가스나 압축공기 연결부(22)를 갖춘 공급 유닛(12);
   매체나 퍼지가스의 선택적 도입을 위해 공급 유닛(12)에 연결되고 유량을 측정할 수 있으며, 적어도 하나의 유량계(50)와 적어도 하나의 제어밸브(46,60,70)를 구비한 측정 유닛(14);
   측정 유닛(14)을 부하(10)에 연결하고, 적어도 하나의 출구압력센서(86)와 적어도 하나의 제어밸브(80,116,124)를 구비한 출구압력 제어 유닛(16);
   매체 연결부(18), 공급 유닛(12), 측정 유닛(14) 및 출구압력 제어 유닛(16)에 연결되는 메인라인(26)을 포함하고 부하(10)의 유량을 측정하는 측정시스템에 있어서:
   상기 공급 유닛(12)과 측정 유닛(14)이 하우징(74)에 배치되고, 상기 출구압력 제어 유닛(16)은 별도의 하우징(90)에 배치되며, 측정 유닛(14)과 출구압력 제어유닛(16)의 제어밸브(46,60,70,80,116,124)이 라인(88)을 통해 공급 유닛(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 출구압력 제어 유닛(16)이 측정 유닛(14)에 거리를 두고 배치되고 메인라인(26)을 통해서만 측정 유닛(14)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출구압력 제어 유닛(16)이 공급 유닛(12)에서 거리를 두고 배치되고 메인라인(26), 공압 제어라인(88) 및 적어도 하나의 전선을 통해서만 공급 유닛(12)에 연결되며, 상기 전선이 출구압력센서(86)를 공급 유닛(12)의 제어 유닛(24)에 연결하는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 출구압력제어유닛(16)이 공조실내에 부하(10)와 함께 배치되고, 측정유닛(14)과 공급유닛(12)은 공조실 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 공급 유닛(12)이 다수의 솔레노이드 밸브(136)를 갖춘 밸브 레일(134)을 갖고, 솔레노이드 밸브 각각은 공압 제어라인(88)을 통해 공급 유닛(12), 측정 유닛(14) 및 출구압력 제어유닛(16)의 공압 밸브(32,36,46,60,70)에 연결되며 제어 유닛(24)에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 공급 유닛(12)의 불활성가스나 압축공기 연결부(22)가 불활성가스나 압축공기 라인(128)을 통해 밸브 레일(134)에 연결되고, 상기 라인(128)에 불활성가스나 공기 압력조절기(132)와 입구압력센서(130)가 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 공급 유닛(12)이 메인라인(26)의 제1 스위칭밸브(32)를 갖춘 댐핑요소와 바이패스 라인(34)을 구비하고, 이 바이패스 라인(34)이 제1 스위칭밸브(32)를 우회하며, 이 바이패스 라인에 제2 스위칭밸브(36)와 스로틀(38)이 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 공급 유닛(12)은 메인라인(26)에 배치된 입구압력센서(30)를 포함하고, 메인라인(26)내 측정 유닛(14)의 유량계(50) 상류에 배치된 제1 출구압력조절기(44)가 입구압력센서의 함수로 조절되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 공급 유닛(12)이 퍼지가스 연결부(20)에서 메인라인(26)으로 이어지는 퍼지가스 공급 라인(92)을 갖고, 제1 퍼지가스 밸브(96), 제1 체크밸브(98) 및 퍼지가스 압력센서(94)가 퍼지가스 공급라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 공급 유닛(12)의 퍼지가스 배출라인(100)이 측정 유닛(14) 상류의 메인라인(26)에서 분기되어 제1 퍼지가스 출구(106)로 이어지고, 제2 퍼지가스 밸브(102)와 제2 체크밸브(104)가 공급 유닛(12)의 퍼지가스 배출 라인(100)에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 공급 유닛(12)에 연결포트(40)가 있고, 이 연결포트를 통해 추가 유닛이 측정 유닛(14) 상류의 메인라인(26)에 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 측정 유닛(14)의 메인라인(26)에 제2 출구압력조절기(72), 제1 코리올리 측정기(52) 및 제2 코리올리 측정기(54)가 배치되고, 제2 코리올리 측정기는 제1 코리올리 측정기 하류에 배치되어 바이패스 라인(56)에 의해 우회되며, 이 바이패스 라인에 밸브(58)가 있는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2 출구압력조절기(72)가 2개의 코리올리 측정기(52,54) 하류에 배치되고 일정한 설정값으로 또는 설정값 특성 곡선을 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 바이패스 라인(56)의 밸브(58)는 압력에 의존해 열리고 제2 코리올리 측정기(54)는 최대유량이 제1 코리올리 측정기(52)보다 낮게 설계되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 측정 유닛(14)의 압력센서(48)가 제1 출구압력조절기(44)와 제1 코리올리 측정기(52) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 측정 유닛(14)의 제 1 퍼지가스 라인(108)이 제1 출구압력조절기(44)에서 분기되고, 측정 유닛(14)의 제 2 퍼지가스 라인(110)이 제 2 출구압력조절기(72)에서 분기되어 제3 체크밸브(112)를 통해 퍼지가스 출구(106)로 이어지는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 제2 코리올리 측정기(54)의 하류이자 제2 출구압력조절기(72)의 상류에 연결포트(68)가 형성되고, 이 연결포트를 통해 교정 유닛이 메인라인(26)에 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 하나에 있어서, 출구압력 제어 유닛(16)의 제1 퍼지가스 라인(114)이 출구압력센서(86) 상류의 출구압력 제어 유닛(16)의 메인라인(26)에서 분기되고, 출구압력 제어유닛(16)의 제2 퍼지가스 라인(122)이 출구압력센서(86)의 하류나 그 레벨에서 분기되며, 제1, 제2 퍼지가스 라인 각각에 스위칭밸브(116,124)가 배치되고 제1, 제2 퍼지가스 라인이 체크밸브(118,126)를 통해 제2 퍼지가스 출구(120)로 이어지는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
19. 제1항 내지 제18항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 출구압력 제어 유닛(16)의 메인라인(26)에 온도센서(84)가 배치되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.
20. 제1항 내지 제19항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 출구압력 제어 유닛(16)에 연결포트(16)가 있고, 이 연결포트를 통해 라인볼륨 시뮬레이션 유닛이 메인라인(26)에 연결되는 것을 특징으로 하는 측정시스템.

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