KR102546456B1 - 오손 및/또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체 및 방법, 및 오손 및/또는 침식을 모니터링하는 기계 - Google Patents

오손 및/또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체 및 방법, 및 오손 및/또는 침식을 모니터링하는 기계 Download PDF

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Abstract

센서 배열체(200)는 기계에서의 오손 및/또는 침식을 측정하는 데 사용될 수 있다. 제1 압전 변환기(210), 제1 플레이트(230) 및 궁극적으로 제1 지지 부재(230)가 제1 진동 질량체(210+220+230)를 형성한다. 제1 압전 변환기(210)를 전기적으로 자극한 후에, 제1 진동 질량체(210+220+230)는 기계적으로 진동하기 시작하고, 결과적으로 제1 압전 변환기(210)는 전기 공진 진동을 발생시키며; 전기 공진 진동은 제1 진동 질량체(210+220+230)의 질량에 의존하는 공진 진동수로 행해진다. 제1 진동 질량체(210+220+230)의 질량이, 예컨대 기계 내에서의 작동 유체의 유동에 의한 오손 및/또는 침식으로 인해 변화하는 경우, 전기 공진 진동 진동수도 변화하며; 기계 내에서의 작동 유체의 유동에 노출되지 않는 제2 진동 질량체(340+350+360)의 진동 진동수와의 비교에 의해, 그러한 진동 진동수 변화가 측정될 수 있고, 대응하는 질량 변화가 결정될 수 있다.

Description

오손 및/또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체 및 방법, 및 오손 및/또는 침식을 모니터링하는 기계
설명
기술분야
본 명세서에 개시된 요지는 오손(fouling) 및/또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체(sensor arrangement) 및 방법, 및 오손 및/또는 침식이 모니터링되는 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 기계는 그의 작동 동안 오손 및/또는 침식을 받는다.
이는 터보기계, 특히 일단(single-stage) 또는 다단(multi-stage) 원심 압축기의 경우 특히 그러하며, 여기에서 작동 동안의 오손 및/또는 침식은 기계의 내부 유동 경로 내에서의 작동 유체의 유동에 적어도 부분적으로 기인한다. 오손 및 침식 둘 모두는 유동하는 작동 유체에 의해 운반되는 물질에 기인하며; 유동 속도가 낮은 경우, 침식도 낮고; 유동 속도가 감소하는 경우, 오물(dirt)이 더 많이 침착되는 경향이 있다.
(기계의 하나 이상의 내부 장소에서의) 오손이 과도한 수준에 도달할 때, 기계는 정지, 세정 및 재시작되어야 하며; 실제로, 기계 내측의 오손은, 예를 들어 기계의 효율의 손실을 야기할 수 있다. 세정은, 흔히, 기계를 분해하는 것을 필요로 하며, 이는 복잡하고 시간 소모적이며, 그에 따라 비용이 많이 든다. 따라서, 적어도 이상적으로는, 그러한 유지보수 작업은 필요할 때 항상 수행되어야 하지만, 바람직하게는 필요할 때에만 수행되어야 한다.
(기계의 하나 이상의 구성요소의) 침식이 과도한 수준에 도달할 때, 기계는 정지, 수리 및 재시작되어야 하며; 실제로, 침식된 구성요소가 파손될 경우, 기계에 대한 큰 손상이 발생할 수 있고; 어떤 경우든, 기계 내측의 침식은, 예를 들어 기계의 효율의 손실을 야기할 수 있다. 수리하는 것은, 항상, 기계를 분해하는 것을 필요로 하며, 이는 복잡하고 시간 소모적이며, 그에 따라 비용이 많이 든다. 따라서, 적어도 이상적으로는, 그러한 유지보수 작업은 필요할 때 항상 수행되어야 하지만, 바람직하게는 필요할 때에만 수행되어야 한다.
따라서, 기계의 하나 이상의 내부 장소에서 오손 및/또는 침식을 모니터링하여, 그들이 과도한 것으로 간주되는 미리결정된 수준에 도달할 때 적절한 조치를 취하는 것이 바람직할 것이다.
일 태양에 따르면, 본 명세서에 개시된 요지는, 기계에서의 오손 및/또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체로서, 센서 배열체는: 제1 압전 변환기 및 제1 플레이트 - 제1 플레이트는 제1 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제1 단일 진동 질량체(vibrating mass)를 형성하고, 제1 압전 변환기는 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열됨 -; 및 제2 압전 변환기 및 제2 플레이트 - 제2 플레이트는 제2 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제2 단일 진동 질량체를 형성하고, 제2 압전 변환기는 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열됨 - 를 포함하고, 센서 배열체는, 제1 플레이트가 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체의 유동에 노출되는 한편, 제2 플레이트가 작동 유체에 노출되지만 그의 유동에는 노출되지 않도록(즉, 유체는 정지 상태이고, 유동 속도는 0임), 기계 내에 설치되게 배열되는, 센서 배열체에 관한 것이다.
다른 태양에 따르면, 본 명세서에 개시된 요지는, 기계로서, 기계는 기계의 내부 유동 경로 내에서 유동하는 작동 유체를 통해 작동하도록 배열되고, 기계는 적어도 하나의 센서 배열체를 포함하는, 기계에 관한 것이다. 센서 배열체는: 제1 압전 변환기 및 제1 플레이트 - 제1 플레이트는 제1 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제1 단일 진동 질량체를 형성하고, 제1 압전 변환기는 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열됨 -; 및 제2 압전 변환기 및 제2 플레이트 - 제2 플레이트는 제2 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제2 단일 진동 질량체를 형성하고, 제2 압전 변환기는 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열됨 - 를 포함하고, 센서 배열체는, 제1 플레이트가 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체의 유동에 노출되는 한편, 제2 플레이트가 작동 유체에 노출되지만 그의 유동에는 노출되지 않도록(즉, 유체는 정지 상태이고, 유동 속도는 0임), 기계 내에 설치되게 배열된다. 제1 플레이트는 유동 경로의 벽의 일부분을 형성한다.
또 다른 태양에 따르면, 본 명세서에 개시된 요지는, 기계의 내부 유동 경로의 벽 상에서의 오손 및/또는 침식을 측정하기 위한 방법으로서, A) 제1 압전 변환기가 제1 전기 공진 진동을 발생시키도록 제1 압전 변환기를 제1 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계 - 제1 압전 변환기는 상기 벽 내에 통합된 제1 진동 질량체의 일부임 -; B) 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수를 반복적으로 측정하는 단계; C) 제2 압전 변환기가 제2 전기 공진 진동을 발생시키도록 제2 압전 변환기를 제2 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계 - 제2 압전 변환기는 상기 제1 진동 질량체에 가깝게 그러나 상기 벽으로부터 멀리 떨어져 위치되는 제2 진동 질량체의 일부임 -; D) 상기 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수를 반복적으로 측정하는 단계; 및
E) 상기 제1 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수와 상기 제2 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수를 반복적으로 비교하는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되므로, 본 발명의 개시된 실시예 및 그의 수반되는 이점들 중 많은 것의 더 완전한 인식이 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 기계, 특히 다단 원심 압축기의 일 실시예의 개략적인 종단면도를 예시한다.
도 2는 오손 또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체의 일 실시예의 단순화된 형태의 개략적인 횡단면도를 예시한다.
도 3은 기계에서의 오손 또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체의 일 실시예의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 4는 기계에서의 오손 또는 침식을 측정하는 방법의 일 실시예의 단순화된 형태의 흐름도를 도시한다.
도 5는 기계에서의 오손 또는 침식을 측정하는 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
본 출원인은, 기계에서의 오손 및 침식이 기계 내측의 질량 변화를 암시하며; 오손의 경우에, 물질의 덩어리가 기계의 소정 장소(특히, 기계의 구성요소의 소정 장소)에 침착(즉, 추가)되고; 침식의 경우에, 물질의 덩어리가 기계의 소정 장소(특히, 기계의 구성요소의 소정 장소)로부터 제거(즉, 제감)되는 것으로 간주하였다.
따라서, 본 출원인은 이들 현상들 중 하나 이상이 발생할 가능성이 있는 기계의 하나 이상의 장소에서 질량 측정을 반복함으로써 오손 및/또는 침식을 모니터링하는 것을 생각하였다. 질량 변화가 검출되는 경우, 이는 어느 정도의 오손 또는 침식이 발생하였다는 것을 의미한다.
질량을 측정하는 다양한 접근법이 있지만, 그를 작동 기계 내측에서, 특히 기계의 작동 유체가 유동하고 있는 내부 장소에서 행하는 것은 매우 어렵다.
본 출원인은 그러한 상황에서 특히 효과적인 접근법, 즉 하기에서 간략하게 설명될 센서 배열체를 통해 수행되는 관성 저울 측정(inertial balance measurement)을 알아냈다.
압전 변환기와 플레이트는 함께 고정되어 진동 질량체를 형성한다. 압전 변환기를 전기적으로 자극한 후에, 진동 질량체는 기계적으로 진동하기 시작하고 - 이는 "고유 공진(natural resonance)"으로 불리움 -, 결과적으로 압전 변환기는 전기 공진 진동을 발생시키며; 전기 공진 진동은 "고유 공진 진동수(natural resonance frequency)"로 불리우는, 진동 질량체의 전체 질량에 의존하는 진동수로 행해진다. 예컨대 기계에서의 오손 또는 침식으로 인해 진동 질량체의 전체 질량이 변화하는 경우, 전기 진동 진동수도 변화하며, 즉 "고유 공진 진동수"가 변화하며; 그러한 진동수 변화가 측정될 수 있고, 대응하는 질량 변화가 결정될 수 있다.
위에서 설명된 원리에 따라 작동하는 센서 배열체는 기계 내측에(기계의 스테이터 구성요소 내에 또는 기계의 로터 구성요소 내에) 설치될 수 있다. 오손이 관심 대상인 경우에, 센서 배열체는, (작동 유체 유동으로 인한) 오물이 플레이트 상에 침착되고 진동 질량체의 전체 질량을 변화시키도록 위치된다. 침식이 관심 대상인 경우에, 센서 배열체는, (작동 유체 유동으로 인한) 침식이 플레이트에 작용하고 진동 질량체의 전체 질량을 변화시키도록 위치된다.
이제 본 개시의 실시예에 대한 언급이 상세히 이루어질 것이며, 그 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 예시되어 있다. 각각의 예는 본 발명의 제한이 아닌, 본 발명의 설명으로서 제공된다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 본 발명에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 전체에 걸친 "하나의 실시예" 또는 "실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "일부 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 언급하고 있는 것은 아니다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
다양한 실시예들의 요소들을 소개할 때, 관사("a", "an", "the")들 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하도록 의도된다. 용어들 "포함하는", "포괄하는" 및 "갖는"은 포괄적인 것으로 의도되며, 열거된 요소들 외에 추가적인 요소들이 있을 수 있음을 의미한다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 기계(100), 특히 다단 원심 압축기의 일 실시예의 개략적인 종단면도를 예시한다. 기계(100)는 로터(120) 및 스테이터(110)를 포함하며; 특히, 스테이터(110)는 로터(120)를 둘러싼다. 내부 유동 경로(130)가 스테이터(110)와 로터(120) 사이에 한정되고, 기계(100)의 입구(도 1의 좌측)로부터 기계(100)의 출구(도 1의 우측)까지 전개된다. 기계(100)의 작동 동안, 유동 경로(130)는, 기계(100)의 입구에서 작동 유체를 수용하고 그를 공급하며 그를 기계(130)의 출구로부터 배출하도록 배열된다. 도 1의 실시예에서, 특히 예컨대 로터(120)의 3개의 임펠러의 유동 채널 내측에서, 유동 경로(130)를 따라 유동함으로써, 작동 유체는 로터(120)의 회전을 야기한다.
유동 경로(130) 내에서의 작동 유체의 유동으로 인해, 오손 및/또는 침식이 스테이터(110) 및/또는 로터(120)의 하나 이상의 부분 상에서 발생할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 오손 및/또는 침식은, 예를 들어 제1 센서 배열체(200) 및 제2 센서 배열체(300)를 통해 모니터링된다. 일반적으로, 그러한 센서 배열체의 수는 1개에서 예컨대 100개까지 다양할 수 있다.
이들 센서 배열체는 (하기에서 더 잘 설명될 바와 같이) 유동 경로(130)에 인접하게 위치되며, 구체적으로는 센서 배열체의 일부가 유동 경로의 벽의 일부분을 형성하고; 이들 센서 배열체들 중 임의의 것이 스테이터(110) 또는 로터(120)에 장착될 수 있다. 센서 배열체(200)는 로터(120)에 장착되고, 그의 일부는 벽(132)의 일부분을 형성한다. 센서 배열체(300)는 스테이터(110)에 장착되고, 그의 일부는 벽(134)의 일부분을 형성한다. 도 1의 실시예에서, 센서 배열체는 기계(100)의 입구 영역에 위치되지만, 대안적인 실시예에서, 센서 배열체는 기계의 입구 영역 및/또는 출구 영역 및/또는 중간 영역에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
예컨대 센서 배열체(300)와 같은 센서 배열체가 기계의 스테이터에 장착되는 경우, 그를, 예를 들어 기계의 측정 또는 모니터 전자 유닛에 연결하기 위해 유선 연결이 사용된다.
예컨대 센서 배열체(200)와 같은 센서 배열체가 기계의 로터에 장착되는 경우, 그를, 예를 들어 기계의 측정 또는 모니터 전자 유닛에 연결하기 위해 무선 연결이 사용된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 무선 연결이 유선 연결보다 더 복잡하다.
이제 도 2를 참조하면, 센서 배열체(200)는 오손 또는 침식을 측정하도록 배열되고, 적어도 제1 압전 변환기(210) 및 제1 플레이트(220)를 포함하며; 제1 압전 변환기(210)와 제1 플레이트(220)는 함께 고정식으로 결합되어 제1 단일 진동 질량체를 형성한다. 도 2의 센서 배열체(200)가 도 3의 센서 배열체(300)의 단순화된 형태로 간주되어야 한다는 것에 유의하여야 하며; 하기의 설명은 도 3의 실시예를 이해하는 데 유용하다.
도 3의 실시예의 단순화된 형태인 도 2의 해법에서, 센서 배열체는 제1 지지 부재(230)를 추가로 포함하고; 제1 압전 변환기(210) 및 제1 플레이트(220)는 제1 지지 부재(230)에 고정식으로 결합되어서, 제1 압전 변환기(210), 제1 플레이트(220) 및 제1 지지 부재(230)의 조합에 의해 제1 단일 진동 질량체가 형성되게 한다. 유리하게는, 제1 압전 변환기(210)는 기계의 유동 경로(도 2의 130)로부터 멀리 떨어져 있도록 설계된 제1 지지 부재(230)의 제1 측부에 고정되고, 제1 플레이트(220)는 기계의 유동 경로(도 2의 130)에 가깝도록 설계된 제1 지지 부재(230)의 제2 측부에 고정된다.
제1 압전 변환기(210)는 센서 배열체(200)에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열되며; 예를 들어, 도 2는, 제1 압전 변환기(210)의 접점(212)에 전기적으로 연결되고 제1 압전 변환기(210)로/로부터 전기 신호를 공급하도록 배열된 전기 케이블(214)을 도시한다. 전기 케이블(214)은, 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로부터 제1 압전 변환기(210)로 자극 전기 신호를 공급하도록 배열된다. 전기 케이블(214)은, 또한, 제1 압전 변환기(210)로부터 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로 공진 진동 전기 신호를 공급하도록 배열되며; 공진 진동 전기 신호는 전기 자극, 전형적으로 이전 전기 자극의 결과이다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 센서 배열체(200)는, 제1 플레이트(220)가 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체의 유동(F)에 노출되도록, 기계 내에 설치되게 배열된다. 바람직하게는, 제1 플레이트는 유동 경로(130)의 벽(132)의 일부분을 형성하고; 바람직하게는, 센서 배열체(200)의 설치 직후에(즉, 임의의 오손 및/또는 침식 전에), 제1 플레이트(220)의 표면이 벽(132)의 주위 표면과 정렬된다.
센서 배열체(200)는 벽(132)의 리세스(recess)(133) 내측에 위치되고, 벽(132)에 고정된다. 도 2의 해법에 따르면, 환형 부재(280)가 센서 배열체(200)를 벽(132)에 고정시키기 위해 사용되며; 예를 들어, 제1 지지 부재(230)의 주연부가 환형 부재(280)에 의해 유지되고, 환형 부재(280)는 벽(132)의 구멍 내에 나사결합되거나 끼워맞춤된다.
도 2에 상세히 도시된 바와 같은 센서 배열체(200)는 기계(100)의 내부 유동 경로의 벽 상에서의 오손 또는 침식을 측정하는 데 사용된다. 도 2에 도시된 해법은, 또한, 부식을 측정하는 데 사용될 수 있지만; 이 경우에, 엄밀히는, 도 3의 실시예의 단순화된 형태는 아니다. 도 1에서, 센서 배열체(200)는 로터 벽에 장착되지만, 유사한 센서 배열체가 대안적으로 스테이터 벽에 장착될 수 있다.
센서 배열체(200) 또는 유사한 센서 배열체에 기초하여 오손 또는 침식을 측정하기 위한 방법의 일 실시예의 단순화된 형태, 즉 도 5의 실시예의 단순화된 형태가 도 4의 흐름도(400)를 참조하여 하기에서 설명될 것이다.
흐름도(400)는 시작 단계(410) 및 종료 단계(490)를 포함한다.
흐름도(400)에 따른 방법은, 적어도 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 2의 제1 압전 변환기(210))와 제1 플레이트(예를 들어, 도 2의 제1 플레이트(220))의 조립체에 의해 형성된 제1 단일 진동 질량체를 위치시키는 예비 단계(420) - 제1 플레이트는 유동 경로 벽의 일부분을 형성함 - 를 포함한다.
게다가, 흐름도(400)에 따른 방법은:
A) 단계(430): 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 2의 제1 압전 변환기(210))가 제1 전기 공진 진동을 발생시키도록 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 2의 제1 압전 변환기(210))를 제1 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계; 및
B) 단계(440): 상기 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수("제1 공진 진동수"로 불리울 수 있음)를 반복적으로 측정하는 단계를 추가로 포함한다.
단계(430, 440)에서 언급된 반복은 도 4의 흐름도(400)의 루프(L1)에 대응한다. 이러한 루프는, 오손 및 침식이 상당히 느리게 진행됨에 따라, 바람직하게는 1시간 초과 및 바람직하게는 1일 미만의 주기로 반복될 수 있으며; 반복의 주기가 엄격히 일정할 필요는 없으며, 예를 들어 최대 10% 또는 20%(또는 심지어 그 초과)의 변화가 허용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
단계(420)는 기계(100)를 조립할 때 수행되는 한편, 단계(430, 440)는 기계(100)의 작동 동안 수행되며, 즉 그들은 측정 공정의 일부라는 것에 유의하여야 한다. 루프(L1)는 기계(100)의 시동으로부터 기계(100)의 정지까지 연속적으로 반복될 수 있으며; 따라서, 유리하게는, 루프(L1)는 기계(100)가 작동하지 않을 때 중단된다.
바람직하게는, 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수는 20 ㎑ 초과이다.
단계(430, 440)는, 예를 들어 어떠한 도면에도 도시되어 있지 않고 센서 배열체(200)의 전기 케이블(214)에 전기적으로 연결될 수 있는 기계(100)의 측정 또는 모니터 전자 유닛에 의해 수행될 수 있다.
위에서 언급된 측정 또는 모니터 전자 유닛은 수행된 진동수 측정을 처리할 수 있다. 예를 들어, 그가 진동수 측정을 할 때마다, 그는 측정된 값을 상한 임계값 및/또는 하한 임계값과 비교할 수 있고; 이들 임계값들 중 임의의 것을 초과하는 경우, 그는 그러한 이벤트를, 예를 들어 기계의 전자 제어 유닛으로 그리고/또는 조작자에게 시그널링(signaling)할 수 있으며; 그러한 시그널링은 전자 표시(예를 들어, 기계의 전자 제어 유닛으로 전송되는 전자 메시지) 및/또는 시각적 표시 및/또는 소리 표시일 수 있다. 진동수 측정은, 예를 들어 센서 배열체의 구성요소의 현재 온도를 고려하기 위해, 임계치 비교 또는 비교들 전에 일부 전처리를 받을 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
이제 도 3을 참조하면, 센서 배열체(300)는 오손 또는 침식을 측정하도록 배열되고, 적어도 제1 압전 변환기(310) 및 제1 플레이트(320)를 포함하며; 제1 압전 변환기(310)와 제1 플레이트(320)는 함께 고정식으로 결합되어 제1 단일 진동 질량체를 형성한다.
도 3의 실시예에서, 센서 배열체는 제1 지지 부재(330)를 추가로 포함하고; 제1 압전 변환기(310) 및 제1 플레이트(320)는 제1 지지 부재(330)에 고정식으로 결합되어서, 제1 압전 변환기(310), 제1 플레이트(320) 및 제1 지지 부재(330)의 조합에 의해 제1 단일 진동 질량체가 형성되게 한다. 유리하게는, 제1 압전 변환기(310)는 기계의 유동 경로(도 3의 130)로부터 멀리 떨어져 있도록 설계된 제1 지지 부재(330)의 제1 측부에 고정되고, 제1 플레이트(320)는 기계의 유동 경로(도 3의 130)에 가깝도록 설계된 제1 지지 부재(330)의 제2 측부에 고정된다.
제1 압전 변환기(310)는 센서 배열체(300)에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열되며; 예를 들어, 도 3은, 제1 압전 변환기(310)의 접점(312)에 전기적으로 연결되고 제1 압전 변환기(310)로/로부터 전기 신호를 공급하도록 배열된 전기 케이블(314)을 도시한다. 전기 케이블(314)은, 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로부터 제1 압전 변환기(310)로 자극 전기 신호를 공급하도록 배열된다. 전기 케이블(314)은, 또한, 제1 압전 변환기(310)로부터 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로 공진 진동 전기 신호를 공급하도록 배열되며; 공진 진동 전기 신호는 전기 자극, 전형적으로 이전 전기 자극의 결과이다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 센서 배열체(300)는, 제1 플레이트(320)가 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체 유동(F)에 노출되도록, 기계 내에 설치되게 배열된다. 바람직하게는, 제1 플레이트는 유동 경로(130)의 벽(133)의 일부분을 형성하고; 바람직하게는, 센서 배열체(300)의 설치 직후에(즉, 임의의 오손 및 침식 전에), 제1 플레이트(320)의 표면이 벽(134)의 주위 표면과 정렬된다.
센서 배열체(300)는 적어도 제2 압전 변환기(340) 및 제2 플레이트(350)를 추가로 포함하며; 제2 압전 변환기(340)와 제2 플레이트(350)는 함께 고정식으로 결합되어 제2 단일 진동 질량체를 형성한다.
도 3의 실시예에서, 센서 배열체는 제2 지지 부재(360)를 추가로 포함하고; 제2 압전 변환기(340) 및 제2 플레이트(350)는 제2 지지 부재(360)에 고정식으로 결합되어서, 제2 압전 변환기(340), 제2 플레이트(350) 및 제2 지지 부재(360)의 조합에 의해 제2 단일 진동 질량체가 형성되게 한다. 유리하게는, 제2 압전 변환기(340)는 기계의 유동 경로(도 3의 130)에 가깝도록 설계된 제2 지지 부재(360)의 제1 측부에 고정되고, 제2 플레이트(350)는 기계의 유동 경로(도 3의 130)로부터 멀리 떨어져 있도록 설계된 제2 지지 부재(360)의 제2 측부에 고정된다.
제2 압전 변환기(340)는 센서 배열체(300)에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열되며; 예를 들어, 도 3은, 제2 압전 변환기(340)의 접점(342)에 전기적으로 연결되고 제2 압전 변환기(340)로/로부터 전기 신호를 공급하도록 배열된 전기 케이블(344)을 도시한다. 전기 케이블(344)은, 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로부터 제1 압전 변환기(340)로 자극 전기 신호를 공급하도록 배열된다. 전기 케이블(344)은, 또한, 제2 압전 변환기(340)로부터 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로 공진 진동 전기 신호를 공급하도록 배열되며; 공진 진동 전기 신호는 전기 자극, 전형적으로 이전 전기 자극의 결과이다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 센서 배열체(300)는, 제2 플레이트(350)가 기계의 작동 유체(즉, 정지 상태이거나 0의 유동 속도 상태에 있음)에 노출되지만 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체의 유동(F)에는 노출되지 않도록(이는 오손 또는 침식을 받지 않아야 한다는 것을 의미함), 그리고 적어도 제1 압전 변환기(310), 제1 플레이트(320), 제2 압전 변환기(340), 및 제2 플레이트(350)가 대략 동일한 온도 및 동일한 압력에 노출되도록, 기계 내에 설치되게 배열된다. 도 3의 실시예에서, 심지어 제1 지지 부재(330) 및 제2 지지 부재(360)도 대략 동일한 온도 및 동일한 압력에 노출된다.
도 3의 실시예에 따르면, 센서 배열체(300)는 제1 공동(372)을 추가로 포함할 수 있다. 제1 단일 진동 질량체, 즉 요소들의 조합(310+320+330)은 제1 공동(372)의 제1 측부 상에 위치되는 한편, 제2 단일 진동 질량체, 즉 요소들의 조합(340+350+360)은 제1 공동(372)의 제2 측부 상에 위치되며; 제2 측부는 제1 측부와는 상이하다.
바람직하게는 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 측부는 제1 측부의 반대편에 있다. 유리하게는, 중공 분리 부재(370)가 제1 단일 진동 질량체와 제2 단일 진동 질량체 사이에 끼워맞춤되고; 부재(370)의 횡단면(도 3에 도시되지 않음)은 원 또는 다각형의 형상을 가질 수 있다.
유리하게는, 분리 벽 구성요소(도 3에 도시되지 않음)가 제1 공동(372) 내측에 위치될 수 있고; 그러한 분리 벽 구성요소는 원하지 않는, 제1 진동 질량체와 제2 진동 질량체 사이의 진동수 상호작용을 회피하거나 적어도 제한하는 것을 목적으로 한다. 그러한 분리 벽 구성요소는, 예를 들어 스테인리스 강으로 제조되고 그의 경계에서 중공 분리 부재(370)에 고정되는 디스크의 형태를 취할 수 있으며; 이러한 방식으로, 제1 공동(372)은 2개의 하위 공동으로 분할된다.
도 3의 실시예에 따르면, 센서 배열체(300)는 제2 공동(382)을 추가로 포함할 수 있다. 제2 단일 진동 질량체, 즉 요소들의 조합(340+350+360)은, 또한, 제2 공동(382)의 일 측부 상에 위치된다.
유리하게는, 제1 공동(372)은 기계의 작동 유체 유동 경로(도 3의 130)와 유체 연통하도록 배열되며; 이러한 방식으로, 특히 제2 압전 변환기(340)는 제1 압전 변환기(310)와 대략 동일한 온도 및 동일한 압력에 노출된다.
유리하게는, 제2 공동(382)은 기계의 작동 유체를 수용하도록 배열되며, 이러한 방식으로, 특히 제2 플레이트(350)는 제1 플레이트(320)와 대략 동일한 온도 및 동일한 압력에 노출된다. 도 3의 실시예에서, 작동 유체는 먼저 환형 덕트(384)(추후 설명됨)를 통과하고, 이어서 복수의 구멍 덕트(386)(추후 설명됨)를 통과한다. 작동 유체는 덕트(384) 및 덕트(386)를 통과하여 공동(382) 내로 천천히 확산되고; 이러한 방식으로, 공동(382) 내측의 작동 유체는 정지 상태(또는 거의 정지 상태)이고, 그에 따라 플레이트(350)를 침식시키지 않으며; 이러한 방식으로, 작동 유체에 의해 운반되는 오물이 (적절한 거리를 두고 있는) 덕트(384)의 벽들 상에 점진적으로 침착되고, 작동 유체가 공동(382) 내로 들어갈 때, 그는 오물이 없어서(또는 거의 없어서), 그가 플레이트(350)를 오손시키지 않게 한다는 것에 유의하여야 한다.
기계적 관점에서, 센서 배열체(300)는 기계의 유동 경로(130)의 벽(134)의 리세스(135) 내에 끼워맞춤되도록 배열되는 튜브형 쉘(380)을 포함할 수 있다. 튜브형 쉘(380)은 제1 공동(372) 및 제2 공동(382) 둘 모두를 둘러싼다. 분리 부재(370)는 제1 지지 부재(330)의 주연부 및 제2 지지 부재(360)의 주연부와 함께 튜브형 쉘(380)의 내부 환형 리세스 내로 끼워맞춤될 수 있다.
유리하게는, 튜브형 쉘(380)은 리세스(135) 내측에 끼워맞춤되도록 그의 내부 구역에서 더 큰 단면을 갖고, 리세스(135)의 내부 표면과 튜브형 쉘(380)의 외부 표면 사이에 환형 덕트(384)를 한정하도록 그의 외부 구역에서 작은 단면을 갖는다. 게다가, 이러한 경우에, 쉘(380)은, 그의 외부 구역에서, 환형 덕트(384)로부터 제2 공동(382)까지 연장되는 복수의 구멍 덕트(386)를 갖는다.
이러한 실시예에 따르면, 제2 공동(382)이 기계의 작동 유체를 수용하도록 배열됨에 따라, 예를 들어 튜브형 쉘(380)의 내부 단부에, 제2 공동(382)으로부터 액체를 배출하도록 배열되는 배출 채널(388)을 제공하는 것이 바람직하며; 그러한 액체는 작동 유체의 부분 응축에 기인할 수 있다.
이러한 실시예에 따르면, 제2 공동(382)이 기계의 작동 유체를 수용하도록 배열됨에 따라, 제2 공동(382) 내에 위치되는 그리고 예를 들어 제2 공동(382) 내의 액체가 미리결정된 양 또는 수준을 초과할 때를 검출하도록 배열되는 액체 검출기(390)를 제공하는 것이 바람직하다. 도 3은, 액체 검출기(390)에 전기적으로 연결되고 액체 검출기(390)로부터, 예컨대 측정 또는 모니터 전자 유닛으로 전기 신호를 공급하도록 배열된 전기 케이블(394)을 도시한다.
도 3에 상세히 도시된 바와 같은 센서 배열체(300)는 기계(100)의 내부 유동 경로의 벽 상에서의 오손 또는 침식을 측정하는 데 사용된다. 도 1에서, 센서 배열체(300)는 스테이터 벽에 장착되지만, 유사한 센서 배열체가 대안적으로 로터 벽에 장착될 수 있다.
센서 배열체(300) 또는 유사한 센서 배열체에 기초하여 오손 또는 침식을 측정하기 위한 방법의 일 실시예가 도 5의 흐름도(500)를 참조하여 하기에서 설명될 것이다.
이러한 실시예에 따른 방법은 이전에 설명된 방법과 상당히 유사하다. 실제로, 이전에 설명된 것은 하나의 진동 질량체를 포함하는 센서 배열체에 기초하고, 이 실시예는 2개의 진동 질량체, 즉 제1 진동 질량체 및 제2 진동 질량체를 포함하는 센서 배열체에 기초한다.
흐름도(500)는 시작 단계(510) 및 종료 단계(590)를 포함한다.
제1 진동 질량체에 관한 한, 흐름도(500)에 따른 방법은, 적어도 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제1 압전 변환기(310))와 제1 플레이트(예를 들어, 도 3의 제1 플레이트(320))의 조립체에 의해 형성된 제1 단일 진동 질량체를 위치시키는 예비 단계(520) - 제1 플레이트는 유동 경로 벽의 일부분을 형성함 - 를 포함한다.
여전히 제1 진동 질량체에 관한 한, 흐름도(500)에 따른 방법은:
A) 단계(530): 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제1 압전 변환기(310))가 제1 전기 공진 진동을 발생시키도록 제1 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제1 압전 변환기(310))를 제1 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계; 및
B) 단계(540): 상기 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수("제1 공진 진동수"로 불리울 수 있음)를 반복적으로 측정하는 단계를 추가로 포함한다.
제2 진동 질량체에 관한 한, 흐름도(500)에 따른 방법은, 적어도 제2 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제2 압전 변환기(340))와 제2 플레이트(예를 들어, 도 3의 제1 플레이트(350))의 조립체에 의해 형성된 제2 단일 진동 질량체를 위치시키는 예비 단계(550) - 제2 플레이트는 제1 플레이트에 가깝지만 유동 경로 벽으로부터 멀리 떨어져 있음 - 를 포함한다. 특히, 제1 플레이트는 기계 내에서의(즉, 기계의 유동 경로 내에서의) 작동 유체의 유동에 노출되는 한편, 제2 플레이트는 작동 유체에 노출되지만 그의 유동에는 노출되지 않는다(즉, 유체는 정지 상태이고, 유동 속도는 0임).
여전히 제2 진동 질량체에 관한 한, 흐름도(500)에 따른 방법은:
C) 단계(560): 제2 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제2 압전 변환기(340))가 제2 전기 공진 진동을 발생시키도록 제2 압전 변환기(예를 들어, 도 3의 제2 압전 변환기(340))를 제2 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계; 및
D) 단계(570): 상기 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수("제2 공진 진동수"로 불리울 수 있음)를 반복적으로 측정하는 단계를 추가로 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 위에서 언급된 단계들의 바람직한 시퀀스는 단계(520), 단계(550), 단계(530), 단계(560), 단계(540), 단계(570) 및 (아래에서 설명될) 단계(580)이다.
단계(520, 550)는 기계(100)를 조립할 때 수행되는 한편, 단계(530, 560, 540, 570)는 기계(100)의 작동 동안 수행되며, 즉 그들은 측정 공정의 일부라는 것에 유의하여야 한다.
바람직하게는, 단계(520)에서의 위치시키는 것 및 단계(550)에서의 위치시키는 것은 제1 단일 진동 질량체 및 제2 단일 진동 질량체가 동일한 온도(또는 거의 동일한 온도) 및 동일한 압력(또는 거의 동일한 압력)에 노출되는 것으로 이어진다.
유리하게는, 흐름도(500)에 따른 방법은:
E) 단계(580): 공진 진동수들, 특히 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수와 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수를 반복적으로 비교하는 단계를 추가로 포함한다.
단계(530, 560, 540, 570, 580)에서 언급된 반복은 도 5의 흐름도(500)의 루프(L2)에 대응한다. 이러한 루프는, 오손 및 침식이 상당히 느리게 진행됨에 따라, 바람직하게는 1시간 초과 및 바람직하게는 1일 미만의 주기로 반복될 수 있으며; 반복의 주기가 엄격히 일정할 필요는 없으며, 예를 들어 최대 10% 또는 20%(또는 심지어 그 초과)의 변화가 허용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
루프(L2)는 기계(100)의 시동으로부터 기계(100)의 정지까지 연속적으로 반복될 수 있으며; 따라서, 유리하게는, 루프(L2)는 기계(100)가 작동하지 않을 때 중단된다.
바람직하게는, 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수 및 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수는, 제1 진동 질량체의 질량과 제2 진동 질량체의 질량 사이의 가능한 차이로 인해 항상 동일하지는 않더라도, 20 ㎑ 초과이다.
제1 가능성에 따르면, 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수 및 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수는 제1 플레이트(예를 들어, 도 3의 제1 플레이트(320))가 오손을 갖지 않거나 침식되지 않을 때 동일하다(또는 거의 동일함). 진동수 차이가 존재하며, 오손 또는 침식 후에 측정될 수 있다.
제2 바람직한 가능성에 따르면, 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수 및 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수는 제1 플레이트(예를 들어, 도 3의 제1 플레이트(320))가 오손을 갖지 않거나 침식되지 않을 때 상이하며; 이러한 차이는 바람직하게는 500 ㎐ 초과이다. 진동수 차이는 증가하거나 감소하며, 오손 또는 침식 후에 측정될 수 있다.
단계(530, 560, 540, 570)는, 예를 들어 어떠한 도면에도 도시되어 있지 않고 센서 배열체(300)의 전기 케이블(314, 344)에 전기적으로 연결될 수 있는 기계(100)의 측정 또는 모니터 전자 유닛에 의해 수행될 수 있다.
위에서 언급된 측정 또는 모니터 전자 유닛은 수행된 진동수 측정을 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 측정된 공진 진동수들을 비교, 예를 들어 차감할 수 있다(단계(580) 참조). 예를 들어, 그가 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수와 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수 사이의 진동수 차감을 행할 때마다, 그는 차감된 값을 상한 임계값 및/또는 하한 임계값과 비교할 수 있고; 이들 임계값들 중 임의의 것을 초과하는 경우, 그는 그러한 이벤트를, 예를 들어 기계의 전자 제어 유닛으로 그리고/또는 조작자에게 시그널링할 수 있으며; 그러한 시그널링은 전자 표시(예를 들어, 기계의 전자 제어 유닛으로 전송되는 전자 메시지) 및/또는 시각적 표시 및/또는 소리 표시일 수 있다.
유리하게는, (바람직하게는 동일한 온도 및 압력에서의) 2개의 진동 질량체의 사용이 진동수 측정의 자동 보상을 허용하며; 따라서, 임계치 비교 또는 비교들 전의 일부 전처리가 불필요할 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
이미 설명된 바와 같이, 센서 배열체(200) 및 센서 배열체(300)와 동일하거나 유사한 센서 배열체가, 유리하게는, 기계, 바람직하게는 터보기계, 더 바람직하게는 일단 또는 다단 원심 압축기 내에 설치 및 사용될 수 있다.
임의의 기계는 하나 이상의 그러한 센서 배열체를 포함할 수 있다.
게다가, 그러한 기계는 측정 또는 모니터 전자 유닛을 포함할 수 있거나, 측정 또는 모니터 전자 유닛과 연관될 수 있고; 동일한 유닛이 (유선 연결 및/또는 무선 연결을 통해) 하나 이상의 그러한 센서 배열체에 연결될 수 있다.
이들 경우에, 바람직하게는, 센서 배열체의 제1 플레이트는 작동 유체가 유동하는 기계의 유동 경로의 벽의 일부분을 형성한다. 침식이 측정되거나 모니터링되는 경우, 제1 플레이트가 플레이트 재료로 제조되고, 벽이 벽 재료로 제조되며, 플레이트 재료 및 벽 재료가 동일한 재료인 것이 유리하고; 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 벽의 재료가 동일한 것이 훨씬 더 유리하다.

Claims (15)

  1. 기계에서의 오손(fouling) 또는 침식을 측정하기 위한 센서 배열체(sensor arrangement)로서,
    - 제1 압전 변환기;
    - 제1 플레이트 - 상기 제1 플레이트는 상기 제1 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제1 단일 진동 질량체(vibrating mass)를 형성함 -;
    - 제2 압전 변환기; 및
    - 제2 플레이트 - 상기 제2 플레이트는 상기 제2 압전 변환기에 고정식으로 결합되어 제2 단일 진동 질량체를 형성함 - 를 포함하며,
    상기 제1 압전 변환기는 상기 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열되고,
    상기 센서 배열체는, 상기 제1 플레이트가 상기 기계 내에서의 작동 유체의 유동에 노출되도록, 상기 기계 내에 설치되게 배열되며,
    상기 제2 압전 변환기는 상기 센서 배열체에 인가되는 전기 신호에 의해 자극되도록 배열되고,
    상기 센서 배열체는, 상기 제2 플레이트가 상기 기계의 작동 유체에는 노출되고 상기 기계 내에서의 상기 작동 유체의 유동에는 노출되지 않도록, 상기 기계 내에 설치되게 배열되며,
    상기 제2 단일 진동 질량체는 상기 제1 단일 진동 질량체와 동일하고,
    상기 센서 배열체는, 상기 제1 압전 변환기, 상기 제1 플레이트, 상기 제2 압전 변환기, 및 상기 제2 플레이트가 동일한 온도 및 동일한 압력에 노출되도록, 상기 기계 내에 설치되게 배열되는, 센서 배열체.
  2. 제1항에 있어서,
    - 제1 공동을 추가로 포함하며,
    상기 제1 단일 진동 질량체는 상기 제1 공동의 제1 측부 상에 위치되고,
    상기 제2 단일 진동 질량체는 상기 제1 공동의 제2 측부 상에 위치되며,
    상기 제2 측부는 상기 제1 측부와는 상이한, 센서 배열체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 측부는 상기 제1 측부의 반대편에 있고,
    중공 부재가 상기 제1 단일 진동 질량체와 상기 제2 단일 진동 질량체 사이에 끼워맞춤되는, 센서 배열체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    - 제2 공동을 추가로 포함하며,
    상기 제2 단일 진동 질량체는, 또한, 상기 제2 공동의 일 측부 상에 위치되고,
    상기 제2 공동은 상기 기계의 작동 유체를 수용하도록 배열되는, 센서 배열체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 공동은 상기 기계의 작동 유체 유동 경로와 유체 연통하도록 배열되는, 센서 배열체.
  6. 제4항에 있어서,
    - 배출 채널을 추가로 포함하며,
    상기 배출 채널은 상기 제2 공동에 유체 결합되고, 상기 제2 공동으로부터 액체를 배출하도록 배열되는, 센서 배열체.
  7. 제4항에 있어서,
    - 액체 검출기를 추가로 포함하며,
    상기 액체 검출기는 상기 제2 공동 내에 위치되는, 센서 배열체.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 기계의 유동 경로의 벽의 리세스(recess) 내에 끼워맞춤되도록 배열되는 튜브형 쉘을 추가로 포함하는, 센서 배열체.
  9. 기계로서, 상기 기계는 상기 기계의 내부 유동 경로 내에서 유동하는 작동 유체를 통해 작동하도록 배열되고, 상기 기계는:
    - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 센서 배열체를 포함하며,
    상기 제1 플레이트는 상기 유동 경로의 벽의 일부분을 형성하는, 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는 플레이트 재료로 제조되고,
    상기 벽은 벽 재료로 제조되며,
    상기 플레이트 재료와 상기 벽 재료는 동일한 재료인, 기계.
  11. 제9항에 있어서, 상기 기계는 터보기계인, 기계.
  12. 기계의 내부 유동 경로의 벽 상에서의 오손 또는 침식을 측정하기 위한 방법으로서,
    A) 제1 압전 변환기가 제1 전기 공진 진동을 발생시키도록 상기 제1 압전 변환기를 제1 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계 - 상기 제1 압전 변환기는 상기 벽 내에 통합된 제1 진동 질량체의 일부임 -;
    B) 상기 제1 전기 공진 진동의 공진 진동수를 반복적으로 측정하는 단계;
    C) 제2 압전 변환기가 제2 전기 공진 진동을 발생시키도록 상기 제2 압전 변환기를 제2 자극 전기 신호에 의해 반복적으로 자극하는 단계 - 상기 제2 압전 변환기는 상기 제1 진동 질량체에 가깝게 그러나 상기 벽으로부터 멀리 떨어져 위치되는 제2 진동 질량체의 일부임 -;
    D) 상기 제2 전기 공진 진동의 공진 진동수를 반복적으로 측정하는 단계; 및
    E) 상기 제1 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수와 상기 제2 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수를 반복적으로 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수는 20 ㎑ 초과인, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제2 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수는 20 ㎑ 초과인, 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수와 상기 제2 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수는 상이하고, 상기 제1 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수와 상기 제2 전기 공진 진동의 상기 공진 진동수 사이의 차이는 500 ㎐ 초과인, 방법.
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