KR200227739Y1

KR200227739Y1 - 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기

Info

Publication number: KR200227739Y1
Application number: KR2020000036123U
Authority: KR
Inventors: 권오기
Original assignee: 포항종합제철주식회사
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2001-06-15

Abstract

본 발명은 연소를 위하여 가열로 내부로 공급되는 실공급 가스량과 실공급 공기량에 해당하는 전압신호(1∼5VDC)를 이용하여 로 내에서 연소반응 후, 발생하는 산소농도를 연산기능이 부여된 전자회로부에 의해 산출하여 그 값을 표시부에 지시하여 직접 현장에서 현재 로 내의 연소상태 및 산소농도 검출부 상태 등을 자동으로 진단할 수 있도록 한 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기에 관한 것으로, 로 내에 공급되는 실공급 가스량(202)과 실공급 공기량(203)에 해당하는 각각의 전압신호(1~5VDC)를 입력받아 연산기능이 부여된 전자회로에 의해 로 내에서 발생하는 산소농도를 산출하는 산소농도 연산 전자회로부(204)와, 상기 산출된 산소농도(O2)를 나타내는 산소농도 표시부(205)를 포함하여 구성함으로서, 가열로 내에서 연소반응 후 발생하는 산소농도를 연소를 위하여 로 내부로 의해 산출한 후 그 값을 이론 산소농도 수치로 표시부에 나타내어 직접 현장에서 현재 로 내의 연소상태 및 산소농도 검출부 상태 등을 자동으로 진단하여 열효율 극대화 및 연료비 절감과 대기오염 물질인 질소산화물(NOX) 및 유황산화물(SOX)의 발생을 억제하여 공해방지를 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

가열로 연소 진단형 산소농도 분석기{O2 density analysis apparatus in reheating furnace combustion diagnosis type}

본 고안은 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연소를 위하여 가열로 내부로 공급되는 실공급 가스량과 실공급 공기량에 해당하는 전압신호(1∼5VDC)를 이용하여 로 내에서 연소반응 후, 발생하는 산소농도를 연산기능이 부여된 전자회로부에 의해 산출하여 그 값을 표시부에 지시하여 직접 현장에서 현재 로 내의 연소상태 및 산소농도 검출부 상태 등을 자동으로 진단할 수 있도록 한 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기에 관한 것이다.

일반적으로, 산소농도 분석기는 연소가스나 배기가스중의 산소농도를 분석하여 각종 로 내의 산소농도 조절 및 공연비를 조절하여 열효율을 극대화함으로써 연료비 절감과 대기오염 물질인 질소산화물(NOX) 및 유황산화물(SOX)의 발생을 억제하여 공해방지에 이용되며 이는 철강공업의 가열로 및 유리 용해로 및 요업제품 소성로 등 산업전반의 각종로 등에 다양하게 이용된다.

도1은 종래의 산소농도 분석기를 포함한 가열로 연소가스의 산소농도 검출방법을 도시한 구성도로써, 기본적인 동작원리는 안정화 지르코니아로 만들어진 산소센서(101)를 가열로의 외벽에 설치하여, 로 내의 산소농도에 따라 전기적인 센서신호(102)를 발생하면 산소농도 분석기(103)가 이 신호를 수신하여 산소 퍼센트(%)로 변환시켜 나타내는 것으로, 이를 위해서는 고온에서 안정적이며, 로 내의 산소농도 변화에 빠르게 반응할 수 있는 지르코니아 산소센서(101)와 감지부의 온도를 적정수준으로 유지하기위한 고온측정용 열전대(104) 및 승온을 위한 가열기(105)와 산소센서(101)로부터 발생한 전기적인 센서신호(102)와 열전대에서 발생한 전기적인 신호를 수신하여 정확한 산소농도 퍼센트(%)를 나타내줄 수 있는 산소농도 분석기(103)로 구성되어있으며, 여기서 산소농도 분석기의 출력부(106)에서는 전기적인 신호와 접점 경보발생 및 산소센서, 공급전원, 고온측정용 열전대 및 가열기 등의 동작 이상 유무상태를 나타낼 수 있다.

이러한 종래의 산소농도 분석기(103)는 산소센서(101)에서 발생한 전기적인 센서신호(102)를 측정값 표시부에 산소농도(%)로 지시하도록 동작하고 있으나, 이렇게 검출된 산소농도(%)값에 대한 정확한 신뢰성을 확인할 수 없는 경우가 발생하고 있다.

즉, 로 내의 산소농도(%)를 검출하는 산소센서(101) 주위로 외부공기의 침입이 있거나, 로 내의 부압변동이 심할 경우에는 연소 공연비에 관계없는 산소농도(%)를 검출한다.

또한, 산소센서(101)에 응축물이 쌓여 있거나, 비교공기 성분중에 불순물이 포함되어 있을 경우에도 정확한 산소농도(%)를 검출할 수 없다. 이러한 문제점으로 로 내의 연소상태 및 연소가스나 배기가스중의 산소농도를 자동으로 분석할 수 없어, 적절한 산소농도 조절 및 공연비 제어가 불가능하여 연료비 과다손실과 대기오염 물질 과다발생의 문제점이 있다.

즉, 종래의 산소농도 분석기는 철강공업 로 내의 외란에 의한 비정상적인 연소 상태이거나, 산소센서에 직접적인 파손이나, 단선현상이 아닌 간접적인 외란에 영향을 받고 있는 상태에서 검출되는 산소농도(%)를 오동작에 의한 잘못된 검출값으로 판단할 수 없었다.

본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로써, 산소농도 분석기에 검출되는 산소농도(%)를 로 내의 외란에 의한 비정상적인 연소 상태이거나, 산소센서에 간접적인 외란에 영향을 받고 있는 상태에서 검출된 값일 경우, 이를 인식하여 좀 더 안정적인 공기와 연료의 비율제어를 할 수 있도록 한 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래의 산소농도 분석기를 포함한 가열로 연소가스의 산소농도 검출방법을 보인 구성도,

도2는 본 고안에 따른 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기에 대한 내부 구성도와 전자 회로도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 산소 센서 102 : 센서 신호

103 : 종래 산소농도 분석기 104 : 열전대

105 : 가열기 106 : 출력부

201 : 고압된 산소농도 분석기 202 : 실공급 가스량

203 : 실공급 공기량 204 : 이론 산소농도 연산 전자회로부

205 : 이론 산소농도 표시부 301 : 승산부

302 : 감산부 303 : 승산부

304 : 제산부 305 : 배율부

306 : 표시부

이하, 첨부도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

본 고안 산소농도 분석기의 실시예는,

가열로 연소제어를 위하여 로 내의 산소농도를 산소센서에 의해 전기적인 신호로 발생하면 이 신호를 수신하여 변화, 표시, 교정, 경보, 출력 기능등을 하는 산소농도 분석기에 있어서,

로 내에 공급되는 실공급 가스량(202)과 실공급 공기량(203)에 해당하는 각각의 전압신호(1~5VDC)를 입력받아 연산기능이 부여된 전자회로에 의해 로 내에서 발생하는 산소농도를 산출하는 산소농도 연산 전자회로부(204)와,

상기 산출된 산소농도(O2)를 나타내는 산소농도 표시부(205)를 포함하여 구성함이 바람직하다.

본 고안은 입력전압신호인 실공급 가스량을 변환하여 전압신호의 완전연소 공기량으로 산출하는 승산부와, 승산부의 출력전압신호인 완전연소 공기량과 전압신호의 실공급 공기량의 차를 전압신호로 변환하는 감산부와, 감산부의 출력 전압신호와 체적 기준 공기량 환산을 위한 상수값의 곱을 전압신호로 변환하는 승산부와, 승산부의 출력 전압신호에 전압신호의 완전연소 공기량을 나눈 값을 전압신호로 변환하는 제산부와, 제산부의 출력 전압신호와 퍼센트(%) 환산을 위한 상수값의 곱을 전압신호로 변환하는 배율부와, 배율부의 출력전압신호인 이론 산소농도값을 아날로그/디지털 변환부(A/D CONVERTER)를 거쳐 농도수치로 지시되는 표시부를 구비한다.

도2는 본 고안에 따른 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기에 대한 내부 구성도와 전자 회로도로써, 가열로 연소제어를 위하여 로 내의 산소농도를 산소센서에 의해 전기적인 신호로 발생하면 이 신호를 수신하여 변화, 표시, 교정, 경보, 출력 기능등에 부여된 산소농도 분석기에 있어서, 상기 산소농도 분석기에 전압신호의 실공급 가스량과 실공급 공기량을 입력받아 이론 산소농도 연산 전자회로부의 연산기능을 이용하여 이론 산소농도값을 산출하고, 그 값을 이론 산소농도 표시부에 지시하는 기능을 구비하여 이루어지는 것으로, 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 내부 구성도를 살펴보면 입력신호로 실공급 가스량(202)과 실공급 공기량(203)에 해당되는 1~5VDC의 전기신호는 1차적으로 이론 산소농도 연산 전자회로부(204)에서 산출하고자 하는 이론 산소농도값을 전기신호로 연산하며, 1~5VDC로 연산된 신호는 이론 산소농도 표시부(205)에 수치로 지시된다.

다음은 내부 구성 요소인 이론 산소농도 연산 전자회로부와 이론 산소농도 표시부의 구성을 보인 전자 회로도에 대한 설명이다.

일반적으로, 가열로 연소에 있어서 산소농도관리는 연소를 위하여 공급되는 연소 가스량과 이를 완전하게 연소반응을 시킬 수 있는 연소 공기량에 의해 좌우되고 있으며, 연소 가스중에서 연소에 의해 다량의 열을 발생하는 성분원소를 분석하여 완전연소표에 따라 이론공기량을 구할 수 있으나 실제 가열로 연소제어에서는 연소 가스의 이론 공기량만으로 완전연소하는 것은 거의 불가능하기 때문에 좀 더 많은 광잉공기량을 추가로 공급함으로써 완전연소를 실시하며, 적절한 과잉공기량은 연료의 종류라든가 연소장치, 조업조건등에 따라 다르나, 최종적으로 실혼합연소가스의 완전연소 공기량은 다음의 수학식1에 의해 산출한다.

[수학식 1]

완전연소 공기량 = 이론공기량 ×과잉공기량 ×실공급 가스량

상기 수학식1과 같이, 실제 철강공업 가열로 연소제어에 있어서, 유량제어에 의해 공급되는 실공급 가스량에 대해 필요한 실공급 공기량을 구할 수 있다.

또한, 실제 철강공업 가열로 연소제어에 있어서, 연소반응 후 발생하는 이론 산소농도를 실공급 가스량과 실공급 공기량을 가지고 상기 수학식1를 기본으로 하여 이론 산소농도(O2)를 다음의 수학식2에 의해 산출한다.

[수학식 2]

이론산소농도= [0.210(실공급 공기량 - 완전연소 공기량)]÷완전연소 공기량 ×100

따라서, 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기의 이론 산소농도 연산 전자회로부는 수학식1과 수학식2를 만족하는 전자회로로 이루어져 있다.

다음 구성에 있어서, 미설명부호 R은 저항이고, IC는 연산 증폭기(OP AMP)이며, 여기서 입력, 변환, 전달되는 신호는 전압신호(1~5VDC)이다.

먼저, 본 고안에 따른 가열로 연소 진단형 산소농도 분석기의 구성을 보인 전자 회로도에 도시된 바와 같이, 승산부(301)에서는, 완전연소 공기량을 얻기 위해 전압신호(1~5VDC)로 입력단에 들어오는 실공급 가스량(G)과 이론공기량 및 과잉공기량에 해당하는 상수값의 역할을 하는 저항 R2, R3와의 곱으로 구할 수 있다. 즉, 승산부(301)에서는 다음의 수학식3에 의하여 VO1을 산출한다.

[수학식 3]

VO1 = G ×R2 ×R3

감산부(302)에서는, 승산부(301)로부터 얻어진 완전연소 공기량에 해당하는 전압신호(1~5VDC)의 VO1과 다른 전압신호(1~5VDC)로 입력단에 들어오는 실공급 공기량(A)의 차를 구할 수 있다. 즉, 감산부(302)에서는 다음의 수학식4에 의향 VO2를 산출한다.

[수학식 4]

VO2 = A - VO1

승산부(303)에서는, 감산부(302)로부터 실공급 공기량(A)과 완전연소 공기량의 차를 전압신호(1~5VDC)로 입력단에 들어와 체적 기준 공기량 환산을 위향 상수값 0.21에 해당하는 저항 R9와 곱으로 VO3를 구할 수 있다. 즉, 승산부(303)에서는 다음의 수학식5에 의하여 VO3를 산출한다.

[수학식 5]

VO3 = VO2 ×R9

제산부(304)에서는, 승산부(303)로부터 실공급 공기량(A)과 완전연소 공기량의 차를 체적 기준 공기량으로 환산하여 얻어진 전압신호(1~5VDC)를, 승산부(301)로부터 전압신호(1~5VDC) 형태로 얻어진 완전연소공기량으로 나누어 VO4를 구할 수 있다. 즉, 제산부(304)에서는 다음의 수학식6에 의하여 VO4를 산출한다.

[수학식 6]

VO4 = VO3 / VO1

배율부(305)에서는, 제산부(304)로부터 얻어진 전압신호(1~5VDC)의 VO4값을, 배율 100에 해당하는 상수값의 역할을 하는 저항 R12, R13과의 곱으로써 최종적인 이론 산소농도값(%)인 VO5를 구할 수 있다. 즉, 배율부(305)에서는 다음의 수학식7에 의하여 VO5를 산출한다.

[수학식 7]

VO5= VO4 ×R12 ×R13

여기서, VO5는 전압(1~5VDC)형태를 가진 아날로그 출력신호로, 이를 지시계, 기록계 또는 다른 조절장치에 이용할 수 있다.

또한, 표시부(306)에서는, 배율부(305)로부터 얻어진 전압신호(1~5VDC)의 이론 산소농도값(%)인 VO5값을, 변환기(A/D CONVERTER)를 거쳐 퍼센트(%)로 표시부에 나타낸다.

따라서, 전압신소(1~5VDC)로 입력단에 들어오는 실공급 가스량(G), 실공급 공기량(A), 이론공기량, 과잉공기량, 체적 기준 공기량 환산값(0.21) 및 배율값(100) 등에 해당하는 저항의 구성 및 역할로, 이론 산소농도(O2)를 산출하는 계산식2를 만족하는, 전술한 것과 같은 동작을 하는 전자회로를 만들어 최정적으로 산출된 이론 산소농도(O2)값을 표시하는 기능을 부여한다.

본 고안에 따른 가열로 연소 자기진단형 산소농도 분석기는 전술한 동작 구성요소 및 원리에 국한되지 않고 본 고안의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 의하면, 가열로 내에서 연소반응 후 발생하는 산소농도를 연소를 위하여 로 내부로 의해 산출한 후 그 값을 이론 산소농도 수치로 표시부에 나타내어 직접 현장에서 현재 로 내의 연소상태 및 산소농도 검출부 상태 등을 자동으로 진단함으로서, 열효율 극대화 및 연료비 절감과 대기오염 물질인 질소산화물(NOX) 및 유황산화물(SOX)의 발생을 억제하여 공해방지를 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

가열로 연소제어를 위하여 로 내의 산소농도를 산소센서에 의해 전기적인 신호로 발생하면 이 신호를 수신하여 변화, 표시, 교정, 경보, 출력 기능등을 하는 산소농도 분석기에 있어서,

로 내에 공급되는 실공급 가스량(202)과 실공급 공기량(203)에 해당하는 각각의 전압신호(1~5VDC)를 입력받아 연산기능이 부여된 전자회로에 의해 로 내에서 발생하는 산소농도를 산출하는 산소농도 연산 전자회로부(204)와,

상기 산출된 산소농도(O2)를 나타내는 산소농도 표시부(205)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 산소농도 분석기.