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KR102158294B1 - Gas flowmeter capable of measuring at sonic speed and subsonic speed - Google Patents

Gas flowmeter capable of measuring at sonic speed and subsonic speed Download PDF

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Publication number
KR102158294B1
KR102158294B1 KR1020190032009A KR20190032009A KR102158294B1 KR 102158294 B1 KR102158294 B1 KR 102158294B1 KR 1020190032009 A KR1020190032009 A KR 1020190032009A KR 20190032009 A KR20190032009 A KR 20190032009A KR 102158294 B1 KR102158294 B1 KR 102158294B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure
flow rate
pressure sensor
gas
sonic nozzle
Prior art date
Application number
KR1020190032009A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박경암
이희경
Original Assignee
자인주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 자인주식회사 filed Critical 자인주식회사
Priority to KR1020190032009A priority Critical patent/KR102158294B1/en
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Abstract

The present invention relates to a gas flowmeter for measurement at sonic and subsonic speeds. The gas flowmeter of the present invention comprises: a pipe body connected to a pipe; a sonic nozzle formed inside the pipe body and having a converging unit and a diffusion unit; a first pressure sensor installed at a front end of the sonic nozzle to measure a pressure; a temperature sensor installed at the front end of the sonic nozzle to measure the temperature; a second pressure sensor installed in the diffusion unit adjacent to the converging unit in the sonic nozzle to measure a pressure; an operation unit calculating a flow rate of gas in accordance with measured values of the first pressure sensor, the temperature sensor, and the second pressure sensor; a display unit for displaying the flow rate of the gas; and a control unit for controlling the display unit. When the flow speed of the gas flowing through the sonic nozzle is sonic, the flow rate is calculated from the measured values of the first pressure sensor and the temperature sensor. Also, when the flow speed of the gas flowing through the sonic nozzle is subsonic, the flow rate is calculated from measured values of the first and second pressure sensors. Accordingly, the flow rate can be measured in all flow rate ranges such that a measurement range is wide and the flow rate can be accurately measured.

Description

음속 및 아음속에서 측정이 가능한 가스 유량계 {Gas flowmeter capable of measuring at sonic speed and subsonic speed}Gas flowmeter capable of measuring at sonic speed and subsonic speed}

본 발명은 음속 및 아음속에서 측정이 가능한 가스 유량계에 관한 것이다.The present invention relates to a gas flow meter capable of measuring at the speed of sound and subsonic.

유량계는 기체 또는 액체 등의 유체가 단위시간에 흐르는 양을 측정하는 장치로서, 측정방식 또는 원리에 따라 날개차 유량계, 차압식 유량계, 면적식 유량계, 용적식 유량계, 초음파 유량계 등으로 구분된다.Flowmeters are devices that measure the amount of fluid such as gas or liquid flows in a unit time, and are classified into impeller flowmeters, differential pressure flowmeters, area flowmeters, volumetric flowmeters, ultrasonic flowmeters, and the like according to the measurement method or principle.

차압식 유량계는 관로 중에 교축기구를 설치하고 이러한 교축기구 전후의 압력차를 이용하여 유량을 측정한다. 차압식 유량계는 비교적 방식이 간단하고, 적용범위가 넓어 산업용으로 많이 쓰이며, 벤튜리관식 유량계, 소닉 노즐 등이 주로 사용되고 있다.The differential pressure flow meter installs a throttling mechanism in the pipeline and measures the flow rate by using the pressure difference before and after the throttling mechanism. Differential pressure flowmeters are widely used for industrial purposes due to their relatively simple method and wide range of applications, and venturi tube flowmeters and sonic nozzles are mainly used.

벤투리관식 유량계는 유체 통로에 단면적이 줄어드는 벤튜리관을 삽입하여 차압을 발생시켜 유량을 측정하는 방식의 유량계로, 벤튜리 노즐 목에서 유속이 아음속일 때, 벤튜리 노즐 상류 압력과 목에서의 압력의 차(상류 압력-목에서 압력)를 측정하여 유량을 계산한다. Venturi tube flowmeter is a flow meter that measures the flow rate by generating differential pressure by inserting a venturi tube with a reduced cross-sectional area in the fluid passage. When the flow velocity at the neck of the venturi nozzle is subsonic, the pressure upstream of the venturi nozzle and the pressure at the neck The flow rate is calculated by measuring the difference in (upstream pressure-pressure in the neck).

이러한 벤튜리 노즐 유량계는 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 목에서 음속이 되면 유량을 측정할 수 없어 유량 측정범위가 좁고, 배관 내의 유량이 작은 곳에서는 측정 정밀도가 낮은 단점이 있다.Such a venturi nozzle flow meter has a simple structure and low price, but it cannot measure the flow rate when the speed of sound is in the neck, so the flow rate measurement range is narrow, and the measurement accuracy is low in places where the flow rate in the pipe is small.

벤튜리관식 유량계의 단점을 보완하기 위해 수렴부(Converging Section)와 확산부(Diversing Section)로 이루어지는 소닉 노즐을 이용한 유량계가 사용되기도 한다. In order to compensate for the disadvantages of the Venturi tube flowmeter, a flowmeter using a sonic nozzle composed of a converging section and a diversing section is sometimes used.

소닉 노즐은 노즐 목에서 기체의 유속이 음속일 때, 노즐 상류에서의 온도와 압력을 측정하여 유량을 계산할 수 있다. 노즐 후단의 압력과 전단의 압력비(후단 압력/전단압력)가 임계압력비(보통 0.8) 이하가 되면 노즐 목에서 유속이 음속이 된다. The sonic nozzle can calculate the flow rate by measuring the temperature and pressure upstream of the nozzle when the gas flow rate at the nozzle neck is sound speed. When the pressure at the rear end of the nozzle and the pressure at the front end (rear end pressure/shear pressure) falls below the critical pressure ratio (usually 0.8), the flow velocity at the nozzle neck becomes the speed of sound.

이때에는 노즐 하류측의 압력을 낮추더라도 유량이 변하지 않기 때문에, 즉 가스의 유량이 하류측의 압력에 영향을 받지 않기 때문에, 노즐 전단에서의 압력과 온도만 측정하여 유량을 계산할 수 있다. At this time, since the flow rate does not change even if the pressure on the downstream side of the nozzle is lowered, that is, the flow rate of the gas is not affected by the pressure on the downstream side, the flow rate can be calculated by measuring only the pressure and temperature at the front end of the nozzle.

이러한 소닉 노즐은 다른 유량계보다 정확히 측정할 수 있어 교정기관, 표준기관 등에서 사용되고 있지만, 상류 압력이 낮거나 후단 압력이 커서 벤튜리 노즐 목에서 음속이 되지 못하면 유량을 측정할 수 없어 측정범위가 제한되는 단점이 있다.These sonic nozzles can measure more accurately than other flow meters, so they are used in calibration institutions and standard institutions. There are drawbacks.

이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에 노즐 목에서 기체의 유속이 음속인 경우에는 소닉노즐과 같은 방법으로 유량을 측정하고, 아음속인 경우에는 노즐의 상류압력과 하류압력의 차(상류압력-하류압력)를 이용하여 유량을 측정하는 방법이 있었다. 노즐의 하류압력은 노즐 확산부의 끝부분에서의 압력을 측정한다.To solve this problem, when the flow velocity of gas at the nozzle neck is sonic, the flow rate is measured in the same way as the sonic nozzle, and in the case of subsonic velocity, the difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the nozzle (upstream pressure-downstream pressure There was a method of measuring the flow rate using ). The downstream pressure of the nozzle measures the pressure at the tip of the nozzle diffusion.

그러나, 노즐의 상류압력과 하류압력의 차가 노즐의 형상, 표면 조도 등에 따라 변하기 때문에 유량을 정확히 측정할 수 없는 문제가 있었다. 또한, 노즐의 상류압력과 하류압력의 차가 작아 유량측정 정확도가 낮아지는 문제점이 있었다.However, there is a problem in that the flow rate cannot be accurately measured because the difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the nozzle varies depending on the shape of the nozzle, surface roughness, and the like. In addition, the difference between the upstream pressure and the downstream pressure of the nozzle is small, so that the flow measurement accuracy is lowered.

이에 따라, 모든 유속범위(음속, 아음속)에서 유량을 측정하여 측정범위가 한정되지 않으면서 정확하게 측정할 수 있는 유량계가 필요하다.Accordingly, there is a need for a flow meter that can accurately measure the flow rate without limiting the measurement range by measuring the flow rate in all flow velocity ranges (sonic velocity, subsonic velocity).

대한민국 등록특허 제10-1195491호Korean Patent Registration No. 10-1195491

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 모든 유속범위에서 유량을 측정할 수 있어 측정범위가 넓으면서 정확하게 유량을 측정할 수 있는 음속 및 아음속에서 측정이 가능한 가스 유량계를 제공하고자 함에 목적이 있다. Accordingly, the present invention was invented in view of the above circumstances, and it is an object to provide a gas flow meter capable of measuring the flow rate at sound and subsonic speeds capable of accurately measuring the flow rate while having a wide measurement range since the flow rate can be measured in all flow rates There is this.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 가스 유량계는, 배관에 연결되는 관체; 상기 관체 내부에 형성되고 수렴부와 확산부를 갖는 소닉노즐; 상기 소닉노즐의 전단에 설치되어 압력을 측정하는 제1 압력센서; 상기 소닉노즐의 전단에 설치되어 온도를 측정하는 온도센서; 상기 소닉노즐에서 상기 수렴부에 인접하는 상기 확산부에 설치되어 압력을 측정하는 제2 압력센서; 상기 제1 압력센서, 상기 온도센서, 상기 제2 압력센서의 측정값에 따라 가스의 유량을 연산하는 연산부; 가스의 유량이 표시되는 표시부; 상기 표시부를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 음속인 경우, 상기 제1 압력센서와 상기 온도센서의 측정값으로부터 유량을 계산하고, 상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 아음속인 경우, 상기 제1 압력센서와 상기 제2 압력센서의 측정값으로부터 유량을 계산한다.The gas flow meter according to the present invention for realizing the object as described above includes a pipe body connected to the pipe; A sonic nozzle formed inside the tube and having a converging portion and a diffusion portion; A first pressure sensor installed at a front end of the sonic nozzle to measure pressure; A temperature sensor installed at the front end of the sonic nozzle to measure temperature; A second pressure sensor installed in the diffusion unit adjacent to the converging unit in the sonic nozzle to measure pressure; A calculation unit for calculating a flow rate of gas according to measured values of the first pressure sensor, the temperature sensor, and the second pressure sensor; A display unit displaying the flow rate of gas; A control unit for controlling the display unit; Including, when the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle is a sound velocity, the flow rate is calculated from the measured values of the first pressure sensor and the temperature sensor, and the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle is subsonic velocity. In this case, the flow rate is calculated from the measured values of the first pressure sensor and the second pressure sensor.

또한, 상기 수렴부와 상기 확산부의 경계가 되는 목 부분에 접하도록 상기 관체를 통해 개구가 형성되고, 상기 제2 압력센서는 상기 개구를 통해 설치된다.In addition, an opening is formed through the tube body so as to contact a neck portion that is a boundary between the converging portion and the diffusion portion, and the second pressure sensor is installed through the opening.

또한, 상기 연산부는 상기 제1 압력센서와 상기 제2 압력센서의 측정값의 비로부터 음속과 아음속을 구분한다.In addition, the calculation unit distinguishes between a sound speed and a subsonic speed from a ratio of the measured values of the first pressure sensor and the second pressure sensor.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수렴부와 확산부를 갖는 소닉노즐이 관체 내부에 형성되는 가스 유량계에서 유량을 측정하는 방법은, 상기 소닉노즐의 전단에 설치되는 제1 압력센서에 의해 상류압력을 측정하는 단계; 상기 소닉노즐의 전단에 설치되는 온도센서에 의해 온도를 측정하는 단계; 상기 소닉노즐에서 상기 수렴부에 인접하는 상기 확산부에 설치되는 제2 압력센서에 의해 목 압력을 측정하는 단계; 를 포함하고, 상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 음속인 경우, 상기 상류압력과 상기 온도로부터 유량을 계산하고, 상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 아음속인 경우, 상기 상류압력과 상기 목 압력으로부터 유량을 계산하는 가스 유량계에서 유량을 측정한다.A method of measuring a flow rate in a gas flow meter in which a sonic nozzle having a converging part and a diffusion part is formed inside a tube according to another embodiment of the present invention is to measure an upstream pressure by a first pressure sensor installed at the front end of the sonic nozzle. The step of doing; Measuring a temperature by a temperature sensor installed at a front end of the sonic nozzle; Measuring neck pressure by a second pressure sensor installed in the diffusion unit adjacent to the converging unit in the sonic nozzle; Including, when the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle is a sound velocity, the flow rate is calculated from the upstream pressure and the temperature, and when the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle is subsonic, the upstream pressure and Measure the flow rate in a gas flow meter that calculates the flow rate from the neck pressure.

본 발명에 따르면, 모든 유속범위에서 유량을 측정할 수 있어 측정범위가 넓으면서 정확하게 유량을 측정할 수 있는 음속 및 아음속에서 측정이 가능한 가스 유량계를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a gas flowmeter capable of measuring a flow rate in all flow rate ranges, thus enabling measurement at sound and subsonic speeds capable of accurately measuring the flow rate while having a wide measurement range.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 유량계를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 소닉노즐의 구성을 상세히 도시하는 단면도이다.
도 3은 노즐의 거리에 따른 압력비를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 유량계에서 유량을 측정하는 방법을 도시하는 블록도이다.
1 is a diagram showing a gas flow meter according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the configuration of the sonic nozzle of FIG. 1 in detail.
3 is a graph showing the pressure ratio according to the distance of the nozzle.
4 is a block diagram illustrating a method of measuring a flow rate in a gas flow meter according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, in adding reference numerals to elements of each drawing, it should be noted that only the same elements are marked with the same numerals as possible, even if they are indicated on different drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 유량계를 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 소닉노즐의 구성을 상세히 도시하는 단면도이다. 도 3은 노즐의 거리에 따른 압력비를 나타내는 그래프이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 유량계에서 유량을 측정하는 방법을 도시하는 블록도이다. 1 is a diagram showing a gas flow meter according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing in detail the configuration of the sonic nozzle of FIG. 1. 3 is a graph showing the pressure ratio according to the distance of the nozzle. 4 is a block diagram illustrating a method of measuring a flow rate in a gas flow meter according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 가스 유량계(100)는 관체(110), 소닉노즐(120), 제1 압력센서(130), 제2 압력센서(140), 온도센서(150), 연산부(160), 제어부(170), 표시부(180)를 포함한다. 1, the gas flow meter 100 of the present invention includes a tube body 110, a sonic nozzle 120, a first pressure sensor 130, a second pressure sensor 140, a temperature sensor 150, and an operation unit ( 160), a control unit 170, and a display unit 180.

관체(110)는 원형의 파이프 형상이 될 수 있고, 배관에 연결된다. The pipe body 110 may have a circular pipe shape and is connected to a pipe.

소닉노즐(120)은 관체(110) 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 단면적이 감소하는 수렴부(121)와 단면적이 증가하는 확산부(122)를 갖는다. 여기서, 유체는 수렴부(121)에서 확산부(122)의 방향으로 이동한다.The sonic nozzle 120 is formed in the tube body 110 and has a converging portion 121 in which a cross-sectional area through which a fluid flows is reduced, and a diffusion portion 122 in which a cross-sectional area is increased. Here, the fluid moves from the converging portion 121 to the diffusion portion 122.

수렴부(121)와 확산부(122)의 경계지점을 일반적으로 소닉노즐(120)의 목(123)이라 한다. 목(123)에서 내경은 가장 작게 되어 유체가 흐르는 단면적이 가장 좁아지게 된다. The boundary point between the converging portion 121 and the diffusion portion 122 is generally referred to as the neck 123 of the sonic nozzle 120. The inner diameter of the neck 123 is the smallest, and the cross-sectional area through which the fluid flows is the narrowest.

소닉노즐(120)의 확산부(122)에는 목(123)에 인접하는 부분에 관체(110)를 통해 개구(124)가 형성된다. 소닉노즐(120)의 목(123)과 중첩되도록 개구(124)를 형성하면 목(123)이 손상되어 소닉노즐(120)의 역할을 할 수 없게 되므로, 개구(124)는 목(123)을 손상하지 않고 목(123)과 접하도록 형성된다. An opening 124 is formed in the diffusion part 122 of the sonic nozzle 120 through the tube body 110 in a portion adjacent to the neck 123. If the opening 124 is formed so as to overlap the neck 123 of the sonic nozzle 120, the neck 123 is damaged so that it cannot play the role of the sonic nozzle 120, so the opening 124 closes the neck 123 It is formed to be in contact with the neck 123 without damaging it.

제1 압력센서(130)는 소닉노즐(120)의 전단에 설치되어 상류압력(P1)을 측정한다. 여기서 상류는 유체가 소닉노즐(120)로 유입되기 전의 구간을 말한다.The first pressure sensor 130 is installed at the front end of the sonic nozzle 120 to measure the upstream pressure (P 1 ). Here, the upstream refers to a section before the fluid flows into the sonic nozzle 120.

온도센서(150)는 소닉노즐(120)의 전단에 설치되어 상류온도(T1)를 측정한다.The temperature sensor 150 is installed at the front end of the sonic nozzle 120 to measure the upstream temperature T 1 .

제2 압력센서(140)는 소닉노즐(120)에서 확산부(122)에 형성된 개구(124)에 삽입되도록 설치되어 목(123) 부분의 압력(P2)을 측정한다.The second pressure sensor 140 is installed to be inserted into the opening 124 formed in the diffusion part 122 of the sonic nozzle 120 and measures the pressure P 2 of the neck 123.

연산부(160)는 제1 압력센서(130), 제2 압력센서(140), 온도센서(150)의 측정값에 따라 가스의 유량을 연산한다. The calculation unit 160 calculates the flow rate of the gas according to the measured values of the first pressure sensor 130, the second pressure sensor 140, and the temperature sensor 150.

표시부(180)는 디스플레이 형태로 이루어 질 수 있고, 예를 들어, 상류온도(T1), 상류 압력(P1), 목 압력(P2) 및 가스의 유량을 표시할 수 있다.The display unit 180 may be formed in the form of a display, and may display, for example, an upstream temperature T 1 , an upstream pressure P 1 , a neck pressure P 2 , and a flow rate of gas.

제어부(170)는 센서들로부터 상류온도(T1), 상류압력(P1), 목 압력(P2)을 수집하고, 연산부(160)에서 연산한 가스의 유량이 표시부(180)에 표시되도록 가스 유량계(100)의 전체 시스템을 제어할 수 있다. The controller 170 collects the upstream temperature (T 1 ), the upstream pressure (P 1 ), and the neck pressure (P 2 ) from the sensors, and displays the flow rate of the gas calculated by the calculation unit 160 on the display unit 180. The entire system of the gas flow meter 100 can be controlled.

이하에서는, 본 발명의 가스 유량계(100)를 이용하여 가스의 속도가 음속 또는 아음속인지에 관계없이 가스의 유량을 측정하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of measuring the flow rate of a gas using the gas flow meter 100 of the present invention, regardless of whether the velocity of the gas is sound or subsonic, will be described in detail.

먼저, 소닉노즐(120)의 전단에 설치되는 제1 압력센서(140)에 의해 상류압력(P1)을 측정한다(S110).First, the upstream pressure P 1 is measured by the first pressure sensor 140 installed at the front end of the sonic nozzle 120 (S110).

다음에, 소닉노즐의(120) 전단에 설치되는 온도센서(150)에 의해 상류온도(T1)를 측정한다(S120).Next, the upstream temperature T 1 is measured by the temperature sensor 150 installed at the front end of the sonic nozzle 120 (S120).

다음에, 소닉노즐(120)의 확산부(122)에 형성된 개구(124)에 삽입되어 설치되는 제2 압력센서(140)에 의해 목 압력(P2)을 측정한다(S130).Next, the neck pressure P 2 is measured by the second pressure sensor 140 inserted and installed in the opening 124 formed in the diffusion part 122 of the sonic nozzle 120 (S130).

연산부(160)는 이러한 측정값으로부터 소닉노즐(120)의 상류압력(P1)과 목 압력(P2)의 비를 계산한다. The calculation unit 160 calculates the ratio of the upstream pressure (P 1 ) and the neck pressure (P 2 ) of the sonic nozzle 120 from these measured values.

소닉노즐(120)을 통과하는 가스의 속도는 수렴부(121)를 지나면서 점점 가속되어 목(123)에서 최대가 되는데, 소닉노즐(120)의 후단 압력과 전단 압력의 비(후단 압력/전단 압력)가 임계압력비(일반적으로 0.8) 이하가 되면 소닉노즐(120)의 목(123)에서 음속이 유지된다. The velocity of the gas passing through the sonic nozzle 120 is gradually accelerated as it passes through the converging portion 121 and becomes the maximum at the neck 123. The ratio of the rear end pressure and the shear pressure of the sonic nozzle 120 When the pressure) is equal to or less than the critical pressure ratio (generally 0.8), the sound velocity is maintained at the neck 123 of the sonic nozzle 120.

이 경우, 소닉노즐(120)의 하류측 압력을 낮추더라도 유량이 변하지 않기 때문에, 즉 가스의 유량이 하류측 압력에 영향을 받지 않기 때문에 소닉노즐(120)의 전단에서의 압력과 온도만을 측정하여 유량을 계산할 수 있다. In this case, since the flow rate does not change even if the pressure on the downstream side of the sonic nozzle 120 is lowered, that is, the flow rate of the gas is not affected by the downstream pressure, only the pressure and temperature at the front end of the sonic nozzle 120 are measured. Flow can be calculated.

유속이 음속일 때, 상류압력(P1)과 목 압력(P2)의 압력비(

Figure 112019028812870-pat00001
)는 공기인 경우 0.5283으로 일정한 값이 된다. 공기 외의 가스인 경우, 상류압력(P1)과 목 압력(P2)의 압력비(
Figure 112019028812870-pat00002
)는 아래의 수학식 1로 계산할 수 있다.When the flow velocity is sonic, the pressure ratio between the upstream pressure (P 1 ) and the neck pressure (P 2 ) (
Figure 112019028812870-pat00001
) Is a constant value of 0.5283 for air. For gases other than air, the pressure ratio between the upstream pressure (P 1 ) and the neck pressure (P 2 ) (
Figure 112019028812870-pat00002
) Can be calculated by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019028812870-pat00003
Figure 112019028812870-pat00003

여기서, Κ는 정적비열과 정압비열의 비이며 기체의 종류에 따라 결정되는 값이다. Here, Κ is the ratio of the static specific heat and the static pressure specific heat, and is a value determined according to the type of gas.

이와 같이, 연산부(160)는 압력비(

Figure 112019028812870-pat00004
)로부터 가스의 유속이 음속인 경우를 판단할 수 있다. In this way, the calculating unit 160 is the pressure ratio (
Figure 112019028812870-pat00004
), it is possible to determine the case where the flow velocity of the gas is sound velocity.

유동하는 가스가 공기이고 압력비(

Figure 112019028812870-pat00005
)가 0.5283이면, 연산부(160)는 소닉노즐(120)을 통해 유동하는 가스의 유속이 음속인 경우로 판단하고, 제1 압력센서(130)에 의해 측정한 상류압력(P1)과 온도센서(150)에 의해 측정한 온도(T1)로부터 아래의 수학식 2를 이용하여 유량을 계산한다(S140). The flowing gas is air and the pressure ratio (
Figure 112019028812870-pat00005
) Is 0.5283, the calculation unit 160 determines that the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle 120 is the speed of sound, and the upstream pressure P 1 measured by the first pressure sensor 130 and the temperature sensor The flow rate is calculated from the temperature (T 1 ) measured by 150 using Equation 2 below (S140).

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019028812870-pat00006
(kg/s)
Figure 112019028812870-pat00006
(kg/s)

여기서, Qm는 유량(질량 유동율)이고, Cd는 유출계수(유량계를 교정하여 얻는 값)이고, C*는 임계유동함수(기체의 물성)이고, A는 목(123)의 단면적(㎡)이고, P0는 상류 압력(Pa)이고, R은 기체상수(8312 m·N/kg·mol·k)이고, M은 가스의 분자량(kg·mol)이고, To는 상류 온도(K)이다. Here, Q m is the flow rate (mass flow rate), C d is the runoff coefficient (value obtained by calibrating the flow meter), C * is the critical flow function (physical properties of the gas), and A is the cross-sectional area of the neck 123 (㎡ ), P 0 is the upstream pressure (Pa), R is the gas constant (8312 m·N/kg·mol·k), M is the molecular weight of the gas (kg·mol), and T o is the upstream temperature (K )to be.

이와 같이, 가스의 유속이 음속인 경우에, 수학식 2에서 상류압력(P1)과 온도(T1)를 대입하여 유량을 계산할 수 있다. In this way, when the flow velocity of the gas is the sound velocity, the flow rate can be calculated by substituting the upstream pressure (P 1 ) and the temperature (T 1 ) in Equation 2.

압력비(

Figure 112019028812870-pat00007
)가 0.5283보다 커질 때, 즉 P2가 0.5283P1보다 커질 때, 연산부(160)는 소닉노즐(120)을 통해 유동하는 가스의 유속이 아음속인 경우로 판단한다.Pressure ratio(
Figure 112019028812870-pat00007
When) is greater than 0.5283, that is, when P 2 is greater than 0.5283P 1 , the calculation unit 160 determines that the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle 120 is subsonic.

가스의 유속이 아음속인 경우, 제1 압력센서(130)에서 측정한 상류압력(P1)과 제2 압력센서(140)에서 측정한 목 압력(P2)으로부터 아래의 수학식 3을 이용하여 유량을 계산한다(S150).When the flow rate of the gas is subsonic, using Equation 3 below from the upstream pressure P 1 measured by the first pressure sensor 130 and the neck pressure P 2 measured by the second pressure sensor 140 The flow rate is calculated (S150).

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019028812870-pat00008
(kg/s)
Figure 112019028812870-pat00008
(kg/s)

여기서, Qm는 유량(질량 유동율)이고, Cd는 유출계수(유량계를 교정하여 얻는 값)이고, β는 조임비(노즐 목 직경/관 직경)이고, ε는 팽창계수이고, A는 목(123)의 단면적(㎡)이고, ㅿP는 압력 차(상류 압력-목 압력)(Pa)이고, ρ는 상류 가스밀도(kg/㎥)이다.Where Q m is the flow rate (mass flow rate), C d is the outflow coefficient (a value obtained by calibrating the flow meter), β is the tightening ratio (nozzle neck diameter/tube diameter), ε is the expansion coefficient, and A is the neck (123) is the cross-sectional area (m2), ㅿP is the pressure difference (upstream pressure-neck pressure) (Pa), and ρ is the upstream gas density (kg/m3).

상류 가스밀도를 계산하기 위해서는, 상류압력(P1)과 온도(T1)를 측정해야 하고, 압력 차는 상류압력(P1)과 목 압력(P2)을 측정하여 구할 수 있고, 나머지 값들은 알 수 있어 유량을 계산할 수 있다. In order to calculate the upstream gas density, the upstream pressure (P 1 ) and temperature (T 1 ) must be measured, and the pressure difference can be obtained by measuring the upstream pressure (P 1 ) and neck pressure (P 2 ), and the remaining values are You know, so you can calculate the flow rate.

도 3의 그래프에서 가로축은 노즐을 따른 거리고, 세로축은 상류압력(P1)과 노즐 거리에 따른 압력비(

Figure 112019028812870-pat00009
)이다. 곡선 (ⅰ),(ⅱ),(ⅲ),(ⅳ)는 노즐 후단의 압력을 다르게 할 때 노즐 거리에 따른 압력비를 나타내고, 압력의 세기는 (ⅰ) > (ⅱ) > (ⅲ) > (ⅳ) 순이다.In the graph of FIG. 3, the horizontal axis is the distance along the nozzle, and the vertical axis is the upstream pressure (P 1 ) and the pressure ratio according to the nozzle distance (
Figure 112019028812870-pat00009
)to be. Curves (i), (ii), (iii), (iv) represent the pressure ratio according to the nozzle distance when the pressure at the rear end of the nozzle is different, and the strength of the pressure is (i)>(ii)>(iii)> ( Iv) in order.

그래프에서, 곡선 (ⅰ),(ⅱ)는 아음속일 때이고, (ⅲ),(ⅳ)는 음속일 때를 나타낸다. In the graph, curves (i) and (ii) represent the subsonic speed, and (iii) and (iv) represent the speed of sound.

도 3을 참조하면, 소닉노즐에서 목 부분의 압력이 목의 후단에서의 하류압력(PB)보다 낮다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the pressure at the neck portion of the sonic nozzle is lower than the downstream pressure P B at the rear end of the neck.

특히 아음속인 경우, 하류압력(PB)과 상류압력(P1)의 차를 이용해 유량을 계산하면 압력차이가 적어 유량을 정확하게 계산하기 어렵다는 것을 알 수 있다. In particular, in the case of subsonic speed, if the flow rate is calculated using the difference between the downstream pressure (P B ) and the upstream pressure (P 1 ), it can be seen that the difference in pressure is small and it is difficult to accurately calculate the flow rate.

가스의 유속이 아음속인 경우, 본 발명과 같이 상류압력(P1)과 목 압력(P2)의 압력차로부터 유량을 계산하면 유량을 더욱 정확하게 계산할 수 있다. When the flow rate of the gas is subsonic, the flow rate can be more accurately calculated by calculating the flow rate from the pressure difference between the upstream pressure (P 1 ) and the neck pressure (P 2 ) as in the present invention.

또한, 목의 후단에서의 하류압력(PB)은 노즐의 형상이나 표면조도 등에 따라 변하기 때문에 유량을 정확하게 측정하기 어렵게 한다. 본 발명에서는 아음속인 경우 목 압력(P2)을 이용하여 유량을 계산하므로, 노즐의 형상이나 표면조도 등의 영향을 받지 않으므로 유량을 더욱 정확하게 측정할 수 있다. In addition, since the downstream pressure (P B ) at the rear end of the neck varies depending on the shape of the nozzle or surface roughness, it is difficult to accurately measure the flow rate. In the present invention, since the flow rate is calculated using the neck pressure (P 2 ) in the case of subsonic speed, the flow rate can be more accurately measured because it is not affected by the shape or surface roughness of the nozzle.

상술한 바와 같이, 본 발명의 가스 유량계(100)에서는 소닉노즐(120)의 목(123) 부분을 손상하지 않도록 소닉노즐(120)의 수렴부(121)에 인접하는 확산부(122)에 개구(124)를 형성하고, 이러한 개구(124)를 통해 제2 압력센서(140)를 설치하여 목 압력(P2)을 측정한다. As described above, in the gas flow meter 100 of the present invention, the opening in the diffusion portion 122 adjacent to the converging portion 121 of the sonic nozzle 120 so as not to damage the neck 123 portion of the sonic nozzle 120 A 124 is formed, and a second pressure sensor 140 is installed through the opening 124 to measure the neck pressure P 2 .

연산부(160)는 상류압력(P1)과 목 압력(P2)의 압력차로부터 유속이 음속인지 아음속인지를 판단하고, 음속인 경우와 아음속인 경우에 적용되는 수식을 다르게 하여 유량을 계산한다. The operation unit 160 determines whether the flow velocity is a sound velocity or a subsonic velocity from the pressure difference between the upstream pressure (P 1 ) and the neck pressure (P 2 ), and calculates the flow rate by different equations applied in the case of sound speed and the case of subsonic speed. .

그에 따라, 본 발명의 가스 유량계(100)에서는 가스의 유속이 음속과 아음속인 경우 모두에서 유량을 측정할 수 있으면서, 노즐의 형상이나 표면조도 등의 영향을 받지 않아 더욱 정확하게 유량을 측정할 수 있다. Accordingly, in the gas flow meter 100 of the present invention, it is possible to measure the flow rate at both the sound velocity and the subsonic velocity, and it is not affected by the shape of the nozzle or the surface roughness, and thus the flow rate can be more accurately measured. .

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It is obvious to those of ordinary skill in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be implemented with various modifications or modifications within the scope not departing from the technical gist of the present invention. will be.

100 : 가스 유량계
110 : 관체
120 : 소닉노즐
121 : 수렴부
122 : 확산부
123 : 목
124 : 개구
130 : 제1 압력센서
140 : 제2 압력센서
150 : 온도 센서
160 : 연산부
170 : 제어부
180 : 표시부
100: gas flow meter
110: tube
120: Sonic Nozzle
121: convergence unit
122: diffusion
123: neck
124: opening
130: first pressure sensor
140: second pressure sensor
150: temperature sensor
160: operation unit
170: control unit
180: display

Claims (4)

가스 유량계에 있어서,
배관에 연결되는 관체;
상기 관체 내부에 형성되고 수렴부와 확산부를 갖는 소닉노즐;
상기 소닉노즐의 전단에 설치되어 압력을 측정하는 제1 압력센서;
상기 소닉노즐의 전단에 설치되어 온도를 측정하는 온도센서;
상기 소닉노즐에서 상기 수렴부에 인접하는 상기 확산부에 설치되어 압력을 측정하는 제2 압력센서;
상기 제1 압력센서, 상기 온도센서, 상기 제2 압력센서의 측정값에 따라 가스의 유량을 연산하는 연산부;
가스의 유량이 표시되는 표시부;
상기 표시부를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 수렴부와 상기 확산부의 경계가 되는 목 부분에 접하도록 상기 관체를 통해 개구가 형성되고, 상기 제2 압력센서는 상기 개구를 통해 설치되고,
상기 연산부는 상기 제1 압력센서와 상기 제2 압력센서의 측정값의 비로부터 음속과 아음속을 구분하고,
상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 음속인 경우, 상기 제1 압력센서와 상기 온도센서의 측정값으로부터 유량을 계산하고,
상기 소닉노즐을 통해 유동하는 가스의 유속이 아음속인 경우, 상기 제1 압력센서와 상기 제2 압력센서의 측정값으로부터 유량을 계산하는 가스 유량계.
In the gas flow meter,
A pipe body connected to the pipe;
A sonic nozzle formed inside the tube and having a converging portion and a diffusion portion;
A first pressure sensor installed at a front end of the sonic nozzle to measure pressure;
A temperature sensor installed at the front end of the sonic nozzle to measure temperature;
A second pressure sensor installed in the diffusion unit adjacent to the converging unit in the sonic nozzle to measure pressure;
A calculation unit for calculating a flow rate of gas according to measured values of the first pressure sensor, the temperature sensor, and the second pressure sensor;
A display unit displaying the flow rate of gas;
A control unit for controlling the display unit;
Including,
An opening is formed through the tube body so as to contact a neck portion that is a boundary between the converging portion and the diffusion portion, and the second pressure sensor is installed through the opening,
The calculation unit separates the sound speed and the subsonic speed from the ratio of the measured values of the first pressure sensor and the second pressure sensor,
When the flow velocity of the gas flowing through the sonic nozzle is the speed of sound, the flow rate is calculated from the measured values of the first pressure sensor and the temperature sensor,
When the flow rate of the gas flowing through the sonic nozzle is subsonic, the gas flow meter calculates a flow rate from measured values of the first pressure sensor and the second pressure sensor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101195491B1 (en) 2011-11-08 2012-10-29 주식회사 태산에너지기술 Hybrid-type gas flowmeter

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