KR200216600Y1 - 저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안온 고로내의 먼지레벨을 측정하기 위한 레벨 측정장치에 관한 것으로, 특히 측정 플레이트와 기준 플레이트를 이용한 집진기 내부의 먼지 저항값을 읽어들여 고내 분위기가 변화하는 조건에서도 정확한 먼지 레벨값을 측정할 수 있는 저항 검출법을 이용한 레벨측정 장치에 관한 것이다.

본 고안의 특징은 집진기(1)의 외부에 레벨 검출장치(2)를 설치하기 위해 2개의 구멍(7)을 뚫어 플랜지(6)와 플랜지 구멍(8)을 형성하여 2개의 레벨 측정장치(2)를 집진기(1)에 체결시키고, 상기 집진기(1)의 내부에는 기준 플레이트(4)와 측정 플레이트(3)을 설치하고, 상기 레벨측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4)는 각각 그라운드(19)와의 사이에 형성되게 되는 먼지 측정 저항값과 기준 저항값을 부하로하여 전압공급원(22)에 의한 전류가 흐르게 설치하고, 상기 측정저항 수단과 기준저항 수단의 전류값을 비교 처리하여 집진기내의 먼지레벨을 측정하는데 있다.

Description

저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치

본 고안은 고로내의 먼지레벨을 측정하기 위한 레벨 측정장치에 관한 것으로, 특히 측정 플레이트와 기준 플레이트를 이용하여 집진기 내부의 먼지 저항값을 측정함으로써 고내 분위기가 변화하는 조건에서도 정확한 먼지 레벨값을 측정할 수 있는 저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치에 관한 것이다.

주물선 고로, 즉, 고로와 같은 밀폐된 공잔 내에서 먼지 레벨의 높이와 량을 정확하게 측정하는 일은 1차 집진기의 효율성을 높이고, 아울러 적절한 배출시점을 알려주어 원활한 제품 생산에 매우 중요한 일이다.

고로와 같은 집진기내부의 먼지레벨을 측정하는 일은 집진기의 적절한 배출시점을 알려주어 과도한 집진기내의 먼지 누적으로 인한 집진기 1, 2차 집진관 밸브의 막힘을 사전에 예방하고, 또한 과도한 집진기의 먼지 배출로 인한 고로 내 유독성 가스의 고로 외부로의 배출로 인한 위험을 막아주기 위해 사전에 실행하는 필수적인 일이다.

종래의 먼지레벨 측정방법은 집진기의 구조와 내부압력, 온도, 먼지의 성분, 먼지 입도, 집진기 구조물의 성격 등에 따라 많은 방법이 사용되고 있다.

예로서 많이 사용되는 종래 먼지레벨 측정방법에 관하여 소개하면, 현재 설치되어 있는 고로집진기의 먼지레벨 측정방법은 고로설비 공사시점에 설치한 온도 측정장치 열전쌍(제1도의 부호 5 참조)을 집진기 외부에서 내부를 관통하도록 집진기 표면에 일정간격으로 꼽아서 온도를 측정하여 먼지레벨을 검출하는 방법이 있다.

이 먼지레벨 검출방법의 원리는 집진기 외부표면 온도의 분포, 즉 집진기 내부가 500℃ 이상의 고온이기 때문에 먼지가 쌓여있는 집진기 외부온도는 먼지로 인한 열전도 차단으로 온도가 낮고, 반면에 먼지가 쌓여 있지 않은 집진기의 외부 표면은 500℃의 뜨거운 가스로 인한 열전도로 온도가 높아지게 되는데, 이때 먼지가 쌓여있는 면과 쌓여 있지 않은 면의 경계를 측정된 온도에 따른 온도분포 해석방법을 이용하여 레벨을 검출한다는데 있다.

이 방법은 간단하게 구성할 수 있는 장점이 있는 반면에 정확한 온도분포 해석 즉, 집진기 내부의 먼지레벨 검출을 위해서는 많은 열전쌍을 집진기 표면에 꼽아 데이터를 측정하여야 하고, 데이터의 신뢰성 향상을 위하여 주기적으로 열전쌍의 교환과 정비가 필요하다.

또한, 집진기 외부의 온도조건 즉 계절(외부 온도가 많이 올라가는 여름과 온도가 영하로 내려가는 겨울), 날씨(바람,비, 눈..) 등에 따라 온도분포 해석 모델이 능동적으로 변해야만 하는 어려움이 있다.

다른 방법으로 일본 고로 공장에서 이용하는 방법(일본국 특허공개 평5-202364호 공보)으로 집진기 건설초기에 집진기를 지지하고 있는 기등이나 지지대에 로드셀을 설치하여 집진기에 쌓이는 먼지의 무게가 바로 로드셀에 전달되게끔 설치하여 로드셀의 하중값과 먼지레벨과의 상관관계를 분석하여 집진기 내부의 먼지레벨을 측정하는 방법이다.

이 방법의 장점은 일단 설치되고 나면 유지 보수가 거의 필요없고, 정확한 데이터 획득이 가능하다는 점이다.

그러나 단점은 포항의 고로와 같이 초기 집진기 설비 신축시 로드셀이 지지대에 설치되어 있지 않은 설비에 대하여서는 로드셀을 설치하기 위하여 기존에 설치된 지지대(기둥)를 로드셀이 설치 가능하도록 잘라낸 후, 로드셀을 설치하고 다시 보강해야한다는 어려움이 있고, 포항과 같은 설비에서는 불가능한 작업으로 현실성이 없는 측정 방법이다.

또 다른 기술로서 시멘트공장, 밀가루공장 등과 같은 공장에서 사용되는 초음파 센서나 레이더 센서를 사용하는 방법으로,집진기 상부에 이들 센서를 설치하여 하부에 쌓여 있는 먼지 쪽으로 초음파나 레이더를 발생시켜 돌아오는 센서 신호로 먼지레벨을 측정하는 방법이다. 이 방법은 정유공장등과 같은 곳에서 많이 사용되고 있는 방법이다.

이 방법의 장점은 설치가 간단하고, 고 신뢰성의 데이터를 얻을 수 있는 반면에 고로와 같은 고온, 고압의 환경에 적용하기에는 집진기 내부의 상태 즉, 온도와 압력에 대한 제약 조건이 많이 있다는 단점을 가지고 있다.

대개 고로 집진기 내부 온도는 거의 500℃ 이상까지 올라가고, 압력 또한 대기압의 3배까지 되는 고압의 환경이다. 현재까지 개발되어 있는 초음파나 레이더 센서의 동작범위는 200℃ 이하거나 대기압의 2배정도 까지 가능하여 고로와 같은 환경에는 사용할 수 없는 단점이 있다.

이상의 선행기술 외에도 정전용량 방식의 먼지레벨 측정방법, 레이저 광선을 이용한 측정 방법, X-레이를 사용하여 측정하는 방법, 열 감지 비젼 시스템을 이용한 측정 방법 등의 여러가지 방법이 특허나 논문, 자료로 알려져 있다.

그러나 고로와 같은 특수한 환경에 적용하기에는 온도, 압력, 집진기 내부 대류현상 등의 제약 조건으로 인하여 종래의 검출방법으로는 먼지레벨 측정이 곤란하였다.

이에 따라 본 고안자는 상기한 종래 방법의 단점을 개선하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 고안을 제안하기에 이르게 된 것이다.

본 고안의 목적은 고로내의 먼지레벨을 측정하기 위한 레벨 측정장치로서, 측정 플레이트와 기준 플레이트를 이용하여 집진기 내부의 먼지 저항값을 측정함으로써 고내 분위기가 변화하는 조건에서도 정확한 먼지 레벨값을 측정할 수 있는 저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치를 제공하는데 있다.

제1도는 본 고안에 따른 먼지레벨 측정장치의 개략도.

제2도는 본 고안 먼지레벨 측정장치의 플랜지부에 대한 개략도.

제3도는 본 고안 먼지레벨 측정장치의 기계적 구조의 개략도.

제4도는 본 고안 먼지레벨 측정장치의 전기회로 블록도.

제5도는 본 고안 먼지레벨 측정장치의 전체 구조도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 집진기 2 : 플랜지부

3 : 측정 플레이트 4 : 기준플레이트

5 : 열전쌍 6 : 플랜지

7 : 파이프 8 : 플랜지 구멍

9 : 기준 저항 10 : 측정 저항

11 : 측정 전류계 12 : 기준 전류계

13 : 스위치 14 : 기준 저항 1

15 : 기준 저항 2 16 : 연산 증폭기 1

17 : 연산 증폭기 2 18 : 릴레이 회로

19 : 접지(GND) 20 : 레벨 검출 제어기

21 : 컴퓨터 22 : 기준 전압원

23 : 아날로그/디지털 변환회로 24 : 메모리

25 : 중앙처리 연산 장치 26 : 디지털/아날로그 변환회로

27 : 레벨 표시기

상기한 목적을 달성하기 위한 고안 저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치는 상하 측면에 2개의 구멍(7)을 뚫어 플랜지(6)와 플랜지 구멍(8)을 형성하여 2개의 플랜지부(2)를 집진기(1)에 체결하고, 상기 집진기(1)의 내부에는 측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4)를 설치하며, 기준전압을 제공하는 전압 공급원(22)에다 스위치(13)와 측정 전류계(11)를 통해 상기 측정 플레이트(3)를 연결함과 더불어 스위치(13')와 기준 전류계(12)를 통해 상기 기준 플레이트(4)를 연결하여 상기 측정 플레이트(3), 기준 플레이트(4) 각각과 그라운드(19)와의 사이에 형성 형성되게 되는 측정 저항(10)과 기준 저항(9)을 부하로 하여 전압공급원 (22)에 의한 전류가 상기 측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4)에 각각 흐르도록 구성하여 먼지에 의해 증가하는 상기 측정 저항(10)에 흐르는 전류를 측정하여 기준 저항(9)에 흐르는 전류와 비교함으로써 집진기내의 먼지레벨을 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 고안을 설명한다. 제1도는 본 고안장치의 개념을 설명하기 위한 것으로, 집진기(1)의 외부에 플랜지부(2)를 설치하기 위하여 직경 76.4 mm의 2개의 구멍(7)을 뚫어 플랜지(6)와 플랜지 구멍(8)을 가공한 후, 2개의 플랜지부(2)를 집진기(1)의 외부에 플랜지(6)으로 체결한 후, 내부에는 기준 플레이트(4)와 측정 플레이트(3)를 설치한다.

제3도는 본 고안 먼지레벨 측정장치의 상세한 구성도로서, 여기에서 참고되는 바와 같이, 먼지레벨 측정장치는 측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4) 그리고 먼지 측정 저항(10)과 기준 저항(9), 기준 플레이트(4)에 흐르는 전류를 측정하는 전류계(12)와 측정 플레이트(3)에 흐르는 전류값을 나타내는 전류계(11), 그라운드(19), 전압 공급원(22)을 포함한다.

제4도는 제3도의 먼지레벨 측정장치와 연결되는 전기회로 블록도이다. 먼저 먼지검출 메커니즘을 상세하게 설명하면, 먼지는 전기 전도성을 지니기 때문에 측정 플레이트(3)와 먼지가 만나는 면적이 증가하면 측정저항(10)의 저항값 감소로 먼지를 통해서 측정 플레이트(3)와 집진기(1)의 표면(Hopper Body, 즉 접지(GND)됨)사이에 흐르는 전류도 증가하게 된다.

반대로 먼지와 만나는 면적이 감소하면 먼지를 통해서 측정 플레이트(3)와 집진기(1)의 표면 사이에 흐르는 전류는 감소하게 된다.

기준 플레이트(4)는 고정된 길이 L_ref를 가지며, 단위 길이당 측정 플레이트(3)와 같은 표면적을 가지는 기준 플레이트(4)를 설치하고, 기준 플레이트(4)에 흐르는 전류 I_ref를 전류계(12)를 통하여 측정한다.

위와 같은 방법으로 측정 플레이트(3)에 흐르는 전류, 즉 먼지를 통하여 측정 플레이트(3)와 그라운드(19)사이에 흐르는 전류 I_meas를 전류계(11)를 통하여 측정한다. 이와 같이 측정한 I_ref, I_meas사이에는 다음과 같은 수학식을 만족한다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서 DEPTH_dust는 먼지의 깊이(높이)를 나타낸다.

수학식 1에 의하여

[수학식 2]

수학식 2와 같은 결과로부터 습도, 온도 연소 상태에 의해서 먼지의 전기 전도도가 변하더라도 I_ref와 I_meas전류의 비(Ratio)로서 먼지의 깊이를 측정하는 것이 되므로 위와 같은 변수의 영향이 없어지게 된다. 왜냐하면 매번 측정할 때마다 I_ref와 I_meas와 I_meas를 동시에 측정하므로 두 전류의 측정 조건이 같기 때문이다.

이하 측정 방법에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

측정 전기회로에 대해서 설명하면, 제4도 및 제5도에 나타낸 바와 같이 먼저 기준 플레이트(4)의 저항 R_dustref를 먼저 측정한다. 측정방법은 다음과 같다.

V_dac(DAC)를 OV로 한다. 이유는 집진기 내부 먼지가 인화성이 있을 수도 있기 때문에 DAC의 출력전압을 OV로한 후, 릴레이를 온/오프 시키는 것이 안전하기 때문이다.

다음 릴레이 회로를 오프인 상태로 한다. 오프상태가 되면 집진기 내부에서 기준 플레이트(4)가 선택되어 진다.

다음 Vdac = 5V로 증가시킨다. 그 다음 기준 플레이트(4) 전류 증폭회로(17)의 R_ref2의 양단 전압 V_ref2를 측정한다. R_ref2저항 값은 측정되어 지는 전류 값에 따라 증폭률을 조정할 필요가 있을 때 조정이 가능하다. 보통은 100KΩ 을 사용한다. 이와 같은 측정으로 다음과 같은 측정식을 얻을 수 있다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서

[수학식 4]

를 구할 수 있다. 수학식 4에서 V_ref2(R_ref2양단의 전압)는 측정에 의해서 알고 있고, R_ref2는 회로의 저항으로 알고 있는 값이다.

다음은 R_dustmeas를 구하는 과정을 설명한다.

V_dac(DAC)을 OV로 한다. 이유는 집진기 내부 먼지가 인화성이 있을 수도 있기 때문에 DAC 출력전압을 OV로한 후 릴레이를 온/오프 시키는 것이 안전하기 때문이다. 다음 릴레이 회로를 온인 상태로 한다. 온상태가 되면 집진기 내부에서 측정 플레이트(3)가 선택되어 진다.

다음 V_dac= 5V로 증가시킨다. 그 다음 측정 플레이트 전류 증폭회로(16)의 R_ref1의 양단 전압 V_ref1를 측정한다. R_ref1저항 값은 측정되어 지는 전류 값에 따라 증폭률을 조정할 필요가 있을 때 조정이 가능하다. 보통은 looKΩ을 사용한다. 이와 같은 측정으로 다음과 같은 측정식을 얻을 수 있다.

[수학식 5]

수학식 5에서

[수학식 6]

을 구할 수 있다. 수학식 6에서 Vrefl(R_refts양단의 전압)은 측정에 의해서 알고 있고, R_ref1은 회로의 저항으로 알고 있는 값이다.

먼지의 깊이 DEPTH_dust는 앞에서 각각 구한 R_dustref와 R_dustmeas를 상기 수학식 2에 대입하여 먼지의 깊이(높이) DEPTH_dust를 구한다.

본 고안 먼지레벨 측정장치의 제어기 부분에 대하여 제5도를 참고로하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 위의 과정에서 검출된 먼지의 높이(깊이) DEPTH_dust는 제어기(20), 중앙처리장치(25), 메모리(24), 아날로그/디지털 변환기(23), 디지털/아날로그 변환기(26)으로 구성되어진 회로 시스템을 통하여 산출될 수 있다.

아날로그/디지털 변환기(23)는 10비트를 사용하여 집진기 높이를 1,024개로 등분하여 측정하였고, 디지털/아날로그 변환기(26)는 8비트를 사용하여 0.04[V]단위로 O[V]∼10[V]까지 변화가 가능하도록 하였다.

중앙처리장치(25)는 인텔사의 80C196 중앙처리장치를 사용하였는데, 이유는 이 장치에 10 비트 아날로그/디지털 변환기(23)가 내장되어 있기 때문에 제어기(20)의 구성을 간단하게 가져갈 수 있다는 잇점이 있다.

레벨 표시회로(27)는 7 세그먼트 LED로 레벨 값을 표시하도록 하였다.

또한 레벨 검출 장치의 효율성을 높이기 위하여 이와 같은 저항 측정방법을 이용한 레벨 검출장치를 여러대 설치하여 각 장치를 RS-485 통신 네트워크로 묶어서 컴퓨터(21)에서 집중 관리하도록 하였다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 고안은 집진기내에 측정플레이트와 기준플레이트를 마련하고, 이들 사이의 탄소성분 먼지가 형성하게 되는 저항값을 측정하는 것을 통하여 고로의 습도, 온도, 연소상태 등의 환경적 요인에 영향받지 않는 안정되고 정확한 먼지레벨의 측정이 가능하게 된다.

Claims (1)

1. 상하 측면에 2개의 구멍(7)을 뚫어 플랜지(6)와 플랜지 구멍(8)을 형성하여 2개의 플랜지부(2)를 집진기(1)에 체결하고, 상기 집진기(1)의 내부에는 측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4)를 설치하며, 기준전압을 제공하는 전압 공급원(22)에다 스위치(13)와 측정 전류계(11)를 통해 상기 측정 플레이트(3)를 연결함과 더불어 스위치(13′)와 기준 전류계(12)를 통해 상기 기준 플레이트(4)를 연결하여 상기 측정 플레이트(3), 기준 플레이트(4) 각각파 그라운드(19)와의 사이에 형성 형성되게 되는 측정 저항(10)과 기준 저항(9)을 부하로 하여 전압공급원 (22)에 의한 전류가 상기 측정 플레이트(3)와 기준 플레이트(4)에 각각 흐르도록 구성하여 먼지에 의해 증가하는 상기 측정 저항(10)에 흐르는 전류를 측정하여 기준 저항(9)에 흐르는 전류와 비교함으로써 집진기내의 먼지레벨을 측정하는 것을 특징으로 하는 저항 검출법을 이용한 먼지레벨 측정장치.