KR820001085B1 - 전기-공기 압축식 전류-위치 변환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기-공기 압축식 전류-위치 변환기

제1도는 본 발명의 한 형태를 실시하는 전기-공기 압축식 전류-위치 변환기의 부분 절개 사시도.

제2도는 작동 부품 사이의 관계를 더욱 명백히 나타내기 위해 계기 케이스를 제거한 제1도 변환기의 정면도.

제3도는 압축공기 궤환 부품을 상세하게 나타내기 위해 계기 케이스를 제거한 제1도 변환기의 측면도.

제4도는 계기의 모우터 부품을 부분 절개한 사시도.

제5도는 제4도의 모우터 부품을 부분 절개한 정면도.

제6도는 모우터 부품의 재치 장치의 사시도.

제7도는 밸브 봉의 위치를 제어하기에 적합한 전류-위치 변환기의 별법에의 부분 절개 사시도.

제8도는 계기 케이스를 제거한 제7도 변환기의 정면도.

제9도는 궤환부품을 상세하게 나타내기 위해 계기 케이스를 제거한 제7도 변환기의 측면도.

제10도는 밸브의 위치를 제어하기 위해 변환기를 적용했을 경우 궤환 회로내의 대표적인 소자들을 도시한 제7도 변환기의 개략도.

제11도는 제7도 변환기의 범위 조정 기구의 사시도.

본 발명은 공업용 공정 제어계기에 사용하는 전류-위치 변환기에 관한 것으로, 특히 대응하는 공기 압축 출력신호를 발생시키거나 공기 압축수단에 의해 공정 제어밸브 봉과 같은 구동소자의 위치를 비례적으로 제어하기에 매우 적합한 변환기에 관한 것이다.

여러가지의 제어변수를 나타내는 전기 입력 신호를, 계기를 공기 압축식으로 작동시키거나 밸브봉을 직접 배치시키기 위한 설정치 압력으로서 사용될 수 있는 공기 압축 출력으로 변환시키는 것은 공정 제어계기 분야에 잘 알려져 있다. 수년 동안, 이 목적을 위한 다수의 계기들이 개발되었다.

종래의 계기중 어떤 계기에 있어서는, 입력전류가 처음에 보이스 코일(voice coil)이나 평판 전기자 회전 모우터(flat armature torque motor)에 의해 등가적인 힘으로 전환된다. 그 다음에 최종적인 힘은 벨로우(bellow)에 의해 피봇트된 소자 양단을 따라 균형을 이룬다. 공기 압축식 플래퍼-노즐(flappernozzle)시스템은 벨로우에 필요한 편기 압력을 인가함으로써 피봇트된 소자를 영점에 유지시킨다. 그러므로, 입력전류와 출력압력 사이에 등가치가 정해진다. 회전력을 대립시켜 공기 압축식으로 출력신호를 발생시키는 이 방법은 흔히 힘 균형 시스템(force-balance system)이라고 불리운다.

이러한 시스템은 여러개의 작동부품(즉, 노즐-플래퍼, 피봇트된 소자 및 벨로우) 중에서 감지할 수 있는 작은 운동이 일어나는 것을 특징으로 한다.

전형적으로, 이 작동부품들의 이동범위는 0.001인치 정도이다. 이 형태의 계기는 더 폭스보로 캄파니(모델 69TA)와 휘셔 가버너 캄파니(Fisher Governor Compa ny)(타입 546)에서 시판하고 있다.

종래에 이 기술계통에 있는 다수의 계기들을 시판함으로써 종래의 개발효과를 나타냈음에도 불구하고, 종래의 계기들은 전혀 만족스럽지 못했으며, 제조가격이 비쌌다. 특히, 힘-균형식의 종래의 계기들은 다른 공정 제어용으로 사용하는 경우 한정된 적응성을 갖게 된다.

본 발명은 외적 역요인의 영향에 견딜 수 있고 여러가지 다른 공정의 조작에 양호한 융통성을 제공하도록 구조가 간단하고 소형인 정확하고 신뢰할 만한 장치를 제공함으로써 종래의 전기-공기 압축식 위치변환기의 여러가지 결점과 제한을 극복했다.

후술하게 될 본 발명의 한 실시예에 있어서는, 고정자용 영구자석과 회전자용 스프링 제치 회전 코일을 갖고 있는 간단한 모우터를 포함하는 전기 기계식 변환기에 입력전류가 인가된다. 자석은 자석 주위에서 코일이 회전되도록 하는 피봇트로서 작용할 뿐만 아니라, 입력전류에 의해 발생한 회전력을 균형시키기 위한 스프링 제지부재로서 작용하는 한쌍의 만곡부가 연결된 코일부근에 배치된다. 그러므로 코일의 입력전류는 자석의 중심측 주위에서 인가된 전류에 비례하는 코일의 기계적인 회전운동을 일으키게 된다.

궁형 이동식 코일에 고정된 것은 공기 압축회로의 노즐을 덮도록 배치된 플레퍼이다. 코일에 전류가 인가되면, 플래퍼는 노즐을 덮은 그의 각 위치를 변화시켜 노즐 회로 내의 배압을 변화시킨다. 이 압력은 중압되어 적당한 궤환소자를 통해 노즐이 정착되어 있는 변속 레버에 공급되어, 이 노즐-플래퍼 상호작요에 의해 발생한 입력 신호가 플레퍼와 노즐 사이를 계속 일정하게 분리하도록 노즐을 재배치시킨다. 플레퍼와 노즐 사이에 물리적인 접촉은 없지만, 플래퍼의 운동은 전기-공기 압축식 변환기의 경우에 인가된 입력 전류의 크기에 비례하는 노즐의 1 : 1추종운동을 일으킨다. 그러므로, 이 제어회로는 상호 관련있는 부품들의 운동 균형을 제공한다. 노즐에 의해 발생되는 압축공기 배압은 인가된 압력전류에 비례하고 여러가지 목적에 사용하기 위한 압축공기 출력신호로서 제공될 수 있다.

본 발명의 전체 구조는 특히 충격과 진동이 있을 때, 높은 측정정확도를 제공해 주며, 소형이고 대칭 구조로서 저렴하게 제조할 수 있으며 응용의 융통성을 증대시켜 준다.

코일을 강력한 자장의 피이크 자속 지역 내에서 회전시킴으로서, 입력전류에 대한 출력운동의 직선성이 개량되어, 계기 전체를 더욱 정확하게 해준다.

이하, 본 발명의 다른 목적, 실시형태 및 장점들을 첨부도면을 참조하여 상세하게 기술하겠다.

제1도 내지 제3도를 참조하면, 전기-공기 압축식 전류-위치 변환기(10)는 그 일단에 모우터(14)가 고착된 원통형 계기 하우징(12)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 궁형 통로(일반적으로는, 수직통로임)를 따라 모우터에 의해 배치된 플래퍼(16)는 종래의 방법대로 도관(23,24)에 의해 연결된 궤환 벨로우(20)와 계전기(22)를 포함하는 공기 압축 회로의 노즐(18)을 덮는다. 벨로우의 상단부는 플렛포옴-브라켓트(26)를 통해 하우징에 고착되고, 그의 저단부는 변형가능한 한쌍의 판 스프링(29,30)에 의해 작은 피봇트운동을 지지해 주는 노즐 변속 레버(28)와 상호 작용한다. 이 노즐은 플래퍼가 노즐 방향으로 움직이도록 모우터에 전류가 연결될 때에, 플래퍼의 운동량과 같은 양으로 동일방향으로 노즐 운동을 일으키는 벨로우 내에서 압력이 대응하여 증압되도록 브레이스(brace)(32)를 통해 변속레버(28)에 연결되어 있다.

모우터(14)(제4도 내지 6도 참조)는 기본적으로 원통형 영구자석(41)을 둘러싸고 있는 자석과 케이스사이에 배치시된 긴 장방형 코일(42)을 함유하고 있는 관형 케이스(40)를 포함한다. 코일을 적합하게 재치하는 것은 다음에 기술하겠다. 자석은 입력 전류선(44,45)을 입수하는 전기 단자판(32)에 그 일변을 따라 고착된다. 관형 케이스 내에 자석을 적당히 배치하는 것은 자석과 케이스 사이에 쐐기를 형성하도록 자석의 모든 축을 따라 연장된 직각 브라켓트(46)에 의해 확보된다. 이 방법에서, 코일은 자석이나 케이스와 접촉하지 않고 회전할 수 있다. 자장분포를 방해하지 않게 하기 위하여, 단자판과 직각 브라켓트는 비자성 물질로 형성되어 있다.

자석(41)은 북극과 남극이 자석의 모든 축을 따라 정반대로 대향되도록 직경을 따라 자화(磁化)되어 있다. 관형 케이스(40)는 궤환로를 제공하여 북극과 남극에서 자장을 강하게 하도록 연철 물질로 형성되어 있다. 그 밖에 케이스는 외부 자장의 효과로부터 회전 코일-자석 부품을 보호해 준다.

코일(42)의 장측면부는 작동 측면부로서 작용하므로, 자장의 대다수(bulk)가 이들 작동 측면부를 통과하도록 자석의 양극에 인접 배치되어 있다. 자석(41) 주위에서 적당히 회전하도록 코일을 재치하기 위해 대향단부에 결착된 V자형 만곡 지지부재(48 A,48B)를 가진 후레임(47)상에 코일이 장착된다. 그 다음에 코일 및 후레임 부품은 단자판(43)상에 얹혀있는 자석 주위에 배치된다. 직각 브라켓트(46)는 한 쌍의 만곡부(49A,49B)(이 중의 하나는 코일의 일단부 상에 있음)의 접속점을 제공하도록 자석의 정상부에 배치된다. 그 다음에, 이 모든 보조부품은 관형 케이스(40)에 삽입되어, 코일이 대칭의 자석축 주위를 회전하도록 코일을 재치시킨다. 최종 심맞추기와 체결조작은 단자판을 부착한 케이스(도시하지 않음)내에 있는 고정나사를 조임으로써 행해진다. 물론, 코일의 크기는 계기의 작동 입력 스팬(span)이 회전하는 도중에 자석이나 관형 케이스와 접촉하지 않도록 되어 있다.

코일이 자석 외부로 회전하는 모우터의 독특한 회전형태는 여러가지의 이점을 제공한다. 이러한 균형잡힌 대칭구조는 제작 및 조립공차에 관련된 불균형에서 생기는 외부 병진 진동의 역효과에 최소의 감도를 준다. 또한, 코일 전체 구조는 모우터의 회전 선형응답 특성을 증가시키기 위해 균일한 고강도 자장에 노출되어 있다. 동적 응답은 코일에 짧은 회선 구리 도체를 장착함으로써 개량된다. 이것은 입력전류의 갑작스럼 사용과 외부 진동 효과에 기인하는 "링깅(ringing)"을 최소화하기에 충분한 감쇠를 제공해준다.

전류-위치 변환기의 조작에 있어서, 케이스(40)의 주위 가까이 있는 코일 후레임(47)의 일부분은 두개의 플래퍼(16,17)를 형성하기 위해 양측 방사변으로부터 측방향으로 연장된 것으로 도시되어 있다.

이 제2의 목적을 위해, 후부 신장 플래퍼(17)에 대해 다음에 기술하겠다. 정극성의 입력전류가 코일(42)에 공급되면, 자장과 상호 작용하여 발생한 자장과 두 개의 만곡부(49A,49B)에 의해 공급되는 제지력 사이에 회전의 균형이 이뤄질 때까지 코일을 시계바늘과 같은 방향으로 회전시키는 회전력이 발생된다.

그러므로, 최종적인 각 회전은 필수적으로 인가된 입력전류의 크기에 비례한다. 그러므로, 피봇트-만곡부는 자석주위에 코일을 재치시킬 뿐만 아니라, 회전 크기를 정하기 위해 스프링룰을 엄밀하게 제어해주는 이중종목으로 작용한다. 정상적인 계기 제작범위에서 플래퍼의 회전각은 공칭적으로 7도이다.

제1도 내지 제3도에서, 전류-위치 변환기는 전기 입력을 대응하는 압력 출력으로 전환시키도록 배열되어 있다. 플래퍼(16)가 전류 신호를 사용하는 것으로 인해 노즐(18)에 보다 가깝게 이동하기 때문에, 노즐내의 배압은 유속제한으로 인해 증가한다. 이 배압은 종래의 방법대로 계전기(22)에 의해 증압되고, 도관(24)을 통해 궤환 벨로우(20)에 인가된다. 전술한 바와 같이, 벨로우는 지지 브레이스(32)에 의해 노즐이 접속되게 하는 스프링 제지 변속 레버(28)를 포함하는 계기 하우징(12)에 결착된 구조와 결합되어 있다.

벨로우 내의 압력이 증가할 때에, 노즐 변속 레버(28)는 평형이 다시 이뤄질때까지 플래퍼와 동일한 방향으로(즉, 서로 격리되도록) 노즐을 이동시키기 위해 판스프링(29,30)에 의해 생긴 제지력을 편향시킨다.

새로운 평형점에서, 중압된 벨로우 압력은 입력신호에 정비례한다. 그러므로 입력 전류를 증가시키면 벨로우 내에서 생기는 출력 압력을 증가시키게 된다.

공업용 공정 제어 시스템에 사용하기에 적합한 본 발명의 원리를 실시하는 계기의 대표적인 예로서, 4 내지 20밀리 암페아의 입력전류는 3 내지 5psi의 대응 출력신호를 발생시킨다. 코일의 입력단부 양단에 다이오드(51,52)를 삽입하면, 개방 회로 입력 신호의 경우에, 코일내에 축적된 에너지를 소비하기 위한 전류 통로를 제공해 주어 계기를 폭발물 주위에서 사용할 경우에 안전하게 한다.

변환기(10)의 전반적인 대칭구조, 특히 모우터와 플래퍼 및 노즐 회전 각 관계는 계기를 정확히 조정함으로써 간단하게 된다. 계기의 재로 포인트를 조정하기 위해 모우터 부품은 한쌍의 원추형 피봇트(33,34)위에 장착되어 있다(제3도 참조). 플랜지(35)는 모우터(14)의 뒷쪽 카버에 고착되어 있고, 스프링 하중제로 스크류(36)는 플랜지 상에서 작동한다. 스크류(36)가 회전할 때에, 모우터는 피봇트 상에서 회전하여, 플래퍼(16)의 대응하는 운동을 일으켜서, 차례로 출력압력을 변화시킨다. 하중 스프링(38)은 모우터를 조정한다. 그러므로, 제로 스크류를 간단하게 회전시키면 저전류 입력(예, 4ma)에 대해 저압(제로)출력(예, 3psi)을 정확하게 만들게 된다.

계기범위를 변화시키려면, 상이한 스프링을 가진 다른 것들로 판스프링(29,30) 및 벨로우(20)을 대체해야 한다. 그러나, 제작도중 공차변화를 보상하기 위한 최소 스팬 조정은 공장 또는 현장에서 용이하게 행할 수 있다. 플랫포옴 브라켓트(26)과 스팬 브라켓트(58) 사이에 고착되고 계기 하우징(12)에 부착된 재크 스크류(56)상의 한쌍의 체결 너트(54,55)는 모든 벨로우 궤환 부품이 플래퍼(16)에 평행하게 피봇트 되게 한다. 재크 스크류를 따라 너트를 조정할 때에, 플랫포옴 브라켓트의 구부러짐은 노즐(18)을 플래퍼 양단으로 이동시키고, 한편 그 사이에 실질적으로 공간을 유지해 준다. 그러므로, 이와 같은 조정은 모우터(14)의 회전의 유효반경을 변화시키며, 계기가 작동 부품들의 운동의 균형에 의존하기 때문에 스팬변화는 플래퍼와 노즐 사이의 레버-아암 비율이 변함에 따라 행해진다. 체결을 하기 위해 이중 너트 배열을 사용하면 진동에 대해 부수적인 브레이싱을 제공한다.

본 발명에 따라 구성한 변환기의 증대된 적응성의 일면을 입증하기 위해, 재크 스크류(56)를 플랫포옴 브라켓트(26)로부터 분리시키고 스팬 브라켓트(58)과 갈보 스트랩(galvo strap)(59)을 제거함으로써 모우터 부품 전체가 계기 하우징으로부터 제거될 수 있다. 그 다음에, 모우터는 다른 플래퍼(17)가 노즐(18)을 덮도록 반대로 다시 삽입될 수 있다. 이 제2플래퍼(17)는 제1플래퍼(16)와 정반대로 대향되어 있고, 동일축 주의를 회전하기 때문에, 전류신호가 증가하면 플래퍼를 노즐로부터 분리시키게 되므로, 밸로우내의 출력압력을 감소시키게 된다. 입력과 출력사이에 역관계를 갖는 결통에 사용할 경우, 이 독특한 이중단부 모우터 배열은 간단한 변경으로 전류극성을 반대로 하지 않고서도 반대로 회전할 수 있다.

전류를 반대로 하려면, 계기 전체에 대한 다이오드 고유 안전치를 조정하는 다이오드(51,52)의 극성을 반대로 해야 한다. 물론, 모우터를 이와 같이 이동시켰을 경우, 상기한 바와 같이 계기를 제로화하고 스페닝(spanning)하기 위해 최소의 조정을 해야 한다.

제7도 내지 제11도에는, 공정제어 밸브 봉의 위치를 조절하기에 적합한 전류 위치 변환기의 별법예가 도시되어 있다. 이 도면에 도시한 것은 제1도 내지 제3도의 전류-압력 전환기와 대략 비슷하다. 전반적인 계기의 설계, 특히 입력 전류 신호를 입수하는 모우터는 동일하다 . 다음에 기술하는 최신 설계품은 밸브봉의 위치를 조절하기에 적합한 궤환회로를 변화시킨 것이다. 모우터-플래퍼 부품의 독특한 구조의 이 다른 응용은 전기-공기 압축식 기술 계통에 사용했을 때에 이 구조 전체의 폭넓은 적응성을 증명해준다.

전술한 바와 같이, 플래퍼(16)와 일체로 된 모우터 부품(14)은 종래의 것과 같으나, 압축 공기 회로의 노즐(70)은 피봇트가 제8도의 평면에 수직이 되도록 배치되어 있는 횡단 만곡부(73)에 의해 하우징 장착부재(72)에 피봇트하게 연결된 L자형 궤환 레버(71)상에 장착되어 있다. 모우터에 전류가 인가되면, 플래퍼는 계전기(74)상에서 배압을 만드는 노즐을 덮도록 회전한다(제10도 참조).

계전기로부터의 출력압력의 대응하는 증가분은 밸브 작동 압력실에 인가되어, 밸브봉이 이동되게 한다. 밸브 작동기는 이미 이 기술계통에 잘 알려졌으므로, 여기에 도시하지 않았다. 밸브 작동기의 조작에 관한 상세한 설명은 미합중국 특허 제2,66 1,725호에 기술되어 있다. 밸브봉의 선형운동은 종래의 방법으로 레버에 의해 위치 궤환측(75)의 회전운동으로 변환된다.

회전축(75)은 계기 하우징(12)을 통하고 중간 부품(77)에 부착된 플레임 통로 베어링(76)을 통하여 연장된다. 중간부품(제11도 참조)은 일단부가 축에 고착되고 타단부가 로울러(81)에 고착된 브라켓트(78)를 포함한다. 로울러는 레버의 피봇트 축으로부터 축방향으로 편기된 지점에서 레버(71)를 누른다.

레버와 하우징 장착부제 사이의 코일 스프링(82)은 레버가 위치 설정기의 작동 스팬상의 로울러를 향하게 한다. 그러므로, 축이 회전될 때에, 중간부품은 노즐의 직각변위로 회전을 변환시킨다. 제7도에 도시한 바와 같이 로울러를 배치시킴(즉, 계기의 뒷쪽을 향하도록 로울러를 피봇트로부터 축방향으로 편기시킴)으로써, 축의 회전은 노즐의 변위를 일으키는데, 이것은 시스템이 새로운 전류 입력으로 다시 균형될 때까지, 즉 출력압력이 안정되어 밸브 운동이 멈출때까지 플래퍼(제8도 참조)의 편기를 따르게 된다. 그러므로 위치 궤환축, 피봇트된 궤환레버 및 다른 보조레버에 의해, 변환기의 압력에 인가된 전류는 밸브봉 위치를 비례적으로 변환시키게 된다.

본 발명에 의한 이 실시예의 적응성의 표시는 로울러(81)가 리이드 스크류(80)위에 나삿니를 형성한 블록(79)에 고착된 것으로 제11도에 도시되어 있다. 리이드 스크류를 간단히 조정하면, 로울러와 레버(71)의 접속점을 변화시키므로, 위치 궤환족(75)의 회전과 노즐(70)의 각 변위 사이의 비율이 변화된다. 이와 같은 조정은 동일모우터 운동에 대한 밸브봉 이동의 변화를 조정해준다.

실제로, 베어링 지점이 피봇트 지점의 반대 측면부로(즉, 계기의 앞쪽으로)이동한다면, 출력압력에 관계되는 밸브 행정방향을 반대로 하는 것은 전류극성을 반대로 하지 않고도 조정될 수 있다.

이 실시예의 제로 조정은 제1도에 도시한 변환기와 동일한 방법으로 이루어진다.

이상 본 발명의 여러가지 실시예를 상세하게 기술하였으나, 이것은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 이들 실시예에 제한하는 것은 아니다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 특허청구의범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 원리와 범위를 이탈하는 일이 없이 본 발명을 변형시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 입력 전류를 수신하기에 적합하고 위치가 전류 크기에 대응하는 이동 자재한 출력 부재(42)를 가진 모우터(14), 상기 출력 부재의 이동과 정반대로 되고 입력 전류의 크기에 대응하는 위치에서 이 출력부재의 최종적인 이동을 유지하도록 배열된 힘 제지장치(48A,49A,48B,49B), 상기 모터 출력부재 상에 장착된 공기 압축식 플래퍼(16), 상기 플래퍼의 이동에 대응하는 범위에서 노즐이 이동하도록 공기 압축식 노즐(18)을 이동시키는 이동 장재한 지지부재(28,32), 대응하는 증폭된 출력 압력 신호를 만들도록 상기 노즐의 배압을 받아들이는 공기 압축식 계전기(22,74), 그리고 상기 위치 변화가 상기 입력 전류의 함수로 되도록 플래퍼와 노즐 사이에 밀집 공간을 유지하기 위해 상기 플래퍼의 이동에 대응하여 상기 노즐의 위치를 변화시키도록 상기 이동 자재한 지지부재에 결합된 동작 발생 장치(20,29,75,81,82)를 포함하는 상기 출력 압력신호에 의해 제어되는 공기 압축식 궤환장치(20,28,29,75,81,82,73)로 이루어진것 을 특징으로 하는 전기-공기 압축식 전류-위치 변환기.

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