KR102170432B1 - 용액 농도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치는 원료 용액을 포함하는 원료 용액 저장 탱크, 상기 원료 용액과 혼합되는 용수를 공급하는 용수 공급부, 상기 원료 용액 저장 탱크보다 낮은 위치에 설치되어 상기 원료 용액과 상기 용수를 혼합하는 혼합 탱크, 상기 원료 용액 저장 탱크와 상기 혼합 탱크를 연결하는 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 제어하는 원료 용액 제어 밸브, 상기 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 검출하는 원료 용액 유량 검출기, 상기 원료 용액 저장 탱크 내부의 상기 원료 용액의 레벨 신호를 상기 원료 용액의 설정량으로 변환하는 레벨 유량 변환기, 그리고 상기 원료 용액 유량 검출기에 의해 검출된 상기 원료 용액의 공급량과 상기 레벨 유량 변환기에 의해 변환된 상기 원료 용액의 설정량을 비교하여 상기 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 유량 제어기를 포함한다.

Description

용액 농도 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING SOLUTION SUPPLY AMOUNT}
본 발명은 용액 농도 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 용액 농도 제어 장치는 원료 용액을 원료 용액 저장 탱크에서 자유낙하로 혼합 탱크에 공급하여 용수와 섞어 필요한 용액 농도로 맞추는 장치이다.
원료 용액 저장 탱크 내의 원료 용액의 레벨에 따라 원료 용액 저장 탱크의 출구의 유속이 달라지게 된다. 이 때, 원료 용액 저장 탱크의 출구의 유량 제어가 적절히 되지 않으면 여러 가지 문제가 발생한다.
즉, 원료 용액 저장 탱크의 출구의 유속이 지나치게 빠르면 원료 용액 유량 제어기의 검출 상한 범위를 벗어나게 되어 적산이 안되며 혼합 탱크의 과잉 농도를 유발시켜 원료 용액을 낭비하게 된다.
또한, 원료 용액은 금속을 부식 시키는 유해 화학 물질인 경우가 많으므로, 원료 용액 유량 검출기는 원료 용액과의 접촉부에 부식 방지 처리가 되어있으나, 원료 용액의 유속이 원료 용액 유량 검출기의 권장 유속보다 지나치게 빠르면 원료 용액 유량 검출기가 침식될 수 있다. 따라서, 원료 용액 제어 밸브의 차단 시 적산이 즉시 정지하지 않아서 초과 적산이 발생하게 된다.
본 발명에서는 원료 용액의 유량을 안정적으로 제어하고 초과 적산을 방지할 수 있는 용액 농도 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치는 원료 용액을 포함하는 원료 용액 저장 탱크, 상기 원료 용액과 혼합되는 용수를 공급하는 용수 공급부, 상기 원료 용액 저장 탱크보다 낮은 위치에 설치되어 상기 원료 용액과 상기 용수를 혼합하는 혼합 탱크, 상기 원료 용액 저장 탱크와 상기 혼합 탱크를 연결하는 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 제어하는 원료 용액 제어 밸브, 상기 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 검출하는 원료 용액 유량 검출기, 상기 원료 용액 저장 탱크 내부의 상기 원료 용액의 레벨 신호를 상기 원료 용액의 설정량으로 변환하는 레벨 유량 변환기, 그리고 상기 원료 용액 유량 검출기에 의해 검출된 상기 원료 용액의 공급량과 상기 레벨 유량 변환기에 의해 변환된 상기 원료 용액의 설정량을 비교하여 상기 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 유량 제어기를 포함한다.
상기 혼합 탱크의 크기에 비례하여 필요한 원료 용액의 설정량을 결정하고 상기 원료 용액의 공급량과 설정량을 비교하여 상기 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 비교기를 더 포함할 수 있다.
상기 원료 용액 유량 제어기에 버퍼 신호를 전달하는 원료 용액 유량 버퍼, 그리고 상기 레벨 유량 변환기와 상기 원료 용액 유량 버퍼 중 어느 하나를 선택하여 연결하는 선택 스위치를 더 포함하고, 상기 버퍼 신호는 상기 원료 용액의 기준 설정량보다 작을 수 있다.
상기 선택 스위치에 연결되는 조건 제어기를 더 포함하고, 상기 조건 제어기는 상기 선택 스위치가 상기 레벨 유량 변환기와 상기 원료 용액 유량 버퍼 중 어느 하나를 선택할 지를 제어할 수 있다.
상기 원료 용액 유량 제어기 및 상기 조건 제어기에 연결되는 출력 연산기를 더 포함하고, 상기 출력 연산기는 상기 조건 제어기의 지시를 받아 상기 원료 용액 유량 제어기의 출력을 제어할 수 있다.
상기 원료 용액 유량 제어기와 상기 원료 용액 비교기 사이에 위치하는 범위 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 용수 공급부와 상기 혼합 탱크를 연결하는 용수 배관에 설치되며 상기 용수의 공급량을 제어하는 용수 제어 밸브, 그리고 상기 혼합 탱크의 크기에 비례하여 필요한 용수의 설정량을 결정하고 상기 용수의 공급량과 설정량을 비교하여 상기 용수 제어 밸브를 제어하는 용수 비교기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치는 원료 용액 유량 검출기에 의해 검출된 원료 용액의 공급량과 레벨 유량 변환기에 의해 변환된 원료 용액의 설정량을 비교하여 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 유량 제어기를 설치함으로써, 원료 용액 저장 탱크에서 혼합 탱크로 공급되는 원료 용액의 유속을 적정하게 제어하여 원료 용액의 검출 이상 및 적산 이상을 방지하고, 원료 용액 유량 검출기 및 원료 용액 배관의 고장을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 공급량 제어 장치의 레벨 유량 변환기의 레벨-유량 변환 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치의 개략적인 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치는 원료 용액 저장 탱크(100), 용수 공급부(200), 혼합 탱크(300), 원료 용액 제어 밸브(102), 원료 용액 비교기(103), 원료 용액 유량 검출기(104), 레벨 유량 변환기(106), 선택 스위치(107), 원료 용액 유량 버퍼(108), 원료 용액 유량 제어기(109), 조건 제어기(111), 용수 제어 밸브(202), 그리고 용수 비교기(203)를 포함한다.
원료 용액 저장 탱크(100)는 수산화나트륨(NaOH)과 같은 원료 용액(1)을 포함할 수 있다. 용수 공급부(200)는 원료 용액(1)과 혼합되는 용수(2)를 공급할 수 있다.
혼합 탱크(300)는 원료 용액 저장 탱크(100)보다 낮은 위치에 설치되어 원료 용액(1)과 용수(2)를 혼합하여 특정 농도의 혼합 용액(3)을 제조하게 된다.
원료 용액 저장 탱크(100)와 혼합 탱크(300) 사이에는 원료 용액 배관(101)이 설치되어 원료 용액(1)을 혼합 탱크(300)로 공급한다. 그리고, 용수 공급부(200)와 혼합 탱크(300) 사이에는 용수 배관(201)이 설치되어 용수(2)를 혼합 탱크(300)로 공급한다.
이 때, 원료 용액(1)은 자유 낙하에 의해 원료 용액 배관(101)을 통해 혼합 탱크(300)로 공급되며, 용수(2)는 별도의 공급 펌프(미도시)에 의해 원거리에서 이송되어 용수 배관(201)을 통해 혼합 탱크(300)로 공급된다.
원료 용액 제어 밸브(102)는 원료 용액 배관(101)에 설치되어 원료 용액(1)의 공급량을 제어할 수 있고, 용수 제어 밸브(202)는 용수 배관(201)에 설치되어 용수(2)의 공급량을 제어할 수 있다.
이 때, 원료 용액 제어 밸브(102)에 연결된 원료 용액 비교기(103)는 혼합 탱크(300)의 크기에 비례하여 필요한 원료 용액(1)의 설정량을 결정하고 원료 용액(1)의 공급량과 설정량을 비교하여 원료 용액 제어 밸브(102)를 제어한다.
또한, 용수 제어 밸브(202)에 연결된 용수 비교기(203)는 혼합 탱크(300)의 크기에 비례하여 필요한 용수(2)의 설정량을 결정하고 용수(2)의 공급량과 설정량을 비교하여 용수 제어 밸브(202)를 제어한다.
따라서, 혼합 탱크(300)의 크기에 비례하여 원료 용액 비교기(103)와 용수 비교기(203)에 원료 용액(1)과 용수(2)가 필요한 양만큼 설정된 후에 원료 용액 제어 밸브(102)와 용수 제어 밸브(202)가 열려서 원료 용액(1)과 용수(2)가 공급된다. 이후 원료 용액 비교기(103)와 용수 비교기(203)에서 감시
하여 공급량과 설정량이 동일해지는 시점에 원료 용액 제어 밸브(102)와 용수 제어 밸브(202)가 닫히고 공급이 종료된다.
용수(2)는 별도의 공급 펌프에 의해 공급되므로 용수 제어 밸브(202) 및 용수 비교기(203)를 이용하여 안정적으로 혼합 탱크(300)에 용수(2)를 공급할 수 있다.
원료 용액 저장 탱크(100)에 연결된 원료 용액 배관(101)에서의 원료 용액(1)의 유속을 V라 하면, 유속 V는 아래 수학식 1로 정의된다.
Figure 112019035876081-pat00001
여기서, g는 중력가속도, H는 원료 용액(1)의 레벨이다.
원료 용액(1)의 레벨이 높을수록 유속은 커짐을 알 수 있다.
원료 용액 저장 탱크(100)에 연결된 원료 용액 배관(101)의 유량을 Q라 하면, 유량 Q는 아래 수학식 2로 정의된다.
Figure 112019035876081-pat00002
여기서, A는 원료 용액 배관(101)의 단면적이다.
원료 용액(1)의 레벨이 높을수록 유속도 커지고, 유량도 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 원료 용액(1)은 자유 낙하에 의해 공급되므로 원료 용액 저장 탱크(100) 내부에 있는 원료 용액(1)의 레벨(H)에 따라 원료 용액 저장 탱크(100)의 출구에 연결된 원료 용액 배관(101)에서 유속이 달라진다.
이 경우, 혼합 탱크(300)의 혼합 용액93)의 농도가 과잉되고, 초과 적산이 발생하게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 농도 제어 장치는 원료 용액 저장 탱크(100) 내부의 원료 용액(1)의 레벨 변화에 연동하여 유량을 제어함으로써, 원료 용액(1)의 유량을 안정적으로 제어하고 초과 적산을 방지할 수 있다.
이에 대해 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명한다.
원료 용액 유량 검출기(104)는 원료 용액 배관(101)에 설치되며 원료 용액(1)의 공급량을 검출할 수 있다. 이러한 원료 용액 유량 검출기(104)는 원료 용액 저장 탱크(100)와 원료 용액 제어 밸브(102) 사이에 위치할 수 있다.
레벨 유량 변환기(106)는 원료 용액 저장 탱크(100) 내부의 원료 용액(1)의 레벨 신호를 측정하여 원료 용액(1)의 설정량으로 변환할 수 있다. 원료 용액(1)의 설정량은 원료 용액(1)의 유량의 순시값에 해당한다.
레벨 유량 변환기(106)는 공장 가동 여부와 상관없이 주 제어 시스템의 제어 주기로 레벨 유량 변환을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액 공급량 제어 장치의 레벨 유량 변환기의 레벨-유량 변환 그래프이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 레벨 유량 변환기(106)는 원료 용액 저장 탱크(100) 내부의 원료 용액(1)이 기준 레벨을 초과하면 기준 유속을 초과하지 않는 유량을 설정량으로 적용한다. 그리고, 원료 용액 저장 탱크(100) 내부의 원료 용액(1)이 기준 레벨 이하이면 기준 유속에 가깝게 설정량을 증가시킨다.
원료 용액 유량 제어기(109)는 원료 용액 유량 검출기(104)에 의해 검출된 원료 용액(1)의 공급량과 레벨 유량 변환기(106)에 의해 변환된 원료 용액(1)의 설정량을 비교하여 원료 용액 제어 밸브(102)를 제어한다. 이러한 원료 용액 유량 제어기(109)는 PID 제어 기능을 가질 수 있다.
레벨 유량 변환기(106)와 원료 용액 유량 제어기(109) 사이에는 선택 스위치(107)가 설치된다. 선택 스위치(107)가 레벨 유량 변환기(106)와 원료 용액 유량 제어기(109)를 연결하는 경우에는 레벨 유량 변환기(106)에서 변환된 원료 용액(1)의 설정량이 원료 용액 유량 제어기(109)에 전달될 수 있다.
또한, 선택 스위치(107)는 원료 용액 유량 버퍼(108)와 연결될 수 있다. 선택 스위치(107)가 레벨 유량 변환기(106)와 원료 용액 유량 버퍼(108)를 연결하는 경우에는 원료 용액 유량 버퍼(108)의 버퍼 신호가 원료 용액 유량 제어기(109)에 전달될 수 있다. 버퍼 신호는 원료 용액의 기준 설정량보다 작을 수 있다. 즉, 원료 용액 유량 버퍼(108)에 저장된 버퍼 신호인 원료 용액(1)의 설정량은 기준 설정량의 1/5 일 수 있다.
따라서, 원료 용액 유량 제어기(109)는 원료 용액 유량 검출기(104)에 의해 검출된 원료 용액(1)의 공급량을 범위 변환기(112)를 거쳐 원료 용액 비교기(103)에 전송한다.
그리고, 원료 용액 유량 제어기(109)는 선택 스위치(107)의 출력 신호(즉, 원료 용액(1)의 설정량 또는 버퍼 신호)와 원료 용액 유량 검출기(104)에서 제공된 신호(즉, 원료 용액(1)의 공급량)의 차이를 비교하여 4mA 내지 20mA의 신호를 원료 용액 제어 밸브(102)에 공급한다.
여기서, 원료 용액 유량 제어기(109)의 유량 단위와 원료 용액 유량 검출기(104)의 유량 단위는 M3/min 이며, 원료 용액 비교기(103)의 유량 단위는 L/min 일 수 있다. 한편, 범위 변환기(112)는 단위를 가지지 않으며 원료 용액 유량 제어기(109)의 신호에 1000을 곱하여 원료 용액 비교기(103)에 전송한다.
조건 제어기(111)는 선택 스위치(107)에 연결되며 선택 스위치(107)의 연결 위치를 제어하고 원료 용액 유량 제어기(109)의 모드(Mode) 또는 파라미터(Parameter)를 제어할 수 있다.
출력 연산기(110)는 원료 용액 유량 제어기(109) 및 조건 제어기(111)에 연결될 수 있다. 이러한 출력 연산기(110)는 조건 제어기(111)의 지시를 받아 원료 용액 유량 제어기(109)의 출력을 0%로 만들 수 있다.
이하에서, 조건 제어기(111)의 동작에 대해 상세히 설명한다.
조건 제어기(111)는 '공장 가동 중'이란 신호를 주 제어 시스템에서 제공 받아서 공장 가동 중에 혼합 탱크(300)의 용액 농도에 변화가 생겨 원료 용액(1)을 혼합 탱크(300)에 공급할 필요성이 생기면 선택 스위치(107)를 레벨 유량 변환기(106)에 연결시킨다.
원료 용액 유량 제어기(109)는 레벨 유량 변환기(106)의 변환 결과가 원료 용액(1)의 설정량으로 되어 있으나 원료 용액 유량 검출기(104)의 신호가 없으므로 그대로 원료 용액 제어 밸브(102)에 출력하여 원료 용액 저장 탱크(100)에서 혼합 탱크(300)로 원료 용액(1)이 공급되게 한다.
원료 용액 저장 탱크(100) 내부의 원료 용액(1)의 레벨이 500mm 이상인 경우에는 원료 용액 유량 제어기(109)의 설정량은 0.35 M3/min가 되므로 범위 변환기(112)에서 1000을 곱하여 원료 용액 비교기(103)에 전송하므로 원료 용액 비교기(103)의 설정량은 350 L/min가 된다. 여기서, 0.35 M3/min은 원료 용액(1)의 기준 설정량일 수 있다.
이후, 조건 제어기(111)에서 감시를 하다가 원료 용액 비교기(103)에서 비교하여 원료 용액(1)의 설정량과 공급량의 차이가 기준값, 예컨대, 30L에 도달하면 선택 스위치(107)를 원료 용액 유량 버퍼(108)에 연결시킨다. 원료 용액 유량 버퍼(108)에 저장된 원료 용액(1)의 설정량은 기준 설정량(0.35 M3/min)의 1/5 일 수 있다. 이 경우, 원료 용액 유량 제어기(109)는 변경된 원료 용액(1)의 설정량에 따라 PID 제어를 하게 되며 원료 용액(1)의 설정량이 작아진 만큼 원료 용액 제어 밸브(102)로 전송하는 출력은 더 작아진다.
원료 용액(1)이 혼합 탱크(300)으로 더 공급되어 원료 용액 비교기(103)의 원료 용액(1)의 설정량과 공급량이 동일해지면 조건 제어기(111)는 출력 연산기(110)에 저장된 값(즉, 0%)이 원료 용액 제어 밸브(102)에 출력하도록 지시하여 원료 용액 제어 밸브(102)가 닫히고 원료 용액(1)이 혼합 탱크(300)로 공급되는 것을 정지시킨다.
이 때, 원료 용액 유량 제어기(109)의 원료 용액(1)의 설정량이 기준 설정량(0.35 M3/min)의 1/5인 0.07 M3/min 로 바뀌면 공급량도 줄어들게 된다. 따라서, 원료 용액 제어 밸브(102)가 닫히자마자 공급량도 제로(zero)가 되어 원료 용액 비교기(103)에 의한 과잉 적산을 방지할 수 있다.
이후 조건 제어기(111)는 공장 가동 여부와 원료 용액(1)의 공급 필요를 계속 감시한다.
이와 같이, 공급량이 설정량에 가까워지면 원료 용액의 설정량을 최소화하여 원료 용액 제어 밸브(102)를 차단하고 적산도 정지하여 초과 적산을 방지할 수 있다.
또한, 원료 용액 유량 제어기(109)를 이용하여 원료 용액 유량 검출기(104)에 의해 검출된 원료 용액(1)의 공급량과 레벨 유량 변환기(106)에 의해 변환된 원료 용액(1)의 설정량을 비교하여 원료 용액 제어 밸브(102)를 제어함으로써, 원료 용액 저장 탱크(100)에서 혼합 탱크(300)로 공급되는 원료 용액(1)의 유속을 적정하게 제어하여 원료 용액(1)의 검출 이상 및 적산 이상을 방지하고, 원료 용액 유량 검출기(104) 및 원료 용액 배관의 고장을 방지할 수 있다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 원료 용액 저장 탱크 102: 원료 용액 제어 밸브
103: 원료 용액 비교기 104: 원료 용액 유량 검출기
106: 레베 유량 변환기 107: 선택 스위치
108: 원료 용액 유량 버퍼 109: 원료 용액 유량 제어기
111: 조건 제어기 200: 용수 공급부
202: 용수 제어 밸브 203: 용수 비교기

Claims (7)

  1. 원료 용액을 포함하는 원료 용액 저장 탱크,
    상기 원료 용액과 혼합되는 용수를 공급하는 용수 공급부,
    상기 원료 용액 저장 탱크보다 낮은 위치에 설치되어 상기 원료 용액과 상기 용수를 혼합하는 혼합 탱크,
    상기 원료 용액 저장 탱크와 상기 혼합 탱크를 연결하는 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 제어하는 원료 용액 제어 밸브,
    상기 원료 용액 배관에 설치되며 상기 원료 용액의 공급량을 검출하는 원료 용액 유량 검출기,
    상기 원료 용액 저장 탱크 내부의 상기 원료 용액의 레벨 신호를 상기 원료 용액의 설정량으로 변환하는 레벨 유량 변환기,
    상기 원료 용액 유량 검출기에 의해 검출된 상기 원료 용액의 공급량과 상기 레벨 유량 변환기에 의해 변환된 상기 원료 용액의 설정량을 비교하여 상기 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 유량 제어기,
    상기 원료 용액 유량 제어기에 버퍼 신호를 전달하는 원료 용액 유량 버퍼, 그리고
    상기 레벨 유량 변환기와 상기 원료 용액 유량 버퍼 중 어느 하나를 선택하여 연결하는 선택 스위치
    를 포함하고,
    상기 버퍼 신호는 상기 원료 용액의 기준 설정량보다 작은 용액 농도 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 탱크의 크기에 비례하여 필요한 원료 용액의 설정량을 결정하고 상기 원료 용액의 공급량과 설정량을 비교하여 상기 원료 용액 제어 밸브를 제어하는 원료 용액 비교기를 더 포함하는 용액 농도 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 선택 스위치에 연결되는 조건 제어기를 더 포함하고,
    상기 조건 제어기는 상기 선택 스위치가 상기 레벨 유량 변환기와 상기 원료 용액 유량 버퍼 중 어느 하나를 선택할 지를 제어하는 용액 농도 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원료 용액 유량 제어기 및 상기 조건 제어기에 연결되는 출력 연산기를 더 포함하고,
    상기 출력 연산기는 상기 조건 제어기의 지시를 받아 상기 원료 용액 유량 제어기의 출력을 제어하는 용액 농도 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 원료 용액 유량 제어기와 상기 원료 용액 비교기 사이에 위치하는 범위 변환기를 더 포함하는 용액 농도 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용수 공급부와 상기 혼합 탱크를 연결하는 용수 배관에 설치되며 상기 용수의 공급량을 제어하는 용수 제어 밸브, 그리고
    상기 혼합 탱크의 크기에 비례하여 필요한 용수의 설정량을 결정하고 상기 용수의 공급량과 설정량을 비교하여 상기 용수 제어 밸브를 제어하는 용수 비교기를 더 포함하는 용액 농도 제어 장치.
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