KR940003273B1 - 마이크로 유량감지기가 장착된 플루이딕 유량계 - Google Patents

마이크로 유량감지기가 장착된 플루이딕 유량계 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

마이크로 유량감지기가 장착된 플루이딕 유량계
제1도는 마이크로 유량감지기가 장착된 플루이딕 유량계를 보여주는 설명도이고,
제2도는 이상 판정방법의 설명챠트이고,
제3도는 유량감지기의 제로점 보정 알고리즘의 설명챠트이고,
제4도 내지 제7도는 제로점 보정법을 설명하는 그래프이고,
제8도는 공지의 이득 보정법의 설명도이고,
제9도는 본 발명에 관한 이득 보정법의 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 순유체소자 2 : 노즐
3,3a : 부착벽 4,4a : 피이드백 유로
5,5a : 유체진동검출포오트 6 : 유량감지기
7 : 유량신호 변환회로 8 : 유량연산표시회로
9 : 이상판정회로
본 발명은 도시가스 및 기타 가스의 유량을 측정하는 플루이딕 유량계에 관한 것이다. 플루이딕 유량계(fluidic flowmeter)는, 부착벽과 피이드백 유로(feed-back flow channel)를 노즐의 하류측에 설치하고 측정유체가 분출되게하며, 코안다 효과(coanda effect) 및 귀환유로에 전달되는 압력전파를 이용하여 상기 부착벽에 유체진동을 발생시키며, 상기 유체진동(발진주파수)이 측정 유량에 비례하도록 설계함으로써, 유량을 측정하는 유량계이다.
이런 구조형식의 플루이딕 유량계로서, 미국특허 제3,640,133호, 미국특허 제3,690,171호, 일본특허공고 소48-54962, 일본특허공고 소53-77558호, 일본특허공고 소59-184822호등이 이미 공지되어있다.
상술한 플루이딕 유량계는 순유체소자(fluidic element 또는 fluidic device)내에서 유체진동을 일으키고 이 진동을 전기적으로 파악하여 마이크로 컴퓨터를 사용하여 측정유체의 유량을 연산하는 시스템의 것으로 유량이 비교적 큰 경우에는 문제가 없는것 같으나 유량이 극히 작을때는 유체진동의 발생이 불안정해져서 측정오차가 발생하는 폐단이 있다.
따라서 일정유량이상의 유량은 순유체소자를 사용하여 측정하고 일정유량 이하의 유량은 노즐부에 삽입된 유량감지기를 사용하여 측정하는 식으로 유량에 따라 선택적으로 사용할 것이 제안되었다(일본 특허공고 평성 1-58118).
그러나, 상술한 공지예의 경우에 있어서는, 유량감지기 및 순유체소자에 의해 발생하는 유체진동을 검출하는 감지기에 있어 그리고 연산등을 행하기 위해 이들 두 감지기를 마이크로 컴퓨터에 연결하는 도선에 있어 단선 또는 접촉 겸함이 생기는 경우에는 이런 문제점이 있는줄 알지못하고 유량을 측정하는 경우가 있을 수 있다.
둘째로, 마이크로 유량감지기는 안정성이 높기 때문에, 이것은 일반적으로 제로점 보정을 행하지 않고 사용된다. 그러나 제작중 또는 경시변화에 의하여 제로점의 약간의 편의가 상상되기 때문에, 관례적으로 이런 방법을 채택할 경우에는 출력의 제로 유량부근에 데드 베드를 설정하여 무시 즉 이 범위의 출력을 적산하지 않았다.
그러나 제로유량 부근에서의 출력을 무시하는 상기 시스템에서는 제작중의 조정오차로 인한 또한 필요한 최소 검출 유량이하의 극소 펄스출력들의 거의 모든 출력을 차지하는 경우 경시 변동으로 인한 제로점 드리프트가 있거나 없거나 상관없이 전혀 보정이 행해지지 않기 때문에 유량감지기 측정 범위에 있어서의 드리프트 오차는 제거될 수 없다. 특히 소유량 범위에 있어서는 제로 드리프트의 크기는 측정 정밀도에 큰 영향을 주는데 그 이유는 그것이 유량 출력 신호에 있어 비교적 큰 값을 차지하기 때문이다.
다음에, 마이크로 유량감지기는 높은 내구성을 갖고 그 성능은 거의 변하지 않으나, 수년의 경과에 따라 약간의 분진으로 인해 그 감도가 변할 경우에 대비하기 위해, 관례적으로 유량감지기의 감도를 자동유지시키기 위한 소위 이득 보정기능이 이 종류의 유량계내에 장착되었다.
관례적 이득 보정은 유량감지기 및 순유체소자 양자가 작용하는 범위에서의 순유체 소자의 측정 유량에 기초하여 유량감지기의 감도를 자동증진하는 시스템으로서, 다음 계산 시스템에 기초를 두고 있다.
유량감지기의 펄스출력이 P일때, 유량감지기에 의하 유량지시값 Q(FS)에는 다음 관계가 있다.
Q(FS) = K1(FS)P. (1)
위 식에서 K1(FS)는 시점 i에서의 유량감지기 이득이다.
이제 보정을 수행하고 있는 구역에 가스유량이 들어오고 그 유량을 유량감지기 및 순유체소자로 측정했다고 가정한다.
상기식에서 P1는 보정중 유량감지기의 펄스수의 평균치이고 한편 Q1(FD)는 순유체소자로 측정한 유량의 평균치이다. 관례적 방법에서는, 식(2)로 얻은 K1를 새로운 유량감지기 이득으로 사용하여 보정을 행한다.
K1+1(FS) = K1(3)
상기식에서 K1+1(FS)는 시점 i+1일때의 유량감지기 이득이다.
상기 관례적 예에서는 유량감지기 및 순유체 소자의 측정치는 시간적 평균치이기 때문에 높은 정밀도를 나타내지만, 각 측정에서의 값들에는 유동교란과 노이즈로 인해 변동이 따른다.
따라서 유량감지기를 높은 정밀도로 보정하려면 순유체 소자와 유량감지기의 출력은 값들을 평균하기 위해 여러시간에 걸쳐 측정될 필요가 있다. 그러나 최종 사용자 가정에 설치된 가스미터등의 경우에는 유량보정시 시험목적으로 가스를 통과시키는 것이 불가능하나, 최종 사용자 가정에서 가스를 사용하는 동안에 유량을 보정할 필요는 있고 또한 유량보정에는 장시간이 소요되며 그 결과로 보정빈도(회수)는 떨어질 수 밖에 없다. 추가하여 이런 저런 이유로 보정하는 동안 측정치에 노이즈가 혼입하는 경우 그것을 확인할 아무 기능요소가 없고 그리하여 유량감지기 범위의 오차가 일시적으로 증가할 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 전기회로에 이상이 생길경우 경보를 발하게하여 동시에 제로점의 변동을 보정하고 유량감지기의 감도를 보정하는 방법을 제안하고자 하는 것이다.
제1도는 이상 판정회로가 내장된 마이크로 유량감지기가 설치되어 있는 플루이딕 유량계를 보여준다.
이 플루이딕 유량계의 이상 판정기준은 다음과 같다.
신호가 마이크로 유량감지기 및 순유체소자 양자로부터의 출력인 범위에서는 즉 유량신호가 서로 겹쳐지는 경우에는, 마이크로 컴퓨터는 유량에 기초를 두어 어느 한 신호를 선택한다. 마이크로 컴퓨터는 이들 어느장치에서 출력되는 출력신호를 감시하고 적어도 다음 경우에 이들 장치중 어느것에 이상이 존재하는지 판단한다.
a. 사전설정 유량보다 높은 유량신호가 유량감지기측으로 부터만 입력되는 경우.
b. 사전설정 유량보다 높은 유량신호가 순유체소자측으로 부터만 입력되는 경우.
c. 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 유량감지기측으로 부터만 입력되는 경우.
d. 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 순유체소자측으로 부터만 입력되는 경우.
표 1은, 순유체소자로 측정되는 유량은 최소 150리터/시간으로 설정하고 유량감지기로 측정되는 유량은 0 내지 150 리터/시간의 수준으로 설정하며, 이들 설정예에 부합하면 정상으로 판정하는 한편 그렇지 않은 경우는 어느한 장치 또는 두장치가 이상인 것으로 판정하는 경우의 이상 판정기준예를 보여준다.
[표 1]
구체적 이상 판정법을 제1도를 기준하여 설명한다. 부재번호 1은 순유체소자이고, 이 유량신호는 노즐(2), 부착벽(3 및 3a), 피이드백 유로(4 및 4a) 및 유체진동검출 포오트(5 및 5a)로 구성되어 있다.
부재번호 6은 노즐(2) 부분에 삽입된 유량감지기이고, 이 유량감지기(6)로 검출된 유량은 유량감지기측에 있는 유량신호변환회로(7)에 의해 전기신호로 변환되며 유량연산표시회로(8)에 입력된다.
부재번호 9에는 상기 유체진동검출포오트(5 및 5a)와 연결된 유체진공검출감지기가 있으며, 이 번호 9는 상기 유체진동검출감지기로 검출한 유체진동을 유량신호로 변환시키기 위한 순유체소자측의 유량신호 변환회로를 표시하며, 유량신호 변환회로(9)에 의해 전기신호로 변환된 신호는 유량연산표시회로(8)에 입력된다.
유량연산표시회로(8)는, 적산 및 표시를 위해 전기 신호를 유량으로 연산하기 위한 회로, 사전설정 유량값에 기준하여 순유체소자(1) 및 유량감지기(6)를 선택적으로 사용하기 위한 회로, 및 사전설정 유량값보다 높은 유량신호가 유량감지기(6)측으로 부터만 입력되는 경우와 사전설정 유량값 보다 높은 유량신호가 순유체소자(1)측으로 부터만 입력되는 경우, 또는 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 유량감지기(6)측으로 부터만 입력되는 경우와 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 순유체소자(1)측으로 부터만 입력되는 경우에 유량신호 변환회로(7 및 9)로부터의 출력(입력)의 이상유무를 판단하는 이상 판정 회로로 구성되어 있다.
제2도는 감지기 이상을 경보하는 경우의 논리도를 보여준다.
이상이 있는 것으로 판정될 경우에는, 동시적으로 미터 측정을 중지하도록 경보를 발할것인지, 또는 얼마 동안 이상을 감시하다가 회복이 되면 그동안 사실을 기록하고 그대로 측정을 계속할것인지에 대한 대응책을 선정해야만 한다.
상기와 같이 본 발명은 이상 판정회로에서 순유체소자와 유량감지기의 출력을 감시하여 이상의 존재를 판정하는 경우에는 적어도 경보를 발하기 때문에 유체진동 검출감지기와 유량감지기를 연결하는 선 및 이들 두감지기 그리고 전자회로의 단선, 단락, 접촉결합등과 같은 이상을 알지못하고 측정을 계속할 우려가 없다.
제3도는 유량감지기(6)의 제로점 보정법의 알고리즘을 나타낸다.
먼저, 개시시킨뒤 유량 0시의 유량감지기 출력의 추정치 Po를 설정하고 유량감지기에 의해 실제로 측정한 값 P로 부터 Po를 차감한 값의 절대치를 역치 TH와 비교하며, 펄스수가 TH보다 작으면, 상기 펄스수(추정 출력)를, 이동량(shift양)을 추정하고 제로점 보정을 행하기 위한(행해야할) 유량감지기의 제로점으로 상상하며, 한편 펄스수가 역치보다 크면 유량이 존재하는 것으로 상상하고 이동량은 갱신하지 않고 그 시점에서의 보정량을 사용하여 유량을 보정한다.
구체적으로 보정법을 제4a도 및 b도를 참고하여 설명한다.
제4a도에 표시된 것처럼 유량대 감지기출력 특성 곡선 ℓ1이던 감지기의 최초의 특성곡선이 제작 조정 오차, 경시변화등으로 인해 드리프트하여 0유량에서의 감지기출력은 Pd가 되고 특성곡선도 ℓ2로 이동했다고 가정한다. 이제 보정 알고리즘에서 역치 TH를 TH=Pm/2(Pm은 최소 필요검출유량)로 가정하면 0유량동안 감직출력이 Pd이고, 또한 TH＞｜Pd｜의 조건이 만족될 수 있기 때문에 유량이 실제 0이라면 평균감지기 출력치는 Pd가 되며 그리하여 제로점 보정치 Po는 점차 Po=Pd로 될 것이다.
따라서 제4b도에 도시된 것처럼 Qm/2 이상의 유량이 흐른경우 감지기의 출력을 P라 가정하면, 그 보정후의 감지기 출력는 다음과 같이 되며 ;
=P-Po
=P-Pd
그 시점에서 감지기특성곡선 ℓ3는 원래의 특성곡선 ℓ1과 일치된다.
여기에 반하여, 관례적 시스템에서는 Pm/2 이하의 감지기출력을 데드밴드로서 단순히 잘라서 버리기 때문에 드리프트 오차는 제거할 수 없다(제4b도에서 특성곡선 ℓ4).
한편 가스미터가 최종 사용자 가정에 설치되었을때는 차단밸브를 닫거나 0점 보정시와 유사한 방법에 의해 유량이 실제로 0인 상태를 만드는 것이 불가능하고 필요검출 유량보다 낮은 극소 유량분에 해당하는 감지기출력은 제로점 드리프트와 구별될 수 없다.
이제 미소유량 QL이 제5도에 표시된 것처럼
｜QL｜＜TH(=Qm/2)
상기식일 경우 이를 제로점 드리프트로 착각하여 상술 알고리즘에 의해 제로점을 보정, 즉 제6도에 표시된 QL에 대응되는 감지기 출력 PL에 의해 역방향으로 보정하여 특성곡선 ℓ6을 얻는 경우를 가정해보자.
그러나 이와같은 경우에도, 보정량의 최대치를 Max(｜Po｜)＜Pm/2이 되게 만듦으로써 제7도에 표시된 최악의 경우에도 착오보정의 한계는 ℓ7또는 ℓ8까지가 된다.
따라서 유량 0시의 감지기 출력은 ℓ7의 특성의 경우에도 Pm/2를 초과하지 않을 것이고 유량 Qm시의 감지기 출력은 ℓ8의 특성곡선의 출현의 경우에도 Pm/2이상을 얻을 수 있어서 유량 0은 여전히 유량 Qm과 구별될 수 있고 그로인해 유량감지기의 누출검출기능은 손상되지 않을 것이다.
감지기 특성곡선에 이동이 있는 경우 상술과 같이 그 이동이 역치이하이면 완전히 보정이 될수있으며, 본 발명은 제작중 및 온도 의존의 경우에도 감지기 특성곡선의 흩어짐을 흡수할수 있다.
한편, 필요 검출하한 이하의 누출이 있으며, 보정이 틀리게될수 있으나, 보정의 한계치를 적당히 선택함으로써 현재의 수행을 유지할 수 있다. 더욱이 제로점은 미소신호시의 평균 출력을 사용하여 유지할 수 있고 유량제로시의 평균신호출력은 영이 되고 데드밴드를 이용하지 않더라도 별로 과도히 적산을 할 필요가 없다. 그 결과 가스미터의 경우 높은 신뢰도를 얻을수 있다.
추가하여 제로점에서 드리프트양을 보정하면 반드시 전체 유량감지기의 특성곡선의 이동도 동시에 보정하게되어 감지기의 측정정밀도가 역시 향상될수 있다.
다음 단계로, 본 발명의 이득 보정법을 설명하겠다.
제8도는 한 보정으로 유량감지기의 감도를 보정하는 관례적 방법을 설명하고 있다.
제9도는 과거의 n회(n는 정수로 2와 같거나 2이상임) 보정치를 산술적으로 평균함으로써 보정을 행하는 것을 설명한다.
구체적으로는 유량감지기의 펄스출력이 P일때 유량지시치 Q는 다음 관계가 있다 :
Q(FS)=K1(FS)P (1)
이 식에서 K1(FS)는 시점 i에서의 유량감지기 이득이다.
이제 보정할 구역에 가스유량이 들어왔다고 가정하고 유량감지기 및 순유체소자의 양자에 의해 측정을 행했다 하자.
상기식에서는 P1는 보정기간중 유량감지기의 펄스수의 평균치이고 Q(FD)는 순유체소자의 사용에 의해 측정된 유량의 평균치이다. 관례적 방법은 식(2)로 얻은 값 K1를 새로운 유량감지기 이득으로 채택함으로써 보정을 행했다. 즉
K1+1(FS)=K1(3)
상기식에서 K1+1(FS)는 시점 i+1때의 유량감지기 이득이다.
여기에 반해, 본 발명은 다음식을 사용하여 보정을 행한다.
i
따라서 본 발명의 보정법에 따라 다음과 같은 효과가 얻어질수 있다.
관례적 방법에서는 보정중 측정 정밀도가 그대로 이득보정에 영향을 주기 때문에 보정중의 측정 정밀도는 이득 보정의 정밀도를 향상시키기 위해 향상될 필요가 있으나(즉 측정시간을 연장할 필요가 있으나), 이득 보정은 본 발명에서는 많은 보정 결과의 평균치에 의해 행해지며, 그리하여 이득보정의 정밀도는 개별적 보정시에 정밀도가 다소 악화하는 경우에도 유지될 수 있다.
다음에, 각각의 보정에서의 측정 정밀도를 낮추는 것이 가능하고 보정에 요하는 시간이 단축될수 있기 때문에 보정 메카니즘이 작동 빈도가 증가 한다.
그런데, 보정중 유량감지기의 구동간격을 단축할 필요가 없어지기 때문에 보정중 전력소모가 증가하지 않는다. 이 때문에 보정간격을 감시할 타이머가 불필요해진다.
다음에는 순유체소자로 측정한 비교유량을 기준하여 유량감지기의 이득을 보정할때, 보정전의 이득과 보정후의 이득추정치의 가중평균치에 의해 이득을 보정하는 다른 유량감지기의 이득 보정을 설명한다.
설명의 편의를 위해 관례적 이득 보정법과 관련시켜 이 방법을 설명한다.
이제, 유량감지기의 펄스출력이 P일때 유량감지기에 의한 유량지시치 Q(FS)와는 다음 관계가 있다.
Q(FS)=K1(FS)P (5)
이 식에서, K1(FS)는 시점 i에서의 유량감지기 이득이다.
이제 보정할 구역에 가스유량이 들어오고 유량감지기 및 순유체소자 양자에 의해 측정을 했다고 가정한다.
상기식에서 P1는 보정기간중 유량감지기의 펄스수의 평균치이고 한편 Q(FD)는 순유체 소자로 측정한 유량의 평균치이다. 관례적인 방법에서는, 식(6)으로 얻은 K1를 새로운 유량감지기 이득으로 채택하여 보정한다.
K(FS)=K1(7)
상기식에서 K(FS)는 시점 i+1에서의 유량감지기 이득이다.
여기에 반하여 본 발명은 다음과 같이 유량감지기 이득을 갱신한다.
Ki+1(FS)=Ki(FS)+α(Ki-Ki(FS)) α＞0 (8)
상기식에서 α는 가중 계수이다.
본 발명에 관한 보정법이 채택되면 다음과 같은 효과를 얻을수 있다.
관례적 시스템에서는 보정중의 측정정밀도가 그대로 이득보정의 정밀도에 영향을 미치기 때문에, 보정중의 측정 정밀도가 이득 보정의 정밀도를 향상시키기 위해 향상될 필요가 있으나(즉 측정시간이 연장될 필요가 있음), 본 발명에서는 이득보정을 많은 보정 결과의 평균치로 행할수 있기 때문에 개별 보정중 정밀도가 다소 악화하더라도 이득 보정의 정밀도를 유지할수 있다.
다음에 각각의 보정시 측정 정밀도를 낮출수 있고 조정에 요하는 시간이 단축될수 있기 때문에 보정 메카니즘의 작동 빈도(회수)도 증가한다.
더욱이 보정중 유량감지기의 구동간격을 줄일 필요가 없어지기 때문에 보정중 소비전력증가가 없다. 따라서 보정 간격을 감시할 시간이 불필요해진다.
다음, 앞서서 기억해야할 것은 바로 직전의 이득뿐이다. 이 때문에 보정회로의 메모리 구역이 절약될 수 있다.
그위에 단일 패라미터 α가 존재할 뿐이므로 어려움이없이 최적화를 행할 수 있다.

Claims (4)

  1. 순유체소자에 의해 사전설정된 유량보다 높은 유량을 측정하고, 노즐부분에 삽입된 유량감지기에 의해 사전설정된 유량보다 낮은 유량을 측정하는 플루이딕 유량계에 있어서, 사전설정 유량보다 높은 유량신호가 유량감지기측으로 부터만 입력되는 경우와 사전설정 유량보다 높은 유량신호가 순유체소자측으로 부터만 입력되는 경우, 또는 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 유량감지기측으로 부터만 입력되는 경우와 사전설정 유량보다 낮은 유량신호가 순유체소자측으로 부터만 입력되는 경우에 이상유무를 판정하여 경보신호를 발하는 이상 판정회로가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플루이딕 유량계.
  2. 허용이동량의 절대치의 최대치를 설정하며, 단 유량감지기출력의 절대치가 상대 역치보다 낮은 경우에는 그 펄스수를 이동량을 추정하기 위한 유량감지기의 제로점으로 상상하며, 펄스수가 역치보다 크면 유량이 있었다고 가정하여 이동량을 갱신하지 않으며, 또한 유량을 그 시점에서 이용가능한 보정량을 사용하며 보정하는 것을 특징으로 하는 제로점 보정방법.
  3. 순유체소자로 측정한 비교 유량을 기준하여 유량감지기의 이득을 보정할때 현보정기간에서의 추정 이득치와 그 전 기간에서의 몇 추정이득치의 평균치에 의해 이득을 갱신하는 유량감지기의 이득보정방법.
  4. 보정을 하지 않은 이득치와 순유체소자로 측정한 비교유량을 기준하여 유량감지기의 이득보정을 할때의 보정시 추정이득치와의 가중 평균치에 의해 이득을 갱신하는 유량감지기의 이득 보정방법.
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