KR20000005208A - 확장된 유량 측정범위를 갖는 질량유동변환기 - Google Patents

확장된 유량 측정범위를 갖는 질량유동변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차 유체유로(14) 내의 단일 층류부재(24)와 1차 유로에 병렬로 유체 연통되게 배열되는 다중 2차 유로(16)를 갖는 다중 채널형의 질량유동 변환기(10)에 관한 것이다. 전기회로(18)가 2차 유로를 유동하는 유체의 온도의 함수로서 1차 유로의 일치하는 유량을 측정하기 위하여 각 다중 2차 유로에 결합된다. 각 2차 유로에 결합된 회로(18)는 일치하는 2차 유로의 유체와 열적으로 연통된 적어도 하나의 온도 감응요소(20)를 포함한다.

Description

확장된 유량측정 범위를 갖는 질량유동 변환기
도 1은 본 발명의 한 관점에 따른 질량유동 변환기의 정면도.
도 2는 1차 유체유로와 이 1차 유로에 평행한 2차 유체유로를 보인 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.
도 3은 본 발명의 한 관점에 따라 수정되고 한 쌍의 유동제한 요소를 포함하는 1차 유로와 평행한 다른 2차 유동유로를 보인 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도.
도 4A-도 4E는 본 발명에 유용한 층류 유동요소의 여러 실시형태를 보인 사시도.
도 5는 본 발명의 적어도 하나의 다른 관점에 따라 수정되고 두개의 2차 유로가 동일하지 않은 유로길이를 갖는 질량유동 변환기의 단면도.
도 6A-도 6B는 도 3에서 보인 유동제한 요소의 사시도와 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 목적에 따라 수정되고 두개의 2차 유로가 순차적으로 배열되어 있는 질량유동 변환기의 단면도.
도 8은 본 발명의 원리에 따라 구성된 장치의 ΔP 특성을 설명하기 위하여 본 발명의 질량유동 변환기를 도식적으로 보인 것으로, 1차 유체유로 P와 다수의 2차 유로 S가 1차 유로 P에 대하여 그리고 서로에 대하여 병렬로 배열되고 각 2차 유로가 이러한 유로에 대한 특정 유량범위를 한정하는 유동저항 R과 결합되어 있는 것을 보인 설명도.
본 발명은 어떠한 도관 내에서 유체의 유량을 측정하기 위한 질량유동 변환기에 관한 것이다. 특히 본 발명은 비교적 넓은 유량범위에서 유체유량을 측정할 수 있는 질량유동 변환기에 관한 것이다.
질량유동 변환기는 전형적으로 도관을 통한 유체의 유량을 측정하는데 사용된다. 유체도관과 열적으로 연통된 하나 이상의 온도감응 저항요소를 이용하고 전기적인 출력신호를 제공하는 열 질량유동 변환기가 알려져 있다. 이러한 변환기는 채널의 벽으로부터 증류채널을 통과하는 유체(즉, 액체 또는 기체)에 대한 열 전도율이 유체와 채널벽 사이의 온도차이, 유체의 비열 및 채널 내에서 유체의 질량유량의 비교적 간단한 함수라는 원리에서 작동한다. 유체의 비열은 압력이나 온도에 의하여 크게 변화하지 않으므로 특정 유체에 대하여 측정되는 열 질량유동 변환기는 폭넓은 작동조건의 범위에서 진정한 질량유량 값을 제공할 것이다.
따라서, 열질량 유동변환기는 통상적으로 모세관 크기의 단면을 가지고 때때로 감지기 튜우브라 불리는 소형 층류 튜우브로 유동하는 유체에 에너지를 전달하는 하나 이상의 가열요소를 포함한다. 전형적으로 감지기 튜우브는 유체를 운반하는 주요도관의 상류 및 하류측 위치에서 유체 입출력 연결부를 갖는 모세관 튜우브를 포함한다. 모세관 튜우브는 이러한 모세관 튜우브를 통한 유체의 층류가 이루어질 수 있는 내부크기를 갖는다. 전형적으로 바이패스 또는 층류요소는 주요도관의 바이패스 부분을 통한 층류가 최대 설계유량(유동이 비층류 유동이 되기 전)까지 이루어질 수 있도록 감지기 튜우브의 입출력 연결부 사이의 주요도관에 배치되어 모세관 튜우브와 바이패스를 통한 유체유량이 전체 층류량 측정범위를 통하여 항상 일정하게 유지되도록 한다. 이러한 유량은 이후 "ΔP 특성"으로 불리는 2차 유로에 의하여 제공되는 압력차 또는 압력강하에 의하여 부분적으로 결정된다. 그러나, 감지기 튜우브를 통한 유동을 감지하기 위하여 사용된 감지기는 감지기 튜우브와 바이패스 부분을 통한 층류가 이루어질 수 있는 범위 보다 작은 범위의 유량을 통하여 선형특성을 보인다. 예를 들어 모세관 튜우브는 바이패스 요소를 통한 유량이 각각 감지기가 비선형이 되는 한계를 벗어나는 50 및 500 표준 입방 센티미터/분(sccm) 사이의 유량을 제공토록 설계되었을 때 최소 1 sccm과 10 sccm의 최대 유량을 갖는 유량범위를 제공토록 모세관 튜우브가 설계될 수 있다. 따라서 바이패스의 유량과 감지기 튜우브의 유량 사이의 측정비율은 약 50 sccm과 약 500 sccm 사이의 선형 측정범위를 통하여 50:1 이며 감지기는 이러한 범위로 교정될 수 있다. 그러나, 바이패스 요소는 15,000 sccm 이상의 비율로 층류를 유지할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어 상이한 감지기 튜우브가 상이한 ΔP 특성을 갖는 것이 사용되어 감지기 튜우브의 선형 측정범위가 500 sccm과 5000 sccm 사이의 유량을 갖는 감지기 튜우브를 통하여 1 sccm과 10 sccm의 유량범위 사이에서 이루어지는 경우, 그 결과의 측정비율은 500:1이 될 것이다. 이와 같이, 이러한 비율이 감지기의 선형 범위 내에 있는 전체 유량범위를 통하여 일정한 반면에 실제의 비율은 디자인의 선택에 따라서 변화할 수 있고 변환기의 선형 범위를 결정할 것이다.
모세관 튜우브에 에너지를 제공토록 사용된 가열 또는 열 요소는 통상적으로 높은 저항값과 높은 온도 저항계수를 갖는 금속 합금으로 만들어진다. 이들 요소는 튜우브 내의 유체유동을 방해함이 없이 유체에 대하여 그리고 유체로부터의 효과적인 열전도가 이루어지도록 감지기 튜우브의 외측 둘레에 단단히 권취된다. 높은 온도 저항계수는 이들 가열요소가 튜우브의 온도를 감지하고 튜우브와 이 튜우브 내에서 유동하는 유체를 가열하는데 매우 우수한 장치가 되도록 하며, 이들은 때때로 이러한 이중능력에 이용될 수 있다. 이러한 가열요소는 예를 들어 미국 특허 제4,464,932호(Ewing)와 제4,984,460호(Isoda)에 기술되어 있다.
감지기 튜우브와 열적으로 연통되어 있는 하나 이상의 열 요소를 이용하는 질량유동 변환기는 잘 알려져 있다. 일반적으로, 열 요소는 감지기 튜우브를 통하여 유동하는 기체의 온도 기울기를 측정한다. 열 요소는 이미 언급된 열 저항요소에 부가하여 표준 저항요소를 포함하는 전기 브릿지 회로의 일부를 형성한다. 도관을 통하여 유동하는 유체는 하류측 요소에 대하여 상류측 저항요소를 냉각시켜 저항이 변화하도록 하므로서 브릿지 회로의 전압에 영향을 준다. 전압차를 나타내는 전기신호, 즉 질량유량을 나타내는 전기신호가 발생된다. 이러한 신호는 예를 들어 도관을 통한 유체유동을 조절하는 밸브를 제어하는데 이용될 수 있다. 그러나, 상기 언급된 바와 같이, 신호는 선형이고 사전에 결정된 범위의 유량을 통하여서만 감지기 튜우브의 질량유동에 관련이 있다.
유체유량이 폭넓게 변화하는 유체 유동분야, 즉 어떠한 단일 변환기에 의하여 제공되는 범위 보다 더 넓게 유체유량이 변화하는 유체유동 분야에서는 때때로 유체라인에 수개의 질량유동 변환기를 이용하는 것이 필요하며, 각 변환기는 유체의 질량유량을 측정하기 위하여 자신의 유량 측정범위를 갖는다. 유체유동 시스템에서는 구성요소를 설치할 공간이 매우 제한적이므로 부수적인 개개의 제어장치를 갖는 수개의 질량유동 변환기를 이용한다는 것은 비용이 많이 들고 부피가 커서 편리하지 못하다.
따라서 확장된 유량범위를 통하여 유체유동을 측정할 수 있는 단일 질량유동 변환기를 제공하는 것이 유리하다.
따라서 본 발명의 목적은 종래기술의 상기 언급된 결점을 줄이거나 해소하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 언급된 종래기술에 의하여 측정되는 범위 보다 비교적 넓은 유량범위에서 유체의 유량을 측정하고 이들 종래기술의 질량유동 변환기 보다 유용한 단일 질량유동 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 1차 유로에 병렬로 그리고 유체 연통되게 다수의 2차 유체유동 감지기 유로를 이용하는 질량유동 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 2차 유체유동 감지기 유로가 유일한 유체유량 측정범위를 갖는 질량유동 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상이한 유량범위가 비교적 넓은 유량범위에서 연속 또는 불연속적인 것이 되도록 각 2차 유체유동 감지기 유로가 특정한 유량 측정범위에 일치하는 질량유동 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 2차 유체유동 감지기 유로의 유량 측정범위가 하나 이상의 2차 유로에서 유동 제한요소를 이용하므로서 수정될 수 있는 질량유동 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 이들 목적과 다른 목적들은 변환기를 통하여 유체의 유량을 측정하기 위한 질량유동 변환기에 의하여 달성된다. 변환기는 하우징, 1차 유체유로를 형성하기 위한 수단, 좋기로는 바이패스와, 1차(바이패스) 유체유로와 유체 연결되는 적어도 두개의 별도 2차 유체유로, 좋기로는 감지기 유로를 형성하기 위한 수단으로 구성된다. 각 2차 유체유로는 1차 유체유로에 변환기를 통한 유체유량의 상이한 측정범위를 제공토록 설계된다. 특히 2차 유체유로는 1차 유체유로에 측정가능한 유량의 상이한 비율을 제공토록 설계된다. 이는 예를 들어 상이한 길이, 상이한 내부크기를 갖거나 이후 언급되는 바와 같이 유동 제한요소를 이용하여 각 2차 유체유로를 제공하는 것과 같이, 1차 유로에 대하여 상이한 ΔP 특성을 갖는 각 2차 유체유로를 제공하므로서 달성된다. 각 2차 유로에는 각 2차 유로에서 유동하는 유체의 온도의 함수로서 해당 유량범위를 통하여 유체유량을 측정하기 위한 측정회로가 결합된다.
1차 유체유로의 유동제어(바이패스) 요소는 이 유로의 층류 유체유동을 위하여 제공된다. 층류 유동요소는 1차 유로에서 적어도 하나의 층류 유동채널을 형성한다. 한 실시형태에서, 층류 유동채널은 이러한 요소 둘레에 형성되는 원통형 유로의 형태이다. 다른 실시형태에서 나선 층류 유로가 형성된다. 다른 형태의 층류 유동채널 구성이 이용될 수 있다.
각 2차 유로는 상이한 유량 측정범위에 일치한다. 한 실시형태에서, 2차 유로의 유량범위는 연속적이어서 이들은 변환기에 의하여 측정될 수 있는 확장된 비중단형 유량범위를 제공한다. 다른 실시형태에서, 2차 유로의 유량범위는 불연속적이고 중복되지 않는다.
아울러, 1차 유로에 대한 2차 유로의 ΔP 특성은 예를 들어 2차 유로의 길이를 달리하여 상이하게 될 수 있으며, 각 유로의 길이는 1차 유로 내에서 유동하는 유체유도에 대한 상이한 유량범위에 일치한다. 또한 부가적으로, 하나 이상의 2차 유로의 ΔP 특성은 각 유로의 유량을 수정하기 위하여 적어도 하나의 유동 제한요소를 삽입하므로서 수정될 수 있어 각 2차 유로가 1차 유로의 유체유도에 대한 상이한 유량범위의 측정에 이용된다. 후자의 경우에 있어서, 유동 제한요소는 2차 유로 내에 배치되는 유체 투과성 부재이다. 유동 제한요소가 배치되는 2차 유로의 유량범위는 이 유로에서 요소 또는 요소들의 유체 투과도의 함수이다.
다른 실시형태에서, 2차 유로는 서로 병렬로 배열된다. 이 경우에 있어서, 2차 유로의 입력은 1차 유로의 동일한 상류측 위치에 연결될 수 있으며, 출력은 1차 유로의 동일한 하류측 위치에 연결될 수 있고, 또한 각 2차 유로의 적어도 일부는 1차 유로의 동일부분에 대하여 병렬로 배치된다. 다른 실시형태에서, 2차 유로는 순차적으로 배열되어 1차 유로에 평행한 각 2차 유로의 일부가 1차 유로의 상이한 부분에 병렬로 배치되어 하나의 2차 유로의 입력과 출력이 다른 2차 유로의 입력과 출력으로부터 하류측에 배치된다.
변환기 내의 유량을 측정하기 위한 수단이 제공되는 것이 좋다. 이 측정수단은 2차 유로의 유량을 측정하기 위한 각 2차 유로와 결합된 수단을 포함한다. 측정수단은 해당 2차 유로에서 유동하는 유체와 열적으로 연통하고 이 유로의 유체의 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도 감응요소를 포함한다. 각 2차 유로에서 유체유량은 이 유로에서 유체온도의 함수이다. 또한 측정수단은 조합된 1차 및 2차 유로를 통한 유량에 비례하는 2차 유로의 유체유동의 측정온도의 함수로서 그리고 이에 응답하여 해당 유로를 통한 유체유량을 나타내는 신호를 제공하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 1차 유체유로와 이 1차 유체유로와 병렬로 이와 유체적으로 연통되게 배치된 적어도 하나의 2차 유로를 갖는 질량유동 변환기가 제공된다. 2차 유로의 유량범위 내의 1차 유로의 유체유동은 1차 유로의 유량에 관련하여 그리고 그 함수로서 변화하는 비율로 2차 유로의 유체유동이 이루어지도록 한다. 또한 질량유동 변환기는 1차 및 2차 유로에 관련된 유량범위를 측정하는 하나 이상의 유동 저항요소를 포함한다. 변환기가 적어도 두개의 2차 유로를 포함하는 경우에 있어서, 유동 저항요소는 1차 유로에 대한 2차 유로의 ΔP 특성을 수정하기 위하여 적어도 하나의 2차 유로 내에 배치된 유체 투과성 부재이다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 질량유동 변환기는 단일의 1차 유체유로와 이 1차 유체유로에 병렬로 배열된 적어도 두개의 2차 유체유로로 구성되어 변환기를 통한 유체유동은 1차 및 2차 유로를 통한 조합된 유체유동이다. 1차 유로에서의 유체유동은 각 2차 유로의 조합된 유량 측정범위에 의하여 한정된 유량범위에서 측정될 수 있다. 2차 유로의 ΔP 특성은 서로 상이하다. 예를 들어 유동 제한요소가 하나 이상의 2차 유로에 사용되고, 또한 감지기 튜우브의 내부 크기가 상이하거나, 변환기의 유량 측정범위의 한계를 측정하도록 2차 유로의 유로길이가 상이하다. 이와 같이 하므로서, 고도로 콤팩트한 단일의 유동 측정장치가 상기 언급된 바와 같이 단일 1차 유로와 단일 2차 유로를 이용하는 변환기에 의하여 얻을 수 있는 것보다 비교적 폭넓은 범위의 유량을 측정하는데 이용될 수 있다.
질량유동 변환기의 우선 실시형태가 도 1에서 부호 10으로 도시되어 있고 도 2와 도 3에서 보다 상세히 도시되어 있다. 변환기(10)는 도 2와 도 3에서 화살표(14a)로 보인 바와 같이 1차 유체유로(14)와 도 2에서 화살표(16a)로 보이고 도 3에서 화살표(16b)로 보인 바와 같은 적어도 두개의 2차 유로(16)를 형성하는 하우징(12)을 포함한다. 도 2와 도 3에서 보인 바와 같이, 각 2차 유로(16)의 주요부분은 1차 유로(14)와 병렬로 이에 유체 연통되게 배열되어 있으며, 2차 유로는 서로 평행하게 배열되어 있다.
일반적으로 하우징(12)은 그 크기가 콤팩트한 소형 크기로 그 크기는 1×1×2 인치 길이이다. 1차 유로(14)는 원통형이나 이는 이를 통하여 유체유동이 이루어지는 다른 형태 및 크기일 수 있다.
각 2차 유로(16)는 이에 측정회로(18)의 일부가 결합된다. 사전에 결정된 유량범위에서, 측정회로(18)는 각 2차 유로에서 유동하는 유체의 온도를 측정하여 이후 상세히 설명되는 바와 같이 1차 유로(14)와 2차 유로(16)를 통한 유체유량을 측정한다. 측정회로(18)는 2차 유체유로(16)에 결합되어 2차 유로에서 유동하는 유체의 온도변화가 2차 유로(16)를 형성하는 감지기 튜우브(22)의 외부에 권취된 하나 이상의 열 요소(20)에 의하여 검출된다. 또한 이 열 요소는 이러한 온도변환에 응답하여 감지기 튜우브 내의 유체에 열을 가한다.
전형적으로 측정회로(18)는 각 하나의 2차 유로에 결합되는 전기 브릿지 회로이다. 이 브릿지 회로는 전형적으로 해당 감지기 튜우브(22)의 둘레에 권취되고 각 2차 유로 내의 유체와 열적으로 연통된 적어도 하나, 좋기로는 둘 이상의 온도 감응 저항요소(20)를 포함한다. 어느 주어진 2차 유로에서 유체의 온도는 이러한 유로에 결합된 온도 감응 저항요소 또는 요소들에 의하여 검출되고 온도 감응 저항요소 또는 요소들의 저항변화가 이러한 유로를 통한 유체의 유량을 나타낸다. 이러한 유로를 통한 유체유량을 나타내는 전기신호는 브릿지 회로에 의하여 발생되며, 이 신호는 온도 감응 저항요소에 의하여 측정되는 바와 같은 유체온도에 관련하여 그리고 그 함수로서 변화한다. 전형적으로 이 신호는 유체의 온도의 선형함수로서, 그러나 제한된 유량범위로 변화한다.
1차 유로에 층류가 이루어지도록 층류요소(24)가 1차 유로(14) 내에 배치되고, 이로써 유로(14)가 바이패스로서 기능을 발휘한다. 층류는 모든 유체속도와 압력이 유동단면을 통하여 분명한 프로파일을 갖는 평활하고 안정된 유체유동으로서 정의된다. 이와는 대조적으로 난류는 부분적으로 유체속도와 압력이 유동단면을 통하여 불규칙하게 변화하는 교란성의 유체유동으로 정의된다. 유동하는 유체는 유체밀도, 그 속도 및 유체점도에 대한 특성 유동길이의 적의 비율로서 표현되는 레이놀드 수로서 알려진 무차원 수로서 특징지어질 수 있다. 유체의 레이놀드 수는 전형적으로 층류의 경우 2000 이하이고, 난류의 경우 3000 이상이다. 본 발명의 변환기에 있어서, 층류요소(24)는 1차 유로에 층류만이 이루어지고 유체의 질량유량과 측정경로의 길이에서 유체의 압력강하 사이의 관계가 선형을 이루도록 선택된다.
층류요소(24)는 1차 유로(14)의 적어도 한 층류채널(26)을 형성한다. 층류요소의 직경과 구성의 차이가 상이한 층류범위를 결정한다. 도 4A-도 4E에서 보다 상세히 보인 바와 같이, 층류요소는 다양한 형태와 구성을 가질 수 있으며 이들 모두는 1차 유로 내에 하나 이상의 층류채널을 제공토록 되어 있다. 도 4A에서, 일반적으로 원통형인 층류요소(24')는 이 요소의 적어도 일측부를 따라서 연장된 평면부(28)를 갖는다. 도 1에서 보인 바와 같이 원통형 층류요소가 설치되는 원통형 유로를 형성하는 하우징에서, 층류요소의 둘레에 형성된 층류채널은 평면부(28)의 영역에서 어느 정도 두꺼운 부분을 갖는 환상의 형태가 될 것이다. 도 4B에서, 별모양의 단면을 갖는 층류요소(24')는 이 요소의 요구(30)에서 다수의 층류채널을 형성한다. 도 4C에서 보인 바와 같이, 층류요소의 둘레에는 이 요소의 둘레에 나선형으로 형성된 나선채널(32)에 의하여 나선유로가 형성된다. 도 4D에서는 도 4B의 별모양 층류요소의 변형형태를 보인 것으로 층류채널(34)의 단면적이 비교적 크다. 도 4E는 도 4D에서 보인 것과 유사한 층류요소를 보이고 있다. 채널(34)은 이 요소의 외부를 따라 연장되고 이 층류요소의 둘레에서 층류가 이루어지도록 하는 반면에 내부채널(36)은 이 요소를 통하여 층류를 형성한다.
각 2차 유로(16)는 회로(18)가 선형응답을 제공토록 변환기 내에서 유동하는 유체에 대한 특정 유량범위에 일치한다. 상이한 범위가 연속적이거나 중복형일 수 있어 각 2차 유로의 각 범위에 의하여 한정되는 변환기의 총 측정범위는 연속적인 비중단형의 유량 측정범위 이다. 또한 2차 유로는 서로 중복되지 않는 각각의 유량범위를 한정할 수 있으므로 변환기의 총 측정범위는 측정회로(18)가 측정온도의 선형함수인 일련의 불연속 유량범위이다.
다른 실시형태에서, 2차 유로(16)의 ΔP 특성은 이들을 도 5에서 보인 바와 같이 길이가 동일하지 않도록 하므로서 달라질 수 있다. 2차 유로 A와 B는 1차 유로를 흐르는 동일 유체에 노출된다. 그러나, 도 5의 상부에서 2차 유로 A는 하나의 특정 유량범위와 결합되며, 이는 유체의 형태, 유로 내에서의 속도 유로의 길이(점 1과 2 사이의 거리)와, 유로를 따른 압력강하에 의하여 달라질 수 있다. 도면의 저면측에서 2차 유로 B는 점 3과 4 사이의 그 유로길이가 2차 유로 A의 길이 보다 짧으므로 상이한 유량범위와 결합된다. 따라서 1차 유로(14)에서 어느 주어진 유체유동에 대하여 각 2차 유로를 따른 압력강하는 상이하며, 이로써 도시된 2차 유로 A와 B의 유량 측정범위는 상이하다.
또 다른 실시형태에서, 변환기(10)는 하나 이상의 2차 유로(16) 내에서 유체의 유량을 수정하기 위한 수단을 포함하므로서 변환기의 유량측정 능력의 범위의 한계를 확장시키기 위하여 2차 유로의 ΔP 특성이 달라질 수 있다. 예를 들어 변환기는 각 2차 유로의 길이가 도 2와 도 3에서 보인 바와 같이 다른 2차 유로의 길이와 동일하게 되도록 하고 모세관 크기의 상이한 내경을 갖도록 구성될 수 있다. 또한 2차 유로의 유량은 도 3에서 상세히 보인 바와 같이 적어도 하나의 2차 유로 내에 유동 제한요소(38)를 이용하므로서 수정될 수 있다. 유동 제한요소(38)는 예를 들어 유체유로 내에 배치되는 스크린 또는 그 밖에 다른 다공성 부재와 같은 유체 투과성 부재일 수 있으며 유로 내에서 유동하는 유체가 다공성 부재를 통하여 효과적으로 유동할 수 있는 것이다. 일반적으로 유동 제한요소(38)는 유로 내에 밀착 삽입될 수 있게 되어 있으며, 예를 들어 유동채널 내에 억지 끼워 맞춤으로 삽입될 수 있게 되어 있다. 유동 제한요소는 1차 또는 2차 유로 내에 설치될 수 있다. 층류 요소 대신에 유동 제한요소를 갖는 1차 유로에서 층류 유체유동이 이루어질 수 있다.
유동 제한요소(38)의 우선 실시형태가 도 6에 도시되어 있으며 미국 코네티컷주의 파밍톤에 소재하는 Mott Metallurgical Corporation, Industrial Division 으로부터 입수할 수 있다. 이들 유동 제한요소는 표준체(standard sieves)로 조립되는 소결금속 합금 플러그로 구성된다. 이 조립체는 전형적으로 스텐레스 스틸로 구성된다.
어느 특정한 2차 유로(16) 내에 있는 유동 제한요소(38)는 이러한 유로 내에서의 유체유동에 대한 저항체로서 작용한다. 따라서, 이는 저항의 값에 비례하여 전압강하가 이루어지도록 하는 전기회로의 전기 저항체와 유사하다. 전기회로의 경우와 마찬가지로, 2차 유로(16)에서 유동하는 모든 유체는 이 유로의 유동 제한요소(38)를 통하여 유동할 것이다. 이러한 요소를 통한 압력강하, 즉 그 ΔP 특성과, 유동 제한요소가 배치되는 2차 유로의 유체유량 범위가 이 요소의 유체 투과성의 함수이다. 이러한 유로 내에서 유체유동에 대한 저항을 증가시켜 변환기의 유체유량 측정범위를 확장시키기 위하여 예를 들어 도 3에서 보인 바와 같이 공간이 허용되는 한 다수의 유동 제한요소가 단일 유로 내에 설치될 수 있다.
도 1과 도 2에서 보인 바와 같이, 2차 유로(16)는 이들이 1차 유로(14)에 평행하게 배열됨과 동시에 서로 평행하게 배열되는 것이 좋다. 또한 2차 유로(16)는 서로 직렬로 배열되어 1차 유로(14)와는 평행하게 병렬로 배열되므로서 도 7에서 보인 바와 같이 각 2차 유로가 1차 유로의 유일한 부분에 병렬로 배열되고 이에 연통하게 된다.
도 8은 본 발명의 질량유동 변환기의 구성 설명도이다. 도 2와 도 3에서 부호 16으로 보인 다수의 2차 유로 S1, S2… Sn이 도 2와 도 3에서 부호 14로 보인 1차 유로 P와 병렬로 배치된다. 각 2차 유로는 하나 이상의 2차 유로 내에 배치되는 하나 이상의 유동 제한요소(38)에 의하여 제공되는 유체유동에 대한 특유의 저항 R1, R2… Rn이 결합된다. 전기회로와 마찬가지로 접속점(1)(2)에서 유체의 유동은 각 유로에서 저항 R에 반비례하여 각 병렬 2차 유로 S로부터 분기된다. 다중병렬 2차 유로 S는 특정 유량범위를 갖는 다중유량 측정채널을 형성한다. 하나 이상의 2차 유로에 하나 이상의 유동 제한요소를 사용하므로서 유체라인에 부가적인 변환기를 필요로 함이 없이 변환기의 유량 측정범위를 확장할 수 있다. 따라서 단일 변환기가 비교적 폭넓은 측정범위에서 유체유동을 측정하는데 이용될 수 있어 매우 유용한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 다중채널 변환기는 1차 유로의 요구된 유량범위에 따라 약 1-500 sccm 또는 그 이상의 층류 유체유동을 제공하는 단일 층류부재(24)를 포함한다. 예를 들어 500 sccm의 속도로 유동하고 약 30의 레이놀드 수를 갖는 유체가 변환기의 "저" 유량채널에 의하여, 즉, 비교적 낮은 유체저항을 가지고 약 0-500 sccm 범위의 유체유동을 측정할 수 있는 2차 유로에 의하여 측정될 수 있다. 예를 들어 15,000 sccm의 속도로 유동하고 약 900의 레이놀드 수를 갖는 유체가 "고" 유량채널에 의하여, 즉 이러한 2차 유로에 사용된 하나 이상의 유동 저항요소에 의하여 유체유동에 대하여 비교적 높은 저항을 가지며 약 500-15,000 sccm의 범위에서 유체유동을 측정할 수 있는 다른 2차 유로에 의하여 측정된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 단일 변환기에 의하여 측정될 수 있는 "고" 유량 대 "저" 유량의 비율은 예를 들어 30 대 1 이다. 특정 유체 투과성을 갖는 특정수의 유동 제한요소를 포함하기 위하여 다른 "중간" 유량채널이 2차 유로의 설계에 의하여 형성될 수 있다.
어느 정도의 변경이 이상으로 설명된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기 장치에서 이루어질 수 있으므로 상기의 설명과 도면에서 보인 모든 내용은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 어떠한 제한을 두고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (20)

1차 유체유로의 유체유량을 측정하기 위한 질량유동 변환기에 있어서, 상기 변환기가 1차 유체유로를 형성하기 위한 수단을 포함하는 하우징 수단과 상기 하우징에 결합되어 상기 1차 유체유로의 유체유량의 일치하는 범위와 상이한 범위에 대한 적어도 두개의 2차 유로를 형성하기 위한 수단으로 구성되고, 상기 각 2차 유로는 상기 1차 유체유로에 병렬로 유체 연통되게 배치되어 상기 2차 유로의 하나와 관련된 유량범위 내에서 상기 1차 유로의 유체유동이 상기 1차 유로의 유량에 관련된 비율과 이 유량의 함수로서 상기 2차 유로의 유체유동이 이루어질 수 있게 되어 있으며, 상기 각 2차 유로에 결합되어 각 2차 유로에서 유동하는 유체온도의 함수로서 일치하는 유량범위를 통하여 상기 1차 유로의 유체유량을 측정하기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 확장된 유량 측정범위를 갖는 질량유동 변환기.
제 1 항에 있어서, 상기 1차 유체유로를 형성하기 위한 상기 수단이 상기 1차 유로의 유체유량을 제어하여 유동이 층류를 이루도록 하는 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 2 항에 있어서, 유동이 층류를 이루도록 상기 1차 유로의 유체유량을 제어하기 위한 상기 수단이 상기 1차 유로 내에 배치된 층류 부재를 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 3 항에 있어서, 상기 층류 부재가 상기 1차 유로에 적어도 하나의 층류 채널을 형성하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 3 항에 있어서, 상기 층류 부재가 상기 층류 부재의 둘레에 원통형 층류 유로를 형성하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 3 항에 있어서, 상기 층류 부재가 상기 층류 부재의 둘레에 나선형 층류 유로를 형성하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 둘 이상의 2차 유로를 형성하기 위한 상기 수단이 상기 유로를 형성하는 수단을 포함하므로서 각 2차 유로가 상기 변환기에 의하여 측정될 수 있는 유량의 확장된 범위를 제공토록 상이한 범위가 연속되게 상기 1차 유로의 상이한 유량범위와 일치하게 됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 둘 이상의 2차 유로를 형성하기 위한 상기 수단이 상기 유로를 형성하는 수단을 포함하므로서 상이한 범위가 불연속 되게 상기 1차 유로의 상이한 유량범위와 일치하게 됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 둘 이상의 2차 유로를 형성하기 위한 상기 수단이 상기 각 2차 유로의 상이한 유로길이를 한정하기 위한 수단을 포함하므로서 각 2차 유로가 상기 1차 유로의 상이한 유량범위와 일치하게 됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 둘 이상의 2차 유로를 형성하기 위한 상기 수단이 하나 이상의 2차 유로의 유체유량을 수정하기 위한 수단을 포함하므로서 각 2차 유로가 상기 1차 유로의 상이한 유량범위와 일치하게 됨을 특징으로 하는 변환기.
제 10 항에 있어서, 2차 유로를 형성하기 위한 수단이 상기 각 2차 유로에 대하여 동일한 유로길이를 한정하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 10 항에 있어서, 유체의 유량을 수정하기 위한 상기 수단이 유동 제한수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 12 항에 있어서, 상기 유동 제한수단이 상기 2차 유로 내에 배치된 하나 이상의 유체 투과성 부재로 구성됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 상기 유량범위가 상기 유체 투과성 부재의 유체 투과도의 함수임을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 상기 2차 유로가 서로 병렬로 배열됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 상기 2차 유로가 순차적으로 배열되어 상기 각 2차 유로가 1차 유로의 유일한 지점에 병렬로 유체 연통되게 배치됨을 특징으로 하는 변환기.
제 1 항에 있어서, 일치하는 유량범위를 통하여 상기 1차 유로의 유량을 측정하기 위하여 상기 각 2차 유로에 결합된 수단이 각 2차 유로와 결합된 전기회로로 구성되고, 상기 각 회로가 일치하는 2차 유로의 유체와 열적으로 연통된 하나 이상의 온도 감응요소를 포함하므로서 일치하는 2차 유로의 유체유량이 상기 요소에 의하여 측정된 온도의 함수가 되게 하며 상기 측정된 온도의 함수로서 이에 응답하여 1차 유로의 유량을 나타내는 전기신호를 제공하기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 변환기.
1차 유체유로와 상기 1차 유체유로에 병렬로 유체 연통되게 배치된 하나 이상의 2차 유체유로를 가지므로서 상기 2차 유로에 관련된 유량범위 내에서 상기 1차 유로의 유체유동이 상기 1차 유로의 유량에 관련되고 이 유량의 함수인 비율로 2차 유로에서 유체유동이 이루어지도록 하는 질량유동 변환기에 있어서, 상기 질량유동 변환기가 상기 2차 유로에 관련된 유량의 범위를 측정하기 위하여 상기 2차 유로 내에 배치된 유동 저항수단을 포함함을 특징으로 하는 질양유동 변환기.
제 18 항에 있어서, 상기 유동 저항수단이 상기 2차 유로 내에 배치된 하나 이상의 유체 투과성 부재를 포함함을 특징으로 하는 질량유동 변환기.
제 19 항에 있어서, 상기 유량범위가 상기 유체 투과성 부재의 유체 투과도의 함수임을 특징으로 하는 질량유동 변환기.
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