KR20160007912A - 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 엔진의 배기밸브에 장착되어 엔진의 연소 결과로서 배기밸브의 개폐여부를 확인하여 원격 감시 및 제어하기 위한 시스템에 관한 것으로, 엔진의 복수 배기밸브 일측에 각각 설치되어 배기밸브의 개폐여부를 감지하는 인덕티브 센서; 상기 복수의 인덕티브 센서와 전선으로 연결되어 인덕티브 센서에서 감지된 신호를 처리하는 조인트 박스, 및 상기 조인트 박스에서 수신된 인덕티브 센서의 감지신호로 엔진의 유압실린더 유닛의 연료펌프 동작 결과를 피드백 하여 연료의 주입 여부를 결정하고 감시하는 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 다양한 용도로 활용 가능한 것으로 판단된다. 본 발명은 선박용 엔진의 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템의 저가격화, 성능향상, 안정화와 더불어 센서신호의 안정화와 신호처리 분야는 물론 타 분야로의 응용 및 확장 가능한 것이다.

Description

선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템{System for Control Fuel Pump Plunger and Exhaust Valve in Ship}

본 발명은 선박에서 연료펌프 플런저와 배기밸브를 제어하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박 엔진의 배기밸브에 장착되어 엔진의 연소 결과로서 배기밸브의 개폐여부를 확인하여 원격 감시 및 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.

국외에서는 연료펌프 플런저(Fuel Pump Plunger) 및 배기밸브 제어 시스템(Exhaust Valve Control System)의 핵심기술인 인덕티브 센서(Inductive Sensor, 유도센서)의 개발이 이루어지고 있다. 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템은 2002년도부터 전자엔진 출시로 적용이 한층 더 높아져 시장 선점을 위한 경쟁과 더불어 기술 표준화를 시도가 펼쳐지고 있다.

연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소로 인덕티브 센서의 내구성 증가와 네트워크의 표준화 등이고, 최근 이들의 개선 방안에 관한 연구가 진행되고 있다. 특히, 네트워크의 표준화는 선박용 전장품의 통신 안정성과 인터페이스의 편리성을 추구하는 모드버스 프로토콜(MODBUS Protocol)을 지원하고 있다. 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템의 인덕티브 센서는 여러 대의 센싱 모듈과 신호 분석 모듈이 선박의 컨트롤 알람시스템과 연계되므로 네트워크상에서 타 시스템과의 충돌이 발생치 않도록 표준 프로토콜이 완벽하게 구현되어야 한다. 현재 상용화된 전장품 대부분의 경우 모디콘(MODICON)의 모드버스 RTU(Remote Terminal Unit)를 표준으로 제공하고 있다. 하지만 컨트롤 알람시스템의 프로토콜에 따라 유연히 대처할 수 있는 기술과 대책의 수립이 필요하므로 이 분야 연구들이 활발히 진행되고 있는 실정이다.

국내에서는 엔진 성능 및 수명과 직결된 핵심 부품의 상태를 모니터하는 기술이 확보되지 않아, 4대 조선소인 삼성중공업, 대우조선해양, 현대중공업, STX중공업 등은 현재 전량 수입에 의존하고 있다. 기술자립단계인 국내에서는 세계 최대 조선강국으로, 선박엔진 최대 생산 국가이지만 선박엔진 전자제어시스템 및 핵심 감시/진단 시스템 분야 등의 첨단기술개발에 있어서는 걸음마 단계로 전량 수입에 의존하고 있어 원천기술의 확보 및 독자 모델 개발이 시급한 실정이다.

본 발명과 관련된 선행기술로서, 특허문헌 1은 타깃(T)과 인덕티브 변위 센서(400)와의 거리를 측정하는 레이저 센서(110)와, 상기 타깃(T)을 이동시키기 위한 모터(130)와, 제어 신호에 따라 상기 모터(130)를 제어하여 상기 타깃(T)과 상기 인덕티브 변위 센서(400)간의 거리를 가변시킬 수 있도록 하는 모터 제어기(120)를 포함하는 보정 장치(100); 제어신호에 따라 상기 인덕티브 변위 센서(400)의 온도를 설정하는 온도 챔버(200); 상기 보정 장치(100)에 제어 신호를 출력하고, 상기 레이저 센서(110)에 의해 측정된 상기 타깃(T)과 상기 인덕티브 변위 센서(400) 간의 거리와 인덕티브 변위 센서(400)의 출력 값으로부터, 상기 타깃(T)과의 거리에 따라 선형적인 출력 값을 나타내기 위해 요구되는 상기 인덕티브 변위 센서(400)의 출력 값 보정 데이터를 생성하는 사용자 단말(300); 및 상기 인덕티브 변위 센서(400)의 출력 값을 상기 사용자 단말(300)에 전송하고 상기 사용자 단말(300)로부터 출력 값 보정 데이터를 받아 저장하고 저장된 출력 값 보정 데이터로부터 상기 인덕티브 변위 센서(400)의 출력 값을 보정하는 센서 모듈(500)을 포함하는 인덕티브 변위 센서 자동 보정 시스템이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2는 운동체의 위치가 변하면 코일의 임피던스가 변하고, 코일의 임피던스가 변하면 코일에 인가되는 전압이 변하며, 이러한 전압의 변화로부터 운동체의 위치를 산출하는 것으로, 운동체의 위치에 따라 가변하는 코일의 임피던스를 이용하여 운동체의 위치를 측정하기 위한 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 인덕티브 포지션 트랜스미터(Inductive Positions Transmitter)가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3은 피스톤부(4)의 내부에 실린더부(1)에 고정되는 실린더 로드(9)가 마련되고 상기 실린더 로드(9)에는 코일이 삽입되는 캐버티가 형성되며, 상기 코일은 상기 피스톤부(4)의 이동에 따라 임피던스가 가변하여 피스톤부의 위치를 검출함으로써, 실린더부(1)와 상기 실린더부(1)에 왕복이동 가능한 피스톤부(4,5)를 포함하는 실린더가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 4는 유압실린더(1)는 실린더 하우징(3)과, 상기 실린더 하우징(3)에 왕복이동 가능하게 설치된 피스톤 로드(7)와, 상기 피스톤 로드(7)의 관통공(7a)에 삽입되는 인덕티브 피스톤 위치검출기(20)를 포함하고, 상기 위치검출기(20)는 피스톤(6)이 이동에 대응되는 전기 신호를 출력하고 상기 전기신호를 기초로 피스톤(6)의 위치를 산출하는 유압실린더(1)의 피스톤 위치감지 장치가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 5는 자화된 물체(1)의 주변에 배치된 4개의 코일(3a-3d)이 물체(1)의 속도에 비례하여 전압이 유도되고, 유도된 전압으로부터 물체(1)의 이동속도를 산출함으로써, 자화된 물체의 운동속도를 산출하기 위한 코일 시스템이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 6은 인덕티브 측정장치는 슬리브 튜브(1)와, 상기 슬리브 튜브(1)의 내부에 마련된 코어(2)와, 상기 코어(2)에 권선된 코일(3)을 포함하며, 상기 코일(3)에는 교류가 인가되고, 이러한 인덕티브 측정장치는 측정물체가 접근 및 이격됨에 따라 측정장치의 임피던스가 가변되며, 이렇게 가변된 임피던스로부터 인덕티브 측정장치와 측정물체 사이의 거리를 산출함으로서, 내연기관의 실린더 상태, 즉 실린더 라이너, 피스톤, 피스톤 링, 등의 마모를 측정하기 위한 인덕티브 측정장치가 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1049669호(2011.07.14. 공고) 덴마크 공개특허공보 DK151409(1986.07.26. 공개) 덴마크 공개특허공보 DK170624(1993.08.15. 공개) 덴마크 공개특허공보 DK165562(1988.08.21. 공개) 덴마크 공개특허공보 DK166050(1985.03.27. 공개) 덴마크 공개특허공보 DK146422(1977.03.26. 공개)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박 엔진의 배기밸브에 장착되어 엔진의 연소 결과로서 배기밸브의 개폐여부를 확인하여 유압실린더 유닛의 연료펌프의 동작결과를 피드백 하여 연료 주입 여부를 결정함으로써 원격에서 감시 및 제어하기 위한 시스템을 제공하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 엔진의 진동이나 고온 고압 등의 열악한 조건에서도 엔진 배기밸브의 정밀한 동작을 감지할 수 있는 인덕티브 센서와 더불어 신호처리 알고리즘을 포함하는 원격 모니터링이 가능한 시스템을 제공하기 위한 것이 다른 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 엔진의 복수 배기밸브 일측에 각각 설치되어 배기밸브의 개폐여부를 감지하는 인덕티브 센서; 상기 복수의 인덕티브 센서와 전선으로 연결되어 인덕티브 센서에서 감지된 신호를 처리하는 조인트 박스, 및 상기 조인트 박스에서 수신된 인덕티브 센서의 감지신호로 엔진의 유압실린더 유닛의 연료펌프 동작 결과를 피드백 하여 연료의 주입 여부를 결정하고 감시하는 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템을 포함하여 이루어진 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템을 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 조인트 박스 및 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템의 작동에 필요한 전원을 공급하는 파워서플라이, 및 상기 파워서플라이와 병렬로 연결되어 파워서플라이에서 전원이 공급되지 않을 때에 구동전원을 공급하는 무정전 전원장치(UPS)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 인덕티브 센서에 장착되어 일정 거리에 위치된 배기밸브에서 발생하는 와전류를 감지하는 발진부와, 상기 발진부에서 인덕터와 피 측정물 사이의 거리 변화에 따라 변하는 사인파 신호를 발생하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 신호로부터 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 발진부의 출력을 정류 및 필터링하여 OP-AMP의 차동증폭기를 통과시켜 발진부 신호의 크기에 대하여 능동적으로 동작하도록 바이어스전압을 가하는 바이어스부와, 상기 검출부에서 검출된 리플신호를 거리에 대한 전압신호로 변환하는 필터부와, 상기 필터부에서 입력된 신호를 가변저항을 이용하여 출력전류의 오프셋을 조절하는 증폭부, 및 상기 증폭부에서 입력된 전압신호를 전류신호로 변환하여 출력하는 전압/전류변환부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 발진부에는 유도코일이 포함되고, 유도코일의 권선 회수에 따라 0.5~7.5mm 내외의 거리를 감지할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 발진부는 공진회로에 저장된 에너지의 일부를 증폭한 후에 다시 공진회로에 공급하는 LC공진을 이용한 정현파 발진회로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 발진부는 OP-AMP의 비반전 증폭기를 사용하여 신호를 궤환시키는 피드백 회로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 발진부는 NPN트랜지스터 및 PNP트랜지스터 공통 에미터 회로를 사용하여 위상을 지연시키는 회로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 발진부는 하틀레이 발진기, 콜피츠 발진기 또는 동조형 발진기 중 어느 하나가 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 검출부는 거리에 따른 전압신호를 출력하는 양파정류회로를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 필터부는 RC필터회로가 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 전압/전류변환부에서 출력되는 전압은 1~5V 내외이고 변환되는 전류는 4~20mA 내외가 될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 인덕티브 센서의 작동범위는 250bar 내외의 압력에서 150~200℃ 내외가 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기술적 측면에서, 첫째, 센서를 이용한 실시간 원시자료(Raw Data)를 신호처리 알고리즘을 이용하여 전송하는 기술은 필수적인 원천기술이므로 지금까지 선박엔진 자동화 개발이 미흡한 국내 및 국외의 엔진 응용 제조 산업체를 대상으로 기술을 이전하여 선박엔진 이외 동적 기계 시스템을 가지는 항공 기계 등의 자동화로 확대할 수 있고, 둘째, 기술력 업그레이드 및 확대로 상용화 기술의 개선 및 표준화하여 제어 시스템의 네트워크 및 시스템 통합운영 기술 개발 확대를 기대할 수 있으며, 셋째, 세계 최고 수준의 국내 IT기반 기술을 바탕으로 원격지에서도 네트워크를 이용하여 현실감 있게 제어를 수행할 수 있도록 원격제어 및 자동화 기술은 세계 선진국 수준의 기술로 향상이 가능하고, 넷째, 실시간 제어구조의 개발로 직접 엔진룸에 들어가서 작업 하는 것에서 벗어나 변화하는 환경에서 다양한 동작을 효율적으로 구현하는 데 직간접적으로 영향을 끼치며, 다섯째, 기술의 이전이 힘든 설계분야에서 기구동역학적 해석기법을 이용한 설계기술을 자체 확보함으로써 기술이전을 통한 고품질의 엔진 설계 환경을 구축하고 국내외 선진기업수준의 기술경쟁력을 확보함으로서 선박 엔진을 비롯한 항공기, 철도 기계 산업제품에 적용 가능하고, 여섯째, 노르웨이, 독일과 같은 주요 선박 기술 보유국에 의존적인 시스템관련 기술 개발을 통해서 이를 응용한 자동차, 항공기 및 선박 운동 시뮬레이터의 국산화를 모색할 수 있다. 또한, 사회, 경제적 측면에서, 첫째, 엔진 관리를 위한 자동화 장비와 지원 소프트웨어의 개발을 통해 인력 위주의 작업을 자동화 시스템으로 대체함으로써 노무비 절감, 핵심 부품 사용 기간 향상을 통한 막대한 원가 절감 효과를 가져 올 것으로 기대되고, 둘째, 생산성 및 경제성이 향상되며 효과적인 장비 운용계획을 통하여 최적의 작업순서를 파악하고 정확하게 작업을 수행할 수 있도록 하여 생산성 증진과 비용의 절감 효과를 획득 할 수 있으며, 셋째, 원격 관리시스템은 선박 엔진의 중요한 차별화 품목으로 선정될 수 있으므로 내수 및 수출에 크게 기여할 것으로 판단됨에 따라 선박 엔진분야의 매출이 확대 예상되고, 넷째, 원격 제어의 경우 유해하거나 위험한 작업환경에서 장비의 조종자를 격리시킴으로써 선박엔진 관리의 안전성이 향상되며, 다섯째, 신호처리를 통한 알고리즘 개발은 자동화가 가능한 산업분야에 적용할 수 있고, 여섯째, 실시간 제어구조 개발 기술은 다른 배기밸브 제어 시스템을 판매하는 해외 업체들에 비해 국내 기술이 우위이므로 국내 관련기업으로의 기술이전을 통해 국제 경쟁력을 강화할 수 있으며, 일곱째, 실시간 제어구조 개발 기술은 최신 연구 분야로서 기술집약적이고 벤처형 성격을 갖추고 있기 때문에 관련 연구자들의 독립적인 창업의 기회를 제공하고, 여덟째, 설계기술의 확보를 통해 선진기업의 설계기술의 이전에 따른 비용을 절감할 수 있으며, 아홉째, 자체 고장 진단을 통한 높은 신뢰성으로 제품의 인지도를 상승시킨 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 선박용 엔진에 인덕티브 센서의 설치 위치를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 인덕티브 센서의 작동원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명에서 인덕티브 센서의 거리에 대한 진폭 및 위상의 변화를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에서 인덕티브 센서의 거리에 대한 전류의 변화를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에서 인덕티브 센서에서 발진된 신호를 처리하는 회로를 나타낸 블록도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에서 발진부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에서 검출부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에서 바이어스부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에서 필터부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에서 증폭부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명에서 전압/전류변환부 회로를 예로서 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명에서 인덕티브 센서의 헤드코일의 권선 회수에 따른 전류 출력 값을 나타낸 도표이다.

이하 본 발명에 따른 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서, 인덕티브 센서(10)는 복수로 구성된다. 인덕티브 센서(10)는 선박용 엔진의 배기밸브 일측에 각각 장착되는 것이다. 인덕티브 센서(10)는 배기밸브의 개폐여부를 감지한다. 즉 도 2에서, 각각의 인덕티브 센서(10)는 엔진 상부에 구성된 각 배기밸브의 개폐작동을 감지한다.

조인트 박스(Joint Box)(20)는 복수의 인덕티브 센서(10)와 전기적인 신호를 송수신하기 위하여 전선으로 연결된다. 조인트 박스(20)는 각 인덕티브 센서(10)에서 감지된 신호를 처리하는 것이다.

엔진 제어용 원격 모니터링 시스템(30)은 조인트 박스(20)에서 수신된 인덕티브 센서(10)의 감지신호로 엔진의 유압실린더 유닛의 연료펌프 동작 결과를 피드백 하여 연료의 주입 여부를 결정하고 감시하는 것이다.

또한, 조인트 박스(20) 및 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템(30)의 작동에 필요한 전원을 공급하는 파워서플라이(50)와, 파워서플라이와 병렬로 연결되어 파워서플라이에서 전원이 공급되지 않을 때에 구동전원을 공급하는 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply)(40)가 구비된다.

도 3a에서, 인덕티브 센서(10)는 금속도체(1)가 정상 자계 중 일반적인 환경에서 움직이거나 도체를 통과하고 있는 자계가 변화하면 전자유도작용에 따라 금속도체(1) 상에 유기 전압을 발생시킨다. 이 전압에 의하여 전류가 자속의 주위에 동심원 상으로 분포되어 흐르는 전류를 와전류(Eddy Current)라 한다.

또한, 자속(B)이 금속도체(1)를 관통하면, 와전류는 금속 표면과 자속(B)이 수직으로 만나는 0점을 중심으로 반지름이 r인 원주 상에 흐르게 된다.

이때, 도체면에 수직으로 관통하는 자속(Φ)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서 이 자속으로부터의 유기전압은

가 된다.

이 유기전압에 의하여 발생하는 와전류는 금속도체(1) 안에 분포하므로 반지름 r에 대하여 적분하면 전체의 누설전류를 얻을 수 있다.

전체의 누설전류(i)는

이다. 여기서, Bm: 자속밀도의 최대치, ω: 각 주파수(2ωπf), δ: 금속도체의 두께, p: 금속도체의 체적 고유저항이다.

이와 같이 코일에 의하여 발생되는 자계 중에 금속도체가 있게 되면 자속에 의하여 금속도체에 발생되는 와전류로 인하여 전체적인 자속의 변화가 발생하게 된다. 이러한 와전류의 효과는 금속도체의 변위 또는 두께 측정 등에 사용된다. 이는 인덕티브 센서의 동작원리가 된다.

더욱이 도 3b에서, 고온 및 고압용 인덕티브 센서(10)는 헤드코일(Head Coil)(3)에서 발생하는 고주파 전류(High Frequency Current)를 지날 때 형성되는 고주파 자계(High Frequency Magnetic Field)를 이용한다. 자기장 내 금속 타깃(2)이 위치할 경우 전자기유도현상에 의해 자기장에 수직인 방향으로 타깃(2) 표면에 와전류(Eddy Current)가 발생한다. 이는 헤드코일(3)의 임피던스 변화를 초래하게 된다. 이때, 인덕티브 센서(10)는 발진상태의 변화에 따라 타깃(2) 간의 거리를 측정한다.

도 4에서, 타깃(2)이 인덕티브 센서(10)의 헤드코일(3)에 가까워지면, 진폭은 작아지고 위상차는 커진다. 진폭의 변화와 위상차를 검출함으로써, 이 인덕티브 센서(10)는 타깃(2)과의 거리변화에 비례하는 값을 검출할 수 있다. 즉 인덕턴스가 공기 간극에 의해 변하는 성질을 이용하여 금속도체와 센서 사이의 간격을 비접촉으로 측정이 가능한 인덕티브 센서(10)로 동작되는 기본원리는 코일과 콘덴서를 이용하여 LC공진회로를 구성, 코일과 금속성 물체의 거리에 따라 통과 자속량이 변하게 되는데, 이때 통과 자속량 변화량에 상응하는 전압이 코일 양단에 발생한다. 이 발생전압은 자속의 변화량을 방해하는 방향으로 발생하므로 교류출력의 유형으로 나타나게 된다. 이 교류신호가 정전류회로를 거쳐 거리에 따른 전류 값을 출력하게 되는 것이다.

또한, 인덕티브 센서는 고주파 발진형이다. 고주파 발진형은 고주파 발진회로를 통하여 발생되는 자속이 금속체가 접근하였을 때에 변화하는 성질을 이용한 것으로 발진상태를 변화시켜 이를 검출하여 사용하는 방식이다. 주로 이동되는 발진부의 회로는 하틀레이(Hartley) 발전기, 콜피츠(Colpitts) 발진기, 동조발진기 등이 주로 사용된다.

본 발명의 인덕티브 센서는 기계적인 부분과 회로적인 부분으로 설계되어야 한다. 기계적인 부분에서 설계기준으로는 IP67등급에 준하는 내 환경조건 설계를 적용하고, 요구되는 조건으로 항온항습, 내유, 진동, EMI/EMC이다. 그리고 회로적인 부분에서 일반적인 고주파 발진형의 동조 발전기회로를 이용하여 설계하고 거리변화에 따른 인덕터 시정수의 변화량을 감지한다. 또한, 비선형 방식으로 측정되는 값과 이상적인 값 사이의 비연속적인 오류를 최소화하는 시행착오를 거쳐 바이어스 회로 개선으로 인덕티브 센서의 선형성을 개선해야 한다.

더욱이 도 5에서, 인덕티브 센서(10)가 고정되어 있고, 금속 타깃(2)이 이동되는 경우로 인덕티브 센서(10)의 헤드코일(3)과 타깃(3) 사이의 거리(L)는 대략 0.5~7.5mm이면 인덕티브 센서(10)의 출력단에서 출력되는 전류는 대략 4~20mA이다. 이때 헤드코일(3)과 타깃(2) 사이의 거리에 따라 출력 전류는 대략 선형성(Linearity)을 갖는다.

인덕티브 센서(10)는 엔진의 진동과 고온에 의한 열악한 조건에 견딜 수 있는 정밀도 대략 0.1mm의 고성능의 인덕티브 센서인 것이 바람직하다.

또한, 측정되는 값과 이상적인 값의 사이의 비연속적인 오류를 최소화한 비선형 방식(Non Linear Formulary)도 적용될 수 있다.

도 6에서, 인덕티브 센서(10)에 의한 검출에 따른 처리는 발진회로의 궤환 요소에 인덕턴스 성분 L을 포함시키고 인덕턴스에 의한 등가 임피던스가 피 측정물과의 거리 변화에 따라 종속적으로 가변됨으로써 발진 회로의 진폭변화가 유발되며, 진폭을 전압으로 변환 후 전류로 출력한다.

도 7에서, 발진부(11)는 인덕티브 센서(10)에 장착되어 일정 거리에 위치된 선박 엔진의 배기밸브에서 발생하는 와전류를 감지하는 것이다. 즉 도 7a에서, 발진부(11)의 기본 발진회로는 동조형 발진기로 LC 공진을 이용한 정현파 발진회로이다. 이는 공진회로에 저장된 에너지의 일부를 꺼내어 증폭하여 공진회로에 다시 공급하는 방식으로 CR 발진회로보다 주파수 정밀도가 높은 장점이 있으므로, 수십 Hz에서 수백 MHz 대역에서 사용한다. 또한, 도 7b에서, 피드백 회로(Feedback Circuit)로서 OP AMP의 비 반전 증폭기를 사용하여 신호를 궤환(Feedback)시킨다. NPN 및 PNP 공통 에미터(Common Emitter) 회로를 사용하여 위상이 지연되는 회로를 구현할 수 있다.

도 8에서, 검출부(12)는 발진부(11)에서 인덕터와 피 측정물 사이의 거리 변화에 따라 변하는 사인파 신호를 발생하는 것이다. 즉 도 8에서, 검출부(12)는 발진부(11)에서 인덕터(Inductor)와 피 측정물과의 거리 변화에 따라 진폭이 변하는 사인(Sine)파 신호가 발생된다. 양파정류회로(Full Wave Rectifier Circuit)를 이용하여 거리에 따른 전압신호를 출력하도록 하는 것이 좋다.

도 9에서, 바이어스(Bias)부(13)는 검출부(12)에서 검출된 신호로부터 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 발진부의 출력을 정류 및 필터링하여 OP-AMP의 차동증폭기를 통과시켜 발진부(11)의 신호 크기에 대하여 능동적으로 동작하도록 바이어스전압을 가하는 것이다. 즉 바이어스(Bias)는 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압을 말하며, 바이어스 전압은 발진부(11) 출력을 정류 및 필터링(Filtering)하여 OP-AMP의 차동 증폭기를 통과한 후 발진부(11) 신호의 크기에 대하여 능동적으로 동작되도록 하는 것이 좋다.

도 10에서, 필터(Filter)부는 RC필터회로를 사용하여 리플(Ripple)신호를 거리에 대한 전압신호로 변환한다. 즉 컷오프 주파수(Cut Off Frequency)는 대략 1Khz 이다.

도 11에서, 증폭부(15)는 필터부(14)에서 입력된 신호를 가변저항을 이용하여 출력전류의 오프셋을 조절할 수 있도록 하는 것이 좋다.

도 12에서, 전압/전류(V-C)변환부(16)는 증폭부(15)에서 입력된 전압신호를 전류신호로 변환하여 출력하는 것이다. 전압/전류변환부(16)는 전압-전류원(Voltage to Current Source) 회로를 이용하여 전압을 전류로 변환한다. 전압범위 대략 1~5V를 전류 대략 4~20mA로 변환하도록 하고, 전류원 OP앰프(Current Source OP Amp)의 전류 용량을 극복하기 위한 NPN 트랜지스터 회로를 적용하는 것이 좋다.

한편, 인덕티브 센서(10)에서 금속성 유도체에서 발생하는 와전류를 감지하는 헤드코일(3)은 유도코일의 권선(Turn) 횟수에 따라 직선성 변화의 폭이 크므로 일반적인 코일로는 센서의 특성을 결정하는 거리, 즉 대략 0.5∼7.5mm와 대비하여 출력전류의 선형성을 확보할 수 없으므로 코일의 권선 인자가 센서의 성능을 좌우하는 절대적인 비중을 차지한다고 할 수 있다. 따라서 코일의 권선 시험을 통하여 재료 선정, 권선 본딩(Bonding) 작업 및 와인딩(Winding) 작업 등을 통하여 적합한 센싱 코일이 정해진다. 예를 들어, 센싱 코일은 직경이 대략 0.19mm이고, 저항 값(20℃에서)은 대략 68,325[Ohm/km]이며, 폴리아미드 셀프 본딩 와이어(Polyamide Self Bbonding Wire) 접착 타입이고, 동작온도는 대략 150∼220℃이며, 방전(Breakdown)전압(20℃, 35% 습도에서)은 대략 160V/㎛인 것이 좋다.

더욱이 코일 권선 횟수에 따른 계산식은 L(μH) = (d²n²)/(18d+40ℓ)이다. 여기서, L: 인덕턴스(μH), d: 코일 직경(Inch, 와이어 센터 기준), ℓ: 코일 길이(Inch), n: 와이어 감은 수이다.

따라서 실제 권선 횟수를 계산하면, L=(0.0192*782)/(18*0.019+40*178.3)가 된다.

도 13a에서, 코일 권선 횟수의 최적화는 얻어지는 코일을 통하여 실제 권선 횟수별 실측 실험을 시행하여 데이터의 비교 검증으로 최적의 권선 횟수의 선형성 구간 확인을 통한 선형성이 우수한 권선 횟수 변화량을 검증하는 것이 좋다. 실험을 위하여 연료펌프의 펌핑 시간과 동일한 조건을 만들어 변위 변화 값은 0~7mm로 자동으로 0.5mm당 변화하여 출력이 4mA로 움직일 수 있는 서보(Servo Motor, 220V, 12W)를 설치하고 실린더 변위 센서를 설치하여 PC용 모니터로 표시될 수 있도록 하는 기능시험을 하는 것이 좋다. 따라서 도 13b에서, 실험에서는 코일의 권선 횟수가 76인 경우에 거리 대비 출력의 직진성이 가장 좋은 것으로 나타났다.

또한, 선박의 전진(Ahead) 및 후진(Astern) 운항과 RPM에 따라 선박과 엔진의 진동 특성 및 온도, 압력 등이 달라지므로 실린더 별로 센서 역시 비 운전 때에 설정한 영점과 많은 차이를 보일 수 있다. 그러므로 실제 선박에 센서를 설치하여 운전 상황별 룩업 테이블(Look-up Table)을 구축하고 노이즈 성분을 운전 상황에 따라 능동적으로 제거할 수 있는 적응필터(Adaptive Filter) 알고리즘을 적용하여 자동 보정 알고리즘을 구현하는 것이 좋다. 이를 위하여 자동 보정 장치, 자동 보정 소프트웨어, 유닛(Unit)의 부트 프로그램(Boot Program)은 동일하지만 응용 프로그램(Application Program)은 각 유닛의 기능에 따라 다르게 프로그래밍 되어야 한다. 또한, 디지털 신호처리와 신호의 선형화 기술이 적용되어야 한다.

또한, 원격 모니터링 프로그램의 구축으로 엔진 운전자가 손쉽게 배기밸브를 제어할 수 있도록 센서로부터 신호 처리된 정보를 실린더별로 실시간 디스플레이하여 그래프로 나타내는 것이 좋다. 사용자 인터페이스로 운전자가 손쉽게 설정을 조정하고 데이터를 필요에 따라 여러 형태로 구현하여 참조 가능하도록 하고, 엔진 제어 룸에서 감시 및 제어가 가능한 PC용 원격 모니터링 소프트웨어가 포함된다. PC용 원격 모니터링 소프트웨어는 메인 윈도우, 통신 설정 윈도우, 패킷(Packet) 추출 프로그램, 통신 디버그(Debug) 윈도우, 스크립트(Script) 수행 프로그램 등이 포함된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1: 금속도체 2: 타깃 3: 헤드코일 4: 고주파 발진회로 10: 인덕티브 센서 11: 발진부 12: 검출부 13: 바이어스부 14: 필터부 15: 증폭부 16: 전압/전류변환부 20: 조인트 박스 30: 원격 모니터링 시스템 40: 무정전 전원장치 50: 파워서플라이

Claims (12)

1. 엔진의 복수 배기밸브 일측에 각각 설치되어 배기밸브의 개폐여부를 감지하는 인덕티브 센서;
   상기 복수의 인덕티브 센서와 전선으로 연결되어 인덕티브 센서에서 감지된 신호를 처리하는 조인트 박스, 및
   상기 조인트 박스에서 수신된 인덕티브 센서의 감지신호로 엔진의 유압실린더 유닛의 연료펌프 동작 결과를 피드백 하여 연료의 주입 여부를 결정하고 감시하는 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템을 포함하여 이루어진 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 조인트 박스 및 엔진 제어용 원격 모니터링 시스템의 작동에 필요한 전원을 공급하는 파워서플라이, 및 상기 파워서플라이와 병렬로 연결되어 파워서플라이에서 전원이 공급되지 않을 때에 구동전원을 공급하는 무정전 전원장치(UPS)를 더 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인덕티브 센서에 장착되어 일정 거리에 위치된 배기밸브에서 발생하는 와전류를 감지하는 발진부와,
   상기 발진부에서 인덕터와 피 측정물 사이의 거리 변화에 따라 변하는 사인파 신호를 발생하는 검출부와,
   상기 검출부에서 검출된 신호로부터 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 발진부의 출력을 정류 및 필터링하여 OP-AMP의 차동증폭기를 통과시켜 발진부 신호의 크기에 대하여 능동적으로 동작하도록 바이어스전압을 가하는 바이어스부와,
   상기 검출부에서 검출된 리플신호를 거리에 대한 전압신호로 변환하는 필터부와,
   상기 필터부에서 입력된 신호를 가변저항을 이용하여 출력전류의 오프셋을 조절하는 증폭부, 및
   상기 증폭부에서 입력된 전압신호를 전류신호로 변환하여 출력하는 전압/전류변환부를 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 발진부에는 유도코일이 포함되고, 유도코일의 권선 회수에 따라 0.5~7.5mm 내외의 거리를 감지하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
5. 청구항 3에 있어서, 상기 발진부는 공진회로에 저장된 에너지의 일부를 증폭한 후에 다시 공진회로에 공급하는 LC공진을 이용한 정현파 발진회로를 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
6. 청구항 3에 있어서, 상기 발진부는 OP-AMP의 비반전 증폭기를 사용하여 신호를 궤환시키는 피드백 회로를 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
7. 청구항 3에 있어서, 상기 발진부는 NPN트랜지스터 및 PNP트랜지스터 공통 에미터 회로를 사용하여 위상을 지연시키는 회로를 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
8. 청구항 3에 있어서, 상기 발진부는 하틀레이 발진기, 콜피츠 발진기 또는 동조형 발진기 중 어느 하나가 적용된 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
9. 청구항 3에 있어서, 상기 검출부는 거리에 따른 전압신호를 출력하는 양파정류회로를 포함하는 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
   
10. 청구항 3에 있어서, 상기 필터부는 RC필터회로가 적용된 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
    
11. 청구항 3에 있어서, 상기 전압/전류변환부에서 출력되는 전압은 1~5V 내외이고 변환되는 전류는 4~20mA 내외인 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.
    
12. 청구항 1에 있어서, 상기 인덕티브 센서의 작동범위는 250bar 내외의 압력에서 150~200℃ 내외인 선박용 연료펌프 플런저 및 배기밸브 제어 시스템.

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