KR101590520B1

KR101590520B1 - 피토 튜브를 이용한 복합형 덕트 풍량 측정 장치 및 측정 방법

Info

Publication number: KR101590520B1
Application number: KR1020140099826A
Authority: KR
Inventors: 박상태
Original assignee: 박상태
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-02-01

Abstract

본 발명은 덕트 풍량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피토 튜브를 이용하여 덕트 내부의 풍량을 측정하는 장치와 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유량계는 전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브(101)와; 상기 이중관형 피토 튜브(101)에서 발생하는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 측정기(160)를 포함하고, 상기 측정기(160)는 상기 이중관형 피토 튜브(101)에 가해지는 전압과 정압 사이의 차압에 의해 유체가 차압 유로(130)와; 상기 차압 유로(130)에서 유체의 차압유량을 측정하는 열선식 유속센서(140)와; 및 상기 열선식 유속 센서(140)에 측정된 차압유량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 유량을 측정하는 제어기(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

피토 튜브를 이용한 복합형 덕트 풍량 측정 장치 및 측정 방법{HYBRID AIR DUCT FOLWMETER USING PITOT TUBE AND THERMAL MASS FLOW METER}

본 발명은 덕트 풍량 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피토 튜브를 이용하여 덕트 내부의 풍량을 측정하는 장치와 방법에 관한 것이다.

건축물의 단열성과 기밀 성능을 향상시키기 위해 창문이나 출입문을 통한 공기의 유출이 억제됨에 따라, 공조 시스템을 통한 환기의 중요성이 대두 되고 있다.

공조 시스템을 이용하여 실내 공기를 환기시킬 경우, 실내의 공기 질은 개선되지만, 환기에 따른 에너지 손실이 따르게 된다. 에너지 손실을 최소화하면서 실내 공기를 적절하게 환기시키기 위해서는, 공기 조화기를 통해서 실제 유입 또는 유출되는 공기량에 대한 정확한 측정이 필요하다.

덕트를 흐르는 공기의 유량을 측정하는 위한 한 방안으로 피토 튜브가 사용된다. 피토 튜브는 도 1에서 도시된 바와 같이, 전압(정압과 동압)이 가해지는 전압관과 정압이 가해지는 정압관으로 이루어진 이중관식 튜브로서, 유체가 흐를 경우 차압이 발생하게 된다. 전압관과 연결되어 전압이 가해지는 격실과 정압관과 연결되어 정압이 가해지는 격실 사이에 형성된 박막이 차압에 의해 굴곡되면 박막의 굴곡 정도를 측정하여 차압을 계산하고, 이를 통해 덕트의 유속을 측정하게 되는 방식이다.

그러나 피토 튜브는 동일한 x 좌표 위치에 대해서 유속을 측정하더라도 y 좌표의 위치에 따라서 유속이 달라지는 문제가 있다. 즉, 관의 중심부인지 아니면 관의 벽면인지에 따라서 유속이 달라지게 된다.

정밀한 속도를 계산하기 위해서는 중심부터 벽면까지의 각 지점에서의 속도 프로파일이 필요한데, 도 1과 같은 일점식 피토 튜브는 한 지점에서만 속도를 측정하게 되므로 오차가 발생하게 된다. 따라서, 정확한 속도 프로파일을 얻기 위해서는 깊이에 따라 복수의 피토 튜브의 설치가 필요하게 된다. 이러한 작업은 다수의 측정 장비가 필요하며, 배관의 내압력도를 저하시키고 구조적 취약성의 증가시키며, 기밀성까지 저하되는 문제점을 유발하는 요인 중 하나로 작용하게 된다.

이러한 문제를 개선하기 위해서, 대한민국 등록실용신안 제0353618호에서는 도 2에서와 같은 관의 수직하게 연장되는 튜브에 다수의 정압 및 전압 측정구를 형성하여 관의 깊이에 따른 전체적인 정압 및 전압차를 측정하여 일점식 피토 튜브의 문제를 해결하는 다점식 피토 튜브가 개시되어 있다.

이러한 다점식 피토 튜브는 관의 깊이에 따른 유속 차이로 인한 측정 오차를 해결할 수 있다는 장점이 있으나, 전압 측정점과 정압 측정점의 위치가 가까워 전압과 정압 사이에 충분한 차압을 형성하기 어렵고, 박막의 변환량은 작아지게 된다. 특히, 덕트 내 유속이 낮은 경우, 예를 들어 7 m/s 이하인 경우 박막의 변환량이 매우 낮아 신뢰성을 확보하기 어렵게 된다.

또한, 다점식 피토 튜브라 할지라도 여전히 하나의 y 축 좌표에 대해서만 유속을 측정할 수 있을 뿐, 다수의 y축 좌표에서 속도를 얻기 위해서는 다수의 피토튜브와 측정 장치들이 필요하다는 문제가 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 저속에 따른 낮은 차압 상태에서도 압력차의 정밀한 측정과 이를 이용한 유량 측정이 가능한 새로운 다점식 피토 튜브를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 다점식 피토튜브의 전압과 정압의차이를 측정할 수 있는 차압 센서가 일체로 설치된 유량계를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 서로 다른 y 지점에 설치되는 다수의 피토관들을 연동하는 새로운 유량 측정 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 유량계는

전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브와;

상기 전압과 정압 사이의 차압에 의해 유체가 흐르는 차압 유로와,

상기 차압 유로에서 유체의 흐름량을 측정하는 열선식 유속센서와,

상기 열선식 유속 센서에 측정된 유체의 흐름량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 덕트 유량을 측정하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 이중관형 튜브는 전압이 가해지는 제1관, 바람직하게는 전압관이 내관을 이루고, 정압이 가해지는 제2관, 바람직하게는 정압관이 외관을 이룬다. 상기 이중관형 튜브의 외면에는 전압관으로 연통되는 전압 구멍이 하나 이상 형성되고, 정압관으로 연통되는 정압 구멍이 하나 이상 형성된다.

본 발명에 있어서, 상기 제1관인 전압관과 제2관인 정압관은 덕트 외부에서 차압 유로를 통해서 상호 연통된다. 상기 차압 유로는 일 측에는 전압관과 연통되어 전압이 작용하고, 타측에는 정압관과 연통되어 차압이 작용한다. 차압 유로의 양단에 가해지는 차압(전압과 정압)에 의해서 차압 유체가 흐르게 된다. 상기 차압 유체는 전압구멍을 통해서 전압관으로 유입된 덕트 공기이며, 차압 유로를 흐른 후 정압관의 정압 구멍을 통해서 정압관으로 배출된다.

본 발명에 있어서, 상기 차압 유로에는 차압에 의한 유량을 정밀하게 측정하기 위해 열선식 유속 센서가 설치된다. 상기 열선식 유속 센서는 가열한 가는 금속선을 유로에 설치하고, 차압에 의해서 발생하는 유체의 흐름에 의해서 빼앗기는 열을 측정하여 유량을 측정하게 된다. 발명이 일 실시에 있어서, 상기 열선식 유속 센서는 상업적으로 구입해서 사용할 수 있으며, 일 예로 미국 ONICON 사의 F-5100 시리즈인 Thermal Mass Flow Meter를 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어기는 열선식 유속 센서에서 측정된 유량을 이용해서 차압을 측정하게 된다. 상기 제어기에서는 차압을 이용하여 덕트의 유량을 측정하게 된다.

본 발명은 일 측면에서, 이중관형 피토 튜브를 이용하여 제1 유체의 흐름에 따른 전압과 정압 사이의 차압을 발생시키는 단계;

상기 차압을 이용해서 제2 유체의 흐름을 발생시키는 단계;

상기 제2 유체의 유량을 측정하는 단계;

상기 제2 유체의 유량을 이용하여 차압을 측정하는 단계; 및

상기 측정된 차압을 이용해서 제1 유체의 유량을 측정하는 단계를 포함하는 유량 측정 방법이다.

본 발명은 다른 일 측면에서, 동일 덕트의 서로 다른 위치에 설치되어 각각 전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브들과; 상기 이중관형 피토 튜브들에서 발생하는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 하나의 측정기를 포함하는 덕트 유량 측정 시스템을 제공한다.

상기 유량 측정기에는 일측이 상기 이중관형 피토 튜브들의 전압관들에 연통되고 타측이 상기 이중관형 피토 튜브들의 정압관들에 연통되어 차압에 의해서 유체가 흐르는 차압 유로와, 상기 차압 유로에서 유체의 차압유량을 측정하는 열선식 유속센서와; 및 상기 열선식 유속 센서에 측정된 차압유량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 유량을 측정하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일 측면에서, 관형 다점 피토튜브에서 발생하는 평균된 차압을 열선식유량센서를 혼용하여 유속측정 및 유량제어를 통하여 저속에서도 정밀측정이 되므로 넓은 범위의 유속을 정밀하게 측정하는 하이브리드 덕트 공기 유량 측정기를 제공한다.

본 발명에 따른 하이브리드 덕트 공기 유량 측정기는 관형 다점 피토 튜브, 열선식유속센서, 유량제어기,유속디스플레이를 포함하는 일체형 덕트공기 유량 측정기이다.

본 발명에 따른 하이브리드 덕트 공기 유량 측정기는 큰 덕트에 적용시 다중 관형 다점 피토 튜브들을 서로 연결하여 발생 차압 값을 평균하여 측정하므로 난기류에서도 정밀측정이 가능하다.

본 발명을 통해서, 덕트 내 저속 유량을 정밀하게 측정할 수 있는 다점식 유량계가 제공되었다. 본 발명에 따른 다점식 유량계는 피토관에 가해지는 차압을 이용해서 유체의 흐름을 형성하고, 열선식 유속 센서를 이용해서 차압을 정밀하게 측정함으로써 덕트 내 저속 유량을 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 측정 방식이 제공되었다.

본 발명은 다점식 피토관 유량계에 열선식 유량계를 결합하여, 저속 유량 측정 능력을 크게 향상된 하이브리드형 다점식 피토관 유량계를 제공하였다.

본 발명은 또한 하나의 측정기와 다수의 피토관을 이용하여 다양한 y 지점에서의 평균 유속을 구할 수 있는 새로운 유량 측정 시스템을 제공하였다.

도 1은 종래 단점식 피토관 및 그 측정 원리를 설명하는 설명도면이다.
도 2는 종래 다점식 피토관을 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 다점식 피토관 유량계의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에 따른 다점식 피토관 유량계의 덕트 설치 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에 따른 다점식 피토관 유량계의 유체 흐름을 나태내는 단면도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시에 따른 다점식 피토관 유량계의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시에 따른 복수의 피토관을 이용한 유량계의 설명도이다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여, 더욱 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

도 3 내지 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유량계는 전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브(101)와; 상기 이중관형 피토 튜브(101)에서 발생하는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 측정기(160)를 포함하는 유량계(100)에 있어서, 상기 측정기(160)에는 상기 이중관형 피토 튜브(101)에 가해지는 전압과 정압 사이의 차압에 의해 유체가 차압 유로(130)와; 상기 차압 유로(130)에서 유체의 차압유량을 측정하는 열선식 유속센서(140)와; 및 상기 열선식 유속 센서(140)에 측정된 차압유량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 유량을 측정하는 제어기(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유량계(100)는 덕트관(200)의 내부에 삽입되어 전압과 정압의 차압을 발생시키는 덕트 유로에 수직하게 설치되는 이중관형 피토 튜브(101)와, 상기 수직 이중관형 튜브(101)에서 발생하는 차압을 이용하여 덕트 외부에서 유량을 측정하는 측정기(160)와 유량계(100)를 덕트에 고정하기 위한 프렌지(150)로 이루어진다. 덕트관(200)의 외벽을 천공하여 유량계(100)의 이중 관형 피토 튜브(101)를 덕트관(200) 내부로 삽입시키고, 프렌지(150)의 하면이 덕트관(200)의 외벽에 밀착되도록 고정하여, 이중관형 피토튜브(101)이 덕트관(200)의 진행 방향(X)에 수직하도록 설치한다.

수직 이중관형 피토튜브(101)는 전압이 가해지는 내관인 전압관(102)과 정압이 가해지는 외관인 정압관(103)으로 이루어진다. 정압관(103)의 외면에는 전압관(102)으로 연통되는 전압 구멍(110)들과, 정압관(103)으로 연통되는 정압 구멍(120)들이 다수 형성된다. 전압구멍(110)들과 정압 구멍(120)들은 수직 방향을 따라서 소정 간격으로 형성된다.

내관인 전압관(102)으로 연통되는 전압 구멍(110)은 정압관의 전면부에 개구가 공기의 흐름 방향에 수직하게 형성되어 정압과 동압을 동시에 받게 되며, 정압 구멍(120)은 공기의 흐름 방향에 수평 또는 경사지게 형성된다.

측정기(160) 내부에는 이중관형 피토튜브(101)의 전압관(102)과 연통되어 전압이 가해지는 전압실(111)과 정압관(103)과 연통되어 정압이 가해지는 정압실(121)이 형성된다.

전압실(111)과 정압실(121)사이에는 차압 유로(130)가 형성되고, 차압유로(130)는 유로 입구(131)를 통해서 전압실(111)과 연통되고, 유로 출구(132)를 통해서 정압실(121)과 연결된다. 덕트내 공기의 흐름으로 차압이 형성되면, 차압유로(130)에 공기가 흐르게 된다.

차압 유로(130)에는 열선식 유속센서(140)이 장착되어 차압 유로(130)를 흐르는 차압 유량을 측정한다. 측정된 차압 유량은 제어부(300)에 의해서 1차적으로 차압으로 변환되고, 차압은 덕트 유량으로 변환된다.

제어부(300)는 덕트 유량을 측정기(160)의 외면에 부착된 디스플레이를 통해서 시각화하여 보여주며, 외부 시스템으로 유무선 송출하는 것도 가능하다.

도 6에서 도시한 바와 같이, 측정기(160) 내부에는 이중관형 피토튜브(101)의 전압관(102)과 연통되어 전압이 가해지는 전압실(111)과 정압관(103)과 연통되어 정압이 가해지는 정압실(121)이 격벽(122)에 의해 분리되어 격실을 형성한다. 상기 격벽(122)에 천공구가 형성되어 전압실(111)과 정압실(121)사이에 차압에 의해 공기가 흐르는 차압 유로(130)가 형성된다. 차압 유로(130)에는 열선식 유속센서(140)가 장착되어 차압 유로(130)를 흐르는 차압 유량을 측정한다. 측정된 차압 유량은 제어부(300)에 의해서 1차적으로 차압으로 변환되고, 차압은 덕트 유량으로 변환된다.

도 7에서 도시한 바와 같이, 2 개의 지점에서 이중 관식 피토 튜브를 설치할 경우, 2개의 다른 지점에서 2개의 피토 튜브에서 발생하는 평균적인 전압과 평균적인 정압이 각각 유로입구(131)과 유로출구(132)에 가해지게 된다. 이로 인해 차압 유로(130)에는 공기가 흐르게 된다. 차압 유로(130)의 유량은 차압 유로(130)에 설치되는 열선식 유속센서(140)를 이용해서 측정하고, 측정된 차압 유량은 제어부(도시되지 않음)에 의해서 1차적으로 차압으로 변환되고, 변환된 차압은 다시 덕트 유량으로 변환된다.

100 : 유량계
101 : 이중관형 피토튜브
102 : 전압관
103 : 정압관
130 : 차압유로
200 : 닥트관
300 : 제어부

Claims

전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브(101)와; 상기 이중관형 피토 튜브(101)에서 발생하는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 측정기(160)를 포함하는 유량계(100)에 있어서,
상기 측정기(160)에는 상기 이중관형 피토 튜브(101)에 가해지는 전압과 정압 사이의 차압에 의해 유체가 흐르는 차압 유로(130)와;
상기 차압 유로(130)에서 유체의 차압유량을 측정하는 열선식 유속센서(140)와; 및
상기 열선식 유속 센서(140)에 측정된 차압유량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 유량을 측정하는 제어기(300)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 덕트 유량계.
제1항에 있어서,
상기 제어기(300)는 덕트 유량을 측정기(160)에 연결된 디스플레이를 통해서 시각화하는 것을 특징으로 하는 덕트 유량계.
제1항에 있어서,
상기 이중관형 피토 튜브(101)는 다수의 전압 구멍과 다수의 정압 구멍이 형성된 다점식 피토튜브인 것을 특징으로 하는 덕트 유량계.
이중관형 피토 튜브를 이용하여 제1 유체의 흐름에 따른 전압과 정압 사이의 차압을 발생시키는 단계;
상기 차압을 이용해서 제2 유체의 흐름을 발생시키는 단계;
상기 제2 유체의 유량을 측정하는 단계;
상기 제2 유체의 유량을 이용하여 차압을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 차압을 이용해서 제1 유체의 유량을 측정하는 단계
를 포함하는 유량 측정 방법.
제4항에 있어서,
상기 제2 유체의 유량은 열선식 유속 센서를 이용해서 측정하는 것을 특징으로 하는 유량 측정 방법.
동일 덕트의 서로 다른 위치에 설치되어 각각 전압과 정압이 가해지는 이중관형 피토 튜브(101)들과;
상기 이중관형 피토 튜브(101)들에서 발생하는 차압을 이용하여 유량을 측정하는 하나의 측정기(160)를 포함하는 덕트 유량 측정 시스템에 있어서,
상기 측정기(160)에는 일측이 상기 이중관형 피토 튜브(101)들의 전압관(102)들에 연통되고 타측이 상기 이중관형 피토 튜브(101)들의 정압관들에 연통되어 차압에 의해서 유체가 흐르는 차압 유로(130)와;
상기 차압 유로(130)에서 유체의 차압유량을 측정하는 열선식 유속센서(140)와; 및
상기 열선식 유속 센서(140)에 측정된 차압유량을 이용해서 차압을 측정하고, 상기 차압을 이용해서 유량을 측정하는 제어기(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 덕트 유량 시스템.