KR101263854B1 - 전자기 펌프를 위한 제어 시스템 - Google Patents

전자기 펌프를 위한 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본원발명은 예를 들어 전자기 구동식 막 펌프와 같은 전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 제어 시스템은 하나 이상의 마이크로 프로세서와 하나 이상의 센서를 포함하고, 상기 마이크로 프로세서는 하나 이상의 전자석으로의 에너지 공급을 제어하며, 상기 전자석의 방출된 자기장에서의 변화로 인해서 하나 이상의 이동 부분이 직접 또는 간접적으로 진동 펌핑 운동을 수행하게 된다. 본원발명은 상기 제어 시스템이 전자기 구동식 펌프 내에서 이동 부분의 위치를 감지하는 하나 이상의 위치설정 센서를 포함한다는 것을 특징으로 한다. 상기 위치설정 센서의 측정치를 이용함으로써 상기 펌프는 매우 높은 정확도로 제어될 수 있다.
전자기 구동식 펌프, 막 펌프, 전자석

Description

전자기 펌프를 위한 제어 시스템 {CONTROL SYSTEM FOR ELECTROMAGNETIC PUMPS}
본원발명은 전자기 펌프를 작동시키기 위한 제어 시스템에 관련된 것이다. 보다 구체적으로는, 본원발명은 첨부된 청구항에 따른 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
압력이나 부압(negative pressure)을 가하는 전자기 펌프에는, 대형 산업용 펌프로부터 의학적 용도의 매우 작은 펌프에 이르기까지, 다양한 크기 및 변형물들이 있으며 다양한 응용분야에서 사용된다. 막 펌프(membrane pump)와 같은 전자기 펌프에 대한 다양한 사용 분야로 인해서 이러한 펌프의 성능에 대해 많은 요구조건이 부과된다. 막 펌프의 구매자의 중요한 문제는 제조업자로부터의 펌프의 공급이 몇 개의 다른 모델에 대해서만 높은 표준 규격으로 공급된다는 점이며, 이는 주로 펌프 제조업자들이 그들의 제품에 규모의 경제를 추구하기 때문이다. 펌프의 한정된 다양성은 보다 효과적인 제어 시스템에 대한 필요성이 존재한다는 것을 의미한다. 이로 인해서 제조업자들은 보다 나은 방식으로 특별한 사용자의 요구를 만족시킬 수 있으며, 이로써 펌프를 구비하는 제품의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 비용을 절감할 수 있게 된다. 현재 전자기 펌프에 있어서는 좋은 품질의, 간단하고, 표준화되고, 유지 비용이 낮으며 저렴한 제어 시스템이 부족하다.
막 펌프가 하나 또는 그보다 많은 전자석을 이용하여 구동된다는 것은 널리 알려져 있다. 전자석은 예를 들어 막이 펌핑 운동(pumping movement)을 발생시키도록 하는 전진 및 후진 운동을 발생시킨다. 전자기 구동식 막 펌프의 장점은 예를 들어 행정의 길이를 변화시키는 것을 가능하게 하도록 막에 보다 가깝게 결합된다는 것이며, 이러한 점은 편심을 갖는 회전식 모터에 의해 구동되는 막 펌프에 의해서는 달성될 수 없는 것이었다. 더욱이, 전자기 펌프는 매우 적은 세부장치로 이루어지며, 이로써 제조 비용이 낮아진다. 그럼에도 불구하고 전자기 펌프는 덜 보편화되어 있는데, 이는 회전식 모터와 비교하여 전자석이 막 펌프를 구동하는데 명백하게 더 낫지 않다는 사실을 초래하는 몇 가지 문제점 때문이다. 전자기 구동식 펌프의 중요한 문제점은, 이러한 펌프는 더 많은 세부장치 및 추가 마찰을 수반하는 레버(lever)를 사용하지 않고 더 높은 압력으로 기어를 올리는(gear up) 것이 어렵다는 점이다. 또 다른 문제점은 전자기 펌프가 그 폐쇄 위치에서 펌프의 바닥부를 가격하지 않고 정확하게 전환하도록 최적화하는 것이 어렵다는 점이다. 바닥부의 가격은 더 짧은 사용 수명을 초래하며, 미리 전환하게 되면 압력 성능이 나빠지게 된다. 따라서 전자기 펌프는 변경될 수 없는 일정 압력으로 종종 사전에 설정되나, 이는 또한 심각한 제한을 초래하므로 종종 문제가 된다. 전자기 펌프의 또 다른 문제점은 이러한 펌프가 회전식 모터를 구비하는 펌프보다 더 제어하기에 복잡하며 종종 전압의 양에 의해서만 제어될 수 있다는 점이다.
펌프의 실제적인 수행 및 사용으로 인해 추가적인 문제점이 발생한다. 편심 을 갖는 회전식 모터를 구비하는 펌프 및 전자기 펌프와 같은 진동 펌프의 사용과정 동안에, 압력과 유동에 진동이 형성된다. 이러한 것들은 많은 경우에 바람직하지 않으며, 예를 들어 펌핑되는 매체를 측정하는 측정 센서를 교란시킬 수 있다. 큰 용기 또는 용적인 소위 공기 축전기(air capacitors)가 교란성 진동을 최소화하기 위하여 유동을 고르게(even out) 하는데 종종 사용된다. 그러나 이는 언제나 좋은 해결방안은 아닌데, 이는 이러한 방식이 많은 공간을 사용하게 되며 또한 펌핑된 매체가 최종적으로 가스 센서에 도달하기 전에 이러한 용기 내에서 혼합될 염려가 있기 때문이다. 이는, 예를 들어 측정 시스템의 응답 시간 및 민감도(sensitivity)를 감소시킨다. 펌프의 사용에 관한 다른 문제점은 시스템 내에 얼마나 큰 압력에 존재하는가에 의하여 유동이 영향을 받는다는 것이다. 유동 및 압력이 일정할 것이 종종 요구된다. 펌프의 성능은 주변 압력이 어떤 이유로 변화되었는가에 많이 좌우된다. 이는 압력 또는 유동 또는 이들 모두를 매우 정확하게 측정해야 한다는 것을 의미하며, 이는 많은 장치에 있어서 펌프를 제어하기 위하여 필요하다. 이는 시스템의 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 또 다른 문제점은 가스의 혼합과 같이 공통의 결과를 얻기 위하여 몇 개의 펌프가 통합되어야 할 때 발생한다. 이는 몇 개의 유량계, 압력계 및 밸브를 구비하는 매우 복잡한 시스템을 발생시킨다. 보정(calibration)으로부터 완전히 자유롭고 작동 및 에이징(aging)에 의해 영향을 받지않는 제어 시스템을 얻는 것도 또한 문제이다.
상기한 문제점으로 인해서, 펌프를 포함하는 제품 및 시스템은 종종 제조 비용을 매우 비싸게 하는 많은 세부 부품을 포함하는 매우 복잡한 구성을 제공하게 된다.
스웨덴 특허 출원 SE 7503408호에서는 전자석을 작동시키거나 종료시키기 위해 논리 1(logical one) 또는 논리 0(logical zero)을 디지털 방식으로 판독함으로써 펌프가 그 폐쇄 위치(closing position)에 도달하지 않는 것을 보장하기 위해 광학 센서가 사용되었으나, 이러한 해결방안은 본 명세서에 기술되는 해결방안과는 크게 차이가 난다. 왜냐하면, 이러한 해결방안은 이동 가능한 부분이 판독되는 단지 두 개의 폐쇄 위치 이외의 모든 위치에 위치하는 시간을 포함하는 모든 잔여 시간 동안에 발생하는 것에 관한 정보를 갖고 있지 않기 때문이다. 또한, 이러한 해결 방안은 펌프가 펌핑하는 동안의 행정을 위한 증가 행정(increments stroke)을 자유롭게 변화시키기 위해 필요한 점진적 해제(incremental disbandment)를 갖지 않는다. 나사(thread)에 의해 이동될 수 있는 구멍을 가변 증분(variable increments)을 위해 사용하는 방안이 제안되었다. 특허 문서 US 6,616,413 호에서는 유도(induction)를 통해 전자기 펌프의 공진 주파수를 자동적으로 조정하는, 센서에 기초한 제어 시스템을 기술하고 있다.
종래의 전자기 구동식 막 펌프가 수차례 이러한 목적을 달성했으나, 이들 중 어떠한 것도 회전식 모터에 의해 구동되는 막 펌프와 전자석에 의해 구동되는 막 펌프로부터의 이점을, 이둘 두 가지 유형에 의해 수반되는 어떠한 단점도 없이, 결합하지는 못했다. 따라서 본원발명의 목적은 본질적으로 이러한 단점 중 어떠한 것도 없이 각각의 유형의 막 펌프로부터의 장점을 포함하는 막 펌프를 형성하는 것이다. 이러한 시스템은 본 명세서에 기술된 시스템과는 크게 다른데, 이는 그 시스템이 본 명세서에 기술된 문제를 모두 해결하기 위해 요구되는 정확도 및 정확도를 갖추지 못하고 본질적으로는 효율을 최적화하는 것을 목적으로 하기 때문이다.
이전에 언급한 모든 문제들은 전자기 펌프를 위한 제어 시스템을 향상시키기 위한 큰 잠재력이 있다는 것으로 귀결된다. 광범위한 제어 가능성 및 전자기 펌프의 전력원으로의 매우 직접적인 결합을 활용함으로써, 타당한 방식으로 전술한 모든 문제점들을 해결하는 것이 가능하며, 본 명세서에 기술된 제어 시스템을 갖추지 못한 종래의 전자기 펌프뿐만 아니라 회전식 모터를 구비하는 펌프와 비교하여, 전자기 펌프의 사용 영역을 크게 향상시키고 증가시킬 수 있게 된다.
본원발명은 예시적인 목적으로 본원발명의 바람직한 실시예를 도시하는, 첨부된 개략적 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본원발명의 제1 실시형태에 따른 제어 시스템을 도시한다.
제어 시스템
도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 제어 시스템이 도시되어 있다. 이러한 시스템은 시스템을 구동하는데 필요한 에너지를, 전압 판독기(5)를 통해, 시스템에 공급하고 제어 전압을 제공하는 전기 전력원에 의해 구동된다. 이러한 시스템은 모든 데이터를 수집하고, 데이터를 저장하며, 데이터를 연산하여, 데이터를 전송하는 하나 이상의 마이크로 프로세서(1)로 구성된다. 데이터는 하나 이상의 위치 센 서로부터 수집된다. 바람직하게는, 제어 시스템은 하나 이상의 온도 센서(4), 하나 이상의 전기 전류 계측기(9)(전류계) 및 하나 이상의 전압 측정기(8)(전압계)도 포함한다. 대안적인 실시예에서는 추가적인 변형의 센서들이 사용될 수 있다. 센서로부터 수집된 데이터는 마이크로 프로세서에 의해 연상되고, 이후 제어 신호가 전기 회로(7)로 보내지며, 이러한 전기회로는 계속해서 전자석 전원 공급을 제어한다. 계속해서, 전자석은 그 위치가 이동이 하나 이상의 위치 센서에 의해 탐지되는 이동부에 영향을 미치며, 여기서 상기 하나 이상의 위치 센서는 하나 이상의 광학 수신기(3)로 빛을 보내는 하나 이상의 광학 송신기(2)로 구성되는 것이 바람직하다. 제어 시스템은 또한 네트워크 인터페이스(6)를 구비하는데, 이는 몇 개의 펌프가 제어될 수 있도록 하고/하거나 서로 함께 작동할 수 있도록 한다.
막 펌프
제어 시스템은 몇 개의 다른 형태의 전자기 구동 펌프를 제어하도록 구성된다. 도 1의 예시적인 구성에서, 제어 시스템은 전자기 구동식 막 펌프를 제어하는데 사용된다. 이러한 예는 본원발명에 따른 제어 시스템에 대한 특허 보호에 있어 제한되는 사항으로 간주되어서는 안 되는데, 이는 제어 시스템이 본질적으로는 모든 전자기 구동식 펌프에 사용되도록 구성되기 때문이다. 막 펌프는 원형 호스(hose) 연결부를 포함하는 게이블(gable; 22)로 구성된다. 게이블(22)은 플랜지(20)와 함께 결합된다. 플랜지(20)와 게이블(22) 사이의 공간에는 역행 방지판(clack valve; 21)(체크 밸브, 비귀환 밸브, 일방향 밸브 또는 역류를 방지하는 기타의 장치)의 개략적인 형상이 도시되어 있는데, 이는 목적을 위해 적당한 형태의 역행 방지판을 포함할 수 있다. 막(18)은 플랜지(20)와 추가 플랜지(19)의 사이에서 고정된다(clamped). 이는 막과 플랜지(20) 사이의 펌프 챔버의 형성에 대해 유입구 및 배출구를 제공한다. 축(이동부)(12)은 막에 연결(고정)된다. 축은 슬라이드 베어링(14) 내에 매달리게 되며 축방향으로 이동하도록 구성된다. 축은 폭이 넓은 부분(17)을 구비하는데 이는 반경 방향으로 뻗어 있다. 폭이 넓은 부분(17)은 축을 둘러싸는 두 개의 원형 전자석(15 또는 16) 중 하나를 끌어당길 수 있다. 전자석은, 전자석에 의해 형성된 자기장으로 인해서 전자석으로 축의 넓은 부분을 가깝게 이동시킴으로써 축의 폭이 넓은 부분(17)을 끌어당긴다. 전자석(15) 및 (16)을 교번적으로 작동시킴으로써, 진동하는 펌핑 운동이 축방향으로 형성될 수 있다. 대안적으로는, 전자석 중 하나가 스프링으로 교체될 수도 있다.
제어 시스템의 위치설정 기능
전자석의 방출된 자기장으로 인해 형성되는 이동부분의 축방향 운동은 광학 송신기(2)로부터 광학 수신기(3)로 보내지는 빛을 차단하기 위하여 축(이동 부분) 상의 위치(13)에서 다양한 정도로 이루어진다. 이동 부분은 모든 위치에서 어느 정도는 언제나 광학 수신기와 광학 송신기 사이의 빛을 차단한다. 차단된 빛은 그 크기가 수신기에서 유사 전압으로 측정될 수 있는 그림자(shadow)를 초래한다. 유사 전압으로 인해 위치 설정 광학 센서는 무제한의 식별력(unlimited resolution)을 갖게 된다. 광학 수신기는 감지할 수 있는 모든 파장 내에서 모든 빛을 측정하 며, 따라서 빛은 광학 수신기의 송신기로부터만이 아니라 다른 방향 및 다른 공급원으로부터도 올 수 있다. 이러한 교란의 근원(source)을 제거하기 위하여, 광학 송신기는 매우 높은 주파수로 점멸되어, 시스템이 실제로 광학 송신기로부터 나오는 빛의 양을 제어할 수 있게 된다. 적절하게는, 광학 송신기 및 광학 수신기가 모두 펌프의 행정 길이보다 더 큰 10 내지 11의 거리로 이루어진 광의 폭(방사되거나 수신된 빛의 콘(cone)의 폭)을 갖도록 선택되어 진다. 그러나 보다 긴 행정 길이는 축(이동 부분) 상에 원뿔형 단부를 형성함으로써 측정할 수는 있지만, 이는 시스템이 축의 이동으로 잘못 해석하게 되는 반경 방향의 유격이 발생하지 않도록 축의 지지에 높은 정확성 요구조건을 부여하게 된다. 시스템은 광학 위치설정 센서 및 전자석에서의 (온도에 의해 야기되는) 가능한 변화를 보상하기 위하여 온도 센서(4)를 구비한다.
위치설정 기능의 자동 보정
시스템은 또한 이동 부분의 위치의 광학 측정에서의 가능한 에러 유발원에 대한 보상을 위하여 측정의 자동 보정을 위한 기능을 포함한다. 광학 측정에서의 에러 유발원은 예를 들어 펌프의 작동 과정 동안의 마모 및 에이징(aging)에 의해 야기될 수 있다. 자동 보정은 기계적으로 잘 형성된 0점 위치에 의해서, 또는 펌프를 그 전환 위치(turning position)에서 기계적으로 세팅하고 이후 광학 시스템의 위치 표시로 전환 위치를 나타내는 정보를 광학적으로 측정하고 업데이트함으로써 달성된다. 이와 같은 방식으로 해서 시스템은, 예를 들어 에이징, 작 동(operation) 또는 시간이 지남에 따라 광학 수신기 상에서 측정되는 유사한 값에서 차이를 발생시키게 되는 필쓰(filth)로부터 보호될 수 있다. 이와 같은 방식으로 하여, 광학 송신기의 작동으로부터 광학 수신기의 수신에 이르기까지의 전체적인 고리(chain)가 보정된다.
제어 전압
펌프에 대한 제어 시스템은 전압계(5)를 통해 그 전력을 수신한다. 작동 전압을 측정함으로써 시스템은 전력을 공급받게 되며, 작동 전압의 레벨은 또한 펌프에 대한 제어 정보로서 기능하며, 이러한 방식으로 오늘날의 시장에서 가장 일반적으로 존재하는 펌프 형태인 표준 전기 직류 전류(DC) 모터에 의해 작동되는 펌프와 양립할 수 있게 된다. 기존 장비에서 다른 펌프를 교체하기 위한 필요성이 생긴다면, 다양한 유형의 펌프를 본원발명에 따른 제어식 펌프로 교체하는 것이 매우 유리하다. 이와 같은 것이 어떻게 이루어질 수 있는지에 관해서는 이하에서 설명된다.
펌프(제어 시스템)의 기능
펌프(제어 시스템)는 전압계(5)에 연결될 때 6볼트의 외부 유입 전압을 수신한다. 동일한 전압이 마이크로 프로세서로 병렬식으로 연결되어 마이크로 프로세서가 켜지게 된다. 마이크로 프로세서는 온도로부터 발생하는 가능한 측정 에러를 보상하도록 온도를 사용하기 위하여 시스템의 온도를 측정함으로써 개시한다. 이는 소프트웨어에서 지속적으로 이루어지며 본 명세서에서는 더 이상 언급하지 않는다. 마이크로 프로세서는 광학 송신기가, 펌프의 행정 주파수 보다 20배 이상 높은 주파수로 반짝이도록 하고, 바람직하게는 10 kHz의 주파수로 반짝이도록 한다. 마이크로 프로세서는 이후 전기회로(7)의 작동에 의해 전자석(15)을 작동시킨다.
전자석은, 이동 부분이 전자석과 기계적으로 연결되는 그 전환 위치에 다다를 때까지, 펌프의 축(이동 부분)을 축방향에서 전자석(15)을 향해 끌어당긴다. 이후 마이크로 프로세서는 광학 수신기(3)에서 전압을 측정한다. 전압은 광학 송신기가 점멸할 때 모두 측정된다. 마이크로 프로세서는 전압의 차이를 계산하고 이를 펌프에 대한 한정된 전환 위치로서 메모리에 저장한다. 전자석(15)을 정지시키고 대신 전자석(16)을 작동시킴으로써 다른 전환 위치에 대해 동일한 절차가 실행된다. 이제 마이크로 프로세서는 펌프의 양 단부 위치를 알게 되며, 이로써 전환 위치로의 충돌을 방지할 수 있다. 마이크로 프로세서는 전환 위치 사이에서 축이 발견되는 위치를 정확히 지속적으로 제어하기 위하여 그림자(shadow)의 크기를 지속적으로 측정할 것이다. 소위 선형성 표(linearity table)를 사용함으로써, 그림자의 크기가 전압차에 대하여 완전히 선형적이지 않음에도 불구하고, 전압 차가 특정 위치로 변환될 수 있다. 이후 마이크로 프로세서는 6볼트를 나타내는 전압계(5)를 측정한다. 마이크로 프로세서는 예를 들어 6볼트의 유입 전압이 완전한 행정 길이 및 6Hz의 행정 주파수를 제공하도록 이미 프로그램되어 있다. 마이크로 프로세서는 본 실시예에서 볼트 단위의 유입 전압에 행정 주파수를 표시하는 것을 인식하도록 사전 프로그램된다. 마이크로 프로세서는 전자석을 교번적으로 작동시 킴으로써 축이 앞뒤로 진동하게 한다. 시간에 맞게 방향을 바꾸기 위하여 광학 위치설정 센서를 사용하며 이로써 펌프는 마모 및 해짐(tear)의 원인이 되는 그 단부 지점의 충돌을 방지할 수 있게 된다. 이는 펌프의 속도를 조절하여 6 kHz의 주파수가 얻어지게 된다. 속도의 조절은 예를 들어 전자석으로의 높은 전압으로 조절될 수 있다. 바람직한 해결 방안에서 사용되는 방법은 펌프의 속도보다 실질적으로 높은 주파수를 사용함으로써, 이 경우에 6볼트인, 전압 제어로서 유입되는 전압을, 전자석으로 공급되는 전력을 제어하는 전기 회로(7)의 보조하에서, 차단 및 점멸(turn off and on)시키는 것이다. 따라서, 구성에 있어서 부품의 수를 최소화시키는 것 및 전압 조절을 방지하는 것이 가능하고, 따라서 제어 전자장치(7)에서의 전압 강하 형태의 에너지 손실을 방지하는 것이 가능하게 된다.
이 경우에 제어 시스템에 대한 작동 전압이 7볼트로 상승되면, 시스템의 제어 프로그램은 전체 행정 길이를 유지하는 반면 행정 주파수를 7 Hz 로 상응하게 올릴 것이다. 이러한 방식으로 하여 직류 전류(DC) 모터를 모방하는 것이 가능하며, 따라서 시장에 있는 종래의 직류 전류(DC) 구동 펌프를 교체할 수 있게 된다. 작동 전압에서의 변화는 물론 주파수 이외의 다른 것들도 제어할 수 있다. 주파수는 일정하게 유지될 수 있으며 행정 길이는 작동 전압에 의해 제어될 수 있다. 더욱이, 작동 전압은 이하에서 설명될 실제 유동 또는 압력을 제어할 수 있다. 이로써 선형 펌프 기능이 얻어지게 된다.
네트워크 인터페이스
작동 전압은 일정하게 유지될 수도 있으며, 대신 펌프는 펌프가 구비하는 종래의 통신/네트워크 프로토콜을 구비하는 네트워크 인터페이스(6)를 통해 제어될 수 있다. 네트워크 인터페이스는 몇 개의 제어 시스템이 서로 그리고 다른 외부 센서 및 시스템과 함께 작동하고 함께 제어될 수 있도록 구성된다. 이로써 펌프는 서로, 또한 외부 센서 및 시스템과 함께 작동하도록 함께 제어될 수 있게 된다. 몇 개의 제어 시스템 사이의 협력을 통해 더 큰 펌프가 몇 개의 또는 더 많은 전자석에 의해 작동될 수 있다. 네트워크 인터페이스를 사용함으로써, 몇 개의 펌프가 대형 유동을 함께 일으킬 수 있다는 목적과 동시에 함께 작동할 수 있다. 직렬로 연결되어 있다 하더라도 압력 성능을 개선시키기 위한 만족스러운 효과를 제공한다. 병렬로 연결된 펌프는, 제어 시스템의 네트워크 인터페이스를 통하여, 제2 펌프가 내부로 펌핑할 때(pump in) 제1 펌프를 외부로 펌핑하게(pump out) 함으로써 유동 리플(flow ripple)을 보상하도록 시간이 지연되게 작동할 수 있다. 두 개보다 많은 펌프가 리플을 제거할 수도 있다. 네트워크 기능성의 추가적인 효과는 동일한 버스(bus)가 더 적은 전자 장치 및 연결부로 몇 개의 펌프를 제어할 수 있다는 것이다. 네트워크 인터페이스는 무선일 수도 있다.
압력의 계산
제어 시스템은 펌프가 생성하는 압력으로부터도 계산할 수 있다. 압력을 측정하기 위한 다소 간략화된 방법이 이하에서 설명된다. 전자석이 이동 부분을 끌어당기는 방향에서 가속의 크기는, 펌프 챔버에서 발견되는 양압 또는 부 압(positive pressure or negative pressure)으로부터 발생되는, 전자석이 막을 끌어당기기 위해 생성하는 힘과 막을 반대 방향으로 끌어당기는 역방향 힘 간의 힘의 차이에서의 측정치이다.
위치 센서를 이용하여, 임의의 순간에서 이동 부분이 어디에 위치하는지, 얼마나 빠르게 이동하는지, 그리고 그 가속도가 알려진다. 전자석이 축에 대한 모든 거리에서 생성하는 힘은 측정(보정)에 의하여 이미 알려져 있다. 가속도가 측정되어 알려진 힘과 비교될 때, 공식 A= F1 - F2 이 펌프의 압력에 의해 생성되는 미지의 힘을 계산하는데 사용된다. 이후, 압력으로부터 생성된 힘이 알려지면, 공식 P= F/A 을 사용하여 압력의 크기를 계산하는 것이 가능하게 된다.
물론 예를 들어 베어링에서의 마찰, 막의 탄성, 추가 탄성, 공기 전항 및 온도와 같이 영향을 주는 다른 인자들이 있다. 그러나 이러한 매개변수들의 중요성은 모든 펌프가 어떻게 구성되었는가에 의존할 것이며, 이는 이러한 것들이 본 명세서의 간략화된 설명에서 왜 제외되었는가에 대한 이유이다.
앞서 언급된 사용분야와 별개로, 제어 시스템은 서로 다른 압력에서 유동 성능/행정이 생성 과정 동안에 측정되어 펌프에 저장되는 것을 이용해서 펌프의 유동을 측정하는데 사용될 수도 있다. 따라서 유동은 식 (유동= 행정 주파수*특정 압력에서의 유동 성능)을 이용하여 계산될 수도 있다.
제어 시스템을 구비하는 펌프의 적용 예
제어 시스템은 투입량(dosage)과 함께 펌프를 제어하는데 사용될 수 있다. 펌프는, 모든 특정 압력에서의 유동 성능/행정이 생성과정 동안의 보정으로부터 알려지기 때문에 투입될 수 있다. 펌프의 용적= 행정의 수*특정 압력에서의 유동 성능/행정이다.
제어 시스템은 또한 서로 다른 매체를 혼합하는 동안에 펌프를 제어하는데 사용될 수도 있다. 제어 시스템을 이용하여, 네트워크 기능과 함께 펌프의 유동 측정 기능은 높은 정확도로 서로 다른 매체를 혼합할 수 있는 매우 간단하고 기능적인 시스템을 형성하는데 사용될 수 있다.
제어 시스템은 펌프에 기어를 올리기(gear up) 위해서 사용될 수 있다. 펌프는 전체 행정 길이에서 펌핑할 수 있으며 이후, 필요하다면, 행정 길이를 줄이고 작동하는 전자석에 가깝게 진동한다. 이는 막을 작동시키도록 상당히 큰 힘을 달성할 것이며 여기서 방출 압력이 기어를 올릴 수 있다.
제어 시스템을 제어하기 위한 방법 및 제어 시스템의 바람직한 실시예가 본 명세서에서 자세히 설명되었기는 하나, 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본원발명의 범위 내에서 수정 및 작은 변경을 알 수 있을 것이며 이러한 모든 경우는 이하의 청구항의 범위에 속하는 것으로 고려되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 전자기 구동식 막 펌프와 같은 전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어시스템으로서, 하나 이상의 마이크로 프로세서(1)와 하나 이상의 센서를 포함하고, 상기 마이크로 프로세서는 하나 이상의 전자석(15,16)으로의 에너지 공급을 제어하며, 방출된 자기장에서의 변화로 인해서 하나 이상의 이동 부분(12)이 진동 운동을 수행하여 펌핑 효과를 달성하며, 하나 이상의 위치 센서가 배치되어 상기 전자기 구동식 펌프의 이동 부분(12)의 위치를 감지하는, 전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템에 있어서,
    상기 위치 센서가 하나 이상의 광학 송신기(2) 및 하나 이상의 광학 수신기(3)를 포함하며, 상기 펌프의 이동 부분(12)이, 그 크기가 이동 부분의 위치에 의존하는 정도로 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 빛을 차단하고, 상기 마이크로 프로세서(1)가, 차단된 영역의 크기에 관하여, 상기 광학 수신기(3)에서의 전압에 상응하는 그림자의 크기로부터 상기 이동 부분의 위치를 지속적으로 계산하도록 설정되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 부분이 모든 위치에서 상기 송신기와 수신기 사이의 빛을 차단하 는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가, 상기 위치 센서의 기능의 자동적인 보정을 위하여, 상기 전자석(15,16)에 의하여 하나 이상의 알려진 위치로 끌어당겨지는 상기 이동 부분에 의해 상기 광학 수신기(3)로부터의 전압을 기록하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 송신기(2)가 상기 펌프의 행정 주파수보다 20배 이상 높은 주파수로 반짝(flash)이도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 펌프의 행정 동안에 상기 이동 부분(12)의 가속도를 측정함으로써 상기 펌프의 방출되는 압력을 측정하도록 센서가 설정되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가 상기 전자석(15,16)을 통과하는 전류를 기록하도록 구성되는 하나 이상의 센서(9)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가 상기 제어 시스템의 온도 보상을 위해 측정된 온도 데이터를 사용하기 위하여 하나 이상의 온도 센서(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    서로 다른 압력에서 각각의 펌프 행정에 대한 알려진 유동 성능을 이용하여 유동을 측정하도록 센서가 설정되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가 전압계(5)에 의해 측정되는 유입 전압 수준에 의해 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템이, 상기 펌프가 일정한 주파수로 구동되고 유동이 상기 이동 부분(12)의 행정 길이에 따라 변화하도록 하는 기능을 포함하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템이, 주변의 시스템이나 센서에게 가장 유리할 때, 펌프가 펌핑 운동을 실행하도록 제어하기 위하여 외부 시스템 또는 센서와 시간상으로 동기화되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 가변 길이의 단일 행정을 생성하도록 상기 펌프를 제어하기 위한 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가 몇 개의 제어 시스템을 함께 연결하는 것을 가능하게 하는 네트워크 기능(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 가스의 혼합 과정 동안에 상기 펌프를 제어하기 위하여 유동 측정 및 네트워크 기능을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 복수의 전자석의 사용에 의하여 대형 펌프를 구동하도록 몇 개의 제어 시스템과 함께 작동하기 위하여 네트워크 기능을 활용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 유동 리플을 고르게 하기 위하여 몇 개의 연결된 펌프 사이의 펌프 행정을 시간 지연시키기 위하여 그 네트워크 기능을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 유동 성능을 증가시키기 위하여 몇 개의 병렬 연결된 펌프를 제어하기 위하여 그 네트워크 기능을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 압력 성능을 증가시키도록 펌프의 직렬 연결을 제어하기 위하여 그 네트워크 기능을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 유입되는 전압에 대해 비례하는 유동에 대한 선형 함수로 상기 펌프를 제어하기 위하여 유동 측정을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템이 유입 전압에 대해 비례하는 압력에 대한 선형 함수로 상기 펌프를 제어하기 위하여 압력 측정을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 제어 시스템.
  21. 제1항 또는 제2항에 따른 제어 시스템을 구비하는, 전자기 구동식 막 펌프와 같은 전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 마이크로 프로세서(1)가 하나 이상의 위치 센서로부터 측정값을 측정하고, 상기 위치 센서가 상기 이동 부분의 위치 및 운동을 점진적으로 측정하고, 상기 마이크로 프로세서가 측정된 측정치를 연산하고 상기 펌프의 요구되는 성능에 따라 상기 전자석(15,16)으로의 에너지 공급의 제어를 조절하는 것을 특징으로 하는,
    전자기 구동식 펌프를 제어하기 위한 방법.
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