KR20100035162A

KR20100035162A - 액상 용융물의 국부 유량을 측정하는 초음파 센서

Info

Publication number: KR20100035162A
Application number: KR1020107000602A
Authority: KR
Inventors: 스벤 에케르트; 군터 제르베스; 토마스 군드룸
Original assignee: 포르슝스젠트룸 드레스덴-로센도르프 에.파우.
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2010-04-02
Also published as: EP2158456A2; WO2008152031A2; WO2008152031A3; EP2158456B1; JP5716247B2; DE102007027391B3; US20100218608A1; JP2010530066A; US8205507B2; KR101244642B1

Abstract

본 발명은 고온에서 액상 용융물에서의 유량을 측정하기 위한 초음파 센서에 관한 것이다. 본 발명은 고온(T>200℃)에서 국부적 연속적이고 신뢰할만한 유량 측정을 수행하는 초음파 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이는 초음파 센서가 압전 변환기(1)에 연결되고 200℃의 온도 범위에서 낮은 음향 감쇠를 갖고, 응용에 적절하고, 화학적으로 용융물에 견디는 물질로 구성되는 초음파 도파관(2)을 포함한다는 사실과 용융물을 향하는 측의 초음파 도파관(2)의 단면이 닫히고, 용융물에 의해 젖을 수 있다는 사실에 의해 달성될 수 있다.

Description

액상 용융물의 유량을 측정하는 초음파 센서{Ultrasonic sensor for measuring flow rates in liquid melts}

본 발명은 고온에서 액상 용융물의 유량을 측정하는 초음파 도파관(ultrasonic waveguide), 압전 변환기(piezoelectric transducer) 및 전기 신호 매칭 회로(electrical signal matching circuit)로 구성되는 초음파 센서에 관한 것이다.

유체 역학(fluid mechanics)에서 널리 알려진 광학 측정(optical measuring) 방법과 달리, 초음파 측정 방법은 기본적으로 불투명한 유체에서 사용하기에 적합하다. 이러한 측정 장치는 기본적으로 주파수 발생기(frequency generator) 및 평가 장치(evaluation device)에 전기적으로 연결되며 압전 오실레이터(piezoelectric ocillator)(또한 압전 소자(piezoelectric crystal) 또는 압전 변환기(piezoelectric transducer)라고도 한다) 형태인 초음파 변환기(ultrasonic transducer)의 구성요소를 포함한다. 이러한 초음파 변환기는 검사될 유체에 초음파를 직접 전파하거나 유체를 둘러싸는 컨테이너의 외부 벽을 통해 검사될 유체에 초음파를 전파한다.

튜브(tube) 또는 채널(channel) 내의 유동체의 유량을 결정하는 초음파 유량계가 널리 알려져 있다. 문헌 DE 198 12 458 C2는 전파 시간 방법(propagation time method)에 기초하며 고열 전도 저항을 구비하는 초음파 도파관의 사용과 구별될 수 있는 초음파 유량계에 대한 송/수신부(head)에 대해 기술하고 있다. 초음파 신호를 전달하기 위해 초음파 도파관을 사용할 경우, 뜨거운 용융물과 압전 변환기를 공간적으로 분리하는 것이 가능하게 된다. 초음파 도파관을 제작하기 위해 고열 전도 저항을 갖는 물질들을 사용하는 것은 초음파 도파관의 실제 길이를 갖는 압전 변환기에서 온도를 제한하는데 적합하다.

초음파를 이용하여 유량을 측정하는 방법에 더하여, 초음파 도플러 방법(ultrasonic Doppler method) 역시 기술적 용융물의 흐름에 있어서 유량 프로파일(profile)을 측정하는 목적으로 발전되었다(Y. Takeda: Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Design, Vol. 126, 1991, 277-284). 초음파 도플러 방법의 경우에 기 정의된 주파수의 초음파 측정 신호는 이러한 용융물의 흐름에 주입된다. 매체 내의 가장 작은 입자들은 초음파 측정 신호를 반사하고, 유량은 주입되고 출력되는 초음파 측정 신호의 주파수 이동을 이용하여 측정된다.

초음파 도플러 방법에 있어서 초음파 도파관과 결합된 초음파 센서를 사용하는 것은 초음파 도파관에서 초음파의 확산-자유(dispersion-free) 전송을 요구한다. 따라서 초음파 도파관의 구조에 특별한 요구들이 부과된다. 따라서 초음파를 나르는 구조의 물질 두께는 전송 방향에 대해 가로질러 전송될 초음파 신호 파장의 최소값보다 작아야 한다. 초음파 도파관에 상응하는 설계의 다양한 컨셉들은 널리 알려져 있다.

WO 96/41 157은 확산 자유 신호 전송을 달성하기 위해, 서로 평행한 가는 막대들의 묶음 또는 대응하도록 그레듀에이트(graduated)된 지름을 갖는 튜브들의 동심원 배열의 사용을 제안한다.

DE 100 21 187 C1은 롤 업(rolled up)되고 층 두께가 초음파 도파관 물질에서 초음파의 최소 파장보다 작도록 선택되는 필름으로 만들어진 초음파 도파관의 구조를 기술한다. 이는 주로 초음파 도파관에서 초음파 신호의 확산 자유 전송을 달성하게 한다. DE 100 53 508 A1는 고에너지 전송과의 향상된 결합을 달성하기 위해 적합한 디스크들을 사용하여 필름으로 감겨진 도파관의 단부를 닫는 동작의 실행을 기술하고 있다.

종래에 제안되었던 기술적 해결 방법은 다음 두 개의 기준을 만족한다:

한정된 길이와 충분히 낮은 열 전도성의 초음파 도파관은 측정 환경으로부터 반대 방향의 측에 배열된 압전 변환기의 과열을 방지한다.

충분히 얇은 구조로 만들어진 초음파 도파관의 구조는 초음파 도파관 내의 초음파의 산란과 확산에 의해 야기되는 전송 손실을 최소화한다.

본 발명은 뜨거운(T > 200℃) 용융물에서 국부적 연속적이고 신뢰할만한 유량 측정을 수행하기 위한 초음파 센서를 개발하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면 처음에 언급한 타입의 초음파 센서의 경우에, 압전 변환기와 연결된 초음파 도파관이 응용에 적절한 200℃이상의 온도 범위에서 낮은 음향 감쇠를 갖고, 용융물에 화학적으로 잘 견디는 물질로 구성되는 사실 때문에, 그리고 용융물을 향하는 측의 초음파 도파관의 단면이 폐쇄되고 용융물에 의해 적셔질 수 있다는 사실 때문에 상기 목적은 달성된다.

낮은 음향 감쇠를 갖는 물질은 α<10dB/m의 음향 감쇠 계수를 가져야 한다.

초음파 도파관은 이리듐(iridium), 몰리브덴(molybdenum), 니오븀(niobium), 탄탈룸(tantalum), 텅스텐(tungsten), 지그코늄(zirconium), 스테인리스 스틸(stainless steel), 티타늄(titanium), 모넬(Monel)의 금속 또는 이러한 금속들의 합금들로 구성될 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 초음파 도파관은 2차원 방법으로 층층이 층을 이루는 금속 필름들의 다수로 구성되며, 상기 초음파의 전송 방향은 상기 각각의 필름들의 면의 평균(surface normal)에 수직하는 방향에 해당한다. 바람직하게 상기 초음파 도파관은 층층이 층을 이루는 금속 필름들로 구성된다.

선택적으로, 초음파 도파관은 금속 및 세라믹의 물질 조합 그리고/또는 글라스 물질(glass material)로 구성될 수 있다.

초음파 도파관의 길이는 100nm 및 1000nm 사이에 해당한다.

본 발명의 제2실시예로는 보호 덮개(protective sheath)가 용융물에 화학적으로 견디는 특징을 포함하고, 추가적으로 열적 절연물(thermal insulation)이 제공될 수 있다.

또한, 중간 공간은 초음파 도파관 및 보호 덮개 사이에 위치할 수 있으며, 보호 덮개는 이중 벽(double-walled) 설계이며, 냉각제는 상기 보호 덮개를 통해 흐를 수 있다.

본 발명의 다른 세밀한 특징에 있어서, 용융물의 반대 방향에 위치하는 압전 변환기 및 전기적 구성 요소들을 갖는 초음파 센서의 부분은 보호 하우징으로 둘러싸여 있다. 상기 보호 하우징은 바람직하게는 이중 벽 설계이며, 냉각제는 중간 공간을 통해 흐를 수 있다.

초음파 에너지의 용융물로의 양호한 주입을 위해, 용융물을 향하는 초음파 도파관의 단면은 기계적으로 그리고/또는 화학적으로 먼지 및 산소가 제거되고, 추가적으로 매끄러운 보호 층이 제공될 수 있다.

추가적으로 또는 선택적으로, 추가적인 매끄러운 커버 플레이트 또는 필름은 초음파 도파관의 단부에 꼭 맞도록 구성될 수 있으며, 상기 초음파 도파관 및 상기 커버 플레이트 또는 필름은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다.

끝으로, 상기 커버 플레이트에는 이온 주입(ion implantation) 또는 전기 화학적 또는 물리적 방법을 통해 적용되는 얇은 매끄러운 물질 층이 위치한다.

본 발명의 다른 실시예로는 초음파 도파관과 압전 변환기가 일렬로 가까이 나열되고, 접착 접합(adhesive bonding), 납땜(soldering), 프레싱(pressing)을 통해 서로 연결될 수 있다. 또한 압전 변환기는 캐패시터(capacitor) 및/또는 코일(coil)을 통해 초음파 센서의 외부에 있는 평가 회로에 연결된다.

대칭적으로 꼬인(symmetrically twisted) 전도체들이 압전 변환기 및 평가 장치 사이에서의 전기적 신호 전송을 위해 위치하며, DC 전기 분리(isolation)는 압전 변환기 및 평가 장치 사이에서 이루어진다.

전류 보상 인덕터(current-compensated inductor)는 누설 전류를 줄이기 위해 용융물과 평가 장치 사이에 설치된다.

본 발명은 이하 실시예에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

본 발명을 통해 뜨거운(T > 200℃) 용융물에서 국부적 연속적이고 신뢰할만한 유량을 측정할 수 있다.

도 1은 초음파 센서의 개략도를 도시한다.
도 2는 층층이 층을 이루는 각각의 필름들의 다수로 구성되는 초음파 도파관의 특별한 설계를 도시한다.

도 1은 초음파 도플러 방법에 따라 동작하는 본 발명에 따른 초음파 센서의 기본 구조를 도시한다. 이는 하나의 센서로 흐르는 용융물의 유량을 결정할 수 있는 구조를 도시한다. 상기 센서는 90°와는 다른 각도로 용융물에 담궈져야 한다. 두 개 또는 그 이상의 초음파 센서들을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 초음파 센서는 압전 변환기(1)의 주요 하위 부품들, 상기 압전 변환기(1)를 제어하고 내부적으로 신호들을 조절, 매칭 및 평가하기 위한 관련된 전자 부품(5)들 및 축 배열로 결합된(coupled) 초음파 도파관(2)으로 구성된다. 이 경우, 압전 변환기(1)는 용융물의 흐름과 반대 방향의 초음파 도파관(2)의 측면에 위치한다. 초음파 도파관(2)는 보호 덮개(3)에 의해 둘러싸인다.

출력 신호는 전자 부품(5)들의 축 방향으로 하부(downstream)에 있는 연결 소켓(7)에 가해지고, 따라서 케이블을 통해 센서의 외부에 있는 평가 장치(미도시)로 전송될 수 있다.

압전 변환기(1) 및 전기 신호를 매칭하는 전자 부품(5)들은 보호 하우징(protective housing)(6)에 수용된다.

상기 보호 하우징(6) 내부의 모든 센서 부품들은 100℃보다 낮은 온도 레벨에서 변하지 않고 유지되어야 한다. 상응하는 열부하(thermal load)로 인해, 상기 보호 하우징(6)은 이중 벽(double-walled) 설계일 수 있으며, 상기 보호 하우징(6)의 중간 공간(8)은 상응하는 연결부를 통해 냉각제 저장통(coolant reservoir)에 연결될 수 있으며, 냉각제는 측정 과정 동안 상기 중간 공간을 통해 흐를 수 있다.

2차원 방법으로 층층이 층을 이루는 금속 필름들의 다수로 구성되는 상기 초음파 도파관(2)의 특별한 구성은 도 2에 도시될 수 있다. 상기 초음파의 전송 방향은 상기 각각의 필름들의 면의 평균(surface normal)에 수직하는 방향에 해당한다. 상기 각 필름 층들은 각각 예를 들어, 5 x 300 ㎟의 사이즈와 75μm 두께를 가질 수 있다.

초음파 도파관(2)에는 모양이 상기 초음파 도파관(2)의 단면적과 매칭되는 보호 덮개(protective sheath)(3)가 형성된다. 상기 초음파 도파관(2)의 기능을 보장하기 위해, 용융물을 향하는 측의 초음파 도파관(2)의 상기 보호 덮개(3)의 단부는 커버 플레이트(cover plate)(4)에 의해 닫혀질 수 있다 (도 1).

상기 커버 플레이트(4)와 상기 초음파 도파관(2)의 필름 층들 사이는 동종의 물질로 연결된다. 상기 초음파 도파관(2), 상기 보호 덮개(3) 및 상기 커버 플레이트(4)가 모두 동일한 물질로 구성될 필요는 없다.

약 1000℃의 주석(Tin) 용융물을 사용함에 있어서, 예를 들어, 상기 초음파 도파관(2)은 앞 단면이 스테인리스 스틸의 커버 플레이트(4)로 닫혀진 스테인리스 스틸 튜브 내의 몰리브덴(molybdenum) 필름으로 생산될 수 있다. 상기 초음파 센서와 주석 용융물 사이의 양호한 음향 전이(acoustic transition)를 이루기에 충분한 젖음성(wetting)을 만들기 위해, 스테인리스 스틸의 커버 플레이트(4)의 표면은 기계적으로 닦여지고 그리고 인산(phosphoric acid)으로 처리될 수 있다. 그리고 주석은 세척된 표면 상에 전해적으로 위치할 수 있다.

압전 변환기의 사용 분야는 퀴리 온도(Curie temperature)에 의해 제한된다. 이러한 온도 임계치를 넘으면, 변환기 물질은 압전 특성을 상실한다. 반도체 또는 유리와 같이 상업적으로 관심 있는 금속들 다수의 용융점은 일반 압전 세라믹(customary piezoceramic)의 퀴리 온도보다 상당히 높다.

이러한 용융물들에서 초음파 도플러 방법을 사용하는 것은 초음파 변환기와 유체와의 안정적인 음향 접촉(acoustic contact)을 수립하고, 동시에 검사될 용용물의 영향으로부터 압전 변환기를 보호하는 기술적 해결을 요구한다.

최대한 적은 손실로 무선 주파수(radio-frequency) 초음파 신호를 전송하는 것은 사용 가능한 측정 데이터를 획득함에 있어서 초음파 유동 측정 방법에서보다 초음파 도플러 방법에서 훨씬 더 요구된다. 시험될 용융물들의 고온으로 인해 초음파 도파관은 측정 컨셉으로 통합된다. 그러나 이것은 피할 수 없는 전송 손실과 관련된다.

추가적인 손실은 용기 벽의 초음파 테스팅 동안 발생하며, 뜨거운 용융물을 저장하는 컨테이너의 벽 물질의 구조는 특히 극도로 나쁜 초음파 전송 특성에 영향을 미친다. 이는 센서를 직접 용융물에서 측정될 유체에 직접 결합시키는 것을 필요로 하게 한다. 초음파 도파관을 통한 용융물과의 직접 접촉 및 높은 적용 온도는 특별한 요구들을 센서의 설계상에 부과하며, 특히 초음파 도파관 물질의 물리적 특성과 그것의 화학적 안정성 또는 용융물에서의 용해도(solubility)에 부과한다.

연속적인 음파의 기계적인 에너지의 일부가 연속적으로 열로 전환되기 때문에 소리의 전송에는 손실이 따른다는 것은 널리 알려져 있다. 이러한 과정은 흡음(sound absorption)이라고 하며, 경로 x를 따르는 플랫 하모닉 음파(flat harmonic sound wave)의 음압(sound pressure) p에서 지수 감소를 나타내는 흡수 계수(absorption coefficient) α로 특징된다(H. Kuttruff: Physik und Technik des Ultraschalls. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, 191 ff.).

흡수 계수 α는 전송 물질과 초음파의 주파수에 의해 결정되며, 진행파(propagating wave)와 전송 매체의 원자 구조 사이의 상호 작용을 차단하는 다른 손실 메커니즘에 의해 결정된다. 크리스탈 구조 결점, 열 음향 양자(phonon)로의 확산 또는 이와 유사한 프로세스들로부터 야기되는 음 흡수(sound absorption)의 속성이 될 수 있는 흡수 계수는 온도 상승에 따라 상승한다. 예를 들어, 400℃ 이상의 온도에서의 상승은 이미 많은 물질들에 대한 음향 감쇠(acoustic attenuation)의 상당한 상승을 일으킨다.

700℃이상의 온도에서 전송 손실의 급격한 증가를 관찰하는 것이 가능하기 때문에 관련된 물질을 초음파 도파관으로서 의미 있게 사용할 수 없다. 따라서 주의하여 선택될 수 있는 초음파 도파관 물질들 중 단지 적은 개수만이 이러한 특별한 적용들에 적합하다. 고온에서 물질들의 음향 감쇠 현상에 대한 서로 다른 물질들의 적합성은 포괄적인 테스트들의 연속에서 체크된다.

T > 200℃ 이상의 고온의 범위에서 이리듐(iridium), 몰리브덴(molybdenum), 니오븀(niobium), 탄탈룸(tantalum), 텅스텐(tungsten), 지그코늄(zirconium), 스테인리스 스틸(stainless steel), 티타늄(titanium), 모넬(Monel) 또는 이러한 금속들의 합금들은 초음파 도플러 방법에 대해 충분히 상응하는 초음파 전송 특성들을 갖는 것이 발견되었다.

중요하게 요구되는 것은 양호한 음향 결합을 보장하기 위해 초음파 도파관의 단면이 용융물에 충분히 담궈져야 한다는 점이다. 만약 초음파 도파관이 용융물에 담궈지지 않았을 때, 테스트는 초음파 에너지의 사소하게 작은 부분만이 유체에 주입될 수 있고, 어떠한 사용 가능한 측정 신호가 결과로서 생성되지 않음을 보여주었다.

본 발명은 초음파 도파관 물질과 용융물 사이를 젖게 하기 위한 초음파 도파관의 단면에 대한 서로 다른 기계적 및 화학적 처리 방법을 제공한다. 각각의 처리 단계들의 수 및 순서는 각각 당해 용융물의 타입, 초음파 도파관의 물질 및 측정이 수행되도록 요구되는 온도 범위에 따라 결정된다.

젖음성(wetting)의 중요한 필요 조건은 오염, 침전물(deposits)과 초음파 도파관(2)의 커버 플레이트(4)의 단면 상의 산소층(oxide layer)의 거리이다. 이것은 예를 들어 그라인딩(grinding) 및 폴리싱(polishing)에 의해 기계적으로 영향을 받고, 그리고/또는 예를 들어 일시적으로 제한된 비유기산과 같은 적합한 화학 물질 또는 적합한 유동의 영향에 의해 화학적으로 영향을 받을 수 있다.

이러한 준비 과정과 측정 시작 사이의 기간에서 초음파 도파관(2)의 커버 플레이트(4)는 적합한 방법으로 재산화 그리고/또는 오염으로부터 보호되어야 한다. 이를 위해 예를 들어 적합한 보호층이 메탈로 만들어진 커버 플레이트(4)의 단면에 기계적으로 그리고/또는 열적으로 적용될 수 있다. 이 보호층은 측정 과정 동안 기 설정된 시간 내에서 용융물 내에서 녹아야 하며, 이는 용융물과 준비된 커버 플레이트(4)의 단면 사이의 직접 접촉이 달성되는 결과를 낳는다.

몇몇 물질 접합에 있어서, 초음파 도파관 물질 자체는 기본적으로 젖지 않거나 특정 온도 이상에서 이상적으로(ideally) 세척된 면에서만 젖는다. 이러한 응용에 있어서, 커버 플레이트(4)의 단부가 측정을 위해 제공되는 온도 범위에서 용융물에 의해 쉽게 젖는 물질의 층으로 덮히는 것이 필요하다. 이 층과 상기 초음파 도파관 사이에 균일 물질(homogeneous material)로의 결합이 있어야 한다. 이러한 추가적인 커버 층은 디스크 또는 필름을 커버 플레이트(4)에 사이즈를 맞게 함으로써 또는 전기 화학 증착(electrochemical deposition) 방법에 의해 시행될 것이다.

다른 가능성은 이온 주입법(ion implantation) 또는 유사한 물리적 방법을 통해 표면 근처의 초음파 도파관의 구조를 변경하는 것이다.

센서와 초음파 도플러 방법을 위한 초음파 도파관을 함께 사용하는데 있어 다른 필요 조건은 초음파 도파관에서 초음파의 확산 자유(dispersion-free) 전송이 이루어져야 한다는 점이다. 이를 달성하기 위해, 초음파 도파관은 얇은 구조를 갖도록 제작되어야 한다. 이러한 구조는 일반적으로 단면에 물질을 불완전하게 채운다. 만약, 초음파 도파관은 용융물 속으로 잠길 때, 용융물은 움푹한 곳을 따라서 초음파 도파관의 내부 구조로 진입하고, 간섭 자유(interference-free), 저 감쇠(low-attenuation) 전송은 더 이상 보장되지 않는다.

이를 피하기 위해 용융물을 향하는 초음파 도파관(2)의 단면은 커버 플레이트(4)로 닫히며(상기 언급한 바와 같이), 커버 플레이트로 추가적으로 설계될 것이다.

압전 변환기와 신호 매칭을 목적으로 하부(downstream)에 연결된 전자 부품들은 일반적으로 최대 100℃까지의 온도에 계속적으로 노출될 것이다. 따라서 특정 응용에 따라 이러한 온도 민감(temperature-sensitive) 센서 부품들을 추가적으로 냉각시키는 것이 필요할 것이다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어, 사용 동안 보호 하우징(6) 내의 대응 구성요소들을 냉각제가 움푹한 곳을 따라 흐르는 이중 벽의 보호 덮개(8)에 수용하는 것이 적절하다.

초음파 도플러 방법을 이용하여 유량을 측정할 때 신호의 퀄리티(quality)는 적절한 방법으로 압전 변환기를 평가 장치에 전기적으로 매칭함으로써 상당히 개선될 수 있다. 본 발명에서 이러한 매칭은 캐패시터(capacitor) 그리고/또는 코일(coil)의 적절하게 치수가 매겨진 회로를 이용하여 달성된다.

압전 변환기(1)의 임피던스(impedance)는 일반적으로 신호들을 수송하는데 사용되는 케이블의 특성 임피던스(characteristic impedance)보다 작아야 하며, 이로 인해, 코일 및 캐패시터로 인한 임피던스 변환의 경우에 초음파 장(ultrasonic field)이 상당히 높은 세기로 전달되는 결과가 발생한다.

시험될 용융물들은 사이리스터 컨트롤러(thyristor controller)와 함께 인덕션 히터(induction heater) 또는 전기 히터(electrical heater)를 사용하여 종종 가열되거나 녹는다. 이는 직접적으로 용융물 내 또는 초음파 도파관(2) 내의 다른 부분 내에 전기 전류의 유도를 야기한다. 흐름에 영향을 미치는 전자기 펌프(electromagnetic) 또는 자기장 시스템(magnetic field system)을 사용하는 것은 조화를 형성하고 측정 결과를 손상시키는 전기 간섭 신호(electrical interference signal)의 원천에 해당한다.

본 발명은 이러한 전기적 간섭(electrical interference)을 효과적으로 줄이기 위한 목적으로, 변환기(transformer), 전류 보상 인덕터 및 꼬인 신호 라인들로 구성되는 특별한 전기 구조를 사용한다.

1: 압전 변환기(piezoelectric transducer)
2: 초음파 도파관(ultrasonic waveguide)
3: 보호 덮개(protective sheath)
4: 커버 플레이트(cover plate) / 단면(end face)
5: 전기 회로의 제어부 및 내부 평가부(Electrical circuit of the control part and possibly internal evaluation part)
6: 보호 하우징(protective housing)
7: 연결 소켓(connection socket)
8: 중간 공간(intermediate space)/속이 빈 설계의 보호 덮개

Claims

액상 용융물의 유량을 측정하는, 초음파 도파관(ultrasonic waveguide), 압전 변환기(piezoelectric transducer) 및 전기적 신호 매칭 회로(electrical signal matching circuit)으로 구성되는 초음파 센서에 있어서,
압전 변환기(1)와 연결된 초음파 도파관(2)은 응용에 적절한 200℃ 이상의 온도 범위에서 낮은 음향 감쇠를 갖고 용융물에 화학적으로 잘 견디는 물질로 구성되며, 용융물을 향하는 측의 초음파 도파관(2)의 단면이 닫히고 용융물이 의해 적셔질 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
상기 낮은 음향 감쇠를 갖는 물질은 α<10dB/m의 음향 감쇠 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 초음파 도파관은 이리듐(iridium), 몰리브덴(molybdenum), 니오븀(niobium), 탄탈룸(tantalum), 텅스텐(tungsten), 지그코늄(zirconium), 스테인리스 스틸(stainless steel), 티타늄(titanium), 모넬(Monel)의 금속 또는 이러한 금속들의 합금들로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 초음파 도파관(2)은 2차원 방법으로 층층이 층을 이루는 필름들의 다수로 구성되며, 상기 초음파의 전송 방향은 상기 각각의 필름들의 면의 평균(surface normal)에 수직하는 방향인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제4항에 있어서,
상기 초음파 도파관(2)은 층층이 층을 이루는 금속 필름들로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제4항에 있어서,
상기 초음파 도파관(2)은 금속 및 세라믹의 물질 조합 그리고/또는 글라스 물질(glass material)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 초음파 도파관(2)의 길이는 100nm 및 1000nm 사이에 해당하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제7항 중 적어도 하나의 항에 있어서,
보호 덮개(protective sheath)(3)는 용융물에 화학적으로 견디는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제8항 중 적어도 하나의 항에 있어서,
보호 덮개(3)에는 열적 절연물(thermal insulation)이 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제9항에 있어서,
냉각제가 흐를 수 있는 중간 공간은 초음파 도파관(2) 및 보호 덮개(3) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 보호 덮개(3)는 이중 벽(double-walled) 설계이며, 냉각제는 상기 보호 덮개를 통해 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
용융물로부터 외면하고 압전 변환기(1) 및 전기적 구성 요소(5)들을 갖는 초음파 센서의 부분은 보호 하우징(6)으로부터 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제12항에 있어서,
상기 보호 하우징(6)은 바람직하게는 이중 벽 설계이며, 냉각제는 중간 공간(8)을 통해 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
용융물을 향하는 초음파 도파관의 단면은 기계적으로 그리고/또는 화학적으로 먼지 및 산소가 제거되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
초음파 도파관(2)의 단면에는 매끄러운 보호 층이 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
추가적인 매끄러운 커버 플레이트 또는 필름은 초음파 도파관(2)의 단부에 꼭 맞는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제16항에 있어서,
초음파 도파관(2) 및 상기 커버 플레이트 또는 필름은 서로 다른 물질들로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
상기 커버 플레이트(4)에는 이온 주입(ion implantation) 또는 전기 화학적 또는 물리적 방법을 통해 적용되는 얇은 매끄러운 물질이 제공되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
초음파 도파관(2)과 압전 변환기(1)가 일렬로 가까이 나열되고, 접착 접합(adhesive bonding), 납땜(soldering), 프레싱(pressing)을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
압전 변환기는 캐패시터(capacitor) 및/또는 코일(coil)을 통해 초음파 센서의 외부에 있는 평가 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
대칭적으로 꼬인(symmetrically twisted) 전도체들이 압전 변환기(1) 및 평가 장치 사이에서의 전기적 신호 전송을 위해 공급되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
DC 전기 분리(isolation)는 압전 변환기(1) 및 평가 장치 사이에서 꼭 맞는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
전류 보상 인덕터(current-compensated inductor)는 누설 전류를 줄이기 위해 용융물과 평가 장치 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.