압력 게이지

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배경

현대 세계의 많은 프로세스에는 가압 액체 및 가스 시스템의 측정 및 제어가 포함됩니다. 이 모니터링은 프로세스의 바람직한 결과를 생성하고 안전한 작동을 보장하기 위해 제어되어야 하는 특정 성능 기준을 반영합니다. 보일러, 정유소, 수도 시스템 및 압축 가스 시스템은 압력계의 많은 응용 분야 중 일부에 불과합니다.

기계적 압력 표시 장치 또는 게이지는 탄성 압력 요소로 구성됩니다. "소켓"이라고 하는 스레드 연결 수단; "움직임"이라고 불리는 섹터 및 피니언 기어 메커니즘; 및 보호 케이스, 다이얼 및 뷰잉 렌즈 어셈블리. 탄성가압요소는 실제로 압력의 영향으로 변위 또는 이동하는 부재이다. 적절하게 설계된 이 압력 요소는 매우 정확하고 반복 가능합니다. 압력 요소는 기어드 "무브먼트" 메커니즘에 연결되어 있으며, 이 메커니즘은 눈금이 매겨진 다이얼 전체에서 포인터를 회전시킵니다. 뷰어가 압력 표시를 결정하는 데 사용하는 눈금에 대한 포인터의 위치입니다.

가장 일반적인 압력계 디자인은 1849년 프랑스 산업가 Eugene Bourdon에 의해 발명되었습니다. 압력 감지 요소로 곡선형 튜브 디자인을 사용합니다. 덜 일반적인 압력 요소 디자인은 다이어프램 또는 디스크 유형으로, 특히 낮은 압력에서 민감합니다. 이 기사는 부르동관 압력계에 초점을 맞출 것입니다.

디자인

부르동관 게이지에서 "C"자 모양의 속이 빈 스프링 튜브는 한쪽 끝이 닫혀 있고 밀봉되어 있습니다. 반대쪽 끝은 나사산 연결 수단인 소켓에 단단히 밀봉되고 접합됩니다. 압력 매체(공기, 기름, 물 등)가 소켓을 통해 튜브에 들어갈 때 내부에서 외부로의 압력 차이로 인해 튜브가 움직입니다. 이 움직임을 물로 압력을 가하면 호스가 풀리는 현상이나 공기를 불어넣으면 호스가 풀리는 파티 호루라기와 관련될 수 있습니다. 이 움직임의 방향은 튜브의 곡률에 의해 결정되며 내부 반경은 외부 반경보다 약간 짧습니다. 특정 양의 압력으로 인해 "C" 모양이 특정 거리를 늘리거나 늘립니다. 압력이 제거되면 튜브 재료의 스프링 특성으로 인해 튜브가 원래 모양으로 돌아가고 팁은 소켓에 대한 원래 위치로 돌아갑니다.

원자재

압력 게이지 튜브는 많은 재료로 만들어지지만 이러한 재료의 공통 설계 요소는 스프링 템퍼링에 대한 적합성입니다. 이 템퍼링은 열처리의 한 형태입니다. 이것은 금속이 하중을 받는 동안 구부러지거나 "탄성"을 허용하면서 원래 모양을 밀접하게 유지하도록 합니다. 거의 모든 금속에는 어느 정도의 탄성이 있지만 스프링 템퍼링은 이러한 바람직한 특성을 강화합니다. 베릴륨 구리, 인청동 및 다양한 강철 및 스테인리스강 합금 모두 우수한 부르동관을 만듭니다. 선택한 재료 유형은 공정 매체(물, 공기, 오일 등)와 관련된 부식 특성에 따라 다릅니다. 강철은 부식으로 인해 수명이 제한되지만 오일에는 적합합니다. 특정 내식성이 요구되지 않는 경우 스테인리스 스틸 합금은 비용을 추가합니다. 베릴륨 구리는 일반적으로 고압 응용 분야에 사용됩니다. 대부분의 게이지 의도 압력계 제조의 중요한 단계는 C자 모양의 부르동관을 만드는 것입니다. 이 단계에서 금속 튜브는 자동 롤링 기계의 홈이 있는 롤러를 통해 당겨집니다. 하나의 롤러는 튜빙 끝을 잡고 내부 반경을 형성하는 반면, 다른 롤러는 튜빙과 균일한 접촉을 유지하기 위해 외부 압력을 제공합니다. 튜브를 잡고 구부리는 동일한 롤러에도 톱날이 포함되어 있습니다. 롤러가 구부러진 후 계속 회전하면 롤러의 톱날이 튜브를 적절한 길이로 자릅니다. 공기, 경유 또는 물의 일반적인 사용은 인청동을 사용합니다. 튜브의 압력 범위는 튜브 벽 두께와 곡률 반경에 의해 결정됩니다. 탄성 한계를 초과하면 튜브가 파손되고 정확도가 손실되기 때문에 기기 설계자는 정확한 설계 및 재료 선택을 사용해야 합니다.

소켓은 일반적으로 황동, 강철 또는 스테인리스 강으로 만들어집니다. 경량 게이지는 때때로 알루미늄을 사용하지만 이 재료는 압력 서비스가 제한되어 있고 납땜이나 브레이징으로 부르동관에 결합하기 어렵습니다. 압출 및 압연 봉재 모양이 가장 일반적으로 사용됩니다.

무브먼트 메커니즘은 유리로 채워진 폴리카보네이트, 황동, 양은 또는 스테인리스 스틸로 만들어집니다. 어떤 재료를 사용하든 안정적이어야 하고 마찰이 없는 조립이 가능해야 합니다. 황동 및 황동과 폴리카보네이트의 조합이 가장 많이 사용됩니다.

부르동관과 무브먼트를 보호하기 위해 어셈블리는 케이스와 뷰잉 렌즈 안에 들어 있습니다. 보는 사람에게 압력 표시를 제공하는 데 사용되는 다이얼과 포인터는 거의 모든 기본 금속, 유리 및 플라스틱으로 만들어집니다. 알루미늄, 황동, 강철, 폴리카보네이트 및 폴리프로필렌은 우수한 게이지 케이스와 다이얼을 만듭니다. 대부분의 렌즈는 폴리카보네이트 또는 아크릴로 만들어지며 명백한 안전상의 이유로 유리보다 선호됩니다. 가혹한 서비스 응용 분야의 경우 케이스가 밀봉되고 글리세린 또는 실리콘 유체로 채워집니다. 이 유체는 충격과 진동으로 인한 손상으로부터 튜브와 움직임을 완충합니다.

부르동관을 만든 후 그 닫힌 끝을 납땜, 납땜 또는 용접하여 소켓에 부착합니다. 부르동관의 자유단은 이 조립 작업 동안 정확하게 위치를 잡은 다음 일반적으로 튜브를 소켓에 연결하는 데 사용되는 몇 가지 방법으로 밀봉합니다.
부르동관과 소켓 어셈블리가 고정되면 'C'의 지지되지 않는 끝 부분이 엔드피스에 부착됩니다. 이 엔드피스에는 팁을 기어드 이동 메커니즘에 연결하는 작은 구멍이 있습니다. 그런 다음 다른 구성 요소(무브먼트, 포인터 및 다이얼)는 소켓에 그룹으로 조립됩니다.

제조
프로세스

부르동관 만들기

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1 부르동관은 악기에서 가장 중요한 부분입니다. 튜브는 원하는 내경으로 길이를 천공하고 적절한 벽 두께를 얻기 위해 선반에서 외경을 돌려 솔리드 바 스톡으로 만들 수 있습니다. 그러나 대부분의 범용 게이지는 금속 공급업체에서 구입한 미리 성형된 튜브를 사용합니다. 게이지 빌더는 원하는 벽 두께, 재료, 구성 및 직경을 지정합니다. 공급업체는 생산 준비가 된 10~12피트(3~3.65미터) 길이의 재료를 제공합니다.

2 대부분의 제조업체는 튜빙을 "C" 모양으로 롤링하기 위한 독점적인 롤링 방법을 엄격하게 보호합니다. 튜브의 "C"자 모양은 일반적으로 자동 롤링 기계에서 형성됩니다. 이 기계에는 튜브가 통과하는 두 개의 정밀 전동 롤러가 있습니다. 하나의 롤러는 튜빙 끝을 잡고 내부 반경을 형성하는 반면, 다른 롤러는 튜빙과 균일한 접촉을 유지하기 위해 외부 압력을 제공합니다. 각 롤러에는 튜브 외부에 맞는 홈이 있습니다. 이 홈을 사용하면 튜브가 평평해지지 않고 원형을 유지할 수 있습니다. 압연 과정에서 강철 맨드릴(튜브를 롤러로 안내하고 모양을 유지하는 데 도움이 되는 막대)이 먼저 튜브의 자유 단부를 통해 삽입되고 롤러 바로 앞에 위치합니다. 이 윤활된 맨드릴은 타원형의 원하는 내부 모양입니다. 그런 다음 튜빙은 맨드릴과 롤러 사이를 통과합니다. 하나의 롤러에는 튜브를 잡는 클립이 포함되어 있습니다. 롤러가 회전하면서 튜브를 잡아당겨 "C"자 모양으로 구부러집니다.

3 튜브를 잡고 구부리는 동일한 롤러에도 톱날이 포함되어 있습니다. 롤러가 구부러진 후 계속 회전하면 롤러의 톱날이 튜브를 적절한 길이로 자릅니다. 그런 다음 튜브는 오븐에서 열처리됩니다.

기타 구성요소

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4 소켓은 기본적으로 압력 매체 소스에 대한 커넥터 역할을 하는 금속 블록입니다. 케이스, 다이얼 및 무브먼트용 마운트; 부르동관의 부착 슬롯으로 사용됩니다. 소켓의 한쪽 끝은 나사산으로 되어 있어 압력 제공 장치에 나사로 고정할 수 있습니다. 소켓은 바 스톡에서 주조, 단조, 압출 또는 기계 가공될 수 있습니다. 대부분의 소켓은 한 사이클에서 회전, 드릴, 밀링 및 나사산을 모두 처리하는 자동화된 머시닝 센터에서 만들어집니다. 일반적인 가공 방식은 대부분의 소켓 제조에 적용됩니다.

5 무브먼트는 피니언(회전축), 섹터, 지지 플레이트, 헤어스프링 및 스페이서 기둥을 포함하는 기어 메커니즘입니다. 이 메커니즘은 Bourdon 팁의 다소 선형 변위를 회전 운동으로 변환하고 보정 조정 수단을 제공합니다. 포인터는 회전축 또는 피니언에 고정되어 있으며 압력 양을 나타내는 눈금이 표시된 다이얼을 가로질러 쓸어넘깁니다. 대부분의 움직임은 사용할 준비가 된 게이지 빌더에 제공됩니다. 무브먼트 구성 요소를 생산하는 데 여러 유형의 제조 공정이 사용되며, 메커니즘의 솜씨는 완료되었을 때 시계 장치와 매우 유사합니다.

6 케이스, 다이얼 및 포인터는 판금 스탬핑, 플라스틱 몰딩 또는 주물일 수 있습니다. 스탬핑 및 몰딩은 추가 처리가 거의 필요하지 않지만 주물은 최종 요구 사항을 충족하기 위해 일부 기계 가공(예:초과 재료 제거)이 필요합니다. 이러한 구성 요소는 필요에 따라 칠해지고 다이얼은 적절한 삽화로 인쇄됩니다. 오프셋 및 다이렉트 방법을 모두 사용하는 일반적인 인쇄 방식이 사용됩니다. 렌즈는 가장 일반적으로 사출 성형으로 만들어진 플라스틱 부품으로, 플라스틱을 용융 상태로 가열한 다음 원하는 모양의 금형에 붓습니다. 렌즈를 케이스에 고정하고 밀봉하는 부착 기능은 금형에 설계되었습니다. 유리 렌즈는 여전히 사용되지만 어떤 유형의 링으로 고정되어야 합니다. 유리는 파손의 안전 문제 때문에 인기가 떨어졌습니다.

최종 조립

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7 부르동관을 만든 후, 그 닫힌 끝을 소켓에 납땜, 브레이징 또는 용접하여 부착합니다. 부르동관의 자유단은 이 조립 작업 동안 정확하게 위치를 잡은 다음 일반적으로 튜브를 소켓에 연결하는 데 사용되는 것과 동일한 방법으로 밀봉합니다. 부르동관과 소켓 어셈블리가 고정되면 "C"의 지지되지 않는 끝 부분이 엔드피스에 부착됩니다. 이 엔드피스에는 팁을 기어드 이동 메커니즘에 연결하는 작은 구멍이 있습니다. 부르동 팁은 일반적으로 0.125~0.25인치(0.31~0.63센티미터)의 압력 범위 내에서 먼 거리를 이동하지 않습니다. 당연히 압력이 클수록 팁이 더 멀리 움직입니다. 그런 다음 다른 구성 요소(무브먼트, 포인터 및 다이얼)는 소켓에 그룹으로 조립됩니다.

보정

교정은 보호 케이스와 렌즈에 게이지의 최종 조립 직전에 발생합니다. 소켓, 튜브 및 무브먼트로 구성된 어셈블리는 알려진 "마스터" 게이지가 있는 압력 소스에 연결됩니다. "마스터" 게이지는 단순히 알려진 교정의 고정밀 게이지입니다. 새 게이지가 마스터와 동일한 압력 판독값을 반영할 때까지 어셈블리에서 조정이 이루어집니다. 2% 차이의 정확도 요구 사항은 일반적이지만 일부는 1%, 0.5% 또는 0.25%일 수 있습니다. 정확도 범위의 선택은 공정의 제어 및 안전과 관련하여 원하는 정보가 얼마나 중요한지에 전적으로 달려 있습니다. 대부분의 제조업체는 0에서 전체 범위까지 270도 스위프를 특징으로 하는 눈금이 매겨진 다이얼을 사용합니다. 이 다이얼은 직경이 1인치(2.5센티미터) 미만에서 3피트(0.9미터)일 수 있으며 가장 큰 것은 일반적으로 극도의 정확도를 위해 사용됩니다. 다이얼 직경을 늘리면 눈금선 둘레가 길어져 미세한 마킹을 많이 할 수 있습니다. 이러한 대형 게이지는 일반적으로 매우 깨지기 쉬우며 마스터 목적으로만 사용됩니다. 마스터는 미국 국립 표준국(National Bureau of Standards)에 추적 가능한 매우 정확한 유압 장치인 자중 테스터를 사용하여 정기적으로 정확성을 검사합니다.

게이지 제조 사업이 초기 단계에 있었을 때 압력 요소의 이론적 설계가 여전히 발전하고 있었다는 점은 흥미롭습니다. 부르동관은 매우 일반적인 설계 매개변수로 만들어졌습니다. 각 관은 적합한 서비스 범위를 결정하기 위해 압력 테스트를 거쳤기 때문입니다. 압연 및 열처리 과정에서 발생하는 압력 범위가 정확히 무엇인지 알지 못했기 때문에 이러한 기기는 특정 응용 분야에 대한 교정 시 분류되었습니다. 오늘날 컴퓨터 모델링의 발전과 수십 년의 경험을 통해 현대 부르동관은 교정이 거의 필요하지 않은 특정 치수로 정밀하게 압연됩니다. 최신 보정은 전자적으로 제어되는 기계적 조정기를 사용하여 구성 요소를 조정하는 컴퓨터로 수행할 수 있습니다. 이것은 불행히도 보정 벤치에 앉아 있는 장인의 이미지를 없애고 시계와 같은 섬세한 무브먼트를 극도로 정밀하게 미세 조정합니다. 일부 악기 수리점은 여전히 ​​이 독특한 작업을 수행하며 이 아름다운 압력 게이지는 수년 전에 장인이 만든 시계 및 시계와 동일합니다.

응용 프로그램 및 미래

교정된 게이지가 조립 및 포장되면 다양한 애플리케이션에서 사용하기 위해 장비 제조업체, 서비스 회사 및 테스트 실험실에 배포됩니다. 이러한 다양한 응용 프로그램은 케이스 및 렌즈 인클로저의 광범위한 디자인을 설명합니다. 소켓은 후면, 상단, 하단 또는 측면에서 케이스에 들어갈 수 있습니다. 일부 다이얼은 눈금을 인쇄하는 데 사용되는 발광 잉크나 외부 전원에 연결된 작은 램프로 조명됩니다. 고압 서비스용 게이지는 일반적으로 Bourdon 튜브와 다이얼 사이에 상당한 두께의 케이스 재료를 배치하는 케이스 디자인 기능인 "데드 프론트(dead front)" 안전 설계입니다. 이 장벽은 과도한 압력으로 인해 부르동관이 파열되는 경우 계기 조각으로부터 기기 뷰어를 보호합니다. 내부 케이스 디자인은 이러한 고속 조각을 관찰자로부터 멀리 게이지 뒤쪽으로 향하게 합니다. 많은 응용 분야에서 게이지를 작동 중인 기계에 직접 장착해야 하므로 액체 충전이 필요합니다. 채워지지 않은 게이지는 진동의 파괴적인 영향에 빠르게 굴복합니다. 특수 장착 플랜지가 케이스에 고정되어 압력 배관과 무관하게 패널 및 표면 장착이 가능합니다. 케이스와 렌즈 재료는 다양한 가혹하거나 오염된 환경에 대처할 수 있도록 선택되었으며 다양한 수단으로 밀봉되어 무브먼트 메커니즘에서 습기와 오염 물질을 차단합니다.

향후 압력계의 사용은 빠르게 성장하는 전자 센서 산업에 의존하는 것으로 보입니다. 이 센서는 전기 신호를 제공하고 본질적으로 움직이는 부품이 없는 전자 부품입니다. 오늘날 많은 게이지에는 프로세스 제어 컴퓨터 및 컨트롤러에 정보를 보내기 위해 케이스 내에 이러한 센서가 이미 장착되어 있습니다. 이 센서는 본질적으로 안전하여 가연성 또는 폭발성 환경에서 사용할 수 있습니다. 전체 공정 제어 문제는 환경에 유해한 공정 매체의 우발적인 방출을 방지해야 할 필요성의 결과로 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 환경에 대한 우려가 커짐에 따라 이 인터페이스에 대한 수요가 증가하고 기계식 게이지가 적합하지 않을 수 있습니다. 그러나 기계식 게이지는 전자 센서에 필요한 전원이나 컴퓨터 장비가 필요하지 않습니다. 따라서 게이지는 대부분의 일반적인 용도에 대해 비용 효율적이며 업계에서는 이 분야에서 계속해서 번창할 것으로 기대합니다.