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Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 매스플로우 천일야화(69)

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작성자 댓글 0건 조회 454회 작성일 21-09-03 11:14

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사진 1. 열식 유량 센서 탑재 매스플로우 컨트롤러 

출처: 브롱호스트 재팬㈜



서론

이번 회에는 매스플로우 컨트롤러(MFC)라 불리는 질량 유량계를 탑재한 유량 센서 방식의 미래상에 관해 설명한다. 매스플로우는 질량 유량이므로 원래 탑재되어야 할 유량 센서의 선택지는 열식과 코리올리식의 두 가지뿐이라는 점은 이 연재를 읽는 독자들은 이미 잘 알고 있는 부분일 것이다. 그런데 일부 업계에서 “압력식 매스플로우 컨트롤러”라고 하는 제품을 선보이고 있으며 압력식이 차압식, 라미나플로우 방식라고 생각하면 이것은 체적유량계의 세계이긴 하지만 이것도 분명히 논의의 범주에 추가하지 않을 수가 없을 것 같다.


질량 유량계와 체적 유량계

유량이란 글자 그대로 ‘흐름의 양’이며, 기체와 액체 등의 유체가 단위시간 당 어떤 지점을 통과하는 양을 말한다. 유량 측정의 목적으로 사용되는 것이 ‘유량계’이며, 목적에 따라 유체에 적응할 수 있으며 적절한 유량역을 커버할 수 있는 유량계를 선택하는 것이 올바른 유량 측정 및 계측을 첫걸음이다.(그림 1 참조) 여기서 ‘질량 유량’과 ‘체적 유량’에 관하여 다루도록 한다.



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그림 1.  


어떤 지점을 통과하는 유체의 양을 ‘질량’으로 나타낸 것이 질량 유량이다. 반대로 체적 유량이란 그 유체의 양을 ‘체적’으로 나타낸 것이다. 이 둘은 완전히 다른 것이 아니라 어디까지나 흐름의 양을 어떤 단면에서 표현하는가 하는 시선의 차이에 지나지 않는다. 

질량 유량이 체적 유량보다 유리한 것은 모든 조건에서 불변의 단위인 질량을 이용하는 것이다.(그러므로 “중량”이 아닌 “질량”이다) 그에 비해 ‘보일・샤를의 법칙’(어떤 질량을 가진 기체의 부피[V]는 절대 압력 [P]에 반비례하고 절대 온도 [T]에 비례한다)에 따라 온도와 압력을 정의해야 하는 체적 유량은 잘못 취급하면 값을 크게 오인해버리는 성격을 가지기 때문에 주의가 필요하다. 체적 유량을 측정하는 체적 유량계도 당연히 같은 보일・샤를의 법칙 지배하에 있으며, 온도・압력 조건을 특정할 필요가 있다. 기준 상태(0℃, 1,013kPa(A))(노멀 (normal)) 표기는 그 대표적인 것이다. 체적 유량계의 경우, 교정 조건과 사용 환경 조건이 일치하는 일은 드물다. 그렇다고 해서 다른 환경 조건에서 유량계로서 사용할 수 없는가 하고 물으면 결코 그렇지는 않으며, 온도와 압력을 환산하면 거의 정확한 값을 얻을 수 있다. ‘무관심해서는 안 된다.’는 말이다. 오해하기 쉽겠지만 체적 유량계를 이용해도 질량 유량을 구할 수 있다. 유체의 밀도에 체적 유량값으로 곱하면 된다. 다만, 체적 유량계에는 조건에 따라 다양한 환산 작업이 필요하다고 말할 뿐이다.(물론 이 환산에는 온도, 압력이라는 요소가 있기 때문에 계산 결과에는 이러한 정보에 대한 불확실성을 쌓아 올려야 한다)


그에 비해 질량 유량계의 장점은 앞서 이야기한 바와 같이 불변의 단위: 질량을 이용하여 유량을 나타내는 것이다. 온도・압력 조건 변환이 필요하지 않기 때문에 측정값은 매우 사용하기 편리하다. 하지만 여기에서 오해하기 쉬운 것이 이용되는 단위로 g/h, ㎏/h와 같은 질량 유량 단위가 아닌 mL/min, ㎥/h와 같은 체적 유량 단위를 이용하는 경우, 이것은 유체의 밀도에서 변환되었다는 것이다. 밀도는 온도 조건에서 다르다. 즉 온도 정보의 불확실성을 더하여 생각해야한다는 뜻이 되며, 질량 유량계에서의 측정 결과라도 체적 유량 단위로 환산한 경우 그 불확실성이 가산되는 것을 이해하고 두어야 한다.


열식 유량 센서 MFC의 유량 센서의 표준

운영상으로는 매우 편리한 질량 유량계이지만 실제 선정에서는 어려움도 있다. 이것은 원래 질량 유량계라고 부를 수 있는 유량계는 매우 적으며 그 수비 범위도 좁다는데 기인한다. 질량 유량계라 부를 수 있는 것은 ‘열식’과 ‘코리올리식’의 2가지 방식 밖에 존재하지 않았다. 즉, 사용자는 운용하기 쉽지만 유량계 제조사에게 있어서는 개발・제공하기 어려운 종류의 유량계라는 것이다.


여기서 질량 유량계로 분류된 2가지 방식을 설명한다. 우선은 열식 유량 센서이다. MFC로서는 가장 탑재 사례가 많은 센서이다. SUS 튜브 바깥 둘레와 짝을 이루는 히터 겸 측온 저항을 두는 이선식과 히터를 중앙에 하나, 상하류에 독립된 측온 저항체라고 하는 삼선식이 있다. 가느다란 파이프에 Ni-Cr계 선재를 감은 것이 많기 때문에 권선형이라고 호칭된다. 유로 안에 두는 것은 MEMS 상의 다이어프램에 형성된 마이크로 히터와 상하류의 측온 저항체에 의해 이루어지는 것이 많기 때문에 MEMS형이라고 정의된다.(MEMS형 히터, 측온 저항체의 배치는 권선형 삼선식과 같다) 모두 통과하는 유체에 빼앗기는 상류와 하류의 열량 차가 그 유량에 비례한다는 점을 이용하여 측정하는 유량계이다.(그림 2) 또한 원래 열선식 풍속계의 킹의 정리를 그대로 응용한 삽입형도 있으며 저렴한 등급이나 대유량 공기 측정을 기본으로 많이 이용되고 있다.(그림 4 참조)

열식 유량계의 유량식은 <그림 3>과 같다. 원래 이들 열식 유량 센서의 근원이 되었다고 생각되는 것은 <그림 4>의 열선 풍속계의 원리 <킹의 정리>이며, ‘유체가 흘렀을 때 히터에서 뺏은 열량은 유체가 흐른 양과 비례 관계에 있다.’는 개념이 열식 유량 센서의 기본적인 개념이다.


유량 측정의 흐름은 아래의 ①~④와 같다.

① 지름의 가는 센서 튜브관에 히터와 그 상류, 하류에 측온 저항체가 배치되고 히터는 유체 온도보다 높은 온도로 승온되었다.(삼선식)

② 센서관에 유체를 흘리면 상류 측에 저항 발열체가 감지하는 온도는 유체에 빼앗겨 하강하고 반대로 하류 측은 상류 측으로부터 빼앗긴 열이 가온되어 상승한다.

③ 이 때 상류 측 측온 저항체와 하류 측의 측온 저항체 사이에 생긴 온도 차 ΔT는 유체의 유량에 비례한다.

④ 미리 브리지 회로를 형성해두면 유량을 전기 신호로 추출할 수 있게 된다.


열식에는 두 가지 약점이 있다. 하나는 유량식에 유체 고유의 물성인 정압 비열을 가지기 있기 때문에 유체 종류가 명확하지 않은 경우나 여러 혼합 유체의 경우에는 유체와 그 혼합 비율이 명확하지 않으면 정확한 유량을 측정할 수 없다는 점이다. 열식 유량계를 운용하기 위해서는 실제 사용하는 유체를 정확하게 파악하거나 혹은 실제 유체에서의 직접적인 교정이 필요조건이 된다. 실제 유체에서의 교정은 유체 종류에 따라 난이도가 높기 때문에 제조사는 컨버전 팩터(이하, CF)라는 계수를 유체마다 단독 또는 다수로 설정하였다. 교정에 이용하는 기준이 되는 유체(기체의 대상인 경우 질소, 공기, 액체의 경우에는 물 혹은 IPA 등의 알코올계 액체인 경우가 많다)와 사용하는 유체와의 유량비를 환산 계수(CF)로 정하여 운영하고 있는 것은 이 때문이다. 이것은 질량 유량계의 “불변의 단위인 질량으로 측정할 수 있다(유체의 컨디션에 관계없이 질량으로 측정한다)”라는 정의에 위배된다. 따라서 열식 유량계는 조건부로 질량 유량계라는 개념도 있다. 자연스럽게 열식은 제조사, 유체 종류, 유량, 사용 조건에 있어서의 기기 차이가 크며 반도체 제조 프로세스에서 사용하는 특수한 가스에서는 CF의 신뢰성이 부족하고 그 개체에서의 반복 성능을 중시하는 운용이라는 현실이 존재한다.


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그림 2. 열식 센서의 일반 예 권선식과 MEMS형



..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2021년 9월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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