KR102099522B1 - 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템 - Google Patents

전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템 Download PDF

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베이징 골드윈드 싸이언스 앤 크리에이션 윈드파워 이큅먼트 코.,엘티디.
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Abstract

주 본체 부분, 연결 부분, 제1 온도 감지 요소, 및 제2 온도 감지 요소를 포함하는 전기 연결기가 제공된다. 연결 부분은 유동 채널 내에 제공된 피대전 요소에 주 본체 부분이 전기적으로 연결되게 한다. 주 본체 부분은, 유체의 유동 방향에 평행한 제1 측면 및 제2 측면을 포함한다. 제1 온도 감지 요소 및 제2 온도 감지 요소는 전기 절연 방식으로 제1 측면 및 제2 측면 상의 상호 대향 위치들에 제공된다. 전기 연결기 및 유체 열교환 시스템을 가지는 유체 상태 테스트 장치가 또한 제공된다. 본원에 따른 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않으면서, 유체의 유속을 측정 및 모니터링하는 목적, 유체 압력을 측정 및 모니터링하는 목적, 유체 저항을 측정 및 모니터링하는 목적, 전기 연결기의 측방향 진동 주파수를 측정 및 모니터링하는 목적 및 전기 연결기의 길이방향 진동 및/또는 측방향 진동을 억제하는 목적 중 적어도 하나를 달성할 수 있다.

Description

전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 전체 개시 내용이 본원에서 참조로 포함되는, 2017년 1월 20일에 중국 특허청에 출원되고 명칭이 "전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템"인 중국 특허출원 제201710045410.1호 및 2016년 12월 30일에 중국 특허청에 출원되고 명칭이 "전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템"인 중국 특허출원 제201611256859.4호에 대한 우선권을 주장한다.
본원은 전기 공학 기술 분야에 관한 것이고, 특히 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템에 관한 것이다.
전기 가열 관(또는 소위 금속 관형 전기 가열 요소)은 전기 에너지를 열 에너지로 변환하도록 구성된 피대전 요소(charged element)다. 통상적인 가열과 비교하여, 전기 가열 관은 오염이 없고, 설치 및 사용이 쉽고, 저렴하며, 친환경적인 그린 생산(green production)에 속하고, 그에 따라 전기 가열 관이 널리 이용된다. 전기 가열 관은, 열교환 프로세스를 필요로 하는 다양한 유형의 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 전기 가열 관이, 초석 탱크(saltpeter tank), 물 탱크, 오일 탱크, 산-알칼리 탱크, 가용성 금속 용융로, 공기 가열로, 건조로, 건조 오븐, 고온 다이(hot die) 및 기타 장치의 유체 채널 내에 설치되는 열교환 시스템 내로 조합될 수 있다.
다수의 전기 가열 관이 원형 링-형상의 가열 장치 내의 원형 유체 열교환 전달 채널(유체 채널) 내에 설치되는 경우에, 다수의 전기 가열 관은, 고정하고자 하는 유체 채널 내에서 전기 가열 관의 고정 단부에 각각 연결된다. 다수 위상(multiphase)-부하 열 발생 가열기가 형성될 수 있도록, 다수의 전기 가열 관의 전극의 위상이 직렬 또는 병렬로 연결될 필요가 있고, 다수의 전기 가열 관에는 교류 전류에 의해서 전력이 공급된다. 그에 따라, 전기 가열 관의 전극은, 전기 연결기에 의해서 분할-위상(split-phase) 방식으로 연결될, 직렬로 연결될 또는 병렬로 연결될 필요가 있고, 전기 가열 관과 외부 전원의 추가적인 연결이 달성된다. 이러한 경우에, 전기 연결기 자체는, 전기 에너지 전달에 더하여, 유체가 유동되는 채널 내에 위치되고 유체-고온 공기의 유동 경로 내의 장애물이 되며, 이는 전기 연결기의 강제된 진동을 유발할 수 있고 심지어 전기 연결기 및 유체의 커플링된 진동(즉, 공진)을 유도할 수 있으며, 그에 의해서 전기 연결기가 전기 가열 관의 전극으로부터 결합해제 및 분리되기 쉽게 하고 그에 따라 단락 고장을 유발하게 한다.
통상적인 기술에서, 전술한 문제를 해결하기 위한 방법에서, 전기 연결기의 진동이 방지되고, 다시 말해서, 많은 수의 분지(branch) 전기 가열 관의 추출 전극에 연결된 (리드(lead)와 같은) 전기 연결기가 유체 채널을 통과하도록 그리고 유체 채널의 반경방향으로 직접적으로 유체 채널로부터 추출되도록 구성되며, 추출된 전극은 유체 채널의 외측에 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되고, 이는 많은 접합부를 유발할 수 있고 장치의 외부 리드의 연결 및 고정 프로세스를 복잡하게 만들 수 있다. 또한, 유체 채널 내의 유체가 액체인 경우에, 유체 채널의 누출을 방지하기 위한 엄격한 밀봉 프로세스가 더 요구된다. 전술한 문제를 해결하기 위한 다른 방법에서, 유체 채널 내의 유체가 액체인 경우에, 전기 연결기가 외측으로 추출되도록 허용되지 않고, 이러한 경우에, 다수의 전기 연결기는 유체 채널 내측에서 직렬 또는 병렬로 연결되어야 한다. 전기 가열 관의 전극을 연결하기 위해서 전기 연결기 내로 연결되도록 절연 가요성 리드가 선택되는 경우에, 유체 압력의 작용 하에서 리드가 유체 내에서 공진되는 것을 방지하기 위해서, 절연 리드를 유체 채널의 내부 벽에 고정할 것이 요구되고, 리드의 절연 층과 유체 채널의 금속 내부 벽 사이의 절연 실패 이후에, 전기 연결기의 방전이 유발될 수 있고, 결과적으로 전체 열교환 시스템의 단락 고장을 초래할 수 있다.
따라서, 새로운 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템에 대한 긴박한 수요가 있다.
본원의 목적은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않고 유체의 유속을 측정 및 모니터링할 수 있는, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본원의 다른 목적은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않고 유체 압력을 측정 및 모니터링할 수 있는, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본원의 다른 목적은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않고 유체 저항을 측정 및 모니터링할 수 있는, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본원의 다른 목적은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않고 전기 연결기의 측방향 진동의 주파수를 측정 및 모니터링할 수 있는, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본원의 다른 목적은, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템이 위치되는 유체 유동 필드에 영향을 미치지 않고 전기 연결기 자체의 길이방향 진동 및/또는 측방향 진동을 억제할 수 있는, 전기 연결기, 유체 상태 테스트 장치 및 유체 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본원의 일 양태에 따라, 유체 채널 내의 유체의 상태를 측정하도록 구성된 전기 연결기가 제공되고, 전기 연결기는 주 본체 부분, 연결 부분, 제1 온도 감지 요소, 및 제2 온도 감지 요소를 포함한다. 연결 부분은 유체 채널 내에 제공된 피대전 요소에 주 본체 부분이 전기적으로 연결되게 한다. 주 본체 부분은, 유체의 유동 방향에 평행한 제1 측면 및 제2 측면을 포함한다. 제1 온도 감지 요소 및 제2 온도 감지 요소는 전기 절연 방식으로 제1 측면 및 제2 측면 상의 상호 대향 위치들에 각각 제공된다.
본원의 다른 양태에 따라, 전기 연결기 및 주파수 계산 유닛을 포함하는 유체 상태 테스트 장치가 제공된다. 전기 연결기는 주 본체 부분, 연결 부분, 제1 온도 감지 요소, 및 제2 온도 감지 요소를 포함한다. 주 본체 부분은, 유체의 유동 방향에 평행한 제1 측면 및 제2 측면을 포함한다. 연결 부분은 유체 채널 내에 제공된 피대전 요소에 주 본체 부분이 전기적으로 연결되게 한다. 제1 온도 감지 요소 및 제2 온도 감지 요소는 전기 절연 방식으로 제1 측면 및 제2 측면 상의 상호 대향 위치들에 각각 제공된다. 주파수 계산 유닛은, 제1 온도 감지 요소 및 제2 온도 감지 요소의 측정 값의 교번적인 변화(alternating changes)를 기초로, 유체의 유동 방향에 수직인 방향으로 유체에 의해서 전기 연결기에 인가되는 교번적인 힘의 주파수를 계산하도록 구성된다.
본원의 다른 양태에 따라서, 유체 열교환 시스템이 제공되고, 유체 열교환 시스템은, 전술한, 유체가 통과하여 유동되는 유체 채널, 유체 채널 내에 고정된 피대전 요소, 및 유체 상태 테스트 장치를 포함한다. 피대전 요소는 전기 가열 요소이고, 전기 가열 요소는 가열 본체 및 가열 본체의 단부에 위치되는 전극을 포함한다. 전기 연결기는 전기 가열 요소의 전극에 연결된다.
본원에 따라, 전기 가열기의 전극을 분할-위상 방식, 직렬 또는 병렬로 연결하는 전기 연결기의 구조물이 개발되고 그 기능이 또한 확장되어, 전도체가 전기 에너지 전달의 과제만을 실시할 수 있는 통상적인 의미의 기능을 극복하고, 그리고 통상적인 기술의 주요 극복을 구성하는, 감지, 테스팅 및 다른 기능을 전기 연결기가 추가적으로 가질 수 있게 한다. 본원에 따라, 전기 가열기의 전극의 전기 연결기가 위치되는 유체 시스템 내의 원래의 유동 필드가 변화되지 않을 수 있고, 센서 및 테스트 시스템이 전기 가열기의 전극의 전기 연결기 주위로 도입되지 않으며, 이는 전기 가열기의 전극의 전기 연결기 주위에서 유동 필드를 막는 것을 방지한다. 그리고, 이하의 정보 중 적어도 하나가 본원을 통해서 획득될 수 있다: (1) 전기 가열기의 전극의 전기 연결기의 강제된 진동에 관한 정보; (2) 전기 가열기의 전극의 전기 연결기가 위치되는 유동 필드 내의 유체의 속력에 관한 정보; (3) 전기 가열기의 전극의 전기 연결기와 유체 사이의 대류 열교환의 조건에 관한 정보.
도 1은 본원에 따른 유체 채널 내에 설치된 상태의 전기 연결기의 정면도이다.
도 2는 본원의 실시예에 따른 전기 연결기의 부분 개략도이다.
도 3은 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기의 부분 개략도이다.
도 4는 본원에 따른 전기 연결기의 폭 대 두께의 비율과 저항 계수 사이의 관계를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본원의 실시예에 따른 전기 연결기의 상면도이다.
도 6는 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기의 상면도이다.
도 7은 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기의 부분 개략도이다.
도 8은 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기의 개략적 횡단면도이다.
도 9는 본원에 따른 나선형 와이어가 권선된 전기 연결기의 부분 개략도이다.
도 10은 본원의 다른 실시예에 따른 유체 채널 내에 설치된 상태의 전기 연결기의 정면도이다.
도 11은 본원의 실시예에 따른 유체 상태 테스트 장치의 개략도이다.
도 12는 본원의 다른 실시예에 따른 유체 상태 테스트 장치의 개략도이다.
도 13은 본원의 다른 실시예에 따른 유체 상태 테스트 장치의 개략도이다.
도 14는 도 13에 도시된 유체 상태 테스트 장치 내의 주파수 계산 유닛을 위한 회로의 개략도이다.
도 15는 본원에 따른 전기 연결기가 설치된 유체 열교환 시스템의 개략적 횡단면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 유체 열교환 시스템 내에 설치된 전기 가열 관의 구조를 도시한 개략도이다.
도 17은 본원에 따른 유체 열교환 시스템 내의 전기 가열 관과 전기 연결기 사이의 배치 관계를 도시한 개략적이고 평면적인 전개도이다.
도 18은 본원에 따른 유체 열교환 시스템 내의 전기 가열 관과 전기 연결기 사이의 다른 배치 관계를 도시한 개략적이고 평면적인 전개도이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본원의 실시예를 설명할 것이다. 도면에 관한 이하의 구체적인 설명은 본원의 원리를 예로서 설명하기 위해서 이용된 것이고, 본원은 설명된 바람직한 실시예로 제한되지 않는다. 본원의 범위는 청구범위에 의해서 규정된다.
도 1 내지 도 10은 본원에 따른 전기 연결기(100)를 도시한다. 전기 연결기(100)는, 피대전 요소와 전원 사이의 전기 연결 또는 피대전 요소들 사이의 전기 연결을 달성하기 위해서 유체 채널 내에 제공된 피대전 요소들을 연결하도록 구성된다. 피대전 요소는 열을 발생할 수 있는 전기 가열 요소일 수 있거나, 전기 전도 기능을 달성할 수 있는 다른 유형의 피대전 요소일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 유체는 종이에 수직인 방향으로 내향으로 유동되고, 유체의 유동 방향은 화살표 꼬리가 내부에 위치되는 원에 의해서 표시된다. 이하에서, 유체의 유동 방향을 기준으로 하여, 전기 연결기(100)의 구조를 설명한다.
도 1은 유체 채널 내에 설치된 상태의 전기 연결기(100)의 정면도이다. 전기 연결기(100)는 주 본체 부분(110), 그리고 주 본체 부분(110)의 길이방향으로 2개의 단부에 위치되는 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)을 포함한다. 주 본체 부분(110)은 상류 측면(111), 제1 측면(112), 제2 측면(113) 및 하류 측면(116)(도 2 참조)을 포함한다. 상류 측면(111)은 주 본체 부분(110)의, 유체의 유동 방향과 대면되는, 표면이고, 상류 측면(111)은 유체 채널 내의 유체에 의해서 직접적으로 충돌되고 유체 유동을 방해하는 저항을 생성한다. 하류 측면(116)은, 주 본체 부분(110)의, 유체의 유동 방향으로부터 멀어지는 쪽의 표면이고, 하류 측면(116)은 상류 측면(111)에 대향되고 유체 채널 내의 유체에 의해서 충돌되지 않는다. 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)은 일반적으로 유체의 유동 방향에 평행하다. 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)은 주 본체 부분(110)의 2개의 단부에 각각 위치된다. 제1 연결 부분(120)은 연결 홀(121)을 가지며, 연결 표면(122) 및 연결 표면(123)은 서로 대면된다. 제2 연결 부분(130)은 연결 홀(131)을 가지며, 연결 표면(132) 및 연결 표면(133)은 서로 대면된다. 연결 홀(121, 131)은 2개의 피대전 요소(도 16 참조)의 전극이 통과할 수 있게 한다. 연결 홀을 통과하는, 전극의 부분이 나사산을 구비하고, 전극은 너트와 같은 패스너에 의해서 각각의 제1 연결 부분(120) 및 각각의 제2 연결 부분(130)에 고정될 수 있고, 그에 따라 전기 연결기(100)의 2개의 단부에 각각 연결된 2개의 피대전 요소들 사이의 전기 연결이 달성된다. 바람직하게, 연결 표면(122, 123) 및/또는 연결 표면(132, 133)은 편평한 표면이고, 그에 따라 패스너에 의해서 연결 홀을 통과한 후에 피대전 요소의 전극을 압압하는 것 그리고 고정하는 것을 돕는다.
제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 경우에, 제1 측면(112)을 통과하는 유체의 유동 상태 및 제2 측면(113)을 통과하는 유체의 유동 상태가 실질적으로 동일한 조건이 될 수 있게 하기 위해서, 바람직하게, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)은 평행하다. 도 1에 도시된 실시예에서, 주 본체 부분(110)은 원호-형상이고, 즉, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 모두가 곡선형 표면이다. 다른 실시예에서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 모두 편평한 표면이다.
상류 측면(111)의 경우에, 상류 측면(111)에 인가되는 유체 압력을 정확하게 획득하고 측정하기 위해서, 도 2에 도시된 실시예에서, 상류 측면(111)은 편평한 표면이다. 바람직하게, 상류 측면(111)은 유체의 유동 방향에 수직인 표면이다. 도 3에 도시된 다른 실시예에서, 상류 측면(111)은 유체에 대한 저항을 감소시키기 위한 곡선화된 표면이다. 또한, 총압 측정 홀(141)이 제공되는, 상류 측면(111)의 영역이 편평한 표면이다.
유체에 대한 상류 측면(111)의 저항을 감소시키기 위해서 그리고 또한 유체의 유동 방향으로 유체에 의해서 상류 측면(111) 상에 인가되는 압력을 감소시키기 위해서, 두께 방향의 상류 측면(111)의 크기인, 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 상류 측면(111)의 크기가 가능한 한 많이 감소되어야 한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 두께 방향을 따른 상류 측면(111)의 크기는 유체의 유동 방향에 평행한 방향을 따른 주 본체 부분(110)의 크기, 즉 폭 방향을 따른 주 본체 부분(110)의 크기보다 작다. 즉, 두께 방향의 상류 측면(111)의 크기는 폭 방향의 주 본체 부분(110)의 측면(즉, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113))의 크기보다 작다. 이러한 방식으로, 상류 측면(111)은 작은 역류 면적(upwind area)을 가지고 그에 따라 작은 저항이 발생되며, 상류 측면(111)은 쉽게 굽혀지지 않고, 따라서 작은 길이방향 진동(유체의 유동 방향의 진동)이 발생된다.
또한, 상류 측면(111)의 직사각형 횡단면을 가지는, 즉 유체 유동 방향에 수직인 평면 상의 상류 측면(111)의 돌출 섹션이 직사각형인, 전기 연결기(100)의 경우에, 유체 채널 내의 유체에 대한 전기 연결기(100)의 저항은, 직사각형 횡단면을 가지는 전기 연결기(100)의 피쳐 크기(feature size)를 최적화함으로써 감소될 수 있고, 그에 따라 전기 연결기(100)의 길이방향 진동이 감소될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 연결기(100)의 폭(D)은 유체 유동 방향에 평행한 방향을 따른 전기 연결기(100)의 크기이고, 두께(B)는 유체 유동 방향에 수직인 방향을 따른 전기 연결기(100)의 크기이다. 그에 따라, 전기 연결기(100)의 폭 대 두께의 비가 D/B로서 정의된다. 전기 연결기(100)의 상류 측면(111)의 압력은 pw이고, 전기 연결기(100)의 하류 측면(116)의 압력은 pl이며, 그에 따라 유체에 대한 전기 연결기(100)의 상류 측면(111)의 저항은 F=(pw-pl)A이다.
상기의 식에서, A는 전기 연결기(100)의 상류 측면(111)의 투영 면적(projection area) 즉, 유체 유동 방향에 직접적으로 대면되는, 전기 연결기(100)의 상류 측면(111)의 면적을 나타낸다.
상기의 저항 식의 양쪽을 0.5ρaU2A로 나누고, Cd=Cp,w-Cp,l을 얻을 수 있으며,
여기에서, ρa는 유체 채널 내의 유체의 밀도를 나타내고, U는 유체 채널 내의 유체의 속력을 나타내며, Cp,w는 상류 측면(111)의 압력 계수를 나타내고, Cp,l는 하류 측면(116)의 압력 계수를 나타내고, Cd는 전기 연결기(100)에 의해서 발생된 유체에 대한 압력 계수, 즉 저항 계수를 나타낸다.
사실상, 상류 측면(111)의 압력(pw) 및 압력 계수(Cp,w)는 상류 측면(111)의 편평한 표면 또는 곡선형 표면의 위치에 따라 달라질 수 있는 반면, 하류 측면 압력(또한 기본 압력으로 지칭됨)은 거의 일정한데, 이는, 하류 측면이 위치되는 영역이, 공기 유동의 속력이 비교적 느린 후류 구역(wake zone) 내에 완전히 위치되기 때문이다. 도 4는 저항 계수(Cd)와 폭 대 두께 비(D/B) 사이의 관계를 보여주는 곡선을 도시한다. 그러한 곡선으로부터, 폭 대 두께 비(D/B)가 약 0.5인, 즉 폭(D)이 두께(B)의 절반인 경우에, 저항 계수(Cd)가 최대이고, 다시 말해서 유체 채널 내의 유체에 대한 전기 연결기(100)의 저항이 최대이고, 전기 연결기(100)에 작용하는 길이방향 충격력이 최대이며, 그에 의해서 전기 연결기(100)의 유도된 길이방향 진동이 가장 강하다는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 그러한 곡선으로부터, 폭 대 두께 비(D/B)가 0.5 초과인 경우에, 저항 계수(Cd)가 점진적으로 감소된다는 것, 그리고 폭 대 두께 비(D/B)가 4 초과인 경우에, 저항 계수(Cd)가 일정해지는 경향이 있다는 것, 그리고 폭 대 두께 비(D/B)가 증가될 때, 저항 계수(Cd)가 최소에 도달한다는 것, 즉 유체 채널 내의 유체에 대한 전기 연결기(100)의 저항이 최소이고 전기 연결기(100)에 작용하는 길이방향 충격력이 최소이며, 그에 의해서 전기 연결기(100)의 유도된 길이방향 진동이 가장 약하다는 것이 확인될 수 있다.
유체 채널 내에서, 피대전 요소는 일반적으로 유체의 유동 방향에 평행한 방향으로 배열되고, 피대전 요소의 단부로부터 연장되는 전극은 또한 일반적으로 유체의 유동 방향에 평행하다. 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130) 각각의 내에 연결 홀을 제공하기 위해서 그리고 전극과 전기 연결기(100) 사이의 연결 안정성을 개선하기 위해서, 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122, 123)의 면적 및 제2 연결 부분(130)의 연결 표면(132, 133)의 면적을 증가시킬 필요가 있다. 이러한 실시예에서, 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122, 123)의 그리고 제2 연결 부분(130)의 연결 표면(132, 133)의, 유체 유동 방향에 수직인 방향을 따른 크기는 모두, 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110)의 크기(즉, 상류 측면(111)의 크기)보다 크다. 도 1 또는 도 5에 도시된 실시예에서, 전기 연결기(100)는 실질적으로 직사각형인 판-유사 구성요소에 의해서 형성되고, 판-유사 구성요소는 구리 또는 알루미늄과 같은 금속 재료로 제조되며 양호한 전기 전도도를 갖는다. 전기 연결기(100)의 제1 연결 부분(120), 제2 연결 부분(130), 및 전극(204)의 각각의 사이에서 큰 접촉 표면을 보장하여 설치를 돕기 위해서, 각각 90도의 비틀림 각도를 가지는 비틀림 부분(160) 및 비틀림 부분(170)이 주 본체 부분(110)과 제1 연결 부분(120) 사이에 그리고 주 본체 부분(110)과 제2 연결 부분(130) 사이에 각각 제공된다. 연결되는 피대전 요소의 전극의 위치 및 배향과 같은 설치 조건에 따라, 비틀림 부분(160, 170)은 다른 비틀림 각도를 또한 가질 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)은 또한 몰딩 프로세스와 같은 다른 방법에 의해서 형성될 수 있다. 도 6는 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기(100)의 상면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 대안적으로, 비틀림 부분(160, 170)이 제1 연결 부분(120)과 주 본체 부분(110) 및/또는 제2 연결 부분(130)과 주 본체 부분(110) 사이에 제공되지 않을 수 있고, 다시 말해서 비틀림 각도가 영이다. 또한, 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)이 주 본체 부분(110)과 일체로 형성될 수 있거나, 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)이 주 본체 부분(110)과 관련하여 별개로 형성될 수 있다.
전기 에너지 전달에 더하여, 전기 연결기(100)는 또한 유체 채널 내에서 전기 연결기(100)를 통해서 유동되는 유체의 압력, 온도, 속력, 및 유량과 같은 상태 매개변수를 획득 및 측정하도록 구성될 수 있다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 전기 연결기(100)는, 총압 획득 부분(140), 정압 획득 부분(150) 및 배압 획득 부분(210)의 각각에 의해서 유체 내의 소정 지점에서, 총압, 정압, 동압(dynamic pressure) 및 배압을 포함하는 압력을 획득하도록 구성되며, 그리고 총압 획득 부분(140), 유체의 유속, 유량 및 저항 계수와 같은 매개변수는 상기의 압력을 기초로 계산된다. 통상적인 기술에서, 압력 검출기 또는 샘플링 장치가 유체 채널 내에 독립적으로 제공되어 신호 공급원에서 압력 표시 값을 획득하고, 그러한 개입적 검출(interventional detection)은 특정 범위까지 측정 값에 영향을 미칠 수 있고 유체 채널 내의 유체 필드의 원래의 상태에 관한 조건을 보여줄 수 없다. 본원의 실시예에 따른 전기 연결기(100)는 획득 기능 및 측정 기능 모두를 가지고, 독립적인 검출기가 유체 채널에 도입되지 않으며, 그에 따라 유체의 상태 매개변수가 보다 정확하게 측정될 수 있다.
도 5 및 도 6은 전기 연결기(100) 상에 제공된 총압 획득 부분(140)을 도시한다. 총압 획득 부분(140)은 상류 측면(111) 내에 제공된 총압 측정 홀(141), 제1 연결 부분(120) 내에 제공된 총압 출력 포트(143), 및 총압 측정 홀(141)이 총압 출력 포트(143)와 연통될 수 있게 하는, 주 본체 부분(110) 내에 제공된 총압 전달 채널(142)을 포함한다. 총압 측정 홀(141)은 상류 측면(111) 내에 제공되고, 상류 측면(111)은 유체 채널 내에서 유입 유동의 역류 방향으로 대면되며, 총압 측정 홀(141)은 상류 측면(111) 상에서 유체에 의해서 발생되는 총압(또는 정체 압력)을 측정하기 위해서 유입 유동의 방향에 직접적으로 대면되는 개구부를 갖는다. 총압 측정 홀(141)은 날카로운 연부가 없는 매끄러운 홀이고, 원형 형상, 타원형 형상, 다각형 형상 및 기타를 가질 수 있다. 유체가 운동 상태에 있을 때, 유체의 유동 방향에 대면되는 상류 측면(111)은 유체로부터 정압을 받을 뿐만 아니라, 유체로부터 동압을 또한 받으며, 정압 및 동압은 상류 측면(111)에 작용하는 총압을 함께 형성한다. 동압이 지향성을 가지기 때문에, 즉 동압이 유체의 유동 방향에 영향을 미치기 때문에, 바람직하게, 총압 측정 홀(141)이 유체의 유동 방향과 동일 직선적이 되도록 그리고 총압 측정 홀(141)의 축방향과 유체의 유동 방향 사이의 협각이 영이 되도록, 총압 측정 홀(141)의 축방향이 유체의 유동 방향으로 배열된다. 총압 측정 홀(141)은 상류 측면(111) 상의 임의 위치에 배열될 수 있다. 바람직하게, 총압 측정 홀(141) 내로 유동되려고 하는 유체 즉, 총압 측정 홀(141)의 위치의 상류에 위치된 유체의 최대 유속을 측정하기 위해서, 총압 측정 홀(141)은 상류 측면(111)의 실질적으로 중앙의 부분에 배열된다. 총압 전달 채널(142)은 주 본체 부분(110) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)은 총압 측정 홀(141)과 연통되는 입구 및, 총압을 총압 출력 포트(143)에 전달하기 위한, 전기 연결기(100)의 제1 연결 부분(120)으로 연장되는 출구를 갖는다. 총압 전달 채널(142)은 주 본체 부분(110) 내에 직접적으로 형성될 수 있다. 또는, 총압 전달 채널(142)이 독립적인 파이프라인이고, 총압 전달 채널(142)의 상단 표면이 상류 측면(111)의 표면을 넘지 않는 방식으로 전기 연결기(100) 내의 미리 형성된 슬롯 내에 매립되고, 바람직하게, 총압 전달 채널(142)의 상단 표면은 상류 측면(111)의 표면과 같은 높이이다. 또한, 총압 전달 채널(142)의 상단 표면은 상류 측면(111)의 표면과 동일한 표면 구조를 가지며, 예를 들어, 총압 전달 채널(142)의 상단 표면을 포함하는 전체 상류 측면 상에 부식-방지 층이 코팅된다. 대안적으로, 총압 전달 채널(142)은, 전기 연결기(100) 내에 제공된, 미리 형성된 채널을 통과하는 독립적인 파이프라인이다. 총압 출력 포트(143)는 주 본체 부분(110)의 표면 또는 연결 부분(120, 130)의 각각의 표면 내에 제공될 수 있다. 유동 필드에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해서, 총압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120) 또는 제2 연결 부분(130) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)의 출구와 연통된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 총압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120)의 단부 표면 내에 제공된다. 대안적으로, 총압 출력 포트(143)는 또한 제2 연결 부분(130)의 단부 표면 내에 제공될 수 있다. 대안적으로, 총압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122) 또는 연결 표면(123) 내에 또는 제2 연결 부분(130)의 연결 표면(132) 또는 연결 표면(133) 내에 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 총압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122) 내에 제공될 수 있다.
도 5 및 도 6은 전기 연결기(100) 상에 제공된 정압 획득 부분(150)을 도시한다. 정압 획득 부분(150)은 제1 측면(112) 내에 제공된 정압 측정 홀(151), 제1 연결 부분(120) 내에 제공된 정압 출력 포트(153), 및 정압 측정 홀(151)이 정압 출력 포트(153)와 연통될 수 있게 하는, 주 본체 부분(110) 내에 제공된 정압 전달 채널(152)을 포함한다. 정압 측정 홀(151)은 제1 측면(112) 내에 제공되고, 정압 측정 홀(151) 내의 유체에 의해서 동압 성분이 발생되지 않도록 하는 방식으로, 배열된다. 바람직하게, 정압 측정 홀(151)의 축방향은 유체의 유동 방향에 수직이다. 대안적으로, 정압 측정 홀(151)이 또한 제2 측면(113) 내에 제공될 수 있다. 정압 측정 홀(151)의 수가 1개 초과일 수 있다. 다수의 정압 측정 홀(151)이 제공되는 경우에, 정압 측정 홀(151)은 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 하나 또는 둘 모두 내에 제공될 수 있다. 또한, 정압 측정 홀(151)은 제1 측면(112) 및/또는 제2 측면(113) 상의 임의 위치에 제공될 수 있다. 바람직하게, 정압 측정 홀(151)은 유체의 유동 방향으로 총압 측정 홀(141)에 근접한 위치에 제공되고, 예를 들어 정압 측정 홀(151)은 유체의 유동 방향으로 직선 상에 제공된다. 바람직하게, 정압 측정 홀(151)의 축방향은 총압 측정 홀(141)의 축방향과 수직으로 교차된다. 정압 전달 채널(152)은 주 본체 부분(110) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)은 정압 전달 채널(152)과 연통되는 입구 및, 정압을 정압 출력 포트(153)에 전달하기 위한, 전기 연결기(100)의 제1 연결 부분(120)으로 연장되는 출구를 갖는다. 정압 전달 채널(152)은 주 본체 부분(110) 내에 직접적으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 예로서 제1 측면(112) 내에 제공된 정압 전달 채널(152)을 취하는 것에 의해서, 정압 전달 채널(152)은 독립적인 파이프라인이고, 정압 전달 채널(152)의 상단 표면이 제1 측면(112)의 표면을 넘지 않도록 하는 방식으로 전기 연결기(100) 내의 미리 형성된 슬롯 내에 매립되고, 바람직하게, 정압 전달 채널(152)의 상단 표면은 제1 측면(112)의 표면과 같은 높이이다. 또한, 정압 전달 채널(152)의 상단 표면은 제1 측면(112)의 표면과 동일한 표면 구조를 가지며, 예를 들어, 정압 전달 채널(152)의 상단 표면을 포함하는 전체 제1 측면 상에 부식-방지 층이 코팅된다. 대안적으로, 정압 전달 채널(152)은, 전기 연결기(100) 내에 제공된, 미리 형성된 채널을 통과하는 독립적인 파이프라인이다. 정압 출력 포트(153)는 제1 연결 부분(120) 또는 제2 연결 부분(130) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)의 출구와 연통된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 정압 출력 포트(153)는 제1 연결 부분(120)의 단부 표면 내에 제공된다. 대안적으로, 정압 출력 포트(153)는 또한 제2 연결 부분(130)의 단부 표면 내에 제공될 수 있다. 대안적으로, 정압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122) 또는 연결 표면(123) 내에 또는 제2 연결 부분(130)의 연결 표면(132) 또는 연결 표면(133) 내에 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 정압 출력 포트(153)는 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(123) 내에 제공된다. 또한, 정압 출력 포트(153) 및 총압 출력 포트(143)은 동일한 연결 부분 내에 또는 상이한 연결 부분들 내에 제공될 수 있다. 정압 출력 포트(153) 및 총압 출력 포트(143)가 동일한 연결 부분으로부터 연장되는 경우에, 정압 출력 포트(153) 및 총압 출력 포트(143)는 동일한 단부 및/또는 연결 표면 내에 또는 상이한 단부들 및/또는 연결 표면들 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 정압 출력 포트(153)가 연결 표면(123) 내에 제공될 수 있고 총압 출력 포트(143)가 연결 표면(122) 내에 제공될 수 있거나, 정압 출력 포트(153)가 연결 표면(122) 내에 제공될 수 있고 총압 출력 포트(143)가 연결 표면(123) 내에 제공될 수 있다.
유체에 의해서 상류 측면(111) 상에 인가되는 압력이, 피토-정압 관(pitot-static tube)의 원리를 기초로, 본원에서 획득되고 측정된다. 총압 측정 홀(141) 및 총압 전달 채널(142)이 서로 연통되어 피토 관을 형성하고, 정압 측정 홀(151) 및 정압 전달 채널(152)이 서로 연통되어 정압 관을 형성한다. 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)에 의해서, 총압 측정 홀(141)에 작용하는 유체의 동압 즉, 총압과 정압 사이의 차이가 얻어진다. 유체의 동압을 베르누이 방정식에 대입함으로써, 총압 측정 홀(141)에서의 유체의 유속이 유도될 수 있고, 또한 유량이 계산될 수 있다.
도 7은 전기 연결기(100) 상에 제공된 배압 획득 부분(210)을 도시한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 저항 계수(Cd)를 계산하기 위해서, 배압 획득 부분(210)을 더 제공하여 전기 연결기(100)의 하류 측면 압력(pl)을 획득 및 측정할 수 있다. 배압 획득 부분(210)은 하류 측면(116) 내에 제공된 배압 측정 홀(211), 연결 부분(미표시) 내에 제공된 배압 출력 포트(213), 및 배압 측정 홀(211)이 배압 출력 포트(213)와 연통될 수 있게 하는, 주 본체 부분(미표시) 내에 제공된 배압 전달 채널(212)을 포함한다. 배압 측정 홀(211)은 하류 측면(116) 내에 제공되고, 하류 측면(116)은 유동 채널 내에서 유입 유동의 역류 방향으로부터 멀어지는 쪽에 있고, 배압 측정 홀(211)은 유입 유동의 방향에 대향되는 개구부를 가지고, 하류 측면(116) 상에서 유체에 의해서 발생되는 배압(또는 기본 압력)을 획득하고 측정하도록 구성된다. 배압 측정 홀(211)은 버어(burr)가 없는 매끄러운 홀이고, 홀의 형상은 원형, 타원형, 다각형 및 기타일 수 있다. 배압 측정 홀(211)은 하류 측면(116) 상의 임의 위치에 배열될 수 있다. 배압 전달 채널(212)은 주 본체 부분(110) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(212)은 배압 측정 홀(211)과 연통되는 입구 및, 배압을 배압 출력 포트(213)에 전달하기 위한, 전기 연결기(100)의 연결 부분으로 연장되는 출구를 갖는다. 배압 전달 채널(212)은 주 본체 부분 내에 직접적으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 배압 전달 채널(142)이 독립적인 파이프라인이고, 배압 전달 채널(212)의 상단 표면이 하류 측면(116)의 표면을 넘지 않는 방식으로 전기 연결기(100) 내의 미리 형성된 슬롯 내에 매립되고, 바람직하게, 배압 전달 채널(212)의 상단 표면은 하류 측면(116)의 표면과 같은 높이이다. 또한, 배압 전달 채널(212)의 상단 표면은 하류 측면(116)의 표면과 동일한 표면 구조를 가지며, 예를 들어, 배압 전달 채널(212)의 상단 표면을 포함하는 전체 하류 측면(116) 상에 부식-방지 층과 같은 코팅이 코팅된다. 대안적으로, 배압 전달 채널(212)은, 전기 연결기(100) 내에 제공된, 미리 형성된 채널을 통과하는 독립적인 파이프라인이다. 배압 출력 포트(213)는 주 본체 부분(110)의 표면 내에 또는 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130)의 각각의 표면 내에 제공될 수 있다. 유동 필드에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해서, 바람직하게, 배압 출력 포트(213)는 제1 연결 부분(120) 또는 제2 연결 부분(130) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(212)의 출구와 연통된다. 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)와 유사하게, 배압 출력 포트(213)는 제1 연결 부분(120) 또는 제2 연결 부분(130)의 단부 표면 내에 제공될 수 있다. 대안적으로, 배압 출력 포트(143)는 제1 연결 부분(120)의 연결 표면(122, 123) 내에 또는 제2 연결 부분(130)의 연결 표면(132,133) 내에 더 제공될 수 있다.
본원에 따라, 전기 연결기(100) 자체가 전기 전도 기능을 갖는다. 전기 연결기(100)에 연결된 피대전 요소가 교류로 에너지화되는(energized) 경우에, 전기 연결기(100)의 황단면 내의 전류 밀도는 균일하지 않고, 표피 효과가 발생될 수 있고 전류는 전기 연결기(100)의 표면에 주로 집중되며, 전기 연결기(100)의 횡단면의 중앙 영역 상의 전류 밀도는 낮고 실질적으로 고주파 전류가 전달될 때에도 낮으며, 그에 따라 전기 연결기(100)는 적용 값(application value)을 가지지 않는다. 그에 따라, 전기 연결기(100) 내에 총압 획득 부분(140), 정압 획득 부분(150) 및 배압 획득 부분(210)을 제공함으로써, 전기 연결기(100)를 제조하기 위한 재료가 절약되고 압력(또는 유속)을 측정 및 샘플링하기 위한 경로가 형성되며, 전기 연결기(100)의 전기 전도 기능이 영향을 받지 않을 수 있고, 전기 연결기(100)는 유체의 유동 상태의 획득 및 측정 기능을 성취할 수 있다.
또한, 전기 연결기(100)가 유체 내에서 전기 에너지를 전달할 때, 전술한 유체 압력의 작용에 의해서 유발되는 길이방향 진동에 더하여, 전기 연결기(100)와 유체의 커플링된 진동이 더 유발될 수 있고, 카르만 와류열 파괴 현상(Karman vortex street destruction phenomenon)이 발생된다. 카르만 와류열 원리에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기 연결기(100)가 유체 내에 위치될 때, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 각각을 통해서 유동되는 유체에 의해서 카르만 와류열 현상이 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상에서 발생될 수 있고, 그러한 현상은, 와류의 규칙적인 하류 방출(shedding)이 2개의 측면에서 발생되게 하고, 와류의 방출이 발생되는 측면에 위치된 유체가 역방향 유동 현상(backflow phenomenon)으로 인한 에너지 손실을 가지게 하며, 그에 따라 와류 방출이 발생되지 않는 다른 측면에서의 유체의 유속보다 느린 유속을 가지게 한다. 열 전달 이론에서 대류 열교환 속력을 정량적으로 계산하기 위한 뉴튼의 냉각 법칙 공식에 따라, 대류 열교환 속력은 유체의 유속의 0.8 승수(0.8th power)에 직접 비례한다. 따라서, 와류의 방출이 전기 연결기(100)의 2개의 측면 상에서 교번적으로 발생되는 경우에, 와류의 방출이 발생되는 측벽의 온도는 와류의 방출이 발생되지 않는 측벽의 온도와 일치되지 않는다. 그러한 온도 변화 주파수는 유체에 의해서 2개의 측면 상에 인가되는 교번적인 힘의 주파수 및 교번적인 힘에 의해서 유발되고 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따르는 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수에 상응하고, 그에 따라 전기 연결기의 측방향 진동 주파수의 측정은 온도 변화 주파수를 측정하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 통상적인 기술에서, 압력 검출기 또는 압력 샘플러가 유동 채널 내에 독립적으로 제공되어, 신호 공급원에서 신뢰 가능한 압력 표시 값을 획득한다. 그러한 개입적 검출은 특정 범위까지 측정 값에 영향을 미칠 수 있고, 유동 채널 내의 유체 필드의 원래의 상태에 관한 조건을 나타낼 수 없다. 본원에서, 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수는 카르만 와류열 원리에 따라 측정된다. 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상에 각각 제공된 온도 감지 요소를 통해서, 2개의 측면 상에서 카르만 와류열 현상에 의해서 유발된 온도 변화가 획득되고, 전술한 온도 변화를 기초로, 2개의 측면에 작용하는 교번적인 힘의 주파수 및 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수가 계산된다. 본원 자체의 실시예에 따른 전기 연결기(100)는 온도 매개변수의 획득 및 측정 기능을 가지고, 유동 채널 내에 도입된 별개의 검출기를 가지지 않으며, 그에 따라 전기 연결기(100)는 유체의 상태 매개변수를 더 정확하게 측정하도록 구성될 수 있다.
도 5 및 도 6은 전기 연결기(100)의 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)를 도시한다. 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 각각을 통해서 유동되는 유체의 온도를 획득하기 위해서, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상에 각각 배열된다. 도 8은 전기 연결기(100)의 개략적 횡단면도이고, 도 8은 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)의 배열을 더 도시한다. 도 8에서, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)는 전기 절연 방식으로 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상의 대향 위치들에 각각 제공되고, 예를 들어 제1 측면(112)의 중앙 위치 및 제2 측면(113)의 중앙 위치에 제공된다. 대안적으로, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 임의 위치에 제공될 수 있고, 제1 온도 감지 요소(181)의 수 및 제2 온도 감지 요소(182)의 수가 1개 초과일 수 있다. 또한, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)는 서로 대향되는 위치 관계로 유지되어야 하고, 1-대-1의 숫자 대응성을 가져야 한다. 유체가 제1 온도 감지 요소(181)의 감지 표면을 통해서 유동되는 것 그리고 유체가 제2 온도 감지 요소(182)의 감지 표면을 통해서 유동되는 것을 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 방해하는 것을 방지하기 위해서, 제1 온도 감지 요소(181)의 외부 표면 및 제2 온도 감지 요소(182)의 외부 표면은 제1 측면(112)의 표면 및 제2 측면(113)의 표면을 넘지 않는다. 바람직하게, 제1 온도 감지 요소(181)의 외부 표면은 제1 측면(112)의 표면과 같은 높이이고, 제2 온도 감지 요소(182)의 외부 표면은 제2 측면(113)의 표면과 같은 높이이다. 또한, 제1 온도 감지 요소(181)의 외부 표면 및/또는 제2 온도 감지 요소(182)의 외부 표면은, 제1 온도 감지 요소(181)가 위치되는 제1 측면(112)의 표면 및/또는 제2 온도 감지 요소(182)가 위치되는 제2 측면(113)의 표면과 동일한 표면 구조, 예를 들어 동일한 조도를 갖는다. 유체가 측면을 통해서 유동되는 프로세스에서, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)과 접촉되는 유체 경계 층의 조건은 변화되지 않고, 그에 따라 원래의 유동 필드는 파괴되지 않는다. 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)를 설치하기 위해서, 제1 온도 감지 요소 설치 함몰부(114) 및 제2 온도 감지 요소 설치 함몰부(115)가 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상의 대향 위치들에 제공될 수 있다. 온도 감지 요소와 전기 연결기(100) 사이의 절연을 유지하기 위해서, 전기 절연 층이 제1 온도 감지 요소 설치 함몰부(114)의 표면 및 제2 온도 감지 요소 설치 함몰부(115)의 표면의 각각에 코팅될 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
본원에 따라, 전기 에너지 전달에 더하여, 전기 연결기(100)는, 독립적인 센서 및 그 테스트 시스템을 도입하지 않고 그에 따라 전기 연결기(100)가 위치되는 유동 필드를 변화시키지 않고, 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따라 전기 연결기(100) 상의 유동 채널 내의 전기 연결기(100)를 통해서 유동되는 유체에 의해서 인가되는 교번적인 힘의 주파수를 측정하도록 구성될 수 있고, 또한 전기 연결기(100)의 교번적인 힘에 의해서 유도된 측방향 진동의 주파수 매개변수가 얻어진다.
또한, 유체의 유동 채널 내의 전기 연결기(100)의 측방향 진동의 유도 메커니즘으로부터, 전기 연결기(100)의 2개의 측면(112, 113) 상에서 유체에 의해서 생성된 카르만 와류열 효과에 의해서 측방향 진동이 유발된다는 것을 알 수 있다. 유체가 전기 연결기(100)를 통해서 유동될 때, 와류의 교번적인 방출이 질서에 따르는 방식으로 전기 연결기(100)의 2개의 측면(112, 113) 상에서 발생될 수 있다. 전기 연결기(100)의 경우에, 나선형 돌출부가 전기 연결기(100)의 표면 상에 제공되어 전기 연결기(100)의 측방향 진동을 감소시킬 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 특정 피치(pitch)를 가지는 나선형 와이어(220)가 전기 연결기(100) 주위에 권선되고, 이는 전기 연결기(100)의 2개의 측면(112, 113) 상에서 발생되는 교번적인 와류의 방출의 질서를 파괴할 수 있고, 그에 따라 전기 연결기(100)의 2개의 측면(112, 113) 상의 와류가 동시에 방출될 수 있거나 불규칙적인 방식으로 교번적으로 방출될 수 있으며, 따라서 전기 연결기(100)의 측방향 진동이 억제될 수 있다. 나선형 와이어(220)의 피치는 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수에 따라 조정될 수 있다. 바람직하게, 나선형 와이어(220)의 피치는 전기 연결기(100)의 최대 측방향 진동 진폭을 기초로 최적으로 설계된다. 또한, 나선형 와이어(220)는 금속 재료로 제조될 수 있으나, 나선형 와이어(220)는 폐쇄 회로를 형성할 수 없다. 바람직하게, 나선형 와이어(220)는 비전도성 재료, 예를 들어 비금속 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 나선형 돌출부가 추가적으로 전기 연결기(100)의 표면 상에 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 부식-방지 층과 같은 코팅이 전기 연결기(100)의 표면에 코팅되는 경우에, 나선형 돌출부는 함침 프로세스에 의해서 전기 연결기(100)의 표면 상에 일체로 형성된다. 바람직하게, 나선형 돌출부는, 측정 홀 주위의 유동 필드에 영향을 미쳐 측정 오류 유발을 방지하기 위해서, 측정 홀(141, 151, 211) 중 적어도 하나가 위치되는, 전기 연결기(100)의 표면 상의 영역을 피하도록 구성되어야 한다.
도 10은 본원의 다른 실시예에 따른 전기 연결기(400)의 개략도이다. 전기 연결기(400)는 주 본체 부분(400) 및 연결 부분(420, 430)을 포함한다. 주 본체 부분(400)은 환형이다. 연결 부분(420, 430)의 각각은 환형 주 본체 부분(400)에 연결된 단부 및 전기 가열 관(200)에 연결된 타 단부를 갖는다. 전술한 것을 제외하고, 전기 연결기(400)는 도 1에 도시된 전기 연결기(100)와 동일한 구조를 가지며, 이에 대해서는 본원에서 설명하지 않을 것이다.
도 11 내지 도 14는 본원에 따른 유체 상태 테스트 장치를 도시한다. 본원에 따른 유체 상태 테스트 장치는 전기 연결기(100)에 의해서 획득된 압력 신호 및 온도 신호 등을 프로세스하도록 구성될 수 있고, 추가적으로 유체의 상태가 얻어진다. 명확한 묘사를 위해서, 도 11 내지 도 14 각각은, 전기 연결기(100)에 의해서 획득된 압력 신호 및 온도 신호 등을 프로세스하도록 구성된 프로세서를 도시한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 유체 상태 테스트 장치는 전기 연결기(100) 및 제1 압력 측정 부분(180)을 포함한다. 제1 압력 측정 부분(180)은, 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)로부터 획득되는 압력 값을 측정하기 위해서, 전기 연결기(100)의 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 제1 압력 측정 부분(180)은 격막 차압 센서이고, 격막 차압 센서는 격막에 의해서 분리된 2개의 공동을 포함하고, 2개의 공동은 압력 전달 채널을 통해서 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)와 각각 연통된다. 격막 차압 센서는, 총압과 정압 사이의 차압, 즉 동압을 출력할 수 있다. 대안적으로, 제1 압력 측정 부분(180)이 2개의 압력 센서, 즉 제1 압력 센서 및 제2 압력 센서 각각을 포함할 수 있다. 유체의 총압 및 정압을 각각 측정하기 위해서, 제1 압력 센서가 총압 출력 포트(143)에 연결되고 제2 압력 센서는 정압 출력 포트(153)에 연결된다. 또한, 유체 상태 테스트 장치는 유속 계산 유닛(도면에 미도시)을 더 포함하고, 유속 계산 유닛은, 차압 센서에 의해 출력된 차압을 기초로 또는 동압 및 정압을 기초로, 전기 연결기(100)를 통해서 유동되는 유체의 유속을 계산할 수 있다. 또한, 유체 상태 테스트 장치는 유속을 기초로 전기 연결기(100)를 통해서 유동되는 유체의 유량을 더 계산할 수 있다. 그러한 유체 상태의 측정은 전기 연결기(100)의 길이방향 진동에 관한 정보 획득에 기여하고, 또한 유체의 상태가 조정될 수 있거나 전기 연결기(100)의 구조가 설계될 수 있으며, 그에 따라 전기 연결기(100)의 길이방향 진동이 조정되고 개선된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 압력 측정 부분(180)에 더하여, 유체 상태 테스트 장치는 제2 압력 측정 부분(230)을 더 포함할 수 있다. 제2 압력 측정 부분(230)은, 총압 출력 포트(143) 및 배압 출력 포트(213) 사이의 차압의 값을 측정하기 위해서, 전기 연결기(100)의 총압 출력 포트(143) 및 배압 출력 포트(213)에 연결된다. 제2 압력 측정 부분(230)의 압력 측정 구조는, 총압 획득 부분(140) 및 정압 획득 부분(150) 각각의 압력이 측정될 수 있게 하는 제1 압력 측정 부분(180)의 구조와 동일하다. 도 12에서, 제2 압력 측정 부분(230)은 격막 차압 센서이고, 격막 차압 센서는 격막에 의해서 분리된 2개의 공동을 포함하고, 2개의 공동은 압력 전달 채널을 통해서 총압 출력 포트(143) 및 배압 출력 포트(213)와 각각 연통된다. 격막 차압 센서는, 총압과 배압 사이의 차압을 출력할 수 있다. 대안적으로, 제2 압력 측정 부분(230)이 2개의 압력 센서, 즉 제1 압력 센서 및 제2 압력 센서를 포함할 수 있다. 유체의 총압 및 배압을 각각 측정하기 위해서, 제1 압력 센서가 총압 출력 포트(143)에 연결되고 제2 압력 센서는 배압 출력 포트(213)에 연결된다. 또한, 유체 상태 테스트 장치는 저항 계수 계산 유닛(240)을 더 포함한다. 동압은, 제1 압력 측정 부분(180)에 의해서 얻어진 동압(총압과 정압 사이의 차이)과 상류 측면의 투영 면적의 곱을 기초로, 저항 계수 계산 유닛(240)의 배율기(multiplier)(241)에 의해서 계산된다. 이어서, 전기 연결기(100)의 저항은, 제2 압력 측정 부분(230)에 의해서 얻어진 차압(총압과 배압 사이의 차이)과 상류 측면의 투영 면적의 곱을 기초로, 배율기(242)에 의해서 계산된다. 마지막으로, 유체의 유체 채널 내의 전기 연결기(100)의 저항 계수(Cd) 즉, 저항/동압이 분할기(243)에 의해서 계산되고, 또한 전기 연결기(100)의 구체적인 두께 치수 및 구체적인 폭 치수가 얻어지며, 그에 따라 전기 연결기(100)의 특징적인 스케일의 최적의 설계가 성취된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 유체 상태 테스트 장치는 주파수 계산 유닛(190)을 더 포함할 수 있다. 전기 연결기의 측방향 진동 주파수를 측정하기 위해서, 주파수 계산 유닛(190)이 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)에 연결된다. 주파수 계산 유닛(190)은 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)의 각각으로부터 온도를 나타내는 신호를 수신하도록 그리고 유체의 유동 방향에 수직인 방향으로 유체에 의해서 전기 연결기(100)에 인가되는 교번적인 힘의 주파수, 즉 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수를 계산하도록 구성된다. 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)의 각각으로부터의, 온도를 나타내는 신호가 각각의 센서 리드(도면에 미도시)에 의해서 주파수 계산 유닛(190)에 전달된다. 측정 정확도에 영향을 미치지 않으면서 센서 리드가 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 각각을 통해서 유동되는 유체를 방해하는 것을 방지하기 위해서, 전기 연결기(100) 내에 미리 형성된 리드 채널을 통과하도록 2개의 온도 감지 요소의 각각의 센서 리드가 구성될 수 있다. 대안적으로, 센서 리드는 주 본체 부분(110)의 표면 내에 형성된 슬롯 내에 배열되고, 센서 리드는 제1 측면(112)의 표면 및 제2 측면(113)의 표면을 넘지 않고, 바람직하게, 센서 리드의 주변 상단 부분은 제1 측면(112)의 표면 및 제2 측면(113)의 표면과 같은 높이이다. 이러한 방식으로, 전기 연결기의 측면에서 유체 경계 층이 영향을 받지 않을 수 있다. 센서 리드는 연결 표면(또는 표면들)으로부터 또는 제1 연결 부분(120) 및 제2 연결 부분(130) 중 하나 또는 둘의 단부(또는 단부들)로부터 외측으로 이어질 수 있다. 바람직하게, 제1 온도 감지 요소(181)의 센서 리드 및 제2 온도 감지 요소(182)의 센서 리드는 동일한 연결 부분으로부터, 즉 제1 연결 부분(120) 또는 제2 연결 부분(130)으로부터 외측으로 이어질 수 있다. 바람직하게, 주파수 계산 유닛(190)이 유동 채널의 외측에 제공되고, 센서 리드는 주파수 계산 유닛(190)에 연결되도록 그에 따라 온도를 나타내는 신호를 주파수 계산 유닛(190)에 제공하도록 유동 채널의 벽을 통과하게 구성된다. 유사하게, 제1 압력 측정 부분(180) 및 제2 압력 측정 부분(230) 그리고 다른 신호 프로세서가 또한 유동 채널의 벽의 외측에 제공될 수 있고, 상응하는 리드에 의해서 총압 획득 부분(140), 정압 획득 부분(150) 및 배압 획득 부분(210)에 연결될 수 있다.
도 14는 본원의 실시예에 따른 주파수 계산 유닛(190)의 회로의 구성을 더 도시한다. 주파수 계산 유닛(190)은 제1 브리지 저항기(191), 제2 브리지 저항기(192), 일정 전류 공급원(193), 전원(194), 증폭기(195), 필터(196), 플립-플롭(flip-flop)(197) 및 변환기(198)를 포함한다. 제1 온도 감지 요소(181), 제1 브리지 저항기(191), 제2 브리지 저항기(192) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 브리지 회로 내로 순서대로 전기적으로 연결된다. 제1 온도 감지 요소(181)와 제2 온도 감지 요소(182) 사이의 노드(node) 및 제1 브리지 저항기(191)와 제2 브리지 저항기(192) 사이의 노드가 일정 전류 공급원(193)의 2개의 전극에 각각 연결된다. 일정 전류 공급원(193)을 통해서 전원(194)에 의해 브리지 회로 제공된 전류를 일정하게 유지하기 위해서, 일정 전류 공급원(193)이 전원(194)에 연결된다. 전압 신호를 증폭기(195)에 출력하기 위해서, 제1 온도 감지 요소(181)와 제1 브리지 저항기(191) 사이의 노드 및 제2 온도 감지 요소(182)와 제2 브리지 저항기(192) 사이의 노드가 와이어에 의해서 증폭기(195)에 연결된다. 제1 온도 감지 요소(181)는 제2 온도 감지 요소(182)와 같은 구조를 갖는다. 제1 브리지 저항기(191) 및 제2 브리지 저항기(192)는 동일한 저항 값을 가질 수 있고, 전압 신호 초기 출력이 영이 되도록, 평형 전기 브리지(balanced electric bridge)가 측정을 위해서 채택된다. 대안적으로, 제1 브리지 저항기(191) 및 제2 브리지 저항기(192)가 상이한 저항 값들을 가질 수 있고, 비평형 전기 브리지가 측정을 위해서 채택되고, 다시 말해서 전압 신호 초기 출력이 영이 아니다. 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)는 일정 전류로 에너지화된다. 카르만 와류열이 전기 연결기(100)의 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 각각에서 발생되지 않고 전기 연결기(100)의, 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른, 측방향 진동이 유도되지 않는 경우에, 제1 온도 감지 요소(181)는 제2 온도 감지 요소(182)와 같은 온도를 가지며, 그에 따라 브리지 회로 내에서 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 상응하는 저항 값들은 동일하고 증폭기(195)의 입력 전압은 영이다. 카르만 와류열이 전기 연결기(100)의 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)의 각각에서 발생되고 전기 연결기(100)의, 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른, 측방향 진동이 유도되는 경우에, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상에서, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)에 의해서 감지되는 온도들은, 와류의 하류 방출로 인해서, 일치되지 않고, 그러한 온도차는 브리지 회로가 전압을 증폭기(195)에 출력하게 한다. 전압은, 필터(196) 및 플립-플롭(197)에 의해서 프로세스된 후에, 전기 연결기(100)의 측면 상에 작용하는 교번적인 힘의 주파수를 나타내는 펄스 신호로서 출력되고, 펄스 신호의 출력 주파수는 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수를 나타낸다. 플립-플롭(197)은 변환기(198)에 더 연결될 수 있고, 그에 따라 펄스 신호가 변환기(198)에 의해서 프로세스되어 아날로그 신호로서 출력된다. 아날로그 신호는, 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상의 유체의 대류 열교환의 세기의 변동을 나타낸다. 바람직하게, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182) 모두는 작은 시간 상수를 가지고, 그에 따라 와류의 방출 주파수의 감지를 촉진하는 요소를 채택하여야 한다. 바람직하게, 온도 감지 요소는, 온도 감응적이고 상이한 온도들에서 상이한 저항 값들을 나타낼 수 있는 서미스터(thermistor)일 수 있다. 대안적으로, 온도 감지 요소가 또한 열 저항기, 열전쌍, 광섬유 온도 센서 등일 수 있다. 다른 실시예에서, 주파수 계산 유닛(190)이, 오실로스코프(oscilloscope)와 같은, 주파수를 측정할 수 있는 임의 장치로서 구현될 수 있다.
도 15 내지 도 18은 전기 연결기(100)와 함께 제공된 유체 열교환 시스템을 도시한다. 피대전 요소는 열을 발생시킬 수 있는 전기 가열 요소이고, 이러한 실시예에서, 피대전 요소는 전기 가열 관(200)이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 유체 열교환 시스템은 원형 링 형상의 유동 채널(300), 유체 유동 채널 내에 배열된 다수의 전기 가열 관(200), 및 다수의 전기 가열 관(200)에 전기적으로 연결되도록 구성된 다수의 전기 연결기(100)를 포함한다. 유체 유동 채널(300) 내에서 유동되는 유체가 액체 또는 기체일 수 있다.
도 16은 전기 가열 관(200)의 구조를 도시한다. 전기 가열 관(200)은 금속 외부 관(201), 금속 외부 관(201) 내에 배열된 저항 와이어(202), 및 금속 외부 관(201) 내에 충진된 충진재(203)를 포함한다. 절연성 및 열 전도성이 우수한 결정질 마그네슘 산화물 분말이 충진재로서 전형적으로 선택된다. 금속 외부 관(201)의 열 소산 효과를 개선하기 위해서, 금속 외부 관(201)의 외부 주변부가 나선형 핀(helical fin)(206)에 의해서 둘러싸인다. 전기 가열 관(200)은 W-형상이다. 금속 외부 관(201)의 2개의 단부의 각각의 외부 주변부는 나사산을 구비하고, 2개의 단부의 각각은 유동 채널의 내부 벽 내에 제공된 고정된 단부(301) 내의 연결 홀을 통과하고 너트에 의해서 고정된 단부(301)에 고정되며, 그에 따라 전기 가열 관(200)은, 유체의 유동 방향에 평행한 방향으로, 유동 채널의 내부 벽에 고정된다. 2개의 전극(204)은 금속 외부 관(201)의 2개의 단부에 각각 제공된다. 전극(204)의 외부 주변부가 나사산을 구비하여, 전극(204)이 전기 연결기(100)에 연결될 수 있게 한다.
도 15는 전기 연결기(100)와 전기 가열 관(200)의 전극(204) 사이의 연결 방식을 도시한다. 전극(204)은 전기 연결기(100)의 제1 연결 부분(120) 내에 제공된 연결 홀(121) 또는 제2 연결 부분(130) 내에 제공된 연결 홀(131)을 통과하고, 전극(204)은 너트에 의해서 전기 연결기(100)에 고정된다. 전기 연결기(100)와 금속 외부 관(201) 사이의 전기 절연을 성취하기 위해서, 절연 세라믹 헤드(205)가 전기 가열 관(200)의 전극(204)과 금속 외부 관(201)의 단부 사이에 더 제공된다.
도 17은 유동 채널(300) 내에 배열된 전기 가열 관(200) 및 전기 연결기(100)의 평면 전개 구조를 도시한다. 도면에서, g는, 전기 가열 관(200)을 길이방향으로 통과하는 유체의 유동 방향과 일치되는, 하향 중력을 나타내고, 전기 가열기의 전극 및 그 전기 연결기는 전기 가열 관의 나선형 핀의 상류에 위치된다. 도면에 도시된 바와 같이, 예로서 6개의 전기 가열 관(200)을 취하는 것에 의해서, 6개의 전기 가열 관(200)은 원주방향으로 유체 유동 채널(300) 내에 균일하게 분포된다. 유체 열교환 시스템에서, 전기 에너지 부하로서의 6개의 전기 가열 관(200)에 예를 들어 분할-위상 전원에 의해서 공급이 이루어질 수 있고, 분할 위상은 위상 A(즉, 위상 U), 위상 B(즉, 위상 V) 및 위상 C(즉, 위상 W)이다. 도면에 도시된 바와 같이, 2개의 전기 가열 관(200)은 위상 A와 중립 와이어(N) 사이에 전기적으로 연결되고, 2개의 전기 가열 관(200)은 전원 위상 와이어(A1)와 중립 와이어(N) 사이에 그리고 전원 위상 와이어(A2)와 중립 와이어(N) 사이에 각각 연결된다. 2개의 전기 가열 관(200)은 위상 B와 중립 와이어(N) 사이에 전기적으로 연결되고, 2개의 전기 가열 관(200)은 전원 위상 와이어(B1)와 중립 와이어(N) 사이에 그리고 전원 위상 와이어(B2)와 중립 와이어(N) 사이에 각각 연결된다. 2개의 전기 가열 관(200)은 위상 C와 중립 와이어(N) 사이에 전기적으로 연결되고, 2개의 전기 가열 관(200)은 전원 위상 와이어(C1)와 중립 와이어(N) 사이에 그리고 전원 위상 와이어(C2)와 중립 와이어(N) 사이에 각각 도입된다. 대안적으로, 다른 수의 전기 가열 관이 위상 A, 위상 B, 위상 C, 및 중립 와이어(N) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 3-위상 전원 방식에 더하여, 다른 분할-위상 전원 방식이 이용될 수 있다. 전기 연결기(100)가 유체의 유동 방향으로 전기 가열 관(200)에 대해서 상류에 위치되도록, 전기 가열 관(200)의 전극이 상향 배열된다. 대안적으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 전기 연결기(100)가 유체의 유동 방향으로 전기 가열 관(200)에 대해서 하류에 위치되도록, 전기 가열 관(200)의 전극이 모두 하향 배열된다. 전기 연결기의 폭은 전기 연결기의 두께보다 넓고, 전기 연결기는 전기 가열 관의 나선형 핀 하류의 리 측(lee side)(바람이 불어가는 쪽의 옆쪽)에 위치된다. 예로서 도 17의 U-위상 부하를 취하는 것에 의해서, 2개의 전기 가열 관이 서로 병렬로 연결되고, 즉, 2개의 전기 가열 관의 위상 와이어들이 전기 연결기(100)에 의해서 연결되고, 2개의 전기 가열 관의 중립 와이어들은 전기 연결기(100)에 의해서 연결된다. 2개의 인접한 전기 연결기들(100)이 서로 이격된다. 대안적으로, 동일 위상 부하의 전기 연결기(100)가 전기 연결기(100)에 의해서 추가적으로 직렬로 연결되거나 병렬-직렬 연결될 수 있다.
본원에 따른 전기 연결기(100) 및 유체 상태 테스트 장치의 이용에 의해서, 유체의 유동 상태가 획득, 측정 및 모니터링될 수 있고, 따라서 유체의 상태가 조정될 수 있다. 일 양태에서, 전기 연결기(100) 상에 제공된 총압 획득 부분(140) 및 정압 획득 부분(150)에 의해서, 전기 연결기(100)의 특정 측정 위치를 통해서 유동되는 유체의 압력이 수집될 수 있고; 측정 위치에서의 유체의 유속이, 유체에 의해서 전기 연결기(100) 상에 인가되는 동압을 기초로, 즉 총압과 정압 사이의 차이를 기초로 획득될 수 있다. 유체 열교환 시스템에서, 유체의 유속은 전기 연결기(100)와 유체 사이의 열교환 효율에 영향을 미치는 중요 인자이다. 만약 유속이 너무 빠르다면, 일 양태에서, 전기 연결기(100) 상에 충격이 유발될 수 있고, 유체의 유동 방향의 진동이 유발될 수 있으며, 결과적으로 전기 가열 관의 전극의 피로 고장을 초래할 수 있고, 다른 양태에서, 압력 손실이 증가될 수 있고, 그에 따라 열교환 효과를 직접적으로 모두 약화시킬 수 있다. 다른 양태에서, 전기 연결기(100) 상에 제공된 배압 획득 부분(210)에 의해서, 유체에 대한 전기 연결기(100)의 저항 계수가 얻어질 수 있고, 그러한 저항 계수를 기초로, 직사각형 횡단면을 가지는 전기 연결기의 피쳐 크기가 최적으로 설계되고, 그에 따라 저항을 감소시키고 길이방향 진동을 약화시키는 효과가 성취된다.
본원에 따른 전기 연결기(100) 및 유체 상태 테스트 장치는 유체의 유속을 측정 및 모니터링하도록, 그에 따라 열교환 효율을 개선하고 전극 손상 방지를 보장하는 범위 내에서 유체의 유속을 제어하도록, 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기 연결기(100)의 측방향 진동은 전기 연결기(100)에 연결된 전기 가열 관의 전극의 피로 고장의 주요 원인이다. 전기 연결기(100)의 2개의 측면 상에 제공된 온도 감지 요소에 의해서, 본원의 이러한 실시예의 전기 연결기(100)가 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수를 측정하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 전기 연결기(100)의 측방향 진동 주파수는, 전기 가열 관의 전극에 부정적으로 영향을 미치지 않을 수 있는 범위 내에서 측방향 진동 주파수를 제어하기 위해서 유체의 유동 상태를 제어하는 것에 의해서 조정될 수 있다. 또한, 진동 주파수의 그러한 획득이 절연 세라믹 헤드의 절연된 고정 방식 및 인출 전극을 케이싱에 고정하는 절연 고정 방식을 위한 가치 있는 피로 테스트 기초를 제공할 수 있기 때문에, 테스트 방법이 본원의 실시예에 따른 전기 연결기(100)를 이용하여 실시될 수 있다. 전기 가열 관이 위치되는 실제 환경을 시뮬레이트하는 것에 의해서 그리고 속력 조절기로 유체의 전달 속력을 변화시키는 것에 의해서, 특정 스케일에서 상이한 폭 및 상이한 두께 또는 다른 비-원형 구조를 가지는 전기 연결기의, 상이한 유속들에서 발생되는 카르만 와류열에 의해서 유발되는, 유체의 유동 방향에 수직인 측방향 진동의 주파수가 얻어지고, 추가적으로 유체 유동-유도 진동의 법칙이 얻어진다. 테스트 방법을 기초로, 유체의 유동 상태, 전기 연결기의 구조 및 기타가 미리-설계되고, 그에 따라 유동 필드에 미치는 전기 연결기의 고주파 진동의 파괴적 영향을 방지한다.
비록 본원이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본원은 전술한 실시예의 구성 및 방법으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 대조적으로, 본원은 여러 수정예 및 균등한 구성을 포함하도록 의도된다. 또한, 비록 개시된 본원의 여러 요소 및 방법 단계가 여러 가지 예시적인 조합 및 구성으로 제시되었지만, 더 많거나 적은 요소 또는 방법을 포함하는 다른 조합이 또한 본원의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.
100. 전기 연결기 110. 주 본체 부분
111. 상류 측면 112. 제1 측면
113. 제2 측면
114. 제1 온도 감지 요소 설치 함몰부
115. 제2 온도 감지 요소 설치 함몰부
116. 하류 측면 120. 제1 연결 부분
121. 연결 홀 122. 연결 표면
123. 연결 표면 130. 제2 연결 부분
140. 총압 획득 부분 141. 총압 측정 홀
142. 총압 전달 채널 143. 총압 출력 포트
150. 정압 획득 부분 151. 정압 측정 홀
152. 정압 전달 채널 153. 정압 출력 포트
160. 비틀림 부분 170. 비틀림 부분
180. 제1 압력 측정 부분 181. 제1 온도 감지 요소
182. 제2 온도 감지 요소 190. 주파수 계산 유닛
191. 제1 브리지 저항기 192. 제2 브리지 저항기
193. 일정 전류 공급원 194. 전원
195. 증폭기 196. 필터
197. 플립-플롭 198. 변환기
200. 전기 가열 관 201. 금속 외부 관
202. 저항 와이어 203. 충진재
204. 전극 205. 절연 세라믹 헤드
206. 나선형 핀 210. 배압 획득 부분
211. 배압 측정 홀 212. 배압 전달 채널
213. 배압 출력 포트 220. 나선형 와이어
230. 제2 압력 측정 부분 240. 저항 계수 계산 유닛
241. 배율기 242. 배율기
243. 분할기 300. 유체 채널
301. 고정 단부 400. 전기 연결기
410. 주 본체 부분 420. 제1 연결 부분
430. 제2 연결 부분

Claims (51)

  1. 유동 채널 내의 유체의 상태를 측정하도록 구성된 전기 연결기(100, 400)이며:
    주 본체 부분(110, 410),
    연결 부분(120, 130; 420, 430),
    제1 온도 감지 요소(181), 및
    제2 온도 감지 요소(182)를 포함하고,
    연결 부분(120, 130; 420, 430)은 유체 채널 내에 제공된 피대전 요소에 주 본체 부분(110, 410)이 전기적으로 연결될 수 있게 하고; 그리고
    주 본체 부분(110, 410)은, 유체의 유동 방향으로 평행한 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)을 포함하고, 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)는 전기 절연된 방식으로 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상의 대향 위치들에 각각 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  2. 제1항에 있어서,
    제1 온도 감지 요소(181)의 외부 표면이 제1 측면(112)과 같은 높이이고, 제2 온도 감지 요소(182)의 외부 표면이 제2 측면(113)과 같은 높이이며, 제1 온도 감지 요소(181)의 외부 표면은 제1 측면(112)과 동일한 표면 구조를 가지고, 제2 온도 감지 요소(182)의 외부 표면은 제2 측면(113)과 동일한 표면 구조를 가지는, 전기 연결기(100, 400).
  3. 제1항에 있어서,
    제1 온도 감지 요소 설치 함몰부(114) 및 제2 온도 감지 요소 설치 함몰부(115)가 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 내에 각각 제공되고, 제1 온도 감지 요소 설치 함몰부(114)의 표면 및 제2 온도 감지 요소 설치 함몰부(115)의 표면의 각각이 전기 절연 층을 구비하는, 전기 연결기(100, 400).
  4. 제1항에 있어서,
    제1 측면(112) 및 제2 측면(113)이 서로 평행한, 전기 연결기(100, 400).
  5. 제4항에 있어서,
    제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 모두가 편평한 표면 또는 곡선형 표면인, 전기 연결기(100, 400).
  6. 제1항에 있어서,
    유체의 유동 방향에 평행한 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 크기는 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 크기보다 큰, 전기 연결기(100, 400).
  7. 제6항에 있어서,
    유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 횡단면은 직사각형이고, 주 본체 부분(110, 410)의 폭 대 두께 비가 4보다 큰, 전기 연결기(100, 400).
  8. 제1항에 있어서,
    유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 각각의 연결 부분(120, 130; 420, 430)의 크기가 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 크기보다 큰, 전기 연결기(100, 400).
  9. 제8항에 있어서,
    연결 부분(120, 130; 420, 430)이 주 본체 부분(110, 410)의 단부들에 위치되고, 비틀림 부분(160, 170)이 연결 부분(120, 130; 420, 430)의 각각과 주 본체 부분(110, 410) 사이에 제공되어 연결 부분(120, 130; 420, 430)이 주 본체 부분(110, 410)에 대해서 특정 각도만큼 비틀릴 수 있게 하는, 전기 연결기(100, 400).
  10. 제9항에 있어서,
    연결 부분(120, 130; 420, 430)의 각각이 주 본체 부분(110, 410)에 대해서 90도만큼 비틀리는, 전기 연결기(100, 400).
  11. 제1항에 있어서,
    총압 획득 부분(140) 및 정압 획득 부분(150)을 더 포함하고, 총압 획득 부분(140)은 주 본체 부분(110, 410)의, 유체의 유동 방향에 대면되는, 제1 부분 내에 제공되는 총압 측정 홀(141)을 포함하고, 정압 획득 부분(150)은 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 중 적어도 하나 내에 제공된 정압 측정 홀(151)을 포함하는, 전기 연결기(100, 400).
  12. 제11항에 있어서,
    주 본체 부분(110, 410)은 유체의 유동 방향에 대면되는 상류 측면(111)을 포함하고, 제1 부분은 상류 측면(111) 상에 위치되는, 전기 연결기(100, 400).
  13. 제12항에 있어서,
    상류 측면(111)이 편평한 표면 또는 곡선형 표면인, 전기 연결기(100, 400).
  14. 제11항에 있어서,
    제1 부분이 위치되는 표면이 유체의 유동 방향에 수직인, 전기 연결기(100, 400).
  15. 제11항에 있어서,
    총압 측정 홀(141)의 축방향이 유체의 유동 방향에 평행한, 전기 연결기(100, 400).
  16. 제15항에 있어서,
    총압 측정 홀(141)의 축방향이 정압 측정 홀(151)의 축방향과 수직으로 교차되는, 전기 연결기(100, 400).
  17. 제12항에 있어서,
    총압 측정 홀(141)이 상류 측면(111)의 중앙 위치에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  18. 제11항에 있어서,
    총압 획득 부분(140)은 총압 출력 포트(143) 및 총압 전달 채널(142)을 더 포함하고,
    총압 출력 포트(143)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 총압 측정 홀(141)이 총압 출력 포트(143)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    총압 출력 포트(143)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 총압 측정 홀(141)이 총압 출력 포트(143)와 연통될 수 있게 하는, 전기 연결기(100, 400).
  19. 제18항에 있어서,
    총압 출력 포트(143)가 연결 부분(120, 130; 420, 430)의 표면 내에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  20. 제11항에 있어서,
    정압 획득 부분(150)은 정압 출력 포트(153) 및 정압 전달 채널(152)을 더 포함하고,
    정압 출력 포트(153)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 정압 측정 홀(151)이 정압 출력 포트(153)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    정압 출력 포트(153)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 정압 측정 홀(151)이 정압 출력 포트(153)와 연통될 수 있게 하는, 전기 연결기(100, 400).
  21. 제20항에 있어서,
    정압 출력 포트(153)가 연결 부분(120, 130; 420, 430)의 표면 내에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  22. 제11항에 있어서,
    배압 획득 부분(210)을 더 포함하고, 배압 획득 부분(210)은 배압 측정 홀(211)을 포함하고, 배압 측정 홀(211)은 주 본체 부분(110, 410)의, 유체의 유동 방향으로부터 먼 쪽의, 제2 부분 내에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  23. 제22항에 있어서,
    주 본체 부분(110, 410)은 유체의 유동 방향으로부터 먼 쪽의 하류 측면(116)을 포함하고, 제2 부분은 하류 측면(116) 상에 위치되는, 전기 연결기(100, 400).
  24. 제22항에 있어서,
    배압 획득 부분(210)은 배압 출력 포트(213) 및 배압 전달 채널(212)을 더 포함하고,
    배압 출력 포트(213)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(152)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 배압 측정 홀(211)이 배압 출력 포트(213)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    배압 출력 포트(213)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(152)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 배압 측정 홀(211)이 배압 출력 포트(213)와 연통될 수 있게 하는, 전기 연결기(100, 400).
  25. 제1항에 있어서,
    나선형 돌출부가 주 본체 부분(110, 410)의 외부 표면 상에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  26. 제22항에 있어서,
    나선형 돌출부가 주 본체 부분(110, 410)의 외부 표면 상에 제공되는, 전기 연결기(100, 400).
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    나선형 돌출부가 주 본체 부분(110, 410)의 외부 표면 주위에 권선된 나선형 와이어(220)이거나, 나선형 돌출부가 주 본체 부분(110, 410)의 외부 표면 상에 코팅된 코팅에 의해서 일체로 형성되는, 전기 연결기(100, 400).
  28. 제26항에 있어서,
    나선형 돌출부는, 총압 측정 홀(141), 정압 측정 홀(151) 및 배압 측정 홀(211) 중 적어도 하나가 위치되는 영역으로부터 먼 쪽에 있는, 전기 연결기(100, 400).
  29. 유체 상태 테스트 장치이며:
    전기 연결기(100, 400)로서:
    유체의 유동 방향에 평행한 제1 측면(112) 및 제2 측면(113)을 포함하는 주 본체 부분(110, 410);
    유체 채널 내에 제공된 피대전 요소에 주 본체 부분(110, 410)이 전기적으로 연결될 수 있게 하는 연결 부분(120,130; 420,430); 및
    전기 절연 방식으로 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 상의 상호 대향 위치들에 각각 제공되는 제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182)를 포함하는, 전기 연결기(100, 400); 및
    제1 온도 감지 요소(181) 및 제2 온도 감지 요소(182) 각각의 측정 값의 교번적인 변화를 기초로, 유체의 유동 방향에 수직인 방향으로 유체에 의해서 전기 연결기(100, 400)에 인가되는 교번적인 힘의 주파수를 계산하도록 구성된, 주파수 계산 유닛(190)을 포함하는, 유체 상태 테스트 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    주파수 계산 유닛(190)이 오실로스코프인, 유체 상태 테스트 장치.
  31. 제29항에 있어서,
    주파수 계산 유닛(190)은 제1 브리지 저항기(191), 제2 브리지 저항기(192), 직류 전원 및 계산 회로를 포함하고;
    제1 온도 감지 요소(181), 제1 브리지 저항기(191), 제2 브리지 저항기(192) 및 제2 온도 감지 요소(182)가 전기적으로 연결되어 회로를 형성하고, 제1 온도 감지 요소(181)와 제2 온도 감지 요소(182) 사이의 노드 및 제1 브리지 저항기(191)와 제2 브리지 저항기(192) 사이의 노드가 직류 전원의 2개의 전극에 각각 연결되고; 그리고
    제1 온도 감지 요소(181)와 제1 브리지 저항기(191) 사이의 노드와 제2 온도 감지 요소(182)와 제2 브리지 저항기(192) 사이의 노드 사이의 출력 전압의 교번적인 변화를 기초로 교변적인 힘의 주파수를 계산하도록, 계산 회로가 구성되는, 유체 상태 테스트 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    계산 회로는 증폭기(195), 필터(196) 및 플립-플롭(197)을 포함하고, 증폭기(195), 필터(196) 및 플립-플롭(197)은 순서대로 연결되고, 출력 전압이 증폭기(195)에 출력되고, 플립-플롭(197)은 교번적인 힘의 주파수를 나타내는 펄스 신호를 출력하도록 구성되는, 유체 상태 테스트 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    계산 회로는 변환기(198)를 더 포함하고, 변환기(198)는 플립-플롭(197)의 출력 단부에 연결되어, 변환기(198)가 교번적인 힘의 주파수를 나타내는 아날로그 신호를 출력할 수 있게 하는, 유체 상태 테스트 장치.
  34. 제29항에 있어서,
    전기 연결기(100, 400)는 총압 획득 부분(140) 및 정압 획득 부분(150)을 더 포함하고, 총압 획득 부분(140)은 주 본체 부분(110, 410)의, 유체의 유동 방향에 대면되는, 제1 부분 내에 제공되는 총압 측정 홀(141)을 포함하고, 정압 획득 부분(150)은 제1 측면(112) 및 제2 측면(113) 중 적어도 하나 내에 제공된 정압 측정 홀(151)을 포함하는, 유체 상태 테스트 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    제1 압력 측정 부분(180)을 더 포함하고, 제1 압력 측정 부분(180)은 총압 측정 홀(141) 및 정압 측정 홀(151)에 각각 연결되어 유체의 압력 상태를 측정하는, 유체 상태 테스트 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    주 본체 부분(110, 410)은 유체의 유동 방향에 대면되는 상류 측면(111)을 포함하고, 제1 부분은 상류 측면(111) 상에 위치되는, 유체 상태 테스트 장치.
  37. 제29항에 있어서,
    유체의 유동 방향에 평행한 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 크기는 유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 크기보다 큰, 유체 상태 테스트 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    유체의 유동 방향에 수직인 방향을 따른 주 본체 부분(110, 410)의 횡단면은 직사각형이고, 주 본체 부분(110, 410)의 폭 대 두께 비가 4보다 큰, 유체 상태 테스트 장치.
  39. 제29항에 있어서,
    연결 부분(120, 130; 420, 430)이 주 본체 부분(110, 410)의 단부들에 위치되고, 비틀림 부분(160, 170)이 연결 부분(120, 130; 420, 430)과 주 본체 부분(110, 410) 사이에 제공되어 연결 부분(120, 130; 420, 430)이 주 본체 부분(110, 410)에 대해서 특정 각도만큼 비틀릴 수 있게 하는, 유체 상태 테스트 장치.
  40. 제34항에 있어서,
    총압 측정 홀(141)의 축방향이 유체의 유동 방향에 평행한, 유체 상태 테스트 장치.
  41. 제40항에 있어서,
    총압 측정 홀(141)의 축방향은 정압 측정 홀(151)의 축방향과 수직으로 교차되도록 구성되는, 유체 상태 테스트 장치.
  42. 제34항에 있어서,
    총압 획득 부분(140)은 총압 출력 포트(143) 및 총압 전달 채널(142)을 더 포함하고,
    총압 출력 포트(143)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 총압 측정 홀(141)이 총압 출력 포트(143)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    총압 출력 포트(143)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 총압 전달 채널(142)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 총압 측정 홀(141)이 총압 출력 포트(143)와 연통될 수 있게 하는, 유체 상태 테스트 장치.
  43. 제34항에 있어서,
    정압 획득 부분(150)은 정압 출력 포트(153) 및 정압 전달 채널(152)을 더 포함하고,
    정압 출력 포트(153)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 정압 측정 홀(151)이 정압 출력 포트(153)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    정압 출력 포트(153)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 정압 전달 채널(152)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 정압 측정 홀(151)이 정압 출력 포트(153)와 연통될 수 있게 하는, 유체 상태 테스트 장치.
  44. 제35항에 있어서,
    제1 압력 측정 부분(180)이 제1 센서 및 제2 센서를 포함하고, 제1 센서는 총압 출력 포트(143)에 연결되고, 제2 센서는 정압 출력 포트(153)에 연결되는, 유체 상태 테스트 장치.
  45. 제35항에 있어서,
    제1 압력 측정 부분(180)은 압력 전달 채널 및 차압 센서를 포함하고, 차압 센서는 압력 전달 채널을 통해서 총압 출력 포트(143) 및 정압 출력 포트(153)와 각각 연통되는, 유체 상태 테스트 장치.
  46. 제35항에 있어서,
    유속 계산 유닛을 더 포함하고, 유속 계산 유닛은, 제1 압력 측정 부분(180)을 통해서 얻어진 총압 측정 홀(141)에서의 유체의 동압을 기초로, 전기 연결기(100, 400)의 상류에 위치되는 유체의 유속을 계산하도록 구성되는, 유체 상태 테스트 장치.
  47. 제34항에 있어서,
    전기 연결기(100, 400)는 배압 획득 부분(210)을 더 포함하고, 배압 획득 부분(210)은 배압 측정 홀(211)을 포함하고, 배압 측정 홀(211)은 주 본체 부분(110, 410)의, 유체의 유동 방향으로부터 먼 쪽의, 제2 부분 내에 제공되는, 유체 상태 테스트 장치.
  48. 제47항에 있어서,
    배압 획득 부분(210)은 배압 출력 포트(213) 및 배압 전달 채널(212)을 더 포함하고,
    배압 출력 포트(213)는 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(152)이 또한 주 본체 부분(110, 410) 내에 제공되어 배압 측정 홀(211)이 배압 출력 포트(213)와 연통될 수 있게 하거나, 또는,
    배압 출력 포트(213)는 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되고, 배압 전달 채널(152)이 주 본체 부분(110, 410) 및 연결 부분(120, 130; 420, 430) 내에 제공되어 배압 측정 홀(211)이 배압 출력 포트(213)와 연통될 수 있게 하는, 유체 상태 테스트 장치.
  49. 제29항에 있어서,
    제2 압력 측정 부분(230)을 더 포함하고, 제2 압력 측정 부분(230)은 총압 측정 홀(141) 및 배압 측정 홀(211)에 각각 연결되어 유체의 압력 상태를 측정하는, 유체 상태 테스트 장치.
  50. 유체 열교환 시스템이며:
    유체가 통과 유동되는 유동 채널(300);
    유동 채널 내에 고정된 피대전 요소로서, 피대전 요소는 전기 가열 요소이고, 전기 가열 요소는 가열 본체 및 가열 본체의 단부에 위치되는 전극(204)을 포함하는, 피대전 요소; 및
    제29항 내지 제49항 중 어느 한 항에 따른 유체 상태 테스트 장치를 포함하고;
    전기 연결기(100, 400)는 전기 가열 요소의 전극(204)에 연결되는, 유체 열교환 시스템.
  51. 제50항에 있어서,
    전기 가열 요소가 전기 가열 관(200)인, 유체 열교환 시스템.
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