KR20090105651A - 압력용기의 기체압력 조절 장치와 장치의 제어 방법 - Google Patents

압력용기의 기체압력 조절 장치와 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압력용기에 외부에서 공급되는 기체를 충진 및 배출하여 압력용기의 압력을 조절하는 장치와 그 장치의 제어 방법으로서, 기존의 방법 중, 충진 및 배출되는 압력을 원하는 압력으로 유지하여 조절하는 방법은 복잡하고 고가의 장치가 필요하며, 그 조절 시간이 많이 소요되었고, 또 다른 기존의 방법인 충진 및 배출시의 시간을 계산하여 조절하는 방법은, 압력용기 및 장치에 대한 많은 경험정보가 필요하였으며, 안정된 환경이 필요하였다.
본 발명은 버튼과 램프를 포함한 사용자 입력장치와, 마이크로프로세서, A/D컨버터, 설정 저장 장치, 밸브 전동 스위치, 전원장치의 결합체인 조작장치와, 2개의 2 포트 2위치 솔레노이드밸브, 전자 압력계의 결합체인 압력조절기 조립체로 구성되는 압력조절 장치와, 그 장치를 이용하여, 압력용기의 압력을 예측하고, 충진 및 배출되는 압축기체의 유량을 예측하여, 압력용기를 원하는 압력으로 조절하는 방법과, 충진 및 배출되는 압축기체의 유량을 예측하기 위한 정보를 수집 및 구성하는 방법을 특징으로 하는 압력조절 방법이다.
상기와 같이 간단한 장치로, 공급되는 압축기체 및 주변의 압력이 불안정한 상황에서도, 단수, 또는 복수의 상이한 크기의 압력용기에 대한 수많은 경험정보가 없거나 간단한 측정만으로도, 빠르게 압력을 조절할 수 있어, 제작 및 유지, 보수, 운용이 용이하고, 극히 빠른 속도로 압력을 조절할 수 있다.
Figure 112008024315007-PAT00001
압축 기체, 조절, 예측, 충진, 배출, 압력 용기, 타이어

Description

압력용기의 기체압력 조절 장치와 장치의 제어 방법 {Gas Pressure Control System and Method In Pressure Chamber }
본 발명은 압력용기에 외부에서 공급되는 기체를 충진 및 배출하여 압력용기의 압력을 조절하는 장치와 그 장치의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 충진과 배출을 위해 각각 1개의 2 포트 2위치 솔레노이드 밸브와 전자 압력계의 조립체인 압력조절기 조립체와, 마이컴 기반의 조작장치로 구성된 압력용기의 기체압력 조절 장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.
압력용기의 기체압력 조절 장치는 일반적으로 압축공기, 질소, 산소, 이산화탄소 등을 충진하고 그 압력을 조절하는데 사용한다. 만일 압력용기의 사용 목적이 압축된 기체의 공급원일 경우에는 용기의 허용 압력 내의 압력을 충진하면 되나, 압력 완충장치(Accumulator), 공기압을 이용한 지지 장치(Air Suspension), 자동차 타이어 등에서는 일정한 압력으로 조절을 할 필요가 있다. 특히 공기압을 이용한 지지 장치나 자동차의 타이어는 사용 환경에 맞는 압력으로 최대한 빠르게 조절할 필요가 있다.
기존의 일반적인 압력용기의 압력을 조절하는 방법은 크게 2가지로 나뉠 수 있다.
첫 번째 방법은 압력용기에 원하는 압력과 동일한 압력의 압축기체 공급원을 연결하는 것이다. 일정한 압력의 압축기체 공급원과 연결된 압력용기는 시간이 지남에 따라 공급원과 동일한 압력으로 조절될 것이다.
두 번째 방법은 압력용기에 압축기체 공급원으로부터 압축기체를 공급하거나 외부로 배출하여 압력용기의 압력을 원하는 압력으로 조절하는 것이다. 압력용기의 압력을 측정하거나 예측을 하여 원하는 압력보다 고압인 공급측의 밸브 또는, 저압인 배출측의 밸브를 열거나 닫아 압력을 조절한다. 이 경우 유량계를 사용하여 유입/ 배출되는 기체의 질량을 파악할 수 도 있다.
기존의 첫 번째 방법은 일정한 압력을 유지하기 위해 공기압 서보 밸브 등의 복잡한 장치를 필요로 하며, 압력의 조절시간이 많이 걸리게 된다. 즉 공급원과 압력용기의 압력차가 크면 클수록 압력용기와의 유량이 증대하여 빠른 속도로 압력이 변하게 되나, 공급원과 압력용기의 압력차가 작을수록 유량은 작아져, 압력용기의 압력의 변경속도가 작아지게 된다. 따라서 압력용기의 압력이 원하는 압력에 가까울수록 조절시간은 증가하게 된다.
기존의 두 번째 방법은 간단하게는 압력계와 수동으로 조작하는 두 개의 밸브만으로도 조절할 수 있는 방법이고, 공급 측과 배기 측의 압력을 그대로 이용하므로 조절속도 또한 빠르게 할 수 있다. 예를 들면 압력용기의 원하는 현재 압력이 1bar이고, 원하는 압력이 5bar이며, 공급압력이 10bar이면, 원하는 압력인 5bar까지 10bar의 압력으로 충진을 할 수 있다.
이 방법은 공급/ 배출 측의 압력이 항상 원하는 압력과 불일치하므로, 압력계가 압력용기에 직접 설치되어 있지 않은 이상 압력계 값은 압력용기의 압력에 비해 항상 오버슈트(Overshoot : 조절되는 값이 목표방향으로 목표 값을 초과하게 되는 것)하게 되며, 압력계와 압력용기와의 거리가 멀면 멀수록 이 경향은 증가하게 된다.
따라서 원하는 압력으로 압력을 맞추기 위해서는 원하는 압력보다 더 높은/ 낮은 압력을 압력계가 일정시간 지시하도록 압축 기체를 충진 또는, 배출하거나, 일정한 시간 동안 충진 또는, 배출 후 압력계로 압력을 확인하는 방법을 사용하게 된다.
이러한 상기 압력과 일정한 시간은 압력용기와 배관을 포함한 조절장치에 대한 시스템의 정밀한 측정 정보와 경험에 의해 산출되며, 압력용기의 압력을 확인하기 위해 압력을 측정시, 모든 밸브를 닫은 후 충분한 시간을 대기한 후 압력계로 측정을 하게 된다.
만일 공급 측, 배기 측의 압력이 변동된다면, 이 경우까지 고려하면 매우 많은 측정 정보와 경험이 필요하게 되며, 압력용기의 크기, 수량이 변경된다면 추가적인 측정정보와 경험이 필요하게 되며, 따라서 대부분은, 기존의 장치는 공급압을 일정하게 유지하기 위한 압력 조절기를 설치하게 되고, 압력 조절기를 거친 압력은 항상 공급되는 압력보다 낮게 되므로, 충진 시간이 증가하게 되고, 압력조절기가 추가로 필요하게 된다.
또한, 일정한 시간 간격으로 밸브를 여닫고, 그 사이 압력을 측정하는 경우는, 압력측정 횟수가 증가하게 되므로 이를 위한 시간이 추가로 필요하게 된다.
특히, 대한민국 특허 공개 공보 특0138922 (아시아자동차공업주식회사) 1998.4. 30. 과 같은, 차량용 공기압 조절장치의 경우는, 공급 측 압력이 일정치 않고, 본 발명에서 압력용기에 해당되는 타이어가, 조절장치에서 상대적으로 먼 거리에 위치하여, 압력의 조절을 위해서는 매우 많은 측정 정보와 경험이 필요하며, 또한, 압력 조절에 많은 시간이 소요되게 되므로, 빠른 압력 조절이 필요한 장치의 요구 특성을 만족시키기 힘들다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 간단한 구조의 장치 와, 빠르고 정확한 압력조절 방법과, 그 조절을 위한 설정방법에 의해서, 압력용기의 기체압력 조절 장치와 장치의 제어 방법을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적에 따라 압력용기의 기체 압력 조절 장치는, 공급 측의 압축 기체를 압력용기에 충진하기 위하여 2 포트 2위치 솔레노이드 밸브인 가압밸브를 공급 측과 압력용기 연결도관 조립체 사이에 위치시키고, 압력용기의 압축기체를 외부로 배출하기 위하여 2 포트 2위치 솔레노이드 밸브인 감압밸브를 외부와 압력용기 연결도관 조립체 사이에 위치시키고, 조절장치 내의 압력을 측정하기 위한 전자 압력계를 가압밸브와 압력용기 연결도관 조립체 사이에 위치시킨 것을 포함하는 압력조절기 조립체와,
A/D컨버터와 밸브 전동스위치와 마이크로프로세서와 사용자 입력장치와, 작동 표시기와 전원장치와 설정 저장장치가 포함되어 구비된 압력조절기 조립체를 제어하는 컨트롤러로 구성된다.
한편, 본 발명에 따라 압력용기의 기체 압력을 제어하는 방법은, 압력계의 값을 지속적으로 읽어 현재압력을 판별하는 방법과, 압력용기의 압력을 예측하고, 충진 및 배출되는 압축기체의 유량을 예측하여, 압력용기를 원하는 압력으로 조절하는 방법과, 충진 및 배출되는 압축기체의 유량을 예측하기 위한 정보를 수집 및 구성하는 방법을 포함한다.
본 발명에 따른 간단한 장치로, 공급되는 압축기체 및 주변의 압력이 불안정한 상황에서도, 단수, 또는 복수의 상이한 크기의 압력용기에 대한 수많은 경험정보가 없거나 간단한 측정만으로도, 빠르게 압력을 조절할 수 있어, 제작 및 유지, 보수, 운용이 용이하고, 극히 빠른 속도로 압력을 조절할 수 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1에서와 같이 압력조절기 조립체(10)는 압축기체 공급기(1)로부터 압축 기체를 공급받고, 배기 측 도관(21)으로 압축기체를 배출하여 압력조절기 조립체(10)에 연결된 압력용기(51)의 압축기체 압력을 조절하는 장치이다.
압력조절기 조립체(10)는 가압밸브(14)와 감압밸브(17)와 전자 압력계(19)가 포함되어 있고, 도 2의 마이크로프로세서(101) 기반의 조작장치(100)에 의해 제어된다.
도 2와 도 3에서와 같이 조작장치(100)는 사용자 입력 장치(103)와 작동 표시기(105)와 마이크로프로세서(101)와 A/D컨버터(102)와 밸브 전동 스위치(106)와 설정 저장 장치(104)를 포함하며, 설정 저장 장치(104)는 도 5의 용기압력/부피 설정치(205)와 도 5의 동적압력/부피 설정치(217)를 포함한다.
도 4와 같이 도 1의 압력용기(51)의 압력을 측정하는 방법은, 도 1의 가압밸브(14) 와 감압밸브(17)을 폐쇄하고, 설정시간을 대기한 후(252), 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽어(253) 저장(254)하는 것을 반복하되, 직전의 값을 기록(254, 257) 및 갱신(262,263)하고 그 값을 비교(258)하여 압력을 측정(260)하는 방법이다.
도 5와 같이 도 1의 압력용기(51)의 압력을 조절하는 방법은, 측정된 압력용기의 압력(202)과 조절되기 원하는 압력(이하 목표압)을 용기압력/부피 설정치(205)를 이용하여 부피로 환산하고,(206, 209) 도 1의 가압밸브(14)를 개방하거나(212), 도 1의 감압밸브(17)를 개방하여(221) 압력용기(51)의 압축기체를 충진, 또는 배출하되, 동적압력/부피 설정치(217)를 이용하여 단위 시간당 부피변화(216)를 적산하고(218) 상기 적산 된 값으로 도 1의 압력용기(51)의 압력을 예측하여 압력을 조절하는 방법이다.
도 6과 도 7과 같이 압력조절기 조립체(10)와 압력용기 연결도관 조립체(52)와 도 1의 압력용기(51)의 충진과 배출시의 유량 계수를 구하는 방법은 도 1의 압력용기(51)의 초기 용기압(303, 353)과 일정시간(306, 356)동안 충진 또는 배출시의 전자 압력계(19)의 값의 평균값(315, 365)과, 충진 또는 배출 후의 압력용기(51)의 종료 용기압(309, 359)과, 임의, 또는 측정된 용기압력/부피 설정(205)에 의해 충진 유량 계수(313)와 배출시 유량계수(363)를 구하는 방법이다.
더욱 상세한 구성으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따라 압력용기의 기체압력 조절 장치의 간략한 구성을 나타내는 공기압 회로도로써, 압축기체 공급기(1)와 압력조절기 조립체(10)와 압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력용기(51)를 포함하고 있다.
압축기체 공급기는 통상 미 도시된 압축기나 미 도시된 압축 기체가 공급되는 도관으로 구성되며 추가로 공급기체 압력용기(3)가 구성되며, 필요시는 미 도시된 기체 청정기를 포함한다.
압축기체 공급기(1)에서 압력조절기 조립체(10)로는 도관(4)로 연결되며, 상기 조립체(10)로 유입되는 공급압력은 필요압력(압력용기의 조절을 원하는 압력)보다 높아야 하므로, 통상적으로 공급압 측정장치(6)를 공급기체 압력용기(3)에 연결하여 사용하게 된다.
압축기체 공급기(1)와 도관(4)으로 연결된 압력조절기 조립체(10)는 상기 도관(4)과 기체 공급 도관(11)으로 연결되며 이 도관(11)은 가압밸브 입구측(13)을 통해 가압밸브(14)에 연결된다. 통상 기체 공급 도관(11)과 가압밸브 입구측(13)에는 역류방지 밸브(12)가 위치하여 압축기체 공급기의 고장시 압축 기체의 역류를 방지한다.
가압밸브(14)는 2 포트 2위치의 통상 닫힘 솔레노이드 밸브로써 가장 간단하고 고 신뢰성을 가지는 종류의 솔레노이드 밸브이다. 상기 밸브(14)의 출구측(15)은 압력 조절 연결 도관(20)을 통해 압력용기 연결도관 조립체(52)에 연결된다.
또한 감압밸브는 2 포트 2위치의 통상 닫힘 솔레노이드 밸브로써 감압밸브 입구 측(16)은 가압밸브 출구측(15)에 연결되고, 감압밸브 출구측은 배기측 도관(21)으로 연결된다. 또한, 압축기체의 온도를 파악하기 위한 전자 온도계(25)가 포함될 수 있다.
전자 압력계(19)는 가압밸브 출구측(15)과 압력 조절 연결 도관(20) 사이에 위치하게 되며, 압력용기 연결도관 조립체(52)는 압력을 조절하고자 하는 압력용기(51)와 연결된다. 압력용기 연결도관 조립체(52)는 미 도시된 여러 개의 압력용기와 연결될 수 도 있고, 차량용 공기압 조절장치의 경우에는 상기 조립체(52)가 미 도시된 로터리 씨일을 포함하는 장치의 조립체일 수 도 있다.
압력조절기 조립체(10)는 미작동시 가압밸브(14)와 감압밸브(17)가 닫혀있고, 압력 조절 연결 도관(20)과, 압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력용기(51)는 연결되어 있어, 상기 세 가지 요소 내의 압축기체의 압력은 시간이 지남에 따라 점차 일치하게 되고, 압력 조절 연결 도관(20)과 압력용기 연결도관 조립체(52)와, 압력용기(51)에서 기체의 유동이 없어지게 되면, 전자 압력계(19)의 압력을 읽어 압력용기(51)의 압력을 측정하게 되며, 전자 온도계(25)의 값을 읽어 압축 기체의 온도를 알 수 있다.
압력용기(51)에 압축기체가 충진되는 경우에는 가압밸브(14)를 열고, 감압밸브(17)를 닫으면, 압축기체 공급기(1)로부터 기체 공급 도관(11)과 가압밸브(14)를 거처 압력 조절 연결 도관(20)으로 압축기체가 흐르고, 압력 조절 연결 도관(20)에 연결된 압력용기 연결도관 조립체(52)는 압력용기(51)에 연결되어 있으므로 압축기체는 압력용기(51) 내부로 흐르게 되어 압력용기(51)의 압력이 상승하게 되며, 이때 전자 압력계(19)의 값을 읽어 압력조절기 조립체(10)의 압력을 알 수 있으며, 전자 온도계(25)의 값을 읽어 압축기체의 온도를 알 수 있다.
압력용기(51)로부터 압축기체가 배출되는 경우에는 가압밸브(14)를 닫고, 감압밸브(17)를 열면, 압력용기(51)로부터 압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력 조절 연결 도관(20)을 거쳐 감압밸브 입구측(16)으로 압축기체가 흐르고, 압축기체는 감압밸브(17)를 거쳐 배기측 도관(21)을 통해 배출되게 되며, 이때의 전자 압력계(19)의 값을 읽어 압력조절기 조립체(10)의 압력을 알 수 있으며, 전자 온도계(25)의 값을 읽어 압축기체의 온도를 알 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 압력조절기 조립체(10)로부터 계측정보를 받아 정보를 판별하고, 가압밸브(14)와 감압밸브(17)를 작동시키는 조작장치(100)의 기능 구성도로써, 조작장치(100)와 도 1의 압력조절기 조립체(10)에 전원을 공급하는 전원장치(107)와, 도 1의 가압밸브(14)와 도 1의 감압밸브(17)를 작동시키는 밸브 전동 스위치(106)와, 도 1의 전자 압력계(19)와, 도 1의 전자 온도계(25)의 값을 판별하는 A/D컨버터(102)와, 사용자가 조작할 수 있는 사용자 입력 장치(103)와, 사용자에게 작동정보를 표시하는 작동 표시기(105)와, 중앙연산을 담당하는 마이크로프로세서(101)와, 제어 설정치가 기록되어 있는 설정 저장 장치(104)를 포함한다.
조작장치(100)의 A/D컨버터(102)는 도 1의 전자 압력계(19)와 도 1의 전자 온도계(25)와 도 1의 공급압 측정장치(6) 등의 아날로그 기기의 값을 읽어 디지털 신호로 변경하며, 상기 디지털 신호는 마이크로프로세서(101)로 보내져서 수치로써 판별하게 된다. 상기 판별된 압력계 값과, 사용자 입력 장치(103)와, 설정 저장 장치(104)의 설정값을 마이크로프로세서(101)가 판별하고, 밸브 전동 스위치(106)를 작동하여 도 1의 가압밸브(14)와 도 1의 감압밸브(17)를 열거나 닫아, 도 1의 압력용기(51)의 압축기체를 충진 또는 배출하게 된다.
또한, 작동 표시기(105)는 사용자가 입력한 내용과, 현재의 조작장치(100) 및 압력조절기 조립체(10)의 작동상태를
표시하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 조작장치(100)에 포함되어, 도 2의 마이크로프로세서(101)에 사용자의 조작을 입력하는 사용자 입력 장치(103) 및 사용자가 입력한 내용과 현재의 조작장치(100) 및 압력조절기 조립체(10)의 작동상태를 표시하는 작동 표시기(105)의 구성도로써, 조작장치(100)와 압력조절기 조립체(10)의 전원을 조작하는 전원 스위치(151), 도 1의 공급압 측정장치(6)의 압력이 압력을 조절하기에 충분하지 않을 경우에 사용자에게 경고하는 공급압 경고등(160), 사용자가 조절하기 원하는 압력(이하 목표압)을 표시하는 목표압력 표시기(152), 목표압력을 변경할 수 있는 상승, 하강 조작 스위치(153, 154), 압력조절을 실시하도록 조작하는 실행 조작 스위치(155), 미리 설정된 압력으로 목표압력을 설정하는 조작 스위치(156, 157, 158, 159)를 포함한다.
따라서, 상기 도 1과 도 2와 도 3에서와 같이 본 발명은 간단하게는 솔레노이드밸브 2개(14,17)과 전자 압력계(19)가 포함된 압력조절기 조립체(10)와 조작장치(100)만으로 압력용기(51)의 압력을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 측정 방법을 나타낸 순서도로서, 압력측정을 시작(251)하게 되면, 초기 상태는 도 1의 가압밸브(14)와 도 1의 감압밸브(17)를 닫고, 10초 이하의 설정시간을 대기(252)한다. 상기 설정시간은 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)와, 도 1의 압력용기(51)에 따라 다르나, 1초 정도가 바람직하다. 설정시간 대기후, 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽고(253), 그 값을 도 2의 조작장치(100)의 마이크로프로세서(101)의 메모리에 측정압 1로서 저장한다.(254) 이후 다시 상기 설정시간만큼 대기하고,(255) 다시 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽고,(256) 그 값을 도 2의 조작장치(100)의 마이크로프로세서(101)의 메모리에 측정압 2로서 저장한다.(257)
도 1의 압력 조절 연결 도관(20)과 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)와, 도 1의 압력용기(51)는 연결되어 있으므로, 상기 3요소간의 압력차가 있을 경우 압축기체의 흐름이 발생하게 되고, 상기 3요소의 말단에 위치한 도 1의 전자 압력계(19)의 위치에서의 압력값이 시간에 따라 변하게 된다. 만일 상기 3요소간의 압력의 차 이가 작게 되면, 상기 설정시간 동안 압력의 차이도 작아진다.
측정압1과 측정압2의 값의 차이가 허용 가능한 측정의 정밀도인 측정 정밀도 설정압(259)이하면,(258) 상기 설정시간만큼의 대기 시간 동안 압력의 변화가, 허용 가능한 범위 이내로 작은 것이며, 이 경우 저장된 측정압2(257)를 도 1의 현재의 압력용기(51)의 압력으로 취하고(260) 압력측정을 종료한다.(261) 만일 측정압1과 측정압2의 차이가 측정정밀도 설정압(259)초과면, 측정압2(257)의 값을 측정압1(254)에 저장하고(263), 다시 설정시간을 대기(255)부터 반복하여 압력용기(51)의 압력을 취할 수 있다.(260)
상기 방법은 도 1의 압력용기(51)의 압력을 직접 연결되지 않은 전자 압력계(19)로 측정할 때, 경험에 의한 일정시간을 대기하는 방법에 비해 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)나 도 1의 압력용기(51)에 변경이 발생한 경우나 압력 측정 범위가 넓은 경우에도 상기 압력용기(51)의 압력을 빠르게 측정할 수 있는 방법이다.
도 5는 본 발명의 가장 중요한 부분 중 하나인, 기체압력 조절 방법을 나타낸 순서도로서, 도 1의 압력용기(51)의 현재 압력을 측정하여, 도 1의 압력용기(51)내의 일정 압력하에서의 유체 부피를 도 2의 설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)에서 산출하고, 목표압의 유체부피가 될 때까지 일정시간 동안 도 1의 가압밸브(14)나 도 1의 감압밸브(17)을 개방하여 압축기체를 충진 또는 배기한다. 상기 일정시간은 도 2의 설정 저장 장치(104)의 동적압력/부피 설정치(217)에 의해 산출된다.
발명의 기본적 이론은 다음과 같으며, 이하 압력의 단위는 psig, 시간의 단위는 msec, 부피의 단위는 ㎖를 사용한다.
도 1의 압력 조절 연결 도관(20)에서 볼 때, 압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력용기(51)는 관의 길이와 지름, 미 도시된 허브와 액슬의 오리피스 지름, 압력용기의 수량, 크기에 관계없이 단일한 오리피스와 단일한 압력용기로 치환할 수 있다.
전자 압력계(19)의 대기압에서의 압력을 P1(psig)이라 하고, 압력용기(51)의 압력을 P2(psig)라 하고, 기체의 비중을 S라 하고, 도 1의 전자 온도계(25)의 현재온도를t (℃)라 할때,
만약, 도 1의 가압밸브(14)가 열려있고, 도 1의 감압밸브(17)가 닫혀있어 P1이 P2보다 클 경우 압축기체는 압력용기(51)에 충진되며, 압축기체는 도 1의 가압밸브(14)에서 도 1의 압력용기(51) 쪽으로 흐른다. 이 경우 상기 오리피스에서의 유량 계수를 CV INF라 하고, 상기 오리피스를 흐르는 압축기체의 1기압에서의 부피유량을 QINF라 하면, QINF는,
P1 < 1.89×P2일때
Figure 112008024315007-PAT00002
이며, P1 ≥ 1.89×P2일때
Figure 112008024315007-PAT00003
이다.
만약, 가압밸브(14)가 닫혀있고, 감압밸브(17)가 열려있어 P1이 P2보다 작을 경우, 압축기체는 압력용기(51)에서 배출되며, 압축기체는 압력용기(51)에서 감압밸브(17) 쪽으로 흐른다. 이 경우 상기 오리피스에서의 유량 계수를 CV DEF라 하고, 압축기체의 1기압에서의 부피유량을 QDEF라 하면, QDEF는,
P1 < 1.89P2일때
Figure 112008024315007-PAT00004
이며, P1 ≥ 1.89×P2일때
Figure 112008024315007-PAT00005
이다.
따라서 CV INF와 CV DEF를 알고, S와 t를 알고, P1과 P2를 알면, 압력용기(51)의 충진 또는 배출시의 단위시간당 유량을 알 수 있다. S는 압축할 기체의 종류에 의해 미리 정해 질 수 있으며, t는 도 1의 전자 온도계(25)에 의해 알 수 있으므로 P1과 P2의 계산치에 대해 동적압력/부피 설정치(217)를 작성할 수 있고, -40~80℃의 온도 범위에서 상온(21℃)기준 4.5%로 발생하는 오차 보정을 위해 온도 설정치를 작성 할 수도 있다.
도 8은 동적 압력/부피 설정치의 구성도로서 압력 P1에 대해 압력 P2에 해당되는 유량이 배치된 형태를 가지며, 충진되는 유량을 양수로, 배출되는 유량을 음수로 놓으면 동적압력/부피 설정치(217)는 단일한 P1에 대해, 항상 증가하는 경향을 띄게 되므로, 설정치를 검색할 때, 널리 알려진 이진검색(일정한 순서로 배열된 데이터 항목의 리스트를 2개 부분으로 되풀이하여 나누어서, 그 한 부분을 버리고 남은 부분을 탐색함으로써 목적하는 항목을 찾아내는 방법. log2N의 속도를 가지므로 128개의 항목을 가질 경우 7번의 비교로 검색 가능함.)을 사용할 수 있고 보간법 또한 사용할 수 있다.
또한, 절대압 1기압에서 도 1의 압력용기(51)와 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)의 부피를 Qrec라 하면, 보일/샤를의 법칙에 따라, 압력에 따른 1기압에서의 부피를 구할 수 있고, 필요에 따라 직접 측정할 수 도 있으며, 상기 부피를 용기압력/부피 설정치(205)에 저장할 수 있다.
용기압력/부피 설정치(205)는 항상 증가하는 경향을 띄게 되므로, 도 1의 전자 압력계(19)의 압력에 대해, 도1의 압력용기(51)의 부피에 해당되는 압력을 검색할 때, 이진검색을 사용할 수 있고 보간법 또한 사용할 수 있다.
따라서 초기의 도 1의 압력용기(51)의 압력이 P2 일때, 용기의 기체 부피 Q0를 알 수 있고, 도 1의 전자 압력계(19)의 압력이 P1이며, 짧은 시간동안의 충진 또는 배출되는 유량을 QMOVE라고 하면, QMOVE또한 알 수 있다.
그러므로, 짧은 시간이 경과한 후 용기 기체 부피QLAST는,
QLAST = Q0 + QMOVE
이며, QLAST에서 용기압력/부피 설정치(205)를 이진 검색하고 보간하면, 다시 도 1의 압력용기(51)의 압력 P2를 구할 수 있으며, 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽어 P1을 알 수 있으며, 현재 용기의 기체 부피 Q0를 알 수 있고, 새로운 QMOVE또한 알 수 있다.
따라서 QLAST를 통해, 도 1의 압축기체 공급기(1)과 배기측 도관(21)의 압력 변화를 반영하면서, 지속적으로 현재 압력용기(51)의 압력을 예측할 수 있다.
본 발명을 직접 실험해본 결과, 기체의 온도에 대한 보정 없이, 상온조건에서, 도1의 압력용기(51)의 압력을 15psig에서 60psig까지 상승시키는데, 1회의 압력조절에서 56psig에 도달하였으며, 2회째의 압력조절에서 59psig에 도달하였다.
또한, 기체의 온도에 대한 보정 없이, -40℃의 조건에서, 도 1의 압력용기(51)의 압력을 15psig에서 60psig까지 상승시키는데, 1회의 압력조절에서 59psig에 도달하였다.
도 5에서 기체압력 조절 방법을 자세히 보면, 먼저 기체 압력 조절이 시작되면,(201) 도 1의 압력용기(51)의 압력을 측정하고,(202) 상기 측정한 현재압과 목표압의 차이가 조절 정밀도 설정압(203) 미만이면,(204) 도 1의 압력용기(51)의 압력이 원하는 압력인 목표압과 일치한다고 판단하여, 압력조절을 종료(228)한다.
만약 현재압과 목표압의 차이가 조절 정밀도 설정압(203) 이상이면(204) 도 2의 설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)에서, 현재압 용기 유체 부피 계산(206)과, 목표압 용기 유체 부피 계산(209)을 행하여, 각각 현재 용기 유체 부피(207)과 목표용기 유체 부피(210)에 저장한다.
만약 목표압이 현재압보다 크면(211), 도 1의 가압밸브(14)를 개방하고, 도 1의 감압밸브(17)를 닫아, 도 1의 압력용기(51)에 압축기체를 충진하게 되며, 설정된 단위시간(214)동안 대기(213)후 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽고(215), 상기 전 자 압력계 값과 현재 용기 유체 부피(207)의 값을 이용하여 동적압력/부피 설정치(217)에서 현재 압력계 값의 동적 부피를 계산(216)하고, 상기 동적 부피에 현재 용기 유체 부피(207)을 더한 값으로 다시 현재 용기 유체 부피(207)를 갱신한다.
만일 목표 용기 유체 부피(210)가 현재 용기 유체 부피(207)보다 작거나 같으면,(219) 단위시간 대기(213)부터 다시 실행하며, 목표 용기 유체 부피(210)가 현재 용기 유체 부피(207)보다 크면, 도 1의 가압밸브(14)를 폐쇄 하고(220) 압력측정부터(202) 다시 시행한다.
만약 목표압이 현재보다 작으면(211), 도 1의 감압밸브(17)를 개방하고 도 1의 가압밸브(14)를 닫아 도 1의 압력용기(51)에서 도 1의 배기측 도관(21)으로 압축기체를 배출하게 되며, 설정된 단위시간(214)동안 대기(222)후 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 읽고(223), 상기 전자 압력계 값과 현재 용기 유체 부피(207)의 값을 이용하여, 동적압력/부피 설정치(217)에서 현재 압력계 값의 동적 부피를 계산(224)하고, 상기 동적 부피에 현재 용기 유체 부피(207)을 더한 값으로 다시 현재 용기 유체 부피(207)를 갱신한다.
만일 목표 용기 유체 부피(210)가 현재 용기 유체 부피(207)보다 크거나 같으면(226), 단위시간 대기(222)부터 다시 실행하며, 목표 용기 유체 부피(210)가 현재 용기 유체 부피(207)보다 작으면, 도 1의 감압밸브(17)를 폐쇄 하고(227) 압력측정부터(202) 다시 시행한다.
상기 도 5의 압력측정(202)부터 가압밸브 폐쇄(220) 또는 감압밸브 폐쇄(227)까지 를 “1회의 압력조절”이라 칭하고, 이 과정에서는 압력측정(202)과, 단위시간 대기(213, 222)이외에는 시간대기를 하는 곳이 없다. 이 중 압력측정(202)부분만이 실제적인 충진 또는 배출을 하지 않는 부분이며, 나머지 부분에서는 한번 개방된 밸브를 닫거나, 도 1의 압축기체 공급기(1)또는 도 1의 배기측 도관(21)을 조작하지 않으므로, 매우 빠른 압력 조절 속도를 가지게 되며, 도 1의 전자 압력계(19)에 의해 도 1의 압축기체 공급기(1) 또는 도 1의 배기측 도관(21)의 압력에 관계없이 압력을 조절할 수 있다.
제 6도와 제 7도는 본 발명에 따른 충진시와 배출시의 유량계수를 구하는 방법을 나타낸 순서도로서, 도 1의 압축기체 공급기(1)의 압축 기체가 가압밸브(14)와 압력 조절 연결 도관(20)과 압력용기 연결도관 조립체(52)를 거쳐, 압력용기(51)로 충진 될 때와, 도 1의 압력용기(51)의 압축기체가 압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력 조절 연결 도관(20)과 감압밸브(17)를 거쳐 배기측 도관(21)으로 배출될 때, 상기 도 5의 설명에서 단일한 오리피스로 치환된 도관의 충진시의 유량계수 CV INF와 배출시의 유량계수 CV DEF를 본 발명인 도 1의 압력조절기 조립체(10)와 도 2의 조작장치(100)을 사용하여 결정하는 방법이다.
발명의 기본적 이론은 다음과 같다.
상기 제 5도의 실시예와 같이 충진시의 유량 계수인 CV INF와, 배출시의 유량 계수인 CV DEF를 알고, 절대압 1기압에서 도 1의 압력용기(51)와 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)의 부피 Qrec를 알면, 조절되는 압력을 예측할 수 있다. 이때, CV INF와 CV DEF와 Qrec를 측정해야 하나, 도 1의 다양한 종류의 압력용기(51)와 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)가 연결될 경우, 미도시된 별도의 측정장치를 이용하여 매번 측정해야 한다.
만약, 절대압 1기압에서 도 1의 압력용기(51)과 압력용기 연결도관 조립체(52)의 부피 Qrec를 임의의 값으로 정하게 되면, 보일/샤를의 법칙에 따라, 압력에 따른 1기압에서의 부피를 구할 수 있고, 상기 부피를 도 5의 용기압력/부피 설정치(205)에 저장 할 수 있다.
또한, 초기 도 1의 압력용기(51)의 압력(303, 353)을 PINIT라 하고, 도 1의 전자 온도계(25)의 값을 t라 하고, 30초 이하의 짧은 일정시간(306, 356)을 T라 하고, T의 시간동안 충진 또는 배출시의 도 1의 전자 압력계(19)의 압력 평균값(315, 365)을 PAVR라 하고, 충진 또는 배출 종료후의 도 1의 압력용기(51)의 압력(309, 359)을 PLAST라 하면, 상기 도 5의 용기압력/부피 설정치(205)에 의해 도 1의 압력용기의 압력이 PINIT일 때의 부피QINIT 와 PLAST일 때의 부피 QLAST를 계산할 수 있고, 다음의 식에 의해 CV INF와 CV DEF를 구할 수 있다.
CV INF는, PAVR < 1.89×PINIT일때
Figure 112008024315007-PAT00006
이고, PAVR ≥ 1.89×PINIT일때
Figure 112008024315007-PAT00007
이며, CV DEF는, PINIT < 1.89×PAVR일때
Figure 112008024315007-PAT00008
이고, PINIT ≥ 1.89×PARV일때
Figure 112008024315007-PAT00009
이다.
여기서 시간 T의 단위는 msec이며, S는 기체의 비중이며, 온도 t의 단위는 ℃다.
기체의 비중 S는 사용하는 압축기체 종류에 의해 알 수 있으며, 온도 t는 도 1의 전자 온도계(25)에 의해 알 수 있으며, 만약 도 1의 전자 온도계(25)를 사용하지 않고, t를 21℃로 고정시 일반적으로 사용되는 온도 범위인 -40~ 80℃의 구간에서 4.5%의 작은 오차가 발생한다.
상기 CV INF와 CV DEF는 도 1의 압력용기(51)와 압력용기 연결도관 조립체(52)의 부피 Qrec를 임의의 값으로 정한 도 5의 용기압력/부피 설정치(205)에 의해 구하므로 상기 CV INF와 CV DEF는 실제 유량계수와 다르게 된다.
그러나, 상기 도 5의 실시예의 QINF와 QDEF또한 Qrec에 의존하므로 QINF와 QDEF는 Qrec에대한 비율로서 고려 될 수 있으므로, 상기 CV INF와 CV DEF는 도 5의 실시예에 의해 압력을 조절할 때 실제의 유량계수와 동일하게 사용될 수 있다.
만약 자동차의 타이어와 같이 도 1의 압력 용기(51)의 부피가 압력에 의해 변하는 경우, 조절되는 압력값의 오차가 커지게 되므로, 상기 도 5의 실시예에서 설명한 “1회의 압력조절” 회수가 증가하는 것을 방지하기 위하여, 직접 도 1의 압력용기(51)의 압력에 대한 부피를 측정하여 도 5의 용기압력/부피 설정(205)에 저장할 수 도 있다.
도 6에서 충진시의 유량계수를 구하는 방법을 자세히 보면, 먼저 충진 유량 계수 측정이 시작(301)되면, 도 1의 압력용기(51)의 압력을 측정(302)하고, 상기 측정값 을 초기 용기압으로 저장(303)한 후, 도 1의 가압밸브(14)를 개방(302)하고, 충진측정 설정시간(306)동안 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 계속 측정하면서,(305) 상기 압력값의 평균을 저장(315)한다. 충진측정 설정시간(306)이 경과하면 도 1의 가압밸브(14)를 폐쇄(307)하고 도 1의 압력용기(51)의 압력을 다시 측정(308)한 후, 종료 용기압으로 저장(309)한다. 상기 초기 용기압(303)과 압력계값 평균(315)와 종료 용기압(309)과 용기압력/부피 설정(205)로 충진유량계수를 계산(310)한다.
도 7에서 배출시의 유량계수를 구하는 방법을 자세히 보면, 먼저 배출 유량 계수 측정이 시작(351)되면, 도 1의 압력용기(51)의 압력을 측정(352)하고, 상기 측정값을 초기 용기압으로 저장(353)한 후, 도 1의 감압밸브(17)를 개방(352)하고, 배출측정 설정시간(356)동안 도 1의 전자 압력계(19)의 값을 계속 측정하면서,(355) 상기 압력값의 평균을 저장(365)한다. 배출측정 설정시간(356)이 경과하면, 도 1의 감압밸브(17)를 폐쇄(357)하고 도 1의 압력용기(51)의 압력을 다시 측정(358)한 후, 종료 용기압으로 저장(359)한다. 상기 초기 용기압(353)과 압력계값 평균(365)와 종료 용기압(359)과 용기압력/부피 설정(205)로 배출유량계수를 계산(360)한다.
상기 실시예인 도 6과 도 7과 같이 도 1의 압력용기(51)와 도 1의 압력용기 연결도관 조립체(52)가 변경이 된 경우도 압력조절기 조립체(10)와 조작장치(100)를 이용하여, 압력조절과 동일한 연결 조건에서 도 5의 압력조절에 필요한 유량계수를 짧은 시간에 구할 수 있으므로, 매우 간단히 여러종류의 압력용기의 압력을 조절할 수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 압력용기의 기체압력 조절 장치를 구성하는 공기압 회로도.
제2도는 본 발명에 따른 조작장치의 기능 구성도.
제3도는 본 발명에 따른 조작장치의 사용자 입력장치 구성도.
제4도는 본 발명에 따른 압력 측정 방법을 나타낸 순서도.
제5도는 본 발명에 따른 기체압력 조절 방법을 나타낸 순서도.
제6도는 본 발명에 따른 충진시의 유량계수를 구하는 방법을 나타낸 순서도.
제7도는 본 발명에 따른 배출시의 유량계수를 구하는 방법을 나타낸 순서도.
제8도는 본 발명에 따른 동적 압력/부피 설정치의 구성을 나타낸 도표.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
1 : 압축기체 공급기
2 : 도관
3 : 공급기체 압력용기
4 : 도관
5 : 도관
6 : 공급압 측정장치
7 : 공급압 측정장치 전원과 신호 도선
10 : 압력조절기 조립체
11 : 기체 공급 도관
12 : 역류방지 밸브
13 : 가압밸브 입구측
14 : 가압밸브
15 : 가압밸브 출구측
16 : 감압밸브 입구측
17 : 감압밸브
18 : 감압밸브 출구측
19 : 전자 압력계
20 : 압력 조절 연결 도관
21 : 배기측 도관
22 : 가압밸브 전원 도선
23 : 감압밸브 전원 도선
24 : 전자 압력계 전원과 신호 도선
25 : 전자 온도계
26 : 전자 온도계 전원과 신호 도선
51 : 압력용기
52 : 압력용기 연결도관 조립체
100 : 조작장치
101 : 마이크로프로세서
102 : A/D컨버터
103 : 사용자 입력 장치
104 : 설정 저장 장치
105 : 작동 표시기
106 : 밸브 전동 스위치
107 : 전원장치
108 : 계측기 전원과 신호 도선
109 : 주 전원 도선
110 : 가압용 2포트 2위치 솔레노이드 밸브 전원 도선
111 : 가압용 2포트 2위치 솔레노이드 밸브 전원 도선
151 : 전원 스위치
152 : 목표압력 표시기
153 ~ 159 : 조작 스위치
160 : 공급압 경고등

Claims (6)

  1. 기체 공급 도관(11)은 가압밸브 입구측(13)을 통해 가압밸브(14)와 연결되고, 가압밸브(14)와 연결된 가압밸브 출구측(15)은 압력계(19)와 연결되며, 가압밸브 출구측(15)은 감압밸브 입구측(16)을 통해 감압밸브(17)와 연결되고, 감압밸브(17)는 감압밸브 출구측(18)을 통해 외부로 연결된 배기측 도관으로(21)로 연결되며, 가압밸브 출구측(15)와 연결된 압력계(19)와, 가압밸브 출구측(15)과 연결된 압력 조절 연결도관(20)이 구비된 압력조절기 조립체(10)와, 압력 조절 연결 도관(20)과 연결된 압력용기(51)로 구성된 압력 조절 장치와,
    전자 압력계 전원과 신호 도선(24)에 연결되는 A/D컨버터(102)와, 가압밸브 전원 도선(22)과 감압밸브 전원 도선(23)에 연결되는 밸브 전동 스위치(106)와, 마이크로프로세서(101)와, 사용자 입력 장치(103)와, 작동 표시기(105)와, 전원장치(107)가 구비되어 구성되고, 압력조절기 조립체를 제어하는 조작장치(100)에 있어서;
    가압밸브(14)와 감압밸브(17)는 평시 닫힘인 2관로 2위치 솔레노이드 밸브로 구성되고, 압력계(19)는 전자 압력계로 구비되는 압력조절기 조립체(10)와, 용기압력/부피 설정치(205)와 동적압력/부피 설정치(217)가 포함된 설정 저장 장치(104)가 구비되는 조작장치(100)로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력용기의 기체압력 조절 장치.
  2. 1의 물건을 이용하여,
    가압밸브(14)와 감압밸브(17)가 닫혀 있고, 압력용기(51)와, 압력 용기 연결 도관 조립체(52)와, 압력 조절 연결 도관(20)의 기체 압력이 일치하지 않을 때, 10초 이하 시간을 대기후(252, 255) 전자 압력계(19)의 값을 읽고(253, 256) 저장(254, 257, 263)하는 것을 반복하되, 직전의 압력계값(254,263)과 현재의 압력계값(257)의 차이가 측정 정밀도 설정압(259) 이하일 경우(258), 현재의 압력계값(257)을 현재압으로 취하여(260) 압력용기(51)의 현재압력을 측정하는 방법.
  3. 1의 물건을 이용하여,
    압력용기 연결도관 조립체(52)와 압력용기(51)의 단일하게 치환된, 충진시와 배출시의 유량계수를 이용하여, 단위 시간당 충진과 배출시의 유량을 계산하는 방법.
  4. 1의 물건과 3의 방법을 이용하여,
    설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)에서 압력용기(51)의 현재 압력으로 현재 용기 유체 부피(207)를 계산하고(206), 가압밸브(14)를 개방(212)하거나 감압밸브(17)를 개방(221)했을때, 청구항 3의 단위 시간당 충진과 배출시의 유량에서 전자 압력계(19)의 값으로 동적 부피를 계산하고(216,224), 현재 용기 유체 부피에 동적 부피를 적산한 압력용기(51)의 유체 부피를 구하고, 설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)에서 상기 유체 부피를 계산하여 압력용기(51)의 변동된 압력을 예측하는 방법
  5. 1의 물건을 이용하고, 3에 있어서
    압력용기(51)의 압력을 측정과(302) 저장(303)하고, 가압밸브(14)를 개방(304)하여 충진측정 설정시간(306) 대기중, 전자 압력계(19)의 압력값의 평균을 저장하고(315), 충진측정 설정시간(306) 종료후, 가압밸브(14)를 폐쇄하고, 압력용기(51)의 압력을 측정(308)과 저장(309)하고, 설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)와, 상기 처음에 저장된 압력용기의 압력(303)과 상기 저장된 압력계의 평균(315)와 상기 이후에 저장된 압력 용기의 압력(308)의 값으로 충진 유량 계수를 구하는 방법.
  6. 1의 물건을 이용하고, 3에 있어서
    압력용기(51)의 압력을 측정과(352) 저장(353)하고, 감압밸브(17)를 개방(354)하여 배출측정 설정시간(356) 대기중, 전자 압력계(19)의 압력값의 평균을 저장하고(365), 배출측정 설정시간(356) 종료후, 감압밸브(17)를 폐쇄하고, 압력용기(51)의 압력을 측정(358)과 저장(359)하고, 설정 저장 장치(104)의 용기압력/부피 설정치(205)와, 상기 처음에 저장된 압력용기의 압력(353)과 상기 저장된 압력계의 평균(365)와 상기 이후에 저장된 압력 용기의 압력(358)의 값으로 배출 유량 계수를 구하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104019354A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 大连樱田机械制造有限公司 具有智能压力控制装置的小型热压罐
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CN110102443B (zh) * 2019-06-25 2024-05-17 常州铭赛机器人科技股份有限公司 减压装置和具有其的点胶控制器

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