질량 흐름 제어기
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1. 개요
질량 흐름 제어기(MFC)는 기체의 질량 유량을 정밀하게 제어하는 장치이다. 1950년대 미국의 아폴로 우주 계획을 배경으로 개발되었으며, 우주 환경과 같이 압력 변화가 심한 곳에서도 정확한 유량 측정을 가능하게 한다. MFC는 열식, 코리올리식, 노즐식 등 다양한 방식으로 작동하며, 열식 MFC가 가장 널리 사용된다. 열식 MFC는 유로의 온도차를 감지하여 질량 유량을 측정하며, 가스의 종류에 따라 전용 MFC를 사용해야 한다. MFC는 화학, 반도체, 우주 관련 분야 등 다양한 산업 현장에서 활용된다.
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| 질량 흐름 제어기 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 다른 이름 | MFC |
| 상세 정보 | |
| 종류 | 폐쇄 루프 제어 시스템 비례-적분-미분 제어기 (PID 제어기) |
| 관련 분야 | 유체 역학 열역학 제어 이론 화학 공학 진공 공학 |
| 사용 분야 | 표면 처리 화학 분석 바이오리액터 연료 전지 진공 공정 |
| 작동 원리 | |
| 유량 측정 | 열전달 방식 |
| 유량 제어 | 비례 밸브 |
| 제어 방식 | 폐쇄 루프 |
| 제어 변수 | 질량 유량 |
| 구성 요소 | |
| 유량 센서 | 열전대 또는 서미스터 |
| 제어 밸브 | 비례 밸브 |
| 제어 회로 | PID 제어기 |
| 설정 | 전압, 전류 또는 디지털 통신 |
| 통신 방식 | |
| 아날로그 | 0–5 VDC, 0–10 VDC, 4–20 mA |
| 디지털 | Modbus, EtherCAT, Profibus, DeviceNet, RS-485, RS-232 |
2. 역사
질량 흐름 제어기(MFC)의 발명은 1950년대 미국의 아폴로 우주 계획을 배경으로 한다는 설이 유력하다. 우주 공간은 지구와 기압 조건이 달라 부피 유량계로는 정확한 유량 측정이 어렵고 오차가 커지는 문제가 있었다. 반면, 열선식 질량 흐름 미터는 압력 변화에 영향을 받지 않고 상류 및 하류의 온도에서 유량을 직접 측정할 수 있어 우주 환경에서 더욱 신뢰성 있는 유량 제어를 가능하게 했다. 이러한 특징은 품질 보증의 추적 가능성 측면에서도 유리했다.
2. 1. 개발 배경
질량 흐름 제어기(MFC)의 발명은 1950년대 미국의 아폴로 우주 계획을 배경으로 한다는 설이 유력하다. 우주 공간은 지구와 기압 조건이 달라 부피 유량계로는 정확한 유량 측정이 어렵고 오차가 커지는 문제가 있었다. 반면, 열선식 질량 흐름 미터는 압력 변화에 영향을 받지 않고 상류 및 하류의 온도에서 유량을 직접 측정할 수 있어 우주 환경에서 더욱 신뢰성 있는 유량 제어를 가능하게 했다. 이러한 특징은 품질 보증의 추적 가능성 측면에서도 유리했다.3. 원리
질량을 검출하는 방법으로는 주로 흐름에 의해 발생하는 유로의 상류와 하류의 온도차를 읽는 열식(써멀식) 방식이 사용된다. 다른 방식으로는 코리올리 힘을 이용한 코리올리식이나, 음속 노즐(임계 노즐이라고도 함)을 이용한 노즐식이 있다.
열식의 경우, 질량 유량에 따라 변화하는 유로의 온도를 전기 저항의 온도 변화를 이용하여 검출한다. 가스가 센서로 유입되면 상류 측과 하류 측의 저항체에 온도차가 발생한다. 따라서 유로에 전기 저항계를 통합하면 질량 유량을 감지할 수 있다. 저항으로부터 온도를 산출하기 위해 열선식 매스 플로우 기기에는 측온 저항체 또는 유사한 부품이 통합되어 있다. 또한 일반적으로 전기 저항의 감지는 주로 휘트스톤 브리지 등의 브리지 회로에 의해 수행된다.
이 온도 변화를 브리지 회로에서 감지하여 유량 출력 신호로 추출한다. 여기에 외부에서 입력된 유량 설정 신호와 센서의 유량 출력 신호를 비교하여 각 신호 레벨이 일치하도록 유량 제어 밸브가 PID 제어 등으로 밸브의 개도를 조정한다. 유량 제어는 일반적으로 솔레노이드 밸브라고도 하는 전자기 밸브로 수행된다.
사용상의 주의사항으로 가스의 비열은 가스에 따라 다르므로 가스의 조성에 따라 전용 매스 플로우 기기를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 질소 가스를 흐르게 하는 MFC를 사용하는 경우, 질소 가스 전용 MFC를 사용해야 한다. 매스 플로미터가 표시하는 유량은 전용 가스를 흐르게 한 경우의 유량이다. "변환 계수"라고 하여, 다른 가스를 흐르게 한 경우의 환산식도 유량 계측 업계 내에서는 일반적으로 알려져 있지만, 업자 이외에는 가능한 한 전용 가스에 적합한 각 가스 전용 매스 플로우 기기를 사용하는 것이 무난하다.
노즐식이나 코리올리식 등 열식 이외의 매스 플로우 기기의 경우, 비열은 측정에 사용되지 않지만, 사용하는 매스 플로우 기기는 각 가스에 적합한 전용 매스 플로우 기기를 사용하는 것이 일반적이다.
3. 1. 열식 MFC
열식 MFC는 유체의 흐름에 의해 발생하는 온도 차이를 감지하여 질량 유량을 측정하는 방식으로, 가장 널리 사용된다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.- 열 센서: 작은 구멍이 뚫린 튜브와 튜브 바깥으로 둘러싸인 2개의 저항-온도계 요소로 구성된다. 센서 튜브는 전류가 인가되면 가열된다.
작동 방식은 다음과 같다.
:가스 흐름의 선형 비율은 센서 튜브로 나타나고, 냉각 효과는 2개 요소의 온도 차를 발생시킨다. 이 온도 차이에 의한 저항 차이는 전기 신호로 측정된다.
:질량 유량에 따라 변화하는 유로의 온도는 전기 저항의 온도 변화를 이용하여 검출한다. 가스가 센서로 유입되면 상류 측과 하류 측의 저항체에 온도차가 발생한다. 따라서 유로에 전기 저항계를 통합하면 질량 유량을 감지할 수 있다. 저항으로부터 온도를 산출하기 위해 열선식 매스 플로우 기기에는 측온 저항체 또는 유사한 부품이 통합되어 있다.
:이 온도 변화는 휘트스톤 브리지 등의 브리지 회로에서 감지되어 유량 출력 신호로 추출된다. 외부에서 입력된 유량 설정 신호와 센서의 유량 출력 신호를 비교하여 각 신호 레벨이 일치하도록 유량 제어 밸브가 PID 제어 등으로 밸브의 개도를 조정한다. 유량 제어는 일반적으로 솔레노이드 밸브라고도 하는 전자기 밸브로 수행된다.
사용 시 주의사항으로는 가스의 비열은 가스에 따라 다르므로 가스 조성에 따라 전용 매스 플로우 기기를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 질소 가스를 흐르게 하는 MFC를 사용하는 경우, 질소 가스 전용 MFC를 사용해야 한다. 매스 플로미터가 표시하는 유량은 전용 가스를 흐르게 한 경우의 유량이다. "변환 계수"라고 하여, 다른 가스를 흐르게 한 경우의 환산식도 유량 계측 업계 내에서는 일반적으로 알려져 있지만, 업자 이외에는 가능한 한 전용 가스에 적합한 각 가스 전용 매스 플로우 기기를 사용하는 것이 무난하다.
코리올리 힘을 이용한 코리올리식이나, 음속 노즐(임계 노즐이라고도 함)을 이용한 노즐식 등 열식 이외의 매스 플로우 기기의 경우, 비열은 측정에 사용되지 않지만, 사용하는 매스 플로우 기기는 각 가스에 적합한 전용 매스 플로우 기기를 사용하는 것이 일반적이다.
3. 2. 코리올리식 MFC
코리올리식 MFC는 코리올리 힘을 이용하여 질량 유량을 측정하는 방식이다. 열식에 비해 정밀도가 높고, 다양한 종류의 유체에 적용 가능하다는 장점이 있다. 코리올리식은 코리올리 유량계의 원리를 이용한다.3. 3. 노즐식 MFC
음속 노즐(임계 노즐)을 이용한 노즐식 MFC는 유로가 좁아지는 부분(노즐)에서 기체의 흐름이 음속에 도달할 때, 하류 압력과 관계없이 상류 압력에 의해서만 유량이 결정되는 임계 흐름 현상을 이용한다. 이러한 현상은 라발 노즐이라는 현상으로 알려져 있다.기체 흐름에서 유로가 노즐 구멍 등 좁은 구멍으로 좁아진 경우, 좁은 구멍의 상류와 하류 사이에 압력차가 있으면 기체의 음속보다 흐름이 빨라진다. 이때문에 통상의 흐름과는 다른 특이한 흐름 현상을 일으켜 하류 측의 압력에 관계없이 상류 측의 압력에 의해서만 유량이 결정된다. 임계에 필요한 압력의 비(상류 ÷ 하류)를 임계 압력비라고 하며, 온도에 따라 다르지만, 상온에서는 임계 압력비는 대략 2 근처이다.
수로의 물 등의 액체의 흐름에서도, 기체 유체의 임계와 유사한 현상이 있다. 예를 들어 개수로에서 유속이 표면파의 속도 이상이 되면, 즉 프루드 수가 1을 넘으면, 사류(射流)라는 흐름 상태가 되어, 사류에서는 하류에서 일어난 파동은 상류로 전달되지 않는다.
대한민국 산업 측정 표준 국가 기관인 한국표준과학연구원(KRISS)에서는 기체 유량 측정 국가 표준기로 임계 노즐을 내장한 유량계를 사용하고 있다.
원리상, 임계 노즐식 유량계에는 압력계가 노즐 상류 측 위치에 필요하다. 따라서 노즐식 MFC에도 노즐 상류 측에는 압력계가 들어있는 구조로 되어 있다. 또한, 임계를 일으키기 위한 압력차가 필요하기 때문에, 차압이 없는 곳에서는 노즐식 MFC는 기능하지 않는다.
4. 용도
질량 흐름 제어기(MFC)는 화학 반응, 온도 변화, 기압 변화의 영향을 받기 어려운 특성 때문에 화학 공장, 반도체 공장, 우주 관련 분야 등 다양한 산업 현장에서 활용된다.
5. 사용 시 주의사항
참조
[1]
논문
A critical evaluation of thermal mass flow meters
http://pdfs.semantic[...]
1996
[2]
논문
A critical evaluation of thermal mass flow meters
http://pdfs.semantic[...]
1996
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