KR102275195B1

KR102275195B1 - 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치

Info

Publication number: KR102275195B1
Application number: KR1020210033328A
Authority: KR
Inventors: 최주형
Original assignee: 유양에스엔지 주식회사
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-07-09

Abstract

본 발명에 따른 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치는, 파이프에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브와, 정역 방향 회전으로 상기 밸브를 개폐하는 핸들을 포함한 밸브 어셈블리; 상기 파이프 주변에 설치되어 상기 유체의 소리를 감지하는 소리 센서; 상기 핸들에 연결된 상태에서 모터의 정역 구동으로 상기 핸들을 회전하는 밸브 제어 매커니즘; 상기 소리 센서에서 감지한 소리의 이상 여부를 분석하여 상기 모터의 회전수 및 회전 방향을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치에 의하면, 값비싼 자동 밸브를 설치하지 않고서도 원격으로 밸브를 자동 개폐 제어할 수 있어 작업자의 안정을 최대한 보장할 수 있다는 효과를 가진다.

Description

소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치{REMOTE VALVE CONTROL DEVICE BASED ON SOUND ANALYSIS}

본 발명은 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 파이프에서 흐르는 유체의 소리를 분석하여 해당 소리의 이상 여부를 통해 위험 상황을 감지하여 밸브를 자동으로 원격 폐쇄하여 작업자의 안정성을 대폭 강화할 수 있는 원격 밸브 제어 장치에 관한 것이다.

밸브(valve)는 파이프(관로)의 일 지점에 설치하여 파이프를 지나는 유체(기체 또는 액체)의 유량이나 압력을 제어하는 장치로서, 용도와 목적에 따라 스톱 밸브, 슬루스 밸브, 체크 밸브, 감압 밸브, 콕 등 실로 다양한 종류가 존재한다.

도 1은 공지의 핸들 기반의 밸브를 예시적으로 도시한 사진이다.

도 1의 밸브는 일명 버터플라이 밸브로서, 특히 핸들이 장착되어 핸들의 정 방향 내지 역 방향 회전으로 개폐되는 특성을 가진다.

즉, 작업자가 핸들을 회전시키면서 밸브를 개폐하는 구조라 할 수 있는데 산업 현장에서 특히 유체가 기체, 그 중에서도 폭발성 기체인 산소 라인의 밸브를 개폐할 때 급격한 유량 및 유속 변화로 마찰열이 발생하거나 유동 박리 현상, 정전기 등에 의해 폭발사고가 발생하여 핸들 주변의 작업자가 다치는 경우가 많다.

특히, 밸브가 열린 상태에서는 밸브 전후 측 유체압력이 같아 별다른 문제가 없으나 파이프나 밸브의 수리/보수 시에 밸브를 닫은 상태(close)에서 핸들을 돌려 열 때(open) 밸브 전후로 순간적으로 압력 차가 발생하여 열린 부위에서 유체가 급속이 빨리 이동하면서 마찰 등이 발생하여 사고가 발생하는 빈도가 높다.

이러한 문제를 방지하기 위해 원격에서 자동으로 작동되는 자동 밸브가 있으나, 모든 밸브 개소에 상대적으로 비싼 자동 밸브를 설치하는 것은 경제적 부담이 상당하다.

수작업으로 회전되는 밸브를 자동으로 제어하는 선행기술로서, 국내 등록실용신안 제 20-0489674호인 가정용 가스밸브 자동차단기는, 가스밸브에 끼워져 결합되는 손잡이홀더와 두 개의 핸들위치제어턱이 외주면에 일체 형성되어 상기 손잡이홀더에 끼워지는 드럼과 선반형감지부와 핸들닫힘돌기부가 일체 형성되어 상기 드럼에 끼워지는 구동기어와 본체를 가스밸브에 고정시키는 고정하우징 및 브라켓을 포함하여 이루어지되, 손잡이 홀더와 드럼이 가스밸브와 함께 연동 회동되고, 상기 구동기어의 핸들닫힘돌기부는 상기 드럼의 핸들위치제어턱사이에 위치되어, 가스밸브차단시 모터에 의해서 회동되는 구동기어의 핸들닫힘돌기부는 접촉되는 상기 드럼의 핸들위치제어턱를 함께 밀면서 이때, 구동기어와 드럼이 연동되어 가스밸브가 닫히는 구조로 이루어지는 것으로 공개되어 있다.

그런데 상기 선행기술에서의 밸브는 소형이기 때문에 일반 산업시설용 밸브 개폐를 위해 구동기어와 드럼을 설치할 경우 자동 밸브에 버금하게 상당한 설치비용이 소요될 뿐 아니라, 특히 밸브를 언제 자동으로 닫히도록 할지에 대한 마땅한 해결 수단이 존재하지 않는 문제가 따른다.

따라서, 핸들 기반의 밸브에서 밸브를 원격에서 개폐(특히, 개방)할 수 있되 밸브가 장착된 파이프 내의 유체의 소리 특성에 따라 이상 여부를 감지하여 밸브를 개폐 제어할 수 있는 신규하고 진보한 원격 밸브 제어 장치를 개발할 필요성이 대두되는 현실이다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 소리 센서를 통해 파이프 내 유체의 소리 특성을 분석하여 이상 여부를 감지함으로써 밸브 제어 매커니즘의 모터를 구동하여 밸브의 핸들을 원격으로 자동 조작할 수 있는 원격 밸브 제어 장치를 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 밸브 제어 매커니즘의 세부 구조가 길이 조절, 높이 조절될 수 있어 밸브의 핸들과 결합의 정밀성을 보장할 뿐 아니라 보관의 편의성을 담보할 수 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 밸브 제어 매커니즘에서 밸브의 핸들과 고정되는 핸들 암의 개선된 구조를 통해 안정적인 핸들 고정 연결 구조를 제시하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 합리적이고 과학적으로 파이프 내 소리를 분석하여 소리 분석의 효율성을 높이는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치는, 파이프에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브와, 정역 방향 회전으로 상기 밸브를 개폐하는 핸들을 포함한 밸브 어셈블리; 상기 파이프 주변에 설치되어 상기 유체의 소리를 감지하는 소리 센서; 상기 핸들에 연결된 상태에서 모터의 정역 구동으로 상기 핸들을 회전하는 밸브 제어 매커니즘; 상기 소리 센서에서 감지한 소리의 이상 여부를 분석하여 상기 모터의 회전수 및 회전 방향을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브 제어 매커니즘은, 바닥에 지지된 베이스와, 상기 베이스에서 상기 핸들에 이르도록 기립 연장된 컬럼 및, 상기 핸들에 대응되는 높이 지점의 상기 컬럼의 일 측에서 상기 핸들을 향한 프레임과, 상기 프레임에서 상기 핸들에 접하도록 연장된 핸들 암 및, 샤프트를 매개로 상기 프레임에 연결되어 상기 프레임을 회전하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 컬럼은, 길이 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치에 의하면,

1) 값비싼 자동 밸브를 설치하지 않고서도 원격으로 밸브를 자동 개폐 제어할 수 있어 작업자의 안정을 최대한 보장할 수 있고,

2) 밸브 제어 매커니즘의 정밀 위치 제어를 통하여 밸브의 핸들과 세밀한 연결을 구현함과 아울러 보관의 편의성을 보장할 수 있으며,

3) 밸브 제어 매커니즘의 핸들 암의 U형 고리를 통해 핸들에 안정적으로 고정 연결할 수 있을 뿐 아니라,

4) 파이프 내 유체의 소리에 대한 정밀 분석을 통해 오차나 오류를 줄이면서 이상음을 판단하여 밸브를 제어할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 공지의 핸들 기반의 밸브를 예시적으로 도시한 사진.
도 2는 본 발명의 밸브 제어 장치의 기본 구조를 도시한 단면도.
도 3은 밸브 제어 매커니즘의 개략적인 구조를 도시한 사시도.
도 4는 길이 조절 구조 기반의 컬럼을 도시한 단면도.
도 5는 이동 가능한 핸들 암의 구조를 도시한 단면도.
도 6은 유니버설 조인트 및 U형 고리를 구비한 핸들 암의 구조를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 컨트롤러의 세부 구성을 도시한 블록도.
도 8은 소리분석 모듈의 분석 방법의 일 예를 시계열에 따른 데시벨-주파수 그래프로 도시한 개념도.
도 9는 본 발명의 스펙트럼 추출부에서 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하는 과정을 예시한 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명의 밸브 제어 장치의 기본 구조를 도시한 단면도이다.

도 2를 보아 알 수 있듯이, 본 발명의 원격 밸브 제어 장치는 크게 밸브 어셈블리(100)와 밸브 제어 매커니즘(200), 소리 센서(300) 및 컨트롤러(400)를 포함한다.

우선 밸브 어셈블리(100)는 핸들 기반으로 개폐 제어가 되는 밸브 조합체에 대한 것으로서, 이때 밸브(110)는 상당히 많은 구조와 종류가 존재하고 전자식 자동 밸브와 같이 원격으로 개폐 제어되는 밸브도 포함되는데, 전자식 자동 밸브는 가격이 비싸면서 대량의 유체의 흐름을 제어하기에는 부적합한 경우가 많으므로 본 발명에서는 작업자의 수작업을 겸비할 수 있는 전천후 핸들 구동식 밸브를 대표적인 밸브로서 예시하여 설명하도록 한다.

즉, 본 발명의 밸브 어셈블리(100)는 파이프(10)에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브(110)와, 밸브(110)를 파이프에 지지하는 파이프 지지대(130) 및 정역 방향(시계/반시계 방향) 회전으로 밸브(110)를 개폐하는 핸들(120)을 포함한다. 이때, 핸들(110)은 웜기어(140)와 같은 동력 전달 수단을 매개로 핸들(120)의 회전력을 밸브(110)를 개폐할 수 있는 동력으로 전환할 수 있는바, 이러한 밸브 어셈블리(100)는 공지의 회전식 밸브 구조와 같거나 유사하므로 구체적인 별도의 설명은 생략한다.

본 발명의 밸브 제어 매커니즘(200)은 후술할 소리 센서(300)에서 파이프 내 이상음을 감지하였을 때 컨트롤러(400)에 의한 제어로 밸브 어셈블리(100)의 핸들 암(120)에 정/역 방향의 회전력을 제공하면서 밸브(110)를 개폐하는 기능을 제공하는 것으로서, 다시 말해 작업자의 조작 없이 자동 방식의 원격 조작 기능을 구현하는 핵심적 구조라 할 수 있다.

즉, 밸브 제어 매커니즘(200)은 밸브 어셈블리(100)의 핸들(120)에 연결되어 핸들(120)을 회전시키는 구조를 제공하는 것이라 할 수 있는데, 이를 구현하기 위한 기계적 구조는 다양하게 이루어질 수 있다.

기본적으로 밸브 제어 매커니즘(200)은 모터(250)의 회전력을 핸들(120)에 전달하여 핸들(120)을 회전시키는 구조를 취하는데, 이때 모터(250)의 회전력을 효율적으로 전달하거나 모터(250)가 핸들(120)의 중심에 위치하지 않고 어긋나 있을 때 이를 보완하기 위해 다양한 기어나 링크와 같은 동력 전달 수단이 장착될 수 있고, 모터(250)의 위치를 승강시키거나 핸들(120)에 근접/이격되도록 이동 가능한 수단을 통해 작업자가 수작업으로 핸들(120)을 회전시킬 수 있는 기능을 겸비하거나 보관의 편의성을 동시에 갖춘 구조를 제시할 수도 있다.

이러한 다양한 기능을 구현할 수 있는 밸브 제어 매커니즘(200)의 세부 구조는 후술하도록 한다.

소리 센서(300)는 밸브(110)를 장착한 파이프 근방에 설치되어 파이프를 따라 이동하는 유체의 소리를 감지하는 기능을 수행한다.

이 소리 센서(300)는 별도의 지지대를 매개로 파이프에서 인접한 위치에 기립 설치되거나 아니면 파이프 표면에 설치되는 것도 가능하나, 밸브 제어 매커니즘(200)이 제공된 상황에서 밸브 제어 매커니즘(200)의 일 측에 설치되는 것이 구조적 효율성을 위해 바람직하고 도 1에서는 밸브 제어 매커니즘(200)의 상부 일 측에 소리 센서(300)가 장착된 실시예를 제공하고 있다.

본 발명에서 의미하는 유체는 기체와 액체를 모두 포함하고, 특히 본 발명에서는 밸브 개폐 제어의 미숙이나 오작동으로 폭발의 위험이 있는 산소, 수소와 같은 유체를 주요 타겟으로 한다.

본 발명의 컨트롤러(400)는 밸브 제어 매커니즘(200)의 일 측에 설치되거나 이와 이격된 위치에 설치되어 상술한 소리 센서(300) 및 밸브 제어 매커니즘(200)과 연동된 것으로서, 소리 센서(300)에서 감지한 소리의 이상 여부를 분석하여 밸브 제어 매커니즘(200)에 장착된 모터(250)의 회전수와 회전 방향을 제어하는 기능을 제공한다.

이때, 컨트롤러(400)는 리모콘을 포함하여 사용자가 원격에서 밸브 제어 매커니즘(200)의 모터(250) 구동을 조작하는 것도 가능하다. 이와 더불어, 컨트롤러(400)는 이상음의 주파수 대역별 스펙트럼을 시각적으로 표시하는 디스플레이(도 9 참조)를 구비하여 작업자가 원격에서 이를 확인하고 모터(250)의 회전 방향과 회전수를 조절할 수 있는 기반을 제공할 수도 있다.

여기서, 소리 센서(300)에서 감지한 소리의 이상 여부라 함은 파이프 내에 이상음이 발생하였는지 여부에 대한 것으로서, 이때 이상음은 예를 들어 유체가 정상적으로 이동할 때 들리지 않는 꿀렁거리는 소리, 순간적으로 발생한 '쉭', '훅'하는 소리 등 다양한 소리로 이루어질 수 있고 이러한 이상음은 컨트롤러(400)의 저장 수단에 미리 저장되어 컨트롤러(400)가 이상음에 대해 학습할 수 있다.

더불어, 소리 센서(300)에서 전달된 소리가 이상음에 해당하는지 여부를 판단하는 기능은 우선 소리 센서(300)에서 전달된 소리의 주파수 대역의 파형 특성을 파악한 다음 해당 파형 특성에서 벗어난 주파수 대역을 필터링하여 분석의 효율성을 높이고 이후 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하여 소리분석정보를 생성하고 이 소리분석정보를 미리 녹음 저장된 이상음과 비교하는 방식으로 구현될 수 있다.

컨트롤러(400)의 구체적인 소리 분석에 대한 기능에 대해서는 더욱 특화된 실시예와 함께 후술하도록 한다.

컨트롤러(400)가 파이프에서 이상음이 발생한 것으로 파악하면 모터(250)를 역회전하여 밸브(110)를 close(폐쇄)하는 방향으로 핸들(120)을 회전시켜 유체 누설에 의한 폭발을 방지하고, 정상적 소리로 파악되면 모터(250)를 정회전시켜 밸브(110)를 open(개방)하여 파이프를 따라 유체를 이동시키는 후속 작업을 진행할 수 있다.

정리하면, 본 발명에 따른 원격 밸브 제어 장치에 의하면 작업자가 수작업으로 핸들을 조작하지 않고 원격에서 닫힌 밸브(110)를 초기 개방하는 시점에 파이프 내의 유체에서 이상음이 발생하였을 때 밸브(110)를 자동으로 닫도록 제어함으로써, 안정성을 한층 강화하는 것은 물론 조작의 편의성을 구축할 수 있는 특성을 제공한다.

도 3은 밸브 제어 매커니즘의 개략적인 구조를 도시한 사시도이다.

밸브 제어 매커니즘(200)은 핸들(120)을 회전시킬 수 있는 모터(250)를 구비한 것을 기본으로 한다고 앞서 설명하였는데, 도 1 내지 도 3에서는 더욱 구체적인 구조를 제시한다.

구체적으로, 밸브 제어 매커니즘(200)은 베이스(210), 컬럼(220), 프레임(230)과 핸들 암(240) 및 모터(250)를 포함하는 것이 가능하다.

베이스(210)는 바닥에 지지된 육면체 또는 이와 유사한 형상의 패널로서, 후술할 밸브 제어 매커니즘(200)을 지지하는 기반을 제공한다. 이러한 베이스(210)는 바닥에 견고하게 고정되는 것이 지지력 확보를 위해 중요한데, 이를 위해 아웃트리거(211)가 장착될 수 있다.

또한, 작업자의 수작업 병행을 확보함과 아울러 작업 완료 시 일 측으로 편리하게 이동시키기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장된 레일에 베이스(210)가 결합되어 좌우 이동되는 것도 가능하다. 이때, 레일에는 스토퍼가 장착되어 있어 바닥의 특정 위치에서 베이스(210)를 고정할 수 있음은 물론이다.

컬럼(220)은 베이스(210)의 상면에서 상 방향으로 기립된 지주라 할 수 있는데, 핸들의 높이에 상응한 높이로 기립 연장되어 있다. 이 컬럼(220)은 후술할 프레임(230)과 모터(250)와 같은 구동 수단이 장착되는 공간을 제공한다. 이러한 컬럼(220)은 높이 조절 가능한 구조로 이루어질 수 있는바, 이는 후술하도록 한다.

프레임(230)은 핸들(120)에 대응되는 높이 지점의 컬럼(220) 일 측에서 핸들(120)을 향한 구조체로서, 육면체의 패널 형상을 비롯하여 원형 디스크 형상 등으로 이루어지는 것이 가능하다. 이 프레임(230)은 핸들(120)에 실제 연결되는 핸들 암(240)이 장착됨과 동시에 모터(250)에 연결되어 모터(250)의 회전력을 전달받아 회전되는 기능을 제공한다.

핸들 암(240)은 핸들(120)에 접하도록 프레임(230)에서 연장된 파이프 형상의 구조체로서, 일반적으로 핸들(120)의 종단면이 원형으로 이루어져 있으므로 핸들(240)에 안정적으로 고정 연결되기 위하여 핸들 암(240)은 프레임(230)의 좌측단 및 우측단 각각에 총 2개로 연장 형성되는 것이 바람직하다.

이 핸들 암(240)의 단부에는 고리, 커플러와 같은 체결 수단이 장착되어 이를 통해 안정적으로 핸들(120)에 고정 연결하는 것이 가능하다.

모터(250)는 이러한 핸들 암(240)의 반대 측에 장착된 상태에서 샤프트를 매개로 프레임(230)의 중앙 부위에 연결되어 프레임(230)을 회전시키는 기능을 제공한다. 이 모터(250)는 밸브 제어 매커니즘(200)에 장착된 전원 공급부(미도시)를 통해 전원을 공급받을 수 있다.

이러한 구조에 의하면, 베이스(210)를 파이프와 핸들(120) 주변에 근접 위치시켜 프레임(230)에 장착된 핸들 암(240)이 핸들(120)의 적정 위치에 닿도록 정렬한 다음 핸들 암(240)을 핸들(120)에 고정함으로써, 파이프에서 이상음이 발생 시 모터(250)를 구동하여 프레임(230)을 회전시키면서 핸들 암(240)에 고정된 핸들(120)을 정/역 방향으로 회전시켜 밸브(110)를 개폐할 수 있다.

즉, 밸브 제어 매커니즘(200)이 직관적이면서 안정적인 구조로 이루어져 밸브(110)에 장착된 핸들(120)을 안정적으로 회전시킬 수 있는 특성을 제공한다.

도 4는 길이 조절 구조 기반의 컬럼을 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 컬럼(220)이 길이 조절이 가능한 구조로 이루어질 수 있는 것을 알 수 있다.

컬럼(220)의 길이 조절 구조 역시 다양한 기계적 수단으로 이루어질 수 있는바, 도 4에서는 베이스(210)와의 경계 부위에 설치된 승강 모터(221)와 상하로 승강 이동되는 잭 웜 감속기(222)의 구조를 제시하여 이를 통해 컬럼(220)을 원하는 길이, 즉 밸브(110)에 장착된 핸들(120)에 핸들 암(240)이 닿을 만큼의 높이로 상승 및 하강시킬 수 있고, 특히 승강 모터(221)의 구동으로 자동으로 컬럼(220)을 승강시킬 수 있다. 이때, 승강 모터(221)는 컨트롤러(400)에 의해 구동 제어되는 것이 가능하다.

이와 같이 컬럼(220)의 길이가 조절되면 밸브 제어 매커니즘(200)을 사용하지 않는 상황에서 컬럼(220)을 하강하여 밸브 제어 매커니즘(200)의 전체적인 체적을 줄여 보관의 편의성을 확보할 수 있는 편의성을 제공할 수 있고, 핸들 암(240)이 정밀하게 핸들(120)의 정 위치에 고정될 수 있도록 하는 기반을 겸비할 수 있다.

도 5는 이동 가능한 핸들 암의 구조를 도시한 단면도이다.

도 5에서는 핸들 암(240)의 길이를 조절할 수 있는 구조를 제시한 것으로서, 이동 샤프트 드라이버 소켓(244)을 기준으로 이동 샤프트 드라이버(243)를 왼나사/오른쪽 나사를 매개로 가공하여 장착한 다음 이동 샤프트 드라이버 소켓(244)을 구동하는 방식으로 핸들 암(240)을 이동시킬 수 있다.

다시 말해, 마치 랙/피니언 구조에서 피니언과 같이 원통형 형상으로 회전 가능한 이동 샤프트 드라이버 소켓(244)의 시계/반시계 방향의 회동으로 랙의 역할을 하는 이동 샤프트 드라이버(243)가 핸들(120)을 향한 방향이나 그 반대 방향으로 이동시킬 수 있다.

물론 이 외에, 도면에 도시되진 않았지만 핸들 암(240)은 상호 직경 차이를 가진 2개의 봉을 나사산 방식으로 연결한 구조로 구현하여, 어느 하나의 봉을 기준으로 다른 하나의 봉을 회전시키는 방식으로 핸들 암(240)의 길이를 조절하는 것도 가능하다.

이와 같이 핸들 암(240)의 길이를 조절하면, 핸들(120)에 정확히 핸들 암(240)이 접할 수 있도록 미세 조정 기능을 제공할 뿐 아니라 핸들(120)의 회전으로 핸들 암(240)과 유격이 발생하면 굳이 베이스(210)를 이동시키지 않고서도 핸들 암(240)을 핸들(120)을 향한 방향으로 편리하게 이동시킬 수 있는 장점을 구비할 수 있다.

도 6은 유니버설 조인트 및 U형 고리를 구비한 핸들 암의 구조를 도시한 단면도이다.

더 나아가, 도 6을 참조하면 핸들 암(240)은 프레임(230)에 유니버설 조인트(241)를 매개로 결합되는 것이 가능하다.

이러한 유니버셜 조인트(241)에 의하면, 핸들(120)과 정확하게 결합하기 어려운 위치에 있을 경우, 다시 말해 핸들 암(240)과 핸들(120) 사이의 각이 틀어져 있을 경우에 편리하게 상호 결합을 위한 적정 각을 맞출 수 있는 편의성을 제공할 수 있다.

더불어 앞서 언급하였듯이, 핸들 암(240)의 단부에는 핸들(120)과 안정적인 고정 결합 관계를 제공하도록 체결 수단이 장착될 수 있다 하였는데, 도 6에서는 이러한 체결 수단으로 U형 고리(260)를 제시한다.

U형 고리(260)는 핸들(120)을 향한 방향으로 U자 형상으로 절곡된 고리로서, 핸들 암(240)을 향해 돌출된 돌출부(261)를 구비하여 이를 통해 핸들 암(240)의 단부에 장착된 결합공(245)을 구비한 결합 수단에 결합시키는 방식으로 핸들 암(240)과 탈착 가능하게 결합시킬 수 있다.

이 U형 고리(260)는 우선 핸들 암(240)을 핸들(120)에 근접시킨 다음 U형 고리(260)를 핸들(120)에 끼우고, 이후 핸들 암(240)과 U형 고리(260)를 결합시켜 최종적으로 핸들 암(240)과 핸들(120)을 안정적으로 결합시키는 것이 가능하다.

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도 7은 본 발명의 컨트롤러의 세부 구성을 도시한 블록도이고, 도 8은 소리분석 모듈의 분석 방법의 일 예를 시계열에 따른 데시벨-주파수 그래프로 도시한 개념도이다.

도 7을 보아 알 수 있듯이, 상술한 컨트롤러(400)는 소리분석모듈(410)과 이상음 감지모듈(420), 모터 제어모듈(430)로 구체화되는 것이 가능하다.

구체적으로, 소리분석모듈(410)은 소리 센서(300)에서 전달받은 파이프의 소리를 분석하는 기능을 수행하는 것으로서, 타겟 주파수 대역 설정부(411), 밴드패스필터(412), 스펙트럼 추출부(413)를 포함한다.

타겟 주파수 대역 설정부(411)는 소리 센서(300)에서 전달된 파이프 내의 유체 흐름에 대한 소리를 공지의 주파수 분석 프로그램을 통해 분석해 일명 '타겟 주파수 대역'을 설정하는 역할을 수행한다.

일반적으로, 소리 센서(300)에서 파이프 소리의 소리를 감지할 때 파이프 내의 유체에 대한 소리 이외에 핸들이 회전하면서 발생하는 기계음, 파이프 근방의 다른 기계 작동음과 같은 다양한 소리가 존재하기 때문에 소리 센서(300)로 녹음된 소리 역시 이 같은 다양성을 가지게 된다.

따라서 이러한 다양한 소리 중에서 주요 관심사인 파이프 내의 소리만을 집중하여 분석하기 위해서는 파이프 내에서 유체가 이동하면서 발생하는 소리 고유의 주파수 대역 및 파형 특성을 미리 파악하여 이에 해당하는 소리만을 추출할 필요가 있는데, 바로 이 타겟 주파수 대역이 다른 소리와 차별화되는 파이프 내 유체의 소리 고유의 소리 특성 중 주파수 대역 특성을 정규화 처리한 것이라 할 수 있다.

물론 파이프 내 소리가 모두 이상음에 해당되는 주파수 대역 특성을 가지는 것은 아니어서 보다 정밀한 소리 분석을 위해서는 이상음 자체의 주파수 대역 특성을 적용하는 것이 바람직하다고 판단될 수 있으나, 이상음은 지엽적인 조건 내에서만 파이프 내에서 녹음 및 분석된 것으로 정밀한 판단 기준의 역할은 수행할 수 있지만 너무 디테일한 소리 특성을 가지기 때문에 이를 소리 분석의 초기부터 적용하기에는 분석 알고리즘에 부담이 따르기 때문이다.

따라서 본 발명에서는 일반적인(이상음이 발생하지 않은) 파이프 내 소리를 기반으로 설정된 일명 '타겟 주파수 대역'의 소리 특성을 통하여 이상음이 아닌 소리를 1차적으로 필터링하는 소리 분석을 수행하도록 한다.

이러한 타겟 주파수 대역을 설정하는 실시예를 도 8을 참조하여 설명한다.

우선, 파이프 내에서 유체가 흐를 때 발생되는 소리가 도 8과 같은 파형 특성을 가지는 것으로 가정한다. 실제 파이프 내 소리는 도 8의 그래프 이상의 디테일함을 가지나 설명의 편의를 위해 간소화시킨 것으로 이해할 수 있다.

구체적으로 도 8을 분석하면,

1) 유의미한 데시벨 값을 가진 주파수 대역은 200 내지 2700Hz이고,

2) 800 내지 1000Hz 대역에서 하이 피크 특성을 가지며,

3) 20 내지 1000Hz 대역에서는 상승 기울기 A를 가지고 1000 내지 2700Hz 대역에서는 하강 기울기 B를 가지되 A의 절대값이 B의 절대값보다 크다.

즉, 이러한 파형 특성에서 타겟 주파수 대역을 설정할 수 있는 방법은 다양한 방법이 적용될 수 있다.

일 예로, 도 8과 유사한 파형 특성을 가진 소리에서 유의미한 데시벨 값을 가진 주파수 대역에 해당하는 200 내지 2700Hz를 기준 주파수 대역으로 설정할 수 있다.

다른 예로서, 타겟 주파수 대역을 복수 개로 설정하는 것인데, 상기 200 내지 2700Hz를 제 1 주파수 대역으로 설정한 다음, 하이 피크 특성을 가진 800 내지 1000Hz를 제 2 주파수 대역으로 설정하고, 하강 기울기 B를 가진 파형 특성을 가진 1000 내지 2700Hz를 제 3 주파수 대역으로 설정할 수 있다.

정리하면, 타겟 주파수 대역은 특징적인 파형 특성을 가진 특정 주파수 대역을 의미하는 것으로서 디테일한 기준을 제시하기 위해서 복수 개로 구분될 수 있고 이를 통해 후술할 소리 분석 구성의 분석 기준을 제시하는 기반을 제공한다. 특히, 본 발명에서는 기준 주파수 대역이 단순히 주파수 범위만을 결정하는 것이 아니라 상술한 특징적인 파형 특성을 포함한 개념으로 이해할 수 있다.

즉, 타겟 주파수 대역 설정부(411)는 상술한 타겟 주파수 대역을 설정하는 것은 물론 파이프 내에서 발생하는 소리에 대한 기본적인 파형 특성을 파악하는 기능을 함께 제공한다.

밴드패스필터(bandpass filter)(412)는 대역 통과 필터로도 명명되는 것으로서, 본 발명에서는 상술한 타겟 주파수 대역을 벗어난 주파수 대역을 제거하는 기능을 제공한다.

예를 들어, 타겟 주파수 대역이 200 내지 2700Hz로 설정된 경우 이 주파수 대역을 벗어난 200 Hz 이하의 주파수 대역이나 2700 Hz 이상의 주파수 대역을 제거하겠다는 의미이다. 이를 통해, 후술할 주파수 스펙트럼 분석 시 불필요한 주파수 대역을 사전에 제거함으로써 스펙트럼 분석의 효율성과 신속성을 담보할 수 있는 특성을 제공한다.

도 9는 본 발명의 스펙트럼 추출부에서 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하는 과정을 예시한 개념도이다.

스펙트럼 추출부(413)는 타겟 주파수 음역을 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하여 소리분석정보를 생성하는 역할을 수행한다.

고속 푸리에 변환은 입력 신호를 다양한 주파수를 가지는 주기함수들의 합으로 분해하여 표현하는 푸리에 변환을 고속으로 수행하는 알고리즘으로서, 예를 들어 푸리에 변환된 주기함수의 주기성과 대칭성을 이용하여 푸리에 변환과 역 푸리에 변환을 빠르게 수행할 수 있는 알고리즘인 쿨리-튜키 알고리즘이 적용되는 것이 가능하고 이는 일반적인 소리 특성을 분석하기 위해 널리 사용되는 것이므로 구체적인 별도의 설명은 생략하기로 한다.

주파수 대역별 스펙트럼은 이 고속 푸리에 변환을 통해 주파수 대역을 분류하여 나타낸 파형 특성 그룹을 의미하는 것이다.

도 5에 따른 타겟 주파수 대역에 해당하는 소리를 기준으로 주파수 대역별 스펙트럼을 분석하는 것을 예시적으로 설명하면, 기울기가 0으로 표시되는 주파수(파형의 곡선 중 극점)를 기준값으로 설정한 다음 이 기준값을 기준으로 주파수 대역을 분할한 것을 주파수 대역별 스펙트럼으로 정의할 수 있다. 다시 말해, 앞선 예에서 주파수 대역별 스펙트럼은 기울기가 +, -로 변화하는 변곡점을 가지는 주파수마다 주파수 대역을 분할한 것을 의미하는 것으로, 물론 반드시 이 기준에 한정되는 것은 아니고 다른 기준에 입각하여 주파수 대역을 세분화한 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하는 것도 가능하다.

이같이 세분화된 범위를 가진 주파수 대역별 파형 특성을 주파수 대역별 스펙트럼으로 추출한 정보를 소리분석정보로 정의할 수 있는바, 결과적으로 스펙트럼추출부(413)는 보다 디테일한 분석 기준을 통해 소리분석정보의 구체성을 확보하여 이상음 감지모듈(420)에서 보다 정밀하게 소리를 비교 감지할 수 있는 기반을 제시할 수 있다.

이상음 감지모듈(420)은 미리 녹음된 이상음과 상술한 소리분석정보의 주파수 대역별 스펙트럼을 비교하여 최종적으로 파이프 내의 이상음을 감지하는 기능을 수행한다. 이때, 이상음과 디테일한 비교 분석을 위하여 이상음 역시 상술한 소리분석모듈(410)의 세부 구성에 의한 결과값인 소리분석정보와 같이 세부적으로 주파수 대역별로 파형 특성을 분석한 정보를 저장하고 있는 것이 가능하다.

즉, 이상음 감지모듈(410)은 소리분석정보가 가진 주파수 대역별 스펙트럼과 미리 저장한 이상음의 주파수 대역별 스펙트럼을 상호 비교하여 일정 오차 범위 이내에서 양자가 유사한 경우, 소리 센서(300)에서 전달된 파이프 내 소리가 이상음인 것으로 판단하는 것이 가능하다.

모터 제어모듈(430)은 상술한 이상음 감지 여부에 따라 모터(250)의 회전수와 회전 방향을 제어하는 기능을 수행한다. 이때, 모터 제어모듈은 리모콘에 의한 모터 제어를 수행할 수 있고 이를 위해 모터 역시 별도의 통신 수단을 구비하여 원격 제어를 받을 수 있다.

더불어, 모터 제어모듈(430)은 이상음의 과잉 정도에 따라 모터(250)의 회전수를 빠르게 또는 느리게 조절하는 기능을 포함할 수도 있다.

정리하면, 본 발명의 컨트롤러(400)는 상술한 세부 구성을 포함하여 신속하고 정확하게 소리분석정보를 생성한 다음 녹음된 이상음과 비교 처리를 하여 파이프 내의 소리가 이상음인지 여부를 보다 정밀하고 합리적으로 감지 및 판단할 수 있는 특성을 제공한다.

또 다른 실시예로서, 소리분석모듈(410)은 유속 측정 센서(414)와, 중점 유속 설정부(415)를 포함하는 것이 가능하다.

유속 측정 센서(414)는 소리 센서(300)가 설치된 파이프의 일정 부위(일정 길이)에서 여러 지점을 설정한 다음 해당 지점에서의 유속을 측정하는 기능을 수행하는 것으로서, 이를 위해 상술한 해당 지점별로 복수 개로 설치되는 것이 가능하다.

중점 유속 설정부(415)는 빠른 유속을 기준으로 이른바 '중점 유속'을 설정하는 기능을 수행한다.

즉, 파이프 내의 이상음은 일반적으로 유속이 빠를 때 빈번하게 발생한다는 경험을 기준으로 파이프의 여러 지점(소리 센서가 소리를 감지할 수 있는 범위 내의 파이프 영역)에서 유속을 측정하여 특히 빠른 유속을 이른바 중점 유속이라고 정의하여 설정하는 것이라 할 수 있다.

이러한 중점 유속(CFR: Central flow rate)은 상술한 복수 지점의 유속 중에서 가장 빠른 유속과 두 번째로 빠른 유속을 기반으로 측정될 수 있다.

보다 구체적으로, 중점 유속은 가장 빠른 유속과 두 번째로 빠른 유속의 산술 평균과 평균 유속의 차이일 수 있다. 이때, 평균 유속은 상술한 복수 지점 각각에서 측정한 유속을 산술 평균한 값이다.

다시 말해, 중점 유속은 다음의 수학식 1을 통해 계산되는 것이 가능하다.

수학식 1.

여기서,

은 가장 높은 유속(m/s),

는 두 번째로 높은 유속(m/s), A는 평균 유속(m/s)을 의미한다.

예를 들어,

이 0.87m/s ,

는 0.82m/s이고 A가 0.38m/s인 경우, 이를 수학식 1에 대입하면

과 같이 중점 유속이 산출될 수 있다.

이렇게 산출된 중점 유속은 그 값이 클수록 파이프의 전반적인 유속이 높다는 것을 의미하는바, 즉 중점 유속이 커질수록 소리 센서(300)에서 감지한 소리의 주파수 대역이 보다 고음역대(높은 Hz를 가지는 주파수 대역)로 평행 이동(horizontal shifts)될 수 있다.

이에 대응하여, 타겟 주파수 대역 설정부(411)는 보정 주파수 대역 설정파트(411a)를 포함할 수 있다.

보정 주파수 대역 설정파트(411a)는 타겟 주파수 대역을 상술한 중점 유속으로 보정하여 보정 주파수 대역을 설정하는 것으로서, 보정 주파수 대역은 다음의 수학식 2를 통해 산출되는 것이 가능하다.

수학식 2.

여기서,

은 보정 주파수 대역의 중간값(Hz),

은 타겟 주파수 대역의 중간값(Hz)을 의미한다.

수학식 2는 타겟 주파수 대역의 중간값에 중점 유속을 기반으로 한 보정값을 더해주는 식으로서, 다시 말해 보정 주파수 대역은 중점 유속에 따라 타겟 주파수 대역의 그래프가 고음역대로 평행 이동된 주파수 대역일 수 있다.

이때, 하이퍼볼릭 탄젠트는 0 내지 1의 값을 가지는 함수로서 즉 하이퍼볼릭 탄젠트 내의 변수가 아무리 커져도 1을 넘기지 않고 1에 수렴하는 특징이 있는바, 보정 주파수 대역이 중점 유속의 고저에 따라 과하게 평행 이동되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 수학식 2를 통해 보정 주파수 대역을 산출한 예를 들면, 기준 주파수 대역의 중간값(

)이 1850Hz이고 중점 유속이 상술한 수학식 2의 예시와 같이 0.46인 경우, 이를 대입하면

과 같은 보정 주파수 대역의 중간값(

, Hz)를 산출할 수 있다.

다시 말해, 보정 주파수 대역 설정파트(411a)는 중점 유속을 기반으로 타겟 주파수 대역의 중간값을 124.6Hz만큼 고음영역으로 평행 이동한 보정 주파수 대역을 설정하는 것이 가능하다.

이로써, 파이프의 유속을 중점 유속이라는 합리적 기준을 기반으로 적용하여 타겟 주파수 대역을 설정함으로써 정상적인 파이프 내 소리가 불필요하거나 예민하게 이상음으로 판단되는 오류를 최소화할 수 있는 특성을 제공한다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

100: 밸브 어셈블리 110: 밸브
120: 핸들 130: 파이프 지지대
140: 웜기어 200: 밸브 제어 매커니즘
210: 베이스 211: 아웃트리거
220: 컬럼 221: 승강 모터
222: 잭 웜 감속기 230: 프레임
240: 핸들 암 241: 유니버설 조인트
242: 고정 수단 243: 이동 샤프트 드라이버
244: 이동 샤프트 드라이버 소켓 245: 결합공
250: 모터 260: U형 고리
261: 돌출부 300: 소리 센서
400: 컨트롤러 410: 소리분석 모듈
411: 타겟 주파수 대역 설정부 411a: 보정 주파수 대역 설정파트
412: 밴드패스필터 413: 스펙트럼 추출부
414: 유속 측정 센서 415: 중점 유속 설정부
420: 이상음 감지모듈 430: 모터 제어모듈

Claims

소리 분석 기반의 원격 밸브 제어 장치로서,
파이프에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 밸브와, 정역 방향 회전으로 상기 밸브를 개폐하는 핸들을 포함한 밸브 어셈블리;
상기 파이프 주변에 설치되어 상기 유체의 소리를 감지하는 소리 센서;
상기 핸들에 연결된 상태에서 모터의 정역 구동으로 상기 핸들을 회전하는 밸브 제어 매커니즘;
상기 소리 센서에서 감지한 소리의 이상 여부를 분석하여 상기 모터의 회전수 및 회전 방향을 제어하는 컨트롤러;를 포함하되,
상기 컨트롤러는,
상기 파이프에서 흐르는 유체의 소리를 기준으로 파형 특성을 포함한 타겟 주파수 대역을 설정하는 타겟 주파수 대역 설정부 및, 상기 유체의 소리에서 상기 타겟 주파수 대역을 벗어난 주파수 대역을 제거하여 기준 주파수 음역을 생성하는 밴드패스필터와, 상기 타겟 주파수 음역에서 고속 푸리에 변환을 통해 주파수 대역별 스펙트럼을 추출하여 소리분석정보를 생성하는 스펙트럼 추출부를 구비한 소리분석모듈;
미리 녹음 저장된 상기 파이프의 이상음과 상기 소리분석정보의 주파수 대역별 스펙트럼을 비교하여 상기 파이프 내의 이상음을 감지하는 이상음 감지모듈;
상기 이상음 감지 여부에 따라 상기 모터의 회전수와 회전 방향을 제어하는 모터 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 1항에 있어서,
상기 밸브 제어 매커니즘은,
바닥에 지지된 베이스와, 상기 베이스에서 상기 핸들에 이르도록 기립 연장된 컬럼 및, 상기 핸들에 대응되는 높이 지점의 상기 컬럼의 일 측에서 상기 핸들을 향한 프레임과, 상기 프레임에서 상기 핸들에 접하도록 연장된 핸들 암 및, 샤프트를 매개로 상기 프레임에 연결되어 상기 프레임을 회전하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 2항에 있어서,
상기 컬럼은,
길이 조절이 가능한 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 2항에 있어서,
상기 핸들 암은,
상기 핸들에 근접하거나 멀어지도록 이동 가능한 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 2항에 있어서,
상기 핸들 암은,
유니버설 조인트에 의해 일정 각도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 1항에 있어서,
상기 소리분석모듈은,
상기 소리센서가 설치된 상기 파이프의 일정 부위에서 복수 지점의 상기 유체의 유속을 측정하는 유속 측정센서와,
상기 복수 지점의 유속 중에서 가장 빠른 유속과 두 번째로 빠른 유속을 기준으로 상기 파이프의 중점 유속을 설정하는 중점 유속 설정부를 포함하고,
타겟 주파수 설정부는,
상기 중점 유속을 기반으로 상기 타겟 주파수 대역의 주파수 대역을 보정한 보정 주파수 대역을 설정하는 보정 주파수 대역 설정파트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
제 6항에 있어서,
상기 중점 유속 설정부는,
다음의 수학식 1을 통해 상기 중점 유속을 측정하고,
수학식 1.

(여기서,
은 가장 높은 유속(m/s),
는 두 번째로 높은 유속(m/s), A는 평균 유속(m/s)을 의미)
상기 보정 주파수 대역 설정파트는,
다음의 수학식 2를 통해 상기 보정 주파수 대역을 설정하는 것을 특징으로 하는, 원격 밸브 제어 장치.
수학식 2.

(여기서,
은 보정 주파수 대역의 중간값(Hz),
은 타겟 주파수 대역의 중간값(Hz)을 의미)
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