KR100467131B1 - 온도 센서를 갖춘 유량계 피토관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몸체(4)로 이루어진 흐름 측정 시스템을 위한 온도 및 압력 감지 프로브 조립체(2)에 관련되고, 상기 몸체 일부분은 파이프(6)와 같은 한정된 도관 내에서 흐르는 유체로 삽입하기에 적합하다. 흐름에 대해 고저 유압에 각각 노출되는 분리된 플리넘(40,42)이 몸체 안에 배치된다. 밸브 및 유체 운반 채널과 함께, 이 블록은 전기 전도체(30)를 지지하기 위한 덕트를 장착하고 있고 몸체와 정렬되고 전도체 운반 덕트와 통하는 가로 보어(35)를 포함한다. 전기 감응 온도 센서(32)는 몸체 안에 배치되거나 몸체에서 형성된다. 온도 센서로부터 전도체는 매니포울드의 보어로부터 연결관을 통하여 매니포울드의 외부점까지 향하고 있다.

Description

온도 센서를 갖춘 유량계 피토관{FLOW METER PITOT TUBE WITH TEMPERATURE SENSOR}

Darrel F. Coleman 등의 미국 특허 제 4,559,836에 기술한 유형의 피토관 흐름 센서는 압력차 흐름 측정 시스템에서 수년 동안 사용되어 왔다. 이 시스템은 평균 유체 충격, 또는 피토관의 측면을 향하는 상류에 가해지는 높은 압력을 감지하고 관의 측면을 향하는 하류의 낮은 유압을 감지한다. 종래에는, 압력차를 나타내는 전기 신호를 유도하기 위해서 압력 변환기에 적용된다. 알려진 수학 관계에 의해, 압력차는 유체 흐름율로 변환된다.

피토관이나, 오리피스 판과 같은 다른 종류의 압력차 센서에 의해 감지되고 전달되는 유압은 Roger L.Frick의 미국 특허 제 4,466,290에서 부호 번호 17로 나타낸 것과 같은, 밸브 매니포울드에 의해 또는 '836 미국 특허에서 부호 번호 24로 나타낸 것과 같은 상호 연결 헤드를 통하여 압력 변환기에 전달된다.

파이프 내에 흐르는 매체의 온도를 감지하려고 할 때, Thermowell RTD(Resistive Temperature Device)와 같은 온도 감지 장치가 사용되고, RTD를 "Thermowell"과 같은 보호막으로 삽입하는데, 이것은 유체 속에 침수되어있고 유체의 온도는 감지된다. 일반적으로, 온도 센서는 흐름 속도 센서의 위치와 분리된 위치에서 흐르는 유체로 삽입되고, 개방한 후 내부에 삽입된 것 둘레의 도관 벽을 밀폐하는 것과 관련된 문제점을 발생시킨다.

처리액을 위한 복잡한 흐름 측정 시스템의 발전 과정에서 흐름 속도 뿐만 아니라, 유체의 부피와 질량을 측정할 수 있는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 이를 위해서 유체의 온도를 알아야 한다. 파이프 내에 흐르는 유체의 다양한 매개변수를 측정하려면 파이프를 관통해야 하므로, 파이프 안으로 단 한번만 통과하도록, 단일 기구로 요구되는 매개변수를 감지하는 것이 중요하다.

본원은 온도 센서를 갖춘 유량계 피토관에 대해 1996년 6월 4일에 제출된 08/658,147의 연속 출원이다.

본 발명은 파이프와 같은, 한정된 도관 내에서 유량의 열역학 특징에 관련되고, 특히 흐르는 유체의 온도 및 상하류 압력 차이를 감지하기 위한 장치에 관한 것이다. 이것이 나타내는 정보를 전달하고 처리함으로써, 속도, 부피 및 질량과 같은 유량 매개변수가 결정될 것이다.

도 1 은 본 발명의 구성 성분이 작동하는 도관 내에 흐르는 유체를 위한 열역학 측정 장치의 투시도.

도 2 는 도 1의 2-2선을 따라서 본 확대된 횡단면도.

도 3 은 유체 이동 도관 외부의, 센서 프로브 근위 단부에 장착된 매니포울드 헤드를 포함하고 압력 및 온도 센서가 끼워진 파이프를 포함하는, 본 발명에 따른 차동 압력 흐름 센서의 종단면도.

도 4 는 도시된 단부에서 압력 밸브 중 하나에 대한 리셉터클과 매니포울드의 한쪽 면에서 터미널 하우징을 지지하는 라이저(riser)를 나타낸 본 발명에 따른 매니포울드의 단면도이다. 대향한 단부는 도시된 단부의 거울 상이다.

도 5 는 도 4의 5-5선을 따라서 본, 매니포울드의 횡단면도.

도 6 은 선호되는 형태의 온도 센서를 나타낸 측면도.

도 7 은 도 2와 유사하지만 유체 전달 플리넘(plenum) 중 하나 안에 다르게 배치한 온도 센서를 나타낸 도면.

도 8 은 도 2와 유사하지만 피토 관 몸체의 바깥쪽 면과 일치하도록 구성되고 유체 전달 플리넘의 바깥쪽에 다르게 배치한 온도 센서를 나타낸 도면.

도 9 는 매니포울드 아래에 조립체 부분만 나타낸 것을 제외하고는 도 1과 유사한 도면이다. 도 9는 주요 유체 운반 도관의 바깥쪽에 있는 유체 전달 플리넘 부분 내부에, 다르게 배치한 온도 센서를 나타내었다.

본 발명은 흐름 센서의 속도로 감지되는 압력 차이를 결정할 뿐만 아니라, 한정된 채널(파이프) 내에 흐르는 유체의 온도를 감지하기 위한 단일 장치를 제공한다.

본 발명의 목적은 파이프로부터 압력 차 센서를 제거하지 않으면서 조립체의 온도 감지 부분을 제거하고 교체할 수 있는 파이프 내에 흐르는 유체에 대한 온도 및 압력 감지 장치를 제공하는 것이다.

또 본 발명은 온도-감지 장치를 수용하는 선행 기술에 따른 피토 관 내부의 활용할 수 있는 공간을 사용하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 흐르는 유체를 운반하는 도관 내에 온도 센서의 캐리어로서 피토관 형태의 센서 몸체를 이용하는 것이다.

본 발명은, 주요 유체 운반 도관 내에 있던지 또는 도관 바깥쪽에 있는 조립체 부분 안쪽에 있던지 관계없이 유량계 내부에 수용된 유체의 온도를 감지한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 선호되는 형태에 대해 자세히 읽어봄으로써 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 결합된 요소를 가지는 흐름 측정 조립체(2)를 나타낸다. 이 시스템의 주요 유체 차동 압력 측정 부분은 본원에 참고로 실린, 미국 특허 제 4,559,836에 기술한 피토 관 형태의 흐름 센서(4)를 포함한다. 상기 감지 프로브(probe)(4)는 유체를 운반하는 도관 또는 파이프(6) 안으로 직경 방향으로 삽입된다. 본 발명의 일부를 구성하지 않는 마운팅 하드웨어는 부호번호 8로 나타내었다. 피토 관의 근위 단부(7)는 매니포울드 헤드(10)까지 뻗어있는데 이 헤드에서 고압 유체와 저압 유체는 매니포울드의 내부 채널을 통하여 매니포울드(10)에 직접 장착된 압력 변환기(12)로 옮겨진다. 피토 관과 매니포울드는 유체 압력 운반체를 형성하도록 결합한다. 도 5에 나타난 것처럼, 매니포울드에서 내부 유체 운반 도관(11,13)은 매니포울드의 나사산이 있는 리셉터클(14,16)에 배치된 한 쌍의 차단 밸브를 통하여 각각 통과한다. 두 밸브 중 하나의 작동 손잡이(18)는 도 1에 나타나 있다. 도 1에 나타낸 손잡이(20)를 가지는 평형 밸브는 매니포울드에서 나사산이 있는 리셉터클(22)에 놓인다. 이 평형 밸브는 트랜스미터(24)를 보정하기 위해 매니포울드에서 유압을 평형 상태로 맞추도록 고압 도관(11)과 저압 도관(13)을 상호연결하도록 열려질 수 있다.

차동 압력 트랜스미터(24)는 압력 변환기(12)에 부착되는데, 상기 차동 압력 트랜스미터는 다른 압력과 유체 흐름 속도 뿐만 아니라 파이프(6) 내로 흐르는 유체의 질량과 체적을 나타내는 신호를 처리하고 전달한다.

매니포울드(10)의 한쪽 면에 부착되는 것은 도시되지 않은 전기 단자를 포함하는, 하우징(28)을 지지하는 라이저(riser)(26)이다. 하우징(28) 내의 터미널은 파이프(6) 내의 유체 질량 및 체적을 결정하는데 사용하기 위해 온도 센서(32)로부터 트랜스미터(24)로 전기 신호를 전달하도록 전도체(29) 안의 와이어링과, 온도 감지 장치로부터 와이어링(30)을 상호연결한다.

온도-감지 장치(32)는 텍사스 Thermowell, Inc에 의해 제작되는 ARI와 Weed RTD와 같은, 저항 온도 장치가 선호된다. 이 장치는 저항 요소로부터 트랜스미터(24)와 같은, 다른 신호 처리 장치까지 신호를 전달하는 전도체(30)를 가지는 장방형 리지드 저항 성분(34)을 포함한다.

도 1과 2에 나타난 것처럼, 관상 하우징(41)과 고저 유체 압력 전달 플리넘(40,42) 사이에 생기는 공간에서 피토 관(4) 내의 설치 위치에 온도 센서가 배치된다.

도 3에 나타난 것처럼, 전술한 밸브와 도관 이외에, 매니포울드(10)는 매니포울드의 몸체를 통과하여 가로지르는 보어(35)를 포함한다. 이 보어(35)는 도관으로서 사용되도록 매니포울드 내에 배치되고 크기가 정해지는데 피토 관(4)으로 끼우는 동안 또는 피토 관에서 빼는 동안 상기 보어를 통하여 RTD 온도 센서(32)의 리지드 저항 성분(34)이 통과된다. 온도 센서의 리지드 부분(34)이 피토 관 안으로 완전히 삽입될 때, 온도 센서 전도체(30)는 매니포울드(10)에서 가로 덕트(42)를 통하여 연결되는데, 이 덕트는 라이저(26)와 통한다. 이 전도체는 하우징(28) 내의 터미널에 연결되도록 라이저를 통하여 뻗어있다.

보어(35)의 한쪽 단부는 다른 직경을 가지는 두 개의 방사상으로 확대되고 나사산이 있는 리셉터클(36,38)을 구비한다. 온도 센서(32)가 피토 관과 매니포울드에 배치된 후에, 온도 센서의 확대된 저항 부분(34)의 근위 단부에서 나사산이 있는 칼라(41)는 온도 센서를 장착하고 고정하기 위해 소형 리셉터클(38) 안으로 끼워넣어진다. 온도 센서가 고정된 후에, 나사산이 있는 씨일링 플러그(43)는 더 넓은 외부 리셉터클(36) 안으로 죄어지고 그 후에 압력 변환기(12)는 도 1에 나타난 것처럼 매니포울드에 부착될 수 있다.

도 1과 2에 나타낸 온도 센서의 삽입 위치가 피토 관의 구조에 대해 선호되지만, 다른 배치도 가능하고 이 배치는 다른 구조와 배치를 가지는 피토 관에 대해 유리할 수도 있다. 다른 실시예는 도 2에 나타낸 유체 전도체(40,42)와 같은, 유체 전달 플리넘 중 하나로 온도 센서를 직접 배치하는 것이다. 이 배치는, 프로브의 몸체가 단 한 쌍의 고저 유압 전도체를 포함하는 곳에서, 도 2에 나타낸 하우징(41)과 같은 어떠한 하우징도 존재하지 않는 곳에서 제안된다. 이 구조의 예는 도 7에 나타나 있는데 도 7에서 온도 감지 프로브(34a)는 고압 유체 전달 플리넘(40a) 안에 배치된다. 저압 유체 전달 플리넘은 부호 번호 42a로 나타내었다.

또다른 실시예에서, 온도-감지 장치는 도관 내에 흐르는 유체와 직접 접하도록 유체 전달 채널(40,42)의 바깥쪽에 장착될 수 있다. 만일 온도 센서가 피토 관 몸체의 표면 둘레에서 유체의 흐름을 간섭하지 않는 형태를 가진다면, 센서는 관을 다르게 수정하지 않고서도 부착될 수 있다. 그러나, 관 둘레에서 정상 흐름 패턴이 외부 마운팅에 의해 악영향을 받을 수 있는 구조와 크기로 온도 센서가 형성된다면, 센서가 관의 바깥쪽 부분을 구성하도록 관 구조물 안으로 통합되어야 한다. 이 구조물의 예는 도 8에 나타나 있다. 피토 관(4)의 한쪽 가장자리는 슬롯(44) 안으로 형성되는데 여기에 온도 감지 장치(32)가 삽입될 수 있다. 상기 슬롯(44)은, 센서(32)를 포함하지 않으면서 나타낸 바와 같은 동일한 흐름 프로파일 특성을 가지도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 온도 센서는 온도가 측정되는 유체와 접하도록 장착되지만 유체가 흐르는 도관의 바깥쪽에 있다. 예를 들어, 온도 센서는 도 5에서 점선으로 나타내고 부호 번호 33을 매긴, 매니포울드(10)의 유체 운반 채널 안으로 삽입될 수 있다. 이 온도 센서는 주요 유체 운반 도관의 바깥쪽에 있는 피토 관의 고저 압력 유체 전달 채널 부분에 배치될 수 있다. 이 구조는 도 9에 나타나 있는데 도 9에서 온도 센서(34b)는 유체 운반 도관(6)의 바깥쪽에 있는 고압 유체 전달 플리넘(40b) 부분 내에 배치된다. 온도 센서가 도관(6)의 바깥쪽에 배치될 때, 유체가 도관(6)에서 배출된 후에 가능한 유체 온도 변화를 보상하도록 보정할 필요가 있다.

Claims (16)

1. 유체의 고압 및 저압에 각각 노출된 다수의 유체 운반 전도체로 구성된, 한정된 도관 안의 유체로 삽입하기에 적합한 부분을 가지는, 몸체 및

   유체의 온도를 감지하기 위해 몸체에 의해 지지되는 온도 센서로 구성된 유체 측정을 위한 열역학 감지 프로브.
2. 제 1 항에 있어서, 온도 센서는 유체 전도체 중 하나 안에서 운반되는 것을 특징으로 하는 결합체.
3. 제 2 항에 있어서, 온도 센서는 한정된 도관의 바깥쪽에서 유체 전도체 중 하나 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 결합체.
4. 제 1 항에 있어서, 온도 센서는 유체 전도체 바깥쪽에서 운반되는 것을 특징으로 하는 결합체.
5. 도관의 벽에서 개구부를 통하여 삽입하고 도관 내의 유체와 접하는 부분을 가지는 몸체에 있어서, 이 몸체는;

   성분을 향하는 상류;

   상기 몸체의 성분을 면하는 상류에서 높은 각각 유체 압력과 성분을 향하는 상기 상류의 낮은 유체 압력 흐름에 각각 노출되는 복수개의 유체 전도체; 및

   도관 내에서 유체의 온도를 감지하기 위해 몸체가 매개하는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부에서 흐르는 유체의 특징을 측정하기 위해, 벽에서 단일 오우프닝을 통하여, 한정된 도관에 삽입하기 위한 열역학 감지 프로브.
6. 제 5 항에 있어서, 온도 센서는 하나 이상의 온도 전도체 안에서 운반되는 것을 특징으로 하는 결합체.
7. 제 5 항에 있어서, 온도 센서는 유체 전도체의 바깥쪽에서 운반되는 것을 특징으로 하는 결합체.
8. 제 5 항에 있어서, 온도 센서는 전기에 반응하고 하나의 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 결합체.
9. 제 1항 내지 5항에 있어서, 이 몸체는

   유체 전도체가 배치된 관상 하우징을 포함하고,

   온도 센서의 일부분이 배치된 관상 하우징 내에 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합체.
10. 제 5 항에 있어서,

    한정된 유체 운반 도관의 바깥쪽에 배치된 몸체 부분에 부착된 매니포울드를 포함하고, 이 매니포울드는 몸체의 고저 압력 유체 운반 전도체와 연결되어 유체를 수송하는 다수의 밸브가 있는 통로를 가지는 것을 특징으로 하는 결합체.
11. 제 10 항에 있어서, 온도 센서는 매니포울드 내 하나 이상의 밸브가 있는 통로 안쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 결합체.
12. 제 10 항에 있어서, 매니포울드는 관통하는 보어를 포함하고 몸체 내에서 온도 센서를 빼내거나 몸체 내로 삽입하는 과정에서 온도 센서는 상기 보어를 통과하는 것을 특징으로 하는 결합체.
13. 제 10 항에 있어서, 몸체 하류의 유압과 몸체 상류의 유압 사이의 차이를 나타내는 하나 이상의 전기 신호로 유압을 변환하기 위한 매니포울드의 밸브가 있는 통로와 연결되어 유체를 옮기는 압력 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합체.
14. 제 13 항에 있어서, 압력 변환기로부터 하나 이상의 전기 신호에 감응하고 온도 센서로 전달하는 트랜스미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합체.
15. 도관의 벽에서 오우프닝을 통하여 삽입하고 도관 내 유체와 접하는 부분을가지는 몸체로 구성되는데, 이 몸체는 흐르는 유체 내 고압 및 저압에 각각 노출되는 한 쌍의 유체 전도체를 포함하고;

    도관 내 유체의 온도를 감지하기 위한 도관의 벽에서 오우프닝을 통하여 몸체에 의해 지지되는 전기 감응 온도 센서로 구성되는, 한정된 도관 내에서 흐르는 유체 특성을 측정하기 위한 센서 프로브.
16. 도관에서 유체 흐름으로 삽입하기 위한 프로브 조립체에 있어서,

    성분을 향하는 상류를 갖고,

    몸체의 유체 압력 흐름에 노출된 제 1 압력 전도체,

    성분을 향하는 상기 상류의 유체 압력 하류에 노출된 제 2 압력 전도체; 및

    몸체가 매개하는 온도 센서를 포함하는 몸체를 갖는 것을 특징으로 하는 열역학 상태 감지 프로브.