KR20120123657A

KR20120123657A - 부품의 스트레인 측정을 위한 디바이스

Info

Publication number: KR20120123657A
Application number: KR1020127016690A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 폴 스미스
Original assignee: 크레인 뉴클리어, 인크.
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-11-09
Also published as: WO2011082317A3; US20110259110A1; WO2011082317A2; EP2519802A2; DE10841729T1; US20140041458A1; ES2399873T1; CA2781906A1; JP2013516611A; EP2519802A4

Abstract

원통형 부품의 직경에 수직인 평면에서의 직경 변화에 의해 초래되는 굽힘(압축 및 인장)을 감시 및 측정함으로써 원통형 부품에서의 직경 변화를 측정하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 본 방법을 실시하기 위한 장치는 원통형 부품의 직경에 수직인 평면을 한정하는 적어도 하나의 웨브, 통상적으로 2개의 웨브와, 웨브 평면에 설치되고 스트레인 게이지가 설치된 웨브의 압축 및 인장(굽힘) 동작을 감지 및 측정하기 위해 배치된 스트레인 측정 요소를 포함한다.

Description

부품의 스트레인 측정을 위한 디바이스 {DEVICE FOR MEASURING STRAIN IN A COMPONENT}

[관련 출원의 상호 참조]

본 출원은 2009년 12월 31일자로 출원된 미국 가출원 제61/335,149호를 우선권 주장한다.

본 명세서는 부품의 스트레인을 측정하는 디바이스에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 원통형 부품의 직경 스트레인을 측정하는 디바이스에 관한 것이며, 측정은 원통형 부품 내의 부하 및 응력을 계산하는 데 이용된다.

많은 산업 분야에서, 원통형 부재 또는 샤프트에 가해질 수 있는 가변의 동적 부하 또는 정적인 축방향(axial) 부하를 측정하는 것은 중요하다. 이는, 모터로 동작되는 밸브가 광범위하게 사용되는 원자력 산업에서 특히 유효하다. 밸브의 다양한 동작 파라미터의 감시는 원자력 통제국에 의해 요구된다. 모터로 동작되는 밸브는 일반적으로 밸브 스템에 연결되는 전기 모터 구동 액튜에이터와 밸브 스템을 일부 둘러싸는 밸브 요크로 구성된다.

밸브 작동 중 발생되는 어떤 동적 힘(dynamic force)과 이벤트들을 감시하는 방법들 중 하나는 축 또는 직경 연신계(extensometer) 중 어느 하나를 이용하여 밸브 스템의 축방향 부하를 측정하는 것에 의한 것으로 알려져 있다.

밸브 스템의 직경 변화를 측정함으로써, 밸브 스템 또는 임의의 다른 유사 부재에서의 축방향 부하 또는 응력을 계산할 수 있다는 것이 알려져 있다. 포아송 비(Poisson's ratio)로 칭해지는 축방향 연신(elongation)에 대한 직경 변화의 비율이 대부분의 재료에 대해 알려져 있고 이용가능하다. 따라서, 직경 연신계와 같은 디바이스를 이용하여 밸브 스템에서의 직경 변화를 측정함으로써 축방향 스트레인 및 밸브 스템 축방향 부하가 용이하게 계산 및 결정될 수 있다. 그러나, 현재 연신계 설계의 감도(sensitivity) 및 안정성은 정확한 판독을 달성하기에는 종종 부족한 면이 있다.

상술한 바와 같이 우선권 주장되는 미국 가출원 제61/335,149호의 전체 내용은 참조로써 본 명세서에 통합된다.

본 명세서는 원통형 부품에서의 직경 변화를 감지하고 스트레인 측정 디바이스의 프레임 상에 배치된 스트레인 감지 요소를 이용하여 이러한 직경 변화를 측정하는 스트레인 측정 디바이스에 관한 것이다. 스트레인 감지 요소는 부품의 직경 증가를 통한 프레임 신축(flexing)의 결과로서 프레임에 발현된 인장 및 압축 스트레인을 측정할 수 있다.

간략하게 설명하면, 스트레인 측정 디바이스는 강성의 프레임을 포함한다. 일반적으로, 프레임은 외면과 방사 방향으로 외면으로부터 이격되어 있는 내면을 갖는다. 또한, 프레임은 평평한 제2 측면과 전반적으로 평행하고 이격되어 있는 평평한 제1 측면을 갖는다. 강성의 프레임은 아크형 프레임 또는 "C"형 프레임일 수 있다. 스트레인 측정 디바이스는 프레임의 일 단부에 또는 그 근방에 배치된 제1 접촉 조립체와 프레임의 대향 단부 상에 배치된 제2 접촉 조립체를 더 포함한다. 통로는 종축에 실질적으로 평행한 축에 따라 프레임을 통해 연장되고 제1 접촉 조립체와 제2 접촉 조립체 사이의 프레임 상에 배치된다. 내부 웨브는 통로와 프레임의 내면 사이에 한정되고, 외부 웨브는 프레임의 외면과 통로 사이에 한정된다. 스트레인 측정 디바이스는 내부 웨브와 외부 웨브 중 어느 하나에 접촉하는 적어도 제1 스트레인 감지 요소를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 스트레인 측정 디바이스는 제1 스트레인 감지 요소에 의해 접촉되지 않는 웨브에 접촉하는 제2 스트레인 감지 요소를 포함할 수 있다. 스트레인 감지 요소는 프레임의 웨브에 설치되어, 부품의 직경 증가의 결과로서 프레임에서 발현되는 실질적으로 순전한 인장 및 압축 스트레인을 측정할 수 있다.

다른 실시예에서, 스트레인 측정 디바이스는 서로 이격되어 있고 중심 본체부에 의해 서로 연결되는 제1 설치부 및 제2 설치부를 한정하는 본체를 포함할 수 있다. 제1 클램프 헤드는 샤프트와의 결합을 위해 제1 설치부에 설치될 수 있다. 제2 클램프 헤드는 샤프트와의 결합을 위해 제1 클램프 헤드와 이격하여 제2 설치부에 설치될 수 있다. 제1 클램프 헤드 및 상기 제2 클램프 헤드는 상기 중심 본체부를 가로지르지 않는 공통 중심선에 따라 정렬되고 서로 이격된다. 통로는 상기 중심 본체부를 관통하고, 제1 클램프 헤드와 제2 클램프 헤드 중 어느 하나에 근접한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 원통형 부품에 대한 부하의 측정 방법이다. 본 발명은 이하의 단계들을 포함할 수 있다:

(a) 원통형 부품에 적어도 2개의 스트레인 감지 요소들을 설치하는 단계;

(b) 원통형 부품에 부하를 인가하는 단계;

(c) 부하에 의해 초래된 원통형 부품의 직경 변화에 응답하여, 제1 스트레인 감지 요소들에서 실질적으로 순전한 인장 스트레인과, 제2 스트레인 감지 요소에서들 실질적으로 순전한 압축 스트레인을 동시에 감지하는 단계; 및

(d) 감지된 스트레인을 샤프트에 인가된 부하와 동등한 값으로 변환하는 단계.

본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태들은, 도면과 함께 고려되어, 바람직한 실시예의 후술하는 설명을 읽은 후에 본 기술 분야의 당업자에게 명백해질 것이다. 상술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명 모두는 예시적이고 단지 설명을 위한 것이며, 청구되는 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.

통상적인 관습에 따라, 후술하는 도면의 각종 특징부는 반드시 치수대로 도시되지 않는다. 도면에서의 각종 특징부 및 요소의 치수는 본 명세서의 실시예를 더욱 명확하게 도시하기 위해 확대되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따라 설치된 구성의 스트레인 측정 디바이스의 투영도이다.
도 2는 본 명세서의 스트레인 측정 디바이스의 일 실시예의 투영도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예의 두번째 투영도를 도시한다.
도 4는 스트레인 측정 디바이스 요소의 통로를 훨씬 더 상세히 도시하는 도 2의 실시예의 일부의 평면도를 도시한다.
도 5는 디바이스의 외면이 단지 예시적이고 명료화를 위한 목적으로 투명한, 도 2의 스테레인 측정 디바이스의 일부의 투영도를 도시한다.
도 6은 본 명세서에 개시된 스트레인 측정 디바이스의 제1 지지 조립체 및 제2 지지 조립체의 전개 투영도이다.
도 7은 스트레인 측정 디바이스와 함께 사용될 수 있는 스트레인 감지 요소를 위한 전기 회로의 개략도이다.

설명의 명료화를 위해, 본 명세서에서 설명되는 스트레인 측정 디바이스를 설명할 때 사용되는 후술하는 3 방향의 규정 및 좌표계가 공통적으로 사용되며, 본 출원 전반에 걸쳐 사용되고 본 명세서에 개시된 모든 실시예에 적용가능하다. 원통형 좌표계(1)는 종축 "α", 방사축 "β" 및 원주축 "φ"를 갖는다. "종"이란 샤프트(12)의 종축에 평행한 방향으로 배향된 종축 "α"를 지칭한다. "방사"란 종축으로부터 외부로 연장되는 방향으로 배향된 방사축 "β"를 지칭하고, 종방향에 수직인 방향을 지칭한다. "원주"란 각의 축 "φ"를 지칭하거나, 종축 α에 수직하는 2개의 기준축(3, 4) 중 어느 하나에 대하여 방사축 "β"를 향하는 방향을 지칭한다. 총괄하여, 3개 방향의 축 α, β 및 φ는 원통형 좌표계(1)를 수립한다. 본 명세서의 목적을 위해, 종축 α는 일반적으로 샤프트(12)에 나란한 방향을 지칭하고, 횡방향 β는 일반적으로 샤프트(12)의 중심으로부터 연장되는 방향을 지칭한다(예를 들어, 도면 중 도 1의 인접한 "방향 시준계"의 예를 참조).

동일한 참조 부호가 몇몇 도면의 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는, 도면을 더욱 상세히 참조하면, 도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 원자력 플랜트 또는 다른 시설에서 발견될 수 있는 모터로 동작되는 밸브 또는 공기로 동작되는 밸브를 위한 예컨대 밸브 스템과 같은 원통형 샤프트(12)에 대해 설치된 위치에 있어서의 스트레인 측정 디바이스(10)를 도시한다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 원통형 샤프트에의 사용에 한정될 필요는 없으며, 스트레인 측정을 달성하기 위한 임의의 형상의 부품에서의 사용을 위해 개조될 수도 있다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 직경 연신계와 동일한 원리로 동작할 수 있으며, 여기에서 원통형 샤프트(12)의 직경 확대 및 축소는 스트레인 측정 디바이스(10)를 통해 선형 스트레인 및/또는 응력으로 변환될 수 있다. 원통형 샤프트(12)는 나선화된 외면을 갖는 부분(16)과 평활한 외면을 갖는 부분(14)을 포함할 수 있다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 표면(14, 16) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 대해 사용되도록 맞추어질 수 있다.

도 2 내지 6을 참조하면, 도 2 및 3은 본 발명에 따른 스트레인 측정 디바이스(10)의 일 실시예의 투영도이다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 일반적으로 아크형일 수 있는 본체 또는 프레임(20)을 갖는다. 본체(20)는 아크형일 필요가 없고, 본체(20)는 부품(12)의 스트레인을 측정하기 위해 부품(12)에 디바이스(20)의 부착을 편리하게 하는 데 필요한 임의의 형상일 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 본체(20)는 일반적으로 "C" 형상이고, 내면(22)과 외면(24)을 갖고, 일반적으로 평행하고 평면인 제1 및 제2 측면(26, 28)을 갖는다. 하지만, 본체(20)가 아크형 또는 "C"형일 필요는 없고 다른 형상이 적절할 수도 있다. 예를 들어, 본체(20)는 "U"형 또는 채널형일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 본체(20)는 그 주위에 아크형 및 오목형 내면(22)이 규정되는 회전축(원통형 좌표계(1)를 기준으로, 회전축은 종축 α이며, 원주 방향 φ로 회전됨)을 갖는 오목부를 적어도 포함한다. 오목한 내면(22)은 원통벽 일부에서와 같이, 회전축 α에 평행하게 연장하는 표면 높이로 규정된다. 일반적으로 "C"형인 본체(20)는 일반적으로 원통형 부품(12)에 스트레인 측정 디바이스(10)를 설치하는 것을 편리하게 할 수 있다. 내면(22) 및 외면(24)은 원통형 좌표(1)에 대해 보았을 때 원주 방향 φ으로 연장되는 것으로 고려될 수 있으며, 측면(26, 28)은 내면 및 외면(22, 24)에 일반적으로 수직일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 채널 또는 오목부(31)가 본체(20)의 외면(24)에 머시닝되거나 제조될 수 있으며, 본체(20)로 연장될 수 있다. 오목부(31)는 본체(20)의 국부적인 유연성을 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 채널 또는 오목부(33)(도 4 참조)가 본체(20)의 내면(22)에 머시닝되거나 제조될 수 있으며, 본체(20)로 연장될 수 있다. 본체(20)는 본체(20)의 일 단부를 향해 배치된 포트(29)를 가질 수 있다. 포트(29)는 적어도 2개의 스트레인 감지 요소(46, 48)와의 접속을 위해 전기적인 리드 또는 다른 장치를 위한 통로로서 기능한다. 포트(29)는 본체(20)를 관통할 수 있지만, 이는 요건이 아니며, 포트(29)가 본체(20)의 일측(제1 측(26) 또는 제2 측(28))만을 출구로 할 수 있다. 도 5에서 가장 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 케이블 주입구(27)는 본체(20)의 표면으로부터 포트(29)로 연장되며, 포트(29)에서 교차된다. 케이블 주입구(27)는 전기 리드를 포함하는 케이블(17)용 관으로서 기능하여(도 1 참조), 스트레인 감지 요소(46, 48)와 편리하게 접속한다. 통로(30)는 본체(20)를 통해 제1 측면(26)에서 제2 측면(28)으로 연장하며, 스트레인 감지 요소(46, 48)가 통로(30) 근방에 배치된다. 제1 지지 조립체 인터페이스(60)는 본체(20)의 일측 상에 배치되며, 제2 지지 조립체 인터페이스(61)는 본체(20)의 반대측 상에 배치된다. 제1 지지 조립체 인터페이스(60)의 중심선(62)과 제2 지지 조립체 인터페이스(61)의 중심선(62)은 동일 직선 상에 있으며 종축 α에 나란히 연장한다. 제1 지지 조립체 인터페이스(60)의 중심선(62)과 제2 지지 조립체 인터페이스(61)의 중심선(62)이 동일 직선 상에 있다고 하는 사실은 부품(12)으로부터 스트레인 측정 디바이스(10)의 본체(20)로 직경 스트레인을 보다 효과적으로 전달시킬 수 있게 한다. 제1 지지 조립체(70)는 제1 지지 조립체 인터페이스(60)를 통해 본체(20)와 통하고, 조절가능한 제2 지지 조립체(80)는 제2 지지 조립체 인터페이스(61)를 통해 본체(20)와 통한다. 도시된 실시예에서, 제1 지지 조립체 인터페이스는 일반적으로 평활한 구멍이고, 제2 지지 조립체 인터페이스(61)는 나선화된 구멍이다.

도 4는 통로(30)의 일 실시예의 보다 상세한 도면을 제공한다. 통로(30)는 스트레인을 검출하기 위해 스트레인 측정 디바이스(10)의 본체(20)의 감도를 "튜닝"하는 수단을 제공한다. 통로(30)는 측정 또는 테스트되고 있는 부품의 직경 변화를 측정하기 위해 지지 조립체(70, 80) 사이의 본체(20)에 따라 위치되어야 한다. 이는, 본체(20)가 부품 직경의 변화의 결과로서 스트레인 상태에 놓이기 때문이다. 몇몇 실시예에서, 통로(30)가 본체(20)에서 제1 지지 조립체 인터페이스(60) 또는 제2 지지 조립체 인터페이스(61) 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 통로(30)를 제1 지지 조립체 인터페이스(60) 또는 제2 지지 조립체 인터페이스(61) 근방에 배치하는 것은 적어도 스트레인 감지 요소(46, 48)의 성능을 향상시킬 수 있다. 통로(30)는 통로(30)의 몇몇 파라미터 또는 직경(후술함)을 조절함으로써 적절한 크기로 만들어져 스트레인에 대해 통로(30)에 근접한 본체(20)의 감도를 향상시키고 부품(12)에서의 직경 스트레인 변화를 검출하는 스트레인 특정 디바이스(10)의 성능을 향상시킬 수 있다. 이는 통로(30)에 근접한 스트레인 측정 디바이스(10)의 본체(20)의 향상된 유연성에 일부 기인한다. 스트레인 측정 디바이스(10)의 일반적인 개념은 통로(30)를 본체(20)에 배치하여 통로 근방의 본체의 일부(즉, 웨브(50, 52))에 발현되는 스트레인의 레벨을 증가시키는 것이다. 또한, 통로는, 스트레인 측정 디바이스(10)가 경험할 수 있는 열 효과에 의해 도입되는 오차를 부분적으로 감소시키는 기능을 한다. 이는, 본체(20)의 질량이 없어져서 통로(30)를 형성하고, 스트레인 감지 요소(46, 48) 사이에 배치되어 있는 통로(30)로 열 부하에 대한 감도를 감소시키기 때문일 수 있다. 스트레인 감지 요소(48, 48) 사이의 통로(30)의 이러한 배치는 다른 것에 의한 하나의 감지 요소의 크로스-가열을 감소시키는 데 도움이 되므로 유리할 수 있다. 전체적으로, 스트레인 측정 디바이스(10)의 감도 및 안정도는, 통로(30) 근방에 배치된 스트레인 감지 요소(46, 48)의 향상된 감도 및 응답으로 인해 향상될 수 있다. 스트레인 측정 디바이스 드리프트도 감소될 수 있다. 따라서 스트레인 측정 디바이스(10)의 다른 일반적인 개념은 통로(30)의 반대측 상에 스트레인 감지 요소(46, 48)를 배치하여 스트레인 감지 요소(46, 48)에 의해 강화된 가열로부터 발생하는 드리프트에 의해 도입된 오차를 감소시키는 것이다. "드리프트"는 아날로그 회로의 본질적인 한계에 의해 유발되며, 드리프트는 측정이 시간에 따라 이루어지는 것에 대하여 기준값의 점진적인 그리고 비의도적인 변화에 의해 유발되는 바이어스를 의미하는 것으로 이해된다.

통로(30)는 일반적으로 그 형상 또는 단면이 직사각형일 수 있으며, 단면은 평면도에서의 단면이며, 즉 제1 측면(26) 또는 제2 측면(28)의 평면에서 보았을 때의 단면이다. 다른 실시예에서, 통로(30)는 통로(30)에 적절한 스트레인 필드를 제공하는 정사각형, 원, 타원형, 다각형, 또는 임의의 다른 단면일 수 있다. 적절한 스트레인 필드가 부품에서의 직경 변화에 민감한 스트레인 필드라는 것이 이해되어야 하며, 스트레인 감지 요소(46, 48)에 의해 특정된 정밀도로 측정될 수 있다. 통로(30)는 내부 웨브(50) 및 외부 웨브(52)와, 제1 및 제2 측벽(53, 55)에 의해 내측 및 외측에 대해 각각 경계화된다. 내부 웨브(50)는 제1 면에 있을 수 있고, 외부 웨브(52)는 제2 면에 있을 수 있고, 제1 및 제2 면은 일반적으로 서로 평행할 수 있고, 일반적으로 공통 중심선(예를 들어, 중심선(62))에 대해 수직일 수 있다. 통로(30)는 제1 및 제2 측벽(53, 55) 사이의 거리인 통로폭(32)을 가질 수 있다. 통로(30)는 웨브(50, 52)의 내면 사이의 거리인 통로 높이를 갖는다. 내부 웨브(50)는 내부 웨브 접촉면(54)으로부터 릿지(43)까지의 거리인 웨브 두께(38)를 가지고, 릿지는 내부 웨브 접촉면(54)으로부터 거리(38)를 연장한다. 릿지(43)는 웨브(50)에 대해 내부 웨브(50)의 스트레인을 더욱 일정하게 하는 기능을 가질 수 있다. 외부 웨브(52)도 외부 웨브 접촉면(56)으로부터 릿지(43')까지의 거리인 웨브 두께를 가진다. 릿지(43')는 웨브(52)에 대해 외부 웨브(52)의 스트레인을 더욱 일정하게 하도록 기능할 수 있다. 내부 웨브 접촉면(54)과 외부 웨브 접촉면(56) 사이의 거리는 34에 의해 부여된다. 일반적으로 직사각형인 통로(30)의 각 모서리는 필릿(fillet)(41)을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 각 필릿(41)은 동일한 필릿 반경(42)을 갖는다. 하지만, 각 필릿(41)이 동일한 필릿 반경(42)을 반드시 가질 필요는 없으며, 몇몇 실시예에서, 각 필릿 반경(42)은 상이할 수 있다. 필릿 에지는 예를 들어 내부 웨브 접촉면(54)으로부터 거리(36)로 이격된다. 필릿(41)은 일반적으로 모서리에서 발생되는 응력 집중에서 발현될 수 있는 국부적인 응력을 감소시키기 위해 일부 기능한다. 제2 측벽(55)은 제1 지지 조립체 인터페이스(60)의 중심선(62)으로부터의 거리(44)로 이격된다. 스트레인 감지 요소(46, 48)는 각각 내부 웨브 접촉면(54)과 외부 웨브 접촉면(56) 상에 배치된다. 내부 웨브 접촉면(54)과 외부 웨브 접촉면(56)과 스트레인 감지 요소(46, 48)는, 스트레인 감지 요소(46, 48)가 그 각각의 웨브 접촉면(54, 46)의 대부분을 덮어 그 각각의 웨브(50, 52)에서 국부적인 스트레인의 보다 정확한 측정을 적어도 달성하도록 사이징될 수 있다. 스트레인 감지 요소(46, 48)는 본체(20)의 유연성과 연관된 스트레인을 측정할 수 있다. 스트레인 측정 요소(46, 48)는 각각 구부림 처리되고, 실질적으로 순전한 인장력과 실질적으로 순전한 압축력에 각각 놓인다. 따라서, 스트레인 측정 디바이스의 다른 일반적인 개념은 스트레인 감지 요소 중 하나(46)가 실질적으로 순전한 인장 스트레인을 측정할 수 있고 스트레인 감지 요소 중 하나(48)가 실질적으로 순전한 압축 스트레인을 측정할 수 있도록, 본체(20) 상의 스트레인 감지 요소(46, 48)를 배치하는 것이다. 몇몇 실시예에서, 스트레인 감지 요소(46)에 의해 측정되는 인장 스트레인의 크기는 부품(12) 테스트 동안 스트레인 감지 요소(48)에 의해 측정되는 압축 스트레인의 크기와 거의 동일할 수 있다.

스트레인 감지 요소(46, 48)는 원주 방향 φ과 일반적으로 접하는 측정축을 가질 수 있다. 스트레인 측정 디바이스(10)가 제조될 때, 제1 스트레인 감지 요소(46)는 압축적으로 부하가 걸리도록 설치 및 구성될 수 있고, 제2 스트레인 감지 요소(48)는 인장적으로 부하가 걸리도록 설치 및 구성될 수 있다. 이렇게 설치하는 하나의 이유는, 스트레인 측정 디바이스(10)가 설치될 때, 스트레인 측정 디바이스(10)는 제1 스트레인 감지 요소(46)와 제2 스트레인 감지 요소(48)가 임의의 부품 테스트 또는 감시 이전에 "제로" 스트레인의 판독을 생성하도록 조절될 수 있기 때문이다.

통로(30)의 치수 또는 파라미터 중 몇몇은 스트레인 측정 디바이스(10)의 감도 및 안정도를 향상시키기 위해 조절될 수 있다. 통로폭(32), (외부 웨브 접촉면으로부터 하부 필릿 반경까지의 대응 거리뿐만 아니라) 내부 웨브 접촉면으로부터 상부 필릿 반경(40)까지의 거리(36), 필릿 반경(42), 제1 지지 조립체 인터페이스(60)의 중심선(62)으로부터 통로(30)의 제2 측벽(55)까지의 거리(44)를 조정한다. 당업자라면, 통로의 사이즈를 조정하는 것이 웨브(50, 52)의 변형을 증가시킴으로써 스트레인 감지 요소(46, 48)의 감도를 조정하는 것을 의미할 수 있다고 하는 것을 이해할 것이다. 이러한 파라미터(32, 40, 42, 44)는 조정될 수 있는 아주 조금의 가능한 파라미터 또는 치수이다. 조정될 수 있는 다른 가변 파라미터는 웨브(50, 52)의 국부적인 스트레인에 상당한 영향을 주는 임의의 파라미터일 것이다. 따라서, 스트레인 측정 디바이스(10)의 다른 일반적인 개념은 통로(30)의 몇몇 치수를 조정하여 웨브(50, 52)의 스트레인을 증가시키고 스트레인 감지 요소(46, 48)의 성능을 향상시켜 상기 스트레인을 측정하는 것이다. 통로(30)의 치수는, 재료의 탄성 한도 아래로 유지하면서, 웨브(50, 52)의 스트레인의 큰 값을 생성하도록 조정될 수 있다. 당업자에게, 재료의 탄성 한도는 영구적인 변형의 시작 전에 재료 내에서 발생할 수 있는 최대 응력 또는 단위 면적당 힘이라는 것이 이해될 것이다. 탄성 한도까지의 응력 또는 스트레인이 제거될 때, 재료는 그 원래의 사이즈 및 형태를 회복한다.

예로서, 본 발명을 어떤 방식으로든지 제한하는 것은 아니며, 이하의 표인, 표 1은 통로 치수의 몇몇 예시적인 범위를 제공한다.

치수	최소(인치)	최대(인치)
32	0.126	0.130
36	0.170	0.190
38	0.024	0.032
40	0.045	0.053
42	0.027	0.035
44	0.236	0.244

다른 예로서, 표 1에 기재된 상술한 치수에 대한 범위는 이하의 별개의 값들을 가질 수도 있다: 치수 32는 0.130인치일 수 있다; 치수 36은 0.180인치일 수 있다; 치수 38은 0.028인치일 수 있다; 치수 40은 0.049인치일 수 있다; 치수 42는 0.031인치일 수 있다; 치수 44는 0.240인치일 수 있다.

도 6은 제1 지지 조립체(70) 및 조정가능 제2 지지 조립체(80)의 전개 투영도이다. 지지 조립체(70) 및 조정가능 제2 지지 조립체(80)는 스트레인 측정 디바이스(10)를 샤프트 또는 부품(12)에 고정시키고, 스트레인 감지 요소(46, 48)를 "제로화"시키는 것을 돕는다. 개시된 실시예에서는, 제2 지지 조립체(80)만이 조정가능하다. 하지만, 다른 실시예에서는, 지지 조립체(70) 및 제2 지지 조립체(80) 모두가 조정가능할 수 있다.

지지 조립체(70, 80)는 본체(20)의 반대측에 설치되고 스트레인 측정 요소(10)를 감시 또는 테스트될 부품(예를 들어, 도 1의 샤프트(12) 참조)에 고정한다. 지지 조립체(70, 80)는 각각 인터페이스(60, 61)에서 본체(20)와 기계적으로 통할 수 있다. 부품은 일반적으로 종축 α에 평행한 방향으로 인가된 부하를 갖는 샤프트와 같은 실린더형일 것이다. 지지 조립체(70, 80)는 부품의 외면과 접촉할 수 있고, 지지 조립체(70, 80)가 스트레인 측정 디바이스(10)를 부품에 단단하게 부착하도록 조정가능하다.

제1 지지 조립체(70)는 지지 요소(72)로 구성될 수 있다. 지지 요소(72)는 "v자형" 헤드 요소(73)를 포함할 수 있다. "v자형" 헤드 요소(72)는, 특히 부품(12)이 원통형인 경우에, 부품(12)과 정렬하기 더 용이할 수 있다. "v자형" 헤드 요소(73)는, "v자형"의 정점이 종축 α에 평행하여 부품 종축과 평행하도록 배향될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부품(12)에 대한 디바이스(10)의 정렬을 향상시키기 위해 볼 베어링이 포함될 수 있다. 제2 지지 조립체(80)는 일반적으로 지지 요소(82), 나선화된 스핀들(84), 셋 스크류(86), 플레이트(88), 유지 핀(92) 및 볼 베어링(90)을 포함한다. 지지 요소(82)는 "v자형" 헤드 요소(83)를 포함할 수 있다(도 3 참조). 또한, 지지 요소(82)는 지지 요소(72)와 교환될 수 있다. 셋 스크류(86)는 나선화되어 있고 나선화된 스핀들(84) 내에 고정되어 부품(12)과의 스트레인 측정 디바이스(10)의 설치 동안 나선화된 스핀들(84)을 튜닝 또는 조정하는 것을 편리하게 한다. 플레이트(88)는 나선화된 스핀들(84)의 카운터-보어(counter-bore, 도시 생략)의 내면 상에 놓여진다. 플레이트는 금속 또는 플라스틱과 같은 임의의 단단한 재료로 제조될 수 있다. 볼 베어링(90)은 카운터-보어 내에 삽입되고 플레이트(88)에 대향하여 놓여진다. 볼 베어링(90)은 지지 요소(82)의 단부 상의 볼 베어링 캐비티(89)에서 지지된다. 볼 베어링(90)은 부품(12)에 대해 지지 요소(82)의 정렬을 용이하게 하며, 제2 지지 조립체(80)를 조정할 때 나선화된 스핀들(84)의 회전을 용이하게 한다. 유지 핀(92)은 나선화된 스핀들(84)의 일부를 관통하는 홀(93)을 통해 설치된다. 유지 핀(92)이 홀(93)에 설치될 때, 볼 베어링(90)은 나선화된 스핀들(84)의 카운터-보어 내에서 위치가 유지된다.

도 7은 스트레인 측정 디바이스(10)와 함께 사용될 수 있는 스트레인 감지 요소(46, 48)의 전기 회로의 개략도이다. 스트레인 감지 요소(48)는 압축 스트레인을 감지하는 게이지(102, 104)인 게이지(102, 104)를 포함할 수 있다. 스트레인 감지 요소(46)는 인장 스트레인을 감지하는 게이지(106, 108)인 게이지(106, 108)를 포함할 수 있다. 게이지(102, 104)는 기판(도시 생략) 상에 설치될 수 있으며, 외부 웨브(52)에 물리적으로 설치된다. 게이지(102, 104)는 기판(도시 생략) 상에 설치될 수 있으며, 내부 웨브(50)에 물리적으로 설치된다. 스트레인 감지 요소(48)는 사전 부하를 게이지(102, 104)에 인가하는 데 이용될 수 있는 저항(120)과 열 드리프트 효과 중 일부를 감소시키는 저항(124)을 추가적으로 포함할 수 있다. 스트레인 감지 요소(46)는 사전 부하를 게이지(106, 108)에 인가하는 데 이용될 수 있는 저항(122)과 열 드리프트 효과 중 일부를 감소시키는 저항(126)을 추가적으로 포함할 수 있다. 저항(128)은 스트레인 측정 디바이스(10)가 측정하는 동안 발현될 수 있는 측정 곡선의 기울기를 보정하는 기능을 한다. 게이지가 부품(12)의 직경 변화를 감지하면, 게이지(102, 104, 106, 108)는 감지된 직경의 변화량(즉, 직경 스트레인)에 비례하는 전기적 신호(즉, 전압)를 생성한다. 이러한 전기 신호는 이들이 저장 및 평가될 수 있는 데이터 취득 시스템(110)으로 송신된다.

스트레인 측정 디바이스(10)는 스틸(steel) 또는 스틸 합금을 포함하는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 디바이스는 티타늄으로 제조된다. 스트레인 측정 디바이스(10)용 재료는 부하 조건에 적절히 응답할 뿐만 아니라 적절히 동작하기 위해서 충분한 기계적 및 열적 특성을 충분히 확보하는 것을 염두에 두고 환경 및 듀티 사이클에서 선택되어야 한다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 머시닝, 주조 또는 단조와 같은 수용가능한 임의의 제조 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 디바이스(10)는 요구된다면 복수의 상이한 재료로 제조될 수 있다.

일반적으로, 예를 들어 밸브 스템과 같은 부품 또는 샤프트(12)는 예들 들어 움직임의 범위에서 밸브 헤드가 움직이는 동안 인장 및 압축 부하를 경험한다. 샤프트에 대한 인장 부하 및 압축 부하의 다른 예들은 본 기술 분야의 당업자에게 명백하다. 인장 부하 또는 압축 부하가 샤프트(12)에 인가되면, 샤프트의 직경은 각각 감소하거나 증가할 것이다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 샤프트(12)의 직경 변화를 측정한다. 이러한 측정으로부터, 알고리즘이 샤프트(12)에 인가되고 있는 부하와 부하가 인가되고 있는 방식, 즉 부하의 크기뿐만 아니라 부하의 사이클 속성을 결정할 수 있다. 직경이 증가 또는 감소하면, 스트레인 측정 디바이스(10)의 본체(20)는 각각 외부 또는 내부로 굴곡될 것이다. 본 명세서 전반에 사용되는 "굴곡"이라는 용어는, 본체 단부가 서로를 향하여 이동하거나 서로 멀리 이동되면서, 본체(20)의 변형을 의미한다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 스트레인 게이지와 같은 스트레인 감지 요소(46, 48)는 스트레인 측정 디바이스(10)에 부착되어 본체(10)의 변화를 측정하고, 그 후에 샤프트(12)의 직경 변화에 관련되어 샤프트(12)에 인가되고 있는 부하가 결정될 수 있다.

스트레인 측정 디바이스(10)는 사용상 감시 및 평가되는 샤프트(12)에 최초로 설치된다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 제2 지지 조립체(80)의 나선화된 스핀들(84)을 회전시킴으로써 샤프트(12)에 고정되어 샤프트(12)에 단단히 접촉된다. 2개의 지지 요소(70, 80)에 의해 점유되는 평면이 샤프트(12)의 종축 α에 대략 수직일 때, 스트레인 측정 디바이스(10)는 샤프트(12)에 대해 적절하게 정렬된다. 이는, 스트레인 감지 요소(46, 48)의 배치가 샤프트에 부하가 가해지는 동안 샤프트(14)의 직경 변화로 인해 유발된 본체(20)의 인장 스트레인 및 압축 스트레인을 측정할 것이므로 필요하다. 제2 지지 요소(82)는, 지지 조립체(70, 80)의 헤드 요소(73, 83)가 샤프트(12) 상에 클램핑하도록 부품(12)을 향해 전진되어야 한다. 제2 지지 요소(82)는, 스트레인 감지 요소(46, 48)가 대략 제로 스트레인을 판독할 때까지 더욱 전진하여 본체(20)의 스트레인을 증가시켜야 한다. 스트레인 측정 디바이스(10)는 현재 "제로화"되었다. 샤프트(12)가 종축 α에 따라 부하가 걸릴 때, 샤프트(12)의 직경은 증가하거나 감소될 것이다. 예를 들어, 종축 α에 따라 인가된 부하가 압축적이면, 샤프트 직경은 압축의 결과로서 증가할 것이다. 따라서, 샤프트(12)의 직경이 증가하면, 굽힘력이 지지 요소(70, 80)에서 본체(20)에 인가될 것이며 본체(20)를 굽히거나 구부린다. 통로(30)의 설계와 헤드 요소(73, 83)의 작용으로 인해, 샤프트(12)에 설치되면, 인장 스트레인이 내부 웨브(50)에 발현될 수 있으며 압축 스트레인이 외부 웨브(52)에 발현될 수 있다. 스트레인 요소(46, 48)로부터의 인장 및 압축 스트레인 측정으로, 종축 α에 따라 인가된 부하가 결정될 수 있고, 샤프트(12)의 기계적 무결성이 평가된다.

특정의 변형 및 개선이 상술한 설명을 읽은 본 기술 분야의 당업자에게 고안될 것이다. 이러한 모든 변형 및 개선이 간결함과 설명의 편의를 위해 본 명세서에서 삭제되었지만, 이하의 청구항의 범위 내에 적절히 포함된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

부품 내의 스트레인을 측정하기 위한 디바이스로서,
강성의 프레임;
상기 프레임 상에 배치된 제1 접촉 조립체;
상기 프레임의 대향 단부 상에 배치된 제2 접촉 조립체;
종축에 실질적으로 평행한 축에 따라 상기 프레임을 통해 연장되고, 상기 제1 접촉 조립체와 상기 제2 접촉 조립체 사이에 배치된 통로로서, 내부 웨브(web)가 상기 통로와 상기 프레임의 내면 사이에 한정되고, 외부 웨브가 상기 프레임의 외면과 상기 통로 사이에 한정되는, 상기 통로; 및
상기 내부 웨브 또는 상기 외부 웨브 중 어느 하나에 접촉하는 적어도 제1 스트레인 감지 요소
를 포함하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스트레인 감지 요소에 의해 접촉되지 않는 웨브에 접촉하는 제2 스트레인 감지 요소를 더 포함하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임은 실질적으로 평평하고 평행한 한 쌍의 측면을 갖고, 각 측면은 상기 종축에 거의 수직인 면 내에서 연장하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 3에 있어서,
스트레인 감지 요소들의 측정축은 상기 종축에 수직인 축과 나란하고, 원주방향 축(circumferential axis)에 거의 평행한, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 4에 있어서,
상기 통로는 단면이 실질적으로 직사각형인, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 5에 있어서,
상기 통로는 상기 통로의 각 모서리에서 적어도 하나의 아크형 필릿(arcuate fillet)을 갖는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 스트레인 감지 요소는 상기 부품의 인장 직경 스트레인을 측정하고, 상기 제2 스트레인 감지 요소는 상기 부품의 압축 직경 스트레인을 측정하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 스트레인 감지 요소는 상기 부품의 인장 직경 스트레인을 측정하고, 상기 제1 스트레인 감지 요소는 상기 부품의 압축 직경 스트레인을 측정하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임은 아크형 프레임인, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 9에 있어서,
상기 프레임은 "C"형 프레임인, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 조정가능한 제1 접촉 조립체와 상기 제2 접촉 조립체는 각각 "V"형 접촉 요소를 포함하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 조정가능한 제1 접촉 조립체가 조정되어 미리 정해진 값을 갖는 상기 프레임에서의 스트레인을 생성하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스트레인 감지 요소는 상기 내부 웨브의 외면 또는 상기 내부 웨브의 내면 상에 배치되는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 스트레인 감지 요소는 상기 외부 웨브의 외면 또는 상기 외부 웨브의 내면 상에 배치되는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 접촉 조립체 및 상기 제2 접촉 조립체는 협력하여 상기 부품에 대해 상기 프레임을 정렬하고 상기 프레임을 상기 부품에 고정하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 및 제2 스트레인 감지 요소는 상기 부품의 직경 변화를 측정하는, 스트레인 측정 디바이스.
스트레인을 측정하기 위한 디바이스로서,
외면, 상기 외면으로부터 방사 방향(radial direction)으로 이격된 내면, 및 평평한 제2 측면과 전반적으로 평행하고 이격되어 있는 평평한 제1 측면을 갖는 프레임;
상면과 하면 사이에 배치된 제1 지지 조립체와, 상기 상면과 상기 하면 사이에 배치된 제2 지지 조립체로서, 상기 제1 지지 조립체와 상기 제2 지지 조립체는 상기 프레임의 대향 단부 상에서 서로 거의 대향하는, 상기 제1 지지 조립체와 상기 제2 지지 조립체;
상기 상면으로부터 상기 하면까지 연장하고, 상기 내면과 상기 외면 사이와 상기 제1 지지 조립체와 상기 제2 지지 조립체 사이에 배치되는, 통로;
상기 통로와, 통로 내면과 상기 프레임의 내면 사이에 의해 확보되는 제1 웨브 및 상기 통로와, 통로 외면과 상기 프레임의 외면 사이에 의해 확보되는 제2 웨브; 및
상기 제1 웨브 상에 배치되어 인장 스트레인을 측정하는 제1 스트레인 감지 요소와 상기 제2 웨브 상에 배치되어 압축 스트레인을 측정하는 제2 스트레인 감지 요소
를 포함하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 제1 및 제2 측면은 종축에 전반적으로 수직인 각 면들 내에서 연장하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 프레임은 아크형 프레임인, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 디바이스는 일반적으로 원통형 부품의 직경 스트레인을 측정하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 20에 있어서,
상기 디바이스는 0.5인치 내지 5인치 범위의 직경을 갖는 일반적으로 원통형 부품의 스트레인을 측정하는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 외부 웨브는 상기 외면으로부터 상기 외부 웨브로 연장하는 오목부에 의해 추가적으로 한정되는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 통로는 일반적으로 직사각형 통로인, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 23에 있어서,
상기 통로의 감도는 통로 폭, 제1 웨브 접촉면으로부터 상부 필릿 반경까지의 거리, 상기 통로의 각 모서리에 위치된 필릿 반경, 상기 지지 조립체들의 중심선으로부터 상기 통로의 측벽까지의 거리 및 이들의 조합을 포함하는 파라미터 그룹으로부터 선택된 복수의 파라미터들 중 적어도 하나를 최적화함으로써 최적화되는, 스트레인 측정 디바이스.
청구항 17에 있어서,
상기 제1 지지 조립체 및 상기 제2 지지 조립체는 부품으로부터의 스트레인을 상기 프레임으로 전달하는, 스트레인 측정 디바이스.
원통형 부품에 대한 부하를 측정하는 방법으로서,
(a) 상기 원통형 부품에 적어도 2개의 스트레인 감지 요소들을 설치하는 단계;
(b) 상기 원통형 부품에 부하를 인가하는 단계;
(c) 부하에 의해 초래된 상기 원통형 부품의 직경 변화에 응답하여, 제1 스트레인 감지 요소들에서 실질적으로 순전한 인장 스트레인과, 제2 스트레인 감지 요소들에서 실질적으로 순전한 압축 스트레인을 동시에 감지하는 단계; 및
(d) 감지된 스트레인을 샤프트에 인가된 부하와 동등한 값으로 변환하는 단계
를 포함하는, 부하 측정 방법.
청구항 26에 있어서,
상기 (a) 단계 전에 상기 스트레인 감지 요소들을 프레임의 각각의 내부 웨브 및 외부 웨브에 부착시키는, 부하 측정 방법.
청구항 27에 있어서,
상기 프레임을 상기 원통형 부품에 설치하는 단계를 더 포함하는, 부하 측정 방법.
청구항 28에 있어서,
상기 외부 웨브에 부착된 상기 스트레인 감지 요소에서 압축 스트레인을 측정하고, 상기 내부 웨브에 부착된 상기 스트레인 감지 요소에서 인장 스트레인을 측정하는 단계를 더 포함하는, 부하 측정 방법.
샤프트의 축방향 부하에 의해 생성되는 샤프트의 직경 변화를 측정하는 디바이스로서,
서로 이격되어 있고 중심 본체부에 의해 상호 연결되는 제1 설치부 및 제2 설치부를 한정하는 본체;
샤프트와의 결합(engagement)을 위해, 상기 제1 설치부에 설치된 제1 클램프 헤드;
샤프트와의 결합을 위해 상기 제2 설치부에 설치되고, 상기 제1 클램프 헤드로부터 이격된 제2 클램프 헤드로서, 상기 제1 클램프 헤드와 상기 제2 클램프 헤드는, 상기 중심 본체부를 가로지르지 않는 공통 중심선에 따라 정렬되고, 상기 공통 중심선에 따라 이격되어 있는, 제2 클램프 헤드;
상기 중심 본체부를 통해 연장되고, 상기 제1 클램프 헤드와 상기 제2 클램프 헤드 중 어느 하나에 근접하는 통로로서, 제1 웨브가 상기 통로와 상기 본체의 내면 사이에 한정되고, 제2 웨브가 상기 통로와 상기 본체의 외면 사이에 한정되는, 상기 통로;
상기 제1 웨브에 부착된 제1 스트레인 감지 요소; 및
상기 제2 웨브에 부착된 제2 스트레인 감지 요소
를 포함하는, 직경 변화 측정 디바이스.
청구항 30에 있어서,
상기 디바이스가 설치되는 샤프트에서 측정되는 직경 스트레인은 상기 샤프트의 부하를 나타내는 값으로 변환되는, 직경 변화 측정 디바이스.
청구항 30에 있어서,
상기 디바이스가 설치 해제될 때 상기 제1 웨브는 인장 스트레인 상태에 있고, 상기 제2 웨브는 압축 스트레인 상태에 있는, 직경 변화 측정 디바이스.
청구항 30에 있어서,
상기 제1 웨브는 제1 평면에 있고, 상기 제2 웨브는 제2 평면에 있고, 상기 제1 및 제2 평면은 서로 전반적으로 평행하고 상기 공통 중심선에 전반적으로 수직인, 직경 변화 측정 디바이스.
청구항 30에 있어서,
상기 제1 웨브 및 상기 제2 웨브 각각은 상기 통로로 돌출하고 상기 본체를 관통하는 두껍게 된 릿지(ridge)와 상기 릿지의 각각의 측에 인접하는 더 얇은 웨브 벽들로 형성되는, 직경 변화 측정 디바이스.
청구항 30에 있어서,
상기 통로는 상기 공통 중심선으로부터 1/2인치보다 짧은 거리 내에 위치되는, 직경 변화 측정 디바이스.