삼각분리막대형차압유량계압력탭조건이유량측정에미치는영향 서울산업대학교자동차공학과 (2009. 12. 7. 접수 / 2010. 4. 4. 채택 ) Effects of Pressure Tapping Conditions on Flow Rate Measurement of Triangular Separate Bar Differential Pressure Flow Meter Choong-Hoon Lee Department of Automotive Engineering, Seoul National University of Technology (Received December 7, 2009 / Accepted April 4, 2010) Abstract : Flow characteristics of differential pressure flow meters which have a shape of triangular separate bar (TSB) was investigated according to the machining conditions in pressure tapping holes. Diameter of the pressure taping holes is either 1.0 mm or 1.5 mm. Also, number of the pressure tapping holes are drilled either 9 or 17. The mass flow rate of the TSB flow meters are calibrated with a laminar flow meter by connecting them in line. The mass flow rate in the TSB flow meters are plotted with a non-dimensional parameter H which includes the gas temperature, exhaust gas pressure and differential pressure at the flow meters. An empirical correlation between the mass flow rate at the TSB flow meter and the non-dimensional parameter H was obtained. The empirical correlation showed highly linear relationship between the mass flow rate and the non-dimensional parameter H. The hole size of the pressure tapping holes has a bigger effect on the flow rate than the number of the tapping holes. Key Words : triangular separate bar, differential pressure flow meter, non-dimentionalized differential pressure parameter H, size of pressure tapping, number of pressure tapping 1. 서론 * 소각탑가스및차량배출가스등과대용량의기체유량을측정하는유량계가갖추어야할조건은유량계에의한유동저항이크지않아야하며유량을감지하여나타내는신호가커야한다. 일반적으로기체유량측정을위해서는오리피스, 플로우노즐, 벤튜리튜브등과같은차압유량계 1) 를가장많이사용하고있으나유량계에서의압력손실이큰단점이있다. 유동손실이거의없는유량계는카르만보텍스유량계가있으나정확도가낮은편이다 2,3). 차압유량계의일종으로유동손실이크지않고정확도가 1% 로다양하게적용되고있는것이 Annubar R 형차압유량계이다 4,5). Annubar R 형유량계의상류부에는유동이흐르는단면에서의평균동압과평균정압을합친평균전압이작용하고후류부에는평균정압이작용하며그차압인평균동압 To whom correspondence should be addressed. chlee5@snut.ac.kr 을이용하여유량을측정하는유량계이다 6). 디젤차량의배출가스중매연은도시주민의호흡기계통의질병을유발하고있어안전한대기환경을위해디젤매연필터 (DPF) 를장착하는것이일반화되어있다. DPF 의매연제거를위한재생제어에배기가스유량측정이요구되고있는가운데 Annubar 형차압유량계가주목을받고있다. Kim 등 6) 과 Lee 등 7) 은기존의 Annubar R 형차압유량계의형상을삼각분리막대모양으로간결하게제작하여측정대상기체의온도변화및유량계의형상에따른유량특성을연구하였다. 한편, Annubar R 형차압유량계와삼각분리막대형차압유량에서의압력탭의수및크기에따른기존의연구는거의없는편이다. 이에본연구에서는삼각분리막대형차압유량계의압력탭의수및크기에따른유량특성을연구하였다. 압력탭의수는 9 개및 17 개인경우에대해비교하였으며압력탭의직경은 1.0mm 및 1.5mm 인경우에대해비교하였다. 1
2. 실험장치및방법 삼각분리막대형차압유량계의형상은 Fig. 1 에나타낸것과같이단면의모양이마름모형상을하고내부단면이두개의삼각형이분리된형상을하고있다. 유량계의유선형각도가유량특성에미치는영향을 Kim 6) 등이연구하였는데이들의연구에의하면각각 45, 37.5, 32 의유선형각도중 32 의경우가동일유량에대해차압이상대적으로작게나타났으나그차이가미미하여본연구에서는제작상의편의를위해단면의유선형각도를 45 로하였다. Fig. 1 에나타낸것과같이상류부에전압, 후류부에정압이작용하도록하기위해직경 1mm 또는 1.5mm 구멍을가공하였으며유동단면전체의평균압력이작용할수있도록유량계막대의길이방향으로 12mm 로 9 개또는 6mm 로 17 개등간격으로각각가공하였다. 본연구에서는 3 종류의유량계를제작하였다. 3 종류의유량 Fig. 1. The section of triangular separate bar type flow meter. 계는 Type I( 압력탭직경 1.0mm 9hole 12mm 간격 ), Type II( 압력탭직경 1.5mm 9hole 12mm 간격 ), Type III( 압력탭직경 1.0mm 17hole 6mm 간격 ) 이다. 삼각분리막대형차압유량계가조립된파이프의내경은 110mm 이다. 삼각분리막대형차압유량계를검정하기위한실험장치를 Fig. 2 에나타내었다. 실험장치는유량검정의기준유량계인층류유량계 (laminar flow meter: Meraim 사제작 ), 30,000liter/min 용량의고압송풍기, 삼각분리막대형차압유량계를마운트하기위한시스템, 차압측정을위한 U- 자관 3 개 (dwyer 사 ), 경사압력계 (dwyer 사 ) 1 개, 온도측정시스템 (Yokokawa 사 ) 등으로구성되어있다. 송풍기를가동하면흡입공기는층류유량계입구의공기필터를통과하고층류유량계를거쳐송풍기를지나삼각분리막대형차압유량계를마지막으로지나대기중으로배출된다. 경사압력계는층류유량계의차압을측정하고, U- 자관 1 개는층류유량계의입구압력을측정하였으며동시에흡입공기온도를측정하여유량의밀도보정에사용하였다. 삼각분리막대형차압유량계에서의차압측정은 U- 자관을사용하였고또다른 U- 자관을사용하여배압을측정하였다. 삼각분리막대형유량계의상류부와후류부두위치에서온도를측정하여평균한온도를기체밀도보정에사용하였다. 실험과정은우선인버터를조절하여송풍기의풍량을일정하게유지시켜정상상태에도달하였을때 3 개의 U 자관압력계, 경사압력계의압력값, 층류유량계및삼각분리막대형차압유량계에서의온도값을기록한다. 인버터를조정하여풍량을증가시켜일정하게유지한후전술한실험과정을반복하는방법으로진행하였다. 유량을바꾸어가며 20 개내외의측정점에서실험을수행하였다. Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup for calibrating the TSB flow meter. 2 Journal of the KOSOS, Vol. 25, No. 2, 2010
삼각분리막대형차압유량계압력탭조건이유량측정에미치는영향 3. 결과및검토 삼각분리막대형차압유량계의유량특성을나타내기위해식 (1) 에나타낸것과같은무차원파라미터로 H 를도입하였다 8). H 값은유량계에서측정한전압과동압의차압, 배기가스온도, 배기압등을조합한무차원파라미터로온도및압력에따라서변화하는배기가스의밀도값을반영한다고볼수있다. h w 는유량계에서의평균전압과평균정압의차이를나타내는데 h w 의제곱근형태로 H 파라미터에포함되어있다. 오리피스, 플로우노즐, 벤튜리튜브등과같은일반적인차압유량계는 h w 의제곱근에비례하는특징을가지고있으며삼각분리막대형차압유량계도이와유사한특성을포함하고있다고볼수있다. 따라서 H 파라미터변화에대하여삼각분리막대형차압유량계의유량특성은선형적으로변화할것이라는것을예측할수있다 6). Fig. 3. Temperature distribution according to H(Type I, II, III). Pexh 293.15( K) H = 101.3( kpa) T exh hw γ (1) 여기서, P exh : 배압 (kpa) T exh : 가스온도 (K) γ : 표준상태 (293.15K, 101.3kPa) 배기가스밀도 h w: 유량계차압 (kpa) 이다. Fig. 3 은 Type I, II, III 삼각분리막대형차압유량계의측정실험동안흡입공기온도변화를나타낸것으로거의공기의온도변화가크지않은조건에서실험이이루어졌음을알수있다. Fig. 4 는 Type I, Type II 의삼각분리막대형차압유량계의검정결과를나타낸것으로각각압력탭의직경이 1.0mm, 1.5mm 이다. Type I, Type II 모두압력탭의수는 9 개이며각각 12mm 의동일한간격으로가공하였다. 유량계의상류부에작용하는전압은압력탭의직경에관계없이정압과동압합쳐진압력이작용하므로압력탭의크기에영향을받지않는것으로알려져있으며 9) 후류부의정압값은압력탭크기및관내의유속값즉유량에따라유동의동적특성에영향을받는것으로나타났다. 본연구에서유량계후류부의정압을측정하기위해 U- 자관을설치하였으며정압은유속의크기또는압력탭의크 Fig. 4. Measurement results of flow rate for the TSB flow meters in calibration rig(type I and Type II). 기에따라 1~27mmH 2O 정도의부압을나타내었다. 각각의유량계검정곡선에서동일한 y- 축값, 즉동일한질량유량에대해대응하는각각의 H 값을읽었을때압력탭크기가 1.5mm 로가공한유량계 (Type II) 가더큰차압을나타냈다. 여기서, 동일한질량유량은파이프내에흐르는유체의레이놀즈수가동일한조건을의미하며유량계상류부전압은 Type I, II 모두거의같다고볼때차압이상대적으로크게측정되었다는것은유량계의후류부부압이더크다는것을의미한다. 즉, 유량계후류부압력이압력탭사이즈에영향을받는다는 한국안전학회지, 제 25 권제 2 호, 2010 년 3
것을의미하며 Fig. 4 의결과는압력탭의크기가 1.5mm 인경우유동의동적특성이유량계후류부압력에상대적으로크게영항을미치는것으로사료된다. Fig. 5 는 Type I 과 Type III 유량계의유량검정결과를나타내었다. Type I 과 Type III 모두압력이작용하는압력탭크기가 1.0mm 로동일하고단지압력탭의개수가각각 9 개및 17 개일때의유량특성을나타내었다. 압력탭의개수가 9 개인경우는압력탭의간격이 12mm 이며 17 개인경우는 6mm 간격이다. 압력탭의크기의영향을나타낸 Fig. 4 의결과와는달리 Type I, Type III 유량계의동일질량유량에대한차압 ( 무차원 H 파라미터 ) 에대응하는 H 값의차이가거의없었으며이는유량계의후류부압력특성이압력탭의개수에는영향을받지않음을의미한다. 유량계를장시간사용할경우압력탭구멍들이막힐수있으며특히, 전압이작용하는유량계상류부압력구멍이막힐가능성이높다. 유량계상류부압력탭이막히는상황을시뮬레이션하기위해, Type I, II, III 3 개의유량계중압력탭직경이 1.0 mm 압력탭수 17 개를가공한 Type III 에대해압력탭들을여러가지조건으로막으면서유량측정실험을실시하였다. 유량계상류부의압력탭이막힐수있는 5 가지조건을상정하여실험하였으며본연구에서사용한 5 가지조건을 Fig. 6 에나타내었다. Fig. 6(a) 에나타낸정상조건은신품의삼각 (a) normal condition (b) 3 up and 3 down holes closed (c) 6 up and 6 down holes closed (d) 6 up holes closed (e) 12 up holes closed Fig. 6. Experimental conditions to evaluate the effects by blocking the pressure tabs in the TSB flow meter on the flow rate. 분리막대형차압유량계를사용할경우모든압력탭이정상적으로뚫려있는경우를말한다. Fig. 6(b) 의조건은삼각분리막대형차압유량계의위쪽 3 개압력탭과아래쪽 3 개의압력탭을막은조건이다. Fig. 6(c) 의조건은유량계의위아래쪽각각 6 개의압력탭을막은조건이다. Fig. 6(d) 는유량계의위쪽압력탭의 6 개를막은경우이며 Fig. 6(e) 는위쪽 12 압력탭을막은경우이다. Fig. 6(a)~ (e) 모든경우에대해서유량계후류부압력탭은정상조건으로모든압력탭이정상적으로열린상태에서실험을실시하였다. Fig. 7 은 5 개조건모두에대해질량유량측정결과를하나의그래프에나타낸것이다. 5 개조건에 Fig. 5. Measurement results of flow rate for the TSB flow meters in calibration rig(type I and Type III). Fig. 7. Measurement results of flow rate for the TSB flow meters in calibration rig with pressure tab hole being blocked at 5 kind conditions. 4 Journal of the KOSOS, Vol. 25, No. 2, 2010
삼각분리막대형차압유량계압력탭조건이유량측정에미치는영향 실험조건중정상조건 (Fig. 6(a)), 상류압력탭상하 3 개를막은조건 (Fig. 6(b)), 상하 6 개를막은조건 (Fig. 6(c)) 에대해 H 값구간별로나누어확대하여유량계의질량유량특성을나타낸것으로압력탭의막힘조건에따라서뚜렷한차이를보이고있음을알수있다. 4. 결론 (a) H range 0-1 기체의유량측정시유량계에의한압력손실을크게줄일수있는삼각분리막대형차압유량계를제작하였다. 냉간조건에서삼각분리막대형차압유량계상류및후류에서의압력을감지하기위한압력탭의크기및개수변화에따른유량특성을측정하였으며, 오랜시간유량계사용시유량계의상류압력탭이막힐것을시뮬레이션하기위해상류압력탭을여러조합으로막아가면서유량특성을측정하여다음과같은결론을얻었다. (b) H range 1-1.8 Fig. 8. Measurement results of flow rate for the TSB flow meters in calibration rig with dividing the H range by two sub-sections. 서의 H 값변화에대한각각의질량유량특성은선형적인특성을보이고있으며동일한 H 값에대해각실험조건에서의질량유량은큰차이를보이지않고일관된경향을보이고있다. 즉, 정상조건 (Fig. 6(a) 의조건 ) 에서질량유량이동일한차압 (H 파라미터 ) 에대해상대적으로큰값을보이고있으며유량계상류의압력탭위쪽 12 개를막은조건에서의질량유량값이가장작게나타났다. 즉, 유량계상류압력탭을막을수록유량값이상대적으로작은질량유량값을나타내었다. Fig. 8(a) 와 (b) 는유량계상류압력탭의막힌조건에따른유량특성을좀더자세히살펴보기위해 Fig. 6 의 1) 삼각분리막대형차압유량계와유사하게무차원파라미터 H 에대해질량유량이선형회귀곡선의상관계수는 0.999 로거의완벽한선형적특성을나타내었다. 2) 삼각분리막대형차압유량계의압력탭의크기가일정하고단지압력탭의숫자를다르게하였을때에는유량특성은거의차이가없었으나압력탭의수는동일하게하고압력탭의크기를달리한경우에는유량특성이영향을받는것으로나타났다. 특히, 유량계후류부압력탭의크기에따라동압이영향을미치는것으로나타났다. 3) 삼각분리막대형차압유량계의상류부압력탭을막았을때유량특성이영항을받았다. 동일한질량유량에대해대응하는 H 값이상류부압력탭을막은조건에서더큰값을나타내었다. 참고문헌 1) 한국표준협회, 조임기구에의한유량측정방법, KSA0612, 1997. 2) K. Tsuchiya, S. Ogata and M. Ueta, Karman vortex flow meter, Bull. JSME 58, pp. 573~582, 1970. 3) C.O. Popiel, J.T. Turner and D.I. Robinson, Evolution of an improved vortex generator, Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 4, pp. 249~259, 1993. 4) Rosemount Product Data Sheet, Diamond II-Annubar R 한국안전학회지, 제 25 권제 2 호, 2010 년 5
bar Primary Flow Element, Dieterich, A Subsidiary of Rosemount Inc., 1998. 5) W.S. Wayne, E. R. Corrigan, R. J. Atkinson, N. Clark, and D.W. Lyons, Measuring Diesel Emissions with a Split Exhaust Configuration, SAE paper No. 2001-01-1949, 2001. 6) K.I. Kim, W.Y. Yoo and C.H. Lee, A Study on Flow Rate Characteristics of a Triangular Separate Bar Differential Pressure Flow Meter according to the Variation of Gas Flow Temperature, KSMTE, Vol. 17, No. 4, pp. 89~94, 2008. 7), 김광일, 김민창, 박동선, 디젤엔진배기가스유량측정용삼각분리막대형차압유량계유량특성연구, 한국철도학회논문집, 제 10 권, 제 5 호, pp. 563~568, 2007. 8) H. Nakamura, N. Kihara, M. Adachi and K. Ishida, Development of a Wet-Based NDIR and Its Application to On-Board Emission Measurement System, SAE Paper No. 2002-01-0612, 2002. 9) Systec Control, Precision and Process Viability of the deltaflow Dynamic Pressure Probe, Research report, http://systec-controls.de/files/deltaflow_research_rep ort_e.pdf., 2008. 6 Journal of the KOSOS, Vol. 25, No. 2, 2010