MFM과 MFC에 가스 변환 계수(GCF - Gas Conversion Factors)를 적용하는 방법


Teledyne hastings 사의 Mass Flow Meter / Controller 를 사용하면 기체의 유량을 빠르고 정확하게 측정할 수 있습니다.

대부분의 경우 하나의 질량 유량 측정기에 한 종류의 가스를 사용하지만 한 기기에 다른 종류의 가스를 사용해야 할 경우가 생길 수 있습니다.


이번 시간에는 다양한 가스에서 질량 유량 측정기를 사용할 때 가스 변환 계수(Gas Conversion Factors)를 적용하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

질량 유량 측정기의 열전대 센서와 가스 변환 계수

먼저 가스 변환 계수에 대해 알아보기 전에 유량 센서의 작동 원리에 대해 알아보겠습니다.

Teledyne Hastings사 MFM-200 Sereis의 센서 다이어그램



위의 사진은 Teledyne Hastings사 200 시리즈 유량 센서의 다이어그램입니다.

가스가 유량 측정기를 지날 때, 가스 중 일부가 약 130℃의 온도로 가열되는 모세관을 통해 흐르게 됩니다.

모세관에는 두개의 열전대(Thermocouple)센서가 부착되어 있어 각각 업 스트림(TC-1)과 다운 스트림(TC-2)의 온도를 측정합니다.


두 열전대 센서의 온도 차이는 모세관을 통과하는 가스의 열 흐름에 비례하며, 열 흐름은 가스의 특정 열 Cp에 대한 질량 흐름의 시간에 비례합니다.

따라서 이미 어떠한 가스에 대해 보정된 MFM을 이용해 다른 종류의 가스를 측정하고 싶은 경우에는 측정값에 열의 비율을 곱하면 됩니다. (GCF x Cp1 / Cp2)


여기서 주의해야 할 점으로는


첫째, 표시된 비율은 단순한 근사치이며 세부 내용은 다를 수 있습니다.

둘째, 가장 좋은 가스 변환 계수는 실험적으로 측정된 값입니다.

셋째, 위험한 가스의 경우 사용 가능한 최고의 열역학 데이터를 사용하는 것을 권장합니다.


아래 표는 일반적으로 사용되는 가스의 변환 계수값입니다.


MFM의 가스 변환 계수 적용 방법


이번에는 질량 유량 측정기(Mass Flow Meter)에 실제로 가스 변환 계수를 적용하는 방법에 대해 설명하겠습니다.



먼저 질소로 보정된 질량 유량 측정기에 가스 변환 계수를 실제로 적용시키는 예를 들어보겠습니다.

질소로 보정된 질량 유량 측정기에 아르곤을 측정하기 위해서는 측정값에 아르곤에 대한 변환 계수를 곱합니다.

만약 200 Series를 사용할 경우 (실제 유량=측정값x1.401)입니다.



또 다른 방법을 설명하기 위해 이번에는 헬륨으로 보정된 질량 유량 측정기로 수소의 유량을 측정하겠습니다.

먼저 측정값을 헬륨에 대한 변환 계수로 나눕니다.

그 다음 다시 수소에 대한 변환 계수를 곱하는 방법을 사용할 수 있습니다.

만약 200 Seires를 사용할 경우 (실제 유량=측정값÷1.402x1.009) 입니다.


이 계산 방법에서 꼭 기억해야 할 것은 사용중인 질량 유량 측정기의 모델 시리즈를 구분하는 것입니다.

200 Series와 Digital 300 Series의 가스 변환 계수는 전혀 다르기 때문에 혼동하지 마시기 바랍니다.

또한 Teledyne Hastings사의 제품의 가스 변환 계수를 다른 제품에 적용하는 것은 정확한 변환 계수값의 적용이 어렵기 때문에 권장하지 않습니다.

전원 공급 장치를 이용한 변환 계수 적용 방법


가스 변환 계수를 적용하기 위해 사용할 수 있는 또 하나의 방법은 바로 Lead Out 이라고도 불리는 전원 공급 장치를 이용하는 방법입니다.

Teledyne Hastings사의 유량 전원 공급 장치 제품인 THCD-101은 변환 계수를 적용하는 것과 동일하게 빠르게 아날로그 신호를 입력할 수 있습니다.


위에서 제시한 아르곤의 예시를 다시 살펴보겠습니다.



위의 그림과 같이 질소로 보정된 질량 유량 측정기와 함께 THCD-101 전원 공급 장치를 사용하면 유량계는 풀스케일(Full Scale)일 때 5 VDC의 아날로그 신호를 전원 공급 장치로 출력합니다.

만약 동일한 측정기와 전원 공급 장치를 아르곤에 사용하고자 하면 THCD-101이 5 VDC를 수신할 때 얼마의 값을 표시하는지 설정해주기만 하면 됩니다.


따라서 예시로 든 측정기가 질소 250 sccm에서 5 VDC를 출력하도록 보정되어 있을 경우, 아르곤을 측정할 경우 350.025 sccm에서 5 VDC를 출력하게 됩니다.

250 sccm[질소 측정값]x1.4001[아르곤 변환 계수]=350.025 sccm[변환 계수를 적용한 아르곤 측정값]

MFC와 전원 공급 장치를 이용한 변환 계수 적용 방법


이번에는 유량을 제어할 수 있는 질량 유량 제어기(Mass Flow Controller)를 이용한 예를 들어보겠습니다.


아날로그 MFC는 일반적으로 0~5 VDC 또는 4~20 mA의 신호를 수신한 다음 출력 신호를 입력 신호와 일치하도록 제어 밸브를 조정하는 방식으로 유량을 제어합니다.

0~5 VDC MFC의 경우 5 VDC의 신호는 전체 유량의 100%로 유량을 제어하는 것을 의미합니다.

VDC 신호와 제어 유량은 선형(Linear)관계를 갖기 때문에 만약 사용자가 전체 유량의 25%만큼만 유량을 흐르게 하고 싶다면 1.25 VDC의 신호를 입력하면 됩니다. (0.25x5 VDC=1.25 VDC)



이제 메테인으로 보정된 최대 유량 200 sccm의 HFC-202 질량 유량 제어기(200 Series)에 0~5 VDC 신호를 사용해 아르곤의 유량을 제어한다고 가정해보겠습니다.

100 sccm의 아르곤을 흐르게 하기 위해서는 얼마의 전압이 필요할까요?


먼저 5 VDC의 신호를 내보낼 수 있는 최대 유량인 200 sccm에 대한 질소를 기준으로 한 메테인의 변환 계수를 이용해 아르곤의 변환 계수를 계산합니다.

200[측정값]÷0.77[메테인 변환 계수]x1.401[아르곤 변환 계수]=363.896


따라서 해당 장비의 아르곤 최대 유량값은 363.896 sccm 이며, 이때 출력값는 5 VDC가 되는 것입니다.

위의 물음과 같이 100 sccm이 흐르길 원한다면

5 VDC[최대 신호값]÷363.896[최대 유량값]x100 sccm[원하는 유량값]=1.374 VDC 의 신호를 입력하면 됩니다.


어떤 종류의 가스로 보정된 MFC로 다른 종류의 가스를 측정, 제어할 때 한 가지 주의해야 할 점은, 가스 변환 계수를 이용하는 것이 전부가 아니라는 점 입니다.

설정 되어 있는 가스에서 다른 가스로 전환할 때 MFC의 유량 컨트롤 밸브가 정확하게 작동한다는 보장은 없습니다.

극단적인 예로 수소를 제어하기 위해 제작된 MFC는 수소를 처리할 수 있는 크기의 오리피스가 설치되며, 이런 경우 크기가 큰 다원자 분자를 가진 에테인(Ethane - C2H6)과 같은 가스의 유량을 제어하는데 어려움을 겪을 수 있습니다.



Teledyne Hastings 사의 Mass Flow Meter / Controller 는 다양한 종류의 가스 유량 측정이 가능하며, 각각의 가스에 맞는 Wetted Material 을 사용하여 높은 정확도의 유량 측정이 가능합니다.

가스 혼합물 및 사용 가능한 Wetted Material, 그리고 Mass Flow Meter / Controller 에 대한 문의는 아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.





https://www.inforad.co.kr/



참고

http://info.teledyne-hi.com/blog

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