기체 유량계의 개발과 응용

김 병 철, 정 옥 진, 김 영 한*, 김 상 열

동아대학교 공과대학 화학공학과

yhkim@mail.donga.ac.kr

Development and Application of Gas Flowmeter

Byoung Chul Kim, Ok Jin Joung, Young Han Kim* and Sang Yeul Kim

Dept. of Chemical Engineering, Dong-A University

yhkim@mail.donga.ac.kr

서론

열선을 이용한 유속의 측정장치는 대체로 간편하면서도 비교적 넓은 범위의 유속 측정에 활용할 수 있어 기체와 액체를 막론하고 다양하게 활용되고 있다. 그러나 이들 장치를 가스를 많이 사용하는 강재 생산공정, 열처리, 특수용접 등에 사용하기에는 비용이 많이 들고 또 거친 환경에서 사용할 때 많은 오차와 기기의 견고성 등에 문제가 있어 실제 산업용으로 활용되는 것은 일부에 지나지 않는다. 산업용 기체 측정은 다소의 편차는 허용되나 연속적인 측정이 요구되기 때문에 간단하면서도 연속적인 측정이 가능한 측정기기가 적당하다. 이러한 용도로 열선을 이용한 유량 측정계가 유용하게 사용될 수 있다.

열선을 이용한 기체의 측정은 여러 가지 연구가 발표된 바 있으며 그 중 2개의 열선을 이용한 농도와 유속을 동시 측정하려는 시도[1]가 있었고 1개의 냉선과 2개의 열선을 동시에 사용하여 유속과 온도를 동시에 측정한 연구[2]와 산업용으로 사용할 수 있는 기체 농도와 유량 측정용 열선에 관한 보고[3]가 있었다.

본 연구에서는 산업용으로 간편하게 사용할 수 있는 열선을 이용한 기체 유량계를 실험실에서 간편하게 사용할 수 있는 재료를 이용하여 제작하고 그 성능을 시험하였다. 성능의 시험을 위하여 공기와 탄산가스의 유량변화에 따른 계기의 출력전압의 변화를 측정하고 또 기체온도가 변화할 때의 영향을 조사하여 온도변화에 따른 유량측정의 보상방법을 제시하였다.

열선 가스 농도계의 구조 및 제작

열선 가스 농도계의 전체구조를 그림 1에 나타내었다. 그림 좌측 상단에 위치한 측정셀에는 공기 또는 탄산가스가 공급되게 하였다. 측정셀의 확대된 구조는 그림 2에 나타나 있으며 실제의 열선 제작 모양은 그림 3과 같다. 열선은 0.035 mm 또는 0.05 mm 굵기의 스테인레스 강선 약15mm를 그림 3과 같이 만들어 0.75 mm 동선으로 양끝을 압착하여 연결 도선으로 사용하였다. 열선의 저항은 약 7 □ 전후가 되도록 제작하였다. 그림 2의 측정셀은 제작의 용이함을 고려하여 배관용의 15mm 티와 니플을 사용하여 제작하였고 기체 흐름의 중앙에 열선이 위치하도록 하였으며 3개의 열선 중 바깥쪽의 열선은 그림 4의 측정회로도에서 S1과 S2로 표시된 센서로 사용되었고 가운데 열선은 회로도에서 H로 표시된 히터로 사용된 열선이다. 열선의 설치방향은 공기의 흐름과 수직되게 하여 공기의 흐름에 가장 민감하게 작용하도록 배치하였다. 2개의 열선센서를 설치한 것은 1개는 측정용으로 사용하고 나머지 1개는 기체의 여러 가지 물성이 실험도중에 변화하는 것을 보상하기 위한 것이며 추가로 히터를 설치한 것은 기체의 온도변화에 따른 보상과 열선 센서의 측정 감도를 향상시키기 위한 것이다.

그림 1. 실험장치의 개략도.

그림 2. 측정모듈의 상세도.

공급되는 기체의 온도는 3mm 굵기의 백금저항 온도계로 온도를 측정하였으며, 유량은  로타메터를 설치하여 로타메타 하단의 니들밸브를 조절하여 원하는 유량을 얻었다.

열선에 흐르는 전류의 양은 기체의 유량과 열용량 등의 물성에 의존하여 변화하므로 그림 4의 브리지 회로를 사용하여 전류를 측정하였다. 회로에는 직류 1.5 볼트의 전압을 공급하고 공급되는 전류의 양은 1 □ 저항의 전압을 측정하여 알 수 있게 하였다. 출력전압은 열선에 흐르는 전류에 비례하므로 출력전압을 측정하여 기체의 유속을 측정하였다. 이때의 전압의 기준치는 그림 4에 zero로 표시된 가변저항으로 조정하였고 전압변화의 폭은 span으로 표시된 가변저항으로 조정하였다. 그러나 과다한 전류를 열선에 공급할 수가 없어 약한 전류를 공급하게 되고 이때의 출력전압은 그림 5의 증폭회로를 이용하여 출력전압을 증폭하였다. 증폭된 전압은 A/D 변환기로 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터에 입력하였으며 기체 온도계에 연결된 온도지시계에서 출력되는 전류신호도 함께 변환하여 동시에 컴퓨터에 입력되도록 하였다. 본 실험의 측정속도는 고속이 아니므로 여기서 사용한 A/D 변환기는 보통 사용하는 고속의 변환기 대신 적분형의 저속변환기를 자가 제작하여 사용하였다. 적분형 변환기는 변환속도가 느린 대신 측정신호에 포함된 잡음에 거의 영향을 받지 않는 이점이 있어서 이를 사용하였다.

실험

실험에 사용한 기체는 공기와 탄산가스의 2가지이며 공기는 소형의 블로어를 사용하여 공급하였고 탄산가스는 액화 탄산가스를 기화시켜 사용하였다. 탄산가스의 경우는 실린더에 부착된 압력조정기를 거친 후의 압력이 높아서 유량조절이 곤란하므로 2개의 1/8인치 니들밸브를 직렬로 연결하여 미세 조절이 가능하도록 하였다. 공급되는 기체의 유량측정은 로타메터를 사용하였고 최종 유량의 미세조정은 로타메타 하단의 니들밸브로 하였다.

그림 3. 열선의 개략도.

유량의 변화에 따른 출력전압의 변화 측정실험은 공기와 탄산가스에 대하여 각각 실험하였으며 이 때 측정셀에는 100 - 400 mL/min.의 기체를 50 mL/min. 씩 변화시키면서 전압을 측정하였다. 실험은 연속적으로 실시하여 출력전압을 시간에 따라 컴퓨터로 온라인 측정하고 실험이 끝난 후 자료정리를 하였다.

그림 6. 공기유량의 변화에 따른 출력전압과 온도의 변화. 0.035mm 열선사용. 공기 유량은 300 mL/min. 에서 50 mL/min.씩 변화시킴.

그림 7. 기체의 유량과 출력전압의 관계.

그림 5. 증폭회로의 개략도.

그림 4. 측정회로의 개략도.

결과 및 고찰

공기의 유속을 300 mL/min.에서 50 mL 씩 감소시키면서 200 mL/min.의 유속이 될 때까지 계단식으로 변화시키고 다시 50 mL 씩 증가시킨 후 400 mL/min.의 유속이 되면 다시 50 mL 씩 감소시켜 처음의 300 mL/min.의 유속으로 할 때 전압의 변화를 측정한 실험 결과와 동시에 측정한 온도변화가 그림 6에 나타나 있다. 각 유속에서의 측정은 약 30초 간 하였다. 기준 유속에서의 기체의 선속도가 2 cm/s 이므로 매우 느리지만 열선 주위에서의 기체유동의 불안정성 때문에 측정전압의 변화가 크나 평균전압을 계산하면 유속과 전압 사이에는 거의 선형적인 관계가 있음을 알 수 있고 이를 그림으로 표시한 것이 그림 7이다. 유속의 증가에 따라 열선으로부터의 열방출이 크게 되고 열선의 온도가 감소하면 열선의 저항이 줄어들어 더 큰 전류가 흐르므로 출력전압은 높아진다. 이 경우의 전압변화는 유속의 증가나 감소에 상관없이 거의 선형적으로 변화하여 본 연구의 기기가 안정한 성능을 가짐을 보여주고 있다. 또 최초의 유속으로 환원하였을 때의 전압 측정치가 처음 측정값과 유사하게 얻어짐은 본 측정기의 측정 재현성이 양호함을 보여준다.

동일한 유속변화의 실험을 탄산가스에 대하여 실시한 결과가 그림 8에 나타나 있다. 최초의 유속을 200 mL/min.으로 하였으며 계단식 유속변화의 양은 공기의 경우와 동일하다. 그림 7에서 알 수 있듯이 유속과 출력전압 사이에 거의 직선적인 관계가 있음을 알 수 있고 공기보다는 감도가 약간 감소하나 거의 비슷한 경향을 보이고 있다. 측정감도는 유량 50 mL/min.에 약 40 mV의 전압변화가 있으므로 그림 8에서 전압의 측정편차가 5 mV 이하임을 감안하면 분당 약 10 mL의 유속변화는 충분히 측정할 수 있고 고도의 정밀측정을 필요로 하지 않는 공업용 유량측정에는 충분히 사용할 수 있는 감도를 가진다.

그림 8. 탄산가스 유량의 변화에 따른 출력전압과 온도의 변화. 0.035mm 열선사용. 유량은 200 mL/min.에서 50 mL/min.씩 변화시킴.

그림 9. 공기유량의 변화에 따른 출력전압과 온도의 변화. 0.05mm 열선사용. 공기 유량은 300 mL/min.에서 50 mL/min.씩 변화시킴.

그림 10. 공기유량의 변화에 따른 출력전압과 온도의 변화. 0.05mm 열선을 사용하고 히터를 사용하지 않음. 공기 유량은 200 mL/min.에서 50 mL/min.씩 변화시킴.

그림 11. 공기의 온도변화에 따른 측정전압의 변화.

동일한 실험을 0.05 mm 굵기의 열선을 이용하여 공기에 대해 전압과 온도를 측정한 결과가 그림 9에 표시되어 있다. 그림 8의 실험결과와 비교해 보면 감도가 떨어지는 것은 열선이 굵기 때문이다. 또 히터 즉, 측정셀에 있는 가운데 열선에 전압을 가하지 않았을 때의 측정결과가 그림 10에 나타나 있고 역시 그림 7에 비교되어 있다. 히터를 사용하였을 때에 비해 감도가 떨어지는 것은 히터에 의한 보상효과가 없기 때문이다. 기체의 온도가 유량측정에 주는 영향을 조사하기 위해 0.035 mm 열선에 온도변화가 있는 공기를 300 mL/min.의 일정한 유속으로 공급할 때의 전압변화를 그림 11에 나타내었다. 처음 약 5 분간의 측정전압이 약간 흔들리는 것을 제외하고 전체적으로 고른 전압이 얻어진 것은 온도가 변화하는 기체의 유량을 측정하는데 어려움이 없음을 보여준다.

이와 같이 기체의 유량 측정에 열선을 사용하면 고정도는 아니지만 공업용의 기체 측정시스템으로 충분히 사용할 수 있음을 알 수 있다.

본 연구의 열선 기체 유속계는 상대적으로 고정도를 요구하지 않는 산업용 측정에서 염가로 제작하여 사용할 수 있는 장점이 있고 이러한 용도로서의 온라인 유량 측정에 사용한다면 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다.

결론

다소 낮은 정확도의 기체 유량 측정 시스템을 열선을 이용하여 제작하였고 그 성능을 공기와 탄산가스에 대해 실제 측정을 통하여 시험하였다. 본 실험의 기체유량 측정시스템은 구조가 간단하고 경제성이 있으며 그 구체적 제작과정을 자세히 소개하였다.

공기와 탄산가스의 유량을 변화시키면서 출력전압을 측정한 결과 분당 10 mL의 유량변화를 감지할 수 있었다. 가는 열선을 사용하고 히터를 사용하는 경우에 더 좋은 감도를 얻었으며 양호한 재현성을 보였다. 실험의 결과로부터 용접, 열처리 등의 금속을 취급하는 공업용의 기체 유량측정에는 충분히 사용할 수 있는 정도를 얻을 수 있음을 알았다.