KR20220040028A - 유량 설정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력 가능하도록 이루어지는 입력부; 상기 입력부 내에 입력된 값에 근거하여 변수를 설정 가능하게 하는 지정부; 및 설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템 및 유량 설정 방법을 제공한다.

Description

유량 설정 시스템 및 방법{Flow Rate Setting System and Method Using The Same}
본 발명은 유량 설정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 대기중 오염원 측정을 위한 샘플링 시스템 구축에 필수적인 관을 설치할 때 관에 의한 손실을 최소화하는 유량 설정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 현장에서 입자나 가스상의 물질 측정 분석기를 사용할 때 가장 중요한 것은, 대기 환경으로부터 기기 내부의 관측 장치까지 입자나 가스상의 물질의 손실없이 도달하도록 하는 것이다.
이를 위해서는 층류(laminar flow)를 유지하며, 관에서의 체류시간을 최소화하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 입자나 가스상 물질을 운반하는 과정에서 다양한 이유로 관로와 충돌하여 달라붙거나 깨져 손실이 발생하고, 측정값의 정확도를 떨어뜨린다.
여기서, 관을 통해 발생하는 손실을 줄이기 위한 고려 사항에 대해 상세 설명하면, 레이놀즈수는 유체 동역학에서 중요하게 사용되는 무차원 수 중 하나로 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로 나타낸다.
레이놀즈수는 유체의 흐름을 예측하는 데 사용되는데 일반적으로 원형관을 사용할 때 레이놀즈수가 4000초과일 경우를 난류를, 2100미만일 경유는 층류를 나타낸다. 즉 레이놀즈수가 2100보다 낮을수록 유체는 흐트러지지 않고 일정하게 흐르는 층류를 유지하게 되고 관에 닿아 발생하는 손실이 줄어든다.
기체가 관 속에 머무는 시간은 관의 내경과 길이 그리고 유량에 의해 결정되는데 관을 빨리 통과할수록 손실이 줄어든다. 이에 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 10초 이하의 체류시간을 권고하고 있다. 또한 공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 관의 앞과 뒤의 압력 차이가 클 경우에는 장비에 무리를 주며 고장의 원인이 될 수 있기 때문에 주변 압력과 가까운 압력으로 분석기에 전달해야 한다.
현장에서 이런 복합적인 고려사항을 동시에 반영하여 신속하게 계산하는 데에는 어려움이 있고, 입자상, 가스상 물질 측정 분석기를 새로 설치하거나 장비를 다른 곳으로 옮겨 재설치할 때마다 해당환경에 적절한 최적의 유량, 관의 내경 및 길이를 찾아내는 것은 시간적인 측면이나 효과적인 장비 운용 측면에서 어려운 것이 현실이다.
따라서, 이를 가능하도록 하는 대기중 오염원 측정을 위한 샘플링 시스템 구축에 필수적인 관을 설치할 때 관에 의한 손실을 최소화하는 자동화 분석을 가능하게 하는 시스템의 개발이 요구된다.
등록 특허 제10-1640435호(2016.7.18)
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대기중 오염원 측정을 위한 샘플링 시스템 구축에 필수적인 관을 설치할 때 관에 의한 손실을 최소화하는 유량 설정 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 유량 설정 시스템은 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력 가능하도록 이루어지는 입력부; 상기 입력부 내에 입력된 값에 근거하여 변수를 설정 가능하게 하는 지정부; 및 설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 관에 대한 정보는, 관의 길이 및 관의 내경을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 더 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 본 발명의 유량 설정 시스템은 상기 제어부를 통하여 산출된 값을 저장하는 저장부; 및 상기 저장부에 저장된 값 및 상기 제어부를 통해 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력 가능하게 하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 유량 설정 방법은 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력하는 단계; 입력된 값에 근거하여 변수를 설정하는 단계; 및 설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 본 발명의 유량 설정 방법은, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 본 발명의 유량 설정 방법은, 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 본 발명의 유량 설정 방법은, 산출된 값을 저장하는 단계; 및 저장된 값 및 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 레이놀즈수, 체류시간 및 관의 양 끝간의 압력 차이를 고려한 설계를 함으로써, 대기 중 가스상, 입자상 유해 물질이 관을 통해 이동할 때 발생하는 손실을 줄여 정확한 측정을 할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은, 대기측정기의 관(pipe or probe)을 설치할 때 길이, 내경 및 유입 가능한 최대 유량 등의 복합적인 요소를 고려하여, 현장에 적합한, 최적 값을 신속하게 결정할 수 있다.
또한, 본 발명은, 현장에서 필요한 수치들을 적절한 범위로 입력, 제공함으로써, 다양한 환경조건에서 적용 가능한 수치화를 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유량 설정 시스템을 도시하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명의 유량 설정 방법을 도시하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 의한 유량 설정 시스템에서 다변수 계산에 의해 관에 의한 손실을 최소화할 수 있는 최적의 유량 범위를 산출한 뒤 그 결과를 보여주고 있는 그래프.
도 4는 사용하고자 하는 관의 길이와 내경 및 대기 분석기에 흘려보낼 수 있는 최대유량을 입력하면 입력값에 대한 변수를 생성하고, 지정값을 설정하며, 저장부를 생성하는 방법의 일례를 도시하는 프로그램.
도 5는 변수를 사용하여 관에 의한 손실을 줄이기 위한 고려사항인 레이놀즈수, 체류시간, 관 양 끝간의 압력차를 반복적으로 계산하는 방법의 일례를 도시하는 프로그램.
도 6은 계산된 값에서 체류시간이 10보다 작고, 레이놀즈수가 2100보다 작고, 관 양 끝간의 압력차가 2보다 작은 조건을 모두 만족하는 유량을 찾아 저장한 뒤 최적의 유량범위를 출력해 내는 방법의 일례를 도시하는 프로그램.
도 7은 출력값을 바탕으로 가시적인 그래프로 나타내는 방법의 일례를 도시하는 프로그램.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
도 1은 본 발명의 유량 설정 시스템(100)을 도시하기 위한 블록도이고, 도 1을 참조하면, 본 발명의 유량 설정 시스템(100)은 입력부(10), 지정부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
입력부(10)는, 관의 길이, 관의 내경 및 대기 분석기에 흘려보낼 수 있는 입력 가능한 최대 유량을 입력한다. 입력부(10)는 일례로, 원하는 값을 화면상에서 입력 가능하게 하는 것일 수 있다.
지정부(20)는, 고려 사항 산출에 필요한 여러 변수를 설정 가능하게 한다.
제어부(30)는, 관의 면적과 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출한다. 또한, 제어부(30)는 레이놀드수와 체류시간, 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 산출한다.
일례로, 제어부(30)는, 관에 의한 손실에 영향을 주는 레이놀즈수, 체류시간, 관 양 끝 간의 압력 차이를 고려하여 최적의 유량 범위, 관의 길이 및 내경을 산출할 수 있다.
제어부(30)는, 관의 면적과 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수와, 레이놀드수와 체류시간, 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출할 때, 이런 산출하는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 유량 설정 시스템(100)은, 저장부(40) 및 출력부(50)를 더 포함할 수 있다.
저장부(40)는 제어부(30)를 통하여 산출된 값을 저장하도록 한다.
출력부(50)는 저장부(40)에 저장된 값 및 제어부(30)를 통해 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력 가능하게 한다.
기 결정된 유량 범위는 관의 손실을 최소화할 수 있는 최적의 유량 범위일 수 있다.
출력부(50)는 일례로, 원하는 값을 출력하는 화면으로서, 출력되는 화면을 통해 일정 값의 범위에서 사용하도록 제안될 수 있다.
도 2는 본 발명의 유량 설정 방법(S100)을 도시하기 위한 순서도인데, 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 유량 설정 방법(S100)에 대하여 서술한다.
본 발명의 유량 설정 방법(S100)은 전술한 유량 설정 시스템(100)을 이용하여 수행되는 방법일 수 있다.
본 발명의 유량 설정 방법(S100)은 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력하는 단계(S10), 입력된 값에 근거하여 변수를 설정하는 단계(S20), 및 설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 단계(S30)를 포함한다.
본 발명의 유량 설정 방법(S100)은, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 산출하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 유량 설정 방법(S100)은, 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행하는 단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 유량 설정 방법(S100)은, 산출된 값을 저장하는 단계(S60); 및 저장된 값 및 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력하는 단계(S70)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 유량 설정 시스템(100) 및 방법에 의해, 유량 설정하는 과정의 일례에 대하여 서술한다.
입력부(10)를 통하여, 사용하고자 하는 관의 내경, 길이 및 유입 가능한 최대 유량을 입력한다.
입력부(10)를 통한 입력에 의해, 여러 변수가 생성된다(v_diameter_m, v_length_m, v_maxFlowRate_lpm). v_diameter_m는 원하는 샘플링 라인의 직경, v_length_m는 원하는 샘플링 라인의 길이, v_maxFlowRate_lpm는 원하는 최대 샘플링 유량을 나타낸다.
상기 변수는 입력한 내경, 길이, 최대 유량에 대한 변수, 25°C에서의 공기중 동적 점성도(Kinematic viscosity) 1.562e-5(단위:m2/s)인 변수, 25°C에서의 공기 중 점성계수(Dynamic viscosity) 계수 1.849e-5(단위: kg*m-1*s)인 변수이다.
동적 점성도 및 공기 중 점성계수는 현장 상황에 맞는 온도 값으로 변경될 수 있다.
또한, 입력된 관의 내경에 근거하여, 관의 면적(단위:m2)이 π * (v_diameter_m /2)^2으로 계산되어 변수로 생성될 수 있다.
또한, 입력된 관의 내경 및 관의 길이에 근거하여 관의 부피(단위:m3)가 v_area_m2 * v_length_m 로 계산되어 변수로 생성될 수 있다.
또한, x축에 놓일 유량의 수를 정하여 변수로 지정된다. v_numpnts 이 값은 웨이브(wave)의 행(row)의 수가 되며, 그 수가 클수록 그래프의 해상도는 높아진다. 웨이브는 입력값의 일 형태일 수 있다.
그 후, 유량, 레이놀즈수, 체류시간, 압력차에 대한 웨이브(wave)를 만든다. 이 때 각 wave들은 v_numpnts에 해당하는 행(row)의 수를 가지며, 그 값들은 nan처리하여 아무 값도 채워지지 않은 빈 상태로 만들어진다(w_flowRate_lpm, w_Reynolds, w_residenceTime_s, w_pressureDiff_torr). nan은 없는 값을 나타내며, 계산이 되지 않을 때, nan으로 나오게된다.
또한, iloop(0으로 시작해서 v_numpnts까지 1씩 증가되는 수) 명령어를 사용하여 유량, 유량 변수, 레이놀즈수, 체류시간, 압력차에 대해 반복적인 계산이 진행된다. 아래의 a, b, c, d, e의 계산이 반복되게 된다. iloop 명령어는 적절한 최상의 값을 얻기 위해 무한대로 반복(iteration)을 하게 한다. 계산된 값들은 비워진 상태였던 wave에 순차적으로 저장된다.
단계 a. 유량 웨이브(w_flowRate_lpm) : iloop * v_maxFlowRate_lpm/ v_numpnts
단계 b. 유량 변수 (v_flowRate_m3ps) : w_flowRate_lpm * 1/1000 * 1/60
단계 c. 레이놀즈수 wave (w_Reynolds) : (flow rate * diameter)/(kinematic viscosity * area)이고, v_nu = 1.562e- 5 이고, 25 ℃의 공기에서의 동적 점성도(kinematic viscosity)(m2/s)를 나타낸다.
단계 d. 체류시간 wave (w_residenceTime_s) : v_tubeVolume_m3 / v_flowRate_m3ps. 체류 시간은 관안에 머무는 시간을 나타낸다.
단계 e. 압력차 wave (w_pressureDiff_torr) : (8 * v_mu * v_length_m * v_flowRate_m3ps) / (π * (v_diameter_m /2)^4 * 0.0075)으로 계산될 수 있으며, (8 * dynamic viscosity * legnth * flow rate)/(Pi * radius^4)로도 계산될 수 있는데, 이 식은 푸아죄유의 법칙(Poiseuille's law)을 따른다. v_mu =1.849e- 5 이고, 25 ℃의 공기에서의 동적 점성도(dynamic viscosity)(kg*m-1*s-1)를 나타낸다.
단계 a에서, 이 값은 처음에 원하는 범위의 값을 입력하면, 그 안에서 단계별로 증가하면서 계산된다. 즉, 10 내지 100까지 10단계로 넣어주면 10, 20, 30 이렇게 입력되게 된다.
단계 b는, 단계 a의 값을 초당 단위로 바꿔주는 것이다.
각 웨이브에 저장된 값들을 바탕으로 체류시간이 10초 미만인 경우, 레이놀즈수가 2100미만인 경우, 압력차이가 2미만인 경우를 모두 만족하는 유량의 값을 추천된 유량 웨이브 (w_flowRate_recommended)에 저장한다.
추천된 유량 웨이브 (w_flowRate_recommended)에서 최대값과 최소값을 찾아내고, 이를 통해 관에 의한 손실을 최소화할 수 있는 유량 범위를 출력한다.
계산된 유량에 따른 레이놀즈수, 체류시간, 관 양 끝간의 압력차에 대한 그래프로 표시되며, 앞서 출력된 관에 의한 손실을 최소화할 수 있는 유량 범위도 그래프에 함께 표시된다.
이상에서 설명한 유량 설정 시스템(100) 및 유량 설정 방법(S100)은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100:유량 설정 시스템
10:입력부 20:지정부 30:제어부
40:저장부 50:출력부
S100:유량 설정 방법
S10:관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력하는 단계
S20:입력된 값에 근거하여 변수를 설정하는 단계
S30:설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 단계
S40:레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 산출하는 단계
S50:관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과, 레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행하는 단계
S60:산출된 값을 저장하는 단계
S70:저장된 값 및 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력하는 단계

Claims (9)

  1. 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력 가능하도록 이루어지는 입력부;
    상기 입력부 내에 입력된 값에 근거하여 변수를 설정 가능하게 하는 지정부; 및
    설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관에 대한 정보는, 관의 길이 및 관의 내경을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 더 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과,
    레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부를 통하여 산출된 값을 저장하는 저장부; 및
    상기 저장부에 저장된 값 및 상기 제어부를 통해 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력 가능하게 하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 시스템.
  6. 관에 대한 정보 및 관내에서 유동 가능한 최대 유량에 대한 정보 중 하나 이상의 값을 입력하는 단계;
    입력된 값에 근거하여 변수를 설정하는 단계; 및
    설정된 변수 값에 근거하여 관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    관의 면적, 관의 부피 및 관을 통과하는 유량에 대한 변수의 산출과,
    레이놀드수와 체류시간, 및 관의 양 끝 간의 압력 차이값의 산출을 각각 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    산출된 값을 저장하는 단계; 및
    저장된 값 및 산출된 값 중 적어도 하나에 근거하여 기 결정된 유량 범위를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 설정 방법.
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