정확한 산업 공정 측정을 위한 유체 센서 정확도 향상

차에 시동을 걸고, 수도꼭지에서 물 한 컵을 채우거나, 브라우니 반죽에 식용유를 섞는 등 세심하게 추출, 처리 및 품질 평가를 거친 액체를 사용하고 있는 것입니다. 소비자가 이러한 유체를 사용할 수 있도록 만드는 데 필요한 엄청난 사전 고려와 기술은 종종 눈에 띄지 않지만 정확한 측정과 모니터링이 필요합니다.

의약품을 처리할 때 유체의 품질이 좋은지 어떻게 알 수 있습니까? 원유를 사용하여 작업하는 경우 추출량이 얼마나 되는지 어떻게 알 수 있습니까? 물을 운반하는 경우 유량을 어떻게 알 수 있나요?

물, 식품, 생명 과학, 석유 및 가스 회사의 신뢰와 수익에 영향을 미치는 이와 같은 질문은 파이프라인 및 기타 장비에 설치된 유량계 제조업체가 해결합니다. 엔드레스하우저의 제품 개발 팀은 다양한 측정 방법이 필요한 다양한 물질에 대한 정확한 센서를 개발하고 유지하기 위해 노력하고 있습니다.

코리올리 힘 측정

파이프 내에서 이동하는 유체의 특성을 파악하기 위해 Endress+Hauser에서 설계된 센서는 하나 이상의 진동 측정 튜브로 구성된 파이프라인에 삽입된 장치 내에서 코리올리 힘의 영향을 측정합니다.

튜브는 유체가 장치에 들어가기 전에 여기됩니다. 정지 유체가 장치를 채우면 튜브가 균일하게 진동합니다. 유체가 진동 튜브를 통해 흐르기 시작하자마자 유체는 벽에 힘을 가하기 시작합니다. 측정 튜브의 진동은 유체 입자에 의한 축 주위의 회전으로 나타납니다. 유체 입자는 움직이는 기준계에서 움직이기 때문에 운동 방향과 회전축에 수직으로 작용하는 관성력, 즉 코리올리 힘을 경험합니다. 회전축에 대한 유속은 입구와 출구 부분에서 반대 방향을 갖기 때문에 유도된 힘은 비대칭 방식으로 튜브를 편향시키는 작용을 하여 튜브를 따라 위상 변화 또는 시간 지연을 유발합니다.

파이프의 움직임에 따른 비틀림 구성 요소로 인해 발생하는 시간 지연 또는 위상 변화로 인해 튜브의 여러 섹션이 진동하기 시작합니다. 이러한 위상 변화와 튜브의 새로운 진동 주파수는 각각 튜브의 질량 유량과 유체 밀도의 함수입니다. 따라서 계량기의 신호를 해석하여 질량 또는 체적 유량을 측정하고 원하는 양의 유체가 이송되는지 확인할 수 있습니다.

마찬가지로, 유체 점도가 증가하면 진동 감쇠도 증가합니다. 진동 주파수는 주로 유체 밀도를 직접적으로 측정합니다. 예를 들어 진동은 물과 같은 유체(밀도가 높고 점도가 낮음)보다 기름(밀도가 낮고 점도가 높음)과 같은 물질의 경우 더 빠르지만 더 감쇠됩니다. 진동의 주파수와 감쇠를 측정하면 밀도와 점도를 확인하고 유체 흐름과 관련된 공정 품질을 모니터링할 수 있습니다. 움직이는 유체에서 진동하는 캔틸레버와 같은 물체에도 동일한 물리 효과가 적용됩니다.

점음향 예시

그림 1. Endress+Hauser가 설계한 코리올리스 유량계 (이미지 :COMSOL)

유량계(그림 1)를 제조하는 Endress+Hauser 계열사인 Endress+Hauser Flow의 수치 시뮬레이션 수석 전문가인 Vivek Kumar 박사는 센서 성능을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 그의 모델링 작업은 그의 팀이 유량계의 음향, 구조 및 유체 흐름 효과를 심층적으로 이해하는 데 도움이 되었습니다. 유체 구조 상호 작용과 진동 음향학이 센서 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해함으로써 계측기의 성능과 품질을 개선하기 위해 다양한 설계 조정을 수행할 수 있었습니다.

팀은 점성 유체가 진동 튜브를 통해 흐를 때 발생하는 복잡한 점성 감쇠를 이해하기 위해 점음향 모델을 사용하여 수치 분석을 시작했습니다.

그림 2. 다양한 유체 점도에 대한 튜브 진동 주파수의 변화와 그에 따른 기계적 변위를 보여주는 시뮬레이션 결과(왼쪽). 진동 운동으로 인한 튜브 변형의 시각적 예(오른쪽). (이미지 :COMSOL)

COMSOL Multiphysics® 소프트웨어를 사용하여 그들은 튜브의 진동 주파수에 대한 유체 점도의 영향을 분석했습니다. 그림 2는 다양한 점도의 유체에 대한 튜브의 변위와 주파수를 예측하는 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 미터의 주파수 출력에 변화를 일으키는 물리적 효과를 시뮬레이션하고 더 잘 이해할 수 있는 능력을 통해 팀은 이러한 효과를 활용하여 미터의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 경우, 측정된 밀도 오차에 대한 점도 영향을 보상하기 위해 튜브 감쇠의 변화가 활용됩니다.

Kumar는 "우리는 다양한 유체가 센서 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하고 싶었습니다."라고 말했습니다. "시뮬레이션을 사용하여 다양한 사례를 분석하고 궁극적으로 장치 설계를 최적화하여 고객이 사용하거나 추출하는 유체의 재료 특성을 특성화하는 데 도움을 줄 수 있었습니다."

미시적인 예

그림 3. 밀도 및 점도 측정에 사용되는 MEMS 코리올리스 칩. 왼쪽에는 펜치로 고정된 전체 센서가 있습니다. 오른쪽은 장치 내부의 칩 레이아웃입니다. (이미지:COMSOL) 그림 4. 진동하는 마이크로채널의 두 가지 고유모드. 색상은 채널의 다양한 영역의 상대적 변위 수준을 나타냅니다. (이미지 :COMSOL)

Endress+Hauser Flow의 자회사인 TrueDyne Sensors AG는 유사한 개념을 기반으로 MEMS 장치를 개발합니다. 그들은 다양한 용도로 열물리적 유체 특성을 측정하기 위해 진동 센서를 설계하고 테스트합니다. 팀은 특정 고객 솔루션을 위한 센서를 개발하므로 어떤 유형의 발진기가 특정 사례에 가장 적합한 감도를 제공하는지 아는 것이 중요합니다.

MEMS 코리올리스 칩(그림 3)은 더 큰 코리올리스 유량 센서와 동일한 원리로 작동하는 독립형 진동 마이크로채널을 활용합니다. 코리올리스 시뮬레이션의 경우와 마찬가지로 기본 고유 모드와 흐름 채널의 다른 끝 부분의 진동 속도를 결정하려면 마이크로 채널에서 진동 분석을 수행해야 합니다(그림 4). 이 특정 센서는 불활성 가스, 액화석유가스(LPG), 탄화수소 연료 또는 냉각 윤활제와 같은 유체의 밀도와 점도를 평가하는 데 사용됩니다. 센서의 크기로 인해 매우 적은 양의 유체를 측정하는 데 적합합니다.

그림 5. MEMS 코리올리스 칩의 온도를 2D(상단) 및 3D(하단)로 보여주는 열 결과. (이미지:COMSOL) 그림 6. Endress+Hauser에서 설계한 입구 또는 출구 런(0 x DN)이 없는 Promag W 400 전자기 유량계. 파이프 내부에 전극이 보입니다. 폴리우레탄 라이너는 파이프와 액체 사이에 전기 절연을 제공합니다. (이미지 :COMSOL)

이러한 소형 장치의 한 가지 구체적인 과제는 여기를 구동하는 데 사용되는 고전압으로 인해 전기적 결함이 있는 경우 장치가 과열될 수 있다는 것입니다. 이러한 안전 위험을 고려하여 그들은 열 분석(그림 5)을 수행하여 칩에서 열이 소실된 위치와 유체가 너무 뜨거워지는지 여부를 확인했습니다. 전극과 유체 사이의 열전달을 최소화한 유로를 둘러싼 진공챔버 덕분에 온도가 한계를 넘지 않는 것을 확인했다.

전자기 유량계 최적화

또 다른 유형의 유량계는 로렌츠 힘을 이용하는 전자기 유량계입니다. 로렌츠 힘은 자기장을 통해 이동하는 하전 입자에 작용합니다(그림 6). 이러한 유량계의 경우 입자는 전도성 액체의 이온이고, 이동은 파이프를 통해 흐르는 액체에서 발생하며, 자기장은 파이프 위와 아래에 있는 코일 세트에 의해 공급됩니다. 그 결과 파이프 전체에 전자기 전위가 나타나며, 이는 한 쌍의 전극으로 측정할 수 있습니다. 신호는 일반적으로 m/s당 수백 mV 정도입니다. 올바르게 설계했다면 측정된 전위는 유속에 비례하고 전도도와는 무관합니다.

전자기 유량계의 시뮬레이션에는 코일에 의해 생성된 자기장과 파이프의 유속 분포를 계산하고 이를 결합하여 전위를 계산하는 다중물리 모델링 소프트웨어가 필요합니다(그림 7). 전자기 유량계는 일반적으로 몇 퍼센트의 측정 정확도로 지정되므로 시뮬레이션은 매우 정확해야 합니다. Endress+Hauser Flow의 시뮬레이션 전문가인 Simon Mariager 박사와 Simon Triebenbacher 박사는 이러한 시뮬레이션을 사용하여 전자기 유량계의 주요 한계 중 하나인 유량 프로필에 대한 민감도를 제거했습니다.

그림 7. 전자기 장치의 다중물리 모델. 코일 전류는 빨간색 화살표로 표시되고 유선형은 유량계 내부의 자기장 강도를 나타냅니다. 다채로운 슬라이스 플롯은 유량계 입구의 속도 크기를 보여줍니다. 이 불균일한 흐름 프로파일은 상류의 90도 굽힘(표시되지 않음)에 의해 생성되었습니다. 중앙의 절반 슬라이스는 0 x DN 풀 보어 센서의 훨씬 더 균일한 중량 함수를 보여주며, 이는 유량 프로파일 및 관련 교란과 무관한 설계를 나타냅니다. (이미지 :COMSOL)

기존 전자기 유량계는 놀랍도록 견고하지만, 파이프라인이 구부러진 후 발생하는 흐름 프로필의 변화로 인해 측정 오류가 발생합니다. 이러한 이유로 제조업체는 이러한 유량계가 센서 앞에 특정 입구 길이의 직선 파이프(일반적으로 공칭 직경 크기의 10배)를 가질 것을 권장합니다. 그러나 이 권장 설계는 몇 밀리미터에서 수 미터 범위의 파이프 크기에 사용할 수 있는 전자기 유량계 설치 과정을 어렵게 만들 수 있습니다. 입구 길이를 없애는 것이 Endress+Hauser Flow의 최근 개발 프로젝트의 목표였습니다. 이 작업에서는 유량계의 중량 기능을 최적화해야 했습니다. 이론적으로 이를 위해서는 가중치 함수의 컬이 모든 곳에서 0이어야 하지만 실제 기하학에서는 수학적으로 불가능합니다.

대신 필요한 자유도를 제공하기 위해 추가 측정 전극이 사용되었습니다. 이를 통해 팀은 필요한 전극 수와 배치 위치를 결정해야 했습니다. 그들은 구부러짐이나 밸브와 같은 흐름 교란 후의 파이프 흐름 시뮬레이션을 사용하여 다양한 실제 응용 분야에서 전자기 유량계의 성능을 예측하고 새로운 유량계가 흐름 프로필과 사실상 독립적이 될 정도로 설계를 최적화했습니다.

회사 및 고객 요구사항 충족

Endress+Hauser 시뮬레이션 팀의 경우 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어의 기능은 유량 측정 장치를 최적화하고 개발하기 위한 일상적인 R&D 작업에 도움이 되었습니다. 다중물리 분석은 테스트 및 프로토타입 제작에 소요되는 전체 시간과 노력을 줄이고 최고 품질의 센서를 생산할 수 있는 통찰력을 제공합니다.

Endress+Hauser Flow의 고급 센서 기술 수석 전문가인 Christof Huber 박사는 자신의 모델이 어떻게 장치 설계를 변경하여 Endress+Hauser 고객의 경험을 향상시키는지 보고 영감을 받았습니다. Huber는 "이러한 도구는 고객의 문제를 해결하는 데 사용됩니다. 우리는 이것이 현장에서 작동하고 실제로 혁신을 이루는 것을 보고 있으며, 우리가 이 일을 하는 이유와 수익을 봅니다."라고 Huber는 말했습니다.

이 기사는 Rachel Keatley가 COMSOL(매사추세츠주 벌링턴)을 위해 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .