질량 유량 측정 / 제어기(MFM / MFC)를 올바르게 사용하는 방법
MFM / MFC 사용 백서(White Paper)
질량 유량 측정 / 제어기(Mass Flow Meter / Controllere)는 다양한 가스의 유량을 정확하고 신속하게
측정 / 제어 할 수 있는 장비 이며, 다양한 가스를 사용하는 다양한 환경에서 사용할 수 있습니다.
이 글에서는 Mass Flow Meter / Controller(이후, 호칭을 MFC로 통일)를
최대한 정확하고 안전하게 활용하기 위한 고려사항에 대해 설명하도록 하겠습니다.
청결(Cleanliness)
MFC를 설치할 때 많은 사용자가 청결을 염두하지 않습니다.
그러나 설치시 일어나는 오염은 조금만 신경쓰면 방지할 수 있습니다.
이 문제를 이해하려면 MFC가 가스 흐름을 감지하고 제어하는
방법에 대해 미리 알아보는 것이 도움이 됩니다.
아래의 그림에는 일반적인 열식 질량 유량 센서와 제어 밸브가 나와 있습니다.
대부분의 가스 흐름은 바이패스(Flow Bypass)를 통과하지만 가스의 일부분은
작은 모세관을 통해 감지 튜브(Mass Flow Sensor Tube)를 통과하게 됩니다.
감지 튜브를 흐르는 가스를 이용해 열 전대 방식으로 열의 전달 속도를 측정하게 되는데,
MFC를 설치할 때 일어난 이물질이 이 튜브로 들어가게 되면 유량 감지의 정확성이 떨어질 수 있습니다.
그리고 가스는 제어 밸브(Control Valve) 부분에서 오리피스(Valve Orifice)를 통과하게 되는데,
이 오리피스는 가스의 유속 및 압력 조건에 따라 크기가 결정됩니다.
예를 들어 최대 유량 5 sccm 에 압력이 30 psi 인 MFC의 오리피스는
머리카락 굵기보다 얇은 0.01 mm 만큼 작을 수 있습니다.
이 오리피스에 MFC 설치 중 생기는 이물질이 들어가게 되면 밸브가 올바르게 작동하지 않을 수도 있습니다.
오염의 원인(Reason of Pollutions)
MFC를 설치하면서 오염이 발생하게 되는 원인에는 무엇이 있을까요?
문제를 가장 빈번하게 일으키는 이유는 먼지입니다.
FMC먼지가 없는 환경에 설치 해야 하는데, 판넬이나 샤시에서 작업할 경우
MFC를 설치하기 전에 해당 영역을 비우고 닦아내고 설치하도록 니다.
파이프 나사 피팅이 있는 MFC의 경우, 사용자는 리크 방지 테이프가
가스 통로에 들어가지 않도록 주의해야 합니다.
밸브 오리피스가 매우 작으면 (0.1 mm 미만) 설치시, 가루가 뭍어있는 장갑(라텍스 및 고무 장갑)은
사용하지 않는 것이 좋습니다.
주변 환경의 습기 및 불순물을 포함한 모든 오염 물질은 열 센서의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.
설치중 사용되는 그리스 또는 윤활제는 사용 되는 가스와 화학적 반응을 일이킬 수 있기 때문에
신중하게 고려하고 모니터링 해야 합니다.
센서 모세관 내부를 코팅하는 모든 윤활제는 MFC의 열 흐름을 왜곡시키거나 단절시킬 수 있습니다.
FMC의 오류가 지속적으로 나타나는 가장 큰 원인은
이미 오염이 진행되어 있는 라인에 새로운 MFM / MFC 제품을 설치하는 것입니다.
다음은 그와 관련된 문제를 피할 수 있는 몇가지 지침입니다.
1. 예방
가장 먼저 해야 할 일은 결함이 있는 MFC를 제거할 때 불활성 가스를 이용해
제품 및 라인에 있는 불순물들을 제거하는 것입니다.
대부분의 시스템은 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)을 이용해
사용했던 가스의 흔적과 오염 물질을 라인에서 제거할 수 있습니다.
장치를 제거하고 제품의 가스 입구와 출구 등, 모든 연결부를 확인하고 나면
오염 물질에 대한 추가 검토가 필요한 부분이 어딘지 알 수 있을 것입니다.
2. 제거
가장 일반적인 방법은 MFC를 설치할 때, 'Spool'을 사용하는 것입니다.
'Spool'은 MFC와 파이프를 연결할 때 사용하는 일종의 연결부로,
전체 라인의 길이를 조절 할 때 사용할 수 있으며,
해당 부분을 통해 세척을 하거나, 오염물질을 배출 할 수 있습니다.
3. 청결한 설치
MFC는 클린 백에 봉인 된 상태로 출고됩니다.
최대한 설치 직전에 클린백에서 제품을 꺼내도록 하고,
오염물질이 없는 것으로 확인된 시스템에만 새 FMC를 설치합니다.
시스템이 사용하는 연결 유형은 MFC 제조사의 사양을 참고합니다.
여과(Filtration)
이제 가스 라인과 여과(필터)에 대해 이야기해 보도록 하겠습니다.
일부 사용 환경에서는 미량의 오일 및 다른 오염물질과 불순물 등이 가스 흐름에 섞일 수 있습니다.
앞서 살펴본 바와 같이 유량 센서 및 밸브의 구성 요소에 불순물이 있을 경우,
시간이 지남에 따라 지속적으로 축적되어 MFC에 영향을 줄 수 있습니다.
이 상황을 해결할 수 있는 한가지 방법으로는 오염 물질이나 불순물이
MFC의 내부 구성요소에 닿지 않도록 아래의 사진과 같은 인라인 필터(Inline Filter)를 설치하는 것입니다.
필터를 선택할 때, 어떤 유형의 오염 물질을 예방해야 하는지 미리 알고 있으면 도움이 됩니다.
압축기(Air Compressor)에서 생성되는 공기의 경우, 미량의 오일을 의심해볼 수 있습니다.
미립자 불순물에 의한 오염이 의심되는 경우, 15 마이크론 필터가 MFC를 보호할 수 있습니다.
특정 사용 환경의 경우, 여러가지의 필터를 테스트해
사용 환경에 가장 적합한 필터를 결정하는 것이 좋습니다.
하지만 MFC 시스템에 인라인 필터를 추가하면 가스 압력 강하를 일으킬 수 있습니다.
예를 들어 0'C, 760 Torr 기준의 20 slm 유속에서 500 psig의 높은 압력으로 가스가 흐른다고 가정할 때,
15 마이크론 필터는 약 0.5 psi의 압력을 하락시킵니다.
필터를 사용중에 MFC의 오염이 의심되면 필터를 교체 해주어야 합니다.
오염물질이 MFC를 오염 시킨다는 것은 필터가 손상되었단 뜻이며,
손상된 필터는 오염물질을 지속적으로 라인으로 방출하기 때문에 바로 교체 해주어야 합니다.
압력 조절(Pressure Regulation)
위에서 가스와 유량 및 압력 조건에 따라 밸브 오리피스가 선택되는 방법에 대해 설명을 했습니다.
MFC의 제어 피드백 루프는 다양한 압력 조건을 처리할 수 있도록 설계되었지만
아래 사진과 같은 압력 조절 밸브(Pressure Regulator)를 사용하면
MFC에 설정된 압력에 알맞는 압력으로 가스를 흘려보내 더욱 정확한 유량 측정 / 제어가 가능합니다.
적절하게 선택된 압력 조절 밸브는 가스 라인에 매우 탁월한 투자가 될 수 있습니다.
아래 사진의 MFC 라벨에는 상단부(Up Stream)와 하단부(Down Stream) 압력이 명시되어 있습니다.
압력 조절 밸브는 가스 라인에서 예상 할 수 있는 최대 압력을 MFC에 맞게 조절해 주어야 합니다.
MFC의 유량 보다 크기가 작은 압력 조절 밸브는 MFC에 들어가는 유량을 저하시켜
정확한 유량 측정 / 제어를 방해할 수 있습니다.
압력 조절 밸브를 구입할 때는 압력 조절 밸브가 가스 라인의 유량과 압력을 적절히 처리할 수 있도록
사용 환경을 검토하고, 가스 호환성과 사용상의 문제가 없는지 확인하도록 합니다.
라인 크기(Line Size)
MFC 설치시 또 고려해야 할 사항으로는 라인 크기(직경)가 있습니다.
MFC로 이어지는 라인의 직경이 좁을 경우, 가스 라인의 압력이 매우 크게 하락하고
소형 압력 조절 밸브를 설치했을 때와 마찬가지로 MFC로의 가스 공급량이 적어질 수 있습니다.
또한 MFC가 유량을 제어해야 하기 때문에 MFC와 압력 조절기 사이의 압력 강하로 인해
MFC의 상단부 압력이 변동될 수 있고 이것 역시 정확한 측정 / 제어를 방해할 수 있습니다.
가스 라인에 다수의 MFC가 설치되어 있는 경우, 1개의 MFC에 의한 상단부 압력의 변동은
다른 MFC에 영향을 줄 수 있습니다.
직선성(Straight Piping)
아래 사진과 같이 50 slm 이상의 큰 유량을 측정하기 위해 추가 배관이 장착되어 있는 경우에는
유량 측정계의 상단부에 직선 배관을 설치하는 것이 중요합니다.
이렇게 하면 가스가 유량계의 가스 우회로로 유입되어
난기류의 양을 줄이는데 도움이 되며, 더 나은 정확도와 반복 정확도를 얻을 수 있습니다.
상단부의 배관은 MFC에 장착된 배관의 직경보다 최소 5배 이상 긴 직선 길이가 필요한데,
예를 들어 직경이 3cm인 추가 배관이 장착된 열식 질량 유량계를 사용하는 경우
MFC 상단부 배관의 최소 권장 직선 길이는 15cm가 됩니다.
전기 연결(Electrical Connections)
MFC의 배선 작업을 할 때 유의해야 할 사항이 몇가지 있습니다.
첫째는 전자 방해(Electric Magnetic Interference)이 있는 환경에서는
차폐 케이블을 사용하는 것이 좋습니다.
많은 MFC가 전자 방해를 특정 레벨까지 거부하지만,
올바르게 배선 된 경우에만 전자 방해를 거부할 수 있습니다.
경우에 따라 MFC의 연결핀 중 하나가 접지에 연결되어야 할 수도 있습니다.
MFC와 관련된 특정 배선 요구 사항에 대해서는 MFC 매뉴얼을 검토 하도록 합니다.
또한 충분한 전력을 공급할 수 있는 전원 공급장치를 사용해야 하는데,
전원 공급 장치의 출력이 떨어지면 유량 신호 출력이 부정확해 질 수 있기 때문입니다.
4-20mA
4-20mA 입, 출력에 관한 내용은 매우 중요한 주제입니다.
4-20mA 입, 출력은 MFC가 노이즈가 매우 심한 환경에 설치되거나,
전원 공급 장치에서 멀리 떨어져 있는 경우 유용할 수 있습니다.
0-5 VDC 입, 출력은 케이블 길이에 따른 노이즈 증가 또는 신호 손실로 인한 문제를 발생시킬 수 있습니다.
MFC가 전원 공급 장치로부터 15m 이상 떨어져 있는 경우, 4-20mA 사용을 고려해야 합니다.
교정 간격(Calibration Interval)
ISO 17025는 "시험 및 교정 연구소의 역량에 대한 일반 요구사항
(General equirements for the competence of testing and calibration laboratories)"에 대한
국제 표준입니다.
표준에 의하면, 교정 인증서 또는 라벨에는 교정 간격에 대한 권장 사항이
포함되어서는 안된다고 명시되어 있습니다.
그렇다면 MFC의 교정은 언제 이루어져야 할까요?
화학적으로 불활성 청정 가스를 사용하는 시스템에 설치된 MFC는 제조업체의 사양에 따라
수년간 성능을 보장할 수 있습니다.
그러나 MFC가 산성이나, 부식성과 같은 공격적인 가스에 노출되거나, 오염될 가능성이 있는 경우
시간이 지나면서 유량 측정의 정확도가 떨어질 가능성이 있습니다.
일반적으로 초기에는 1년 마다 교정을 진행하고, 1년 이후 정확성에 대한 교정 데이터가
기대치를 벗어나게 되면 교정 간격을 줄이는 것을 고려해 보아야 합니다.
그 후 정확성에 대한 교정 데이터가 규격 내에 2 ~ 3 번 정도 들어오게 되면,
다시 교정 간격을 늘려도 좋습니다.
추가 문의(Questions)
가스의 유량 측정은 사용 환경에 따라 여러가지 고유한 요구사항이 있을 수 있습니다.
여러가지 사용 환경에서 MFC를 사용하는데 어려움이 있거나
궁금한 사항이 있으시면 언제든지 연락하시기 바랍니다.
여러분의 어려움을 함께 고민하고 해결해 나갈 수 있도록 항상 준비하고 있겠습니다.
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