KR102388598B1

KR102388598B1 - 코리올리스 질량 유량계, 이에 포함된 유로관 및 이를 이용한 유량 측정 방법

Info

Publication number: KR102388598B1
Application number: KR1020210027560A
Authority: KR
Inventors: 이재성; 이준근; 최수호; 백재호
Original assignee: 주식회사 서진인스텍
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-04-21

Abstract

본 발명의 코리올리스 질량 유량계의 유로관은, 양 단이 개방되며, 일 단에 유입구가 각각 구비되고, 타 단에 배출구가 각각 구비되어 각 부분이 서로 마주보도록 이격 배치되는 한 쌍의 유로관; 및 상기 한 쌍의 유로관에 각각 결합되는 튜닝매스를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 유로관; 상기 한 쌍의 유로관 사이에 일정 거리 이격되어 설치되며, 상기 한 쌍의 유로관을 진동시키도록 구성되는 진동기; 상기 한 쌍의 유로관의 진동을 감지하도록 구성되는 진동센서; 및 상기 한 쌍의 유로관의 온도를 감지하도록 구성되는 온도센서; 상기 진동센서 및 상기 온도센서에서 측정한 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 토대로 유량을 측정하는 회로부를 포함하는 코리올리스 질량 유량계를 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 튜닝매스가 부착된 한 쌍의 유로관을 굽힘 모드에서 진동 주파수로 진동시켜 비틀림을 형성하는 단계; (b) 상기 진동 주파수에 의한 비틀림 각도와 이에 대한 위상시간을 측정하는 단계; 및 (c) 상기 한 쌍의 유로관의 질량 유량을 연산하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계는, 상기 한 쌍의 유로관은 가상의 대칭면을 기준으로 대칭되도록 형성되며, 상기 튜닝매스가 상기 대칭면을 기준으로 상기 한 쌍의 유로관의 대칭되는 위치에 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 포함하는 코리올리스 유량계의 유량 측정 방법을 제공한다.

Description

코리올리스 질량 유량계, 이에 포함된 유로관 및 이를 이용한 유량 측정 방법{CORIOLIS MASS FLOW METER, FLOW PIPE INCLUDED THEREIN, AND FLOW MEASUREMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명은 코리올리스 질량 유량계, 이에 포함된 유로관 및 이를 이용한 유량 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유로관에 결합되는 튜닝매스를 결합하여 정확한 유량 측정이 가능한 코리올리스 질량 유량계, 이에 포함된 유로관 및 이를 이용한 유량 측정 방법에 관한 것이다.

코리올리스의 힘은 회전하는 원판에서 어떤 질량의 물체가 회전체의 중심쪽으로 들어가고 있을 때와 나가고 있을 때에 작용하는 힘으로, 물체의 질량과 이동 속도에 비례하여 생기는 이 힘을 코리올리스의 힘이라고 하며, 코리올리스 질량 유량계는 코리올리스 힘을 이용하여 유량을 측정하는 유량계이다.

코리올리스 질량 유량계는 통상 2개의 유로관(튜브)로 구성되어 있고, 가진기가 U자형 유로관을 위 아래로 강제 진동시키고 있는 구조를 가진다.

코리올리스 질량 유량계의 U자형 유로관 내로 유체를 흘리면, 유로관 입구와 출구에서 서로 반대 방향의 코리올리 가속도가 발생하며, 이 코리올리 가속도에 의한 힘은 유로관에 비틀림을 가한다.

이 때, 유로관에 가해지는 코리올리 가속도의 크기에 따라 유로관의 비틀림량이 변하므로 유로관의 입구와 출구에 전자 픽업 장치를 설치하여, 그 비틀림량을 시간차 검출을 이용하여 측정한다. 측정된 시간차는 유체의 질량 유량에 정확히 비례하므로 유로관을 통과하는 질량 유량이 직접 측정된다.

즉 코리올리스 질량 유량계는 측정 대상 유체의 온도, 압력, 밀도, 점도 등에 영향을 받지 않으므로 이론적으로 모든 유체의 질량 유량 측정이 가능하다. 다만 유로관의 진동에 민감하며, 낮은 유속에서는 정확한 질량 유량 측정이 어렵다는 단점이 있다.

한국등록특허 제10-1231117호(2013.02.01 등록)

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 저유량 또는 저밀도 유체의 질량 유량 측정이 가능한 코리올리스 질량 유량계, 이에 포함된 유로관 및 이를 이용한 유량 측정 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계에 포함된 유로관은, 양 단이 개방되며, 일 측에 유입구가 각각 구비되고, 타 측에 배출구가 각각 구비되어 각 부분이 서로 마주보도록 이격 배치되는 한 쌍의 유로관; 및 상기 한 쌍의 유로관에 각각 결합되는 튜닝매스를 포함한다.

또한, 상기 한 쌍의 유로관은 가상의 대칭면을 기준으로 대칭되도록 형성되며, 상기 튜닝매스는, 적어도 하나의 상기 튜닝매스가 상기 대칭면을 기준으로 상기 한 쌍의 유로관의 대칭되는 위치에 결합될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는 볼(ball)형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는 볼(ball)의 직경을 따라 관통 형성되며, 관통축을 포함하는 대칭면을 기준으로 제1 튜닝부재 및 제2 튜닝부재로 분리되어 구비될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는 상기 대칭면을 기준으로 일 측에 복수 개가 형성되어 결합되며, 타측에 동일하게 형성되어 결합될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는 원기둥 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는, 상기 대칭면을 기준으로 일 측에 복수 개가 형성되어 결합되며, 타 측에 상기 일 측과 대칭되도록 형성되어 결합될 수 있다.

또한, 상기 튜닝매스는 상기 원기둥의 높이 방향으로 관통 형성되며, 상기 높이 방향의 관통축을 포함하는 대칭면을 기준으로 제1 튜닝부재 및 제2 튜닝부재로 분리되어 구비될 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 유로관은, 상기 유입구와 일 단이 연결되는 유입 연결부; 및 상기 배출구와 일 단이 연결되는 배출 연결부를 더 포함하고, 상기 튜닝매스는, 바(bar)형태로 형성되어, 일 단이 상기 유입 연결부에 연결되고, 타 단이 상기 대칭면을 기준으로 상기 일 단과 대칭되는 위치의 상기 배출 연결부에 연결되는 튜닝매스바를 더 포함한다.

또한, 상기 튜닝매스는, 상호간에 일정 간격으로 이격되어 복수 개가 형성될 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 유입구에 부착되는 유입 스트럿바; 및 한 쌍의 상기 배출구에 부착되는 배출 스트럿바를 포함한다.

또, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계는, 상기 한 쌍의 유로관; 상기 한 쌍의 유로관 사이에 일정 거리 이격되어 설치되며, 상기 한 쌍의 유로관을 진동시키도록 구성되는 진동기; 상기 한 쌍의 유로관의 진동을 감지하도록 구성되는 진동센서; 및 상기 한 쌍의 유로관의 온도를 감지하도록 구성되는 온도센서; 상기 진동센서 및 상기 온도센서에서 측정한 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 토대로 유량을 측정하는 회로부를 포함한다.

또한, 상기 한 쌍의 유로관은, 한 쌍의 상기 유입구에 부착되는 유입 스트럿바; 및 한 쌍의 상기 배출구에 부착되는 배출 스트럿바를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 코리올리스 질량계를 이용한 유량 측정 방법은 (a) 튜닝매스가 부착된 한 쌍의 유로관을 굽힘 모드에서 진동 주파수로 진동시켜 비틀림을 형성하는 단계; (b) 상기 진동 주파수에 의한 비틀림 각도와 이에 대한 위상시간을 측정하는 단계; 및 (c) 상기 한 쌍의 유로관의 질량 유량을 연산하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계는, 상기 한 쌍의 유로관은 가상의 대칭면을 기준으로 대칭되도록 형성되며, 상기 튜닝매스가 상기 대칭면을 기준으로 상기 한 쌍의 유로관의 대칭되는 위치에 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 튜닝매스가 포함하는 볼(ball)형태로 형성되는 튜닝매스볼이, 상기 대칭면을 기준으로 상기 한 쌍의 유로관의 대칭되는 위치에 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 튜닝매스는 상기 대칭면을 기준으로 일 측에 복수 개가 형성되어 결합되며, 타 측에 상기 일 측과 대칭되도록 형성되어 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 튜닝매스가 원기둥 형태로 형성되어 상기 유로관에 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 튜닝매스는 상기 대칭면을 기준으로 일 측에 복수 개가 형성되어 결합되며, 타 측에 상기 일 측과 대칭되도록 형성되어 상기 유로관과 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 한 쌍의 유로관이, 유입구와 일 단이 연결되는 유입 연결부; 및 배출구와 일 단이 연결되는 배출 연결부를 더 포함하고, 상기 튜닝매스는, 바(bar)형태로 형성되는 튜닝매스바를 포함하며,

상기 튜닝매스바의 일 단이 상기 유입 연결부에 연결되고, 타 단이 상기 대칭면을 기준으로 상기 일 단과 대칭되는 위치의 상기 배출 연결부에 연결되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 튜닝매스가 상호간에 일정 간격으로 이격되어 복수 개가 형성되며, 상기 유로관과 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시키는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 (c) 단계는, 신호 측정 모듈을 이용하여 질량 유량계의 유입 변위 신호 및 유출 변위 신호를 획득하는 단계; 트리거 파형 생성 모듈을 이용하여 획득한 상기 유입 변위 신호 및 상기 유출 변위 신호를 기 설정된 조건에 따라 서로 다른 임계 레벨로 트리거하여 트리거 파형을 각각 생성하는 단계; 파형 정형화 모듈을 이용하여 유입 트리거 파형 및 유출 트리거 파형을 정형화 하는 단계; 출력 펄스폭 처리 모듈을 이용하여 클럭을 계수하여 출력 펄스폭인 △t1 및 △t2를 측정하는 단계; 상기 출력 펄스폭 처리 모듈을 이용하여 상기 출력 펄스폭을 이용하여 측정 위상 이동 시간차 △Tm 및 초기 제로 오프셋 시간차 △T0를 획득하는 단계; 및 유량 계산 모듈을 이용하여 획득한 시간차들 및 유동 교정 인자(Flow Calibration Factor, FCF)를 이용하여 유량 값을 계산하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 트리거 파형을 각각 생성하는 단계는, 상기 유입 변위 신호를 임계 레벨 +(Threshold level +)로 트리거하여 상기 유입 트리거 파형을 생성하고, 상기 유출 변위 신호를 임계 레벨 -(Threshold level -)로 트리거하여 상기 유출 트리거 파형을 생성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유로관에 튜닝매스를 결합하여 저유량 또는 저밀도 유체의 질량 유량의 측정이 보다 더 용이할 수 있다.

이로 인해, 높은 고유 진동수를 갖는 유로관의 구조에서도 정밀한 측정이 가능하며, 질량 측정에 있어 정확도가 보다 더 우수하다.

도 1은 종래 코리올리스 질량 유량계의 유로관들을 보여주는 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관을 보여주는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도 이다.
도 6a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도 이다.
도 7은 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계를 이용한 유량 측정 방법을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 8의 유량 측정 방법에서 S100단계의 구체적인 과정을 도시하는 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 제한되는 것이 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2"등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다

도 1은 종래 코리올리스 질량 유량계의 유로관들을 보여주는 사시도이다.

종래 코리올리스 질량 유량계는 유로관의 일 측에서 유체가 유입되고, 유입된 유체의 유량을 측정한후 타 측으로 유체를 유통시키는데, 도 1을 참조하면, 종래의 유로관의 형상은 도시된 바와 같이 대칭된 형태로 다양하게 구비됨을 알 수 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계(10)의 유로관(100)을 보여주는 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계(10)의 유로관(100)은 도 2a의 대칭면(A)을 기준으로 대칭되도록 형성되며, 유입 연결부(110), 유입구(111), 배출 연결부(120), 배출구(121) 및 튜닝매스(200)를 포함한다.

유로관(100)은 유체가 흐를 수 있도록 양 단이 개방되어 관통 형성된다. 도 2a를 참조하면 유로관(100)은 대칭면(A)를 기준으로 대칭되도록 한 쌍으로 형성된다. 각각의 유로관(100)은 각 부분이 서로 마주보도록 이격 배치된다.

유로관(100)의 일 측에는 유입 연결부(110)가 형성되며, 타 측에는 배출 연결부(120)가 형성된다.

유로관(100)의 일 단에는 유입구(111)가 형성되며, 타 단에는 배출구(121)가 형성된다. 이 때, 유입 연결부(110)의 일 단과 유입구(111)가 연결되며, 배출 연결부(120)의 일 단과 배출구(121)가 연결된다.

유로관(100)의 안정성을 달성하고 유로관(100)의 진동모드를 분리하기 위하여, 한 쌍의 유로관(100)의 유입구(111)에 근접하게 유입 스트럿바(112)가 부착되며, 한 쌍의 유로관(100)의 배출구(121)에 근접하게 배출 스트럿바(122)가 부착된다.

튜닝매스(200)는 도 2a의 대칭면(A)을 기준으로 각 유로관(100)의 대칭되는 위치에 형성되어 각 유로관(100)과 결합되며, 한 쌍의 유로관(100)에서 각각의 유로관(100)에 결합된 튜닝매스(200)의 위치는 마주보는 위치에 해당한다.

튜닝매스(200)는 볼(ball)형태로 형성될 수 있다. 볼(ball)형태의 튜닝매스(200)는 구체(球體)의 지름을 따라 관통 형성되며 관통 형성된 부분에 의하여 유로관(100)과 결합할 수 있다. 이 때 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)는 분리 가능하다.

튜닝매스(200)는 볼(ball)의 직경을 따라 관통 형성되며, 관통축을 포함하는 대칭면을 기준으로 제1 튜닝부재(201) 및 제2 튜닝부재(202)로 분리되어 구비될 수 있다.

제1 튜닝부재(201) 및 제2 튜닝부재(202)를 유로관(100)에 결합하면 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)를 형성할 수 있다.

구체적으로, 볼(ball)형태로 형성되는 튜닝매스(200)는 상기 관통축을 포함하는 대칭면을 기준으로 유로관(100)의 일 측에 결합되며, 타 측에는 일 측과 대칭되는 위치에 동일하게 형성되어 결합된다. 이 때, 상기 일 측은 대칭면(A)의 왼쪽을 의미하며, 상기 타 측은 대칭면(A)의 오른쪽을 의미한다.

한 편, 도 2a를 참조하면, 한 쌍의 유로관(100)에서, 유로관 각각의 상기 일 측과 상기 타 측에 한 개씩 튜닝매스(200)가 결합되어 총 4개의 튜닝매스(200)가 유로관(100)에 결합될 수 있으나, 결합되는 튜닝매스(200)의 숫자는 총 4개로 한정되는 것은 아니다.

이와 관련하여, 도 2b를 참조하면, 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)는 한 쌍의 유로관(100)에서 유로관(100) 각각의 상기 일 측에 2개 결합되는 것이 가능하며, 상기 타 측에는 상기 일 측과 대칭되는 위치에 2개 결합되어 총 8개의 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)가 유로관(100)에 결합되는 것도 가능하다. 도시된 바는 없으나, 상기 일 측과 타 측에 각각 결합되는 튜닝매스(200)의 개수는 3개 이상도 가능하다.

도 3a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 튜닝매스(200)는 원기둥의 형태로 형성될 수 있다. 원기둥 형태의 튜닝매스(200)는 높이 방향을 따라 관통 형성되며, 관통 형성된 부분에 의하여 튜닝매스(200)와 유로관(100)이 결합할 수 있다. 이 때 상기 원기둥 형태의 튜닝매스(200)는 분리 가능하다.

튜닝매스(200)는 원기둥의 높이를 따라 관통 형성되며, 높이 방향 관통축을 포함하는 원기둥 형태의 튜닝매스(200)의 대칭면을 기준으로 제1 튜닝부재(201) 및 제2 튜닝부재(202)로 분리되어 구비될 수 있다.

유로관(100)의 중심축과 원기둥 형태의 튜닝매스(200)의 관통축이 일치하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 원기둥 형태로 형성되는 튜닝매스(200)는 상기 대칭면을 기준으로 유로관(100)의 일 측에 결합되며, 타 측에는 일 측과 대칭되는 위치에 동일하게 형성되어 결합된다. 이 때, 상기 일 측과 상기 타 측의 의미는 상술한 바와 같다.

한 편, 도 3a를 참조하면, 한 쌍의 유로관(100)에서, 유로관 각각의 상기 일 측과 상기 타 측에 한 개씩 원기둥 형태의 튜닝매스(200)가 결합되어 총 4개의 원기둥 형태의 튜닝매스(200)가 유로관(100)에 결합될 수 있으나, 결합되는 튜닝매스(200)의 숫자는 1개로 한정되는 것은 아니다.

구체적으로 도 3b를 참조하면, 원기둥 형태의 튜닝매스(200)는 한 쌍의 유로관(100)에서 유로관(100) 각각의 상기 일 측에 2개 결합되는 것이 가능하며, 상기 타 측에는 상기 일 측과 대칭되는 위치에 2개 결합되어 총 8개의 원기둥 형태의 튜닝매스(200)가 유로관(100)에 결합되는 것도 가능하다. 도시된 바는 없으나, 상기 일 측과 타 측에 각각 결합되는 원기둥 형태의 튜닝매스(200)의 개수는 3개 이상도 가능하다.

도 4a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이며, 도 4b는 도 4a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 튜닝매스(200)는, 바(bar)형태로 형성되는 튜닝매스바(210)를 포함한다.

튜닝매스바(210)는 일 단이 각 유로관(100)의 유입 연결부(110)에 연결되고, 타 단이 상기 대칭면을 기준으로 연결된 유입 연결부(110)와 대칭되는 위치의 배출 연결부(120)에 연결된다. 이때 유입 연결부(110)와 배출 연결부(120)의 위치는 도 2a를 참조한다. 결합되는 튜닝매스바(210)의 숫자는 1개로 한정되는 것은 아니다.

구체적으로 도 4b를 참조하면, 튜닝매스바(210)는 상호간에 일정 간격으로 이격되어 2개 이상 형성되어 각 유로관(100)의 대향되는 위치에 결합될 수 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이며, 도 5b는 도 5a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도 이다.

도 5a를 참조하면 , 상술한 대칭면을 기준으로 대칭되도록 상술한 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)를 각각의 유로관(100)마다 동일한 위치에 결합하고 각 유로관(100)에서 볼(ball)형태의 튜닝매스(200)를 튜닝매스바(210)가 결합하여 연결한다.

또한, 도 5b를 참조하면, 상술한 볼(ball) 형태의 튜닝매스(200)를 유로관(100)의 일 측에 복수 개 결합하고 대칭면을 기준으로 타 측의 대칭되는 위치에 동일한 개수의 튜닝매스(200)를 결합한 후, 유입구(111)와 배출구(121)를 기준으로 같은 높이의 튜닝매스(200)마다 각각 튜닝매스바(210)를 결합하여 연결하는 것 또한 가능하다.

도 6a는 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계의 유로관의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도이며, 도 6b는 도 6a의 또 다른 실시 예를 보여주는 사시도 이다.

도 6a를 참조하면 , 상술한 대칭면을 기준으로 대칭되도록 상술한 원기둥 형태의 튜닝매스(200)를 각각의 유로관(100)마다 동일한 위치에 결합하고 각 유로관(100)에서 원기둥 형태의 튜닝매스(200)를 튜닝매스바(210)가 결합하여 연결한다.

또한, 도 6b를 참조하면, 상술한 원기둥 형태의 튜닝매스(200)를 유로관(100)의 일 측에 복수 개 결합하고 대칭면을 기준으로 타 측의 대칭되는 위치에 동일한 개수의 원기둥 형태의 튜닝매스(200)를 결합한 후, 유입구(111)와 배출구(121)를 기준으로 같은 높이의 원기둥 형태의 튜닝매스(200)마다 각각 튜닝매스바(210)를 결합하여 연결하는 것 또한 가능하다.

도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에서 상술한 바와 같이 한 쌍의 유로관(100)에서 각각의 유로관(100)에 대향되도록 튜닝매스(200) 또는 튜닝매스바(210)를 동일한 위치에 결합하면, 저유량 또는 저밀도 유체의 질량 유량의 측정이 종래 코리올리스 질량 유량계보다 더 정확하게 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 코리올리스 질량 유량계(10)의 구성을 도시하는 블록도이다.

도 7을 참조하면 , 코리올리스 질량 유량계(10)는 한 쌍의 유로관(100), 튜닝매스(200), 진동기(300), 진동센서(400), 온도센서(500) 및 회로부(600)를 포함한다.

이 때, 한 쌍의 유로관(100)은 도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 상술한 유로관(100)을 의미한다.

진동기(300)는 한 쌍의 유로관(100) 사이에 일정 거리 이격되어 설치되며, 유로관(100)을 진동시키도록 구비된다.

진동기(300)가 진동하면 유동관(100)은 진동기(300)에서 발생한 진동에 의하여 상하로 왕복운동을 하게 된다. 이때, 진동기(300)는 각각의 유로관(100)을 서로 반대 방향으로 진동시키게 된다.

진동기(300)는 유로관(100)의 유입구(111)와 배출구(121) 사이 중앙의 위치에 부착된다. 이 위치는 최소의 힘을 사용하여 진동기(300)가 유로관(100)에 최대의 힘을 적용하게 한다.

진동기(300)는 계측 전자모듈(미도시)로부터 신호를 수신하여 원하는 진폭 및 주파수에서 진동기(300)가 진동하게 한다.

한편, 진동센서(400)는 유로관(100)의 진동을 감지하도록 구성되며, 구체적으로 유로관(100)을 유동하는 물질에 의하여 야기되는 코리올리 힘을 감지한다.

이 때, 유로관(100)에 작용하는 코리올리 힘에 비례하여 유로관(100)의 비틀림 각도가 나타나며, 상술한 바와 한 쌍의 유로관(100)은 같이 비틀림 각도를 측정하기 위하여 대칭면을 기준으로 대향되게 각각 설치된다.

진동센서(400)는 신호 측정 모듈(410)을 포함한다.

신호 측정 모듈(410)은 유로관(100)을 흐르는 유체의 유입 변위 신호 및 배출 변위 신호를 획득하도록 정밀한 센서로 구성된다.

이때 신호 측정 모듈(410)은 유로관(100)의 유입구(111) 및 배출구(121)에 설치된다. 구체적으로, 유입구(111) 측 및 배출구(121) 측에 변위 검출기를 설치하여 상기 유입 변위 신호 및 상기 배출 변위 신호를 획득할 수 있다.

신호 측정 모듈(410)이 측정한 신호들은 후술할 회로부(600)로 전달된다.

온도센서(500)는 유로관(100)에 설치되며, 유입구(111)에서 유입되는 유체의 온도를 측정한다.

온도센서(500)는 유로관(100) 내부를 유동하는 유체의 온도에 따라 유로관(100)의 탄성 계수가 변하여 유로관(100)의 고유 진동수 및 비틀림 각도가 미묘하게 변화하여 유량의 측정에 오차가 발생하는 것을 방지하기 위한 구성이다.

회로부(600)는 진동센서(400) 및 온도센서(500)에서 측정된 신호(데이터)를 수신하여 검출된 각도 데이터와 온도 데이터를 기반으로 질량 유량의 값으로 변환하며, 트리거 파형 생성 모듈(610), 파형 정형화 모듈(620), 출력 펄스폭 처리 모듈(630) 및 유량 계산 모듈(640)을 포함한다.

트리거 파형 생성 모듈(610)은 신호 측정 모듈(410)에서 획득한 상기 유입 변위 신호 및 상기 배출 변위 신호를 기 설정된 조건에 따라 트리거하여 서로 다른 임계 레벨로 트리거 파형을 각각 생성하도록 형성된다.

파형 정형화 모듈(620)은 유입 트리거 파형 및 배출 트리거 파형을 정형화 하도록 형성된다.

출력 펄스폭 처리 모듈(630)은 클럭을 계수하여 출력 펄스폭인 △t1 및 △t2를 측정하고, 상기 출력 펄스폭을 이용하여 측정 위상 이동 시간차 △Tm 및 초기 제로 오프셋 시간차 △T0를 획득도록 형성된다. 이때 △Tm은 △t1과 △t2의 차이 값의 절반 값을 의미한다.

본 발명의 실시 예는 유로관(100)의 저유량에서도 일정 크기의 △Tm을 확보할 수 있어 보다 더 정확하게 유량을 측정할 수 있다.

유량 계산 모듈(640)은 획득한 시간차들 및 유동 교정 인자(Flow Calibration Factor, FCF)를 이용하여 질량 유량 값을 계산하도록 형성된다.

이 때, 측정된 질량 유량의 값은 전기적으로 연결되는 디스플레이(미도시)에 제공되어 사용자가 질량 유량의 값을 실시간으로 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계(10)를 이용한 유량 측정 방법을 도시하는 순서도이며, 도 9는 도 8의 유량 측정 방법에서 S100단계의 구체적인 과정을 도시하는 순서도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 코리올리스 질량 유량계(100)를 이용한 유량 측정 방법은, (a) 튜닝매스가 부착된 한 쌍의 유로관을 굽힘 모드에서 진동 주파수로 진동시켜 비틀림을 형성하는 단계(S100), (b) 진동 주파수에 의한 비틀림 각도와 이에 대한 위상시간을 측정하는 단계(S200) 및 (c) 한 쌍의 유로관의 질량 유량을 연산하는 단계(S300)를 포함한다.

(a) 단계(S100)는, 한 쌍의 유로관(100)은 가상의 대칭면을 기준으로 대칭되도록 형성되며, 튜닝매스(200)가 상기 대칭면을 기준으로 대향되도록 유로관(100)에 결합되어 한 쌍의 유로관(100)을 진동시키는 단계를 더 포함한다(S101).

상술한 바와 같이, 본 발 명의 실시 예에 따른 코리올리스 질량 유량계(10)는, 세가지 종류의 튜닝매스(200)를 유로관(100)에 결합시켜 유로관(100)을 진동시킬 수 있다.

도 9를 참조하면, 일 예로, 유로관(100)에 결합되는 튜닝매스(200) 중 볼(ball)형태로 형성되는 튜닝매스볼은, 상기 대칭면을 기준으로 한 쌍의 유로관(100)의 대칭되는 위치에 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시킨다(S110).

이때, 튜닝매스(200)는 상기 대칭면을 기준으로 유로관(100)의 일 측에 복수 개가 형성되어 유로관(100)에 결합되며, 유로관(100)의 타 측에 상기 일 측과 대칭되도록 형성되어 유로관(100)에 결합되어 한 쌍의 유로관(100)을 진동시킨다(S111).

다른 예로, 유로관(100)에 결합되는 튜닝매스(200)는 원기둥 형태로 형성되며, 튜닝매스(200)가 유로관(100)에 결합되어 한 쌍의 유로관(100)을 진동시킨다(S120).

이때, 원기둥 형태의 튜닝매스(200)는, 상기 대칭면을 기준으로 유로관(100)의 일 측에 복수 개가 형성되어 유로관(100)에 결합되며, 유로관(100)의 타 측에 상기 일 측과 대칭되도록 형성되어 유로관(100)과 결합되어 한 쌍의 유로관을 진동시킨다(S121).

또 다른 예로, 유로관(100)에 결합되는 튜닝매스(200) 중 바(bar)형태로 형성되는 튜닝매스바(210)는, 일 단이 유로관(100)의 유입 연결부(110)와 연결되고, 타 단이 유로관(100)의 상기 대칭면을 기준으로 상기 일 단과 대칭되는 위치의 상기 배출 연결부에 연결되어 한 쌍의 유로관을 진동시킨다(S130).

이때 튜닝매스바(210)는 상호간에 일정 간격으로 이격되어 복수 개가 형성되어 각 유로관(100)에 대향되는 위치에 결합되어, 한 쌍의 유로관(100)을 진동시킨다(S131).

(b) 단계는 상기 진동 주파수에 의한 비틀림 각도와 이에 대한 위상시간을 측정한다(S200).

도시된 실시 예는 없으나, 구체적으로, 신호 측정 모듈(410)을 이용하여 질량 유량계의 유입 변위 신호 및 배출 변위 신호를 획득할 수 있다. 이때, 트리거 파형 생성 모듈(610)을 이용하여 획득한 상기 유입 변위 신호 및 상기 배출 변위 신호를 기 설정된 조건에 따라 서로 다른 임계 레벨로 트리거하여 트리거 파형을 각각 생성한다.

이때, 상기 트리거 파형을 각각 생성하는 단계는, 상기 유입 변위 신호를 임계 레벨 +(Threshold level +)로 트리거하여 상기 유입 트리거 파형을 생성하고, 상기 배출 변위 신호를 임계 레벨 -(Threshold level -)로 트리거하여 상기 배출 트리거 파형을 생성할 수 있다.

그리고, 파형 정형화 모듈(620)을 이용하여 유입 트리거 파형 및 배출 트리거 파형을 정형화하고, 출력 펄스폭 처리 모듈(630)을 이용하여 클럭을 계수하여 출력 펄스폭인 △t1 및 △t2를 측정한다.

(c) 단계는, 상기 한 쌍의 유로관의 질량 유량을 연산한다(S300).

구체적으로, 질량 유량은 위상시간에 비례하는데, 일반적으로 위상시간을 이용한 질량 유량 측정 공식은 다음과 같다.

q_m은 유로관(100)을 통과하는 유체의 유량을 의미하고,

τ는 위상시간을 의미하며,

k_s는 비틀림 강성을 의미하며,

L은 유로관(100)의 유입구 및 배출구를 기준으로 진동기(300)의 높이 거리를 의미하고,

d는 유로관(100)의 유입 연결부(110)와 배출 연결부(120) 사이 거리를 의미하며,

Ω_f는 벤딩 주파수를 의미하고,

Ω_s는 비틀림 주파수를 의미한다.

그런데, 본 발명은 일반적인 비틀림 강성(k_s) 대신, 비틀림 강성 계수인 GI_s와 유로관(100)의 형상에 따라 수정된 d_m을 이용한 위상시간 측정공식을 이용한다. 상기 위상시간 측정공식은 다음과 같다.

이때 d_m은, 본 발명의 실시 예에 따른 역삼각형 형태의 유로관(100)의 경우, 유로관의 전체 면적을 계산한 후 단순 직사각형으로 가정하여 동일 높이에 면적을 만족하는 유로관(100)의 유입 연결부(110)와 배출 연결부(120) 사이의 폭을 의미하며,

비틀림 강성 계수인 GI_s는 하기 수식을 이용하여 구할 수 있다.

이때 T는 토크를 의미하고,

는 비틀림 변형을 의미한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따라 튜닝매스(200)의 질량을 변화하면서 벤딩 주파수(Ω_f)와 비틀림 주파수(Ω_s)가 유사해지는 과정을 해석을 통하여 찾는 경우, 목표로 하는 위상시간차 τ를 최적화 하는 유로관(100)의 형상을 도출할 수 있을 것이다.

그리고, 도시된 실시 예는 없으나, 출력 펄스폭 처리 모듈(630)을 이용하여 상기 출력 펄스폭을 이용하여 측정 위상 이동 시간차 △Tm 및 초기 제로 오프셋 시간차 △T0를 연산하고, 유량 계산 모듈(640)을 이용하여 획득한 시간차들 및 유동 교정 인자(Flow Calibration Factor, FCF)를 이용하여 유량 값을 계산한다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 코리올리스 질량 유량계
100: 유로관
110: 유입 연결부
111: 유입구
112: 유입 스트럿바
120: 배출 연결부
121: 배출구
122: 배출 스트럿바
200: 튜닝매스
201: 제1 튜닝부재
202: 제2 튜닝부재
210: 튜닝매스바
300: 진동기
400: 진동센서
410: 신호 측정 모듈
500: 온도센서
600: 회로부
610: 트리거 파형 생성 모듈
620: 파형 정형화 모듈
630: 출력 펄스폭 처리 모듈
640: 유량 계산 모듈

Claims

양 단이 개방되며, 일 단에 유입구가 각각 구비되고, 타 단에 배출구가 각각 구비되어 각 부분이 서로 마주보도록 이격 배치되는 한 쌍의 유로관; 및
상기 한 쌍의 유로관에 각각 결합되는 튜닝매스를 포함하고,
상기 한 쌍의 유로관은 가상의 대칭면을 기준으로 대칭되도록 형성되며,
상기 튜닝매스는,
적어도 하나의 상기 튜닝매스가 상기 대칭면을 기준으로 상기 한 쌍의 유로관의 대칭되는 위치에 결합되는 것을 특징으로 하며,
상기 튜닝매스는 볼(ball)형태 또는 원기둥 형태로 형성되는 경우,
상기 대칭면을 기준으로 일 측에 복수 개가 형성되어 결합되며, 타측에 동일하게 형성되어 결합되는 것을 특징으로 하고,
상기 한 쌍의 유로관은,
상기 유입구와 일 단이 연결되는 유입 연결부; 및
상기 배출구와 일 단이 연결되는 배출 연결부를 더 포함하고,
한 쌍의 상기 유입구에 부착되는 유입 스트럿바; 및
한 쌍의 상기 배출구에 부착되는 배출 스트럿바를 포함하는,
코리올리스 질량 유량계의 유로관.
상기 한 쌍의 유로관 사이에 일정 거리 이격되어 설치되며, 상기 한 쌍의 유로관을 진동시키도록 구성되는 진동기;
상기 한 쌍의 유로관의 진동을 감지하도록 구성되는 진동센서; 및
상기 한 쌍의 유로관의 온도를 감지하도록 구성되는 온도센서;
상기 진동센서 및 상기 온도센서에서 측정한 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 토대로 유량을 측정하는 회로부를 포함하고
상기 진동센서는,
상기 유로관의 유입 변위 신호 및 배출 변위 신호를 획득하도록 형성되는 신호 측정 모듈을 포함하며,
상기 회로부는,
상기 신호 측정 모듈에서 획득한 상기 유입 변위 신호 및 상기 배출 변위 신호를 기 설정된 조건에 따라 트리거하여 서로 다른 임계 레벨로 트리거 파형을 각각 생성하도록 형성되는 트리거 파형 생성 모듈;
유입 트리거 파형 및 배출 트리거 파형을 정형화 하도록 형성되는 파형 정형화 모듈;
클럭을 계수하여 출력 펄스폭인 △t1 및 △t2를 측정하고, 상기 출력 펄스폭을 이용하여 측정 위상 이동 시간차 △Tm 및 초기 제로 오프셋 시간차 △T0를 획득도록 형성되는 출력 펄스폭 처리 모듈 및
획득한 시간차들 및 유동 교정 인자(Flow Calibration Factor, FCF)를 이용하여 유량 값을 계산하도록 형성되는 유량 계산 모듈을 더 포함하며,
상기 신호 측정 모듈은,
상기 유로관의 상기 유입구 측 및 상기 배출구 측에 설치되는 변위 검출기로부터 각각 유입 변위 신호 및 배출 변위 신호를 획득하도록 형성되고,
상기 트리거 파형 생성 모듈은,
상기 유입 변위 신호를 상기 기 설정된 조건인 임계 레벨 +로 트리거하고,
상기 배출 변위 신호를 상기 기 설정된 조건인 임계 레벨 -로 트리거하며,
상기 서로 다른 임계 레벨을 이용하여 트리거 파형을 각각 생성하며,
상기 튜닝 매스는 상기 한 쌍의 유로관을 진동시키기 위해 구비되는,
코리올리스 질량 유량계.
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