KR20140052007A - 2-상 플로우 내의 가스 내용물을 결정하기 위한 다중-전극 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플로우 라인을 흐르는 2-상 유체의 가스 내용물을 결정하기 위한 센서에 관한 것으로서, 센서는 유체의 스트림(F) 내의 플로우 라인 내에 배치되기에 적합한 슬리브(10)를 포함한다. 센서의 슬리브(10)는, 쌍으로 상기 슬리브(10)의 플로우 섹션을 세분하는 복수의 세분 공간들(A-D)을 정의하는 복수의 측정 전극들(1-5)을 포함한다. 센서는 또한 측정 상태와 비-측정 상태 사이에서 슬리브(10)의 각각의 세분 공간(A-D)의 스위칭을 제어하기 위하여 측정 전극들(1-5)에 연결된 스위치 및 측정 부재들(50)을 갖는다. 스위치 및 측정 부재들(50)은 세분 공간들(A-D)의 각각의 상태를 상호 독립적으로 선택적으로 스위칭하도록 구성된다.

Description

2-상 플로우 내의 가스 내용물을 결정하기 위한 다중-전극 센서{A MULTI-ELECTRODE SENSOR FOR DETERMINING THE GAS CONTENT IN A TWO-PHASE FLOW}

본 발명은, 예를 들어, 로켓 또는 다른 엔진과 같은 임의의 산업 애플리케이션들에 설치된 플로우 라인을 흐르는 2-상 유체의 가스 내용물을 결정하기 위한 센서들의 분야에 관한 것이다.

액체 내에 존재하는 가스의 체적률을 아는 것은 많은 애플리케이션들, 특히, 항공우주 분야에서의 애플리케이션들을 갖는다.

예를 들어, 로켓 엔진들의 터보펌프들은 극저온 추진제, 특히, 액체 수소 및 액체 산소를 공급받는다. 펌프들에 대한 유입구들에서, 액체 내의 가스의 존재는 유체 흐름을 방해하며, 이는 터보펌프 레이싱(racing)을 초래할 수 있는 공동화 현상의 위험을 갖는다. 따라서 공급 추진제들 내의 가스의 존재를 식별하고 측정할 수 있게 하는 것이 이러한 애플리케이션들의 맥락에 있어 대단히 중요하다.

파이프를 흐르는 2-상 유체의 플로우 내에서, 파이프 내에 배치되기에 적절한 2개의 전극들을 갖는 종래의 용량성 센서들이 알려져 있다. 2개의 전극들 중 하나의 전극은 원통형 코어 형태의 애노드로 구성되며, 반면 다른 전극은 파이프의 세그먼트(segment)의 일 부분을 형성하는 캐소드로 구성된다.

이러한 종래의 용량성 센서들은 캐소드와 애노드 사이에서 파이프를 흐르는 2-상 유체의 상대적인 유전율(또는 유전 상수)을 측정하도록 구성되며, 따라서 유체의 액체상(liquid phase) 내에 존재하는 가스의 체적률을 결정하는 것이 가능해진다.

보다 구체적으로, 유체의 유전 상수는 그것의 굴절률에 직접적으로 의존한다. 기체 상태의 유체의 굴절률은 일반적으로 액체 상태의 동일한 유체의 굴절률과 약간 차이가 있으며, 그 결과 이러한 2개의 굴절률들의 사전 지식 및 2-상 상태로 흐르는 유체의 유전 상수를 측정하기 위해 플로우 덕트(flow duct) 내에 배치된 이러한 용량성 센서를 사용하여, 유체의 액체상 내에 존재하는 가스 거품들의 내용물을 결정하는 것이 가능하다는 것이 알려졌다.

그럼에도 불구하고, 이러한 종래의 센서들에 의해 측정되는 가스 거품 내용물들은 센서들이 설치된 파이프 세그먼트의 플로우 섹션 내에 형성되는 거품들의 실제 내용물과 비교할 때 부정확하다.

이는 특히 이러한 종래의 센서들에 의해 측정되는 가스 거품 내용물들이 센서의 전체 플로우 섹션에 걸쳐 평균 내어지는 내용물에 대응할 때 문제가 되며, 그 결과 측정되는 내용물들이 대단히 국부화될 수 있는 가스 거품들의 잠재적인 급증을 검출하는 것이 불가능하다.

따라서, 주어진 플로우 섹션 내에서 가스 거품들을 형성하는 평균적인 내용물들 및 국부적인 내용물들 둘 모두를 정확하게 측정할 수 있는 센서의 개발에 대한 무시할 수 없는 요구가 존재한다.

본 발명은 이러한 센서를 제공하는 것을 제안한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 내용에서, 센서는 플로우 라인을 흐르는 2-상 유체의 가스 내용물을 결정하는 것을 가능하게 하며, 센서는 유체의 스트림 속에서, 플로우 라인 내에 배치되기에 적절한 슬리브(sleeve)를 포함한다. 측정 전극들이 쌍으로 상기 슬리브의 플로우 섹션을 세분하는 복수의 세분 공간(subdivision space)들을 정의하도록, 센서의 슬리브는 서로 이격되며 서로 정합되는(in register) 복수의 측정 전극들을 포함한다. 센서들은 또한, 슬리브의 각각의 세분 공간이 측정 상태와 비-측정 상태 사이에서 스위칭될 수 있도록 하기 위한 방식으로 측정 전극들에 결합되는 스위치 및 측정 부재들을 포함하며, 측정 상태에서 상기 부재들은 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 여기(excitation) 전기 신호를 인가하고, 대표값과 연관되는 유체의 가스 내용물을 결정하기 위하여 상기 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신 전기 신호를 나타내는 값을 측정한다. 스위치 및 측정 부재들은 선택적으로 세분 공간들 각각의 상태를 서로 독립적으로 스위칭하도록 구성된다.

따라서 센서의 슬리브는 상기 슬리브의 플로우 섹션을 2개 이상의 세분 공간들로 세분되게 하는 3개 이상의 측정 전극들을 가지며, 세분 공간들은 측정 전극들의 쌍에 의해 정의되는 전극-사이(inter-electrode) 공간들에 대응한다는 것이 이해될 수 있다.

따라서, 주어진 플로우 섹션들 및 모든 다른 것들이 동일하다면, 본 발명의 센서의 슬리브 내의 전극-사이 거리는 이상에서 기술된 2개의 전극들을 갖는 유형의 종래 센서의 전극-사이 거리보다 더 작으며, 따라서 더 양호한 신호-대-잡음비로 신호들을 측정하는 것이 가능하고, 따라서 신호들이 더 정확하다.

또한, 센서에 더 많은 수의 측정 전극들을 설치함으로부터 기인하는 복수의 세분 공간들의 존재가 세분 공간들 중 단지 하나 또는 일부에서 국부적으로 형성되는 가스 거품 내용물들을 정확하게 측정할 수 있게 하기 위하여 본 발명에서 유용하게 사용되며, 센서의 슬리브의 세분 공간들의 각각에 대하여 임의적으로 그리고 독립적으로 수행될 수 있는 측정 상태와 비-측정 상태 사이의 스위칭에 의해 세분 공간들이 선택된다.

또한, 고려되는 세분 공간이 비-측정 상태를 취하는 것을 보장하기 위하여, 고려되는 상기 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 수립되는 전기적 여기를 방지하도록 스위치 및 측정 부재들을 구성하는 것이 특히 가능하다.

몇몇 대안예들이 고려되는 세분 공간이 그것의 비-측정 상태를 취할 수 있게 하는데 사용될 수 있다.

따라서, 바람직한 제 1 대안예에 있어, 스위치 및 측정 부재들은 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들에 동일한 전기 전위를 인가하여 상기 공간이 그것의 비-측정 상태를 취하게 한다.

따라서 세분 공간이 그것의 비-측정 상태로 남아있는 한, 그것을 정의하는 2개의 측정 전극들의 단자들에 걸친 전위 차가 0 값으로 유지된다는 것(실제, 센서에 설치된 스위치 및 측정 부재들을 사용할 때, 이러한 전위 차가 가능한 한 0에 가까운 값으로 유지된다)이 이해될 수 있다.

결과적으로, 상기 2개의 인접한 측정 전극들은 이러한 2개의 전극들 사이에 수립되는 임의의 전기적 여기를 방지하는 강제된 상태로 유지된다.

다른 바람직한 대안예에 있어, 스위치 및 측정 부재들은 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이의 모든 전기적 연결들을 차단하여 상기 공간이 그것의 비-측정 상태를 취하게 한다.

이러한 상황들 하에서, 스위치 및 측정 부재들은 상기 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 전기적 여기가 수립되도록 하기 위하여, 세분 공간이 그것의 측정 상태를 취할 때 이러한 전기적 연결을 재수립할 수 있다.

바람직하게, 여기 전기 신호는, 바람직하게는 0의 평균값을 갖는, 안정 조건(steady condition)들 하에서 주기적으로 변화하는 전압이다. 구체적으로, 사인파, 사각파, 삼각파, 펄스들의 열, 등인 파형을 제공하는 전압이 사용될 수 있다.

이러한 상황들 하에서, 상기 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신(reception) 전기 신호(또는 응답 신호)가 또한, 고려되는 세분 공간을 흐르는 유체의 유전 상수에 의존하여 여기 전기 신호에 대하여 진폭 및/또는 주기 및/또는 위상 편이(shift)들을 가지고 주기적으로 변화한다.

그럼에도 불구하고, 본 발명의 맥락에 있어, 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 가변 전압을 인가하는 것이 또한 가능하며, 이러한 전압은, 적어도 하나의 주어진 시간 구간에서 고려되는 세분 공간의 2개의 측정 전극들 사이에서 이동되는 전하들을 발생시키는 여기 전기 신호를 제공하는, 비-안정 조건들 하에서의 가변 전압이거나, 또는 고정 전압이거나, 또는 임의의 다른 종류의 신호이며, 그럼으로써 고려되는 세분 공간을 흐르는 유체의 유전 상수를 결정하는 것을 가능하게 한다.

또한, 스위치 및 측정 부재들은 바람직하게 상기 부재들에 의해 측정되는 상기 대표값이, 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 측정 전극들 사이의 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신 전기 신호를 단독으로 나타내게 하는 방식으로 구성될 수 있다.

따라서, 스위칭 상태와 무관하게 이러한 인가가 인접한 공간에서 발견되지 않기 때문에, 상기 대표값이 다른 인접한 세분 공간을 흐르는 또는 다른 인접한 세분 공간 각각을 흐르는 유체 내의 가스 내용물에 영향을 받지 않는다는 것이 이해될 수 있다.

바람직한 대안예에 있어, 상기 대표값이, 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이의 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신 전기 신호를 나타내는 제 1 성분과 함께, 고려되는 공간에 인접한 어떤 다른 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 인가될 수 있는 임의의 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신 전기 신호를 나타내는 제 2 성분을 가질 수 있도록 스위치 및 측정 부재들이 구성될 수 있다.

예로써, 이는, 상기 고려되는 세분 공간 및 상기 인접한 공간에 공통되는 측정 전극 및 고정 전위의, 특히 그 접지 전위의 센서의 라인에 연결되는, 바람직하게는 저항성 회로인 2-단자 회로의 단자들에서 측정되는 상기 대표값에 의해 이루어질 수 있다.

이러한 상황들 하에서, 안정 조건들 하에서 주기적으로 변화하는 여기 전기 신호가 인가되도록 선택될 때, 상기 2-단자 회로의 단자들에서 측정되는 상기 대표 값은 그것의 임피던스에 대응한다.

바람직하게, 스위치 및 측정 부재들은 측정 사이클 동안 적어도 한번 세분 공간들 중 적어도 하나의 상태를 연속적으로(sequentially) 스위칭한다.

따라서, 이러한 세분 공간들 중 적어도 하나가 상태들 사이에서 한번 이상 연속적으로 스위칭되는 측정 사이클을 정의하기 위하여, 스위치 및 측정 부재들이 센서의 슬리브의 세분 공간들의 각각을 독립적으로 스위칭할 수 있다는 사실을 이용하는 것이 가능하다는 것이 이해될 수 있다.

이러한 상황들 하에서, 이러한 측정 사이클 동안 수행될 임의의 스위칭 시퀀스를 정의하는 것이 가능하다.

예를 들어, 각각의 세분 공간이 측정 사이클 동안 적어도 한번 그것의 측정 상태를 취하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 상황들 하에서, 측정 사이클 동안 센서의 슬리브의 세분 공간들의 각각을 통해 스캐닝하는 것이 가능해 지며, 따라서 상기 슬리브의 플로우 섹션 내의 가스 거품 분포의 정확한 맵을 구축하는 것이 가능해진다.

유사하게, 측정 사이클 동안, 센서는, 세분 공간들 중 적어도 제 1 세분 공간이 그것의 측정 상태를 취하며 반면 제 1 세분 공간에 인접한 적어도 하나의 다른 세분 공간(및 바람직하게는 그들의 각각)이 그것의 비-측정 상태를 취하는, 적어도 하나의 구성을 채택하는 것이 바람직할 수 있다.

스위치 및 측정 부재들이 또한 그들이 측정하는 대표값이 이상에서 설명된 바와 같이 상기 제 1 세분 공간 및 상기 인접한 세분 공간에 각기 연관되는 제 1 및 제 2 성분들을 포함하도록 구성될 때, 이러한 구성이 특히 바람직하다. 이러한 구성의 센서를 이용하면, 상기 인접한 세분 공간의 이러한 비-측정 상태에서의 측정된 대표값의 상기 제 2 성분은 0(실제로는 스위치 및 측정 부재들을 이용하여 가능한 한 0에 가까운)이다. 결과적으로, 측정된 대표값은, 상기 제 1 세분 공간을 특히 흐르는 유체의 유전 상수를 직접적으로 획득하고, 상기 대표값의 측정에 대하여 임의의 영향을 갖는 상기 다른 세분 공간을 특히 흐르는 유체의 가스 내용물 없이 이를 수행하는 것을 가능하게 한다.

이에 더하여, 측정 사이클의 제 1 시간 구간에서 세분 공간들 중 적어도 제 1 세분 공간이 그것의 측정 상태를 취하며 반면 제 1 세분 공간에 인접한 제 2 세분 공간은 그것의 비-측정 상태를 취하고, 상기 사이클의 제 2 시간 구간(상기 제 1 시간 구간의 전 또는 후의)에서 적어도 상기 제 1 공간이 그것의 측정 상태로 남아 있으면서 상기 제 2 공간이 그것의 측정 상태를 취하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 상황들 하에서, 제 1 및 제 2 시간 구간들 동안 상기 제 1 공간 또는 상기 제 2 공간에 인접한 각각의 세부 공간이 측정 상태 또는 비-측정 상태(바람직하게는 비-측정 상태)를 변경하지 않고 유지되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 제 1 세분 공간과 연관된 대표값이 또한, 이상에서 설명된 바와 같은, 상기 제 1 및 제 2 세분 공간들과 각기 연관된 수신 전기 신호들을 나타내는 제 1 및 제 2 성분들 모두를 포함하도록 선택될 때, 이러한 대표값은 제 1 시간 구간에서 상기 제 1 공간을 특히 흐르는 유체의 유전 상수를 결정하는 것을 가능하게 하고, 반면 제 2 시간 구간에서 이러한 대표값은 상기 제 1 및 제 2 공간들이 함께 취해져서 구성되는 결합된 공간을 흐르는 유체의 유전 상수를 결정하는 것을 가능하게 한다.

이러한 상황들 하에서, 상기 제 2 세분 공간을 특히 흐르는 유체의 유전 상수는 바람직하게 제 2 시간 구간에서 획득된 유전 상수로부터 제 1 시간 구간에서 획득된 유전 상수를 차감함으로써 2개의 선행하는 측정들로부터 추론될 수 있다.

따라서 스위치 및 측정 부재들이, 제 1 및 제 2 세분 공간들에 대하여 공통으로 사용되고, 사이클의 상기 제 1 및 제 2 시간 구간들 사이에서 스위칭될 상태, 즉 상기 제 2 공간의 상태를 단지 한번만 변화시키면서, 상기 제 2 세분 공간에서 특히 형성되고 상기 제 1 세분 공간에서 특히 형성되는 가스 거품들의 내용물을 결정하게 하는 것을 가능하게 하는 측정 회로를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

바람직하게, 측정 사이클 동안 세분 공간들 중 적어도 제 1 세분 공간은 세분 공간들 중 적어도 하나의 다른 세분 공간보다 더 많은 횟수로 그것의 측정 상태를 취한다.

따라서, 덜 문제가 되는 것으로 고려되는 센서의 다른 공간들보다 가스 거품들의 형성에 더 영향을 받는 것으로 고려되는 공간들인 센서의 특정 세분 공간들을 보다 주의 깊게 모니터링하는 것이 가능해진다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

바람직하게 측정 사이클은 반복적으로, 바람직하게는 주기적으로 수행된다.

센서의 슬리브의 세분 공간들 중 하나 이상에서의 가스 거품들의 공간적 분포의 변화를 추적하는 것이 가능해진다는 것이 따라서 이해될 수 있을 것이다.

바람직하게, 센서의 슬리브는 측정 전극들의 단부(end)들을 연장하며 그들로부터 전기적으로 분리되는 보호(guard) 전극들을 포함하며, 보호 전극들은 보호 전극들이 각기 연장하는 측정 전극들과 항상 동일한 전위에 있도록 스위치 및 측정 부재들에 연결된다.

측정 전극들의 치수들에 비하여 전극-사이 거리들이 무시할 수 없는 경우들에 있어, 이러한 보호 전극들이 측정 전극들이 겪는 전기적 여기에 대한 측정 전극들의 응답에 달리 크게 영향을 줄 수 있는 에지 효과(edge effect)를 방지하도록 역할한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

또한, 측정들의 정확성을 개선하기 위하여, 안정 변동 조건들 하에서 여기 전기 신호들로 센서의 측정 전극들을 여기시키도록 선택될 때, 보호 전극들에 인가되는 전기 전위들의 주파수들, 위상들, 및 진폭들은, 보호 전극들이 연장하는 각각의 측정 전극들의 전기 전위들의 주파수들, 위상들, 및 진폭들과 항상 동일하게 보장되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 센서는 선택적으로 상기 전극들을 서로 이격되게 그리고 서로 정합되게 홀딩하기 위하여 측정 전극들과 협력하기에 적합한 하나 이상의 구조적 엘러먼트들을 포함한다.

바람직하게, 측정 전극들은, 적어도 부분적으로 전기적 절연 재료로 만들어진, 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)으로 만들어진 스페이서(spacer)들에 의해 서로 이격된다.

바람직하게, 센서의 각각의 슬리브는 또한 이러한 스페이서들을 사용하여 대응하는 측정 전극들을 연장하기 위하여 서로 이격되어 홀딩될 수 있는 보호 전극들을 포함한다.

바람직하게, 스페이서들은 측정 전극들(및 필요한 경우, 그들의 보호 전극들)과 스위치 및 측정 부재들 사이의 연결을 제공하기 위하여 그 안으로 연결 와이어들이 삽입되는 통로들을 갖는다.

결과적으로, 센서의 슬리브는 따라서 바람직하게는 유체의 플로우 라인 내에, 예를 들어, 선택적으로 상기 플로우 라인의 파이프 세그먼트 내부에 또는 2개의 이러한 세그먼트들 사이에 배치될 수 있으며, 반면 스위치 및 측정 부재들은 센서의 사용자들이 그들에 보다 용이하게 액세스할 수 있도록 상기 플로우 라인 외부에 그리고 이로부터 원격적으로 배치되기에 적합하다.

또한 측정 전극들(및 필요한 경우 그들의 보호 전극들)은, 센서의 슬리브의 플로우 섹션을 세분하는 복수의 세분 공간들을 정의하기 위해 쌍들로서 동작하기 위하여 서로 이격되고 서로 정합되도록 연장될 수 있는 것을 제공하는, 임의의 적합한 형상을 취할 수 있다.

예를 들어, 측정 전극들(및 필요한 경우 유사한 그들의 보호 전극들)은 바람직하게 평면이고 서로 평행할 수 있다.

이러한 해법은 플로우 라인의 플로우 섹션이 사각형일 때 바람직한 것으로 발견된다.

대안예에 있어, 플로우 라인들에 사용되는 파이프 세그먼트들의 대부분의 섹션이 원형으로 주어질 때, 측정 전극들(및 필요한 경우 유사한 그들의 보호 전극들)은 공통 축에 대하여 서로를 둘러싸는 동축(coaxial)일 수 있으며, 공통 축에 수직인 섹션 평면에서 원형인 섹션을 제공하는 것이 특히 바람직하다.

이러한 상황들 하에서, 측정 전극들(및 필요한 경우 유사한 그들의 보호 전극들)은 바람직하게 원뿔대형(frustoconical) 또는 원통형이 되도록 동일하게 잘 선택될 수 있다.

바람직하게, 섹션 평면에서의 2개의 인접한 측정 전극들(및 필요한 경우 그들의 대응하는 보호 전극들)의 직경들의 비율은, 이러한 측정들의 정확성을 증가시키기 위하여 1.1 내지 3.0의 범위이다.

본 발명의 발명자들은, 실험적인 작업의 그리고 그들이 수행한 다수의 디지털 시뮬레이션들의, 이론적인 계산들의 결과로서, 유체의 측정된 유전 상수가 주어진 가스 거품들의 내용물들 및 크기들에 대하여, 측정 전극들의 공통 축에 대하여 가스 거품들이 국부적으로 형성되는 반경 거리(radial distance)의 함수로써 비-선형적인 방식으로 변화한다는 것을 발견하였다.

발명자들은 이러한 현상이, 거품이 형성되는 위치가 센서의 슬리브의 공통 축에 반경적으로 더 가까우면 가까울수록, 거품이 구속되는(confined) 슬리브의 환형(annular) 공간의 체적에 비한 거품에 의해 점유되는 상대적인 체적이 더 커진다는 사실에 본질적으로 기인한다는 것을 결정할 수 있었다.

발명자들은 따라서, 특히 1.1 내지 3.0 범위에 있는 섹션 평면의 2개의 인접한 측정 전극들의 직경들의 비율을 준비함으로써, 유체의 실험적인 유전 상수의 이러한 반경 의존성을 보상할 수 있는 해법을 발견하였다.

측정들의 정확성을 더 증가시키기 위하여, 직경들의 상기 비율은 바람직하게는 더 구체적으로 1.4 내지 2.0 범위에 있다.

또한, 본 발명의 내용에 있어, 센서의 슬리브는 3 이상의(예를 들어, 3, 4, 5, 6, 7, 또는 그 이상) 임의의 수의 측정 전극들을 가질 수 있다.

플로우 섹션들 및 다른 것들이 동일하게 남이 있는 것으로 주어지면, 센서의 슬리브 내의 측정 전극들의 수가 커지면 커질수록, 그 슬리브의 전극-사이 거리가 더 작아지며 따라서 이루어지는 측정들의 정확성이 더 커진다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

그럼에도 불구하고, 센서들의 구조가 구현하기에 간단하고 저렴하게 남아 있는 것을 보장하기 위하여, 센서들의 슬리브는 3개 내지 6개의 측정 전극들을 갖는 것이 바람직하다.

측정 전극들이 회전체(body of revolution)들인 센서를 사용할 때, 센서의 슬리브의 2개의 극단(extreme) 측정 전극들(즉, 서로 가장 멀리 이격된 2개의 측정 전극들) 사이의 섹션 평면에서의 직경들의 비율은 바람직하게, 상기 슬리브의 측정 전극들의 수의 함수로써, 5 내지 20의 범위에 있을 수 있다.

또한, 상기 공통 축으로부터 가장 멀리 떨어진 측정 전극의 직경 분의(over) 그들의 공통 축을 따른 측정 전극들의 축상 길이의 비율은 0.25 내지 1의 범위에 있는 것이 바람직하다. 값들의 이러한 범위는 측정 정확성을 최적화하는 것과 플로우 라인 내의 슬리브의 존재로 인한 플로우의 방해를 최소화하는 것 사이의 양호한 절충을 제공한다.

비-제한적인 예들로서 주어지는 실시예들의 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 본 발명 및 본 발명의 이점들이 더 양호하게 이해될 수 있다. 설명은 첨부된 도면들을 참조한다.
도 1은 본 발명에 따른 센서의 슬리브(sleeve)를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상기 실리브의 평면도이다.
도 3은 도 2의 평면 III-III 상의 상기 슬리브의 단면도이다.
도 4는 도 2의 평면 IV-IV 상의 상기 슬리브의 단면도로서, 플로우 라인(flow line)의 파이프 세그먼트(pipe segment)에 슬리브를 설치하는 가능성을 나타낸다.
도 5는 상기 슬리브의 측정 전극들 중 하나와 그것의 2개의 보호 전극들을 따로이 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 스위치 및 측정 부재들에 연결된 상기 슬리브의 개략적인 도면이다.

본 발명에 따른 센서는 슬리브(10)와 스위치 및 측정 부재들(50)을 포함한다.

도 1 내지 도 4에 있어, 본 발명에 따른 슬리브(10)의 비-제한적인 실시예가 도시된다.

도시된 실시예에 있어, 센서의 슬리브(10)는, 쌍들로서 상기 슬리브(10)의 플로우 섹션(flow section)을 세분하는 4개의 세분 공간들(A 내지 D)을 정의(define)하기 위한 서로 이격되고 서로 정합되는(in register) 5개의 측정 전극들(1 내지 5)을 갖는다.

측정 전극들(1 내지 5)은 슬리브(10)의 축 방향을 정의하는 공통 축에 대하여 서로를 둘러싸는 동축(coaxial)이며, 상기 공통 축에 수직한 섹션 평면에서 원형 섹션을 제공한다.

측정 전극들(1 내지 5)은 원통형 회전체들이다.

그것의 플로우 섹션을 정의하는 슬리브(10)의 외부 몸체는 공통 축으로부터 가장 멀리 떨어진 측정 전극(1)을 형성하며, 그 결과 슬리브(10)의 외부 몸체는 전반적으로 그것의 회전축으로서의 상기 공통 축에 대하여 원통형이다.

공통 축에 가장 가까운 측정 전극(5)은 원통형 중심 코어(완전히 속이 꽉 차 있거나, 완전히 속이 비워져(hollow) 있거나, 또는 도 3에 도시된 바와 같이 단지 부분적으로 속이 비워져 있을 수 있는)를 구성한다.

나머지 3개의 측정 전극들(2, 3, 및 4)은 슬리브(10)의 중심 코어와 외부 몸체 사이에서 동축적으로 연장하고 서로를 둘러싸는 각각의 원통형 링들을 구성하는 중간 측정 전극들이다.

이러한 실시예에 있어, 5개의 측정 전극들(1 내지 5)의 쌍들에 의해 정의되는 슬리브(10)의 플로우 섹션을 세분하는 4개의 공간들(A 내지 D)은 회전형 원통 체적들을 형성하는 환형(annular) 공간들이다.

도시된 실시예에 있어, 상기 섹션 평면에서 2개의 인접한 측정 전극들의 직경들의 비율은 1.1 내지 3.0의 범위에 있으며, 바람직하게는 1.4 내지 2.0의 범위에 있고(따라서 비율 계산시 2개의 직경 중 더 큰 직경이 분자이며, 2개의 직경 중 더 작은 직경이 분모가 된다), 또는 더 구체적으로는 1.5 내지 1.9의 범위에 있을 수 있다.

구체적으로, 이러한 실시예에 있어, 제 1 측정 전극(1)의 내부 직경(즉, 슬리브(10)의 외부 몸체의 내부 벽의 직경)이 121 밀리미터(mm)가 되도록 선택되고 반면 제 2 측정 전극(2)의 외부 직경은 80 mm이며, 그 결과 제 2 측정 전극(20) 분의(over) 제 1 측정 전극(10)의 직경의 비율이 약 1.5이다.

또한, 이러한 실시예에 있어, 제 2 측정 전극(2)의 내부 직경은 76 mm가 되도록 선택되고(이는 이러한 실시예의 제 2 전극이 2.0 mm의 반경 두께를 갖는다는 것을 의미함), 반면 제 3 측정 전극(3)의 외부 직경은 50 mm이며, 그 결과 제 3 측정 전극(3) 분의 제 2 측정 전극(2)의 직경의 비율이 약 1.5이다.

유사하게, 이러한 실시예에 있어, 제 3 측정 전극(3)의 내부 직경은 47 mm가 되도록 선택되고(이는 이러한 실시예의 상기 제 3 전극이 1.5 mm의 반경 두께를 갖는다는 것을 의미함), 반면 제 4 측정 전극(4)의 외부 직경은 30 mm이며, 그 결과 제 4 측정 전극(4) 분의 제 3 측정 전극(3)의 직경의 비율이 약 1.6이다.

마지막으로, 이러한 실시예에 있어, 제 4 측정 전극(4)의 내부 직경은 28 mm가 되도록 선택되고(이는 이러한 실시예의 상기 제 4 전극이 1.0 mm의 반경 두께를 갖는다는 것을 의미함), 반면 제 5 측정 전극(5)의 외부 직경은 15 mm이며, 그 결과 제 5 측정 전극(5) 분의 제 4 측정 전극(4)의 직경의 비율이 약 1.9이다.

이러한 실시예에 있어, 제 5 측정 전극(5)의 외부 직경 분의 제 1 측정 전극(1)의 내부 직경의 비율(즉, 센서의 슬리브(10)의 2개의 극단의 측정 전극들의 직경들의 비율)은 약 8.1이고, 즉, 이는 이상에서 언급된 바람직한 범위 [5, 20] 내에 있는 결과를 가져온다.

이에 더하여, 이러한 실시예에 있어, 그들의 공통 축을 따른 측정 전극들의 축상 길이(이러한 실시예에 있어, 중간 측정 전극들(2 내지 4)의 2개의 축상 단부들 사이의 거리에 대응하는)는 55 mm가 되도록 선택되며, 그 결과 제 1 측정 전극(1)의 내부 직경 분의 상기 축상 길이의 비율은 약 0.5이며, 이는 이상에서 언급된 바람직한 범위 [0.25, 1] 내에 있다.

각각의 측정 전극(1 내지 5)은 전기적으로 전도성인 재료로 만들어진다. 따라서 구체적으로, 황동(brass) 또는 실제 스테인리스 강(stainless steel)을 선택할 수 있으며, 슬리브가 예를 들어, 20 K에 가까운 온도에서 액체 수소(LH2)의 플로우를 운반하는 라인인 극저온 플로우 라인 내에 포함되기 위한 것일 때, 스테인리스 강이 추천된다.

도 4에 특히 도시된 바와 같이, 센서의 슬리브(10)는, 유체의 스트림(F) 내에서, 유체가 이를 따라 흐르는 임의의 플로우 라인 내에 배치되기에 적합하다.

이러한 실시예에 있어, 슬리브(10)는 플로우 라인의 부분을 형성하는 파이프 세그먼트(60) 내부에 배치되기에 적합하다.

슬리브(10)의 외부 몸체는 슬리브(10)를 파이프 세그먼트(60) 내에 고정시키기 위하여 파이프 세그먼트(60)의 부분을 형성하는 제 2 잠금(fastener) 엘러먼트와 함께-동작하기에 적합한 제 1 잠금 엘러먼트를 갖는다.

특히, 쇼울더(shoulder)(66)에 계합(engage)되기 위하여 플랜지(flange)(14) 내에 배치되는 관통 홀들(16) 내에 수용되기에 적합한 나사들(미도시)을 이용하여(구체적으로 도 1 및 도 2를 확인) 슬리브(10)가 파이프 세그먼트(60) 내에 고정될 수 있게 하기 위하여, 슬리브(10)의 외부 몸체는 파이프 세그먼트(60)의 내부 벽 내에 형성된 제 2 잠금 엘러먼트를 구성하는 쇼울더(66)에 대하여 누르기에 적합한 그것의 제 1 잠금 엘러먼트로서 플랜지(14)를 갖는다.

파이프 세그먼트(60)는, 플로우 라인의 부분들을 형성하는 2개의 다른 파이프 세그먼트들(미도시) 사이에 배치되기에 적합하게 하기 위한 방식으로 그것의 2개의 축상 단부들의 각각에 각기 형성되는 2개의 플랜지들(62 및 64)을 갖는다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않는 도시된 실시예에 대한 바람직한 대안예에 있어, 센서의 슬리브의 외부 몸체 그 자체가 플로우 라인의 2개의 다른 파이프 세그먼트들 사이에 직접적으로 배치되기에 적합한 파이프 세그먼트를 형성하도록 제공될 수 있다. 이러한 대안예는 플로우 라인 내의 센서의 슬리브의 존재에 의해 야기되는 플로우 제한을 감소시킬 수 있다.

그러면 슬리브의 외부 몸체는 바람직하게 이상에서 설명된 파이프 세그먼트(60)의 부분을 형성하는 플랜지들(62 및 64)과 유사한 2개의 플랜지들을 가질 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3에 특히 도시된 바와 같이, 슬리브(10)의 측정 전극들(1 내지 5)은 전적으로 전기적 절연 재료로 만들어진, 특히 PTFE로 만들어진 스페이서(spacer)들에 의해 서로 이격되며, 스페이서들은 전반적으로 핀(fin)들의 형태이다.

보다 구체적으로, 슬리브(10)는 슬리브(10)의 상류 단부(upstream end)에서, 슬리브(10)의 외부 몸체와 중심 코어 사이에서 서로에 대하여 90°인 4개의 각각의 반경 방향들로 연장하기 위하여 중심 코어에 대하여 십자로 배치되는 4개의 제 1 스페이서들(20)을 갖는다.

슬리브(10)는 또한 슬리브(10)의 하류 단부에서 4개의 제 1 스페이서들과 유사한 4개의 다른 스페이서들(20)을 가지며, 이들은 중심 코어와 슬리브(10)의 외부 몸체 사이에서 4개의 제 1 스페이서들의 반경 방향과 동일한 4개의 반경 방향들로 각기 연장한다.

각각의 스페이서(20)는, 슬리브(10)의 외부 몸체(1) 및 중심 코어에 대하여 고정되기 위하여, 상기 스페이서(20) 내에 제공되는 홀을 관통하는 홀더 로드(holder rod)(30)를 이용하여 위치된다.

도시된 실시예에 있어, 각각의 홀더 로드(30)의 두개의 단부들 모두는, 그것이 그 안의 나사 구멍 내로 나사결합됨(screwed)으로써 중심 코어에 고정되고, 슬리브(10)의 반경 방향에서 홀더 로드를 외부로 돌출시킬 수 있도록 외부 몸체(1)에 제공되는 관통 홀의 에지 근방에서, 외부 몸체(1)의 외부 벽에 대하여 눌려지는 너트(nut)(31)를 나사결합함으로써 외부 몸체(1)에 고정될 수 있도록, 나사가공되어 있다(threaded).

각각의 스페이서(20)는 중심 코어에 대한 지지대(abutment)가 된다.

또한, 도 5에서 측정 전극(3)에 대하여 구체적으로 도시된 바와 같이, 각각의 중간 측정 전극(2 내지 4)의 2개의 축상 단부들(즉, 상기 전극의 축 방향으로 이격된 상기 전극의 2개의 단부들) 둘 다는 방사상으로 규칙적으로 이격되는 4개의 노치(notch)들을 제공하며, 그 안에서 4개의 하류 스페이서들 및 4개의 상류 스페이서들은 각기, 슬리브의 반경 방향에서 상기 측정 전극들(2 내지 4)을 그들과 접하는 다른 측정 전극들(1 내지 5)로부터 이격하여 홀딩하도록 하기 위한 계합에 적합하다.

이에 더하여, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 센서의 슬리브(10)는, 측정 전극들(2 내지 4)의 단부들을 연장하지만 그들로부터 전기적으로 분리되는 보호 전극들(2a 내지 4a 및 2b 내지 4b)을 갖는다.

보다 구체적으로, 3개의 중간 측정 전극들(2 내지 4)의 2개의 축상 대향 단부들(즉, 슬리브의 상류 및 하류 단부들에서의 그들의 단부들)은 상류 단부에서 3개의 개별적인 보호 전극들(2b 내지 4b) 및 하류 단부에서 3개의 개별적인 보호 전극들(2a 내지 4a)에 의해 슬리브의 축 방향으로 소정의 거리만큼 연장된다.

상기 상류 보호 전극들(2b 내지 4b)은, 상기 중간 측정 전극들(2 내지 4)이 고정되는 그들의 단부들로부터 슬리브(20)의 축 방향으로 대향되는 스페이서들의 단부들에서, 스페이서들(20)의 상류 면들에 고정됨으로써 그들이 연장하는 중간 측정 전극들(2 내지 4)로부터 전기적으로 분리되도록 유지된다.

유사하게, 상기 하류 보호 전극들(2a 내지 4a)은, 상기 중간 측정 전극들(2 내지 4)이 고정되는 그들의 단부들로부터 슬리브(10)의 축 방향으로 대향되는 그들의 단부들에서, 스페이서들(20)의 하류 단부들에 고정됨으로써 그들이 연장하는 중간 측정 전극들(2 내지 4)로부터 전기적으로 분리되도록 유지된다.

이를 위하여, 그리고 중간 측정 전극(3)의 2개의 보호 전극들(3a 및 3b)에 대하여 더 구체적으로 도시된 바와 같이, 각각의 보호 전극(2a 내지 4a, 2b 내지 4b)의 2개의 축상 단부들 중 하나는 방사상으로 규칙적으로 이격된 4개의 노치들을 제공하며, 이 안에서 4개의 대응하는 스페이서들(20)은 각기 상기 보호 전극을 슬리브(10)의 축 방향에서 측정 전극들로부터 이격하고, 슬리브(10)의 축 방향에서 그들과 정합된 다른 보호 전극들로부터 이격하여 홀딩하도록 하기 위한 계합에 적합하다.

보호 전극들(2a 내지 4a 및 2b 내지 4b)은 예를 들어, 황동 또는 슬리브(10)가 극저온 유체를 통과시킬 때 바람직하게는 스테인리스 강인, 전기 전도성 재료로 만들어진다.

비-제한적인 방식으로 도시된 실시예에 있어, 슬리브(10)의 반경 방향에서 서로로부터 가장 멀리 떨어져 있는 2개의 측정 전극들(1 및 5)(즉, 슬리브(10)의 외부 몸체 및 중심 코어)은 서로 전기적으로 연결되며, 고정 전기 전위에 있는, 특히 그것의 접지 전위에 있는 센서의 라인에 연결된다.

이러한 실시예에 있어, 홀더 로드들(30)은 전기 전도성 재료, 특히 황동 또는 스테인리스 강으로 이루어지고, 이들은 그 안에서 계합됨으로써 또한 전기 전도성 재료, 특히 황동 또는 스테인리스 강으로 이루어진 너트들(31)을 통해 중심 코어와 슬리브(10)의 외부 몸체(1) 사이의 전기적 연결을 수립한다.

도시된 실시예에 있어, 이러한 2개의 극단 전극들(1 및 5)은 측정 전극들 및 보호 전극들 둘 다로서 기능한다.

도시된 실시예에 있어, 외부 몸체(1)는 단일 피스(single piece)로 제공된다.

도시된 실시예에 있어, 중심 코어는 축 방향에서 상기 중심 코어를 형성하기 위하여 함께 조립되기에 적합한 복수의 분리된 세그먼트들로 분할된다.

도 3에 도시된 실시예에 있어, 중심 코어는, 엄밀한 의미의 측정 전극(5)을 구성하며 그 안에 상류 홀더 로드들(30)이 고정되는 제 1 세그먼트(5); 그 안에 하류 홀더 로드들(30)이 고정되는 제 2 세그먼트(5a); (선택적으로) 상기 제 1 및 제 2 세그먼트들 사이에 축방향으로 삽입되는 심(shim); 및 제 1 세그먼트(5) 내의 나사 구멍에 계합하기 위하여 제 2 세그먼트(5a) 내의 홀을 관통하기에 적합한 조립 나사(12)를 갖는다.

본 발명의 범위로부터 벗어나지 않더라도, 단일 피스의 중심 코어를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 도 3 및 도 4에 구체적으로 도시된 바와 같이, 스페이서들(20)은, 측정 전극들(1 내지 5)과 이하에서 설명되는 스위치 및 측정 부재들(50) 사이의 연결 및 보호 전극들(2a 내지 4a 및 2b 내지 4b)과 상기 스위치 및 측정 부재들(50) 사이의 연결 둘 다를 제공하기 위하여 이를 통해 연결 와이어들(40)이 삽입되는 통로들(25)을 제공한다.

특히, 각각의 스페이서(20) 내의 통로(25)는 상기 스페이서(20)의 적어도 부분을 관통하며, 슬리브(10)의 세분 공간들(A 내지 D) 내에 위치된 복수의 장소들에서 넓어진다.

또한, 슬리브(10)의 외측으로부터 나오는 각각의 연결 와이어(40)는, 대응하는 스페이서(20) 내의 대응하는 통로(25)의 내부로 침투하고 최종적으로 그것이 연결될 측정 전극 또는 보호 전극에 인접한 대응하는 세분 공간(A 내지 D) 내부로 침투하기 위하여, (특히 너트(31)가 고정되는 장소에 인접하여) 상기 몸체(1)에 형성된 오리피스(orifice)를 관통함으로써 외부 몸체(1)의 내부로 들어간다.

또한, 센서의 슬리브(10)를 구성하는 엘러먼트들 중 적어도 하나는 바람직하게 슬리브(10)의 유입구 및/또는 유출구에서 플로우의 수두 손실(head loss)들을 최소화하기 위하여 유선화(streamline)될 수 있다.

도시된 실시예에 있어, 중심 코어의 2개의 축상 단부들 중 적어도 하나에서, 특히 슬리브(10)의 상류 단부에서 그것의 단부(도 1에서 도면부호 5b로 주어진)가 둥근 형상으로 만들어진다.

이러한 실시예에서, 상기 보호 전극이 연장하는 측정 전극(2 내지 4)에서의 단부로부터 축 방향으로 떨어져 있는 각각의 보호 전극(2a 내지 4a 및 2b 내지 4b)의 축상 단부의 형태가 유사하게 유선화된다.

또한, 도 1에 구체적으로 도시된 바와 같이, 적어도 슬리브(10)의 상류 단부에서의 스페이서들(20)(및 구체적으로 슬리브(10)의 하류 단부에서의 스페이서들(20) 또한)이 또한 유선화된다.

특히, 각각의 스페이서(20)는 실질적으로 상기 스페이서(20)가 연장하는 방향을 나타내는 반경 평면과 정렬된 꼭지점(apex)을 갖는 삼각형의 단면을 가지며, 이는 측정 전극들(2 내지 4)이 위치된 단부로부터 축 방향으로 멀어지는 것을 가리킨다.

작업장에서 센서들의 슬리브(10)를 조립하는데 수반되는 다양한 단계들에 대한 설명이 이어진다.

제 1 단계는 슬리브(10)의 외부 몸체의 오리피스들을 통해 외부로부터 연결 와이어들(40)을 통과시키는 단계를 포함한다.

각각의 스페이서(20)에 대하여, 제 2 단계는, 대응하는 연결 와이어들(40)을 상기 스페이서(20) 내의 통로(25)를 따라 통과시키는 단계 및 그것과 연관되는 세분 공간들(A 내지 D) 중 하나 내로 와이어(40)를 침투시키기 위하여, 그것에 대응하는 상기 통로(25)의 개구부들 중 하나를 통해 각각의 연결 와이어(40)가 빠져나가게 하는 단계를 포함한다.

제 3 단계는, 4개의 제 1 홀더 로드들(30)을 각기 슬리브(10)의 4개의 상류 스페이서들(20)을 통해 통과하게 하는 단계, 상기 로드들(30)을 중심 코어의 제 1 세그먼트(5)에 나사결합하는 단계, 및 외부 몸체(1)에 대하여 대응하는 너트들(31)을 나사결합하는 단계를 포함한다.

제 4 단계는, 제 3 중간 측정 전극(4)을 슬리브(10) 내에 삽입하고 이를 거기에 고정시키는 단계; 연관된 보호 전극(4b)을 슬리브(10)의 상류 단부에 삽입하고 이를 거기에 고정시키는 단계; 및 연관된 스페이서들(20)로부터 침투하는 대응하는 연결 와이어들(40)을 연결하는 단계를 포함한다.

제 5 단계는, 제 2 중간 측정 전극(3) 및 그것의 연관된 상류 보호 전극(3b)에 대하여 제 4 단계를 반복하는 단계, 및 그 뒤 제 1 중간 측정 전극(2) 및 그것의 연관된 상류 보호 전극(2b)에 대하여 제 4 단계를 반복하는 단계를 포함한다.

제 6 단계는, 중심 코어의 제 1 세그먼트(5)에 대하여 중심 코어의 심을 위치시키는 단계, 제 2 세그먼트(5a)를 위치시키는 단계, 및 나사(12)를 사용하여 이러한 2개의 세그먼트들을 함께 고정하는 단계를 포함한다.

제 7 단계는, 슬리브(10)의 4개의 하류 스페이서들(20) 내부에서 4개의 마지막 홀더 로드들(30)을 각기 통과시키는 단계, 상기 로드들(30)을 중심 코어의 제 2 세그먼트(5a)에 나사결합하는 단계, 및 외부 몸체(1)에 대하여 대응하는 너트들(31)을 나사결합하는 단계를 포함한다.

마지막 단계는, 슬리브(10)의 3개의 하류 보호 전극들(2a 내지 4a)을 제 4 및 제 5 단계들에서 설명된 것과 유사한 방식으로 위치시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 스위치 및 측정 부재들(50)의 상세한 설명이 이어진다.

도시된 실시예에 있어, 센서는 용량성 센서이다.

이러한 실시예에 있어, 플로우 라인을 흐르는 유체는 전기적으로 절연성의 2-상 유체이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스위치 및 측정 부재들(50)은, 서로 분리되며, 슬리브(10)의 측정 전극들의 각각에 또는 하나 내지 수개에 선택적으로 연결될 수 있는(특히, 각각의 연결 와이어들(40)을 통해 3개의 중간 측정 전극들(2 내지 4)에), 하나 이상의 용량성 조절기(conditioner)들(구체적으로 3개의 조절기들(51 내지 53))을 포함한다.

각각의 조절기(51 내지 53)는 제 1 전압(V1)을 전달하는 제 1 전압 발생기; 및 제 1 전압(V1)에 독립적이지만 항상 제 1 전압과 동일한 제 2 전압(V1')을 전달하는 제 2 전압 발생기를 갖는다.

특히, 제 1 전압 발생기는, 주파수(f1)에서, 진폭(A1) 및 위상(P1)을 갖는 안정 조건들 하에서 그것이 전달하는 제 1 전압(V1)이 변화될 수 있도록 구성된다.

유사하게, 제 2 전압 발생기는, 주파수(f1')에서, 진폭(A1') 및 위상(P1')을 갖는 안정 조건들 하에서 그것이 전달하는 제 2 전압(V1')이 변화될 수 있도록 구성되며, 항상 다음의 세개의 조건들: f1'=f1; A1'=A1, 및 P1'=P1을 충족시킨다.

이에 더하여, 각각의 조절기(51 내지 53)는 다음의 상태들 사이에서 스위칭하도록 구성되는 스위치 회로를 갖는다:

· 상기 조절기가 제 1 출력에서 제 1 전압(V1)을 전달하고, 제 2 출력에서 제 2 전압(V1')을 전달하는 제 1 상태(E1); 및

· 상기 제 1 및 제 2 출력들 모두가 상기 조절기의 고정 전위(V0), 특히 센서 접지에 대응하는 단락-회로 전압을 전달하도록 상기 조절기의 제 1 및 제 2 발생기들이 단락되는 제 2 상태(E0).

각각의 조절기(51 내지 53)는 또한 상기 제 1 발생기에 의해 전달되는 전류를 측정하기 위한 회로를 갖는다.

이에 더하여, 조절기들(51 내지 53) 각각의 고정 전위(V0)의 라인들은 그들의 각각의 제 2 상태들(E0)에서 동일한 단락-회로 전압들을 전달하도록 함께 연결된다.

조절기들(51 내지 53)은 또한, 그들이 그들 각각의 제 1 상태들(E1)에 있을 때 그들이 전달하는 전압들(V1 및 V1')이 항상 동일한 위상들을 갖도록 동기화된다.

유사하게, 조절기들(51 내지 53)은, 그들이 그들 각각의 제 1 상태들(E1)에 있을 때 그들이 전달하는 전압들(V1 및 V1')이 가능한 한 서로 가까운 진폭들 및 주파수들을 제공하도록, 이론적으로는 진폭들 및 주파수들이 동일하도록 선택된다.

스위치 및 측정 부재들(50)은, 특히 이상에서 설명된 연결 와이어들(40)을 통해 측정 전극들(1 내지 5)에 연결된다.

보다 구체적으로, 슬리브(10)의 2개의 가장 멀리 떨어져 있는 측정 전극들(1 및 5) 둘 다는 조절기들(51 내지 53)의 각각과 같은 고정 전기 전위(V0)(그 뒤 스위치 및 측정 부재들과 슬리브에 대하여 공통되는, 특히 센서 접지 전위의)에 있는 동일한 라인에 전기적으로 연결된다.

3개의 조절기들(51 내지 53)의 각각의 제 1 출력들은 각기 3개의 중간 측정 전극들(4, 3, 및 2)에 연결된다.

이러한 실시예에 있어, 스위치 및 측정 부재들(50)은, 상기 보호 전극들이 그들이 각기 연장하는 측정 전극들(2 내지 4)과 항상 동일한 전기 전위에 있도록, 특히 이상에서 설명된 연결 와이어들(40)을 통해 보호 전극들(2a 내지 4a 및 2b 내지 4b)에 연결된다.

이러한 목적을 위하여, 3개의 조절기들(51 내지 53)의 각각의 제 2 출력들은 슬리브(10)의 3개의 상류 보호 전극들(4b, 3b, 및 2b)과 슬리브의 3개의 하류 보호 전극들(4a, 3a, 2a)에 각기 연결된다.

따라서 스위치 및 측정 부재들(50)이 측정 상태와 비-측정 상태 사이에서의 슬리브(10) 내의 각각의 세분 공간(A 내지 D)의 스위칭을 제어하기에 적합하다는 것이 이해될 수 있다.

보다 구체적으로, 그들 각각의 제 1 및 제 2 상태들(E1 및 E0) 사이에서 조절기들(51 내지 53)에 의해 수행된 스위칭의 결과로서, 고려되는 상기 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 중 제 1 측정 전극에 제 1 전압(V1)이 인가되고, 반면 상기 2개의 인접한 측정 전극들 중 다른 전극에 고정 전위(V0)가 인가되어, 전위 차(V1-V0)에 대응하는 여기 전기 신호가 상기 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 인가될 때, 고려되는 세분 공간의 상기 측정 상태가 얻어진다.

이에 더하여, 고려되는 상기 세분 공간의 상기 측정 상태에서, 2개의 인접한 측정 전극들 중 상기 제 1 측정 전극에 연결된 조절기의 측정 회로는, 대표값과 연관된 유체의 가스 내용물을 결정하는 것을 가능하게 하기 위하여, 상기 여기 전기 신호를 인가한 결과로서 수신되는 전기 신호를 나타내는 값으로서 상기 조절기의 제1 발생기에 의해 전달되는 전기 전류를 측정한다.

또한, 그들 각각의 제 1 및 제 2 상태들(E1 및 E0) 사이에서의 조절기들(51 내지 53)의 스위칭이 고려되는 상기 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 둘 다를 동일한 전위(V1 또는 V0)에 있도록 할 때, 고려되는 세분 공간의 상기 비-측정 상태가 얻어진다.

또한, 조절기들(51 내지 53)이 분리되어 있기 때문에, 그들의 각각은 다른 조절기들(51 내지 53)과 무관하게 그것의 제 1 상태(E1)와 제 2 상태(E0) 사이에서 스위칭할 수 있다.

따라서 스위치 및 측정 부재들(50)이 세분 공간(A 내지 D)의 각각의 상태를 상호 독립적으로 선택적으로 스위칭하도록 구성된다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 조절기들이 적어도 한번 세분 공간들(A 내지 D) 중 적어도 하나의 상태를 연속적으로 스위칭하는 측정 사이클을 정의하기 위하여, 조절기들(51 내지 53)은, 예를 들어, 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다.

예를 들어, 이하에서 설명되는 측정 사이클을 수행하는 것이 가능하다.

측정 사이클의 제 1 시간 구간(t1) 동안, 조절기들의 스위치들은 센서의 슬리브(10)의 측정 전극들(1 내지 5)에 다음의 전위들을 인가하는데 사용된다:

따라서 여기 전압(V1-V0)이 제 1 세분 공간(A)을 정의하는 2개의 인접한 전극들(1 및 2) 사이에 인가되는 것이 확인될 수 있다. 따라서, 이러한 제 1 공간(A)이 그것의 측정 상태에 있게 된다.

대응하는 조절기는 그것의 제 1 발생기에 의해 전달되는 전류를 측정한다.

인접한 세분 공간(B)을 정의하는 2개의 전극들(2 및 3) 둘 다가 동일한 전위(V1)에 있는 것으로 주어지면, 상기 인접한 공간(B)은 그것의 비-측정 상태에 있게 된다.

따라서, 측정 전극(2)으로 전달되는 전류는 2개의 인접한 전극들(1 및 2) 사이에 인가되는 여기 전압의 인가로부터 기인하는 수신 전압만을 나타낸다. 결과적으로, 측정된 전기 전류는 대응하는 조절기의 제 1 발생기에 의해 전달된 전압(V1)의 진폭 및 위상에 대하여 진폭 및/또는 위상 편이(shift)를 가지며, 이는 제 1 세분 공간(A)을 특히 흐르는 유체의 유전 상수에 직접적으로 의존하는 값들을 나타낸다. 따라서, 이러한 제 1 시간 구간(t1) 동안, 제 1 세분 공간(A) 내에서 특히 형성되는 가스 거품 내용물을 직접적으로 결정하는 것이 가능하다.

여기 전압(V1-V0)이 상기 공간(D)을 정의하는 2개의 인접한 전극들 사이에 유사하게 인가되기 때문에 동일한 것이 제 4 세분 공간(D)에 적용되며, 반면 인접한 세분 공간(C)은 그것의 비-측정 상태에 있게 된다.

요약하면, 이러한 제 1 시간 구간(t1) 동안, 제 1 세분 공간(A)에 및 제 2 세분 공간(D)에 특히 형성된 가스 거품 내용물들 둘 모두가 동시에 획득된다.

그 이후, 측정 사이클의 그 다음의 제 2 시간 구간(t2) 동안, 제 2 측정 전극(2)에 연결된 조절기(53)의 상태가 자체적으로 스위칭되며, 이러한 조절기는 그것의 제 1 상태(E1)로부터 그것의 제 2 상태(E0)로 진행한다. 그 뒤 다음의 구성이 획득된다:

따라서, 이러한 제 2 시간 구간(t2) 동안, 제 2 세분 공간(B)에 및 제 4 세분 공간(D)에 특히 형성된 가스 거품 내용물들이 동시에 획득된다.

그 이후, 측정 사이클의 후속 제 3 시간 구간(t3) 동안, 제 2 측정 전극(2)에 연결된 조절기(53)의 상태가 그것의 제 2 상태(E0)로부터 그것의 제 1 상태(E1)로 진행하도록 스위칭되며, 유사하게 제 4 측정 전극(4)에 연결된 조절기(51)의 상태가 그것의 제 1 상태(E1)로부터 그것의 제 2 상태(E0)로 진행하도록 스위칭된다. 그러면 다음의 구성이 획득된다.

따라서, 이러한 제 3 시간 구간(t3) 동안, 제 1 세분 공간(A)에 및 제 2 세분 공간(C)에 특히 형성된 가스 거품 내용물들 둘 다가 동시에 획득된다.

단순한 3-단계 시퀀스 동안 조절기들을 스위칭하는 3개의 동작들만으로, 센서의 슬리브(10)의 플로우 섹션의 세분 공간들(A 내지 D)의 각각에서 특히 형성되는 가스 거품 내용물들을 결정하는 것이 가능하며, 공간들(A 내지 D)의 각각이 측정 사이클 동안 적어도 한번 그들 각각의 측정 상태들을 취한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

또한, 이러한 측정 사이클의 예에 있어, 세분 공간들(A 및 D)이 그들 각각의 측정 상태를 다른 2개의 세분 공간들(B 및 C)보다 더 자주 취한다는 것이 인지되어야 한다(구체적으로, 각각 한번이 아니라 각각 두번).

또한, 측정 사이클은, 필수적이지는 않지만 바람직하게, 센서의 측정들의 선형성을 인증하는 적어도 하나의 제 4 단계를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 제 3 시간 구간(t3) 이후의 제 4 시간 구간(t4)이 측정 사이클에 부가될 수 있으며, 시간 구간(t4) 동안 다음의 구성이 획득된다:

따라서, 이러한 제 4 시간 구간(t4) 동안, 인접한 제 1 및 제 2 세분 공간들(A 및 B) 둘 다가 그들의 측정 상태들에 있게 된다.

결과적으로, 슬리브의 제 2 측정 전극, 즉, 공간들(A 및 B) 둘 모두에 대해 공통되는 전극에 연결된 조절기(53)에 의해 전달되는 전류는 제 1 공간(A)의 유전 상수를 나타내는 제 1 성분 및 제 2 공간(B)의 유전 상수를 나타내는 제 2 성분을 갖는다. 따라서, 상기 조절기(53)에 의해 측정되는 측정 전류가 제 1 공간(A) 및 제 2 공간(B) 둘 모두에 의해 구성되는 결합된 공간(A+B)에 형성되는 가스 거품 내용물을 결정하는데 기여한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

유사하게, 이러한 제 4 시간 구간(t4) 동안 제 4 전극(4)에 연결된 조절기(51)에 의해 측정되는 전류가 제 3 공간(C) 및 제 4 공간(D) 둘 모두에 의해 구성되는 결합된 공간(C+D)에 형성되는 가스 거품 내용물을 결정하는데 기여한다.

유사하게, 이러한 제 4 시간 구간(t4) 동안 제 3 전극(3)에 연결된 조절기(52)에 의해 측정되는 전류가 제 2 공간(B) 및 제 3 공간(C) 둘 모두에 의해 구성되는 결합된 공간(B+C)에 형성되는 가스 거품 내용물을 결정하는데 기여한다.

Claims (15)

1. 플로우 라인(flow line)을 흐르는 2-상(two-phase) 유체의 가스 내용물을 결정하기 위한 센서로서, 상기 센서는, 상기 유체의 스트림(F) 내에서, 상기 플로우 라인 내에 배치되기에 적합한 슬리브(sleeve)(10)를 포함하고,
   상기 센서는:
   상기 센서의 상기 슬리브(10)는, 그들이 쌍으로 상기 슬리브(10)의 플로우 섹션(flow section)을 세분하는 복수의 세분 공간들(A-D)을 정의(define)하도록 서로 이격되고 서로 정합되는(in register) 복수의 측정 전극들(1-5)을 포함하며;
   상기 센서는 또한, 대표값과 연관되는 상기 유체의 상기 가스 내용물을 결정하기 위하여 부재들(50)이 고려되는 세분 공간을 정의하는 2개의 인접한 측정 전극들 사이에 여기(excitation) 전기 신호를 인가하고 상기 여기 전기 신호의 인가로부터 기인하는 수신 전기 신호의 대표값을 측정하는 측정 상태와, 비-측정 상태 사이에서 상기 슬리브(10)의 각각의 세분 공간(A-D)이 스위칭될 수 있게 하는 방식으로 상기 측정 전극들(1-5)에 연결된 스위치 및 측정 부재들(50)을 포함하고; 및
   상기 스위치 및 측정 부재들(50)은 세분 공간들(A-D)의 각각의 상기 상태를 상호 독립적으로 선택적으로 스위칭하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스위치 및 측정 부재들(50)은 고려되는 상기 세분 공간을 정의하는 상기 2개의 인접한 측정 전극들에 동일한 전위를 인가하여 상기 공간이 그것의 비-측정 상태를 취하게 하는 것을 특징으로 하는 센서.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스위치 및 측정 부재들(50)은 고려되는 상기 세분 공간을 정의하는 상기 2개의 인접한 측정 전극들 사이의 모든 전기적 연결들을 차단(interrupt)하여 상기 공간이 그것의 비-측정 상태를 취하게 하는 것을 특징으로 하는 센서.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위치 및 측정 부재들(50)은 측정 사이클 동안 적어도 한번 상기 세분 공간들(A-D) 중 적어도 하나의 상기 상태를 연속적으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 센서.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   각각의 세분 공간(A-D)이 상기 측정 사이클 동안 적어도 한번 그것의 측정 상태를 취하는 것을 특징으로 하는 센서.
   
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 측정 사이클 동안 상기 세분 공간들 중 적어도 제 1 세분 공간이 그것의 측정 상태를 취하며, 반면 상기 제 1 세분 공간에 인접한 다른 세분 공간은 그것의 비-측정 상태를 취하는 것을 특징으로 하는 센서.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서의 상기 슬리브(10)는 상기 측정 전극들(2-4)의 단부(end)들을 연장하지만 그로부터 전기적으로 분리되는 보호 전극들(2a-4a, 2b-4b)을 포함하며, 상기 보호 전극들(2a-4a, 2b-4b)은 그들이 각기 연장하는 상기 측정 전극들(2-4)과 항상 동일한 전기 전위에 있게 하는 방식으로 상기 스위치 및 측정 부재들(50)에 연결되는 것을 특징으로 하는 센서.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측정 전극들(1-5)은 적어도 부분적으로 전기적 절연 재료로 만들어진 스페이서(spacer)들(20)에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 센서.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 스페이서들(20)은, 상기 측정 전극들(1-5)과 상기 스위치 및 측정 부재들(50) 사이의 연결을 제공하기 위하여 그 안으로 연결 와이어들(40)이 삽입되는 통로들(25)을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
   
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 전극들(1-5)은 평면이고, 서로 평행한 것을 특징으로 하는 센서.
    
11. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 전극들(1-5)은 공통 축에 대하여 서로 둘러싸는 동축(coaxial)이고, 상기 공통 축에 수직인 섹션(section) 평면에서 원형인 섹션을 제공하는 것을 특징으로 하는 센서.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정 전극들(1-5)은 원뿔대형(frustoconical)인 것을 특징으로 하는 센서.
    
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정 전극들(1-5)은 원통형인 것을 특징으로 하는 센서.
    
14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섹션 평면에서 2개의 인접한 측정 전극들의 직경들의 비율은 1.1 내지 3.0의 범위에 있으며, 바람직하게는 1.4 내지 2.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 센서.
    
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브(10)는 3개 내지 6개의 측정 전극들을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.

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