KR970009161B1 - 열선유속계 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열선유속계

제1도는 본 발명에 따른 열선유속계의 개략적인 구성 회로도이다.

제2도는 종래의 열선유속계 중에서 유체의 온도를 보상하기 위한 브릿지를 포함하는 회로도이다.

제3도는 본 발명의 일실시예에 따라 유속계의 브릿지에 적절한 크기의 전압형태의 온도정보를 부가하기 위한 전압조정회로도이다.

제4도는 본 발명의 일실시예에 따라 반도체 온도센서를 이용하여 유소계의 출력을 보상한 경우에 출력전압을 나타내는 도표이다.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 따라 열전대의 출력전압을 이용하여 유속계의 온도를 보상한 도표이다.

제6도는 제5도의 출력전압을 증폭회로를 이용하여 상기의 출력을 실제로 증폭한 유속계의 신호를 나타내는 도표이다.

제7도는 본 발명에 따라 이차원이상의 유동측정에 사용되는 2축 또는 3축열선유속계를 한 개의 온도정보로 보상하기 위한 개략도이다.

* 도면의 주요 부부에 대한 부호의 설명

1: 1' B₁,B₂,B₃:브릿지

2:직류 증폭기 3:온도센서

4:온도증폭기 5:전압조정장치

6:출력처리수단

발명의 분야

본 발명은 열선유속계의 온도보상에 관한 것으로 보다 상세하게는 열선유속계의 온도보상을 위해 유체의 온도정보를 전압의 형태로 브릿지에 부가하여 열선유속계의 속도에 따른 출력이 유체의 온도에 따라 변화하는 것을 보상하기 위한 것이다. 즉 유속이 일정한 경우 유체의 온도가 변화하여도 동일한 출력이 얻어지는 유속계의 구성에 관한 것이다.

열선유속계는 열선과 주위유체사이의 대류열전달현상을 이용하여 유동속도를 측정하는 장치로서 실험유체역학분야, 전자제어 자동차용 공기유랑계 등 그 응용분야는 매우 넓다.

그러나 열선주위의 대류열전당양은 유체의 속도 뿐만 아니라 열선과 주위 유체사이의 온도차에 따라 변화하므로 유체의 온도변동을 보상해 주지 않으면 유속측정에 많은 오차가 발생하게 된다.

본 발명은 유체의 온도가 변동하면 변화에 대응하는 적절한 양의 보상 전압을 유속계 브릿지에 가감하여 유송계의 출력이 오직 속도에 의해서만 변화하도록 하는 장치의 구성에 대한 것이다.

기본적으로 정온도형 열선유속계의 부귀환회로를 채택하여 빠른 주파수 응답특성을 갖도록 설계하고 열선주위의 대류열전달 방정식과 브릿지방정식을 해석하여 온도보상을 위하여 유속계에 가해야 할 적절한 크기의 전압과 그 조정계수를 구하고 회로를 구성하였다.

선행기술의 설명

열선유속계는 유속, 특히 난류(Turbulence)를 측정하는 장치로서 정온도형 열선유속계(CTA:Constant Temperature Anemometer)와 정전류형 열선유속계(CCA:Constant Current Anemometer)가 있으나 현재는 부귀환제어이론(Negative Feedback Control Theory)을 적용한 정온도형 열선유속계가 정전류형 열선유속계 보다 빠른 주파수 응답특성을 비롯한 많은 장점을 가지고 있어서 널리 사용되고 있다.

가는 열선의 온도를 주위 유체보다 높게 유지할 때, 그 열선으로부터 유체로의 열손실이 발생한다. 즉 유체의 속도가 빨라지면 열손실량이 커지며, 그 열손실량을 측적하면 속도를 계산해 낼 수 있다. 이와 같은 원리를 이용한 열선유속계가 지난 40여년간 널리 사용되어 왔으며 최근에는 반도체 기술의 발달로 유속계의 정밀도 및 신뢰성 향상이 이루어졌다.

열선유속계의 출력에 영향을 주는 대표적인 인자로는 유체의 속도와 온도가 있다. 유속계를 이용하여 속도에 관계된 여러 자료를 얻으려는 경우 대기의 온도가 상승하거나 폐쇄형 풍동내에서 모형실험을 행하는 경우 내부의 온도가 변화도면 유속계를 새로운 온도에 대하여 보정하거나 여러 온도 범위에 대하여 수행된 보정곡선을 이용해야 한다. 또한 전자제어 자동차용 공기유량계의 경우 대단히 넓은 온도 범위에서 동작하기 때문에 속도신호의 온도보정은 반드시 필요하다.

이를 이론적으로 살펴보면, 열선 주위의 유체속도와 대류열전달과의 관계는

E² _w=hA_s(T_w-T_a)R_w

로 표시되는데 주위 유체의 온도가 일정하게 유지될 때 대류열전달 계수 h는 속도만의 함수이고 A_s(T_w-T_a)R_w는 열선의 표면적, 열선과 주위유체의 온도차와 열선의 작동저항의 곱이니데 정온도형 열선유속계의 경우 유속계의 특성상 일정한 값이 되어 유속계 출력전압과 유체속도간에 관계가 얻어진다.

그러나 주위 유체의 속도 뿐만 아니라 온도가 변화하는 경우 h값 즉, 속도 영향 이외에도(T_w-T_a)가 변화하게 된다. 식에서 알 수 있드시 동일한 속도 조건에서도 주위 유체 온도 T_a의 변화에 따라 유속계의 출력이 변하여 오차를 발생시킨다.

제2도는 종래의 대표적인 열선유속계를 도시한 회로도로서 에스에이이(SAE) 860406호 또는 영국에서 발간된 저널오브피직스이(Journal of Physics E:Sientific Instrument)19(1986)의 739-743페이지에 개시된 것과 같은 것이다.

종래에는 열선유속계 온도보상을 위하여 육계의 브릿지(1)에 열선저항 R_s과 대칭적으로 온도보상을 위해 온도센서(3)인 저항 Rt를 추가하여 열선이 위치니는 지점의 온도환경 Ta와 동일한 변화가 열선 R₂과 온도보상검출 저항 R₁에 대칭적으로 나타나도록 하여 온도에 의한 변동을 상쇄시키는 것이다. 또한 열선 B_s과 보상저항 R_t의 온도계수 α가 다른 경우 이를 조절하는 가변저항 R_a를 추가로 브릿지(1)에 삽입하여 보상을 행한다.

여기서 R_c는 고정저항이고, R_b는 열선의 과열비를 정하는 가변저항익고 B+는 전압을 가리킨다.

현재 유체의 온도를 측정하여 전압압 출력하는 계수기는 반도체 온도센서형, 열전대형, 더미스터형등으로 많이 개발되어 있으나 이것을 유속계의 온도 바상에 이용하는 응용기술은 세계적으로 개발되어 있지 않다. 또한 상기의 방법은 이차원 이상의 유동측정을 위해 2축 또는 3축열선을 이용하는 경우 같은 수의 온도 보상저항 즉 온도센서를 열선과 근접한 위치에 설치하여 열선센서를 제작해야 하므로 그센서의 크기가 매우 커지는 단점이 있다.

따라서 상기와 같은 단점을 극복하고 여러형태의 온도증폭기 출력을 열선유속계의 속도보상에 이용하여 주위 유체의 온도가 변동하여도 속도가 일정하 경우 동일한 유속계 출력을 얻을 수 있는 방법이 필요하게 되었다.

발명의 요약

따라서 본 발명의 제1목적은 유체의 온도변화에 대응하는 전압을 검출하여 온도보상에 필요한 양으로 변환한 후 브릿지에 가하여 속도가 일정한 경우 동일한 유속계의 출력을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2목적은 상기의 방법에 의한 열선유속계를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 온도변화에 따라 온도계측기 출력을 유속계브릿지에 적절한 크기의 전압형태의 변환하기 위한 조정회로를 구성하고 전체 열선유속계를 제공한다.

먼저 열선주위의 대류열전달 방정식과 부귀환브릿지방정식을 연립하여 이론적 타당성을 검토한다.

실험적으로 발명의 타당성을 검토하기 위하여 대표적인 두가지 온도측정장치인 열전대형(일본 YEW제품)측정기와 반도체 온도소자(미국 National Semiconductor제품)을 이용하여 이들의 출력을 본 발명에 적합하도록 변경하여 유속계의 출력에 가한다.

유체 속도와 온도가 가변되는 노즐의 출구에서 유속계를 실험하여 유체의 온도가 아무리 변화하여도 정확한 속도를 검출하는 본 장치의 타당성을 보인다.

본 발명의 다른 목적과 특징, 장점은 관련된 도면과 실시예를 통한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

개선된 발명의 상세한 설명

일반적으로 열선유속계는 열선센서를 포함하는 브릿지와 브릿지의 저항변화를 검출하는 증폭기를 포함하여 구성된다.

제1도는 본 발명에 의한 열선유속계의 브릿지(1')를 구성하는 개념도로서 제2도에 도시한 열선유속계의 브릿지(1)와는 달리 온도센서(3)에서 검출한 온도정보를 온도증폭기(4)를 통해 선형적으로 증폭하고 전압조정수단(5)를 통해 전압의 형태로 브릿지(1')에 인가하는 방법을 도시한 것이다. 한편 7은 온도전압을 검출하는 것을 가리킨다.

제1도에 도시한 본 발명에 의한 회로를 해석하고 온도에 의한 영향을 보상할 수 있는 적절한 전압을 구하기 위하여 먼저 열선주위의 대류열전달 방정식과 부귀환회로의 브릿지방정식 그리고 금속열선의 온도저항 관계식을 이용한다.

제1도의 회로에서, R_w는 유동장에 놓이는 열선 센서이며, R_1,R₂는 고정저항이고 R₃는 가변저항으로 앞으로 설명할 온도보상이론으로 조정되면 고정저항으로 취급될 수 있다. R_x는 가변저항으로 그 값의 조정은 뒤에 설명된다. 이 브릿지(1')는 이득(Gain)이 매우 큰 직류증폭기(2)에 부귀환이 되도록 연결되어 있으며 E_t는 유속계의 온도보정을 위해 가하는 전압이다.

직류증폭기(2)는 E₁과 E₂의 차이가 0이 되는 방향으로 작용하고 R_w+R_w를 R₄라 두면 전압분할의 원리에 의해

이 된다.

종래의 열선유속계의 R_w가 외부의 영향에 대하여 일정한 저항값 즉정온도를 유지하는 것과 다르게 E_t의 변화에 따라 변화하는 것을 알 수가 있다.

또한 본 발명에 의한 장치에서는 종래의 열선유속계에서 그 출력을 브릿지상단(3)에서 검출하는 것과는 달리 브릿지(1')의 고정저항 R₁에서 출력을 검출한다.

저항 R₁과 R'_w은 직렬연결 되어 있으며 증폭기의 입력임피던스(input impedance)는 무한대이므로 저항 R₁에 흐르는 전류 I는 모두 열선 R_w을 지나게 된다. 열선 R_w에 흐르는 전류 I는 대류열전달 방정식으로부터 구할 수 있으며 출력전압 E*를 이 전류 I와 저항으로 표시할 수 있다.

여기서 열선 R_w의 저항온도 관계식 R=R₀(1+αT)를 사용하여 열선 R_w과 외부유체의 온도 T_a를 저항의 형태로 나타니면 최종적인 출력방식은

이 된다. 만약 R_x를

로 조정하면 분모는 단순화되고 R₂는 약분된다.

만약 온도 보상전압 E_T를 E_T=(1+αT_a)로 브릿지에 가한다면 완벽한 온도 보상이 이루어지며 이때 그 출력은

으로 표시되어 목적하는 유속계의 출력신호 E·는 외부유체의 온도변화에 관계없이 속도 즉, h값에 의해서만 변화하게 된다.

이상의 이론적 해석을 통하여 본 발명의 타당성을 검토하였다. 종래의 정온도형 열선 유속계와 비교해볼 때 저항 R_x와 온도보상전압 E_T가 추가된 것이 가장 큰 특징이다.

이하 관련된 도면을 통하여 실시예와 특징을 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 유속계의 브릿지(1')에 적절한 크기의 전압형태의 온도정보를 부가하기 위한 조정회로의 일실시예이다.

제3도를 참조하여 조정회로의 동작을 설명하면, 온도센서(3)에서 감지된 유체의 온도 T_a에 선형적으로 비례하는 출력을 받아 그 비례계수가 α가 되도록 가변 저항(VR1)의 저항값이 조정되면, 가변저항(VR2)과 기준전압(+15V)은 상수 1을 생성하기 위한 것이다.

상기 각 가변저항(VR1, VR2)에 연결된 연산 증폭기(OP1,OP2)는 입력신호를 감쇄없이 전달하는 버퍼(Buffer)전압팔로워이며, 상기 연산 증폭기(OP1)의 출력단 전압은 변수 αT_a에 해당하는 값을 가지고, 연산 증폭기(OP2)의 출력단 전압은 상수 1에 해당하는 값을 가진다.

상기 각 연산 증폭기(OP1,OP2)의 출력신호는 연산 증폭기(OP3)의 비반전 입력단에 인가되며, 상기 연산 증폭기(OP3)는 가산기로서 동작한다. 상기 연산 증폭기(OP3)의 가산 동작에 의해 연산 증폭기(OP3)의 출력단 전압은(1+αT_a)에 비례하는 값을 가진다.

상기 연산 증폭기(OP3)의 출력신호를 입력으로 하는 연산 증폭기(OP4)는 전압 팔로워(voltage follower)로 동작하며, 상기 연산 증폭기(OP4)의 출력신호는 가변저항(VR3)을 거쳐 연산증폭기(OP5)의 비반전 입력단에 인가된다. 상기 가변저항(VR3)은 계수 γ를 생성하기 위한 것이며, 증폭기로 동작하는 연산 증폭기(OP5)의 출력단 전압은 γ(1+αT_a)에 해당하는 값을 가진다. 상기 연산 증폭기(OP5)의 출력신호는 브릿지(1')에 가해지며, 가변저항(VR3)에 의해 결정되는 γ의 크기는 열선의 과열비와 출력감도에 관련된다. 즉 가변저항(VR3)의 저항값을 조정하여 γ를 크게하면 출력감도가 좋아진다.

제4도는 본 발명에 의한 장치의 결과를 반도체 온도센서인 AD590회로를 이용하여 유속계의 출력을 보항한 경우이다. AD590 온도센소는 0℃에서 0 볼트, 100℃에서 10볼트의 선형적 출력특성을 갖는다. 실험에서 유체의 온도가 25℃에서 78℃로 변화하여도 한선에 잘일치함을 알 수 있다.

제5도의 E^*는 열전대의 출력전압을 이용하여 유속계의 온도를 보상한 것이다. 실험에서 사용한 열전대는 CC(Copper Constantan)형식이며 증폭기(일본 YEW제품)는 0℃에서 0볼트, 100℃에서 1볼트의 선형적 출력특성을 갖는다. 제4도와 제5도에서 처럼 출력특성이 다른 온도센서를 사용할 경우에는 제3도의 전압조정기에서 처음의 비례계수 α를 다르게 조정하면 된다.

제6도의 증폭된 E^*는 출력전압 E*에 증폭회로를 이용하여 증폭된 유속계의 신호이다. 증폭회로는 E^*의 전압에 수정을 가하여 출력감도를 향상시키기 위한 회로도이다. 속도 0m/s에서의 출력이 0이 되도록 -5.26볼트의 전압을 가했으며 이후에 약7배를 증폭하였다. 처음 유속계의 감도는 약 0.8볼트/15m였으나 신호처리 후 약 2.5볼트/15m의 특성을 보인다.

제7도는 이차원이상의 유동측정에 사용되는 2축 또는 3축열선유속계를 한 개의 온도정보로 보상하기 위한 개념도이다. 기존의 방법으로 각각의 열선들에 대한 온도보상을 하기 위해서는 동일한 수의 온도보상용 열선 센서가 사용되어 그 센서의 부피가 커지고 유동장의 교란을 가져올 수 있으나 본 발명을 이용하면 한 개의 온도정보 E_T로 각각의 브릿지(B₁,B₂,B₃)에 가해주는 비례계수들 만을 조절하여 온도보상을 행할 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 열선유속계에서는 온도변화에 대응하는 전압신호를 검출하여 온도보상에 필요한 양으로 변환하여 브릿지에 가함으로써 열선유속계의 출력을 보상하는 것이다.

Claims (2)

1. 열선센서를 갖는 브릿지(1')와 ; 상기 브릿지의 출력을 증폭하는 직류증폭기(2)를 포함하는 열선유속계에 있어서, 상기 열선센서가 놓이는 유동장의 온도를 측정하는 온도센서(3)와, 상기 온도센서에서측정된 유체온도(T_a)에 온도저항계수(α)배에 해당하는 값이 출력되도록 하는 제1증폭기(OP1)와, 1의 값이 출력되도록 하는 제2증폭기(OP2)와, 상기2개의 출력값을 합하는 제3증폭기(OP3)를 포함하는 온도보상전압조정장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 열선유속계.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도보상전압장치는 상기 제3증폭기(OP3)의 출력값을 증폭하는 증폭기(OP5)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 열선유속계.