유체 센서 정확도 향상으로 정밀 산업 공정 측정 실현

자동차 시동을 걸고, 수도에서 물 한 잔을 따르고, 브라우니 반죽에 식용유를 섞을 때, 당신은 신중하게 추출되고 가공되어 품질이 평가된 액체를 사용하고 있다. 소비자가 사용 가능한 유체를 만드는 데 들어가는 엄청난 선견지명과 기술은 종종 눈에 보이지 않지만 정밀한 측정과 모니터링을 필요로 한다.

제약 제품을 가공할 때 유체가 고품질인지 어떻게 알 수 있을까? 원유를 다룰 때 얼마나 추출하는지 어떻게 알까? 물을 운송할 때 유량을 어떻게 알까?

이러한 질문들은 물, 식품, 생명과학, 석유가스 기업의 신뢰와 수익에 영향을 미치며, 파이프라인 및 기타 장비에 설치된 유량계 제조사들이 해결한다. 엔드레스하우저(Endress+Hauser) 제품 개발팀은 다양한 측정 방법을 필요로 하는 여러 물질에 대한 정확한 센서 개발과 유지에 힘쓴다.

코리올리 힘 측정

파이프를 통과하는 유체 특성을 결정하기 위해 엔드레스하우저에서 설계된 센서는 파이프라인에 삽입된 하나 이상의 진동 측정관 내 코리올리 힘의 효과를 측정한다.

유체가 디바이스에 들어가기 전에 관을 진동시킨다. 정지된 유체가 디바이스를 채우면 관은 균일하게 진동한다. 유체가 진동관을 통해 흐르기 시작하면 유체는 관 벽에 힘을 가하기 시작한다. 측정관의 진동은 유체 입자에 의해 축을 중심으로 회전하는 것으로 보인다. 유체 입자가 움직이는 기준계에서 움직이므로 운동 방향과 회전 축에 수직인 관성력, 즉 코리올리 힘을 경험한다. 유입부와 유출부에서 회전 축에 대한 유속이 반대 방향이므로 유도된 힘은 관을 비대칭적으로 휘게 하여 관을 따라 위상 변화나 시간 지연을 유발한다.

관의 다른 부분들이 관 운동의 비틀림 성분으로 인해 시간 지연이나 위상 변화를 가지고 진동하기 시작한다. 이 위상 변화와 관의 새로운 진동 주파수는 각각 관 내 질량 유량과 유체 밀도의 함수이다. 따라서 미터의 신호는 질량 또는 부피 유량을 측정하고 원하는 양의 유체가 수송되고 있는지 확인하는 데 해석될 수 있다.

마찬가지로 유체 점도 증가는 진동 감쇠 증가를 초래한다. 진동 주파수는 주로 유체 밀도의 직접적 척도이다. 예를 들어 오일 같은 물질(낮은 밀도, 높은 점도)에서는 물(높은 밀도, 낮은 점도)보다 진동이 더 빠르지만 더 감쇠된다. 진동 주파수와 감쇠를 측정하면 밀도와 점도를 결정하고 유체 흐름과 관련된 공정 품질을 모니터링할 수 있다. 같은 물리적 효과는 움직이는 유체에서 진동하는 캔틸레버 같은 물체에도 적용된다.

점탄성 음향 예시

그림 1. 엔드레스하우저에서 설계한 코리올리 유량계. (이미지: COMSOL)

엔드레스하우저 플로우(엔드레스하우저 유량계 제조 부문) 수석 전문가인 Vivek Kumar 박사는 수치 시뮬레이션 분야 선임 전문가로 센서 성능 개선에 힘쓴다. 그의 모델링 작업은 팀이 유량계의 음향, 구조, 유체 흐름 효과를 깊은 수준에서 이해하도록 도왔다. 유체-구조 상호작용과 진동음향이 센서 성능에 미치는 영향을 이해함으로써 미터 성능과 품질을 개선하기 위한 다양한 설계 조정이 가능해졌다.

팀은 점성 유체가 진동관을 통과할 때 발생하는 복잡한 점성 감쇠를 이해하기 위해 점탄성 음향 모델로 수치 분석을 시작했다.

그림 2. 서로 다른 유체 점도에 따른 관 진동 주파수 변화와 결과적 기계적 변위(왼쪽). 진동 운동으로 인한 관 변형 시각적 예시(오른쪽). (이미지: COMSOL)

COMSOL Multiphysics® 소프트웨어를 사용하여 유체 점도가 관 진동 주파수에 미치는 영향을 분석했다. 그림 2는 유체 점도에 따른 주파수와 관 변위 예측 시뮬레이션 결과를 보여준다. 미터 주파수 출력을 변화시키는 물리적 효과를 시뮬레이션하고 더 잘 이해함으로써 팀은 이러한 효과를 활용하여 미터 성능을 개선할 수 있었다. 이 경우 관 감쇠 변화를 활용하여 측정된 밀도 오차에 대한 점도 효과를 보상했다.

"다른 유체가 센서 성능에 어떻게 영향을 미칠지 이해하고 싶었습니다."라고 Kumar는 말했다. "시뮬레이션을 통해 다양한 경우를 분석하고 궁극적으로 디바이스 설계를 최적화하여 고객이 사용하거나 추출하는 유체 물질 특성을 특성화할 수 있도록 도울 수 있었습니다."

마이크로스케일 예시

그림 3. 밀도 및 점도 측정용 MEMS 코리올리 칩. 왼쪽은 펜치로 잡은 완전한 센서. 오른쪽은 디바이스 내부 칩 레이아웃. (이미지: COMSOL)

그림 4. 진동 마이크로채널의 두 고유 모드. 색상은 채널 다른 영역의 상대적 변위 레벨을 나타낸다. (이미지: COMSOL)

엔드레스하우저 플로우 자회사인 TrueDyne Sensors AG는 유사한 개념 기반 MEMS 디바이스를 개발한다. 다양한 용도로 열물리 유체 특성을 측정하는 진동 센서를 설계하고 테스트한다. 팀은 특정 고객 솔루션용 센서를 개발하므로, 독특한 경우에 어떤 진동자가 최적 감도를 제공할지 아는 것이 필수적이다.

MEMS 코리올리 칩(그림 3)은 더 큰 코리올리 유량 센서와 같은 원리로 작동하는 독립 진동 마이크로채널을 활용한다. 코리올리 시뮬레이션 경우와 마찬가지로 마이크로채널 진동 분석을 수행하여 기본 고유 모드와 흐름 채널 양 끝의 진동 속도를 결정해야 한다(그림 4). 이 특정 센서는 불활성 가스, 액화석유가스(LPG), 탄화수소 연료, 냉각 윤활유 같은 유체 밀도와 점도 평가에 사용된다. 크기 덕분에 매우 작은 유체 양 측정에 적합하다.

그림 5. MEMS 코리올리 칩 열 결과: 2D(위), 3D(아래). (이미지: COMSOL)

그림 6. 입구·출구 런이 없는(0 x DN) 엔드레스하우저 설계 Promag W 400 전자기 유량계. 전극이 파이프 내부에 보인다. 폴리우레탄 라이너가 파이프와 액체 사이 전기 절연을 제공한다. (이미지: COMSOL)

이처럼 작은 디바이스에서의 구체적 과제 중 하나는 구동을 위한 고전압이 전기적 고장 시 디바이스를 가열시킬 수 있다는 점이다. 이 안전 위험을 고려해 열 분석(그림 5)을 수행하여 칩에서 열이 어디로 소산되는지, 유체가 너무 뜨거워지는지 확인했다. 흐름 채널을 둘러싼 진공 챔버가 전극과 유체 간 열 전달을 최소화하여 온도가 한계를 초과하지 않음을 확인했다.

전자기 유량계 최적화

또 다른 유량계 유형은 로렌츠 힘을 이용하는 전자기 유량계이다. 로렌츠 힘은 자기장을 통과하는 대전 입자에 작용한다(그림 6). 이 유량계에서 입자는 전도성 액체의 이온, 움직임은 파이프를 통과하는 액체 흐름, 자기장은 파이프 위아래 코일 세트가 공급한다. 결과는 파이프 양단 전자기 전위이며, 한 쌍의 전극으로 측정할 수 있다. 신호는 일반적으로 m/s당 수백 mV 수준이며, 설계가 완벽하면 측정된 전위는 유속에 비례하고 전도도와 무관하다.

전자기 유량계 시뮬레이션은 코일이 생성하는 자기장과 파이프 내 유속 분포를 계산하고 결합하여 전기 전위를 계산하는 다중물리 모델링 소프트웨어를 필요로 한다(그림 7). 전자기 유량계는 일반적으로 몇 분의 1% 측정 정확도로 지정되므로 시뮬레이션은 극도로 정확해야 한다. 엔드레스하우저 플로우 시뮬레이션 전문가 Simon Mariager 박사와 Simon Triebenbacher 박사는 이러한 시뮬레이션을 사용하여 전자기 유량계의 주요 한계 중 하나인 유량 프로파일 민감성을 제거했다.

그림 7. 전자기 디바이스 다중물리 모델. 코일 전류는 빨간 화살표로, 스트림라인은 유량계 내부 자기장 강도를 보여준다. 다채로운 슬라이스 플롯은 유량계 입구 유속 크기를 보여준다. 이 비균질 유량 프로파일은 업스트림 90도 벤드(표시 안됨)에 의해 생성되었다. 중앙 반쪽 슬라이스는 0 x DN 풀 보어 센서의 훨씬 더 균질한 가중 함수를 보여주며, 유량 프로파일 및 관련 교란으로부터 독립적인 설계를 나타낸다. (이미지: COMSOL)

기존 전자기 유량계는 놀랍게도 견고하지만, 파이프라인 벤드 후 발생하는 유량 프로파일 변화는 측정 오차를 초래한다. 이 때문에 제조사들은 이러한 유량계 앞에 일정한 길이의 직관(일반적으로 공칭 직경의 10배)을 권장한다. 그러나 이 권장 설계는 전자기 유량계 설치를 어렵게 만들 수 있는데, 몇 밀리미터에서 수 미터까지 다양한 파이프 크기로 제공되기 때문이다. 입구 길이 제거가 엔드레스하우저 플로우 최근 개발 프로젝트 목표였다. 유량계 가중 함수 최적화가 필요했다. 이론적으로 이는 가중 함수의 컬이 모든 곳에서 0이어야 하지만, 실제 기하학에서는 수학적으로 불가능하다.

대신 추가 측정 전극을 사용하여 필요한 자유도를 확보했다. 그럼에도 몇 개 전극이 필요하고 어디에 배치해야 할지 결정해야 했다. 벤드와 밸브 같은 흐름 교란 후 파이프 흐름 시뮬레이션을 사용하여 다양한 실제 애플리케이션에서 전자기 유량계 성능을 예측하고 설계를 최적화하여 새로운 유량계가 유량 프로파일에 사실상 독립적이게 만들었다.

회사 및 고객 요구 충족

엔드레스하우저 시뮬레이션 팀에게 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어 기능은 일상 R&D 작업에서 유량 측정 디바이스 최적화와 개발에 도움이 되었다. 다중물리 분석은 테스트와 프로토타이핑에 소요되는 전체 시간과 노력을 줄이고 최고 품질 센서 생산을 가능하게 하는 통찰을 제공한다.

엔드레스하우저 플로우 선임 전문가 Christof Huber 박사는 자신의 모델이 디바이스 설계 변경을 가져와 엔드레스하우저 고객 경험을 개선하는 것을 볼 때 영감을 받는다고 말했다. "이 도구들은 고객 문제를 해결하는 데 사용됩니다. 현장에서 작동하는 것을 봅니다. 우리의 혁신이 실천되는 것을 봅니다. 수익을 봅니다. 우리가 이 일을 하는 이유를 봅니다."라고 Huber는 말했다.

이 기사는 COMSOL(매사추세츠주 벌링턴)의 Rachel Keatley가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.