KR20000030494A - 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전체적인 회로 구성의 로직 IC를 하나의 반도체 칩속에 넣어진 PLD(Programable Logic Device)방식을 채택하여 거의 모든 전자회로를 간단하게 구성하여 부품 수를 최소화하여 장치를 콤팩트하게 구성하고 동작시 초음파 특성을 일률적으로 발생하게 하여 고장이 거의 없게 하며, 전력 스위칭 소자로서 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 동작 속도를 빠르게 하고 초음파 주파수의 가변폭을 보다 광범위하게 설정하여 줄 수 있게 함으로서 동작의 안정성을 도모하고, 풀브릿지 (Full Bridge회로)를 채택하여 동작 특성상 전원전압보다 높은 이상과전압이 발생하지 않게 함으로서 스위칭 소자 등의 부품이 소손되는 경우가 거의 없고, 고압의 노이즈발생에 따른 주변의 전기설비 또는 전자기기에 악영향을 끼치는 폐단을 제거하고, 또한 초음파 진동감지회로를 부가하여 초음파에 의한 로통의 진동의 크기를 관측하면서 초음파 주파수를 조정할 수 있게 함으로서 로통의 초음파 진동이 최대가 되는 공명주파수를 빨리 찾고 이를 계속 유지케하여 초음파 진동 효율의 최대로 유지시켜 줄 수 있게 하여 스케일 방지효과를 향상시켜 줄 수 있으며, 본 장치의 전면에 출력되는 초음파 주파수를 숫자로 표시하여 로통에 설치되는 초음파 진동쎈서에 의한 공명주파수를 확인하는데 효과적이며 공명주파수의 상시 유지가 가능하도록 하여 장시간 사용하여도 주파수의 변동에 따른 스케일 방지효과가 저하되는 것을 방지하고, 초음파 전력 발생 출력부에 과전류가 흐르면 초음파 전력 출력을 차단하는 방법으로 초고속 응답 보호회로를 부가하여 과부하 운전이나 출력선 단락시 전자부품의 소손 사고가 전혀 일어나지 않도록 한 보일러의 스케일방지용 초음파 발생장치 및 진동검출장치에 관한 것이다.

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Description

보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치{A vibration detector and ultra sonic vibration generator for anti-scale of boiler}

본 발명은 보일러용수가 유통되는 보일러의 로통이나 로관에 스케일이 고착되는 현상을 방지하기 위한 보일러의 스케일방지용 초음파 발생 및 진동검출장치에 관한 것으로, 특히 본 발명은 전체적인 회로 구성의 로직 IC를 하나의 반도체 칩속에 넣어진 PLD(Programable Logic Device)방식을 채택하여 거의 모든 전자회로를 간단하게 구성하여 부품 수를 최소화하여 장치를 콤팩트하게 구성하고 동작시 초음파 특성을 일률적으로 발생하게 하여 고장이 거의 없게 하며, 전력 스위칭 소자로서 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 동작 속도를 빠르게 하고 초음파 주파수의 가변폭을 보다 광범위하게 설정하여 줄 수 있게 함으로서 동작의 안정성을 도모하고, 풀브릿지 (Full Bridge회로)를 채택하여 동작 특성상 전원전압보다 높은 이상과전압이 발생하지 않게 함으로서 스위칭 소자 등의 부품이 소손되는 경우가 거의 없고, 고압의 노이즈발생에 타른 주변의 전기설비 또는 전자기기에 악영향을 끼치는 폐단을 제거하고, 또한 초음파 진동감지회로를 부가하여 초음파에 의한 로통의 진동의 크기를 관측하면서 초음파 주파수를 조정할 수 있게 함으로서 로통의 초음파 진동이 최대가 되는 공명주파수를 빨리 찾고 이를 계속 유지케하여 초음파 진동 효율의 최대로 유지시켜 줄 수 있게 하여 스케일 방지효과를 향상시켜 줄 수 있으며, 본 장치의 전면에 출력되는 초음파 주파수를 숫자로 표시하여 로통에 설치되는 초음파 진동쎈서에 의한 공명주파수를 확인하는데 효과적이며 공명주파수의 상시 유지가 가능하도록 하여 장시간 사용하여도 주파수의 변동에 따른 스케일 방지효과가 저하되는 것을 방지하고, 초음파 전력 발생 출력부에 과전류가 흐르면 초음파 전력 출력을 차단하는 방법으로 초고속 응답 보호회로를 부가하여 과부하 운전이나 출력선 단락시 전자부품의 소손 사고가 전혀 일어나지 않도록 한 보일러의 스케일방지용 초음파 발생장치 및 진동검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 로통식 또는 로관식등 모든 보일러 설비에 있어서는 사용함에 따라 본체 또는 배관 등의 보일러 용수가 흐르는 부분에는 스케일이 생성되어 로통의 벽면이나 배관의 벽면에 부착되는 스케일현상이 나타나며, 이와 같은 상태에서 보일러를 장기간 가동하여 사용하게되어 로통이나 배관에 스케일의 고착이 진행될수록 스케일의 두께가 두꺼워져 열 전도도가 떨어지기도 하고 배관내의 내용적이 작아지는 현상이 나타나기도 하여 보일러 용수의 흐름이 원활하지 못하여 열 전달이 원활히 이루어지지 않아 보일러의 자체의 열효율이 떨어지는 현상이 나타나고, 이러한 현상이 더욱 진행되면 로통이나 배관이 스케일에 의하여 막히게 되는 현상으로까지 발전되어 보일러의 기능에 심각한 악영향을 미치는 결과를 초래케 되는 문제점이 있어, 통상 일정 기간 가동 후에는 보일러의 로통이나 배관에 부착되어 있는 스케일을 제거하는 세관작업이나 청관작업을 별도로 수행하여 주어야 하는 실정이었다.

그러나 종래 사용되고 있는 보일러의 로통이나 배관에 생성되어 부착된 스케일을 제거방법에 있어서는, 대체로 일정 기간 가동 후 강한 산성의 화학 약품을 사용하여 보일러의 로통이나 배관의 벽에 부착된 스케일을 녹여서 제거하는 화학적 처리방식의 세관작업이 사용되고 있는바, 이와 같은 화학 약품에 의한 처리 방법에 있어서는 이의 처리용 화학약품이 강산성의 특성을 지지고 있어 부식성이 강하므로 로통 또는 배관의 벽에 부착된 스케일의 제거에는 상당한 효과는 있으나 스케일 제거시 로통이나 배관의 내벽에도 상당한 영향을 미쳐 4 ~ 5회 이상 보일러 세관작업을 수차례 반복하여 시행하면 보일러 로통이나 배관의 내벽이 부식되어 구멍이 나거나 두께가 얇아져 보일러 자체의 고압력에 견디지 못하고 터져 버리는 위험이 있어 보일러 수명이 짧아지는 폐단이 있을 뿐만 아니라 세관 작업후의 폐수가 대단한 공해물질이여서 주변환경이나 수질오염의 원인을 제공하게 되는 부담이 있어 이의 처리에 상당한 주의와 많은 처리 비용을 요구하게 되는 등의 여러 가지 결함을 나타내고 있었다.

또한, 상기의 화학약품에 의한 처리방법의 결함을 해소하기 위하여 보일러 용수가 흐르는 일정 위치에 전자석이나 영구자석 등을 설치하여 용수를 따라 흐르는 부착물등을 제거하는 자기식 스케일 방지장치도 등장한 바 있으나, 이는 고가의 설치비나 운전비에 비하여 가동시간 누적 경과에 따라 그 기능을 점차로 상실하는 문제점이 있어 스케일 제거 효율이 낮아 그다지 바람직한 효과를 얻을 수 없어 최근에는 사용되지 않고 있는 실정이다.

따라서 상기와 같은 문제점으로 인하여 최근에는 초음파를 사용한 스케일 방지 장치를 사용한 방법이 제안된 바 있으며, 초음파를 사용한 스케일 방지장치는 전기적으로 초음파 출력을 발생시키는 초음파 발생장치와 기계적인 초음파 진동을 발생시키는 초음파 진동소자의 커다란 요소로 구분되며, 초음파 발생장치의 출력단에 초음파 진동소자를 연결하고 초음파 진동소자의 끝단을 보일러 로통에 용접하여 초음파 발생장치로부터 발생한 초음파 출력을 초음파 진동소자를 통하여 초음파 진동으로 바꾼 다음 로통에 초음파 진동을 전달하는 방법으로 로통 내부에 스케일이 고착되는 현상을 방지하게 된다.

그러나 종래의 초음파 발생창치에 있어서 그 구성 방식이 로직 IC로 되는 회로소자가 개별적으로 분리된 복잡한 방법으로 구성되어 있음으로서 부품수가 많고 각 부품의 특성이 일률적으로 고르지 않아 고장 발생률이 높고 제품의 특성이 일률적이지 못하여 오동작이 발생하는 등의 결함이 있었으며, 초음파 출력을 발생시키는 부분에 있어서도 SCR을 사용하였으므로 초음파 주파수의 가변 폭이 좁고 회로 특성상 고압의 노이즈성분이 많이 발생하여 SCR이 내압에 견디지 못하고 소손되는 경우가 많으며 고압의 노이즈발생에 따른 주변의 여타 전기설비나 전자기기에 악영향을 끼치는 폐단이 있고, 초음파를 발생 주파수를 요구되는 로통의 초음파 진동이 최대가 되는 공명주파수를 찾아서 조정하지 못하고 임의로 조작자의 경험이나 짐작에 의하여 대강 설정하여 초음파를 발생 시키므로서 초음파 진동 효율이 낮아 스케일 방지효과가 적어 장치의 효율이 낮은 단점을 나타내며, 운전시 심야시간대의 상용 입력전원 전압이 높은 경우에는 트랜스, SCR등 전력계통을 담당하는 부품이 높은 내압을 견디지 못하고 소손되는 사례가 빈번히 발생될 요인이 있고, 초음파 전력 발생 출력단에 휴즈 이외에는 과부하 또는 단락에 대처할 만한 보호회로가 별도로 부가되어 있지 않아 사용자 과실로 인한 회로 요소들이 소손되는 사고가 빈번히 발생되는 등의 위험도 내포하고 있는 결함이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 여러 가지 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명은 복잡한 회로 구성의 로직 IC를 하나의 반도체 칩속에 넣어진 PLD(Programable Logic Device) 방식을 채택하여 거의 모든 각부의 전자회로를 단일 칩상으로 구성하여 부품 수가 적고 초음파 특성이 일률적이며 고장이 거의 없어 사용수명과 내구성이 양호한 콤팩트화한 초음파 발생장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

또한 본 발명은 전력 스위칭 소자로 IGBT(Isolated 게이트 Bipolar Transistor) 를 사용하여 발생하는 초음파 주파수의 가변폭이 넓고 풀브릿지(Full Bridge)회로 특성상 전원 전압 이상의 이상전압이 발생되지 않아 스위칭 소자가 소손되는 경우가 거의 없으며 고압의 노이즈발생의 염려가 전혀 없는 안정된 동작 특성을 지녀 고압의 노이즈 발생에 따른 주변의 여타 전기설비 또는 전자기기에 악영향을 미치지 않는 동작 특성의 초음파 발생장치를 제공함에 또 다른 목적이 있는 것이다.

또한 본 발명은 초음파진동 감지회로를 부가하여 초음파에 의한 로통의 진동의 크기를 확인하면서 조작자가 이에 상응하는 초음파 주파수를 임의로 정확하게 조정하여 줄 수 있게 함으로서 로통에 가해지는 초음파 진동이 최대가 되는 공명주파수를 빨리 찾고 이를 계속 유지시켜 줌으로서 초음파 진동 효율을 극대화하여 스케일 방지효과가 뛰어난 초음파 발생장치를 제공함에 그 목적이 있으며, 또한 본 발명은 기기본체의 전면에 출력되는 초음파 주파수를 숫자로 표시하여 로통에 설치되는 초음파 진동센서에 의한 공명주파수를 용이하고 정확하게 확인하여 요구되는 공명주파수의 상시 유지가 가능하도록 하여 장시간 사용하여도 주파수의 변동에 따른 스케일 방지효과가 떨어지는 현상을 방지하며, 초음파 전력 발생 출력부에 과전류가 흐르면 초음파 전력 출력을 차단하는 방법으로 초고속 응답 보호회로를 부가하여 과부하 운전이나 출력선 단락시 이로 인한 전자부품의 소손 사고가 전혀 일어나지 않게 하여 고장발생의 염려가 없이 장치의 내구수명이나 사용수명을 현저히 연장시켜 장기간 안정되게 사용할 수 있는 초음파 발생장치를 제공함에 또 다른 목적이 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기준신호를 발생시키기 위한 분주회로로 되는 기준신호발생부와, 초음파발생부와 초음파 진동검출 및 표시부와, 초음파전력구동회로부로 구성되는 것으로, 이를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 나타낸 전체 계통도.

도 2는 본 발명의 기준신호발생부를 나타낸 세부 회로도.

도 3은 본 발명의 초음파발생부의 회로도.

도 4는 본 발명의 초음파발생부의 출력 타이밍 신호도.

도 5는 본 발명의 초음파발생부의 출력 파형도.

도 6은 본 발명의 초음파전력구동부의 세부 회로도.

도 7은 본 발명의 풀브릿지(Full Bridge) 회로도.

도 8은 본 발명의 과전류검출부의 회로도.

도 9는 본 발명에 적용된 푸쉬풀 전력증폭 회로도.

도 10은 본 발명의 초음파 주파수표시부의 세부 회로도.

도 11은 본 발명의 초음파진동검출부의 회로도.

도 12는 본 발명의 진동신호 수신 및 증폭부의 세부 회로도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 초음파 전력발생부 110:기준신호발생회로부

111: 3비트 바이너리 카운터 112: 데코더 113: 인버터 114: BCD카운터

120: 초음파발생회로부 121, 126: 초음파 주파수 가변발진기회로

121a, 126b, 126a, 126b: 인버터 VR1, VR2: 가변저항 122: 카운터

123: 데코더 129: 인버터

130: 초음파전력구동회로부 131, 132: 포토커플러

140: 초음파전력구동회로부 143: 브릿지회로의 출력단 144: 션트

145: 과전류검출회로 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6: 전력제어소자

150: 초음파진동소자 R1: 선트저항 R2: 보호저항 OP1: 차동증폭기 TD1: 초음파진동소자 160: 변류기 170: 동작표시기

180: 초음파 주파수표시회로 181, 182: 카운터군 183: 랫치

184: 멀티프렉서 185, 186: 데코더 188: 클럭발생부 Co1: 카운터

200: 초음파진동검출 및 표시부 210: 진동쎈서

220: 초음파진동신호증폭 및 케이블구동회로 R21: 입력저항

C21: 노이즈제거용 콘덴서 R24: 결합저항 OP22: 차동증폭기

230: 연결케이블 240: 초음파진동수신 및 신호증폭회로

C41, C42: 필터콘덴서 R41: 입력저항 R42, R43: 필터저항

OP41: 차동증폭기 C43: 지연콘덴서 R44, R45: 지연저항

241: 픽크홀드회로(peak hold) AS1: 아나로그스위치 250: 진동표시기

도 1은 본 발명의 전체 블록다이어그램을 나타낸 것으로, 대별하여 초음파 전력 발생부(100)와 초음파진동검출 및 표시부(200)으로 대별되며, 초음파전력발생회로부(100)는 세부적으로 분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110), 초음파발생회로부(120) , 초음파 전력구동회로(130) 및 초음파전력증폭회로(140), 초음파 진동소자(150), 변류기(160 ), 동작표시기(170), 초음파 주파수 표시회로(180), 주파수 표시기(190) 등으로 구성되어 있되, 분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110)와 초음파발생회로부(120) 및 초음파주파수표시회로(180)는 하나의 PLD 칩(300)에 수용하고 있으며, 또한 초음파진동검출 및 표시부(200)은 다시 세부적으로 진동센서(210), 진동신호증폭 및 케이블 구동회로 (220), 연결케이블(230), 초음파수신 및 신호증폭회로(240), 진동표시기(250) 등으로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초음파전력발생부(100)는 분주기로 되는 기준신호발생회로부(110)에서 상용주파수를 분주시켜서 10Hz 및 1Hz의 기준신호로 분주하여 만든 다음, 이의 10Hz의 기준신호를 초음파 발생회로부(120)에 입력하여 간혈적인 초음파 진동의 빈도수를 정하고 초음파 주파수조정 및 초음파 출력시간 폭이 조절된 초음파신호를 초음파발생회로부(120)에서 발생시킨 다음, 이의 출력을 초음파전력구동회로(130) 및 초음파전력증폭회로(140)에서 수백 왓트(w)정도의 초음파 전력을 발생시켜서 보일러 로통에 취부되는 초음파진동소자(150)에 공급하므로서 보일러 로통에는 1초에 10회 정도 수 mSec정도의 시간폭을 갖는 5 ~ 20kHz 정도의 초음파 진동 신호가 계속해서 가해지게 되는 한편, 초음파 신호출력의 상태를 알아보기 위하여 초음파진동소자(150)에 연결되는 전원 라인에 변류기(160)를 끼워서 전류를 감지케 한다음, 이의 출력으로 동작표시기(170)에서 램프가 점멸토록 하고 있으며, 또한 초음파 출력 주파수를 알아보기 위하여 초음파발생회로부(120)의 출력과 분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110)의 1Hz 출력을 초음파주파수표시회로(180)에 입력하여 초음파주파수를 계측한 다음, 주파수표시기(190)에서 상시 초음파 출력주파수를 표시하게 한다.

초음파 진동검출 및 표시부(200)는 보일러 로통에 취부된 진동센서(210)에서 초음파 진동을 감지하면 초음파진동신호증폭 및 케이블구동회로(220)에서 멀리 떨어진 곳까지 신호 전송에 지장이 없도록 증폭한 다음, 연결케이블(230)을 통하여 초음파 진동수신 및 신호증폭회로(240)에 전달되면 수신된 신호를 파형정형한 후, 상기한 초음파전력발생부(100)의 초음파발생회로부(120)로부터 입력되는 동기신호에 의하여 외란성 노이즈를 제거한 다음, 이를 다시 증폭하여 바 그래프(Bar Graph)형태로된 진동표시기(250)에서 보일러 로통의 진동 상태를 표시케 한다.

이와 같은 상기의 본 발명의 개략적인 구성과 동작을 도 2 내지 도 12도에 의거 각 부분별로 구성상태와 동작상태를 보다 더 상세하게 설명하면,

도 2는 분주회로로 되는 기준신호발생부(110)의 세부회로을 나타내는 도면으로서, 초음파 진동을 1초에 10회 간혈적으로 출력 시키고 초음파주파수를 매초마다 정확하게 계측하기 위하여는 10Hz와 1Hz의 정확한 기준신호가 필요하게 되는데, 이는 상용전원의 60 Hz을 1/6 및 1/10 분주시켜 10 Hz와 1Hz를 발생시키는 동작을 하고 있다.

즉 전원 주파수인 60Hz를 파형 정형 한 후 3비트바이너리카운터(111)에 입력하고 이의 출력을 3입력8출력라인 데코더(3 to 8 Line 데코더)(112)에 입력하여, 이 데코더(112) 8개의 출력중 출력(Q5)를 인버터(113)로 반전시켜 3비트바이너리카 운터(111)의 리셋트단자(Ret)에 입력하므로서 6분주 시키고, 데코더(112)의 8개의 출력 중 출력(Q0) ~(Q4)의 출력 중에서 임의로 출력하여 10Hz를 발생시키게 되며, 10Hz 출력을 다시 BCD카운터(114)의 클럭단자(Clk)에 입력하여 1/10 분주 시켜서 BCD카운터(114)의 출력(Q3)을 인출하면 1Hz의 정확한 기준신호가 얻어지게 한다.

도 3은 초음파발생회로(120)의 세부회로을 나타내는 도면으로서 통상적으로 출력되는 초음파 진동의 공명주파수를 초음파 발생기 명판에서 가변저항(VR1)(VR2)을 조정하여 사용하게 되는데, 이는 초음파발생회로(120)중의 인버터(121a)(121b) ,(126a)(126b)와 가변저항(VR1)(VR2) 및 콘덴서(C1)(C2)등으로 형성된 초음파 주파수가변발진기회로(121),(126)를 구성하여 80 ~ 320 kHz 정도의 가변 주파수를 발생시키게 한다.

그런데 출력되는 초음파 진동의 순간출력은 수 kw정도의 고출력이므로 소비전력을 줄이면서도 동일한 효과를 얻기 위하여 연속적인 출력을 내지않고 도 4의 초음파 출력타이밍도에서 보는 바와 같이 초음파발생회로부(120)의 OR게이트(12A)의 출력 파형을 출력 시간폭(a)이 수 mSec 씩이고 출력주기(b)가 100 mSec 정도의 간혈적인 출력을 내게 한다.

이와 같이 간혈적인 초음파 신호를 얻기 위하여 도 3의 초음파발생회로부 (120)중의 초음파 주파수가변발진기회로(121)의 출력신호를 4비트바이너리 카운터 (122)에 입력하고, 이 카운터(122)의 출력을 4입력16출력라인 데코더(4 to 8 Line Decoder)(123)에 입력하면 데코더(123)의 출력은 카운터(122)의 출력이 1 개씩 바뀔 때마다 출력단(Q0),(Q2)...... (Q14), (Q15)의 출력이 번갈아 가면서 출력되는데, 이와 같이 출력되는 초음파 신호의 매 싸아클마다 양(+)/부(-)가 반전되는 교류의 초음파 신호를 얻기 위하여는 데코더(123)의 출력 중 출력단(Q2 ~ Q6)을 OR게이트(124)를 통하여 양(+)의 신호를, 출력단(Q10), (Q11) ...(Q14)을 OR게이트 (125)를 통하여 부(-)의 신호를 얻게된다.

OR게이트(124),(125)에 입력되지 않은 데코더(123)의 출력단(Q0),(Q1),(Q7), (Q8),(Q9), (Q15)의 출력 시간대는 초음파전력증폭회로부(140)에 있어서 전력증폭 제어소자인 IGBT 등의 스위칭 지연시간에 의한 단락사고를 방지하기 위한 Dead Time 영역이며 이와 같이 설정함 으로서 2개의 OR게이트(124),(125) 출력에서는 도 5의 초음파 출력 파형도에서 보는 바와 같은 발진주파수 80 ~ 320 kHz를 16 분주한 5 ~ 20 kHz의 양(+)과 부(-) 사이에 Dead Time이 주어진 연속적인 초음파 발진 신호가 얻어 지게 된다.

그러나 이와 같이 연속적인 초음파 발진 신호를 간혈적인 출력으로 제어하여 야만 되므로서 출력 시간폭(a)를 조절할 수 있는 제어신호를 발생시키기 위하여 출력 시간폭을 조적하는 초음파 주파수가변발진기회로(126)의 출력을 3비트 바이너리카운터(127)에 입력하는 한편, 3비트바이너리 카운터(127)의 출력을 3입력 8출력 데코더(128)에 입력하여 데코더(128)의 출력 중 가장 상위 출력인 출력단(Q7)의 출력을 인버터(129)를 통하여 카운터(127)의 CE단자(Clock Enable)에 입력하면 데코더(128)의 출력이 상위 출력단자(Q7)의 출력에 도달하면 카운터 (127)는 더 이상 클럭신호를 받아 들이지 않아 클럭신호 카운트 작동을 중지하고 대기하는 상태를 유지케 한다음, 전술한 분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110)로 부터 입력되는 10 Hz출력을 카운터(127)의 리셋트단자(Ret)에 입력하여 카운터(127)를 0 리셋트 시키므로서 매초마다 10회 정도 카운터(127)와 데코더(128)가 초기화되며 데코더 (128)의 출력(Q1) ~ (Q6)을 OR게이트(12A)에 입력하면 OR게이트(12A) 출력은 도 4의 초음파 출력 타이밍도 중의 OR게이트(12A) 출력신호와 같은 간혈적인 제어신호가 생성되어 초음파 출력을 제어하고 후술하는 초음파 진동수신 및 신호증폭회로 (220)에 입력하여 동기신호로도 사용된다.

이와같이 초음파 출력 제어신호가 인출될 때만 양(+)/부(-)의 초음파 신호가 출력되도록 하기 위하여 전술한 OR게이트(124),(125)의 연속적인 초음파 발진신호를 AND게이트(12B),(12C)를 통하여 OR 게이트(12A)의 제어신호와 AND기능으로 결합하면 AND게이트(12B),(12C)의 출력에서는 각각 도 4의 초음파 출력 타이밍도에서와 같은 로직레벨(로직레벨)의 High / Low Side의 1쌍의 간혈적인 초음파 신호가 발생하게 된다.

상기와 같이 도 3의 초음파 발생회로(120)에서 출력되는 1쌍의 High/Low Side의 초음파 신호는 도 6에 도시된 바와 같은 초음파전력구동회로(130)의 포토 커플러(131),(132)에 각각 입력되어, 초음파 전력구동회로(130)에서 운전중 고장시 파급영역을 줄이고 대전력부분의 고전압 성분이 제어회로부분의 미약전자 회로부분으로의 침입을 막게 한다. 즉 초음파 전력구동회로(130)의 포토커플러 (131),(132)는 로직레벨의 제어회로부분과 초음파 출력의 대전력 회로부분과 전기적으로 절연하고 있으며 저항(133),(134) 및 저항(135),(136)은 포토커플러(131) (132)의 발광부 전류 제한저항과 출력부 콜렉터 저항이다.

이상에서와 같이 초음파전력구동회로(130)을 통하여 제어회로와 절연된 초음파 신호는 초음파 전력증폭회로(140)에 입력되는데, 초음파 전력증폭회로(140)의 구성에는 풀브릿지(Full Bridge)회로, Half Bridge회로, Push pull회로 등이 있겠으나 본 발명에서는 대전력 증폭에 유리한 Full Bridge회로와 Push pull회로를 적용하고 있는 바, 이에 대한 적용례를 들어 상세히 설명하도록 한다.

도 7에 도시된 바에 따른 Full Bridge회로를 보면 초음파 전력 구동회로 (130)로부터 제어회로와 절연되어 입력된 High Side와 Low Side의 초음파 신호는 IGBT 또는 FET등의 전력제어소자를 4개 사용하여 수백 볼트(V)의 직류 전원에 대하여 Full Bridge로 배치한 전력제어소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4)의 좌우 양측에 전력제어소자 구동용반도체(141),(142)의 Hi(High Input) 및 Li(Low Side)에 각각 입력하되 좌우 양측이 Hi와 Li를 엊갈리게 연결하여 브릿지회로의 출력단(143)에서는 초음파의 매 싸이클마다 양(+)/부(-)가 반전되는 교류의 초음파 전력이 출력되도록 하고 있다.

뿐만아니라 브릿지회로의 출력단(143)에서 단락, 과부하 등의 과전류로부터 전력제어소자를 보호하기 위하여 브릿지회로의 직류 전원 공급선에 직렬로 과전류 검출용 변류기 또는 션트(144)를 직렬로 삽입하고 이의 양단으로부터 과전류 통과시 검출된 전압을 과전류검출회로(145)를 거치므로서 얻은 과전류 검출 신호를 전력제어소자 구동용 반도체(142),(143)의 SD(Shutdown) 핀에 입력하면 과전류 검출시 구동용 반도체 (142),(143)가 고속으로 셧다운(Shutdown)기능으로 작동하여 전력제어소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4)의 게이트 입력을 막으므로서 과전류로부터 전력제어소자의 소손을 예방할 수 있는 것이다.

도 8은 과전류 검출회로(145)의 내부 회로도로서, 브릿지회로에 과전류가 흐르면 션트저항(R1)의 양단에 전압이 높아져서 이를 보호저항(R2)을 통하여 차동증폭기 (OP1)에 입력되면 차동증폭기(OP1) 및 괘환저항(R3),(R4)와 노이즈제거용 콘덴서 (C1)로 구성된 전압 증폭회로에서 저항(R4)/(R3)의 값 만큼 증폭된 다음, 과전류 신호가 증폭되고 이 출력이 결합저항 (R5)를 거쳐서 비교기(Com1) 및 슈미트저항(R6)과 과전류 조정용 가변저항(R7)로 구성된 전압 비교회로에 입력되어 비교기(Com1)의 출력으로부터 과전류를 검출하게 된다.

만일에 브릿지회로에 과전류가 흐르면 과전류검출회로(145)의 출력이 "H"(High)레벨로 되어 여기에 연결된 전력제어소자 구동용 반도체(142),(143)의 SD핀이 "H"레벨로되고 전력제어소자(Q1),(Q2),(Q3),(Q4)의 게이트가 차단되므로서 과전류로부터 전력제어소자를 보호할 수 있는 것이다.

상기 도 7의 Full Bridge회로에 대응하는 전력 증폭 회로도의 일례로서 도 9에서 Push pull회로를 보이고 있다. 초음파 전력 구동회로(130)로부터 입력된 High Side와 Low Side의 초음파 신호는 전력제어소자의 게이트 구동용 반도체(146) (147)의 신호 입력 핀에 각각 입력하고 게이트 구동용 반도체(146),(147)의 출력을 출력전원과 부하인 초음파진동소자(TD1)에 대하여 Push pull로 배치한 전력제어소자(Q5),(Q6)의 게이트에 입력하고 출력전원 공급선에 직렬로 연결된 과전류 검출용 변류기 또는 션트(144)로부터 과전류를 검출한 후 과전류 검출 회로(145)에서 증폭한 다음 전력제어소자 구동용반도체(146),(147)의 SD핀에 입력하므로서 Full Bridge회로에서와 마찬가지로 과전류로부터 전력제어소자(Q5),(Q6)를 보호하게 되는 것이다.

전력제어소자(Q5),(Q6)의 출력측에 연결된 고압다이오드(D1),(D2)와 제너다이오드 (ZD1)는 Push pull회로에서 발생되는 고압의 써지전압으로부터 전력제어소자 (Q5),(Q6)을 보호하고 있다.

이상에서와 같이 도 3의 초음파 발생회로(120)에서 발생된 초음파 출력신호는 도 6. 초음파 전력 구동회로(130)를 거쳐서 도 7의 Full Bridge회로 또는 도 9의 Push pull회로에서 수백 왓트(w)정도로 전력증폭된 다음 케이블을 통하여 보일러 로통에 용접으로 취부된 초음파 진동소자(150)에 출력되므로서 강력한 초음파 진동에 의한 보일러의 스케일을 제거할 수 있는 것이다.

그러나 실제에 있어서는 보일러 로통이 수 (m) 이상으로 상당히 크므로 초음파 발생장치와 초음파 진동소자(150)와는 멀리 떨어져 있는 관계로 운전자가 위치한 초음파 발생장치쪽에서는 초음파 진동자가 원활히 작동되고 있는지를 잘 모르고 있으므로 동작 상태를 육안으로 판별할 수 있도록 하는 동작 표시장치가 필요한 것이다.

이를 위하여 초음파 발생장치와 초음파 진동소자(150)를 연결한 케이블에 변류기(160)를 끼우고 변류기(160)의 2차측에 발광다이오드와 같은 동작표시기(170)를 연결하여 변류기(160)의 2차측에 유기된 전압으로 동작표시기(170)가 점등되게 하므로서 초음파 진동소자(150)에 초음파 출력 전류가 원활히 흐르고 있는지의 여부를 용이하게 육안으로 확인할 수 있는 것이다.

이상의 방법으로 초음파를 원활히 발생하여 보일러에 초음파 진동을 가해 스케일의 부착을 미연에 방지할 수 있으며, 더 나아가 설치 현장에 설치하는 초음파 진동소자의 특성, 보일러의 용량 및 구조에 따라 미세하게 어긋나 있는 공명주파수를 바르게 조절할 수 있도록 본 발명에서는 출력되는 초음파 주파수를 표시하도록 하였으며, 도 10은 이를 위한 초음파 주파수표시회로(180)의 내부회로도를 보이고 있는 것이다.

즉, 도 3의 초음파 발생회로부(120)의 OR게이트(124)에서 인출된 초음파 신호를 도 10의 초음파 주파수표시회로(180)의 주파수표시용 카운터군(181)에 입력하되 발생되는 초음파 주파수의 하위 2자리 숫자는 표시하지 않아도 실제 사용하는데 지장이 없으므로 100분의 1 분주용 카운터군(182)를 거쳐서 입력하고 3 Digit 주파수 표시용 카운터군(181)의 BCD출력은 12 비트 랫치(12 Bit Latch)(183)를 거쳐서 다이나믹 구동 방식의 표시를 위한 12 Line to 4 Bit 멀티프렉서(Multiplexer)(184) 및 BCD to 7 Segment 데코더(185)를 통하여 표시 데이타를 구동하고, 후술하는 표시기용 Clock 발생부에서 발생되는 스캔클럭신호를 멀티프렉서(184)에 입력하여 스캔닝되는 디지트(Digit)를 선택하게되고 또한 데코더 (186)을 거치므로서 얻어지는 디지트 구동신호에 의하여 주파수표시기(190)에서는 3 Digit 숫자인 0 ~ 9.99 까지의 숫자가 원활이 표시될수 있는 것이다.

그러나 초음파 입력신호에 의하여 수시로 변화되는 카운터군(181)의 출력을 육안으로 용이하게 읽어볼 수 있도록 표시하기 위하여는 매 1초 정도의 표시 주기마다 주파수를 카운트한 값을 래칭시켜서 표시치가 변하지 않는 값으로 표시기로 넘겨줌과 동시에 카운터를 순간적으로 0 리셋트시킨 후 계속해서 카운트하기를 반복해야 하므로 이의 제어회로가 필요하게 된다.

이상과 같이 주파수 표시용 카운터군(181)을 주기적으로 리셋트 시키고 래치 (183)에 입력된 데이타들을 대기(Hold)시키기 위하여는 상기한 초음파 주파수 표시회로(180)의 카운트회로와는 별도로 주파수 표시용 클럭발생부(188)를 구성하게 되는데 수십 kHz 정도로 클럭신호를 발생하여 10 Bit 정도의 바이너리 카운터로된 분주기에서 적당히 분주하여 스캔용 클럭신호와 랫치용 클럭신호를 만든 다음 래치용 클럭신호는 다시 3비트 바이너리카운터(Co1) 및 3 Bit to 8 Line 데코더(D1)로 구성된 Latch/리셋트 펄스발생회로(189)에 입력하고 스캔용 클럭신호는 상기의 표시 디지트 구동용 데코더(186)에 입력된다.

Latch/리셋트 펄스발생회로(189)은 랫치용 클럭신호가 입력되는 카운터(Co1)의 출력에 연결된 데코더(D1)의 출력 상위 Bit인 출력(Q5)을 반전시켜 카운터(Co1)의 CE단자에 입력시키므로서 카운터(Co1)이 0~5까지 카운트하는 동안 데코더(D1) 출력단 (Q1)에서 랫치 펄스를, 출력단(Q3)에서 리셋트 펄스를 발생시킨 후 출력단(Q5)에 의하여 카운터(Co1)의 클럭신호 입력이 금지 되었다가 도 2의 분주회로(110)중의 BCD 카운터(114) 출력단(Q3)에서 인출된 1 Hz의 기준신호 신호로 카운터를 리셋트 시키면 매초마다 입력되는 리셋트 신호에 의하여 금지를 해제하고 다시 카운트를 시작하여 랫치신호와 리셋트신호를 발생시키는 동작을 매초마다 반복하므로서 초음파의 주파수를 정확히 표시할 수 있는 것이다.

초음파 진동 검출 및 표시부(200)은 보일러 로통에 취부된 진동센서(210)에서 초음파 진동을 감지하면 초음파 진동신호증폭 및 케이블 구동회로(220)에서 멀리 떨어진 곳까지 신호 전송에 지장이 없도록 증폭한 다음, 연결케이블(230)을 통하여 초음파 수신 및 신호증폭회로(240)에 전달되면 수신된 신호를 파형정형한 후 상기 초음파발생회로(120)로부터 입력되는 동기신호에 의하여 외란성 노이즈를 제거한 다음, 이를 다시 수신 및 신호증폭회로 (240)에서 신호증폭하여 바 그래프형태로된 진동표시기(250)에서 보일러 로통의 진동 상태를 표시케 한다.

본 발명에 있어서 앞에서는 초음파 전력의 발생과 표시에 대하여 설명하였으나 지금부터는 초음파 진동의 검출과 표시에 대하여 설명하기로 한다.

본 초음파 발생장치를 보일러에 적용하여 운전을 하다보면 초음파 주파수가 잘 선정되어 보일러 내부의 스케일이 잘 제거되고 있는지를 외부에서는 잘 모르게 된다. 따라서 보일러 로통(도시 없음)의 벽면에 초음파 진동쎈서(210)를 설치하고 이의 검출신호를 증폭하여 표시케 함으로서 초음파 발생장치의 동작 상태를 확인하고 초음파 발생 주파수를 조절하여 최적의 상태로 운전을 가능하게 하는 것이다.

그런데 초음파 진동쎈서(210)는 보일러 로통의 진동을 검출해야 하므로 로통의 표면에 취부하고 초음파진동표시기(250)는 초음파 발생장치의 명판에 취부하여 진동 주파수를 읽으면서 초음파 주파수를 조절하게 되므로 이들 사이에는 수십미터 떨어진 경우가 대부분이어서 이들 상호간은 신호 전달을 위한 연결케이블(230)으로 연결하게 되므로 연결케이블(230)의 정전용량으로 인한 신호 전송장해가 발생하게 되어 이의 보상이 필요하게 된다.

이상의 이유로 도 1의 초음파 진동검출 및 표시부(200)는 대별하여 검출부와 표시부로 나누어져 있으며 도 1에서의 진동센서(210) 및 초음파 진동신호 증폭 및 케이블구동회로(220)에 대하여 첨부도면 도 11에 도시된 초음파 진동검출 및 표시부(200)의 회로에 대하여 이를 상세히 설명하기로 한다.

초음파 진동검출 및 표시부(200)의 초음파 진동신호증폭 및 케이블구동회로 (220)는 보일러 로통의 초음파 진동소자(150)가 취부된 근처에 쎄라믹 진동쎈서로 이루어진 초음파 진동쎈서(210)를 설치하여 검출된 초음파 진동신호는 입력저항 (R21) 및 노이즈제거용 콘덴서(C21)의 양단에 나타나며 이를 차동증폭기(OP21)에서 괘환저항(R22),(R23)의 비(R23)/(R22) 로 증폭되어 결합저항(R24)에 인출되며 이를 차동증폭기(OP22)에 입력하고 검출 신호를 장거리 연결케이블(230)로 전송하기 위하여 전송신호의 일부를 저항(R25) ,(R26) 및 콘덴서(C22)에 의하여 차동증폭기 (OP22)의 반전입력에 부괘환시키므로서 신호전달 케이블의 정전용량을 보상하여 원활히 전송되게 하는 초음파 진동신호증폭 및 케이블구동회로(220)이 구비되고 있다.

또한 도 1 및 도 12에 도시된 바와 같은 초음파 진동수신 및 증폭회로(240)에 의하여 자세히 설명하면, 신호 전달 연결케이블(230)을 통하여 전달된 초음파 진동 검출신호는 입력저항(R41)의 양단에 나타나며 이는 연결케이블(230)의 길이가 상당히 길게 형성되어 있음으로 도중에 상용 전원으로부터 간섭이나 영향을 받아 교류 60 Hz의 잡음이 포함되어 있으므로 필터콘덴서(C41),(C42) 및 필터저항(R42) (R43), 차동증폭기(OP41)등으로 이루어진 고역필터 (High Pass Filter)회로를 거치게하여 상용 주파수 부근의 외래 잡음을 재거한 다음, 차동증폭기(OP42) 및 다이오드(D41)로 초음파 진동 신호를 정류하고 또한 초음파 검출 신호는 지속시간이 수 mSec이하로 짧아서 표시기를 육안으로 확인하기가 어려우므로 검출최대치를 잠시 머무르게 하기 위하여 지연 콘덴서(C43) 및 지연저항(R44),(R45)등으로 이루어진 지연 특성을 갖는 Peak Hold회로(241)를 거치게 된다. 그런데 초음파 진동신호 검출신호는 필터회로를 거쳤다 하더라도 외래의 잡음 등에 의하여 출력되지 않는 기간에도 약간의 출력 신호가 있어서 이로 인한 진동표시기(250)의 잔류 표시치가 있게되어 오인의 소지가 발생될 우려가 있어 이를 제거하기 위하여 도 1에 도시된 초음파발생회로(120)로부터 인출된 초음파 출력동기신호로 제어되는 아나로그 스위치 (AS1)를 거치게하여 초음파 전력 출력이 있을 때에만 통과시키면 아나로그 스위치 (AS1)의 출력저항(R46)의 양단에는 외란이 제거된 깨끗한 진동 검출신호가 인출되며, 이를 다시 차동증폭기 (OP43) 및 괘환저항(R47),(R48)으로 증폭하여 지시계기 또는 LED 바그래프등으로 이루어진 진동표시기(250)에 입력하므로서 보일러 로통의 초음파 진동 상태를 육안으로 쉽게 확인 할 수 있는 것이다.

이와 같은 동작원리의 본 발명은 발생되는 초음파의 주파수를 디지탈화한 숫자로직접 육안으로 보면서 운전헐 수 있게 되어 장시간 사용으로 인한 주파수의 변동 등의 상태를 쉽게 감지, 확인하게 되므로서 항상 요구되는 최적의 운전 상태를 유지하게 되며, 본 발명에 의한 장치에 초음파 진동감지모듈과 진동 표시회로가 부가되어 있음으로서 작업자가 육안으로 보일러 로통의 초음파 진동 상태를 용이하게 확인하면서 진동이 최대가 되는 공명 주파수를 쉽게 찾아 셋팅하여 요구되는 초음파 발생 주파수를 용이하고 신속하게 조절할 수 있게 되어 최적의 초음파 주파수로 운전이 가능하며, 또한 상기 주파수 표시기능과 함께 상시 최적의 상태로 운전이 가능하여 보일러 스케일 방지효과가 뛰어나며, 이들을 구동하는 전력 스위칭 소자로서 IGBT 또는 FET를 사용하였으므로 초음파 주파수의 가변폭이 넓으며 대전력 초음파 진동출력이 필요한 경우에는 Push pull 전력증폭회로를 구성하고 또한 고효율의 초음파 진동출력을 얻고자 하는 경우에는 이상전압이 별로 발생되지 않는 Full Bridge회로를 채택함으로서 열 발생이 적어 스위칭 소자가 소손되는 경우가 거의 없어 고장이나 오동작의 발생의 염려가 전혀 없이 반 영구적으로 사용할 수 있이며, 주변의 타 전기설비 또는 전자기기에 고조파, 전자파 등의 영향을 기존의 SCR 방식에 비하여 현저히 줄여 줄 수 있게 함으로서 작동상태나 주변의 여타기기의 작동에 안정을 기할 수 있는 효과가 있으며, 또한 초음파 전력 발생 출력부인 IGBT Bridge회로부에 션트 또는 변류기를 설치하여 과전류에 의한 고속차단의 보호회로를 부가하고 있으므로 과부하 운전이나 출력선 단락시 이로 인한 이상 과전압을 차단하여 줌으로서 장치나 회로의 소손 사고가 발생되지 않고 그 이상상태의 발생요인이나 원인이 제거되면 즉시 지속적인 운전 상태로의 전환이 가능하여 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 복잡한 초음파 발생회로, 주파수 표시회로등 복잡한 로직회로를 부품수가 많은 로직 IC를 사용한 분리 방식으로 구성하지 않고 로직회로를 하나의 반도체 칩 속에 넣어진 PLD방식으로 설계하므로서 전체적인 장치의 부품 수가 적어 고장이 적고 기능이 일율적이며 원가를 크게 절감시킬 수 있어 다양한 보일러 설비에 간단히 염가로 대량 제공하여 광범위하게 사용할 수 있는 등의 여러 가지 특징을 지닌 것이다..

Claims (6)

1. 분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110), 초음파발생회로부(120) , 초음파 전력구동회로(130) 및 초음파전력증폭회로(140), 초음파 진동소자(150), 변류기 (160 ), 동작표시기(170), 초음파 주파수 표시회로(180), 주파수 표시기(190) 등으로 구성되는 초음파 전력 발생부(100)와,

   진동센서(210), 진동신호증폭 및 케이블 구동회로 (220), 연결케이블(230), 초음파수신 및 신호증폭회로(240), 진동표시기(250)를 구비하는 초음파진동검출 및 표시부(200)로 구성됨을 특징으로 하는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   초음파 진동검출 및 표시부(200)는 진동쎈서(210)와 초음파신호증폭 및 케이블드라이버회로(220)와 초음파 수신 및 신호증폭회로(240)와 초음파진동 표시회로 (250)를 부가하여 육안으로 보일러 로통의 초음파 진동 상태를 확인 하도록 하여 보일러 고유의 공명주파수를 쉽게 육안으로 판독, 확인하여 초음파 발생 장치의 주파수를 정확하게 조절할 수 있게 함을 특징으로 하는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   발생되는 초음파의 주파수를 디지탈 숫자로 되는 주파수 표시기(190)으로 표시하여 육안으로 주파수의 변동 등을 감지함으로서 항상 최적의 운전 상태를 유지하게 함을 특징으로 하는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   초음파 전력 발생출력부인 IGBT Bridge회로부에 션트를 설치하여 과전류 검출 기능을 부가하여 줌으로서 과전류 검출시 고속 트립에 의한 소손 사고를 예방하는 기능을 갖는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   분주회로로 되는 기준신호발생회로부(110)와 초음파발생회로부(120) 및 초음파주파수표시회로(180)를 하나의 PLD 칩(300)에 수용하고 있음을 특징으로 하는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   전력 스위칭 소자로서 IGBT를 사용하고 Full Bridge회로 방식을 채택하여 초음파 주파수의 가변폭이 넓고 이상전압 발생을 적게하여 고조파, 전자파 등의 발생을 줄이고 전력제어 소자의 수명을 연장케 함을 특징으로 하는 보일러 스케일 방지용 초음파 발생 및 진동검출장치.