KR20070044874A - 유량 검출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량 검출기에 관한 것으로, 유량 검출기는 덕트와, 상기 덕트 내에 마련되고 다양한 단면적을 갖는 복수개의 측정 유로와, 상기 복수개의 유로 내에 각각 설치되는 와류 센서로 구성되어 있다. 상기와 같은 발명은 기존의 방식에 비해 미소 유량에서 대유량까지 넓은 영역에서 측정이 가능하고, 특히, 유량 센서의 단점인 미소 유량을 측정할 수 있어 다양한 용도로 사용이 가능하다는 장점이 있다.
카르만 와류, 와류 센서, 유로, 스위치, 유량

Description

유량 검출기{FLOW rate DETECTOR}
도 1은 종래의 와류 검출기를 나타낸 개략 평단면도이다.
도 2는 종래의 와류 검출기를 나타낸 절개 사시도이다.
도 3은 종래의 와류 검출기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 병렬 구조를 갖는 본 발명에 따른 유량 검출기의 개략 단면도이다.
도 5는 직렬 구조를 갖는 본 발명에 따른 유량 검출기의 개략 단면도이다.
< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 110, 111: 로드 12, 112, 113, 212, 213: 압전 소자
14: 와류 116, 216: 덕트
118, 120, 218, 220: 와류 센서 122, 216: 제 1 유로
124, 224: 제 2 유로 126, 226: 개폐 스위치
228: 보조 유로
본 발명은 유량 검출기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와류를 이용하여 미소 유량 및 대유량까지의 압력 변동을 측정하기 위한 유량 검출기의 구조에 관한 것이다.
유동하는 유체의 유량을 측정하는 유량 검출기 중에서, 용적 유량계, 차압식 유량계, 면적 유량계 및 터빈 유량계 등은 측정 유체가 유량 측정 소자에 에너지를 제공하면서 측정되는데, 압력 손실이라는 형태로 에너지의 손실이 있지만 유량계 자체는 외부에서 별도의 에너지를 공급받지 않고도 유량을 측정할 수 있는 특징이 있다. 이와는 달리 전자 유량계, 초음파 유량계, 질량 유량계 등은 원리적으로 측정되는 유체 자체에는 에너지 손실이 없어 유량계 자체는 유량을 측정하기 위해서 별도의 외부 에너지를 필요로 한다. 유량계의 측정 대상인 유체의 종류는 다양하며, 측정환경이 복잡하고, 또한 측정 목적도 다양하다. 따라서 한 종류의 유량계로 모든 유체를 측정하고, 복잡한 환경에 적용시키며, 또한 다양한 측정 목적에 부합시키는 것은 무리이며 불가능하다고 말할 수 있다. 실제로 유량계는 원리가 다양하고 유량계마다 구조가 상이하다. 그 중, 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 유량계는 와류의 발생을 이용하여 유속을 측정하는 카르만식 와류속계를 들 수 있다.
도 1은 종래의 와류 검출기를 나타낸 개략 평단면도이고, 도 2는 종래의 와류 검출기를 나타낸 절개 사시도이다. 도 3은 종래의 와류 검출기를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 와류 검출기는 유체가 흐르는 유로 내에 로드(10)와 압전 소자(12)로 구성된다.
일정 형상을 갖는 로드(10)는 도 2와 같이 유로의 상부와 하부를 연결하고 있고, 유체의 흐름에 수직 방향으로 설치되어 있다. 상기 로드(10)는 도면에서 사다리꼴인 형상으로 도시되어 있으나, 그에 한정되지 않고 삼각 기둥 형태 등의 형상도 가능하다.
압전 소자(12)는 피에조 전기소자라고도 한다. 기계적 힘을 주면 전기가 발생하고 역으로 전기를 주면 기계적 힘이 발생한다. 즉, 압전 소자(12)는 외부적인 힘을 가하여 변형을 주면 그 표면에 전압이 발생하고, 반대로 전압을 걸면 변위나 힘이 발생한다. 이러한 압전 소자(12)로는 수정, 전기석, 티탄산바륨 등이 있으며, 초음파 발생에도 사용된다. 압전 소자(12)는 중앙에서 로드(10) 하류 방향의 유로에 고정적으로 설치되며 유체 통로 내에 설치되어 있다. 압전 소자(12)는 유로에 대해 종방향으로 평행하게 뻗어 있는 단면 형상을 가지며, 그에 따라 로드(10)에 후속하는 소용돌이에 의해 쉽게 구부러질 수 있다. 압전 소자(12)는 복수개가 설치 가능하다.
다음은 종래 기술에 따른 와류 검출기의 동작을 살펴 본다. 유체가 유로에 흐르기 시작하고, 로드(10)와 접촉되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 로드(10)의 양측으로 나뉘면서 규칙적인 와류(14)가 양측에 번갈아가며 발생한다. 이러한 와류(14)를 카르만 와류라 한다. 카르만 와류(14)가 압전 소자(12)를 타격함으로써, 압전 소자(12)는 응력에 의한 변형으로 구부러진다. 압전 소자(12)는 유체에 의해 변형되면서 그에 대응하는 전기 신호를 발생한다. 이 신호에 의해 도시되지 않은 외부 제어기에 의해 기준 전압을 비교하여 유량을 측정하게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 유량계는 와류를 통한 주파수가 유체의 종류와 무관하여 측정 범위가 비교적 넓으나, 유로 구경에 비해 유량이 작은 유체에서의 와류 압력을 검출하고자 할 때는 압전 소자(12)는 지극히 고감도의 압전 소자(12)가 사용되지 않으면 검출이 어려운 문제점이 있다. 또한, 고감도의 압전 소자(12)는 와류 압력 이외의 압전 소자(12)에 인가되는 다른 힘 예를 들어 진동 같은 것에도 민감하게 대응하므로 주변의 영향을 많이 받아 와류 압력에만 의한 정확한 측정값을 얻기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 저유량에서 대유량에 이르는 다양한 유량을 측정하기 위한 유량 검출기 구조를 제공함을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 유량 검출기는 덕트와, 상기 덕트 내에 마련되고 다양한 단면적을 갖는 복수개의 측정 유로와, 상기 복수개의 유로 내에 각각 설치되는 와류 센서로 구성된다. 상기 와류 센서는 각각 설치되는 복수개의 유로의 크기에 대응한다. 상기 복수개의 유로는 병렬로 배열되고 어느 하나의 유로만을 개방하는 개폐 스위치를 포함하고, 상기 복수개의 유로는 직렬로 배열될 수 있다. 상기 직렬로 배열된 유로 중 단면적이 작은 유로에는 그에 평행하게 배열된 보조 유로가 배열되고, 상기 보조 유로를 개폐하는 개폐 스위치를 포함할 수 있다.
도 3은 병렬 구조를 갖는 본 발명에 따른 유량 검출기의 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 유량 검출기는 덕트(116)와, 상기 덕트의 중간에 서로 다른 단면적을 갖는 병렬 배열된 제 1 유로(122) 및 제 2 유로(124)와, 상기 제 1 유로 및 제 2 유로(122, 124)를 선택적으로 개폐하는 개폐 스위치(126)와, 상기 제 1 유로 및 제 2 유로(122, 124) 내에 각각 마련된 제 1 와류 센서(118)와, 제 2 와류 센서(120)로 구성되어 있다.
덕트(116)는 유체가 흐르는 유로를 형성하는 원통형의 구조물이다. 덕트(116) 내에는 제 1 유로(122)와, 상기 제 1 유로(122)보다 직경이 작은 제 2 유로(124)로 나누어져 있다. 제 1 유로(122)와 제 2 유로(124)는 병렬 연결되어 있으며, 제 1 유로(122) 및 제 2 유로(124)에는 개폐 스위치(126)가 각각 설치되어 있다. 이 개폐 스위치(126)는 제 1 유로(122)가 열리면 제 2 유로(124)가 닫히고, 또한 제 1 유로(122)가 닫히면 제 2 유로(124)는 열리는 동작을 한다. 개폐 스위치(126)는 제 1 유로 및 제 2 유로(122, 124)의 입구 및 출구, 즉 제 1 유로(122)와 제 2 유로(124)가 분기되는 분기점과 유량 측정 후 제 1 유로(122)와 제 2 유로(124)가 만나는 지점에 설치되어 있다.
제 1 유로(122) 내에 설치되어 있는 제 1 와류 센서(118)는 제 1 로드(110)와 제 1 압전 소자(122)로 구성되어 있다.
제 1 로드(110)는 제 1 유로(122)의 상부와 하부를 연결하고 있고, 제 1 유로(122)의 실질적으로 중앙에 위치하며 제 1 유로(122)에 대하여 수직하게 뻗어있다. 또한, 제 1 로드(110)는 카르만 와류를 발생시킬 수 있도록 사다리꼴과 같은 일정한 횡단면으로 되어 있으며, 횡단면의 긴 변이 상류를 향하도록 놓여 있고, 카르만 와류가 발생하는 위치에 즉 하류를 향하도록 횡단면의 짧은 변이 위치하여 있다.
압력 센서 역할을 하는 제 1 압전 소자(112)는 유로의 실질적인 중앙에서 제 1 유로(122)에 고정 설치되어 있다. 제 1 압전 소자(112)는 카르만 와류에 의하여 쉽게 구부러질 수 있다. 따라서, 유체 흐름 내에서 발생하는 카르만 와류는 제 1 압전 소자(112)에 의하여 효과적으로 검출될 수 있다.
또한, 유량 검출기 외부에는 도시되지 않은 제어기가 제 1 압전 소자(112)에 연결되어 설치되어 있다. 제어기는 압전 소자의 출력신호를 받고, 제 1 압전 소자(112)로부터의 출력신호와 기준 전압 전원에 의해 발생하는 기준 전압을 비교하고, 유체의 유량을 정확하게 결정한다.
제 1 유로(122)의 직경보다 작은 제 2 유로(124)에는 그에 대응되는 제 2 와류 센서(120)가 설치된다. 즉, 제 2 와류 센서(120)는 제 1 와류 센서(118)와 동일한 구성을 갖되, 제 2 유로(124)의 직경에 대응하는 크기의 제 2 로드(111) 및 제 2 압전 소자(113)를 포함한다. 이때, 제 1 압전 소자(112)와 제 2 압전 소자(113)는 대유량을 측정할 수 있는 압전 소자와 소유량을 검출할 수 있는 압전 소자를 각각 제 1 유로 및 제 2 유로(122, 124)에 설치하는 것이 바람직하다.
병렬 구조의 유량 검출기의 동작을 살펴 본다. 대유량의 유체가 도시되지 않은 유입파이프를 통하여 유량 검출기에 도입되면 유체는 제 1 유로(122)로만 흐르도록 즉, 제 1 유로(122)를 개방하고 제 2 유로(124)를 폐쇄하도록 개폐 스위치 (126)를 조절한다. 대유량의 유체가 제 1 유로(122)를 통해 흐를 때 제 1 와류 센서(118)의 제 1 로드(110)에 의해 유체 내에 발생 되는 마찰력에 의해 카르만 와류가 발생하게 되고, 이 카르만 와류는 제 1 와류 센서(118)의 제 1 압전 소자(112) 부근으로 흐르게 되면 제 1 압전 소자(112)를 타격하여 그에 의한 유체의 압력 요동에 대응하여 제 1 압전 소자(112)는 전기 신호를 발생한다. 이후 도시되지 않은 제어기에 의해 압력을 검출한다.
한편, 소유량의 유체가 유량 검출기에 도입되면 유체는 제 2 유로(124)로만 흐르도록 즉, 제 1 유로(122)를 폐쇄하고 제 2 유로(124)를 개방하도록 개폐 스위치(126)를 조절한다. 소유량의 유체가 제 2 유로(124)를 통해 흐를 때 제 2 와류 센서(120)의 제 2 로드(111)에 의해 유체 내에 발생 되는 마찰력에 의해 카르만 와류가 발생하고, 제 2 와류 센서(120)의 제 2 압전 소자(113) 부근으로 유체가 흘러 제 2 압전 소자(113)는 유체의 압력 요동을 검출하고, 도시되지 않은 제어기에 의해 압력을 검출한다.
상기와 같은 동작에 의해 본 발명에 의한 유량 검출기는 다양한 단면적을 갖는 복수개의 측정 유로와 각각의 유로 내에 설치되는 와류 센서에 의해 대유량뿐만 아니라 소유량까지 측정할 수 있다.
도 4는 2개의 병렬 구조를 갖는 유량 검출기의 구조를 설명하였지만, 유동하는 유량이 서로 다른 유로를 2개 이상 복수개 설치하고 각 유량에 맞는 검출강도를 가지는 압전 소자를 장착하여 2개 이상의 병렬 구조를 갖는 유량 검출기로 구성할 수 있다. 이는 미소 유량에서 대유량까지의 측정범위를 더욱 넓힐 수 있다는 장점 을 가진다.
도 5는 직렬 구조를 갖는 본 발명에 따른 유량 검출기의 개략 단면도이다. 도면을 참조하면, 유량 검출기는 덕트(216)와, 상기 덕트(216) 내에 제 1 유로(222)와, 상기 제 1 유로(222)의 하류에 서로 평행하게 형성된 제 2 유로(224) 및 보조 유로(228)와, 상기 제 1 유로(222) 및 제 2 유로(224) 내에 마련된 제 1 와류 센서(218) 및 제 2 와류 센서(220)와, 상기 보조 유로(228)를 개폐하는 개폐 스위치(226)로 구성되어 있다.
덕트(216) 내에 유체가 유입되는 위치에 제 1 유로(222)가 형성되어 있으며, 제 1 와류 센서(218)를 지나면서, 제 2 유로(224)와 보조 유로(228)로 나누어진다. 제 2 유로(224)는 제 1 유로(222)보다 단면적이 작고 그에 대응하는 크기의 제 2 와류 센서(220)가 내부에 설치되어 있다. 보조 유로(228)의 입구 및 출구에는 보조 유로(228)를 개폐하기 위한 개폐 스위치(226)가 설치되어 있고, 이는 대유량의 유체가 흐를 때, 제 2 유로(224)에만 유체가 흐르게 되면 제 2 유로(224)가 고압을 받게 되므로 이를 방지하기 위해서 제 2 유로(224) 뿐만 아니라, 보조 유로(228)를 통해 서로 유체가 흐르도록 하기 위한 것이다. 제 1 와류 센서(218) 및 제 2 와류 센서(220)의 구성은 도 3에서 설명한 바와 같다.
다음은 본 발명에 따른 직렬 구조의 유량 검출기의 동작을 살펴 본다. 대유량의 유체가 도시되지 않은 유입파이프를 통하여 유량 검출기에 도입되면 유체는 제 1 유로(222)를 통해 흐르고, 제 1 와류 센서(218)의 제 1 로드(210)에 의해 유체 내에 발생 되는 마찰력에 의해 카르만 와류가 발생하게 되고, 이 카르만 와류는 제 1 와류 센서(218)의 제 1 압전 소자(212) 부근으로 흐르게 되면 제 1 압전 소자(212)는 카르만 와류에 의한 유체의 압력 요동을 검출하여 전기 신호를 발생한다. 이후 도시되지 않은 제어기에 의해 압력을 검출한다. 이때, 보조 유로(228)의 개폐 스위치(226)는 개방되어 제 1 유로(222)를 지나간 유체는 제 2 유로(224) 및 보조 유로(228)로 흐르게 된다. 또한, 소유량의 유체가 도시되지 않은 유입파이프를 통하여 유량 검출기에 도입되면 제 1 유로(222)를 통해 제 2 유로(224)로 유체가 흐른다. 이때, 보조 유로(228)는 개폐 스위치(226)에 의해 폐쇄되어 유체는 제 2 유로(224)로만 흐른다. 제 2 유로(224)에 위치한 제 2 와류 센서(220)의 제 2 로드(211)에 의해 유체 내에 발생되는 마찰력에 의해 카르만 와류가 발생하게 되고, 이 카르만 와류는 제 2 와류 센서(220)의 제 2 압전 소자(213) 부근으로 흐르게 되면 제 2 압전 소자(213)는 카르만 와류에 의한 유체의 압력 요동을 검출하여 전기 신호를 발생한다. 이후 도시되지 않은 제어기에 의해 압력을 검출한다.
도 5는 2개의 직렬 구조를 갖는 유량 검출기의 구조를 설명하였지만, 2개 이상의 직렬 구조를 갖는 유량 검출기로 구성할 수 있다. 이는 소유량에서 대유량까지의 측정범위를 더욱 높일 수 있다는 장점을 가진다.
더욱이, 제 2 유로의 크기를 보조 유로의 크기보다 크게 한 후, 보조 유로에 제 3 와류 센서를 더 설치하여 유량을 3단계로 나누어 제 1 유로, 제 2 유로, 보조 유로의 각각에서 유량을 측정할 수도 있다.
본 발명에 따른 유량 검출기의 구조는 병렬 구조와 직렬 구조로 설명하였다. 하지만, 병렬 구조의 유량 검출기와 직렬 구조의 유량 검출기는 혼용될 수 있음은 물론이다. 또한 와류식 유량 검출기 외에도 전자 유량계, 초음파 유량계, 질량 유량계에도 적용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 검출기는 유체의 유량을 측정하기 위해 구조를 재구성하였다.
그러므로, 본 발명은 넓은 영역의 측정이 가능하고, 미소 유량 측정이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다양한 유량을 한번에 측정할 수 있어, 다양한 용도로 사용이 가능한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 덕트와,
    상기 덕트 내에 마련되고 다양한 단면적을 갖는 복수개의 측정 유로와,
    상기 복수개의 유로 내에 각각 설치되는 와류 센서
    로 구성된 것을 특징으로 하는 유량 검출기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 와류 센서는 각각 설치되는 복수개의 유로의 크기에 대응하는 것을 특징으로 하는 유량 검출기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 다수개의 유로는 병렬로 배열되고 어느 하나의 유로만을 개방하는 개폐 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 검출기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다수개의 유로는 직렬로 배열된 것을 특징으로 하는 유량 검출기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 유로 중 단면적이 작은 유로에는 그에 평행하게 배열된 보조 유로가 배열되고, 상기 보조 유로를 개폐하는 개폐 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 검출기.
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