KR100760065B1 - 대용량 질량 유량 계측 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 대용량 유량 계측용 질량 유량계는 배관 내의 질량유량을 측정하는 질량 유량 센서를 구비하고, 상기 질량 유량 센서 도관의 양단이 각각 바이패스의 입구 및 출구와 공유하며, 상기 바이패스는 관의 길이방향으로 다층의 동심 환형 채널(관로)을 형성시켜 상기 채널을 유로로 사용함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배관 내의 유량이 증가하였을 때 채널의 개수를 늘려 층류를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명은 다층의 동심 환형 채널(관로)을 유로로 사용하는 바이패스가 적용된 질량 유량 계측 장치를 제공함으로써 대용량에서도 바이패스 및 센서 도관을 통과하는 유동의 층류를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 바이패스의 구조는 단순하고 제작도 쉬워 제작비용면에서도 경제적이다.

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Description

대용량 질량 유량 계측 장치{Apparatus for measuring high mass flow}

도 1은 일반적인 질량유량 계측장치의 유로에 관한 개략도이다.

도 2는 센서 유량과 바이패스 유량의 설계범위를 나타내는 그래프이다.

도 3은 종래의 기술에 따른 질량유량 장치에 사용되는 다관형 바이패스의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 질량유량 장치에 사용되는 다층 동심 환형 채널 바이패스의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 배관 200 : 질량 유량 센서

210 : 센서 도관 310 : 바이패스 입구

320 : 바이패스 출구 400 : 바이패스

본 발명은 대용량 질량 유량 계측 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다 층의 동심 환형 채널(관로) 구조인 바이패스를 제공하여 상기 바이패스 및 센서 도관을 통과하는 유동이 항상 층류가 되도록 하는 대용량 질량 유량 계측 장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 질량유량 계측장치의 유로에 관한 개략도이며, 도 2는 센서 유량과 바이패스 유량의 설계범위를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 3은 종래의 기술에 따른 질량유량 장치에 사용되는 다관형 바이패스의 단면도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 일반적인 질량유량 계측장치는 배관(100) 내의 질량유량을 측정하는 질량 유량 센서(200); 상기 질량유량 센서(200)와 병렬 구조로 이루어지며, 센서 도관을 통과하는 유량에 비례하여 대부분의 유체가 흐르도록 구성되는 바이패스(Bypass)(400)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 병렬 구조라 함은, 상기 질량 유량 센서 도관(210)의 양단이 각각 바이패스의 입구(310) 및 출구(320)와 공유한다는 것을 나타낸다.

상기와 같이 질량 유량 센서(200)와 바이패스(Bypass)(400)를 병렬로 연결하는 이유는 측정 정밀도를 높이면서 측정유량을 크게 하기 위한 것이다.

일반적으로 질량유량을 계측하기 위하여 사용되는 센서는 유동이 선형적인 특성을 유지하는 저유속 층류유동에 대하여 작동하도록 설계된다. 센서를 흐르는 유량이 커지면 유속이 증가하여 난류로 천이되며, 이 경우 유동은 비선형 특성을 나타내어 정확한 유량계측을 하려면 비선형 특성에 대한 다양한 상관계수(correlation)를 알아야 하며, 계측기로서 비합리적이다. 그러므로 센서 유동을 층류로 유지하려면 계측유량의 범위는 제한적일 수밖에 없다. 이러한 문제점을 보 완하기 위하여 바이패스(Bypass)를 사용한다.

상기 바이패스(400)는 계측하고자 하는 전체유량 중 센서(200)를 통과하는 소량의 유량(Q_s)을 제외한 대부분의 유체가 이를 통과하도록 유로를 설계한다. 이때, 바이패스를 흐르는 유량(Q_b)은 센서를 흐르는 유량(Q_s)과 비례하도록 설계한다(도 2 참조). 즉, 센서를 흐르는 유량을 측정하면, 이에 비례하는 바이패스의 유량이 결정되므로 총 유량을 알 수 있다. 이와 같이 센서와 바이패스 유량 간에 비례관계가 성립하려면 바이패스 유동도 센서와 마찬가지로 층류여야 한다. 층류를 유지하면서 대용량의 유량이 흐르려면 이에 따른 형상설계가 요구된다.

다수의 유로가 병렬로 연결된 경우, 각각의 유로를 흐르는 유량은 유로 전후단의 압력차에 의하여 결정된다. 이때 유로전후단의 압력차는 모든 유로에 대하여 동일하며, 이러한 압력차에 대응하기 위하여 각각의 유로를 흐르는 유량과 평균유속이 결정된다. 센서를 흐르는 유량은 정밀도를 위하여 매우 소량이 되도록 설계하므로 압력차도 작다. 이와 같은 압력차를 유지하며, 동시에 층류가 되려면 바이패스를 흐르는 유량도 매우 제한적일 수밖에 없다.

종래에 사용하던 대표적인 바이패스로는 센서 도관과 비슷한 직경의 직관을 여러 개 사용하는 다관형이 있다.(도 3 참조),

그러나 상기와 같은 다관형 바이패스의 경우, 작은 압력차와 층류 유동 조건에 의하여 유량이 제한적이다. 다시 말하면 계측 유량이 증가하면 난류가 발생되어 바이패스(또는 센서 도관)의 입구와 출구간 압력차가 소정 기준을 초과하는 문제점 이 발생된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 유량이 통과할 수 있는 채널(관로)(10)의 수를 늘리면 되는데, 이런 경우 제작도 어려울 뿐만 아니라 단가도 올라간다는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 관의 길이방향으로 다층의 동심 환형 채널(관로)을 사용하는 바이패스를 제공하여 바이패스 및 센서 도관을 통과하는 유동이 항상 층류가 되도록 하는 대용량 질량 유량 계측 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 대용량 유량 계측용 질량 유량계는 배관 내의 질량유량을 측정하는 질량 유량 센서를 구비하고, 상기 질량 유량 센서 도관의 양단이 각각 바이패스의 입구 및 출구와 공유하며, 상기 바이패스는 관의 길이방향으로 다층의 동심 환형 채널(관로)을 형성시켜 상기 채널을 유로로 사용함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 바이패스를 통과하는 유량은 센서 도관을 통과하는 유량과 비례관계가 되도록 하여 상기 바이패스를 지나는 유동 및 센서 도관을 지나는 유동이 층류가 되도록 함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배관 내의 유량이 증가하였을 때 채널의 개수를 늘려 층류를 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다음 식을 만족하며,

여기서,

,

,

h는 환형 채널의 간극, L_b는 채널의 길이, μ는 유체의 점성계수,

는 배관을 지나는 총 유량,

는 센서 도관을 지나는 유량, a_i는 i번째 채널의 외경, △P_b는 바이패스 통과 전과 통과 후의 유동 압력 손실, △P_s는 센서 도관 통과 전과 통과 후의 유동 압력 손실을 나타냄을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 질량유량 장치에 사용되는 다층 동심 환형 채널 바이패스의 단면도이다.

질량유량 장치에 대해서는 도 1 설명부분에서 상세히 이루어졌으므로 여기서는 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 질량유량 장치에 사용되는 바이패스(400)는 관(100)의 길이방향으로 다층의 동심 환형 채널(관로)(410) 구조를 가진다. 즉, 다층의 동심 환형의 고리(간략히, '동심 환형 고리'이라고도 함)(420)와 고리(430) 사이의 관로(410)가 유로로 사용된다.

상기 바이패스(400)의 구조에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 바이패스(400)는 전체적인 형태가 단면이 원형인 원기둥 형상으로, 배관(100) 내에 설치된다. 그 단면을 보면, 다층의 동심 환형 고리(420)(430)에 의해 다층의 동심 환형 채널(410)이 구획된다.

본 발명에서는 상기 동심 환형 채널(관로)(410)을 통해 유체가 통과한다.

상기 동심 환형 채널(410)은 소정의 간극(h)을 가진다.

본 발명에서는 다층의 동심 환형 채널들의 간극을 같게 설계하는 것이 바람직하다.

여기서, 동심 환형 채널의 간극(h)은 동심 환형 고리(420)(430)간 간격을 말하며, 채널의 길이(L_b)는 바이패스의 길이와 같다.

본 발명에서는 환형 채널의 간극(h)을 적절히 설계(조절)함으로써 압력조건과 유동조건을 만족시킬 수 있다.

즉, 유량이 많아지면 동심 환형 고리를 더 설치하고, 유량이 통과할 수 있는 동심 환형 채널의 수를 증가시키며, 반면 채널 간극(h)의 폭을 축소시킴으로써 유 동을 층류로 유지시킨다. 물론 상기 채널의 간극 등 데이터는 여러 번의 실험에 통해 얻어낼 수 있다. 다층의 환형 채널을 사용하게 될 경우 각 채널을 흐르는 유량은 동일하지 않다.

미설명 부호 b_i는 i번째 환형 고리의 외경을 나타낸다.

다층 환형 채널 바이패스의 설계이론은 다음과 같다.

다층 환형 채널 중 i번째 유로를 흐르는 완전히 발달된 비압축성 층류유동의 속도는 다음과 같이 반경방향 좌표계인

만의 함수로 표현된다.

식(1)에서 dP_b/dz는 유체 유동방향의 압력구배로써 마찰에 의한 환형 채널 유동의 압력강하를 나타낸다. a_i는 i번째 채널의 외경이고, μ는 유체의 점성계수이며, h는 환형 채널의 간극으로써 모든 채널에 대하여 동일하다.

i번째 채널을 흐르는 유체의 유량은 다음과 같이 채널의 단면에 대한 적분을 통하여 구할 수 있다.

식(2)에서 함수

는 다음과 같은 식으로 정의하였다.

식(2)으로부터 채널의 길이(L_b)인 환형 채널을 통과하는 유동의 압력손실은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이 센서관(210)과 바이패스(400)를 통과하는 유량 사이에는 질량보존법칙에 의하여 다음과 같은 식이 성립한다.

이 식에서

,

,

는 각각 총 유량, 센서를 통과하는 유량 및 i번째 환형 채널을 통과하는 유량을 나타내고, n_b는 적층된 환형 채널의 총 수를 의미한다.

센서를 흐르는 유체의 압력손실은 병렬로 연결된 바이패스를 흐르는 유체의 압력손실과 같아야 하므로 다음 식(6')이 성립한다.

센서관의 직경(D_s), 센서관의 길이(L_s) 및 센서관을 통과한 유량(

)을 안다면 압력손실(△P_s)은 다음과 같은 수식으로 표현된다. 즉, 센서의 유량을 계측한다 면 압력손실을 다음식으로부터 구할 수 있다.

바이패스의 압력손실 관계식(4)에 식(6)을 대입하면 i번째 환형 채널을 흐르는 유량은 다음과 같이 표현된다.

이 식에서 β는 편의상 다음과 같은 식을 간단히 표기한 것이다.

이 식을 질량 보존식(5)에 대입하면 다음과 같다.

식 (9)에는 환형 채널의 간극(h)이 바이패스의 형상관련 데이터, 유량 및 센서의 압력손실 등과 내재적인 함수형태로 나타난다. 이식으로부터 환형 채널의 간극(h)을 설계할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 설계된 환형 채널을 흐르는 유동의 레이놀즈(Reynolds)수는 모든 적층된 채널에 대하여 동일하다. 바이패스를 통과하는 유량이 최대일 때 층류로 유지되는지에 대한 검증이 필요하며, 이는 레이놀즈(Reynolds)수로써 확인 한다. 바이패스의 유로(또는 채널)의 길이(L_b)는 바이패스로 흐르는 유량의 크기(Q_b)를 조절하는 변수로써 바이패스의 유로의 길이(L_b)가 길어지면 환형 채널의 간극(h)는 커진다. 유량이 증가하면 적층의 개수(n_b)를 늘임으로써 층류로 유지할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명에서는 다층의 동심 환형 채널(관로)을 유로로 사용하는 바이패스가 적용된 질량 유량 계측 장치를 제공함으로써 대용량에서도 바이패스 및 센서 도관을 통과하는 유동의 층류를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 바이패스의 구조는 단순하고 제작도 쉬워 제작비용면에서도 경제적이다.

Claims (4)

1. 배관 내의 질량유량을 측정하는 질량 유량 센서를 구비하고,

   상기 질량 유량 센서 도관의 양단이 각각 바이패스의 입구 및 출구와 공유하며,

   상기 바이패스는 관의 길이방향으로 다층의 동심 환형 채널(관로)을 형성시켜 상기 채널을 유로로 사용함을 특징으로 하는 대용량 유량 계측용 질량 유량계.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 바이패스를 통과하는 유량은 센서 도관을 통과하는 유량과 비례관계가 되도록 하여 상기 바이패스를 지나는 유동 및 센서 도관을 지나는 유동이 층류가 되도록 함을 특징으로 하는 대용량 유량 계측용 질량 유량계.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 배관 내의 유량이 증가하였을 때 채널의 개수를 늘려 층류를 유지하는 것을 특징으로 하는 대용량 유량 계측용 질량 유량계.
4. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   다음 식을 만족하며,

   

   여기서,

   

   ,

   

   ,

   h는 환형 채널의 간극, L_b는 채널의 길이, μ는 유체의 점성계수,

   

   는 배관을 지나는 총 유량,

   

   는 센서 도관을 지나는 유량, a_i는 i번째 채널의 외경, △P_b는 바이패스 통과 전과 통과 후의 유동 압력 손실, △P_s는 센서 도관 통과 전과 통과 후의 유동 압력 손실을 나타냄을 특징으로 하는 대용량 유량 계측용 질량 유량계.

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