1. 서 론
본 논문은 PE 파이프(polyethylene pipe)와 전도성 플라스틱 발열체가 내장된 이음부속을 접합할 수 있는 새로운 장치인 “전도성 플라스틱 발열체 이음관용 융착기”를 개발 하는데 목적을 둔다. 플라스틱 이음은 크게 기계적 결합 (mechanical joining), 접착제 이음(adhesive bonding), 융착 (welding)으로 분류 된다[1][2]. 이 중 융착은 ISO 472[3]에 기술되어 있는 바와 같이, 일반적으로 열에 의해 연화된 재질의 면을 접합하는 것이며, 본 연구에서 개발된 융착기의 접합방식인 전기융착 또한 이 범주에 속한다.
PE 파이프와 이음부속(fitting)은 열융착이나 기계식 체결에 의해 서로 연결된다. 열융착에는 Butt, Saddle, Socket 융착과 같은 전통적인 방식이 있다. 이 방식은 가열 도구로 PE 파이프와 이음부속의 계면을 녹여야 하므로 절차가 복잡하고 시공이 불편하다. 기계식 체결은 시공이 상대적으로 간편하고 저렴하지만 기밀성과 내구성이 낮아 가스배관용으로는 사용하지 못 하였다. 이에 반하여 전용 이음부속의 내장된 코일에 전류를 흘리면 코일로부터 발생된 열이 전도성 고분자에 의해 전달되어 융착되는 전기융착 방식은[4][5] 기밀성이 뛰어나지만 전용 이음부속의 가격이 비싸 가스 배관용 외에 일반적인 용도로 사용하지 못 하였다.
최근에는 기존 전기융착 방식의 한계를 극복하기 위해, 전기융착의 기밀성과 내구성을 유지하면서 시공은 간편하고 비용은 기계식 체결과 동등한 수준인 신개념의 전기융착법이 개발되었다[6][7][8][9]. 이 융착법은 고분자 소재에 도전성 카본블랙(carbon black)을 혼합한 전도성 플라스틱(이하탄소발열체)이 내장된 이음부속에 전류를 흘려 이음부속과 PE 파이프의 계면을 용융시켜 접합하는 방식이다. 여기서 전도성플라스틱은 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소 발열체로써, 종래의 전기융착에서의 코일 역할을 대신한다.
탄소발열체의 형상은 이음부속 구경에 의해 결정되므로, 이음부속 구경에 따라 발열체의 전기·물리적 특성 또한 달라진다. 그러므로 이음부속 구경에 부합되지 않는 전력량을 공급하면 과소융착 혹은 과융착이 되어 원하는 수준의 밀봉이 되지 않는다. 또한 동일한 구경의 이음부속이라도 외기 온도(특히 계절에 따른 온도 차)나 시료간의 편차 때문에 동일한 형태의 전력을 공급해도 균일한 융착 정도를 보장할수 없다. 따라서 개발된 탄소발열체 이음부속을 이용한 전기융착법을 배관현장에 적용하기 위해서는 탄소발열체의 현장 특성에 맞는 지능형 융착기의 개발이 요구되었다. 뿐만 아니라, 배관 현장에서는 다양한 구경의 이음부속을 사용하기도 하는데, 이 경우 작업자가 바코드 리더나 수동으로 이음관의 구경을 융착기에 입력하는 것이 일반적이다. 이 또한 제어장치의 원가상승이나 작업자의 정보입력 오류나 입력에 따른 융착 불량 등의 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 탄소발열체의 형상 및 외기온도에 따른 저항곡선의 차이를 이용하여 이음관의 구경을 자동으로 인식하며, 저항곡선에서 특징점을 인식하여 적절한 전력을 공급하는 지능형 융착전력 제어 알고리즘을 제안한다.
다음 장에서는 새로 개발된 융착기에 대한 세부설명에 앞서 신 개념의 이음부속과 전기융착법의 이해를 돕기 위해 탄소발열체의 저항특성과 전기융착에 대해 기술한다. 또한 제안한 구경 자동인식 알고리즘과 융착전력 제어 알고리즘에 관한 설명은 3장에서 상세히 다룬다. 제시한 제어기의 성능시험 결과는 4장에서 논의되며, 마지막 장에서는 이 연구의 결론을 내린다.
2. 탄소발열체를 이용한 새로운 전기융착법
본 논문에서 다루는 신 개념의 전기융착은 이음부속에 탄소발열체를 내장시킨 후, 이 발열체에 연결된 전극에 전류를 흘려 탄소발열체에서 발생하는 열로 모재의 경계면을 용융 시키는 방법이다. 이 장에서는 이음부속의 구조와 융착법, 그리고 탄소발열체의 저항특성 변화에 대하여 알아보았다.
2.1 탄소발열체 이음부속의 전기융착
소켓 조립형 이음부속은 그림 1과 같이 발열체(heater)와 소켓(socket), 이음부속 마개(cap), 그리고 전극(terminal)으로 구성된다. 이음부속에 PE 파이프를 집어넣고 캡을 돌려 잠그면 소켓과 캡 사이의 나사산에 의해 이음부속과 PE 파이프는 기구적으로 체결된다. 이후에 전극 양단(terminal A, A’)에 전압을 인가하여 일정시간 전류를 흘려주면, 발열체에서 발생하는 열의 의해 PE 파이프 외면과 소켓의 내면이 용융된다. 그리고 전압을 차단하면 PE 파이프와 소켓은 차츰 냉각되어 PE 파이프와 이음부속이 융착 된다.
그림 1전기융착용 이음부속의 모식도 Fig. 1 Mimetic diagram of an electrofusion fitting
융착이 진행되는 동안 용융을 위한 온도, 용융 부위에 가하는 압력, 용융에 소요되는 시간은 융착 결과에 중요한 영향을 미친다. 앞서 설명한 융착 과정에서 압력은 이음부속 마개의 잠김으로 인해 탄소발열체의 용융에 따른 팽창율에 의해 결정되므로, 융착 정도를 판단할 수 있는 핵심 요소는 발열체의 온도, 용융시간이다. 제안하는 융착기는 발열체의 온도와 용융시간을 실시간으로 제어해 원하는 융착 결과를 이끌어 낸다. 발열체의 온도를 제어할 때 융착기는 생산성 향상을 위하여 융착전력 제어 알고리즘을 이용해 가능한 짧은 동안 융착 과정을 완료해 배관의 작업시간을 줄인다.
그림 2는 본 연구에 이용된 16 mm 규격의 이음부속의 실물이다. (a)는 발열체로써 전류를 흘릴 수 있도록 철심으로 만든 2개의 단자가 연결되어 있다. (b)는 소켓이며 (c)는 PE 파이프와 소켓이 결합된 모습이다. (d)는 이음부속과 PE파이프가 전기융착된 후 이음부속의 종단면이다.
그림 2전기융착용 이음부속과 PE 파이프의 사진 Fig. 2 Photographs of an electrofusion fitting and a PE pipe
2.2 탄소발열체의 저항특성
탄소발열체로 사용된 전도성 플라스틱은 고분자 소재에 카본블랙을 전도성 필러로써 과량 첨가하여 전기전도도를 높인 것이다[8][9].
그림 3탄소발열체의 저항곡선 Fig. 3 Resistance curve of a heating element
그림 3은 이음부속에 전류를 흘릴 때 나타나는 시간에 대한 탄소발열체의 전기저항곡선이다. 전류가 흐르기 시작하면 저항값은 감소하다가 기저저항(Rb)이 나타나는 기저시간(Tb)를 기점으로 급격히 증가하기 시작한다. 이후에 탄소발열체의 발열온도가 올라가면서 저항값은 급격히 감소하다 일정 시점부터 완만한 감소 추세를 보인다. 이 곡선에서 가장 큰 저항값을 피크저항(Rp)이라 하고 이 시점을 피크시간 (Tp)이라 한다. 피크저항의 특정 비율(융착 정도를 결정하는 요인중에 하나로 이음부속의 재질이나 구경에 따라 다름)이되는 저항값을 진입저항(Re)이라 하고 이 시점을 진입시간 (Te)라 한다. Re는 Rp의 60%으로 설정하였다. 인식구간 (Pbp)은 이음부속의 구경을 인식하는 구간이고, 기울기(S)는 기울기 측정시간(Ts) 동안 저항값의 변화량이다. 전기융착이 진행되는 전체 시간을 전체 융착 시간(Tt)라 한다.
이와 같은 특징점들은 재료의 형상이나 외기 온도에 따라 변하게 되는데, 외기온도가 낮으면 피크시간이 길어진다. 또한 탄소발열체의 구경이 커지면 발열체의 용융시간도 길어 지며, 이로 인해 저항값 변화의 기울기 또한 완만해 진다. 이에 대한 세부 논의는 다음 장에서 다룬다.
3. 탄소발열체 이음부속용 융착기
제안하는 융착기는 점호각 제어방식의 전력제어를 포함하여 융착의 전체 과정을 수행하는 제어시스템으로, 그림 4와 같이 마이크로컨트롤러 기반의 전기융착 회로로써 교류 구 동부, 전류 센서(CT Sensor), 전력 측정 IC, 션트 저항 등으로 구성된다. 여기서 마이크로 컨트롤러는 ATMEL社의 ATMEGA1280이며 전력측정 IC는 Analog Device社의 ADE7763를 이용하였다.
그림 4마이크로컨트롤러 기반의 전기 융착기 회로의 블록 다이어그램 Fig. 4 Block diagram of the microcontroller based electrofusion control box circuit
교류 구동부는 TRIAC을 구동하며 목표 전압에 따라 생성되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 의해 점호각 제어 방식으로 이음부속(load)에 목표 전압을 인가한다. 전력 측정 IC는 전류센서의 출력전압을 통해 이음부속에 흐르는 전류를 측정하고, 션트저항을 이용해 신호 레벨을 낮춘 전압파형으로부터 전압과 제로크로싱(zero-crossing)을 검출한다. 마이크로컨트롤러는 제어기로써 전력제어를 포함한 전체 융착 과정을 컴퓨터 없이 단독으로 제어한다. 그림 5는 전기융착 제어기와 이음부속이 리드선(lead wire)으로 연결되어 융착을 위한 준비 상태의 그림이다.
그림 5전기융착 제어기와 리드선, 그리고 이음부속 Fig. 5 Electrofusion control box and leads with clamps and fittings
3.1 점호각 제어 방식의 전력제어
전력제어는 TRIAC을 이용한 단상 펄스 폭 변조 점호각 제어 방식을 이용한다. 이 방식은 인버터 방식에 비해 정밀한 출력을 얻을 수 없지만 15A 이상의 전류를 제어함에도 회로가 간단하여 휴대가 가능한 소형의 융착기를 낮은 원가에 제작할 수 있는 장점이 있다.
그림 6제안된 점호각 제어기 기반의 융착기의 전력 공급에 대한 제어 블록 다이어그램 Fig. 6 Control block diagram of proposed electrofusion welding machine’s power supply, based on the firing angle controller
그림 6은 융착기의 전력제어 장치의 구조로 TRIAC 구동부, TRIAC, 스너버 회로, 점호각 제어기, PID 전력 제어기로 구성되었다. TRIAC 구동부는 Opto-isolator가 내장되어 직류 로직부와 교류 구동부를 전기적으로 절연하면서 TRIAC을 구동한다. PID 전력 제어기는 매 순간(t)의 출력 전압과 전류로부터 출력전력과 전기저항을 계산하고, PID 전력 제어기에 의해 계산된 지령 전력치를 이용해 다음 시점(t+1)의 출력 전압을 계산한다. 출력 전압이 결정되면 그림 7과 같이 점호각 제어기는 제로크로싱을 이용해 위상을 동기화하여 출력 전압을 펄스형태로 변환하여 TRIAC 구동 부에 입력한다. 이때 교류전류는 점호각 제어에 따라 TRIAC을 통해 이음부속의 탄소발열체에 흐른다.
그림 7점호각 제어기의 전압파형 Fig. 7 Voltage waveform of the firing angle controller
3.2 룩업테이블 기반의 구경 자동인식 알고리즘
이음부속에 인가되는 전력, 외기온도, 압력이 동일하다면 탄소발열체의 저항곡선은 탄소발열체의 양에 의해 주로 결정된다. 이음부속의 구경에 따라 탄소발열체의 양이 달라지며 저항곡선도 달라진다. 따라서 이음부속의 구경은 탄소발 열체의 저항곡선의 특성 차이를 이용해 구분할 수 있다.
그림 8이음부속 구경에 따른 발열체의 전기저항 특성 비교 (20℃) Fig. 8 Comparison of the electrical resistance characteristics of the heater according to the diameter of the electrofusion fitting (at 20 ℃)
그림 8은 외기온도 20 ℃에서 16 mm, 20 mm 구경의 이음부속 시료 4개씩을 각각 융착할 때 나타는 저항곡선이다. 기울기 S는 16 mm와 20 mm끼리는 확연히 구별되며, 같은 구경끼리는 비슷한 값을 나타낸다. 또한 Tb에서 Tp까지의 구간인 인식구간 Pbp도 16 mm와 20 mm 끼리 확연히 구별되며, 같은 구경끼리는 비슷한 값을 나타낸다. 이 결과를 바탕으로 이음부속 구경의 자동인식은 탄소발열체의 저항곡선에서 기울기 S와 인식구간 Pbp를 이용한다. 기울기 S는 구경 종류를 최초로 인식하는데 이용되고, 인식구간 Pbp는 인식된 구경이 맞는지 2차 검증하는데 이용된다. 기울기 S의 이점은 조기에 구경 인식이 가능하여 구경에 따라 필요한 전력을 이른 시점에 공급할 수 있어 융착 시간을 단축 할 수 있다는 것이다. 기울기 S를 이용해 이미 구경을 인식했음에도 인식구간 Pbp로 재차 확인 하는 것은 이음부속 불량, 온도와 압력과 같은 외부요인에 의한 오인식을 검출하기 위함이다.
표 1기울기 S와 인식구간 Pbp 룩업테이블 Table 1 Lookup table of the slope S and the period Pbp
이음부속의 구경을 자동 인식하는 과정은 Ts 끝나는 시점에 계산된 기울기 S로 룩업테이블에서 구경을 검색하고, Tp 시점에 계산된 인식구간 Pbp가 정상 범위내인지 룩업테이블에서 확인한다. 이때 인식구간 Pbp가 정상 범위가 아니라면 융착기는 융착을 중단한다. 룩업테이블은 사전실험을 통해 외기온도 20°C를 기준으로 상한과 하한을 구했으며 결과는 표 1과 같다.
3.3 융착전력 제어 알고리즘
동일한 구경의 이음부속이라도 탄소발열체 양의 편차, 접촉저항, 외기온도, 이음마개 압력 등에 따라 저항곡선은 영향을 받는다. 따라서 획일적으로 시간에 의해서만 이음부속에 공급되는 전력의 입력을 제어하면 균일한 융착 정도를 보장할 수 없다. 더욱이 짧은 시간 내에 융착이 완료되면 더욱 그렇다. 이를 개선하기 위해 저항곡선에서 Rb, Rp, Re과 같은 특징점을 이용해 융착기의 융착전력을 5단계로 분류하여 제어하는 알고리즘을 제안한다. 각 제어단계마다 이음부속 구경에 따라 설정된 전력량을 이음부속에 공급하며 각 단계의 세부내용은 그림 9를 기준으로 다음과 같이 정리하였다.
그림 9제안된 전력 제어 단계 Fig. 9 Proposed power control step
초기화 단계(T0)는 융착을 위한 준비 작업으로 시스템을 초기화하고 자기점검을 실시한다. 초기화는 융착기의 입력 전원으로 사용되는 교류전원의 주파수와 전압을 측정해 저장하고 각종 제어변수를 초기화하는 것이다. 자기점검은 P0 전력을 이음부속에 인가해 이음부속의 전기저항을 측정함으로 이음부속이 시스템에 전기적으로 잘 연결되었는지 확인 하는 과정이다. 예열 단계(T1)에서는 P0에서 P1 전력까지 램프형태로 공급전력을 끌어 올린다. 인식 단계(T2)에 들어서면 P1 전력을 인가하고, 이 동안 “구경 자동인식 알고리즘“을 수행한다. 가열 단계(T3)는 이음부속 구경에 따라 본격적으로 이음부속에 전력공급이 이뤄지는 구간으로 저항값 이 Re가 되는 Te까지 진행된다. 보온단계(T4)는 T3가 끝나는 시점부터 Tt까지 이음부속 구경에 따라 설정된 P3 전력을 공급하는 과정이다. 이때 P2 전력에서 P3 전력에 이를때까지 램프형태로 출력전력을 낮추고 P3 전력에 이르면 그 전력을 유지한다.
4. 성능시험
본 장에서는 개발된 융착기의 성능을 평가한다. 3장에서 제안한 기울기 S와 인식구간 Pbp 룩업테이블 기반의 이음 부속 구경의 자동인식 알고리즘을 시험한다. 융착기가 탄소발열체의 저항곡선의 특징점을 이용해 융착전력 제어단계를 제대로 수행하는지 시험하고 융착 결과를 평가한다.
4.1 이음부속의 구경 자동인식 시험
이 시험은 20 °C 챔버 안에서 개발된 융착기로 16 mm와 20 mm 규격의 이음부속과 PE 파이프를 융착하면서 기울기S와 인식구간 Pbp를 측정한다. 표 2는 시료 4개에 대한 각각의 기울기 S와 인식구간 Pbp, 그리고 자동인식(AR) 결과 값이다. 측정된 기울기 S와 인식구간 Pbp 값은 룩업테이블 기준으로 정상 수치이며, 제안한 이음부속 구경의 자동인식이 성공적으로 수행되었음을 나타낸다.
표 2이음부속 구경의 자동인식 시험결과 Table 2 Test results of the automatic recognition of the electrofusion fitting diameter
4.2 융착전력 제어 시험과 융착 박리 시험
이 시험은 전력, 저항, 전압, 전류 값을 측정하여 융착전력 제어성능을 시험하고 외관검사를 포함한 융착 박리 시험을 통해 융착 결과를 평가한다. 그림 10은 융착기로 이음부속과 PE 파이프를 융착할 때 측정되는 전력, 저항, 전압, 전류 그래프이고 전압, 전류 그래프는 전력 축을 기준으로 하며 배율을 곱해서 표시했다. (a)는 16 mm 구경의 이음부속시료의 융착 그래프이고, (b)는 20 mm 구경의 이음부속 시료의 융착 그래프이다. 그림 10(a), 림 10(b)의 그래프를 보면 융착기는 T0 단계에서는 P0 전력을 공급하고 T1 단계에서는 P1 전력까지 단계적으로 전력을 올려 공급하였다.
T2 단계에서는 이음부속 구경을 자동으로 인식하였다. 이음부속 구경 인식 이후에 T3 단계에서는 이음부속 구경에 맞게 16 mm 에는 220 W를 20mm 에는 250 W의 P2 전력이 공급되었다. 저항값이 Re가 되는 시점부터 T4 단계로 진입하여 P3 전력을 공급하고 융착은 종료되었다. 이 융착 그래프는 저항곡선의 특성을 이용하여 융착전력 제어가 정상 적으로 수행됨을 나타낸다.
그림 10전기융착 하는 동안 측정 결과 Fig. 10 Measured results during the electrofusion joining process
표 3이음부속의 전기융착의 시험결과 Table 3 Test results of the electrofusion joining process for electrofusion fittings
표 3은 16 mm와 20 mm 구경의 각 시료에 대해 기저저항 Rb, 피크저항 Rp, 융착전력 제어 과정(Proc), 박리시험을 포함한 융착결과(Weld)를 정리한 것으로, 8개 시료 모두가 정상 융착 되었음을 나타낸다.
그림 11과 같이 융착이 완료된 이음부속을 절단하여 횡단면을 확인하는 외관검사를 수행하였고, 그 결과 4개 시료 모두 이음부속 내면과 PE 파이프의 외면의 경계면이 틈 없이 밀봉되어 균일한 융착 정도를 보였다. 외관검사가 끝난 시료에 대해서는 ISO 13955[10] 기준에 의해 융착 박리 시험을 진행하였고, 4개 시료 모두 시험을 통과하였다.
이 박리 시험은 융착된 이음부속을 절단한 후 PE 파이프의 길이 방향으로 쪼갠 시편을 만들어, 이 시편을 바이트를 이용해 내면이 맞닿을 때까지 압축시킬 때 계면이 분리되는 길이가 발열체의 길이의 1/3 이하이면 통과이다. 이 결과로 16 mm, 20 mm 구경의 이음부속에 대해서 개발된 융착기의 융착 성능이 입증되었다.
그림 11전기융착 후 이음부속의 단면 사진 Fig. 11 Photograph of a cross section of the electrofusion fittings after the electrofusion joining process
5. 결 론
본 논문에서는 탄소발열체가 내장된 이음부속을 이음하는 융착기를 제안하였다. 제시된 융착기의 개발에 필요한 탄소발열체의 저항특성, 이음부속의 전기융착에 대해 기술하였고, 점호각 제어방식의 전력제어를 포함한 제어 시스템을 구성하여 실제 융착이 가능한 장치를 개발하였다. 탄소발열체의 저항곡선에서 기울기 S와 인식구간 Pbp 특성을 이용한 이음부속 구경의 자동 인식 알고리즘을 제안하였고, 저항곡선의 특징점을 실시간으로 인식해 융착기의 전력을 제어함으로 균일한 융착 정도를 얻는 알고리즘을 제안하였다. 시험을 통하여 제시된 융착기의 성능이 확인되었고 탄소발열체 이음부속용 융착기가 배관현장에 적용 가능함을 보여주었다.
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