등온화용기를 이용한 공기압 기기 누설유량계측에 관한 연구 = (A) measurement method of leak flow rate for pneumatic apparatus using an isothermal chamber

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Leak detection technology is a challenging research until nowadays, because it has wide and various applications in industry, such as gas pipeline leak detection, vacuum industry and mechanical component leak detection, etc. The growing needs for leak-tight products, such as automotive components, pneumatic components, vacuum components, have made the demand on high performance leak detectors for increase of a quality control.
Numerous leak detection methods have been developed. Radio isotope, helium sniffing, ultrasonic, thermal conductivity, halogen sniffing, bubble immersion, flow measurement and differential pressure measurement are well-known leak detection methods that have been used in the leak detector manufacturing industry.
Also, pneumatic component reliability test based on ISO requires air leakage measurement. Pneumatic component has many seal parts and the leakage shall be measured before, during, and after endurance test, and the leakage should be smaller than the specified value. The existing measurement method needs complex operation and the calibration of the leak detector. And conventional methods have to separate the testing pneumatic component from endurance test device, which causes the change of contact condition of seal in the pneumatic component. Therefore, it is hard to evaluate the air leakage during endurance test, and do not guarantee the reliability analysis results of the conventional measurement method.
In this paper, a new method for air leakage measurement using an isothermal chamber is proposed, which does not requires calibration or temperature compensation, and can measure air leakage accurately with quite simple operations. As a result, reliability of air leakage measurement can be improved because the proposed method does not have to separate the testing components from the endurance test device for the air leakage measurement. The effectiveness of the proposed method is proved by simulation and experimental results.

국문 초록 (Abstract)

ㅁ본 논문에서는 용기내부의 온도변화를 등온(1[K] 미만의 온도변화)으로 유지시키는 등온화용기를 이용하여 용기내부의 압력변화를 유량으로 환산함으로써 공기압 기기의 누설유량을 계측할 수 있는 방법을 제안하였다.
제안한 누설유량계측법은 등온화용기와 압력센서를 추가하는 것만으로 실현이 가능하므로 공기압 기기가 설치되어 있는 회로에서 누설유량계측을 위해 공기압 기기를 분리하지 않아도 누설유량계측이 가능하다.
따라서 상기의 계측법은 기존방법에 비해 누설계측을 위한 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 비교적 넓은 범위의 계측이 요구되는 공기압 기기의 누설유량계측에 적합하다.
본 논문에서 제안한 누설계측법을 적용하여 실제 공기압 기기의 누설유량계측 실험을 수행하였고, 실험을 통하여 제안한 방법의 유효성 및 타당성을 검토하였다.
본 논문의 연구결과를 각 장별로 간략히 정리하면 다음과 같다.
2장에서는 종래의 누설유량계측법에서와 같이 시험체적 내부 공기의 상태변화를 등온변화로 가정하게 될 경우 계측된 누설유량의 오차가 발생할 수 있음을 설명하였고 시험체적 내부 공기의 온도변화를 고려하여야 누설유량 계측의 정확성을 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다.
3장에서는 압축성 유체의 유량 특성 및 각종 유량계수에 관해 고찰하고, 각종 유량계수간의 환산관계를 도출하였다.
4장에서는 등온화용기 및 등온화용기를 이용한 유량계측의 원리를 소개하고 오차요인을 분석하였다. 분석결과, 본 누설계측법의 계측오차는 0.4% 이하일 것으로 추정되었다.
5장에서는 스톱법을 이용하여 유량 및 충전재의 질량 등이 등온화용기의 온도특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 등온화용기의 수치모델을 제시하고 실험결과와 비교하여 나타내었다.
5장의 실험 및 수치해석 결과를 통해 규명할 수 있었던 등온화용기의 온도특성은 다음과 같이 요약된다.
1) 등온화용기의 전열특성은 용기내 공기와 충전재 사이의 열전도 현상에 의해 지배된다.
2) 등온화용기의 온도특성은 용기에 충전하는 충전재의 단위 체적 당의 전열면적에 의해 규정할 수 있다.
3) 등온성을 향상시키기 위해서는 전열면적을 확대하는 것이 가장 효과적이다.
4) 충전재를 용기체적의 10% 비율로 충전하게 되는 경우, 용기내 온도변화를 1[K] 미만으로 억제할 수 있다.
5) 등온화용기와 데드볼륨(일반용기)를 연결하였을 경우, 등온화용기의 등온성을 유지하기 위해서는 데드볼륨의 체적이 등온화용기 체적의 3.5배 이하가 되어야 한다, 따라서 이를 이용하면 누설유량계측을 위해 실린더의 체적에 따라 등온화용기의 적정체적을 규정할 수 있다.
6장에서는 등온화용기의 압력응답을 이용하여 유량의 특성, 즉 소닉 컨덕턴스와 임계압력비를 도출하였다. 도출된 소닉 컨덕턴스를 이용하면 시험압력별로 변화하는 누설유량을 쉽게 추정 할 수 있다.
또한, 충전재의 충전비율에 따른 유동저항을 검토하였으며, 누설 유량과 같이 미소 유량에서는 충전재를 용기체적의 10% 비율로 충전하여도 그에 따른 유동저항을 무시 할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 누설측정을 위한 등온화용기 충전재의 비율을 10%로 최종 정의하였다.
7장에서는 정의된 등온화용기를 이용하여 공기압 실린더, 밸브 및 레귤레이터의 누설계측회로와 계측방법을 제안하였고, 제안한 방법을 적용하여 누설유량을 계측하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 = 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 = 1
• 1.2 논문의 구성 = 3
• 제 2 장 기존 누설유량계측법 = 5
• 2.1 원리 및 특징 = 5
• 2.1.1 추적기체법 = 6
• 2.1.2 층류측정법 = 6
• 2.1.3 열식질량유량법 = 9
• 2.1.4 차압측정법 = 9
• 2.1.5 압력변화법 = 12
• 2.2 시뮬레이션을 통한 고찰 = 16
• 2.2.1 가압과정 = 17
• 2.2.2 안정화과정 = 18
• 2.2.3 누설유량계측과정 = 19
• 2.2.4 결과 및 고찰 = 20
• 2.3 ISO의 공기압 기기 누설유량규정 = 24
• 제 3 장 압축성 유체의 유량특성 = 26
• 3.1 유량특성을 기술하는 기본식 = 26
• 3.2 각종 유량계수를 이용한 유량특성 = 31
• 3.2.1 ISO의 유량특성 및 계측법 = 31
• 3.2.2 C_(v)를 이용한 유량특성 = 35
• 3.2.3 f를 이용한 유량특성 = 40
• 3.2.4 K_(v)를 이용한 유량특성 = 40
• 3.2.5 S_(e)를 이용한 유량특성 = 41
• 3.2.6 유량 계수간의 변환식 = 46
• 제 4 장 등온화용기를 이용한 압축성유체의 누설유량 계측법 = 49
• 4.1 계측 원리 = 49
• 4.2 등온화용기 = 51
• 4.3 오차 요인 = 53
• 제 5 장 등온화용기의 온도특성 = 55
• 5.1 평균온도 계측법 = 55
• 5.1.1 계측 방법 = 55
• 5.1.2 평균온도계측을 위한 실험장치 = 56
• 5.1.3 스톱법의 계측 정밀도 = 60
• 5.2 실험결과 및 고찰 = 62
• 5.2.1 일반용기와 등온화용기의 비교 = 62
• 5.2.2 충전재 질량과 온도특성 = 64
• 5.2.3 유량과 온도특성 = 66
• 5.2.4 데드볼륨과 온도특성 = 68
• 5.3 등온화용기 수치모델 = 71
• 5.3.1 모델의 제안 = 71
• 5.3.2 기초방정식 = 73
• 5.3.3 시뮬레이션방법 = 74
• 5.3.4 시뮬레이션 모델의 타당성 = 76
• 5.4 등온화용기의 온도특성 = 80
• 제 6 장 등온화용기의 압력특성 = 83
• 6.1 압력특성이론 = 83
• 6.1.1 소닉 컨덕턴스의 추정 = 85
• 6.1.2 임계압력비의 추정 = 88
• 6.2 압력특성 계측 실험장치 = 91
• 6.3 소닉 컨덕턴스 계측결과 및 고찰 = 92
• 6.4 충전재의 유동저항에 의한 압력특성 = 96
• 제 7 장 등온화용기를 이용한 공기압 기기의 누설유량계측 = 99
• 7.1 공기압실린더의 누설유량계측 = 100
• 7.1.1 ISO 기준 분석 = 100
• 7.1.2 누설유량계측법 제안 = 107
• 7.1.3 실험결과 및 고찰 = 110
• 7.2 공기압밸브의 누설유량계측 = 121
• 7.2.1 누설유량계측법 제안 = 121
• 7.2.2 실험결과 및 고찰 = 124
• 7.3 공기압레귤레이터의 누설유량계측 = 127
• 7.3.1 누설유량계측법 제안 = 128
• 7.3.2 실험결과 및 고찰 = 129
• 제 8 장 결론 = 131
• 참고문헌 = 134