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Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 <연재>매스플로우 천일야화(74)

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작성자 댓글 0건 조회 2,015회 작성일 22-05-09 11:20

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그림 1. 



서론

이번 회에는 초심으로 돌아가 이 연재의 부재인 “질량 유량계의 기초”와 그 산업계에서의 새로운 애플리케이션을 소개하고자 한다. 질량 유량계와 체적 유량계의 차이는 이미 몇 번이나 설명한 적이 있다. <그림 1>과 같이 질량 유량이란 어떤 지점을 통과하는 유체의 양을 “질량”으로 나타낸 것이며, 체적 유량이란 어떤 지점을 통과하는 유체의 양을 “체적”으로 나타낸 것이다. 따라서 둘의 차이는 어디까지나 흐름의 양을 어떤 구분으로 표현하는가 하는 관점의 차이이다. 질량 유량이 체적 유량보다 더 유리한 점은 모든 측정 및 계측 상태에서 불변의 단위인 질량을 이용한다는 점이다. (따라서 “중량”이 아닌 “질량”) 이에 비해 체적 유량은 ‘어떤 질량을 가진 기체의 체적 [V]는 절대 압력 [P]에 반비례하며 절대 온도 [T]에 비례한다.’라는 보일-샤를의 법칙 따라 온도 및 압력이라는 요소로 표준 상태를 정의해야 한다. 이것을 측정된 값(유동 유량)을 통해 보고 표현한 것이 계장 용어에서 사용되는 “온도 보정”이다. 온도 및 압력을 잘못 운용하면 큰 오차가 생겨버리기 때문에 주의가 필요하다. 이러한 관점에서 질량 유량계의 우위가 크다는 것을 알 수 있다.



완전한 질량 유량계 = 코리올리식 유량계

필자는 질량 유량계로 분류되는 열식 유량계와 코리올리식 유량계에는 그 자질에 큰 차이가 있음을 이미 몇 차례 설명하였다. 하지만 코리올리식은 그 역사가 짧은 가장 새로운 유량계이다. 이 때문인지 필자가 이 연재를 시작했던 무렵만 해도 코리올리식에 관해서는 이름이 알려져 있어도 아직 그 동작 원리는 말할 것도 없고, 열식과의 차이까지 알고 있는 사람은 매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)와 매스플로우 미터(이하 MFM)에 종사하는 사람 중에서조차 적었다. 사용자와 이야기를 해보면 ‘코리올리식 유량계는 지구의 자전력을 이용하여 측정하는 유량계이기 때문에 극점에서는 동작하지 않는다. 설치된 장소의 경도에 영향을 받기 때문에 다루기가 어렵다.’ 하며 정색을 할 정도였다. 이것은 놀라울 정도의 오해이지만 어쩌면 ‘코리올리력’을 설명할 때 비유적으로 “북반구에서 적도 방향을 향해 자오선 방향으로 포탄을 쏘면 발사된 포탄은 사수의 관점에서 오른쪽으로 꺾인다.”라는 예를 드는데, 이것을 잘못 이해한 사람들이 퍼뜨린 이야기이다. 이 이야기에서는 다른 여러 요소를 무시한 경우 지구의 자전이 미치는 영향으로 인해 원래 직진하는 포탄이 꺾이는 것처럼 보이는 힘을 코리올리력이라고 분명히 설명한다. 코리올리식 유량계는 이것을 유량 센서로 재현한 것이며, 지구의 자전을 측정에 이용하는 것은 아니다. 지구의 자전을 센서 튜브의 진동으로 재현하였다고 이해하는 게 맞을 것이다. 


<그림 2>는 이미 잘 알려진 열식 유량계와 코리올리식 유량계의 원리이다. 열식은 유체가 뺏은 열량을 통해 유량을 구한다. 이에 비해 코리올리식은 유체가 흐르면 그 유량에 따라 코리올리력이 작용하고 진동하는 두 개의 튜브에 위상차가 발생하여 비틀림이 생기는 점에 착안하였다. 유체가 진입하는 쪽의 왼쪽에서는 코리올리력이 모두 2개의 튜브 안쪽에 작용하고 유체가 나오는 오른쪽은 유체의 방향이 180도 변하기 때문에 이번에는 바깥쪽으로 작용한다. 여기서 유체가 흘렀을 때의 위상차를 측정하면 코리올리력, 즉 질량 유량을 산출할 수 있으며 실제로 이것을 실시간으로 측정하기 어렵기 때문에 좌우의 튜브가 진동의 중위점(꼬임각=0 위치)을 기준점으로 삼아 이곳을 통과하는 시간차 Δt를 위상차로 측정하는 경우가 많다. 코리올리식 유량계에는 튜브를 진동시키는 발진기(진동 회로)와 좌우 꼬임을 검출하는 픽업기(검출 회로)가 배치되어 있는 것이 일반적이다. U자관은 한 개로 구성된 것도 있지만 코리올리력이 약한 측정 범위에서는 SN 비가 악화되어 버리기 때문에 2개의 튜브 타입이 개발되었다고 한다. 유동식에 있듯이 코리올리식 유량계의 측정 원리에는 열식 유량계의 비열과 같은 유체의 물성에 관한 것이 전혀 포함되어 있지 않다. 이것은 코리올리식은 유체를 선택하지 않는다는 것을 의미하며, 코리올리식 유량계의 특기할만한 중요한 사항이다. 분명히 이러한 점에서 코리올리식이야말로 완전한 질량 유량계이며 이상적인 존재에 가깝다는 것이 필자의 생각이다.


하지만 코리올리식이 완전무결하다고는 할 수 없다. 튜브의 스프링 상수 Ks를 좌우하는 요소로 온도가 거론되기 때문이다. 이 때문에 코리올리식은 센서 튜브의 온도 조건을 모니터링하여 온도를 보상시킬 필요가 있다. 이것은 그대로 코리올리식의 약점을 보여주고 있으며 온도 보상이 따라갈 수 없는 급격한 온도 변동이 생기는 환경에서는 사용하기가 어렵다. 또한, 튜브를 진동시키는 방식이기 때문에 외부에서 들어오는 진동에는 약하다. 열식의 약점이 열이라는 것과 마찬가지로 진동을 이용하는 코리올리식의 약점은 동일하게 진동이다. 이 때문에 코리올리식 유량계는 크기가 커지고 자중이 무겁거나 중금속 덩어리로 구성된 제진 선반과 흡진재를 필요로 하는 경우가 많다. 또한, 같은 의미에서 간헐적 맥동 상태로 공급되는 액체에도 약해진다. 그리고 가장 큰 약점은 약한 코리올리력의 질량이 작은 유체 측정이다. 저압으로 공급되는 기체와 미소 질량 액체에는 사용할 수 없었지만, 최근에는 브롱코스트(BronkhorstHigh-Tech B.V.)가 개발한 mini CORI-FLOW 시리즈 ML120V00 시리즈에서 액체로 풀스케일 유량 200g/h(질소 가스에서의 체적 유량 환산으로 풀스케일 2.66In/min), 턴다운 비 1:4,000으로 최소 측정 유량 0.05g/h를 실현하였다. 이것은 코리올리 유량 센서 튜브를 스테인리스 세관으로 구성하는 데 있어서의 최소 유량이라 할 수 있을 것이다. 사용된 센서 튜브 내경은 0.25㎜이며, 이보다 더 가느다란 스테인리스 튜브를 코리올리식의 독자적인 형상으로 구부려 가공하여 탑재하고 외란의 영향을 억제하여 사용할 수는 없다고 생각할 수 있다. 브롱코스트도 이것을 자각한 것일까? 스테인리스 세관을 제거하여 MEMS 코리올리식 유량 센서를 개발하여 BL100 시리즈에 탑재했다. 이 새로운 MEMS 센서를 탑재한 코리올리식 매스플로우는 더욱 더 미소 유량 영역으로 뛰어들어 질량 유량계의 최소 풀스케일을 2g/h로 설정하고 최소 측정 유량 0.01g/h의 가스 및 액체 측정 및 제어를 달성하였다.


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그림 2. 


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사진 1. mini CORI-FLOW 시리즈 ML120V00
 


식품 업계에서의 질량 유량계의 애플리케이션

얼마 전 브롱코스트의 네덜란드 본사 주최로 무료 웨비나 ‘식품 업계에서의 유량 계측과 제어’가 개최되었다. 아래에 소개하는 내용은 이 웨비나에서의 내용이다. 놀랍게도 EU를 중심으로 식품 제조 공정에서 질량 유량계, 특히 코리올리식을 이용하는 유량 측정 및 계측, 그리고 제어가 점차 채용되고 있다. 이것은 코리올리식이 미소 유량을 지원할 수 있게 되었다는 점과 깊은 관련이 있다. 지금까지의 코리올리식에서는 유량 범위가 너무 넓기 때문에 제품 수준으로 사용하려면 큰 유량 범위에서 한번 측정한 다음 이것을 분류하는 번거로운 방법을 이용했었다. 여기에서는 잘 알려진 식품 제조 라인에서의 애플리케이션 3가지를 소개하도록 한다.


(1) 사탕

사탕이나 젤리 등을 제조할 때 질량 유량계가 사용된다는 이야기를 들으면 놀라는 독자분들도 계실 것이다. 인라인에서 제조할 때 맛이나 향료, 기타 첨가물의 정확한 첨가량을 제어하기 위해서 사용한다. 첨가제 도우징 시에는 낭비되는 경우가 없도록 높은 정밀도의 안정적인 유량 제어가 필요하다. 여기에서는 그림 3과 같이 PLC로부터 유량 지시를 전송하고, 이를 수신한 코리올리식 매스플로우 미터가 내장된 PID 컨트롤러를 통해 직접적으로 액체 주입 펌프의 회전수를 제어하고 이와 동시에 뛰어난 제품에 대한 연속된 공급을 실현하기 위해 PLC를 통해 폐지 밸브의 개폐도 제어하고 있다. 이를 통해 예전에는 로드셀 등으로 투입한 결과를 무게로 측정했던 것을 흘려보내면서 질량 단위로 관리할 수 있다. 펌프 측도 단순한 회전수 제어가 아니라 현재 흐르고 있는 질량 유량에 맞춘 섬세한 회전수 관리가 더해짐으로써 환경 요인에 영향을 받지 않는 공급이 가능해지는 것이다. 물론 펌프의 경시변화를 동반하는 토출 유량 열화에 대하여 MFM으로부터의 유량 신호와의 비교 제어를 통해 적절하게 보정되기 때문에 결과적으로 환경 변화와 경시 변화의 영향을 거의 받지 않는 도우징 시스템을 구축할 수 있는 것이다. 물론 메인 재료 라인의 증감에 맞추어 첨가제 라인의 유량도 변동시켜 혼합 비율을 일정하게 유지하는 마스터 슬레이브 운전에서의 제어에 대한 확장도 가능하다. 코리올리식을 채용했기 때문에 첨가재 자체의 전환에도 신속하게 대응할 수 있다.


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사진 2. Bronkhorst Dosing Unit 


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그림 3. 
 

..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 5월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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