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연재 매스플로우 천일야화(80)

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작성자 댓글 0건 조회 1,944회 작성일 22-11-09 14:33

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사진 1. 코리올리식 MFM +펌프 시스템 



서론

이번 회에는 질량 유량계인 매스플로우미터(이하, MFM)와 매스플로우 컨트롤러(이하, MFC, MFM나 MFC의 총칭으로 매스플로우라 함) 중에서도 코리올리식 매스플로우의 애플리케이션에 관하여 설명하도록 한다. 지속가능사회에서 코리올리식 매스플로우의 애플리케이션이 크게 확대되었다. 중요한 주제는 코로나 19 백신 제조 라인에서의 코리올리식 매스플로우(Bronkhorst High-Tech. B.V. 일본법인 브롱호스트 재팬㈜)의 mini CORI-FLOW 시리즈의 채용일 것이다. 전례 없는 바이러스 피해에 획기적인 백신을 개발해 단기간에 양산하고 세계 각지에 공급하기 시작한 배경에 “코리올리식 매스플로우를 통한 유량 제어”라는 애플리케이션의 존재를 알고 있는 사람이 있을까? 인류 역사에 남을 위대한 위업의 일부를 코리올리식 매스플로우가 담당했다는 점은 유량계 업계에 종사하는 사람으로서 매우 자랑스러운 일이라고 생각한다. 여기에서는 “완전한 질량 유량계”라고 불리는 코리올리식의 측정 원리 및 특징에 관하여 다시 설명하고 이것을 통한 펌프의 회전수 제어라는 애플리케이션에 대한 도전에 관하여 이야기하려 한다.



유량을 측정한다는 것- 질량 유량계와 체적 유량계

「미소 유량을 정확하게 측정하는 일이 가지는 의의는 최신 프로세스의 재현성을 유지하기 위해 매우 중요하다」고 인식되기 시작한 것은 시시각각 미세화 및 다층화되는 반도체 제조 장치부터였으며, 온도 및 압력 변동의 영향을 거의 받지 않는 질량 유량계인 열식 MFC가 중요하게 사용된 지 거의 반세기가 다 되어 간다. 현 시점에서 질량 유량이라는 카테고리에 속하는 유량계로는 열식과 코리올리식 밖에 없다.


질량 유량이란 어떤 지점을 통과하는 유체의 양을 “질량”으로 나타낸 것이며, 체적 유량이란 어떤 지점을 통과하는 유체의 양을 “부피”로 나타낸 것이다. 따라서 두 유량계의 차이는 어디까지나 흐름의 양을 어떻게 구분하여 표현하는지의 관점 차이이다. 부피 유량보다 질량 유량이 유리한 점은 어떤 측정/계측 상태에서도 불변의 단위인 질량을 이용한다는 점이다.(고로, “중량”이 아닌 “질량”) 이에 비해 부피 유량은 보일 샤를의 법칙(어떤 질량을 가진 기체의 부피[V]는 절대압력[P]에 반비례하며 절대온도[T]에 비례한다)에 따라 온도 및 압력과 이것을 측정된 값(실제 유량)에서 보고 표현하며, 계장 용어에서 사용하는 “온압 보정”이다. 온도 및 압력을 잘못 운용하게 되면 큰 오차가 생겨버리므로 주의가 필요하다. 이 점에서 질량 유량계의 우위를 이해할 수 있을 것이다.


질량 유량계인 열식과 코리올리식인 유량식은 <그림 1>과 같다. 사실 여기에는 큰 차이가 있다. 열식은 유체가 빼앗는 열량을 통해 유량을 구한다. 따라서 열을 빼앗는 쪽인 유체의 물성인 비열이 그 유량식에 포함된다. 이것은 유체의 물성을 정확하게 파악되어 있지 않으면 질량 유량을 산출할 수 없다는 말이다. 이에 비해 코리올리식 유량식에는 이러한 유체 고유의 물성에 관한 것이 전혀 포함되어 있지 않다. 즉, 코리올리식은 유체 종류를 특정하여 그 물성을 확인하지 않아도 된다. 온도 압력 등의 환경 조건이 변하면서 유체의 물성이 변하더라도 영향을 받지 않으며, 여러 유체의 혼합 유체 혼합비가 명확하지 않거나 혼합비가 시시각각 변하는 상태더라도 질량 유량을 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 코리올리식 유량계가 특별히 주의해야 할 점이다. 필자도 그 특성 때문에 코리올리식이야말로 완전한 질량 유량계이며, 이상적인 유량계에 가까운 존재라고 생각한다.


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그림 1. 


코리올리식 유량계의 측정 원리 및 특징

코리올리식 유량계에 관한 지식을 갖고 있다는 사용자들에게 ‘코리올리식 유량계는 지구 자전의 힘을 이용하여 측정하는 유량계’라고 하는 놀라운 이야기를 몇 번이나 들은 적이 있다. 이 오해의 시작을 추측할 수 있다. 코리올리식 유량계를 설명할 때는 우선 「코리올리력」을 설명하는 요소로 표준 상태를 정의해야 한다. 


필자도 그 특성에 착안하여 코리올리식을 채택하였으며, 당시 「북반구 극에서 적도 방향의 경선 방향으로 대포를 쏘면 그 포탄은 사수가 봤을 때 오른쪽으로 휘어서 떨어진다. 이것은 지구 코리올리력이 작용하기 때문」이라고 말한 적이 있다. 지구는 비유하자면 요컨대, 회전계에서 중심으로부터 구슬을 원 방향으로 굴렸을 때 목표 방향과 실제 움직임 사이에 생기는 차이의 원인이 코리올리력이라는 설명이었다.(그림 2) 이것은 지구 자전의 영향이며, 그 외의 여러 요소를 무시한 경우, 원래 직진해야 할 포탄을 휘게 하는 외견상의 힘이 코리올리력이다. 코리올리력은 그 포탄의 무게와 속도, 그리고 지구의 자전각 속도를 통해 계산할 수 있다. 이 이야기가 곡해되어 「코리올리식 유량계는 그 측정 원리가 지구 자전인 유량계이다.」 「따라서 코리올리식 유량계는 코리올리력이 발생하지 않는 극점에서는 사용할 수 없다.」는 말도 안 되는 오해가 생기게 된 것이라고 필자는 추측하는 바이다.


지구 자전, 즉 회전계에 발생하는 코리올리력에 관한 설명은 코리올리식 유량계의 센서 튜브 세계에 비유하면 회전계를 진동계로, 포탄(구슬)을 센서 튜브를 흐르는 유체라고 생각하면 된다. 이 진동계에서 유체는 그 질량과 속도(질량 유량)에 따른 코리올리력을 발생시키는 것이다. 따라서 지구 자전은 이 세계에서는 코리올리 센서 튜브의 진동에 해당하며, 코리올리 유량계를 이용하는 일은 “지구 자전에 의해 발생하는 코리올리력” 그 자체가 아니라는 것을 알 수 있다. 앞서 언급한 대포라고 할지라도 실제로 사정 거리가 2,000m를 초과하는 경우에는 반드시 코리올리력을 추가하여 탄도 계산을 해야 한다. 코리올리식 유량계에서는 현재 세계 최소 센서 길이는 50cm이며, 게다가 복잡한 굽힘 가공이 되어 있기 때문에 실제 거리는 수 cm밖에 안 되는 세계에서는 지구 자전의 영향이 있다고 해도 무시할 수 있다.


코리올리력은 1835년 프랑스 물리학자 가스파를 구스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)가 발견한 회전 좌표계에서의 관성력 중 하나이다. 코리올리식 유량계의 유량 센서는 이 회전계에 발생하는 관성력으로서의 코리올리력을 유량 검출 원리로 한다. 이 센서에서는 배관계를 회전시키는 대신에 진동을 준다. 진동과 회전은 다른 운동인 것처럼 보이지만 <그림 3>과 같이 회전축에 대하여 수직인 방향에서 초점을 맞추면 사실은 같은 움직임을 보이는 운동이라는 것을 이해할 수 있다. 코리올리식 유량 센서는 회전계에 발생하는 관성력인 코리올리력을 파악할 목적으로 만들어진 가상 회전계라고 생각해도 될 것이다.


일반적인 코리올리식 유량계 구조는 2개의 U자형 튜브를 사용하며, 이들을 역위상으로 진동시킨다. 유체가 흐르면 질량 유량에 따른 코리올리력이 작용하며 진동하는 두 개의 튜브에는 위상차가 발생하며 비틀림이 생겨난다. 유체가 진입하는 쪽의 왼쪽에서는 코리올리력이 모두 두 개의 튜브 안쪽으로 움직이고 유체가 나오는 오른쪽은 유체 방향이 180도 바뀌어 바깥쪽으로 움직이기 때문이다.


여기서 유체가 흐를 때의 위상차를 측정하면 코리올리력, 더 나아가서는 유체의 질량 유량을 산출할 수 있지만, 실제로는 실시간 측정이 어렵기 때문에 좌우 튜브가 진동의 중립점(비틀림각=0 위치)을 기준점으로 하여 그곳을 통과하는 시간차 At를 위상차로 측정하는 경우가 많다. 코리올리식 유량계에는 일반적으로 튜브를 진동시키는 오실레이터(발진 회로)와 좌우 비틀림을 검출하는 픽업(검출 회로)이 배치되어 있다. 그 중에는 U자관 하나로 구성된 것도 있는데, 한 개로도 원리상 문제는 없다. 이번에 이야기한 브롱호스트의 mini CORI- FLOW 시리즈는 한 개로 구성되어 있다.(그림 4) 코리올리력이 약한(=유체 질량이 작은) 경우 센서 감도를 보충하도록 개발된 것이 두 개의 튜브이며, 브롱호스트는 이것을 그림과 같이 튜브를 구부려 특수한 형태(일반적인 코리올리는 U나 Ω 형태이지만 Ω의 상반부를 구부려 접어 반전시킨 이미지)로 만들고 광 픽업 성능을 향상시켜 이 문제를 해결하였다.


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그림 2. 

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그림 3.

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그림 4.
 
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그림 5. 코리올리식 vs 열식
 



<그림 1>의 유량식과 같이 코리올리식 유량계의 측정 원리에는 동일한 질량 유량계인 열식 유량계의 비열과 같은 유체 물성에 관한 것이 전혀 포함되어 있지 않다. 이것은 ‘코리올리식은 어떤 유체든지 질량 유량을 측정할 수 있다.’라는 의미이며, 유량계로서는 획기적인 점이다. 왜냐하면 제약이나 반도체와 같은 기술 혁신 속도가 빠른 산업 분야에서는 물성이 불명확한 새로운 재료가 매일 등장하고 있기 때문이다. 아무리 물성이 특정되어 있다고 해도 온도 및 압력 조건이 안정적인 상태에서 반드시 유량을 측정할 수 있는 것은 아니다. 환경 조건의 변화로 시시각각 물성이 변하는 유체, 그리고 여러 유체의 혼합 유체의 경우에는 측정 현장에서 그 혼합 비율이 항상 일정하지는 않다. 이러한 용도에서는 비록 질량 유량계라고 해도 유체 종류를 특정할 수 없으면 유량을 측정할 수 없는 열식 유량계는 사용하기 어렵다. 대부분의 경우 동일한 조건에서의 반복성을 겨우 보장할 수 있을 뿐이다. 물성이 불명확한 유체에 대하여 질량으로 유량을 측정할 수 있는 코리올리식 유량계의 장점은 무한대이다. 이러한 점에서 코리올리식 유량계야말로 이상적인 질량 유량계에 가까운 존재라고 생각한다. <그림 5>는 코리올리식과 열식을 비교 정리한 것이다.


하지만 이상적인 질량 유량계에 가까운 코리올리식 유량계에도 약점은 있다. 외부 환경 변동 영향에서 자유롭지 않다는 점이다. 우선 센서 튜브의 용수철상수 Ks를 좌우하는 요소로 온도를 들 수 있다. 코리올리식에는 튜브의 온도 조건을 모니터링하여 온도를 보상시키기 위한 온도 센서가 필요하다. 바꿔 말하면 코리올리식은 온도 보상이 따라갈 수 없는 급격한 온도 변동 환경에서는 사용하기 어렵다는 것이다. 또한, 센서 튜브를 진동시키는 방식이기 때문에 외부 환경에서의 진동 영향에 대해서도 약하다. 친숙한 기기를 예로 들어보면 액체를 보내는 펌프의 진동이다. 이 때문에 코리올리식 유량계의 크기는 커지고 중량이 무거운 것들이 많다.  소형화한 경우에는 제진대나 인슐레이터를 이용하여 진동 영향을 억제한 설치에 주의하여야 한다. 그리고 현재 코리올리식 유량계가 가진 가장 큰 약점은 코리올리력이 발생하지 않거나 혹은 미약하게 발생하는 밀도가 작은 유체, 구체적으로는 저압 조건의 기체나 미소 유량 액체의 측정이 어렵다는 점이다. 특히, 기체의 유량 측정에서는 그 밀도가 너무 작기 때문에 코리올리력을 충분히 얻을 수 없는 경우가 많다. 또한 원래대로라면 앞서 이야기한 백신 제조라인에서 필요한 미소 유량 액체도 측정하기 어려웠다. 따라서 코리올리 유량계는 플랜트 수준의 대유량 측정에 이용한다는 인식이 강하다. 이 문제를 해소하는 방법으로 두 가지가 있다. 순수하게 코리올리력이 약하기(유량 센서로서 SN비가 악화되었기) 때문에 코리올리력을 강하게 하기 위해 밀도를 올리고, 특히 기체는 압축성을 가지므로 비교적 높은 압력으로 공급함으로써 대응할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면 연료 전지 자동차 수소 충전소에서의 유량 측정 용도에서 밀도가 작은 가스의 대명사인 수소를 70~100 MPa(G)라는 고압에서 측정하는 유량계에 코리올리식이 선정되어 있다는 점도 알 수 있다. 또 한 가지는 브롱호스트가 개발한 가느다란 직경의 센서 튜브를 이용하여 컴팩트한 코리올리식 센서를 만드는 것이다. 애플리케이션에 따라서는 현실적으로 매우 높은 압력에서의 공급은 바람직하지 못하다. 그러한 의미에서 센서 튜브 직경을 작게 만들어 소형화한 브롱호스트의 mini CORI-FLOW 독무대가 될 것이다.


현시점에서 최소 유량 범위를 가지는 M 12/ML 120 시리즈는 선택할 수 있는 최소 풀스케일이 5g/h이다. 최소 측정 유량은 MFM의 경우에 0.05 g/h이다. 코리올리식 센서, 특히 <그림 4>와 같은 복잡한 형상으로 굽힘 가공해야 하는 금속 튜브의 세경화에는 한계가 있다. 수년 전에 필자도 스테인리스 튜브 제조사와 이야기를 나눈 적이 있는데, 직경 0.25㎜, 길이 500㎜의 SUS316 튜브가 위와 같은 조건에서는 현재 가장 가느다란 직경이라는 설명을 들은 적이 있다.



..(후략) 


黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 11월호에 게재되었습니다.  

  

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

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