안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 유량센서(Flowmeter)에 대해 알아보겠습니다.
유량은 압력, 온도, 초음파센서 등 여러 기본 센서들의 응용으로 측정을 하고 있습니다.
따라서 유량 센서는 그 종류가 많고, 기술들이 다양하기에 모든 제품을 소개드리는 것은 다소 어려우니, 혹시 꼭 필요하신 부분이 있다면 이메일로 질문 주시면 답변 해 드리겠습니다.
이번 글은 유량센서 3부작의 마지막 글입니다. (드디어 !!)
열식 질량 유량센서와 코리올리스 유량센서에 대해 알아 보겠습니다.
열식 질량 유량센서 (Thermal Mass Flowmeter)
원리
열식 질량 유량센서(Thermal Mass Flowmeter)는 유체에 의해 빼앗긴 열량을 측정하여 유량을 계산합니다.
유체가 빼앗아 갈 수 있는 열용량은 모든 유체마다 상이하기 때문에, 정확한 유량 측정을 위해서는 유체 종류에 대한 Factor(열용량)를 지정해 주어야 하며, 저렴한 유량센서는 따로 이런 것들을 지정하지 않고 물 또는 공기에 맞추어져 있습니다.
저렴하게 만들려면 굉장히 저렴하게 만들 수 있으며, 비싸고 정밀한 제품은 또 굉장히 비싸고 정밀합니다.
유량 계산
내부에 1개의 히터와 2개의 온도센서를 장착하여 유체가 뺏어가는 열량을 계산합니다.
아래 두 식으로부터 유량을 유도할 수 있습니다.
유량센서에서 전기에너지 E를 가하였을 경우, 발생하는 열량은 아래와 같습니다.
이 때, 유체에 의해 손실되는 열량은 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.
이것을 발생하는 총 열량 식에 대입하여 정리하면 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.
이 때 표막계수와 온도센서의 표면적은 여러 실험 결과에서 아래와 같은 값을 나타냅니다.
이 값을 위 식에 넣어 질량유속에 대해 정리하면, 아래와 같이 정리할 수 있습니다.
위 식에서 a1, a2, qg는 유체 특성에 의해 지정되는 상수이므로, 전압 V, 저항 R 및 두 온도센서의 측정값을 구하면 질량유속 Vm을 확인할 수 있습니다.
이를 통해 관경에 곱하여 질량유량의 측정이 가능합니다. (부피유량이 아님)
열식 질량 유량센서의 장단점
코리올리스 질량 유량센서 (Coriolis Mass Flowmeter)
원리
코리올리스 질량 유량센서(Coriolis Mass Flowmeter)는 코리올리 효과를 이용하여 유량을 측정합니다.
이 센서 또한 열식 질량 유량센서와 마찬가지로 질량유량센서이며, 굉장히 정밀하고 비싼 유량센서 입니다.
유량 계산
코리올리 효과는 각운동량 보존법칙에 의해 발생하며, 회전하는 관측자가 자신이 힘을 받아 회전운동을 한다는 것을 인식하지 못할 때, 모든 운동이 힘을 받는 것 처럼 착각하는 효과를 말합니다.
코리올리스 이펙트를 통한 유량계산은 관련 물리학을 전공하지 않으면 식으로 유추하여 이해하기가 불가능한 수준이므로, 그림을 통해 알아보도록 하겠습니다.
위 그림에서, 2개의 Tube는 중앙에 위치한 진동발생기에 의해 일정한 주파수로 서로 떨어졌다 붙었다를 반복하며, 튜브의 양쪽 끝에 부착된 Pick off는 서로 붙는 시점을 체크합니다.
유체가 흐르지 않을 시에는 Inlet Side와 Outlet Side의 Pick off의 출력이 동일한 위상으로 나타납니다.
하지만, 유체가 흐르게 되면 유체의 질량에 의한 관성으로 인해 Outlet 쪽의 Pick off가 먼저 떨어지고, Inlet 쪽의 Pickoff가 조금 늦게 떨어지게 됩니다.
따라서, 위상차가 T만큼 발생하게 됩니다.
진동발생기는 일정한 주기로 진동을 발생시킵니다.
이 때, Tube 내 유체의 질량이 클수록 진동이 느려지기 때문에, 이 진동수를 파악하여 정확한 질량 m을 측정할 수 있습니다.
그리고, Tube의 부피를 알고 있기 때문에 m = ρV를 통해 유체의 밀도 또한 구할수 있습니다.
Pickoff의 진동 위상차는 유속이 빠를수록 짧아지게 되며, 100만분의 1초 단위로 측정하기 때문에, 진동 위상차 측정을 통해 유체의 속도 또한 정확하게 계측할 수 있습니다.
그리고, Tube 상단의 온도센서를 통해 유체의 온도까지 확인할 수 있습니다.
코리올리스 유량센서는 굉장히 높은 가격에 걸맞게 센서 하나로 질량유량, 부피유량, 밀도, 온도, 유속 등 수많은 정보를 파악할 수 있습니다.
코리올리스 질량 유량센서의 장단점
'센서와 스위치 > Sensor' 카테고리의 다른 글
| 보드형 압력센서(Board Mount Pressure Sensor)에 대하여 (1) | 2022.11.07 |
|---|---|
| 유량센서(Flowmeter)에 대하여 - 부록 (1) | 2022.10.23 |
| 버블 센서(Bubble Detector)에 대하여 (1) | 2022.10.22 |
| 초저온 압력센서(Cryogenic Pressure Sensor)에 대하여 (1) | 2022.10.20 |
| 홀센서(Hall Sensor)에 대하여 (1) | 2022.10.18 |