진공 압력의 정밀 제어 솔루션
수지 기반 섬유 복합재는 산업용 용광로, 방화, 단열재, 고속 우주선용 열 차폐막 등 다양한 분야에서 고성능 단열재로 사용됩니다. 이러한 고다공성 소재는 고온에서 기체 완충재 역할을 하여 주변 열원으로부터 하부 구조물을 효과적으로 보호하는 동시에, 낮은 밀도로 인해 고속 우주선의 탑재 질량을 최소화합니다.
수지 기반 섬유 복합재료는 다공성이 높아 기체가 마모성 재료를 쉽게 통과할 수 있습니다. 예를 들어, 페놀 수지 분해로 생성된 열분해 가스는 재료를 빠져나가기 전에 탄화된 구조를 통과하며 섬유와 반응할 수 있습니다. 마찬가지로, 경계층의 반응물도 재료의 미세 구조로 들어가 기공 내부를 흐를 수 있습니다. 이러한 기체 이동은 재료의 전반적인 반응에 상당한 영향을 미칩니다.
다공성 구조를 통한 유동 거동은 투과율로 특징지어지는데, 투과율은 다공성 매체의 유동을 모사할 때 중요한 재료 성능 매개변수입니다. 투과율은 매체 내 운동량 전달을 제어하기 때문입니다. 재료의 투과율 측정, 특히 고온에서 시험하는 재료의 투과율 측정은 일반적으로 정상 상태법을 사용합니다. 즉, 시료의 상류와 하류 사이에 안정적인 압력 차이를 가하고, 시료를 통과하는 기체의 유량을 측정하여 Darcy의 법칙에 따라 투과율을 계산합니다.
섬유 복합재료의 고온 투과율 측정을 위한 정상상태 측정법을 제시하고 시험 시스템 구조의 개략도를 제공했지만, 안정적이고 정밀한 압력차를 형성하는 방법에 대한 설명은 제공하지 않았는데, 이는 정상상태 투과율 시험의 핵심 요소이다.
정상상태 고온 투과율 시험 방법을 진정으로 구현하고, 특히 성간 환경을 모사하여 시험 대상 시료 양쪽에 광범위하게 조절 가능하고 정확하게 안정적인 진공 압력 차이를 설정하기 위해, 본 논문에서는 다음과 같은 진공 압력 제어 솔루션을 제안한다.
상류 및 하류 버퍼 챔버의 진공 제어를 위해 동일한 진공 제어 시스템 두 개가 장착되어 있습니다. 각 제어 시스템은 주로 박막 콘덴서 진공 게이지 두 개, 전자식 니들 밸브 두 개, 그리고 2채널 진공 압력 컨트롤러로 구성됩니다. 구체적인 모델명 및 사양은 다음과 같습니다.
(1) 박막 커패시터 진공 게이지: 범위 1Torr 및 1000Torr, 측정 정확도는 판독값의 ±0.25%입니다.
(2) 전기 제어 니들 밸브: 모델 NCNV-20 및 -120, 선형성 0.1~2%, 반복성 1%, 응답 시간 1초.
(3) 이중 채널 진공 압력 컨트롤러: 독립적인 이중 채널, 24비트 AD, 16비트 DA 및 0.01% 최소 출력 전력 비율, PID 파라미터 자체 통합 및 MODBUS 표준 프로토콜을 갖춘 RS485 통신 인터페이스, 컴퓨터 소프트웨어가 장착되어 있습니다.
각 버퍼 챔버의 진공 제어 과정에서 다음과 같은 구체적인 작업 단계에 주의해야 합니다.
(1) 10~1000Torr의 낮은 진공 범위에서 제어하기 위해 배기 조절 모드가 채택됩니다. 즉, 공기 흡입 유량 조절을 담당하는 Kao Lu의 비례 압력 조절기가 고정된 개방으로 제어되어 공기 흡입 유량이 일정하게 유지되고, 그 후 배기 유량 조절을 담당하는 전기 제어 니들 밸브가 자동으로 제어됩니다.
(2) 0.1~10Torr의 고진공 범위에서 제어하기 위해 공기 흡입 조절 모드가 채택됩니다. 즉, 배기 유량 조절을 담당하는 Kao Lu의 비례 압력 조절기가 100% 고정 개방으로 제어되어 최대 속도로 배기되고, 그 후 공기 흡입 유량 조절을 담당하는 전기 제어 니들 밸브가 자동으로 제어됩니다.
(3) 이중 채널 진공 압력 컨트롤러는 두 개의 독립적인 PID 자동 제어 채널을 가지고 있으며, 첫 번째 입력 채널에는 10Torr 범위의 진공 게이지가 연결되고 두 번째 입력 채널에는 1000Torr 범위의 진공 게이지가 연결되며, 첫 번째 출력 채널은 공기 흡입을 담당하는 전기 제어 니들 밸브에 연결되고 두 번째 출력 채널은 배기를 담당하는 Kao Lu의 비례 압력 조절기 에 연결됩니다.
Kao Lu의 비례 압력 조절기는 다음과 같은 장점과 특징을 가지고 있습니다.
(1) Kao Lu의 비례 압력 조절기는 더욱 실용적이며 시료의 상류 및 하류 압력을 일정하게 제어할 수 있습니다. 시료의 양 끝단의 압력 차이를 임의로 설정하고 조정할 수 있으며 이는 정상 상태 투과성 테스트 모델에 더욱 부합합니다.
(2) Kao Lu의 비례 압력 조절기는 적용성과 확장성이 뛰어납니다. 예를 들어 관련 구성 요소의 매개변수 표시기를 변경하면 다양한 범위의 진공 압력에 적용할 수 있고 다양한 압력 차이와 그에 따른 투과성 테스트를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
(3) Kao Lu의 비례 압력 조절기는 고압 가스 공급원을 변경하여 다양한 작동 가스에서 투과율 측정을 달성할 수 있으며, 여러 가스를 혼합한 후 진공 압력 차이 제어 및 산화 성능 테스트도 수행할 수 있어 유연성이 뛰어납니다.
(4) 더욱 중요한 것은 Kao Lu의 비례 압력 조절기는 후속 잔류 가스 샘플링 및 분석을 위한 인터페이스 채널을 남겨두어 질량 분석기와 마이크로 유량 가변 누출 밸브에 편리하게 연결할 수 있으므로 질량 분석기가 테스트 중인 샘플을 통과하는 가스를 분석할 수 있다는 것입니다.
(5) 솔루션의 진공 압력 제어는 컴퓨터 소프트웨어와 함께 제공되므로 컴퓨터 소프트웨어 인터페이스를 통해 전체 제어 시스템을 직접 디버깅하고 작동할 수 있습니다. 제어 과정 중 다양한 공정 매개변수 변화 곡선이 자동으로 저장됩니다. 따라서 제어 소프트웨어를 작성할 필요가 없으며 제어 시스템을 신속하게 구축할 수 있어 실험 장치 구축 및 테스트 연구가 크게 용이해집니다.