KR20190113570A - 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동시키는 장치 및 방법 - Google Patents

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칼 얀
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Abstract

특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 센서를 작동시키는 센서용 캡슐 장치(100; 201; 300)는, 적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역(114)을 포함하고, 이 기체 투과성 벽 영역(114)을 통해 캡슐 장치(100; 201; 300)의 내부 공간과 캡슐 장치의 주변 사이의 기체를 교환하는 보호 하우징(110; 210; 310); 및 충진 물질로 충진되고, 보호 하우징(110; 210; 310)의 내측면을 따라 배치되며, 센서(240; 440)를 수용하기 위해 구비된 캡슐 장치(100; 201; 300)의 수용 공간(130; 230; 330)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 소화 용적부(120; 220; 330)를 포함한다. 캡슐 장치(100; 201; 300)는, 소화 용적부(120; 220; 330)와 수용 공간(130; 230; 330) 사이에 배치되고, 수용 공간(130; 230; 330)에 대해 소화 용적부(120; 220; 330)를 한정하는 기체 투과성 필터 부재(122; 222; 322)를 더 포함한다. 또한, 센서 시스템과, 가열 가능 센서를 작동하는 방법이 개시된다.

Description

특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동시키는 장치 및 방법 {Device and method for operating a heatable sensor, in particular in an explosive atmosphere}
본 발명은 센서용 캡슐 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 센서 시스템과, 가열 가능 센서를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
습도 센서, 노점(露點) 센서, CO2 센서 또는 산소 센서를 포함하는 다양한 종류의 센서는 전력을 공급받아 작동된다. 그 결과, 센서의 표면 온도가 일반적으로 주변 온도보다 상승한다. 이때, 열 발생은 부수적인 효과로서 일어나는데, 예를 들어 CO2 센서의 경우에는 램프의 작동에 의해 발생하고, 일부 습도 센서의 경우에는 센서 기능 자체의 조건으로 발생한다. 작동시 열이 발생하는 센서들을 이하에서는 "가열 가능 센서(heatable sensor)"로 통칭한다.
예를 들어, 잠재적으로 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 사용하면, 우연한 점화의 위험이 생길 수 있다. 여기서, 위험 발생 요인으로는 센서의 가열된 표면은 물론, 센서의 회로에서 생기는 전기 스파크의 가능성 모두가 포함된다. 그럼에도 불구하고, 특히 잠재적으로 폭발 가능성이 있는 분위기에서 측정값의 정보가 자주 필요하며, 그 검출을 위해 가열 가능 센서가 필요하거나 유리하다.
잠재적으로 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동시킬 때 점화 위험을 낮추는 다양한 기술이 공지되어 있다. 또한, 방폭과 관련하여 현재 기술 장치에 대한 요건들은 예를 들어 유럽 기술 표준 EN60079-0 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-0에 정의되어 있다.
"본질 안전(intrinsic safety)"이라는 점화 방지 유형의 경우, 센서 또는 다른 전기 부품의 전력 소비는, 위험한 전기 스파크가 발생하거나 표면 온도가 한계 온도를 초과하지 않도록 제한된다. 점화 방지 유형으로서 현재 적용 가능한 본질 안전의 요건들은 예를 들어 유럽 기술 표준 EN60079-11 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-11에 정의되어 있다. 점화 방지 유형으로서의 본질 안전은 센서의 구조 및 작동에 관하여 일반적으로 상당한 제한을 요구한다.
대안으로서, "방염 캡슐화(flameproof encapsulation)"라는 점화 방지 유형은 센서 또는 다른 전기 부품을 기계적으로 안정적인 하우징 내에 포함시킬 것을 요구한다. 하우징은 그 내부에서 발생할 수 있는 폭발을 견딜 수 있고 폭발성 기체가 외부로 방출되지 않도록 마련되어야 한다. 점화 방지 유형으로서 현재 적용 가능한 방염 캡슐화의 요건들은 예를 들어 유럽 기술 표준 EN60079-1 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-1에 정의되어 있다. 하지만, 전술한 표준들의 범위에서, 순간적으로 더 큰 폭발 가능성이 있는 분위기의 영역("존(Zone) 0")에는 이러한 점화 방지 유형으로만 보호되는 가열 가능 센서를 사용하는 것이 허용되지 않는다.
다른 대안으로서, "모래 캡슐화(sand encapsulation)"라는 점화 방지 유형은 센서 또는 다른 전기 부품을 모래 또는 유리 비드로 형성된 충진 물질로 채우는 것을 요구한다. 센서의 표면에서 점화가 생기면 충진 물질 내 작은 간극들로 인하여 압력 상승이 비교적 낮다. 동시에, 충진 물질이 뜨거운 기체를 냉각시켜 이 기체가 빠져 나갈 때 점화 위험이 있을 만큼 높은 온도로 올라가지 않게 된다. 점화 방지 유형으로서 현재 적용 가능한 모래 캡슐화의 요건들은 예를 들어 유럽 기술 표준 EN60079-5 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-5에 정의되어 있다. 하지만, 전술한 표준들의 범위에서, 순간적으로 더 큰 폭발 가능성이 있는 분위기의 영역("존 0")에는 마찬가지로 이러한 점화 방지 유형으로만 보호되는 가열 가능 센서를 사용하는 것이 허용되지 않는다.
독일 실용신안등록 82 25 525 U1호에는 기체 또는 기체/공기 혼합물을 측정하는 프로브가 개시되어 있다. 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화와 관련하여 측정될 기체를 프로브 하우징 내로 유입시키는 것을 촉진시키기 위해, 대안적인 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화에 따라 프로브가 모래 또는 유리 비드 속에 매립된다. 사용되는 충진 물질의 입경에 따라, 하우징 벽에 더 큰 기공이 형성될 수 있고, 이에 따라 프로브 주변과의 기체 교환이 더욱 간단하게 이루어질 수 있다.
전술한 장치에서는, 프로브가 충진 물질에 매립된다는 점에서 문제가 발생할 수 있다. 이로 인해 접촉에 민감한 일부 프로브에는 사용할 수 없다. 또한, 예를 들어 프로브를 교체하거나 유지 보수를 위해 프로브를 하우징에서 제거하거나 하우징에 삽입하는 것이 어렵거나 불가능하다. 가열 가능 센서를 사용할 때 폭발 가능성이 있는 분위기에서 사용하는 것은, 센서의 전력 소비 또는 열 방출이 점화 방지 유형으로서의 본질 안전과 같은 적절한 한계를 초과하는 경우와 같이, 여전히 상당한 위험과 결부된다는 점에서 다른 문제를 야기할 수 있다. 더욱이, 이러한 경우에 한 가지 점화 방지 유형만 이용될 수 있는데, 이는 예를 들면 "양쪽 오류"와 관련하여 점화 방지에 대한 현재의 용장성(redundancy) 요건들도 충족시키지 못할 것이다.
따라서, 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서의 작동을 촉진하는 기술을 제시하는 것이 목적이다.
이에 따라, 독립 청구항 1항에 따른, 특히 잠재적으로 폭발 가능성이 있는 분위기에서 센서를 작동시키는 센서용 캡슐 장치와, 독립 청구항 11항에 따른 센서 시스템, 및 독립 청구항 15항에 따른 가열 가능 센서를 작동시키는 방법이 개시된다. 일부 실시예들의 특징은 종속 청구항에 나타나 있다. 종속 청구항의 특징은 특별히 다른 기재가 없는 한 서로 결합되어 다른 실시예들을 구성할 수 있다.
캡슐 장치는, 적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역을 포함하고, 이 기체 투과성 벽 영역을 통해 캡슐 장치의 내부 공간과 캡슐 장치의 주변 사이의 기체 교환을 가능하게 하는 보호 하우징; 및 충진 물질로 충진되고, 보호 하우징의 내측면을 따라 배치되며, 센서를 수용하기 위해 구비된 캡슐 장치의 수용 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸는 소화 용적부를 포함한다. 또한, 캡슐 장치는, 소화 용적부와 수용 공간 사이에 배치되고 수용 공간에 대해 소화 용적부를 한정하는 기체 투과성 필터 부재를 포함한다.
필터 부재는 충진 물질이 소화 용적부로부터 수용 공간 내로 진입하는 것을 방지하도록 형성될 수 있다. 특히, 필터 부재는 충진 물질의 적어도 일부, 예를 들어 충진 물질의 임의의 부분이 소화 용적부로부터 수용 공간 내로 진입하는 것을 방지하도록 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 필터 부재는 센서가 수용 공간에 배치될 때 충진 물질 및/또는 필터 부재와 센서의 적어도 일부 사이의 기계적인 접촉을 방지하도록 형성될 수 있다.
필터 부재는 예를 들어 강성의 플라스틱 또는 금속과 같은 강성의 물질을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 필터 부재는 예를 들어 유연성 있는 플라스틱 섬유 및/또는 금속 섬유와 같은 유연성 있는 물질을 포함할 수 있다. 특히, 필터 부재는 와이어 메쉬 필터(wire mesh filter)를 포함할 수 있다. 또한, 충진 물질의 최소 입자 크기는 필터 부재의 최대 기공 크기보다 크게 될 수 있다. 충진 물질은 모래 및/또는 유리 비드를 포함할 수 있다.
필터 부재를 구비함으로써 캡슐 장치를 센서와 별도로 다루는 것이 용이해진다. 특히, 센서가 캡슐 장치의 수용 공간에 배치되지 않는 경우, 필터 부재에 의해 충진 물질이 소화 용적부로부터 빠져 나오는 것이 방지될 수 있다. 또한, 필터 부재는, 센서에 포함되고 접촉에 민감한 센서 부재와 충진 물질 및/또는 필터 부재 사이의 기계적인 접촉을 방지할 수 있다.
소화 용적부는 센서에 대한 제1 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화의 요건을 만족시키도록 될 수 있다. 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화의 요건은 기술 표준 EN60079-5 및/또는 기술 표준 IEC60079-5에 의해 정의될 수 있다. 보호 하우징은 센서에 대한 다른 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화의 요건을 만족시키도록 될 수 있다. 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화의 요건은 기술 표준 EN60079-1 및/또는 기술 표준 IEC60079-1에 의해 정의될 수 있다.
모래 캡슐화 및 방염 캡슐화라는 점화 방지 유형을 마련함으로써 현재의 점화 방지에 대한 용장성을 제공할 수 있다. 이 경우, 이러한 용장성에 의해 가열 가능 센서로도 기술 안전 규정에 따른 캡슐 장치의 사용이 이루어질 수 있는데, 동일한 기술 안전 규정에 따른 점화 방지 유형 중 하나만 사용하는 것은 허용되지 않는다.
센서는 가열 가능 센서일 수 있다. 이때, 가열 가능 센서는 습도 센서, 노점 센서, CO2 센서 및/또는 산소 센서를 포함할 수 있다. 특히, 가열 가능 센서는 가열 기능이 있는 습도 센서를 갖춘 노점 측정기를 포함할 수 있다. 가열 기능은 습도 센서의 기능에 영향을 끼칠 수 있는 화학적 오염물질을 태워 버리도록 구비될 수 있다.
기체 투과성 벽 영역은 보호 하우징의 표면의 적어도 일부에 걸쳐 연장할 수 있다. 특히, 기체 투과성 벽 영역은 보호 하우징의 표면의 절반보다 적게, 표면의 절반 이상으로 또는 표면 전체에 걸쳐 연장할 수 있다. 기체 투과성 벽 영역은 금속 소결 부품을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 기체 투과성 벽 영역은 스테인리스강, 특히 소결된 스테인리스강 부품을 포함할 수 있다.
캡슐 장치는 적어도 1 bar 내지 100 bar 사이의 범위, 특히 0.5 bar 내지 300 bar 사이, 특히 0 bar 내지 300 bar 사이의 임의의 압력하에 있는 측정 용적에서 사용되도록 설계될 수 있다.
캡슐 장치는 이 캡슐 장치를 관통 개구에 고정하는 적어도 하나의 고정 부재를 포함할 수 있다. 관통 개구는 가열 가능 센서를 측정 용적 내로 삽입하도록 측정 용적의 벽에 배치될 수 있다. 고정 부재는 적어도 하나의 나사산을 포함할 수 있다. 측정 용적은 보일러 및/또는 배관을 포함할 수 있다.
선택적으로, 캡슐 장치는 이 캡슐 장치를 측정 용적에 자유롭게 장착하기 위한 적어도 하나의 고정 부재를 포함할 수 있다.
캡슐 장치는 신축 가능 부품을 포함할 수 있다. 신축 가능 부품은, 관통 개구를 통해 센서를 캡슐 장치의 수용 공간에 삽입하거나, 센서를 캡슐 장치의 수용 공간으로부터 제거하도록 할 수 있다. 또한, 신축 가능 부품은 센서가 제거된 상태에서 관통 개구를 가역적으로 폐쇄하도록 할 수 있다. 캡슐 장치의 고정 부재는 신축 가능 부품에 배치될 수 있다.
다른 태양에 따르면, 센서 시스템이 기술된다. 센서 시스템은 센서와, 본 명세서에 제시된 유형의 캡슐 장치를 포함한다. 이 경우에, 캡슐 장치의 수용 공간은 센서를 수용하도록 형성된다.
센서 시스템의 센서는 캡슐 장치의 수용 공간에 배치될 수 있다. 이때, 센서는 유리 캐스팅(glass casting)에 의해 캡슐 장치와 함께 융합될 수 있다. 유리 캐스팅은 3 mm 이상의 두께를 가질 수 있다.
센서는 가열 가능 센서일 수 있다. 또한, 캡슐 장치는 가열 가능 센서로부터 방출되는 열을 분배하고 배출하도록 형성될 수 있다. 열의 분배와 배출은, 센서 시스템의 주어진 해당 측정 조건에서, 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 가열 가능 센서의 최대 표면 온도보다 낮아지도록 일어날 수 있다. 해당 측정 조건은 설계된 온도 범위에서 센서 시스템의 주변 온도 및/또는 설계된 압력 범위에서 센서 시스템의 주변 압력을 포함할 수 있다.
가열 가능 센서는, 이 가열 가능 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 전력보다 큰 전력을 가질 수 있다. 이 경우에, 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도는 가열 가능 센서에 대한 폭발 방지의 한계 온도보다 낮게 될 수 있다. 폭발 방지의 한계 온도는 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 온도에 대응될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 한계 전력 및/또는 한계 온도는 기술 표준 EN60079-11 및 EN60079-0 및/또는 기술 표준 IEC60079-11 및 IEC60079-0에 의해 적어도 부분적으로, 특히 완전하게 결정될 수 있다.
또 다른 태양에 따르면, 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 측정 용적에 가열 가능 센서용 캡슐 장치와 가열 가능 센서를 제공하는 단계를 포함하고, 캡슐 장치는, 적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역을 포함하고, 이 기체 투과성 벽 영역을 통해 캡슐 장치의 내부 공간과 캡슐 장치의 주변 사이의 기체 교환을 가능하게 하는 보호 하우징, 및 충진 물질로 충진되고 보호 하우징의 내측면을 따라 배치되며 가열 가능 센서를 수용하기 위해 구비된 캡슐 장치의 수용 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸는 소화 용적부를 포함하고, 가열 가능 센서는 캡슐 장치의 수용 공간에 배치된다. 캡슐 장치는, 가열 가능 센서로부터 방출되는 열을 분배하고 배출하도록 형성되어, 해당 작동 조건에서 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 가열 가능 센서의 최대 표면 온도보다 낮게 된다. 상기 방법은 가열 가능 센서에 전력을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 전력은, 가열 가능 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 전력보다 더 크게 되고, 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 가열 가능 센서에 대한 폭발 방지의 한계 온도보다 낮게 된다.
폭발 방지의 한계 온도는 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 온도에 대응될 수 있다.
본 발명의 다른 세부사항 및 장점들은 도면들을 참조하여 설명되는 이하 실시예들에 대한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 가열 가능 센서용 캡슐 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 캡슐 장치 및 가열 가능 센서를 포함하는 센서 시스템을 도시한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 가열 가능 센서용 캡슐 장치를 도시한다.
도 4a는 제1 위치에서, 다른 실시예에 따른 캡슐 장치 및 가열 가능 센서를 포함하는 센서 시스템을 도시한다.
도 4b는 제2 위치에서, 도 4a의 센서 시스템을 도시한다.
도 5는 가열 가능 센서를 작동시키는 방법의 순서도를 도시한다.
도 1은 캡슐 장치(100)의 개략도이다. 캡슐 장치(100)는 기체 투과성 벽 영역(114)이 배치되는 하우징 벽(112)을 갖춘 보호 하우징(110)을 포함한다. 보호 하우징(110)의 내측면에는 충진 물질로 충진된 소화 용적부(120)가 배치된다. 소화 용적부(120)는 기체 투과성 필터 부재(122)에 의해 캡슐 장치(100)의 수용 공간(130)에 대하여 한정된다. 도시된 예에서, 캡슐 장치(100)는, 예컨대 센서 하우징에 캡슐 장치(100)를 가역적으로 고정하는 캡슐 나사산(116)을 더 포함한다.
캡슐 장치(100)는 센서, 특히 잠재적으로 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동하기 위해 구비된다. 이를 위해, 센서를 수용하는 수용 공간(130)이 형성된다. 특히, 보호 하우징(110)과 소화 용적부(120)는 캡슐 장치(100)의 주변에 대해 센서의 표면을 둘러싸도록 형성되어, 폭발성 기체 혼합물에 대한 센서의 점화 위험이 캡슐 장치(100)의 주변에서 감소되게 한다. 소화 용적부(120)는 도입부에서 설명한 모래 캡슐화의 적어도 일부 기능을 수행한다. 이에 따라 소화 용적부(120)에 의해서, 폭발시 압력을 생성할 수 있는 캡슐 장치(100)의 내부의 비어 있는 용적이 감소한다. 동시에, 소화 용적부(120) 내에 존재하는 충진 물질은, 점화된 기체가 하우징 벽(112)의 외부에, 그리고 경우에 따라 기체 투과성 벽 영역(114)을 통해 외부에 도달하기 전에 냉각되게 하는 효과를 가져온다.
종래의 모래 캡슐화에서는, 일반적으로 캡슐화 대상인 부품이 하우징에서 직접 충진 물질에 의해 매립된다. 이와 달리, 캡슐 장치(100)의 필터 부재(122)는 소화 용적부(120)가 수용 공간(130)으로부터, 그리고 이에 따라 그 내부에 배치될 수 있는 센서로부터 한정되게 한다. 이를 통해, 소화 용적부(120)를 포함하는 캡슐 장치(100)를 개별적으로 제공하고 취급할 수 있다. 이로 인하여, 상응하게 설계된 센서 또는 센서 하우징과 함께, 필요 및 사용 조건에 따라 예를 들어 캡슐 나사산(116)에 의해 센서 하우징의 나사산에 캡슐 장치(100)를 나사 체결함으로써, 센서가 캡슐화로서의 소화 용적부를 간단한 방식으로 구비할 수 있게 한다. 동시에, 캡슐 장치(100)를 센서 하우징으로부터 제거하면, 소화 용적부에 영향을 주거나 손상을 가함 없이 예컨대 교체 또는 유지보수 등의 목적을 위해 센서에 쉽게 접근할 수 있다.
필터 부재(122)는, 충진 물질이 소화 용적부(120)로부터 수용 공간(130)으로 들어가는 것을 방지한다. 이를 통해, 사용되는 센서의 적어도 소정의 영역과 일부 충진 물질의 접촉이 방지될 수 있다. 이로 인하여, 종래의 모래 캡슐화와 관련하여 충진 물질을 직접 매립하기에 적합하지 않은 센서도 캡슐 장치(100)와 함께 사용할 수 있게 된다. 이는 예를 들어 일부 기계적으로 민감한 센서 부재뿐 아니라, 종래의 모래 캡슐화에 의해서는 방해를 받게 될 그 작동을 위한 비어 있는 센서 용적을 필요로 하는 센서의 경우에 해당한다. 일부 예에서, 필터 부재(122)는 사용될 센서의 기계적으로 민감한 영역에 접촉하지 않도록 형성된다.
소화 용적부(120) 내의 충진 물질은 일부 예에서 모래 및/또는 유리 비드를 포함한다. 충진 물질의 최소 입자 크기와 필터 부재(122)의 최대 기공 크기는, 충진 물질의 일부가 필터 부재(122)의 기공을 통과하지 않도록 서로 맞추어진다. 또한, 일부 예에서 필터 부재(122)는 충분한 강성을 갖도록 형성되어, 필터 부재(122)의 소정 위치가, 수용 공간(130)에 배치된 센서에 대해 예를 들어 센서의 센서 부재와 필터 부재(122) 사이의 소정 거리로 보장된다. 필터 부재(122)는 예컨대 와이어 메쉬 필터로 형성된다.
다른 예에서, 필터 부재(122)는, 캡슐 장치(100)에 수용된 센서의 표면 중 적어도 일부에 대해 소화 용적부(120)가 안착되게 하도록 충분한 유연성을 가진다. 이를 통해, 폭발시 압력을 생성하는 센서의 표면의 비어 있는 용적이 감소되게 한다. 필터 부재(122)는 예를 들어 유연성 있는 플라스틱 섬유와 같은 유연성 있는 섬유를 포함한다.
일부 예에서, 소화 용적부(120)와 필터 부재(122)의 물질 및 치수는, 해당 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화의 기술적 요건들을 충족하도록 설계된다. 이러한 요건들의 예는 유럽 기술 표준 EN60079-5 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-5에서 찾아볼 수 있다.
보호 하우징(110)은 캡슐 장치(100)의 주변에 대하여 소화 용적부(120)를 한정한다. 보호 하우징(110)은 예를 들어 금속, 특히 스테인리스강 및/또는 다른 기계적으로 강성이 있는 물질로 구성된다. 보호 하우징(110)의 기체 투과성 벽 영역(114)에 의해, 캡슐 장치(100)의 주변과 그 안에 배치된 센서 사이의 기체 교환이 이루어질 수 있다. 이때, 기체 교환은, 그 안에 충진 물질을 포함하는 소화 용적부(120)를 통해 그리고 필터 부재(122)를 통해 일어난다. 기체 투과성 벽 영역(114)은 일부 예에서 예를 들어 기체 투과성의 소결된 스테인리스강 부품과 같은 금속 소결 부품을 포함한다.
소화 용적부(120)에 덧붙여, 보호 하우징(110)도 캡슐 장치(100)의 점화 방지 효과를 향상시킨다. 따라서, 보호 하우징(110)은 캡슐 장치(100)의 주변에 대해, 캡슐 장치(100)의 내부에서 발생 가능한 폭발성 기체의 점화를 적어도 부분적으로 격리시킨다. 기체 투과성 벽 영역(114)은 캡슐 장치(100)의 주변과 센서의 표면 사이의 기체 교환을 허용하는 한편, 일부 예에서 캡슐 장치(100) 내에서의 폭발시 빠져 나가는 기체에 의해 캡슐 장치(100)의 주변에서의 점화 위험을 감소시키거나 없애기 위해 빠져 나가는 폭발성 기체가 충분히 냉각되도록, 기체 투과성 벽 영역(114) 내 기공 또는 채널의 크기가 결정된다.
도시한 예에서, 기체 투과성 벽 영역(114)은 보호 하우징(110)의 상부 측에서 연장한다. 다른 예에서, 기체 투과성 벽 영역(114)은 보호 하우징(110)의 표면의 추가 부분 및/또는 다른 부분을 포함한다. 따라서, 일부 예에서 기체 투과성 벽 영역(114)은 적어도 실질적으로 보호 하우징(110)의 전체 표면에 걸쳐, 특히 적어도 실질적으로 소화 용적부(120)의 전체 영역에 걸쳐 연장한다.
일부 예에서, 보호 하우징(110)은 해당 지역에서 적용 가능한 기술 표준에 따라 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화의 기술적 요건을 충족하도록 구성된다. 이러한 표준의 예로는 유럽 기술 표준 EN60079-1 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-1이 있다.
일부 예에서, 동시에 소화 용적부(120)는, 전술된 바와 같이 해당 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화에 대하여 해당 지역에서 적용 가능한 기술 표준에 상응하도록 설계된다. 이들 예에서, 캡슐 장치(100)는 적어도 2가지의 점화 방지 유형이 조합되어 구현된다. 이를 통해, 예를 들어 이중 오류의 경우와 관련하여 점화 방지 유형의 용장성이 바람직하거나 요구되는 조건하에서 예컨대 가열 가능 센서와 함께 캡슐 장치(100)가 사용될 수 있게 한다. 캡슐 장치(100)는 이러한 방식으로 위험한 영역, 예를 들어 폭발 가능성이 있는 분위기가 더욱 자주 발생함으로 인해 안전 요건이 강화된 영역에서 소정 센서의 적용 가능성을 확장시킨다. 여러 점화 방지 유형의 조합에 관한 규정은 예를 들어 유럽 기술 표준 EN60079-26 및 이에 상응하는 국제 표준 IEC60079-26에 정의되어 있다.
도 2는 캡슐 장치(201)와 그 안에 배치된 센서(240)를 갖춘 센서 시스템(200)을 개략적으로 도시한다. 캡슐 장치(201)는 예를 들어 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 캡슐 장치이다. 또한, 캡슐 장치(201)는 센서(240)를 수용하도록 형성된다.
센서 시스템(200)의 캡슐 장치(201)는, 하우징 벽(212)과 그 안에 배치된 기체 투과성 벽 영역(214)을 갖춘 보호 하우징(210)을 포함한다. 또한, 보호 하우징(210)의 내측면을 따라 소화 용적부(220)가 배치되며, 소화 용적부는 필터 부재(222)에 의해 캡슐 장치(201)의 수용 공간(230)에 대하여 한정된다. 이러한 특징에 대해서는 도 1의 캡슐 장치(100)와 관련하여 설명된 내용이 상응하게 적용된다.
센서(240)는 캡슐 장치(201)의 수용 공간(230)에 배치되고, 도시된 예에서 필터 캡(246)에 의해 정의되는 센서 용적(244)에 인접한 센서 부재(242)를 포함한다. 센서 부재(242)는 하우징 본체(250)에 배치되고, 하우징 본체(250)를 통해 연장하는 금속 핀(254)에 의해 케이블(K)에 전기적으로 연결된다.
보호 하우징(210)은 하우징 본체(250)에 기계적으로 견고하게, 예를 들어 하나 이상의 나사산에 의해 결합된다. 또, 도시된 예에서 센서 시스템(200)은 측정을 위해 측정 용적(V)에 배치된다. 이 경우에, 보호 하우징(210)은 측정 용적(V)의 벽(W)에 있는 관통 개구(O)를 통하여 안내된다. 또한, 하우징 본체(250)는 예를 들어 하나 이상의 나사산과 같은 적어도 하나의 고정 부재(252)에 의해 측정 용적(V)의 벽(W)에 기계적으로 견고하게 결합된다. 도시된 예에서, 센서 시스템(200)은 벽(W)과 하우징 본체(250) 사이의 연결 지점을 밀폐하기 위해 구비되는 벽 밀봉부(253)를 더 포함한다.
센서(240)는, 도시된 예에서 유리 캐스팅(256)에 의해 캡슐 장치(201)의 하우징 본체(250)와 함께 비가역적으로 융합된다. 금속 핀(254)은 센서(240)의 전기적인 접속을 위해 유리 캐스팅(256)을 통해 안내된다. 일부 예에서, 유리 캐스팅(256)은 적용 가능한 기술적 요건에 따라, 예를 들어 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화의 요건에 따라 설계된다. 특히, 일부 예에서 유리 캐스팅(256)은 적어도 3 mm의 두께를 가진다.
일부 예에서, 센서 시스템(200), 특히 캡슐 장치(201)는 측정 용적(V)에서의 사용을 위해 넓은 압력 범위로 설계된다. 일부 예에서, 압력 범위는 1 bar 내지 100 bar 사이의 임의의 압력, 예컨대 0.5 bar 내지 300 bar 사이의 임의의 압력, 특히 0 bar 내지 300 bar 사이의 임의의 압력을 포함한다.
금속 핀(254)도 캐스팅(258)에 의해 하우징 본체(250)에 고정된다. 이 경우에, 캐스팅(258)은 일부 예에서 예를 들어 플라스틱 및/또는 수지와 같이, 유리 캐스팅(256)의 물질과 상이한 물질을 포함한다. 금속 핀(254)과 케이블(K)의 연결부의 변형 방지(strain relief)를 위해, 도시된 예에서는 케이블 글랜드(cable gland; S)가 구비된다.
일부 예에서, 센서(240)는 해당 지역의 기술 표준에 따른 본질 안전의 센서로서, 즉 센서(240)의 전력 소비는 센서(240)에서 점화 위험이 있는 고온의 표면 또는 점화 위험이 있는 방전이 생길 수 없도록 제한된다. 모래 캡슐화와 관련된 소화 용적부(220) 및/또는 방염 캡슐화와 관련된 보호 하우징(210)의 적절한 설계에 의해, 센서 시스템(200)에서는 이러한 경우에 추가적인 조합이 가능하며, 이에 따라 용장성, 점화 방지 유형들의 구현이 가능하게 된다. 예를 들어, 적어도 3가지의 점화 방지 유형, 즉 본질 안전, 모래 캡슐화 및 방염 캡슐화가 동시에 구현될 수 있다. 따라서, 센서 시스템(200)은 점화 방지 유형들의 상응하는 조합이 바람직하거나 기술적 요건 또는 규정에 의해 요구되는 적용 분야에서 다양한 센서(240)의 적용 가능성을 더욱 확장시킬 수 있게 한다.
일부 예에서, 보호 하우징(210)은, 그 작동 동안 가열 가능 센서(240)에 의해 방출된 열을 받아들여 측정 용적(V)으로 또는 측정 용적(V)의 주변으로 배출하도록 되어 있다. 보호 하우징(210)의 표면을 거쳐 주변으로 열이 분배되고 방출되기 때문에, 보호 하우징(210)의 외측면에서의 최대 표면 온도가 센서(240)의 최대 표면 온도보다 낮다. 이에 따라, 보호 하우징(210)은 잠재적으로 폭발 가능성이 있는 영역에서, 센서(240)만으로는 안전하거나 허용 가능하게 작동할 수 없는 센서(240)의 표면 온도에서도 가열 가능 센서(240)의 안전한 작동이 가능하게 한다. 특히 센서 시스템(200)의 일부 예에서는, 예를 들어 측정 용적(V)의 주변 온도 및 주변 압력에 대한 측정 용적(V)의 해당 측정 조건하에서, 센서(240)의 전력 소비는 센서(240)에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 요건을 충족시키는 것보다 더 높게 되는 한편, 캡슐 장치(201)의 외측면에서의 최대 표면 온도가 폭발 방지의 한계 온도보다 낮게 되도록, 캡슐 장치(201)가 설계되고 가열 가능 센서(240)의 전력 소비가 선택된다. 가열 가능 센서(240)는 예를 들어 가열 기능이 있는 습도 센서를 갖춘 노점 측정기 장치를 포함한다. 전술된 방식으로, 센서 시스템(200)은 기술적 요건 및/또는 규정을 만족시키지 못하는 작동 조건하에서 가열 가능 센서(240)의 사용을 용이하게 한다.
도 3은 다른 캡슐 장치(300)의 개략도이다. 전술한 예들과 유사하게, 캡슐 장치(300)는, 적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역을 포함하는 보호 하우징(310)과, 이 보호 하우징(310)의 내측면을 따라 배치되고 필터 부재(322)에 의해 캡슐 장치(300)의 수용 공간(330)에 대하여 한정되는 소화 용적부(320)를 포함한다. 또한, 보호 하우징(310)은 하우징 본체(350)에 연결된다. 하우징 본체(350)는 고정 수단(352)에 의해 측정 용적(V)의 벽(W)의 관통 개구(O)에 고정되고, 벽 밀봉부(353)에 의해 벽(W)에 대하여 밀봉된다. 이하의 설명에서 다르게 기재되지 않는 한 도 1 및 도 2의 이전 예들과 관련하여 설명된 특징이 상응하게 적용된다.
도 2의 센서 시스템(200)과 달리, 캡슐 장치(300)는 이 캡슐 장치(300)가 장착된 상태에서 센서를 삽입 및 제거하도록 형성된다. 이를 위해, 캡슐 장치(300)는, 하우징 본체(350)의 외측면에 나사(374)로 고정되고 부품 밀봉부(376)로 밀봉되는 신축 가능 부품(370)을 포함한다. 신축 가능 부품(370)은 푸쉬관(push tube; 378)을 갖춘다. 푸쉬관(378)은 부품 본체(370) 및 하우징 본체(350)를 관통하여, 캡슐 장치(300)의 수용 공간(330) 내에 위치된 장착 용적(360)까지 연장한다. 캡슐 장치(300)가 장착될 때, 푸쉬관(378)은 측정 용적의 외측으로부터 푸쉬관(378)을 통해 장착 용적(360) 내로 센서를 안내하거나 센서를 제거하도록 구비된다. 도시된 신축 가능 부품(370)은, 예를 들어 유럽 특허 1148317 B1에 개시된 바와 같은, POSTBERG + Co. GmbH의 교체 가능한 부품이다.
캡슐 장치(300)는 푸쉬관(378)의 내측 단부에, 푸쉬관 밀봉부(382)에 의해 부품 본체(372)에 대하여 밀봉되는 푸쉬관 단부 캡슐(380)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 센서가 제거된 상태에서 푸쉬관 단부 캡슐(380)은 측정 용적(V)의 주변에 대해 수용 공간(330)의 압력 밀폐가 이루어질 수 있게 한다. 한편, 푸쉬관(378)을 통해 센서를 삽입할 때, 동시에 푸쉬관 단부 캡슐(380)은 개방 위치로 이동된다.
캡슐 장치(300)는, 전술한 예들에 비해 측정 용적(V)의 외측에서 센서의 삽입, 제거 및/또는 교체를 용이하게 한다. 예를 들면, 캡슐 장치(300)는 사용된 센서의 용이한 유지보수, 결함 발생시 교환, 또는 측정 조건 변경시 다른 센서로의 교체를 가능하게 한다.
도 4a는 다른 예에 따른 센서 시스템(400)을 도시한다. 센서 시스템(400)은 캡슐 장치(300)와 센서(440)를 포함한다. 도시된 예에서, 캡슐 장치(300)는 도 3을 참조하여 설명된 바와 같은 캡슐 장치이다. 도 3에서와 동일한 참조부호는 동일한 특징을 나타낸다.
센서(440)는 캡슐 장치(300)의 푸쉬관(378)에 배치된다. 센서(440)는 예를 들어 도 2를 참조하여 설명된 바와 같은 센서(240)에 대응된다. 특히, 센서(440)도 센서 부재(442)와, 센서 용적을 한정하는 필터 캡(446)을 갖춘다. 또한, 센서 부재(442)의 전기적인 접속을 위해 금속 핀(454)이 구비되며, 금속 핀은 예컨대 유리 캐스팅(456)과 같은 캐스팅으로 둘러싸여 있다.
도 4a에 도시된 센서(440)의 위치에서, 센서는 센서 시스템(400)의 수용 공간(330)으로부터 벗어나 있다. 이때, 푸쉬관 단부 캡슐(380)은 수용 공간(330)을 센서(440)에 대하여 폐쇄한다. 도시된 위치에서, 센서 시스템(400)은 측정을 위해 준비된 상태가 아니다. 이러한 위치는 예를 들어 센서를 측정 용적(V)에 삽입하거나 이로부터 제거하는 도중에 생긴다.
도 4b는 센서 시스템(400)의 다른 개략도이다. 도 4a와 달리, 센서 시스템(400)은 제2 위치에 있다. 이 위치에서, 센서(440)는 캡슐 장치(300)의 수용 공간(330) 내에 삽입된다. 동시에, 푸쉬관 단부 캡슐(380)도 개방 위치로 이동된다. 도시된 위치에서, 센서 시스템(400)은 측정을 위해 준비된 상태이다. 따라서, 도시된 위치에서는 보호 하우징(310)의 주변과 센서(440)의 센서 용적 사이의 기체 교환이 가능하게 된다.
전술된 기술들 중 일부는 가열 가능 센서와 관련하여 설명되었다. 하지만, 설명된 기술이 가열되지 않는 센서 및/또는 다른 기능의 부품에 대해서도 상술한 장점 중 적어도 일부를 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 5는 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동하는 방법(500)의 순서도이다. 이 방법(500)은, 가열 가능한 센서용 캡슐 장치를 측정 용적에 제공하고, 가열 가능 센서를 캡슐 장치의 수용 공간에 제공하는 단계(510 단계)를 포함한다. 캡슐 장치는, 기체 투과성 벽 영역을 포함하면서 이 기체 투과성 벽 영역을 통해 캡슐 장치의 수용 공간과 캡슐 장치의 주변 사이의 기체 교환을 가능하게 하는 보호 하우징, 및 충진 물질로 충진되고 보호 하우징의 내측면을 따라 배치되며 가열 가능 센서를 수용하기 위해 구비된 수용 공간을 둘러싸는 소화 용적부를 포함한다. 캡슐 장치는 가열 가능 센서로부터 방출되는 열을 분배하고 배출하도록 형성되어, 해당 작동 조건하에서 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 가열 가능 센서의 최대 표면 온도보다 낮게 된다.
상기 방법(500)은 가열 가능 센서에 전력을 인가하는 단계(520 단계)를 더 포함한다. 전력은, 가열 가능 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 전력보다 더 크게 되도록 결정된다. 동시에, 전력은, 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 가열 가능 센서에 대한 폭발 방지의 한계 온도보다 낮게 되도록 결정된다. 센서의 표면과 캡슐 장치의 표면 간 온도 차이는 예를 들어 캡슐 장치의 표면에 의한 열 분배 및 열 방출의 결과로서 생긴다.
캡슐 장치와 가열 가능 센서는 예를 들어 전술된 유형의 것들이다. 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 방법(500)은, 적절한 캡슐 장치를 구비하지 않은 센서의 작동이 충분히 안전하지 않거나 허용되지 않는 작동 조건 하에서도 가열 가능 센서를 사용할 수 있게 한다. 이는 센서 온도에 비해 낮은 캡슐 장치의 표면 온도에 의해 가능하게 된다.

Claims (15)

  1. 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 센서(240; 440)를 작동시키는 센서(240; 440)용 캡슐 장치(100; 201; 300)로서,
    적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역(114)을 포함하고, 상기 기체 투과성 벽 영역(114)을 통해 상기 캡슐 장치(100; 201; 300)의 내부 공간과 상기 캡슐 장치의 주변 사이의 기체 교환을 가능하게 하는 보호 하우징(110; 210; 310);
    충진 물질로 충진되고, 상기 보호 하우징(110; 210; 310)의 내측면을 따라 배치되며, 상기 센서(240; 440)를 수용하기 위해 구비된 상기 캡슐 장치(100; 201; 300)의 수용 공간(130; 230; 330)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 소화 용적부(120; 220; 330); 및
    상기 소화 용적부(120; 220; 330)와 상기 수용 공간(130; 230; 330) 사이에 배치되고, 상기 수용 공간(130; 230; 330)에 대해 상기 소화 용적부(120; 220; 330)를 한정하는 기체 투과성 필터 부재(122; 222; 322)
    를 포함하는 캡슐 장치(100; 201; 300).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터 부재(122; 222; 322)는 충진 물질이 상기 소화 용적부(120; 220; 330)로부터 상기 수용 공간(130; 230; 330) 내로 진입하는 것을 방지하도록 된 캡슐 장치(100; 201; 300).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터 부재(122; 222; 322)는 상기 센서(240; 440)가 상기 수용 공간(130; 230; 330)에 배치될 때, 충진 물질 및/또는 상기 필터 부재(122; 222; 322)와 상기 센서(240; 440)의 적어도 일부 사이의 기계적인 접촉을 방지하도록 된 캡슐 장치(100; 201; 300).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소화 용적부(120; 220; 320)는 상기 센서(240; 440)에 대한 제1 점화 방지 유형으로서의 모래 캡슐화(sand encapsulation)의 요건을 만족시키도록 형성되고, 상기 보호 하우징(110; 210; 310)은 상기 센서(240; 440)에 대한 다른 점화 방지 유형으로서의 방염 캡슐화(flameproof encapsulation)의 요건을 만족시키도록 형성된 캡슐 장치(100; 201; 300).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 투과성 벽 영역(114)은 금속 소결 부품을 포함하는 캡슐 장치(100; 201; 300).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(240; 440)는 가열 가능 센서인 캡슐 장치(100; 201; 300).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 부재(122; 222; 322)는 와이어 메쉬 필터(wire mesh filter)를 포함하고, 및/또는
    상기 충진 물질은 모래 및/또는 유리 비드를 포함하는 캡슐 장치(100; 201; 300).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡슐 장치는 0 bar 내지 300 bar 범위의 임의의 압력하에 있는 측정 용적(V)에서 사용되도록 형성된 캡슐 장치(100; 201; 300).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정 용적(V) 내로 상기 센서(240; 440)를 삽입하기 위해 상기 측정 용적(V)의 벽(W)에 배치된 관통 개구(O)에 상기 캡슐 장치(201;300)를 고정하는 적어도 하나의 고정 부재(252; 352)를 더 포함하는 캡슐 장치(201; 300).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 관통 개구(O)를 통해 상기 센서(440)를 상기 캡슐 장치(300)의 수용 공간(330)에 삽입하거나 상기 센서(440)를 상기 캡슐 장치(300)의 수용 공간(330)으로부터 제거하고, 상기 센서(440)가 제거된 상태에서 상기 관통 개구(O)를 가역적으로 폐쇄하도록 하는 신축 가능 부품(370)을 더 포함하는 캡슐 장치(300).
  11. 센서(240; 440); 및
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 캡슐 장치(201; 300)
    를 포함하고,
    상기 캡슐 장치의 수용 공간(230; 330)은 상기 센서(240;440)를 수용하도록 형성된 센서 시스템(200;400).
  12. 제11항에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 캡슐 장치(201)를 포함하고,
    상기 센서(240)는 상기 캡슐 장치(200)의 수용 공간(230)에 배치되고, 유리 캐스팅(glass casting; 256)에 의해 상기 캡슐 장치(201)와 함께 융합되는 센서 시스템(200).
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 센서(240; 440)는 가열 가능 센서이고, 상기 캡슐 장치(201; 300)는 상기 가열 가능 센서(240; 440)로부터 방출되는 열을 분배하고 배출하도록 형성되어, 상기 센서 시스템(200; 400)의 해당 측정 조건하에서 상기 캡슐 장치(201; 300)의 외측면에서의 최대 표면 온도가 상기 가열 가능 센서(240; 440)의 최대 표면 온도보다 낮게 되는 센서 시스템(200; 400).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가열 가능 센서(240; 440)는, 상기 가열 가능 센서(240; 440)에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전(intrinsic safety)의 한계 전력보다 큰 전력을 가지며, 상기 캡슐 장치(201; 300)의 외측면에서의 최대 표면 온도는 상기 가열 가능 센서(240;440)에 대한 폭발 방지의 한계 온도보다 낮은 센서 시스템(200; 400).
  15. 특히 폭발 가능성이 있는 분위기에서 가열 가능 센서를 작동시키는 방법(500)으로서,
    측정 용적에 가열 가능 센서용 캡슐 장치와 상기 가열 가능 센서를 제공하는 단계로서, 상기 캡슐 장치는, 적어도 하나의 기체 투과성 벽 영역을 포함하고 상기 기체 투과성 벽 영역을 통해 상기 캡슐 장치의 내부 공간과 상기 캡슐 장치의 주변 사이의 기체 교환이 가능하게 하는 보호 하우징, 및 충진 물질로 충진되고 상기 보호 하우징의 내측면을 따라 배치되며 상기 가열 가능 센서를 수용하기 위해 구비된 상기 캡슐 장치의 수용 공간을 적어도 부분적으로 둘러싸는 소화 용적부를 포함하고, 상기 가열 가능 센서는 상기 캡슐 장치의 수용 공간에 배치되며, 상기 캡슐 장치는, 상기 가열 가능 센서로부터 방출되는 열을 분배하고 배출하도록 형성되어, 해당 작동 조건하에서 상기 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 상기 가열 가능 센서의 최대 표면 온도보다 낮게 되는 단계(510); 및
    상기 가열 가능 센서에 전력을 인가하는 단계로서, 상기 전력은, 상기 가열 가능 센서에 대한 점화 방지 유형으로서의 본질 안전의 한계 전력보다 더 크게 되고, 상기 캡슐 장치의 외측면에서의 최대 표면 온도가 상기 가열 가능 센서에 대한 폭발 방지의 한계 온도보다 낮게 되도록 결정되는 단계(520)
    를 포함하는 방법(500).
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