KR960015071B1 - 유체흐름의 계측방법 - Google Patents

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마사시 니시가키
아키라 히라노
츠요시 나카지마
코지 이케다
미노루 스즈키
츠요시 츠루타니
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오사카 가스 가부시키가이샤
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Abstract

내용없음.

Description

유체흐름의 계측방법
제1도는 제조예1에서 제조한 입자의 전자현미경사진(배율 2,000배).
제2도는 제조예1에서 제조한 입자의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제3도는 종래부터 사용되고 있던 입자(화이트카본)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제4도는 종래부터 사용되고 있던 입자(화이트카본)의 전자현미경사진(배율 50,000배).
제5도는 종래부터 사용되고 있던 입자(TiO2)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제6도는 종래부터 사용되고 있던 입자(TiO2)의 전자현미경사진(배율 50,000배).
제7도는 종래부터 사용되고 있던 입자(탈크)의 전자현미경사진(배율 1,000배).
제8도는 종래부터 사용되고 있던 입자(탈크)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제9도는 종래부터 사용되고 있던 입자(TiO2+탈크)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제10도는 종래부터 사용되고 있던 입자(TiO2+탈크)의 전자현미경사진(배율 50,000배).
제11도는 종래부터 사용되고 있던 입자(관동롬에서 채취한 것)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제12도는 종래부터 사용되고 있던 입자(관동롬에서 채취한 것)의 전자현미경사진(배율 50,000배).
제13도는 종래부터 사용되고 있던 입자(백색용융 알루미나)의 전자현미경사진(배율 2,000배).
제14도는 종래부터 사용되고 있던 입자(백색용융 알루미나)의 전자현미경사진(배율 10,000배).
제15도는 메져링 호일식분체 필더를 나타내는 사시도.
제16도는 상기 도면에 있어서 분출노즐의 부분종단면도.
제17도는 시딩입자의 제조장치의 개략설명도.
제18도는 실시예3에서 사용한 SiO2구형입자의 입자경 분포를 나타낸 것.
제19도는 비교예2에서 사용한 TiO2입자의 입자경 분포를 나타낸 것.
제20도는 비교예3에서 사용한 SiO2입자의 입자경 분포를 나타낸 것.
제21도는 실시예3, 비교예2 및 3의 결과를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 장치본체 102 : 원반
103 : 주홈 104 : 호퍼
107 : 분출노즐 108 : 경사측면
109 : 오목부 110 : 분체유통용 구멍
본 발명은 유체의 흐름의 계측방법에 관한 것이다.
여기서 말하는 「유체의 흐름의 계측」이라 함은, 공기 또는 연료가스 등의 가스 혹은 물 또는 액체가스 등의 액체의 유속의 계측뿐만 아니라, 상기 가스 혹은 액체의 가시화에 따른 분포계측도 의미하는 것이다.
광계측장치를 이용한 유체의 흐름계측을 행할시에 사용하는 시딩입자로서는, 공침법에 의해 제조한 혹은 광물 등의 천연물을 이용한 SiO2, TiO2, SiC등에서 이루어지는 다공질입자(평균입자경 0.5~150μm 정도)가 이용되고 있다.
그중, 레이저돕프러 유속계, 페이즈돕프러 유속계 등의 레이저 계측장치를 이용해서 유체의 유속을 계측하는 경우는 평균입자경 0.5~10μm 정도의 입자가 이용되고 있다.
또, 프랫쉬램프와 펄스레이저 등의 순간적인 동시에 강력한 광원을 이용해서, 시딩입자의 분포를 사진촬영하는 것에 의해 유체를 가시화해서 이것에 의해 그 유체의 분포계측을 행하는 경우에는 평균입자경 5~150μm 정도의 입자가 이용되고 있었다.
종래부터 사용되고 있는 대표적인 시딩입자의 전자현미경사진을 제3도~제14도에 나타낸다(제3도 및 제4도는 화이트카본, 제5도 및 제6도는 TiO2, 제7도 및 제8도는 탈크, 제9도 및 제10도는 TiO2+탈크, 제11도 및 제12도는 관동롬에서 채취한 것, 제13도 및 제14도는 백색용융 알루미나의 사진이다.
그러나, 이와 같은 시딩입자는 사진에도 명료하게 나타나 있는 바와 같이 하기 1~5와 같은 결점이 있고, 유체의 흐름의 계측오차를 크게 하고 있었다.
1)시딩입자의 형상이 부정형이기 때문에, 광검출기에 의해서 검출되어야 하는 빛의 산란단면적은, 광검출시에 있어서 입자의 방향에 따라 다르다.
2)입자의 입경분포가 넓고, 빛의 산란단면적이 입자마다 다르고, 비교적 큰 입자가 2개 이상의 간섭 빗살무늬에 있어서 동시에 빛을 산란한다.
3)입자의 외관비중이 계측하려고하는 유체의 비중과 크게 상이해서 입자가 유체의 흐름에 만족히 추종하지 않는다.
4)입경분포가 넓은 외관비중(apparent specific gravity)의 분포도 있기 때문에 입자의 유체의 흐름에 대한 추종성이 평균치에서 벗어나, 흐름의 정량적 평가를 할 수 없다.
5)입자의 표면에 요철이 있어서 입자끼리 서로 걸려 응집을 일으켜서 실효입자경이 증대한다.
시딩입자를 유체에 혼입하는 종래의 방법에서는 예를 들면 스크류피더에서 밀어낸 시딩입자를 기류에 의해 뿜어내는 방법, 혹은 시딩입자를 용매에 현탁한 후, 초음파가습기로 분무하는 방법 등이 있다.
그러나, 상기 방법에 있어서는 어느쪽도 시딩입자의 공급량이 일정하지 않기 때문에 결과적으로 계측오차의 원인을 초래했다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해소하고 유체흐름의 계측정밀도를 향상시키는 방법을 제공하는 것에 목표를 두고 있다.
본 발명은 시딩입자로서 세라믹의 다공질입자를 이용한 광계측장치에 의해 유체의 흐름을 계측하는 방법에 있어서 상기 시딩입자가 직경 0.5~150μm의 구형입자인 것을 특징으로 하는 방법이지만, 상기 계측방법 가운데 레이저돕프러 유속계 등의 레이저 계측장치를 이용한 유체의 유속의 계측방법에 있어서는 간섭 빗살무늬와의 관계에서 볼때 직경 0.5~10μm의 구형입자를 이용하는 것이 가장 적합하다.
그중에서도, 직경 1.5~2.5μm의 구형입자를 이용하는 것이 더욱 적합하다.
또, 사진촬영을 이용한 유체흐름의 계측방법에 있어서는 빛의 검출 및 유체에 대한 추수성면에서 직경 5~150μm의 구형입자를 이용하는 것이 가장 적합하다.
그중에서도 직경 30~100μm의 구형입자를 이용하는 것이 더욱 적합하다(청구항 1,2,3).
광계측장치를 이용한 유체흐름의 계측에 사용되는 시딩입자가 구형이면, 광검출기에 의해서 검출되어야 하는 빛의 산란단면적은 광검출시에 있어서 입자의 방향에 관계없이 일정해진다.
또, 표면에 걸림을 발생하는 요철이 존재하지 않기 때문에 2개 이상의 시딩입자가 응집하면서 유체속을 흐르는 일은 없다.
이에 의해, 유체흐름의 계측정밀도를 향상시킬 수가 있다.
계측하려고하는 유체가 가스인 경우, 상기 시딩입자가 중공구형입자인 것이 적합하다(청구항 4).
시딩입자가 중공구형입자이면 외관비중이 작아지고, 입경이 너무 모여있지 않아도 가스의 흐름에 추종하기 쉬워진다.
이에 의해 가스의 흐름의 계측정밀도를 보다 한층 향상시킬 수 있다.
또한 상기 중공구형의 시딩입자는 구형의 시딩입자보다 높은 계측정밀도를 얻고 특히 고속유체중에 있어서 양자의 차이는 현저하다.
상기 중공구형입자에 있어서 외피의 두께에는 특별히 한정은 없지만 입자의 직경에 대해서 1/3~1/10인 것이 바람직하다.
1/10미만이면 유체중에 있어서 파괴하기 쉽고, 또1/3을 넘으면 중공인 효과를 별로 얻을 수 없다.
계측하려고하는 유체가 액체이고 시딩입자가 크로즈드포어(closed pore)를 가진 세라믹 다공질에서 되고, 상기 크로즈드포어의 용적이 0.1cm3/g 이상인 것이 가장 적합하다(청구항 5).
시딩입자가 용적 0.1cm3/g 이상의 크로즈드포어를 가지고 있으면, 상기 시딩입자의 외관비중과 계측하려고하는 액체의 비중과의 차가 작아지도록 시딩입자의 비중을 설정해 얻어서, 액체의 흐름에 쉽게 추종하게 할 수 있고 이에 따라, 액체의 흐름이 계측정밀도를 보다 한층 향상시킬 수가 있다.
계측하려고하는 유체가 액체이고, 표면상에 금속이 코팅되서 이루어지는 시딩입자를 이용하는 것이 가장 적합하다(청구항 6).
액체유중에 있어서, 금속을 코팅한 세라믹 다공질 구형입자를 이용하면, 금속코팅하지 않은 입자를 이용하는 방법에 비교해서 검출해야할 반사광이 강해지기 때문에, 결과적으로 계측정밀도를 향상시킬 수가 있다.
그러나, 비중이 크고 가격이 높다라고하는 결점을 가지고 있기 때문에 측정조건에 따라 나누어 사용하는 것이 바람직하다.
용적 0.1cm3/g 이상의 크로즈드포어를 가지는 세라믹 다공질입자의 표면상에 금속을 코팅해서 이루어지는 시딩입자를 이용하는 것이 특히 가장 적당하다.
금속의 코팅을 행하면, 상기한 바와 같이 입자의 비중이 커지지만, 용적 0.1cm3/g이상의 크로즈드포어를 가지는 세라믹 다공질입자의 표면상에 코팅하면 상기 비중의 증대를 억제할 수 있다.
금속을 코팅하는 방법으로서는 무전해도금법, 전해도금법, CVD법, 증착법 등의 방법을 들수 있지만, 간단하게 균일한 막을 형성할 수 있다는 점에서 무전해도금법을 사용하는 것이 가장 적합하다(청구항 7).
코팅하는 금속소재로서는 Ni, Pt, Co, Cr 등을 들수 있지만, 상기 무전해도금법에서 간단하게 질높은 코팅막을 얻을 수 있고 얻어진 막이 비교적 화학적으로 안정하다는 점에서 상기 금속소재는 Ni인 것이 가장 적당하다(청구항 8).
금속의 코팅막의 막두께는 특별한 제한은 없지만, 0.05~5μm인 것이 바람직하다.
0.05μm 미만이면 반사율을 향상시키는 효과를 얻기 어려워지고, 5μm를 넘으면 입자 전체에 자리잡은 금속의 비율이 너무 커져서, 부피비중이 커진다고 하는 문제가 발생한다.
상기 시딩입자의 소재 혹은 시딩입자에 대한 세라믹부분의 소재로서는화학적으로 안정한한 특별한 한정은 없고 탄산칼슘, 탄산바륨 등의 알칼리 토류금속 탄산염; 규산칼슘, 규산마그네슘 등의 알카리 토류금속 규산염; 실리카(SiO2), 산화철, 알루미나, 산화동 등의 금속산화물 등을 들수 있다.
이들중, SiO2가 가격이 싸고, 또한 내열성이 뛰어난 점에서 바람직하다.
내열성에 뛰어나면 고온유체 중에서도 파괴되는 일없이 충분히 사용할 수 있다(청구항 9).
시딩입자의 입경분포는 좁을수록 바람직하지만, 70% 이상의 상기 시딩입자의 입자경이 평균입자경 ±50% 범위내라면 거의 균일한 광산란단면적을 얻을 수 있다.
또한, 유체중에 대한 시딩입자의 거동, 바꿔말하면 유체의 흐름에 대한 추종을 하기 쉬어짐이 거의 일정하게 된다.
또, 고속으로 흐르는 유체의 계측에도 사용할 수가 있다.
즉, 레이저돕프러 유속계를 사용한 유체의 계측방법에 있어서 유체의 속도를 올려서 단위시간당에 간섭 빗살무늬를 통과하는 입자의 수를 증가시켜, 이것에 의해 신호수를 증가시키고 결국 샘플데이타 레이트(단위시간당의 데이타수)를 증가시키려고 하면, 종래에는 계측정밀도를 나타내는 대표적 지표의 하나인 평균유효 데이타율이 저하해버려 고속유체에서의 측정은 곤란했었다.
그러나, 본 발명의 방법에서는 고샘플데이타 레이트시의 평균유효 데이타율은 높고, 고속유체의 계측에도 충분히 사용할 수가 있다.
또, 단위시간당의 데이타수(샘플데이타 레이트)를 늘리려면 입자의 공급량을 증가시켜도 상기와 같이 종래에는 평균유효 데이타율은 저하해 버리므로, 입자농도를 늘리는 것은 불가능했다.
그러나, 본 발명의 방법에서는 공급량을 증가시켜서 샘플데이타 레이트를 늘려도 평균유효 데이타율은 저하하지 않기 때문에, 입자함유율을 높게해서 계측할 수 있다(청구항 10).
상기 시딩입자 혹은 시딩입자에 있어서 세라믹부분을 제조할때, 역미셀법을 채용하면 구형이 혹은 중공구형의 다공질인 시딩입자를 싼가격에 그것도 간단히 제조할 수 있다(청구항 11).
그때, 입자원료를 함유하는 수용액을 구멍지름이 거의 균일한 다공질유리막 혹은 구멍지름이 거의 균일한 가는 구멍을 가진 고분자막에서 유리용매로 밀어내는 방법을 이용한 경우에는 입자경이 모였다.
바꾸어말하면 입경분포가 좁은 입자를 얻을 수 있고, 시딩입자 혹은 표면에 금속을 코팅하는 경우에 있어서는 본체부분이 세라믹부분인 것이 바람직하다(청구항 12).
상기 다공질유리막 혹은 고분자막으로서는 붕규산유리를 분상시킨 후, 산을 세척하는 것에 의해 얻어지는 것, 실리카졸과 수용성 유리고분자를 혼합하고, 중합시에 분상시킨 후, 물세척하는 것에 의해 얻어지는 것, 혹은 레이저를 조사하는 것에 의해 두께방향에 관통해 구멍지름의 거의 균일한 관통구멍을 설치한 것 등, 종래 공지의 막을 사용해 얻는다.
메져링호일식 분체필더에 의해, 상기 시딩입자를 레이저 계측장치에 공급하는 것이 가장 적당하다(청구항 13).
시딩입자를 메져링호일식 분체필더에 의해 레이저 계측장치에 공급하면, 그 공급량을 정량적으로 공급할 수 있으므로, 유체유속의 계측 혹은 사진촬영을 이용한 유체분포 계측의 정밀도가 보다 향상된다.
또, 종래의 방법에서는 계측정밀도가 낮았었기 때문에, 한번 측정할 때마다 계측정밀도의 유지를 위한 계측부의 조건설정이 필요했었다.
그러나, 메져링호일식 분체필더를 이용하는 것에 의해 그것이 불필요해지기 때문에, 일정시간내에 많은 측정을 할 수 있도록 된다.
여기서, 메져링호일식 분체필더의 구조와 이에 의한 분체공급 메카니즘에 관해서 제15도 및 제16도에 기인해서 이하에 간단히 한 예를 설명하겠다.
즉, 도면에 나타난 바와 같이 장치본체(101)의 내부에는 모터의 구동에 의해 회전하는 원반(102)이 구비되어 있다.
이 원반(102)의 상면에는 주방향으로 뻗는 주홈(103)이 설치되어 있다.
부호(104)는 본체(F)가 충전되어 있는 호퍼이다.
이 호퍼(104)의 하부(104a)는 아래쪽으로 가고 싶어해서 앞이 가늘게되어 있고, 그 최하단부(104b)는 상기 주홈(103)의 바로위에서 개구(104c)되어 있다.
즉, 분체(F)가 호퍼(104)에서 개구(104c)를 거쳐서, 주홈(103)에 넣어지게 된다.
부호(107)는 판형체에서 이루어지는 분출노즐이다.
이 분출노즐(107)은 평면에서 본 형상이 델타형이고, 거의 중앙부에는 테이퍼형에 경사한 경사측면(108)을 가지는 오목부(109)가 설치됨과 함께 이 오목부(109)의 중앙에는 두께방향에 관통하는 분체유통용 구멍(110)이 설치되어 있다(제16도 참조).
부호(105)는 장치본체(101)의 케이싱(106)을 관통해서 장치본체(101)의 내외를 연통가능하게 하는 분체공급통로이다.
이 분체공급통로(105)는 그 안측의 단부(105a)가 상기 오목부(109)를 덮도록, 바꾸어말하면, 상기 분체유통용 구멍(110)과 연통 가능해지도록, 분출노즐(107)의 상면에 부착되어 있다.
역시, 장치본체(101)의 내부의 공기압은 외부의 공기압보다도 높게되어 있다.
이 압력차에 의해 주홈(103)에 대해 상기 분출노즐(107)에 다다른 지점(X)에서 공기가 들어가서, 그후 분출노즐(107)의 아래쪽에 위치하는 주홈(103)에 흘러들어 이 가운데를 거쳐서 분체유통용 구멍(110) 및 오목부(109)를 개입해서 분체공급통로(105)속으로 흘러들어 장치본체(101)의 외부로 나가는 공기의 흐름이 발생하게 된다.
제16도에 있어서 화살표는 공기의 흐름을 나타내는 것이다.
상기한 바와 같은 공기의 흐름에 분체(F)를 태워서 일정량의 분체(F)를 장치본체(101)의 외부에 결국 계측하려고하는 유체중에 공급할 수가 있다.
또, 제2의 발명인 계측방법은 시딩입자를 사용한 광계측장치에 의한 유체흐름의 계측방법에 있어서, 비응집성의 시딩입자를 메져링호일식 분체필더에 의해 레이저 계측장치 등의 광계측장치에 공급하는 방법이다(청구항 14).
광계측장치를 이용한 유체흐름의 계측에 사용되는 비응집성의 시딩입자를 메져링호일식 분체필더에 의해 공급하면 종래와 같이 입경분포가 넓고, 부정형인 시딩입자를 이용한 경우에서도 그 공급량을 정량적으로 공급할 수가 있으므로, 결과적으로 유체흐름의 계측정밀도를 향상시킬 수가 있다.
종래 이용되고 있었던 비응집성의 시딩입자는 일반적으로 입경이 크고, 부피비중이 크기 때문에 유체에 대한 추종성이 좋지 않지만, 유속이 빠르고 흐트러짐이 적은 조건하에서는 유체에 대한 추종성이 향상해서 계측효율이 향상한다.
본 발명을 보다 한층 분명히 하기 위해서, 이하에 실시예를 들지만 본 발명은 이것에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
70%의 입자의 입자경이 평균입자경1.5μm±0.4μm 범위내이고, SiO2에서 이루어지는중공구형의 시딩입자(외피의 두께는 입자의 직경에 대해서 1/5)를 이용해, 하기의 조건에서 레이저 계측장치에 의해 원통내의 공기흐름의 속도를 측정해서, 샘플데이타 레이트와 평균유효 데이타율의 관계를 조사했다.
즉, 단위시간당이 데이타수(샘플데이타 레이트)를 단계적으로 높게하기 위해서 유속을 단계적으로 올려(입자함유 농도는 일정), 유속계에 대한 간섭 빗살무늬를 통과하는 입자의 양을 증가시켰다.
얻어지 레이타 가운데 유속의 판정에 쓰여지는 율(유효데이타율)이 어느정도 인가를 조사했다(평균유속 약20m/min).
1. 측정장치 화이바타입 레이저돕프러 유속계(FLDV)(Ikeda, Y., Hikosaka, M., Ohira, T., and Nakajima, T., Scavenging Flow Measurements in a Fired Two-Stroke Engine by FLDV. 1991 SAE Paper NO. 910670. 참조)
(방 법) 레이저 : He-Ne 레이저
레이저파워 : 8mW×2
렌즈지름 : 55mm
2. 측정조건 측정중심주파수 : 20MHz
밴드폭 : ±16MHz
유효샘플수 : 5,000
시그널게인 : 24dB
포토멀전압 : 760V
결과를 제1에 기재한다.
(평균유효 데이타 : (주)Dantec제의 버스트시그널 아나라이저를 이용해서 측정한 것이다.
산란신호의 대칭성이 무너지면 신호를 프레변환한 경우의 주파수의 피크값은 낮아진다.
거기에서 주파수의 피크값과 기준주파수의 피크값과의 비가 일정값 이상의 신호만을 유효데이타로 판단했다.
역으로말하면, 신호의 대칭성이 무너져서 속도의 판단이 어려운 데이타는 무효로 하고 있다.)
표1에서 분명한 바와 같이 샘플데이타 레이트가 증가해도 계측정밀도를 나타내는 대표적 지표의 하나인 평균유효 데이타율은 그다지 저하하지 않고, 고속유체에서도 충분히 사용해 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
[실시예 2]
90%의 입자의 입자경이 1~5μm의 범위내이고, SiO에서 이루어지는 중공구형의 시딩입자(외피의 두께는 입자의 직경에 대해 1/5)를 이용해, 실시예 1과 같은 실험을 행했다.
그 결과를 표2에 기재한다.
표2에서 밝힌 바와 같이 실시예 1과 비교하면 시딩입자의 입경분포가 넓기 때문에 평균유효 데이타율은 떨어지지만, 고샘플데이타 레이트에서도 안정한 유효데이타율을 얻을 수 있었다.
[비교예 1]
종래의 대표적인 시딩입자인 제3도 및 제4도에 나타나는 습성법 화이트카본(평균 일차입자지름 0.2μm, 평균응집 입자지름(실효입자지름) 6μm, 일본 실리카공업 주식회사제, NIPSIL 22-50F)을 이용해서 실시예 1과 같은 실험을 행했다.
그 결과를 표3에 기재한다.
표3에서 밝힌 바와 같이, 평균 유효 데이타율은 실시예 1, 2에 비교해 전체적으로 낮고 특히 높은 샘플 데이타 레이트에서는 극단적으로 낮은 결과가 나왔다.
상기 화이트카본을 사용하는 대신 제5도~제4도에 나타난 종래의 시딩입자를 사용해도 상기와 같은 결과를 얻을 수 있다고 예측할 수 있다.
[실시예 3, 비교예 2 및 비교예 3]
내경 100mm의 아크릴수지제 파이프안을 흐르는 유체의 속도를, 제18도에서 나타난 입자경분포를 가지는 SiO2구형입자(실시예 3에 상당, 제1도 및 제2도 참조), 제19도에서 나타난 입자경분포를 가지는 TiO2입자(비교예 2, 제5도 및 제6도 참조), 제20도에서 나타난 입자경분포를 가지는 SiO2입자(비교예 3, 제3도 및 제4도 참조)와 실시예 1에서 이용한 화이바 타입 레이저돕프러(FLDV)를 이용해서 측정했다.
상기 SiO2구형입자를 공급하기 위해서, 메져링호일식 분체필더를 이용, 또 그외의 상기 TiO2입자와 SiO2입자를 공급하기 위해서 유동송분체필더(Durst, 1976)를 이용했다.
측정은 입자농도를 변화시키는 것에 의해 샘플데이타 레이트를 변화시켜서 행했다.
역시, 3종류의 입자의 측정평균속도 및 근평균 이송속도(r.m.s velocity)는 동일하고, 각각 122m/s, 3.5m/s이다.
샘플데이타 레이트와 유효데이타율과의 관계를 나타내는 그래프를 제21도에 나타낸다.
제21도의 그래프에서 밝힌 바와 같이, 본 발명에 따르면 입자공급량을 늘려서 단위시간당의 데이타수를 증가시켜도 유효데이타율은 저하하지 않는다.
[제조예 1]
시딩입자를 역미셀법에 의해 제조하는 방법의 한 예를 이하에 설명하겠다. 막두께 10μm의 폴리이미드 필름에 KrF엑시머레이저(파장 251nm)를 조사해서 구멍지름 2.0μm의 구멍을 만들었다.
이 필름을 고분자막으로서 사용해서, 제17도에 나타난 유효장치에 장착하고, 입자원료를 함유하는 수용액을 유기용매속에 실린지펌프를 이용해서 압축입력했다. 압축입력시의 조건은 압축입력양이 매분 1g/cm2, 온도 25℃이었다.
여기서, 제17도에 나타난 장치를 간단히 설명한다.
부호(10)는 정량실린더 펌프부이다.
이 정량 실린지 펌프부(10)의 선단부에 고분자막(12)이 장착되어 있다.
부호(14)는 상기 고분자막(12)을 지지하기 위한 지지망이다.
부호(16)는 통형의 반응용기이고, 상기 정량실린더 펌프부(10)와 연결되어 있다.
부호(20)는 송입관이고, 정량펌프(22)에 의해 유기용매 비이커(24)속의 유기용매(25)를 상기 반응용기(16)속에 공급할 수 있다.
그런데도 입자원료를 함유하는 수용액(11)을 상기 정량실린지 펌프부(10)에 의해, 정량적으로 반응용기(16)안의 유기용매(25)에 주입할 수 있다.
다수의 유상입자가 형성된 반응용기(16)안의 유기용매는 송출관(26)에 의해 재차 유기용매 비이커(24)로 돌려지게 된다.
유기용매로서 폴리옥시에틸렌(20) 솔비탄트리올레이트의 헥산용액(20g/1)을 이용했다.
수용액으로서는 물 10몰에 대해, 테트라에톡시실란, 1.0몰, 메탄올 2.2몰, 디메틸포름아미드 1.0몰, 암모니아 4×10-4몰을 더한 것을 이용했다.
5℃에서 유화를 행한 후 용액을 30시간 환류해서 유기용매중에 형성된 졸(sol)의 유화입자를 젤(gel)화해서 침전시킨다.
침전물을 건조한 후 800℃에서 가열한 후 입자립이 균열한 실리카(SiO2)입자를 얻었다.
얻어진 실리카입자는 그 70%의 입자경이 평균입자경 2.5±0.7μm의 범위인 구형입자였다(제1도 및 제2도 참조).
[실시예 4]
구형의 시딩입자를 사용한 경우의 계측정밀도와, 중공구형의 시딩입자를 사용한 경우의 계측정밀도를 비교하기 위해서 상기 제조예 1에서 제조한 구형 입자, 즉 70%의 입자의 입자경이 평균입자경 2.5±0.7μm의 범위인 구형입자를 이용해서 실시예 1과 같은 실험을 행했다.
결과를 표4에 나타낸다.
표4와 상기 표1을 비교하면 저속시(저 샘플데이타 레이트시) 및 고속시(고 샘플데이타 레이트시)에 있어 쌍방모두 높은 계측정밀도를 얻을 수 있었지만 특히 고속시에는 입경의 다소의 차이를 고려해도 구형의 시딩입자 보다도 중공구형의 시딩입자의 쪽이 계측정밀도가 높다고 말할 수 있다.
[실시예 5 및 비교예 4]
종래부터 이용되고 있는 평균입자경 5μm, 입자비중 6g/cm 의 TiO제 유체 가시화용 시딩입자(비교예 4에 상당) 및 상기 시딩입자와 거의 동일한 평균 유체 추수거동을 가진 평균입자경 30μm, 입자비중 약 1g/cm 의 SiO제 다공질 구형입자(실시예 5에 상당, 72%가 평균입자경 ±50%의 범위에 들어 있다.)를 이용 프랫쉬펌프를 광원으로서 사진촬영법에 의해 유체의 가시화실험을 행했다.
그 결과 평균반사광량을 입자한개당으로 환산해서 종래 입자의 평균반사광량의 20배였다.
또, 층류영역에 대한 입자흐름의 넓이폭에 있어서는 다공질 구형입자는 종래의 입자의 0.8~0.5배였다.
평균 유체추수거종이 거의 동일한 경우에 있어서, 평균반사광량±즉, 신호량보다 크고 층류영역에 대한 입자흐름의 넓이폭이 보다 좁아지면 당연히 유체흐름의 계측정밀도가 높은 것을 용이하게 추측할 수 있다.
또, 상기 비교예(4)에서 사용한 시딩입자의 대신으로서 제5도~제14도에 나타난 종래의 시딩입자를 사용해도 상기와 같은 결과를 얻을 수 있는 것을 쉽게 예측할 수 있다.
[실시예 6 및 비교예 5]
더우기, 상기 평균입자경 30μm의 SiO제 다공질 구형입자를 사용하는 대신에 평균입자경 100μm의 SiO제 다공질 구형입자(실시예 6에 상당, 72%가 평균 입자경 ±50%의 범위에 들어 있다.)를 이용하고 이것과 거의 동일한 유체추수거동을 가지는 TiO제 유체가시화용 시딩입자(비교예 5에 상당)를 이용해서, 상기와 같은 가시화실험을 행했다.
결과는 상기와 똑같이 평균입자경 100μm의 SiO제 다공질 구형입자의 쪽이 평균반사광량± 및 층류영역에 대한 입자의 흐름의 넓이 폭 모두 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
[실시예 7]
제조예 1에서 제조한 구형입자±즉, 70%의 입자가 2.5±0.7μm의 범위에 있는 구형 SiO입자(제1도 및 제2도 참조)± 및 실시예 1에서 사용한 것과 같은 레이저돕프러 유속계를 이용해서, 원통내를 난류조건에서 흐르고 있는 물의 속도를 측정해서 샘플데이타 레이트와 평균유효 데이타율과의 관계를 조사했다.
즉, 단위시간당의 데이타수(샘플데이타 레이트)를 단계적으로 높게 하기 위해서, 유속의 속도를 단계적으로 올려(입자함유 농도는 일정), 유속계에 대한 간섭빗살무늬를 통과하는 입자의 양을 증가시켰다.
얻어진 데이타중, 유속의 판정에 쓸 수 있는 율(유효 데이타율)이 어느 정도 인가를 조사했다.
1. 측정장치 화이바타입 레이저돕프러 유속계(FLDV)(Ikeda, Y., Hikosaka, M., Ohira, T., and Nakajima, T., Scavenging Flow Measurements in a Fired Two-Stroke Engine by FLDV. 1991, SAE Paper NO. 910670. 참조)
(방 법) 레이저 : He-Ne레이저
레이저파워 : 8mW×2
렌즈경 : 55m
2. 측정조건 측정중심주파수 : 20MHz
밴드폭 : ±16MHz
유효샘플수 : 5,000
시그널게인 : 24dB
포토멀전압 : 760V
그 결과를 표5에 타타낸다.
[비교예 6]
종래부터 이용되고 있던 평균입경 2μm의 TiO분말(제5도 및 제6도 참조)을 이용해서 실시예 7과 동일한 조건에서 계측실험을 행했다.
그 결과를 표6에 나타낸다.
[비교예 7]
종래부터 이용되고 있던 평균입경이 3μm의 SiC분말을 이용해서 실시예 7과 동일의 조건에서 계측실험을 행했다.
그 결과를 표7에 나타낸다.
표5~7의 비교에서 밝힌 바와 같이 실시예 7의 경우 비교예 6,7에 비해서 유효데이타율이 높고, 더우기 고데이타 레이트까지 그 값이 대체로 일정하다.
[실시예 8,9,10 및 비교예 8,9]
하기 표8에 나타낸 5종류의 입자를 소정시간 물에 담가 물을 적시게한 상태에서 부피비중을 측정했다.
그 결과를 표8에 병기한다.
표8로부터 실시예 8,9,10은 비교예 8,9에 비교해 물과의 부피비중차가 작고, 수류에 대한 추수성의 좋음이 쉽게 예측된다.
특히 실시예 9는 우수하다.
또, 추수성은 유체와의 비중차와 입자경에 반비례하므로 실시예 10의 입자와 비교예 8의 입자를 비교하면 흐름에 대한 추수성이 거의 동일레벨로 생각되지만, 단면적은 실시예 10의 입자쪽이 약 25배 크기 때문에 사진촬영을 사용한 방법에 있어서, 산란광강도가 강해지는 것을 쉽게 알 수 있다.
산란광강도가 보다 강한 쪽이 보다 높은 계측정밀도를 얻을 수 있다.
결국, 유체와의 비중차가 작은 만큼, 큰 시딩입자를 사용할 수가 있으므로, 시딩입자가 크로즈드포어를 가져서 그 크로즈드포어를 이용해서 입자의 비중을 조절할 수 있다고 하는 것은 프랫쉬램프와 펄스레이저등의 순간적이고 강력한 광원을 이용해서 시딩입자의 분포를 사진촬영하는 때에 있어서 커다란 의의가 있다.
[실시예 11]
제조예 1에서 제조한 입자에 무전해도금법을 이용하는 것에 의해 막두께 약 0.05μm의 Ni도금을 실시한 시딩입자를 이용해서 실시예 7과 동일의 조건에서 계측실험을 행했다.
그 결과를 표9에 나타낸다.
표5~7,9를 비교하면 실시예 11의 유효데이타율은 실시예 7, 비교예 6 및 7에 비교해서 높은 것을 알 수 있다.
[실시예 12]
평균입자경 1.5μm, 표준편차 0.3μm의 SiO에서 이루어지는 다공질의 중공 구형 시딩입자(외피의 두께는 입자의 직경에 대해서 1/5)를 이용해서 메져링 호일식 분체필더((주) 리키도가스제, MSF-F) 및 스크류필더에 의해 공급테스트를 행했다.
(어느쪽도 공급량이 매분 0.3g이 되도록 설정했다.)
메져링 호일식 분체필더, 스크류필더의 쌍방모두 높은 정밀도에서 공급할 수가 있었지만, 특히 메져링호일식 분체필더를 이용하면, 시딩입자를 0.3±0.01g/min의 정밀도로 유체에 공급할 수가 있고, 스크류필더보다도 약 5배 높은 공급정밀도를 얻을 수 있었다.
레이저계측 장치에 이용한 유체흐름의 계측에 있어서 계측장치 ±즉 유체의 입자의 공급정밀도가 높으면, 상기 계측장치에 있어서 얻어지는 계측정밀도도 당연히 높은 것이 간단히 예측된다.
[비교예 10]
종래부터 이용되고 있던 응집성이 있는 평균 입자경 1.5μm인 SiO에서 이루어지는 시딩입자를 이용해 실시예 12에서 사용한 메져링호일식 분체필더 및 스크류필더에 의한 공급테스트를 행했다.(어느 쪽도 공급량이 매분 0.3g가 되도록 설정했다.)
메져링호일식 분체필더에서는 시딩입자가 응집해버려서 시딩입자를 공급할 수 없었다.
스크류필더에 의해 시딩입자의 공급정밀도는, 0.3±0.14g/min이고, 실시예 12와 비교하면 구형의 시딩입자를 사용한 쪽이, 레이저계측 장치에로의 공급 정밀도가 높은 것을 알았다.
레이저계측 장치를 이용한 유체흐름의 계측에 있어서, 유체입자의 공급 정밀도가 높으면 상기 계측장치에 의해서 얻어지는 계측정밀도도 당연히 높은 것이 쉽게 예측된다.
[실시예 13 및 비교예 11]
종래부터 이용되고 있는 비응집성이고 평균입자경 5μm인 TiO에서 이루어지는 시딩입자를 이용해서 각각 실시예 12에서 사용한 메져링호일식 분체필더(실시예 13에 상당) 및 스크류필더(비교예 11에 상당)에 의한 공급테스트를 행했다.(어느쪽도 공급량이 매분 0.3g이 되도록 설정했다.)
공급정밀도는 각각 0.3±0.02g/min, 0.3±0.08g/min이고 메져링호일식 분체 필더의 쪽이 뛰어난 것을 알았다.
이상의 실시예와 비교예를 통해 살펴본 바와 같이 본 발명은 시딩입자로서 세라믹의 다공질입자를 이용한 광계측장치에 의해 유체의 흐름을 계측하는 방법에 관한 것이고 상기 시딩입자가 직경 0.05~150μm의 구형입자인 것을 특징으로 한다.
또한 시딩입자를 이용 광계측장치에 의해 유체흐름을 계측하는 방법에 있어서, 메져링호일식 분체필더에 의해, 비응집성의 시딩입자를 레이저계측 장치등의 광계측장치에 공급하는 것에 관한 것이다.

Claims (14)

  1. 시딩입자로서 세라믹의 다공질입자를 이용한 광계측장치에 의해 유체 흐름을 계측하는 방법에 있어서, 상기 시딩입자가 직경 0.5~150μm의 구형입자인 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 계측방법.
  2. 제1항에 있어서, 레이저돕프러 유속계등의 레이저계측 장치를 이용해서 유체온도를 계측하는 방법에 있어서, 상기 시딩입자가 직경 0.5~10μm의 구형입자인 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 계측방법.
  3. 제1항에 있어서, 프랫쉬램프와 펄스레이저등의 순간적이고 강력한 광원을 이용해서 시딩 입자의 분포를 사진촬영하는 것에 의해 유체의 흐르는 방향을 계측하는 유체 흐름의 계측방법에 있어서, 상기 시딩입자가 직경 5~150μm의 구형입자인 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 계측방법.
  4. 제1항에서 3항중 어느 한 항에 있어서, 계측하려고 하는 유체가 가스이고, 상기 시딩입자가 중공구형 입자인 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  5. 제1항에서 3항중 어느 한 항에 있어서, 계측하려고 하는 유체가 액체이고, 상기 시딩입자가 크로즈드포어를 가지는 세라믹 다공질에서 이루어지고, 상기 크로즈드포어의 용적이 0.1cm3/g이상인 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  6. 제1항에서 3항 또는 5항중 어느 한 항에 있어서, 계측하려고 하는 유체가 액체이고 표면상에 금속이 코팅된 시딩입자를 이용하는 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  7. 제6항에 있어서, 무전해도금법에 의해 금속을 코팅하는 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  8. 제6항 또는 7항에 있어서, 상기 금속이 니켈인 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  9. 제1항에서 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 시딩입자 혹은 시딩입자의 세라믹부분이 SiO2에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  10. 제1항에서 9항중 어느 한 항에 있어서, 70% 이상의 시딩입자가 입자경이 평균입자경 ±50%의 범위내인 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  11. 제1항에서 10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 시딩입자 혹은 시딩입자의 세라믹 부분이 역미셀법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
  12. 제11항에 있어서, 시딩입자원료를 함유하는 수용액 혹은 시딩입자의 세라믹 부분의 원료를 함유하는 수용액을 구멍지름이 거의 균일한 다공질 유리막 혹은 구멍지름이 거의 균일한 가는 구멍을가지는 고분자막에서 유기 용매에 밀어내서 역미셀을 형성하는 것에 의해 상기 시딩입자 혹은 시딩입자의 세라믹 부분을 제조하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 계측방법.
  13. 제1항에서 12항중 어느 한 항에 있어서, 메져링 호일식 분체필더에 의해 상기 시딩입자를 계측하려고 하는 유체에 공급하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 계측방법.
  14. 시딩입자를 이용한 광계측장치에 의해 유체흐름을 계측하는 방법에 있어서, 메져링호일식 분체필더에 의해 비응집성의 시딩입자를 레이저계측 장치등의 광계측장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 유체흐름의 계측방법.
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