KR19990083592A

KR19990083592A - 재료내의물의존재여부판정방법

Info

Publication number: KR19990083592A
Application number: KR1019990015380A
Authority: KR
Inventors: 크란존레이몬드; 리드클리브윌리암
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 1999-11-25
Also published as: EP0953839A1; JP2000055832A; ZA992727B; US6114863A; TW518413B; KR100730968B1

Abstract

본 발명은 재료 내에 물이 존재하는 지를 판정하는 개선된 방법에 관한 것이다. 전극 세트는 모니터링될 재료층의 표면 상에 위치되고, 그 전극 간에 전계를 설정한다. 미리 선택된 주파수에서 전계에 대한 위상각을 측정하여, 상기 절연체의 건조 부분에 대한 소정의 위상각과 비교한다. 모니터링될 재료에 대한 위상각과 소정의 위상각간의 상당한 차는 절연체 내에 물이 존재하고 있음을 나타낸다. 모니터링될 재료는 예를 들면, 수냉식 전기 발생기의 도전성 구성 소자에 대해 전기적으로 절연하는 재료일 수 있다. 또한, 이러한 방법으로 모니터링되는 전기 발생기는 본 발명의 범위 내에 있다.

Description

재료내의 물의 존재 여부 판정 방법{A METHOD FOR DETERMINING THE PRESENCE OF WATER IN MATERIALS}

본 발명은 물 검출 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 절연체, 예를 들면 전기 발생기에 사용되는 절연체 내에 물이 존재하는 지의 여부를 판정하는 방법에 관한 것이다.

물 검출 방법은 다양한 용도의 어플리케이션에 유용하다. 예를 들면, 흙과 같은 다공성 재료의 물 함량은 미국 특허 제5,442,293호에 기술된 바와 같이 전자기장을 사용하여 측정될 수 있다. 또한, 습하거나 또는 경화된 콘크리트와 같은 재료에서의 습기 함량의 판정은 때때로 건축 산업에 중요하다. 미국 특허 제3,870,951호는 이러한 용도로 사용되는 전기 측정용 프로브를 기술하고 있다.

또한, 물 검출은 수냉식 전기 발생기가 사용되는 경우 중요한 일이다. 이러한 발생기의 고정자 요크는 아마츄어 코어 주변을 에워싸고 때때로 "고정자 와인딩" 또는 "고정자 바(stator bar)"로 칭해지기도 하는 아마츄어 와인딩을 부분적으로 에워싼다. 통상적인 일례로서, 구리 도체는 보통 루프를 형성하도록 아마츄어에 감겨진다. 아마츄어 와인딩은 소망의 전압 및 전류 특성이 동작시 발생기에 의해 유지될 수 있는 방법으로 배치된다. 전류는 통상적으로 3상으로 스테이터를 통해 흐른다. 다수의 각각의 도체(때때로 "스트랜드"로 칭해지기도 함)는 냉각 시스템으로부터의 냉각수의 흐름을 가능케 하는 오목한 형태이다.

전기 절연체는 스트랜드 및 고정자 바 주변을 감싸고, 또 일부의 스트랜드를 다른 것으로부터 또는 다른 도전성 구조, 예를 들면 보통 강철로 제조되는 고정자 요크로부터 절연시키는 데 사용된다. 보통 고정자 바 주변을 감싸는 접지 벽 절연체는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 그 다양한 재료의 일례로는 유리 섬유 테이프, 진공/압력 주입용 수지, 주조용 및 포팅용 수지, 결합층의 보강용 웹으로 제조된 상이한 형태의 적층물을 들 수 있다.

운모계 절연 테이프는 여러 이유로 발생기 및 대형 모터에 종종 사용된다. 예를 들면, 이러한 형태의 재료는 높은 전기 세기에 대한 절연성 및 부분 방전에 대한 양호한 내성을 제공한다. 또한, 이러한 재료는 고온 분위기에서 잘 작동한다. 다양한 형태의 운모계 테이프는 예를 들면, 마이카펄(상표명) 테이프에 유용하다. 그것들 대부분은 수지 결합제, 예를 들면 에폭시 재료로 결합되는 운모 플레이크 또는 운모 적층물로 구성된다. 경화되기 전에, 재료는 도전성 구성 소자 주변을 감쌀 정도로 유연성이 있다. 경화되었을 때, 최종 재료는 얇고 거칠다.

전기 발생기가 동작하는 동안에 절연체의 내구성 및 보존성(integrity)은 상당히 중요하다. 고정자 바는 대형 발생기에서 매우 높은 전압, 예를 들면 10,000볼트 이상에서 동작한다. 그 전압은 접지로부터 절연되어 있다. 한 고정자 바로부터 다른 고정자 바로의 어떤 "플래시오버", 또는 다른 전기 위상으로부터 다른 전기 위상으로의 어떤 "플래시오버"는 자동적으로 발생기의 동작을 중지시키는 안정 메카니즘을 동작시킬 수 있다. 갑작스런 중지로 인해 전류 흐름(종종 2,000암페어 이상)을 즉각 접지로 향하게 할 수 있으며, 어떤 환경에서는 발생기 구성 소자의 대부분에 심한 손상을 입힐 수도 있다.

수냉식 전기 발생기를 유지시키는 것들은 이미 잘 알려져 있으며, 접지 벽 절연체로의 누수는 전기 발생기에 손상을 입힐 수 있고 궁극적으로는 전술된 대변동의 장해를 초래할 수 있다. 냉각 시스템으로부터의 누수는 고정자 와인딩 말단들간의 접합부와 물 호스 접속부의 많은 납땜 접속부 내부 또는 그 부근에서 발견된다. 누수는 예를 들면 구리 주조시의 스트레스 균열 또는 구멍(porosity), 또는 납땜 재료의 부식에 의해 다양하게 발생된다. 제이. 팀퍼레이의 "회전 기계(Rotating Machinery)", 62 PAIC 95(1995년 더블 엔지니어링 코포레이티드에 의해 출판)에 기술된 바와 같이, 물은 접지 벽 절연체와 스트랜드간의 틈을 따라 이동하기 시작하고, 접지 벽 절연체 내에서 운모 플레이크 테이프 층을 얇은 층으로 갈라지게 할 수 있다. 발생기의 장해는 물이 고전압 스트레스의 고정자 코어 부근에서 접지 벽 절연체에 침투할 때 발생할 수 있다. 누수로 인한 발생기의 온라인 장해가 드물게 발생하긴 하지만, 이러한 누수로 인한 손상은 전술된 바와 같이 극단적일 수 있다.

장해(즉, 테스트 설명에 따른)의 대부분은 발생기의 정기적인 유지 보수 및 정기적인 테스팅 동안에 종종 발생된다. 예를 들면, 고정자 물 펌프 유닛은 발생기에서 가스가 제거될 때 동작 상태로 그대로 남아 있는다. 이러한 조건하에서, 압력차로 인해 물이 누설 장소를 통해서 접지 벽 절연체로 흘러 들어간다. 통상적으로, 매우 적은 누수조차도 접지 벽 절연체에 잔존하게 되면 발생기에 해가 될 수 있다.

전기 절연체의 물을 검출하는데 현재 사용되는 기술에는 여러가지가 있다. 커패시턴스 매핑(capacitance mapping)은 다른 참조 문헌 뿐만 아니라 전술된 팀퍼레이의 문헌에도 기술되어 있는 가장 대중적인 기술이다. 이 기술의 대부분의 변화에서, 전극은 절연체와 접촉하여 DC(직류) 전위가 절연체 양단에 인가되는 경우 커패시터의 형태를 형성한다. 특정 예로서, 도전성 패드는 말단 아암 영역에서 각 고정자에 배치될 수 있고, 접지에 대한 커패시턴스를 기록하여 이웃 고정자 바로부터의 기록과 비교할 수 있다. 절연체의 유전율은 그 절연체의 물 함량에 비례하여 증가하며, 그 물 함량은 건조 절연체에 대한 기록 커패시턴스에 비해 보다 높은 커패시턴스를 초래한다. 기록 플롯이 행해질 수 있고, 일정 커패시턴스 값 또는 다른 값들(또는 평균 값으로부터)과의 편차는 플롯 값에 기초하여 장해로 나타날 수 있다.

커패시턴스 매핑이 어떤 상황에서는 유용하지만, 단점을 가지기도 한다. 기술은 특히 약10% 이상의 데이터 변동에 민감하지 못하다. 이러한 변동은 의미있는 특정 기록에 대해 상당히 큰 편차를 필요로 한다. 이러한 경우에서, 장해 임계에 관한 허용은 장해로 기록된 상당 수의 통과 가능한 절연체 부분을 초래하게 된다. 또한, 다른 고정자에 대한 절연체의 두께 변화는 물 함량이 동일하거나 또는 물이 전혀 함유되어 있지 않은 재료에 대한 커패시턴스 측정에서 측정 차를 초래하게 된다. 이러한 형태의 변화는 커패시턴스 기록의 상대적 비교를 어렵게 한다. 또한, 절연체의 구성은 커패시턴스 매핑에 역효과를 나타낸다. 이 기술은 절연체에 비교했을 때 큰 유전율을 갖는 물에 있다. 그러나, 절연체가 무기 충전제 또는 다른 구성 성분을 포함하는 경우, 절연체의 유전율은 비교 측정을 더 어렵게 하는 물의 유전율에 가까운 레벨로 증가될 수 있다.

커패시턴스 매핑에 관련된 대부분의 심각한 단점은 상기 기술이 사용될 때 발생기가 오프 라인 상태이어야 하는 데 있다. 통상적으로, 발생기는 전력 전송 시스템으로부터 분리되어야 하고, 전기 위상도 분리되어야 한다. 발생기를 오프 라인으로 하는데 요구되는 시간 및 노력은 전기를 발생하는 유틸리티 컴패니 또는 다른 엔터티에 대해 상당히 소요될 수 있다.

하나의 물 검출용 온라인 기술은 고정자 누설 모니터링 시스템(SLMS)으로서 공지되어 있다. 이러한 시스템은 공기가 들어가지 못하도록 고정자를 밀봉하고 수소로 가압하는 발생기 구성에 있다. 수소 압력은 냉각 시스템의 수압 보다 높게 유지된다. 누수의 경우, 냉각 시스템에 수소를 흐르게 하고 그 수소를 검출한다.

발생기가 동작하는 동안에 SLMS를 사용하는 것이 바람직하지만, 이러한 사용으로 약간의 단점이 수반된다. 예를 들면, 이 기술은 물의 존재를 직접 측정할 수 없다. 대신에, 어딘가에 수소 누설이 있음을 나타내는데 사용되지만, 오퍼레이터에게 누수가 발생하고 있는 곳을 알리지는 못한다. 또한, 절연체의 일부에 사실상 습기가 있거나 또는 습기가 있는 곳을 나타내지는 못한다.

절연된 전력 케이블의 물 "트리(tree)"를 검출하기 위한 직류 전류 기술 방법은, 문헌(IEEE Transactions on power Delivery, Vol. PWRD-2, No. 1, January 1987)에 에이치. 오오니치(H. Oonishi) 등에 의해 기술되어 있다. 이 방법은 절연체에 프로브(전기 측정 회로의 일부)를 삽입하는 단계를 포함한다. 프로브는 약간의 흐름의 직류를 검출할 수 있도록 설계되어, 물 트리의 존재를 나타내는데 제공된다.

DC 기술 방법이 어떤 경우에는 유용하지만, 약간의 단점을 수반하기도 한다. 예를 들면, 프로브는 프로브의 표면에 자유 상태로 물리적으로 존재하는 물만을 검출하기 때문에 특히 민감하지 못하다. 또한, 효과적으로 하기 위해서는, 프로브는 절연체에 물리적으로 삽입되거나 또는 그 절연체 주변을 감싼다. 이러한 장비는 프로브가 발생기의 온라인 시스템에 사용되는 경우 어려움을 야기시킬 수 있다. 또한, 어떤 장소에 발생기가 이미 설치되어 있은 후에 프로브를 삽입하는 것을 절연체의 보존성을 손상시키게 된다.

다양한 설정에서 물 링크를 검출하는 다른 기술 방법은 육플루오르화황과 같은 추적자 가스의 사용 또는 온도 기록계 비디오 카메라의 사용에 유용하다. 그러나, 각 기술은 전술된 단점중 적어도 하나에 의해 특징지어 진다. 단점들로 인해 모니터링되는 절연체가 고압 전기 발생기의 일부를 구성하는 경우 특정 어려움을 나타낼 수 있다.

그러므로, 재료에서의 물의 존재 여부를 판정하는 새로운 방법은 상당히 중요하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 새로운 방법은 물 분자에 대해 친화력을 갖는 다양한 재료의 표면 영역의 물을 정확하게 검출할 수 있어야 한다. 또한, 이러한 새로운 기술은 전기 전력 장비, 예를 들면 수냉식 발생기에 내장되어 있는 절연체에 적절해야 한다. 전력 장비가 동작할 때 상기 새로운 기술을 사용될 수 있는 경우 특히 유익하며, 불필요한 중지를 피할 수 있다. 결국, 새로운 방법은 비교적 비용 효율적이며, 전력 발생과 같은 약간의 관련 처리에 대해서 상당 비용을 추가하지 않는다.

도 1은 수냉식 전기 발생기의 고정자 구성 소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 절연층의 표면에 위치한 전극 세트의 상면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연층의 표면에 위치한 전극 세트의 상면도.

도 4는 본 발명에 따른 모니터링될 재료에 대한 주파수 함수로서 전기 위상각 값의 플롯도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 스트랜드

13 : 퍼티 재료

14 : 절연체

15 : 에나멜 재료

16, 18 : 전극

20 : 전계

전술된 필요에 따라 본 발명자는 재료에 물이 존재하는지를 판정하는 개선된 방법을 발견하였다. 그 방법은:

(a) 선택된 재료 층의 표면 상에 전극 세트를 배치하고, 상기 전극간에 전계를 설정하는 단계와;

(b) 미리 선택된 주파수에서 전계에 대한 위상각을 측정하는 단계와;

(c) 상기 재료의 건조 부분에 대한 소정의 위상각과 상기 측정된 위상각을 비교하는 단계를 포함하며,

선택된 재료의 위상각과 건조 재료의 소정의 위상각과의 상당한 차는 상기 재료에 물이 존재하고 있음을 나타내는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은 절연체, 예를 들면 전기 발생기에 사용되는 절연체에 물이 있는 지를 모니터링하는 데 매우 유용하다. 본 발명의 중요한 특징은 물의 존재를 모니터링하는 동안에 발생기가 동작 상태, 즉 "온라인" 상태에 있을 수 있다는 것이다.

이 방법은 물의 존재를 명확하게 나타내기 때문에, 커패시턴스 매핑의 경우에서 처럼 절연 특성(예를 들면, 두께 변화)에 의해 역효과가 나타나지 않는다. 어떤 실시예에서, 다수 세트의 전극은 재료 층의 다른 장소를 모니터링하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예는 전기 발생기에 관한 것이며, 그 전기 발생기는:

(ⅰ) 발생기의 전기 도전성 구성 소자의 적어도 일부를 에워싸는 절연체와;

(ⅱ) 상기 절연체의 표면상에 위치하는 적어도 한 세트의 전극을 포함하는데, 상기 전극은 상기 전극간에 전계의 설정을 가능케 하는 전원에 접속되고;

(ⅲ) 선택 주파수에서 전계와 관련되는 위상각을 측정하는 수단을 포함하며, 상기 전계에 노출된 절연체의 건조 부분에 대한 위상각은 이미 공지되어 있으며;

상기 절연체의 선택된 부분에 대해 측정된 위상각과 상기 절연체의 건조 부분에 대한 공지된 위상각의 비교는 상기 절연체의 선택된 부분에 물이 있는 지를 나타낼 수 있는 것을 특징으로 한다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 방법은 다양한 재료의 물의 존재 여부를 판정하는데 사용될 수 있다. 모니터링할 수 있는 적정 재료는 물 분자와 상호 작용하는 것들이다. 본원에서 사용되는 "상호 작용"은 물과 특정 재료로 된 표면 사이에 존재하는 다양한 형태의 인력의 누적 효과를 말한다. 냉각 결합 보다 훨씬 약한 공지된 인력의 예로는 반데르발스의 힘, 표면 장력을 들수 있다. 감수성 표면과 물 분자의 상호 작용으로 인해 물이 그 표면을 따라 이동하거나 또는 "위크(wick)"한다. 이 방법에서, 이동하는 물은 그 표면의 개구에 들어가서, 전술된 문제점, 예를 들면 전기 장비의 절연 장해를 야기시킨다.

고체 표면과 물 분자의 상호 작용은 pp 10~47, 1969년 11월 No. 11, Vol. 61, 인더스트리얼 앤드 엔지니어링 캐미스트리의 "고체 인터페이스에 가까운 물의 구조(Structure of Water Near Solid Interfaces)"라는 명칭의 문헌에 상세하게 논의되어 있고, 그 내용은 본원에 참조로 통합 기재된다. 상기 문헌에는 연구된 운모 시트간의 물의 유전 특성에 대해 기술되어 있다. 이러한 유전 특성은 고체 표면에 가까운 물 분자의 기능에 의해 영향을 받는다. 물의 유전율의 최저값은 운모 표면에 이웃하게 "배향된(oriented)" 물의 존재를 나타낸다. 또한, 물의 유전율은 "결합된" 물 층의 배향 정도에 따라 감소된다. 다른 연구에서는 고체 표면으로부터 멀어지게 연장하는 전이(轉移)층, 즉 물이 덜 단단하게 결합된 층과 고체 표면 또는 인터페이스에서 매우 단단하게 결합된 물의 존재를 보여주고 있다.

고체 표면에 가까운 물의 상호 작용은 때때로 고체 표면에 가까운 물 분자의 "이완(relaxation)"으로 간주된다. 분자간 이완 및 분자내 이완에 대한 개념은 본원에 참조로 통합되는 다양한 문헌, 예를 들면 1982년 Vol. 18, 3판, 커크-오쓰머 엔사이클로페디아 오브 캐미컬 테크놀로지(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology), pp 1374~1379, 1991년 9월 Vol. 253의 에스. 그래닉, 사이언스에 의한 "모션 앤드 릴랙션스 오브 콤바인디드 리퀴드(Motions and Relaxations of Combined Liquids)"에 기술되어 있다. 본 발명에 따르면, 모니터링하기 위한 적절한 재료는 물 분자들이 재료 부근에 있을 때 물 분자를 이완(즉, 이득의 변화 또는 에너지의 손실)시키는 것들이다.

모니터링할 수 있는 재료의 예로는 페이퍼와 같은 셀룰로오스 재료; 운모 또는 산업용 클레이를 기재로 한 것과 같은 무기 재료; 무기 산화물, 예를 들면 금속 산화물; 유리계 재료, 예를 들면 유리 섬유; 유기 중합체; 이러한 재료의 일부의 다양한 조합물을 들 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 다성분계 재료의 일례로는 운모 또는 수지 결합 재료와 함께 유지되는 유리 섬유 시트를 들 수 있다. 다른 일례로서 유기 중합체 및 다른 기본 재료는 티타늄 이산화물, 금속 카보네이트(예를 들면, 탄산 칼슘), 금속 실리케이트, 황산 바륨 및 클레이와 자주 혼합된다.

금속 산화물의 어떤 특정 예로는 산화 마그네슘, 산화 알루미늄, 산화 아연, 산화 지르코늄을 들 수 있다. 유기 중합체 재료의 특정 예로는 폴리에스테르, 폴리아미드, 친수성을 갖는 폴리스티렌(예를 들면, 폴리하드록시스티렌), 폴리에테르, 폴리이미드, 실리콘(즉, 알루미늄 삼수화물과 같은 물과 상호 작용하는 충전재를 포함하는 것들); 고무계 중합체; 에폭시, 페놀, 아크릴, 폴리우레탄, 선행 재료의 일부의 혼합물; 선행 재료의 일부의 공중합체를 들 수 있다.

또한, 통상적으로 본 발명에 따른 물 모니터링에 쉽게 영향을 받지 않는 재료의 예가 있다. 통상적으로, 전술된 바와 같이 물 분자는 이러한 재료로부터 형성된 표면과 거의 상호 작용을 하지 않는다. 그 일례로는 폴리테트라플루오르에틸렌, 실리콘, 폴리에틸렌이 있다.

본 발명은 특히 절연체, 예를 들면 열 절연체, 특히 전기 절연체를 모니터링하는데 특히 유용하다. 전기 절연체의 몇몇의 특정 예는 전술된 운모계 재료(마이카펄(상표명) 및 마이카 플렉스(상표명)로부터 상업적으로 입수 가능함); 알루미나계 재료, 유리 섬유계 재료; 및 다양한 복합 재료, 예를 들면 수지와 결합된후 경화된 셀룰로스, 유리, 석면, 및/또는 합성 섬유를 기재로 한 재료가 있다. 사용시, 통상적으로 절연체는 검출될 임의의 구성 성분을 에워싸도록 미리 형성될 수 있는 테이프 또는 층의 형태이다. 다층은 예를 들면, 총 두께가 약 1mm ~ 10mm 범위 내에 있는 운모계 테이프 층에 때때로 사용된다.

도 1은 수냉식 전기 발생기의 통상적인 고정자 구성 소자(10)의 단면도이다. 고정자는 종종 구리로 제조되는 고정 도체 또는 스트랜드(12)를 포함한다. 도면의 중앙 부분의 스트랜드는 에나멜 재료(15)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연되고, 각 말단의 스트랜드는 전위 퍼티 재료(13)에 의해 에워싸인다. 이러한 형태의 발생기에 대하여, 일부 스트랜드(12)는 전술된 바와 같이 오목하여 냉각 시스템으로부터 그리고 냉각 시스템으로 물이 흐를수 있다. (전기 발생기는 종래에 공지되어 있고 많은 문헌에 기술되어 있다.)

스트랜드(12)는 다층의 전기 절연체(14), 즉 접지 벽 절연체로 에워싸인다. 절연체 층의 수 및 그들의 특정 구성은 중요하지 않으며, 발생기의 설계 상세에 달려있다. 종종, 절연체 층은 전술된 결합제를 포함하는 운모계 재료로 제조된다. 경화후에, 운모층은 비교적 단단하지만, 스트랜드 주변을 감거나 또는 에워싼 후 경화될 정도로 유연성이 있다.

전극(16, 18)은 절연체(14)의 외표면에 배치된다. 전극의 형태 및 크기는 전계(20)(가상으로 도시됨)가 전극 사이에서 발생되는 한 본 발명에 있어서 중요하지 않다. 또한, 전계에 대한 특정 전압은 특히 중요하지 않으며, 후술되는 바와 같이 전압 측정으로 위상각 및 주파수를 손쉽게 판독할 수 있다는 것에 부분적으로 의존한다. 통상적으로, 전압은 약 100밀리볼트 내지 약 2볼트의 범위 내에 있고, 더 통상적으로는 약 0.5볼트 내지 1볼트 내에 있다.

도 2는 도 1에 도시된 하나 이상의 절연체층을 나타내는 절연체(32)의 표면(31)에 위치한 전극 세트(36, 38)의 상면도이며, . 이 실시예에서, 각 전극은 실질적으로 직사각형이며, 서로 평행하다. 전극의 길이 및 두께는 특히 중요하지 않으며, 전극 재료의 내구성 및 모니터링될 재료의 크기에 의해 부분적으로 규정된다. 전극은 어떤 도전성 재료, 예를 들면 금속 또는 금속 합금, 또는 도전성 중합체로 제조될 수 있다. 적절한 금속의 일례로는 구리, 알루미늄, 강철(예를 들면, 스테인레스 강철), 철, 및 주석을 들 수 있으며, 구리는 임의의 실시예에서 바람직하다.

도전성 중합체의 일례는 도핑된 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 카아바졸, 페로센계 중합체, 및 실리콘 또는 도전성 첨가제를 포함하는 다른 유기 수지를 들 수 있다. (표면에 인가된 후 경화될 수 있는) 중합체 전극은 때때로 거친 기판에 바람직하다. 왜냐하면, 이러한 표면에 가깝게 합치될 수 있기 때문이다. 또한, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 재료로 제조된 전극은 비교적 용이하게 세척될 수 있기 때문에 더러운 영역 또는 세척되지 않은 영역에 바람직할 수도 있다.

전극간의 분리는 모니터링될 재료의 두께에 부분적으로 의존한다. 비록 자계의 세기가 전술된 범위 내에서 소망의 감도를 이루기 위해 증가되어도 분리가 더 많이 될 수록 그 전계가 재료의 깊은 곳까지 더 많이 침투하게 된다. 통상적으로, 전극간의 거리는 약 0.1㎝~약 2.0㎝의 범위 내에 있고, 보통은 약 0.5㎝~약 1.5㎝의 범위 내에 있다. 두께가 약 0.4㎝ 내지 약 0.8㎝인 재료의 층에 대하여, 전극간의 거리는 보통 약 0.8㎝~약 1.2㎝의 범위 내에 있다.

각 전극은 와이어 또는 리드선(40, 42)에 부착될 수 있다. 리드선은 차례로 커넥터, 예를 들면 BNC 기구에 끼워맞춤되고, 적절한 전원으로 루팅된다. 전원은 전술된 바와 같이 통상적으로 위상 분석 장치의 일부이다.

도 3은 절연체층(52)의 표면(51)에 위치한 다른 전극 세트(56. 58)의 상면도이다. 이 실시예에서, 전극은 여전히 서로 분리되어 있지만, 서로 맞물려 있는 형태이다. 이러한 구성은 모니터링될 재료의 특정 부분에서 상당 부분의 표면 위에 전계를 설정할 수 있기 때문에 일부 실시예에서는 바람직하다. 상기 세트의 전극간의 이격 거리는 전술된 바와 같다. 또한, 전극의 다른 구성도 가능하다. 예를 들면, 재료의 상당 표면을 모니터링할 수도 있는 동심 구성의 상태도 가능하다. 당업자라면 기꺼히 물 함량에 대해 조사될 소정의 타입 및 형태의 재료에 있어서 전극의 다른 구성을 본원의 교시에 따라 평가할 수 있을 것이다.

안정성에 필요하다면, 전극은 모니터링될 표면에 고정될 수 있다. 어떤 기술은 자계를 포함할 수 있는 능력을 방해하지 않는 한 전극을 부착하는데 사용될 수 있다. 일례로는 접착제, 기압 패드 또는 기계적 수단, 예를 들면 브래킷을 사용할 수 있다. 전극은 표면상의 전극의 위치가 자주 변경되는 경우 그 표면으로부터 용이하게 떨어진다.

전기 위상각은 소정의 주파수를 갖는 전계에 대한 공지된 측정치이다. 위상 분석기는 휴렛-팩커드와 같은 다양한 제품으로부터 상업적으로 입수 가능하다. 위상 분석기는 BNC 기구를 통해 전극에 용이하게 접속될 수 있다.

본 발명을 실행하는데 가장 적절한 주파수는 모니터링될 특정 재료에서의 물 존재에 가장 민감한 주파수이다. 과도한 노력 없이도 시험용 샘플 재료를 테스팅함으로써 판정될 수 있다. 통상적으로, 위상각이 특정되는 주파수는 약 1메가 헤르쯔 내지 약3메가헤르쯔의 범위 내에 있지만, 약 10킬로헤르쯔 정도로 낮게 또는 100메가헤르쯔정도로 높게 확장할 수 있다.

가장 적절한 주파수가 설정되는 경우, 위상각은 물이 없는 재료에 대해 특정 주파수에서 측정될 수 있다. 시험 재료에 대한 위상각 값의 상당한 변화는 모니터링될 재료 내에서 물 분자에 대한 이완 시간의 변화에 부분적으로 기인하여 시험 재료의 물 존재를 나타낼 것이다. 물 함량이 증가할 수록, 위상각 값의 상당한 변화로 증명되는 바와 같이 "이완 신호"의 세기도 증가하게 된다.

위상각의 "상당한 변화"는 모니터링될 재료의 형태 및 재료의 층내의 물의 깊이에 따라 부분적으로 의존할 것이다. 통상적으로, 약 0.3정도 또는 그 이상의 위상각의 변화(즉, 건조 상태의 재료에 대한 위상각 값으로부터의 변화)는 물이 재료에 있음을 나타내는 신뢰성 있는 표시이다. 기술된 바와 같이, 무기계 절연체의 건조 부분에 대한 통상적인 위상각 값(전술된 주파수 범위 내에서)은 대략 (마이너스) -89.5°이다. 재료의 시험 샘플에 대한 -89.4° 또는 -89.3°의 기록은 건조 재료를 나타낸 것으로 간주되며, 한편 -89.2°의 기록은 물이 그 샘플 내에 있을 수 있음을 나타내는 양호한 표시이다. 약 -89.2°이하의 기록은 물의 존재를 신뢰성있게 확인한다. (부분적으로, 사용되는 장비에 관련된 최소한의 전기적 요동에 의해 소정의 샘플에 대한 위상각 값에서의 약간의 변화가 때때로 있을 수 있다. 그러나, 반복 기록값의 평균값으로 약간의 편차가 통상적으로 중요하지 않다는 것을 확인한다.)

본 발명의 방법은 운모계 또는 셀룰로스계 절연체와 같은 재료층(또는 다층을 통해) 내에서 최대 약 1.5㎝의 깊이까지의 물을 검출하는데 사용될 수 있다. 통상적으로, 물이 검출되는 깊이는 약 0.5㎝ 내지 1.0㎝의 범위 내에 있다. 전술된 바와 같이, 전계의 세기 뿐만 아니라 전극간의 이격 거리는 다른 깊이에서 물을 테스팅하기 위해 변화될 수 있다. 통상적으로, 물 함량이 소정의 깊이에서 증가하는 경우, 위상각 값은 전술된 바와 같이 상당한 변화를 나타낸다. 물 함량이 일정하게 유지되지만, 재료의 층 내에서의 깊이는 증가하고 위상각 값의 적은 변화로 나타나듯이 이완 신호는 감소하는 경향이 있다.

때때로, 소정 타입의 재료를 테스팅하는데 사용될 가장 적절한 전기 주파수는 공지되어 있지 않다. 그 경우에, 가장 적절한 전기 주파수는 전극간에 설정된 전계에 대한 주파수 스위프(frequency sweep)를 실행함으로써 판정될 수 있다. 주파수 스위프는 발생되는 주파수의 함수로서 전기 위상각의 플롯을 설정한다. 상기 타입의 전계 특성을 측정하는 장치, 예를 들면 임피던스/이득-위상 분석기를 사용하여 측정될 수 있다. 이하의 실시예에서, 주파수 스위프는 샘플에 물이 존재하는지를 테스팅할 때 착수된다.

명백해지듯이, 현재 기술되고 있는 방법은 전기 발생기와 같은 전기 구성 소자 내에 또는 그 주변에서의 물 존재를 모니터링하는데 매우 유용하다. 직류 및 교류(AC) 발생기가 공지되어 있어, 그들에 대한 광대한 설명은 여기서는 불필요하다. (예를 들면, pp 378~385, 1964년 카피라이트, Vol.12, Internation Edition, Encyclopedia Americana를 참조하고, 그 내용은 참조로 본원에 통합된다.) DC 발생기의 1차 구성 소자는 아마츄어, 전계 극, 브러시, 브러시 리깅(brush rigging), 정류자, 프레임(또는 "요크"), 말단 프레임 또는 말단 벨이다. AC 발생기에서, 고정 도체(아마츄어 코일)는 전술된 바와 같이 프레임 어셈블리(고정자)의 슬롯에 적절하게 유지된다. 전계 코일 및 회전 극을 지지하는 어셈블리는 "회전자"로 칭해진다.

절연체는 다양한 다른 구성 소자(예를 들면, 보극, 보상 와인딩, 발생 전압 및 출력 전류를 조절하는 장치 또는 조절부) 뿐만 아니라 전술된 기본 구성 소자를 분리 또는 에워싸는데 때때로 사용될 수 있다. 절연체로 침투하거나 또는 어떤 다른 방법으로 절연체를 관통하는 다른 외부 소스로부터의 물은 상당히 중요하다. 또한, 수냉식 발생기의 냉각 시스템에서 발생하여 절연체로 이동하는 물(전술된 바와 같이)은 심각한 문제점을 유발한다. 전술된 방법은 이러한 문제점을 효율적으로 처리한다. (본 발명은 냉각 시스템 또는 규칙적인 탭 물(regular tap water)에 종종 사용되는 탈이온수의 존재를 검출하는데 사용된다.)

따라서, 본 발명의 다른 실시예는 전기 발생기에 관한 것으로, 상기 전기 발생기는:

(ⅰ) 상기 발생기의 적어도 일부의 도전성 구성 소자를 에워싸는 절연체와;

(ⅱ) 상기 절연체의 표면상에 위치한 적어도 한 세트의 전극을 포함하는데, 상기 전극은 상기 전극간에 전계의 설정을 가능하게 하는 전원에 접속되고;

(ⅲ) 선택된 주파수에서 전계와 관련된 위상각을 측정하는 수단을 포함하며, 상기 전계에 노출된 상기 절연체의 건조 부분에 대한 상기 위상각 값은 공지되어 있다.

상기 절연체의 건조 부분에 대한 공지된 위상각과 상기 절연체의 선택 부분에 대해 측정된 위상각과의 비교는 물이 상기 절연체의 선택된 부분에 있는지를 나타낼 수 있다.

다세트의 전극은 절연체의 표면(예를 들면, 수냉식 발생기의 고정자 바를 에워싸는 절연체의 표면) 상에 위치될 수 있다. 각 세트의 전극은 자체 전원 및 위상 분석기에 접속될 수 있다. 이와 다르게는, 모든 세트의 전극은 당업자에 의해 기꺼히 설계될 수 있는 회로 경로를 통해 중앙 전원 및 위상 분석기에 접속될 수 있다. 이 방법에서, 절연체의 많은 다른 장소는 물의 존재에 대해 동시에 모니터링될 수 있다. 본 발명의 부가적인 특징은 전기 도체(예를 들면, 구리 와인딩)가 전극 및 전계 부근에 존재하는 경우 상기 방법의 위상각 측정에 역효과를 미치지 않는다는 데 있다.

(실시예)

본 실시예는 단순히 예시적일 뿐이며, 청구된 본 발명의 범위를 한정시키도록 해석되지는 않는다.

크기가 0.076㎜×5㎜×50㎜인 2개의 구리 스트립은 본 실험에서 전극으로서 사용된다. 스트립은 총 두께가 약 3~4㎜인 운모계 테이프로 이루어진 약 10~12개의 연속층으로 구성된 절연체의 일부 표면상에 서로 평행한 위치에 배치된다. (운모 테이프는 서로 수지 결합된다.)

전극간의 이격 거리는 약8㎜이고, 접착제를 이용하여 운모 재료의 표면에 고정된다. 각 스트립은 리드선을 이용하여 BNC 기구에 접속된다. BNC 기구는 HP54003 50오옴 임피던스 프로브를 이용하여 HP4194A 임피던스/이득-위상 분석기에 접속된다. 위상 분석기는 10킬로헤르쯔~50메가헤르쯔의 주파수 범위를 가진다.

4가지 샘플의 운모계 재료가 사용된다. 샘플 A, C, D는 물으로 포화되어 있고, 샘플 B는 건조하다.

각 샘플에 있어서 전극 간에 전계를 설정한다. 샘플 A~C에 대한 전계의 세기는 0.5볼트이고, 샘플 D에 대한 전계의 세기는 1볼트이다. 각각의 경우에, 약 2메가헤르쯔의 주파수에서 위상각 값을 측정하여 기록한다.

도 4는 샘플 A~D에 대한 주파수의 함수로서 전기 위상각 값의 플롯이다. 샘플 B는 어떠한 물도 함유되어 있지 않고, 약 -89.5°의 위상각 값을 가진다. 샘플 A, C, D는 약 -87.0의 위상각을 각각 가지며, 물의 존재를 명확하게 나타낸다.

추가의 실험은 최종 결과물의 재생 가능성을 입증하고 절연체와 전기 도체간의 인터페이스 부근의 습기가 검출될 수 있음을 입증하였다.

양호한 실시예는 설명 목적으로 본원에서 기술되어 왔다. 그러나, 이 설명은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위 및 사상으로부터 이탈하지 않고도 당업자라면 다양한 변화, 개조 및 대체를 할 수 있다.

전술된 특허 어플리케이션, 문헌 및 텍스트 모두는 참조로 본원에 통합된다.

본원 발명에 따르면, 물 분자에 대해 친화력을 갖는 다양한 재료의 표면 영역의 물을 정확하게 검출할 수 있고, 물의 존재를 모니터링하는 동안에 발생기가 동작 상태, 즉 "온라인" 상태에 있을 수 있어 불필요한 중지를 피할 수 있으며, 비교적 비용 효율적이고 전력 발생과 같은 약간의 관련 처리에 대해서 상당 비용이 추가되지 않는다.

Claims

선택된 재료 내에 물이 존재하는 지의 여부를 판정하는 방법에 있어서,

(a) 상기 선택된 재료 층의 표면상에 적어도 한 세트의 전극을 배치하고, 그 전극간에 전계를 설정하는 단계와;

(b) 미리 선택된 주파수에서 상기 전계에 대한 위상각을 측정하는 단계와;

(c) 상기 재료의 건조 부분에 대한 상기 미리 선택된 주파수에서의 소정의 위상각과 상기 측정된 위상각을 비교하는 단계를 포함하며,

상기 선택된 재료에 대한 위상각과 상기 소정의 위상각간의 상당한 차는 상기 선택된 재료 내에 물이 존재하는 지를 나타내는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 각각의 전극은 대체로 직사각형 형태이고 다른 전극과는 평행한 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극간의 거리는 약 0.1㎝ 내지 약 2㎝의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극은 서로 맞물려 있는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 전계는 약 100밀리볼트 내지 약 2볼트의 범위 내에 있는 전압에서 설정되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 전극은 금속, 금속 합금 및 도전성 중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도전성 재료로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제6항에 있어서, 상기 금속은 구리, 알루미늄, 철, 주석 및 강철로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 물이 존재하는 절연체에 대한 위상각과 물이 없는 절연체에 대한 위상각간의 차는 적어도 약 0.3°인 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 물은 상기 선택된 재료에서 최대 약 1.5㎝의 깊이까지 검출되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 선택된 재료는 물 분자가 상기 선택된 재료 부근에 있을 경우 그 물 분자를 이완시키는 재료인 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제10항에 있어서, 상기 선택된 재료는 전기 절연성 재료인 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제11항에 있어서, 상기 절연체는 페이퍼, 셀룰로스 재료, 유기 중합체, 유리, 무기 산화물 및 이들 일부의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제12항에 있어서, 상기 절연체는 결합제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제12항에 있어서, 상기 절연체는 적어도 하나의 충전제 또는 보강용 작용제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제12항에 있어서, 상기 유기 중합체는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리이미드, 탄소가 함유된 실리콘, 고무계 중합체(에폭시, 페놀 수지, 아크릴, 폴리우레탄, 이들 일부의 혼합물) 및 이들 일부의 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제12항에 있어서, 상기 무기 산화물은 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제11항에 있어서, 상기 절연체는 운모 및 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제17항에 있어서, 상기 결합제는 에폭시를 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 전계에 대해 발생되는 주파수의 함수로서 위상각의 플롯을 설정하기 위하여 상기 전계에 대해 주파수 스위프를 실행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제19항에 있어서, 상기 주파수 스위프는 임피던스/이득-위상 분석기를 사용함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
수냉식 전기 발생기의 절연체 내에 물의 존재하는 지의 여부를 판정하는 방법에 있어서,

(a) 상기 절연체의 표면상에 적어도 한 세트의 전극을 설치하여 상기 전극간에 전계를 설정하는 단계와;

(b) 미리 선택된 주파수에서 상기 전계에 대한 위상각을 측정하는 단계와;

(c) 상기 측정된 위상각과 상기 절연체의 건조 부분에 대한 소정의 위상각을 비교하는 단계를 포함하며, 상기 선택된 재료에 대한 위상각과 상기 소정의 위상각간의 상당한 차는 상기 선택된 자료에 물이 존재하고 있음을 나타내는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제21항에 있어서, 상기 절연체의 적어도 일부가 상기 발생기의 고정자 구성 소자를 에워싸는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제21항에 있어서, 상기 전기 발생기는 물이 존재하는 것으로 판정되는 동안에 동작 상태에 있는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
제21항에 있어서, 상기 절연체는 운모를 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 존재 여부 판정 방법.
(ⅰ) 발생기의 전기 도전성 구성 소자의 적어도 일부를 에워싸는 절연체와;

(ⅱ) 상기 절연체의 표면 상에 위치하는 적어도 한 세트의 전극을 포함하는데, 상기 전극은 그 전극간에 전계의 설정을 가능하게 하는 전원에 접속되고;

(ⅲ) 선택된 주파수에서 상기 전계와 관련된 위상각을 측정하는 수단을 포함하며, 상기 전계에 노출된 상기 절연체의 건조 부분에 대한 위상각 값은 공지되어 있고;

상기 절연체의 선택된 부분에 대해 측정된 위상각과 상기 절연체의 건조 부분에 대한 공지된 위상각의 비교는 물이 상기 절연체의 상기 선택된 부분에 존재 하는 지를 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 발생기.
제25항에 따른 수냉식 전기 발생기로서, 스트랜드를 구비하는 고정자 바를 포함하며, 전극 세트가 위치되는 절연체의 적어도 일부가 상기 고정자 바의 일부를 에워싸는 것을 특징으로 하는 수냉식 전기 발생기.
제25항에 있어서, 상기 절연체의 적어도 일부는 운모계인 것을 특징으로 하는 수냉식 전기 발생기.