KR100493565B1 - 잡음 저감형 차압 측정 프로브 - Google Patents

잡음 저감형 차압 측정 프로브 Download PDF

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KR100493565B1
KR100493565B1 KR10-2001-7004418A KR20017004418A KR100493565B1 KR 100493565 B1 KR100493565 B1 KR 100493565B1 KR 20017004418 A KR20017004418 A KR 20017004418A KR 100493565 B1 KR100493565 B1 KR 100493565B1
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Abstract

향상된 신호대잡음비를 갖는 차압 측정 프로브가 제공된다. 상기 프로브는 충돌하는 유체에 고압 돔(dome)을 만들도록 배치된 실질적으로 평평하며 길이방향으로 뻗는 충격표면을 포함한다. 상기 고압 돔은 충돌압의 측정에 있어서 잡음을 감소시키기 위해 상기 충격표면에 증가된 정체영역을 제공한다. 비충격표면은 비충격압을 측정하기 위해 비충격 개구부들을 가져서, 상기 충격표면과 비충격표면 사이의 차압이 측정될 수 있도록 한다.

Description

잡음 저감형 차압 측정 프로브 {NOISE REDUCING DIFFERENTIAL PRESSURE MEASUREMENT PROBE}
공정산업은 화학, 펄프, 석유, 제약, 식품 및 기타 공정 장치들에 있어서 고체, 슬러리, 액체, 수증기 및 가스와 같은 물질과 관련된 공정 변수를 모니터하기 위해 공정 변수 송신기들을 채택하고 있다. 공정변수에는 압력, 온도, 유동 레벨, 탁도, 밀도, 농도, 화학적 혼합 및 기타 특성들이 포함된다. 공정 유체 흐름 송신기는 감지된 공정 유체 흐름과 관련된 출력을 제공한다. 흐름 송신기 출력은 공정 제어 루프를 가로질러 제어룸에 전달되거나 다른 처리 장치에 전달되어, 상기 공정이 모니터되거나 제어될 수 있다.
도관의 내부 기하학적 배열을 변경함으로써 제한된 도관내의 유체의 흐름율을 측정하고 상기 흐르고 있는 유체내의 측정된 차압에 알고리즘을 적용하는 방법은 이미 공지되어 있다. 상기 도관의 기하학적 배열은 통상 벤추리 미터와 같은 것으로 상기 도관의 횡단면을 변경시키거나 오리피스판이나 평균화 피토관이나 그 유사한 것들과 같은 흐름 변경장치의 도관내에 삽입함으로 바뀐다.
평균화 피토관은 일반적으로 상기 도관내에서 유체 흐름을 약간은 방해하는 정형 블러프 바디(shaped bluff body)를 포함한다. 평균화 피토관들 중 어떤 것들은 감지되는 차압 데이터내에서 상대적으로 낮은 신호대잡음비를 갖는 단점이 있다. 흐름 송신기와 같은 차압 측정장치와 관련하여 "잡음"은 하나의 데이터 포인트에서 다른 데이터 포인트를 읽는 평균압력으로부터의 순간 편차이다. 피토관 형태의 차압센서 내에서 발생되는 잡음은 상기 피토관의 상류를 향하는 측면상의 충격압 포트와 상기 피토관의 하류측상의 저압 포트 내에서 발생한다.
차압 송신기들과 데이터 취득 시스템들이 성능이 더 좋아지고 응답을 더 잘할수록, 상기 압력 감지장치에 의해 발생하는 잡음에 더 민감해지고 잡음에 의해 더욱더 영향을 받게 된다. 따라서 차압 감지 장치의 잡음 특성은 이들을 선택하고 작동시키는데 있어 보다 중요한 요인이 되어왔다. 따라서, 보다 향상된 신호대잡음비를 갖는 차압 감지 장치를 개발하는 것이 필요하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 대한 환경을 도시한 공정 측정 시스템의 도식도.
도 3a는 공정 측정 시스템의 시스템 블록도.
도 4는 전체 구조를 더 잘 보여주기 위해 일부분이 절단되어 보여지는, 본 발명의 일 실시예의 충격 개구부들을 도시한 "T"형태의 블러프 바디(bluff body)의 단면 사시도.
도 5는 상기 블러프 바디 주변의 유체 흐름의 일반적인 방향을 곡선으로 표시한 도 4의 선 3-3에 따른 횡단면도.
도 6은 평면형 블러프 바디를 도시한 다른 실시예의 단면 사시도.
도 7은 상기 평면형 블러프 바디의 실질적으로 "V" 형태의 횡단면을 도시한 다른 실시예의 단면 사시도.
도 8은 상기 평면형 블러프 바디의 실질적으로 "U" 형태의 횡단면을 도시한 또 다른 실시예의 단면 사시도.
도 9는 도 4의 차압 측정 프로브의 주변을 흐르는 유체의 도식도.
도 10은 미국 특허 제4,559,836호에 개시된 프로브와 같은, 차압 측정 프로브의 종래 피토관 타입의 전형적인 잡음 특성을 도시하는 압력 대 시간의 차트. 도 12는 본 발명의 차압 측정 프로브의 개선된 잡음 특성을 도시한 압력 대 시간의 차트.
본 발명의 목적은 향상된 신호대잡음비를 갖는 차압 측정 프로브를 제공하는 것이다. 상기 프로브는 하나 이상의 충격 개구부 가까이의 충격 유체내에서 상대적으로 고압의 돔(dome)을 만들기 위한 구조를 갖는 실질적으로 평면형의 길이방향으로 뻗는 충격표면을 갖는다. 고압의 돔은 압력을 보다 정확하고 빠르게 측정하기 위해 상기 충격표면상에 증가된 침체(stagnation)영역을 제공한다. 비충격표면은 스태그네이션 포인트에서 비충격 압력을 측정하기 위해 비충격 개구부들을 가져서, 상기 충격표면과 비충격표면 사이의 차압이 계산될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들의 일예를 도시한 공정 제어 시스템(10)의 도식도이다. 압력 측정 시스템(12)은 공정 제어 루프(16)를 통해 (전압원과 저항으로 모델링되는) 제어룸(14)에 연결된다. 루프(16)는 측정 시스템(12)과 제어룸(14) 사이의 흐름 정보를 전달하기 위해 적당한 프로토콜을 활용할 수 있다. 예를 들면, 공정 제어 루프(16)는 하이웨이 어드레서블 리모트 트랜스듀서 (등록상표: Highway Addressable Remote Transducer (HART), 파운데이션 필드버스 (상표: FOUNDATIONTM Fieldbus) 또는 기타 적합한 프로토콜과 같은 공정 산업 표준 프로토콜에 따라 작동한다.
도 2는 평균 피토관 형태의 차압 측정 프로브(20)가 내부에 설치되는 파이프나 폐쇄 도관(18)과 같은 공정 유체 콘테이너의 절단부를 보여준다. 프로브(20)의 블러프 바디(bluff body)(22)는 본 명세서의 뒷부분에서 보다 상세히 설명될 본 발명의 일실시예에 따른 구조를 갖는다. 블러프 바디(22)는 파이프(18)의 내부에 직경 방향으로 뻗는다. 도 2에서 화살표(24)는 파이프(18)내의 유체 흐름의 방향을 나타낸다. 유체 매니폴드(26) 및 흐름 송신기(13)는 피토관(20)의 외부에 장착된다. 송신기(13)는 통로(30)(도 2에서 점선으로 보여짐)를 통해 프로브(20)에 유동적으로 연결되는 압력센서(28)를 포함한다.
도 3a는 차압 측정 시스템(12)의 시스템 블록도이다. 시스템(12)은 흐름 송신기(13)와 차압 측정 프로브(20)를 포함한다. 시스템(12)은 루프(16)와 같은 공정 제어 루프에 연결될 수 있고, 파이프(18) 내의 유체 흐름의 차압에 관련된 공정 변수 출력을 전달한다. 시스템(12)의 송신기(13)는 루프 발신기(32), 압력센서(28), 측정회로(34) 및 제어기(36)를 포함하다.
루프 발신기(32)는 루프(16)와 같은 공정 제어 루프에 연결될 수 있는 바, 공정 제어 루프와 통신하기 적합하다. 이러한 통신은 상술된 프로토콜들과 같은 적합한 공정 산업 표준 프로토콜에 따라 이루어질 수 있다.
압력 센서(28)는 통로(30)를 통해 제 1 및 제 2 플레넘(42, 44)에 각각 연결된 제 1 및 제 2 입구 포트(38, 40)를 포함한다. 센서(28)는 인가된 압력의 변화에 응답하여 변화하는 전기적 특성을 갖는 어떤 장치일 수 있다. 예를 들면, 센서(28)는 포트들(38, 40) 사이에 인가된 차압에 응답하여 그 정전 용량이 변하는 용량성 압력 센서일 수 있다. 바람직하게, 센서(28)는 각 플레넘이 자신의 압력 감응 요소에 연결되도록 하기 위해 한 쌍의 압력 감응 요소들을 포함할 수 있다.
측정회로(34)는 센서(28)에 연결되어 포트들(38, 40) 사이에 존재하는 차압에 관련된 센서출력을 제공하도록 배열된다. 측정회로(34)는 차압과 관련된 적합한 신호를 제공할 수 있는 전자회로일 수 있다. 예를 들면, 측정회로는 아날로그-디지탈 컨버터, 커패시턴스-디지탈 컨버터 또는 기타 적합한 회로일 수 있다.
제어기(36)는 측정회로(34)와 루프 전달기(32)에 연결된다. 제어기(36)는 루프 전달기(32)로 공정 변수 출력을 제공하는데, 이 출력은 측정회로(34)에 의해 제공된 센서 출력과 관련되어 있다. 제어기(36)는 프로그래머블 게이트 어레이(Programmable Gate Array) 장치, 마이크로프로세서 또는 기타 적합한 장치일 수 있다.
루프 전달기(32), 측정 회로(34) 및 제어기(36)가 개별 모듈로 설명되었지만, 예를 들면, 주문형 집적회로(Application Specific Integrated Circuit (ASIC)) 상에서 통합될 수 도 있을 것이다.
차압 측정 프로브(20)는 통로(30)에 의해 송신기(13)에 연결된다. 따라서, 센서(28)의 포트(40)가 제 2플레넘(44)에 연결되는 반면, 센서(28)의 포트(38)는 제 1플레넘(42)에 연결된다. "플레넘"은 특정 특성이나 압력을 갖는 유체가 안내되거나 수용되고 유체 압력이 전달, 운반 또는 이동되는 통로, 채널, 튜브 또는 그와 유사한 것이다.
블러프 바디(22)는 제 1 플레넘(42), 충격표면(46)으로부터 플레넘(42)과 통로(30)을 통해 센서(28)의 포트(38)로 유체 압력을 전달하도록 배치된 적어도 하나의 충격 개구부(48)를 갖는 길이방향으로 뻗는 충격표면(46)을 포함한다. 다양한 다른 실시예에서, 충격표면(46)은 약 12.7밀리미터 (0.50인치)에서 약 50.8밀리미터 (2.00인치) 범위의 폭을 가질 수 있다. 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실질적으로 충격표면(46) 전체는 화살표(24)로 표시된 유체 흐름의 상류방향에 수직이다. 도 2 및 도 4 내지 8에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 적어도 하나의 충격 개구부(48)는 적당한 폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 개구부(48)는 약 0.762밀리미터 (0.030인치)와 약 6.35밀리미터 (0.250인치) 사이의 폭을 가질 수 있다. 이와 같이, 플레넘폭 대 개구부폭의 비율을 약 8:1보다 더 크게 함으로써 유익한 결과를 얻게 된다. 개구부(48)는 길이방향으로 뻗는 슬릿의 형태 또는 전형적인 원형 또는 타원형 구멍(opening)를 포함하는 임의의 다른 형상을 취할 수 있다. 슬릿 구멍은 충격압력신호에 향상된 잡음감소 효과를 제공하여, 상기 측정 시스템의 신호대잡음비를 증가시킨다. 슬릿이 사용될 때, 상기 슬릿의 폭은, 이것이 서로 전달되는 플레넘의 내부폭보다 더 작도록 하는 것이 중요하다. 다수의 슬릿이 서로로부터 측방향으로 또는 길이방향으로 간격을 두고 배치되어 사용될 수 있다. 또한, 슬릿들은 원형 구멍 뿐 아니라 하류 개구부에도 사용될 수 있다.
제 2 플레넘(44)은 충격표면(46)으로부터 이격된 비충격표면(50)을 포함한다. 표면(50)은 상기 비충격표면으로부터 플레넘(44)을 통해 센서(28)의 포트(40)로 압력을 전달하기 위해 배치되는 적어도 하나의 비충격 개구부(52)를 포함한다. 도 2 및 4 내지 8에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 다양한 기하학적 형태들이 사용될 수 있다. 일반적으로, 각 실시예에서, 제 1 및 제 2 플레넘들(42, 44) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 비충격 개구부(52)에서 유체 스태그네이션 포이트를 만들기 위한 형태를 갖는다. 만약 제 2 플레넘이 필요하지 않다면, 압력탭이 파이프(18)의 벽에 제공되어 포트(40)에 비충격압을 전달하기 위해 비충격 개구부(52)가 파이프(18)내에 배치되도록 할 수 있다. 예를 들면, 개구부(52)가 파이프(18) 내벽에 가깝게 배치될 수 있다. 덧붙여, 흐름 송신기(13)와 프로브(20)는 향상된 정밀성과 수명 및 특정 차동 흐름 측정용 진단 능력을 제공하는 공장일 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 피토관(20)의 블러프 바디부(22)의 부분 사시도와 횡단면도를 보여준다. 도시된 바와 같이, 블러프 바디의 횡단면은 글자 "T"와 유사하며, 상기 "T"자의 "상부"에 끝이 무디고 실질적으로 평평한 충격표면(46)을 갖는 막대부(54)를 갖는다. 또한, 상기 바디의 횡단면은 상기 막대부(54)의 중앙으로부터 연장되며 일반적으로 직각으로 배치되는 "T"자형 스템부(56)를 도시한다. 블러프 바디의 사시도(도 4)에서, 소위 "T"자형 "스템"은 상기 평면형 막대부(54)의 뒤쪽 측면으로부터 하류방향으로 돌출하는 길이방향으로 뻗는 리브(56)처럼 보여진다.
상기 저압 측정의 신호대 잡음비를 증가시키기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 블러프 바디(22)의 길이 대 폭(L/W)의 비율은 약 0.5보다 크고 약 1.5보다 작아야 한다. 비율이 1이면 유효한 결과를 가져온다.
제 1 및 제 2 플레넘(42 및 44)은 블러프 바디의 길이를 따라 블러프 바디 내에 배치되고, 유체 운반 도관(18)의 외부에서 흐름 송신기(13)로 돌출한 피토관(20)의 부분내로 연장된다.
도 2는 상기 끝이 무디고 평평한 충격 표면(46)이 상기 유체 흐름의 앞부분을 향하고 유체 흐름(24) 방향에 직각이 되도록 유체 운반도관(18)내로 배향된 블러프 바디(22)를 도시한다. 이러한 배향은 표면(46)을 가로질러 뻗고 상대적으로 큰 고압의 돔(dome)을 제공하여, 보다 효과적인 충격 스태그네이션 영역을 만든다. 상기 돌출 리브(56)는 일반적으로 상기 도관(18)내의 유체 흐름 방향에 평행하다.
전통적인 평균 피토관의 블러프 바디의 상류 페이싱(facing) 표면에 보통 다수의 원형 고압 유도 개구부들이 도면에 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 폭이 좁은 슬릿 구멍들을 대신하며, 각 개구부는 막대부(54)의 중앙 횡방향으로 위치되고 블러프 바디(22)의 전체 길이를 실질적으로 길이방향으로 뻗는다. 상기 슬릿들은 도관(18) 및 플레넘(42)내의 고압(충격) 유체들 사이의 상호 전달이 이루어지도록 하여, 플레넘(42)과 흐름 송신기(13)내의 압력센서(28)의 포트(38)로 상기 흐르는 유체의 충격 압력을 안내한다. 서로 떨어져 있는 다수의 원형 개구부와는 대조적으로, 상기 폭이 좁은 슬릿이 보다 넓고 큰 플레넘에 대한 입구 역할을 한다면, 상기 슬릿구조는 고압 유체의 측정과 관련된 잡음을 감소시킨다. 상기 잡음 감소를 달성하기 위해, 상기 슬릿은 상기 플레넘 자체로서 작동하지 않아야 한다. 예를 들어, 막대표면내의 슬릿의 폭이 0.762밀리미터 (0.030인치)이고 플레넘의 폭이 3.2밀리미터 (0.125 인치)이면, 만족할 만한 비율을 갖는다. 이러한 치수 및 비율은 단지 일예일 뿐이며 이에 제한 또는 한정되는 것은 아니다.
비충격 유체는 하나 이상의 하류 개구부(52)나, 또는 상기 블러프 바디(22)의 막대부(54) 뒤쪽에 위치되는 길이방향으로 뻗는 슬릿을 통해 피토관(20)내의 제 2 플레넘(44)내로 향하여진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 블러프 바디(22)의 막대부(54)는 막대부(54)의 측방향 끝단부들의 에지(58 및 60) 주위를 흐르는 유체내에서 떨어지는 소용돌이를 만들어서, 상기 막대부(54)의 뒤쪽 측부(50) 근처와 돌출리브(56)의 측방향 측부 주변의 영역에서 유체의 스태그네이션이 이루어진다. 상기 "T"자형의 실시예에서 리브(56)의 주요 기능은, 상기 평면형 막대부(54)의 측방향 에지(58 및 60)에 의해 형성되는 상기 유체 소용돌이의 재결속점을 하류방향에 미치도록 하는 것이다. 소용돌이의 재결속을 지연시키는 것은 상기 스태그네이션 영역의 크기를 증가시켜, 차압 측정에 대한 저압 부품에 남아 있는 잡음을 줄일 수 있다.
상기 막대부(54)의 상류 측방향 에지(58 및 60)의 끝이 뾰족한 코너는 상기 막대부 주변에 떨어지는 소용돌이를 만들지만, 상기 블러프 바디의 유체 프로필의 유연하게 만곡된 측방향 에지들에 의해 만들어지는 소용돌이외에 정지상태를 일으키는 유체 스태그네이션을 만들기 위해서는 격렬하거나 급작스러운 소용돌이는 그다지 바람직하지 않다. 상기 유체 운반도관의 크기에 따라 차례로 결정되는 블러프 바디의 크기에 의하여 특정 진원도에 대한 설명이 이루어져야 하지만, 약 0.4에서 0.8밀리미터 (1/64에서 1/32 인치)의 반지름을 갖는 주 에지 코너들이 25.4cm (10인치) 직경의 파이프 크기를 갖는 블러프 바디에 적합할 수도 있다.
상기 블러프 바디의 끝이 무딘 충격표면은 라운딩된 측방향 에지와 함께 흐르는 유체에 잡음감소를 위한 정지상태를 부여하는 떨어지는 소용돌이와 향상된 유체 흐름특성을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서, 일반적인 용어로는 "평평면"이라고 하는 충격표면을 활용하였지만, 명목상 "평평한" 표면으로부터 어느 정도 떨어져있는 충격면이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 알맞게 물결모양을 이루어 울퉁불퉁하거나 물결모양을 한 표면뿐만 아니라 약간 볼록한 표면도 가능하다. 오목 표면은 상기 유체 흐름 특성을 유지하며 그 측방향 에지에 의해 유체 흐름이 필수적으로 분리되어야 한다. 따라서, 본 발명의 명세서와 첨부된 청구범위의 목적을 위해, "평평면"은 상기 블러프 바디 폭의 0.134배를 넘지 않는 명목상 평평한 표면으로부터의 볼록 또는 상류를 향하는 편차를 갖는 표면이나 명목상 평평한 표면으로부터 비제한적인 오목 편차를 갖는 표면을 의미한다.
본 발명의 추가 실시예들이 도 6 내지 8에 도시되어 있다. 각 실시예에서, 하나 이상의 폭이 좁은 고압 유체를 허용하는 슬릿 구멍들을 갖는 끝이 무디고 평평한 충격면은 공통 특징을 갖는다. 실시예들 사이의 중요한 차이는 상기 소용돌이 재결속을 지연시키는 막대부의 연장에 따른 하류의 형상과 위치이다. 하류 연장부의 디자인이 다르면 유체 스태그네이션영역의 형상과 크기가 변하게 된다. 블러프 바디의 연장부재의 특정 형상이나 디자인의 선택은, 예를 들면, 비용, 유체특성, 유체 흐름율의 범위 및 유체 안내도관의 크기와 같은 측정 환경에 따른 몇몇 요인들에 따라 이루어진다.
도 6은 재결속 연장부나 돌출 리브를 갖지 않는 블러프 바디(22a)의 기본형태를 도시하고 있다. 바디(70)는 상기 블러프 바디를 통해 제 1 플레넘(42a)내로 그리고 피토관의 외부와 흐름 송신기(13)내로 고압 유체를 안내하는 적어도 하나의 폭이 좁은 슬릿(48a)을 갖는 평면 충격표면(72)을 갖는다. 상기 바디 내부의 제한된 공간들(44a)은 비충격 개구부(52a)와 연결되며 상기 바디를 통해 상기 피토관의 외부와 상기 흐름 송신기(13)내로 저압 유체를 안내한다. 상기 떨어지는 소용돌이에 의해 만들어진 스태그네이션 영역은 도 2, 4 및 5에 도시된 "T"자 형태의 실시예에 의해 만들어진 스태그네이션 영역보다 더 좁으나, 그럼에도 불구하고, 저압측정에 있어서 개선된 잔류 잡음 감소효과를 제공한다. 상기 블러프 바디의 표면에 충격 슬릿(48a)을 제공함으로써 "T"자형 실시예에서 나타난 바와 유사하게 고압 측정에서 신호대잡음비가 증가하게 된다.
도 7은 상류를 향하는 평면 막대부(34b)를 갖는 블러프 바디(22b)의 "V" 형태를 도시하며, 전술한 적어도 하나의 길이방향으로 뻗는 충격 슬릿(48b)과 제 1 플레넘(42b)을 갖는다. 유체 소용돌이의 재접속을 지연시키기 위한 하류 연장부는 한 쌍의 돌출 리브 또는 레그(74 및 76) 형태를 취하며, 이들은 상기 막대부(34b)의 뒤쪽 측부의 측방향 끝단부들로부터 연장되고, 흐름 유체의 스트림에 대해 외향으로 분기된다. 상기 막대부 에지(78 및 80)와 상기 레그(74 및 76)의 외부 측방향 에지(82 및 84) 사이에서와 같이, 상기 레그의 측방향 에지(상기 바디의 유체 프로필의 측방향 에지)는 유체 경계층이 가장 크게 분리되도록 하며, 상기 레그 사이에 유체 정지 영역을 만든다. 상기 막대부(34b)의 폭(L1)은 전체 블러프 바디의 전체 폭(L2)과 같거나 더 작아야 한다. 길이방향으로 서로 떨어져 있는 다수의 비충격 개구부들(52b)은 상기 레그(74, 76)의 내측부에 위치되며, 저압 유체를 압력 변환기로 운반하기 위해 상기 레그의 바디내에서의 제 2 플레넘(44b)과 통한다.
본 발명의 블러프 바디(22c)의 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있다. 상기 블러프 바디의 형태와 도 7의 블러프 바디의 형태 사이의 주요한 차이는 레그(74c 및 76c)가 상기 막대부(54c)의 뒤쪽 측부에 수직으로 배치되어 "U"자 형태와 비슷한 측방향 횡단면을 갖는 구조를 형성한다는 것이다. 도 2, 4 및 5에 도시된 실시예에서 보여지는 작용과 유사하게, 소용돌이는 상기 막대부(54c)의 상류 에지들(78c 및 80c)로부터 떨어진다. 상기 스태그네이션 영역은 상기 블러프 바디(22c)의 레그(74c 및 76c) 사이에 만들어진다. 길이방향으로 서로 떨어져 있는 다수의 비충격 개구부들(52c)은 상기 레그(74c 및 76c)의 내부로 상기 막대부(54c)의 뒤쪽 측부상에 위치되며, 흐름 송신기(13)내의 압력센서(28)의 포트(40)로 저압 유체를 운반하기 위해 상기 레그의 바디의 내부 공간이나 플레넘(44c)과 통한다.
도 9는 도 4의 차압 측정 프로브 형상 주변을 흐르는 유체의 도식도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 실질적으로 평평한 충격표면은 상기 충격표면 근처의 유체에 고압 돔을 형성한다.
도 10은 미국 특허 제4,559,836호에 개시된 프로브와 같이, 종래 차압 측정 프로브의 잡음 특성을 도시하는 전형적인 차트이다. 도 12는 도 10의 것과 유사한 차트이지만, 도 12는 실질적으로 평평한 충격 표면과 도 2 및 도 4 내지 도 8에 도시된 길이방향으로 연장하는 슬릿을 병합하는 본 발명의 차압 측정 프로브의 잡음 특성을 도시한다. 이들 차트에 도시된 바와 같이, 차압 측정 시스템의 상당한 잡음 감소는 본 발명에 의해 달성된다. 이러한 잡음감소는 차압의 정밀표시에 대한 보다 빠른 측정을 위해 제공되며, 잠정적으로는 보다 효과적인 공정제어를 제공한다.
본 발명에서는 차압 측정 프로브들의 특정 실시예들에 대해서 설명하였지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한 변경이 가능하다는 것은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

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  18. 공정 제어 루프에 연결 가능하고 유체 운반 도관 내의 유체 흐름의 차압에 관련된 공정 변수 출력을 전달하는 차압 측정 시스템에 있어서,
    상기 공정 제어 루프로의 전달용으로 상기 공정 제어 루프에 연결 가능한 루프 전달기와; 제 1 및 제 2 압력 입구를 갖는 적어도 하나의 압력센서와; 상기 적어도 하나의 압력센서에 연결되며 상기 제 1 및 제 2 압력 입구들 사이의 차압에 관련된 센서출력을 제공하는 측정회로와; 상기 측정회로와 상기 루프 전달기에 연결되고, 상기 센서출력과 관련된 공정 변수 출력을 상기 루프 전달기로 제공하는 제어기를 포함하는 공정압 송신기 및
    상기 유체 운반 도관 내에 배치되며; 제 1 압력 입구에 연결되고, 상기 충격 표면으로부터의 압력을 상기 제 1 압력입구로 전달하기 위해 배치된 적어도 하나의 충격 개구부를 갖는 길이 방향 연장 충격 표면을 포함하는 제 1 플레넘과; 상기 충격 표면으로부터 떨어져 있으며, 상기 비충격 표면으로부터 제 2 압력 입구로 압력을 전달하기 위해 배치된 비충격 개구부를 갖는 비충격 표면을 갖는 차압 측정 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 시스템.
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  20. 유체 운반 도관 내에 직경방향으로 배치되는 차압 측정 프로브에 있어서:
    상류 페이싱(facing) 충격 표면과 적어도 하나의 하류 비충격 표면을 가지며, 상기 상류 페이싱 충격 표면은 실질적으로 평평하고 도관에서 유체 유동의 방향에 직각으로 배치된, 바디;
    상기 바디 내의 적어도 하나의 유체 압력 전달 플레넘; 및
    상기 도관의 유체와 상기 적어도 하나의 유체 압력 전달 플레넘과의 사이에 유체 전달을 구현하는, 상기 바디의 평평한 상류 페이싱 충격 표면의 적어도 하나의 구멍(opening)을 포함하되, 상기 프로브 바디의 평평한 상류 페이싱 충격 표면은 상기 프로브의 상대적으로 정지한 스태그네이션 영역 상류를 야기시키는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 바디 내의 적어도 하나의 비충격 유체 압력 전달 플레넘; 및
    상기 도관의 유체와 상기 적어도 하나의 비충격 유체 압력 전달 플레넘과의 사이에 유체 전달을 구현하는 상기 바디의 적어도 하나의 비충격 표면에 있는 적어도 하나의 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 바디는 상기 적어도 하나의 유체 압력 전달 플레넘을 포함하며, 적어도 하나의 비충격 표면을 갖고 길이방향으로 연장하고 하류로 연장하는 중공 리브부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 하류 비충격 표면은 실질적으로 평평하고 상기 평평한 상류 페이싱 충격 표면에 평행한 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 하류 비충격 표면은 실질적으로 평평하고 상기 평평한 상류 페이싱 충격 표면에 평행하고, 상기 하류 표면의 적어도 하나의 구멍은 상기 실질적으로 평평한 비충격 표면에 있는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 바디는 한쌍의 이격된 하류 연장 레그를 포함하되, 각각의 레그는 하류 비충격 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 레그는 중공이고 다수의 바운딩(bounding)벽을 가지며, 상기 적어도 하나의 유체 압력 전달 플레넘은 상기 벽 내에 포함되며, 상기 적어도 하나의 구멍은 적어도 하나의 벽에 있는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  27. 제 20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구멍은 폭보다 더 긴 길이를 갖고 길이방향으로 연장하는 슬롯인 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  28. 유체 운반 도관 내에 배치되는 차압 측정 프로브에 있어서:
    바디와 같은 폭으로 연장한 폭과 평평한 상류 페이싱 유체 충격 표면을 갖는 블러프 바디를 포함하되, 전체 유체 압력의 집중 영역이 상기 블러프 바디의 폭을 가로질러 상기 유체 내에 생기는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 충격 표면의 적어도 하나의 구멍, 및
    상기 도관의 상기 전체 유체 압력을 외적으로 전달하기 위한 적어도 하나의 구멍과 통하는 유체 운반 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 평평한 상류 페이싱 충격 표면은 상기 도관에서 유체 유동의 방향에 직각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브.
  31. 도관의 유체 유동 비율을 결정하는 인자로서 밀폐된 도관 내에서 유동 유체의 차압을 측정하는 방법에 있어서:
    유체 유동의 방향에 직각으로 유동 유체에 배치되는 블러프 바디의 평평한 상류 페이싱 표면 근처의 상기 유동 유체 내에서 상대적으로 정지한 스태그네이션의 상류 존을 생성시키는 단계;
    상기 블러프 바디의 상기 평평한 상류 페이싱 표면에서 상기 유체의 전체 압력을 검출하는 단계; 및
    상기 전체 압력을 압력 센서로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 방법.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 블러프 바디의 상기 평평한 상류 페이싱 표면의 상대적으로 정지한 유체 스태그네이션 하류의 하류 존을 생성시키는 단계;
    상기 하류 유체 스태그네이션 존에서 상기 유체의 정압을 검출하는 단계; 및
    상기 정압을 압력 센서로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 방법.
  33. 유체 운반 도관 내에 직경방향으로 배치되는 차압 측정 프로브의 블러프 바디에 있어서:
    고압의 유체 돔을 생성하기 위하여, 폭을 가로질러 실질적으로 평평한 유체 충격 표면을 한정하는 길이방향 크기와 폭을 갖는 하우징을 포함하되, 상기 유체 충격 표면은 유체 유동의 방향에 실질적으로 수직하며 유체 도관에서 상류을 항하고,
    상기 하우징은
    충격 표면 압력 도관 및
    상기 충격 표면과 상기 충격 표면 압력 도관 사이에서 유체 전달을 제공하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 하우징은 비충격 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  35. 제 34항에 있어서,
    적어도 하나의 비충격 표면 압력 플레넘, 및
    상기 비충격 표면과 상기 비충격 표면 압력 플레넘 사이에서 유체 전달을 제공하는 적어도 하나의 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  36. 제 33항에 있어서, 상기 하우징은 길이방향과 깊이방향을 갖는 돌출 리브를 포함하고, 상기 리브 깊이방향은 상기 유체 충격 표면에 직각으로 배향되고 상기 도관에서 유체 유동의 방향에 평행하게 배치되고, 상기 리브의 길이방향은 상기 평평한 유체 충격 표면의 길이 크기에 실질적으로 대응하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  37. 제 35항에 있어서, 상기 하우징은 길이방향과 깊이방향을 갖는 돌출 리브를 포함하고, 상기 리브 깊이방향은 상기 유체 충격 표면에 직각으로 배향되고 상기 도관에서 유체 유동의 방향에 평행하게 배치되고, 상기 리브의 길이방향은 상기 평평한 유체 충격 표면의 길이 크기에 실질적으로 대응하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  38. 제 33항에 있어서, 상기 충격 표면 압력 도관은 상기 하우징 내에 플레넘을 포함하고,
    상기 충격 표면과 상기 충격 표면 압력 도관 사이에서 유체 전달을 제공하는 상기 적어도 하나의 개구부와 유체적으로 통하게 배치된 상기 플레넘의 개구부 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  39. 제 35항에 있어서, 상기 충격 표면 압력 도관은 상기 하우징 내에 플레넘을 포함하고,
    상기 충격 표면과 상기 충격 표면 압력 도관 사이에서 유체 전달을 제공하는 상기 적어도 하나의 개구부와 유체적으로 통하게 배치된 상기 플레넘의 개구부 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  40. 제 35항에 있어서, 상기 적어도 하나의 비충격 표면 압력 플레넘은 상기 하우징에 부착되는 한 쌍의 이격된 저압 유체 플레넘을 포함하고, 상기 각 비충격 표면은 상기 유체 충격 표면에 수직한 라인으로부터 각이 지게 분기하는 것을 특징으로 하는 차압 측정 프로브의 블러프 바디.
  41. 도관 내의 유체 유동의 비율을 측정하고, 상기 데이터를 공정 제어 루프로 전달하는 시스템에 있어서,
    상기 도관 내에 직경방향으로 배치된 블러프 바디를 갖는 차압 측정 프로브와 공정 송신기를 포함하되,
    상기 바디는,
    고압 유체의 돔을 생성하기 위하여, 길이방향과 폭 크기를 갖는 유체 충격 표면;
    내부 공간을 갖는 충격 표면 압력 플레넘;
    상기 충격 표면과 상기 충격 표면 압력 플레넘의 내부 공간 사이에 유체 전달을 제공하는 적어도 하나의 충격 개구부로서, 상기 유체 충격 표면은 상기 적어도 하나의 개구부을 넘어 양측으로 연장하고 그 폭의 크기를 가로질러 실질적으로 평탄하고, 유체 유동의 방향에 실질적으로 수직한 유체 도관의 상류을 향하는, 상기 적어도 하나의 충격 개구부;
    적어도 하나의 비충격 표면;
    내부 공간을 갖는 적어도 하나의 비충격 압력 플레넘;
    상기 적어도 하나의 비충격 표면과 상기 적어도 하나의 비충격 표면 압력 플레넘의 내부 공간 사이에 유체 전달을 제공하는 적어도 하나의 비충격 개구부을 포함하고,
    상기 공정 송신기는,
    상기 고압 플레넘과 저압 플레넘에 각각 연결되는 제1압력 입구와 제2압력 입구를 갖는 압력 센서;
    상기 제1압력 입구와 상기 제2압력 입구와의 사이의 차압에 관련된 전기적 출력을 제공하는 상기 압력 센서에 결합되는 측정 수단;
    상기 제어 루프에 유체 유동율 데이터를 제공하는 상기 측정 수단에 결합되는 루프 전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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