열식 가스 질량 유량계의 응용과 선정

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열식 가스 질량 유량계는 그 고유한 우수한 특성 덕분에 점점 더 많은 사용자들에게 인정받고 사용되고 있으며, 현재 다양한 가스 유량 측정 분야에 적용되고 있습니다.하지만 이러한 응용 분야에서도 많은 문제와 오해가 존재합니다. 많은 제조업체들이 무책임한 홍보를 통해 소비자를 오도하고, 제품의 품질 문제로 인해 제품 사용에 많은 장애와 문제가 발생합니다. 그 결과, 많은 사용자들이 열식 가스 유량계에 대해 잘못된 인식을 갖게 됩니다. 어떤 사람들은 열식 유량계가 모든 조건에서 가스의 유량을 측정할 수 있다고 잘못 생각하는 반면, 또 다른 사람들은 열식 유량계를 거부하거나 반대하기도 합니다.저는 지난 몇 년간 열식 가스 유량계 제품의 홍보와 마케팅에 힘써왔습니다. 국내외 여러 브랜드의 유량계를 접해보았으며, 실제 판매 과정에서 다양한 응용상의 문제들을 마주했습니다. 그 과정에서 수많은 사례들을 축적할 수 있었고, 이러한 사례들을 정리하면서 제 나름의 깨달음도 얻었습니다. 이를 여러분과 공유하고자 합니다. 이 글에서는 전문적인 관점에서 궁금증을 해결해 드리고, 각 산업 분야의 열공학 전문가들이 올바른 열식 가스 질량 유량계를 선택할 수 있도록 도와드립니다.우리는 세 가지 측면에서 차례로 설명하겠습니다: 1. 열식 가스 질량 유량계의 원리에 대한 올바른 이해. 열식 가스 질량 유량계의 기원은 핫와이어형 풍속계에서 비롯되었습니다.백금 가열선의 온도는 유체의 흐름 속도와 비례 관계에 있습니다. 흐름 속도가 빠를수록 빼앗아 가는 열량도 많아집니다.아래에서는 왜 열량의 변화를 측정함으로써 기체의 질량 유량을 알 수 있는지 간단히 설명하겠습니다. 공식: H=m×Cp×ΔT
측정된 열량인 H를 알고 있고, 온도 차 ΔT가 일정할 경우, 비열용량 Cp가 일정한 기체의 경우에는 기체의 질량 유량 m을 직접 구할 수 있다. 이제 미시적인 측면에서 왜 가스의 질량 유량을 직접 측정해야 하는지 설명하겠습니다. 그림과 같이, 기체 분자가 가열된 벽과 접촉하여 열전도를 통해 프로브의 열을 빼앗아 갑니다.서로 다른 기체 분자들이 열을 운반하는 능력이 다르기 때문에, 기체 분자의 열전도 능력(Cp 값)이 알려져 있다면, 소비되는 전력을 측정함으로써 흐르는 기체 분자의 수(즉, 질량수)를 직접 구할 수 있습니다. 이를 통해 기체의 질량 유량을 알아낼 수 있습니다.공식 H=m×Cp×ΔT를 변형하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있습니다: m=H/Cp×ΔT. 여기서, m은 기체의 질량 유량이며, H는 보상되는 전력의 크기입니다. Cp는 정압 비열용량으로, 기체의 종류에 따라 달라집니다. ΔT는 두 센서 사이의 온도 차이입니다. 위의 공식을 통해 두 가지 형태의 열식 원리를 도출할 수 있습니다. 하나는 분모인 온도 차이를 일정하게 유지한 채, 실시간으로 기체가 가져가는 열량 H의 크기를 측정함으로써 기체의 질량 유량을 구하는 방법입니다. 이것이 바로 현재 시장에서 주로 사용되고 있는 정온차 열식입니다.분자의 열량 H를 일정하게 유지하고, 온도 차이의 크기를 실시간으로 측정하여 기체의 질량 유량을 구하는 방식이 바로 정속력 열식입니다.정온차 원리는 매우 우수한 저유량 특성을 가지며, 질량 유속이 0.1Nm/s까지 낮아도 훌륭한 선형성을 보입니다.또한 빠른 반응 능력도 갖추고 있습니다.정속도 원리는 높은 유속 변화를 감지할 수 있어, 고유속 환경에서 매우 우수한 성능을 보이지만, 저유속 시의 성능은 정온차 방식에 비해 떨어집니다. 또한 응답 시간도 정온차 방식에 비해 낮습니다.二. 열식 가스 질량 유량계의 우수한 성능에 대한 올바른 이해
양질의 열식 유량계 제품이라면 반드시 두 가지 주요 특징을 갖추어야 합니다. 바로 우수한 센서 제조 기술과 완벽한 실제 유량 측정 장치입니다.이 두 가지 특징을 각각 살펴보도록 하겠습니다. a. 프로브 제조 공정: 앞서 열식 유량계의 원리에 대해 설명했는데, 원리를 통해 알 수 있듯이 프로브는 전체 열식 가스 질량 유량계의 핵심 요소입니다. 프로브의 성능 여부가 유량계의 측정 정확도, 반복성, 사용 수명, 저유속에서의 성능을 결정합니다.프로브는 백금 저항선과 보호 케이스인 스테인리스 스틸로 구성되어 있습니다.백금 전열선은 전기를 전도하고, 외피인 스테인리스 스틸도 전기를 전도합니다. 따라서 둘 사이의 충전재는 반드시 우수한 열전도성을 가져야 하지만, 동시에 전기는 전도해서는 안 됩니다.이것은 모든 열식 유량계의 핵심인 가열 프로브의 충전재와 밀봉 공정으로 이어집니다. 충전층이 두꺼울수록 절연성은 좋아지지만, 열 전도성은 떨어지고 온도에 대한 민감도도 낮아지며 반응 지연도 생깁니다.충전재가 유기물인 경우 노화가 쉽게 일어나 충전재에 균열이 생기고, 이로 인해 유량계의 제로 포인트가 편차를 보입니다.충전물 내에 미세한 공기가 있을 경우, 이 프로브가 계속 가열 상태에 있어 미세한 공기가 팽창하면서 영점 변동이 발생합니다. 전통적인 열식 질량 유량계의 가열형 속도 센서는 스테인리스 스틸 튜브 프로브의 끝부분에 내장되어 있으며, 센서와 스테인리스 스틸 튜브의 내벽 사이에는 혼합물이 채워져 있습니다.이 혼합물은 전기적으로 절연되어야 하면서도 낮은 열저항을 유지해야 하며, 일반적으로 에폭시 수지, 세라믹 시멘트, 내열 접착제 또는 알루미나 분말, 마그네슘 산화물 분말 등이 사용된다.위와 같은 충전제를 사용하는 이러한 “습식” 센서들에는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 사용 시간이 길어질수록 그 표면의 열저항이 계속 증가하여 출력 곡선이 하락하는 경향을 보입니다. 이로 인해 센서의 감도가 떨어지고, 결국 측정 정확도에 영향을 미칩니다.““습도” 센서의 충전제는 속도 센서와 달리 열팽창 계수가 다르기 때문에, 사용 기간이 길어질수록 노화나 균열과 같은 현상이 발생합니다. 이로 인해 센서의 측정 정밀도가 떨어지게 되며, 장기적으로 일정한 정밀도를 유지하기 어렵습니다.이러한 캡슐화 및 충전재는 단기간에는 차이를 알아차리기 어렵지만, 반년에서 1년 후에는 반복성 저하나 영점 드리프트와 같은 문제들이 나타납니다.오른쪽은 미국 SIERRA의 열식 유량계 프로브의 구조도입니다. 스아레의 속도 센서는 현재 전 세계에서 유일하게 진정한 “건식” 센서입니다.그 독특한 밀봉 공정 덕분에 속도 센서와 스테인리스 내벽 사이가 완벽하게 채워지며, 충전제로 유기물을 사용하지 않고 백금-이리듐과 같은 무기물을 사용합니다.스야레 열식 유량계 제품은 감도와 재현성이 최적화되어 있으며, 속도 센서 내부의 충전재에는 언제나 균열이 생기지 않습니다. 또한 균열로 인한 오차 발생도 없어, 결국 측정 정확도가 크게 향상되고 장기적인 정밀도도 우수하게 유지됩니다. SIERRA는 가열식의 핵심 부품에 독특한 나노급 절연 성능을 가진 무기물을 충전하여 사용하며, 고압 성형 과정을 거쳐 나노급 충전재를 더욱 밀도 있게 만들어 10년 동안 드리프트가 발생하지 않도록 합니다.두 가지 다른 패키징 기술도 각기 다른 품질의 제품을 만들어냅니다.b. 실제 유량 교정 기술: 먼저 열식 가스 질량 유량계의 실제 유량 교정이 왜 중요한지 살펴보겠습니다.앞서 우리는 열식 측정 원리에 대해 이야기했습니다. 그 원리를 통해 알 수 있듯이, 열식 가스 질량 유량계의 측정 결과는 측정되는 가스 매체의 열전도율과 밀접한 관련이 있습니다. 각각의 가스 매체마다 비열용량은 온도와 압력에 따라 달라집니다.단순히 정압이나 음압 공기를 이용해 교정한 뒤 보정하는 방식으로 고성능 유량계를 얻는 것은 과학적이지 않습니다.게다가 실제로 확인해보니, 정확한 유량 측정이 불가능한 유량계를 사용하여 비공기 매질을 측정할 경우 데이터의 편차가 매우 크다.현재 시장에 나와 있는 열식 가스 질량 유량계들은 대부분 개방형 음압 공기를 이용해 교정을 수행한 뒤, 고압 환경에 맞게 보정하거나, 아르곤, 이산화탄소, 산소, 수소, 암모니아와 같은 다른 가스에 맞게 보정합니다.수정 보정은 필연적으로 측정 정밀도를 보장할 수 없게 만듭니다. 저압으로 보정된 계기는 고압 환경에서 사용되어서는 안 되며, 공기 매질로 보정된 계기는 다른 기체 매질에서 사용될 경우 측정 정밀도를 보장할 수 없습니다.삼. 열식 가스 질량 유량계를 올바르게 선택하기 위해서는, 유량 측정 시 발생하는 고장의 원인 중 약 70%가 부적절한 유량계 선정에 기인한다는 데이터가 있습니다. 나머지 30%는 유량계의 제품 품질이나 기타 요인들 때문입니다. 이로부터 유량계 선정이 유량 측정에 얼마나 중요한지 알 수 있습니다.열식 가스 질량 유량계 사용자는 특히 주의해야 하며, 기존 유량계를 교체할 목적이 아닌 이상 스스로 특정 모델의 유량계를 선택해서는 안 됩니다. 이 작업은 전문가인 판매업체에 맡기는 것이 가장 좋습니다.가능한 한 완전한 작동 조건 데이터와 몇 가지 기술적 요구사항만 제공하시면 됩니다.예를 들어, 유량 범위(권장 유량 단위는 입방미터 사용), 측정되는 매체, 파이프의 내경, 파이프의 재질, 작동 압력, 작동 온도, 방폭이 필요한지 여부, 유량계의 작동 환경 온도, 신호 전원 요구 사항, 정확도 등급, 어떤 공정에 적용되는지(공정 제어인지 또는 거래 계량인지), 측정 매체의 건조도와 청결도 등입니다.혼합 가스의 유량을 측정할 때는 반드시 각 성분의 비율을 백분율로 제공해야 합니다.마지막으로 한 가지 당부드리자면, 현장에 조건이 된다면 유량계는 일체형을 선택하시기 바랍니다.분리형이라면, 전송 신호 케이블은 측정 브리지의 일부로서 저항값을 가지고 있습니다. 아무리 우수하게 제작된다 해도, 측정 프로브의 저항값이 매우 작기 때문에 이 케이블의 저항값이 반드시 전자 회로의 연산과 처리에 영향을 미칩니다. 게다가 현장 환경의 영향으로 인해 저항값이 변동할 수 있습니다.분리형을 꼭 선택해야 한다면, 분리 거리는 가능한 한 짧은 것을 고르는 것이 좋습니다.측정하는 가스가 공기가 아닌 다른 기체 매질인 경우, 해외에서 실제 유량으로 교정된 열식 유량계 제품을 선택하는 것이 바람직합니다. 이 점은 반드시 기억해 두어야 합니다.물론, 측정 데이터에 대한 요구사항이 낮고 편차가 얼마나 되는지는 신경 쓰지 않으며 단순히 유량의 추세만 확인하고자 한다면, 저가형의 열식 유량계 제품을 선택할 수도 있습니다.저가 도매제품에 대해서는 스스로 더 주의를 기울이세요.기본적인 비용을 계산하여 해당 유량계가 제품 품질을 보장할 수 있는지 확인해야 합니다. 가장 기본적으로 고려해야 할 비용이 있으며, DN50 이하의 가스 유량계를 교정하는 데 드는 비용은 약 1000위안 정도입니다(지역에 따라 측정 기관의 요금이 다르므로 약간의 차이가 있을 수 있습니다).DN100 이하는 1500원입니다.DN100 이상의 경우, 관경 규격이 1단계씩 커질 때마다 교정 비용이 약 1,000위안 정도 증가합니다.열식 가스 질량 유량계를 올바르게 선택하는 데 가장 중요한 것은 많이 공부하여 측정 원리와 제품의 성능을 숙지하고, 제조업체의 영업 담당자들과 깊이 있는 대화를 나누며 각 브랜드의 특징을 명확히 파악하는 것입니다.자신에게 맞는 열식 가스 질량 유량계 제품을 올바르게 선택하여 스스로 자리를 잡을 수 있다.(해천화공 포럼에서 가져옴, 저작권은 원작자에게 있음)