KR19990077160A - 온도 측정용 프로브 - Google Patents

Abstract

온도 측정용 프로브는 열전쌍 또는 저항 온도계가 삽입될 수 있는 구멍을 갖는 프로브 몸체를 포함하며, 열전쌍 또는 저항 온도계의 열감지 팁이 프로브 몸체의 전방부로부터 돌출되어 있다. 프로브 몸체의 전방부는 구멍에서부터 짧은 거리에 연장되어 있는 환형 간격(10)을 갖는다.

Description

온도 측정용 프로브

이러한 프로브 몸체에 관해서는 공지되어 있다. 일반적으로, 프로브 몸체는 원통형이고 전방 단부가 원추형으로 테이퍼져 있다. 프로브 몸체의 후방 단부는 이들이 나사 장착되기 위한 나사산(thread)이 구비되어 있다. 종래의 열전쌍, 즉 양호하게는 소형의 외피(sheath)로 피복된 열전쌍이 원통형 구멍 내로 삽입된다. 이러한 열전쌍은 절연 재료에 내재되어 있고 금속 차폐재, 즉 외피에 의해 둘러싸인 상이한 금속으로 제조된 2개의 코어를 통상 포함하고, 상기 절연 재료는 높은 유전체 저항을 갖는 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄이다. 통상 사용되는 외피 재료는 스테인레스강이다. 사용되는 열전쌍 코어는 전방 단부가 서로 용접된 니켈크롬-니켈(NiCr-Ni) 와이어가 통상 사용되고 있다. 1200℃ 이상에서, 백금-로듐-백금 열전쌍이 또한 사용된다.

이러한 형태의 열전쌍을 포함한 서모프로브(thermoprobe)는 다양한 목적으로 사용된다. 문제는 이들이 고압이고 신속한 온도 측정을 요하는 반응기 또는 반응기 관에서의 온도 측정에 사용될 때 발생한다. 높은 압력은 프로브 몸체용으로 두꺼운 벽을 필요로 하므로, 이는 견고하게 설계되어야 한다. 이는 비교적 완만한 온도의 변화를 가져와서, 열전쌍의 팁(tip)에 전달된다. 이러한 서모프로브가 사용되는 설비는 예를 들어 1500 내지 3500 bar 사이의 작동 압력에서 에틸렌의 가압에 의해 반응이 수행되는 고압의 폴리에틸렌 설비를 포함한다. 이러한 반응기에서, 약 40개의 서모프로브는 대응되는 온도 프로파일(profile)의 맵(map)을 작성하는 데에 사용되고, 프로브 몸체는 통상 8 내지 10 ㎜의 직경을 갖는다. 프로브 몸체 내에 삽입된 열전쌍의 직경은 통상적으로 약 2 ㎜이다.

본 발명은 열감지 팁(thermo sensitive tip)이 프로브(probe) 몸체의 전방부로부터 돌출된 열전쌍(thermocouple)이 삽입될 수 있는 원통형 구멍을 갖는 프로브 몸체를 포함하는 온도 측정용 프로브에 관한 것이다.

도1은 반응기 관 내에 설치된 종래 설계의 프로브를 도시한 단면도이다.

도2는 도1에 도시된 프로브의 전방부의 확대 단면도이다.

도3은 본 발명에 따른 프로브의 제 1실시예를 도시한 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 프로브의 제 2실시예를 도시한 단면도이다.

도5는 도2에 따른 종래의 프로브의 경우에 있어, 시간의 함수로 온도의 디스플레이(display)를 도시한 도표이다.

도6은 도4에 따른 프로브의 경우에 있어, 시간의 함수로 온도의 디스플레이를 도시한 도표이다.

본 발명의 목적은 고압, 고온 및 고속으로 유동하는 반응체와 관련된 반응기에 사용될 수 있고, 그럼에도 불구하고 급속한 온도 변화를 탐지할 수 있는 서모 프로브를 구비하는 것이다.

본 발명에 의하면, 원통형의 구멍에서 짧은 거리에 환형 간격이 구비된 프로브 몸체의 전방부에 의해 상기 목적이 달성됨을 알 수 있었다. 상기 환형 간격은 통상 0.1 내지 0.5 ㎜, 양호하게는 0.1 내지 0.2 ㎜로 가급적 작은 두께를 갖는다. 상기 환형 간격의 길이는 5 내지 20 ㎜, 양호하게는 10 내지 15 ㎜이다. 환형 간격은 레이저 빔에 의해 형성되었을 수도 있다. 상기 환형 간격은 적어도 하나의 단차진 직경 감소 부분을 갖는 프로브 몸체의 전방부에 의해 또한 형성될 수 있고, 전방부 내경이 프로브 몸체의 전방부보다 큰 캡이 상기 직경 감소 부분 위에 끼워졌고, 그 결과 환형 간격이 형성된다. 캡은 프로브 몸체에 용접될 수도 있다.

본 발명에 의한 프로브는 고압, 고온 및 빠른 유속이 발생하는 설비에서 신속히 온도를 측정할 때 특히 적합하다. 이는 화학 반응기, 교반기, 관형 반응기, 이들 장치로의 공급기 및 파이프 연결부에 사용되는 경우이다. 양호하게는, 이러한 프로브는 가스 상태 및 초임계 매체 상태인, 예를 들어 폴리올레핀을 준비하는 중합 반응기에 사용될 수 있다. 루프 반응기 내의 현탁 중합 반응의 경우에, 이들 프로브는 마찬가지로 효과적으로 사용될 수 있다.

이러한 경우에, 통상 압력은 30 내지 5000 bar, 양호하게는 50 내지 3500 bar, 특히 1000 내지 3500 bar의 범위이고, 온도는 20 내지 1000℃, 양호하게는 50 내지 500℃, 특히 100 내지 400℃의 범위이다. 유속의 범위는 1 내지 50 ㎧, 양호하게는 5 내지 15 ㎧이다.

사용된 열전쌍은 다양하게 설계된 소형의 외피로 피복된 열전쌍일 수 있고, 양호하게는 니켈크롬-니켈 와이어로 만들어진 것이고, 이들은 전방 단부에서 함께 용접되어 있다. 백금-로듐-백금 열전쌍 및 다른 기존의 열전쌍이 이 경우에 마찬가지로 사용된다. 열전쌍의 상기 와이어는 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄 같은 비도전성 절연 재료에 내재되고 금속 차폐재, 즉 외피에 의해 둘러 싸여져 있다. 전방 단부에서 열전쌍은 금속 캡에 의해 외피와 결합되어 있다. 상기 캡은 발생되는 고온, 고압 및 높은 유속에 둔감해야 한다. 캡은 양호하게는 반구형이다.

열전쌍의 대안으로서, 저항 온도계 또는 측정 션트(shunt), 예를 들어 독일 공업 규격 IEC 751에 의하면 특히 효과적으로는 백금 저항 온도계 및 백금 측정 션트의 사용이 또한 가능하다. 이들 저항 온도계는 온도에 반응하는 보호 덮개 내의 측정 션트와, 전기적 측정 기구에 연결하기 위한 내부 공급 리드(lead)와 외부 단자를 포함한다.

본 발명의 추가 상세한 설명 및 장점은 도면에 도시된 실시예로부터 이해될 수 있다.

도1에 도시된 실시예의 경우에 있어, 관형 반응기 내에 설치된 종래 설계의 프로브가 도시되어 있다. 외피로 피복된 열전쌍(3)이 삽입되고 열감지 팁(thermo sensitive tip, 3A)을 갖는 프로브 몸체(1) 내에 원통형 구멍(2)이 구비된다. 프로브 몸체(1)는 반응기 관(6)의 플랜지(6A, 6B) 사이에 압력이 새지 않는 형태로 장착된 연결부(5)의 원통형 리세스(4) 내에 장착된다. 반응기 관(6)에서, 예를 들어 생산되는 에틸렌의 가압에 의한 폴리에틸렌의 생산에 관계되는 반응의 경우에 있어 그것이 500 내지 5000 bar, 양호하게는 500 내지 3500 bar 사이의 작동 압력이 발생되는 것이 가능하다. 동시에, 300 내지 1000℃의 범위일 수 있는 온도의 큰 증가가 발생될 수 있다. 연결부(5)는 플랜지(6A, 6B)를 통하여 연결 헤드(8)의 연결부(7)에 나사 결합되고, 전기 리드는 연결부(8A)를 통하여 디스플레이 장치에 연결된다.

연결부(5) 내에 삽입된 프로브 몸체(1)는 그의 전방 단부(1A)와 함께 반응기 관(6) 내에 돌출된다. 이러한 구조는 도2에 도시된 실시예에서부터 이해될 수 있다. 전방 단부에서 외경이 9 ㎜인 원통형 프로브 몸체(1)는 중심축에 대해 30도로 형성된 각을 갖는 절두원추(truncated cone, 1A)의 형상을 갖는다. 팁의 외경은 5 ㎜이다. 직경이 2.2 ㎜인 원통형 구멍(2)은 프로브 몸체(1) 내의 중심을 통과한다. 팁(3A)을 갖고 외피로 피복된 니켈크롬-니켈 형태의 열전쌍(3)은 상기 원통형 구멍(2) 내에 삽입되어 있다. 프로브 몸체(1)는 위치(9)에서 연결부(5)에 환형으로 용접된다.

열전쌍의 팁(3A)은 정확한 작동 온도를 기록하기 위하여 가스 유동의 중심까지 통상 돌출된다. 도2에 의한 프로브 몸체의 종래 실시예의 경우에 있어, 그의 열 관성(thermal inertia)은 소정의 시간에 측정된 온도의 디스플레이에 상당한 시간 지연을 가져온다.

도3은 그 전방 단부에 환형 간격(10)이 구비된 본 발명에 의한 프로브 몸체의 실시예를 도시한 것이다. 이러한 환형 간격(10)은 본 실시예에서 길이가 15 ㎜이고 폭이 0.2 ㎜이다. 외피로 피복된 열전쌍(3)용 원통형 구멍(2)의 직경은 1.5 ㎜이고, 환형 간격(10) 내부에 위치된 프로브 몸체(1)의 원통형 부분(1B)의 직경은 3.2 ㎜이다. 도2에 따른 실시예와 달리, 환형 간격의 내부에 위치된 프로브 몸체(1)의 원통형 부분은 원추부(1A)의 단부에 대향하는 그 팁에서 원통형 부분(1B)에 의해 2 ㎜ 만큼 연장되어 있다. 상기 부분(1B)의 전방 단부는 그의 외부 형상이 반구형인 용접부(16)에 의해 폐쇄된다. 외피로 피복된 열전쌍(3)이 원통형 구멍(2) 내에 압력이 새지 않는 형태로 장착되는 것을 보장하기 위하여, 상기 원통형 구멍은 외피로 피복된 열전쌍(3)이 삽입된 후에 단조 또는 압연에 의해 수축되어, 통상 냉간 용접되도록 한다. 환형 간격(10)은 레이저 빔에 의해 절개된다.

본 발명에 의한 서모프로브로 특히 유리하게 제조될 수 있는 추가 실시예가 도4에 도시되어 있다. 도시된 예에서 9 ㎜의 직경을 갖는 프로브 몸체(1)는 그 직경이 7 ㎜이고 길이가 20 ㎜인 단차진 견부(11)를 구비한다. 이어서, 직경이 6 ㎜이고 길이가 9 ㎜인 추가의 단차진 견부(12)가 구비된다. 상기 견부에 인접한 것은 팁까지 연장하고 그 직경이 3.2 ㎜인 견부(13)이다. 원통형 구멍(2)은 1.5 ㎜의 직경을 갖는 외피로 피복된 열전쌍용으로 동일한 직경을 갖는다.

그 외경이 9 ㎜로 프로브 몸체(1)의 외경과 같은 캡(14)은 상기 프로브 몸체(1) 위에 끼워져 있다. 캡(14)의 내부는 프로브 몸체(1)의 단차(11, 12, 13)의 직경에 해당하는 단차진 리세스가 구비되어 있다. 영역(11, 12)에서, 이들 대응되는 두 부분들은 정확하게 결합한다. 프로브 몸체(1)의 영역(13)에서, 캡(14)의 리세스의 직경은 프로브 몸체의 직경보다 0.4 ㎜ 더 크고, 그 폭이 0.2 ㎜인 소정의 원통형 간격(10)이 그 결과로 형성된다. 프로브 몸체(1)의 전방부(13)는 캡(14)의 원추형 단부(14A)를 지나 3 ㎜ 더 돌출되어 있다. 캡(14)은 용접부(15)에 의해 프로브 몸체(1)에 고정되어 있다. 캡(14)의 전방부(14A)는 원추형으로 테이퍼져 있고, 프로브의 종축에 수직이고 외경이 5.2 ㎜인 에지(14B)에서 종결된다. 프로브 몸체(1)의 전방 단부는 용접된 캡(16)에 의해 폐쇄되어 있다.

그 온도를 측정해야 하는 매체의 유속이 아주 큰 경우에 있어, 캡(14)에서 돌출된 프로브 몸체(1)의 팁이 굽어 형상이 변하여 캡(14)의 전방부(14A)에 기대게 되는 상황이 발생할 수 있다. 이는 본 발명에 의한 간격(10)의 효과를 줄이게 된다. 이는 본 발명의 유리한 개선에 의하면, 프로브의 축에 수직인 캡(14)의 상기 에지(14B)에 의해 방지될 수 있고, 상기 에지는 설치 후에 프로브의 종축에 평행하고 이들 에지가 영역(14B) 내의 프로브 몸체(1)와 접촉하기에 충분한 두께를 갖는 다수의, 양호하게는 3 또는 4개의 전형적인 원추형 비드(bead)를 구비한다. 명백하게는, 결과적으로, 프로브 몸체(1)와 캡(14) 사이의 약간 증가된 열전도가 발생되나, 이는 측정하고자 하는 매체의 높은 유속에서 본 발명에 따른 프로브의 증가된 강성의 관점에서 수용될 수 있다.

종래의 프로브에서 발생되는 온도 지시 지연은 도5에 도시되어 있다. 이는 초기값을 설정하기 위해 20℃의 유조(oil bath)에 프로브를 먼저 담그는 것이 필요 하였다. 그 다음 프로브는 200℃의 유조에 담겨지고 지연 시간이 측정되었다. 도5에 도시된 곡선에서부터, 최종 값의 63%에 해당하는 시간 상수(τ)는 7.7초 후에 도달하게 되는 것을 알 수 있다. 최종 값의 90%인 온도는 17.4초가 되어서야 도달한다.

도6에 도시된 도표는 본 발명의 설계에 의한 프로브로 얻어진 결과를 도시한 것이다. 여기에서, 시간 상수(τ)는 2.45초이다. 최종 값의 90%는 5.1초만큼 짧은 시간 후에 도달한다. 최종 값의 95%가 될 때의 시간인 정착 시간(settling time)은 상기 실시예에서 10초 이하이다.

상기 두 도표를 비교하면 종래의 프로브에 비하여 본 발명에 따른 프로브가 온도 변화를 보다 더 빨리 탐지한다는 것을 알 수 있다.

Claims (10)

1. 온도 측정용 프로브에 있어서,

   열전쌍 또는 저항 온도계가 삽입될 수 있는 원통형 구멍을 갖는 프로브 몸체를 포함하며, 열전쌍 또는 저항 온도계의 열감지 팁이 프로브 몸체의 전방부로부터 돌출되고, 프로브 몸체(1)의 전방부는 원통형 구멍(2)에서부터 짧은 거리에 환형 간격(10)을 구비하는

   것을 특징으로 하는 프로브.
2. 제1항에 있어서, 상기 환형 간격(10)은 0.1 내지 0.5 ㎜, 양호하게는 0.1 내지 0.2 ㎜의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 프로브.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환형 간격(10)의 길이는 5 내지 20 ㎜, 양호하게는 10 내지 15 ㎜인 것을 특징으로 하는 프로브.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 프로브 몸체(1)의 전방부는 적어도 하나의 단차진 직경 감소 부분(11)을 포함하며, 감소된 직경을 갖는 상기 부분(11)은 그 내경이 환형 간격(10)의 폭의 2배만큼 큰 캡(14)에 의해 덮여지는 것을 특징으로 하는 프로브.
5. 제4항에 있어서, 프로브 몸체(1)의 전방부는 연속적으로 감소하는 직경을 갖는 적어도 2개의 단차(11, 13)를 포함하며, 그 후방부의 캡(14)은 제1 단차(11)에 해당하는 내경을 갖고 그에 의해 프로브 몸체(1)에 체결되는 것을 특징으로 하는 프로브.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 캡(14)은 가장 크게 감소된 직경을 갖는 부분(13)의 전방 위치의 부분(12)에서 상기 프로브 몸체에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 프로브.
7. 제6항에 있어서, 그 후방부의 캡(14)은 용접부(15)에 의해 프로브 몸체(1)에 용접되는 것을 특징으로 하는 프로브.
8. 제7항에 있어서, 캡(14)의 전방 단부는 프로브 몸체(1)의 종축에 평행하게 유입된 다수의 비드, 양호하게는 3개 또는 4개의 비드에 의해 변형되는 것을 특징으로 하는 프로브.
9. 상기 전 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 프로브 몸체(1)의 전방 단부는 용접된 캡(16)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 프로브.
10. 고온, 고압 및/또는 높은 순간 유속을 필요로 하는 공정의 경우에 있어 온도의 변화를 측정하기 위하여 상기 전 청구항 중의 어느 한 항에 의한 프로브의 사용.