KR820001720B1 - 압력 응답 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

압력 응답 장치

제1도는 본 발명의 형태를 사용한 압력 전달기의 단면도.

제2도는 제1도의 실시예에 대한 인가된 압력의 함수인 전기 저항을 측정하기 위한 회로 계통도.

본 발명은 압력측정 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 차압을 측정하기 위해 공업 공정에서 통상적으로 사용하는 이러한 장치에 관한 것이다.

수년 동안 유체유량비의 함수인 신호를 발생시키도록 유체압력, 특히 유체도 관내의 오리피스판 양단에 생긴 차압을 측정하기 위해 공업적 공정 제어시스템에 여러가지 계기가 사용되어 왔었다. 이 종래의 장치들은 적당하게 실시되었지만, 이것들은 근대 공업 공정 제어시스템의 제요건을 충족시킬 수가 없었다.

이 특정한 기술분야에는, 선행특허 문헌이 매우 많다.

일반적으로, 종래의 압력 전달기는 측정될 압력에 비례하는 전기 신호를 발생시키기 위해 힘 균형 또는 편향측정(증, 이동 균형) 방법을 사용해 왔었다. 이중, 본 발명은 후자와 범주에 속하는 것이다.

다수의 이동 균형장치는 인가된 압력에 응답해서 진동판의 상대적인 편향을 측정하기 위한 용량법을 사용한다. 예를들면, 미합중국 특허 제3,618,390호에는 격리 진동판 사이에 배치된 측정 진동판에 압력 신호를 전달하기 위한 격리 진동판을 갖는 유체 충전 차압 전달기에 관한 기재가 있다. 측정 진동판에 인접한 대향 압력실벽 위에는 용량판이 형성된다. 이 방법에서는, 벽으로 된 용량판에 관련해서 측정 진동판을 상대적으로 배치시켜 인가된 압력에 비례하는 출력신호를 제공한다. 그러나, 캐패시탄스의 측정의 정확성은 여기(勵起) 주파수에 좌우된다. 인가된 주파수와 무관한 출력 신호를 발생시키는 적당한 전기절연 및 추가회로를 사용하지 않는 한, 상대적인 캐패시탄스를 측정하는 압력 전달기는 외부 용량 커플링 효과에 의해 출력 오차를 일으킬 수 있다. 또한, 이러한 용량형 감지기는 전달기 위치로부터 제반 유효 전자장치를 격리시키지 못한다. 이것은 전자신 변환기 회로를 보정해야 하고, 전달기에 용이하게 접근할 수 없는 경우에 중요하다.

미합중국 특허 제3,277,719호에는 가변 인덕턴스의 원리로 작동하는, 즉 차압의 변화가 2개의 외부 코일의 상대 인덕턴스에 의해 감지되는 전기자의 위치의 변화에 관계되는 차압 전달기가 기재되어 있다. 이러한 장치는 용량형 전달기와 동일한 결점을 갖는데, 즉 정확성을 얻기 위해 부수적인 신호조절 회로를 부가시킬 필요를 갖는 여기 주파수에 의존하고, 전달기로부터 유효 전자성분을 간단하게 제거할 수 없는 결점을 갖는다.

미합중국 특허 제3,894,435호에 기재된 다른 압력 응답 계기는 인가된 압력에 의해 편향된 기계 요소내의 응력 변형의 함수인 저항 변화를 만들기 위해 압전 또는 이와 유사한 응력 변형 게이지 요소를 사용한다. 이 측정 원리로 작동하는 압력 장치는 주파수 영역에 관련된 전술한 문제점을 해결했지만, 이것들은 바람직한 출력 신호를 발생시키기 위해 힘 감지 소자를 굴곡 또는 이와 유사하게 변형시켜 응력을 변형시키는 것입니다. 이것은 흔히 영점이동 문제를 일으키는데, 그 이유는 이롸 같은 응력 변형이 힘 감지 소자를 악화시킬 뿐만 아니라 응력 게이지와 힘 감지 소자 사이에 상대 이동을 일으켜 재로 오프셋트 오차를 일으키기 때문이다. 또한, 응력 게이지 압력 전달기는 증폭시키고 다른 신호를 조절하기 위한 추가회로를 필요로 하는 작은 전기 출력 신호를 발생시킨다.

이상의 압력 전달기는 소기의 응용에 적합한 성능을 갖지만, 구조가 간단한 압력 전달기에 대해서 광범위한 가변 조건하에서의 고정확성과 압력 측정의 신뢰성이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

그런데, 본 발명에 의하면 최소 신호 조정을 포함해서 대량의 출력신호를 만들 수 있는 높은 정확성과 신뢰도를 나타내는 압력 전달기에 관하여 비교적 염가로 개량한 구조를 제공한다.

본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 차압 전달기는 도전성 물질로 만든 측정 진동판에 의해 각각의 고 및 저압력실과 이 압력실을 둘러싸는 한쌍의 격리 진동판으로 분리된 유밀공동을 포함하고 있다. 실질적으로 압축할 수 없는 유체는 공동전체를 채워서 격리 진동판에서 수신된 압력 신호를 측정 진동판으로 충실하게 이동시켜 준다. 그러나, 종래의 액체 충전 장치와 달리, 본 발명에서는 전기적으로 도전성인 충전 유체를 사용하여 측정 진동판과 한 쌍의 전극 사이에서 액체를 통하여 측정 가능한 전기 저항을 발생시키며, 전술한 각각의 전극은 진동판으로부터 격리되어 그의 반대측 부상에서 공동의 벽에 의해 지지된다. 그러므로, 인가된 유압 신호에 응답하여 진동판을 편향시키면 진동판과 각각의 단부 사이의 전기 저항이 대응하게 변화게 되어, 전달기의 출력에 인가된 입력압력 함수인 신호를 제공하게 된다.

진동판 편향에 응답하여 저항을 변화시키도록 충전유체의 도전특성을 이용함으로써, 전달기에서 유효성분이 요구되지는 않는다. 그러므로, 본 발명에서는 출력 감지 전자 장치가 스팬 및 제로 조정회로와 함께 전달기로부터 원거리(즉 1마일 이상)에 배치될 수 있게 된다.

이제, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특징을 더욱 상세하게 기술하겠다.

첨부 도면 중 제1도를 참조하면, 차압 전달기(10)은 일반적으로 대칭인 2개의 부분(11A, 11B)를 포함하며 유전체(예, 유리)의 중심 삽입물(12A, 12B)를 갖고 있는 스테인레스 스틸 본체부(11)을 포함한다. 유밀 공동(16)은 금속성 측정 진동판(13)에 의해 고압력실(14) 및 저압력실(15)로 분할되는 유전 물질의 중심부에 형성된다. 유전체의 내면(41, 42)으니 진동판의 극단적인 편향 위치에 근접하도록 오목하게 형성된다. 1쌍의 가요성 격리 진동판(22, 23)은 지점(28, 31)에 예로써 나타낸 바와 같이 그들 주위의 본체 부에 용접되어, 공정유체로부터 본체부의 내실을 밀폐시킨다. 각각의 격리 진동판과 이들의 접합 지원표면(22A, 23A) 사이에는 각각의 통로(26, 29)를 통해 압력실(14, 15)와 접속되는 격리실(27, 30)이 있다.

전달기 전체를 완전히 조립하기 위해, 격리진동판에 2개의 공정 압력 신호를 인가하기 위해 입구(24, 25)를 갖고 있는 단부 덮개(32, 33)은, 볼트(37, 38)에 의해 본체부(11)에 고정된다. 1쌍의 적당한 가스켓(34, 35)는 주위로 부터 공정유체를 수압식으로 밀폐시키도록 격리진동판(22, 23)의 주연부를 따라 본체부(11)과 단부덮개 사이에 배치된다. 제작시에 측정 진동판(13)은 지점(40)에 나타낸 바와 같이 본체부 부분(11A, 11B)에 그의 주연부를 따라 용접된다.

전달기(10)의 내부 구조를 상세히 설명하면, 고압축 전극(18)은 본체부 부분(11A)로 부터 절연되도록 유전 삽입물(12A)의 요면(41)에 형성된다. 이 전극에 대한 전기 접속은 유전삽입물 내에 예형된 통로(19A)를 통해 나온 신호선(19)에 의해 제공된다. 이와 비슷한 방법으로, 저압축 전극(20)은 유전 삽입물(12B)의 대향요면(42)에 형성되고 본체부 부분(11B) 및 고압측 전극으로부터 절연된다. 통로(21A)를 통과하는 신호선(21)은 제2전극에 접속된다. 본체부(11)에 접지되어 2개의 전극과 각각 전기적으로 절연된 측정 진동판(13)은 전기회로망에서 제3단자로 작용하는데, 전기 회로망의 동작은 다음에 기술한다.

본 발명의 독특한 형태에 따르면, 본체부(11)의 내부 공동 전체 (즉, 고 및 저압력실(14, 15), 결합통로(26, 29) 및 격리실(27, 30))은 프로필알코올과 같은 적당한 도전성 액체로 충전된다. (간단하게 하기 위해 도면에는 액체를 명확하게 나타내지 않았다). 그리하여, 측정 가능한 전기 저항은 신호선(19, 21)과 몸체에 부착시킨 신호선(17)에 의해 도전액을 통해 진동판(13)과 각각의 전극(18 및 20) 사이에서 발생된다.

실리콘유를 가장 흔히 사용하는 종래의 장치에서 사용된 충전유체는 보편적으로 비도전체로서 알려져 있다. 실제로, 용량 또는 유도 측정법을 사용하는 압력 전달기는 출력 측정의 정확성을 유지하기 위해 절연체로서 작용하는 충전액체를 사용하도록 특별히 설계되어 있다. 도전성 액체는 "매질" 도전체로서 분류될 수 있는데, 알코을-기본 액체가 전형적이다. 예를들면, 이것의 온도에 따라, 프로필알코올은 8.0 x 10⁶- 20.0 x 10⁶오옴/인치(약 20.3 x 10⁶- 50.8 x 10⁶오옴/센티미터)의 저항성을 나타낸다. 이것은 극히 양호한 도체, 예를들면, 3.7 x 10⁶오옴/인치 (약 9.4 x 10^-5오옴/센티미터)의 저항을 갖는 액상 수은과 대조적이다.

적당한 도전성 충전액체의 선택은 압력 전달기의 소기의 응용에 관련된 다수의 요인에 좌우된다. 예를들면, 액체는 넓은 온도 범위에서 안정해야 하는데, 즉 이 액체는 고온에서 비등하지 않고, 저온에서 냉동되지 말아야 한다. 부수적으로, 이 액체는 적당한 응답 특성을 제공하기 위해 이들 온도 범위에서 최소의 점도 변화를 나타내야 한다. 도전성 액체를 선택함에 있어서 다른 중요한 사항은 감지 및 신호조절 전자회로를 전달기로부터 원격(즉 1마일) 이상 배치시키는 것이다. 예를들면, 도전액을 사이에 갖고 있는 2개의 전극 사이의 전체 저항은 대략

로 나타낼 수 있다.

여기에서, R는 오옴 단위의 전기저항

r는 오옴/인치 단위의 액체의 저항성

L는 인치 단위의 전극 사이의 거리

A는 평방인치 단위의 전극의 면적임.

제1도에서, 소정의 기하학적인 구조에 대해, 측정 진동판(13)과 각각의 전극(18, 20) 사이의 전기 저항의 차이는 진동판이 소정의 편향을 하게 하는 액체의 저항성에 정비례함을 알수 있다. 전달기와 이에 관련된 처리 전자장치 사이의 거리가 큰 경우, 전송선 전압강하의 효과를 최소로 해주기 위해 액체의 저항을 크게 해주는 것이 바람직하다. 일반적으로, 신호를 50오옴선으로 1마일 전송시키기 위해, 진동판과 전극 사이에서 측정한 저항은 허용되는 범위내에서 출력 오차를 유지하기 위해 선저항보다 100배 이상 커야 한다. 이와 반대로, 전자장치를 전달기에 근접해서 결합시킬 경우에는, 저항이 극히 낮은 액체가 사용될 수 있다.

상기한 실시예에 있어서, 2개의 전극(18, 20) 사이의 거리는 0.010인치 (약 0.025센티미터)이고, 각각의 전극은 0.3평방 인치(약 0.76평방 센티미터)의 유효면적을 갖는다. 예를들면 8.0 x 10⁶오옴/인치(약 20.3 x 10⁶오옴/센티미터)의 저항성을 갖는 프로필알코올 충전유체를 사용할 경우, (1)식으로부터 액체를 통하는 전극 사이에 260,000오옴의 저항이 생성된다. 측정 진동판은 비편향 상태에서 전극 사이의 중간 위치에 배치시키기 때문에, 약 130,000오옴의 "영" 저항이 진동판과 각각의 전극 사이에서 측정된다.

동작시에, 측정 진동판(13)은 전달기가 최대 작동 차압에 노출되었을 때, 저압축 전극(20)을 향해 약 절반(즉 0.0025인치; 약 0.006센티미터)쯤 편향시킨다. 이것은 진동판과 각각의 전극 사이의 저항 130,000오옴의 네트(net) 변화를 일으킨다.

이 저항 변화는 진동판을 변위시켜 공지의 방법으로 변하기 때문에, 다음과 같은 관계식이 제공된다.

여기에서, (R₁-R₂)는 측정 진동판과 각각의 전극 사이의 전기 저항의 차이이고, (L₁-L₂)는 측정 진동판과 각각의 전극 사이의 거리의 차이로서 진동판 이동거리의 2배이다.

그러므로, 전기 저항의 차이는 진동판 편향의 함수인데, 이것은 인가된 압력에 직접 관계된다.

프로필 알코올의 저항성은 전달기의 작동 온도 범위 이상으로 변하게 되므로, 상기식(2)에 나타낸 저항의 차이를 저항의 총계에 비례시켜 이와 같은 변화를 보상시키는 것이 좋다. 이러한 관계식은 신호선(17, 19 및 21)을 제2도에 도시한 바와 같이 휘이트스톤 브리지(Wheatstonebridge)의 출력단자에 접속시킴으로써 유도된다. 그러므로, 출력신호는 다음과 같이 표시된다.

R₁및 R₂의 절대값은 온도에 따라 변하게 되지만, 이 차이 대 저항의 총계 값의 비율은 진동판 편향의 함수관계

를 유지하게 되는데, 그 이유는 2개의 전극(18, 20) 사이의 거리(L₁-L₂)가 본 발명에 의하여 일정하게 유지되기 때문이다. 이 방법으로, 브리지에 인가된 출력전압 대 입력전압의 비율은 온도에 기인한 액체 저항성 변화와 본질적으로 무관한 진동판 편향(및 인가된 압력)의 근접 측정치를 제공해준다. 그 다음 출력 전압은 대부분의 공업 공정 제어용으로 겸용할 수 있는 대응하는 4-20ma 출력 신호를 발생시키도록 종래의 방법으로 전압 대전류 변화기로 공급된다.

휘이트스톤 브리지는 일정한 진폭의 a-c 입력 전압신호로 여기시키는 것이 적합하다. 이것은 장기 d-c 여기를 사용함으로써 일어날지도 모르는 전극(18, 20)상에서의 검류 및 그외의 다른 전기 화학적 효과를 방지시킨다. 1,000㎐ 및 5㎒사이의 여기 주파수에서, 프로필 알코올이 순수한 저항으로서 작용함을 발견했다.

앞에서 증면된 바와 같이, 압력 전달기의 동작에 의해서 진동판의 극히 작은 편향으로부터 큰 저항변화가 유도될 수 있다. 이 특징은 장치의 전체적인 해결을 증대시킬 뿐만 아니라, 전달기에서 모든 능동 또는 수동 구성품들의 필요성을 제거시켜, 전달기 위치에서 엄격한 환경 조건에 흔히 견딜 수 없는 신호 처리 전자 장치를 원격 배치시켜 준다.

본 명세서에는 특정 실시예만을 기술했지만, 이 분야에 숙련된 기술자들은 다수의 변경을 할 수도 있다. 예를들면, "고" 및 "저"란 용어는 압력 전달기의 우측부 및 좌측부를 각각 나타내도록 사용했지만, 설계물의 대칭성과 간이성 때문에, 이 정의는 용이하게 반전될 수도 있다. 또한, 본 명세서에는 3개의 진동판 액체충전 차압 전달기에 대해서 기재되어 있다. 그러나, 상기한 원리는 절대 또는 게이지 압력을 측정하기 위해 사용될 수 있는 2개의 진동판 충전장치, 또는 벨로우등과 같은 다른 압력 응답 부재를 사용하는 다른 장치에 동일하게 사용할 수도 있다.

프로필 알코올 대신에 광범위한 도전성 액체를 사용하여 특정 용도에 따른 유사한 결과를 얻을 수도 있다. 그외의 다른 이러한 액체로는 벤질알코올과 프로필렌 카보네이트 중의 테트라에틸-옥화암모늄의 용액이 있다.

특허 청구 범위에 청구한 본 발명의 원리와 범위를 이탈하지 않고도 그외의 다른 수정을 할 수도 있다.

Claims (1)

1. 본체부, 이 본체부로 압력실을 정하고 본체부에 관련해서 이동할 수 있는 제1전극을 형성하는 도전성 물질의 최소한 1개의 편향 표면을 가진 압력 응답소자, 편향표면에 유체 압력신호를 인가시키어 대응하는 편향이 인가 압력의 함수로 되게 하는 입구수단, 압력실에 인접한 본체부 상에 장착된 제2전극, 도전성 액체를 통해 제1 및 제2전극 사이에서 전기 저항을 설정하기 위해 제1 및 제2전극 사이의 입구 장치의 최소한 일부분과 압력실을 충전시키는 도전성 액체, 및 전기 저항측정이 편향 표면의 변위와 인가된 압력의 함수로 되도록 전기 저항을 측정하기 위한 측정 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 인가된 압력의 함수인 전기 출력 신호를 발생시키는 압력 변환기.

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