KR20110099734A - 와이어 풍속계 조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벽에 인접하게 측정하기 위하여 단일 와이어 또는 상호 나란한 n 개(n≥1)의 와이어를 가지는 풍속계에 대한 것으로서, 상기 풍속계는 각 와이어에 대하여 와이어를 위치에 지지하고 와이어를 위치시켜서 고정하기 위한 평평한 구간(43)을 단부에서 각각 구비하는 2개의 핀(4, 6)과, 상기 와이어를 위치시키고 고정하기 위한 평평한 구간(43)상에 브레이징되는 와이어의 직선부를 구비한다.

Description

와이어 풍속계 조절 장치{Device for regulating a wire anemometer}

본 발명은 벽 근처에서 풍속을 측정하는 탐침(probe)에 대한 것이다.

보다 자세하게는 열간 와이어(hot wire) 또는 냉간 와이어(cold wire) 풍속계 타입의 장치 또는 탐침에 대한 것이다.

또한, 본 발명은 이러한 탐침을 제조하는 방법에 대한 것이다.

또한, 본 발명은 치러한 팀침의 공급을 제어하고 측정하는 장치에 대한 것이다.

열간 와이어 풍속 계측의 원리를 우선 간단히 살펴보면, 이러한 기술에 따르면, 일반적으로 2 내지 5 마이크로미터 크기의 직경을 가진 매우 얇은 금속 와이어는 주울 효과에 의해 가열된다. 와이어가 와이어의 온도보다 낮은 온도의 유동 내에 배치된다면, 와이어는 강제 대류에 의해 냉각된다. 유동하는 유체의 온도 및/또는 속력의 변동은 와이어의 온도에 변화를 발생시키게 되고, 따라서 와이어의 전기 저항도 변화하게 된다. 이러한 변화는 측정시에 적절치 적용된다.

와이어의 레벨에서 방출되고 따라서 와이어와 그를 둘러싸는 주변 환경 간에 교환되는 전력은 아래의 3가지의 풍속 측정 유형을 가능하게 하는 전기 회로에 의해 서로 다른 방식으로 공급된다.

- 고정 전류 풍속계,

- 고정 온도 풍속계,

- 고정 전압 풍속계.

벽에 인접한 측정은 매우 특이한데, 그 이유는 벽의 영향으로 인하여 속도 측정이 영향을 받기 때문이다. 그 결과, 속력값이 초과하게 될 것을 예상하게 되었다.

이러한 초과 예상은 다음과 같은 방식으로 물리적으로 설명된다. 과도하게 가열되기 때문에 와이어는 소산 열 스팟에 의해 둘러싸이게 된다. 상기 와이어와 벽간의 거리가 와이어를 포괄하는 상기 열 스팟의 크기보다 작게될 때, 열에 대한 에너지 전달이 발생하게 된다. 이에 따라, 와이어에 있어서, 벽이 없는 경우의 보정(calibration)에 비교하여 측정된 속력에서의 증가에 해당하는 에너지 전달이 증가하게 된다. 이러한 초과 속도 현상은 y⁺ = 6 (여기서 y⁺ 는 운동 점성에 의해 나누어진 벽에 대하여 거리만큼 배가된 마찰 속도의 생성으로 정의된다)의 크기의 벽에서 치수가 없는 거리로부터 명백하게 된다. 다른 분석적 보정이 행해져서 이러한 벽의 브릿징 현상에 의해 영향을 받는 측정치를 보정하게 된다. 이러한 보정 방법이 예상된 결과로부터 예외없이 구성되는 한, 이러한 보정 방법은 모두 일련의 결점을 가지게 된다. 이러한 보정방법들은 결과적으로 확립되지 않은 유동 상태에는 적용될 수 없다.

간략히, 리그라니 및 브래드쇼의 1987년의 서면에 설명되고 도 1에 도시된 공지의 탐침은 10% 로듐을 가진 백금 합금으로된 금속 와이어(200: 열간 와이어의 직경은 0.625 마이크로미터)를 포함한다. 상기 금속 와이어에는 그 작동부(600: 가열된 길이)에서 전류가 흐르며 "U"자 형상을 가진다.

이러한 와이어는 애럴다이트 450 접착제에 의해 서로 지지되는 2개의 지점(400, 600)의 단부에 고정된다. 이러한 고정은 상기 지점들에서 와이어의 2개의 용접부(주석 함유: 220)에 의해 이루어진다.

2개의 핀들의 단부 사이의 간격(e)은 0.5mm 의 치수로 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 핀들의 수렴이 발생시키는 차단 효과를 중립화하기 위하여, 상기 와이어는 지점(400, 600)에 의해 형성된 평면에 비하여 약 15도의 각도(α)로 경사진 평면을 형성한다. 상기 차단 효과는 상기 핀의 단부가 너무 접근하게 됨으로써 발생하는 유동에서의 섭동(perturbation)이 된다. 상기 섭동은 활성화부(600)의 레벨에서 행해지는 측정치에 영향을 주게된다.

따라서 문제점은 이러한 탐침의 성능을 향상시키는 탐침을 제공할 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 유형의 탐침은 진동 및 민감도에 대한 저항성의 문제점을 가진다.

예상된 측정 타입의 다른 형태는 필터링 효과이다. 이러한 효과는 평균적이거나 집적된 측정치를 제공하지만 하나의 지점의 측정치를 제공하지는 않는, 상기 작동부가 매우 중요할 때에 그 자체로부터 명확해진다.

필터링 현상을 한정하기 위하여, 하나의 해결책은 와이어의 길이를 감소시키기 위하여 핀들 사이의 간격을 감소시키는 것을 포함한다. 그러나, 전술한 바와 같이, "단일 열간 와이어 탐침에 의해 야기되는 에어로다이나믹 난류"라는 제목의 ASME, J. Applied Mechanics 의 기사에서 콤벨로 등에 의해 설명된 바와 같은 핀들의 유동에 있어서 매우 중요한 인접성을 발생시키는 차단 효과가 일어날 수 있음이 고려된다.

전술한 문제점을 해소하는 탐침은 단텍 또는 TSI 사에 의해 판매되는 탐침과 같은 상업적으로 판매되고 있는 장치에서 발견되지 않는다.

상업적으로 입수 가능한 풍속계 조립체(일정 온도 풍속계와 연관된 2.5 마이크로미터 직경의 일반적인 탐침)를 포함하는 공지의 탐침은 작은 크기의 난류의 측정에는 크게 부족하며 그것이 행해지도록 희망되는 것과 같은 벽에 인접한 것에는 매우 적절하지 않다.

마지막으로, 이러한 유형의 탐침의 제조는 그 대부분이 해소되지 않은 다수의 기술적 문제점을 가진다.

이러한 발명에 의해 야기되는 문제점 중 하나는 재생가능한 방식으로, 탁월한 성능을 나타내는 탐침을 얻을 수 있게 하는 제조 방법을 찾아야만 한다는 것이다.

이러한 발명에 의해 야기되는 다른 문제점은 일정 전류에서 와이어 풍속계를 공급하고 조절하는 장치를 찾아야 한다는 것이다.

특정 작동은 "냉간 와이어 작동"으로 알려진 작동이다. 이것은 일정 전류 작동 모드를 포함하는데, 와이어에 공급되는 전류는 매우 낮다.

냉간 와이어 풍속계 역시 공지되었다.

이러한 공지의 장치에서, 공급기는 유동 속도가 변화할 때 상기 와이어에서 Iw 의 일정 전류량을 유지하기 위하여 와이어는 연속적으로 배치된 큰 저항(R)을 구비한다. 상기 와이어는 그 저항(Rw)의 정밀도로 측정되는 휘트스톤 브릿지에 집적되며; 그 출력 신호는 브릿지의 최고점에서 수집된다.

일정 전류 풍속계는 장점을 가진다. 온도 섭동에 대한 연구에 영향으로 과열을 자유롭게 선택할 수 있다. 또한 고정된 저항기로 와이어를 대체하고 측정에 필요한 보정을 함으로써 백그라운드 노이즈를 측정하는 것이 가능하게 된다. 한편, 상기 출력 신호는 중요한 방식으로 증폭된다. 측정 원리의 통과 밴드는 와이어의 열적 관성에 의해 부여된다.

이러한 유형의 작동시에, 와이어에 공급되는 전류는 가급적 후자를 적게 가열하도록 0 의 수치로 되는 경향을 가진다. 상기 와이어는 더이상 대류(가열되지 않는 한)에 의해 냉각되지 않으며, 아래의 식에 따라 저항 (R_wire) 값의 바이어스를 통하여 주변 환경의 온도(T)에 특징적으로 반응하게 된다.

R_wire = R_o + [1 + α(T-T_o)]

여기서 R_o 는 기준 온도 및 온도와 저항간의 α 계수에서 탐침의 저항이다.

이러한 유형의 작동에서, 온도 차이는 작으며, 와이어에 공급되는 전류는 매우 약하다. 그 저항값까지 상승시키기 위하여 와이어의 단자에서 전압을 측정하는 것이 가능하게 된다. 그것은 약 50 내지 200 ㎂ 가 된다. 따라서, 주울 효과에 의한 와이어의 가열은 무시할 만하며, 그것이 왜 이러한 풍속계가 냉각 와이어 온도계로서 공지된 것인지에 대한 이유가 된다.

이러한 작동 유형에 의해 발생되는 문제점은 측정 온도의 변화이며, 따라서 평균 온도의 측정치를 가지는 열전쌍을 가진 탐침와 연계될 필요가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하는 해결책을 제공하고자 한다.

우선, 본 발명은 와이어 풍속계를 조절하는 장치에 대한 것으로서, 일정 전류에서,

- 와이어의 공급 전류와 기준 저항을 공급하는 수단 및 조절하는 수단과,

- 탐침의 와이어의 단자에서의 신호와 기준 저항의 단자에서의 신호 간의 차이를 형성하는 수단과,

- 상기 장치의 온도를 일정하게 유지하는 수단을 포함하는 와이어 풍속계를 조절하는 장치에 대한 것이다.

이러한 조절 장치는 하기의 탐침 또는 풍속계 탐침의 다른 유형에 적용될 수 있다. 그러나 특별히 흥미로운 결과는 아래의 탐침으로써 얻어진다.

상기 와이어 및 기준 저항은 예를 들어 장착된 전류 미러이다.

공급 전류를 조절하는 수단은 트랜지스터 및 포텐시오미터를 조절하도록 장착된 다이오드를 구비한다.

본 발명은,

전술한 구조를 예시적으로 가지는 풍속계,

전술한 조절 장치를 구비하는 냉간 와이어를 가지는 열-풍속계에 대한 것이다.

일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 와이어 풍속계는,

a) 와이어를 일정 위치에 지지하는 핀으로서, 각 핀의 단부는 와이어를 위치시키고 고정하는 평평한 구간을 구비하는 핀과,

b)와이어를 위치시콕 고정하는 상기 평평한 구간에 브레이징되는 와이어의 직선부를 포함한다.

상기 핀의 단부는 적어도 4mm 에 해당하는 거리만큼 이격된다.

상기 와이어는 0.35 내지 0.6 마이크로미터의 직경(d)의 중앙 코어와, 0.4mm 내지 0.5 mm 의 길이(ℓ)의 감지 구간으로 알려진 와이어 부분에서 제거된 시스(sheath)를 구비한다.

상기 와이어는 주석-납 유형의 브레이징으로 된 핀 상에 브레이징된다.

상기 와이어의 활성화부가 파손되는 문제점을 해결하기 위하여, 곡면 형태가 사용된다.

상기 핀은 진동 흡수 포장체를 구비한 탐침 본체에 고정된다.

본 발명은 추가적인 열전쌍이 없이도 전술한 바와 같은 열-풍속계를 사용하여 유동 유체의 온도를 측정하는 방법에 대한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 열-풍속계에 의해 평균 온도와 온도의 변화량을 측정하는 것이 가능하게 된다.

다른 특징에 따르면, 본 발명은 핀들 간의 중요한 간격과 관련된 매우 작은 직경을 가진 와이어를 포함하는 탐침을 제조하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명은 0.35, 0.5, 또는 0.625 마이크로미터 직경의 와이어에 의해 재현가능한 방식으로 탐침을 제조하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명은 벽에 인접한 측정을 위하여, n 와이어 (n≥1)를 가지는 충속계 탐침에 대한 것으로, 상기 탐침은 각각의 와이어에 대하여,

a) 일정 위치에 상기 와이어를 지지하는 2개의 핀으로서, 각각의 핀의 단부는 상기 와이어를 위치 설정하고 고정하는 평평한 구간을 포함하는 핀과,

b) 상기 와이어를 위치 설정하고 고정하는 평평한 구간에 브레이징되는 와이어의 직선 부분을 포함한다.

상기 와이어는 0.35 내지 0.6 마이크로미터의 직경(d)으로 된, 백금 및 로듐 합금으로 형성되는 중심 코어와, 0.4mm 내지 0.5 mm 의 길이로 된 감지 구간으로 알려진 와이어의 부분에서 제거된 은 시스(silver sheath)를 포함한다.

전술한 유형의 본 발명에 따른 탐침은 서로 나란하게 배치된 n 개(n≥2)의 와이어를 포함한다. 예를 들어, 서로 나란한 2, 3 또는 4개의 와이어를 포함한다.

본 발명은 벽에 인접하게 측정하기 위하여,

a) 각각의 핀의 단부가 와이어를 위치시키고 고정하는 평평 구간을 포함하는 2개의 핀 상에서 보호 시스에 의해 둘러싸인 금속 코어를 포함하는, 와이어의 직선부를 위치시키는 단계,

b) 각각의 핀에 와이어를 브레이징하는 단계,

c) 상기 와이어의 능동 측정을 강조하기 위하여, 상기 시스의 일부분을 제거하는 단계를 포함하는 n 개 (n≥1)의 와이어를 포함하는 풍속 탐침을 제조하는 방법에 대한 것이다.

상기 단계 b)는 상기 와이어의 곡면 형상을 형성하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따르면, 이러한 단계 b)는,

- 제 1 핀 상에서 제 1 브레이징을 행하는 단계;

- 2개의 핀의 단부를 상대적으로 이격시키는 단계;

- 제 2 핀 상에서 제 2 브레이징을 행하는 단계;

- 2개의 핀의 단부를 해제하는 단계를 포함한다.

일실시예에 따르면, 단계 c)는 예를 들어,

- 산을 이용하여 제거하는 제 1 단계,

- 전기화학적으로 제거하는 제 2 단계인, 능동 측정 구간을 형성하기 위하여 상기 와이어의 시스를 제거하는 단계를 포함한다.

그 제거된 길이를 결정하기 위하여 상기 와이어의 저항을 측정하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 이러한 제거 단계는 제거 액적(liquid drop)이 유지되는 와이어에 의해 형성된 루프에 의해 행해진다.

본 발명에 따른 와이어의 준비단계에서, 와이어가 사용되어지는 온도 보다 실질적으로 높은 온도에서 어닐링 단계가 제공된다.

브레이징에 있어서, 뜨거운 에어 건 또는 레이저 임팩트에 의해 행해진다.

단계 a)를 행하기 전에, 와이어를 수정하는 사전 단계가 제공된다.

단계 b)를 행하기 전에, 예를 들어 6g, 또는 5g 또는 4g 인 몇몇 그램보다 작은 기계적 응력하에 와이어를 배치하는 단계가 제공된다.

본 발명은 본 발명에 따른 탐침을 사용하여 특히 벽에 인접하게 풍속 변수를 측정하는 방법에 대한 것이다.

본 발명으로 인하여, 평균 온도의 측정부를 구비하는, 열전쌍이 없는, 냉간 와이어 풍속계를 작동시키는 것이 가능하게 된다. 제안된 조절회로로 인하여, 이동을 보상하고 열전쌍 없이도 수행하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 공지의 유형의 열간 와이어 탐침에 대한 도면이다.
도 2a-2e는 본 발명에 따른 탐침의 일특징을 나타내는 도면이다.
도 3a-3b는 2개 또는 그 이상의 와이어를 구비하는 본 발명에 따른 다른 유형의 탐침을 보여주는 도면이다.
도 4-10은 본 발명에 따른 탐침을 제조하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 공급 및 측정 회로를 보여주는 도면이다.
도 12 및 13은 본 발명에 따른 열-풍속에 대한 본 발명에 따른 측정 곡선을 보여주는 도면이다.

도 2a-2e에는 본 발명에 따른 탐침의 예들이 도시된다.

이러한 예에 따르면, 상기 탐침은 바람직하게는 세라믹으로 형성되는 원통형의 절연체(10)로 연장되는 2개의 금속 핀(4, 6)의 테이퍼진 단부들 사이에서 인장된 와이어(2)를 포함한다.

보다 상세하게는, 상기 탐침 본체(10)는 예를 들어 0.2mm 내지 0.4mm 의 직경을 가진 스테인레스강 니들인 핀(4, 6)에 의해 이식된 예를 들어 2 내지 4mm로 되는 세라믹 원통 직경으로 구성된다.

상기 와이어(2)는 얇아지기 전(파선) 및 후(실선)인, 핀의 측면 형상을 나타내는 도 2c에 도시된 바와 같이 평평하게 된 핀의 일부분에 배치된다. 참조번호 43은 와이어의 일단부가 브레이징되는 것으로 도시된 핀의 평평한 부분을 나타낸다. 상기 단부 구조는 조정 보드(rectification board)상의 2개의 단부를 동시에 얇게 함으로써 만들어진다. 따라서 2개의 평평한 구간은 하나의 평면을 형성한다. 이러한 배치는 상기 와이어의 현저한 정렬에 기여한다. 각각의 핀은 실질적으로 실린더 형상으로된 본체부(4₁)를 구비하며, 실린더는 핀이 실질적으로 연장되는 방향(AA')을 따라 절개된 평면(43)에 의해 단부에서 잘려진 형상이다. 축(AA')은 실린더형 핀 형상(도 2)의 경우에 회전 대칭 축이다.

와이어(2)는 수백 mm 의 매우 정밀한 정렬부를 구비한다. (도 1을 참조하여 설명되는 바와 같이) 공지의 탐침 구조와 달리, 상기 와이어(2)의 직선부는 핀(4, 6)상에 배치된다. 도 1의 경우처럼, 상기 장치의 정밀성과 재현성에 악영향을 주는 곡면과 같은 "U" 자형상으로 와이어를 만곡시킬 필요가 없다.

상기 핀(4, 6)상에서 와이어를 브레이징하는 것은 주석-납 합금 타입 브레이징이다.

상기 핀의 돌출 길이(L)은 거의 15mm의 크기로 되며, 이들을 분리하는 거리(D)는 실질적으로 5mm 이상이며, 12m/s 보다 약간 작거나 큰 공기 유동 속도까지 레이어 유동을 제한하기 위하여 5 mm 내지 8 mm 인 것이 바람직하다. 한편, 예를 들어 제트 경계부에서 높은 수준의 전단력이 작용하는 상황에서, 핀들간의 산격이 4mm 를 초과하지 않을 때 양호한 거동이 얻어진다. 4mm 를 초과하면, 와이어(그 구조는 아래에 설명됨)의 은 시스의 불충분한 강직도를 고려하면, 전단 여기(shear excitation)는 와이어의 크기에서 큰 진폭의 진동을 유도하며, 상기 진동은 후자의 파손을 야기한다.

작동시에 와이어의 작동부가 파손될 위험을 감소시기키 위하여, 상기 탐침 본체는 엘라스토머 튜브(12)로 실장되며, 상기 튜브는 매우 약한 와이어에 전파되는 파형 또는 진동을 흡수하게 된다.

상기 와이어(2)는 도 2d에 도시된 바와 같이 30 내지 80 ㎛ 범위의 직경으로되며, 은으로 된 시스(22)에 의해 둘러싸인, 백금-로듐 합금 또는 백금으로 된 중심부(20)를 포함한다.

상기 중심부(20)의 직경은 매우 작아서 0.635㎛ 또는 0.6㎛ 미만인데, 예를 들어 0.35㎛ 또는 0.5㎛ 미만이다. 사용된 와이어는 백금-로듐 합금(Pt-10%Rh)으로된 "월라스톤 와이어"(Wollaston wire) 유형의 와이어인 것이 바람직하다. 위험없이 이러한 직경의 와이어를 직접 다루는 것은 불가능하다. 30 내지 80 ㎛의 직경으로된 은 시스는 도 2에 도시된 바와 같이 와이어를 둘러싸는데, 이러한 은 시스는 이러한 취급을 가능하게 한다.

이러한 와이어는 공지의 장치에서 얻어지는 것보다는 더 나은 스팟 측정을 할 수 있는데 그 이유는 도 2e에 도시된 바와 같이 와이어의 시스를 국부적으로 제거함으로써 측정 구간(14)을 경계 표시하는 것이 가능하기 때문이다. 그 결과 작동 길이는 4mm 내지 0.5mm 로 된다. 보다 짧은 작동 길이는 측정에 악영향을 주게되는데 그 이유는 측정 구간(14)의 한계부에서의 시스의 단부(22', 22")에 기인한 부작용이 너무 크기 때문이다. 이러한 특징은 작동부(14) 및 은으로 된 시스(22)가 명확히 도시된 도 2e에 도시되어 있다.

상기 작동부(14)는 도 2a에서 도시되지 않았는데, 그 이유는 이러한 작동부의 폭(0.4mm 내지 0.5mm)은 핀(4, 6)(적어도 5mm)의 단부들 사이의 개구에 비하여 매우 작다.

직경에 대한 와이어의 작동 길이의 비(l/d)는 실질적으로 600 내지 1500(600≤l/d≤1500)의 범위인 것이 바람직하다. 그 이상에서, 측정치의 스팟 측징은 사라지고: 전술한 필터링 효과, 평균 측정 효과가 다시 나타나게 된다. 600 내지 1500 의 비율로써, 작동 구간의 매우 평평한 온도 형태의 이중 치수성의 가정이 만족되게 된다.

상기 와이어(2)는 상기 핀상의 은 시스(22)의 브레이징에 의해 핀(4, 6)에 연결된다.

본 발명에 따른 탐침은 필터링 효과없이(측정 구간(14)의 매우 작은 폭에 의해 얻어지는 측정치상의 스팟 특정을 고려할 때), 그리고 차단 효과 없이(서로간의 핀의 단부간의 거리에 기임함), 국부적 측정치 특징을 나타낸다. 상기 탐침은 진동을 견뎌낸다. 본 발명에 따른 탐침은 바이어스 없이 가능한한 벽에 가깝게 물리적 변수들을 측정할 수 있게 되어 보정이 필요없게 된다. 10m/s 미만의 속도 범위에서, 벽 보정없이 y⁺

2 까지 접근하는 것이 가능하게 된다. y⁺ 는 동점성에 의해 나누어진 벽 대하여 거리만큼 곱해진 마찰 속도의 결과로서 정의된다.

본 발명은 단일 와이어 탐침에 대한 것이지만 다중 와이어 탐침에 대한 것이기도 하다.

예를 들어, 두 와이어 간에 0.3mm의 간격이 있는 나란한 열간 와이어(2)와 냉간 와이어(2')와 연결되는 이중 탐침은 본 발명의 목적이기도 하며, 도 3a(와이어는 측면에서만 보이며, 각 와이어(2, 2')는 이러한 도면과 도 3b의 지점에 동화된다)의 측면도에 도시된다. 다른 도면부호는 도 2a-2e의 도면부호이며 동일한 도면부호를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 2쌍의 핀이 제공되는데, 전술한 핀(4, 6)은 와이어(2)에 브레이징되며, 핀(4')만이 도 3a에 도시되는 다른 쌍(4', 6')은 와이어(2')상에 브레이징된다.

3개의 나란한 와이어(2, 2', 2")와 연결되는 트리플 탐침은 도 3b에 측면으로 도시된다. 마찬가지로, 도면부호는 도 2a-2e의 도면부호이며, 동일한 구성요소를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 3쌍의 핀이 제공되는데 전술한 쌍(4, 6)은 와이어(2)에 브레이징되며, 핀(4')만이 도시되는 도 3b의 다른 쌍(4', 6')은 와이어(2')상에 브레이징되며, 핀(4")만이 도시되는 도 3b의 제3의 쌍(4", 6")은 와이어(2")에 브레이징된다. 이러한 트리플 탐침은 중심에서 열간 와이어(와이어(2'))와 연결되며, 양측에서, 2개의 냉간 와이어(와이어(2, 2"))와 작동하게 되는 것이 바람직한데, 탐침은 유동 방향에 대한 정보를 제공하게 된다.

이중 탐침에서, 또는 보다 일반적으로는, n 개의 와이어를 구비한 이중 탐침에서 적어도 하나의 와이어 또는 각각의 와이어는 전술한 특징을 가지게 되며, 전술한 바와 같이 준비되어지는 평평한 단부 부분을 가지는 한 쌍의 핀 상에 전술한 바와 같은 방식으로 고정된다.

본 발명에 따른 탐침을 제조하는 방법이 하기에 설명된다. 본 발명은 단일 와이어를 가진 탐침의 제조에 관한 것이며, 달리 다른 설명이 없다면 나란한 다수의 와이어를 가진 탐침의 제조에도 적용될 수 있다.

모든 작동은 구성요소의 주어진 크기와 요구되는 정밀도로 양안 확대경 하에서 행해지는 것이 바람직하다. 이러한 확대경 또는 다른 선택된 시각화 수단 또는 균등물로 인하여 1/100 mm 수준의 정밀도로 시각화하는 것이 가능하게 된다.

우선, 핀(4, 6)은 탐침 본체(10, 12)와 일체로 형성된다. 다음으로, 천공부가 형성되거나 그루브가 이러한 핀을 위치시키도록 그것이 발생되는 때에 순서대로 형성된다. 필요하다면, 상기 핀들은 템플레이트에 의해 탐침 본체에 삽입되어, 균일한 길이로 탐침 본체 너머로 연장된다.

전기 공급 케이블(19, 19': 도 2a) 사이의 용접된 연결부(이것은 연결부를 통하여 와이어(2)를 통하여 통과하게 되는 전류가 도달하는 것을 의미한다) 및 핀(4, 6)은 상기 본체(10)의 천공부 또는 그루브 또는 외측에 배치된다. 이러한 연결부의 용접은 이러한 준비 단계에서 행해진다.

상기 지지부에서의 핀의 밀봉은 콘크리트를 펼쳐 도포함으로써 행해지며, 그 세팅은 세라믹과 비견된다. 테스트는 예를 들어 아랄다이트 타입의 접착제가 이러한 밀봉 기능을 보장하는데 매우 우수하지만, 입증하는 임의의 탄성을 유지하는 것은 진동의 흡수 및 탐침의 안정에 중요하다는 것을 보여준다.

상기 탐침 본체(10)는, 일단 핀(4, 6)이 제공되면, 매우 얇은 와이어의 작동 부분을 파손시키게 될 수 있는 진동을 제한하기 위하여, 엘라스토머 댐핑 슬리브(12)에 삽입된다.

와이어(2)의 브레이징 작업에 앞서, 상기 핀(4, 6)의 단부는 양호한 접촉면이 얻어지도록 준비된다. 이를 위하여, 상기 핀의 팁에 대한 약간의 연마가 핀(4)에 대한 도 2c에 도시된 바와 같이, 그 단부에서 평평부(43)를 형성하도록, 수정 보드상에 배치되는 미세한 샌드 페이퍼에 의해 행해진다. 일단부에서, 상기 와이어의 정확한 위치 설정을 가능하게 하도록 평면(상기 핀의 평평한 팁(43))상에 접촉 실린더(와이어)와, 용융 순간에 이러한 표면상에서 브레이징의 제어된 확장부를 구비한다. 상기 핀의 각각의 단부에서 평평한 표면(43)이 없다면, 상기 와이어를 형성하는 실린더와 원뿔(각 니들(4, 6)의 뾰족한 단부) 사이의 접촉부는 상기 와이어(2)를 매우 정밀하지는 않지만 세밀한 수준으로 배치하게 되며, 핀 아래에서의 브레이징이 약화되는 위험을 발생시키게 된다.

이러한 연마후에, 상기 탐침은 제조 지지체상에 배치된다.

상기 와이어를 브레이징 할 수 있도록 하기 위하여, 상기 핀(4, 6)은 최적은 습윤성(wettability)을 보장하도록 세정된다. 상이한 산화물을 제거하고, 브레이징을 지지하기 위한 지지체를 형성하기 위하여, 상기 핀의 단부는, 도 4에 도시된 바와 같이, 납땜 인두(3)에 의해 스테인레스강 시트 상에 배치된 브레이징 페이스트(29: 참조: Castolin 157A)에 의해 주석처리된다. 상기 핀은 아세톤으로 세정된다.

도 5는 상기 탐침의 와이어(2)를 수용하도록 핀(4, 6)을 구비한 탐침 본체(10, 12)를 도시한다. 상기 탐침 본체는, 도면에 도시되지는 않았지만 백분의 일 밀리미터에 달하는 2개 또는 3개의 치수로 매우 정밀하게 수행될 수 있는 마이크로미터 테이블 세트에 배열된다.

시스(22)가 제공되며, 사용된 와이어는 일반적으로 수 센티미터의 직경의 릴의 형태로 된다. 이러한 코일 형태의 조건은 와이어의 형상을 만들어내게 되어, 와이어의 직경이 작을 때 더욱 중요하며 지속적인 요인이 된다. 따라서, 릴 상태로 유지되는 금속의 메모리 효과로부터 나타나는 곡률을 최소화하기 위하여 평평한 지지체상에서 수동으로 와이어를 감는 것이 바람직하다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 핀(4, 6)상에서 와이어를 브레이징하게 하는 지지체는 고정된 수직 아암(49)과, 피봇축에 수직한 수직 평면에서 경가지게 되는 것을 가능하게 하는 피봇 링크(53)상에서 조립되며 실질적으로 동일한 크기로되는 제 2 아암(51)을 구비한다. 이러한 지지체에는 각각의 아암의 위치와 와이어의 정렬 및 그 전압을 제어하는 것을 가능하게 하는 2개의 마이크로미터 테이블(69, 71)이 배치된다. 각각의 테이블은 백분의 일 밀리미터에 달하는 1, 2, 3 개의 치수로, 매우 정밀한 운동을 행하는 것이 가능하게 된다.

상기 아암(49, 51)의 단부는 상기 와이어(2)를 브레이징할 수 있도록 하기 위하여 사전에 주석 처리된다. 2개의 상기 아암(49, 51)은 약 20 밀리미터만큼 지지체로부터 이동된다. 상기 와이어는 일반적인 브레이징 주석에 의해 이동 아암이 수작하게 유지되도록 하기 위하여 2개의 아암 상에서 브레이징된다.

상기 와이어(2)의 인장력을 제어하기 위하여, 이동 아암(51)은 그것이 법선에 대하여 45도의 각(β)을 형성하도록 배치된다. 이러한 아암(51)의 무게는 조절되어져서, 그 위치에서, 상기 와이어의 인장력은 약 4g가 된다. 이러한 값은 재상가능한 방식으로 인발된, 와이어(2)를 얻도록 된 다수의 테스트 후에 선택되었다. 상기 아암(49)은 상기 수직 마이크로미터 테이블(69)로써 하강하게 되어, 2개의 아암은 동일한 높이로 배치되고 상기 와이어는 가능한 한 수평하게 된다.

와이어가 준비되는 이러한 지지체를 수동적으로 접근시킨 후에, 그것은 도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로미터 테이블에 의해 핀(4, 6)과 접촉하게 된다.

이러한 작업이 행해지면, 상기 와이어(2) 및 제 1 핀(예를 들어 핀(4))은 아세톤으로써 그리스를 제거하게 된다. 상기 와이어와 제 1 핀 간의 연결부에서, 니들의 단부에 의해 매우 작은 브레이징 스팟이 배치된다. 납에 기초하게 되는 것으로 후술하게 되는 이러한 브레이징은 낮은 용융점을 가지도록 조합된 서로 다른 성분(Sn: 62%l Pb: 36%; Ag: 2%)으로 된 15 마이크로미터 직경의 마이크로비드로 형성된다.

상기 브레이징은 예를 들어 뜨거운 공기 인두(81: 도 8)에 의해 용융된다. 이 상태에서, 상기 와이어(2)는 상기 핀(4)과 일체로 되며 제 2 핀(6)상에서 그것을 브레이징하는 것을 수반하게 된다.

그러나, 2개의 핀(4, 6) 사이에서 인발된 와이어는 최소한의 진동에도 매우 민감하며 쉽게 파손될 수 있으며, 사용된 와이어(2)의 직경이 작다는 사실을 고려한다면 더욱 그러하다. 다양한 예방 조치에도 불구하고, 인발된 와이어 탐침의 서능 저하가 발생할 수 있다는 것을 보여주는 다양한 시도가 있다.

상기 탐침의 기계적 강도를 증가시키기 위하여, 약간 만곡된 형상 또는 곡률이 제조시에 와이어(2)에 적용된다.

이를 위하여, 그 단부에서 만곡된 금속 로드(91)는 와이어(2)가 아직 결합되지 않은(도 9a) 핀(6)을 향하여 인접하게 된다. 핀(6)과 접촉하게 된 후에, 핀의 단부는 상기 로드(91)이 장착되는 마이크로미터 테이블에 의해 예를 들어 약 20마이크로미터의 거리로 와이어(2)에 실질적으로 나란한 방향으로 이동하게 된다. 그러면, 제 1 핀과 동일한 방식으로 상기 와이어(2)를 브레이징하는 것이 가능하게 된다.

브레이징이 수행될 때, 상기 로드(91)는 제거되며, 핀(6)은 다른 핀(4)에 대하여 초기 위치로 복귀하게 된다. 상기 와이어(2)는 탐침의 본체(20)의 축에 실질적으로 수직한 평면에서 몇/100mm 의 크기로, 예를 들어 2/100 mm 또는 4/100mm 미만의 크기로 약간 곡률을 이루거나 만곡된다. 이러한 곡률은 다중에 행해지는 풍속 측정에 영향을 주지 않으며, 기계적인 응력 또는 진동을 흡수할 수 있도록 와이어에 유연성을 부여하게 된다. 이렇게 얻어진 곡률은 그것이 매우 작기 때문에 전술한 바와 같은 정렬 조건에 영향을 미치지 않게 된다.

도 9b는 공구(91: 도면에 미도시)에 의해 서로 분리된 위치로 2개의 핀(4, 6)의 단부를 도시한다. 상기 와이어는 2개의 핀 상에 안착되며, 핀(6) 상에 이미 브레이징되어 있지만 핀(4) 상에는 아직 브레이징 되어 있지 않다.

도 9c는 공구(91)의 제 2 브레이징 및 제거 후에 2개의 핀(4, 6)의 단부 및 와이어(2)를 도시한다. 2개의 핀(4, 6)의 2개의 단부는 평형 상태의 위치로 발견된다. 상기 와이어는 브레이징되었지만 도 9c와 같이, 약간의 곡률을 이룰 뿐이다. 상기 와이어의 2개의 위치(2, 2₁)는 도면의 상부와 하부를 향하여 회전된 곡률로 도면에 도시된다.

상기 와이어(2)는 와이어 홀더 조립체를 제거하고 조립체 상에 남은 와이어 단부를 디-브레이징하기 위하여 레이저 블레이드를 이용하여 핀과 같은 높이로 절삭된다. 이러한 와이어 디-브레이징 작업은 와이어를 절삭한 후에 행해진다. 와이어는 열전도성을 가지므로, 만약 인두가 와이어의 지지체의 아암(49, 51) 중 하나에 닿으면, 수밀리미터로 배치되어 브레이징된 와이어(2)와 핀(4, 6)은 연화되고, 전술한 바와 같이 와이어에 주어진 만곡된 형상 또는 곡률 및 인장력을 흡수하게 되며, 탐침의 제조를 성공적으로 유도하게 된다.

상기 와이어는 핀들 사이에서 조립되어, 측정부로서 기능하게 되는 작동부는 노출된 상태가 된다.

이를 위하여, 와이어의 작동부(14: 도 2e)를 박리하는 것이 가능하게 된다. 이러한 박리는 화학적 또는 열화학적 작용에 의해 은 시스(20)의 스팟 용융에 의해 행해진다.

상기 시스는 질산으로 처리된다. 이를 위하여, 2가지의 기술이 행해지는데, 하나는 분사 방식이며 하나는 적하 방식이다. 분사 방식의 경우, 산의 밀리미터 분사가 와이어에 행해지는 반면에, 적하 방식의 경우, 산의 방울(drop)이 형성되어 와이어와 접하게 되도록 천천히 접근하게 된다. 첫번째 방법은 포기되었는데, 그 이유는 와이어에 충격을 주기 때문이고, 적하 방식은 매우 작은 직경으로 될 때, 정적 방울과의 접촉은 그 기계적 강도에 더 적합하다.

박리될 길이(l)는 와이어의 직경(d)이 함수로 결정되는데, 열간 와이어가 사용되는 동안에 와이어에 가능한 한 균일하게 온도 분포를 보장하는 것이 요구될 경우, 250을 초과하는 l/d 비율은 (주어진 재료와 주어진 냉각 길이에서) 작동 부분의 단부에서 전도 측정 충격을 제한할 수 있게 된다. 와이어의 저항을 측정함으로써, 박리되는 길이는 아래의 관계로서 얻어진다.

여기서 ρ는 재료의 전기 저항성으로서 백금-로듐의 경우 ρ는 1.9 X 10^-7Ωm 이다. 이러한 저항은 박리 작업 동안에 측정된다

0.35㎛ 및 0.5㎛의 와이어에서, 박리되는 길이(l)는 0.4mm 내지 0.5mm 이며, 실질적으로,

0.35㎛의 직경에 대하여: 1150<l/d<1400

0.5㎛의 직경에 대하여:800<l/d<1000의 값을 가진다.

여기서 사용되는 시스템은 스테인레스 강으로된 수백 밀리미터분의 1 크기의 와이어(101: 도 10)로 구성된다. 상기 와이어의 단부는 방울(102)을 유지하게 하는 루프를 형성한다. 순수한 질산으로 형성된 방울은 시린지에 의해 루프에 증착된다. 상기 루프 및 방울은 방울이 박리된 와이어(2)에 접촉하게 하는 마이크로 작동기에 의해 더욱 가깝게 당겨진다.

마이크로-운동 테이블에 의해, 전후방 운동이 은으로된 시스(22)를 분해하기 위하여 행해진다. 일단 방울이 은으로 포화되면, 와이어로부터 제거되고 질산의 다른 방울에 의해 대체된다. 백금-로듐 와이어(20)가 나타날 때까지 동일한 방식이 진행되며 상기 와이어의 저항은 진화하게 된다. 박리되는 길이는 탐침의 저항과의 함수로써 조절된다. 이것은 0.5㎛ 직경의 와이어에 대하여 500Ω의 저항과 0.35㎛의 직경의 와이어에 대한 1kΩ의 저항을 가지는데 이러한 저항은 5/10 내지 6/10 밀리미터의 박리 길이에 대응되며, 각각 1100 및 1600의 크기의 l/d 비율에 대응된다.

순수한 산으로써 일단 박리가 행해지면, 잔류 은을 노출된 와이어에서 제거하기 위하여 전기 화학적 방식으로 제 2 박리가 행해진다. 은이 와이어에 남게 되면, 백금-로듐의 입자 결합으로 이동하게 되고 그 저항이 변화하게 한다. 그러면 원래 보정값에서 재정렬하고 정확한 측정을 하는 것이 불가능하게 된다.

배터리, 포텐시오미터 및 스위치로 구성된 간단한 전기 회로는 한편으로는 방울을 구비하는 금속 루프에 연결되고 다른 한편으로는 2개의 핀(4, 6)에 연결된 와이어(19, 19': 도 2a)에 연결되어 방울의 비대칭적인 거동을 피할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 박리를 위한 방울(102)이 형성되지만, 이번에는 5%로 희석된 질산으로 구성된다. 전술한 방울의 경우와 같이, 상기 와이어는 방울 내에서 습윤된다. 가스 제거 작업이 매우 신속하고 와이어의 크기에서 극심하기 때문에, 스위치는 작동하게 된다. 이러한 작업 후에, 상기 와이어는 와이어상의 산에 남은 모든 잔류물을 제거하기 위하여, 미네랄이 제거된 물의 방울에 의해 린스 처리된다.

전술한 방법에서, 방울이 형성되고, 그 크기는 로프의 크기 및 표면장력에 영향을 받게 된다.

상기 탐침의 어닐링이 행해지면, 와이어(2)는 탐침의 저항의 함수로서 계산된 전류가 흐르도록 된다. 상기 와이어는 작동되도록 된 온도를 실질적으로 초과하는 온도로 가열된다. 와이어과 대기의 온도 차이는 아래의 관계식으로 된다.

여기서, R_o는 대기 온도에서의 탐침의 저항이며, a는 온도에 대한 저항의 전개 계수이며(백금-10%로듐에 대하여 1.6 X 10^-3 K^-1), R_wire 는 옴의 법칙으로 주어진 바와 같이 온도(T+ΔT)로 가열된 와이어의 저항이다.

이러한 작업으로 인하여 백금-로듐 와이어의 결정 구조체에서 은의 최종적인 궤적을 분산시키는 것이 가능하게 된다. 박리가 정확하게 행해지면, 잔류 은은 매우 적은 양으로만 존재하게 되고, 상기 와이어는 하루 정도 후에 안정화되어 그 저항은 더 이상 커지지(evolve) 않게 된다.

본 발명에 따른 센서의 작동부(14)는 기본적으로 수십 마이크로미터의 매우 작은 직경의 와이어(2)로 구성된다(도 2e). 이것은 어떠한 기계적 강도 또는 미약한 기계적 강도로 나타내지 않는다.

따라서, 와이어(2:도 2e)의 단부에서 놓인 시스(22)의 2 부분 사이에서 매우 강한 정렬 조건을 달성하는 것이 추구되는데, 정렬 오류는 박리되는 와이어의 파손 위험성을 일으키게 된다. 이러한 정렬 오류는 와이어에 주어지는 곡률 또는 만곡 형상보다 작다. 2/100 mm 내지 3/100 mm 의 만곡 형상 또는 곡률에 있어서, 정렬 오류는 1/100 밀리미터의 크기로 되어야 하며, 만곡 형상은 댐핑 기능을 유지한다.

이러한 정렬은 아래의 방식으로 얻어진다.

우선, 사용된 와이어의 정확성이 체크된다. 상기 와이어는 수 cm 의 직경의 릴 주위에 코일 형태로 감겨진 조건으로 되는 것이 일반적이다. 감지지지 않은 와이어 상에서 수 그램의 장력, 예를 들어 약 4 g 의 장력이 충분하여, 권취부의 메모리를 소실하게 된다. 이러한 값으로 인하여, 그 작동부가 0.625㎛인 상기 와이어(2)를 채용한 탐침이 형성된다. 한편, 작은 직경(0.5 및 0.35㎛)의 경우, 이러한 장력은 박리 후에 와이어의 파손이 없게 되는 것을 보장하는 정렬 조건을 얻기에는 불충분한 것으로 밝혀졌다. 0.625 ㎛의 와이어는 0.5 및 0.35㎛의 와이어가 견딜 수 없는 임의의 오정렬을 허용하는 기계적 강도를 가진다. 결과적으로, 본 발명에 따른 탐침의 제조를 위하여, 우선, 상기 장력은 그 값을 7g으로 증가시키게 된다. 이러한 해결은 와이어(2) 상의 초과 장력이 배치되어지는 핀(4, 6)과 와이어(2) 자체간의 가능한 정렬 오류의 존재를 마스킹 하는 한 주어진 만족할 만한 결과를 제공하지 않는다. 박리 동안에 이러한 오류는 나중에 탐지될 수 있는 작동부(14)의 파손으로 나타나게 된다. 이러한 가능한 정렬 오류를 마스킹하는 현상에 대응하여, 고려되는 경우에 있어서 7g보다 작은, 약 4g 의 장력으로 복귀될 필요가 있다. 장력 흠결을 보상하기 위하여, 와이어를 곧게 펴는 작업이 예를 들어 유리판 및 금속 블럭 사이에서 그것을 롤링하여 그 표면 상태가 광택나게 하기(게이지 블럭) 전에 행해진다. 이러한 해결책은 양호한 결과를 가져온다.

핀(4, 6)의 원뿔 상의 와이어(2)의 2개의 접촉 발생기를 포함하는 평면(43)과 그 위의 와이어 자체가 양호하게 나란하게 배치되도록 하는 것도 목표이다. 이러한 나란함이 존중되지 않는다면, 핀 상에 브레이징 후에 박리된 다음의 와이어의 작동 부분을 번갈아 파손하는 기계적 응력이 오정렬로 인하여 발생된다.

실험에 따르면, 용인될 수 있는 정렬 오류는 8mm 의 핀 사이의 간격에 대하여 수백분의 일 밀리미터의 크기로 된다는 것을 보여주었다. 이러한 조건이 적절히 만족된다면, 테스트되는 와이어상의 기계적인 응력은 몇 그램, 약 4g 미만인 것이 바람직하다.

브레이징의 특징과 관련하여, 테스트는 0.625마이크로미터를 초과하는 직경의 적절한 와이어에 대한 주석-구리 브레이징을 행하였다.

한편, 0.625㎛ 미만의 직경의 경우, 센서의 제조는 랜덤하게 이루어진다. 제조 조건과 문제의 크로스체킹의 정밀한 분석 이후에 주석-구리 합금의 기계적 강도가, 와이어의 절삭시에, 장착된 기계적 지점에서 볼 때 일반적으로 고려되어야 하는 위치에서 핀의 높이로 와이어의 회전을 방지하기에 충분하지 않음이 밝혀졌다. 결과적으로, 상기 핀 상의 와이어의 상대적인 배치 관계는 와이어의 2개의 슬리브된 부품의 정렬 오류를 발생시킨다. 이러한 오정렬은 박리후에 와이어에 파손을 일으키게 된다.

핀의 높이에서 레이저 블레이드로써 절삭하는 효과를 야기하는 크립 효과를 피하기 위하여, 브레이징의 수준에서 거의 0 에 가까운 전단 응력을 만들기 위하여, 예를 들어 고속 회전 속력에서 회전하는 디스크를 다른 절삭 수단으로 사용하는 것이 가능하다. 이러한 절삭 방법은 단일 와이어 탐침에 대해서는 완벽하게 만족스럽지만, 다중 와이어 탐침에 대해서는 작동하지 못할 수도 있다. 디스크에 의한 절삭은 액체의 존재를 강조한다(즉, 제조시에, 윤활 액체를 필요로 하므로, 은 시스(22) 및 백금-로듐 코어(20) 간의 응력 강화가 발생할 수 있다). 후자는, 핀의 주변부를 오염시킴으로써 브레이징을 불가능하게 할 수도 있다.

주석-납 합금에 기초한 브레이징을 사용하면 이러한 문제가 해결된다. 이러한 브레이징은 양호한 기계적 강도를 가지며, 레이저 블레이드에 의해 와이어의 수동 절삭이 훨씬 쉽게 되는데, 특히 다중 와이어 탐침의 경우에 그러하다.

이러한 새로운 브레이징 방법에서, 핀들 사이에 배치된 와이어의 일부분은 이러한 작업에 연계된 다른 응력을 더이상 겪지 않는다.

구성요소의 특징적 치수와 관련하여(와이어의 직경은 50㎛이고, 핀의 단부는 20㎛이다), 브레이징은 뜨거운 에어 건(81)으로써 행해지는 것이 바람직한데, 상기 에어 건은 접촉하지 않고도 일정 거리에서 브레이징을 가능하게 하는데, 이는 브레이징 페이스트를 녹이는 에너지를 전달하는 에어 제트에 기인한다. 그럼에도 불구하고, 제트는 스팟 사이즈가 아니라는 사실과 관련하여 문제가 발생한다.

발생 순서대로, 매우 작은 직경을 가진 와이어를 구비한 탐침을 제조하는 작업은 0.625㎛ 의 와이어로써 시작된다. 제 1 탐침으로써, 발명자는, 엄밀한 의미에서, 2.5㎛ 의 와이어를 구비한 탐침에 대한 제조방법을 개발하였다. 체계적인 방식으로, 박리 상태에서, 0.625㎛ 와이어의 파손이 있었다. 분석에 따르면 상기 파손이 발생할 때 와이어의 파손의 원인이 되는 2가지 요인을 강조할 수 있게 되었다.

월라스톤 와이어에서의 잔류 기계적 응력의 존재에 대한 제 1 관점에 있어서, 와이어는 사전 장력 없이 장착된다는 사실 때문에, 조건 릴상에서 권취부의 잔류 메모리를 충분히 소거하지 못하였다. 전술한 바와 같이, 수 그램(약 4g)의 와이어 상에서 기계적 응력과 정화 단계는 이러한 문제를 해결하였다.

제 2 원인은 기계적 응력에 대하여 와이어가 준비될 때 체계적 방법으로 강조되어질 수 있었던 열팽창 현상과 관련된다. 박리 과정 동안에, 와이어의 작동부(14)는 시스(22)의 2개의 부분과 항상 다소 정렬되었지만, 파손 높이에서의 파손된 와이어의 2 부분들 사이에 갭이 발생하였다. 이러한 갭은 열팽창 현상이 존재한다는 신호이었다.

질적으로, 와이어에는 열-기계적 응력의 처리과정이 존재하는데 그 이유는 브레이징의 응고 상수가 와이어의 응고 상수보가 낮기 때문이다. 이를 위하여, 높은 분해값의 은이 첨가되는데 이것은 브레이징 액화 시간동안에 가열된 길이가 수밀리미터에 달하는 것을 의미한다. 상기 와이어상의 가열된 길이의 단순화된 모델링에 기초하여, 온도 차이는 상기 와이어와 열원에 대한 노출 시간에 의해 겪게 되며, 브레이징 응고 후의 와이어의 단축 예상치는 10㎛의 크기로 된다. 와이어의 작동부(14)의 파손을 일으킴임이 명백한 이러한 열-기계적 장력 현상을 중화시키기 위하여, 뜨거운 에어 인두 노즐(81)의 크기는 우선 감소되는데, 이러한 해결책은 와이어의 가열의 감소에 기여하게 되는 것으로 추측된다. 그러나, 이러한 선택은 만족스러운 결과를 가져오지 못하였다. 한편으로, 핀 아래에서 브레이징을 구동하는 문제점은 노즐의 유출구에서 뜨거운 공기의 속력이 증가되는 것에 연관되는 것으로 나타났다. 따라서, 노즐의 직경을, 특히 직경을 현저히 낮은 값으로 불명확하게 감소시키는 것은 불가능하며, 브레이징에 전달된 에너지는 그 용융을 보장하기에 더이상 충분하지 않다.

와이어의 열 팽창의 피할 수 없는 효과를 고려하기 위한 하나의 해결책은 브레이징 이전에 핀(4, 6) 중 하나를 현저하게 버클링하는 것으로 되며, 그것을 해제함으로써, 와이어에 대하여 잔류 응력없는 상황으로 회복된다.

그러나, 나란한 와이어를 구비한 이중 탐침의 제조는 이러한 브레이징 기술로써 수행하기 어렵다는 것이 밝혀졌다. 2개의 와이어 사이의 거리는 충분하지 않아서, 제 2 와이어의 브레이징 동안에 제 1 와이어가 이미 브레이징 된 상태에서 뜨거운 에어 인두(81)의 제트의 상호 작용이 없게 된다. 이러한 문제에 대한 하나의 응답은 핀의 2개의 쌍 사이의 공간에 제 1 와이어를 보호하도록 된 열 스크린을 설치하는 것이다.

다른 기술은 레이저 비임에 의해 구동되는 매우 국부적인 입력값을 사용하는데, 그 스팟 특성은 환경을 열적으로 오염시키지 않는 이점을 가진다. 채용된 레이저는 최대 30W의 YAG 타입의 펄스 모드로 된다. 펄스의 주파수 및 주기는 조절가능하다. 비임은 레이저에 연결된 카메라에 기인하여 핀의 단부에서 브레이징 짖점 상에 촛점이 맞추어지며, 레이저 샷이 수행되어 브레이징을 용융시키고 핀을 와이어에 연결한다.

이러한 기술의 실현으로 인하여 탐침의 어느 수준까지의 소형과 및 탐침이 포함하는 와이어의 개수이더라도 브레이징 작업이 가능하게 된다.

실험에 따르면, 탐침을 취급하는 것은 와이어의 직경이 0.625㎛ 미만인 수산으로부터 매우 정밀하게 된다. 특히, 본 발명에 따른 탐침을 풍동에서 조립하는 동안에, 센서의 저항에 대한 임계적 요소를 이루는 진동이 생성되는데, 그 이유는 진동이 와이어까지 핀에서 전파되는 파장을 형성하기에 충분하기 때문이다. 낮은 기계적 강도로 인하여, 작동부의 곡률의 존재는 와이어의 파손시키는 이러한 진동을 완화하기에 충분하지 않다. 예를 들어 스크류에 의해 그 지지부에서 차단시에 핀의 단부로의 진동의 전달은 탐침의 본체를 통하여 이루어진다.

와이어를 보호하는 최적의 방법은 세라믹 탐침 본체를 삽입시키는 것이며, 일단 핀은 작은 경도의 완충 슬리브(12)에 제공된다.

본 발명에 따른 탐침은 전류 공급 수단, 와이어의 전기적 저항 변화 측정 수단 또는 와이어와 함께 사용된다. 상기 탐침에서 급락하는 유동을 전달하는 유체의 온도 및/또는 속도의 변화를 반영하는 것이 이러한 변화이다.

일반적으로, 정확하면서 재현가능한 측정을 수행하기 위하여, 배터리 파워 서플라이를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 시스템은 전기적 네트워크로부터 분리되고 그 전위는 진동하게 된다(예를 들어, 이웃하는 설치물을 시동하고 정지시키는 경우). 또한, 센서의 수준에서 개입하는 전류 및/또는 전압은 매우 약하며, 아무리 작더라도 이러한 네트워크 진동에 의해 쉽게 진동하게 된다.

또한, 풍동과 같은 설치물에서, 동일한 전위에서 상이한 그라운드 지점을 정확히 위치설정하는 것은 어렵다. 이러한 상이한 그라운드 지점들 간의 루프 전류는, 상기 네트워크의 전위 진동에 의해 구동되어 중요한 방식으로 측정치를 진동시키는 전류를 뒤따르게 된다.

이러한 해결책으로 인하여, 전기 전압 조절기에 연결되었을 때, 경우에는 그러하듯이, 고정되고 더 이상 진동하지 않는 그라운드 전위를 가지는 회로 전체에 공급하는 것이 가능하게 된다.

전자기적 호환성(EMC)을 보장하기 위하여, 상기 회로는 박스, 예를 들어 배터리의 그라운드에 연결되고, 그라운드 평면을 이루는, 구리에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 그라운드 평면에서, 상기 탐침의 연결 와이어를 둘러싸는 블레이드가 연결된다. 따라서, 이러한 마주보는 타입의 전자장의 모든 보호부는 고정된 전위에 연결된다.

한편, 전술한 해결책은 진동하지 않는 서플라이를 보장하고 한편으로는 풍속계의 모든 작동 유형에 전자기적으로 호환성 있게 전용된다.

특정의 작업은 "냉간 와이어 작업"으로 알려져 있다. 이것은 와이어에 공급되는 전류가 약한 일정 전류 작동 모드를 포함한다.

냉간 와이어 풍속계는 이미 공지되어 있다.

이러한 공지의 장치에서 만나게 되는 서플라이의 문제점은 본 출원의 도입부에 설명되었다.

간단히 다시 돌이켜보면, 이러한 종류의 작업에서, 온도 차이는 낮고 와이어에 공급되는 전류는 매우 낮다. 그것은 그 저항값까지 올리기 위하여 와이어의 단자에서 전압을 측정하는 것을 가능하게 하는 기능을 수행한다. 그것은 50 내지 200㎂의 크기인 것이 일반적이다. 따라서, 주울 효과에 의한 와이어의 가열은 무시할만하며, 이것은 이러한 풍속계가 냉간 와이어 온도계로서 공지된 이유를 설명한다.

이러한 유형의 장치에서, 측정된 온도 차이는, 평균 온도의 측정치를 가지는 열전쌍을 구비한 탐침에 연계될 필요가 있다.

일정 전류 풍속계에 연계된 전자적 수단은 도 11에 도시되는데, 도 11에서 와이어는 도면부호 2로서 표시된다. 도시된 회로는,

- 서플라이 수단(110), 바람직하게는 전술한 바와 같은 배터리,

- 기준 저항기(112),

- 전류의 조절을 위한 포텐시오미터(114)를 포함한다.

보다 자세하게는, 배터리(110)으로 표시된 회로(Ve)의 서플라이에는 전압 조절기(MAX 6325)가 설치된다. 2개의 저항기(2, 112)는 전류 미러 방식으로 장착된다. 상기 미러의 2개의 브랜치를 통과하는 전류의 조절에서, 각각의 브랜치는 포텐시오미터(114)를 통하여 장착된 다이오드, 조절트랜지스터(116)의 전압(Vbe)에 의해 달성되는 상기 2개의 저항기 중 하나를 포함한다. 상기 탐침(2) 및 기준 저항기(112) 사이의 전위차는 작동 기기장치 증폭기(120)로 인가된다. 상기 증폭기의 출력은 와이어(2)의 저장의 변화를 반영하는 측정된 신호를 공급한다.

낮은 진폭의 정보를 이용하기 위하여, 상기 신호는 상기 탐침(2)의 단자에서 증폭된다. 바람직하게는, 획득 카드(acquisition card)의 전압 한계를 고려하기 위하여, 상기 증폭은 중요하지 않다(획득 카드의 전압 해상도를 고려할 필요가 있다). 풍속계 탐침(2)은 상당한 저항을 가지며, 증폭 후에, 풍속계의 출력에서의 변수는 상기 카드의 작동 범위를 넘어선다. 이것은 왜 0 주변에서 온도계의 출력 신호의 중심을 선택하는지에 대한 이유이며, 이것으로 인하여, 측정치의 범위로부터 가능한한 많은 이득을 취할 수 있게 되며, 따라서 게인값을 가능한한 많이 얻을 수 있게 된다. 이를 위하여, 상기 탐침(2)의 단자에서의 신호와 기준 저항기(112)의 단자에서의 신호간에 감산이 행해진다.

상기 전류 미러 장착부로 인하여 기준 저항기를 통과하는 안정적인 신호 및 상기 탐침(2)를 통과하는 안정적인 전류를 가지는 것이 가능하게 되었다.

이러한 장치는 풍동의 테스트 캠페인의 범위 내에서 사용되었고, 상기 탐침은 냉간 와이어를 작동시키는 와이어를 구비한 탐침이다.

평균 온도 측정치의 이동은 주목할만 했는데, 측정 조건에 따른 비정상성 및 장착부의 기준 탐침(112)는 백금으로 된다. 이러한 이동은 전기 회로로부터만 유래하는 것으로 밝혀졌다. 상기 구성요소는 주변 환경의 온도에 민갑하며, 보정 온도와 풍동간의 대기 온도 차이는 관찰된 차이를 완전히 설명할 수 있었다.

첫번째 예로서, 기준 저항기(112)는 금속 저항기로 교체되었는데, 온도 변화 계수는 충분히 낮아서 물시할 만한(0.6ppm/℃) 수준이었다.

작동되는 상이한 전압을 판독하는 것은 오븐에 전기 회로를 배치함으로써 행해졌는데, 오븐의 온도는 모니터링되었다. 이러한 방식으로, 온도의 변화(5 ㎶·℃^-1의 이동)를 전달하는 전압값을 전기적 전압 조절기는 보지 못한다는 것을 확인하는 것이 가능하였다. 기준 저항기의 단자 및 제 2 저항기의 단자에서의 2개의 전압은 (670Ω의 저항기에 대하여), 250㎶·℃^-1의 크기의 완전히 조절되고 이동을 보여주는 탐침을 시뮬레이션하도록 된다. 따라서 이러한 것은 전류가 전류 미러의 2개의 브랜치에서 동시에 동일한 방식으로 변화하게 된다는 것을 나타낸다.

흥미로운 점은 이러한 전류를 고정하는 전압(Vbe)의 값이 고려된다는 것이다. 동일한 조건하에서의 판독은 이러한 2.4 ㎷·℃^-1의 전압 이동을 나타내었다. 이러한 이동은 이러한 전압에 관련된 트랜지스터(116)가 다이오드 장착된 것이라는 사실에서 기인하는 것을 발견하였지만, 다이오드의 단자에서 관찰된 전압 이동은 약 2.5 ㎷·℃^-1 이며, 이것은 발명자의 판독과 정확히 일치한다.

이러한 이동을 취소하기 위하여, 온도계의 요소(탐침 및 그 서플라이 및 측정 수단)이 일정 온도에서 유지되었다. 이러한 일정 온도는 탐침의 온도만이 아니며 기준 탐침(112)의 온도 및 탐침의 와이어의 단자에서의 신호와 기준 저항기의 단자에서의 신호 산의 차이를 수행하는 수단(120)의 온도이다.

예를 들어, 상기 풍속계의 박스에 배치된 가열 카펫의 전원은 전기적으로 조절된다.

온도계의 전기 회로는 그것이 배치되는 실내의 온도 이상의 온도로 유지된다. 상기 회로가 유지되는 온도는 다소 1/10 도 정도로 조절된다. 따라서, 상기 풍속계를 구성하는 구성요소만이 이동되지 않을 뿐 아니라, 재현되는 조건하에서 작동도 된다.

상기 장치는, 전체 풍속 체인의 단일 조정 후에, 유동에서 온도의 진동만이 아니라 본래의 결과인 평균값까지 측정할 수 있게 된다. 특정의 관찰이 계측학 및 측정치에 고혀되는 공지의 장치의 경우에 조차도(이것은 특히 유체 역학 저널, 1983. "대향류에서의 제트의 실험적 조사"에서 안드레오폴로스에 의해 발표된 제트의 출력에서의 온도 측정치에 대한 경우이다), 온도 진동은 냉간 와이어에 의해서도 측정되며, 반면에 평균값은 서미스터(thermistor) 또는 열전쌍과 같은 다른 수단에 의해 제공된다.

이러한 부분에서 설명된 회로는 몇개의 와이어를 구비한 탐침에 적용가능하다. 필요한한 많은 회로가 형성된다.

교정(calibration) 및 사용의 예가 하기에 설명된다.

상기 교정은 풍동에서 수행된다. 공기는 가열 박스 및 물 교환기를 연속적으로 통과하며, 전원 및 유동은 대기온도 및 약 150℃ 사이에서 필요한 온도 수준을 얻기 위하여 독립적으로 조절된다.

상기 냉간 와이어 탐침(2)은 공기 분사 노즐의 유출구의 중심에서 교정 에어 유동(열적 가드 링에 의해 둘러싸임)에 배치된다. 포장체(enclosure)의 온도는 전기적 측정 박스(참조: 스페레(Sfere) DGN75T)에 관련되는 기준 탐침(Pt100)에 의해 1/10 도의 정밀도로 주어진다.

각각의 교정 지점에 대하여, 가열 박스 및 교환기의 작동 지점이 선택된다. 열적 평형 상태는 공기와 풍동의 벽 사이에 형성되어 유지되며, 작동에는 몇시간이 소요된다(특히 4시간). 온도계에 의해 전달된 전압의 판독은 측정치의 수렴값을 얻기에 충분한 시간인 30초 정도 행해진다.

상기 작동은 유체의 온도의 함수로서 온도계의 출력 전압에 선형 의존하는 교정 계수를 얻기 위하여 5회 반복된다.

E = A+B·T (4)

일반적인 교정예는 도 12에 도시된다. 이러한 도면을 통하여 선형적 감소가 현저한 결과를 주는 것을 확인할 수 있다.

도 13에서, 풍동상의 온도 진동의 측정치로부터 유도되는 에너지 스텍트럼 밀도가 곡선 I로서 도시된다. 이러한 측정치는 탐침(2)에 의해 그 외측 포장체(혼합 레이어)상에서의 제트 하류의 3개의 유압 직경에서 10초동안 50kHz 로 수행되었는데, 탐침의 와이어(20)는 0.5㎛의 직경을 가진다. 유동 조건은 다음과 같다: R_e = 55000 이며, R_eject = 6000(도관의 유압 직경에 기초). 유동에서의 온도 차이는 13℃이었다.

곡선(II)은 와이어 탐침의 출력에서의 전압 신호의 에너지 스펙트럼 밀도를 나타낸다. 따라서, 이러한 밀도는 온도계의 노이즈를 나타낸다.

상기 온도계에 의해 포착되는 큰 스케일과 상기 온도계의 노이즈 사이에서, 즉 식별할 수 있는 정도로 큰 스케일과 3000 치수의 작은 스케일 사이의 이러한 경우에서의 비율로서, 그 선에서 10의 7승의 차이가 관찰된다. 환언하면, 이러한 경우의 온도계의 해상도는 약 5.10^-3℃ 이다.

큰 스케일과 작은 스케일 사이의 이러한 큰 진폭을 가지는 에너지 스펙트럼 밀도 및 해상도는 원래의 성능을 이루게 된다.

확립되지 않은 상황(벽에 가열된 제트가 충돌하는 경우)에서의 측정의 경우, 본 발명에 따른 탐침으로 인하여 보정없이 측정을 수행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은 온도계의 민감도를 현저히 증진시키도록 안정되게 한 향상된 온도계를 제안한다. 따라서, 본 발명에 따른 작은 직경을 가진 와이어를 구비한 탐침에 연계될 때 이것은 수천의 노이즈 비율에 대한 확립된 신호를 가지는 열-풍속계를 구비하게 된다.

본 발명으로 인하여, 평균 온도의 측정부를 구비하는, 열전쌍이 없는, 냉간 와이어 풍속계를 작동시키는 것이 가능하게 된다. 제안된 조절회로로 인하여, 이동을 보상하고 열전쌍 없이도 수행하는 것이 가능하게 된다.

제안된 조절 회로는 풍속계 탐침의 다른 유형 또는 도 2a-10 을 참조하여 전술한 본 발명의 탐침에 적용될 수 있다.

2: 와이어 4, 6: 핀
10: 본체 12: 튜브
22: 시스

Claims (13)

1. 일정 전류에서, 와이어 풍속계를 조절하는 조절장치로서, 상기 조절장치는,
   - 와이어의 공급 전류와 기준 저항기(112)를 공급하고 조절하는 공급 수단(110) 및 조절 수단(114, 116),
   - 탐침의 와이어의 단자에서의 신호와 상기 기준 저항기의 단자에서의 신호 사이의 차이를 형성하는 형성 수단(120),
   - 상기 장치를 일정 온도로 유지하는 유지 수단을 구비하는 조절장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 와이어 및 기준 저항기는 장착된 전류 미러인 것을 특징으로 하는 조절 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   공급 전류를 조절하는 조절 수단(114, 116)은 트랜지스터(116)를 조절하도록 장착된 다이오드 및 포텐시오미터(114)를 구비하는 것을 특징으로 하는 조절장치.
4. 냉간 와이어를 가지는 열-풍속계로서, 상기 열-풍속계는,
   와이어 풍속계(2),
   제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 조절 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉간 와이어를 가지는 열-풍속계.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 와이어 풍속계(2)는,
   a) 상기 와이어를 위치에 유지하며, 상기 와이어를 위치시키고 고정하는 평평한 구간(43)을 각각의 단부에 구비하는 2개의 핀(4, 6)과,
   b) 상기 와이어를 위치시키고 고정시키는 상기 평평한 구간(43) 상에서 브레이징되는, 와이어(2)의 직선부를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉간 와이어를 가지는 열-풍속계.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 핀의 단부는 적어도 4mm 의 거리로 이격되는 것을 특징으로 하는 냉간 와이어를 가지는 열-풍속계.
7. 제 5 항 또는 제 6 항 중에서,
   상기 와이어는 0.35 내지 0.6㎛의 직경(d)으로 된, 중심 코어(20)와, 0.4mm 내지 0.5mm 로 된, 감지 구간으로 알려진, 와이어의 부분에서 제거된 시스(22)를 구비하는 것을 특징으로 하는 와이어를 가지는 열-풍속계.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 와이어(2)는 납 또는 주석-납 합금에 기초한 브레이징에 의해 핀(4, 6)상에 브레이징되는 것을 특징으로 하는 와이어를 가지는 열-풍속계.
9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 와이어는 만곡된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어를 가지는 열-풍속계.
10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀은 진동 완충 포장체(12)를 가진 탐침 본체(10)에 고정되는 것을 특징으로 하는 와이어를 가지는 열-풍속계
11. 일정 온도에서 유지되며, 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 열-풍속계의 사용을 포함하는, 유동 유체의 온도를 측정하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    서미스터 또는 열전쌍 타입의 추가적인 수단 없이 측정이 행해지는 것을 특징으로 하는 유동 유체의 온도를 측정하는 방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    온도의 진동 및 평균 온도는 열-풍속계에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 유동 유체의 온도를 측정하는 방법.

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