전자유량계

1. 전자 유량계 원리

1) 개요

전자 유량계는 1832년 파라데이가 자장 공간 내에 운동하는 유체에 발생하는 기 전력에서 유체의 속도를 알수 있으며, 따라서 그 체적 유량을 측정하는 것이다. 측정 원리로는 측정 유체가 도전성을 지니고 있어야 하므로 주요 측정 액체는 물 이나 염류라고 할 수 있다. 그러나 공업 프로세스에서 취급하는 유체는 그것이 순 수하게 정제된 것이 아닌 이상 어느 정도 도전성은 지니고 있으므로 측정 가능한 유체의 범위는 넓다. 종래 측정이 불가능하거나 연속 측정이 곤란했던 강부식성산, 폐수, 오수, 모래, 광물을 함유한 물, 슬러리, 펄프, 석회수 등의 유량 측정에도 이용되고 있다. 유량 에 따라 발생하는 기전력은 완전히 유량과 직선적 관계로서, 유량이 반대방향으로 흐를 때에 유량측정은 마이너스 기전력이 발생하므로 이때에도 유량 측정이 가능 한 것이다. 유체의 도전율이 규정 값 이상이면 층류, 난류에 의한 흐름과는 관계없이 측정이 가능하며, 관로에 설치되는 경우 압력 손실은 전혀 없고, 대용량의 유체 유량을 측 정하는 경우에 용이하다. 위와 같은 장점에 비하여 단점으로는 대략 1 m/s 유속으로 1 mV의 작은 기전력이 발생하고, 또 자장에 직류 자장을 사용하는 것은 분극 때문에 불가능하며, 교류 자 장을 사용하는 관계로 외부 자장, 전계등의 잡음을 막는 방법이 강구되어야 한다.

 

2) 원리 및 측정회로

전자유량계 측정원리는 페러데이 전자유도 법칙을 이용한 것으로 발전기 원리와 같다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 자장 공간 내에서 자속밀도 B인 자력선을 직 각으로 끊는 방향으로 도체가 이동(이동속도 v)하면, 이동도체를 중심으로 Z축인 도체 이동방향과 Y축인 자계 방향의 직각인 X축 방향으로 기전력이 발생하며, 이 기전력 크기는 자속밀도와 자력선을 끊는 속도인 도체 이동방향의 속도에 비례하 는 것이고 이것을 패러데이 전자유도 법칙이라 칭한다. 기전력의 발생 원리는 플레밍의 오른손법칙과 같다. 이 법칙을 응용하여 N, S극 자 장 공간 내에 배관을 설치하고 이동도체 대신에 유체를 흘러주면 자장의 방향과 유체의 방향에 직각인 제3의 방향으로 기전력이 발생하며 이 기전력은 자속밀도 와 유체 유속에 비례하므로 자속밀도만 일정하다면 곧 유체 유속과 기전력이 비례 하게 된다. 따라서 기전력만을 측정하여 유속과 관계 있는 유속과의 관계로 유량 을 검출하는 것이고, 발생 기전력 E는 B.D.v x 10-8(Volt) 이다.

 

2. 유량계의 구조

1) 공업용 검출기

검출기를 구성하는 구성 요소는 측정관, 자계발생부, 전극, 라이닝, 케이스이며, 측정판은 측정액체가 통과하는 직관이며, 금속관인 경우는 대부분 벽면의 도전도 가 액체보다 크므로 액체에 의해서 관 벽에 발생하는 기전력이 배관에 단락되어짐 으로 이것을 방지하기 위해 그 내면은 전기적 절연체인 라이닝을 사용, 전극부를 제외하고는 절연시킨다. 관 재질은 STS 304 등으로 자속을 통하기 쉬운 비자성 고저항 스테인레스 강관을 사용한다. 관 재질과 자속 통로와의 관계는 아래 그림과 같고 강자성체관은 관자체가 자속을 모두 흡수 함으로서 배관 중앙 유체가 끊을 수 있는 자력선이 없고 비자성 저항관 은 전자력선을 모두 외부로 밀어내기 때문에 또한 유체가 끊을 수 있는 자력선이 없어서 기전력은 발생하지 않게 되는 것이다. 관경은 25 ∼2400 mm 정도까지 제작되고 있으며, 필요한 배관 크기는 전부 만들어 지고 있다. 자계 발생부는 여자코일과 철심으로 구성되어 있고 여자 코일은 1종 폴리에스틸 동선을 일반적으로 사용하고 코아는 냉간압연 규소강판 SPCC를 사용 한다. 여자코일에서의 도관 내 자속 공급 시 도관 내 자속이 균일 분포를 이루고 대칭을 이룬다면 발생 기전력 산출은 간단해지나 실제유체의 흐름은 비대칭류 상태임으로 이에 따른 오차를 줄이기 위해 유속이 큰 관을 중심축으로 자속밀도를 작게, 유속 이 작은 관벽측으로는 자속밀도를 크게하는 불균일 자계가 되도록 즉, 배관내의 전부분에서의 발생기전력이 동일하도록 코일을 감는 방법 등을 연구하고 있으며, 또한 코일을 소형화하고 후렌지 면간 거리를 짧도록 한다. 전극은 피측정 유체 유속 변화에 비례하는 기전력을 검출하기 위해 측정관 벽 중 앙부에 상대적으로 관측과 유체 방향에 직각인 방향으로 대칭 설치되어 배관벽과 절연되어 있는 비자성체인 도전체로서 전극 분류는 전극이 유체에 직접 접촉하는 전극이 있는 전극식과 접촉 할 수 있는 전극이 없는 무전극식이 있다. 전극식은 또한 전극수에 따라 단전극식과 다전극식이 있고, 단전극식의 경우 파이브내의 유체 조건은 충만해서 흐르는 것을 원칙으로 하고 있는것에 비해 다전극식은 파이 브내의 유체 흐름이 반드시 충만하게 흐르지 않더라도 파이브 직경의 10％ 정도 의 레벨 흐름의 유체유량까지도 중심부 대칭, 전극 외의 하부 위치의 다른 전극 에 의해서도 측정 할 수 있도록 설계한 것이고, 그 이하에서는 측정이 불가능하 다. 무전극식의 전극은 라이닝막 외부 배관 벽과의 사이 평면상으로 되어있고 유체와 직접 접촉되지 않는 상태로 간접적으로 신호전극과 유체와의 사이 정전 용량에 의해서 기전력을 유기 시키는 것이다. 이때의 정전 용량은 수 피코패렛에서 수십 피코피렛 정도이다. 무전극식은 전극식에 비하여 원리적으로 부유 용량에 대한 신호감쇄 및 노이즈 발 생이 용이하나 전극이 비접촉됨으로서 유체 부착성 등에 의한 전기 화학적 전압 변동이 없고, 또한 화학적 성질로부터 부식, 마모 등이 없으며 전극 인출부로부터 의 누설이 본질적으로 안정된 것이 특징이다. 전극의 재질은 일반적으로 SUS 316으로 만들어지고, 특히 부식성 유체에는 백금, 이리듐, 하스테로이 B,C, 티탄, 탄탈, 모넬등 용도에 따라 선택 사용한다. 라이닝은 금속관, 내벽, 절연재로서 재질은 테프론, 네오푸렌 천연고무, 포리우레 탄 고무, 글라스 등으로서 유체의 종류 및 사용온도 등에 따라 선택된다. 또한 관경의 크기와 발생 기전력의 관계는 동일 기전력을 발생시키기 위해서 오 히려 자속밀도 B가 작아짐으로 상대적으로 소구경에서는 코일부 부피가 커지고 대구경에서는 작아진다. 일반적으로 관경 1인치에는 약1000 가우스, 14인치에서는 약60 가우스 정도이다. 그리고 액체에서 경제 유속이 3 m/s 전후이며, 검출기의 기전력은 1 m/s의 유속 에 대해서 1 mV정도 발생하도록 B값이 정해진다. 또한 전극으로 부터 얻어내는 기전력은 수 mV 정도인 것에 비해 여자는 교류 100V 또는 200V를 사용하므로 전극및 신호선은 유도잡음에 대한 대책으로 쉴드를 시켜야 한다.

 

2) 변환기

변환기의 기본적 기능은 검출기에 여자전원을 공급, 전극간에 발생된 유량 신 호 전압을 증폭하고, 4∼20mA 출력신호 및 유량적산용 펄스신호 발생 전극 전압 중 동상 잡음전압 및 위상 잡음전압을 제거할 뿐 만 아니라 전원 전압 및 주파수 변 동의 영향 등의 역할을 한다. 변환기 회로 설명은 기전력 E는 A1 프리암프에서 임피던스 변환 시킨 후 프리암 프 A2에서 일정의 전압으로 증폭시키고 A3 프리암프의 한쪽에 입력시킨다. A3 프 리암프 다른 쪽에는 자속밀도 B와 출력주파수 F가 승산되어진 피드백 전압이 암프 A2의 출력과 같게 되도록 회로에서 제어 시켜 입력시킨다. 유량에 비례하는 출력 주파수 F는 주파수/전류 변환 회로에서 순시유량에 대응하는 4∼20mA로 변환 출력 을 내고 또한 스케일러를 통하여 표준화 되어진 펄스 신호를 출력 시킨다.

 

3. 전자 유량계 특성

1) 전자유량계 특성

가) 액체의 압력, 온도, 점도, 도전율 등의 영향을 받지 않는다.

나) 유량지시가 균등눈금으로 적산계 등과 간단하게 결합할 수가 있다.

다) 검출지연이 없고, 맥류에서도 정확히 측정할 수 있다.

라) 진흙 상태의 액이나 고점도 액에서도 측정할 수가 있다. 마) 층류, 난류 등 흐름의 상태에 영향을 받지 않으므로 검출기 전후에 직관부를 필요치 않는다.

 

2) 유량 측정범위와 정도

공업용으로서 배관 직경은 2.5∼3000 mm 까지 가능하고, 유속은 최대 눈금 유량 시 0.3∼10 m/s 정도로서 적정한 유속은 최대눈금 유량 시 2∼4 m/s 정도로서 측정 하한은 노이즈 및 드리프트 등의 S/N 비로 정해지고 상한은 라이닝의 마모 및 배 관의 경제 유속 등으로서 결정되는 것으로서 일반적으로 1 m/s 미만 에서는 기전력 이 작아서 S/N비가 악화되어 정도가 떨어지기 쉽고 6 m/s 이상이 되면 라이닝의 마모가 문제가 된다.

 

 

3) 유체 도전율

유체 도전율 크기는 검출기의 출력 임피던스 크기와 변환기의 임피던스 크기와 관계가 있다. 검출기의 출력 임피던스 즉, 유량계 전극간 임피던스는 D》d1 (d1:전 극의 직경, D:관경)인 상태에서 2개의 광역저항의 합으로 이루어 짐으로서 근사 적으로 구하면 전극간 임피던스는 1/(도전율x전극직경)이다. 전극간 임피던스는 도전율과 전극 직경의 크기에 반비례하며, 유체도전율의 감소 는 전극간 임피던스 증대 곧, 검출기출력 임피던스가 증대되는 것이며 이 값은 변 환기의 입력 임피던스와 관계 분압 회로를 형성시켜 전극간 발생 기전력 값을 작 게하기 때문에 오차를 발생시키게 되는 것이다.