WO2012067281A1 - 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법 - Google Patents

가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법 Download PDF

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김성원
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박정익
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Definitions

  • the present invention relates to a gas flow rate measuring apparatus, and more particularly, to a gas flow rate measuring apparatus and a gas flow rate measuring method capable of improving measurement reliability and selectively measuring only a flow rate of a specific gas.
  • the measurement of the gas flow rate is measured by measuring the gas flow rate, measuring the distance traveled per unit time of the gas, and multiplying the flow cross section at the point where the flow rate is measured.
  • the method of measuring the flow rate of only a specific gas when several kinds of gases are mixed and calculated by measuring the concentration of the specific gas in the total gas and calculating the ratio of the specific gas in the total flow rate.
  • the types of flowmeters currently used mainly include differential pressure type, turbine type, area type, ultrasonic type, and electronic flow rate meter.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a type and operation method of a general flow meter.
  • the differential pressure flow meter measures part of the cross-sectional area of the pipe through which the fluid flows by using a blocking membrane having a permeable opening, thereby measuring a difference in pressure generated at both ends of the blocking membrane and converting the flow rate into a flow rate.
  • Turbine-type flow meter is installed in the center of the pipe through which the fluid flow as shown in Figure 1 (b) to measure the rotational speed of the rotor rotating in accordance with the flow of the fluid to convert the flow rate.
  • the area type flow meter measures the amount of elastic displacement caused by the flow rate by installing an elastic displacement element in the flow direction of the fluid, or by installing the elastic displacement element in a funnel-shaped passage.
  • the displacement of the elastic displacer generated by competing with gravity is measured and converted into flow velocity.
  • the ultrasonic flowmeter measures the speed change amount of the ultrasonic wave according to the flow rate and converts the flow rate into the flow rate using the difference in the transmission speed of the ultrasonic wave corresponding to the flow rate.
  • the electronic flowmeter measures an amount of change in the electric field corresponding to the flow rate by converting the flow rate by applying an external electric field to the gas having a charge as shown in FIG.
  • the differential pressure, turbine type, and area type flowmeters require a separate calibration according to the type of gas to be measured.
  • the difference in pressure across the barrier membrane is proportional to the amount of impact generated by collision of gas molecules in the barrier membrane.
  • the impact amount is due to the change in the momentum caused by the gas molecules impinging on the barrier membrane.
  • the momentum is defined as the product of mass and velocity as defined in Newtonian mechanics, so even if the same momentum changes or impact amount, the molecular weight of the gas molecules If is large, the speed is different. Therefore, in the case of using a differential pressure flow meter, it is necessary to know in advance the type of gas to be measured, or to correct in advance the difference in pressure across the barrier for the same condition, that is, the same gas flow condition. This calibration applies equally to turbine-type or area-type tachometers.
  • the differential pressure, turbine type and area type flow meter has a problem that it is not possible to measure the change in flow rate in real time when the flow rate changes rapidly with time.
  • a differential pressure flow meter when the flow rate changes rapidly, a pressure difference occurs at both ends of the barrier membrane in proportion to this.
  • the fluid indicative of the pressure difference corresponds to the pressure difference, and the fluid fluctuates up and down, and it takes a considerable time for the fluctuation to stabilize.
  • a viscous fluid is used as a fluid indicating a difference in pressure, a change in pressure applied to both ends of the barrier layer due to the high viscosity cannot be reflected in real time.
  • differential pressure, turbine type and area type flowmeters have a disadvantage that they can only be used when the flow rate changes very slowly with time.
  • Ultrasonic tachometers are affected by external noise and the transmission speed of sound waves varies depending on the temperature, so when using an ultrasonic tachometer, you should cut off external noise or use it in places where there is little noise, and measure the temperature separately to compensate for this. There are disadvantages to be given.
  • Electronic flowmeters have limitations in that they can only measure the flow rates of gas molecules in ionic states or gases with high electrical polarity because gas molecules must have charges.
  • a separate calibration is required according to the type of gas to be measured, more precisely, the amount of charge in the gas molecules.
  • the conventional flowmeter has a problem in that the flow rate cannot be measured by selecting only a specific gas when several kinds of gases are mixed.
  • the conventional flowmeter measures the average flow rate of the entire gas, it is not possible to distinguish the difference in the flow rate of each gas, which may cause a significant error when the flow rate of the gas is converted into an economic value.
  • the velocity of a gas molecule is inversely proportional to the square root of the mass of the gas molecule. For example, when a mixture of nitrogen and carbon dioxide flows, a flow rate of carbon dioxide of 1 is about 25% faster than this. However, the existing flowmeters cannot distinguish between these flow rates, so the average flow rates of nitrogen and carbon dioxide are measured. Therefore, if the flow rate of carbon dioxide is measured and converted into economic value, the value of the evaluation can be further calculated. There is this.
  • the conventional flowmeter measures the average flow rate of the entire gas. The value close to the flow rate will be measured. Specifically, if the exhaust gas is nitrogen and carbon dioxide, since the concentration of oxygen in the atmosphere is about 20%, the concentration of carbon dioxide is 10% at the time of complete combustion.
  • the carbon dioxide is fed to the maximum concentrations of nitrogen and carbon dioxide are respectively 8/9 and 1/9 are determined by the moving speed of the gas in the measurement if the flow rate of the conventional tachometer effective mass (m e).
  • the effective mass m e is defined as in Equation 1.
  • the molecular weight of nitrogen is 28, and the molecular weight of carbon dioxide is 44, so that a gas having a molecular weight of about 29.8 is discharged.
  • the conventional flow meter is to measure the flow rate of the gas having a molecular weight of 29.8.
  • the molecular weight of carbon dioxide is 44, which corresponds to 0.82 times the value measured with a conventional flowmeter.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to provide a gas flow rate measuring apparatus that can improve the real-time measurement reliability and can select and measure only a specific gas.
  • another object of the present invention is to provide a gas flow rate measuring method which can improve real-time measurement reliability and can select and measure only a specific gas.
  • Gas flow rate measuring apparatus for achieving the above object of the present invention, and emits light of a wavelength absorbed by a specific gas to measure the flow rate of the mixed gas containing at least one gas and At least one gas detector for detecting emitted light and providing a detection signal corresponding to the detected amount of light, and a controller for calculating a flow rate of the specific gas to be measured based on the detection signal provided from the gas detector.
  • the gas flow rate measuring device may further include a gas processing unit that generates a disturbance in the flow of the mixed gas to measure the flow rate of the specific gas to be measured.
  • the gas processing unit may be configured to inject an indication gas having the same concentration as that of the specific gas to be measured but having a higher concentration than the specific gas.
  • the gas processing unit may be configured to generate a vortex in the mixed gas.
  • Each of the at least one gas detector may include a first light source that emits light having a wavelength absorbed by the specific gas, and a light source that detects the light emitted from the first light source and provides a first detection signal corresponding to the detected light amount.
  • a photodetector and a second light source and a second light source which are installed at a predetermined distance apart from the first light source in the same direction in which the mixed gas moves and emit light having a wavelength absorbed by the specific gas;
  • a second light detector for detecting light and providing a second detection signal corresponding to the detected light amount, wherein the first light path and the second light source are moving directions of light between the first light source and the first light detector;
  • a second optical path that is a traveling direction of light between the second photodetector and the second optical path may be parallel to each other, and the first optical path and the second optical path may be perpendicular to the flow direction of the mixed gas.
  • the controller may calculate the speed of the specific gas to be measured based on the provided first detection signal and the second detection signal.
  • the at least one gas detector is located at a first position L1 from a preset reference position, and emits light having a wavelength absorbed by the specific gas at a first time t1 and detects the emitted light.
  • a first gas detector which provides a detection signal corresponding to the amount of light, and is located at a second position L2 from the preset reference position, and emits light having a wavelength absorbed by the specific gas at a second time t2;
  • a second gas detector which detects the emitted light and provides a detection signal corresponding to the detected amount of light and is located at a third position L3 from the preset reference position, and absorbed by the specific gas at a third time t3
  • a third gas detector configured to emit light of a wavelength and detect the emitted light to provide a detection signal corresponding to the detected light amount.
  • the controller calculates a first speed v1, a second speed v2, and a third speed v3 based on detection signals provided from the first gas detector, the second gas detector, and the third gas detector, respectively.
  • the terminal speed of the specific gas may be measured based on the calculated first speed v1, second speed v2, and third speed v3.
  • the gas flow rate measuring method for achieving the above object of the present invention, generating a disturbance in the flow of the mixed gas containing at least one gas, and the flow of the disturbed mixed gas Emitting light of a wavelength absorbed by a specific gas to be measured for flow rate and detecting the emitted light to provide a detection signal corresponding to the detected amount of light; and based on the provided detection signal, the specific gas to be measured Calculating the flow rate of the gas.
  • the indicator gas having the same concentration as that of the specific gas and having a higher concentration than the specific gas is injected for measuring the flow rate of the specific gas to be measured. can do.
  • Disrupting the flow of the mixed gas containing the at least one gas may generate a vortex in the mixed gas.
  • Emitting the light of a wavelength absorbed by a specific gas to measure the flow rate of the mixed gas flowing through the disturbed flowing gas and detecting the emitted light to provide a detection signal corresponding to the detected amount of light the specific light source in the first light source Emitting light having a wavelength absorbed by the gas, detecting light emitted from the first light source and providing a first detection signal corresponding to the detected amount of light; And emitting light having a wavelength, and detecting light emitted from the second light source and providing a second detection signal corresponding to the detected light amount.
  • the calculating of the flow rate of the specific gas to be measured based on the detected signal may include calculating the flow rate of the specific gas to be measured based on the first detection signal and the second detection signal.
  • Emitting the light of the wavelength absorbed by the specific gas to measure the flow rate of the flow of the disturbed mixed gas and providing the detection signal corresponding to the detected amount of light by detecting the emitted light, at the point where the disturbance occurs Emitting light having a wavelength absorbed by the specific gas at a first time t1 at a position spaced apart by a first distance L1, and detecting the emitted light to provide a detection signal corresponding to the detected light amount; And emitting light having a wavelength absorbed by the specific gas at a second time t2 at a position spaced apart by a second distance L2 from the point where the disturbance occurs and corresponding to the detected light amount by detecting the emitted light.
  • the calculating of the flow rate of the specific gas to be measured on the basis of the provided detection signal may include detecting signals provided at the first time t1, the second time t2, and the third time t3, respectively.
  • the terminal velocity of the specific gas to be measured may be calculated based on the first distance L1, the second distance L2, and the third distance L3.
  • the gas flow rate measuring device and the gas flow rate measuring method as described above a separate pre-calibration is not required for gas measurement, and accurate flow rate measurement is possible in real time even with a rapid flow rate change of gas.
  • a separate pre-calibration is not required for gas measurement, and accurate flow rate measurement is possible in real time even with a rapid flow rate change of gas.
  • only the flow rate of the specific gas may be selectively measured, and the emission of the specific gas may be accurately calculated.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a type and operation method of a general flow meter.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the flow rate of a gas according to the molecular weight of the gas molecule.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a disturbance in a gas to be measured in a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a disturbance in a gas to be measured in a gas flow rate measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring a moving speed of a disturbed gas after a disturbance occurs in a gas flowing in a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a configuration of a gas flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a more detailed configuration and operation principle of the gas detection unit illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • control unit 160 display unit
  • communication interface unit 180 gas guide unit
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • Equation 2 The kinetic energy of the gas molecules is in relation to the absolute temperature T in the free space, and a relational expression as in Equation 2 is established.
  • Equation 2 m is the mass of the gas molecules, v is the velocity, k is Boltzmann constant, T is the absolute temperature.
  • T is the absolute temperature.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the flow rate of a gas according to the molecular weight of the gas molecule.
  • FIG. 2 describes the flow rate of the gas according to the molecular weight of the gas molecules, the center passage of the two closed rooms (Room1 and Room2) having the same volume is installed, the passage is blocked by a shut-off valve
  • the pressure in each room is P1 and P2, where P1> P2.
  • the intermediate shut-off valve is opened while carbon dioxide and nitrogen are mixed in a room having a pressure of P1, carbon dioxide and nitrogen diffuse into another room (Room2) by the pressure difference.
  • Room2 whose pressure is P2, is filled with another kind of gas.
  • Equation 2 shows the relationship between the molecular weight and the moving speed.
  • Equation 3 since the molecular weight of carbon dioxide is 44 and the molecular weight of nitrogen is 28, the moving speed of nitrogen is about 1.26 times faster than the moving speed of carbon dioxide. In this situation, if the flow rate of carbon dioxide is measured by a conventional flowmeter, it can be measured as high as 26%.
  • the gas flow rate measuring apparatus and the gas flow rate measuring method in order to selectively measure the flow rate of a specific gas in a mixed gas, a physical stimulus to which the specific gas reacts or insert an indicator to insert the indicator.
  • the flow rate of the specific gas to be measured is selectively measured by facilitating the identification and measurement of the flow rate of the specific gas and then measuring the moving speed of the specific gas.
  • Gas flow rate measuring apparatus and method uses the light absorption characteristics of the gas molecules as a basic principle for selectively measuring the flow rate of a particular gas in the mixed gas.
  • gas molecules are bonded to two or more atoms and have vibrational energy corresponding to the binding energy state of two atoms.
  • the vibration energy is inherent to the binding state and absorbs light having a wavelength (or frequency) resonating with the vibration energy to transition to a high energy level or to emit light to transition to a low energy level.
  • This transition has the property of absorbing light of a particular wavelength (or frequency) because its energy state is quantized.
  • carbon dioxide has very good absorption characteristics for light having a wavelength of 4.26 ⁇ m, methane is about 3.4 ⁇ m, carbon monoxide is 4.64 ⁇ m, and ammonia is light having a wavelength of 10.5 ⁇ m. It has strong absorption characteristics compared to other wavelength bands. This property of light absorption is due to the inherent physical properties of gas molecules.
  • the moving speed (ie, flow rate) of only a specific gas in the mixed gas is measured using the light absorption characteristics of the gas molecules.
  • the moving speed of carbon dioxide light having a wavelength of 4.26 ⁇ m is used, which is similar to measuring the moving speed of carbon dioxide using special glasses that can see the movement of carbon dioxide only.
  • physical disturbance is generated in the flow of the target gas to be measured, and the velocity of the gas moving while the disturbance is maintained is measured.
  • Beer-Lambert theory defines the correlation between gas concentration and the amount of light transmitted when a gas molecule absorbs light of a particular wavelength.
  • the path through which light emitted from the light source reaches the photo detector is called an optical path.
  • Gas molecules located on the optical path absorb some of the light emitted from the light source and transmit some of it.
  • the gas concentration and the amount of light detected by the photo detector are inversely proportional to each other.
  • This relation can be derived as follows.
  • the concentration of gas molecules is zero, the amount of light reaching the photodetector is I 0 , and the amount of light remaining partially absorbed for any gas concentration X is I. If the gas concentration is changed by the minute defense dX, the amount of light is minute.
  • the relationship with the change dI is represented by a differential equation such as Equation 4.
  • Equation 4 ⁇ represents a light absorption rate of a gas molecule and is not related to light quantity, and may be defined as light absorption rate for a unit concentration.
  • ⁇ represents a light absorption rate of a gas molecule and is not related to light quantity, and may be defined as light absorption rate for a unit concentration.
  • a negative sign is given, and the change in the amount of light is proportional to the total amount of light.
  • light having a wavelength of 4.26 ⁇ is absorbed only by carbon dioxide, so that the velocity of the disturbed gas becomes the velocity of carbon dioxide.
  • the moving speed of methane may be measured, and if it emits light having a wavelength of 10.5 ⁇ m, the speed of ammonia or ethylene may be measured.
  • the light source does not necessarily emit light of the wavelength absorbed by that gas.
  • the photo detector will only measure the amount of light of that wavelength, and therefore use a light source that emits only that wavelength and only that wavelength.
  • the gas flow rate measuring device does not limit the type or structure as long as the device provides a light source capable of irradiating light having a wavelength that can be absorbed by a specific gas to be measured.
  • Velocity is a physical quantity defined as the displacement divided by time by measuring the displacement and time required when a moving object moves from one point to another.
  • the speed is defined as the distance divided by the travel time, but in the case of 1-dimensional motion, the two physical quantities have the same concept.
  • speed and speed may be treated the same in the embodiment of the present invention, but the embodiment uses the speed as a representative term.
  • Equations 6 and 7 The definitions of velocity v and acceleration a are as shown in Equations 6 and 7, respectively.
  • Equations 6 and 7 v denotes speed, L denotes displacement (distance), t denotes time, and a denotes acceleration.
  • the particle's velocity is continuously increased when the external force is maintained.
  • the resistance may occur in proportion to the speed, and the resistance may increase as the speed increases, so that the external force and the resistance are in equilibrium, and the particles move at the constant velocity, which is called the terminal velocity.
  • raindrops made from dark clouds appear to fall freely due to gravity, but as the speed of raindrops increases, the resistance of air increases, so that the gravity and air resistance equilibrate at the point of equilibrium.
  • Equation 8 the force acting on one gas molecule is a resistive force proportional to a constant pressure and an increase in the velocity of the gas molecule, and the two forces are in opposite directions.
  • Equation 8 the force acting on one gas molecule is a resistive force proportional to a constant pressure and an increase in the velocity of the gas molecule, and the two forces are in opposite directions.
  • Equation 8 m is the mass of gas molecules, v is the velocity of gas molecules, p is the average force acting on one gas molecule by pressure, and ⁇ is a kind of resistance coefficient. It is inversely proportional to the mean free path length and is proportional to the time spent during the movement, and thus has a negative sign.
  • Equation 9 the solution of the differential equation shown in Equation 8 is expressed as Equation 9.
  • Equation 9 v 0 means initial velocity, and v f means termination velocity. Equation 9 is represented as a graph as shown in FIG.
  • the analysis as described above is not limited only to the first to the end of the chimney. For example, if there is an obstruction in the middle of the chimney that obstructs the flow of gas, that is, a change in the velocity of gas occurs, it can be said that it converges to the termination velocity again after a certain time.
  • the consideration of the termination speed is that the physical disturbance in measuring the flow velocity of the gas by the method of the present invention may cause a change in the velocity of some gases,
  • the terminal velocity which is the gas discharge rate, by calculating the terminal velocity from Equation (9).
  • the intensity of disturbance decreases according to the moving distance, but the disturbance moves a certain distance along the gas flow.
  • only a specific gas may be detected in the mixed gas by using a disturbance, and a moving speed of the disturbance is measured to measure a flow rate of the specific gas only.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a disturbance in a gas to be measured in a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the concentration of the indicator gas which is the same as the specific gas to be measured, is injected to disturb the concentration.
  • the indicator gas injected from the injection port moves in the gas flow direction to form a localized high concentration.
  • the type of indicator gas is the same as the gas to be measured, and the concentration of the indicator gas has a higher concentration than that of the specific gas to be measured. If the injected high concentration of indicator gas moves past any first point (L1) to the second point (L2), although the localized concentration of the indicator gas is small and the range is widened by diffusion, nevertheless the distribution of concentration
  • the moving speed of the center is the moving speed of the indicating gas.
  • the indicator gas is the same gas as the gas to be measured, if the movement speed of the indicator gas is eventually measured, the movement speed of only a specific gas to be measured can be measured among the gas mixed with several gases.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a disturbance in a gas to be measured in a gas flow rate measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the concentration of the flowing gas is disturbed by generating a vortex by using a chopper or the like in the gas flowing inside the predetermined structure.
  • the vortices generated by the chopper move in the gas flow direction while causing disturbance of the concentration of the flowing gas and maintaining for a predetermined time. Accordingly, as in the case of the above-described indicating gas (see FIG. 5), the moving speed of the vortices formed by the chopper, that is, the disturbance speed of the concentration, can be measured to measure the moving speed of the specific gas in the mixed gas.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring a moving speed of a disturbed gas after a disturbance occurs in a gas flowing in a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 an example of measuring a flow rate of carbon dioxide in a mixed gas is illustrated, and an example of using a high concentration of an indication gas as a physical disturbance method is used as an example.
  • a light source a, a light detector a, a light source b, and a light detector b are used to measure a moving speed of a disturbed gas.
  • the light emitted from the light source a reaches the photodetector a and does not reach the photodetector b.
  • the light emitted from the light source b reaches only the photodetector b and does not reach the photodetector a.
  • the optical path a between the light source a and the photodetector a and the optical path b between the light source b and the photodetector b are parallel to each other.
  • the light source a and the light source b are configured to emit light having a wavelength absorbed by the specific gas to be measured, or the photodetectors a and the photodetector b may be wavelengths absorbed by the specific gas using the optical filter described above. It can be configured to detect only the light of.
  • the light source a and the light source b when measuring the flow rate of carbon dioxide only when various gases are mixed, the light source a and the light source b emit only light having a wavelength of 4.26 ⁇ m, which is absorbed by carbon dioxide, or the photodetector a and the photodetector b are 4.26. It is configured to detect only light having a wavelength of ⁇ m.
  • the light having a wavelength of 4.26 ⁇ m emitted from the light sources a and b is partially absorbed by carbon dioxide and only the other reaches the photodetectors a and photodetectors b in the course of reaching the photodetectors a and the photodetectors b, respectively.
  • the amount of light detected in photodetector a and photodetector b varies with the concentration of carbon dioxide, as described in the Beer-Lambert theory described above. In other words, if the concentration of carbon dioxide is low, the amount of light reaching the photodetectors a and b will be large. On the contrary, if the concentration of carbon dioxide is high, the amount of light reaching the photodetectors a and b will be small.
  • the distribution of the density formed by the directed gas as shown is detected in a first point (L a) and a second point (L b), respectively, each photo-detector a and the photodetector b in the form of a concentration pulse at the 7 . Therefore, the moving speed of the carbon dioxide is measured by measuring the moving time of the pulse corresponding to the concentration of the indicating gas and the separation distance between the photodetectors a and the photodetectors b.
  • FIG. 8 shows a configuration of a gas flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 9 is a conceptual diagram showing a more detailed configuration and operation principle of the gas detection unit shown in FIG. 8.
  • a gas flow rate measuring apparatus may include a gas processor 110, a gas detector 130a, 130b, and 130c, a controller 150, a display 160, and a communication interface unit ( 170, and may further include a gas guide part 180 and a fixing part 190 according to a manufacturing form.
  • the gas processor 110 detects a specific gas to be measured based on the disturbance generated by the gas detectors 130a, 130b, and 130c by generating a physical disturbance in the gas flowing under the control of the controller 150.
  • the disturbance may be generated by, for example, the insertion of an indication gas or vortex.
  • the gas processor 110 may be configured in various forms.
  • the gas processing unit 110 may be configured as a gas injector for injecting a high concentration of the indicating gas (wherein the indicating gas is the same gas as the gas to be measured), as shown in FIG. 5, and FIG.
  • the chopper may be configured to generate a vortex in the flowing gas.
  • the gas detectors 130a, 130b, and 130c may be constituted by at least one, and each of the gas detectors 130a, 130b, and 130c may include at least one light source emitting light having a wavelength absorbed by a specific gas to be measured, and the at least one light source. At least one photodetector for detecting a corresponding amount of light corresponding to the light emitted from each of the one light source.
  • the gas detecting unit is configured as three (ie, 130a, 130b, and 130c), but the number of gas detecting units is not limited to three. And may be added or configured in fewer numbers depending on the various measurement environments.
  • the gas detection units 130a, 130b, and 130c are illustrated as three because the initial velocity of the disturbance generated when the disturbance is generated by the gas processing unit 110 is not the same as the gas flow rate, and the disturbance is the gas guide unit. Since the change in velocity occurs to reach the terminal velocity of the gas as it moves inside (180), the velocity is measured by measuring each of these velocity equations to derive three equations for three parameters and solve the equation. To find the speed.
  • Each of the gas detectors 130a, 130b, and 130c emits light having a specific wavelength based on the control of the controller 150 and then corresponds to an electric signal (for example, a voltage or Current signal) to the controller 150.
  • an electric signal for example, a voltage or Current signal
  • the gas detectors include a first light source 131, a first photodetector 132, and a second light source 133. And a second photodetector 134.
  • the light emitted from the first light source 131 reaches only the first photodetector 132 and does not reach the second photodetector 134.
  • the light emitted from the second light source 133 reaches only the second photodetector 134 and does not reach the first photodetector 132.
  • the first light source 131, the first photodetector 132, the second light source 133, and the second photodetector 134 are disposed to be perpendicular to the gas flow direction.
  • the first light source 131 and the second light source 133 emit only light in a wavelength band absorbed by a specific gas to measure flow rate or light absorbed by the specific gas, and include a first photodetector 132 and a second photodetector. 134 detects only the light of the wavelength band absorbed by the specific gas to be measured or the light absorbed by the specific gas.
  • the first photodetector 132 and the second photodetector 134 detects only light in a wavelength band absorbed by the specific gas, and emits only light in a wavelength band absorbed by the specific gas for which the first light source 131 and the second light source 133 are to measure flow velocity.
  • the second photodetector 134 may detect light of another wavelength band including the wavelength band absorbed by the specific gas.
  • the light emitted from the first light source 131 forms the first light path 135 in the process of reaching the first photodetector 132, and the light emitted from the second light source 133 is the second photodetector 134.
  • the second optical path 136 is formed in the process of reaching.
  • the first light path 135 and the second light path 136 are separated by a predetermined distance L D in the flow direction of the gas, and the first light path 135 and the second light path 136 are mutually different. It is parallel and perpendicular to the gas flow direction. At this time, L D is sufficiently smaller than the distances L1, L2, L3 of each gas detection unit.
  • the disturbance in the gas flow passes through the first light path 135 and passes through the second light path 136.
  • the velocity v through which the disturbance passes through the gas detection unit is calculated by Equation 10. Can be.
  • v denotes the moving speed of the disturbance measured through the gas detection unit, and as described above, since the disturbance moves with acceleration until reaching the terminal velocity after generation, L D is moved from each disturbance occurrence point shown in FIG. 8. If it is small enough compared to the distances to the detectors L1, L2 and L3, v can be regarded as the instantaneous speed at which the disturbance passes through the gas detector.
  • the controller 150 controls operations of the gas processor 110, the gas detectors 130a, 130b, and 130c, the display 160, and the communication interface 170.
  • the controller 150 calculates a flow rate of a specific gas to be measured in correspondence with the electrical signals provided from the gas detectors 130a, 130b, and 130c, and then provides the calculated flow rate value to the display unit 160 or a communication interface.
  • the flow rate value calculated by the predetermined device is transmitted through the unit 170.
  • the method for the controller 150 to obtain the terminal velocity of the specific gas based on the electrical signal (that is, the voltage or current corresponding to the detected light amount) provided from the gas detectors 130a, 130b, and 130c is as follows.
  • the disturbance reaches the second gas detector 130b and the third gas detector 130c located at a distance separated by L2 and L3 from the gas processor 110, respectively, and the second gas detector 130b and the third gas detector 130c.
  • the gas detector 130c detects light using the same method as that of the first gas detector 130a, and then provides the corresponding second and third electrical signals to the controller 150.
  • the initial velocity of the disturbance generated by the gas processing unit 110 may be zero or may not be zero.
  • the controller 150 calculates the terminal speed from Equation 9 using the time and the speeds t1, v1, t2, v2, and t3, v3 measured as described above. That is, a ternary system of equations such as the following Equation 11 can be derived from Equation 9.
  • the ternary system of equation (11) includes a natural exponential function, so it is not easy to find a solution. Therefore, the equation 9 is integrated and transformed into a function of the moving distance with respect to time as shown in equation 12.
  • Equation 13 Equation 14
  • Equation 15 Substituting Equation 14 into Equation 13 results in Equation 15.
  • Equation 17 is obtained.
  • the controller 150 measures the terminal velocity of the specific gas based on the light detection signal (ie, the electrical signal corresponding to the detected light amount) provided from the at least one gas detection unit 130a, 130b, 130c. .
  • the display 160 displays the gas flow rate measured value based on the control of the controller 130.
  • the communication interface unit 170 may be configured as a wireless or wired communication interface, and transmits a gas flow rate measurement value based on the control of the controller 130.
  • the gas flow rate measuring device may further include a gas guide part 180 and a fixing part 190 according to a manufacturing form.
  • the gas flow rate measuring device when the gas flow rate measuring device is manufactured in an easy-to-move form, it may include a gas guide unit 180 as shown in FIG. 8, and the at least one gas detecting unit 130a, 130b, 130c may be
  • the gas guide unit 180 may be installed at a position capable of emitting light to the gas flowing inside the gas guide unit 180 and detecting the emitted light
  • the gas processing unit 110 may be installed at a gas flowing inside the gas guide unit 180. It may be installed in a location that can cause physical disturbances.
  • the gas guide part 180 may be formed in an open shape at both ends, and the cross-sectional area of the gas flow at both ends is the same, so that the gas flow pressure inside the gas guide part 180 is outside the gas guide part 180.
  • the shape of the gas guide portion is not limited as long as it is equal to the gas flow pressure.
  • the gas flow rate measuring apparatus when the gas flow rate measuring apparatus is manufactured to be movable, the gas flow rate measuring apparatus may further include a fixing part 190 that may fix the gas guide unit 180 to a desired position such as a chimney. .
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a gas flow rate measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention, and illustrates a case of measuring a flow rate of a specific gas using three gas detectors.
  • the gas processor generates a disturbance in a gas flowing at a time t0 (step 210).
  • the disturbance may be generated by, for example, the insertion of an indication gas or vortex.
  • the first gas detector located at a distance L1 spaced from the gas processor emits and detects light having a wavelength absorbed by the gas to be measured at a time t1, and provides a corresponding first electrical signal to the controller, wherein the controller supplies the first electrical signal.
  • the speed v1 is calculated based on the one electrical signal (step 220).
  • the second gas detector located at a distance L2 spaced apart from the gas processor according to the flow of the disturbed gas emits and detects light having a wavelength absorbed by the gas to be measured at a time t2 and controls the corresponding second electrical signal.
  • the controller calculates a speed v2 based on the second electrical signal (step 230).
  • the third gas detection unit located at a distance L3 spaced apart from the gas processing unit according to the flow of the disturbed gas emits and detects light having a wavelength absorbed by the gas to be measured at time t3 and controls the corresponding third electrical signal.
  • the controller calculates a speed v3 based on the third electrical signal (step 240).
  • the controller calculates the terminal velocity of the specific gas to be measured from Equation 9 by using the times and speeds (t1, v1), (t2, v2), and (t3, v3) calculated by performing steps 220 to 240. Calculation (step 250).
  • the speed of a specific gas is calculated based on signals provided from three speed detectors.
  • the number of gas detectors is not limited to three, but may be further determined according to various measurement environments. Since it may be added or a smaller number, whether or not to perform steps 220 to 240 shown in FIG. 10 may also be determined according to the number of gas detection units. For example, when the disturbance generated in the gas treatment unit is sufficiently close to the termination speed within a certain error range, only one gas detection unit may calculate the termination speed of a specific gas, and accordingly, FIG. Steps 230 to 250 may be configured not to be performed.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is produced by the combustion of fuels containing carbon.
  • fuels containing carbon For example, in the case of burning methane (CH 4 ) using the atmosphere (O 2 + N 2 ), Scheme 1 described above is established.
  • the gas released through the stack releases carbon dioxide, water vapor and nitrogen that does not participate in combustion. If methane is incompletely burned, carbon monoxide is generated in addition to carbon dioxide, and when the combustion temperature is very high, nitrogen also participates in combustion and releases nitrogen oxides (NOx). In addition, the residual oxygen remaining without participating in combustion is released.
  • the exhaust gas when methane is burned, the exhaust gas emits carbon dioxide, water vapor, nitrogen, oxygen, carbon monoxide and nitrogen oxides, and each gas is discharged through a chimney.
  • the speed of each gas discharged through the chimney depends on the type of gas. This is due to the difference in molecular weight of each gas as described above.
  • Carbon dioxide has a strong absorption characteristic against infrared rays of 4.26 mu m. Therefore, the light source and the photo detector of the gas detector can measure the moving speed of only carbon dioxide if they emit infrared rays having a wavelength of 4.26 ⁇ m and detect the emitted light. In addition, by measuring the concentration of carbon dioxide in the total gas to calculate the carbon dioxide emissions.

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Abstract

실시간 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있고 특정 가스만을 선택하여 측정할 수 있는 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법이 개시된다. 가스 유속 장치는 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 특정 가스에 조사하고 특정 가스의 해당 파장의 광량 흡수를 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 적어도 하나의 가스 검지부 및 가스 검지부로부터 제공된 검출신호에 기초하여 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 실시간으로 산출하는 제어부를 포함한다. 이로부터 별도의 교정이 필요 없으며 다양한 종류의 가스가 혼재한 경우 특정 가스의 유속을 선택적으로, 실시간으로 측정할 수 있다.

Description

가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법
본 발명은 가스 유속 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 특정 가스의 유속만 선택적으로 측정할 수 있는 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스 유량의 측정은 가스 유속을 측정하여 가스의 단위 시간 당 이동 거리를 측정하고 유속을 측정한 지점에서의 흐름 단면적(cross section)을 곱하여 측정한다. 또한, 여러 종류의 가스가 혼재하여 흐르는 경우 특정 가스만의 유량을 측정하는 방법은 전체 가스 중에서 상기 특정 가스의 농도를 측정하여 전체 유량 중에서 상기 특정 가스의 비율을 산출함으로써 계산한다.
현재 주로 사용되고 있는 유속계의 종류로는 차압식, 터빈식, 면적식, 초음파식 및 전자식 유속계 등이 있다.
도 1은 일반적인 유속계의 종류 및 동작 방식을 나타내는 개념도이다.
차압식 유속계는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 유체가 흐르는 파이프의 단면적의 일부를 투과구가 형성된 차단막을 이용하여 일부 차단함으로써 차단막 양단에서 발생하는 압력의 차이를 측정하여 유속으로 환산한다.
터빈식 유속계는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 유체가 흐르는 파이프의 중앙에 회전자를 설치하여 유체의 흐름에 따라 회전하는 회전자의 회전 속도를 측정하여 유속으로 환산한다.
면적식 유속계는 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 유체의 흐름 방향으로 탄성 변위자를 설치하여 유속에 의해 발생하는 탄성 변위량을 측정하거나, 탄성 변위자를 깔대기 모양의 통로에 설치하여 유속에 의한 압력과 중력을 경합시켜 발생하는 탄성 변위자의 변위를 측정하여 유속으로 환산한다.
초음파식 유속계는 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 유속에 상응하는 초음파의 전송 속도의 차이를 이용하여 유속에 따른 초음파의 속도 변화량을 측정하여 유속으로 환산한다.
전자식 유속계는 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이 전하를 가진 가스에 외부 전기장을 가해 유속에 상응하는 전기장의 변화량을 측정하여 유속으로 환산한다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 유속계 중에서 차압식, 터빈식 및 면적식 유속계는 유속을 측정하고자 하는 가스의 종류에 따라 별도의 교정(calibration)이 필요한 단점이 있다.
구체적으로, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같은 차압식 유속계는 미시적인 관점에서 볼 때, 차단막 양단에 걸리는 압력의 차이가 차단막에 가스 분자가 충돌하여 발생하는 충격량에 비례한다. 여기서, 상기 충격량은 가스 분자가 차단막에 충돌하여 발생하는 운동량의 변화에 기인하는데 운동량은 뉴튼 역학에서 정의된 바와 같이 질량과 속도의 곱으로 정의되기 때문에 동일한 운동량의 변화 또는 충격량이라 하더라도 가스 분자의 분자량이 크면 그 속도는 달라진다. 따라서, 차압식 유속계를 사용하는 경우에는 유속을 측정하고자 하는 가스의 종류를 사전에 알고 있거나 동일한 조건, 다시 말해서 동일한 가스의 흐름 조건에 대해 차단막 양단에 걸리는 압력의 차이를 사전에 교정해 주어야 한다. 이와같은 교정은 터빈식 유속계 또는 면적식 유속계에도 동일하게 적용된다.
또한, 차압식, 터빈식 및 면적식 유속계는 유속이 시간에 대해 급속하게 변화하는 경우 유속의 변화를 실시간으로 측정할 수 없는 문제점이 있다. 예를 들어, 차압식 유속계의 경우 유속이 급속하게 변하는 경우 이에 비례하여 차단막의 양단에 압력의 차이가 발생한다. 그러나 이러한 압력의 차이에 상응하여 압력 차이를 지시하는 유체는 상하로 출렁이게 되고 이러한 출렁임이 안정될 때까지 상당한 시간이 소요된다. 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 압력의 차이를 지시하는 유체로 점성이 큰 유체를 사용하는 경우 큰 점성으로 인해 차단막 양단에 걸리는 압력의 변화를 실시간으로 반영할 수 없게 된다.
상기한 바와 같은 문제점은 터빈식 및 면적식 유속계에서도 필연적으로 나타날 수 밖에 없다. 예를 들어 터빈식 유속계의 경우 회전자와 회전축의 마찰이 작으면 유속의 변화를 실시간으로 반영할 수 있을 것으로 생각되나, 바람개비에 순간 입 바람을 불어도 바람개비는 일정 시간 동안 회전하는 것과 마찬가지로 유속이 없음에도 불구하고 유속이 있는 것으로 측정될 수 있으며 이를 해결하기 위해 회전자와 회전축 간의 마찰력을 크게 하면 차압식과 마찬가지로 유속의 변화를 실시간으로 측정할 수 없게 된다. 이와 같은 문제점은 면적식 유속계에서도 동일하게 제기될 수 있다.
결과적으로 차압식, 터빈식 및 면적식 유속계는 유속의 변화가 시간에 대해 매우 천천히 발생하는 경우에 한정하여 사용할 수 밖에 없는 단점이 있다.
초음파식 유속계는 외부의 잡음에 영향을 받으며 음파의 전송 속도가 온도에 따라 달라지므로 초음파 유속계를 사용 시 외부 잡음을 차단하거나 잡음이 적은 곳에 한정하여 사용하여야 하며 온도를 별도로 측정하여 이를 유속 환산 시 보정해 주어야 하는 단점이 있다.
전자식 유속계는 가스 분자가 전하를 가지고 있어야 하기 때문에 이온 상태의 가스 분자나 전기 극성이 큰 가스의 유속만을 측정할 수 있는 제약이 있다. 또한 유속을 측정하고자 하는 가스의 종류, 보다 정확하게는 가스 분자가 갖는 전하량에 따라 별도의 교정을 해야 하는 단점이 있다.
종래의 유속계는 상술한 바와 같은 단점 이외에도 여러 종류의 가스가 혼재하여 흐르는 경우 특정 가스만을 선택하여 그 유속을 측정할 수 없는 문제점이 있다.
구체적으로, 종래의 유속계는 전체 가스의 평균 유속을 측정하기 때문에 각 가스의 유속의 차이를 구분할 수 없고 이로 인해 가스의 유량이 경제적 가치로 환산되는 경우 상당한 오차가 발생할 수 있다.
기체 상태 방정식에 의해 가스 분자의 속도는 가스 분자의 질량의 제곱근에 반비례하는데, 예를 들어 질소와 이산화탄소가 혼재되어 흐르는 경우 이산화탄소의 유속을 1이라 하면 질소의 유속은 이보다 약 25% 더 빠르다. 그러나 기존의 유속계는 이와 같은 유속의 차이를 구분할 수 없기 때문에 질소와 이산화탄소의 평균 유속을 측정하게 되고, 이로 인해 이산화탄소의 유량을 측정하여 경제적 가치로 환산하는 경우 그 평가 가치가 더 계산될 수 있는 문제점이 있다.
예를 들어, 메탄을 연소하여 발생하는 가스를 외부로 배출하는 경우 이산화탄소의 유속을 측정하고자 할 때 대기 중에 약 80%가 질소임을 감안하면 종래의 유속계는 전체 가스의 평균 유속을 측정하기 때문에 질소의 유속에 가까운 값을 측정하게 될 것이다. 구체적으로, 배출 가스가 질소와 이산화탄소라면 대기 중의 산소의 농도가 약 20% 정도이므로 완전 연소 시 이산화탄소의 농도는 최대 10%가 된다. 여기서, 이산화탄소가 최대로 배출된다고 가정하면 질소와 이산화탄소의 농도는 각각 8/9와 1/9이 되며 종래의 유속계로 유속을 측정한다면 유효 질량(me)의 가스의 이동 속도로 측정된다. 유효 질량(me)은 수학식 1과 같이 정의된다.
수학식 1
Figure PCTKR2010008117-appb-M000001
즉, 질소와 이산화탄소가 각각 8/9 및 1/9의 구성비로 배출되는 경우 질소의 분자량이 28, 이산화탄소의 분자량이 44이므로 약 29.8의 분자량을 갖는 가스가 배출되는 것과 같다. 결국 종래의 유속계는 29.8의 분자량을 갖는 가스의 유속을 측정하게 되는 것이다. 그러나 실제로 이산화탄소의 분자량은 44이므로 기존 유속계로 측정한 값의 0.82배에 해당한다. 따라서, 종래의 유속계로 이산화탄소의 유속을 측정하는 경우 약 22%((1/0.82-1)×100=22) 정도 빠르게 측정되므로 이를 이용하여 이산화탄소의 배출량을 산출하는 경우 배출량이 22% 과다 산출된다.
만약 이산화탄소의 배출량을 경제적 가치로 환산하는 경우 상술한 바와 같이 종래의 유속계로 측정한 결과를 적용하면 이산화탄소 배출량이 최대 22% 과다 산출될 수 있으며 상기 배출량이 경제적 가치와 단순 비례한다면 22%의 비용이 과다 산출될 수 있는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실시간 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있고 특정 가스만을 선택하여 측정할 수 있는 가스 유속 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 실시간 측정 신뢰성을 향상시킬 수 있고 특정 가스만을 선택하여 측정할 수 있는 가스 유속 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 가스 유속 측정 장치는, 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 적어도 하나의 가스 검지부 및 상기 가스 검지부로부터 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 제어부를 포함한다. 상기 가스 유속 측정 장치는 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속 측정을 위해 상기 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 가스 처리부를 더 포함할 수 있다. 상기 가스 처리부는 상기 혼합가스에 상기 측정하고자 하는 특정 가스와 동일하면서 상기 특정 가스보다 더 높은 농도를 가지는 지시가스를 분사하도록 구성될 수 있다. 상기 가스 처리부는 상기 혼합가스에 와류를 발생시키도록 구성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 가스 검지부 각각은 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제1 광원과, 상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 제공하는 제1 광검출기와, 상기 혼합가스가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 상기 제1 광원과 소정 거리 이격되어 설치되며 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제2 광원 및 상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 제공하는 제2 광검출기를 포함하되, 상기 제1 광원과 상기 제1 광검출기 사이의 광의 진행방향인 제1 광경로와 상기 제2 광원과 상기 제2 광검출기 사이의 광의 진행방향인 제2 광경로는 서로 평행하며, 상기 제1 광경로 및 상기 제2 광경로는 상기 혼합가스의 흐름 방향과 수직이 되도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는 제공된 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 속도를 산출할 수 있다. 상기 적어도 하나의 가스 검지부는, 미리 설정된 기준 위치로부터 제1 위치(L1)에 위치하고, 제1 시간(t1)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제1 가스 검지부와, 상기 미리 설정된 기준 위치로부터 제2 위치(L2)에 위치하고, 제2 시간(t2)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제2 가스 검지부 및 상기 미리 설정된 기준 위치로부터 제3 위치(L3)에 위치하고, 제3 시간(t3)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제3 가스 검지부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1 가스 검지부, 상기 제2 가스 검지부 및 상기 제3 가스 검지부로부터 각각 제공된 검출신호에 기초하여 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)를 산출하고, 상기 산출된 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)에 기초하여 상기 특정 가스의 종단 속도를 측정할 수 있다.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 가스 유속 측정 방법은, 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계와, 교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계 및 상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계를 포함한다. 상기 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계는, 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속 측정을 위해 상기 특정 가스와 동일하면서 상기 특정 가스보다 더 높은 농도를 가지는 지시가스를 분사할 수 있다. 상기 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계는, 상기 혼합가스에 와류를 발생시킬 수 있다. 상기 교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계는, 제1 광원에서 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 단계와, 상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 제공하는 단계와, 제2 광원에서 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 단계와, 상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는, 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출할 수 있다. 상기 교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계는, 교란이 발생된 지점에서 제1 거리(L1)만큼 이격된 위치에서 제1 시간(t1)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계와, 상기 교란이 발생된 지점에서 제2 거리(L2)만큼 이격된 위치에서 제2 시간(t2)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계 및 상기 교란이 발생된 지점에서 제3 거리(L3)만큼 이격된 위치에서 제3 시간(t3)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는, 상기 제1 시간(t1), 상기 제2 시간(t2) 및 상기 제3 시간(t3)에 각각 제공된 검출신호에 기초하여 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)를 산출하는 단계 및 상기 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)와 상기 제1 거리(L1), 제2 거리(L2) 및 제3 거리(L3)에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 종단 속도를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같은 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에 따르면, 가스 측정을 위해 별도의 사전 교정이 필요 없고, 가스의 급속한 유속 변화에도 실시간으로 정확한 유속 측정이 가능하다. 또한, 다양한 종류의 가스가 혼재되어 흐르는 경우 특정 가스의 유속만을 선택적으로 측정할 수 있고, 이에 기초하여 특정 가스의 배출량을 정확하게 산출할 수 있다. 또한, 특정 가스의 배출량을 경제적인 가치로 환산하는 경우 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 유속계의 종류 및 동작 방식을 나타내는 개념도이다.
도 2는 가스 분자의 분자량에 따른 가스의 유속을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 가스 분자의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 가속 운동과 저항력에 의한 속도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 측정 대상 가스에 교란을 발생시키는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 측정 대상 가스에 교란을 발생시키는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 흐르는 가스에 교란이 발생한 후 교란된 가스의 이동 속도를 측정하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 가스 검지부의 보다 상세한 구성 및 동작 원리를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 가스처리부
130a, 130b, 130c : 가스 검지부
150 : 제어부 160 : 디스플레이부
170 : 통신인터페이스부 180 : 가스 가이드부
190 : 고정부
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법의 기술 및 동작 원리에 대한 이해를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에 적용되는 이론적 해석 방법을 설명한다.
1. 가스 종류에 따른 확산 속도
가스 분자의 운동에너지는 자유공간의 경우 절대 온도 T에 비례하여 수학식 2와 같은 관계식이 성립된다.
수학식 2
Figure PCTKR2010008117-appb-M000002
수학식 2에서, m은 가스 분자의 질량, v는 속도, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도를 의미한다. 수학식 2에서 알 수 있듯이 온도가 T일 때 가스 분자의 운동 속도는 가스 분자의 질량의 제곱근에 반비례한다. 따라서, 가스 분자의 분자량이 크면 속도는 작고, 반대로 가스 분자의 분자량이 작으면 속도는 크다.
도 2는 가스 분자의 분자량에 따른 가스의 유속을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하여 가스 분자의 분자량에 따른 가스의 유속을 설명하면, 동일한 부피를 갖는 두 개의 밀폐된 방(Room1 및 Room2)의 가운데 통로가 설치되어 있고, 상기 통로가 차단 밸브에 의해 막혀있는 상태에서 각각의 방의 압력이 P1 및 P2(여기서, P1 > P2)라 가정한다. 압력이 P1인 방(Room1)에 이산화탄소와 질소가 혼합되어 있는 상태에서 중간의 차단 밸브를 개방하면 압력의 차이에 의해 이산화탄소와 질소는 다른 방(Room2)으로 확산하여 진행한다. 여기서, 압력이 P2인 방(Room2)은 다른 종류의 가스로 채워져 있다고 가정한다.
상기한 바와 같이 차단 밸브가 개방되면 이산화탄소 및 질소의 확산 속도는 분자량이 작은 질소가 더 빠른 속도로 이동하게 된다. 상기 수학식 2로부터 분자량과 이동속도의 관계를 나타내면 수학식 3과 같다.
수학식 3
Figure PCTKR2010008117-appb-M000003
수학식 3에서, 이산화탄소의 분자량은 44이고 질소의 분자량은 28이므로 질소의 이동 속도가 이산화탄소의 이동 속도에 비해 약 1.26배 빠르다. 만일 이러한 상황에서 종래의 유속계로 이산화탄소의 유속을 측정한다면 최대 26%까지 높게 측정될 수 있다.
예를 들어 메탄(CH4)를 연소하여 발생하는 가스를 외부로 배출하는 경우 메탄의 완전 연소 시 발생하는 가스는 반응식 1에 표시된 바와 같이 이산화탄소와 수증기이다.
(반응식 1)
Figure PCTKR2010008117-appb-I000001
또는, 외부의 공기를 이용하여 메탄을 연소시키는 경우에 배출가스는 반응식 1에 표시된 이산화탄소 및 수증기 이외에 연소되지 않은 질소가 포함되어 배출된다(여기서, 질소가 연소되어 발생하는 질소산화물(NOx) 계열의 가스는 논외로 함). 결국 메탄을 연소시켜 굴뚝을 통해 배출시키는 경우 종래의 유속계를 이용하여 이산화탄소의 유속을 측정한다면 이산화탄소만의 유속이 아닌 질소, 산소, 수증기 및 이산화탄소의 평균 속도가 측정되며 상술한 바와 같이 이산화탄소의 속도는 최대 26%까지 과다 측정될 수 있다.
2. 가스 분자의 광학적 특성
본 발명이 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에서는 혼합가스 중에 특정 가스의 유속을 선택적으로 측정하기 위해 상기 특정 가스가 반응하는 물리적 자극을 인가하거나 지시자(indicator)를 삽입하여 상기 특정 가스의 식별및 유속 측정을 용이하게 한 후 특정 가스의 이동속도를 측정함으로써 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 선택적으로 측정한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법에서 특정 가스를 선택적으로 측정하기 위한 이론적 배경을 설명한다.
1) 가스의 광 흡수 스펙트럼
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 방법은 혼합 가스 중 특정 가스의 유속을 선택적으로 측정하기 위한 기본적 원리로써 가스 분자의 광 흡수 특성을 이용한다.
도 3은 가스 분자의 광 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
일반적으로 가스 분자는 2개 이상의 원자로 결합되어 있으며 두 원자의 결합 에너지 상태에 해당하는 진동 에너지를 갖는다. 이러한 진동 에너지는 결합 상태에 대해 고유한 것으로 진동 에너지에 공명하는 파장(또는 진동수)의 광을 흡수하여 에너지 준위가 높은 상태로 전이하거나 광을 방출하여 에너지 준위가 낮은 상태로 전이한다. 이러한 전이는 에너지 상태가 양자화(quantized)되어 있어서 특정 파장(또는 진동수)의 광을 흡수하는 특성을 갖는다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 이산화탄소는 4.26㎛의 파장을 가지는 광에 대해 매우 우수한 흡수 특성을 가지며, 메탄은 약 3.4㎛, 일산화탄소는 4.64㎛, 암모니아는 10.5㎛의 파장의 광에 대해 다른 파장대에 비해 강한 흡수 특성을 갖는다. 이러한 광 흡수의 특성은 가스 분자의 고유한 물리적 특성에 기인한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 방법에서는 가스 분자의 광 흡수 특성을 이용하여 혼합 가스 중 특정 가스만의 이동속도(즉, 유속)를 측정한다. 예를 들어 이산화탄소의 유속을 측정하기 위해서 파장이 4.26㎛인 광을 이용하는데, 비유하여 설명하면 이산화탄소만의 움직임을 볼 수 있는 특수 안경을 사용하여 이산화탄소의 이동 속도를 측정하는 것과 같다고 할 수 있다. 또한, 측정하고자 하는 대상 가스의 흐름에 물리적 교란을 발생시키고 상기 교란이 유지되는 상태에서 이동하는 가스의 속도를 측정한다.
2) 비어-램버트(Beer-Lambert) 이론
비어-램버트 이론은 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 경우 가스 농도와 투과된 광량 간의 상호 관계를 정의한다. 광원에서 방출된 광이 광 검출기까지 도달하는 경로를 광 경로라 하는데 광 경로 상에 위치한 가스 분자는 광원에서 방출된 광의 일부는 흡수하고 일부는 투과시킨다.
가스의 농도가 0일 때를 기준으로 가스 농도가 클수록 광 검출기에 도달하는 광량은 적어진다. 다시 말해 가스 농도와 광 검출기에서 검출되는 광량은 상호 반비례한다. 이러한 관계식은 다음과 같이 도출할 수 있다. 가스 분자의 농도가 0일때 광 검출기에 도달하는 광량을 I0라 하고 임의의 가스 농도 X에 대해 일부 흡수되고 남은 광량을 I라 하는 경우 가스 농도가 미소 변호 dX만큼의 변화가 생겼다면 광량의 미소 변화 dI와의 관계는 수학식 4와 같은 미분 방정식으로 표현된다.
수학식 4
Figure PCTKR2010008117-appb-M000004
수학식 4에서 α는 가스 분자의 광 흡수율을 나타내는 값으로 광량과는 관련이 없으며 단위 농도에 대한 광 흡수율로 정의할 수 있다. 또한 수학식 4에서 광량의 변화는 농도에 반비례하므로 (-)부호가 붙었으며 광량의 변화는 전체 광량에 비례한다. 결국 수학식 4의 해를 구하면 수학식 5가 도출된다.
수학식 5
Figure PCTKR2010008117-appb-M000005
예를 들어, 상술한 바와 같이 이산화탄소는 4.26㎛ 파장의 광을 흡수한다는 사실을 이용하여 굴뚝에 여러 종류의 가스가 혼재하여 이동하는 경우 이산화탄소의 분포를 교란하는 물리적 자극을 가하고 이에 상응하여 교란된 이산화탄소가 이동하는 과정에서 이산화탄소가 흡수하는 파장인 4.26㎛의 광을 조사하여 광량의 변화를 측정하면 광 검출기에서 검출되는 광량은 농도의 교란에 의해 교란된 형태가 나타난다. 상기한 과정을 가스가 흐르는 방향으로 두 지점에서 측정하면 교란된 이산화탄소의 이동 속도를 구할 수 있다.
상술한 바와 같이 4.26㎛ 파장의 광은 이산화탄소에 의해서만 흡수되므로 결과적으로 교란된 가스의 속도는 이산화탄소의 속도가 된다. 상기한 방법을 이용하여 광원이 3.4㎛의 파장의 광을 방출한다면 메탄의 이동 속도를 측정할 수 있으며 10.5㎛의 파장의 광을 방출한다면 암모니아 또는 에틸렌의 속도를 측정할 수 있다.
특정 가스의 측정을 위한 광원의 선택에서 광원은 반드시 해당 가스가 흡수하는 파장의 광만을 방출할 필요는 없다. 예를 들어, 광 검출기에 특정 가스의 측정을 위한 소정 파장의 광만을 투과시키는 광 필터를 부착하는 경우 광 검출기는 해당 파장의 광량만을 측정할 것이므로 해당 파장만을 방출하는 광원을 사용하는 것과 해당 파장만을 투과시키는 광 검출기를 사용하는 것은 물리적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치에서는 측정 대상이되는 특정 가스가 흡수할 수 있는 파장의 광을 조사할 수 있는 광원을 제공하는 장치라면 그 종류나 구조를 한정하지 않는다.
3. 속도(velocity)
1) 속도의 정의
속도는 운동하는 있는 대상이 임의의 한 지점에서 다른 지점으로 이동 시 이동 변위와 소요 시간을 측정하여 변위량을 시간으로 나눈 값으로 정의되는 물리량이다. 일반적으로 속력은 이동거리를 소요시간으로 나눈 값으로 정의되나 1차원 운동인 경우 두 물리량은 동일한 개념을 갖는다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 1차원 운동으로 예를 들어 설명한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 속도와 속력은 동일하게 취급될 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 속도를 대표적인 용어로 사용한다.
속도(v)와 가속도(a)의 정의는 각각 수학식 6 및 수학식 7과 같다.
수학식 6
Figure PCTKR2010008117-appb-M000006
수학식 7
Figure PCTKR2010008117-appb-M000007
수학식 6 및 수학식 7에서 v는 속도, L은 변위(거리), t는 시간, a는 가속도를 의미한다.
2) 종단 속도(terminal velocity)
입자가 외력에 의해 운동을 한다면 외력이 지속적으로 유지되는 경우 입자의 운동 속도는 지속적으로 증가한다. 또한 속도에 비례하여 저항력이 발생하는 경우가 있으며 이러한 저항력은 속도가 증가할수록 커지게 되는 경우가 있어 결국 외력과 저항력이 평형을 이루어 입자는 등속도 운동을 하게 되는데 이를 종단 속도(terminal velocity)라 한다. 예를 들어 먹구름에서 만들어진 빗방울은 중력에 의해 자유낙하 하는 듯 보이나 빗방울의 속도가 증가할수록 공기의 저항이 커져 중력과 공기 저항력이 평형을 이루는 시점에서부터는 등속도 운동을 한다.
상술한 바와 같은 이론을 굴뚝에서 가스가 배출되는 경우에 적용하면, 굴뚝의 낮은 지점과 높은 지점 간의 압력 차이에 의해 압력이 중력보다 크다면 가스 분자는 굴뚝의 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하여 배출된다. 이와 같은 가스 분자의 운동에서 가스 분자는 압력에 의해 속도가 계속 증가할 것이나 가스 분자 속도의 증가에 대한 주위 공기 등의 저항력이 작용하여 결국에는 가스 분자는 일정한 속도로 이동하여 배출된다. 이러한 운동 방정식은 수학식 8과 같이 정리될 수 있다. 즉, 가스 분자 1개에 대해 작용하는 힘은 일정한 압력과 가스 분자의 속도의 증가에 비례하는 저항력이며 두 힘은 서로 반대 방향이다. 이에 가스 분자에 작용하는 힘에 대한 운동 방정식은 수학식 8과 같이 정리될 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2010008117-appb-M000008
수학식 8에서 m은 가스 분자의 질량, v는 가스 분자의 속도, p는 압력에 의해 가스 분자 1개에 작용하는 평균 힘, β는 일종의 저항 계수로 정의할 수 있는데 가스 분자가 다른 분자와 충돌하는데 이동한 평균 거리(mean free path length)에 반비례하고 이 이동거리 동안 소요되는 시간에 비례하는 값으로 운동 방향의 반대 방향으로 작용하므로 (-)부호를 갖는다.
또한, 수학식 8에 표시된 미분 방정식의 해를 구하면 수학식 9와 같이 표시된다.
수학식 9
Figure PCTKR2010008117-appb-M000009
수학식 9에서 v0는 초기 속도를 의미하고, vf는 종단 속도를 의미한다. 수학식 9를 그래프로 표시하면 도 4와 같다.
도 4는 가속 운동과 저항력에 의한 속도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 속도에 비례하는 저항력이 있는 경우에 초기 속도가 v0인 경우 외력(예를들어 가스 배출의 경우는 압력)과 저항력이 작용하며 최종에는 종단 속도인 vf에 도달하게 됨을 의미한다. 이를 가스 배출 시스템에 적용하면 초기 가스 분자는 연소에 의해 자연스럽게 가스가 발생하던지(v0 < vf) 또는 강하게 배출되던지(v0 > vf) 간에 일정한 시간이 지나면 일정한 속도(즉, 종단 속도)로 굴뚝을 통해 배출됨을 의미한다.
상기한 바와 같은 해석은 단지 굴뚝의 초단부터 종단까지에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어 굴뚝 중간에 장애물이 있어 가스 흐름을 방해하는 경우 즉, 가스의 속도에 변화가 발생하더라도 이는 곧 일정한 시간의 경과 후에 다시 종단 속도로 수렴한다고 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 종단 속도에 대한 고려는, 본 발명에서 제시하는 방법에 의해 가스의 유속을 측정하는데 있어서 물리적 교란을 가할 경우 일부 가스의 속도에 변화가 발생할 수 있으나 구간 별 속도의 변화를 측정함으로서 수학식 9로부터 종단 속도를 구하여 가스 배출 속도인 종단 속도를 산출하는데 의의가 있다.
4. 가스 분자의 광 흡수를 이용한 선택적 가스 유속 측정 방법
1) 물리적 교란의 발생 및 이동
다양한 종류의 가스가 혼합되어 흐르는 경우 가스의 흐름에 교란을 발생시키면 이동거리에 따라 교란의 강도가 작아지나 가스의 흐름을 따라 교란은 일정한 거리를 이동한다. 본 발명의 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 방법에서는 상기한 바와 같이 교란을 이용하여 혼합된 가스 중에 특정 가스만을 감지할 수 있도록 하며 교란의 이동 속도를 측정하여 특정 가스만의 유속을 측정한다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 교란의 방법으로 유속을 측정하고자 하는 특정 가스에 대해 고농도의 지시 가스를 분사하는 방법과 초퍼(chopper) 등을 이용하여 가스 흐름에서 와류를 발생시키는 방법을 예를 들어 설명한다. 그러나, 상기한 교란 방법은 본 발명의 기술적 사상에 대한 일부 실시예에 불과하며 상기한 방법 이외에도 다양한 방법이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 측정 대상 가스에 교란을 발생시키는 방법을 나타내는 개념도이다. 도 5에서는 측정하고자 하는 특정 가스와 동일한, 고농도의 지시가스를 분사하여 농도를 교란하는 것을 예를 들어 도시하였다.
도 5를 참조하면, 분사구에서 분사된 지시가스는 국소된 고농도를 형성하며 가스 흐름 방향으로 이동한다. 여기서, 지시가스의 종류는 측정하고자 하는 가스와 동일하며, 상기 지시가스의 농도는 상기 측정하고자 하는 특정가스의 농도보다 더 높은 농도를 가진다. 분사된 고농도의 지시가스가 임의의 첫 번째 지점(L1)을 지나 두 번째 지점(L2)로 이동하는 경우 비록 지시가스의 국소된 농도는 작아지며 범위도 확산에 의해 넓어지나 그럼에도 불구하고 농도의 분포 중심의 이동 속도는 지시가스의 이동속도가 된다.
따라서, 첫 번째 지점(L1)에서 두 번째 지점(L2) 사이의 거리를 측정하고 지시가스가 첫 번째 지점(L1)에서 두 번째 지점(L2)으로 이동한 시간을 측정함으로써 지시가스의 이동속도를 측정할 수 있게 된다. 마찬가지로 지시가스가 두 번째 지점(L2)에서 세 번째 지점(L3)로 이동한 이동속도도 측정 가능하며 지시가스가 확산에 의해 농도 분포가 사라질 때까지 지시가스의 이동 속도는 구간 별로 측정이 가능하다.
지시가스는 측정하고자 하는 가스와 동일한 가스이므로 결국 지시가스의 이동 속도를 측정한다면 여러 가스가 혼합된 가스 중에서 측정을 원하는 특정 가스만의 이동 속도를 측정할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 측정 대상 가스에 교란을 발생시키는 방법을 나타내는 개념도이다. 도 6에서는 소정 구조물의 내부를 흐르는 가스에 초퍼 등을 이용하여 와류를 발생시킴으로써 흐르는 가스의 농도를 교란시키는 것을 예를 들어 도시하였다.
도 6을 참조하면, 초퍼에 의해 발생된 와류는 흐르는 가스의 농도의 교란을 발생시키고 일정한 시간 동안 유지되면서 가스의 흐름 방향으로 이동한다. 따라서, 상술한 지시가스의 경우(도 5참조)와 동일하게 초퍼에 의해 형성된 와류의 이동속도 즉, 농도의 교란 속도를 측정함으로써 혼합된 가스 중에서 특정 가스의 이동 속도를 측정할 수 있게 된다.
2) 물리적 교란을 이용한 가스 이동 속도 측정 방법
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법에서 흐르는 가스에 교란이 발생한 후 교란된 가스의 이동 속도를 측정하는 방법을 나타내는 개념도이다. 도 7에서는 혼합가스 중 이산화탄소의 유속을 측정하는 것을 예를 들어 도시하였으며, 측정과정에서 물리적 교란 방법으로 고농도의 지시가스를 사용한 것으로 예를 들어 도시하였다.
도 7을 참조하면, 교란된 가스의 이동 속도를 측정하기 위해서 광원a, 광검출기a, 광원b 및 광검출기b를 이용한다. 여기서, 광원a에서 방출된 광은 광검출기a에 도달하며 광검출기b에는 도달하지 않는다. 마찬가지로 광원b에서 방출된 광은 광검출기b에만 도달하며 광검출기a에는 도달하지 않는다. 또한, 광원a와 광검출기a 사이의 광경로a 및 광원b와 광검출기b 사이의 광경로b는 서로 평행하다.
도 7에서 광원a 및 광원b는 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출할 수 있도록 구성되거나 광검출기a 및 광검출기b는 상술한 광 필터 등을 이용하여 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광만을 검출하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 다양한 가스가 혼재되어 흐르는 경우 이산화탄소만의 유속을 측정하고자 할 때 상기 광원a 및 광원b는 이산화탄소가 흡수하는 파장인 4.26㎛의 광만을 방출하거나, 광검출기a 및 광검출기b는 4.26㎛의 파장을 가지는 광만을 검출하도록 구성된다. 광원a 및 광원b에서 방출된 4.26㎛ 파장의 광은 각각 광검출기a 및 광검출기b에 도달하는 과정에서 일부는 이산화탄소에 의해 흡수되고 나머지만이 광검출기a 및 광검출기b에 도달한다. 광검출기a 및 광검출기b에서 검출된 광량은 이산화탄소의 농도에 의해 달라지는데 이는 상술한 비어-램버트 이론에서 설명한 바와 같다. 즉, 이산화탄소의 농도가 낮으면 광검출기a 및 b에 각각 도달한 광량은 클 것이며 반대로 이산화탄소의 농도가 크면 광검출기a 및 b에 각각 도달한 광량은 작을 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이 지시가스에 의해 형성된 농도의 분포는 제1 지점(La) 및 제2 지점(Lb)에서 각각 농도의 펄스의 형태로 각각 광검출기a 및 광검출기b에서 검지된다. 따라서, 지시가스의 농도에 상응하는 펄스의 이동 시간과 광검출기a 및 광검출기b 사이의 이격거리를 측정함으로써 이산화탄소의 이동 속도를 측정하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치의 구성을 나타낸다. 또한, 도 9는 도 8에 도시된 가스 검지부의 보다 상세한 구성 및 동작 원리를 나타내는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치는 가스 처리부(110), 가스 검지부(130a, 130b, 130c), 제어부(150), 디스플레이부(160) 및 통신인터페이스부(170)를 포함할 수 있고, 제조 형태에 따라 가스 가이드부(180) 및 고정부(190)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 가스 처리부(110)는 제어부(150)의 제어에 기초하여 흐르는 가스에 물리적 교란을 발생시킴으로써 가스 검지부(130a, 130b, 130c)가 발생된 교란에 기초하여 측정하고자 하는 특정 가스를 검지할 수 있도록 한다. 여기서, 상기 교란은 예를 들어, 지시 가스의 삽입이나 와류 등에 의해 발생될 수 있다.
가스 처리부(110)는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 가스 처리부(110)는 도 5에 도시된 바와 같이 고농도의 지시 가스(여기서, 상기 지시 가스는 측정하고자 하는 가스와 동일한 가스임)를 분사하는 가스 분사 장치로 구성될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 흐르는 가스에 와류를 발생시키는 초퍼 등으로 구성될 수도 있다.
가스 검지부(130a, 130b, 130c)는 적어도 하나로 구성될 수 있고, 각각의 가스 검지부(130a, 130b, 130c)는 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 적어도 하나의 광원과 상기 적어도 하나의 광원 각각에서 방출된 광에 상응하는 해당 광량을 각각 검출하는 적어도 하나의 광검출기를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치에서는 가스 검지부가 세 개(즉, 130a, 130b, 130c)로 구성된 것으로 예를 들어 도시하였으나, 가스 검지부의 개수는 세 개로 한정되지 않고 다양한 측정 환경에 따라 더 추가되거나 더 적은 수로 구성될 수도 있다.
도 8에서 가스 검지부(130a, 130b, 130c)를 세 개로 도시한 이유는 가스 처리부(110)에 의해 교란이 발생된 경우 발생된 교란의 초기 속도가 가스 흐름 속도와 동일하지 않고 교란이 가스 가이드부(180)의 내부에서 이동하면서 가스의 종단 속도까지 도달하는데 속도의 변화가 발생하기 때문에 이러한 속도를 각각 측정하여 수학식 9에서 세 개의 파라미터에 대한 세 개의 방정식을 도출하고 방정식의 해를 구함으로써 종단속도를 구하기 위함이다.
그러나, 각각의 가스 검지부(130a, 130b, 130c)에서 검출된 신호에 기초하여 측정되는 가스의 순간 속도가 다른 요인에 의해 간섭을 받게 되는 경우 보다 정확한 종단 속도를 구하기 위해 보다 많은 속도 값이 필요할 수 있고 이와 같은 경우에는 더욱 많은 가스 검지부가 설치될 수 있다. 또는, 발생된 교란이 충분히 유지되는 상태에서 일정 오차 범위 내에서 종단 속도에 가까워지는 경우에는 단순히 하나의 가스 검지부만 설치될 수도 있다.
각각의 가스 검지부(130a, 130b, 130c)는 제어부(150)의 제어에 기초하여 특정 파장의 광을 방출한 후 방출된 광에 상응하여 검출된 광량에 상응하는 전기신호(예를 들면, 전압 또는 전류신호)를 제어부(150)에 제공한다.
도 9를 참조하여 가스 검지부(130a, 130b, 130c)의 보다 상세한 구성 및 동작 원리를 설명하면, 각 가스 검지부는 제1 광원(131), 제1 광검출기(132), 제2 광원(133) 및 제2 광검출기(134)로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 광원(131)에서 방출되는 광은 제1 광검출기(132)에만 도달되며 제2 광검출기(134)에는 도달되지 않는다. 또한, 제2 광원(133)에서 방출된 광은 제2 광검출기(134)에만 도달되며 제1 광검출기(132)에는 도달되지 않는다.
제1 광원(131)과 제1 광검출기(132) 사이의 광의 진행방향인 제1 광경로(135) 및 제2 광원(133)과 제2 광검출기(134) 사이의 광의 진행방향인 제2 광경로(136)는 가스의 흐름 방향과 수직이 되도록 제1 광원(131), 제1 광검출기(132), 제2 광원(133) 및 제2 광검출기(134)가 배치된다.
제1 광원(131) 및 제2 광원(133)은 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장대의 광 또는 상기 특정 가스 흡수하는 광만을 방출하며, 제1 광검출기(132) 및 제2 광검출기(134)는 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장대의 광 또는 상기 특정 가스가 흡수하는 광만을 검출한다. 만일 제1 광원(131) 및 제2 광원(133)이 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장을 포함하는 파장대의 광을 방출한다면 제1 광검출기(132) 및 제2 광검출기(134)는 상기 특정 가스가 흡수하는 파장대의 광만을 검출하고, 제1 광원(131) 및 제2 광원(133)이 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장대의 광만을 방출한다면 제1 광검출기(132) 및 제2 광검출기(134)는 상기 특정 가스가 흡수하는 파장대를 포함하는 다른 파장대의 광을 검출하여도 무방하다.
제1 광원(131)에서 방출된 광은 제1 광검출기(132)로 도달하는 과정에서 제1 광경로(135)를 형성하며 제2 광원(133)에서 방출된 광은 제2 광검출기(134)로 도달하는 과정에서 제2 광경로(136)를 형성한다. 그리고, 제1 광경로(135) 및 제2 광경로(136)는 가스의 흐름 방향으로 소정 거리(LD)만큼 떨어져 있고, 제1 광경로(135) 및 제2 광경로(136)는 서로 평행하며 가스의 흐름 방향과 수직이다. 이때 LD는 각 가스 검지부의 거리 L1, L2, L3에 비해 충분히 작다.
가스 흐름 중의 교란은 제1 광경로(135)를 지나 제2 광경로(136)를 통과하게 되는데 이때 걸린 시간을 tD라 하면, 교란이 가스 검지부를 통과하는 속도 v는 수학식 10에 의해 산출될 수 있다.
수학식 10
Figure PCTKR2010008117-appb-M000010
여기서, v는 가스 검지부를 통해 측정되는 교란의 이동속도를 의미하며 상술한 바와 같이 교란은 발생 이후 종단 속도에 도달하기까지 가속도를 가지고 이동하므로 LD를 도 8에 도시된 교란 발생 지점부터 각 가스 검지부까지의 거리인 L1, L2 및 L3에 비해 충분히 작게하면 v는 교란이 가스 검지부를 통과하는 순간속도로 간주할 수 있다.
제어부(150)는 가스 처리부(110), 가스 검지부(130a, 130b, 130c), 디스플레이부(160) 및 통신인터페이스부(170)의 동작을 제어한다.
특히, 제어부(150)는 가스 검지부(130a, 130b, 130c)로부터 제공된 전기 신호에 상응하여 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출한 후, 산출된 유속값을 디스플레이부(160)에 제공하거나 통신인터페이스부(170)를 통해 미리 정해진 장치로 산출된 유속값을 전송한다.
구체적으로, 제어부(150)가 가스 검지부(130a, 130b, 130c)로부터 제공된 전기 신호(즉, 검출된 광량에 상응하는 전압 또는 전류)에 기초하여 특정 가스의 종단 속도를 구하는 방법은 하기와 같다.
먼저, 가스 처리부(110)가 교란을 발생시킨 시점을 t=0으로 놓고, 발생된 교란이 가스 처리부(110)로부터 거리 L1에 위치한 제1 가스 검지부(130a)에 도달되면 제1 가스 검지부(130a)는 측정 하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출한 후 방출된 광을 검출하고 이에 상응하는 제1 전기 신호를 제어부(150)에 제공한다.
제어부(150)는 제1 가스 검지부(130a)로부터 제공된 제1 전기 신호에 기초하여 교란의 이동속도 v1을 산출하며 이 때의 시간을 t=t1이라 한다.
이후, 교란은 가스 처리부(110)로부터 각각 L2 및 L3 만큼 이격된 거리에 위치한 제2 가스 검지부(130b) 및 제3 가스 검지부(130c)에 도달하게 되고, 제2 가스 검지부(130b) 및 제3 가스 검지부(130c)는 각각 제1 가스 검지부(130a)와 동일한 방법을 이용하여 광을 검출한 후 이에 상응하는 제2 전기 신호 및 제3 전기 신호를 제어부(150)에 제공한다.
제어부(150)는 상기 제2 전기 신호 및 제3 전기 신호에 기초하여 교란의 이동속도 v2 및 v3를 측정하면 이때의 시간을 각각 t=t2 및 t=t3라 한다.
여기서, 가스 처리부(110)에서 발생시킨 교란의 초기 속도는 0일 수도 있고 0이 아닐 수도 있다.
제어부(150)는 상술한 바와 같이 측정한 시간 및 속도 (t1, v1), (t2, v2), (t3, v3)를 이용하여 수학식 9로부터 종단 속도를 산출한다. 즉, 수학식 9로부터 하기 수학식 11과 같은 3원 연립 방정식을 도출할 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2010008117-appb-M000011
상기 수학식 11의 3원 연립 방정식은 자연 지수 함수를 포함하고 있어 해를 구하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 수학식 9를 적분하여 수학식 12와 같이 시간에 대한 이동 거리의 함수로 변형한다.
수학식 12
Figure PCTKR2010008117-appb-M000012
또한, 시간에 대한 이동 거리의 함수를 L(t)라 하면 수학식 13 및 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 13
Figure PCTKR2010008117-appb-M000013
수학식 14
Figure PCTKR2010008117-appb-M000014
그리고, 상기 수학식 14를 수학식 13에 대입하여 정리하면 수학식 15로 표현된다.
수학식 15
Figure PCTKR2010008117-appb-M000015
상기 수학식 15에 t=t1일 때 L=L1, v=v1, t=t2일 때 L=L2, v=v2, t=t3 일 때 L=L3, v=v3를 대입하여 정리하면 수학식 16과 같은 3원 연립 방정식이 도출된다.
수학식 16
Figure PCTKR2010008117-appb-M000016
그리고, 상기 수학식 16에서 A(즉, 종단 속도 vf)를 구하면 수학식 17과 같다.
수학식 17
Figure PCTKR2010008117-appb-M000017
상술한 바와 같이, 제어부(150)는 적어도 하나의 가스 검지부(130a, 130b, 130c)로부터 제공된 광 검출 신호(즉, 검출된 광량에 상응하는 전기 신호)에 기초하여 특정 가스의 종단 속도를 측정한다.
디스플레이부(160)는 제어부(130)의 제어에 기초하여 가스 유속 측정값을 표시한다.
통신인터페이스부(170)는 무선 또는 유선 방식의 통신 인터페이스로 구성될 수 있고, 제어부(130)의 제어에 기초하여 가스 유속 측정값을 전송한다.
가스 유속 측정 장치는 제조 형태에 따라 가스 가이드부(180) 및 고정부(190)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 가스 유속 측정 장치를 이동이 용이한 형태로 제조되는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 가스 가이드부(180)를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 가스 검지부(130a, 130b, 130c)는 상기 가스 가이드부(180)의 내부를 흐르는 가스에 광을 방출하고 방출된 광을 검출할 수 있는 위치에 설치될 수 있고, 가스 처리부(110)는 가스 가이드부(180)의 내부를 흐르는 가스에 물리적 교란을 발생시킬 수 있는 위치에 설치될 수 있다. 여기서, 상기 가스 가이드부(180)는 양단이 개방된 형태로 형성될 수 있고, 양단의 가스 흐름의 단면적이 동일하여 가스 가이드부(180) 내부의 가스 흐름 압력이 가스 가이드부(180) 외부의 가스 흐름 압력과 동일하도록 한다면 가스 가이드부의 형태는 제한이 없다.
또한, 가스 유속 측정 장치가 이동 가능하도록 제조되는 경우 가스 유속 측정 장치는 상기 가스 가이드부(180)를 굴뚝 등과 같은 가스 측정을 원하는 위치에 고정시킬 수 있는 고정부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유속 측정 방법을 나타내는 흐름도로서, 세 개의 가스 검지부를 이용하여 특정 가스의 유속을 측정하는 경우를 예를 들어 도시하였다.
도 10을 참조하면, 먼저, 가스 처리부는 시간 t0에서 흐르는 가스에 교란을 발생시킨다(단계 210). 여기서, 상기 교란은 예를 들어, 지시 가스의 삽입이나 와류 등에 의해 발생될 수 있다.
이후, 가스 처리부로부터 이격된 거리 L1에 위치한 제1 가스 검지부는 시간 t1에서 측정하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출 및 검출하여 이에 상응하는 제1 전기신호를 제어부에 제공하고 제어부는 상기 제1 전기신호에 기초하여 속도 v1을 산출한다(단계 220).
또한, 교란된 가스의 흐름에 따라 가스 처리부로부터 이격된 거리 L2에 위치한 제2 가스 검지부는 시간 t2에서 측정하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출 및 검출하여 이에 상응하는 제2 전기신호를 제어부에 제공하고 제어부는 상기 제2 전기신호에 기초하여 속도 v2를 산출한다(단계 230).
또한, 교란된 가스의 흐름에 따라 가스 처리부로부터 이격된 거리 L3에 위치한 제3 가스 검지부는 시간 t3에서 측정하고자 하는 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출 및 검출하여 이에 상응하는 제3 전기신호를 제어부에 제공하고 제어부는 상기 제3 전기신호에 기초하여 속도 v3를 산출한다(단계 240).
이후, 제어부는 단계 220 내지 240의 수행을 통해 산출한 시간 및 속도 (t1, v1), (t2, v2), (t3, v3)를 이용하여 수학식 9로부터 측정하고자 하는 특정 가스의 종단 속도를 산출한다(단계 250).
도 10에서는 세 개의 속도 검지부로부터 제공된 신호에 기초하여 특정 가스의 속도를 산출하는 것을 예를 들어 도시하였으나, 도 8에서 기술한 바와 같이 가스 검지부의 개수는 세 개로 한정되지 않고 다양한 측정 환경에 따라 더 추가되거나 더 적은 수로 구성될 수 있기 때문에 도 10에 도시된 단계 220 내지 단계 240의 수행 여부도 가스 검지부의 개수에 상응하여 수행 여부가 결정될 수 있다. 예를 들어, 가스 처리부에서 발생시킨 교란이 충분히 유지되는 상태에서 일정 오차 범위 내에서 종단 속도에 가까워지는 경우에는 단순히 하나의 가스 검지부만으로 특정 가스의 종단 속도를 산출할 수 있고, 이에 따라 도 10의 단계 230 내지 단계 250은 수행되지 않도록 구성될 수도 있다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법을 이용하여 혼합 가스 중 이산화탄소를 측정하는 과정을 예를 들어 설명한다.
이산화탄소(CO2)는 탄소를 포함하고 있는 연료의 연소에 의해 발생한다. 예를 들어 대기(O2+N2)를 이용하여 메탄(CH4)을 연소하는 경우 상기한 반응식 1이 성립된다.
메탄이 연소된 이후에 굴뚝을 통해 방출되는 가스는 이산화탄소, 수증기 및 연소에 참여하지 않은 질소가 방출된다. 만일 메탄이 불완전 연소가 되면 이산화탄소 외에 일산화탄소가 추가 발생되며 연소 온도가 대단히 높은 경우 질소도 연소에 참여하게 되어 질소 산화물(NOx)도 방출하게 된다. 또한, 연소에 참여하지 않고 남은 잔존 산소도 방출하게 된다.
일반적으로 메탄을 연소시키는 경우의 배기가스는 이산화탄소, 수증기, 질소, 산소, 일산화탄소 및 질소 산화물이 방출되며 각 가스는 굴뚝을 통해 배출된다. 여기서, 굴뚝을 통해 배출되는 각 가스의 속도는 가스의 종류에 따라 다르다. 이는 상술한 바와 같이 각 가스의 분자량이 다름에 기인한다.
이산화탄소는 4.26㎛의 적외선에 대해 강한 흡수 특성을 갖는다. 따라서, 가스 검지부의 광원과 광 검출기는 4.26㎛ 파장의 적외선을 방출하고 방출된 광을 검출한다면 이산화탄소만의 이동 속도를 측정할 수 있다. 또한 전체 가스 중에 이산화탄소의 농도를 측정하여 이산화탄소의 배출량을 산출한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 적어도 하나의 가스 검지부; 및
    상기 가스 검지부로부터 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 제어부를 포함하는 가스 유속 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 유속 측정 장치는,
    상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속 측정을 위해 상기 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 가스 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스 처리부는
    상기 혼합가스에 상기 측정하고자 하는 특정 가스와 동일하면서 상기 특정 가스보다 더 높은 농도를 가지는 지시가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 가스 처리부는
    상기 혼합가스에 와류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스 검지부 각각은,
    상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제1 광원;
    상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 제공하는 제1 광검출기;
    상기 혼합가스가 이동하는 방향과 동일한 방향으로 상기 제1 광원과 소정 거리 이격되어 설치되며 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 제2 광원; 및
    상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 제공하는 제2 광검출기를 포함하되,
    상기 제1 광원과 상기 제1 광검출기 사이의 광의 진행방향인 제1 광경로와 상기 제2 광원과 상기 제2 광검출기 사이의 광의 진행방향인 제2 광경로는 서로 평행하며, 상기 제1 광경로 및 상기 제2 광경로는 상기 혼합가스의 흐름 방향과 수직인 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는
    제공된 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스 검지부는,
    미리 설정된 기준 위치로부터 제1 위치(L1)에 위치하고, 제1 시간(t1)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제1 가스 검지부;
    상기 미리 설정된 기준 위치로부터 제2 위치(L2)에 위치하고, 제2 시간(t2)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제2 가스 검지부; 및
    상기 미리 설정된 기준 위치로부터 제3 위치(L3)에 위치하고, 제3 시간(t3)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 제3 가스 검지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 가스 검지부, 상기 제2 가스 검지부 및 상기 제3 가스 검지부로부터 각각 제공된 검출신호에 기초하여 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)를 산출하고, 상기 산출된 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)에 기초하여 상기 특정 가스의 종단 속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 장치.
  9. 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계;
    교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계; 및
    상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계를 포함하는 가스 유속 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계는,
    상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속 측정을 위해 상기 특정 가스와 동일하면서 상기 특정 가스보다 더 높은 농도를 가지는 지시가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스가 포함된 혼합가스의 흐름에 교란을 발생시키는 단계는,
    상기 혼합가스에 와류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계는,
    제1 광원에서 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 단계;
    상기 제1 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제1 검출신호를 제공하는 단계;
    제2 광원에서 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하는 단계; 및
    상기 제2 광원에서 방출된 광을 검출하고 검출된 광량에 상응하는 제2 검출신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 교란되어 흐르는 혼합가스 중 유속을 측정하고자 하는 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계는,
    교란이 발생된 지점에서 제1 거리만큼 이격된 위치에서 제1 시간(t1)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계;
    상기 교란이 발생된 지점에서 제2 거리만큼 이격된 위치에서 제2 시간(t2)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계; 및
    상기 교란이 발생된 지점에서 제3 거리만큼 이격된 위치에서 제3 시간(t3)에 상기 특정 가스가 흡수하는 파장의 광을 방출하고 상기 방출된 광을 검출하여 검출된 광량에 상응하는 검출신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 유속 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제공된 상기 검출신호에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 제1 시간(t1), 상기 제2 시간(t2) 및 상기 제3 시간(t3)에 각각 제공된 검출신호에 기초하여 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 속도(v1), 제2 속도(v2) 및 제3 속도(v3)와 상기 제1 거리, 제2 거리 및 제3 거리에 기초하여 상기 측정하고자 하는 특정 가스의 종단 속도를 산출하는 단계를 포함하는 가스 유속 측정 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116309505A (zh) * 2023-03-28 2023-06-23 北京理工大学 一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106574859B (zh) * 2014-08-19 2019-10-22 酋长国创新公司 检测加压流体流中的污染物的方法和设备
CN105571663A (zh) * 2016-02-16 2016-05-11 安徽理工大学 一种基于烟雾粒子运移的瓦斯抽采钻孔单孔小流量测试装置
WO2018200808A1 (en) * 2017-04-26 2018-11-01 The Penn State Research Foundation Free-standing liquid membranes for substance separation, filtration, extraction, and blockage
CN109060056B (zh) * 2018-08-20 2019-08-27 长江水利委员会长江科学院 一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法
DE102018123448A1 (de) * 2018-09-24 2020-03-26 Promecon Process Measurement Control Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstroms
CN112526163A (zh) * 2019-09-30 2021-03-19 无锡三捷医疗科技有限公司 吸入气流流速检测装置、系统以及方法
CN114578091B (zh) * 2022-05-06 2022-08-23 河南氢枫能源技术有限公司 一种加氢流量调节检测装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05297011A (ja) * 1992-04-20 1993-11-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマ流速計
JP2003130703A (ja) * 2001-10-19 2003-05-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 流速計
JP2005160944A (ja) * 2003-12-05 2005-06-23 Seiko Instruments Inc 血流速度の測定装置および測定方法
JP2008170394A (ja) * 2007-01-15 2008-07-24 Toyota Motor Corp ガス流速計測方法、及び、ガス流速計測装置
KR101022317B1 (ko) * 2009-10-09 2011-03-21 박정익 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3322214B2 (ja) * 1998-06-17 2002-09-09 三菱電機株式会社 気流検出方法およびレーザレーダ装置
US6369881B1 (en) * 2000-05-19 2002-04-09 Optical Scientific, Inc. Optical flow sensor
GB0107184D0 (en) * 2001-03-22 2001-05-09 Yortech Instr Ltd Gas velocity measurement
JP2004170357A (ja) * 2002-11-22 2004-06-17 Toyota Motor Corp 排ガス流量計測装置及び排ガスの流量計測方法
JP4317728B2 (ja) * 2003-09-29 2009-08-19 三菱重工業株式会社 ガス濃度フラックス計測装置
JP2007333655A (ja) * 2006-06-16 2007-12-27 Ono Sokki Co Ltd ガス分析装置
JP2009168688A (ja) * 2008-01-17 2009-07-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 流体計測装置
JP2009198688A (ja) * 2008-02-20 2009-09-03 Sharp Corp 表示装置
CN201229295Y (zh) * 2008-06-06 2009-04-29 聚光科技（杭州）有限公司 一种气体测量装置
GB0821188D0 (en) * 2008-11-19 2008-12-24 Isis Innovation Measurment of gas concentrations in breath

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05297011A (ja) * 1992-04-20 1993-11-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマ流速計
JP2003130703A (ja) * 2001-10-19 2003-05-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 流速計
JP2005160944A (ja) * 2003-12-05 2005-06-23 Seiko Instruments Inc 血流速度の測定装置および測定方法
JP2008170394A (ja) * 2007-01-15 2008-07-24 Toyota Motor Corp ガス流速計測方法、及び、ガス流速計測装置
KR101022317B1 (ko) * 2009-10-09 2011-03-21 박정익 가스 유속 측정 장치 및 가스 유속 측정 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2642301A4 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116309505A (zh) * 2023-03-28 2023-06-23 北京理工大学 一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法
CN116309505B (zh) * 2023-03-28 2024-04-05 北京理工大学 一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法

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