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유량 계측기기 - 질량 유량계 (Mass Flow Meter, Coliolis)
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질량유량계(Mass Flow Meter, Coriolis)는 유체가 센서의 meter내를 통과하게 되면 meter의 센서튜브(sensor tube)가 진동하게 되고 이 때 튜브가 진동하면서 튜브 양쪽이 전향력(Coriolis Force)이 발생하며 이 힘에 의한 튜브(tube)의 뒤틀림 각도로 유량을 산출하는 방식이다. 질량 유량계는 주로 단독으로 사용하기보다는 유동 제어용 제어 밸브와 연동하여 많이 사용되고 있다. 본 주제에서는 질량유량계와 콜리올리스 질량유량계의 원리와 특징, 사양과 장단점에 대해서 알아보도록 하겠다.




질량유량계 (Mass Flow Meter) 란?


대다수의 질량 유량계는 콜리올리스(Colriolis) 유량계로 원리는 배관내를   유동하는 유체가 가진 관성력의 크기를 측정하고 이를 질량 유량으로 환산하는 것이다. 전술한 대다수의 유량계가 체적 유량 또는 유속 측정을 주목적으로 하는 반면 이 방식의 유량계는 질량 유량 및 밀도 측정이 가능함으로 체적 유량도 구해낼 수 있다. 측정 정확도는 균질 액체의 경우는 ± 0.1%, 교정시 0.01%까지도 가능하다고 한다.

가격은 고가이지만 점점 하락하고 있는 것이 현실이다. 제품에 따라 2상 유체 - 가스 + 액체 - 에서 정확도가 저하되는 것도 존재하지만 이를위해 성능 개선된 제품도 유통되고 있다. 2상 유체의 유량계측은 대다수의 유량계에서 문제를 발생하고 있지만 질량 유량계의 경우는 더 심각한 측정 오류를 나타낸다.


열 질량 유량계는 저 유량의 가스 흐름제어에 주로 사용되고 있었지만 현재는 액체 분야에서도 적용되고 있다. 원리는 주 배관에 설치된 분지관을 따라 유동하는 유체에 의한 온도변화를 감지하고 이를 유량으로 환산하는 원리로 동작하며 반도체 공정에서 공정 가스의 질량 유량 계측 및 제어를 담당하는 질량 유동 제어기 (MFC : mass flow controller)의 대표적인 예라고 할 수 있을 것이다. 이는 단독으로 사용하기보다는 유동 제어용 제어 밸브와 연동하여 많이 사용되고 있다.





콜리올리스 질량 유량계 (Coriolis Mass Flow Meter)



  콜리올리스 유량계의 원리

질량유량계는 유체가 흐르는 센서 단위 (Sensor Unit) 와 변환기에 상당하는 Electronics Unit으로 구성되어 있다. Sensor Unit은 튜브(tube)와 전자 발진기, 좌우 위치 검출 센서, 온도 센서 및 2중 분류관으로 구성되어 있다.

입구로부터 유입된 유체는 2중 분류관에 따라 각각 50% 씩 균등히 분류된다. 2개의 Sensor Tube는 전자 발진기에 의하여 고유진동수로 일정한 진폭으로 진동되고 진동하는 튜브에 유체가 흐르면, 튜브는 전향력(Coliolis force)에 의하여 뒤틀림 각이 발생하고 뒤틀림 각은 튜브 내를 통과하는 질량 유량에 비례하는 것을 이용하여 질량 유량을 측정한다.

센서 튜브 (Sensor Tube)는 그 자체가 탄성계수와 튜브 내의 유체의 잘량에 따라 결정된 고유 주파수로 진동한다.



  콜리올리스 유량계의 특징

① 직접질량 유량 계측              ② 광범위한 유체 계측 가능
③ 고정도, 고감도,                    ④ 온도, 압력, 점도의 허용점위가 넓다.
⑤ 빠른 주파수 출력 가능          ⑥ 묀도, 농도 측정 가능          ⑦ 맥동 유체의 계측 가능




열 질량 유량계 (Thermal Mass Flow Meter)

Thermo Mass 는 Meter에 내장된 열 센서 (Thermo Sensor)의 열 손실을 측정하거나 열 주입에 의한 유체의 온도 변화를 측정하여 유체의 질량을 측정한다. 기본 공식은 다음과 같다.


F = Mass Flow (kg/s)       q = 열이 추가되는 증가량(W)       Cb = 유체의 specific get [J/(kg·K)]





질량 유량계의 사양과 특징


  질량 유량계의 사양

① 측정유체 : 액체, 기체 (high density), slurry
② 측정범위 : 0.05 kg/min ~ 9,090 kg/min
③ Accuracy : 0.4 ~ 1.0%
④ Output Signal : 4 ~ 20 mA, 1 ~ 5 V, Pulse
⑤ 적용온도 : -240 ℃ ~ 200 ℃
⑥ 적용압력 : 최대 400 kg/㎠
⑦ 가 격 : $ 2,500 ~ $ 6,000



  질량유량계의 장단점

① 질량(Mass)를 측정하기 때문에 밀도, 점도, 온도, 압력의 영향을 받지 않는다.
② 응답속도가 빠르다.
③ 소유량 정밀 측정에 유리하다.
④ 진동 및 Slurry를 포함한 유체에 대하여 설치시 주의를 요한다.
⑤ Sensor Tube에 Air 발생시 오차를 유발. Tube 내에 만수가 되어야 한다.



 
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