KR100489307B1 - Time-based flow controller for an incompressible fluid and method for controlling flow rate using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비압축성 유체의 체적 유량 또는 질량 유량을 시간에 기초하여 정확하게 측정하고 제어할 수 있는 시간식 비압축성 유체 유량 제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 순환 사이클을 이루며 체적 변화를 하는 하나 이상의 저장조(1); 상기 저장조(1)의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단(13); 상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단(3); 및 상기 유출개폐수단(3)이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조(1) 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단(13)을 개방하고, 상기 유입개폐수단(13)이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조(1)로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단(3)을 개방하되, 상기 유입개폐수단(13) 및 상기 유출개폐수단(3)의 단위 시간당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 단위 개폐 당 상기 저장조(1)에 저장·방출되는 비압축성 유체의 질량/체적을 제어함으로써, 상기 저장조(1)로부터 유출공급되는 비압축성 유체의 질량/체적 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간식 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공한다.The present invention relates to a timeless incompressible fluid flow control device capable of accurately measuring and controlling the volume flow rate or mass flow rate of an incompressible fluid based on time. The present invention comprises one or more reservoirs (1) that make up a circulation cycle and vary in volume; Inlet opening and closing means 13 for opening and closing the inlet of the reservoir (1); Outflow opening and closing means for opening and closing the outlet of the reservoir (3); And opening the inflow opening and closing means 13 so that incompressible fluid flows into the storage tank 1 while the outlet opening and closing means 3 is closed, and the incompressible fluid is opened in the state in which the inflow opening and closing means 13 is closed. The outlet opening and closing means 3 is opened to flow out of the storage tank 1, and the opening and closing number of the inflow opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means 3 and / or the inflow opening and closing means 13 and / or Control unit for controlling the mass / volume flow rate of the incompressible fluid flowing out from the reservoir 1 by controlling the mass / volume of the incompressible fluid stored and discharged in the reservoir 1 per unit opening and closing of the outlet opening and closing means (3) It provides a time incompressible fluid flow rate control device comprising a.
Description
본 발명은 비압축성 유체의 체적 유량 또는 질량 유량을 시간에 기초하여 정확하게 측정하고 제어할 수 있는 시간식 비압축성 유체 유량 제어장치에 관한 것이다. The present invention relates to a timeless incompressible fluid flow control device capable of accurately measuring and controlling the volume flow rate or mass flow rate of an incompressible fluid based on time.
종래의 유체 유량을 측정 및 제어하는 장치로, 매우 다양한 방식의 장치가 소개되고 있다. 예컨대 차압식 유량계(Differential pressure type), 용적식 유량계(Displacement type), 회전 추측식 유량계(Rotary inferential type), 액체 진동형 유량계(Fluid oscillatory type), 전자기식 유량계(Electromagnetic type), 초음파식 유량계(Ultrasonic type) 등이 그것이다. As a device for measuring and controlling a conventional fluid flow rate, a wide variety of devices have been introduced. Differential pressure type, Differential type, Rotary inferential type, Fluid oscillatory type, Electromagnetic type, Ultrasonic type ) And so on.
그러나, 그들 대부분은 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라, 그 설치 및 유지비가 많이 드는 문제점이 있었다. 또한, 상기 종래의 장치들은 압력 손실 또는 로테이션 등과 같은 파라미터로부터 유량을 추량하도록 되어 있는바, 이러한 파라미터들은 유체의 상태량, 예컨대 상이한 점성, 밀도 및 압축성 등에 따라 변화될 수밖에 없고, 그 측정 및 제어가 용이하지 않은 문제점을 가지고 있었다. However, most of them have not only a complicated structure, but also have a problem of high installation and maintenance cost. In addition, the conventional devices are designed to estimate the flow rate from a parameter such as pressure loss or rotation, and these parameters must be changed according to the amount of state of the fluid, for example, different viscosity, density and compressibility, and the measurement and control are easy. Had a problem that did not.
따라서, 매우 정밀하면서도 용이하게 측정 및 제어될 수 있는 변수에 기반을 둔 새로운 타입의 유량 제어장치가 요구되었다. Thus, there is a need for a new type of flow controller based on variables that can be measured and controlled very precisely and easily.
이러한 요구에 따라, 압축성 유체, 즉 가스상의 유체에 적용될 수 있는 유량 제어장치로서, 도1에 도시한 바와 같은 본 출원인의 PCT 공개특허 WO 02/054020호(발명의 명칭: TIME BASED MASS FLOW CONTROLLER AND METHOD FOR CONTROLLING FLOW RATE USING IT)가 제안된 바 있다. According to this demand, as a flow control device which can be applied to a compressive fluid, that is, a gaseous fluid, the present inventors have disclosed PCT Publication WO 02/054020 (name: TIME BASED MASS FLOW CONTROLLER AND) of the present invention. METHOD FOR CONTROLLING FLOW RATE USING IT) has been proposed.
개략적으로 살펴보면, 도1의 유량 제어장치는 저장조(101)와, 유입개폐수단(113)과, 유출개폐수단(103)과, 저장조(101) 내의 압력을 검출하기 위한 압력센서(105)와, 제어부를 포함하여 이루어진다. 유입개폐수단(113)은 유출개폐수단(103)이 폐쇄된 상태에서 개방되고, 유출개폐수단(103)은 유입개폐수단(113)이 폐쇄된 상태에서 개방된다. 제어부는 유입개폐수단(113) 및 유출개폐수단(103)의 단위 시간 당 개폐횟수 및/또는 유입개폐수단(113) 및 유출개폐수단(103)의 단위 개폐 당 저장조(101)에 저장·방출되는 가스의 질량/체적을 제어함으로써, 저장조(101)로부터 유출공급되는 가스의 질량/체적을 제어한다. 1, the flow rate control device of FIG. 1 includes a reservoir 101, an inflow opening and closing means 113, an outflow opening and closing means 103, a pressure sensor 105 for detecting pressure in the reservoir 101, It includes a control unit. The inflow opening and closing means 113 is opened while the outflow opening and closing means 103 is closed, and the inflow opening and closing means 103 is opened in the state where the inflow opening and closing means 113 is closed. The controller is stored and discharged in the storage tank 101 per unit opening and closing of the inflow opening and closing means 113 and the outflow opening and closing means 103 and / or the unit opening and closing of the inflow opening and closing means 113 and the outlet opening and closing means 103. By controlling the mass / volume of the gas, the mass / volume of the gas flowing out from the storage tank 101 is controlled.
상기 유량 제어장치는 저장조(101)로부터 유출공급되는 유량을 시간에 기초하여 정확히 측정하고 제어할 수 있는 장치로서, 그 측정 및 제어가 용이하면서도 정밀하다는 장점을 가진다. The flow control device is a device that can accurately measure and control the flow rate supplied from the reservoir 101 based on time, and has the advantage that the measurement and control is easy and precise.
미설명 도면 부호 111은 압력조절수단, 115는 완충조를 나타낸다. Reference numeral 111 denotes a pressure regulating means, and 115 denotes a buffer tank.
그러나, 도1의 유량 제어장치는 저장조(101) 내로 유입되는 가스상의 작동 유체에 기반을 두는 것이어서, 필연적으로 비압축성 유체의 유량의 측정 및 제어에 적용할 수 없는 한계를 가지고 있었다. However, since the flow control device of FIG. 1 is based on the gaseous working fluid flowing into the reservoir 101, it inevitably has a limitation that cannot be applied to the measurement and control of the flow rate of the incompressible fluid.
구체적으로 살펴보면, 도1의 장치에서는 저장조(101) 내의 압력은 낮은 압력으로부터 높은 압력으로의 압력 상승을 수반하고, 항상 일정한 사이즈의 저장조(101)를 사용하였다. 도1의 유량 제어장치는 유량을 정의하기 위한 파라미터로서 기지의 사이즈를 가지는 저장조(101)를 충전 및 방출하는데 소요되는 시간을 측정하는 것에 기초를 두고 있다. 중요한 것은 저장조(101)가 충만되었을 때의 유체의 양을 결정하는 것과 그 양이 정확하게 반복될 수 있도록 하여야 한다는 것이다. 상기 유량 제어장치에서는 저장조(101) 내의 압력이 압축성 유체의 체적 유량에 따라 단조롭게 아울러 거의 선형적으로 비교적 서서히 상승한다. Specifically, in the apparatus of FIG. 1, the pressure in the reservoir 101 is accompanied by a pressure rise from a low pressure to a high pressure, and a reservoir 101 of a constant size is always used. The flow control apparatus of FIG. 1 is based on measuring the time taken to fill and discharge the reservoir 101 having a known size as a parameter for defining the flow rate. It is important to determine the amount of fluid when the reservoir 101 is full and to ensure that the amount can be accurately repeated. In the flow rate control device, the pressure in the reservoir 101 rises relatively slowly monotonously and almost linearly according to the volume flow rate of the compressive fluid.
그러나, 상기 고정 체적 저장조(101)의 유량 제어장치를 그대로 비압축성 유체 유량 제어에 사용하는 경우, 매우 작은 유량이 저장조(101) 내로 유입되더라도 그 압력은 매우 급격하게 상승하게 된다. 이는 시간식 유량 제어장치를 무용화하게 하는 것이다. However, when the flow rate control device of the fixed volume reservoir 101 is used for incompressible fluid flow rate control as it is, even if a very small flow rate is introduced into the reservoir 101, the pressure rises very rapidly. This renders the time flow control device ineffective.
더욱 본질적인 문제점으로는, 상기 고정 체적 저장조로는 비압축성 유체의 유량을 제어할 수 없다는데 있다. A more essential problem is that the fixed volume reservoir is unable to control the flow rate of the incompressible fluid.
즉, 고정 체적 저장조는 That is, the fixed volume reservoir
V = const = C1 V = const = C 1
의 체적을 가진다. Has a volume of.
또한, 비압축성 유체는 그 정의에 따라 Incompressible fluids are also
υ = const = C2 υ = const = C 2
의 비체적을 가진다. Has a specific volume of.
따라서, 1사이클 당 저장조에 저장·방출되는 질량은 Therefore, the mass stored and released in the storage tank per cycle
m = V/υ = C1/C2 = constm = V / υ = C 1 / C 2 = const
가 된다. Becomes
따라서, 유입부의 입구 조건이 변하지 않는 이상, 비압축성 유체와 관련하여서 도1의 장치는 유량 제어장치로서의 개념은 더 이상 존재할 수 없는 것이다. Thus, as long as the inlet conditions of the inlet do not change, the concept of the flow control device of FIG. 1 with respect to incompressible fluid can no longer exist.
따라서, 본 출원인이 도1의 발명에서 의도하였던 시간에 기반을 둔 유량 제어장치의 이점을 그대로 계승하면서도 비압축성 유체에 적용될 수 있는 새로운 구성의 유량 제어장치가 요구되는 것이다. Accordingly, there is a need for a new flow control device that can be applied to an incompressible fluid while still inheriting the advantages of the time-based flow control device that the applicant intended in the invention of FIG.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 본 발명자의 기출원 발명의 이점을 비압축성 유체에 그대로 접목할 수 있도록 하는데 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable the advantages of the present invention to be applied to an incompressible fluid as it is.
즉, 본 발명의 목적은 측정 및 제어가 용이한 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공하는데 있다.That is, an object of the present invention is to provide an incompressible fluid flow rate control device that is easy to measure and control.
시간은 수정진자(quartz crystal timing device) 등을 사용하여 어떠한 물리량보다도 정밀하게 측정할 수 있는 영역이 되었다. 따라서, 본 발명은 정밀한 기구적 구성을 사용하지 않고도 간단히 비압축성 유체 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 제어장치를 제공할 수 있게 되고, 따라서, 매우 작은 유량에 대하여도 정밀한 유량 제어를 할 수 있는 것이다. Time has become an area that can be measured more precisely than any physical quantity using quartz crystal timing devices. Therefore, the present invention can provide a control device capable of precisely controlling the incompressible fluid flow rate simply without using a precise mechanical configuration, and therefore, it is possible to perform precise flow rate control even for a very small flow rate.
또한, 본 발명은 신뢰성 및 내구성면에서 매우 우수한 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공하게 될 것이다. In addition, the present invention will provide an incompressible fluid flow control device which is very excellent in reliability and durability.
또한, 본 발명은 우수한 성능을 보이면서도 설치 및 유지비가 적게 드는 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공할 수 있게 될 것이다. 예컨대, 현재, 시간 계측은 매우 정밀(1/108초)하면서도 저가로 측정될 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 점에 기초하여 비압축성 유체 유량을 시간에 기초하여 제어하도록 한 것에 특징이 있는 것이다.In addition, the present invention will be able to provide an incompressible fluid flow control device that exhibits excellent performance and low installation and maintenance costs. For example, at present, time measurement can be measured at very low cost (1/10 8 seconds). Accordingly, the present invention is characterized by controlling the incompressible fluid flow rate based on time.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 순환 사이클을 이루며 체적 변화를 하는 하나 이상의 저장조; 상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단; 상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단; 및 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방하되, 상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 비압축성 유체의 질량/체적을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 비압축성 유체의 질량/체적 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간식 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises one or more reservoirs making a volume change in the circulation cycle; Inlet opening and closing means for opening and closing the inlet of the reservoir; Outflow opening and closing means for opening and closing the outlet of the reservoir; And open the inflow opening and closing means so that incompressible fluid flows into the reservoir while the outlet opening and closing means is closed, and open the outlet opening and closing means so that incompressible fluid flows out of the storage tank while the inflow opening and closing means is closed. By controlling the number of opening and closing operations per unit time of the inflow opening and closing means and the outflow opening and closing means and / or the mass / volume of the incompressible fluid stored and discharged in the storage unit per unit opening and closing of the inflow opening and closing means and the outlet opening and closing means. It provides a time incompressible fluid flow rate control device comprising a control unit for controlling the mass / volume flow rate of the incompressible fluid to be supplied.
또한, 본 발명은 시간식 비압축성 유체 유량 제어방법을 제공하는데, 이에 따르면, 순환 사이클을 이루며 체적 변화를 하는 하나 이상의 저장조, 상기 저장조의 유입부를 개폐하는 유입개폐수단, 및 상기 저장조의 유출부를 개폐하는 유출개폐수단을 구비하는 시간식 비압축성 유체 유량 제어장치를 이용하여 질량/체적을 제어하는 방법으로서, 상기 유출개폐수단이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조 내로 유입되도록 상기 유입개폐수단을 개방하고, 상기 유입개폐수단이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 상기 저장조로부터 유출되도록 상기 유출개폐수단을 개방하되, 상기 유입개폐수단 및 상기 유출개폐수단의 단위 시간당 개폐 횟수 및/또는 상기 유입개폐수단 및 유출개폐수단의 단위 개폐 당 상기 저장조에 저장·방출되는 비압축성 유체의 질량/체적을 제어함으로써, 상기 저장조로부터 유출공급되는 비압축성 유체의 질량/체적 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention provides a time-incompressible fluid flow rate control method, according to one or more reservoirs that make up a circulation cycle, the volume change, inlet opening and closing means for opening and closing the inlet of the reservoir, and opening and closing the outlet of the reservoir A method of controlling mass / volume using a time-incompressible fluid flow control device having an outlet opening and closing means, the method comprising: opening the inlet opening and closing means so that incompressible fluid flows into the reservoir while the outlet opening and closing means is closed; The outlet opening and closing means is opened so that incompressible fluid flows out of the reservoir while the inflow opening and closing means is closed, and the number of opening and closing times per unit time of the inflow opening and closing means and the outlet opening and closing means and / or the inflow opening and closing means and the outflow opening and closing means Incompressible storage and discharging per unit opening and closing By controlling the mass / volume of the body, it characterized in that to control the mass / volume flow rate of the non-compressive fluid supplied from the reservoir outlet.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도2a 내지 도2c는 본 발명의 개념을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 2A to 2C are views for schematically illustrating the concept of the present invention.
도시한 바와 같이, 사이클 프로세스는, 먼저, 유체가 검사체적 내에 이미 존재하고 있는 상태에서, 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)이 폐쇄된다(도2a). 다음으로, 유입개폐수단(13)은 개방되고, 고압 유체가 검사체적, 즉 저장조(1) 내로 유입되고, 유입개폐수단(13)이 폐쇄되는 소정 시점까지 검사체적은 팽창된다(도2b). 다음으로, 유출개폐수단(3)이 개방되고, 저장조(1) 내의 유체는 방출된다(도2c).As shown, the cycle process firstly closes the inlet opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means 3 with the fluid already present in the test volume (Fig. 2A). Next, the inflow opening / closing means 13 is opened, and the inspection volume is expanded until a predetermined time point at which the high-pressure fluid flows into the inspection volume, that is, the reservoir 1, and the inflow opening and closing means 13 is closed (Fig. 2B). Next, the outlet opening and closing means 3 is opened, and the fluid in the reservoir 1 is discharged (Fig. 2C).
본 발명은 위와 같이 각 사이클동안 유체를 충전 및 방출하기 위하여 팽창 및 수축되는 저장조(1)를 사용하여, 물과 같은 비압축성 유체에 대해서도 그 유량을 제어할 수 있게 된다. 이로 인하여, 유입 유체가 캐비테이션(cavitation) 또는 분리(separation)를 수반함이 없이 부드럽게 인입되고 방출되게 된다. The present invention makes it possible to control the flow rate even for an incompressible fluid such as water by using the reservoir 1 which expands and contracts to fill and discharge the fluid during each cycle as described above. This allows the incoming fluid to be drawn in and released smoothly without involving cavitation or separation.
도3a 내지 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 저장조를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. 3A to 3D are views for schematically showing a reservoir according to various embodiments of the present disclosure.
비압축성 유체 유량 제어에 제안된 솔루션은 두 방식의 저장조 타입을 포함한다. 첫 번째는 팽창과 수축을 하는 유연성 저장조로서, 도3a의 벨로우즈 타입 저장조(1a) 또는 도3b의 유연성 막 타입 저장조(1b)이다. 두 번째는 도3c의 탄성수단 또는 도3d의 중력에 의하여 복귀되는 피스톤(2)을 구비하는 실린더 타입의 저장조(1c)이다. The proposed solution for incompressible fluid flow control includes two types of reservoir types. The first is a flexible reservoir for expansion and contraction, which is the bellows type reservoir 1a of FIG. 3A or the flexible membrane type reservoir 1b of FIG. 3B. The second is a cylinder type reservoir 1c having a piston 2 returned by the elastic means of FIG. 3c or the gravity of FIG. 3d.
벨로우즈 타입 저장조(1a)은 그 실제 적용에 가장 적합한 타입의 것이다. 왜냐하면 단순한 형태를 가지며, 센서 측정 및 제어 장비의 결합에 용이하게 조화될 수 있으며, 저장조 밀봉이 용이하기 때문이다. The bellows type reservoir 1a is of the type most suitable for its practical application. Because of its simple form, it can be easily matched to the combination of sensor measurement and control equipment, and the reservoir seal is easy.
벨로우즈 타입의 저장조(1a)는 저장조 내의 유체의 원활한 방출을 위하여 저장조(1a) 내의 압력 상승에 대항하여 작용하는 탄성수단을 구비할 수 있다. The bellows type reservoir 1a may be provided with an elastic means that acts against pressure rise in the reservoir 1a for smooth discharge of the fluid in the reservoir.
반면, 유연성 막 타입 저장조(1b)의 일관된 탄성 응답은 너무 짧은 수명을 가지며, 저장조(1b)의 사이즈를 정확하게 제어하기 위해 필요한 센서 장치들을 결합하는데 어려움을 야기한다. On the other hand, the consistent elastic response of the flexible membrane type reservoir 1b has a too short lifespan and causes difficulty in coupling the sensor devices necessary for accurately controlling the size of the reservoir 1b.
또한, 피스톤 타입 저장조(1c)는 유체 누설을 방지하기 위해 요구되는 공차를 얻기 힘들다. 유체 누설의 방지는 매우 중요한 사항이다. 왜냐하면, 유체 누설은 저 유량의 제어를 어렵게 하기 때문이다. 도시한 바와 같이, 실린더-피스톤 타입의 저장조(1c)는 비압축성 유체가 방출되도록 하기 위하여, 저장조(1c)의 체적 팽창에 대항하여 피스톤(2)에 작용하는 탄성수단(4a) 또는 질량추(4b)를 구비할 수 있다. 이 밖에, 피스톤(2)에 모터 액츄에이터을 연결하여 피스톤(2)을 기계적으로 작동시키는 것도 가능하다. In addition, the piston type reservoir 1c is difficult to obtain a tolerance required for preventing fluid leakage. Prevention of fluid leakage is very important. This is because fluid leakage makes it difficult to control low flow rates. As shown, the cylinder-piston type reservoir 1c has an elastic means 4a or a mass weight 4b acting on the piston 2 against the volume expansion of the reservoir 1c so that the incompressible fluid is released. ) May be provided. In addition, it is also possible to mechanically operate the piston 2 by connecting a motor actuator to the piston 2.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 개념을 설명하기 위하여, 시간에 대한 벨로우즈 타입 저장조의 체적 변화 사이클을 보여주는 도면이다. 4A-4C illustrate the volume change cycle of a bellows type reservoir over time to illustrate the concept of the present invention.
여기서 △V는 체적 변화, △tf는 충전 시간, △te는 방출 시간, T는 1 사이클에 소요되는 총시간을 나타낸다.Where ΔV is the volume change, Δt f is the charging time, Δt e is the discharge time, and T is the total time taken for one cycle.
유량을 측정하고 결과적으로 제어하는데 있어 가장 중요한 파라미터는 규정된 체적 사이에서 충전 및 방출의 1 사이클을 완료하는데 소요되는 시간이다. The most important parameter in measuring and consequently controlling the flow rate is the time taken to complete one cycle of charging and discharging between the defined volumes.
벨로우즈 타입의 저장조(1)가 팽창됨에 따라, 반발력은 후크의 법칙에 따라 증가된다. 따라서, 벨로우즈 팽창률은 감소된다. 충전 또는 방출에 소요되는 시간은 압력 차이에 비례하고, 상류의 △P(즉, 공급원의 압력과 하한체적으로 수축된 상태의 벨로우즈 압력의 차이)는 벨로우즈가 충만되었을 때의 압력과 대기압의 차이에 비하여 매우 낮다는 것을 알 수 있다. As the bellows type reservoir 1 is expanded, the repulsive force increases according to the law of the hook. Thus, the bellows expansion rate is reduced. The time taken to charge or discharge is proportional to the pressure difference, and the upstream ΔP (i.e., the difference between the source pressure and the bellows pressure in the contraction of the lower limit) is dependent on the difference between the pressure and atmospheric pressure when the bellows is filled. It can be seen that the comparison is very low.
도4b는 도4a에 비하여 저장조(1) 상류의 유체 압력을 증가시켰을 때 시간에 대한 체적 변화를 보여주는 도면이다. FIG. 4B shows the volume change with time when the fluid pressure upstream of the reservoir 1 is increased compared to FIG. 4A.
유입 압력을 증가시켜 충전 시간이 상당히 감소되었음을 알 수 있다. 충전과 방출 사이의 천이(물론, 그 역의 경우에도 같다.)는 순간적으로 이루어지지는 것이 아니라 각각의 밸브가 개방되고 폐쇄되는 동안의 유한한 시간을 필요로 한다. 이는 제어 소프트웨어가 밸브 상태 전환을 위한 내장 지연의 특징을 가져야 함을 의미한다. It can be seen that the filling time was significantly reduced by increasing the inlet pressure. The transition between filling and releasing (and vice versa) is not instantaneous but requires a finite amount of time for each valve to be opened and closed. This means that the control software should be characterized by a built-in delay for valve state transitions.
도4c는 사이클 시퀀스의 좀 더 실제적인 형태를 보여주는 도면이다. 점선은 최대 및 최소 변위 사이의 벨로우즈 거동을 보여준다. 최소 변위는 벨로우즈 변위가 항상 그 지점에 도달함을 보장하기 위하여 선택되었다. 센서로부터 판독되는 위치의 다소의 불일치는 0의 팽창에 대응하는 값이 항상 얻어지지 않음을 의미한다. 이를 방지하기 위하여 약간의 오프셋 베이스(base)(Vempty)가 규정된다. 최대 변위 또한 베이스에 관련되어 규정되었고, 요구 유량에 따라 달라질 수 있다.4c shows a more practical form of a cycle sequence. The dotted line shows the bellows behavior between the maximum and minimum displacements. The minimum displacement was chosen to ensure that the bellows displacement always reached that point. Some discrepancy in the position read from the sensor means that a value corresponding to zero expansion is not always obtained. In order to prevent this, a slight offset base V empty is defined. The maximum displacement is also specified relative to the base and may vary depending on the required flow rate.
사이클 속도의 제어는 시스템 사이클의 아래에 나타나는 추가적인 딜레이에 의하여 수행될 수 있다. Control of the cycle speed can be performed by an additional delay appearing below the system cycle.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. 5 is a view for schematically showing the overall configuration of the flow control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도5의 유량 제어장치는, 저장조(1), 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)과 함께 제어부를 구성부로서 포함하여 이루어진다. As shown in FIG. 5, the flow rate control device of FIG. 5 includes a control unit as a component along with the reservoir 1, the inflow opening and closing means 13, and the outflow opening and closing means 3.
저장조(1)는 순환 사이클을 이루며 체적 변화를 하는데, 도시된 벨로우즈 타입 저장조(1a) 뿐만 아니라, 전술한 유연성 탄성막 타입 저장조(1b) 및 실린더-피스톤 타입의 저장조(1c)가 사용될 수 있다. The reservoir 1 changes in volume in a circulating cycle. In addition to the bellows type reservoir 1a shown, the flexible elastic membrane type reservoir 1b and the cylinder-piston type reservoir 1c described above may be used.
유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)은 제어부의 제어에 따라 각각 저장조(1)의 유입부 및 유출부를 개폐한다. 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)은 개폐 시점에서 신속히 개폐를 달성할 수 있을 것이 요구되는데, 예컨대 고속 작동 밸브가 사용될 수 있다. 또한, 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 제어를 위하여 예컨대, 저장조(1)의 체적에 기초하여 고속 작동 밸브의 작동을 제어하는 전용 논리 디지털 머신이 사용될 수 있다. The inflow opening and closing means 13 and the outflow opening and closing means 3 open and close the inflow and outflow portions of the storage tank 1, respectively, under the control of the controller. The inflow opening and closing means 13 and the outflow opening and closing means 3 are required to be able to quickly open and close at the time of opening and closing, for example, a high speed actuating valve may be used. Further, for the control of the inlet opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means 3, for example, a dedicated logic digital machine for controlling the operation of the high speed actuating valve based on the volume of the reservoir 1 can be used.
제어부의 제어에 따라, 유입개폐수단(13)은 유출개폐수단(3)이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 저장조(1) 내로 유입될 수 있도록 개방되고, 반대로 유출개폐수단(3)은 유입개폐수단(13)이 폐쇄된 상태에서 비압축성 유체가 저장조(1)로부터 유출될 수 있도록 개방된다. Under the control of the control unit, the inflow opening and closing means 13 is opened so that the incompressible fluid can be introduced into the storage tank 1 while the outlet opening and closing means 3 is closed, and on the contrary, the inflow opening and closing means 3 is the inflow opening and closing means. In the closed state (13) is opened so that incompressible fluid can flow out of the reservoir (1).
제어부는 저장조(1)로부터 유출공급되는 비압축성 유체의 질량/체적 유량을 제어하기 위하여, 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 단위 시간당 개폐 횟수 및/또는 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 단위 개폐 당 저장조(1)에 저장·방출되는 비압축성 유체의 질량/체적을 제어한다. The control unit controls the mass / volume flow rate of the incompressible fluid supplied from the reservoir 1 to the opening / closing means 13 and / or the opening / closing means 13 of the inflow opening / closing means 13 and the outflow opening / closing means 3 and The mass / volume of the incompressible fluid stored and discharged in the storage tank 1 per unit opening and closing of the outflow opening and closing means 3 is controlled.
이는 단순하게 수도꼭지를 통해 흘러나온 물을 받아 이를 탱크에 채워 넣는 과정과 매우 흡사하다. 예컨대, 10분 동안 Vm3의 체적을 가지는 버킷에 5번 물을 받아 이를 탱크에 채워 넣는다면, 탱크에 공급된 체적유량은 다음과 같다.This is very similar to the process of taking water flowing out of a tap and filling it into a tank. For example, if water is filled into a tank 5 times in a bucket having a volume of Vm 3 for 10 minutes, the volume flow rate supplied to the tank is as follows.
체적유량 = V × 5/10 (m3/분)Volumetric flow rate = V × 5/10 (m 3 / min)
또한, 질량유량은 체적유량의 값에 밀도를 곱함으로써 쉽게 구할 수 있다.(여기서, 물과 같은 비압축성 유체의 밀도 또는 비체적은 일정하다는 것에 주목할 필요가 있다.) In addition, the mass flow rate can be easily obtained by multiplying the value of the volume flow rate by density (it is to be noted that the density or specific volume of an incompressible fluid such as water is constant).
따라서, 탱크에 공급되는 유량을 변화시키기 위해서는 단위 시간당 버킷에 물을 받아 탱크에 채워 넣는 횟수, 즉 사이클 속도를 변화시키거나, 버킷의 체적(따라서 질량)을 변화시킴으로써 수행될 수 있다. Therefore, in order to change the flow rate supplied to the tank, it can be carried out by changing the number of times the bucket receives water into the tank per unit time, that is, the cycle speed, or the volume (and thus the mass) of the bucket.
이는 다양한 방식으로 구체화될 수 있는데, 도5와 관련하여 살펴본다. This can be embodied in various ways, which will be discussed with reference to FIG. 5.
첫 번째로, 체적감지수단(6)을 통하여 저장조(1)의 체적을 감지하고, 저장조(1)의 체적이 기준하한체적 상태에서 유입개폐수단(13)을 개방하고, 저장조(1)의 체적이 기준상한체적 상태에서 유입개폐수단(13)을 폐쇄하며, 저장조(1)의 체적이 기준하한체적 상태에서 유출개폐수단(3)을 폐쇄하고, 저장조(1)의 체적이 기준상한체적 상태에서 유출개폐수단(3)을 개방하되, 제어변수로서 저장조(1)의 기준하한체적 및/또는 기준상한체적의 크기를 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있다. Firstly, the volume of the reservoir 1 is sensed through the volume sensing means 6, the inflow opening and closing means 13 is opened in the state of the lower limit volume of the reservoir 1, and the volume of the reservoir 1 The inflow opening and closing means 13 is closed in this upper limit volume state, the volume of the reservoir 1 is closed in the opening and closing means 3 in the lower limit volume state, and the volume of the storage tank 1 is in the upper limit volume state. The flow rate can be controlled by opening the outlet opening and closing means 3 by controlling the size of the reference lower limit volume and / or the reference upper limit volume of the reservoir 1 as a control variable.
체적감지수단(6)으로는 다양한 방식의 센서가 사용될 수 있는데, 예컨대 위치 센서, 접촉에 의하여 ON/OFF되어 기준상한체적과 기준하한체적을 감지하는 리미트 센서 등이 사용될 수 있다. As the volume detecting means 6, various types of sensors may be used. For example, a position sensor, a limit sensor that detects a reference upper limit volume and a reference lower limit volume by being turned on and off by contact, and the like may be used.
두 번째 제어방식으로는, 체적감지수단(6)을 통하여 저장조(1)의 체적을 감지함과 아울러, 시간측정수단을 통하여 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐 작동 시간격을 측정하고, 저장조(1)의 체적이 기준하한체적 상태에서 유출개폐수단(3)을 폐쇄하고 유입개폐수단(13)을 개방하되, 제어변수로서 유입개폐수단(13)의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간 및 유출개폐수단(3)의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간을 제어함으로써 유량 제어를 할 수 있다. In the second control method, the volume sensing means 6 senses the volume of the storage tank 1, and the opening and closing operation time intervals of the inflow opening and closing means 13 and the outflow opening and closing means 3 through time measurement means. Measure the volume of the storage tank 1, and close the outlet opening and closing means 3 and open the inlet opening and closing means 13 in the state of the lower limit volume of the reservoir 1, from the opening to the closing of the inlet opening and closing means 13 as a control variable. The flow rate control can be performed by controlling the required time and the required time from closing to opening of the outlet opening and closing means 3.
세 번째로, 체적감지수단(6)을 통하여 저장조(1)의 체적을 감지함과 아울러, 시간측정수단을 통하여 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐 작동 시간격을 측정하고, 저장조(1)의 체적이 기준상한체적 상태에서 유입개폐수단(13)을 폐쇄하고 유출개폐수단(3)을 개방하되, 제어변수로서 유입개폐수단(13)의 폐쇄로부터 개방까지의 소요시간 및 유출개폐수단(3)의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간을 제어함으로서, 유량을 제어할 수 있다. Third, while detecting the volume of the storage tank (1) through the volume detection means 6, and measures the opening and closing operation time interval of the inlet opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means (3) through the time measurement means The closing time of the inflow opening and closing means 13 and the outflow opening and closing means 3 are opened in the state in which the volume of the storage tank 1 is the upper limit volume, and the time required from closing to opening of the inflow opening and closing means 13 as a control variable, and The flow rate can be controlled by controlling the time required from opening to closing of the outlet opening and closing means 3.
여기서, 일 실시예에 따르면, 본 발명의 유량 제어장치는 저장조(1) 내의 압력을 감지하기 위한 압력센서(5)를 포함하고, 압력센서(5)에 의하여 감지된 저장조(1) 내의 비압축성 유체의 압력에 기초하여, 제어변수의 크기를 결정할 수 있다. Here, according to one embodiment, the flow control device of the present invention includes a pressure sensor (5) for sensing the pressure in the reservoir (1), the incompressible fluid in the reservoir (1) sensed by the pressure sensor (5) Based on the pressure of, the magnitude of the control variable can be determined.
이는 상류 압력, 즉 유체 공급원의 압력과 관련된다. 즉, 유체 공급원의 압력이 큰 경우에는 저장조(1) 내의 유체도 그에 따라 높은 압력 구간에서 작동되게 된다. 이 경우에, 동일한 기준하한체적 및 기준상한체적의 구간에서 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)이 개폐 작동되더라도, 그 사이클에 소요되는 시간이 줄어들게 되므로, 유량은 증가되는 결과를 가져온다. 따라서, 동일한 유량값을 얻기 위해서는, 저장조(1) 내의 압력이 큰 경우에는 그에 따라 기준하한체적을 높이거나, 기준상한체적을 낮게 설정하는 보상이 필요한 것이다. This is related to the upstream pressure, ie the pressure of the fluid source. In other words, when the pressure of the fluid source is large, the fluid in the reservoir 1 is also operated in the high pressure section accordingly. In this case, even if the inflow opening / closing means 13 and the outflow opening / closing means 3 are opened and closed in the same reference lower limit volume and the upper limit reference volume, the time required for the cycle is reduced, resulting in an increase in the flow rate. . Therefore, in order to obtain the same flow volume value, when the pressure in the storage tank 1 is large, the compensation which raises a reference lower limit volume or sets a reference upper limit volume low accordingly is required.
이를 다른 측면에서 살펴보면, 동일한 사이클 속도로 작동되는 경우라도, 역시 유량은 증가되는 결과를 가져온다. 따라서, 동일한 유량값을 얻기 위해서는, 저장조(1) 내의 압력이 큰 경우에는 그에 따라 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐 시간격을 작게 설정하는 보상이 필요한 것이다. In other respects, even when operated at the same cycle rate, the flow rate also increases. Therefore, in order to obtain the same flow rate value, when the pressure in the storage tank 1 is large, the compensation for setting the opening / closing time interval of the inflow opening / closing means 13 and the outflow opening / closing means 3 is required accordingly.
동일한 이치로, 저장조(1) 내의 온도를 감지하기 위한 온도센서를 설치하고, 그 온도센서에 의하여 감지된 저장조(1) 내의 비압축성 유체의 온도에 기초하여, 제어변수의 크기를 결정하는 것도 바람직할 것이다. Equally, it would be desirable to install a temperature sensor for sensing the temperature in the reservoir 1 and to determine the magnitude of the control variable, based on the temperature of the incompressible fluid in the reservoir 1 sensed by the temperature sensor. .
네 번째로부터 여섯 번째 방식은 앞의 세 가지 방식의 유량 제어와는 다소 상이한 제어 형태를 가지는데, 즉, 전술한 세 가지 방식에서 체적감지센서(6)가 수행했던 기능을 압력센서(5)가 대신하게 된다. The fourth to sixth methods have a somewhat different control form from the previous three types of flow control, that is, the pressure sensor 5 performs the function performed by the volume sensor 6 in the above three methods. Will be replaced.
즉, 네 번째로, 압력센서(5)를 설치하여 저장조(1) 내의 압력을 감지하고, 저장조(1) 내의 압력이 기준하한압력 상태에서 유입개폐수단(13)을 개방하고, 저장조(1) 내의 압력이 기준상한압력 상태에서 유입개폐수단(13)을 폐쇄하며, 저장조(1) 내의 압력이 기준하한압력 상태에서 유출개폐수단(3)을 폐쇄하고, 저장조(1) 내의 압력이 기준상한압력 상태에서 유출개폐수단(3)을 개방하되, 제어변수로서 저장조(1)의 기준하한압력 및/또는 기준상한압력의 크기를 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있다. That is, fourth, the pressure sensor (5) is installed to detect the pressure in the reservoir (1), the pressure in the reservoir (1) opens the inlet opening and closing means 13, the reservoir 1 The inlet opening / closing means 13 is closed in a state where the pressure in the reservoir is the upper limit reference pressure, the outlet opening and closing means 3 is closed in a state where the pressure in the reservoir 1 is the reference lower limit pressure, and the pressure in the reservoir 1 is the upper limit reference pressure. The flow rate can be controlled by opening the outlet opening and closing means 3 in the state, but controlling the magnitude of the reference lower limit pressure and / or the reference upper limit pressure of the storage tank 1 as a control variable.
다섯 번째로, 압력센서(5)를 설치하여 저장조(1) 내의 압력을 감지함과 아울러, 시간측정수단을 설치하여 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐 작동 시간격을 측정하고, 저장조(1) 내의 압력이 기준하한압력 상태에서 유출개폐수단(3)을 폐쇄하고 유입개폐수단(13)을 개방하되, 제어변수로서 유입개폐수단(13)의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간 및 유출개폐수단(3)의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간을 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있다. Fifth, by installing a pressure sensor (5) to detect the pressure in the reservoir (1), and by installing a time measuring means to measure the opening and closing operation time interval of the inlet opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means (3) And closing the outflow opening and closing means 3 and opening the inflow opening and closing means 13 in a state where the pressure in the reservoir 1 is the reference lower limit pressure, but the time required from opening to closing of the inflow opening and closing means 13 as a control variable. And by controlling the time required from closing to opening of the outlet opening and closing means 3, the flow rate can be controlled.
여섯 번째로, 압력센서(5)를 설치하여 저장조(1) 내의 압력을 감지함과 아울러, 시간측정수단을 설치하여 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐 작동 시간격을 측정하고, 저장조(1) 내의 압력이 기준상한압력 상태에서 유입개폐수단(13)을 폐쇄하고 유출개폐수단(3)을 개방하되, 제어변수로서 유입개폐수단(13)의 폐쇄로부터 개방까지의 소요 시간 및 유출개폐수단(3)의 개방으로부터 폐쇄까지의 소요 시간을 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있다. Sixth, by installing a pressure sensor (5) to sense the pressure in the reservoir (1), and by installing a time measuring means to measure the opening and closing operation time interval of the inlet opening and closing means 13 and the outlet opening and closing means (3) And closing the inflow opening and closing means 13 and opening the outflow opening and closing means 3 in a state where the pressure in the reservoir 1 is the upper limit reference pressure, but the time required from closing to opening of the inflow opening and closing means 13 as a control variable. And by controlling the time required from opening to closing of the outflow opening and closing means 3, the flow rate can be controlled.
위의 네 번째 내지 여섯 번째 방식의 유량제어는 앞의 첫 번째 내지 세 번째 방식의 유량제어에 비하여 제어성 면에서 바람직하지 않을 수 있다. 그러나, 압축성 가스의 제어에 사용되는 전술한 본 출원인의 시간식 유량 제어장치 및 축적된 소프트웨어를 그대로 이용할 수 있다는 점에서 호환성 있는 장치 사용을 가능하게 하는 이점이 있는 것이다. 즉, 단순히 비유연성 고정 체적 저장조(101) 대신에 유연성 가변 체적 저장조(1)를 변경 설치함으로써, 압축성 가스의 제어에 사용되는 시간식 유량 제어장치를 그대로 비압축성 가스의 제어에 이용할 수 있게 되는 것이다. 이는 장비 사용자에게는 매우 강력한 구매 유인 수단으로 작용할 것이다. The fourth to sixth type flow control may be undesirable in terms of controllability compared to the first to third type flow control. However, there is an advantage of enabling the use of a compatible device in that the above-described time flow control device and accumulated software of the present inventors used for the control of the compressible gas can be used as it is. That is, by simply installing the flexible variable volume reservoir 1 instead of the non-flexible fixed volume reservoir 101, the time flow control device used for the control of the compressible gas can be used as it is for the control of the incompressible gas. This will be a very powerful means of incentive for equipment users.
네 번째 내지 여섯 번째 방식의 유량제어에서, 압력은 체적 변화를 추량하기 위하여 측정될 것이며, 도6과 같이 저장조(1)의 유효 체적은 압력의 함수가 될 수 있을 것이다. 설계자는 벨로우즈의 재질 및 구조를 신중하게 선택함으로써 선형 체적-압력 구간 내에서 저장조(1)가 작동되도록 설계하는 것이 바람직하다. 그러나, 비록 선형이 바람직하기는 하지만, 반드시 필요한 필수 요건은 아님에 주목을 하여야 한다. 필수 요건 전부는 단지 체적이 압력에 따라 상승하여야 한다는 것이고, 또한 그것으로 충분하다. In the fourth to sixth manners of flow control, the pressure will be measured to estimate the volume change, and the effective volume of the reservoir 1 may be a function of the pressure as shown in FIG. The designer preferably designs the reservoir 1 to operate within a linear volume-pressure section by carefully selecting the bellows material and structure. However, it should be noted that although linear is preferred, it is not a necessary requirement. All of the essential requirements are that only the volume should rise with pressure, and that is enough.
일곱 번째 제어 방식으로는, 유입개폐수단(13)의 폐쇄와 유출개폐수단(3)의 개방 사이 및 유출개폐수단(3)의 폐쇄와 유입개폐수단(13)의 개방 사이 중 어느 하나 이상에 타임 딜레이를 주고, 제어변수로서 그 타임 딜레이 양을 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있다. 일곱 번째 방식의 유량 제어는 개별적으로 사용될 수도 있고, 전술한 여섯 가지 방식의 유량 제어와 결합되어 복합적으로 사용될 수도 있을 것이다. As a seventh control method, at least one of the time between the closing of the inflow opening and closing means 13 and the opening of the outflow opening and closing means 3 and between the closing of the outflow opening and closing means 3 and the opening of the inflow opening and closing means 13 is provided. The flow rate can be controlled by giving a delay and controlling the amount of time delay as a control variable. The seventh type of flow control may be used individually or may be used in combination with the six types of flow control described above.
도5의 유량 제어장치를 사용하여 유량을 제어하는 경우, 사전 실험 또는 적절한 관계식 작업을 통하여 체적-유량, 압력-유량 또는 시간-유량의 관계를 수식 또는 테이블화 시키고, 이를 제어에 이용하는 것이 실제적일 것이다. In the case of controlling the flow rate using the flow control apparatus of FIG. 5, it is practical to formulate or table the relationship between volume-flow rate, pressure-flow rate or time-flow rate through prior experiments or appropriate relational work, and use it for control. will be.
물론, 이러한 사전 작업이 반드시 필수적인 것은 아니다. 예컨대, 저장조(1)의 변위를 설정한 후 그 변위만큼 저장조(1)의 체적을 변화시킨 후, 그에 소요되는 시간을 측정하여 정확한 유량을 알아내고, 요구되는 유량과 다른 경우 설정 변위를 적절하게 보정하는 과정을 반복함으로써 유량을 제어할 수도 있을 것이다. 그러나, 이는 실제적이지 않을 수 있을 것이다. Of course, this preliminary work is not necessary. For example, after the displacement of the reservoir 1 is set and the volume of the reservoir 1 is changed by the displacement, the time required for the measurement is measured to find out the correct flow rate, and if it is different from the required flow rate, the set displacement is appropriately set. The flow rate may be controlled by repeating the calibration process. However, this may not be practical.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 7 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도7의 유량 제어장치는 저장조(1), 유입개폐수단(13), 유출개폐수단(3) 및 제어부와 함께 압력조절수단(11)을 포함한다. As shown, the flow control apparatus of FIG. 7 includes a pressure control means 11 together with a reservoir 1, an inlet opening and closing means 13, an outlet opening and closing means 3, and a control unit.
유량 제어장치는 상기 저장조의 유입부의 전단에 압력조절수단(11)과 같은 유입 유체 상태량 조절 장치를 구비하는 것이 바람직하다. The flow rate control device preferably includes an inflow fluid condition control device such as the pressure regulating means 11 in front of the inlet of the reservoir.
전술한 바와 같이, 저장조(1) 상류 압력이 변동되면, 유체가 저장조(1) 내에 충전되는 시간도 함께 변동되게 된다. 따라서, 저장조(1) 내로 유입되는 비압축성 유체의 압력을 일정하게 유지할 필요가 있고, 압력조절수단(11)은 이러한 기능을 수행한다.As described above, when the pressure upstream of the reservoir 1 changes, the time for the fluid to be filled in the reservoir 1 also changes. Therefore, it is necessary to keep the pressure of the incompressible fluid flowing into the reservoir 1 constant, and the pressure regulating means 11 performs this function.
이하, 도8 내지 도11은 저장조(1)로부터 유출공급되는 유량의 섭동 현상을 최소화하기 위한 수단을 설명하기 위한 도면이다. 8 to 11 are views for explaining a means for minimizing the perturbation phenomenon of the flow rate supplied from the reservoir (1).
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.8 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도5의 유량 제어장치가 병렬로 연결되어 사용될 수 있음을 보여준다. 도5의 유량 제어장치는 시간에 기초하여 유량을 매우 정확하게 제어할 수 있는 이점을 가진다. 그러나, 저장조(1)로부터의 단속적인 유체 공급으로 인하여, 저장조(1) 후단의 유체 사용장비로 균일한 유체 공급이 이루어지기 어렵다. As shown, the flow controller of FIG. 5 can be used in parallel. The flow control device of FIG. 5 has the advantage of being able to control the flow rate very accurately based on time. However, due to the intermittent fluid supply from the reservoir 1, it is difficult to achieve a uniform fluid supply to the fluid using equipment at the rear end of the reservoir 1.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 저장조(1)를 병렬로 둘 이상 설치하고, 각 저장조(1)의 유입개폐수단(13) 및 유출개폐수단(3)의 개폐시점을 서로 다르게 설정함으로써 저장조(1) 후단의 유체 사용장비로 공급되는 순간 유량의 섭동 현상을 최소화할 수 있게 된다. In order to solve this problem, two or more storage tanks 1 are installed in parallel, and the opening and closing times of the inflow opening and closing means 13 and the outflow opening and closing means 3 of each storage tank 1 are set differently from the storage tank 1. It is possible to minimize the perturbation of the flow rate at the moment it is supplied to the downstream fluid use equipment.
또 다른 실시예에 따르면, 저장조(1)를 병렬로 둘 이상 설치하고, 각 저장조(1)로부터 유체 사용장비까지의 유로의 길이를 다르게 설정함으로써, 동일한 효과를 달성할 수도 있다. According to another embodiment, the same effect may be achieved by installing two or more reservoirs 1 in parallel and setting different lengths of flow paths from each reservoir 1 to the fluid use equipment.
도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 9 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도9의 유량 제어장치는 도5의 유량 제어장치에서 저장조(1)의 후단에 완충조(15)를 설치한 실시예를 보여준다. As shown, the flow control apparatus of FIG. 9 shows an embodiment in which the buffer tank 15 is installed at the rear end of the storage tank 1 in the flow control apparatus of FIG.
완충조(15)는 전술한 도8과 관련하여 설명한 바 있는 저장조(1) 후단의 유량 섭동 현상을 최소화할 수 있는 또 하나의 방안이 된다. 완충조(15)는 충분한 완충 능력을 가지기 위하여, 저장조(1)에 비하여 큰 체적을 가져야 할 것이다. 완충조(15)의 체적의 크기는 유체 공급원의 공급 압력 및 유체 사용장비의 압력에 의하여 영향을 받는다. 완충조(15)는 유체 사용장비로의 공급 유량의 섭동 현상을 보다 최소화하기 위하여, 전술한 도8의 병렬식 다수 저장조 구성과 복합적으로 사용될 수 있다. The buffer tank 15 is another method for minimizing the flow rate perturbation phenomenon at the rear end of the storage tank 1 as described above with reference to FIG. 8. The buffer tank 15 should have a larger volume than the reservoir 1 in order to have sufficient buffering capacity. The size of the volume of the buffer tank 15 is influenced by the supply pressure of the fluid source and the pressure of the fluid using equipment. The buffer tank 15 can be used in combination with the parallel multiple reservoir configuration of FIG. 8 described above to further minimize the perturbation of the feed flow rate to the fluid usage equipment.
저장조(1) 내의 유체의 원활한 방출을 위하여 완충조(15)는 저장조(1)에 비하여 낮은 위치에 설치되는 것이 바람직할 수 있을 것이다. It may be desirable for the buffer tank 15 to be installed at a lower position than the reservoir 1 for smooth discharge of the fluid in the reservoir 1.
도10a 및 도10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 10A and 10B are views schematically showing an overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도10a 및 10b의 유량 제어장치는 도9의 유량 제어장치의 완충조(15)가 가변 체적을 가질 수 있음을 보여준다. 도10a 및 도10b의 유량 제어장치는 도9의 유량 제어장치에 비해 유체 사용장비로의 공급 유량의 섭동 현상을 더 한층 방지할 수 있는 효과가 있다. As shown, the flow control devices of FIGS. 10A and 10B show that the buffer tank 15 of the flow control device of FIG. 9 can have a variable volume. 10A and 10B, the flow rate control device of FIG. 9 has an effect of further preventing the perturbation phenomenon of the supply flow rate to the fluid use equipment as compared to the flow rate control device of FIG. 9.
도10a는 완충조(15)의 한쪽 면에 피스톤-스프링 타입의 탄성수단(16a)이 설치된 완충조(15)를 보여주는데, 피스톤-스프링 타입의 탄성수단은 완충조(15) 내의 유체 압력의 상승에 대항하여 작용함으로써, 완충조(15) 내의 유체 압력의 섭동 현상을 최소화한다. 즉, 완충조(15) 내의 유체 압력이 상승하면 스프링은 수축되면서 탄성력을 저장한다. 역으로 완충조(15) 내의 유체 압력이 낮아지면 스프링은 팽창 복귀되면서 탄성력을 방출하게 된다. 따라서, 완충조(15) 내의 유체 압력의 섭동 현상을 최소화시킬 수 있게 된다. Fig. 10A shows a buffer tank 15 in which a piston-spring type elastic means 16a is installed on one side of the buffer tank 15. The piston-spring type elastic means increases the fluid pressure in the buffer tank 15. Figs. By acting against, the phenomenon of perturbation of the fluid pressure in the buffer tank 15 is minimized. That is, when the fluid pressure in the buffer tank 15 rises, the spring contracts and stores the elastic force. Conversely, when the fluid pressure in the buffer tank 15 is lowered, the spring is released and releases the elastic force. Therefore, the phenomenon of perturbation of the fluid pressure in the buffer tank 15 can be minimized.
이밖에도, 도3d와 유사하게 완충조(15)의 압력 상승에 대항하여 작용하는 질량추를 구비하는 완충조(15)를 구성할 수도 있을 것이다. 또한, 피스톤과 함께 완충조(15) 내의 압력을 감지하기 위한 압력센서(5)를 구비하여, 피스톤의 변위를 전자적으로 제어함으로써, 완충조(15) 내의 유량 섭동 현상을 최소화는 것도 가능하다. In addition, similar to FIG. 3D, the shock absorber 15 may be configured with a mass weight that acts against the pressure rise of the shock absorber 15. FIG. In addition, it is also possible to minimize the flow rate perturbation in the buffer tank 15 by providing a pressure sensor 5 for sensing the pressure in the buffer tank 15 together with the piston, and electronically controlling the displacement of the piston.
도10b는 내부에 벨로우즈 타입의 탄성수단(16b)이 설치된 완충조(15)를 보여주는데, 벨로우즈는 완충조(15) 내의 유체 압력의 상승에 대항하여 작용함으로써, 완충조(15) 내의 유체 압력의 섭동 현상을 최소화한다. Fig. 10B shows a buffer tank 15 in which a bellows-type elastic means 16b is installed therein. The bellows acts against the increase in the fluid pressure in the buffer tank 15, so that the fluid pressure in the buffer tank 15 is reduced. Minimize perturbation.
도11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 11 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 완충조(15)의 후단 및 전단에 각각 제1 유동저항용밸브(18a) 및 제2 유동저항용밸브(18b)를 설치함으로써, 도9의 유량 제어장치에 비해 유체 사용장비로의 공급 유량의 섭동 현상을 더 한층 방지할 수 있게 된다. 제2 유동저항용밸브(18b)는 제1 유동저항용밸브(18a)에 비하여 낮은 유동저항을 가진다. 실시예에 따라서는 제2 유동저항용밸브(18b)를 생략하는 것도 가능하다. As shown in the figure, by installing the first flow resistance valve 18a and the second flow resistance valve 18b at the rear end and the front end of the buffer tank 15, the fluid use equipment as compared to the flow control device of FIG. The perturbation phenomenon of the feed flow rate to the furnace can be further prevented. The second flow resistance valve 18b has a lower flow resistance than the first flow resistance valve 18a. According to the embodiment, it is also possible to omit the second flow resistance valve 18b.
유동저항값은 유체 공급원의 공급 압력 및 유체 사용장비의 압력에 따라 영향을 받는다. 유동저항값은 저장조(1) 내의 유체가 비교적 신속히 완충조(15)로 유입되는 반면 완충조(15) 내의 유체는 천천히 유출될 수 있도록 설정되어야 할 것이다. 특히, 제1 유동저항용밸브(18a)의 저항값이 저장조(1)로부터 완충조(15)로의 유체 방출을 상당히 지연시킬 정도까지 저장조(1) 내의 압력 상승을 야기하는 큰 값을 갖도록 하여서는 안된다는 점에 유의하여야 할 것이다. 또한, 유동 저항이 유동을 저지하는 필터로서 작용되어서도 안될 것이다. The flow resistance value is affected by the supply pressure of the fluid source and the pressure of the fluid use equipment. The flow resistance value should be set such that the fluid in the reservoir 1 flows into the buffer tank 15 relatively quickly while the fluid in the buffer tank 15 is allowed to flow out slowly. In particular, the resistance value of the first flow resistance valve 18a should not be so large that it causes a pressure rise in the reservoir 1 to such an extent that it significantly delays the discharge of fluid from the reservoir 1 into the buffer tank 15. It should be noted that. In addition, the flow resistance should not act as a filter to block flow.
유동저항용밸브(18a, 18b)로는 바람직하게는 니들밸브가 사용된다. 니들밸브는 최적의 압력 손실 특성 및 유량을 제공할 수 있도록 전자적으로 제어될 것이다. Needle valves are preferably used as the flow resistance valves 18a and 18b. The needle valve will be electronically controlled to provide optimal pressure loss characteristics and flow rates.
지금까지 도8 내지 도11을 참조하여 유체 사용장비로의 공급 유량의 섭동 현상을 최소화할 수 있는 방안에 대해서 살펴보았다. 그러나, 설명한 실시예 이외에도, 유체 공급원의 공급 압력을 낮추는 것도 유용한 방안이 될 것이다. 그러나, 높은 공급 압력 조건에서와 동일한 유량을 얻기 위해서는, 유량 제어장치가 그만큼 높은 주파수로 운전되어야 한다는 점에 주목할 필요가 있을 것이다.So far, the method of minimizing the perturbation phenomenon of the supply flow rate to the fluid using equipment has been described with reference to FIGS. 8 to 11. However, in addition to the described embodiments, it may be a useful solution to lower the supply pressure of the fluid source. However, it will be noted that in order to achieve the same flow rate as at high supply pressure conditions, the flow control device must be operated at that high frequency.
또 다른 유용한 방안으로서는, 완충조(15)의 유출부 및 유입부의 관로의 직경을 작게 하거나 오리피스 플레이트를 사용하는 방안이 있다. 동 방안은 매우 간단하며 그 구성이 용이하다는 것과, 별도로 제어가 필요치 않은 장점을 가진다. Another useful solution is to reduce the diameter of the conduit of the outlet and inlet of the buffer tank 15 or to use an orifice plate. The scheme is very simple and easy to configure and has the advantage that no control is required.
좀 더 복잡한 또 다른 방안으로서는, 유동저항이 질량 유량과 함께 매우 신속하게 증가되는 사이클론 타입 장치(cyclone type device)를 사용하는 것이다. Another more complex approach is to use a cyclone type device in which the flow resistance increases very quickly with the mass flow rate.
도12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 12 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 도12의 유량 제어장치는 도7의 압력조절수단(11), 도9의 완충조(15) 및 도11의 유동저항용밸브(18a, 18b)가 결합되어 사용될 수 있음을 보여준다. As shown, the flow rate control device of FIG. 12 may be used in combination with the pressure regulating means 11 of FIG. 7, the buffer tank 15 of FIG. 9, and the valves 18a and 18b of FIG. 11. Shows.
이하, 본 발명의 유효성을 살펴보기 위하여 테스트용 유량 제어장치를 구성하고, 이를 시험한 결과를 살펴본다. Hereinafter, to configure the test flow control device to see the effectiveness of the present invention, looks at the results of testing it.
도13은 본 발명의 시험에 사용된 테스트용 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. Fig. 13 is a diagram schematically showing the overall configuration of a test flow control apparatus used in the test of the present invention.
벨로우즈 저장조(1)는 저장조(1) 내의 공기가 처음 몇 번의 사이클에서 배출되도록 상하가 전도된 형태로 설치된다. 탱크(21)는 자연낙차(natural head)를 주기 위하여 높게 설치하였다. 그러나, 시스템 내의 손실을 극복하고 적절한 사이클 속도를 가능하게 하기에는 불충분하기 때문에, 소용량 공기 펌프(22)를 사용하였다. 탱크(21) 내의 압력을 유지하기 위하여 압력 게이지가 정규적으로 모니터되었으며, 필요한 경우 탱크(21)의 상부는 공기에 접촉하도록 하였다. 압력조절수단(11)을 사용하여 저장조(1) 내로 유입되는 상류 압력은 일정한 압력으로 유지되었다. 단순한 측정용 용기(19)가 저장조(1)로부터의 유출 유량을 측정하기 위하여 사용되었다. The bellows reservoir 1 is installed in an upside down manner so that the air in the reservoir 1 is discharged in the first few cycles. The tank 21 was installed high to give a natural head. However, a small capacity air pump 22 was used because it was insufficient to overcome the losses in the system and to enable an appropriate cycle rate. The pressure gauge was regularly monitored to maintain the pressure in the tank 21 and the top of the tank 21 was in contact with air if necessary. The upstream pressure introduced into the reservoir 1 using the pressure regulating means 11 was maintained at a constant pressure. A simple measuring vessel 19 was used to measure the outflow rate from the reservoir 1.
시스템이 운전되는 동안 저장조(1) 내의 압력과 그 압력 하에서 전체 변위를 모니터하였다. 거의 또는 전혀 히스테리시스를 가지지 않는 이상적인 탄성 시스템의 경우에, 상기 두 개의 파라미터는 비례할 것이다. The pressure in the reservoir 1 and the total displacement under that pressure while the system was running were monitored. In the case of an ideal elastic system with little or no hysteresis, the two parameters will be proportional.
상기 두 개의 파라미터를 측정하기 위하여, 비보상 게이지 타입의 압력센서(5) 및 체적감지센서(6)로서 전도성 폴리머 전위차계 타입의 선형 위치센서가 사용되었다. In order to measure the two parameters, a linear position sensor of conductive polymer potentiometer type was used as the pressure sensor 5 and the volume sensor 6 of the non-compensation gauge type.
도14는 도13의 테스트용 유량 제어장치에 사용된 저장조(1)를 개략적으로 보여주는 도면이다. FIG. 14 is a view schematically showing a reservoir 1 used in the test flow control apparatus of FIG.
저장조(1)의 기계적 구성은 시스템 요구조건, 재료 및 구성부의 유용성에 의하여 결정되어진다. 서로 다른 압력 조건에 대한 벨로우즈 시스템의 반응, 얼마나 신속히 저장조(1)가 충전 및 방출될 수 있는가, 또한 상류 압력 조건을 결정하기 위하여 상세한 계산이 수행되었다. 그 결과는 사용되어지는 기계적 구성부, 장치의 기하학적 구조와 디자인 또한 제어 소프트웨어 및 전자장비의 함수를 선택하기 위하여 사용되었다. The mechanical configuration of the reservoir 1 is determined by the system requirements, the availability of the materials and the components. Detailed calculations were performed to determine the bellows system's response to different pressure conditions, how quickly the reservoir 1 could be charged and discharged, and also upstream pressure conditions. The results were used to select the mechanical components used, the geometry and design of the devices as well as the functions of the control software and electronics.
테스트용 저장조(1)로는 밀봉이 용이하고, 다른 시스템에 비하여 오랜 탄성 성질을 가지는 벨로우즈가 사용되었다. 반면 방수를 용이하게 이룰 수 있는 유연성 막은 시간 경과에 따라 다소의 소성 변형을 하게 되고, 이는 특정 상황에서는 허용될 수 없는 성질의 것이다. 피스톤 시스템은 누수를 방지하기 위해 요구되는 공차를 얻기 어렵다. As the test reservoir 1, a bellows that is easy to seal and has a long elastic property compared to other systems was used. On the other hand, flexible membranes that are easily waterproof may undergo some plastic deformation over time, which is unacceptable in certain circumstances. Piston systems are difficult to achieve the required tolerances to prevent leakage.
벨로우즈로는 인청동(Phosphor-Bronze) 재질이 사용되었고, 금속 시트(9)에 벨로우즈를 납땜한 후, 원통형 벨로우즈 하우징(8)에 설치하였다. 또한, 밀봉을 위하여 오-링이 사용되었다. 인청동 벨로우즈는 우수한 내식성을 보인다. 또한, 상대적으로 낮은 크립(Creep) 및 히스테리시스 현상을 보인다. 이는 반응 특성이 완벽한 탄성에 근접함을 의미하는 것이다. 벨로우즈는 시스템의 압력 요구조건을 최소화하고 사이클 속도를 최대화하기 위하여 낮은 스프링 상수를 가지는 것을 선택하였다. Phosphor-Bronze material was used as the bellows, and the bellows was soldered to the metal sheet 9 and installed in the cylindrical bellows housing 8. In addition, o-rings were used for sealing. Phosphor bronze bellows has excellent corrosion resistance. In addition, it exhibits relatively low creep and hysteresis. This means that the reaction properties are close to perfect elasticity. The bellows chose to have a low spring constant to minimize the pressure requirements of the system and maximize the cycle rate.
선형 위치센서는 전위차계에 연결된 스프링-장착형 금속 플런저(7)를 구비하도록 구성하였다. 전위차계는 변위에 따른 저항 변화를 측정할 수 있다. 선형 위치센서는 벨로우즈 저장조(1)의 아래에 설치되는데, 충전 시 저장조(1)의 팽창은 플런저(7)를 내리누르게 된다. 이는, 요구되는 상류 압력수두 또는 충전시간의 증가를 야기하지만, 방출 시 저장조(1) 내의 유체를 배출하고 벨로우즈의 탄성 응답을 유지하는데 도움을 준다. The linear position sensor was configured to have a spring-loaded metal plunger 7 connected to a potentiometer. The potentiometer can measure the resistance change with displacement. The linear position sensor is installed below the bellows reservoir 1, and during filling, the expansion of the reservoir 1 depresses the plunger 7. This causes an increase in the upstream pressure head or filling time required, but helps to drain the fluid in the reservoir 1 and maintain the elastic response of the bellows upon discharge.
도15는 도13의 테스트용 유량 제어장치에 사용된 센서 증폭 회로의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of a sensor amplification circuit used in the test flow control apparatus of FIG.
도시한 바와 같이, 압력센서(5)로부터의 작은 출력을 이용하기 위하여, 증폭 회로가 사용되었다. 증폭 회로에서는 두 개의 OP 앰프가 사용되었다. 그 첫 번째는 차동 증폭기이고, 두 번째는 단일 공급 전압 피드백 증폭기이다. As shown, in order to use a small output from the pressure sensor 5, an amplification circuit was used. Two op amps were used in the amplification circuit. The first is a differential amplifier and the second is a single supply voltage feedback amplifier.
도16은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 각 구성부의 제어 관계를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. FIG. 16 is a diagram schematically showing a control relationship of each component of the test flow control apparatus of FIG.
도시한 바와 같이, 센서로부터의 아날로그 입력은 증폭회로를 통하여 A/D 인터페이스(39)에 입력된다. A/D 인터페이스(39)는 아날로그/디지털 카드가 내장된 컴퓨터(41)에 직접 연결된다. 미설명 도면부호 27은 파워드라이버를 나타낸다. As shown, the analog input from the sensor is input to the A / D interface 39 through the amplification circuit. The A / D interface 39 is directly connected to a computer 41 with an analog / digital card. Unexplained reference numeral 27 denotes a power driver.
도17은 도13의 테스트용 유량 제어장치에서 수행되는 제어 프로그램 시퀀스를 보여주는 도면이다. FIG. 17 is a view showing a control program sequence performed in the test flow controller of FIG.
도시한 바와 같이, 맨 처음 단계는 A/D 컨버터를 초기화하는 단계이다. 그리고 나서 사용자가 기설정 유량을 선택하도록 하거나 벨로우즈 변위 및 사이클 속도의 특정 조합을 선택하도록 한다. 다음으로, A/D 카드로부터 현재 벨로우즈 변위 및 내부 압력을 나타내는 값으로 이진 판독값을 변환하기 위하여 필요한 계산을 수행하고 그 값을 스크린에 디스플레이한다. 다음으로, 각 밸브의 상태를 디스플레이한다. 다음으로, 장비의 운전 중에 수집된 데이터를 디스플레이한다. 마지막 단계로서, 운전 전후에 벨로우즈 내에 잔류되는 액체를 제거하는 것으로서, 프로그램의 시작과 끝에 수행된다.As shown, the first step is to initialize the A / D converter. Then have the user select a preset flow rate or select a specific combination of bellows displacement and cycle speed. Next, the necessary calculations are made to convert the binary readings from the A / D card to values representing the current bellows displacement and the internal pressure and the values are displayed on the screen. Next, the state of each valve is displayed. Next, the data collected during operation of the equipment is displayed. As a final step, the removal of liquid remaining in the bellows before and after operation is carried out at the beginning and end of the program.
상기 시퀀스에서는, 벨로우즈에 유입 및 유출되는 순간 유량을 알아내기 위하여 계산이 수행되는데, 이는 측정된 시간 기간동안의 변위 차를 이용한다. 체적 유량은 다음의 식으로부터 계산되어진다. In this sequence, a calculation is performed to find the instantaneous flow rate into and out of the bellows, which uses the displacement difference over the measured time period. The volume flow rate is calculated from the following equation.
체적유량 = A·(δx/δt)·fVolumetric flow rate = A · (δx / δt) · f
여기서 A는 벨로우즈의 횡단면적이고, δx는 벨로우즈 변위의 변화, δt는 두 샘플간의 시간, 그리고 f는 콘벌루션(convolution)의 영향에 기인한 체적 변화 편차를 나타낸다. Where A is the cross section of the bellows, δx is the change in bellows displacement, δt is the time between two samples, and f is the variation in volume change due to the effect of convolution.
충전 및 방출 시퀀스의 각 샘플에 대하여 계산된 순간 유량 데이터는 차후 평가를 위하여 압력, 위치(즉, 벨로우즈 변위) 및 사이클 수의 값과 함께 각 충전 및 방출 샘플마다 저장되어진다. The instantaneous flow rate data calculated for each sample in the fill and discharge sequence is stored for each fill and discharge sample along with the values of pressure, position (ie bellows displacement) and number of cycles for later evaluation.
시스템의 테스트로부터의 결과는 다양한 입력 파라미터를 사용하여 제어 프로그램을 실행한 일련의 시험을 통하여 수집되었다. 수집된 데이터의 개략적인 평가를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다. The results from the test of the system were collected through a series of tests running a control program using various input parameters. A rough evaluation of the collected data gave the following results.
a. 검사 체적이 충전(즉, 벨로우즈의 팽창)되는 속도는 상류 압력에 의존한다. a. The rate at which the test volume fills (ie, expansion of the bellows) depends on the upstream pressure.
b. 방출 시간은 포물선을 그리는 대응되는 복원력의 증가로 인하여 변위에 따라 선형적으로 증가하지는 않는다. b. The release time does not increase linearly with displacement due to the increase in the corresponding restoring force that draws the parabola.
도18은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 시험 결과 얻어진 벨로우즈 변위에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 18 is a diagram showing the relationship of pressure change to bellows displacement obtained as a result of the test of the test flow control device of FIG.
예측된 바와 같이, 벨로우즈의 변위는 벨로우즈의 내부 압력에 비례함을 알 수 있었다. As expected, the displacement of the bellows was found to be proportional to the internal pressure of the bellows.
도19a는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 벨로우즈 변위의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 19A shows the relationship of bellows displacement to time during the charging process of the test flow control device of FIG.
도시한 바와 같이, 일정 공급 압력에서 타겟 변위 4mm에 도달하는 과정을 보여준다. As shown, the process of reaching the target displacement of 4 mm at a constant supply pressure is shown.
도19b는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 19B is a view showing a relationship of pressure change with time during the charging process of the test flow controller of FIG.
도19c는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 순간 유량의 관계를 보여주는 도면이다. 19C is a view showing the relationship between the instantaneous flow rate with respect to time during the charging process of the test flow control device of FIG.
도시한 도면에서는 δt, 즉 샘플링 속도의 잘 못된 증가에 기인하여 다소 간헐적이고 급격한 유량 변화를 보여주고 있지만, 전체적으로 시간에 따라 순간 유량이 감소하는 경향을 보여주고 있다. Although the figure shows a somewhat intermittent and sudden flow rate change due to δt, that is, an incorrect increase in the sampling rate, the overall flow rate decreases with time.
도20a는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 벨로우즈 변위의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 20A shows the relationship of bellows displacement to time during the discharge process of the test flow control device of FIG.
변위가 기설정 값인 0 아래로 떨어지는 것을 볼 수 있으나, 이는 제어 부정확성에 기인하는 것으로 판단된다. It can be seen that the displacement falls below the preset value of 0, but this is believed to be due to control inaccuracy.
도20b는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 20B is a view showing the relationship of pressure change with time during the discharge process of the test flow controller of FIG.
마지막 샘플링 포인트에서의 잔류 압력은, 운전의 일관성을 보장하기 위하여 제어 프로그램에 좀 더 큰 오프셋을 사용하여 벨로우즈가 완전히 수축되지 않도록 함을 나타낸다. The residual pressure at the last sampling point indicates that the bellows are not fully retracted using a larger offset in the control program to ensure consistency of operation.
도20c는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 순간 유량의 관계를 보여주는 도면이다. 20C is a view showing a relationship between instantaneous flow rate versus time during the discharge process of the test flow control device of FIG.
도시한 도면에서는 계산의 조잡함에 기인하여 다소 불안정한 플로트를 보여주고 있으나, 전제적으로는 벨로우즈 변위와 유사한 경향을 보여주고 있다. Although the figure shows a somewhat unstable float due to the coarseness of the calculation, it shows a tendency similar to the bellows displacement.
도21은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 시험 결과, 사이클 속도에 대한 유량의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the flow rate and the cycle rate as a result of the test of the test flow rate control device of FIG.
도시한 바와 같이, 저장조(1)의 최대 변위를 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm 및 4mm로 설정하고 각각 시험하였다. 각 샘플에 대한 데이터 포인트 세트는 불연속적이지만, 그 포인트들을 연결한 곡선은 시스템 성능을 보여주는데 도움을 준다. 도시한 바와 같이, 작은 변위에서는, 사이클 속도는 전체 유량에 안정된 영향을 미치고, 시스템의 출력은 변위 증가에 따라 예상하던 대로 변화한다. 그러나, 좀 더 큰 변위에서는, 사이클 속도 증가에 따른 영향은 각 사이클을 수행하는데 소요되는 유한한 시간에 제한된다. As shown, the maximum displacement of the reservoir 1 was set to 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm and 4 mm and tested respectively. The set of data points for each sample is discontinuous, but the curve connecting the points helps to show system performance. As shown, at small displacements, the cycle speed has a stable effect on the overall flow rate, and the output of the system changes as expected with increasing displacement. However, at larger displacements, the effect of increasing cycle speed is limited to the finite time spent performing each cycle.
도22는 도13의 유량 제어장치의 시험 결과 보여지는 목적 유량과 측정 유량과의 유량 오차를 보여주는 도면이다. 22 is a diagram showing a flow rate error between the target flow rate and the measured flow rate shown in the test result of the flow control apparatus of FIG.
규정된 변위와 사이클 속도에 대한 유량 샘플은 이들 파라미터로부터 계산된 타겟 유량과 관련하여 사용되었다. 도시한 바와 같이, 변위가 증가함에 따라 계측된 유량의 부정확성은 40~10% 사이에서 꾸준하게 감소한다. 4mm 변위에서 20%의 오차는 요구 사이클 속도를 달성하는데 야기되는 시스템 불량에 기인하는 것으로 판단된다.Flow rate samples for defined displacement and cycle rates were used in conjunction with the target flow rate calculated from these parameters. As shown, the inaccuracy of the measured flow rate decreases steadily between 40-10% as the displacement increases. The 20% error at 4mm displacement is believed to be due to the system failure caused to achieve the required cycle speed.
도23은 도13의 유량 제어장치의 시험 결과, 저장조(1) 유입 압력에 대한 각 충전을 완료하는데 소요되는 시간의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the time taken to complete each filling to the inlet pressure of the reservoir 1 as a result of the test of the flow controller of FIG.
도24a는 도13의 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안, 저장조(1) 변위에 대한 순간 유량(즉, 충전 시 벨로우즈의 유입 유량)의 관계를 보여주는 도면이다. 24A is a view showing the relationship between the instantaneous flow rate (that is, the inflow flow rate of the bellows when filling) during the filling process of the flow control device of FIG. 13.
도시한 세 종의 데이터 세트는 벨로우즈 변위가 1mm, 2.5mm, 및 4mm로 제한된 사이클로부터 수집되었다. 도시한 바와 같이, 벨로우즈 내로 유입되는 유량은 벨로우즈가 팽창됨에 따라 감소되는 것을 알 수 있다. 이는 유체 유동에 저항하는 내부 압력의 증가에 기인하는 것이다. The three data sets shown were collected from cycles in which bellows displacements were limited to 1 mm, 2.5 mm, and 4 mm. As shown, it can be seen that the flow rate flowing into the bellows decreases as the bellows expands. This is due to the increase in internal pressure that resists fluid flow.
도24b는 도13의 유량 제어장치의 방출 과정이 이루어지는 동안, 저장조(1) 변위에 대한 순간 유량(즉, 방출 시 벨로우즈의 유출 유량)의 관계를 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 벨로우즈가 방출되는 동안, 변위 및 압력은 감소된다. 따라서 유출 유량도 또한 감소된다. 흥미로운 점은 방출 과정 초기의 유량은 충전 과정의 초기의 유량에 비하여 크다는 점이다. FIG. 24B is a diagram showing the relationship between the instantaneous flow rate (that is, the flow rate of the bellows upon discharge) with respect to the displacement of the reservoir 1 during the discharge process of the flow control device of FIG. As shown, the displacement and pressure are reduced while the bellows is released. Thus the outflow rate is also reduced. Interestingly, the flow rate at the beginning of the discharge process is greater than the flow rate at the beginning of the filling process.
지금까지 테스트용 장비를 구성하고 이를 이용하여 시험한 결과를 알아보고 이에 대하여 평가하였다. 그러나, 한 가지 유의하여야 할 점은 수행된 시험은, 시험을 수행하는데 사용되었던 구성부의 오차, 위치 센서의 출력에 기인하는 오차가 수반되었다는 점이다. 이는 본 시험에서와 같은 매우 간단한 캘리브레이션 조정을 통하여 해결될 수 없는 문제점에 해당되나, 좀 더 정밀한 구성과 정교한 캘리브레이션을 통하여 충분히 해결될 수 있는 사항으로 판단된다. So far, the test equipment was constructed and the results of the test were used and evaluated. One thing to note, however, is that the tests performed involve errors in the components used to perform the tests, and errors due to the output of the position sensor. This is a problem that cannot be solved through a very simple calibration adjustment as in this test, but it is considered to be sufficiently solved through a more precise configuration and sophisticated calibration.
본 시험의 목적은 비압축성 유체의 유량을 정확하게 측정하고 제어할 수 있는 시간식 유량 제어 시스템을 설계하고, 제조하며 테스트하는데 있었다. 시험은 비압축성 유체를 작동 유체로 하였으며, 소정 레벨에 대하여 ±10%의 오차 범위 내에서 0~70ml/min 범위의 유량 측정 및 제어를 성공적으로 실증하였다. The purpose of this test was to design, manufacture and test a time flow control system capable of accurately measuring and controlling the flow of incompressible fluids. The test used an incompressible fluid as the working fluid and successfully demonstrated flow rate measurement and control in the range of 0-70 ml / min within an error range of ± 10% for a given level.
위 시스템의 주요한 장애 요인은 센서로부터 데이터 샘플이 얻어지는 속도에 있었다. 이는 벨로우즈 변위가 최대 및 최소점을 지나치게 된다는 것을 의미한다. 이는 위치만을 모니터하는 것이 아니라 위치 또는 순간 유량의 변화 속도를 주시하여 요구 변위가 도달되는 시점을 예측하는 제어 프로그램과 좀 더 빠른 프로세서를 가지는 PC를 사용하여 간단히 해결될 수 있는 것이다. 또한, 밸브 및 압력조절수단(11)의 순수한 기계적 오류는 가압 수력 용도(pressurized hydraulic use)에 적합한 것을 선택함으로써 해결될 수 있다. 장비의 복잡성의 해소는 상류 압력 요구조건과 시스템 내의 손실을 최소화하는데 도움을 주고, 대기압하에서의 운전을 가능하게 할 것이다.The main obstacle to the system was the rate at which data samples were obtained from the sensor. This means that the bellows displacement will exceed the maximum and minimum points. This can be solved simply by using a PC with a faster processor and a control program that not only monitors the position but also watches the rate of change of the position or instantaneous flow rate and predicts when the required displacement is reached. In addition, the pure mechanical error of the valve and the pressure regulating means 11 can be solved by selecting one suitable for pressurized hydraulic use. Eliminating equipment complexity will help minimize upstream pressure requirements and losses in the system and allow operation at atmospheric pressure.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 측정 및 제어가 용이한 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공할 수 있는 효과가 있다. According to the above configuration, the present invention has an effect that can provide an incompressible fluid flow rate control device that is easy to measure and control.
즉, 본 발명은 정밀한 기구적 구성을 사용하지 않고도 간단히 정밀한 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공할 수 있게 되고, 따라서, 매우 작은 유량에 대하여도 정밀한 유량 제어를 할 수 있게 된다. That is, the present invention can easily provide a precise incompressible fluid flow control device without using a precise mechanical configuration, and therefore, it becomes possible to perform precise flow rate control even for a very small flow rate.
또한, 본 발명은 신뢰성 및 내구성면에서 매우 우수한 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide an incompressible fluid flow rate control device which is very excellent in reliability and durability.
또한, 본 발명은 우수한 성능을 보이면서도 설치 및 유지비가 적게 드는 비압축성 유체 유량 제어장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide an incompressible fluid flow rate control device that exhibits excellent performance and low installation and maintenance costs.
또한, 본 발명은 압축성 가스의 유량 제어에 사용될 수 있는 본 출원인의 기출원 발명인 시간식 압축성 유체 유량 제어장치와도 우수한 호환성을 가지며 사용 및 개발될 수 있는 이점을 제공할 수 있다. In addition, the present invention may provide advantages that can be used and developed with excellent compatibility with the presently-applied timed compressible fluid flow control device, which can be used to control the flow rate of the compressible gas.
도1은 압축성 가스의 유량 제어에 사용되는 종래의 유량 제어장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 1 is a view schematically showing the configuration of a conventional flow control apparatus used for flow control of a compressible gas.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 개념을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 2A to 2C are views for schematically illustrating the concept of the present invention.
도3a 내지 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 저장조를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. 3A to 3D are views for schematically showing a reservoir according to various embodiments of the present disclosure.
도4a 내지 도4c는 본 발명의 개념을 설명하기 위하여 시간에 대한 벨로우즈 저장조의 체적 변화 사이클을 보여주는 도면이다. 4A-4C illustrate the volume change cycle of a bellows reservoir over time to illustrate the concepts of the present invention.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. 5 is a view for schematically showing the overall configuration of the flow control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도6은 체적-압력 특성이 저장조의 설계에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a view for explaining the effect of the volume-pressure characteristic on the design of the reservoir.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 7 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.8 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 9 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도10a 및 도10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 10A and 10B are views schematically showing an overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 11 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 12 is a view schematically showing the overall configuration of a flow control apparatus according to another embodiment of the present invention.
도13은 본 발명의 시험에 사용된 테스트용 유량 제어장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. Fig. 13 is a diagram schematically showing the overall configuration of a test flow control apparatus used in the test of the present invention.
도14는 도13의 테스트용 유량 제어장치에 사용된 저장조를 개략적으로 보여주는 도면이다. 14 is a view schematically showing a reservoir used in the test flow control apparatus of FIG.
도15는 도13의 테스트용 유량 제어장치에 사용된 센서 증폭 회로의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of a sensor amplification circuit used in the test flow control apparatus of FIG.
도16은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 각 구성부의 제어 관계를 개략적으로 보여주기 위한 도면이다. FIG. 16 is a diagram schematically showing a control relationship of each component of the test flow control apparatus of FIG.
도17은 도13의 테스트용 유량 제어장치에서 수행되는 제어 프로그램 시퀀스를 보여주는 도면이다. FIG. 17 is a view showing a control program sequence performed in the test flow controller of FIG.
도18은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 시험 결과 얻어진 벨로우즈 변위에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 18 is a diagram showing the relationship of pressure change to bellows displacement obtained as a result of the test of the test flow control device of FIG.
도19a는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 벨로우즈 변위의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 19A shows the relationship of bellows displacement to time during the charging process of the test flow control device of FIG.
도19b는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 19B is a view showing a relationship of pressure change with time during the charging process of the test flow controller of FIG.
도19c는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안 시간에 대한 순간 유량의 관계를 보여주는 도면이다. 19C is a view showing the relationship between the instantaneous flow rate with respect to time during the charging process of the test flow control device of FIG.
도20a는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 벨로우즈 변위의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 20A shows the relationship of bellows displacement to time during the discharge process of the test flow control device of FIG.
도20b는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 압력 변화의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 20B is a view showing the relationship of pressure change with time during the discharge process of the test flow controller of FIG.
도20c는 도13의 테스트용 유량 제어장치의 방출 과정을 거치는 동안 시간에 대한 순간 유량의 관계를 보여주는 도면이다. 20C is a view showing a relationship between instantaneous flow rate versus time during the discharge process of the test flow control device of FIG.
도21은 도13의 테스트용 유량 제어장치의 시험 결과, 사이클 속도에 대한 유량의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the flow rate and the cycle rate as a result of the test of the test flow rate control device of FIG.
도22는 도13의 유량 제어장치의 시험 결과 보여지는 목적 유량과 측정 유량과의 유량 오차를 보여주는 도면이다. 22 is a diagram showing a flow rate error between the target flow rate and the measured flow rate shown in the test result of the flow control apparatus of FIG.
도23은 도13의 유량 제어장치의 시험 결과, 저장조 유입 압력에 대한 각 충전을 완료하는데 소요되는 시간의 관계를 보여주는 도면이다. FIG. 23 shows the relationship between the time taken to complete each filling to the reservoir inlet pressure as a result of the test of the flow controller of FIG.
도24a는 도13의 유량 제어장치의 충전 과정을 거치는 동안, 저장조 변위에 대한 순간 유량의 관계를 보여주는 도면이다. 24A is a view showing the relationship between the instantaneous flow rate to the reservoir displacement during the filling process of the flow control device of FIG.
도24b는 도13의 유량 제어장치의 방출 과정이 이루어지는 동안, 저장조 변위에 대한 순간 유량의 관계를 나타내는 도면이다. FIG. 24B is a diagram showing the relationship of the instantaneous flow rate to the reservoir displacement during the discharge process of the flow control device of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1, 1a, 1b, 1c: 저장조 2: 피스톤1, 1a, 1b, 1c: reservoir 2: piston
3: 유출개폐수단 4a: 탄성수단3: outflow opening and closing means 4a: elastic means
4b: 질량추 5: 압력센서4b: mass weight 5: pressure sensor
6: 체적감지센서 11: 압력조절수단6: volume sensor 11: pressure regulating means
13: 유입개폐수단 15: 완충조 13: inlet opening and closing means 15: buffer tank
16a, 16b: 탄성수단 18a: 제1 유동저항용 밸브16a, 16b: elastic means 18a: first flow resistance valve
18b: 제2 유동저항용 밸브 18b: second flow resistance valve
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