음압과 양압 사이의 진공 압력 제어 - 전자식 유량 제어 밸브 적용
저압과 고압(음압 및 양압) 사이에서 진공 압력을 연속적으로 제어
요약: 일부 진공 압력 응용 분야에서는 저압과 고압(또는 음압에서 양압) 사이의 단방향 또는 교대 연속 정밀 제어가 필요합니다. 본 논문은 전자식 유량 제어 밸브를 이용한 교대 양압 및 음압 제어의 적용에 초점을 맞추고, 조절 밸브의 다양한 구성 및 기술적 매개변수를 상세히 소개합니다.
1. 서론
진공 압력이 요구되는 일부 응용 분야에서는 공기압이 한 방향으로만 변하거나 저압과 고압(음압에서 양압) 사이를 번갈아 가며 변해야 하는 경우가 있으며, 이러한 전체 변화 과정에는 정밀한 제어가 필요합니다. 이러한 응용 분야의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
(1) 압력 센서의 교정 장치: 측정 범위가 음압에서 양압까지인 일부 압력 센서의 경우, 교정을 위해서는 해당 교정 챔버가 필요하며, 교정 챔버는 음압에서 양압까지의 해당 진공 압력 환경을 모사해야 합니다. 또한 교정 과정에서 저압에서 고압 범위에 걸쳐 다수의 교정 지점을 설정하고 고압에서 저압으로(또는 저압에서 고압으로) 연속적으로 제어 및 측정하여 교정을 수행해야 합니다.
(2) 인체 폐 기관 성능 연구 장치: 양압 및 음압 변화를 통해 모의 호흡 과정을 제어하여 폐 기관의 동적 특성을 연구하고 이를 통해 인공호흡기 및 관련 기기를 안내하고 개선합니다.
(3) 대기압 환경 시뮬레이션 장치: 각종 항공기, 자동차, 전자기기 등의 산업에서 대기압 시뮬레이션 환경에서 평가 시험을 수행해야 할 필요가 있으며, 이에 상응하는 대기압 시뮬레이션 챔버는 연속적인 양압 및 음압 범위 제어가 필요합니다. 때로는 항공기의 급격한 고도 변화의 동적 특성을 시뮬레이션하기 위해 양압과 음압 사이의 급격한 변화가 필요하기도 합니다.
(4) 병원 내 격리실의 양압 및 음압 전환: 많은 병원의 수술실은 대부분 양압실입니다. 코로나19의 출현으로 양압실을 음압실로 전환해야 할 필요성이 생겼습니다. 더 나아가 양압실을 필요에 따라 양압과 음압을 전환하여 사용할 수 있도록 해야 할 필요성도 있습니다.
(5) 급속 증발 공정: 급속 증발 공정의 기능은 액체가 급속한 양압 및 음압 변화 환경에서 빠르게 과열되어 증기로 휘발되어 급속 건조 효과를 발휘하고 동시에 액체의 고체 침투를 증가시키는 데 사용할 수 있습니다.
(6) 매니퓰레이터용 소프트 공압 액추에이터: 굽힘 구동을 생성하는 데 사용되는 대부분의 소프트 공압 액추에이터는 양압 또는 음압을 사용하며, 양압 및 음압 액추에이터의 굽힘력을 단일 구동 구조로 결합하여 큰 차단력을 생성하고 큰 굽힘 변형을 생성할 수 있으므로 섬세한 터치가 필요한 응용 분야에서 소프트 로봇 그리퍼의 효과적인 기술적 수단을 향상시킵니다.
본 논문에서는 저압과 고압(또는 음압에서 양압) 사이의 단방향 또는 교대 연속 정밀 제어가 필요한 상기 응용 분야에 대한 해결책을 제시합니다. 다양한 진공 압력 범위에 대해 서로 다른 제어 밸브 구성 및 기술 매개변수를 자세히 소개합니다.
2. 기술적 해결책
그림 1은 양압 및 음압 구간의 연속 제어 기본 원리를 보여줍니다. 이 제어 방식의 목적은 진공 압력 용기 내부의 공기압이 저압에서 고압으로(또는 고압에서 저압으로) 연속적으로 단조롭게 변화(또는 왕복 운동)하는 것을 정밀하게 제어하는 것입니다. 제어 원리의 구체적인 내용은 다음과 같습니다.
(1) 제어 원리는 진공 압력 용기의 입구와 출구의 동적 평형 방법을 기반으로 하며, 이는 전형적인 폐쇄 루프 제어 루프입니다.
PID 컨트롤러는 압력 센서 신호를 수집하여 설정값과 비교하고 흡기 전자 유량 제어 밸브와 배기 전자 유량 제어 밸브의 개방 정도를 조절하여 최종적으로 센서 측정값이 설정값에 대해 정확한 진공 압력 제어를 달성하도록 합니다.
(2) 저압에서 고압에 이르는 전체 진공 압력 범위를 커버하기 위해, 음압과 양압을 각각 담당하는 최소 2개의 진공 압력 센서가 구성됩니다. PID 컨트롤러는 저압 및 고압 범위의 제어에 대응하여 이중 채널 동시 제어를 사용하며, PID 컨트롤러는 서로 다른 진공 압력 범위에 따라 센서를 자동으로 전환할 수 있습니다.
(3) 제어 루프는 충분한 저압 및 고압 기능을 제공하기 위해 진공 펌프(음압원)와 고압 가스원(양압원)을 갖추고 있습니다.
(4) 제어가 저압에서 고압으로 변경될 때, 초기에는 흡기 전자 유량 제어 밸브(흡입 유량)의 개방이 배기 전자 유량 제어 밸브(배출 유량)의 개방보다 훨씬 작습니다. 서로 다른 평형 상태를 사용하여 서로 다른 진공 압력 제어를 달성하고, 최종적으로 흡기 전자 유량 제어 밸브의 개방이 배기 제어 밸브의 개방보다 점차 훨씬 커짐으로써 저압에서 고압 범위 내의 일련의 설정점을 연속적이고 정밀하게 제어합니다. 고압에서 저압으로 제어를 변경할 때는 위의 과정이 반대로 진행됩니다.
3. 프로그램의 구체적인 구성
본 논문에서 제안하는 기술적 해결책은 다음과 같은 두 가지 서로 다른 진공 압력 범위를 포괄하기 위해 두 부분으로 구성됩니다.
(1) 절대 압력은 최저 0.01mbar(1Pa)에서 최대 7bar까지입니다.
이 진공 압력 범위에서의 제어 시스템 구조는 그림 2에 나타나 있다.
전자식 유량 제어 밸브는 고진공의 정밀 제어에 사용되며, 전자식 니들 밸브의 양압 내압은 7bar에 불과하므로 이 구성의 제어 시스템의 고압 제어 범위는 7bar를 초과하지 않도록 결정되었습니다.
또한, 양압과 음압을 신속하게 교대로 제어해야 하는 용도에서는 흡기 및 배기 전자식 유량 제어 밸브의 응답 속도가 높아야 합니다. 이때, 더욱 빠른 응답 속도를 가진 전자식 유량 제어 밸브가 필요합니다.
(2) 절대 압력은 최저 15mbar(1.5kPa)까지 최대 15bar입니다.
고압 요구 사항을 충족하기 위해서는 그림 2의 솔루션에서 고압 병목 현상을 해결해야 합니다. 따라서 그림 2의 고압 및 압력차 제어용 전자식 유량 제어 밸브를 진공식 공기 제어 배압 밸브로 교체하여 고압 범위를 크게 확장할 수 있지만, 저압 범위에서는 그에 상응하는 손실이 발생합니다. 이 고전압식 제어 시스템 구조는 그림 3에 나타나 있습니다.
이 밸브는 공압식 파일럿 밸브로 구동됩니다. 공압식 진공형 배압 밸브를 사용함으로써 고압 제어 범위를 15bar까지 높일 수 있지만, 그에 상응하는 저압 또한 15mbar까지 높아집니다. 필요에 따라 상한 고압을 더욱 높일 수 있지만, 하한 저압도 함께 높아질 수 있습니다.
그림 3에 나타낸 파일럿 밸브 구동식 배압 밸브 제어 방식은 전체 제어 범위를 고압 측으로 이동시키는 것 외에도 두 가지 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 대형 용기의 진공 압력 제어가 가능합니다. 둘째, 배압 밸브의 빠른 응답 속도로 양압과 음압의 왕복 교대 동작을 빠르게 제어해야 하는 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
4. 결론
상기 기술 솔루션을 통해 양압 및 음압 범위 내에서 진공 압력의 연속 제어 및 왕복 교대 제어를 완벽하게 구현할 수 있으며, 높은 제어 정밀도와 속도를 달성할 수 있습니다.
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