KR900005779B1 - 실리카다이아프램을 갖춘 고온고압트랜스듀우서 - Google Patents

실리카다이아프램을 갖춘 고온고압트랜스듀우서 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

실리카다이아프램을 갖춘 고온고압트랜스듀우서
제1도는 본 발명 고온고압트랜듀우서가 채용된 광전환변환장치의 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 실리카다이아프램조립체 12 : 실리카다이아프램
14 : 석영유리좌대 16 : 구멍
18 : 간격 20 : 상부기준면
22 : 바닥기준면 24 : 석영튜브
26 : 튜브 28 : 바닥면
30 : 휨정도측정장치 32,34 : 브라인드구멍
36 : 브라인드인덱스 막대렌즈 38,46 : 단일모우드 광케이블
40,48 : 복합모우드 광케이블 42 : 커플러
44,50 : 광전변환기 52 : 광원
54 : 줄무늬카운팅블록 58 : 판독장치
본 발명은 고온고압트랜스듀우서(transducers)에 관한 것으로, 특히 실리카다이아프램과 이 실리카다이아프램의 휨정도를 판정하기 위한 관련 광선감지장치를 이용한 고온고압트랜스듀우서에 관한 것이다.
항공엔진의 개스통로와 같은 고온의 설비에 있어서는 엔진의 연료효율과 성능 및 신뢰성을 모니터해서 개선하기 위해서는 압력을 정측히 측정할 필요가 있게 된다.
그리고 이러한 가혹한 환경에서 개스통로의 압력을 측정하는데에는 전통적으로 금속다이아프램의 휘어짐을 측정해서, 이 금속다이아프램의 기계적 휨정도를 여러가지 방법으로 전기적신호로 변환시켜 압력으로 환산처리하고 있다.
이러한 금속다이아프램의 휨정도를 여러가지 장치를 이용해서 전기적신호로 변환시키는 방법중의 한가지로 다이아프램 중심부에 설치한 저항스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하는 방법과, 이동다이아프램과 고정된 기준면 사이의 전기용량의 변화를 이용하는 방법을 들 수가 있다.
그러나 이들 방법들은 모두 비교적 저온에서는 바람직한 결과를 얻을 수 있지만, 500℃를 넘는 고온상태에서는 금속다이아프램의 크리이프(Creep : 물체가 일정한 힘을 받을 경우 시간이 경과함에 따라 굽힘(휨)정도가 증가하는 현상)가 가속되어 압력교정곡선에 대한 압력트랜스듀우서의 출력신호가 시간 경과함에 따라 처지게 되는 드리프트(drift)현상을 일으키게 된다. 또 압력트랜스듀우서가 상기와 같이 높은 온도에서 작동할 때에는 상기 교정곡선부분에서 큰 히스테리시스가 일어나게 된다.
따라서 고온에서 금속다이아프램에 나타나게 되는 바람직스럽지 못한 크리이프 및 히스테리시스현상을 줄이거나 배제하기 위해서는, 고온에 대한 내성을 지닌 다른 다이아프램재질을 이용해야 하는바, 예컨대 여러형태의 유리 또는 세라믹 재질을 사용하면 이들은 치수안정성이 뛰어나기 때문에 일반적인 압력트랜스듀우서 다이아프램용 재료로 이용되는 금속과 대체사용할 수는 있으나, 이러한 재질들은 본래가 쉽게 부서지는 성질과 경도 및 강성이 크기 때문에 소정압력에서 금속다이아프램보다 휨정도가 적어지는 경향이 있다.
따라서 이러한 적은 휨량을 민감하게 측정하기 위해서는 고도의 측정기술과 고감도의 감지장치가 필요하게 됨은 물론, 일반적으로 이러한 고감도측정장치는 동적진동과 온도변화에 따른 영향을 쉽게 받기 때문에 다이아프램의 휨정도의 측정이 부정확해지는 경향이 있게 된다.
이와 같은 이유 때문에, 고온의 환경속에서도 이용할 수 있고 다이아프램의 비교적 적은 휨정도도 감지할 수 있는 다이아프램헝 압력트랜스듀우서 및 이 트랜스듀우서와 연결해서 사용하기 위한 트랜스듀우서의 굽힘정도 감지장치가 필요하게 된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안해서 발명한 것으로, 실리카다이아프램조립체 및 이 조립체와 연결해서 사용되는 광학적휨정도 감지장치로 이루어진 고온고압트랜스듀서를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명 고온고압트랜스듀서는, 석영유리좌대와 이 석영유리좌대에 광학적으로 접촉되는 실리카다이아프램으로 구성되면서, 이 실리카다이아프램과 석영유리좌대 사이에 형성된 간격의 중심부에 한쌍의 제1전송 및 수신광케이블이 배치되고, 이 제1광케이블쌍 바로옆의 상기 간격내부에는 다른 한쌍의 제2전송 및 수신용광케이블이 배치된 구조로 되어 있다.
이상과 같은 구성에 의하면 상기 2쌍의 전송 및 수신용광케이블중의 전송용광케이블을 통해 광원에서 조사되는 빛이 실리카다이아프램의 바닥면에 비추어지게 되면, 이 실리카다이아프램바닥면에서 반사된 줄무늬모양의 간접광선이 수신용광케이블에 의해 접수됨으로써, 이 줄무늬모양의 간접광선이 광전변환기와 줄무늬카운팅회로에서 계수되어 실리카다이아프램의 휨량이 판정되게 된다.
이하 첨부된 예시도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 다이아프램의 휨정도를 측정하기 위한 실리카다이아프램조립체(10) 및 이와 관련한 측장치(30)를 개략적으로 도시한 것으로, 실리카다이아프램조립체(10)는 석영유리좌대(14)와 광학적으로 접촉된 실리카다이아프램(12)으로 이루어지면서, 이 실리카다이아프램(12)이 석영유리좌대(14)와 광학적으로 접촉하도록 λ/10의 표면평면도를 갖고서 긴밀하게 결합되어져 있다.
한편, 상지 실리카다이아프램(12)은 일반적으로 고체디스크를 가지고 만들게 되는데, 이 경우 원하는 두께의 다이아프램을 얻기 위해 드릴로 가공하거나 또는 적당한 깊이로 부식해서 만들게 된다. 또 이 실리카다이아프램(12)과 석영유리좌대(14)는 같은 재료인 실리카유리재질로 만듦으로써 외부에 지지구조물을 설치하지 않도록 하여 열적응력이 최소화 되도록 한다.
그리고 상기 석영유리좌대(14)에는 실리카다이아프램(12)의 바닥기준면(22)과 석영유리좌대(14)의 상부기준면(20)사이에 마련된 간격(18)과 연통되는 구멍(16)이 형성되어 있어서, 상기 이 구멍(16)속으로 석영유리좌대(14)의 바닥면(28)쪽으로부터 석영튜브(24)를 삽입해서 이 튜브(24)와 구멍(16)을 통해 상기 간격(18)내부에 개스같은 것을 주입하여 기준압력을 설정해준 다음 튜브(24)의 끝(26)을 밀봉시켜 상기간격(18)내부에 기준압력이 설정유지되게 해준다.
한편, 상기 휨정도측정장치(30)는 줄무늬카운팅기술을 이용해서 다이아프램(12)의 휨정도를 측정하도록된 것으로서, 이는 하나가 석영유리좌대(14)의 기준면(20)의 중심부 근처에, 다른 하나의 상부기준면(20)과 실리카다이아프램(12)의 내부단이 교차하는 지점에 연마형성된 2개의 브라인드구멍(32, 34)속에 그레이던트인덱스(gradient index) 막대렌즈(36)가 각각 설치되면서 이 브라인드구멍(32)속에 막대렌즈(36)에 단일모우드 광케이블(38)과 복합모우드 광케이블(40)이 각각 연결됨과 더불어, 이들 광케이블(38)이 석영유리좌대(14)를 관통해서 커플러(42)와 광전변환기(44)에 각각 연결되고, 또 상기 브라인드구멍(34)속에 설치된 막대렌즈(36)에는 또 다른 한쌍의 단일모우드 광케이블(46)과 복합모우드 광케이블(48)이 마찬가지로 연결되면서, 이들 광케이블(46, 48)이 석영유리좌대(14)를 관통해서 상기 커플러(42)와 광전변환기(50)에 각각 연결되어져 있다. 그리고 상기 커플러(42)의 입력측에는 응집레이저원으로 이루어진 광원(52)이 연결되고, 상기 광전변환기(44, 50)의 출력측에는 적절한 판독장치(56)와 연결된 줄무늬카운팅블록(54)이 연결되어져 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명 고온고압트랜스듀우서는, 광원(52)에서 조사된 광선이 커플러(42)에서 분리된 다음 각 단일모우드 광케이블(38, 46)을 통해 브라인드구멍(32, 34)속에 각각 설치된 그레이던트인덱스 막대렌즈(36)로 이송된 다음, 이 막대렌즈(36)에서 상기 광케이블(38, 46)을 통해 이송되어온 광선이 평행한 광선비임으로 만들어져 실리카다이아프램(12)의 바닥기준면(22)위에서 방사되게 된다. 이 경우 상기 브라인드구멍(32)에 있는 그레이던트인덱스 막대렌즈(36)로부터 방사되는 광선비임은 다이아프램의 바닥면 중앙에서 차단되게 되고, 다른 브라인드구멍(34)에 있는 그레이던트인덱스 막대렌즈(36)로부터 방사되는 광선비임은 바닥면 중앙에서 약간 이격된 곳에서 차단되게 된다.
한편, 이때 상기 광선비임은 다이아프램(12)의 바닥기준면(22)과 석영유리좌대(14)의 상부기준면(20)에서 부분적으로 반사되어 각 그레이던트인덱스 막대렌즈(36)에 간섭줄무늬로 비춰지게되는바, 이 간섭줄무늬는 복합모우드 광케이블(40,48)끝에 설치된 렌즈(36)에 의해 다시 집속되어져 실리카다이아프램(12)이 휘어짐에 따른 줄무늬를 띈 간접광선이 복합모드 광케이블(40, 48)의 입력면을 가로질러 한쪽방향으로 이동하게 된다. 여기서 이 이동방향은 실리카다이아프램(12)이 석영유리좌대(14)의 상부기준면(22)쪽으로 휘어지거나 반대쪽으론 휘어짐에 따라 달라지게 되는데, 상기 각 광케이블(40, 48)로부터 줄무늬를 가로질러 공간으로 분산됨으로써 확인되어지는 줄무늬위치에 따라 동일한 Cosine 제곱배에 해당하는 출력신호를 발생시키게된다.
이러한 출력신호를 전달받는 줄무늬카운팅블럭(54)은 주로 논리케이트에 의해 조절되는 상.하 계수장치로 이루어져 적절한 트리거 트레쇼울드(trigger threshold)를 선택하게 됨으로써, 광전변환기(44, 50)중 하나가 논리게이트를 통한 상기 상.하 계수장치에 대한 입력으로 이용되게 된다. 이 경우 간섭줄무늬의 각 명암줄 무늬쌍은 4부분으로 나누어져 논리케이트에서 λ/8의 정확도를 갖는 각 카운트에 부합하는 "H" 레벨 디지탈신호 및 "L"레벨디지탈신호를 발생시키게 되는바, 여기서 λ는 레이저광의 파장길이를 나타낸다.
이러한 과정을 거치는 동안 나머지 하나의 광전변환기(44 또는 50)에서 출력되는 신호는 상기 계수장치가 첫번째 광전변환기로부터 접수한 신호를 더할것인가, 뺄것인가를 결정하는데 이용되는바, 이러한 기능을 수행하기 위해 상기 광전변환기(44, 50)의 출력신호에는 상(相)이 이루어져 있지 않아야 한다. 즉 첫번째 광전환변환기(44, 50)에서 출력된 신호를 할것인가, 더할것인가의 결정은 양쪽 광전변환기(44, 50)의 출력이 동시에 증가하느냐 감소하는냐에 따르게 되는데, 그에 따라 상.하 카운팅회로에는 줄무늬카운트의 전체적인 합이 유지되게 된다.
한편, 줄무늬카운트 m의 크기는 다음식과 같이 실리카다이아프램(12)의 휨량 Δh에 정비례하게 되고, 2Δh= m°λ
그 때문에 줄무늬카운트를 디지탈형식으로 판정함으로써 실리카다이아프램(12)의 휨정도가 감지됨과 더불어 휨정도를 정확히 측정할 수가 있게 되는바, 이러한 디지털기술(digitaltechnigue)을 이용하게 됨으로써 신호조건과 아나로그처리과정이 요구되지 않게 된다. 또한, 줄무늬가 상기 그레이던트인덱스 막대렌즈(36)에만 형성되기 때문에, 복합모우드 광케이블(40, 48)에서의 온도 및 진동이 줄무늬모양에 영향을 끼치지 않게 되고, 더구나 단일모우드 광케이블(38, 46)에 의해 야기된 상대적인 광학적 상(相)의 이동이 광선비임의 실리카다이아프램(12)의 바닥기준면(22)과 석영유리좌대(14)의 상부기준면(20)에서 동시에 반사되기 때문에 큰영향을 끼치지 않게 된다.
또, 광선이 어두운 줄무늬로부터 조사되는 빛 또는 밝은 줄무늬로부터 조사되는 빛을 이송하는 도관역할을 하는 복합모우드 광케이블(40, 48)을 통해 광전변환기(44, 50)로 이송시키기 위해 상을 보존해야 할 필요가 없게 된다.
이러한 동작에서는 상기 줄무늬카운트 m이 다이아프램(12)의 휨량 Δh에 정비례하기 때문에 상기 시스템의 고유한 동작범위가 크게 되고, 또 이러한 방법에서는 변위감지도가 λ/8가 되어 적광(赤光)일 경우 약 0.09μm가 된다. 그리고 실리카다이아프램(12)이 4mm의 직경과 0.6mm의 두께를 가진다고 가정하면, 상기한 변위감지도에 부합하는 최소한의 감지가능압력은 약 3.5KPa가 되는데, 이는 690KPa달하는 전체의 최대허용 압력의 약 0.4%에 해당한다. 또한 상기 변위감지도는 일반적으로 사용되는 여러가지 스트레인게이지 또는 용량성 압력트랜스듀우서와 같지만, 이러한 용량성트랜스듀우서는 실리카다이아프램에 나쁜결과를 일으키지 않을 정도의 비교적 높은 동작온도에 견딜 수 없게 되는 단점이 있다. 또 실리카다이아프램의 휨량은 압력에 대해 선형적으로 변하게 되고, 줄무늬도 다이아프램의 휨량에 대해 선형적으로 변하기 때문에, 실리카다이아프램조립체(10)의 고유한 선형적 성질이 더 한층 효과를 나타낼 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 실리카재질로 만들어진 석영유리좌대(14)와 이 석영유리좌대(14)에 연결되면서 역시 실리카재질로 만들어진 실리카다이아프램(12)으로 이루어지면서, 이를 다이아프램(12)과 석영유리좌대(14)사이에 가해지는 압력변화에 따라 실리카다이아프램(12)의 휘어질 수 있는 간격(18)이 형성됨과 더불어, 이들 석영유리좌대(14)와 실리카다이아프램(12)이 광학적 휨정도측정장치(30)를 매개로 연결되어 이루어진 고온고압트랜스듀우서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 석영유리좌대(14)에 상기 간격(18)내부를 기준압력으로 유지시켜주기 위한 석영튜브(24)가 삽입되는 구멍(16)이 형성된 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리카다이아프램(12)의 일부분이 석영유리좌대(14)로부터 이격되어 상기 간격(18)을 형성되도록 된 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 휨정도측정장치(30)가, 광원(52)과 이 광원(52)에서 조사된광선을 상기 실리카다이아프램(12)의 제1위치로 전송시켜 주는 광전송수단, 상기 광원(52)에서 조사된 광선을 다이아프램(12)의 제2위치로 전송시켜주는 광전송수단, 상기 다이아프램(12)의 제1위치와 제 2위치에서 반사형성된 줄무늬 간접광선을 차단해서 전송하는 광전송수단 및, 상기 줄무늬형상을 계수해서 실리카다이아프램(12)의 휨량을 결정해주는 휨량결정수단들로 이루어진것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  5. 제5항에 있어서, 상기 광원(52)에 조사된 빛을 실리카다이아프램(12)의 제1위치와 제2위치로 전송해 주는 광전송수단이 광케이블(38, 46)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  6. 제6항에 있어서, 상기 광케이블(38, 46)끝에 이를 광원(53)과 연결키기 위한 커플러(42)가 설치된 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 실리카다이아프램(12)의 제1위치와 제2위치에서 반사형성된 줄무늬의 간접광선을 차단해서 전송하는 광전송수단이 광케이블(40, 48)로 이루어진것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  8. 제8항에 있어서, 상기 광케이블(40, 48)의 끝에 줄무늬의 간접광선을 차단해서 집속시키는 브라인드인덱스 막대렌즈(36)가 설치된 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
  9. 제5항에 있어서, 상기 실리카다이아프램(12)의 제1위치가 이 실리카다이아프램(12)의 중심부이고, 제2위치가 이 중심부에서 반경방향으로 약간 이격된 곳인 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀유서.
  10. 제5항에 있어서, 상기 광원(52)이 응집레이저원으로된 것을 특징으로 하는 고온고압트랜스듀우서.
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