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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 장점을 활용하여 미소 유량을 측정할 수 있는 소형 전자기유량계를 설계 제작하고 유량신호의 특성을 실험하였다. 최대 유량 1.
- 측정관은 코일과 전극으로 구성되며 안정된 크기의 자기장과 유량신호를 얻는 것이 설계의 목표이다. 일반적으로 자기장의 세기가 크면 유량신호가 커지나 코일의 발열로 인하여 코일과 코어가 열화되어 특성이 변하고 자기장도 달라진다.
제안 방법
- (3) 유체의 전도율을 3-11 μS/cm 범위에서 변화 시키고 유동율 1.17 x 10-5m3/s(700 cc/min) 범위에서 영점과 유동율에 따른 유량 신호 증가율이 전도율의 크기에 비례하였다. 또 면전극은 점전극에 비해 전극사이의 저항을 감소시켜 영점에서 신호 크기 및 증가율을 증가하였다.
- 3-11 μS/cm 사이에서 전도율을 조절하고 영점에서 유량신호 크기와 유동율에 따른 선형성을 실험하였다.
- 2는 측정관의 사진으로서 코일에 의해 발생된 자기장은 코일의 코아에 연결된 유도체에 의해 전극 단면에 작용하도록 설계되었다. 관로 단면의 양쪽에서 자기장 작용하여 균일한 분포를 가지도록 하였다. 대용량 유량계는 측정관의 양쪽에서 코일이 위치하지만 미소유량계에서는 하나의 코일로 자기장을 발생시켜 측정관의 단면에 작용하록 하였다.
- 소형 전자기유량계의 실험은 신호처리회로와 측정관의 설계 요소를 결정을 위해 실험하였으며 저전도율 유체 실험은 유량신호의 영점 안정성과 유동율에 따른 선형성 변화를 확인하였다.
- 소형 전자기유량계의 저전도율 유체의 측정 특성을 확인하기 위해 측정관과 신호처리회로를 제작하여 실험하였다. 측정관의 자화방법, 자화주파수, 신호처리회로, 전극의 형상 등의 설계 요소는 실험을 통하여 최적값을 찾았다.
- 신호의 안정성과 발열량에 영향을 미치는 설계요소인, 자화 주파수, 코일의 회전수 및 굵기를 고찰하고 신호처리회로의 기능별 작동신호를 점거하였다. 이를 근거하여 Fig.
- 실험을 통해 별도의 클럭을 사용하는 것보다 전원 주파수를 분주하여 기준 주파수로 사용하는 것이 노이즈에 대해 보다 안정적임을 알 수 있었다. 신호처리회로의 작동과 측정관의 설계 요소를 조절이 하면서 설계 데이터를 확인하였다.
- 전극은 높은 입력 임피던스를 가지고 있어 노이즈에 취약하므로 신호처리회로는 노이즈 방지 설계가 포함되어 있다. 안정된 유량신호를 얻기 위해 자기장의 세기, 코일의 회전수 등을 변화시키면서 조절이 가능하도록 회를 구성하였다.
- 유동율이 작아서 유량신호의 변환 비율이 작은 경우 전도율은 신호에 미치는 영향이 상대적으로 커진다. 유체의 전도율에 따르는 신호 특성을 실험하기 위해서 정수용 훨터를 사용하여 조절하였다. 3-11 μS/cm 사이에서 전도율을 조절하고 영점에서 유량신호 크기와 유동율에 따른 선형성을 실험하였다.
- 유체의 전도율은 시험관로 직전 정수용 훨터를 사용하여 조절하였으며 유량측정과 동시에 측정하였다. 유체의 전도율은 불순물에 의한 이온의 밀도에 따라 결정된다.
- 4(b)에서 알 수 있듯이 이중 주파수는 고주파와 저주파가 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이중 주파수는 Fig. 4에 나타낸 주파수 외에 10 Hz, 10 kHz와 7.5 Hz, 10 kHz 등으로 변화시키면서 코일의 발열량과 비교하여 최적의 주파수를 선택하였다. 동기회로에 사용된 기준주파수는 60 Hz의 전원 주파수를 분주하여 사용하였다.
- 자기장을 측정관으로 유도하는 코아는 폭이 10mm이고 전체의 길이는 34mm이다. 이러한 현상에서 코일의 직경과 회전수를 변화시키면서 자속밀도의 크기를 측정하였다. 코일의 직경이 Ø 0.
- 클럭 및 자기장 발생회로는 이중 주파수를 이용하여 자기장을 발생시키며 주파수의 크기와 전류가 자기장의 크기와 안정도를 결정하게 된다. 이를 조절하면서 안정된 신호를 얻을 수 있는 설계 기준을 찾았다. 자화주파수 및 코일의 회전수와 굵기를 변화시켜 코일에서 발생하는 발열량과 신호의 안정성과 관계를 고찰하였다.
- 신호출력회로는 증폭된 유량신호가 유동량과 유동율 등 물리 단위로 표시할 수 있도록 게인을 조절하여 ±10 V 범위에서 출력한다. 이와 같이 미소 유량에 따르는 적절한 크기의 유량신호를 얻기 위해서 영향 요소를 변화시키면서 최적값을 찾았다.
- 이를 조절하면서 안정된 신호를 얻을 수 있는 설계 기준을 찾았다. 자화주파수 및 코일의 회전수와 굵기를 변화시켜 코일에서 발생하는 발열량과 신호의 안정성과 관계를 고찰하였다.
- 5에서 구형파 (magnetizing signal)는 코일에 가한 구동 전압과 정현파(magnetic flux signal)는 자기장의 변화를 측정한 결과이다. 자화주파수는 40, 60, 80, 160 Hz 4가지 경우를 실험하였다.
- 자화주파수에 따른 발열량을 측정하기 위해 4개의 단일주파수일 때 8.2 Hz, 52 Hz, 88 Hz, 152 Hz로 온도 변화를 써모 커플을 이용하여 30분 동안 측정하였다. Fig.
- 전극의 설계는 점전극(Φ1.5mm)과 면전극(2mm x 3mm)으로 제작하고 전도율에 따른 유량신호의 크기 및 선형성을 비교하였다.
- 점전극과 면전극에 따른 출력신호의 크기를 비교하기 위해 전도율과 유동율을 변화시키면서 각각 실험하였다. Fig.
- 3-11 μS/cm 사이에서 전도율을 조절하고 영점에서 유량신호 크기와 유동율에 따른 선형성을 실험하였다. 제작된 소형 전자기유량계는 중량식 유량계 교정 장치를 제작하여 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 이러한 장점을 활용하여 미소 유량을 측정할 수 있는 소형 전자기유량계를 설계 제작하고 유량신호의 특성을 실험하였다. 최대 유량 1.17 x 10-5 m3 /s(700cc/min)까지 측정할 수 있는 측정관(measuring tube)을 제작하고 유동율 범위에서 유량신호의 안정성과 선형성을 실험하였다.(1)
- 17 x 10-5m3/s 까지 변화 시키면서 측정한 결과를 나타낸 것이다. 출력신호의 크기는 오실로스코프의 적분기능을 이용하여 1분 동안의 신호를 적분하고 60으로 나누어 평균 출력전압을 계산하고 중량식교정장치에서 측정한 값으로 유동율을 계산하였다. 유동율에 따른 출력신호는 대용량 유량계의 실험 결과(7)와 같이 선형 적인 증가를 보이고 있으나 전도율에 따라 영점과 증가율의 크기가 다름을 알 수 있다.
- 소형 전자기유량계의 저전도율 유체의 측정 특성을 확인하기 위해 측정관과 신호처리회로를 제작하여 실험하였다. 측정관의 자화방법, 자화주파수, 신호처리회로, 전극의 형상 등의 설계 요소는 실험을 통하여 최적값을 찾았다. 측정성능을 평가 하기 위해 중량식 유량계교정장치를 제작하고 불확 도를 평가하였으며 유체의 전도율은 3-11 μS/cm 범위에서 변화시키며 실험하여 다음의 결론을 얻 었다.
- 측정성능을 평가 하기 위해 중량식 유량계교정장치를 제작하고 불확 도를 평가하였으며 유체의 전도율은 3-11 μS/cm 범위에서 변화시키며 실험하여 다음의 결론을 얻 었다.
- 코일의 발열은 주파수뿐만 아니라 코일의 직경과 전류의 흐름 등이 영향을 미치므로 코일의 직경과 주파수 변화 시키면서 적절한 주파수를 얻기 위한 조건을 찾았다. 코일은 굵기를 변화시키면 코일의 회전수가 변하게 된다.
- 이는 코일에 의해 발생한 열이 측정관에 미치는 영향을 줄이기 위한 방열 설계이다. 코일의 회전수와 굵기 및 자화 주파수를 변화시키면서 실험의 결과에 따라 최적의 설계 값을 찾았다.
대상 데이터
- 5 Hz, 10 kHz 등으로 변화시키면서 코일의 발열량과 비교하여 최적의 주파수를 선택하였다. 동기회로에 사용된 기준주파수는 60 Hz의 전원 주파수를 분주하여 사용하였다. 실험을 통해 별도의 클럭을 사용하는 것보다 전원 주파수를 분주하여 기준 주파수로 사용하는 것이 노이즈에 대해 보다 안정적임을 알 수 있었다.
- 일반적으로 자기장의 세기가 크면 유량신호가 커지나 코일의 발열로 인하여 코일과 코어가 열화되어 특성이 변하고 자기장도 달라진다. 본 연구에 사용된 코아는 페라이트(Ferrite, SM-19C)로서 투자율(permeability)은 온도에 따라 다르며 높은 온도에서는 투자율의 경년 변화가 일어나므로 가능한 낮은 온도를 유지하는 것이 유리하다. 투자율이 변하면 자기장이 변하고 유량신호도 변하게 되므로 코일의 특성을 유지하면서 유량신호가 안정되도록 최적 설계가 필요하다.
- 사전 설계와 실험 결과로 선택한 코일은 실린더형으로 Fig. 2에 표시된 것과 같이 외경은 22mm, 코어가 삽입된 내경은 7mm이고, 길이는 26mm이다. 자기장을 측정관으로 유도하는 코아는 폭이 10mm이고 전체의 길이는 34mm이다.
- 2의 측정관을 제작하였다. 유량 신호의 선형성과 유제의 전도율에 따른 유량신호의 크기 변화를 실험하기 위해 Fig. 9와 같은 중량식 유량계교정장치(8)를 사용하였다.
- 2에 표시된 것과 같이 외경은 22mm, 코어가 삽입된 내경은 7mm이고, 길이는 26mm이다. 자기장을 측정관으로 유도하는 코아는 폭이 10mm이고 전체의 길이는 34mm이다. 이러한 현상에서 코일의 직경과 회전수를 변화시키면서 자속밀도의 크기를 측정하였다.
- 작동유체는 일반적인 수돗물을 사용했으며 전도율은 100 μS/cm 이상이었다.
- 교정 장치는 유량계를 통과한 유체를 수집탱크에 수집하여 중량을 측정한 다음 유량계의 측정값과 비교하는 원리이다. 중량 측정에 사용된 정밀 저울(METTLER TOLEDO, M/N: PG603-S)은 최대 측정중량이 610g이고 분해능은 1 mg이고 수집 탱크의 자체중량은 100 g으로 설계하였다. 수집의 시작과 끝은 쓰리웨이 밸브를 이용하여 유동방향을 전환하였다.
이론/모형
- 수집의 시작과 끝은 쓰리웨이 밸브를 이용하여 유동방향을 전환하였다. 불확도의 해석은 ISO 규격에서 권고하는 방법(9)에 따라 해석하였다.
- 안정된 유량신호를 얻기 위해서는 이러한 설계 요소를 최적 값으로 결정해야 한다. 자기장의 발생은 주기적인 DC방법이 효율적이며 자화주파수를 단일주파수법(single frequency method)과 이중 주파수법(double frequency method)을 비교하여 발열량이 적은 방법을 적용하였다.
성능/효과
- 5 ℃/h 안정되었다.(1) 이러한 조건에서 각각의 불확도 요소를 평가하고 이를 합성하여 95 % 신뢰구간에서 유동량 결정의 확장불확도는 0.06 % 이내임을 확인하였다.(1)
- (1) 자화방법은 이중주파수법이 효율적이며 저주파 15 Hz, 고주파 10 kHz의 이중주파수가 최적임을 확인하였다.
- (2) 안정된 유량신호를 얻기 위해 자속밀도 0.04 T (400 gauss)를 유지하고 설계된 크기의 코일과 코아에서 코일의 회전수와 굵기는 각각 2380 turn, Ø 0.17이 최적임을 확인하였다.
- (2) 또 ISO 규격에서는 전자기유량계의 특성 실험을 최대 55 ℃와 최소 –25 ℃ 사이에서 7개의 온도에서 실험하도록 권고하고 있다.(3) 본 연구에서와 같이 관로의 크기가 작고 유량이 작은 경우는 코일의 발열로 인하여 코아의 특성 변화는 물론 유체의 온도에 영향을 미치기도 한다. 즉 대용량의 전자기유량계는 방열을 위한 공간이 여유가 있으나 소형유량계는 방열이 상대적으로 어려우므로 보다 엄격한 온도 조건을 유지하도록 설계하는 것이 필요하다.
- (4) 유체의 전도율이 상대적으로 낮을 때 유량 신호는 전도율 및 전극사이의 저항에 민감하게 영향을 받으며 유량계의 교정 및 설계에 이를 반영해야 한다.
- 전도율이 100 μS/cm 정도인 유체를 측정하는 대용량유량계는 전도율이 충분히 커서 신호의 크기에 문제가 없다.(4) 전도율이 일정값 이상이면 유량신호에 영향을 미치지 않으나 크기가 작아지면 영향을 미친다.
- (5) 측정관의 설계에서 코일의 열 발생을 최소화하고 안정된 유량신호를 얻기 위한 설계 요소를 확인할 수 있었다.
- 5에서 구동 자퐈주파수 f=40, 80 Hz를 나타내며 구동 전압은 ±24 V이었다. 구동신호에 따라 자기장의 변화는 일정한 응답시간 후 안정된 값을 유지하고 있으며 구동주파수가 커질수록 자기장은 안정된 값을 유지하기 전 감쇄하여 유량신호를 취출할 시간이 짧은 것을 알 수 있다. 안정된 신호를 얻기 위해서는 Fig.
- 그리고 측정하는 동안 전도율이 변화하는 경우는 유량 측정의 불확도가 커지게 된다. 설계의 측면에서는 유체의 전도율이 작을 때는 전극 사이의 저항을 낮추는 설계와 전극의 입력 임피던스를 크게 설계하는 것이 안정된 신호를 얻는데 유리하다.
- 동기회로에 사용된 기준주파수는 60 Hz의 전원 주파수를 분주하여 사용하였다. 실험을 통해 별도의 클럭을 사용하는 것보다 전원 주파수를 분주하여 기준 주파수로 사용하는 것이 노이즈에 대해 보다 안정적임을 알 수 있었다. 신호처리회로의 작동과 측정관의 설계 요소를 조절이 하면서 설계 데이터를 확인하였다.
- 별도의 발열장치가 없는 한 약 70 Hz 이상의 주파수를 사용하여야 열화에 의한 코일의 특성 변화를 막을 수 있었다. 적절한 크기의 유량신호를 얻고 발열을 줄이기 위해서는 신호처리회로의 복잡성을 감수하고 이중 주파수의 사용이 불가피함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 발열은 대용량 유량계에서는 코일과 유동율이 크기 때문 열확산이 비교적 잘되어 문제가 되지 않았으나 소형 전자기유량계에서는 상대적으로 중요한 설계 요소가 된다. 본 연구에서 목표로 하는 유동율보다 더 작아질 때는 이러한 설계 조건을 엄밀하게 적용해야 할 것으로 판단된다.
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