본문 바로가기
HOME> 논문 > 논문 검색상세

학위논문 상세정보

코리올리 이론에 의한 주행차량 순간 연료소비율 측정용 유량센서 개발에 관한 연구 원문보기

  • 저자

    하재은

  • 학위수여기관

    경상대학교 대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    기계공학과 기계설계

  • 지도교수

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    ix, 31 p.

  • 키워드

    질량유량 코리올리 유체밀도 차량주행연비;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13534410&outLink=K  

  • 초록

    주행차량 순간 연료소비율은 유량이 매우 낮은 공회전 운전에서 그 1000배 이상의 유량을 연속적으로 측정해야 하기 때문에 실시간으로 유량을 정확하게 측정하고 순간 측정치를 적산하여 일정 기간 혹은 일정 거리를 주행하는 동안 소모한 연료의 양을 정확히 측정하는 일은 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고, 순간적으로 변화되는 주행 차량의 주행 모드에 따른 연료 소모량 성능을 측정하는 일은 여러 가지로 매우 중요하다. 본 연구에서는 다양한 이유로 주목을 받고 있는 코리올리 유량 측정센서개발에 필요한 기초 연구를 수행하였다. 코리올리 힘을 이용하는 유량 측정기술은 지구자전으로 인해 이동하는 물체에 작용하는 지구전체적인 원심력의 영향이 움직이는 물체의 방향에 따라 서로 다르게 작용하는 것을 기초로 하여 이를 움직이는 물체의 질량에 따라 변화되는 값으로 치환하여 측정한다. 본 연구에서는 탄성 진동이 가능한 구조로 유체 입구와 출구측이 단단히 고정된 측정 튜브 (TT, Test Tube) 를 만들고 이 튜브의 입구와 출구 측에 진동 위상을 측정하는 마그네틱 픽업을 설치하고 각 센서에서 측정되는 신호를 각각 신호 1 (S1)과 신호 2 (S2) 로 측정하여 비교할 수 있게 했다. 측정 튜브는 내부에 유체가 흐르고 있기 때문에 측정 튜브를 고정하고 있는 입구와 출구 측의 고정부분을 기준으로 공진하게 하면 공진하는 튜브 유체 조합 진동체의 입구와 출구측 위상은 코리올리 작용력이 서로 반대 방향으로 작용하기 때문에 위상차이가 발생하게 된다. 이 위상 차이의 크기는 진동체의 질량에 비례하여 커지게 되므로 위상차이를 검출하여 이를 전기 신호로 변환하는 센서의 개발이 가능하다. 측정 튜브를 흐르는 유체의 속도가 빠르면 진동체의 공진 운동 작용 질량이 커지게 되고 그에 따라서 위상차이는 비례하여 커지게 된다. 공진의 발생은 유체의 측정 튜브의 입출구측 위상 신호 (S1, S2) 가운데 하나를 선택하여 이를 측정 튜브의 중앙 위치에 설치된 드라이브 코일의 구동 전류의 증폭 기준 신호로 사용하는 방법을 사용했다. 이 구동 전류의 전압은 측정 신호 S1, 과 S2의 증폭 후 전압인 +/- 3V 정도의 신호이면 충분하였고 전원 투입 후에 별도의 가진 회로나 동작없이 쉽게 공진상태에 이르는 것을 확인했다. 이로써 모든 물체는 공진이 발생할 수 있는 조건에 따라 공진상태에 있음을 알 수 있다. 입출구 부분에서 위상 신호를 측정하고 측정 튜브의 중앙 부분에서 유체와 튜브 조합체를 공진하게 하는 드라이버 액츄에이터는 모두 동일한 구조를 갖도록 설계하였다. 즉, 진동하는 도관의 위상 신호를 취출하기 위해서는 원하는 지점의 도관 위치에 코일과 자석을 설치하되, 각각 진동에 의해서 상대 운동을 하는 위치에 반대방향으로 운동하도록 설치하였다. 코일의 중심에 배치된 영구자석이 공진에 의해서 피스톤 운동을 하면 코일에는 정현파형의 위상 신호가 유도된다. 공진을 유도하는 장치 또한 동일한 구조로 되어 있다. 다만, 코일에 증폭된 정현파형의 전기 신호가 전달되어 자석을 정현파형으로 교차되는 방향으로 진동하게 한다. 이상과 같은 기본 구조를 바탕으로 내부 직경 3mm, 벽 두께 0.2 mm, 측정 튜브의 길이 250mm 의 스테인리스 스틸 세관을 이용하여 시제품을 제작하여 시험한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 물을 유체로하여 측정한 결과 공진 주파수는 140 Hz 정도였다. 이 상태에서 물 대신 비중이 0.7 정도인 디젤이나 가솔린을 유체로 해서 공진 주파수를 측정하면 143 Hz 정도로 높아지는 것을 알 수 있었다. 사용하려는 유체들이 휘발유나 경유와 같이 비중이 1 이하인 경우가 대부분으로 예상되므로 비중이 1인 물을 최대치로 하고 도관이 비어있는 상태 즉 비중이 0에 가까운 상태를 최저치로 설정하고 중간의 다양한 비중의 유체들을 교체 투입하여 유체의 비중과 고유 진동수 사이의 관계를 분석해 내면 유량을 측정하는 장치로 도관의 내부를 흐르는 유체의 밀도를 알아낼 수 있을 것으로 판단된다. 2. 신호 S1과 S2는 op amp를 이용하여 1000배 이상 증폭함으로써 정현파형이 구형파형으로 바꾸었다. 구형파의 두 신호를 XOR 연산 회로를 이용하여 처리하면 S1과 S2 신호의 위상차만 남고 나머지 신호는 제거된다. 시제품 평가결과 유체가 흐르지 않고 정체해 있을 때는 5 마이크로초 정도의 코리올리 신호가 얻어진다. 이 폭으로 전기 신호가 초당 140회 정도씩 발생된다. 이 상태에서 최대 유량조건 (300kg/H)으로 증가하였을 때 코리올리 신호의 폭은 15마이크로초 정도였다. 이렇게 확보한 코리올리 신호는 아날로그 방식과 디지털 방식으로 유체의 질량 유량 신호로 변환할 수 있었다. 3. 도관과 도관에 설치된 코일 및 영구자석의 물리적 성상 (재질, 질량, 벽두께 등 형상 치수), 도관의 입출구부 고정방법 등을 조절하여 도관과 유체 조합체의 고유진동수는 300Hz 이상으로 바꿀 필요가 있음을 확인했다. 이렇게 되면 초당 취출되는 코리올리 신호의 수도 증가하게 되고 그 만큼 빠른 속도로 많은 양의 코리올리 유량 신호를 확보하게 되어 측정 정확도를 높이고 고유 진동수의 유체 밀도 변화에 따른 변화 폭도 커지게 될 것으로 판단된다. 이는 곧 고유진동수를 기준으로 하는 유체 밀도 측정 정확도의 개선을 의미할 수 있다. 또한 300Hz 이상으로 고유진동수를 높이면 차량 등 진동이 발생되는 장치에 설치하여 사용되는 경우 보다 큰 폭의 진동 조건의 여유를 가지게 된다. 4. 코리올리 신호폭을 측정하여 유량 측정치로 환산해내는 기술이므로최소유량-최대유량 사이를 0.1% 등의 정확도로 측정하기 위해서는 5~15 마이크로초에 불과한 좁은 폭의 코리올리 신호를 100분할 혹은 1000분할 하여 측정해야 했다. 본 연구에서는 ARM 마이크로컨트롤러인 ATxMega 128A1 마이콤을 이용하여 이 펄스폭을 계수하도록 하였다. 사용한 마이콤의 크록 타임이 32MHz이므로 10마이크로초의 구간을 300 분할 이상으로 분해할 수 있는 것으로 판단된다. 즉, 측정 분해능이 0.3%FS 정도라는 것을 에측할 수 있었다. 5. 차량용 엔진의 실시간 연료 소모율의 연속 측정이 가능한 유량 센서로 개발하기 위해서는 측정 분해능과 정확도, 재현성을 높이기 위해서 보다 고속의 연산 성능이 구비된 컴퓨터를 채택하고 측정 튜브의 구조를 개선하여 차량 주행 중 발생하는 차량의 고유 진동수 영역 (200Hz 이하)을 벗어나는 진동수 영역에서 고유 진동이 나타나도록 할 필요가 있는 것으로 판단된다. 또한 고유진동수와 코리올리 힘에 영향을 미치는 것으로 보이는 유체 압력과 측정 튜브의 온도, 고유진동을 유발하는 드라이브 코일의 작용력의 방향 (전류의 방향)에 대해서도 그 영향도를 파악하고 이를 최대한 회피하는 기술을 구사할 필요가 있음을 확인하였다.


 활용도 분석

  • 상세보기

    amChart 영역
  • 원문보기

    amChart 영역